JP5379679B2 - 制動又はクラッチ装置 - Google Patents

Description

［関連出願の相互参照］
本願は、２００６年５月１日に出願された米国出願第１１／４１５，２６３号の一部継続出願であり、当該出願は、その全体が参照によって本明細書に援用される。

制動又はクラッチのために使用される装置（デバイス）は産業において一般的である。装置（デバイス）の回転可能な構成要素の速度若しくはトルクを選択的に制御するか、又は回転可能な構成要素を選択的に係合させることが、多くの場合望まれている。そのような装置（デバイス）は、組立ライン、自動システム等におけるアクチュエータを含む多種多様な用途のために、産業において利用されている。

現在、制動及びクラッチの任務は、磁性流体ベースの装置と、ばねベースの装置とを含む装置（デバイス）が担っている。市販の装置（デバイス）は、一般的には市場で扱われ（as marketed）且ついくつかの用途には有効であるが、高価であるか若しくは調整性を欠くか、又はその両方である。

経済性及び調整性が大幅に向上することは常に望ましいものであるため、改良は常に歓迎される。

電気的な制動又は電気的なクラッチ装置が、ハウジングと、軸を有すると共にハウジングに配置されると共に、前記ハウジングの間に半径方向の空隙を画定する電機子と、励磁されるとハウジング及び電機子に磁界を生成するように構成されているコイルとを備え、磁界の磁束経路がコイルから電機子内に延び、電機子からハウジング内に延び、且つハウジングからコイルに戻り、電機子からハウジング内への磁束経路の方向は実質的に半径方向の向きである、コイルとを含む。

制動又はクラッチ装置が、ハウジング又はシャフトのうちの一方に回転可能に固定される複数の第１の円盤と、複数の第１の円盤に相互係合すると共にハウジング又はシャフトのうちの他方に回転可能に固定される少なくとも１つの第２の円盤とを備え、複数の第１の円盤及び少なくとも１つの第２の円盤のうちの少なくとも一方は、複数の第１の円盤及び少なくとも１つの第２の円盤のうちの他方と接触する接触面を提供し、その面は、静摩擦係数と実質的に同じ動摩擦係数を有する低摩擦の耐久材料から成る。

磁気作動式装置が、ハウジングと、ハウジングに配置されると共にハウジングに対して軸方向に可動である電機子とを含み、当該装置は、当該装置の摩耗に関係なく、当該装置の軸方向の運動の大部分を通して持続可能である実質的に均一な磁気作動力を有する。

本発明の上記及び他の利点は、好適な実施形態の以下の詳細な説明を添付の図面に照らし合わせて検討すれば当業者には容易に明らかになるであろう。

図を検討する前に、本明細書の図面及び記載は、ハウジングが外方で電機子に隣接している装置（デバイス）に関するが、本明細書に開示される概念は、内方で電機子に隣接しているハウジングに対して適用可能であることを指摘しておくことが重要である。電機子は横向きでハウジングに隣接していてもよい。図１（ａ）を参照すると、選択的係合装置（selective engagement device）１０が全体的に断面で示されている。図示されている断面の線は、直径的な線ではなく、むしろ図１（ｂ）に示す線である。装置（デバイス）は、コイルハウジング１２と、カバー１４とを含む。回転シャフト１６が、ベアリング１８、２０及び２２によって支持されることによってコイルハウジング１２及びカバー１４内で支持されている。シャフト１６をハウジング１２とカバー１４とに対してその所望の位置に保持するように、保持リング２４は、ベアリング２２に隣接している溝２６内に位置可能となっている一方で、保持リング２８は、ベアリング１８に隣接している溝３０内に位置決めされている。さらに、シール３２を設けて、ハウジング１２及びカバー１４の内部環境を維持する。

複数の摩擦円盤３４（円という限定は「円盤」という用語によっては意図されておらず、あらゆる所望の外周形状を用いることができる）が、複数のスラスト座金３６と交互に位置決めされている。図示の実施形態では、２つの摩擦円盤と３つのスラスト座金が示されている。しかしながら、円盤及びスラスト座金の数は、図示されているものには限定されず、且つ１つも用いないことを含め、より多い又はより少ない数の円盤及びスラスト座金を特定の用途において利用することができることを理解されたい。１つも利用しないことが望まれる場合、一実施形態では、電機子に面するハウジング面と、特定の（identified）ハウジング面に対向する電機子面とを硬化するか又は別の方法で処理して、耐摩耗性を向上させる。図示の実施形態に戻ると、摩擦円盤３４は、一実施形態では、シャフト１６上の六角ドライブ形材（hexagonal drive profile）４０（図２を参照）に対して相補的な六角開口３８（図６を参照）の使用を介して、シャフト１６によって駆動させられる（又は当該シャフト１６を介して駆動される）。図示の実施形態では六角形のドライブ形状が採用されているが、用途的に十分なドライブ能力を有するあらゆる幾何学的形状が、六角形状の代用となり得ることを理解されたい。１つの円盤が望ましい場合、これはスプライン接続を含む。以下でより明らかになるように、機能（Functionality）は、円盤が軸で駆動させられることによって与えられる。他方、複数のスラスト座金３６は、開口４２によってドライブ形材４０を通過させるように（clear drive profile 40 with：を通すように）構成されており、その開口４２として、あらゆる幾何学的形材を座金に適用しても、係合しないほど十分に大きい。スラスト座金３６は係合タブ４４を含んでおり、一実施形態では、係合タブ４４は、その数が４つであり、各スラスト座金３６の周りに均等に離間している。タブ４４は、電機子４８の少なくとも１つの窪み４６と係合することが意図されている（図３を参照、窪みは４つ示されている）。タブが窪み４６と係合することによって、座金と電機子との間の相対的な回転運動が防止される。

電機子４８はベアリング開口５０を含み、当該ベアリング開口５０内にはベアリング１８が入れられて電機子４８を支持しているが、図示されているベアリングは任意的なものであり、図示の実施形態では存在しているが、代替的な実施形態では、本明細書に開示される装置の作用に影響を及ぼすことなく、省くことができることを理解されたい。電機子４８は、ベアリング１８に沿って軸方向に変位可能であり、それによって、シャフト１６と、ハウジング１２及びカバー１４との間の相対的な回転運動を減速させるか又は停止させることが望まれるときに、スラスト座金及び摩擦円盤に向かって動かすことができる。一実施形態では、電機子がハウジング１２に対して相対的な回転運動能力を有しないことが必要とされる。したがって、図３に示すように、電機子４８には係合用ライザ（engagement riser：係合用隆起部）５２が設けられている。４つのライザ５２が図示されているが、より多いか又はより少ないライザ５２を使用してもよい。図示の実施形態では、４つのライザ５２と４つの窪み４６とを使用することによって、電機子４８の環状の厚みが維持されている。

図５及び図６を参照すると、円盤３４及び座金３６が他の構造部とは別個に示されている。座金タブ４４は、既に述べたように、電機子４８との非回転係合のために窪み４６に係合するように意図されている。座金３６からハウジング１２までの非回転係合を達成するために、ライザ５２が（図４に示す）溝５４に係合する。この配置の場合、座金３６はハウジング１２に対して実質的に回転的には不動となり、これによって装置（デバイス）の目的の達成が容易になる。しかし、これは座金と電機子との間の回転防止のための構成の１つの可能性であり、機能が均等である他の構成を所望に応じて代用することができることを理解されたい。

固定されている（不動の）座金３６と、当該座金３６に挟まれている（と共にシャフト１６と共に回転するように構成されている）摩擦円盤３４とによって、摩擦円盤は座金３６を通過して摺動しなければならない。この構成によって、圧縮荷重が座金／円盤にかかる場合、効果的な総摩擦が増加し、且つ様々な用途における座金とクラッチとの間の相対的な運動が。図示の実施形態の圧縮荷重用の推進力（impetus）は、ハウジング１２と電機子４８との間に生成される電磁引力である。電機子とハウジングとの特別な関係が本明細書に開示されており、当該関係によって、装置（デバイス）の磁束経路が独自のものとなり、その結果、装置（デバイス）の摩耗には関係なく且ついかなる種類の調整も必要なく、ハウジングと電機子との空隙が、装置（デバイス）の耐用寿命を通して一定になることをここで留意されたい。これは以下に詳述する。

図１（ａ）に示すコイル５６は電磁力を生成する。コイル５６は、ハウジング１２内に配置されているボビン５８に巻かれる（cradled in：支持される）。コイル５６に電気的に接続されている導線６０（２つあるが、簡易のためにこの図では片方は見えない）が、図１（ａ）に示されている。コイル５６は、電流が印加されると磁気を帯びる。コイル５６の磁気特性は、電機子４８を当該コイル５６に向かって引き寄せるために使用され、それによって、スラスト座金３６と摩擦円盤３４とが、電機子４８の内面６２とハウジング面６４との間で圧縮される。上述のように、座金３６及び円盤３４の圧縮によって、シャフト１６とハウジング１２との相対的な回転を減速させるのに使用される大きな摩擦が生成される。本明細書に開示される装置（デバイス）は、従来技術の装置（デバイス）よりも著しく長い寿命を提供し、従来技術は１インチの摩耗当たり１００００しか耐えられない場合が多いのに対して、本発明は、選択的な制動力又はクラッチ力が失われる前に摩擦生成部材において１インチの摩耗当たり約４００００〜５００００だけ耐えることができる。本発明は、装置（デバイス）の磁束経路をコイル５６から電機子４８へ、次いでハウジングへ、ハウジングと電機子との間の空隙を通して（装置（デバイス）の）軸方向よりも実質的に半径方向の向きに流すことによって、この望ましい結果を達成する。これは、クラッチ及び制動装置が従来行ってきたものとは対照的である。半径方向の磁束経路の生成は、ハウジングの一部に対して半径方向同心状に位置決めされる材料リング６６等の部分を、電機子４８に追加することによってもたらされ、当該材料リング６６は、電機子４８の平坦部分６８から環状空間７０内に延びるように位置決めされており、当該環状空間７０には、ボビン５８及びコイル５６が配置されている。リング６６は、空間７０内に少しだけ延びているため、ハウジング１２と電機子４８との間に半径方向の空隙７２を設けながら、磁束経路をより長い範囲にわたって実質的に一貫して半径方向に物理的に通す（flow）。より詳細には、装置（デバイス）は、装置（デバイス）の摩耗に関係なく、装置（デバイス）の軸方向の運動の大部分を通して持続可能である実質的に均一な磁気作動力を呈する。換言すると、従来技術では、装置（デバイス）の日常使用に起因する円盤及び座金の摩耗が生じる場合に磁気作動力が減少する。本発明では、これらの物品の摩耗は、磁気作動力にあまり悪影響を及ぼさない。このことが、本構成においてより大きな摩耗耐性という利益を与えている。ハウジング１２と電機子４８との間には空隙７２があり、それが半径方向に配向されているため、この利益がもたらされる。空隙は装置（デバイス）の摩耗経路にはない（摩耗経路は軸方向であり、軸方向における円盤及び座金の摩擦摩耗に起因している）。したがって、空隙７２は、摩耗円盤３４の摩耗に関係なく、その寸法が変わらず、一定であり続ける。磁束が通過する空隙７２の寸法の変化の防止は、装置（デバイス）の寿命の間に亘り安定的に力が生成されるのに貢献する（例えば、装置（デバイス）の軸方向の摩耗は約０．０２０インチ〜０．０７０インチ）。図７を参照すると、空隙７２の例示が図１（ａ）の部分の拡大図によって与えられている。空隙を通る磁束経路が図８に太線（heavy black line）７４によって示されている。

本明細書に開示される装置（デバイス）に対するさらなる利益が、本明細書の追加の教示によって提供される。当該教示とは、クラッチ又は制動システムにおける円盤及び座金は、その静摩擦係数と実質的に同じ動摩擦係数を有するか、又は（静摩擦係数対動摩擦係数の比）１：１から±約５パーセント以内であるトルク伝達材料から少なくとも部分的に構成されてもよいということである。しかしながら、本発明の利益は動摩擦係数と静摩擦係数との相違が増えるほど減少するが、約２０パーセントの差までは本発明の利益が依然として大きく示されることを理解されたい。一実施形態では、材料は、ＰＴＦＥ（Polytetrafluoroethylene）又は他の低摩擦添加剤を有するナイロンの耐久材料であり、且つ約１．０５の、動摩擦係数に対する静摩擦係数の比率を呈する。上記開示は、大部分が電磁デバイスに関するものであるが、上記の範囲の動摩擦係数に対する静摩擦係数の比率を有するトルク伝達材料の利用は、電気作動式デバイス又は磁気作動式デバイスに限定されず、作動式デバイス等であってもよいことをさらに留意されたい。上記の、且つ供述自体によって示されている特性は、本発明のシステムには極わずかな「スティック−スリップ」動作が存在することを意味する。賢明な読者なら分かるように、そのような特性は、使用可能な摩擦が比較的少なく生成されることも示す。この条件はクラッチ／制動装置にとっては不確かなものであろうが、「スティック−スリップ」を回避するという利益はより重要である。これは、システムの全体の摩擦による損失は、装置（デバイス）の軸から摩擦面までの半径方向の距離を延ばすこと、摩擦領域を増やすこと、又はシステムの摩擦接触面（interface）（円盤及び座金）の数を増やすことによって容易に補償されることができるという事実に鑑みると、特に当てはまる。これらの補償構成のうちの２つ以上を共にいくつかの用途で使用することも考えられる。

以上に詳述した装置（デバイス）は、使用時のより強い耐摩耗性を提供するだけでなく、特定のシステムに対して行われる制動力の量又はクラッチ係合の度合いの選択性も可能にする。この利益は、装置（デバイス）がコイル５６に流される電流の量によって最終的に制御されるという事実によってもたらされる。コイルに印加される電流が多くなるほど、それによって生成される磁界が強くなる。磁界が強くなるほど、電機子にかかる引力が大きくなり、結果的に、摩擦円盤の圧縮が強くなる。したがって、スラスト座金と摩擦円盤との間に生成される摩擦量は、印加される電流に応じて変化し得る。

上述の実施形態は、開示される半径方向の空隙と磁束経路とを用いる、採り得る一実施形態であることを留意されたい。しかしながら、本発明の概念の本質的な特徴、すなわち制動又はクラッチは、摩擦円盤又はスラスト座金を用いることなく、半径方向の空隙と磁束経路とを用いることによって実行されることができることも理解されたい。そのような実施形態では、電機子は、コイルが励磁されていないときにはハウジングに対して回転可能であり、コイルが励磁されているときには引き付けられてハウジングと摩擦接触している状態になる。これは、ハウジングと電機子との摩耗を助長させるが、材料が適切に選択されれば、装置（デバイス）は許容可能に働く。

本明細書に開示される制動又はクラッチ装置は、産業用途に限定されないことを理解されたい。むしろ、本装置（デバイス）は、多くの様々な装置に有用であり、人の触覚によるインタフェース装置等のようなもの、制御アルゴリズムによる応答、触覚によるフィードバックがゲームの体感度を向上させるのに有用であるビデオゲーム等のデバイスに採用される。さらに、本明細書に開示されるトルク伝達装置は、飛行機、ボート又は自動車の操縦者に触覚によるフィードバックを提供するために、ワイヤを使用することによる操縦に有用である。本明細書に開示される装置（デバイス）は、張力調整システム（tensioning system）にさらに有用であり、当該張力調整システムでは、センサシステムが例えばウェブの張力を感知すると共に、感覚上の情報をコントローラに提供し、次いで、当該コントローラが、システムに設けられているクラッチ装置の制動を作動させて、ウェブの張力を修正するように構成されている。本明細書に開示される装置（デバイス）は、可変トルク調整（proportioning）装置等においてさらに有用である。すなわち、本明細書に開示される装置（デバイス）は、トルク伝達に対する制御が有用であるあらゆるシステムに適用可能である。

好適な実施形態を示して説明してきたが、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、様々な変更形態及び代替形態（substitutions）が可能である。したがって、本発明は例示として説明されており、限定としては記載されていないことを理解されたい。

（ａ）は選択的係合デバイスの断面図である。また、（ｂ）は（ａ）用の断面線を示すデバイスの平面図である。 デバイスのシャフトの斜視図である。 デバイスの電機子の斜視図である。 デバイスのハウジングの斜視図である。 デバイスのスラスト座金の平面図である。 デバイスの摩擦円盤の平面図である。 図１（ａ）の丸囲み線領域７−７の拡大図である。 磁束経路が太線（heavy black）によって示されている、図７の図である。

Claims (17)

1. 電気的な制動又はクラッチ装置であって、
   スラスト座金のセットと、
   上記スラスト座金の間に挟まれる状態で位置する摩擦円盤のセットと、
   ハウジングと、
   回転の際の軸を有すると共に上記ハウジングに配置され、上記ハウジングとの間に半径方向の空隙を画定し、内部に内部キャビティが存在すると共にこの内部キャビティ内で上記スラスト座金のセットが長手方向へ移動するのを許容するものの回転方向へ移動するのを規制する状態で上記スラスト座金のセットを支持する電機子と、
   上記ハウジング内および上記電機子内で、それらに対して回転可能に取り付けられ、上記摩擦円盤のセットが長手方向へ移動するのを許容するものの回転方向へ移動するのを規制するシャフトと、
   上記スラスト座金のセットと上記摩擦円盤のセットよりも実質的に一部が半径方向において外側に位置し、励磁されると上記ハウジング及び上記電機子に磁界を生成するように構成されているコイルと、
   を有し、
   上記磁界の磁束経路は、上記コイルから上記電機子内に延び、上記電機子から上記ハウジング内に延び、且つ上記ハウジングから上記コイルに戻り、
   上記電機子から上記ハウジング内への上記磁束経路の方向は実質的に半径方向の向きであり、
   上記空隙は、上記ハウジングに対して半径方向内方に位置決めされる、
   ことを特徴とする電気的な制動又はクラッチ装置。
2. 請求項１記載の電気的な制動又はクラッチ装置であって、
   前記電機子には、半径方向において前記コイルと共に略同心の部分が存在する、
   ことを特徴とする電気的な制動又はクラッチ装置。
3. 請求項１記載の電気的な制動又はクラッチ装置であって、
   前記電機子には、半径において前記ハウジングと共に略同心の部分が存在すると共に、
   当該電機子は、前記ハウジングの外周面よりも内側に位置している、
   ことを特徴とする電気的な制動又はクラッチ装置。
4. 請求項２記載の電気的な制動又はクラッチ装置であって、
   前記電機子には、平坦部分が存在すると共に、半径方向において略同心の部分は軸方向に延伸するリングが存在すると共に、これらによって該電機子の内部の空洞が規定される、
   ことを特徴とする電気的な制動又はクラッチ装置。
5. 請求項１記載の電気的な制動又はクラッチ装置であって、
   前記摩擦円盤は、前記ハウジングと前記電機子の間に配置されている、
   ことを特徴とする電気的な制動又はクラッチ装置。
6. 請求項５記載の電気的な制動又はクラッチ装置であって、
   前記コイルが励磁されるとき、前記摩擦円盤は、軸方向の圧縮荷重を受ける、
   ことを特徴とする電気的な制動又はクラッチ装置。
7. 請求項１記載の電気的な制動又はクラッチ装置であって、
   前記摩擦円盤は、前記シャフトのうち断面が非円形状の部分に対して相補的な非円形状の開口によって前記シャフトに回転可能に固定される、
   ことを特徴とする電気的な制動又はクラッチ装置。
8. 請求項１記載の電気的な制動又はクラッチ装置であって、
   前記スラスト座金は、前記電機子の内部の空洞に存在する内面によって保持される、
   ことを特徴とする電気的な制動又はクラッチ装置。
9. 請求項１記載の電気的な制動又はクラッチ装置であって、
   前記ハウジングから前記電機子への前記磁界の磁束経路は、実質的に半径方向である、
   ことを特徴とする電気的な制動又はクラッチ装置。
10. 請求項１記載の電気的な制動又はクラッチ装置であって、
    前記コイルが励磁される場合に、前記半径方向の空隙を横切って延伸する前記磁界の磁束経路は、軸方向のものよりも半径方向のものが多い、
    ことを特徴とする電気的な制動又はクラッチ装置。
11. 請求項１記載の電気的な制動又はクラッチ装置であって、
    前記半径方向の空隙は、前記ハウジングに対する前記電機子の軸方向の運動においては略一定寸法に維持される、
    ことを特徴とする電気的な制動又はクラッチ装置。
12. 請求項１１記載の電気的な制動又はクラッチ装置であって、
    前記半径方向の空隙は、前記ハウジングの外周面に対して半径方向内方に位置決めされる、
    ことを特徴とする電気的な制動又はクラッチ装置。
13. 請求項１記載の電気的な制動又はクラッチ装置であって、
    前記空隙は、前記装置の摩耗経路から外れて配置されている、
    ことを特徴とする電気的な制動又はクラッチ装置。
14. 請求項１記載の電気的な制動又はクラッチ装置であって、
    前記シャフトが延伸して通り抜けると共に前記電機子を受け止める空洞を有するカバーを備える、
    ことを特徴とする電気的な制動又はクラッチ装置。
15. 請求項１４記載の電気的な制動又はクラッチ装置であって、
    前記カバーは、半径方向において前記コイルの外側に位置する、
    ことを特徴とする電気的な制動又はクラッチ装置。
16. 請求項１４記載の電気的な制動又はクラッチ装置であって、
    前記カバーは、前記摩擦円盤と前記スラスト座金のセットを通過するように長手方向に延伸すると共に、前記カバーの内部に前記摩擦円盤と前記スラスト座金のセットを収容している、
    ことを特徴とする電気的な制動又はクラッチ装置。
17. 電気的な制動又はクラッチ装置であって、
    それぞれが交互となるように配置されるスラスト座金のセットと摩擦円盤のセットと、
    ハウジングと、
    内部キャビティを有すると共に、上記ハウジングに対して軸方向へ移動させるべく取り付けられ、上記ハウジングとの間で実質的に半径方向の寸法が固定された状態で半径方向の空隙を規定するために配置され、上記内部キャビティ内に上記スラスト座金を収容する状態で支持すると共に長手方向に対して移動可能とすると共に半径方向に対して固定される電機子と、
    上記ハウジングの内部および上記電機子の内部に回転可能に取り付けられると共に、長手方向に対して移動可能とすると共に半径方向に対して固定される状態で上記内部キャビティの内部に収容される上記摩擦円盤が取り付けられるシャフトと、
    一部分が上記摩擦円盤および上記スラスト座金よりも半径方向の外側に位置し、上記コイルから上記電機子、上記電機子から上記ハウジング、上記ハウジングから上記コイルに向かう磁束経路を有する磁界を発生させ、そのうち上記電機子から上記ハウジングに向かう上記磁束経路は、実質的に半径方向であるコイルと、
    を具備することを特徴とする電気的な制動又はクラッチ装置。

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