JP2010260501A - 摩擦式駆動装置及び全方向移動車 - Google Patents

摩擦式駆動装置及び全方向移動車 Download PDF

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Abstract

【課題】摩擦式駆動装置の駆動源である電動モータ等で発生する熱を効率よく大気中に放射することができ、併せて摩擦式駆動装置およびそれを用いた全方向移動車のコンパクト化を図ること。
【解決手段】左右の電動式駆動装置２４Ｌ、２４Ｒの全体を駆動回転部材３０Ｌ、３０Ｒの中心軸線上に配置して出力部材である内歯部材７４Ｌ、７４Ｒを駆動回転部材３０Ｌ、３０Ｒにトルク伝達且つ熱伝達関係で直結する。
【選択図】図２

Description

本発明は、摩擦式駆動装置及び全方向移動車に関し、特に、電動式の摩擦式駆動装置及びそれを用いた全方向移動車に関する。
全方向移動車のための走行駆動装置として、無端環状の軸体に複数のフリーローラを各々軸体の接線方向軸線周りに回転可能に取り付けられた車輪等、輪中心周りに（回転公転）可能且つ円形の断面中心線周りに回転（自転）可能な車輪（主輪）と、前記車輪の両側に前記車輪の輪中心と同心の軸線周りに回転自在に配置された駆動回転部材と、前記駆動回転部材の円周上に複数個配置され、各々、前記駆動回転部材の回転軸線に対してねじれの関係をなす回転軸線周りに回転可能で、外周面をもって前記車輪の外周面に接触する駆動ローラと、前記駆動回転部材を自身の中心軸線周りに回転駆動する電動モータとにより構成された摩擦式駆動装置がある（例えば、特許文献１）。
国際公開２００８／１３２７７９号パンフレット
上述の摩擦式駆動装置では、電動モータが車輪上部に駆動回転部材より離れた位置に配置され、無端ベルト等による動力伝達機構によって電動モータの出力を駆動回転部材に伝達するようになっている。この構造では、実用上、電動モータや動力伝達機構はカバーで覆われるため、電動モータや動力伝達機構で発生する熱を効率よく大気中に放射することが難しい。
また、上述の摩擦式駆動装置では、電動モータ、動力伝達機構を配置するスペースが必要であり、このことは、走行駆動装置、全方向移動車のコンパクト化を阻害する。
本発明が解決しようとする課題は、摩擦式駆動装置の駆動源である電動モータ等で発生する熱を効率よく大気中に放射することができ、併せて摩擦式駆動装置およびそれを用いた全方向移動車のコンパクト化を図ることである。
本発明による摩擦式駆動装置は、輪中心周りに回転可能且つ円形断面の中心線周りに回転可能な車輪と、前記車輪の両側に前記車輪の輪中心と同心の軸線周りに回転自在に配置された駆動回転部材と、前記駆動回転部材の円周面に複数個配置され、各々、前記駆動回転部材の回転軸線に対してねじれの関係をなす回転軸線周りに回転可能で、外周面をもって前記車輪の外周面に接触する駆動ローラと、前記駆動回転部材を自身の中心軸線周りに回転駆動する電動式駆動装置とを有する摩擦式駆動装置であって、前記電動式駆動装置の出力部材が前記駆動回転部材に取り付けられている。
本発明による摩擦式駆動装置は、好ましくは、前記駆動回転部材は外側に向けて径が大きくなるテーパ状の面を有する中空の切頭円錐形状に形成され、切頭円錐部の外周に前記駆動ローラが配置され、前記切頭円錐部の内側空間に前記電動式駆動装置が配置されている。
本発明による摩擦式駆動装置は、好ましくは、前記電動式駆動装置は電動モータと波動歯車装置とを含み、前記波動歯車装置は、リング状の出力部材と、前記出力部材の内側に当該出力部材と同心配置された入力部材と、前記入力部材と前記出力部材との間に設けられた波動歯車要素とを有し、前記入力部材が前記電動モータの出力軸に固定連結され、前記波動歯車装置の前記出力部材が前記駆動回転部材に固定連結されている。
本発明による全方向移動車は、上述の発明による摩擦式駆動装置を含み、前記電動モータのケーシングが車体に取り付けられ、前記車輪によって走行する。
本発明による摩擦式駆動装置、全方向移動車によれば、電動式駆動装置の出力部材が駆動回転部材に取り付けられているから、電動式駆動装置の熱が駆動回転部材に専ら伝導で伝わり、駆動回転部材が電動式駆動装置の放熱板として有効に機能する。駆動回転部材は、車輪径に応じて大きいものであり、しかも電動式駆動装置の駆動によって回転するから、冷却性が良好で、放熱性能がよい放熱板として機能する。
これにより、電動式駆動装置で発生する熱を効率よく大気中に放射することができ、併せて、ベルト式動力伝達機構等が不要になり、摩擦式駆動装置およびそれを用いた全方向移動車のコンパクト化を図ることができる。
本発明による摩擦式駆動装置およびそれを用いた全方向移動車の一つの実施形態を示す正面図。 本実施形態による摩擦式駆動装置の拡大断面図。 本実施形態による摩擦式駆動装置の正面図。 本実施形態による摩擦式駆動装置に用いられる車輪の断面図。
以下に、本発明による摩擦式駆動装置およびそれを用いた全方向移動車の実施形態を、図１〜図４を参照して説明する。
本実施形態の全方向移動車１は、図１に示されているように、車体１０として、下部車体１２と、下部車体１２より上部に立設配置されたコラム状の上部車体１４と、下部車体１２の下部の左右両側に設けられた左右の足乗せステップ部１６Ｌ、１６Ｒと、上部車体１４の上部に水平に取り付けられたハンドルバー１８と、ハンドルバー１８の左右両端部に設けられた左右のグリップ部２０Ｌ、２０Ｒとを有する。上部車体１４内には、バッテリ電源や制御ユニット等が内蔵される。
下部車体１２は、左右方向に間隔をおいて互いに平行に対向する左側壁部１２Ｌと右側壁部１２Ｒとを有する。左側壁部１２Ｌと右側壁部１２Ｒには、各々、対向間隙側に突出した円筒部２２Ｌ、２２Ｒが互いに同一軸線上に形成されている。円筒部２２Ｌ、２２Ｒは駆動回転部材３０Ｌ、３０Ｒの切頭円錐部３４Ｒ、３４Ｌの内側空間に入り込んでいる。
左側の円筒部２２Ｌ内には左側駆動装置２４Ｌが、右側の円筒部２２Ｒ内には右側駆動装置２４Ｒが配置されている。左側駆動装置２４Ｌ、右側駆動装置２４Ｒは、左右対称配置で、各々、電動モータ（電動式駆動装置）２６Ｌ、２６Ｒ、波動歯車装置２８Ｌ、２８Ｒを有する電動式のものである（図２参照）。左側駆動装置２４Ｌ、右側駆動装置２４Ｒについては、詳細に後述するが、左側駆動装置２４Ｌ、右側駆動装置２４Ｒの各々の回転しない固定側部材が円筒部２２Ｌ、２２Ｒに固定され、回転側部材に左右の駆動回転部材３０Ｌ、３０Ｒが固定連結されている。これにより、左右の駆動回転部材３０Ｌ、３０Ｒは、所定の軸線方向間隔（左右方向間隔）をおいて左側駆動装置２４Ｌ、右側駆動装置２４Ｒを介して下部車体１２より互いに同一の中心軸線Ａ周りに回転可能に支持される。
左右の駆動回転部材３０Ｌ、３０Ｒは、外側に向けて径が大きくなるテーパ状の面を有する互いに同一形状の中空の切頭円錐状に形成されており、切頭端壁部３２Ｌ、３２Ｒを互い対向する側にして左右対称に配置されている。図３に示されているように、左右の駆動回転部材３０Ｌ、３０Ｒの切頭円錐部３４Ｒ、３４Ｌのテーパ外周面（円周面）には、ブラケット３６Ｌ、３６Ｒに取り付けられたローラ軸３９Ｌ、３９Ｒによって複数個の左側駆動ローラ３８Ｌ、右側駆動ローラ３８Ｒが、駆動回転部材３０Ｌ、３０Ｒの円周方向に等間隔をおいて各々回転可能に取り付けられている。
左右の駆動回転部材３０Ｌ、３０Ｒは、左側駆動ローラ３８Ｌ、右側駆動ローラ３８Ｒによって車輪５０を左右両側より挟むようにして車輪４０を同心支持している。換言すると、車輪５０は、左側駆動ローラ３８Ｌ、右側駆動ローラ３８Ｒによって左右両側より挟まれるようにして左右の駆動回転部材３０Ｌ、３０Ｒより支持されており、左右の駆動回転部材３０Ｌ、３０Ｒと共に、駆動回転部材３０Ｌ、３０Ｒの中心軸線Ａと同一の中心軸線Ｂ周りに、つまり自身の輪中心周りに回転可能になっている。
車輪５０は、図４に示されているように、正八角形柱体（図２参照）により構成された無端円環状の軸体５１と、軸体５１に各々当該軸体５１の接線方向軸線周りに回転可能に取り付けられた複数のフリーローラ５２と、隣接するフリーローラ５２間に配置されたスペーサ５３により構成されている。
次に、軸体５１とフリーローラ５２の関係を詳細に説明する。軸体５１の外周には、各フリーローラ５２毎に軸体５１の曲率と同じ曲率で曲がった正八角形孔による装着孔５４Ａを有する金属製のインナスリーブ５４が装着孔５４Ａをもって回転不能に嵌着されている。インナスリーブ５４の外周面にはニードルベアリング５５のインナレース５６が嵌合している。
フリーローラ５２は、各々、接地するローラであって、円筒状の金属製スリーブ５２Ａと、金属製スリーブ５２Ａの外周に接合されてフリーローラ５２の外周面５２Ｃを構成する円筒状のゴム状弾性体製の外周部材５２Ｂとにより構成され、金属製スリーブ５２Ａをニードルベアリング５５のアウタレースとして数珠繋ぎ状に軸体５１の接線方向軸線周りに回転可能に取り付けられている。ここに、フリーローラ５２は、各々、自身の中心軸線周りに個々に回転可能であり、この回転をフリーローラ５２の自転と云う。
スペーサ５３は、軸体５１の曲率と同じ曲率で曲がった正八角形孔による装着孔５３Ａを有する金属製のものであり、装着孔５３Ａをもって軸体５１の外周に回転不能に嵌着され、隣接するフリーローラ５２同士が接触することを避けるデスタンス機構をなす。
フリーローラ５２と左側駆動ローラ３８Ｌ、右側駆動ローラ３８Ｒとの関係（個数)は、接地しているフリーローラ５２には必ず少なくとも一つの左側駆動ローラ３８Ｌ、右側駆動ローラ３８Ｒが接触し、左側駆動ローラ３８Ｌ、右側駆動ローラ３８Ｒより接地状態にあるフリーローラ５２に常に推進力（回転力）が与えられるような設定になっており、フリーローラ５２の空すべりを回避する構成になっている。
この実施例の車輪５０の断面中心線は、フリーローラ２５の回転軸線同士をリング状に繋げたものとなり、車輪５０の断面中心線周りの回転は、フリーローラ２５自体の回転（自転）によって得られる。
左側駆動ローラ３８Ｌ、右側駆動ローラ３８Ｒは、外周面をもって車輪５０の実質的な外周面をなすフリーローラ５２の外周面に接触し、摩擦によって推進力（回転力）をフリーローラ５２に伝達する。つまり、左側駆動ローラ３８Ｌ、右側駆動ローラ３８Ｒの外周面が、フリーローラ５２の外周面に摩擦力をもって運動（回転と並進）を車輪５０に伝達する動力伝達関係で接触している。
左側駆動ローラ３８Ｌ、右側駆動ローラ３８Ｒは、図３に示されているように、車輪５０の中心軸線（輪中心）Ｂ周り（駆動回転部材３０Ｌ、３０Ｒの中心軸線Ａ周りと同じ）の回転方向、より正確には、接触箇所における中心軸線Ｂ周りの円周の接線方向に対して、直交および平行の何れでもない方向に延在する中心軸線Ｄ周りに回転自在に配置されている。つまり、左側駆動ローラ３８Ｌ、右側駆動ローラ３８Ｒは、車輪５０の輪中心である中心軸線Ｂ周りの回転方向に対して傾斜し、駆動回転部材３０Ｌ、３０Ｒの回転軸線（中心軸線Ａ）に対してねじれの関係をなす回転軸線（中心軸線Ｄ）を有する。
更に換言すると、フリーローラ２５の中心軸線と左側駆動ローラ３８Ｌ、右側駆動ローラ３８Ｒの中心軸線とは、互いの接触箇所において交差している。つまり、左側駆動ローラ３８Ｌ、右側駆動ローラ３８Ｒの中心軸線は、各フリーローラ２５の配置部位における中心軸線Ａ方向への投影平面で見て、フリーローラ２５の中心軸線に対して所定の傾斜角をもって傾斜している。左側駆動ローラ３８Ｌ、右側駆動ローラ３８Ｒの中心軸線は、フリーローラ２５の中心軸相当の軸体５１の半径線に対してある角度をもって傾いていると同時に、軸体５１の中心線が接する仮想平面に対してある角度をもって傾いている。この三次元的な軸線の傾きは、喩えると、ある角度の円錐面上に置かれた「はす歯傘歯車」の歯の傾きに似ている。
ねじれの関係等について、より詳細な説明が必要ならば、国際公開２００８／１３９７４０号パンフレットを参照されたい。
この実施形態の車輪５０では、駆動回転部材３０Ｌ、３０Ｒと共に回転移動する左側駆動ローラ３８Ｌ、右側駆動ローラ３８Ｒとの接触によってフリーローラ５２が自転することにより、左右方向への駆動力を接地面に作用させることができると共に、車輪５０全体の中心軸線Ｂ周りの回転による円周方向移動により、前後方向への駆動力を接地面に作用させることができる。
本実施形態の全方向移動車１では、左右の電動モータ２６Ｒ、２６Ｌによって左右の駆動回転部材３０Ｌ、３０Ｒの回転方向あるいは（および）回転速度を互いに違えると、駆動回転部材３０Ｌ、３０Ｒの回転力による円周（接線）方向の力に対し、この力に直交する向きの分力が車輪５０における左側駆動ローラ３８Ｌ、右側駆動ローラ３８Ｒの当接面（接触面）に作用する。この分力により、車輪５０のフリーローラ５２の外表面には、これを捩る力、即ち車輪５０の断面中心線周りについての回転駆動力が作用し、フリーローラ２５が断面中心線周り（軸体５１の接線方向軸線周り）に回転することになる。
この車輪５０の断面中心線周りの回転は、駆動回転部材３０Ｌ、３０Ｒ同士の回転速度差によって定まる。例えば、駆動回転部材３０Ｌ、３０Ｒを互いに同一速度で逆向きに回転させると、車輪５０は中心軸線Ｂ周りには回転せず、断面中心線周りについて回転することになる。これにより、車輪５０には、車輪５０の中心軸線Ｂと同じ方向、つまり左右方向の駆動力が加わることになり、全方向移動車１は、左右方向移動する。
左右の駆動回転部材３０Ｌ、３０Ｒの回転方向および回転速度が同一である場合には、フリーローラ５２が断面中心線周り（軸体５１の接線方向軸線周り）に回転することがなく、車輪５０が中心軸線Ｂ周りに回転し、全方向移動車１は、旋回することなく前進あるいは後進する。
このように、左右の電動モータ２６Ｌ、２６Ｒによって左右の駆動回転部材３０Ｌ、３０Ｒの回転速度および回転方向を独立に制御することにより、全方向移動車１は、路面上で全方向へ移動することができる。
つぎに、左側駆動装置２４Ｌ、右側駆動装置２４Ｒの詳細を、図２を参照して説明する。下部車体１２の左右の円筒部２２Ｌ、２２Ｒには、各々、ボルト６３によって円筒状の固定筐体６１Ｌ、６１Ｒと固定部材６２Ｌ、６２Ｒが駆動回転部材３０Ｌ、３０Ｒの中心軸線Ａと同心上に固定されている。固定部材６２Ｌ、６２Ｒには、左側駆動装置２４Ｌ、右側駆動装置２４Ｒの固定側部材として、左右の電動モータ２６Ｌ、２６Ｒのハウジング６５Ｌ、６５Ｒが固定連結されている。
左右の波動歯車装置２８Ｌ、２８Ｒは、周知の構造のものであり、楕円形輪郭をした高剛性のウェーブプラグ７１Ｌ、７１Ｒと、ウェーブプラグ７１Ｌ、７１Ｒの外周面に嵌め込み装着されたウェーブベアリング７２Ｌ、７２Ｒと、ウェーブベアリング７２Ｌ、７２Ｒの外周面に摩擦係合し外周面に外歯を有するフランジ付き薄肉円筒形状の可撓性外歯部材７３Ｌ、７３Ｒと、可撓性外歯部材７３Ｌ、７３Ｒの外歯と噛合する内歯を有する高剛性のリング形状の内歯部材７４Ｌ、７４Ｒとを有する。
入力部材であるウェーブプラグ７１Ｌ、７１Ｒは電動モータ２６Ｌ、２６Ｒのロータ軸（モータ出力軸)６９Ｌ、６９Ｒに固定連結されている。出力部材である内歯部材７４Ｌ、７４Ｒは、可撓性外歯部材７３の支持部材７６Ｌ、７６Ｒと共に、ボルト７７によって駆動回転部材３０Ｌ、３０Ｒの中心軸線Ａと同心配置をもって駆動回転部材３０Ｌ、３０Ｒに固定連結されている。このようにして左右の波動歯車装置２８Ｌ、２８Ｒは、左右の駆動回転部材３０Ｌ、３０Ｒにトルク伝達関係で直結される。このことにより、ベルト式動力伝達機構等が不要になり、全方向移動車１のコンパクト設計が可能になる。
なお、支持部材７６Ｌ、７６Ｒは、軸受７８Ｌによって固定筐体６１Ｌ、６１Ｒより回転可能に支持されている。
波動歯車装置２８Ｌ、２８Ｒは、可撓性外歯部材７３Ｌ、７３Ｒと内歯部材７４Ｌ、７４Ｒとが当該両者の歯数差によって相対回転を生じ、ロータ部材７０Ｌ、７０Ｒの回転を減速して駆動回転部材３０Ｌ、３０Ｒに伝達する。
左右の波動歯車装置２８Ｌ、２８Ｒは、左右の電動モータ２６Ｌ、２６Ｒと共に、全体を左右の円筒部２２Ｌ、２２Ｒ内に配置されている。左右の円筒部２２Ｌ、２２Ｒは、その大部分が左右の駆動回転部材３０Ｌ、３０Ｒの切頭円錐部３４Ｒ、３４Ｌの内側空間に入り込んでいる。これにより、左右の切頭円錐部３４Ｒ、３４Ｌの内側空間に左側駆動装置２４Ｌ、右側駆動装置２４Ｒが配置され、切頭円錐部３４Ｒ、３４Ｌの内側空間が左側駆動装置２４Ｌ、右側駆動装置２４Ｒの配置に有効に使用される。このことにより、全方向移動車１の更なるコンパクト設計が可能になる。
なお、円筒部２２Ｌ、２２Ｒの開口端部分は、防水、防塵のために、左側壁部１２Ｌ、右側壁部１２Ｒに着脱可能に取り付けられたキャップ部材７９Ｌ、７９Ｒによって塞がれている。
波動歯車装置２８Ｌ、２８Ｒの出力部材である内歯部材７４Ｌ、７４Ｒがボルト７７によって駆動回転部材３０Ｌ、３０Ｒに直接に固定連結されていることにより、内歯部材７４Ｌ、７４Ｒと駆動回転部材３０Ｌ、３０Ｒとが熱伝達関係で直結されたことになる。これにより、電動モータ２６Ｌ、２６Ｒ、波動歯車装置２８Ｌ、２８Ｒで発生した熱が伝導によって駆動回転部材３０Ｌ、３０Ｒに伝わり、比較的大きい表面積を有する駆動回転部材３０Ｌ、３０Ｒが放熱板として有効に機能する。
このように、車輪径に応じて本来大きい駆動回転部材３０Ｌ、３０Ｒが電動式駆動装置２４Ｌ、２４Ｒの放熱板として有効に機能し、しかも、駆動回転部材３０Ｌ、３０Ｒは電動式駆動装置２４Ｌ、２４Ｒによる駆動によって回転するから、空冷による冷却性が良好で、放熱性能がよい放熱板として機能する。
これにより、電動式駆動装置２４Ｌ、２４Ｒで発生する熱を効率よく大気中に放射することができて電動式駆動装置２４Ｌ、２４Ｒの冷却が良好に行われ、電動式駆動装置２４Ｌ、２４Ｒの耐久性が向上する。
１ 全方向移動車
１２ 下部車体
２４Ｌ 左側駆動装置
２４Ｒ 右側駆動装置
２６Ｌ、２６Ｒ 電動モータ
２８Ｌ、２８Ｒ 波動歯車装置
３０Ｌ、３０Ｒ 駆動回転部材
３４Ｒ、３４Ｌ 切頭円錐部
３８Ｌ 左側駆動ローラ
３８Ｒ 右側駆動ローラ
５０ 車輪
５１ 軸体
５２ フリーローラ
６５Ｌ、６５Ｒ リアハウジング
６９Ｌ、６９Ｒ ロータ軸
７１Ｌ、７１Ｒ ウェーブプラグ
７３Ｌ、７３Ｒ 可撓性外歯部材
７４Ｌ、７４Ｒ 内歯部材

Claims (4)

  1. 輪中心周りに回転可能且つ円形断面の中心線周りに回転可能な車輪と、前記車輪の両側に前記車輪の輪中心と同心の軸線周りに回転自在に配置された駆動回転部材と、前記駆動回転部材の円周面に複数個配置され、各々、前記駆動回転部材の回転軸線に対してねじれの関係をなす回転軸線周りに回転可能で、外周面をもって前記車輪の外周面に接触する駆動ローラと、前記駆動回転部材を自身の中心軸線周りに回転駆動する電動式駆動装置とを有する摩擦式駆動装置であって、
    前記電動式駆動装置の出力部材が前記駆動回転部材に取り付けられている摩擦式駆動装置。
  2. 前記駆動回転部材は外側に向けて径が大きくなるテーパ状の面を有する中空の切頭円錐形状に形成され、切頭円錐部の外周に前記駆動ローラが配置され、前記切頭円錐部の内側空間に前記電動式駆動装置が配置されている請求項１記載の摩擦式駆動装置。
  3. 前記電動式駆動装置は電動モータと波動歯車装置とを含み、前記波動歯車装置は、リング状の出力部材と、前記出力部材の内側に当該出力部材と同心配置された入力部材と、前記入力部材と前記出力部材との間に設けられた波動歯車部とを有し、前記入力部材が前記電動モータの出力軸に固定連結され、前記波動歯車装置の前記出力部材が前記駆動回転部材に固定連結されている請求項１または２に記載の摩擦式駆動装置。
  4. 請求項１から３の何れか一項に記載の摩擦式駆動装置を含み、前記電動モータのケーシングが車体に取り付けられ、前記車輪によって走行する全方向移動車。
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