JP7136457B2 - 噛み合いクラッチ - Google Patents

Description

本開示は、噛み合いクラッチに関する。

従来、２つのクラッチ部材の回転位相差を検出し、係合歯を衝突させることなく噛み合わせるための技術が知られている。例えば、特許文献１には、回転位相差を検出するための光学センサをクラッチ部材の遠方に設置する技術が記載されている。また、同文献では、位相差を検出する手段としてホールセンサを使用し、２つの係合歯に別々のホールセンサを設けたり、２つの係合歯を跨ぐように１つのホールセンサを設けたりして、センサが出力した信号の交流成分に基づいて２つのクラッチ部材の回転位相差を検出する技術が提案されている。

特表２０１３－５１３７６６号公報

ところが、光学センサを用いた従来技術によると、光学センサがクラッチ部材の遠方に設置されているため、クラッチの周辺に大きなスペースを必要とし、センサ装置の搭載性が悪かった。また、ホールセンサを用いた従来技術によると、１つまたは２つのホールセンサが、係合歯を回転方向に通過する磁束を検出しているため、クラッチ部材の回転位相差は検出できるが、クラッチ部材の噛み合い方向の相対位置、例えば、噛み合い完了または未完了の状態を検出できないという問題点があった。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、搭載性に優れたセンサ装置を用いて、２つのクラッチ部材の回転位相差に加えて噛み合い状態を検出することができる噛み合いクラッチを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の噛み合いクラッチは、複数の第１係合歯（１２）が周方向に配列された第１クラッチ部材（１１）と、第１係合歯に解放可能に噛み合う複数の第２係合歯（１４）が周方向に配列された第２クラッチ部材（１２）と、第１クラッチ部材および第２クラッチ部材の少なくとも一方を第１クラッチ部材および第２クラッチ部材の他方に向けて移動させ、第１係合歯および第２係合歯を相互に噛み合わせるアクチュエータ（５）と、第１クラッチ部材および第２クラッチ部材の回転位相差を検出するセンサ装置（６）と、検出された回転位相差に基づいてアクチュエータを制御する制御装置（７）と、を備える。

センサ装置は、回転位相差に応じた強さの磁束（Ｆ１）を第１係合歯および第２係合歯の噛み合い方向に通過させるように形成する磁石（１６）と、第１クラッチ部材および第２クラッチ部材の回転中に磁石の磁束の変化を検出する磁束検出素子（１９）と、を含む。

したがって、本開示の噛み合いクラッチによれば、クラッチ部材を噛み合い方向に通過する磁束の変化に基づき、クラッチ部材の回転位相差に加えて噛み合い状態を検出することが可能である。

第１実施形態を示す噛み合いクラッチの正面図である。 センサ装置の磁石が形成する磁束を示す図１のＩＩ部拡大図である。 クラッチ部材の噛み合い可能および不可状態を示す概略図である。 クラッチ部材の回転位相差および磁束の相関を示す特性図である。 第２実施形態を示す噛み合いクラッチの斜視図である。 係合歯の変形例およびその作用を示す概略図である。

以下、複数の実施形態による噛み合いクラッチを図面に基づいて説明する。なお、複数の実施形態において実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、説明を省略する。また、複数の実施形態において実質的に同一の構成部位は、同一または同様の作用効果を奏する。

＜第１実施形態＞
第１実施形態の噛み合いクラッチ１は、クラッチ軸線Ａが延びる方向（軸方向）に駆動側の第１クラッチ部材１１と従動側の第２クラッチ部材１２とを備えている。第１クラッチ部材１１は動力装置２により第１回転軸（駆動軸）３を介して回転され、第２クラッチ部材１２が第２回転軸（従動軸）４を介して動力装置２の動力を被駆動部材（図示略）に伝達する。第１クラッチ部材１１および第２クラッチ部材１２は、例えば鉄等の磁性体で形成されている。

第１クラッチ部材１１および第２クラッチ部材１２の相対向する端面には、それぞれ複数の第１係合歯１３と第２係合歯１４とがクラッチ部材の全周にわたって形成されている。係合歯１３，１４は、互いに解放可能に噛み合う凹凸形状に形成され、少なくとも一方のクラッチ部材がアクチュエータ５によって他方のクラッチ部材に向けて移動され、係合歯１３，１４が互に噛み合う噛み合い位置と離間する解放位置とに配置される。

クラッチ部材１１，１２の外周近傍には、両方のクラッチ部材１１，１２の回転位相差を検出するためのセンサ装置６が設置されている。センサ装置６は、クラッチ部材１１，１２側に開いたＵ字型またはブリッジ状の磁性体１５を備え、磁性体１５に磁石１６がクラッチ軸線Ａと略平行に保持されている。また、磁性体１５には、磁石１６の両極を磁気的に連結する連結部１８と、磁石１６の一方の極に接する第１磁束誘導部１７１と、磁石１６の他方の極に接する第２磁束誘導部１７２とが設けられている。

図２に示すように、磁石１６は、クラッチ部材１１，１２の回転位相差に応じた強さの磁束Ｆ１をクラッチ部材１１，１２の噛み合い方向へ通過するように形成する。そして、連結部１８が、磁石１６よりもクラッチ部材１１，１２の外方へ離れた位置で磁石１６の両極を連結し、磁束Ｆ１の反対側に補助磁束Ｆ２を形成し、これによって磁束Ｆ１を安定させるようになっている。

一方、第１磁束誘導部１７１は磁束Ｆ１を磁石１６の一方の極（Ｎ極）から第１クラッチ部材１１に誘導し、第２磁束誘導部１７２が磁束Ｆ１を第２クラッチ部材１２から磁石１６の他方の極（Ｓ極）に誘導する。第１磁束誘導部１７１の端面には、ホール素子等の磁束検出素子１９が取り付けられ、クラッチ部材１１，１２の回転中に、磁気検出素子１９が第１磁束誘導部１７１を通過する磁束Ｆ１の変化を検出する。

そして、磁束検出素子１９が制御装置７に接続され、制御装置２が磁束検出素子１９の出力から第１クラッチ部材１１と第２クラッチ部材１２との回転位相差を算出し、算出した回転位相差に基づいて動力装置２およびアクチュエータ５の動作を制御するようになっている。

上記実施形態の噛み合いクラッチ１によると、磁石１６で発生した磁束Ｆ１は磁束誘導部１７１の端部に集束し、クラッチ部材１１，１２の噛み合い方向において第１係合歯１３および第２係合歯１４を通過する。ここで、クラッチ部材１１，１２の隙間に着目すると、図３（ａ）に示すように、クラッチ部材１１，１２が噛み合い可能状態にあるときには、第１係合歯１３の山と第２係合歯１４の谷とが向き合い、係合歯１３，１４の先端面間の軸方向隙間が最大になり、山と山が向き合う面積が最小となる。この状態では、クラッチ部材１１，１２を通過する磁束の強さが最小となるので、アクチュエータ５を動作させて、２つのクラッチ部材１１，１２をスムーズに噛み合わせることが可能である。

一方、図３（ｂ）に示すように、クラッチ部材１１，１２が噛み合い不可状態にあるときには、第１係合歯１３の山と第２係合歯１４の山とが少なくとも部分的に向き合い、係合歯１３，１４の先端面間における軸方向隙間が小さくなり、回転に伴って山と山が向き合う面積が徐々に拡大する。隙間に含まれる空気の透磁率は係合歯１３，１４よりも小さいことから、軸方向の隙間が小さくなるほど、クラッチ部材１１，１２を通過する磁束が強くなり、また、係合歯１３，１４の山と山が向き合う面積が大きくなるほど、クラッチ部材１１，１２を通過する磁束が強くなる。

このように、磁束検出素子１９によって検出される磁束強さは、図４（ａ）に示すように、クラッチ部材１１，１２の回転位相差に応じて変化する。このため、制御装置７は、磁束検出素子１９が出力した磁束の強さに基づいて、２つのクラッチ部材１１，１２の回転位相差を判別可能である。また、図４（ｂ）に示すように、クラッチ部材１１，１２が正しく噛み合わされたときには、係合歯１３，１４の隙間が最小となり、クラッチ部材１１，１２を通過する磁束が最大の一定値を示す。したがって、本実施形態のセンサ装置６によれば、クラッチ部材１１，１２の回転位相差に加えてクラッチ１の噛み合い完了または未完了の状態を検出することも可能である。

ところで、クラッチ部材１１，１２を通過しない磁束の経路の透磁率が、回転位相差による透磁率の変化幅に対して非常に小さい場合は、回転位相差によって透磁率が変化しても、磁石１６が発生した磁束のほとんど全てがクラッチ部材１１，１２を通過し、磁束検出素子１９が検出する磁束変化が非常に小さくなる。逆に、クラッチ部材１１，１２を通過しない磁束経路の透磁率が回転位相差による透磁率の変化幅に対し非常に大きい場合も、磁石１６が発生した磁束のほとんど全てがクラッチ部材１１，１２を通過しなくなり、磁束検出素子１９が検出する磁束変化が非常に小さくなる。

そのため、本実施形態のセンサ装置６では、磁性体１５に連結部１８が設けられ、クラッチ部材１１，１２を通過しない磁束が連結部１８を通過するように案内し、連結部１８の断面積により補助磁束Ｆ２が延びる経路の透磁率を、クラッチ部材１１，１２の回転位相差による透磁率の変化幅と近くなるように調整することで、回転位相差による磁束変化を大きくし、検出精度を安定させることができる。

（作用効果）
以上の構成による噛み合いクラッチ１の作用効果について説明する。上述の通り、本実施形態の噛み合いクラッチ１によれば、クラッチ部材１１，１２を噛み合い方向に通過する磁束の変化に基づき、クラッチ部材１１，１２の回転位相差に加えて噛み合い状態を検出することができる。

センサ装置６は、第１クラッチ部材１１および第２クラッチ部材１２の反対側で磁石１６の両極を連結する連結部１８をさらに含み、第１クラッチ部材１１および第２クラッチ部材１２を通過する磁束を安定させる補助磁束Ｆ２が連結部１８によって形成される。補助磁束Ｆ２は、連結部１８の断面積の大きさによって密度が変化するため、クラッチ部材１１、１２の回転位相差に応じて磁束の強さを調整できる。したがって、噛み合いクラッチ１の用途や設置条件を考慮して適切な大きさのセンサ装置６を設計可能である。

また、センサ装置６は、磁石１６の一方の極から第１クラッチ部材１１に磁束を誘導する第１磁束誘導部１７１と、第２クラッチ部材１２から磁石１６の他方の極に磁束を誘導する第２磁束誘導部１７２とを備え、磁束検出素子１９が第１磁束誘導部１７１または第２磁束誘導部１７２の少なくとも一方を通過する磁束の変化を検出するように構成されている。この構成によれば、磁石１６が形成した磁束を対応関係にある２つの係合歯１３，１４に集束させ、比較的小型の磁石１６を使用してクラッチ部材の回転位相差を精度よく検出可能である。

また、磁束検出素子１９は、噛み合い方向に通過する磁束の変化に基づいてクラッチ部材１１，１２の噛み合い状態を検出する。例えば、第１係合歯１３および第２係合歯２３が隙間なく正しく噛み合ったときに、磁束検出素子１９が最大磁束を示す信号を制御装置７に出力し、制御装置７が噛み合い完了状態を判断したり、磁束検出素子１９が所定時間内に最大磁束を示す信号を出力しなかった場合に、制御装置７が噛み合い不良状態を判断したりするなど、クラッチのアクチュエータ、動力源または警報装置等を多様に制御することが可能になる。

＜第２実施形態＞
次に、第２実施形態を図５に従って説明する。第２実施形態の噛み合いクラッチ１では、外歯式の第１クラッチ部材２１と内歯式の第２クラッチ部材２２とが用いられている。第１クラッチ部材２１は平歯車状に形成され、その外周面に複数の第１係合歯２３がクラッチ部材２１の全周にわたって形成されている。第２クラッチ部材２２はカップ状に形成され、その内周面に複数の第２係合歯２４がクラッチ部材２２の全周にわたって形成されている。

第１係合歯２３および第２係合歯２４は、互いに解放可能に噛み合う凹凸形状に形成されている。そして、第１実施形態と同様に、第１クラッチ部材２１および第２クラッチ部材２２の少なくとも一方をアクチュエータ５（図１参照）によって軸方向に移動させることにより、第１クラッチ部材２１および第２クラッチ部材２２が互いに噛み合う噛み合い状態と、離間する解放状態とに切り替え可能となっている。

センサ装置６の磁性体１５には、第１実施形態と同様に機能する磁石１６、磁束誘導部１７１，１７２、連結部１８および磁束検出素子１９が設けられている。ただし、第１実施形態とは異なり、第１磁束誘導部１７１は外歯式の第１クラッチ部材２１に接続された第１回転軸３に隣接するように配置され、第２磁束誘導部１７２が内歯式の第２クラッチ部材２２の外周面に隣接するように配置されている。そして、第１磁束誘導部１７１の端面に取り付けられた磁束検出素子１９が、クラッチ部材２１，２２の回転位相差に応じて変化する磁束を検出するように構成されている。

上記構成によれば、外歯式の第１クラッチ部材２１において、第１磁束誘導部１７１を第１回転軸３に隣接させ、磁束検出素子１９を第１係合歯２３の凹凸形状による影響を受けない位置に配置することができる。また、内歯式の第２クラッチ部材２２において、第２磁束誘導部１７２を第２クラッチ部材２２との隙間が回転に伴って変化しない位置、つまり、第２クラッチ部材２２の外周面（円筒面）、または第２クラッチ部材２２に接続された第２回転軸４に隣接させることができる。したがって、クラッチ部材２１，２２のどちらも、回転中に磁束誘導部１７１，１７２との間の距離が変動しない位置で、回転位相差を正確に検出することができる。

＜変形例＞
図６に係合歯の変形例を示す。ここでは、２つの係合歯１３，１４のうち少なくとも一方が他方に対して斜めに対向する傾斜面２６を備えている。図示例では、第１係合歯１３の先端面が噛み合い方向と直交する平面に対して傾く傾斜面２６となっていて、傾斜面２６に対向する第２係合歯１４の先端面が前記平面と平行な平坦面２７となっている。傾斜面２６と平坦面２７の組み合わせによれば、クラッチ部材１１，１２の回転数差によって係合歯１３，１４の対向面積が変化するとともに、軸方向の平均距離も変化する。

一方、２つのクラッチ部材１１，１２の間の透磁率は、対向面積だけが変化する場合に直線的に変化するが、これに軸方向の平均距離の変化が加重されると曲線的に変化する。このため、傾斜面２６によって歯間距離が短くなっている側から係合歯１３，１４の対向が始まる場合は、対向初期に透磁率が急に増加し、その後は対向面積が増え、平均距離が遠ざかるため、透磁率が緩やかに増加する。時間に対して透磁率をプロットすると、透磁率の増加時は上に凸となる曲線、透磁率の減少時は下に凸となる曲線が形成される。

同様に、歯間距離が長くなっている側から係合歯１３，１４の対向が始まる場合は、透磁率は、増加時が下に凸となる曲線、減少時が上に凸となる曲線を描いて変化する。よって、この透磁率の変化を時間微分し、１階微分と２階微分との積を求めることで、両方のクラッチ部材１１，１２のどちらの回転数が大きいかを検出することができる。そして、回転数差を小さくするために、どちらのクラッチ部材の回転数を高くするか、あるいは低くするかを制御装置７によって判断することができる。

このように、本開示の噛み合いクラッチ１は、係合歯１３，１４の形状を変更することによって、磁束検出素子１９の出力波形に変化を与えて有用な制御を行うことができる。例えば上記のように、第１係合歯１３および第２係合歯１４の少なくとも一方に、他方の係合歯に対して斜めに対向する傾斜面２６を設けることができる。こうすれば、２つのクラッチ部材１１，１２に回転数差がある場合に、磁束の周期的な変化から回転数差を求めるとともに、傾斜面２６によって出力波形を変化させ、どちらのクラッチ部材１１，１２の回転数が速いかを判断して、回転数差を解消するための制御を行うことができる。

なお、本開示は、上記実施形態および変形例に限定されるものではなく、以下に例示するように、開示の趣旨を逸脱しない範囲で、各部の構成を適宜に変更して実施することも可能である。

（１）第１実施形態および第２実施形態では、それぞれ、アクチュエータ５が第１クラッチ部材１１を第２クラッチ部材１２側に向けて移動させているが、これとは逆に、第２クラッチ部材１２を第１クラッチ部材１１に向けて移動させることも可能である。
（２）第２実施形態では、第１磁束誘導部１７１が第１クラッチ部材２１の回転軸３に隣接するように配置されているが、第２磁束誘導部１７２を第２クラッチ部材２２の回転軸４に隣接するように配置することも可能である。
（３）係合歯の形状は、上記変形例に限定されず、例えば、噛み合いクラッチ１の用途や設置条件に応じて適宜に変更することも可能である。

１・・・噛み合いクラッチ、
５・・・アクチュエータ、６・・・センサ装置、７・・・制御装置、
１１・・・第１クラッチ部材、１２・・・第２クラッチ部材、
１３、２３・・・第１係合歯、１４、２４・・・第２係合歯、
１６・・・磁石、１７１・・・第１磁束誘導部、１７２・・・第２磁束誘導部、
１８・・・連結部、
１９・・・磁束検出素子、
２１・・・内歯式の第１クラッチ部材、２２・・・外歯式の第２クラッチ部材、
Ｆ１・・・磁束、Ｆ２・・・補助磁束。

Claims (6)

1. 複数の第１係合歯（１３、２３）が周方向に配列された第１クラッチ部材（１１、２１）と、
   前記第１係合歯に解放可能に噛み合う複数の第２係合歯（１４、２４）が周方向に配列された第２クラッチ部材（１２、２２）と、
   前記第１クラッチ部材および前記第２クラッチ部材の少なくとも一方を前記第１クラッチ部材および前記第２クラッチ部材の他方に向けて移動させ、前記第１係合歯および前記第２係合歯を相互に噛み合わせるアクチュエータ（５）と、
   前記第１クラッチ部材および前記第２クラッチ部材の回転位相差を検出するセンサ装置（６）と、
   検出された回転位相差に基づいて前記アクチュエータを制御する制御装置（７）と、
   を備え、
   前記センサ装置は、
   前記回転位相差に応じた強さの磁束（Ｆ１）を前記第１係合歯および前記第２係合歯の噛み合い方向へ通過させるように形成する磁石（１６）と、
   前記第１クラッチ部材および前記第２クラッチ部材の回転中に前記磁石の磁束の変化を検出する磁束検出素子（１９）と、を含む噛み合いクラッチ。
2. 前記センサ装置は、前記第１クラッチ部材および前記第２クラッチ部材の反対側で前記磁石の両極を連結する連結部（１８）をさらに含み、
   前記第１クラッチ部材および前記第２クラッチ部材を通過する磁束を安定させる補助磁束（Ｆ２）が前記連結部によって形成される、請求項１に記載の噛み合いクラッチ。
3. 前記センサ装置は、前記磁石の一方の極から前記第１クラッチ部材に磁束を誘導する第１磁束誘導部（１７１）と、前記第２クラッチ部材から前記磁石の他方の極に磁束を誘導する第２磁束誘導部（１７２）と、をさらに含む請求項１または請求項２に記載の噛み合いクラッチ。
4. 前記第１磁束誘導部および前記第２磁束誘導部の少なくとも一方は、対応する前記第１クラッチ部材または前記第２クラッチ部材に接続された回転軸（３、４）に隣接する請求項３に記載の噛み合いクラッチ。
5. 前記磁束検出素子は、前記第１係合歯および前記第２係合歯が噛み合いを完了したときに、前記磁石の磁束の最大値を示す信号を前記制御装置に出力する請求項１～４の何れか一項に記載の噛み合いクラッチ。
6. 前記第１係合歯および前記第２係合歯の少なくとも一方は、前記第１係合歯および前記第２係合歯の他方に対して斜めに対向する傾斜面（２６）を含む請求項１～５の何れか一項に記載の噛み合いクラッチ。

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