JP6621800B2 - トルクリミッタ - Google Patents

Description

本発明は、相対的に回転可能な内輪及び外輪と、両者の間に装着されるコイルばねとを備え、内輪と外輪とを相対的に回転させる回転トルクが所定値より大きいと、コイルばねによる摩擦力に打ち勝って外輪と内輪とが相対的に回転するトルクリミッタに関するものである。

プリンタや複写機においては、上下方向に積層された用紙群から用紙を一枚ずつ給紙するための給紙装置が使用される。このような給紙装置にあっては、静電気のような微小相互吸着力によって複数の用紙が上下に吸着した重層状態で用紙群から用紙が取り出され、重層状態のまま用紙がプリンタや複写機の本体部に給紙されてしまうことがあり、これを回避するため、給紙装置には通常トルクリミッタが装着されている。

トルクリミッタを用いる給紙装置の一例として、特許文献１に開示されたものを図５に示す。給紙装置Ｓは、モーターのような適宜の駆動源に接続されて回転する駆動ローラーＫＲと、この駆動ローラーＫＲの回転軸と平行であって且つこの駆動ローラーＫＲの回転に従動して回転する従動ローラーＪＲと、用紙群を支持する用紙トレーＰＴとを有する。駆動ローラーＫＲと従動ローラーＪＲの表面は共に比較的摩擦係数が高く弾力性のある樹脂製素材で覆われており、駆動ローラーＫＲと従動ローラーＪＲとは、ばねのような適宜の付勢手段によって密着されている。そして、従動ローラーＪＲにはトルクリミッタＴＬが組み込まれている。

積層された用紙群から給紙装置に用紙が一枚のみ給紙される場合においては、図５（ａ）に示すとおり、積層された用紙群の上面に位置する用紙と駆動ローラーＫＲとの表面摩擦力によって送り出された一枚の用紙Ｐが給紙装置Ｓに給紙され、駆動ローラーＫＲと従動ローラーＪＲに密接される。そして、反時計方向に回転する駆動ローラーＫＲと用紙Ｐの上面との摩擦力によって、用紙Ｐは駆動ローラーＫＲの回転方向に送り出され、従動ローラーＪＲは用紙Ｐを介して伝達される上記摩擦力によって時計方向に所定値より大きい回転トルクが付加されて従動回転する。
一方、用紙群から給紙装置に用紙が上下に重層された状態で給紙される場合においては、図５（ｂ）に示すとおり、重層された用紙Ｐ１及びＰ２は重層状態のまま駆動ローラーＫＲの摩擦力によって給紙装置Ｓに給紙され、上側の用紙Ｐ１の上面には駆動ローラーＫＲが密接されると共に下側の用紙Ｐ２の下面には従動ローラーＪＲが密接される。そして、反時計方向に回転する駆動ローラーＫＲと上側の用紙Ｐ１との摩擦力によって上側の用紙Ｐ１は駆動ローラーＫＲの回転方向に送り出されようとする。しかしながら、上側の用紙Ｐ１と下側の用紙Ｐ２とは上記摩擦力に比べて小さい微小相互吸着力によって吸着しているにすぎず、上側の用紙Ｐ１に上記摩擦力が付加されると上側の用紙Ｐ１は下側の用紙Ｐ２から剥離され、上側の用紙Ｐ１と下側の用紙Ｐ２との間には滑りが生じる。そのため、従動ローラーＪＲには下側の用紙Ｐ２を介して所定値以下の比較的小さい回転トルクが付加されることとなる。かかる場合にあっては、従動ローラーＪＲはトルクリミッタＴＬによってその回転がロックされる。従動ローラーＪＲがロックすると、プリンタや複写機は運転を休止すると共に使用者に用紙が重層状態であることを報知し、重層した用紙の除去を促す。

トルクリミッタは、給紙装置に限らず、駆動源のモーター等に過負荷が掛かったときに負荷を切り離してモーターを保護する部品としても用いられる。トルクリミッタとしては、例えば、特許文献２に記載された摩擦式のトルクリミッタが知られており、これの概要について図６を参照して説明する。
摩擦式のトルクリミッタは、軸状の内輪Ｎと、この内輪Ｎの外周面に一部が接触して装着され、摩擦力を付与するコイルばねＢと、このコイルばねＢが装着された上記内輪Ｎが挿入される筒状の外輪Ｇとを備えている。内輪Ｎは円筒形状であって、その外径は、自由状態（ばねに力が作用していない状態）におけるコイルばねＢの接触部の径（図６の右側部分の径）よりも大きい。コイルばねＢは、線材を巻回して形成され、その中心軸方向の先端には中心軸方向に延びる係合部Ｋ１が形成されていると共に、外輪Ｇの内側にはこの係合部Ｋ１と係合する被係合部Ｋ２が形成されている。なお、図６のコイルばねＢには、内輪Ｎと接触しない大径部（図６の左側部分）が設けられているが、この部分は、トルクリミッタの基本的な機能には影響しない。

特開２００８−２７４９７９号公報 特開２００６−３０７９３４号公報

上述のとおり、図６に示すような摩擦式のトルクリミッタにおいては、内輪Ｎと外輪Ｇとを相対的に回転させる中心軸ｏ周りの回転トルク（コイルばねＢの内輪Ｎへの巻き付けを緩める方向に作用する回転トルク）が、内輪Ｎの外周面とコイルばねＢとの内周面との間で生じる摩擦力よりも大きいときに、外輪Ｇと内輪Ｎとが相対的に回転して動力伝達が遮断される。例えば、内輪Ｎを駆動源のモーターに連結し外輪Ｇを負荷側に連結している場合には、相対的な回転によりモーターから負荷への最大の伝達トルク（空転トルク）が制限されるが、この際に、以下のような問題点がある。

空転トルクは、内輪Ｎの外周面とコイルばねＢの内周面との間の摩擦力Ｆに、コイルばねＢの内径Ｒを乗じた値（ＦＲ）に比例する。ここで、コイルばねＢが接触する内輪Ｎの円周長さも内径Ｒに比例するから、コイルばねＢが小径となるにつれて空転トルクは非常に小さくなる。小径のコイルばねＢを用いて同一の空転トルクとするには、摩擦力Ｆを発生させるコイルばねＢの締付力を大きくする必要があり、必然的にコイルばねＢの応力が増加して許容応力を越える恐れが生じる。したがって、コイルばねＢの小径化による摩擦式トルクリミッタの小型化には限界がある。
空転トルクを充分に大きくするために、複数個のコイルばねＢを内輪Ｎと外輪Ｇとの間に装着することも考えられるが、この場合にはトルクリミッタの製造及び組み立て作業の効率が悪化すると共に、トルクリミッタが大型化してしまう。
本発明は、コイルばねを有する摩擦式のトルクリミッタにおける、このような問題点を解決することを課題とする。

上記の課題に鑑み、本発明は、摩擦式のトルクリミッタのコイルばねを、軸方向の中央に外輪と係合する係合部を設けると共にこの係合部の両側に線材を巻回することにより形成し、この両側の線材を、軸方向の一方から見て反対方向に巻回するようにしたものである。すなわち、本発明は、
「軸状の内輪と、前記内輪の外周面に接触して装着され、線材を巻回して形成されるコイルばねと、前記コイルばねの装着された前記内輪が挿入される筒状の外輪とを備え、
前記内輪と前記外輪とは共通の中心軸を有し、前記コイルばねは、自由状態における内径が装着される前記内輪の外周面の径よりも小さく、かつ、潤滑剤が塗布されて前記外輪に相対回転不能に係合されており、
前記内輪と前記外輪とを相対的に回転させる前記中心軸周りの回転トルクが付加されたときは、前記回転トルクが所定値より大きい場合に、前記コイルばねと前記内輪との間の摩擦力に打ち勝って前記外輪と前記内輪とが相対的に回転するトルクリミッタであって、
前記コイルばねは、前記外輪と係合する係合部を備え、前記係合部の軸方向の両側に線材が巻回されており、前記両側の線材は、軸方向の一方から見て反対方向に巻回されている」
ことを特徴とするトルクリミッタとなっている。

本発明の摩擦式トルクリミッタは、線材を巻回して形成され、軸状の内輪の外周面に接触して装着されるコイルばねと、これらが挿入される筒状の外輪とを備える。内輪と外輪とは共通の中心軸を有し、コイルばねは外輪と相対回転不能に係合されており、内輪と外輪との間の回転トルクが所定値より大きい場合に、コイルばねと内輪との間の摩擦力に打ち勝って外輪と内輪とが相対的に回転する。トルクリミッタとしてのこうした基本的な構造及び機能は、従来のものと変わるわけではないが、本発明の摩擦式トルクリミッタにおいては、コイルばねを、軸方向の中央に外輪と係合する係合部を設け、この係合部の軸方向の両側で線材を巻回し、両側の線材を、軸方向の一方から見て反対方向に巻回するようにしている。コイルばねを反対方向に巻回したのは、コイルばねの巻き付けを緩める内輪の回転方向が、軸方向の一方から見たときは、係合部の両側に巻回されたコイルばね状の線材で互いに逆となるためである。

本発明のトルクリミッタにあっては、上述のとおり、係合部の両側に反対方向に巻回した線材が備えられ、これらによってコイルばねが形成される。このコイルばねは、外輪と係合する係合部の両側にそれぞれコイルばねを配置したものに相当し、コイルばねが内輪に及ぼす摩擦力は、両側に巻回された線材の摩擦力を合計したものとなる。したがって、摩擦力増大のために締付力を大きくする必要はないので、本発明の摩擦式トルクリミッタでは、コイルばねに発生する応力を増加することなく、大径のトルクリミッタと同等の空転トルクを得ることができる。
また、本発明のトルクリミッタでは、外輪と内輪とを相対的に回転させるトルクは、コイルばねの係合部から、両側に巻回された線材にそれぞれ均等に作用する。そのため、ばねの係合部付近においても、巻回された線材に確実に摩擦力が作用し、トルクリミッタとして安定した性能を発揮させることができる。これに対し、係合部の片側のみで内輪と接触させるコイルばねでは、係合部から離れた線材は内輪と接触するものの、係合部付近では、相対的な回転トルクによって内輪と線材が離れる現象が生じる。

本発明のトルクリミッタのコイルばねにおいて、外輪と係合する係合部を、線材をコの字形状に屈曲して形成したときは、両側に巻回される線材の間に、軸方向に延びる一定長さの直線状の線材が存在することとなる。コイルばねの係合部には、外輪と内輪とを相対的に回転させるトルクによる力が作用するが、その力は直線状の線材部分に分散されて作用するので、外輪との接触部分に及ぼす圧力は小さくなる。そのため、外輪の材料として合成樹脂等の硬度の小さいものを用いた場合であっても、コイルばねとの係合部分が損傷したり摩耗したりする不具合は回避される。
そして、コイルばねの係合部は、外輪と係合する関係上、線材が巻回される部分の巻回円よりも径方向の外方に延びる必要がある。線材に巻回などの加工を施して製造するコイルばねにおいて、係合部を、線材が巻回されたことにより形成された円の接線方向に延びるようにして形成するときは、その部分の加工が容易となる。

本発明のトルクリミッタのコイルばねを、係合部の軸方向の両側で線材を同一数巻回して形成したときは、いわば２個の同一のコイルばね（要素）を背中合わせに配置した構造となる。つまり、係合部に対して対称的な構造となって、内輪に及ぼす摩擦力のバランスなどが良好となり、性能が安定したトルクリミッタを実現できる。

本発明のトルクリミッタの実施例を示す全体図である。 図１に示すトルクリミッタの内輪の単体図である。 図１に示すトルクリミッタの外輪の単体図である。 図１に示すトルクリミッタのコイルばねの単体図である。 トルクリミッタを備えた給紙装置の作動を説明する図である。 従来の摩擦式のトルクリミッタの一例を示す図である。

以下、図面に基づいて、本発明のトルクリミッタについて説明する。図１には、本発明のトルクリミッタの実施例の全体図を示し、その部品の単体図を図２乃至図４に示す。なお、図１は、外輪３とコイルばね４との係合部が分かるよう、外輪３の一部を破断して表したものである。

図１に示すように、全体を符号１で示す本実施例のトルクリミッタは、内輪２と外輪３とコイルばね４とを備えている。内輪２は、コイルばね４を外周に装着した状態で、外輪３の円筒状の空洞部に挿入される。内輪２と外輪３は、共通の中心軸ｏを有し、相対的に回転可能に構成されている。

図１と共に図２を参照して説明すると、内輪２は、中心軸ｏを備えた軸状の部品であって、コイルばね４が装着される大径部２１と、この大径部２１の先端側（便宜上、図の左側を前方、右側を後方とする。）に形成された小径部２２と、大径部２１及び小径部２２の中間に形成されたテーパー部２３とを有する。本実施例では、内輪２は、鋼材を鍛造することにより成形されている。

内輪２の大径部２１は円柱形状であり、小径部２２も全体として円柱形状である。テーパー部２３は、その断面の径が後方端から前方端に向かって次第に小さくなる円錐台形状であり、その後方端は大径部２１に接続され、前方端は小径部２２に接続されている。ここで、大径部２１の径は自由状態のコイルばね４の内径よりも大きく、小径部２２の径は自由状態のコイルばね４の内径よりも小さく設定されており、したがって、テーパー部２３は、その最小径が自由状態のコイルばね４の内径よりも小さく、最大径が自由状態のコイルばね４の内径よりも大きい。このようなテーパー部２３を大径部２１と小径部２２との間に設けることにより、コイルばね４を大径部２１に装着する際に、特殊な治具を用いることなく、内輪２を単に押圧して自由状態のコイルばね４の内径を拡げながら大径部２１に装着することが可能となる。
小径部２２の先端部には、後述する外輪３に形成される内向き突起部が嵌まり込む段付き溝部２４が形成されている。段付き溝部２４は小径部２２の外周面に全周に亘り形成される。大径部２１の後端には円環形状の鍔部２５が形成され、鍔部２５の後端面には、円柱形状の外周の一部が切り欠かれた連結部２６が形成されている。

図１と共に図３を参照して説明すると、外輪３は、中心軸ｏを中心とする筒状部材であって、比較的外径の大きい後方部３１と比較的外径の小さい前方部３２とを有する。本実施例では、外輪３は、例えばポリアセタールなどの熱可塑性樹脂を射出成型することにより成形される。

外輪３の後方部３１の内側には、第１の空洞部３１１が形成されている。第１の空洞部３１１の内径は上述した内輪２の円環形状鍔部２５が収容される程度に大きい。第１の空洞部３１１の前方には、第２の空洞部３１２が形成されている。第２の空洞部３１２は、コイルばね４を装着した状態の内輪２の大径部２１を収容する部分であって、第２の空洞部３１２の内径は第１の空洞部３１１の直径よりも小さい。
そして、後方部３１の周方向における所定角度位置には、後方部３１の後端から軸方向中間位置より幾分前方の位置まで直線状に延在するスリット３３が設けられており、図３の右側面図から分かるとおり、このスリット３３は、後方部３１の内側面から外側面まで垂直方向に形成されている。

外輪３の前方部３２の内側には、円柱形状の第３の空洞部３１３が形成されると共に、第３の空洞部３１３の前方には、全体として円柱形状の第４の空洞部３１４が形成されている。第３の空洞部３１３の内径は内輪２の大径部２１と等しく、また、第４の空洞部３１４の内径は内輪２の小径部２２と等しく設定されている。したがって、これらの空洞部には、内輪２の大径部２１及び小径部２２を隙間なく嵌め込むことができる。そして、第４の空洞部３１４の前方端部における内周面には、内輪２の段付き溝部２４に嵌まり込む内向き突起部３１５が形成されている。
トルクリミッタ１の組み立て時には、予めコイルばね４が装着された内輪２を外輪３の後端側（第１の空洞部３１１側）から挿入する。挿入の際は、コイルばね４の係合部４１と外輪３のスリット３３との周方向位置を整合させて行い、組み立て後には、図１に示すとおり、コイルばね４の係合部４１がスリット３３の端部に突き当たるとともに、内輪２の段付き溝部２４に外輪３の内向き突起部３１５が嵌め込まれる。組み立て時には、コイルばね４にグリースなどの潤滑剤を塗布することが好ましい。

ここで、本発明の摩擦式トルクリミッタの特徴的な構造であるコイルばね４について、図１と共に図４を参照して説明する。金属製のコイルばね４は、一般的なばね鋼等の線材に巻き加工等を施して形成したものであって、外輪３のスリット３３と係合する係合部４１を備え、係合部４１の軸方向の両側に線材Ｌが巻回されている。この両側の線材Ｌは、軸方向の一方から見て反対方向に同一回数巻かれている。すなわち、図４の実施形態おいては、コイルばね４の線材Ｌは、正面図の右方から見て、係合部４１の右側の線材Ｌが時計方向に巻回されている（図４の右側面図参照）が、係合部４１で折り返すようにして、左側の線材Ｌが反時計方向に巻回されている。これにより、図１のようにコイルばね４を内輪２の外周面に装着したときは、内輪２に右方から見て時計方向の回転トルクが作用した場合に、コイルばね４の巻き付けが緩むこととなる。

図４の実施形態のコイルばね４は、一本の線材Ｌを連続的に加工して製造されており、外輪３のスリット３３に係合する係合部４１は、線材Ｌをコの字形状に屈曲することで形成されている。係合部４１には、軸方向に延びる直線部分が存在し、この直線部分が全体的にスリット３３と接触するので、接触部分の圧力を低下することができる。また、係合部４１は、図４の右側面図に示すとおり、線材Ｌが巻回されたことにより形成された円の接線方向上方に延びている。一本の線材Ｌにこのような加工を施して係合部４１を形成することで、係合部４１として追加部品を別途設ける必要がなく、コイルばね４の製造コストを低減させることができる。

次いで、上述の本発明のトルクリミッタの作動について、図１を参照して説明する。
内輪２と外輪３とを相対的に回転させる中心軸ｏの軸周りに所定値よりも大きい回転トルク、つまり空転トルクが、コイルばね４の内輪２への巻き付けを緩める方向に付加されると、コイルばね４の締付力によるコイルばね４と内輪２との間の摩擦力に打ち勝ち、外輪３と内輪２とが相対的に回転する。一方、空転トルク以下であれば、内輪２とコイルばね４との間の摩擦力により、相対的な回転は生じない。
本発明のトルクリミッタ１では、コイルばね４の係合部４１の両側に反対方向に同一数巻回した線材が備えられており、コイルばね４の締付力が内輪２に及ぼす摩擦力は、両側に巻回された線材の摩擦力を合計したものとなる。そのため、従来の摩擦式トルクリミッタのように、係合部の片側に線材を巻回したものと比較すると、コイルばね４の締付力が同一の場合であっても、ほぼ２倍の空転トルクを得ることができる。また、外輪３と内輪２とを相対的に回転させるトルクは、コイルばね４の係合部４１から両側に巻回された線材にそれぞれ均等に作用するため、係合部４１付近においても巻回された線材に確実に摩擦力が作用し、トルクリミッタとして安定した性能を発揮できる。

空転トルク以上のトルクが作用して内輪２と外輪３とが相対的に回転する場合、本発明のトルクリミッタ１では、第３の空洞部３１３の内径は内輪２の大径部２１と等しく、第４の空洞部３１４の内径は内輪２の小径部２２と等しく設定されていて、内輪２と外輪３の回転軸の「ぶれ」が防止される。第２の空洞部３１２内では、コイルばね４の係合部４１の両側に線材Ｌが巻回されており、内輪２が係合部４１の両側で支持されるので、コイルばね４に対する内輪２の回転が円滑になる。さらに、外輪３の突起部３１５が内輪２の先端部の段付き溝部２４に嵌り込むことで、内輪２と外輪３の相対的な軸方向への移動が防止される。

以上、本発明のトルクリミッタの好適な実施形態について詳述した。上記の実施形態においては、内輪を鍛造により製作しているが、焼結やプレス等で製造できるのは言うまでもない。また、コイルばねの係合部を、線材が巻回されたことにより形成された円の接線方向に延びるようにすることに替えて、線材が巻回されたことにより形成された円の法線方向に延びるようにしてもよい。この場合にあっては、外輪に設けられるスリットは径方向に延在することとなる。このように、上記の実施形態を適宜変更することができるのは明らかである。

１：トルクリミッタ
２：内輪
３：外輪
３３：スリット
４：コイルばね
４１：係合部

Claims (4)

1. 軸状の内輪と、前記内輪の外周面に接触して装着され、線材を巻回して形成されるコイルばねと、前記コイルばねの装着された前記内輪が挿入される筒状の外輪とを備え、
   前記内輪と前記外輪とは共通の中心軸を有し、前記コイルばねは、自由状態における内径が装着される前記内輪の外周面の径よりも小さく、かつ、潤滑剤が塗布されて前記外輪に相対回転不能に係合されており、
   前記内輪と前記外輪とを相対的に回転させる前記中心軸周りの回転トルクが付加されたときは、前記回転トルクが所定値より大きい場合に、前記コイルばねと前記内輪との間の摩擦力に打ち勝って前記外輪と前記内輪とが相対的に回転するトルクリミッタであって、
   前記コイルばねは、前記外輪と係合する係合部を備え、前記係合部の軸方向の両側に線材が巻回されており、前記両側の線材は、軸方向の一方から見て反対方向に巻回されている、ことを特徴とするトルクリミッタ。
2. 前記係合部においては、線材がコの字形状に屈曲している、請求項１に記載のトルクリミッタ。
3. 前記係合部は、線材が巻回されたことにより形成された円の接線方向に延びる、請求項２に記載のトルクリミッタ。
4. 前記コイルばねは、前記係合部の両側で同一数巻回されている、請求項１乃至３のいずれかに記載のトルクリミッタ。