JP6201176B2 - 回転制動装置 - Google Patents

Description

本発明は、磁気粘性流体に付与する磁場の強さを変えることで、磁気粘性流体を介して入力側と出力側との間で伝達されるトルクを変化させる回転制動装置に関する。

この種の回転制動装置は、例えば特許文献１に開示されている。同文献の回転制動装置は、回転軸に円板が軸線方向に所定間隔をおいて多数固設され、これらの円板がケーシング内に相対回転可能に組み込まれたものである。上記ケーシング内には、磁気粘性流体が封入されており、この磁気粘性流体に磁場を与える電磁石が設けられている。この回転制動装置において、電磁石のコイルに電流を印加すれば、電流の大きさに応じて磁気粘性流体の粘度（ずり応力）が増大し、回転軸とケーシングとの間で伝達されるトルクが大きくなる。

磁気粘性流体は透磁率が低いため、円板と、円板に対向する面（ケーシング）との隙間をできるだけ小さくすることが望ましい。つまり、その隙間を小さくすることで、必要な起磁力を小さくすることができ、電流の大きさに応じて効率よく磁気粘性流体の粘度を増大させることができるからである。

特開２００８−２０２７４４号公報

ところが、円板面と円板に対向する面との隙間を小さく（例えば０．１ｍｍ以下）するには、当該隙間に関わる部品の寸法精度を高めることが必要となり、加工コストが高くなるという問題が生じる。例えば引用文献１に開示された回転制動装置の場合、円板（引用文献１では「プレート３」と称している。）、スペーサ、ケース側プレートなどの厚さ精度や、円板とシャフトとの嵌め合い部の精度など、多くの箇所で高い寸法精度が要求され、加工コストが高くなる。

本発明はかかる課題に鑑みて創案されたものであり、円板と円板に対向する面との隙間を小さくために寸法精度を高めることが必要となる箇所を減らして、加工コストの低減を図ることができる回転制動装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の回転制動装置は、回転軸と、一方の面の中心部に、前記回転軸の端部が接続された磁性体からなる円板と、前記円板の他方の面に対して、微小隙間を介して、平行に対向する対向面を有する磁性体からなる対面部材と、電流印加時に、前記微小隙間を貫通する磁路が形成されるように、前記回転軸の軸線を中心とする同心円状に配設されたコイルと、前記微小隙間に充填された磁気粘性流体と、を備えたものを前提とし、前記円板の他方の面の中心部に前記磁路の干渉を防止するための非磁性体からなる球体が嵌め込まれた凹部が形成され、前記球体が前記凹部に対して最深位置まで嵌め込まれ、その球体の一部が前記円板の他方の面から軸線方向に所定量だけ突出して前記対向面に当接していることによって前記微小隙間が形成されていることを特徴としている。

かかる構成を備える回転制動装置によれば、円板の他方の面と、対面部材の対向面との隙間が、専ら、円板の他方の面からの球体の突出量により定まるため、主に、球体の直径精度、凹部の形状精度、円板の他方の面と軸線との直角度精度をある程度高めるだけで、上記隙間を所定値以下の微小隙間とすることができる。

本発明の回転制動装置は、例えば、上記構成を備えるものにおいて、前記コイルは、前記円板の一方の面側に、配設されており、前記コイルの内周側、外周側および反円板側を包囲し、前記コイルに電流が印加されることで磁極となる両端部に、前記円板の一方の面の内周側および外周側に対向する対向面がそれぞれ形成されたヨークが配設されているものであってもよい。

また、本発明の回転制動装置は、例えば、上記構成を備えるものにおいて、前記円板には、前記コイルが配設された半径範囲と同じ半径範囲内に、板厚方向に貫通した貫通孔が、周方向に複数形成されているものであることが望ましい。

本発明によれば、円板の他方の面と、対面部材の対向面との隙間を小さくために寸法精度を高めることが必要となる箇所を減らすことができ、加工コストの低減を図ることができる。

本発明の第１の実施形態に係る回転制動装置を軸線を含む平面で切断して表した断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る回転制動装置を軸線を含む平面で切断して表した断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る回転制動装置を軸線を含む平面で切断して表した断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る回転制動装置において貫通孔を設けなかった場合を示す図である。

＜第１の実施形態＞
以下、本発明の第１の実施形態に係る回転制動装置について図面を参照しながら説明する。図１に示すように、本発明の第１の形態に係る回転制動装置１００は、回転軸１、円板２、対面部材３、コイル４、ケーシング５、磁気粘性流体６等で構成されている。

回転軸１は、その端部が円板２の一方の面２ａ（以下「裏面２ａ」ともいう。）の中心部に垂直に接続されている。回転軸１の端部には、回転軸１の一般部１１より大径の第１異径部１３が形成されており、この第１異径部１３と一般部１１との間には、第１異径部１３より小径とされ、一般部１１より大径とされた第２異径部１４が形成されている。第１異径部１３には、Ｏリング溝１５が形成されており、このＯリング溝１５に、磁気粘性流体６が外部へ漏れることを防止するためのＯリング７１が嵌め込まれている。回転軸１はベアリング７２を介してケーシング５の軸穴５１に回転自在に支持されている。このベアリング７２は、回転軸１の一般部１１に外嵌されており、当該一般部１１と第２異径部１４との境界に形成される段差部に、円板２側の側面が係合されている。また、ベアリング７２の円板２と反対側の側面は、軸穴５１内に形成されたつば５３に係合されている。

円板２は、既述したように回転軸１の端部に接続されており、回転軸１と一体に軸線Ｎ回りに、対面部材３、ケーシング５等に対して相対回転可能となっている。なお、円板２は、鉄等の磁性体からなる。

対面部材３は、磁性体からなり、円板２の他方の面２ｂ（以下「表面２ｂ」ともいう。）に対して微小隙間６１を介して平行に対向する平坦な対向面３１Ａ，３１Ｂを有している。ここで、微小隙間６１は、特に数値的に限定されるものではないが、例えば０．１ｍｍ以下の隙間とすることが望ましい。対面部材３には、コイル４を配設するために、軸線Ｎを中心とした環状の溝３２が形成されている。この溝３２によって前記対向面は、内径側の対向面３１Ａと、外径側の対向面３１Ｂとに分かれている。なお、対面部材３の外周部には、ケーシング５との嵌め合い部３３が形成されている。

コイル４は、対面部材３に形成された溝３２に沿って配設されている。このコイル４には、図示しない電流供給装置により任意の電流が供給可能となっている。電流供給装置は対面部材３およびケーシング５の何れかの部位に搭載してもよいし、これらとは別個に設けられていてもよい。

ケーシング５は、円板２の裏面２ａおよび外周面２１を覆って対面部材３に嵌め付けられ、対面部材３に対して相対回転を起こさないように図示しないボルト等にて締結されている。このケーシング５は、非磁性体からなり、既述したように、軸穴５１を中心部に有し、対面部材３の嵌め合い部３３に嵌合させるための嵌め合い部５２を外周部に有する。

磁気粘性流体６は、円板２の表面２ｂと、対面部材３の対向面３１Ａ，３１Ｂとの微小隙間６１に充填されている。磁気粘性流体６全体としては、円板２と、ケーシング５および対面部材３との隙間に封入されている。この磁気粘性流体６は、磁性粒子を分散媒に分散させてなる液体であり、特にその磁性粒子がナノサイズの金属粒子（金属ナノ粒子）からなるものが使用できる。磁性粒子は磁化可能な金属材料からなり、金属材料に特に制限はないが軟磁性材料が好ましい。軟磁性材料としては、例えば鉄、コバルト、ニッケル及びパーマロイ等の合金が挙げられる。分散媒は、特に限定されるものではないが、一例として疎水性のシリコーンオイルを挙げることができる。磁気粘性流体における磁性粒子の配合量は、例えば３〜４０ｖｏｌ％とすればよい。磁気粘性流体にはまた、所望の各種特性を得るために、各種の添加剤を添加することも可能である。

円板２の表面２ｂの中心部には、軸線Ｎ方向に窪んだ凹部２２が形成されており、該凹部２２にステンレス等の非磁性体からなる球体８が嵌め込まれている。球体８は、凹部２２に対して最深位置まで嵌め込まれ、その球体８の一部が円板２の表面２ｂから軸線Ｎ方向に所定量だけ突出し、対面部材３の対向面３１Ａに当接している。このことにより、円板２の表面２ｂと対面部材３の対向面３１Ａ，３１Ｂとの間に常時微小隙間６１が形成されるようになっている。図１に示す例では、凹部２２は、円柱状の空洞からなり、球体８が凹部２２の底面２２ａに当接した状態で、当該球体８の一部が円板２の表面２ｂから軸線Ｎ方向に所定量だけ突出している。

上記構成を備える回転制動装置１００において、電流供給装置により、コイル４に電流を印加すると、矢印Ｐａ、Ｐｂに示す方向に沿って円板２および対面部材３内に磁路が形成される。この磁路は微小隙間６１に充填されている磁気粘性流体６を貫通する。その結果、微小隙間６１にある磁気粘性流体６には、磁場の強さに応じた粘度（ずり応力）が発現し、円板２と対面部材３との間での伝達トルクが磁場の強さに応じて大きくなる。

以上に説明した回転制動装置１００によれば、磁気粘性流体６が充填された微小隙間６１が、専ら、円板２の表面２ｂからの球体８の突出量により定まるようになっているため、主に、球体８の直径精度、凹部２２の形状精度（例えば深さ寸法精度）、円板２の表面２ｂと軸線Ｎとの直角度精度をある程度高めるだけで、０．１ｍｍ以下の微小隙間６１を形成することができる。そして、円板２と対向面３１Ａ，３１Ｂとの隙間を０．１ｍｍ以下の微小隙間とするために寸法精度を高めるべき箇所が従来よりも少なくなることで、加工コストの低減が図られる。

また、第１の実施形態に係る回転制動装置１００によれば、円板２の中心部の凹部２２に非磁性体からなる球体８が嵌め込まれているので、磁路Ｐａ，Ｐｂが円板２の中心部で互いに干渉しにくくなる。このため、効率良く強い磁場を微小隙間６１に付与することができる。勿論、球体８の直径が大きいほど（例えば球体８の直径が円板２の板厚の７０％〜１００％）、磁路Ｐａ、Ｐｂが円板２の中心部で互いに干渉しにくくなり、効率良く強い磁場を微小隙間６１に付与することができる。

＜第２の実施形態＞
以下、本発明の第２の実施形態に係る回転制動装置について図面を参照しながら説明する。以下では第１の実施形態との相違点について主に説明し、第１の実施形態と同様の構成については、図面において同符号を付して説明を省略する。

図２に示すように、第２の形態に係る回転制動装置１００Ａは、回転軸１、円板２Ａ、対面部材３Ａ、コイル４、ケーシング５Ａ、磁気粘性流体６等で構成されている。

円板２Ａは、回転軸１の端部に接続されており、回転軸１と一体に軸線Ｎ回りに、対面部材３Ａ、ケーシング５Ａ等に対して相対回転可能となっている。また、この円板２Ａの表面２ｂの外周側（コイル４より外径側）に環状の凹条２３が複数形成されている。凹条２３の数は単数でも多数でもよい。本実施形態でも円板２Ａは、鉄等の磁性体からなる。

対面部材３Ａは、磁性体からなり、円板２Ａの表面２ｂに対して微小隙間６１を介して平行に対向する対向面３４Ａ，３４Ｂを有している。対面部材３Ａには、コイル４を配設するために、軸線Ｎを中心とした環状の溝３２が形成されている。この溝３２によって、前記対向面は、内径側の対向面３４Ａと、外径側の対向面３４Ｂとに分かれている。また、対面部材３Ａの対向面３４Ｂにおいては、前記凹条２３に嵌合した環状の凸条３５が複数形成され、凹条２３と凸条３５との間には所定の隙間が確保されている。凸条３５の数は、凹条２３の数と対応している。なお、対面部材３Ａは、後述するケーシング５Ａの内側に嵌め込まれ、そのケーシング５Ａにボルトにより締結された円環状の押さえ板５５によって円板２Ａ側に押さえ付けられている。

ケーシング５Ａは、円板２Ａの裏面２ａおよび外周面２１を覆って対面部材３Ａの外周部に外嵌され、対面部材３Ａに対して相対回転を起こさないように固定されている。本実施形態でもケーシング５Ａは非磁性体からなり、回転軸１を通すための軸穴５１を中心部に有している。

磁気粘性流体６は、円板２Ａの表面２ｂと、対面部材３Ａの対向面３４Ａ，３４Ｂとの微小隙間６１や、凹条２３と凸条３５との隙間に充填され、磁気粘性流体６全体としては、円板２Ａと、ケーシング５Ａおよび対面部材３Ａとの隙間に封入されている。なお、磁気粘性流体６の組成は第１の実施形態で説明したとおりである。

上記構成を備える回転制動装置１００Ａにおいて、電流供給装置により、コイル４に電流が印加されると、矢印Ｐａ、Ｐｂに示すように円板２Ａおよび対面部材３Ａ内に磁路が形成される。この磁路は、円板２Ａの表面２ｂと対面部材３Ａの対向面３４Ａ，３４Ｂとの微小隙間６１に充填された磁気粘性流体６や、凹条２３の側面と凸条３５の側面との隙間に充填された磁気粘性流体６を貫通する。これにより、これらの箇所に存在する磁気粘性流体６には、磁場の強さに応じた粘度（ずり応力）が発現し、円板２Ａと対面部材３Ａとの間での伝達トルクが磁場の強さに応じて大きくなる。特に凹条２３の側面と凸条３５側面との隙間に充填されている磁気粘性流体６を磁路が貫通するため、第１の実施形態に係る回転制動装置１００と比べて効率よく伝達トルクを向上させることができる。

＜第３の実施形態＞
以下、本発明の第３の実施形態に係る回転制動装置について図面を参照しながら説明する。なお、以下では第１の実施形態との相違点について主に説明し、第１の実施形態と同様の構成については、図面において同符号を付して説明を省略する。

図３に示すように、第３の実施形態に係る回転制動装置１００Ｂは、回転軸１Ｂ、円板２Ｂ、第１対面部材３Ｂ、第２対面部材３Ｃ、コイル４、ケーシング５Ｂ、磁気粘性流体６等で構成されている。

回転軸１Ｂは、その端部が円板２Ｂの裏面２ａの中心部に垂直に接続されている。回転軸１Ｂの端部には、回転軸１Ｂの一般部１１より大径の第１異径部１３が形成されており、この第１異径部１３と一般部１１との間には、第１異径部１３より小径であり、一般部１１より大径の第２異径部１４が形成されている。第１異径部１３には、Ｏリング溝１５が形成されており、このＯリング溝１５にＯリング７１が嵌め込まれている。回転軸１Ｂはベアリング７２を介してケーシング５Ｂの軸穴５１に回転自在に支持されている。このベアリング７２は、回転軸１Ｂの一般部１１に外嵌されており、当該一般部１１と第２異径部１４との境界に形成される段差部に、円板２側の側面が係合されている。

円板２Ｂは、既述したように回転軸１Ｂの端部に接続されており、回転軸１Ｂと一体に軸線Ｎ回りに、第１対面部材３Ｂ、第２対面部材３Ｃ、ケーシング５Ｂ等に対して相対回転可能となっている。この円板２Ｂには、コイル４が配設される半径範囲Ｚと同じ半径範囲内に、板厚方向に貫通した貫通孔２５が周方向に複数形成されている。なお、本実施形態でも円板２Ｂは磁性体からなる。

第１対面部材３Ｂは、磁性体からなり、円板２Ｂの表面２ｂに対して微小隙間６１を介して平行に対向する対向面３６を有している。この第１対面部材３Ｂは、円筒状のケーシング５Ｂの内側に嵌め込まれ、そのケーシング５Ｂにボルトにより締結された円環状の押さえ板５５によって円板２Ｂ側に押さえ付けられている。

第２対面部材３Ｃは、磁性体からなり、円板２Ｂの裏面２ａに対して所定隙間を介して平行に対向する対向面３７Ａ，３７Ｂを有する。この第２対面部材３Ｃは、回転軸１Ｂを通すための軸穴５１を中心部に有し、コイル４を配設するための軸線Ｎを中心とした環状の溝３２も有する。この溝３２によって、前記対向面は、内径側の対向面３７Ａと、外径側の対向面３７Ｂとに分かれている。すなわち、この第２対面部材３Ｃは、コイル４の内周側、外周側および反円板２Ｂ側を包囲した断面形状を有しており、両端部に円板２Ｂの裏面２ａの内周側および外周側にそれぞれ対向する対向面３７Ａ，３７Ｂを有している。そして、第２対面部材３Ｃは、コイル４に電流が印加されたときに、当該両端部（対向面３７Ａ，３７Ｂ）が磁極となるヨークとして機能する。この第２対面部材３Ｃは、円筒状のケーシング５Ｂの内側に嵌め込まれ、そのケーシング５Ｂにボルトにより締結された円環状の押さえ板５６に固定されている

コイル４は、第２対面部材３Ｃに形成された溝３２に沿って配設されている。このコイル４には、図示しない電流供給装置により任意の電流が供給可能となっている。電流供給装置は第１対面部材３Ｂ、第２対面部材３Ｃおよびケーシング５Ｂの何れかの部位に搭載してもよいし、これらとは別個に設けられていてもよい。

ケーシング５Ｂは、既述したように円筒状部材からなり、非磁性体で構成されている。

磁気粘性流体６は、円板２Ｂの表面２ｂと、対面部材３Ｂの対向面３６との微小隙間６１に充填されている。磁気粘性流体６全体としては、円板２Ｂと、第１対面部材３Ｂ、第２対面部材３Ｃおよびケーシング５Ｂとの隙間に封入されている。なお、磁気粘性流体６の組成は第１の実施形態で説明したとおりである。

上記構成を備える回転制動装置１００Ｂにおいて、電流供給装置により、コイル４に電流が印加されると、矢印Ｐａ、Ｐｂに示す方向に沿って円板２Ｂ、第１対面部材３Ｂ、第２対面部材３Ｃ内に磁路が形成される。この磁路は、円板２Ｂの表面２ｂと第１対面部材３Ｂの対向面３６との微小隙間６１や、円板２Ｂの裏面２ａと第２対面部材３Ｃの対向面３７Ａ，３７Ｂとの所定隙間に充填されている磁気粘性流体６を貫通する。これにより、磁気粘性流体６には、磁場の強さに応じた粘度（ずり応力）が発現し、円板２Ｂと２つの対面部材３Ｂ，３Ｃとの間での伝達トルクが磁場の強さに応じて大きくなる。

以上に説明した第３の実施形態に係る回転制動装置１００Ｂによれば、第１および第２の実施形態に係る回転制動装置１００，１００Ａと同様に、磁気粘性流体６が充填された微小隙間６１は、円板２Ｂの表面２ｂからの球体８の突出量により定まるようになっているため、主に、球体８の直径精度、凹部２２の形状精度（例えば深さ寸法精度）、円板２Ｂの表面２ｂと軸線Ｎとの直角度精度をある程度高めるだけで、０．１ｍｍ以下の微小隙間６１を形成することができる。そして、円板２Ｂと対向面３６との隙間を０．１ｍｍ以下の微小隙間とするために寸法精度を高めるべき箇所が従来よりも少なくなることで、加工コストの低減が図られる。なお、円板２Ｂの裏面２ａと第２対面部材３Ｃの対向面３７Ａ，３７Ｂとの所定隙間は、容易に小さくすることはできない（従来と同様である）ものの、本実施形態では、円板２Ｂの両側で磁気粘性流体６に磁場を付与することができるため、第１の実施形態に係る回転制動装置１００と比べて伝達トルクを向上させやすい。

また、第３の実施形態に係る回転制動装置１００Ｂによれば、円板２Ｂに貫通孔２５が形成されているので、既述した磁路を確実に形成することができる。すなわち、この貫通孔２５が形成されていない場合は、図４において、矢印Ｐに示すような磁路が形成されてしまい、円板２Ｂと対面部材３Ｂとの微小隙間６１に充填されている磁気粘性流体６に磁路を貫通させることができなくなるが、本実施形態では、円板２Ｂに貫通孔２５が形成されているのでそのような不都合は生じない。

本発明は、磁気粘性流体に付与する磁場の強さを変えることで、磁気粘性流体を介して入力側と出力側との間で伝達されるトルクを変化させる回転制動装置に適用可能である。

１，１Ｂ 回転軸
２，２Ａ，２Ｂ 円板
２ａ 一方の面
２ｂ 他方の面
３，３Ａ 対面部材
３Ｂ 第１対面部材
３Ｃ 第２対面部材（ヨーク）
４ コイル
６ 磁気粘性流体
８ 球体
２２ 凹部
２５ 貫通孔
３１Ａ，３１Ｂ，３６，３７Ａ，３７Ｂ 対向面
６１ 微小隙間

Claims (3)

1. 回転軸と、
   一方の面の中心部に、前記回転軸の端部が接続された磁性体からなる円板と、
   前記円板の他方の面に対して、微小隙間を介して、平行に対向する対向面を有する磁性体からなる対面部材と、
   電流印加時に、前記微小隙間を貫通する磁路が形成されるように、前記回転軸の軸線を中心とする同心円状に配設されたコイルと、
   前記微小隙間に充填された磁気粘性流体と、
   を備える回転制動装置であって、
   前記円板の他方の面の中心部に前記磁路の干渉を防止するための非磁性体からなる球体が嵌め込まれた凹部が形成され、
   前記球体が前記凹部に対して最深位置まで嵌め込まれ、その球体の一部が前記円板の他方の面から軸線方向に所定量だけ突出して前記対向面に当接していることによって前記微小隙間が形成されていることを特徴とする回転制動装置。
2. 請求項１に記載の回転制動装置において、
   前記コイルは、前記円板の一方の面側に、配設されており、
   前記コイルの内周側、外周側および反円板側を包囲し、前記コイルに電流が印加されることで磁極となる両端部に、前記円板の一方の面の内周側および外周側に対向する対向面がそれぞれ形成されたヨークが配設されていることを特徴とする回転制動装置。
3. 請求項２に記載の回転制動装置において、
   前記円板には、前記コイルが配設された半径範囲と同じ半径範囲内に、板厚方向に貫通した貫通孔が、周方向に複数形成されていることを特徴とする回転制動装置。

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