JP2024058983A - 電磁ブレーキ - Google Patents

Abstract

【課題】製造が比較的容易な自己保持型の電磁ブレーキを提供する。【解決手段】電磁ブレーキ１は、同軸二重円筒状に形成されたアウターヨーク２及びインナーヨーク３と、前記アウターヨークと前記インナーヨークとの間の円筒状空隙部に収容された電磁コイル４と、第１永久磁石６とを有し、静止体１２から突出するように設けられた回転軸１４が挿通され、前記静止体に固定された電磁石組立体１３と、前記回転軸に設けられ、前記電磁石組立体と軸方向に対向し、前記電磁石組立体に対して接離可能に配置されたアーマチュア７ａと、前記アーマチュアを前記電磁石組立体から引き離す方向に付勢する付勢手段とを有するアーマチュア組立体７とを備え、前記付勢手段は弾性部材８及び第２永久磁石１１である。【選択図】図３Ａ

Description

本発明は電磁ブレーキに関する。

特許文献１に無励磁作動型の電磁ブレーキが記載されている。また、特許文献２には、深さが適切に設定された複数の穴にそれぞれ配置された複数本のコイルばねを備えた自己保持型の電磁ブレーキ装置が記載されている。

特開２０１５－２１５１９号公報 特開２０２２－３２５９７号公報

従来の自己保持型電磁ブレーキにおいては、制動力がコイルばねの弾性力に依存していることから、一定程度の制動力を確保するためにはコイルばねのサイズを大きくする必要があると考えられる。

本発明は、上記従来技術に鑑み、弾性部材のサイズ増加を抑えつつ一定程度の制動力が確保された自己保持型の電磁ブレーキを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明に係る電磁ブレーキは、同軸二重円筒状に形成されたアウターヨーク及びインナーヨークと、前記アウターヨークと前記インナーヨークとの間の円筒状空隙部に収容された電磁コイルと、第１永久磁石とを有し、静止体から突出するように設けられた回転軸が挿通され、前記静止体に固定された電磁石組立体と、前記回転軸に設けられ、前記電磁石組立体と軸方向に対向し、前記電磁石組立体に対して接離可能に配置されたアーマチュアと、前記アーマチュアを前記電磁石組立体から引き離す方向に付勢する付勢手段とを有するアーマチュア組立体とを備える。前記付勢手段は弾性部材及び第２永久磁石である。

本発明によれば、製造が比較的容易な自己保持型の電磁ブレーキを提供することができる。

電磁ブレーキにおけるアーマチュアと電磁石組立体との間のギャップと、アーマチュアに作用する力との関係を示すグラフである。 電磁ブレーキにおけるアーマチュアと電磁石組立体との間のギャップと、アーマチュアに作用する力との関係を示す別のグラフである。 一実施形態に係る電磁ブレーキの解放状態を示す断面図である。 一実施形態に係る電磁ブレーキの制動状態を示す断面図である。 ギャップと付勢力との関係を示すグラフである。 一実施形態に係る電磁ブレーキにおいて、ギャップとアーマチュアに作用する力との関係を示すグラフである。 電磁ブレーキの励磁電流と吸引力との関係を示すグラフである。 無励磁で制動状態にある電磁ブレーキの磁束を示す説明図である。 正励磁された電磁コイルによる磁束を示す説明図である。 無励磁で解放状態にある電磁ブレーキの磁束を示す説明図である。 逆励磁された電磁コイルによる磁束を示す説明図である。 他の実施形態に係る電磁ブレーキの断面図である。 他の実施形態に係る電磁ブレーキの断面図である。 他の実施形態に係る電磁ブレーキの断面図である。

本発明の実施形態を以下に説明する。ただし、本発明は、以下の実施形態によって限定されるものではない。

［検討］
まず、本発明の発明者は、以下に述べるとおり鋭意検討を行った。

図１に、上記特許文献１の図１に記載の無励磁作動型電磁ブレーキに関し、アーマチュアと電磁石組立体とのギャップＧａと、アーマチュアに作用する吸引力との関係を示す。Ｆｎ（ｘ）は、永久磁石による吸引力の大きさである。Ｆｎｃ（ｘ）は、電磁石組立体の電磁コイルを励磁し、永久磁石によるものと逆方向の起磁力を発生させたときの吸引力の大きさである。Ｆｓ（ｘ）は、アーマチュア組立体の板ばねによる付勢力の絶対値である。なお、この付勢力は、アーマチュアに作用する吸引力とは逆方向に働く力であるが、わかりやすくするため、絶対値として示す。

図１において、無励磁状態でギャップＧａが０の場合、電磁石組立体にアーマチュアが接触している。電磁ブレーキは制動状態にあり、Ｆｓ（０）＜Ｆｎ（０）である。アーマチュアに作用する吸引力すなわち制動力Ｆｐは、Ｆｎ（０）－Ｆｓ（０）である。

ギャップＧａがｐ（＞０）のとき、アーマチュア組立体のハブ側にアーマチュアが押し付けられて保持され、電磁ブレーキは解放状態にある。
電磁石組立体の電磁コイルを励磁し、永久磁石によるものと逆方向の起磁力を発生させた状態で、この時のアーマチュアを電磁石組立体に吸引する力はＦｎｃ（ｘ）となる。
電磁ブレーキの解放状態を保つためには、ギャップＧａの幅ｘ＝ｐのときに、Ｆｎｃ（ｐ）＜Ｆｓ（ｐ）とする必要がある。

ギャップＧａがｐであり、電磁ブレーキが解放状態にあるときに、電磁石組立体の電磁コイルを無励磁とすると、Ｆｓ（ｐ）＜Ｆｎ（ｐ）となり、永久磁石による吸引力が板ばねによる付勢力を上回るため、アーマチュアが電磁石組立体に吸引され、電磁ブレーキは制動状態となる。この制動状態において、Ｆｓ（０）＜Ｆｎ（０）である。

特許文献１に記載の無励磁作動型電磁ブレーキにおいて、解放状態とすべき間は電磁石組立体の電磁コイルを励磁し続ける必要がある。この励磁による発熱及び電力消費の問題がある。

上記特許文献２に記載されている自己保持型の電磁ブレーキについては、制動状態において電気的エネルギーが供給されると解放状態に切り替わり、その後電気的エネルギーの供給が停止しても解放状態が保持される。また、解放状態において電気的エネルギーが供給されると制動状態に切り替わり、その後電気的エネルギーの供給が停止しても制動状態が保持される。このように、電気的エネルギーは、ブレーキを解放する時と制動する時のみ短時間必要なだけである。電気的エネルギーの瞬間的な供給（ワンショットの供給）で足りるため、自己保持型の電磁ブレーキはワンショット型の電磁ブレーキとも呼ばれる。

上記特許文献２に記載の自己保持型の電磁ブレーキにおいては、アーマチュアの変位に対して、ステータによる吸引力の変化率よりも、付勢部材による付勢力の変化率の方が低くなるように諸元が設定されている。具体的には、上記特許文献２においては、複数本のコイルばねのばね係数及び変位が予め設定されることが記載されている。変位については、コイルばねの縮みの大きさが設定され、より具体的には、コイルばねが配設されるばね穴の深さが適切に設定される、とされている。
しかし、複数本のコイルばねを使用することは、コストアップになり、ばね穴の深さを適切に設定して量産するのも、コストアップにつながる。
また、付勢部材はコイルばねに限られず板ばねでも良いとされているが、板ばねにて制動時も解放時も同等の付勢力とすることは困難である。

特許文献１の無励磁作動型電磁ブレーキは板ばねを採用したものである。前述のとおり、アーマチュアと電磁石組立体とのギャップＧａの長さｘを横軸とし、アーマチュアに作用する力を縦軸としたグラフは図１に示したとおりである。永久磁石による吸引力Ｆｎ（ｘ）と板ばねによる付勢力Ｆｓ（ｘ）の関係は常に、Ｆｓ（ｘ）＜Ｆｎ（ｘ）であるため、電磁コイルの無励磁状態では、常にアーマチュアが電磁石組立体に吸引され、電磁ブレーキは制動状態となる。

電磁コイルを励磁し、永久磁石による磁力とは逆方向の起磁力を発生させると、電磁ブレーキは解放状態となる。その後、電磁コイルの励磁を止めてもなおブレーキ解放状態を保持するためには、解放状態におけるギャップＧａがｘ＝ｒ（＞０）のときに、Ｆｓ（ｒ）＞Ｆｎ（ｒ）である必要がある。このために、板ばねを変更し、図１に示したＦｓ（ｘ）から図２に示すＦｓ´（ｘ）へと付勢力を変更することで、Ｆｓ´（ｒ）＞Ｆｎ（ｒ）とすることができる。
しかし、板ばねによる付勢力Ｆｓ´（ｘ）は、略直線的な右肩下がりの特性を有するため、制動時すなわちギャップＧａの幅ｘ＝０の時の板ばねの付勢力Ｆｓ´（０）が、Ｆｓ（０）に比べて大きくなる。
変更後の板ばねを備えた電磁ブレーキの制動時の制動力Ｆｐ´は、永久磁石による吸引力Ｆｎ（０）と変更後の板ばねの付勢力Ｆｓ´（０）との差、すなわちＦｎ（０）－Ｆｓ´（０）である。この制動力Ｆｐ´は、変更前の板ばねを用いる場合の制動時の制動力Ｆｐ＝Ｆｎ（０）－Ｆｓ（０）よりも小さいため、斯かる板ばねの変更は制動力の低下に繋がる。

［第１実施形態］
以上のような検討結果を踏まえた実施形態を以下に説明する。
図３において、符号１は、静止体１２から突出して設けられた回転軸１４に装備された電磁ブレーキである。同図（ａ）に解放状態にある電磁ブレーキ１を示し、同図（ｂ）に制動状態にある電磁ブレーキ１を示す。
この電磁ブレーキ１は、回転軸１４に一体的に設けられたアーマチュア組立体７と、静止体１２に固定された電磁石組立体１３とを備えている。

アーマチュア組立体７は、回転軸１４の軸方向先端に装着された略筒状のハブ１０と、軟磁性体によりリング状に成形され、ハブ１０に設けられた板ばね８により支持されたアーマチュア７ａとを備えている。アーマチュア７ａは、電磁石組立体１３と軸方向に対向し、軸方向に沿って電磁石組立体１３と接離可能に装着されている。つまり、アーマチュア７ａと電磁石組立体１３との間の軸方向のギャップＧａは可変である。

ハブ１０のアーマチュア７ａと対向する面には、ハブ１０の中空部と連通するように凹部１０ａが形成されている。この凹部１０ａの底壁及び側壁に接するように略リング状のヨーク９が設けられている。ヨーク９の底壁及び側壁に接するようにリング状の永久磁石１１が設けられている。この永久磁石１１は、アーマチュア７ａ側の軸方向端面がＮ極、ハブ１０側の軸方向端面がＳ極となるように着磁されている。永久磁石１１とアーマチュア７ａとの軸方向のギャップＧｃは可変である。また、ギャップＧａとギャップＧｃとの和は一定である。

永久磁石１１の磁力と板ばね８の付勢力とにより、アーマチュア７ａは、電磁石組立体１３から引き離される方向（図３Ａ及び図３Ｂの紙面左方向）に常に付勢されている。

電磁石組立体１３は、回転軸１４と同軸に配置された二重円筒状のアウターヨーク２及びインナーヨーク３を備えている。つまり、回転軸１４は、電磁石組立体１３の軸線上に挿通されている。アウターヨーク２とインナーヨーク３との間にある円筒状空隙内には、インナーヨーク３に巻回された電磁コイル４が収容されている。

アウターヨーク２には、軸方向一端から径方向内側に突出するようにリング状の鍔部２ａ１が設けられ、この鍔部２ａ１が静止体１２に固定されている。また、鍔部２ａ１の軸方向アーマチュア組立体７側の面には、リング状かつ回転軸１４と同軸方向の凸部２ｂ１が形成され、この凸部２ｂ１の径方向内側にリング状の凹部２ｃ１が形成されている。

インナーヨーク３の軸方向かつ静止体１２側の端部には、径方向外側に突出するようにかつ前記アウターヨーク２の鍔部２ａ１と軸方向に対向するようにリング状の鍔部３ａ１が設けられている。この鍔部３ａ１の軸方向静止体２側の面には、リング状かつ回転軸１４と同軸方向の凸部３ｂ１が設けられ、この凸部３ｂ１の径方向内側にリング状の凹部３ｃ１が形成されている。インナーヨーク３の凸部３ｂ１及び凹部３ｃ１はそれぞれ、アウターヨーク２の凸部２ｂ１及び凹部２ｃ１と軸方向に対向するように位置合わせがなされている。

アウターヨーク２の凹部２ｃ１とインナーヨーク３の凹部３ｃ１とで形成される円環状空間には、リング状の永久磁石６が設けられている。永久磁石６は、インナーヨーク３の鍔部３ａ１側の軸方向端面がＮ極、アウターヨーク２の鍔部２ａ１側の軸方向端面がＳ極となるように着磁されている。

さらに、アウターヨーク２の凸部２ｂ１と、インナーヨーク３の凸部３ｂ１とに挟まれるようにリング状のギャップ材５が設けられている。ギャップ材５の内径は、永久磁石６の外径よりも大きいか又は等しい。このギャップ材５の材質は非磁性体であり、銅又はステンレス鋼が好ましい。このようなギャップ材５により、アウターヨーク２の凸部２ｂ１と、インナーヨーク３の凸部３ｂ１との間にリング状のギャップＧｂが軸方向に設けられる。このギャップＧｂは、永久磁石６の径方向外側に位置している。ギャップＧｂの軸方向の長さは、ギャップ材５の軸方向の肉厚と等しく、かつ永久磁石６の軸方向の肉厚よりも小さい。

永久磁石６を第１永久磁石６とも呼び、永久磁石１１を第２永久磁石１１とも呼ぶ。

以下に、ギャップ、磁束及び力を示す記号をまとめる。
φＣ（ｘ）：電磁コイル４による有効磁束 ※１
φｍＹ（ｘ）：永久磁石６による有効磁束 ※１
φｍＨ（ｘ）：永久磁石１１による有効磁束 ※１、※２
Ｇａ：アーマチュア７ａと電磁石組立体１３とのギャップ
Ｇｂ：バイパスギャップ
Ｇｃ：アーマチュア７ａと永久磁石１１のギャップ
Ｆｎ（ｘ）：永久磁石６による吸引力 ※１
Ｆｎｃ（ｘ）：正励磁時の電磁石組立体の吸引力 ※１
Ｆｎｅ（ｘ）：逆励磁時の電磁石組立体の吸引力 ※１
Ｆｓ（ｘ）：板ばね８による付勢力 ※１
Ｆｈ（ｘ）：永久磁石１１による吸引力 ※１、※２
Ｆｓｈ（ｘ）：合成付勢力（Ｆｓ（ｘ）＋Ｆｈ（ｘ）） ※１
Ｆｐ：制動トルクとして作用する押し付け力
※１：ギャップＧａの幅ｘの関数
※２：永久磁石１１の有効磁束φｍＨは、ギャップＧｃを軸方向に通過するものであるが、板ばね８による付勢力Ｆｓ（ｘ）と合わせるため、ギャップＧａの関数として表している。

［作用］
図４に、電磁ブレーキ１におけるギャップＧａの長さｘを横軸とし、アーマチュア７ａに作用する付勢力を縦軸としたグラフを示す。
Ｆｓ（ｘ）は、板ばね８による付勢力である。
Ｆｈ（ｘ）は、永久磁石１１による吸引力（付勢力）である。
なお、永久磁石１１の有効磁束は、ギャップＧｃを軸方向に通過するものであるが、板ばね８による付勢力Ｆｓ（ｘ）と合わせるため、ギャップＧａの関数としφｍＨ（ｘ）と表している。前述のとおり、ギャップＧａとギャップＧｃの和は一定である。
Ｆｓｈ（ｘ）は、Ｆｓ（ｘ）とＦｈ（ｘ）の合成付勢力である。すなわち、Ｆｓｈ（ｘ）＝Ｆｓ（ｘ）＋Ｆｈ（ｘ）である。

永久磁石１１による付勢力Ｆｈ（ｘ）は、ギャップＧａが大きくなるにつれて（言い換えるとギャップＧｃが小さくなるにつれて）大きくなる。対照的に、板ばね８による付勢力Ｆｓ（ｘ）は、ギャップＧａが大きくなるにつれて小さくなる。つまり、永久磁石１１による付勢力Ｆｈ（ｘ）と板ばね８による付勢力Ｆｓ（ｘ）とは特性が正反対である。前述のとおり、合成付勢力Ｆｓｈ（ｘ）は、永久磁石１１による付勢力Ｆｈ（ｘ）と板ばね８による付勢力Ｆｓ（ｘ）との和である。永久磁石１１と板ばね８とを組み合わせることで、アーマチュア７ａに作用する合成付勢力を、ギャップＧａの大きさｘにかかわらず概ね一定とすることができる。

板ばね８の付勢力を調整するなどにより、制動状態すなわちギャップＧａがゼロの状態における合成付勢力Ｆｓｈ（０）を、図１のＦｓ（０）と同程度あるいはそれ未満とすることができる。これにより、電磁ブレーキ１の制動状態における制動力が小さくなり過ぎないようにすることができる。

図５に、アーマチュア７ａと電磁石組立体１３とのギャップＧａの幅ｘを横軸とし、アーマチュア７ａに作用する力を縦軸としたグラフを示す。
Ｆｎ（ｘ）は、永久磁石６の磁力によりアーマチュア７ａに作用する吸引力である。
Ｆｎｃ（ｘ）は、電磁コイル４を励磁し、永久磁石６による有効磁束φｍＹ（ｘ）を打ち消す方向の有効磁束φＣ（ｘ）を発生させたときに、アーマチュア７ａに作用する吸引力である。
Ｆｓｈ（ｘ）は、板ばね８と永久磁石１１による吸引力とによる合成付勢力の絶対値である。なお、この合成付勢力と吸引力とは向きが正反対であることから異符号である。
Ｆｎｅ（ｘ）は、電磁コイル４を逆励磁し、永久磁石６による有効磁束φｍＹ（ｘ）と同方向の有効磁束φＣ´（ｘ）を発生させたときに、アーマチュア７ａに作用する合成吸引力である。

図５に示すように、永久磁石６による吸引力Ｆｎ（ｘ）と板ばね８及び永久磁石１１による合成付勢力Ｆｓｈ（ｘ）との関係は、ギャップＧａの幅ｘが０から或る値までは、Ｆｓｈ（ｘ）＜Ｆｎ（ｘ）であるが、ギャップＧａの幅ｘが前述の値よりも大きくなると、Ｆｓｈ（ｘ）＞Ｆｎ（ｘ）となる。解放状態におけるギャップＧａを、Ｆｓｈ（ｑ）＞Ｆｎ（ｑ）を満たすｑとする。これにより、制動状態から解放状態に切り替えるべく電磁コイル４を励磁し、その後励磁を終了してもなお、解放状態を保持することができる。

ギャップＧａを所定の幅にすることで、電磁コイル４の励磁方向を正方向と逆方向に切り替えることにより電磁ブレーキの解放状態と制動状態が切り替わり、切り替わった後の状態を励磁終了後もなお保持することができる自己保持型電磁ブレーキが可能となる。

図６に、電磁コイル４の励磁電流とアーマチュア７ａに作用する吸引力との関係を示す。電磁コイル４による有効磁束φＣ（ｘ）と永久磁石６による有効磁束φｍＹ（ｘ）とは、励磁電流が正の場合に方向が正反対であり、励磁電流が負の場合には同方向である。同図に示すように、永久磁石６による有効磁束φｍＹ（ｘ）と電磁コイル４による有効磁束φＣ（ｘ）を同方向とする（つまり電磁コイル４を逆励磁する）ことにより（逆励磁時の有効磁束をφＣ´（ｘ）とする）、無励磁時より大きな吸引力が得られる。この特性を利用するとともに、解放状態におけるギャップＧａを所定の長さに設定することで自己保持型電磁ブレーキを実現することができる。

図５を再び参照する。無励磁状態において永久磁石６の有効磁束φｍＹ（ｘ）によるアーマチュア７ａの吸引力Ｆｎ（ｘ）は、ギャップＧａの幅ｘの関数として表される。ギャップＧａの幅ｘ＝０の状態（制動状態）の吸引力Ｆｎ（０）が最大であり、ギャップＧａの幅ｘが大きくなるにつれて吸引力Ｆｎ（ｘ）は小さくなる。

合成付勢力Ｆｓｈ（ｘ）は、板ばね８による付勢力Ｆｓ（ｘ）と永久磁石１１による付勢力Ｆｈ（ｘ）との和であり、吸引力Ｆｎ（ｘ）とは方向が逆であるが、絶対値として表している。図５に示すように、ギャップＧａの幅ｘが変化してもフラットに近い特性としている。

電磁コイル４を逆励磁した状態で電磁石組立体１３からアーマチュア７ａに作用する力Ｆｎｅ（ｘ）は、電磁コイル４の逆励磁により発生する有効磁束φＣ′（ｘ）による吸引力Ｆｅ（ｘ）と永久磁石６による吸引力Ｆｎ（ｘ）とが同方向であることから、両吸引力の和に等しい。すなわち、Ｆｎｅ（ｘ）＝Ｆｎ（ｘ）＋Ｆｅ（ｘ）である。

電磁コイル４の逆励磁状態においてアーマチュア７ａに作用する吸引力Ｆｎｅ（ｘ）は、ギャップＧａの幅ｘの関数として表される。この吸引力Ｆｎｅ（ｘ）は、ギャップＧａの幅ｘ＝０の状態（制動状態）が最大であり、ギャップＧａの幅ｘが大きくなるにつれて小さくなる。

電磁コイル４を正方向に励磁することで発生する有効磁束φＣ（ｘ）による吸引力Ｆｃ（ｘ）は、永久磁石６による吸引力Ｆｎ（ｘ）とは逆方向である。そのため、電磁コイル４が正方向に励磁された状態でアーマチュア７ａに作用する吸引力Ｆｎｃ（ｘ）は、以下のようになる。
Ｆｎｃ（ｘ）＝Ｆｎ（ｘ）－Ｆｃ（ｘ）

合成付勢力Ｆｓｈ（ｘ）をギャップＧａの大きさにかかわらず概ね一定にすることができるため、電磁ブレーキ１の解放状態におけるギャップＧａの幅ｘを、次式が成り立つようなｑと定めることができる。
Ｆｎ（ｑ）＜Ｆｓｈ（ｑ）＜Ｆｎｅ（ｑ）

解放状態におけるギャップＧａの幅ｘをｑに設定することにより、制動状態及び解放状態の一方から他方へ切り替わった後は無励磁であっても自己保持（切り替わった後の状態の保持）が可能となる。さらに、電磁コイル４の励磁方向を選択し瞬間的に励磁することにより、制動状態及び解放状態の一方から他方への切替えができるようになり、発熱及び消費電力が抑えられた自己保持型電磁ブレーキを実現することができる。

図７Ａ～図７Ｄを参照しながら、自己保持型の電磁ブレーキ１の作用を説明する。

図７Ａに、無励磁で制動状態（ｘ＝０）における磁束の流れを示す。アーマチュア７ａに作用する力は、Ｆｓｈ（ｘ）とＦｎ（ｘ）であり、Ｆｓｈ（０）＜Ｆｎ（０）が成り立つ。そのため、アーマチュア７ａは、吸引力Ｆｐ＝Ｆｎ（０）－Ｆｓｈ（０）により電磁石組立体１３に接している。

同図に、永久磁石６による有効磁束φｍＹ（ｘ）と、永久磁石１１による有効磁束φｍＨ（ｘ）とを実線矢印により示している。

有効磁束φｍＹ（ｘ）は、永久磁石６のＮ極から、インナーヨーク３内をアーマチュア組立体７に向かって軸方向に通過しアーマチュア７ａの内周側の領域に流入する。この有効磁束φｍＹ（ｘ）は、アーマチュア７ａ内を径方向外向きに通過してアーマチュア７ａの径方向外側の領域からアウターヨーク２に流入する。有効磁束φｍＹ（ｘ）はさらに、アウターヨーク２内を鍔部２ａ１に向かって軸方向に通過し、鍔部２ａ１内を径方向内向きに通過して永久磁石６のＳ極に至る。このように還流する有効磁束φｍＹ（ｘ）により吸引力Ｆｎ（ｘ）が発生する。

有効磁束φｍＨ（ｘ）は、永久磁石１１のＮ極からギャップＧｃを軸方向に通過し、アーマチュア７ａの径方向内側の領域に流入する。この有効磁束φｍＨ（ｘ）は、アーマチュア７ａ内を径方向外向きに通過してアーマチュア７ａの前記径方向内側の領域よりも径方向外側にある領域からギャップＧｃを軸方向に通過し、ヨーク９に流入する。有効磁束φｍＨ（ｘ）はさらに、ヨーク９内を通過して永久磁石１１のＳ極に至る。これにより、アーマチュア７ａに付勢力が作用する。永久磁石１１及び板ばね８により、電磁石組立体１３から引き離される方向の合成付勢力Ｆｓｈ（ｘ）がアーマチュア７ａに作用する。

このように、アーマチュア７ａに吸引力Ｆｎ（ｘ）と合成付勢力Ｆｓｈ（ｘ）とが作用する。電磁コイル４が無励磁の状態では、吸引力Ｆｎ（ｘ）により、アーマチュア７ａが合成付勢力Ｆｓｈ（ｘ）に抗して電磁石組立体１３に吸引され、ギャップＧａの幅ｘ＝０となり、電磁ブレーキ１は制動状態となる。

図７Ｂに、正励磁により電磁ブレーキ１が制動状態（ｘ＝０）から解放状態（ｘ＝ｑ）へ切り替わる様子を示す。アーマチュア７ａに作用する力は、合成付勢力Ｆｓｈ（ｘ）と正励磁による吸引力Ｆｎｃ（ｘ）であり、Ｆｎｃ（０）＜Ｆｓｈ（０）であることから、電磁ブレーキ１は制動状態（ｘ＝０）から解放状態（ｘ＝ｑ）へと切り替わる。解放状態においては、Ｆｓｈ（ｑ）－Ｆｎｃ（ｑ）の付勢力がアーマチュア７ａに働く。

永久磁石６による有効磁束φｍＹ（ｘ）を打ち消す方向に、電磁コイル４に所定値の電流を流すと、有効磁束φｍＹ（ｘ）と大きさがほぼ同じで逆方向の有効磁束φＣ（ｘ）が破線矢印に示すように生じる。有効磁束φＣ（ｘ）は、インナーヨーク３内を鍔部３ａ１に向けて軸方向に通過し、永久磁石６を迂回するように、鍔部３ａ１内を径方向外向きに通過し、かつ凸部３ｂ１内を軸方向に通過してギャップＧｂに流入する。この有効磁束φＣ（ｘ）は、ギャップＧｂを軸方向に通過してアウターヨーク２の凸部２ｂ１に流入し、鍔部２ａ１内を径方向外向きに通過し、アウターヨーク２内をアーマチュア７ａに向かって軸方向に通過する。有効磁束φＣ（ｘ）はさらに、ギャップＧａ（制動時はゼロ）を経たうえでアーマチュア７ａの外周側の領域に流入し、アーマチュア７ａを径方向内向きに通過してアーマチュア７ａの内周側の領域からギャップＧａ（制動時はゼロ）を経たうえでインナーヨーク３に流入する。

このように、有効磁束φＣ（ｘ）が、永久磁石６による有効磁束φｍＹ（ｘ）とは逆方向に還流することにより、有効磁束φｍＹ（ｘ）と有効磁束φＣ（ｘ）とが互いに打ち消し合って、その差による吸引力Ｆｎｃ（０）がアーマチュア７ａに作用する。この吸引力Ｆｎｃ（０）よりも、板ばね８による付勢力Ｆｓ（ｘ）と永久磁石１１の有効磁束φｍＨ（ｘ）による吸引力との合成付勢力Ｆｓｈ（０）が大きいため、電磁石組立体１３に接していたアーマチュア７ａは電磁石組立体１３への吸着から解放される。つまり、ギャップＧａの幅ｘが０からｑへ変化し、解放状態に切り替わる。

また、有効磁束φＣ（ｘ）は永久磁石６を迂回するようにギャップ材５により形成されたギャップＧｂを通過する。そのため、ギャップ材５及びギャップＧｂをそれぞれ、バイパスギャップ材５及びバイパスギャップＧｂとも呼ぶ。

図７Ｃに、無励磁で解放状態（ｘ＝ｑ）における磁束の流れを示す。アーマチュア７ａに作用する力は合成付勢力Ｆｓｈ（ｘ）と吸引力Ｆｎ（ｘ）であり、Ｆｎ（ｑ）＜Ｆｓｈ（ｑ）である。そのため、アーマチュア７ａにはＦｓｈ（ｑ）－Ｆｎ（ｑ）の付勢力が作用している。

電磁コイル４の瞬間的な正励磁により制動状態から解放状態へ切り替わった後、電磁コイル４は無励磁状態となる。ギャップＧａの幅ｘ＝ｑの状態では、永久磁石６による有効磁束φｍＹ（ｘ）による吸引力Ｆｎ（ｑ）よりも、板ばね８による付勢力Ｆｓ（ｑ）と永久磁石１１の有効磁束φｍＨ（ｘ）による吸引力との合成付勢力Ｆｓｈ（ｑ）は大きい。そのため、無励磁状態でも解放状態が保持される。

図７Ｄに、逆励磁により電磁ブレーキ１が解放状態（ｘ＝ｑ）から制動状態（ｘ＝０）へ切り替わる様子を示す。アーマチュア７ａに作用する力は、合成付勢力Ｆｓｈ（ｘ）と合成吸引力Ｆｎｅ（ｘ）である。Ｆｓｈ（ｑ）＜Ｆｎｅ（ｑ）であるため、解放状態（ｘ＝ｑ）から制動状態（ｘ＝０）に切り替わり、Ｆｎｅ（０）－Ｆｓｈ（０）の吸引力がアーマチュア７ａに働く。

電磁コイル４に図７Ｂとは逆方向に電流を流すと、永久磁石６による有効磁束φｍＹ（ｘ）と同じ方向の有効磁束φＣ´（ｘ）が破線矢印に示すように生じる。有効磁束φＣ´（ｘ）は、インナーヨーク３内をアーマチュア７ａに向けて軸方向に通過し、ギャップＧａを軸方向に通過してアーマチュア７ａの内周側の領域に流入する。この有効磁束は、アーマチュア７ａ内を径方向外向きに通過してアーマチュア７ａの外周側の領域からギャップＧａを経たうえでアウターヨーク２に流入する。この有効磁束はさらに、アウターヨーク２を軸方向に通過し、永久磁石６を迂回するように、鍔部２ａ１を径方向内向きに通過したのち凸部２ｂ１を軸方向に通過してギャップＧｂに流入する。この有効磁束φＣ´（ｘ）は、ギャップＧｂを軸方向に通過してインナーヨーク３の凸部３ｂ１に流入し、鍔部３ａ１内を径方向内向きに通過して還流する。このように、有効磁束φＣ´（ｘ）が、永久磁石６による有効磁束φｍＹ（ｘ）と同方向に還流することにより、電磁コイル４の有効磁束φＣ´（ｘ）が永久磁石６による有効磁束φｍＹ（ｘ）に加えられて、吸引力Ｆｎｅ（ｑ）が生じる。

逆励磁されると、アーマチュア７ａは、付勢力Ｆｓｈ（ｑ）よりも大きい吸引力Ｆｎｅ（ｑ）により電磁石組立体１３に吸引されて、ギャップＧａの幅ｘがｑから０へと変化し、電磁ブレーキ１は制動状態となる。その後、逆励磁を停止し無励磁とすると、図７Ａに示した状態となり、制動状態が保持される。

また、前述のとおり、板ばね８と永久磁石１１とによる合成付勢力Ｆｓｈ（ｘ）は、ギャップＧａの幅ｘにかかわらずほぼ一定である。電磁石組立体１３へアーマチュア７ａが吸引される力は、永久磁石６による吸引力Ｆｎ（０）と板ばね８及び永久磁石１１の合成付勢力Ｆｓｈ（０）との差すなわちＦｎ（０）－Ｆｓｈ（０）である。板ばね８の付勢力を調整するなどにより、制動状態すなわちギャップＧａがゼロの状態における合成付勢力Ｆｓｈ（０）が大きくなり過ぎないようにすることで、電磁ブレーキ１の制動状態における制動力の低下を抑えることができる。

これまでに説明してきたような上記実施形態によれば、以下に列挙する効果が得られる。
・アーマチュアが電磁石組立体に接している状態（すなわち制動状態）において、制動力とは逆方向の付勢力を、板ばねと第２永久磁石との組み合わせにより、適正にすることができるため、制動状態における制動力の低下を抑えることができる。すなわち、弾性部材のサイズ増加を抑えつつ一定程度の制動力を確保することができる。
・制動状態及び解放状態の一方から他方へ切り替える際、電磁コイルへの電力供給は瞬間的なもので足り、その後は電力供給が無くても切替え後の状態が保持される。そのため、電磁コイルの発熱及び電力消費を削減することができる。
・従来の自己保持型電磁ブレーキとは異なり、深さが適切に設定された複数の穴に複数本のコイルばねをそれぞれ配置することが不要である。板ばねと第２永久磁石との組み合わせを付勢手段として用いるため、製造が比較的容易である。

［他の実施形態］
図８に、他の実施形態に係る電磁ブレーキ１ａを示す。図３Ａに示した電磁ブレーキ１とは異なり、電磁ブレーキ１ａにはヨーク９が無く、例えばアルミニウム製のハブ１０に対し直に永久磁石１１が接している。永久磁石１１の磁気漏れが問題となる可能性が低い場合には、ヨーク９を設けないことで部品数を減らすことができる。

また、図３Ａに示した電磁ブレーキ１において、鍔部２ａ１の軸方向アーマチュア組立体７側の面には、凸部２ｂ１の径方向外側に凹部が形成されている。しかし、電磁ブレーキ１の凸部２ｂ１を、電磁ブレーキ１ａの凸部２ｂ２に置き換え、凸部２ｂ２の径方向外側に凹部が無い段形状としてもよい。

永久磁石６の軸方向内側端面と永久磁石１１の軸方向内側端面とはいずれも同極（図３Ａの例ではＮ極）となっている。永久磁石６の軸方向内側端面と永久磁石１１の軸方向内側端面とが異極の場合、同極の場合に比べて外部への磁気漏れが多くなるものの、この時期漏れの電磁ブレーキ特性への影響は限定的である。したがって、永久磁石６の軸方向内側端面と永久磁石１１の軸方向内側端面とは同極でもよいし、異極でもよい。

そのほか、静止体１２をモーターの筐体とし、回転軸１４を同モーターの回転軸とすることで、電磁ブレーキ付きモーターを得ることができる。特に、上記モーターがステッピングモーターの場合、回転軸１４は非磁性材とする場合が多く、上述したように回転軸１４への漏れ磁束は発生しない。回転軸１４が磁性材の場合は、回転軸１４とインナーヨーク３と径方向間隔を広げるなどすればよい。

さらには、後述するように、永久磁石６の配置を工夫することで、永久磁石６の回転軸１４への漏れ磁束を低減することができる。
図９に示す電磁ブレーキ１ｂにおいては、静止体１２に固定されたインナーヨーク３の鍔部３ａｂとアウターヨーク２の鍔部２ａｂとの間に永久磁石６が配置されている。そして、アウターヨーク２の鍔部２ａｂの径方向内側端部とインナーヨーク３の本体部との間に、径方向のバイパスギャップＧｂが形成されている。永久磁石６と回転軸１４とがインターヨーク３の本体部を隔てて位置するため、インナーヨーク３と回転軸１４との径方向間隔を比較的大きくすることなく、永久磁石６から回転軸（磁性材）１４への磁気漏れを抑えることができる。

また、ヨーク９を、永久磁石１１の軸方向一端面及び外周面のみならず内周面にも接触するような形状（断面がコの字のリング形状）とすることで、永久磁石１１の回転軸１４への磁束漏れを低減させることができる。

さらに、図１０に示す電磁ブレーキ１ｃにおいては、静止体１２に固定されたアウターヨーク２の鍔部２ａｃとインナーヨーク３の鍔部３ａｃとの間に永久磁石６が配置されている。そして、インナーヨーク３の鍔部３ａｃの径方向外側端部とアウターヨーク２の本体部との間に、径方向のバイパスギャップＧｂが形成されている。回転軸１４とインナーヨーク３並びに永久磁石６及び永久磁石１１との径方向間隔を比較的大きくとることで、両永久磁石の回転軸（磁性材）１４への漏れ磁束を低減させることができる。

永久磁石６はリング状に限られず、リングを周方向に所定の間隔で略円弧状に分割した形状でもよい。永久磁石１１についても同様である。

付勢手段の一つとして板ばね８を示したが、これに限られず、任意の弾性部材を用いることができる。

これまでに説明した実施形態に関し、以下の付記を開示する。
［付記１］
同軸二重円筒状に形成されたアウターヨーク及びインナーヨークと、前記アウターヨークと前記インナーヨークとの間の円筒状空隙部に収容された電磁コイルと、第１永久磁石とを有し、静止体から突出するように設けられた回転軸が挿通され、前記静止体に固定された電磁石組立体と、
前記回転軸に設けられ、前記電磁石組立体と軸方向に対向し、前記電磁石組立体に対して接離可能に配置されたアーマチュアと、前記アーマチュアを前記電磁石組立体から引き離す方向に付勢する付勢手段とを有するアーマチュア組立体と
を備え、
前記付勢手段は弾性部材及び第２永久磁石である、
電磁ブレーキ。
［付記２］
前記アウターヨークの軸方向一端から径方向内側に突出するようにリング状の鍔部が設けられるとともに、前記インナーヨークの軸方向一端から径方向外側に突出するようにリング状の鍔部が設けられ、前記アウターヨークの鍔部又は前記インナーヨークの鍔部が直接、前記静止体に固定され、
前記アウターヨークの鍔部と前記インナーヨークの鍔部とに挟まれるように、前記第１永久磁石が配置され、
前記第１永久磁石は軸方向に着磁されている、
付記１に記載の電磁ブレーキ。
［付記３］
前記電磁コイルが励磁されていない状態において、前記第１永久磁石により、前記アーマチュアが前記付勢手段の付勢力に抗して前記電磁石組立体に接触し、前記回転軸の回転が制動される制動状態が保持され、
前記制動状態において前記電磁コイルが第１の方向に励磁されると、前記第１永久磁石の磁束を打ち消す磁束が発生し、前記付勢手段の付勢力により前記アーマチュアが前記電磁石組立体から離れて、前記回転軸に対する制動が解除された解放状態へ切り替わり、
前記電磁コイルの前記第１の方向の励磁が終了した後も、前記付勢手段の付勢力により前記解放状態が保持され、
前記解放状態において前記電磁コイルが前記第１の方向とは逆方向である第２の方向に励磁されると、前記第１永久磁石の磁束と同方向の磁束が発生し、前記アーマチュアが前記付勢手段の付勢力に抗して前記電磁石組立体に接触し、前記制動状態に切り替わる、
付記１又は２に記載の電磁ブレーキ。

以上、本発明の実施の形態につき述べたが、本発明は既述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の変形及び変更が可能である。

１ 電磁ブレーキ
２ アウターヨーク
２ａ１ 鍔部
２ｂ１ 凸部
２ｃ１ 凹部
３ インナーヨーク
３ａ１ 鍔部
３ｂ１ 凸部
３ｃ１ 凹部
４ 電磁コイル
５ バイパスギャップ材
６ 永久磁石（電磁石組立体）
７ アーマチュア組立体
７ａ アーマチュア
８ 板ばね
９ ヨーク
１０ ハブ
１１ 永久磁石（アーマチュア組立体）
１２ 静止体
１３ 電磁石組立体
１４ 回転軸

Claims (3)

1. 同軸二重円筒状に形成されたアウターヨーク及びインナーヨークと、前記アウターヨークと前記インナーヨークとの間の円筒状空隙部に収容された電磁コイルと、第１永久磁石とを有し、静止体から突出するように設けられた回転軸が挿通され、前記静止体に固定された電磁石組立体と、
   前記回転軸に設けられ、前記電磁石組立体と軸方向に対向し、前記電磁石組立体に対して接離可能に配置されたアーマチュアと、前記アーマチュアを前記電磁石組立体から引き離す方向に付勢する付勢手段とを有するアーマチュア組立体と
   を備え、
   前記付勢手段は弾性部材及び第２永久磁石である、
   電磁ブレーキ。
2. 前記アウターヨークの軸方向一端から径方向内側に突出するようにリング状の鍔部が設けられるとともに、前記インナーヨークの軸方向一端から径方向外側に突出するようにリング状の鍔部が設けられ、前記アウターヨークの鍔部又は前記インナーヨークの鍔部が直接、前記静止体に固定され、
   前記アウターヨークの鍔部と前記インナーヨークの鍔部とに挟まれるように、前記第１永久磁石が配置され、
   前記第１永久磁石は軸方向に着磁されている、
   請求項１に記載の電磁ブレーキ。
3. 前記電磁コイルが励磁されていない状態において、前記第１永久磁石により、前記アーマチュアが前記付勢手段の付勢力に抗して前記電磁石組立体に接触し、前記回転軸の回転が制動される制動状態が保持され、
   前記制動状態において前記電磁コイルが第１の方向に励磁されると、前記第１永久磁石の磁束を打ち消す磁束が発生し、前記付勢手段の付勢力により前記アーマチュアが前記電磁石組立体から離れて、前記回転軸に対する制動が解除された解放状態へ切り替わり、
   前記電磁コイルの前記第１の方向の励磁が終了した後も、前記付勢手段の付勢力により前記解放状態が保持され、
   前記解放状態において前記電磁コイルが前記第１の方向とは逆方向である第２の方向に励磁されると、前記第１永久磁石の磁束と同方向の磁束が発生し、前記アーマチュアが前記付勢手段の付勢力に抗して前記電磁石組立体に接触し、前記制動状態に切り替わる、
   請求項１又は２に記載の電磁ブレーキ。

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