JP2017172655A - 磁気粘性流体を用いた連結装置 - Google Patents

Abstract

【課題】プレス加工などによりハウジングを作製したとしても、その要部の剛性を高くすることができる構造のハウジングを備える、磁気粘性流体を用いた連結装置を提供すること。【解決手段】非磁性体で形成されたシャフト１と、シャフト１に結合されてシャフト１と一体的に回転する、磁性体で形成されたディスク８と、磁気粘性流体１０と、磁気粘性流体１０に磁場を与えるための電磁石５と、シャフト１の一部、ディスク８、磁気粘性流体１０、および電磁石５を収容する、磁性体で形成されたヨークハウジング２と、を備える連結装置１００である。ヨークハウジング２のうちの磁気粘性流体１０を間に挟んでディスク８と対向する対向部３ａ，４ａが、ディスク８側に凹んだ凹形状とされる。【選択図】図２

Description

本発明は、磁気粘性流体を用いた連結装置に関する。

この種の技術として、例えば、下記の特許文献１に記載されたものがある。その従来技術は、次のように構成されている。
特許文献１に記載の回転装置は、回転体と、回転体と結合された環状のディスクと、電磁石と、これらの周囲を覆うハウジングとを備える。ハウジングの中には磁気粘性流体が充填される。電磁石への通電により磁気粘性流体に磁場が加えられると、磁気粘性流体の粘度が高くなりディスクを介して回転体に制動力が付与される。

特開２０１２−２０２４２９号公報

ここで、特許文献１には、ハウジングの材質としてプラスチックが記載されている。ハウジングをプラスチックなどの樹脂材料で形成すると、装置の軽量化の点で有利である。一方、強度を優先すると、金属材料でハウジングを形成することになる。特許文献１に記載のような装置に関し、ハウジングを金属材料で形成する場合、一般的に、切削加工によりハウジングが作製されている。

ハウジングを切削加工により作製する場合、次のような問題がある。ハウジングを個別に切削加工することになるため、個々のハウジングの寸法のバラツキが大きくなる可能性があり、且つハウジングを大量生産することが難しい。

切削加工によりハウジングを作製することによる上記した問題を解決する方法として、例えば、金型を用いて金属の板材をプレス加工することでハウジングを作製することが考えられる。プレス加工によると、切削加工とは異なり、一つ作製すればよい金型によりハウジングの各部寸法が決まるので、個々のハウジングの寸法のバラツキを容易に小さく抑えることができる。しかしながら、金属の板材を単にプレス加工して、これまでの切削加工品を単なるプレス加工品に置き換えると、これにより作製されたハウジングのうちの要部、すなわち、磁気粘性流体が充填される部分の剛性を高くすることが難しい。ハウジングの上記要部の剛性が低くなってしまうと、その要部は変形しやすくなり、装置の作動が安定しなくなることが懸念される。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、プレス加工などによりハウジングを作製したとしても、その要部の剛性を高くすることができる構造のハウジングを備える、磁気粘性流体を用いた連結装置を提供することである。

本発明は、非磁性体で形成された可動軸と、前記可動軸に結合されて前記可動軸と一体的に動く、磁性体で形成された可動部材と、磁場が加えられることで磁場が加えられる前よりも粘度が高くなる磁気粘性流体と、前記磁気粘性流体に磁場を与えるための磁場発生手段と、前記可動軸の一部、前記可動部材、前記磁気粘性流体、および前記磁場発生手段を収容する、磁性体で形成されたヨークハウジングと、を備える磁気粘性流体を用いた連結装置である。前記ヨークハウジングのうちの前記磁気粘性流体を間に挟んで前記可動部材と対向する対向部が、前記可動部材側に凹んだ凹形状とされている。

磁場が加えられたことによる磁気粘性流体の粘性の変化の程度や粘性の大小は、上記対向部の部分で区画形成される磁気粘性流体が充填される空間の隙間寸法に大きな影響を受ける。この隙間寸法が変化してしまうと、磁束密度が変化し、これにより磁気粘性流体が発現する粘性の大きさも変化してしまう。すなわち、上記対向部は、当該連結装置の作動の安定性を決めるヨークハウジングの要部である。
上記構成によると、上記対向部が凹形状とされることで、プレス加工などによりハウジングを作製したとしても上記対向部の剛性を高くすることができる。その結果、上記対向部は変形しにくくなり、当該連結装置の作動の安定性が向上する。連結装置の作動の安定性が向上することで、連結装置の性能が向上する。

また本発明において、前記凹形状が環状の凹形状とされることで、当該環状の凹形状の中心側部分に外方へ凸の突起部が形成され、前記突起部に、前記磁気粘性流体の排出口が形成されていることが好ましい。

この構成によると、磁気粘性流体の排出口が、例えば凹んだ部分または平らな部分に形成されている場合に比べて、当該排出口から洩れた余剰の磁気粘性流体を拭き取りやすい。また、磁気粘性流体の排出口が突起部に形成されていることで、その排出口の封止が容易になるというメリットもある。すなわち、上記した構成によると、連結装置の組立て時の作業性を改善することができる。
さらには、前記凹形状が環状の凹形状とされることによりその中心側部分に、磁気粘性流体の排出口を設ける部分として利用できる突起部が形成される。すなわち、前記凹形状が環状の凹形状とされることで、ヨークハウジングの要部の剛性を高くすることに加えて、連結装置の組立て時の作業性を改善させることができる。

さらに本発明において、前記ヨークハウジングは、相互に結合される第１ヨークハウジングと第２ヨークハウジングとに分割されており、前記可動部材に対する前記対向部の対向方向における、前記第１ヨークハウジングの内面に、前記第２ヨークハウジングの側壁部の当該対向方向における端面が当接させられることで、前記第１ヨークハウジングの前記対向部と、前記第２ヨークハウジングの前記対向部との間に形成される隙間の寸法が決定することが好ましい。

この構成によると、上記隙間の正確な寸法を容易にだすことができるとともに、その寸法を保持しやすい。その結果、連結装置の作動の安定性をより向上させることができる。また、隙間の正確な寸法を容易にだすことができることで、連結装置の量産性を向上させることができるというメリットもある。

さらに本発明において、前記第１ヨークハウジングの前記内面と、前記第２ヨークハウジングの前記端面とが当接する当接部の内側に、前記磁場発生手段が収容されており、前記ヨークハウジングを側方から視た場合の前記当接部から前記磁場発生手段にかけて、前記第１ヨークハウジングの側壁部と前記第２ヨークハウジングの側壁部とが重ね合わせられていることが好ましい。

ヨークハウジングのうちの磁場発生手段を囲む部分は、磁場発生手段から発生した磁束が通る通路となる。上記構成によると、ヨークハウジングを側方から視た場合の上記当接部から磁場発生手段にかけて、第１ヨークハウジングの側壁部と第２ヨークハウジングの側壁部とを重ね合わせることで、この部分で磁束が弱まることを防止でき、これにより、連結装置の作動の安定性をより向上させることができる。また、その十分な作動力を確保することができる。

本発明によれば、プレス加工などによりハウジングを作製したとしても、その要部の剛性を高くすることができる構造のハウジングを備える、磁気粘性流体を用いた連結装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る連結装置を示す斜視図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 図１に示す連結装置を裏返したときの斜視図である。 図１に示す連結装置を裏返し、且つゴムキャップを取り外したときの斜視図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しつつ説明する。

本発明に係る磁気粘性流体を用いた連結装置は、駆動される部品に制動力を付与するブレーキ装置や、駆動軸とその従動軸とを接続したり切り離したりするクラッチとして用いることができる。

また、磁気粘性流体は、磁場が加えられることで磁場が加えられる前よりも粘度が高くなるという性質を有する公知の流体であり、ＭＲＦ（Magneto-rheological fluid）とも呼ばれる。この磁気粘性流体は、強磁性粒子である例えばカルボニル鉄粉をオイル中に分散させたものである。磁気粘性流体として、ナノサイズの非常に微小な強磁性粒子をオイル中に分散させてなるものがある。磁気粘性流体の特徴として、加える磁場の強さによってその粘性をコントロールでき、且つその粘性変化の応答性が良いという特徴がある。

（連結装置の構成）
本発明の一実施形態として以下に説明する磁気粘性流体を用いた連結装置１００は、磁気粘性流体を用いたブレーキ装置として用いられるものである。

図１，２等に示すように、本実施形態の連結装置１００は、軸心まわりに回転可能な可動軸としてのシャフト１と、シャフト１の一部を収容するヨークハウジング２とを備える。シャフト１の先端部１ａには、回転駆動される部品（不図示）が取り付けられる。連結装置１００は、この回転駆動される部品に制動力を付与するブレーキ装置である。

シャフト１のうち、その先端部１ａと反対側の部分には、当該シャフト１と一体的に回転する可動部材としての円盤形状のディスク８が固定されている。シャフト１は、非磁性体で形成されるものであり、本実施形態ではプラスチック製のシャフト１とされている。シャフト１を形成するプラスチック以外の材料としては、ＳＵＳ３０４などを挙げることができる。これに対して、上記したディスク８、およびヨークハウジング２は、磁性体で形成される。磁性体としては、鉄、ニッケル、コバルト、およびこれらの合金などの強磁性体を挙げることができる。

なお、シャフト１とディスク８とは例えば接着剤で固定される。また、ヨークハウジングとは、ヨーク（継鉄）の機能を持たせたハウジングのことである。ハウジングを前記したような磁性体で形成することで、ハウジングにヨーク（継鉄）の機能を持たせることができる。

ヨークハウジング２の内部には、磁場発生手段としての環状の電磁石５が収容されている。電磁石５は、例えば、プラスチック製の環状のボビン６の外周凹部に銅線などを巻き回してなるものである。銅線が巻かれたものをコイル７として図２中に示している。コイル７には、断面Ｌ字状の端子１４を介して電流が供給される。端子１４は、端子カバー１５で保護されている。

ヨークハウジング２の内部空間のうち、前記したディスク８が収容されている中央部の空間には、磁気粘性流体１０が充填されている。磁気粘性流体１０が充填される空間と、電磁石５が収容される空間との間は、環状のゴムパッキン１１，１２で封止され、磁気粘性流体１０が電磁石５側に漏れないようにされている。また、シャフト１にはゴムパッキン１３が外挿されており、このゴムパッキン１３により、シャフト１の先端部１ａ側へヨークハウジング２から磁気粘性流体１０が漏れないようにされている。詳しくは後述するが、シャフト１の先端部１ａとは反対方向へは、ヨークハウジング２のうちの第１ヨークハウジング４の中央部に形成された突起部４ｂに嵌め込まれたゴムキャップ９により、ヨークハウジング２から磁気粘性流体１０が漏れないようにされている。

ヨークハウジング２は、相互に結合される下側の第１ヨークハウジング４と上側の第２ヨークハウジング３とに分割されている。第１ヨークハウジング４と第２ヨークハウジング３とを嵌めわせてカシメ固定することでヨークハウジング２が形成される。図３，４に示すように、第１ヨークハウジング４の底面の外縁部にカシメ固定部１７が設けられている。

第１ヨークハウジング４のうちの磁気粘性流体１０を間に挟んでディスク８と対向する対向部４ａは、ディスク８側、すなわちハウジング内部側に凹んだ凹形状とされている。第２ヨークハウジング３についても同様であり、第２ヨークハウジング３のうちの磁気粘性流体１０を間に挟んでディスク８と対向する対向部３ａは、ディスク８側、すなわちハウジング内部側に凹んだ凹形状とされている。

ここで、ディスク８に対する前記した対向部３ａ，４ａの対向方向における、第１ヨークハウジング４の内面４ｅに、第２ヨークハウジング３の側壁部３ｄの当該対向方向における端面３ｃが当接させられることで、前記した対向部３ａと前記した対向部４ａとの間に形成される隙間の寸法Ｓが決定する。すなわち、第１ヨークハウジング４の上記内面４ｅと、第２ヨークハウジング３の側壁部３ｄの上記端面３ｃとが当接する当接部Ｂは、隙間の寸法Ｓを決定する部分である。

ヨークハウジング２を側方から視た場合の方向を、符号Ｃを付して図２に示している。上記当接部Ｂのすぐ内側には電磁石５が収容されている。ヨークハウジング２を側方から視た場合の当接部Ｂから電磁石５にかけて、第１ヨークハウジング４の側壁部４ｆと第２ヨークハウジング３の側壁部３ｄとは重ね合わせられている。なお、第１ヨークハウジング４の側壁部４ｆと第２ヨークハウジング３の側壁部３ｄとを重ね合わせる長さは、図２に示すものに限られることはない。

第１ヨークハウジング４の中央部分の形状について説明する。前記したように、第１ヨークハウジング４のうちの磁気粘性流体１０を間に挟んでディスク８と対向する対向部４ａは、ディスク８側、すなわちハウジング内部側に凹んだ凹形状とされている。この凹形状は環状であり、環状の凹形状であるが故に、その中止側部分には外方へ凸の突起部４ｂが形成される。第１ヨークハウジング４のこの突起部４ｂには、２つの排出孔４ｃが開けられている。これらの排出孔４ｃは、ヨークハウジング２内の磁気粘性流体１０を排出するための排出口である。なお、排出孔４ｃは、ヨークハウジング２内へ磁気粘性流体１０を充填するのにも用いられる。磁気粘性流体１０が排出孔４ｃから漏れないように、ゴムキャップ９が突起部４ｂに嵌め込まれる。

なお、突起部４ｂにゴムキャップ９が嵌め込まれた状態において、第１ヨークハウジング４の下面から、ゴムキャップ９が下方に飛び出さないようにされている。これにより、ゴムキャップ９の角に何かが当たることはほぼないので、ゴムキャップ９が外れてしまうことが防止される。また、ゴムキャップ９の飛び出しがない分、ゴムキャップ９の飛び出しがある場合に比べて連結装置１００は小型となっている。

第２ヨークハウジング３についても同様に、その対向部３ａの形状は、環状の凹形状となっており、これにより、その中心側部分は凸部となっている。この凸部は、内部にゴムパッキン１３を収容するとともに、シャフト１を支持および収容する部分である。凸部の先端部３ｂは、その径が絞られており、この部分の軸方向内面に、シャフト１に設けられた鍔部１ｂが当たるので、シャフト１は、ヨークハウジング２の外に飛び出すことなくその内部に収容される。

なお、第２ヨークハウジング３の上記先端部３ｂの軸方向内面に、シャフト１に設けられた鍔部１ｂが当たったとき、第２ヨークハウジング３の対向部３ａと、シャフト１に固定されたディスク８とは、当たらないようにされている。また、その反対方向に関しては、第１ヨークハウジング４の突起部４ｂの内面に、シャフト１の軸端が当たったとき、第１ヨークハウジング４の対向部４ａと、シャフト１に固定されたディスク８とは、当たらないようにされている。このように、ヨークハウジング２の対向部３ａ，４ａの内面と、回転するディスク８とは、直接接触して擦れあうことがないようにされている。これにより、対向部３ａ，４ａの内面およびディスク８が損傷することが防止される。

図１，３，４に示すように、第１ヨークハウジング４の外周部には回り止め部１６が設けられている。この回り止め部１６を介してヨークハウジング２は静止物（不図示）に固定される。

なお、ヨークハウジング２を構成する第１ヨークハウジング４および第２ヨークハウジング３は、例えば、磁性体の金属板をプレス加工して作製したものである。すなわち、前記した対向部３ａ，４ａ、突起部４ｂ、および先端部３ｂは、プレス加工により絞り成形された部分である。

シャフト１とディスク８とは、それぞれを別に作製して、その後、接着剤等にて両者を固定（結合）してもよいが、シャフト１とディスク８とを結合してなるものを、インサート成形という方法により作製してもよい。インサート成形とは、シャフト１の金型にディスク８を入れておいて、その後、シャフト１を射出成形することで、金属のディスク８が結合されたシャフト１を作製するという方法である。

（連結装置の動作）
磁気粘性流体を用いた連結装置１００の動作について説明する。電磁石５のコイル７に電流が流れていないとき、磁気粘性流体１０の粘性は低いので、シャフト１の先端部１ａに取り付けられた回転する部品（不図示）に制動力は特に付与されない。そのため、当該回転する部品とともに、シャフト１は磁気粘性流体１０から特に抵抗を受けることなく回転する。

コイル７に電流を流すと、電磁石５の周囲に磁場が発生する。コイル７への通電により発生した磁力線（磁束）は、図２に磁路Ｌを示したように、主としてヨークハウジング２内部を循環する。なお、磁束が通るひとめぐりの磁路Ｌ（磁束の通路）を磁気回路という。

発生した磁場により磁気粘性流体１０の粘度が高くなる。また、磁気粘性流体１０中の強磁性粒子は、第２ヨークハウジング３の対向部３ａとディスク８との間、およびディスク８と第１ヨークハウジング４の対向部４ａとの間を結合させるかのごとく磁路Ｌに沿って並ぶ。これらにより、発生した磁場が強い磁場の場合、磁気粘性流体１０を介してヨークハウジング２に対してディスク８が固定されてシャフト１の回転が止まる。これにより、シャフト１の先端部１ａに取り付けられた部品（不図示）もその回転が止まる。発生した磁場の強さによっては、シャフト１の回転が停止するまでにはならないが、シャフト１の先端部１ａに取り付けられた部品（不図示）には制動力（ブレーキ力）が付与される。なお、制動力の大きさは、コイル７に流す電流の大きさでコントロールすることができる。

磁気粘性流体１０中の強磁性粒子の応答速度は速く、例えば、コイル７への通電、非通電を繰り返すと制動力の断続が応答速度良く繰り返され、シャフト１の先端部１ａに取り付けられた部品（不図示）は、この制動力の断続により、例えば、回転と停止とを応答速度良く繰り返す。

（変形例）
前記した実施形態では、磁場発生手段として電磁石５を用いているが、これに代えて、永久磁石を用いてもよい。磁場発生手段として永久磁石を用いれば、本発明に係る連結装置は、常時一定の制動力を付与するブレーキ装置となる。

さらには、磁気粘性流体に磁場を与えるための磁場発生手段として、永久磁石と電磁石とを組み合わせて用いてもよい。例えば、常時は、永久磁石により磁気粘性流体を介して一定の制動力を付与し、その制動力を解除したり、あるいは強めたりする場合に、電磁石に電流を流して、磁気粘性流体の粘性をコントロールする。

前記した連結装置１００を構成する可動軸としてのシャフト１は回転する軸であるが、リニアに（直線的に）動くシャフトであっても、本発明を適用することができる。

ヨークハウジング２（第１ヨークハウジング４および第２ヨークハウジング３）は、プレス加工により作製されることに代えて、磁性体の金属粉体を高温で固結する焼結法により作製されてもよい。

第１ヨークハウジング４および第２ヨークハウジング３は、それぞれ、磁性体の１枚の金属板からなる。これに代えて、磁性体の複数枚の金属板が重ね合わせられてなる第１ヨークハウジング４とされてもよい。第２ヨークハウジング３についても同様である。すなわち、第１ヨークハウジング４および第２ヨークハウジング３のうちの両方、または一方が、積層板であってもよい。

その他に、当業者が想定できる範囲で種々の変更を行うことができる。

１：シャフト（可動軸）
２：ヨークハウジング
３：第２ヨークハウジング
３ａ：対向部
３ｃ：端面
３ｄ：側壁部
４：第１ヨークハウジング
４ａ：対向部
４ｂ：突起部
４ｃ：排出孔（排出口）
４ｆ：側壁部
４ｅ：内面
５：電磁石（磁場発生手段）
８：ディスク（可動部材）
１０：磁気粘性流体
１００：連結装置
Ｂ：当接部
Ｓ：隙間の寸法

Claims (4)

1. 非磁性体で形成された可動軸と、
   前記可動軸に結合されて前記可動軸と一体的に動く、磁性体で形成された可動部材と、
   磁場が加えられることで磁場が加えられる前よりも粘度が高くなる磁気粘性流体と、
   前記磁気粘性流体に磁場を与えるための磁場発生手段と、
   前記可動軸の一部、前記可動部材、前記磁気粘性流体、および前記磁場発生手段を収容する、磁性体で形成されたヨークハウジングと、
   を備え、
   前記ヨークハウジングのうちの前記磁気粘性流体を間に挟んで前記可動部材と対向する対向部が、前記可動部材側に凹んだ凹形状とされている、磁気粘性流体を用いた連結装置。
2. 請求項１に記載の連結装置において、
   前記凹形状が環状の凹形状とされることで、当該環状の凹形状の中心側部分に外方へ凸の突起部が形成され、
   前記突起部に、前記磁気粘性流体の排出口が形成されていることを特徴とする、磁気粘性流体を用いた連結装置。
3. 請求項１または２に記載の連結装置において、
   前記ヨークハウジングは、相互に結合される第１ヨークハウジングと第２ヨークハウジングとに分割されており、
   前記可動部材に対する前記対向部の対向方向における、前記第１ヨークハウジングの内面に、前記第２ヨークハウジングの側壁部の当該対向方向における端面が当接させられることで、前記第１ヨークハウジングの前記対向部と、前記第２ヨークハウジングの前記対向部との間に形成される隙間の寸法が決定することを特徴とする、磁気粘性流体を用いた連結装置。
4. 請求項３に記載の連結装置において、
   前記第１ヨークハウジングの前記内面と、前記第２ヨークハウジングの前記端面とが当接する当接部の内側に、前記磁場発生手段が収容されており、
   前記ヨークハウジングを側方から視た場合の前記当接部から前記磁場発生手段にかけて、前記第１ヨークハウジングの側壁部と前記第２ヨークハウジングの側壁部とが重ね合わせられていることを特徴とする、磁気粘性流体を用いた連結装置。

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