(57)【要約】【課題】消費電力が小さく、搭載される機器の稼働時間の長期化、小型化に有利な制動機構を提供する。【解決手段】磁性を有する磁性流動体内で駆動体の少なくとも一部を駆動させる制動機構１を、磁性流動体を収容するハウジング１３と、ハウジング１３外に配置される第一低保磁力磁石２０ａ、第二低保磁力磁石２０ｂと、第一低保磁力磁石２０ａ、第二低保磁力磁石２０ｂに磁場を印加する磁場発生部１１と、磁場発生部１１に対して第一方向に流れるパルス状の正パルス電流、第一方向と反対方向に流れるパルス状の負パルス電流を交互に供給し、磁性流動体の少なくとも一部の粘度を変化させる磁場制御部５０と、によって構成する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁性を有する磁性流動体内で駆動体の少なくとも一部を駆動させる制動機構であって、
前記磁性流動体を収容する筐体と、
前記筐体外に配置される少なくとも一つの低保磁力磁石と、
前記低保磁力磁石に磁場を印加する磁場発生部と、
前記磁場発生部に対して第一方向に流れるパルス状の正パルス電流、前記第一方向と反対方向に流れるパルス状の負パルス電流を交互に供給し、前記磁性流動体の少なくとも一部の粘度を変化させる磁場制御部と、を備える、制動機構。
【請求項２】
前記低保磁力磁石は、前記筐体を挟んで対向する第一低保磁力磁石及び第二低保磁力磁石である、請求項１に記載の制動機構。
【請求項３】
前記低保磁力磁石は、前記磁場発生部によって印加された磁場で励起される磁力を所定の時間保持し、前記磁場制御部は、前記正パルス電流により前記低保磁力磁石に磁場を印加し、前記負パルス電流により前記低保磁力磁石によって保持された磁力を打ち消す、請求項１または２に記載の制動機構。
【請求項４】
前記負パルス電流の絶対値は、少なくとも直前に印加された前記正パルス電流の絶対値よりも小さい、請求項３に記載の制動機構。
【請求項５】
前記筐体の内部の前記磁場の強さを計測する磁場センサをさらに備え、前記磁場制御部は、前記磁場センサによって計測された磁場の強さに基づいて前記磁場発生部に正パルス電流または負パルス電流を供給する、請求項１から４のいずれか一項に記載の制動機構。
【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た制動機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気粘性流体（Magneto Rheological fluid）は、ＭＲ流体とも呼ばれて媒体となる液中に強磁性金属微粒子を分散させた機能性材料である。強磁性金属微粒子は、粒子半径が数μｍであり、磁場が加えられることによって磁束に沿って整列し、チェーン状のクラスタを形成する。このとき、ＭＲ流体は流体から半固化する。このため、ＭＲ流体中で運動する物体に対する抵抗力が磁場の印加によって変化する。物体に対するＭＲ流体の抵抗力の度合いを本明細書では以降「見かけの粘性」と記す。
このようなＭＲ流体を使用したＭＲ流体ブレーキの開発が行われている。ＭＲ流体ブレーキは、摩擦を利用した公知のブレーキに比べてブレーキシューやディスクブレーキのブレーキパッドの摩擦が生じない、ブレーキング時のノイズの発生がないといった利点を有している。さらに、ＭＲブレーキは、磁気に対して数ｍ秒で反応するため、公知の油圧方式よりも高速に応答するという利点を有している。このようなＭＲブレーキは、その安全性や低騒音により介護の場面で使用される電動車椅子や介護ロボット、さらには室内で利用される電気自動車等に好適である。
【０００３】
ＭＲブレーキに関する公知技術は、例えば、特許文献１、特許文献２に記載されている。特許文献１には、パウダーを収容するハウジング内に設けられたコイルに電流を流してハウジングと回転軸との間にブレーキトルクを発生させることが記載されている。引用文献２には、ディスクの上下部にＭＲ流体層があり、ディスクの外側にリング状のコイルが設置されている構成が記載されている。特許文献２では、コイルに電流を流すとＭＲ流体層に磁束が発生し、ディスクの回転が抑制されてブレーキとして機能することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１６−１４０７４４号公報
【特許文献２】特開２０１１−２４７４０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記した電動車椅子等の多くはバッテリを備え、このバッテリに電力を充電して使用される。当然のことながら、このような機器にあっては一度の充電で長時間稼動できることが望ましく、また、機器の軽量化、小型化の観点からバッテリは小型であることが好ましい。このため、電動車椅子等に使用されるＭＲブレーキにもいっそうの省電力化が要求されている。
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、消費電力が小さく、搭載される機器の稼働時間の長期化、小型化に有利な制動機構に関する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の制動機構は、磁性を有する磁性流動体内で駆動体の少なくとも一部を駆動させる制動機構であって、前記磁性流動体を収容する筐体と、前記筐体外に配置される少なくとも一つの低保磁力磁石と、前記低保磁力磁石に磁場を印加する磁場発生部と、前記磁場発生部に対して第一方向に流れるパルス状の正パルス電流、前記第一方向と反対方向に流れるパルス状の負パルス電流を交互に供給し、前記磁性流動体の少なくとも一部の粘度を変化させる磁場制御部と、を備える。
【発明の効果】
【０００７】
本発明は、消費電力が小さく、搭載される機器の稼働時間の長期化、小型化に有利な制動機構を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の第一実施形態の制動機構の一部の構成の斜視図である。
【図２】図１に示した構成を含む制動機構を説明するための模式図である。
【図３】（ａ）は、図１に示した制動機構の磁性流動体に磁場が作用していない状態を示す図、（ｂ）は、磁性流動体に磁場が作用している状態を示す図である。
【図４】図１、図２に示した第一低保磁力磁石、第二低保磁力磁石のＪ−Ｈループを説明するための図である。
【図５】本発明の第一実施形態の正パルス電流、負パルス電流を例示した図である。
【図６】本発明の第一実施形態の変形例を説明するための図である。
【図７】（ａ）は円盤部の縦断面図、（ｂ）は円盤部の横断面図である。
【図８】本発明の第二実施形態の制動機構を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の第一実施形態、第二実施形態を図面に基づいて説明する。なお、すべての図面において、同様の構成要素には同様の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。また、第一実施形態、第二実施形態において用いた図面は本発明を説明するための模式的な表現を使用した図面であり、部材の形状や大きさ、長さ及び厚さ等を正確に表すものとは限らない。
【００１０】
［第一実施形態］
図１、図２は、本発明の第一実施形態の制動機構１を説明するための図である。第一実施形態の制動機構１は、例えば、介護や作業に用いられる走行機器のクラッチに適用される。図１は、制動機構１の磁場制御部５０、磁場センサ１９及び電源５５（いずれも図２）を除く構成の斜視図である。図２は、図１に示した構成を含む制動機構１を説明するための模式図である。
【００１１】
（全体構成）
図１、図２に示した制動機構１は、磁性流体または磁性粉末を含む磁性流動体を用いる制動機構である。本明細書では、磁性流体、磁性粉末の両方を含む概念として磁性流動体の語句を使用する。磁性流体としては、例えば、油系の分散媒に直径が数μｍの磁性体金属粒子（以下、単に「磁性体粒子」と記す）ｐを混合した非コロイド溶液が使用される。磁性体粒子としては、例えば、磁性鉄粉等が使用される。また、磁性粉末としては、磁性体粒子が分散媒なしで使用される。なお、第一実施形態では、磁性流動体として磁性流体を使用した制動機構の例をあげて説明する。磁性流体の油系分散媒としては、例えば、シリコンオイルが使用される。また、磁性流体では、分散媒に界面活性剤を加える、あるいは磁性体粒子ｐの表面を界面活性剤でコーティングする等して磁性体粒子ｐを安定して分散させている。
【００１２】
第一実施形態の制動機構１は、磁性を有する磁性流動体内で駆動体の少なくとも一部を駆動させる制動機構である。第一実施形態の駆動体は、入力軸１２、出力軸２２である。制動機構１を例えば電動車椅子のクラッチレバーに適用した場合、例えば、入力軸１２は図示しないモータの回転軸と連結され、出力軸２２は図示しない車軸等と連結される。ただし、制動機構１は、電動車椅子に適用される構成に限定されるものではない。制動機構１は、トルクコンバータ、ロボット、免振装置等の動力源から動力を伝達及び切り離す機構であればどのような構成に適用するものであってもよい。
また、制動機構１は、磁性流動体を収容する筐体であるハウジング１３と、ハウジング１３外に配置される少なくとも一つの低保磁力磁石を有している。ただし、第一実施形態では、制動機構１が第一低保磁力磁石２０ａ及び第二低保磁力磁石２０ｂを備え、第一低保磁力磁石２０ａ及び第二低保磁力磁石２０ｂはハウジング１３を挟んで対向するように配置されている。対向面２０ａａ、対向面２０ｂｂは互いに平行であることが好ましいが、必ずしも厳密に平行であることまでは要求されない。
【００１３】
さらに、制動機構１は、第一低保磁力磁石２０ａ、第二低保磁力磁石２０ｂに磁場を印加する磁場発生部１１を有している。磁場発生部１１としては、複数回数巻き回されたコイル、あるいは磁性体を芯材にしてコイルを巻き回した電磁石を適用することができる。つまり、第一実施形態の磁場発生部１１は、電磁石のように強磁性体の芯を有するものに限定されるものでなく、少なくとも電流の供給によって磁力線を発生するコイルを有する構成であればよい。
また、第一実施形態は、磁場発生部１１に対して第一方向に流れるパルス状の正パルス電流、第一方向と反対方向に流れるパルス状の負パルス電流を交互に供給し、磁性流動体の少なくとも一部の粘度を変化させる磁場制御部５０と、を備えている。なお、第一実施形態では、磁場制御部５０が電源５５を介して磁場発生部１１に電流を供給し、磁場発生部１１が磁場を発生させる。そして、発生した磁場が第一低保磁力磁石２０ａ、第二低保磁力磁石２０ｂを磁化するものとして以降の説明を行う。また、本明細書では、磁力が及ぶ範囲を磁場とし、磁場または磁界を磁力線で模式的に記載する場合もある。
磁場発生部１１は、電流が供給されることによって磁場を発生する。磁場発生部１１は第一低保磁力磁石２０ａ、第二低保磁力磁石２０ｂを覆うように配置されているから、磁場発生部１１が発生した磁場は、磁力線Ｂが第一低保磁力磁石２０ａ、第二低保磁力磁石２０ｂを貫くように発生する。
【００１４】
以下、上記した制動機構１の各構成について説明する。
（ハウジング）
制動機構１のハウジング１３は、固定円筒であって、移動することがない。図１、図２では、ハウジング１３の外周面が、外側上面１３ａ、外側下面１３ｂ、外側周面１３ｃによって構成されている。また、ハウジング１３の内周面が、内側上面１５ａ、内側下面１５ｂ及び内側周面１５ｃによって構成されている。外側上面１３ａ、内側上面１５ａ間には挿入口１３ｄが、外側下面１３ｂ、内側下面１５ｂ間には挿入口１３ｅが形成されている。挿入口１３ｄには入力軸１２の一部が挿入されて、挿入口１３ｅには出力軸２２が挿入されている。上記したように、入力軸１２は図示しないモータの回転軸と連結され、出力軸２２は図示しない車軸と連結される。このため、入力軸１２はモータの回転に伴って回転する。一方、出力軸２２は、車軸が回転していない状態にあっては回転せずに静止している。
【００１５】
さらに、制動機構１では、入力軸１２のハウジング１３内部にある先端に円盤部１４が接続されている。また、出力軸２２のハウジング１３内部にある先端に円盤部２４が接続されている。図１、図２に示すように、円盤部１４は上面１４ａ、対向面１４ｂを有し、円盤部２４は対向面２４ａ、下面２４ｂを有している。円盤部１４、円盤部２４は、互いに対向面１４ｂ、対向面２４ａが向かい合うようにして配置されている。図１、図２では、円盤部１４よりも円盤部２４の方が大きい面積を有しているが、第一実施形態は、このような構成に限定されるものではない。
また、対向面１４ｂ、２４ａは、図１に示したｘ−ｙ平面内において回転する。ただし、第一実施形態は、このような構成に限定されるものでなく、対向面１４ｂ、２４ａが入力軸１２の軸方向（図１中に示した座標軸のｚ方向）に移動することを排除するものではない。対向面１４ｂがｚ方向に移動する場合であっても、その移動量は回転の移動量より充分小さくなるように円盤部１４、２４が軸方向に支持されていることから、対向面１４ｂ、２４ａの距離は略一定に保たれる。
【００１６】
ハウジング１３は、外部から印加される磁場が磁性体粒子に効率よく作用し、自身が磁化しない材質であればよく、例えば、磁化しないオーステナイト系ステンレス鋼等が使用される。さらに、ハウジング１３は樹脂であってもよい。
また、円盤部１４、２４は、磁性体であることが好ましい。第一実施形態では、「磁性体」の語句を、強磁性体を有するものを指すことに使用する。
【００１７】
（電磁石）
磁場発生部１１は、磁性材料を芯とし、芯にコイルを巻き回した構成である。磁場発生部１１は、コイルに通電することによって一時的に磁力を発生させ、電流を遮断させることによって磁場を消失することができる。制動機構１の磁性流動体に与えられる磁場の強さはコイルの巻き回数やコイル及び芯の材質やサイズによって適宜設計可能である。
上記した正パルス電流、負パルス電流は、磁場発生部１１のコイルに間欠的に、かつ逆方向に電流を流すことによって生じる。つまり、第一実施形態のパルス電流は、コイルに電流が間欠的に流れ、電流が流れるタイミング同士の間に電流が流れないタイミングが存在する電流波形をいう。さらに、第一実施形態では、パルス電流を比較的短い時間幅で出力されるものとする。この時間幅は、例えば、電流の立ち上がりから次の電流の立ち上がりまでの間に、電流が出力されていない時間の方が長くなるように設定することができる。なお、この際、電流の立ち上がり、立下りは、電流の向きとは無関係に、０レベルから絶対値が大きくなるタイミングを立ち上がり、ピークから０レベルに達するタイミングを立下りとする。第一実施形態のパルス電流は、例えば、時間幅が１０−４ｓのオーダーから１０−７ｓのオーダーとする。パルス電流の正負は、電流が流れる方向の向きによって決まる。ただし、電流の向きは一方の向きが他方の向きの反対であればよく、どちらの向きを正、あるいは負と決めるものではない。
【００１８】
（第一低保磁力磁石、第二低保磁力磁石）
第一低保磁力磁石２０ａ、第二低保磁力磁石２０ｂは、磁場発生部１１によって印加された磁場で励起される磁力を所定の時間保持する磁石である。磁場制御部５０は、正パルス電流により第一低保磁力磁石２０ａ、第二低保磁力磁石２０ｂに磁場を印加し、負パルス電流により低保磁力磁石によって保持された磁力を打ち消している。
このような第一低保磁力磁石２０ａ、第二低保磁力磁石２０ｂとしては、保磁力が数十ｋｍ／Ａ程度の磁石が使用される。第一実施形態の第一低保磁力磁石２０ａ、第二低保磁力磁石２０ｂとしては、アルニコ系磁石及び鉄クロム系の磁石が用いられるが、このような例に限定されるものでなく、数十ｋｍ／Ａ程度の保磁力を有する磁石であれば、どのような磁石であってもよい。
なお、第一実施形態では、第一低保磁力磁石２０ａ、第二低保磁力磁石２０ｂを備えているが、第一実施形態はこのような構成に限定されるものでない。例えば、制動に充分な磁束密度が得られるのであれば、外側上面１３ａ、外側下面１３ｂのいずれか一方に沿って低保磁力磁石を設けるものであってもよい。
また、第一実施形態は、第一低保磁力磁石２０ａをそれぞれ外側上面１３ａ、外側下面１３ｂに平行に配置している。しかし、第一実施形態は、このような構成に限定されるものでなく、制動に充分な磁束密度が得られるのであれば、第一低保磁力磁石２０ａ、第二低保磁力磁石２０ｂをどのように配置してもよい。
【００１９】
（磁場制御部）
次に、第一実施形態の磁場制御部５０を説明する。磁場制御部５０には、例えばマイクロコンピュータ等の小型のプロセッサユニットを搭載した制御装置が使用される。磁場制御部５０は、磁場発生部１１に対して前記した正パルス電流、負パルス電流を交互に供給する構成であって、小型のＣＰＵ(Central Processing Unit)、メモリ及び入出力のインターフェースを有している（いずれも図示せず）。磁場制御部５０のＣＰＵは、電源５５を制御して電流を磁場発生部１１に供給させ、電流の供給タイミングと大きさ及び方向を制御する。メモリは、先に流した電流が正パルス電流であるか、負パルス電流であるかを記録しておく、あるいはＣＰＵの演算のワーキングメモリとして使用される。入力インターフェースは、例えば、図示しないクラッチレバー等の操作部から操作信号Ｏ１が入力される。磁場制御部５０は、操作信号Ｏ１の操作量に対応する電流の値を計算し、この値の電流を流すように電源５５に制御信号Ｏ２を出力する。電源５５は、制御信号Ｏ２にしたがって磁場発生部１１に電流を流す。
【００２０】
つまり、第一実施形態は、磁場制御部５０が正パルス電流、負パルス電流の大きさ（ピーク値）で制動機構１の制動力の大きさを制御している。制御は、操作信号Ｏ１が大きいほど正パルス電流、負パルス電流のピーク値を大きくし、操作信号Ｏ１が相対的に小さいと正パルス電流、負パルス電流のピーク値を小さくするように行われる。ただし、第一実施形態は、正パルス電流、負パルス電流の大きさによって制動力を制御することに限定されるものではない。
【００２１】
また、第一実施形態の制動機構１は、ハウジング１３の内部の磁場の強さを計測する磁場センサ１９をさらに備えるものであってもよい。このような場合、磁場制御部５０は、磁場センサ１９によって計測された磁場の強さに基づいて磁場発生部１１に正パルス電流または負パルス電流を供給する。
すなわち、図１、図２に示した制動機構１は、ハウジング１３内に磁場センサ１９を備えている。磁場センサ１９は、比較的高速に変化する磁性流動体の磁場を検出できるものであればよく、その具体的な構成に制限はない。磁場センサ１９は、例えば、ホール素子、磁気抵抗素子、磁気インピーダンス素子及び超伝導量子干渉素子のいずれであってもよい。
磁場センサ１９を設けた場合、磁場制御部５０には磁場センサ１９から測定信号Ｍが入力される。測定信号Ｍは、ハウジング１３内の磁場の強さを実測した結果を示す信号である。磁場制御部５０は、測定信号Ｍ及び予め定められている目標磁場強度を比較し、目標磁場強度を達成するための電流を磁場発生部１１に供給するため電源５５に制御信号Ｏ２を出力する。
【００２２】
（動作）
次に、以上説明した制動機構１の動作を説明する。
図３（ａ）、図３（ｂ）は、磁性流動体内の磁性体粒子ｐと磁力線Ｂとの関係を説明するための模式図である。図３（ａ）は、磁性流動体に磁場が作用していない、つまり磁場発生部１１に電流が供給されていない状態、もしくは磁化された第一低保磁力磁石２０ａ、第二低保磁力磁石２０ｂに適度な逆磁場を印加し、第一低保磁力磁石２０ａ、第二低保磁力磁石２０ｂの磁束を打ち消した場合を示す。図３（ｂ）は、磁性流動体に磁場が作用している、つまり磁場発生部１１に電流が供給されている状態、もしくは磁場発生部１１に供給されている電流の遮断後、磁化された第一低保磁力磁石２０ａ、第二低保磁力磁石２０ｂの残留磁化による磁力が寄与している状態を示している。
磁場が印加されていない場合、磁性流体は、図３（ａ）に示すように、分散媒中に磁性体粒子ｐが分散している状態にある。このとき、磁性流体は、剪断速度に対してニュートン流体のようにふるまう。一方、磁場流体は、磁力が作用すると図３（ｂ）に示すように、分散媒中の磁性体粒子ｐが磁力線Ｂに沿ってクラスタを形成する。
クラスタは、第一低保磁力磁石２０ａ、第二低保磁力磁石２０ｂとの間で流動抵抗を生じ、クラスタ構造を切断するために磁性流動体の剪断応力が増大する。このとき、磁性流体は、降伏応力を有する塑性流体（ビンガム流体）としてふるまうようになる。
【００２３】
一般的な塑性流体の剪断応力τｓは、以下の式によって表される。
τｓ＝μ・γ＋τ０［Ｐａ］          …式（１）
上記式（１）において、μは磁場無印加時の基底粘度［Ｐａ・ｓ］、γは剪断速度［ｓ−１］、τ０は磁力の作用によって生じた剪断応力［Ｐａ］である。
式（１）において、降伏応力τ０は、磁力の強度を高めることによって強くなる。すなわち、磁性流体は磁力の作用によって粘度が増大したような挙動を示す。このような現象を、本明細書では、「見かけの粘度が増大した」とも記す。このような現象は、磁性流体の非ニュートン粘度が変化することではなく、クラスタ形成による降伏強度が変化することに起因する。
図３（ｂ）に示したクラスタは、形成時から所定の時間維持されて、反対方向に磁場をかけることによって図３（ａ）のように消失する。このことから、第一実施形態では、パルス電流を磁場発生部１１に供給して磁性流動体の見かけの粘度を増大し、反対方向のパルス電流を磁場発生部１１に供給して磁性流動体の見かけの粘度を低下させることができる。
【００２４】
上記の第一低保磁力磁石２０ａ、第二低保磁力磁石２０ｂ間にある磁性流動体内において、磁性体である円盤部１４、２４は磁性流動体の磁化強度を局所的に高める機能を有している。このため、ハウジング１３内の磁性流動体のうち、円盤部１４、２４間の磁性流動体は、見かけの粘度が周囲よりも増大している。さらに、第一実施形態では、円盤部１４、２４を設けることによってクラスタが形成される面の面積を大きくし、剪断応力を高めている。このような状態にあって、円盤部１４が入力軸１２に連動して回転している場合、円盤部１４とクラスタによって接続されている円盤部２４が回転する。
一方、磁化された第一低保磁力磁石２０ａ及び第二低保磁力磁石２０ｂの磁力を打ち消すために磁場発生部１１への電流の供給を行うと、磁性流動体の見かけの粘度が低下して、円盤部１４の回転が円盤部２４、ひいては車軸に伝わらなくなる。このような動作により、制動機構１は、図示しないモータと車軸とを接離するクラッチとして機能する。
【００２５】
なお、第一実施形態は、図１、図２に示したように、円盤部１４、２４のうち、円盤部２４の面積を大きくしている。このような構成により、第一実施形態は、モータ等の動力源に接続される円盤部１４の回転が円盤部２４に緩やかに伝わるようになり、電動車いす等に急に力が加わることを防いでいる。
【００２６】
図４は、第一低保磁力磁石２０ａ、第二低保磁力磁石２０ｂのＪ−Ｈループを説明するための図である。図４の横軸は磁場発生部１１が第一低保磁力磁石２０ａ、第二低保磁力磁石２０ｂに加えた磁場の強度（Ｈ［Ａ／ｍ］）を示している。縦軸は第一低保磁力磁石２０ａ、第二低保磁力磁石２０ｂの磁化強度（Ｊ［Ｔ］）を示している。
第一実施形態では、図４に示すように、磁場発生部１１に電流が供給されることによって第一低保磁力磁石２０ａ、第二低保磁力磁石２０ｂに磁場（横軸）が印加され、第一低保磁力磁石２０ａ、第二低保磁力磁石２０ｂの磁化強度が上昇する。また、磁場発生部１１に先とは反対向きの電流が供給されることによって第一低保磁力磁石２０ａ、第二低保磁力磁石２０ｂに反対向きの磁場（横軸）が印加され、第一低保磁力磁石２０ａ、第二低保磁力磁石２０ｂの磁化強度が下降する。
【００２７】
つまり、第一実施形態では、操作信号Ｏ１を入力し、操作信号Ｏ１に基づいて第一低保磁力磁石２０ａ、第二低保磁力磁石２０ｂに磁場ｈ１を加える。このとき、磁場制御部５０は、第一低保磁力磁石２０ａ、第二低保磁力磁石２０ｂを方向ｄ１に磁化させる電流を磁場発生部１１にパルス状に供給するものとする。このとき、第一低保磁力磁石２０ａ、第二低保磁力磁石２０ｂの磁化強度が瞬間的に磁化強度Ｊ１に達する。
次に、第一実施形態では、第一低保磁力磁石２０ａ、第二低保磁力磁石２０ｂに印加される磁場を０にする。このとき、磁化強度は磁化強度Ｊ２まで下降して、磁性流動体は磁化強度Ｊ２に応じた見かけの粘性を得る。このような第一実施形態では、磁場発生部１１に供給される電流を０にした場合にあっても、電流の供給を受けずにモータと車軸とを接続した状態にすることができる。
【００２８】
次に、磁場制御部５０は、次の操作信号Ｏ１を入力し、操作信号Ｏ１に基づいて第一低保磁力磁石２０ａ、第二低保磁力磁石２０ｂに磁場ｈ２を加える。具体的には、磁場制御部５０は、第一低保磁力磁石２０ａ、第二低保磁力磁石２０ｂを方向ｄ２に減磁させる電流を磁場発生部１１にパルス状に供給するものとする。このとき、第一低保磁力磁石２０ａ、第二低保磁力磁石２０ｂの磁化強度がＪ２から０に達する。このため、第一低保磁力磁石２０ａ、第二低保磁力磁石２０ｂの磁化強度が０になり、磁性流動体の見かけの粘性を低減することができる。このとき、円盤部１４、円盤部２４間のクラスタが消失し、モータと車軸とが切り離される。以上のことから、第一実施形態は、モータと車軸とを接離する間にも磁場発生部１１への電流の供給を停止する期間を設け、制動機構１の消費電力を低減することができる。
【００２９】
また、第一実施形態では、正パルス電流により磁場発生部１１に磁場を発生させて第一低保磁力磁石２０ａ、第二低保磁力磁石２０ｂに磁力を保持させ、負パルス電流により保持された磁力を打ち消す場合、負パルス電流の絶対値は、少なくとも直前に印加された正パルス電流の絶対値よりも小さくなる。
上記の点は、図４から明らかである。つまり、制動機構１においては、低保磁力磁石の性質上、操作信号Ｏ１に対応する磁化強度Ｊ２を得ようとする場合、いったん磁化強度Ｊ２以上の磁化強度Ｊ１に対応する磁場ｈ１に対応する電流を磁場発生部１１に供給する必要がある。このため、いったん磁化強度Ｊ２にまで下降した磁場を０にするには、方向が反対であって磁場ｈ１よりも絶対値が小さい磁場ｈ２に対応する負パルス電流を磁場発生部１１に供給する。
【００３０】
図４に示す矢印Ｓ１およびＳ２の長さは磁場ｈ１およびｈ２の強度を示す。上記のように磁場ｈ１の正磁界をパルス状に印加すると第一低保磁力磁石２０ａ、第二低保磁力磁石２０ｂの磁化強度はＪ１となり、このパルスが０に戻っても磁化強度はＪ２で残留する。そしてこの残留磁化強度Ｊ２を打ち消して残留磁化がほぼ０となるように磁場ｈ２の負磁界をパルス状に印加する。
【００３１】
図４には、矢印Ｓ１およびＳ２で示される第１ヒステリシス曲線と、矢印Ｓ３およびＳ４で示される第２ヒステリシス曲線を示す。矢印Ｓ３は矢印Ｓ１よりも短い。すなわち第２ヒステリシス曲線は、磁場ｈ１よりも小さな正磁界をパルス状に印加した場合のＪ−Ｈループを示している。第１ヒステリシス曲線と第２ヒステリシス曲線とは互いに相似するため、矢印Ｓ１〜Ｓ４の長さは、Ｓ１：Ｓ２＝Ｓ３：Ｓ４の関係を満たす。
【００３２】
図５は、第一実施形態の正パルス電流、負パルス電流を例示した図である。図５の縦軸は電流値を、横軸は出力タイミングを示している。図５に示した例では、正パルス電流Ｓ１、負パルス電流Ｓ２、正パルス電流Ｓ３、負パルス電流Ｓ４を示している。正パルス電流Ｓ１は、第一低保磁力磁石２０ａ、第二低保磁力磁石２０ｂを磁化してクラスタを形成し、磁性流動体の粘性を高める。負パルス電流Ｓ２は、正パルス電流Ｓ１によって生じた磁性を打ち消している。また、正パルス電流Ｓ３は、第一低保磁力磁石２０ａ、第二低保磁力磁石２０ｂの磁化強度を高めてクラスタを形成し、磁性流動体の粘性を高める。負パルス電流Ｓ４は、正パルス電流Ｓ３によって生じた磁性を打ち消している。正パルス電流Ｓ１、Ｓ３および負パルス電流Ｓ２、Ｓ４の大きさは、図４の矢印Ｓ１〜Ｓ４の長さにそれぞれ対応している。図５の例は、複数回の制動力を間欠的かつ徐々に弱めながら発生させるというポンピングブレーキ（アンチロック・ブレーキ・システム）を示す。具体的には、最初の正パルス電流Ｓ１により比較的強い第１の制動力を得た後に負パルス電流Ｓ２でこの第１の制動力を打ち消して制動力を解除する。それから僅かな時間経過後に次の正パルス電流Ｓ３を印加して、第１の制動力よりも弱い第２の制動力を得た後に、負パルス電流Ｓ４でこの第２の制動力を打ち消している。Ｓ１からＳ２の間およびＳ３からＳ４の間で制動力を得ることができる。
【００３３】
正パルス電流Ｓ１、Ｓ３のピークの大きさは、例えば、操作信号Ｏ１の値が大きいほど高くなるように設定される。そして、操作信号Ｏ１の大きさはクラッチレバー等の操作部の操作量の大きさに対応して設定される。このような構成によれば、電動車いす等の操作者の操作量が大きいほど円盤部１４、２４間に大きな制動力が発生し、操作速度に応じて磁性流動体の粘性の変化速度が決定する。このような構成によれば、操作者はクラッチを直感的に制御することができる。
また、第一実施形態では正パルス電流Ｓ１、Ｓ３及び負パルス電流Ｓ２、Ｓ４を矩形のパルス波として図示したが、正パルス電流Ｓ１、Ｓ３及び負パルス電流Ｓ２、Ｓ４のいずれも矩形パルスに限定されるものでなく、正弦波等他の形状を有するものであってもよい。第一実施形態でいう「パルス波」は、間欠的に出力される波形を指すものとする。
【００３４】
なお、図４によれば、磁場をかける方向（パルス電流の正負）によって第一低保磁力磁石２０ａ、第二低保磁力磁石２０ｂにかかる磁化強度の向きが反転しているが、第一低保磁力磁石２０ａ、第二低保磁力磁石２０ｂ間の剪断応力の大きさは磁化強度の向きとは無関係である。このため、第一実施形態では、第一低保磁力磁石２０ａ、第二低保磁力磁石２０ｂ間の磁化強度が図４中に示した実線に沿うように電源５５が電流を磁場発生部１１に供給すればよい。このとき、図４および図５では電流Ｓ１、Ｓ３を正パルスとし、電流Ｓ２、Ｓ４を負パルスとしているが、これを逆にしてもよい。正パルスまたは負パルスのどちらを印加しても、分散媒中の磁性体粒子がクラスタを形成して磁性流動体の粘性が高まるため制動力やクラッチ接続を得ることができる。
【００３５】
また、図５では、負パルス電流Ｓ２のピーク値よりも正パルス電流Ｓ１のピーク値が大きく、負パルス電流Ｓ４のピーク値よりも正パルス電流Ｓ３のピーク値が大きく設定されている。このような構成によれば、正パルス電流Ｓ１によって生じた磁場と反対方向の磁場が磁性流動体にかかり、制動機構１の制動力が充分打ち消されないことを防ぐことができる。
【００３６】
［変形例］
次に、第一実施形態の変形例を説明する。
図６は、第一実施形態の変形例の制動機構３を説明するための模式図である。図７（ａ）は、円盤部１４０の縦断面図、図７（ｂ）は図７（ａ）に示した円盤部１４０を矢線７ｂ−７ｂの方向に見た横面図である。制動機構３は、制動機構１と比較して、制動機構１の入力側の円盤部１４、出力側の円盤部２４が、それぞれ櫛歯形状の円盤部１４０、２４０になっている点で相違する。なお、この変形例では、「櫛歯状」を、二つの部材が離間対向し、他方に対向する側にそれぞれ嵌め合い可能な凹凸を有するものを指す。「嵌め合い可能」とは、二つの部材がそれぞれ他方に向かって延出する凸部を有し、互いの凸部が交互に配置されることを指す。
【００３７】
円盤部１４０は、図７（ａ）、図７（ｂ）のように、本体１４１と、凸部１４２と、を有している。本体１４１は、いずれも円盤状の板部材である。凸部１４２は、図７（ｂ）に示すように、本体１４１から突出する円筒形状の中心部１４０ａ、中心部１４０ａを中心にして互いに離間して配置されている同心円状の突条１４０ｂ、１４０ｃ、１４０ｄを含んでいる。一方、円盤部２４０は、円盤部１４０と同様に、本体と凸部とを有している。ただし、円盤部２４０の凸部は、中心部１４０ａと突条１４０ｂとの間に嵌め合い可能な環状の突条と、この突条と中心が同一の複数の同心円状の突条を含んでいる。円盤部２４０の突条は、いずれも円盤部１４０の突条と嵌め合い可能に形成されている。円盤部１４０は、第一低保磁力磁石２０ａと一体の入力側の回転盤になる。また、円盤部２４０は、第二低保磁力磁石２０ｂと一体の出力側の回転盤になる。
【００３８】
円盤部１４、２４を円盤部１４０、２４０に代えた変形例であっても、円盤部１４０と円盤部２４０との間には磁性体粒子ｐが含まれる磁性流体で充満されている。また、円盤部１４０とハウジング１３、円盤部２４０とハウジング１３との間も磁性体粒子ｐが含まれる磁性流体で充満されている。
このような変形例によれば、円盤部１４０と円盤部２４０との互いに対向する面の距離が円盤部１４と円盤部２４との距離よりも近くなると共に、対向面積が大きくなる。このため、変形例の制動機構３は、第一実施形態の制動機構１よりも強い制動力を得ることができる。
【００３９】
［第二実施形態］
図８は、第二実施形態の制動機構２を説明するための図である。制動機構２は、ディスクブレーキに適用された例である。図８に示すように、制動機構２は、第一実施形態の制動機構１と同様に、磁性流動体内で駆動体の少なくとも一部を駆動させる制動機構である。第二実施形態では、エンジンに接続される回転軸５２と、磁性流動体を収容するハウジング５３と、ハウジング５３外に配置される第一低保磁力磁石３０ａ、第二低保磁力磁石３０ｂと、第一低保磁力磁石３０ａおよび第二低保磁力磁石３０ｂに磁場を印加する磁場発生部１１と、磁場発生部１１に対して正パルス電流、負パルス電流を交互に供給し、磁性流動体の少なくとも一部の粘度を変化させる磁場制御部５０と、を備えている。
回転軸５２は、その一部がハウジング５３の挿入口５３ｄ、５３ｅから内部に挿入されていて、磁性流動体内で駆動（回転）する。
【００４０】
制動機構２では、回転軸５２に回転円盤部５４１、５４２が設けられていて、ハウジング５３の内側周面５３ｃに固定円盤部５５１が設けられている。回転円盤部５４１は上面５４１ａ、対向面５４１ｂを有し、回転円盤部５４２は対向面５４２ａ、下面５４２ｂを有している。固定円盤部５５１は、対向面５５１ａ、５５１ｂを有している。対向面５４１ｂは対向面５５１ａと対向し、対向面５４２ａは対向面５５１ｂと対向している。回転円盤部５４１、５４２及び固定円盤部５５１はいずれも磁性材料で形成されていて、第一低保磁力磁石３０ａ、第二低保磁力磁石３０ｂ間の磁場を局所的に強めることができる。
【００４１】
第二実施形態の制動機構２は、以下のように動作する。
ディスクブレーキとして構成された制動機構２は、例えば、ブレーキの踏み込み量が操作信号Ｏ１として磁場制御部５０に入力される。磁場制御部５０は、操作信号Ｏ１が示す踏み込み量に応じた値の正パルス電流を磁場発生部１１に供給する。磁場発生部１１に正パルス電流が供給されることによって第一低保磁力磁石３０ａ、第二低保磁力磁石３０ｂに磁場が印加され、磁性流動体の見かけの剪断応力が大きくなる。また、回転円盤部５４１、５４２及び固定円盤部５５１間では磁場が強まり、いっそう剪断応力が大きくなる。剪断応力は、制動機構２の制動トルクとして発揮される。第一低保磁力磁石３０ａ、第二低保磁力磁石３０ｂは、正パルス電流が消失した後にも磁場を維持し、剪断応力を維持することができる。
【００４２】
このとき、対向面５４１ｂ、対向面５５１ａ間、対向面５５１ｂ、対向面５４２ａ間にあっては、磁力線Ｂに沿ってクラスタが形成されて剪断応力が大きくなる。剪断応力が図示しないエンジンの回転力よりも高まると、回転円盤部５４１、５４２が回転できなくなって回転軸５２に接続される車軸等の回転が停止する。
また、ブレーキが解除される場合、このブレーキ解除の操作が操作信号Ｏ１として磁場制御部５０に入力される。磁場制御部５０は、操作信号Ｏ１によりブレーキ解除を検出し、電源５５に負パルス電流を供給するように制御信号Ｏ２を出力する。電源５５は、制御信号Ｏ２にしたがって磁場発生部１１に負パルス電流を供給し、磁場発生部１１が先に発生した磁場と反対向きの磁場を発生させる。これにより、第一低保磁力磁石３０ａ、第二低保磁力磁石３０ｂ間の剪断応力が低下し、円盤部１４、２４がエンジンと連動して回転するようになる。
【００４３】
以上説明した第一実施形態、第二実施形態は、小型、高出力、応答速度が数十ミリ単位、低消費電力といった利点を有する磁性流動体を制動機構に適用することができる。そして、このような制動機構に正負の向きのパルス電流を交互に与えることにより、消費電力を低減する効果を得ることができる。このような制動機構は、電動車椅子や作業車両、走行機能を有するロボット等の電源としてバッテリが使用される機器に好適である。
【００４４】
上記実施形態および実施例は以下の技術思想を包含するものである。
＜１＞  磁性を有する磁性流動体内で駆動体の少なくとも一部を駆動させる制動機構であって、前記磁性流動体を収容する筐体と、前記筐体外に配置される少なくとも一つの低保磁力磁石と、前記低保磁力磁石に磁場を印加する磁場発生部と、前記磁場発生部に対して第一方向に流れるパルス状の正パルス電流、前記第一方向と反対方向に流れるパルス状の負パルス電流を交互に供給し、前記磁性流動体の少なくとも一部の粘度を変化させる磁場制御部と、を備える、制動機構。
＜２＞  前記低保磁力磁石は、前記筐体を挟んで対向する第一低保磁力磁石及び第二低保磁力磁石である、＜１＞の制動機構。
＜３＞  前記低保磁力磁石は、前記磁場発生部によって印加された磁場で励起される磁力を所定の時間保持し、前記磁場制御部は、前記正パルス電流により前記低保磁力磁石に磁場を印加し、前記負パルス電流により前記低保磁力磁石によって保持された磁場を打ち消す、＜１＞または＜２＞の制動機構。
＜４＞  前記負パルス電流の絶対値は、少なくとも直前に印加された前記正パルス電流の絶対値よりも小さい、＜３＞の制動機構。
＜５＞  前記筐体の内部の前記磁場の強さを計測する磁場センサをさらに備え、前記磁場制御部は、前記磁場センサによって計測された磁場の強さに基づいて前記磁場発生部に正パルス電流または負パルス電流を供給する、＜１＞から＜４＞のいずれか一つの制動機構。
【符号の説明】
【００４５】
１、２、３・・・制動機構
１１・・・磁場発生部
１２・・・入力軸
１３、５３・・・ハウジング
１３ａ・・・外側上面
１３ｂ・・・外側下面
１３ｃ・・・外側周面
１３ｄ、１３ｅ、５３ｄ、５３ｅ・・・挿入口
１４、２４、１４０、２４０・・・円盤部
１４ａ・・・上面
１４ｂ、２４ａ・・・対向面
１５ａ・・・内側上面
１５ｂ・・・内側下面
１５ｃ、５３ｃ・・・内側周面
１９・・・磁場センサ
２０ａ、３０ａ・・・第一低保磁力磁石
２０ａａ、２０ｂｂ・・・対向面、
２０ｂ、３０ｂ・・・第二低保磁力磁石
２２・・・出力軸
２４ｂ、５４２ｂ・・・下面
５０・・・磁場制御部
５２・・・回転軸
５５・・・電源
１４０ａ・・・中心部
１４０ｂ、１４０ｃ、１４０ｄ・・・突条
１４１・・・本体
１４２・・・凸部
５４１、５４２・・・回転円盤部
５４１ａ・・・上面
５４１ｂ、５４２ａ、５５１ａ、５５１ｂ・・・対向面
５５１・・・固定円盤部
【図１】
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【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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