JP5751091B2 - 電磁クラッチ - Google Patents

Description

本発明は、電磁クラッチに関するものである。

従来より、励磁コイルを外包する磁性体である磁極体と、磁極体に対向する位置に配置されてシャフトと一体回転可能なロータと、シャフトの軸方向に摺動可能なアーマチュアとを備え、励磁コイルが励磁状態である場合に、磁気吸引力によりアーマチュアがロータに押圧することによって回転トルクを伝達するように構成した電磁クラッチが知られている（特許文献１参照）。このような電磁クラッチにおいて励磁コイルが励磁状態である場合、磁気吸引力は発生せず、磁極体とロータとは一体に回転せずに相対回転する。この相対回転をスムーズに行えるように、磁性体であるロータ及び磁極体のうち相互にシャフトの径方向に対面する面同士の間には、非磁性体である専用の軸受部品が配置されている。

これにより、ロータと磁極体とが磁力で相互に吸着することを回避しつつ、ロータと磁極体との間に励磁状態で磁気空隙として機能するスペースを確保している。

特開２００２−４８１５１号公報

ところが、専用の軸受部品を用いる態様では、部品点数や組立工数が増加するため、コストアップを招来し、低コスト化という要求を満たし難い。

そこで、励磁コイルを巻回状態で保持し磁極体と共にフィールドコアを構成する非磁性体であるボビンを軸受として機能させる態様も考えられる。具体的には、ボビンのうちシャフトの径方向にロータと対面する部分を軸受として機能させる態様も考えられる。

しかしながら、この態様では、ボビンの一部に軸受が構成されるため、安定した軸受状態を実現するには、シャフトの軸方向に沿った軸受面積を大きく確保しなければならず、これにより、シャフトの軸方向に沿った磁気空隙の面積は減少し、磁気的損失が大きくなり、完成品の性能低下を招来し得る。

本発明は、このような問題に着目してなされたものであって、主たる目的は、専用の軸受部品を用いることなく、シャフトの径方向に対面する磁性体である部品同士を安定した軸受状態で相対回転させることができ、シャフトの径方向に対向する磁性体同士の対向面積を大きく確保して、シャフトの軸方向に沿った磁気空隙の面積を増大させることが可能な電磁クラッチを提供することにある。

すなわち本発明は、シャフトと、励磁コイルを保持する非磁性体のボビンと、ボビンを一体的に組み付けた状態で収容可能な固定磁性体と、シャフトに一体回転可能に組み付けられ且つシャフトの径方向に対面する固定磁性体との間に磁気空隙を形成し得る可動磁性体と、固定磁性体及び可動磁性体と共に磁気回路を形成し得るアーマチュアとを備え、励磁コイルが励磁状態である場合にアーマチュアが電磁吸引力により可動磁性体に押圧するように構成した電磁クラッチに関するものである。ここで、「押圧」とは、接触した状態で押し付けて圧することを意味する。また、可動磁性体としては、「ロータ」や、ロータと一体回転可能な状態でスプライン係合など適宜の手段でシャフトに装着された「ハブ」を挙げることができる。

そして、本発明に係る電磁クラッチは、磁気空隙のシャフトの軸方向に沿った一端部に第１軸受部を配置し、他端部に第２軸受部を配置し、第１軸受部を、前記ボビンの一部からシャフトの軸心に向かう内向き方向に突出して固定磁性体よりも優先して可動磁性体に接触し得る内向き突出部を用いて構成するとともに、第２軸受部を、シャフトのうち第１軸受部と対向し得る部分から第１軸受部に向かってシャフトの軸方向に突出して固定磁性体と可動磁性体との間に介在し得る軸方向突出部を用いて構成していることを特徴としている。

このような電磁クラッチであれば、ボビンの一部に形成した内向き突出部及びシャフトの一部に形成した軸方向突出部をそれぞれ第１軸受部、第２軸受部として機能させているため、専用の軸受部品を必要とする従来の態様と比較して、部品点数の削減及び組立の簡素化を図ることができ、低コスト化を実現することができる。さらに、磁気空隙のうちシャフトの軸方向に沿った一端部に第１軸受部を配置するとともに、他端部に第２軸受部を配置しているため、安定した軸受状態を実現することができるとともに、これら軸受部同士の間を空隙に設定することにより、固定磁性体と可動磁性体との対向面積を大きく確保することが可能である。その結果、シャフトの軸方向に沿った磁気空隙の面積を増大させることが可能になり、励磁状態における磁気的損失を抑制することができる。

また、本発明の電磁クラッチでは、第１軸受部を、内向き突出部と、内向き突出部の突出端から第２軸受部側に向かってシャフトの軸方向に突出して固定磁性体と可動磁性体との間に介在し得る補助突出部とを用いて構成することもできる。この場合、第１軸受部の補助突出部、第２軸受部の軸方向突出部の何れもが固定磁性体と可動磁性体との間に介在し得るため、より安定した軸受状態を実現することができる。

本発明によれば、磁気空隙の一端部にボビンの一部である内向き突出部を配置するとともに、磁気空隙の他端部にシャフトの一部である軸方向突出部を配置してそれぞれ第１軸受部、第２軸受部として機能させることにより、専用の軸受部品が不要であり、シャフトの径方向に対面する磁性体である固定磁性体と可動磁性体とを安定した軸受状態で相対回転させることができ、シャフトの径方向に対向する磁性体同士の対向面積を大きく確保して、シャフトの軸方向に沿った磁気空隙の面積を増大させることが可能な電磁クラッチを提供することができる。

本発明の一実施形態に係る電磁クラッチの断面模式図。 同実施形態に係る電磁クラッチの分解模式図。 同電磁クラッチの図２とは異なる角度から見た図２対応図。 同実施形態の一変形例に係る電磁クラッチの図１対応図。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。

本実施形態に係る電磁クラッチＸは、図１及び図２に示すように、シャフト１と、励磁コイル２１を保持する非磁性体のボビン２と、ボビン２を収容した状態でボビン２に一体的に組み付けられる固定磁性体３（以下「ヨーク３」と称する場合がある）と、シャフト１に一体回転可能に固定した可動磁性体４と、シャフト１の軸方向Ａに沿ってロータ４に接離する方向に移動可能であって且つヨーク３及びロータ４と共に磁気回路を形成し得るアーマチュア５と、アーマチュア５を一体回転可能に保持した状態でシャフト１に相対回転可能に設けたギア６とを備えたものである。本実施形態では、可動磁性体としてロータ４を適用している。ここで、ボビン２、ヨーク３、ロータ４、アーマチュア５及びギア６はシャフト１を中心に同軸上に配置される。そして、本実施形態では、ロータ４が出力回転体として機能し、ギア６が入力回転体として機能する。

ボビン２は、励磁コイル２１を巻回可能なコイル巻回用凹部２２を有し、ヨーク３に収容されるものである。励磁コイル２１には図示しない電源コード（リード線）が接続され、電源コードを介して外部電源から励磁電流が供給される。本実施形態では、外方に突出する回り止め部２３をボビン２に設けている（図２参照）。

ヨーク３は、シェルとも称される金属製のものであり、中心に後述するロータ４の内側筒部４３が挿通可能な挿通孔３１を形成した概略円環状をなすリング部３２と、リング部３２の内周縁からシャフト１の軸方向Ａに延びるヨーク内側筒部３３と、リング部３２の外周縁からヨーク内側筒部３３と同一方向に延びるヨーク外側筒部３４とを備えている。そして、これら各部（リング部３２、ヨーク内側筒部３３、ヨーク外側筒部３４）によって形成される凹部にボビン２を組み付けることができる。なお、ヨーク外側筒部３４の所定箇所には、ボビン２に設けた回り止め部２３との干渉を回避してヨーク３に対するボビン２の組付位置を位置決めし得る切欠部３５を形成している（図２参照）。ヨーク３及びボビン２を相互に組み付けたものは、フィールドコアやマグネット組立体、或いは電磁石部とも称され、以下の説明では「フィールドコア」と称する。

ロータ４は、例えば鋼などからなる金属製の磁性体であり、中心にシャフト１が挿通可能な挿通孔４１を形成し且つシャフト１の軸方向Ａに対して垂直な概略円環状をなすディスク部４２と、このディスク部４２の内周端からシャフト１の軸方向Ａに延びてシャフト１に回転不能に外嵌可能なロータ内側筒部４３と、ディスク部４２の外周端からシャフト１の軸方向Ａに延びてヨーク３の一部を外周側から被覆し得るロータ外側筒部４４とを備えている。本実施形態では、ロータ４の挿通孔４１の開口径をヨーク３の挿通孔３１の開口径よりも小さく設定している。また、ロータ内側筒部４３の外径をヨーク内側筒部３３の内径よりも小さく設定するとともに、ロータ外側筒部４４の内径をヨーク外側筒部３４の外径よりも大きく設定している。なお、ロータ内側筒部４３の一部に内方に膨出させた膨出部４３１を形成している（図２及び図３参照）。

アーマチュア５は、例えば鋼（鉄）を主材料（母材の材料）とするリング状の磁性体である。このアーマチュア５は、中心部分にシャフト１が挿通可能な貫通孔５１を形成し、シャフト１の径方向Ｒに移動不能である一方、シャフト１の軸方向Ａ（スラスト方向）にスライド移動可能なものである。本実施形態では入力回転体であるギア６にアーマチュア５を取り付けている。アーマチュア５の外周縁に鋸歯状の歯部５２を形成し、この歯部５２を、ギア６に設けた歯部６４に噛み合わせることによって、ギア６に対するアーマチュア５の相対回転を規制し、アーマチュア５及びギア６を一体回転可能な状態で相互に組み付けている。また、アーマチュア５の中心部分に形成した貫通孔５１の周縁には、図２に示すように、シャフト１の径方向Ｒ内向きに突出させた内向き突部５３を所定間隔で複数（図示例では３つ）形成している。

ギア６は、シャフト１に対して回転自在に装着され、後述するシャフト１の一端部（先端部）に設けた弾性変形可能な止め部１５と段部１３とに挟まれて軸方向Ａの移動が規制されている。また、このギア６は、シャフト１が挿通可能な挿通孔６１と、アーマチュア５を収容するアーマチュア収容凹部６２と、ロータ４の外側筒部４４を所定の隙間を確保した状態で外側から被覆し得るカバー筒部６３と、アーマチュア収容凹部６２の外縁部に形成した歯部６４と、アーマチュア収容凹部６２の内縁部に設けられアーマチュア５の内向き突部５３の各突出端が接触し得る内側段部６５とを有する。アーマチュア収容凹部６２にアーマチュア５を収容した状態において、アーマチュア５は、歯部５２がギアの歯部６４に噛み合うことによりギア６に対して回転不能となる一方、ギア６に対して軸方向Ａに所定距離（アーマチュア収容凹部６２によりアーマチュア５の収容状態が解除されない範囲内において）スライド可能である。なお、アーマチュア５がギア６に対して軸方向Ａに所定距離スライド移動する際に、アーマチュア５の内向き突部５３の各突出端がギア６の内側段部６５に添接（摺接）する。これによりギア６に対するアーマチュア５の安定したスライド移動を実現できる。

また、本実施形態では、カバー筒部６３の内径をロータ外側筒部４４の外径よりも大きく設定している。なお、ロータ４とアーマチュア５との間には、アーマチュア５をロータ４から離間する方向に付勢する例えばポリエステル等の合成樹脂やゴム等の弾性高分子材料、あるいは、ステンレス等の弾性金属材料で形成された円環状の付勢部材（図示省略）を配設することができる。そして、本実施形態では、この付勢部材の外径をアーマチュア５の貫通孔５１よりも小さく設定し、アーマチュア５がギア６から離反する方向に移動した場合に、アーマチュア５に設けた内向き突部５３が付勢部材に当接することによりアーマチュア５がギア６から離脱しないように構成している。

シャフト１は、ロータ４の内側筒部４３の内周面（挿通孔４１）に嵌合可能な基端側軸部１１と、ギア６の挿通孔６１に挿通可能な先端側軸部１２とを有する。本実施形態では概略中空筒状のシャフト１を適用しており、基端側軸部１１の内周面及び先端側軸部１２の内周面はフラットな形状で連続する一方で、基端側軸部１１の外周面と先端側軸部１２の外周面との境界部分には段部１３が形成されている。具体的には、先端側軸部１２を基端側軸部１１よりも厚みを薄く設定している。そして、先端側軸部１２の所定部分にスリットを形成し、一対のスリットによって他の先端側軸部１２との連続性を遮断した部分を弾性変形可能な弾性変形部１４として機能させ、この弾性変形部１４の先端に上述の止め部１５を設けている。また、本実施形態では、基端側軸部１１の基端にリング状の鍔部１６を設け、この鍔部１６に固定磁性体３（ヨーク３）の一部（リング部３２）が接触し得るように構成している。また、軸方向に貫通する内部中空孔１７のうち基端側部分に、断面形状を円形以外の形状、例えばＤ字状に設定した異形状孔部１７１を形成している。

このように構成された電磁クラッチＸは、例えばプリンタ等の画像形成装置（図示省略）における給紙機構部等の外部シャフトがシャフト１の内部中空部１７に挿通されて異形状孔部１７１に嵌合し、外部シャフトとシャフト１とが一体回転可能な状態となり、ボビン２に設けた回り止め部２３が画像形成装置等の機器内部の固定部材に固定されてボビン２及びヨーク３、すなわちフィールドコア全体が回転しないように取り付けられる。この状態で、外部の駆動源からギア６に回転力が与えられると、ギア６がアーマチュア５と共にシャフト１のうち先端側軸部１２の外周を回転する。

この状態で励磁コイル２１が通電状態（励磁状態）になると、ヨーク３及びロータ４で形成される磁路中に励磁コイル２１による磁束が生成されることになり、この磁束はロータ４の近傍位置にあるアーマチュア５を経由して生成されることになる。このため、ロータ４にアーマチュア５を吸引する磁気吸着力が発生し、図１に示すように、アーマチュア５が付勢部材の弾性力に抗してロータ４側に移動してロータ４に押圧する。その結果、ロータ４がアーマチュア５と共に回転する結果、入力側回転体であるギア６の回転力をアーマチュア５を介してシャフト１に伝達することができ、シャフト１がギア６の回転に応じて回転することになる。これにより、外部シャフトもシャフト１と一体回転する。

一方、励磁コイル２１への通電が遮断された状態（非励磁状態）では、磁束が消滅し、電磁力が作用しないアーマチュア５は付勢部材の付勢力によってロータ４から離反した元の位置に引き戻される（図示省略）。その結果、ギア６からシャフト１への回転力の伝達は遮断され、シャフト１は回転せずに停止した状態になる。したがって、外部シャフトへも回転力は伝達されない。

このように、電磁クラッチＸは、励磁コイル２１への電流の供給・切断により、アーマチュア５に対して電磁力を作用させてアーマチュア５をロータ４に押圧（吸着）させて回転力を伝達する動力伝達状態と、アーマチュア５をロータ４から離反させて回転力の伝達を遮断する遮断状態との間で切り替えることができる。

このような原理で作動する電磁クラッチＸでは、ボビン２とヨーク３とからなるフィールドコアは常に静止しており、励磁状態でロータ４がフィールドコアに対してシャフト１と共に回転するため、何れも磁性体であるヨーク３とロータ４とが磁力で相互に吸着することを回避しつつ、ヨーク３とロータ４の間に励磁状態で磁気空隙として機能するスペース（ギャップＳ）を確保する必要がある。

本実施形態に係る電磁クラッチＸは、図１に示すように、シャフト１の径方向Ｒに対面するロータ内側筒部４３とヨーク内側筒部３３との間に、軸方向Ａに所定寸法を隔てて第１軸受部８と第２軸受部９を配置し、これら第１軸受部８及び第２軸受部９によってロータ４とヨーク３との間にギャップＳを形成している。つまり、第１軸受部８と第２軸受部９との間にシャフト１の軸方向Ａに延びるギャップＳを形成し、励磁状態ではこのギャップＳが磁気空隙として機能するように構成している。

第１軸受部８は、ボビン２の一部をシャフト１の軸心に向かう内向き方向に突出させた内向き突出部８１によって構成したものである。この内向き突出部８１は、ボビン２のうちロータ４のディスク部４２に接触し得る部分をシャフト１の軸心に向かう内向き方向に突出させて形成したものであり、その突出寸法をヨーク３のヨーク内側筒部３３の厚み寸法よりも大きく設定している。したがって、このようなボビン２をヨーク３に組み付けたフィールドコアをロータ４に組み付けた場合に、フィールドコアのうち内向き突出部８１がヨーク内側筒部３３よりも優先してロータ内側筒部４３に当接して、ロータ内側筒部４３とヨーク内側筒部３３との間に磁気空隙として機能するギャップＳを形成することができる。以下の説明では、フィールドコアとロータ４を相互に組み付けた状態のものを「半製品」と称する。

一方、第２軸受部９は、シャフト１のうち第１軸受部８と対向し得る部分を第１軸受部８に向かってシャフト１の軸方向Ａに突出させた軸方向突出部９１によって構成したものである。具体的には、シャフト１のうち基端側に設けた鍔部１６のうち第１軸受部８と対向し得る部分からヨーク３側に向かって軸方向Ａに突出した形状をなすこの軸方向突出部９１は、その突出先端部がシャフト１の軸方向Ａにおいて励磁コイル２１よりもシャフト１の基端側に位置付けられるようにその突出寸法を設定している。また、第２軸受部９の厚み寸法は、シャフト１の径方向Ｒに沿ったロータ内側筒部４３とヨーク内側筒部３３との離間寸法を規定するものであり、本実施形態では第１軸受部８を構成する内向き突出部８１の突出寸法からヨーク内側筒部３３の厚み寸法を引いた値と同一または略同一に設定している。

そして、半製品をシャフト１の先端側から挿入すると、第１軸受部８を構成するボビン２の内向き突出部８１の存在により相互に離間した状態でシャフト１の径方向Ｒに対向するロータ内側筒部４３とヨーク内側筒部３３との間にシャフト１の軸方向突出部９１が嵌り込んで介在し、この軸方向突出部９１が第２軸受部９として機能し得る状態となる。なお、ヨーク３のリング部３２又はロータ４の内側筒部の少なくとも何れか一方がシャフト１の鍔部１６に当接することによって半製品がシャフト１の基端側へ抜け外れることを防止することができる。また、半製品をシャフト１に挿入して組み付けた後に付勢部材、アーマチュア５及びギア６をシャフト１に挿入してもよいが、組付作業の効率化という観点からは、半製品に付勢部材、アーマチュア５及びギア６を組み付けた状態でシャフト１に挿入することが望ましい。また非効率的な組付手順ではあるが、シャフト１にフィールドコアを先に挿入してシャフト１の軸方向突出部９１とヨーク内側筒部３３とをシャフト１の径方向Ｒに接触させておき、この状態でシャフト１の径方向Ｒに対向するボビン２の内向き突出部８１とシャフト１の基端側軸部１１との間に形成される隙間にロータ内側筒部４３を挿入することによってシャフト１、フィールドコア及びロータ４を相互に組み付けるようにしてもよい。

以上の構成により、本実施形態に係る電磁クラッチＸでは、シャフト１の径方向Ｒに対面するロータ４とヨーク３との間に、シャフト１の軸方向Ａに沿った両端部に第１軸受部８及び第２軸受部９を配置した磁気空隙Ｓを形成することができる。そして、本実施形態に係る電磁クラッチＸは、第１軸受部８をボビン２の一部であってヨーク３よりも優先してロータ４に接触する内向き突出部８１によって構成するとともに、第２軸受部９をシャフト１の一部であってロータ４とヨーク３との間に介在する軸方向突出部９１によって構成しているため、専用の軸受部材を用いて磁気空隙Ｓを形成する態様と比較して、部品点数の削減及び組付手順の簡素化を図ることができ、低コスト化を実現することができる。また、本実施形態に係る電磁クラッチＸは、シャフト１の径方向Ｒに対面するロータ４とヨーク３との間に形成した磁気空隙Ｓの両端部を各軸受部（第１軸受部８、第２軸受部９）によって支持する態様であるため、軸受機能の向上を図ることできる。

さらに、本実施形態に係る電磁クラッチＸは、磁気空隙Ｓの両端部のみを各軸受部（第１軸受部８、第２軸受部９）で支持する態様であるため、ヨーク３のうち磁気空隙Ｓを隔ててシャフト１の径方向Ｒにロータ４と対面する面積と、ロータ４のうち磁気空隙Ｓを隔ててシャフト１の径方向Ｒにヨーク３と対面する面積をそれぞれ大きく確保することができ、シャフト１の軸方向Ａに沿った磁気空隙Ｓの面積を増大させることが可能になる。したがって、本実施形態によれば、シャフト１の軸方向Ａに沿った磁気空隙Ｓの面積減少に伴う磁気的損失を抑制することができ、完成品において所期の機能を有効に発揮し得る電磁クラッチＸを提供することができる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、ボビンの内向き突出部やシャフトの軸方向突出部の突出寸法は適宜変更することができる。

また、図４に示すように、第１軸受部８を、内向き突出部８１と、内向き突出部８１の突出端から第２軸受部９に向かってシャフト１の軸方向Ａに突出して固定磁性体（ヨーク３）と可動磁性体（ロータ４）との間に介在する補助突出部８２とによって構成しても構わない。このような態様であれば、第１軸受部８の補助突出部８２、第２軸受部９の軸方向突出部９１の何れもがヨーク３とロータ４との間に介在し得るため、より安定した軸受状態を実現することができる。なお、第１軸受部８を構成する補助突出部８２の厚み寸法は、第２軸受部９を構成するシャフト１の軸方向突出部９１の厚み寸法と同一に設定すればよい。また、ヨーク３及びロータ４のうち、磁気空隙Ｓを隔ててシャフト１の径方向Ｒに相互に対向する面積を可能な限り大きく確保することが好ましい点を考慮した上で、補助突出部８２の突出寸法は適宜変更することができる。

また、ロータが入力回転体として機能し、ギアが出力回転体として機能する態様であっても構わない。

また、可動磁性体が、ロータと一体回転可能な状態でスプライン係合など適宜の手段でシャフトに装着されたハブであってもよい。

その他、各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

１…シャフト
２…ボビン
２１…励磁コイル
３…固定磁性体（ヨーク）
４…可動磁性体（ロータ）
５…アーマチュア
８…第１軸受部
８１…内向き突出部
９…第２軸受部
９１…軸方向突出部
Ｓ…磁気空隙
Ｘ…電磁クラッチ

Claims (2)

1. シャフトと、
   励磁コイルを保持する非磁性体のボビンと、
   当該ボビンを一体的に組み付けた状態で収容可能な固定磁性体と、
   前記シャフトに一体回転可能に組み付けられ且つ前記シャフトの径方向に対面する前記固定磁性体との間に磁気空隙を形成し得る可動磁性体と、
   前記固定磁性体及び前記可動磁性体と共に磁気回路を形成し得るアーマチュアとを備え、
   前記励磁コイルが励磁状態である場合に前記アーマチュアが電磁吸引力により前記可動磁性体に押圧するように構成した電磁クラッチであり、
   前記磁気空隙の前記シャフトの軸方向に沿った一端部に第１軸受部を配置し、他端部に第２軸受部を配置し、
   前記第１軸受部が、前記ボビンの一部から前記シャフトの軸心に向かう内向き方向に突出して前記固定磁性体よりも優先して前記可動磁性体に接触し得る内向き突出部を用いて構成したものであり、
   前記第２軸受部が、前記シャフトのうち前記第１軸受部と対向し得る部分から前記第１軸受部に向かって当該シャフトの軸方向に突出して前記固定磁性体と前記可動磁性体との間に介在し得る軸方向突出部を用いて構成したものであることを特徴とする電磁クラッチ。
2. 前記第１軸受部を、前記内向き突出部と、当該内向き突出部の突出端から前記第２軸受部側に向かって前記シャフトの軸方向に突出し、且つ前記固定磁性体と前記可動磁性体との間に介在し得る補助突出部とを用いて構成している請求項１に記載の電磁クラッチ。

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