(57)【要約】【課題】流体を用いたブレーキは、焼き付きが起こり難く、マイルドな制止力を発現し、作動音も静かであるが、流体のせん断抵抗を利用する従来のブレーキでは、直径を小さくすると大きな制動力が得ら難かった。【解決手段】スクリュ軸の回転により吸い込まれ押し出される流体の流量を流量調整弁で調整しスクリュ軸の回転抵抗を変化させ、回転軸に制動力を発生させる。流体は循環利用される。流体に電場や磁場の強さで粘性を変化できるＥＲ流体やＭＲ流体を使用することで、制動力をより高め、応答性の良いシンプルな構造の回転軸型流体ブレーキを実現できる。【選択図】図４
2020118290.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スクリュ軸と、該スクリュ軸の回転により吸い込まれ押し出される流体の流量を調整する流量調整弁を備え、該流量調整弁で該流体の流量を調整して該スクリュ軸の回転抵抗を変化させ、該回転抵抗を制動力とすることを特徴とする回転軸型ブレーキ
【請求項２】
スクリュ軸の回転により吸い込まれ押し出された流体が流量調整弁を経てスクリュの吸い込み口に戻り、流体が循環して利用される流体循環流路を備えたことを特徴とする請求項１の回転軸型ブレーキ
【請求項３】
流体がＥＲ（エレクトロレオロジー）流体あるいはＭＲ（マグネトロレオロジー）流体、等の電場や磁場などの外部刺激により粘性を変化できる機能性流体であることを特徴とする請求項２の回転軸型ブレーキ
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  流体の圧縮流れ抵抗を利用したシンプルな構造で多量生産にも向く回転軸型ブレーキを提供するもので、メカトロニクスの広い分野での回転力の制御に利用が期待される。
【背景技術】
【０００２】  ブレーキは一般に、固体摩擦力を利用する摩擦ブレーキ、流体の流動抵抗を利用する流体ブレーキ、電磁力を利用する電気ブレーキに大別される。流体を利用するブレーキは、大きな制止力を得にくいと言う弱点もあるが、焼き付きが起こり難く、マイルドな制止力を発現し、作動音も静かであり、近年の人間共存型ロボットや医療・健康機器などの用途での要求が高まっている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】  流体の流れには、図１に示すような３つのモードがある。これまでの流体を用いたブレーキは主として図１（Ａ）のせん断流れモードのせん断力を利用するものである。流体のせん断力は個体摩擦に比べて小さいため、このせん断流れモードを利用するブレーキは、大きな制止力を得るためには、ディスクやシリンダを多重にして摩擦面積を増やすのが一般であるが、制止力はディスクの直径の３乗、シリンダ径の２乗に比例するため、直径が小さなブレーキでは大きな制止力が得にくい欠点があった。
【課題を解決するための手段】
【０００４】  ブレーキの直径が小さくても大きな制止力を得る方法として、従来のせん断流れモードではなく、図１（Ｂ）の圧縮流れモードや図１（Ｃ）のスクイーズ流れモードを利用することを検討した。【０００５】  特開２００６−０８７５５９には、流体の圧力流れモードとスクイーズ流れモードを利用した回転軸型ブレーキが記載されているが、軸の回転角度が制限され自由な多回転ができない。【０００６】  従来のスクリュポンプや渦巻ポンプは流体の圧縮流れやスクイーズ流れを利用するものであるが、流体の排出口を閉じるとスクリュや渦巻ファンの回転軸に大きな負荷がかかる。本発明はこの現象を回転軸型ブレーキに応用するものであり、流体の排出口の絞り方を流量調整弁で調整することにより、回転軸の抑止力を制御しようとするものである。【０００７】  図２は本発明の原理を示す。スクリュ軸５の回転で吸い込まれ押し出された流体１は流量調整弁１１で絞られるとスクリュ軸５の回転に負荷がかかり、それに直結した回転軸８に制動力がかかる。すなわち、流量調整弁１１の絞り方を変えることにより回転軸８の制動力を変化させることができる。【０００８】  すなわち、本発明は、スクリュ軸の回転により吸い込まれ押し出される流体の流量を流量調整弁で調整してスクリュ軸の回転抵抗を変化させ、その回転抵抗を制動力とすることを特徴とする回転軸型ブレーキにある。【０００９】  また、本発明は、スクリュ軸の回転により吸い込まれ押し出された流体が流量調整弁を経てスクリュの吸い込み口に戻り、流体が循環して使用されることを特徴とする上記の回転軸型ブレーキにある。【００１０】  スクリュ軸の回転を用いた本発明の回転軸型ブレーキの制動力は、スクリュおよび流体粘度に大きく依存する。スクリュに関しては、ブレーキの制動対象が高速回転体なのか低速回転体なのかにより、スクリュのネジの形状、すなわち、フライト６やホール７の形状や大きさ、径、長さ、ピッチおよびそのパターンなどの因子があり、用途による最適化が必要である。大きな制動力を得るためにはホール７の面積は小さい方が一般的に望ましい。またスクリュ軸は１軸式でも多軸式でも良い。流体の粘度に関しては、高い方が大きな制動力が得やすいが、高いと空転時の抵抗も高くなる。流体は循環して使用されるのが望ましい。【００１１】  本発明に使用される流量調整弁は、バタフライ弁、ゲート弁、グローブ弁、ボール弁などいずれの種類でも良いが、外部からの信号で調整できる流量自動調整弁が望ましい。【００１２】  本発明のブレーキに用いる流体としては、熱的や化学的に安定で揮発性のない流体であれば使用できるが、電場や磁場などの外部からの刺激で粘性が変化するＥＲ（エレクトロレオロジー）流体やＭＲ（マグネトロレオロジー）流体を用いると、流体循環流路に電場や磁場をかけだけで、流量調整弁を使用しなくても流量調整が簡単にできるようになり、より簡易な構造で応答の良いブレーキを提供することができる。さらに、流体循環流路だけでなくスクリュ部分の流体にも、電場や磁場をかけてシリンダ内部の流体の粘度を上げるようにすれば、より大きな制動力を得ることができる。【００１３】  すなわち、本発明はさらに、循環使用される流体がＥ���（エレクトロレオロジー）流体あるいはＭＲ（マグネトロレオロジー）流体、磁性流体、等の電場や磁場などの外部刺激により粘性を変化できる機能性流体であることを特徴とする回転軸型ブレーキにある。【００１４】  ＥＲ流体とは、電圧を印加した際にその粘性が瞬間的にかつ大きく変化し、その変化が可逆的である応答性に極めて優れた流体である。ＥＲ流体はミクロンサイズの誘電体粒子を絶縁油に分散させた分散系と、粒子を用いない均一系に大別される。前者に用いられる粒子としては、イオン分極が可能な水、酸、アルカリあるいは有機電解質などを含んだ、シリカやゼオライト等の無機粒子、あるいはイオン交換樹脂やセルロースなどの有機粒子、水を含まずイオン分極よりは電子分極を生じ易いカーボンやポリアニリン、金属フタロシアニン等の半導電体粒子、表面に絶縁性薄膜層を形成した金属粒子や導電ポリマー粒子、などが挙げられる。絶縁油としては、鉱物油、シリコン油、フッ素油などが用いられる。また後者の均一系としては、液晶、特に高分子液晶が好ましいものとして挙げられる。前者の分散系は電界印加時に剪断応力が剪断速度によらずほぼ一定である、いわゆるビンガム流動を示す。一方、後者の均一系は一般に剪断応力が剪断速度に比例する、いわゆるニュートン流動を示す。本発明にはいずれの流体をも使用することできる。【００１５】  一方、ＭＲ流体とは磁性粒子を媒体に分散させた流体で、外部磁場の印加によって、粘性を大きく変化できる、これも応答性に優れた流体である。磁性粒子の材料としては、鉄、カルボニル鉄、窒化鉄、炭化鉄、低炭素鋼、ニッケル、コバルト等が挙げられる。またアルミニウム、ケイ素、コバルト、ニッケルなどの元素を含む鉄合金でも良い。また、ガドリニウム、ガドリニウム有機誘導体からなる常磁性、超常磁性あるいは強磁性化合物粒子及びこれらの混合物からなる粒子であっても良い。中でも、カルボニル鉄は最も適した材料である。磁性粒子の粒径は平均粒径としては、数μｍから数十μｍが好ましく、例えば、サブμｍやナノμｍの粒子が含まれていても良い。分散媒体としては、鉱物油、シリコン油、フッ素油、パラフィンなどが用いられる。磁性粒子は媒体に容積比で１５〜４５％、一般的には２０〜４０％で分散したものが用いられている。【００１６】  なお、本発明のブレーキは、容器側あるいは回転軸側を回転入力手段に接続することにより、クラッチとしての利用も可能である。
【発明の効果】
【００１７】  流体を用いたブレーキは焼き付きを起こすことはなく、騒音も小さく、固体摩擦板のような摩擦粉末も発生しない。流体のせん断流れモードを用いた従来のディスク型やシリンダ型のブレーキでは直径が小さいブレーキでは大きな制動力を得ることが難しかった。本発明のスクリュ軸を用いた回転軸型ブレーキは、直径に寄らず細いブレーキでも大きな制動力を得ることができ、部品点数も少なくシンプルな構造で多量生産にも向く。また、ＥＲ流体やＭＲ流体などの機能性流体を用いた本発明のブレーキは、流量調整弁を用いることなく、構造が更にシンプルになり、極めて応答性の良いブレーキを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】  以下、実施例をもって本発明の内容を補足する。
【実施例】
【実施例１】
【００１９】  図３は、流体が循環使用される方式の回転軸型ブレーキを示す。シリンダ４の内部および流体循環流路１２には粘性のある流体１（シリコン油、１０ポイズ）が充填されており、スクリュ軸５に直結した回転軸８を回転させると流体は矢印の方向に循環する。流量調整弁１１を全開した状態では回転軸８は軽く回るが、完全に閉じた状態ではスクリュ軸５を回転させようとしても、流体排出口１０付近の内圧が上がると同時に流体注入口９での内圧が下がり、スクリュ軸５の回転は固くなり、回転軸８に大きな制動力を発生させる。制動力は流量調整弁１１の絞り具合で調整できる。なお、スクリュ軸５の回転方向を逆にしても同様に調整弁１１の絞り具合で回転軸８の制動力を調整することができる。
【実施例２】
【００２０】  図４は、ＥＲ流体を循環させる本発明の回転軸型ブレーキの例を示す。金属製のシリンダ４の内部には金属製の円筒１３と金属製のスクリュ軸５がお互いに所定の間隙１９を保って取り付けられている。円筒１３の両端は樹脂製の絶縁円板１４でシリンダ４の内面と円筒１３の外面の間隙１９が４ｍｍを保つように固定されている。円筒１３の両端には流体の流路になるように大きな切込み１５が設けられている。円筒１３は絶縁円板１４によりシリンダ４とは電気的に絶縁されているが、円筒１３は絶縁材１６を介して高電圧配線１７に接続している。一方、シリンダ４とスクリュ軸５は共に低電圧（アース）配線１８に接続している。また円筒１３の内面と金属製のスクリュ軸５のフライト６の先端部とは１ｍｍの間隙１９が設けられて、両者も電気的に絶縁されている。シリンダ４の内部は、完全に脱気されたＥＲ流体２０が隙間なく充填されている。回転軸８を回転させるとスクリュ軸５の回転でＥＲ流体２０は円筒１３の一端の切込み（流路）１５を通り、シリンダ４の内面と円筒１３の外面の間隙４ｍｍの流体循環流路１２を通り、もう一端の切込み口１５から円筒１３の内部に戻る。この際、高電圧電源（図示されず）から円筒１３に電圧を印加することにより、円筒１３の外面のＥＲ流体２０に電場２１がかかり流体粘度が上がり、ＥＲ流体２０の流動を抑え流体循環流路１２は実質的な流動調整弁となる。また、スクリュ軸５のフライト１８の表面と円筒１３の間に存在するＥＲ流体２０にも電場２１がかかり、ＥＲ流体２０の粘性が上がりスクリュの効率、すなわち制動力の向上が図られる。スクリュ軸５のフライト１８の先端部と円筒１３の内面との間隙１９は、ＥＲ流体２０に電場２１をかけない際は回転軸の空転抵抗を下げる効果の上でも好ましい。ＥＲ流体２０には通常、電界強度０〜３ｋＶ／ｍｍの電圧がかけられる。
【実施例３】
【００２１】  図５は、ＭＲ流体を循環させる本発明の回転軸型ブレーキの例を示す。金属製のシリンダ４の内には金属製のスクリュ軸５が、また両端には流体循環流路１２が設けられている。流体循環流路１２の中間部には電磁石２３が設置されている。シリンダ４および流体循環流路１２の内部には、完全に脱気されたＭＲ流体２２が充填させている。スクリュ軸５の回転により、ＭＲ流体２２は流体排出口１０から流体循環流路１２を通って流体注入口９に戻るが、電磁石２３に電流が流れると磁場２４が発生し、それによりＭＲ流体２２の粘性が上がり、電磁石２３の付近は実質的な流量調整バルブになる。電磁石２３にかかる電流の強さで回転軸８の制動力が制御される回転軸型ブレーキが得られる。シリンダ４にも外部から磁場２４をかける別の電磁石（図示されず）を取り付けることで、シリンダ４の内部のＭＲ流体２２の粘性を上げることができ、より制動力の向上が図れる。なお、スクリュ軸５や電磁石２３を取り付ける部分のシリンダ４や流体循環流路１２には透磁性が大きく保持力の小さなパーマロイやケイ素鋼などの金属を用いることが望ましい。
【産業上の利用可能性】
【００２２】  流体の流動抵抗を利用するブレーキは、大きな制止力を得にくいと言う弱点はあるが、焼き付きが起こり難く、マイルドな制止力を発現し、作動音も静かであり、近年の人間共存型ロボットや医療・健康機器などの用途での要求が高まっている。取り分け、本発明のスクリュ型のブレーキは、直径が小さい割に大きな制動力が得られることから、狭い場所にも設置できるブレーキとして、産業用装置、精密機械、移送機器、福祉機器、スポーツ用具、家庭用電気機器など、広い用途での利用が期待される。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】  流体の３つの流れモードを示す。
【図２】  本発明の作動原理を示す。
【図３】  流体を循環利用する本発明の実施例を示す。
【図４】  流体にＥＲ流体を用い、流体を循環利用する本発明の実施例を示す。
【図５】  流体にＭＲ流体を用い、流体を循環利用する本発明の実施例を示す。
【符号の説明】
【００２４】  １：流体
２：基板
３：ピストン
４：シリンダ（容器）
５：スクリュ軸
６：フライト
７：ホール
８：回転軸
９：流体注入口
１０：流体排出口
１１：流量調整弁
１２：流体循環流路
１３：円筒（金属）
１４：絶縁円板（樹脂板）
１５：切り込み（流路）
１６：絶縁材
１７：高電圧配線
１８：低電圧（アース）配線
１９：間隙
２０：ＥＲ流体
２１：電場
２２：ＭＲ流体
２３：電磁石
２４：磁場
【図１】
2020118290.tif 000003
【図２】
2020118290.tif 000004
【図３】
2020118290.tif 000005
【図４】
2020118290.tif 000006
【図５】
2020118290.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成31年2月28日(2019.2.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】  スクリュ軸の回転を用いた本発明の回転軸型ブレーキの制動力は、スクリュおよび流体粘度に大きく依存する。スクリュに関しては、ブレーキの制動対象が高速回転体なのか低速回転体なのかにより、スクリュのネジの形状、すなわち、フライト６やホール７の形状や大きさ、径、長さ、ピッチおよびそのパターンなどの因子があり、用途による最適化が必要である。大きな制動力を得るためにはホール７の面積は小さい方が一般的に望ましい。またスクリュ軸は１軸式でも多軸式でも良い。スクリュは流体を吸い込み押し出す役割を果たすが、渦巻ファン（例えばプロペラファンやラジアルベーンなど）も同じ役割を果たすことから、本発明に利用できる。流体の粘度に関しては、高い方が大きな制動力が得やすいが、高いと空転時の抵抗も高くなる。流体は循環して使用されるのが望ましい。