JP4558474B2 - トルクリミッタ - Google Patents

Description

この発明は、プリンタ、複写機等の事務機に使用されるばね式トルクリミッタに関し、特にバックラッシの解消を図ったものである。

事務機等に用いられるばね式トルクリミッタとして従来から知られているものは、図７に示したように、外環部材４１と、その内部に挿入され一端部のボス部４２において相対回転可能に支持された内輪４３と、該内輪４３の外径面に所要の締め代で装着されたコイルばね４４と、前記外環部材４１の他端部においてその内径面に嵌合固定され内輪４３の外径面との間を閉塞するとともに内輪４３を回転自在に支持する蓋部材４９とからなる。前記コイルばね４４は大径部４４ａと小径部４４ｂを有し、その小径部４４ｂを前記内輪４３の外径面に所要の締め代で緊縛させている。該小径部４４ｂの端部にアキシャル方向に屈曲したフック４５が設けられ、これを前記外環部材４１のボス部４２に係合させている。また大径部４４ａの端部にもアキシャル方向に屈曲したフック４６が設けられ、これを蓋部材４９に係合させている（特許文献１参照）。

上記のトルクリミッタ４０は、内輪４３と外環部材４１の相対回転により、フック４５側から見てコイルばね４４がその巻き方向に回転すると、小径部４４ｂにおいて拡径作用が生じ一定の大きさのトルク、即ち、規定トルク値を発生させる。前記と反対方向に回転させた場合は小径部４４ｂにおいて縮径作用が生じ内輪４３がロックするので、この場合はトルクリミッタとしての機能は果たし得ない。即ち、一方向トルクリミッタとしての作用を行う。

前記の規定トルク値の大きさの調整は、外環部材４１を固定して蓋部材４９を所要の工具を用いて外部から回転させると、コイルばね４４の大径部４４ａを経て小径部４４ｂの締め代が変化するのでこれにより規定トルク値が調整される。

上記のトルクリミッタ４０は、例えば、事務機等の紙さばきローラ４７（図７、図８参照）の一端部に外環部材４１のボス部４２側の端部を連結することにより使用に供される。紙さばきローラ４７に作用する負荷トルクがトルクリミッタ４０の規定トルク値以上であるときは、トルクリミッタ４０の外環部材４１が負荷側（図８に示した給紙ローラ４８）から回転され（矢印ａ参照）シート紙５０を送り出すが、シート紙５０の重送が発生すると重送に伴う摩擦の低下によって負荷トルクがトルクリミッタ４０の規定トルク値より軽くなる。このため、外環部材４１と紙さばきローラ４７は、軸５１に取り付けられた内輪４３側からコイルばね４４を介して逆方向に回転され（図８の一点鎖線矢印ｂ参照）、紙さばきローラ４７に接したシート紙５０を押し戻して重送を解消する。

前記のような小径コイル部４４ａと大径コイル部４４ｂからなる２段径のコイルばね４４を使用したトルクリミッタのほかに、単一径のコイルばねを使用したものも知られている（特許文献２、同３参照）。特許文献２の場合のコイルばねは、その両端部にラジアル方向外向きに突き出したフックが形成され、そのフックが外環部材に係合される。また、特許文献３の場合のコイルばねは、フックが両端部においてアキシャル方向に突き出して形成され、そのフックが外環部材に係合される。
特開平８−２７０６７３号公報（「実施例」、図１、図２） 特開平１０−１１０７３９号公報（「発明を実施するための態様」、図１） 特開平１１−２５７３６８号公報（「発明の実施の形態」、図１、図２）

前記のようなコイルばねを使用したトルクリミッタにおける問題点を図９に基づいて説明する。図９は図７における断面図であり、コイルばね４４は右巻きである。外環部材４１が固定された状態で内輪４３がその巻き方向と反対方向（矢印Ａ参照）に回転した場合について見ると、フック４５の部分が外環部材４１に固定されているため、コイルばね４４（小径部４４ｂ）に拡径作用が発生し、内輪４３は一定のトルクをもって外環部材４１に対して回転する。この場合のコイルばね４４の拡径作用を微視的に見ると、内輪４３に回転力が加わった当初において、コイルばね４４のフック４５近傍のばね端部には、一点鎖線で示すような拡径方向に膨出する撓み５２が一時的に発生する。その時点においてはコイルばね４４の他のコイル部分の内輪４３に対する締め代には実質的な変化は生じていないので内輪４３はロック状態にある。前記の撓み５２を発生させる内部応力が締め代による締め付け力を超えると、その応力がコイルばね全体に拡散し、撓み５２が消失するとともにコイルばね４４の全体に拡径作用が波及するため、内輪４３が一定のトルクをもって回転する。即ち、コイルばね４４の拡径作用によってトルクを発生させ、トルクリミッタとしての作用を行う。

上記のように内輪４３と外環部材４１の相対回転によるトルク発生の初期において、コイルばね４４に部分的な撓み５２が発生し、それが消失するまでの間は内輪４３又は外環部材４１が回転できない状態にある。即ち、回転力の入力からトルク発生までの間に時間的な遅れ、即ちバックラッシが生じることになる。バックラッシが生じると、前記の紙さばきローラ４７に使用された場合においては紙さばきのタイミングがずれてしまうといった問題が発生する。

前記のバックラッシは、コイルばねが２段径の場合でなく、特許文献２、３の単一径の場合においても同様の原因により起こり得る。

一方、前記の各特許文献に示されたトルクリミッタのコイルばねは、いずれもその両端部に径方向又は軸方向に屈曲されたフック（例えば、図７の場合のフック４５、４６参照）が設けられるが、これらのフックはトルクリミッタの小型化の妨げになるとともに、組み立て時においてフックを外環部材等の係合穴を目掛けて差し込む作業が必要となり、作業性が阻害される要因になる。

このため、図１０（ａ）（ｂ）に示したトルクリミッタ４０’のように、コイルばね４４を単一径で形成するとともに、その両端部はコイル形状を保持したままで切断しただけの端部（ストレート端部４５’、４６’と称する。）に形成し、これらのストレート端部４５’、４６’をそれぞれ外環部材４１の突部５３と蓋部材４９の突部５４の側面に当てる構成が考えらえる。

この構成は、トルクリミッタの小型化、作業性の改善の観点から望ましい対策であるが、この場合もトルク発生の初期において突部５３（５４）に当ったストレート端部４５’（４６’）において撓みが発生するため、前記の場合と同様にバックラッシが発生する問題がある。

また、次のような問題もある。即ち、図１１に示したように、ストレート端部４５’（４６’）をもったコイルばね４４を内輪４３に一定の締め代をもって装着した場合、ストレート端部４５’（４６’）においてはその自由状態のときの曲率半径をもって湾曲したまま内輪４３に巻き付き、その切断端５５が内輪４３の外径面に対し突き当たる。コイルばね４４剛性が低い場合はこのようなことはなく、ストレート端部４５’（４６’）は弾性変形して内輪４３の外径面に密着するが、トルクリミッタにおいては一定以上のトルクを発生させる必要上、コイルばね４４の剛性は所要の大きさを持つように製作されるため、端部においては自由状態の形状を維持せんとし、前記のように切断端５５の突き当たりが生じる。このような状態で外環部材４１の内部に組み込んでトルクリミッタとして使用すると、コイルばね４４の切断端５５が内輪４３の外径面に干渉した状態で内輪４３が回転するので、内輪４３の外径面に対する面圧が不均一となり内輪４３の耐久性を損なうことになる。

この発明は、以上のような観点から、バックラッシの起こり難い構造をもったトルクリミッタを提供するとともに、ストレート端部を有するコイルばねを使用した場合において内輪に対する干渉がなく耐久性に優れたトルクリミッタを提供することを課題とする。

前記の課題を解決するために、この発明は、外環部材と、その内部に挿入され一端のボス部において相対回転可能に支持された内輪と、該内輪の外径面に所要の締め代をもって装着されたコイルばねと、前記外環部材の他端部においてその内径面に嵌合固定され内輪外径面との間を閉塞する蓋部材とからなり、前記コイルばねの一端部を前記外環部材に、他端部を前記蓋部材に係合させ、前記内輪と外環部材とが相対回転する際に前記コイルばねに生じる拡径作用により所定のトルクを発生させるようにしたトルクリミッタにおいて、前記コイルばねの拡径方向への一定以上の撓みを規制する規制面を前記外環部材と蓋部材のいずれか一方又は両方に設けた構成を採用したものである。

前記構成のトルクリミッタは、内輪と外環部材の相対回転により、コイルばねが回転されると、コイルばねに拡径作用が発生して一定のトルクを発生させる。トルク発生の初期においてコイルばねの端部において発生せんとする撓みは、規制面に当って規制され、その撓みを発生させる内部応力が迅速にコイルばね全体に拡散され拡径作用が行われ、バックラッシを伴うことなく直ちにトルクが発生する。

外環部材に設けられる規制面は、外環部材の内径面に周方向に所要の間隔をおいて設けられた複数の規制突部の内面により形成される構成や、そのような規制突部を設けることなく、外環部材の内径を所定径に設計することにより内径面の全体をもって規制面とした構成を採ることができる。

また、蓋部材に設けられる規制面は、蓋部材の内面に周方向に所要の間隔をおいて内方に突き出して設けられた複数の規制突部の内面により形成した構成を採ることができる。

さらに、前記コイルばねの両端部がコイル巻き形状を保ったまま切断されたストレート端部である場合において、該コイルばねの自由状態においてその両端部においてそれぞれの端部近傍が他の部分より大きい曲率半径となる逃がし部が形成され、該曲率半径の大きさが該コイルばねを前記内輪に所要の締め代をもって装着した状態においては、他のコイル部分の曲率半径と実質的に等しくなる大きさに設定された構成をとることができる。

以上のように、この発明のトルクリミッタは、外環部材や蓋部材に規制面を設けたことにより、トルク発生初期におけるバックラッシによるトルク発生までの遅れを防止することができる。また、コイルばねの端部に逃がし部を設けたことにより、内輪外径面に対するコイルばね端部の干渉が防止され、内輪に作用するばね圧が均等化されることにより内輪の耐久性が向上する。

以下、添付図面に基づいてこの発明を実施するための最良の形態を説明する。図１及び図２に示した実施形態１のトルクリミッタ１０は、従来の場合と同様に、外環部材１、内輪２、環状の蓋部材３及びコイルばね４とからなる。外環部材１の一端部にボス部５が設けられ、そのボス部５から他端の開放端に至る間にコイルばね４より大径の内径面６が形成される。ボス部５の中心部に軸挿通穴７が設けられ、その軸挿通穴７より内側においてこれより大径の内輪支持部８が設けられる。その内輪支持部８と前記内径面６との段差部を形成するボス部内端面１１の一部に外環部材突部１２（図３（ａ）参照）が設けられる。この外環部材突部１２は前記ボス部内端面１１の径方向の幅全体にわたり、その高さ（軸方向長さ）はコイルばね４を構成する線材の断面の大きさより若干大きく形成されている。また、前記内径面６の開放端に近い部分に周方向の係合溝１３が設けられる。なお、ボス部５側端部の外面にローラ等に対する係合突起１４が設けられる。

前記の外環部材１の内径面６において、前記ボス部内端面１１から外環部材１の開放端面側に向けて該内径面６の約半分の範囲にわたり、規制突部２８が周方向に３箇所設けられる。規制突部２８の周方向の間隔は前記の外環部材突部１２を含めて、全周の四分の一程度である。各規制突部２８の内端面２９に先端側が大径となるテーパが付けられている。また、各規制突部２８の内面は半径Ｒの内接円形（図３（ａ）参照）に属する円弧面に形成される。

内輪２は前記軸挿通穴７と同心同一径の内径面を有し、外径面に前記のコイルばね４が所要の締め代で装着される。該内輪２の一端部が前記ボス部５の内輪支持部８において回転自在に嵌合支持され、他端部は外環部材１より外方に突き出す。その突き出した端部の外径面に前記の蓋部材３が嵌合される。内輪２が蓋部材３から突き出した端部に軸（図示省略）に立てたピンとの係合凹所１５が設けられる。

前記の蓋部材３の外径面に係合リブ１６が形成され、その係合リブ１６が前記の係合溝１３に嵌入される。この蓋部材３により外環部材１の内径面と内輪２の外径面との間が閉塞され、内輪２が回転自在に支持される。蓋部材３は外環部材１に対して強固に嵌合されるが、その嵌合強さは蓋部材３の外面に設けた一対の穴１７に所要の工具を差し込で回転させた場合は、外環部材１に対して回転できる程度である。

また、蓋部材３の内面に蓋部材突部１８（図２、図３（ｂ）参照）が設けられる。この蓋部材突部１８は蓋部材３内面の径方向の幅全体にわたり、その高さはコイルばね４を構成する線材の断面の大きさより若干大きく形成される。また、蓋部材３の内面において、外環部材１の内径面６の軸方向長さの約半分の長さの規制突部３１が周方向に３箇所設けられる。規制突部３１の周方向の間隔は前記の蓋部材突部１８を含めて全周の四分の一程度である。各規制突部３１の内端面３２に先端側が小径となるテーパが付けられている。また、各規制突部３１の内面は前記の規制突部２８と同一半径Ｒの大きさの内接円形に属する円弧面に形成される（図３（ｂ）参照）。

コイルばね４は、鋼線（図示の場合は角線であるが、丸線でもよい。）を単一径となるように所要回数巻いたものである。内輪２に装着する前の自由状態において、両端部は基本的にはストレート端部であるが、この場合は端部から約二分の１巻きの範囲において、他のコイル部分より大きい曲率半径をもった逃がし部３３、３４が形成される（図４（ａ）参照）。これらの逃がし部３３、３４以外のコイル部分の内径は、前記内輪２の外径より若干小さく形成されているため、これを内輪２に嵌合させると一定の締め代をもって装着される。

コイルばね４を一定の締め代をもって内輪２に装着すると、コイルばね４は若干拡径されその曲率半径が大きくなり、逃がし部３３、３４の曲率半径とほぼ等しくなる（図４（ｂ）参照）。言い替えれば、各逃がし部３３、３４の当初の曲率半径は、内輪２２に装着した状態で他のコイル部分との曲率半径と実質的に等しくなる大きさに設定される。コイルばね４の両端部にこのような逃がし部３３、３４を設けたことにより、それらの端面３３’、３４’と内輪２との干渉が解消される。

コイルばね４を前記のように装着した内輪２を外環部材１に組み込み蓋部材３を嵌合する。その後、外環部材１及び内輪２を固定して蓋部材３の穴１７に所要の工具を差し込みコイルばね４の巻き方向に回転させると、その回転途中において蓋部材突部１８がコイルばね４の一方の端面３４’の側面に係合する（図３（ｂ）参照）。さらにコイルばね４の締め付け力に打ち勝つ力を加えて回転させると、他方の端面３４’が外環部材突部１２の側面に係合する（図３（ａ）参照）。これにより、コイルばね４の両端面３３’、３４’がそれぞれ外環部材突部１２と蓋部材突部１８に対し周方向にすき間なく係合される。

このように組み立てた状態において、コイルばね４の外径面の軸方向の全長にわたり、外環部材１の規制突部２８と蓋部材３の規制突部３１の内面が規制面となって一定の規制すき間δ（図３（ｃ）参照）をもって対向する。

前記の規制すき間δは、樹脂部品製造時の公差レンジを考慮し、０．１ｍｍ≦δ≦０．３ｍｍ、好ましくはδ＝０．２ｍｍに設定される。

実施形態１のトルクリミッタは以上のように構成され、従来の場合と同様に、外環部材１と内輪２の相対回転によるコイルばね４の拡径作用に伴い規定トルクが発生するが、トルクの発生初期において従来コイル端部に発生していた撓みは、規制突部２８、３１の内径面が規制面となってコイル端部の膨出が規制されることによりコイル端部における撓みの発生が抑制される。このため、トルクの発生初期においてバックラッシを生じることなくコイルばね４の拡径作用が生じ、直ちにトルクが発生する。また、コイルばね４の両端面３３’、３４’は逃がし部３３、３４が予め形成されているため、内輪２の外径面に干渉することがなく、局部的な圧力の発生が避けられている。

前記の規制突部２８、３１は、両者によってコイルばね４の全長にわたり規制面を形成するように設けられているが、もし、コイルばね４の端部に対応した部分にのみこれらの規制突部を設けたとすると、その規制突部の後方において前記の撓みが発生することになり撓みの発生を有効に防止することができない。結局全長にわたる規制突部２８、３１を設ける必要がある。なお、規制突部２８、３１は、いずれか一方のみを設け、その軸方向長さをコイルばね４の全長に達するように設定すればよい。

また、トルク発生初期におけるコイルばね４の撓みを防止するその他の手段としては、前記の規制突部２８、３１により規制面を形成する手段に変えて、外環部材１の内径面の全体を前記の規制すき間δを持つような径の規制面とすることによっても同様の作用効果を得ることができる。

また、コイルばね４として従来のように両端部にフックが設けられたものを用いる場合、或いは２段径のコイルばねであっても、トルク発生初期における撓みの発生があるので、前記のような規制突部３３、３４を設けたり、外環部材１の内径面による規制面を設けたりすることは、バックラッシを解消する手段として有効である。
〔試験例１〕
（１）試験内容
図１に示した実施形態１のトルクリミッタにおいて、規制突部２８、３１を設けたものと、これらを設けないものについてバックラッシの大きさの比較試験を行った。
（２）試験条件
発生トルク：３４．５ｍＮ・ｍ（３５０gf・cm）
回転速度：４min^−１
測定雰囲気：室温
回転方向：時計方向回転
（２）試験結果
試験結果を図５に示す。
〔試験例２〕
（１）試験内容：前述の実施形態１のトルクリミッタにおいて、コイルばね４に逃がし部３３、３４を設けたものと、これを設けないものとについて耐久試験を行った。
（２）試験条件
発生トルク：３４．５ｍＮ・ｍ（３５０gf・cm）
回転速度：３００min^−１
回転方向：時計方向回転
耐久時間：１０００時間
試験結果：試験結果を図６に示す。

実施形態の断面図 同上の分解斜視図 （ａ）は図１のＡ−Ａ線の断面図、（ｂ）は同じくＢ−Ｂ線の断面図、（ｃ）は（ｂ）の一部拡大断面図 （ａ）コイルばねの自然状態の正面図、（ｂ）は前記コイルばねの装着状態における断面図 バックラッシの比較試験結果のグラフ 耐久性の比較試験結果のグラフ 従来例のトルクリミッタの断面図 紙さばき部の概略図 図７のＸ−Ｘ線の断面図 （ａ）他の従来例の断面図、（ｂ）（ａ）図のコイルばねの断面図 従来例の問題点の説明のための断面図

符号の説明

１ 外環部材
２ 内輪
３ 蓋部材
４ コイルばね
５ ボス部
６ 内径面
７ 軸挿通穴
８ 内輪支持部
１０ トルクリミッタ
１１ ボス部内端面
１２ 外環部材突部
１３ 係合溝
１４ 係合突起
１５ 係合凹所
１６ 係合リブ
１７ 穴
１８ 蓋部材突部
２８ 規制突部
２９ 内端面
３１ 規制突部
３２ 内端面
３３ 逃がし部
３４ 逃がし部
３３’ 端面
３４’ 端面

Claims (2)

1. 外環部材と、その内部に挿入され一端のボス部において相対回転可能に支持された内輪と、該内輪の外径面に所要の締め代をもって装着されたコイルばねと、前記外環部材の他端部においてその内径面に嵌合固定され内輪外径面との間を閉塞する蓋部材とからなり、前記コイルばねの一端部を前記外環部材に、他端部を前記蓋部材に係合させ、前記内輪と外環部材とが相対回転する際に前記コイルばねに生じる拡径作用により所定のトルクを発生させるようにしたトルクリミッタにおいて、前記コイルばねの両端部がコイル巻き形状を保ったまま切断されたストレート端部であり、そのコイルばねのストレート端部がそれぞれ前記外環部材の内径面の一端部に形成された外環部材突起と、前記蓋部材の内面に形成された蓋部材突起との側面に係合され、前記コイルばねの拡径方向への一定以上の撓みを規制する規制面を前記外環部材と蓋部材の両方に設け、前記外環部材に設けられる規制面が、前記外環部材の内径面に周方向に間隔をおいて設けられた複数の規制突起の内面により形成され、前記蓋部材に設けられる規制面が、前記蓋部材の内面に周方向に所要の間隔をおいて内方に突き出して設けられた複数の規制突起の内面により形成されたことを特徴とするトルクリミッタ。
2. 前記コイルばねの自由状態においてその両端部においてそれぞれの端部近傍が他の部分より大きい曲率半径となる逃がし部が形成され、該曲率半径の大きさが該コイルばねを前記内輪に所要の締め代をもって装着した状態においては、他のコイル部分の曲率半径と実質的に等しくなる大きさに設定されたことを特徴とする請求項1に記載のトルクリミッタ。
   
   

Images