WO2021187393A1 - トルク発生装置 - Google Patents

Abstract

磁気粘性流体の注入効率を高めることができ、かつ、所望のトルクを生成することができるように構成された本発明のトルク発生装置は、入力操作に応じて移動する、第１の面と、この第１の面に対向する第２の面と、を有する第１の部材と、第１の面に対向する第１の対向面と、第２の面に対向する第２の対向面とを含む内面部で形成される収容空間を有し、この収容空間に第１の部材を相対的に移動可能に収容する第２の部材と、収容空間内であって、第１の部材と内面部の間の空間の少なくとも一部に存在させ、磁界に応じて粘性が変化する磁気粘性流体と、磁気粘性流体に作用する磁界を発生させる磁界発生部とを備え、第２の部材には、第１の対向面の一部から外方へ貫通した開口部が設けられ、内面部と第１の面との間に形成される隙間が、開口部から離れるに従って小さくなる。

Description

トルク発生装置

　本発明は、磁気粘性流体を用いて、互いに対向する部材間の相対移動時の抵抗を変化させることができるトルク発生装置に関する。

　特許文献１に記載の入力装置は、回転軸を中心に回転動作可能な磁性ディスクを囲むように、複数のヨークを配置し、磁性ディスクと各ヨークとの間に磁気粘性流体を充填している。さらに、磁界を発生するコイルを、回転軸と平行な方向から見て磁性ディスクと重なるように配置するとともに、磁性ディスクにおいて、回転軸に垂直な径方向の外周領域にトルク増大部を設け、磁気粘性流体のクラスタに対するせん断力を、外周領域よりも内側の内周領域に比べて大きくさせている。これにより、小型化に適し、かつ、大きなせん断力を得ることができる入力装置を提供することができるとしている。

国際公開ＷＯ２０１９／２２０７７１号公報

　しかしながら、特許文献１に記載の入力装置では、磁気粘性流体は支持部材を外した注入口から注入されるところ、磁性ディスク近傍に至るまでの経路が細くかつ複雑であり、さらに、磁性ディスクとこれに対向する第２ヨークとの隙間も薄いため、磁性ディスクと第２ヨークとの隙間へ磁気粘性流体を十分に注入・充填するには長い時間を要し、さらに、磁性ディスクと第１ヨークの隙間まで確実に注入させるのは一層難しく、注入効率を高くすることが困難であった。

　これに対して、注入効率を高めるために、注入口近傍の経路を太く単純な構成とすることが考えられるが、この経路は、磁性ディスクとヨークとの隙間とつながっているため、結果として磁性ディスクとヨークとの対向面積が減少したり、対向距離が増大することによって発生するトルクの大きさに影響を与えるおそれがある。さらに、注入口近傍の経路を太くするとともに、磁性ディスクとヨークの隙間に至るまでに徐々に経路を細くする構成も考えられるが、注入効率の向上とトルク生成への影響の抑制のバランスのとれた形状とする必要があり、単純な傾斜形状ではこのようなバランスを取ることは難しい。

　本発明は、磁気粘性流体の注入効率の向上とトルク生成への影響の抑制のバランスのとれた具体的な形状に着目したものであって、磁気粘性流体の注入効率を高めることができ、かつ、所望のトルクを生成することができるように構成したトルク発生装置を提供することを目的としている。

　上記課題を解決するために、本発明のトルク発生装置は、入力操作に応じて移動する、第１の面と、この第１の面に対向する第２の面と、を有する第１の部材と、第１の面に対向する第１の対向面と、第２の面に対向する第２の対向面とを含む内面部で形成される収容空間を有し、この収容空間に第１の部材を相対的に移動可能に収容する第２の部材と、収容空間内であって、第１の部材と内面部の間の空間の少なくとも一部に存在させ、磁界に応じて粘性が変化する磁気粘性流体と、磁気粘性流体に作用する磁界を発生させる磁界発生部とを備えるトルク発生装置において、第２の部材には、第１の対向面の一部から外方へ貫通した開口部が設けられ、内面部と第１の面との間に形成される隙間が、開口部から離れるに従って小さくなることを特徴としている。
　これにより、磁気粘性流体の注入効率を高めることができ、かつ、入力操作の際に所望の抵抗力を生じさせることができるトルク発生装置を提供することが可能となる。

　本発明のトルク発生装置において、第１の対向面は、開口部から離れるにしたがって隙間が小さくなるように所定のテーパ形状に形成されていることが好ましい。

　本発明のトルク発生装置において、第１の面は、開口部から離れるにしたがって隙間が小さくなるように所定のテーパ形状に形成されていることが好ましい。

　本発明のトルク発生装置において、開口部は、第２の部材において第１の対向面を有する壁部を厚み方向に貫通しており、厚み方向に直交する面方向において、開口部の開口サイズの１／２をδ、第１の面と第１の対向面が対向する範囲の長さの１／２をＬとし、テーパ形状を形成せずに、第１の対向面と第１の面を互いに平行に形成した場合に、第２の部材に対して第１の部材を相対的に移動させる入力操作において生じるトルクをＴａとし、テーパ形状を形成した場合に、トルク発生装置に求められるトルクをＴとしたときに、δは次式（１）を満たすことが好ましい。
　　Ｔ＜Ｔａ×［（Ｌ－δ）³／Ｌ³］　　　（１）

　本発明のトルク発生装置において、厚み方向に沿って見たときに、第２の部材は略円形の外形を有し、開口部は、上記外形と中心を同一とする円形の開口形状を有することが好ましい。

　本発明のトルク発生装置において、厚み方向に沿った断面において、テーパ形状は、厚み方向に直交する方向に沿って開口部から離れるにしたがってテーパ角θをもって隙間が小さくなっており、厚み方向における第１の面に対向する第２の部材の最大厚みをｄとしたとき、テーパ角θは次式（２）を満たすことが好ましい。
　　θ＜ａｔａｎ（ｄ／（Ｌ－δ））　　　（２）

　本発明のトルク発生装置において、第１の対向面及び第１の面の両方にテーパ形状に形成されている場合、第１の対向面についてのテーパ角をθ１、第１の面に対向する第２の部材の最大厚みをｄ１とし、第１の面についてのテーパ角をθ２と、第２の面に対向する第１の部材の最大厚みをｄ２’としたとき、次式（３）、（４）を同時に満たすことが好ましい。
　　θ１＜ａｔａｎ（ｄ１／（Ｌ－δ））　　　（３）
　　θ２＜ａｔａｎ（ｄ２／（Ｌ－δ））　　　（４）

　本発明によると、磁気粘性流体の注入効率を高めることができ、かつ、所望のトルクを生成することができるように構成したトルク発生装置を提供することができる。

（ａ）は第１実施形態に係るトルク発生装置を上側から見た斜視図、（ｂ）は図１（ａ）のトルク発生装置を下側から見た斜視図である。 図１（ａ）、（ｂ）に示すトルク発生装置を上側から見た分解斜視図である。 図１（ａ）、（ｂ）に示すトルク発生装置を下側から見た分解斜視図である。 図１（ａ）のＡ－Ａ’線に沿った断面図である。 図１（ａ）のＡ－Ａ’線に沿った断面図であって、励磁コイルが発生した磁界を概念的に示す図である。 図４の一部拡大図である。 図４の一部拡大図である。 第２実施形態に係るトルク発生装置の構成を示す断面図である。 図８の一部拡大図である。 第３実施形態に係る入力措置の構成を示す断面図である。 図１０の一部拡大図である。

　以下、本発明の実施形態に係るトルク発生装置について図面を参照しつつ詳しく説明する。
＜第１実施形態＞
　図１～図７を参照しつつ、トルク発生装置の第１実施形態について説明する。
　各図において、説明の便宜上、中心軸１１に沿って上下方向を規定しているが、実際の使用時における方向を制限するものではない。以下、中心軸１１に沿った方向を第１の方向とし、中心軸１１から、中心軸１１に直交する径方向を第２の方向と称する。また、中心軸１１に沿って見た状態を平面視ということがある。また、各図においては、各部材を固定するためのネジその他の部材の表示を省略し、図２～図５においてはリング部材１３１と磁気粘性流体１４０の表示を省略している。

　図１（ａ）、（ｂ）に示すように、トルク発生装置１０は、保持部２０と、操作部１００とを備える。操作部１００は、シャフト部１１０と、第１部材としての磁性ディスク１２０（図２・図３参照）とを含み、中心軸１１（回転軸）を中心として両方向に回転動作可能に保持部２０に支持されている。操作部１００は、ラジアル軸受１３０を介して、回転可能な状態で保持部２０に支持されている（図２・図３参照）。さらに、図６と図７に示すように、トルク発生装置１０内に設けた隙間８０には、磁気粘性流体１４０が満たされている。

　保持部２０は、第１ヨーク３０（内側ヨーク）、第２ヨーク４０（下側ヨーク）、磁界発生部としての励磁コイル５０、ボビン５１、環状部材６０（Ｏリング）、及び、上部ケースとしての第３ヨーク７０（上側ヨーク）を含む。第１ヨーク３０、第２ヨーク４０、第３ヨーク７０は、それぞれ別々に加工されて形成されている。ただし、第１ヨーク３０、第２ヨーク４０、第３ヨーク７０のいずれかが組み合わされて一体に形成されていてもよい。

　ここで、磁性ディスク１２０は、第１の面としての上面１２０ａと、第２の面としての下面１２０ｂとを備えた第１の部材である。一方、第１ヨーク３０と第３ヨーク７０は、磁性ディスク１２０の上面１２０ａと下面１２０ｂにそれぞれ対向する、第１の対向面としての内面７２ａ（第３ヨーク７０）と第２の対向面としての上面３０ａ（第１ヨーク３０）を備えた第２の部材である。

　図４に示すように、第１ヨーク３０は、円環部３１と、円環部３１と同心状に下側へ延びるように一体に設けられた円筒部３２とを備える。円環部３１と円筒部３２は、平面視において、中心軸１１を中心とする円形状をなしており、その外径は、円環部３１よりも円筒部３２の方が小さくされている。したがって、円環部３１は、径方向において円筒部３２の外周面３２ａの位置から外側へ延在する延在部となっている。円環部３１と円筒部３２の外径の違いにより、円筒部３２の外周面３２ａの外側に段差部３３が形成される。また、第１ヨーク３０は、中心軸１１を中心とした平面視円形状の内周面３４を有する。内周面３４は、中心軸１１に沿って円環部３１と円筒部３２を貫いており、その内径は、上下方向の位置に応じて変化するように設定されている。

　図４に示すように、第１ヨーク３０の段差部３３には、ボビン５１を介して、磁界発生部としての励磁コイル５０が配設される。ボビン５１は、非磁性材料からなり、円環部３１の下面３１ａ及び円筒部３２の外周面３２ａに沿った形状を有する環状部材である。

　励磁コイル５０は、内周面５０ａがボビン５１の外周面５１ａに沿うような円環状をなしている。励磁コイル５０の内周面５０ａは、径方向において、円筒部３２よりも外側であって円環部３１の外周面３１ｂよりも内側に位置し、外周面５０ｂは前記外周面３１ｂよりも外側に位置する。よって、励磁コイル５０は、平面視において、延在部としての円環部３１に重なっている。励磁コイル５０は、中心軸１１の周りを回るように巻き付けられた導線を含むコイルである。励磁コイル５０には不図示の接続部材が電気的に接続され、外部から電流が供給され、励磁コイル５０に電流が供給されると磁界が発生する。

　図４に示すように、第１ヨーク３０の円環部３１には、その外周面３１ｂに沿って環状部材６０が固定されている。この環状部材６０は円環状をなしており、合成樹脂などの弾性を有する非磁性材料で構成される。第１ヨーク３０に固定された状態の環状部材６０は、平面視において、段差部３３に配設された励磁コイル５０及びボビン５１と略同一の外径の円形状を有する。環状部材６０の径方向の厚みは、励磁コイル５０が発生した磁界が、環状部材６０を通じて第１ヨーク３０の円環部３１から第３ヨーク７０の側壁部７３へ、径方向に通じることを妨げることができる厚みとなっている。

　図４に示すように、第２ヨーク４０は、略円板状をなしており、第１ヨーク３０の下方に配設される。第２ヨーク４０は、中心軸１１を囲んで、厚み方向（上下方向）に貫通する孔部４１が設けられている。孔部４１は、厚み方向（上下方向）に沿って見たときに、略円形の外形を有する第３ヨーク７０に対して中心を同一とする円形の開口形状を有する。孔部４１内には、ラジアル軸受１３０を介してシャフト部１１０が挿入される。

　ラジアル軸受１３０は、第２ヨーク４０の孔部４１と、孔部４１に連通する、第１ヨーク３０の内周面３４とに外周面１３０ａが接するように配置される。これにより、シャフト部１１０は、第１ヨーク３０の内周面３４及び第２ヨーク４０の孔部４１の内側において、ラジアル軸受１３０の作用によって中心軸１１を中心として回転自在に支持される。

　なお、ヨーク３０、４０の外形は必ずしも円形でなくてもよい。また、ヨークの分割は、上述の第１ヨーク３０と第２ヨーク４０のような組み合わせでなくても良く、分割位置によっては矩形状の外形とすることもできる。

　図３又は図４に示すように、第３ヨーク７０は、（１）第１ヨーク３０、励磁コイル５０、ボビン５１、及び、環状部材６０と、（２）ラジアル軸受１３０、リング部材１３１、シャフト部１１０、及び、磁性ディスク１２０とを内部に収容する収容空間７１を有する。この収容空間７１は、その内面部、すなわち、上壁部７２の内面７２ａと、側壁部７３の内周面７３ａとによって平面視円形状に形成されている。

　図４に示すように、収容空間７１は、第３ヨーク７０の上壁部７２と側壁部７３によって形成されている。上壁部７２は、中心軸１１に直交する径方向に沿って延び、その内面７２ａは、第１の対向面として、磁性ディスク１２０の上面１２０ａ（第１の面）に対向する。上壁部７２には、その厚み方向（中心軸１１の延びる方向）に沿って、中心軸１１を中心とした円筒状に、内面７２ａから外方へ向けて貫通した開口部７４（注入口）が形成されている。

　ここで、磁性ディスク１２０は、磁性材料で構成された円板状の部材であって、第１の面としての上面１２０ａと、第２の面としての下面１２０ｂとを有し、いずれも中心軸１１に直交する径方向に沿って延び、平面視円形状をなしている。

　図６に示すように、第１の対向面としての、上壁部７２の内面７２ａは、開口部７４から離れるに従って、下側へ傾斜していくテーパ形状を有する。第１の面としての、磁性ディスク１２０の上面１２０ａは、径方向に沿って延びているため、内面７２ａと上面１２０ａとの間の隙間８０は、開口部７４から離れるに従ってテーパ角θをもって小さくなっている。

　上壁部７２の内面７２ａのテーパ形状について、図６を参照しつつ説明する。
　上述のように、開口部７４は、内面７２ａ（第１の対向面）を有する、第３ヨーク７０の上壁部７２（第２の部材）を厚み方向（図６の上下方向）に貫通している。厚み方向に直交する面方向において、開口部７４の開口サイズの１／２をδ、磁性ディスク１２０の上面１２０ａ（第１の面）と第１の対向面としての内面７２ａとが互いに対向する範囲の長さの１／２をＬとしたとき、次式（１）を満たすようにδとＬを設定している。
　　Ｔ＜Ｔａ×［（Ｌ－δ）³／Ｌ³］　　　（１）
　ここで、トルクＴａは、内面７２ａをテーパ形状として形成せずに、磁性ディスク１２０の上面１２０ａ（第１の面）に対して平行に形成した場合に、上壁部７２（第２の部材）に対して磁性ディスク１２０（第１の部材）を相対的に移動させる入力操作において生じるトルクである。また、トルクＴは、内面７２ａにテーパ形状を形成した場合に、トルク発生装置に求められるトルクである。

　ここで、入力操作における相対的な移動には、シャフト部１１０を中心軸１１を中心に回転させることにともなう磁性ディスク１２０の回転だけに限定されない。例えば、隙間８０内において、磁性ディスク１２０を、中心軸１１に沿った方向に、又は、中心軸１１に直交する方向に移動させた場合も含みうる。

　さらに、内面７２ａのテーパ形状は、図６に示す、厚み方向に沿った断面において、厚み方向に直交する方向に沿って開口部７４から離れるにしたがってテーパ角θをもって隙間８０が小さくなっており、次式（２）を満たすように設定される。
　　θ＜ａｔａｎ（ｄ／（Ｌ－δ））　　　（２）
　ここで、ｄは第３ヨーク７０の上壁部７２、すなわち、第２の部材のうち、第１の面としての上面１２０ａに対向する上壁部７２、の厚み方向における最大厚みを表すものである。このように、開口部７４から磁気粘性流体１４０を注入するにあたり、その注入効率を向上させるために、隙間８０に対してテーパ形状を形成した際にも、（１）式及び（２）式に基づき、トルク発生装置に求められるトルクに基づいてδ、Ｌ、θを設定することで、所望のトルクを発生できるように調整できるものである。つまり、テーパ形状を形成する際に発生するトルクへの影響を小さく抑えることができる。

　第２ヨーク４０は、第３ヨーク７０の側壁部７３に対して、例えば、ネジ（不図示）により、又は溶接によって固定される。これによって、第２ヨーク４０の外周部が第３ヨーク７０の側壁部７３に接触した状態で固定され、第２ヨーク４０と第３ヨーク７０とが互いに磁気的に接続される。

　第１ヨーク３０についても、第２ヨーク４０に対して、例えば、ネジ（不図示）により、又は溶接によって固定される。以上のように、第１ヨーク３０、第２ヨーク４０、及び、第３ヨーク７０を互いに固定することにより、励磁コイル５０が発生する磁界を閉ループにする磁路（磁気回路）が形成できる。

　上述のように、第１ヨーク３０の円環部３１の外周面３１ｂには、非磁性材料からなる環状部材６０が固定されており、この環状部材６０の外周面が第３ヨーク７０の側壁部７３の内周面７３ａに接している。したがって、第１ヨーク３０の円環部３１と第３ヨーク７０の側壁部７３とは、中心軸１１に直交する方向において環状部材６０によって離間されており磁気ギャップＧ（図７参照）が形成される。また、隙間８０が環状部材６０によって封止され、隙間８０内の磁気粘性流体１４０が磁気ギャップＧ内、例えば、第１ヨーク３０と第３ヨーク７０の間に侵入することを防ぐことができる。

　図７に示すように、環状部材６０は、下部が非磁性材料のボビン５１に接触し、上部は、第１ヨーク３０の上端と同一面となるように、隙間８０内に配置されている。したがって、磁気ギャップＧは、中心軸１１に沿った第１の方向において、上から、隙間８０、環状部材６０、ボビン５１の順に互い隣り合って延在し、励磁コイル５０の上面５０ｃに至っている。

　このような磁気ギャップＧを設けることによって、励磁コイル５０が発生した磁界の磁束が、第１ヨーク３０の円環部３１から第３ヨーク７０の側壁部７３へ、また、磁性ディスク１２０から第３ヨーク７０の側壁部７３へ、中心軸１１に直交する方向に沿って通過することを規制することができる。

　以上の構成において、励磁コイル５０に電流を印加すると図５の矢印で概略的に示す方向の流れを有する磁界が形成される。また、励磁コイル５０に対して逆向きに電流を印加すると、図５とは逆向きの流れの磁界が形成される。図５に示す例では、中心軸１１の方向に沿って第１ヨーク３０から第３ヨーク７０の上壁部７２側へ磁束が磁性ディスク１２０を横断し、この磁束は第３ヨーク７０の上壁部７２では中心軸１１から遠ざかる方向へ進み、第３ヨーク７０の側壁部７３では中心軸１１の方向に沿って上から下へ進む。

　さらに、第３ヨーク７０から第２ヨーク４０へ進んだ磁束は、第２ヨーク４０では中心軸１１へ近づく方向へ進み、第１ヨーク３０の円筒部３２へ上向きに進行する。円筒部３２内では、励磁コイル５０の内側に対応する領域で、下から上へ、すなわち第１ヨーク３０の円環部３１側へ進み、再び磁性ディスク１２０を横断して第３ヨーク７０に至る。

　このような磁路の磁界において、磁気ギャップＧが形成されているために、円環部３１及び磁性ディスク１２０から第３ヨーク７０の側壁部７３に磁束が通過することは規制されている。また、第２ヨーク４０と第３ヨーク７０の側壁部７３が磁気的に接続されているため、側壁部７３から第２ヨーク４０を通る磁路が確保される。

　次に、操作部１００の構造について説明する。
　図２・図３に示すように、操作軸としてのシャフト部１１０は、中心軸１１に沿って上下に延びる棒状材である。シャフト部１１０は、シャフト部１１０の下側に設けられた軸部１１１と、軸部１１１の上部に設けられ、軸部１１１よりも太い大径部１１２と、大径部１１２の上部に設けられ、中心軸１１に直交する方向に円板状に広がるフランジ部１１３と、フランジ部１１３の上部に設けられ、大径部１１２よりも細い小径部１１４とを備える。

　図２・図３に示すように、磁性ディスク１２０は、中心軸１１に沿った方向に直交するように配置される円形平面を有する円板状の部材である。図４に示すように、磁性ディスク１２０の円形平面の中心には、上下方向に貫通する中央孔部１２１が設けられている。図４に示すように、磁性ディスク１２０は、下方から中央孔部１２１内に、シャフト部１１０の小径部１１４を挿通させ、かつ、フランジ部１１３を磁性ディスク１２０の下面１２０ｂに接触・固定することによって、シャフト部１１０に対して固定される。シャフト部１１０は、小径部１１４の上面１１４ａが磁性ディスク１２０の上面１２０ａと同一面をなすように配置される。

　図４に示すように、シャフト部１１０は、軸部１１１の上部、及び、大径部１１２がラジアル軸受１３０によって回転自在に支持され、大径部１１２の上部がリング部材１３１によって外側から支持されている。リング部材１３１は、弾性を有する非磁性材料で構成される。ラジアル軸受１３０は、第１ヨーク３０及び第２ヨーク４０によって、上下方向の所定位置で支持される。リング部材１３１により、シャフト部１１０と第１ヨーク３０との間が液密となり、これにより、隙間８０内の磁気粘性流体１４０がラジアル軸受１３０側に侵入することを防ぐことができる。以上の構成により、シャフト部１１０は、第１ヨーク３０及び第２ヨーク４０との密着性を維持しつつ、第１ヨーク３０、第２ヨーク４０、及び、第３ヨーク７０に対して、中心軸１１を中心として回転可能に支持される。

　図４～図６に示すように、磁性ディスク１２０は、第１ヨーク３０と第３ヨーク７０との間の隙間８０において、中心軸１１に直交する方向に延びるように、且つ、第１ヨーク３０と第３ヨーク７０に対して相対的に移動可能に配設されている。よって、磁性ディスク１２０は、中心軸１１に沿った方向において、励磁コイル５０と互いに重複するように位置する。また、磁性ディスク１２０は、平面視において、延在部としての円環部３１に重なる。ここで、磁性ディスク１２０と励磁コイル５０は、中心軸１１に沿った方向において、少なくとも一部が重複するように位置していればよい。隙間８０は、磁性ディスク１２０の上面１２０ａと第３ヨーク７０の内面７２ａとの間に存在し、また、磁性ディスク１２０の下面１２０ｂと第１ヨーク３０の上面３０ａとの間に存在する。さらに、隙間８０は、磁性ディスク１２０の外周縁と第３ヨーク７０の側壁部７３との間において、磁気ギャップＧとして存在している。

　シャフト部１１０を回転操作することによって磁性ディスク１２０が、第１ヨーク３０、第２ヨーク４０、及び第３ヨーク７０に対して相対的に回転するとき、磁性ディスク１２０の上面１２０ａと第３ヨーク７０の内面７２ａとの間の上下方向の距離は、略一定に保たれ、磁性ディスク１２０の下面１２０ｂと第１ヨーク３０の上面３０ａとの間の上下方向の距離は略一定に保たれ、さらに、磁性ディスク１２０の外周縁と側壁部７３との径方向の距離も略一定に維持される。

　図５・図６に示すように、磁性ディスク１２０の周囲の隙間８０には磁気粘性流体１４０が満たされている。磁性ディスク１２０の周囲の隙間８０は、シャフト部１１０、リング部材１３１、第１ヨーク３０、第３ヨーク７０、及び、環状部材６０等で封止されているため、磁気粘性流体１４０は隙間８０内に確実に保持される。

　ここで、隙間８０の全てが磁気粘性流体１４０で埋められていなくてもよい。例えば、磁気粘性流体１４０は、上面１２０ａ側と下面１２０ｂ側とのいずれか一方のみに存在していてもよい。

　磁気粘性流体１４０は、磁界が印加されると粘性が変化する物質であり、例えば、非磁性の液体（溶媒）中に磁性材料からなる粒子（磁性粒子）が分散された流体である。磁気粘性流体１４０に含まれる磁性粒子としては、例えば、カーボンを含有した鉄系の粒子やフェライト粒子が好ましい。カーボンを含有した鉄系の粒子としては、例えば、カーボン含有量が０．１５％以上であることが好ましい。磁性粒子の直径は、例えば０．５μｍ以上が好ましく、さらには１μｍ以上が好ましい。磁気粘性流体１４０は、磁性粒子が重力で沈殿しにくくなるように、溶媒と磁性粒子を選定することが望ましい。さらに、磁気粘性流体１４０は、磁性粒子の沈殿を防ぐカップリング材を含むことが望ましい。

　励磁コイル５０に対して電流が印加されると、上述したように図５に示すような磁界が発生し、磁性ディスク１２０においては上下方向に沿った方向の磁束が横断し、磁性ディスク１２０の内部では、径方向に沿った磁束は生じないか生じてもその磁束密度はわずかである。この磁界により、第３ヨーク７０の上壁部７２においては径方向に沿った磁力線が生じ、第３ヨーク７０の側壁部７３においては、磁性ディスク１２０における磁力線とは逆方向で上下方向に沿った方向の磁力線が生じる。さらに、第２ヨーク４０においては、第３ヨーク７０の上壁部７２における磁力線とは逆方向であって径方向に沿った方向の磁力線が生じる。

　磁気粘性流体１４０においては、励磁コイル５０による磁界が生じていないときには、磁性粒子は溶媒内で分散されている。したがって、操作者がシャフト部１１０を操作すると、保持部２０は、大きな抵抗力を受けずに、操作部１００に対して相対的に回転する。あるいは、励磁コイル５０に通電されていない状態で、ヨーク内に残留磁束があるときは、その残留磁束の密度に応じてシャフト部１１０に抵抗トルクが残留する。

　一方、励磁コイル５０に電流を印加して磁界を発生させると、磁気粘性流体１４０には上下方向に沿った磁界が与えられる。この磁界により、磁気粘性流体１４０中で分散していた磁性粒子は磁力線に沿って集まり、上下方向に沿って並んだ磁性粒子が磁気的に互いに連結され、クラスタが形成される。この状態において、中心軸１１を中心とする方向にシャフト部１１０を回転させようとする力を与えると、連結された磁性粒子にせん断力がはたらき、これらの磁性粒子による抵抗力（トルク）が生じる。このため、磁界を発生させていない状態と比べて操作者に抵抗力を感じさせることができる。

　以上述べたように、シャフト部１１０から径方向外側に円板状に広がった磁性ディスク１２０を使用しているため、シャフト部１１０だけの場合に比べると広い範囲ｎに磁気粘性流体１４０を配置できる。さらに、磁気粘性流体１４０の抵抗力の大きさは、第１ヨーク３０の円環部３１、又は、第３ヨーク７０の７２に上下方向を挟まれた磁気粘性流体１４０の配置範囲の広さに基づいて定まる。特に、シャフト部１１０の操作によって磁性ディスク１２０を回転させたときの磁気粘性流体１４０による抵抗力の大きさは、その回転方向に直交する面の磁気粘性流体１４０の面積に関係する。よって、磁気粘性流体１４０の配置範囲が広くなるほど、抵抗力（トルク）の制御幅を広くすることができる。

　トルク発生装置１０は、不図示の制御部をさらに備える。制御部は、励磁コイル５０に印加する電流の大きさを制御し、これによって励磁コイル５０が発生する磁界の大きさを制御する。制御部は、例えば、中央演算処理装置と記憶装置とを含み、記憶装置に記憶されたプログラムを中央演算処理装置で実行することにより制御を実行する。制御部による制御によって、残留磁場をほぼゼロとすることができ、操作者に対して安定した操作感触を与えることができる。

　また、残留磁場をほぼゼロとする制御に代えて、残留磁場が略一定値となるように制御することもできる。これによっても、操作者に対して安定した操作感触を与えることが可能となる。この制御においては、残留磁束密度を一定値以上に保つようにすると、励磁コイル５０への電流の印加を長い時間にわたって行わなかったときに重力によって磁気粘性流体１４０中の磁性粒子が沈殿し、操作者が受ける感触が変化してしまうことを防ぐことができる。

　以上のように構成されたことから、上記第１実施形態によれば、開口部７４を介して磁気粘性流体１４０を隙間８０内へ注入する際に、開口部７４の近傍、すなわち、開口部７４に連設された、第１対向面としての内面７２ａに所定のテーパ形状を形成することにより、隙間８０への磁気粘性流体１４０の注入をスムーズに行って注入効率を高め、かつ、生成されるトルクに対してテーパ形状を設けることの影響を小さく抑えることが可能となる。

　＜第２実施形態＞
　上記第１実施形態においては、隙間８０を形成する面のうち、第３ヨーク７０の上壁部７２の内面７２ａ、すなわち第１対向面にテーパ形状を形成していたが、以下に説明する第２実施形態のように、第１の面としての、磁性ディスク２２０の上面２２０ａにテーパ形状を形成してもよい。

　図８・図９に示す第２実施形態のトルク発生装置２１０において、第３ヨーク２７０は、一定の厚さを有する上壁部２７２と、第１実施形態の側壁部７３と同様の構成の側壁部２７３とを有し、その内側の収容空間内に、第１実施形態と同様に、（１）第１ヨーク３０、励磁コイル５０、ボビン５１、及び、環状部材６０と、（２）ラジアル軸受１３０、リング部材１３１、シャフト部１１０、及び、磁性ディスク２２０とを収容し、第２ヨーク４０によって収容空間が閉じられる。
　なお、図８・図９において、第１実施形態と同様の部材については同じ符号を付している。

　上壁部２７２には、その厚み方向に沿って、中心軸１１を中心とした円筒状に貫通した開口部２７４（注入口）が形成されている。

　磁性ディスク２２０は、円形平面の中心に中央孔部２２１が設けられ、この中央孔部２２１にシャフト部１１０の小径部１１４が下から挿入され、上側へ延出している。磁性ディスク２２０は、中央孔部２２１の円形平面の中心が中心軸１１上に位置するように配置される。

　図９に示すように、磁性ディスク２２０の上面２２０ａ（第１の面）は、開口部２７４から離れるに従って、又は、シャフト部１１０の小径部１１４から離れるに従って、上側へ傾斜していくテーパ形状を有する。第１の対向面としての、第３ヨーク７０の内面２７２ａは、径方向に沿って延びているため、内面２７２ａと上面２２０ａとの間の隙間２８０は、開口部２７４から離れるに従ってテーパ角θをもって小さくなっている。
　なお、磁性ディスク２２０の下面２２０ｂは、径方向に沿って延びており、第１ヨーク３０の上面３０ａと平行に互いに対向している。

　厚み方向に直交する面方向において、開口部２７４の開口サイズの１／２をδ、磁性ディスク２２０の上面２２０ａ（第１の面）が第１の対向面としての、上壁部２７２の内面２７２ａと対向する範囲の長さの１／２をＬとしたとき、次式（１）’を満たすようにδとＬを設定している。
　　Ｔ＜Ｔａ×［（Ｌ－δ）³／Ｌ³］　　　（１）’
　ここで、トルクＴａは、上面２２０ａをテーパ形状として形成せずに、第３ヨーク２７０の内面２７２ａ（第１の対向面）に対して平行に形成した場合に、上壁部２７２（第２の部材）に対して磁性ディスク２２０（第１の部材）を相対的に移動させる入力操作において生じるトルクである。また、トルクＴは、磁性ディスク２２０の上面２２０ａにテーパ形状を形成した場合に、トルク発生装置に求められるトルクである。

　さらに、上面２２０ａのテーパ形状は、図７に示す、厚み方向に沿った断面において、厚み方向に直交する方向に沿って開口部２７４から離れるにしたがってテーパ角θをもって隙間２８０が小さくなっており、次式（２）’を満たすように設定される。
　　θ＜ａｔａｎ（ｄ／（Ｌ－δ））　　　（２）’
　ここで、ｄは厚み方向における磁性ディスク２２０、すなわち、第２の面としての内面２７２ａに対向する磁性ディスク２２０、の最大厚さである。なお、ｄには、開口部２７４の中心軸１１に沿った方向における深さｈは含まれない。

　このような構成により、開口部２７４を介して磁気粘性流体１４０を隙間２８０内へ注入する際に、第１の面としての、磁性ディスク２２０の上面２２０ａに所定のテーパ形状を形成することにより、隙間２８０への磁気粘性流体１４０の注入をスムーズに行って注入効率を高め、かつ、生成されるトルクに対してテーパ形状を設けることの影響を小さく抑えることが可能となる。

　＜第３実施形態＞
　第１実施形態及び第２実施形態に対して、第３実施形態のように、第１の面としての、磁性ディスク３２０の上面３２０ａと、第１の対向面としての、第３ヨーク３７０の上壁部３７２の内面３７２ａとの両方にテーパ形状を形成してもよい。

　図１０・図１１に示す第３実施形態のトルク発生装置３１０において、第３ヨーク３７０は、その内側の収容空間（上壁部３７２の内面３７２ｄと側壁部３７３の内周面（不図示）とによって形成される空間）内に、第１実施形態と同様に、（１）第１ヨーク３０、励磁コイル５０、ボビン５１、及び、環状部材６０と、（２）ラジアル軸受１３０、リング部材１３１、シャフト部１１０、及び、磁性ディスク３２０とを収容し、第２ヨーク４０によって収容空間が閉じられる。
　なお、図１０・図１１において、第１実施形態と同様の部材については同じ符号を付している。

　上壁部３７２には、その厚み方向に沿って、中心軸１１を中心とした円筒状に貫通した開口部３７４（注入口）が形成されている。第１の対向面としての、上壁部３７２の内面３７２ａは、開口部３７４から離れるに従って、下側へ傾斜していくテーパ形状を有する。

　磁性ディスク３２０は、円形平面の中心に中央孔部３２１が設けられ、この中央孔部３２１にシャフト部１１０の小径部１１４が下から挿入され、上側へ延出している。磁性ディスク３２０は、中央孔部３２１の円形平面の中心が中心軸１１上に位置するように配置される。

　図１１に示すように、磁性ディスク３２０の上面３２０ａ（第１の面）は、開口部３７４から離れるに従って、又は、シャフト部１１０の小径部１１４から離れるに従って、上側へ傾斜していくテーパ形状を有する。第１の対向面としての、第３ヨーク３７０の内面３７２ａは、開口部３７４から離れるに従って、下側へ傾斜しているため、上壁部３７２の内面３７２ａと、磁性ディスク３２０の上面３２０ａとの間の隙間３８０は、開口部３７４から離れるに従って小さくなっている。
　なお、磁性ディスク３２０の下面３２０ｂは、径方向に沿って延びており、第１ヨーク３０の上面３０ａと平行に互いに対向している。

　第３実施形態のトルク発生装置３１０においては、第１の対向面としての、上壁部３７２の内面３７２ａと、第１の面としての、磁性ディスク３２０の上面３２０ａとの両方にテーパ形状に形成されており、次の式（３）、（４）が同時に満たされる。ここで、上壁部３７２の内面３７２ａ（第１の対向面）についてのテーパ角をθ１、中心軸１１に沿った方向における上壁部３７２、すなわち、第２の部材のうち、第１の面としての上面３２０ａに対向する上壁部３７２、の最大厚みをｄ１とし、磁性ディスク３２０の上面３２０ａ（第１の面）についてのテーパ角をθ２と、中心軸１１に沿った方向における磁性ディスク３２０、すなわち、第２の面としての内面３７２ａに対向する磁性ディスク３２０の、最大厚みをｄ２としている。また、径方向において、上面３２０ａ（第１の面）と内面３７２ａ（第１の対向面）が互いに対向する範囲の長さの１／２をＬとしている。
　　θ１＜ａｔａｎ（ｄ１／（Ｌ－δ））　　　（３）
　　θ２＜ａｔａｎ（ｄ２／（Ｌ－δ））　　　（４）

　第３実施形態のトルク発生装置３１０によれば、開口部３７４を介して磁気粘性流体１４０を隙間３８０内へ注入する際に、互いに対向する、第１の面と第１の対向面の両方に所定のテーパ形状を形成することにより、隙間３８０への磁気粘性流体１４０の注入をスムーズに行って注入効率を高め、かつ、生成されるトルクに対してテーパ形状を設けることの影響を小さく抑えることが可能となる。
　本発明について上記実施形態を参照しつつ説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、改良の目的または本発明の思想の範囲内において改良または変更が可能である。

　以上のように、本発明に係るトルク発生装置は、磁気粘性流体を効率良く注入することができ、かつ、第１の部材の相対移動の際のトルクを所望の大きさで生成することができる点で有用である。

　１０　　　トルク発生装置
　１１　　　中心軸
　２０　　　保持部
　３０　　　第１ヨーク
　３０ａ　　上面
　３１　　　円環部
　３１ａ　　下面
　３１ｂ　　外周面
　３２　　　円筒部
　３２ａ　　外周面
　３３　　　段差部
　３４　　　内周面
　４０　　　第２ヨーク
　４１　　　孔部
　５０　　　励磁コイル
　５０ａ　　内周面
　５０ｂ　　外周面
　５０ｃ　　上面
　５１　　　ボビン
　５１ａ　　外周面
　６０　　　環状部材
　７０　　　第３ヨーク
　７１　　　収容空間
　７２　　　上壁部
　７２ａ　　内面
　７３　　　側壁部
　７３ａ　　内周面
　７４　　　開口部
　８０　　　隙間
　１００　　操作部
　１１０　　シャフト部
　１１１　　軸部
　１１２　　大径部
　１１３　　フランジ部
　１１４　　小径部
　１１４ａ　上面
　１２０　　磁性ディスク
　１２０ａ　上面
　１２０ｂ　下面
　１２１　　中央孔部
　１３０　　ラジアル軸受
　１３０ａ　外周面
　１３１　　リング部材
　１４０　　磁気粘性流体
　２１０　　トルク発生装置
　２２０　　磁性ディスク
　２２０ａ　上面
　２２０ｂ　下面
　２２１　　中央孔部
　２７０　　　第３ヨーク
　２７２　　　上壁部
　２７２ａ　　内面
　２７３　　　側壁部
　２７４　　　開口部
　２８０　　　隙間
　３１０　　トルク発生装置
　３２０　　磁性ディスク
　３２０ａ　上面
　３２０ｂ　下面
　３２１　　中央孔部
　３７０　　　第３ヨーク
　３７２　　　上壁部
　３７２ａ　　内面
　３７３　　　側壁部
　３７４　　　開口部
　３８０　　　隙間
　Ｇ　　　　　磁気ギャップ
　Ｌ　　　　　第１の面と第１の対向面が対向する範囲の長さの１／２
　δ　　　　　開口サイズの１／２
　ｈ　　　　　深さ
　ｄ、ｄ１、ｄ２　厚み

Claims (7)

1. 　入力操作に応じて移動する、第１の面と、この第１の面に対向する第２の面と、を有する第１の部材と、
   　前記第１の面に対向する第１の対向面と、前記第２の面に対向する第２の対向面とを含む内面部で形成される収容空間を有し、この収容空間に前記第１の部材を相対的に移動可能に収容する第２の部材と、
   　前記収容空間内であって、前記第１の部材と前記内面部の間の空間の少なくとも一部に存在させ、磁界に応じて粘性が変化する磁気粘性流体と、
   　前記磁気粘性流体に作用する磁界を発生させる磁界発生部と
   　を備えるトルク発生装置において、
   　前記第２の部材には、前記第１の対向面の一部から外方へ貫通した開口部が設けられ、
   　前記内面部と前記第１の面との間に形成される隙間が、前記開口部から離れるに従って小さくなることを特徴とするトルク発生装置。
2. 　前記第１の対向面は、前記開口部から離れるにしたがって前記隙間が小さくなるように所定のテーパ形状に形成されている請求項１に記載のトルク発生装置。
3. 　前記第１の面は、前記開口部から離れるにしたがって前記隙間が小さくなるように所定のテーパ形状に形成されている請求項１又は請求項２に記載のトルク発生装置。
4. 　前記開口部は、前記第２の部材において前記第１の対向面を有する壁部を厚み方向に貫通しており、
   　前記厚み方向に直交する面方向において、前記開口部の開口サイズの１／２をδ、前記第１の面と前記第１の対向面が対向する範囲の長さの１／２をＬとし、
   　前記テーパ形状を形成せずに、前記第１の対向面と前記第１の面を互いに平行に形成した場合に、前記第２の部材に対して前記第１の部材を相対的に移動させる前記入力操作において生じるトルクをＴａとし、
   　前記テーパ形状を形成した場合に、前記トルク発生装置に求められるトルクをＴとしたときに、δが次式（１）を満たす請求項２又は請求項３に記載のトルク発生装置。
   　　Ｔ＜Ｔａ×［（Ｌ－δ）³／Ｌ³］　　　（１）
5. 　前記厚み方向に沿って見たときに、前記第２の部材は略円形の外形を有し、前記開口部は、前記外形と中心を同一とする円形の開口形状を有する請求項４に記載のトルク発生装置。
6. 　前記厚み方向に沿った断面において、前記テーパ形状は、前記厚み方向に直交する方向に沿って前記開口部から離れるにしたがってテーパ角θをもって前記隙間が小さくなっており、
   　前記厚み方向における、前記第１の面に対向する前記第２の部材の最大厚みをｄとしたとき、
   　前記テーパ角θは次式（２）を満たす請求項５に記載のトルク発生装置。
   　　θ＜ａｔａｎ（ｄ／（Ｌ－δ））　　　（２）
7. 　前記第１の対向面及び前記第１の面の両方に前記テーパ形状に形成されている場合、
   　前記第１の対向面についてのテーパ角をθ１、前記第１の面に対向する前記第２の部材の最大厚みをｄ１とし、
   　前記第１の面についてのテーパ角をθ２と、前記第２の面に対向する前記第１の部材の最大厚みをｄ２としたとき、
   　次式（３）、（４）を同時に満たす請求項６に記載のトルク発生装置。
   　　θ１＜ａｔａｎ（ｄ１／（Ｌ－δ））　　　（３）
   　　θ２＜ａｔａｎ（ｄ２／（Ｌ－δ））　　　（４）

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