(57)【要約】      （修正有）【課題】高ギア比減速を実現する、１段で、効率的で、軽量で、コンパクトで、低費用なドライブシステムを提供する。【解決手段】自身の回転軸を中心として回転するように構成された第１のドラムを有する第１のロータ１０と、自身の回転軸を中心として回転するように構成された第２のドラムを有する第２のロータ２０であって、第１のロータ１０は、第２のドラムの回転軸を中心として同心状に周回するように制約される、第２のロータ２０と、を伴う。ベルト３０が第２のドラムの外周を取り巻いて進むのに伴って、第１のロータ１０が第２のロータ２０の周囲で同心状に移動するように、第１のロータ１０と第２のロータ２０とを結合するために、ベルト３０が、第１のドラムおよび第２のドラムを取り巻く。さらなる改善では、第１のロータ１０および第２のロータ２０のうちの少なくともいずれか一方を、電気的に制御可能な形でベルト３０に結合することを伴う。【選択図】図１
2019052764.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トランスミッションシステムであって、
自身の回転軸を中心として回転するように構成された第１のドラムを有する第１のロータ（１０）と、
自身の回転軸を中心として回転するように構成された第２のドラムを有する第２のロータ（２０）であって、前記第１のロータ（１０）が、前記第２のドラムの前記回転軸を中心として同心状に周回するように制約される、第２のロータと、
前記第１のロータ（１０）が前記第２のロータ（２０）の周囲で同心状に移動するのに伴って、ベルト（３０）が前記第２のドラムの外周を取り巻いて進むように、前記第１のロータ（１０）および前記第２のロータ（２０）を結合するために、前記第１のドラムおよび前記第２のドラムを取り巻くベルト（３０）と、
を備えるトランスミッションシステム。
【請求項２】
請求項１に記載のトランスミッションシステムであって、
前記ベルト（１２５）と前記第２のドラム（１３５）の外表面とが、電気的に結合されるように構成される、トランスミッションシステム。
【請求項３】
請求項２に記載のトランスミッションシステムであって、
前記ベルト（１２５）と前記第１のドラム（１３５）の外表面とが、電気的に結合されるように構成される、トランスミッションシステム。
【請求項４】
請求項２に記載のトランスミッションシステムであって、
前記ベルト（１２５）、および前記第２のドラム（１３５）の外表面は、前記ベルトおよび前記第２のドラムの少なくともいずれか一方に電圧信号を加えて、前記ベルトと前記第２のドラムとの間に牽引力を生成することによって、ベルトウェーブドライブをかみ合わせさせるように構成される、トランスミッションシステム。
【請求項５】
請求項４に記載のトランスミッションシステムであって、
前記ベルト（１２５）、および前記第２のドラム（１３５）の外表面は、前記ベルトおよび前記第２のドラムの少なくともいずれか一方から前記電圧信号を断って、前記ベルトと前記第２のドラムとの間の牽引力を減少させることによって、前記ベルトウェーブドライブを解放するように構成される、トランスミッションシステム。
【請求項６】
請求項２に記載のトランスミッションシステムであって、
前記ベルト（１２５）と前記第２のドラム（１３５）の外表面とは、前記ベルトと前記第２のドラムの前記外表面との間の電気積層効果を通じて電気的に結合されるように構成される、トランスミッションシステム。
【請求項７】
請求項２に記載のトランスミッションシステムであって、
前記ベルト（１２５）、および前記第２のドラム（１３５）の外表面の少なくともいずれか一方に電気的に結合され、前記ベルト（１２５）、および前記第２のドラム（１３５）の外表面の前記いずれか一方に静電付着電圧を印加するように構成された制御回路（５８０）を備えるトランスミッションシステム。
【請求項８】
請求項７に記載のトランスミッションシステムであって、
前記ベルト（５３０）は、さらに、前記制御回路に電気的に結合された少なくとも１対の隣り合う電極（５３１Ａ、５３１Ｂ）を含み、前記制御回路は、前記対をなす隣り合う電極のうちの１つ（５３１Ａ）に第１の極性の前記静電付着電圧を印加し、前記対をなす隣り合う電極のうちの別の１つ（５３１Ｂ）に第２の極性の前記静電付着電圧を印加するように、構成され、前記第２のドラムの前記外表面は、誘電体材料を含む、トランスミッションシステム。
【請求項９】
請求項７に記載のトランスミッションシステムであって、
前記第２のドラム（５１０）は、さらに、前記制御回路に電気的に結合された少なくとも１対の隣り合う電極（５６１Ａ、５６１Ｂ）を含み、前記制御回路は、前記対をなす隣り合う電極のうちの１つ（５６１Ａ）に第１の極性の前記静電付着電圧を印加し、前記対をなす隣り合う電極のうちの別の１つ（５６１Ｂ）に第２の極性の前記静電付着電圧を印加するように構成され、前記ベルトの表面は、誘電体材料を含む、トランスミッションシステム。
【請求項１０】
トランスミッションシステムにおいて高ギア比を提供するための方法であって、
自身の回転軸を中心として回転するように構成された第１のドラムを有する第１のロータ（２０）を提供することと、
自身の回転軸を中心として回転するように構成された第２のドラムを有する第２のロータ（４０）を提供することであって、前記第１のロータ（２０）は、前記第２のドラム（４０）の前記回転軸を中心として同心状に周回するように制約される、第２のロータ（４０）の提供と、
前記第１のロータ（２０）と前記第２のロータ（４０）とを結合するために、前記第１のドラム（２０）および前記第２のドラム（４０）をベルト（３０）で取り巻くことと、
前記ベルト（３０）を前記第２のドラムの外周を取り巻いて進ませるために、前記第１のロータ（２０）を前記第２のロータ（４０）の周囲で同心状に移動させることと、
を備える方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の方法であって、さらに、
前記第１のロータ（１０）が前記第２のロータ（２０）の周囲で同心軌道をとって移動するときに前記ベルト（３０）が前記第２のドラムの外周表面を取り巻いて進むように、前記第１のロータ（１０）を前記第２のドラムの前記外周表面に沿って同心状に移動するように構成することを備える方法。
【請求項１２】
請求項１０に記載の方法であって、さらに、
前記ベルト（１２５）と前記第２のドラム（１３５）の外表面とを電気的に結合させることを備える方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の方法であって、さらに、
前記ベルト（１２５）と前記第１のドラム（１３５）の外表面とを電気的に結合させることを備える方法。
【請求項１４】
請求項１２に記載の方法であって、さらに、
前記ベルト（１２５）と前記第２のドラム（１３５）との間に牽引力を生じさせるために、前記ベルトおよび前記第２のドラムの少なくともいずれか一方に電圧信号を加えることを備える方法。
【請求項１５】
請求項１４に記載の方法であって、さらに、
前記ベルトと前記第２のドラムとの間の牽引力を減少させるために、前記ベルトおよび前記第２のドラムの少なくともいずれか一方から前記電圧信号を断つことを備える方法。
【請求項１６】
請求項１２に記載の方法であって、
前記ベルト（１２５）と前記第２のドラム（１３５）の外表面とを電気的に結合するステップは、さらに、前記ベルト（１２５）と前記第２のドラム（１３５）の前記外表面との間の電気積層効果を通じて前記ベルトと前記第２のドラムの前記外表面とを電気的に結合させることを含む、方法。
【請求項１７】
請求項１２に記載の方法であって、さらに、
静電付着電圧を生成し（５８０）、前記静電付着電圧を前記ベルト（１２５）、および前記第２のドラム（１３５）の外表面の少なくともいずれか一方に印加することを備える方法。
【請求項１８】
請求項１７に記載の方法であって、
前記静電付着電圧を前記ベルト（１２５）、および前記第２のドラム（１３５）の外表面のいずれか一方に印加するステップは、さらに、
前記ベルト（５３０）に、少なくとも１対の隣り合う電極（５３１Ａ、５３１Ｂ）を提供することと、
前記対をなす隣り合う電極のうちの１つ（５３１Ａ）に、第１の極性の前記静電付着電圧を印加することと、
前記対をなす隣り合う電極のうちの別の１つ（５３１Ｂ）に、第２の極性の前記静電付着電圧を印加することと、
前記第２のドラムの前記外表面上に、誘電体材料を配することと、
含む、方法。
【請求項１９】
請求項１７に記載の方法であって、
前記静電付着電圧を前記ベルト（１２５）、および前記第２のドラム（１３５）の外表面のいずれか一方に印加するステップは、さらに、
前記第２のドラム（５１０）に、少なくとも１対の隣り合う電極（５６１Ａ、５６１Ｂ）を提供することと、
前記対をなす隣り合う電極のうちの１つ（５６１Ａ）に、第１の極性の前記静電付着電圧を印加することと、
前記対をなす隣り合う電極のうちの別の１つ（５６１Ｂ）に、第２の極性の前記静電付着電圧を印加することと、
前記ベルトの表面上に、誘電体材料を配することと、
を含む、方法。
【請求項２０】
トランスミッション装置であって、
第１のドラム（２０）をその回転軸を中心として回転させるための第１のロータ手段と、
第２のドラム（４０）をその回転軸を中心として回転させるための第２のロータ手段と、
前記第１のロータ（２０）を前記第２のドラム（４０）の前記回転軸を中心として同心状に周回させるための周回手段と、
前記第１のドラム（２０）と前記第２のドラム（４０）とを可動式に結合させるためのベルト手段（３０）と、
前記ベルト手段（３０）を前記第２のドラム（４０）の外周を取り巻いて進ませるために、前記第１のドラム（２０）を前記第２のドラム（４０）の周囲で同心状に移動させるためのモータ手段と、
を備えるトランスミッション装置。
【請求項２１】
請求項２０に記載のトランスミッション装置であって、さらに、
前記第１のロータ手段および前記第２のロータ手段のうちの少なくともいずれか一方を、電気的に制御可能な形で前記ベルト手段に結合するための手段を備える装置。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
［政府への許諾権］
本発明は、米国ＤＡＲＰＡ（国防総省国防高等研究事業局）によって授与された契約第２０７３０．１００号下における政府支援によってなされた。米国政府は、本発明において特定の権利を保有している。
【０００２】
［関連出願の相互参照］
本出願は、２０１４年６月２３日に出願された「Ｂｅｌｔ  Ｗａｖｅ  Ｄｒｉｖｅｓ（ベルトウェーブドライブ）」に対する米国仮特許出願第６２／０１５，９９３号の優先権を主張する。該出願は、あらゆる目的のために、参照によって本書に組み込まれる。
【０００３】
運動制御、電子工学、工作機械、印刷機、ロボット工学、および航空宇宙工学などの用途では、機械システムおよび電気機械システムにドライブおよびトランスミッションが使用されることがよくある。アクチュエータおよび電気機械システムを伴う多くの状況では、高ギア減速比が有用である。
【０００４】
通常、高ギア減速比は、複数のギア段を有することによって実現される。サイズおよび重量があまり問題にならない用途では、複数のギア段を有することは、高ギア減速比を実現するのに適した方法である。しかしながら、多くの用途では、サイズおよび重量が大きな懸念である。
【０００５】
さらに、ロボット工学およびアクチュエータなどの一部の用途では、デバイスの動きを可能にするジョイントが、固定減速比のトランスミッションシステムを有するのが通例であり、広範囲のデバイス動作条件に合わせて効率的な力／速度比を提供することができないだろう。固定減速比のトランスミッションシステムが提供されるこのタイプの設計は、エネルギ源の非効率的使用を招くことが多く、これは、電池残量に依存するモバイル用途などの用途で特に問題になる。これらの非効率性は、多くの用途でこのようなデバイスの実用的使用を制限する。エネルギ変換の効率性の向上は、通常、所定の電池電源に対する動作時間の延長につながる。効率性の向上は、また、より小型のモータの利用も可能にすると考えられ、これは、モバイル用途および据え付け用途の両方でさらにコンパクトな設計が用いられることを可能にするだろう。
【０００６】
電気機械アクチュエータシステムについての別の問題は、それらが多くの場合、最悪の場合の負荷条件または速度条件に合わせて設計されており、大型でかつかさばることである。負荷条件の変化に迅速に適応して高効率で動作することができるデバイスを設計することも、望ましいだろう。
【０００７】
１段で大ギア減速比を伴うトランスミッションシステムが、市販されている。１段で高ギア減速比を提供する市販のデバイスの一例が、ハーモニックドライブ（登録商標、以下同じ）である。ベーシックなハーモニックドライブは、内表面上に歯を形成された固定のサーキュラ（円形）スプラインと、該サーキュラスプラインの歯とかみ合う歯を外表面上に形成されて可撓性材料で作成されたフレックス（柔軟性の）スプラインと、該フレックススプライン内にぴたりと収まる楕円ウェーブジェネレータとを含む。フレックススプラインは、サーキュラスプラインよりも歯数が少ない。ウェーブジェネレータは、入力シャフトによって回転されると、出力シャフトに接続されたフレックススプラインを楕円形に変形させ、フレックススプラインの歯をサーキュラスプラインの歯とかみ合わせさせる。フレックススプラインは、サーキュラスプラインよりも歯数が少ないので、この回転は、フレックススプラインの異なる歯をサーキュラスプラインにかみ合わせさせ、その結果、フレックススプラインは、サーキュラスプラインに対して僅かに逆回転する。サーキュラスプラインおよびフレックススプラインの歯は、通常、高精度で機械加工されたパーツの使用を必要とする微細なギアリングを特色とし、これは、スプラインを高価なものにする。ハーモニックドライブもやはり、構成要素材料の屈曲に依存するゆえに、高い摩耗率に見舞われることが多く、その結果、摩耗を補うために重くかつ大きなパーツが使用されるまたは摩滅したドライブを頻繁に交換する必要がある恐れがある。したがって、ハーモニックドライブは、多くの場合、比較的大きく、重く、かつ運転費用がかさむ。
【０００８】
多くの用途では、アクチュエータがどの程度の強さで負荷を押すかを監視および感知する必要もある。監視のための代表的な解決策は、何らかのタイプの力センサを追加することを含み、これは、デバイスの費用および複雑性を増加させる。アクチュエータを流れる電流が監視されて、アクチュエータによって加えられる力に関係付けられるように、アクチュエータ自体を逆駆動可能モードで使用して、センサとして機能させることが有利だろう。しかしながら、ドライブシステムが逆駆動可能であるためには、逆駆動されるときに大きな摩擦損失を受けることなく効率的である必要がある。市場に出ている代表的なシステムは、アクチュエータをセンサとして用いるために必要とされる特性を有していない。
【０００９】
したがって、高ギア比減速を実現する、１段で、効率的で、軽量で、コンパクトで、低費用なドライブシステムが必要とされている。
【発明の概要】
【００１０】
本発明の一態様にしたがうと、トランスミッションシステムの一例は、自身の回転軸を中心として回転するように構成された第１のドラムを伴う第１のロータと、自身の回転軸を中心として回転するように構成された第２のドラムを伴う第２のロータであって、第１のロータは、第２のドラムの回転軸を中心として同心状に周回するように制約される、第２のロータとを含む。第１のロータが第２のロータの周囲で同心状に移動するときに、ベルトが第２のドラムの外周を取り巻いて進むように、ベルトが、第１のドラムおよび第２のドラムを取り巻いて結合する。
【００１１】
一部の実施形態では、ベルトと第２のドラム（１３５）の外表面とが、電気的に結合されるように構成される。一部の実施形態では、ベルトと第２のドラムの外表面とが、ベルトと第２のドラムの外表面との間の電気積層効果を通じて電気的に結合されるように構成される。一部の実施形態では、ベルト、および第２のドラムの外表面は、ベルトおよび第２のドラムの少なくともいずれか一方に電圧信号を加えてベルトと第２のドラムとの間に牽引力を生成することによって、ベルトウェーブドライブがかみ合わせされるように、ならびにベルトおよび第２のドラムの少なくともいずれか一方から電圧信号を断ってベルトと第２のドラムとの間の牽引力を減少させることによって、ベルトウェーブドライブが解放されるように構成される。一部の実施形態は、静電付着電圧が印加されてよいベルトおよび第２のドラムの外表面の少なくともいずれか一方に電気的に結合された制御回路を含む。
【００１２】
一部の実施形態では、ベルトが、制御回路に電気的に結合された１対以上の隣り合う電極を含み、対ごとに、制御回路は、一方の電極に１つの極性の静電付着電力をおよびもう一方の電極に別の極性の静電付着電力を印加し、第２のドラムの外表面は、誘電体材料を含む。その他の実施形態では、第２のドラムが、制御回路に電気的に結合された１対以上の隣り合う電極を含み、対ごとに、制御回路は、一方の電極に１つの極性の静電付着電力をおよびもう一方の電極に別の極性の静電付着電力を印加し、ベルトの表面は、誘電体材料を含む。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
本開示にしたがった様々な実施形態が、図面を参照にして説明される。
【図１】本発明の特定の態様にしたがった、ベルトウェーブドライブシステムの簡易例を示した機能図である。
【００１４】
【図２Ａ】本発明の特定の態様にしたがった、ベルトウェーブドライブおよび静電積層クラッチを用いたギアボックスの例を示した分解概略図である。
【００１５】
【図２Ｂ】図２Ａに示された入力ロータの側面図である。
【００１６】
【図２Ｃ】図２Ａに示されたギアボックスの背面図である。
【００１７】
【図２Ｄ】図２Ａに示されたベルトおよびベルト支持部材の一例の断面概略図である。
【００１８】
【図２Ｅ】図２Ａに示されたギアボックスのｘｘｘに加えられた入力の角度位置を示したグラフである。
【００１９】
【図２Ｆ】ベルトが接地されていないときの、図２Ａに示されたギアボックスのｘｘｘからの出力の角度位置を示したグラフである。
【００２０】
【図２Ｇ】ベルトが接地されているときの、図２Ａに示されたギアボックスのｘｘｘからの出力の角度位置を示したグラフである。
【００２１】
【図３Ａ】本発明の特定の態様にしたがった、編み上げ構造を伴うベルトウェーブドライブを用いたギアボックスの例を示した分解概略図である。
【００２２】
【図３Ｂ】図３Ａに示された外板およびドラムの断面側面図である。
【００２３】
【図３Ｃ】図３Ａに示された組立ギアボックスデバイスの側断面図である。
【００２４】
【図４Ａ】本発明の特定の態様にしたがった、懸垂面様のベルト支持構造を伴うベルトウェーブドライブシステムの例を示した分解概略図である。
【００２５】
【図４Ｂ】組み立てられたときの、図４Ａのベルトウェーブドライブシステムを示した斜視概略図である。
【００２６】
【図４Ｃ】図４Ｂに示された組立ベルトウェーブドライブシステムの断面概略図である。
【００２７】
【図４Ｄ】図４Ａ〜４Ｃに示されたベルト用のメッシュ支持構造の例を示した概略図である。
【００２８】
【図５Ａ】本発明の特定の態様にしたがった、可変ベルトウェーブドライブトランスミッションの例を示した断面概略端面図である。
【００２９】
【図５Ｂ】図５Ａに示された可変ベルトウェーブドライブトランスミッションの断面側面図である。
【００３０】
【図５Ｃ】図５Ａの可変ベルトウェーブドライブトランスミッションに使用するための可変直径ドラムの例の斜視図である。
【００３１】
【図６Ａ】ロータドラムに電気付着結合するように構成されたベルトの例の断面側面図である。
【００３２】
【図６Ｂ】ベルトに電気付着結合するように構成されたロータドラムの例の断面側面図である。
【００３３】
【図７】静電結合を生じるために静電電圧信号を生成するように構成された制御回路の一例を示した機能ブロック図である。
【００３４】
類似の構成要素および特徴に言及するために、本開示および図面を通して同じ番号が使用されることに留意せよ。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
本書では、本発明の実施形態の主題が、法定要件を満たすように特定性をもって説明されるが、この説明は、特許請求の範囲を制限することを必ずしも意図しない。特許請求の範囲に定められた主題は、その他の形で具現化されてよく、様々な要素またはステップを含んでいてよく、その他の既存のまたは将来の技術との関連のもとで使用されてよい。この説明は、個々のステップの順番または要素の配置が明示的に説明される場合を除き、様々なステップ間または要素間の特定の順番または配置を示唆していると解釈されるべきでない。
【００３６】
高ギア減速システムの例は、入力モータおよび出力モータを取り巻くベルトに基づく。本書で説明される例は、１段システムで高ギア減速を実現するために、ギア付きのメカニズムではなくベルトを使用し、これは、ハーモニックドライブなどの従来の高ギア比解決策と比べて、ギア歯の精密機械加工が不要であり、摩耗率が低く、製造が安価である。
【００３７】
大ギア比減速の実現は、ベルト、入力ロータ、および出力ロータの、構成および長さに大いに依存する。入力ロータおよび出力ロータは、既存の回転デバイスと同様な多くのやり方で機械的に支持されてよい。ベルトの支持は、性能に及ぼすその影響力ゆえに、さらなる熟慮に値する。したがって、本書で説明される一部の例は、ベルトを支持するやり方を例示する。これらのデバイスにおけるベルト支持構造は、限られた範囲の局在運動を可能にしつつも機械的接地などの剛性構造に対してベルトを保持するという特性を有する。
【００３８】
本書では、支持構造の例が詳細に説明される。また、ベルトおよびベルト支持構造が、弾性シート、編み上げ形式の紐、カーボンファイバ、薄い金属シート等などの様々な軽量材料で作成されてよいことも説明される。
【００３９】
以下で説明される例では、ギア比減速は、ベルトの長さおよび出力ロータの円周の差に依存する。これらの差は、所望の大比減速を実現するために、非常に小さく、通常は数ミリメートル程度である。しかしながら、その他の例では、ベルトに関する有効ドラム直径は、継続的なギア比変動を実現するために、動作中に変動されてよい。これは、負荷条件の変化に迅速に適応する必要があるかもしれない多くの状況で有利だろう。
【００４０】
一部の状況では、上記のように、モータを逆駆動することが有利だろう。やはり上記のように、モータの逆駆動は、各種のギア段で見舞われる摩擦ゆえに、通常は、従来の市販のシステムでは容易でない。本開示で説明される幾つかの例の構造は、それらが逆駆動されることを可能にしえる。
【００４１】
提案されたベルトドライブの一部の例では、ギア減速が、複数段の代わりに１段で実現されてよい。これは、本書で説明されるベルトウェーブドライブを用いているシステム全体のサイズおよび重量について、そのサイズおよび重量の両方が低減されえることを示唆しているだろう。例えば、ロボットでは、サイズおよび重量の低減は、ロボットの性能が向上されえるという点で有利である。
【００４２】
他の利点は、上記のように、一部の例の構成では軽量材料が使用可能であるという事実からもたらされるだろう。他の例では、デバイスは、工業用ハーモニックウェーブドライブの場合に一般的である精密機械加工技術などの複雑な製造技術の使用を必要としなくてすむ。これは、本開示で説明される一部の例を使用してよいロボットなどのプラットフォームの費用および複雑性を低減するだろう。
【００４３】
本開示で説明される方法およびデバイスが用いられてよいプラットフォームの一例として、ロボットが説明されているが、本書で説明されるベルトウェーブドライブの一部の例は、他の使用およびプラットドームにも適用されてよい。一部の実装形態は、例えば、空間的に制約があるかもしれない、高い効率性が必要とされるかもしれない、または費用および複雑性が低減される必要があるなどの、他のタイプの機械類、ロボット、または非ロボットで有用だろう。
【００４４】
上記のように、ロボットなどの多くの既存のシステムは、通常は、ロボットの広範囲の動作条件に合わせた最適な力／速度比を提供しえない固定減速比のトランスミッションシステムを有したジョイントを使用している。本書で説明される一部の例は、この限界を克服しえる。さらに、ドライブおよびトランスミッションシステムに関して、従来のシステムは、多くの場合、高ギア減速比を実現するために複数のギア段を使用している。さらに、高ギア比減速を実現するために１段技術を使用する従来のデバイスは、通常は、精密な製造技術を必要とする。本書で説明されるベルトウェーブドライブの幾つかの例は、これらの限界を克服しえる。
【００４５】
ベルトウェーブドライブ
【００４６】
本開示内で説明される一部の例は、安価でかつ軽量でありつつも従来のハーモニックドライブによって一般的に提供される大ギア減速比の利点も有しえるトランスミッションを作成することが期待できる。本書で説明されるドライブを従来のハーモニックドライブと区別するために、以下で説明されるドライブは、ベルトウェーブドライブと呼ばれる。
【００４７】
図１は、ベルトウェーブドライブ５の基本動作を示した簡易機能図である。図１は、ベルト３０によって連結された２つのドラム１０および２０を示している。ドラム１０は、出力を形成し、その回転軸を中心として自由に回転する。ドラム２０は、デバイスの入力または入力ロータを形成し、ドラム１０の回転軸を中心として同心状に周回するように制約される。ドラム２０は、また、（遊び滑車と同様に、）自身の軸を中心として自由に回転する。１つの周回ドラムまたは入力ロータのみが示されているが、このようなドラムまたはロータは、出力ドラムの周囲に２つ以上配置されてもよい。図は、ベルト３０が機械的接地３２に接続されることも示している。機械的接地へのベルトのこの装着の特異性が、以下の章で論じられる。もし、入力ドラムすなわちロータ２０が、矢印５０の方向に移動するように外力によって回転されると、ドラム１０は、矢印４０の方向に移動するだろう。ギア減速比は、次式（１）によって与えられる。
【数１】
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【００４８】
ドラム１０へのベルト３０の装着は、伝達できる最大出力トルクを決定する。ベルト３０とドラム１０との間の有効結合を強化するために、様々な手段が用いられてよい。１つのやり方は、例えば、ベルトをドラムに密結合させるために、電気付着効果または電気積層効果などの電気的に制御可能な結合技術を用いることである。（電気付着およびその用途に関する各種のさらなる詳細および実施形態は、例えば、あらゆる目的のためにその全体を参照によって本書に組み込まれる共同所有の米国特許第７，５５１，４１９号、第７，５５４，７８７号、第７，７７３，３６３号、および米国公開出願第２０１３００１０３９８号に見ることができる。）ベルトの内表面およびドラム１０の外表面（具体的にはドラムの側面）は、２つの電気積層表面を形成してよい。この配置は、ベルト３０を、制御可能な形でかつ可逆的にドラム１０に結合させる。一部の例では、電気的に制御可能な結合技術は、高い摩擦係数を有する材料の使用、高いベルト牽引力、歯付きのベルトおよびドラム、タイミングベルトおよび滑車、嵌め合い特徴を含むドラムと組み合わされる穿孔されたベルト、または顕微鏡スケールでかみ合うきめ細かい表面などの、ベルトとドラムとの間の結合を強化するための他のやり方と部分的に組み合わされてよい。電気的に制御可能な結合技術は、以下でさらに説明される。
【００４９】
ベルトの長さは、ドラムの円周を僅かに上回るにすぎないので、出力速度は、入力速度の僅かな割合であり、そうして高ギア減速比を実現してよい。出力トルクは、同じ比率で増加される。マイナス符号は、出力が入力の反対方向に移動することを示している。
【００５０】
図２Ａ〜２Ｇは、ギアボックスに用いられてよいベルトウェーブドライブの一例を示している。図２Ａは、このようなデバイスの分解図を示している。モータ１０５は、デバイス１００への入力である。モータ１０５は、ベルトドライブ１１０を通じて入力ロータ１１５に結合される。この入力ロータ１１５は、支持板１１２の端に結合されたローラ１２０を有する。ローラは、自身の軸を中心として回転してよい。
【００５１】
入力ロータ１１５の側面図が、図２Ｂに示されている。デバイス１００の出力は、出力シャフト１４０に結合された出力ロータ１３５によって形成される。ベルト１２５が、出力ロータ１３５の側面を同心状に覆って配置されてよい。この例では、出力ロータ１３５の側面およびベルト１２５は、ベルトおよび出力ロータに電圧が印加されたときにベルト１２５がロータに静電結合されえるように、電気積層クラッチを形成してよい。ベルト１２５は、電気伝導性であってよく、または誘電体材料内に封入された柔軟性の電極を含んでいてよく、電気積層対の片割れを形成する。出力ロータ１３５が、電気積層対のもう一方の片割れを提供する。出力ロータ１３５は、伝導性材料で作成されて、誘電体材料をコーティングされたベルトと対であってよい、または出力ロータ１３５は、それ自体が誘電体材料をコーティングされて、剥き出しの伝導性ベルトと対であってよい。
【００５２】
ベルト１２５は、支持構造１３０および１４５によって支持されてよい。この例では、支持構造１４５は、可撓性の支持部材１３０を、相対的に静止している物体などの機械的接地に剛締結する。これは、穴を支持部材１３０内に、および対応するネジ穴１４５を剛性構造１５０内に作成し、クランプリングを支持構造１５０に被せてネジ留めして可撓性の支持部材１３０を捕獲することによってなすことができる。支持構造は、ポリマなどの可撓性の弾性材料で作成されてよいが限定はされない。ベルト１２５は、ベルトを可撓性の支持部材に接合するまたは縫い付けるなどを含むが限定はされない数々のやり方で可撓性の支持部材１３０に結合されてよい。
【００５３】
一部の例では、ベルト１２５に沿う支持構造１３０全体が、ベルトと出力ロータとの間の電気積層結合を可能にするために埋め込みの構造または特徴を伴う１枚のポリマシートで作成されてよい。当業者ならば、ベルトと出力ロータとの間に電圧を印加して電気積層結合を得るために用いられてよい数々のやり方および電気回路があることを、容易に把握することができる。一例では、ベルト１２５は支持構造１４５によって支持され、この支持構造は静止しているので、電気回路の一端が１４５に結合されてよく、そうしてベルト１２５に電圧が印加されることを可能にしている。電気回路のもう一端は、スリップリングまたはブラシを通じて出力シャフト１４０に結合されてよく、出力シャフトは、出力ロータ１３５と電気的に接触していてよい。もし、ロボットジョイントの場合によくあるように、静止構造に相対的な出力シャフト１４０の回転量が限られる（例えば、２７０度または１８０度である）ならば、出力ロータは、サービスループを使用して電気回路にワイヤ接続されてよい。したがって、これらのうちの任意の方法によって、ベルト１２５および出力ロータ１３５に、出力ロータ１３５へのベルト１２５の結合を電気的に制御するための電圧が印加されてよい。一部の例では、ローラ１２０も、電気積層効果を通じてベルト１２５に電気的に結合されるように構成されてよい。
【００５４】
図２Ｃは、組立デバイスを、（図２Ａに示された）矢印１６０の方向に背面から見た図である。入力ロータ１１２のローラ１２０は、ベルト１２５と出力ロータ１３５との間に配置される。したがって、もし、ベルト１２５が出力ロータ１３５の側面に静電的に締め付けられれば、ローラ１２０は、ベルト１２５を持ち上げることができる。
【００５５】
図２Ａを再び参照すると、一部の例では、ベルト支持部材１３０は、一定の速度で出力運動を生じさせつつもそれと同時にベルト１２５を少量回転させることを可能にできるように、バックラッシュを伴うことなく機械的接地に密結合される。この概念は、後ほどデバイスの動作が説明された後に明らかになる。ベルト１２５およびベルト支持部材１３０がどのように構成されえるかを引き続き論じるために、図２Ｄに、このような一方法の例が示されている。図２Ｄでは、各区分を矢印１６５、１７０、および１７５で示された多区分部材が例示されている。区分１７０は、ベルトを形成している。区分１６５および１７５は、ベルトを適所に保持し、図２Ａにおける支持構造１４５などの別の支持構造に取り付けられてよい。これら３つの区分は、一体的にまたは複数片から作成されてよい。各種の例では、各区分が異なる材料で作成されてよい。例えば、１６５および１７５が１つの材料で作成されて、１７０が別の材料で作成されてよい。また、ベルト支持構造１３０は、図２Ｄに示されるような対称的なベルト支持を必要としなくてもよい。例えば、支持構造は、１６５を含まずに、区分１７０および１７５のみで構成されてよい。
【００５６】
次に、デバイス１００の動作が説明される。モータ１０５は、入力ロータ１１２を駆動し、入力ロータ１１２は、ローラ１２０に、デバイス１００の中心軸を中心とした円軌道をたどらせる。デバイス１００についての入力角度位置対時間の一例が、図２Ｅのグラフに示されている。出力ロータ１３５に相対的なベルト１２５の滑りがないと想定すると、入力ローラ１２０は、出力ロータ１３５の周囲で回転するのに伴って、ベルトの一区間を出力ロータから持ち上げ、ローラが転がってその区間から離れるのに伴って、その区間を僅かに異なる位置に置く。ベルトのこの僅かに異なる位置は、上記の式（１）で説明されるような、出力ロータの運動の原因となる。もし、例えば、支持構造１３０が剛性の支持構造１４５（この例では、機械的に接地されていると想定される）に剛締結されないなどのように、ベルト１２５が機械的に接地されていない場合は、入力の運動は、図２Ｆに示されるように、出力ロータを非一定速度で移動させる。しかしながら、もし、ベルトおよび支持構造が機械的に接地されて場合は、時間に対する出力の運動は、図２Ｇに示されるような運動を見せるだろう。図２Ｇにおけるグラフの傾きは、ギア比にしたがった図２Ｇにおけるグラフの傾きとは異なるだろう。グラフ２Ｅおよび２Ｇの傾きは、出力の方向の逆転ゆえに、図２Ｅにおける傾きとは反対である。ベルト１２５の全体的な運動は、ベルト１２５および出力ロータ１３５の相対的円周によって決定されるギア比によって決定付けられてよい。
【００５７】
ベルト支持構造１３０およびベルト１２５に関する議論に戻り、上記では、接地に結合された状態でも少量の回転が可能だろうことが説明された。例えば、１：１２０の減速システムでは、ベルトおよび出力ロータは、入力ロータが一回転する間に、３６０度／１２０＝３度移動するだろう。このタイプの回転を可能にするために、ベルト支持構造１３０は、通常、２つの機能を実施する。これは、ベルト１２５がローラ１２０によって出力ロータ１３５から半径方向に持ち上げられることを可能にする。これは、また、ベルト１２５が接地に固定された（または、ベルト支持構造１３０が入力または出力のいずれかとして用いられている場合は、出力ロータの軸と同心の剛体円に固定された）状態を維持しつつも、一定の出力速度で回転している出力ロータ１３５上でベルト１２５が滑ることがないようにベルト１２５が僅かに（例えば、上述のように３度）回転することを可能にする。
【００５８】
これらの両機能を実現する１つのやり方は、上述のように、弾性の支持構造を使用することである。もし、この弾性構造が薄ければ、ベルトをローラの表面で持ち上げるおよび戻すために費やされるエネルギが非常に少なくてすむ。一部の例では、用途に必要とされる特性に合うように材料および幾何学形状を選択することによって、構造の弾性率を調整することができる。一部の用途では、トランスミッションの出力が高ねじり剛性を有するように、ねじりを伴う剛性のベルト支持構造を有することが望ましいだろう。
【００５９】
図２Ａに示された例の利点は、類似の減速比を有する他のトランスミッションと比べて効率が高いだろうことである。ベルト１２５は、例えば１ｍｍ未満などの極薄シートから作成されてよく、したがって、小半径のローラに沿う屈曲が、効率的に実現されるだろう。また、ベルトの垂直抗力および摩擦に依存する代わりに静電効果を用いてベルト１２５をロータ１３５の表面に締め付けるゆえに、ベルト牽引力が高い必要がなくてすむ。静電効果は、せん断力に抵抗するが、入力ローラ１２０がスピンするために必要とされる剥離運動は、所要のエネルギが少ないのが通例である。
【００６０】
図２Ａ〜２Ｇのデバイス１００に関係して上述された例では、ベルト支持部材１３０が機械的に接地されていた。しかしながら、他の概念では、デバイス１００の他の部材が機械的接地に結合されてよい。代替の一例では、デバイス１００における出力ロータとして機能する構成要素１３５が機械的に接地されてよく、ベルト支持構造１５０が出力として用いられてよい。この構成では、入力および出力は、上記の式（１）によって与えられるギア比で同方向に回転するだろう。
【００６１】
より一般的には、図１に戻り、ベルトウェーブドライブ５は、３つの構成要素を有してよく、これらの３つの構成要素は、様々な構成のドライブにおける入力、出力、または接地であってよい。これらの３つの構成要素は、支持構造を伴うベルト３０、大直径ドラム１０、および周回ローラ２０である。もし、周回ローラ２０が入力であるならば、ドライブは、式（１）で上述されるように減速機である。もし、周回ローラが出力である（とともに、支持構造を伴うベルトまたは大直径ドラムが入力として使用される）ならば、ドライブは増速構成をとる。多くの用途では、電気モータを減速させるおよびトルクを増加させるトランスミッションを有することが望ましいが、その他の構成も可能である。
【００６２】
編み上げ構造を伴うベルトウェーブドライブ
【００６３】
図３Ａ〜３Ｂは、編み上げ構造を伴うベルトウェーブドライブの一実施形態を示している。図３Ａは、デバイス２００の分解図であり、一般的に２枚の円形外板２１０および２４０と中心リング２２０とを伴うものとして示されている。組み立てられるときに、板およびリングは、それらの中心が共通の軸２４５に沿うように配置される。一実施形態では、板２１０が、入力として機能してよい。２枚の板のうちのいずれか１枚（２２０または２４０）が、接地された構成要素として機能して（すなわち、安定状態に維持されて）よい一方で、もう一方の１枚は、出力として機能してよい。板２１０は、２本のロッド２１５Ａおよび２１５Ｂによって板２１０に結合される２枚のサブ板２１７Ａおよび２１７Ｂを有してよい。より多いまたは少ない数のロット２１５Ａおよび２１５Ｂが、板２１０とサブ板２１７Ａおよび２１７Ｂとを結合してもよい。サブ板の機能および配置に関しては、後ほどさらに詳しく説明される。
【００６４】
この例では、リング２２０は、同心ベルト構造２３０を有する。ベルト２３０は、図３Ａに示されるような編み上げメッシュなどがあるが限定はされない様々なメカニズムによって、リング２２０内に保持されてよい。ベルト２３０は、ドラム２３５に結合するように静電的に活性化されてよく、ドラム２３５自体は、外板２４０に結合されてよい。この例では、静電結合は、ドラム２３５の側面が電気積層デバイスの第１の表面を形成する一方でベルト２３０が電気積層デバイスの第２の表面を形成する状態で用いられる。ドラム２３５を伴う外板２４０の簡易側面図が、図３Ｂに示されている。図３Ｂの例は、後述される機能を有する通路２４３をドラム２３５が有しえることも示している。この特定の例では、静電結合と併せて使用するためのギア歯が、ドラム２３５上の２４２に示されている。リング２２０は、板２４０の表面および板２１０の表面に乗るローラ２２７を有し、したがって、ベルト２３０およびドラム２３５は、同心状に配置される。リング２２０が板２１０と２４０との間に挟まれるように、シャフト（この図には示されていない）が、板２１０および板２４０およびリング２２０を制約する。
【００６５】
図に示された例では、板２１０および２４０、ならびにサブ板２１７Ａおよび２１７Ｂが組み立てられるときに、ロッド２１５Ａおよび２１５Ｂは、ロッドがドラムまたはベルトに触れることなくドラムの上を横切るようにベルト２３０の下にかつドラム２３５の上に位置決めされる。これは、組立デバイス２００の側断面図である図３Ｃに示されている。サブ板２１７Ａおよび２１７Ｂは、ドラムアセンブリ２３５の通路２４３内に収まり、さらに、通路の内表面上に乗ってそれを共通軸２４５を中心として同心状に移動するように制約するローラ２２１を有する。また、ロッド２１５Ａおよび２１５Ｂの場所には、別の組のローラが、ローラ２２１から半径方向に外側に位置付けられ、これらのローラは、ロッド２１５Ａおよび２１５Ｂの軸がこれらの外側の組のローラの回転軸と一致するように、通路２４３上に座する。したがって、図３Ｃでは、１対のローラ２１９Ａおよび２２１が、ロッド２１５Ａの軸がローラ２１９Ａの軸と一致した状態で図の上部に見えている。同様に、図３Ｃの底部には、１対のローラ２１９Ｂおよび２２１が、ロッド２１５Ｂの軸がローラ２１９Ｂの軸と一致する状態で見えている。この配置では、ローラ２１９Ａおよび２１９Ｂは、入力板２１０が回転されるのに伴って、ベルト２３０をドラムから半径方向に外側へ持ち上げることができる。ロッド２１５Ａおよび２１５Ｂは、ベルトの下でドラムの上を横切るので、ベルト２３０は、ドラムの円周よりも僅かに大きい円周を有するゆえに、（もし、板２１０が入力として使用されるならば）板２１０の回転ごとに、式（１）によって決定付けられるように入力回転の方向にドラムに相対的に僅かに移動するだろう。もし、板２４０が機械的接地に固定されて保持され、板２１０が入力として使用されるならば、リング２２０は、式（１）にしたがって回転する。この状況では、リングは、入力の回転の方向に移動する。もし、リング２２０が保持される（または機械的に接地される）ならば、板２４０は、式（１）にしたがって入力の回転方向と反対に移動する。いずれの場合も、大ギア減速比が実現されえるように、出力回転は、入力回転の何分の１かである。
【００６６】
図３Ａ〜３Ｃで説明されたデバイス２００、または図２Ａ〜２Ｄで説明されたデバイス１００の構成要素は、プラスチック、鋼、ポリマシート等などがあるが限定はされない軽量で安価な材料で作成されてよい。これは、ベルトウェーブドライブを使用したコンパクトで軽量なパッケージによって大ギア減速比が実現されることを可能にしえる。
【００６７】
図４Ａ〜４Ｄは、懸垂面様のベルト支持構造を伴うベルトウェーブドライブシステムの一実施形態を示している。図４Ａは、デバイスの分解図であり、図４Ｂは、組立デバイスを示した斜視図である。図４Ｃは、断面図である。図４Ａは、２枚の遊び支持板３２０間の２つの遊び滑車３１０を示している。遊び支持板および遊び滑車は、遊び滑車がドラム３３０上の円形スリット３６０を通して位置決めされえるように、ドラム３３０内に位置決めされてよい。遊び滑車は、したがって、デバイス全体の軸３７０を中心として周回することができるうえに、自身の回転軸を中心として回転することもできるだろう。遊び滑車、遊び支持板、ドラム、およびドラム上のスリットの位置は、図４Ｃに例示されている。
【００６８】
図４Ａは、この例のための、メッシュまたは織物の編み上げ支持構造３４０を示している。このメッシュ支持構造は、２つの外リング３４５を有してよく、それらの間にメッシュが結合されてよい。図４Ｄは、２つの外リング間に結合されてよいメッシュを例示している。メッシュは、２つのパーツ、すなわちメッシュ本体３６１と、ベルト３６２とを有していてよい。各種の実施形態において、メッシュ本体は、カーボンファイバおよびポリマを含むが限定はされない様々な材料で作成されてよい。メッシュは、例えば２インチ（およそ５．０８センチ）または３インチ（およそ７．６２センチ）などの大直径の編み上げ管の一区間から作成されてよい。この例では、締結技術は、メッシュ本体を外リングにネジ留めまたは糊付けすることを含むが限定はされない。図４Ｄにおけるメッシュの例は、懸垂面様の形状を有するが、その他の形状も可能であってよい。
【００６９】
懸垂面の利点は、所定の境界条件に対して表面積が最小であることである。境界条件は、例えば図４Ｄでは、２つの外リング３４５の場所である。メッシュ本体３６１およびベルト３６２は、図４Ａに示されており、メッシュの断面は、３６０として図４Ｃに示されている。図４Ｄは、メッシュの中心に配置されてメッシュによって支持されるベルト３６２も示している。組み立てられたときに、ベルト３６２は、遊び滑車３１０に接触していてよい。この例のベルト３６２は、金属またはプラスチックを含むが限定はされない様々な材料で作成されてよい。図には示されていないが、一部の実施形態では、ベルト３６２の内表面およびドラム３３０は、ドラム３３０とベルト３６２とが静電結合によって組み合わされたときに互いに滑ることがないように、プラスチックまたはその他の材料で作成された細かい歯を含んでいてよい。
【００７０】
引き続き図４Ａに関し、メッシュ支持構造３４０は、３５５によって示されるようなバネ部材を有していてよい。図４Ａは、このようなバネ部材を幾つか示しており、これらは、図４Ｃの断面でも見られる。これらのバネ部材は、外リング３４５に結合されてよく、しかしながら、剛性出力リング３５０を支持してもよい。図に示されるように、メッシュおよび外リングは、これらのバネ部材ゆえに、緊張状態で保持される。バネ部材は、鋼およびカーボンファイバを含むが限定はされない様々な材料で作成されてよい。バネ部材は、外リング３４５が軸方向に（剛性出力リングに向かうようにおよび剛性出力リングから離れるように）撓むことを可能にしつつ、外リング３４５から剛性出力リング３５０にトルクを伝達する。この軸方向の撓みは、遊び滑車３１０がベルト３６２の一区間の下を通過してそのベルト区間をドラム３３０から持ち上げるときに生じる。軸方向の僅かな撓みは、入力シャフトが一回転する間における、出力リング３５０に対するベルト３６２の少量の相対的回転を相殺するためにも発生する。
【００７１】
図４Ｂは、上記の例のデバイス３００の動作を示している。シャフト３０５は、デバイスへの入力であり、モータによって回転駆動されてよい。入力シャフト３０５の回転は、遊び滑車３１０をベルト３６２下でデバイス軸３７０を中心として周回させる。メッシュ３４０によって支持されているベルト３６２下における遊び滑車３１０の動きは、図１の出力ドラム１０の周りでのベルト３０下における入力ロータ２０の動きまたは図３Ａのベルト２３０下におけるロッド２１５の動きなどの、上述された他の例の動きと同様である。入力シャフト３０５が回転されるときに、もし、ケース３６０が機械的接地に対して不動に保持される場合は、剛性出力リング３５０は、上述された式によって決定付けられるように入力と同じ方向にただし大ギア減速で回転する。もし、剛性リング３５０が、それを機械的接地に接続することによって静止状態に保持される場合は、ケース３６０が、やはり上述された式にしたがって入力回転とは反対の方向に大ギア減速で回転する。さらに別の動作モードでは、入力回転が剛性リング３５０に適用され、ケース３６０が機械的接地に結合された場合に、シャフト３０５が回転する。同様に、入力がケース３６０に適用され、剛性リングが機械的接地に結合された場合は、シャフト３０５が再び回転する。後者２つの例では、シャフトは、入力速度に対して速度の増加に見舞われる。したがって、この例は、特定の動作モードで高ギア比減速を実現しえるという理由でのみならず、逆駆動可能であるという理由でも有利だろう。例えば、ロボットシステムでは、アームなどのロボットサブシステムによって物体にどれくらいの力が作用するかを評価するにあたり、逆駆動可能なトランスミッションシステムが有利である。これらの状況では、例えば図４Ｂにおけるシャフト３０５などの、通常は入力を駆動しているアクチュエータが、アクチュエータの特定の速度を実現するために必要とされる電流が監視されえるという意味で、センサとして使用されてよい。もし、アクチュエータと出力との間に過剰な摩擦力が存在しなければ、アクチュエータに流れる電流を、出力が物体に作用させる力に関係付けることが可能だろう。この例のデバイス３００は、高ギア減速を得ること、およびそれを逆駆動可能にすることを可能にしえる。
【００７２】
可変ベルトウェーブトランスミッション
【００７３】
図５Ａ〜５Ｃは、可変ベルトウェーブドライブトランスミッションの一実施形態を示している。一例では、ギア比は、動作範囲内で変化させられてよい。図５Ａは、面ＡＡ’に沿ったデバイス４００の断面図を示しており、図５Ｂは、デバイスの側断面図を示している。ケース４０５は、モータ４２０を収納していてよく、該モータ４２０は、定速モータであってよい。モータは、心棒４０２を有し、該心棒４０２は、ケース内で、４３０などの軸受け上でスピンしてよい。全ての図面で、幾つかの軸受けが同じ符号で示されている。モータケース４０５は、後述される目的を有する区分されたドラムである部材４１５に、剛結合されてよい。
【００７４】
心棒４０２は、図２Ａおよび図２Ｂの構成要素１１５と同様なロッド４２５によって、板４３２に結合されてよい。ロッドは、自身の軸を中心として自由に回転してよい。これは、図５Ｂの例に示されるように、ロッド４２５が自身の軸を中心としてスピンしえるように板上に軸受けを設けることによって実現されてよい。ロッド上で自由に回転するスリーブをロッドに付けるなどを含むが限定はされない、ロッド４２５の自由回転を可能にするその他のやり方も可能である。ロッド４２５は、入力ロータとして機能してよく、本議論のこれ以降でも、そのように示される。したがって、入力ロータ４２５は、図５Ｂでは長手方向で示され、図５Ａでは断面で示されている。
【００７５】
入力ロータ４２５は、区分ドラム４１５とベルト４１０との間に配置されてよい。図５Ａおよび図５Ｂでは、入力ロータ４２５は、図の底部に示されている。区分ドラム４１５は、ドラムの一区間が出力ロータ４を形成しえるように形成されてよい。区分ドラム４１５および出力ロータは、図５Ｃの斜視図に示されている。ドラムの各区分は、図５Ｃに例示されるようにドラムの長さの全長にわたってよい４４５などの細長いスリットを形成することによって定められてよい。複数のスリットが存在して複数の区分を形成してよい。スリットおよび区分の機能は、ドラム４１５の直径ｄを変化させることである。直径を変化させる概念については、後ほど詳しく説明される。ベルト４１０は、この例では、入力ロータ４２５の場所を除く区分ドラム４１５の全ての場所に電気的に制御可能な形で結合されえるように配置される。その場所では、入力ロータ４２５が、区分ドラム４１５とベルト４１０との間にあってよい。ベルト４１０は、図５Ｂに明確に示されるような断面を概ね有してよく、ただし、一方の側をケース４０５に機械的に接地される。ドラム４１５の直径は、直径アダプタ４４０によって変化されてよく、該アダプタは、この例では、アダプタに平行する双方向矢印によって示されるように軸方向に作動されてよい。一部の実施形態では、直径アジャスタ４４０は、手動で調整されてよい。一部のその他の概念では、直径アジャスタ４４０を制御してドラム４１５の直径を変化させるために、電子アクチュエータが用いられてよい。
【００７６】
次に、ギア比の変化を実現するためにドラム直径を変化させる例が、以下の仮定に基づいて説明される。
【数２】
2019052764.tif 000004
【数３】
2019052764.tif 000005
【００７７】
ここで、入力および出力は、上記の式（１）のように定められる。式（２）および式（３）における１および２への参照は、ドラム直径が修正される前および修正された後における２つの状態を意味する。式（１）を式（２）および式（３）に代入し、Ｂがベルト長であり、Ｄ１およびＤ２が、直径または円周が修正される前および修正された後における出力ドラム４１５の円周であると想定する。
【数４】
2019052764.tif 000006
【００７８】
ＢおよびＤ１およびＤ２として具体的な数字を想定することによって、ドラム直径の小さな変化が比に対して大きな影響力を有しえることが示されるだろう。例えば、初期ドラム直径がＤ１＝７．６ｃｍであり、ベルト長がＢ＝２４ｃｍであり、Ｄ２を得るために直径が１．１ｍｍ変化されたと想定し、これら２つの状態間でベルト長Ｂが変化しないとすると、Ｒ１≒４Ｒ２であると示すことができる。もし、例えば、Ｒ１＝１００：１であるならば、Ｒ２≒２５：１である。こうして、直径の比較的小さい変化が、結果として得られる比に対して大きな影響力を有しえることが示される。ギア比は、直径アダプタ４４０の位置の能動的調整によって、動作範囲内で変化されてよい。ギア比は、ドラム直径に依存するので、動作範囲もやはり、ドラム直径およびドラム直径が変化しえる範囲に依存するだろう。こうして、材料特性、ドラムの設計、および厚さなどがあるが限定はされない幾つかの要因が、全て、所定の用途に合わせて適切に選択されてよい。
【００７９】
ベルト４１０にかかる所定の大きさの牽引力を維持するためには、入力ローラ４２５の半径方向位置が、出力ドラム４１５の直径の変化を相殺するように調整される必要があるだろう。幾つかの用途例では、これは、バネ荷重によって入力ローラ４２５をデバイス４００の中心軸から遠ざけることによって実現されてよい。他の例では、ラック・アンド・ピニオン構成、ボールネジもしくは送りネジ、または中心軸からのローラの場所の少量の線形変位を実現する複数のその他の周知のやり方などのメカニズムによって、ローラ４２５の位置を調整することが可能だろう。
【００８０】
上記の図５Ａ〜５Ｃの例では、ドラム４１５の直径は、直径アダプタ４４０および区分ドラム構造を使用して調整された。ドラム直径を変化させるその他の方法も可能だろう。このような代替の一例では、ドラムは、純粋に円筒形であるというよりは、むしろ、僅かに円錐形状であり、ベルトおよび支持構造に相対的なその位置が調整されてよい。これは、ベルトおよびロータに接触している区間のドラムの直径を変化させ、そうしてギア比に影響を及ぼすだろう。ドラムは、この代替の例では、区分される必要がない。別の一例では、デバイスの軸に垂直にとられた複数の断面において、ドラムおよびローラを取り巻くベルトの経路が同じ所定の長さを有するように、ローラは、ドラムの傾斜に関係付けられた傾斜を伴って僅かに円錐形であってよい。
【００８１】
また、他の例では、ギア比は、ベルトの円周を調整することによって変化されてよい。ベルト円周を変化させるために、様々な方法が用いられてよい。このような代替の一例では、ベルトは、複数の電気積層シート層で作成されてよく、これらの複数のシート層は、制御可能な方式で互いに付着されてよいまたは解放されてよい。ベルトは、また、弾性バンドなどの戻りバネを有してもよく、これは、たとえ電気積層シートが互いから解放されたときでも、ベルトをドラムおよび入力ロータの周囲に結合された状態に維持する。
【００８２】
さらに他の例では、ロータ４２５は、ロータ軸とデバイス４００の中心軸との間の距離が変化されることを可能にするように構成されてよい。ベルトは、通常の条件下でエネルギを付与され、これは、層を接合して一定の長さおよび一定のギア比を維持するだろう。ギア比を変化させるためには、電気積層シートがオフにされてよく、これは、シートを互いからおよび出力ドラム表面から解放させる。ロータ４２５は、上述されたメカニズムの一部を使用して、（より中心軸に近いまたは遠い）新しい位置に移動されてよい。ベルトは、ドラムおよびロータを取り巻く経路をたどるので、ロータの移動は、ベルトを長くするだろう。ベルトは、次いでオンにされてよく、これは、電気積層層を、（ベルトの長さを維持するために）互いにおよび（トルクを出力に伝達するために）ドラム表面にかみ合わせさせる。
【００８３】
電気的に制御可能なかみ合わせメカニズム
【００８４】
ドラム１０へのベルト３０の装着は、ベルトウェーブドライブによって伝達できる最大出力トルクを決定する。ベルト３０とドラム１０との間の有効結合を高めるために、様々な手段が用いられてよい。当業者ならば、電気的に制御可能な多様な結合技術が、様々な例のベルトウェーブドライブでの使用に適応されてよいことがわかる。例えば、電気積層効果、電気付着、静電把持、および関連の用語は、総じて、静電力を使用した２つの物体の機械的結合を言う。電気付着は、本書で説明されるように、静電力の電気的制御を使用して２つの物体間の一時的なおよび分離可能な装着を可能にする。この電気付着は、印加された電場によって形成される静電力ゆえに、これらの物体の２つの表面を合わせて保持するまたは２つの表面間の牽引力もしくは摩擦を増加させる。電気付着の特性として、総じて、オフにされたときに、ズレが少ない、せん断力が高い、および剥離力が小さいなどが挙げられる。
【００８５】
上述されたベルトウェーブドライブにおける、ベルトとロータとの間のかみ合わせ技術の一例では、電気積層効果は、ベルトと少なくとも１つのロータの外周表面との間の締め付けを実現するために、表面間の、すなわちこの場合はベルトとロータとの間の、静電力に依存する。例えば、図１のベルト３０の内表面およびドラム１０の外表面（具体的には、ドラムの側面）が、２つの電気積層表面を形成してよい。この配置は、制御可能な形でかつ可逆的にベルト３０がドラム１０に結合されることを可能にする。１つの手法では、電気付着、すなわち電気的に制御された可逆的な付着は、図１のロータ１０とベルト３０との間などのロータとベルトとの間に高レベルのＤＣ電圧などの電圧差を印加して、ロータとベルトとの間の牽引力を増加させる静電引力を生成することによって得られてよい。例えば、図７の電圧制御回路５８０が、ロータおよびベルトに電気的に結合され、それらに電気積層効果を誘導してそれらを締め合わせるために高い電位差を印加する。
【００８６】
一部の例のベルトウェーブドライブに用いられてよい電気的に制御可能な別のかみ合わせ手法は、別の形態の電気付着を伴う。図６Ａおよび図６Ｂは、この形態の電気付着の例を示しており、この場合は、ベルトまたはロータのいずれかの中に電極が提供され、これらの電極に、ベルトとロータとの間の牽引力を増加させるために電気付着電圧が印加される。
【００８７】
図６Ａの例では、ベルト５３０は、少なくとも１対の、互いに電気的に絶縁された隣り合う電極５３１Ａおよび５３１Ｂを提供され、各電極は、ベルト５３０に埋め込まれた導電性材料のループである。なお、留意すべきは、各種の実施形態において、図６Ａの例に示されるように、複数対の電極が提供されてよいことである。例えば電圧制御回路５８０によって生成される静電付着電圧が、交互する正電荷および負電荷を有し、これらは、電気付着効果を生じるために、隣り合う電極５３１Ａおよび５３１Ｂに印加される。電圧は、当業者によって容易に理解されるリングおよびブラシなどの多様な技術を通じて電極５３１Ａおよび５３１Ｂに印加されてよい。
【００８８】
電極５３１Ａと電極５３１Ｂとの間の電圧差の結果、ドラム５１０の誘電体表面に電場が形成される。電場は、誘電体材料を局所的に分極させ、そうして電極５３１Ａおよび５３１Ｂとベルト５３０との間に静電付着を、ならびにドラム５１０の誘電体材料内に誘導電荷を生じさせる。誘導電荷は、誘電分極の結果として、または弱伝導性材料および漏れ電流からもたらされてよく、ただし、電気的に制御可能なかみ合わせ技術のこれらの例は、例示された例によって制限されない。例えば、誘導された静電力は、低い電力レベルで強い力を提供するために、ジョンソン・ラーベック効果を使用してもよい。
【００８９】
したがって、静電付着電圧は、ベルト５３０と、ロータまたはドラム５１０の表面下の材料との間に静電力を提供し、それらの間の牽引力を増加させて、ベルトウェーブドライブをかみ合わせさせる。静電付着電圧の排除は、ベルト５３０とロータまたはドラム５１０との間の静電付着力を停止させ、これは、それらの間の牽引力を減少させて、ベルトウェーブドライブを解放させる。
【００９０】
図６Ｂは、１対以上の隣り合う電極５６１Ａおよび５６１Ｂがドラム５６０内に提供される別の例を示している。電極５６１Ａおよび５６１Ｂに印加された静電付着電圧が、ベルト５７０の誘電体表面内に電場を形成し、この電場は、ベルト５７０の誘電体材料を局所的に分極させ、電極５６１Ａおよび５６１Ｂとドラム５６０との間に静電付着を、ならびにベルト５７０の誘電体材料内に誘導電荷を生じさせる。こうして、ドラム５６０とベルト５７０との間の牽引力が、電極５６１Ａおよび５６１Ｂへの静電付着電圧の選択的印加によって電気的に制御されてよい。
【００９１】
図７は、電圧制御回路５８０の一簡易例を示しており、ここでは、制御回路５８２が調整回路５８６を制御する。制御回路５８２は、例えばマイクロプロセッサまたはマイクロコントローラであってよく、調整回路５８６は、電極５８１Ａおよび５８１Ｂを通じてベルトおよびドラムに印加される静電付着電圧信号を調整してよい。電池または電力供給部などの電源５８４が、電圧制御回路５８０のための作動電力を提供し、電極に印加される静電付着電圧信号のための電力を提供する。制御回路５８２は、調整回路５８６にベルトおよびドラムへ静電付着電圧を出力させることによって、ベルトウェーブドライブをかみ合わさせてよく、調整回路５８６に静電付着電圧の生成を停止させることによって、ベルトウェーブドライブを解放させてよい。この配置は、ベルト３０ならびにロータ１０および２０などの上述された例のベルトおよびロータが、電圧制御回路５８０の制御下で制御可能な形でかつ可逆的に結合されることを可能にする。
【００９２】
一部の実施形態では、本書で説明される電気付着は、速いかみ合わせ時間および解放時間を可能にし、これらの時間は、ほぼ瞬時であると見なされてよい。かみ合わせおよび解放の速度は、幾つかの手段によって増加されてよい。もし、狭い線幅および狭い間隔で電極が構成される場合は、速度は、例えば、電極を含まないロータのベルトなどの、伝導性または弱伝導性の基板を使用して増加される。なぜならば、そうすれば、電荷が流れて電気付着力を確立するために必要とされる時間が短縮されるからである。基本的に、例えば電極を含むベルトまたはロータなどの電気付着デバイスと基板とを両方とも含む分布抵抗−容量回路のＲＣ時定数は、低減される。また、より迅速に所定レベルの電気付着力を確立するために、より高い電圧を使用することも可能であり、また、電圧を一時的に過剰に分配して迅速に電荷の分布および適応を確立することによって、速度を増加させることも可能である。解放速度を増加させるためには、一定の速度で電極の極性を効果的に逆転させる駆動電圧が用いられてよい。このような電圧は、電極基板材料内に電荷が蓄積することを防ぎ、そうして速い解放を可能にする。あるいは、必要とされるいくらかの追加の駆動電力を犠牲にして速い放電時間を提供するために、中程度に伝導性の材料を電極間で使用することが可能である。
【００９３】
本書で使用される静電付着電圧という用語は、電極を伴う例えばベルトまたはロータドラムなどの電気付着デバイスを、誘電体表面材料を伴う例えばベルトまたはロータドラムなどの基板に結合するのに適した静電力を生成する電圧を言う。電気付着デバイスに必要とされる最小電圧は、電気付着デバイスのサイズ、電極の材料伝導性および間隔、電極間の絶縁材料、誘電体表面の材料、埃やその他の微粒子もしくは湿気などの電気付着を乱す存在、電気付着デバイスに機械的に結合される構造の重量、電気付着デバイスの伸展性、基板の誘電特性および抵抗特性、ならびに電極と基板との間の関連の隙間などの、幾つかの要素によって変動する。一実施形態では、電気付着電圧は、約５００ボルトから約１０キロボルトの間である電極間差動電圧を含む。特定の一実施形態では、差動電圧は、約２キロボルトから約５キロボルトの間である。一方の電極の電圧は、ゼロであることができる。隣り合う電極に、正電荷と負電荷とが交互に印加されてもよい。
【００９４】
図７の例に戻り、制御回路５８０は、適切な静電付着電圧が電極５８１Ａおよび５８１Ｂにいつ印加されるかを決定するように構成される。回路５８０は、静電付着電圧がいつ印加されるかを決定するオン／オフ信号と、振幅などの電圧信号の一部の特性とを提供するプロセッサまたはコントローラ５８２を含んでいてよい。回路５８０は、電気付着デバイスにおける充放電サイクルに関係付けられた時間も決定してよい。
【００９５】
調整回路５８６は、電極５８１Ａおよび５８１Ｂに電圧を印加するときに使用される電圧漸増、ＡＣ電力とＤＣ電力との間の転換、電圧平滑化、および蓄積された静電エネルギの回復のうちの、１つ以上のタスクを実施するように構成された任意の回路を含んでいてよい。もし、電源５８４として低電圧電池が使用されるならば、調整回路５８６は、そのような電池から電力を受け取るように設計されてよい。例えば、ロボット用途では、調整回路５８６は、従来の電池から４０ボルト未満などの電圧を受け取り、その電圧を増加させて１キロボルトを上回る静電付着電圧にしてよい。電池などの低電圧電源は、多くのハンドヘルド計算機で使用されるものと同様な、小型の光起電性パネルなどの別の電源で置き換えられてよい。一実施形態では、調整回路５８６は、本書で説明される静電付着電圧の漸増を可能にするように構成された変換器またはスイッチング電力供給部を含む。特定の一実施形態では、調整回路５８６は、カリフォルニア州サッター・クリークのＦｏｒｅｓｔ  Ｐｒｏｄｕｃｔｓ  Ｒｏａｄ  ７０にあるＥＭＣＯ  Ｈｉｇｈ  Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎによって提供されるモデル番号Ｑ５０−５を含む。調整回路５８６から電極５８１Ａおよび５８１Ｂへは、リード線が伸びている。
【００９６】
電気付着デバイスの構成に応じて、さらに複雑な電荷制御回路が開発されてよく、図７の例に限定されない。また、回路機能の一部が合されてよい。例えば、１つの集積回路が、コントローラ５８２による制御と、調整回路５８６による電圧漸増とを実施してよい。
【００９７】
電気付着デバイスに提供される電圧は、可変である。一実施形態では、ＡＣ作動が電極に適用される。一部の事例では、誘電体基板に作用する静電力が、安定したＤＣ作動下で時定数とともに緩和することがある。この現象は、もし絶縁体が電荷を捕獲していると、その絶縁体内で発生することもある。しかしながら、各電極にかかる電荷の極性を高周波数で交互させることによって、電気付着力を維持するまたはひいては強化することが可能である。特定の一実施形態では、ＡＣ信号は、１Ｈｚを上回る周波数を含む。より高いまたは低い他の周波数が使用されてもよい。別の一実施形態では、複数組の電極が使用され、時間をずらしてまたは位相をシフトさせてＡＣ電圧が印加される。これは、別の組の電極におけるＡＣ電圧が一時的に０電圧差を通過する間に、１組の電極が電気付着力を維持することを可能にする。別の一実施形態では、ＤＣ作動が電極に提供されてよい。ＤＣ作動を伴う一部の事例では、電圧がオフに切り替えられるときに速い解放を実現するために、中程度に低い絶縁体抵抗によって漏れ経路が提供されてよい。その他の事例では、所望時に解放を提供するために、ＤＣ作動とは反対の極性を有する一定量の電荷がパルス状に電極に適用されてよい。この場合、一定量の電荷は、例えば電極を伴うベルトまたはロータなどの電気付着デバイスの静電容量と等しい静電容量を伴う、外部コンデンサからまたは調整回路５８６の一部を構成するコンデンサからきてよい。
【００９８】
電気付着デバイスの切り替え時間および応答時間は、電気機器によっておよび電極に適用される信号によって異なってよい。例えば、期間の１０分の１の昇圧時間を伴う５Ｈｚ信号が、２０ミリ秒の充放電サイクルを提供してよい。
【００９９】
総じて、電気付着は、例えば電極を伴うベルトまたはロータなどの電気付着デバイスと、例えば誘電体のロータまたはベルトなどの誘電体基板との間の牽引力を増加させるために、少量の電力を必要とする。所要の電力が少ないのは、電気付着が主に容量効果であると考えられてよいからである。これは、漏れ電流を最小に抑えるように適切な絶縁材料を選択することによって、無効電力が小さくとどまることを示唆している。もし、捕獲されている電荷が問題になるならば、漏れ電流が許容可能なレベルにとどまる範囲内で、絶縁材料の抵抗性が低減されてよい。
【０１００】
本書で説明される様々な例のベルトウェーブドライブでの使用に適した静電付着電圧に関するさらなる情報が、あらゆる目的のためにその全体を本明細書に組み込まれる「Ｅｌｅｃｔｒｏａｄｈｅｓｉｏｎ（電気付着）」に対する共同所有の米国特許第７，５５１，４１９号、ならびに米国特許第７，５５４，７８７号、第７，７７３，３６３号、および公開された米国出願第２０１３００１０３９８号で説明されている。
【０１０１】
その他の例の静電技術も、ここで説明されたベルトウェーブドライブでの使用に適応可能だろう。例えば、半導体製造などの多岐にわたる業界で、長年にわたり、静電把持が用いられてきた。その例は、「Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ  Ｃｈｕｃｋ  Ｕｓｉｎｇ  Ａ．Ｃ．  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ（ＡＣ場励起を使用した静電チャック）」に対する米国特許第５，１０３，３６７号、「Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ  Ｃｈｕｃｋ  ｗｉｔｈ  Ｉｍｐｒｏｖｅｄ  Ｒｅｌｅａｓｅ（解放を向上された静電チャック）」に対する米国特許第５，３２５，２６１号、および「Ｒｅｍｏｔｅ  Ｐｏｗｅｒｉｎｇ  ｏｆ  Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ  Ｃｈｕｃｋｓ（静電チャックの遠隔通電）」に対する米国特許第６，９２２，３２４号に示されている。
【０１０２】
「Ｑｕｉｅｔ  Ｌｏａｄ  ｆｏｒ  Ｍｏｔｏｒ  Ｔｅｓｔｉｎｇ（モータ試験のための静負荷）」に対する米国特許第７，５９２，７２７号で説明される渦電流制動または「Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｅｎｅｒｇｙ  ａｎｄ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ（誘導結合エネルギおよび通信装置」に対する米国特許第５，８５６，７１０号で説明される誘導結合などの、その他の形態の電気的に制御可能な結合も、本書で論じられるベルトウェーブドライブの例での使用に適応されてよいだろう。一部の例に適応されえる電気的に制御可能な別の結合手法は、磁気結合を含み、ここでは、例えば、ロータは、ベルト内の電磁石と引き合う電磁石をその外表面に隣接して有し、電磁石は、ロータとベルトとの間のトルク伝達を提供するために極性が交互するように構成される。磁気結合に関するさらなる情報は、Ｍａｇｎｅｔｉｃａｌｌｙ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｒｉｖｅ−ＯｐｅｎＲＯＶ  Ｒ＆Ｄ（磁気的に結合されたドライブ−オープンＲＯＶ  Ｒ＆Ｄ）（https://forum.openrov.com/t/magnetically-coupled-drive/30）で説明されており、磁気ギアリング技術の一例は、「Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｇｅａｒ  ａｎｄ  Ｇｅａｒ  Ｔｒａｉｎ  Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ（磁気ギアおよびギア列構成）」に対する米国特許第５，５６９，９６７号で説明されている。これらの参考資料もまた、あらゆる目的のためにその全体を参照によって組み込まれる。
【０１０３】
本書で引用される刊行物、特許出願、および特許を含む全ての参考資料は、あたかも各参考資料が参照によって組み込まれるものとして個別に且に明確に記されたかのごとくおよび／またはその全体を本書に明記されたかのごとく、参照によって同程度に本明細書に組み込まれる。
【０１０４】
本明細書および添付の特許請求の範囲における用語「a」、「an」、「the」および類似の指示語は、本書で別途記されない限りまたは文脈によって明らかに否定されない限り、単数および複数の両方を範囲に含むものと解釈される。本明細書および添付の特許請求の範囲における用語「having（を有する）」、「including（を含む）」、「containing（を含有する、内包する）」、および類似の指示語は、別途注記されない限り、（例えば、「を含むがそれらに限定はされない」ことを意味する）オープンエンドの（非限定的な）表現だと解釈される。本書での値範囲の列挙は、単に、その範囲内に包括的に入る個々の値を個別に言及するための簡単な方法として機能することを意図しており、個々の値は、あたかも本書で個別に列挙されたかのごとく、本明細書に組み込まれる。本書で説明される全ての方法は、本書で別途記されない限りまたは文脈によって明らかに否定されない限り、任意の適切な順番で実施できる。本書で提供されるありとあらゆる例、または例示用語（例えば、「such as（などの）」）の使用は、単に、本発明の実施形態をより明らかにすることを意図しており、特許請求の範囲で別途請求されない限り、発明の範囲に対して制限を課すものではない。明細書中のいかなる用語も、特許請求の範囲で請求されていない要素を本明細書の各実施形態にとって不可欠であることを示すと解釈されるべきでない。
【０１０５】
図示されたまたは上述された構成要素、ならびに図示されていないまたは説明されていない構成要素およびステップの、様々な配置が可能である。同様に、一部の特徴および小結合が有用であり、その他の特徴および小結合を参照することなく用いられてよい。本発明の実施形態は、例示目的および非制限目的で説明されたものであり、本特許の読者にならば、代替の実施形態が明らかになる。したがって、本発明は、上述されたまたは図示された実施形態に制限されず、本発明の特許請求の範囲から逸脱することなく様々な実施形態および変更形態がなされてよい。
【図１】
2019052764.tif 000007
【図２Ａ】
2019052764.tif 000008
【図２Ｂ】
2019052764.tif 000009
【図２Ｃ】
2019052764.tif 000010
【図２Ｄ】
2019052764.tif 000011
【図２Ｅ】
2019052764.tif 000012
【図２Ｆ】
2019052764.tif 000013
【図２Ｇ】
2019052764.tif 000014
【図３Ａ】
2019052764.tif 000015
【図３Ｂ】
2019052764.tif 000016
【図３Ｃ】
2019052764.tif 000017
【図４Ａ】
2019052764.tif 000018
【図４Ｂ】
2019052764.tif 000019
【図４Ｃ】
2019052764.tif 000020
【図４Ｄ】
2019052764.tif 000021
【図５Ａ】
2019052764.tif 000022
【図５Ｂ】
2019052764.tif 000023
【図５Ｃ】
2019052764.tif 000024
【図６Ａ】
2019052764.tif 000025
【図６Ｂ】
2019052764.tif 000026
【図７】
2019052764.tif 000027
【手続補正書】
【提出日】平成30年12月13日(2018.12.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可変トランスミッションシステムであって、
自身の回転軸を中心として回転するように構成された第１のロータと、
自身の回転軸を中心として回転するように構成されたドラムを備える第２のロータであって、前記第１のロータが、前記ドラムの前記回転軸を中心として同心状に周回するように制約される、第２のロータと、
前記第１のロータおよび前記ドラムを取り巻くベルトであって、前記第１のロータが前記ドラムの周囲で同心状に移動するのに伴って、前記ベルトが前記ドラムの外周を取り巻いて進むように、前記ベルトは、前記第１のロータおよび前記第２のロータを結合し、前記ドラムは、可変ギア比を提供する可変直径を有する、ベルトと、
を備える可変トランスミッションシステム。
【請求項２】
請求項１に記載の可変トランスミッションシステムであって、
前記第１のロータは、板に結合されたロッドを備える、可変トランスミッションシステム。
【請求項３】
請求項２に記載の可変トランスミッションシステムであって、
前記板は、モータによって駆動された軸に結合される、可変トランスミッションシステム。
【請求項４】
請求項１に記載の可変トランスミッションシステムであって、
前記ドラムは、複数の区分を備え、前記複数の区分は、前記ドラムの直径を変化させるように調整可能である、可変トランスミッションシステム。
【請求項５】
請求項４に記載の可変トランスミッションシステムであって、
前記複数の区分は、前記ドラムの長さにわたる複数のスリットによって定められる、可変トランスミッションシステム。
【請求項６】
請求項１に記載の可変トランスミッションシステムであって、さらに、
直径アダプタを備え、前記直径アダプタの軸方向の動きが前記ドラムの直径を変化させるように、前記直径アダプタは、前記第２のロータに結合される、可変トランスミッションシステム。
【請求項７】
請求項１に記載の可変トランスミッションシステムであって、
前記ドラムは、前記可変直径を提供する円錐形である、可変トランスミッションシステム。
【請求項８】
請求項１に記載の可変トランスミッションシステムであって、
前記ドラムの前記回転軸に対する前記第１のロータの位置は、調整可能である、可変トランスミッションシステム。
【請求項９】
請求項１に記載の可変トランスミッションシステムであって、
前記ベルトおよび前記ドラムは、電気的に結合されるように構成される、可変トランスミッションシステム。
【請求項１０】
請求項９に記載の可変トランスミッションシステムであって、
前記ベルトおよび前記第１のロータは、電気的に結合されるように構成される、可変トランスミッションシステム。
【請求項１１】
請求項９に記載の可変トランスミッションシステムであって、
前記ベルトと前記ドラムとは、前記ベルトと前記ドラムの外表面との間の電気積層効果を通じて電気的に結合されるように構成される、可変トランスミッションシステム。
【請求項１２】
方法であって、
自身の回転軸を中心として回転するように構成された第１のロータを提供することと、
自身の回転軸を中心として回転するように構成されたドラムを備える第２のロータを提供することであって、前記第１のロータは、前記ドラムの前記回転軸を中心として同心状に周回するように制約され、前記ドラムは、可変ギア比を提供する可変直径を有する、第２のロータの提供と、
前記第１のロータおよび前記第２のロータをベルトと結合することであって、前記ベルトは、前記第１のロータおよび前記ドラムを取り巻く、結合と、
前記ドラムの直径を調整することと、
前記ベルトを前記調整された直径の前記ドラムの外周を取り巻いて進ませるために、前記第１のロータを前記調整された直径の前記ドラムの周囲で同心状に移動させることと、
を備える方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の方法であって、
前記第１のロータを前記ドラムの周囲で同心状に移動させるステップは、前記第１のロータをモータで駆動することを含む、方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の方法であって、
前記第１のロータは、板に結合されたロッドを備え、前記板は、前記モータによって駆動された軸に結合される、方法。
【請求項１５】
請求項１２に記載の方法であって、
前記ドラムは、前記ドラムの長さにわたる複数のスリットによって定められた複数の区分を備え、前記ドラムの前記直径を調整するステップは、前記複数の区分を調整することを含む、方法。
【請求項１６】
請求項１２に記載の方法であって、
前記第２のロータは、直径アダプタに結合され、前記ドラムの前記直径を調整するステップは、前記直径アダプタを軸方向に移動させることを含む、方法。
【請求項１７】
請求項１２に記載の方法であって、さらに、
前記第１のロータの位置を前記ドラムの前記回転軸に対して調整する、方法。
【請求項１８】
請求項１２に記載の方法であって、さらに、
前記ベルトと前記ドラムとを電気的に結合させることを含む、方法。
【請求項１９】
請求項１８に記載の方法であって、さらに、
前記ベルトと前記第１のロータとを電気的に結合させることを含む、方法。
【請求項２０】
請求項１８に記載の方法であって、
前記ベルトと前記ドラムとを電気的に結合するステップは、前記ベルトと前記ドラムの外表面との間の電気積層効果を通じて前記ベルトおよび前記ドラムを電気的に結合させることを含む、方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】
【図２Ｅ】図２Ａに示されたデバイス１００の時間に対する入力の角度位置を示したグラフである。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１９】
【図２Ｆ】ベルトが接地されていないときの、図２Ａに示された出力ロータ１３５の角度位置を示したグラフである。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２０】
【図２Ｇ】ベルトが接地されているときの、図２Ａに示された出力ロータ１３５の角度位置を示したグラフである。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５２】
ベルト１２５は、支持構造１３０および１４５によって支持されてよい。この例では、支持構造１４５は、可撓性の支持部材１３０を、相対的に静止している物体などの機械的接地に剛締結する。これは、穴を支持部材１３０内に、および対応するネジ穴１５０を剛性構造１４５内に作成し、クランプリングを支持構造１４５に被せてネジ留めして可撓性の支持部材１３０を捕獲することによってなすことができる。支持構造は、ポリマなどの可撓性の弾性材料で作成されてよいが限定はされない。ベルト１２５は、ベルトを可撓性の支持部材に接合するまたは縫い付けるなどを含むが限定はされない数々のやり方で可撓性の支持部材１３０に結合されてよい。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５６】
次に、デバイス１００の動作が説明される。モータ１０５は、入力ロータ１１２を駆動し、入力ロータ１１２は、ローラ１２０に、デバイス１００の中心軸を中心とした円軌道をたどらせる。デバイス１００についての入力角度位置対時間の一例が、図２Ｅのグラフに示されている。出力ロータ１３５に相対的なベルト１２５の滑りがないと想定すると、入力ローラ１２０は、出力ロータ１３５の周囲で回転するのに伴って、ベルトの一区間を出力ロータから持ち上げ、ローラが転がってその区間から離れるのに伴って、その区間を僅かに異なる位置に置く。ベルトのこの僅かに異なる位置は、上記の式（１）で説明されるような、出力ロータの運動の原因となる。もし、例えば、支持構造１３０が剛性の支持構造１４５（この例では、機械的に接地されていると想定される）に剛締結されないなどのように、ベルト１２５が機械的に接地されていない場合は、入力の運動は、図２Ｆに示されるように、出力ロータを非一定速度で移動させる。しかしながら、もし、ベルトおよび支持構造が機械的に接地されて場合は、時間に対する出力の運動は、図２Ｇに示されるような運動を見せるだろう。図２Ｇにおけるグラフの傾きは、ギア比にしたがった図２Ｇにおけるグラフの傾きとは異なるだろう。グラフ２Ｆおよび２Ｇの傾きは、出力の方向の逆転ゆえに、図２Ｅにおける傾きとは反対である。ベルト１２５の全体的な運動は、ベルト１２５および出力ロータ１３５の相対的円周によって決定されるギア比によって決定付けられてよい。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００９２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００９２】
一部の実施形態では、本書で説明される電気付着は、速いかみ合わせ時間および解放時間を可能にし、これらの時間は、ほぼ瞬時であると見なされてよい。かみ合わせおよび解放の速度は、幾つかの手段によって増加されてよい。もし、狭い線幅および狭い間隔で電極が構成される場合は、速度は、例えば、電極を含まないロータやベルトなどの、伝導性または弱伝導性の基板を使用して増加される。なぜならば、そうすれば、電荷が流れて電気付着力を確立するために必要とされる時間が短縮されるからである。基本的に、例えば電極を含むベルトまたはロータなどの電気付着デバイスと基板とを両方とも含む分布抵抗−容量回路のＲＣ時定数は、低減される。また、より迅速に所定レベルの電気付着力を確立するために、より高い電圧を使用することも可能であり、また、電圧を一時的に過剰に分配して迅速に電荷の分布および適応を確立することによって、速度を増加させることも可能である。解放速度を増加させるためには、一定の速度で電極の極性を効果的に逆転させる駆動電圧が用いられてよい。このような電圧は、電極基板材料内に電荷が蓄積することを防ぎ、そうして速い解放を可能にする。あるいは、必要とされるいくらかの追加の駆動電力を犠牲にして速い放電時間を提供するために、中程度に伝導性の材料を電極間で使用することが可能である。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１０５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１０５】
図示されたまたは上述された構成要素、ならびに図示されていないまたは説明されていない構成要素およびステップの、様々な配置が可能である。同様に、一部の特徴および小結合が有用であり、その他の特徴および小結合を参照することなく用いられてよい。本発明の実施形態は、例示目的および非制限目的で説明されたものであり、本特許の読者にならば、代替の実施形態が明らかになる。したがって、本発明は、上述されたまたは図示された実施形態に制限されず、本発明の特許請求の範囲から逸脱することなく様々な実施形態および変更形態がなされてよい。
本発明は、たとえば、以下のような態様で実現することもできる。
適用例１：
トランスミッションシステムであって、
自身の回転軸を中心として回転するように構成された第１のドラムを有する第１のロータ（１０）と、
自身の回転軸を中心として回転するように構成された第２のドラムを有する第２のロータ（２０）であって、前記第１のロータ（１０）が、前記第２のドラムの前記回転軸を中心として同心状に周回するように制約される、第２のロータと、
前記第１のロータ（１０）が前記第２のロータ（２０）の周囲で同心状に移動するのに伴って、ベルト（３０）が前記第２のドラムの外周を取り巻いて進むように、前記第１のロータ（１０）および前記第２のロータ（２０）を結合するために、前記第１のドラムおよび前記第２のドラムを取り巻くベルト（３０）と、
を備えるトランスミッションシステム。
適用例２：
適用例１に記載のトランスミッションシステムであって、
前記ベルト（１２５）と前記第２のドラム（１３５）の外表面とが、電気的に結合されるように構成される、トランスミッションシステム。
適用例３：
適用例２に記載のトランスミッションシステムであって、
前記ベルト（１２５）と前記第１のドラム（１３５）の外表面とが、電気的に結合されるように構成される、トランスミッションシステム。
適用例４：
適用例２に記載のトランスミッションシステムであって、
前記ベルト（１２５）、および前記第２のドラム（１３５）の外表面は、前記ベルトおよび前記第２のドラムの少なくともいずれか一方に電圧信号を加えて、前記ベルトと前記第２のドラムとの間に牽引力を生成することによって、ベルトウェーブドライブをかみ合わせさせるように構成される、トランスミッションシステム。
適用例５：
適用例４に記載のトランスミッションシステムであって、
前記ベルト（１２５）、および前記第２のドラム（１３５）の外表面は、前記ベルトおよび前記第２のドラムの少なくともいずれか一方から前記電圧信号を断って、前記ベルトと前記第２のドラムとの間の牽引力を減少させることによって、前記ベルトウェーブドライブを解放するように構成される、トランスミッションシステム。
適用例６：
適用例２に記載のトランスミッションシステムであって、
前記ベルト（１２５）と前記第２のドラム（１３５）の外表面とは、前記ベルトと前記第２のドラムの前記外表面との間の電気積層効果を通じて電気的に結合されるように構成される、トランスミッションシステム。
適用例７：
適用例２に記載のトランスミッションシステムであって、
前記ベルト（１２５）、および前記第２のドラム（１３５）の外表面の少なくともいずれか一方に電気的に結合され、前記ベルト（１２５）、および前記第２のドラム（１３５）の外表面の前記いずれか一方に静電付着電圧を印加するように構成された制御回路（５８０）を備えるトランスミッションシステム。
適用例８：
適用例７に記載のトランスミッションシステムであって、
前記ベルト（５３０）は、さらに、前記制御回路に電気的に結合された少なくとも１対の隣り合う電極（５３１Ａ、５３１Ｂ）を含み、前記制御回路は、前記対をなす隣り合う電極のうちの１つ（５３１Ａ）に第１の極性の前記静電付着電圧を印加し、前記対をなす隣り合う電極のうちの別の１つ（５３１Ｂ）に第２の極性の前記静電付着電圧を印加するように、構成され、前記第２のドラムの前記外表面は、誘電体材料を含む、トランスミッションシステム。
適用例９：
適用例７に記載のトランスミッションシステムであって、
前記第２のドラム（５１０）は、さらに、前記制御回路に電気的に結合された少なくとも１対の隣り合う電極（５６１Ａ、５６１Ｂ）を含み、前記制御回路は、前記対をなす隣り合う電極のうちの１つ（５６１Ａ）に第１の極性の前記静電付着電圧を印加し、前記対をなす隣り合う電極のうちの別の１つ（５６１Ｂ）に第２の極性の前記静電付着電圧を印加するように構成され、前記ベルトの表面は、誘電体材料を含む、トランスミッションシステム。
適用例１０：
トランスミッションシステムにおいて高ギア比を提供するための方法であって、
自身の回転軸を中心として回転するように構成された第１のドラムを有する第１のロータ（２０）を提供することと、
自身の回転軸を中心として回転するように構成された第２のドラムを有する第２のロータ（４０）を提供することであって、前記第１のロータ（２０）は、前記第２のドラム（４０）の前記回転軸を中心として同心状に周回するように制約される、第２のロータ（４０）の提供と、
前記第１のロータ（２０）と前記第２のロータ（４０）とを結合するために、前記第１のドラム（２０）および前記第２のドラム（４０）をベルト（３０）で取り巻くことと、
前記ベルト（３０）を前記第２のドラムの外周を取り巻いて進ませるために、前記第１のロータ（２０）を前記第２のロータ（４０）の周囲で同心状に移動させることと、
を備える方法。
適用例１１：
適用例１０に記載の方法であって、さらに、
前記第１のロータ（１０）が前記第２のロータ（２０）の周囲で同心軌道をとって移動するときに前記ベルト（３０）が前記第２のドラムの外周表面を取り巻いて進むように、前記第１のロータ（１０）を前記第２のドラムの前記外周表面に沿って同心状に移動するように構成することを備える方法。
適用例１２：
適用例１０に記載の方法であって、さらに、
前記ベルト（１２５）と前記第２のドラム（１３５）の外表面とを電気的に結合させることを備える方法。
適用例１３：
適用例１２に記載の方法であって、さらに、
前記ベルト（１２５）と前記第１のドラム（１３５）の外表面とを電気的に結合させることを備える方法。
適用例１４：
適用例１２に記載の方法であって、さらに、
前記ベルト（１２５）と前記第２のドラム（１３５）との間に牽引力を生じさせるために、前記ベルトおよび前記第２のドラムの少なくともいずれか一方に電圧信号を加えることを備える方法。
適用例１５：
適用例１４に記載の方法であって、さらに、
前記ベルトと前記第２のドラムとの間の牽引力を減少させるために、前記ベルトおよび前記第２のドラムの少なくともいずれか一方から前記電圧信号を断つことを備える方法。
適用例１６：
適用例１２に記載の方法であって、
前記ベルト（１２５）と前記第２のドラム（１３５）の外表面とを電気的に結合するステップは、さらに、前記ベルト（１２５）と前記第２のドラム（１３５）の前記外表面との間の電気積層効果を通じて前記ベルトと前記第２のドラムの前記外表面とを電気的に結合させることを含む、方法。
適用例１７：
適用例１２に記載の方法であって、さらに、
静電付着電圧を生成し（５８０）、前記静電付着電圧を前記ベルト（１２５）、および前記第２のドラム（１３５）の外表面の少なくともいずれか一方に印加することを備える方法。
適用例１８：
適用例１７に記載の方法であって、
前記静電付着電圧を前記ベルト（１２５）、および前記第２のドラム（１３５）の外表面のいずれか一方に印加するステップは、さらに、
前記ベルト（５３０）に、少なくとも１対の隣り合う電極（５３１Ａ、５３１Ｂ）を提供することと、
前記対をなす隣り合う電極のうちの１つ（５３１Ａ）に、第１の極性の前記静電付着電圧を印加することと、
前記対をなす隣り合う電極のうちの別の１つ（５３１Ｂ）に、第２の極性の前記静電付着電圧を印加することと、
前記第２のドラムの前記外表面上に、誘電体材料を配することと、
含む、方法。
適用例１９：
適用例１７に記載の方法であって、
前記静電付着電圧を前記ベルト（１２５）、および前記第２のドラム（１３５）の外表面のいずれか一方に印加するステップは、さらに、
前記第２のドラム（５１０）に、少なくとも１対の隣り合う電極（５６１Ａ、５６１Ｂ）を提供することと、
前記対をなす隣り合う電極のうちの１つ（５６１Ａ）に、第１の極性の前記静電付着電圧を印加することと、
前記対をなす隣り合う電極のうちの別の１つ（５６１Ｂ）に、第２の極性の前記静電付着電圧を印加することと、
前記ベルトの表面上に、誘電体材料を配することと、
を含む、方法。
適用例２０：
トランスミッション装置であって、
第１のドラム（２０）をその回転軸を中心として回転させるための第１のロータ手段と、
第２のドラム（４０）をその回転軸を中心として回転させるための第２のロータ手段と、
前記第１のロータ（２０）を前記第２のドラム（４０）の前記回転軸を中心として同心状に周回させるための周回手段と、
前記第１のドラム（２０）と前記第２のドラム（４０）とを可動式に結合させるためのベルト手段（３０）と、
前記ベルト手段（３０）を前記第２のドラム（４０）の外周を取り巻いて進ませるために、前記第１のドラム（２０）を前記第２のドラム（４０）の周囲で同心状に移動させるためのモータ手段と、
を備えるトランスミッション装置。
適用例２１：
適用例２０に記載のトランスミッション装置であって、さらに、
前記第１のロータ手段および前記第２のロータ手段のうちの少なくともいずれか一方を、電気的に制御可能な形で前記ベルト手段に結合するための手段を備える装置。
【外国語明細書】
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2019052764000002.pdf
2019052764000003.pdf
2019052764000004.pdf