JP7294744B2 - 噛み合いクラッチ - Google Patents

Description

本発明は、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、回転位相を検出するための光学センサをクラッチ部材から半径方向へ遠く離して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半径方向遠方に設置されているので、クラッチの周辺に大きなスペースを必要とし、センサ機構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、２つのクラッチ部材の回転位相差は検出できるが、各クラッチ部材の軸方向位置を検出できないため、制御装置が、例えば、噛み合い完了または未完了など、現在のクラッチ状態を判別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、一つの目的は、搭載性に優れたセンサ機構を用いて、２つのクラッチ部材の回転位相に加え軸方向距離を判別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。

本発明の別の目的は、搭載性に優れた光学式のセンサ機構を用いて、２つのクラッチ部材の回転位相差を判別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、本発明の一態様の噛み合いクラッチは、複数の第１係合歯（１３）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クラッチ部材を軸方向へ相対移動させるアクチュエータ（５）と、第１クラッチ部材の回転位相に対応する信号を出力する第１センサ（１５）と、第２クラッチ部材の回転位相および第１クラッチ部材と第２クラッチ部材との間の軸方向距離に対応する信号を出力する第２センサ（１６）と、第１センサおよび第２センサが出力した信号に基づいてアクチュエータを制御する制御装置（６）とを備える。第２センサは、第１クラッチ部材と第２クラッチ部材との間の軸方向距離に対応する信号を出力するストロークセンサであり、該ストロークセンサは、第２クラッチ部材の周方向に設けられた指標部（１７）を走査して、第２クラッチ部材の回転位相に応じた信号を出力する。

上記構成によれば、２つのクラッチ部材の回転位相を第１センサおよび第２センサで別々に検出するので、両方のセンサを軸方向に離して設置し、センサ機構の搭載性を改善できる。また、第２センサが第２クラッチ部材の回転位相に加えて２つのクラッチ部材の軸方向距離を検出するので、制御装置は噛み合い完了または未完了等のクラッチ状態を判別することもできる。

本発明の別の態様の噛み合いクラッチは、複数の第１係合歯（１３）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クラッチ部材を軸方向へ相対移動させるアクチュエータ（５）と、第１クラッチ部材と一体に回転する第１透光部（３３）を備えた第１回転体（３２）と、第２クラッチ部材と一体に回転する第２透光部（３５）を備えた第２回転体（３４）と、第１透光部に向けて光を投射する投光素子（３６）と、第１透光部および第２透光部を挟んで投光素子の反対側に設置された受光素子（３７）と、受光素子が出力した信号に基づいてアクチュエータを制御する制御装置（６）とを備える。第１透光部および第２透光部は、第１回転体および第２回転体の半径方向に対する傾斜角度が相違し、軸方向の投影面上で互いに交差するように形成され、受光素子は第１透光部および第２透光部の交差部（３８）を軸方向に貫通した光を受光して、第１クラッチ部材と第２クラッチ部材との間の回転位相差に対応する信号を出力する。

この構成によれば、投光素子および受光素子を軸方向に配置し、センサ機構の搭載性を改善できるとともに、受光素子からの信号に基づいて制御装置が２つのクラッチ部材の回転位相差を判別し、係合歯同士の衝突を回避するための制御を行うことができる。さらに、回転位相差に加えて軸方向距離を判別できるように、投光素子が拡散光（ＤＬ）を投射し、受光素子が第１透光部および第２透光部を軸方向に貫通した拡散光を受光して、第１クラッチ部材と第２クラッチ部材との間の軸方向距離に対応する信号を出力するように構成することも可能である。この場合、制御装置は、回転位相差および軸方向距離の両方に基づいてより多様な制御を行うことができる。

本発明の第１実施形態を示す噛み合いクラッチの概略図であり、（ａ）は全体的な構成を示し、（ｂ）はストロークセンサの出力を示す。 第１実施形態の変形例を示す噛み合いクラッチの概略図であり、（ａ）はクラッチ噛み合い時を示し、（ｂ）はクラッチ解放時を示す。 本発明の第２実施形態を示す噛み合いクラッチの概略図であり、（ａ）は回転位相差がないときの拡散光を示し、（ｂ）は回転位相差があるときの拡散光を示す。 図３に示した噛み合いクラッチにおいて、（ａ）はクラッチ解放時の拡散光を示し、（ｂ）はクラッチ噛み合い時の拡散光を示す。 第２実施形態の変形例を示す回転体の概略図であり、（ａ）は第１回転体の第１透光部を示し、（ｂ）は第２回転体の第２透光部を示す。 図５に示した２つの回転体の軸方向透視図であり、（ａ）は噛み合い可能状態で透光部の交差位置を示し、（ｂ）は噛み合い不可状態で透光部の交差位置を示す。

以下、本発明の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、各実施形態において、実質的に同一の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。また、各実施形態において実質的に同一の構成要素は、同一または同様の作用効果を奏する。

＜第１実施形態＞
図１（ａ）に示すように、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）に第１クラッチ部材１１と第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、モータ２（例えば、電動化車両のモータジェネレータ）の出力軸３に連結され、第２クラッチ部材１２が動力伝達軸４を介して図示しない被駆動部材（例えば、電動化車両の車軸）に連結されている。

クラッチ部材１１，１２の相対向する端面には、それぞれ複数の第１係合歯１３および第２係合歯１４がクラッチ部材の全周にわたって配列されている。係合歯１３，１４は、相互に解放可能に噛み合う凹凸形状を備えている。そして、クラッチ部材１１，１２は、アクチュエータ５によって軸方向へ相対移動され、係合歯１３，１４が噛み合う係合位置と、係合歯１３，１４が離間する解放位置とに配置される。

なお、電動化車両用の噛み合いクラッチの場合は、第１クラッチ部材１１が軸方向の定位置に配置され、第２クラッチ部材１２がアクチュエータ５により第１クラッチ部材１２に噛み合わされる。また、図示例では、第１クラッチ部材１１がモータ２の出力軸３に直結されているが、第１クラッチ部材１１と出力軸３との間に一つまたは複数の変速ギアを介在させることも可能である。

次に、クラッチ部材１１，１２の回転位相および軸方向距離を検出するためのセンサ機構について説明する。第１実施形態のセンサ機構は、軸方向において、第１クラッチ部材１１側に設置されたレゾルバ１５と、第２クラッチ部材１２側に設置されたストロークセンサ１６とから構成されている。第１センサとしてのレゾルバ１５は、例えば、電動化車両のモータ２に付属する回転角センサであって、出力軸３と一体に回転する第１クラッチ部材１１の回転位相および回転速度を検出可能である。

一方、第２センサとしてのストロークセンサ１６は、第２係合歯１４と反対側において第２クラッチ部材１２の基端テーパ部１２１に軸方向から対向するように設置されている。基端テーパ部１２１には、第２クラッチ部材１２の周方向に複数の指標部１７が等間隔をおいて形成されている。指標部１７は、例えば、凹溝、突起、表面処理部など、第２クラッチ部材１２の回転中にストロークセンサ１６が走査可能な形状で形成されている。

レゾルバ１５およびストロークセンサ１６は、それぞれ制御装置６に電気的に接続されている。クラッチ部材１１，１２の回転中には、レゾルバ１５が第１クラッチ部材１１の回転位相に対応する信号を制御装置６に出力する。また、ストロークセンサ１６は、指標部１７を走査し、第２クラッチ部材１２の回転位相に加えて、２つのクラッチ部材１１，１２の軸方向距離に対応する信号を制御装置６に出力する。

図1（ｂ）は、クラッチ解放時および噛み合い時におけるストロークセンサ１６の出力を比較して示す。クラッチ解放時には、第１クラッチ部材１１と第２クラッチ部材１２との軸方向距離が最大となり、第２クラッチ部材１２がストロークセンサ１６に接近するため、ストロークセンサ１６は、例えば凹溝からなる指標部１７を近距離から走査し、最大値を示す信号を間欠的に出力する。一方、クラッチ噛み合い時には、第１クラッチ部材１１と第２クラッチ部材１２との軸方向距離が最小となり、第２クラッチ部材１２がストロークセンサ１６から最も離間するため、ストロークセンサ１６は、指標部１７を遠距離から走査し、最小値を示す信号を間欠的に出力する。

そして、制御装置６は、レゾルバ１５およびストロークセンサ１６の出力に基づき、例えば、係合歯１３，１４を衝突させることなく、２つのクラッチ部材１１，１２を噛み合わせるための制御を行う。そのために、制御装置６は、レゾルバ１５およびストロークセンサ１６の出力からクラッチ部材１１，１２の回転位相差を求め、その位相差が解消するタイミングを噛み合い可能なタイミングとして設定する。そして、クラッチ１に固有の動作遅れがある場合は、噛み合い可能なタイミングより動作遅れ時間だけ先行するタイミングでアクチュエータ５を作動させる。

また、制御装置６は、ストロークセンサ１６が出力した軸方向距離に対応する信号に基づいて、クラッチ部材１１，１２の噛み合い完了または未完了を含む現在のクラッチ状態を判別することも可能である。例えば、ストロークセンサ１６が所定時間内に既定の軸方向距離を示す信号を出力しなかった場合に、制御装置６は噛み合い不良を判別し、噛み合い不良に対処するための動作指令をモータ２、アクチュエータ５、警報装置（図示略）等に出力する制御を行う。

したがって、第１実施形態の噛み合いクラッチ１によれば、レゾルバ１５およびストロークセンサ１６が軸方向の両側に設置された搭載性のよいセンサ機構を用いて、２つのクラッチ部材１１，１２の間の回転位相差および軸方向距離を検出し、その検出結果に基づいて噛み合いクラッチ１を多様に制御することができる。

＜第１実施形態の変形例＞
図２は、第１実施形態の変形例を示す。この変形例では、第１クラッチ部材１１側の第１センサに、図１と同様のレゾルバ１５が用いられ、第２クラッチ部材１２側の第２センサに、図１のストロークセンサ１６とは異なる回転検出器２１が用いられている。この回転検出器２１は、第２クラッチ部材１２と一体に回転する動力伝達軸４上にロータ２２を備えるとともに、第２クラッチ部材１２の回転中にロータの２２の被検出面２２１を走査する検出部２３を備えている。

ロータ２２の被検出面２２１は、回転方向に楕円や花弁形など周知の回転検出器のロータと同様の形状となっているが、軸方向には半径が単調増加または単調減少する連続的な傾斜面となっている。そして、第２クラッチ部材１２の回転および軸方向移動に伴い、検出部２３と被検出面２２１との間の距離が回転方向および軸方向に変化し、検出部２３が、第２クラッチ部材１２の回転位相および第１クラッチ部材１１と第２クラッチ部材１２との間の軸方向距離に対応する信号を出力する。

図２には、検出部２３が出力する信号の波形が例示されている。図２（ａ）に示すように、クラッチ噛み合い時には、クラッチ部材１１，１２間の軸方向距離が短いため、検出部２３と被検出面２２１との隙間が狭くなり、検出部２３が比較的大きな振幅の信号を出力する。一方、図２（ｂ）に示すように、クラッチ解放時には、クラッチ部材１１，１２間の軸方向距離が長いため、検出部２３と被検出面２２１との隙間が拡大し、検出部２３が比較的小さな振幅の信号を出力する。

したがって、この変形例によれば、制御装置６（図１参照）が、レゾルバ１５および回転検出器２１が出力した信号から２つのクラッチ部材１１，１２の回転位相差を求め、この位相差に基づくタイミングでアクチュエータ５（図１参照）を作動させることで、係合歯１３，１４を衝突させることなくクラッチ部材１１，１２を噛み合わせることができる。また、制御装置６は、回転検出器２１からの信号に基づいてクラッチ部材１１，１２間の軸方向距離を求め、前記実施形態と同様に、噛み合い完了または未完了を含む現在のクラッチ状態を判別することも可能である。その他の構成および作用効果は前記第１実施形態と同様である。

＜第２実施形態＞
次に、第２実施形態を図３、図４に従って説明する。第２実施形態の噛み合いクラッチ３１は、軸方向（図３、図４の上下方向）に配置された一組の投受光素子によって２つのクラッチ部材１１，１２の間の回転位相差および軸方向距離を検出できるように構成されている。

すなわち、この噛み合いクラッチ３１では、第１クラッチ部材１１に円盤状（図５参照）の第１回転体３２が一体回転可能に設けられ、第１回転体３２の全周に複数の第１透孔部３３が等間隔に形成されている。第１回転体３２から軸方向へ離れた位置において、第２クラッチ部材１２には第２回転体３４が一体回転可能に設けられ、その全周に複数の第２透光部３５が形成されている。透孔部３３，３５は、例えば、半径方向に長いスリット状（図５参照）のほか、ドット状に形成することもできる。

第１回転体３２の近傍には、何れか一つの第１透光部３３に向けて拡散光ＤＬを投射する投光素子３６が設置されている。投光素子３６の反対側において、第２回転体３４の近傍には、第１透光部３３および第２透光部３５を軸方向に貫通した拡散光ＤＬを受光する受光素子３７が設置されている。そして、クラッチ部材１１，１２の回転中に、受光素子３７が第１クラッチ部材１１と第２クラッチ部材１２との間の回転位相差および軸方向距離に対応する信号を制御装置６に出力するようになっている。

より具体的には、図３（ａ）に示すように、２つのクラッチ部材１１，１２が同じ位相で回転し、双方間に回転位相差がない場合、つまり噛み合い可能な状態では、受光素子３７がその中心位置（投光素子３６の光軸ＯＡと一致する位置）でスポット状の光Ｌ１を受光する。また、図３（ｂ）に示すように、２つのクラッチ部材１１，１２が異なる位相で回転し、双方間に回転位相差がある場合、つまり噛み合い不可状態では、受光素子３７がその中心から偏った位置でリング状の光Ｌ２を受光する。よって、制御装置６は、受光素子３７から拡散光ＤＬの受光位置に対応する信号を受信し、これに基づいてクラッチ部材１１，１２の回転位相差を求め、双方の噛み合い可能なタイミングを判別することができる。

ところで、拡散光ＤＬには、光の回析により障害物と受光部との間の距離に応じて受光面積を変化させる特性がある。このため、図４（ａ）に示すように、クラッチ解放状態では、クラッチ部材１１，１２が互いに最も離れ、第２回転体３４（障害物）と受光素子３７との間の距離が最短となり、受光素子３７の受光面積（矢印ａで示す範囲の面積）が最小となる。逆に、図４（ｂ）に示すように、クラッチ噛み合い状態では、クラッチ部材１１，１２が互いに最も接近し、第２回転体３４と受光素子３７との間の距離が最長となり、受光素子３７の受光面積（矢印ｂで示す範囲の面積）が最大となる。

よって、制御装置６は、受光素子３７から受光面積に対応する信号を受信し、これに基づいてクラッチ部材１１，１２の間の軸方向距離を推定し、双方の噛み合い完了または未完了を含む現在の噛み合い状態を判別可能となる。したがって、第２実施形態の噛み合いクラッチ３１によれば、一組の投受光素子３６，３７が軸方向に配置された搭載性のよいセンサ機構を用いて、２つのクラッチ部材１１，１２の回転位相差および軸方向距離を検出し、その検出結果に基づいて噛み合いクラッチ３１を多様に制御することができる。

＜第２実施形態の変形例＞
図５および図６は、第２実施形態の変形例を示す。この変形例では、図５（ａ）に示す第１回転体３２および図５（b）に示す第２回転体３４に、それぞれ複数の透孔部３３，３５が全周にわたって等ピッチで形成されている。第１透光部３３は、第１回転体３２の中心に向かって延びるスリット状に形成され、第２透孔部３５が、第１透孔部３３とは異なる角度で延びるスリット状に形成されている。

そして、使用状態では、図６（ａ），（ｂ）に示すように、第１回転体３２および第２回転体３４を軸方向から見たとき、第１透孔部３３と第２透孔部３５とが軸方向の投影面（図5の紙面）上で互いに交差し、投光素子３６からの拡散光ＤＬ（図３、図４参照）が透孔部３３，３５の交差部３８を軸方向に貫通して受光素子３７を照射する。ここで、第１透孔部３３および第２透孔部３５は、図６（ａ）に示すように、２つのクラッチ部材１１，１２が噛み合い可能な回転位相にあるときに、つまり双方間に回転位相差が生じていない状態において、交差部３８がスリット状の透光部３３，３５の長さ方向中央に位置するように予め組み合わされている。

このため、図６（ｂ）に示すように、クラッチ部材１１，１２の噛み合い不可状態では、交差部３８が透光部３３，３５の長さ方向中央から内側または外側に変位し、その交差部３８の位置に応じて拡散光ＤＬの受光位置が変化するので、受光素子３７は２つのクラッチ部材１１，１２の回転位相差に対応した信号を出力可能となる。また、交差部３８と受光素子３７との間の距離に応じて受光面積が変化するので、受光素子３７はクラッチ部材１１，１２の軸方向距離に対応する信号も出力可能である。

さらに、クラッチ部材１１，１２の回転数に差がある場合には、交差部３８が透光部３３，３５の長さ方向へ周期的に移動し、それに応じて拡散光ＤＬを受ける位置も変化する。このため、受光素子３７は、受光位置の変化を示し、それによって交差部３８の移動速度を示すとともに、２つのクラッチ部材１１，１２の回転数差を示す信号を出力可能となる。したがって、この変形例によれば、制御装置６は、クラッチ部材１１，１２の回転位相差、軸方向距離および回転数差に基づいて、前記第２実施形態よりも多様な制御を行うことができる。

なお、本発明は、上記実施形態および変形例に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、各部の形状や構成を適宜変更して実施することも可能である。

1，３１・・・噛み合いクラッチ、５・・・アクチュエータ、６・・・制御装置、
１１・・・第１クラッチ部材、１２・・・第２クラッチ部材、
１３・・・第１係合歯、１４・・・第２係合歯、
１５・・・レゾルバ（第１センサ）、１６・・・ストロークセンサ（第２センサ）、
２１・・・回転検出器（第２センサ）、
３２・・・第１回転体、３３・・・第１透光部、
３４・・・第２回転体、３５・・・第２透光部、
３６・・・投光素子、３７・・・受光素子、３８・・・交差部、ＤＬ・・・拡散光。

Claims (3)

1. 複数の第１係合歯（１３）が周方向に配列された第１クラッチ部材（１１）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）が周方向に配列された第２クラッチ部材（１２）と、
   前記第１クラッチ部材および前記第２クラッチ部材を軸方向へ相対移動させるアクチュエータ（５）と、
   前記第１クラッチ部材の回転位相に対応する信号を出力する第１センサ（１５）と、
   前記第２クラッチ部材の回転位相および前記第１クラッチ部材と前記第２クラッチ部材との間の軸方向距離に対応する信号を出力する第２センサ（１６）と、
   前記第１センサおよび前記第２センサが出力した信号に基づいて前記アクチュエータを制御する制御装置（６）と、
   を備え、
   前記第２センサは、前記第１クラッチ部材と前記第２クラッチ部材との間の軸方向距離に対応する信号を出力するストロークセンサであり、該ストロークセンサは、前記第２クラッチ部材の周方向に設けられた指標部（１７）を走査して、前記第２クラッチ部材の回転位相に応じた信号を出力する噛み合いクラッチ。
2. 複数の第１係合歯（１３）が周方向に配列された第１クラッチ部材（１１）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）が周方向に配列された第２クラッチ部材（１２）と、
   前記第１クラッチ部材および前記第２クラッチ部材を軸方向へ相対移動させるアクチュエータ（５）と、
   前記第１クラッチ部材と一体に回転する第１透光部（３３）を備えた第１回転体（３２）と、
   前記第２クラッチ部材と一体に回転する第２透光部（３５）を備えた第２回転体（３４）と、
   前記第１透光部に向けて光を投射する投光素子（３６）と、
   前記第１透光部および前記第２透光部を挟んで前記投光素子の反対側に設置された受光素子（３７）と、
   前記受光素子が出力した信号に基づいて前記アクチュエータを制御する制御装置（６）と、
   を備え、
   前記第１透光部および前記第２透光部は、前記第１回転体および前記第２回転体の半径方向に対する傾斜角度が相違し、軸方向の投影面上で互いに交差するように形成され、
   前記受光素子は、前記第１透光部および前記第２透光部の交差部（３８）を軸方向に貫通した光を受光して、前記第１クラッチ部材と前記第２クラッチ部材との間の回転位相差に対応する信号を出力する噛み合いクラッチ。
3. 前記投光素子は拡散光（ＤＬ）を投射し、前記受光素子は、前記第１透光部および前記第２透光部を軸方向に貫通した拡散光を受光して、前記第１クラッチ部材と前記第２クラッチ部材との間の軸方向距離に対応する信号を出力する請求項２に記載の噛み合いクラッチ。

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