JP4839464B2 - 電磁クラッチ - Google Patents

Description

本発明は、電流のＯＮ／ＯＦＦにより回転駆動力の伝達を制御する電磁クラッチに関する。

従来、複数の被駆動部材の駆動を別個に制御する場合、被駆動部材の個数だけモータ等の駆動手段を設けると装置のコストが高くなってしまう。そこで、一つの駆動手段を用いて各被駆動部材を駆動させるとともに、駆動手段と各被駆動部材との間に駆動力の伝達及び遮断を行うクラッチ機構を設けるのが一般的である。クラッチ機構は、クラッチ作用の発現方法により、ギヤの噛み合いやクラッチ板の摩擦、或いは遠心力等を利用して駆動力を断続する機械式クラッチと、電磁力でクラッチ板を吸着させることにより駆動力を断続する電磁クラッチとに分類される。

電磁クラッチは、例えば内側に位置するシャフト等から成る駆動出力軸と、この駆動出力軸と同軸上に、駆動出力軸の少なくとも一部を囲むように配置されたギヤやカップリング等の可動部材から成る駆動入力部材と、駆動出力軸と駆動入力部材との間に組み込まれる電磁クラッチ部とから成り、駆動出力軸と駆動入力部材とを一体駆動する際には、電磁クラッチ部のハウジング内のコイルに電流を流すことにより、駆動入力部材に係合している可動片であるアマチュアを、駆動出力軸に係合されているロータに電磁力を用いて吸着圧接させるものである。

図７及び図８は、従来の電磁クラッチの分解斜視図及び側面断面図である。図７、図８に示すように、電磁クラッチ１は、駆動出力軸２と、駆動出力軸２と同軸上に、駆動出力軸２の少なくとも一部を囲むように配置されたリング状の駆動入力ギヤ（駆動入力部材）３と、駆動出力軸２と駆動入力ギヤ３との間に同軸上に組み込まれた電磁クラッチ部４とを備えている。なお、図７においては駆動入力ギヤ３は記載を省略している。

駆動出力軸２は、例えば中心軸を通るＤカット穴が形成されたシャフト等から構成され、このＤカット穴を介して、例えば画像形成装置（図示せず）の用紙搬送ローラ等の被駆動入力部材が連結される。また、駆動出力軸２にはアマチュア４１、ロータ４２、電磁コイル部４３、ハウジング５が嵌入されており、ストッパ５０により軸方向の移動が規制されている。駆動入力ギヤ３のギヤ歯３ａには、例えば被駆動入力部材の駆動源であるモータ（図示せず）の駆動ギヤ等が連結される。

３１は、駆動入力ギヤ３が係合されるギヤ受けである。ギヤ受け３１の駆動入力ギヤ３と当接する面には複数の爪部３２が立設され、アマチュア４１と当接する面には複数の爪部３３が設けられている。これらの爪部３２、３３により、駆動入力ギヤ３、ギヤ受け３１、及びアマチュア４１が一体に回転するように係合される。

電磁クラッチ部４は、可動片であるアマチュア４１と、アマチュア４１に対向配置されるロータ４２と、ロータ４２の径方向に貫通する磁気回路を形成する電磁コイル部４３と、例えばヨークを兼ねるとともに電磁コイル部４３を保護するハウジング５と、アマチュア４１とロータ４２との間に配置される離反バネ４４とから構成されている。

アマチュア４１はリング状に形成されており、その外周端にはギヤ受け３１の爪部３３が係合される複数の係合部４１ａが設けられている。ロータ４２は磁性材料から成り、円筒状の外筒部４２ａと、アマチュア４１と当接する底面４２ｂとを有し、底面４２ｂの中央には多角形の係合穴４２ｃが形成されている。係合穴４２ｃは、駆動出力軸２に形成された多角形の結合部２１に係合し、駆動出力軸２とロータ４２とが一体に回転するようになっている。駆動出力軸２とハウジングとの間には軸受け４５が配置されており、駆動出力軸２は電磁コイル部４３及びハウジング５に対し回転自在に支持されている。また、底面４２ｂには貫通穴４２ｄが形成されており、電磁コイル部４３により発生する磁気回路を迂回（分流）して、ロータ４２とアマチュア４１との間を経由する磁気回路（図８の破線Ｇ）の形成を促進するように構成されている。

電磁コイル部４３は、ボビン６と、ボビン６に巻回されるコイル７（図８参照）と、コイル７の末端と外部のリード線（図示せず）とを接続する接続端子部８とから成り、ロータ４２の内部空間に配設され、例えばヨークを兼ねたハウジング５に固定されている。離反バネ４４は、例えば皿バネ等から成り、アマチュア４１をロータ４２から離反させる方向に付勢することにより、アマチュア４１の垂直面とロータ４２の底面４２ｂとの間に適当な空間を保持している。

以上のような構成により、電磁クラッチ１は、図示しない外部電源から電磁コイル部４３へ通電することにより、離反バネ４４に抗してアマチュア４１とロータ４２を磁気的に吸着させて駆動出力軸２と駆動入力ギヤ３とを連結し、電磁コイル部４３への通電を切ることにより、磁気的な吸着を解除し、離反バネ４４の付勢力によりアマチュア４１とロータ４２との間に空間を保持して駆動出力軸２と駆動入力ギヤ３とを切り離す。

このような電磁クラッチにおいては、ハウジングとシャフト、或いはロータとシャフトの重なり部分（磁束通過部分）が狭いため、磁気回路の形成効率が悪くなっていた。このため、ロータ及びアマチュア間でのトルク伝達能力が低下して電磁クラッチの品質が不安定になるという問題点があった。

そこで、ロータ、シャフト及びハウジングを通過する磁気回路の形成効率を高める方法が提案されており、例えば特許文献１の電磁クラッチでは、ハブロータ（シャフト）とロータとの間にカップ状の接触部分を設け、ハブロータとロータ間にスラスト方向の隙間が生じた場合でもトルク伝達能力が低下しないようにしている。

しかしながら、特許文献１の構成では、ハブロータとロータ間、或いはハブロータとハウジング間の重なり部分（磁束通過部分）が十分に大きいとはいえず、電磁クラッチの組み立て精度によっては磁気回路の形成効率が低下するおそれがあった。また、クラッチ径を大きくしてトルク伝達能力を向上させる方法も考えられるが、電磁クラッチの大型化に繋がるという問題点があった。
特開２００６−２９２１２０号公報

本発明は、上記問題点に鑑み、磁気回路の形成効率を改善することにより、高トルクを安定して得ることのできる小型の電磁クラッチを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、回転可能な駆動出力軸と、該駆動出力軸と同軸上且つ外側に配置される駆動入力部材と、前記駆動出力軸と同軸上に配設される電磁コイル部と、前記駆動入力部材に係合するアマチュアと、該アマチュアに対向配置されるロータと、前記電磁コイル部を保持するハウジングと、を有し、前記電磁コイル部への通電を行い、前記アマチュアと前記ロータと前記駆動出力軸と前記ハウジングを通過する磁気回路を形成して前記アマチュアと前記ロータとを磁気的に吸着させ、又は前記電磁コイル部への通電を遮断して吸着状態の解除を行うことにより、前記駆動出力軸及び駆動入力部材を一体に又は別個に回転可能とする電磁クラッチにおいて、前記駆動出力軸、前記アマチュア、前記ロータ、前記ハウジングを磁性体により構成し、前記ハウジング及び前記ロータは、前記電磁コイル部の内径側において前記駆動出力軸に沿って立ち上がる折り返し部を有しており、前記駆動出力軸に、前記ハウジングの径方向と重なるフランジ部を設け、前記ロータと前記ハウジングの折り返し部同士の間から前記フランジ部と前記ハウジングとの間に亘って軸受けを配置し、前記ロータの折り返し部の先端を前記フランジ部に当接させるとともに、当該ロータの折り返し部の高さを、前記ハウジングの折り返し部の高さと前記フランジ部と前記ハウジング部との間における前記軸受けの厚みとの総和よりも大きく設定している。

また本発明は、上記構成の電磁クラッチにおいて、前記フランジ部の外縁から前記ハウジング方向に突出する突起部を形成したことを特徴としている。

本発明の第１の構成によれば、ハウジングとロータの少なくとも一方と駆動出力軸は、電磁コイル部の内径側において軸方向に重なる部分を有するため、駆動出力軸の軸方向における透磁率が高くなって磁気回路の効率が改善され、アマチュアとロータの吸着力が強くなって高トルクを発生させることができる。

また、駆動出力軸のフランジ部がハウジングの径方向と重なることにより、駆動出力軸及びハウジング間における透磁率が高くなって磁気回路の効率がより一層改善される。

また、本発明の第２の構成によれば、上記第１の構成の電磁クラッチにおいて、フランジ部の外縁からハウジング方向に突出する突起部を形成することにより、突起部に磁束が集中して磁気回路を形成するための磁束密度が増大するため、さらに高トルクを得ることができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明の電磁クラッチの側面断面図である。従来例の図８と共通する部分には同一の符号を付して説明を省略する。本発明の電磁クラッチ１は、駆動出力軸２の先端にハウジング５の径方向と重なる鍔状のフランジ部２ａが設けられている。また、ハウジング５及びロータ４２には、駆動出力軸２の外周面に対向する折り返し部５ａ、４２ｅが形成されており、ハウジング５及びロータ４２の一部が駆動出力軸２と軸方向に重なる構成としている。

図２は、図１における電磁コイル部４３周辺の拡大図である。図２を用いて本発明の電磁クラッチに形成される磁気回路について説明する。接続端子部８（図１参照）に接続されたリード線を介してコイル７に電流を流すことにより、コイル７の周囲に破線で示す磁気回路Ｇが形成される。この磁気回路Ｇは、ロータ４２、駆動出力軸２及びハウジング５を経由して形成され、ロータ４２の貫通穴４２ｄ部分で一旦アマチュア４１に迂回した後、再びロータ４２に戻ることで、アマチュア４１をロータ４２に吸着させる電磁力を発生させている。

ここで、ハウジング５及びロータ４２に形成された折り返し部５ａ、４２ｅが駆動出力軸２の軸方向（図２の左右方向）に重なるため、磁束は磁性体である駆動出力軸２、折り返し部５ａ、４２ｅを通過できるようになり、駆動出力軸２の軸方向における透磁率が高くなる。また、駆動出力軸２に形成されたフランジ部２ａがハウジング５の径方向（図２の上下方向）と重なるため、同様の理由により駆動出力軸２及びハウジング５間における透磁率も高くなる。即ち、磁気回路Ｇの効率が改善される。

従って、クラッチ径を大きくすることなく高トルクを発生させることができ、電磁クラッチの小型化が可能となる。また、同じトルクを発生させる場合、従来に比べてコイルの容量（ワット数＝電流×電圧）を小さくできるため、電磁クラッチの温度上昇を抑制することができる。

また、フランジ部２ａの外縁には、ハウジング５方向に突出する環状の突起部２ｂが形成されている。フランジ部２ａとハウジング５との隙間は突起部２ｂの部分で最小となるため、フランジ部２ａからハウジング５に向かう磁束が突起部２ｂに集中して磁気回路Ｇを形成するための磁束密度が増大する。これにより、磁気回路の効率が改善されてさらに高トルクを得ることができる。

フランジ部２ａの大きさ、及び折り返し部５ａ、４２ｅの高さ（折り返し量）については特に制限はないが、後述するように折り返し部５ａ、４２ｅの高さが高いほど発生するトルクは高くなる。また、突起部２ｂの突出量についても、ハウジング５に接触しない範囲で近接させることが望ましい。

その他本発明は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。例えば上記実施形態は、磁気回路の改善により高トルクを発生できる本発明の電磁クラッチの好ましい一例を示したものであり、上述したような電磁クラッチのみでなく、クラッチ内部にコイルバネを用いた、いわゆる電磁バネクラッチにも全く同様に適用可能である。

駆動伝達軸のフランジ部の有無、並びにロータ及びハウジングの折り返し部の有無による電磁クラッチの駆動力伝達性能の差違について調査した。電磁クラッチの構成としては、図３（ａ）に示すような外径１６．８ｍｍ（軸側面からの突出量３．１ｍｍ）のフランジ部２ａと、フランジ部２ａの外縁に沿って高さ０．３５ｍｍの環状の突起部２ｂを設けた駆動出力軸２と、図４（ａ）〜（ｃ）に示すような、折り返し部４２ｅの高さｈがそれぞれ２ｍｍ、４ｍｍ及び６ｍｍ、肉厚が１ｍｍであるロータ４２を用いて試作した電磁クラッチをそれぞれ本発明１、２、３とした。

ハウジング５は、図５（ａ）に示すような折り返し部５ａを有するハウジング５と、図５（ｂ）に示すような折り返し部５ａのないハウジング５の２種類を用いた。なお、電磁クラッチの設計上の理由により、本発明１では折り返し部５ａが４．８ｍｍのハウジング５を用い、本発明２、３には折り返し部５ａが１．７ｍｍのハウジング５を用いた。

一方、図３（ｂ）に示すフランジ部２ａのない駆動出力軸２と、図４（ａ）に示す折り返し部４２ｅの高さｈが２ｍｍ、肉厚が１ｍｍであるロータ４２と、図５（ａ）に示す折り返し部５ａのないハウジング５とを用いて試作した電磁クラッチを比較例とした。

試験方法としては、デジタルトルクメータ（ＨＩＯＳ社製、ＨＰ−１０）にトルク測定用の軸を固定し、本発明１〜３、及び比較例の電磁クラッチの駆動出力軸２に形成されたＤカット穴に挿入した。さらに、コイルに所定の電圧を印加し、アマチュアとロータを連結させた。この状態でアマチュアを手で回転させた時に軸に加わる静摩擦トルク（ｋｇｆ・ｃｍ）を測定し、３箇所の測定値の平均を算出した。

なお、トルク測定前にアマチュアとロータの接触面の平滑性を高めるトルクアップを行った。トルクアップの方法としては、トルクアップ専用装置に電磁クラッチを取り付け、コイルに電圧を印加してアマチュアとロータを断続的に連結させ、ロータに所定のトルク（負荷）を掛けながらアマチュアを一定の回転数で所定時間回転させた。トルクアップ時間は比較例では１０分間、本発明１では６分間、本発明２、３では８分間とした。試験結果を図６に示す。

図６から明らかなように、折り返し部５ａのないハウジング５を用いた場合、フランジ部２ａ及び突起部２ｂを有する駆動出力軸２、及び折り返し部４２ｅの高さｈが２ｍｍであるロータ４２を用いた本発明１の電磁クラッチでは、静摩擦トルクが２．４１ｋｇｆ・ｃｍであった。一方、フランジ部２ａのない駆動出力軸２を用いた比較例の電磁クラッチでは、静摩擦トルクが１．９５ｋｇｆ・ｃｍであり、本発明１に比べて静摩擦トルクが約２０％低下した。

また、ロータ４２の折り返し部４２ｅを４ｍｍ、６ｍｍと高くした本発明２、３の電磁クラッチでは、静摩擦トルクがそれぞれ２．７７ｋｇｆ・ｃｍ、３．０５ｋｇｆ・ｃｍと本発明１に比べて高く、さらに折り返し部４２ｅの高さｈが大きくなるほど静摩擦トルクも高くなることが確認された。

一方、折り返し部５ａを有するハウジング５を用いた場合（図６にハッチングで示す）は、本発明１〜３の電磁クラッチの静摩擦トルクがそれぞれ３．１９ｋｇｆ・ｃｍ、３．５７ｋｇｆ・ｃｍ、３．６６ｋｇｆ・ｃｍとなり、折り返し部５ａのないハウジング５を用いた場合に比べて静摩擦トルクが約２０〜３０％高くなった。

この結果より、本発明の電磁クラッチではフランジ部２ａ、ロータ４２の折り返し部４２ｅ、及びハウジング５の折り返し部５ａにより磁気回路の効率が改善され、ロータとアマチュアの連結力が高められて高トルクの発生が可能になることが確認された。

本発明は、回転可能な駆動出力軸と、該駆動出力軸と同軸上且つ外側に配置される駆動入力部材と、駆動出力軸と同軸上に配設される電磁コイル部と、駆動入力部材に係合するアマチュアと、該アマチュアに対向配置されるロータと、電磁コイル部を保持するハウジングと、を有し、電磁コイル部への通電を行い、アマチュアとロータと駆動出力軸とハウジングを通過する磁気回路を形成してアマチュアとロータとを磁気的に吸着させ、又は電磁コイル部への通電を遮断して吸着状態の解除を行うことにより、駆動出力軸及び駆動入力部材を一体に又は別個に回転可能とする電磁クラッチにおいて、ハウジング及びロータの少なくとも一方が、電磁コイル部の内径側において駆動出力軸に沿って立ち上がる折り返し部を有する。

これにより、駆動出力軸の軸方向における透磁率が高くなって磁気回路の効率が改善されるため、クラッチ径を大きくすることなくアマチュアとロータを強く吸着させて高トルクを発生させる小型の電磁クラッチを提供することができる。

また、駆動出力軸に、ハウジングの径方向と重なるフランジ部を設けたので、駆動出力軸及びハウジング間における透磁率が高くなって磁気回路の効率がより一層改善された電磁クラッチとなる。

また、フランジ部の外縁からハウジング方向に突出する突起部を形成したので、さらに磁気回路の効率が改善された高トルクな電磁クラッチとなる。

は、本発明の電磁クラッチの側面断面図である。 は、本発明の電磁クラッチにおける電磁コイル部周辺の断面拡大図である。 は、実施例で用いたフランジ部を有する駆動出力軸の斜視図（図３（ａ））及びフランジ部のない駆動出力軸の斜視図（図３（ｂ））である。 は、実施例で用いた折り返し部の高さの異なるロータの側面図である。 は、実施例で用いた折り返し部を有するハウジングの斜視図（図５（ａ））及び折り返し部のないハウジングの斜視図（図５（ｂ））である。 は、フランジ部の有無及びロータの折り返し部の高さと静摩擦トルクとの関係を示すグラフである。 は、従来の電磁クラッチの分解斜視図である。 は、従来の電磁クラッチの側面断面図である。

符号の説明

１ 電磁クラッチ
２ 駆動出力軸
２ａ フランジ部
２ｂ 突起部
３ 駆動入力ギヤ（駆動入力部材）
４ 電磁クラッチ部
５ ハウジング
５ａ 折り返し部（ハウジング）
６ ボビン
７ コイル
８ 接続端子部
４１ アマチュア
４２ ロータ
４２ｅ 折り返し部（ロータ）
４３ 電磁コイル部
Ｇ 磁気回路

Claims (2)

1. 回転可能な駆動出力軸と、該駆動出力軸と同軸上且つ外側に配置される駆動入力部材と、前記駆動出力軸と同軸上に配設される電磁コイル部と、前記駆動入力部材に係合するアマチュアと、該アマチュアに対向配置されるロータと、前記電磁コイル部を保持するハウジングと、を有し、
   前記電磁コイル部への通電を行い、前記アマチュアと前記ロータと前記駆動出力軸と前記ハウジングを通過する磁気回路を形成して前記アマチュアと前記ロータとを磁気的に吸着させ、又は前記電磁コイル部への通電を遮断して吸着状態の解除を行うことにより、前記駆動出力軸及び駆動入力部材を一体に又は別個に回転可能とする電磁クラッチにおいて、
   前記駆動出力軸、前記アマチュア、前記ロータ、前記ハウジングを磁性体により構成し、
   前記ハウジング及び前記ロータは、前記電磁コイル部の内径側において前記駆動出力軸に沿って立ち上がる折り返し部を有し、
   前記駆動出力軸に、前記ハウジングの径方向と重なるフランジ部を設け、
   前記ロータと前記ハウジングの折り返し部同士の間から前記フランジ部と前記ハウジングとの間に亘って軸受けを配置し、
   前記ロータの折り返し部の先端を前記フランジ部に当接させるとともに、当該ロータの折り返し部の高さを、前記ハウジングの折り返し部の高さと前記フランジ部と前記ハウジング部との間における前記軸受けの厚みとの総和よりも大きく設定したことを特徴とする電磁クラッチ。
2. 前記フランジ部の外縁から前記ハウジング方向に突出する突起部を形成したことを特徴とする請求項１に記載の電磁クラッチ。

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