JP2020056492A - ロックタイプ双方向クラッチ - Google Patents

Abstract

【課題】噛み込み用ローラを用いることなく、歯車機構を組み合わせてロックタイプ双方向クラッチを構成し、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すること。【解決手段】ハウジング２の内側に、共に回転軸ｏに対して偏心し且つ軸方向に並列して配置される作動歯車体８及び制御歯車体１０と、制御歯車体１０に対する作動歯車体８の公転を規制する規制部材１２とを設置し、作動歯車体８には第一の作動歯車３０及び第二の作動歯車３２を同軸に固着すると共に、制御歯車体１０には第一の制御歯車３４及び第二の制御歯車３６を同軸に固着し、第一の作動歯車３０の歯数と第一の制御歯車３４の歯数を同一にし、第一の作動歯車３０及び第一の制御歯車３４が共通して入力歯車４と噛み合うと共に、第二の作動歯車３２が出力歯車６と噛み合い、第二の制御歯車３６が固定歯車２０と噛み合うようにする。【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、出力軸を回転不能として遮断するロックタイプ双方向クラッチに関する。

モーターなどの駆動源から作業機器等を駆動する動力伝達系、例えば、モーターにより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、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、入力軸（入力軸）及び出力軸（出力軸）を備えたロックタイプの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、モーターにより入力軸を正・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、出力軸がロックされた状態となって物品の落下を防止する。

ロックタイプの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９、図１０により説明する。図９は、ベルト及びプーリによって物品を上下する昇降装置と、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１０（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９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内では、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１０（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９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、図１０（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。つまり、図９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。このようなロックタイプの双方向クラッチは、本出願人の創案に係る特許第４８５０６５３号公報に開示されている。

ロックタイプの双方向クラッチは、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９のロックタイプ双方向クラッチは、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９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９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１０（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。

さらに、図９のロックタイプの双方向クラッチでは、出力軸ＯＳの回転数は常に入力軸ＩＳの回転数と等しいとともに、出力軸ＯＳの回転方向も入力軸ＩＳの回転方向と等しい。図９の双方向クラッチ自体では、回転方向や回転速度を変更する変速作動が不可能であり、そのため、入出力軸間でトルクを増減することもできず、出力軸ＯＳに作用する負荷トルクが大きいときは、それに見合うトルクを発生する大型のモーターを駆動源として用意する必要がある。

上記の課題に鑑み、本発明は、噛み込み用ローラを用いることなく、複列の歯車機構を用いてロックタイプ双方向クラッチを構成し、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と、共通の回転軸の回りに回転可能な入力歯車及び出力歯車とを備え、前記入力歯車からの正・逆方向の回転は前記出力歯車に伝達するとともに、前記出力歯車からの前記入力歯車への回転の伝達は、前記出力歯車を回転不能にさせて遮断するロックタイプ双方向クラッチであって、
前記ハウジングには固定歯車が固着され、前記ハウジングの内側には、共に前記回転軸に対して偏心し且つ軸方向に並列して配置された作動歯車体及び制御歯車体と、前記制御歯車体に対する前記作動歯車体の公転を規制する規制部材とが設置され、
前記作動歯車体には第一の作動歯車及び第二の作動歯車が同軸に固着されると共に、前記制御歯車体には第一の制御歯車及び第二の制御歯車が同軸に固着され、前記第一の作動歯車の歯数と前記第一の制御歯車の歯数は同一であり、
前記第一の作動歯車及び前記制御歯車が共通して前記入力歯車と噛み合うと共に、前記第二の作動歯車が前記出力歯車と噛み合い、前記第二の制御歯車が前記固定歯車と噛み合う」
ことを特徴とするロックタイプ双方向クラッチとなっている。

前記作動歯車体及び前記制御歯車体は、軸方向に間隔をおいて配置されているのが好ましい。
前記規制部材は円筒形状であるのが好ましい。
前記ハウジング内に配置された全ての歯車の歯形はトロコイド歯形であって、前記第二の作動歯車と前記出力歯車との歯数の差、及び、前記第二の制御歯車と前記固定歯車との歯数の差は共に１であってもよい。
前記入力歯車及び前記出力歯車の一方は外歯歯車であって、他方は内歯歯車であるのが好適である。

本発明のロックタイプ双方向クラッチでは、共に共通の回転軸に対して偏心し且つ軸方向に並列して配置された作動歯車体及び制御歯車体と、制御歯車体に対する作動歯車体の公転を規制する規制部材とがハウジングの内側に配置される。作動歯車体には第一の作動歯車及び第二の作動歯車が同軸に固着され、制御歯車体には第一の制御歯車及び第二の制御歯車が同軸に固着される。このとき、第一の作動歯車の歯数と第一の制御歯車の歯数は同一に設定される。そして、第一の作動歯車及び第一の制御歯車は入力歯車に共通して噛み合うと共に、第二の作動歯車は出力歯車に噛み合い、第二の制御歯車は固定歯車に噛み合う。

入力軸が回転すると、これと一体の入力歯車が自転する。このとき、制御歯車体にあっては、中心軸は共通の回転軸に対して偏心し、その周りを回動可能であって、第一の制御歯車が入力歯車と噛み合い第二の制御歯車が固定歯車と噛み合っているから、制御歯車体は入力歯車の自転方向と同一方向に公転しながらその反対方向に自転する。作動歯車体では、第一の作動歯車が第一の制御歯車と共通して入力歯車と噛み合うと共に、両方の歯車の歯数が同一であり、さらに、規制部材によって制限歯車体に対する公転が規制されてこれと同一回転数で公転することから、作動歯車体と制御歯車体とは同一の作動をする。ここで、作動歯車体は、その第二の作動歯車が出力歯車と噛み合っており、上述したとおり、作動歯車体が入力歯車の回転により入力歯車の自転方向と同一方向に公転しながらその反対方向に自転する。このことから、第二の作動歯車と噛み合う出力歯車も回転され、入力軸から出力軸へ回転が伝達される。

出力軸が回転しようとすると、出力歯車がこれと噛み合う第二の作動歯車と一体の第一の作動歯車を介して入力歯車を回転させようとする。このとき、入力歯車には同一の歯数を有する第一の作動歯車及び第一の制御歯車が共通して噛み合っていると共に、第一の制御歯車と一体の第二の制御歯車が固定歯車と噛み合っていることに起因して、第一の作動歯車が入力歯車を回転させようとするとねじれが生じ、入力軸の回転がロックされた状態となり、出力軸は回転不能となる。

このように、本発明のロックタイプ双方向クラッチにおいては、複列の歯車機構を利用して、入力軸から出力軸へ回転動力を伝達するとともに、反対向きへの伝達は遮断する。出力軸からの回転伝達の遮断は、入力歯車に共通して噛み合う第一の作動歯車及び第一の制御歯車との間のねじれによって入力軸をロック状態とすることにより摩擦力を利用しないで行われるから、出力軸の停止の保持が摩擦力により制限されることはない。さらに、歯車機構のロック状態は、出力軸側から駆動しようとすると直ちに生じるので、図９の双方向クラッチとは異なり、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。さらにまた、入力軸と出力軸とは歯車機構により接続されていることから、入力軸と出力軸との間で回転方向や回転速度を適宜変更することか可能となる。

本発明のロックタイプ双方向クラッチの第１実施形態を示す図である。 図１の双方向クラッチのハウジング等を単体で示す図である。 図１の双方向クラッチを構成する主要な部品を単体で示す図である。 図１の双方向クラッチにおいて、入力軸を反時計方向に回転させた時の作動を説明する図である。 図１の双方向クラッチにおいて、出力軸を時計方向に回転させた時の作動を説明する図である。 本発明のロックタイプ双方向クラッチの第２実施形態を示す図である。 本発明のロックタイプ双方向クラッチの第２実施形態の変形例を示す図である。 図７に示すロックタイプ双方向クラッチの入力歯車と入力軸部との結合を示す図である。 従来のロックタイプ双方向クラッチの一例を示す図である。 図９のロックタイプ双方向クラッチの作動を説明する図である。

以下、図面に基づき、本発明のロックタイプ双方向クラッチについて説明する。まず、本発明の双方向クラッチの第１実施形態の全体的な構造を図１に示し、その単品部品図を図２及び図３に示す。図４及び図５は、図１の実施形態の双方向クラッチの作動を示すものである。

図１の縦断面図に示すように、第１実施形態の双方向クラッチは、固定のハウジング２を備えている。ハウジング２の内側には、共通の回転軸ｏの周りに回転可能な入力歯車４及び出力歯車６と、回転軸ｏに対して偏心し且つ軸方向に並列して配置された作動歯車体８及び制御歯車体１０（両歯車体の中心軸をｏ´とする）と、制御歯車体１０に対する作動歯車体８の公転を規制する規制部材１２とが設置されている。

図１と共に図２を参照して説明すると、ハウジング２は、略正方形の端板１６と、端板１６の外周縁部からこれに対して垂直に延出する筒状の側壁１８とを備えたカップ形状である。ハウジング２の内周面には内歯歯車である固定歯車２０が形成されている。ハウジング２の開口端部（つまり側壁１８の自由端縁部）には、蓋体２２がボルトの如き適宜の固定具によって固定されてシールドされている。蓋体２２は端板１６と同一形状であって、両者とも中央には円形の貫通穴が形成されている。

図１と共に図３を参照して説明すると、本実施形態においては、入力歯車４は外歯歯車であって、これには軸方向に延びる入力軸部２４が同軸上に固着されている。一方、出力歯車６は内歯歯車であって、これにも軸方向に延びる出力軸部２６が同軸上に固着されている。作動歯車体８は円板形状の中央仕切壁２８を備え、この中央仕切壁２８を挟んでその両側には、内歯歯車である第一の作動歯車３０及び外歯歯車である第二の作動歯車３２が同軸に夫々固着されている。一方、制御歯車体１０はリング状であって、これには、内歯歯車である第一の制御歯車３４と外歯歯車である第二の制御歯車３６とが同軸に固着されている。そして、第一の作動歯車３０と第一の制御歯車３４の歯数は同一に設定されている。また、作動歯車体８の外周縁部には円環形状の段部３８が形成されていると共に、制御歯車体１０には円環形状の溝４０が形成されている。

図１を参照して説明すると、上述した各構成部材は、ハウジング２の内側において、第一の作動歯車３０及び第一の制御歯車３４が共通して入力歯車４と噛み合うと共に、第二の作動歯車３２が出力歯車６と噛み合い、第二の制御歯車３６が固定歯車２０と噛み合うようにして組み合わされる。このとき、作動歯車体８に形成された段部３８及び制動歯車体１０に形成された溝３８は軸方向において相互に対向し、共通して円筒形状である規制部材１２が嵌め合わされる。そして、作動歯車体８及び制御歯車体１０は、軸方向に間隔をおいて配置される。

続いて、図４及び図５を参照して、図１の実施形態の双方向クラッチの作動について説明する。
図４の中央縦断面図において矢印で示すとおり、入力軸（入力軸部２４）が、例えば駆動源のモーターにより回転軸ｏの周りを反時計方向（軸方向の右方から見て）に回転したときは、まず、Ａ−Ａ断面図において矢印で示すとおり、入力軸部２４と一体の入力歯車４が回転軸ｏの周りを反時計方向に回転する。そうすると、制御歯車体１０にあっては、中心軸ｏ´は共通の回転軸ｏに対して偏心し、その周りを回動可能であって、第一の制御歯車３０が入力歯車４と噛み合い第二の制御歯車３４が固定歯車２０と噛み合っていることから、制御歯車体１０は入力歯車４の自転方向と同一方向（つまり反時計方向）に公転しながらその反対方向（つまり時計方向）に自転する。また、作動歯車体８にあっては、第一の作動歯車３０が第一の制御歯車３４と共通して入力歯車４と噛み合うと共に、両方の歯車の歯数が同一であり、さらに、規制部材１２によって制御歯車体１０に対する公転が規制されてこれと同一回転数で公転することから、作動歯車体８と制御歯車体１０とは同一の作動をする。ここで、作動歯車体８は、その第二の作動歯車３２が出力歯車６と噛み合っており、上述したとおり、作動歯車体８が入力歯車４の回転により入力歯車４の自転方向と同一方向（つまり反時計方向）に公転しながらその反対方向（つまり時計方向）に自転する。このことから、第二の作動歯車３２と噛み合う出力歯車６も回転され、入力歯車４から出力歯車６へ回転が伝達される。

これに対して、図５の中央縦断面図に示すとおり、出力軸（出力軸部２６）を回転軸ｏの回りに時計方向（軸方向の右方から見て）に回転させようとすると、まず、Ｃ−Ｃ断面図において破線の矢印で示すとおり、出力軸部２６と一体の出力歯車６が時計方向に回転しようとする。そうすると、出力歯車６との噛み合いによって第二の作動歯車３２は中心軸ｏ´の回りを出力歯車６の回転方向と同一方向（つまり時計方向）に自転しようとすると共に、第二の作動歯車３２と一体である第一の作動歯車３０との噛み合いによって入力歯車４は回転軸ｏの回りを出力歯車６の回転方向と同一方向（つまり時計方向）に自転しようとする。このとき、入力歯車４には同一の歯数を有する第一の作動歯車３０及び第一の制御歯車３４が共通して噛み合っていると共に、第一の制御歯車３４と一体の第二の制御歯車３６が固定歯車２０と噛み合っていることに起因して、第一の作動歯車３０が入力歯車４を回転させようとすると、入力歯車４は第一の作動歯車３０及び第一の制御歯車３４から大きさは同じであるが相互に反対方向に作用する回転トルクを受けることとなってねじれが生じ、入力歯車４（入力軸）の回転がロックされることとなる。従って、出力軸（出力歯車６）は回転不能となる。このとき、図示の実施形態のように、入力歯車４及び出力歯車６の一方が外歯歯車であって、他方が内歯歯車である場合には、作動歯車体８が自転しようとする方向と規制部材１２が公転しようとする方向とが反対方向となるため上記ロックがより確実に作用することとなる。

このように、本発明のロックタイプ双方向クラッチにおいては、複列の歯車機構を利用して、入力軸から出力軸へ回転動力を伝達するとともに、反対向きへの伝達は遮断する。出力軸からの回転伝達の遮断は、入力歯車４に共通して噛み合う第一の作動歯車３０及び第一の制御歯車３４との間のねじれによって入力軸をロック状態とすることにより摩擦力を利用しないで行われるから、出力軸の停止の保持が摩擦力により制限されることはない。さらに、歯車機構のロック状態は、出力軸側から駆動しようとすると直ちに生じるので、図９の双方向クラッチとは異なり、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。さらにまた、入力軸と出力軸とは歯車機構により接続されていることから、入力軸と出力軸との間で回転方向や回転速度を適宜変更することか可能となる。

図６には、本発明のロックタイプ双方向クラッチの第２実施形態を示す。以下においては、第１実施形態と同じ構成については番号に「´」を付して説明する。
第２実施形態では、基本的な構造及び作動は第１実施形態のロックタイプ双方向クラッチと変わるものではないが、ハウジング２´内に配置された全ての歯車において内歯歯車と外歯歯車との関係が入れ替わっている。図示の実施形態においては、出力歯車６´の内側にはベアリング４２´が嵌め込まれており、かかるベアリング４２´には入力歯車４´の中心において入力軸部２４´と同軸上に延びる突出部４４´が相対回転可能に嵌め込まれている。これにより、入力歯車４´及び出力歯車６´が一体となって回転する際の両者間の芯ぶれが防止される。さらに、第２実施形態では、ハウジング２´内に配置された全ての歯車の歯形をトロコイド歯形とし、第二の作動歯車３２´と出力歯車６´の歯数の差、及び、第二の制御歯車３６´と固定歯車２０´の歯数の差を共に１としている。このように、ハウジング２´内に配置された全ての歯車の歯形をトロコイド歯形とすることで、上述したとおり相互に噛み合う２つの歯車における歯数の差を小さくすることが可能となり、装置全体をコンパクトにすることが可能となる。所望ならば、図７に示す変形例のように、第一の作動歯車３０´と第二の作動歯車３２´とを軸方向に変位させると共に、入力歯車４´と入力軸部２４´とを別体で構成することもできる。入力歯車４´と入力軸部２４´とは、図８に示すとおり、入力歯車４´が内周面に配設された円筒壁４６´の軸方向端部に形成された円弧状の切欠き４８´と、入力軸部２４´が固着された入力円板５０´の外周縁部に形成された円弧状の突起５２´との係合により結合される。図示の変形例においては、切欠き４８´及び突起５２´は共に周方向に等間隔をおいて３個ずつ形成されている。

２：ハウジング
４：入力歯車
６：出力歯車
８：作動歯車体
１０：制御歯車体
１２：規制部材
２０：固定歯車
３０：第一の作動歯車
３２：第二の作動歯車
３４：第一の制御歯車
３６：第二の制御歯車

Claims (5)

1. 回転不能のハウジングと、共通の回転軸の回りに回転可能な入力歯車及び出力歯車とを備え、前記入力歯車からの正・逆方向の回転は前記出力歯車に伝達するとともに、前記出力歯車からの前記入力歯車への回転の伝達は、前記出力歯車を回転不能にさせて遮断するロックタイプ双方向クラッチであって、
   前記ハウジングには固定歯車が固着され、前記ハウジングの内側には、共に前記回転軸に対して偏心し且つ軸方向に並列して配置された作動歯車体及び制御歯車体と、前記制御歯車体に対する前記作動歯車体の公転を規制する規制部材とが設置され、
   前記作動歯車体には第一の作動歯車及び第二の作動歯車が同軸に固着されると共に、前記制御歯車体には第一の制御歯車及び第二の制御歯車が同軸に固着され、前記第一の作動歯車の歯数と前記第一の制御歯車の歯数は同一であり、
   前記第一の作動歯車及び前記第一の制御歯車が共通して前記入力歯車と噛み合うと共に、前記第二の作動歯車が前記出力歯車と噛み合い、前記第二の制御歯車が前記固定歯車と噛み合う、ことを特徴とするロックタイプ双方向クラッチ。
2. 前記作動歯車体及び前記制御歯車体は、軸方向に間隔をおいて配置されている、請求項１に記載のロックタイプ双方向クラッチ。
3. 前記規制部材は円筒形状である、請求項１又は２に記載のロックタイプ双方向クラッチ。
4. 前記ハウジング内に配置された全ての歯車の歯形はトロコイド歯形であって、前記第二の作動歯車と前記出力歯車との歯数の差、及び、前記第二の制御歯車と前記固定歯車との歯数の差は共に１である、請求項１乃至３のいずれかに記載のロックタイプ双方向クラッチ。
5. 前記入力歯車及び前記出力歯車の一方は外歯歯車であって、他方は内歯歯車である、請求項１乃至４のいずれかに記載のロックタイプ双方向クラッチ。