JP4694190B2 - トルクリミッタ - Google Patents

Description

この発明は、プリンタ、複写機等の事務機に使用されるばね式トルクリミッタに関し、特にそのコンパクト化を図ったものである。

事務機等に用いられるばね式トルクリミッタ３０は、図８に示したように、外環部材３１と、その内部に挿入され一端部のボス部３２において相対回転可能に支持された内輪３３と、該内輪３３の外径面に所要の締め代で装着されたコイルばね３４と、前記外環部材３１の他端部においてその内径面に嵌合され内輪３３の外径面との間を閉塞する蓋部材３９とからなる。前記コイルばね３４を大径部３４ａと小径部３４ｂにより形成するとともに、その小径部３４ｂを前記内輪３３の外径面に前記の締め代で緊縛させ、該小径部３４ｂの端部にアキシャル方向に突き出したフック３５を設け、これを前記外環部材３１のボス部３２に係合させ、また大径部３４ａの端部にもアキシャル方向に突き出したフック３６を設けこれを蓋部材３９に係合させている（特許文献１参照）。

このトルクリミッタ３０は、内輪３３をコイルばねの巻き方向と逆方向に回転させた場合に、小径部３４ｂにおいて拡径作用が生じ一定のトルクを発生させる。前記と反対方向に回転させると、小径部３４ｂにおいて縮径作用が生じ内輪３３がロックするので、トルクリミッタとしての機能は果たし得ない。発生トルクの大きさの調整を行う場合は、外環部材３１を固定して蓋部材３９を外部から回転させると、コイルばね３４の大径部３４ａを経て小径部３４ｂの締め代が変化するので発生トルクが調整される。

上記のトルクリミッタ３０は、事務機等の紙さばきローラ３７のローラ本体３８の一端部に外環部材３１のボス部３２側の端部を連結することにより使用に供される。紙さばきローラ３７に作用する負荷トルクがトルクリミッタ３０の設定トルク以下であるときは、内輪３３に挿入固定された軸と共にトルクリミッタ３０がローラ３７と一体に回転するが、負荷トルクが設定トルクを超えると内輪３３と共に軸が設定トルクで空転する。

なお、コイルばねとして単一径のものを用いたトルクリミッタも知られている（特許文献２、同３参照）。特許文献２の場合のコイルばねは、その両端部にラジアル方向外向きに突き出したフックが形成され、そのフックが外環部材に係合される。また、特許文献３の場合のコイルばねは、フックが一端部においてアキシャル方向に突き出して形成され、そのフックが外環部材に係合される。

特開平８−２７０６７３号公報（「実施例」、図１、図２） 特開平１０−１１０７３９号公報（「発明を実施するための態様」、図１） 特開平１１−２５７３６８号公報（「発明の実施の形態」、図１、図２）

前記の図８に示した特許文献１のトルクリミッタ３０は、コイルばね３４として内輪３３に緊縛される小径部３４ｂ以外に大径部３４ａが存在するため、トルクリミッタの小型化を図ることが困難になる問題がある。また、蓋部材３９を回転操作して設定トルクの調整を行う必要があるため、量産時における生産コストが高くつく問題もある。また、特許文献２のように、コイルばねのフックがラジアル方向外向きに突き出したものは、そのフックを係合させるために外環部材の径が大きくなり、また特許文献３のようにコイルばねのフックがアキシャル方向外向きに突き出したものは、外環部材のアキシャル方向の長さが大きくなるので、いずれの場合も小型化の妨げになる問題がある。さらに、いずれの場合も組み込み時において、外環部材に形成された係合部にコイルばねの位相を合わせて組み付ける必要があるため、生産性が低く生産コストが高くつく問題もある。

そこで、この発明はトルクリミッタの小型化を図るとともに、生産コストの低減化を図ることを課題とする。

前記の課題を解決するために、この発明は、外環部材と、その内部に挿入され一端のボス部において相対回転可能に支持された内輪と、該内輪の外径面に所要の締め代で装着されたコイルばねと、前記外環部材の他端部においてその内径面に嵌合され内輪外径面との間を閉塞する蓋部材とからなり、前記コイルばねの一端部を前記外環部材のボス部に係合させ、他端部を前記蓋部材に係合させたトルクリミッタにおいて、前記コイルばねを単一径で形成し、前記外環部材のボス部の内端面に該コイルばねの一端部の端面と係合する外環部材突部を設け、前記蓋部材の内面に該コイルばねの他端部の端面と係合する蓋部材突部を設けた構成を採用した。

上記構成のトルクリミッタは、内輪がコイルばねの巻き方向と反対方向に回転した場合に、該コイルばねの一方の端面が蓋部材突部から離れ他方の端面が外環部材突部に突き当てられるため拡径作用が生じ、一定のトルクを発生させる。また、内輪が前記と逆方向に回転した場合は、前記一方の端面が蓋部材突部に突き当てられ、他方の端面が外環部材突部から離れるために拡径作用が生じ、一定のトルクを発生させる。要するに、左右いずれの回転方向にもトルクリミッタとしての機能、いわゆる２方向トルクリミッタとしての機能を発揮する。

前記コイルばねを複数個用い、各コイルばねが同一径、かつ同一巻き方向に形成され、各コイルばね相互を長さ方向に突き合わせるとともに、その突き合わせ面においてそれぞれの端部の端面相互を係合させ、両端に配置されたコイルばねの端面をそれぞれ前記の外環部材突部及び蓋部材突部に係合させた構成をとることができる。このように構成すると、発生トルクをコイルばねの数に応じて増大させることができる。

なお、前記内輪の材質としては、耐久性の点から鉄系焼結金属、ＰＰＳ又はＰＥＥＫのいずれかであることが望ましい。

この発明によると、以下に列挙する効果が得られる。
（１）コイルばねは単一径であり、しかもその端部にはフックが形成されておらず、両端部の端面によって直接外環部材突部と蓋部材突部とに係合されるので、トルクリミッタのラジアル方向及びアキシャル方向のいずれの方向にも小型化を図ることができる。
（２）発生トルクはコイルばねの内輪外径面に対する締め代で決まるため、締め代を決めればコイルばねを内輪に組み込むだけでトルクが決定される。
（３）組み込み時において、コイルばねの両端部と外環部材突部と蓋部材突部との位相合わせの必要がなく、また、組み込み後のトルク調整も必要がないため、生産コストを低減させることができる。
（４）両方向に同一トルクが発生可能であるので、方向性をもった２種類のトルクリミッタを用意する必要がなく、全体として部品点数を減らすことができる。

以下、添付図面に基づいてこの発明の実施の形態を説明する。図１及び図２に示したように、実施形態のトルクリミッタ１０は、従来の場合と同様に、筒状の外環部材１、内輪２、環状の蓋部材３及びコイルばね４とからなる。外環部材１は一端部に内側に膨出するボス部５が設けられ、そのボス部５から他端の開放端に至る間にコイルばね４より大径の内径面６が形成される。ボス部５の中心部に軸挿通穴７が設けられ、その軸挿通穴７より内側においてこれより大径の内輪支持部８が設けられる。その内輪支持部８と前記内径面６との段差部を形成してコイルばね４の一端部に対向するボス部内端面１１の一部に筒軸方向に突出した外環部材突部１２（図１（ａ）（ｃ）参照）がそのボス部５と一体に設けられる。この外環部材突部１２は外環部材１の周方向に一定の幅を有するとともに前記ボス部内端面１１の径方向の幅全体にわたってその径方向に延び、かつ、その高さはコイルばね４を構成する線材の断面の大きさ（角線の場合は筒軸方向の幅、丸線の場合は直径）に等しいか、若干小さく形成される。また、前記内径面６の開放端に近い部分に周方向の係合溝１３が設けられる。なお、ボス部５側端部の外面にローラ等に対する係合突起１４が設けられる。

内輪２は前記軸挿通穴７と同一径かつ同芯の内径面を有し、外径面に前記のコイルばね４が所要の締め代で装着される。該内輪２の一端部が前記ボス部５の内輪支持部８に回転自在に嵌合支持され、他端部は外環部材１より外方に突き出す。その突き出した端部の外径面に前記の蓋部材３が嵌合されるとともにその蓋部材３を内輪２が相対回転可能に貫通する。その内輪２が蓋部材３から突き出した端部に軸（図示省略）に立てたピンとの係合凹部１５が設けられる。

前記の蓋部材３の外径面に係合リブ１６が形成され、その係合リブ１６が前記の係合溝１３に嵌入される。この蓋部材３により外環部材１の内径面と内輪２の外径面との間が閉塞される。蓋部材３は外環部材１に対して強固に嵌合されるが、その強さは蓋部材３の外面に設けた一対の穴１７に所要の工具を差し込で回転させた場合は、外環部材１に対して回転できる程度である。また、蓋部材３の内面に筒軸方向に突出した蓋部材突部１８（図１（ａ）（ｂ）参照）がその蓋部材３と一体に設けられる。この蓋部材突部１８は蓋部材３の周方向に一定の幅を有するとともに蓋部材３内面の径方向の幅全体にわたってその径方向に延び、かつ、その高さはコイルばね４を構成する線材の断面の大きさ（角線の場合は筒軸方向の幅、丸線の場合は直径）に等しいか、若干小さく形成される。

コイルばね４は、鋼線（図示の場合は角線であるが、丸線でもよい。）を単一径となるように所要回数巻いたものであり（図示の場合は右巻きであるが、左巻きでもよい。）、その両端面２１、２２は長さ方向に対し直角に形成され、各端面２１、２２を含むコイルばね４の端部はラジアル方向にもアキシャル方向にも屈曲されておらず、ストレートな端部を形成している。両端面２１、２２相互の位置関係はこだわらないが、両端面２１、２２間の長さＬ（図１（ａ）参照）は、前記外環部材１のボス部内端面１１と蓋部材３の内面間の距離Ｌに一致するように設定される。

前記の外環部材１及び内輪２を固定して蓋部材３の穴１７に所要の工具を差し込んでコイルばね４の巻き方向（右回転、図１（ｅ）、図２の矢印ａ参照）に回転させると、その回転途中において蓋部材突部１８がコイルばね４の一方の端面２１の側面に係合し（図１（ｂ）参照。）、コイルばね４を矢印ａ方向に回転させる。コイルばね４が回転するとその他方の端面２２が外環部材突部１２の側面に係合する（図１（ｃ）参照）。これにより、コイルばね４の両端面２１、２２がそれぞれ外環部材突部１２、蓋部材突部１８に対しすき間なく係合される。

なお、図面上コイルばね４は、コイル部分の線相互に密着する、いわゆる密着巻きタイプを示しているが、線相互間にすき間があるもの、いわゆるピッチ巻きタイプでもよい。密着巻きタイプは、内径精度を出し易い利点があるが、Ｌ寸法（軸方向長さ）の精度を確保しないと端面２１，２２が蓋部材突部１８及び外環部材突部１２から外れてしまう可能性がある。ピッチ巻きでは、逆に内径精度は左程良くないが、Ｌ寸法精度はそれほど厳しくしなくとも蓋部材突部１８及び外環部材突部１２との係合は確保できる。製作精度に応じていずれかのタイプを選択する。

実施形態のトルクリミッタ１０は以上のように構成され、次にその作用について説明する。

前記のように組み立てられた状態で内輪２がコイルばね４の巻き方向に回転（図３（ａ）（ｂ）の矢印Ａ参照）すると、コイルばね４が回転方向へ引きずられ、一方の端面２１が蓋部材突部１８から離れ（図３（ａ）の矢印ａ１、微小距離δ参照）、他方の端面２２は外環部材突部１２に押し付けられる（図３（ｂ）の矢印ａ２参照）。その結果、コイルばね４に拡径作用が生じ、内輪２はコイルばね４に対して摺接しながら回転し、その回転によってコイルばね４との間の摩擦力と内輪２の半径とにより定まる一定のトルクを発生させる。

また、内輪２が前記と反対方向に回転すると、前記とは逆方向にコイルばね４が引きずられ、端面２２が外環部材突部１２から離れる一方（図４（ｂ）の矢印ｂ１及び微小すき間δ参照）、他方の端面２１が蓋部材突部１８に押し付けられるため（図４（ａ）の矢印ｂ２参照）、コイルばね４に拡径作用が生じ内輪２に対し一定のトルクを発生させる。

上記のように、このトルクリミッタは内輪２の左右いずれの方向の回転に対しても一定のトルクを発生させるので、２方向トルクリミッタとして利用することができる。

なお、図５は前記のトルクリミッタ１０を事務機の紙さばきローラ２６の一端部に組み込んで使用する場合の一例を示す。前記の外環部材１が紙さばきローラ本体２７と一体化される。

一層大きいトルクが必要な場合は、図６に示したように、巻き方向同一の同径の複数（図示の場合は３個）のコイルばね４を直列に配列し、相互の端面２１、２２を突き合わせることにより巻き方向に一体化させる。その他の構成及び作用は前記の場合と同様である。

図７に示した他の実施形態は、先に図１及び図２に示した実施形態において、蓋部材３に設けた一対の穴１７を省略し、その蓋部材３の外周面に一対の凸部２３を設け、その凸部２３が嵌合する凹部２４を外環部材１の開放側端面に設けたものである。この場合の凸部２３と凹部２４の位置関係は、コイルばね４の両端面２１、２２がそれぞれ蓋部材突部１８と外環部材突部１２に周方向から突き当てた状態で、前記凸部２３と凹部２４が合致するような関係に予め選定される。

このような関係に選定しておくと、コイルばね４の一方の端面２２を外環部材突部１２に周方向に係合させた状態で前記凸部２３と凹部２４を嵌合させながら蓋部材３を嵌着すると他方の端面２１が蓋部材突部１８に周方向から係合する。この構成によると、前記のように蓋部材３を回転させてすき間を解消する場合に比べ効率的に組み立てることができる。

ところで、前記の内輪２は、コイルばね４との摺接によって所要のトルクを発生させる部材であるため、発生トルクの安定性、トルクリミッタの耐久性等の観点からその材質の選定は重要な要素である。そこで、表１に示した試料について、トルク測定機を用い以下の試験条件で耐久試験を行った。その結果を表１の「判定」欄に示す。
（試験条件）
・発生トルク：３００gf・cm
・回転速度：１５０rpm
・サイクル：２秒空転、０．２秒停止
・雰囲気：常温
・耐久時間：１００時間

（注記）
※１：フッ素系樹脂はＰＴＦＥである。
※２：ＣＦはカーボン繊維であり、繊維長は１００μｍ〜５００μｍが好ましい。
※３：鉄系焼結金属はオイルを含浸している。
※４：現行品（図８に示した従来品、内輪の材質は鉄系焼結金属）の耐久性能はトルク値±１５％であるため、これを判定の基準とした。◎：±１５％以下、○：±１５〜±２０％以下、×：±２０％以上

（考察）
同じ樹脂材料でも、繊維強化品が性能的に優れている。これは、内輪材質の硬さが非強化品よりも硬く、ばねの締め付けによるクリープが少ないからである。また、樹脂材料中に潤滑性のある物質を混ぜた方がトルク性能的（耐久性）に有利となる。

（結論）
以上の結果から、トルクリミッタの耐久性では、試料No.４、同２−Ｂ、同３−Ｂが優れているが、中でも試料No.４が優れている。しかし、No.４はコスト高になる不利があるので、トルクリミッタの仕様によって試料No.４、同２−Ｂ、同３−Ｂを使い分けることが望ましい。

（ａ）実施形態の断面図、（ｂ）（ａ）図のｂ−ｂ線の断面図、（ｃ）（ａ）図のｃ−ｃ線の断面図、（ｄ）（ａ）図の左端面図、（ｅ）（ａ）図の右端面図 同上の分解斜視図 図１（ａ）のIII−III線の断面図 図１（ａ）のIV−IV線の断面図 同上の使用例の断面図 他の実施形態の分解斜視図 その他の実施形態の分解斜視図 従来のトルクリミッタの断面図

符号の説明

１ 外環部材
２ 内輪
３ 蓋部材
４ コイルばね
５ ボス部
６ 内径面
７ 軸挿通穴
８ 内輪支持部
１０ トルクリミッタ
１１ ボス部内端面
１２ 外環部材突部
１３ 係合溝
１４ 係合突起
１５ 係合凹部
１６ 係合リブ
１７ 穴
１８ 蓋部材突部
２１ 端面
２２ 端面
２３ 凸部
２４ 凹部
２６ 紙さばきローラ
２７ ローラ本体

Claims (2)

1. 一端部に内側に膨出するボス部（５）を有する筒状の外環部材（１）と、その内部に挿入され前記ボス部（５）において相対回転可能に支持された内輪（２）と、該内輪（２）の外径面に所要の締め代をもって装着されたコイルばね（４）と、前記外環部材（１）の他端部においてその内面に嵌合されるとともに内輪（２）が相対回転可能に貫通してその内輪（２）外径面との間を閉塞する蓋部材（３）とからなり、前記コイルばね（４）の一端部を前記外環部材（１）のボス部（５）に係合させ、他端部を前記蓋部材（３）に係合させて、左右いずれの回転方向にもトルクリミッタとしての機能を発揮するトルクリミッタにおいて、
   前記コイルばね（４）を単一径で形成し、前記外環部材（１）のボス部（５）のコイルばね（４）の一端部に対向する内端面（１１）に該コイルばね（４）のラジアル方向及びアキシャル方向にも屈曲していない一端部の端面（２２）と係合する筒軸方向に突出した外環部材突部（１２）を前記ボス部（５）と一体に設け、その外環部材突部（１２）は、外環部材（１）の周方向に一定の幅を有するとともにボス部内端面（１１）の径方向の幅全体にわたってその径方向に延び、かつ前記突出した高さはコイルばね（４）の前記一端部の端面（２２）の筒軸方向の幅となっており、
   前記蓋部材（３）のコイルばね（４）の他端部に対向する内面に該コイルばね（４）のラジアル方向及びアキシャル方向にも屈曲していない他端部の端面（２１）と係合する筒軸方向に突出した蓋部材突部（１８）を前記蓋部材（３）と一体に設け、その蓋部材突部（１８）は、蓋部材（３）の周方向に一定の幅を有するとともに蓋部材（３）内面の径方向の幅全体にわたってその径方向に延び、かつ前記突出した高さはコイルばね（４）の前記他端部の端面（２１）の筒軸方向の幅となっており、
   前記内輪（２）が前記コイルばね（４）に対して一方向へ回転したときは、前記コイルばね（４）の一端部の端面（２２）が前記外環部材突部（１２）に対し前記一方向に押し付けられ、前記コイルばね（４）の他端部の端面（２１）が前記蓋部材突部（１８）から前記一方向に離れ、前記内輪（２）が前記コイルばね（４）に対して他方向へ回転したときは、前記コイルばね（４）の他端部の端面（２１）が前記蓋部材突部（１８）に対し前記他方向に押し付けられ、前記コイルばね（４）の一端部の端面（２２）が前記外環部材突部（１２）から前記他方向に離れるようにして、前記左右いずれの回転方向にもトルクリミッタとしての機能を発揮するようにしたことを特徴とするトルクリミッタ。
2. 前記コイルばね（４）を複数個用い、各コイルばね（４）が同一径、かつ同一巻き方向に形成され、各コイルばね（４）相互を長さ方向に突き合わせるとともに、その突き合わせ面においてそれぞれの端部の前記端面（２１、２２）相互を突き合わせることにより巻き方向に一体化させ、両端に配置されたコイルばね（４）の前記端面（２１、２２）をそれぞれ前記の外環部材突部（１２）及び蓋部材突部（１８）に係合させたことを特徴とする請求項1に記載のトルクリミッタ。

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