JP6232026B2 - トルク伝達媒体及びこれを用いたクラッチ - Google Patents

Description

本開示はトルク伝達媒体及びこれを用いたクラッチに関する。

駆動側の回転トルクを被駆動側に伝達するための手段としてクラッチが一般的に用いられている。クラッチの一種にパウダクラッチがある。パウダクラッチは、通常、駆動側ロータと被駆動側ロータと、その間に封入された磁性粒子と、２つのロータ間に磁気回路を形成するためのコイルとを有している。コイルを励磁することにより２つのロータの間に磁気回路を形成すると、磁性粒子間の摩擦力が増大する。このため、磁性粒子をトルク伝達の媒体として、駆動側のロータから被駆動側のロータへトルクを伝達することが可能となる（例えば、特許文献１を参照。）。

特開２００６−２６５６１２号公報

しかしながら、パウダクラッチは、磁性粒子の流動性が低く、磁場を印加せずにロータの回転を止めると、磁性粒子が沈降し強固に固着してしまう。また、トルク伝達媒体である磁性粒子は、ロータの間の空間に充満しているのではなく、その一部に入っているだけである。このため、ロータの回転による遠心力を利用して、磁場が印加される部分に磁性粒子を移動させることによってクラッチが機能する。従って、再起動するためには予めロータを回転させて磁性粒子を流動化させることが必要となり、再起動の際に応答が遅れるという問題がある。また、デバイスの設置方向も制限され、回転軸を水平方向に設置する必要がある。

クラッチ等におけるトルク伝達の媒体として、磁性粒子をオイル等の分散媒に分散させた磁気粘性流体（ＭＲ流体）が知られている。ＭＲ流体を用いたＭＲ流体クラッチは、パウダクラッチのような設置方向の制限がない。ＭＲ流体の場合、磁場を印加せずにロータを回転させた際の基底トルクは、オイル等の分散媒の粘度及び粒子の体積分率に大きく影響を受ける。磁場を印加していない場合のエネルギ損失を小さくすると共に、磁場を印加した場合の降伏せん断応力の変化幅を大きくするためには、基底トルクを小さくすることが好ましい。このため、シリコンオイル等の低粘度のオイルを用いることが必要になり、粒子の体積分率を高くすることが困難である。また、分散媒として用いるオイル等の沸点及び凝固点により、使用温度範囲が制限されてしまう。さらに、長期間静置した際には、粒子が沈降（落下）してしまう。このように、オイル等の分散媒を用いたＭＲ流体には、分散媒に起因する特性の限界や制限が生じるという問題がある。

このような問題は、クラッチに限らず、被駆動側ロータが固定されたブレーキ等の他のトルク伝達機構においても同様に発生する。

本開示の課題は、粘度が高く且つ広い温度範囲での使用を制限する要因となるオイル等の分散媒を含まず、流動性が高く、粒子沈降が生じにくい、トルク伝達用媒体及びこれを用いたトルク伝達機構を実現できるようにすることである。

トルク伝達媒体の一態様は、気体中に含まれる平均粒子径が１μｍ以上、３０μｍ以下の第１の粒子と、第１の粒子の表面に付着した、平均粒子径が３ｎｍ以上、２００ｎｍ以下の第２の粒子とを備え、第１の粒子は磁性粒子であり、第２の粒子の第１の粒子と第２の粒子との和に占める割合は、０．４質量％以上、３０質量％以下である。

トルク伝達媒体の一態様において、第２の粒子は、酸化珪素粒子とすることができる。また、第２の粒子は、軟磁性体の鉄粒子とすることができる。

トルク伝達媒体の一態様において、第１の粒子の平均粒子径は、第２の粒子の平均粒子径の１０倍以上、２０００倍以下とすることができる。

トルク伝達媒体の一態様において、第１の粒子は、カルボニル鉄粉とすることができる。

トルク伝達媒体の一態様において、気体は、空気とすることができる。

クラッチの一態様は、相対回転可能な第１の部材及び第２の部材と、第１の部材と第２の部材との間に充填されたトルク伝達媒体と、トルク伝達媒体に磁場を加える磁場発生部とを備え、トルク伝達媒体は、本開示のトルク伝達媒体である。

本開示のトルク伝達媒体によれば、デバイスの設置方向の自由度が高く、大きなトルク比が得られ、粒子沈降が生じにくく、良好な応答性を有し、より広い温度範囲で使用できる、トルク伝達機構を実現できる。

クラッチの一例を示す断面図である。 第２の磁性粒子の製造装置の一例を示すブロック図である。 磁場を印加していない場合における、第２の磁性粒子の混合比率と、せん断応力との関係を示す図である。 磁場を印加した場合における、第２の磁性粒子の混合比率と、せん断応力との関係を示す図である。 第２の粒子をシリカ粒子とした場合の電子顕微鏡写真である。 第２の粒子を鉄粒子とした場合の電子顕微鏡写真である。 第１の粒子単独の電子顕微鏡写真である。

一実施形態に係るトルク伝達媒体は、第１の粒子と、第２の粒子とを備えている。

第１の粒子は磁性粒子であり、例えば、鉄、窒化鉄、炭化鉄、カルボニル鉄、二酸化クロム、低炭素鋼、ニッケル又はコバルト等を用いることができる。また、アルミニウム含有鉄合金、ケイ素含有鉄合金、コバルト含有鉄合金、ニッケル含有鉄合金、バナジウム含有鉄合金、モリブデン含有鉄合金、クロム含有鉄合金、タングステン含有鉄合金、マンガン含有鉄合金又は銅含有鉄合金等の鉄合金を用いることもできる。ガドリニウム、ガドリニウム有機誘導体からなる常磁性、超常磁性若しくは強磁性化合物粒子又はこれらの混合物からなる粒子等を用いることもできる。中でも、カルボニル鉄は第１の粒子として適した平均粒子径のものが容易に得られるため好ましい。

第１の粒子は、平均粒子径が１μ以上、３０μｍ以下であればよいが、せん断応力を確保してＭＲ流体のような特性を得る観点から３μｍ以上が好ましく、５μｍ以上がより好ましい。また、流動性の観点から１５μｍ以下が好ましく、１０μｍ以下がより好ましい。例えば、６μｍ程度とすることができる。

第２の粒子は、第１の粒子と比べて非常に小さく、第１の粒子の表面に付着させることができる粒子とすることができる。第２の粒子は、非磁性粒子とすることも、磁性粒子とすることもできる。非磁性粒子とする場合、シリカ、アルミナ，ジルコニア，チタニア等とすることができる。磁性粒子とする場合、鉄、ニッケル，コバルト，又，それらの合金等とすることができる。中でも、シリカは流動性能を向上させるための添加剤としても用いられており，第２の粒として適した平均粒径のものが容易に得られるため好ましい。また、軟磁性体である鉄粒子は、添加による降伏せん断応力の急激な低下を抑えることができるため好ましい。軟磁性体の粒子とは、保磁力が１００Ｏｅ〜２００Ｏｅ程度で、磁場が印加されていない状態では磁石とならない粒子である。例えば、アークプラズマ法により形成した鉄粒子は、第２の粒子として適した平均粒子径のものが容易に得られるため好ましい。また、二価の鉄と三価の鉄を含む複合酸化物であるマグネタイトも、第２の粒子として適した平均粒子径のものが容易に得られるため好ましい。

第２の粒子は、平均粒子径が３ｎｍ以上、２００ｎｍ以下であればよいが、入手のし易さの観点から５ｎｍ以上が好ましい。また、流動性を向上させる観点から１００ｎｍ以下が好ましく、５０ｎｍ以下がより好ましく、２０ｎｍ以下がさらに好ましく、１０ｎｍ以下がよりさらに好ましい。例えば、６ｎｍ程度とすることができる。

第２の粒子の第１の粒子と第２の粒子との和に占める割合は、流動性の観点から０．４質量％以上とすればよく、ＭＲ流体と同様の効果を得る観点から３０質量％以下とすればよく、５質量％以下が好ましく、３質量％以下がより好ましく、１質量％以下がさらに好ましく、０．８質量％以下がよりさらに好ましい。例えば、０．５質量％程度とすることができる。

第１の粒子の平均粒子径と第２の粒子の平均粒子径との比は、流動性を向上する観点から大きい方が良く、第１の粒子の平均粒子径を、第２の粒子の平均粒子径の１０倍以上とすることが好ましく、５０倍以上がより好ましく、１００倍以上がさらに好ましく、５００倍以上がよりさらに好ましく、８００倍以上がよりさらに好ましい。第１の粒子の平均粒子径をある程度の範囲に抑える観点からは、２０００倍以下が好ましく、１５００倍以下がより好ましい。

第１の粒子及び第２の粒子の混合体は、分散媒となる気体中に含まれている。分散媒となる気体はどのようなものでもよく、例えば空気、窒素、ヘリウム、及びアルゴン等を用いることができる。コストの点では空気が好ましく、ロータ間の空間に充填する観点からは窒素等の不活性気体が好ましい。

本実施形態のトルク伝達媒体は、分散媒が気体であり、オイル等の粘度が高い媒体を含まないため、磁場を印加していない場合の基底トルクを小さくすることができ、大きなトルク比を得ることができる。また、粒子沈降（落下）が生じにくく、性能が安定しており、応答性がより良く、より広い温度範囲で使用できる。

本実施形態のトルク伝達媒体は、クラッチ及びブレーキ等のトルク伝達機構に用いることができる。例えば、図１に示すようなクラッチに用いることができる。クラッチは、入力軸１０１と、出力軸１０２とを有している。入力軸１０１の出力軸１０２側の端部付近には、複数のディスク１２１が互いに間隔をおいて設けられており、出力軸１０２には、ディスク１２１のそれぞれを収容する収容空間が設けられている。収容空間の両端部には、気密シール１０４が設けられており、シールされた収容空間内にはトルク伝達媒体１０５が封入されている。収容空間の側方にはコイル１０３が設けられており、出力シャフト１０１の収容空間を囲む部分はヨーク１２３となっている。コイル１０３に通電することによりディスク１２１と交差するように磁気回路１３１が形成される。これにより、トルク伝達媒体１０５の磁性粒子が磁束の方向にクラスタを形成し、クラスタを介してディスク１２１から収容空間の壁面へトルクが伝達され、入力軸１０１と出力軸１０２とが連結される。

本実施形態のトルク伝達媒体は、流動性及び分散性に優れているため、回転軸の設置方向は水平方向に限定されない。図１に示すように、回転軸が垂直方向に設置されている構成とすることができる。但し、回転軸を水平方向に設置することもできる。また、回転軸を斜めに設置することもできる。

クラッチ以外にも、ブレーキ等のトルク伝達機構に用いることができる。例えば、図１において外筒が回転しないように固定された構成とすればブレーキとなる。

以下に、実施例を用いてＭＲ流体の特性についてさらに詳細に説明する。

＜第１の粒子＞
第１の粒子には、平均粒子径が６．６μｍのカルボニル鉄粉（Carbonyl Iron Powder CS ＢＡＳＦ社製）を用いた。

＜第２の粒子＞
第２の粒子には、粒径が７ｎｍのシリカ粒子（AEROSIL 300 日本アエロジル社製）を用いた。また、以下のようなアークプラズマ法を用いて形成した平均粒子径が１００ｎｍのＦｅナノ粒子を用いた。なお、平均粒子径はＢＥＴ（Brunauer-Emmett-Teller）法により求めた。

まず、図２に示す装置Ａの容器１３内に、水素及びアルゴンの混合気体を満たして大気圧とした。水素及びアルゴンの分圧はそれぞれ、０．５ａｔｍとした。直流電源１４により、タングステンからなるプラズマトーチ１１（陰極）と、水冷銅ハース１２の上に載置した金属材料２１（陽極）との間に４０Ｖで１５０Ａの電流を供給することにより、アークプラズマ１８を発生させた。金属材料２１として、純鉄（純度９９．９８％：アルドリッチ社製）を用いた。鉄粒子の生成速度は０．８ｇ／ｍｉｎ程度であった。

鉄粒子を生成した後、容器１３及び粒子捕集器１６内をアルゴンを５％含むドライエア（窒素８０％、酸素２０％）雰囲気として、３時間放置した。これにより、鉄粒子の表面に厚さが２ｎｍ〜１０ｎｍ程度の酸化膜が形成された。なお、酸化膜の形成は透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）により観察した。放置時間が３時間を超えても酸化膜の膜厚はほとんど変化しなかった。

酸化膜が形成された鉄粒子を、装置Ａから取り出し、大気中に常温で１時間放置することにより、鉄粒子の表面に水酸基を導入した。水酸基を導入した鉄粒子と、シランカップリング剤とを圧力容器内に入れ、圧力容器を密閉した。シランカップリング剤には、メチルトリメトキシシラン（信越化学工業株式会社：ＫＢＭ−１３）を用いた。シランカップリング剤はビーカー等の開口容器に入れ、鉄粒子とシランカップリング剤とが直接混合されないようにした。シランカップリング剤は、鉄粒子１０ｇに対し０．３８ｇの比率となるようにした。鉄粒子及びシランカップリング剤を入れた圧力容器を８０℃の乾燥炉内に２時間放置し、シランカップリング剤を圧力容器内で気化させた。気化したシランカップリング剤が、鉄粒子表面の水酸基と反応することにより、表面に表面改質層を有する第２の磁性粒子が得られた。

表面改質層を形成した後、第２の磁性粒子をトルエン中に分散させ、ボールミルによる解砕を６時間行った。ボールミルのポッドには容量が１リットルのジルコニアポッドを用い、ボールには直径１ｍｍのジルコニアボールを用いた。

得られた第２の磁性粒子の保磁力は１７５Ｏｅであった。なお、保磁力の測定には、試料振動型磁力計（Vibrating Sample Magnetometer：ＶＳＭ）を用いた。

＜トルク伝達媒体の調製＞
第１の粒子及び第２の粒子を所定の比率で混合することによりトルク伝達媒体を得た。
第１の粒子と第２の粒子は，攪拌機，ボールミルなど様々な分散器を用いることができる．
＜せん断応力の測定＞
得られたトルク伝達媒体のせん断応力を、磁場印加装置（英弘精機製：ＭＲ−１０１Ｎ）を組み込んだ高精度レオメータ（ＨＡＡＫＥ社製：レオストレス６０００）を用いて測定した。平板の間隔は５００μｍとした。

＜表面観察＞
得られたトルク伝達媒体の表面を、走査型電子顕微鏡（日本電子社製：ＪＳＭ−７０００Ｆ）により観察した。

（実施例１）
第２の粒子にシリカを用い、混合比率を、０．４９質量％とした。磁場をかけない場合、０．１３テスラ（Ｔ）、０．３Ｔ、０．５Ｔ及び０．８９Ｔとした場合についてせん断応力を測定した。

（実施例２）
第２の粒子の混合比率を、１質量％とした他は、実施例１と同様にしてせん断応力を測定した。

（実施例３）
第２の粒子の混合比率を、５質量％とした他は、実施例１と同様にしてせん断応力を測定した。

（実施例２）
第２の粒子に鉄粒子を用い、混合比率を、５質量％とした。

（実施例３）
第２の粒子の混合比率を、１０質量％とした他は、実施例１と同様にしてせん断応力を測定した。

（実施例４）
第２の粒子の混合比率を、３０質量％とした他は、実施例１と同様にしてせん断応力を測定した。

（比較例１）
第２の粒子を混合せず、第１の粒子のみを用いて、実施例１と同様にしてせん断応力を測定した。

（比較例２）
第２の粒子の混合比率を、０．２６質量％とした他は、実施例１と同様にしてせん断応力を測定した。

図３に磁場を印加していない場合における、せん断応力と第２の粒子の混合比率との関係を示す。せん断速度は１ｓ^-1とした。第２の粒子を混合していない場合のせん断応力は、２６１Ｐａであるのに対し、第２の粒子の混合比率をを０．２６質量％、０．５質量％、１．０質量％、５．０質量％及び１０質量％と増加させると、せん断応力はそれぞれ、１８８Ｐａ、６５Ｐａ、４０Ｐａ、１８Ｐａ及び２２Ｐａとなり、混合比率が１．０質量％程度までは、せん断応力が急激に低下し、その後ほぼ一定の値となった。

図４に、磁場を０．１３Ｔ、０．３Ｔ、０．５Ｔ及び０．８９Ｔ印加した場合における、せん断応力と第２の粒子の混合比率との関係を示す。せん断速度は１００ｓ^-1とした。第２の粒子の混合比率にかかわらず、印加する磁場を大きくするとせん断応力は大きくなった。しかし、第２の粒子の混合比率が高くなると、磁場を加えた場合のせん断応力の上昇が小さくなった。０．８９Ｔの磁場を加えた場合のせん断応力は、第２の粒子を混合していない場合には５９ｋＰａであるのに対し、０．２６質量％では５６ｋＰａ、０．４９質量％では５１ｋＰａ、１．０質量％では４３ｋＰａ、５質量％では２８ｋＰａ、１０質量％では２１ｋＰａ、３０質量％では１６ｋＰａとなった。

このように、第２の粒子の混合比率が０．４質量％〜３０質量％程度の範囲、中でも０．４質量％〜５質量％程度、特に０．４質量％〜１質量％程度の範囲において、磁場を印加していない場合における流動性を確保すると共に、磁場を印加した場合に大きなせん断応力を確保できた。

図５〜図７は、それぞれ実施例１、実施例２及び比較例１のトルク伝達媒体の電子顕微鏡写真を示す。第２の粒子をシリカ粒子とした場合にも、鉄粒子とした場合にも第１の粒子の表面に第２の粒子が付着している。

本開示のトルク伝達媒体は、流動性が高く、粒子沈降が生じにくく、オイル等の粘度が高く、広い温度範囲での使用を制限する要因となる分散媒を含まないので、トルク伝達媒体として有用である。

１１ プラズマトーチ
１２ 水冷銅ハース
１３ 容器
１４ 直流電源
１５ ガス循環ポンプ
１６ 粒子捕集器
１８ アークプラズマ
２１ 金属材料
１０１ 入力軸
１０２ 出力軸
１０３ コイル
１０４ 気密シール
１０５ トルク伝達媒体
１２１ ディスク
１２３ ヨーク
１３１ 磁気回路

Claims (6)

1. 気体中に含まれる平均粒子径が１μｍ以上、３０μｍ以下の第１の粒子と、
   前記第１の粒子の表面に付着した、平均粒子径が３ｎｍ以上、２００ｎｍ以下の第２の粒子とを備え、
   前記第１の粒子は磁性粒子であり、
   前記第２の粒子は酸化珪素粒子であり、
   前記第２の粒子の前記第１の粒子と前記第２の粒子との和に占める割合は、０．４質量％以上、３０質量％以下である、トルク伝達機構用のトルク伝達媒体。
2. 気体中に含まれる平均粒子径が１μｍ以上、３０μｍ以下の第１の粒子と、
   前記第１の粒子の表面に付着した、平均粒子径が３ｎｍ以上、２００ｎｍ以下の第２の粒子とを備え、
   前記第１の粒子は磁性粒子であり、
   前記第２の粒子は軟磁性体の鉄粒子であり、
   前記第２の粒子の前記第１の粒子と前記第２の粒子との和に占める割合は、０．４質量％以上、３０質量％以下である、トルク伝達機構用のトルク伝達媒体。
3. 前記第１の粒子の平均粒子径は、前記第２の粒子の平均粒子径の１０倍以上、２０００倍以下である、請求項１又は２に記載のトルク伝達媒体。
4. 前記第１の粒子は、カルボニル鉄粉からなる、請求項１〜３のいずれか１項に記載のトルク伝達媒体。
5. 前記気体は、空気である、請求項１〜４のいずれか１項に記載のトルク伝達媒体。
6. 相対回転可能な第１の部材及び第２の部材と、
   前記第１の部材と前記第２の部材との間に充填されたトルク伝達媒体と、
   前記トルク伝達媒体に磁場を加える磁場発生部とを備え、
   前記トルク伝達媒体は、請求項１〜５のいずれか１項に記載のトルク伝達媒体である、クラッチ。