JP2009507181A - 電磁的に作動される粘性クラッチ - Google Patents

Abstract

電磁的に作動される粘性クラッチアセンブリ（１００）のバルブアセンブリ（１０６）は、リザーバ（１１２）の開口部（１３８）を選択的に覆うよう構成された座部を画定するカバープレート（１４０）と、柔軟な取付プレート（１４２）と、磁束の作用によって移動可能となり、リザーバ（１１２）の開口部（１３８）に対してカバープレート（１４０）を移動させるアーマーチャ（１４４）とを備える。アーマーチャ（１４４）は、カバープレート（１４０）および取付プレート（１４２）に接続された基部（１４６）と、基部（１４６）から延出するフィンガー部（１４８）とを備える。フィンガー部（１４８）および基部（１４６）は、磁束を伝達させるための流路を画定する。

Description

発明の詳細な説明

（発明の背景）
クラッチは様々な設定において用いられる。例えば、ファンクラッチは自動車に用いられ、ファンを選択的に係合させエンジンの冷却を助長するのに用いられる。粘性ファンクラッチは一般的に中型から大型トラックに用いられる。一般的にこれらの粘性ファンクラッチは、せん断流体を作業チャンバーに導入し、例えば駆動力の入力部材に接続されたロータおよびファンに接続されたハウジングなどの、２つの構成要素をせん断流体を介して回転力を伝達することによって摩擦的に係合させることで作動する。このような粘性クラッチは、せん断流体が作業チャンバーに存在する時にファンの回転を伝達することが可能であり、また、せん断流体が作業チャンバーから取除かれるとファンの回転の伝達を停止することが可能である。

既知の粘性クラッチの多くは電磁的に作動される。つまり、これらの粘性クラッチは、磁束を発生させて、流体供給リザーバから作業チャンバーへのせん断流体の流れを調節するバルブの動作を制御する電磁コイルを備える。しかし、バルブを用いて流体の流れを効率的かつ効果的に制御することを可能にしつつ、駆動部の回転力を十分に保持するようバルブやコイルを配置するには多くの問題がある。

例えば、通常、粘性クラッチのリザーバはクラッチのハウジングに取付けられており、ファンブレードはハウジングに接続されている。クラッチが「オフ」状態つまりは非係合状態にある時、ハウジング、リザーバおよびファンブレードは全て、ほぼ、静止状態にあるか比較的遅い速度で回転している。比較的静止状態にあるリザーバは、内部に収容されたせん断流体に運動エネルギーをほとんど伝達せず、バルブが開放された時にせん断流体をリザーバから作業チャンバーへと移動させるクラッチの応答時間を遅らせることになり得る。しかし、リザーバをロータに取付けるには、好適なバルブアセンブリの提供が困難であるため、問題がある。好適なバルブアセンブリとは、ロータと共に回転しながらもコイルによって効果的かつ効率的に制御可能であって、通常コイルに確実に電気接続されるよう回転が固定されていなければならない。また、バルブとコイルとを磁気的に連結するための磁束回路の配置の多くは好適なものではない。これは、十分な磁束を発生させることができるコイルのサイズおよびパワーに関する要件に多くの問題があるからである。大型のコイルには余分な重量およびコストがかかり、特定のエンジンの許容電流あるいは許容電圧の条件（通常、クラッチが取付けられた車両の電子エンジン制御装置に関してエンジン全体に設定されるパラメータ）を超えることがある。
（発明の概要）
本発明の電磁的に作動される粘性クラッチアセンブリのバルブアセンブリは、リザーバの開口部を選択的に覆うよう構成された座部を画定するカバープレートと、柔軟な取付プレートと、磁束の作用によって移動可能となり、リザーバの開口部に対してカバープレートを移動させるアーマーチャを備える。アーマーチャは、カバープレートおよび取付プレートに接続された基部と、基部から延出するフィンガー部とを備える。フィンガー部および基部は、磁束を伝達させるための流路を画定する。
（詳細な説明）
概して、本発明の電磁的に作動される粘性クラッチは、入力要素と出力要素とを選択的に係合させること、例えば、モータからの回転力の入力に応じてファンを選択的に駆動させること、を可能にする。バルブアセンブリは、電磁コイルによって発生された磁束を伝達する磁束回路を介して制御される。該バルブアセンブリは、アーマーチャと、取付プレートと、カバープレートとを備える。該アーマーチャは基部と、該基部から延出する１つあるいはそれ以上のフィンガー部とを備える。該クラッチは一般的に、バルブアセンブリがロータに支持され、アーマーチャのフィンガー部がロータに設けられた開口部を貫いて延出するよう構成されている。このような構成において、アーマーチャはロータの前面と後面との間で「浮動」する。

粘性クラッチと題し、２００５年７月２９日に出願された米国仮出願番号Ｎｏ．６０／７０４，０６３は、その開示内容全体が、ここに参照により組み込まれる。
図１は電磁的に作動される粘性クラッチ１００の背面図であり、該クラッチ１００の後面つまり駆動面を示している。図２Ａは、図１の２−２線に沿って切欠かれたクラッチ１００の断面図である。図２Ｂは、図２Ａに示された断面図の一部の拡大図である。図１〜２Ｂに示すように、クラッチ１００は二部構成のハウジング１０２と、ロータ１０４と、バルブアセンブリ１０６と、電磁コイルアセンブリ１０８と、軸１１０と、リザーバ１１２とを備える。作業チャンバー１１４はハウジング１０２とロータ１０４との間のせん断流体（例えば、従来のシリコンオイルせん断流体）が流動可能な位置に形成されている。図の簡略化のため、せん断流体は図示されていない。

軸１１０はクラッチに回転駆動力を提供する。該軸１１０は、例えばスチールなどの、磁束の伝達が可能な金属材料で構成されている。軸１１０の駆動端１１０Ｄは、モータの回転力出力部材に直接接続されても、ロータの回転力出力部材にベルトおよび滑車を介して接続されても、あるいはその他の形態の回転駆動力入力部材を備えていてもよいことは、当業者には理解されるところである。軸１１０はクラッチ１００の回転軸Ａを画定する。

電磁コイルアセンブリ１０８はコイルカップ１１６と、該カップ１１６に挿入されカップの中に（例えば埋め込みなどによって）固定された巻きコイル１１８を備えている。該コイルカップ１１６はスチールで構成されていてもよく、また、巻きコイル１１８は巻き銅線で形成されていてもよい。コイルアセンブリ１０８は、コイルアセンブリ１０８によって生成する磁力が許容限界の範囲内で最大化されるよう構成されている。コイルアセンブリ１０８は、クラッチ１００が組み込まれた車両の電子エンジン制御装置（図示なし）の要求によって設定される許容電流あるいは許容電圧の条件を超えないよう構成された、比較的小型の装置であってもよい。コイルアセンブリ１０８は、軸１１０に取付けられた単列玉軸受装置１２０によって、クラッチ１００の後面あるいは駆動面に対して支持されている。コイルアセンブリ１０８は、外部点に対して回転が固定されるように拘束されている（例えば、クラッチ１００が取付けられている車両の支持構造体に固定されている）。配線管１２２はコイルアセンブリ１０８から延出しており、電源装置や電子エンジン制御装置などの、車両のその他の構成要素を電気的に接続する。

ロータ１０４はハウジング１０２の中に配置されており、ハウジング１０２によってほぼ囲まれている。図２Ｃは、ロータ１０４を示している図１の２−２線に沿って切欠かれたクラッチ１００の一部の斜視断面図である。図２Ｃにおいて、ハウジング１０２は図の簡略化のため省略されている。図３はロータ１０４を単独で示した正面図である。図２Ａ〜３に示すように、ロータ１０４はほぼディスク状に形成され、内径（ＩＤ）部に対して軸方向にずれた外径（ＯＤ）部を有する。このような構成は、クラッチ１００の軸方向全体のサイズを小さくし、運転中にクラッチ１００内の力を所望の状態に調整するのに役立つ。ロータ１０４は、前面と後面の両面のＯＤ部付近に従来の配置で備えられた、多数の同心上の環状リブ（総括的に参照符号１２４で示される）を有する。該環状リブ１２４は、せん断流体が作業チャンバー１１４に存在しクラッチ１００を係合させる時に、摩擦結合力を発生させるために、作業チャンバー１１４に対向して配置されている。ロータ１０４は鋳込みにより形成されてもよく、また、リブ１２４は機械加工で形成されてもよい。

せん断流体が、作業チャンバー１１４において、ロータ１０４の前面と後面との間を通って流れるよう、６つのほぼ楕円状の流動口１２６Ａ〜１２６Ｆがロータ１０４を貫いてロータ１０４のＯＤ部付近に形成されている。他の実施例においては、より多くのあるいは少ない数のロータ１０４を貫く流動口が備えられていてもよい。流動口１２６Ａ〜１２６Ｆは機械加工で形成されてもよい。

半径方向に延出する流路１２８が、ロータ１０４の前方の、環状リブ１２４の半径方向内側に形成されている。半径方向の流路１２８は、バルブアセンブリ１０６のための空間をリザーバ１１２とロータ１０４の前面との間に作り出している。溝１３０がロータ１０４の後面に形成されており、流路１２８と流動口１２６Ａ（図２Ｃ参照）とを接続する流路となっている。流路１２８および溝１３０の機能については後述する。

穴１３２Ａ，１３２Ｂが、バルブアセンブリ１０６をネジあるいはボルトなどの固定具でロータ１０４の前面に固定するために設けられている。４つの細長いアーチ状の開口部１３４Ａ〜１３４Ｄが、ロータ１０４のＩＤ部の半径方向わずか外側の、ロータ１０４のＩＤ部と環状リブ１２４との間に設けられている。アーチ状の開口部１３４Ａ〜１３４Ｄはそれぞれスロット状の形をしており、軸Ａの周囲にほぼ等間隔で配置されている。後述のように、アーチ状の開口部１３４Ａ〜１３４Ｄによって、バルブアセンブリ１０６の可動部分がロータ１０４を貫くようになっている。

ロータ１０４は軸１１０に直接取付けられており（図２Ａ，２Ｂ参照）、軸１１０と共に回転するよう、軸１１０に回転可能に固定されている。ロータ１０４は、アルミニウムなどの軽量の非磁性金属材料（すなわち、磁束を良好に伝達しない軽量の材料）で構成されている。ステンレススチールなどの、比較的硬度の高い非磁性金属材料で構成されたインサート１３６が、ロータ１０４のＩＤ部に配置され、ロータ１０４と軸１１０とを強固に取付けている。該インサート１３６はロータ１０４のハブ部を構成している。ロータ１０４を貫くアーチ状の開口部１３４Ａ〜１３４Ｄは、インサート１３６も貫いて延出している。該インサート１３６を予め形成し、ロータ１０４の材料をインサート１３６の周囲に流し込んでもよい。軸１１０の端部は、ロータ１０４を機械的に軸方向に保持するためにロータ１０４に対して巻上げられているので、ロータ１０４の軸１１０への取付は、プレス加工、ローレット加工による接合により行われてもよいが、他の実施例においては、その他の種類の接続方法（例えばネジ接続）を用いてもよい。

図２Ａ〜２Ｃに示すように、リザーバ１１２は、せん断流体の供給を持続させるため、ロータ１０４に取付けられ、ロータ１０４と共に回転する。図示された本実施例においては、リザーバ１１２はロータ１０４のＩＤ部とＯＤ部との間にスエージ接続によって取付けられているが、他の実施例においてはリザーバ１１２の位置および取付方法は異なっていてもよい。リザーバ１１２はほぼ環状に構成されており、公知の粘性クラッチ用のリザーバと同様の構成となっている。リザーバ１１２の後部プレート１１２Ａの開口部１３８（すなわち戻し穴）が、ロータ１０４の前面に対向して設けられている。リザーバ１１２は、クラッチ１００が解放されている時、すなわちバルブアセンブリ１０６が図２Ａ〜２Ｃに示されているように閉位置にある時、せん断流体のほぼ全量を保持する。バルブアセンブリ１０６が、クラッチ１００を係合させる開位置にある時、せん断流体は開口部１３８を介してリザーバ１１２から排出される。

また、バルブアセンブリ１０６も、ロータ１０４の前面（すなわち、軸１１０の前端１１０Ｆに対向しているロータ１０４の面）に取付けられている。バルブアセンブリ１０６は単独で図４〜６に図示されている。図４は斜視図、図５は背面図、図６は図５の６−６線に沿って切欠かれた断面図である。図２Ａ〜２Ｃおよび図４〜６に示すように、バルブアセンブリ１０６は、カバープレート１４０と、取付プレート１４２と、「浮動」アーマーチャ１４４とを備える。該アーマーチャ１４４は、ロータ１０４の前面と後面との間に延出するよう構成され、ロータ１０４に対して可動であるため、「浮動」である。カバープレート１４０および取付プレート１４２は、リベットやその他の適切な固定手段を用いて、互いに対して反対側にアーマーチャ１４４に接続されている。

カバープレート１４０は、リザーバ１１２の後部プレート１１２Ａの開口部１３８を開閉可能であり、実質的にリザーバ１１２とロータ１０４との間においてロータ１０４の前面に配置されている。該カバープレート１４０は、アーマーチャ１４４に接続された第１部分１４０Ａと、第１部分１４０Ａからほぼ９０°の方向に延出する第２部分１４０Ｂと、第２部分１４０Ｂから第１部分１４０Ａとは反対方向に延出する第３部分１４０Ｃとを備える。第３部分１４０Ｃはわずかにアーマーチャ１４４に向かって後方に曲げられており、（図２Ａ〜２Ｃに図示のように）リザーバ１１２の後部プレート１１２Ａに密着して開口部１３８を閉じるカバープレート１４０の座部を画定している。このような構成により、せん断流体がリザーバ１１２から流出するのを実質的に防ぐ。該カバープレート１４０は、例えばスチールなどの金属材料で構成されてもよい。カバープレート１４０は多少たわむようになっており、カバープレート１４０がリザーバ１１２に対して閉位置にある時、密閉状態を強固にする。しかし、クラッチ１００が作動するのに、カバープレート１４０による封止が完全な流体密封の状態である必要はない。

取付プレート１４２は第１取付突起部１４２Ａと第２取付突起部１４２Ｂとを備える。第１および第２取付突起部１４２Ａ，１４２Ｂはそれぞれ形状がアーチ状になっており、バルブアセンブリ１０６をロータ１０４にネジあるいはボルトなどの適切な固定具を用いて穴１３２Ａおよび１３２Ｂにて固定するための穴を備えている。扇形部１４２Ｃが取付プレートの外縁に沿って第１取付突起部１４２Ａと第２取付突起部１４２Ｂとの間に画定されている。取付プレート１４２はバルブアセンブリ１０６の回転軸を画定する。取付プレート１４２は板バネのように機能し、本実施例においてはアーマーチャ１４４およびカバープレート１４０をリザーバ１１２内に設けられた開口部１３８を開放するようデフォルトで付勢している（図２Ａ〜２Ｃにおいて、バルブアセンブリ１０６は、カバープレート１４０が開口部１３８を覆い、流体の流動を制限する「オフ」の位置つまり閉位置にある状態で示されている）。カバープレート１４０が枢動してリザーバ１１２の後部プレート１１２Ａの開口部１３８から離れていくに従い、せん断流体はリザーバ１１２から流出される。バルブプレート１４０がリザーバ１１２の後部プレート１１２Ａの開口部１３８から大きく離れると、より多くの量のせん断流体がリザーバ１１２から流出するようになっている。

アーマーチャ１４４は、作用された磁界に応答して移動が可能な磁束伝達要素である。アーマーチャ１４４は、ロータ１０４の前面に配置されたリング状の基部１４６を備え、また基部１４６の周囲からほぼ直角に延出する４つのフィンガー部１４８Ａ〜１４８Ｄを有する。該フィンガー部１４８Ａ〜１４８Ｄはそれぞれ基部１４６の外周に沿うようにわずかにアーチ状になった形状を有する。カウンターウェイト１５０は、鳩尾のような形状を有していてもよく、アーマーチャ１４４の基部１４６からフィンガー部１４８Ｂと１４８Ｃとの間をカバープレート１４０とは反対方向に延出している。該カウンターウェイト１５０は、取付プレート１４２の扇形部１４２Ｃを貫通していてもよい。カウンターウェイト１５０は、取付プレート１４２によって画定された回転軸の反対側に設けられたカバープレート１４０の質量を相殺する。フィンガー部１４８Ａ〜１４８Ｄおよびカウンターウェイト１５０は、アーマーチャの基部１４６と一体成形されてもよく、磁束は該フィンガー部１４８Ａ〜１４８Ｄから該基部１４６（あるいはその逆）に流れる。アーマーチャ１４４は、一枚の金属材料からそのパーツがスタンピングによって形成され、その後、フィンガー部１４８Ａ〜１４８Ｄおよびカウンターウェイト１５０が所定の位置に折り曲げられる。アーマーチャ１４４は、例えばスチールなどの、磁束伝達材料で構成される。

アーマーチャ１４４の基部１４６は、アーマーチャ１４４全体を回動可能にし、取付けられたカバープレート１４０においてロータ１０４に対してほぼ軸方向の動きを引き起こすことが可能な取付プレート１４２に接続されている。アーマーチャ１４４のほぼ軸方向の動きよって、カバープレート１４０はリザーバ１１２の後部プレート１１２Ａの開口部１３８に向かって、あるいは開口部１３８から離れるように動かされる。アーマーチャ１４４の動きによって、カバープレート１４０の第３部分１４０Ｃがリザーバ１１２の後部プレート１１２Ａに対して２〜３ｍｍ動かされる。

他の実施例において、アーマーチャ１４４は異なる構成であってもよいと考えられる。例えば、フィンガー部の位置と同様、フィンガー部の数も異なっていてもよく、所望の形態であってよい。また、カバープレート１４０、取付プレート１４２、およびカウンターウェイト１５０も図示された実施例の構成とは異なる構成を有していてもよい。

図７は、図１の７−７線に沿って切欠かれたクラッチ１００の断面図である。図７に示すように、アーマーチャ１４４のフィンガー部１４８Ａ〜１４８Ｄは、ロータ１０４に設けられたアーチ状の開口１３４Ａ〜１３４Ｄからクラッチ１００の後側（あるいは駆動側）に向かってそれぞれ突出するよう配置されている。他の実施例においては、磁束伝達安定リング（図示なし）がロータ１０４の後方のフィンガー部の遠位端に固定されていてもよい。このような安定リングはアーマーチャ１４４のフィンガー部１４８Ａ〜１４８Ｄを保持し、磁束を伝導させるために、屈曲を抑えてアーマーチャ１４４の表面部分を拡げるといったことを可能にする。

二部構成のハウジング１０２は、ロータ１０４と係合して回転する時、クラッチ１００からの回転出力を供給する。またハウジング１０２は、ボルト、ネジ、あるいはその他の適切な固定具を用いて互いに固定された前方ハウジングカバー部１０２Ａと、後方ハウジング基部１０２Ｂとを備える。一般的に、ハウジングカバー１０２Ａおよびハウジング基部１０２Ｂはどちらとも、アルミニウムなどの金属材料で構成されている。ハウジング基部１０２Ｂは、ハウジング基部１０２ＢのＩＤ部と軸１１０との間に押付けられて係合した複列軸受装置１６０を有する。該軸受装置１６０はロータ１０４の後面に設けられており、ファンブレード１６８（図２Ａ参照）と実質的に軸方向に並んで設けられていることが好ましい。このような構成において、ハウジング１０２はロータ１０４から独立した状態でその回転が軸１１０に支持されると共に、軸受装置１６０が（作業チャンバー１１４と同様に）ファンブレード１６８と軸方向に並んで設けられ、軸受装置１６０にかかる作動負荷を均衡に保つのに役立つ。軸受負荷が均衡に保たれることによって、軸受の損傷を防いだり、軸受の寿命を延ばしたりするのに役立つ。ロータ１０４が軸１１０に対して回転しないよう軸１１０に固定された状態で、軸受装置１６０によって、二部構成ハウジング１０２とロータ１０４とが相対的に回転できるようになっている。ハウジングカバー１０２Ａおよびハウジング基部１０２Ｂにはそれぞれ、作業チャンバー１１４に対向し、ロータ１０４の前面と後面に設けられた一連の環状リブ１２４と粘性的に係合してクラッチ１００が係合された時に（すなわち、せん断流体が作業チャンバー１１４に導入された時に）トルクを伝達するための、一連の環状リブ（総括的に各リブのまとまりを参照符号１６２で示す）が設けられている。クラッチ１００の動作については後述する。

図７に示すように、ハウジングカバー１０２Ａは、せん断流体中の圧力を高めていくことによってロータ１０４のＯＤ部付近に設けられた作業チャンバー１１４内で局所的に作動する、従来型の動的流体ポンプシステムを備える。せん断流体が作業チャンバー１１４のＯＤ部からリザーバ１１２へと移動するための帰還路１６４が、ハウジングカバー１０２Ａを貫くように設けられている。

ハウジング１０２の外側には、クラッチによって発せられた熱をクラッチの周囲に移動させるための冷却フィン１６６（図１，８および９参照）が備えられている。一般的にハウジング１０２の形成にはアルミニウムが用いられるが、これは、アルミニウムが、クラッチ１００からの熱を放散させるのに役立つ好適な伝熱性を備えているからである。図２Ａに示すように、ファンブレード１６８は、ハウジング１０２に接続され、クラッチ１００が係合された時にハウジング１０２と共に回転するようになっていてもよい（図の簡略化のため、ファンブレード１６８は他の図の中では省略されている）。ファンブレード１６８は、公知の方法でボルトあるいはネジを用いてハウジング１０２に接続された単一のファンブレードアセンブリの一部であってもよい。

図８は、図１の８−８線に沿って切欠かれたクラッチ１００の断面図である。図２Ａ，２Ｂ，７および８に示すように、磁束伝達ハウジングインサート１７０がハウジング基部１０２Ｂ内に配置されており、電磁コイルアセンブリ１０８とバルブアセンブリ１０６の「浮動」アーマーチャ１４４との間の磁気導管として機能する。該ハウジングインサート１７０はスチールで構成されてもよい。磁気伝達ハウジングインサート１７０は、前面の外縁には面取り部１７２と、後端には円周方向に離間された複数の扇形部１７４（図２Ａ，２Ｂ，７および１０参照）と、内側に延出する半径方向のリブ１７６とを有するほぼ円筒状の形状に予め形成されてもよい。ハウジングインサート１７０はハウジング基部１０２Ｂ内に鋳込み成形される。ハウジングインサート１７０の後端に設けられた扇形部１７４によって、成形時にハウジング１０２の材料（例えばアルミニウム）が扇形部１７４に流され、それによってほぼ軸方向の磁束経路を確立しつつ、ハウジングインサート１７０とハウジング基部１０２Ｂとをより確実に接続している。図８に示すように、ハウジングインサートは、コイルアセンブリ１０８のコイルカップ１１６の前面に対して軸方向後側のある位置まで後方に延出しており、コイルカップ１１６との間に半径方向の小さな空隙Ｇ₁を形成している。図２Ａ，２Ｂ，および７の断面図は、扇形部１７４がハウジングインサート１７０へと前方向に延出している位置にて切り欠かれている。このことは、図２Ａ，２Ｂ，および７では図８と比較して（図１０も参照のこと）、ハウジングインサート１７０の軸方向の長さがより短いことから明らかである。半径方向のリブ１７６はハウジングインサート１７０の中央部に設けられ、鋳込み成形を容易にし、ハウジングインサート１７０をハウジング基部１０２Ｂに対して安定させる機能を果たしている。半径方向のリブ１７６およびインサートの扇形部１７４によって、インサート１７０の表面の大部分が露出した状態、すなわち、ハウジング１０２の材料によって覆われていない状態を保ちつつ、ハウジングインサート１７０がハウジング１０２に対して固定されるようになっている。

図７に示すように、アーマーチャ１４４のフィンガー部１４８Ａおよび１４８Ｃは、ほぼ半径方向の小さな空隙Ｇ₂によって離間された、磁気伝導ハウジングインサートの領域に配置されている。磁束は、ハウジングインサート１７０とアーマーチャ１４４との間を、空隙Ｇ₂を横切って通る。磁束の作用によってアーマーチャ１４４が移動すると、アーマーチャのハウジングインサート１７０に対する相対配向は変化するが、空隙Ｇ₂はほぼ半径方向に配向された状態に保たれる。

図２，７および８に示すように、ほぼディスク状に形成された磁極プレート１７８は、軸１１０の前端１１０Ｆに（例えばプレス加工やローレット加工による接続によって）取付けられている。磁極プレート１７８はロータ１７８の前方全体に位置しており、ロータ１０４のどの部分にも貫通していない。磁極プレート１７８は、軸１１０およびロータ１０４と共に回転するよう固定されているが、アーマーチャ１４４の様には移動的ではない。磁極プレート１７８はスチールなどの磁束伝達材料で構成されており、アーマーチャ１４４と軸１１０との間の磁力導管として機能する。また、アーマーチャ１４４が電磁力によって磁極プレート１７８の方向に誘引された時（すなわち、アーマーチャ１４４が磁極プレート１７８に接触してアーマーチャ１４４の動作範囲が制限される時）、この磁極プレート１７８はアーマーチャ１４４のストップとしても機能する。クラッチ１００が完全に解放された時（全図に図示のように）、アーマーチャ１４４の基部１４６は磁気的に誘引され磁極プレート１７８と物理的に接触する。クラッチ１００が係合した時には、磁極プレート１７８とアーマーチャ１４４との間に、実質的に軸方向の小さな可変空隙Ｇ₃（図示なし）が存在する。以下に詳述の通り、実質的に軸方向の空隙Ｇ₃のサイズは可変である。

作動中、クラッチ１００の中に存在する流体によって、アーマーチャ１４４が磁極プレート１７８に粘着してしまい、クラッチの応答時間を不要に低下させてしまうことがある。その問題を軽減するため、磁極プレート１７８の後面は、随意に織目状（すなわち、非平滑）、あるいは隆起状（例えば、突出したリベットヘッド）にして、アーマーチャ１４４が磁極プレート１７８に粘着してしまうのを防いでもよい。または、あるいはそれに加えて、同じ目的で、アーマーチャ１４４の前面を織目状あるいは隆起状にしてもよい。

さらに、図２Ａ，２Ｂ，７および８に示すように、磁束ガイドスリーブ１８０が、軸受装置１６０の後方に軸１１０に設けられ、軸１１０と電磁コイルアセンブリ１０８のコイルカップ１１６との間に半径方向に配置されている。該磁束ガイドスリーブ１８０はハウジング１０２の軸受装置１６０と電磁コイルアセンブリ１０８の軸受装置１２０との間に軸方向に配置されている。磁束ガイドスリーブ１８０は、前方に面取りされた外端１８０Ａを有する、ほぼ円筒状に形成されている。磁束ガイドスリーブ１８０は磁束伝達性の材料（例えばスチール）で構成され、軸１１０と電磁コイルアセンブリ１０８との間に磁束を流すことが可能である。小さな半径方向の空隙Ｇ₄が、磁束ガイドスリーブ１８０およびコイルカップ１１６を離間している。

前述の構成から、クラッチ１００の磁束回路がわかる。電流がコイル１１８を流れると、電磁コイルアセンブリ１０８は磁束を発生させることができる。コイルアセンブリ１０８からの磁束は、半径方向の空隙Ｇ₁を通ってコイルカップ１１６からハウジングインサート１７０へと流れる。ハウジングインサート１７０を軸方向に流れた後、磁束は、ほぼ半径方向の空隙Ｇ₂を通ってバルブアセンブリ１０６のアーマーチャ１４４のフィンガー部１４８Ａ〜１４８Ｄへと流れる。磁束は、フィンガー部１４８Ａ〜１４８Ｄを通り、アーマーチャ１４４の基部１４６へと流れる。コイルアセンブリ１０８に電気が供給されておらずコイルアセンブリ１０８が磁束を発生させていない時には、デフォルトで、アーマーチャ１４４は磁極プレート１７８から離間するように付勢され、また、磁束はアーマーチャから磁極プレート１７８へと流れるよう、可変でほぼ軸方向の空隙Ｇ₃を必ず通るようになっている。コイルアセンブリ１０８からの磁束は、アーマーチャ１４４に作用してアーマーチャ１４４が磁極プレート１７８と接するようにアーマーチャ１４４を磁極プレート１７８の方向に回転させて軸方向の空隙Ｇ₃を閉鎖させる電磁力を発生させる。磁極プレート１７８によって、アーマーチャ１４４と軸１１０の前端１１０Ｆとの間の磁束回路を持続している。そして、軸１１０は磁束をクラッチ１００の後側（すなわち駆動側）へと流す。その後、磁束は軸１１０から磁束ガイドスリーブ１８０を介して半径方向の空隙Ｇ₄を通って、電磁コイルアセンブリ１０８のコイルカップ１１６へと戻り、該磁束回路は完結する。

クラッチ１００の動作は、概して以下のようになる。バルブアセンブリ１０６のカバープレート１４０はデフォルトで、リザーバ１１２の後部プレート１１２Ａにおける開口部１３８を開放するよう（すなわち、クラッチ１００が係合される「オン」の位置つまり開位置に）付勢されるように構成されている。このような構成により、せん断流体がリザーバ１１２から作業チャンバー１１４へと流動可能となっている。作業チャンバー１１４に存在するせん断流体は、ロータ１０４とハウジング１０２とを摩擦的に係合させることによってトルクを伝達する。瞬間的に伝達されるトルクの割合は、作業チャンバー１１４の内のせん断流体の量に応じて変化する。

バルブアセンブリ１０６は、電磁的に作動され開口部１３８を閉鎖する。電磁コイルアセンブリ１０８が励磁されると、コイル１１８によって磁束が発生し、磁束回路を流れアーマーチャ１４４を磁極プレート１７８の方向に移動させて、カバープレート１４０をリザーバ１１２の後部プレート１１２Ａにおける開口部１３８の方向に移動させる。このようにして、コイルアセンブリ１０８を励磁させることによって、開口部１３８を更に覆ってクラッチ１００を解放し、せん断流体がリザーバ１１２から作業チャンバー１１４に流動するのを制限あるいは防止する。

上述のとおり、半径方向の流路１２８はロータ１０４の前方に、カバープレート１４０およびリザーバ１１２の後部プレート１１２Ａの開口部の位置と相対して形成されている。リザーバ１１２の後部プレート１１２Ａの開口部１３８を開放および閉鎖するために、カバープレート１４０が軸方向に移動するスペースが、半径方向の流路１２８によって提供できる。また、半径方向の流路１２８および溝１３０は共に、リザーバ１１２からの開口部１３８とロータ１０４のＯＤ部付近の開口部１２６Ａとの間に流路を形成している。このように、せん断流体の作業チャンバー１１４への流入は、ロータの軸方向のほぼ中心に配置され、また環状リブ１２４（および１６２）に対して半径方向のほぼ中心に配置された流出口を提供する、流体開口部の一つ（例えば流体開口部１２６Ａ）において起こる。当該流出口をロータ１０４の軸方向の中心あるいは中心付近に配置することによって、ロータの前面及び後面の両方からほぼ同時にせん断流体を作業チャンバー１１４に供給することが可能になると共に、ロータ１０４のＯＤ部付近の環状リブ１２４の中においてもせん断流体を作業チャンバー１１４へと供給することが可能となる。せん断流体をロータ１０４のＯＤ部付近およびロータ１０４の両面において同時に作業チャンバー１１４に供給することは、クラッチの応答時間を向上させるのに役立つ。

作動中、流体帰還路１６４を備える流体ポンプシステムは、せん断流体を作業チャンバー１１４からリザーバ１１２へと戻す。せん断流体は、作業チャンバー１１４からリザーバ１１２へと基本的に連続的に供給される。単にバルブアセンブリ１０６を開位置に保持し、より多くのせん断流体をリザーバ１１２から作業チャンバー１１４へと移動（すなわち帰還）させることによって、クラッチ１００は係合状態に保持される。逆にいえば、バルブアセンブリ１０６を完全な閉位置に移動させ、せん断流体が作業チャンバー１１４から帰還させないようにすることによって、作業チャンバー１１４を効果的にせん断流体が排出された状態にすることが可能である。

他の様々な制御体系を用いてクラッチ１００を作動させることも可能である。実施例の１つにおいて、コイルアセンブリが選択的に励磁された時にバルブアセンブリ１０６が完全な開位置（デフォルト位置）あるいは完全な閉位置に保持されるよう、電磁コイルアセンブリ１０８を粗放なオン／オフ形式で励磁してもよい。

別の実施例において、コイルアセンブリ１０８は、電子エンジン制御装置（図示なし）からのパルス幅変調（ＰＷＭ）信号を用いて励磁される。ＰＷＭ信号によって、リザーバ１１２から流出するせん断流体の平均量を動的に変化させることが可能となる。ＰＷＭ信号によって、コイルアセンブリ１０８は長時間にわたってパルス状に磁束を発生させる。ＰＷＭ信号のパルス幅（すなわち継続時間）と周波数とに応じて、バルブアセンブリ１０６は、長時間にわたって、開口部１３８を介してリザーバ１１２から作業チャンバー１１４へと流されるせん断流体の量を可変的に調節することが可能である。すなわち、ＰＷＭ信号によってコイルアセンブリ１０８はバルブアセンブリ１０６を開閉し、バルブアセンブリ１０６が開放される平均時間によってリザーバ１１２から流出するせん断流体の平均量が決定される。ＰＷＭ信号のパルス幅および／または周波数が大きいほど、バルブアセンブリ１０６は平均してより大きく閉じられ、より少ない平均量のせん断流体が作業チャンバー１１４へと流れる。このようなＰＷＭ制御体系によって、単に粗放なオン／オフ形式ではなく、ロータ１０４および軸１１０の回転速度が０％から約１００％のどの速度であってもハウジング１０２（および取付けられたファンブレード１６８）が回転可能なように、クラッチ１００を選択的に変速可能な速度にて作動させることができる。ＰＷＭ信号の周波数は、約０．５〜５Ｈｚが好適である。

電磁アクチュエータシステムにおける小型のストロークアクチュエータでは、開位置と閉位置との間にアーマーチャ１４４の安定した位置を得ることができないため、アーマーチャ１４４は限界末端位置（すなわち完全な開位置あるいは閉位置）の一方に傾いてしまう。従って、アーマーチャディスクがデューティサイクル毎に当該末端位置に達するよう、ＰＷＭ周波数は比較的低く設定されなければならない。しかし、ＰＷＭ信号の個々のパルスに応じてファンの速度が変化すると、ファン１６８（およびハウジング１０２）の速度の変化によって不要な可聴ノイズの変動が起こるため、ＰＷＭ周波数が低すぎるのは好ましくない。よって、約２Ｈｚ程度のＰＷＭ信号の周波数が好ましい。

尚、小さな空隙Ｇ₃は磁束の最大量を制限し、ひいては、コイルアセンブリ１０８の電源が切られた時には除去される必要がある装置の磁気エネルギーの最大量を制限する。より大きな空隙Ｇ₃を用いると、バルブアセンブリ１０６の応答時間は向上するが、バルブアセンブリ１０６を移動させるための獲得可能な磁力はわずかに減少する。従って、空隙Ｇ₃はクラッチ１００の他の設計特性を考慮したものであるべきである。

電磁的に作動される粘性クラッチを作動させることに関する問題は、このようなクラッチの構成には、磁束回路に近接して変圧器を効果的に形成しようとしたことの意図しない結果が表れてしまっている場合があるということである。アルミニウムは、比較的軽量で、安価で、成型可能で、常磁性体であり、また、好適な強度と熱伝導特性を有するため、クラッチの構成要素に用いられる一般的な材料である。しかし、アルミニウムは電気伝導が可能なため、ハウジング１０２および／あるいはロータ１０４の磁束回路に隣接する部分は、二次巻線としての機能を効果的に果たすことが可能である。アルミニウム内の渦電流が熱として分散するには比較的長い時間がかかる。これがアーマーチャ１４４の動きに影響し、バルブアセンブリ１０６を開位置あるいは閉位置に保持することによって、クラッチ１００の応答時間を不要に遅くしてしまう可能性がある。渦電流の影響は、クラッチの応答時間に多大な影響を及ぼし、その影響はアーマーチャ１４４の質量よりもさらに大きな影響であることが分かっている。このことは、クラッチ１００がＰＷＭ制御体系を用いて制御される場合には特に好ましいものではない。クラッチ１００への渦電流の影響は、コイルアセンブリ１０８がアーマーチャ１４４を閉位置からデフォルトの開位置へと付勢すべく磁束の供給を停止する（すなわち電源が切られた）時、ほぼ最大となる。これは、アーマーチャ１４４を閉位置に保持するのに要する磁束は、アーマーチャ１４４を開位置から閉位置へと移動させるのに要する磁束よりも少ないからである。

渦電流の問題を軽減するために、クラッチ１００は、磁束回路の付近に渦電流低減機構を備えていてもよい。実施例の１つにおいて、該渦電流低減機構は、ハウジング基部１０２Ｂにおいて遮断パターンを形成する、特殊なハウジングの形状を備えている。図９はクラッチ１００のハウジング基部１０２Ｂが単独で示された背面図である。図１０はハウジング基部１０２Ｂの一部分の斜視断面図である。図８，９および１０に示すように、円周上に等間隔で離間された１２個の扇形部１９０が、ハウジング基部１０２Ｂの後面（駆動面）においてハウジング１０２のＩＤ部付近に凹部を形成している。該扇形部１９０は、磁束回路の内側に対して配置されるよう、ハウジングインサート１７０の半径方向内向に形成されている。該扇形部１９０は、後方に大きく開口し、ハウジング基部１０２Ｂの前面に向かって狭められた開口部を有する涙滴状の形状に構成されている。しかし、該扇形部１９０は、他の実施例において異なった形状や構成を有していてもよい。扇形部１９０は、磁束回路に近接して配置された材料の量を減らすよう機能する。より具体的には図８に示すように、扇形部１９０は、磁束回路の内側にある軸１１０にほぼ軸方向に隣接した位置において閉リングを形成して、ハウジング１０２の導電材料の量を減らし、渦電流の伝導を減少させる。

また、特殊な渦電流低減機構は、ハウジング基部１０２Ｂの前面に形成要素を備えていてもよい。図１１は、前方から示されたハウジング基部１０２Ｂの一部の斜視断面図である。図１０および１１に示すように、前方扇形部１９２はハウジング基部１０２Ｂの前面に形成されている。円周上に等間隔で離間された１２個の前方扇形部１９２は、扇形部１９２の前面が、ハウジングインサート１７０とハウジング基部１０２ＢのＩＤ部との間の軸受装置１６０が配置されている場所に半径方向に設けられた環状流路１９４に沿って配置されるよう、ハウジング基部１０２ＢのＩＤ部付近に配置されている。前方扇形部１９２は、ハウジング基部１０２Ｂの後面の扇形部１９０と並ぶよう配置されている。このようにして、扇形部１９０および１９２は磁束回路に近接する導電材料の量を減らしている。隣接する扇形部１９０および１９２の間にはリブ状の構造が形成されており、ハウジング１０２に十分な機械的強度を与えるのに役立っている。

同様に、ロータ１０４は、クラッチ１００における渦電流を低減する電気遮断機構を磁束回路に近接して形成する特殊な形状を有するよう形成されていてもよい。このような渦電流低減機構は、ハウジング１０２の渦電流低減機構と合わせてあるいはその代りに形成されてもよい。

他の実施例において、渦電流低減機構は、クラッチ１００の磁束回路付近で使用される特殊材料である。ハウジング基部１０２ＢのＩＤ部とハウジングインサート１７０が配置される位置付近との間のハウジング基部１０２Ｂの一部、ハウジング基部１０２Ｂ全体、あるいはハウジング１０２全体が、クラッチ１００の磁束回路付近の渦電流の伝導を低減させるために、マグネシウムなどの伝導性の低い常磁性体であってもよい。同様に、他の実施例において、ロータ１０４、あるいはロータ１０４の一部は、マグネシウムなどの非導電材料で構成されてもよい。このようなマグネシウムなどの特殊な材料を用いることによって、このような特殊な材料を用いない場合に磁束回路の付近で発生する渦電流を抑制し、ひいてはクラッチの応答時間の向上に役立つ。

本発明が、多数の利点を有する効率的、効果的かつ信頼性のある粘性クラッチを提供するということが認められるであろう。例えば、本発明のクラッチは、ロータと共に移動するよう構成されたリザーバを備えることが可能であり、このような構成によって、リザーバのバルブアセンブリが開放された時に運動（回転）エネルギーがせん断流体に伝達され、せん断流体がより速く作業チャンバーに供給される。せん断流体をロータのＯＤ部付近で供給するだけでなく、流体をロータのほぼ軸心を介して前方と後方の両方からほぼ同時に分散させて作業チャンバーに供給することによって、せん断流体の作業チャンバーへの供給は向上され、速められている。また、本発明のクラッチにより、比較的空隙の少ない磁束回路を介した効率的な磁束の伝達が可能になる。必要な空隙はわずか４つであり、空隙の数がより多い場合に起こる磁力の損失を防ぐ。また、本発明のクラッチにおける空隙は、概してより半径方向に向けられて配置が可能であり、軸方向に向けられた空隙と比較すると、半径方向の空隙によって、概してより一貫性のある正確な許容差が得られる。さらに、本発明のクラッチは、磁束回路の不要な性能損失を軽減するため、渦電流低減機構を備えていてもよい。前述した利点は全て、クラッチが入力側と出力側の係合の度合をどれだけ早く調節できるかを測る目安である、クラッチの応答時間を向上させるのに役立つ。良好なクラッチの応答時間は、クラッチを動的にまた可変的に係合させるためにＰＷＭ制御体系を用いてクラッチを制御する場合には、特に重要である。前述した利点に加えて、本発明のクラッチの構成は、組立や修理のための解体を容易にしている。

実施例を用いて本発明を説明したが、本発明の要旨および範囲を逸脱することなく、形式上および詳細にわたって変更可能であることは、当業者の認識するところである。例えば、本発明のクラッチの特定の構造及び構成は、特定の用途に合わせて変更可能である。

本発明の粘性クラッチの背面図である。 図１の２−２線に沿って切欠かれた粘性クラッチの断面図である。 図２Ａに示された断面図の一部の拡大図である。 図１の２−２線に沿って切欠かれた粘性クラッチの一部の斜視断面図である。 図１〜２Ｃの粘性クラッチのロータの正面図である。 図１〜２Ｃの粘性クラッチのバルブアセンブリの斜視図である。 図４のバルブアセンブリの背面図である。 図５の６−６線に沿って切欠かれたバルブアセンブリの断面図である。 図１の７−７線に沿って切欠かれた粘性クラッチの断面図である。 図１の８−８線に沿って切欠かれた粘性クラッチの断面図である。 図１〜２Ｃ、７および８の粘性クラッチのハウジングの背面図である。 図９のハウジングの一部の斜視断面図である。 図９および１０のハウジングの一部の前面の斜視断面図である。

Claims (22)

1. 電磁的に作動される粘性クラッチアセンブリのバルブアセンブリであって、該バルブアセンブリは、
   リザーバの開口部を選択的に覆うよう構成された座部を画定するカバープレートと、
   柔軟な取付プレートと、
   磁束の作用によって移動可能となり、前記リザーバの前記開口部に対して前記カバープレートを移動させるアーマーチャであって、前記カバープレートおよび前記取付プレートに接続された基部と、前記基部から延出するフィンガー部であって、該フィンガー部および前記基部は磁束を伝達させるための流路を画定するフィンガー部とを備えるアーマーチャと
   を備えたことを特徴とするバルブアセンブリ。
2. 前記フィンガー部は前記アーマーチャの前記基部からほぼ９０°で延出することを特徴とする請求項１に記載のバルブアセンブリ。
3. 前記アーマーチャの前記基部はほぼ環状に構成されていることを特徴とする請求項１に記載のバルブアセンブリ。
4. 前記取付プレートは、前記バルブアセンブリの前記アーマーチャをデフォルトで開位置へと付勢させるバネ付勢を行うことを特徴とする請求項１に記載のバルブアセンブリ。
5. 前記取付プレートは、第１および第２取付突出部を備えることを特徴とする請求項１に記載のバルブアセンブリ。
6. 前記第１および第２取付突出部は、それぞれほぼアーチ状の形状を有することを特徴とする請求項５に記載のバルブアセンブリ。
7. 前記取付プレートは更に、前記第１および第２取付突出の間に配置された扇形部を備えることを特徴とする請求項６に記載のアセンブリ。
8. 前記カバープレートおよび前記取付プレートは、前記アーマーチャの前記基部に互いに対して反対側に接続されていることを特徴とする請求項１に記載のアセンブリ。
9. 前記取付プレートは、前記クラッチの回転力入力部材と共に回転するよう構成されたことを特徴とする請求項１に記載のバルブアセンブリ。
10. 前記バルブアセンブリは、前記アーマーチャの前記基部から延出する１つあるいはそれ以上の追加のフィンガー部であって、全て互いに円周方向に離間されているフィンガー部を備えることを特徴とする請求項１に記載のバルブアセンブリ。
11. 合計で４つのフィンガー部を備えたことを特徴とする請求項１０に記載のバルブアセンブリ。
12. 前記カバープレートは、
    前記アーマーチャに接続された第１部分と、
    前記第１部分からほぼ直角に延出する第２部分と、
    前記第２部分から、前記アーマーチャの前記基部が配置される平面に向かって、ほぼ直角に延出する第３部分であって、前記カバープレートの前記座部を画定する第３部分と
    を備えることを特徴とする請求項１に記載のバルブアセンブリ。
13. 電磁的に作動される粘性クラッチアセンブリであって、
    回転可能な軸と、
    該回転可能な軸に取付けられたロータであって、前面および後面を有するロータと、
    該ロータを囲むハウジングと、
    該ロータと該ハウジングとの間に画定された作業チャンバーと、
    前記ロータの前記前面および前記後面の間に延出する少なくとも１つの部分を有するよう構成されたアーマーチャであって、前記作業チャンバーへの流体の流れを制御し、前記ロータと前記ハウジングの粘性的な係合を選択的に制御するために回転軸回りに回転可能であるアーマーチャと
    を備えたことを特徴とするクラッチアセンブリ。
14. 前記アーマーチャは、環状の基部を備えることを特徴とする請求項１３に記載のアセンブリ。
15. 前記アーマーチャの前記基部は、前記ロータの前記前面全体に配置されていることを特徴とする請求項１４に記載のアセンブリ。
16. 前記アーマーチャは更に、前記環状の基部から延出している少なくとも１つのフィンガー部を備えたことを特徴とする請求項１４に記載のアセンブリ。
17. 前記少なくとも１つのフィンガー部は、前記ロータに設けられた少なくとも１つの対応する開口部を介して、前記ロータの前記前面および前記後面の間に延出していることを特徴とする請求項１６に記載のアセンブリ。
18. ４つのフィンガー部が前記環状の基部から延出していることを特徴とする請求項１６に記載のアセンブリ。
19. 前記アセンブリは、前記アーマーチャに取付けられたカバープレートを備えることを特徴とする請求項１３に記載のアセンブリ。
20. 前記アセンブリは、前記カバープレートとは反対側に前記アーマーチャに取付けられた取付プレートであって、板バネとして機能する取付プレートを備えることを特徴とする請求項１９に記載のアセンブリ。
21. 前記アセンブリは、前記ロータに取付けられたリザーバを備えることを特徴とする請求項１３に記載のアセンブリ。
22. 前記アーマーチャは前記ロータと共に回転するようロータに固定されるよう構成されたことを特徴とする請求項１３に記載のアセンブリ。

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