JP7096019B2

JP7096019B2 - 回転制動装置

Info

Publication number: JP7096019B2
Application number: JP2018046478A
Authority: JP
Inventors: 修一赤岩; 淳田中; 宏松田
Original assignee: Kurimoto Ltd; Lixil Corp
Current assignee: Kurimoto Ltd; Lixil Corp
Priority date: 2018-03-14
Filing date: 2018-03-14
Publication date: 2022-07-05
Anticipated expiration: 2038-03-14
Also published as: JP2019158027A

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発生す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、回転軸に制動力が殆ど働かない。

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てしまう。このことから、特許文献１の回転制動装置では、回転軸の基底トルクをゼロないしゼロ近傍にすることが難しい。なお、基底トルクは、回転軸等の回転部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。

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、遠心力によって磁性体を移動させ、回転速度が低いときよりも高いときに制動力を発生する回転制動装置において、従来のものよりも基底トルクを小さくすることのできる回転制動装置を提供することを主な目的とする。

本発明の一態様に係る回転制動装置は、軸線回りに回転するロータと、前記ロータに、前記軸線と略平行な回動軸線回りに回動自在に支持された回動部材と、前記軸線回りに回転自在に設けられ、かつ、前記回動部材より遠心側に設けられた第１筒部材と、前記軸線回りに前第１筒部材より遠心側に当該第１筒部材との間に隙間を介して設けられた非回転の第２筒部材と、前記第１筒部材と前記第２筒部材との前記隙間に充填された磁気粘性流体と、前記回動部材を付勢する付勢部材と、磁石と、を備える。前記回動部材は、遠心力によって遠心側に回動するように、前記ロータに支持されている。前記付勢部材は、前記回動部材を前記軸線側に回動させるように付勢している。前記回動部材が所定量以上遠心側に回動したとき、前記回動部材が前記第１筒部材と係合して一体回転するように、前記回動部材および前記第１筒部材に、それぞれ係合部および被係合部が形成されている。前記ロータ、前記回動部材、前記第１筒部材および前記第２筒部材は、それぞれ磁性体を用いて構成されている。前記回動部材が前記第１筒部材と係合するとき、前記磁石の一方の磁極から、少なくとも前記ロータ、前記回動部材、前記第１筒部材、前記磁気粘性流体および前記第２筒部材を経由して、前記磁石の他方の磁極に至るまで磁路が形成されるように構成されている。

かかる構成を備える回転制動装置によれば、ロータに制動対象物から回転力が伝達されるようにして使用することで、制動対象物に対して、回転速度がある程度高いときに制動力を与えることができる。そして、制動対象物の回転速度が比較的低いときは、第１筒部材と回動部材が係合しないことから、第１筒部材が磁気粘性流体から受ける回転抵抗がロータおよび制動対象物に伝達されることがない。すなわち、第１筒部材が磁気粘性流体から受ける回転抵抗が基底トルクを形成しないことから、従来の回転制動装置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、前記軸線回りに回転する回転軸を更に備え、前記ロータは、前記軸線方向に間隔をおいて前記回転軸に２個固設されており、前記回動部材は、前記２個のロータの間に設けられており、前記磁石は、前記ロータの前記回動部材と反対側において前記回転軸の周囲に設けられた永久磁石からなり、前記第２筒部材の端部は、前記第１筒部材の端部より軸線方向に延出しており、前記第２筒部材の前記延出した部分の内側から、前記第１筒部材と前記磁石の間に亘って非磁性体を用いて構成されたインナー部材が設けられており、前記第２筒部材の端部から前記インナー部材の端部を覆いつつ前記磁石の他方の磁極に至るまで、磁性体を用いて構成された磁路ガイド部材が設けられている、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、装置全体の小型化が図られる。

前記構成を備える回転制動装置において、前記回転軸は、第１軸受を介して前記磁路ガイド部材に支持されており、前記第１筒部材は、第２軸受を介して前記インナー部材に支持されている、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、更に装置全体の小型化が図られる。

前記構成を備える回転制動装置において、前記係合部および前記被係合部は、互いに噛み合うギアで構成されている、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、簡易な構造で信頼性の高い係合動作を確保することができる。

前記構成を備える回転制動装置において、前記回動部材は、偶数個設けられており、前記付勢部材は、各２つの回動部材の間に連結されている、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、２つの回動部材を付勢する付勢部材を１つの付勢部材で済ませることができる。

本発明に係る回転制動装置によれば、従来のものよりも基底トルクを小さくすることができる。

本実施形態に係る回転制動装置の一例を示す断面図である。図１のＡ－Ａ断面図であって、回動部材と第１筒部材とが係合していない状態を示す図である。図２において全ての回動部材と第１筒部材とが係合した状態を示す図である。図２において４つの回動部材のうち２つの回動部材と第１筒部材とが係合した状態を示す図である。図２において４つの回動部材のうち他の２つの回動部材と第１筒部材とが係合した状態を示す図である。

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、ロータ３、回動部材４、第１筒部材５、第２筒部材６、磁気粘性流体７、磁石８、インナー部材９、磁路ガイド部材１０等を備えている。

回転軸２は、図示しない制動対象物と連結され、制動対象物から回転力が入力されると軸線１２回りに回転する。この回転軸２は、軸受１３を介して後述する磁路ガイド部材１０に形成された軸穴１４に支持されている。回転制動装置１では、回転軸２とともに、ロータ３、回動部材４、磁石８等が軸線１２回りに回転する。なお、回転軸２は、後述する磁路の形成を阻害しないように、非磁性体を用いて構成されている。

ロータ３は、回転軸２と一体回転するように回転軸２に固定されている。本実施形態では、２個のロータ３が互いに軸線１２方向に間隔をおいて配設され、ホーローセット１６を用いて回転軸２に固定されている。図１に例示するロータ３は軸線１２方向から視て円環状に形成されている。なお、ロータ３は、後述する磁路を形成することができるように、磁性体を用いて構成されている。

回動部材４は、軸線１２と略平行な回動軸線１７回りに回動するように、その基部がロータ３に支持されている。回動部材４は、例えば図１に示すように、２個のロータ３間に架設されたピン１８を介して両ロータ３に支持されている。ロータ３が軸線１２回りに回転すると、回動部材４には、遠心力が作用し、その遠心力が回動部材４を回動させる力となる。そして、ロータ３の回転速度が一定速度以上になると、図３に示すように、回動部材４は、付勢部材１９の付勢力に抗して遠心側に回動する。一方、ロータ３の回転速度が一定速度未満のときは、回動部材４に働く遠心力がゼロ又は比較的小さな値となり、図２に示すように、回動部材４は、付勢部材１９によって軸線１２側に付勢され、回転軸２に当接する。なお、回動部材４は、後述する磁路を形成することができるように、磁性体を用いて構成されている。ピン１８は非磁性体で構成されていることが望ましい。

回動部材４には第１筒部材５の内側に形成された被係合部５ａと係合する係合部４ｂが形成されている。本実施形態では、係合部４ｂおよび被係合部５ａとしてギアが採用されている。

本実施形態では、回動部材４は、２個のロータ３間に４個設けられており、引張コイルばねからなる付勢部材１９が、各２個の回動部材４の間にそれぞれ連結されている。ロータ３の回転速度が一定速度未満のときは、図２に示すように、第１の回動部材４Ａの先端部と第２の回動部材４Ｂの先端部とが対向し、第３の回動部材４Ｃの先端部と第４の回動部材４Ｄの先端部とが対向している。ロータ３の回転速度が一定速度以上になると、各回動部材４Ａ～４Ｄは、遠心力によって付勢部材１９の付勢力に抗して遠心側に回動し、それぞれ係合部４ｂを第１筒部材５の被係合部５ａに係合させる。このとき、第１の回動部材４Ａの先端部と第２の回動部材４Ｂの先端部とが離反し、第３の回動部材４Ｃの先端部と第４の回動部材４Ｄの先端部とが離反するように回動する。

第１筒部材５は、回動部材４およびロータ３より遠心側に設けられており、軸線１２回りに回転自在に支持されている。本実施形態では、図２に示すように、第１筒部材５として、円筒体の内側に被係合部５ａとしてのギアを形成したものが採用されている。また、図１に示すように、第１筒部材５は、軸受２１を介して、後述するインナー部材９に支持されている。なお、第１筒部材５は、後述する磁路を形成することができるように、磁性体を用いて構成されている。

第２筒部材６は、図１に示すように、第１筒部材５より遠心側に隙間Ｓを介して設けられている。第２筒部材６の両端部は、第１筒部材５の両端部よりも軸線１２方向外側に延出している（以下延出した部分を「延出部６ａ」ともいう。）。なお、第２筒部材６は、後述する磁路を形成することができるように、磁性体を用いて構成されている。

磁気粘性流体７は、第１筒部材５と第２筒部材６との隙間Ｓに充填されている。磁気粘性流体７は、第１筒部材５と前記第２筒部材６との間で粘度に応じたトルク伝達を行う。図１に示す例では、灰色に塗り潰した領域が磁気粘性流体７の封入領域を示しており、磁気粘性流体７が第１筒部材５の内側に漏出しないように、第１筒部材５の両端部と後述するインナー部材９の両端部との隙間をシール材１１によって封止している。

なお、磁気粘性流体７は、磁性粒子を分散媒に分散させてなる液体であり、例えば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。

磁石８は、２個のロータ３の回動部材４と反対側に設けられている。本実施形態では、磁石８として円筒状の永久磁石が用いられ、当該磁石８は、回転軸２に固定されている。また、２個の磁石８の間で磁気粘性流体７を迂回してダイレクトに磁路が形成されてしまうことを防止するために、２個の磁石８は、同じ磁極（図１に示す例ではＮ極同士）を対向させている。

インナー部材９は、第２筒部材６の延出部６ａの内側から第１筒部材５と磁石８との間に亘って設けられている。インナー部材９は、外周部にシール材１１用の溝と、軸受２１のハウジングを形成しており、軸受２１を介して第１筒部材５を支持している。なお、インナー部材９は、後述する磁路の形成を阻害しないように、非磁性体を用いて構成されている。

磁路ガイド部材１０は、第２筒部材６の端部から、インナー部材９のロータ３と反対側の端部を覆いつつ、磁石８の他方の磁極２３に至るまで設けられている。磁路ガイド部材１０は、磁性体を用いて構成されており、第２筒部材６の端部と磁石８の他方の磁極２３との間を磁気的に接続する。図１に示す例では、磁路ガイド部材１０は、第２筒部材６およびインナー部材１１の端部に固定された環状の部材１０Ａと、部材１０Ａと磁石８の他方の磁極２３との間に配置され、インナー部材１１に嵌め込まれた略筒状の部材１０Ｂとで構成されている。

次に上記構成を備える回転制動装置１の使用形態の一例および動作について説明する。

先ず、回転制動したい制動対象物と回転軸１を回転一体に連結し、第２筒部材６、磁路ガイド部材１０等の非回転部を、回転しない物又は場所に固定する。

制動対象物が停止した状態又は低速で回転している状態では、回転軸２およびロータ３も停止又は低速で回転している状態にあるので、回動部材４に働く遠心力はゼロないし比較的小さな力となる。この状態では、回動部材４は、付勢部材１９の付勢力によって第１筒部材５から離れている。このため、第１筒部材５が磁気粘性流体７から受ける回転抵抗がロータ３および回転軸２を介して制動対象物に伝達されることはなく、制動対象物が低速回転していても、制動対象物に伝達される、回転制動装置１の基底トルクは殆どゼロ（つまり、殆ど軸受１３の摺動抵抗のみ）となる。

この状態から制動対象物が回転速度を上昇させると、制動対象物に連結された回転軸２とともに、ロータ３および回動部材４も回転速度を上昇させる。そして、制動対象物の回転速度がある程度まで上昇すると、回動部材４は、遠心力によって付勢部材１９の付勢力に抗して遠心側に回動し始める。更に制動対象物の回転速度が上昇し、一定速度以上になると、図３に示すように、回動部材４が更に遠心側に回動して、回動部材４の係合部４ｂが第１筒部材５の被係合部５ａと噛み合って係合する。

回動部材４の係合部４ｂが第１筒部材５の被係合部５ａと係合した状態、および、係合部４ｂが被係合部５ａにある程度の距離まで近づいて係合する直前の状態では、図１に示すように、矢印Ｐが示す方向に沿って、磁石８の一方の磁極２２から、ロータ３、回動部材４、第１筒部材５、磁気粘性流体７、第２筒部材６、磁路ガイド部材１０を経由して磁石８の他方の磁極２３に至るまで磁路が形成される。これにより、磁気粘性流体７に磁場が印加され、磁気粘性流体７はクラスターを形成してずり応力を発現する。なお、矢印Ｐは、軸線１２より上側のみに記載しており、軸線１２より下側に記載すべき矢印Ｐは、図示を省略している。

また、回動部材４の係合部４ｂが第１筒部材５の被係合部５ａと係合すると、第１筒部材５が回転軸２およびロータ３と機械的に結合され、第１筒部材５に制動対象物の回転力が伝達して、第１筒部材５が回転し始める。そうすると、第１筒部材５は、回転しない物又は場所に固定された第２筒部材４から磁気粘性流体７を介して制動力としての回転抵抗を受ける。第１筒部材５が受ける回転抵抗は、回動部材４、ロータ３、回転軸２を経由して制動対象物に伝達され、これにより制動対象物の回転が制動される。

以上の説明から明らかなように、本実施形態に係る回転制動装置１によれば、制動対象物の回転速度が比較的低いときは、第１筒部材５と回動部材４が係合しないことから、第１筒部材５が磁気粘性流体７から受ける回転抵抗が制動対象物に伝達されることが全くない。すなわち、第１筒部材５が磁気粘性流体７から受ける回転抵抗が基底トルクを形成しないため、回転制動装置１の基底トルクは、殆ど軸受１３の摺動抵抗のみの極めて小さな値となる。よって、本実施形態に係る回転制動装置１によれば、従来の回転制動装置よりも基底トルクを格段に小さくすることができる。

また、本実施形態に係る回転制動装置１によれば、遠心力で移動する部材としてを回動部材４を採用したこと、第１筒部材５および第２筒部材６として比較的薄い部材を使用できること、および、磁気粘性流体７の層の厚さが薄いことから、容易に装置全体の小型化、特に外径サイズの小型化、を図ることができる。

なお、既述した実施形態では、ロータ３および回動部材４の回転速度が一定速度以上になると、回動部材４が回動して、その係合部４ｂが第１筒部材５の被係合部５ａと噛み合うようになることを図３に基づいて説明したが、実際には、４つの回動部材４のうちの一部の回動部材４の係合部４ｂのみが第１筒部材５の被係合部５ａと噛み合って係合することもある。例えば、図４又は図５に示すように、４つの回動部材４のうちの２つの回動部材４の係合部４ｂのみが第１筒部材５の被係合部５ａと噛み合って係合することもある。

本発明は、例えば、ある程度回転速度が速いときに限り制動力を発生する回転制動装置に好適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
４回動部材
４ｂ係合部
５第１筒部材
５ａ被係合部
６第２筒部材
６ａ延出部
７磁気粘性流体
８磁石
９インナー部材
１０磁路ガイド部材
１２軸線
１３軸受（第１軸受）
１７回動軸線
１９付勢部材
２１軸受（第２軸受）
２２一方の磁極
２３他方の磁極
Ｓ隙間

Claims

軸線回りに回転するロータと、
前記ロータに、前記軸線と略平行な回動軸線回りに回動自在に支持された回動部材と、
前記軸線回りに回転自在に設けられ、かつ、前記回動部材より遠心側に設けられた第１筒部材と、
前記軸線回りに前記第１筒部材より遠心側に当該第１筒部材との間に隙間を介して設けられた非回転の第２筒部材と、
前記第１筒部材と前記第２筒部材との前記隙間に充填された磁気粘性流体と、
前記回動部材を付勢する付勢部材と、
磁石と、
を備え、
前記回動部材は、遠心力によって遠心側に回動するように、前記ロータに支持されており、
前記付勢部材は、前記回動部材を前記軸線側に回動させるように付勢しており、
前記回動部材が所定量以上遠心側に回動したとき、前記回動部材が前記第１筒部材と係合して一体回転するように、前記回動部材および前記第１筒部材に、それぞれ係合部および被係合部が形成されており、
前記ロータ、前記回動部材、前記第１筒部材および前記第２筒部材は、それぞれ磁性体を用いて構成されており、
前記回動部材が前記第１筒部材と係合するとき、前記磁石の一方の磁極から、少なくとも前記ロータ、前記回動部材、前記第１筒部材、前記磁気粘性流体および前記第２筒部材を経由して、前記磁石の他方の磁極に至るまで磁路が形成されるように構成されている、
ことを特徴とする回転制動装置。
請求項１に記載の回転制動装置において、
前記軸線回りに回転する回転軸を更に備え、
前記ロータは、前記軸線方向に間隔をおいて前記回転軸に２個固設されており、
前記回動部材は、前記２個のロータの間に設けられており、
前記磁石は、前記ロータの前記回動部材と反対側において前記回転軸の周囲に設けられた永久磁石からなり、
前記第２筒部材の端部は、前記第１筒部材の端部より軸線方向に延出しており、
前記第２筒部材の前記延出した部分の内側から、前記第１筒部材と前記磁石の間に亘って非磁性体を用いて構成されたインナー部材が設けられており、
前記第２筒部材の端部から前記インナー部材の端部を覆いつつ前記磁石の他方の磁極に至るまで、磁性体を用いて構成された磁路ガイド部材が設けられている、
ことを特徴とする回転制動装置。
請求項２に記載の回転制動装置において、
前記回転軸は、第１軸受を介して前記磁路ガイド部材に支持されており、
前記第１筒部材は、第２軸受を介して前記インナー部材に支持されている、
ことを特徴とする回転制動装置。
請求項１～３の何れか１項に記載の回転制動装置において、
前記係合部および前記被係合部は、互いに噛み合うギアで構成されている、
ことを特徴とする回転制動装置。
請求項１～４の何れか１項に記載の回転制動装置において、
前記回動部材は、偶数個設けられており、
前記付勢部材は、各２つの回動部材の間に連結されている、
ことを特徴とする回転制動装置。