WO2018159539A1

WO2018159539A1 - ローラギヤカム機構

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Publication number: WO2018159539A1
Application number: PCT/JP2018/006982
Authority: WO
Inventors: 誠小野田
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Filing date: 2018-02-26
Publication date: 2018-09-07
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Abstract

動力の伝達効率を向上させることができるローラギヤカム機構を提供する。カム３０１と、外周方向に沿って複数の軸受２０１が配置された回転部材１０２とを備えるローラギヤカム機構１０１において、軸受２０１が、軸部材２０５と、軸部材２０５の周りに回転可能な外輪部２０２とを備え、外輪部２０２の外周面２０４が、外輪部２０２の中心軸線２０３を含む外輪部２０２の断面において円弧形状であって、外輪部２０２の外周面２０４と接触するカムリブ３０３の接触部分が、カム軸線３０２を含むカム３０１の断面において円弧形状であって、外輪部２０２の円弧形状が、カムリブ３０３の円弧形状に沿うように構成されており、外輪部２０２の円弧形状の曲率半径及びカムリブ３０３の円弧形状の曲率半径が、互いに関連付けられて決定されている。

Description

ローラギヤカム機構

　本発明は、バックラッシが無く、高剛性、高効率伝達性を有するとともに、高速化、高精度化が可能であるローラギヤカム機構に関するものである。

　ローラギヤカム機構は、鼓形カム(concave globoidal cam、roller gear cam)を代表とする、スクリュー形状のカムリブを有する一方の軸としてのカムと、それに直交配置された他方の軸としての回転部材の外周方向に沿って配置された複数のローラフォロアやカムフォロア等の軸受との噛合いにより、カムと回転部材のうちの一方の軸を入力軸とし、他方の軸を出力軸として動力を伝達する機構である。カムリブはテーパ形状をしており、入力軸と出力軸の軸間距離を操作することで軸受とカムリブとの接触部にくさび効果による予圧が発生し、入出力間でのバックラッシを無くすことが出来る。また入力軸のトルクが軸受の転がり接触により出力軸へ伝達されるため、バックラッシの無い状態でスムーズに回転でき、接触部の摩擦損失が抑えられた高効率なトルク伝達が行われる。

　軸受は軸部材と外輪部を備え、略円筒状の外輪部は軸部材の周りに回転することができ、外輪部はカムリブと線接触して回転するように軸受とカムリブとの接触部に予圧が与えられる。この場合、軸受とカムリブとの接触部のうちの転がり点においては、軸受の外輪部の速度とカムリブの速度とは一致するため、滑りが発生しない。しかし、軸受とカムリブとの接触部のうちの該転がり点より回転部材側では、軸受の外輪部の速度よりカムリブの速度が大きくなるため、滑りが発生する。また、軸受とカムリブとの接触部のうちの該転がり点よりカム側では、カムリブの速度より軸受の外輪部の速度が大きくなるため、滑りが発生する。このように滑りが発生することから、動力の伝達効率が低下する。なお、軸受の外輪部の速度Ｖ_ｒは、略円筒状の半径をｒとし、外輪部の単位時間当たりの回転数をＮ_ｒとすると、Ｖ_ｒ＝２π×ｒ×Ｎ_ｒにより決定される。また、カムリブの該転がり点における速度Ｖ_ｃａｍは、該転がり点からカムの回転軸線までの距離をＲ_ｃとし、カムの単位時間当たりの回転数をＮ_ｃとすると、Ｖ_ｃａｍ＝２π×Ｒ_ｃ×Ｎ_ｃにより決定される。該転がり点においては、Ｖ_ｒ＝Ｖ_ｃａｍ（Ｎ_ｒ＝Ｒ_ｃ／ｒ×Ｎ_ｃ）となる。

　また、カムリブの母線形状や軸受の外輪部の円筒形状等の加工誤差から生じるミスアライメントにより、応力分布が変化して、該転がり点の位置（すなわち、Ｒ_ｃ）が変化する。これにより、軸受の外輪部の回転速度が変化して、振動やトルク変動等の原因となる。更に、軸受とカムリブとの間の滑り部分が変化するので、軸受とカムリブに偏摩耗が生じ、駆動トルクが大きくなる。

　このようなミスアライメントによる応力集中を避けるために、特許文献１には、ミスアライメントを含めた接触の条件を考慮して、面圧を低減させるカムフォロアが開示されている。カムフォロアの外輪部及び／又はカムの互いに対する接触面において、対数クラウニングが施される。

特開２００７－２１１８６１号公報

　特許文献１によるカムフォロアにおいても、カムフォロアとカムリブとの接触部のうちの転がり点の両側における滑りによって、カムフォロアの外輪部にはスキューモーメントが働くので、外輪部はカムフォロアの軸部材に対して傾き（スキューが発生し）、外輪部が軸部材の軸線方向に対して移動するので、該転がり点の位置は変化するという問題点がある。また、外輪部と軸部材の鍔部との間にボールを挿入することによって、外輪部の軸線方向に対する移動による荷重を受けることもできるが、スペースが狭く、大きな荷重を受けることはできない。

　従って、本発明の目的は、上記問題点を解決して、バックラッシが無く、高剛性、高効率伝達性を有し、高速化、高精度化を可能にするローラギヤカム機構を提供することである。

　本発明の１つの観点によれば、ローラギヤカム機構が、カム軸線を中心として回転可能なカムであって、カムリブ及びカム溝を有するスクリュー形状のカムと、カム軸線に垂直である回転部材軸線を中心として回転可能な回転部材と、回転部材の外周方向に沿って配置された複数の軸受であって、カムリブに対して転がり接触することが可能である複数の軸受とを備え、複数の軸受の各々が、軸部材と、軸部材の周りに回転可能な外輪部とを備え、外輪部の外周面の少なくとも一部が、外輪部の中心軸線を含む外輪部の断面において円弧形状であって、外輪部の外周面の少なくとも一部と接触するカムリブの接触部分が、カム軸線を含むカムの断面において円弧形状であって、外輪部の円弧形状が、カムリブの円弧形状に沿うように構成されており、外輪部の円弧形状の曲率半径及びカムリブの円弧形状の曲率半径が、互いに関連付けられて決定されている。

　本発明の一具体例によれば、ローラギヤカム機構において、外輪部の外周面の少なくとも一部が、外輪部の中心軸線に対して凸面形状であって、カムリブの接触部分が、凸面形状に沿う凹面形状であって、カムリブの円弧形状の曲率半径が、外輪部の円弧形状の曲率半径よりも大きい。

　本発明の一具体例によれば、ローラギヤカム機構において、外輪部の円弧形状の曲率半径が、外輪部の中心軸線から外周面の少なくとも一部までの距離以上である。

　本発明の一具体例によれば、ローラギヤカム機構において、外輪部の外周面の少なくとも一部が、外輪部の中心軸線に対して凹面形状であって、カムリブの接触部分が、凹面形状に沿う凸面形状であって、外輪部の円弧形状の曲率半径が、カムリブの円弧形状の曲率半径よりも大きい。

　本発明の一具体例によれば、ローラギヤカム機構において、外輪部の円弧形状のうちの回転部材軸線側の曲率半径が、外輪部の円弧形状のうちのカム軸線側の曲率半径と相違する。

　本発明の一具体例によれば、ローラギヤカム機構において、カムリブの円弧形状のうちの回転部材軸線側の曲率半径が、カムリブの円弧形状のうちのカム軸線側の曲率半径と相違する。

　本発明の一具体例によれば、ローラギヤカム機構において、外輪部の円弧形状の曲率半径及びカムリブの円弧形状の半径が、複数の軸受の各々とカムリブとの間に与えられる予圧、ローラギヤカム機構を動作させている間に複数の軸受の各々とカムリブとの間に与えられる負荷荷重、及び、外輪部が中心軸線の方向に移動することにより与えられる偏荷重のうちの少なくとも１つに基づいて、互いに関連付けられて決定されている。

　本発明の一具体例によれば、ローラギヤカム機構において、軸部材が外輪部の内側部を挟むように構成された一対の鍔部を備え、一対の鍔部の各々と外輪部の内側部との間には間隙が設けられ、複数の軸受の各々がカムリブと接触しているときに、外輪部が中心軸線の方向に間隙の幅以上に移動しないように、外輪部の円弧形状の曲率半径及びカムリブの円弧形状の曲率半径が、互いに関連付けられて決定されている。

　本発明の一具体例によれば、ローラギヤカム機構において、外輪部とカムリブとは線接触できるようになっており、カムリブの接触部分において、均等に負荷荷重を受けることができるように、外輪部の円弧形状の曲率半径及びカムリブの円弧形状の曲率半径が、互いに関連付けられて決定されている。

　本発明の一具体例によれば、ローラギヤカム機構において、複数の軸受の各々が、ローラフォロア又はカムフォロアである。

　本発明の一具体例によれば、ローラギヤカム機構において、複数の軸受の各々が、転がり接触の軸受又は滑り接触の軸受である。

　本発明によれば、軸受の外輪部の外周面及びカムリブのカム面を曲率半径で関連付けて、それぞれが互いに沿うような円弧形状にすることによって、外周面とカム面との間の滑り接触する部分が減少して、ローラギヤカム機構は動力の伝達効率を向上させることができる。特に、外周面及びカム面を凸面形状及び凹面形状、或いは、凹面形状及び凸面形状として互いに沿うような円弧形状にして、外周面とカム面とを接触させることによって、外輪部の軸線方向に対する移動が無く、外輪部と軸部材との接触が無くなって、ローラギヤカム機構は回転トルクや振動を抑制させることができる。

　なお、本発明の他の目的、特徴及び利点は、添付図面に関する以下の本発明の実施例の記載から明らかになるであろう。

本発明の一実施形態としてのローラギヤカム機構の正面から見た概略図である。図１のローラギヤカム機構の側面から見た概略図である。図１のローラギヤカム機構のＩＩＩの方向から見た軸受の外輪部の中心軸線に対して垂直な断面における軸受の外輪部とカムリブとの接触を表す拡大概略図である。従来の軸受の外輪部とカムリブとの接触を表す拡大断面図である。図１のローラギヤカム機構のＩＶの方向から見た従来の軸受の外輪部とカムリブとの接触による接触応力分布及び外輪部の外周面の速度部分を表す図である。本発明の一実施形態としての軸受の外輪部とカムリブとの接触を表す拡大断面図である。本発明の別の実施形態としての軸受の外輪部とカムリブとの接触を表す拡大断面図である。図６の軸受の外輪部とカムリブとの外輪部の径方向移動による接触を表す拡大概略図である。図６の軸受の外輪部とカムリブとの外輪部の径方向移動及び軸線方向移動による接触を表す拡大概略図である。図１のローラギヤカム機構のＩＩＩの方向から見た軸受の外輪部の中心軸線に対して垂直な断面における、カムリブが傾斜を有する場合の軸受の外輪部とカムリブとの接触を表す拡大概略図と、図１のローラギヤカム機構のＩＶの方向から見た軸受の外輪部と転がり点との関係を表す拡大概略図である。本発明の更に別の実施形態としての軸受の外輪部とカムリブとの接触を表す拡大断面図である。図６の軸受の外輪部とカムリブとの線接触を表す拡大断面図である。

　以下、本発明の実施例について図面を参照して説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

　図１～１２を参照して、本発明のローラギヤカム機構の実施例を説明する。

　図１、２に、それぞれ本発明のローラギヤカム機構１０１の正面から見た概略図及び側面から見た概略図を示す。ローラギヤカム機構１０１は、カムリブ３０３とカム溝３０５を有するスクリュー形状の、回転軸線であるカム軸線３０２を中心として回転可能なカム３０１と、カム軸線３０２に垂直な回転軸線である回転部材軸線１０３を中心として回転可能な回転部材又は回転テーブル（以下、回転部材）１０２であって、回転部材１０２の外周方向に沿って配置された複数の軸受２０１の各々がカムリブ３０３に対して転がり接触することが可能である、回転部材１０２とを備える。カム軸線３０２、回転部材軸線１０３は、どちらか一方が入力軸、他方が出力軸となり、その関係は互いに逆となってもよい。複数の軸受２０１の各々は、回転部材１０２に嵌合する、等によって回転部材１０２の外周方向に沿って配置される。複数の軸受２０１の各々が、カムリブ３０３のカム面３０４に転がり接触にすることによって、カム３０１、又は回転部材１０２から入力されるトルクの、出力軸側への伝達効率を向上できるとともに、ローラギヤカム機構１０１の寿命を長くすることができる。また、複数の軸受２０１の各々とカムリブ３０３のカム面３０４との間は線接触であるために、回転部材１０２の回転方向の外力に対して高い剛性を有する。

　図３に、図１のローラギヤカム機構１０１のＩＩＩの方向から見た場合の軸受２０１の外輪部２０２の中心軸線２０３に対して垂直な断面における外輪部２０２の外周面２０４とカムリブ３０３のカム面３０４との接触関係を示す。複数の軸受２０１の各々は、軸部材２０５と、軸部材２０５の周りに回転可能な外輪部２０２、外輪部２０２と軸部材２０５との間で回転可能なニードル、回転ころ２０６を備える。なお、軸受２０１は、ニードル、回転ころ２０６を備えていなくてもよい。外周面２０４とカム面３０４とは転がり接触をしている転がり点２０７を中心に接触している。ここで、Ｖ_ｃａｍをカム面３０４の転がり点２０７における速度、ｒを外周面２０４の中心軸線２０３からの距離、すなわち、半径、Ｎ_ｒを外輪部２０２の単位時間当たりの回転数とすると、転がり点２０７では転がり接触をしている（滑り接触をしていない）ので、転がり点２０７におけるカム面３０４の速度と外周面２０４の速度は同一であって、Ｖ_ｃａｍ＝２π×ｒ×Ｎ_ｒとなる。

　図４に、従来の軸受２０１の外輪部２０２の外周面２０４とカムリブ３０３のカム面３０４との接触関係を表す拡大断面図を示す。また図５に、図１のローラギヤカム機構のＩＶの方向から見た場合の従来の軸受２０１の外輪部２０２の外周面２０４とカムリブ３０３のカム面３０４との接触による接触応力分布及び外周面２０４の速度部分を示す。外周面２０４とカム面３０４とは転がり点２０７を中心として接触している。転がり点２０７においては転がり接触をしているが、接触しているカム面３０４のうちの転がり点２０７以外の速度は、外周面２０４の速度と相違するために、転がり点２０７以外においては滑り接触となる。外周面２０４の速度は、カム面３０４の転がり点２０７より回転部材１０２側の速度より遅くなり、カム面３０４の転がり点２０７よりカム３０１側の速度より速くなる。このように速度が相違することによる滑りが発生することにより、ローラギヤカム機構１０１の動力の伝達効率が低下する。更には、カムリブ３０３のカム面３０４や軸受２０１の外輪部２０２の加工誤差によるミスアライメントが発生することにより、転がり点２０７が中心軸線２０３の方向に移動して、従来の軸受２０１の外輪部２０２の内側部２０９と従来の軸受２０１の軸部材２０５の鍔部２０８が接触し、ローラギヤカム機構１０１の回転トルクの低減や振動を引き起こす。

　図６に、本発明のローラギヤカム機構１０１の軸受２０１とカム３０１の一実施例であって、軸受２０１の外輪部２０２の外周面２０４とカムリブ３０３のカム面３０４との接触関係を表す拡大断面図を示す。軸受２０１の外輪部２０２の外周面２０４が、外輪部２０２の中心軸線２０３を含む外輪部２０２の断面において円弧形状になっている。なお、外周面２０４の一部が円弧形状であってもよい。外輪部２０２の外周面２０４と接触するカムリブ３０３のカム面３０４の接触部分が、カム軸線３０２を含むカム３０１の断面において円弧形状になっている。なお図６の場合、外輪部２０２の中心軸線２０３を含む外輪部２０２の断面とカム軸線３０２を含むカム３０１の断面とは同一の断面であって、図２のＶＩ－ＶＩに沿った平面の断面である。外輪部２０２の外周面２０４の円弧形状は、カムリブ３０３のカム面３０４の円弧形状に沿うように、すなわち、外輪部２０２の外周面２０４の円弧形状は、カムリブ３０３のカム面３０４の円弧形状と略同じ方向に曲がるように構成されており、外輪部２０２の外周面２０４の円弧形状の第１の曲率半径２１２及びカムリブ３０３のカム面３０４の円弧形状の曲率半径３０６は、互いに関連付けられて決定されている。このように、外輪部２０２の外周面２０４及びカムリブ３０３のカム面３０４を曲率半径で関連付けて、それぞれが互いに沿うような円弧形状にすることによって、外輪部２０２の外周面２０４とカムリブ３０３のカム面３０４との間の滑り接触する部分が減少するので、ローラギヤカム機構１０１は動力の伝達効率を向上させることができる。

　図６においては、外輪部２０２の外周面２０４が、外輪部２０２の中心軸線２０３に対して凸面形状であって、カムリブ３０３のカム面３０４の接触部分が、外周面２０４の凸面形状に沿う凹面形状であってもよい。この場合、カムリブ３０３のカム面３０４の円弧形状の曲率半径３０６が、外輪部２０２の外周面２０４の円弧形状の第１の曲率半径２１２よりも大きい。また、外輪部２０２の外周面２０４の円弧形状の第１の曲率半径２１２が、外輪部２０２の中心軸線２０３から外周面２０４までの距離、すわなち、外輪部２０２の半径２１１以上であってもよい。図５の外輪部２０２を、図６の外輪部２０２のように第１の曲率半径２１２を有するように縁側を削ることによって、外周面２０４を凸面形状にし、更に、カム面３０４を外周面２０４の凸面形状に沿う凹面形状にすると、図５の外輪部２０２及びカムリブ３０３と対比して、外輪部２０２の慣性モーメントを小さくして外輪部２０２を高速に回転させることができるようになるとともに、外輪部２０２の凸面形状に沿ったカムリブ３０３の凹面の深さ３０７に応じてカムリブ３０３の肉厚が厚くなるので、ローラギヤカム機構１０１はカムリブ３０３の剛性を向上させることができる。

　図７に、本発明のローラギヤカム機構１０１の軸受２０１とカム３０１の別の一実施例であって、軸受２０１の外輪部２０２の外周面２０４とカムリブ３０３のカム面３０４との接触関係を表す拡大断面図を示す。図７も図６と同様に、軸受２０１の外輪部２０２の外周面２０４が、外輪部２０２の中心軸線２０３を含む外輪部２０２の断面において円弧形状になっている。なお、外周面２０４の一部が円弧形状であってもよい。外輪部２０２の外周面２０４と接触するカムリブ３０３のカム面３０４の接触部分が、カム軸線３０２を含むカム３０１の断面において円弧形状になっている。なお図７の場合も、図６と同様に、外輪部２０２の中心軸線２０３を含む外輪部２０２の断面とカム軸線３０２を含むカム３０１の断面とは同一の断面である。図７においても、外輪部２０２の外周面２０４の円弧形状は、カムリブ３０３のカム面３０４の円弧形状に沿うように、すなわち、外輪部２０２の外周面２０４の円弧形状は、カムリブ３０３のカム面３０４の円弧形状と略同じ方向に曲がるように構成されており、外輪部２０２の外周面２０４の円弧形状の第１の曲率半径２１２及びカムリブ３０３のカム面３０４の円弧形状の曲率半径３０６は、互いに関連付けられて決定されている。このように、外輪部２０２の外周面２０４及びカムリブ３０３のカム面３０４を曲率半径で関連付け、それぞれを互いに沿うような円弧形状にして、外周面２０４とカム面３０４とを接触させることによって、外輪部２０２の外周面２０４とカムリブ３０３のカム面３０４との間の滑り接触する部分が減少するので、ローラギヤカム機構１０１は動力の伝達効率を向上させることができる。

　図７においては、外輪部２０２の外周面２０４が、外輪部２０２の中心軸線２０３に対して凹面形状であって、カムリブ３０３のカム面３０４の接触部分が、外周面２０４の凹面形状に沿う凸面形状である。この場合、外輪部２０２の外周面２０４の円弧形状の第１の曲率半径２１２が、カムリブ３０３のカム面３０４の円弧形状の曲率半径３０６よりも大きい。図５のカムリブ３０３を、図７のカムリブ３０３のように曲率半径３０６を有するように縁側を削ることによって、カム面３０４を凸面形状にし、外周面２０４をカム面３０４の凸面形状に沿う凹面形状にすると、図５の外輪部２０２及びカムリブ３０３と対比して、図７のカムリブ３０３のように肉厚３０９を薄くすることができ、これは、ローラギヤカム機構１０１の動作させるときの負荷容量が小さいときに有効である。

　図６、図７に示すように、外輪部２０２の外周面２０４及びカムリブ３０３のカム面３０４を曲率半径で関連付け、それぞれを、凸面形状及び凹面形状、或いは、凹面形状及び凸面形状として互いに沿うような円弧形状にして、外周面２０４とカム面３０４とを接触させることによって、外輪部２０２の中心軸線２０３の方向に対する移動を無くす、或いは小さくすることができ、カムリブ３０３のカム面３０４や軸受２０１の外輪部２０２の加工誤差から生じるミスアライメントがあったとしても、外輪部２０２の内側部２０９と軸部材２０５の鍔部２０８との接触が無くなって、ローラギヤカム機構１０１の回転トルクや振動を抑制することができる。更には、内側部２０９と鍔部２０８との摩耗を無くすことができる。

　図８に示すように、ローラギヤカム機構１０１においては、バックラッシを無くすために回転部材軸線１０３とカム軸線３０２の軸間距離を操作することによって、各軸受２０１の外輪部２０２の外周面２０４とカムリブ３０３のカム面３０４との間にはくさび効果による予圧が発生する。更に、ローラギヤカム機構１０１を動作させている間、各軸受２０１の外輪部２０２の外周面２０４とカムリブ３０３のカム面３０４との間には回転部材１０２に結合して回転する負荷による負荷荷重が発生する。予圧と負荷荷重に基づいて、外輪部２０２は径方向に移動し、外周面２０４がカム面３０４に食い込むように外輪部２０２とカムリブ３０３は接触する。この接触によって、外周面２０４とカム面３０４との間には転がり点２０７を中心として左右対称となる荷重が分布する。

　図９に示すように、ローラギヤカム機構１０１を動作させている間、カム面３０４の傾斜により、外輪部２０２は中心軸線２０３の方向に移動し、外周面２０４がカム面３０４に食い込むように外輪部２０２とカムリブ３０３は接触する。図１０に、図１のローラギヤカム機構１０１のＩＩＩの方向から見た場合の、軸受２０１の外輪部２０２の中心軸線２０３に対して転がり点２０７を含む垂直な断面における外輪部２０２の外周面２０４とカムリブ３０３のカム面３０４との接触関係、及び、図１のローラギヤカム機構１０１のＩＶの方向から見た場合の、軸受２０１の外輪部２０２と転がり点２０７との関係を示す。外周面２０４とカム面３０４は転がり点２０７を中心として接触している。転がり点２０７においては転がり接触をしているが、接触しているカム面３０４のうちの転がり点２０７以外の速度は、外周面２０４の速度と相違するために、転がり点２０７以外においては滑り接触となる。そして、カム面３０４は、転がり点２０７においてカム３０１のカム軸線３０２を中心とする回転によって、速度Ｖ_ｃａｍを有し（外周面２０４はＶ_ｃａｍの速度で回転している）、カムリブ３０３がスクリュー形状に捩れているために、速度Ｖ_ｃａｍに対して角度αの傾斜を有するように、外周面２０４に転がり接触している。その一方、接触しているカム面３０４のうちの転がり点２０７以外のそれぞれの箇所においては、カム３０１のカム軸線３０２を中心とする回転による速度が互いに相違するだけでなく、速度に対するカムリブ３０３の捩れによる傾斜角度αも互いに相違するように、外周面２０４に滑り接触するので、図１０の矢印のよう外輪部２０２は中心軸線２０３の方向に移動する運動成分を持つようになって、図９に示すように、外周面２０４とカム面３０４との間には左右非対称となる偏荷重が分布し、カム面３０４には外周面２０４に対する偏荷重反力が発生する。

　このように荷重が偏る場合には応力集中を回避するために、図１１に、本発明のローラギヤカム機構１０１の軸受２０１とカム３０１の更に別の一実施例であって、軸受２０１の外輪部２０２の外周面２０４とカムリブ３０３のカム面３０４との接触関係を表す拡大断面図を示す。図１１に示すように、外輪部２０２の外周面２０４の円弧形状のうちの回転部材１０２の回転部材軸線１０３側の曲率半径が、外輪部２０２の外周面２０４の円弧形状のうちのカム３０１のカム軸線３０２側の曲率半径と相違するようにしてもよい。図１１においては、回転部材軸線１０３側の外輪部２０２の第２の曲率半径２１３が、カム軸線３０２側の外輪部２０２の第１の曲率半径２１２より小さくなっている。なお、外輪部２０２が中心軸線２０３に対して何れの方向に移動するかは、設計されるローラギヤカム機構１０１の各々における軸受２０１の外輪部２０２とカム３０１のカムリブ３０３との間の接触状態、例えば、カム３０１のカムリブ３０３及びカム溝３０５のスクリュー形状、等に依存するため、各ローラギヤカム機構１０１に応じて、第１の曲率半径２１２及び第２の曲率半径２１３のうち、何れの曲率半径を小さくするかを決定する。

　また、カムリブ３０３のカム面３０４の円弧形状のうちの回転部材１０２の回転部材軸線１０３側の曲率半径が、カムリブ３０３のカム面３０４の円弧形状のうちのカム３０１のカム軸線３０２側の曲率半径と相違するようにしてもよい。この場合も、回転部材軸線１０３側の曲率半径及びカム軸線３０２側の曲率半径のうち、何れの側の曲率半径を小さくするかは、設計されるローラギヤカム機構１０１の各々に依存する。

　各軸受２０１とカムリブ３０３との間に与えられる予圧、ローラギヤカム機構１０１を動作させている間に各軸受２０１とカムリブ３０３との間に与えられる負荷荷重、及び、軸受２０１の外輪部２０２が中心軸線２０３の方向に移動することにより与えられる偏荷重、のうちの少なくとも１つに基づいて、外輪部２０２の外周面２０４の円弧形状の第１の曲率半径２１２・第２の曲率半径２１３、及びカムリブ３０３のカム面３０４の円弧形状の曲率半径３０６を、互いに関連付けて決定してもよい。上記に示すように、予圧は、バックラッシを無くすために回転部材軸線１０３とカム軸線３０２の軸間距離を操作することによって与えられ、負荷荷重は、ローラギヤカム機構１０１を動作させている間、回転部材１０２に結合して回転する負荷によって与えられる。また、偏荷重は、カム面３０４の外周面２０４との各接触部分におけるカムリブ３０３のスクリュー形状の捩れの相違、等により、外輪部２０２が中心軸線２０３の方向に移動することによって与えられる。与えられる予圧及び与えられる負荷荷重に基づく外輪部２０２の径方向の移動量、カムリブ３０３の捩れによるカム面３０４の傾斜に基づく外輪部２０２の中心軸線２０３の方向に対する移動量を使用して、ヘルツの接触応力の式等によって、図８、図９に示すような荷重分布が計算されることができる。計算された荷重分布に基づいて、最適な外周面２０４の円弧形状の第１の曲率半径２１２・第２の曲率半径２１３、及び、カム面３０４の円弧形状の曲率半径３０６を決定してもよい。

　軸受２０１の軸部材２０５は、軸受２０１の外輪部２０２の内側部２０９を挟むように構成された一対の鍔部２０８を備えており、外輪部２０２は、内側部２０９が一対の鍔部２０８に沿うように、中心軸線２０３を中心に回転する。一対の鍔部２０８の各々と内側部２０９との間には間隙２１０が設けられている。外輪部２０２の外周面２０４がカムリブ３０３のカム面３０４と接触しているときに、外輪部２０２が中心軸線２０３の方向に各間隙２１０の幅Δ／２以上に移動しないように、外輪部２０２の円弧形状の第１の曲率半径２１２・第２の曲率半径２１３、及び、カムリブ３０３のカム面３０４の円弧形状の曲率半径３０６を、互いに関連付けて決定してもよい。これによって、外輪部２０２の内側部２０９と軸部材２０５の鍔部２０８との接触が無くなって、ローラギヤカム機構１０１は回転トルクや振動を抑制させることができる。また、内側部２０９と鍔部２０８との摩耗を無くすことができる。

　図１２に示すように、負荷荷重Ｐが発生すると、外周面２０４とカム面３０４とは、転がり点２０７を中心として、長さＬの接触長２１４で線接触しているが、このように線接触している場合において、外周面２０４の円弧形状の第１の曲率半径２１２、及び、カム面３０４の円弧形状の曲率半径３０６は、以下のようにヘルツ応力計算を使用することによって決定されてもよい。

　ところで、２つの物体が接触する共有接平面に垂直な方向から２つの物体に対して、図１２のように負荷荷重Ｐを加えると、２つの物体は長半径ａ及び短半径ｂを有する楕円状の接触部分を有するように接触する。この長半径ａ及び短半径ｂを求めるためにヘルツ応力計算を使用する。ヘルツ応力計算によれば、共有接平面に垂直であって、互いに対しても垂直である２平面における、２つの物体の曲率をそれぞれρ_１Ｉ、ρ_１ＩＩ、ρ_２Ｉ、ρ_２ＩＩとすると、補助変数ｃｏｓτが、次のように定義される。

　ここでρ_１Ｉは物体１の平面Ｉにおける曲率、ρ_１ＩＩは物体１の平面ＩＩにおける曲率、ρ_２Ｉは物体２の平面Ｉにおける曲率、ρ_２ＩＩは物体２の平面ＩＩにおける曲率である。曲率は、カム面３０４のように凹面の場合には負の符号を持つ。また、ωは物体１の平面Ｉと物体２の平面Ｉ（物体１の平面ＩＩと物体２の平面ＩＩ）とがなす角度である。外周面２０４とカム面３０４との接触のような場合には、物体１の平面Ｉと物体２の平面Ｉとは一致してωの角度は０と考えてよいので、〔数１〕は次のようになる。

　補助変数ｃｏｓτは、完全楕円積分を媒介して、次のように表される。

　ここでＫ及びＥは、それぞれ第一種及び第二種の完全楕円積分であって、次のように表される。

　そして、２つの物体の接触部分である接触楕円の長半径ａ及び短半径ｂは、次のように表される。

　ここでΘ_１及びΘ_２は、物体１及び２のそれぞれのポアソン比１／ｍ_１及び１／ｍ_２、並びに物体１及び２のそれぞれのヤング率Ｅ_１及びＥ_２によって、次のように表される。なお、ポアソン比、ヤング率は、外輪部２０２、カムリブ３０３の材質によって決定される値である。

　またμ、νは、次のように表される。

　上記の式を使用すると、長半径ａ及び短半径ｂを有する接触楕円の接触部分内の任意の位置（ｘ、ｙ）における圧力σは、次のように表される。

　そして最大圧力σ_ｍａｘは、次のように表される。

　一方、図１２に示すように、外周面２０４とカム面３０４とが接触している状態は線接触であると考えられるので、線接触している接触部分の円周方向接触幅をｂ’とすると、接触幅ｂ’及び最大圧力σ_ｍａｘ’は、接触部分の接触長２１４の長さＬ及び負荷荷重Ｐにより、次のように表される。

　ここで、外周面２０４とカム面３０４とが線接触している場合に、外輪部２０２が中心軸線２０３の方向に移動しないようにし、且つ、接触部分において負荷荷重Ｐを均等に受け、外周面２０４の端部でエッジ応力が発生しないようにするために、接触楕円の長径２ａが接触長２１４の長さＬの１．５倍になるように外周面２０４の円弧形状の第１の曲率半径２１２、及び、カム面３０４の円弧形状の曲率半径３０６を決定してもよい。この場合には、ｂ’＝ｂ、σ_ｍａｘ’＝σ_ｍａｘとなる。

　より具体的には、図１２に示すように、外周面２０４の円弧形状の第１の曲率半径２１２がＲ_ｘ、カム面３０４の円弧形状の曲率半径３０６が－１／Ｒ_ｒになっている場合には、曲率ρ_１Ｉ＝１／ｒ、ρ_１ＩＩ＝１／Ｒ_ｘ、ρ_２Ｉ＝０、ρ_２ＩＩ＝－１／Ｒ_ｒとなるから、〔数２〕よりｃｏｓτの値を求めることができ、この値に〔数３〕が合致するようにｋ、Ｋ、Ｅを決定すれば、〔数７〕よりμ、νを求めることができ、更には、〔数５〕より接触楕円の長半径ａ及び短半径ｂを求めることができる。そして、第１の曲率半径２１２のＲ_ｘ及び曲率半径３０６のＲ_ｒのそれぞれの値を変更しながら、２ａ＝１．５Ｌに合致する接触楕円の長半径ａを求め、その合致する接触楕円の長半径ａを求めた第１の曲率半径２１２のＲ_ｘ及び曲率半径３０６のＲ_ｒをそれぞれ有する外周面２０４及びカム面３０４を使用することによって、外輪部２０２が中心軸線２０３の方向に移動しないようにすることができ、更には、外輪部２０２及びカムリブ３０３は接触部分において負荷荷重Ｐを均等に受けることができる。なお、図１２においては、外周面２０４が、外輪部２０２の中心軸線２０３に対して凸面形状であって、カム面３０４の接触部分が、外周面２０４の凸面形状に沿う凹面形状であるが、図７に示すように、外周面２０４が、外輪部２０２の中心軸線２０３に対して凹面形状であって、カム面３０４の接触部分が、外周面２０４の凹面形状に沿う凸面形状であっても、上記と同様に、第１の曲率半径２１２のＲ_ｘ及び曲率半径３０６のＲ_ｒを変更しながら、２ａ＝１．５Ｌに合致する接触楕円の長半径ａを求めることができる。なお、第２の曲率半径２１３についても、第１の曲率半径２１２と同様に求めることができる。

　また、カム面３０４が平面であると仮定して、仮の第１の曲率半径２１２のＲ_ｙを変更しながら２ａ＝１．５Ｌに合致する接触楕円の長半径ａを求め、その合致する接触楕円の長半径ａを求めた仮の第１の曲率半径２１２のＲ_ｙから、第１の曲率半径２１２のＲ_ｘ及び曲率半径３０６のＲ_ｒを求めてもよい。この場合、接触部分の接触幅ｂ’と最大圧力σ_ｍａｘ’とは〔数１０〕と同様になるが、Σρは次のように表される。

　ここで、ρ_１ＩＩ’は、仮の第１の曲率半径２１２のＲ_ｙによる曲率である。仮の第１の曲率半径２１２のＲ_ｙによるΣρと、第１の曲率半径２１２のＲ_ｘ及び曲率半径３０６のＲ_ｒによるΣρとは同じになるので、次のように表される。

　このようにして、より容易に、２ａ＝１．５Ｌに合致する第１の曲率半径２１２のＲ_ｘ及び曲率半径３０６のＲ_ｒを求めてもよい。

　複数の軸受２０１の各々は、ローラフォロア又はカムフォロアであってもよい。

　複数の軸受２０１の各々は、軸部材２０５、軸部材２０５の外周面に沿って回転可能な外輪部２０２、等を備えるが、軸部材２０５と外輪部２０２との間にニードル、円筒ころ２０６、等を含む転がり接触の軸受であってもよいし、ニードル、円筒ころ２０６、等を含まない滑り接触の軸受であってもよい。

　上記記載は特定の実施例についてなされたが、本発明はそれに限らず、本発明の原理と添付の特許請求の範囲の範囲内で種々の変更及び修正をすることができることは当業者に明らかである。

　１０１　ローラギヤカム機構
　１０２　回転部材
　１０３　回転部材軸線
　２０１　軸受
　２０２　外輪部
　２０３　中心軸線
　２０４　外周面
　２０５　軸部材
　２０６　ニードル、円筒ころ
　２０７　転がり点
　２０８　鍔部
　２０９　内側部
　２１０　間隙
　２１１　半径
　２１２　第１の曲率半径
　２１３　第２の曲率半径
　２１４　外周面とカム面との接触長
　３０１　カム
　３０２　カム軸線
　３０３　カムリブ
　３０４　カム面
　３０５　カム溝
　３０６　曲率半径
　３０７　凹面の深さ
　３０８　凸面の高さ
　３０９　肉厚

Claims

　カム軸線を中心として回転可能なカムであって、カムリブ及びカム溝を有するスクリュー形状のカムと、
　前記カム軸線に垂直である回転部材軸線を中心として回転可能な回転部材と、
　前記回転部材の外周方向に沿って配置された複数の軸受であって、前記カムリブに対して転がり接触することが可能である複数の軸受と
を備えるローラギヤカム機構であって、
　前記複数の軸受の各々が、軸部材と、前記軸部材の周りに回転可能な外輪部とを備え、
　前記外輪部の外周面の少なくとも一部が、前記外輪部の中心軸線を含む前記外輪部の断面において円弧形状であって、前記外輪部の前記外周面の少なくとも一部と接触する前記カムリブの接触部分が、前記カム軸線を含む前記カムの断面において円弧形状であって、前記外輪部の前記円弧形状が、前記カムリブの前記円弧形状に沿うように構成されており、
　前記外輪部の前記円弧形状の曲率半径及び前記カムリブの前記円弧形状の曲率半径が、互いに関連付けられて決定されている、ローラギヤカム機構。
　前記外輪部の前記外周面の少なくとも一部が、前記中心軸線に対して凸面形状であって、前記カムリブの前記接触部分が、前記凸面形状に沿う凹面形状であって、前記カムリブの前記円弧形状の曲率半径が、前記外輪部の前記円弧形状の曲率半径よりも大きい、請求項１に記載のローラギヤカム機構。
　前記外輪部の前記円弧形状の曲率半径が、前記中心軸線から前記外周面の少なくとも一部までの距離以上である、請求項２に記載のローラギヤカム機構。
　前記外輪部の前記外周面の少なくとも一部が、前記中心軸線に対して凹面形状であって、前記カムリブの前記接触部分が、前記凹面形状に沿う凸面形状であって、前記外輪部の前記円弧形状の曲率半径が、前記カムリブの前記円弧形状の曲率半径よりも大きい、請求項１に記載のローラギヤカム機構。
　前記外輪部の前記円弧形状のうちの前記回転部材軸線側の曲率半径が、前記外輪部の前記円弧形状のうちの前記カム軸線側の曲率半径と相違する、請求項１から４の何れか一項に記載のローラギヤカム機構。
　前記カムリブの前記円弧形状のうちの前記回転部材軸線側の曲率半径が、前記カムリブの前記円弧形状のうちの前記カム軸線側の曲率半径と相違する、請求項１から５の何れか一項に記載のローラギヤカム機構。
　前記外輪部の前記円弧形状の曲率半径及び前記カムリブの前記円弧形状の曲率半径が、前記複数の軸受の各々と前記カムリブとの間に与えられる予圧、前記ローラギヤカム機構を動作させている間に前記複数の軸受の各々と前記カムリブとの間に与えられる負荷荷重、及び、前記外輪部が前記中心軸線の方向に移動することにより与えられる偏荷重のうちの少なくとも１つに基づいて、互いに関連付けられて決定されている、請求項１から６の何れか一項に記載のローラギヤカム機構。
　前記軸部材が前記外輪部の内側部を挟むように構成された一対の鍔部を備え、前記一対の鍔部の各々と前記外輪部の内側部との間には間隙が設けられ、前記複数の軸受の各々が前記カムリブと接触しているときに、前記外輪部が前記中心軸線の方向に前記間隙の幅以上に移動しないように、前記外輪部の前記円弧形状の曲率半径及び前記カムリブの前記円弧形状の曲率半径が、互いに関連付けられて決定されている、請求項１から７の何れか一項に記載のローラギヤカム機構。
　前記外輪部と前記カムリブとは線接触できるようになっており、前記カムリブの接触部分において、均等に負荷荷重を受けることができるように、前記外輪部の前記円弧形状の曲率半径及び前記カムリブの前記円弧形状の曲率半径が、互いに関連付けられて決定されている、請求項１から８の何れか一項に記載のローラギヤカム機構。
　前記複数の軸受の各々が、ローラフォロア又はカムフォロアである、請求項１から９の何れか一項に記載のローラギヤカム機構。
　前記複数の軸受の各々が、転がり接触の軸受又は滑り接触の軸受である、請求項１から１０の何れか一項に記載のローラギヤカム機構。