JP5567517B2 - 動力伝達装置 - Google Patents

Description

本発明は、入力軸の回転力を出力軸へ伝達する動力伝達装置に関する。

動力伝達装置は、モータ等の駆動力による入力軸の回転を等速で又は減速もしくは増速して出力軸へ伝達し、出力軸に接続された目的動作機構を駆動する。通常の動力伝達装置は、入力軸の回転方向に関わらず、入力軸と出力軸との変速比および伝達トルクの出力特性が一定である。しかし、動力の正転と逆転で、あるいは、目的動作機構としてのアクチュエータの往路と復路の作動で異なる出力特性を要求される場合がある。

例えば、荷役リフトは、リフトアップ時に低速高トルクが要求され、ダウン時にはトルクは必要なく高速特性が要求される。ウインチは、巻上げ時に低速高トルクが要求され、ワイヤ引き出し時にはトルクは必要なく高速特性が要求される。クランプは、締め込み時に低速で高い押付力が要求され、解放時には押付力は必要なく高速特性が要求される。クラッチは、スプリングを圧縮する時に低速高トルクが要求され、スプリング力に沿って逃げる時には低トルク高速特性が要求される。
また、エンジンの圧縮比を変更可能な可変圧縮比エンジンでは、低圧縮比側から高圧縮比側に変更する場合に低速高トルクが要求され、一方、高圧縮比側から低圧縮比側に変更する場合にはトルクは必要なく高速特性が要求される。

このように、正転と逆転または往路と復路での要求特性が異なる場合、固定変速比のアクチュエータでは、いずれかの特性を犠牲にするか、モータやアクチュエータの出力や体格を大きくして対応しなければならない。
そこで、従来、正転と逆転または往路と復路での出力特性を変化させる装置または方法として、例えば、自動車用自動変速機のように電子制御を用いた変速機が知られている。また、回転方向を機械的または電気的に検出し、歯車比の異なる動力伝達経路を選択する方法が知られている。この例として、特許文献１に記載の正逆転可能な２段変速機は、駆動装置の出力軸と遊星歯車減速機の内歯歯車とを電磁的に連結しかつ切断可能な電磁クラッチを備える。

また、その他の装置または方法として、以下のような技術が開示されている。
特許文献２の可変圧縮比エンジンは、２つのワンウェイクラッチを用い、２つの動力伝達経路を切り替える。これにより、高減速比の動力伝達経路を選択したとき低回転高トルクの出力が得られ、低減速比の動力伝達経路を選択したとき高回転低トルクの出力が得られると記載されている。
特許文献３の開閉体駆動装置は、特許文献２と同様、２つのワンウェイクラッチを組合せ、動力伝達の分割および選択を図っている。

特許文献４の減速比自動切換装置は、アクチュエータ作動域の往路の変位終端で高トルクを発生させた後、突当て力を利用しロックレバーを動かすことで減速比を切り替えて、復路に沿ってアクチュエータを高速で変位させる。
特許文献５の可逆回転伝動装置は、ラチェットを用い、回転方向による動力伝達経路を選択する。
特許文献６に記載されたカメラの自動巻上げ変速機構は、モータと２系統の伝達歯車とを備え、巻上げ負荷に応じて切換歯車が上下に移動することで動力伝達経路を切り替え、巻上げ速度を自動的に変更する。

特開２００６−２３４０６２号公報 特許第４３３３１２９号公報 特開２００９−７９４０８号公報 特開２００４−２３９３２６号公報 特開平７−７１５５８号公報 実開平６−８９４５号公報

しかしながら、電子制御を用いた装置や、機械的または電気的な検出および動力切替機構を用いる装置は、仕組みが複雑で体格も大きく、コストの高いものとなる。例えば、特許文献１の装置は、電磁クラッチを構成するソレノイドや制御装置の追加により部品点数が増加しコストアップする。また、モータの回転方向と同期してソレノイドを制御する回路が必要となる。センサや制御要素が必要なため、微作動が難しく、動作が不確実となるおそれがある。

特許文献２、３の装置は、互いに反対方向の回転を拘束するワンウェイクラッチを２つ使用し、それぞれのワンウェイクラッチが異なる変速比の伝達経路に回転力を伝達することで、回転方向に応じて変速比を切り替えようとしている。しかし、以下に説明するとおり、この構成によって正逆転の作動を実現することはできないと考えられる。
例えば、特許文献３の図３を参照すると、出力軸（４４）に、互いに反対方向の回転を拘束する第１のワンウェイクラッチ（６３）と第２のワンウェイクラッチ（７３）が設けられている。第１のワンウェイクラッチは開放側駆動ギア（６１）を駆動しようとしており、第２のワンウェイクラッチは閉塞側駆動ギア（７１）を駆動しようとしている。また、開放側駆動ギアおよび閉塞側駆動ギアは、それぞれ、共通の中間軸（９０）に固定された開放側従動ギア（６２）および閉塞側従動ギア（７２）と噛み合っている。

このような構成で、出力軸が第１のワンウェイクラッチの動力伝達方向に回転し、それによりギアを介して共通の中間軸が回転したと仮定する。すると、中間軸の回転は閉塞側従動ギアを介して閉塞側駆動ギアに伝達され、閉塞側駆動ギアに出力軸の回転と同一方向の回転力が作用する。ここで、閉塞側駆動ギアの回転速度が出力軸の回転速度より速い場合には、出力軸が閉塞側駆動ギアに対して相対的に反対方向に回転している状態に相当する。出力軸が反対方向に回転する状態とは、第２のワンウェイクラッチの動力伝達状態であるから、第１のワンウェイクラッチと第２のワンウェイクラッチとが同時に動力伝達状態となり、デッドロックすなわち互いに異なる変速比の動力伝達により各伝達系統が相互干渉を起こし、動力伝達が不可能な状態となる。よって、この機構は成立しない。

さらに、２つのワンウェイクラッチが同一方向の回転を拘束するように構成した場合、あるいは、ワンウェイクラッチの内輪側を駆動した場合、外輪側を駆動した場合の様々なパターンを検証した。その結果、いずれのパターンでも、デッドロックが生じるか、または、２つのワンウェイクラッチが共に空転し出力軸が回転しない状態を生じることがわかった。すなわち、単純に２つのワンウェイクラッチを組合せただけでは、正転時と逆転時とで変速比を切り替える機構を構成し得ないと言うことができる。

その他、特許文献４の装置は、往路の変位が終端に達する前に復路に反転した場合には変速させることができない。
特許文献５の装置は、ラチェット切り替えのために入出力軸間でロストルクが生じる。また、駆動軸の内部または駆動軸とつながった部位にラチェットシステムを組み込む必要があり、装置の小型化や構造の簡素化が難しい。さらに、回転バランスが出しにくく高速回転には適さない。加えて、ラチェット嵌合部が周方向の一部に限られるため、装置全体の大きさに対して動力伝達容量が不足するおそれがある。
特許文献６の変速機構は、切換歯車１５が上下に移動する途中、いずれの系統にも動力を伝達することができない期間が生じる。また、切換歯車が回転しながら移動するため、切換歯車と伝達歯車とが接触するとき、歯が噛み合わず、歯車同士が反発するおそれがある。したがって、特に高速回転する装置には適用することができない。

本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、入力軸の正転時と逆転時とで等速動力伝達と減速動力伝達とを自動的に切り替える動力伝達装置を提供することである。

請求項１に記載の動力伝達装置は、入力軸の回転力を出力軸へ伝達する。ここで、入力軸の一方の回転方向への回転を「正転」とし入力軸の他方の回転方向への回転を「逆転」とすると、この動力伝達装置は、入力時の正転時には出力軸を入力軸の回転と等速に回転させる。また、入力軸の逆転時には出力軸を入力軸の回転に対し減速して回転させる。

この動力伝達装置は、入力伝動部材、第１伝動部材、第２伝動部材、出力伝動部材、一方向回転力伝達部材および二方向回転力伝達部材を備える。
入力伝動部材は、入力軸に固定され、入力軸とともに回転する。
第１伝動部材は、入力軸とは別の軸上に設けられる入力側副軸に固定され、入力伝動部材の回転を伝達されて入力側副軸とともに回転する。
第２伝動部材は、出力軸とは別の軸上に設けられる出力側副軸に固定され、出力側副軸とともに回転する。
出力伝動部材は、出力軸に固定され、第２伝動部材の回転を伝達されて出力軸とともに回転する。
上記の各伝動部材として、具体的には歯車、プーリ等を用いることができる。

一方向回転力伝達部材は、入力軸の正転時に入力軸の正転力を出力軸に伝達し、入力軸の逆転時に出力軸を空転させることが可能である。
二方向回転力伝達部材は、入力側副軸の回転力を出力側副軸に伝達し、出力側副軸の回転力に対して入力側副軸を空転させることが可能である。
一方向回転力伝達部材として、具体的にはワンウェイクラッチ等を用いることができる。また、二方向回転力伝達部材として、具体的にはツーウェイクラッチ等を用いることができる。

以上の構成により、動力伝達装置は、入力軸の正転時、入力軸の正転力が一方向回転力伝達部材を経由して出力軸に伝達される。また、入力軸の逆転時、入力軸の逆転力が入力伝動部材、第１伝動部材、入力側副軸、二方向回転力伝達部材、出力側副軸、第２伝動部材、出力伝動部材を経由して出力軸に伝達される。

従来技術の課題として説明したように、２つのワンウェイクラッチすなわち一方向回転力伝達部材を単純に組合せただけでは、正転時と逆転時とで変速比を切り替える機構を構成し得ない。それに対し、本発明では、一方向回転力伝達部材と二方向回転力伝達部材とを使用することで、「入力軸の正転時と逆転時とで、等速動力伝達と減速動力伝達とを自動的に切り替える機構」を実現することができる。
この動力伝達装置は、外部制御装置や他動力による動力選択装置を使用せず構成が単純なため、体格を小さくし、部品点数やコストを低減することができ、また、動作が確実なため、信頼性を向上することができる。

この動力伝達装置において、二方向回転力伝達部材は、入力軸の逆転時に入力側副軸の回転力が伝達され、入力軸の正転時に空転する。すなわち、入力軸が逆転から正転へ切り替わったとき、二方向回転力伝達部材は、動力伝達状態から空転状態に移行する。このとき、いわゆるバックラッシュに相当する切替角度が必要となる。
一方、一方向回転力伝達部材は、入力軸の逆転時に空転し、入力軸の正転時に入力軸の回転力が伝達される。すなわち、一方向回転力伝達部材は、入力軸が逆転から正転へ切り替わるとき、空転状態から動力伝達状態に移行する。このとき同様に、バックラッシュに相当する切替角度が必要となる。
ここで、仮に、一方向回転力伝達部材の切替角度と二方向回転力伝達部材の切替角度との関係により、一方向回転力伝達部材と二方向回転力伝達部材とが共に動力伝達状態となる期間が生じる場合、デッドロックが発生する可能性がある。

そこで、この動力伝達装置は、入力軸と出力軸とを所定の角度範囲で互いに相対回転可能に連結する遊び連結部材をさらに備える。
「遊び連結部材」には、請求項３に示すカップリングの他、例えば、蛇腹管、ねじれ弾性部材等が該当する。入力軸と出力軸とが直結されるのでなく、遊び連結部材を介して連結されることで、入力軸の逆転から正転への切替時に、入力軸から一方向回転力伝達部材への動力伝達をある角度分遅らせることができる。よって、その角度が一定の要件を満たすことにより、一方向回転力伝達部材と二方向回転力伝達部材とが共に動力伝達状態となる可能性を排除し、デッドロックの発生を防止することができる。

さらに請求項２に記載の発明によると、遊び連結部材は、入力軸に固定される入力ロータ、及び、入力軸と出力軸との間に設けられる中間軸に固定される中間ロータから構成されるカップリングである。当該カップリングは、入力ロータおよび中間ロータの一方に突起部を設け、入力ロータおよび中間ロータの他方に突起部が当接可能なストッパ部を設けることで、入力ロータと中間ロータとを所定の遊び角度θの範囲内で相対回転可能としつつ、突起部がストッパ部に当接することで入力軸の回転力を中間軸に伝達可能である。
また、一方向回転力伝達部材は、中間軸と出力軸との間に設けられ、中間軸の正転時に中間軸の正転力を出力軸に伝達し、中間軸の逆転時に出力軸を空転させることが可能である。
これにより、遊び連結部材の具体的な構成を提供する。

さらに請求項３に記載の発明によると、カップリングにおいて、所定の遊び角度θは、一方向回転力伝達部材が空転状態から動力伝達状態に移行するとき必要な切替角度をλ１とし、二方向回転力伝達部材が動力伝達状態から空転状態に移行するとき必要な切替角度をλ２とし、入力側副軸の単位時間当たりの回転数に対する入力軸の単位時間当たりの回転数の比である入力側変速比をＺとすると、
θ≧Ｚ×λ２−λ１
となるように設定される。

Ｚ×λ２＞λ１のとき、遊び角度θが（Ｚ×λ２−λ１）よりも小さいと、一方向回転力伝達部材と二方向回転力伝達部材とが共に動力伝達状態となる期間が生じる。そこで、遊び角度θを、上記の式のように設定することで、「一方向回転力伝達部材と二方向回転力伝達部材とが共に動力伝達状態となる可能性を排除し、デッドロックの発生を防止する」ための要件を満たすことができる。

さらに請求項４に記載の発明によると、カップリングは、入力軸が正転から停止または逆転に切り替わったとき、突起部がストッパ部に対して所定の遊び角度θを確保する位置に戻すように入力ロータを中間ロータに対して逆転方向に付勢する付勢手段を有する。
これにより、入力軸が停止または逆転から再び正転に切り替わったとき、突起部は、常に所定の遊び角度θの回転を経てストッパ部に当接するため、より確実にデッドロックの発生を防止することができる。

本発明の一実施形態による動力伝達装置の全体断面図である。 図１のＩＩ方向の矢視図である。 図１のＩＩＩ方向の矢視図である。 本発明の動力伝達装置が適用される可変圧縮比エンジンの模式図である。 ワンウェイクラッチを説明する説明図である。 ツーウェイクラッチを説明する説明図である。 （ａ）：カップリングおよびスプリングの斜視図である。（ｂ）：入力軸が停止から正転に切り替わったときのカップリングの模式断面図である。（ｃ）：入力軸が正転から停止または逆転に切り替わったときのカップリングの模式断面図である。 本発明の一実施形態による動力伝達装置の（ａ）正転時の作動メカニズム、（ｂ）逆転時の作動メカニズムを示す模式図である。 （ａ）：比較例の動力伝達装置のタイミングチャートである。（ｂ）：本発明の一実施形態による動力伝達装置のタイミングチャートである。 カップリングのその他の実施形態を示す模式図である。

本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
（一実施形態）
本発明の一実施形態は、自動車等に搭載され圧縮比を変更可能な可変圧縮比エンジンに本発明の動力伝達装置を適用したものである。図４に示す可変圧縮比エンジン８０は、カムカバー８１、シリンダヘッド８２、シリンダブロック８３およびロアケース８４等から構成される。シリンダブロック８３にはシリンダ８５が形成され、シリンダ８５内に往復移動可能にピストン８６が収容される。シリンダヘッド８２には、吸気通路を開閉する吸気弁８８１、排気通路を開閉する排気弁８８２が設けられる。シリンダ８５の内壁、ピストン８６の上端、吸気弁８８１および排気弁８８２に囲まれた空間は燃焼室８９を形成する。ロアケース８４内にはクランクシャフト８７１、コンロッド８７２等が収容され、ピストン８６の往復運動がクランクシャフト８７１の回転運動に変換される。
また、シリンダブロック８３には、動力伝達装置１０、モータ１７、ウォーム１８およびウォームホイール１９からなる圧縮比変更機構が設けられている。

以下、動力伝達装置１０の入力軸側（図４の左側）から見て時計回り方向（以下「ＣＷ方向」という。）の回転を「正転」といい、反時計回り方向（以下「ＣＣＷ方向」という。）の回転を「逆転」という。
モータ１７の正転時、動力伝達装置１０は、モータ１７の正転力を等速でウォーム１８に伝達する。また、モータ１７の逆転時、動力伝達装置１０は、モータ１７の逆転力を減速してウォーム１８に伝達する。

図４に示す状態では、シリンダブロック８３はロアケース８４に対して最も低い位置にある。このとき、燃焼室８９の容積は最小であり、ピストン８６の移動による容積変化が最大となる「高圧縮比」の状態である。
モータ１７の正転力がウォーム１８に伝達されると、カムカバー８１、シリンダヘッド８２およびシリンダブロック８３はロアケース８４に対して上昇し、カムカバー８１の上端位置が図中破線指示した位置に移動する。これにより、燃焼室８９の容積が増加するためピストン８６の移動による容積変化が小さくなり「低圧縮比」の状態となる。この高圧縮比側から低圧縮比側への推移では燃焼室８９の燃焼圧がシリンダブロック８３に作用する力が同じ向きに働くことから、大きな駆動力が要求されない。そのため、動力伝達装置１０は、モータ１７の回転を等速でウォーム１８に伝達し、シリンダブロック８３を比較的高速で上昇させることができる。

続いて、モータ１７の逆転力がウォーム１８に伝達されると、カムカバー８１、シリンダヘッド８２およびシリンダブロック８３はロアケース８４に対して下降する。これにより、燃焼室８９の容積が減少するためピストン８６の移動による容積変化が大きくなり「高圧縮比」の状態となる。この低圧縮比側から高圧縮比側への推移ではシリンダブロック８３を燃焼室８９の燃焼圧に抗して下降させる必要がある。そこで、動力伝達装置１０は、モータ１７の回転を減速し、高トルクを出力することができる。

次に、動力伝達装置１０の構成について図１〜３、５〜７に基づいて説明する。
図１〜３に示すように、動力伝達装置１０は、ハウジング６０、入力側支持板６１、出力側支持板６２、入力軸１１、出力軸１２、入力側副軸５１および出力側副軸５２等を備える。入力軸１１および入力側副軸５１は、入力側支持板６１に固定された軸受６３、６４に回転可能に支持されており、出力軸１２および出力側副軸５２は、出力側支持板６２に固定された軸受６５、６６に回転可能に支持されている。さらに、出力軸１２は、ハウジング６０に固定された軸受６７に回転可能に支持されており、入力側副軸５１は、ハウジング６０に固定された軸受６８に回転可能に支持されている。

入力軸１１および出力軸１２は、回転軸Ｐを中心に回転する。入力側副軸５１および出力側副軸５２は、回転軸Ｐに対して略平行の回転軸Ｑを中心に回転する。入力軸１１はモータ等の動力に接続され、出力軸１２はアクチュエータ等の目的動作機構に接続される。なお、出力軸１２に代えて、あるいは出力軸１２に加えて、出力側副軸５２が目的動作機構に接続されてもよい。

入力軸１１と出力軸１２とは、カップリング２０およびワンウェイクラッチ３０を介して連結されている。カップリング２０は、入力ロータ２１、中間ロータ２３およびスプリング２９から構成され、入力軸１１と中間軸１３との間に回転時間差を発生させる。ワンウェイクラッチ３０は、中間ロータ２３と一体に形成された内輪３２としての中間軸１３、及び出力軸１２と一体に形成された外輪３１等から構成される。ワンウェイクラッチ３０は、入力軸１１の正転時、中間軸１３の正転力を出力軸１２に伝達し、入力軸１１の逆転時、中間軸１３に対して出力軸１２を空転させる。また、入力側副軸５１と出力側副軸５２とは、ツーウェイクラッチ５０を介して連結されている。カップリング２０、ワンウェイクラッチ３０およびツーウェイクラッチ５０の詳細については後述する。

入力軸１１には入力ギア４１が固定され、入力側副軸５１には第１ギア４２が固定されている。また、出力側副軸５２には第２ギア４３が固定され、出力軸１２には出力ギア４４が固定されている。ギア４１〜４４は平歯車であり、入力ギア４１と第１ギア４２とが噛み合い、第２ギア４３と出力ギア４４とが噛み合う。第１ギア４２の歯数は入力ギア４１の歯数より多く、第１ギア４２のピッチ円直径は入力ギア４１のピッチ円直径より大きい。したがって、入力軸１１の回転は、回転方向が反対となるとともに減速されて入力側副軸５１に伝達される。また、出力ギア４４の歯数は第２ギア４３の歯数より多く、出力ギア４４のピッチ円直径は第２ギア４３のピッチ円直径より大きい。したがって、出力側副軸５２の回転は、回転方向が反対となるとともに減速されて出力軸１２に伝達される。

ここで、図５を参照して、ワンウェイクラッチの具体的な構成を説明する。
ワンウェイクラッチ３０は、外輪３１、内輪３２、複数のコロ３３およびスプリング３４から構成される。複数のコロ３３は、外輪３１と内輪３２とに挟まれる環状の隙間に配置されている。外輪３１の内壁に、各コロ３３に対応するくさび部３１ａが形成されている。くさび部３１ａは、周方向の一方（図のＣＷ方向）でコロ３３が噛み込み、周方向の他方（図のＣＣＷ方向）でコロ３３がフリーとなる形状に形成されている。スプリング３４は、コロ３３とコロ３３との間に設けられ、コロ３３を外輪３１側へ押し付けている。
図５（ａ）に示すスタンバイ状態において、外輪３１および内輪３２は停止しており、コロ３３はくさび部３１ａに押し付けられている。

図５（ｃ）は、駆動軸である内輪３２が外輪３１に対してＣＷ方向に回転した場合を示し、図５（ｄ）は、駆動軸である外輪３１が内輪３２に対してＣＣＷ方向に回転した場合を示す。いずれの場合も、図中実線矢印で示すように、コロ３３がくさび部３１ａに噛み込み、駆動軸の回転力がコロ３３を介して相手側の軸に伝達される。ここで、内輪３２の回転数をＲｉｎ、外輪３１の回転数をＲｏｕｔとし、ＣＷ方向の回転を正、ＣＣＷ方向の回転を負とすると、「Ｒｉｎ＞Ｒｏｕｔ」のとき、動力伝達状態が成立する。

次に、図５（ｅ）は、駆動軸である内輪３２が外輪３１に対してＣＣＷ方向に回転した場合を示し、図５（ｆ）は、駆動軸である外輪３１が内輪３２に対してＣＷ方向に回転した場合を示す。いずれの場合も、図中破線矢印および「×」印で示すように、コロ３３が外輪３１と内輪３２との間を滑り、駆動軸の回転力は伝達されず、相手軸は空転する。つまり、「Ｒｉｎ＜Ｒｏｕｔ」のとき、空転状態が成立する。

要するに、外輪３１または内輪３２の一方が停止している場合を含め、「外輪３１と内輪３２との相対回転」の方向によって動力伝達状態となるか空転状態となるかが決まる。
また、図５（ｂ）に示すように、コロ３３がくさび部３１ａから離れた状態からくさび部３１ａに噛み込み空転状態から動力伝達状態に移行するとき、または、逆に動力伝達状態から空転状態に移行するときには、所定の切替角度λ１の回転が必要である。切替角度λ１は、いわゆるバックラッシュに相当する。

次に、図６を参照して、ツーウェイクラッチ５０の具体的な構成を説明する。
図１のＶＩａ部拡大図である図６（ａ）に示すように、ツーウェイクラッチ５０は、外輪としての入力側副軸５１、内輪としての出力側副軸５２、コロ５３、保持器５４、摺動ばね５５、ケース５６等から構成される。
保持器５４は、コロ５３を保持する。摺動ばね５５は、径方向内側の端部５５ａが保持器５４に引っ掛かり、径方向外側の摺動部５５ｂがケース５６内壁に当接して突っ張る。ケース５６はハウジング６０に固定され、入力側副軸５１の径方向外側を保持するとともに、軸受５７を介して出力側副軸５２を回転可能に支持している。

図６（ｂ）は、入力側副軸（外輪）５１が駆動軸として回転する場合を示す。このとき、保持器５４は、ケース５６と摺動ばね５５間の摺動抵抗によりその場に留まろうとするため、コロ５３は、入力側副軸５１の回転方向に対して反対方向へ相対回転する。コロ５３が反対方向に移動しくさび部５１ａに噛み込むと、入力側副軸５１の回転がコロ５３を介して出力側副軸５２へ伝達される。ここで、入力側副軸５１の回転数をＳｉｎ、出力側副軸５２の回転数をＳｏｕｔとすると、入力側副軸５１の回転方向に関係なく、「Ｓｉｎ＞Ｓｏｕｔ」のときには入力側副軸５１から出力側副軸５２へ回転力が伝達する。

図６（ｃ）は、出力側副軸（内輪）５２が駆動軸として回転する場合を示す。このとき、保持器５４および入力側副軸５１は動かない。コロ５３は、入力側副軸５１の径方向内側の凹部５１ｂに位置し、入力側副軸５１および出力側副軸５２に噛み合うことができないため、出力側副軸５２のみが回転する。したがって、出力側副軸５２の回転方向に関係なく、「Ｓｉｎ＜Ｓｏｕｔ」のときには出力側副軸５２から入力側副軸５１へ回転力が伝達せず、入力側副軸５１は空転する。
また、ワンウェイクラッチ３０と同様、ツーウェイクラッチ５０が空転状態から動力伝達状態に移行するとき、または、動力伝達状態から空転状態に移行するとき、バックラッシュに相当する所定の切替角度λ２の回転が必要である。

次に、図７を参照して、カップリング２０の構成を説明する。
図７（ａ）に示すように、カップリング２０は、円柱状の入力ロータ２１と中間ロータ２３、及びコイル状のスプリング２９から構成される。入力ロータ２１は入力軸１１と同軸かつ一体に設けられる。中間ロータ２３は中間軸１３と同軸かつ一体に設けられる。
図７（ｂ）に示すように、入力ロータ２１は、中間ロータ２３側の端面に突起する２つの扇形状の突起部２２を設けている。一方、中間ロータ２３は、入力ロータ２１側の端面に２つの扇形状のストッパ部２４を設けている。突起部２２およびストッパ部２４は、それぞれ回転軸Ｐに対して対象に配置される。突起部２２は、ストッパ部２４同士の周方向の間に、ストッパ部２４に対して所定の遊び角度θの範囲で相対回転可能に配置される。

すなわち、突起部２２は、ストッパ部２４のＣＷ側の外壁２５に当接する「初期位置」からストッパ部２４のＣＣＷ側の外壁２６に当接する「限界位置」まで、遊び角度θだけ相対回転可能である。入力ロータ２１の正転時、突起部２２が限界位置に達すると、突起部２２はストッパ部２４の外壁２６に当接して一体に正転する。これにより、入力ロータ２１から中間ロータ２３への動力伝達が可能となる。

図７（ａ）に示すように、スプリング２９は、入力ロータ２１および中間ロータ２３の外周に設けられる爪部２７、２８に両端が係止される。スプリング２９は、入力ロータ２１が初期位置から中間ロータ２３に対して正転したとき、引っ張られて荷重を発生する。そのため、図７（ｃ）に示すように、入力ロータ２１が正転から停止または逆転に切り替わったとき、スプリング２９は、突起部２２がストッパ部２４に対して遊び角度θを確保する初期位置に戻すように、入力ロータ２１を中間ロータ２３に対してＣＣＷ方向に付勢する。

以上説明した一実施形態の構成において、入力ギア４１、第１ギア４２、第２ギア４３および出力ギア４４は、それぞれ、特許請求の範囲に記載の「入力伝動部材」、「第１伝動部材」、「第２伝動部材」、「出力伝動部材」に相当する。また、ワンウェイクラッチ３０は、「一方向回転力伝達部材」に相当し、ツーウェイクラッチ５０は、「二方向回転力伝達部材」に相当し、カップリング２０は、「遊び連結部材」に相当する。

次に、図８、図９を参照して、動力伝達装置１０の作動を説明する。太線矢印は伝達される駆動力Ｆｄを示し、中太線破線矢印は非駆動力Ｆｎを示す。また、細線矢印は、ＣＷ方向またはＣＣＷ方向の回転を示す。
図８（ａ）に示すように、入力軸１１の正転時、正転力は、カップリング２０を経由して中間軸１３に伝達される。すると、ワンウェイクラッチ３０において内輪３２の回転数Ｒｉｎは正の値であるから、外輪３１の回転数Ｒｏｕｔをゼロと見なせば、「Ｒｉｎ＞Ｒｏｕｔ」の関係が成立し、正転力が出力軸１２に等速で伝達される（図５（ｃ）参照）。

このとき、入力ギア４１と第１ギア４２との噛み合いにより、入力側副軸５１は減速されて逆転する。一方、出力ギア４４と第２ギア４３との噛み合いにより出力側副軸５２は増速されて逆転する。するとツーウェイクラッチ５０において内輪（出力側副軸）５２の回転数Ｓｏｕｔが外輪（入力側副軸）５１の回転数Ｓｉｎよりも大きくなる（Ｓｉｎ＜Ｓｏｕｔ）ため、出力側副軸５２が入力側副軸５１に対して空転する（図６（ｃ）参照）。

一方、図８（ｂ）に示すように、入力軸１１の逆転時、入力ギア４１と第１ギア４２との噛み合いにより、入力側副軸５１は減速されて正転する。すると、ツーウェイクラッチ５０において外輪（入力側副軸）５１の回転数Ｓｉｎが停止している内輪（出力側副軸）５２の回転数Ｓｏｕｔよりも大きくなる（Ｓｉｎ＞Ｓｏｕｔ）ため、入力側副軸５１の正転力が出力側副軸５２に伝達される（図６（ｂ）参照）。そして、第２ギア４３と出力ギア４４との噛み合いにより、出力軸１２は減速されて逆転する。その結果、入力軸１１の逆転力が減速されて出力軸１２に伝達される。

このとき、入力軸１１の逆転力は、カップリング２０を経由して中間軸１３に伝達される。しかし、ワンウェイクラッチ３０において内輪３２の回転数Ｒｉｎは負の値であるから、外輪３１の回転数Ｒｏｕｔをゼロと見なせば、「Ｒｉｎ＜Ｒｏｕｔ」の関係が成立し、出力軸１２は空転する（図５（ｅ）参照）。

続いて図９を参照して、入力軸１１が逆転から正転へ切り替わるときの挙動について説明する。まず、本発明の一実施形態に対する比較例として、動力伝達装置がカップリングを備えない場合のタイミングチャートを図９（ａ）に示す。
ここで、各変数を以下のように定義する。
ｎ（１／ｓ）：入力軸１１の１秒あたりの回転数（正転を正、逆転を負とする。）
λ１（ｄｅｇ）：ワンウェイクラッチ３０の切替角度
λ２（ｄｅｇ）：ツーウェイクラッチ５０の切替角度
Ｚ（−）：入力側減速比（＝（第１ギア４２の歯数／入力ギア４１の歯数）＝（入力軸１１および中間軸１３の回転数／入力側副軸５１の回転数）、特許請求の範囲の「入力側変速比」に相当する。）
Ｔ１（ｓ）：中間軸１３（＝ワンウェイクラッチ３０の内輪３２）が切替角度λ１回転する時間
Ｔ２（ｓ）：入力側副軸５１（＝ツーウェイクラッチ５０の外輪）が切替角度λ２回転するのに対応して入力軸１１および中間軸１３が角度Ｚ×λ２回転する時間

時間Ｔ１、Ｔ２は下式１、２にて表される。
Ｔ１＝λ１／（３６０・ｎ） ・・・（式１）
Ｔ２＝Ｚ×λ２／（３６０・ｎ） ・・・（式２）
よって、Ｚ×λ２＞λ１のとき、図９（ａ）に示すようにＴ２＞Ｔ１となる。すると、入力軸１１が逆転から正転へ切り替わる時刻をｔ０とすると、ワンウェイクラッチ３０は、時刻ｔ０から時間Ｔ１後に空転状態から動力伝達状態に移行し、ツーウェイクラッチ５０は、時刻ｔ０から時間Ｔ２後に動力伝達状態から空転状態に移行する。したがって、図中斜線指示した範囲にてワンウェイクラッチ３０とツーウェイクラッチ５０とが同時に動力伝達状態となることとなり、いわゆるデッドロックが発生する。
なお、入力軸１１が正転から逆転へ切り替わるときには、ワンウェイクラッチ３０が動力伝達状態から空転状態に移行した後、ツーウェイクラッチ５０が空転状態から動力伝達状態に移行するため、デッドロックは発生しない。

この課題を解決するため、本発明の一実施形態は、遊び角度θを有するカップリング２０を備えている。ここで、遊び角度θは、下式３を満たすように設定される。
θ≧Ｚ×λ２−λ１ ・・・（式３）
Ｚ×λ２＞λ１のとき、θは正の値を取る。また、時間Ｔθを以下のように定義する。
Ｔθ（ｓ）：入力軸１１が中間軸１３に対して遊び角度θ回転する時間

言い換えれば、Ｔθは、入力軸１１が逆転から正転へ切り替わったときの中間軸１３の「追従遅れ時間」である。その結果、図９（ｂ）のタイミングチャートに示すように、ワンウェイクラッチ３０は、時刻ｔ０から時間（Ｔ１＋Ｔθ）後に空転状態から動力伝達状態に移行することとなる。よって、ワンウェイクラッチ３０とツーウェイクラッチ５０とが同時に動力伝達状態となることがなく、デッドロックの発生を回避することができる。
なお、入力軸１１が正転から逆転へ切り替わるときには、カップリング２０のスプリング２９によって突起部２２が初期位置に戻されることから、入力軸１１と中間軸１３との間に、遊び角度θによる回転時間差が生じない。したがって、図９（ａ）に示す比較例と同じ挙動をする。

以上説明したように、本発明の一実施形態の動力伝達装置１０は、ワンウェイクラッチ３０とツーウェイクラッチ５０とを使用することで、従来２つのワンウェイクラッチの組合せでは実現し得なかった「入力軸の正転時と逆転時とで、等速動力伝達と減速動力伝達とを自動的に切り替える機構」を実現することができる。
この動力伝達装置１０は、外部制御装置や他動力による動力選択装置を使用せず構成が単純なため、体格を小さくし、部品点数やコストを低減することができ、また、動作が確実なため、信頼性を向上することができる。

また、ワンウェイクラッチ３０の切替角度λ１、ツーウェイクラッチ５０の切替角度λ２および入力側減速比Ｚの関係が「Ｚ×λ２＞λ１」である場合、カップリング２０によって遊び角度θを作り出す。さらに、遊び角度θは上述の式３を満たすように設定される。これにより、ワンウェイクラッチ３０とツーウェイクラッチ５０とが共に動力伝達状態となる可能性を排除し、デッドロックの発生を防止することができる。

また、カップリング２０にスプリング２９が設けられることにより、入力軸１１が停止または逆転から再び正転に切り替わったとき、突起部２２は、常に初期位置から遊び角度θの回転を経てストッパ部２４の外壁２６に当接するため、より確実にデッドロックの発生を防止することができる。

（その他の実施形態）
（ア）上記実施形態では、入力ギア４１と第１ギア４２との関係により、入力軸１１の回転は減速して入力側副軸５１に伝達される。また、第２ギア４３と出力ギア４４との関係により、出力側副軸５２の回転は減速して出力軸１２に伝達される。すなわち、「減速→減速」かつ「全体として減速」の関係にある。ここで、入力軸１１の逆転時にワンウェイクラッチ３０の外輪である出力軸１２を内輪である中間軸１３に対して空転させるため、出力軸１２の回転数が入力軸１１の回転数よりも小さいこと、つまり、動力伝達装置１０が「全体として減速」することは必須の要件である。

しかし、入力軸１１と入力側副軸５１との回転数の関係、及び出力側副軸５２と出力軸１２との回転数の関係は、上記実施形態のように「減速→減速」に限らず、「等速→減速」または「減速→等速」としてもよい。あるいは、「少し増速→多いに減速」または「多いに減速→少し増速」とすることで「全体として減速」としてもよい。いずれの実施形態も、噛み合うギア同士の歯数およびピッチ円直径を調整することで実現することができる。
ここで、「等速→減速」または「少し増速→多いに減速」の場合、式２における「Ｚ」は１または１より小さい値となる。したがって、「Ｚ」は、「入力側減速比」から、「等速または増速」の場合を含む「入力側変速比」に拡張して解釈される。

（イ）動力伝達装置１０の説明の冒頭に述べたように、出力軸１２に代えて、あるいは出力軸１２に加えて、出力側副軸５２を目的動作機構に接続してもよい（図１参照）。これにより、２とおりの出力特性を選択または併用することができる。上記の（ア）で説明したように出力側副軸５２と出力軸１２との回転数の関係を多様に選択することで、動力伝達装置１０の適用範囲をさらに広げることができる。

（ウ）入力軸１１から出力軸１２へ回転力を伝達する各「伝動部材」は、平歯車に限らず、はすば歯車、ウォーム、遊星歯車であってもよく、あるいは、摩擦伝達、ベルトとプーリ、チェーンとスプロケット等、同期伝達するものであれば形式を問わない。
（エ）「一方向回転力伝達部材」および「二方向回転力伝達部材」は、上記実施形態のワンウェイクラッチおよびツーウェイクラッチに限らず、他の形式のものであってもよい。例えば、ワンウェイクラッチに代えて反転防止ラチェットを用いてもよい。

（オ）上記実施形態では、ワンウェイクラッチ３０の外輪３１は出力軸１２と一体に設けられ、内輪３２は中間軸１３と一体に設けられる。しかし、外輪３１は出力軸１２と別体に形成され、同軸に結合されてもよい。また、内輪３２は中間軸１３と別体に形成され、同軸に結合されてもよい。

（カ）カップリングを構成する「突起部」および「ストッパ部」について、図７の構成以外の実施形態を図１０に基づいて説明する。
図１０（ａ）の構成は、円柱状の突起部７２ａが入力ロータ７１ａに設けられ、扇形状のストッパ部７４ａが出力ロータ７３ａに設けられる。入力ロータ７１ａが正転すると、突起部７２ａがストッパ部７４ａの外壁７６ａに当接し、入力ロータ７１ａから出力ロータ７３ａへの動力伝達が可能となる。

図１０（ｂ）の構成は、円柱状の突起部７２ｂが入力ロータ７１ｂに設けられ、直径に平行な二面を有するストッパ部７４ｂが出力ロータ７３ｂに設けられる。入力ロータ７１ｂが正転すると、突起部７２ｂがストッパ部７４ｂの外壁７６ｂに当接し、入力ロータ７１ｂから出力ロータ７３ｂへの動力伝達が可能となる。

図１０（ｃ）の構成は、円柱状の突起部７２ｃが入力ロータ７１ｃに設けられ、突起部７２ｃを内側に収容する穴を有するストッパ部７４ｃが出力ロータ７３ｃに設けられる。入力ロータ７１ｃが正転すると、突起部７２ｃがストッパ部７４ｃの内壁７６ｃに当接し、入力ロータ７１ｃから出力ロータ７３ｃへの動力伝達が可能となる。

図１０（ｄ）の構成は、図７の構成の突起部２２に類似する扇形状の突起部７２ｄがゴム等の弾性材で形成される。扇形状の突起部７２ｄは入力ロータ７１ｄに設けられ、出力ロータ７３ｄにはストッパ部７４ｄが設けられる。入力ロータ７１ｄが正転すると、突起部７２ｄがストッパ部７４ｄの外壁７６ｄに当接し、入力ロータ７１ｄから出力ロータ７３ｄへの動力伝達が可能となる。突起部７２ｄが弾性材で形成されるため、突起部７２ｄとストッパ部７４ｄとの衝突音を抑制することができる。
さらに、上記の図７、図１０の各実施形態に対し、「突起部」が出力ロータに設けられ、「ストッパ部」が入力ロータ側に設けられてもよい。

（キ）上記実施形態では、カップリング２０を構成する入力ロータ２１は入力軸１１と一体に設けられ、中間ロータ２３は中間軸１３と一体に設けられる。しかし、入力ロータ２１は入力軸１１と別体に形成され、同軸に結合されてもよい。また、中間ロータ２３は中間軸１３と別体に形成され、同軸に結合されてもよい。

（ク）カップリングにおける「付勢部材」は、スプリングに限らず、電磁力手段等を用いてもよい。また、「遊び連結部材」は、上記実施形態のカップリングに限らず、他の形式のカップリング、または蛇腹管、ねじれ弾性部材等でもよい。
さらに、ワンウェイクラッチ３０の切替角度λ１、ツーウェイクラッチ５０の切替角度λ２および入力側減速比Ｚの関係が「Ｚ×λ２≦λ１」である場合には「θ＝０」であっても式３が成立することから、遊び角度θを設ける必要がない。よって、カップリングを無くして入力軸１１と中間軸１３とを直結してもよい。その場合、入力軸１１がワンウェイクラッチ３０の内輪３２となり得る。

（ケ）上記実施形態では、入力軸１１側から見てＣＷ方向を「正転」、入力軸１１側から見てＣＣＷ方向を「逆転」と定義したが、その逆であってもよい。
（コ）本発明の動力伝達装置は、可変圧縮比エンジンに限らず、正逆転で入力軸と出力軸との変速比および伝達トルクを変更する種々の装置に適用可能である。
以上、本発明はこのような実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の形態で実施することができる。

１０ ・・・動力伝達装置、
１１ ・・・入力軸、
１２ ・・・出力軸、
１３ ・・・中間軸、
２０ ・・・カップリング（遊び連結部材）、
２１ ・・・入力ロータ、
２２ ・・・突起部、
２３ ・・・中間ロータ、
２４ ・・・ストッパ部、
２９ ・・・スプリング（付勢手段）、
３０ ・・・ワンウェイクラッチ（一方向回転力伝達部材）、
３１ ・・・外輪、
３２ ・・・内輪、
４１ ・・・入力ギア（入力伝動部材）、
４２ ・・・第１ギア（第１伝動部材）、
４３ ・・・第２ギア（第２伝動部材）、
４４ ・・・出力ギア（出力伝動部材）、
５０ ・・・ツーウェイクラッチ（二方向回転力伝達部材）
５１ ・・・入力側副軸、外輪、
５２ ・・・出力側副軸、内輪、
θ ・・・遊び角度、
Ｚ ・・・入力側減速比（入力側変速比）、
λ１ ・・・ワンウェイクラッチ（一方向回転力伝達部材）の切替角度、
λ２ ・・・ツーウェイクラッチ（二方向回転力伝達部材）の切替角度。

Claims (4)

1. 入力軸の回転力を出力軸へ伝達し、前記入力軸の一方の回転方向への回転を正転とし前記入力軸の他方の回転方向への回転を逆転とすると、前記入力軸の正転時には前記出力軸を前記入力軸の回転と等速に回転させ、前記入力軸の逆転時には前記出力軸を前記入力軸の回転に対し減速して回転させる動力伝達装置であって、
   前記入力軸に固定され、前記入力軸とともに回転する入力伝動部材と、
   前記入力軸とは別の軸上に設けられる入力側副軸に固定され、前記入力伝動部材の回転を伝達されて前記入力側副軸とともに回転する第１伝動部材と、
   前記出力軸とは別の軸上に設けられる出力側副軸に固定され、前記出力側副軸とともに回転する第２伝動部材と、
   前記出力軸に固定され、前記第２伝動部材の回転を伝達されて前記出力軸とともに回転する出力伝動部材と、
   前記入力軸の正転時に前記入力軸の正転力を前記出力軸に伝達し、前記入力軸の逆転時に前記出力軸を空転させることが可能な一方向回転力伝達部材と、
   前記入力側副軸の回転力を前記出力側副軸に伝達し、前記出力側副軸の回転力に対して前記入力側副軸を空転させることが可能な二方向回転力伝達部材と、
   前記入力軸と前記出力軸とを所定の角度範囲で互いに相対回転可能に連結する遊び連結部材と、
   を備え、
   前記入力軸の正転時、前記入力軸の正転力が前記一方向回転力伝達部材を経由して前記出力軸に伝達され、
   前記入力軸の逆転時、前記入力軸の逆転力が前記入力伝動部材、前記第１伝動部材、前記入力側副軸、前記二方向回転力伝達部材、前記出力側副軸、前記第２伝動部材、前記出力伝動部材を経由して前記出力軸に伝達されることを特徴とする動力伝達装置。
2. 前記遊び連結部材は、
   前記入力軸に固定される入力ロータ、及び、前記入力軸と前記出力軸との間に設けられる中間軸に固定される中間ロータから構成されるカップリングであって、当該カップリングは、前記入力ロータおよび前記中間ロータの一方に突起部を設け、前記入力ロータおよび前記中間ロータの他方に前記突起部が当接可能なストッパ部を設けることで、前記入力ロータと前記中間ロータとを所定の遊び角度θの範囲内で相対回転可能としつつ、前記突起部が前記ストッパ部に当接することで前記入力軸の回転力を前記中間軸に伝達可能であり、
   前記一方向回転力伝達部材は、
   前記中間軸と前記出力軸との間に設けられ、前記中間軸の正転時に前記中間軸の正転力を前記出力軸に伝達し、前記中間軸の逆転時に前記出力軸を空転させることが可能であることを特徴とする請求項１に記載の動力伝達装置。
3. 前記カップリングにおいて、前記所定の遊び角度θは、
   前記一方向回転力伝達部材が空転状態から動力伝達状態に移行するとき必要な切替角度をλ１とし、前記二方向回転力伝達部材が動力伝達状態から空転状態に移行するとき必要な切替角度をλ２とし、前記入力側副軸の単位時間当たりの回転数に対する前記入力軸の単位時間当たりの回転数の比である入力側変速比をＺとすると、
   θ≧Ｚ×λ２−λ１
   となるように設定されることを特徴とする請求項２に記載の動力伝達装置。
4. 前記カップリングは、
   前記入力軸が正転から停止または逆転に切り替わったとき、前記突起部が前記ストッパ部に対して前記所定の遊び角度θを確保する位置に戻すように前記入力ロータを前記中間ロータに対して逆転方向に付勢する付勢手段を有することを特徴とする請求項３に記載の動力伝達装置。

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