JP5227874B2

JP5227874B2 - 回転力の制御装置

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Publication number: JP5227874B2
Application number: JP2009089187A
Authority: JP
Inventors: 真一吉田; 泰至馬場; 光春中澤
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: Minebea Co Ltd
Priority date: 2009-04-01
Filing date: 2009-04-01
Publication date: 2013-07-03
Anticipated expiration: 2029-04-01
Also published as: JP2010242785A

Description

本発明は、電磁ブレーキおよび電磁クラッチに利用可能な回転力の制御装置に関する。

電磁ブレーキおよび電磁クラッチを使用しているシステムにおいて、電磁ブレーキまたは電磁クラッチが故障した場合、その故障に気付かないと、結果として重大な不具合を生じる可能性がある。そのため、電磁ブレーキ、電磁クラッチの動作を確実に知る必要がある。

そこで、電磁ブレーキおよび電磁クラッチにおいて、その動作状態を検知する技術が、特許文献１〜５に開示されている。特許文献１〜３には、電磁ブレーキや電磁クラッチの状態を検知する方法として、外部回路でセンサによる信号を検出する技術や、電磁ブレーキまたは電磁クラッチに流れる電流や電圧を監視する技術が記載されている。

また、特許文献４には、電磁ブレーキ内部の動作状態を検知する方法として、ヨークに接触するアーマチュアの動きを、リミットスイッチを用いて検出する方法が記載されている。また、特許文献５には、同様にホール素子を用いてアーマチュアの動きを検出する方法が記載されている。

特開２００７−２４５８２５号公報特開平０６−２６４７７８号公報特開平０７−１４９２４７号公報特開２００５−１１３９６５号公報特開２００１−３４３０３３号公報

しかしながら、上記の従来技術では、センサやホール素子等から出力された信号を処理する外部回路を設ける必要があり、装置が煩雑になりコストがかかる。また、リミットスイッチを配置して電磁ブレーキおよび電磁クラッチの内部動作を検出するためには、電磁ブレーキおよび電磁クラッチ内部にリミットスイッチを配置するスペースが必要になり小型化が困難である。さらに、リミットスイッチが物理的に壊れた場合に、破片がアーマチュアとヨーク（またはロータ）の間にはさまって、電磁ブレーキおよび電磁クラッチが動作できなくなる可能性があるという課題があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、電磁ブレーキおよび電磁クラッチの回転力の制御装置におけるアーマチュアの動作状態を検出することで、電磁ブレーキおよび電磁クラッチ動作の異常を容易かつ確実に検出できる新規な構成を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１に係る回転力の制御装置の発明は、回転軸に連結するロータと、電磁コイルを収納した磁性材料により構成されるヨークと、磁性材料により構成されるアーマチュアとを備え、前記電磁コイルが通電により生成する磁力によって、前記アーマチュアが前記ヨークに吸引され前記ヨークに相対的に近付く第１の状態と、前記磁力が作用しない状態で前記アーマチュアが前記ヨークから離れた第２の状態とのいずれかをとることが可能な回転力の制御装置において、前記第１の状態で、前記アーマチュアまたは前記ヨークの少なくとも一部で磁気飽和を起こし、この磁気飽和を起こした部分から外部に漏れ出る漏れ磁束を検出する磁束検出手段を備え、前記磁束検出手段は、前記アーマチュアが前記ヨークに近付くことで磁束密度の増加を検出し、前記磁束検出手段がリードスイッチであり、前記磁束検出手段を前記ヨークの外部と内部にそれぞれ配置したことを特徴とするものである。

この構成によれば、磁力によって動くアーマチュアの動きを、アーマチュアがヨークに吸引接触した時に生じる磁気飽和による外部への漏れ磁束の検出を磁気検出手段で知ることができる。漏れ磁束は、広範囲な部分で発生するので、発生する場所を任意に設定することが可能であり、アーマチュアから離れた場所でも漏れ磁束の検出を行うことができる。また、これに関連して、漏れ磁束の発生場所の選択の自由度が高いので、電磁ブレーキおよび電磁クラッチ本体、または電磁ブレーキおよび電磁クラッチを使用したシステム全体のデザインの自由度が高く、また小型化・簡易化に有利となる。また、リミットスイッチ等のアーマチュアの動きを直接機械的に検出する必要がない。

特許文献５にも磁気検出手段としてホール素子でアーマチュアの動きを検出する従来例があるが、この構成では、アーマチュアとヨークが離れた際に生じる両者の間の隙間部分からの漏れ磁束を検出していて、この場合、アーマチュアがヨークに近付く程、漏れ磁束の値は小さくなる。これに対して、本発明では、アーマチュアとヨークの接近時に生じる磁気飽和による電磁ブレーキおよび電磁クラッチの漏れ磁束を検出しているので、この場合、アーマチュアがヨークに近付く程、磁気飽和が大きくなり、漏れ磁束も増加する。したがって、両者は利用している原理が異なる。

アーマチュアとヨークとを貫く閉磁路の磁気抵抗は、アーマチュアとヨークとが近付く程低下するのに対し、閉磁路の磁束密度は、アーマチュアとヨークとが近付く程増加する。一方、磁気飽和が発生することで、磁束密度の増加に比例して漏れ磁束が増加する。本発明ではこの現象を利用し、アーマチュアとヨークとが接近することで、増加する磁気飽和による漏れ磁束を磁束検出手段により検出し、それにより、アーマチュアとヨークとの接触状態を検出する。

リードスイッチは、接点が封止されており信頼性が高く、また安価である。また、電源電圧を直接加えられるので、ホール素子や磁気抵抗素子のように駆動回路や検出回路を必要としない。また、電磁ブレーキおよび電磁クラッチ本体の小形化、または電磁ブレーキおよび電磁クラッチを使用したシステム全体の簡易化の点で有利である。

また、２つの磁気検出手段を用いることにより、電磁コイルの断線や磁気検出手段の異常を容易に知ることができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記アーマチュアと摩擦板の間に前記回転軸に取付けられたロータを備え、前記第１の状態では、前記アーマチュアが前記ロータから離れて前記回転軸は回転することが可能になり、前記第２の状態では、前記アーマチュアが前記ロータに接触して制動が行われる電磁ブレーキの機能を有することを特徴とするものである。

この構成によれば、第１の状態では、アーマチュアがヨークに吸引され、正常に接触した状態の時、ロータは解放され、また、漏れ磁束が発生するため磁気検出手段から出力信号を得ることができる。また、第２の状態では、アーマチュアがヨークから離れロータに接触することで、ロータは制動するとともに、漏れ磁束の発生はないため磁気検出手段から出力信号は得られない。そして、第１の状態の時、異物等によりアーマチュアの移動に支障がある場合や電磁コイルへの通電に不良がある場合、漏れ磁束の発生はないため磁気検出手段から出力信号は得られない。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記アーマチュアは、前記回転軸にばね部材で取付けられ、前記第１の状態では、前記アーマチュアが前記ヨークに接触して制動が行われ、前記第２の状態では、前記アーマチュアが前記ヨークから離れて前記回転軸は回転することが可能になる電磁ブレーキの機能を有することを特徴とするものである。

この構成によれば、第１の状態では、アーマチュアがヨークに吸引され、正常に接触した状態の時、アーマチュアは制動し、また、漏れ磁束が発生するため磁気検出手段から出力信号を得ることができる。また、第２の状態では、アーマチュアがヨークから離れ、アーマチュアは解放するとともに、漏れ磁束の発生はないため磁気検出手段から出力信号は得られない。そして、第１の状態の時、異物等によりアーマチュアの移動に支障がある場合や電磁コイルへの通電に不良がある場合、漏れ磁束の発生はないため磁気検出手段から出力信号は得られない。

請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記アーマチュアは、前記ロータが取り付けられた内側回転軸に取り付けられ、前記第１の状態では、前記アーマチュアが外側回転軸に取り付けられた摩擦板から離れて２つの回転軸が解放され、前記第２の状態では、前記アーマチュアが前記摩擦板に接触して２つの回転軸の連結が行われる電磁クラッチの機能を有することを特徴とするものである。

この構成によれば、第１の状態では、アーマチュアがヨークに吸引され、摩擦板から離れた状態の時、内側回転軸と外側回転軸の２つの回転軸が解放され、また、漏れ磁束が発生するため磁気検出手段から出力信号を得ることができる。また、第２の状態では、アーマチュアがヨークから離れ、アーマチュアは摩擦板に接触し、２つの回転軸が連結するとともに、漏れ磁束の発生はないため磁気検出手段から出力信号は得られない。そして、第１の状態の時、異物等によりアーマチュアの移動に支障がある場合や電磁コイルへの通電に不良がある場合、漏れ磁束の発生はないため磁気検出手段から出力信号は得られない。

請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記アーマチュアは、外側回転軸に取り付けられ、前記ロータは、内側回転軸に取り付けられ、前記第１の状態では、前記アーマチュアが前記ロータに接触して２つの回転軸の連結が行われ、前記第２の状態では、前記アーマチュアが前記ロータから離れて２つの回転軸の解放が行われる電磁クラッチの機能を有することを特徴とするものである。

この構成によれば、第１の状態では、アーマチュアがヨークに吸引され、ロータに接触した状態の時、内側回転軸と外側回転軸の２つの回転軸が連結され、また、漏れ磁束が発生するため磁気検出手段から出力信号を得ることができる。また、第２の状態では、アーマチュアがヨークから離れ、アーマチュアは摩擦板に接触し、２つの回転軸が連結するとともに、漏れ磁束の発生はないため磁気検出手段から出力信号は得られない。そして、第１の状態の時、異物等によりアーマチュアの移動に支障がある場合や電磁コイルへの通電に不良がある場合、漏れ磁束の発生はないため磁気検出手段から出力信号は得られない。

本発明によれば、電磁ブレーキおよび電磁クラッチの回転力の制御装置における動作の異常を容易かつ確実に検出できる新規な構成が提供される。

（ａ）は、本発明に係るリードスイッチを側面に配置した負作動形電磁ブレーキの制動の状態を示す断面図である。（ｂ）は、本発明に係るリードスイッチを側面に配置した負作動形電磁ブレーキの解放の状態を示す概念図である。（ｃ）は、本発明に係るリードスイッチを側面に配置した負作動形電磁ブレーキにおいて、アーマチュアとヨークの間に異物が挟まり、アーマチュアとヨークが接触できない異常動作時の断面図である。本発明に係るリードスイッチを底面に配置した場合の、負作動形電磁ブレーキの解放の状態示す断面図である。本発明に係るリードスイッチを底面及びヨーク内部に配置した場合の負作動形電磁ブレーキの解放の状態を示す断面図である。（ａ）は、図３において、電磁コイルに通電しない場合のリードスイッチの出力を表すマトリックス表である。（ｂ）は、図３において、電磁コイルに通電した場合のリードスイッチの出力を表すマトリックス表である。本発明に係るリードスイッチを側面に配置した正作動形電磁ブレーキの解放の状態を示す断面図である。本発明に係るリードスイッチを側面に配置した負作動形電磁クラッチの連結の状態を示す断面図である。本発明に係るリードスイッチを側面に配置した正作動形電磁クラッチの解放の状態を示す断面図である。図９における、リードスイッチと報知ブザーの構成を示す回路図である。本発明に係る電磁ブレーキに接続された制御システムの概要を示すブロック図である。図８において、リードスイッチの状態（導通、非導通）に対応したリードスイッチ出力信号及び、報知手段の動作を示すマトリックス表である。

以下に、第一の実施の形態を説明する。ここでは、本発明を利用した電磁ブレーキにおいて、電磁コイルに励磁電流を流さないと電磁ブレーキが制動され、電磁コイルに励磁電流を流すと電磁ブレーキが解放される負作動形の電磁ブレーキを説明する。

図１は、本発明を利用した回転力の制御装置の一例である負作動形電磁ブレーキの断面図である。図１（ａ）には、負作動形電磁ブレーキを制動した状態が示され、図１（ｂ）には、負作動形電磁ブレーキを解放した状態が示されている。図１（ｃ）には、負作動形電磁ブレーキを、解放制御しても、アーマチュアとヨークの間に異物が挟まって、完全にヨークに接触できない状態が示されている。

符号１００は、負作動形電磁ブレーキである。アーマチュア１０５は、強磁性材料により構成され、中央に回転軸１０４の外径よりも大きい内径を有する開口部を備えている。アーマチュア１０５の外周近くには、円筒形状のスペーサ１０８を通すために、スペーサ１０８の外径よりも少し大きい貫通孔１１０が設けられている。アーマチュア１０５の開口部に回転軸１０４が貫通し、貫通孔１１０にスペーサ１０８が貫通するのでアーマチュア１０５は回転軸１０４に対して、接触しないで回転軸の軸方向にのみ移動する。

ヨーク１０１は、強磁性材料により構成され、厚みのある円板形状を有し、中央に貫通した空洞部分が形成されている。この空洞部分にベアリング１１３を配置して回転軸１０４が、回転可能な状態で支持される。ヨーク１０１は、内側に円環形状を有する溝が形成され、そこにソレノイド形状の電磁コイル１０２が収納されている。符号１１４は、非磁性材料により構成される電磁コイル１０２が収納される上記溝の蓋部材である。また、電磁コイル１０２には、励磁電流を供給する配線１０２ａが接続され、ヨーク１０１の外部に引き出されている。

ロータ１０７は、非磁性材料により構成された円板形状を有しており、回転軸１０４がスプライン構造で結合している。スプライン構造とは、ロータ１０７の中心に開口した内周部分に歯型が形成され、回転軸１０４の外周に設けた歯型と噛み合った構造である。この構造により、ロータ１０７が回転軸１０４に対して軸方向への移動が可能で、且つ、回転軸１０４からの回転トルクがロータ１０７に伝わり、またロータ１０７からの回転トルクが回転軸１０４に伝わる構造を実現している。上述したスプライン構造に、歯の噛み合いのガタを吸収するためのバネを用いたガタ吸収機構等を更に加えてもよい。またこの部分は、ロータ１０７が回転軸１０４に対して軸方向への移動が可能で、且つ、回転軸１０４からの回転トルクがロータ１０７に伝わり、またロータ１０７からの回転トルクが回転軸１０４に伝わる構造であれば、上述したスプライン構造に限定されない。

摩擦板１０６は、対向するアーマチュア１０５との間でロータ１０７を挟み、ロータ１０７の回転を制動する。摩擦板１０６は、ブレーキの機能に必要な強度を有する円板形状の部材であり、中央に回転軸１０４の外径よりも大きい内径を有する開口部を備えているとともに、摩擦板１０６の外周近くには、螺子１０９を通すための孔が設けられている。この孔に通された螺子１０９は、円筒形状のスペーサ１０８の内側を貫通し、ヨーク１０１に設けられた螺子孔１１１にねじ込まれる。図１には、螺子１０９によって一箇所記載されているが、実際には、複数箇所において、同様な構造を有し、物理的な強度が確保されている。

スペーサ１０８の外周には、コイルバネ１１２が装着され、コイルバネ１１２の一方の端部がアーマチュア１０５に接触し、他方の端部は、ヨーク１０１に接触している。図１（ａ）に示す状態において、コイルバネ１１２は軸方向に反発した状態である。一方、図１（ｂ）に示す状態では、コイルバネ１１２は軸方向に圧縮された状態である。

ヨーク１０１の側面には、リードスイッチ１０３が配置されている。ここで、リードスイッチというのは、磁性材料により構成されたリードが、磁束に反応して動き、それにより導通／非導通が行われる磁気感応型の接点接触スイッチのことをいい、２端子型であり、磁束に反応して導通する形態のものと、磁束に反応して非導通となる形態のものがあるが、本発明ではいずれの形態でも利用が可能である。なお、リードスイッチ１０３の２つの端子からの引き出し配線１０３ａおよび１０３ｂは、負作動形電磁ブレーキ１００の外部に引き出されている。

リードスイッチ１０３は、電磁コイル１０２に励磁電流が流され、電磁コイル１０２が磁束を発生した場合に、アーマチュア１０５およびヨーク１０１から漏れ出る磁束（漏れ磁束）の磁束密度があるレベル以上となった段階で、この漏れ磁束に反応して、スイッチ導通となるように、位置と向きが調整された状態で配置されている。

以下、負作動形電磁ブレーキ１００を制動する作用について説明する。図１（ａ）に示すのは、電磁コイル１０２に励磁電流を流していない状態である。この状態では、電磁コイル１０２は、アーマチュア１０５を吸引するための磁束を発生せず、アーマチュア１０５には、コイルバネ１１２の反発力が作用する。このため、アーマチュア１０５は、ヨーク１０１に対して、遠ざかる方向に移動し、ロータ１０７を摩擦板１０６に押し付ける。前述の通り、アーマチュア１０５と摩擦板１０６は、回転できないので、ロータ１０７には、アーマチュア１０５と摩擦板１０６との間で挟まれることによる摩擦力が働き、その回転に制動がかかる。このとき、電磁コイル１０２に励磁電流を流していない状態であるため、磁束は発生せず、リードスイッチ１０３は導通しない。

図１（ｂ）は、図１（ａ）の状態において、電磁コイル１０２に励磁電流を流すと、電磁コイル１０２が磁束を発生した状態の図である。アーマチュア１０５は強磁性材料であるので、この磁束により、アーマチュア１０５にヨーク１０１側への磁気吸引力が働く。
この磁気吸引力により、アーマチュア１０５は、摩擦板１０６にロータ１０７を押し付けていた状態から、ヨーク１０１の方向に近づき、ヨーク１０１に接触する。この電磁コイル１０２に流す励磁電流は、この磁気吸引力がコイルバネ１１２の反発力よりも大きくなるように設定されている。アーマチュア１０５がヨーク１０１に接触することで、ロータ１０７は、自由に回転できる状態となり、この結果、回転軸１０４が自由に回転可能な状態となる。つまり、ブレーキを解放した状態となる。この時の磁気の流れを説明すると、アーマチュア１０５がヨーク１０１に吸引接触すると磁気抵抗が小さくなり、大きな磁束密度である閉磁路１１５が、アーマチュア１０５とヨーク１０１間に形成され、ヨーク１０１内で磁気飽和が生じ、アーマチュアとヨークから漏れ磁束１１６が生じる。リードスイッチ１０３は、この漏れ磁束１１６を検知し導通する。図１（ｃ）は、電磁コイル１０２に通電を行ったが、アーマチュア１０５とヨーク１０１との間に異物１１７が挟まり、アーマチュア１０５がヨーク１０１に接触できない場合を説明する。電磁コイル１０２に予め定めた励磁電流を流し、アーマチュア１０５にヨーク１０１への磁気吸引力を作用させても、異物１１７があるために、アーマチュア１０５は、ヨーク１０１に近づくことができず、ヨーク１０１に接触できない。

この場合、ヨーク１０１とアーマチュア１０５との間に隙間があり、また電磁コイル１０２のアーマチュア１０５側には、非磁性材料である蓋部材１１４が配置されているので、ヨーク１０１内に形成される磁路１１８は、図１（ｂ）の場合の閉磁路１１５よりも磁気抵抗が高くなり、磁束密度は小さくなる。このため、図１（ｂ）に示す磁気飽和は発生せず、図１（ｂ）に示す漏れ磁束１１６も発生しない。よってリードスイッチ１０３は導通しない。

なお、アーマチュア１０５がヨーク１０１に接触した状態で、ヨーク１０１から漏れる磁束の位置は、ヨーク１０１の厚み分布や形状、ヨーク１０１の材質によって発生する場所が変わる。例えば、図２のようにヨーク１０１のアーマチュア１０５と反対側の面（底面２２０）の外側に漏れ磁束が生じる場合、リードスイッチを底面２２０に配置する。この構成によれば、電磁コイル１０２に通電を行うと、アーマチュア１０５がヨーク１０１に吸引され、ヨーク１０１に接触する。これにより、磁路１１５が形成され、ヨーク１０１内で磁気飽和が生じ、漏れ磁束２１６が生じる。この漏れ磁束２１６によりリードスイッチ２０３が導通する。この位置と向きは、予め実験的に求めておく。なお、本発明では電磁コイル１０２に通電させて磁束を発生させることで、アーマチュア１０５をヨーク１０１に磁気吸引し、アーマチュア１０５とヨーク１０１が近づくにつれ、磁束密度が増加し、アーマチュア１０５とヨーク１０１が接触したときに発生する磁気飽和による、アーマチュア１０５およびヨーク１０１からの漏れ磁束を検出することで、アーマチュアの動作状態を検知することも可能である。

図８には、リードスイッチに接続された報知手段が示されている。図１を例にすると、負作動形電磁ブレーキ１００の電磁コイル１０２に励磁電流が流れ、アーマチュア１０５がヨーク１０１に引きつけられ接触すると、磁気飽和による漏れ磁束が発生し、リードスイッチ１０３が導通し、報知手段８００が通電する。この報知手段としては、ブザーやランプ等が考えられるが、人の視覚や聴覚に伝達するものであれば、その他の手段でも良い。ここで、リードスイッチの状態とリードスイッチ出力信号および前記報知手段との関係を図１０に示す。図１０に示すようにブザーやランプのような報知手段を接続することにより、電磁ブレーキの動作状態を直接知ることが可能になる。

以下に、第二の実施の形態を説明する。図３は、リードスイッチ３０３をヨーク１０１の内部に、リードスイッチ３０４をヨーク１０１の底面に配置した電磁ブレーキ３００の断面図である。この場合、ヨーク１０１にリードスイッチ３０３が収まる空間を形成し、そこにリードスイッチ３０３を収納する。

リードスイッチ３０３は、電磁コイル１０２への励磁電流を流した際に、電磁コイル１０２が発生する磁束により導通する。この場合、アーマチュア１０５がヨーク１０１に接触するか否かに係わらず、電磁コイル１０２への励磁電流が供給された際に、電磁コイル１０２が発生する磁束により、リードスイッチ３０３が導通するように、最適なリードスイッチを選択しておく。なお、図３の構成において、リードスイッチ３０４の位置は、底面に限定されない。

リードスイッチ３０４については、第１の実施形態と同じ構成なので、説明は省略する。この構成によれば、リードスイッチ３０３と３０４の導通状態を比較することで、異常の原因が、電磁コイル１０２の断線や、アーマチュア１０５の移動が妨げられている状態にあるのかを知ることができる。

図４（ａ）は、図３において、電磁コイル１０２に通電しない場合のリードスイッチ３０３、３０４の出力を表すマトリックス表であり、図４（ｂ）は、図３において、電磁コイル１０２に通電した場合のリードスイッチ３０３、３０４の出力を表すマトリックス表である。使用しているリードスイッチは、磁気飽和による漏れ磁束を検出すると導通するタイプである。このマトリックス表は、電磁コイル１０２への通電、非通電時における電磁ブレーキの正常・異常状態を、リードスイッチ３０３、３０４の出力信号で表している。例えば、電磁コイル１０２に励磁電流を流している状態で、リードスイッチ３０３が非導通であれば、電磁コイル１０２に励磁電流が流れていないことになるので、電磁コイル１０２で何か異常が発生しているか分かり、電磁コイルの断線やドライバ回路の故障が生じていることが分かる。

また、電磁コイル１０２に励磁電流を流している状態で、リードスイッチ３０３が導通で、リードスイッチ３０４が非導通であれば、電磁コイル１０２に励磁電流が流れているが、アーマチュア１０５のヨーク１０１への接触が行われていないことになる。よってこの場合、図１（ｃ）のように異物によりアーマチュア１０５の移動が妨げられた状態にあることが分かる。

このように、図４によれば、電磁ブレーキの動作状態を検知することができるだけでなく、故障箇所の特定も可能となる。

以下に、第三の実施の形態を説明する。ここでは、本発明を利用した電磁ブレーキにおいて、電磁コイルに励磁電流を流さないと電磁ブレーキが解放され、電磁コイルに励磁電流を流すと電磁ブレーキが制動する正作動形の電磁ブレーキを説明する。

図５には、正作動形電磁ブレーキ５００の解放の状態が示されている。正作動形電磁ブレーキ５００は、筐体５０５の内部に強磁性材料により構成されたヨーク５０１が固定されている。ヨーク５０１は、図１のヨーク１０１と同様な構造を有し、内部に電磁コイル５０２を収納していて、引き出し配線５０２aが引き出されている。電磁コイル５０２が収納された部分は、非磁性材料により構成される蓋部材５０６により蓋をされている。

ヨーク５０１の蓋部材５０６側の面の対向した位置に、ヨーク５０１から所定の距離を隔てて強磁性材料により構成されたアーマチュア５０７が配置されている。アーマチュア５０７と回転軸５１０は、板バネ５０８により取り付けられている。回転軸５１０は、ベアリング５０９により筐体５０５に回転可能な状態で取り付けられている。

ヨーク５０１の側面に対向する筐体５０５に凹部５０４が設けられ、そこにリードスイッチ５０３が配置されている。電磁コイル５０２に通電しない状態では、アーマチュア５０７はヨーク５０１から離れており、回転軸５１０の回転に制動は加わらない。（解放される）

電磁コイル５０２に通電すると、アーマチュア５０７にヨーク５０１への磁気吸引力が作用し、アーマチュア５０７がヨーク５０１に接触する。この電磁コイル５０２に流す励磁電流は、磁気吸引力が板バネ５０８の反発力よりも大きくなるように設定されている。
これにより、アーマチュア５０７に制動力が加わり、回転軸５１０の回転が制動される。

図５に示す構造では、正作動形電磁ブレーキ５００の制動が正常に行われていれば、閉磁路が形成され磁気飽和による漏れ磁束によりリードスイッチ５０３が導通する。一方、電磁コイル５０２への通電を行っても異物の影響または電磁コイル５０２の断線等により、アーマチュア５０７のヨーク５０１への吸引が正常に行われず、正作動形電磁ブレーキ５００の制動が正常に動作していない場合、リードスイッチ５０３が導通しない。また、電磁コイル５０２に通電しても、電磁コイルの断線や異物や機械的な故障により、アーマチュア５０７が動かない場合も考えられる。この場合、ヨーク５０１とアーマチュア５０７を貫く磁路の磁束密度が増加しないため、磁気飽和による漏れ磁束が発生せず、リードスイッチ５０３が導通しない。

以下に、第四の実施の形態を説明する。ここでは、本発明を利用した電磁クラッチにおいて、電磁コイルに励磁電流を流さないと電磁クラッチが連結され、電磁コイルに励磁電流を流すと電磁クラッチが解放する負作動形の電磁クラッチを説明する。

図６には、負作動形電磁クラッチの連結の状態が示されている。負作動形電磁クラッチ６００は、筐体６０４の内部に強磁性材料により構成されたヨーク６０１が固定されている。ヨーク６０１は、第１の実施形態のヨーク１０１と同様な構造を有し、内部に電磁コイル６０２を収納していて、引き出し配線６０２aが引き出されている。電磁コイル６０２が収納された部分は、非磁性材料により構成される蓋部材６０５により蓋をされている。

ヨーク６０１の側面に対向する筐体６０４に凹部６１５が設けられリードスイッチ６０３が配置されている。ヨーク６０１の内側には、ベアリング６０７を介して回転軸６０６が回転可能な状態で取り付けられている。内側回転軸６０６には、ロータ６０８が取り付けられ、さらにその先端側に強磁性材料により構成されるアーマチュア６０９が板バネ６１２を介して取り付けられている。

電磁コイル６０２に通電しない状態では、アーマチュア６０９は、板バネ６１２の反発力により、摩擦板６１０に押し付けられている。この状態がクラッチを連結した状態である。摩擦板６１０は、円板６１１に取り付けられ、円板６１１は、外側回転軸６１４に取り付けられている。外側回転軸６１４は、ベアリング６１３を介して筐体６０４に回転可能な状態で取り付けられている。この状態で、内側回転軸６０６に回転力を与えると、アーマチュア６０９から摩擦板６１０を介して円板６１１に回転力が伝わり、外側回転軸６１４が回転する。これが、電磁クラッチの連結状態である。

電磁コイル６０２に通電すると、アーマチュア６０９がヨーク６０１の方に引き寄せられ、ロータ６０８に接触する。この状態でアーマチュア６０９は、摩擦板６１０から離れる。このとき、ヨーク６０１からの磁気吸引力は板バネ６１２の反発力より強く設定されている。これにより、内側回転軸６０６と外側回転軸６１４との連結状態が解放され、一方の回転軸の回転力が他方の回転軸に伝わらない状態となる。これがクラッチを解放した状態である。図６に示す構造では、電磁コイル６０２への通電を行わず、板バネ６１２の反発力で負作動形電磁クラッチ６００の連結が正常に行われていれば、閉磁路が形成されず磁気飽和による漏れ磁束が発生しないためリードスイッチ６０３が導通しない。また、電磁コイル６０２への通電を行い、アーマチュア６０９のヨーク６０１への吸引が正常に行われ、負作動形電磁クラッチ６００の解放が正常に行われていれば、閉磁路が形成され磁気飽和による漏れ磁束が発生するため、リードスイッチ６０３が導通する。

一方、電磁コイル６０２への通電を行っても異物の影響または電磁コイル６０２の断線や機械的な故障等により、アーマチュア６０９が動かない場合も考えられる。この場合、アーマチュア６０９のヨーク６０１への吸引が正常に行われないため、閉磁路が形成されず磁気飽和による漏れ磁束が発生せずリードスイッチ６０３が導通しない。

以下に、第五の実施の形態を説明する。ここでは、本発明を利用した電磁クラッチにおいて、電磁コイルに励磁電流を流さないと電磁クラッチが解放され、電磁コイルに励磁電流を流すと電磁クラッチが連結する正作動形の電磁クラッチを説明する。

図７には、正作動形電磁クラッチの解放の状態が示されている。正作動形電磁クラッチ７００は、筐体７０４の内部に強磁性材料により構成されたヨーク７０１が固定されている。ヨーク７０１は、第１の実施形態のヨーク１０１と同様な構造を有し、内部に電磁コイル７０２を収納していて、引き出し配線７０２aが引き出されている。電磁コイル７０２が収納された部分は、非磁性材料により構成される蓋部材７０５により蓋をされている。

ヨーク７０１の内側の円柱形状の空洞部分には、ベアリング７０７を介して、内側回転軸７０６が回転可能な状態で取り付けられている。内側回転軸７０６の一端には、ロータ７０８が取り付けられている。ロータ７０８に対向して強磁性材料により構成されるアーマチュア７０９が配置されている。アーマチュア７０９は、励磁電流が流されない状態において、ロータ７０８から少し離れて位置するように、板バネ７１０により、外側回転軸７１２に取り付けられている。外側回転軸７１２は、ベアリング７１１を介して、筐体７０４に回転可能な状態で取り付けられている。ヨーク７０１の側面に対向する筐体７０４に凹部７１３が設けられリードスイッチ７０３が配置されている。

電磁コイル７０２に通電しない状態で、正作動形電磁クラッチ７００が解放となる。この場合、アーマチュア７０９に電磁コイル７０２からの磁気吸引力が作用せず、アーマチュア７０９がロータ７０８から離れて位置で板バネ７１０によって支持された状態となる。この状態で、内側回転軸７０６に外部から回転力を与えても、この回転力は外側回転軸７１２に伝わらない。これが、電磁クラッチの解放状態である。

電磁コイル７０２に通電すると、正作動形電磁クラッチ７００が連結する。この場合、アーマチュア７０９に電磁コイル７０２からの磁気吸引力が作用し、板バネ７１０の反発力に打ち勝ってアーマチュア７０９がロータ７０８に近付き、ロータ７０８に接触する。この結果、ロータ７０８とアーマチュア７０９との間に働く摩擦力によって、回転軸７０６と回転軸７１２との間で駆動力の伝達が可能な状態となる。これが、電磁クラッチの連結状態である。図７に示す構造では、電磁コイル７０２への通電を行わず、板バネ７１０の反発力で正作動形電磁クラッチ７００の解放が正常に行われていれば、閉磁路が形成されず磁気飽和による漏れ磁束が発生しないためリードスイッチ７０３が導通しない。また、電磁コイル７０２への通電を行い、アーマチュア７０９のヨーク７０１への吸引が正常に行われ、正作動形電磁クラッチ７００の連結が正常に行われていれば、閉磁路が形成され磁気飽和による漏れ磁束が発生するため、リードスイッチ７０３が導通する。一方、電磁コイル７０２に通電しても、電磁コイルの断線や異物や機械的な故障により、アーマチュア７０９が動かない場合も考えられる。この場合、ヨーク７０１とアーマチュア７０９を貫く磁路の磁束密度が増加しないため、磁気飽和による漏れ磁束が発生せず、リードスイッチ７０３が導通しない。

以下に、第六の実施の形態を説明する。ここでは、前述の実施形態１〜５に記述している電磁ブレーキ及び電磁クラッチを使用したシステムの構成を説明する。

図９は、負作動形電磁ブレーキ３００（図３）を例として、システムに適用した場合のブロック図である。電磁ブレーキを解放させる場合、まず、電磁ブレーキ制御／故障診断回路９００は、ブレーキ動作の制御を行うための制御信号を電磁ブレーキ駆動回路９０１に出力する。その制御信号を受けて、電磁ブレーキ駆動回路９０１は電磁ブレーキ３００の電磁コイル１０２に励磁電流を出力する。電磁ブレーキ制御／故障診断回路９００は、電磁ブレーキ駆動回路９０１に出力する制御信号と、リードスイッチ出力信号とを比較し、電磁ブレーキ３００が異常なく動作しているか否かを判定する。電磁ブレーキ制御／故障診断回路９００は、電磁ブレーキ３００に異常が生じた場合に、異常検知信号を出力するとともに、報知手段８００を通電して異常を報知する。この異常検知信号は、電磁ブレーキを備えたシステムの制御装置等に出力される。なお、上記システム動作は、電磁クラッチにも適用可能である。

なお、本明細書に記載されている強磁性材料としては、炭素鋼材の他に珪素鋼材、フェライト材料、アモルファス金属、その他合金材料等の公知の強磁性材料を適宜選択することができる。回転軸に加わる回転力の源は、特に限定されず、モータやエンジンの他に、手動によるものや風力等の自然現象によるものであってもよい。また、電磁ブレーキは、ロボットの関節の動きをロックする機構や、重機のアームの動きをロック機構等に利用することができる。

以上の例示では、電磁ブレーキとしてディスクタイプの電磁ブレーキの例を示したが、ドラムタイプの電磁ブレーキに本発明を適用することも可能である。この場合、アーマチュアの動きをブレーキシューに伝え、このブレーキシューによるドラムへの制動および解放を制御する構成とすればよい。同様に、電磁クラッチにおいても、コイル回転タイプへも適用することも可能である。この場合、アーマチュアをヨークに吸引、解放させることで、ヨークの回転をアーマチュアに伝達、解放されるように電磁コイルの通電を制御する構成とすればよい。

本発明は、電磁ブレーキおよび電磁クラッチに利用することができる。

１００…負作動形電磁ブレーキ、１０１…ヨーク、１０２…電磁コイル、１０３…リードスイッチ、１０４…回転軸、１０５…アーマチュア、１０６…摩擦板、１０７…ロータ、１０８…スペーサ、１０９…螺子、１１０…貫通孔、１１１…螺子孔、１１２…コイルバネ、１１３…ベアリング、１１４…蓋部材、１１５…閉磁路、１１６…漏れ磁束、１１７…異物、１１８…磁路。

Claims

回転軸に連結するロータと、
電磁コイルを収納した磁性材料により構成されるヨークと、
磁性材料により構成されるアーマチュアとを備え、
前記電磁コイルが通電により生成する磁力によって、前記アーマチュアが前記ヨークに吸引され前記ヨークに相対的に近付く第１の状態と、
前記磁力が作用しない状態で前記アーマチュアが前記ヨークから離れた第２の状態とのいずれかをとることが可能な回転力の制御装置において、
前記第１の状態で、前記アーマチュアまたは前記ヨークの少なくとも一部で磁気飽和を起こし、この磁気飽和を起こした部分から外部に漏れ出る漏れ磁束を検出する磁束検出手段を備え、
前記磁束検出手段は、前記アーマチュアが前記ヨークに近付くことで磁束密度の増加を検出し、
前記磁束検出手段がリードスイッチであり、
前記磁束検出手段を前記ヨークの外部と内部にそれぞれ配置したことを特徴とする回転力の制御装置。
前記アーマチュアと摩擦板の間に前記回転軸に取付けられたロータを備え、
前記第１の状態では、前記アーマチュアが前記ロータから離れて前記回転軸は回転することが可能になり、
前記第２の状態では、前記アーマチュアが前記ロータに接触して制動が行われる電磁ブレーキの機能を有することを特徴とする請求項１に記載の回転力の制御装置。
前記アーマチュアは、前記回転軸にばね部材で取付けられ、
前記第１の状態では、前記アーマチュアが前記ヨークに接触して制動が行われ、
前記第２の状態では、前記アーマチュアが前記ヨークから離れて前記回転軸は回転することが可能になる電磁ブレーキの機能を有することを特徴とする請求項１に記載の回転力の制御装置。
前記アーマチュアは、前記ロータが取り付けられた内側回転軸に取り付けられ、
前記第１の状態では、前記アーマチュアが外側回転軸に取り付けられた摩擦板から離れて２つの回転軸が解放され、
前記第２の状態では、前記アーマチュアが前記摩擦板に接触して２つの回転軸の連結が行われる電磁クラッチの機能を有することを特徴とする請求項１に記載の回転力の制御装置。
前記アーマチュアは、外側回転軸に取り付けられ、
前記ロータは、内側回転軸に取り付けられ、
前記第１の状態では、前記アーマチュアが前記ロータに接触して２つの回転軸の連結が行われ、
前記第２の状態では、前記アーマチュアが前記ロータから離れて２つの回転軸の解放が行われる電磁クラッチの機能を有することを特徴とする請求項１に記載の回転力の制御装置。