WO2018052109A1 - 一方向動力伝達機構 - Google Patents

Abstract

【課題】一方向動力伝達機構において、許容トルクを大きく確保するとともに薄型化する。 【解決手段】本発明は、入力回転体（３０）が回転した際に、押圧伝達部（３１）を係合子（４１，４２）に当接させた後に凹部（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一方向動力伝達機構であって、係合子（４１，４２）は、第１の接触面（Ｐ１）を、収納室（１１）の内周面（１１ａ）とカム面（２１，２３）との双方に接触する仮想円よりも曲率が小さく、且つ収納室（１１）の内周面（１１ａ）の曲率と同等以上の曲率の凸曲面に形成した、一方向動力伝達装置に関する。

Description

一方向動力伝達機構

　本発明は、入力回転体から出力回転体へ回転力を伝達するが、その逆方向へは回転力を伝達しないようにした一方向動力伝達機構に関するものである。

　通常のモータは、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。
　このため、前記モータを例えばロボットの把持機構等に用いた場合、物体を把持した後、その把持状態を維持するために、電力を供給し続けなくてはならない。
　また、例えばテープフィーダユニット等では、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くことが求められる。

　そこで、無通電状態で出力側からの回転力の入力を阻む装置として、特許文献１に記載された発明がある。
　この発明は、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円柱状の係合子（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、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、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ている。なお、括弧内の数値は、特許文献１に用いられた符号である。

　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。

国際公開WO2013/133162A1公報

　ところで、前記従来技術では、許容トルクに余裕を持たせるために、円柱状の各係合子（４１，４２）の直径に対しする軸方向の長さの比（アスペクト比）を、１以上に設定するのが好ましい。
　すなわち、円柱状の各係合子（４１，４２）を軸方向へ比較的長く形成することで、各係合子（４１，４２）と収納室（１１）の内周面との接触面圧（ヘルツ応力）、及び各係合子（４１，４２）と各カム面（２１，２３）との接触面圧を小さくして、係合子（４１，４２）の接触面に摩耗や変形を生じるのを防いでいた。
　しかしながら、このような従来構造では、装置全体を軸方向に薄型化しようとした場合、円柱状の各係合子（４１，４２）が軸方向に短くなって、各係合子（４１，４２）の接触面圧が大きくなるため、前記作用効果が得られず、許容トルクが小さくなってしまう。

　このような課題に鑑みて、本発明は、以下の構成を具備するものである。
　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で移動するよう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カム面と、前記カム面の前記一方側に隣接する凹部とが形成され、前記入力回転体には、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が形成され、前記係合子は、前記収納室の内周面に接触する第１の接触面と、前記カム面に接触する第２の接触面とを有するように配置され、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させた後に、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一方向動力伝達機構であって、前記係合子は、前記第１の接触面を、前記収納室の内周面と前記カム面との双方に接触する仮想円よりも曲率が小さく、且つ前記収納室の内周面の曲率と同等以上の曲率の凸曲面に形成していることを特徴とする一方向動力伝達機構。

　本発明は、以上説明したように構成されているので、許容トルクを比較的大きく確保することができるとともに、装置全体を軸方向に薄型化することができる。

本発明に係る一方向動力伝達機構の一例を出力側から視た図である。 図１におけるＡ－Ａ線に沿う断面図である。 図２におけるＢ－Ｂ線に沿う断面図である。 図３の要部を拡大して示す図である。 本発明に係る一方向動力伝達機構の他例を示す要部断面図である。 図５の要部を拡大して示す図である。 曲率半径とヘルツ応力の比との関係を示すグラフである。

　本実施の形態の第１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で移動するよう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カム面と、前記カム面の前記一方側に隣接する凹部とが形成され、前記入力回転体には、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が形成され、前記係合子は、前記収納室の内周面に接触する第１の接触面と、前記カム面に接触する第２の接触面とを有するように配置され、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させた後に、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一方向動力伝達機構であって、前記係合子は、前記第１の接触面を、前記収納室の内周面と前記カム面との双方に接触する仮想円よりも曲率が小さく、且つ前記収納室の内周面の曲率と同等以上の曲率の凸曲面に形成している（図４及び図６参照）。
　ここで、前記「同等以上」とは、同等、又は同等よりも大きいことを意味する。
　また、前記一方向動力伝達機構における「一方向」とは、入力側から出力側へ動力が伝達される方向を意味する。

　第２の特徴として、より許容トルクを増大するために、前記係合子は、前記第２の接触面を、前記収納室の内周面と前記カム面との双方に接触する仮想円よりも曲率が小さく、且つ前記カム面の曲率と同等以上の曲率の面に形成している（図４及び図６参照）。

　第４の特徴は、好ましい具体的態様として、前記カム面を平面にした（図４及び図６参照）。

　第５の特徴は、好ましい具体的態様として、前記第２接触面を平面にした（図６参照）。

　第６の特徴は、好ましい具体的態様として、前記付勢部材が、前記係合子を前記一方側へ押圧するように設けられ、前記係合子は、前記付勢部材によって押圧される面を、その押圧方向に交差する平面に形成している（図４及び図６参照）。

　第７の特徴は、好ましい具体的態様として、前記係合子が、前記押圧伝達部によって当接される被当接面を、その当接方向に交差する平面に形成している（図４及び図６参照）。

　第８の特徴は、好ましい具体的態様として、前記係合子が、前記一方向へゆくにしたがって、前記収納室の径方向に沿う寸法を狭めるように形成されている（図４及び図６参照）。

＜第１の実施態様＞
　次に、上記特徴を有する具体的な実施態様について、図面に基づいて詳細に説明する。

　この一方向動力伝達機構１は、図１～図４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と、収納室１１の内周面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３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３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、この一方向動力伝達機構１は、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は、図示しない不動部位に、回転不能に固定される部材であり、図２に示す一例によれば、出力側に底壁１２を有する有底筒状に形成されている。
　この固定部材１０の内周面は、出力側を縮径した段付き円筒状に形成され、その出力寄り部分を縮径部１３、入力寄り部分を収納室１１としている。

　縮径部１３は、円筒状に形成され、ベアリング１４（例えば、滑り軸受）を介して、出力回転体２０と一体の出力軸２４を回転自在に支持している。

　収納室１１は、凹凸のない略真円の内周面１１ａを有する円柱状の空間である。
　この収納室１１内には、図３に示すように、係合子４１，４２、付勢部材５０、及び入力回転体３０の押圧伝達部３１、出力回転体２０等が収納される。

　出力回転体２０は、収納室１１の中心側に同芯状に配置された略円柱状の部材であり、その中心側から前方へ出力軸２４を突出している。出力軸２４は、固定部材１０の底壁１２に挿通され、外部へ露出している（図２参照）。
　なお、この出力回転体２０における軸方向の他端側（図２によれば右端側）には、支持軸２６が突設される。この支持軸２６には、入力回転体３０が回転自在に嵌り合っている。

　出力回転体２０の外周部には、周方向の一方側（図３によれば時計方向側）へ向かって収納室１１の内周面１１ａとの間隔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との間隔を徐々に狭める他方のカム面２３と、カム面２１，２３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）置きに複数組並べ設けられる。

　一方のカム面２１と他方のカム面２３は、左右対称に設けられる。各カム面２１（又は２３）は、凹凸のない平面に形成される。

　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を軸方向へ貫通した空間を形成している。
　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、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柱状の部材である（図２参照）。
　この入力回転体３０は、その出力側の面の中心側に有底円筒状の凹部３４を有し、該凹部３４を、出力回転体２０の支持軸２６に回転自在に嵌め合わせている。
　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、周方向の両端部を、出力回転体２０の被押圧面２２ａ，２２ｂ（図４参照）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としている。

　係合子４１，４２は、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。
　各係合子４１（又は４２）は、収納室１１の内周面１１ａに接触する第１の接触面Ｐ１と、カム面２１（又は２３）に接触する第２の接触面Ｐ２とを有する。

　一方の係合子４１は、第１の接触面Ｐ１を、収納室１１の内周面１１ａと対向するカム面２１との双方に接触する仮想真円よりも曲率が小さく、且つ内周面１１ａよりも曲率の大きい凸曲面状に形成している。
　さらに、この係合子４１は、第２の接触面Ｐ２を、収納室１１の内周面１１ａと対向するカム面２１との双方に接触する仮想真円よりも曲率が小さく、且つカム面２１よりも曲率の大きい凸曲面状に形成している。

　同様に、他方の係合子４２は、第１の接触面Ｐ１を、収納室１１の内周面１１ａと対向するカム面２１との双方に接触する仮想真円よりも曲率が小さく、且つ内周面１１ａよりも曲率の大きい凸曲面状に形成している。
　さらに、この係合子４２は、第２の接触面Ｐ２を、収納室１１の内周面１１ａと対向するカム面２１との双方に接触する仮想真円よりも曲率が小さく、且つカム面２３よりも曲率の大きい凸曲面状に形成している。

　また、各係合子４１（又は４２）において、押圧伝達部３１の当接面３１ａ（又は３１ｂ）によって当接される被当接面Ｐ３は、その当接方向に交差する平面に形成される。
　また、図示例によれば、各係合子４１（又は４２）において、付勢部材５０によって押圧される被押圧面Ｐ４は、その押圧方向に交差する平面に形成される。

　また、一方の係合子４１は、時計方向に行くにしたがって、収納室１１の径方向に沿う寸法Ｗ（図４参照）を狭めている。
　同様に、他方の係合子４２も、反時計方向に行くにしたがって、収納室１１の径方向に沿う寸法Ｗを狭めている。

　そして、各係合子４１（又は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内側へ周方向に沿って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てなり、その曲げ部分が出力回転体２０の係止部２５に嵌合固定されている。
　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の被押圧面Ｐ４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、径方向の接触部分における曲率とヘルツ応力の関係について説明する。
　図７のグラフは、曲率半径の比（Ｒｒａｔｉｏ）とヘルツ応力（Ｐ／Ｐｒｅｆ）の比の関係を示す。
　凸面円筒曲率半径（例えば、第１の接触面P１の半径）をＲ1、凹面円筒曲率半径（例えば、内周面１１aの半径）をＲ２とすると（図４参照）、
　これら曲率半径Ｒ１，Ｒ２の比は、Ｒｒａｔｉｏ＝Ｒ１／Ｒ２　・・・（１）
　にて計算される。

　Ｒ１とＲ２におけるヘルツ応力をＰとし、
　Ｒ１と平面におけるヘルツ応力をＰＲＥＦとし、
　ＰＲＥＦを基準とした時のヘルツ応力の比をＰ／ＰＲＥＦとすると、
　これら二種類のヘルツ応力の比は、Ｐ／ＰＲＥＦ＝（１－Ｒｒａｔｉｏ）１／２　・・・（２）
　にて計算される。
　（２）式による計算値をプロットすれば、図７のグラフになる。

　上記計算式及び図７より、曲率半径の比（Ｒｒａｔｉｏ）が大きいほど、ＰＲＥＦを基準とした時のヘルツ応力の比（Ｐ／ＰＲＥＦ）は、小さくなることがわかる。
　本実施態様は、この関係に基づき、収納室１１の内周面１１ａの曲率、各係合子４１（又は４２）における第１の接触面Ｐ１と第２の接触面Ｐ２の曲率、及びカム面２１（又は２３）等を適宜に設定している。

　よって、上記構成の一方向動力伝達機構１によれば、係合子を略真円の円筒状や球状に形成した場合と比較し、各係合子４１（又は４２）と収納室１１の内周面１１ａとの接触面圧（ヘルツ応力）、及び各係合子４１（又は４２）と各カム面２１（又は２３）との接触面圧を低減することができる。
　すなわち、各係合子４１（又は４２）が内周面１１ａやカム面２１，２３押圧されて、弾性変形した場合に、その弾性変形状態での接触面積は、係合子が円筒状や球状である場合よりも広くなる。このため、第１の接触面Ｐ１と第２の接触面Ｐ２における単位面積当たりの面圧は、係合子が円筒状や球状である場合よりも小さくなる。

　したがって、上記構成の一方向動力伝達機構１では、係合子を略真円の円筒状や球状に形成した場合と比較し、許容トルクを大きくすることができ、さらには、一方向動力伝達機構１における収納室１１の直径に対する軸方向長さの比（アスペクト比）を、例えば１以下に小さくし、製品全体の薄型化が可能である。

＜第２の実施態様＞
　次に、他の実施態様について説明する。なお、以下に示す実施態様は、上記一方向動力伝達機構１の一部を変更したものであるため、主にその変更部分について詳述し、上記一方向動力伝達機構１と同一の部分については、同一の符号を用いるとともに重複する詳細説明を省略する。

　図５及び図６に示す一方向動力伝達機構２は、上記一方向動力伝達機構１に対し、係合子４１，４２を係合子４１’，４２’に変更し、出力回転体２０を出力回転体２０’に変更したものである。

　一方の係合子４１’は、収納室１１の内周面１１ａに接触する第１の接触面Ｐ１を、上記係合子４１と同様の凸曲面状に形成し、且つ、出力回転体２０’のカム面２１’に接触する第２の接触面Ｐ２を、平面（換言すれば、曲率が無限大の面）に形成している。

　同様に、他方の係合子４２’も、収納室１１の内周面１１ａに接触する第１の接触面Ｐ１を、上記係合子４２と同様の凸曲面状に形成し、且つ、出力回転体２０’のカム面２３’に接触する第２の接触面Ｐ２を、平面に形成している。

　また、カム面２１’，２３’は、それぞれ、係合子４１’，４２’に対し略全面を接触させる平面に形成される。
　すなわち、第２の接触面Ｐ２とカム面２１’，２３’の接触は、平面同士の接触になる。

　よって、上記構成の一方向動力伝達機構２によれば、一方向動力伝達機構１と略同様の作用効果により、第１の接触面Ｐ１及び第２の接触面Ｐ２における接触面圧を低減し、許容トルクを大きくすることができ、さらには製品全体の薄型化が可能である。

＜その他の変形例＞
　なお、上記実施態様によれば、カム面２１，２３，２１’，２３’の各々を平面としたが、他例としては、この各カム面を、第２の接触面Ｐ２よりも曲率が小さい凹曲面とすることも可能である。

　また、上記実施態様によれば、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）のうち、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、上記一方向動力伝達機構１（又は２）から一方の係合子４１（又は４１’）を全て省いた構成とすればよい。

　なお、本発明は上述した実施態様に限定されず、本発明の要旨を変更しない範囲で適宜変更可能である。

　１，２：一方向動力伝達機構
　１０：固定部材
　１１：収納室
　１１ａ：内周面
　２０，２０’：出力回転体
　２１，２１’，２３，２３’：カム面
　２２：凹部
　３０：入力回転体
　３１：押圧伝達部
　４１，４２，４１’，４２’：係合子
　Ｐ１：第１の接触面
　Ｐ２：第２の接触面

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で移動するよう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カム面と、前記カム面の前記一方側に隣接する凹部とが形成され、
   　前記入力回転体には、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が形成され、
   　前記係合子は、前記収納室の内周面に接触する第１の接触面と、前記カム面に接触する第２の接触面とを有するように配置され、
   　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させた後に、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一方向動力伝達機構であって、
   　前記係合子は、前記第１の接触面を、前記収納室の内周面と前記カム面との双方に接触する仮想円よりも曲率が小さく、且つ前記収納室の内周面の曲率と同等以上の曲率の凸曲面に形成していることを特徴とする一方向動力伝達機構。
2. 　前記係合子は、前記第２の接触面を、前記収納室の内周面と前記カム面との双方に接触する仮想円よりも曲率が小さく、且つ前記カム面の曲率と同等以上の曲率の面に形成していることを特徴とする請求項１記載の一方向動力伝達機構。
3. 　前記カム面を平面にしたことを特徴とする請求項１又は２記載の一方向動力伝達機構。
4. 　前記第２接触面を平面にしたことを特徴とする請求項１～３何れか１項記載の一方向動力伝達機構。
5. 　前記付勢部材は、前記係合子を前記一方側へ押圧するように設けられ、
   　前記係合子は、前記付勢部材によって押圧される面を、その押圧方向に交差する平面に形成していることを特徴とする請求項１～４何れか１項記載の一方向動力伝達機構。
6. 　前記係合子は、前記押圧伝達部によって当接される被当接面を、その当接方向に交差する平面に形成していることを特徴とする請求項１～５何れか１項記載の一方向動力伝達機構。
7. 　前記係合子は、前記一方向へゆくにしたがって、前記収納室の径方向に沿う寸法を狭めるように形成されていることを特徴とする請求項１～６何れか１項記載の一方向動力伝達機構。

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