JP2007162748A - 電磁クラッチ - Google Patents

Abstract

【課題】駆動音の小さい電磁クラッチを提供すること。
【解決手段】電磁クラッチ１は、ロータ６と、ロータ６と同軸上に並ぶ環状のアーマチュア５と、アーマチュア５の周方向に沿って並び、互いに独立して通電のオン／オフが可能な第１および第２の電磁石３２，３３と、を有している。第１および第２の電磁石３２，３３は、アーマチュア５の周方向に近接して配置されており、互いに時間差をもって通電のオン／オフがされる。
【選択図】図１

Description

この発明は、電磁クラッチに関する。

電磁クラッチは、複写機などの事務機器や、自動車などに備えられている（たとえば、特許文献１参照）。このような電磁クラッチには、入力軸と一体的に回転可能なロータと、歯車などの出力部材と一体的に回転可能なアーマチュアと、アーマチュアをロータに吸着させる磁力を発生するための励磁コイルとを有しているものがある。アーマチュアと出力部材とは、弾性部材を介して連結されており、アーマチュアをロータから遠ざかる方向に付勢している。

励磁コイルが励磁されると、弾性部材の付勢力に抗してアーマチュアがロータ側に移動してロータに吸着し、ロータと一体的に回転可能となる。これにより、入力軸からの入力が、ロータおよびアーマチュアを介して、出力部材に出力される。励磁コイルの励磁が解除されると、弾性部材の付勢力によって、アーマチュアがロータから離され、ロータとの連結が解除される。
特開平１０−１８４７２９号公報

励磁コイルを励磁すると、アーマチュアが磁力によってロータに吸着されるが、このとき、アーマチュアがロータに衝撃的に接触するために接触音が生じてしまう。接触音は、騒音の原因となり、好ましくない。
特許文献１では、弾性部材としてのゴムダンパーがアーマチュアを付勢する力を、アーマチュアの周方向に不均一にしている。これにより、アーマチュアがロータに吸着される際の、アーマチュアの移動抵抗を周方向に異ならせ、アーマチュアが周方向の一部から徐々にロータに接触するようにし、アーマチュアがロータに接触し始めてから完全に接触するまでの時間を長くして、両者が衝撃的に接触することを防止し、接触音の低減を図っている。

しかしながら、特許文献１の構成では、アーマチュアがロータから離れる際、アーマチュアの全周が略同時にロータから離れてしまう。その結果、アーマチュアがロータから離れる際に大きな駆動音が生じてしまう。
この発明は、かかる背景のもとでなされたもので、駆動音の小さい電磁クラッチを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するための請求項１記載の発明は、ロータ（６）と、ロータ（６）と同軸上に並ぶ環状のアーマチュア（５）と、アーマチュア（５）の周方向に沿って並んで互いに独立して通電のオン／オフが可能とされ、アーマチュア（５）をロータ（６）に吸着させる磁力を発生するための複数のコイル（３２２，３３２；４１２，４２２，４３２）と、を有していることを特徴とする電磁クラッチ（１）である。

なお、括弧内の英数字は、後述の実施形態における対応構成要素などを表す。以下、この項において同じ。
この構成によれば、複数のコイルの通電を独立してオンすることにより、アーマチュアの周方向において、アーマチュアをロータに吸着させるタイミングを不均一にすることができる。これにより、アーマチュアをロータに吸着させる際に、アーマチュアが周方向の全域に亘ってロータに同時に接触することを防止できる。その結果、アーマチュアがロータに接触し始めてから完全に接触するまでの時間を長くして、両者が衝撃的に接触することを防止でき、接触音を小さくできる。同様に、複数のコイルの通電を独立してオフすることにより、アーマチュアの周方向において、アーマチュアをロータから離隔させるタイミングを不均一にすることができる。これにより、アーマチュアをロータから離隔させる際に、アーマチュアが周方向の全域に亘ってロータから同時に離隔することを防止できる。これにより、アーマチュアがロータから離隔し始めてから完全に離隔するまでの時間を長くでき、その結果、両者が離隔するときの音を小さくできる。以上より、通電のオンの際およびオフの際の双方において、駆動音を小さくできる。

請求項２記載の発明は、上記複数のコイル（３２２，３３２；４１２，４２２，４３２）は、互いに時間差をもって通電のオン／オフがされることを特徴とする請求項１記載の電磁クラッチ（１）である。この構成によれば、互いに時間差をもって通電をオンすることにより、アーマチュアの周方向において、アーマチュアをロータに吸着させるタイミングを容易かつ確実に不均一にすることができる。また、互いに時間差をもって通電をオフすることにより、アーマチュアの周方向において、アーマチュアをロータから離隔させるタイミングを容易かつ確実に不均一にすることができる。

請求項３記載の発明は、上記複数のコイル（３２２，３３２；４１２，４２２，４３２）は、アーマチュア（５）の周方向に近接して配置されていることを特徴とする請求項１または２記載の電磁クラッチ（１）である。この構成によれば、アーマチュアとコイルとが向かい合っている領域を多くすることができる。これにより、アーマチュアとロータの間の磁力をより多くすることができる。

以下には、図面を参照して、この発明の実施形態について具体的に説明する。
図１は、この発明の一実施形態にかかる電磁クラッチ１の要部の概略構成を示す断面図である。図１を参照して、電磁クラッチ１は、たとえば、複写機やプリンタやファクシミリなどの画像形成装置に備えられるものであり、入力ギヤ２（入力部材）と出力軸３（出力部材）との間の動力の伝達のオン／オフを切り換えられるようになっている。

電磁クラッチ１は、上記入力ギヤ２と、入力ギヤ２にばね部材４を介して一体回転可能に取り付けられる環状のアーマチュア５と、アーマチュア５と同軸上に並ぶ筒状のロータ６と、ロータ６と一体回転可能な上記出力軸３と、アーマチュア５をロータ６に吸着させる磁力を発生するための電磁石７と、を有している。
入力ギヤ２は、平歯車などの歯車部材である。入力ギヤ２の内周面は、筒状のカラー８を介して出力軸３の外周面に回転自在に支持されている。カラー８の一端部には、環状のフランジ９が形成されており、入力ギヤ２の一側面２ａを受けている。

出力軸３には、環状の溝３ａが形成されて、Ｃリングなどの止め輪１０が嵌められており、この止め輪１０は、カラー８のフランジ９の一側面を受けている。これにより、入力ギヤ２の軸方向の一方への移動が規制されている。入力ギヤ２には、駆動ギヤ１１が噛み合っており、この駆動ギヤ１１の駆動によって入力ギヤ２が回転するようになっている。
アーマチュア５は、ロータ６に対して軸方向に移動可能な可動部材であり、冷延鋼板などを用いて形成されている。アーマチュア５は、略円板状に形成され内径部１２と外径部１３とを有しており、内径部１２と外径部１３とが軸方向に段差をつけられた形状をしている。

アーマチュア５は、出力軸３に遊嵌されている。アーマチュア５の外径部１３の一側面１３ａに、ばね部材４の外径部１５の一側面１５ａが固定されている。ばね部材４の内径部１４の他側面１４ｂは、入力ギヤ２の他側面２ｂに固定されている。
上記ばね部材４は、ばね鋼などの板状の金属片を複数（たとえば、３つ）備え、これらの部材を放射状に配置したものであり、アーマチュア５を入力ギヤ２側に弾性的に付勢している。各金属片による付勢力は、互いに等しくされている。なお、各金属片による付勢力を、互いに異ならせるようにしてもよい。

アーマチュア５の外径部１３の他側面１３ｂには、摩擦係合部１６が設けられている。摩擦係合部１６は、ロータ６の後述する摩擦係合部１７と摩擦係合可能である。
ロータ６は、小径部１８と、小径部１８の一端部から径方向の外方に延びる大径部１９とを含んでいる。小径部１８は、出力軸３にスプライン嵌合などによって一体回転可能に連結されている。

ロータ６は、出力軸３に対する軸方向の相対移動が規制されている。具体的には、出力軸３に形成された環状の溝３ｂに、止め輪２０が嵌められている。止め輪２０は、小径部１８の一端部を受けている。小径部１８の他端部には、転がり軸受などの軸受２１が配置されており、軸受２１の内輪２２に小径部１８の他端部が受けられている。軸受２１の内輪２２は、出力軸３の段部２３に受けられて、軸方向の一方への移動が規制されている。上記の構成により、小径部１８は、止め輪２０と軸受２１の内輪２２とによって挟まれて、出力軸３に対する軸方向の相対移動が規制されている。

大径部１９は、環状をした平板状に形成されており、アーマチュア５の摩擦係合部１６に対向する一側面１９ａに、摩擦係合部１７が設けられている。この摩擦係合部１７とアーマチュア５の摩擦係合部１６との互いの摩擦接触により、アーマチュア５とロータ６とが連動して回転可能となる。
軸受２１の内輪２２は、出力軸３に一体回転可能に嵌合されている。軸受２１の外輪２４は、円筒状の第１のヨーク２５の内周面に嵌合されている。第１のヨーク２５の一端部には、有底円筒状の第２のヨーク２６の底部２６ａが接続されている。第１および第２のヨーク２５，２６は、一体的に形成されている。第２のヨーク２６は、画像形成装置のフレームなどのベース２７に固定されている。

第１および第２のヨーク２５，２６間に、環状の空間Ｓが区画されており、当該空間Ｓ内にコイルボビン２８が配置されている。コイルボビン２８は、第１のヨーク２５の外周面に固定される筒状部２９と、筒状部２９の一端部および他端部のそれぞれに設けられるフランジ部３０，３１とを有している。
図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う要部の横断面図である。図１および図２を参照して、電磁石７は、コイルボビン２８に収容されている。本実施形態の特徴の１つは、電磁石７は、第１および第２の電磁石３２，３３を有しており、これら第１および第２の電磁石３２，３３を互いに独立して通電のオン／オフを可能としている点にある。

第１および第２の電磁石３２，３３は、それぞれ、コイルボビン２８に固定されている。第１の電磁石３２は、コイルボビン２８の略半周に亘って設けられており、第２の電磁石３３は、コイルボビン２８の残りの略半周に亘って設けられている。このように、第１および第２の電磁石３２，３３は、アーマチュア５の周方向に沿って並んでいる。
アーマチュア５の周方向において、第１の電磁石３２の一端部および他端部が、第２の電磁石３３の対応する一端部および他端部にそれぞれ近接して配置されている。第１および第２の電磁石３２，３３は、それぞれ、アーマチュア５の外径部１３およびロータ６の大径部１９の双方と軸方向に並んでいる。

第１の電磁石３２は、軟鉄などを用いて形成された芯体３２１と、銅線を用いて形成され、芯体３２１の外周を取り囲む第１のコイル３２２とを有している。
第２の電磁石３３は、軟鉄などを用いて形成された芯体３３１と、銅線を用いて形成され、芯体３３１の外周を取り囲む第２のコイル３３２とを有している。
第１および第２のコイル３２２，３３２の一方の端子３２２ａ，３３２ａは、それぞれ、ＣＰＵ，ＲＯＭおよびＲＡＭを含む制御部３４に接続されている。第１および第２のコイル３２２，３３２の他方の端子３２２ｂ，３３２ｂは、それぞれ、上記ベース２７などに接地（アース）されている。制御部３４は、電磁クラッチ１の駆動を制御するためのものであり、第１および第２のコイル３２２，３３２への通電のオン／オフの制御を独立して行うようになっている。この制御部３４には、所定の検知スイッチやタイマーなど（図示せず）が接続されており、これらの検知スイッチやタイマーからの信号（操作入力）に基づいて、第１および第２のコイル３２２，３３２への通電のオン／オフを行う。

図３は、制御部３４による第１および第２のコイル３２２，３３２への通電の制御について説明するためのタイムチャートである。図３を参照して、電磁クラッチ１をオフの状態からオンの状態にする際、まず、第１のコイル３２２への通電がオンにされる（タイミングＳ１）。これにより、第１のコイル３２２が励磁されて、アーマチュア５をロータ６に吸着させる磁力が発生する。

第１のコイル３２２への通電がオンにされてから所定の時間（ΔＳ）の後に、第２のコイル３３２への通電がオンにされる（タイミングＳ２）。ΔＳは、たとえば、数十ｍｓ程度とされる。これにより、第２のコイル３３２が励磁されて、アーマチュア５をロータ６に吸着させる磁力が発生する。
以上により、アーマチュア５は、図４に示すように、ばね部材４の付勢力に抗してロータ６側へ移動し、アーマチュア５の摩擦係合部１６が、ロータ６の摩擦係合部１７に摩擦接触する。これにより、アーマチュア５とロータ６とが一体回転可能になり、入力ギヤ２からの動力が、ばね部材４、アーマチュア５およびロータ６を介して、出力軸３に伝達可能となる。

図３を参照して、一方、電磁クラッチ１をオンの状態からオフの状態にする際には、まず、第１のコイル３２２への通電がオフにされる（タイミングＳ３）。これにより、第１のコイル３２２の励磁が解除される。
第１のコイル３２２への通電がオフにされてから所定の時間（ΔＳ）の後に、第２のコイル３３２への通電がオフにされる（タイミングＳ４）。これにより、第２のコイル３３２の励磁が解除される。なお、タイミングＳ３とタイミングＳ４との間の時間は、タイミングＳ１とタイミングＳ２との間の時間と異なるようにされていてもよい。

以上により、アーマチュア５は、図１に示すように、ばね部材４の付勢力によってアーマチュア５側へ移動し、アーマチュア５の摩擦係合部１６と、ロータ６の摩擦係合部１７との摩擦接触が解除される。これにより、アーマチュア５とロータ６との間の動力の伝達が遮断され、入力ギヤ２の動力が出力軸３に伝わらないようになる。
このように、第１のコイル３２２と第２のコイル３３２とは、互いに時間差をもって通電のオン／オフがされる。

図５は、電磁クラッチ１のオン／オフの動作について説明するためのタイミングチャートである。図５（ａ）は、制御部３４における時間と励磁電圧との関係を示しており、図５（ｂ）は、アーマチュア５における時間と軸方向への移動量との関係を示しており、図５（ｃ）は、ロータ６における時間とトルクとの関係を示しており、図５（ｄ）は、出力軸３における時間と回転数との関係を示している。

なお、以下では、第１のコイル３２２に基づく動作を説明するが、第２のコイル３３２に関しても、時間がずれて同様の動作となる。
図５（ａ）〜図５（ｄ）を参照して、制御部３４に操作入力が入力されると（タイミングＴ１）、初期遅れ時間ＴＩＤ経過の後、制御部３４から第１のコイル３２２に作動出力が出力される（タイミングＴ２）。

これにより、第１のコイル３２２が励磁されてアーマチュア５をロータ６に吸着する磁力が生じ、アーマチュア５が、ロータ６側に向かって軸方向に移動を開始する（タイミングＴ２）。アーマチュア５の摩擦係合部１６が一旦ロータ６の摩擦係合部１７に接触し（タイミングＴ３）、反動で離れた後、再びロータ６の摩擦係合部１７に摩擦接触する（タイミングＴ４）。タイミングＴ２〜Ｔ４が、アーマチュア吸引時間となる。

これにより、アーマチュア５とロータ６とが互いに動力伝達可能になり、アーマチュア５からロータ６にトルクが伝わりだす（タイミングＴ４）。アーマチュア５がロータ６に係合してからしばらくは、両者はすべり接触となり、ロータ６の摩擦係合部１７に動摩擦トルクが生じる。
アーマチュア５とロータ６とが係合してからしばらくすると、出力軸３（ロータ６）が回転を開始する（タイミングＴ５）。ロータ６が回転を開始してからしばらくすると、アーマチュア５との速度差がなくなり、アーマチュア５とロータ６とは、すべり接触の状態から、すべりがなくなって一体回転する状態となる（タイミングＴ６）。

アーマチュア５とロータ６とが一体回転した後は、出力軸３の回転数が定常回転数に収束していく。このとき、ロータ６の負荷トルクは、静摩擦トルクよりも小さい値となっている。
タイミングＴ２〜Ｔ６が、アーマチュア５とロータ６との連結時間となり、タイミングＴ４〜Ｔ６が、アーマチュア５とロータ６との実連結時間となる。

画像形成動作の完了などに関連して、制御部３４に操作入力が入力されると（タイミングＴ７）、初期遅れ時間ＴＩＤの経過の後、第１のコイル３２２への作動出力がオフにされる（タイミングＴ８）。これにより、第１のコイル３２２の励磁が解除され、アーマチュア５は、ばね部材４の付勢力によって入力ギヤ２側に移動を開始し（タイミングＴ８）、ロータ６から離れる。

アーマチュア５とロータ６との係合が解除されてからしばらくすると、ロータ６のトルクが減少しだし（減衰トルクが発生しだし）（タイミングＴ９）、ドラグトルク（空転トルク）にまで低下する（タイミングＴ１０）。タイミングＴ８〜Ｔ１０が、アーマチュア開放時間となる。なお、制御部３４の励磁電圧は、タイミングＴ８で作動出力が解除された後、逆起電力が生じて負の値となり、その後、零に収束していく。

タイミングＴ１０でロータ６のトルクがドラグトルクになった後、出力軸３の回転数が低下しだし（タイミングＴ１１）、所定時間経過の後、停止する（タイミングＴ１２）。タイミングＴ８〜Ｔ１２が、出力軸３の停止時間となる。
以上説明したように、この実施形態によれば、以下の作用効果を奏することができる。すなわち、第１および第２のコイル３２２，３３２の通電を独立してオンすることにより、アーマチュア５の周方向において、アーマチュア５をロータ６に吸着させるタイミングを不均一にすることができる。

これにより、アーマチュア５をロータ６に吸着させる際に、アーマチュア５が周方向の全域に亘ってロータ６に同時に接触することを防止できる。その結果、アーマチュア５がロータ６に接触し始めてから完全に接触するまでの時間を長くして、両者が衝撃的に接触することを防止でき、接触音を小さくできる。
同様に、第１および第２のコイル３２２，３３２の通電を独立してオフすることにより、アーマチュア５の周方向において、アーマチュア５をロータ６から離隔させるタイミングを不均一にすることができる。これにより、アーマチュア５をロータ６から離隔させる際に、アーマチュア５が周方向の全域に亘ってロータ６から同時に離隔することを防止できる。これにより、アーマチュア５がロータ６から離隔し始めてから完全に離隔するまでの時間を長くでき、その結果、両者が離隔するときの音を小さくできる。

以上より、通電のオンの際およびオフの際の双方において、駆動音を小さくできる。
また、第１および第２のコイル３２２，３３２について、互いに時間差をもって通電をオンすることにより、アーマチュア５の周方向において、アーマチュア５をロータ６に吸着させるタイミングを容易かつ確実に不均一にすることができる。
同様に、第１および第２のコイル３２２，３３２について、互いに時間差をもって通電をオフすることにより、アーマチュア５の周方向において、アーマチュア５をロータ６から離隔させるタイミングを容易かつ確実に不均一にすることができる。

また、第１および第２のコイル３２２，３３２をアーマチュア５の周方向に近接して配置していることにより、アーマチュア５と電磁石７とが向かい合っている領域を多くすることができる。これにより、アーマチュア５とロータ６の間の磁力をより多くすることができる。
この発明は、以上の実施形態の内容に限定されるものではなく、請求項記載の範囲内において種々の変更が可能である。たとえば、図６に示すように、アーマチュアの周方向に並ぶ第１、第２および第３のコイル４１２，４２２，４３２の３つのコイルを有する第１、第２および第３の電磁石４１，４２，４３を含む電磁石７Ａを用いてもよい。この場合、第１、第２および第３のコイル４１２，４２２，４３２は互いに独立して通電のオン／オフがされる。

第１〜第３の電磁石４１〜４３は、それぞれ、コイルボビン２８に固定されている。第１〜第３の電磁石４１〜４３は、アーマチュアの周方向に沿って略等間隔に近接して並んでいる。
第１の電磁石４１は、軟鉄などを用いて形成された芯体４１１と、銅線を用いて形成され、芯体４１１の外周を取り囲む第２のコイル４１２とを有している。

第２の電磁石４２は、軟鉄などを用いて形成された芯体４２１と、銅線を用いて形成され、芯体４２１の外周を取り囲む第２のコイル４２２とを有している。
第３の電磁石４３は、軟鉄などを用いて形成された芯体４３１と、銅線を用いて形成され、芯体４３１の外周を取り囲む第３のコイル４３２とを有している。
また、４つ以上のコイルを設けて、これらのコイルを互いに独立して通電のオン／オフをできるようにしてもよい。

その他、本発明は、画像形成装置以外の他の装置の電磁クラッチに適用することができる。

この発明の一実施形態にかかる電磁クラッチの要部の概略構成を示す断面図であるである。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う要部の横断面図である。 制御部による第１および第２のコイルへの通電の制御について説明するためのタイムチャートである。 電磁クラッチの動作について説明するための図である。 電磁クラッチのオン／オフの動作について説明するためのタイミングチャートである。 この発明の別の実施形態の要部の横断面図である。

符号の説明

１ 電磁クラッチ
５ アーマチュア
６ ロータ
３２２ 第１のコイル（複数のコイルの１つ）
３３２ 第２のコイル（複数のコイルの１つ）
４１２ 第１のコイル（複数のコイルの１つ）
４２２ 第２のコイル（複数のコイルの１つ）
４３２ 第３のコイル（複数のコイルの１つ）

Claims (3)

1. ロータと、
   ロータと同軸上に並ぶ環状のアーマチュアと、
   アーマチュアの周方向に沿って並んで互いに独立して通電のオン／オフが可能とされ、アーマチュアをロータに吸着させる磁力を発生するための複数のコイルと、
   を有していることを特徴とする電磁クラッチ。
2. 上記複数のコイルは、互いに時間差をもって通電のオン／オフがされることを特徴とする請求項１記載の電磁クラッチ。
3. 上記複数のコイルは、アーマチュアの周方向に近接して配置されていることを特徴とする請求項１または２記載の電磁クラッチ。
   
   

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