(57)【要約】      （修正有）【課題】モータから動力を電気制御可能に伝達するためのシステムにおいて、高いギア減速比を達成する単一段、高効率、軽量、コンパクト、低コストの駆動システムを提供する。【解決手段】動力が第１入力ハブ４１０Ａからシャトル４２５へ伝達されるように、第１入力ハブをシャトルへ電気制御可能に結合することと、シャトルと固定シャーシとの間の一方向回転を提供することと、エネルギが蓄積され、出力ハブが回転した時にバネから放出されるように、バネでシャトルを出力ハブ４４０に結合することと、を含む。パルス幅変調またはパルス周波数変調を用いるなどして、出力ハブでのトルクレベルを維持するために、第１入力ハブとシャトルとの係合期間および係合解除期間を制御することを含む例が示されている。また、第１入力ハブをシャトルへ電気吸着で結合することを含む例が示されている。【選択図】図３Ａ
2019009993.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気制御可能なトランスミッションシステムであって、
動力源から動力を受けるための第１入力ハブと、
前記第１入力ハブに結合されるよう構成された第１部分と第２部分とを有する第１電気制御可能クラッチであって、前記第１および第２部分は、動力が前記第１部分から前記第２部分に伝達されるように、電気制御可能に互いに結合されるよう構成されている、第１電気制御可能クラッチと、
前記第１電気制御可能クラッチの前記第２部分に結合されたシャトルと、
前記シャトルを固定シャーシに結合するよう構成された第１一方向クラッチと、
出力ハブと、
前記シャトルを前記出力ハブに結合するバイアス部材と、
を備える、システム。
【請求項２】
請求項１に記載の電気制御可能なトランスミッションシステムであって、
前記電気制御可能クラッチの前記第１および第２部分は、電気吸着で係合されるよう構成されている、システム。
【請求項３】
請求項２に記載の電気制御可能なトランスミッションシステムであって、
前記第１電気制御可能クラッチは、さらに、電気積層円板クラッチ、電気積層作動ラップスプリングクラッチ、および、電磁作動ラップスプリングクラッチの内の１つを含む、システム。
【請求項４】
請求項１に記載の電気制御可能なトランスミッションシステムであって、
前記シャトルを前記出力段に結合するバイアス部材は、さらに、トーションバネおよびトーション管の内の少なくとも１つを含む、システム。
【請求項５】
請求項１に記載の電気制御可能なトランスミッションシステムであって、
前記システムは、さらに、ｂｕｃｋ回路およびクラスＤ回路の少なくとも一方の機械的等価物を用いて、前記第１電気制御可能クラッチの係合期間および係合解除期間を制御するよう構成された制御回路を備える、システム。
【請求項６】
請求項５に記載の電気制御可能なトランスミッションシステムであって、
前記制御回路は、パルス幅変調およびパルス周波数変調の一方を用いて前記出力ハブでのトルクレベルを維持するために、前記第１電気制御可能クラッチの前記係合期間および係合解除期間を制御するよう構成されている、システム。
【請求項７】
請求項１に記載の電気制御可能なトランスミッションシステムであって、
前記第１一方向クラッチは、代わりに、前記シャトルを前記第１入力ハブに結合し、前記システムは、さらに、
前記動力源から動力を受けるための第２入力ハブと、
前記第２入力ハブに結合されるよう構成された第１部分と第２部分とを有する第２電気制御可能クラッチであって、前記第１および第２部分は、動力が前記第１部分から前記第２部分に伝達されるように、電気制御可能に互いに結合されるよう構成されている、第２電気制御可能クラッチと、
前記第２電気制御可能クラッチの前記第２部分を前記第２入力ハブに結合する第２一方向クラッチと、
を備え、
前記シャトルは、前記第１入力ハブが或る回転方向に回転し、前記第２入力ハブが逆の回転方向に回転するように、前記第１および第２電気制御可能クラッチの前記第２部分を接続する、システム。
【請求項８】
請求項７に記載の電気制御可能なトランスミッションシステムであって、
前記システムは、さらに、ｂｕｃｋ回路およびクラスＤ回路の少なくとも一方の機械的等価物を用いて、前記第１および第２電気制御可能クラッチの係合期間および係合解除期間を制御するよう構成された制御回路を備える、システム。
【請求項９】
請求項８に記載の電気制御可能なトランスミッションシステムであって、
前記制御回路は、さらに、パルス幅変調およびパルス周波数変調の一方を用いて前記出力ハブでのトルクレベルを維持するために、前記第１および第２電気制御可能クラッチの前記係合期間および係合解除期間を制御するよう構成されている、システム。
【請求項１０】
モータから動力を電気制御可能に伝達するための方法であって、
動力源からの動力を第１入力ハブで受ける工程と、
動力が前記第１入力ハブからシャトルへ電気制御可能に伝達されるように、前記第１入力ハブを前記シャトルへ電気制御可能に結合する工程と、
前記シャトルと固定シャーシとの間の一方向回転を提供する工程と、
エネルギが蓄積され、出力ハブが回転した時にバイアス部材から放出されるように、前記バイアス部材で前記シャトルを前記出力ハブに結合する工程と、
を備える、方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の動力を電気制御可能に伝達するための方法であって、
前記第１入力ハブを前記シャトルへ電気制御可能に結合する工程は、さらに、前記第１入力ハブを前記シャトルへ電気吸着で結合する工程を含む、方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の動力を電気制御可能に伝達するための方法であって、
前記第１入力ハブを前記シャトルへ電気制御可能に結合する工程は、さらに、電気積層円板クラッチ、電気積層作動ラップスプリングクラッチ、または、電磁作動ラップスプリングクラッチの内の１つを用いる工程を含む、方法。
【請求項１３】
請求項１０に記載の動力を電気制御可能に伝達するための方法であって、
前記シャトルを前記出力ハブに結合する工程は、さらに、トーションバネおよびトーション管の少なくとも一方を用いて、前記シャトルを前記出力ハブに結合する工程を含む、方法。
【請求項１４】
請求項１０に記載の動力を電気制御可能に伝達するための方法であって、
前記第１入力ハブを前記シャトルへ電気制御可能に結合する工程は、さらに、ｂｕｃｋ回路およびクラスＤ回路の少なくとも一方の機械的等価物を用いて、前記第１入力ハブとシャトルとの係合期間および係合解除期間を制御する工程を含む、方法。
【請求項１５】
請求項１４に記載の動力を電気制御可能に伝達するための方法であって、
前記第１入力ハブとシャトルとの係合期間および係合解除期間を制御する工程は、さらに、パルス幅変調およびパルス周波数変調の一方を用いて、前記係合期間および係合解除期間を制御する工程を含む、方法。
【請求項１６】
請求項１０に記載の動力を電気制御可能に伝達するための方法であって、さらに、
前記動力源からの動力を第２入力ハブで受ける工程と、
動力が前記第２入力ハブから前記シャトルへ電気制御可能に伝達されるように、前記第２入力ハブを前記シャトルへ電気制御可能に結合する工程と、
前記第２入力ハブと前記シャトルとの間の一方向回転を提供する工程と、
を備え、
前記シャトルと固定シャーシとの間の一方向回転を提供する一方向回転を提供する工程は、さらに、前記第１入力ハブが或る回転方向に回転し、前記第２入力ハブが逆の回転方向に回転するように、前記第１入力ハブと前記シャトルとの間の一方向回転を提供する工程を含む、方法。
【請求項１７】
請求項１０に記載の動力を電気制御可能に伝達するための方法であって、さらに、
前記出力ハブでのトルクレベルを維持するために、前記第１および第２入力ハブとシャトルとの係合期間および係合解除期間を制御する工程を備える、方法。
【請求項１８】
請求項１７に記載の動力を電気制御可能に伝達するための方法であって、
前記第１および第２入力ハブとシャトルとの係合期間および係合解除期間を制御する工程は、さらに、パルス幅変調およびパルス周波数変調の一方を用いて、前記第１および第２入力ハブとシャトルとの係合期間および係合解除期間を制御する工程を含む、方法。
【請求項１９】
電気制御可能な動力トランスミッション装置であって、
動力が第１入力ハブからシャトルへ電気制御可能に伝達されるように、前記第１入力ハブを前記シャトルへ電気制御可能に結合するための手段と、
前記シャトルと固定シャーシとの間の一方向回転を提供するための手段と、
エネルギが蓄積され、出力ハブが回転した時にバネから放出されるように、バイアス部材で前記シャトルを前記出力ハブに結合するための手段と、
を備える、装置。
【請求項２０】
請求項１９に記載の電気制御可能な動力トランスミッション装置であって、
さらに、前記出力ハブでのトルクレベルを維持するために、前記第１入力ハブとシャトルとの係合期間および係合解除期間を制御するための手段を含む、装置。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
［関連出願への相互参照］
本願は、２０１４年６月２４日出願の米国仮特許出願第６２／０１６，５６０号「Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｓ  Ｕｓｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｉｒｃｕｉｔ  Ａｎａｌｏｇｓ」の優先権を主張し、この仮出願は、参照によって全ての目的で本明細書にその全体が組み込まれる。
【０００２】
機械システムおよび電気機械システムにおける駆動部およびトランスミッションの利用が、輸送、運動制御、電子機器、機械ツール、印刷機械、ロボット工学、および、航空宇宙などの応用例にとってかなり一般的である。負荷要件が予測可能である場合、単一または複数のギア段を持つ駆動システムまたはトランスミッションシステムを設計することが一般的に簡単である。負荷要件が様々であり予測不可能である場合、状況はより複雑になる。これらの状況では、通常、システムは、最大予測速度および最大予測トルクなど、最大予測値を用いて設計される。幅広いトルクおよび速度を提供することが必要になるにつれ、駆動システムおよびトランスミッションシステムは、通例、サイズが大きく、構成要素が多く、それによってコストが高くなる。
【０００３】
ロボットシステムは、これらの問題が発生する文脈の一例である。ロボットは、現在、多くの用途および多くの方法で利用されている。それらの利用のいくつかの例が、反復的またはきつい作業を実行するためにロボットを利用する工業用途、および、時に遠隔操作で手術を行う際に外科医を支援する医療用途において見られる。それらの普及すべてについて、ロボットには、まだ様々な制限がある。
【０００４】
多くのロボットを特徴付ける１つの制限は、所与のバッテリサイズで特定の時間しか動作できないことである。この制限の１つの原因は、電気エネルギを機械出力に変換するプロセスで生じる損失である。したがって、変換効率を改善すれば、直接的に、所与のバッテリサイズでより長い動作時間を実現できる。さらに、移動可能ロボットにおいて効率を改善するための概念は、固定された壁コンセント式のロボットにも有利でありうる。例えば、効率改善は、モータの小型化、ひいては、よりコンパクトな設計につながりうる。
【０００５】
多くのロボットを特徴付けるさらに別の制限は、しばしば、最悪の場合の負荷または速度の条件に向けて設計されるために、ロボットが大きくかさばるようになることである。負荷条件の変化に速やかに適応し、高効率で動作できるロボットを設計することが望ましい。多くのロボットシステムにとって望ましい特徴は、高いギア減速比を達成する駆動システムを有することである。通例、従来のシステムにおいて、高いギア減速比は、多数のギア段を追加することによって達成される。これは、システムの重さを追加し、その結果として、非効率性をさらに高め、移動ロボットの場合には、狭い動作範囲または期間に寄与することにもなる。単一段で大きいギア減速比を有するトランスミッションシステムが市販されている。しかしながら、これらのシステムでも、高価であり精密な製造技術を必要とする不利点を有する。
【０００６】
したがって、上述の要求に対処するために、ロボット工学で用いられるような、アクチュエータ、マニピュレータ、および、その他の装置に適用できる効率的、軽量、コンパクト、かつ、迅速作動の多段速度または可変トランスミッションが求められている。多段速度または可変トランスミッションは、様々な用途のために開発されてきたが、それらの複雑さ、体積、および、重さにより、ロボット工学およびその他のシステムでは、幅広く利用されてはいない。したがって、高いギア減速比を達成する単一段、高効率、軽量、コンパクト、低コストの駆動システムが求められている。トランスミッションを可変にすることによって、より多くの利点を得られうる。
【０００７】
ロボットなど多くの用途では、マニピュレータの速度およびトルクが、高度に周期的および可変であるので、固定ギア比トランスミッションを利用すると、モータが、通常、最適効率速度から離れて動作するため、エネルギの非効率性が高くなる。また、それは、マニピュレータが作動できる力および速度の範囲を制限するため、しばしば、設計者は、最悪の場合の要件を満たすために、モータを過度に大きくすることを余儀なくされる。固定ギアの自転車が丘陵地帯で効率のよい移動を提供しないのと全く同じように、固定ギア比トランスミッションアクチュエータは、ロボット関節の能力を制限し、エネルギを浪費する。
【０００８】
任意の遅延により、マニピュレータが負荷を変えることのできる速度を制限し、結果として、達成できる作業の範囲を制限するため、ギア比を変えるのに要する時間を最小化することも利点につながる。例えば、歩行ロボットについて、脚は、遊脚期中には速く負荷なしに動く必要があるが、歩行の立脚期中には遅く高い負荷で動く必要がある。同様に、ピックアンドプレース動作中、重い負荷を配置するマニピュレータは、サイクル時間を最小化することを可能にするために、高負荷／低速と低負荷／高速との間で素早く切り替える必要がある。
【０００９】
アクチュエータまたはマニピュレータが実行できる作業の範囲を制限することを避けるために、負荷時および速度ゼロ時にギア比をシフトすることによって、他の利点が実現されうる。多くの既存のトランスミッション設計は、移動中または負荷時でない場合にのみシフト可能である。
【発明の概要】
【００１０】
一例において、電気制御可能なトランスミッションシステムが示されており：モータまたはその他のアクチュエータから動力を受けるための第１入力ハブと；第１入力ハブに結合された第１部分と第２部分とを有する第１電気制御可能クラッチであって、第１および第２部分は、動力が第１部分から第２部分に伝達されるように、電気制御可能に互いに結合されうる、第１電気制御可能クラッチと、を備える。第１電気制御可能クラッチの第２部分はシャトルに結合され、バイアス部材がシャトルを出力ハブに結合する。また、第１一方向クラッチが、シャトルを固定シャーシまたはフレームに結合する。いくつかの例において、電気制御可能クラッチの第１および第２部分は、電気吸着で係合されるよう構成されており、第１電気制御可能クラッチは、電気積層円板クラッチ、電気積層作動ラップスプリングクラッチ、または、電磁作動ラップスプリングクラッチである。いくつかの例において、シャトルを出力ハブに結合するバイアス部材は、トーションバネ、トーション管、または、それらの組み合わせであってよい。
【００１１】
さらに別の例において、電気制御可能なトランスミッションシステムは、出力ハブでのトルクレベルを維持するために、第１電気制御可能クラッチの係合期間および係合解除期間を制御するよう構成された制御回路を備える。いくつかの例において、制御回路は、パルス幅変調またはパルス周波数変調を利用する。いくつかの例は、ｂｕｃｋ回路またはクラスＤ回路の機械的等価物を用いて、トルクレベルを制御してよい。
【００１２】
別の例において、電気制御可能なトランスミッションシステムは、さらに：モータから動力を受けるための第２入力ハブと；第２入力ハブに結合された第１部分と第２部分とを有する第２電気制御可能クラッチであって、第１および第２部分は、動力が第１部分から第２部分に伝達されるように、電気制御可能に互いに結合される、第２電気制御可能クラッチと、を備える。第２一方向クラッチが、第２電気制御可能クラッチの第２部分を第２入力ハブに結合する。シャトルが、２つの制御可能クラッチの第２部分を接続する。モータからの駆動トレインは、第１入力ハブが或る回転方向に回転し、第２入力ハブが逆の回転方向に回転するように構成される。別の例において、システムは、さらに、出力ハブでのトルクレベルを維持するために、第１および第２電気制御可能クラッチの係合期間および係合解除期間を制御するよう構成された制御回路を備えており、制御回路は、ｂｕｃｋ回路またはクラスＤ回路の機械的等価物を用いて、もしくは、パルス幅変調またはパルス周波数変調またはそれらの組み合わせを用いて、第１および第２電気制御可能クラッチの係合期間および係合解除期間を制御するよう構成されてよい。
【００１３】
モータから動力を電気制御可能に伝達するための方法の一例が示されており：モータからの動力を第１入力ハブで受ける工程と；動力が第１入力ハブからシャトルへ電気制御可能に伝達されるように、第１入力ハブをシャトルへ電気制御可能に結合する工程と；シャトルの一方向回転を提供する工程と；エネルギが蓄積され、出力ハブが回転した時にバイアス部材から放出されるように、バイアス部材でシャトルを出力ハブに結合する工程と、を備える。方法のいくつかの例において、第１入力ハブをシャトルへ電気制御可能に結合する工程は、さらに、電気積層円板クラッチ、電気積層作動ラップスプリングクラッチ、または、電磁作動ラップスプリングクラッチを利用するなどして、第１入力ハブをシャトルへ電気吸着で結合する工程を含む。いくつかの例において、シャトルを出力ハブに結合する工程は、ｂｕｃｋ回路またはクラスＤ回路の機械的等価物の利用、もしくは、トーションバネ、トーション管、または、それらの組み合わせの利用を含む。
【００１４】
方法のいくつかの例において、第１入力ハブをシャトルへ電気制御可能に結合する工程は、パルス幅変調またはパルス周波数変調を用いるなどして、出力ハブでのトルクレベルを維持するために、第１入力ハブとシャトルとの係合期間および係合解除期間を制御する工程を含む。
【００１５】
動力を電気制御可能に伝達するための方法の別の例は、さらに：モータからの動力を第２入力ハブで受ける工程と；動力が第２入力ハブからシャトルへ電気制御可能に伝達されるように、第２入力ハブをシャトルへ電気制御可能に結合する工程と；第２入力ハブとシャトルとの間の一方向回転を提供する工程と、を備えており、入力駆動トレインは、第１入力ハブが或る回転方向に回転し、第２入力ハブが逆の回転方向に回転するように構成される。いくつかの例において、方法は、ｂｕｃｋ回路またはクラスＤ回路の機械的等価物を用いて、もしくは、パルス幅変調またはパルス周波数変調を用いて、出力ハブでのトルクレベルを維持するために、第１および第２入力ハブとシャトルとの係合期間および係合解除期間を制御する工程を備える。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
本開示に従った様々な実施形態について、以下の図面を参照しつつ説明する。
【図１Ａ】ｂｕｃｋ回路の一例を示す回路図。
【００１７】
【図１Ｂ】クラスＤ回路の一例を示す回路図。
【００１８】
【図２Ａ】ｂｕｃｋ回路の機械的類似物の一例を示す回路図。
【００１９】
【図２Ｂ】クラスＤ回路の機械的類似物の一例を示す回路図。
【００２０】
【図２Ｃ】図２Ａのｂｕｃｋ回路の動作の一例を示すグラフ。
【００２１】
【図２Ｄ】図２ＢのクラスＤ回路の動作の一例を示すグラフ。
【００２２】
【図２Ｅ】伝達を制御するためのパルス幅変調スキームの一例を示すグラフ。
【図２Ｆ】伝達を制御するためのパルス幅変調スキームの一例を示すグラフ。
【図２Ｇ】伝達を制御するためのパルス幅変調スキームの一例を示すグラフ。
【００２３】
【図２Ｈ】ｂｕｃｋ回路のためのパルス周波数変調スキームの一例を示すグラフ。
【図２Ｉ】ｂｕｃｋ回路のためのパルス周波数変調スキームの一例を示すグラフ。
【００２４】
【図２Ｊ】クラスＤ回路のためのパルス周波数変調の一例を示すグラフ。
【図２Ｋ】クラスＤ回路のためのパルス周波数変調の一例を示すグラフ。
【００２５】
【図３Ａ】クラスＤ機械的類似物の断面図。
【００２６】
【図３Ｂ】図３Ａの装置の分解斜視図。
【００２７】
【図３Ｃ】図３Ａの装置の斜視図。
【００２８】
【図３Ｄ】バネケースの断面図。
【００２９】
【図４】負荷がクラスＤ類似物の出力を駆動している時の出力ハブトルク応答の例を示す一連のグラフ。
【００３０】
【図５Ａ】クラッチの動作におけるデッドタイムを示すグラフ。
【００３１】
【図５Ｂ】両方のクラッチが同時に作動されることを避ける回路の例を示す回路図。
【図５Ｃ】両方のクラッチが同時に作動されることを避ける回路の例を示す回路図。
【００３２】
【図６Ａ】ｂｕｃｋ回路の機械的類似物の一例を示す断面図。
【００３３】
【図６Ｂ】図６Ａの装置の分解斜視図。
【００３４】
【図６Ｃ】ラップスプリングクラッチを用いるクラスＤ回路の機械的類似物の一例を示す断面図。
【００３５】
【図６Ｄ】図６Ｃの装置の分解斜視図。
【００３６】
【図７Ａ】ｂｕｃｋ回路の機械的類似物の様々な構成例を示す表現図。
【図７Ｂ】ｂｕｃｋ回路の機械的類似物の様々な構成例を示す表現図。
【００３７】
【図７Ｃ】２つのｂｕｃｋ回路を用いたバックラッシュ防止システムの一例を示す表現図。
【００３８】
【図８Ａ】出力ハブ応答の例を示すグラフ。
【図８Ｂ】出力ハブ応答の例を示すグラフ。
【００３９】
【図９Ａ】トーション管を備えたクラスＤの機械的類似物の一例を示す断面図。
【００４０】
【図９Ｂ】図９Ａの装置の係合メカニズムの部分を示す正面図。
【００４１】
【図９Ｃ】同軸トーション管の利用の一例を示す断面図。
【００４２】
【図９Ｄ】図９Ｃの同軸管を結合するために利用できるプレートの例を示す図。
【図９Ｅ】図９Ｃの同軸管を結合するために利用できるリングの例を示す図。
【００４３】
【図１０Ａ】図３Ｂに示したものなど、電気制御可能なクラッチとして利用できる電気積層クラッチの例を示す図。
【図１０Ｂ】図３Ｂに示したものなど、電気制御可能なクラッチとして利用できる電気積層クラッチの例を示す図。
【００４４】
【図１１】制御回路の一例を示す機能ブロック図。
【００４５】
同様の構成要素および特徴を示すために、本開示および図面において、同じ符号が用いられていることに注意されたい。
【発明を実施するための形態】
【００４６】
法廷要件を満たすために、特定的に本発明の実施形態の主題を本明細書で説明するが、この説明は、必ずしも特許請求の範囲を限定する意図はない。請求する主題は、他の方法で実施されてもよく、異なる要素または工程を含んでもよく、他の既存または将来の技術と併用されてもよい。この説明は、個々の工程の順序または要素の配置が明瞭に記載されている場合を除いて、様々な工程または要素の中または間の特定の順序または配置を示唆するものとして解釈すべきではない。
【００４７】
ここで、電気制御可能なトランスミッションシステムの例を記載する。トランスミッションシステムのいくつかの例は、電気積層円板クラッチを用いて、モータから出力ハブに力を伝達する。本明細書で議論される例は、ロボットシステムの文脈で説明されているが、これらの例の多くの態様は、運動制御、電子機器、機械ツール、印刷機械、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）、ナノ電気機械システム（ＮＥＭＳ）、および、航空宇宙など、効率的かつ軽量なアクチュエータまたはマニピュレータを提供することが有利である様々な用途に適応されうる。
【００４８】
例えば、ロボット工学の分野において、システムは、通例、自由度（ＤＯＦ）当たり１モータで設計される。次いで、各モータは、そのＤＯＦの最大負荷／出力要件に向けたサイズにされる。結果として得られるロボットは、あらゆる時点に必要になりうるよりも大きいモータ馬力を持つことになる。本開示の例のいくつかの態様は、ロボット全体の最大出力要求を満たすサイズのわずか１つのモータを有するアーキテクチャを可能にする。さらに、モータは、一定速度で動くことにより、効率を高めうる。本開示の例のいくつか態様は、単一の定速モータを有するにもかかわらず、動作範囲内で、出力ハブにおいて可変速度を生み出すためのトランスミッション方法を記載する。本開示に記載のトランスミッションシステムの例は、従来のシステムが、比較的遅くエネルギを消費するギア比変更方法を利用している点で、典型的な従来の連続可変トランスミッション（ＣＶＴ）および無限可変トランスミッション（ＩＶＴ）とは異なる。対照的に、本開示のトランスミッションシステムの例は、迅速なギア比変更方法を提供しうる。
【００４９】
いくつかの例において、このトランスミッションシステムの出力ハブは、一方向にのみ回転しうるが、出力ハブの速度は、ゼロと最大値との間で連続的に変化しうる。いくつかの他の例において、トランスミッションシステムの出力ハブは、両方向に回転してもよく、出力の速度は、一方の回転方向における最大値と他方の回転方向における最大値との間で変化しうる。多くのロボットシステムの設計の目標は、総重量の最小化である。しかしながら、上述のように、ロボットが複数のモータを有し、各モータが自由度（ＤＯＦ）の最大負荷／出力要件に向けたサイズにされている場合、総重量は、所望の重量よりも重くなりうる。したがって、本開示の例は、より軽量なロボットおよびその他のタイプの装置の実現を可能にする。
【００５０】
本開示に記載されたトランスミッションシステムの例の一部で、いくつかの利点が実現されうる。例えば、本開示に記載されたアプローチを用いて作られたロボットは、はるかに少ないモータすなわちわずか１つのモータを有しうる。これは、ロボットの総重量の削減を可能にして、最大積載量または範囲の改善につながりうる。後述の例を用いて可能になる定速でモータを動かすことによって、効率の改善も実現されうる。その他の利点は、いくつかの例において、集中型モータシステムを用いることによって、ロボットアクチュエータシステムの四肢（ロボットアームなど）にもはやモータを配置する必要がなくなりうることを含みうる。これは、これらのアクチュエータシステムの慣性の低下につながり、それによっても、アームの効率化および高速化／高加速度化につながる。
【００５１】
さらなる利点は、いくつかの例において、必要なモータが少ないことにより、過度の重量を追加することなしに、冗長性のためにロボット構造に追加のモータを備えることができることを含みうる。マルチモータシステムにおける余剰のモータは、各ＤＯＦが独自のモータに関連している場合には、実現困難になる。
【００５２】
さらなる利点は、いくつかの例において、エネルギ回収を可能にするトランスミッションシステムを含みうる。例えば、二足歩行ロボットについて、片方の脚の減速が起こった時に、エネルギが回収されてよい。このエネルギは、もう一方の脚の加速の動力を供給するために用いられてよい。例の一部のこれらの利点およびその他の利点は、以下の説明で明らかになる。
【００５３】
多くの従来の連続可変トランスミッション（ＣＶＴ）および無限可変トランスミッション（ＩＶＴ）が存在する。しかしながら、従来のトランスミッションとは異なり、本開示に記載の例は、電子制御下で変速比の迅速な変更を提供する。さらに、電子制御は、安価かつ軽量であり、駆動に必要な電力が非常に少ない装置（電気積層クラッチ）で実現されうる。これは、従来のＣＶＴおよびＩＶＴにおいて比を変更する重くてエネルギを消費する方法と対照的である。
【００５４】
［機械式切り替え可変トランスミッションシステム］
【００５５】
可変トランスミッションは、通例、迅速なギア比変更を達成することができないため、および、それらを実装するのに必要な体積および重量が大きいために、ロボットでは利用されない。しかしながら、以下に記載の例の態様を用いれば、迅速に広範囲の値にわたってギア比を変更できるトランスミッションを提供しつつ、体積および重量の要件が実用範囲まで低減される。これらの例の態様を理解する助けとして、電気的類似物を用いる。機械装置を説明するために電気的類似物を用いることはよく知られている。本開示では、以下の類似物が用いられる：スイッチの機械的類似物はクラッチであり、ダイオードの機械的類似物は、一方向オーバーランニングクラッチであり、インダクタの機械的類似物は、トーションバネであり、（接地に接続された）コンデンサの機械的類似物は、回転慣性（フライホイール）であり、電流の機械的類似物は、トルクであり、電圧の機械的類似物は、回転速度である。その他の類似物も可能である。可変トランスミッションの概念の理解を助けるために、２つの電気回路を以下で簡単に説明する。こうして、各回路は、可変トランスミッションの異なる実施形態に関連づけられる。これら２つの回路は、ｂｕｃｋ回路およびクラスＤ増幅回路であり、公開文献によく記載されているので、顕著な点のみをここに記載する。これら２つの回路は、密接に関連しているが、本開示に適切であるために記載されるいくつかの違いがあることにも注意されたい。
【００５６】
図１Ａは、ｂｕｃｋ回路を示している。回路の中心は、典型的に金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）でありうるパワーデバイス１２０である。トランジスタ１２０は、正電圧Ｖ＋で電力供給される。トランジスタがＶ＋に接続されるこの端子は、一般に、ソース端子と呼ばれる。入力信号１１０が、ゲート端子でトランジスタに供給される。さらに、ダイオード１６０が、第３端子に接続されており、その端子は、図で１８０の符号が付けられ、一般に、ドレインと呼ばれる。さらに、端子１８０は、図に示すように、ダイオードを介して電気的接地に接続されている。トランジスタ１２０は、端子１８０における電圧が、ゲート信号１１０に応じてＶ＋と０との間で理想的に切り替わる点で、単にスイッチとして機能する。端子１８０における信号は、拡大された形態の信号１１０であり、図では１３０と示されている。端子１８０は、ローパスフィルタを形成するインダクタ１４０およびコンデンサ１５０にも接続されている。最後に、負荷１７０が、ローパスフィルタの出力に接続される。ローパスフィルタは、負荷が、より平滑な形の信号１３０のみを経験するように、急速に変化する信号をフィルタアウトする。この回路の機能については、後に詳述する。
【００５７】
図１Ｂは、クラスＤ増幅器を示している。回路の中心は、２つのパワーデバイス２２５Ａおよび２２５Ｂである。通例、これらのデバイスは、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）である。これらのデバイスは、バイナリスイッチとして作動され、理想的には完全にオンまたは完全にオフのいずれかであるが、一方のスイッチのみが任意の期間にオンになる。クラスＤ増幅器は、高効率で（すなわち、最小限の熱の発生で）入力信号を増幅するために用いられる。図面において、入力信号は、コンパレータ２１５への正弦曲線２０５として示されている。コンパレータの他方の入力は、正弦曲線よりもかなり大きい周波数を持つ三角波信号２１０である。コンパレータの出力は、二値信号２４５として示されており、ここで、各パルスの幅が、入力信号２０５を符号化する。信号２４５は、入力信号２０５の一表現であり、パルス幅変調信号と呼ばれる。信号２４５は、ＭＯＳＦＥＴ２２５Ａおよび２２５Ｂへの入力として供給される。図面で２２７と示されているクラスＤ回路の出力は、Ｖ＋またはＶであってよく、ここで、Ｖ＋およびＶ−は、電源電圧である。ＭＯＳＦＥＴおよびダイオード２３０Ａおよび２３０Ｂの配列により、出力２５０は、信号２４５が増幅されたものになる。信号２５０は、信号２５０内の高周波成分を抑制するインダクタ２３５およびコンデンサ２５５（ＬＣ回路）によって形成されたローパスフィルタに供給される。最終的な出力信号は、負荷２４０に現れる２６０として示されている。信号２６０は、少量の重畳リップルを持つ増幅バージョンの入力信号２０５である。
【００５８】
ｂｕｃｋ回路１００およびクラスＤ回路２００の記載から、２つの回路が或る程度類似していることが明らかでありうる。しかし、１つの違いは、ｂｕｃｋ回路の出力が、０〜Ｖ＋の間または（電源が負電圧であるとすると）Ｖ−〜０の間で振れるのに対し、クラスＤ回路の出力が、Ｖ＋〜Ｖ−の間で振れることである。以下で詳述する機械的類似物において、２つの回路間の出力の差は、一方向にのみ回転するｂｕｃｋ回路の機械的類似物の出力および両方向に回転するクラスＤ回路の機械的類似物の出力につながる。以下に記載の単純化した機械的モデルが、より詳細な説明を提供する。
【００５９】
図２Ａおよび図２Ｂは、それぞれ、ｂｕｃｋ回路およびクラスＤ回路の単純化した機械的モデルを示している。類似性を強調するために、両方の図に示したいくつかの要素は、同じ符号を有する。両方の図は、単一の定速モータ３０５を図示している。図２Ａでは、モータと、ｂｕｃｋ回路の機械的類似物３２２との間には、単一の結合しかないが、図２Ｂでは、モータは、クラスＤ回路の機械的類似物３２０に直接的および逆転ギア３１０を介して結合されている。図２Ａの端子３１７は、図１ＡにおけるＶ＋に対応し、端子３１５Ａおよび３１５Ｂは、図１ＢのＶ＋およびＶ−に対応する。端子３１５Ａおよび３１５Ｂと、電圧Ｖ＋またはＶ−の極性との間の対応関係の順序は、この議論にとって重要ではない。図２Ａのスイッチ３１７は、図１Ａのトランジスタ１２０に対応し、図２Ｂのスイッチ３１９Ａおよび３１９Ｂは、図１Ｂのトランジスタ２２５Ａおよび２２５Ｂに対応する。インダクタ、抵抗器、および、ダイオードが、図１Ａと図２Ａとの間および図１Ｂと図２Ｂとの間で同様に図示されている。ボックス３２５は、負荷を表す。図２Ａおよび図２Ｂは、ｂｕｃｋ回路が１つのスイッチのみを有し、一方、クラスＤ回路が２つのスイッチを有することを示している。後述する動作の際、クラスＤ回路のスイッチのいずれか１つが、ｂｕｃｋ回路の１つのスイッチと同じように動作するので、ｂｕｃｋ回路の動作を理解することにより、クラスＤ回路の動作を理解できる。最後に、図２Ａおよび図２Ｂの両方において、インダクタの機械的類似物は、バネであり、ダイオードの機械的類似物は一方向クラッチであることに注意されたい。
【００６０】
図２Ｃは、２つのグラフ３３０および３３５を用いて図２Ａのｂｕｃｋ回路の動作を示す。グラフ３３０は、時間の関数としてスイッチ３２７のオン／オフシーケンスを示している。このスイッチが閉じている時（すなわち、クラッチが係合している時）、３１７における入力は、バネであるインダクタ２３５の機械的類似物に結合され、その結果、バネは、モータの方向に回転する。グラフ３３５を参照すると、このグラフは、バネに結合された負荷によって経験される状態についてのものである。負荷は、スイッチ３２７が閉じている時（あるいは、スイッチ３２７に対応するクラッチが係合している時）に印加トルクの上昇を経験する。バネは、スイッチが閉じている（あるいは、クラッチが係合している）期間中、特にＴｏｎ期間中に、エネルギを蓄える。スイッチがオフである（あるいは、クラッチが係合していない）Ｔｏｆｆ期間中、バネは、そのエネルギを放出し、それでも、これらの期間中にグラフ３３５に示すように、経時的にトルクが減少するに伴って負荷を駆動する。したがって、スイッチを交互にオンまたはオフにし（あるいは、クラッチを交互に係合および係合解除させ）、ＴｏｎおよびＴｏｆｆ期間を適切に選択することにより、所望の平均トルク出力（グラフ３３５の３４０）が得られうるが、特定量のリップルが出力トルク中に存在しうることに注意されたい。バネは、バイアス状態から外れた時にエネルギを弾性的に蓄えて、バイアス状態に戻る時にエネルギを放出するバイアス部材の一形態であることに注意されたい。その他の形態のバイアス部材が、誘導エネルギの蓄積および放出を達成する様々な例で用いられてもよく、これは、当業者によって理解される。
【００６１】
図２Ｄは、３つのグラフ３３７、３３８、および、３３９を用いて、図２ＢのクラスＤ回路の動作を示す。図２Ｂに示すように、クラスＤ回路には２つのスイッチがあるため、両方のオンオフシーケンスが、グラフ３３７および３３８に示されている。これら２つのスイッチは、オンになった時に直接モータ入力または逆モータ入力を回路の残り部分に結合する各クラッチに対応する。グラフ３３７および３３８からわかるように、一方のクラッチのみが、任意の期間にオンになる。図２Ｂおよび図２Ｄにおいて、クラッチ３１９Ｂは、グラフ３３７に対応しており、このクラッチがオンにされた時、正の方向すなわちモータ回転方向に負荷トルクの増大を引き起こす。同様に、クラッチ３１９Ａは、グラフ３３８に対応しており、このクラッチがオンにされた時、負荷トルクの減少を引き起こす（すなわち、モータ回転方向と反対の方向である負の方向に近づく）。この説明により、クラッチ３１９Ｂがオンになり、クラッチ３１９Ａがオフになった時、例えば、期間Ｔ１およびＴ３において、負荷は、トルクの増加を経験することがわかる。したがって、例えば、期間Ｔ２およびＴ４において、クラッチ３１９Ｂがオフになり、３１９Ａがオンになった時、第１に、正のトルクが減少し、次いで、負の方向のトルクが増大する。そのため、この具体例について、負荷は、破線３４１によって示すように、平均トルクを経験する。したがって、両方のスイッチのオンオフシーケンスを適切に選択することにより、所望のトルクレベルが達成されうることがわかる。ここで、異なるオンオフシーケンスでのいくつかのさらなる例を記載する。
【００６２】
［パルス幅変調］
【００６３】
任意の適切なトルクレベルが適切なオンオフシーケンスで達成されうることが、上述の説明からわかる。これは、ｂｕｃｋ回路類似物およびクラスＤ回路類似物に当てはまり、ｂｕｃｋ回路が一方向のトルクのみを提供でき、クラスＤが両方向のトルクを提供できるという違いがある。以下に述べる例において、オンオフシーケンスは、様々な方法で選択されてよい。図２Ｅ〜図２Ｆは、様々なトルク出力を得るための様々なオンオフシーケンスを記載する。これらの図のこれらの入力シーケンスは、パルス化の周波数が同じに維持されるが、パルスの幅が変化するので、パルス幅変調信号のカテゴリに含まれる。ｂｕｃｋ回路に関連するグラフは、上述の利用可能なトルク方向の違いを除けば同じであるため、クラスＤに関連するグラフのみを示す。
【００６４】
図２Ｅは、クラッチオンオフ期間の代わりに、グラフ６００がクラスＤの場合について入力速度を出力速度に関連づけていることを除いて、図２Ｄに記載したのと同じ状況を記載している。例えば、Ｔ１中に、正の（直接）入力がオンにされ、Ｔ２中に、負の入力がオンにされる。すべての期間が同じなので、破線６０５で示す平均出力速度はゼロである。Ｔ３およびＴ４を含むすべての期間が等しいと仮定されるので、パルス化の周波数は、１／（Ｔ１＋Ｔ２）である。
【００６５】
図２Ｆは、正の回転が逆回転よりも長い期間オンにされるがパルス化の周波数は図２Ａと同じに維持される状況を示す。図に示すように、Ｔ３がＴ１と等しく、Ｔ４がＴ２と等しいと仮定すると、Ｔ１は、期間Ｔ１＋Ｔ２の７５％であるが、それでも、パルスの周波数は１／（Ｔ１＋Ｔ２）である。この場合、破線６１５で示す平均出力速度は、正の入力速度の半分に等しくなりうる。
【００６６】
図２Ｇは、期間Ｔ１＋Ｔ２のほぼ全体にわたって正回転がオンにされる状況を示す。破線６２５で示す平均出力速度は、正の入力速度とほぼ等しい。パルス化の周波数は、それでも、１／（Ｔ１＋Ｔ２）である。
【００６７】
したがって、図２Ｅ〜図２Ｇは、パルス幅変調スキームの様々な場合を示している。パルス周波数変調が用いられてもよく、簡単のために、ｂｕｃｋ回路に関連してこれを説明する。
【００６８】
［パルス周波数変調］
【００６９】
図２Ｈおよび図２Ｉは、ｂｕｃｋ回路にパルス周波数変調を用いた例を示す。ここで、２つのグラフ６３０および６４０の間で、パルスの幅Ｔ１は、同じに保たれるが、１／（Ｔ１  ＋Ｔ２）である周波数は変更される。両方のグラフで、Ｔ３はＴ１に等しく、Ｔ４はＴ２に等しい。グラフ６３０において、平均出力速度は６３５と示され、グラフ６４０において、平均出力速度は６４５と示されている。グラフ６４０の平均出力速度は、オフ期間がオン期間よりも長いので、小さくなっている。期間Ｔ１＋Ｔ２は、Ｔ１のパルス幅を同じに維持しつつ、変更されてよい。したがって、期間は変更されるがパルスの幅は同じに維持されるので、このスキームは、パルス周波数変調と呼ばれる。同じタイプのスキームが、クラスＤ回路にも適用されてよく、図２Ｊおよび図２Ｋに示される。
【００７０】
図２Ｊおよび図２Ｋにおいて、グラフ６５０は、クラスＤ類似物についての第１オンオフシーケンスを示す。第１クラッチは、期間Ｔ１でオンにされ、それにより、シャトルが、時計回りの入力の速度をとりうる。期間Ｔ２で、第２クラッチがオンにされてよく、それにより、シャトルは、反時計回りの入力の速度をとりうる。グラフ６５０に示すように、Ｔ１は、Ｔ２に等しくてよい。そして、周波数は、１／（Ｔ１＋Ｔ２）である。比較すると、図２Ｋのグラフ６６０を参照すると、Ｔ３がグラフ６５０のＴ２よりも大きいことを除けば、パルスの幅Ｔ１は同じままである。したがって、１／（Ｔ１＋Ｔ３）であるグラフ６６０のシーケンスの周波数は、グラフ６５０のシーケンスの周波数よりも小さい。ｂｕｃｋ回路で上述したように、このスキームも、クラスＤ回路に適用可能なパルス周波数変調と呼ばれる。
【００７１】
別の例において、パルス幅変調スキームおよびパルス周波数変調スキームを併用することも可能でありうる。
【００７２】
［クラスＤ増幅器の機械的類似物］
【００７３】
図３Ａ〜図３Ｃは、クラスＤ増幅器の機械的類似物である装置を示す。図３Ａは断面図であり、図３Ｂおよび図３Ｃは斜視図である。この装置には、他の構成要素を整列させる中央シャフトすなわちパイロットシャフト４０５がある。図１ＢにおけるＶ＋およびＶ−入力に対応して、また、図２Ｂの３１５Ａおよび３１５Ｂにも対応して、２つの入力ハブ４１０Ａおよび４１０Ｂがある。これらの入力ハブは、単一の定速モータの出力を装置に結合できる場所であり、一方の入力は、モータの方向に回転し、一方の入力は、反対方向に回転する。次に、装置は、トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）２２５Ａと類似する２つの電気積層円板クラッチ４１５Ａおよび４１５Ｂを備える。各クラッチは、参照開示に記載されたクラッチと同様の２つのプレートを有する。図３Ｂにおいて、各電気積層クラッチの２つのプレートが明確に見える。電気積層クラッチは、プレートに電圧が印加された時の物理的接触に依存するので、電圧が印加された時に互いに向かうプレートの移動を可能にすると共に、電圧が印加されていない時に内側プレートの近くに外側プレートを保持するために、バネ４２０Ａおよび４２０Ｂが、各クラッチの外側プレートに備えられる。電気積層クラッチの機能を可能にする電気回路は図示されていない。各クラッチについて、回路は、コンデンサに印加される電圧と同じだけ２つのプレートに電位を提供してよい。各クラッチのプレートに電圧を印加する多くの方法がある。一方法では、クラッチのプレートが回転するので、バッテリなどの電源と各プレートとの間の電気的接触は、ブラシまたはスリップリングでなされてよい。別のアプローチでは、（後に詳述する）シャトル４２５などの、２つの電気積層クラッチの間に図示された装置４００の一部が、共通の電気的接地として用いられてもよいし、ブラシまたはスリップリングを介して電源に接続されてもよい。その後、各クラッチのコンパニオンプレートは、スリップリングまたはブラシを介して、スイッチおよびその他の必要な電気的構成要素を介して電源に接続されてよい。クラッチのプレートにどれだけの電圧が印加されるのかにかかわらず、各電気積層クラッチの（機械的）出力は、ダイオード２３０Ａおよび２３０Ｂに対応する一方向クラッチ４３０Ａおよび４３０Ｂに印加される。これらのクラッチは、シャトルがいずれの方向にも回転しうるが、駆動モータの速度と同じだけの速さでしか回転しないように、構成される。これらのクラッチの機能は、装置４００のさらなる要素が説明されるにつれ、より明らかになる。
【００７４】
装置４００は、パイロットシャフト４０５に関して回転できるシャトル４２５を有する。シャトルは、図３Ｂで明確にわかるように、トーションバネ４３１に結合されるが、その他の形態のバイアス部材を用いてもよい。バネの外端は、バネケース４３５に結合され、その中に収容される。シャトル、バネ、および、バネケースはすべて、パイロットシャフト４０５に関して回転できる。バネは、図２Ｂのインダクタ２３５に類似する。装置の最終出力ハブは、ギア４４０である。これは、負荷抵抗器２４０が取り付けられた場所に類似する。コンデンサの類似物は、図３Ａ〜図３Ｃに図示されていないが、必要であれば、フライホイール（コンデンサの類似物）が、出力として機能しうる。
【００７５】
明確にするために、図３Ａ〜図３Ｃは、バネケース４３５の詳細を示していないが、ここで、図３Ｄにこれを示す。バネケースは、シャトル４２５およびパイロットシャフト４０５が同軸で通りうる中空チャンバ４３６からなってよい。バネ（この図には図示せず）は、一端でシャトルに結合され、他端で中空チャンバ４３６の壁に結合される。中空チャンバは、中空チャンバ内にバネを収容する蓋４３７を有してよい。蓋は、ボルト４３８によって中空チャンバに結合されてよい。出力ギア４４０は、バネケースに結合され、次に中空チャンバのいずれかの側に結合されてよい。上述のように、装置４００は、反対方向に回転する２つの入力を有する。各入力は、対応する電気積層クラッチ４１５Ａまたは４１５Ｂを作動させることによって、シャトルに結合されてよい。例えば、クラッチ４１５Ａは、４１０Ａでの入力と結合してよく、クラッチ４１５Ｂは、４１０Ｂでの入力と結合してよい。
【００７６】
クラッチ４１５Ａは、円板ペア４１６Ａおよび４１７Ａを備え、クラッチ４１５Ｂは、円板ペア４１６Ｂおよび４１７Ｂを備え、それらは、電気制御可能なクラッチを形成する。用いられる技術に応じて、各円板ペア内の円板の一方または両方が、円板ペアの円板の間の静止摩擦を高めてクラッチ４１５Ａまたは４１５Ｂを係合させるために、電気的に作動されてよい。電気吸着が用いられる場合、各円板ペアの一方の円板が、図１０Ａおよび図１０Ｂに関して詳述するように、静止摩擦を生むように作動されてよい。
【００７７】
ここで、どの瞬間にも、一方のクラッチしか係合しえないことに注意して、一方のクラッチが係合される時の一連のイベントの説明を記載する。他方のクラッチが係合される時の一連のイベントも同様である。また、明確にするために、４１０Ａでの入力は、時計回りすなわち正方向に回転する定速モータ（この図には図示せず）によって提供された正または時計回りの入力であると仮定される。入力の実際の方向は、時計回りでも反時計回りでも、他方の入力４１０Ｂが４１０Ａでの入力の反対向きに回転していることが理解されている限りは、この議論にとって重要ではない。入力ハブ４１０Ａが定速モータに直接結合されると仮定すると、クラッチ４１５Ａは、係合された時（４１５Ｂは係合されない）、直接入力をシャトルに結合する。
【００７８】
バネは、上記の仮定に従って時計回りである入力回転の方向に巻き込む。クラッチ４１５Ａが係合されるこの段階において、バネは、エネルギを蓄え、さらに、出力ギア４４０に接続された負荷を駆動しうる。負荷は、図２Ｄのグラフ３３９に示すように、モータ回転方向（正すなわち時計回り）でのトルクの上昇を経験しうる。次に、クラッチ４１５Ａが係合解除され、クラッチ４１５Ｂが係合されると、バネは巻き戻されて、反時計回りすなわち負の方向に巻き込み始め、時計回り方向のトルクを減少させ、その後、反時計回りすなわち負の方向にトルクを印加する。したがって、先に説明したように、クラッチのオンオフシーケンスを適切に選択することにより、トルクの上限および下限の間の所望のトルクが得られうる。ここで、一方向クラッチの機能についてさらに説明する。
【００７９】
電気積層クラッチ４１５Ａが係合され、電気積層板４１５Ｂが係合されていない時のシナリオに戻ると、一方向クラッチ４３０Ａは、電気積層クラッチ４１５Ａが上記の例で仮定したように時計回りの入力回転方向にシャトルを駆動することを可能にする。したがって、バネは、時計回り方向に巻き込む。反時計回りすなわち負の入力に最も近いシャトルの他端も、一方向クラッチ４３０Ｂを有するが、シャトルが、係合されていない電気積層クラッチ４１５Ｂの逆回転する半分に隣接して時計回りに回転することを防止しない。しかしながら、電気積層クラッチ４１５Ａが係合されず、電気積層クラッチ４１５Ｂが係合された時、電気積層クラッチ４１５Ｂの両方のプレートは、時計回りに巻き上がったバネの方向と逆の反時計回り方向に動いてよい。ここで、時計回りに巻き上がったバネは、反時計回りの方向に巻き戻されるが、反時計回りに回転する電気積層クラッチ４１５Ｂおよび一方向クラッチ４３０Ｂの速度以下の速度で巻き戻しうる。一方向クラッチ４３０Ａは、関連する方向が逆であることを除けば、上記と同じように作用するため、これについては説明しない。上記の説明から、一方向クラッチの機能が明らかになった。
【００８０】
一部の例においてフライホイールが装置４００の出力ハブとして機能しうることを簡単に上述した。ここで、この構成に関する２つの考慮事項を提供する。第１の考慮事項において、図１Ｂを参照すると、電気的クラスＤ回路は、増幅器出力端子２３６と電気的接地２３８との間に接続されたコンデンサ２５５を含む。電気的接地の機械的類似物は、慣性空間である。換言すると、（コンデンサの類似物として機能する）フライホイールの位置は、固定された基準系に関して測定される。システムのすべての他の慣性構成要素も、この共通の基準系に参照されてよい。図１Ｂにおいて、共通の接地は２３８で示されている。
【００８１】
第２の考慮事項において、フライホイールは、コンデンサの機械的類似物として上述した。フライホイールは、単に、慣性を有する構成要素として見られてよい。典型的なロボットにおいて、図２Ｂを参照すると、出力端子２３６（例えば、回転シャフト）は、ロボットＤＯＦの残り部分に接続されてよい。通例、これは、ロボット肢（例えば、アーム）が続くギヤトレインを備えうる。ロボットアームは、慣性負荷を運んでいても運んでいなくてもよく、図１Ｂの抵抗負荷２４０に直接類似するさらなる粘性負荷を経験しうる。すべてのギヤトレインは、回転慣性と、摩擦および潤滑油による内部損失とを有する。慣性は、コンデンサに類似し、内部損失は、抵抗負荷に類似する。さらに、任意の慣性負荷と共にアームの慣性が、（ギア比による調整の後に）トランスミッション慣性へ効果的に追加される。粘性負荷は、トランスミッション損失に追加される。すべてのこれらの効果を考慮すると、応用例の具体的な要件によっては、しばしば、フライホイールまたは粘性構成要素を明確に含む図３Ａなどのメカニズムを利用することが実現可能でありうる。フライホイールを除外することにより、メカニズムの重量、サイズ、および、コストが削減され、これは、一般的に有利であるが、特にロボットの設計および製造において有利である。単一のフライホイールを備えたシステムが歳差の問題につながる場合、第２フライホイールが、反対方向に回転するように結合され、歳差を低減または排除してもよい。
【００８２】
フライホイールを持たないことの利点に関する上記の議論にかかわらず、一部の応用例ではその利用が除外されないことを理解されたい。
【００８３】
［負荷によるモータの駆動］
【００８４】
図２Ｅ〜図２Ｇは、装置４００の出力ギア４４０が負荷を駆動している時のグラフを示す。ほとんどのロボットで、特定の作業中、負荷は、トランスミッションを介してモータを駆動しうる。この例は、４つのグラフ７００、７０５、７１０、および、７１５が示された図４で説明される。グラフ７００が示すように、ωｏｕｔ≡０であるがωｏｕｔ＞０になるように、Ｔ１≡Ｔ２である。期間Ｔ１中、負荷がモータを駆動している場合、出力速度は正であってよいが、グラフ７０５に示すように出力トルクは負であってよく、その出力が逆流することを示す。この条件の別の説明は、定速モータが装置４００を通して負荷に力を印加する代わりに、負荷が、モータに力を印加し戻しているということである。この力は、例えば、モータに関連するバッテリを充電するため、または、より高い速度までモータを加速するために用いられてよい。図３Ａを参照する次の説明のために、便宜上、図の右側を正の側、図の左側を負の側と呼ぶこととする。したがって、入力ハブ４１０Ａは、正の入力ハブと呼ばれ、入力ハブ４１０Ｂは、負の入力ハブと呼ばれる。一方向クラッチ４３０Ａは、正の一方向クラッチと呼ばれ、一方向クラッチ４３０Ｂは、負の一方向クラッチと呼ばれる。
【００８５】
期間Ｔ１中、グラフ７００が示すように、シャトル速度は、入力ハブの内の１つの速度をとる。グラフ７００は、シャトルが期間Ｔ１中に正の入力ハブの速度をとることを示している。この期間中、図３Ａのバネ４３１は、シャトルの速度が、＋ωｉｎであり、出力ハブの速度がほぼゼロであるので、巻き込んでいる。したがって、バネの正味の回転速度は、ωｓｈｕｔｔｌｅ−ωｏｕｔである。さらに、この場合、バネは出力トルクをシャトルに伝え、シャトルは、この同じトルクをクラッチに及ぼす。シャトルの速度が駆動モータの速度と等しい状態の負の出力トルクにより、正の一方向クラッチが係合され、出力トルクとほぼ等しいトルクを伝える。これは、グラフ７１０のＴ１中に示されている。このクラッチトルクは、モータによって後に経験される。結果として、モータは、モータ駆動信号によって引き起こされるトルクなど、任意の他のトルクなしに加速する。したがって、エネルギは、負荷からモータへ伝達され、モータの運動エネルギを増大させる。この期間Ｔ１中に、負の一方向クラッチ（すなわち、負の入力ハブに関連するクラッチ）は、シャトル速度が−ωｉｎよりも正の値である時に係合されないように設計されるので、トルクを経験しない。
【００８６】
モータに伝達されたエネルギは、以下に記載の２つの方法のいずれか、または、その組み合わせの方法で利用されてよい：第１の方法において、運動エネルギは、バッテリエネルギの利用が少なくなるように、ロボットの次の運動に用いられてよい。例えば、深い膝の屈伸をするロボットでは、下降中に負荷から回収されたエネルギが、モータロータの運動エネルギとして蓄えられる。したがって、ロボットが上に動く時に、運動エネルギは、重力に抗して負荷を持ち上げるために用いられる。第２の方法において、エネルギは、モータが発電機として動作するので、バッテリを充電するために用いられてよい。ほとんどの従来のロボットは、上述した第２の方法を達成できるが、本開示に記載のクラスＤ類似メカニズムは、両方の方法を達成できる。
【００８７】
完全を期すために、ここで、期間Ｔ２中の装置の挙動について説明する。この期間中、負の電気積層クラッチが係合される。このクラッチは、シャトル速度を、負の入力ハブの速度である−ωｉｎにする。このシャトル速度により、正の一方向クラッチは、係合されず、そのトルクは、グラフ７１０に示すようにゼロである。期間Ｔ２中、負のシャトルトルクは、負の電気積層クラッチを介してモータによって供給される。このトルクは、図４には示されていない。
【００８８】
したがって、特定の状況、例えば、バッテリの電力で動きうる人型ロボットにおいては、バッテリ寿命を延ばすためにエネルギを生成することが有利でありえ、上記の例は、この利点を実現するための方法になりうる。
【００８９】
［デッドタイム］
【００９０】
任意の回路またはメカニズムについて、電気積層クラッチの理想的な挙動および実際の挙動は、いくつかの面で異なる。特に、任意のタイプのすべてのクラッチについて、電気積層クラッチは、係合または係合解除の遅延を有しうる。換言すると、電気信号がクラッチを係合するために送信される時とクラッチが機械的に係合される時との間に、時間遅延が存在しうる。同様に、電気信号がクラッチを係合解除するために送信される時とクラッチが実際に機械的に係合解除される時との間に、遅延が存在しうる。時間遅延のいくつかの他の特徴は、係合および係合の解除の遅延が、互いに等しくない場合があることである。さらに、係合（または係合解除）の遅延は、或る係合（または係合解除）と別の係合（または係合解除）によって異なりうる。これらの時間遅延には、いくつかの影響がある。１つの影響は、これらの遅延がクラッチのオンオフシーケンスの点で許容されない場合、および、両方のクラッチが同時に効果的に係合される場合、効率の損失から装置の故障または破壊までの範囲の結果が起こりうる。これらの影響を避けるために、係合したクラッチが機械的に係合解除された後に、電気信号がクラッチの係合のために係合解除されたクラッチに供給されるように、「デッドタイム」が、クラッチのオンオフシーケンスに故意に導入されてよい。図５は、この例を示している。グラフ８００は、第１クラッチが係合状態から非係合状態へ移行する様子を示している。Ｔｄｅａｄと示した期間は、グラフ８１０でクラッチがオンにされる前に経過することを許容される。これらのグラフは、瞬時にオンおよびオフする点でクラッチの理想的な挙動を示すが、アプローチは、Ｔｄｅａｄがクラッチの係合および係合解除の遅延を許容するように調整されうることである。デッドタイムは、約０．５〜１０ミリ秒であってよいが、その他の値も可能である。さらに、この値は、後述するように、装置４００のクラッチおよびその他の部材の挙動の詳細な理解に基づいて選択されうる。
【００９１】
図３Ａを参照しつつ、ここで、クラッチ４１５Ａが係合され、４１５Ｂが係合していない状況を考慮する。４１５Ｂが係合され、４１５Ａが係合されている状況は、基本的に概念が同じであるため、説明しない。クラッチ４１５Ａを係合解除するための第１電気信号が印加される。デッドタイム期間の後、クラッチ４１５Ｂを係合するための信号が印加される。クラッチ４１５Ａの係合解除遅延に基づいて、このクラッチは、機械的に係合解除され、シャトル４３１は自由に回転できる。４１５Ａが係合された時、バネが時計回りに巻き上げられると仮定すると、係合解除された時、バネは、反時計回り方向に巻き戻り、負のトルク（反時計回り方向）をシャトルに印加する。シャトルは、入力ハブ４１０Ｂの反時計回りの速度に達するまで、バネの影響下で迅速な負の加速を経験する。この時点で、一方向クラッチ４３０Ｂは係合して、シャトルに入力ハブ４１０Ｂと同じ速度で回転させる。ここで、クラッチ４３０Ｂが係合されている間、クラッチ４１５Ｂは、自身の係合遅延が経過した後に機械的に係合する。機械的係合の瞬間に、クラッチ４１５Ｂの２つのプレートの速度差は、ゼロまたはゼロに近くなりうる。この結果として、クラッチ摩擦によって失われるエネルギは、ゼロまたはゼロに近くなり、クラッチの摩耗が最小限になることが好ましい。したがって、ガイドラインとして上記の議論を用いると、Ｔｄｅａｄは、クラッチのオンオフシーケンスがメカニズムの寿命および効率を最大化することを保証するように有利に選択されうる。
【００９２】
ここで、両方のクラッチが同時に係合されないことを保証するためのいくつかの方法を記載する。図５Ｂにおいて、コンピュータ８２５が、一対のオンオフシーケンスを生成し、出力８３０および８３５を介してこれらのシーケンスを出力する。出力８３０および８３５は、それぞれ、両矢印８６０によって示されるように、互いに通信しうるハードウェア回路８４０および８４５に接続されている。次いで、ハードウェア回路の出力ハブは、クラッチ８５０および８５５（あるいは、装置４００のクラッチ４１５Ａおよび４１５Ｂ）に接続されてよい。この例の第１の変形例において、コンピュータプログラムは、オンオフシーケンスが適切であり、２つのクラッチが決して同時にオンにならないことを簡単に保証しうる。しかしながら、フェイルセーフ方法を提供するために、ハードウェア回路は、いつでも、一方のクラッチ８５０またはクラッチ８５５のみがオンにされうることを保証しうる。様々な周知の方法が、このタイプの結果を達成することを知られている。図５Ｃに、方法を一つだけ示す。コンピュータからの２つの出力８３０および８３５の各々は、インバータに接続されてよい。したがって、出力８３０は、インバータ８６５と接続されてよく、出力８３５は、インバータ８６０と接続されてよい。インバータの出力は、ＡＮＤゲートの一端に入力されてよい。したがって、ＡＮＤゲート８７０が、出力８３０と反転出力８３５との間の論理ＡＮＤ演算を実行してよい。同様に、ＡＮＤゲート８７５が、出力８３５と反転出力８３０との間の論理ＡＮＤを実行してよい。ＡＮＤゲートの出力は、クラッチ８５０および８５５（あるいは、装置４００のクラッチ４１５Ａおよび４１５Ｂ）を作動させるために用いられる。図５Ｃの構成は、両方の出力８３０および８３５が高い時にＡＮＤゲートの出力が低いことを保証し、これは、図３Ａの装置４００の動作にとって許容可能な状態である。
【００９３】
［機械式切り替え可変トランスミッションの交互構造］
【００９４】
図３Ａ〜図３Ｃは、上述のようにクラスＤ増幅器の機械的類似物である機械式切り替え可変トランスミッションを示す。また、上述のように、ｂｕｃｋ回路はクラスＤ回路に近く、２つの回路については図１Ａおよび図１Ｂに記載した。ここで、別の例において、ｂｕｃｋ回路に基づく装置が、図６Ａ〜図Ｂに図示されている。予想されるように、この装置は、図３Ａの装置４００に類似している。図１２Ａの装置４００および図６Ａの４５０の類似点を強調するために、２つの装置間で類似する構成要素には、同じ符号を与えた。２つの装置間の類似により、以下では差異について説明する。図６Ａの装置４５０は、ｂｕｃｋ回路の類似物であり、４１０Ａで示した１つの入力ハブのみを有しうる。その結果、装置４５０は、一方向にだけトルクを提供しうる。入力ハブが１つだけなので、装置４５０は、４１５Ａおよび４３０Ａとして示した１つだけの電気積層クラッチおよび１つだけの一方向クラッチを有しうる。装置の他方の側（入力ハブを有する側の反対側）において、装置４５０は、装置４００と同様に、出力ギアすなわちハブ４４０を有しており、これは、この例では一方向にのみ回転する。また、装置４００と同様に、装置４５０は、ベアリング４３２を中心に回転するシャトル４２５を有する。図６Ａに見られるように、シャトルの左端には、一方向クラッチ４３０Ｂが、回転しないカラー４３３とシャトルとの間で動作するように取り付けられている。これは、図１Ａのダイオード１６０に類似する。図６Ｂは、図６Ａの装置の分解図を示す。装置４５０の機能は、上述しており、トルクおよび回転の利用可能な方向を除けば、装置４００（クラスＤ類似物）の機能と類似する。さらに、電気積層クラッチ４１５Ａのプレートへの電圧の印加は、図３Ａの装置４００と同様に達成される。
【００９５】
［交互タイプのクラッチを用いる装置］
【００９６】
別の例において、装置４００および４５０は、電気積層板を利用可能なクラッチ以外の交互タイプのクラッチを用いてもよい。一例として、これらの装置は、図６Ｃおよび図６Ｄに示すように、ラップスプリングクラッチを用いてもよい。装置９００は、ラップスプリングクラッチを用いることが図示されていることを除けば、図３Ａ〜図３Ｃの装置４００と同様である。ラップスプリングクラッチは、９１０Ａおよび９１０Ｂとして示されており、作動されると２つのシャフトを結合しうる。装置９００は、クラスＤ類似物であるので、２つの入力４０１Ａおよび４１０Ｂを有する。図１５Ｃの右側では、ラップスプリングクラッチ９１０Ａが、入力４１０Ａおよびシャトル１４１５を結合する。同様に、図の左側では、ラップスプリングクラッチ９１０Ｂが、入力４１０Ｂおよびシャトル１４１５を結合する。その他のすべての詳細は、装置４００および装置９００の間で同じままである。図６Ａ〜図６Ｂに示したｂｕｃｋ回路類似物が、電気積層円板クラッチの代わりにラップスプリングクラッチを用いてもよいことにも注意されたい。装置４００および４５０と同様に、ラップスプリングクラッチの電気作動は、スリップリングまたはブラシを介して達成されてよい。
【００９７】
［ｂｕｃｋ回路類似物の組みあわせ］
【００９８】
別の例において、二方向に引っ張る方法を実現するために、２つのｂｕｃｋ回路類似物が、機械回路内で用いられてよい。二方向に引っ張ることは、例えば、アームが対向または対立する方向に制御される必要がありうるロボットのアームなど（これに限定されない）、多くの状況で有利な特徴である。図７Ａは、この例の一変形例である。図７Ａの構成要素の多くは、図２Ａおよび図２Ｂの構成要素と同様であるため、同じ符号を用いている。３０５は、定速モータであり、３１０は逆転ギアである。１００５Ａおよび１００５Ｂは、ｂｕｃｋ回路の機械的類似物であり、図２Ａの３２２と類似するが、説明を明確にするために、異なる符号を用いる。１０１０Ａおよび１０１０Ｂは、１００５Ａおよび１００５Ｂの出力をステップダウントランスミッション１０１５に結合しうるクラッチである。この配列の最終出力は１０２０として示され、出力ハブであってよい。クラッチ１０１０Ａおよび１０１０Ｂは、電気積層円板クラッチまたはラップスプリングクラッチなど、本開示に記載されたタイプであってよい。市販のものなど、他のタイプであってもよい。１００５Ａおよび１００５Ｂ内のインダクタは、バネに対応し、ダイオードは、上述のような一方向クラッチに対応する。明確にするために、モータ３０５の出力１０２５Ａを時計回りであると仮定し、出力１０２５Ｂを反時計回りであると仮定できる。実際の方向は逆であってもよく、その後の議論にとって重要ではない。図７Ａの構成は、２つのｂｕｃｋ回路により、最終出力ハブ１０２０が、時計回りまたは反時計回りの方向に動くようにされることを示している。ｂｕｃｋ回路類似物１００５Ａがオンにされ、１００５Ｂがオフにされた時、出力ハブ１０２０は、時計回り方向に動きうる。同様に、ｂｕｃｋ回路類似物１００５Ｂがオンにされ、１００５Ａがオフにされた時、出力ハブ１０２０は、反時計回り方向に動きうる。ここで、クラッチ１０１０Ａおよび１０１０Ｂの機能について説明する。ｂｕｃｋ回路１００５Ａがオンにされ、１００５Ｂがオフにされた時の具体例を用いて、これらのクラッチの機能を説明する。この状況では、時計周りの入力が、出力ハブ１０２０に結合される。しかしながら、この状況において、クラッチ１０１０Ｂが係合解除されていない場合、１００５Ｂの一方向クラッチは、出力ハブが時計回り方向に回転するのを防ぐ。この状況は、出力ハブが反時計回り方向に動くことに関して同様である。したがって、出力ハブ１０２０を任意の特定の方向に回転させるためには、他方の方向に関連するクラッチが係合解除される必要がある。出力ハブの回転速度は、ｂｕｃｋ回路類似物１００５Ａおよび１００５Ｂに印加されるパルスシーケンスに依存する。出力ハブ１０２０の回転を止めるために、１００５Ａおよび１００５Ｂがオフにされるが、クラッチ１０１０Ａおよび１０１０Ｂが係合したままにされた場合、１００５Ａおよび１００５Ｂの一方向クラッチは、出力ハブ１０２０が回転するのを防ぐ。したがって、二方向の回転が、上述の構成でどのように達成されうるのかは明らかである。
【００９９】
さらに別の例において、二方向に引っ張ることは、図７Ｂに示す構成によって達成されてもよい。この場合、１つだけのｂｕｃｋ回路類似物１００５Ａが、定速モータの時計回りの出力１０２５Ａに結合される。次いで、ｂｕｃｋ回路類似物１００５Ａの１つの出力が、クラッチ１０１０Ａに結合される。しかしながら、ｂｕｃｋ回路の出力は、別のクラッチ１０１０Ｂに結合された逆転ギア３１０にも結合される。したがって、最終出力ハブ１０２０は、２つのクラッチ１０１０Ａまたは１０１０Ｂのどちらがオンにされるかによって、時計回りまたは反時計回りの方向に動かされうる。クラッチ１０３５は、クラッチの片側が接地に結合されるように図に示されている。このクラッチは、構成１０３０が出力ハブ１０２０の回転を止めることを可能にする。さらに、出力ハブの回転速度は、ｂｕｃｋ回路類似物１００５Ａに印加されるパルスシーケンスに依存する。したがって、二方向の回転が、上述の構成でどのように達成されうるのかは明らかである。
【０１００】
さらに別の例において、図７Ａに示した構成１０００の変形例で、別の構成が図７Ｃに示されている。この構成では、バックラッシュが排除されうる。２つのステップダウントランスミッション１０１７Ａおよび１０１７Ｂが、この構成で設けられており、各ステップダウンの出力は小型ギア１０１８Ａおよび１０１８Ｂに結合される。小型ギアは両方とも、１つの大型ギア出力ハブ１０１９に結合される。ここで、バックラッシュの排除について具体例を用いて説明する。ｂｕｃｋ回路１００５Ａがオンにされ、モータ３０５の時計回りの出力を小型ギア１０１８Ａに結合すると仮定すると、出力ギア１０１９は、反時計回りに回転する。この例において、小型ギア１０１８Ｂもオンにされうるが、トルクは小さい。したがって、大きいトルクで一方向に一方の小型ギアを駆動し、小さいトルクで反対方向に他方の小型ギアを駆動することにより、バックラッシュが排除されうる。
【０１０１】
［バネ設計のための数理解析および手順］
【０１０２】
後のセクションでは、以下の数理解析に基づいてさらなる例を記載する。装置４００がよりよく設計されうるように、異なるケースを考慮する。以下の数理解析では、以下の用語を用いる：
ωｉｎ    トランスミッションの入力速度
ωｏｕｔ    トランスミッションの出力速度
Ｔｉｎ    トランスミッションの入力トルク
Ｔｏｕｔ    トランスミッションの出力トルク
Ｔｒ    トルクリップル
Ｔｍａｘ    トランスミッション出力での最大トルク
Ｃ    Ｔｍａｘに対するＴｒの比
ｔ１    クラッチの最小係合時間
ｔ２    クラッチの最小係合解除時間
Ｋ    トーションバネのばね定数
σｍａｘ    バネの最大設計応力
Ｅ    バネのヤング率
ｂ    トーションバネの軸長
ｈ    トーションバネの厚み
ｌ    トーションバネの長さ
ρ    トーションバネ材料の密度 
Ｍ０    バネに作用するモーメント
Ｑ    慣性モーメント
【０１０３】
【０１０４】
ケース１：ωｏｕｔ≒０であるがωｏｕｔ＞０、かつ、Ｔｏｕｔ＝Ｔａ、ここでＴａ＜Ｔｍａｘ。図８Ａを参照すると、期間ｔ１中、バネは以下の角度だけ巻かれる：
θ＝ｔ１ωｉｎ    式７
【０１０５】
対応するトルクの増加は：
【０１０６】
ΔＴ＝Ｔｒ＝Ｋθ＝ｋｔ１ωｉｎ    式８
【０１０７】
Ｔｒは、トルクリップルであり、図８Ａに示されている。より円滑なトルク出力は、ＴｒがＴｍａｘのほんの一部ｃであることを必要とする。通例、ｃは、０．０１≦ｃ≦０．１の範囲で選択されてよいが、その他の範囲も可能である。したがって、
ｋｔ１ωｉｎ＝Ｔｒ＜ｃＴｍａｘ    式９
【０１０８】
および
ｋ＜（ｃＴｍａｘ）／（ｔ１ωｉｎ）    式１０
【０１０９】
ケース２：ωｏｕｔ≒ωｉｎであるがωｏｕｔ＜ωｉｎ、かつ、Ｔｏｕｔ＝Ｔａ、ここでＴａ＜Ｔｍａｘ。図８Ｂを参照すると、期間ｔ２中、バネは以下の角度だけ巻き戻される：
θ＝−ｔ２ωｏｕｔ≡−ｔ２ωｉｎ    式１１
【０１１０】
対応するトルクの減少は：
ΔＴ＝Ｔｒ＝Ｋθ＝−ｋｔ２ωｉｎ    式１２
【０１１１】
【０１１２】
ケース１と同じ工程を用いて、以下の結論に達しうる：
ｋ＜（ｃＴｍａｘ）／（ｔ２ωｉｎ）    式１３
【０１１３】
式１０および式１３は、ｔ２≡ｔ１である場合に、ケース２のバネ定数が、ケース１について計算された値と同様であることを示す。
【０１１４】
ケース３：ωｏｕｔ＝ωｉｎ／２、かつ、ｔ１＝ｔ２
【０１１５】
このケースにおいて、係合中、トーションバネの一端はω＝ωｉｎで回転するが、バネの出力端はω＝ωｉｎ／２で回転する。したがって、正味の巻き込み速度は：
巻き込み速度：ωｉｎ−ωｉｎ／２＝ωｉｎ／２    式１４
【０１１６】
同様に、クラッチの係合解除中、巻き戻し速度は：
巻き戻し速度：−ωｉｎ／２    式１５
【０１１７】
したがって、ネジが巻き戻る角度は：
θ＝（−ｔ２ωｉｎ）／２    式１６
【０１１８】
このケースでのトルクリップルは：
Ｔｒ＝ｋθ＝（ｋｔ２ωｉｎ）／２    式１７
【０１１９】
式１７を式８および式１２と比較することにより、トルクリップルが半分になり、有利であることがわかる。後に或る程度詳細に説明するように、係合および係合解除の過程中のエネルギ損失は、パルスの周波数に比例する。これは、ｔ１＝ｔ２である場合には容易に理解できるが、ｔ１が常にｔ２と等しい必要はない。したがって、例えば、それを半減させることで周波数を減少させることにより、エネルギ損失が半減されうる。トルクリップルが半減され、エネルギ損失が低くなりうる時に装置を動作させることが、有利な動作モードである。
【０１２０】
［係合過程でのエネルギ損失］
【０１２１】
係合および係合解除中のエネルギ損失を分析するために、以下のさらなる変数を定義できる：
【０１２２】
Ｉｓ    クラッチ駆動円板、シャトル、および、シャトルに取り付けられたバネの端部の合計慣性
【０１２３】
Ｔｅ    クラッチによって伝達されるトルク
【０１２４】
ωｄ    駆動円板の速度
【０１２５】
ｔｅ    クラッチ係合期間
【０１２６】
係合中、
（ｄωｄ）／ｄｔ＝Ｔｅ／Ｉｓ    式１８
【０１２７】
ωｉｎが、クラッチによって掛けられた負荷にかかわらず一定であると仮定すると、以下の式によって与えられる時間ｔｅの後に、ωｄはωｉｎに達する。
ｔｅ＝（ωｉｎＩｓ）／Ｔｅ    式１９
【０１２８】
仮定は、慣性が大きいモータに合致する。これらの議論のために、これについて、ｔｅ＜＜ｔ１であることにも注意されたい。
【０１２９】
ｔｅに等しい期間にわたって継続する係合処理の間、モータによって供給されるエネルギは、動力持続時間である。したがって：
ΔＥｍｏｔｏｒ＝Ｔｅωｉｎｔｅ＝Ｔｅ（ωｉｎ２Ｉｓ）／Ｔｅ＝Ｉｓωｉｎ２    式２０
【０１３０】
係合前に、クラッチ円板およびシャトルが停止しており、係合後に、ωｉｎの速度で回転すると仮定して、クラッチ／シャトルアセンブリによって得られるエネルギは、以下によって与えられうる：
ΔＥｓｈｕｔｔｌｅ＝０．５Ｉｓωｉｎ２    式２１
【０１３１】
【０１３２】
式２１に基づいて、摩擦（Ｅｅｎｇ．ｆｒｉｃｔｉｏｎ）によるエネルギ損失は、以下のようになると結論づけることができる：
ΔＥｅｎｇ．ｆｒｉｃｔｉｏｎ＝ΔＥｍｏｔｏｒ−ΔＥｓｈｕｔｔｌｅ＝（Ｉｓωｉｎ２）／２    式２２
【０１３３】
したがって、式２２から、摩擦によるエネルギ損失は、クラッチ係合期間ｔｅまたはトルクＴｅから独立していることがわかる。これは、クラッチ係合が非弾性衝突に類似しうるという事実の結果である。エネルギ損失量は、衝突自体の詳細な時間履歴から独立している。
【０１３４】
［係合解除過程でのエネルギ損失］
【０１３５】
係合解除中のエネルギ損失を分析するために、以下のさらなる変数を定義できる：
【０１３６】
ｔｄ    クラッチ係合解除期間
【０１３７】
Ｔｄ    係合解除中にクラッチによって掛けられるトルク
【０１３８】
クラッチ係合解除によるエネルギ損失を分析するために、一定トルクＴｄがクラッチによって掛けられるという仮定をする必要はない。係合のケースとは違って、係合解除期間ｔｄは、式（ｔｅの式１９など）によって制約されない。変数ｔｄは、基本的に、クラッチの特性である。ｔｄ＜＜ｔ１またはｔ２というさらなる仮定が、係合解除中のエネルギ損失の理解を明確にするためになされる。この係合解除過程中、シャトルは、期間ｔｄ中に著しくは減速しない。しかしながら、この期間ｔｄの後、分析を完了するために、入力とシャトルとの速度差に関して、別の仮定をすることが必要になる。係合解除中のエネルギ損失に関する控えめな評価を得るために、速度差の過大評価がなされうる。このシナリオを理解するための別の方法は、シャトルが係合解除後に大きく速度を緩めないことである。したがって、これらの仮定により、係合解除中のクラッチ摩擦によるエネルギ損失は、以下のように書かれうる：
ΔＥｄｉｓ．ｆｒｉｃｔｉｏｎ≦Ｔｄ（ωｉｎ−（９ωｉｎ）／１０）ｔｄ    式２３
ΔＥｄｉｓ．ｆｒｉｃｔｉｏｎ≦（Ｔｄｔｄωｉｎ）／１０    式２４
【０１３９】
式１９から
ｔｅ＝（ωｉｎＩｓ）／Ｔｅ    式２５
【０１４０】
ｔｄ＝ｔｅおよびＴｄ＝Ｔｅと仮定すると、
ｔｄ＝（ωｉｎＩｓ）／Ｔｅ    式２６
【０１４１】
式２４に式２６を代入すると、
ΔＥｄｉｓ．ｆｒｉｃｔｉｏｎ≦Ｔｄ（（ωｉｎＩｓ）／Ｔｅ）ωｉｎ）／１０    式２７
ΔＥｄｉｓ．ｆｒｉｃｔｉｏｎ≦（Ｉｓωｉｎ２）／１０    式２８
【０１４２】
式２８を式２２と比較すると、以下の式が得られる：
ΔＥｄｉｓ．ｆｒｉｃｔｉｏｎ≦（１／５）ΔＥｅｎｇ．ｆｒｉｃｔｉｏｎ    式２９
【０１４３】
ここで、式２９から、クラッチ係合解除時のエネルギ損失は、係合中のエネルギ損失と比較して小さいかまたは無視できるものでありうることがわかる。先の分析から、クラッチ操作によるエネルギ損失は、Ｉｓに比例するということもできる。したがって、慣性Ｉｓを低減することが有利でありうる。低慣性シャトルに関する例を、本開示の後のセクションに記載する。
【０１４４】
［バネの設計の手順］
【０１４５】
以下の手順は、上記の式からのｋの計算後に、実際のバネを設計する方法を記載する。ケントのハンドブックから、
θ＝（Ｍ０ｌ）／（ＥＱ）    式３０
【０１４６】
そして、
ｋ≡Ｍ０／θ    式３１
【０１４７】
式３１に式３０を代入すると、
ｋ＝（ＥＱ）／ｌ    式３２
【０１４８】
次いで、ケントのハンドブックから、
Ｑ＝（ｂｈ３）／（１２）    式３３
【０１４９】
式３２に式３３を代入すると、
ｋ＝（Ｅｂｈ３）／（１２ｌ）    式３４
【０１５０】
また、ケントのハンドブックから、
σｍａｘ＝（６Ｍ０）／（ｂｈ２）    式３５
【０１５１】
これに基づいて、バネを設計する以下の方法に従うことができる。
【０１５２】
工程１：ｂの初期の妥当な値を選ぶ。
【０１５３】
工程２：式３５に基づいてｈを計算する。
ｈ＝√（（６Ｍ０）／（ｂσｍａｘ））＝√（（６Ｔｍａｘ）／（ｂσｍａｘ））    式３６
【０１５４】
工程３：ｈが応用例にとって妥当でない場合、新たなｂを選んで、工程２を繰り返す。そうでない場合には、工程４へ進む。
【０１５５】
工程４：ｌを計算する。
ｌ＝（Ｅｂｈ３）／（１２ｋ）    式３７
【０１５６】
［低慣性シャトル］
【０１５７】
式２２に戻ると、クラッチの係合によるエネルギ損失は、シャトルの慣性に比例することが示された。したがって、シャトルの慣性を最小化することが有利である。図３Ａでわかるように、トーションバネ４３１は、シャトル４２５に結合され、それと共に動きうる。便宜上、シャトルに結合されたバネの端部を「内側端」と呼ぶこととする。バネの他方の端部は、バネケース４３５に結合されてよい。簡便宜上、バネケースに結合されたバネの端部を「外側端」と呼ぶこととする。バネの外側端は、内側端に比べて比較的ゆっくりと動きうる。したがって、バネの内側端の慣性は、シャトルの慣性と同じ程度までエネルギ損失に寄与しうるが、外側端の慣性は、低いエネルギ損失への影響を有しうる。以下の例では、内側端および外側端の間の差が利用される。他の例においては、重さを軽くして慣性を小さくすることができるように、シャトルサイズが縮小される。
【０１５８】
図９Ａは、低慣性を有するシャトルを備えた駆動メカニズムの例を示しており、バネの内側端および外側端の間の慣性の差が利用される。図９Ａは、クラスＤ機械的類似物に関する例を示すが、同じアプローチが、ｂｕｃｋ回路機械的類似物に適用されてもよい。図９Ａは、装置１２００の断面図を示す。図９Ａにおいて、シャトルは、１２０５で示されている。シャトルは、２つの一方向クラッチ１２１０Ａおよび１２１０Ｂの出力に結合されてよい。入力ハブは、１２１５Ａおよび１２１５Ｂとして示されており、一方向クラッチ１２１０Ａおよび１２１０Ｂの入力側に結合されてよい。入力ハブは、定速モータなどの外部アクチュエータにも結合されてよい。上述のように、一方の入力ハブは、外部モータの方向に回転してよく、もう一方は、逆転ギアが外部モータの出力と入力ハブとの間に存在しうるので、反対方向に回転してよい。外部モータの入力ハブへの結合は、１２２０Ａおよび１２２０Ｂで示されている。入力ハブの回転は、電気積層円板クラッチ、機械式または電気積層作動バネクラッチを含むがこれらに限定されない様々なメカニズムによってシャトルに結合されてよい。図には、バネクラッチが示されている。バネ１２２５Ａおよび１２２５Ｂは、それぞれ、入力ハブ１２１５Ａおよび１２１５Ｂをシャトル１２０５に結合することが示されている。バネ１２２５Ａおよび１２２５Ｂの各々は、それぞれの入力ハブおよびシャトルの一端に巻き付いている。例えば、バネ１２２５Ａは、入力ハブが回転した場合に、バネ１２２５Ａがそれと共に回転し、シャトルの左部分に巻き付き、結果として、入力と同じ方向にシャトルに回転を与えるように、入力ハブ１２１５Ａおよびシャトル１２０５の左部分に巻き付く。他方の入力ハブ１２１５Ｂは、入力ハブ１２１５Ａと反対方向に回転しうることに注意して、バネ１２２５Ｂは、同様にシャトルの右部分に運動を伝える。各バネは、タブ１２２８Ａおよび１２２８Ｂを有しており、それぞれのタブは、リング１２２７Ａおよび１２２７Ｂに固定的に結合されてよい。リング１２２７Ａおよび１２２７Ｂは、ギア付きであってよく、所定の位置に保持された時に入力ハブと共に動きうるか、または、入力ハブに対して滑りうるように、入力ハブに結合されてよい。リング１２２７Ａおよび１２２７Ｂのギアは、係合メカニズム１２２９Ａおよび１２２９Ｂと係合する。ここで、リング１２２７Ａおよび１２２７Ｂと係合メカニズム１２２９Ａおよび１２２９Ｂとの機能について、リング１２２７Ａの一部と係合メカニズム１２２９Ａとの正面図を示す図９Ｂを用いて説明する。他方のリングおよび係合メカニズムは同一であるため、図示しない。係合メカニズムは、矢印１２７６に沿って二方向に移動されうる。係合メカニズムは、ギア付きリングの歯と係合し、リングの回転を止めることができる。あるいは、係合メカニズムは、ギア付きリングから離されることで、位置リングの回転を可能にしうる。
【０１５９】
図９Ａに戻ると、例えば、係合メカニズム１２２９Ａがリング１２２７Ａと係合すると、バネ１２２５Ａのタブは、所定の位置に保持され、バネは、入力ハブ１２１５Ａに巻き付くことができなくなる。これが起きると、シャトルに回転が与えられない。係合メカニズム１２２９Ｂがリング１２２７Ａから係合解除されると、タブ１２２８Ａは、もはや所定の位置に保持されず、バネは、入力ハブおよびシャトルを締め付けて、入力ハブの回転がシャトルに与えられるようにする。係合メカニズム１２２９Ｂおよびリング１２２７Ｂの動作は、正確に同じであるため、説明しない。係合メカニズム１２２９Ａおよび１２２９Ｂは、適切なモータによる機械的方法またはソレノイドによる電磁気的手段を含むがこれらに限定されない多くの周知の方法の１つで作動されてよい。したがって、上記のメカニズムにより、シャトルに回転が与えられうる。
【０１６０】
シャトル１２０５は、管１２６５に固定的に結合されてよく、管１２６５は、装置１２００のハウジング内で１２３８などのベアリングに支持されて回転してよい。明確にするために、ベアリングの一部のみが図示されている。ハウジングは、１２３２で示されており、シャトルの両側にある。ハウジングは、独立した部材であってもよいし、ロボットのフレームなど、より大きいシステムの一部であってもよい。管１２６５は、２つの部分１２３５および１２４０を有してよい。概してシャトルの左側に図示された管１２６５の部分１２３５は、シャトルおよび入力ハブ１２１５Ａが回転するための機械的支持を提供する。したがって、図に示すように、入力ハブ１２１５Ａは、ベアリング上の管の部分１２３５上で回転しうる。概してシャトルの右側に図示された管１２６５の部分１２４０は、管状のトーションバネであってよい。シャトル、管の部分１２３５および管の部分１２４０のすべてが、物理的にワンピースであってよいが、各部材が、異なる構成要素でできていてもよい。さらに、管１２６５の部分１２３５および１２４０は、スナップリング１２３０Ａおよび１２３０Ｂを配置するための構造を提供してよい。これらのスナップリングは、入力ハブおよびシャトルを所定の位置に保持する手段を提供しうる。上述の部分１２３５は、単に、バネ様の性質を持たない管であるため、シャトルが回転するのと同様に回転しうる。しかしながら、上述のように、部分１２４０は、管状のトーションバネであってよく、その動作について以下に述べる。
【０１６１】
図に見られるように、管１２６５の部分１２４０は、シャトルから別のハブ１２４５まで伸びる。便宜上、ハブ１２４５を「中間ハブ」と呼ぶこととする。中間ハブ１２４５は、後にバネケース１２５０に囲まれてよいトーションバネ１２５５に結合されてよい。バネケースは、中間ハブ上にベアリング１２３８によって支持されてよい。バネケースは、出力ギアまたはハブ１２６０に結合されてよい。ギア１２６０は、別のギア１２７５を駆動してよく、別のギア１２７５は、装置１２００の最終出力ハブを形成してよく、負荷に結合されてよい。出力ギアは、ハウジング１２３２上にベアリング１２３８によって支持されてよい。出力ギアを支持するハウジングは、シャトルおよび入力ハブを支持するハウジングと同じであってもよいし、異なっていてもよい。
【０１６２】
ここで、装置１２００の動作について説明する。バネ１２２５Ａおよび１２２５Ｂは、図２で上述したのと同様に作動されてよい。したがって、バネ１２２５Ａおよび１２２５Ｂの係合および係合解除の適切なシーケンスを適用することにより、シャトル１２０５は、所望の速度および方向に回転させられうる。しかしながら、この装置のシャトルは、図３Ａのシャトルよりも特に幅の寸法が小さくなりうる。幅の寸法は、図の矢印１２７１によって示されている。シャトルが小さいほど、重量が軽く、慣性が小さくなる結果として、バネ１２２５Ａおよび１２２５Ｂの係合過程でのエネルギ損失が小さくなる。さらに、シャトルは、図３Ａのトーションバネの代わりにトーション管１２４０に結合されており、これは、慣性ひいてはエネルギ損失に影響がある。当業者に周知のように、トーション管は、通例、所与の重さについてトーションバネよりも多くのエネルギを蓄える。これは、トーション管およびトーションバネの両方が同じエネルギを蓄える必要があるとすると、シャトルの内側部分に結合されたトーション管の重量が、同じシャトルに結合されうるトーションバネよりも小さくなりうることを意味する。上述のように、バネの内側部分は、シャトルとしてエネルギ損失に寄与するが、より軽い重量のトーション管を用いることによって、エネルギ損失が削減される。さらに、図に示すように、トーションバネが用いられてよい装置の外側部分は、シャトルから部分的に分離されてよい。トーションバネの重量にかかわらず、シャトル慣性への影響が低減されうる。トーション管を用いることにより、より小さいシャトルを利用でき、バネの内側部分および外側部分の間の差を利用して、エネルギ損失が低減される装置を提供できることがわかる。
【０１６３】
周知のように、トーション管は、トーションバネよりも効率的にエネルギを蓄えるが、トーション管の長さは長くなりうる。また、周知のように、トーション管は、一つには長さのために、座屈を起こしやすい場合がある。したがって、いくつかの例において、リブ（これに限定されない）などの支持構造が、座屈を防ぐために、トーション管に結合されてよい。図９Ａにおいて、リブは、１２８０で示されている。これらの支持構造は、管の外側に配置されてもよいし、いくつかの他の構成においては、管の内側に配置されてもよい。１またはいくつかの支持構造があってよい。
【０１６４】
いくつかの応用例において、長いトーション管を組み込むことが便利ではない場合がある。図９Ａにおいて、トーション管の長さは、矢印１２７２で示されている。したがって、管の長さを短くできる別の例を以下に記載する。図９Ｃは、かかる例を示している。図９Ｃは、同軸トーション管を示している。トーション管の部分のみが図示されている。図は、３つの部分を備えた管を示しているが、より多くの部分が存在してもよい。部分１３１０は、トーション管１２４０が図９Ａにおいてシャトルに結合されうるのと同様に、シャトル１２０５に結合されてよい。部分１３１０は、図に示すように、フランジ１３１５を有してよい。フランジ部分は、ネジまたはナットを収容するための穴（ネジ穴など）を有してよい。両側に１つずつのフランジ１３２５および１３２６を備えた第２部分１３２０（これもトーション管）が、第１部分を覆って同軸に配置されてよい。部分１３２０のフランジも、部分１３１０の穴と同様の穴（ネジ穴など）を有してよい。第２部分は、その主長さ方向が、部分１３１０の主長さ方向に比べて逆になるように配置される。第１および第２部分は、ネジまたはナットを収容するための穴を有しうる円板１３３５によって結合されてよい。１３４０などのナットが、第１および第２部分を結合するために用いられてよい。円板１３３５の正面図を図９Ｄに示しており、穴は１３４１で示されている。１つの穴のみが符号を付されている。結合板１３４５が図９Ｅに示すリングであってよいことを除いて同様に、これもトーション管であってよい第３部分が、第２部分と同軸に結合されてよい。図９Ｃにおいて、第３部分は、図９Ａの中間ハブ１２４５に結合される。ただし、いくつかの例において、４以上の部分があってもよい。図９Ｃは、同様の壁厚を有する各部分を示しているが、別の例において、各部分の壁厚が異なっていてもよい。さらに、図９Ｃは、耐座屈支持構造を示していないが、図９Ｃのこの構成にも同様に存在してよい。概して、図９Ｃは、同軸管を用いることにより、矢印１３５０で示す突出長さが、図９Ａの矢印１２７２によって示した長さよりも短くなりうることを示している。突出長さは、１３００の折り返しの特徴を無視する。したがって、入力部分および出力部分の間の距離が短いことが求められる応用例においては、図９Ｃの構成が利用されてよい。
【０１６５】
［電気制御可能な係合メカニズム］
【０１６６】
図１０Ａおよび図１０Ｂは、図２Ｂのクラッチ３１９Ａおよび３１９Ｂ、図３Ｂの４１５Ａおよび４１５Ｂ、ならびに、図７Ａの１０１０Ａおよび１０１０Ｂなど、電気制御可能なクラッチとして利用できる電気積層クラッチの例を示す図である。電気制御可能なクラッチ装置における効果的な結合を高めるために、様々な手段が用いられうる。当業者が理解するように、様々な電気制御可能な結合技術が、電気制御可能なトランスミッションの異なる例での利用に適合されうる。
【０１６７】
例えば、電気積層効果、電気吸着、静電グリップ、および、関連用語は、一般に、静電力を用いた２つの物体の機械的結合を指す。電気吸着は、本明細書で説明するように、静電力を電気的に制御することで、２つの物体間の一時的かつ着脱可能な連結を可能にする。この電気吸着は、印加された電場によって生じる静電力によって、これらの物体の２つの表面を結び付ける、または、２つの物体間の静止摩擦または摩擦を増大させる。電気吸着の特徴は、一般に、非作動時の小さい滑り、高いせん断力、および、低い剥離力を含む。
【０１６８】
上述したクラッチの円板の間の係合技術の一例において、電気積層効果は、表面の間（この場合にはクラッチ円板の間）の静電力に依存して、円板の間のクランプを達成する。例えば、図１０Ａ〜図１０Ｂにおける円板４１６および４１７の対向する面が、２つの電気積層面を形成しうる。これらの構成により、クラッチ４１５が、制御可能かつ可逆的に係合される。或るアプローチにおいて、電気吸着すなわち電気制御された可逆的な吸着は、図１０Ａ〜Ｂの円板４１６および４１７の対向する面の間に電圧差（高レベルＤＣ電圧など）を印加することによって得られ、円板間の静止摩擦力を高める静電引力を生み出しうる。例えば、図１１の電圧制御回路１３８０は、円板４１６および４１７と電気的に接続されており、高電位差を印加することで、円板に電気積層効果を誘導し、それらをクランプする。
【０１６９】
図１０Ａおよび図１０Ｂは、電気吸着の例を示しており、ここで、電極が、円板４１６および４１７の一方に設けられ、電気吸着電圧が、円板間の静止摩擦を高めるために、それらの電極に印加される。図１０Ａの例において、円板４１７には、少なくとも一対の隣接する電極１３５０および１３５２を設けられ、それらは互いに電気的には絶縁されており、ここで、例えば、各電極は、円板４１７に埋め込まれた導電材料のループである。様々な実施形態において、図１０Ａの例に示すように、複数対の電極が円板４１７に設けられてよいことに注意されたい。例えば、電圧制御回路１３８０によって生み出された静電吸着電圧は、電気吸着効果を生むために隣接する電極１３５０および１３５２に印加される交互の正電荷および負電荷を有する。電圧は、リングおよびブラシなどの様々な技術を通して電極１３５０および１３５２に印加されてよく、これは、当業者には容易に理解される。
【０１７０】
電極１３５０および１３５２の間の電圧差の結果として、電場が円板４１７の誘電体表面に形成される。電場は、誘電材料を局所的に分極させるため、電極１３５０および１３５２ならびに円板４１７と、円板４１６の誘導材料に誘導された電荷との間に、静電吸着を引き起こす。誘導電荷は、誘電分極の結果であるか、または、弱い導電材料および漏れ電流から生じうるが、電気制御可能な係合技術の例は、図示された例によって限定されない。例えば、誘導された静電力は、ジョンソン・ラーベック効果を用いて、より低い電力レベルにおいて、さらに大きい力を提供してもよい。
【０１７１】
したがって、静電吸着電圧は、円板４１７と円板４１６の表面の下の材料との間に静電力を提供して、それらの間の静止摩擦を高め、クラッチ４１５を係合させる。静電吸着電圧を取り除くと、円板４１６および４１７の間の静電吸着力が止まり、これは、それらの間の静止摩擦を低減し、クラッチを係合解除する。静電吸着電圧は、図２Ｃ〜Ｋ、図４、および、図５Ａの波形に関して上述したように、オン期間中にクラッチの円板を係合させるために印加され、オフ期間中に円板を係合解除するために取り除かれる。
【０１７２】
図１０Ｂは、別の例を示しており、１または複数対の隣接する電極１３５０および１３５２が円板４１６に提供されている。電極１３５０および１３５２に印加された静電吸着電圧は、円板４１７の誘電材料を局所的に分極させて電極１３５０および１３５２と円板４１６および円板４１７の誘電材料に誘導された電荷との間の静電吸着を引き起こす電場を円板４１６の誘電体表面に形成する。したがって、円板４１６および４１７の間の静止摩擦力は、電極１３５０および１３５２への静電吸着電圧の選択的印加によって電気的に制御されてよい。
【０１７３】
図１１は、電圧制御回路１３８０の単純化した一例を示しており、ここで、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い制御回路１３８２が、電極１３５０および１３５２を介してクラッチの円板に印加される静電吸着電圧信号を調整しうる調整回路１３８６を制御する。電源１３８４（例えば、バッテリまたは電力供給部など）が、電圧制御回路１３８０に動作電力を供給し、電極に印加される静電吸着電圧信号のための電力を供給する。制御回路１３８２が、調整回路１３８６にクラッチの円板への静電吸着電圧を出力させることによってトランスミッションを係合し、調整回路１３８６に静電吸着電圧の生成を止めさせることによってトランスミッションを係合解除しうる。この構成は、図３Ｂのクラッチ４１５の円板４１６および４１７など上述したクラッチの円板が、電圧制御回路１３８０の制御下で制御可能および可逆的に結合されるようにする。
【０１７４】
いくつかの実施形態では、本明細書に記載された静電吸着は、迅速な係合および係合解除の時間を可能とし、ほとんど瞬時といってもよい。係合および係合解除の速さは、いくつかの手段によって増大されてよい。電極が、より狭い線幅および近い間隔で構成されている場合、静電吸着力を確立するために電荷が流れるのに必要な時間が短くなるので、速度は、導電性または弱い導電性の基板（例えば、電極を含まないクラッチ円板４１６および４１７）を用いて高められる。基本的に、電極および基板を備えた両方の電気吸着装置（例えば、円板４１６または４１７など）を含む分布抵抗容量回路のＲＦ時定数が低減される。より高い電圧を用いて、より迅速に所与のレベルの静電吸着力を確立することも可能であり、電圧を一時的にオーバードライブして電荷分布および適応を迅速に確立することによって、速さを増大させることも可能である。係合解除の速さを増大させるために、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利用されてよい。かかる電圧は、電荷が、誘電体基板材料内に蓄積することを防止するため、より速い係合解除を可能にする。あるいは、必要な駆動電力を追加して、放電時間を速くするために、電極の間に、中程度の導電性の材料を用いてもよい。これらの形態の静電吸着電圧は、図２Ｃ〜Ｋ、図４、および、図５Ａの波形に関して上述したように、オン期間中にクラッチの円板を係合するために印加され、オフ期間中に円板を係合解除するために取り除かれてよい。
【０１７５】
本明細書で用いられているように、静電吸着電圧とは、静電吸着装置（例えば、電極を備えた円板）を基板（例えば、誘電体表面材料を備えた円板）に結合するために適切な静電力を発生させる電圧を意味する。電気吸着装置に必要な最小電圧は、以下の多くの要因で変化する：例えば、電気吸着装置のサイズ；電極の材料導電率および間隔；電極間の絶縁材料；誘電体表面材料；ほこり、その他の粒子、または、湿気など、電気吸着への任意のかく乱要因の存在；電気吸着装置に機械的に結合された任意の構造の重さ；電気吸着装置の適合性；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ギャップ。一実施形態では、静電吸着電圧は、約５００ボルト〜約１０キロボルトの電極間の差動電圧を含む。特定の実施形態では、差動電圧は、約２キロボルト〜約５キロボルトの間である。１つの電極の電圧はゼロになりうる。また、交互の正および負の電荷が、隣接する電極に印加されてもよい。
【０１７６】
図１１の例に戻ると、制御回路１３８０は、適切な静電吸着電圧が電極１３５０および１３５２に印加される時を決定するよう構成されている。回路１３８０は、静電吸着電圧が印加される時と、電圧信号の特性の一部（大きさなど）とを決定するオン／オフ信号を供給するプロセッサまたはコントローラ１３８２を備えてよい。回路１３８０は、静電吸着装置の充放電サイクルに関する時間を決定してもよい。制御回路１３８２の制御下で生成されうるオン／オフ信号スキームの例は、図２Ｃ〜Ｋおよび図５Ａに関連して図示および上述している。
【０１７７】
調整回路１３８６は、以下の動作の内の１または複数を実行するよう構成された任意の回路を含みうる、電圧逓増（電極１３５０および１３５２に電圧を印加する際に利用される）、ＡＣおよびＤＣ電力間の変換、電圧の平滑化、ならびに、蓄積された静電エネルギの回収。調整回路１３８６は、低電圧バッテリが電源１３８４として用いられる場合に、かかるバッテリから電力を受けるよう設計されてよい。例えば、ロボット工学用途では、調整回路１３８６は、従来のバッテリ（４０ボルト未満のものなど）から電圧を受けて、その電圧を、１キロボルトを超える静電吸着電圧に上昇させてよい。バッテリなどの低電圧電源の代わりに、多くの手持ち式の計算機で利用されているものと同様の小型太陽電池パネルなど、別の電源を用いてもよい。一実施形態では、調整回路１３８６は、本明細書に記載した静電吸着電圧への電圧逓増を実現するよう構成された変圧器またはスイッチング電源を備える。具体的な一実施形態では、調整回路１３８６は、カリフォルニア州サッタークリーク、フォレストプロダクツロード７０のＥＭＣＯ  Ｈｉｇｈ  Ｖｏｌｔａｇｅ社が提供するモデルＮｏ．Ｑ５０−５を含む。導電性のリードが、調整回路１３８６から電極１３５０および１３５２へ伸びる。
【０１７８】
静電吸着装置の構成によっては、より複雑な充電制御回路が開発されてもよく、図１１の例には限定されない。また、回路機能の一部が統合されてもよい。例えば、１つの集積回路が、制御部１３８２の制御および調整回路１３８６の逓増を実行してもよい。
【０１７９】
電気吸着装置に供給される電圧は、様々であってよい。一実施形態では、ＡＣ駆動が電極に対して用いられる。一部の例では、誘電基板における静電力は、安定したＤＣ駆動下で時定数にわたって緩和しうる。この現象は、電荷をトラップした場合の絶縁体でも起こりうる。しかしながら、電極の各々における電荷の極性を高頻度で交代させることにより、静電力を維持または強化することができる。具体的な一実施形態では、ＡＣ信号は、１Ｈｚ以上の周波数を有する。それよりも高いまたは低い他の周波数が用いられてもよい。別の実施形態では、複数セットの電極が、時間オフセットまたは位相シフトされた複数のＡＣ電圧を印加されて利用される。これは、あるセットのＡＣ電圧が一時的に０電圧差を通過する時に、別のセットの電極が静電吸着力を維持することを可能にする。別の実施形態では、ＤＣ駆動が、電極に提供されてよい。ＤＣ駆動の例の一部では、電圧がオフに切り替えられた時に迅速な解除を実現するために、適度に低い絶縁体の抵抗が、漏れ経路を提供してよい。別の例では、所望の時に解除を行うために、ＤＣ駆動と逆極性の一定量の電荷が、電極にパルス供給されてよい。この場合、一定量の電荷は、電気吸着装置（例えば、電気制御可能なクラッチの円板）と等しい静電容量を有する外部のコンデンサまたは調整回路１３８６の一部であるコンデンサから供給されてよい。
【０１８０】
電気吸着装置の切り替え時間および応答時間は、電気装置、および、電極に印加される信号によって異なる。例えば、５Ｈｚの信号は、時間周期の１０分の１の電圧上昇時間を有し、２０ミリ秒の充放電サイクルを提供しうる。
【０１８１】
一般に、電気吸着は、電気吸着装置（例えば、電極を備えた円板）と、誘電体基板（例えば、誘電体円板）との間の静止摩擦力を高めるために、少量の電力を必要とする。静電吸着は、主に、容量性の効果と考えてよいため、所要電力は小さい。これは、漏れ電流を最小限に抑えるために絶縁材料の適切な選択をすれば、無効電力が小さいままになることを示している。絶縁材料の抵抗率は、漏れ電流が許容可能である限りは、トラップされた電荷が問題になる場合に、低減されてよい。
【０１８２】
本明細書に記載の電気的制御可能な動力トランスミッションの様々な例での利用に適しうるいくつかの静電吸着電圧に関するさらなる情報は、同一出願人による米国特許第７，５５１，４１９号「Ｅｌｅｃｔｒｏａｄｈｅｓｉｏｎ」、ならびに、米国特許第７，５５４，７８７号および第７，７７３，３６３号および米国特許出願公開第２０１３００１０３９８号に記載されており、これらは、すべての目的のためにその全体が本明細書に組み込まれる。
【０１８３】
静電技術の他の例が、ここに記載した電気制御可能なトランスミッションでの利用に適しうる。例えば、静電グリップが、半導体製造を含む多様な業界で長年にわたって用いられており、その例は、米国特許第５，１０３，３６７号「Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ  Ｃｈｕｃｋ  Ｕｓｉｎｇ  Ａ．Ｃ．  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ」、米国特許第５，３２５，２６１号「Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ  Ｃｈｕｃｋ  ｗｉｔｈ  Ｉｍｐｒｏｖｅｄ  Ｒｅｌｅａｓｅ」、米国特許第６，９２２，３２４  号「Ｒｅｍｏｔｅ  Ｐｏｗｅｒｉｎｇ  ｏｆ  Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ  Ｃｈｕｃｋｓ」に示されている。
【０１８４】
米国特許第７，５９２，７２７号「Ｑｕｉｅｔ  Ｌｏａｄ  ｆｏｒ  Ｍｏｔｏｒ  Ｔｅｓｔｉｎｇ」に記載された渦電流ブレーキング、または、米国特許第５，８５６，７１０号「Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｅｎｅｒｇｙ  ａｎｄ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ」に記載された誘導結合など、電気制御可能な結合の他の形態が、本明細書に記載の電気制御可能なトランスミッションの例での利用におそらく適合されうる。例えば、別の円板の電磁石と係合する電磁石を外面に隣接して備えた円板を備え、電磁石が、円板の間のトルク伝達を提供するために交互の極性を有するよう構成された別の電気制御可能な結合アプローチが、いくつかの例に適合されてもよい。磁気結合に関するさらなる情報は、Ｍａｇｎｅｔｉｃａｌｌｙ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｒｉｖｅ−ＯｐｅｎＲＯＶ  Ｒ＆Ｄ（ｈｔｔｐｓ：／／ｆｏｒｕｍ．ｏｐｅｎｒｏｖ．ｃｏｍ／ｔ／ｍａｇｎｅｔｉｃａｌｌｙ−ｃｏｕｐｌｅｄ−ｄｒｉｖｅ／３０）に記載されており、米国特許第５，５６９，９６７号「Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｇｅａｒ  ａｎｄ  Ｇｅａｒ  Ｔｒａｉｎ  Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ」に磁気ギアリング技術の一例が記載されている。これらの参照文献も、すべての目的のためにその全体が参照によって組み込まれる。
【０１８５】
本明細書に引用した出版物、特許出願、および、特許を含むすべての参照文献は、各参照文献が、参照によって組み込まれることを個別に具体的に示されているおよび／または本明細書にその全体が明記されているかのように、同程度まで参照によって本明細書に組み込まれる。
【０１８６】
本明細書および以下の特許請求の範囲における用語「ａ」および「ａｎ」および「ｔｈｅ」ならびに同様の指示語は、本明細書に別段の指示もなく、文脈との明らかな矛盾もない限りは、単数および複数の両方を網羅すると解釈されるべきである。明細書および以下の特許請求の範囲における用語「ｈａｖｉｎｇ」、「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ」、「ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ」、および、同様の指示語は、特に断りのない限りは、開放型用語（例えば、「〜を含むが、〜に限定されない」ことを意味するもの）として解釈されるべきである。本明細書の値の範囲の記載は、本明細書に別段の指示がない限りは、範囲内に包括的に収まる各個別の値を個々に参照する簡単な方法として機能することを単に意図されたものであり、各個別の値は、本明細書に個々に記載されたかのように、本明細書に組み込まれる。本明細書に記載のすべての方法は、別段の指示もなく、文脈との明らかな矛盾もない限りは、任意の適切な順序で実行できる。本明細書におけるあらゆる例、または、例示語（例えば、「など」）の利用は、本発明の実施形態をより理解しやすくするよう意図されたものにすぎず、他の方法で請求されていない限りは本発明の範囲を限定するものではない。本明細書中の表現は、本発明の各実施形態に不可欠な非請求の要素を示すものと解釈されるべきではない。
【０１８７】
図示または上述した構成要素の異なる構成、ならびに、図示も記載もされていない構成要素および工程も可能である。同様に、いくつかの特徴およびサブコンビネーションが有用であり、他の特徴およびサブコンビネーションへの参照なしに利用されてよい。本発明の実施形態は、限定ではなく例示のために記載されており、別の実施形態が、本特許の読者にとって明らかになる。したがって、本発明は、上述または図示した実施形態に限定されず、様々な実施形態および変形例が、本発明の範囲から逸脱することなしに実現可能である。
【図１Ａ】
2019009993.tif 000003
【図１Ｂ】
2019009993.tif 000004
【図１Ｃ】
2019009993.tif 000005
【図２Ａ】
2019009993.tif 000006
【図２Ｂ】
2019009993.tif 000007
【図２Ｃ】
2019009993.tif 000008
【図２Ｄ】
2019009993.tif 000009
【図２Ｅ】
2019009993.tif 000010
【図２Ｆ】
2019009993.tif 000011
【図２Ｇ】
2019009993.tif 000012
【図２Ｈ】
2019009993.tif 000013
【図２Ｉ】
2019009993.tif 000014
【図２Ｊ】
2019009993.tif 000015
【図２Ｋ】
2019009993.tif 000016
【図３Ａ】
2019009993.tif 000017
【図３Ｂ】
2019009993.tif 000018
【図３Ｃ】
2019009993.tif 000019
【図３Ｄ】
2019009993.tif 000020
【図４】
2019009993.tif 000021
【図５Ａ】
2019009993.tif 000022
【図５Ｂ】
2019009993.tif 000023
【図５Ｃ】
2019009993.tif 000024
【図６Ａ】
2019009993.tif 000025
【図６Ｂ】
2019009993.tif 000026
【図６Ｃ】
2019009993.tif 000027
【図６Ｄ】
2019009993.tif 000028
【図７Ａ】
2019009993.tif 000029
【図７Ｂ】
2019009993.tif 000030
【図７Ｃ】
2019009993.tif 000031
【図８Ａ】
2019009993.tif 000032
【図８Ｂ】
2019009993.tif 000033
【図９Ａ】
2019009993.tif 000034
【図９Ｂ】
2019009993.tif 000035
【図９Ｃ】
2019009993.tif 000036
【図９Ｄ】
2019009993.tif 000037
【図９Ｅ】
2019009993.tif 000038
【図１０Ａ】
2019009993.tif 000039
【図１０Ｂ】
2019009993.tif 000040
【図１１】
2019009993.tif 000041
【手続補正書】
【提出日】平成30年9月4日(2018.9.4)
【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】
システムであって、
少なくとも１つの入力ハブと、少なくとも１つの電気制御可能クラッチと、回転可能部材と、出力ハブと、前記回転可能部材を前記出力ハブに結合するバイアス部材と、を備える電気制御可能なトランスミッションであって、前記少なくとも１つの電気制御可能クラッチは、係合された時、動力を前記少なくとも１つの入力ハブから前記回転可能部材に伝達するよう構成されている、電気制御可能なトランスミッションと、
少なくとも１つの制御信号を前記少なくとも１つの電気制御可能クラッチに印加するよう構成された制御回路であって、前記少なくとも１つの制御信号は、係合期間および係合解除期間を交互に繰り返す少なくとも１つのシーケンスで前記少なくとも１つの電気制御可能クラッチを係合および係合解除させるパルスを有し、前記電気制御可能なトランスミッションの変速比は、係合期間および係合解除期間を交互に繰り返す前記少なくとも１つのシーケンスによって制御される、制御回路と、
を備える、システム。
【請求項２】
請求項１に記載のシステムであって、
前記制御回路は、さらに、前記パルスの幅または前記パルスの周波数の内の少なくとも１つを調整することによって、前記電気制御可能なトランスミッションの前記変速比を調整するよう構成されている、システム。
【請求項３】
請求項１に記載のシステムであって、
前記少なくとも１つの入力ハブは、第１入力ハブを含み、前記少なくとも１つの電気制御可能クラッチは、第１電気制御可能クラッチを含み、前記少なくとも１つの制御信号は、係合期間および係合解除期間を交互に繰り返す第１シーケンスで前記第１電気制御可能クラッチを係合および係合解除させるパルスを有し、前記電気制御可能なトランスミッションの前記変速比は、係合期間および係合解除期間を交互に繰り返す前記第１シーケンスによって制御される、システム。
【請求項４】
請求項３に記載のシステムであって、さらに、前記回転可能部材を固定シャーシに結合する一方向クラッチを備える、システム。
【請求項５】
請求項３に記載のシステムであって、
前記バイアス部材は、バネを含む、システム。
【請求項６】
請求項５に記載のシステムであって、
前記バネは、前記第１電気制御可能クラッチが係合された時にエネルギを前記第１入力ハブおよび前記出力ハブと交換し、前記第１電気制御可能クラッチが係合解除された時にエネルギを前記出力ハブと交換する、システム。
【請求項７】
請求項５に記載のシステムであって、
前記バネは、巻き込みによってエネルギを蓄え、巻き戻しによってエネルギを放出する、システム。
【請求項８】
請求項１に記載のシステムであって、
少なくとも１つの入力ハブは、第１入力ハブおよび第２入力ハブを含み、前記少なくとも１つの電気制御可能クラッチは、第１電気制御可能クラッチおよび第２電気制御可能クラッチを含む、システム。
【請求項９】
請求項８に記載のシステムであって、
前記第１入力ハブは、第１回転方向に駆動されるよう構成されており、前記第２入力ハブは、前記第１回転方向と反対の第２回転方向に駆動されるよう構成されている、システム。
【請求項１０】
請求項９に記載のシステムであって、
前記第１電気制御可能クラッチは、係合された時、動力を前記第１入力ハブと前記回転可能部材との間に伝達するよう構成されており、前記第２電気制御可能クラッチは、係合された時、動力を前記第２入力ハブと前記回転可能部材との間に伝達するよう構成されている、システム。
【請求項１１】
請求項１０に記載のシステムであって、さらに、
前記第１入力ハブを前記回転可能部材に結合するよう構成された第１一方向クラッチと、
前記第２入力ハブを前記回転可能部材に結合するよう構成された第２一方向クラッチと、
を備える、システム。
【請求項１２】
請求項１０に記載のシステムであって、
前記少なくとも１つの制御信号は、第１制御信号および第２制御信号を含み、前記第１制御信号は、係合期間および係合解除期間を交互に繰り返す第１シーケンスで前記第１電気制御可能クラッチを係合および係合解除させるパルスを有し、前記第２制御信号は、係合期間および係合解除期間を交互に繰り返す第２シーケンスで前記第２電気制御可能クラッチを係合および係合解除させるパルスを有し、前記電気制御可能なトランスミッションの前記変速比は、係合期間および係合解除期間を交互に繰り返す前記第１シーケンスならびに係合期間を交互に繰り返す前記第２シーケンスによって制御される、システム。
【請求項１３】
請求項１２に記載のシステムであって、
前記第１電気制御可能クラッチは、前記第２電気制御可能クラッチが係合された時に係合解除され、前記第２電気制御可能クラッチは、前記第１電気制御可能クラッチが係合された時に係合解除される、システム。
【請求項１４】
請求項１２に記載のシステムであって、
前記バイアス部材は、バネを含む、システム。
【請求項１５】
請求項１２に記載のシステムであって、
前記バネは、前記第１電気制御可能クラッチが係合された時は、エネルギを前記第１入力ハブおよび前記出力ハブと交換し、前記第２電気制御可能クラッチが係合された時は、エネルギを前記第２入力ハブおよび前記出力ハブと交換する、システム。
【請求項１６】
請求項１４に記載のシステムであって、
前記バネは、巻き込みによってエネルギを蓄え、巻き戻しによってエネルギを放出する、システム。
【請求項１７】
請求項１に記載のシステムであって、
前記少なくとも１つの電気制御可能クラッチは、電気積層円板クラッチ、電気積層作動ラップバネクラッチ、または、電磁作動ラップバネクラッチの内の少なくとも１つを含む、システム。
【請求項１８】
請求項１に記載のシステムであって、
前記バイアス部材は、トーションバネを含む、システム。
【請求項１９】
請求項１に記載のシステムであって、
前記バイアス部材は、トーション管を含む、システム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
【図１Ｂ】クラスＤ回路の一例を示す回路図。
【図１Ｃ】信号２６０の拡大図。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５７】
図１Ｂは、クラスＤ増幅器を示している。回路の中心は、２つのパワーデバイス２２５Ａおよび２２５Ｂである。通例、これらのデバイスは、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）である。これらのデバイスは、バイナリスイッチとして作動され、理想的には完全にオンまたは完全にオフのいずれかであるが、一方のスイッチのみが任意の期間にオンになる。クラスＤ増幅器は、高効率で（すなわち、最小限の熱の発生で）入力信号を増幅するために用いられる。図面において、入力信号は、コンパレータ２１５への正弦曲線２０５として示されている。コンパレータの他方の入力は、正弦曲線よりもかなり大きい周波数を持つ三角波信号２１０である。コンパレータの出力は、二値信号２４５として示されており、ここで、各パルスの幅が、入力信号２０５を符号化する。信号２４５は、入力信号２０５の一表現であり、パルス幅変調信号と呼ばれる。信号２４５は、ＭＯＳＦＥＴ２２５Ａおよび２２５Ｂへの入力として供給される。図面で２５０と示されているクラスＤ回路の出力は、Ｖ＋またはＶ−であってよく、ここで、Ｖ＋およびＶ−は、電源電圧である。ＭＯＳＦＥＴおよびダイオード２３０Ａおよび２３０Ｂの配列により、出力２５０は、信号２４５が増幅されたものになる。信号２５０は、信号２５０内の高周波成分を抑制するインダクタ２３５およびコンデンサ２５５（ＬＣ回路）によって形成されたローパスフィルタに供給される。最終的な出力信号は、負荷２４０に現れる２６０として示されている。信号２６０は、少量の重畳リップルを持つ増幅バージョンの入力信号２０５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】００６３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６３】
任意の適切なトルクレベルが適切なオンオフシーケンスで達成されうることが、上述の説明からわかる。これは、ｂｕｃｋ回路類似物およびクラスＤ回路類似物に当てはまり、ｂｕｃｋ回路が一方向のトルクのみを提供でき、クラスＤが両方向のトルクを提供できるという違いがある。以下に述べる例において、オンオフシーケンスは、様々な方法で選択されてよい。図２Ｅ〜図２Ｇは、様々なトルク出力を得るための様々なオンオフシーケンスを記載する。これらの図のこれらの入力シーケンスは、パルス化の周波数が同じに維持されるが、パルスの幅が変化するので、パルス幅変調信号のカテゴリに含まれる。ｂｕｃｋ回路に関連するグラフは、上述の利用可能なトルク方向の違いを除けば同じであるため、クラスＤに関連するグラフのみを示す。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６５】
図２Ｆは、正の回転が逆回転よりも長い期間オンにされるがパルス化の周波数は図２Ｅと同じに維持される状況を示す。図に示すように、Ｔ３がＴ１と等しく、Ｔ４がＴ２と等しいと仮定すると、Ｔ１は、期間Ｔ１＋Ｔ２の７５％であるが、それでも、パルスの周波数は１／（Ｔ１＋Ｔ２）である。この場合、破線６１５で示す平均出力速度は、正の入力速度の半分に等しくなりうる。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７４】
装置４００は、パイロットシャフト４０５に関して回転できるシャトル４２５を有する。シャトルは、図３Ｂで明確にわかるように、トーションバネ４３１に結合されるが、その他の形態のバイアス部材を用いてもよい。バネの外端は、バネケース４３５に結合され、その中に収容される。シャトル、バネ、および、バネケースはすべて、パイロットシャフト４０５に関して回転できる。バネは、図２Ｂのインダクタ２３５に類似する。装置の最終出力ハブは、ギア４４０である。これは、負荷抵抗器２４０が取り付けられた場所２３６に類似する。コンデンサの類似物は、図３Ａ〜図３Ｃに図示されていないが、必要であれば、フライホイール（コンデンサの類似物）が、出力として機能しうる。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８４】
図２Ｅ〜図２Ｇは、装置４００の出力ギア４４０が負荷を駆動している時のグラフを示す。ほとんどのロボットで、特定の作業中、負荷は、トランスミッションを介してモータを駆動しうる。この例は、４つのグラフ７００、７０５、７１０、および、７１５が示された図４で説明される。グラフ７００が示すように、ωｏｕｔ≡０であるがωｏｕｔ＞０になるように、Ｔ１≡Ｔ２である。期間Ｔ１中、負荷がモータを駆動している場合、出力速度は正であってよいが、グラフ７０５に示すように出力トルクは負であってよく、その出力が逆流することを示す。この条件の別の説明は、定速モータが装置４００を通して負荷に力を印加する代わりに、負荷が、モータに力を印加し戻しているということである。この力は、例えば、モータに関連するバッテリを充電するため、または、より高い速度までモータを加速するために用いられてよい。図３Ａを参照する次の説明のために、便宜上、図の左側を正の側、図の右側を負の側と呼ぶこととする。したがって、入力ハブ４１０Ａは、正の入力ハブと呼ばれ、入力ハブ４１０Ｂは、負の入力ハブと呼ばれる。一方向クラッチ４３０Ａは、正の一方向クラッチと呼ばれ、一方向クラッチ４３０Ｂは、負の一方向クラッチと呼ばれる。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８５】
期間Ｔ１中、グラフ７００が示すように、シャトル速度は、入力ハブの内の１つの速度をとる。グラフ７００は、シャトルが期間Ｔ１中に正の入力ハブの速度をとることを示している。この期間中、図３Ａのバネ４３１は、シャトルの速度が、＋ωｉｎであり、出力ハブの速度がほぼゼロであるので、巻き込んでいる。したがって、バネの正味の回転速度は、ωｓｈｕｔｔｌｅ−ωｏｕｔである。さらに、この場合、バネは出力トルクを出力に伝え、出力は、この同じトルクを負荷に及ぼす。シャトルの速度が駆動モータの速度と等しい状態の負の出力トルクにより、正の一方向クラッチが係合され、出力トルクとほぼ等しいトルクを伝える。これは、グラフ７１０のＴ１中に示されている。このクラッチトルクは、モータによって後に経験される。結果として、モータは、モータ駆動信号によって引き起こされるトルクなど、任意の他のトルクなしに加速する。したがって、エネルギは、負荷からモータへ伝達され、モータの運動エネルギを増大させる。この期間Ｔ１中に、負の一方向クラッチ（すなわち、負の入力ハブに関連するクラッチ）は、シャトル速度が−ωｉｎよりも正の値である時に係合されないように設計されるので、トルクを経験しない。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００９１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００９１】
図３Ａを参照しつつ、ここで、クラッチ４１５Ａが係合され、４１５Ｂが係合していない状況を考慮する。４１５Ｂが係合され、４１５Ａが係合していない状況は、基本的に概念が同じであるため、説明しない。クラッチ４１５Ａを係合解除するための第１電気信号が印加される。デッドタイム期間の後、クラッチ４１５Ｂを係合するための信号が印加される。クラッチ４１５Ａの係合解除遅延に基づいて、このクラッチは、機械的に係合解除され、シャトル４２５は自由に回転できる。４１５Ａが係合された時、バネが時計回りに巻き上げられると仮定すると、係合解除された時、バネは、反時計回り方向に巻き戻り、負のトルク（反時計回り方向）をシャトルに印加する。シャトルは、入力ハブ４１０Ｂの反時計回りの速度に達するまで、バネの影響下で迅速な負の加速を経験する。この時点で、一方向クラッチ４３０Ｂは係合して、シャトルに入力ハブ４１０Ｂと同じ速度で回転させる。ここで、クラッチ４３０Ｂが係合されている間、クラッチ４１５Ｂは、自身の係合遅延が経過した後に機械的に係合する。機械的係合の瞬間に、クラッチ４１５Ｂの２つのプレートの速度差は、ゼロまたはゼロに近くなりうる。この結果として、クラッチ摩擦によって失われるエネルギは、ゼロまたはゼロに近くなり、クラッチの摩耗が最小限になることが好ましい。したがって、ガイドラインとして上記の議論を用いると、Ｔｄｅａｄは、クラッチの結合および非結合のオンオフシーケンスがメカニズムの寿命および効率を最大化することを保証するように有利に選択されうる。
【手続補正１０】
【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】
ここで、両方のクラッチが同時に係合されないことを保証するためのいくつかの方法を記載する。図５Ｂにおいて、コンピュータ８２５が、一対のオンオフシーケンスを生成し、出力８３０および８３５を介してこれらのシーケンスを出力する。出力８３０および８３５は、それぞれ、両矢印８６０によって示されるように、互いに通信しうるハードウェア回路８４０および８４５に接続されている。次いで、ハードウェア回路の入力ハブは、クラッチ８５０および８５５（あるいは、装置４００のクラッチ４１５Ａおよび４１５Ｂ）に接続されてよい。この例の第１の変形例において、コンピュータプログラムは、オンオフシーケンスが適切であり、２つのクラッチが決して同時にオンにならないことを簡単に保証しうる。しかしながら、フェイルセーフ方法を提供するために、ハードウェア回路は、いつでも、一方のクラッチ８５０またはクラッチ８５５のみがオンにされうることを保証しうる。様々な周知の方法が、このタイプの結果を達成することを知られている。図５Ｃに、方法を一つだけ示す。コンピュータからの２つの出力８３０および８３５の各々は、インバータに接続されてよい。したがって、出力８３０は、インバータ８６５と接続されてよく、出力８３５は、インバータ８６０と接続されてよい。インバータの出力は、ＡＮＤゲートの一端に入力されてよい。したがって、ＡＮＤゲート８７０が、出力８３０と反転出力８３５との間の論理ＡＮＤ演算を実行してよい。同様に、ＡＮＤゲート８７５が、出力８３５と反転出力８３０との間の論理ＡＮＤを実行してよい。ＡＮＤゲートの出力は、クラッチ８５０および８５５（あるいは、装置４００のクラッチ４１５Ａおよび４１５Ｂ）を作動させるために用いられる。図５Ｃの構成は、両方の出力８３０および８３５が高い時にＡＮＤゲートの出力が低いことを保証し、これは、図３Ａの装置４００の動作にとって許容可能な状態である。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００９４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００９４】
図３Ａ〜図３Ｃは、上述のようにクラスＤ増幅器の機械的類似物である機械式切り替え可変トランスミッションを示す。また、上述のように、ｂｕｃｋ回路はクラスＤ回路に近く、２つの回路については図１Ａおよび図１Ｂに記載した。ここで、別の例において、ｂｕｃｋ回路に基づく装置が、図６Ａ〜図Ｂに図示されている。予想されるように、この装置は、図３Ａの装置４００に類似している。図３Ａの装置４００および図６Ａの４５０の類似点を強調するために、２つの装置間で類似する構成要素には、同じ符号を与えた。２つの装置間の類似により、以下では差異について説明する。図６Ａの装置４５０は、ｂｕｃｋ回路の類似物であり、４１０Ａで示した１つの入力ハブのみを有しうる。その結果、装置４５０は、一方向にだけトルクを提供しうる。入力ハブが１つだけなので、装置４５０は、４１５Ａおよび４３０Ａとして示した１つだけの電気積層クラッチおよび１つだけの一方向クラッチを有しうる。装置の他方の側（入力ハブを有する側の反対側）において、装置４５０は、装置４００と同様に、出力ギアすなわちハブ４４０を有しており、これは、この例では一方向にのみ回転する。また、装置４００と同様に、装置４５０は、ベアリング４３２を中心に回転するシャトル４２５を有する。図６Ａに見られるように、シャトルの左端には、一方向クラッチ４３０Ｂが、回転しないカラー４３３とシャトルとの間で動作するように取り付けられている。これは、図１Ａのダイオード１６０に類似する。図６Ｂは、図６Ａの装置の分解図を示す。装置４５０の機能は、上述しており、トルクおよび回転の利用可能な方向を除けば、装置４００（クラスＤ類似物）の機能と類似する。さらに、電気積層クラッチ４１５Ａのプレートへの電圧の印加は、図３Ａの装置４００と同様に達成される。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００９６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００９６】
別の例において、装置４００および４５０は、電気積層板を利用可能なクラッチ以外の交互タイプのクラッチを用いてもよい。一例として、これらの装置は、図６Ｃおよび図６Ｄに示すように、ラップスプリングクラッチを用いてもよい。装置９００は、ラップスプリングクラッチを用いることが図示されていることを除けば、図３Ａ〜図３Ｃの装置４００と同様である。ラップスプリングクラッチは、９１０Ａおよび９１０Ｂとして示されており、作動されると２つのシャフトを結合しうる。装置９００は、クラスＤ類似物であるので、２つの入力４０１Ａおよび４１０Ｂを有する。図６Ｃの左側では、ラップスプリングクラッチ９１０Ａが、入力４１０Ａおよびシャトル４２５を結合する。同様に、図の右側では、ラップスプリングクラッチ９１０Ｂが、入力４１０Ｂおよびシャトル４２５を結合する。その他のすべての詳細は、装置４００および装置９００の間で同じままである。図６Ａ〜図６Ｂに示したｂｕｃｋ回路類似物が、電気積層円板クラッチの代わりにラップスプリングクラッチを用いてもよいことにも注意されたい。装置４００および４５０と同様に、ラップスプリングクラッチの電気作動は、スリップリングまたはブラシを介して達成されてよい。
【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１００
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１００】
さらに別の例において、図７Ａに示した構成２０００の変形例で、別の構成が図７Ｃに示されている。この構成では、バックラッシュが排除されうる。２つのステップダウントランスミッション１０１７Ａおよび１０１７Ｂが、この構成で設けられており、各ステップダウンの出力は小型ギア１０１８Ａおよび１０１８Ｂに結合される。小型ギアは両方とも、１つの大型ギア出力ハブ１０１９に結合される。ここで、バックラッシュの排除について具体例を用いて説明する。ｂｕｃｋ回路１００５Ａがオンにされ、モータ３０５の時計回りの出力を小型ギア１０１８Ａに結合すると仮定すると、出力ギア１０１９は、反時計回りに回転する。この例において、小型ギア１０１８Ｂもオンにされうるが、トルクは小さい。したがって、大きいトルクで一方向に一方の小型ギアを駆動し、小さいトルクで反対方向に他方の小型ギアを駆動することにより、バックラッシュが排除されうる。
【手続補正１４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１０２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１０２】
後のセクションでは、以下の数理解析に基づいてさらなる例を記載する。装置４５０がよりよく設計されうるように、異なるケースを考慮する。以下の数理解析では、以下の用語を用いる：
ωｉｎ    トランスミッションの入力速度
ωｏｕｔ    トランスミッションの出力速度
Ｔｉｎ    トランスミッションの入力トルク
Ｔｏｕｔ    トランスミッションの出力トルク
Ｔｒ    トルクリップル
Ｔｍａｘ    トランスミッション出力での最大トルク
ｃ    Ｔｍａｘに対するＴｒの比
ｔ１    クラッチの最小係合時間
ｔ２    クラッチの最小係合解除時間
ｋ    トーションバネのばね定数
σｍａｘ    バネの最大設計応力
Ｅ    バネのヤング率
ｂ    トーションバネの軸長
ｈ    トーションバネの厚み
ｌ    トーションバネの長さ
ρ    トーションバネ材料の密度
Ｍ０    バネに作用するモーメント
Ｑ    慣性モーメント
【手続補正１５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１２８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１２８】
仮定は、慣性が大きいモータに合致する。これらの議論のために、ｔｅ＜＜ｔ１であることにも注意されたい。
【手続補正１６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１３２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１３２】
式２１に基づいて、摩擦（ΔＥｅｎｇ．ｆｒｉｃｔｉｏｎ）によるエネルギ損失は、以下のようになると結論づけることができる：
ΔＥｅｎｇ．ｆｒｉｃｔｉｏｎ＝ΔＥｍｏｔｏｒ−ΔＥｓｈｕｔｔｌｅ＝（Ｉｓωｉｎ２）／２    式２２
【手続補正１７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１３３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１３３】
したがって、式２２から、摩擦によるエネルギ損失は、クラッチ係合期間ｔｅまたはトルクＴｅから独立していることがわかる。これは、クラッチ係合が非弾性衝突に類似しうるという事実の結果である。そのような衝突では、エネルギ損失量は、衝突自体の詳細な時間履歴から独立している。
【手続補正１８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１３８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１３８】
クラッチ係合解除によるエネルギ損失を分析するために、一定トルクＴｄがクラッチによって掛けられるという仮定をする必要はない。係合のケースとは違って、係合解除期間ｔｄは、式（ｔｅの式１９など）によって制約されない。変数ｔｄは、基本的に、クラッチの特性である。ｔｄ＜＜ｔ１またはｔ２というさらなる仮定が、係合解除中のエネルギ損失の理解を明確にするためになされる。この係合解除過程中、シャトルは、期間ｔｄ中に著しくは減速しない。しかしながら、分析を完了するために、この期間ｔｄの後の入力とシャトルとの速度差に関して、別の仮定をすることが必要になる。係合解除中のエネルギ損失に関する控えめな評価を得るために、速度差の過大評価がなされうる。このシナリオを理解するための別の方法は、シャトルが係合解除後に大きく速度を緩めないことである。したがって、これらの仮定により、係合解除中のクラッチ摩擦によるエネルギ損失は、以下のように書かれうる：
ΔＥｄｉｓ．ｆｒｉｃｔｉｏｎ≦Ｔｄ（ωｉｎ−（９ωｉｎ）／１０）ｔｄ    式２３
ΔＥｄｉｓ．ｆｒｉｃｔｉｏｎ≦（Ｔｄｔｄωｉｎ）／１０    式２４
【手続補正１９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１４５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１４５】
以下の手順は、上記の式からのｋの計算後に、実際のバネを設計する方法を記載する。螺旋トーションバネに対し、ケントのハンドブック（コリン・カーマイケル（Ｃｏｌｉｎ  Ｃａｒｍｉｃｈａｅｌ）編、「ケントの機械エンジニアのハンドブック（Ｋｅｎｔ’ｓ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒ’ｓ  Ｈａｎｄｂｏｏｋ）」、設計と生産の巻（Ｄｅｓｉｇｎ  ａｎｄ  Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ  Ｖｏｌｕｍｅ）、第１２版、１９５０年、ｐ．１１−２６からｐ．１１−２８）から、
θ＝（Ｍ０ｌ）／（ＥＱ）    式３０
【手続補正２０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１４８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１４８】
ケントのハンドブックから、
Ｑ＝（ｂｈ３）／（１２）    式３３
【手続補正２１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１５８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１５８】
図９Ａは、低慣性を有するシャトルを備えた駆動メカニズムの例を示しており、バネの内側端および外側端の間の慣性の差が利用される。図９Ａは、クラスＤ機械的類似物に関する例を示すが、同じアプローチが、ｂｕｃｋ回路機械的類似物に適用されてもよい。図９Ａは、装置１２００の断面図を示す。図９Ａにおいて、シャトルは、１２０５で示されている。シャトルは、２つの一方向クラッチ１２１０Ａおよび１２１０Ｂの一方に結合されてよい。入力ハブは、１２１５Ａおよび１２１５Ｂとして示されており、一方向クラッチ１２１０Ａおよび１２１０Ｂの反対側に結合されてよい。入力ハブは、定速モータなどの外部アクチュエータにも結合されてよい。上述のように、一方の入力ハブは、外部モータの方向に回転してよく、もう一方は、逆転ギアが外部モータの出力と入力ハブとの間に存在しうるので、反対方向に回転してよい。外部モータの入力ハブへの結合は、ギア１２２０Ａおよび１２２０Ｂで示されている。入力ハブの回転は、電気積層円板クラッチ、または、機械式または電気積層作動ラップバネクラッチを含むがこれらに限定されない様々なメカニズムによってシャトルに結合されてよい。図には、ラップバネクラッチが示されている。バネ１２２５Ａおよび１２２５Ｂは、それぞれ、入力ハブ１２１５Ａおよび１２１５Ｂをシャトル１２０５に結合することが示されている。バネ１２２５Ａおよび１２２５Ｂの各々は、それぞれの入力ハブおよびシャトルの一端に巻き付いている。例えば、バネ１２２５Ａは、入力ハブが回転した場合に、バネ１２２５Ａがそれと共に回転し、シャトルの左部分に巻き付き、結果として、入力と同じ方向にシャトルに回転を与えるように、入力ハブ１２１５Ａおよびシャトル１２０５の左部分に巻き付く。他方の入力ハブ１２１５Ｂは、入力ハブ１２１５Ａと反対方向に回転しうることに注意して、バネ１２２５Ｂは、同様にシャトルの右部分に運動を伝える。各バネは、タブ１２２８Ａおよび１２２８Ｂを有しており、それぞれのタブは、リング１２２７Ａおよび１２２７Ｂに固定的に結合されてよい。リング１２２７Ａおよび１２２７Ｂは、ギア付きであってよく、所定の位置に保持された時に入力ハブと共に動きうるか、または、入力ハブに対して滑りうるように、入力ハブに結合されてよい。リング１２２７Ａおよび１２２７Ｂのギアは、係合メカニズム１２２９Ａおよび１２２９Ｂと係合する。ここで、リング１２２７Ａおよび１２２７Ｂと係合メカニズム１２２９Ａおよび１２２９Ｂとの機能について、リング１２２７Ａの一部と係合メカニズム１２２９Ａとの正面図を示す図９Ｂを用いて説明する。他方のリングおよび係合メカニズムは同一であるため、図示しない。係合メカニズムは、矢印１２７６に沿って二方向に移動されうる。係合メカニズムは、ギア付きリングの歯と係合し、リングの回転を止めることができる。あるいは、係合メカニズムは、ギア付きリングから離されることで、位置リングの回転を可能にしうる。
【手続補正２２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１５９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１５９】
図９Ａに戻ると、例えば、係合メカニズム１２２９Ａがリング１２２７Ａと係合すると、バネ１２２５Ａのタブは、所定の位置に保持され、バネは、入力ハブ１２１５Ａに巻き付くことができなくなる。これが起きると、シャトルに回転が与えられない。係合メカニズム１２２９Ａがリング１２２７Ａから係合解除されると、タブ１２２８Ａは、もはや所定の位置に保持されず、バネは、入力ハブおよびシャトルを締め付けて、入力ハブの回転がシャトルに与えられるようにする。係合メカニズム１２２９Ｂおよびリング１２２７Ｂの動作は、正確に同じであるため、説明しない。係合メカニズム１２２９Ａおよび１２２９Ｂは、適切なモータによる機械的方法またはソレノイドによる電磁気的手段を含むがこれらに限定されない多くの周知の方法の１つで作動されてよい。したがって、上記のメカニズムにより、シャトルに回転が与えられうる。
【手続補正２３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１６１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１６１】
図に見られるように、管１２６５の部分１２４０は、シャトルから別のハブ１２４５まで伸びる。便宜上、ハブ１２４５を「中間ハブ」と呼ぶこととする。中間ハブ１２４５は、後にバネケース１２５０に囲まれてよいトーションバネ１２５５に結合されてよい。バネケースは、中間ハブ上にベアリング１２３８によって支持されてよい。バネケースは、出力ギアまたはハブ１２６０に結合されてよい。ギア１２６０は、別のギア１２７５を駆動してよく、別のギア１２７５は、装置１２００の最終出力ハブを形成してよく、負荷に結合されてよい。出力ギアは、ハウジング１２３２上にベアリングによって支持されてよい。出力ギアを支持するハウジングは、シャトルおよび入力ハブを支持するハウジングと同じであってもよいし、異なっていてもよい。
【手続補正２４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１６６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１６６】
図１０Ａおよび図１０Ｂは、図２Ｂのクラッチ３１９Ａおよび３１９Ｂ、図３Ａの４１５Ａおよび４１５Ｂ、ならびに、図７Ａの１０１０Ａおよび１０１０Ｂなど、電気制御可能なクラッチとして利用できる電気積層クラッチの例を示す図である。電気制御可能なクラッチ装置における効果的な結合を高めるために、様々な手段が用いられうる。当業者が理解するように、様々な電気制御可能な結合技術が、電気制御可能なトランスミッションの異なる例での利用に適合されうる。
【手続補正２５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１６９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１６９】
図１０Ａおよび図１０Ｂは、電気吸着の例を示しており、ここで、電極が、円板４１６および４１７の一方に設けられ、電気吸着電圧が、円板間の静止摩擦を高めるために、それらの電極に印加される。図１０Ａの例において、円板４１７には、少なくとも一対の隣接する電極１３５０および１３５２を設けられ、それらは互いに電気的には絶縁されており、ここで、例えば、各電極は、円板４１７に埋め込まれた導電材料のループである。図１０Ａの例に示すように、複数対の電極が円板４１７に設けられてよいことに注意されたい。例えば、電圧調整回路１３８６によって生み出された静電吸着電圧は、電気吸着効果を生むために隣接する電極１３５０および１３５２に印加される交互の正電圧および負電圧を有する。電圧は、リングおよびブラシなどの様々な技術を通して電極１３５０および１３５２に印加されてよく、これは、当業者には容易に理解される。
【手続補正２６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１７３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１７３】
図１１は、電圧制御回路１３８０の単純化した一例を示しており、ここで、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い制御回路１３８２が、電極１３５０および１３５２を介してクラッチの円板に印加される静電吸着電圧信号を調整しうる調整回路１３８６を制御する。電源１３８４（例えば、バッテリまたは電力供給部など）が、電圧制御回路１３８０に動作電力を供給し、電極に印加される静電吸着電圧信号のための電力を供給する。制御回路１３８２が、調整回路１３８６にクラッチの円板への静電吸着電圧を出力させることによってトランスミッションを係合し、調整回路１３８６に静電吸着電圧の生成を止めさせることによってトランスミッションを係合解除しうる。この構成は、図１０Ｂのクラッチ４１５の円板４１６および４１７など上述したクラッチの円板が、電圧制御回路１３８０の制御下で制御可能および可逆的に結合されるようにする。
【手続補正２７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１７６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１７６】
図１１の例に戻ると、制御回路１３８０は、適切な静電吸着電圧が電極１３５０および１３５２に印加される時を決定するよう構成されている。回路１３８０は、静電吸着電圧が印加される時と、電圧信号の特性の一部（大きさなど）とを決定するオン／オフ信号を供給するプロセッサまたはコントローラ１３８２を備えてよい。回路１３８０は、静電吸着装置の充放電サイクルに関する時間を決定してもよい。制御回路１３８２の制御下で生成されうるオン／オフ信号スキームの例は、図２Ｃ〜Ｋ、図４および図５Ａに関連して図示および上述している。
【手続補正２８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１７８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１７８】
静電吸着装置の構成によっては、より複雑な充電制御回路が開発されてもよく、図１１の例には限定されない。また、回路機能の一部が統合されてもよい。例えば、１つの集積回路が、制御回路１３８２および調整回路１３８６の制御を実行してもよい。
【手続補正２９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１８７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１８７】
図示または上述した構成要素の異なる構成、ならびに、図示も記載もされていない構成要素および工程も可能である。同様に、いくつかの特徴およびサブコンビネーションが有用であり、他の特徴およびサブコンビネーションへの参照なしに利用されてよい。本発明の実施形態は、限定ではなく例示のために記載されており、別の実施形態が、本特許の読者にとって明らかになる。したがって、本発明は、上述または図示した実施形態に限定されず、様々な実施形態および変形例が、本発明の範囲から逸脱することなしに実現可能である。
本発明は以下の適用例としても実現できる。
［適用例１］
電気制御可能なトランスミッションシステムであって、
動力源から動力を受けるための第１入力ハブと、
前記第１入力ハブに結合されるよう構成された第１部分と第２部分とを有する第１電気制御可能クラッチであって、前記第１および第２部分は、動力が前記第１部分から前記第２部分に伝達されるように、電気制御可能に互いに結合されるよう構成されている、第１電気制御可能クラッチと、
前記第１電気制御可能クラッチの前記第２部分に結合されたシャトルと、
前記シャトルを固定シャーシに結合するよう構成された第１一方向クラッチと、
出力ハブと、
前記シャトルを前記出力ハブに結合するバイアス部材と、
を備える、システム。
［適用例２］
適用例１に記載の電気制御可能なトランスミッションシステムであって、
前記電気制御可能クラッチの前記第１および第２部分は、電気吸着で係合されるよう構成されている、システム。
［適用例３］
適用例２に記載の電気制御可能なトランスミッションシステムであって、
前記第１電気制御可能クラッチは、さらに、電気積層円板クラッチ、電気積層作動ラップスプリングクラッチ、および、電磁作動ラップスプリングクラッチの内の１つを含む、システム。
［適用例４］
適用例１に記載の電気制御可能なトランスミッションシステムであって、
前記シャトルを前記出力段に結合するバイアス部材は、さらに、トーションバネおよびトーション管の内の少なくとも１つを含む、システム。
［適用例５］
適用例１に記載の電気制御可能なトランスミッションシステムであって、
前記システムは、さらに、ｂｕｃｋ回路およびクラスＤ回路の少なくとも一方の機械的等価物を用いて、前記第１電気制御可能クラッチの係合期間および係合解除期間を制御するよう構成された制御回路を備える、システム。
［適用例６］
適用例５に記載の電気制御可能なトランスミッションシステムであって、
前記制御回路は、パルス幅変調およびパルス周波数変調の一方を用いて前記出力ハブでのトルクレベルを維持するために、前記第１電気制御可能クラッチの前記係合期間および係合解除期間を制御するよう構成されている、システム。
［適用例７］
適用例１に記載の電気制御可能なトランスミッションシステムであって、
前記第１一方向クラッチは、代わりに、前記シャトルを前記第１入力ハブに結合し、前記システムは、さらに、
前記動力源から動力を受けるための第２入力ハブと、
前記第２入力ハブに結合されるよう構成された第１部分と第２部分とを有する第２電気制御可能クラッチであって、前記第１および第２部分は、動力が前記第１部分から前記第２部分に伝達されるように、電気制御可能に互いに結合されるよう構成されている、第２電気制御可能クラッチと、
前記第２電気制御可能クラッチの前記第２部分を前記第２入力ハブに結合する第２一方向クラッチと、
を備え、
前記シャトルは、前記第１入力ハブが或る回転方向に回転し、前記第２入力ハブが逆の回転方向に回転するように、前記第１および第２電気制御可能クラッチの前記第２部分を接続する、システム。
［適用例８］
適用例７に記載の電気制御可能なトランスミッションシステムであって、
前記システムは、さらに、ｂｕｃｋ回路およびクラスＤ回路の少なくとも一方の機械的等価物を用いて、前記第１および第２電気制御可能クラッチの係合期間および係合解除期間を制御するよう構成された制御回路を備える、システム。
［適用例９］
適用例８に記載の電気制御可能なトランスミッションシステムであって、
前記制御回路は、さらに、パルス幅変調およびパルス周波数変調の一方を用いて前記出力ハブでのトルクレベルを維持するために、前記第１および第２電気制御可能クラッチの前記係合期間および係合解除期間を制御するよう構成されている、システム。
［適用例１０］
モータから動力を電気制御可能に伝達するための方法であって、
動力源からの動力を第１入力ハブで受ける工程と、
動力が前記第１入力ハブからシャトルへ電気制御可能に伝達されるように、前記第１入力ハブを前記シャトルへ電気制御可能に結合する工程と、
前記シャトルと固定シャーシとの間の一方向回転を提供する工程と、
エネルギが蓄積され、出力ハブが回転した時にバイアス部材から放出されるように、前記バイアス部材で前記シャトルを前記出力ハブに結合する工程と、
を備える、方法。
［適用例１１］
適用例１０に記載の動力を電気制御可能に伝達するための方法であって、
前記第１入力ハブを前記シャトルへ電気制御可能に結合する工程は、さらに、前記第１入力ハブを前記シャトルへ電気吸着で結合する工程を含む、方法。
［適用例１２］
適用例１１に記載の動力を電気制御可能に伝達するための方法であって、
前記第１入力ハブを前記シャトルへ電気制御可能に結合する工程は、さらに、電気積層円板クラッチ、電気積層作動ラップスプリングクラッチ、または、電磁作動ラップスプリングクラッチの内の１つを用いる工程を含む、方法。
［適用例１３］
適用例１０に記載の動力を電気制御可能に伝達するための方法であって、
前記シャトルを前記出力ハブに結合する工程は、さらに、トーションバネおよびトーション管の少なくとも一方を用いて、前記シャトルを前記出力ハブに結合する工程を含む、方法。
［適用例１４］
適用例１０に記載の動力を電気制御可能に伝達するための方法であって、
前記第１入力ハブを前記シャトルへ電気制御可能に結合する工程は、さらに、ｂｕｃｋ回路およびクラスＤ回路の少なくとも一方の機械的等価物を用いて、前記第１入力ハブとシャトルとの係合期間および係合解除期間を制御する工程を含む、方法。
［適用例１５］
適用例１４に記載の動力を電気制御可能に伝達するための方法であって、
前記第１入力ハブとシャトルとの係合期間および係合解除期間を制御する工程は、さらに、パルス幅変調およびパルス周波数変調の一方を用いて、前記係合期間および係合解除期間を制御する工程を含む、方法。
［適用例１６］
適用例１０に記載の動力を電気制御可能に伝達するための方法であって、さらに、
前記動力源からの動力を第２入力ハブで受ける工程と、
動力が前記第２入力ハブから前記シャトルへ電気制御可能に伝達されるように、前記第２入力ハブを前記シャトルへ電気制御可能に結合する工程と、
前記第２入力ハブと前記シャトルとの間の一方向回転を提供する工程と、
を備え、
前記シャトルと固定シャーシとの間の一方向回転を提供する一方向回転を提供する工程は、さらに、前記第１入力ハブが或る回転方向に回転し、前記第２入力ハブが逆の回転方向に回転するように、前記第１入力ハブと前記シャトルとの間の一方向回転を提供する工程を含む、方法。
［適用例１７］
適用例１０に記載の動力を電気制御可能に伝達するための方法であって、さらに、
前記出力ハブでのトルクレベルを維持するために、前記第１および第２入力ハブとシャトルとの係合期間および係合解除期間を制御する工程を備える、方法。
［適用例１８］
適用例１７に記載の動力を電気制御可能に伝達するための方法であって、
前記第１および第２入力ハブとシャトルとの係合期間および係合解除期間を制御する工程は、さらに、パルス幅変調およびパルス周波数変調の一方を用いて、前記第１および第２入力ハブとシャトルとの係合期間および係合解除期間を制御する工程を含む、方法。
［適用例１９］
電気制御可能な動力トランスミッション装置であって、
動力が第１入力ハブからシャトルへ電気制御可能に伝達されるように、前記第１入力ハブを前記シャトルへ電気制御可能に結合するための手段と、
前記シャトルと固定シャーシとの間の一方向回転を提供するための手段と、
エネルギが蓄積され、出力ハブが回転した時にバネから放出されるように、バイアス部材で前記シャトルを前記出力ハブに結合するための手段と、
を備える、装置。
［適用例２０］
適用例１９に記載の電気制御可能な動力トランスミッション装置であって、
さらに、前記出力ハブでのトルクレベルを維持するために、前記第１入力ハブとシャトルとの係合期間および係合解除期間を制御するための手段を含む、装置。
【手続補正３０】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１Ｂ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１Ｂ】
2019009993.tif 000042
【手続補正３１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図９Ａ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図９Ａ】
2019009993.tif 000043
【外国語明細書】
2019009993000001.pdf
2019009993000002.pdf
2019009993000003.pdf
2019009993000004.pdf