JP2019219030A - クラッチ及びクラッチの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＭＲ流体等の機能性流体を利用したクラッチの遮断時において駆動抵抗を低減させることである。【解決手段】実施形態に係るクラッチは、入力シャフトから出力シャフトにトルクを伝達する場合には、磁場を与えた磁気粘性流体又は電場を与えた電気粘性流体からなる機能性流体を介して前記入力シャフトから前記出力シャフトに前記トルクを伝達するクラッチ本体と、前記トルクを伝達する場合には前記機能性流体を前記入力シャフトと前記出力シャフトの間に形成される空隙に供給する一方、前記トルクの伝達を遮断する場合には前記機能性流体を前記空隙から排出する流体供給系とを備えるものである。【選択図】 図２

Description

本発明の実施形態は、クラッチ及びクラッチの制御方法に関する。

２つの動力伝達軸の間においてトルクを伝達したり遮断したりする機械要素としてクラッチ等の装置が知られている。また、クラッチ等のトルクを伝達する部分に磁気粘性（ＭＲ：Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌ）流体（磁性流体とも呼ばれる）を循環させる技術やＭＲ流体を封入する技術も提案されている（例えば特許文献１及び特許文献２参照）。

ＭＲ流体は、磁場を与えると粘度が可逆的に変化する機能性流体である。機能性流体としては、ＭＲ流体の他、電場を与えると粘度が可逆的に変化する電気粘性（ＥＲ：Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌ）流体が知られている。

ＭＲ流体に磁場を与えると粘度が増加して硬化するため、ＭＲ流体を利用したブレーキやクラッチの開発及び実用化が図られている。

特開平０７−２５９８９１号公報 特開２０１０−１０１４０９号公報

ＭＲ流体を利用したクラッチでは、磁場を印加することによって粘度が増加したＭＲ流体によって入力シャフトの回転運動が出力シャフトに伝達される。一方、クラッチをオフにする場合には磁場が印加されないため、入力シャフトが空転し、回転運動は伝達されない。しかしながら、入力シャフトと出力シャフトとの間にはＭＲ流体が封入されているため、入力シャフトはＭＲ流体の粘性による抵抗を受ける。その結果、クラッチの遮断時において駆動抵抗が生じるという問題がある。

そこで、本発明は、ＭＲ流体等の機能性流体を利用したクラッチの遮断時において駆動抵抗を低減させることを目的とする。

本発明の実施形態に係るクラッチは、入力シャフトから出力シャフトにトルクを伝達する場合には、磁場を与えた磁気粘性流体又は電場を与えた電気粘性流体からなる機能性流体を介して前記入力シャフトから前記出力シャフトに前記トルクを伝達するクラッチ本体と、前記トルクを伝達する場合には前記機能性流体を前記入力シャフトと前記出力シャフトの間に形成される空隙に供給する一方、前記トルクの伝達を遮断する場合には前記機能性流体を前記空隙から排出する流体供給系とを備えるものである。

また、本発明の実施形態に係るクラッチの制御方法は、磁場を与えた磁気粘性流体又は電場を与えた電気粘性流体からなる機能性流体を介して入力シャフトから出力シャフトにトルクを伝達するクラッチの制御方法であって、前記トルクを伝達する場合には前記機能性流体を前記入力シャフトと前記出力シャフトの間に形成される空隙に供給する一方、前記トルクの伝達を遮断する場合には前記機能性流体を前記空隙から排出するものである。

本発明の第１の実施形態に係るクラッチの構成を示す縦断面図。 図１に示すクラッチの遮断状態を示す縦断面図。 本発明の第２の実施形態に係るクラッチの構成を示す縦断面図。 図３に示すクラッチの遮断状態を示す縦断面図。

本発明の実施形態に係るクラッチ及びクラッチの制御方法について添付図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
（構成及び機能）
図１は本発明の第１の実施形態に係るクラッチの構成を示す縦断面図であり、図２は図１に示すクラッチの遮断状態を示す縦断面図である。

クラッチ１は機能性流体を用いて回転運動及びトルクの伝達と遮断を行う機械要素である。ここでは機能性流体が、磁場を与えると粘度が可逆的に変化するＭＲ流体である場合を例に説明するが、機能性流体として、電場を与えると粘度が可逆的に変化するＥＲ流体を用いても良い。

クラッチ１は、クラッチ本体２、流体供給系３及び制御装置４で構成することができる。クラッチ本体２は、入力シャフト５及び出力シャフト６で構成され、ＭＲ流体を内部に封入できる構造を有する。

図１及び図２に示す例では、入力シャフト５及び出力シャフト６が同軸上に配置されている。入力シャフト５には複数の円盤状のディスク７が設けられている。一方、出力シャフト６には、磁場を発生させるための磁気回路の要素としてコイル８を内蔵し、かつ入力シャフト５に設けられた円盤状のディスク７を出力シャフト６に対して回転可能に空隙を形成させた状態で収納するヨーク９が設けられている。

リング状のコイル８は、円盤状のディスク７とヨーク９との間における空隙に磁場を発生させることができる位置に配置される。従って、図１及び図２に示すように、コイル８の内側に円盤状のディスク７を配置することができる。

そして、入力シャフト５から出力シャフト６に回転運動及びトルクを伝達する場合には、図１に示すようにＭＲ流体が円盤状のディスク７とヨーク９との間における空隙に封入され、コイル８からＭＲ流体に磁場が印加される。そうすると、コイル８とＭＲ流体を要素とする磁気回路が形成され、ＭＲ流体の粘度が増加する。これにより、磁場を与えたＭＲ流体を介して入力シャフト５から出力シャフト６に回転運動及びトルクを伝達することができる。

つまり、ディスク７とヨーク９との間における空隙がＭＲ流体を封入するための容器として機能する。尚、入力シャフト５に単一の円盤状のディスク７を設けるようにしても良い。また、図１に示す構造例に限らず、入力シャフト５と出力シャフト６にそれぞれ回転盤を設け、ＭＲ流体の容器内に配置することによって回転運動及びトルクを入力シャフト５から出力シャフト６に伝達する構造など、様々な構造をクラッチ本体２の構造として採用することができる。

機能性流体としてＥＲ流体を用いる場合には、電場を発生させるための電気回路の要素としてコンデンサを用いることができる。そして、コンデンサによって電場を与えられたＥＲ流体を介して入力シャフト５から出力シャフト６に回転運動及びトルクを伝達することができる。

一方、流体供給系３は、クラッチ本体２の内部にＭＲ流体を出し入れするシステムである。具体的には、流体供給系３は、入力シャフト５から出力シャフト６に回転運動及びトルクを伝達する場合にはＭＲ流体を入力シャフト５と出力シャフト６の間に形成される空隙に供給する一方、入力シャフト５から出力シャフト６への回転運動及びトルクの伝達を遮断する場合にはＭＲ流体を入力シャフト５と出力シャフト６の間に形成される空隙から排出するシステムである。

このような機能を有する流体供給系３は、ＭＲ流体を貯留するチャンバ１０、ポンプ１１及びＭＲ流体の配管１２で構成することができる。配管１２の一端はヨーク９内にＭＲ流体を封入するための空隙と連結され、配管１２の他端はチャンバ１０と連結される。また、ＭＲ流体の容器として機能するヨーク９とチャンバ１０との間における配管１２上にポンプ１１が設けられる。

そして、入力シャフト５から出力シャフト６に回転運動及びトルクを伝達する場合にはポンプ１１を駆動させることによってＭＲ流体をチャンバ１０から配管１２を介してクラッチ本体２を構成するヨーク９内の空隙に供給する一方、入力シャフト５から出力シャフト６への回転運動及びトルクの伝達を遮断する場合にはポンプ１１を逆方向に駆動することによってＭＲ流体をクラッチ本体２を構成するヨーク９内の空隙から配管１２を介してチャンバ１０に戻すことができる。

尚、ＭＲ流体をヨーク９内の空隙に供給するための配管及びポンプと、ＭＲ流体をヨーク９内の空隙から排出するための配管及びポンプを別々に設けても良い。従って、流体供給系３には、単一又は複数のポンプを設けることができる。また、ＭＲ流体の流路を形成する配管に逆流防止用の弁を設けるようにしても良い。

また、ＭＲ流体をチャンバ１０からヨーク９内の空隙に供給して充満させるためには、ヨーク９内の空隙から空気を排出することが必要である。逆に、ヨーク９内の空隙からＭＲ流体を排出するためには、ヨーク９内の空隙に空気を流入させることが必要である。そこで、ヨーク９内の空隙に空気を流入及びヨーク９内の空隙から空気を流出させるための空気穴１３をヨーク９の上方に設けることができる。

制御装置４は、クラッチ１を制御するための装置である。具体的には、制御装置４は、クラッチ本体２に封入されるＭＲ流体の粘度及び流体供給系３のポンプ１１を制御する装置である。ＭＲ流体の粘度は、コイル８に電流を供給して磁場を形成することによって制御することができる。一方、ポンプ１１はポンプ１１の駆動方式に応じたエア信号、油圧信号又は電気信号等の制御信号で制御することができる。このため、制御装置４は、コイル８に電流を供給するための電源を含む電気回路と、ポンプ１１を駆動するためのエア信号回路、油圧信号回路又は電気回路等の必要な信号回路で構成することができる。

制御装置４は、クラッチ本体２において入力シャフト５から出力シャフト６に回転運動及びトルクを伝達する場合にはポンプ１１を駆動させることによってＭＲ流体を入力シャフト５と出力シャフト６の間に形成される空隙に供給し、かつコイル８に電流を供給することによって入力シャフト５と出力シャフト６の間に形成される空隙に封入されたＭＲ流体に磁場を与える一方、クラッチ本体２において入力シャフト５から出力シャフト６への回転運動及びトルクの伝達を遮断する場合にはコイル８への電流の供給を停止することによって磁場を消滅させ、かつポンプ１１を駆動させることによってＭＲ流体を入力シャフト５と出力シャフト６の間に形成される空隙から排出させるクラッチ１の統括制御を行う機能を有している。

このような統括制御を行う制御装置４によってクラッチ１の切換を自動的に行うことができる。すなわち、回転運動及びトルクの伝達を行う場合には、磁場を与えることによって粘度が増加したＭＲ流体を介して入力シャフト５から出力シャフト６にトルクを伝達する一方、回転運動及びトルクの伝達を行わない場合には、磁場を消滅させることによって粘度が低下し、流動性を取得したＭＲ流体を入力シャフト５と出力シャフト６の間に形成される空隙から排除することができる。

その結果、回転運動及びトルクの伝達を行わない場合においてクラッチ１の駆動抵抗を飛躍的に低減することができる。磁場が作用していないＭＲ流体は一般的なオイルのように液状であり、ニュートン流体とみなすことができる。そこで、非磁場中におけるＭＲ流体をニュートン流体と仮定すると、非磁場中において流動性を取得したＭＲ流体を仮に入力シャフト５と出力シャフト６の間に形成される空隙に介在させた状態で入力シャフト５を回転させた場合に生じる抵抗は、他のニュートン流体と同様に、非磁場中におけるＭＲ流体の粘性係数に比例する。

非磁場中におけるＭＲ流体の粘性係数は、０．１〜１．０Ｐａ・ｓ程度である。これに対して、空気の粘性係数は、２５℃において０．００００１８２Ｐａ・ｓ程度である。従って、クラッチ１をＯＦＦにしている間は、ヨーク９とディスク７との間の空隙に封入されたＭＲ流体をチャンバ１０に戻し、空隙を空気で満たすことで空隙に存在する流体の粘性抵抗を飛躍的に低減することができる。その結果、クラッチ１がＯＦＦ状態である場合における駆動抵抗を低減することができる。

以上のようなクラッチ１及びクラッチ１の制御方法は、クラッチ１がＯＮ状態である場合には入力シャフト５に設けられたディスク７と出力シャフト６の端部に設けられたヨーク９との間にＭＲ流体を注入し、コイル８に通電することで入力シャフト５の回転を出力シャフト６に伝達する一方、クラッチ１がＯＦＦ状態である場合にはディスク７とヨーク９との間に封入されていたＭＲ流体をポンプ１１でチャンバ１０に戻し、ＭＲ流体の粘性抵抗によるクラッチ１の駆動抵抗の増加を回避するようにしたものである。

このような構成を有するクラッチ１は、自動車や航空機のエンジンとトランスミッションとの間、航空機のプロペラのシャフト、航空機の動翼を操舵するためのアクチュエータ等に取付けて使用することができる。

（効果）
クラッチ１及びクラッチ１の制御方法によれば、回転運動及びトルクの伝達を遮断している間における駆動抵抗を低減することができる。このため、クラッチ１をエンジンに取付ける場合であれば、エンジン始動時にＭＲ流体を排除して駆動抵抗を低減できるため、スタータの小型化及びエンジンの始動性の向上を図ることができる。また、クラッチ１を自動車や航空機に搭載すればＭＲ流体の粘性抵抗によるエネルギロスを回避できるため、燃費を改善することができる。

（第２の実施形態）
図３は本発明の第２の実施形態に係るクラッチの構成を示す縦断面図であり、図４は図３に示すクラッチの遮断状態を示す縦断面図である。

図３及び図４に示された第２の実施形態におけるクラッチ１Ａでは、流体供給系３をシリンダ機構２０と配管１２で構成した点が第１の実施形態におけるクラッチ１と相違する。第２の実施形態におけるクラッチ１Ａの他の構成及び作用については第１の実施形態におけるクラッチ１と実質的に異ならないため同一の構成又は対応する構成については同符号を付して説明を省略する。

第２の実施形態におけるクラッチ１Ａの流体供給系３は、シリンダ機構２０と配管１２を有する。配管１２の一端は、ヨーク９内にＭＲ流体を封入するための空隙と連結され、配管１２の他端はシリンダ機構２０と連結される。シリンダ機構２０は、入力シャフト５から出力シャフト６に回転運動及びトルクを伝達する場合には入力シャフト５と出力シャフト６との間に形成される空隙にＭＲ流体を供給する一方、入力シャフト５から出力シャフト６への回転運動及びトルクの伝達を遮断する場合には入力シャフト５と出力シャフト６との間に形成される空隙からＭＲ流体を回収して貯留するように構成されている。尚、配管１２にＭＲ流体の逆流を防止する弁を設けるようにしても良い。

一方、制御装置４には、シリンダ機構２０がエア式、油圧式又は電動式であるのかに応じてエア信号、油圧信号又は電気信号からなる制御信号をシリンダ機構２０に出力することによってシリンダ機構２０を制御する機能が設けられる。このため、制御装置４は、コイル８に電流を供給するための電源を含む電気回路の他、シリンダ機構２０を駆動するためのエア信号回路、油圧信号回路又は電気回路等の必要な信号回路で構成することができる。

そして、制御装置４による制御下におけるシリンダ機構２０の駆動によって、第１の実施形態と同様なＭＲ流体の供給と排出を行うことができる。このような構成を有する第２の実施形態におけるクラッチ１Ａによっても、第１の実施形態と同様な効果を得ることができる。

（他の実施形態）
以上、特定の実施形態について記載したが、記載された実施形態は一例に過ぎず、発明の範囲を限定するものではない。ここに記載された新規な方法及び装置は、様々な他の様式で具現化することができる。また、ここに記載された方法及び装置の様式において、発明の要旨から逸脱しない範囲で、種々の省略、置換及び変更を行うことができる。添付された請求の範囲及びその均等物は、発明の範囲及び要旨に包含されているものとして、そのような種々の様式及び変形例を含んでいる。

１、１Ａ クラッチ
２ クラッチ本体
３ 流体供給系
４ 制御装置
５ 入力シャフト
６ 出力シャフト
７ ディスク
８ コイル
９ ヨーク
１０ チャンバ
１１ ポンプ
１２ 配管
１３ 空気穴
２０ シリンダ機構

Claims (6)

1. 入力シャフトから出力シャフトにトルクを伝達する場合には、磁場を与えた磁気粘性流体又は電場を与えた電気粘性流体からなる機能性流体を介して前記入力シャフトから前記出力シャフトに前記トルクを伝達するクラッチ本体と、
   前記トルクを伝達する場合には前記機能性流体を前記入力シャフトと前記出力シャフトの間に形成される空隙に供給する一方、前記トルクの伝達を遮断する場合には前記機能性流体を前記空隙から排出する流体供給系と、
   を備えるクラッチ。
2. 前記入力シャフトに円盤状のディスクを設ける一方、前記出力シャフトに前記磁場又は前記電場を発生させる回路を内蔵し、かつ前記円盤状のディスクを前記出力シャフトに対して回転可能に前記空隙を形成させた状態で収納するヨークを設けた請求項１記載のクラッチ。
3. 前記流体供給系は、
   前記機能性流体を貯留するチャンバと、
   前記トルクを伝達する場合には前記機能性流体を前記チャンバから前記空隙に供給する一方、前記トルクの伝達を遮断する場合には前記機能性流体を前記空隙から前記チャンバに戻す単一又は複数のポンプと、
   を有する請求項１又は２記載のクラッチ。
4. 前記流体供給系は、前記トルクを伝達する場合には前記機能性流体を前記空隙に供給する一方、前記トルクの伝達を遮断する場合には前記機能性流体を前記空隙から回収して貯留するシリンダ機構を有する請求項１又は２記載のクラッチ。
5. 前記トルクを伝達する場合には前記流体供給系を制御することによって前記機能性流体を前記空隙に供給し、かつ前記空隙に封入された前記機能性流体に前記磁場又は前記電場を与える一方、前記トルクの伝達を遮断する場合には前記磁場又は前記電場を消滅させ、かつ前記流体供給系を制御することによって前記機能性流体を前記空隙から排出させる制御装置を更に有する請求項１乃至４のいずれか１項に記載のクラッチ。
6. 磁場を与えた磁気粘性流体又は電場を与えた電気粘性流体からなる機能性流体を介して入力シャフトから出力シャフトにトルクを伝達するクラッチの制御方法であって、
   前記トルクを伝達する場合には前記機能性流体を前記入力シャフトと前記出力シャフトの間に形成される空隙に供給する一方、前記トルクの伝達を遮断する場合には前記機能性流体を前記空隙から排出するクラッチの制御方法。

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