JP4298999B2 - 磁気作動摩擦制動器 - Google Patents

Description

【０００１】
発明の技術分野
本発明は受動制動器に関し、さらに詳しく言えば、本発明は摩擦の垂直方向の力が第１と第２の制動部材の間の磁気吸引によって与えられる摩擦制動器に関する。
【０００２】
発明の背景
摩擦制動器は、受け入れられる部材動きを発生するために部材の並進または回転エネルギーを消すために一般に摩擦力を可動部材に加える。
従来技術の摩擦制動器は、一般にコーコラン（Ｃｏｒｃｏｒａｎ）その他の米国特許第５，２５７，６８０号およびソーン（Ｔｈｏｒｎ）の米国特許第４，９５７，２７９号に記載されている形式の表面効果制動器からなっている。表面効果制動器は、運動エネルギーを熱に変換するために弾性要素を動かすことによって並進または回転のエネルギーを消散することによって作動する。この種の従来の制動器は、一般に内壁を有するハウジングとハウジングを通して移動可能な弾性体部材から構成されている。内壁と弾性体部材の間の干渉によって摩擦制動を生じる。
【０００３】
さらに、供給される制動力を正確に制御するために制御可能な流体を利用する摩擦制動器によって摩擦制動を可動部材に供給してもよい。この種の装置は、磁気流動学的（ＭＲ）流体装置として公知技術であり、ＭＲ装置の例は、カールソン（Ｃａｒｌｓｏｎ）ほかの共通に譲渡された米国特許第５，２８４，３３０号およびやはりカールソンほかの第５，２７７，２８１号に見出すことができる。ＭＲ装置は、回転動作または線形動作という動作の種類があり、この種の制動器は、液体キャリヤの中に分散した細かい軟磁性粒子からなる制御可能なＭＲ流体を用いている。ＭＲ流体は、充分な強度の磁界に曝されていると、ときには見掛けの粘度変化と言われることのある「沈澱濃縮」挙動（流動学変化）を呈する。
【０００４】
ＭＲ流体に加えられている磁界強度が高ければ高いほど、特定のＭＲ装置で達成できる制動力が高い。多くの用途において制動を与えることに効果的であるが、従来の表面効果制動器とＭＲ摩擦制動器には多くの欠点がある。第１に、従来の制動器は、温度変化と熱膨張に敏感である。従来の制動器がかなりの温度の増減を受けると、ＭＲ流体の粘性が影響を受け、その結果流体粘性の変化が供給される制動力に影響を及ぼす可能性がある。この種の温度変化は、また、エラストマ制動要素の特性に影響を及ぼすことがあり、エラストマ制動要素に収縮または膨張して寸法変化を受けることがある。制動要素の寸法または特性の変化は、表面効果摩擦制動器によって与えられる制動力を変える。
【０００５】
表面効果制動がハウジングと弾性体要素の間の入念に計算された干渉によって与えられる。ＭＲ装置においては、有効制動は、ハウジングとピストン部材の間に正確に定められた間隔寸法を維持することによって確実にされる。ＭＲ流体は、定められた間隔の中を流れる。前述の結果として、従来の制動器が寸法の狂いに非常に敏感であり、従来の摩擦制動器が有効制動力を与えるためには、許容誤差を厳しく維持する必要がある。しかし、長きにわたって制動器が何回も反復使用されることで、可動制動器構成要素間の臨界許容誤差が失われることが多く、部品許容誤差の狂いは摩擦制動器によって与えられる力に悪い影響を及ぼす。最後に、従来の摩擦制動器は、組立てるのが困難であることがあり、特定の範囲の材料だけがこの種の従来の摩擦制動器に使用するために受け入れられる。
【０００６】
前述のことは、現在の装置および方法にあると知られている限界を例示している。したがって、上述の限界のうちの一つ以上を克服することに向けられた代替物を提供することは有益であることは明瞭である。したがって、以下により完全に開示される特徴を備える適当な代替摩擦制動器を提供する。
【０００７】
発明の概要
これは、温度変化または構成部品間の許容誤差に影響を受けない有効制動力を与え、容易に組立てられて、様々な材料から作られる構成要素を組み込める摩擦制動器を提供する本発明によって達成される。
【０００８】
本発明の一態様において、これは本発明の摩擦制動器によって達成される。この制動器は、中に空洞を形成されているハウジングと、前記空洞内に配置されて前記空胴内で移動可能な第１部材と、前記空胴に配置されている第２部材と、第１と第２の部材の間にあって第１部材と摩擦係合状態になる中間部材と、第１と第２の部材に磁気的に連結し、それによって第１部材を中間部材と摩擦係合状態に維持するように取り付けられた少なくとも一つの磁界発生装置を備え、第１部材は制動力を生成するために中間部材に抗して移動可能である。
【０００９】
第２部材は、第１部材と共に移動可能である。第１部材を変位させる前に、第１と第２の部材は整列配置される。第１部材が最初に変位させられるとき、第２部材はある距離だけ第１部材より遅れて、次に、第１と第２の部材が事実上整列配置されるように第１部材の方へ引っ張られる。あるいは、第２部材は固定されてもよい。両方の場合に、第１と第２の部材は磁気的に連結され、その結果、可動制動器部材間のスティクションは制動力の滑らかな開始を与える本発明の制動器によって除去される。
【００１０】
なお、代替実施態様において、第１と第２の部材と中間部材がハウジング内に置かれなくてもよい。この種の実施態様において、中間部材の端は、固定されている。
【００１１】
前述およびその他の態様は、添付図面とともに考慮すると、本発明の以下の詳細な説明から明らかになる。
【００１２】
好ましい実施例の詳細な説明
次に同様な部品がいくつかの図において同じ番号によって示されている図面を参照すると、図１‐５は第１実施例摩擦制動器１０を開示している。
【００１３】
摩擦制動器１０は、内部ハウジング表面１６とハウジング空胴１７を画成するハウジング壁１４を備えた細長い、管状ハウジング１２を備えている。ハウジングは、プラスチックのような非金属材料でできているのが最も好ましく、そして、ハウジングが円形の横断面を有する管状であるとして図示され説明されているが、ハウジングが例えば矩形または正方形の構成のようなどんな適当な断面のものであってもよいと理解されるべきである。
【００１４】
ハウジングは第１のハウジング端１８および第２のハウジング端２０を含み、両端はそれぞれの第１および第２のエンド・キャップ２２および２４によって閉じられている。エンド・キャップのうちの少なくとも一つは、そのそれぞれのハウジング端に着脱自在に取り付けられる。本発明の好ましい実施例を説明するために、エンド・キャップ２４は第２のハウジング端２０に固定され、エンド・キャップ２２は、ねじ連結、締まりばめ、または他の従来の取り外し可能な取付け手段によって第１のハウジング端１８に着脱自在に取付けられる。エンド・キャップ２２は、シャフト２８がハウジング空胴から外側に伸びる孔２６を備え、シャフト端３０が例えば、玩具、触覚型装置、自動車ドアまたは洗濯機などの電気機器の可動構成要素に接続できるようになっている。ブラケット３２はエンド・キャップ２４と一体に作られ、ブラケットは、制動器１０の動作の間、第２のハウジング端を固定する手段として働いている。
【００１５】
長手方向に伸びている向かい合ったスロット３４と３６がハウジング壁１４の内面に沿って設けられ、スロットは、ハウジング端１８と２０で開いている。スロット３４と３６は、中間部材４０の長手縁部を受けるように構成されている。説明が更に進むにつれて、中間部材は、また、中間摩擦層ということがある。部材４０の長手縁部をスロット３４と３６の中に置くと、部材４０は、空胴１７を直径方向に横切って伸びて、より大きな空胴をより小さな第１の空胴１７ａおよび第２の空胴１７ｂに分ける。図１と３を参照のこと。中間摩擦層４０は、様々な非磁性材料、例えばポリエチレンまたはその他のプラスチック、ステンレス鋼、黄銅、積層品または自動車用のブレーキパッドに使用する複合材料から作られてもよい。
【００１６】
本発明の摩擦制動器１０は、摩耗と寸法公差に影響を受けない。摩耗またはゆるい製作公差による摩擦層４０の厚さの変動が制動器の性能にほとんど影響を及ぼさないのは、例えば表面効果制動器のような他の摩擦制動器におけるように、第１および第２の摩擦要素５０と６０の垂直摩擦力荷重が寸法的に決められているのでないからである。したがって、中間部材４０の大部分が時間とともに摺り減ったとしても、要素５０と６０間の垂直荷重力は影響を受けないであろう。
【００１７】
第１部材５０は、空胴１７ａ内にあって、従来の方法でシャフト２８の一端に接続されている。シャフトは部材５０の非磁性座部５２に接続されており、座部は座部内に並べて置かれている一対の永久磁石５４ａ、５４ｂを支えている。座部は、例えばプラスチックまたはアルミニウムなどの任意の適当な非磁性体で作られてもよい。図２と３に示されるように、部材５０が空胴１７ａ内にあるとき、座部は中間部材４０と常に摩擦係合する位置にあってその状態にあり、磁石５４ａ、５４ｂは、ふるい落されるのを磁石に引きつけられる金属製の保磁子プレート５６によって防止されている。磁石の変位を防止することのほかに、プレート５６は信頼性が高く一定した磁界を生じるように磁気回路７０を閉じる。シャフト２８が矢印１００と１０２によって示される方向のどちらかに軸方向に動かされると、部材５０は、同じ軸方向に動かされ、座部と磁石は、部材４０との摩擦係合状態に維持される。
【００１８】
第２部材６０は、空胴ｌ７ｂ内に置かれて、磁気的に部材５０に連結されている。磁気結合は、磁界７０の破線のフォント表示によって表されている。第１部材５０と同様に、第２部材６０は、座部６２内に支えられて並んでいる磁石６４ａ、６４ｂを備えている。保磁子プレート６６は、座部の片側に沿って磁石を覆っている。図２に示されるように、磁石５４ａ、５４ｂおよび６４ａ、６４ｂは、それらの南北極が連結器の磁界７０を生じるのに必要な方法で配向されるように、それらのそれぞれの座部内に支えられる。保磁子プレート５６と６６は、磁気結合回路を完成する。このようにして、部材５０と６０は中間部材４０によって相互に引きつけられる。部材６０が空胴１７ｂ内に位置するとき、座部６２は常に部材４０と摩擦係合状態にある。以下に更に詳細に説明するように、第２部材６０は、おおむね矢印１００と１０２によって示される方向に動き、第１部材５０の動きに従う。
【００１９】
本発明の摩擦制動器は、説明された制動器が有効制動を与えるためには開示された特定の水平配向にある必要がないと理解されなければならない。
【００２０】
図３において、空胴１７ａは上側空胴として示され、空胴ｌ７ｂは下側空胴として示されているが、空胴１７ａと１７ｂの配向は、空胴１７ｂを上側空胴とし、空胴１７ａを下側の空胴として逆にすることができるだろうし、またはハウジングは、図３の位置からどんな角度へも回すことができるだろう。
【００２１】
摩擦制動器１０の動作を次に説明する。簡単にするために、説明が進むにつれて、制動器１０の動作は、第２部材６０が矢印１００の方に動くときに関して説明される。しかし、制動器１０が図２に示される矢印１０２の方へ動かされる場合も同じに動作すると理解して欲しい。
【００２２】
制動器が組立てられたあと、端２４がブラケットを介して固定され、シャフト端３０が対象となっている可動物体に接続される。制動器が組立てられると、第１および第２の部材５０と６０は磁気的に連結されて、磁界７０によって部材４０の表面にもたれて維持される。
【００２３】
ここで図４と５に戻ると、第２部材６０は、図４に示されているように磁石５４ａ、５４ｂと６４ａ、６４ｂの間の磁気吸引のために第１部材５０と整列配置しようとする。第１部材５０が矢印１００の方に中間部材４０に沿って軸方向に動くにつれて、第２部材６０は、第１部材５０より遅れるかまたは第１部材５０から部分的に切り離されやすい。図５を参照されたい。第２部材６０の遅れは、図５において距離Ｘによって表されている。これは、第１と第2の部材５０と６０が磁気ばねによって効果的に連結されているからである。シャフト２８が第１部材５０に直接接続されているが、第２部材６０は、事実上磁気ばねに連結されている。したがって、第２部材が第１部材の動きに従い始める前に、磁気ばねは、第１部材の摩擦を克服するのに十分な力をあたえるようにまず十分に変位されなければならない。一旦第２部材が第１部材の摩擦に打克つと、第２部材６０は、第１と第２の部材が事実上整列配置となるまで第１部材の方へ急速に引かれる。第１部材が移動し続けると、第２部材は、比較的小さい遅れ距離Ｙだけ第１部材より遅れる。図４を参照されたい。
【００２４】
第１と第２の部材のこの部分的な分離は、制動器の「感触」に関してかなりの利点を与える。部分的な分離は、摩擦制動器と通常関連するスティックスリップ（固着すべり）の大部分を改善する。この種のスティックスリップは、当業者によってスティクションと呼ばれている。従来の摩擦制動器におけるスティクションの効果は、図６にグラフで例示されている。従来の制動器によって与えられる制動力は、スティクションがあるために生じる動きに対する抵抗の結果として、最初は高く、それから一旦制動要素が図６の位置Ａでスティクションの力に打克つと、制動器の力は、その動作レベルまで下げられる。図７は、制動器の力がその動作レベルに達するまで、力の滑らかな、スティクションのない増加を与える本発明の制動器をグラフで例示する。図７内にＢと記されている点を参照されたい。
【００２５】
第２の実施態様の摩擦制動器２００が図８と９に例示されている。第２の実施態様の摩擦制動器２００は、可動第２部材６０を除いて摩擦制動器１０を構成している要素の全てを備えている。第２の実施態様の摩擦制動器は、ハウジングの長手方向寸法全体にわたる固定第２部材２０５を備えている。この第２部材は、部材の下側縁がハウジング壁の内面に支えられた状態でチャンバ内に置かれている。図９を参照のこと。
【００２６】
第３の実施態様の摩擦制動器３００が図１０に例示されている。第３の実施態様の摩擦制動器は、ハウジングの縦の長さを延ばす中間部材２１０を除いて、第２の実施態様摩擦制動器２００の要素の全てを備えている。むしろ、第３の実施態様の摩擦制動器３００において、中間部材は、第１の座部５２の下側に取付けられて、第１部材５０が第２部材に対して動かされると、座部と一緒に動くことができる。部材２１０は、接着剤またはその他の普通の手段によって取付けられている。別の実施例では、摩擦制動器は、座部５２の下側に沿う摩擦層２１０および第２部材２０５の全長に沿う中間部材４０の両方を備えることができるだろう。
【００２７】
第４の実施態様摩擦制動器４００が図１１に例示されている。摩擦制動器は、第２の実施態様の摩擦制動器２００の特徴を備えるともに、ゴムまたはその他の弾力性材料でできている軸受部材４０５を備え、部材４０５は普通の方法で座部５２の下側に固定されている。軸受部材は、部材を横切って平行に横に伸びる複数の間隔を置いた半球形のリブ４１０を備えている。リブは、制動器４００の動作の間、中間部材と摩擦係合状態をしたままである。
【００２８】
第２、第３および第４の実施態様において、第１部材５０は第２部材２０５と磁気的に連結されている。第２部材は、鉄または鋼などの軟磁性の層である。摩擦制動器２００、３００、および４００において、第１部材が長手方向に動かされるとき、図７の滑らかなスティクションのない挙動は、制動器２００、３００および４００によって与えられる力の滑らかな増加によって達成される。
【００２９】
第１乃至第４の実施態様１００、２００、３００および４００において、第１と第２の部材５０と６０並びに中間摩擦層４０は、ハウジング１２によって囲われていなくてもよい。そのような構成が図１２に示されている。そのような代替構成において、中間部材４０の端は、任意の適当な取付け部材（例えばブラケット等）であってもよい取付け部材５００と５０２によって固定されて維持される。固定部材の端の代替例には部材５０と６０の変位を妨げないような方法で部材４０の長手縁部を固定する部分がある。
【００３０】
本発明の好ましい実施例を例示して説明したが、これが改変できると分かっているので、記載された正確な詳細に限られることを望まないが、特許請求の範囲に入るような変化と変更を利用することを望む。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】ハウジング・エンドキャップを取り外した状態の本発明の摩擦制動器の等角図である。
【図２】図１の制動器の長手方向断面図である。
【図３】図１の線３−３に沿っての横方向の断面図である。
【図４】第１部材が動かされる前の第１および第２の部材と中間部材の整列を例示している図１の長手方向断面図である。
【図５】第１部材が移動したあとの図４の長手方向断面図である。
【図６】従来の摩擦制動器に関する力対変位のプロットである。
【図７】本発明の摩擦制動器に関する力対変位のプロットである。
【図８】本発明の第２の実施態様の摩擦制動器の長手方向断面図である。
【図９】図８の線９−９に沿っての横方向の断面図である。
【図１０】本発明の第３の実施態様の摩擦制動器の長手方向断面図である。
【図１１】本発明の摩擦制動器の第４の実施態様の第１部材、第２の部材、中間部材および軸受層の長手方向断面図である。
【図１２】第１と第２の部材および中間部材がハウジングによって囲われていないで中間部材の端が固定されている本発明の代替実施態様の長手方向断面図である。

Claims (20)

1. （ａ）空胴を中に形成されているハウジング、
   （ｂ）前記空胴に配置されていて前記空胴内で可動な第１部材、
   （ｃ）前記空胴に配置されている第２部材、および
   （ｄ）第１と第２の部材の間にあって前記第１部材と摩擦係合している中間部材を備えており、
   （ｅ）前記中間部材が、非磁性であり、少なくとも一つの永久磁石磁界発生装置が、第１および第２部材を磁気的に連結してそれによって第１部材を中間部材と摩擦係合状態に保つように取り付けられており、前記第１部材は、制動力を生成するために中間部材に対して可動であり、前記第２部材は、第１部材の動きに応答して動く摩擦制動器。
2. 第２部材が第１部材の動きに従う請求項１に記載の制動器。
3. 第１部材が最初に動かされるとき、第２部材は第１部材より遅れる請求項１に記載の制動器。
4. 第２部材が第１部材の動きに従う請求項２に記載の制動器。
5. 第１部材は、第１の座部と、第１の座部内に支えられている少なくとも一つの永久磁石磁界発生装置を備え、第１部材は更に第１の座部内に少なくとも一つの永久磁石磁界発生装置を維持するために保磁子を備えている請求項１に記載の制動器。
6. 複数の永久磁石を含んでいる請求項５に記載の制動器。
7. 第２部材は、第２の座部を備え、前記少なくとも一つの永久磁石磁界発生装置はまた、第２の座部内に支えられており、前記第２部材は、更に第２の座部内に少なくとも一つの永久磁石磁界発生装置を維持するために第２の保磁子を備えている請求項５に記載の制動器。
8. 複数の永久磁石が、第２の保磁子に維持されている請求項７に記載の制動器。
9. ハウジングが、ハウジング内面に沿って設けられている中間部材を支える手段を有するハウジング内面を画成している壁を有する管状部材で構成され、さらにハウジングが、第１および第２のエンド・キャップ部材を有している請求項１に記載の制動器。
10. 前記中間部材を支える手段が向かい合った長手方向に伸びているスロットで構成されている請求項９に記載の制動器。
11. 第１部材が最初に動かされるとき、磁気的に連結された第２部材は、滑らかであってスティクションのない力の増加をもたらすために第１部材より遅れる請求項１に記載の制動器。
12. 摩擦制動器が中間部材と第１部材の間に摩擦層を備えている請求項１に記載の制動器。
13. 前記摩擦層が複数のリブを備えている請求項１２に記載の制動器。
14. 第２部材は、ハウジング壁によって支えられている請求項１１に記載の制動器。
15. （ａ）空胴を中に形成されているハウジング、
    （ｂ）前記空胴に配置されていて前記空胴内で可動な第１部材、
    （ｃ）前記空胴に配置されていて前記空胴内で可動な第２部材、
    （ｄ）第１と第２の部材の間にあって前記第１部材と摩擦係合する中間非磁性部材および
    （ｅ）第１と第２の部材を磁気的に連結して、それによって第１部材を中間部材と摩擦係合状態に保つように取付けられた少なくとも一つの永久磁石を備え、前記第１部材は、制動力を生成するために中間部材に対して可動であり、磁気的に連結された第２部材は、第１部材の動きに応答して動き、第１部材の動きに従い、第１部材が最初に動かされるとき、第１部材より遅れる摩擦制動器。
16. 第１と第２の部材は、磁気的に整列配置されている請求項１５に記載の摩擦制動器。
17. 磁気ばねとして第１および第２の部材を連結する複数の永久磁石を含んでいる請求項１５に記載の摩擦制動器。
18. 第２部材は、滑らかであってスティクションのない力の増加をもたらす請求項１７に記載の摩擦制動器。
19. （ａ）第１部材、
    （ｂ）第２部材、
    （ｃ）第１と第２の部材の間にあって前記第１部材と摩擦係合している中間非磁性部材、
    （ｄ）第１と第２の部材を磁気的に連結して第１部材を中間部材との摩擦の係合に維持するために取付けられた少なくとも一つの永久磁石、および
    （ｅ）中間部材の変位を防止する手段
    を備え、
    第１部材は、制動力を生成するために中間部材に対して可動であり、磁気的に連結された第２部材は、第１部材の動きに応答して動き、第１部材の動きに従い、第１部材が最初に動かされるとき、第１部材より遅れる制動器。
20. 前記中間部材は、向かい合った端を有し、前記中間部材の変位を防止する手段が端に取り付けられている請求項１９に記載の制動器。

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