JP6912353B2 - 回転制動装置 - Google Patents

Description

本発明は、磁気粘性流体を用いた回転制動装置に関し、特に、回転速度に応じて制動力を変化させる回転制動装置に関する。

この種の回転制動装置は、例えば特許文献１に開示されている。同文献に開示された回転制動装置は、回転軸とともに回転する磁性体からなる可動部材を備えている。この可動部材は、半径方向にスライド可能とされ、スプリングによって回転中心側に付勢されている。可動部材は、回転軸の回転速度が低速のとき、スプリングの付勢力によって回転中心側に位置し、回転軸の回転速度が高速のとき、遠心力によって遠心側に位置する。可動部材が遠心側に位置すると、磁気粘性流体に磁場を印加する磁路が形成され、回転軸に制動力が働く。一方、可動部材が回転中心側に位置すると、上記の磁路は形成されず、回転軸に制動力は働かない。

特開２０１３−２０４６５５号公報

特許文献１の回転制動装置では、可動部材が回転中心側に位置しても、当該可動部材と永久磁石との距離を十分に確保することが構造的に難しく、永久磁石から可動部材を介して漏れた磁束が磁気粘性流体に作用し、回転軸の基底トルクを増加させてしまうおそれがある。なお、基底トルクは、回転軸を回転させるために必要な最低トルクであり、一般的に、その値はゼロに近いことが望まれる。

また、特許文献１の回転制動装置では、永久磁石の近くに可動部材が来ると、可動部材に遠心力のほか、永久磁石の吸引力が可動部材を遠心方向へ移動させる力として作用する。このため、低速回転から高速回転へ回転速度が上昇するときには、可動部材が特定の回転速度で突然位置を遠心側に急変させ、高速回転から低速回転へ回転速度が下降するときには、当初、可動部材が回転中心側になかなか移動せず、特定の回転速度まで回転速度が下降すると、突然位置を回転中心側に急変させる。このように、特許文献１の回転制動装置では、回転速度に応じてスムーズに可動部材が移動せず、故に、回転速度に応じてスムーズに制動力を変化させることが難しい。

本発明は、上述の課題を解決するために創案されたものであり、回転遠心力により磁性体を移動させ、回転速度に応じて制動力を変化させる回転制動装置において、磁石から磁束が漏れて磁気粘性流体に作用して基底トルクが大きくなってしまうことを防止できる回転制動装置を提供することを第１の目的とする。

また、本発明は、回転遠心力により磁性体を移動させ、回転速度に応じて制動力を変化させる回転制動装置において、従来よりも、回転速度に応じてスムーズに制動力を変化させることのできる回転制動装置を提供することを第２の目的とする。

本発明に係る回転制動装置は、軸線回りに回転する回転軸と、前記回転軸とともに前記軸線回りに回転する第１トルク伝達部材と、前記第１トルク伝達部材に対して相対回転可能に設けられた第２トルク伝達部材と、前記第１トルク伝達部材と前記第２トルク伝達部材との隙間に介在する磁気粘性流体と、前記隙間に介在する磁気粘性流体を貫通する磁場を発生する磁場発生手段と、を備えるものを前提とし、前記磁場発生手段は、磁石と、可動ヨークと、付勢手段と、第１〜第３のヨークと、を含む。前記可動ヨークは、前記回転軸とともに前記軸線回りに回転し、前記軸線を中心とした半径方向に所定範囲でスライド可能に設けられている。前記付勢手段は、前記可動ヨークを前記軸線側に付勢する。前記第１のヨークは、一端部が前記磁石の片方の磁極に接続され、他端部が前記磁気粘性流体および第１トルク伝達部材の軸線方向一方に配置されている。前記第２のヨークは、一端部が前記磁気粘性流体および第１トルク伝達部材の軸線方向他方に配置され、他端部が前記可動ヨークを介して前記磁石のもう片方の磁極に磁気的に接続可能に配置されている。前記第３のヨークは、一端部が前記磁石の前記片方の磁極に接続され、他端部が前記可動ヨークを介して前記磁石の前記もう片方の磁極に磁気的に接続可能に配置されている。前記可動ヨークは、前記回転軸の回転速度が所定の第１回転速度以上になると、前記第２のヨークの他端部と前記磁石の前記もう片方の磁極とを磁気的に接続する「制動位置」に配され、前記回転軸の回転速度が所定の第２回転速度以下になると、前記第３のヨークの他端部と前記磁石の前記もう片方の磁極とを磁気的に接続する「非制動位置」に配される。

かかる構成を備える回転制動装置によれば、可動ヨークが「非制動位置」に配されているときに、磁気粘性流体を回避した別の磁路が形成されることから、磁石から磁気粘性流体側に磁束が漏れ難くなり、従来よりも基底トルクを小さくすることができる。

前記構成を備える回転制動装置において、前記可動ヨークは、前記制動位置と前記非制動位置との中間位置に配されたとき、前記第２のヨークの他端部と前記磁石の前記もう片方の磁極とを磁気的に接続するとともに、前記第３のヨークの他端部と前記磁石の前記もう片方の磁極とを磁気的に接続するように、その形状および大きさが設定されたものである、ことが望ましい。

かかる構成を備える回転制動装置によれば、可動ヨークが「制動位置」と「非制動位置」との間で移動する際に、可動ヨークに作用する磁石の吸引力が半径方向にバランスし易くなるため、可動ヨークが突然回転中心側又は遠心側に位置を急変させにくくなる。その結果、従来よりも、回転速度に応じてスムーズに制動力を変化させることができる。

前記構成を備える回転制動装置において、前記第１のヨークの他端部および前記第２ヨークの一端部が、前記第２トルク伝達部材の構成部材でもある、ものとしてもよい。

本発明の実施の形態に係る回転制動装置の一例を示した断面図であって、可動ヨークが「制動位置」にある状態を示す図である。なお、本図では、軸線の向こう側に存在する可動ヨークの図示を省略している。 本発明の実施の形態に係る回転制動装置の一例を示した断面図であって、可動ヨークが「非制動位置」にある状態を示す図である。なお、本図でも、軸線の向こう側に存在する可動ヨークの図示を省略している。 図１のＡ矢視図であって、可動ヨークおよび可動ヨークの動作に関わる部材のみを示す図である。 図２のＢ矢視図であって、可動ヨークおよび可動ヨークの動作に関わる部材のみを示す図である。 本発明の実施の形態に係る回転制動装置の一例を示した断面図であって、可動ヨークが「制動位置」と「非制動位置」の中間位置にある状態を示す図である。なお、本図でも、軸線の向こう側に存在する可動ヨークの図示を省略している。

以下、本発明の実施の形態に係る回転制動装置について図面を参照しながら説明する。図１に示すように、回転制動装置１は、回転軸２、第１トルク伝達部材（ロータ３）、第２トルク伝達部材（ロータハウジング４）、磁気粘性流体６、磁場発生手段７などを備えている。

回転軸２は、軸線１０回りに回転自在に支持されている。この回転軸２は、ロータハブ８および軸受９を介してロータハウジング４の軸穴１２に回転自在に支持されている。なお、回転軸２は非磁性体で構成されていることが望ましい。

第１トルク伝達部材は、回転軸２に対して相対回転不能に設けられており、回転軸２とともに軸線１０回りに回転する。本実施形態では、第１トルク伝達部材は、円板状のロータ３であり、ロータ３は回転軸２に固定されたロータハブ８の外周に形成されている。ロータ３は、第１半径Ｒ１〜第２半径Ｒ２の範囲にある部分が、磁性体で構成され、それ以外の部分が非磁性体で構成されている。なお、ロータハブ８は非磁性体で構成されていることが望ましい。

第２トルク伝達部材は、回転軸２およびロータ３に対して軸線１０回りに相対回転可能に設けられている。本実施形態では、第２トルク伝達部材は、ロータハウジング４である。ロータハウジング４は、ロータ３の両面３ａ，３ｂおよび外周面を覆っており、ロータ３の両面３ａ，３ｂにそれぞれ所定の隙間を介して対向する対向面４ａ，４ｂを有する。この対向面４ａ，４ｂは、ロータ３の両面３ａ，３ｂと同様に軸線１０に直交した平坦面となっている。

ロータハウジング４は、その対向面４ａ，４ｂを含む壁体のうち、第１半径Ｒ１〜第２半径Ｒ２の範囲にある部分４ｃ，４ｄが磁性体で構成されており、それ以外の部分が非磁性体で構成されている。

磁気粘性流体６は、ロータ３とロータハウジング４との隙間Ｓに介在し、これら３，４の間で粘度に応じたトルク伝達を行う。図面では、灰色に塗り潰した領域が磁気粘性流体６の封入領域を示している。

なお、磁気粘性流体６は、磁性粒子を分散媒に分散させてなる液体であり、特にその磁性粒子がナノサイズの金属粒子（金属ナノ粒子）からなるものが使用できる。磁性粒子は磁化可能な金属材料からなり、金属材料に特に制限はないが軟磁性材料が好ましい。軟磁性材料としては、例えば鉄、コバルト、ニッケル及びパーマロイ等の合金が挙げられる。分散媒は、特に限定されるものではないが、一例として疎水性のシリコーンオイルを挙げることができる。磁気粘性流体における磁性粒子の配合量は、例えば３〜４０ｖｏｌ％とすればよい。磁気粘性流体にはまた、所望の各種特性を得るために、各種の添加剤を添加することも可能である。

磁場発生手段７は、隙間Ｓに介在する磁気粘性体６を軸線１０方向に貫通する磁場を発生させることができる。この磁場発生手段７は、磁石１３、可動ヨーク１４、付勢手段１５、第１のヨーク１６、第２のヨーク１７、第３のヨーク１８等で構成される。

磁石１３として、本実施形態では、永久磁石を使用している。図１に示す磁石１３は、軸線１０を中心に配置された円環状の永久磁石であり、ロータハウジング４から軸線１０方向に一定の距離をおいて配置されている。磁石１３の外径側には、非磁性体からなる磁石サポート部材１９が磁石１３と一体に形成されている。なお、図１に示す例では、磁石１３として円環状の永久磁石を２個組み合わせて使用しているが、これに代えて１個の円環状の永久磁石または３個以上を組み合わせた円環状の永久磁石を磁石１３として使用してもよい。また、謂うまでもないが、磁石１３の磁極ＳＮは図示する方向と逆にしてもよい。

可動ヨーク１４は、回転軸２とともに軸線１０回りに回転し、軸線１０を中心とした半径方向に所定範囲でスライド可能に設けられている。すなわち、可動ヨーク１４は、回転軸２とともに軸線１０回りに回転すると、遠心力によって後述する付勢手段１５の付勢力に抗して半径方向外側にスライドする。回転軸２の回転速度が所定の回転速度（以下「第１回転速度」ともいう。）以上では、図１および図３に示すように、可動ヨーク１４は、後述する第２のヨーク１７の他端部１７ｂと磁石１３の磁極Ｎとを磁気的に接続する位置（以下「制動位置」という。）に配される。一方、回転軸２の回転速度が所定の回転速度（以下「第２回転速度」ともいう。）以下では、図２および図４に示すように、可動ヨーク１４は、付勢手段１５の付勢力により、後述する第３のヨーク１８の他端部１８ｂと磁石１３の磁極Ｎとを磁気的に接続する位置（以下「非制動位置」ともいう。）に配される。なお、上記「第１の回転速度」は、上記「第２の回転速度」よりも高速である。

可動ヨーク１４は、例えば図３および図４に示すように、軸線１０（図１参照）を中心とする円周方向に均等に配設された４つの部材で構成することができる。各可動ヨーク１４には、回転軸２（図１参照）に形成されたフランジ部２ａの外周から半径方向外側に延びたガイド棒２１がスライド自在に貫通されている。このガイド棒２１を介して回転軸２の回転力が可動ヨーク１４に伝達され、可動ヨーク１４は回転軸２とともに回転する。ガイド棒２１は、図１に示すように、回転軸２のフランジ部２ａにビス２２にて固定され、ガイド棒２１の基部およびビス２２は、カバー２３で覆われている。なお、ガイド棒２１の横断面形状および可動ヨーク１４のガイド棒２１を挿通する孔の断面形状は円形でもよいが、可動ヨーク１４がガイド棒２１の周囲で回転しないように、円形以外の形状、例えば、多角形、スプライン形状等の断面形状にすることが望ましい。

可動ヨーク１４は、「制動位置」と「非制動位置」との中間位置に配されたとき、後述する第２のヨーク１７の他端部１７ｂと磁石１３の磁極Ｎとを磁気的に接続するとともに、後述する第３のヨーク１８の他端部１８ｂと磁石１３の磁極Ｎとを磁気的に接続するように、その形状および大きさが設定されている。具体的には、図５に示すように、可動ヨーク１４は、上記「中間位置」に配されると、片方で、第２のヨーク１７の内径側の部分と近接対向しながら、もう片方で、第３のヨーク１８と、磁石１３に隣接した磁性体からなる円環状部材３３との双方に近接対向する。

付勢手段１５は、可動ヨーク１４を軸線１０側に付勢する。本実施形態では、付勢手段１５は、コイルスプリング２４、ナット２６等で構成されている。コイルスプリング２４は、可動ヨーク１４を半径方向外側から押圧するように、ガイド棒２１に装着されており、当該コイルスプリング２４の外側端部は、ガイド棒２１に螺着されたナット２６に抑えられている。

第１のヨーク１６は、一端部１６ａが磁石１３の磁極Ｓに接続され、他端部１６ｂが隙間Ｓに介在する磁気粘性流体６およびロータ３の軸線方向一方（図１および図２では左側）に配置されている。図１に示す例では、第１のヨーク１６は、本装置１の他の構成部材よりも半径方向外側を経由し、両端部１６ａ，１６ｂで、ロータ３、磁気粘性流体６、「制動位置」にある可動ヨーク１４、磁石１３等を間に挟むように形成されている。また、図１に示す例では、第１のヨーク１６は、磁石１３の磁極Ｓに隣接して設けられた磁性体からなる円環部材２７と、磁性体からなる円環板２８の半径Ｒ１より遠心側の部分２８ａと、円環板２８を一端に嵌入した磁性体からなる円筒部材２９と、円筒部材２９の他端に嵌入された磁性体からなる円環板３０と、前記したロータハウジング４の片側（図１では左側）の磁性体部分４ｃとで構成されている。なお、第１のヨーク１６の他端部１６ｂは、ロータハウジング４の片側（図１では左側）の磁性体部分４ｃを構成している。

第２のヨーク１７は、一端部１７ａが隙間Ｓに介在する磁気粘性流体６の軸線方向他方（図１では右側）に配置され、他端部１７ｂが磁石１３の磁極Ｎに可動ヨーク１４を介して磁気的に接続可能に配置されている。本実施形態では、第２のヨーク１７は、前記したロータハウジング４の片側（図１では右側）の磁性体部分４ｄと、この磁性体部分４ｄに隣接して設けられた磁性体からなる円環状部材３２とで構成されている。可動ヨーク１４が「制動位置」にあるとき、当該可動ヨーク１４と、磁石１３の磁極Ｎに隣接して設けられた磁性体からなる円環状部材３３とを介して、他端部１７ｂが、磁石１３の磁極Ｎに磁気的に接続される。なお、第２のヨーク１７の一端部１７ａは、ロータハウジング４の片側（図１では右側）の磁性体部分４ｄを構成している。

第３のヨーク１８は、一端部１８ａが磁石１３の磁極Ｓに接続され、他端部１８ｂが磁石１３の磁極Ｎに可動ヨーク１４を介して磁気的に接続可能に配置されている。本実施形態では、第３のヨーク１８は、磁石１３の磁極Ｓに隣接して設けられた磁性体からなる円環部材２７と、前記円環板２８の半径Ｒ２より軸線１０側の部分２８ｂと、円環板２８の開口縁部から軸線方向ロータ３側に延出した小円筒部２８ｃとで構成されている。なお、円環部材２７は、第３のヨーク１８の一端部１８ａを形成するとともに、第１のヨーク１６の一端部１６ａをも形成している。可動ヨーク１４が「非制動位置」にあるとき、当該可動ヨーク１４と、円環状部材３３とを介して、他端部１８ｂが、磁石１３の磁極Ｎに磁気的に接続される。なお、小円筒部２８ｃの外径は、磁石１３の内径より小径であり、小円筒部２８と磁石１３との間に一定の空間が形成されている。

以上の構成を備える回転制動装置１を使用する場合、例えば、回転軸１を回転制動対象物と回転一体に連結し、ロータハウジング４又はロータハウジング４に対して固定された部分（例えば円筒部材２９等）を回転しない物または場所に固定する。

この状態で、回転制動対象物および回転軸１の回転速度が「第１回転速度」以上になると、図１および図３に示すように、可動ヨーク１４が「制動位置」に配される。その結果、第１のヨーク１６、第２のヨーク１７、可動ヨーク１４等によってロータ３（第１トルク伝達部材）とロータハウジング４（第２トルク伝達部材）との隙間Ｓに介在する磁気粘性流体６を貫通する磁場（磁路）が形成され、ロータ３とロータハウジング４との間で伝達されるトルクが大きくなって、回転制動対象物に対して制動力が働く。

回転制動対象物および回転軸１の回転速度が「第２回転速度」以下のときは、図２および図４に示すように、可動ヨーク１４が「非制動位置」に配される。その結果、第３のヨーク１８、可動ヨーク１４等によって磁路が形成される一方で、ロータ３（第１トルク伝達部材）とロータハウジング４（第２トルク伝達部材）との隙間Ｓに介在する磁気粘性流体６を貫通する磁路は形成されない。このため、ロータ３とロータハウジング４との間で伝達されるトルクが最小値（基底トルク）になって、回転制動対象物に対する制動力はゼロ又は殆どゼロとなる。特に、可動ヨーク１４が「非制動位置」にあるときに、磁気粘性流体６を回避した別の磁路が形成されることから、磁石１３から磁気粘性流体６側に磁束が漏れ難くなり、従来よりも基底トルクを小さくすることができる。

また、回転制動対象物および回転軸１の回転速度が「第１回転速度」と「第２回転速度」の間の回転速度であるとき、可動ヨーク１４が「制動位置」と「非制動位置」との中間位置に配される。このとき、図５に示すように、第２のヨーク１７の他端部１７ｂと磁石１３の磁極Ｎとを磁気的に接続するとともに、第３のヨーク１８の他端部１８ｂと磁石１３の磁極Ｎとを磁気的に接続する。このとき、回転制動対象物および回転軸１の回転速度が「第１回転速度」であるときよりも弱い制動力が回転制動対象物に対して働く。

また、可動ヨーク１４が「制動位置」と「非制動位置」との間で移動する際には、可動ヨーク１４に作用する磁石１３の吸引力が半径方向にバランスし易くなるため、可動ヨーク１４が突然回転中心側又は遠心側に位置を急変させにくくなる。その結果、従来よりも、回転速度に応じてスムーズに制動力を変化させることが可能となる。

本発明は、例えば、回転速度に応じた制動力を回転制動対象に付与する回転制動装置に適用することができる。

１ 回転制動装置
２ 回転軸
３ ロータ（第１トルク伝達部材）
４ ロータハウジング（第２トルク伝達部材）
４ｃ ロータハウジングの磁性体部分（第１のヨークの他端部）
４ｄ ロータハウジングの磁性体部分（第２のヨークの一端部）
６ 磁気粘性流体
７ 磁場発生手段
１０ 軸線
１３ 磁石
１４ 可動ヨーク
１５ 付勢手段
１６ 第１のヨーク
１６ａ 第１のヨークの一端部
１６ｂ 第１のヨークの他端部
１７ 第２のヨーク
１７ａ 第２のヨークの一端部
１７ｂ 第２のヨークの他端部
１８ 第３のヨーク
１８ａ 第３のヨークの一端部
１８ｂ 第３のヨークの他端部
Ｓ ロータとロータハウジングの隙間（第１トルク伝達部材と第２トルク伝達部材の隙間）

Claims (3)

1. 軸線回りに回転する回転軸と、
   前記回転軸とともに前記軸線回りに回転する第１トルク伝達部材と、
   前記第１トルク伝達部材に対して相対回転可能に設けられた第２トルク伝達部材と、
   前記第１トルク伝達部材と前記第２トルク伝達部材との隙間に介在する磁気粘性流体と、
   前記隙間に介在する磁気粘性流体を貫通する磁場を発生する磁場発生手段と、
   を備える回転制動装置において、
   前記磁場発生手段は、
   磁石と、
   前記回転軸とともに前記軸線回りに回転し、前記軸線を中心とした半径方向に所定範囲でスライド可能に設けられた可動ヨークと、
   前記可動ヨークを前記軸線側に付勢する付勢手段と、
   一端部が前記磁石の片方の磁極に接続され、他端部が前記磁気粘性流体および第１トルク伝達部材の軸線方向一方に配置された第１のヨークと、
   一端部が前記磁気粘性流体および第１トルク伝達部材の軸線方向他方に配置され、他端部が前記可動ヨークを介して前記磁石のもう片方の磁極に磁気的に接続可能に配置された第２のヨークと、
   一端部が前記磁石の前記片方の磁極に接続され、他端部が前記可動ヨークを介して前記磁石の前記もう片方の磁極に磁気的に接続可能に配置された第３のヨークと、
   を含み、
   前記可動ヨークは、前記回転軸の回転速度が所定の第１回転速度以上になると、前記第２のヨークの他端部と前記磁石の前記もう片方の磁極とを磁気的に接続する制動位置に配され、前記回転軸の回転速度が所定の第２回転速度以下になると、前記第３のヨークの他端部と前記磁石の前記もう片方の磁極とを磁気的に接続する非制動位置に配される、
   ことを特徴とする回転制動装置。
2. 請求項１に記載の回転制動装置において、
   前記可動ヨークは、
   前記制動位置と前記非制動位置との中間位置に配されたとき、前記第２のヨークの他端部と前記磁石の前記もう片方の磁極とを磁気的に接続するとともに、前記第３のヨークの他端部と前記磁石の前記もう片方の磁極とを磁気的に接続するように、その形状および大きさが設定されたものである、
   ことを特徴とする回転制動装置。
3. 請求項１又は２に記載の回転制動装置において、
   前記第１のヨークの他端部および前記第２ヨークの一端部は、前記第２トルク伝達部材の構成部材でもある、
   ことを特徴とする回転制動装置。
   
   
   

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