ギアボックス付モーターの働きと仕組み｜高トルクと高精度な制御を実現

ギアボックス付モーターとは

ギアボックス（減速機）付モーターは、ギヤーモーターとも呼ばれ、歯車（ギア）機構によって回転速度を減速させたモーターです、ギアボックスと一体になることで、モーター単体より回転数を落として高いトルクが得られるように設計された駆動装置です。ブラシレスDCモーターやサーボモーター、ステッピングモーターにギアボックスを取り付け、高出力と高分解能を両立させることも可能です。

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ギアボックスの働き

ギア（歯車）を用いて回転数を減速させることで、高トルクを出力するものです。ギアボックスによって適切な回転数に抑えることで制御がしやすくなる効果も期待できます。

以下、減速の仕組みを簡単に説明します。例えば、入力側となるモーター軸に8つの歯を持つギアを取り付け、24の歯を持つギアとかみ合わせて出力した場合、モーター軸の回転数と出力軸の回転数の比は3：1です。モーター軸が3回転すると出力軸は1回転するため、回転速度は3分の1になります。ギアボックス内で複数のギアを組み合わせれば回転数を100分の1以下にすることも可能です。

ギアボックス付モーターの選び方

ギアボックス付モーターの性能は、モーターとギアボックスの組み合わせで決まります。したがって、適切なギアボックス付モーターを選ぶには、モーターとギアボックス両方の種類と各特性を理解しておかなければなりません。

ギアボックスの選択

代表的なギアボックスとして、ヘリカルギア（はすば歯車）、遊星ギア、ウォームギア、ベベルギアなどがあります。

遊星ギアの構造・原理

ここでは、コンパクトで大きな減速比が得られる遊星ギアを用いたギアボックスについて、その構造と原理を解説します。

遊星ギアの構造

遊星ギアの名前に由来するように、太陽とその周りを公転する惑星を模した構造をしています。同一平面上に太陽歯車、遊星歯車、内歯車を配置するのが典型的な構造です。遊星歯車は2個以上あり、遊星キャリアと連結されています。遊星ギアは入力軸と出力軸を同軸上にすることができるため、コンパクトな構造で減速が可能です。

遊星ギアの動作原理

遊星ギアは、どの歯車を固定するかで動作原理が異なります。太陽歯車、遊星歯車、内歯車の1つを固定して、残り2つの歯車で入力と出力をおこなうのが基本です。回転速度は、太陽歯車の歯数と内歯車の歯数から求められます。固定する歯車によって以下の3つの方式に分類できます。

ふしぎ歯車とは

ふしぎ歯車（ふしぎ遊星歯車機構）は、遊星ギアに差動ギアの原理を組み合わせたものです。差動ギアはディファレンシャルギア、またはデフギアともいいます。ふしぎ歯車では歯数の異なる2つの内歯車を重ね、片方の内歯車を固定させることでもう片方の内歯車が非常にゆっくりと回転します。遊星ギアの構造をほとんど変えることなく、大幅な減速を可能にする機構です。

モーターの選択

モーターの種類によってトルク特性や回転速度、制御方法が違うため、用途に合わせたモーターを選ぶことが重要です。以下に代表的なモーターの種類を紹介します。

ギアボックス付モーターの長所・注意点

ギアボックス付の長所、注意点を踏まえて使うことが大事です。

ギアボックス付モーターの長所

ギアボックスのないモーターに比べて高トルクを発揮でき、慣性負荷が大きくても駆動できるのがギアボックス付モーターの典型的な特長です。起動・停止時のダンピング（モーターの揺れ）も抑制できるため、駆動制御がしやすくなります。また、負荷トルクの影響も受けにくいのも長所です。位置決めの精度を高められるだけでなく、モーターの故障防止にもつながります。

ギアボックス付モーターの注意点

ギアボックスを取り付ける分だけ、サイズが大きくなりますので、設置スペースを十分に確保することが必要です。ギアボックス付モーターは大きな減速比が得られるのが特長ですが、減速比が大きいほど伝達効率も低下しやすくなることに注意が必要です。

ギアボックス付モーターの用途

ギアボックス付モーターの用途例は以下のとおりです。

光学機器

医療機器

産業機器

建物設備

電動工具類