JP7387220B2 - 磁気粘性流体装置 - Google Patents

Description

本発明は、相対回転可能に設けられた部材間に磁気粘性流体を介在させ、当該磁気粘性流体に付与する磁場の強さを変えることにより、上記部材間で伝達されるトルクを可変とする磁気粘性流体装置に関する。特に、装置内に封入された磁気粘性流体が温度変化によって体積膨張した場合に、内圧の上昇を抑制する手段を備えた磁気粘性流体装置に関する。

この種の磁気粘性流体装置は、例えば特許文献１に開示されている。同文献に開示されている磁気粘性流体装置は、「体積追従動作部」（ダイヤフラム）を備える。「体積追従動作部」は、装置本体内に封入された磁気粘性流体の体積の膨張収縮に追従して、磁気粘性流体が封入された空間の容積を拡大縮小するものである。「体積追従動作部」を備えることで、シャフトの周囲のシールの締め代（つぶし代）を増すことなく、当該シールから磁気粘性流体が漏出することを防止することができる。シャフトの周囲のシールの締め代を増す必要がないことから、基底トルク（磁気粘性流体に磁場を印加していないときのシャフトの回転抵抗）を増加させることなく、磁気粘性流体の漏出を防止することができる。

特開２０１７－０４４２１５号公報

しかしながら、特許文献１の磁気粘性流体装置のように、シャフトと同じ軸線上に「体積追従動作部」を設けた場合、シャフトを両持ち支持構造にしながら、装置を小型化することが難しくなる。

もちろん、「体積追従動作部」をシャフトと同じ軸線上から外れた位置に設ければ、シャフトを両持ち支持構造にしながら、装置を小型化することができる場合もある。しかし、磁気粘性流体の封入空間やヨークの軸対称性が崩れ、様々な弊害が生じるおそれがある。例えは、磁気粘性流体の封入空間の軸対称性が崩れた場合、封入空間の場所によって磁気粘性流体の組成（例えば磁性粒子の割合など）に偏りが生じるおそれがある。また、ヨークの軸対称性が崩れた場合、効率の良い磁気回路が形成され難くなるおそれがある。

本発明は、かかる課題に鑑みて創案されたものであり、磁気粘性流体が封入された空間の容積を拡大縮小する体積追従動作部を備える磁気粘性流体装置において、シャフトを両持ち支持構造にしながら、装置を小型化することができるものを提供することを目的とする。

本発明の第１態様に係る磁気粘性流体装置は、シャフトを含む第１部と、前記第１部に対して相対回転可能に設けられた第２部と、前記第１部および前記第２部を有する装置本体内に封入され、前記第１部と前記第２部との間に介在する磁気粘性流体と、前記磁気粘性流体に磁場を付与するための磁場発生部と、前記磁気粘性流体が前記装置本体外へ漏出しないように、前記第１部に属する部材と前記第２部に属する部材との隙間をシールするシール部材と、前記シャフトと同じ軸線上に設けられ、前記磁気粘性流体の体積の膨張収縮に追従して、前記磁気粘性流体が封入された空間の容積を拡大縮小するように動作する体積追従動作部と、を備える。前記体積追従動作部は、前記第２部に属する部材に形成された軸穴に対して前記軸線方向に移動可能に嵌入され、前記シャフトを回転自在に支持する軸支部が形成された可動軸受である。

本発明の第２態様に係る磁気粘性流体装置は、第１態様に係る磁気粘性流体装置において、前記可動軸受と前記軸穴との隙間が環状シール材によってシールされているものあってもよい。

本発明の第３態様に係る磁気粘性流体装置は、第１態様又は第２態様に係る磁気粘性流体装置において、前記磁気粘性流体が封入された空間の容積を縮小する方向に前記可動軸受を付勢する付勢手段を備えるものであってもよい。

本発明の第４態様に係る磁気粘性流体装置は、第２態様に係る磁気粘性流体装置において、前記可動軸受は、その外周部に、前記軸穴に対して摺動する大径部と、該大径部より小径に形成された小径部とが形成されており、前記環状シール材として、前記可動軸受の前記小径部に外嵌された環状弾性材が用いられ、前記環状シール材は、前記大径部と前記小径部の境界に形成される段差壁と、前記軸穴において軸線側に突出したつば部との間に設けられているものであってもよい。

本発明によれば、磁気粘性流体が封入された空間の容積を拡大縮小する体積追従動作部を備える磁気粘性流体装置において、シャフトを両持ち支持構造にしながら、装置を小型化することができる。

本発明の実施形態に係る磁気粘性流体装置の断面図である。 （ａ）は図１のＸ部拡大図である。（ｂ）は、図１のＸ部拡大図において可動軸受が移動した状態を示す図である。 本発明の他の実施形態に係る磁気粘性流体装置の断面図であって、図２に対応する部分を示した図である。

以下、本発明の実施形態に係る磁気粘性流体装置について図面を参照しつつ説明する。図１に示すように、本実施形態に係る磁気粘性流体装置１００は、軸線Ｎ回りに相対回転可能に設けられた第１部Ａおよび第２部Ｂと、これらの間に介在する磁気粘性流体６、シール部材７１、ベアリング７２等を備えている。

第１部Ａは、シャフト１、ディスク２等で構成されている。第２部Ｂは、第１ヨーク３Ａ、第２ヨーク３Ｂ、コイル４、ケーシング５等で構成されている。

シャフト１は、その端部がディスク２の中心部に垂直に接続されている。シャフト１には、基端側に形成された一般部１１と比較して大径とされた第１大径部１３Ａ、第２大径部１３Ｂおよび第３大径部１３Ｃが形成されている。各大径部１３Ａ～１３Ｃは互いに軸線Ｎ方向に間隔をおいて形成されている。各大径部１３Ａ～１３Ｃの間には、一般部１１より小径とされた第１小径部１４Ａおよび第２小径部１４Ｂが形成されている。また、第３大径部１３Ｃより先端側には、一般部１１より小径とされた第３小径部１４Ｃが形成され、更に、その先端側に、第３小径部１４Ｃより小径とされた第４小径部１４Ｄが形成されている。なお、シャフト１の材料は、ステンレス鋼などの非磁性体であることが望ましい。

第１小径部１４Ａおよび第２小径部１４Ｂには、それぞれ環状のシール部材７１が嵌め込まれている。このシール部材７１は、シャフト１と軸穴３１との隙間をシールする。シャフト１はベアリング７２を介して第２ヨーク３Ｂの軸穴３１に回転自在に支持されている。このベアリング７２は、シャフト１の一般部１１に外嵌されており、その一側が第１大径部１３Ａの側面に係合され、その他側が軸穴３１内に形成されたつば３２に係合されている。また、シャフト１は、後述する可動軸受１５の軸支部１５ａに回転自在に支持されている。このように、シャフト１は、両持ち支持構造によって支持されている。

ディスク２は、既述したようにシャフト１の端部に接続され、シャフト１と一体に軸線Ｎ回りに回転する。本実施形態では、ディスク２は、一定の厚さの円板形状とされている。なお、ディスク２の材料は、鉄等の磁性体であることが望ましい。

第１ヨーク３Ａは、磁性体からなり、ディスク２の一側面２ａに対して微小隙間６１を介して設けられている。第１ヨーク３Ａは、ディスク２の一側面２ａに対して平行に対向する平坦な対向面３３を有する。本実施形態では、微小隙間６１の隙間寸法は、ディスク２の一側面２ａと第１ヨーク３Ａの対向面３３との間に介在し、第４小径部１４Ｄに嵌め付けられた環状の第１薄板材８１の厚さによって規定されている。この第１薄板材８１は、ステンレス鋼などの非磁性体で構成されている。

第１ヨーク３Ａは、円筒状のケーシング５の内側に嵌め込まれ、そのケーシング５に複数の取付ボルト５７により締結された円環状の押さえ板５５によって軸線Ｎ方向の移動が規制されている。また、第１ヨーク３Ａには、シャフト１の先端側に、軸線Ｎを中心として形成され外部と連通した軸穴３５が設けられている。この軸穴３５には、軸線Ｎ方向に移動可能に可動軸受１５が嵌入されている。この可動軸受１５は、磁気粘性流体６の封入空間６０を形成する部材の一部を成している。本実施形態では、軸穴３５の直径は、第１薄板材８１の直径よりも小さく、第１薄板材８１やシャフト１の先端部が、図１に示す位置よりも可動軸受１５側に移動しないようになっている。したがって、第１薄板材８１やシャフト１の先端部が可動軸受１５を軸線Ｎ方向押圧することは無い。なお、可動軸受１５の材料は特に限定されないが、例えば銅合金製のものを使用することができる。

可動軸受１５には、図２に示すように、軸支部１５ａ、大径部１５ｂおよび２つの小径部１５ｃが形成されている。

軸支部１５ａは、シャフト１を回転自在に支持している。本実施形態では、軸支部１５ａは、可動軸受１５の一方に形成された有底穴からなり、その有底穴によってシャフト１の先端部（第４小径部１４Ｄ）が回転自在に支持されている。

大径部１５ｂは、軸穴３５の内周面に対して軸線Ｎ方向に摺動可能に嵌め込まれている。すなわち、大径部１５ｂは、その外径が第１ヨーク３Ａに形成された軸穴３５の内径より僅かに小さく形成されている。

小径部１５ｃは、可動軸受１５の外周部において環状の溝を形成するように、大径部１５ｂより小径になっている。本実施形態では、小径部１５ｃとして、第１小径部１５ｃａと第２小径部１５ｃｂとが設けられている。第１小径部１５ｃａは、第２小径部１５ｃｂよりも、磁気粘性流体６の封入空間６０側に設けられている。図１に例示する第２小径部１５ｃｂは、軸線Ｎ方向外側（封入空間６０と反対側）に向かって縮径しているが、第２小径部１５ｃｂの形状が縮径したものに限定される訳ではない。

第１小径部１５ｃａおよび第２小径部１５ｃｂには、それぞれ環状シール材１６ａ，１６ｂが嵌着されている。これらの環状シール材１６ａ，１６ｂによって、可動軸受１５と第１ヨーク３Ａに形成された軸穴３５との隙間がシールされ、磁気粘性流体６が軸穴３５から外に漏出しないようになっている。なお、本実施形態では環状シール材１６ａ，１６ｂとして、Ｏリングを使用している。

第２小径部１５ｃｂに嵌着（外嵌）された環状シール材１６ｂは、可動軸受１５の大径部１５ｂと小径部１５ｃの境界に形成される段差壁１５ｄと、軸穴３５において軸線Ｎ側に突出したつば部３５ａとの間に設けられている。

第２ヨーク３Ｂは、磁性体からなり、図１に示すように、ディスク２の他側面２ｂに対して微小隙間６２を介して設けられている。第２ヨーク３Ｂは、ディスク２の他側面２ｂに対して平行に対向する対向面３７Ａ，３７Ｂを有する。微小隙間６２の隙間寸法は、ディスク２の他側面２ｂと第２ヨーク３Ｂの対向面３７Ａとの間に介在する環状の第２薄板材８２の厚さによって規定されている。この第２薄板材８２は、ステンレス鋼などの非磁性体で構成されている。

第２ヨーク３Ｂは、シャフト１を通すための軸穴３１を中心部に有し、コイル４を配設するための環状の溝３４も有する。この溝３４によって、前記対向面は、内径側の対向面３７Ａと、外径側の対向面３７Ｂとに分かれている。すなわち、第２ヨーク３Ｂは、コイル４の内周側、外周側および反ディスク２側を包囲した断面形状を有し、コイル４の内側と外側にそれぞれディスク２の他側面２ｂに対向する対向面３７Ａ，３７Ｂを有する。なお、第２ヨーク３Ｂは、円筒状のケーシング５の内側に嵌め込まれ、そのケーシング５に複数の取付ボルト５７により締結された円環状の押さえ板５６によって軸線Ｎ方向の移動が規制されている。本実施形態では、押さえ板５６は、複数の取付ボルト５８にて第２ヨーク３Ｂにも締結されている。

コイル４は、第２ヨーク３Ｂに形成された溝３４に沿って配設されている。このコイル４には、図示しない電流供給装置により任意の電流が供給可能となっている。コイル４は、電流が供給されると、第１ヨーク３Ａ、第２ヨーク３Ｂとともに、磁気粘性流体６に磁場を付与する磁場発生部として機能する。

ケーシング５は、既述したように円筒状部材からなり、非磁性体で構成されている。

磁気粘性流体６は、第１部Ａおよび第２部Ｂからなる装置本体内における磁気粘性流体の封入空間６０（図１において灰色に塗り潰した部分）に封入されている。この磁気粘性流体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。

磁気粘性流体装置１００において、電流供給装置により、コイル４に電流を印加すると、矢印Ｐに示す方向に沿ってディスク２、第１ヨーク３Ａ、第２ヨーク３Ｂ内に磁路が形成される。この磁路は、ディスク２の一側面２ａと第１ヨーク３Ａの対向面３３との微小隙間６１や、ディスク２の他側面２ｂと第２ヨーク３Ｂの対向面３７Ａ，３７Ｂとの微小隙間６２に充填されている磁気粘性流体６を貫通する。これにより、磁気粘性流体６に、磁場の強さに応じた粘度（ずり応力）が発現し、ディスク２と２つのヨーク３Ａ，３Ｂとの間での伝達トルクが磁場の強さに応じて大きくなる。

上記構成を備える磁気粘性流体装置１００において、封入空間６０に封入された磁気粘性流体６が温度変化により、体積を膨張収縮する場合、可動軸受１５が、磁気粘性流体６の体積膨張に追従して、封入空間６０の容積を拡大縮小するように動作する体積追従動作部として機能する。

例えば、磁気粘性流体６が温度上昇により体積膨張すると、図２（ａ）に示す位置にある可動軸受１５は、軸線Ｎ方向外側へ移動する。これにより、磁気粘性流体６の封入空間６０の容積が拡大し、同空間６０内の内圧上昇が防止される。また、このとき、図２（ｂ）に示すように、環状弾性材である環状シール材１６ｂが、可動軸受１５の段差壁１５ｄと、軸穴３５において軸線Ｎ側に突出したつば部３５ａとの間に挟まれ弾性変形する。圧縮変形した環状シール材１６ｂは、可動軸受１５を、封入空間６０の容積が縮小する方向に付勢する付勢手段として働く。

その後、磁気粘性流体６の温度が低下して元の温度に戻る際は、図２（ｂ）に示す位置にある可動軸受１５は、磁気粘性流体６の体積収縮に追従して、軸線Ｎ方向内側へ移動し、図２（ａ）に示す元の位置に復帰する。可動軸受１５が軸線Ｎ方向内側へ移動する際は、上記付勢手段の付勢力が可動軸受１５の上記移動をアシストする。

以上に説明した磁気粘性流体装置１００によれば、磁気粘性流体６が封入された封入空間６０の容積を拡大縮小する体積追従動作部（可動軸受１５）がシャフト１を回転自在に支持する支持部の役割も果たすため、シャフト１を両持ち支持構造にしながら、装置１００を小型化することが容易になされる。

＜他の実施形態１＞
既述した実施形態において、一方の環状シール材１６ｂのみで十分なシール効果がある場合は、もう一方の環状シール材１６ａおよび第１小径部１５ｃａを省略してもよい。

＜他の実施形態２＞
既述した実施形態では、封入空間６０の容積を縮小する方向に可動軸受１５を付勢する付勢手段としての環状シール材１６ｂが使用されていたが、この環状シール材１６ｂを他の付勢手段に置き換えることも可能である。例えば、環状シール材１６ｂの代わりに、図３に示すように、コイルばね等のばね材１７を使用するが可能である。図３（ａ）の状態は図２（ａ）の状態に対応し、図３（ｂ）の状態は図２（ｂ）の状態に対応している。なお、磁気粘性流体６の体積の膨張収縮と、可動軸受１５との位置関係は、既述した実施形態（図２の場合）と同様であるため、詳細な説明は省略する。

本発明は、例えば、装置本体内に封入した磁気粘性流体が熱膨張した場合に、内圧の上昇を抑制する手段を備えた磁気粘性流体装置に適用することが可能である。

Ａ 第１部
Ｂ 第２部
Ｎ 軸線
１ シャフト
３Ａ 第１ヨーク（磁場発生部）
３Ｂ 第２ヨーク（磁場発生部）
４ コイル （磁場発生部）
６ 磁気粘性流体
１５ 可動軸受（体積追従動作部）
１５ａ 軸支部
１５ｂ 大径部
１５ｃ 小径部
１６ａ 環状シール材
１６ｂ 環状シール材（付勢手段）
１７ ばね材（付勢手段）
３５ 軸穴
３５ａ つば部
７１ シール部材
１００ 磁気粘性流体装置

Claims (4)

1. シャフトを含む第１部と、
   前記第１部に対して相対回転可能に設けられた第２部と、
   前記第１部および前記第２部を有する装置本体内に封入され、前記第１部と前記第２部との間に介在する磁気粘性流体と、
   前記磁気粘性流体に磁場を付与するための磁場発生部と、
   前記磁気粘性流体が前記装置本体外へ漏出しないように、前記第１部に属する部材と前記第２部に属する部材との隙間をシールするシール部材と、
   前記シャフトと同じ軸線上に設けられ、前記磁気粘性流体の体積の膨張収縮に追従して、前記磁気粘性流体が封入された空間の容積を拡大縮小するように動作する体積追従動作部と、
   を備える磁気粘性流体装置において、
   前記体積追従動作部は、前記第２部に属する部材に形成された軸穴に対して前記軸線方向に移動可能に嵌入され、前記シャフトを回転自在に支持する軸支部が形成された可動軸受である、ことを特徴とする磁気粘性流体装置。
2. 請求項１に記載の磁気粘性流体装置において、
   前記可動軸受と前記軸穴との隙間が環状シール材によってシールされている、ことを特徴とする磁気粘性流体装置。
3. 請求項１又は２に記載の磁気粘性流体装置において、
   前記磁気粘性流体が封入された空間の容積を縮小する方向に前記可動軸受を付勢する付勢手段を備えることを特徴とする磁気粘性流体装置。
4. 請求項２に記載の磁気粘性流体装置において、
   前記可動軸受は、その外周部に、前記軸穴に対して摺動する大径部と、該大径部より小径に形成された小径部とが形成されており、
   前記環状シール材として、前記可動軸受の前記小径部に外嵌された環状弾性材が用いられ、
   前記環状シール材は、前記大径部と前記小径部の境界に形成される段差壁と、前記軸穴において軸線側に突出したつば部との間に設けられている、ことを特徴とする磁気粘性流体装置。