JPH10501116A - 磁気ヒステリシススリップクラッチが一体化された電磁的に制御されるギア係合機構 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 磁気ヒステリシススリップクラッチを介してモータ（１２）からギア列までトルクを伝達する機構は、前記ギア列からモータ（１２）を切り離す特徴を具備している。クラッチのカップ要素（４３）は、それの外面に磁気部材（４１）を具備している。電磁石（３０，３１）は、クラッチをギア列に結合させる駆動ギアを、ギア列の中のギア５８（５８）と噛み合うようにまた噛み合いから外れるように移動させる。駆動ギアは、前記磁気部材との相互作用によってギア列と係合する。好ましい実施形態において、カップ（４３）は、電磁石（３１）がエネルギを与えられ、磁気部材（４１）に磁気的に力を加えるとき、前記ギアとの噛み合いに引き入れられ、電磁石（３１）がエネルギを与えられず、磁気部材（４１）に力を加えるとき、他の位置に戻る。

Description

【発明の詳細な説明】 磁気ヒステリシススリップクラッチが一体化された 電磁的に制御されるギア係合機構 発明の背景 機械的なアクチュエータは、バルブ、ダンパ、ドア等のような装置を作動させ るための種々な応用において用いられる。そのようなアクチュエータは、高いレ ベルのトルクあるいは直線的な力を必要とする応用において用いられる。アクチ ュエータは、クランクアームあるいはラックとピニオンのような多くの異なる機 構によって、他方に変換され得るどちらかの形で出力を与えるように設計されて もよい。内部的には、これらのアクチュエータは、必要な高いトルクあるいは力 の出力を与えるために、減速ギア列を駆動する小さな電動機を典型的に含んでい る。典型的な減速ギア列の比率は、およそ１０００：１であろう。出力トルクあ るいは力を制限あるいは制御することがしばしば要求され、これが実行される一 つの方法は、モータ出力シャフトにトルク制限あるいはオーバライディングスリ ップクラッチ（a torque limiting or overriding slip clutch）を設けること である。負荷がそのようなクラッチの設計値より以上のトルクあるいは力を必要 とするときには、そのクラッチは簡単にスリップする。多くの場合において、制 御対象の装置に加えられた力を、それに対する損傷を防ぐために、制限すること は重要である。 モータシャフトおよびアクチュエータのギア列入力シャフトのような第１，第 ２の同軸のシャフトの間のトルク制限カップリングとして低いトルク状態でしば しば用いられるスリップクラッチの一つの型は、いわゆる磁気ヒステリシスクラ ッチである。そのようなクラッチは、高い磁気的な残留分極を持つ材料から形成 されたシリンダ状の電機子を具備しており、その中においては、交互に繰り返す 北−南の磁気パターンがそれの周辺に永久的に形成されている。前記電機子は、 回転するように第１のシャフト上に取り付けられている。回転するように前記第 １のシャフトに同軸な第２のシャフト上に取り付けられているカップ（a cup） は、 その電機子周辺の周りにぴったりと装着されている。特別な磁気ヒステリシス層 が前記カップの内側のシリンダ状の表面に存在する。前記電磁石が回転する際に 、電機子の磁場とは反対の磁場をヒステリシス層の中に生成する。前記反対の磁 場は、クラッチを介してどちらの方向にもトルクを伝達する。電機子の磁場の強 さ、カップと電機子との物理的な寸法を適切に選択することにより、クラッチが 伝達できる最大のトルクを比較的正確に制御することができる。そのアクチュエ ータの応用において、そのトルクは、モータからギア列の入力ギアに対してクラ ッチによって伝達される。 幾つかのアクチュエータの設計においてさらに要求されるのは、電力供給停止 が発生する場合に、予め定められた位置に制御される装置を戻すことができる能 力である。例えば、もしも、制御される装置が燃料バルブであるならば、電力が 失われるとき、そのバルブは、非制御状態で燃料が出て行くのを防止するために 直ちに閉塞されなければならない。この無電力時の戻し機能のための一つの共通 の手段は、出力要素が予め定められた位置から離れているときには、巻かれるあ るいは巻かれており、電力供給停止が発生するときには、前記ギア列に対して代 わりのトルク源を供給するために開放される強いコイルスプリングである。スプ リング発生のトルクが、前記予め定められた位置に前記アクチュエータ出力要素 を戻すためにギア列に加えられる。 これらのアクチュエータにしばしば用いられるある型のモータは、外部源から モータシャフトに加えられたトルクに抵抗するコギングトルク（cogging torque ）を持っている。そのようなモータを用いるアクチュエータに対する無電力時の 戻しトルクのためにコイルスプリングが用いられるとき、スプリング力による戻 りの間にモータをギア列から切り離すことが必要である。もしも、戻り操作の間 に、ギア列の入力に結合されていると、そのようなモータは、スプリングが予め 定められた位置に出力要素を戻すのを妨害する抵抗トルクをギア列の入力シャフ トに与える。たとえ、モータがコギングトルクを持っていないとしても、ギア列 の入力シャフトにおける位置は、そうでなければ必要であるスプリングよりもず っと大きなスプリングを必要とするのに充分な機械的ブレーキを与えるであろう 。 したがって、ある設計においては、それらがその一部を形成するアクチュエー タのギア列入力シャフトから駆動モータを切り離す手段を設けることが必要であ る。現在、この機能を果たすことができる種々の型の電力操作クラッチがある。 しかしながら、これらの装置は、比較的複雑で高価であり、したがって、アクチ ュエータにおけるモータシャフトに対するギア列からの安価で単純な型の切り放 し特徴は有利である。 本発明の簡単な記載 私の発明の主題は、ハウジングの上で回転するように取り付けられた第１のシ ャフトと、ハウジングの上で回転するように取り付けられた第２のギアとの間の 磁気ヒステリシススリップクラッチを介してのトルク伝達の電気的な制御を可能 にしている。上で説明したように、スリップクラッチは、第１のシャフトの上に 取り付けられ、それに固定され、磁化された電機子と、それに対するトルク伝達 関係を持って前記磁化された部材を囲むシリンダ状のカップの中のヒステリシス 層とを有する。そのカップは、ハウジングに軸の周りで回転するように取り付け られている。 私の発明は、この従来の装置に対する改良であって、第１，第２の位置の間で の前記カップの軸方向の移動を可能にするように前記カップを取り付ける手段を 有している。前記第１のシャフトと同心的である第１のギアは、それとともに軸 方向に移動できるように前記カップに固定され、前記カップがその第１の軸方向 の位置にあるときには、前記駆動ギアと噛み合い、前記カップがそれの第２の軸 方向の位置にあるときには、前記第２のギアとの噛み合いから外れる。前記カッ プは、それに外側で固定された磁気部材を含んでいる。エネルギを与えられたと き前記磁気部材に並置された電磁石は、外部磁気部材を含む磁束パスを通って流 れる磁束を発生する。その磁束は、前記電磁石がエネルギを与えられるときに、 前記カップを第１，第２の軸方向の位置の一つに強制する。 私は、前記電磁石がエネルギを与えられるとき、前記カップは、第２のギアと 噛み合っている第１のギアと前記カップから部分的に引き込まれた前記電機子と ともに、それの第１の位置に強制されるように、電磁石が前記磁気部材に関して 位置付けられることが好ましいと思う。磁気を持っている前記電機子は、磁気部 材に磁力を及ぼし、前記電機子をより十分にカップの中に位置付け、前記第１の ギアが前記第２のギアとの噛み合わせから外れる第２の位置の方に前記カップを 引く。 図面の簡単な説明 図１は、本発明を具体化するアクチュエータの一部分の断面図であり、モータ に係合されたギア列を示している。 図２は、図１のものに類似し、本発明を具体化するアクチュエータの一部分の 断面図であり、モータから切り離されたギア列を示している。 図３は、図１および図２のそれを直角に見た断面図であり、電機子とカップと の空間的な関係を示している。 図４は、電機子とカップアセンブリの組付けのためのもう一つの装置である。 好ましい実施形態の記載 図１は、アクチュエータ１０に適用された本発明の詳細を示している。アクチ ュエータ１０の要素は、天板２３、側壁２４、底板２５を有するハウジング２１ の上および中に取り付けられている。アクチュエータ１０を作動させ、不図示の 負荷を回転させるためのトルクは、モータ１２によって供給される。モータ１２ は、モータ１２のケースの一部分を形成するブラケット１４および１５によって 取り付けられている。ブラケット１４および１５は、機械ねじおよびボルト１９ ，２０によって、ハウジング２１の外面の天板２３上に取り付けられている。 モータ１２は、天板２３の中の開口を通して延びるシャフト１６を具備してい る。シャフト１６は、それの周辺に交互に並ぶ北極と南極を生成するように磁化 される高残留分極の磁気材料からなるシリンダ状の電機子１８をそれに固定して いる。ヒステリシスカップ（a hysteresis cup)４３を具備する電機子１８は、 電機子１８からカップ４３への正確に制限された量のトルクの伝達を可能にする 磁気ヒステリシススリップクラッチを形成する。カップ４３は、丸いシリンダ状 の外面および内面を有し、内面の直径は、電機子１８の直径を若干越えている。 形状と剛性とをもたらしているカップ４３の部品は、高強度プラスチック（high strength plastic）のような非磁気的な材料から形成されている。カップ４３の シリンダ状の内面は、従来のようにヒステリシス層４４を有している。層４４は 、強度と極性とが変化する外部磁気フィールドの影響の下で、その中に磁気パタ ーンが生成される磁気ヒステリシス材料から形成されている。そのようなパター ンがその中に形成される磁気ヒステリシス材料は、発生装置がそのヒステリシス 材料に関して移動するとき、そのようなフィールドの発生装置に引きつけられる 。そのようなヒステリシス材料の知られている型は、独占の工程に従って形成さ れ、Arnold Engineering Co.，Marengo，IL 60152 らの“Anokrome III”商標名 で最近入手可能であるＦｅＣｒＣｏ合金である。カップ４３の更なる特徴は、軟 鋼のような磁気抵抗の低い磁気材料から形成された極片あるいは極部材４１を有 する外面のシリンダ状の層である。極片４１は、予め定められた軸方向の寸法を 有しており、カップ４３の外面上で、より詳細に下で説明される位置に軸方向に 関して位置付けられている。 カップ４３は、底板２５に固定されたシャフト４９上での回転のために取り付 けられたハブ部分５１を含んでいる底部を有している。カップ４３は、カップ４ ３が図１に示されるように占有する第１の位置と、図２に示される第２の位置と の間において、シャフト４９上を軸方向に摺動することもできる。さらに、ハブ 部分５１は、カップ４３が囲んでいる空間の外側に隣接したハブ部分に形成され た一体化の第１のギア４６を含んでいる。図１に示されるカップ４３の第１の位 置において、ギア４６は、アクチュエータ１０が比較的重い負荷を操作するのを 可能にさせるレベルまで、モータ１２の速度を低減させ、トルクを増加させるギ ア列の第１のギアを形成する比較的大きな第２のギア５８と完全に噛み合ってい る。図２において示されるカップ４３の第２の位置において、第１のギア４６は 、第２のギア５８との噛み合わせから完全に外れている。第２のギア５８は、比 較的小さな第３のギア６０と同心であり、両者は、底板２５に取り付けられてい るシャフト６５に回転できるように取り付けられている。他方、ギア６０は、比 較的小さなギア５５と同心であってそれに固定されている比較的大きなギア７２ と噛み合っている。ギア５５および７２は、底板２５に固定されているシャフト ５３に回転するように取り付けられている。ギア５５は、該当する特定のアクチ ュ エータの設計に対して必要とされるトルクの増幅を与えることができる適切な数 のステージを経てギア列を連続させるギア７０と噛み合っている。そのギア列の 中の最後のギアは、アクチュエータ１０の出力シャフト（不図示）に取り付けら れている。適切な位置に配置される装置が出力シャフトに取り付けられている。 環状電磁石３０は、同心的にカップ４３を取り囲み、巻線３１および外部コア ３３を有する。電磁石３０は、ハウジング２１の端末２４と内部部材２７との間 に固定されている。電磁石３０は、図１および２の断面図で示されているが、次 の説明は、実際の３次元形状として前記要素を参照する。コア３３は、図１およ び２において見て取れるようにＵ字型の断面を有し、電機子１８と同心のリング ３４を有するベースを具備する。リング３４は、リング３４からカップ４３に向 けて、ほぼ直角に延びている上部及び底部環状フランジを具備している。上部フ ランジおよび底部フランジの内側エッジは、カップ４３に隣接し対面して極面３ ６および３５を形成しており、各極面は、３次元方向に間隔を開けた同心リング を実際に有している。極面３６は、図３のエッジ上に観察される。巻線３１の個 々の巻線を通る電流は、上部フランジと底部フランジとを通して半径方向に、ベ ース区域３４を通して軸方向に流れる磁束を発生させる。 電磁石３０が取り付けられている位置は、カップ４３が第１の位置にあるとき （図１に示されるように）、極片４１の上部のエッジおよび底部のエッジは、極 面３５および３６に対してそれぞれ近接して並置され、各極面３５あるいは３６ と、極片４１の隣接するエッジとの間に環状の磁束ギャップを形成するように選 択されなければならない。環状の磁束ギャップ３９は、極面３６と極片４１との 間に形成されている。カップ４３が第２の位置にあるとき、極面３５に隣接する 磁束ギャップは、劇的に長くされ、その長さのために、磁束は、このギャップを 通って直接流れることがほとんどできない。 アクチュエータ１０の動作は、電力接続７５から自己および機械要素のための 操作電力を受け取るコントローラ７２によって仲介される。アクチュエータ１０ が一部分を構成する外部装置は、特定の瞬間におけるアクチュエータ１０の出力 シャフトに対して所望された位置を特定する位置信号をパス８０上に出力する。 次に、コントローラ７２は、パス７８上にモータ１２に対する駆動電流を出力す る。その駆動電流は、モータ１２、したがって出力シャフトが回転する方向を制 御する前記駆動電流の極性あるいは位相により、モータ１２を回転させる。 さらに、コントローラ７２は、電磁石３０の巻線３１にＤＣ電力を供給する。 巻線３１が電力を受けると、磁束がコア３３を通して流れ、極片４１に誘起させ 、カップ４３を第１の位置、すなわちにコア３３と極片４１とを含む磁気回路の ための最小磁気抵抗位置に強制する。巻線３１は、層４４に対する磁気的な電機 子１８の軸方向に向けられた吸引に打ち勝つのに充分な磁束を発生し、カップ４ ３をその第１の位置に引き込む。最も効果的な作動のために、極片４１は、コア ３３の上部のフランジと底部のフランジとの間の間隔にほぼ等しい軸方向の長さ を持っているべきである。極片４１がコア３３の上部のフランジと底部のフラン ジとの間の間隔にほぼ等しい軸方向の長さを有するとき、磁気回路に対する最小 磁気抵抗位置は、カップ４３がその第１の位置にあるときのみ達成される。電力 が巻線３１に印加されるとき、カップ４３は、ギア４６が第２のギア５８と完全 に噛み合わされ、その位置に維持される第１の位置に確実に引き込まれるという ことを確実にする多くの設計選択がある。例えば、カップ４３に対する第１の位 置を画定し、カップ４３が最小磁気抵抗位置に移行してしまうのを防止する機械 的な停止装置を設けることができる。その代わりに、そのような機構では単純に 、カップ４３の第１の位置が、カップ４３が第２の位置にあるときに存在する磁 気回路の磁気抵抗よりもずっと少ない磁気抵抗に備える、ということを提供する 。 一般的に、通常動作の間においては、コントローラ７２は、巻線３１に対する 連続する電力を維持し、カップ４３を第１の位置に、そして第１のギア４６を第 ２のギア５８と噛み合わせ状態に保つであろう。このことは、たとえ動的トルク 負荷が出力軸に存在しても、モータ１２が出力シャフトの動きを防止するブレー キとして働くのを可能にさせる。そのような負荷の一例としては、トルクがその 制御シャフトからなくなるとき、重力の下で閉塞位置に下りるブレードを具備し ているエアダクトダンパがあろう。もう一つの型の負荷としては、あるアクチュ エータ設計の一部分を形成するリターンスプリングがあろう。 幾つかのアクチュエータのリターンスプリングの特徴は、事実、本発明の動機 である。以前に説明したように、電力が失われるとき、多くのアクチュエータの 負荷を所望の位置に戻すことが必要である。しかしながら、ある型のモータは、 コギングトルク（cogging torque）を持っており、そのシャフトに加えられた外 部トルクに抵抗する。もしも、出力シャフトに対するリターントルクを与えるた めにリターンスプリングが用いられるならば、モータ１２は、その戻りトルクに 抵抗するであろう。しかしながら、本発明を組み込むアクチュエータは、この問 題を回避する。コントローラ７２に対して電力が失われるとき、電力はもはや巻 線３１には与えられず、カップ４３は、もはやギア４６がギア５８と噛み合うそ れの第１の位置に誘引されない。その代わり、電機子１８と層４４との間の軸方 向に向けられた磁気誘引が第２の位置にカップ４３を強制する。第２の位置では 、ギア４６がギア５８の噛み合いから外れ、トルクが出力シャフトに加えられる とき、ギア列がそこにある固有の摩擦に従って自由に回転するのを可能にさせる 。 図３は、モータ１２とギア５８との間のカップリングの要素の相対的な形と位 置とを、シャフト１６の軸に平行して観察した断面図に示している。その周辺に 北磁極と南磁極とが交互に存在する電機子１８の円形が観察される。僅かな間隙 空間が電機子１８の外表面をヒステリシス層４４から分離している。非磁気カッ プ４３と磁気極片４１とは、層４４の外側に連続するリングを形成している。磁 束ギャップ３９は、極片４１をコア３３の上部フランジの極面３６から分離して いる。 図４は、カップ４３を支持するための若干異なる配置を示している。この実施 形態において、図１および２のシャフト１６および４９は、天板２３から底板２ ５に延びる単一のシャフト７６に置き換えられている。軸受４８が、底板２５の 中における回転のためにシャフト７６の端末を支持している。カップ４３は、そ れの第１の位置と第２の位置との間の移動と、回転との両方ができるようにシャ フト７６に担持されている。この設計は、大きな負荷を与えることとなる図１お よび２に示されたシャフト１６に対する片持ち梁風に突き出された配置をその軸 受により回避している。シャフト７６の一番の終端における軸受４８の存在は、 クラッチの中の空隙とギア５８に関するギア４６の位置決めとに影響を与えるこ とがある半径方向のずれを最小限にする。さらに、それを担持するシャフトに関 するカップ４３の回転のスピードは、この実施形態においては実質的に低減され る。その理由は、モータシャフトがカップと同じ方向に回転するからであり、相 関的な回転は、クラッチ（およびアクチュエータ１０）が過負荷でないとき、ゼ ロとなるスリップ速度にのみ等しくなるからである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 独占的財産すなわち独占的権利が請求される発明の実施形態は、次のように定 義される。 １．磁気ヒステリシススリップクラッチを通して、ハウジングに回転するよう に取り付けられた第１のシャフトとハウジングに回転するように取り付けられた 第２のギアとの間に選択的にトルクを伝達する電気的に制御されたトルク伝達機 構であって、前記スリップクラッチは、第１のシャフトに取り付けられ、それに 固定された磁化された電機子と、シリンダ状のカップの中で前記磁化された部材 をそれに対してトルク伝達関係を持って囲むのヒステリシス層とを有し、前記カ ップは、前記ハウジングに関してそれの軸の周りで回転できるように取り付けら れており、 第１，第２の位置の間での前記カップの軸方向の移動を可能にするように前記 カップを取り付ける手段と、前記第１のシャフトと同心的で、カップとともに軸 方向に移動できるように前記カップに固定され、前記カップがその第１の軸方向 の位置にあるときには、前記駆動ギアと噛み合い、前記カップがそれの第２の軸 方向の位置にあるときには、前記第２のギアとの噛み合いから外れる第１のギア を有し、前記カップはその外側に固定された磁気部材を含み、前記トルク伝達機 構は、前記磁気部材に並置された状態で、エネルギを与えられるときには磁束パ スを通って流れる磁束を発生し、その磁束パスの中に外部磁気部材を含むように 配置された電磁石を有し、前記磁束は、前記電磁石がエネルギを与えられるとき に、前記カップを第１，第２の軸方向の位置の一つに強制することを特徴とする トルク伝達機構。 ２．前記電磁石は、その第１の軸方向の位置に前記減速カップを強制する磁束 を与えるように軸方向に配置されている請求項１のトルク伝達機構。 ３．前記磁気部材は、前記カップの外面を同心的に取り囲む請求項２のトルク 伝達機構。 ４．前記電磁石は、前記磁気部材を同心的に取り囲んでいる請求項３のトルク 伝達機構。 ５．前記電磁石は、環状の磁束ギャップを持つ極片を含んでおり、前記電磁石 は、前記カップがそれの第１の軸方向の位置にあるとき、前記磁気部材に隣接し た磁束ギャップを設けるように軸方向に関して配置されている請求項４のトルク 伝達機構。 ６．前記電磁石は、トロイダル形状をなし、周囲に巻回を持つ巻線を含んでお り、前記極片は、内側に面するそれの磁束ギャップを持って前記巻線を取り囲む トロイダル形状を具備している請求項５のトルク伝達機構。 ７．前記極片と磁気部材とによって生成された磁束パスは、前記極片と前記磁 気部材との間に空気ギャップを具備しており、この場合、空気ギャップの長さは 、前記カップがそれの第１の位置にある時よりも、それの第２の位置にある時の 方がより大である請求項６のトルク伝達機構。 ８．前記電磁石は、前記カップを同心的に取り囲んでいる請求項１のトルク伝 達機構。 ９．前記電磁石は、環状の磁束ギャップを持つ極片を含んでおり、前記電磁石 は、前記カップがそれの第１の軸方向の位置にあるとき、前記磁気部材に隣接し た磁束ギャップを設けるように軸方向に関して配置されている請求項７のトルク 伝達機構。 １０．前記電磁石は、トロイダル形状をなし、周囲に巻回を持つ巻線を含んで おり、前記極片は、前記第１のシャフトに面するそれの磁束ギャップを持って前 記巻線を取り囲むトロイダル形状を具備している請求項８のトルク伝達機構。 １１．前記磁気部材は、それの第２の位置に向かって前記カップを強制するそ れに対する磁気誘引のために前記電機子に関して位置付けられており、前記電磁 石は、エネルギを与えられるとき、前記磁気部材を誘引するとともに、その第１ の位置に前記カップを強制する磁束を与えるように位置付けられている請求項１ のトルク伝達機構。 １２．前記磁気部材は、前記カップがその第１の位置にある時には、予め選択 された力によってそれの第２の位置に向かって前記カップを磁気的に強制し、そ の場合、前記カップとそれに取り付けられた前記要素との重量は、前記予め選択 された力よりも少ないという請求項１０のトルク伝達機構。 １３．前記第１のシャフトは、それに関する相互的な回転のために前記カップ と第１のギアとを担持する請求項１のトルク伝達機構。 １４．前記第１のシャフトは、前記ハウジングの第１のパネルに隣接して回転 するように取り付けられた第１の端末と、第１のパネルから間隔を開けて配置さ れた第２のパネルの中で回転するように取り付けられた第２の端末とを具備する 請求項１２のトルク伝達機構。