JP6263780B2 - トルク発生装置 - Google Patents

Description

この発明は、渦巻きバネ機構を搭載したトルク発生装置の構造に関するものである。

たとえばホース巻取装置は、長尺のホースをホイールに巻き取って収容すると共に所要時に当該ホースが当該ホイールから引き出されるように構成されている。引き出されたホースが巻き取られるときはホイールが回転されるが、このときに大きなトルクが必要になる場合もある。そのため、従来のホース巻取装置には、渦巻きバネ機構（「ゼンマイ機構」とも称される。）により上記ホイールにトルクを付与する装置を備えたものがある（たとえば特許文献１参照）。すなわち、渦巻きバネ（ゼンマイ）が上記ホイールの回転軸に連結されており、ゼンマイの弾性力が上記ホイールの回転軸に回転力（トルク）を付与する。このような装置は一般にトルク発生装置と称され、特許文献１に開示された装置に適用されているトルク発生装置は、ゼンマイが使用されているために構造が簡単である。

上記トルク発生装置が発生するトルクの大きさは、ゼンマイの諸元により決定される。ゼンマイは、一般にいわゆるバネ鋼からなり、細長帯状のバネ鋼が渦巻き状に巻回され、巻かれたバネ鋼が解ける方向に弾性力が生じる。従来のトルク発生装置では、出力や回転数の増加のために複数のゼンマイを搭載しているものがある（たとえば特許文献１及び特許文献２参照）。

複数のゼンマイが採用された場合、それぞれのゼンマイは、ゼンマイの巻回が解けるにつれて上記弾性力が変動するので、理論的には、発生するトルクはゼンマイの巻回の状況に応じて一定とはならない。そのため、複数のゼンマイ同士は、全く同一の挙動を示すことなく、ゼンマイ同士の物理的干渉及び力学的干渉が抑えられなければならない。また、ゼンマイという機械要素の性質上、同一の弾性力を発揮する一対のゼンマイの製造は容易ではない。そのため、同一の回転軸に複数のゼンマイを配置した場合、それぞれのゼンマイの挙動により当該回転軸にねじり力や曲げ力が外力として作用してしまうことがある。そのため、回転軸のぶれ等が生じて、当該回転軸に並設された複数のゼンマイ同士が接触したり、各ゼンマイが発生する弾性力が相互に干渉して所要のトルクが発生されない等の不都合が生じる。

特開２００１−３１３３４号公報 特開２００７−２３６５９６号公報

上記不都合が解消されるために、従来では、隣り合うゼンマイ同士の間に遮蔽板が配置されている（各特許文献参照）。上記遮蔽板が設けられることにより、確かにゼンマイ同士が直接に接触することがある程度避けられる。しかしながら、遮蔽板が単にゼンマイ同士の間に配置されただけでは、ゼンマイ同士の接触は遮蔽板により回避されるが、各ゼンマイの変位等により生じる上記外力によって回転軸のぶれ等が生じて回転軸の耐久性が低下するおそれがある。

本発明はかかる背景のもとになされたものであって、その目的は、複数の渦巻きバネを動力源とし、安定したトルクを発生するトルク発生装置を提供することである。

(1) 本発明に係るトルク発生装置は、出力軸と、当該出力軸を回転自在に支持する支持部が設けられた基体と、上記出力軸の軸方向に沿って並設され、内側端が上記出力軸に固定されることにより当該出力軸を所定方向に回転させるように弾性的に付勢する複数の渦巻きバネと、隣り合う渦巻きバネ同士の間に配置され、上記出力軸に垂直な抑制部を含む単一又は複数の介在部材とを備え、上記支持部は、上記基体の上記軸方向一方側の第１側壁と、上記基体の上記軸方向他方側の第２側壁と、当該第１及び第２側壁の上記軸方向に沿う離間距離を規定する位置決め軸とを有し、上記介在部材の両端部に設けられた貫通孔に上記位置決め軸が貫通し、当該位置決め軸によって離間距離が決められた上記第１側壁及び第２側壁との間に上記渦巻きバネが配置されている。

この構成によれば、並設された複数の渦巻きバネが動力源となり、出力軸が駆動される。すなわち、当該出力軸が予め設計された一定の出力（軸トルク）を発揮する。動力源として複数の渦巻きバネが採用されているから、単一の渦巻きバネが採用される場合に比べて出力が安定する。また、上記出力軸を支持する支持部が、上記介在部材及び渦巻きバネが所定の位置関係となるように、これらを位置決めするから、仮に各渦巻きバネの弾性力に不均衡があったとしても上記出力軸のぶれないし変位が抑えられる。位置決め軸によって基体の第１側壁と第２側壁との離間距離が決定される。また、上記介在部材及び渦巻きバネの位置関係は、上記第１側壁及び第２側壁によって決定される。このように、基体の側壁によって上記介在部材および渦巻きバネが挟み込まれた状態で位置決めされるので、支持部の構造、すなわち上記介在部材及び渦巻きバネの位置決め構造がきわめて簡単である。

(2) 上記介在部材と上記巻きバネとは、上記介在部材と当該介在部材を介して隣り合う渦巻きバネとの間隔をそれぞれ有して配置されている。

この構成では、各渦巻きバネは上記介在部材に沿って弾性変形し、互いに接触することがない。しかも、各渦巻きバネと上記介在部材との間に局部的な大きな面圧が生じることもない。したがって、上記出力軸は、より安定した出力を発揮することができる。加えて、各渦巻きバネ同士が強く押圧されることがないから、異音の発生や摩耗が生じることもない。

(3) 上記介在部材の上記渦巻きバネと対応する面は、樹脂から構成されるのが好ましい。

この構成では、上記介在部材と渦巻きバネとの間の摩擦係数が低下する。したがって、渦巻きバネの弾性変形が滑らかになり、上記出力軸は、より一層安定した出力を発揮することができる。

(4) 上記渦巻きバネは、上記軸方向に沿って一対設けられ、当該一対の渦巻きバネの間に単一の平板が上記介在部材として介在されている構造が採用され得る。

この構成では、トルク発生装置の構造がシンプルであり、製造コストが低減される。

この発明によれば、支持部により介在部材及び渦巻きバネが位置決めされ、出力軸の変位が抑えられるから、軸ぶれによる出力軸の耐久性の低下を抑制することができる。また、出力軸の変位によって遮蔽板とゼンマイとの接触圧が局部的に大きくなれば、異音が発生したり、ゼンマイが損傷を受けることが予想され、ひいては安定したトルクの発生が困難になる。しかし、この発明によれば、渦巻きバネ同士が接触すること等を原因とする異音の発生が防止されると共に、出力軸が安定したトルクを発揮することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係るトルク発生装置の外観斜視図である。 図２は、本発明の一実施形態に係るトルク発生装置の分解斜視図である。 図３は、本発明の一実施形態に係るトルク発生装置の内部構造を示す断面図である。 図４は、本発明の一実施形態に係るトルク発生装置の要部拡大断面図である。

以下、本発明の好ましい実施形態が、適宜図面が参照されつつ説明される。なお、本実施の形態は、本発明に係るトルク発生装置の一態様にすぎず、本発明の要旨を変更しない範囲で実施態様が変更されてもよいことは言うまでもない。

＜概略及び特徴点＞

図１は、本発明の一実施形態に係るトルク発生装置１０の外観斜視図である。また、図２及び図３は、このトルク発生装置１０の分解斜視図及び内部構造を示す断面図である。

このトルク発生装置１０は、図２及び図３が示すように渦巻きバネ１１、１２を内蔵しており、これを動力源とする出力軸１３を備えている。この出力軸１３は、渦巻きバネ１１、１２によって所定方向（正転方向）に回転するように弾性的に付勢されており、所要の軸トルクを発生する。本実施形態では、出力軸１３にワイヤ・ドラムユニット１４が連結されている。このワイヤ・ドラムユニット１４は、ドラム１５と、これに巻き取られたワイヤ（不図示）とを備えている。ドラム１５は、後述の基体２０から延出した出力軸１３に固定されており、出力軸１３と共に回転する。出力軸１３の回転力によりドラム１５が出力軸１３と共に正回転すればワイヤがドラム１５に巻き取られる。もっとも、渦巻きバネ１１、１２の弾性力に抗してワイヤがドラム１５から引き出されると、ドラム１５は逆回転し、出力軸１３もドラムと共に逆回転する。

本実施形態に係るトルク発生装置１０の特徴とするところは、(1) 出力軸１３の動力源として一対の渦巻きバネ１１、１２が備えられている点、(2) 隣り合う渦巻きバネ１１、１２の間に介在部材である平板１６が介在されている点、(3) 出力軸１３は、壁面部材１７（「第１側壁」に相当）及び壁面部材１８（「第２側壁」に相当）を含む支持部１９によって支持されており、この支持部１９は、上記平板１６及び各渦巻きバネ１１、１２が後述されるレイアウトとなるように、これらを位置決めしている点である。

＜トルク発生装置の構成＞

トルク発生装置１０は、基体２０を備えている。図２及び図３が示すように、基体２０は、本体２１と、補助板２２、２３とを備えている。本実施形態では、本体２１及び補助板２２、２３は、金属（典型的にはステンレス鋼）からなる。もっとも、これらが金属以外の部材（樹脂等）から構成されていてもよい。本体２１は、所定の幅寸法Ｂを有する帯状の部材がＣ字状に屈曲されることにより形成されている。そして、この本体２１に囲繞されるように上記渦巻きバネ１１、１２及び樹脂製の平板１６が配置されている（図３参照）。

なお、本実施形態では、平板１６と同様の平板３０も本体２１内に配置されており、この平板３０は、後述されるように壁面部材１８と隣接している。補助板２２は、上記出力軸１３に含まれるコアシャフト２４を固定している。また、補助板２３は、後述のように壁面部材１８と協働して上記ドラム１５を支持している。これら補助板２２、２３については後に詳述される。

支持部１９は、出力軸と渦巻きバネとを含むトルク発生装置の構成の基礎となる基体２０に設けられている。支持部１９は、複数部材で構成されており、上記壁面部材１７、１８と、位置決め軸２５とを備えている。

図２が示すように、壁面部材１７は矩形に形成されており、本実施形態では樹脂（典型的には、ポリ塩化ビニル系樹脂、ポリカーボネート系樹脂）からなる。壁面部材１７の中央部に貫通孔２８が形成されており、ここに軸受ユニット２６が装着されている。この軸受ユニット２６は、上記出力軸１３の一端部を回転自在な状態で支持している。なお、ここで、出力軸１３の一端部とは、図２において当該出力軸１３の軸方向（矢印４６の方向）の手前側部分をいう。

一方、壁面部材１８も壁面部材１７と同様に矩形に形成されており、本実施形態では金属（典型的にはステンレス鋼）からなる。壁面部材１８の中央部にも貫通孔２９が形成されており、この貫通孔２９に出力軸１３が挿通されている。この壁面部材１８に上記補助板２３が連結されている。補助板２３は、固定ピン４５を介して壁面部材１８と対向して配置されている。固定ピン４５が存在することにより形成された隙間にドラム１５が配置されている。補助板２３の中央部に貫通孔４９が設けられており、壁面部材１８を貫通した出力軸１３は、ドラム１５を支持し上記補助板２３に設けられた貫通孔４９に挿通されている。この貫通孔４９の位置に合わせて軸受ユニット２７が設けられており、出力軸１３の他端部は、軸受ユニット２７に支持されている。補助板２３は、固定ピン４５により壁面部材１８に固定されている。上記ドラム１５は、出力軸１３に固定され、出力軸１３と共に回転する。なお、壁面部材１８の材質は、樹脂であっても良いし、本実施形態のように、金属板である壁面部材１８に隣接して内側に樹脂製の平板３０が配置されていても良い。なお、支持部１９には、補助板２３も含めることができる。

本実施形態では、２本の位置決め軸２５が壁面部材１７と壁面部材１８との間に介在されている。図４は、このトルク発生装置１０の要部拡大断面図であり、位置決め軸２５の組付構造を詳細に示している。

同図が示すように、各位置決め軸２５は、いわゆる段付き軸であって大径部３１及び小径部３２を有する。後に詳述されるが、各位置決め軸２５は、基体２０の内部に収容された渦巻きバネ１１、１２及び上記平板１６、３０を出力軸１３の軸方向（矢印４６に沿う方向）に位置決めしている。

図２及び図３が示すように、基体２０の本体２１の一方側（矢印４６の手前側）に壁面部材１７が固定される。壁面部材１７は、ねじ３３により本体２１に締結される。本実施形態では、４本のねじ３３により壁面部材１７が固定されているが、ねじ３３の本数は特に限定されるものではない。前述のように、壁面部材１７に設けられた軸受ユニット２６に出力軸１３が支持される。この出力軸１３は、上記コアシャフト２４と、このコアシャフト２４に嵌め込まれた回転リング３４とを備えている。この回転リング３４は、小径リング３５及び大径リング３６を有する。これらは、一体的に形成されていてもよいし、別部材として構成され、互いに固着されていてもよい。回転リング３４は、コアシャフト２４に嵌め込まれており、コアシャフト２４に対して回転可能となっている。そして、この回転リング３４が上記軸受ユニット２６に支持されている。なお、図３では、簡略化のために軸受ユニット２６から軸受の図示が省略されている。

上記大径リング３６に渦巻きバネ１１、平板１６、渦巻きバネ１２及び壁面部材１８が順に嵌め込まれる。渦巻きバネ１１、１２の諸元は同一である。大径リング３６の周面に軸方向に沿って細溝３７が形成されている。この細溝３７に渦巻きバネ１１の内側端が嵌め込まれて固定されている。図２が示すように、平板１６は、帯状に形成されており、中央部に貫通孔３８が形成されている。介在部材である平板１６は、渦巻きバネ１１、１２の軸方向の位置決めをする抑制部として平面を有し、渦巻きバネ１１、１２に面する当該平面の法線方向は、回転リング３４の軸方向（矢印４６の方向）に沿っており、平板１６は、渦巻きバネ１１、１２といわゆる面接触している。

平板１６に設けられた貫通孔３８に大径リング３６が挿通されており、渦巻きバネ１１に隣接して平板１６が配置されている。この平板１６に隣接して渦巻きバネ１２が配置されている。渦巻きバネ１２は、平板１６を挟んで渦巻きバネ１１と対向している。渦巻きバネ１２は、渦巻きバネ１１と同様に、その内側端が上記細溝３７に嵌め込まれて固定されている。そして、渦巻きバネ１１、平板１６及び渦巻きバネ１２を壁面部材１７と協働して挟み込むように、壁面部材１８が設けられている。すなわち、壁面部材１７と対向して基体２０の本体２１の他方側に壁面部材１８が配置されている。前述のように、壁面部材１８に上記貫通孔２９が設けられており、これに上記大径リング３６が挿通されている。

なお、本実施形態においては、壁面部材１７、１８により渦巻きバネ１１、１２の軸方向の位置決めがなされ、出力軸１３が、軸受ユニット２６、２７を介して壁面部材１７と補助板２３とにより支持されている。壁面部材１７、１８及び補助板２３は、それぞれ別部材であるが、位置決め軸２５と固定ピン４９により固定され、これらの部材が一体的に固定された支持部の内側に、渦巻きバネ１１、１２及び出力軸１３が配置されることになる。

前述のように、壁面部材１７と壁面部材１８との間に位置決め軸２５が介在されている。図２及び図４が示すように、位置決め軸２５の一端部（大径部３１の端部）は、ねじ４７によって壁面部材１７に締結されており、他端部（小径部３２の端部）は、壁面部材１８を貫通して締付けナット３９により当該壁面部材１８に固定されている。平板１６及び平板３０の両端部に貫通孔５１が設けられており、この貫通孔５１に位置決め軸２５の大径部３１が挿通されている。

壁面部材１８は、上記大径部３１と小径部３２との境界部（段部）に当接されている。壁面部材１８に設けられた貫通孔２９の内径は、上記小径部３２の外径よりも大きく且つ上記大径部３１の外径よりも小さい。上記小径部３２が上記貫通孔２９を貫通し、この小径部３２に締付けナット３９が締め込まれている。したがって、上記大径部３１の軸方向長さＬが、軸方向（上記矢印４６の方向）に沿う壁面部材１７と壁面部材１８との離間距離を決定している。なお、図２が示すように、壁面部材１７と壁面部材１８との間に固定ピン４０が掛け渡されている。この固定ピン４０は、ねじ４１及びナット４８により壁面部材１７と壁面部材１８との間に固定されており、渦巻きバネ１１、１２の外側端が係止されている。

図４が示すように、渦巻きバネ１１、平板１６、渦巻きバネ１２及び平板３０のそれぞれの厚み寸法（矢印４６に沿う方向の寸法）は、それぞれ寸法Ｄ１、ｔ１、Ｄ２及びｔ２である。そして、上記大径部３１の軸方向長さＬは、Ｄ１＋ｔ１＋Ｄ２＋ｔ２に対応している。すなわち、渦巻きバネ１１、平板１６、渦巻きバネ１２及び平板３０は、矢印４６の方向に隙間がほとんど形成されることがないように、上記大径部３１の軸方向長さＬが設計されている。換言すれば、渦巻きバネ１１、平板１６、渦巻きバネ１２及び平板３０の相互間に隙間がほとんど形成されないように、壁面部材１７、１８の離間距離が設定されている。したがって、渦巻きバネ１１、平板１６、渦巻きバネ１２及び平板３０は、矢印４６の方向に沿って互いに押圧されることなく且つがたつくことなく位置決めされている。このように渦巻きバネ１１、平板１６、渦巻きバネ１２及び平板３０が位置決めされることによる作用効果については、後述される。

さて、図１及び図２が示すように、前述の補助板２２は、ねじ４２（４７）により壁面部材１７に締結されている。補助板２２に固定片４３が形成されている。上記出力軸１３のコアシャフト２４は、軸受ユニット２６から突出しており、回り止めピン４４により回転が規制されている。すなわち、回り止めピン４４がコアシャフト２４を貫通し、上記固定片４３にねじ込まれている。このようにコアシャフト２４が固定されることにより、回転リング３４（図２及び図３参照）のみが渦巻きバネ１１、１２の弾性力により円滑に回転する。

また、前述のように、壁面部材１８と対向して補助板２３が配置されており、両者間にドラム１５が配置されている。図２が示すように、ドラム１５は、上記回転リング３４の小径リング３５に嵌め込まれて固定されており、これにより、出力軸１３の回転に伴ってドラム１５も回転する。

＜トルク発生装置の作用効果＞

本実施形態に係るトルク発生装置１０によれば、並設された一対の渦巻きバネ１１、１２を動力源として出力軸１３が駆動される。したがって、単一の渦巻きバネが採用される場合に比べて軸トルク（出力）が安定する。また、出力軸１３を支持する支持部１９が、渦巻きバネ１１、１２及び平板１６、３０を前述の位置関係（すなわち、互いに押圧されることなく且つがたつくことなく位置決めされた状態）となるように位置決めするから、各渦巻きバネ１１、１２の弾性力に不均衡があったとしても出力軸１３のぶれや変位が抑えられる。さらに、各渦巻きバネ１１、１２同士が強く接触することもない。したがって、異音の発生や摩耗が生じることもなく、出力軸１３は、より安定した出力を発揮することができる。

本実施形態では、位置決め軸２５によって壁面部材１７、１８の位置が決められ、両者間の離間距離が決定される。すなわち、きわめて簡単な構造で平板１６及び渦巻きバネ１１、１２の位置関係が決定されるので、トルク発生装置１０の製造コストが抑えられる。

また、平板１６、３０は樹脂からなるので、平板１６、３０と渦巻きバネ１１、１２との間の摩擦係数が低下する。したがって、渦巻きバネ１１、１２の弾性変形が滑らかになり、その結果、出力軸１３はより一層安定した出力を発揮することができる。なお、本実施形態では、平板１６、１３が樹脂から構成されているが、平板１６、３０のうち渦巻きバネ１１、１２と対向する面のみが樹脂により構成されていてもよい。

さらに、壁面部材１７が樹脂から構成されているので、壁面部材１７と渦巻きバネ１１との間の摩擦係数が低下する。したがって、出力軸１３はさらに安定した出力を発揮することができる。本実施形態では、壁面部材１８に平板３０が隣接しているので、壁面部材１８と渦巻きバネ１２との間の摩擦係数も低下し、出力軸１３はなお一層安定した出力を発揮することができる。もっとも、平板３０は、省略され得る。

本実施形態では、一対の渦巻きバネ１１、１２が並設されており、両者間に単一の平板１６が介在されている。このため、トルク発生装置１０の構造がシンプルであり、製造コストの上昇が抑えられる。もっとも、渦巻きバネが３つ以上並設されてもよいことは勿論であり、その場合、隣り合う渦巻きバネ同士の間には上記平板１６と同様の構成の平板が介在される。

なお、たとえば４０ｋｇなどの１０ｋｇを越える重量物に対しても、各渦巻きバネが発揮する付勢力により当該重量物を移動することができる。そのため、本発明のトルク発生装置は、上記のトルク発生装置の出力軸にドラムを設け、一端に重量物が接続される可撓性長尺部材（たとえばワイヤ）と、上記可撓性長尺部材の他端が接続されて上記可撓性長尺部材を巻き取るように構成した重力物移動用の駆動装置として用いることもでき、重量物のバランサーとしても用いることができる。

１０・・・トルク発生装置
１１・・・渦巻きバネ
１２・・・渦巻きバネ
１３・・・出力軸
１６・・・平板
１７・・・壁面部材
１８・・・壁面部材
１９・・・支持部
２０・・・基体
２１・・・本体
２２・・・補助板
２３・・・補助板
２４・・・コアシャフト
２５・・・位置決め軸
３０・・・平板
３１・・・大径部
３２・・・小径部
３４・・・回転リング
３５・・・小径リング
３６・・・大径リング

Claims (3)

1. 出力軸と、
   当該出力軸を回転自在に支持する支持部が設けられた基体と、
   上記出力軸の軸方向に沿って並設され、内側端が上記出力軸に固定されることにより当該出力軸を所定方向に回転させるように弾性的に付勢する複数の渦巻きバネと、
   隣り合う渦巻きバネ同士の間に配置され、上記出力軸に垂直な抑制部を含む単一又は複数の介在部材とを備え、
   上記支持部は、
   上記基体の上記軸方向一方側の第１側壁と、
   上記基体の上記軸方向他方側の第２側壁と、
   当該第１及び第２側壁の上記軸方向に沿う離間距離を規定する位置決め軸とを有し、
   上記介在部材の両端部に設けられた貫通孔に上記位置決め軸が貫通し、当該位置決め軸によって離間距離が決められた上記第１側壁及び第２側壁との間に上記渦巻きバネが配置されているトルク発生装置。
2. 上記介在部材の上記渦巻きバネと対向する面は、樹脂からなる請求項１に記載のトルク発生装置。
3. 上記渦巻きバネは、上記軸方向に沿って一対設けられ、
   当該一対の渦巻きバネの間に単一の平板が上記介在部材として介在されている請求項１又は２に記載のトルク発生装置。
   
   

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