(57)【要約】【課題】極めて急激に駆動側と負荷側が結合され又極めて急激に駆動側と負荷側の結合が遮断される従来のクラッチあるいはカップラーのトルク伝達・遮断特性を改善し、滑らかに駆動側と負荷側を結合し又滑らかに駆動側と負荷側の間のトルク伝達を遮断するようにすることにより、急激なトルク伝達・遮断に伴う駆動側機器・負荷側機器の損傷を防止する。【解決手段】駆動側磁性回転体と負荷側磁性回転体を互いの間に若干の間隙をもって互いに同心的に回転自在に支持し、液状の分散媒中に強磁性分散粒子と共にチクソトロピー性付加添加物が混合された懸濁液状のチクソトロピー性磁気レオロジー流体を前記間隙に充填し、前記チクソトロピー性磁気レオロジー流体に磁界を印加する電磁石と、その電磁石の励磁電流を制御する励磁電流制御装置を設けてクラッチを構成する。【選択図】　図１
2004076749.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いの間に若干の間隙をもって互いに同心的に回転自在に支持された駆動側磁性回転体ならびに負荷側磁性回転体と、液状の分散媒中に強磁性分散粒子と共にチクソトロピー性付加添加物が混合された懸濁液で前記間隙に充填されたチクソトロピー性磁気レオロジー流体と、前記チクソトロピー性磁気レオロジー流体に磁界を印加する電磁石と、前記電磁石の励磁電流を制御する励磁電流制御装置を備えたことを特徴とするクラッチ。
【請求項２】
互いの間に若干の間隙をもって互いに同心的に回転自在に支持された駆動側磁性回転体ならびに負荷側磁性回転体と、液状の分散媒中に強磁性分散粒子と共にチクソトロピー性付加添加物が混合された懸濁液で前記間隙に充填されたチクソトロピー性磁気レオロジー流体と、前記駆動側磁性回転体あるいは負荷側磁性回転体に装着され前記チクソトロピー性磁気レオロジー流体に磁界を印加する励磁コイルと、前記励磁コイルの励磁電流を制御する励磁電流制御装置を備えたことを特徴とするクラッチ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、外部から加わる磁界の強さによって粘度が大幅に変化し流動特性が極めて大きく変化する磁気レオロジー流体（Ｍａｇｎｅｔｏｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌ　Ｆｌｕｉｄ＝ＭＲＦ）（「ＭＲＦ」と略す。）の特性を活用したクラッチに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、回転駆動力を負荷側に伝達し且つ又その動力伝達を必要に応じて遮断できるようにする目的で機械的な継手伝達機構を有するカカップラーもしくはクラッチが用いられており、容量の大きい駆動側機器（例えばガスタービン）と容量の大きい負荷側機器（例えば発電機）の結合継手にも機械式のカップラーもしくはクラッチが多用されている。
【０００３】
大型タービンから大型発電機へトルク伝達をするような場合は、負荷側の発電機の慣性モーメントが非常に大きく且つ駆動側のタービンも大きな駆動トルクと慣性モーメントを有していることから、タービンからのトルク伝達を確実にするために、常時は駆動側と負荷側のカップリング部分はしっかりと結合されていなければならない。一方負荷側の発電機に異常が生じた場合には、発電機を速やかに停止させる必要があるが、このとき駆動側のタービンを結合したまま発電機を急停止するとタービンブレードが空気抵抗で破損してタービンに大きな損害が及ぶ惧れがある。これらのことから、従来、タービンと発電機のカップリング部は、予めシェアピンもしくは爆薬を装着した治具を用いて結合し、負荷側に異常が生じた時、そのシェアピンが切断されあるいは爆薬で前記の治具が破壊されることによってタービンと発電機の結合を解き、タービンの回転を自由にしてタービンを損傷から保護している。しかしこのような手段で駆動側と負荷側の結合が解かれると、タービンが極めて急激に無負荷運転状態に移行することから、超精密加工のタービンが暴走したり異常振動を起こして損傷する惧れが指摘されている。また、駆動側と負荷側のカップリング部が破壊されることから、カップリング部の修復が必要となるという問題もある。
【０００４】
一方、磁気レオロジー流体（ＭＲＦ）が古くから知られている。ＭＲＦは磁界が加わっている状態と、磁界が加わっていない状態とでは、その粘度・流動性が極端に変化する流体であり、その流動特性の変化は可逆性を有する。この粘度・流動性の変化に関するＭＲＦ特有の特性はＭＲ効果と呼ばれている。ＭＲＦは、液状の分散媒中に微細な強磁性の分散粒子を混合し分散させた懸濁液で、ＭＲＦに磁界が印加されていない状態では、ＭＲＦは粘度が低く油のように流動するが、磁界が印加されると、ＭＲＦ中の微細な強磁性分散粒子が鎖状に配列して粘度が高まりゴムのように固くなる。そして磁界を取り去ると、強磁性分散粒子の鎖状配列が解かれて再び元の低い粘度に戻る。したがって、ＭＲＦに印加する磁界の強さを変化させることにより、ＭＲＦの粘度を可逆的に制御することができる。このことから、クラッチ、ブレーキなどへのＭＲＦの応用が従来から検討されてきたが、分散媒と分散粒子の間の密度差が大きいため、従来のＭＲＦでは、ＭＲＦを動かさないで静置しておくと短時間の間に分散粒子が分散媒中で沈降するという欠点がある。すなわち、従来のＭＲＦでは、分散媒中に分散する分散粒子の安定性が悪くＭＲ効果が不安定になる難点があって、そのためにＭＲＦの応用が妨げられてきた。しかし、ＭＲＦにおける分散粒子の沈降の問題点は、本願の発明者が開発したチクソトロピー（ｔｈｉｘｏｔｒｏｐｙ）性磁気レオロジー流体によって改善されている。チクソトロピー性磁気レオロジー流体は、液状の分散媒中に強磁性の分散粒子と共にチクソトロピー性付加添加物が混合された磁気レオロジー流体で、その詳細は特願２００２−２３１４４６号出願に示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、従来のカップラーもしくはクラッチのハードなトルク伝達・遮断特性、すなわち極めて急激に駆動側と負荷側の間のトルクの伝達と遮断が極めて急激に行なわれるトルク伝達・遮断特性を改善し、ゆとり時間をもって滑らかに駆動側と負荷側が完全に結合し又ゆとり時間をもって滑らかに駆動側と負荷側を完全に遮断することができる、言わばソフトなトルク伝達・遮断動作を可能にするクラッチを構成することにより、ハードなトルク伝達・遮断に伴う駆動側機器・負荷側機器の損傷を防止しようとするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題に対してソフトなトルク伝達・遮断を可能にするクラッチ機能を得るために、駆動側磁性回転体と負荷側磁性回転体を互いの間に若干の間隙をもって互いに同心的に回転自在に支持し、液状の分散媒中に強磁性分散粒子と共にチクソトロピー性付加添加物が混合された懸濁液状のチクソトロピー性磁気レオロジー流体を前記間隙に充填し、前記チクソトロピー性磁気レオロジー流体に磁界を印加する電磁石と、その電磁石の励磁電流を制御する励磁電流制御装置を設けてクラッチを構成する。
【０００７】
また、互いの間に若干の間隙をもって互いに同心的に回転自在に支持された駆動側磁性回転体ならびに負荷側磁性回転体と、液状の分散媒中に強磁性分散粒子と共にチクソトロピー性付加添加物が混合された懸濁液で前記間隙に充填されたチクソトロピー性磁気レオロジー流体と、前記駆動側磁性回転体あるいは負荷側磁性回転体に装着され前記チクソトロピー性磁気レオロジー流体に磁界を印加する励磁コイルと、その励磁コイルの励磁電流を制御する励磁電流制御装置を備えたクラッチによって、ソフトなトルク伝達・遮断を可能にするクラッチ機能を得る。
【０００８】
【発明の実施の形態】
この発明の基本的な実施形態の一つは、互いの間に若干の間隙をもって互いに同心的に回転自在に支持された駆動側磁性回転体ならびに負荷側磁性回転体と、液状の分散媒中に強磁性分散粒子と共にチクソトロピー性付加添加物が混合された懸濁液であって前記間隙に充填されたチクソトロピー性磁気レオロジー流体と、前記チクソトロピー性磁気レオロジー流体に磁界を印加する電磁石と、その電磁石の励磁電流を制御する励磁電流制御装置を備えたクラッチである。
【０００９】
この発明の他の基本的な実施形態は、互いの間に若干の間隙をもって互いに同心的に回転自在に支持された駆動側磁性回転体ならびに負荷側磁性回転体と、液状の分散媒中に強磁性分散粒子と共にチクソトロピー性付加添加物が混合された懸濁液であって前記間隙に充填されたチクソトロピー性磁気レオロジー流体と、前記駆動側磁性回転体あるいは負荷側磁性回転体に装着され前記チクソトロピー性磁気レオロジー流体に磁界を印加する励磁コイルと、その励磁コイルの励磁電流を制御する励磁電流制御装置を備えたクラッチである。
【００１０】
【実施例】
以下この発明の実施例について説明する。図１はこの発明に係るクラッチの基本構成を示す斜視図である。図２は同クッチの要部概略平面図である。図１，２において、１は駆動側磁性回転体、２は負荷側磁性回転体で、駆動側磁性回転体１と負荷側磁性回転体２は、互いの間に若干の間隙３をもって互いに同心的に回転自在に支持されている。駆動側磁性回転体１は珪素鋼板を積層した円柱状の鉄心で、その回転軸１ａに駆動源のモータ４がカップラー５を介して連結されている。負荷側磁性回転体２は円筒状の鉄心で負荷６が結合されている。そして駆動側磁性回転体１と負荷側磁性回転体２の間の間隙３にはチクソトロピー性磁気レオロジー流体７が充填封入されている。チクソトロピー性磁気レオロジー流体７は、液状の分散媒中に強磁性分散粒子と共にチクソトロピー性付加添加物が混合された懸濁液で、分散媒中の強磁性分散粒子の沈降が抑制された磁気レオロジー液体（ＭＲＦ）である。この実施例では駆動側磁性回転体１の回転に伴って駆動側磁性回転体１からチクソトロピー性磁気レオロジー流体７を介して負荷側磁性回転体２に伝達されるトルクを測定するために、負荷６はトルク測定用のロードセルとなっている。
【００１１】
また、負荷側磁性回転体２には励磁コイル８が装着され、この励磁コイル８に、励磁電流制御装置９を介して直流励磁電流が供給される。励磁コイル８に直流励磁電流が供給されると、負荷側磁性回転体２は一種の電磁石となって磁界が生じ、その磁界が間隙３内のチクソトロピー性磁気レオロジー流体７に印加されてチクソトロピー性磁気レオロジー流体７の粘度・流動性の変化をもたらす。そして励磁コイル８に供給する直流励磁電流の値を励磁電流制御装置９によって加減することによって、チクソトロピー性磁気レオロジー流体７に作用する磁界の強さが増減してチクソトロピー性磁気レオロジー流体７の粘度・流動性を制御することができる。
なお、負荷側磁性回転体２に励磁コイル８を装着する代わりに、励磁コイル８を駆動側磁性回転体１に装着しても良い。
【００１２】
次に上記のクラッチにおいて、モータ４の回転数を、６００ｒｐｍ　，９００ｒｐｍ　，１８００ｒｐｍ　と変化させ、それぞれの回転数において、チクソトロピー性磁気レオロジー流体７を間隙３に充填した場合と充填しない場合、さらにチクソトロピー性磁気レオロジー流体７中の強磁性分散粒子の混合割合を、チクソトロピー性付加添加物が添加された分散媒に対し、０Ｗｔ％　，１０Ｗｔ％　，３０Ｗｔ％　，５０Ｗｔ％　と変化させた場合について、負荷側回転子２に伝達される伝達トルクの励磁電流依存度を測定したところ、図３，４，５に示されるような特性が見られた。なお、この測定で使用したチクソトロピー性磁気レオロジー流体７の成分はつぎの通りである。
［例１］
分散媒：ドデカン二酸−ｎブチル
強磁性分散粒子：平均粒径２μｍのカルボニル鉄粉
チクソトロピー性付加添加物：非水系塗料用垂れ防止剤のディスパロン（商品名）１０Ｗｔ％
【００１３】
図３，４，５に示される結果から、次のようなことが確認された。
１）　モータ４の回転数が高くなるほど伝達トルクは低くなる。
２）　磁気レオロジー流体を用いないとトルクが得られない。
３）　励磁電流を増大させるにつれて、伝達トルクが２次関数的に上昇する。
この特性は、パウダークラッチブレーキにおいて見られる比例的上昇変化の特性とは異なる。
４）　強磁性分散粒子の混合割合が高いほどより大きなトルクが得られる。
この点については、図６に示した励磁電流０．２５Ａの場合における伝達トルクの強磁性分散粒子混合割合に対する依存度から明らかである。
さらに伝達トルクの応答性を調べるため、図７に示す励磁電流を約０．３Ａ／ｓｅｃの割合で切断したとき、および０．０３／ｓｅｃの割合で減少させたときのいずれの場合でも円滑に励磁電流を変えることにより、伝達トルクを制御制御できることが明らかに示された。以上の結果から、磁気レオロジー流体の特性を活用して、伝達トルクを０からほぼ１００％まで連続的に可変できるクラッチを実現することができた。
【００１４】
次に、チクソトロピー性磁気レオロジー流体７の成分を下記のように変えた例について特性を測定したが、その伝達トルクの励磁電流依存性は前記の［例１］におけるものとほぼ同様であった。
［例２］
分散媒：フタル酸―ジ―オクチル
強磁性分散粒子：平均粒径２μｍのカルボニル鉄粉
チクソトロピー性付加添加物：膨潤性層状粘土鉱物のスメクタイト（商品名）
１４Ｗｔ％
【００１５】
次に、チクソトロピー性磁気レオロジー流体７の成分を下記のように変えた例について特性を測定したが、前記の［例１，２］で見られた伝達トルクの励磁電流依存性と同様の傾向が認められ、同じ励磁電流、モータ回転数に対し、伝達トルクの大きさは励磁電流の変化全域にわたって平均２０％上昇した。しかし最低トルクも約３０％上昇する結果となった。
［例３］
分散媒：水
強磁性分散粒子：粒径３．６９μｍの球形カルボニル鉄粉　５０Ｗｔ％
チクソトロピー性付加添加物：非水系塗料用垂れ防止剤のディスパロン（商品名）１０Ｗｔ％
【００１６】
上記の実施例に限らず、小容量機器であれば、強磁性分散粒子として多くの軟質酸化物磁性材料が利用できる。また強磁性分散粒子として、金属微粒子を採用することもできるが、分散媒が水のような場合では、強磁性分散粒子の表面を耐酸化性膜で被覆して性能劣化に至らないように留意する必要がある。
【００１７】
チクソトロピー性磁気レオロジー流体の成分の選択については、特願２００２−２３１４４６号に示しが、チクソトロピー性磁気レオロジー流体を活用したクラッチの実用化にあたり、次の諸点が有効である。
【００１８】
液状の分散媒（溶剤）は、水系分散媒、アルコール系分散媒、油系分散媒のいずれであっても良く、水系分散媒としては水、アルコール系分散媒としてはメタノールやエタノールなどのアルコール系流体、油系分散媒としてはベンゼンやキシレンやトルエンなどの芳香族炭化水素、クロロホルムやクロロベンゼンなどのハロゲン化炭化水素、ドデカン二酸−ｎブチルなどの特殊可塑剤、フタル酸−ジ−オクチルなどの油系液体がある。
【００１９】
チクソトロピー性付与添加物として、膨潤性層状粘度鉱物（例えば商品名「スメクタイト」）、あるいは非水系塗料用垂れ防止剤（例えば商品名「ディスパロン」）を用いる。
【００２０】
分散媒に対する強磁性分散粒子の混合割合を１０〜８０Ｗｔ％（重量％）、さらに好ましくは３０〜５０Ｗｔ％とする。１０Ｗｔ％以下では結合継手としての効果が期待できず、Ｗｔ％以上になると駆動側と負荷側の円滑且つ迅速な切り離しが困難になって実用的ではない。
【００２１】
チクソトロピー性付加添加物を混合した各種のＭＲＦの特性測定実験の結果から、分散媒に対するチクソトロピー性付与添加物の混合割合を、水系分散媒では０．５　〜　５Ｗｔ％、好ましくは１〜３Ｗｔ％とし、アルコール系分散媒では５〜１５Ｗｔ％、好ましくは９〜１１Ｗｔ％とし、油系分散媒では５〜２０Ｗｔ％、好ましくは１０〜１５Ｗｔ％とすることにより良好なチクソトロピー性を得ることができた。これらの混合割合の下限や上限から外れると、混合割合が少ない場合は強磁性分散粒子の沈降が見られるようになり、混合割合が多すぎる場合にはＭＲ効果の応答性が悪化する。
【００２２】
チクソトロピー性付加添加物を混合した各種のＭＲＦの特性測定実験の
結果から、分散媒に混合する強磁性分散粒子として、粒径１〜２０μｍの球形カルボニル鉄粉や、同粒径のポリマー加工型または表面被覆型の球形カルボニル鉄粉を用いることにより良好なＭＲ効果が得られた。すなわち、充填率や応答性を考慮すると、粒径が１〜２０μｍの球形の強磁性分散粒子が好ましい。また分散媒に水を用いる場合には、強磁性分散粒子の酸化による性能低下を防止するために、ポリマー加工の強磁性分散粒子や、非磁性酸化被膜を表面に被覆した強磁性分散粒子を用いることが効果的である。
【００２３】
【発明の効果】
上記の実施例からも明らかなように、この発明に係るクラッチによれば、分散媒中における強磁性分散粒子の沈降が極度に抑えられてＭＲ効果の安定したチクソトロピー性磁気レオロジー流体を駆動側磁性回転体と負荷側磁性回転体の間に介在させ、チクソトロピー性磁気レオロジー流体に印加する磁界の強さを電磁石の励磁電流制御で加減することにより、チクソトロピー性磁気レオロジー流体の粘度・流動性を加減して駆動側磁性回転体と負荷側磁性回転体の結合力を滑らかに増減させることができ、その結果駆動側磁性回転体と負荷側磁性回転体の間の伝達トルクの急激な変動を緩和して、伝達トルクの急激な変動に起因する駆動側機器・負荷側機器の損傷を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施例を示すクラッチの基本構成を示す斜視図。
【図２】同クラッチの要部概略平面図。
【図３】この発明に係るクラッチの伝達トルクと励磁電流の関係図（回転数：６００ｒｐｍ）
【図４】この発明に係るクラッチの伝達トルクと励磁電流の関係図（回転数：９００ｒｐｍ）
【図５】この発明に係るクラッチの伝達トルクと励磁電流の関係図（回転数：１８００ｒｐｍ）
【図６】この発明に係るクラッチの伝達トルクと分散粒子の混合割合の関係図。
【図７】この発明に係るクラッチの伝達トルク制御特性図。
【符号の説明】
１：駆動側磁性回転体
２：負荷側磁性回転体
３：間隙
４：モータ
５：カップラー
６：負荷
７：チクソトロピー性磁気レオロジー流体
８：励磁コイル
９：励磁電流制御装置
【図１】
2004076749.tif 000003
【図２】
2004076749.tif 000004
【図３】
2004076749.tif 000005
【図４】
2004076749.tif 000006
【図５】
2004076749.tif 000007
【図６】
2004076749.tif 000008
【図７】
2004076749.tif 000009