JP5897750B1

JP5897750B1 - トルクリミッタ

Info

Publication number: JP5897750B1
Application number: JP2015063460A
Authority: JP
Inventors: 拓郎今川
Original assignee: Vstone Co Ltd
Current assignee: Vstone Co Ltd
Priority date: 2015-03-25
Filing date: 2015-03-25
Publication date: 2016-03-30
Anticipated expiration: 2035-03-25
Also published as: JP2016183704A; CN106015376A

Abstract

【課題】良好な動力伝達を確保しつつ、順方向と逆方向の何れに対しても不測な負荷が加わった場合に、動力伝達状態を解除することができるトルクリミッタを提供する。【解決手段】外周面に形成した大径ギヤ歯と内周面の周方向等分点位置に凹状又は凸状に形成した被係合部とを有する環状の大径ギヤと、内周面の内側に離間して大径ギヤと同軸であって、大径ギヤの端面から軸線方向に沿って外れた位置に形成した小径ギヤ歯と、内周面と間隔を開けて対向する軸部と、を一体に備えた小径ギヤと、を備え、軸部は、被係合部と雌雄を異ならせて弾発係合する係合部を有するラチェット部と、周方向で互いに隣接した係合部の中間位置で係合部を両持ちで支持するように軸部の外周面から径方向に突出する脚部と、を一体に備え、ラチェット部は、回転対称かつ軸部の回転中心と係合部の周方向中心とを通る線分に対して線対称形状とした。【選択図】図１

Description

本発明は、回転力を伝達するギヤユニットに設けたトルクリミッタに関するものである。

従来から、ギヤ比を変えることによって回転力を変換しつつ動力伝達するギヤユニットには、所定の加重以上の負荷が加わった場合に、ギヤの破損を避けるためトルクリミッタを設けたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

このギヤユニットは、小径ギヤと大径ギヤとを同軸上に備え、一方の駆動側のギヤ（例えば、小径ギヤ）の回転力を他方の従動側のギヤ（例えば、大径ギヤ）に伝達する。

大径ギヤは、外周に動力伝達用のギヤ歯を形成し、内周に歯止め用のカム面を形成している。小径ギヤは、外周に動力伝達用のギヤ歯を形成し、このギヤ歯を形成した部分とは異なる外周にカム面と係合するラチェット歯を形成している。

ラチェット歯は、周回り方向に巴形状に突出した片持ちとなっており、その弾性力により通常時にはカム面と係合して小径ギヤと大径ギヤとの相対回転を不能としている。そして、所定の加重以上の負荷（外乱）が加わると、ラチェット歯が弾性に抗して軸中心方向に変位してカム面との係合状態を解除すると同時に、小径ギヤ又は大径ギヤの負荷側の一方のみが回転し、他方に動力伝達しないようになっている。

特開２０１４−１４９０１３号公報

しかしながら、特許文献１に記載のトルクリミッタは、ラチェット歯が片持ちの巴形状となっているため、小径ギヤが動力伝達方向に順ずる回転方向（以下、「順方向」と称する）に対してカム面と強く係合している。一方、小径ギヤが動力伝達方向と逆向きの回転方向（以下、「逆方向」と称する）に対してカム面と弱く係合している。

したがって、順方向と逆方向とで係合状態に強弱があるため、例えば、人形やロボット等の関節部分にギヤユニットを配置した場合、順方向に所定以上の負荷が加わってもラチェット爪とカム面とが係合状態を維持してしまい、関節部分が破損してしまうという問題が生じていた。

そこで、本発明の目的は、良好な動力伝達を確保しつつ、順方向と逆方向の何れに対しても不測な負荷が加わった場合に、動力伝達状態を解除することができるトルクリミッタを提供することを目的とする。

本発明のトルクリミッタは、外周面と内周面とを有する環状の大径ギヤと、前記内周面の内側に離間して前記大径ギヤと同軸な小径ギヤと、を備え、前記大径ギヤは、前記外周面に形成した大径ギヤ歯と、前記内周面の周方向等分点位置に凹状又は凸状に形成した被係合部と、を備え、前記小径ギヤは、前記大径ギヤの端面から軸線方向に沿って外れた位置に形成した小径ギヤ歯と、前記内周面と間隔を開けて対向する軸部と、を同軸上に一体に備え、前記軸部は、前記被係合部と雌雄を異ならせて弾発係合するように前記軸部から離間した周方向等分点位置に凸状又は凹状に形成した係合部を有するラチェット部と、周方向で互いに隣接した前記係合部の中間位置で前記係合部を両持ちで支持するように前記軸部の前記外周面から径方向に突出する脚部と、を一体に備え、前記ラチェット部は、回転対称かつ前記軸部の回転中心と前記係合部の周方向中心とを通る線分に対して線対称形状としたものである。

本発明のトルクリミッタは、良好な動力伝達を確保しつつ、順方向と逆方向の何れに対しても不測な負荷が加わった場合に、動力伝達状態を解除することができる。

本発明の実施形態に係るトルクリミッタを備えたギヤユニットの平面図である。本発明の実施形態に係るトルクリミッタを備えたギヤユニットにおける図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。本発明の実施形態に係るトルクリミッタに適用される大径ギヤの斜視図である。本発明の実施形態に係るトルクリミッタに適用される大径ギヤの平面図である。本発明の実施形態に係るトルクリミッタに適用される小径ギヤの斜視図である。本発明の実施形態に係るトルクリミッタに適用される小径ギヤの平面図である。本発明の実施形態に係るトルクリミッタを備えたギヤユニットにおける接続部の拡大説明図である。本発明の実施形態に係るトルクリミッタを備えたギヤユニットにおける係合部と被係合部との係合を解除した状態の平面図である。本発明の実施形態に係るトルクリミッタに適用される他の大径ギヤの平面図である。

次に、本発明の一実施形態に係るトルクリミッタについて、図面を参照して説明する。なお、以下に示す実施形態は本発明のトルクリミッタにおける好適な具体例であり、技術的に好ましい種々の限定を付している場合もあるが、本発明の技術範囲は、特に本発明を限定する記載がない限り、これらの態様に限定されるものではない。また、以下に示す実施形態における構成要素は適宜、既存の構成要素等との置き換えが可能であり、かつ、他の既存の構成要素との組み合せを含む様々なバリエーションが可能である。したがって、以下に示す実施の形態の記載をもって、特許請求の範囲に記載された発明の内容を限定するものではない。

図１及び図２において、ギヤユニット１は、外周面１１と内周面１２とを有する環状の大径ギヤ１０と、内周面１２の内側に離間して大径ギヤ１０と同軸な小径ギヤ２０と、を備えている。本実施の形態において、大径ギヤ１０及び小径ギヤ２０は、共に同じ樹脂材料（例えば、ナイロン）によって、それぞれ一体成型したものを組み合わせたものである。

大径ギヤ１０は、図３及び図４に示すように、外周面１１に形成した大径ギヤ歯１１ａと、内周面１２の周方向の３等分点位置に凹状に形成した被係合部１３と、内周面１２の周方向の全周に跨って凸状に形成した第２被係合部１４と、を一体に備える。

小径ギヤ２０は、図２に示すように、大径ギヤ１０の端面１０ａから軸線方向に沿って外れた位置に形成した小径ギヤ歯２１と、内周面１２と間隔を開けて対向する軸部２２と、を同軸上に一体に備える。

軸部２２は、図５及び図６に示すように、係合部２３を有するラチェット部２４と、軸部２２の外周面１１から径方向に突出する脚部２５と、を一体に備える。

係合部２３は、被係合部１３とは雌雄を異ならせて弾発係合するように軸部２２から離間した周方向の３等分点位置に凸状に形成している。係合部２３は、平面視において円弧形状を呈しており、軸線方向に沿って軸部２２の高さと同程度の高さを有する。係合部２３の高さ方向の中途部には、第２被係合部１４と雌雄を異ならせて凹状に形成した第２係合部２６を備える。さらに、係合部２３は、脚部２５の径方向外側に位置して第２被係合部１４と当接する当接部２７と、係合部２３と当接部２７との間に位置する接続部２８と、によって連続している。

これにより、ラチェット部２４は、脚部２５により周方向で互いに隣接した係合部２３の中間位置にあって接続部２８を介して、係合部２３を両持ちで支持している。

本実施の形態において、ラチェット部２４は、周方向の３等分点位置に凸状に形成した係合部２３、その間に位置する脚部２５、当接部２７、接続部２８、の全てを含めて、平面視において回転対称かつ軸部２２の回転中心Ｐと係合部２３の周方向中心とを通る線分Ｌに対して線対称形状としている。

第２被係合部１４と第２係合部２６とは、大径ギヤ１０と小径ギヤ２０との軸線方向の抜け止め機能を有している。また、第２被係合部１４と第２係合部２６とは、所定の加重以上の負荷（外乱）が加わって大径ギヤ１０と小径ギヤ２０とが相対的に回転した際のガイドとして機能する。

これにより、第２被係合部１４と第２係合部２６とは、軸線方向に対して傾斜した加重が加わった場合であっても、無理なく相対的に回転するのが好ましい。このため、第２被係合部１４と第２係合部２６とは、小径ギヤ２０のラチェット部２４を大径ギヤ１０の内周面１２に嵌合する際のガイド機能を含め、軸線方向に沿う両端部分に傾斜面１４ａ及び傾斜面２６ａを形成している。

接続部２８は、図７に示すように、大径ギヤ１０又は小径ギヤ２０の何れか一方に所定加重以上の回転方向の負荷が加わって係合部２３と被係合部１３との係合状態を解除する際に、係合部２３が被係合部１３から弾性に抗して退避する径方向と小径ギヤ２０の回転方向（接線方向の直線成分）との合成ベクトル成分及び所定加重とを考慮した肉厚と延在角度とに設定している。

具体的に接続部２８は、係合部２８から連続する変位側接続部２８ａと、強度を確保した当接部２７から連続する固定側接続部２８ｂと、を備えている。変位側接続２８ａと固定側接続部２８ｂとは、互いに径方向中心に向う内向きに傾斜しており、その中央付近を内径側の稜線としている。

したがって、図７の二点鎖線で示すように、係合部２３を径方向に沿って中心側に変位させるためには、変位側接続部２８ａの保形性を保ちつつ固定側接続部２８ｂの変形を許容することが重要となる。

このため、本実施の形態では、ギヤユニット１の全体の大きさ、材質、回転伝達トルク等を考慮し、負荷に対する所定荷重の設定を接続部２８のバネ性、すなわち、柔軟性で確保している。

この際、特に、係合部２３に連続する変位側接続部２８ａの強度を高く、当接部２７に連続する固定側接続部２８ｂの強度を低く設定するために、変位側接続部２８ａを上述した合成ベクトル成分を考慮した方向に傾斜設定している。

上記の構成において、ギヤユニット１は、例えば、人形やロボット等の関節用として配置される。そして、モータ等の駆動源の駆動により、図示しない他のギヤ等の動力伝達手段を介して伝達された通常時は、大径ギヤ１０又は小径ギヤ２０の一方を入力側（駆動側）、他方を出力側（従動側）として大径ギヤ１０と小径ギヤ２０とが一体に回転する。

この際、大径ギヤ１０と小径ギヤ２０とは、係合部２３と被係合部１３との係合により、駆動源からの適正な駆動力によって入出力して動力伝達を行う。

一方、第２被係合部１４と第２係合部２６とは、大径ギヤ１０又は小径ギヤ２０の何れか一方に、所定の加重以上の負荷（外乱）が周方向に加わると、係合部２３が接続部２８の弾性に抗して軸中心側に変位し、図８に示すように、大径ギヤ１０と小径ギヤ２０とが相対回転し、負荷による不測な動力伝達並びにギヤユニット１の破損を抑制することができる。

このように、本発明のトルクリミッタを搭載したギヤユニット１は、外周面１１に形成した大径ギヤ歯１１ａと内周面１２の周方向等分点位置に凹状に形成した被係合部１３とを有する環状の大径ギヤ１０と、内周面１２の内側に離間して大径ギヤ１０と同軸であって、大径ギヤ１０の端面１０ａから軸線方向に沿って外れた位置に形成した小径ギヤ歯２１と、内周面１２と間隔を開けて対向する軸部２２と、を一体に備えた小径ギヤ２０と、を備え、軸部２２は、被係合部１３と雌雄を異ならせて弾発係合する係合部２３を有するラチェット部２４と、周方向で互いに隣接した係合部２３の中間位置で係合部２３を両持ちで支持するように軸部２２の外周面から径方向に突出する脚部２５と、を一体に備え、ラチェット部２４は、回転対称かつ軸部２２の回転中心Ｐと係合部２３の周方向中心とを通る線分Ｌに対して線対称形状とした良好な動力伝達を確保しつつ、順方向と逆方向の何れに対しても不測な負荷が加わった場合に、動力伝達状態を解除することができる。

ところで、上記実施の形態のトルクリミッタは、被係合部１３を凹状とするとともに係合部２３を凸状としたものを開示したが、これらは逆でもよい。同様に、第２被係合部１４を凸状とするとともに第２係合部２６を凹状としたものを開示したが、これらは逆でもよい。

また、被係合部１３を内周面１２の周方向の３等分点位置に凹状に形成し、係合部２３を被係合部１３とは雌雄を異ならせて弾発係合するように軸部２２から離間した周方向の３等分点位置に凸状に形成している。これにより、他の脚部２５、当接部２７、接続部２８、の全てを間の３等分点位置に配置形成することにより、ラチェット部２４を、平面視において回転対称かつ軸部２２の回転中心Ｐと係合部２３の周方向中心とを通る線分Ｌに対して線対称形状としている。

したがって、ラチェット部２４が平面視において回転対称かつ軸部２２の回転中心Ｐと係合部２３の周方向中心とを通る線分Ｌに対して線対称形状とすることができれば、これらの周方向への配置数は限定されるものではない。

また、大径ギヤ１０と小径ギヤ２０とは、共に同じ樹脂材料である必要はなく、例えば、外側の大径ギヤ１０をポリアセタール（ＰＯＭ）、内側の小径ギヤ２０をナイロンによって形成してもよい。なお、大径ギヤ１０と小径ギヤ２０とを異なる樹脂によって形成する場合、大径ギヤ１０の機械的強度よりも小径ギヤ２０の機械的強度の方を強くするのが望ましい。換言すれば、寸法精度を確保する必要がある大径ギヤ１０にＰＯＭを用い、機械的強度を確保する必要がある小径ギヤ２０にナイロンを用いる。ただし、これらの強度や寸法精度などの条件は、ギヤユニット１の大きさや使用する場所、動力伝達の入出力によって適宜設計変更可能である。例えば、ギヤユニット１の小型化により、接続部２８の肉厚を確保することが困難となるような場合が想定される。この際、接続部２８の肉厚を確保するとともに、接続部２８の変形の容易性（柔軟性）を大径ギヤ１０と小径ギヤ２０との材質の強度差によって確保する必要がある場合には、上記とは逆に、大径ギヤ１０の強度を高くし、小径ギヤ２０の強度を大径ギヤ１０の強度よりも低くしてもよい。

さらに、例えば、大径ギヤ１０に形成した凹状の被係合部１３の数は、特に限定されるものではない。特に、小径ギヤ２０が大径ギヤ１０に対して相対回転した場合、小径ギア２０の係合部２３が径方向に沿って中心側に変位することによってラチェット部２４が歪んだままになってしまううえ、大径ギヤ１０と小径ギヤ２０との動力伝達が途切れたままとなってしまう。

そこで、例えば、図９に示すように、大径ギヤ１０に形成する被係合部１３の数を小径ギヤ２０の係合部２３の数よりも多く形成してもよい。この際、被係合部１３の数は、係合部２３の数の倍数箇所（図９では、３倍の９箇所）に、均等分点に配置するのが好ましい。

１ギヤユニット
１０大径ギヤ
１０ａ端面
１１外周面
１１ａ大径ギヤ歯
１２内周面
１３被係合部
１４第２被係合部
２０小径ギヤ
２１小径ギヤ歯
２２軸部
２３係合部
２４ラチェット部
２５脚部
２６第２係合部
２７当接部
２８接続部
Ｐ回転中心
Ｌ線分

Claims

外周面と内周面とを有する環状の大径ギヤと、
前記内周面の内側に離間して前記大径ギヤと同軸な小径ギヤと、
を備え、
前記大径ギヤは、
前記外周面に形成した大径ギヤ歯と、
前記内周面の周方向等分点位置に凹状又は凸状に形成した被係合部と、
を備え、
前記小径ギヤは、
前記大径ギヤの端面から軸線方向に沿って外れた位置に形成した小径ギヤ歯と、
前記内周面と間隔を開けて対向する軸部と、
を同軸上に一体に備え、
前記軸部は、
前記軸部の外周面から径方向に突出する複数の脚部と、
前記脚部によって、前記軸部の外周面から離間して支持されるラチェット部と、
を備え、
前記ラチェット部は、
前記脚部から二股に延びる接続部分と、
隣接する前記接続部分の間に設けられた係合部分であって、前記被係合部と雌雄を異ならせて弾発係合するように凸状又は凹状に形成した係合部を有する係合部分と、
で構成され、
前記ラチェット部は、
回転対称かつ前記軸部の回転中心と前記係合部の周方向中心とを通る線分に対して線対称形状とした
ことを特徴とするトルクリミッタ。
前記被係合部は、前記内周面の端面側の部分に設けられ、
前記大径ギヤは、前記内周面の端面側ではない部分に、周方向の全周に跨って凸状又は凹状に形成した第２被係合部を備え、
前記係合部は、前記係合部分の前記被係合部に対応する部分に設けられ、
前記係合部分は、前記係合部が設けられていない部分に、前記第２被係合部と雌雄を異ならせて凹状又は凸状に形成した第２係合部を備える
ことを特徴とする請求項１に記載のトルクリミッタ。
前記接続部分は、
前記脚部に繋がる接続部と、
前記接続部から延びる当接部と、
で構成され、
前記当接部は、前記第２被係合部と当接する
ことを特徴とする請求項２に記載のトルクリミッタ。
前記接続部は、前記大径ギヤ又は前記小径ギヤの一方に所定加重以上の回転方向の負荷が加わって前記係合部と前記被係合部との係合状態を解除する際に、前記係合部が前記被係合部から弾性に抗して退避する径方向と前記小径ギヤの回転方向との合成ベクトル成分及び前記所定加重に基づいて設定される肉厚および延在角度を有する
ことを特徴とする請求項３に記載のトルクリミッタ。