JP2005291482A

JP2005291482A - 新規なトルク伝達・停止装置

Info

Publication number: JP2005291482A
Application number: JP2004134836A
Authority: JP
Inventors: Junji Furusho; 純次古荘; Akio Inoue; 昭夫井上
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2004-03-31
Publication date: 2005-10-20

Abstract

【目的】流体を用いた回転トルクを伝達あるいは停止する装置の、回転慣性の低減やコンパクト化を計る。
【構成】トルク発生部を構成する対向ディスクあるいは対向シリンダーの断面形状が、互いに把持部から離れるほど肉薄である構造とする。
【効果】ディスクやシリンダーをより多重に積層可能となりコンパクトで大トルク化できるだけでなく、回転慣性を低減し除熱性も向上する。
【選択図】図８

Description

本発明は流体を用いた回転トルクの伝達あるいは停止のための装置に関するものであり、回転慣性が小さく熱伝導性（除熱性）の良い軽量かつ薄型のトルク伝達あるいは停止装置に関するものである。

回転トルクの伝達あるいは停止装置はディスク型とシリンダー型に大別される。共に対向するディスクあるいはシリンダー間の摩擦力をトルク伝達や停止に利用するものであるが、流体を摩擦媒体とする方式においては流体の粘性や剪断応力が利用される。流体を用いたトルクの伝達あるいは停止装置は、粘性カップリング装置などとして４輪駆動の自動車などにも使用されている。

中でも機能性流体を用いたものは特開平９−１４３００号公報や特公平８−６７６３号公報、あるいは産業安全研究所研究報告ＮＩＩＳ−ＲＲ−９６（１９９０）などに報告されており、ディスク同士の固体摩擦によるものに比べて伝達力や停止力は一般に小さいが、伝達トルクの無段階調整が可能であり騒音が少なく、またマイルドな伝達や停止が得られ易い。

あらゆる用途で小型・高性能化が求められているが、トルク伝達あるいは停止の装置においても同様である。ディスク型やシリンダー型においては小型化にはディスクやシリンダーの多重化が一般的であり、それらの厚みを薄くしてより数多い多重化が望まれるが、ディスクやシリンダーの材質強度や除熱（発熱）などの問題があり多重化には限界があった。

本発明者らは長年人間対応型のロボットに使用する回転慣性が小さくコンパクトで大きなトルクの伝達あるいは停止が可能な装置の開発を行ってきた。回転慣性を小さくするにはディスクやシリンダーに比重の小さな材料や強度が強くて肉薄化できる材料を使用してきたが、肉薄化で特に問題になるのがディスクやシリンダーを固定する固定部の変形や破損であることに気付き、ディスクやシリンダーの固定部を厚くして先端部に行くほど薄くすることを試みた。

従来の考えでは回転中心から離れれば離れる程その部分にかかる回転応力が大きくなり、強度的に耐えられず変形を起こし破損を生じるとされ、ディスクやシリンダーの先端を肉薄にするなどもっての他と考えられてきた。本発明者らは敢えてこれに挑戦し実験を重ねた結果、現実には機械的にも充分耐え、先端が肉薄のため、均一な厚みのものより数多い多重化が可能であり、より大きなトルクの伝達や停止が可能となった。また同じ枚数の多重ディスクや多重シリンダーを使用した場合でも、従来の厚み均一なディスクやシリンダーを使用したものに比べて、トルク発生部の容積を７０％近くにまで小さくでき、更に回転慣性を低減できるばかりか除熱にも望ましいことがわかった。

すなわち、本発明は流体を用いた回転トルクの伝達あるいは停止装置において、トルク発生部を構成する対向ディスク（ＡとＢ）あるいは対向シリンダー（ＡとＢ）のＡとＢの少なくとも一方の断面形状が、互いに固定部から離れるほど肉薄になることを特徴とする回転トルクの伝達あるいは停止装置にある。

本発明に言う流体を用いた回転トルクの伝達あるいは停止装置とは、対向するディスク（ＡとＢ）あるいはシリンダー（ＡとＢ）の間に介在させた流体の粘性や剪断力をトルク伝達や停止に利用する装置であり、ディスクあるいはシリンダーがそれぞれ一対（ＡとＢ、一重）である基本的な装置の断面構造をモデル的に図１の（ａ）および（ｂ）に示す。斜線は液体を示す。図２の（ａ）はディスクを多重にしたものを（ｂ）はシリンダーを多重にしたものをモデル的に示す。媒体の液体（斜線で示す）はディスクＡとＢあるいはシリンダーＡとＢの間に充填されている。トルク伝達の場合、ＡおよびＢはいずれかの一方が入力回転軸に、他方が出力回転軸に繋がっており、またトルク停止の場合、ＡあるいはＢのいずれか一方は停止して用いられる。トルクの発生はディスクあるいはシリンダーのＡとＢの流体の充填された対向面であり、対向面を構成する部分をトルク発生部と呼ぶ。

本発明に言う固定部から離れるほど肉薄になるディスクあるいはシリンダーの断面形状を図３にモデル的に示したものであり、（ａ）はディスク型の場合を、（ｂ）はシリンダー型の場合を示す。斜線部は流体を示す。図３の（ａ）および（ｂ）のそれぞれのディスクおよびシリンダーの断面は図４の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）などに示すような変形形状をとることができる。（ａ）は一方の面が面方向に平行で他方が斜めに、（ｂ）は両方の面が斜めに、（ｃ）は一方の面が曲線的勾配面に他方が平行になったものを示す。ディスクやシリンダーの固定部とは反対側の先端部は点線で示すように尖ったものであっても良い。

図２（ａ）の多重ディスク型や（ｂ）の多重シリンダー型の場合も同様に、図４の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）などに示すような断面形状を取ることができる。一枚のディスクやシリンダーの場合、あるいは多重の両端部のディスクやシリンダーの場合、最も外側のディスクやシリンダーのＡあるいはＢのいずれか一方の断面形状は図４のような形状でなくともよい。なお多重ディスク型の場合、ディスク形状は一般に中央部が抜けたドーナツ型で使用される。

固定部とは対向ディスクあるいは対向シリンダーを回転軸あるいは回転筒に取り付け固定する部分である。ディスク型の場合、固定部の上下または左右の２面がディスク面に対して平行なものは重ね合わせて使用するのに都合が良い。ディスクやシリンダーを多重にした多重型の場合、重ねあうディスクあるいはシリンダーの固定部の間には一定間隔を保つためにドーナツ状のスペーサーが挟まれる。ディスクやシリンダーの固定部の厚さをこのスペーサー分の厚さ分だけ予め厚くし一体物としてディスクやシリンダーを製作するのも組み立て精度の点で望ましい。
回転軸や回転筒への固定には一般に位置合わせのピンやボルトの使用や、はめ込みなどの方法が用いられる。

対向ディスクあるいは対向シリンダーの断面の厚さが固定部から離れるほど肉薄になる程度に関しては、ディスクやシリンダーの先端部の厚さ（Ｔ１）と固定部の厚さ（Ｔ２）の比（Ｔ１／Ｔ２）が大きい（１に近い）と本発明の効果は少なく、この比は１／２以下、できれば１／３以下であることが望ましい。

ディスクやシリンダーの内部には、図５の（ａ）や（ｂ）のような溝を部分的に設けて空洞にして表面積を増やし空気や冷却水で効率よく冷却することも可能である。ディスクやシリンダーの対向面間の間隔は一般に一定値であることが望ましく、またディスクやシリンダーの製作時や取り付け時の寸法精度を上げることは安定したトルク伝達や停止の性能を長期間持続して発現させる上で重要である。

本発明に用いられる流体としては比較的粘度の高い機械油や電場や磁場により粘性が変化するエレクトロレオロジー（ＥＲ）流体やマグネトロレオロジー（ＭＲ）流体、あるいは所定の剪断速度以上になると急激な粘度を伴うダイラタンシー流体などが使用される。ＥＲ流体を使用する場合は、対向ディスクや対向シリンダーの対向面には正負の電極が形成され、ＥＲ流体に印加される高電圧にも耐えられように対向ディスクや対向シリンダーの間は完全に絶縁されていることが必要である。

ＭＲ流体の場合は対向面に磁場がかけられるように電磁石が設置される。ＥＲ流体を用いたトルク伝達や停止装置は一般に応答性やトルク慣性比に優れセールスポイントになっているが、本発明のディスクやシリンダーの構造はこれらの性能を一層向上させるものとして好都合である。

厚さ均一なディスクやシリンダーを多重に積層した同じ大きさのトルクを伝達あるいは停止する同一直径（外周径）の従来の装置に比較して、本発明の装置は積層部の厚みを実質的に薄くすることが可能でコンパクト化できるとともに、回転慣性を大幅に低減でき、更に熱伝導性（除熱）も向上できる。

以下、実施例をもって本発明の内容を補足する。

（実施例１）底辺（ディスク直径）が１００．０ｍｍ、上辺（軸心と固定部）が５０．０ｍｍ、高さ（固定部の厚さ）が１．００ｍｍ、先端部の厚さが０．３０ｍｍの２枚のＳＳ４００製（表面はニッケルメッキ加工）のディスク１および２を用意した。

軸端部に固定用円板３を形成した直径１０．０ｍｍの２個の回転軸４および５にボルトでこれらのディスクを軸に垂直に固定して、ディスク間隔１．００ｍｍで対向させた構造の図６のトルク伝達装置を製作した。左右のディスクの軸受け部６は、Ｏリングシール（図示せず）でシールされ、また樹脂製のベアリングガイド（図示せず）で絶縁された軸受けベアリング（図示せず）が取り付けられている。

ディスク間隙には電圧（０−２０００Ｖ）が印加できるように左右の回転軸にそれぞれ電極ブラシ（図示せず）が取り付けられている。ディスク間隙およびハウジング７の空洞部には分散系ＥＲ流体（株式会社ＥＲテック製、ＥＤ２５２０）８が充填されている。左右の回転軸には絶縁カプラー９を介して一方にはモータ１０が、他方にはトルク計１１が取り付けられている。トルク計１１はＥＲ流体に印加する電圧を制御するパソコン（図示せず）に接続され印加電圧、回転トルクが時間とともに記録される。

一方、比較例１として、上記形状のディスクの代わりに厚さのみが１．００ｍｍ均一で他は同一の従来型ディスクを取り付け、性能の比較試験を行った。
その結果、実施例１と比較例では下記の通り、回転初期の慣性トルク（空回転時）、トルク／慣性比、電圧印加（１０００Ｖ）時のトルクの立ち上がり応答速度、電圧切断時の立下り応答速度に明確な差がみられた。

（実施例２）外径１２０．０ｍｍ、内径６０．０ｍｍ、外周部（幅１０．０ｍｍ）を固定部（厚さ１．００ｍｍ、幅１０．０ｍｍ）としてディスク中心部に進むほど直線的に薄くなったドーナツ状のＳＳ４００製（表面はニッケルメッキ加工）のディスク（内端部の厚さ：０．３０ｍｍ）１２を１０枚と、外径１２０．０ｍｍ、内径１０６．０ｍｍ、厚さ２．００ｍｍのステンレス製のスペーサー１３を９枚用意した。

また実施例１で用いたディスク１と同一寸法ではあるが中央部に回転軸（軸径：両端部１０．０ｍｍ、中央部４０．０ｍｍ）１４を貫通させる直径４０．０ｍｍの穴を空けたディスク１５を９枚、更に外径５５．０ｍｍ、内径４０．０ｍｍ、厚さ２．００ｍｍのステンレス製のドーナツ状のスペーサー１６を８枚用意した。外径１２６ｍｍ、内径１２０ｍｍのステンレス製ハウジング１７の内部に、これを貫通する直径１０．０ｍｍの回転軸１４を中心にして、図７に示すようにディスク１２スペーサー１３、ディスク１５、スペーサー１６の順に交互に上記全てのディスク類とスペーサー類を積層した。図８はディスクとスペーサーの配列状態を拡大して示す。

ハウジング１７の側面は回転軸１４を中心にしてハウジング１７自体も回転するように駆動ギア１８が取り付けられている。ディスク１２はハウジング１７に固定されハウジング１７と一体となって回転する。一方、ディスク１５は回転軸１４に固定され回転軸１４一体となって回転する。ディスク１２とディスク１４の間隙はハウジング１７の軸受け部１９に取り付けられたボルト（図示せず、回転軸１４を締め付ける方式）で調整できる構造になっている。

回転軸１４の軸受け部とハウジング１７は実施例１と同様、左右の軸受け部６がＯリングシール（図示せず）でシールされ、また樹脂製のベアリングガイド（図示せず）で絶縁された軸受けベアリング（図示せず）が取り付けられている。ディスク１２とディスク１５の間隙には電圧（０−３０００Ｖ）がかけられるように回転軸１４には電極ブラシ（図示せず、陽極）およびハウジング１７にはアース（負極）が取り付けられている。ディスク間隙およびハウジング７の空洞部には実施例１と同様に粒子分散系のＥＲ流体（株式会社ＥＲテック製、ＥＤ２５２０）８が充填されている。

比較例２として、実施例２に厚さが１．００ｍｍで均一な点以外は同一寸法のディスク１２代替を７枚と１５代替を７枚、および厚さが３．００ｍｍである以外は同一寸法のスペーサー１３代替を７枚と１６代替を６枚、製作して実施例２と同様にこれらを交互に積層して組み立て、同様にＥＲ流体を充填した。

実施例１と同様に回転軸に絶縁カプラーを介して、一方にはモータを、他方にはトルク計１１を取り付け、パソコンからＥＲ流体に電圧を印加して、回転トルクの状況を測定した。

一方、比較例２として、上記形状のディスクの代わりに厚さのみが１．００ｍｍ均一で他は同一の従来型ディスクを取り付け、性能の比較試験を行った。
実施例２と比較例２では、回転初期の慣性トルク（空回転時）、トルク／慣性比、電圧印加（１０００Ｖ）時のトルクの立ち上がり応答速度、電圧切断時の立下り応答速度には下記の通り明確な差がみられた。

またＥＲ流体に１０００Ｖの電圧を印加したまま、モータを６０ｒｐｍで３０分間回転し続けたところ、実施例２の発生トルクは比較例２と比べて約１２０％と高いにもかかわらず、ハウジングの表面温度は、比較例では４８℃まで上がったが、実施例２では４３℃で飽和した。

（実施例３）
実施例２で用いた装置にＥＲ流体の代わりに１０００ポイズのシリコーンオイルを充填して、１８００ｒｐｍの回転速度で３０分間連続回転させた。比較例３として比較例２と同一の従来型のディスクと上記シリコーンオイルに交換して、実施例３と同様に１８００ｒｐｍで３０分間連続回転させた。その結果、実施例３の発生トルクは比較例３と比べて約１３０％と高く、表面温度も実施例３は６５℃まで、比較例３は６０℃まで上昇した。表面温度が比較例３より実施例３が高かったが、同じ発生トルクとなるように比較例３の回転速度を下げた試験ではやはり実施例３の方が３℃程度低かった。

なお、初期回転トルクやトルク／慣性比は高粘度のシリコーンオイルを用いた場合、実施例３と比較例３では特徴は見られず、これらの特性に関しては、粘性が外部的に制御できるＥＲ流体やＭＲ流体に特徴的であり、本発明の効果はＥＲ流体やＭＲ流体に特に優れると言える。

本発明は、慣性が小さく熱伝達性（除熱性）の良い軽量かつ薄型の流体を用いたトルク伝達あるいは停止装置として、各種の産業機器や車両、電気製品などに幅広く利用される。

流体を媒体に用いたトルク伝達あるいは停止装置の基本構造を示す。（ａ）はディスク型、（ｂ）はシリンダー型である。流体を媒体に用いたトルク伝達あるいは停止装置の基本構造を示す。（ａ）は多重ディスク型、（ｂ）は多重シリンダー型である。本発明のトルク伝達あるいは停止装置の基本構造を示す。（ａ）はディスク型、（ｂ）はシリンダー型の断面形状のものである。本発明のディスクあるいはシリンダーの断面形状の例を示す。熱伝導性を向上するため空洞を設けた本発明のディスクの例を示す。本発明のディスクを用いた基本的なトルク伝達装置の実施例である。本発明のディスクを多重に積層したトルク伝達装置の実施例である。実施例２の装置のディスク積層状態を拡大して示した図である。

符号の説明

１ディスクＡ
２ディスクＢ
３ディスク固定円板
４回転軸
５回転軸
６軸受け部
７ハウジング
８ＥＲ流体
９絶縁性カプラー
１０モータ
１１トルク計
１２ディスク（多重、外周側）
１３スペーサー（外周側）
１４回転軸
１５ディスク（内周側）
１６スペーサー（内周側）
１７ハウジング側面板
１８回転ギア
１９ハウジング軸受け部

Claims

流体を用いた回転トルクの伝達あるいは停止装置において、トルク発生部を構成する対向ディスクあるいは対向シリンダーの断面形状が、互いに固定部から離れるほど肉薄になることを特徴とする回転トルクの伝達あるいは停止装置。
対向ディスクあるいは対向シリンダーの断面形状が、先端部の厚み（Ｔ１）と固定部の厚み（Ｔ２）の比（Ｔ１／Ｔ２）が１／２以下であることを特徴とする請求項１記載の回転トルクの伝達あるいは停止装置。
流体が電気粘性（ＥＲ）流体あるいは磁気粘性（ＭＲ）流体であることを特徴とする請求項１記載の回転トルクの伝達あるいは停止装置。