JPH09215266A - 電磁制動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 微小容量の電源によって高精度の微細な機械
的変移動を的確に実施でき、かつフェイルセーフ機能を
有して安全性に優れる電磁制動装置を得る。 【解決手段】 ハウジング３内に回転自在に設けられる
とともに電磁力による軸線回りの回転駆動によってその
軸線方向に変移動する軸４にその磁極面６ａが直交する
ように電磁石磁極片６を固定し、ハウジング３に固定的
に取り付けた電磁石鉄心８に磁極片６を吸着する駆動コ
イル９とこの駆動コイルよりもアンペアターンが小さい
保持コイル１０を固定し、上記両コイルの無通電時にお
ける磁極片６と電磁石鉄心８との間に動作間隙を保持す
るために軸４の端面と鉄心８との間に付勢部材１２を介
装し、鉄心８を付勢部材１２よりも小さい付勢力で軸４
の軸線方向に常時付勢する他の付勢部材１３を設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、原動機によって駆
動される駆動軸の機械的な変位状態を電磁石によって機
械的に保持する電磁制動装置に関するものであり、さら
に詳しくは、上記駆動軸の機械的保持を電磁石の通電を
オン状態にすることにより行い、同電磁石の通電をオフ
状態にすることにより上記駆動軸の械的保持状態の釈放
を行う電磁制動装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、産業、民生の広範な諸分野におい
て、電動機等の原動機により駆動する駆動軸を所要の位
置で停止状態させるために、電磁石を用い、この電磁石
への通電のオン操作で固定状態に保持し、オフ操作によ
り保持状態を釈放する各種構成の電動制動機構が利用さ
れている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
電動制動装置においては、以下のような問題点があり、
それらの解決が望まれている。先ず、従来の電動制動装
置では、電源が喪失したり、あるいはその電気制御回路
に故障が生じるといった事故が発生した時には、当該事
故発生時の機械的状態をそのまま持続させるようになっ
ている。したがって、例えば、弁の開閉の駆動用として
の電動弁装置に用いた場合には、電源の喪失や制御回路
の故障等の事故に際して、電動弁の弁体を自動的に閉状
態に移行させる、いわゆるフェイルセーフ機能を発揮さ
せることができないという問題点があった。また、従来
の電動制動装置において駆動軸を停止させた際には、原
動機部を含む運動部分の慣性によって、駆動部と制動部
の間に衝撃力が発生してしまい、この結果駆動軸の停止
位置の精度の劣化が避けられず、この衝撃を緩和するに
は、駆動部に固定した磁極片の磁極面における制動部分
との接触部分の機械的摩擦による運動エネルギーの消耗
を必要とし、両磁極面間の接触部における耐久性や寿命
に問題が発生してしまう欠点があった。

【０００４】さらに、上記従来の電動制動装置において
は、電気入力信号と機械的出力のインターロックが不確
実となるおそれがあり、雑音等による誤入力信号による
機械的出力の誤動作が累積されて、制御の信頼性を損う
恐れがある。このため、的確な制御を必要とする場合に
対応するには、機械的出力の動作確認のフィードバック
信号と電気入力信号の照合による閉ループ制御を実施す
る必要があり、そのために複雑で高価な装置を付加しな
ければならないという問題点があった。また、駆動軸
は、その円滑な回転運動のため、電磁石の磁極片と電磁
石の磁極面との間に動作間隙を必要とするため、この動
作間隙長分だけ軸方向に変移動自在の構造となることが
避けられず、よって装置の構成に精密さが要求されて装
置全体の複雑化を招来するという問題点があった。

【０００５】しかも、上記従来の電動制動装置において
は、動作間隙の存在と、電磁石の磁極面の接触部の耐久
性の劣化のため、電磁石コイルの所要アンペアターン、
すなわち所要のアンペアを実現するためのコイルの巻き
数が増大し、装置の小型軽量化や、乾電池電源等の利用
を可能とする省エネルギー特性を発揮することが困難に
なる問題点があった。

【０００６】本発明は、上記従来の電動制動装置が有す
る種々の問題点を有効に解決すべくなされたもので、微
小容量の電源によって高精度の微細な機械的変移動を的
確に実施でき、かつフェイルセーフ機能を有して安全性
に優れる電磁制動装置を提供することを目的とするもの
である。

【０００７】

【課題を解決するための手段】次に、上記課題を解決す
るための手段を、図１および図２に示す模式図に基づい
て説明する。ちなみに、これらの図に示すものは、便宜
上本発明に係る構成を説明するためのものであって、本
発明はこれらの構成に限定されるものではなく、具体的
な適用にあたっては、種々の変形が可能である。図１お
よび図２において、請求項１または請求項２に記載の本
発明に係る電磁制動装置は、駆動部１と、この駆動部１
を制動する制動部２とからなり、上記駆動部１が、ハウ
ジング３内に回転自在に設けられるとともに電磁力によ
る軸線回りの回転駆動によってその軸線方向に変移動す
る軸４と、この軸４の回転駆動による変移動に対して一
の方向に付勢力を作用させる第１のスプリング（付勢部
材）５と、上記軸４にその磁極面６ａが直交するように
固定されている電磁石磁極片６とから構成され、上記制
動部２が、上記ハウジング３に上記軸４と同軸線上に位
置するように支承されたスピンドル７に摺動自在に取り
付けられた電磁石鉄心８に駆動コイル９とこの駆動コイ
ル９よりもアンペアターンが小さい保持コイル１０を巻
回してなる電磁石１１と、上記両コイル９、１０の無通
電時における電磁石磁極片６の磁極面６ａと上記電磁石
鉄心８との間に動作間隙Ｃを保持するために上記軸４の
端面と電磁石鉄心８との間に介装された第２のスプリン
グ（付勢部材）１２と、上記電磁石鉄心８を上記第２の
スプリング１２よりも小さい付勢力で上記軸４の軸線方
向に常時付勢する第３のスプリング（付勢部材）１３
と、上記電磁石１１の回転を阻止する回り止め具（回り
止め手段）１４とから構成されている。

【０００８】上記構成の本発明に係る電磁制動装置にあ
っては、先ず無通電の状態では、軸４は、第１のスプリ
ング５の付勢力によって、軸４の回転摩擦力や軸４に連
結した駆動用電動機（後述）のコッキング力に打ち勝っ
て、所定の始動位置に静止する。次いで、後述の駆動用
電動機（図３）に所定の電気信号を印加して、軸４を所
要位置まで変位させる。そして、駆動用電動機に対する
軸４の任意の所要位置に相当する電気信号入力と同時
に、制動部２の電磁石１１の少なくとも駆動コイル９
に、所定のパルス状の通電を実施して電磁石磁極片６を
吸引する。そして、上記電磁石磁極片６を吸引した後
に、上記駆動コイル９の通電を停止することにより、保
持コイル１０のみに通電をして、電磁石固定鉄心８と電
磁石磁極片６との吸着状態を維持し、上記のパルス状電
気信号の消失後も軸４の所要位置を保持する。

【０００９】この際に、上記保持状態への移行は、始め
に駆動コイル９のみをオンとし、次にこの駆動コイル９
をオフとすると同時に保持コイル１０をオンにする手順
によってもよいし、あるいは始めに駆動コイル９と保持
コイル１０を一緒にオンとし、次にこの駆動コイル９の
みをオフとする手順によってもよい。したがって、本発
明の電磁制動装置によれば、駆動コイル９の所要巻き数
に比し、保持コイル１０の所要巻き数は微小であるの
で、駆動部１を保持するための消費電力を大幅に節減す
ることができる。

【００１０】次いで、軸４の保持位置を任意の位置に変
更する場合は、保持コイル１０の通電を停止すると同時
に、駆動用電動機に所定の電気信号を印加して、軸４を
所要位置まで変位させる。一方、上記操作における軸４
の保持状態において、保持コイル１０の通電を停止する
と、軸４は上述したように始動位置に復帰し、この操作
における始動位置復帰の都度、自動的に駆動入力信号と
軸４の始動位置とを照合、補正することにより、電気入
力信号と機械的出力のインターロックを確認することが
できる。また、軸４の所要位置での保持を持続している
時に、停電あるいは電気制御回路部の故障等の事故が発
生すると、保持コイル１０の通電が中断し、軸４は上記
スプリング５の付勢力により自動的に始動位置に復帰し
て、いわゆるフェイルセーフ機能を発揮することにな
る。

【００１１】

【発明の実施の形態】図３〜図１０は、本発明に係る電
磁制動装置を、弁の開閉制御装置に適用した一実施形態
を示すものであり、図１および図２に示したものと同一
構成部分については、同一符号を付してその説明を簡略
化する。この実施形態においては、上記軸４を電磁力に
よって軸線方向に変移動させる駆動用電動機として、ス
テッピングモータ２０が用いられており、このステッピ
ングモータ２０の一端部側に、図１および２によって説
明した本発明の電磁制動装置が組込まれて、本実施形態
の弁の開閉制御装置が構成されている。なお、図１０
は、図３のＶ−軸線で切断して３６０゜展開した状態を
示すものであり、上段は平面図、中段は永久磁石部分の
平面図、下段は上段の断面図をそれぞれ示すものであ
る。

【００１２】図３および図４において、符号３は、上記
ステッピングモータのハウジングであり、上記電磁制御
装置のハウジングを兼ねている。このハウジング３の中
心部に、上記軸４が回転自在かつその軸線Ａ方向に移動
自在に設けられている。この軸４には、図５に示すよう
に、円板状の磁石支持具２２ａが固定され、この磁石支
持具２２ａの外周に、円周方向に等ピッチ間隔で異極に
着磁された凸状磁極面２３ａ…を有する永久磁石２３が
固定されている。ここで、上記回転子の凸状磁極面２３
ａ…は、図１０の中段に示すように、それぞれその円周
方向の端面が、当該円周方向に対して所定の角度θ傾斜
する傾斜面２３ｂ…によって形成されている。そして、
上記永久磁石２３と磁極支持具２２ａおよび軸４によっ
て回転子が構成されている。

【００１３】また、ハウジング３内には、上記永久磁石
２３を間に挟んでコイル２４ａ、２４ｂが巻回された１
対の鉄心が固定されている。そして、コイル２４ａ側の
鉄心の軸線方向両端部には、図８および図９に示すよう
に、互いにＸ−Ｙ方向に９０゜をなすように径方向に延
出し、さらに外周端部が図５および図１０に示すように
上記永久磁石２３の外周側まで延びる磁極片２５ａ、２
５ｂが形成されている。他方、コイル２４ｂ側の鉄心の
軸線方向両端部には、図６および図７に示すように、互
いに９０゜をなし、かつ上記磁極片２５ａ、２５ｂと４
５゜をなすように径方向に延出し、さらに外周端部が同
様に上記永久磁石２３の外周側まで延びる磁極片２５
ｃ、２５ｄが形成されており、これら磁極片２５ａ〜２
５ｄの先端部内周面に、上記永久磁石２３の凸状磁極面
２３ａと微小間隙を介して対向する固定子磁極面２５が
形成されている。そして、上記コイル２４ａ、２４ｂ、
鉄心および磁極片２５ａ〜２５ｄにより、このステッピ
ングモータの固定子が構成されている。

【００１４】ここで、図３に示すように、磁極片２５ａ
〜２５ｄの固定子磁極面２５の、上記軸線Ａ方向の長さ
寸法は、永久磁石２３の長さよりも大きく形成されてお
り、さらに上記コイル２４ｂ側の鉄心と対向する軸２４
の外周には、雄ねじ部２６が形成され、この雄ねじ部２
６に上記鉄心の内周面に形成された雌ねじ部２７が螺合
されている。これにより、永久磁石２３が回転すると、
これが固定されている軸４および上記雄雌ねじ部２６、
２７を介して、軸４がその軸線Ａ方向に直線運動するよ
うになっている。他方、上記永久磁石２３を間に挟むコ
イル２４ａ、２４ｂの鉄心の対向面には、それぞれ当該
位置において、回転子の磁石支持具２２ａに固着された
回転止めピン２８に当接して上記回転子の回転を係止す
るためのストッパ２９ａ、２９ｂが設けられている。

【００１５】さらに、固定子と回転子との間には、スプ
リング力によって上記回転子を軸４が図３において上昇
する方向に回転するように付勢するスプリング（付勢手
段）３０が介装されている。なお、このスプリング３０
は本発明にかかる電磁制動装置の第１のスプリング５で
もある。ここで、上記スプリング３０の付勢力は、無通
電時に上記固定子磁極面２５…と永久磁石２３の凸状磁
極面２３ａ…との間に作用するコッキング力に抗して、
上記回転子を回転させ得る大きさのものに設定されてい
る。

【００１６】そして、このステッピングモータの一端部
側に、上記電磁制動装置が内装されている。この電磁制
動装置は、前述したように、駆動部１と、この駆動部１
を制動する制動部２とからなり、上記駆動部１が、ハウ
ジング３内に回転自在に設けられるとともに電磁力によ
る軸線回りの回転駆動によってその軸線方向に変移動す
る軸４と、この軸４の回転駆動による変移動に対して所
要の付勢力を作用させる第１のスプリング５と、上記軸
４にその磁極面６ａが直交するように固定されている電
磁石磁極片６とから構成され、上記制動部２が、上記ハ
ウジング３に上記軸４と同軸線上に位置するように支承
されたスピンドル７に摺動自在に取り付けられた電磁石
鉄心８に駆動コイル９とこの駆動コイル９よりもアンペ
アターンが小さい保持コイル１０を同軸に巻回してなる
電磁石１１と、上記両コイル９、１０の無通電時におけ
る電磁石磁極片６の磁極面６ａと上記電磁石鉄心８との
間に動作間隙Ｃを保持するために上記軸４の端面と電磁
石鉄心８との間に介装された第２のスプリング１２と、
上記電磁石鉄心８を上記第２のスプリング１２よりも小
さい付勢力で上記軸４の軸線方向に常時付勢する第３の
スプリング１３と、上記電磁石鉄心８の外周に形成され
た切り欠き部に係合して上記電磁石１１の回転を阻止す
る回り止め具１４とから構成されている。

【００１７】なお、上記ステッピングモータ２０には、
これに所定の電気信号を入力するための電気制御部４１
が接続されており、他方軸４の先端部には、弁４２の弁
座４３に接離してこの弁の開閉操作を行なう弁体４４が
固定されている。

【００１８】次に、以上の構成からなる電磁制動装置を
組込んだ弁の開閉制御装置の作用について説明する。先
ず、上記ステッピングモータへの無通電状態において
は、固定子と回転子との間には、磁極片２５ａ〜２５ｄ
の固定子磁極面２５…と、微小間隙を介して対向する永
久磁石２３の凸状磁極面２３ａ…との間の磁束に起因す
る磁気吸引力、即ちコッキング力と、軸４とハウジング
３との間に介装されたスプリング３０（第１のスプリン
グ５）の付勢力による回転子への回転力が作用するが、
上記スプリング３０の付勢力が上記コッキング力に勝る
ために、回転子はストッパ２９ａの位置まで回転し、こ
れにより雄雌ねじ部２６、２７を介して軸４が上昇し
て、弁体４４が弁座４３を塞ぐことにより弁４２が閉状
態に保持される。

【００１９】次いで、電気制御部４１から、各コイル２
４ａ、２４ｂに所定の順序で所定極性のパルス状電気信
号を印加すると、各磁極片２５ａ〜２５ｄが交互に異極
に磁化されて、所定の順序で磁界が切り替わることによ
り、回転子の永久磁石２３の凸状磁極面２３ａ…との間
で吸引、反発力を発生し、上記回転子は、印加されるパ
ルス状電気信号に応じて上記ストッパ２９ａ、２９ｂ間
の範囲内で正または逆方向にステップ的に回転する。す
ると、この回転運動は、上記雄雌ねじ部２６、２７を介
して軸４の直線変位、すなわち弁体４４と弁座４３との
離隔寸法に変換され、この結果、印加されているパルス
状電気信号に相当する流体流量に調整される。

【００２０】この際に、軸４すなわち弁体４４は、電気
制御部４１からのパルス状電気信号が印加されている時
間については、当該信号に相当する弁体４４の位置を保
持するが、パルス状電気信号の入力が喪失するとともに
上述した無通電状態となり、回転子は、スプリング３０
の付勢力によって弁を閉じる方向に回転しようとする。
そこで、パルス状電気信号が印加されて、回転子がその
信号に相当する位置で停止するのと同時に、本発明にか
かる電磁制動装置の駆動コイル９に通電して、第２のス
プリング１２の付勢力に抗して磁極片６を吸引し、軸４
すなわち弁体４４を当該位置に保持することにより所要
の流体流量を維持する。次いで、上記動作間隙Ｃを介し
て磁極片６を吸引する上記駆動コイル９の所要アンペア
ターンと比較して、吸着後においては動作間隙Ｃの磁気
抵抗が殆ど無視できる保持コイル１０の所要アンペアタ
ーンが微小となることから、駆動コイル９にパルス状電
気信号を印加するのと同時に、保持コイル１０にも同一
磁性の連続通電を実施して、所要の流体流量を維持する
ための消費電力を大幅に節減する。

【００２１】したがって、上記構成からなる弁の開閉制
御装置によれば、回転子の永久磁石２３の凸状磁極面２
３ａ…の円周方向端面を、円周方向に対して所定の角度
θ傾斜する傾斜面２３ｂ…によって形成しているので、
コッキング力を効果的に減少させることができ、かつ通
電時における駆動回転力を増加させることができるとと
もに、１対の鉄心に、一方の鉄心および他方の鉄心から
それぞれ交互に円周方向に等間隔を隔てて径方向に放射
状に延出し、さらに軸４の軸線と平行に永久磁石２３の
外周側まで延びて、各内周面に永久磁石２３の凸状磁極
面２３ａ…と微小間隙を介して対向する固定子磁極面２
５が形成された複数の磁極片２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、
２５ｄを配設しているので、回転子の永久磁石２３の回
転半径をモータ外径とほぼ等しくすることができ、よっ
て従来のものよりも高トルクを得ることができる。

【００２２】しかも、回転子の回転運動を、ねじ部２
６、２７を介して上記回転子の軸線Ａ方向への直線運動
として変換し、直接出力することができるため、上記ね
じ部２６、２７のピッチを適宜選択することにより、軸
４の一回転に対する弁体４４の変位量を例えば０．１ｍ
ｍといった微量変位量に変換することができ、よって高
い精度で微細な流体流量の調整を確実に行なうことがで
きる。加えて、無通電時には、自動的に付勢手段３０の
付勢力によって回転子をストッパ２９ａ位置に復帰させ
ることができるため、上記ストッパ２９ａ位置を弁の閉
位置に設定することにより、フェールセーフ機構として
機能させることができ、当該装置の安全性を自動的に確
保することができる。

【００２３】さらに、ハウジング３内に本発明にかかる
電磁制動装置を設けているので、電気制御部４１によっ
てコイル２４ａ、２４ｂに対する通電および停止と、電
磁制動装置の両コイル９、１０に対する通電開始とのタ
イミングを的確に設定、実施することにより、回転子の
回転停止時における慣性に起因する衝撃の発生を防止し
て、高精度の微細な流体流量の調整を行なうことが可能
である。また、前述のように、電源の喪失や制御回路の
故障等の事故に際して、自動的に弁を閉止するフェイル
セーフ機能を備えている。さらに、弁の閉止の都度電気
入力信号と機械的出力のインターロック関係を照合し
て、雑音等による誤動作の累積を防止することができ
る。

【００２４】なお、上記実施の形態においては、上記軸
４が、電磁力による軸線回りの回転駆動によって、ねじ
機構を介してその軸線方向に変移動する場合についての
み説明したが、これに限定されるものではなく、回転運
動のみを行なう軸に適用しても同様の効果を得ることが
できる。

【００２５】

【実施例】上記実施形態に示したものと同一の構成を有
し、かつ図１０に示す磁極片２５ａ〜２５ｄの巾寸法Ｗ
₁が９ｍｍで、間隔Ｌが４．４ｍｍ、永久磁石２３の巾
寸法Ｗ₂が４ｍｍで、凸状磁極面２３ａの円周方向の巾
寸法Ｗ₃が１８ｍｍで、磁極片２５ａ〜２５ｂの固定子
磁極面２５と凸状磁極面２３ａとの間隙ｘを１ｍｍとし
たステッピングモータを、ガス燃焼器具に組込んで開閉
弁の開閉駆動用として試作実験を行なったところ、上記
凸状磁極面２３ａの端部傾斜面２３ｂの傾斜角度θを５
５゜とした場合に、駆動回転力を損わずに、従来数十
（ｇ−ｃｍ）であったコッキング力を、５（ｇ−ｃｍ）
以下の値まで減少させることができた。

【００２６】また、コイル２４ａ、２４ｂおよび本発明
にかかる電磁制動装置の駆動コイル９は、それぞれ数十
ミリ秒の一ワット以下のパルス状通電によって駆動する
ことができ、かつ保持コイル１０については、その電磁
石鉄心８にパアマロイ材を採用することにより、ガス燃
焼時における消費電力を数ミリワットの低電力に抑制す
ることが実証され、この結果単一乾電池２個の電源によ
って、流量調整弁付きガス燃焼器具の制御が可能である
ことが確認できた。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明にかかる電
磁制動装置によれば、高精度の微細な機械的変移動の電
気的調節を的確に実施できるとともに、フェイルセーフ
機能を有して安全性に優れ、かつ入力信号と出力の簡易
な照合が実施できるので、誤動作の恐れが少ないうえ
に、乾電池等の微小容量の電源を利用することが可能に
なるといった優れた効果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる電磁制動装置の構成を説明する
断面図である。

【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。

【図３】本発明の一実施の形態である弁の開閉制御装置
の断面構成図である。

【図４】図３に示した弁の開閉制御装置の上面図であ
る。

【図５】図３のＶ−Ｖ線に沿う断面図である。

【図６】図３のＶＩ−ＶＩ線に沿う断面図である。

【図７】図３のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿う断面図である。

【図８】図３のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿う断面図であ
る。

【図９】図３のＩＸ−ＩＸ線に沿う断面図である。

【図１０】図３のＶ−軸線で切断して３６０゜展開した
状態を示すものであり、上段は平面図、中段は永久磁石
部分の平面図、下段は上段の断面図をそれぞれ示すもの
である。

【符号の説明】

１ 駆動部 ２ 制動部 ３ ハウジング ４ 軸 ５ 第１のスプリング（第１の付勢部材） ６ 電磁石磁極片 ６ａ 電磁石磁極片の磁極面 ７ スピンドル ８ 電磁石鉄心 ９ 駆動コイル １０ 保持コイル １１ 電磁石 １２ 第２のスプリング（第２の付勢部材） １３ 第３のスプリング（第３の付勢部材） １４ 回り止め具（回り止め手段）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 駆動部と、この駆動部を電磁的に制動す
   る制動部とからなる電磁制動装置であって、 上記駆動部は、ハウジング内に回転自在に設けられると
   ともに電磁力による軸線回りに回転駆動される軸と、こ
   の軸の回転駆動による変移動に対して一の方向に付勢力
   を作用させる第１の付勢部材と、上記軸にその磁極面が
   直交するように固定されている電磁石磁極片とから構成
   され、 上記制動部が、上記ハウジングに上記軸と同軸線上に位
   置するように支承されたスピンドルに摺動自在に取り付
   けられた電磁石鉄心に駆動コイルとこの駆動コイルより
   もアンペアターンが小さい保持コイルを巻回してなる電
   磁石と、上記両コイルの無通電時における上記電磁石磁
   極片の磁極面と上記電磁石鉄心との間に動作間隙を保持
   するために上記軸の端面と上記電磁石鉄心との間に介装
   された第２の付勢部材と、上記電磁石鉄心を上記第２の
   付勢部材よりも小さい付勢力で上記軸の軸線方向に常時
   付勢する第３の付勢部材と、上記電磁石の回転を阻止す
   る回り止め手段とから構成されていることを特徴とする
   電磁制動装置。
2. 【請求項２】 上記軸は、電磁力による軸線回りの回転
   駆動によって、ねじ機構を介してその軸線方向に変移動
   することを特徴とする請求項１に記載の電磁制動装置。