JPWO2013133162A1 - クラッチ機構 - Google Patents

Abstract

【課題】 小型化が容易な上、生産性が良好なクラッチ機構を提供する。【解決手段】 出力回転体２０の外周面に、一方側へ向かって収納室内周面１１ａ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、係合子４１，４２を、カム面２１，２３および収納室内周面１１ａに接触するように配置し、入力回転体３０が前記一方側に対する他方側に回転した際に、押圧伝達部３１を係合子４１，４２に当接した後に、同押圧伝達部３１を凹部２２内の周方向端面に当接して出力回転体２０を押動するようにした。【選択図】 図１

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及び遮断を行うクラッチ機構に関し、特に、テープフィーダ等の小型の装置に好適な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、回転軸に外部からトルクを受けると、該回転軸は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、電動ブレーキ装置や、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。
電動ブレーキ装置は、例えば、通電しない状態ではバネの付勢力でブレーキパッドを回転部材に押し当て、該回転部材を拘束し、通電時には前記付勢力に抗する電磁石の電磁力によって前記拘束状態を解除するものがある。
また、逆入力クラッチは、例えば特許文献１に記載される発明のように、係合子を静止側部材と出力側部材との間の楔状部分に食い込ませたり該楔状部分から離脱したりするロック機構を利用して、入力側部材の回転力を出力側部材へ伝達するが、外部から出力側部材に回転力が加わった場合には該出力側部材をロックするようにしたものである。

しかしながら、前者従来技術（電動ブレーキ装置）では、モータの作動中以外にもブレーキ解除中に常に電力を消費するため、エネルギー効率が悪い上、付加されるブレーキ装置によって装置全体が大型してしまう。
また、後者従来技術（逆入力クラッチ）では、ピン（３ｂ１）と該ピンが挿通されるピン孔（２ｂ３）との係合によって回転力を伝達している点や、係合子（２０）を解除方向へ押動するための柱部（３ｃ）を前記ピンとは別体に具備している点等から構造が複雑であるため（特許文献１の図１６〜１８参照）、当該逆入力クラッチの装置サイズを、例えば収納室の内径でφ１２mm程度にまで小型化することは困難であった。また、前記従来の逆入力クラッチでは、前記楔状部分の角度を３〜４．５°と比較的小さくする必要があるため（特許文献１の段落００１２参照）、例えば、二つの係合子（２０）の間を広くして各係合子を小径にした場合には前記角度が大きくなって係合子が楔状部分に食い込まなくなってしまい、このことも、係合子および全体構造の小型化を阻む要因となっている。

特開２００２−１２２１５８号公報

本発明は上記従来事情に鑑みてなされたものであり、その課題は、入力側の回転力を出力側へ伝達するが、外部から出力側に回転力が加わった場合には出力側の回転を抑制できるのは勿論のこと、省エネルギーであり、小型化が容易で生産性が良好な上、作動性が良好で、耐久性にも優れたクラッチ機構を提供することである。

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、入力側の回転力を出力側へ伝達するが、外部から出力側に回転力が加わった場合には出力側の回転を抑制できるのは勿論のこと、電源を必要としないため省エネルギーであり、且つより適切なかたちで係合子を配置できることなどにより、小型化が容易で生産性が良好な上、作動性が良好で耐久性にも優れている。

本発明に係るクラッチ機構の一例を示す構造図である。 同クラッチ機構の構造を示す側断面図である。 同クラッチ機構の動作説明図である。 収納室内周面と係合子とカム面との関係を示す模式図である。 係合子と出力回転体の関係を示す模式図である。

本発明を実施するために第一の形態では、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。
この形態によれば、出力回転体に、外部から前記一方側に対する他方側（逆方向側）への回転力が加わると、前記他方側へ回転しようとする出力回転体のカム面と収納室内周面との間に係合子が強く押し付けられ、出力回転体の前記他方向への回転が阻まれる。
また、入力回転体に、前記他方側の回転力が加わった場合には、入力回転体の押圧伝達部が係合子に当接することで、係合子とカム面との摩擦、および係合子と収納室内周面との摩擦が小さくなり、その後で、押圧伝達部が凹部内の周方向端面に当接して出力回転体を押動するため、出力回転体が前記他方側へスムーズに回転する。

また、第二の形態では、さらに小型化をはかり生産性を向上する具体例として、第一の形態において、前記押圧伝達部は、前記凹部内の周方向端面に当接する当接面を、前記凹部内から凹部外へわたって径方向へ連続するように形成している。

また、第三の形態では、第一又は第二の形態において、前記カム面は、周方向に湾曲する凸曲面状に形成されている。
この形態によれば、カム面を周方向に湾曲する凸曲面状に形成したため、収納室の内周面と係合子との接線と、係合子とカム面との接線とがなす角度を適切に設定できるため、係合子を楔の奥側に寄せるようにして配置することによって、クラッチ機構全体の構造を小型化することが可能となる。
つまり、楔状部分の角度を小さくする必要がある従来の逆入力クラッチと同サイズの機構で比較した場合において、入出力軸の径方向に、より大きな係合子を組み込むことができる。すなわち、同サイズの係合子を使用して従来の構成と本形態とを比較する場合、本形態の方がクラッチ機構全体を入出力軸の径方向に小型化することが可能となる。

また、第四の形態では、係合子の動作性を向上するとともに係合子による係脱作用をより良好に得るために、第三の形態において、前記係合子は、円柱状又は球状に形成され、前記カム面は、前記収納室の内周面半径から前記係合子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ている。

また、第五の形態では、係合子による係脱作用をいっそう良好に得るために、第一乃至四の何れかの形態において、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した。

また、第六の形態では、第一乃至五の何れかの形態において、前記付勢部材は、前記出力回転体に固定された止着部と、該止着部から延設されて前記係合子を押圧する押圧部とを具備してなる。
例えば、単一の付勢部材を一対の係合子間に挟むようにして設けた場合、付勢部材の押圧面と受け面の双方に係合子が当接すること等に起因して、付勢部材に意図しない力が作用する等、付勢部材の付勢力の伝達が不安定になるおそれがあるが、第七の形態によれば、止着部によって出力回転体に固定されているため、付勢部材の付勢力を安定的に伝達することができる。

また、第七の形態では、一方側と他方側の何れの回転においても同様の作用効果を奏するために、第一乃至六の何れかの形態において、前記係合子は、一対に設けられ、前記付勢部材は、前記一対の係合子を周方向に背反する一方側と他方側へ付勢するように設けられ、前記カム面は、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一方のカム面と、前記他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他方のカム面とを、周方向に複数組設けてなり、前記凹部は、一方のカム面の前記一方側に隣接するとともに、他方のカム面の前記他方側に隣接するように設けられ、前記一対の係合子のうちの一方は、前記一方の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され、その他方は、前記他方の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され、前記押圧伝達部は、前記凹部毎に設けられ、前記入力回転体が前記他方側に回転した際に、前記押圧伝達部を前記一方の係合子に当接した後に、同押圧伝達部を前記凹部内の前記他方側の周方向端面に当接して前記出力回転体を前記他方側へ押動し、前記入力回転体が前記一方側に回転した際には、前記押圧伝達部を前記他方の係合子に当接した後に、同押圧伝達部を前記凹部内の前記一方側の周方向端面に当接して前記出力回転体を前記一方側へ押動するようにした。

なお、上記した一部の形態は、先に記載した形態の構成の一部を含まない独立した発明とすることが可能である。
すなわち、この独立した発明の一つは、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を形成し、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、前記入力回転体を前記係合子に当接した後に、同入力回転体を前記出力回転体に当接して前記出力回転体を押動するようにし、前記カム面は、周方向に湾曲する凸曲面状に形成されていることを特徴とする。
この独立した発明によれば、カム面を周方向に湾曲する凸曲面状に形成したため、収納室の内周面と係合子との接線と、係合子とカム面との接線とがなす角度を適切に設定できる。その結果として、係合子が収納室の内周面とカム面とがなす楔状部分に食い込み易くなるので、係合子を前記楔状部分の奥側へ寄せるようにして小型化することが可能となる。

次に、上述した形態の特に好ましい実施例を、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（I）−（I）線断面である図１および図１の（II）−（II）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、円柱状空間を有する収納室１１を形成した固定部材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と、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。
そして、このクラッチ機構１は、入力回転体３０の外周に噛み合う歯車ｘから、該入力回転体３０に回転力を受けた際に、この回転力を出力回転体２０に伝達して出力回転体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は、その内部に、出力回転体２０、係合子４１，４２および付勢部材５０を収納するための収納室１１を有する。収納室１１は、内周面１１ａにより囲まれた略円柱状空間を確保している。前記内周面１１ａは、凹凸のない円筒内周面状の曲面である。
この固定部材１０は、図２に示される固定板１３を挟んで、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。尚、設計により固定板１３を配置しないで、固定部材１０を前記不動部位に固定することも可能である。図１において、符号１２は、固定部材１０を前記不動部位に固定するための止着孔である。

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の軸方向の一端側（図２によれば右端側）の部分は、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、この一方のカム面２１の前記一方側に隣接する凹部２２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、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設けられる。

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の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との間に配置された凹部であり、詳細には、付勢部材５０を挿通する挿入空間部２５ａと、該挿入部よりも奥側（底側）に形成された底側空間部２５ｂとからなる。
挿入空間部２５ａは、一定幅の空間を形成している。また、底側空間部２５ｂは、挿入空間部２５ａよりも周方向の幅の広い空間を形成している。これら挿入空間部２５ａ及び底側空間部２５ｂは、挿入される付勢部材５０の基端側部分を、容易に引き抜けることのないように固定する。

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り、その外周部には、駆動源側の歯車ｘと噛み合う歯部３２が形成される。
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によれば右端側）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、前記歯部３２に代えて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をより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。

当接面３１ａ，３１ｂの各々は、凹部２２内から凹部２２外へわたって径方向へ連続している。一方の当接面３１ａは、凹部２２における一方の被押圧面２２ａと略平行な平坦面状に形成され、他方の当接面３１ｂは、凹部２２における他方の被押圧面２２ｂと略平行な平坦面状に形成される。
両当接面３１ａ，３１ｂ間の周方向の幅は、出力回転体２０における被押圧面２２ａ，２２ｂ間の周方向の幅よりも若干小さく設定されている。

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で静止している。

付勢部材５０は、長尺平板状のばね材を略Ｙ字状に曲げ成形してなり、出力回転体２０の係止部２５に止着固定された止着部５１と、該止着部５１から二股状に分かれるようにして延設された二つの押圧部５２，５２とからなり、押圧部５２，５２によって一対の係合子４１，４２を引き離すように付勢する。
止着部５１は、出力回転体２０外周の係止部２５における底側空間部２５ｂにならう略円形状の部分と、同係止部２５における挿入空間部２５ａにならう幅狭の平行板状の部分とからなる。
各押圧部５２は、止着部５１から延設されてカム面２１側（又はカム面２３側）へ傾斜し、その傾斜方向の面を、対応する係合子４１（又は係合子４２）の外周面に当接させている。

次に、上記構成のクラッチ機構１について、その特徴的な作用効果を詳細に説明する。
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２１，２３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る。
したがって、出力回転体２０は、一方向（図１によれば時計方向）と他方向（図１によれば反時計方向）の何れにも回転しないように、静止した状態に維持される。

前記状態から、出力回転体２０に、外部から、例えば前記一方向（図１によれば時計方向）の回転力が加わった場合には、前記一方向へ回転しようとする出力回転体２０の他方のカム面２３と収納室内周面１１ａとの間に、他方の係合子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の前記一方向への回転が阻まれる。
同様にして、出力回転体２０に、外部から、例えば前記他方向（図１によれば反時計方向）の回転力が加わった場合には、前記他方向へ回転しようとする出力回転体２０の一方のカム面２１と収納室内周面１１ａとの間に、一方の係合子４１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の前記他方向への回転が阻まれる。

また、例えば、図３に示すように、入力回転体３０に、前記一方向の回転力が加わった場合〔図３（ａ）〕には、入力回転体３０の押圧伝達部３１が、先ず一方の係合子４２に当接する〔図３（ｂ）〕ことで、該係合子４２とカム面２３との摩擦、および該係合子４２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２２ｂに当接して出力回転体２０を押動する〔図３（ｃ）〕ため、出力回転体２０が前記他方向へスムーズに回転する。
また、入力回転体３０に前記一方向の回転力が加わった場合には、図示を省略するが、入力回転体３０の押圧伝達部３１が、先ず他方の係合子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４２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を押動するため、出力回転体２０が前記他方向へスムーズに回転する。

上記のような係合子４１，４２による係脱作用は、各カム面２１，２３と収納室内周面１１ａとの角度を適正に設定することで良好に得ることができる。このため、本実施例では、収納室内周面１１ａと各係合子４１，４２との接線と、各係合子４１，４２と各カム面２１，２３との接線とがなす角度をθとし、収納室内周面１１ａと各係合子４１，４２との静摩擦係数と、各係合子４１，４２と各カム面２１，２３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、sinθ／（cosθ＋１）≦μの関係が成り立つようにしている。以下に、このことについて詳細に説明する。

なお、以下の説明では、他方の係合子４２及び他方のカム面２３を用いた説明としているが、一方の係合子４１及び一方のカム面２１についても、左右対称が対象となって同様に作用するのは勿論である。

図４および図５は、収納室内周面１１ａと係合子４２とカム面２３との関係を示す模式図である。
図５中、ｙ軸は、一対の係合子４１，４２について、図上で出力回転体２０の右回転を係止する係合子４２を左側、左回転を係止する係合子４１を右側に配置されるように見たときに、これら左右の係合子４２，４１の中間線であって、且つ出力回転体２０の中心点Ｏを通る直線とする。ｘ軸は、ｙ軸に直交し、且つ出力回転体２０の中心点Ｏを通る直線とする。

また、図４〜５中及び数式中の記号の意味は、次の通りである。
Ａ：係合子４２と収納室内周面１１ａとの接線（図４参照）
Ｂ：係合子４２とカム面２３との接線
ｈ：ｘ軸から、係合子４２と出力回転体２０の接触点までの高さ（図５参照）
Ｌ：モーメントアーム（出力回転体２０の中心Ｏと、出力回転体２０が係合子４２から受ける荷重の作用線との最短距離）
Ｌ_POFF：出力回転体２０の中心Ｏから、出力回転体２０が係合子４２から受ける荷重の作用線とｙ軸との交点までの距離
Ｌ_OFF：出力回転体２０の中心Ｏから、係合子４２の接触点位置での法線とｙ軸との交点までの距離
Ｐ：係合子４２がカム面２３から受ける荷重（図４参照）
Ｐ_ｓ：係合子４２が付勢部材５０から受ける荷重
Ｒ_１：係合子４２が収納室内周面１１ａから受ける荷重
Ｒ_２：収納室内周面１１ａと係合子４２の摩擦力
Ｒ_ｐ：係合子４２とカム面２３の摩擦力
ｒ：係合子４２と出力回転体２０の接触点から、その接触点位置での法線とy軸が交わる点までの距離（図５参照）
θ：係合子４２と収納室内周面１１ａとの接線Ａと、係合子４２と他方のカム面２３との接線Ｂとの角度（図４参照）
θ_１：係合子４２と収納室内周面１１ａとの接線Ａと、ｘ軸との角度
θ_２：係合子４２と他方のカム面２３との接線Ｂと、ｘ軸との角度
θ_POFF：出力回転体２０が係合子４２から受ける荷重の作用線とｙ軸との角度（図５参照）
α：定数
μ：収納室内周面１１ａと係合子４２との静摩擦係数と、係合子４２とカム面２３との静摩擦係数のうち、何れか小さい方の静摩擦係数

先ず、保持トルクを発生させる係合子４２周辺の力の静バランスを考える。前提条件として、係合子４２は回転しないで滑り、付勢部材５０からの荷重は一定で、付勢部材５０と係合子４２との摩擦は無視できるものとし、収納室内周面１１ａ、カム面２３及び係合子４２は、弾性変形しないものとする。

係合子４２は回転せず、付勢部材５０との接触部の摩擦は無視できることから、係合子４２中心のモーメントのつり合いから、
Ｒ_ｐ＝Ｒ_２ ・・・・・（１）

x方向、y方向それぞれの力の静バランスより、
-P_s-Psinθ₂-R_Pcosθ₂+R₁sinθ₁-R₂cosθ₁=0
Pcosθ₂-R_Psinθ₂-R₁cosθ₁-R₂sinθ₁=0 ・・・・・（２）

（２）式に（１）式を代入し、
R₁sinθ₁-R₂(cosθ₁+cosθ₂)=P_s+Psinθ₂
R₁cosθ₁+R₂(sinθ₁+sinθ₂)=Pcosθ₂ ・・・・・（３）

ここで、係合子４２がすべらないぎりぎりの荷重が負荷された場合を想定すると、
R₂=μR₁ ・・・・・（４）

（３）式に（４）式を代入し、
R₁(sinθ₁-μ(cosθ₁+cosθ₂))=P_s+Psinθ₂
R₁(cosθ₁+μ(sinθ₁+sinθ₂))=Pcosθ₂ ・・・・・（５）

辺々をそれぞれ除し、
{sinθ₁-μ(cosθ₁+cosθ₂)}／{cosθ₁+μ(sinθ₁+sinθ₂)}=(P_s+Psinθ₂)／Pcosθ₂

簡単のため、構造が決まれば定数となる左辺をαと置く。
{sinθ₁-μ(cosθ₁+cosθ₂)}／{cosθ₁+μ(sinθ₁+sinθ₂)}＝α
α＝（P_s+Psinθ₂）／Ｐcosθ₂

Pについて解くと、
P=P_s/(αcosθ_２−sinθ_２) ・・・・・（６）

係合子４２からの反力が出力回転体２０に及ぼすトルクは、３ヶ所の係合子４２が同時に接触する場合、
T=3Lsqrt(P^２+R_P ^２) ・・・・・（７）
（なお、sqrt()は平方根を表す。）

ここで、モーメントアームLは、
L=L_POFFsinθ_POFF ・・・・・（８）

θ_POFFは係合子４２と出力回転体２０接触面の角度θ₂に、P、R_P合力角度を加算したものであるから、
θ_POFF=θ₂+Tan^-1(R_P/P) ・・・・・（９）

また、出力回転体２０の中心Ｏを通るｘ軸から、係合子４２と出力回転体２０の接触点までの高さをh、係合子４２と出力回転体２０の接触点から、その法線とy軸が交わる点までの距離をrとすると、以下の式が成り立つ。
rsinθ₂=(L_POFF+h)tanθ_POFF
h=rcosθ₂-L_OFF

上式より、
L_POFF=(rsinθ₂／tanθ_POFF)-rcosθ₂+L_OFF ・・・・・（１０）

以上より、与えられるP_sおよび各構造の寸法、角度および静摩擦係数μから、（６）式、（４）、（５）式を使用してP、R₁、R₂を求め、（７）〜（１０）式で係合子４２が耐えられる最大トルクを算出できる。

ところで、（６）式に注目すると、右辺分母が０に近づくにつれて滑らないぎりぎりの荷重Pは大きくなり続け、やがては無限大に発散する。すなわち、ある条件ではトルクをいくらかけても理論上滑ることはないと言える。

（６）式右辺分母が正の値をとる場合は、有限の荷重で滑り出す。
αcosθ₂-sinθ₂>0

上記以外の条件では、有限の荷重で滑り出すことはない。
αcosθ₂-sinθ₂≦0
ここで、αを元に戻すと、
{sinθ₁-μ(cosθ₁+cosθ₂)}cosθ₂／{cosθ₁+μ(sinθ₁+sinθ₂)}-sinθ₂≦0
これを解くと、
sin(θ₁-θ₂)／{cos(θ₁-θ₂)+1}≦μ ・・・・・（１１）

（１１）式の条件を満たすθ₁、θ₂の組み合わせとすると、いくらトルクをかけても滑らない固定部材１０、係合子４２および出力回転体２０が設計できる。できるだけθ₁とθ₂の角度差がない状態になるように設定することが重要である。

ここで、θ₁-θ₂＝θだから、
sinθ／（cosθ＋１）≦μ ・・・・・（１１）
が成り立つ。

よって、本実施例では、（１１）式を満たすように、角度θを設定することで、係合子４１，４２による係脱作用を良好に得るようにしている。

上記構成のクラッチ機構１によれば、一体状の押圧伝達部３１を凹部２２内外の単一空間に嵌め合せ、押圧伝達部３１における平坦面状の当接面３１ａ，３１ｂを被押圧面２２ａ，２２ｂと係合子４１，４２に順次に当接する構造としているため、柱部や、ピンおよびピン孔等の分離した部材を用いる従来技術と比較し、構造が簡素である。この構造により、小型化が容易な上、生産性も良好であり、異物等に起因する作動不良も生じ難く、耐久性も良好である。

また、カム面２１，２３を、収納室内周面１１ａの半径から係合子４１，４２の直径を減じた値よりも大きな半径の円弧状の凸曲面に形成しているため、収納室内周面１１ａと係合子４１，４２との接線と、係合子４１，４２とカム面２１，２３とがなす角度θを、カム面を平坦状に形成した従来技術と比較して、より広い範囲の中で適切に設定できる。よって、例えば、係合子４１，４２を前記楔状部分の奥側へ寄せるようにして小型化した場合でも、前記角度θを比較的大きく確保して、係合子４１，４２が収納室内周面１１ａとカム面２１，２３とがなす楔状部分に食い込み易い設計にできる。これにより、係合子４１，４２による係脱作用を良好に維持した上で、当該クラッチ機構１全体の小型化が可能となる。
小型化が可能となることについて、より具体的には、従来の構成では実現が困難であった外径φ１２mm以下にまで小型化することを可能とした。

また、付勢部材５０を出力回転体２０に止着される止着部５１と該止着部５１からＹ字状に延設され傾斜する両押圧部５２，５２とから構成し、各押圧部５２の傾斜方向側の面により係合子４１，４２を押圧するようにしているため、一方の係合子４１（又は４２）から付勢部材５０に受ける反力が他方の係合子４２（又は４１）に伝わり難くい。これにより、付勢部材５０に意図しない力が作用することを防ぎ、各押圧部５２の付勢力を安定的に維持することができる。

なお、上記クラッチ機構１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。この構成によれば、出力回転体２０に対し一方向（図１によれば時計方向）の回転力を加えた場合には、各係合子４２が収納室内周面１１ａとカム面２３の間の狭まる楔状部分に押し付けられるため、出力回転体２０の回転を阻止することができる。
また、出力回転体２０に対し他方向（図１によれば反時計方向）の回転力を加えた場合には、各係合子４２が収納室内周面１１ａとカム面２３の間の楔状部分から離れようとし、各係合子４２と収納室内周面１１ａ及びカム面２３との摩擦が小さくなるため、出力回転体２０をスムーズに回転させることができる。
また、入力回転体３０に対し前記一方向の回転力が加わった場合には、押圧伝達部３１が係合子４２に当接した後に凹部２２の被押圧面２２ｂを押圧し、また同入力回転体３０に対し前記他方向の回転力が加わった場合には、押圧伝達部３１が何れの係合子にも当接することなく凹部２２の被押圧面２２ａを押圧するため、何れの回転方向であっても、入力回転体３０の回転力を出力回転体２０へスムーズに伝達することができる。

また、上記クラッチ機構１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、上記クラッチ機構１によれば、出力回転体２０の外周部に、カム面２１，２２、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
５１：止着部
５２：押圧部

Claims (7)

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ことを特徴とするクラッチ機構。
2. 前記押圧伝達部は、前記凹部内の周方向端面に当接する当接面を、前記凹部内から凹部外へわたって径方向へ連続するように形成していることを特徴とする請求項１記載のクラッチ機構。
3. 前記カム面は、周方向に湾曲する凸曲面状に形成されていることを特徴とする請求項２記載のクラッチ機構。
4. 前記係合子は、円柱状又は球状に形成され、
   前記カム面は、前記収納室の内周面半径から前記係合子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ていることを特徴とする請求項３記載のクラッチ機構。
5. 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したことを特徴とする請求項４記載のクラッチ機構。
6. 前記付勢部材は、前記出力回転体に固定された止着部と、該止着部から延設されて前記係合子を押圧する押圧部とを具備してなることを特徴とする請求項５記載のクラッチ機構。
7. 前記係合子は、一対に設けられ、
   前記付勢部材は、前記一対の係合子を周方向に背反する一方側と他方側へ付勢するように設けられ、
   前記カム面は、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一方のカム面と、前記他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他方のカム面とを、周方向に複数組設けてなり、
   前記凹部は、一方のカム面の前記一方側に隣接するとともに、他方のカム面の前記他方側に隣接するように設けられ、
   前記一対の係合子のうちの一方は、前記一方の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され、その他方は、前記他方の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され、
   前記押圧伝達部は、前記凹部毎に設けられ、
   前記入力回転体が前記他方側に回転した際に、前記押圧伝達部を前記一方の係合子に当接した後に、同押圧伝達部を前記凹部内の前記他方側の周方向端面に当接して前記出力回転体を前記他方側へ押動し、
   前記入力回転体が前記一方側に回転した際には、前記押圧伝達部を前記他方の係合子に当接した後に、同押圧伝達部を前記凹部内の前記一方側の周方向端面に当接して前記出力回転体を前記一方側へ押動するようにしたことを特徴とする請求項６記載のクラッチ機構。

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