JP5527765B2 - 磁気粘性流体を用いた回転制動装置 - Google Patents

Description

本発明は、磁気粘性流体とこれに磁場を与える電磁石等を用いることによって、回転軸をその周囲のハウジング等に対して制動するロータの回転制動装置に関する。

一般に軸線周りに回転する回転体の回転を伝達や停止させる等の制動を実行するクラッチ装置やブレーキ装置が知られている。一例として従来よりディスクブレーキと称する回転制動装置が周知である。このディスクブレーキでは、ディスクロータと称する回転体をその両側に配設されたブレーキパッドと称する２枚の円盤板で構成された挟持体で挟み込むときに生じる摩擦力で回転体を制動する構造を有している。

このディスクブレーキでは、回転体としてのディスクロータと固定側の挟持体としてのブレーキパッドとの隙間に磁性流体を保持させ、これに電磁石で磁場を与えることで回転体への制動力を制御するものが存在する（特許文献１）。しかしながら、このような回転制動装置（ブレーキ構造）では、磁場が与えられていない通常の状態において磁性流体の外部漏出を防止できないという問題があった。とりわけ精密デバイスでの回転体の制動に使用する場合、このような流体の外部漏出を防止し得るシール手段を準備しておく必要がある。

また、挟持体としてのブレーキパッドの挟み込む力（挟持力）を生み出しているシリンダ自体の中に磁性流体を含有させることで制動力を制御する方法も知られているが（特許文献２）、構造および制御構成が複雑化・大型化し、小型デバイスでの回転体制動には不向きである。とりわけ小型デバイスの回転体制動では過大な制動力は要さない反面、省スペース化する必要がある。

特開昭６１−２９０２４２号公報 特開平０６−１７１４８４号公報 特開２００９−１１７７９７号公報

本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、ブレーキ装置やクラッチ装置に使用される軸回転する回転体としてのロータとアウターとしてのハウジングとの制動装置において、ロータとハウジングとの隙間に磁気粘性流体を用いることでロータを効率よく制動制御し、同時に磁気粘性流体の外部漏出を防止し得る構成を有した回転制動装置を提供することを目的とする。

本発明のロータの回転制動装置は、中空円板状のハウジングの中で該ハウジングに対して相対的に軸回転する環状部材としてのロータと、前記ロータと供に軸回転するように前記ハウジングと前記ロータとの間で該ロータ側に結合された磁性体のディスクと、前記ディスクを（隙間をもって）挟むように配設され、通電時において該ディスクを挟む方向に磁路を付与する電磁石と、を備えている。まず、前記ディスクは、該ディスクを挟む方向以外に前記磁路が分散しないように該ディスクに溝が配設されている。また、前記ロータ又は前記ディスクと、前記ハウジング又は前記電磁石との隙間には磁気粘性流体が保持されている。

これにより本ロータの回転制動装置では、電磁石が通電すると磁性体であるディスクとヨークとの間にせん断力が作用し、その結果、ディスクと結合するロータの回転も規制されることとなる。また、ディスクには挟持方向に物理的な溝が形成されているため、溝を境界として回転半径方向の磁力が遮断される。このディスクに形成される溝は、回転側であるロータやディスクと固定側であるハウジングや電磁石との隙間と流体的に接続されるものであり、内部に透磁率の比較的低い磁気粘性流体が保持されているためディスク内で磁路が分散することを回避できる。その結果、電磁石とディスクとの間で強い挟持力が作用するような強い磁路を形成させることができる。

また、前記溝を含め隙間に一般的な潤滑油を保持させることも考えられ、非磁性体である潤滑油は電磁石からの磁路を分散させないとい点では有利である。しかしながら、一般的な潤滑油の場合、常時粘性が高いためロータの回転時に発生するせん断力が回転に対する抵抗になるという欠点がある。この点において磁気粘性流体の場合、磁力が付与されて初めて粘性を発現する性質を有するため好都合である。

また、前記ハウジングは上下に分割可能であることが好ましい。この場合、前記磁性体のディスクは、その外縁部をロータの外縁端部から突出させた状態で、その内縁側の一部を前記ロータの外縁端部の上下面に結合させており、前記電磁石は、前記ロータの外縁部から突出させた前記ディスクの外縁側を挟むように配設されており、該電磁石と前記ディスクの外縁側とを交互に上下方向に積層して組立てられるようにそれぞれ分割されている。

このような構成にすればロータと電磁石とディスクとを全て軸方向に順に組み合わせていくだけで組上げることが可能となり、組立て労力を減らすことができるだけでなく組立て精度も向上する。したがって、電磁石とディスクとの間の所定の隙間を高精度に形成することができる。

本発明のロータの回転制動装置によれば、ロータとハウジングとの制動を通電時の電磁石の磁力を効率よくディスクに作用させることで十分に達成させることができ、ロータとハウジングの隙間に磁気粘性流体を保持させることで回転トルクを低下させずに十分な封止状態を確保することができる。

本発明の磁気粘性流体を用いたシール構造を有する回転装置の軸線に沿った断面図である。 図１の紙面右側についてハッチング処理を除いた拡大図である。 図２に示すエリアＡについて図１におけるハッチング処理をした状態で示した拡大図である。 ディスクを図１の紙面上方から見た概略を示した例示図であり、（ａ）は間欠的な溝を設けた場合のディスクの一例を示しており、（ｂ）は円周に亘って連続的に形成された溝を設けた場合のディスクの一例を示したものである。 図２に示すエリアＢについて図１におけるハッチング処理をした状態で示した拡大図である。

まず、図１を参照すれば本発明の磁気粘性流体を用いた回転制動装置１０の１つの実施形態が示されている。具体的には、本回転制動装置の回転軸線に沿った断面図を示している。なお、図１には軸線Ｘを中心に左右対称であり、左右いずれかに示された部材はこれに対称となる位置の部材と同一の部材を示している。また、図２を参照すれば概ね図１の回転制動装置１０の回転軸線Ｘより右側を示した拡大断面図であり、視認し易さを考慮して断面図の各部材に用いるハッチング処理を省略している。

まず、本実施形態の回転制動装置１０では、主として軸回転する回転体１２と、その周囲を覆う固定状態のハウジング１８と、回転体１２と結合された環状のディスク２６と、回転体１２とハウジング１８等との隙間に保持された磁気粘性流体２８と、電流を流すとディスク２６や磁気粘性流体２８に磁場を付与する電磁石２０とで構成されている。

回転体（シャフトとロータ）とハウジングとについて
まず、回転体１２は、軸線Ｘを中心に回転する棒状のシャフト１４と、シャフト１４から半径方向に拡がり略環状板を形成するロータ１６と、で構成されている。このシャフト１４とロータ１６とは一体に形成されており、非磁性体としてオーステナイト系ステンレス（ＳＵＳ３０４）が使用されている。

またハウジング１８は、回転体１２のケーシング部材として機能し、軸回転する回転体１２に対して固定されている。ここでは回転体１２が軸回転しハウジング１８が固定されるが、両者が相対的に軸回転すればよく、ハウジング１８が軸線Ｘ周りに回転し、回転体１２が固定されていてもよい。さらに詳細にはハウジング１８は、内部でロータ１６が回転できるようにロータ１６の外周囲を覆う構造を有しており、互いに対向するように配置された２つの皿状部材１８ａ、１８ｂをネジ１９で結合することで構成されている。このハウジング１８は非磁性体として回転体１２と同様にオーステナイト系ステンレス（以下「ＳＵＳ３０４」）が使用されている。

さらに、ハウジング１８には軸線Ｘを回転中心とする環状の回転軸受３２が上下に１つずつ配設されている。この回転軸受３２は、軸線Ｘを中心とした環状部材であるため図１に示す参照番号３２ａと３２ｂとは同じ回転軸受を意味しており、また参照番号３２ｃと３２ｄとも同様に同じ回転軸受である。この２つの回転軸受３２にシャフト１４が内挿し軸回転することでハウジング１８に対して回転体１２が軸回転し得る。なお、以下、説明していくハウジング１８の中に配設される各部材は、回転軸受３２の場合と同様に、軸線Ｘ方向に形成された２つで１組の環状の部材である。したがって、各部材は、図１（及び図２）の紙面左右対称に同一部材が表示されており、また、ハウジング１８の中に配設される各部材は、図１（及び図２）の紙面上下対称にそれぞれ２つで１組の部材が表示されている。

ディスク及び電磁石と磁気粘性流体との位置関係について
ロータ１６の回転半径方向の外縁端部には、１組の環状の板部材であるディスク２６が上下に結合されている。ここで図３を参照すれば、図２の点線の囲まれたエリアＡの拡大図である。この図３や図１〜図２からも理解されるように、ディスク２６はその内縁側２６ｃの一部をロータ１６の外縁端部に結合させ、また該ディスク２６の外縁側２６ｂはロータ１６の外縁端部から突出されて電磁石２０（後述）に挿入される。ディスク２６の内縁側２６ｃは環状のあて部材３８を介してネジ３６によりロータ１６に結合されている。

また、ロータ１６の外縁端部から回転半径方向外側に突出したディスク２６の外縁側２６ｂは電磁石２０に介挿されている。ここで電磁石２０は、ボビン２３を介してコイル２２の周囲をヨーク２４で包囲している。このヨーク２４は磁性体としての純鉄を用いている。また、コイル２２とヨーク２４との間のボビン２３は、コイル２２の天面側と内面側（底面側と内面側でも良い）を環方向全域に亘って覆うように介挿されている。一般的に電磁石ではボビンに相当する部材は磁性体が用いられているが、ここではヨーク２４内に磁束を集中させて十分な磁路Ｌ（図２、図３の矢印Ｌ参照）を形成するために非磁性材料のＳＵＳ３０４などが用いられている。

ここでコイル２２を通電した際の磁路Ｌについて図２、３を参照しつつ説明する。上述したようにコイル２２から発生した磁力線（磁束）は非磁性体である補助部材２３およびハウジング１８の存在により主としてヨーク２４内を循環し、磁路Ｌを生成する。本回転制動装置１０の場合、さらに磁力線を分散させず磁路Ｌに集中させるための手段が設けられており、詳細については後述する。

まず、図３に示すようにヨーク２４は、ロータ１６側に開いたコの字断面形状であり、上下に２分割し得る第一ヨーク２４ａと、この第一ヨーク２４ａと相俟ってディスク２６の外縁側２６ｂを挟む第二ヨーク２４ｂとで構成されている。また、第一ヨーク２４ａは概ねハウジング１８と隙間を設けず固定されている。第二ヨーク２４ｂは、前述のボビン２３と機械的に結合され、一体化している。第一ヨーク２４ａ内を進行してきた磁力線はディスク２６の外縁側２６ｂに屈曲して進行する。図３において左方向から略直角下向きに屈曲して進行する磁路Ｌに示されるとおりである。これは第一ヨーク部材２４ａから放出する磁力線はパーマロイ（Fe-Ni合金）などの透磁率の大きい材質で形成されたディスク２６側に向かうからである。

但し、磁路Ｌは通電時において内部を進行する磁力線が外部に分散放出されないような形状が好ましい。次に第一ヨーク部材２４ａからディスク２６の外縁側に進行した磁路Ｌは、概ねそのままディスク２６内を進行して第二ヨーク部材２６ｂに到達する。具体的には図２および図３の磁路Ｌに参照する通りである。ここでディスク２６の外縁側２６ｂと内縁側２６ｂとは紙面下方に向かう溝２６ａにより磁気的に分断されている。即ち、ディスク２６の溝２６ａの内部には透磁率の比較的低い磁性粘性流体が保持されるので溝２６ａで磁力線を遮断する。これによりディスク２６内で矢印Ｌの方向以外に磁路が分散せず、第一ヨーク部材２４ａから進行してきた磁路Ｌはそのままディスク２６内を紙面下方に直進することとなる。なお、ディスク２６やロータ１６と、ハウジング１８や電磁石２０との「隙間」には磁気粘性流体２８が保持されるが、図１〜図３において磁気粘性流体として参照番号２８を付した部分は全てここで言う「隙間」に位置しており、溝２６ａも「隙間」の一部を形成していると言える（以下、「隙間２８」と参照番号を付して表記する場合もある）。

再びディスク２６の溝２６ａについて言及する。
図４を参照すればディスク２６を上方（図１〜図３紙面視）から見た天面図である。但し、理解し易さを考慮し、ｒ０〜ｒ３の寸法は図１〜図３の寸法と一致するものではないことに留意する。

まず図４（ａ）に示すディスク２６は、環方向に間欠的に溝２６ｂが配設されている。このディスク２６の場合、中心Ｏが図１〜図３に示す回転軸線Ｘに相当し、中心Ｏからディスク２６の内縁側２６ｃに到達するまでの径距離がｒ０であり、さらに溝２６ａまでの内縁側２６ｃの幅がｒ１、溝２６ａの幅がｒ２、ディスク２６の外縁側２６ｂの幅がｒ３となっている。この溝２６ａの幅ｒ２が大きいほど外縁側２６ｂから内縁側２６ｃへの磁力線の分散は少なくなってくるが、その反面、溝２６ａの幅ｒ２を大きくしたことで外縁側２６ｂの幅ｒ３が小さくなると第一ヨーク部材２４ａと第二ヨーク部材２４ｂとの間でディスク２６に生じるせん断力（既述）も小さくなり回転制動装置１０としての制動性能が低下する。

なお、この図４（ａ）の場合、溝２６ａが環方向に間欠的であるためディスク２６全体としてある程度の強度が担保される。また、図３に示すように溝２６ａはディスク２６を貫通していない。これはディスク２６の内縁側２６ｂと外縁側２６ｂとの物理的な結合を確保するためのものであり、図４（ａ）のように間欠的な溝２６ａの場合、ディスク２６を貫通する溝２６ａであっても良い。また、図１〜図３ではディスク２６は複数の環状板が積層されているように表現されているが一枚ものとして形成されても良い。

また、上記図４（ａ）の変形例としてディスク２６´が示されている。このディスク２６´の場合、溝２６´ａは環方向全域に亘って繋がっている。このディスク２６の場合、ディスク２６内の磁力線の分散を防止するという点では外縁側２６´ｂと内縁側２６´ｃとが物理的分断が進んでおり好ましいが、溝２６´ａがディスク２６を貫通するとディスク２６´が一体化しないという弊害がある。特にこのディスク２６の場合、図３に示すような環状板の積層構造より一枚ものの方が好ましい。

再び図３に戻って説明する。ディスク２６を通過して進行した磁路Ｌは、第二ヨーク部材２４ｂに侵入し、そのまま下方に直進する。そして回転平面Ｙの位置を通過する。その後、回転平面Ｙに対して上下に対称であるため磁路Ｌも対称に進行する。また、他の部材の構成や構成の意義についても上下に対称である。このことは図２〜図３を参照すれば理解されよう。

ディスクや電磁石、ロータ等の組立方法について
次に、ロータ１６、電磁石２０、ディスク２６の組立方法について説明する。まず、ロータ１６の下面にディスク２６を機械的に結合する。例えば、ネジ結合等である。次に、下側のハウジング１８の皿状部材１８ｂに第一ヨーク２４ａを固定する。また、下側のハウジング１８の皿状部材１８ｂにはロータ１６も固定する。このとき第一ヨーク２４ａの真上にディスク２６が位置することになる。第一ヨーク２４ａは前述のように概ね隙間なくハウジング１８の皿状部材８ｂの上に固定されるため、ディスク２６と第一ヨーク２４ａの間の隙間は、所定の間隔に保たれる。

さらに、第二ヨーク２４ｂと一体化したボビン２３が、第一ヨーク２４ａの上に配設される。ボビン２３の位置を基準として、ディスク２６と第二ヨーク２４ｂの間の隙間は所定の隙間に保たれる。また、ロータ１６の上面にはディスク２６が結合される。このとき第二ヨーク２４ｂの上にディスク２６が位置することになる。第一ヨーク２４ａはボビン２３の上に配設され、さらに上方からハウジング１８の皿状部材１８ａで覆い、上下のハウジング１８同士をネジ止めする。このように下から順に組み立てることが可能であるため、組立作業が容易で、ディスク２６とヨーク２４の間の隙間も、高精度に所定の間隔にすることができる。

磁気粘性流体の充填について
ここでロータ１６やディスク２６とハウジング１８や電磁石２０（特にヨーク２４）との隙間に保持される磁気粘性流体２８の充填方法について説明する。図１〜図２に示すようにシャフト１４は回転平面Ｙより紙面下方の内部に流路１２aを備え、流路１２ａの下端部で外部に開放される中空構造である。また、ロータ１６も回転平面Ｙに沿って内部に流路１２ｂを備えている。流路１２ｂはロータ１６の半径方向外側に延びており、ロータ１６の外縁端部において外部に開放されている。これらの流路１２ａと流路１２ｂとは回転軸線Ｘと回転平面Ｙとの交点近傍で流体的に連結的にしている。図１〜図２においては図示されていないが流路１２ｂは回転軸線Ｘを中心に放射状に複数存在しても良い。

次に磁気粘性流体の充填について説明する。前述のように本回転制動装置を組み立てた後、磁気粘性流体を流路１２ａの開放端から注射器等を用いて圧入する。磁気粘性流体はまず最初に流路１２ａの中に充填される。磁気粘性流体は流路１２ａから流路１２ｂに到達すると回転軸線Ｘの位置から回転半径外側に向かって進行する。そして磁気粘性流体はロータ１６の外縁端部から隙間２８に放出され、この隙間２８は、全て流体的に連結するため順次補充されていくこととなる。なお、隙間２８に磁気粘性流体を効率よく充填するために図３に示すように隙間内の流体を攪拌可能とするブレード２５を設け、ロータ１６を回転させて遠心力を利用しても良い。

磁気粘性流体の漏出防止について
上述するようにロータ１６等の回転体１２の回転半径外側に充填された磁気粘性流体は、回転半径内側に充填されていく。このとき隙間２８の回転半径内側の端部は回転軸受３２ａ〜３２ｄ等が存在し、この位置まで到達した磁気粘性流体の外部漏出が問題となる。たしかに回転軸受３２ａ〜３２ｄの近傍では回転体１２の遠心力の影響は小さいため磁気粘性流体が多量に漏出することはない。しかしながら、磁気粘性流体の通常時における粘性は比較的小さく、一般的な潤滑油よりも漏出し易いという点では問題がある。一方、粘性が小さいということはロータ１６等の回転時に隙間２８内に大きなせん断力が作用すること少なく回転トルクの抵抗にもなり難いという点で有利である。本ロータの回転制動装置１０ではこの利点を生かしながら同時に上記漏出の問題を低減する手段が施されている。

図５は図２において点線で囲まれたエリアＢの部分を拡大した部分断面図である。まず図１〜図２に示すようにディスク１４のあて部材３８より回転半径内側（図２の紙面左側）にシールブロック３０が配設されている。このシールブロック３０は、磁性体である圧延鋼材（ＳＳ４００）でありハウジング１８にネジ４０で結合されている。また、図５の参照番号３０ａから理解されるようにシールブロック３０はその隙間側に表面処理を施し、隙間に複数の屈曲箇所を設けた所謂ラビリンス構造になるようにしている。さらに、シールブロック３０の回転半径内側（図５の紙面左側）には永久磁石３４が配設されている。また、永久磁石３４の隙間側にもシールブロック３０の場合と同様にラビリンス構造の隙間が形成されている（参照番号３４ａ参照）。

永久磁石３４からの磁力は、参照番号３０ａや参照番号３４ａのラビリンス構造近傍の隙間内の磁気粘性流体に作用する。ここで本ロータの回転制動装置１０に使用する磁気粘性流体は、前記特許文献３で開示されたアークプラズマ法で作製したナノサイズの鉄粒子（磁性体）を分散媒に分散させたものを想定しているが、いわゆる磁気粘性流体と称される機能を有する流体であれば他のものでは差し支えない。

さらに磁力が磁気粘性流体に作用した状態について説明する。そもそも磁気粘性流体は、磁化可能な金属粒子を分散媒に分散させてなる液体である。この磁気粘性流体は、磁力の作用のないときには流体として機能する一方、磁力を作用させたときには、金属粒子がクラスターを形成して液体が増粘し、液体の内部応力が増大する。その内部応力の増大により磁気粘性流体は、剛体のように機能してせん断流れや圧力流れに対して抗力を示すようになる。

このため磁気粘性流体２８は、前記隙間の内部を進行する磁力線（磁束）に引っついており、クラスターの発生により増粘することで隙間を高耐圧でシールすることができる。これにより磁気粘性流体の外部漏出を防止することができる。さらに、上述するように隙間にラビリンス構成３０ａ、３４ａの部分を設けることでよりシール性能が増強される。

以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明の本ロータの回転制動装置はこれに限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載の精神と教示との範囲を逸脱しない他の変形例と改良例とが存在することは当業者に明白であろう。

１０…回転制動装置
１２…回転体
１４…シャフト
１６…ロータ
１８…ハウジング
２０…電磁石
２２…コイル（回転軸）
２３…ボビン
２４…ヨーク
２６…ディスク
２６ａ…溝
２８…磁気粘性流体（隙間）
Ｘ…回転軸線
Ｙ…回転平面

Claims (1)

1. 中空円板状のハウジングの中で該ハウジングに対して相対的に軸回転する環状部材としてのロータと、
   前記ロータと供に軸回転するように前記ハウジングと前記ロータとの間で該ロータ側に結合された磁性体のディスクと、
   前記ディスクを挟むように配設され、通電時において該ディスクを挟持する方向に磁路を付与する電磁石と、を備えたロータの回転制動装置であって、
   前記ディスクは、該ディスクを挟む方向以外に前記磁路が分散しないように該ディスクに溝が配設され、
   前記ロータ又は前記ディスクと、前記ハウジング又は前記電磁石との隙間には磁気粘性流体が保持され、
   前記ハウジングは上下に分割可能であり、
   前記磁性体のディスクは、その外縁側をロータの外縁端部から突出させた状態で、その内縁側の一部を前記ロータの外縁端部の上下面に結合させており、
   前記電磁石は、前記ロータの外縁部から突出させた前記ディスクの外縁側を挟むように配設されており、該電磁石と前記ディスクの外縁側とを交互に上下方向に積層して組立てられるようにそれぞれ分割されている、ことを特徴とするロータの回転制動装置。

Images