磁気歯車減速機
【課題】減速機の軸方向への長さをコンパクトに保ちつつ、減速比を大きく取ることができ、且つ高い伝達トルク／体積重量を確保する。
【解決手段】入力軸１０２に設けられた偏心体１１２と、該偏心体１１２が嵌合され、該偏心体１１２により揺動回転すると共に、軸方向Ｏに磁極の対を有して交互に向きが異なる複数の磁気歯１２４Ｂ、１２６Ｂを自身の側面に備える複数の第１磁気歯車１２４、１２６と、該第１磁気歯車１２４、１２６の磁気歯１２４Ｂ、１２６Ｂの磁極の対の少なくとも一方と所定の空隙で該軸方向Ｏに対峙して磁気的噛合する磁気歯１３２Ｂ、１３４Ｂ、１３６Ｂを備えると共に、該第１磁気歯車１２４、１２６の歯数より僅少の差で歯数が多い複数の第２磁気歯車１３２、１３４、１３６と、前記第１磁気歯車１２４、１２６と前記第２磁気歯車１３２、１３４、１３６との相対回転成分を取出す出力軸１５４と、を備える。
【解決手段】入力軸１０２に設けられた偏心体１１２と、該偏心体１１２が嵌合され、該偏心体１１２により揺動回転すると共に、軸方向Ｏに磁極の対を有して交互に向きが異なる複数の磁気歯１２４Ｂ、１２６Ｂを自身の側面に備える複数の第１磁気歯車１２４、１２６と、該第１磁気歯車１２４、１２６の磁気歯１２４Ｂ、１２６Ｂの磁極の対の少なくとも一方と所定の空隙で該軸方向Ｏに対峙して磁気的噛合する磁気歯１３２Ｂ、１３４Ｂ、１３６Ｂを備えると共に、該第１磁気歯車１２４、１２６の歯数より僅少の差で歯数が多い複数の第２磁気歯車１３２、１３４、１３６と、前記第１磁気歯車１２４、１２６と前記第２磁気歯車１３２、１３４、１３６との相対回転成分を取出す出力軸１５４と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気を利用した歯車により非接触でトルクを伝達する磁気歯車減速機に関する。
【背景技術】
【０００２】
減速機の主流は、インボリュートの平又ははす歯歯車を用い、その歯数比によって減速を行うものである。このような減速機は自動車をはじめ、あらゆる産業において広く用いられている。
【０００３】
この種の減速機の問題点としては、減速機の歯車を構成する金属同士の接触に起因するものがほとんどである。それは、接触による振動・騒音の発生、歯車の寿命、及び潤滑油を必ず必要とすること、などである。
【０００４】
これに対し、その問題を解決する１つの方法として減速機を用いず、モータと負荷をダイレクトで結合することが挙げられる。モータの回転速度を制御するドライバの性能が向上し、また、永久磁石を用いた小型のモータが製作可能となるなど技術的な進展があったこと、また、クリーンルームやクリーンな環境が必要である食品製造現場など従来の工場とは異なる環境の工場に設置するなど潤滑剤を使用する減速機の存在をなくしたいという環境側からの要請によるものである。
【０００５】
しかし、モータドライバの低速回転における効率の問題や、価格の問題、またモータの小型化に限界がある点などにより、容易に置き換えができない事情も存在する。今後も今まで主流であった減速機が必要とされる領域が存在し、その領域はロボットなど装置の小型化が必然とされる分野では成長を続けていくと考えられる。
【０００６】
こういった状況の中で、前記問題を解決するもう１つの方法として、金属の接触をなくし磁気による吸引・反発により減速機構を実現するための歯車及び歯車機構の使用が挙げられる。例えば、歯車の歯面に磁力を付加し、互いに反発する力により噛合する歯車同士の空隙を確保して、歯車同士を非接触にする特許文献１に示す磁気歯車が提案されている。また、対峙させた磁気歯を有する回転円板の磁気歯の比により、入力された回転を減速する特許文献２、３に示す磁気歯車が提案されている。
【０００７】
【特許文献１】特公平６−５２０９６号公報
【特許文献２】特開平０３−２８５５５６号公報
【特許文献３】特開２００５−１１４１６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に示す磁気歯車では、単位体積又は単位重量あたりの伝達トルク（以下伝達トルク／体積重量）は小さくならざるを得ず、急激な負荷変動時には歯面が接触することがあり、また伝達トルクの脈動が発生し易いなどの構造的な欠陥が内在する。
【０００９】
また、特許文献２、３に示す磁気歯車においては、減速比を大きくしようとすると磁気歯の噛合い面積が小さくなりすぎるために減速比を大きく取れず、また、伝達トルク／体積重量は、一般のインボリュート形状の歯形を用いた減速機の１／４から１／５になってしまうという問題が生じていた。更に、特許文献２、３に示す磁気歯車においては、永久磁石から形成された磁気歯を、回転運動を行う円板上（軸方向から見た面）に取り付けて支持する。このとき、円板に鋼材を採用して永久磁石単体よりも磁力を確保しようとすると、円板の厚みをある程度確保する必要があり、回転運動を行う磁気歯車は、軸方向に厚くなると共に、重量が増大することとなる。即ち、特許文献２、３に示す磁気歯車で減速機を構成した場合には、減速機は軸方向に長くなると共に、重量が増大することが予想される。
【００１０】
本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、減速機の軸方向への長さをコンパクトに保ちつつ、減速比を大きく取ることができ、且つ高い伝達トルク／体積重量を確保することの可能な磁気歯車減速機の構造を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、入力軸に設けられた偏心体と、該偏心体が嵌合され、該偏心体により揺動回転すると共に、軸方向に磁極の対を有して交互に向きが異なる複数の磁気歯を自身の側面に備える複数の第１磁気歯車と、該第１磁気歯車の磁気歯の磁極の対の少なくとも一方と所定の空隙で該軸方向に対峙して磁気的噛合する磁気歯を備えると共に、該第１磁気歯車の歯数より僅少の差で歯数が多い複数の第２磁気歯車と、前記第１磁気歯車と前記第２磁気歯車との相対回転成分を取出す出力軸と、を備えることにより前記課題を解決したものである。
【００１２】
本発明によれば、第１磁気歯車の磁気歯が偏心体の回転により揺動回転し、第２磁気歯車の磁気歯と所定の空隙（非接触）で軸方向に対峙して磁気的噛合する。このとき、第１磁気歯車の磁気歯と第２磁気歯車の磁気歯とは、複数で互いに引き合うので、磁気歯の噛合面積を大きくすることができる。なお、急激な負荷変動により伝達トルクが過大となっても、第１磁気歯車と第２磁気歯車とは、軸方向に所定の空隙を有するように配置されているため接触することはなく、接触による互いの破損等を防止することが可能である。
【００１３】
又、第１磁気歯車の磁気歯は、第１磁気歯車の側面に備えられているので、第１磁気歯車の軸方向から見た面上に磁気歯が取り付けられている場合に比べて、第１磁気歯車を軽く、且つ厚みを薄くすることができる。
【００１４】
又、減速比は、第１磁気歯車の歯数に対する第２磁気歯車と第１磁気歯車歯数との歯数の僅少の差で定まるので、一段で高い減速比を実現することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、磁気歯車減速機の軸方向の長さをコンパクトに保ちつつ、磁気歯の噛合面積を増やすことができ、高い伝達トルク／体積重量を確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態の例を詳細に説明する。
【００１７】
図１は本実施形態に係る磁気歯車減速を模式的に示す断面図、図２は偏心体を模式的に示す断面図及び正面図、図３は図１のIII部分の第１磁気歯車と第２磁気歯車の関係を模式的に示す断面図、図４は第１磁気歯車全体を模式的に示す正面図及び磁気歯部分を模式的に示す拡大正面図、図５は第１及び第２磁気歯車の噛合状態を表すスケルトン図、である。
【００１８】
最初に、本実施形態の磁気歯車減速機の構成について、図１から図５を用いて説明する。
【００１９】
磁気歯車減速機１００は、図１に示す如く、偏心体１１２と、２つの第１磁気歯車１２４、１２６と、３つの第２磁気歯車１３２、１３４、１３６と、出力軸１５４と、を備える。偏心体１１２は、入力軸１０２に設けられている。第１磁気歯車１２４、１２６は、偏心体１１２が嵌合され、偏心体１１２により揺動回転する。又、第１磁気歯車１２４、１２６は、軸方向Ｏに磁極の対を有して交互に向きが異なる複数の磁気歯１２４Ｂ、１２６Ｂを外周の側面に備えている。第２磁気歯車１３２、１３４、１３６は、磁気歯１２４Ｂ、１２６Ｂの磁極の対の両方と、所定の空隙Ｓ（図３参照）で軸方向Ｏに対峙して磁気的噛合する磁気歯１３２Ｂ、１３４Ｂ、１３６Ｂを備えている。又、第２磁気歯車１３２、１３４、１３６は、ケーシングに固定されて第１磁気歯車１２４、１２６の歯数より僅少の差で歯数が多い。そして、出力軸１５４は、第１磁気歯車１２４、１２６の自転成分（第１磁気歯車１２４、１２６と第２磁気歯車１３２、１３４、１３６との相対回転成分）を取出している。なお、ケーシングは、ケーシング本体１３８と、入力段カバー１４０と、補助カバー１４２と、出力段カバー１４６と、から構成されて、ボルト孔１６２にボルトが挿通されることで固定される。
【００２０】
なお、この実施形態における磁気的な噛合とは、第１磁気歯車１２４、１２６の外周の側面に備えられて、軸方向Ｏに磁極の対を有して交互に向きが異なる磁気歯１２４Ｂ、１２６Ｂが、所定の空隙（非接触）Ｓで、第２磁気歯車１３２、１３４、１３６を構成する磁気歯１３２Ｂ、１３４Ｂ、１３６Ｂと図１の軸方向Ｏで重なり磁気的に引き合う状態をいう。
【００２１】
以下、各構成要素について詳細に説明する。
【００２２】
前記入力軸１０２は、図１に示す如く、一対の軸受１０４、１０６によって軸支されている。即ち、入力軸１０２は、軸受１０４を介して、ケーシングを構成する入力段カバー１４０に支持されている。又、入力軸１０２は、軸受１０６を介して、出力軸１５４と一体であるフランジ体１５２の内面に支持されている。軸受１０４、１０６は、例えば、玉軸受であり、潤滑油を内部に封止可能な構造を備えている。この構造は、他の軸受１２２、１５６、１５８も同一である。なお、入力段カバー１４０には補助カバー１４２がボルト１４４で固定されており、補助カバー１４２が軸受１０４を押えて、入力軸１０２が軸方向Ｏに動くのを防止している。又、組立て時に軸受１０６が入力軸１０２から脱落しないように、軸受１０６を入力軸１０２と挟み込んで、円板形状の押え板１０８がボルト１１０で入力軸１０２に止められている。
【００２３】
前記偏心体１１２は、図１に示す如く、軸受１０４、１０６の間のキー構造１０２Ａが設けられた入力軸１０２に、位置がずれないように取り付けられて固定されている。図２（Ａ）に示す如く、偏心体１１２は、２つの偏心体部１１２Ａ、１１２Ｂを備えて、偏心体部１１２Ａ、１１２Ｂは、中心Ｃから、それぞれ最大偏心量ｅで逆方向に偏心している。このため、偏心体１１２は、軸受１２２を介して２つの第１磁気歯車１２４、１２６の回転位相をそれぞれ１８０度異ならせることができる。なお、偏心体１１２には、軸方向Ｏにおいて、２つの第１磁気歯車１２４、１２６の磁力による変位を防止して一定の間隔を保つために、偏心体部１１２Ａ、１１２Ｂのそれぞれに凸部１１２ＡＡ、１１２ＢＡが設けられている。更に、偏心体軸受止め板１１４、１１８が、複数のボルト１１６、１２０で偏心体１１２に止められている（図２（Ｂ）では３本のボルト１２０）。
【００２４】
軸受１２２は、図１に示す如く、２つの第１磁気歯車１２４、１２６と偏心体１１２との間に配置される。このため、２つの第１磁気歯車１２４、１２６と偏心体１１２との間で発生するトルク伝達ロスである熱や振動・接触騒音などを低減することができる。又、軸受１２２は、前述の如く、潤滑油が封止可能な構造であるため、潤滑油の漏れを防止できる。なお、２つの軸受１２２を用いて第１磁気歯車１２４（１２６）と接しているのは、２つの軸受１２２を用いることにより、磁力によって生じる力による第１磁気歯車１２４（１２６）の軸方向Ｏへの位置変動を低減するためである。従って、軸受１２２は１つの第１磁気歯車１２４（１２６）に対して３つ以上並べても構わず、その場合には第１磁気歯車１２４（１２６）の位置変動をより低減することができる。
【００２５】
前記第１磁気歯車１２４、１２６は、図３、図４（Ａ）に示す如く、軸方向Ｏの厚みｔ２の円板形状の回転ヨーク１２４Ａ、１２６Ａとその外周の側面に配置される軸方向Ｏの厚みｔ１の磁気歯１２４Ｂ、１２６Ｂとを有する。なお、回転ヨーク１２４Ａ、１２６Ａへの磁気歯１２４Ｂ、１２６Ｂの取付けは、図４（Ｂ）に示す如く、例えば接着剤１２４Ｃ、１２６Ｃ等で行うことができる。
【００２６】
回転ヨーク１２４Ａ、１２６Ａは、図１、図４（Ａ）に示す如く、その中央部に偏心体孔１２５、１２７を有して、軸受１２２を介して、偏心体１１２の外周に嵌合されている。又、回転ヨーク１２４Ａ、１２６Ａは、その周辺部に貫通した４つのキャリアピン孔１２８、１３０を同一円周上に等間隔で有し、平行ローラ１５０が遊嵌される。なお、キャリアピン孔１２８、１３０の直径は、トルクを伝達するために、平行ローラ１５０の外径と偏心体１１２の最大偏心量ｅの２倍との和に等しい。
【００２７】
磁気歯１２４Ｂ、１２６Ｂには、図３に示す如く、厚みｔ１で軸方向Ｏに磁極の対が形成されている。図４（Ａ）に示すように、軸方向Ｏから第１磁気歯車１２４（１２６）を見たとき、一方の磁気歯１２４Ｂ（１２６Ｂ）がＮ極側であれば、その隣はＳ極側となるように磁気歯１２４Ｂ（１２６Ｂ）の磁極の対の向きが交互に変えられて回転ヨーク１２４Ａ（１２６Ａ）の外周の側面に合わせて配置される。即ち、第１磁気歯車１２４、１２６は、軸方向Ｏに磁極の対を有して交互に向きが異なる複数の磁気歯１２４Ｂ、１２６Ｂを、第１磁気歯車１２４、１２６自身の外周の側面に備えている。このため、永久磁石を用いた磁気歯１２４Ｂ、１２６Ｂの磁力を最大限に利用することができる。なお、第１磁気歯車１２４と第１磁気歯車１２６とは、偏心体１１２により回転位相が１８０度異なるために、図３に示す状態においては、第１磁気歯車１２４は磁気歯１２４Ｂの磁極の向きが軸方向Ｏで紙面左からＮ極、Ｓ極の順番となるが、第１磁気歯車１２６は磁気歯１２６Ｂの磁極の向きが軸方向Ｏで紙面左からＳ極、Ｎ極の順番となる。
【００２８】
なお、図３に示す如く、回転ヨーク１２４Ａ、１２６Ａの厚みｔ２と磁気歯１２４Ｂ、１２６Ｂの厚みｔ１とは、同一なので、第１磁気歯車１２４、１２６は、磁気歯１２４Ｂ、１２６Ｂの軸方向Ｏの厚みｔ１で形成されていることとなる。ここで、回転ヨーク１２４Ａ、１２６Ａの厚みｔ２を、磁気歯１２４Ｂ、１２６Ｂの厚みｔ１よりも薄くすることは可能であり、この場合には、第１磁気歯車１２４、１２６をより軽くすることができ、第１磁気歯車１２４、１２６の慣性モーメントを小さくすることができる。但し、この場合においても、第１磁気歯車１２４、１２６の厚みは、磁気歯１２４Ｂ、１２６Ｂの厚みｔ１に律されるため、磁気歯１２４Ｂ、１２６Ｂの厚みｔ１と同一となる。本実施形態において、第１磁気歯車１２４、１２６の軸方向Ｏの厚みと磁気歯１２４Ｂ、１２６Ｂの軸方向Ｏの厚みｔ１とが同一という範囲は、第１磁気歯車１２４、１２６の軸方向Ｏの厚みが磁気歯１２４Ｂ、１２６Ｂの軸方向Ｏの厚みｔ１の２倍未満とする。２倍未満であれば、回転ヨークの軸方向Ｏから見る面上に、磁気歯を取り付けた磁気歯車と比べて、磁気的噛合と軸方向Ｏの厚みにおいて、本願の効果の優位性が明確となるからである。なお、第１磁気歯車１２４、１２６の磁気歯１２４Ｂ、１２６Ｂの対の数は、本実施形態では例えば、２０対とすることができる。
【００２９】
前記第２磁気歯車１３２（１３４、１３６）は、図５に示す如く、それぞれ、円環状に並べられた磁気歯１３２Ｂ（１３４Ｂ、１３６Ｂ）から構成されている。そして、第２磁気歯車１３２、１３４、１３６は、図１に示す如く、それぞれ、ケーシングを構成する入力段カバー１４０と、ケーシング本体１３８と、出力段カバー１４６に固定されている。第２磁気歯車１３２、１３４、１３６の磁気歯１３２Ｂ、１３４Ｂ、１３６Ｂは、第１磁気歯車１２４、１２６の磁気歯１２４Ｂ、１２６Ｂと同様に、軸方向Ｏに磁極が形成されている。そして、第２磁気歯車１３２、１３４、１３６の磁気歯１３２Ｂ、１３４Ｂ、１３６Ｂは、図１、図３、図５に示す如く、第１磁気歯車１２４、１２６の磁気歯１２４Ｂ、１２６Ｂの両方の磁極と所定の空隙Ｓを有して軸方向Ｏに対峙している。
【００３０】
ここで、所定の空隙Ｓとは、磁気歯車減速機１００が動作した際に第１磁気歯車１２４、１２６と第２磁気歯車１３２、１３４、１３６とが接触しない最小の間隔を指す。なお、第２磁気歯車１３２、１３４、１３６は、図１、図５に示す如く、第１磁気歯車１２４、１２６の歯数より僅少の差で歯数が多いので、第２磁気歯車１３２、１３４、１３６の内径Ｄ２は、第１磁気歯車１２４、１２６の回転ヨーク１２４Ａ、１２６Ａの直径Ｄ１よりも大きくなる（Ｄ１＜Ｄ２）。なお、本実施形態の磁気歯１２４Ｂ、１２６Ｂ、１３２Ｂ、１３４Ｂ、１３６Ｂで用いる永久磁石は、市販の量産されている角磁石で実現することができるため、容易に且つ低コストで第１磁気歯車１２４、１２６及び第２磁気歯車１３２、１３４、１３６を構成することができる。
【００３１】
ここで、第２磁気歯車１３２は、磁気歯１３２Ｂの一方の磁極（図１上では左側）が入力段カバー１４０に固定され、第２磁気歯車１３４は、磁気歯１３４Ｂの磁極の対の向きとは垂直の面（図１上では上側あるいは下側）がケーシング本体１３８に固定され、第２磁気歯車１３６は、磁気歯１３６Ｂの一方の磁極（図１上では右側）が出力段カバー１４６に固定されている。即ち、ケーシング本体１３８に固定された第２磁気歯車１３４は、第１磁気歯車１２４、１２６と同様に磁気歯１３４Ｂの磁極の対の両方で、第１磁気歯車１２４、１２６の磁気歯１２４Ｂ、１２６Ｂと磁気的噛合を構成する。このため、軸方向Ｏの厚みを増加させずに、磁気歯１２４Ｂ（１２６Ｂ）、１３４Ｂ間の噛合面積を増大させて、伝達トルクを大きくすることができる。
【００３２】
第２磁気歯車１３２、１３４、１３６は、僅少の差（１乃至５）で第１磁気歯車１２４、１２６よりも歯数が多い、即ち、磁気歯１３２Ｂ、１３４Ｂ、１３６Ｂの対の数が磁気歯１２４Ｂ、１２６Ｂの対の数よりも多くなるように設定されている。例えば、磁気歯１３２Ｂ、１３４Ｂ、１３６Ｂの対の数の差を１に設定し、第２磁気歯車１３２、１３４、１３６の磁気歯１３２Ｂ、１３４Ｂ、１３６Ｂで２１対（Ｎ極側２１とＳ極側２１）とすると、１／２０という大きな減速比が得られると共に、第１磁気歯車１２４、１２６と第２磁気歯車１３２、１３４、１３６の磁気的噛合も円滑に行うことができる。
【００３３】
前記キャリアピン１４８が連結固定されているフランジ体１５２は、軸方向Ｏにおいて、入力軸１０２の反対側に配置されている。キャリアピン１４８にはパイプ状の平行ローラ１５０が挿嵌され、平行ローラ１５０は第１磁気歯車１２４、１２６のキャリアピン孔１２８、１３０に遊嵌されている。従ってキャリアピン１４８は、第２磁気歯車１３２、１３４、１３６と磁気的噛合する第１磁気歯車１２４、１２６の自転成分を取出す軸として機能する。
【００３４】
前記出力軸１５４は、キャリアピン１４８と連結されたフランジ体１５２と一体であり、一対の軸受１５６、１５８を介して出力段カバー１４６によって支持されている。なお、出力段カバー１４６には、出力軸１５４が軸方向Ｏに動くのを規制するためのカラー１６０が設けられている。
【００３５】
次に、本実施形態の作用を説明する。
【００３６】
入力軸１０２を介して図示しない動力源から動力が伝達されると、入力軸１０２に取付け固定された偏心体１１２も偏心回転する。本実施形態では、偏心体１１２が最大に偏心している回転角度のときに、第１磁気歯車１２４、１２６の磁気歯１２４Ｂ、１２６Ｂと第２磁気歯車１３２、１３４、１３６の磁気歯１３２Ｂ、１３４Ｂ、１３６Ｂとが軸方向Ｏで最も重なるようにしている。このため、最大に偏心している回転角度のときに最も強力に磁気的噛合がなされる。作用的には偏心体１１２の偏心方向が第２磁気歯車１３２、１３４、１３６の円周方向に移動（偏心回転）することで、第１磁気歯車１２４、１２６の磁気歯１２４Ｂ、１２６Ｂと第２磁気歯車１３２、１３４、１３６の磁気歯１３２Ｂ、１３４Ｂ、１３６Ｂとが円周方向で順番に噛合していく。そして、第１磁気歯車１２４、１２６が１回転するたびに、第２磁気歯車１３２、１３４、１３６との噛合位置が順次ずれていくことになる。
【００３７】
ここで、第２磁気歯車１３２、１３４、１３６はケーシングに固定されている。このため、偏心体１１２が揺動しながら１回転した段階で、第１磁気歯車１２４、１２６は、第２磁気歯車１３２、１３４、１３６との磁気歯の対の数の差、すなわち１対分だけ、偏心体１１２の回転方向と逆方向に回転する。このとき、各第１磁気歯車１２４、１２６の慣性モーメントは大きくなく、且つ、回転位相の異なる２つの第１磁気歯車１２４、１２６によって動バランスを保つことができる。このため、第１磁気歯車１２４、１２６の揺動運動がなされても振動や騒音を最小限に低減することができる。
【００３８】
ここで、第１磁気歯車１２４、１２６と第２磁気歯車１３２、１３４、１３６との相対回転成分、すなわち第１磁気歯車１２４、１２６の自転成分が、キャリアピン孔１２８、１３０に遊嵌されたキャリアピン１４８及び平行ローラ１５０を介してフランジ体１５２に取出される。なお、第１磁気歯車１２４、１２６の揺動成分はキャリアピン孔１２８、１３０に対するキャリアピン１４８及び平行ローラ１５０の遊嵌によって吸収される。
【００３９】
従って、入力軸１０２の回転は、（第１磁気歯車１２４、１２６と第２磁気歯車１３２、１３４、１３６との磁気歯の対の数の差）／（第１磁気歯車１２４、１２６の磁気歯１２４Ｂ、１２６Ｂの対の数）にまで減速されることとなる。本実施形態においては、第１磁気歯車１２４、１２６の磁気歯１２４Ｂ、１２６Ｂの対の数は２０、第２磁気歯車１３２、１３４、１３６の磁気歯１３２Ｂ、１３４Ｂ、１３６Ｂの対の数は２１、歯数の対の数の差は１であるので、減速比は、１／２０である。このフランジ体１５２の減速された回転は、フランジ体１５２と一体に形成された出力軸１５４へと伝達され、図示しない負荷へ動力を伝達することとなる。
【００４０】
ここで、図５に、第１磁気歯車１２４（１２６）の磁気歯１２４Ｂ（１２６Ｂ）の対の数が２０対で、第２磁気歯車１３２（１３４、１３６）の磁気歯１３２Ｂ（１３４Ｂ、１３６Ｂ）の対の数が２１対の場合における磁気的噛合状態を示す。第１磁気歯車１２４（１２６）においては、ハッチング部分の磁極をＮ極、白抜きの磁極をＳ極として、第２磁気歯車１３２（１３４、１３６）においては、ハッチング部分の磁極をＳ極、白抜きの磁極をＮ極としている。すなわち、白抜き部分の磁極、及びハッチング部分の磁極同士が重なるときに、強い磁気的噛合いが生じていることを示す。この図５から明らかなように、１／２を優に超える円周部分Ａで相互の磁気歯１２４Ｂ（１２６Ｂ）、１３２Ｂ（１３４Ｂ、１３６Ｂ）が強固に噛合している。これは、第１磁気歯車１２４（１２６）がこの円周部分Ａで第２磁気歯車１３２（１３４、１３６）側からの十分な噛合反力を得られていることを示している。
【００４１】
このようにして、第１磁気歯車１２４、１２６の磁気歯１２４Ｂ、１２６Ｂが偏心体１１２の回転により揺動回転し、第２磁気歯車１３２、１３４、１３６の磁気歯１３２Ｂ、１３４Ｂ、１３６Ｂと所定の空隙（非接触）Ｓで軸方向Ｏに対峙して磁気的噛合する。このとき、第１磁気歯車１２４、１２６と第２磁気歯車１３２、１３４、１３６の磁気歯１３２Ｂ、１３４Ｂ、１３６Ｂとは、複数で互いに引き合うので、磁気歯の噛合面積を大きくすることができる。なお、急激な負荷変動により伝達トルクが過大となっても、第１磁気歯車１２４、１２６と第２磁気歯車１３２、１３４、１３６とは、軸方向Ｏに所定の空隙Ｓを有するように配置されているため、接触することはなく、接触による互いの破損等を防止することが可能である。
【００４２】
又、第１磁気歯車１２４、１２６の磁気歯１２４Ｂ、１２６Ｂは、第１磁気歯車１２４、１２６の外周の側面に備えられているので、第１磁気歯車１２４、１２６の軸方向Ｏから見た面上に磁気歯が取り付けられている場合に比べて、第１磁気歯車１２４、１２６を軽く、且つ厚みを薄くすることができる。そして、第１磁気歯車１２４、１２６の軸方向Ｏの厚みが磁気歯１２４Ｂ、１２６Ｂの軸方向Ｏの厚みｔ１と同一であることにより、更に第１磁気歯車１２４、１２６を軽く、且つ厚みを薄くすることができる。即ち、磁気歯車減速機１００を軽量で且つ軸方向Ｏの長さを短くすることができる。それと共に、第１磁気歯車１２４、１２６の慣性モーメントの増大を防止することができる。
【００４３】
又、減速比は、第１磁気歯車１２４、１２６の歯数に対する第２磁気歯車１３２、１３４、１３６と第１磁気歯車歯数１２４、１２６との歯数の僅少の差（１乃至５）で定まるので、例えば、第１磁気歯車１２４、１２６の磁気歯１２４Ｂ、１２６Ｂの対の数が２０対で磁気歯の対の数の差（僅少の差）が１であるので、１／２０という高い減速比を一段で実現することができる。
【００４４】
又、２つの第１磁気歯車１２４、１２６をそれぞれ挟むように、軸方向Ｏの両側に第２磁気歯車１３２、１３４、１３６が配置されているので、第１磁気歯車１２４、１２６自身の外周の側面に備えられた磁気歯１２４Ｂ、１２６Ｂの磁極の対であるＮ極とＳ極の両方と第２磁気歯車１３２、１３４、１３６の磁気歯１３２Ｂ、１３４Ｂ、１３６Ｂとが対峙して磁気的噛合が可能となる（磁気歯の両面の利用）ので、更に、磁気歯の噛合面積を飛躍的に増やすことができる。
【００４５】
又、第１磁気歯車１２４、１２６と第２磁気歯車１３２、１３４、１３６とは、所定の空隙Ｓを有して（非接触）、入力軸１０２、出力軸１５４、偏心体１１２等の物理的に摺動する箇所に位置する軸受１０４、１０６、１２２、１５６、１５８が潤滑油封入可能とする構造であるので、磁気歯車減速機１００の全体に潤滑油を注入する必要もなく、密閉するための頑強な材質や構造を不要とすることができる。このため、軽量化や低コスト化を容易に実現することが可能である。
【００４６】
又、第１磁気歯車１２４、１２６は、２つからなるので、伝達トルクを分散できる。このため、大きなトルクを伝達する場合であっても、１つの第１磁気歯車１２４（１２６）で伝達すべきトルクは小さいので、第１磁気歯車１２４、１２６を薄く且つ軽く成形することができる。また、第１磁気歯車１２４、１２６は、それぞれ、回転位相が異なるので、第１磁気歯車１２４、１２６の慣性モーメントが小さいことと相まって、回転速度が高くなっても、動バランスが安定しており、回転によって生じる振動や騒音を最小限に防ぐことができる。
【００４７】
又、本実施形態の磁気歯車減速機１００は、金属の歯同士の接触がなく、磁気歯による噛合を行うので、次のような効果を併せて得ることができる。先ず、振動・騒音の発生が防止できるので高効率で、音の静かな減速機を実現することが可能である。また、金属疲労や磨耗などによる歯車の寿命もないので、メンテナンスフリーあるいはメンテナンスサイクルの長い減速機を実現することができる。更に、従来の機械的な歯車の噛合によって生じていた応力集中を低減できるので、従来必要とされた歯車の噛合のための局所的な高い剛性を必要とせず、磁気歯車減速機１００の全体として構造を軽量・簡略化することができる。
【００４８】
即ち、本発明においては、磁気歯車減速機１００の軸方向Ｏの長さをコンパクトに保ちつつ、磁気歯の噛合面積を増やすことができるので、一般の減速機と伝達トルク／体積重量において同程度の値となる、高い伝達トルク／体積重量を確保することができる。
【００４９】
本実施形態においては、入力軸１０２の偏心体１１２として、一般的な鋼製のものを用いているので、例えば、□２００ｍｍ程度以上の大きさの磁気歯車減速機であった場合においても、本実施形態のように軸受１０４、１０６、１２２、１５６、１５８として潤滑油封入可能なものを使用して、密閉のための材質や構造を不要とすることができる。更に、例えば磁気歯車減速機が小型の場合においては、前述の軸受を自己潤滑性を有するプラスチック製として、潤滑油を全く使用しないこととすることもできる。
【００５０】
又、本実施形態では、第１磁気歯車１２４、１２６の磁気歯１２４Ｂ、１２６Ｂの対の数が２０対で、第２磁気歯車１３２、１３４、１３６の磁気歯１３２Ｂ、１３４Ｂ、１３６Ｂの対の数が２１対であったが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００５１】
又、磁気歯車減速機１００は、上記に限定されるものではなく、例えば、平行ローラ１５０を使用せずに、キャリアピン１４８だけをキャリアピン孔１２８、１３０に遊嵌させてもよいし、逆にプラスチック製等の軸受を適用してもよい。平行ローラ１５０がない場合には、より低コストとすることができ、軸受を用いる場合には、振動や騒音の更なる低減と高効率なトルク伝達が可能となる。
【００５２】
又、本実施形態では、第２磁気歯車１３２、１３４、１３６の回転を規制して、第１磁気歯車１２４、１２６を揺動回転させて、第１磁気歯車１２４、１２６から相対回転成分を取出していたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、第１磁気歯車１２４、１２６の回転を規制して、第２磁気歯車１３２、１３４、１３６を揺動回転させて、第２磁気歯車１３２、１３４、１３６から相対回転成分を取出してもよい。
【００５３】
又、本発明は、本実施形態のような第１磁気歯車１２４、１２６が２つで、第２磁気歯車１３２、１３４、１３６が３つに限定されるものではなく、第１磁気歯車と第２磁気歯車とが複数であればよい。例えば、第１磁気歯車が３つであるときには、回転位相を１２０度ずつずらすようにすることで、動バランスが改善され、より振動や騒音を低減することができる。なお、１つの第１磁気歯車を軸方向Ｏで挟み込むように２つの第２磁気歯車を配置する必要はなく、第２磁気歯車の磁気歯が第１磁気歯車の磁気歯と少なくとも一方の磁極と所定の空隙Ｓで対峙するように備えられていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本実施形態に係る磁気歯車減速機を模式的に示す断面図
【図２】偏心体を模式的に示す断面図及び正面図
【図３】図１のIII部分の第１磁気歯車と第２磁気歯車の関係を模式的に示す断面図
【図４】第１磁気歯車全体を模式的に示す正面図及び磁気歯部分を模式的に示す拡大正面図
【図５】第１及び第２磁気歯車の噛合状態を表すスケルトン図
【符号の説明】
【００５５】
１００…磁気歯車減速機
１０２…入力軸
１０４、１０６、１２２、１５６、１５８…軸受
１１２…偏心体
１２４、１２６…第１磁気歯車
１２４Ａ、１２６Ａ…回転ヨーク
１２４Ｂ、１２６Ｂ、１３２Ｂ、１３４Ｂ、１３６Ｂ…磁気歯
１２８、１３０…キャリアピン孔
１３２、１３４、１３６…第２磁気歯車
１３８…ケーシング本体
１４０…入力段カバー
１４２…補助カバー
１４６…出力段カバー
１４８…キャリアピン
１５０…平行ローラ
１５２…フランジ体
１５４…出力軸
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気を利用した歯車により非接触でトルクを伝達する磁気歯車減速機に関する。
【背景技術】
【０００２】
減速機の主流は、インボリュートの平又ははす歯歯車を用い、その歯数比によって減速を行うものである。このような減速機は自動車をはじめ、あらゆる産業において広く用いられている。
【０００３】
この種の減速機の問題点としては、減速機の歯車を構成する金属同士の接触に起因するものがほとんどである。それは、接触による振動・騒音の発生、歯車の寿命、及び潤滑油を必ず必要とすること、などである。
【０００４】
これに対し、その問題を解決する１つの方法として減速機を用いず、モータと負荷をダイレクトで結合することが挙げられる。モータの回転速度を制御するドライバの性能が向上し、また、永久磁石を用いた小型のモータが製作可能となるなど技術的な進展があったこと、また、クリーンルームやクリーンな環境が必要である食品製造現場など従来の工場とは異なる環境の工場に設置するなど潤滑剤を使用する減速機の存在をなくしたいという環境側からの要請によるものである。
【０００５】
しかし、モータドライバの低速回転における効率の問題や、価格の問題、またモータの小型化に限界がある点などにより、容易に置き換えができない事情も存在する。今後も今まで主流であった減速機が必要とされる領域が存在し、その領域はロボットなど装置の小型化が必然とされる分野では成長を続けていくと考えられる。
【０００６】
こういった状況の中で、前記問題を解決するもう１つの方法として、金属の接触をなくし磁気による吸引・反発により減速機構を実現するための歯車及び歯車機構の使用が挙げられる。例えば、歯車の歯面に磁力を付加し、互いに反発する力により噛合する歯車同士の空隙を確保して、歯車同士を非接触にする特許文献１に示す磁気歯車が提案されている。また、対峙させた磁気歯を有する回転円板の磁気歯の比により、入力された回転を減速する特許文献２、３に示す磁気歯車が提案されている。
【０００７】
【特許文献１】特公平６−５２０９６号公報
【特許文献２】特開平０３−２８５５５６号公報
【特許文献３】特開２００５−１１４１６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に示す磁気歯車では、単位体積又は単位重量あたりの伝達トルク（以下伝達トルク／体積重量）は小さくならざるを得ず、急激な負荷変動時には歯面が接触することがあり、また伝達トルクの脈動が発生し易いなどの構造的な欠陥が内在する。
【０００９】
また、特許文献２、３に示す磁気歯車においては、減速比を大きくしようとすると磁気歯の噛合い面積が小さくなりすぎるために減速比を大きく取れず、また、伝達トルク／体積重量は、一般のインボリュート形状の歯形を用いた減速機の１／４から１／５になってしまうという問題が生じていた。更に、特許文献２、３に示す磁気歯車においては、永久磁石から形成された磁気歯を、回転運動を行う円板上（軸方向から見た面）に取り付けて支持する。このとき、円板に鋼材を採用して永久磁石単体よりも磁力を確保しようとすると、円板の厚みをある程度確保する必要があり、回転運動を行う磁気歯車は、軸方向に厚くなると共に、重量が増大することとなる。即ち、特許文献２、３に示す磁気歯車で減速機を構成した場合には、減速機は軸方向に長くなると共に、重量が増大することが予想される。
【００１０】
本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、減速機の軸方向への長さをコンパクトに保ちつつ、減速比を大きく取ることができ、且つ高い伝達トルク／体積重量を確保することの可能な磁気歯車減速機の構造を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、入力軸に設けられた偏心体と、該偏心体が嵌合され、該偏心体により揺動回転すると共に、軸方向に磁極の対を有して交互に向きが異なる複数の磁気歯を自身の側面に備える複数の第１磁気歯車と、該第１磁気歯車の磁気歯の磁極の対の少なくとも一方と所定の空隙で該軸方向に対峙して磁気的噛合する磁気歯を備えると共に、該第１磁気歯車の歯数より僅少の差で歯数が多い複数の第２磁気歯車と、前記第１磁気歯車と前記第２磁気歯車との相対回転成分を取出す出力軸と、を備えることにより前記課題を解決したものである。
【００１２】
本発明によれば、第１磁気歯車の磁気歯が偏心体の回転により揺動回転し、第２磁気歯車の磁気歯と所定の空隙（非接触）で軸方向に対峙して磁気的噛合する。このとき、第１磁気歯車の磁気歯と第２磁気歯車の磁気歯とは、複数で互いに引き合うので、磁気歯の噛合面積を大きくすることができる。なお、急激な負荷変動により伝達トルクが過大となっても、第１磁気歯車と第２磁気歯車とは、軸方向に所定の空隙を有するように配置されているため接触することはなく、接触による互いの破損等を防止することが可能である。
【００１３】
又、第１磁気歯車の磁気歯は、第１磁気歯車の側面に備えられているので、第１磁気歯車の軸方向から見た面上に磁気歯が取り付けられている場合に比べて、第１磁気歯車を軽く、且つ厚みを薄くすることができる。
【００１４】
又、減速比は、第１磁気歯車の歯数に対する第２磁気歯車と第１磁気歯車歯数との歯数の僅少の差で定まるので、一段で高い減速比を実現することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、磁気歯車減速機の軸方向の長さをコンパクトに保ちつつ、磁気歯の噛合面積を増やすことができ、高い伝達トルク／体積重量を確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態の例を詳細に説明する。
【００１７】
図１は本実施形態に係る磁気歯車減速を模式的に示す断面図、図２は偏心体を模式的に示す断面図及び正面図、図３は図１のIII部分の第１磁気歯車と第２磁気歯車の関係を模式的に示す断面図、図４は第１磁気歯車全体を模式的に示す正面図及び磁気歯部分を模式的に示す拡大正面図、図５は第１及び第２磁気歯車の噛合状態を表すスケルトン図、である。
【００１８】
最初に、本実施形態の磁気歯車減速機の構成について、図１から図５を用いて説明する。
【００１９】
磁気歯車減速機１００は、図１に示す如く、偏心体１１２と、２つの第１磁気歯車１２４、１２６と、３つの第２磁気歯車１３２、１３４、１３６と、出力軸１５４と、を備える。偏心体１１２は、入力軸１０２に設けられている。第１磁気歯車１２４、１２６は、偏心体１１２が嵌合され、偏心体１１２により揺動回転する。又、第１磁気歯車１２４、１２６は、軸方向Ｏに磁極の対を有して交互に向きが異なる複数の磁気歯１２４Ｂ、１２６Ｂを外周の側面に備えている。第２磁気歯車１３２、１３４、１３６は、磁気歯１２４Ｂ、１２６Ｂの磁極の対の両方と、所定の空隙Ｓ（図３参照）で軸方向Ｏに対峙して磁気的噛合する磁気歯１３２Ｂ、１３４Ｂ、１３６Ｂを備えている。又、第２磁気歯車１３２、１３４、１３６は、ケーシングに固定されて第１磁気歯車１２４、１２６の歯数より僅少の差で歯数が多い。そして、出力軸１５４は、第１磁気歯車１２４、１２６の自転成分（第１磁気歯車１２４、１２６と第２磁気歯車１３２、１３４、１３６との相対回転成分）を取出している。なお、ケーシングは、ケーシング本体１３８と、入力段カバー１４０と、補助カバー１４２と、出力段カバー１４６と、から構成されて、ボルト孔１６２にボルトが挿通されることで固定される。
【００２０】
なお、この実施形態における磁気的な噛合とは、第１磁気歯車１２４、１２６の外周の側面に備えられて、軸方向Ｏに磁極の対を有して交互に向きが異なる磁気歯１２４Ｂ、１２６Ｂが、所定の空隙（非接触）Ｓで、第２磁気歯車１３２、１３４、１３６を構成する磁気歯１３２Ｂ、１３４Ｂ、１３６Ｂと図１の軸方向Ｏで重なり磁気的に引き合う状態をいう。
【００２１】
以下、各構成要素について詳細に説明する。
【００２２】
前記入力軸１０２は、図１に示す如く、一対の軸受１０４、１０６によって軸支されている。即ち、入力軸１０２は、軸受１０４を介して、ケーシングを構成する入力段カバー１４０に支持されている。又、入力軸１０２は、軸受１０６を介して、出力軸１５４と一体であるフランジ体１５２の内面に支持されている。軸受１０４、１０６は、例えば、玉軸受であり、潤滑油を内部に封止可能な構造を備えている。この構造は、他の軸受１２２、１５６、１５８も同一である。なお、入力段カバー１４０には補助カバー１４２がボルト１４４で固定されており、補助カバー１４２が軸受１０４を押えて、入力軸１０２が軸方向Ｏに動くのを防止している。又、組立て時に軸受１０６が入力軸１０２から脱落しないように、軸受１０６を入力軸１０２と挟み込んで、円板形状の押え板１０８がボルト１１０で入力軸１０２に止められている。
【００２３】
前記偏心体１１２は、図１に示す如く、軸受１０４、１０６の間のキー構造１０２Ａが設けられた入力軸１０２に、位置がずれないように取り付けられて固定されている。図２（Ａ）に示す如く、偏心体１１２は、２つの偏心体部１１２Ａ、１１２Ｂを備えて、偏心体部１１２Ａ、１１２Ｂは、中心Ｃから、それぞれ最大偏心量ｅで逆方向に偏心している。このため、偏心体１１２は、軸受１２２を介して２つの第１磁気歯車１２４、１２６の回転位相をそれぞれ１８０度異ならせることができる。なお、偏心体１１２には、軸方向Ｏにおいて、２つの第１磁気歯車１２４、１２６の磁力による変位を防止して一定の間隔を保つために、偏心体部１１２Ａ、１１２Ｂのそれぞれに凸部１１２ＡＡ、１１２ＢＡが設けられている。更に、偏心体軸受止め板１１４、１１８が、複数のボルト１１６、１２０で偏心体１１２に止められている（図２（Ｂ）では３本のボルト１２０）。
【００２４】
軸受１２２は、図１に示す如く、２つの第１磁気歯車１２４、１２６と偏心体１１２との間に配置される。このため、２つの第１磁気歯車１２４、１２６と偏心体１１２との間で発生するトルク伝達ロスである熱や振動・接触騒音などを低減することができる。又、軸受１２２は、前述の如く、潤滑油が封止可能な構造であるため、潤滑油の漏れを防止できる。なお、２つの軸受１２２を用いて第１磁気歯車１２４（１２６）と接しているのは、２つの軸受１２２を用いることにより、磁力によって生じる力による第１磁気歯車１２４（１２６）の軸方向Ｏへの位置変動を低減するためである。従って、軸受１２２は１つの第１磁気歯車１２４（１２６）に対して３つ以上並べても構わず、その場合には第１磁気歯車１２４（１２６）の位置変動をより低減することができる。
【００２５】
前記第１磁気歯車１２４、１２６は、図３、図４（Ａ）に示す如く、軸方向Ｏの厚みｔ２の円板形状の回転ヨーク１２４Ａ、１２６Ａとその外周の側面に配置される軸方向Ｏの厚みｔ１の磁気歯１２４Ｂ、１２６Ｂとを有する。なお、回転ヨーク１２４Ａ、１２６Ａへの磁気歯１２４Ｂ、１２６Ｂの取付けは、図４（Ｂ）に示す如く、例えば接着剤１２４Ｃ、１２６Ｃ等で行うことができる。
【００２６】
回転ヨーク１２４Ａ、１２６Ａは、図１、図４（Ａ）に示す如く、その中央部に偏心体孔１２５、１２７を有して、軸受１２２を介して、偏心体１１２の外周に嵌合されている。又、回転ヨーク１２４Ａ、１２６Ａは、その周辺部に貫通した４つのキャリアピン孔１２８、１３０を同一円周上に等間隔で有し、平行ローラ１５０が遊嵌される。なお、キャリアピン孔１２８、１３０の直径は、トルクを伝達するために、平行ローラ１５０の外径と偏心体１１２の最大偏心量ｅの２倍との和に等しい。
【００２７】
磁気歯１２４Ｂ、１２６Ｂには、図３に示す如く、厚みｔ１で軸方向Ｏに磁極の対が形成されている。図４（Ａ）に示すように、軸方向Ｏから第１磁気歯車１２４（１２６）を見たとき、一方の磁気歯１２４Ｂ（１２６Ｂ）がＮ極側であれば、その隣はＳ極側となるように磁気歯１２４Ｂ（１２６Ｂ）の磁極の対の向きが交互に変えられて回転ヨーク１２４Ａ（１２６Ａ）の外周の側面に合わせて配置される。即ち、第１磁気歯車１２４、１２６は、軸方向Ｏに磁極の対を有して交互に向きが異なる複数の磁気歯１２４Ｂ、１２６Ｂを、第１磁気歯車１２４、１２６自身の外周の側面に備えている。このため、永久磁石を用いた磁気歯１２４Ｂ、１２６Ｂの磁力を最大限に利用することができる。なお、第１磁気歯車１２４と第１磁気歯車１２６とは、偏心体１１２により回転位相が１８０度異なるために、図３に示す状態においては、第１磁気歯車１２４は磁気歯１２４Ｂの磁極の向きが軸方向Ｏで紙面左からＮ極、Ｓ極の順番となるが、第１磁気歯車１２６は磁気歯１２６Ｂの磁極の向きが軸方向Ｏで紙面左からＳ極、Ｎ極の順番となる。
【００２８】
なお、図３に示す如く、回転ヨーク１２４Ａ、１２６Ａの厚みｔ２と磁気歯１２４Ｂ、１２６Ｂの厚みｔ１とは、同一なので、第１磁気歯車１２４、１２６は、磁気歯１２４Ｂ、１２６Ｂの軸方向Ｏの厚みｔ１で形成されていることとなる。ここで、回転ヨーク１２４Ａ、１２６Ａの厚みｔ２を、磁気歯１２４Ｂ、１２６Ｂの厚みｔ１よりも薄くすることは可能であり、この場合には、第１磁気歯車１２４、１２６をより軽くすることができ、第１磁気歯車１２４、１２６の慣性モーメントを小さくすることができる。但し、この場合においても、第１磁気歯車１２４、１２６の厚みは、磁気歯１２４Ｂ、１２６Ｂの厚みｔ１に律されるため、磁気歯１２４Ｂ、１２６Ｂの厚みｔ１と同一となる。本実施形態において、第１磁気歯車１２４、１２６の軸方向Ｏの厚みと磁気歯１２４Ｂ、１２６Ｂの軸方向Ｏの厚みｔ１とが同一という範囲は、第１磁気歯車１２４、１２６の軸方向Ｏの厚みが磁気歯１２４Ｂ、１２６Ｂの軸方向Ｏの厚みｔ１の２倍未満とする。２倍未満であれば、回転ヨークの軸方向Ｏから見る面上に、磁気歯を取り付けた磁気歯車と比べて、磁気的噛合と軸方向Ｏの厚みにおいて、本願の効果の優位性が明確となるからである。なお、第１磁気歯車１２４、１２６の磁気歯１２４Ｂ、１２６Ｂの対の数は、本実施形態では例えば、２０対とすることができる。
【００２９】
前記第２磁気歯車１３２（１３４、１３６）は、図５に示す如く、それぞれ、円環状に並べられた磁気歯１３２Ｂ（１３４Ｂ、１３６Ｂ）から構成されている。そして、第２磁気歯車１３２、１３４、１３６は、図１に示す如く、それぞれ、ケーシングを構成する入力段カバー１４０と、ケーシング本体１３８と、出力段カバー１４６に固定されている。第２磁気歯車１３２、１３４、１３６の磁気歯１３２Ｂ、１３４Ｂ、１３６Ｂは、第１磁気歯車１２４、１２６の磁気歯１２４Ｂ、１２６Ｂと同様に、軸方向Ｏに磁極が形成されている。そして、第２磁気歯車１３２、１３４、１３６の磁気歯１３２Ｂ、１３４Ｂ、１３６Ｂは、図１、図３、図５に示す如く、第１磁気歯車１２４、１２６の磁気歯１２４Ｂ、１２６Ｂの両方の磁極と所定の空隙Ｓを有して軸方向Ｏに対峙している。
【００３０】
ここで、所定の空隙Ｓとは、磁気歯車減速機１００が動作した際に第１磁気歯車１２４、１２６と第２磁気歯車１３２、１３４、１３６とが接触しない最小の間隔を指す。なお、第２磁気歯車１３２、１３４、１３６は、図１、図５に示す如く、第１磁気歯車１２４、１２６の歯数より僅少の差で歯数が多いので、第２磁気歯車１３２、１３４、１３６の内径Ｄ２は、第１磁気歯車１２４、１２６の回転ヨーク１２４Ａ、１２６Ａの直径Ｄ１よりも大きくなる（Ｄ１＜Ｄ２）。なお、本実施形態の磁気歯１２４Ｂ、１２６Ｂ、１３２Ｂ、１３４Ｂ、１３６Ｂで用いる永久磁石は、市販の量産されている角磁石で実現することができるため、容易に且つ低コストで第１磁気歯車１２４、１２６及び第２磁気歯車１３２、１３４、１３６を構成することができる。
【００３１】
ここで、第２磁気歯車１３２は、磁気歯１３２Ｂの一方の磁極（図１上では左側）が入力段カバー１４０に固定され、第２磁気歯車１３４は、磁気歯１３４Ｂの磁極の対の向きとは垂直の面（図１上では上側あるいは下側）がケーシング本体１３８に固定され、第２磁気歯車１３６は、磁気歯１３６Ｂの一方の磁極（図１上では右側）が出力段カバー１４６に固定されている。即ち、ケーシング本体１３８に固定された第２磁気歯車１３４は、第１磁気歯車１２４、１２６と同様に磁気歯１３４Ｂの磁極の対の両方で、第１磁気歯車１２４、１２６の磁気歯１２４Ｂ、１２６Ｂと磁気的噛合を構成する。このため、軸方向Ｏの厚みを増加させずに、磁気歯１２４Ｂ（１２６Ｂ）、１３４Ｂ間の噛合面積を増大させて、伝達トルクを大きくすることができる。
【００３２】
第２磁気歯車１３２、１３４、１３６は、僅少の差（１乃至５）で第１磁気歯車１２４、１２６よりも歯数が多い、即ち、磁気歯１３２Ｂ、１３４Ｂ、１３６Ｂの対の数が磁気歯１２４Ｂ、１２６Ｂの対の数よりも多くなるように設定されている。例えば、磁気歯１３２Ｂ、１３４Ｂ、１３６Ｂの対の数の差を１に設定し、第２磁気歯車１３２、１３４、１３６の磁気歯１３２Ｂ、１３４Ｂ、１３６Ｂで２１対（Ｎ極側２１とＳ極側２１）とすると、１／２０という大きな減速比が得られると共に、第１磁気歯車１２４、１２６と第２磁気歯車１３２、１３４、１３６の磁気的噛合も円滑に行うことができる。
【００３３】
前記キャリアピン１４８が連結固定されているフランジ体１５２は、軸方向Ｏにおいて、入力軸１０２の反対側に配置されている。キャリアピン１４８にはパイプ状の平行ローラ１５０が挿嵌され、平行ローラ１５０は第１磁気歯車１２４、１２６のキャリアピン孔１２８、１３０に遊嵌されている。従ってキャリアピン１４８は、第２磁気歯車１３２、１３４、１３６と磁気的噛合する第１磁気歯車１２４、１２６の自転成分を取出す軸として機能する。
【００３４】
前記出力軸１５４は、キャリアピン１４８と連結されたフランジ体１５２と一体であり、一対の軸受１５６、１５８を介して出力段カバー１４６によって支持されている。なお、出力段カバー１４６には、出力軸１５４が軸方向Ｏに動くのを規制するためのカラー１６０が設けられている。
【００３５】
次に、本実施形態の作用を説明する。
【００３６】
入力軸１０２を介して図示しない動力源から動力が伝達されると、入力軸１０２に取付け固定された偏心体１１２も偏心回転する。本実施形態では、偏心体１１２が最大に偏心している回転角度のときに、第１磁気歯車１２４、１２６の磁気歯１２４Ｂ、１２６Ｂと第２磁気歯車１３２、１３４、１３６の磁気歯１３２Ｂ、１３４Ｂ、１３６Ｂとが軸方向Ｏで最も重なるようにしている。このため、最大に偏心している回転角度のときに最も強力に磁気的噛合がなされる。作用的には偏心体１１２の偏心方向が第２磁気歯車１３２、１３４、１３６の円周方向に移動（偏心回転）することで、第１磁気歯車１２４、１２６の磁気歯１２４Ｂ、１２６Ｂと第２磁気歯車１３２、１３４、１３６の磁気歯１３２Ｂ、１３４Ｂ、１３６Ｂとが円周方向で順番に噛合していく。そして、第１磁気歯車１２４、１２６が１回転するたびに、第２磁気歯車１３２、１３４、１３６との噛合位置が順次ずれていくことになる。
【００３７】
ここで、第２磁気歯車１３２、１３４、１３６はケーシングに固定されている。このため、偏心体１１２が揺動しながら１回転した段階で、第１磁気歯車１２４、１２６は、第２磁気歯車１３２、１３４、１３６との磁気歯の対の数の差、すなわち１対分だけ、偏心体１１２の回転方向と逆方向に回転する。このとき、各第１磁気歯車１２４、１２６の慣性モーメントは大きくなく、且つ、回転位相の異なる２つの第１磁気歯車１２４、１２６によって動バランスを保つことができる。このため、第１磁気歯車１２４、１２６の揺動運動がなされても振動や騒音を最小限に低減することができる。
【００３８】
ここで、第１磁気歯車１２４、１２６と第２磁気歯車１３２、１３４、１３６との相対回転成分、すなわち第１磁気歯車１２４、１２６の自転成分が、キャリアピン孔１２８、１３０に遊嵌されたキャリアピン１４８及び平行ローラ１５０を介してフランジ体１５２に取出される。なお、第１磁気歯車１２４、１２６の揺動成分はキャリアピン孔１２８、１３０に対するキャリアピン１４８及び平行ローラ１５０の遊嵌によって吸収される。
【００３９】
従って、入力軸１０２の回転は、（第１磁気歯車１２４、１２６と第２磁気歯車１３２、１３４、１３６との磁気歯の対の数の差）／（第１磁気歯車１２４、１２６の磁気歯１２４Ｂ、１２６Ｂの対の数）にまで減速されることとなる。本実施形態においては、第１磁気歯車１２４、１２６の磁気歯１２４Ｂ、１２６Ｂの対の数は２０、第２磁気歯車１３２、１３４、１３６の磁気歯１３２Ｂ、１３４Ｂ、１３６Ｂの対の数は２１、歯数の対の数の差は１であるので、減速比は、１／２０である。このフランジ体１５２の減速された回転は、フランジ体１５２と一体に形成された出力軸１５４へと伝達され、図示しない負荷へ動力を伝達することとなる。
【００４０】
ここで、図５に、第１磁気歯車１２４（１２６）の磁気歯１２４Ｂ（１２６Ｂ）の対の数が２０対で、第２磁気歯車１３２（１３４、１３６）の磁気歯１３２Ｂ（１３４Ｂ、１３６Ｂ）の対の数が２１対の場合における磁気的噛合状態を示す。第１磁気歯車１２４（１２６）においては、ハッチング部分の磁極をＮ極、白抜きの磁極をＳ極として、第２磁気歯車１３２（１３４、１３６）においては、ハッチング部分の磁極をＳ極、白抜きの磁極をＮ極としている。すなわち、白抜き部分の磁極、及びハッチング部分の磁極同士が重なるときに、強い磁気的噛合いが生じていることを示す。この図５から明らかなように、１／２を優に超える円周部分Ａで相互の磁気歯１２４Ｂ（１２６Ｂ）、１３２Ｂ（１３４Ｂ、１３６Ｂ）が強固に噛合している。これは、第１磁気歯車１２４（１２６）がこの円周部分Ａで第２磁気歯車１３２（１３４、１３６）側からの十分な噛合反力を得られていることを示している。
【００４１】
このようにして、第１磁気歯車１２４、１２６の磁気歯１２４Ｂ、１２６Ｂが偏心体１１２の回転により揺動回転し、第２磁気歯車１３２、１３４、１３６の磁気歯１３２Ｂ、１３４Ｂ、１３６Ｂと所定の空隙（非接触）Ｓで軸方向Ｏに対峙して磁気的噛合する。このとき、第１磁気歯車１２４、１２６と第２磁気歯車１３２、１３４、１３６の磁気歯１３２Ｂ、１３４Ｂ、１３６Ｂとは、複数で互いに引き合うので、磁気歯の噛合面積を大きくすることができる。なお、急激な負荷変動により伝達トルクが過大となっても、第１磁気歯車１２４、１２６と第２磁気歯車１３２、１３４、１３６とは、軸方向Ｏに所定の空隙Ｓを有するように配置されているため、接触することはなく、接触による互いの破損等を防止することが可能である。
【００４２】
又、第１磁気歯車１２４、１２６の磁気歯１２４Ｂ、１２６Ｂは、第１磁気歯車１２４、１２６の外周の側面に備えられているので、第１磁気歯車１２４、１２６の軸方向Ｏから見た面上に磁気歯が取り付けられている場合に比べて、第１磁気歯車１２４、１２６を軽く、且つ厚みを薄くすることができる。そして、第１磁気歯車１２４、１２６の軸方向Ｏの厚みが磁気歯１２４Ｂ、１２６Ｂの軸方向Ｏの厚みｔ１と同一であることにより、更に第１磁気歯車１２４、１２６を軽く、且つ厚みを薄くすることができる。即ち、磁気歯車減速機１００を軽量で且つ軸方向Ｏの長さを短くすることができる。それと共に、第１磁気歯車１２４、１２６の慣性モーメントの増大を防止することができる。
【００４３】
又、減速比は、第１磁気歯車１２４、１２６の歯数に対する第２磁気歯車１３２、１３４、１３６と第１磁気歯車歯数１２４、１２６との歯数の僅少の差（１乃至５）で定まるので、例えば、第１磁気歯車１２４、１２６の磁気歯１２４Ｂ、１２６Ｂの対の数が２０対で磁気歯の対の数の差（僅少の差）が１であるので、１／２０という高い減速比を一段で実現することができる。
【００４４】
又、２つの第１磁気歯車１２４、１２６をそれぞれ挟むように、軸方向Ｏの両側に第２磁気歯車１３２、１３４、１３６が配置されているので、第１磁気歯車１２４、１２６自身の外周の側面に備えられた磁気歯１２４Ｂ、１２６Ｂの磁極の対であるＮ極とＳ極の両方と第２磁気歯車１３２、１３４、１３６の磁気歯１３２Ｂ、１３４Ｂ、１３６Ｂとが対峙して磁気的噛合が可能となる（磁気歯の両面の利用）ので、更に、磁気歯の噛合面積を飛躍的に増やすことができる。
【００４５】
又、第１磁気歯車１２４、１２６と第２磁気歯車１３２、１３４、１３６とは、所定の空隙Ｓを有して（非接触）、入力軸１０２、出力軸１５４、偏心体１１２等の物理的に摺動する箇所に位置する軸受１０４、１０６、１２２、１５６、１５８が潤滑油封入可能とする構造であるので、磁気歯車減速機１００の全体に潤滑油を注入する必要もなく、密閉するための頑強な材質や構造を不要とすることができる。このため、軽量化や低コスト化を容易に実現することが可能である。
【００４６】
又、第１磁気歯車１２４、１２６は、２つからなるので、伝達トルクを分散できる。このため、大きなトルクを伝達する場合であっても、１つの第１磁気歯車１２４（１２６）で伝達すべきトルクは小さいので、第１磁気歯車１２４、１２６を薄く且つ軽く成形することができる。また、第１磁気歯車１２４、１２６は、それぞれ、回転位相が異なるので、第１磁気歯車１２４、１２６の慣性モーメントが小さいことと相まって、回転速度が高くなっても、動バランスが安定しており、回転によって生じる振動や騒音を最小限に防ぐことができる。
【００４７】
又、本実施形態の磁気歯車減速機１００は、金属の歯同士の接触がなく、磁気歯による噛合を行うので、次のような効果を併せて得ることができる。先ず、振動・騒音の発生が防止できるので高効率で、音の静かな減速機を実現することが可能である。また、金属疲労や磨耗などによる歯車の寿命もないので、メンテナンスフリーあるいはメンテナンスサイクルの長い減速機を実現することができる。更に、従来の機械的な歯車の噛合によって生じていた応力集中を低減できるので、従来必要とされた歯車の噛合のための局所的な高い剛性を必要とせず、磁気歯車減速機１００の全体として構造を軽量・簡略化することができる。
【００４８】
即ち、本発明においては、磁気歯車減速機１００の軸方向Ｏの長さをコンパクトに保ちつつ、磁気歯の噛合面積を増やすことができるので、一般の減速機と伝達トルク／体積重量において同程度の値となる、高い伝達トルク／体積重量を確保することができる。
【００４９】
本実施形態においては、入力軸１０２の偏心体１１２として、一般的な鋼製のものを用いているので、例えば、□２００ｍｍ程度以上の大きさの磁気歯車減速機であった場合においても、本実施形態のように軸受１０４、１０６、１２２、１５６、１５８として潤滑油封入可能なものを使用して、密閉のための材質や構造を不要とすることができる。更に、例えば磁気歯車減速機が小型の場合においては、前述の軸受を自己潤滑性を有するプラスチック製として、潤滑油を全く使用しないこととすることもできる。
【００５０】
又、本実施形態では、第１磁気歯車１２４、１２６の磁気歯１２４Ｂ、１２６Ｂの対の数が２０対で、第２磁気歯車１３２、１３４、１３６の磁気歯１３２Ｂ、１３４Ｂ、１３６Ｂの対の数が２１対であったが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００５１】
又、磁気歯車減速機１００は、上記に限定されるものではなく、例えば、平行ローラ１５０を使用せずに、キャリアピン１４８だけをキャリアピン孔１２８、１３０に遊嵌させてもよいし、逆にプラスチック製等の軸受を適用してもよい。平行ローラ１５０がない場合には、より低コストとすることができ、軸受を用いる場合には、振動や騒音の更なる低減と高効率なトルク伝達が可能となる。
【００５２】
又、本実施形態では、第２磁気歯車１３２、１３４、１３６の回転を規制して、第１磁気歯車１２４、１２６を揺動回転させて、第１磁気歯車１２４、１２６から相対回転成分を取出していたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、第１磁気歯車１２４、１２６の回転を規制して、第２磁気歯車１３２、１３４、１３６を揺動回転させて、第２磁気歯車１３２、１３４、１３６から相対回転成分を取出してもよい。
【００５３】
又、本発明は、本実施形態のような第１磁気歯車１２４、１２６が２つで、第２磁気歯車１３２、１３４、１３６が３つに限定されるものではなく、第１磁気歯車と第２磁気歯車とが複数であればよい。例えば、第１磁気歯車が３つであるときには、回転位相を１２０度ずつずらすようにすることで、動バランスが改善され、より振動や騒音を低減することができる。なお、１つの第１磁気歯車を軸方向Ｏで挟み込むように２つの第２磁気歯車を配置する必要はなく、第２磁気歯車の磁気歯が第１磁気歯車の磁気歯と少なくとも一方の磁極と所定の空隙Ｓで対峙するように備えられていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本実施形態に係る磁気歯車減速機を模式的に示す断面図
【図２】偏心体を模式的に示す断面図及び正面図
【図３】図１のIII部分の第１磁気歯車と第２磁気歯車の関係を模式的に示す断面図
【図４】第１磁気歯車全体を模式的に示す正面図及び磁気歯部分を模式的に示す拡大正面図
【図５】第１及び第２磁気歯車の噛合状態を表すスケルトン図
【符号の説明】
【００５５】
１００…磁気歯車減速機
１０２…入力軸
１０４、１０６、１２２、１５６、１５８…軸受
１１２…偏心体
１２４、１２６…第１磁気歯車
１２４Ａ、１２６Ａ…回転ヨーク
１２４Ｂ、１２６Ｂ、１３２Ｂ、１３４Ｂ、１３６Ｂ…磁気歯
１２８、１３０…キャリアピン孔
１３２、１３４、１３６…第２磁気歯車
１３８…ケーシング本体
１４０…入力段カバー
１４２…補助カバー
１４６…出力段カバー
１４８…キャリアピン
１５０…平行ローラ
１５２…フランジ体
１５４…出力軸
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力軸に設けられた偏心体と、
該偏心体が嵌合され、該偏心体により揺動回転すると共に、軸方向に磁極の対を有して交互に向きが異なる複数の磁気歯を自身の側面に備える複数の第１磁気歯車と、
該第１磁気歯車の磁気歯の磁極の対の少なくとも一方と所定の空隙で該軸方向に対峙して磁気的噛合する磁気歯を備えると共に、該第１磁気歯車の歯数より僅少の差で歯数が多い複数の第２磁気歯車と、
前記第１磁気歯車と前記第２磁気歯車との相対回転成分を取出す出力軸と、
を備えることを特徴とする磁気歯車減速機。
【請求項２】
請求項１において、
前記第１磁気歯車の前記軸方向の厚みが該第１磁気歯車の磁気歯の該軸方向の厚みと同一である
ことを特徴とする磁気歯車減速機。
【請求項３】
請求項１又は２において、
前記偏心体が前記複数の第１磁気歯車のそれぞれの回転位相を相互に異ならせる
ことを特徴とする磁気歯車減速機。
【請求項１】
入力軸に設けられた偏心体と、
該偏心体が嵌合され、該偏心体により揺動回転すると共に、軸方向に磁極の対を有して交互に向きが異なる複数の磁気歯を自身の側面に備える複数の第１磁気歯車と、
該第１磁気歯車の磁気歯の磁極の対の少なくとも一方と所定の空隙で該軸方向に対峙して磁気的噛合する磁気歯を備えると共に、該第１磁気歯車の歯数より僅少の差で歯数が多い複数の第２磁気歯車と、
前記第１磁気歯車と前記第２磁気歯車との相対回転成分を取出す出力軸と、
を備えることを特徴とする磁気歯車減速機。
【請求項２】
請求項１において、
前記第１磁気歯車の前記軸方向の厚みが該第１磁気歯車の磁気歯の該軸方向の厚みと同一である
ことを特徴とする磁気歯車減速機。
【請求項３】
請求項１又は２において、
前記偏心体が前記複数の第１磁気歯車のそれぞれの回転位相を相互に異ならせる
ことを特徴とする磁気歯車減速機。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００９−２５０３５８（Ｐ２００９−２５０３５８Ａ）
【公開日】平成２１年１０月２９日（２００９．１０．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−９９６３０（Ｐ２００８−９９６３０）
【出願日】平成２０年４月７日（２００８．４．７）
【出願人】（０００００２１０７）住友重機械工業株式会社 (2,241)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１０月２９日（２００９．１０．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年４月７日（２００８．４．７）
【出願人】（０００００２１０７）住友重機械工業株式会社 (2,241)
【Ｆターム（参考）】
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