(57)【要約】【課題】  ＭＲ流体デバイスにおいて相対的に変位する部材間にＭＲ流体を封入するためのシール装置であって、従来のラジアルシールと同等以上のシール性を備え、より安価であり、しかも摺動抵抗が小さく、力触覚の発生に適したＭＲ流体用シール装置を提供する。【解決手段】  ＭＲ流体デバイスにおいて相対的に変位する部材間にＭＲ流体を封入するためのシール装置であって、シール部材全体がＰＴＦＥを主原料とする樹脂であるＭＲ流体用シール装置を構成した。シール部材が、軸方向に沿って癖付けされたリップ部を備えたリップシールである。【選択図】        図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＭＲ流体デバイスにおいて相対的に変位する部材間にＭＲ流体を封入するためのシール装置であって、シール部材全体がＰＴＦＥを主原料とする樹脂である事を特徴とするＭＲ流体用シール装置。
【請求項２】
前記シール部材が、スターライト工業株式会社製のＰＴＦＥ樹脂＃３１６１２Ａを原料とする請求項１記載のＭＲ流体用シール装置。
【請求項３】
前記シール部材が、軸方向に沿って癖付けされたリップ部を備えたリップシールである請求項１又は２記載のＭＲ流体用シール装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＭＲ流体用シール装置に係わり、更に詳しくはＭＲ流体デバイスにおいて相対的に変位する部材間にＭＲ流体を封入するためのシール装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＭＲ流体（Magneto Rheological Fluid）を用いた流体デバイスは各種提案されている。ＭＲ流体とは、粒径数ミクロンの強磁性体粒子（鉄粉）を液体中に高濃度に分散させた懸濁液のことであり、外部磁場により粘度が大幅に変化する性質を有している。このＭＲ流体の性質を利用したデバイスをＭＲ流体デバイスと称する。
【０００３】
手術支援ロボットなど遠隔操作型ロボットのマスタ部（操作部）に対し，アクチュエータ等の力学的情報（力触覚）を付与することによって，臨場感や操作精度等の向上を達成しようとする研究がこれまでも多く行われている。従来の手術支援に用いられる遠隔操作型ロボットの操作部には、患部に対する手術器具の力触覚を術者に伝えるために、振動モータが採用されているが、低周波域の力変動を再現することは難しい。一方、低周波域の力変動を再現することが可能なＭＲ流体を用いたトルク制御デバイスは、既に各種提案されている。
【０００４】
この種のＭＲ流体を用いたトルク制御デバイスは、固定部と可動部との間に微小な隙間を設け、該微小空間内にＭＲ流体を封入し、薄いＭＲ流体層を磁力線が横切るように外部磁場を印加することによって、固定部と可動部の間のＭＲ流体の粘性を変化させる構造である（非特許文献１）。従来、ＭＲ流体を封入するため、ハウジングと回転軸との間にはラジアルシールが用いられていた。しかし、従来のラジアルシールは高価であり、破損が生じやすいという問題があった。
【０００５】
ＭＲ流体デバイスの一例として、特許文献１には下肢継手装具が開示されている。下肢継手装具の関節部は、ステータとロータとが摺動回転する機構であるが、ステータとロータの内部に流体回路が形成され、内部でＭＲ流体が流動するようになっており、ステータに組み込んだ電磁石によってＭＲ流体の粘性を変化させ、ステータとロータの相対回転に対する抵抗力を制御している。ここで、ステータとロータの間に設けたＭＲ流体を封入する流体室の液密性を維持するために、接触部にフッ素樹脂等からなるパッキンが貼り付けられている。しかし、パッキンを用いると摺動部の摺動抵抗が大きくなるので、小さな力触覚を発生するのには不向きである。
【０００６】
従来から、ハウジングと回転軸との間のシール部材として、特許文献２、３に示すようなＰＴＦＥをベースとしたリップシールが多用されている。しかし、リップシールは、これまで一般産業機器への適用が主であり、ＭＲ流体デバイスに採用されたことはなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第５６２３４１２号公報
【特許文献２】特公平２−３８８３２号公報
【特許文献３】実公平６−４５０９８号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】日本ロボット学会誌，Vol.31,No.5,pp.469-472,2013
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
そこで、本発明が前述の状況に鑑み、解決しようとするところは、ＭＲ流体デバイスにおいて相対的に変位する部材間にＭＲ流体を封入するためのシール装置であって、従来のラジアルシールと同等以上のシール性を備え、より安価であり、しかも摺動抵抗が小さく、力触覚の発生に適したＭＲ流体用シール装置を提供する点にある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、前述の課題解決のために、以下に構成するＭＲ流体用シール装置を提供する。
【００１１】
（１）
ＭＲ流体デバイスにおいて相対的に変位する部材間にＭＲ流体を封入するためのシール装置であって、シール部材全体がＰＴＦＥを主原料とする樹脂である事を特徴とするＭＲ流体用シール装置。
【００１２】
（２）
前記シール部材が、スターライト工業株式会社製のＰＴＦＥ樹脂＃３１６１２Ａを原料とする（１）記載のＭＲ流体用シール装置。
【００１３】
（３）
前記シール部材が、軸方向に沿って癖付けされたリップ部を備えたリップシールである（１）又は（２）記載のＭＲ流体用シール装置。
【発明の効果】
【００１４】
以上にしてなる本発明のＭＲ流体用シール装置は、従来のラジアルシールと同等以上のシール性を備えるとともに、従来のラジアルシールよりも安価で、しかも摺動抵抗が少ないといった効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】ＭＲ流体デバイスの一例を示す断面図である。
【図２】同じくシール部の拡大断面図である。
【図３】同じく要部の拡大断面図である。
【図４】シール部材の摺動抵抗を測定する試験装置の概要図である。
【図５】同じく試験装置にラジアルシールを装着した状態の部分拡大断面図である。
【図６】同じく試験装置にリップシールを装着した状態の部分拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
先ず、ＭＲ流体（Magneto Rheological Fluid）とは、磁性体粒子を液体中に高濃度に分散させた懸濁液のことである。ＭＲ流体は、外部磁場により液体中に分散された磁性体粒子が磁界方向に整列して鎖状粒子クラスターを形成することで、粘度が大幅に増加し、比較的弱い磁場でも元の粘度の１０３倍以上の高粘度状態に容易に変化させることができる性質を有している。つまり、ＭＲ流体は、磁気に反応して特性が液体から半固体へと変化する流体である。外部磁場がない場合には、ＭＲ流体は基本的には高濃度懸濁液と同じ一般的性質を備えている。
【００１７】
ＭＲ流体は、金属粒子としては、磁化可能なものであれば特に制限はないが、とりわけ強磁性材料が好ましい。この強磁性材料としては、鉄、コバルト、ニッケル及びパーマロイ等の合金を例示することができる。入手の容易さ、価格等から鉄粒子が用いられることが多い。通常のＭＲ流体の強磁性体粒子の粒径は１〜１０μｍであるが、特に低速域における応答性と定常性が優れているナノＦｅ粒子（１μｍより小さい粒径）が好ましい。
【００１８】
ＭＲ流体を用いたトルク制御デバイスは、ブレーキ、クラッチ、ダンパーなどに使用されてきたが、近年はロボットへの適用検討が進んでおり、例として手術支援用の遠隔操作ロボット、介護用の義手義足、電動車いすなどが挙げられる。特に精密な動作における応答性と定常性が求められる手術支援用の遠隔操作ロボットに適する。
【００１９】
ＭＲ流体を用いたトルク制御デバイスは、主にハウジングと回転軸といった回転デバイスの形態として実現されるが、回転軸の直径は５〜１５ｍｍが好ましい。後記の力触覚提示用ＭＲ流体デバイスの軸直径は、小型デバイスであることからφ８〜１２ｍｍとなっている。
【００２０】
精密な動作における応答性と定常性が求められる用途においては、モータの回転数は低速であることが多く１~９０ｒｐｍである。特に、手術支援用の遠隔操作ロボットにおいて用いられる３〜６０ｒｐｍが回転速度域としては望ましい。
【００２１】
次に、添付図面に示した実施形態に基づき、本発明を更に詳細に説明する。図１〜図３は、力触覚提示用ＭＲ流体デバイスＡの構造例を示し、図中符号１はハウジング、２はロータ、３はシール部材、４はＭＲ流体をそれぞれ示している。
【００２２】
力触覚提示用ＭＲ流体デバイスＡは、前記ハウジング１の内部にロータ２を回転可能に支持するとともに、シール部材３で液密性が保たれた空間内にＭＲ流体４を封入した構造である。前記ハウジング１に対して前記ロータ２は、ベアリング５にて回動可能に保持され、該ベアリング５よりも内側に前記シール部材３が配置されている。前記ハウジング１の内部にはドーナツ型ディスク６を固定し、前記ロータ２の外周部に設けた凹溝７内に前記ディスク６の内周部を、微小間隔を維持して収容している。ここで、前記ディスク６の表面と凹溝７の内壁面との流体ギャップは２００μｍである。そして、前記ロータ２の内部には、電磁石８が内蔵され、該電磁石８の磁力線Ｍが前記流体ギャップを垂直に横切るように配置している。
【００２３】
前記ハウジング１とロータ２の相対回転により，前記ディスク６上下の流体ギャップ（２００μｍ）に充填されたＭＲ流体にせん断流れが発生する。このせん断流れに垂直な磁場を電磁石８によって印加し，相対回転に対する抵抗トルクを制御するというものである。空転トルクを極力低減させるために、ロータ２は片持ちとして上側の軸部９のみにダブルベアリング５を配置し，ロータ２に対するシール部材３も径の小さい軸部９に１箇所にのみ設けた。
【００２４】
現行のデパイスでは、図２に示すように、低摩擦のシール部材３としてラジアルシール３Ａを使用しているが、高価で、壊れやすく取り扱いが難しいという課題がある。
【００２５】
そこで、従来のラジアルシール３Ａと新たに検討したリップシール３Ｂの性能を比較する。シール部材のシール特性及び摺動摩擦特性を測定した実験装置を図４に示す。
【００２６】
本実験装置は，モータ１１、トルクセンサ１２、軸受部１３及び圧力チャンバ１４とから構成され、各出力軸は継手１５で連結されている。前記軸受部１３及び圧力チャンバ１４は、ＭＲ流体デバイスを模している。図５及び図６に示すように、前記軸受部１３は、ハウジング１６を貫通した軸受孔１７に回転軸１８をベアリング１９で回転可能に支持するとともに、シール部材３としてラジアルシール３Ａ（図５参照）とリップシール３Ｂ（図６参照）を装着してハウジング１６と回転軸１８との間を密封する。そして、前記軸受部１３の回転軸１８の端部とシール部材３を内部に有するように、前記圧力チャンバ１４を前記軸受部１３の側面に液密状態で取付ける。
【００２７】
前記回転軸１８とシール部材３及び圧力チャンバ１４で形成された空間内にＭＲ流体２０を封入し、前記圧力チャンバ１４に外部からエアレギュレータを介して加圧エアーを注入して内圧を制御する。前記回転軸１８の直径は１２ｍｍであり、この軸とシール部材３の摺動によるシール摩擦トルクを測定した。回転軸の回転速度はモータ１１により調整した。チャンパー１４の内圧はエアレギュレータによって調整した。
【００２８】
測定対象として、ラジアルシール３Ａは一般市販品（シールテック株式会社製  商品名：オムニシール、４００Ａシリーズ、標準リップ、標準ヒール、カバー材質Ａ４２  スプリング材質ＳＵＳ３０４）である。また、リップシール３Ｂは、スターライト工業株式会社製のＰＴＦＥ樹脂＃３１６１２Ａを原料とし、軸方向に沿って癖付けされたリップ部を備えたもの（ＡＬＰシール）である。
【００２９】
前記ラジアルシール３Ａは、図５に示すように、ハウジング１６に設けた環状凹部２１に配置し、押さえ板２２で抜け止めしてセットした。一方、前記リップシール３Ｂは、半径方向を向いた基部２３と軸方向を向いたリップ部２４を有し、同じく環状凹部２１に配置し、前記基部２３を留め具２５の円筒部２６で環状凹部２１の半径方向壁面に圧迫して液密状態で取付けた。前記リップシール３Ｂのリップ部２４と回転軸１８との面接触によって流体漏れを防止する。
【００３０】
実験方法は、以下の通りである。モータ回転数は３、３０及び６０ｒｐｍの３条件とし、圧力は０．０、０．２、０．４および０．６ＭＰａの４条件とした。シール部材の環境は、チャンパー内にエアーのみ、ＭＲＦ（Ｌｏｒｄ社、１４０ＣＧ）ありの２条件とした。各回転数において圧力を０．０から０．６ＭＰａまで順次上昇させ、各条件において１０秒後トルクを測定した。
【００３１】
【表１】
2019049331.tif 000003
【００３２】
【表２】
2019049331.tif 000004
【００３３】
表１は、エアーのみの場合の空転トルク、表２は、ＭＲ流体の場合の空転トルクをそれぞれ示している。すべての条件で流体（エアーもしくはＭＲ流体）の漏れは確認されなかった。空転トルクは、エアーとＭＲ流体の両方ともラジアルシールよりもリップシールの方が有意に小さくなった。ラジアルシールは回転速度の影響を受けて高速時にやや大きな卜ルクを示したが，リップシールは速度の影響を殆ど受けないように見える。
【００３４】
この結果を踏まえ、ＭＲ流体環境下で最もトルクが低く，エアーの場合でもラジアルシールと同等の性能が出せるリップシール（＃３１６１２Ａ）が最も適していると判断した。これにより本発明に係るシール部材を用いることにより、低コストでラジアルシールと同程度の流体シール性能を達成できることが分かった。
【符号の説明】
【００３５】
Ａ  力触覚提示用流体デバイス
１  ハウジング
２  ロータ
３  シール部材
３Ａ  ラジアルシール
３Ｂ  リップシール
４  ＭＲ流体
５  ベアリング
６  ディスク
７  凹溝
８  電磁石
９  軸部
１１  モータ
１２  トルクセンサ
１３  軸受部
１４  圧力チャンバ
１５  継手
１６  ハウジング
１７  軸受孔
１８  回転軸
１９  ベアリング
２０  ＭＲ流体
２１  環状凹部
２２  押さえ板
２３  基部
２４  リップ部
２５  留め具
２６  円筒部
【図１】
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【図２】
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【図３】
2019049331.tif 000007
【図４】
2019049331.tif 000008
【図５】
2019049331.tif 000009
【図６】
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