JP2013234729A - 内接歯車機構を備えた双方向クラッチ - Google Patents

Abstract

【課題】入力側からの回転を伝達し、出力側からの回転は阻止する双方向クラッチにおいて、部品間の間隙をなくして作動の円滑化を図り、異音等の発生を防止する。
【解決手段】内歯歯車ＩＧを形成したハウジング１の両側に入力軸２及び出力軸３をそれぞれ配置し、入力軸２と出力軸３との間に、外歯歯車ＥＧを有する回転作動子４を設置して、回転作動子４が公転及び自転運動を行う内接歯車機構を構成する。入力軸２の設けた偏心体２１を回転作動子４の中心孔４１に嵌め込み、かつ、回転作動子４の突起軸４２を出力軸３に設けた径方向の長溝３１に嵌め込む。入力軸２を回転駆動すると、偏心体２１が回転作動子４を駆動し、回転作動子４が公転しながら自転して突起軸４２により出力軸３を回転させるが、出力軸３に回転トルクを加えたときは、回転作動子４と偏心体２１との間に垂直方向の力が作用し、出力軸３及び入力軸２の回転がロックされる。
【選択図】図１

Description

本発明は、入力軸と出力軸との間の動力伝達状態を変更するクラッチ装置、特に、入力軸（駆動側）からの正・逆回転の動力を伝達するとともに、出力軸（従動側）からの動力伝達は遮断するように機能する双方向クラッチに関するものである。

モーターによって物品を上下に移送する昇降装置では、物品が所定の位置となったときにモーターを停止すると、物品が自動的にその位置を保持するような作動が求められる場合がある。そのため、ハウジング及び入力軸、出力軸を備えた双方向クラッチを用いて、入力軸を正・逆回転可能なモーターに連結するとともに、出力軸の回転により物品を昇降させる装置が知られている。この装置の双方向クラッチでは、モーターで入力軸を正・逆回転したときは、出力軸が連動して正・逆回転し物品を昇降させる一方、出力軸を正・逆回転しようとすると、出力軸がハウジングと噛み合い状態となってロックされ、物品の落下を防止する。

双方向クラッチを利用する昇降装置の概要と、双方向クラッチの構造の一例とを図７、図８により説明する。図７は、ベルト及びプーリによって物品を上下する昇降装置の概要と、その駆動装置に備えられる双方向クラッチのＡ−Ａ断面構造を表すものであり、図８（ａ）は、出力軸が入力軸と連動して物品を昇降する状態のＡ−Ａ断面を、（ｂ）は、出力軸がロックされて物品の落下を阻止する状態のＡ−Ａ断面を示す。
図７の昇降装置は、上下に配置したプーリＰ１、Ｐ２の間にベルトＢを掛け渡し、ベルトＢに移送する物品Ｗを固着した装置であって、上方のプーリＰ１には、これを回転駆動する正・逆回転可能なモーターＭが、双方向クラッチＤＣを介して連結されている。双方向クラッチＤＣは、モーターＭに連なる入力軸ＩＳ、プーリＰ１に連なる出力軸ＯＳ及び固定のハウジングＨＧを有している。

Ａ−Ａ断面矢視図に示されるように、双方向クラッチＤＣのハウジングＨＧ内においては、入力軸ＩＳが複数の扇形部に分割され、扇形部の内側に出力軸ＯＳが嵌め込まれる。出力軸ＯＳには、入力軸ＩＳの隣接する扇形部の間に入り込む突起部が設けてあり、この突起部の先端に形成したＶ字状凹所とハウジングＨＧとの間には、ローラＲが介在されている。

図８（ａ）に示すように、モーターＭにより入力軸ＩＳが回転するときは、入力軸ＩＳの扇形部の側面と出力軸ＯＳの突起部の側面とが当接し、出力軸ＯＳは、入力軸ＩＳに押される形で同一方向に同一速度で回転する。入力軸ＩＳが逆方向に回転するときも同様であって、図７の昇降装置において、モーターＭを正・逆回転すると、ベルトＢに固着した物品Ｗを上昇又は下降させることができる。
これに対し、出力軸ＯＳが回転したときは、（ｂ）に示されるように、ローラＲがＶ字状凹所の斜面に押し上げられて外方に移動し、ハウジングＨＧと出力軸ＯＳの突起部との間に挟み込まれる。これにより、出力軸ＯＳがロックされてその位置で停止し、入力軸ＩＳに回転が伝達されることはない。図７の昇降装置では、モーターＭによる駆動を停止しても、物品Ｗが自重により落下するのを自動的に阻止することができる。このような双方向クラッチは、本出願人の先行する特許出願に係る特許第４８５０６５３号公報に開示されている。

双方向クラッチは、例えば、複写機のフィニッシャーにおいて、用紙を載せた用紙テーブルを移送する昇降装置、あるいは、建築物の窓のブラインドを昇降する昇降装置に適用することができる。そして、これを利用すると、簡易な装置による自動的な動力伝達の制御が可能となって、例えば電磁クラッチにより制御する場合のような、電力等の使用が不必要となるとともに、出力軸側から不測の逆入力があった場合に、駆動源のモーターを保護することも可能となる。

特許第４８５０６５３号公報

上述のとおり、図７の双方向クラッチは、コンパクトであって確実に動力伝達を制御可能な機械部品であるけれども、用途によっては未だ改良すべき余地が残されている。本発明は、双方向クラッチの以下に述べるような課題を解決するものである。

図７の構造の双方向クラッチでは、その機能を達成するには、入力軸ＩＳの扇形部と出力軸ＯＳの突起部との間などに間隙を設ける必要があり、作動中に衝撃音が発生する。また、双方向クラッチを図７の昇降装置に適用した場合、モーターＭを正転させて物品Ｗを上昇するときは問題ないが、モーターＭを逆転させ物品Ｗを下降するときに、物品Ｗの重力に起因して出力軸ＯＳの速度が細かな変動を繰り返し、振動や異音を生じることがある。これは、次の理由による。
物品Ｗを下降させるためモーターＭを逆回転させた場合に、物品Ｗに作用する重力により、出力軸ＯＳが入力軸ＩＳよりも速く回転（オーバーラン）することがあり、オーバーランが起こると、図８（ｂ）の状態となってローラＲとハウジングＨＧとが噛み合い、出力軸ＯＳがロックする。このロック状態は、入力軸ＩＳの回転でローラＲが押されたときに解除されるが、噛み込みと解除の繰り返しは、出力軸ＯＳの速度に細かな変動を与えることとなる。なお、ロック状態の解除には、ローラＲに働く摩擦力に打ち勝つトルク（モーメント）を付与する必要があるが、この点は、停止状態にある物品Ｗを上昇させるときも同じであって、モーターＭには、物品Ｗを上昇させる負荷トルクに加えて噛み込み解除のためのトルクも要求される。

上記の課題に鑑み、本発明は、噛み合いローラを用いることなく、内接歯車機構を利用して双方向クラッチを構成し、双方向クラッチの作動に伴う異音等の発生を防止するとともに、出力軸を停止させるときはロック状態を確実に保持するようにしたものである。すなわち、本発明は、
「回転不能のハウジング、入力軸及び出力軸を備え、前記入力軸の回転により前記出力軸が回転するとともに、前記出力軸の回転による前記入力軸の回転は阻止される双方向クラッチであって、
前記ハウジングに設けられた内歯歯車と、前記内歯歯車の内側に偏心して配置され前記内歯歯車と噛み合う外歯歯車が設けられた回転作動子とを有する内接歯車機構を備え、
前記回転作動子には、入力軸側の面に前記外歯歯車の中心軸と同心の断面円形の中心孔が形成されるとともに、出力軸側の面に前記外歯歯車の中心軸と同心の突起軸が形成されており、
前記入力軸及び前記出力軸が前記内歯歯車と同心に配置され、前記入力軸には前記回転作動子の中心孔に嵌め込まれる偏心体が設けられ、かつ、前記出力軸には前記回転作動子の突起軸が嵌め込まれる径方向の長溝が形成されている」
ことを特徴とする双方向クラッチとなっている。

内接歯車機構における内歯歯車と外歯歯車との組み合わせとしては、請求項２に記載のように、前記内歯歯車の歯数が１０以上であり、前記外歯歯車の歯数が前記内歯歯車の歯数よりも２乃至４だけ少ないものを採用することが好ましい。

請求項３に記載のように、前記入力軸の偏心体と前記回転作動子の中心孔との間、及び前記入力軸の周囲と前記出力軸の周囲とには、ボールベアリング等の転がりベアリングを介在させることができる。

本発明の双方向クラッチは、固定された内歯歯車の内側を外歯歯車が噛み合いながら遊星運動を行う内接歯車機構を、入力軸と出力軸との間に介在させたものである。外歯歯車は回転作動子の周囲に形成されており、回転作動子には、一方の面に外歯歯車の中心軸と同心の断面円形の中心孔が形成され、他方の面に外歯歯車の中心軸と同心の突起軸が設けられる。そして、回転作動子の中心孔には、入力軸に設けられた偏心体が嵌め込まれるとともに、突起軸は、出力軸に形成された径方向の長溝に嵌め込まれている。
入力軸及び出力軸の回転中心は、ハウジングに固定の内歯歯車と同心であって、入力軸が回転したときは、嵌め込まれた偏心体によって回転作動子が駆動され内歯歯車に沿って移動する。回転作動子の外歯歯車が内歯歯車と噛み合っているので、回転作動子は、その中心軸（外歯歯車の中心軸）が内歯歯車の中心の周りを公転しつつ、回転作動子自体が自転する遊星運動（よろめき運動）を行うこととなり、回転作動子の突起軸の嵌め込まれた出力軸も、回転作動子により駆動されて回転する。ただし、出力軸の径方向の長溝に突起軸が嵌め込まれていて、出力軸が回転作動子の公転運動のみを取り出す形となるため、出力軸の回転数は入力軸の回転数と等しくなる。

一方、出力軸側から入力軸を駆動するよう出力軸に回転トルクを加えると、出力軸の長溝の壁が回転作動子の突起軸に対して横方向の力を加え、回転作動子を公転方向に移動させようとする（後述の図３（ｃ）参照）。このとき、回転作動子の外歯歯車は、噛み合う部分の内歯歯車から反力を受けるが、外歯歯車と内歯歯車との接触面がいわば接線方向であるため、作用する反力は径方向内側に向かい、回転作動子の中心孔に嵌め込まれた偏心体の接触面にほぼ垂直方向の力を及ぼす。その結果、回転作動子と偏心体との間に大きな摩擦力が生じるとともに、編心体が設けられた入力軸が軸受面に押しつけられ、入力軸がロックされてその回転は不能となる。

このように、本発明の双方向クラッチでは、入力軸と出力軸との間に配置された内接歯車機構の作動により、入力軸からの動力を伝達し出力軸からの動力伝達は遮断するという双方向クラッチの機能が達成される。内接歯車機構は部品相互の間に間隙が存在するものではないから、本発明の双方向クラッチでは、原理的に間隙が必須である図７のローラ式の双方向クラッチと異なり、作動中に衝撃音が発生することはない。また、ローラの噛み込みと解除の繰り返しに起因する出力軸の速度変動の発生がないとともに、ローラの噛み込みの解除のために余分なトルクを付与する必要も生じない。

請求項２の発明は、内接歯車機構における内歯歯車と外歯歯車の具体的な構造として、歯数が１０以上の内歯歯車と、歯数が内歯歯車の歯数よりも２乃至４だけ少ない外歯歯車とを組み合わせた構成としたものである。
本発明の双方向クラッチの精密に作動させるには、ハウジングに形成した内歯歯車の歯数をなるべく多くし、これと噛み合う外歯歯車の歯数（原理的に内歯歯車よりは少ない）を内歯歯車の歯数に近づけることが望ましく、こうすると、入力軸が停止したときに出力軸がロックされるまでの逆回転量（バックラッシュ）も小さくなる。しかし、外歯歯車と内歯歯車の歯数を近づけると、両方の歯車の中心軸間の距離、つまり回転作動子の偏心量ｅも小さくなるため、出力軸を回転させるトルクの腕（出力軸の回転中心と回転作動子の突起軸の中心との間の距離）が短くなって、入力軸を回転させても出力軸が円滑に回転しない事態も起こる。請求項２の発明のように、外歯歯車の歯数を内歯歯車の歯数よりも２乃至４だけ少なく設定したときは、内歯歯車の径が小さい小型の双方向クラッチであっても、その出力軸を円滑に回転させながら、双方向クラッチの精密な作動を達成することができる。

請求項３の発明は、入力軸の偏心体と回転作動子の中心孔との間、及び入力軸の周囲と出力軸の周囲とに、ボールベアリング等の転がりベアリングを介在させたものであり、これによれば、回転部品の間の摩擦抵抗を減少させてより円滑な作動が可能となることは明らかである。

本発明の双方向クラッチの第１実施例を示す図である。 第１実施例の双方向クラッチの各部品の単品図である。 第１実施例の双方向クラッチの作動を説明する図である。 第１実施例の双方向クラッチの変形例を示す図である。 本発明の双方向クラッチの第２実施例を示す図である。 本発明の双方向クラッチの第３実施例を示す図である。 従来の双方向クラッチの一例を示す図である。 図７の双方向クラッチの作動を説明する図である。

以下、図面に基づいて、本発明の双方向クラッチについて説明する。まず、比較的小型の装置として好適な第１実施例の双方向クラッチを、図１乃至図３により説明する。
図１の中央の縦断面図に示すように（各部品を単品で示す図２も参照）、第１実施例の双方向クラッチは、中央に置かれた固定のハウジング１の両側に入力軸２及び出力軸３をそれぞれ配した構造であり、図示は省略するが、入力軸２はモーター等の駆動側に連結され、出力軸３は昇降装置等の従動側に連結される。ハウジング１の内部には、入力軸２と出力軸３との間に回転作動子４（分かり易いようにハッチングを施す）が配置してある。ハウジング１の端部には蓋体５が圧入されてシ−ルドされており、蓋体５は、これを貫通する入力軸２の軸受けを兼ねている。

断面矢視Ａ−Ａ図に示すとおり、回転作動子４の外周には外歯歯車ＥＧが形成され、この外歯歯車ＥＧは、ハウジング１の軸方向中央部に形成された内歯歯車ＩＧと噛み合い、両方の歯車で内接歯車機構を構成する。回転作動子４の入力軸２側の面には断面円形の中心孔４１が形成されるとともに、出力軸３側の面には断面円形の突起軸４２が設けられ、中心孔４１及び突起軸４２は外歯歯車ＥＧの中心軸と同心になっている。入力軸２には中心孔４１に嵌まり込む断面円形の偏心体２１が固定されており、偏心体２１の中心は、入力軸２の回転中心（内歯歯車ＩＧの中心と同心）とはｅだけ偏心している。また、出力軸３には、断面矢視Ｂ−Ｂ図に示すとおり、径方向に延びる長溝３１が形成され、この長溝３１に回転作動子４の突起軸４２が嵌め込まれている。

次いで、本発明の双方向クラッチの作動について説明する。
入力軸２が回転して偏心体２１も一体に回転すると、これが嵌め込まれた回転作動子４の中心は、偏心体２１に案内されて偏心量ｅを半径とする円周上を移動する。それによって、回転作動子４がハウジング１に形成された内歯歯車ＩＧの中心軸の周りを公転すると同時に、内歯歯車ＩＧと噛み合う外歯歯車ＥＧにより、回転作動子４自体は公転の方向と反対方向に自転することとなる。ちなみに、公転の角速度ω１と自転の角速度ω２との関係は、内歯歯車ＩＧの歯数をＳ、外歯歯車ＥＧの歯数をＰとすると、次式で表される。
ω２／ω１＝１−Ｓ／Ｐ＝−（Ｓ−Ｐ）／Ｐ （ただし、Ｓ＞Ｐ）
つまり、自転角速度が公転角速度よりも減速されるときは、歯数差（Ｓ−Ｐ）が小さいほど減速比が大きいが、偏心量ｅは小さくなる。図１の第１実施例のものでは、内歯歯車ＩＧの歯数は１５、外歯歯車ＥＧの歯数は１２で、両歯車の歯数差が３である。また、この実施例の各歯車は、サイクロイド歯型曲線を基本とする、歯の強度の高いサイクロイド歯車となっている。

上記のように、入力軸２が回転し回転作動子４が遊星運動を行うと、回転作動子４の突起軸４２の断面の各点も遊星運動を行う。ここで、突起軸４２は出力軸３の径方向の長溝３１に嵌め込まれているため、出力軸３は、突起軸４２の自転の影響を受けることなく、図３（ａ）に示すように、回転作動子４の公転運動に従って入力軸２と同一回転速度で回転する。第１実施例の双方向クラッチでは内歯歯車ＩＧと外歯歯車ＥＧとの歯数差が３であって、出力軸３を回転させるトルクの腕である偏心量ｅがある程度の長さ確保されており、ハウジング１の径が小さい小型の双方向クラッチであっても、出力軸３のスムースな回転が可能である。

これに対し、出力軸３に回転トルクを加えると、図３（ｃ）に示すように、出力軸３の長溝３１の壁が回転作動子４の突起軸４２に対して横方向の力を加える。その力は、回転作動子４を公転方向に移動させようとし、このとき、回転作動子４の外歯歯車ＥＧは、噛み合う部分の内歯歯車ＩＧから反力を受ける。外歯歯車ＥＧと内歯歯車ＩＧとの接触面がいわば接線方向であるため、作用する反力は、回転作動子４の径方向内側に向かい、中心孔４１に嵌め込まれた偏心体２１の接触面にほぼ垂直方向の力を及ぼす（図３（ｃ）左図の矢印参照）。その結果、回転作動子４と偏心体２１との接触面に大きな摩擦力が生じるとともに、偏心体２１が設けられた入力軸２が蓋体５の軸受面に押しつけられ、入力軸２がロックされてその回転は不能となる。

図１等の第１実施例について述べたとおり、本発明の双方向クラッチでは、入力軸２と出力軸３との間に内接歯車機構を配置することによって、入力軸２（駆動側）からの動力を出力軸３（従動側）に伝達するとともに、逆方向の動力伝達は遮断するという双方向クラッチの機能が達成されることとなる。内歯歯車ＩＧと外歯歯車ＥＧあるいは偏心体２１等の、内接歯車機構を構成する部品相互の間には間隙が存在するものではないので、本発明の双方向クラッチでは作動中に衝撃音が発生することはない。また、ローラを利用する双方向クラッチとは異なり、出力軸の速度変動の発生がなく、ローラの噛み込みの解除のために余分なトルクを付与する必要もない。

図４に示す変形例の双方向クラッチは、第１実施例の双方向クラッチに対して、相対的に回転する部品の間に転がりベアリングを設置したものである。具体的には、出力軸２の偏心体２１と回転作動子４の中心孔４１との間にボールベアリングＢ１が設置され、そのため、偏心体２１の径は、図１のものより相当小さくなるよう変更されている。また、入力軸２とハウジング１及び出力軸３とハウジング１との間には、ボールベアリングＢ２、Ｂ３がそれぞれ設置されており、これらのボールベアリングにより摩擦損失が減少して、入力軸２から出力軸３への動力伝達が円滑化される。場合によっては、回転作動子４の突起軸４２と出力軸３の長溝３１との間にもボールベアリングを介在させてもよい。

図５の第２実施例の双方向クラッチ（図１の双方向クラッチの部品等と対応するものには同一の符号を付す）は、歯数が５個の内歯歯車ＩＧと、歯数が４個の外歯歯車ＥＧとを組み合わせて、歯数差が１の内接歯車機構を構成するものである。内歯歯車ＩＧの歯数が５程度の少ない数であれば、歯数差が最少の１であっても偏心量ｅをある程度の長さ確保されるので、出力軸の回転のスムースな双方向クラッチが実現できる。

また、図６に示す第３実施例の双方向クラッチ（やはり、図１の双方向クラッチの部品等と対応するものには同一の符号を付す）は、歯数が１１個の内歯歯車ＩＧと、歯数が１０個の外歯歯車ＥＧとを組み合わせ、歯数差が１の内接歯車機構を構成するものである。この実施例の双方向クラッチでは、内歯歯車ＩＧの歯数が１０以上で、外歯歯車ＥＧと内歯歯車ＩＧとの歯数差が１であるため、回転作動子４の偏心量ｅが小さくなるが、入力軸２を停止したときに出力軸３がロックされるまでの逆回転量を小さくして、精密な双方向クラッチを構成することが可能となる。したがって、ハウジング１の径が大きい大型の双方向クラッチなどでは、こうした組み合わせの内接歯車機構を採用してもよい。

以上詳述したように、本発明は、外歯歯車が内歯歯車に接しながら遊星運動を行う内接歯車機構を利用して双方向クラッチを構成し、双方向クラッチの作動に伴う異音等の発生を防止するとともに、出力軸を停止させるときは、そのロック状態を確実に保持するようにしたものである。上記の実施例では、入力軸の偏心体あるいは回転作動子の突起軸等をそれぞれの部品と一体に形成しているが、これらを別体で製作して部品に組み付けるようにしてもよい。また、外歯歯車及び内歯歯車の歯型曲線としてインボリュート歯形、その他特殊形状歯型を採用するなど、上記実施例に対し各種の変形が可能であるのは明らかである。

１ ハウジング
２ 入力軸
２１ 偏心体
３ 出力軸
３１ 長溝
４ 回転作動子
４１ 中心孔
４２ 突起軸
５ 蓋体
ＥＧ 外歯歯車
ＩＧ 内歯歯車

Claims (3)

1. 回転不能のハウジング、入力軸及び出力軸を備え、前記入力軸の回転により前記出力軸が回転するとともに、前記出力軸の回転による前記入力軸の回転は阻止される双方向クラッチであって、
   前記ハウジングに設けられた内歯歯車と、前記内歯歯車の内側に偏心して配置され前記内歯歯車と噛み合う外歯歯車が設けられた回転作動子とを有する内接歯車機構を備え、
   前記回転作動子には、入力軸側の面に前記外歯歯車の中心軸と同心の断面円形の中心孔が形成されるとともに、出力軸側の面に前記外歯歯車の中心軸と同心の突起軸が形成されており、
   前記入力軸及び前記出力軸が前記内歯歯車と同心に配置され、前記入力軸には前記回転作動子の中心孔に嵌め込まれる偏心体が設けられ、かつ、前記出力軸には前記回転作動子の突起軸が嵌め込まれる径方向の長溝が形成されていることを特徴とする双方向クラッチ。
2. 前記内歯歯車の歯数が１０以上であり、前記外歯歯車の歯数が前記内歯歯車の歯数よりも２乃至４だけ少ない請求項１に記載の双方向クラッチ。
3. 前記入力軸の偏心体と前記回転作動子の中心孔との間、及び前記入力軸の周囲と前記出力軸の周囲とには、転がりベアリングが介在されている請求項1又は請求項２に記載の双方向クラッチ。

Images