(57)【要約】【課題】磁気粘性流体を用いたトルク発生装置であって、小型化に適し、かつ、大きなせん断応力を得ることができるトルク発生装置を提供する。【解決手段】回転軸を中心に回転する磁性ディスクと、磁性ディスクを挟む一方に位置する第１ヨークと、他方に位置する第２ヨークと、回転軸が延びる方向に沿って見たときに磁性ディスクと重なるように配置されたコイルと、少なくとも磁性ディスクと近接する領域が磁性ディスク及びコイルの外側に位置し、第１ヨーク及び第２ヨークとともに、コイルが発生する磁界の磁路を構成する第３ヨークと、磁性ディスクと第１ヨーク及び第２ヨークとの間に充填された磁気粘性流体とを備え、第３ヨークは、第１ヨークとの間に磁気ギャップを有し、磁気ギャップは、回転軸が延びる方向に沿った方向に見たときに、磁性ディスクの外周縁よりも外側、又は、磁性ディスクの外周縁と重なる位置に形成されている。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸を中心に回転動作可能な磁性ディスクと、
前記磁性ディスクを挟む一方に位置する第１ヨークと、他方に位置する第２ヨークと、
前記回転軸が延びる方向に沿った方向に見たときに前記磁性ディスクと重なるように配置されたコイルと、
少なくとも前記磁性ディスクに近接する領域が前記磁性ディスク及び前記コイルの外側に位置し、前記第１ヨーク及び前記第２ヨークとともに、前記コイルが発生する磁界の磁路を構成する第３ヨークと、
前記磁性ディスクと前記第１ヨーク及び前記第２ヨークとの間に充填された磁気粘性流体とを備え、
前記第３ヨークは、前記第１ヨークとの間に磁気ギャップを有し、
前記磁気ギャップは、前記回転軸が延びる方向に沿った方向に見たときに、前記磁性ディスクの外周縁よりも外側、又は、前記磁性ディスクの外周縁と重なる位置に形成されていることを特徴とするトルク発生装置。
【請求項２】
前記磁性ディスクには、前記第１ヨークと前記第２ヨークとの間を横断する磁束のみが通過する請求項１に記載のトルク発生装置。
【請求項３】
前記磁性ディスクは、前記磁束が横断する領域に、磁気ギャップが存在しない請求項２に記載のトルク発生装置。
【請求項４】
前記回転軸と直交する面内において、前記磁性ディスクの外周縁と、前記第３ヨークの外側面との距離が一定ではない請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のトルク発生装置。
【請求項５】
前記第３ヨークは平面視がほぼ四角形である請求項４に記載のトルク発生装置。
【請求項６】
前記コイルが発生する磁界の磁路上に、前記コイルによる磁界の方向と同じ向きまたは反対の向きの初期磁界を与える永久磁石が設けられている請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のトルク発生装置。
【請求項７】
前記第１ヨークと前記第２ヨークと前記第３ヨークは別体である請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のトルク発生装置。
【請求項８】
前記コイルが発生する磁界による磁場を測定する磁気測定部を備える請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のトルク発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気粘性流体を用いて回転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。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に記載のブレーキは、ハウジングと、回転可能なシャフトに接続されたロータと、ハウジングの第１のハウジング室に置かれた磁場発生手段（磁界発生器）と、磁界応答材料（磁気粘性流体）と、ブレーキの動作を制御または監視する手段とを備えている。また、磁界発生器はコイルと極片を備え、コイルは、ロータに対向配置された極片に磁界を発生させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許４６９５８３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載のブレーキは、ロータの外周辺部の近くでしか磁界が印加されていないため、発生するブレーキ力が充分でなかった。そのため、より小型化を図りつつ大きなせん断応力を得ることは困難であった。【０００５】
そこで本発明は、磁気粘性流体を用いたトルク発生装置であって、小型化に適し、かつ、大きなせん断応力を得ることができるトルク発生装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明のトルク発生装置は、回転軸を中心に回転動作可能な磁性ディスクと、磁性ディスクを挟む一方に位置する第１ヨークと、他方に位置する第２ヨークと、回転軸が延びる方向に沿った方向に見たときに磁性ディスクと重なるように配置されたコイルと、少なくとも磁性ディスクに近接する領域が磁性ディスク及びコイルの外側に位置し、第１ヨーク及び第２ヨークとともに、コイルが発生する磁界の磁路を構成する第３ヨークと、磁性ディスクと第１ヨーク及び第２ヨークとの間に充填された磁気粘性流体とを備え、
第３ヨークは、第１ヨークとの間に磁気ギャップを有し、磁気ギャップは、回転軸が延びる方向に沿った方向に見たときに、磁性ディスクの外周縁よりも外側、又は、磁性ディスクの外周縁と重なる位置に形成されていることを特徴としている。
これにより、磁性ディスクの外周縁を除く広い範囲において、第１ヨークと第２ヨークとの間を横断する磁界成分を主方向とする磁束を通過させることができ、この磁束の方向に基づいた方向に抵抗力（トルク）を発生させることができるため、装置を大型化することなく大きなせん断応力を得ることが可能となる。【０００７】
本発明のトルク発生装置において、磁性ディスクには、第１ヨークと第２ヨークとの間を横断する磁束のみが通過することが好ましい。また、磁性ディスクは、磁束が横断する領域に、磁気ギャップが存在しないことが好ましい。
これにより、磁性ディスクに対して同じ方向の磁界がかかるため、大きな抵抗力を発生させることができる。【０００８】
本発明のトルク発生装置において、前記回転軸と直交する面内において、前記磁性ディスクの外周縁と、前記第３ヨークの外側面との距離が一定ではないことが好ましい。例えば、第３ヨークは平面視でほぼ四角形である。
これにより、磁性ディスクの外側に磁路を確保できるため、磁性ディスクに対して同じ方向の磁界がかけることができ、これにより、磁性ディスクに対して大きな抵抗力を確実に発生させることができる。また、第３ヨークの平面形状を四角形（矩形）にすることによって、組み立てやすい形状となるため、小型化の点で望ましい。【０００９】
本発明のトルク発生装置において、コイルが発生する磁界の磁路上に、コイルによる磁界の方向と同じ向きまたは反対の向きの初期磁界を与える永久磁石が設けられていることが好ましい。
これにより、コイルに電流を印加していない状態においても抵抗力（トルク）を発生させることが可能となる。また、コイルへの電流の制御によって、磁性ディスクを横断する磁束をゼロに近づける、又は、キャンセルする制御が可能となる。さらにまた、コイルに電流を印加していない状態において、磁気粘性流体中の磁性粒子が重力で沈殿することを防止することができ、所望の分散状態を維持できる。【００１０】
本発明のトルク発生装置において、第１ヨークと第２ヨークと第３ヨークは別体であることが好ましい。これにより、自由度の高い設計が可能となる。ただし、本発明では、第１ヨークと第２ヨークと第３ヨークのいずれかの組み合わせが、互いに一体のヨークで形成されていてもよい。
本発明のトルク発生装置において、コイルが発生する磁界による磁場の強度を測定する磁気測定部を備えることが好ましい。これにより、コイルが発生する磁界による磁気を正確に測定することができ、また、コイルへの電流の印加を停止した後の残留磁場も正確に測定できる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によると、磁気粘性流体を用いたトルク発生装置において、小型化に適し、かつ、大きなせん断応力を得ることができるトルク発生装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】（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２】第１実施形態に係るトルク発生装置を上側から見た分解斜視図である。
【図３】第１実施形態に係るトルク発生装置を下側から見た分解斜視図である。
【図４】（Ａ）、（Ｂ）は、図１（Ａ）のＩＶ−ＩＶ’線に沿った断面図であり、（Ｂ）は励磁コイルが発生した磁界を概念的に示す図である。
【図５】（Ａ）、（Ｂ）は、図１（Ａ）のＶ−Ｖ’線に沿った断面図であり、（Ｂ）は励磁コイルが発生した磁界を概念的に示す図である。
【図６】図４（Ａ）の一部拡大図である。
【図７】第１実施形態に係るトルク発生装置の制御系統のブロック図である。
【図８】（Ａ）は第１実施形態における磁性ディスクの構成を示す斜視図、（Ｂ）は比較例における磁性ディスクの構成を示す斜視図である。
【図９】図８（Ａ）に示す第１実施形態の磁性ディスクと図８（Ｂ）に示す比較例の磁性ディスクにおける磁束密度の分布を示すグラフである。
【図１０】（Ａ）は第２実施形態に係るトルク発生装置の概略構成を上側から見た斜視図、（Ｂ）は図１０（Ａ）のトルク発生装置を下側から見た斜視図である。
【図１１】第２実施形態に係るトルク発生装置の概略構成を上側から見た分解斜視図である。
【図１２】第２実施形態に係るトルク発生装置の概略構成を下側から見た分解斜視図である。
【図１３】第２実施形態に係るトルク発生装置の概略構成を示す断面図であって、図１０のＸ−Ｘ’線に沿った断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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。
【００１４】
＜第１実施形態＞
図１（Ａ）は第１実施形態に係るトルク発生装置１０を上側から見た斜視図、（Ｂ）はトルク発生装置１０を下側から見た斜視図である。図２と図３はトルク発生装置１０の分解斜視図である。図２は上側から見た分解斜視図、図３は下側から見た分解斜視図である。図４（Ａ）、（Ｂ）は、図１（Ａ）のＩＶ−ＩＶ’線に沿った断面図であり、（Ｂ）は励磁コイル５０が発生した磁界を概念的に示す説明図である。図５（Ａ）、（Ｂ）は図１（Ａ）のＶ−Ｖ’線に沿った断面図であり、（Ｂ）は励磁コイルが発生した磁界を概念的に示す図である。図６は図４（Ａ）の一部拡大図である。図１（Ａ）から図６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。中心軸１１から、中心軸１１に直交する方向を径方向と称する。以下の説明において、中心軸１１に沿って、上側から下側を見た状態を平面視ということがある。また、図２と図３においては、一部のネジや磁気粘性流体の表示を省略している。
【００１５】
図１（Ａ）、図１（Ｂ）に示すように、トルク発生装置１０は、保持部２０と、磁気測定部としてのホール素子５２と、操作部１００とを備える。操作部１００は、シャフト部１１０と磁性ディスク１２０とを含んでおり、シャフト部１１０と磁性ディスク１２０は、一体となって、中心軸１１（回転軸）を中心として両方向に回転するように保持部２０に支持されている。操作部１００は、支持部材１４０とラジアル軸受１５０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）。さらに、図４〜図６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１６０が満たされている。
【００１６】
保持部２０は、第１ヨーク３０、第２ヨーク４０、磁界発生部としての励磁コイル５０、環状部材６０、及び、上部ケースとしての第３ヨーク７０を含んでいる。図２に示すように、磁性ディスク１２０を挟む一方に第１ヨーク３０が位置し、磁性ディスク１２０を挟む他方に第２ヨーク４０が位置するように組み合わされている。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。
【００１７】
図２に示すように、第１ヨーク３０は、円環部３１と、円環部３１の上面から円環部３１と同心状に上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。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。
【００１８】
図４（Ａ）に示すように、第１ヨーク３０の段差部３３には磁界発生部としての励磁コイル５０が配設される。励磁コイル５０は、内周５０ａが円筒部３２の外周面３２ａに沿うような円環状をなしており、外周５０ｂは径方向において円環部３１の外周面３１ａよりも外側に位置する。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には接続部材５１が電気的に接続され、第３ヨーク７０の上部から露出した接続部材５１の入力部５１ａに対して図示しない経路で電流が供給される。励磁コイル５０に電流が供給されると磁界が発生する。
【００１９】
第１ヨーク３０の円環部３１には、その外周面３１ａ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と略同一の外径の円形状を有する。図６に示すように、環状部材６０の下面６１は、第１ヨーク３０の底面３５と略同一面を形成し、この面は、中心軸１１に直交する方向に沿って延びる。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。また、環状部材６０の径方向の厚みは上下で変化してもよい。
【００２０】
図２に示すように、第２ヨーク４０は、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に沿った上下方向に直交する上面４１を有する。この上面４１には、中心軸１１を囲んで上方に開口する環状の溝４２が設けられている。溝４２の中央には第２ヨーク４０を上下方向に貫通する孔部４３が形成されている。図６に示すように、孔部４３内には上下方向に延びる支持部材（ピボット支持部材）１４０が挿入されており、この支持部材１４０は第２ヨーク４０の下面４４に固定された保持具１４１によって第２ヨーク４０に固定されている。支持部材１４０は、上側へ開いた凹部としての受け部１４０ａを有し、この受け部１４０ａでシャフト部１１０の先端部を回転自在に受容する。
なお、ヨーク３０、４０の平面形状は必ずしも円形でなくてもよい。また、ヨークの分割は、第１実施形態のような、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平面形状とすることもできる。
【００２１】
図６に示すように、第１ヨーク３０の底面３５及び環状部材６０の下面６１と、第２ヨーク４０の上面４１とは、互いに略平行とされており、底面３５と上面４１との間に隙間８０が形成されている。
【００２２】
図３に示すように、第３ヨーク７０は、（１）励磁コイル５０、第１ヨーク３０、及び、環状部材６０と、（２）接続部材５１及びホール素子５２と、（３）ラジアル軸受１５０、シャフト部１１０、及び、磁性ディスク１２０とを内部に収容する空間７２を有する。この空間７２は、内周面７１によって平面視円形状に形成されており、第２ヨーク４０を配置することによって下部が閉じられる。空間７２は、第３ヨーク７０の上壁部７４と側壁部７５によって囲まれている。図１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、第３ヨーク７０は平面視略四角形である一方、空間７２は上述のように平面視円形状である。このため、側壁部７５の平面視形状は、第３ヨーク７０の角部が厚く、辺部が薄くなっている。
【００２３】
第２ヨーク４０は、第３ヨーク７０の側壁部７５を径方向に貫通するネジ（不図示）によって、第３ヨーク７０に固定される。これによって、第２ヨーク４０の外周面４５が第３ヨーク７０の側壁部７５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、第２ヨーク４０、第３ヨーク７０を使用することで励磁コイル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。
【００２４】
図４（Ａ）、（Ｂ）に示すように、第３ヨーク７０と第１ヨーク３０とは、第３ヨーク７０の上壁部７４を上下に貫通する複数のネジ９０で互いに固定されている。これにより、第１ヨーク３０の上部と第３ヨーク７０の上壁部７４とが接触した状態で固定され、この領域において、第１ヨーク３０と第３ヨーク７０が磁気的に接続される。
【００２５】
一方、第１ヨーク３０の円環部３１の外周面３１ａ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の内周面７１に接している。第３ヨーク７０の側壁部７５は、磁性ディスク１２０に近接する領域において、磁性ディスク１２０および励磁コイル５０の外側に位置している。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７５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が形成される。この磁気ギャップＧは、中心軸１１に沿った方向においては、励磁コイル５０の底面から第２ヨーク４０の上面４１まで延びている。また、径方向においては、第１ヨーク３０と第２ヨーク４０との隙間８０内に配置された磁性ディスク１２０の外周面１２６と第３ヨーク７０の内周面７１との隙間に対応している。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７５へ、また、磁性ディスク１２０から第３ヨーク７０の側壁部７５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。
【００２６】
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４（Ｂ）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４（Ｂ）とは逆向きの流れの磁界が形成される。図４（Ｂ）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２ヨーク４０側へ磁束が磁性ディスク１２０を横断し、この磁束は第２ヨーク４０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７５では中心軸１１の方向に沿って下から上へ進む。さらに、第３ヨーク７０の上壁部７４では中心軸１１へ近づく方向ヘ進み、励磁コイル５０の内側に対応する領域で、上から下へ、すなわち第１ヨーク３０の円筒部３２側へ進み、励磁コイル５０の内側では下向きに進行し、再び磁性ディスク１２０を横断して第２ヨーク４０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７５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７５が磁気的に接続されているため、第２ヨーク４０から側壁部７５を通る磁路が確保される。さらに、上述のように、側壁部７５の平面視形状は、第３ヨーク７０の角部が厚く、辺部が薄くなっているため、特に角部に対応する側壁部７５において広い磁路が確保でき、この磁路に沿って磁界が確実に生成される（図５（Ｂ）参照）。
【００２７】
第３ヨーク７０は、中心軸１１を含む領域に略円柱形の貫通孔７３を有する。貫通孔７３は、第３ヨーク７０を上下方向に貫通している。この貫通孔７３内の空間は、第１ヨーク３０の内周面３４に囲まれた空間と、上下方向に連通している。
【００２８】
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り、上側の軸部１１１と、軸部１１１よりも下側に設けられた溝部１１２とを有する。溝部１１２は、外周面に中心軸１１を中心とした螺旋状の溝が設けられている。溝部１１２の下面中央に設けた先端部１１３は下に行くほど先細となる形状を有する。
【００２９】
図３に示すように、磁性ディスク１２０は、磁性材料で構成され、上下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。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、この中央孔部１２１を囲む位置には、磁性ディスク１２０を上下に貫通する複数の貫通孔部１２２が設けられている。磁性ディスク１２０は、下方から貫通孔部１２２内に挿通させたネジ９１の軸部をシャフト部１１０の溝部１１２内に嵌め込むことによって、シャフト部１１０に対して固定される。
【００３０】
図４に示すように、シャフト部１１０は、軸部１１１がラジアル軸受１５０によって回転自在に支持され、溝部１１２の下端の先端部１１３が磁性ディスク１２０の中央孔部１２１を通じて支持部材（ピボット支持部材）１４０でピボット支持される。ラジアル軸受１５０は第３ヨーク７０及び第１ヨーク３０によって、上下方向の所定位置で支持される。溝部１１２の溝にはＯリング１１６が装着されている。これにより、シャフト部１１０は、第１ヨーク３０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。軸部１１１の上部は第３ヨーク７０の上方に露出されており、軸部１１１の露出部分には、入力操作に必要な部材をシャフト部１１０に結合するための結合孔部１１４、１１５が設けられている。
【００３１】
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２ヨーク４０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。この場合、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。図６に示すように、磁性ディスク１２０の上面１２４と第１ヨーク３０の底面３５との間に隙間８１が存在し、また、磁性ディスク１２０の下面１２５と第２ヨーク４０の上面４１との間には隙間８２が存在する。さらに、磁性ディスク１２０の外周面１２６と第３ヨーク７０の側壁部７５とは、磁気ギャップＧによって離間している。
【００３２】
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及び第２ヨーク４０に対して相対的に回転するとき、磁性ディスク１２０の上面１２４と第１ヨーク３０の底面３５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１２５と第２ヨーク４０の上面４１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の外周面１２６と側壁部７５の内周面７１との径方向の距離も略一定に維持される。
【００３３】
図４〜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１６０が満たされている。したがって、磁性ディスク１２０の上面１２４と第１ヨーク３０の底面３５とに上下方向を挟まれた隙間８１に磁気粘性流体１６０が存在し、かつ、磁性ディスク１２０の下面１２５と第２ヨーク４０の上面４１とに上下方向を挟まれた隙間８２にも磁気粘性流体１６０が存在する。さらに、磁性ディスク１２０の外周面１２６と第３ヨーク７０の側壁部７５とに径方向に挟まれた空間（磁気ギャップＧ）にも磁気粘性流体１６０が存在する。磁性ディスク１２０の周囲の隙間８０は、シャフト部１１０、Ｏリング１１６、支持部材１４０、第１ヨーク３０、第２ヨーク４０、第３ヨーク７０、および環状部材６０等で封止されている。このため、磁気粘性流体１６０は隙間８０内に確実に保持される。
【００３４】
ここで、隙間８０の全てが磁気粘性流体１６０で埋められていなくてもよい。例えば、磁気粘性流体１６０は、上面１２４側と下面１２５側とのいずれか一方のみに存在していてもよい。また、磁気粘性流体１６０は、隙間８０内に注入して充填するほか、磁性ディスク１２０の上面１２４や下面１２５、円環部３１の底面３５、第２ヨーク４０の上面４１、環状部材６０の下面６１、第３ヨーク７０の内周面７１などに塗布することによって隙間８０内に配置しても良い。
【００３５】
磁気粘性流体１６０は、磁界が印加されると粘度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１６０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１６０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１６０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。
【００３６】
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４（Ｂ）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みの磁束が横断し、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２ヨーク４０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７５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３ヨーク７０の上壁部７４においては、第２ヨーク４０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。
【００３７】
磁気粘性流体１６０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。
【００３８】
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１６０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１６０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よる抵抗力（トルク）がはたらくため、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。
【００３９】
本実施形態では、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に磁気粘性流体１６０を配置できる。さらに、磁気粘性流体１６０の抵抗力の大きさは、第１ヨーク３０の底面３５または第２ヨーク４０の上面４１に上下方向を挟まれた磁気粘性流体１６０の配置範囲の広さに関係する。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１６０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１６０の面積に関係する。よって、磁気粘性流体１６０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。
【００４０】
図７は、トルク発生装置１０の制御系統のブロック図である。トルク発生装置１０は、上述の励磁コイル５０とホール素子５２のほかに制御部１７０を更に備える。
図４（Ｂ）に示すように、磁気測定部としてのホール素子５２は、励磁コイル５０に電流を印加することによって発生する磁界の磁路に配置されている。より具体的には、ホール素子５２は、第３ヨーク７０の上壁部７４の内部のうち、励磁コイル５０の上方に配置されている。この位置への配置は、上壁部７４に設けた凹部内へホール素子５２を挿入することによって行い、接着によって固定する。このように、励磁コイル５０が発生する磁界の磁路にホール素子５２を配置することによって、この磁界による磁場を正確に測定することができ、また、励磁コイル５０への電流の印加を停止した後の残留磁場も正確に測定できる。
【００４１】
なお、ホール素子５２は、励磁コイル５０が発生する磁界の磁路上であればほかの位置に配置することもできる。また、磁気測定部としては、ホール素子に限定されず、例えば磁気抵抗効果素子を用いることもできる。
【００４２】
制御部１７０は、ホール素子５２によって測定される磁場の大きさ（磁束密度）に応じて、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が発生する磁界を制御する。制御部１７０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。ホール素子５２によって測定された磁場と励磁コイル５０に印加する電流との関係は、計算によって逐次算出してもよいし、予め作成した対応テーブルに基づいて指定してもよく、また、これ以外の方法によって指定しても良い。このような制御によって、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。
【００４３】
また、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、残留磁場の磁束密度を一定値、例えば３ｍＴ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１６０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。
【００４４】
ここで、ホール素子５２に加えて、機械的、電磁的、光学的またはその他の方法によって、保持部２０と操作部１００との相対的な位置を検出する検出部を設けても良い。この検出部は、例えばロータリーエンコーダーである。
【００４５】
図８（Ａ）は第１実施形態における磁性ディスク１２０の構成を示す斜視図、（Ｂ）は比較例における磁性ディスク１８０の構成を示す斜視図である。図９は、図８（Ａ）に示す第１実施形態の磁性ディスク１２０における磁束密度の分布と、図８（Ｂ）に示す比較例の磁性ディスク１８０における磁束密度の分布を比較して示すグラフである。図９においては、比較例の磁性ディスク１８０の磁束密度分布を実線Ｌ１で示し、第１実施形態の磁性ディスク１２０の磁束密度分布を破線Ｌ２で示している。なお、範囲Ｐ１では、２つの線Ｌ１、Ｌ２は互いに重なっている。
【００４６】
比較例における磁性ディスク１８０は、第１実施形態における磁性ディスク１２０と同様に、磁性材料で構成され、上下方向に直交するように配置される円形平面を有し、その円形平面の中心には、上下方向に貫通する中央孔部１８１が設けられ、この中央孔部１２１を囲む位置には、上下に貫通する複数の貫通孔部１８２が設けられている。磁性ディスク１８０は、第１実施形態における磁性ディスク１２０と同様に、貫通孔部１８２内に挿通させたネジ９１の軸部をシャフト部１１０の溝部１１２内に嵌め込むことによって、シャフト部１１０に対して固定される。
【００４７】
比較例における磁性ディスク１８０には、さらに、上下方向（厚み方向）に貫通する４つのスリット１８３ａ、１８３ｂ、１８３ｃ、１８３ｄが設けられている。これらのスリットは、円形平面の中心から同一の距離に、周方向に沿って、等角度間隔に設けられている。比較例において励磁コイル５０に図４（Ｂ）に示す磁界を発せさせると、４つのスリット１８３ａ、１８３ｂ、１８３ｃ、１８３ｄが磁気ギャップとして機能することになり、４つのスリット１８３ａ、１８３ｂ、１８３ｃ、１８３ｄよりも中心軸１１側（内側）では、第１ヨーク３０から第２ヨーク４０に向けて、磁束が下向きに横断し、４つのスリット１８３ａ、１８３ｂ、１８３ｃ、１８３ｄよりも外側では、第２ヨーク４０から第１ヨーク３０に向けて、磁束が上向きに横断する。
【００４８】
図９の横軸は磁性ディスク１８０の円形平面の中心からの距離（単位ｍｍ）であり、縦軸は各位置における磁束密度（単位ｍＴ）である。図９に示すように、中央孔部１２１や貫通孔部１８２が設けられた中心近傍、すなわち距離４ｍｍ未満の範囲Ｐ１では磁束密度は小さいが、距離４ｍｍ以上の範囲Ｐ２では一定以上の磁束密度が示されている。
【００４９】
図９において距離約９〜９．５ｍｍの範囲Ｓはスリット１８３ａ、１８３ｂ、１８３ｃ、１８３ｄを設けた範囲に対応する。図９に示すように、この範囲Ｓでは、励磁コイル５０による磁界の磁束の通過が規制されているため磁束密度が大きく低下している。さらに、範囲Ｓから中心側へ約２ｍｍの範囲Ｐ３と外周側へ約２ｍｍの範囲Ｐ４の周辺範囲においても、磁束密度の低下が見られる。
【００５０】
さらに、前記周辺範囲Ｐ４の外側の範囲Ｐ５では、範囲Ｐ２に対して磁束密度の上昇が見られる。これは、中心側の範囲Ｐ２を通過した磁束が、範囲Ｐ２よりも狭い範囲Ｐ５で上向きに横断するからである。
【００５１】
これに対して第１実施形態の磁性ディスク１２０には、励磁コイル５０が発生する磁界の磁束の通過を規制するスリット（磁気ギャップ）が設けられておらず、磁気ディスク１２０の半径方向の全域において、第１ヨーク３０から第２ヨーク４０に向けて下向きに均一に磁束が通過する。このため、図９において破線Ｌ２で示すように、中心近傍よりも外側の広い範囲でほぼ一定の磁束密度を得ることができる。すなわち、比較例の磁性ディスク１８０のようにスリットに対応する範囲Ｓとその周辺の範囲Ｐ３、Ｐ４で磁束密度が低下することがなく、また、最も外側の範囲Ｐ５で磁束密度が上昇することもない。
【００５２】
比較例の磁性ディスク１８０に比べて、第１実施形態の磁性ディスク１２０では、スリットが設けられておらず、かつ、上下方向に沿った同一方向の磁界がかかるため、抵抗力の制御が容易となる。また、磁性ディスク１２０に対して同一方向の磁界がかかるため、小さな半径で十分な抵抗力を与えることが可能となる。
【００５３】
以下に変形例について説明する。
上記第１実施形態では、別個の３つのヨーク３０、４０、７０を組み合わせて構成したが、３つのヨークのうちの２つ又は３つのヨークを一体として構成してもよい。この構成の場合も、磁性ディスク１２０を挟む両側に２つのヨークを配置し、励磁コイル５０の外側において磁路を構成するように第３のヨークを配置する。
【００５４】
磁気ギャップＧは、第１ヨーク３０と第３ヨーク７０とを径方向において互いに離間させるようにこれらの間に設けられ、第１実施形態では磁性ディスク１２０の外周縁である外周面１２６と重なる位置に形成されていた。別言すると、中心軸１１に直交する方向において、磁気ギャップＧの一面を形成していた円環部３１の外周面３１ａと略一致する位置に磁性ディスク１２０の外周面１２６が位置していた。これに対して、磁性ディスク１２０の外周面１２６は、円環部３１の外周面３１ａよりも中心軸１１側に位置していてもよい。すなわち、磁気ギャップＧは、磁性ディスク１２０の外周縁よりも外側にあってもよい。
【００５５】
＜第２実施形態＞
図１０（Ａ）は第２実施形態に係るトルク発生装置２００の概略構成を上側から見た斜視図、（Ｂ）は下側から見た斜視図である。図１１はトルク発生装置２００の概略構成を上側から見た分解斜視図である。図１２はトルク発生装置２００の概略構成を下側から見た分解斜視図である。図１３は、第２実施形態に係るトルク発生装置２００の概略構成を示す断面図である。図１３は、図４（Ａ）、（Ｂ）に対応する断面図であり、左右対称であるため右側の図示を省略している。また、軸受、ネジなどの細部を省略して概略を示している。第２実施形態のトルク発生装置２００においては、励磁コイル２５１、２５２が発生する磁界の磁路上であって、第３ヨーク２７０の途中に永久磁石２６０が配置されている点が第１実施形態のトルク発生装置１０と異なる。
【００５６】
図１０〜図１３に示すトルク発生装置２００は、シャフト部２１０、磁性ディスク２２０、第１ヨーク２３０、第２ヨーク２４０、２つの励磁コイル２５１、２５２、永久磁石２６０、磁気測定部としてのホール素子２６１、環状部材２６２、及び、第３ヨーク２７０を備えている。磁性ディスク２２０は、第１実施形態と同様に、磁気粘性流体を満たした、第１ヨーク２３０と第２ヨーク２４０の隙間内において、中心軸２０１を中心に回転可能に配置されている。シャフト部２１０及び磁性ディスク２２０を操作部とし、第１ヨーク２３０、第２ヨーク２４０、２つの励磁コイル２５１、２５２、永久磁石２６０、及び、第３ヨーク２７０を保持部としたとき、第１実施形態と同様に、操作部は、中心軸２０１を中心として両方向に回転するように保持部に支持されている
【００５７】
図１３においては、２つの励磁コイル２５１、２５２が発生した磁界を矢印で示している。この磁界は、図４（Ｂ）に示す例とは逆向きの電流を２つの励磁コイル２５１、２５２に加えた場合のものであって、図４（Ｂ）に示す向きと反対向きの磁界を発生させている。なお、図４（Ｂ）に示す例と同じ向きの電流を流すことによって図４（Ｂ）に示す向きと同じ向きの磁界を得ることもできる。シャフト部２１０の構成、及び、その支持構成は第１実施形態のシャフト部１１０と同様であり、また、磁性ディスク２２０の構成、及び、その支持構成も第１実施形態の磁性ディスク１２０と同様であるため、これらの詳細な説明は省略する。
【００５８】
第１ヨーク２３０及び第２ヨーク２４０は、第１実施形態の第１ヨーク３０及び第２ヨーク４０と同様に、磁性ディスク２２０を挟んで上下の位置にそれぞれ配置されている。第１ヨーク２３０は、第１実施形態の第１ヨーク３０と同様に、円環部２３１と、円環部２３１の上面から円環部２３１と同心状に上側へ延びるように一体に設けられた円筒部２３２とを備える。円環部２３１と円筒部２３２は、平面視において、中心軸２０１を中心とする円形状をなしており、その外径は、円環部２３１よりも円筒部２３２の方が小さくされている。円環部２３１と円筒部２３２の外径の違いにより、円筒部２３２の外側に段差部２３３が形成される。
【００５９】
第１ヨーク２３０の段差部２３３には磁界発生部としての２つの励磁コイル２５１、２５２が配設される。これらの励磁コイル２５１、２５２は互いに同一形状を有し、その内周は第１ヨーク２３０の円筒部２３２の外周面に沿った円環状をなしており、外周は径方向において円環部２３１と略同一の位置に配置される。励磁コイル２５１、２５２は、中心軸２０１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り、第１実施形態の励磁コイル５０と同様に電流が供給され、これによって磁界が発生する。これらの励磁コイル２５１、２５２は同じ向きの磁界を発生するように上下に重ねて配置される。発生する磁界を小さくしたいときには、励磁コイル２５１、２５２のうち一方のみに電流を供給するように制御してもよい。なお、２つの励磁コイル２５１、２５２を配設する替わりに、第１実施形態の励磁コイル５０と同様に、１つのコイルを配設する構成としてもよい。
【００６０】
第２実施形態においても、第１実施形態の環状部材６０と同様の材料・形状の環状部材２６２が設けられている。この環状部材２６２は、第１ヨーク２３０の円環部２３１の外周面に沿って固定されており、平面視において、段差部２３３に配設された励磁コイル２５１、２５２よりも大きな外径の円形状を有する。図１３に示すように、環状部材２６２の下面は、第１ヨーク２３０の底面と略同一面を形成し、この面は、中心軸２０１に直交する方向に沿って延びる。環状部材２６２の径方向の厚みは、励磁コイル２５１、２５２が発生した磁界が、環状部材２６２を通じて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。
【００６１】
図１０（Ａ）、（Ｂ）に示すように、第３ヨーク２７０は円筒状の外形形状を備える。
図１３に示すように、第３ヨーク２７０は、２つの励磁コイル２５１、２５２の上側を覆う上壁部２７１と、上壁部２７１から励磁コイル２５１、２５２の内側を下方へ延びる内壁部２７２と、上壁部２７１から励磁コイル２５１、２５２の外側を下方へ延びる外壁部２７３とを備える。内壁部２７２と外壁部２７３は、図１１に示すように、中心軸２０１について同心状に配置されている。
【００６２】
第３ヨーク２７０の上壁部２７１及び内壁部２７２は、第１ヨーク２３０の円筒部２３２に接触した状態で固定されており、これによって、第１ヨーク２３０と第３ヨーク２７０とが磁気的に接続される。また、第３ヨーク２７０の外壁部２７３は中心軸２０１と平行な方向に沿って見たときに円形であり、その下部が第２ヨーク２４０に接触固定されており、これによって、第２ヨーク２４０と第３ヨーク２７０が磁気的に接続される。これらによって図１３の矢印で示すような磁界の磁路が形成される。すなわち、中心軸２０１の方向に沿って第２ヨーク２４０から第１ヨーク２３０側へ磁束が磁性ディスク２２０を横断し、この磁束は第１ヨーク２３０では中心軸２０１に沿って上方向へ進み、第３ヨーク２７０に至る。第３ヨーク２７０の上壁部２７１では、中心軸２０１から遠ざかる方向に進んで外壁部２７３に至り、外壁部２７３では中心軸２０１に沿った下方向へ進み、第２ヨーク２４０に至る。第２ヨーク２４０では中心軸２０１へ近づく方向へ進行し、再び磁性ディスク２２０を横断して第１ヨーク２３０に至る。
【００６３】
２つの励磁コイル２５１、２５２が発生する磁界の磁路上であって、第３ヨーク２７０の外壁部２７３には永久磁石２６０が配置されている。永久磁石２６０は、下側の励磁コイル２５２に対応する位置に配置され、２つの励磁コイル２５１、２５２が発生する磁界の方向に沿った方向に磁界を発生するように磁極が配置されている。また、永久磁石２６０は環状部材２６２に接触・支持されている。なお、永久磁石は、２つの励磁コイル２５１、２５２が発生する磁界の方向に沿った方向に磁界を発生することができれば、図１３に示す以外の位置に設けることができ、また、その数も２つ以上であってもよい。また、永久磁石２６０は、２つの励磁コイル２５１、２５２による磁界の方向と同じ向きとする配置に限定されるものでなく、２つの励磁コイル２５１、２５２による磁界の方向と反対向きとなる磁界を与えるように磁極を配置することもできる。
【００６４】
磁性ディスク２２０の周囲の隙間は、シャフト部２１０、第１ヨーク２３０、第２ヨーク２４０、第３ヨーク２７０、及び、環状部材２６２等によって封止されているため、この隙間を満たす磁気粘性流体は永久磁石２６０と確実に分離されている。
【００６５】
永久磁石２６０を設けることによって、２つの励磁コイル２５１、２５２に電流を印加していない状態においても初期磁界を発生させることができる。このため、永久磁石２６０による初期磁界を含む残留磁場を磁気粘性流体に与えることができることから、シャフト部２１０を回転させようとする力に対して抵抗力（トルク）を与えることが可能となる。永久磁石２６０による初期磁界を含む残留磁場を与えることで、磁気粘性流体の内部での磁性粒子の沈殿を防止することができ、その後、励磁コイル２５１、２５２に通電したときの抵抗トルクの立ち上がりを速くすることができる。また、上記の構成とは逆に、２つの励磁コイル２５１、２５２による磁界の方向と反対向きとなる初期磁界を与えるように永久磁石２６０の磁極を配置した場合には、２つの励磁コイル２５１、２５２への電流の制御によって、磁性ディスク２２０を横断する磁束をゼロに近づけることが可能となるため、シャフト部２１０の操作抵抗をゼロに制御することができる。これに対して、図８（Ｂ）に示す比較例において永久磁石を追加した構成においては、スリット１８３ａ、１８３ｂ、１８３ｃ、１８３ｄの内側と外側とで磁界が逆向きであり、磁束密度も異なるため、残留磁場をゼロにすることは困難であり、操作抵抗をゼロに制御することは難しい。
【００６６】
永久磁石２６０を設けることによって、２つの励磁コイル２５１、２５２に電流を印加していない状態において、磁気粘性流体に初期磁界を含む残留磁場を与えることができるため、磁気粘性流体中の磁性粒子が重力で沈殿することを防止することができ、所望の分散状態を維持できる。よって、２つの励磁コイル２５１、２５２に電流を印加していなかった時間の大小にかかわらず、操作者が受ける抵抗を所定の範囲に制御することができる。
【００６７】
磁気測定部としてのホール素子２６１は、励磁コイル２５１、２５２に電流を印加することによって発生する磁界の磁路に配置されている。より具体的には、ホール素子２６１は、第３ヨーク２７０の上壁部２７１の内部のうち、励磁コイル２５１、２５２の上方に配置されている。この位置への配置は、上壁部２７１に設けた凹部内へホール素子２６１を挿入することによって行い、接着によって固定する。このように、励磁コイル２５１、２５２が発生する磁界の磁路にホール素子２６１を配置することによって、この磁界による磁場を正確に測定することができ、また、励磁コイル２５１、２５２への電流の印加を停止した後の残留磁場も正確に測定できる。また、ホール素子２６１を、磁界を発生する励磁コイル２５１、２５２、２つのヨーク２３０、２４０や、及び、磁性ディスク２２０から離れた位置に配置しているため、磁性ディスク２２０が配置された隙間における磁界を安定したものにすることができる。
なお、その他の構成、作用、効果は第１実施形態と同様である。
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。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
以上のように、本発明に係るトルク発生装置は、小型化が容易であり、かつ、大きなせん断応力を得ることができる点で有用である。
【符号の説明】
【００６９】
１０  トルク発生装置
１１  中心軸
２０  保持部
３０  第１ヨーク
３１  円環部
３２  円筒部
３３  段差部
３４  内周面
３５  底面
４０  第２ヨーク
４１  上面
４２  溝
４３  孔部
５０  励磁コイル（磁界発生部）
５２  ホール素子（磁気測定部）
６０  環状部材
７０  第３ヨーク
７１  内周面
７２  空間
７３  貫通孔
７４  上壁部
７５  側壁部
８０、８１、８２  隙間
１００  操作部
１１０  シャフト部（操作軸）
１１１  軸部（操作軸）
１１２  溝部
１１３  先端部
１１４、１１５  結合孔部
１２０  磁性ディスク
１２１  中央孔部
１２２  貫通孔部
１４０  支持部材
１５０  ラジアル軸受
１６０  磁気粘性流体
１７０  制御部
２００  トルク発生装置
２０１  中心軸
２１０  シャフト部
２２０  磁性ディスク
２３０  第１ヨーク
２３１  円環部
２３２  円筒部
２３３  段差部
２４０  第２ヨーク
２５１、２５２  励磁コイル
２６０  永久磁石
２６１  ホール素子（磁気測定部）
２６２  環状部材
２７０  第３ヨーク
２７１  上壁部
２７２  内壁部
２７３  外壁部
Ｇ      磁気ギャップ
【図１】
2019026558.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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2019026558.tif 000017
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