特開 2024-35808 外接歯車ポンプ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024035808

(43)【公開日】2024-03-14

(54)【発明の名称】外接歯車ポンプ

(51)【国際特許分類】

   F04C 2/18 20060101AFI20240307BHJP

【ＦＩ】

F04C2/18 321C

F04C2/18 311B

【審査請求】未請求

【請求項の数】13

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023134426

(22)【出願日】2023-08-22

(31)【優先権主張番号】P 2022139753

(32)【優先日】2022-09-02

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

【公序良俗違反の表示】

（特許庁注：以下のものは登録商標）

１．テフロン

(71)【出願人】

【識別番号】504137912

【氏名又は名称】国立大学法人 東京大学

(71)【出願人】

【識別番号】000005197

【氏名又は名称】株式会社不二越

(74)【代理人】

【識別番号】100103137

【弁理士】

【氏名又は名称】稲葉 滋

(74)【代理人】

【識別番号】100145838

【弁理士】

【氏名又は名称】畑添 隆人

(72)【発明者】

【氏名】山本 江

(72)【発明者】

【氏名】中村 仁彦

(72)【発明者】

【氏名】駒形 光夫

(72)【発明者】

【氏名】吉野 一郎

(72)【発明者】

【氏名】地崎 潤

【テーマコード（参考）】

3H041

【Ｆターム（参考）】

3H041AA02

3H041BB02

3H041CC04

3H041CC07

3H041DD03

3H041DD11

3H041DD23

3H041DD27

(57)【要約】

【課題】
外接歯車ポンプにおいて、歯車歯先における、隙間と摩擦のトレードオフの問題を解決する。
【解決手段】
一対の歯車３の歯先が近接する内面を備え、歯車３を収容する内部空間を備えた可動ケーシング２と、可動ケーシング２の外面に対向する内面を備え、可動ケーシング２を収容する収容部を備えた外側ケーシング１と、可動ケーシング２の内部空間は、吸入口側の低圧部位２Ａと、吐出口側の高圧部位２Ｂと、を含み、可動ケーシング２は、外側ケーシング１の収容部内において、可動ケーシング２の内部空間内の流体の圧力差に起因する歯車の偏心による歯先の移動に応じて、歯先から逃げる方向に可動である。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

流体の吸入口と吐出口とを備えたケーシングと、
前記ケーシングに収容された一対の歯車と、
を備えた外接歯車ポンプにおいて、
前記ケーシングは、
前記一対の歯車の歯先が近接する内面を備え、前記一対の歯車を収容する内部空間を備えた可動ケーシングと、
前記可動ケーシングの外面に対向する内面を備え、前記可動ケーシングを収容する収容部を備えた外側ケーシングと、からなり、
前記可動ケーシングの前記内部空間には、前記歯車の回転時に、吸入口側には低圧部位が、吐出口側には高圧部位が形成され、
前記可動ケーシングは、前記外側ケーシングの前記収容部内において、可動ケーシングの内部空間内の流体の圧力差に起因する歯車の偏心による歯先の移動に応じて、前記歯先から逃げる方向に可動である、
外接歯車ポンプ。

【請求項2】

前記可動ケーシングの外面と前記外側ケーシングの内面との隙間には流体が充填されており、
前記可動ケーシングには、可動ケーシングの内部空間内の前記低圧部位と前記高圧部位との圧力差によって生じる第１の力と、前記可動ケーシングと前記外側ケーシングの隙間内の流体の圧力差によって生じる第２の力が作用し、
前記第２の力によって、前記第１の力を少なくとも部分的にキャンセルするようになっている、
請求項１に記載の外接歯車ポンプ。

【請求項3】

前記可動ケーシングの外側には、前記内部空間内の前記高圧部位の外側に位置して、当該高圧部位と連通することで高圧の流体が充填された高圧室が形成されており、前記高圧室内の流体の圧力を利用することで、前記第２の力を生成するようになっている、
請求項２に記載の外接歯車ポンプ。

【請求項4】

前記可動ケーシングの前記内部空間は、吸入口側の低圧部位と、吐出口側の高圧部位と、を含み、
前記可動ケーシングの外面と前記外側ケーシングの内面との隙間は、前記内部空間内の前記低圧部位の外側に位置し、当該低圧部位と連通する低圧の第１室と、前記高圧部位の外側に位置し、当該高圧部位と連通することで前記高圧室を形成する第２室と、中間圧の流体で満たされた中間圧部と、からなり、前記第１室、前記第２室、前記中間圧部は、シール材によって仕切られており、
前記第１室と前記第２室との圧力差によって前記第２の力が生じる、
請求項３に記載の外接歯車ポンプ。

【請求項5】

前記可動ケーシングの前記内部空間には、前記低圧部位と前記高圧部位との間に位置して中間圧部位が形成されており、
前記可動ケーシングの外面と前記外側ケーシングの内面との隙間の前記中間圧部は、前記可動ケーシングの前記内部空間の前記中間圧部位と連通している、
請求項４に記載の外接歯車ポンプ。

【請求項6】

前記第１の力は、前記可動ケーシングの前記内部空間における圧力分布に基づいて推定される、
請求項２に記載の外接歯車ポンプ。

【請求項7】

前記第１室は、前記可動ケーシングの前記低圧部位の外面を形成する第１面を備え、
前記第２室は、前記可動ケーシングの前記高圧部位の外面を形成する第２面を備え、
前記第２の力は、前記第１面及び前記第２面の面積によって調整可能である、
請求項４に記載の外接歯車ポンプ。

【請求項8】

前記外接歯車ポンプは、内面が前記歯車の側面に近接する一対の側板を備え、
前記一対の側板は前記可動ケーシングと一体化されており、前記可動ケーシングと一体で可動である、
請求項１～７いずれか１項に記載の外接歯車ポンプ。

【請求項9】

前記側板の外面は、前記隙間を介して前記外側ケーシングと近接しており、
前記隙間には中間圧の流体が充填されている、
請求項８に記載の外接歯車ポンプ。

【請求項10】

前記外接歯車ポンプは、内面が前記歯車の側面に近接する一対の側板を備え、
前記一対の側板は前記可動ケーシングと一体化されており、
前記中間圧部には、前記側板の外面と前記外側ケーシングの内面との間の隙間が含まれている、
請求項５に記載の外接歯車ポンプ。

【請求項11】

一対の歯車が収容される内部空間を備えた内側の可動ケーシングと、
可動ケーシングが収容される収容部を備えた外側ケーシングと、
からなり、
前記可動ケーシングは、前記一対の歯車の歯先が近接する内面を備えた周壁と、前記歯車の側面に近接する内面を備えた一対の側壁と、から箱型に形成されており、
前記可動ケーシングの前記内部空間には、前記歯車の回転時に、吸入口側には低圧部位が、吐出口側には高圧部位が形成され、
前記可動ケーシングの前記側板の外面と前記外側ケーシングの内面との間の隙間には、中間圧の流体が充填されている、
外接歯車ポンプ。

【請求項12】

前記可動ケーシングの前記内部空間には、前記低圧部位と前記高圧部位との間に位置して中間圧部位が形成されており、
前記可動ケーシングの外面と前記外側ケーシングの内面との隙間の前記中間圧部は、前記可動ケーシングの前記内部空間の前記中間圧部位と連通している、
請求項１１に記載の外接歯車ポンプ。

【請求項13】

前記可動ケーシングの外面と前記外側ケーシングの内面との隙間は、前記内部空間内の前記低圧部位の外側に位置し、当該低圧部位と連通する低圧の第１室と、前記高圧部位の外側に位置し、当該高圧部位と連通することで前記高圧室を形成する第２室と、前記内部空間内の前記中間圧部位と連通する中間圧部と、からなり、前記第１室、前記第２室、前記中間圧部は、シール材によって仕切られており、
前記可動ケーシングには、可動ケーシングの内部空間内の前記低圧部位と前記高圧部位との圧力差によって生じる第１の力と、前記第１室と前記第２室との圧力差によって生じる第２の力が作用し、
前記可動ケーシングは、前記外側ケーシングの前記収容部内において、可動ケーシングの内部空間内の流体の圧力差に起因する歯車の偏心による歯先の移動に応じて、前記歯先から逃げる方向に可動である、
請求項１２に記載の外接歯車ポンプ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、外接歯車ポンプに係り、詳しくは、油圧機械、油圧ポンプ、油圧アクチュエータ、ロボットアクチュエータ等に関するものである。

【背景技術】

【0002】

外接歯車ポンプでは、回転体である歯車とケーシング間の隙間が重要となる。歯車ポンプの内部隙間には、軸方向の歯車とケーシングの間の隙間である軸方向隙間と、歯車歯先とケーシングの間の隙間である歯先隙間がある（図１）。外接歯車ポンプにおいて、高圧力が発生すると歯車とケーシングとの間の軸方向隙間と歯先隙間において内部漏れが生じ、圧力低下の原因となる。一方、隙間を無くすように設計すると歯車とケーシングの間に摩擦が生じ、ポンプの効率を低下させる。

【0003】

外接歯車ポンプでは、歯車の軸に対して高圧から低圧側へ偏心力が働くため、図２に示すように歯先が微小変位しケーシングと接触するリスクがある。これは歯車のギア軸（駆動軸、従動軸）とベアリング間のクリアランスや、圧力差による軸のたわみなどによって起きる（図３参照）。これに対して、歯先隙間を大きくすれば、内部漏れ増加の要因となる。従って、歯先隙間を小さくしつつ、摩擦を低減することが重要となる。すなわち、歯車歯先における、隙間と摩擦のトレードオフの問題を解決することが重要である。

【0004】

軸方向隙間については、可動側板を用いて隙間の削減を行う方法（非特許文献１）や、高剛性なセラミックス補強により固定側板の変形による隙間拡大を防ぐ方法（非特許文献２）などが提案されている。しかしながら、固定側板型の歯車ポンプにおいて、固定側板の補強手段を採用しない場合には、ケーシング内の内圧によってケーシングが膨張し、歯車とケーシング間の軸方向隙間が増大し、内部漏れが増加するおそれがある。

【0005】

上述のように、従来の外接歯車ポンプの構造において、歯先の隙間が小さいと圧力差による偏心などで歯先がケーシングに接触し、大きい摩擦が発生する。反対に歯先の隙間が大きいと歯先における摩擦は回避できるが、内部漏れが増加するおそれある。また、固定側板を採用した外接歯車ポンプにおいて、内圧によってケーシングが膨張し、歯車とケーシング間の隙間が増大、内部漏れが増加するおそれがある。

【0006】

また、外接歯車ポンプを備えた油圧アクチュエータは故障しにくいため、大型の建設機械などで広く使われているが、重量出力比を損なうことなくロボットに搭載できるサイズに小型軽量化することが困難であった。歯車とケーシング間の隙間に関する上記課題を解決することは、油圧ポンプの小型軽量化を実現する上でも重要である。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0007】

【非特許文献1】E. Koc, C. J. Hooke, “An experimental investigation into the design and performance of hydrostatically loaded floating wear plates in gear pumps,” Wear, Vol.209, pp. 184-192, 1997.

【非特許文献2】M. Komagata, T. Ko, Y. Nakamura, “Design and Development of Compact Ceramics Reinforced Pump with Low Internal Leakage for Electro-Hydrostatic Actuated Robots,” Advances in Mechanism and Machine Science, Vol. 73, pp. 2439-2448, 2019.

【発明の開示】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

本発明は、適切な歯車・ケーシング間隙間を備えた外接歯車ポンプを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明が採用した技術手段は、
流体の吸入口と吐出口とを備えたケーシングと、
前記ケーシングに収容された一対の歯車と、
を備えた外接歯車ポンプにおいて、
前記ケーシングは、
前記一対の歯車の歯先が近接する内面を備え、前記一対の歯車を収容する内部空間を備えた可動ケーシングと、
前記可動ケーシングの外面に対向する内面を備え、前記可動ケーシングを収容する収容部を備えた外側ケーシングと、からなり、
前記可動ケーシングの前記内部空間には、前記歯車の回転時に、吸入口側には低圧部位が、吐出口側には高圧部位が形成され、
前記可動ケーシングは、前記外側ケーシングの前記収容部内において、可動ケーシングの内部空間内の流体の圧力差に起因する歯車の偏心による歯先の移動に応じて、前記歯先から逃げる方向に可動である、
外接歯車ポンプ、である。
典型的には、前記流体は、作動油である。

【0010】

１つの態様では、前記可動ケーシングの外面と前記外側ケーシングの内面との隙間には流体が充填されており、
前記可動ケーシングには、可動ケーシングの内部空間内の前記低圧部位と前記高圧部位との圧力差によって生じる第１の力と、前記可動ケーシングと前記外側ケーシングの隙間内の流体の圧力差によって生じる第２の力が作用し、
前記第２の力によって、前記第１の力を少なくとも部分的にキャンセルするようになっている。

【0011】

１つの態様では、前記可動ケーシングの外側には、前記内部空間内の前記高圧部位の外側に位置して、当該高圧部位と連通することで高圧の流体が充填された高圧室が形成されており、前記高圧室内の流体の圧力を利用することで、前記第２の力を生成するようになっている。

【0012】

１つの態様では、前記可動ケーシングの前記内部空間は、吸入口側の低圧部位と、吐出口側の高圧部位と、を含み、
前記可動ケーシングの外面と前記外側ケーシングの内面との隙間は、前記内部空間内の前記低圧部位の外側に位置し、当該低圧部位と連通する低圧の第１室と、前記高圧部位の外側に位置し、当該高圧部位と連通することで前記高圧室を形成する第２室と、中間圧の流体で満たされた中間圧部と、からなり、前記第１室、前記第２室、前記中間圧部は、シール材によって仕切られており、
前記第１室と前記第２室との圧力差によって前記第２の力が生じる。
１つの態様では、前記可動ケーシングの前記内部空間には、前記低圧部位と前記高圧部位との間に位置して中間圧部位が形成されており、
前記可動ケーシングの外面と前記外側ケーシングの内面との隙間の前記中間圧部は、前記可動ケーシングの前記内部空間の前記中間圧部位と連通している。
後述する実施形態では、外接歯車ポンプは、電気静油圧アクチュエータ（EHA)などに使われる閉油圧回路に採用される油圧ポンプであるが、外接歯車ポンプが開油圧回路を備えている場合には、前記中間圧部位に、予め中間圧（例えば、チャージ圧）に加圧された流体を封入するようにしてもよい。

【0013】

１つの態様では、前記第１の力は、前記可動ケーシングの前記内部空間における圧力分布に基づいて推定される。

【0014】

１つの態様では、前記第１室は、前記可動ケーシングの前記低圧部位の外面を形成する第１面を備え、
前記第２室は、前記可動ケーシングの前記高圧部位の外面を形成する第２面を備え、
前記第２の力は、前記第１面及び前記第２面の面積によって調整可能である。

【0015】

１つの態様では、前記外接歯車ポンプは、内面が前記歯車の側面に近接する一対の側板を備え、
前記一対の側板は前記可動ケーシングと一体化されており、前記可動ケーシングと一体で可動である。
１つの態様では、前記側板の外面は、前記隙間を介して前記外側ケーシングと近接しており、
前記隙間には中間圧の流体が充填されている。
１つの態様では、前記側板の外面と前記外側ケーシングの内面との間の隙間は、前記中間圧部の部分である。

【0016】

本発明が採用した技術手段は、
一対の歯車が収容される内部空間を備えた内側の可動ケーシングと、
可動ケーシングが収容される収容部を備えた外側ケーシングと、
からなり、
前記可動ケーシングは、前記一対の歯車の歯先が近接する内面を備えた周壁と、前記歯車の側面に近接する内面を備えた一対の側壁と、から箱型に形成されており、
前記可動ケーシングの前記内部空間には、前記歯車の回転時に、吸入口側には低圧部位が、吐出口側には高圧部位が形成され、
前記可動ケーシングの前記側板の外面と前記外側ケーシングの内面との間の隙間には、中間圧の流体が充填されている、
外接歯車ポンプ、である。
１つの態様では、前記可動ケーシングの前記内部空間には、前記低圧部位と前記高圧部位との間に位置して中間圧部位が形成されており、
前記可動ケーシングの外面と前記外側ケーシングの内面との隙間の前記中間圧部は、前記可動ケーシングの前記内部空間の前記中間圧部位と連通している。

【0017】

１つの態様では、前記可動ケーシングの外面と前記外側ケーシングの内面との隙間は、前記内部空間内の前記低圧部位の外側に位置し、当該低圧部位と連通する低圧の第１室と、前記高圧部位の外側に位置し、当該高圧部位と連通することで前記高圧室を形成する第２室と、前記内部空間内の前記中間圧部位と連通する中間圧部と、からなり、前記第１室、前記第２室、前記中間圧部は、シール材によって仕切られており、
前記可動ケーシングには、可動ケーシングの内部空間内の前記低圧部位と前記高圧部位との圧力差によって生じる第１の力と、前記第１室と前記第２室との圧力差によって生じる第２の力が作用し、
前記可動ケーシングは、前記外側ケーシングの前記収容部内において、可動ケーシングの内部空間内の流体の圧力差に起因する歯車の偏心による歯先の移動に応じて、前記歯先から逃げる方向に可動である。

【発明の効果】

【0018】

本発明は、外接歯車ポンプの歯車に隣接するケーシングを歯先方向に可動とすると共に、可動ケーシングの内部空間の圧力差によって可動ケーシングに働く偏心力をバランスすることで、歯車歯先における、歯先隙間と摩擦のトレードオフの問題を解決し、歯先の摩擦と隙間を小さくする構造を提供する。
本発明では、可動ケーシングと外側ケーシングの間の空間を中間圧の流体で満たすことにより、可動ケーシングの側板が過度に膨れて軸方向の隙間が拡大することを防止し、軸方向隙間における漏れを低減する。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】一般的な外接歯車ポンプにおける内部隙間を示す図であり、(a)は軸方向隙間、(b)は歯先隙間を表す。

【図2】一般的な外接歯車ポンプの断面図であり、差圧が発生した時に歯車軸が偏心し、歯先がケーシング内面と接触する様子を表す。

【図3】差圧に起因する歯車軸の偏心を説明する図である。

【図4】本実施形態に係る外接歯車ポンプを示す図である。

【図5】図４のA矢視図である。

【図6】図４のB矢視図である。

【図7】可動ケーシング内側に働く力を説明する図である。

【図8】可動ケーシング外側に働く力を説明する図である。上下方向の力のみを表示しており、左右方向の力は省略されている。

【図9】可動ケーシングに働く圧力のバランシングのための構造の概念図である。

【図10】推定した可動ケーシング内面に働く圧力の分布を示す図である。

【図11】本実施形態に係る外接歯車ポンプの断面図である。

【図12】本実施形態に係る可動ケーシングと一対の歯車からなるユニットを示す図である。

【図13】上図は、本実施形態に係る外側ケーシングをギア軸に垂直な面で断面してなる図、下図は、同外側ケーシングをギア軸に沿って断面してなる図である。

【図14】本実施形態に係る外側ケーシングと可動ケーシングとからなる外接歯車ポンプの断面図（ギア軸に垂直な面）である。

【図15】中間圧の導入による膨張防止を説明する図である。

【図16】本実施形態に係る軸方向隙間の決定を説明する図である。

【図17】本実施形態に係る外接歯車ポンプの最大圧の計測結果を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

［Ａ］本実施形態に係る外接歯車ポンプの全体構成
本実施形態に係る外接歯車ポンプは、電気静油圧アクチュエータ（EHA)などに使われる閉油圧回路に採用される油圧ポンプである。なお、本発明は開油圧回路にも採用され得る点に留意されたい。図４～図６を参照しつつ、本実施形態に係る外接歯車ポンプのケーシングは、外側ケーシング１と、内側の可動ケーシング２と、からなる。可動ケーシング２には、駆動歯車である第１歯車３Ａと従動歯車である第２歯車３Ｂからなる一対の歯車３が収容されている。可動ケーシング２が外側ケーシング１の収容部に収容された状態において、可動ケーシング２の外面と外側ケーシング１の内面との間には空間（隙間）が形成されており、可動ケーシング２は、外側ケーシング１の収容部内で可動である。本実施形態では、歯車３はインボリュート歯車である。外側ケーシング１及び可動ケーシング２はアルミ合金から形成されている。可動ケーシング２には、滑り性に優れるテフロン含有無電解ニッケルメッキが施されている。

【0021】

本実施形態に係る外接歯車ポンプは油圧ポンプであり、作動流体は作動油である。可動ケーシング２の内部空間には、一対の歯車３の回転によって、作動油の吸入側に低圧部位２Ａ、作動油の吐出側に高圧部位２Ｂが形成され、低圧部位２Ａと高圧部位２Ｂとの間に位置して中間圧部位２Ｃが形成される。歯車３の回転時において、中間圧部位２Ｃの作動油の圧力である中間圧は、高圧部位２Ｂの作動油の圧力よりも低く、低圧部位２Ａの作動油の圧力よりも高い。１つの態様では、中間圧は、チャージ圧相当の圧力である。なお、中間圧の作動油の圧力は必ずしもチャージ圧や高圧部圧力と低圧部圧力の平均値に厳密に一致する必要はない。

【0022】

可動ケーシング２の外面と外側ケーシング１の内面との間の空間は、可動ケーシング２の外側（作動油の吸入側）に形成される低圧部４と、可動ケーシング２の外側（作動油の吐出側）に形成される高圧部５と、低圧部４及び高圧部５を除く隙間である中間圧部６と、からなり、低圧部４と中間圧部６はシール材としてのＯリング７で仕切られており、高圧部５と中間圧部６はシール材としてのＯリング７で仕切られている。低圧部４は、可動ケーシング２の内部空間の低圧部位２Ａと連通しており、高圧部５は、可動ケーシング２の内部空間の高圧部位２Ｂと連通している。中間圧部６は、可動ケーシング２の所定部位に形成した連通孔８によって、可動ケーシング２の内部空間の中間圧部位２Ｃと連通しており、中間圧部６には、中間圧の作動油が充填されている。図面では、説明の都合上、高圧側、低圧側を特定しているが、本実施形態に係る外接歯車ポンプは、可逆であり、高圧側と低圧側が入れ替わり得る点に留意されたい。すなわち、ポンプが逆転すると、吸入側（吸入口）と吐出側（吐出口）が入れ替わり、可動ケーシング２の外側の低圧部と高圧部が入れ替わり、可動ケーシング２の内側の高圧部位と低圧部位が入れ替わる。

【0023】

図１２に示すように、本実施形態に係る可動ケーシング２は、四周壁を備えた周壁部２０と、一対の側板２１と、から箱状に形成されている。周壁部２０は、一対の歯車３を収容する内部空間と、一対の歯車３の歯先が近接する内面と、を備えている。周壁部２０には、周壁部２０の内部空間を塞ぐように、一対の側板２１が固定されている。可動ケーシング２の内部空間は、周壁部２０の内面と、一対の側板２１の内面と、から囲まれた空間である。

【0024】

図１１、図１３に示すように、本実施形態に係る外側ケーシング１は、本体部１Ａと、第１側部１Ｂと、第２側部１Ｃと、からなる。本体部１Ａは、可動ケーシング２を収容する内部空間と、可動ケーシング２の周壁部２０の外面に近接する内面を備えている。第１側部１Ｂ、第２側部１Ｃは、本体部１Ａの内部空間に収容された可動ケーシング２を封入するように、本体部１Ａに固定されている。

【0025】

第１歯車３Ａの駆動軸３０Ａは、一対の側板２１を貫通して、第１側部１Ｂ、第２側部１Ｃにニードルベアリング３１によって回転可能に支持されており、駆動軸３０Ａの一端側は、外側ケーシング１（第１側部１Ｂ）の外側に突出している。第２歯車３Ｂの従動軸３０Ｂは、図１２に示すように一対の側板２１を貫通して、図１１に示すように第１側部１Ｂ、第２側部１Ｃにニードルベアリング３１によって回転可能に支持されている。第１歯車３Ａの駆動軸３０Ａ及び第２歯車３Ｂの駆動軸３０Ｂは、可動ケーシング１（側板２１）において、軸受用ボール３２によって回転可能に支持されている。図中、３３はパッキングであり、３４はガスケットである。図１２に示すように、本実施形態に係る箱状の可動ケーシング２において、一方の側板２１から、駆動軸３０Ａ、従動軸３０Ｂがそれぞれ突出しており、他方の側板（図１２では図示せず）から駆動軸３０Ａ、従動軸３０Ｂがそれぞれ突出している。

【0026】

可動ケーシング２の周壁部２０は、作動油の吸入側に位置し、第１歯車３Ａ及び第２歯車３Ｂの歯先に近接する第１内面を備えた第１壁２００と、作動油の吐出側に位置し、第１歯車３Ａ及び第２歯車３Ｂの歯先に近接する第２内面を備えた第２壁２０１と、第１歯車３Ａの歯先に近接する第３内面（歯先の移動軌跡に沿った円弧面ないし湾曲面）を備えた第３壁２０２と、第２歯車３Ｂの歯先に近接する第４内面（歯先の移動軌跡に沿った円弧面ないし湾曲面）を備えた第４壁２０３と、備えている。第１壁２００と第２壁２０１は対向している。第３壁２０２と第４壁２０３は対向している。

【0027】

第１壁２００の外面には、２つの円形状の凹部２０４が形成されおり、凹部２０４の底面２０４０には孔部２０５が形成されており、孔部２０５を介して、凹部２０４と周壁部２０の内部空間の低圧部位２Ａとが連通するようになっている。可動ケーシング２が外側ケーシング１の収納部に収納された状態において、凹部２０４内の空間は、Ｏリング７によって閉塞されており、第１室として低圧部４を形成するようになっている。凹部２０４の底面２０４０は、可動ケーシング２の外側（吸入側）に形成される低圧部４の加圧面４０を形成している。

【0028】

第２壁２０１の外面には、２つの円形状の凹部２０６が形成されおり、凹部２０６の底面２０６０には孔部２０７が形成されており、孔部２０７を介して、凹部２０６と周壁部２０の内部空間の高圧部位２Ｂとが連通するようになっている。可動ケーシング２が外側ケーシング１の収納部に収納された状態において、凹部２０６内の空間は、Ｏリング７によって閉塞されており、第２室として高圧部５を形成するようになっている。凹部２０６の底面２０６０は、可動ケーシング２の外側（吐出側）に形成される高圧部５の加圧面５０を形成している。

【0029】

周壁部２０の第３壁２０２、第４壁２０３には、孔部２０８が形成されており、可動ケーシング２が外側ケーシング１の収納部に収納された状態において、孔部２０８を介して、周壁部２０の外部空間（中間圧部６）と内部空間（中間圧部位２Ｃ）とが連通するようになっている。孔部２０８は連通孔８（図４、図５、図８参照）を形成している。

【0030】

本実施形態では、側板２１は、複数本の六角穴付きボルト２０９によって、周壁部２０に固定されることで、外側ケーシング１が組み立てられる。側板２１は、第１歯車３Ａ及び第２歯車３Ｂの側面に近接する内面２１０（図１１、図１５、図１６参照）と、可動ケーシング２の外面の一部を形成する外面２１１と、を備えている。側板２１には、周壁部２０の第３壁２０２、第４壁２０３に寄った位置に孔部２１２が形成されており、孔部２１２を介して、可動ケーシング２の内部空間と外部空間とが連通するようになっている。孔部２１２は連通孔８（図４、図５、図８参照）を形成している。

【0031】

外側ケーシング１は、図１３に示すように可動ケーシング２を収容する収容部を備え、この収容部は、可動ケーシング２を収容する内部空間を備えた本体部１Ａの内面（第１面１０、第２面１１、第３面１２、第４面１３）と、第１側部１Ｂの内面１４と、第２側部１Ｃの内面１５と、によって形成されている。

【0032】

外側ケーシング１の収容部に可動ケーシング２が収容された状態において、本体部１Ａの内面は、可動ケーシング２の周壁部２０の外面に近接している。本体部１Ａの内面は、可動ケーシング２の周壁部２０の第１壁２００の外面に対向する第１面１０と、可動ケーシング２の周壁部２０の第２壁２０１の外面に対向する第２面１１と、可動ケーシング２の周壁部２０の第３壁２０２の外面に対向する第３面１２と、可動ケーシング２の周壁部２０の第４壁２０３の外面に対向する第４面１３と、を備えている。外側ケーシング１の第１側部１Ｂの内面１４は、一方の側板２１の外面２１１に近接しており、第１側部１Ｃの内面１５は、他方の側板２１の外面２１１に近接している。

【0033】

本実施形態において、外側ケーシング１の本体部１Ａの第１面１０を形成する第１壁には、２つの筒状の流路要素１６が設けてあり、第２面１１を形成する第２壁には、２つの筒状の流路要素１７が設けてある。流路要素１６は、作動油の吸入口を形成しており、本体部１Ａの第１面１０を形成する第１壁を貫設しており、内部空間に向かって拡径する円錐形状を備えており、流路要素１６の内側端部は、第１面１０よりも内部空間に突出している。流路要素１７は、作動油の吐出口を形成しており、本体部１Ａの第２面１１を形成する第２壁を貫設しており、内部空間に向かって拡径する円錐形状を備えており、流路要素１７の内側端部は、第２面１１よりも内部空間に突出している。

【0034】

外側ケーシング１の収容部に可動ケーシング２が収容された状態において、本体部１Ａの第１面１０と周壁部２０の第１壁２００の外面が近接しており、流路要素１６の内側端部は、第１壁２００に形成した円形状の凹部２０４内に位置している。本体部１Ａの第２面１１と周壁部２０の第２壁２０１の外面が近接しており、流路要素１７の内側端部は、第２壁２０１に形成した円形状の凹部２０６内に位置している。

【0035】

本実施形態では、外側ケーシング１は、本体部１Ａ、第１側部１Ｂ、第２側部１Ｃ、２つの流路要素１６、２つの流路要素１７を組み立てることで形成されている。可動ケーシング２は、外側ケーシング１の収容部において、少なくともY方向（図１４参照）に移動可能であればよいが、外側ケーシング１の収容部に可動ケーシング２を収容した状態において、流路要素１６、流路要素１７と可動ケーシング２との嵌め合い部位に例えば、Ｏリング７の噛み込みが発生しない程度の隙間（例えば、0.15mm前後）が形成されるようにし、可動ケーシング２の過拘束を防止している。この隙間によって、可動ケーシング２はXZ方向にもわずかに遊びがある。なお、図１４、図１６において、一対の歯車３の２本の軸３０Ａ、３０Ｂの中心を結んだ直線をＸ方向、２本の軸の中心を通る平面に対して垂直方向をＹ方向、２本の軸の中心の方向をＺ方向とする。

【0036】

既述のように、本実施形態では、外側ケーシング１の収容部に可動ケーシング２が収容された状態において、可動ケーシング２の外面と外側ケーシング１の内面とは近接しており、空間（隙間）が形成されており、この空間は、低圧部４と、高圧部５と、中間圧部６と、から形成されている。

【0037】

低圧部４は、可動ケーシング２の周壁部２０の第１壁２００の外面の円形状の凹部２０４と流路要素１６の内部空間との間に形成される空間である。流路要素１６の内側端部が凹部２０４内に位置した状態において、内側端部と凹部２０４との間にＯリング７が設けてあり、凹部２０４と中間圧部６と仕切ることで、低圧部４としての第１室が形成されている。

【0038】

高圧部５は、可動ケーシング２の周壁部２０の第２壁２０１の外面の円形状の凹部２０６と流路要素１７の内部空間との間に形成される空間である。流路要素１７の内側端部が凹部２０６内に位置した状態において、内側端部と凹部２０６との間にＯリング７が設けてあり、凹部２０６と中間圧部６と仕切ることで、高圧部５としての第２室が形成されている。

【0039】

中間圧部６は、可動ケーシング２の外面と外側ケーシング１の内面との間の空間において、低圧部４及び高圧部５を除く隙間であり、低圧部４と中間圧部６はＯリング７によって仕切られており、高圧部５と中間圧部６はＯリング７によって仕切られている。中間圧部６は、可動ケーシング２の周壁部２０の第３壁２０２、第４壁２０３に形成された孔部２０８と、可動ケーシング２の側板２１に形成された孔部２１２を介して、可動ケーシング２の内部空間の中間圧部位２Ｃと連通している。

【0040】

より具体的には、中間圧部６は、可動ケーシング２の周壁部２０の第１壁２００の外面（第１平面）と外側ケーシング１の本体部１Ａの第１面１０との間（凹部２０４、筒状部材１６、Ｏリング７により形成される第１室を除く）の隙間、可動ケーシング２の周壁部２０の第２壁２０１の外面（第２平面）と外側ケーシング１の本体部１Ａの第２面１１との間（凹部２０６、筒状部材１７、Ｏリング７により形成される第２室を除く）の隙間、可動ケーシング２の周壁部２０の第３壁２０２の外面（第３面）と外側ケーシング１の本体部１Ａの第３面１２との間の隙間、可動ケーシング２の周壁部２０の第４壁２０３の外面（第４面）と外側ケーシング１の本体部１Ａの第４面１３との間の隙間、可動ケーシング２の一方の側板２１の外面２１１と外側ケーシング１の第１側部１Ｂの内面１４との間の隙間、可動ケーシング２の他方の側板２１の外面２１１と外側ケーシング１の第２側部１Ｃの内面１５との間の隙間を含み、これらの隙間は連通しており、中間圧の作動油が充填されている。

【0041】

［Ｂ］歯車歯先における、隙間と摩擦のトレードオフの問題を解決する構造
外接歯車ポンプにおいて、歯車３の回転時には、可動ケーシング２の内部空間には、吸入口側の低圧部位２Ａと、吐出口側の高圧部位２Ｂと、低圧部位２Ａと押圧部位２Ｂとの間の中間圧部位２Ｃと、が形成される。歯車３の回転により生じる高圧側と低圧側の圧力差が大きいほど歯車３を支える回転軸（駆動軸３０Ａ、従動軸３０Ｂ）に大きな偏心力が高圧側から低圧側へ働く。従来機構では、歯車を収納しているケーシングは固定されており、歯車の偏心により低圧側でケーシングに歯先が押し付けられ、摩擦の原因となっていた（図２、図３参照）。

【0042】

もし、歯車が偏心したときに歯先に隣接するケーシングが歯車によって押されて抵抗なく動くことができる構造であれば、摩擦は小さくなり歯先の隙間も小さくできると考えられる。そこで、歯車歯先に接するケーシングを可動とし、圧力のバランシングを行う設計手法を提案する。圧力のバランシングのために、歯先の圧力分布に基づくケーシング内部の負荷を推定し、ケーシング外部の相殺力を決定する。

【0043】

本実施形態では、一対の歯車を収容するケーシング自体を作動油の流路内に配置することで歯先方向における移動を許容し、歯車の偏心による歯先移動量に応じてケーシングが移動する機構により歯先摩擦を低減するようになっている。ここで、一対の歯車を収容するケーシングを可動とした場合に、歯車ポンプ駆動時に可動ケーシング２の内部空間の圧力は一対の歯車によって高圧部位２Ｂと低圧部位２Ａに分けられ、この圧力差によって可動ケーシング２に、低圧部位２Ａから高圧部位２Ｂの方向に偏心力が働く。これにより歯車の歯先に可動ケーシング内面が押し付けられ、摩擦が生じ得る。

【0044】

外接歯車ポンプの駆動時において、歯先摩擦を低減させる、もしくは理想的に０とするためには、可動ケーシング２に加わる負荷を見かけ上０にできれば、歯先との接触が生じると可動ケーシング２がその分だけ移動するような機構を実現できる。外接歯車ポンプのケーシングを外側ケーシングと内側ケーシングに分けて、内側ケーシングを油中に浮かせる。こうすることで、内側ケーシングを仮想的無負荷状態として、歯車の変位（Y方向）に伴って移動できるようにし、歯先隙間が狭い状態における歯先での摩擦を回避することができる。

【0045】

仮想的無負荷状態を実現するために、内側ケーシング内外の圧力バランスを行う構造を採用する。可動ケーシング２には、ケーシング内部の圧力差によって生じる第１の力（図７に矢印で示す）と、その逆方向に、ケーシング外部の圧力差によって生じる第２の力（図８に矢印で示す）の２つの力が働き、第１の力と第２の力の大きさを等しくすることができれば、２つの力の影響を相殺して見かけ上無負荷状態を実現することができる。

【0046】

第１の力は、ケーシング内部の歯先の圧力分布によって決まる。第１の力の推定値に基づき、可動ケーシング２の外面が作動油と接する面積（加圧面４０の面積、加圧面５０の面積）を設計することで最適な第２の力を得ることができ、可動ケーシング２の仮想的無負荷状態を実現することができる。

【0047】

図１２に示す態様では、加圧面４０の面積は、２つの円形状の凹部２０４の底面２０４０の面積の合計、加圧面５０の面積は、２つの円形状の凹部２０６の底面２０６０の面積の合計である。本実施形態に係る外接歯車ポンプにおいて、吸入側と吐出側は任意に変わり得るため、加圧面４０の面積と加圧面５０の面積は同一となっている。

【0048】

図１２、図１３に示す態様において、外接歯車ポンプの可動ケーシング２は２つの吸入口、２つの吐出口を備えている。各吸入口は、流路要素１６と凹部２０４の底面２０４０に形成した孔部２０５のセットからなり、各吐出口は、流路要素１７と凹部２０６の底面２０６０に形成した孔部２０７のセットからなり、可動ケーシング２は、２セットの吸入口、２セットの吐出口を備えている。本実施形態に係る外接歯車ポンプにおいて、２つの流路要素１６は、共通の１つの外側ケーシング２の吸入口に連通しており、２つの流路要素１７は、共通の１つの外側ケーシング２の吐出口に連通している。

【0049】

本実施形態では、２つの円形状の凹部２０４、２つの流路要素１６、２つの円形状の凹部２０６、２つの流路要素１７を設けることで、十分な加圧面４０（底面２０４０）の面積、加圧面５０（底面２０６０）の面積を確保するようにしている。なお、本実施形態では、複数の面から加圧面４０、５０を形成しているが、所定の第２の力を生成できるものであれば、１つの面から加圧面４０、５０を形成してもよく、あるいは、３つ以上の面から加圧面４０、５０を形成してもよい。

【0050】

図１０に示すように、可動ケーシングに働く偏心力Ｆ（第１の力）に拮抗する力（第２の力）を可動ケーシング２の外側に加えることで、可動ケーシング２に働く合力及びそれによる摩擦トルクをゼロにする。具体的には図９に示すように可動ケーシングの外側の空間（低圧部４、高圧部５）に作動油を導入する。図９において、可動ケーシング２の内部空間は、一対の歯車３によって、低圧部位２Ａと高圧部位２Ｂに分けられており、低圧部位２Ａの作動油は、可動ケーシング２の外側の低圧部４（第１室）に導入され、高圧部位２Ｂの作動油は、可動ケーシング２の外側の高圧部５（第２室）に導入される。低圧部４、高圧部５に導入された作動油は、低圧部位２Ａ、高圧部位２Ｂ内の作動油によって押される力に拮抗するように働く。ただし、可動ケーシング２の外側の領域（中間圧部６）の圧力は一定であると考える。

【0051】

図１２に示すように、本実施形態に係る可動ケーシング２の外面は、周壁部２０の外面と、一対の側板２１の外面２１１と、からなる。周壁部２０の外面は、第１壁２００の外面（第１面）と、第２壁２０１の外面（第２面）と、第３壁２０２の外面（第３面）と、第４壁２０３の外面（第４面）と、からなる。第１壁２００の外面（第１面）は第１平面と、円形状の凹部２０４の底面２０４０（低圧の加圧面４０）と、からなる。第２壁２０１の外面（第２面）は第平面と、円形状の凹部２０６の底面２０６０（高圧の加圧面５０）と、からなる。周壁部２０の外面（第１平面、第２平面、第３面、第４面）及び側板２１の外面２１１は中間圧が作用する面（中間圧部６に面する）である。可動ケーシング２の内部空間の内面は、凹部２０４の底面２０４０に対応する低圧面と、凹部２０６の底面２０６０に対応する高圧面と、低圧面と高圧面との間に位置する円弧面ないし湾曲面と、からなり、湾曲面は、歯先圧力分布に従う面である。

【0052】

可動ケーシングに働く内圧による偏心力の推定について説明する。図１０のような長円形状の可動ケーシング内で、歯車が回転し差圧ΔPを発生している状況を想定する。可動ケーシング内面に働く圧力から偏心力を計算する。歯車の歯先に隣接する可動ケーシングの内面の圧力分布P_rは角度θの関数として以下のように表される。

ここで低圧側の圧力をP₀、高圧側の圧力はP₀+ΔPとした。P(θ)は歯先の圧力分布を表す。圧力分布が高圧から低圧にかけて一定の勾配で減少すると仮定すると、

となる。歯先圧力分布の実験結果（A.Corvaglia, M. Rundo, P. Casoli and A. Lettini,“Evaluation of Tooth Space Pressure and Incomplete Filling in External Gear Pumps by Means of Three-Dimensional CFD Simulations,”Energies, Vol. 14, No.2, 342, 2021.）では圧力上昇部の勾配がほぼ一定であるためこのような仮定をおいた。このとき低圧側の歯先がケーシング内面に押し付けられる力は

と表せる。ただしlは歯車間距離、dは歯車の厚み、rはケーシング内径を表す。この偏心力に拮抗する力を外側から与える設計とする。

【0053】

図７、図８に示すような圧力バランスが働くことを期待した設計を行う。低圧部４（第１室）、高圧部５（第２室）に導入された作動油によって可動ケーシング２が押される力と、可動ケーシング内部の作動油によって可動ケーシング２に働く力がバランスするように円形状の凹部２０４、２０６の底面２０４０、２０６０の面積を設計する。具体的には、底面２０４０、２０６０の面積をSとすると、バランスの条件式は以下となる。

従って、式(3)より、Sは以下のように求められる。

【0054】

［Ｃ］固定側板型ギアポンプの問題である、内圧による隙間拡大を解決する構造
本実施形態では、可動ケーシング２と外側ケーシング１の間の空間を中間圧の作動油で満たすことにより、軸方向についても可動ケーシング２の浮動状態を実現している。これにより、軸方向の隙間が過度に膨れ上がることを防ぎ、同時に外側ケーシング１と可動ケーシング２の間が中間圧の作動油で潤滑されることにより、摩擦を低減させるようになっている。一般的な固定側板型のポンプでは、内圧の上昇に伴い、ケーシングが膨張し、歯車とケーシング間の隙間が増大する。これにより、内部漏れが増加してしまう。本実施形態では、内側ケーシングの外周部を中間圧の作動油で満たすことで、内側ケーシング内外での圧力差を減らし、膨張変形を防止する。一方で外側ケーシングが内圧によって膨張し得るが、これは内部漏れに影響しない。なお、歯車歯先における、隙間と摩擦のトレードオフの問題を解決するのみであれば、外側ケーシング１の内面と可動ケーシング２の外面との隙間（低圧部４及び高圧部５を除く）に充填される流体は、中間圧の作動油以外の流体、例えば、気体（例えば大気圧の空気）であってもよい。

【0055】

図１６を参照しつつ、軸方向の歯車とケーシングの間の隙間である軸方向隙間の決定について説明する。一対の歯車のギア軸（駆動軸３０Ａ、従動軸３０Ｂ）は、外側ケーシング１の第１側部１Ｂ、第２側部１Ｃにおいて、ニードルベアリング３１によって軸支されており、ニードルベアリング３１によって、外側ケーシング１に対するギア軸のXY方向変位が拘束されている。可動ケーシング内部にある軸受用ボール３２はスラストベアリングの役割を担っており、ギア軸に対する可動ケーシング２のZ方向変位を拘束する。一方で、ラジアル方向（XY方向）には遊びがある。可動ケーシング２の側板２１の内面２１０には、ギア軸の挿通部に隣接して、リング状の溝部が形成されており、図１６において、この溝部の深さをDで示す。また、軸方向隙間をG1で示し、軸受用ボール３２の直径をdで示す。
軸方向隙間G1＝軸受用ボール３２の直径d－溝部の深さDとなり、
軸方向隙間の寸法を、２部品の公差により決定することができ、最適な軸方向隙間をミクロン単位で厳密に決定することが可能である。

【0056】

［Ｄ］摩擦と内部漏れの評価
本実施形態に係る外接歯車ポンプについて、差圧約13MPa時の摩擦トルクと内部漏れ抵抗を測定し、従来のケーシング固定タイプの外接歯車ポンプと比較した。結果を表１に示す。

【表1】

ケーシング固定タイプのものに比べて、摩擦は小さいが、内部漏れが大きい結果となった。

【0057】

本実施形態に係る外接歯車ポンプの内部漏れによる損失について補足する。差圧Δp=13×10^-6[Pa]の時の内部漏れ流量q[m3/s]に対し、内部漏れ抵抗k_L=1.6×10¹²[Pa・s/m³]は次式で定義される。

内部漏れ損失は、

で計算される。Δp=14MPaの時でも内部漏れ抵抗がΔp=13MPaのときとほとんど同じ値であるとみなせると仮定した場合、損失は約123Wと見積もられるが、これはモータ定格出力（2,310W）の5％程度になる。このレベルの内部漏れは、本実施形態に係る外接歯車ポンプがEHAモジュールの要素として採用される場合において許容範囲であると考えられる。

【0058】

本実施形態に係る外接歯車ポンプについて、最大圧の計測を行った。結果を図１７に示す。目標最大圧14MPを十分に達成できることが確認された。

【符号の説明】

【0059】

１ 外側ケーシング
２ 可動ケーシング（内側ケーシング）
２０ 周壁部（周壁）
２０４ 円形状の凹部
２０４０ 凹部の底面（加圧面）
２０６ 円形状の凹部
２０６０ 凹部の底面（加圧面）
２０８ 孔部（挿通孔）
２１２ 孔部（挿通孔）
２１ 側板（側壁）
３ 歯車
３Ａ 駆動歯車
３Ｂ 従動歯車
４ 低圧部
４０ 加圧面
５ 高圧部
５０ 加圧面
６ 中間圧部
７ Ｏリング（シール部材）
８ 連通孔

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】