JPH06200960A

JPH06200960A - エレクトロレオロジカル流体を利用してトルクを伝達する方法および装置

Info

Publication number: JPH06200960A
Application number: JP27091593A
Authority: JP
Inventors: Ii Monahan Ratsuseru; イーモナハンラッセル
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 1992-10-29
Filing date: 1993-10-28
Publication date: 1994-07-19

Abstract

(57)【要約】【目的】構造が簡単で、トルク伝達効率が高く、回転
シャフトを接地する必要のないトルク伝達装置を提供す
る。【構成】ハウジング１２に回転自在に支持された回転
軸１４に、回転軸と共に回転するクラッチ板２６を取り
付け、ハウジングには互いに極性が異なる電極４２、４
４を備えたプリント回路板４０を取り付け、クラッチ板
２６とプリント回路板４０が配置されたハウジング内の
空間１６をＥＲ流体で満たす。各クラッチ板２６の回転
軸と接触する部分は絶縁体で形成することによって、ク
ラッチ板を回転軸から電気的に絶縁する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明はトルク伝達装置、特に
エレクトロレオロジカル（ｅｌｅｃｔｒｏｒｈｅｏｌｏ
ｇｉｃａｌ）流体（以下ＥＲ流体と略記する）を用いた
トルク伝達装置およびＥＲ流体を用いてトルクを伝達す
る方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＥＲ流体は電界をかけると、特定の剪断
速度における剪断強度が急激に変化するという特性を持
っている。この変化はＥＲ流体の見かけの粘度の変化と
なって現れる。

【０００３】電界に急激に反応するというこのＥＲ流体
の性質は、ある種の装置に特に有利に利用することがで
きる。そのような装置としては、例えば装置の電子制御
部からの指令に機械部品がかなり速く反応することが要
求される装置等を挙げることができる。このような装置
にＥＲ流体を用いることによって、機械部品の反応速度
を高めることができるばかりでなく、無段変速操作が可
能になり、エネルギー消費量の削減も図れる。

【０００４】このような装置にＥＲ流体を用いる場合、
ＥＲ流体は相対的に移動可能な２枚の導電板の間に形成
された狭いスペース内に封入される。これらの導電板の
各々の電極に電位をかけると、導電板間のスペースに電
界が発生する。電界が発生すると、このスペース内のＥ
Ｒ流体の見かけ粘度が上昇し、２枚の導電板が相対的に
移動しにくくなる。

【０００５】従来のトルククラッチやブレーキ装置は上
で述べたようなやり方でＥＲ流体の性質を利用してい
た。これ以外にもＥＲ流体を利用した装置はあるが、そ
のような装置はすべて上で述べたように、導電板によっ
て導電板の間に封入されたＥＲ流体中に電界を発生させ
ることによってＥＲ流体の見かけ粘度を変化させるタイ
プである。

【０００６】このような従来の方式の場合、導電板の一
方を正電位の電源に接続し、他方を接地することによっ
て電界を発生させていた。この場合、他方の導電板をア
ースするためにはトルク伝達装置の駆動軸に接地用のス
リップリングを取り付ける必要があった。このような電
極の配置は単極型と呼ばれる。このタイプのトルククラ
ッチやブレーキ装置は、自動車のクラッチ、ブレーキ、
トルクコンバーター、あるいは工業機械、ＯＡ機器等様
々な用途に使われている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】この種のトルククラッ
チやブレーキ装置は多くの利点を持っているが、同時に
いくつか欠点があることも知られている。

【０００８】たとえば、単極型のトルク伝達装置の場
合、一定の強さの電界に対するトルク伝達率が比較的低
いことが知られている。また、トルク伝達装置の構造に
よっては、駆動軸を接地するためのスリップリングを取
り付けるのが難しいことがよくある。

【０００９】そこで本発明の目的は、電界強度が一定の
場合、２つの部材間のトルク伝達効率が比較的高く、構
造が比較的単純で製造コストの低いＥＲ流体を利用した
トルク伝達装置およびトルク伝達方法を提供することで
ある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明においては、トルクが伝達されるシャフト
と、ＥＲ流体で満たされた液室と、前記シャフトからト
ルクの伝達を受ける第１部材とを備え、前記第１部材は
少なくともその一部が前記液室内を移動できるように取
り付けられており、前記液室中に強度を制御した電界を
発生させる手段を備えた構造を採用した。

【００１１】好ましい実施例では、前記電界を発生させ
る手段として、単一平面上に互いに極性の異なる複数の
電極を設け、この電極を前記ＥＲ流体に接触させる手段
や、前記第１部材と前記シャフトを電気的に絶縁する手
段を採用する。

【００１２】また、ある部材から別の部材へ伝達される
トルクを制御するための本発明の方法は、ＥＲ流体で満
たされた液室内で、第１の部材を第２の部材に対して移
動させる工程と、前記液室中に強度を制御した電界を発
生させることによって、前記第１部材から前記第２部材
へ伝達されるトルクを制御する工程とで構成する。

【００１３】

【実施例】以下、好ましい実施例の説明を行うが、これ
は発明の具体例を示すためだけのものであり、発明の範
囲あるいはその用途を限定することを意図するものでは
ない。

【００１４】この発明の第１の実施例のトルク伝達装置
１０を図１に示す。このトルク伝達装置１０は、伝達す
るトルクを連続的に変えることができる。これは以下で
説明するトルク伝達装置１０の各部品が、印加される電
界の変化に応じて見かけ粘度が変化するＥＲ流体を介し
て結合しているためである。

【００１５】このトルク伝達装置１０はクラッチ装置や
ブレーキ装置と共に用いる場合もある。また、このトル
ク伝達装置１０は、２つの部材間で伝達されるトルクの
量を変える必要がある装置であれば、どのような装置に
でも用いることができる。

【００１６】トルク伝達装置１０は、ハウジング１２と
ハウジング１２からのびるシャフト１４を有する。トル
クは、シャフト１４からハウジング１２、あるいはハウ
ジングからシャフトに伝達されるようになっており、ト
ルクが作用するとシャフトはハウジングに対して回転で
きる。

【００１７】ハウジング１２内には液室１６が形成され
ており、この液室は、印加される電界の強さに応じて粘
度が変化するＥＲ流体で満たされている。トルク伝達装
置１０に設けた複数の軸受１８によって、シャフト１４
はハウジング１２に対して回転自在に支持されている。
軸受１８は、ハウジング１２の両端部とシャフト１４の
間に取り付けてあり、シャフト１４をトルク伝達装置１
０のカバープレート２０に対して回転自在に支持してい
る。

【００１８】軸受１８内には、複数の内側シール部材２
２および複数の外側シール部材２４が設けてある。外側
シール部材２４は、異物がハウジング１２の外部から軸
受１８内に侵入するのを防ぐ役目をしており、内側シー
ル部材２２は、ＥＲ流体が軸受内１８内に流入するのを
防いでいる。

【００１９】シャフト１４には複数のクラッチ板２６が
連結されている。クラッチ板２６とシャフト１４が共回
りするように、クラッチ板２６に設けた溝（図示省略）
にシャフト１４に設けたスプライン２８がはめ込まれて
いる。

【００２０】各クラッチ板２６は、導電部３０と絶縁部
３２を有する。絶縁部３２はシャフト１４に隣接する位
置に、導電部３０は絶縁部３２の半径方向外側に設け
る。ＥＲ流体に印加される電界の影響による導電部３０
の作用は従来公知の通りである。また、絶縁部３２によ
って導電部３０はシャフト１４から電気的に絶縁されて
いる。このように絶縁部３２によって導電部３０とシャ
フト１４は互いに絶縁されているので、導電部３０の電
位は自由に変えることができる。

【００２１】クラッチ板２６の軸方向の移動を制限する
ために、絶縁およびガイド用スペーサー３４〜３８をト
ルク伝達装置１０に設ける。このスペーサー３４〜３８
はクラッチ板の外周に沿って設けられ、クラッチ板２６
の軸方向の移動を制限する手段、外周のシール手段、電
極の絶縁手段としての役目を果たしている。具体的に
は、スペーサー３４は図１に示すようにクラッチ板２６
の左方向への移動を制限し、スペーサー３６はクラッチ
板２６の右方向への移動を制限している。またクラッチ
板２６よりも厚みが大きいスペーサー３８によって、ス
ペーサー３４と３６の間隔が一定に保たれている。

【００２２】また、液室１６内に電界を発生させるため
に、複数のプリント回路板４０をトルク伝達装置１０に
設ける。このプリント回路板４０によって液室内に制御
して電界を発生させることができ、これによって液室内
のＥＲ流体の見かけ粘度を変えることができる。プリン
ト回路板４０とクラッチ板２６は交互に設けられ、両者
の間にはスペーサー３４〜３８によって所定のスペース
が形成され、このスペースはＥＲ流体で満たされてい
る。

【００２３】図２はプリント回路板４０の一つの実施例
を示す。この実施例では、各プリント回路板４０は第１
の複数の電極４２と、第２の複数の電極４４を備えてい
る。この第１および第２の電極は、プリント回路板４０
の両側に同心円状にかつ互いに交互に配置されている。
このため第１の電極４２の大部分は隣接する第２の電極
の間に位置する。第１の電極は接地電位に接続されてお
り、第２の電極は正の電位に接続されている。しかし電
極４２、４４に接続する電位は、両者の間に差がありさ
えすれば、上記以外の電位であってもかまわない。

【００２４】図３は、第１および第２の複数の電極４
２、４４に電位を印加することによって発生した電界を
示す。電極４２、４４間の距離は、各電極４２、４４か
らクラッチ板２６までの距離の２倍以上にする。図示の
ように、第１、第２の電極４２、４４に電位を印加する
と、電極４２、４４の一方から他方に向かう電界線４６
が発生する。この電界線は、ＥＲ流体を利用した従来の
単極型のトルク伝達装置内で発生する電界線、すなわち
正の電荷をもつ電極としてのクラッチ板から接地された
クラッチ板に向かって、垂直方向にほぼ直線状にのびる
電界線とは全く異なる。

【００２５】プリント回路板４０は、クラッチ板２６の
周囲で電界を制御して発生させられるものであれば、上
記以外の構造のものであってもよい。

【００２６】図４にプリント回路板４０の別の実施例を
示す。この実施例のプリント回路板４０は、第１のＤ字
形の電極４８と第２のＤ字形の電極５０を有する。第１
のＤ字形の電極４８は正の電位に接続し、第２のＤ字形
の電極５０は接地する。このプリント回路板４０を用い
た場合、第１のＤ字形の電極４８からクラッチ板２６
に、次にクラッチ板から第２のＤ字形の電極５０に向か
う電界線が発生する。

【００２７】クラッチ板２６とプリント回路板４０との
間で伝達されるトルクの近似値は、次の等式で表すこと
ができる。

【００２８】Ｔｅｒ＝２（Ｎπｒ（Ｒ_o ³−Ｒ_i ³)) ／３上記の式において、Ｔｅｒ＝ＥＲ流体を介してクラッチ板２６の表面とプ
リント回路板４０間で伝達されるトルクＮ＝ＥＲ流体が作用する面の数ｒ＝所定の強さの電界が発生した時のＥＲ流体の剪断
強度Ｒ_o＝クラッチ板２６またはプリント回路板４０の電極
の外径Ｒ_i＝クラッチ板またはプリント回路板４０の電極の内
径である。

【００２９】図２に示すプリント回路板４０と図４に示
すプリント回路板４０のどちらを用いても、上記の効果
が得られる。両者の違いは、内径（Ｒ_i）および外径
（Ｒ_o）が異なることにより有効面積が異なる点だけで
ある。

【００３０】プリント回路板４０に互いに電位の異なる
第１、第２の電極４２、４４を設け、クラッチ板２６を
接地しない場合、電位の等しい第１、第２の電極４２、
４４を設け、クラッチ板２６を接地した場合よりも、電
界強度に対するＥＲ流体の見かけ粘度の変化の勾配が急
になる。このことは図５、６のグラフから明らかであ
る。

【００３１】図５のグラフは、図２に示すタイプのプリ
ント回路板４０を用い、シャフト１４を毎分１０３回転
の速度で回転させながら、電界強度を変化させた場合の
伝達トルクを表す。黒い四角を結んだ上の線５２は、第
１、第２の電極の電位が異なり、クラッチ板２６は接地
していない場合のトルクの変化を示す。一方、白い四角
を結んだ下の線５４は、第１、第２の電極の電位が等し
く、クラッチ板２６を接地している場合のトルクの変化
を示す。

【００３２】また図３に示す第１および第２のＤ字形の
電極４８、５０を有するプリント回路板４０を用いた場
合も、ほぼ同様の結果が得られる。すなわち、図６の上
の線５６は、電位の異なるＤ字形電極４８、５０を有す
るプリント回路板４０を用いた場合のトルク伝達量を、
下の線５８は同一電位のＤ字形電極４８、５０を有する
回路板を用いた場合のトルク伝達量をそれぞれ表してい
る。この場合も、電極間に発生する電界強度が同一とす
ると、電位が異なる電極を用いクラッチ板２６を接地さ
せない場合の伝達トルクの方が、同一の正電位をもつ電
極を用いてクラッチ板２６を接地する場合の伝達トルク
よりも大きい。

【００３３】次にこの発明の方法について説明する。ト
ルクがシャフト１４に伝達されるか、シャフトからシャ
フト１４と電気的に絶縁されたクラッチ板２６にトルク
が伝わると、クラッチ板２６は回転する。クラッチ板２
６が回転すると、極性が変動する電界がＥＲ流体で満た
された液室１６に印加される。

【００３４】この電界は、図２に示すプリント回路板４
０を用いる場合は第１、第２の複数の電極４４、４２に
異なる電位を印加することによって発生し、図４に示す
プリント回路板４０を用いる場合は、Ｄ字形電極４８、
５０に異なる電位を印加することによって発生する。電
界強度が高くなると、液室１６内のＥＲ流体の見かけ粘
度が変化し、シャフト１４からクラッチ板２６を介して
ハウジング１２に伝達されるトルクが大きくなる。

【００３５】次に、この発明の第２の実施例を図７に基
づき説明する。第１実施例の場合と同様に、この実施例
のトルク伝達装置６０もハウジング６２とハウジング６
２からのびるシャフト６４を備えている。トルクは、シ
ャフト６４からハウジング６２、あるいはハウジングか
らシャフトに伝達されるようになっており、トルクが作
用するとシャフトはハウジングに対して回転できる。ハ
ウジング６２内には液室６６が形成されており、この液
室は、印加される電界の強さに応じて見かけ粘度が変化
するＥＲ流体で満たされている。

【００３６】またハウジング６２は、複数の軸受７０を
定位置に保持するための２枚のカバープレート６８を備
えている。軸受７０は、ハウジング６２の両端部とシャ
フト６４に取り付けてあり、シャフト６４をカバープレ
ート６８に対して回転自在に支持している。軸受７０に
は、ＥＲ流体が軸受内部に侵入するのを防止する複数の
シール部材７２が設けてある。

【００３７】ハウジング６２の内部には、クラッチ板７
４がシャフト６４に取り付けられている。このクラッチ
板７４は導電部７６と絶縁部７８を有する。また、絶縁
部７８によって導電部７６はシャフト６４から電気的に
絶縁されているので、導電部３０の電位は自由に変える
ことができる。クラッチ板７４は、適当な手段、たとえ
ば溝と溝に嵌まるスプライン、を用いてシャフトに固定
することができる。

【００３８】クラッチ板７４の軸方向の移動を制限する
ために、ガイド用スペーサー８０をトルク伝達装置６０
に設ける。このスペーサー８０は、シャフトの周囲、す
なわちクラッチ板７４の内周縁に沿って取り付けられ、
クラッチ板７４の軸方向の移動を制限している。すなわ
ちガイド用スペーサー８０は、クラッチ板７４の左右両
方向への移動を制限している。

【００３９】また液室６６内に電界を発生させるため
に、複数のプリント回路板８６をトルク伝達装置６０に
設ける。このプリント回路板８６によって液室内に制御
して電界を発生させることができ、これによって液室内
のＥＲ流体の見かけ粘度を変えることができる。上記プ
リント回路板８６には、図２に示す第１および第２の複
数の電極４２、４４を設けてもよいし、図４に示す第
１、第２のＤ字形電極４８、５０を設けてよい。また電
極は２つの極性をもつ電界を発生できるものでさえあれ
ば、上記以外の構造でものであってもよい。

【００４０】上記の実施例は本発明の目的を達成する上
で好ましいものではあるが、発明の範囲から逸脱するこ
となしに上記実施例に様々な改良、変更を加えることが
可能と思われる。例えばクラッチ板は必ずしも軸方向へ
移動しないようにシャフトに取り付ける必要はなく、シ
ャフトに対して軸方向に自由に移動できるように取り付
けてもかまわない。

【００４１】さらに実施例のガイド用スペーサーに代え
て、シャフトの周囲に円筒形のスペーサーを設ければ、
スペーサーとクラッチ板間の引きずりを小さくできる。
またガイド用スペーサーはハウジングに設ける代わり
に、シャフトのスプラインに取り付けてもよい。

【００４２】またスペーサーの材質としては、例えばベ
アリー、ナイロン、テフロン等（以上いずれも商標）の
低摩擦性プラスチックを用いることができる。

【００４３】さらに、クラッチ板の絶縁部は波形バネで
構成してもよい。したがって発明の範囲は添付の特許請
求の範囲に基づいて判断すべきである。

【００４４】

【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているので、以下に記載されるような効果を奏する。

【００４５】回転軸と共回りするクラッチ板とは別の部
材（すなわちプリント回路板）に、反対の極性をもつ電
極を設け、この部材とクラッチ板をＥＲ流体で満たされ
た液室に配置したので、クラッチ板を回転軸を介して接
地する必要がなくなる。すなわち、クラッチ板と回転軸
を一方の電極として用いる必要がなくなる。このため、
回転軸を接地するために従来必要だったスリップリング
等の部品を省略することができる。

【００４６】また、ブレーキ装置等のようにハウジング
が回転しない構造に本発明を応用する場合は、プリント
回路板を回転しないハウジングに取り付けることによっ
て、プリント回路板に容易に電圧が供給できるようにな
り、製造コストをさらに削減できる。

【００４７】さらに、同一電界強度のもとでは、本願の
ように双極型のプリント回路板を用い、クラッチ板を接
地しないようにすると、クラッチ板を接地する場合に比
べて明らかに伝達トルクを大きくできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例のＥＲ流体を利用したトル
ク伝達装置の横断面図

【図２】図１の装置に設けたプリント回路板の一つの実
施例を示す側面図

【図３】プリント回路板によって発生した電界を示す図
１の装置の部分断面図

【図４】図１の装置に設けたプリント回路板の別の実施
例を示す側面図

【図５】図２に示すプリント回路板を設けたトルク伝達
装置において、特定の剪断率に対する電界強度と伝達ト
ルクの関係を、単極型構造のトルク伝達装置と比較して
示す図表

【図６】図４に示すプリント回路板を設けたトルク伝達
装置において、特定の剪断率に対する電界強度と伝達ト
ルクの関係を、単極型構造のトルク伝達装置と比較して
示す図表

【図７】本発明の第２の実施例のＥＲ流体を利用したト
ルク伝達装置の横断面図

【符号の説明】

１０トルク伝達装置１２ハウジング１４回転軸１６液室２６クラッチ板４０プリント回路板４２、４４電極４６電界

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】トルクが伝達されるシャフトと、エレクトロレオロジカル流体で満たされた液室と、前記シャフトからトルクの伝達を受ける第１部材とを備
え、前記第１部材は少なくともその一部が前記液室内を移動
できるように取り付けられており、さらに前記液室中に強度を制御した電界を発生させる手
段を備えたトルク伝達装置。
【請求項２】前記手段が第２部材を含み、その第２部
材は：ａ）前記電界の内第１の極性を有する部分を発生させる
第１部分と、ｂ）前記電界の内第２の極性を有する部分を発生させる
第２部分とをそなえた請求項１に記載のトルク伝達装
置。
【請求項３】前記第２部材の第１部分は、第１の電位
を持つＤ字形の電極を備え、前記第２部材の第２部分
は、前記第１の電位と異なる第２の電位を持つＤ字形の
電極を備えた請求項２に記載のトルク伝達装置。
【請求項４】前記手段が第２部材を含み、その第２部
材は：ａ）第１の電位を有する第１の複数の電極と、ｂ）第２の電位を有する第２の複数の電極とを備えた請
求項１に記載のトルク伝達装置。
【請求項５】前記第１の複数の電極と前記第２の複数
の電極とを交互に配列した請求項４に記載のトルク伝達
装置。
【請求項６】前記第１および第２の複数の電極の各々
が、同心のリングの形状を有する請求項５に記載のトル
ク伝達装置。
【請求項７】前記シャフトが前記第１部材から電気的
に絶縁されている請求項１に記載のトルク伝達装置。
【請求項８】前記第１部材が、前記軸に隣接して設け
た電気絶縁体スペーサーを備えている請求項７に記載の
トルク伝達装置。
【請求項９】トルクが伝達される回転軸と、前記回転軸と共に回転する第１の複数の板部材と、前記第１の複数の板部材と交互に配列された第２の複数
の板部材と、少なくとも一部が前記第１の板部材と前記第２の板部材
の間に位置する、エレクトロレオロジカル流体で満たさ
れた液室と、前記液室中に強度を制御した電界を発生させる手段とを
備えた可変トルク伝達装置。
【請求項１０】前記手段は、前記第２の複数の板部材
の少なくともひとつに取り付けられた第１および第２の
複数の電極を備え、前記第１の複数の電極は第１の電位
を有し、前記第２の複数の電極は前記第１の電位とは異
なる第２の電位を有する請求項９に記載の可変トルク伝
達装置。
【請求項１１】前記第１の複数の電極と前記第２の複
数の電極を１個ずつ交互に配列した請求項１０に記載の
可変トルク伝達装置。
【請求項１２】前記第１の複数の電極が、複数の同心
のリング状の電極である請求項１０に記載の可変トルク
伝達装置。
【請求項１３】前記第１の複数の板部材を前記回転軸
から電気的に絶縁する手段を設けた請求項１２に記載の
可変トルク伝達装置。
【請求項１４】前記第１の複数の板部材を電気的に絶
縁する手段が、前記回転軸に近い側で、前記第１の複数
の板部材のそれぞれに取り付けた複数の絶縁体スペーサ
ーである請求項１３に記載の可変トルク伝達装置。
【請求項１５】前記第１の複数の板部材を電気的に絶
縁する手段が、前記回転軸に近い側で、前記第１の複数
の板部材に取り付けた複数の波形バネである請求項１４
に記載の可変トルク伝達装置。
【請求項１６】エレクトロレオロジカル流体で満たさ
れた液室内で、第１の部材を第２の部材に対して移動さ
せる工程と、前記液室中に強度を制御した電界を発生させることによ
って、前記第１部材から前記第２部材へ伝達されるトル
クを制御する工程と、からなる前記第１部材から第２部材へのトルクの伝達を
制御する方法。
【請求項１７】前記第１部材はシャフトに機械的に連
結されており、前記第１部材を前記シャフトから電気的
に絶縁する工程をさらに含む請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】前記第２部材は第１および第２部分を
有し、前記液室中に電界を発生させる前記工程が、前記
第２部材の前記第１部分に第１の電位を印加する工程
と、前記第２部材の前記第１部分に前記第１の電位とは
異なる第２の電位を印加する工程とを含む請求項１６に
記載の方法。
【請求項１９】前記第２部材の第１部分は第１のＤ字
形電極を有し、前記第２部材の第２部分は第２のＤ字形
電極を有し、前記液室中に電界を発生させる前記工程
が、前記第１のＤ字形電極に第１の電位を印加する工程
と、前記第２のＤ字形電極に前記第１の電位とは異なる
第２の電位を印加する工程とを含む請求項１８に記載の
方法。
【請求項２０】前記第２部材は第１および第２の複数
の同心のリング形の電極を有し、前記液室中に電界を発
生させる前記工程が、前記第１の複数の同心のリング形
の電極に第１の電位を印加する工程と、前記第２の複数
の同心のリング形の電極に前記第１の電位とは異なる第
２の電位を印加する工程とを含む請求項１６に記載の方
法。