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オリエンタルモーター ギヤの原理と構造

ステッピングモータ用ギヤの原理と構造

ステッピングモータ、サーボモータ用ギヤヘッドは高精度位置決め用途として、高精度、高許容トルクを重要視して設計されています。
また、バックラッシを小さくするための機構を開発し、モータと組み合わせた状態でバックラッシを保証しています。
一般的に、同じ取付角寸法のACモータと比較すると、ステッピングモータはより出力トルクが大きくなり、これらのモータ特性を
損なわないように高トルク対応、高回転速度対応をしています。 以下に代表的な制御モータ用ギヤの原理構造を示します。

THギヤ(テーパーギヤ)

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THギヤは平歯車減速機の出力段とそれに噛み合う歯車にテーパーギヤを採用しています。

テーパーギヤは軸方向に連続的に転位を変化させたものです。

このテーパーギヤ同士を矢印の方向に微調整しながら噛み合わせ量を調整しバックラッシを抑えています。

平歯車の組み合わせで、互いにい押し付けてバックラッシを小さくしているので安価でありながら低バックラッシが実現できます。

TSギヤ(平歯車)

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TSギヤは歯車加工の高精度化および熱処理での寸法変化量を考慮した歯車加工を実施することで、バックラッシへの影響を低減しています。

また、出力軸の歯車については熱処理後に高精度仕上加工を実施して熱処理による寸法変化の影響をなくしています。

これにより、TSギヤは特別な調整機構の必要ないシンプルな構造を実現しています。

FCギヤ(フェース直交ギヤ)

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FCギヤとは、フェースギヤ(円盤状の歯車)と平歯車で構成された直交軸タイプのギヤです。

当社独自の高精度加工によりフェースギヤの小型化、

高強度化に成功し、バックラッシを抑えた小型直交軸を実現しました。

■CSギヤ(平歯車)    

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CSギヤードタイプは、モータのケーブル方向に凸部を設ける新しい構造によって、

これまでの平行軸ギヤヘッドで実現できなかったセンターシャフトを可能にしました。

この凸部を利用した最適設計により許容トルクは約2倍、許容ラジアル荷重は4倍にアップしています。

また、ギヤシャフトを中心に配置することで、装置への設計性が向上しています。高い機能性と設計のしやすさを実現しています。

                

PSギヤ、PLギヤ(遊星ギア)

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PSギヤおよびPLギヤは、遊星歯車機構のギヤです。太陽歯車、遊星歯車、内歯車の3つの基本部品で構成されています。

中心軸に取り付けられた太陽歯車(一段タイプではモータシャフトになります。)の外側に複数の遊星歯車があり、

内歯車を介して中心軸の周りを公転しています。遊星歯車の公転がキャリアを介して出力軸の回転になります。

PNギヤ(遊星ギヤ)

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PNギヤはPSギヤ、PLギヤと同じ遊星歯車機構のギヤです。

各部品の加工精度を向上させた上に、バックラッシ除去機構を採用し仕様値3分以内のバックラッシを実現しています。

バックラッシ除去機構は内歯車と遊星歯車をそれぞれ上下2段に配置し、内歯車を円周方向にひねっています。

そのため上段の内歯車と遊星歯車はCW方向側のバックラッシを除去し、

下段の内歯車と遊星歯車はCCW方向側のバックラッシを除去しています。

HPGギヤ(遊星ギア)

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薄肉弾性歯車技術を遊星歯車減速機の内歯車へ応用した遊星歯車減速装置です。

これにより内歯車の弾性変形を利用し、調整機構なしで低バックラッシを実現しました。

遊星歯車減速機は、太陽歯車と遊星歯車、遊星歯車と内歯車がそれぞれ同時にかみ合う構造となっています。

このため、部品の寸法精度のみでバックラッシを小さくすると、寸法誤差の影響でかみあい部が干渉し、回転トルクのむらや、騒音の原因となります。

このような問題を解決するために、かみあい部の干渉を緩和する機能および、十分な強度をかねそなえた「薄肉弾性内歯車」が開発され、画期的な構造の遊星歯車減速機であるハーモニックプラネタリ®が誕生しました。ハーモニックプラネタリ®は、減速機寿命の範囲内でバックラッシ変化がほとんどありません。
HPGギヤの構造 (Copyright © 1999 HARMONIC DRIVE SYSTEMS INC. All Rights Reserved.) ●ハーモニックプラネタリ®は、株式会社ハーモニック・ドライブ・システムズの登録商標です

ハーモニックギヤ (波動減速機)

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減速機としては比類ない優れた位置決め精度を発揮するハーモニックギヤは、金属の弾性力学を応用したわずか3点の基本部品

(ウェーブ・ジェネレータ、フレクスプライン、サーキュラ・スプライン)から構成されています。

ウェーブ・ジェネレータ
楕円形カムの外周に肉薄のボールベアリングがはめられており、全体が楕円形状をした部品です。
ベアリングの内輪は楕円形カムに固定しており、外輪はボールを介して弾性変形します。モータシャフトに取り付けられています。

■フレクスプライン
肉薄のカップ状をした金属弾性体の部品です。カップ開口部外周に歯が刻まれています。フレクスプラインの底部にギヤ出力軸が取り付けられています。

■サーキュラ・スプライン
剛体の内歯車です。内周にフレクスプラインと同じ大きさの歯が刻まれており、フレクスプラインより歯数が2枚多くなっています。外周はギヤケースに固定されています。

フレクスプラインはウェーブ・ジェネレータによって楕円状にたわめられ、楕円の長軸の部分でサーキュラ・スプラインと歯が噛み合い、短軸の部分で歯が完全に離れた状態になります。 サーキュラ・スプラインを固定し、ウェーブ・ジェネレータ(入力)を時計方向へ回すと、フレクスプラインは弾性変形し、サーキュラ・スプラインとの歯の噛み合い位置が順次移動していきます。 ウェーブ・ジェネレータが1回転すると、フレクスプラインはサーキュラ・スプラインより歯数が2枚少ないため、ウェーブ・ジェネレータの回転方向とは逆方向へ、すなわち反時計方向へ、歯数差2枚分だけ移動します。この動きを出力として取り出し、減速しています。

■精度について

ハーモニックギヤは、一般の平歯車による減速機とは異なり、バックラッシ(歯の噛み合い遊び)がありません。
同時に噛み合う歯数が多く、歯のピッチ誤差や累積ピッチ誤差の回転精度への影響が平均化され、高い位置決め精度が得られます。また、ハーモニックギヤは減速比が高いため、出力軸に負荷トルクが加えられたときのねじれは、モータ単体や他のギヤードモータに比べても非常に小さく、高剛性です。剛性が高いので、負荷変動に強く、安定した位置決めが可能です

■角度伝達精度
入力パルス数から計算される出力軸の理論的な回転角度と実際の 回転角度の誤差を言います。 任意の位置から、出力軸を1回転測 定したときの誤差の最小値と最大値の幅で表します。

取付角 角度伝達精度
AZM15タイプ 20mm 3 [arcmin]
AZM46/48タイプ 42mm 2 [arcmin]
AZM66タイプ 60mm 1.5 [arcmin]

これは無負荷条件での値(ギヤ部参考値)です。 しかし実際の用途 においては、必ず摩擦負荷が発生し、摩擦負荷に応じた変位を生 じます。摩擦負荷が一定の場合、一方向運転では変位は一定ですが、 正逆両方向から運転をおこなうときは往復で2倍の変位を生じま す。 その変位は、次のトルク―ねじれ特性から推測することがで きます。

■トルク―ねじれ特性
グラフのトルク―ねじれ特性は、モータ軸を固定し、出力軸に 正逆転方向より徐々に負荷(トルク)を加えたり減らしていったと きの変位(ねじれ)を測定したものです。 このように出力軸に負荷 が加えられると、ギヤのばね定数の関係で変位が発生します。

この変位は、停止時に外力が加わる場合や摩擦負荷が加わった状 態で駆動する場合に発生します。 この傾きは、負荷トルクの大き さにより、以下の3つの区分におけるばね定数で近似でき、計算に より推定することができます。
1. 負荷トルクTLがT1以下 θ = TL / K1 [min]

2. 負荷トルクTLがT1を超えT2以下 θ= θ 1 + (TL − T1 ) / K2  [min] 

3. 負荷トルクTLがT2を超える θ = θ 2 + (TL − T2) / K3 [min] 

計算により決まるねじれ角は、ハーモニックギヤ単体のものです。

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