JP2008144872A - 摩擦板の摩耗検知手段を備えたブレーキ及びクラッチ - Google Patents

Abstract

【課題】 ブレーキやクラッチの摩擦板の摩耗において、摩耗の許容限度を超える前に摩耗限界を検知し、ユーザー等に認知させることができる、摩耗検知手段を備えたブレーキ又はクラッチを提供する。
【解決手段】 アーマチュア１３と、このアーマチュア１３を吸引する励磁コイル１５と、摩擦板１２とを備え、アーマチュア１３と摩擦板１２の摩擦力を利用して、ブレーキ動作を行うブレーキにおいて、励磁コイル１５のインピーダンスを検出する検出機能と、検出機能で検出された励磁コイル１５のインピーダンスにより、摩擦板１２の摩耗限界を判定する判定機能と、判定機能が、摩擦板が摩耗限界であると判定した場合に、摩耗限界信号を出力する機能とを備えた構成とした。
この場合、励磁コイル１５のインピーダンスを検出する検出機能は、励磁コイル１５に、アーマチュア１３を吸引しない程度の電流を通電し、励磁コイル１５の電圧を検出する検出回路とするとよい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、摩擦板を用いたブレーキ及びクラッチに係り、特に、励磁コイルのインピーダンスの変化で、摩擦板の摩耗限界を検知し、容易にブレーキ及びクラッチの交換時期を把握できるようにした、摩耗検知手段を備えたブレーキ又はクラッチに関する。

アーマチュアと摩擦板との摩擦力を利用したクラッチが、特許文献１乃至３に、開示されている。
また、同じく、アーマチュアと摩擦板との摩擦力を利用したブレーキが、特許文献４乃至６に開示されている。
この摩擦板を用いたブレーキの一例として、乾式複板無励磁作動形ブレーキについて、図５を用いて説明する。
図５は、従来の乾式複板無励磁作動形ブレーキの構成を示す縦断側面図である。

図５に示すように、乾式複板無励磁作動形ブレーキ１００の主要構成は、アーマチュア１１０、プレート１２０、回転軸１３０、ハブ１４０、フィールドコア１５０、励磁コイル１５２、摩擦板１６０、バネ１７０である。
なお、同図において、１２２はプレート１２０とフィールドコア１５０の固定ネジである。

乾式複板無励磁作動形ブレーキ１００では、フィールドコア１５０の励磁コイル１５２に電流を流さない状況では、アーマチュア１１０はバネ１７０によりプレート１２０側に付勢され、摩擦板１６０がアーマチュア１１０及びプレート１２０の両面側で摩擦しあうことにより、ブレーキ動作を行う。
一方、フィールドコア１５０の励磁コイル１５２に電流を流した状態では、アーマチュア１１０がバネ１７０の付勢力に抗してフィールドコア１５０側に吸着され、ブレーキ動作が解除されることになる。
即ち、非通電時にブレーキがかかり、通電時にブレーキが解除される機能を備えている。

特開２００５−３３１０２８ 特開２００５−０３０４９１ 特開２００４−３３２８０２ 特開２００３−０９０３６４ 特開２００２−００５２０６ 特開２００１−１５９４３３

ところで、アーマチュアと摩擦板との摩擦力を利用したクラッチ又はブレーキは、長期間使用すると、摩擦板が摩耗するため交換が必要になる。
しかし、従来のクラッチ又はブレーキでは、交換時期を把握できるベテランサービスマンが減少していることや、また、ユーザーが摩耗量を知る手段がないため、交換時期が来ても交換されずに放置され、摩耗が進行しすぎて動作しなくなる場合がある。

そのため、例えば、製造ラインの組立用ロボットに、従来のクラッチやブレーキが組み込まれている場合、当該クラッチやブレーキの動作不良が原因でライン全体を止めてしまったり、ライン停止の原因がどのクラッチやブレーキの摩耗であるかを特定するまでに、時間がかかる等の問題を備えている。

本発明は、上記課題（問題点）を解決し、ブレーキやクラッチの摩擦板の摩耗において、摩耗の許容限度を超える前に摩耗限界を検知し、ユーザー等に認知させることができる、摩耗検知手段を備えたブレーキ又はクラッチを提供することを目的とする。

本発明の摩耗検知手段を備えたブレーキは、請求項１に記載のものは、アーマチュアと、このアーマチュアを吸引する励磁コイルと、摩擦板とを備え、前記アーマチュアと前記摩擦板の摩擦力を利用して、ブレーキ動作を行うブレーキにおいて、前記励磁コイルのインピーダンスを検出する検出機能と、前記検出機能で検出された励磁コイルのインピーダンスにより、前記摩擦板の摩耗限界を判定する判定機能と、前記判定機能が、前記摩擦板が摩耗限界であると判定した場合に、摩耗限界信号を出力する機能と、を備えた構成とした。

請求項２に記載のブレーキは、前記励磁コイルのインピーダンスを検出する検出機能は、前記励磁コイルに、前記アーマチュアを吸引しない程度の電流を通電し、前記励磁コイルの電圧を検出する検出回路である構成とした。

請求項３に記載のブレーキは、前記励磁コイルのインピーダンスを検出する検出機能は、前記励磁コイルを含んで構成した共振回路の共振波形の振幅、あるいは、周波数を検出する検出回路である構成とした。

請求項４に記載のブレーキは、前記励磁コイルのインピーダンスを検出する検出機能は、前記励磁コイルの電圧と電流の位相差を検出する検出回路である構成とした。

本発明の摩耗検知手段を備えたクラッチは、請求項５に記載のものは、アーマチュアと、このアーマチュアを吸引する励磁コイルと、摩擦板とを備え、前記アーマチュアと前記摩擦板の摩擦力を利用して、クラッチ動作を行うクラッチにおいて、前記励磁コイルのインピーダンスを検出する検出機能と、前記検出機能で検出された励磁コイルのインピーダンスにより、前記摩擦板の摩耗限界を判定する判定機能と、前記判定機能が、前記摩擦板が摩耗限界であると判定した場合に、摩耗限界信号を出力する機能と、を備えた構成とした。

請求項６に記載のクラッチは、前記励磁コイルのインピーダンスを検出する検出機能は、前記励磁コイルに、前記アーマチュアを吸引しない程度の電流を通電し、前記励磁コイルの電圧を検出する検出回路である構成とした。

請求項７に記載のクラッチは、前記励磁コイルのインピーダンスを検出する検出機能は、前記励磁コイルを含んで構成した共振回路の共振波形の振幅、あるいは、周波数を検出する検出回路である構成とした。

請求項８に記載のクラッチは、前記励磁コイルのインピーダンスを検出する検出機能は、前記励磁コイルの電圧と電流の位相差を検出する検出回路である構成とした。

本発明の摩耗検知手段を備えたブレーキは、上記のように構成したために、以下のような優れた効果を有する。
（１）請求項１に記載したように構成すると、励磁コイルのインピーダンスの変化で、ユーザー若しくはサービスマンが、摩擦板が許容範囲以上に摩耗したことを認識するため、ベテランサービスマンでなくても、ブレーキの交換時期を知ることができる。
（２）また、励磁コイルのインピーダンスにより、摩擦板の摩耗限界を検出するようにしたので、簡単な回路を付けるだけで検知が可能となり、ブレーキとして動作しなくなる前に摩擦板の摩耗を検知したり、複数のブレーキを使う場合には不良となる機器を事前に特定することが容易になり、これらを使ったロボット、ライン、システム等の稼働率、メンテナンス効率が向上する。

（３）請求項２乃至４に記載したように構成すると、励磁コイルのインピーダンスを簡単に算出することができる。
特に、請求項３の構成では、インピーダンスの測定感度を向上させることができる。

本発明の摩耗検知手段を備えたクラッチは、上記のように構成したために、以下のような優れた効果を有する。
（１）請求項５に記載したように構成すると、励磁コイルのインピーダンスの変化で、ユーザー若しくはサービスマンが、摩擦板が許容範囲以上に摩耗したことを認識するため、ベテランサービスマンでなくても、クラッチの交換時期を知ることができる。
（２）また、励磁コイルのインピーダンスにより、摩擦板の摩耗限界を検出するようにしたので、簡単な回路を付けるだけで検知が可能となり、クラッチとして動作しなくなる前に摩擦板の摩耗を検知したり、複数のクラッチを使う場合には不良となる機器を事前に特定することが容易になり、これらを使ったロボット、ライン、システム等の稼働率、メンテナンス効率が向上する。

（３）請求項６乃至８に記載したように構成すると、励磁コイルのインピーダンスを簡単に算出することができる。
特に、請求項７の構成では、インピーダンスの測定感度を向上させることができる。

以下、本発明のブレーキの第１、第２の実施の形態について、図１乃至図４を用いて、順次説明する。

本発明のブレーキの第１の実施の形態：
先ず、本発明の摩擦板の摩耗検知手段を備えたブレーキの第１の実施の形態について、図１乃至図３を用いて説明する。
図１は、本発明の摩擦板の摩耗検知手段を備えたブレーキの第１の実施の形態を示す縦断側面図で、ブレーキ作動時の場合である。
図２は、フィールドコア−アーマチュア間ギャップと励磁コイルのインピーダンスとの関係を示す特性図である。
図３は、本発明の摩擦板の摩耗検知手段を備えたブレーキの第１の実施の形態に用いる、励磁コイル電圧の検出回路のブロック図である。

先ず、本実施の形態のブレーキ１０の基本構成を図１を用いて説明する。
本実施の形態のブレーキ１０は、従来のブレーキ同様に、図１に示すように、ハブ１１、摩擦板１２、アーマチュア１３、フィールドコア１４、励磁コイル１５、バネ１６を備えている。
なお、Ｇは、アーマチュア１３とフィールドコア１４間のギャップである。
このギャップＧは、摩擦板１２が摩耗すると、アーマチュア１３がハブ１１側にシフトするため大きくなると共に、摩擦板１２の厚さで一義的に定められる。

また、本実施の形態のブレーキ１０の特徴は、励磁コイル１５の電圧の検出回路２０を備え、この検出回路２０は、図３に示すように、バッファ２１、整流器２２、ローパスフィルタ２３、コンパレータ２５、定電流回路２４、電圧Ｖ１の定電圧電源２６、Ｖsinの正弦波電圧を供給する交流電源２７、電圧Ｖ２の定電圧電源２８、第１のスイッチＳ１、第２のスイッチＳ２を備えている。

次に、以上の構成を踏まえ、本実施の形態のブレーキ１０の基本動作を説明する。
本実施の形態のブレーキ１０では、図１に示すように、励磁コイル１５が非励磁状態であれば、アーマチュア１３は、バネ１６の復元力によってフィールドコア１４から離れ、摩擦板１２に押し付けられてハブ１１を固定する。
一方、図示は省略するが、励磁コイル１５が励磁状態になると、アーマチュア１３が摩擦板１２から離れてフィールドコア１４側に吸引され、ハブ１１は回転自由となる。

ところで、上述したように、フィールドコア１４とアーマチュア１３は分離しており、そのギャップＧは、摩擦板１２の厚さで定められる。
このギャップＧは、摩擦板１２が初期値の状態から、徐々に摩耗により磨り減ると、それに伴って大きくなる。
このとき、励磁コイル１５に、アーマチュア１３を吸引しない程度の微弱な交流電流を流すと、フィールドコア１４、ギャップＧ、アーマチュア１３間で磁気回路が形成される。
励磁コイル１５のインダクタンスは、このギャップＧが大きくなると、逆に、小さくなる。

フィールドコア１４及びアーマチュア１３の双方、或いは、どちらか一方が導電体でもある場合は、励磁コイル１５に交流電流を流すと、導電体に渦電流が発生し、見かけ上励磁コイル１５の抵抗分が増加する。
摩擦板１２の摩耗につれて、ギャップＧが変化すると、アーマチュア１３に流れ込む磁束が減り、この励磁コイル１５の抵抗分も減少する。

具体的に、フィールドコア１４及びアーマチュア１３が、磁性体、かつ、導電体であるブレーキ１０で、実際にインピーダンスを測定したところ、励磁コイル１５に通電する交流電流の或る周波数におけるインピーダンスと、フィールドコア１４−アーマチュア１３間のギャップＧとの関係は、図２に示す特性曲線のようになった。

図２に示すように、摩擦板１２の摩耗の無いギャップ初期値の励磁コイル１５のインピーダンス初期値が最大で、摩擦板１２の摩耗が徐々に進み、ギャップＧが大きくなるに従い、励磁コイル１５のインピーダンスが小さくなっていくのが分かる。
従って、摩擦板１２の摩耗に連れて励磁コイル１５のインピーダンスが小さくなる性質を利用すれば、励磁コイル１５のインピーダンスの検出機能により、励磁コイル１５のインピーダンスが或る値以下となったときに、摩擦板１２の摩耗限界を検出することができる。

次に、励磁コイル１５のインピーダンスの検出機能として、検出回路の具体的な基本動作を、図３のブロック図を用いて説明する。
図３において、ブレーキＯＦＦの信号では、第１のスイッチＳ１は開状態で、励磁コイル１５には電流が流れず、ブレーキ１０は保持状態である。
このとき、第２のスイッチＳ２は閉状態であり、励磁コイル１５に、交流電源２７から供給される正弦波電圧Ｖsinに比例した振幅一定の正弦波電流が、定電流回路２４により供給される。

励磁コイル１５の電圧は、この電流と励磁コイル１５のインピーダンスの積となり、一定の電流が流れるため、インピーダンスに比例した正弦波電圧になる。
励磁コイル１５の電圧は、バッファ２１を通した後、整流器２２により整流され、ローパスフィルタ２３を通して直流とし、コンパレータ２５により後述する電圧Ｖ２と比較され、２値信号となる。
ここで、定電圧電源２８による電圧Ｖ２は、摩擦板１２の摩耗限界に対応した値であり、ローパスフィルタ２３を通した電圧が、この値Ｖ２より小さくなったとき、コンパレータ２５が、摩擦板１２の摩耗限界信号を出力する。

ブレーキＯＮの信号では、第１のスイッチＳ１が閉状態で、励磁コイル１５に電流が流れ、励磁コイル１５がアーマチュア１３を吸引し、ブレーキ開放状態になる。
このとき、第２のスイッチＳ２は開状態で、励磁コイル１５に正弦波電流は通電されない。

また、励磁コイル１５の電圧はＶ１であり、コンパレータ２５後の電圧もほぼＶ１である。
摩擦板１２が摩耗限界まで摩耗しているかどうかは、ブレーキ保持状態のときの、コンパレータ２５が出力する摩耗限界信号により判断を行うことができる。
摩耗限界は、摩擦板１２が動作しなくなるか、或いは、ギャップＧが広がりすぎてアーマチュア１３が吸引できなくなる等を条件として適宜決定される。

なお、本実施の形態では、励磁コイル１５の電圧が、摩擦板１２の摩耗限界に対応した値、電圧Ｖ２との比較で、摩耗限界を検知する例で説明したが、上述したように、励磁コイル１５の電圧は、定電流回路２４により供給される電流と励磁コイル１５のインピーダンスの積であるため、励磁コイル１５の電圧を電流で除すことにより、容易に励磁コイル１５のインピーダンスを算出することができる。

フィールドコア１４及びアーマチュア１３が、磁性体、かつ導電体である場合、励磁コイル１５のインピーダンスは、低周波数ではインダクタンスの変化が支配的であり、一方、高周波では渦電流の変化が支配的になる。
これらは、材料の透磁率、導電率によって決まるので、ギャップＧに対するインピーダンスの変化が、シグナル／ノイズのＳ／Ｎ比等の条件を満足するかどうかを考慮して、励磁コイル１５に通電される交流電流の周波数が選択される。

即ち、本実施の形態のブレーキ１０では、励磁コイル１５のインピーダンスの変化で、ユーザー若しくはサービスマンが、摩擦板１２が許容範囲以上に摩耗したことを認識するため、ベテランサービスマンでなくても、ブレーキの交換時期を知ることができる。
また、励磁コイル１５のインピーダンスにより、摩擦板１２の摩耗限界を検出するようにしたので、簡単な励磁コイル１５の電圧を検出する検出回路２０を付けるだけで検知が可能となり、ブレーキとして動作しなくなる前に摩擦板１２の摩耗を検知したり、複数のブレーキ１０を使う場合には不良となる機器を事前に特定することが容易になり、これらを使ったロボット、ライン、システム等の稼働率、メンテナンス効率が向上する。

本発明のブレーキの第２の実施の形態：
次に、本発明の摩擦板の摩耗検知手段を備えたブレーキの第２の実施の形態について、図４を用い、図１を参照して説明する。
図４は、本発明の摩擦板の摩耗検知手段を備えたブレーキの第２の実施の形態に用いる、励磁コイルの電圧の検出回路のブロック図である。

本実施の形態のブレーキの基本構成は、上記第１の実施の形態とほぼ同一で、励磁コイル１５（図１参照）のインピーダンスの検出機能として、図４のブロック図に示す検出回路３０を用いた点にその構成上の特徴を有している。
この検出回路３０は、図４に示すように、バッファ３１、整流器３２、ローパスフィルタ３３、コンパレータ３５、定電流回路３４、電圧検知回路３６、電圧Ｖ１の定電圧電源３７、Ｖsinの正弦波電圧を供給する交流電源３８、電圧Ｖ２の定電圧電源３９、第１のスイッチＳ１、第２のスイッチＳ２を備えている。

本実施の形態の検出回路３０では、ブレーキ保持時の励磁コイル１５の電圧Ｖbonが、定電圧電源３７の電圧Ｖ１より小さくなるように設定し、閾値電圧Ｖthを、Ｖ１＞Ｖth＞Ｖbonとなるように設定する。
電圧検知回路３６は、励磁コイル１５の電圧が、閾値電圧Ｖthより小さいとき、第２のスイッチＳ２を閉状態に、閾値電圧Ｖth以上のとき、第２のスイッチＳ２を開状態になるように制御する。
この他の動作は、上記第１の実施の形態と同じであるので、説明を省略する。

なお、励磁コイル１５の電圧を電圧検知回路３６で検知するようにしたが、ローパスフィルタ３３の出力電圧でも同様のことが可能となる。
また、図４で、励磁コイル１５より右側を製品とすると、ユーザーによる配線を減らすことができる。

本実施の形態のブレーキでも、上記第１の実施の形態同様に、励磁コイル１５のインピーダンスで、ユーザー若しくはサービスマンが、摩擦板１２が許容範囲以上に摩耗したことを認識するため、ベテランサービスマンでなくても、ブレーキの交換時期を知ることができる。

本発明のブレーキのその他の実施の形態：
上記第１及び第２の実施の形態では、励磁コイルに微弱電流を通電し、インピーダンスに比例する電圧を検出する例で説明した。
しかし、励磁コイルのインピーダンスの検出には、励磁コイルの電圧と電流の位相差を検出に使用してもよい。
よく知られるように、インピーダンスＺを複素数表示した場合、インピーダンスＺは、抵抗をＲ、リアクタンスをＸとした場合、次式のように表示される。
Ｚ＝Ｒ＋ｊＸ
また、励磁コイルの電圧と電流の位相差φは、
φ＝ｔａｎ−１（Ｘ／Ｒ）で表されるので、位相差φより、容易にインピーダンスＺが算出できる。

同様に、励磁コイルの電圧と電流との関係から、抵抗Ｒの成分とインダクタンスＬの成分に分離して、どちらかの値、或いは、両方の値を用いて、摩擦板の摩耗限界を検知するようにしてもよい。

更に、ブレーキの励磁コイルをＬとし、これにコンデンサーＣを加えて、励磁コイルＬを含むＬＣ共振回路とすると、インダクタンス分や抵抗分の変化で、共振波形の振幅、あるいは、周波数が変化するので、これを用いて摩擦板の摩耗限界を検知してもよい。
このように、共振回路を使ったものでは、インピーダンスの測定感度を向上させることができる。

本発明は、上記実施の形態に限定されず、種々の変更が可能である。
例えば、上記各実施の形態の説明では、励磁コイルに正弦波の電流を印加しているが、これに替えて、矩形波等の波形の電流を印加してもよい。
この場合には、励磁電流が複数の周波数を持つことになるので、フィルタでの周波数選択、ピーク電圧等により、検出を行えばよい

また、上記実施の形態では、ブレーキの例で説明したが、同様に、アーマチュアを吸引する励磁コイルを備え、アーマチュアと摩擦板の摩擦力を利用して、クラッチ動作を行うクラッチにも本願発明が適用できるのは、勿論のことである。

本発明の摩擦板の摩耗検知手段を備えたブレーキの第１の実施の形態を示す縦断側面図で、ブレーキ保持時の場合である。 フィールドコア−アーマチュア間ギャップと励磁コイルのインピーダンスとの関係を示す特性図である。 本発明の摩擦板の摩耗検知手段を備えたブレーキの第１の実施の形態に用いる、励磁コイル電圧の検出回路のブロック図である。 本発明の摩擦板の摩耗検知手段を備えたブレーキの第２の実施の形態に用いる、励磁コイル電圧の検出回路のブロック図である。 従来の乾式複板無励磁作動形ブレーキの構成を示す縦断側面図である。

符号の説明

１０：ブレーキ
１１：ハブ
１２：摩擦板
１３：アーマチュア
１４：フィールドコア
１５：励磁コイル
１６：バネ
２０、３０：励磁コイル電圧の検出回路
２３、３３：ローパスフィルタ
２５、３５：コンパレータ

Claims (8)

1. アーマチュアと、このアーマチュアを吸引する励磁コイルと、摩擦板とを備え、前記アーマチュアと前記摩擦板の摩擦力を利用して、ブレーキ動作を行うブレーキにおいて、
   前記励磁コイルのインピーダンスを検出する検出機能と、
   前記検出機能で検出された励磁コイルのインピーダンスにより、前記摩擦板の摩耗限界を判定する判定機能と、
   前記判定機能が、前記摩擦板が摩耗限界であると判定した場合に、摩耗限界信号を出力する機能と、を備えたことを特徴とする摩擦板の摩耗検知手段を備えたブレーキ。
2. 前記励磁コイルのインピーダンスを検出する検出機能は、
   前記励磁コイルに、前記アーマチュアを吸引しない程度の電流を通電し、前記励磁コイルの電圧を検出する検出回路であることを特徴とする請求項１に記載の摩擦板の摩耗検知手段を備えたブレーキ。
3. 前記励磁コイルのインピーダンスを検出する検出機能は、
   前記励磁コイルを含んで構成した共振回路の共振波形の振幅、あるいは、周波数を検出する検出回路であることを特徴とする請求項１に記載の摩擦板の摩耗検知手段を備えたブレーキ。
4. 前記励磁コイルのインピーダンスを検出する検出機能は、
   前記励磁コイルの電圧と電流の位相差を検出する検出回路であることを特徴とする請求項１に記載の摩擦板の摩耗検知手段を備えたブレーキ。
5. アーマチュアと、このアーマチュアを吸引する励磁コイルと、摩擦板とを備え、前記アーマチュアと前記摩擦板の摩擦力を利用して、クラッチ動作を行うクラッチにおいて、
   前記励磁コイルのインピーダンスを検出する検出機能と、
   前記検出機能で検出された励磁コイルのインピーダンスにより、前記摩擦板の摩耗限界を判定する判定機能と、
   前記判定機能が、前記摩擦板が摩耗限界であると判定した場合に、摩耗限界信号を出力する機能と、を備えたことを特徴とする摩擦板の摩耗検知手段を備えたクラッチ。
6. 前記励磁コイルのインピーダンスを検出する検出機能は、
   前記励磁コイルに、前記アーマチュアを吸引しない程度の電流を通電し、前記励磁コイルの電圧を検出する検出回路であることを特徴とする請求項５に記載の摩擦板の摩耗検知手段を備えたクラッチ。
7. 前記励磁コイルのインピーダンスを検出する検出機能は、
   前記励磁コイルを含んで構成した共振回路の共振波形の振幅、あるいは、周波数を検出する検出回路であることを特徴とする請求項５に記載の摩擦板の摩耗検知手段を備えたクラッチ。
8. 前記励磁コイルのインピーダンスを検出する検出機能は、
   前記励磁コイルの電圧と電流の位相差を検出する検出回路であることを特徴とする請求項５に記載の摩擦板の摩耗検知手段を備えたクラッチ。

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