JP6582215B2 - クラッチ機構 - Google Patents

Description

本発明は、入力回転体と出力回転体との間で回転力の伝達、遮断を行うクラッチ機構に関するものである。

モータは通電時には回転軸に所定のトルクを発生して回転し、回転位置を制御することも可能であるが、電源が供給されない状態では回転軸の回転を制御できず、回転軸に出力側からトルクを受けると、該回転軸が簡単に回転してしまう。そのため、例えば、テープフィーダユニット等、電源を供給しないときでも、停止位置を精度よく固定させておきたい機器では、逆入力クラッチ等の回転位置保持装置を具備する必要が生じる。
このような装置には、例えば特許文献１に記載される発明のように、円柱状空間を有する収納室（１１）と、収納室（１１）に同軸状に収納された出力回転体（２０）と、出力回転体（２０）に対し同軸状に設けられた入力回転体（３０）と、収納室（１１）の内周面と出力回転体（２０）の外周面との間に設けられた係合子（４１，４２）と、係合子（４１，４２）を周方向の一方側へ付勢する付勢部材（５０）とを備える。そして、出力回転体（２０）の外周面に、前記一方側へ向かって収納室（１１）の内周面との間を徐々に狭めるカム面（２１，２３）と、カム面（２１，２３）の前記一方側に隣接する凹部（２２）とを形成し、入力回転体（３０）に、凹部（２２）に対し周方向の遊びを有する状態で嵌り合うとともに凹部（２２）内から遠心方向へ突出する押圧伝達部（３１）を形成している。そして、係合子（４１，４２）を、カム面（２１，２３）および収納室（１１）の内周面に接触するように配置したものがある。

この従来技術によれば、入力回転体（３０）に回転力が加わった場合には、入力回転体（３０）の押圧伝達部（３１）が係合子（４１又は４２）に当接し、係合子（４１又は４２）とカム面（２１又は２３）との摩擦、および係合子（４１又は４２）と収納室（１１）の内周面との摩擦が小さくなり、その後で、押圧伝達部（３１）が凹部（２２）内の周方向端面に当接して出力回転体（２０）を押動するため、出力回転体（２０）がスムーズに回転する。また、出力回転体（２０）に外部から回転力が加わった場合には、回転しようとする出力回転体（２０）のカム面（２１又は２３）と収納室（１１）の内周面との間に係合子（４１又は４２）が強く押し付けられので、入力回転体（３０）及び出力回転体（２０）の回転を阻むことができる。

しかしながら、前記従来技術では、使用条件等により、収納室（１１）の内周面と係合子（４１又は４２）との接触面圧が大きくなりすぎると、接触面に摩耗や変形を生じ、係合子（４１又は４２）が滑ってロック不良を生じたり、係合子（４１又は４２）が、カム面（２１又は２３）と収納室（１１）内周面との間の凹部（２２）寄りに噛み込んで解除不能になったりするおそれがある。

国際公開WO2013/133162A1公報

本発明は上記従来事情に鑑みてなされたものであり、その課題とする処は、摩耗や変形等に起因する作動不良を軽減することができるクラッチ機構を提供することにある。

上記課題を解決するための一手段は、円柱状空間を有する収納室と、前記収納室に同軸状に収納された出力回転体と、前記出力回転体に対し同軸状に設けられた入力回転体と、前記収納室の内周面と出力回転体の外周面との間に設けられた円柱状又は球状の係合子と、前記係合子を周方向の一方側へ付勢する付勢部材とを備える。そして、前記出力回転体の外周面に、前記一方側へ向かって前記収納室の内周面との間を徐々に狭めるカム面と、前記カム面の前記一方側に隣接する凹部とを形成し、前記入力回転体に、前記凹部に対し周方向の遊びを有する状態で嵌り合うとともに、前記凹部内から遠心方向へ突出する押圧伝達部を形成している。そして、前記係合子を、前記カム面および前記収納室の内周面に接触するように配置し、前記入力回転体が前記一方側に対する他方側に回転した際に、前記押圧伝達部を前記係合子に当接した後に、同押圧伝達部を前記凹部内の周方向端面に当接して前記出力回転体を押動するようにしたクラッチ機構である。更に、前記収納室の内径に対する前記係合子の外径の比率を、０．２０以上０．２７以下の範囲としたことを特徴とする。

本発明は、以上説明したように構成されているので、摩耗や変形等に起因する作動不良を軽減することができる。

本発明に係るクラッチ機構の一例について要部を示す構造図である。 同クラッチ機構の縦断面図である。 径比率と乗り越えトルク従来比との関係を示すグラフである。 楔角と乗り越えトルク従来比との関係を示すグラフである。

本実施の形態の第一の特徴は、円柱状空間を有する収納室と、前記収納室に同軸状に収納された出力回転体と、前記出力回転体に対し同軸状に設けられた入力回転体と、前記収納室の内周面と出力回転体の外周面との間に設けられた円柱状又は球状の係合子と、前記係合子を周方向の一方側へ付勢する付勢部材とを備える。そして、前記出力回転体の外周面に、前記一方側へ向かって前記収納室の内周面との間を徐々に狭めるカム面と、前記カム面の前記一方側に隣接する凹部とを形成し、前記入力回転体に、前記凹部に対し周方向の遊びを有する状態で嵌り合うとともに、前記凹部内から遠心方向へ突出する押圧伝達部を形成している。そして、前記係合子を、前記カム面および前記収納室の内周面に接触するように配置し、前記入力回転体が前記一方側に対する他方側に回転した際に、前記押圧伝達部を前記係合子に当接した後に、同押圧伝達部を前記凹部内の周方向端面に当接して前記出力回転体を押動するようにしたクラッチ機構である。更に、前記収納室の内径に対する前記係合子の外径の比率を、０．２０以上０．２７以下の範囲とした。
この構成によれば、収納室の内周面と係合子の外周面との接触面圧を比較的小さくすることができ、このことによって、収納室と係合子との接触面における摩耗及び変形を低減することができる。したがって、係合子が滑ってロック不良を生じたり、係合子が収納室内周面とカム面との間で前記凹部寄りに噛み込んで解除不能になったり等の作動不良を軽減することができる。

第二の特徴としては、作動不良等をより効果的に軽減するために、前記収納室の内径に対する前記係合子の外径の比率を、０．２５以下とした。

第三の特徴としては、作動不良等をより効果的に軽減するために、前記収納室の内周面と前記係合子との接線と、前記係合子と前記カム面との接線とがなす角度をθとし、前記収納室の内周面と前記係合子との静摩擦係数と、前記係合子と前記カム面との静摩擦係数とのうち、何れか小さい方の静摩擦係数をμとした場合に、sinθ／（cosθ＋１）≦μの関係が成り立つように前記角度θの上限値を設定するとともに、前記角度θの下限値を１１°に設定した。

次に、上記特徴を有する好ましい実施例を、図面に基づいて詳細に説明する。

このクラッチ機構１は、図２の（Ａ）−（Ａ）線断面である図１および図１の（Ｂ）−（Ｂ）線方向から見たクラッチ機構１の側断面図である図２に示すように、収納室１１を有する固定部材１０と、収納室１１に同軸状に収納された出力回転体２０と、出力回転体２０に対し同軸状に設けられた入力回転体３０（図２参照）を有する。そして、収納室内周面１１ａと出力回転体２０の外周面との間に設けられた一対の係合子４１，４２と、一方の係合子４１を周方向の一方側（図１によれば時計方向側）へ付勢するとともに他方の係合子４２を周方向の他方側（図１によれば反時計方向側）へ付勢する付勢部材５０とを備える。

このクラッチ機構１は、入力回転体３０に回転力を発生させた際に、この回転力を出力回転体２０に伝達して該出力回転体２０を回転させ、また、出力回転体２０に対し外部から回転力が加わった際には、該出力回転体２０を回転不能にロックする。

固定部材１０内部の収納室１１は、内周面１１ａにより囲まれた略円柱状の空間である。内周面１１ａは、凹凸のない円筒内周面状の曲面である。
固定部材１０は、図示しない不動部位（例えば、テープフィーダの支持基板等）に、回転不能に固定される。

出力回転体２０は、収納室１１に同芯状に配置された略円板状の部材であり、その中心側が固定部材１０に対し回転自在に支持されている。この出力回転体２０は、固定部材１０に対し回転自在に嵌め合せられるとともに、その中心部に、外部へ露出した出力軸２４を一体に有する。
この出力回転体２０の外周部には、周方向の一方側（図１によれば時計方向側）へ向かって収納室１１の内周面１１ａとの間を徐々に狭める一方のカム面２１と、前記一方のカム面２１に背反するように他方側（図１によれば反時計方向側）へ向かって収納室１１の内周面１１ａとの間を徐々に狭める他方のカム面２３とが形成されている。そして、カム面２１又は２３に隣接する凹部２２と、付勢部材５０を係止するための係止部２５とが、所定角度（等間隔）置きに複数組（図示例によれば３組）並べ設けられる。

カム面２１とカム面２３は、左右対称に設けられる。各カム面２１，２３は、周方向に湾曲する凸曲面状に形成され、より詳細に説明すれば、収納室内周面１１ａの半径から、各係合子４１，４２の直径を減じた値よりも大きな半径の円弧状に形成されるとともに、該円弧の中心位置を出力回転体２０の中心位置からずらすようにしている。

凹部２２は、出力回転体２０の外周面から求心方向へ凹むとともに、出力回転体２０を軸方向へ貫通している。この凹部２２内の周方向の両端には、後述する入力回転体３０の押圧伝達部３１によって押圧される被押圧面２２ａ，２２ｂを有する。これら被押圧面２２ａ，２２ｂは、径方向へわたる平坦面状に形成され、一方の被押圧面２２ａは、一方のカム面２１と交差し、他方の被押圧面２２ｂは、他方のカム面２３と交差している。

係止部２５は、出力回転体２０の外周部において、背反する一方のカム面２１と他方のカム面２３との間に凹状に形成される。

入力回転体３０は、出力回転体２０に対し軸方向へ並ぶように設けられた略円盤状の部材である（図２参照）。
この入力回転体３０は、中心側において、軸方向の一端側（図２によれば左端側）を出力回転体２０に対し双方向へ回動するように嵌め合せ、また、軸方向の他端側に、軸部３３を突設している。軸部３３は、回転力を入力するための入力軸として用いてもよいし、該入力回転体３０を安定的に回転支持するための支持軸として用いてもよい。
また、入力回転体３０における出力回転体２０側の側面には、凹部２２毎に対応するように、周方向に所定間隔を置いて複数（図示例によれば３つ）の押圧伝達部３１が突設されている。

押圧伝達部３１は、出力回転体２０の凹部２２に対し周方向の遊びを有する状態で嵌り合うとともに、凹部２２内から遠心方向へ突出する略扇形状に形成され、周方向の両端部に、出力回転体２０の被押圧面２２ａ，２２ｂに当接可能であって、且つ係合子４１，４２にも当接可能な当接面３１ａ，３１ｂを有する。

また、係合子４１，４２は、円柱状又は球状（図示例によれば円柱状）に形成され、一方及び他方のカム面２１，２３に対応して一対に設けられている。
一対の係合子４１，４２のうち、一方の係合子４１は、一方のカム面２１および収納室内周面１１ａに接触するように配置され、他方の係合子４２は、他方のカム面２３および収納室内周面１１ａに接触するように配置される。
そして、各係合子４１，４２は、後述する付勢部材５０に押圧された状態で、凹部２２の各被押圧面２２ａ，２２ｂよりも凹部２２内側へ若干突出した位置に静止している。

付勢部材５０は、長尺平板状のばね材をＹ字二股状に曲げ成形したものであり、その曲げ部分が出力回転体２０の係止部２５に嵌合固定される。
この付勢部材５０において、二股状に分かれた各片部は、対応する係合子４１又は４２の外周面に当接して、係合子４１又は４２を、カム面２１又は２３と収納室内周面１１ａとの間に押し付けている。

次に、上記構成のクラッチ機構１の動作について詳細に説明する。
先ず、出力回転体２０及び入力回転体３０の何れにも回転力が加わっていない状態（図１参照）では、係合子４１，４２が、それぞれ、付勢部材５０に押圧されて、カム面２１又は２３と収納室１１の内周面１１ａとの間の楔状部分に押し付けられ、出力回転体２０が静止状態に維持される。

前記状態において、入力回転体３０に、一方向への回転力が加わった場合には、入力回転体３０の押圧伝達部３１が、先ず一方の係合子４１に当接することで、該係合子４１とカム面２１との摩擦、および該係合子４１と収納室内周面１１ａとの摩擦が小さくなり、その後で、押圧伝達部３１が凹部２２内の被押圧面２２ａに当接して出力回転体２０を押動する。このため、出力回転体２０が前記一方向へスムーズに回転する。
また、入力回転体３０に前記一方向に対する逆方向の回転力が加わった場合も、前記と略同様にして、出力回転体２０が前記逆方向へスムーズに回転する。

また、前記静止状態において、出力回転体２０に外部から一方向又は他方向への回転力が加わった場合には、回転しようとする出力回転体２０のカム面２１又は２３と収納室内周面１１ａとの間に、係合子４１又は４２が食い込むようにして強く押し付けられるため、出力回転体２０の回転が阻まれる。

上記構成のクラッチ機構１において、本願発明者らは、試行錯誤の実験の末、収納室１１の内径Ｄに対する係合子４１，４２の外径ｄの比率を特定の範囲の値に限定することで、作動不良を著しく軽減できることを見出した。以下、これについて詳細に説明する。

図３は、収納室１１の内径Ｄに対する係合子４１，４２の外径ｄの比率（以降、径比率と称する。）と、乗り越えトルク従来比との関係を実験的に求めたグラフである。
ここで、乗り越えトルクとは、係合子４１又は４２が、対応するカム面２１又は２３と収納室内周面１１ａとの間を通って、カム面２１と被押圧面２２ａとが交差する角部ｘを凹部２２側へ乗り越えてしまうトルクを意味する。前記乗り越えを生じた場合には、作動不良を生じることになる。
そして、前記乗越えトルク従来比とは、本実施例を適用する前のクラッチ機構の乗り越えトルクに対する本実施例の乗り越えトルクの比率を示している。
また、図３のグラフ中、楔角θとは、係合子４１又は４２と、対応するカム面２１又は２３とがなす角度（図１参照）を意味する。
なお、本実施例を適用する前のクラッチ機構は、特許文献１の実施例の構造を具備し、径比率が約０．１７、楔角が約１０°であり、乗り越えトルクが約５３ｍＮｍである。

図３のグラフより、収納室１１の内径Ｄに対する係合子４１，４２の外径ｄの比率は、乗り越えトルク従来比が１よりも大きくなるように、０．２０以上０．２７以下の範囲に設定するのが好ましく、さらには、前記範囲にて０．２５以下に設定するのが好ましいといえる。
また、前記範囲にて前記比率の上限値と下限値を設定した場合、乗り越えトルクが極大値の約１／２とするのが好ましく、その範囲に適合する径比率と楔角θを設定することが望ましい。

また、楔角θについて更に述べれば、収納室１１の内周面と係合子４１又は４２との静摩擦係数と、係合子４１又は４２と対応するカム面２１又は２３との静摩擦係数とのうち、何れか小さい方の静摩擦係数をμとした場合に、上記特許文献１にて示した条件式sinθ／（cosθ＋１）≦μの関係が成り立つように楔角θの上限値を設定するとともに、該楔角θの下限値を１１°に設定するのが好ましい。
楔角θが前記上限値を超える場合には、係合子４１又は４２がロックされずに滑ってしまう可能性が顕著に高くなる。また、楔角θが上記下限値を下回る場合には、接触面圧が高くなりすぎて各接触面の損傷が早期に進行してしまうおそれがある。

また、図４は、楔角θと乗り越えトルク従来比との関係を実験的に調査してグラフ化したものである。
このグラフより、径比率を０．２４とした場合には、少なくとも楔角θが１０°以上１８°以下の範囲で、乗り越えトルク従来比を１以上確保することができるといえる。また、楔角θのより好ましい範囲は、１２°以上１８°以下であり、さらに好ましい範囲は、１４°以上１６°以下である。

よって、本実施例のクラッチ機構１によれば、収納室１１の内径Ｄに対する係合子４１，４２の外径ｄの比率、及び楔角θを上述したとおり適宜に設定したため、角部ｘの摩耗や変形を抑制するとともに、前記乗り越えトルクを比較的大きく確保して、係合子４１又は４２が角部ｘを乗り越えて噛み込むのを防ぐことができ、さらには、係合子４１又は４２の滑りや、各接触面の損傷等を防ぐことができ、これらの結果、作動不良を著しく軽減することができる。

なお、上記実施例によれば、外部から、出力回転体２０に対し一方向と他方向（時計方向と反時計方向）の何れの方向の回転力を加えた場合でも、係合子４１，４２等の作用によって出力回転体２０が拘束されるようにしたが、他例としては、何れか一方向の回転力を加えた場合のみ出力回転体２０を拘束する態様とすることが可能である。この態様は、例えば、上記クラッチ機構１から一方の係合子４１を全て省いた構成とすればよい。

また、上記実施例によれば、固定部材１０に対し出力回転体２０を回転自在に支持し、さらに出力回転体２０に対し入力回転体３０を回転自在に支持する構成（図２参照）としたが、この支持構造は、出力回転体２０と入力回転体３０がそれぞれ双方向へ回転する支持構造であればよく、他例としては、単一の軸部材によって出力回転体２０と入力回転体３０をそれぞれ回転自在に支持する構造等とすることが可能である。

また、上記実施例によれば、出力回転体２０の外周部に、カム面２１，２３、凹部２２、係合子４１，４２及び付勢部材５０等を３組並べ設けたが、他例としては、これらを２組又は４組以上設けることも可能である。

１：クラッチ機構
１０：固定部材
１１：収納室
１１ａ：収納室内周面
２０：出力回転体
２１，２３：カム面
２２：凹部
２２ａ，２２ｂ：被押圧面
３０：入力回転体
３１：押圧伝達部
３１ａ，３１ｂ：当接面
４１，４２：係合子
５０：付勢部材

Claims (1)

1. 円柱状空間を有する収納室と、前記収納室に同軸状に収納された出力回転体と、前記出力回転体に対し同軸状に設けられた入力回転体と、前記収納室の内周面と出力回転体の外周面との間に設けられた円柱状又は球状の係合子と、前記係合子を周方向の一方側へ付勢する付勢部材とを備え、
   前記出力回転体の外周面に、前記一方側へ向かって前記収納室の内周面との間を徐々に狭めるカム面と、前記カム面の前記一方側に隣接する凹部とを形成し、
   前記入力回転体に、前記凹部に対し周方向の遊びを有する状態で嵌り合うとともに前記凹部内から遠心方向へ突出する押圧伝達部を形成し、
   前記係合子を、前記カム面および前記収納室の内周面に接触するように配置し、
   前記入力回転体が前記一方側に対する他方側に回転した際に、前記押圧伝達部を前記係合子に当接した後に、同押圧伝達部を前記凹部内の周方向端面に当接して前記出力回転体を押動するようにしたクラッチ機構であって、
   前記付勢部材は、長尺平板状のばね材を二股状に曲げ成形したものであり、曲げ部分が出力回転体の係止部に固定され、二股状に分かれた各片部が、対応する前記係合子の外周面に当接して付勢し、
   前記収納室の内径に対する前記係合子の外径の比率を、０．２０以上０．２５以下の範囲とし、
   前記収納室の内周面と前記係合子との接線と、前記係合子と前記カム面との接線とがなす角度をθとし、前記収納室の内周面と前記係合子との静摩擦係数と、前記係合子と前記カム面との静摩擦係数とのうち、何れか小さい方の静摩擦係数をμとした場合に、sinθ／（cosθ＋１）≦μの関係が成り立つように前記角度θの上限値を設定するとともに、
   前記角度θの下限値を１１°に設定したことを特徴とするクラッチ機構。

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