マイクロモータや小型モータを使用する機器開発において、必要な回転数とトルクを得るために広く用いられるのが「ギアヘッド」です。ギアヘッドは減速機とも呼ばれ、モータの出力軸に接続して回転速度を落としながらトルクを増大させる歯車機構です。
本記事では、ギアヘッド選定でお困りの技術者の方々に、ギアヘッドの基本から実務で役立つ選定ポイントまで詳しく解説します。
| 監修：タキロンシーアイ株式会社電子部品営業グループ 1919年の創業以来、プラスチック加工のリーディングカンパニーとして培った高度な技術力と知見に基づき、本記事を監修しています。当部では、超小型・高精度なマイクロモータの市場動向や最新技術を常に分析し、設計者や開発者の皆様へ付加価値の高い情報を提供することに注力しています。製品の特性を熟知した専門チームとして、正確かつ実用的なコンテンツの発信を通じて、お客様の課題解決と技術革新をサポートいたします。 |
ギアヘッドの基本と動作原理
ギアヘッドはモータの出力軸に接続する減速機構で、内部の歯車によりギアヘッドはモータの出力軸に取り付ける減速機構で、内部の歯車によって回転速度を落としながらトルクを高めます。ここではギアヘッドの定義、減速機やギアードモータとの関係、トルクUPの基本原理について解説します。
このセクションで解説する内容
- ギアヘッドとは
- モータとギアヘッド、ギアードモータの関係
- 減速によるトルクUPの原理
それぞれの要素を理解することで、製品開発における最適なモータシステムの構築が可能になります。
ギアヘッドとは
ギアヘッドは減速機や変速機とも呼ばれ、モータの出力軸に取りつける減速機構です。内部の歯車によって回転速度を落としながらトルクを高めます。
モータ単体では比較的高速回転側の特性となりますが、ギアヘッドを組み合わせることで低速・高トルク化が可能です。例えば、医療機器の内視鏡カメラなどでは、レンズ駆動に精密な位置制御と適切なトルクが求められます。このような用途では、高速で回転するマイクロモータにギアヘッドを組み合わせ、回転数を低減しながら必要なトルクを得る設計が採用されています。
モータとギアヘッド、ギアードモータの関係
モータは電気エネルギーを回転運動に変換する装置です。ギアヘッドはモータに取りつける減速機構で、モータとギアヘッドが一体化した製品をギアードモータと呼びます。モータとギアヘッドの組み合わせ次第で、用途に応じた最適な性能を実現出来ます。
従来、モータと減速機は継手を介して接続されていましたが、これではスペースを多く必要としました。ギアードモータは専用設計により両者を一体化し、省スペース化と高い伝達効率を両立しています。タキロンシーアイでは、コアレスモータやブラシレスモータに対応したギアヘッドを提供しており、φ12とφ16サイズの平歯ギアヘッドと、φ16とφ22サイズの遊星ギアヘッドをラインナップしています。
減速によるトルクUPの原理
歯車を使った減速により、回転数を減らしてトルクUP出来ます。
【出力トルク計算式】
出力トルク＝入力トルク×減速比×伝達効率
具体例として、1500rpmで回転するモータに減速比1:5のギアヘッドを取りつけた場合を考えます。
出力軸の回転数が300rpmに減速されると、トルクは理論上5倍です。伝達効率を90％とすると、実際のギアードモータのトルクはモータの4.5倍となります。
入力トルク0.2N·mでは、出力トルク0.9N·mと算出することが可能です。
0.2N·m×5倍×90％＝0.9N·m（0.2N·m×4.5倍＝0.9N·m）
なお、伝達効率の影響により、実際のトルクは理論値より若干低くなります。
この原理を活用することで、小型モータでも大きな駆動力を得られ、産業用工具や光学機器など幅広い分野で応用されています。
ギアヘッドの種類と構造の違い
ギアヘッドは歯車の配置方法により、平歯ギアヘッド、遊星ギアヘッド、ウォームギアヘッドなど複数の種類に分類されます。構造や特性、適した用途はタイプごとに多種多様です。平歯ギアはシンプルで高効率、遊星ギアは高トルク・コンパクト、ウォームギアは省スペースという特徴があります。ここでは各タイプの構造、メリット・デメリット、適用分野について解説します。
このセクションで解説する内容
- 平歯ギアヘッドの構造とメリット・デメリット
- 遊星ギアヘッドの構造とメリット・デメリット
- ウォームギアと平行軸・直交軸の使い分け
用途に応じた最適なギアヘッドを選定することで、機器の性能向上と長寿命化を実現できます。
平歯ギアヘッドの構造とメリット・デメリット
平歯ギアヘッドは円筒状の歯車を平行に配置したシンプルな構造となります。伝達効率が高く、製造コストを抑えられるメリットがある一方で、デメリットは高トルク出力時に段数が増えサイズが大きくなる点です。産業機器や計測機器で広く使用されています。
歯車の歯が軸に対して直角に切られた構造で、かみ合いが単純なため設計・製造が容易です。伝達効率の高さから、コンベアシステムや産業用工具など、連続運転が求められる用途に適しています。タキロンシーアイでは、φ12やφ16サイズの平歯ギアヘッドとコアレスモータを組み合わせたギアードモータ提供しています。
また、各種ギアヘッドのサイズも展開中のため、HPに記載されていないサイズでのギアードモータをお求めの場合はお問い合わせください。
お問い合わせ先：https://cik-ele.com/contact/
遊星ギアヘッドの構造とメリット・デメリット
遊星ギアヘッドは、太陽系の惑星が太陽の周りを公転する様子に似た構造となります。メリットは複数の歯車が負荷を分担するため、小型でありながら高トルク・コンパクト化を実現でき、バックラッシュが小さく高精度な点です。一方で、構造が複雑で平歯ギアより高価な点はデメリットといえます。
バックラッシュは設計や精度等級によって異なりますが、精密仕様では0.5度以下に抑えられる場合もあり、位置決め精度が求められる内視鏡カメラのレンズ駆動やロボットアームの関節部で活用されています。タキロンシーアイではφ16、φ22サイズの遊星ギアヘッドをご用意しており、設計の柔軟性を高めています。
こちらも各種ギアヘッドのサイズも展開中のため、HPに記載されていないサイズでのギアードモータをお求めの場合はお問い合わせください。
お問い合わせ先：https://cik-ele.com/contact/
ウォームギアと平行軸・直交軸の使い分け
ウォームギアは出力軸が90度曲がり省スペース化が可能ですが、効率は一般に平行軸ギアより低くなります。
ウォームギアは、設計条件によっては逆回転防止（セルフロック）機能を備えるものもあります。停止時に負荷がかかるリフト装置やコンベアなどの用途に最適です。一方、平行軸ギアヘッドは効率重視の連続運転に向いており、用途に応じた使い分けが性能向上の鍵となります。
ギアヘッドの選定ポイントと計算方法
ギアヘッド選定では、必要トルク、減速比、許容荷重、取付寸法などの仕様確認が必要です。ここでは選定時の確認項目、トルク・減速比の計算方法、許容ラジアル荷重とアキシアル荷重の考え方、バックラッシュや騒音など性能指標の見方について実務的に解説します。
このセクションで解説する内容
- 必要トルクと減速比の計算方法
- 許容荷重とバックラッシュの確認方法
- 騒音・寿命・伝達効率の評価
適切な計算と選定により、機器の信頼性向上と長期安定稼働を実現できます。
必要トルクと減速比の計算方法
必要トルクは負荷トルク、慣性モーメント、加速時間から算出します。
計算例として、回転数1500rpmのモータを300rpmにする場合、減速比1:5を選定します。
【出力トルクの計算式】
Tg＝Tm×i×η
（Tg:出力トルク、Tm:モータトルク、i:減速比、η:伝達効率）
モータトルク0.3N·m、減速比1:5、伝達効率90％の条件では、出力トルクは1.35N·mとなります。
出力トルク＝0.3N·m×5（1:5）×90％＝1.35N·m
ギアヘッド選定時は、許容トルクを超えないよう安全率を加味しなければなりません。製品には機械的強度に基づいた許容トルクの上限が設定されています。この上限を超えると歯車や軸受の寿命が著しく低下するため、安全率を含めた選定が必要です。
許容荷重とバックラッシュの確認方法
許容ラジアル荷重と許容アキシアル荷重を確認し、実際の荷重が許容値以内か検証します。バックラッシュは位置決め精度に直結する重要な要素です。高精度用途では、遊星ギアなどの低バックラッシュ品を選定します。
ラジアル荷重は出力軸に直角方向、アキシアル荷重は軸方向に加わる力です。これらの値はギアヘッドの仕様表に記載されており、チェーン駆動やギア駆動時の荷重を計算して許容値以内であることを確認します。バックラッシュは、往復運動を繰り返す用途では位置決め誤差が蓄積するため、特に注意が必要です。
騒音・寿命・伝達効率の評価
騒音レベル、定格寿命、伝達効率も選定の重要要素です。騒音レベルは製品仕様やギアの種類により異なり、遊星ギアヘッドは構造上、平歯ギアヘッドと比較して静音性に優れた設計が可能です。
伝達効率はギアの種類や段数により異なりますが、平歯ギアは基本的に高効率です。ウォームギアの伝達効率は、構造上平歯ギアより低くなりますが、大きな減速比とセルフロック機能を両立できます。効率が高いほどエネルギー損失は少なく、発熱の抑制にも有効です。定格寿命は使用環境や負荷条件により変動しますが、適切な潤滑管理と許容値以内での使用により、数千時間から数万時間の連続運転が可能となります。
タキロンシーアイではφ12、φ16の平歯ギアヘッドや、φ16、φ22の遊星ギアヘッドとコアレスモータを組み合わせたギアードモータを提供しており、用途に応じた最適な製品開発・提案が可能です。また、金属製静音ギアを採用した新製品の静音ギアードモータも展開しており、高耐久と低騒音の両立を図っています。用途に適したギアードモータ選定お困りの際は、製品サイト（https://cik-ele.com/contact/）からお気軽にお問い合わせください。
まとめ
ギアヘッドはモータの回転を減速しトルクUPする減速機構で、平歯ギア、遊星ギア、ウォームギアなど複数の種類があります。選定時は用途に応じた最適なタイプを選ぶことが重要です。
平歯ギアヘッドはシンプルな構造で高効率を実現し、製造コストを抑えられる特徴があります。遊星ギアヘッドは複数の歯車が負荷を分担するため、コンパクトでありながら高トルクを伝達でき、バックラッシュが小さく高精度な位置決めに適しています。ウォームギアヘッドは出力軸を90度曲げられるため省スペース化が可能で、セルフロック機能により逆回転防止が求められる用途に有効です。
タキロンシーアイはコアレスモータとギアヘッドの組み合わせによるギアードモータを提供しています。製品ラインナップとしてφ12、φ16の平歯ギアヘッドとφ16、φ22の遊星ギアヘッドとコアレスモータを組み合わせたギアードモータを取りそろえており、カスタマイズにも対応しています。また、金属製静音ギアの技術開発にも取り組み、高耐久と低騒音の両立を目指しています。用途に適したギアードモータ選定でお困りの際は、お気軽にお問い合わせください。
製品情報・お問い合わせ
タキロンシーアイのマイクロモータ製品については、以下のウェブサイトで詳細をご覧いただけます。
- 製品サイト：https://cik-ele.com/
- コアレスモータ：https://cik-ele.com/products/list/coreless_motor/
- ブラシレスモータ：https://cik-ele.com/products/list/brushless_motor/
- ギアードモータ：https://cik-ele.com/products/list/gearhead/
- エンコーダ：https://cik-ele.com/products/list/encoder/
お客様の製品開発における小型モータ選定でお困りの際は、お問い合わせフォームからお気軽にご相談ください。技術担当者が用途や要件をヒアリングし、最適なソリューションをご提案いたします。
- お問い合わせ：https://cik-ele.com/contact/
