JP5228606B2 - 負荷装置 - Google Patents

Description

本発明は、動力伝達機構に負荷を付与する負荷装置に関する。

車両用の油圧式自動変速機等の動力伝達機構の回転軸に負荷を加える機構として、従来より、湿式摩擦ブレーキ機構が利用されている。室内運動具の分野では、回転軸上に固定された金属製の回転板の両側に、複数個の磁石を回転板の一方の側と他方の側とで極性が反転するように連続して環状に配置し、それらの永久磁石の磁界で回転板に渦電流を発生させてその回転板の回転に対する負荷抵抗を生じさせる装置が知られている（例えば特許文献１）。
特開平６−１９００７８号公報

湿式摩擦ブレーキ機構を用いた場合には、油圧発生装置が必要で、その駆動のためにエネルギが消費されて燃費に影響が生じ、あるいは、油温変化により摩擦ブレーキ力がばらつくといった不都合が生じる。永久磁石を用いた負荷装置は油圧発生装置を要しないので、上記のような不都合はない。しかし、与え得る負荷を増大させるには、回転板の両側の磁石間の距離を短縮する必要がある。この場合、回転板を挟んで同極の磁石を対向させて負荷を解除しようとしても、両側の磁石間の磁束密度のばらつきにより、強い側の磁石で回転板が磁化されて負荷が残るおそれがある。

そこで、本発明は、永久磁石を用いつつ、負荷を適切に調整することが可能な負荷装置を提供することを目的とする。

本発明の負荷装置は、回転軸に一体回転可能に設けられた強磁性材料製の回転体と、前記回転体を挟むように配置され、前記回転体との対向部には、複数かつ互いに等しい個数の永久磁石が、それらの磁極を前記回転軸の軸線方向に関して交互に反転させつつ前記回転軸の回りに互いに等しい間隔でそれぞれ配置された一対の磁界付与部材と、前記一対の磁界付与部材のそれぞれに設けられた永久磁石の同一磁極が前記回転体を挟んで向い合う同極対向状態と、前記一対の磁界付与部材のそれぞれに設けられた永久磁石の互いに異なる磁極が前記回転体を挟んで向い合う異極対向状態との間で前記一対の磁界付与部材の前記回転軸の回りの位相が変化するように、少なくとも一方の磁界付与部材を前記回転体に対して回転させる位相変更手段と、前記一対の磁界付与部材のそれぞれを、前記回転体に対して前記軸線方向に接近及び離間させることにより前記磁界付与部材間の距離を変更する距離変更手段と、前記同極対向状態では前記一対の磁界付与部材が前記回転体から遠ざかり、前記異極対向状態では前記一対の磁界付与部材が前記回転体に接近するように、前記位相変更手段による前記磁界付与部材の位相差の変更操作と、前記距離変更手段による前記一対の磁界付与部材の前記距離の変更操作とを連係させる連係手段と、を備え、前記位相変更手段として、前記一対の磁界付与部材のそれぞれを前記回転軸の回りに回転させる回転駆動機構が設けられ、前記距離変更手段として、前記位相変更手段が付与する回転運動を前記一対の磁界付与手段の前記軸線方向の運動に変換する運動変換機構が設けられ、前記同極対向状態から前記異極対向状態へと前記位相変更手段が前記一対の磁界付与部材を回転させるときに前記一対の磁界付与部材のそれぞれが前記回転体に接近するように前記位相変更手段が付与する回転運動の方向と前記運動変換機構による運動変換方向との関係が設定されることにより、前記連係手段が実現されていることにより上記課題を解決する（請求項１）。

本発明の負荷装置によれば、同極対向状態では、永久磁石による磁界が回転体を貫通しないため、回転体に渦電流が発生せず、回転体に負荷は生じない。一方、異極対向状態においては、永久磁石による磁界中を回転体が移動するため回転体に渦電流が発生する。この渦電流による磁界が回転体の回転を妨げるように作用し、回転体に負荷が生じる。磁界付与部材は距離変更手段により接近及び離間されるため、異極対向状態で磁界付与部材が接近するようにすれば、回転体を貫通する磁束密度が高まり、より負荷が大きくなる。よって、例えば、車両の自動変速機においては、従来の油圧式自動変速機の湿式摩擦ブレーキ部との機能の置き換えが可能となる。これにより、自動変速機に油圧発生装置が不要となるため、油圧装置の駆動力がゼロとなり好適に燃費が改善される。自動変速機の小型化、省エネルギ化が可能となる。また、油温等による摩擦ブレーキ力のばらつきが好適に改善されるため、変速ショックが改善される。また、磁界付与部材の位相差の変更操作と磁界付与部材間の距離の変更操作という異なる操作が連係される。これにより、回転体に負荷が生じる異極対向状態には磁界付与部材を互いに近付けることでさらに負荷を加えることが可能となる。一方、同極対向状態には、磁界付与部材を互いに遠ざけることで回転体への着磁を防止し、回転体が磁化されることを防止する。また、回転駆動機構及び運動変換機構を設けることで、磁界付与部材の位相差及び距離の変更操作が連係される。磁界付与部材を回転させつつ回転体に接近することで、磁界付与部材の位相差の変更操作と磁界付与部材間の距離の変更操作という異なる操作を同一の動作で行うことができる。

本発明の負荷装置の一形態において、前記一対の磁界付与部材のそれぞれは、前記回転軸が貫通する環状体に前記永久磁石を取り付けた構成を具備し、前記環状体の中心部が支持部材にて回転可能に支持され、前記磁界付与部材と前記支持部材との間には、前記運動変換機構として、ねじ機構が設けられていてもよい（請求項２）。この形態によれば、ねじ機構により永久磁石が設けられた環状体が回転することで、磁界付与部材の位相差を変更しつつ、磁界付与部材間の距離を変更することができる。

本発明の負荷装置の一形態において、前記回転駆動機構は、前記一対の環状体の外周に回転力を付与するように設けられていてもよい（請求項３）。この形態によれば、環状体の外周に回転力を付与することで、磁界付与部材がねじ機構により回転する。これにより、磁界付与部材の位相差を変更しつつ磁界付与部材間の距離が変更される。

本発明の負荷装置の一形態において、前記回転体の周囲が磁性流体で満たされていてもよい（請求項４）。この形態によれば、異極対向状態で磁束密度が増加すると、磁性流体のせん断応力が増加する。これにより、さらに負荷を加えることができる。従って、車両の変速機においても、ブレーキ力を高めることができる。

以上、説明したように、本発明の負荷装置においては、磁界付与部材に設けられた永久磁石の位相の変化により、回転体に負荷が生じない同極対向状態と回転体に負荷を生じさせる異極対向状態との二つの状態を磁界付与部材が取りうる。磁界付与部材は距離変更手段により接近及び離間されるため、異極対向状態で磁界付与部材が接近するようにすれば、回転体を貫通する磁束密度が高まり、より負荷が大きくなる。よって、例えば、車両の自動変速機においては、従来の油圧式自動変速機の湿式摩擦ブレーキ部との機能の置き換えが可能となる。これにより、自動変速機に油圧発生装置が不要となるため、油圧装置の駆動力がゼロとなり好適に燃費が改善される。自動変速機の小型化、省エネルギ化が可能となる。また、油温等による摩擦ブレーキ力のばらつきが好適に改善されるため、変速ショックが改善される。

図１に本発明の一形態に係る負荷装置の概略図を示す。負荷装置１は、車両用の自動変速機のブレーキ部として適用され、自動変速機の動力伝達機構の回転軸２に負荷を加える。負荷装置１は、回転軸２に一体回転可能に設けられた回転体としての回転板３と、回転板３を挟むように配置された一対の磁界付与部材としての磁石板４Ａ、４Ｂ（特に区別しない場合は参照符号４で代表する。）と、磁石板４Ａ、４Ｂを回転可能に支持する支持部材としての支持部５と、磁石板４Ａ、４Ｂのそれぞれを回転軸２の回りに回転させる回転駆動機構６とを備えている。回転軸２は、自動変速機の遊星歯車機構を構成するギアと連結されている。回転板３は、強磁性材料製の円板で、その中心が回転軸２に一体回転可能に取り付けられている。

図２に磁石板４の正面図を示す。なお、磁石板４Ａ、４Ｂはいずれも同様の構成であるので、磁石板４Ａで代表して説明する。磁石板４Ａは、環状体７と、環状体７に固定された複数の永久磁石８とを有する。環状体７は、円板状で、かつ強磁性材料以外の材質、例えば、銅、アルミ等の非磁性金属や、樹脂等で形成されている。環状体７は、その中心に設けられた貫通孔７ａに回転軸２が貫通している。永久磁石８は、円形加工され、互いに同一の形状を有している。磁石板４Ａ、４Ｂの互いに向い合う面、つまり、環状体７の対向部には、永久磁石８がそれらの磁極を回転軸２の軸線方向に関して交互に反転させて配置されている。永久磁石８は、回転軸２の回りに互いに等しい間隔で磁石板４Ａ、４Ｂのそれぞれに配置されている。これらの永久磁石８の配置にあわせて、環状体７の対向部には、永久磁石８が嵌め込まれるための穴７ｂが複数設けられ、その穴７ｂに永久磁石８が固定されている。なお、穴７ｂは、環状体７に対して貫通していてもよいし、環状体７の対向部に対して凹んでいてもよい。いずれにせよ、環状体７の対向部に永久磁石８の磁極が交互に反転されるようにして永久磁石８が固定されていればよい。

図１に戻り、支持部５は、周囲のハウジング等に固定された状態で設けられ、回転板３を挟むように配置された円筒状の円筒部９を有している。円筒部９は、磁石板４Ａ、４Ｂのそれぞれをその外周面で支持するように回転板３の両側に設けられている。円筒部９の中心には回転軸２が同軸的に貫通する。円筒部９の外周面と磁石板４の貫通孔７ａとの間にはねじ機構１０が設けられている。円筒部９の外周には、おねじ部１０ａが、磁石板４の貫通孔７ａの内周には、おねじ部１０ａと噛み合うめねじ部１０ｂが、それぞれ形成されていることにより、円筒部９と磁石板４との間にねじ機構１０が設けられている。ねじ機構１０により、磁石板４は回転軸２の軸線方向の回りに回転しながらその軸線方向に移動可能となる。回転駆動機構６は、環状体７の外周面に形成されたギア部７ｃと、そのギア部７ｃを回転駆動するモータ１１とを備えている。回転駆動機構６により、磁石板４に設けられた永久磁石８が回転軸２の軸線方向に回転し、磁石板４Ａ、４Ｂの位相を変化させる。さらに、負荷装置１は、モータ１１の駆動を制御する制御装置１２を備えている。制御装置１２は、マイクロプロセッシングユニット（ＭＰＵ）と、そのＭＰＵの動作に必要な周辺装置、例えばＲＡＭ、ＲＯＭ等の記憶装置、を組み合わせたコンピュータユニットの一種であり、記憶装置に記憶された所定の制御プログラムをＭＰＵが実行することによりモータ１１を制御する専用コントローラとして構成されている。制御装置１２により、モータ１１の出力が制御され、ねじ機構１０により移動する磁石板４の回転方向及び回転角が制御される。

負荷装置１の動作を説明する。制御装置１２が、回転駆動機構６を動作させると磁石板４が回転軸２の軸線方向の回りに回転移動する。磁石板４の回転移動は、ねじ機構１０により、回転軸２の軸線方向に沿った直線運動に変換される。磁石板４Ａ、４Ｂは、互いの永久磁石８の位相を変化させつつ回転板３に対して回転軸２の軸線方向に接近及び離間する。磁石板４Ａ、４Ｂは、互いに離間して、互いの永久磁石８の同一磁極が回転板３を挟んで向い合う同極対向状態と、互いに接近して、互いの永久磁石８の異なる磁極が回転板３を挟んで向い合う異極対向状態との二つの状態を取りうる。図３に同極対向状態の磁界の様子を模式的に示す。同極対向状態においては、永久磁石８の磁界は回転板３を貫通しないので、回転板３には磁界による渦電流が生じない。従って、回転板３には負荷が生じず、回転軸２の駆動に何らの影響も与えない。

一方、異極対向状態は、同極対向状態よりも磁石板４Ａ、４Ｂを回転板３に対して接近させる。つまり、同極対向状態での磁石板４Ａ、４Ｂ間の距離ｄ１と異極対向状態での磁石板４Ａ、４Ｂ間の距離ｄ２との関係は、ｄ１＞ｄ２となる。同極対向状態では、磁石板４が回転板３から遠ざかり、異極対向状態では、磁石板４が回転板３に接近する。制御装置１２には、同極対向状態から異極対向状態へと回転駆動機構６が磁石板４Ａ、４Ｂを回転させるときに磁石板４Ａ、４Ｂのそれぞれが回転板３に接近するように回転駆動機構６が付与する回転運動の方向とねじ機構１０による運動変換方向との関係が設定される。つまり、回転駆動機構６が磁石板４を回転軸２の軸線方向の回りに回転運動させることにより、ねじ機構１０が回転運動を軸線方向に沿った直線運動に変換する。磁石板４は異極対向状態と同極対向状態の二状態をとることができ、制御装置１２及びねじ機構１０によって、磁石板４Ａ、４Ｂの位相差及び距離の変更操作が連係されている。回転駆動機構６により付与される回転力により、磁石板４はねじ機構１０による回転軸２の軸線方向に対する回転運動及び直線運動をするため、磁石板４の位相及び距離がモータ１１の出力と対応付けられ、制御装置１２による制御がなされる。図４に異極対向状態の磁界の様子を模式的に示す。異極対向状態において永久磁石８により生じる磁界は、回転板３の板面に対して垂直方向に貫通するため、回転板３が磁界中を移動することにより回転板３には渦電流が生じる。この渦電流により生じた磁界が回転板３の回転を妨げるように作用し、これにより、回転板３に負荷が付与される。異極対向状態では、磁石板４Ａ、４Ｂが互いに近付くため、磁界が強まる。なお、回転駆動機構６は、磁石板４Ａ、４Ｂをそれぞれ同時に回転移動させるように動作させてもよいし、磁石板４Ａ、４Ｂをそれぞれ別個に回転移動させるように動作させてもよい。

図５は回転板３を貫通する磁束密度の変化を示すグラフ、図６は回転板３の負荷の変化を示すグラフである。図５のグラフの横軸は磁石板４Ａ、４Ｂの位相を示し、縦軸は回転板３を貫通する磁束密度を示す。破線Ａ１は同極対向状態と異極対向状態とで磁石板４Ａ、４Ｂの距離が同一の場合の磁束密度の変化を示し、実線Ｂ１は異極対向状態で磁石板４Ａ、４Ｂを互いに近付けた場合の磁束密度の変化を示す。図６のグラフの横軸は磁石板４Ａ、４Ｂの位相を示し、縦軸は回転板３の負荷を示す。破線Ａ２は同極対向状態と異極対向状態とで磁石板４Ａ、４Ｂの距離が同一の場合の回転板３の負荷の変化を示し、実線Ｂ２は異極対向状態で磁石板４Ａ、４Ｂを互いに近付けた場合の回転板３の負荷の変化を示す。同極対向状態から異極対向状態に変更するときには、磁石板４同士が近付きながら異極が対向する面積が大きくなるので磁束密度の増加が顕著となる。従って、同一の距離を保って磁界を変化させた場合と比べて、回転板３には、より大きい負荷が付与される。よって、従来の油圧式自動変速機の湿式摩擦ブレーキ部との機能の置き換えが可能となる。これにより、自動変速機に油圧発生装置が不要となるため、油圧装置の駆動力がゼロとなり好適に燃費が改善される。自動変速機の小型化、省エネルギ化が可能となる。また、油温等による摩擦ブレーキ力のばらつきが好適に改善されるため、変速ショックが改善される。

上述の形態において、回転駆動機構６は、位相変更手段として機能する。また、回転駆動機構６により磁石板４が回転し、その回転運動がねじ機構１０により直線運動に変換される。ねじ機構１０は、距離変更手段及び運動変換機構として機能する。制御装置１２及びねじ機構１０により、磁石板４の回転軸の軸線方向の回りの回転運動と軸線方向の直線運動とが連係される。制御装置１２及びねじ機構１０は連係手段として機能する。

本発明は、上述した形態に限定されることなく、種々の形態にて実施することができる。例えば、本形態では、回転板３や磁石板４の周囲の空間は空気で満たされているものとして説明したが、これに代えて磁性流体を封入してもよい。以下、磁性流体を封入した変形例について説明する。変形例においては、磁性流体を封入する以外は上述した形態と同様なので構成の説明については省略し、上述した形態と同一の参照符号で説明する。変形例における負荷装置は、少なくとも回転板３を含んだ空間領域を密閉して、その内部に磁性流体を封入する。回転板３及び磁石板４Ａ、４Ｂを含んだ空間領域を密閉して磁性流体を封入してもよい。磁性流体は、例えば、オイル、鉄粉等から構成される。負荷時には、図４に示すように、磁石板４Ａ、４Ｂの間で回転板３を貫通するように磁界が生じるため、生じた磁界により磁性流体のせん断応力が増加する。これにより、回転板３に付与される負荷がより増加する。図６の破線Ｃ２は、変形例における回転板の負荷の変化を示す。磁性流体を封入しない実線Ｂ２の場合に比べて、負荷がより増大する。また、磁性流体を封入したことにより、冷却効果も向上する。従って、自動変速機に適用した場合には、さらにブレーキ力を増加させることが可能となる。

本形態では、円形加工された永久磁石を用いたが、円形加工されたものに限られず、磁石の形状、個数、並び方等は適宜変更してもよい。例えば、磁石形状を扇型状にして連続して並べるような構成でもよい。円板状の環状体７を用いたが、環状体７の形状は適宜変更してよい。永久磁石８を回転軸２の軸線方向の回りに並べ、固定するようなものであればよく、円板状に限られない。例えば、各永久磁石８の周りを取り囲んで固定し、それらを連結するようなものあってもよい。連係手段として、ねじ機構１０及び制御装置１２で実現されている例で説明したがこれに限られない。磁石板４の位相差を変更する位相変更手段と、磁石板４間の距離を変更する距離変更手段とが、別個の機構を用いて実現されていてもよい。この場合においても、制御装置１２にて、磁石板４の回転軸２の軸線方向の回りの回転運動の方向と、その軸線方向に沿った直線運動方向との関係が設定されることにより、連係手段が実現される。本形態では、車両の自動変速機のブレーキ部に適用した例で説明したが、これに限定されない。各種のブレーキ装置に適用することができる。

本発明の一形態に係る負荷装置の概略図。 磁石板の正面図。 同極対向状態における磁界の様子を示す模式図。 異極対向状態における磁界の様子を示す模式図。 回転板を貫通する磁束密度の変化を示すグラフ。 回転板の負荷の変化を示すグラフ。

符号の説明

１ 負荷装置
２ 回転軸
３ 回転板（回転体）
４ 磁石板（磁界付与部材）
６ 回転駆動機構（位相変更手段）
８ 永久磁石
１０ ねじ機構（距離変更手段）
１２ 制御装置

Claims (4)

1. 回転軸に一体回転可能に設けられた強磁性材料製の回転体と、
   前記回転体を挟むように配置され、前記回転体との対向部には、複数かつ互いに等しい個数の永久磁石が、それらの磁極を前記回転軸の軸線方向に関して交互に反転させつつ前記回転軸の回りに互いに等しい間隔でそれぞれ配置された一対の磁界付与部材と、
   前記一対の磁界付与部材のそれぞれに設けられた永久磁石の同一磁極が前記回転体を挟んで向い合う同極対向状態と、前記一対の磁界付与部材のそれぞれに設けられた永久磁石の互いに異なる磁極が前記回転体を挟んで向い合う異極対向状態との間で前記一対の磁界付与部材の前記回転軸の回りの位相が変化するように、少なくとも一方の磁界付与部材を前記回転体に対して回転させる位相変更手段と、
   前記一対の磁界付与部材のそれぞれを、前記回転体に対して前記軸線方向に接近及び離間させることにより前記磁界付与部材間の距離を変更する距離変更手段と、
   前記同極対向状態では前記一対の磁界付与部材が前記回転体から遠ざかり、前記異極対向状態では前記一対の磁界付与部材が前記回転体に接近するように、前記位相変更手段による前記磁界付与部材の位相差の変更操作と、前記距離変更手段による前記一対の磁界付与部材の前記距離の変更操作とを連係させる連係手段と、
   を備え、
   前記位相変更手段として、前記一対の磁界付与部材のそれぞれを前記回転軸の回りに回転させる回転駆動機構が設けられ、
   前記距離変更手段として、前記位相変更手段が付与する回転運動を前記一対の磁界付与手段の前記軸線方向の運動に変換する運動変換機構が設けられ、
   前記同極対向状態から前記異極対向状態へと前記位相変更手段が前記一対の磁界付与部材を回転させるときに前記一対の磁界付与部材のそれぞれが前記回転体に接近するように前記位相変更手段が付与する回転運動の方向と前記運動変換機構による運動変換方向との関係が設定されることにより、前記連係手段が実現されている負荷装置。
2. 前記一対の磁界付与部材のそれぞれは、前記回転軸が貫通する環状体に前記永久磁石を取り付けた構成を具備し、前記環状体の中心部が支持部材にて回転可能に支持され、前記磁界付与部材と前記支持部材との間には、前記運動変換機構として、ねじ機構が設けられている請求項１に記載の負荷装置。
3. 前記回転駆動機構は、前記一対の環状体の外周に回転力を付与するように設けられている請求項２に記載の負荷装置。
4. 前記回転体の周囲が磁性流体で満たされている請求項１〜３のいずれか一項に記載の負荷装置。

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