(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁石の磁極間に形成される磁場中に置かれるとともに印加される磁場量に応じて粘性が変化する磁性流体と、上記磁性流体が配された磁場内において磁路と交叉する方向に移動自在とされた可動体と、上記磁場量を制御する制御部とを備え、高透磁率体からなる上記可動体は上記磁極のうちの少なくとも一方の磁極面に接触配置されて前記方向への移動時に剪断摩擦力を発生させるものとなっていることを特徴とする可変粘性装置。
【請求項２】
前記可動体の移動方向を磁路と直交する方向に拘束する拘束機構と、該拘束機構による可動体の拘束位置を磁路方向において調節する調整手段とを備えていることを特徴とする請求項１記載の可変粘性装置。
【請求項３】
磁路断面形状が一定である前記電磁石による磁場量の制御用の前記制御部は、目標出力値から印加電流値を算出する演算部を備えていることを特徴とする請求項１または２記載の可変粘性装置。
【請求項４】
前記制御部は、印加電流値を検出する電流検出手段を備えて、該電流検出手段で検出した電流値と目標出力より算出される電流値との差分を偏差として印加電流値をフィードバック制御するものであることを特徴とする請求項３記載の可変粘性装置。
【請求項５】
前記制御部は、磁場の磁束密度を検出する磁束密度検出手段と、目標出力値から印加磁束密度値を算出する演算部と、磁束密度検出手段で検出した磁束密度値と目標出力値から算出した印加磁束密度値との差分を偏差として磁束密度値をフィードバック制御するものであることを特徴とする請求項１または２記載の可変粘性装置。
【請求項６】
前記磁性流体として磁気粘性流体を用いていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の可変粘性装置。
【請求項７】
前記磁性流体はゲル化剤が添加されたものであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の可変粘性装置。
【請求項８】
前記電磁石はその磁極面に磁性流体溜まりとしての凹部を備えていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の可変粘性装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は可変粘性装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
磁性流体を利用した可変粘性装置として、特表平１０−５０６１７５号公報に磁気粘性流体（ＭＲ流体）の粘性を制御するとともに流体の粘性力そのものを出力（ブレーキ力）として利用するものが開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
磁性流体の中でもＭＲ流体は高粘性であるが、それでも粘性増大によって発生させることができる降伏応力は４０〜９０ｋＰａ程度であり、しかも図８に示すように、印加磁場を強くしても発生力は飽和してしまう。また、目標出力を２００Ｎとすると、磁性流体を介在させる磁極部だけで４４００ｍ2の面積が必要となり、小型化と高出力化とを両立させることは困難である。
【０００４】
本発明はこのような点に鑑みなされたものであって、その目的とするところは小型高出力の可変粘性装置とこれを用いた機器を提供するにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
しかして本発明に係る可変粘性装置は、電磁石の磁極間に形成される磁場中に置かれるとともに印加される磁場量に応じて粘性が変化する磁性流体と、上記磁性流体が配された磁場内において磁路と交叉する方向に移動自在とされた可動体と、上記磁場量を制御する制御部とを備え、高透磁率体からなる上記可動体は上記磁極のうちの少なくとも一方の磁極面に接触配置されて前記方向への移動時に剪断摩擦力を発生させるものとなっていることに特徴を有している。磁性流体の粘性力に加えて、磁極面と可動体との間に高い剪断摩擦力が発生するために高出力を得ることができるものである。また、前記剪断摩擦力は磁性流体がなくても発生するが、面粗度や幾何的な面の平行度、経時劣化などから安定した力の供給が困難であるのに対して、磁性流体を介在させていることから、安定した面接触を得ることができるものであり、しかも磁気的な抵抗も小さくなることから低電力で安定した高出力を得ることができるものである。
【０００６】
可動体の移動方向を磁路と直交する方向に拘束する拘束機構と、該拘束機構による可動体の拘束位置を磁路方向において調節する調整手段とを備えたものとするのも好ましい。入力値に対する出力値のゲインを容易に調整することができる。
【０００７】
電磁石における磁路断面形状が一定である場合には、電磁石による磁場量の制御用の制御部は、目標出力値から印加電流値を算出する演算部を備えたものとすれば、必要電流を容易に且つ正確に算出することができ、特に印加電流値を検出する電流検出手段を備えて、該電流検出手段で検出した電流値と目標出力より算出される電流値との差分を偏差として印加電流値をフィードバック制御すれば、電磁石のコイルの温度上昇等による経時変化の影響を受けることがない制御を行うことができる。
【０００８】
また、制御部は、磁場の磁束密度を検出する磁束密度検出手段と、目標出力値から印加磁束密度値を算出する演算部と、磁束密度検出手段で検出した磁束密度値と目標出力値から算出した印加磁束密度値との差分を偏差として磁束密度値をフィードバック制御するものであってもよい。磁路断面形状が一定でなくても目標出力値を的確に得ることができる。
【０００９】
磁性流体として磁気粘性流体（ＭＲ流体）を用いたならば、さらに高出力化が可能である。
【００１０】
そして磁性流体にゲル化剤を添加しておけば、磁性流体のシール構造を不要とすることができる。
【００１１】
また電磁石がその磁極面に磁性流体溜まりとしての凹部を備えていると、磁性流体の漏れを回避することができる。
【００１２】
さらに、上記の可変粘性装置は、施療用面である電磁石の外面から可動体が出没自在となっているとともに粘性体で形成されて可動体及び電磁石の外面を覆う表皮部を備え、制御部は人体の抗力による可動体の出没を制御していると、マッサージ用施療子として用いることができる。
【００１３】
また、上記の可変粘性装置は、制御部が回転軸で支持されて回転する可動体の回転に対する制動を制御していると、ブレーキとして用いることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下本発明を実施の形態の一例に基づいて詳述すると、図１において、１はＣ字形鉄心１０にコイル１１を巻回した電磁石であり、その対向している磁極間には磁性流体２を配設しているとともに高透磁率体（たとえば電磁軟鉄）からなる可動体３を配設している。図中３５は磁極間からの磁性流体２の流出を防ぐためのシール材、４は電磁石１のコイル１１に流す電流を制御する制御部である。
【００１５】
上記可動体３は、磁極間をその磁路と直交する方向に移動自在となっているもので、電磁石１を励磁した時の磁気吸引力によって一方の磁極面に接触するように配設されている。ばね等のバイアス機構５によって可動体３を上記磁極面に接触させておいてもよい。
【００１６】
この可変粘性装置においては、電磁石１を励磁させた状態で可動体３を動かそうとすれば、可動体３と磁極面との間には磁気吸引力ｆを垂直抗力とした剪断摩擦力Ｒが発生する。
【００１７】
ちなみに、磁気吸引力ｆは磁束密度をＢ［Ｔ］、磁性流体の透磁率をμ［Ｈ／ｍ］、接触面積をＳ［ｍ2］とすると、
ｆ＝Ｂ2Ｓ／２μ
可動体３と磁極面との静止摩擦係数をμｓとすると、剪断摩擦力Ｒは
Ｒ＝μｓ・ｆ＝μｓ・Ｂ2・Ｓ／２μ
となる。可動体３及び電磁石１の鉄心１０の双方を電磁軟鉄とした場合、接触面積が３００ｍｍ2程度あれば、電磁石１のコイル１１に流す印加電流が０．１Ａ程度であっても、出力２００Ｎ以上を確保することができる。
【００１８】
図２に他例を示す。これは可動体３の移動方向を磁路と直交する方向に拘束するリニアガイド６を設けるとともに、このリニアガイド６を介して可動体３の磁路方向における位置を調節する送りねじやマイクロメータ等からなる調整手段６０を設けて、可動体３と磁極間のギャップを調整手段６０で調整することにより、入力値に対する出力値のゲインを調整できるようにしたものである。可動体３と磁極とを非接触状態にすれば、磁性流体の粘性のみを利用するものとすることができる。
【００１９】
制御部４による電磁石１のコイル１１に対する印加電流の制御であるが、電磁石１の磁路断面形状が一定である場合には、目標出力値から印加電流値を算出して算出電流値をコイル１１に印加すればよい。
【００２０】
今、電磁石１の磁路断面が一様な場合、コイル１１の巻数をｎ、磁路長をＬ［ｍ］、印加電流をｉ［Ａ］とすると、磁場の強さＨは、
Ｈ＝（ｎ／Ｌ）ｉ
であり、磁束密度Ｂと磁場の強さＨとは
Ｂ＝μｓｓ・Ｈ
の関係にあるために、電磁石１の透磁率をμｓｓ［Ｈ／ｍ］とすると、出力Ｆである前記剪断摩擦力Ｒは
Ｒ＝μｓ（μｓｓ2ｎ2・Ｓ／２Ｌ2μ）ｉ2
となる（図３参照）。従って、所望の出力を得るために必要な電流値を容易に得ることができるものであり、制御が簡単で済む。
【００２１】
もっとも、コイル１１の抵抗値が電流印加による温度上昇で変動することがあることから、図４に示すように、電流計のような印加電流値を検出する電流検出手段４０を設けて、電流検出手段４０で検出した電流値ｉと目標出力より算出される電流値ｉｏとの差分を偏差として印加電流値ｉ’をフィードバック制御するのが好ましい。常に安定した出力を供給することができる。
【００２２】
また、磁路断面形状が一定でない場合は、磁場の強さＨが上記の式で算出できないために目標出力を満足するために必要な印加電流値を算出することが困難となる。この場合、図５に示すように、ホール素子や二次コイルなどの磁束密度検出手段４１を設けて磁場の磁束密度を検出し、目標出力値Ｆｏから算出される印加磁束密度値Ｂｏと、上記磁束密度検出手段４１で検出した磁束密度値Ｂとの差分を偏差としてフィードバック制御することで修正出力値Ｂ’が得られるようにするのが好ましい。
【００２３】
磁性流体２としては磁気粘性流体（ＭＲ流体）を用いてもよいのはもちろんである。可動体３と間隔をおいて対向する磁極側において、磁気粘性流体による高粘性力で可動体３の動きに抵抗を与えることができるために出力を更に増大させることができる。
【００２４】
また、磁性流体２にベクチン等のゲル化剤を添加した場合、磁性流体２の粘度が増加して磁性流体２の液漏れがなくなるために、前記シール材３５を図６に示すように無くしてしまうことができる。
【００２５】
図７に示すように、電磁石１の鉄心１０の磁極面に磁性流体溜まりとしての凹部１７を設けておけば、凹部１７壁面により磁性流体２にゲル化剤を添加していなくても液漏れを防ぐことができる。この場合、凹部１７を取り囲む部分１８だけ材質をアルミニウム等の磁気抵抗の大きいものとしておくのが好ましい。
【００２６】
【発明の効果】
以上のように本発明においては、磁性流体の粘性力に加えて、磁極面と可動体との間に高い剪断摩擦力が発生するために小型でも高出力を得ることができるものであり、しかも磁極と可動体との間には磁性流体が存在するために、摺動部の劣化の影響を無視することができて、安定した出力供給が可能なものであり、またＭＲ流体ではなく、通常の磁性流体でも高出力を得ることができる。
【００２７】
そして、可動体の移動方向を磁路と直交する方向に拘束する拘束機構と、該拘束機構による可動体の拘束位置を磁路方向において調節する調整手段とを備えたものとしておけば、入力値に対する出力値のゲインを容易に調整することができる上に、粘性力だけを利用する状態にも設定することができる。
【００２８】
電磁石における磁路断面形状が一定である場合には、電磁石による磁場量の制御用の制御部は、目標出力値から印加電流値を算出する演算部を備えたものとすることで、必要電流を容易に且つ正確に算出することができて安定制御を行うことができる。
特に印加電流値を検出する電流検出手段を備えて、該電流検出手段で検出した電流値と目標出力より算出される電流値との差分を偏差として印加電流値をフィードバック制御する場合、電磁石のコイルの経時変化等の影響を受けることがなくなるために、さらに安定した制御を行うことができる。
【００２９】
また、制御部は、磁場の磁束密度を検出する磁束密度検出手段と、目標出力値から印加磁束密度値を算出する演算部と、磁束密度検出手段で検出した磁束密度値と目標出力値から算出した印加磁束密度値との差分を偏差として磁束密度値をフィードバック制御するものとしておけば、磁路断面形状が一定でない場合においても、目標出力値を的確に得ることができる。
【００３０】
磁性流体として磁気粘性流体（ＭＲ流体）を用いたならば、さらに高出力化が可能であり、磁性流体にゲル化剤を添加しておけば、磁性流体のシール構造を不要とすることができる。また電磁石の磁極面に磁性流体溜まりとしての凹部を設けておけば、ゲル化剤やシール材を必要とすることなく磁性流体の漏れを回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の一例の断面図である。
【図２】同上の他例の断面図である。
【図３】同上の印加電流と出力との相関図である。
【図４】同上の制御部のブロック図である。
【図５】別の例を示すもので、(a)は断面図、(b)は制御部のブロック図である。
【図６】さらに別の例の断面図である。
【図７】電磁石の鉄心の他例の部分斜視図である。
【図８】磁性流体（磁気粘性（ＭＲ）流体）の特性図である。
【符号の説明】
１  電磁石
２  磁性流体
３  可動体
４  制御部
【図１】
0004075352.tif 000002
【図２】
0004075352.tif 000003
【図３】
0004075352.tif 000004
【図４】
0004075352.tif 000005
【図５】
0004075352.tif 000006
【図６】
0004075352.tif 000007
【図７】
0004075352.tif 000008
【図８】
0004075352.tif 000009