(57)【要約】【課題】電気粘性クラッチ【解決手段】この電気粘性クラッチにおいて、シリンダ状の従動結合部材（４）とシリンダ状の駆動結合部材（３）との間に設けられた電気粘性（ＥＲ）流体への電圧印加によって選択的に係合される。この従動結合部材（４）と駆動結合部材（３）とは、ＥＲ粒子の沈殿の問題を最少にするように、ＥＲ流体のための軸方向空間を間に規定する軸方向面に形成されている。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
共通回転軸上に配置された入力結合部材および出力結合部材を具備し、これら結合部材は、流体ハウジング内に設けられ、各結合部材は、前記回転軸と平行に延びているシリンダ部分を有し、これら結合部材のうちの第１の結合部材の前記シリンダ部分の内周面は、前記結合部材のうちの第２の結合部材の前記シリンダ部分の外周面よりも大きい直径を有し、前記第２の結合部材のシリンダ部分は、前記第１の結合部材のシリンダ部分内に受け入れられて、両者間にシリンダ状のギャップが規定され、電気粘性流体が、前記流体ハウジング内に入れられ両結合部材間のシリンダ状の前記ギャップを充填しており、
更に、電界を前記電気粘性流体に印加するために設けられた手段を具備するトルク伝達装置。
【請求項２】
前記流体ハウジングは、第１の結合部材のシリンダ部分の外周面よりも直径が僅かに大きくて、電気粘性流体によって充填されるさらなるシリンダ状のギャップを規定するシリンダ状の内周面を有している、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第１の結合部材は、軸方向シャフトを有するように形成され、この軸方向シャフトは、前記第２の結合部材のシリンダ部分の内周面の直径よりも小さい直径を有して、電気粘性流体によって充填されるさらなるシリンダ状のギャップを規定する、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記流体ハウジングは、この流体ハウジングを電気粘性流体で充填するための充填開口を備えている、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
駆動シャフトを前記第１の結合部材と結合させ、また開放するための電磁手段をさらに具備する、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記電磁手段は、前記駆動シャフトの周りに配置されたコイルを備え、前記第１の結合部材は、永久磁石を備えて、電流が前記コイルに印加されたときに前記駆動シャフトは、前記第１の結合部材と磁気結合するように移動され、またこの結合を解放するように移動される、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
導電性プレートが、前記駆動シャフトの端部に設けられ、また、透磁性材料のプレートが、前記第１の結合部材と前記駆動シャフト間に設けられている、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記第１の結合部材は、前記駆動シャフトに向かって延びた軸方向シャフトを備え、プレートが前記シャフトの周りに設けられ、前記プレートは前記永久磁石手段を含み、プレートが前記駆動シャフトの端部に設けられており、この駆動シャフトの端部にあるこのプレートと第１の結合部材から延びたシャフトを取り巻く前記プレートは機械的係合手段を備えている、請求項５に記載の装置。
【請求項９】
前記機械的係合手段は、前記駆動シャフトの端部に設けられたプレートに形成されたスリップロックピンと、第１の結合部材から延びたシャフトの周りに設けられたプレートに形成された対応すると溝を備える、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
第１および第２の結合部材を具備するトルク伝達装置であって、これら第１および第２の結合部材は、この装置の伝達軸の周りに配置されたそれぞれのシリンダ結合面を備え、少なくとも１つのシリンダ状のギャップが、前記シリンダ状の結合面によって規定され、また、電気粘性流体が、前記少なくとも１つのシリンダ状のギャップ内に与えられ、そして、電位を前記結合部材に選択的に印加するための手段が設けられている、トルク伝達装置。
【請求項１１】
第１および第２の結合部材と、これら第１および第２の結合部材間に配置された電気粘性流体と、電位を前記両結合部材に選択的に印加するための手段と、前記結合部材のうちの第１の結合部材を選択的に係合させるための入力駆動シャフトとを具備し、前記結合部材のうちの前記第１の結合部材は、永久磁石手段を備え、また、電磁手段が、前記入力駆動シャフトに関連して設けられて、この駆動シャフトは、選択的に前記第１の結合部材と係合され、あるいは係合を解放されることができる、トルク伝達装置。
【請求項１２】
前記電磁手段は、前記入力駆動シャフトの周りに配置されたコイルを備える、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
プレートが、前記第１の結合部材と係合させるために前記入力駆動シャフトの端部に設けられている、請求項１１に記載の装置。
【請求項１４】
前記入力駆動シャフトと前記第１の結合部材とは、互いに磁気的に係合され、この係合において前記入力駆動シャフトの端部に設けられたプレートが、入力駆動シャフトと第１の結合部材間に設けられた取着プレートと係合し、この取着プレートは、透磁性材料でできており、前記永久磁石手段は、この取着プレートの背後に配置されている、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記第１の結合部材は、前記入力駆動シャフトに向かって延びているシャフトを備え、プレートが、前記シャフトの周りに設けられ、前記永久磁石手段を備え、また、入力駆動部材の端部に形成された前記プレートと前記シャフトの周りに設けられた前記プレートとは、機械的係合手段を備えている、請求項１３に記載の装置。
【請求項１６】
前記入力駆動シャフトの端部に設けられた前記プレートには、ロックピンが形成され、前記第１の結合部材から延びているシャフトの周りに形成されたプレートは、対応する溝を備えている、請求項１５に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は入力駆動部材と出力従動部材間の結合が、電気粘性流体を使用して達成されるタイプのクラッチに関する。
【背景技術】
【０００２】
クラッチは回転シャフトの結合および離合を選択的に実行するため使用する非常によく知られている機械的デバイスである。従来、入力駆動シャフトは、従動出力シャフトに結合されている。クラッチは２つのシャフトを連結するインターフェースとして機能する。従って、両者は一緒に結合されて同じ速度で回転されるか、部分的に結合されて両者は異なる速度で回転されるか、または完全に離合される。当業者において理解されていることは、回転に抗して出力シャフトを固定することによって、クラッチは入力駆動シャフト上でブレーキとしても作用することである。
【０００３】
従来、クラッチはギヤ機構または一般的に摩擦連結を使用して入力シャフトと出力シャフト間の物理的連結を提供する。しかし、クラッチのもつ一般的な問題は、特にこれらに摩擦結合が使用される場合、クラッチがしばしば高速回転するシャフトによってもたらされる実質的な摩耗を通常受け、またこの摩耗はいつかクラッチの滑りにつながり、最終的には完全に損傷してしまうことである。
【０００４】
入力と出力間を結合する部材として電気粘性（ＥＲ）流体を使用して設計できるクラッチが知られている。ＥＲ流体は一般的に、電気的に絶縁された液体内に浮遊された多数の非常に小さい粒子からなる。ＥＲ流体は、粘性を電界の印加によって制御できる特性を有している。より詳しく説明すると、かなり大きい電界（つまり、＞１ｋＶ／ｍｍ）が印加されたときに、流体がほとんど固体になる範囲にまで粘性が高まる。すなわち、流体は限定せん断係数を保有するとともにせん断応力を伝達することができる。この変化はしばしば非常に高速（例えば、０．０１ｓ）であり、かつ可逆である。すなわち、ＥＲ流体は印加電界が除去されたときに流体状に復帰できる。
【０００５】
多数の試行が、ＥＲ流体を使用するクラッチの設計に対して実行されてきており、例として特許文献１、特許文献２、特許文献３および同特許文献４に見ることができる。このようなＥＲをベースにしたクラッチは、潜在的な利点を有している。すなわち、（１）伝達可能トルクが電界によって連続的に制御可能である。（２）応答時間が非常に早い、また（３）電流密度が低いという条件で、電力消費量が少ない。
【特許文献１】米国特許第４６６４２３６号
【特許文献２】米国特許第４７８２９２７号
【特許文献３】米国特許第５５２４７４３号
【特許文献４】米国特許第５９９８３３６号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、これらの提案されているＥＲクラッチにともなう多数の問題がなおもあって、その広範な使用が妨げられ続けている。問題は例えば両者の結合が失敗したとき、特に両者が相当な振動を受けたときにＥＲ流体漏れの原因となりうる液密結合を使用する必要なしに、入力駆動シャフトをクラッチに結合する適切な方法を見つけることにある。問題はまた沈殿効果が存在し、これがＥＲ粒子を流体内に沈殿させ、流体からＥＲ特性を失わさせることである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によれば、共通回転軸上配置された入力結合部材および出力結合部材であって、両結合部材は流体ハウジング内に設けられ、各結合部材は、回転軸と平行に延びているシリンダ部分を有し、結合部材のうちの第１の結合部材のシリンダ部分の内面が、結合部材のうちの第２の結合部材のシリンダの外面部分よりも大きい直径をなし、第２の結合部材のシリンダ部分が第１の結合部材のシリンダ部分内に受け入れられて、両者間にシリンダ状のギャップが規定され、電気粘性流体が前記ハウジング内に提供され両結合部材間のシリンダ状のギャップを充填する前記入力結合部材および出力結合部材と、電界を電気粘性流体に印加するために設けられた手段とを備える、トルク伝達装置が提供される。
【０００８】
前記流体ハウジングは、第１の結合部材のシリンダ部分の外面よりも直径が僅かに大きく、これによってこれも電気粘性流体によって充填されるさらなるシリンダ状のギャップを規定するシリンダ状の内面を有しているのが好ましい。さらに好ましくは、第１の結合部材が軸方向シャフトで形成され、軸方向シャフトが第２の結合部材のシリンダ部分の内面直径よりも小さい直径を有しており、これによってこれも電気粘性流体によって充填されるさらなるシリンダ状のギャップを規定している。
【０００９】
流体ハウジングは、電気粘性流体で流体ハウジングを充填するための充填開口を備えている。
【００１０】
好ましい実施形態において、電磁手段が駆動シャフトを第１の結合部材と結合させ、またこれから開放するために備えられている。この電磁手段は駆動シャフトの周りに配置されたコイルを備え、また第１の結合部材が永久磁石を備えており、これによって電流がコイルに印加されたときに駆動シャフトが第１の結合部材と磁気結合するように移動され、またこの結合を解放するように移動される。導電性プレートが、駆動シャフトの端部に設けられ、また透磁性材料のプレートが第１の結合部材と駆動シャフト間に設けられているのが好ましい。
【００１１】
本発明の一実施形態において、第１の結合部材は駆動シャフトに向かって延びている軸方向シャフトを備えており、またプレートがシャフトの周りに設けられ、プレートは永久磁石手段を含んでおり、またプレートが駆動シャフトの端部に設けられており、駆動シャフトの端部にあるプレートと第１の結合部材から延びているシャフトを取り巻くプレートは機械的係合手段を備えている。例えば、機械的係合手段は駆動シャフトの端部に設けられたプレート上に形成されたスリップロックピンと、第１の結合部材から延びているシャフトの周りに設けられたプレートに形成された対応する溝とを備える。
【００１２】
別の広い態様によれば、本発明は第１および第２の結合部材を備えるトルク伝達装置であって、第１および第２の結合部材は該装置の伝達軸の周りに配置されたそれぞれのシリンダ結合面を備え、少なくとも１つのシリンダ状のギャップが前記シリンダ状の結合面によって規定され、また電気粘性流体が前記少なくとも１つのシリンダ状のギャップ内に提供され、さらに電位を前記結合部材に選択的に印加するための手段が設けられている。
【００１３】
なおも別の広い態様によれば、本発明は第１および第２の結合部材と、これら第１および第２の結合部材間に配置された電気粘性流体と、電位を前記結合部材に選択的に印加するための手段と、前記結合部材の第１の結合部材を選択的に係合するための入力駆動シャフトを備えるトルク伝達装置であって、前記結合部材の前記第１の結合部材は永久磁石手段を備えており、また電磁手段が前記入力駆動シャフトに関連して設けられ、これによって前記駆動シャフトは選択的に前記第１の結合部材と係合され、あるいは係合を解放されることができる、トルク伝達装置を提供する。
【００１４】
本実施形態によれば、電磁手段は入力駆動シャフトの周りに配置されたコイルを備える。
【００１５】
本発明のこの態様にある一実施形態において、プレートが第１の結合部材と係合させるために入力駆動シャフトの端部に設けられている。好ましくは、入力駆動シャフトと第１の結合部材が磁気的に係合され、この係合において入力駆動シャフトの端部に設けられたプレートが、入力駆動シャフトと第１の結合部材間に設けられた取着プレートと係合し、取着プレートは透磁性材用であり、また永久磁石手段は取着プレート背後に配置されている。
【００１６】
好ましくは、第１の結合部材は入力駆動シャフトに向かって延びているシャフトを備えており、プレートがシャフトの周りに設けられるとともに永久磁石手段を備えており、また入力駆動部材の端部に形成されたプレートとシャフトの周りに設けられたプレートは機械的係合手段を備えている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明のいくつかの実施形態を添付図面を参照して次に説明する。
【００１８】
最初に図１を参照して、導電性出力従動アセンブリ２は、ホール管継手１７に締め付けられた同心出力シャフト１５と一体形成されたシリンダ状の従動結合部材４を備えている。ホール管継手は、本論に対しては関連しない所望の目的のために出力シャフト１５から動力を取り入れることができる。導電性入力駆動アセンブリ１は、シリンダ状の従動結合部材４を取り巻くシリンダ状の駆動結合部材３を備え、両者間にシリンダ状の空間が規定されている。永久磁石５が、入力駆動アセンブリ１と出力従動アセンブリ２にある回転軸上の駆動結合部材３の端面に形成されている。従動アセンブリのシリンダ状の従動結合部材４は、シリンダ状の駆動結合部材３内に受け入れられ、また、結合部材３、４は、注入ホール２４が形成された流体ハウジング９に囲まれている。
【００１９】
流体ハウジング９内に、結合部材３の外方シリンダ状の面と流体ハウジング９の内面間に規定されたギャップ１６と、結合部材３の内方シリンダ状の面と結合部材４の外方シリンダ状の面間のギャップを占有する電気粘性（ＥＲ）流体（注入ホール２４を介して注入される）が設けられている。両結合部材３、４の端部に形成された半径方向に向けられたセクション以外において、ＥＲ流体によって占有された空間は、３つのシリンダ状の空間を効果的に形成し（１番目は、結合部材４の内面と、結合部材３から軸方向に延びている中央シャフトの外面間に規定され、２番目は、結合部材４の外面と結合部材３の内面間に規定され、また、３番目は、結合部材３の外面と流体ハウジングの内面間に規定されている）、これらは、伝達装置の主軸Ｘ−Ｘと同軸であることが理解される。流体の漏洩を阻止するために、２つのＯ−リングが使用されている。１つのＯ−リング１０は従動出力アセンブリ２と流体ハウジング９間に配置され、もう１つは流体ハウジング９と低透磁率の取着プレート１１間に配置されている。主としてシリンダ状のギャップからなるＥＲ流体の設けられている空間は、駆動伝達装置の回転軸と平行であることに注意しなければならない。
【００２０】
流体ハウジング９、取着プレート１１およびコイルハウジング８は、互いに例えばボルトまたはいずれ他の適切な固定手段によって固定されている。コイルハウジング８の内部には、円板上に固定された入力シャフト７とこの入力シャフト７を取り巻くコイル６からなる電磁アセンブリが設けられている。電磁アセンブリの入力シャフト７は、コイルシャフトベアリングホルダ１２によって支持されている。
【００２１】
クラッチの動作を理解するために、使用状の態で正電圧が入力駆動アセンブリ１に接続されて、他方で出力駆動アセンブリ２が負電位に接続されているとき、アセンブリ１は正電極として作用することを理解しなければならない。絶縁リング１４と絶縁リング３４が負帯電流体ハウジング９を正帯電コイルハウジング８から分離するように使用され、またアセンブリボルトがハウジング８、９を一緒に固定している。絶縁リング１３は駆動アセンブリの中間結合部材と従動アセンブリの中央間の短絡を阻止している。
【００２２】
図２に示したように、従動アセンブリの出力シャフト１５は、ボールベアリング３１を介して導電性取付けホルダ１８によって支持されている。駆動結合部材３の外面上に形成され、伝達デバイスの軸と平行に延びている溝２９が、結合部材３と流体ハウジング９の内面間の摩擦を増大させるように設けられている。流体ハウジング９上の注入ホール２４は、ＥＲ流体の再充填用である。入力シャフト７は、リニアボールベアリング３２とコイル供給電圧入力リング２５を介して取付けホルダ２１と２３によって支持されている。入力シャフト７の端部には、このシャフトを後方および前方に移動させるための調整ブロック２７が備えられている。この調整ブロック２７は、結合部材２８によって直流サーボモータ３０に接続されている。このデバイスは絶縁基板３３上に載置されている。
【００２３】
動作について説明すると、入力シャフト７は最初モータまたは他の手段によって駆動される。直流電流がコイル６に供給され、駆動アセンブリと従動アセンブリ間に磁気吸引が発生される。これはコイル６が磁界を発生してコイル６と永久磁石５間に吸引力を発生させるからである。電圧が結合部材３と４両端に印加されると、ＥＲ流体が固化し、トルクが駆動アセンブリ１から従動アセンブリ２、流体ハウジング９およびコイルハウジング８に伝達される。コイル６への直流電流の供給は、一度従動アセンブリ２が入力シャフト７と同期回転されると、解除される。
【００２４】
伝達トルクの大きさは、結合部材３と４両端の電位差を調整することによって変えることができ、次にＥＲ流体の粘度の度合いを調整し、従って滑りの度合いを調整することができる。クラッチを離合するために、結合部材３と４両端の電圧を除いてＥＲ流体を流体状に戻し、トルクが結合されなくするか、および／または逆電流をコイル６に供給して入力シャフト７がプレート１１からはっきり離される（すなわち、図１で右に）ようにする。コイル６に印加される電流を逆にすることは、トルク伝達装置を迅速に離合する特に簡単で有効な方法を提供する。
【００２５】
図３は、本発明による電気粘性クラッチまたはブレーキとして機能することができる本発明の実施形態による駆動伝達装置の概略斜示図である。装置をブレーキに転換するのには、例えば位置決めクランプ３５を使用して、固定部材（管継手）１７を回転に抗して固定することだけ必要とする。これまでに説明したように、入力シャフト７がモータによって駆動されるとき、駆動アセンブリ１が回転し、このときＥＲ流体は流体状にある。しかし、電圧が、駆動アセンブリ１と従動アセンブリ２に印加されているとき、ＥＲ流体は、固化し、入力シャフト７が回転を停止する。これは、従動アセンブリ２が固定され、回転できないからである。
【００２６】
図４は、本発明のこの実施形態によるＥＲクラッチ／ブレーキの主要要素の分解図である。図４は、特に次の要素、すなわち、コイルシャフトベアリングホルダ１２、電磁コイル６、コイルハウジング８、流体ハウジング９、駆動結合部材３、従動結合部材４およびホールド管継手のアセンブリを示している。
【００２７】
図５は、図１に示す電気粘性クラッチ／ブレーキの異なる実施形態を示す断面図である。この実施形態の主な違いは、入力シャフト７が、中央で円形導電プレートの片側に固定され、また、３つのスリップロックピン３８が、前記円形導電プレートの他方側に固定されていることである。第１の実施形態のように、コイル６が入力シャフト７の周りに設けられている。ねじれ結合軸プレート３７が、入力駆動アセンブリ１の軸方向延長部として形成され設けられている。また、このプレート３７には、３つのスリップロック溝４１（図６に示す）が、形成されている。永久磁石５が、ねじれ結合軸プレート３７に固定された磁石取付けプレート４０内に形成されている。短尺シャフト３９が駆動アセンブリの中心に固定され、軸プレート３７に向けて後方に延びている。透磁性の強固な材料で作られた取着プレート１１（Ｏ−リング１０を備えた）、ベアリングおよび永久磁石取付プレート４０が、短尺シャフト３９に取付けられている。
【００２８】
本発明のこの実施形態の利点は、電磁アセンブリが永久磁石取付プレート４０の対応する３つのスリップロック溝４１内に夫々ロックされた３つのスリップロックピン３８によって駆動アセンブリを直接駆動することができることである。図６は、図５に示したデバイスの実施形態の一部を示す。この図面において、スリップロック溝４１とスリップロックピン３８とが明確に示されている。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の実施形態を含む駆動伝達装置を示す側断面図である。
【図２】図１の駆動伝達装置の一部破断して示す斜視図である。
【図３】特にブレーキとして装置の使用を示した図１および２の装置の斜視図である。
【図４】図１の駆動伝達装置の分解斜視図である。
【図５】図１に類似する断面図であるが、第２の実施形態を示す図である。
【図６】図５に示したデバイスの実施形態の一部を示す分解斜視図である。
【符号の説明】
【００３０】
１  導電性入力駆動アセンブリ
２  導電性出力従動アセンブリ
３  シリンダ状の駆動結合部材
４  シリンダ状の従動結合部材
５  永久磁石
６  コイル
７  入力シャフト
８  コイルハウジング
９  流体ハウジング
１０  Ｏ−リング
１１  取着プレート
１２  コイルシャフトベアリングホルダ
１３、１４  絶縁リング
１５  出力シャフト
１６  ギャップ
１７  ホール管継手
１８  導電性取付けホルダ
２１、２３  取付けホルダ
２４  注入ホール２４
２５  供給電圧入力コイルリング
２７  調整ブロック
２８  結合部材
２９  溝
３０  直流サーボモータ
３１  ボールベアリング
３２  リニアボールベアリング
３３  絶縁基板
３４  絶縁リング
３５  位置決めクランプ
３７  ねじれ結合軸プレート
３８  スリップロックピン
３９  短尺シャフト
４０  磁石取付けプレート
４１  スリップロック溝
【図１】
2005195171.tif 000003
【図２】
2005195171.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2005195171.tif 000008