(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
出力軸を高速回転入力側に接続する高速側クラッチと、前記出力軸を低速回転入力側に接続する低速側クラッチと、前記高速側クラッチと前記低速側クラッチの接続を切換える切換え装置とを有し、負荷トルクの増減に応じて、入力軸から回転入力を受けて高速回転入力側の高速回転及び低速回転入力側の低速回転を自動的に切換えて出力軸に回転出力する負荷感応型自動変速機であって、
前記高速側クラッチは、高速側入力円板と高速側クラッチ出力円板とを有し、
前記低速側クラッチは、低速側入力円板と低速側クラッチ出力円板とを有し、
前記出力軸には、出力円板が回転伝達可能に連結されており、
前記切換え装置は、前記入力軸上に互いに隣り合って位置し、前記入力軸の回りに回転ストッパー機構により規定された回転角度だけ隔たった低負荷中立位置と高負荷回転位置との間に相対回転可能で、かつ前記入力軸の方向に相対直線移動が可能に構成した前記出力軸に固定された出力円板と被動体を有し、
前記出力軸に固定された出力円板と前記被動体とは両方が低負荷中立位置以外の相対回転位置にあるときに両方を前記低負荷中立位置に戻す方向に前記入力軸回りのトルクを発生するばねで互いに拘束されており、
前記出力軸に固定された出力円板と前記被動体の前記入力軸方向に対向する磁石配置面には複数の磁石が配置されており、
前記被動体は、前記出力軸に固定された出力円板を挟んで前記入力軸上に位置し、かつ相互にクラッチ板連結棒で一体的に固定連結されている前記高速側クラッチ出力円板及び前記低速側クラッチ出力円板であり、
前記出力軸に固定された出力円板と前記高速側クラッチ出力円板の対向する前記磁石配置面及び前記出力軸に固定された出力円板と前記低速側クラッチ出力円板の対向する前記磁石配置面には、前記入力軸のまわりの同じ大きさのピッチ円上に同じピッチで前記複数の磁石が配置されており、それぞれのピッチ円上で隣り合う磁石同士は異極性であり、
前記出力軸に固定された出力円板と前記被動体が前記低負荷中立位置にあるときは、前記出力軸に固定された出力円板と前記高速側クラッチ出力円板の対向する磁石配置面の磁石は同極性のもの同士が前記入力軸の方向に対向し、前記出力軸に固定された出力円板と前記低速側クラッチ出力円板の対向する磁石配置面の磁石は、異極性のもの同士が前記入力軸の方向に対向するように構成されており、前記高速側クラッチ出力円板は前記高速側入力円板に接触して接続され、前記低速側クラッチ出力円板は前記低速側入力円板から離れて切離され、
前記出力軸に固定された出力円板と前記被動体が前記高負荷回転位置にあるとき、前記出力軸に固定された出力円板と前記高速側クラッチ出力円板の対向する磁石配置面の磁石は異極性のもの同士が前記入力軸の方向に対向し、前記出力軸に固定された出力円板と前記低速側クラッチ出力円板の対向する磁石配置面の磁石は同極性のもの同士が前記入力軸の方向に対向するように構成されており、前記高速側クラッチ出力円板は前記高速側入力円板から離れて切離され、前記低速側クラッチ出力円板は前記低速側入力円板に接触して接続され、
前記出力軸に固定された出力円板と前記被動体の一方または両方に作用する外部負荷に感応して前記切換えをすることを特徴とする負荷感応型自動変速機
【請求項２】
前記回転ストッパー機構は前記出力軸に固定された出力円板と前記被動体との間に形成される前記軸のまわりに形成された長孔と、前記長孔に嵌合しているクラッチ板連結棒の組み合わせにより前記軸のまわりに１ピッチ分または２ピッチ分の回転角度だけの前記相対回転が許容される構造であることを特徴とする請求項１記載の負荷感応型自動変速機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、負荷感応型自動変速機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
機械システムをアクチュエータにより駆動する際に、表１に示すように高速低トルク負荷の駆動と低速高トルク負荷の駆動が混在する場合がある。
【０００３】
【表１】
0003584396.tif 000002
【０００４】
ロボットアームで対象物を運ぶ動作やロボットの胴体を持ち上げる動作や車輪の発車時や段差のある場所での走行は低速高トルク負荷の駆動であり、ロボットアームの対象物を持たない動作やロボットの足を持ち上げる動作や車輪の平らな面における一定速度での走行は高速低トルク負荷の駆動である。
【０００５】
代表的なアクチュエータであるＤＣモータを取り上げると、それは図５（ａ）に示すように速度が増加するにしたがってトルクが減少する特性を有する。ここで２種類の負荷を双方とも駆動するためには、図中の直線で示すように負荷状態を表す２点をともに動作領域に含むようなアクチュエータを選定しなければならない。
【０００６】
しかしながら図５（ｂ）に示すアクチュエータ出力パワーに注目すると、アクチュエータの最大出力パワーは実際に使用する出力パワーよりもはるかに大きいことがわかる。すなわち、この方法では異なる負荷に対応するために必要以上に大出力のアクチュエータを低効率で使用していることになり、以下の問題が存在する。
（１）アクチュエータが必要以上に大型で重くなり、その結果として機械システム全体もまた大型化してしまう（大きなアクチュエータを搭載するためには、構造部分もアクチュエータ重量を支えるために大型化する。またロボットアームを例にあげると、手首関節のアクチュエータが大型化すると、それを駆動する肘、肩のアクチュエータは根本側ほど累乗的に大型化する）。さらに消費エネルギも大きなものとなる。
（２）制御系が故障した場合に大出力を解放する可能性があり、安全性に欠ける。
【０００７】
前述の問題に対してアクチュエータと負荷の間に変速機を設け、図６（ａ），（ｂ）に示すように低速時・高速時の２種類の出力特性を切換える（減速比を変化させる）ことにより、必要最小限の出力を有するアクチュエータを用いて異なる負荷を双方とも駆動することができる。このような変速機として
１．歯車を数段階に切換える（手動変速機）
２．流体を介して無段変速を行う（トルクコンバータ）
３．ベルトと可変幅プーリにより無段変速を行う（ＣＶＴ）
４．補助モータと遊星歯車を組み合わせて任意の減速比を得る
５．摩擦円板を利用する
等の方法が使用されている。
【０００８】
【解決すべき課題】
しかしこれらの変速機では、負荷状態を検出しそれに基づいて減速比を操作するための補助的なアクチュエータや電子回路が必要であるため、その機構は大型かつ複雑なものとなってしまう。
【０００９】
一方、変速機自体が負荷に感応して減速比を切換える機能を備える駆動機構も開発されている（特開平９−２１６５１８号公報、自動２段変速システムを搭載したレール走行機構の開発  第１５回日本ロボット学会学術講演会（平成９年９月１２日、１３日、１４日）論文集第４４９頁参照）。この機構は補助アクチュエータや電子回路が不要なものの、２個の減速機とトルクリミッタを利用した大型かつ複雑な構成となる。またトルクリミッタにおいて定常的な滑り、すなわちエネルギ損失が生じるため、駆動効率が低下する。
【００１０】
このようなことから、低出力のアクチュエータで、負荷に感応して自動的に速度比を切換えることができ、低速高トルク負荷の駆動と高速低トルク負荷の駆動の両方を実現することができ、小型でコンパクトな変速機等の開発が望まれている。
【００１１】
この発明は上記の如き事情に鑑みてなされたものであって、低出力のアクチュエータで、負荷に感応して自動的に速度比を切換えることができ、低速高トルク負荷の駆動と高速低トルク負荷の駆動の両方を実現することができ、小型でコンパクトな負荷感応型位置切換え装置、負荷感応型自動変速機用位置切換装置及び負荷感応型自動変速機を提供することを目的とするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この発明は上記課題を解決するために、出力軸を高速回転入力側に接続する高速側クラッチと、前記出力軸を低速回転入力側に接続する低速側クラッチと、前記高速側クラッチと前記低速側クラッチの接続を切換える切換え装置とを有し、負荷トルクの増減に応じて、入力軸から回転入力を受けて高速回転入力側の高速回転及び低速回転入力側の低速回転を自動的に切換えて出力軸に回転出力する負荷感応型自動変速機であって、前記高速側クラッチは、高速側入力円板と高速側クラッチ出力円板とを有し、前記低速側クラッチは、低速側入力円板と低速側クラッチ出力円板とを有し、前記出力軸には、出力円板が回転伝達可能に連結されており、前記切換え装置は、前記入力軸上に互いに隣り合って位置し、前記入力軸の回りに回転ストッパー機構により規定された回転角度だけ隔たった低負荷中立位置と高負荷回転位置との間に相対回転可能で、かつ前記入力軸の方向に相対直線移動が可能に構成した前記出力軸に固定された出力円板と被動体を有し、前記出力軸に固定された出力円板と前記被動体とは両方が低負荷中立位置以外の相対回転位置にあるときに両方を前記低負荷中立位置に戻す方向に前記入力軸回りのトルクを発生するばねで互いに拘束されており、前記出力軸に固定された出力円板と前記被動体の前記入力軸方向に対向する磁石配置面には複数の磁石が配置されており、前記被動体は、前記出力軸に固定された出力円板を挟んで前記入力軸上に位置し、かつ相互にクラッチ板連結棒で一体的に固定連結されている前記高速側クラッチ出力円板及び前記低速側クラッチ出力円板であり、前記出力軸に固定された出力円板と前記高速側クラッチ出力円板の対向する前記磁石配置面及び前記出力軸に固定された出力円板と前記低速側クラッチ出力円板の対向する前記磁石配置面には、前記入力軸のまわりの同じ大きさのピッチ円上に同じピッチで前記複数の磁石が配置されており、それぞれのピッチ円上で隣り合う磁石同士は異極性であり、前記出力軸に固定された出力円板と前記被動体が前記低負荷中立位置にあるときは、前記出力軸に固定された出力円板と前記高速側クラッチ出力円板の対向する磁石配置面の磁石は同極性のもの同士が前記入力軸の方向に対向し、前記出力軸に固定された出力円板と前記低速側クラッチ出力円板の対向する磁石配置面の磁石は、異極性のもの同士が前記入力軸の方向に対向するように構成されており、前記高速側クラッチ出力円板は前記高速側入力円板に接触して接続され、前記低速側クラッチ出力円板は前記低速側入力円板から離れて切離され、
前記出力軸に固定された出力円板と前記被動体が前記高負荷回転位置にあるとき、前記出力軸に固定された出力円板と前記高速側クラッチ出力円板の対向する磁石配置面の磁石は異極性のもの同士が前記入力軸の方向に対向し、前記出力軸に固定された出力円板と前記低速側クラッチ出力円板の対向する磁石配置面の磁石は同極性のもの同士が前記入力軸の方向に対向するように構成されており、前記高速側クラッチ出力円板は前記高速側入力円板から離れて切離され、前記低速側クラッチ出力円板は前記低速側入力円板に接触して接続され、前記出力軸に固定された出力円板と前記被動体の一方または両方に作用する外部負荷に感応して前記切換えをすることを特徴とする負荷感応型自動変速機を提供する。
【００１３】
前記回転ストッパー機構は、前記出力軸に固定された出力円板と前記被動体との間に形成される前記軸のまわりに形成された長孔と、前記長孔に嵌合しているクラッチ板連結棒の組み合わせにより前記軸のまわりに１ピッチ分または２ピッチ分の回転角度だけの前記相対回転が許容される構造であることを特徴としている。
【００１５】
【実施例】
以下、この発明の詳細を一実施例を示す図面について説明する。
図１において、１は負荷感応型自動変速機である。負荷感応型自動変速機１は入力軸２と出力軸３との間に設けられ、入力軸２から入力回転を入力して負荷に感応して自動的に出力高速回転または出力低速回転に変換して出力軸３に出力する変速機である。負荷感応型自動変速機１は入力軸２及び出力軸３を中心線４上に備え、かつ出力円板５を備え、出力円板５の両側に高速側入力円板６及び低速側入力円板７が配置されている。高速側入力円板６と低速側入力円板７との間には切換え装置８が設けられている。
【００１６】
出力円板５は連結筒９によって出力軸３に同軸状に連結していて、回転伝達可能である。低速側入力円板７は減速機１１の出力軸に連結していて回転伝達可能である。減速機１１は入力軸２の回転を１／Ｎに減速して低速側入力円板７に伝達する。本実施例では減速機として遊星歯車装置を使用するが、他の減速機も使用可能である。高速側入力円板６は入力軸２に固定しており、出力円板５、低速側入力円板７並びに後述する被動体１３（クラッチ板集合体１０、高速側クラッチ出力円板１５、低速側クラッチ出力円板１７）、クラッチ保持円板２１は入力軸２に対して回転自由である。
【００１７】
切換え装置８はベース体１２である出力円板５と被動体１３であるクラッチ板集合体１０を有する。
【００１８】
クラッチ板集合体１０は出力円板５を挟んで入力軸２上に位置している第１の被動体１４である高速側クラッチ出力円板１５と第２の被動体１６である低速側クラッチ出力円板１７を備えている。高速側クラッチ出力円板１５と低速側クラッチ出力円板１７はクラッチ板連結棒１８によって一体的に固定連結していて入力軸２に対して回転自由であり、かつ入力軸２に沿って直線移動が可能である。クラッチ板連結棒１８はクラッチ保持円板２１及び出力円板５を貫通していて、クラッチ板集合体１０はクラッチ保持円板２１に対して中心線４の周りに相対回転変位することはないが入力軸２に沿って直線相対変位可能である。一方クラッチ板集合体１０及びクラッチ保持円板２１は図３に示すように、回転ストッパー機構２２により規定された回転角度だけ隔たった低負荷中立位置２３と高負荷回転位置２４との間に出力円板５に対して相対回転が可能である。
【００１９】
回転ストッパー機構２２は図３及び図４に示すように、出力円板５に中心線４の周りに１ピッチの１倍または２倍の長さだけ貫通形成された長孔２５と長孔２５に挿通されたストッパーピン２６であるクラッチ板連結棒１８との組み合わせにより中心線４の周りに１ピッチ分または２ピッチ分の相対回転変位が許容される構造である。切換装置８を一方向（正転）の回転についてだけを考慮して設計する場合には、その切換えは低負荷中立位置２３と高負荷回転位置２４（高負荷正転位置２４ａの間でだけ許容されればよいので、長孔２５は１ピッチ分の回転角度の範囲で形成すればよいが、切換えを２方向（正転及び逆転）の回転についても可能にするためには、高負荷回転位置２４として高負荷正転位置２４ａと高負荷逆転位置２４ｂの両回転位置を可能にする必要があるので、長孔２５は図４（ｂ）に示すように低負荷中立位置２３の両側に１ピッチ分ずつ、合計２ピッチ分の回転角度範囲で形成する必要がある。この実施例では長孔２５は２ピッチ分の回転角度の範囲で形成してある。
【００２０】
出力円板５とクラッチ保持円板２１との間にばね２７が張設されていて両者及びクラッチ板集合体１０を弾性的に拘束している。このばねとしては図示するコイルばねの他、板ばねや渦巻きばねも使用できる。このばね２７は出力円板５と高速側クラッチ出力円板１５（すなわち、クラッチ板集合体１０、及びクラッチ保持円板２１）が低負荷中立位置２３にあるときは、中心線４周りのトルクを発生しないが、それ以外の相対回転位置にあるときに中心線４周りのトルクを発生する。したがって出力円板５とクラッチ板集合体１０には常に両者が低負荷中立位置２３にあるようにばね２７の力が作用している。
【００２１】
出力円板５と高速側クラッチ出力円板１５及び低速側クラッチ出力円板１７の対向する磁石配置面３１〜３４には中心線４のまわりに同じ大きさのピッチ円３５上に同じピッチＰで複数の磁石３７，３８が配置されており、Ｓ−Ｎ−Ｓ−Ｎ…のように隣り合う磁石３７と磁石３８は異極性である。さらに、出力円板５とクラッチ板集合体１０が低負荷中立位置２３にあるとき、磁石配置面３１と磁石配置面３２に配置されている磁石は同極性のもの同士が入力軸２の方向に対向して位置することとなって、反発し合っており、また、磁石配置面３３と磁石配置面３４に配置されている磁石は異極性のもの同士が入力軸２の方向に対向して位置することとなって、互いに吸引している。こうして吸引力と反発力が重畳して、クラッチ板集合体１０は図中矢印４１の左向きの方向に入力軸２に沿って移動し、その結果、高速側クラッチ出力円板１５は高速側入力円板６に接触して接続され、低速側クラッチ出力円板１７は低速側入力円板７から離れて切離される。
【００２２】
一方、出力円板５とクラッチ板集合体１０が高負荷回転位置２４にあるとき、磁石配置面３１と磁石配置面３２に配置されている磁石は異極性のもの同士が入力軸２の方向に対向して位置することとなって、互いに吸引し、また、磁石配置面３３と磁石配置面３４に配置されている磁石は同極性のもの同士が入力軸２の方向に対向して位置することとなって、互いに反発し合っている。こうして反発力と吸引力が重畳して、クラッチ板集合体１０は図中矢印４２の右向きの方向に入力軸２に沿って移動し、その結果、高速側クラッチ出力円板１５は高速側入力円板６から離れて切離され、低速側クラッチ出力円板１７は低速側入力円板７に接触して接続される。
【００２３】
次に、以上のように構成された負荷感応型位置切換え装置、負荷感応型自動変速機用切換え装置及び負荷感応型自動変速機の動作について説明する。
［出力軸トルクが小さい状態］（高速低トルク状態、図１，図３（ａ）図示）
ばね２７の張力により、出力円板５とクラッチ保持円板２１の相対回転は小さい。このとき高速側クラッチ出力円板１５と出力円板５に配置した磁石３７，３８は、同極性同士が対向して反発する。逆に、低速側クラッチ出力円板１７と出力円板５に配置した磁石３７，３８は、異極性同士が対向して吸引する。ここで高速側クラッチ出力円板１５と低速側クラッチ出力円板１７は連結されているので、両者は一体となって図１中で左方向に移動する。その結果、高速側クラッチ４３の高速側入力円板６と高速側クラッチ出力円板１５が密着する。一方、低速側クラッチ４４の低速側入力円板７と低速側クラッチ出力円板１７は分離する。すなわち、変速機の入力軸２と出力軸３は高速側クラッチ４３を介して接続し、その減速比は１／１となる。
［出力軸トルクが増加］（低速高トルク状態へ遷移、図２，図３（ｂ）図示）
出力軸トルクがばね２７の張力を上回り、クラッチ保持円板２１が２枚のクラッチ出力円板１５，１７とともに出力円板５に対して磁石のピッチ分だけ相対回転する。するとクラッチ出力円板１５，１７と出力円板５に配置した磁石の極性関係が高速低トルク状態の場合と逆になる。すなわち、高速側クラッチ出力円板１５と出力円板５に配置した磁石３７，３８は異極性同士が対向して吸引し、低速側クラッチ出力円板１７と出力円板５に配置した磁石３７，３８は同極性同士が対向して反発する。その結果、両者は図２中で右方向に移動し、高速側クラッチ４３が分離し、低速側クラッチ４４が密着する。すなわち、変速機の入力軸２と出力軸３は低速側クラッチ４４を介して接続し、その減速比は１／Ｎとなる。［出力軸トルクがさらに増加］（低速高トルク状態を維持）
出力円板５に対するクラッチ保持円板２１の相対回転は、出力円板５に開いた長円形の長孔２５の終端にクラッチ板連結棒１８が接触するために制限される。その結果、変速機は低速高トルク状態を維持する。
［出力軸トルクが減少］（高速低トルク状態に復帰）
出力軸トルクがばね２７の張力を下回る結果、出力円板５に対するクラッチ保持円板２１の相対回転が減少する。磁石間の吸引・反発力が逆転する結果、低速側クラッチ４４が分離、高速側クラッチ４３が密着して変速機は高速低トルク状態に復帰する。
【００２４】
なお、本変速機は回転方向にかかわらず負荷トルクの増減に応じた自動変速が可能である。
【００２５】
【発明の効果】
この発明の負荷感応型自動変速機では、
（１）低出力のアクチュエータで負荷を駆動可能である。例えば低速高トルク負荷と高速低トルク負荷の速度比が１：９の条件では、必要なアクチュエータ出力は変速機を使用しない場合の３６％に減少する。
（２）各アクチュエータの小型軽量化が相乗的に作用する結果、機械システム全体の著しい小型軽量化が可能になるとともに、その消費エネルギも激減する。
（３）低出力のアクチュエータを使用するため、万一制御系が故障しても大出力を解放することはなく、安全性が向上する。これは医療福祉機器、力感覚呈示用インタフェースなど人間の近傍で作動する機器、あるいは人間が直接装着する機器においてきわめて重要な特長である。
（４）変速機自体で完全に機械的に動作するため、補助アクチュエータ・電源・配線・電子回路等を必要としない簡単かつコンパクトな機構となる。
（５）トルクリミッタのようなエネルギを消費する要素を含まないため、高効率の駆動が可能である。
【００２６】
なお、以上の説明は切換え装置８をもっぱら負荷感応型自動変速機を構成するための負荷感応型自動変速機用切換え装置として説明して来たが、切換え装置８はそのまま独立した機械要素としても取り扱うことができる。
【００２７】
以上の説明から明らかな通り、この発明によれば低出力のアクチュエータで、負荷に感応して自動的に速度比を切換えることができ、低速高トルク負荷の駆動と高速低トルク負荷の駆動の両方を実現することができ、小型でコンパクトな負荷感応型自動変速機を得ることができる。
【００２８】
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の負荷感応型自動変速機の構成説明図で高速側クラッチ接続時の状態を示す。
【図２】この発明の負荷感応型自動変速機の構成説明図で低速側クラッチ接続時の状態を示す。
【図３】出力円板とクラッチ板集合体の回転角度位置を示す説明図。
【図４】出力円板に形成した長孔を示す説明図。
【図５】減速比を固定した場合のアクチュエータ特性を示すグラフ。
【図６】減速比を変化させた場合のアクチュエータ特性を示すグラフ。
【符号の説明】
１      負荷感応型自動変速機
２      入力軸
３      出力軸
４      中心線
５      出力円板
６      高速側入力円板
７      低速側入力円板
８      切換え装置
９      連結筒
１０    クラッチ板集合体
１１    減速機
１２    ベース体
１３    被動体
１４    第１の被動体
１５    高速側クラッチ出力円板
１６    第２の被動体
１７    低速側クラッチ出力円板
１８    クラッチ板連結棒
２１    クラッチ保持円板
２２    回転ストッパー機構
２３    低負荷中立位置
２４    高負荷回転位置
２４ａ  高負荷正転位置
２４ｂ  高負荷正転位置
２５    長孔
２６    ストッパーピン
２７    ばね
３１    磁石配置面（高速側クラッチ出力円板）
３２    磁石配置面（出力円板高速側）
３３    磁石配置面（出力円板低速側）
３４    磁石配置面（低速側クラッチ出力円板）
３５    ピッチ円
３７    磁石
３８    磁石
４１    矢印
４２    矢印
４３    高速側クラッチ
４４    低速側クラッチ
Ｐ      ピッチ
【図１】
0003584396.tif 000003
【図２】
0003584396.tif 000004
【図３】
0003584396.tif 000005
【図４】
0003584396.tif 000006
【図５】
0003584396.tif 000007
【図６】
0003584396.tif 000008