JP2007040415A - 軸シール構造及び磁性シールの磁場制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 軸シール構造及び磁性シールの磁場制御方法に関し、簡素な構成で生産性及びシール性能を向上させて、利用性の高める。
【解決手段】 軸部材９とその外周を被装するケーシング８との間の環状隙間１３を封止する軸シール構造１０であって、環状隙間１３に磁場を形成する磁場形成装置３と、磁場形成装置３により形成された該磁場によって生じる磁力を受け、環状隙間１３内に磁気的に捕捉されて、ケーシング８から軸部材９の周面にかけて環状に磁着し、ケーシング８と軸部材９との間をシールする非親油性の磁性流体４とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、作業機械の旋回モータ，走行モータ等の流体圧モータや流体圧ポンプに代表される回転駆動装置の軸部材に用いて好適な軸シール構造及び磁性シールの磁場制御方法に関する。

従来より作業機械には、旋回モータ，走行モータ等の油圧モータや油圧ポンプ、エンジン等の種々の回転駆動装置が設けられている。回転駆動装置には、回転軸とその外周を被装するケーシングとの間の摺動部分にシャフトシール等の軸シール構造が設けられ、ケーシング内部の作動油等のリークや外部からのホコリの侵入が防止されている。
典型的なシャフトシールは、回転軸としての軸部材とケーシングとの摺動部分に環状溝を形成するとともに、その内部にシールリップを構成する合成ゴムを環装して構成される。また、シールリップの外周部にはシールリップを縮径方向へ付勢するガータスプリングが環装される。これにより、軸部材がシールリップによって適度に締め付けられて、ケーシングの内部と外部とがシールされる。なお、このようなシャフトシールに関する技術としては、例えば特許文献１に記載のものがある。
特開平９−１６６２２３号公報（図５参照）

ところで、上述のような従来のシャフトシールでは、ケーシング内部側の圧力を外部に漏らさないようにするため、ガータスプリングの初期張力を大きくする必要がある。このため、シールリップが軸部材に接触するリップ先端接触面圧が高くなり、軸表面粗度が悪い場合等には摩耗しやすいという課題がある。つまり、シールリップ先端の摩耗により、作動油等のリークが発生しやすくなる。また、ケーシング内部側の圧力変動によってもシールリップ先端の接触面圧が低下することがあり、リークが発生しかねない。

また、合成ゴムは環状溝の内部に環装されるが、これらの合成ゴム及び環状溝の嵌め合い部分の密着性が十分でなければ、シールリップ先端だけでなく、シール外周からのリークが発生しかねない。
また、軸部材とケーシング（又はシールリップ）とのミスアライメントによって軸部材の回転に伴う摺動部分の寸法変動が大きくなると、シールリップがその寸法変動に追従できなくなることがある。この場合、シールリップが軸部材表面の振れに追従可能な範囲を少しでも超えた変動が生じると、シールリップ先端からのリークが発生しやすくなる。このため、軸部材やケーシングに求められる製品精度は厳しく設定されており、生産性を向上させ難いという課題がある。

また、回転駆動装置を長時間駆動していると、シールリップが徐々に劣化することも確認されている。この場合、軸部材をケーシングに対して支持するベアリングの発熱がシール側へ伝達され、シールリップ周辺の温度が上昇すると、ケーシング内部の作動油が合成ゴムに含浸しやすくなり、合成ゴムの変性が促進されることになる。
また、合成ゴムのシール構造を軸部材のシールとして適用する場合、軸部材表面に凹凸や酸化物の付着等があるとシールリップ先端が摩耗しやすくなるため、軸部材にクロムメッキを施して鏡面状に研磨し錆の発生，付着を抑制する必要があり、製品コストが嵩むという課題もある。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、簡素な構成で生産性及びシール性能を向上させることができ、利用性を高めることができるようにした、軸シール構造及び磁性シールの磁場制御方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の軸シール構造（請求項１）は、軸部材と該軸部材の外周を被装するケーシングとの間の環状隙間を封止する軸シール構造であって、該環状隙間に磁場を形成する磁場形成装置と、該磁場形成装置により形成された該磁場によって生じる磁力を受け、該環状隙間内に磁気的に捕捉されて、該ケーシングから該軸部材の周面にかけて環状に磁着し、該ケーシングと該軸部材との間をシールする非親油性の磁性流体とを備えたことを特徴としている。

なお、ここでいう該非親油性の磁性流体とは、少なくとも該軸部材の作動油に対する疎油性を備えた媒体に磁性超微粒子を懸濁して磁気応答性を与えた疎油流体一般を含む。また、磁性流体は、磁気粘性流体，ＭＲ流体等とも呼ばれる。
また、該磁場形成装置は、電力を供給する電力供給手段と、該環状隙間近傍に設けられ該電力の供給を受けて該磁場を形成する電磁石とを有して構成されることが好ましい（請求項２）。

さらにこの場合、該磁性流体によって外部と区画される該ケーシング内部の圧力を検出する圧力センサと、該圧力センサで検出された該圧力に応じて、該電力供給手段から該電磁石へ供給される電力量を制御するコントローラとを備えることが好ましい（請求項３）。
加えて、該コントローラは、該圧力センサで検出された該圧力が高いほど、該電力供給手段から該電磁石へ供給される電力量を増加させることが好ましい（請求項４）。

また、該電磁石は、導線を環状に巻回したコイルと、該コイルの内部において該コイルの軸方向へ延在し該電力供給手段による該電力の非供給時に該磁性流体を磁気的に捕捉しうる磁化部材とを有して構成されることが好ましい（請求項５）。なお、ここでいう磁化部材とは、磁場下において磁化されうる部材であって、例えば珪素鋼板やアモルファス合金，フェライト等からなる鉄心一般を含む。

本発明の磁性シールの磁場制御方法（請求項６）は、軸部材と、該軸部材の外周を被装するケーシングと、該軸部材及び該ケーシング間の環状隙間に磁場を形成する磁場形成装置と、該磁場形成装置により形成された該磁場によって生じる磁力を受け、該環状隙間内に磁気的に捕捉されて、該軸部材の周面に環状に磁着する非親油性の磁性流体とを備えた磁性シールにおいて、該磁性流体によって外部と区画される該ケーシング内部の状態を把握し、該状態のうち該磁性流体の粘性に影響を及ぼすパラメータに基づいて、該磁場形成装置によって形成される該磁場の強度を制御することを特徴としている。

また、該ケーシング内部の圧力を検出する圧力センサを設け、該圧力センサで検出された該圧力に応じて該磁場の強度を制御することが好ましく（請求項７）、又は、該軸部材の回転数を検出する回転数センサを設け、該回転数センサで検出された該回転数に応じて該磁場の強度を制御することが好ましく（請求項８）、又は、該軸部材の回転表面の変動加速度を検出する加速度センサを設け、該加速度センサで検出された該加速度に応じて、該磁場の強度を制御することが好ましい（請求項９）。この場合、該加速度センサは、軸部材の表面を検知して、軸部材の回転変動加速度（該軸部材の回転数の時間微分値）を検出する。

なお、該圧力が高いほど、又は、該回転数が大きいほど、或いは、該変動加速度が大きいほど、該磁場の強度を強くすることが好ましい。

本発明の軸シール構造（請求項１）によれば、磁力によって捕捉される磁性流体を用いて軸部材の周面を封止するため、シール性を向上させることができる。つまり、合成ゴムシール構造のようにシール部材の摩耗や劣化がないため、リークが発生せず、高度なシール性を保持できる。また、磁性流体がシール部材として機能するため、ケーシングとの物理的な密着性を考慮する必要がない。

また、磁性流体を用いたシール構造となっているため、構成が簡素となるとともに、軸部材のミスアライメントによって発生する振動や軸部材の表面加工誤差によって生じる環状隙間の寸法変動に対して、自在に形状を変えながらシール性を確保することができる。また、磁性流体が非親油性であるため、ケーシング内部側の作動油が磁性流体に混入することがなく、化学的に作動油と磁性流体とを分離させることができる。

また、本発明の軸シール構造（請求項２）によれば、電力供給手段と電磁石とを備えることで、環状隙間に磁場を形成し続けることが容易となる。また、供給する電力の大きさを変更することで、磁場強度の調節が可能となる。
また、本発明の軸シール構造（請求項３）によれば、ケーシング内部の圧力に応じて磁場強度を変更することにより、磁性流体の粘性を制御することができる。つまり、磁性流体の軸部材及びケーシングに対する定着性を制御でき、シール性能を高めることができる。

また、本発明の軸シール構造（請求項４）によれば、ケーシング内部の圧力が高いほど磁性流体の定着性を向上させることにより、磁性流体によるリーク防止作用への信頼性を高めることができる。
また、本発明の軸シール構造（請求項５）によれば、磁化部材を備えたことにより、電力供給手段からの非通電時においても環状隙間に磁場を形成しておくことができ、磁性流体によるシールを捕捉することができる。

また、本発明の磁性シールの磁場制御方法（請求項６）によれば、ケーシング内部の状態に基づく磁場強度を制御により、磁性流体の粘性を制御することができ、シール性能を変更することができる。
また、本発明の磁性シールの磁場制御方法（請求項７）によれば、ケーシング内部の圧力に応じてシール性能を変更できる。例えば、ケーシング内部が外気圧に対して高圧である場合には、磁性流体の粘性を大きくすることによって封止能力を高めることができ、逆に磁性流体の粘性を小さくすることによって磁性流体の軸部材及びケーシングに対する接触抵抗（すなわち、摩擦抵抗）を低減させることができる。

また、本発明の磁性シールの磁場制御方法（請求項８）によれば、軸部材の回転数に応じてシール性能を変更できる。つまり、磁性流体に対する軸部材の摺動速度に合わせて、軸部材に対する磁性流体の相対粘度を調節することができる。

以下、図面により、本発明の実施形態について説明する。
図１，図２は、本発明の一実施形態としての軸シール構造を説明する図であり、図１は本構造の構成を示す模式図、図２は本構造が適用された油圧モータを示す断面図である。

［構成］
図２に示すように、本発明の軸シール構造１０は、作業機械に設けられる回転駆動装置のひとつである油圧旋回モータ１１及び旋回ドライブ１２に適用される。この軸シール構造１０は、軸部材とその外周を被装するケーシングとの間の環状隙間を封止するための軸シール構造である。

本軸シール構造１０は、図１に示すように、磁場形成装置３と、磁性流体４とを備えて構成される。
磁場形成装置３は、軸部材９とケーシング８との環状隙間１３に磁場を形成するための手段であり、ここでは、アンプ１（電力供給手段）と電磁石２とカバー７とを備えている。

アンプ１は、任意の電流を出力しうる汎用電源装置である。本実施形態では、後述のコントローラ６による制御がなされていないときには、予め設定された所定量の電流を出力供給し、また、コントローラ６に制御されると、電流量を増加又は減少させて出力する。なお、アンプ１は、作業機械のメインスイッチ（図示せず）に連動して作動するように構成されており、メインスイッチがオン操作されているときには電流を出力し、メインスイッチがオフ操作されているときには出力を停止する。

また、電磁石２は、電気回路を介してアンプ１に接続された導線を環状に巻回したコイル２ａと、コイル２ａの内部において巻回軸方向へ延在する鉄心２ｂ（磁化部材）とを備えて構成される。コイル２ａは、アンプ１から所定量の電流を供給されると、環状隙間１３を介して軸部材９方向へ配向される磁束を生成するように磁場を形成する。これにより、コイル２ａ内の鉄心２ｂが磁化される。また鉄心２ｂは、コイル２ａによって生成される磁束を通りやすくし、磁力を強めるように作用する。ここでは、コイル２ａの巻回軸方向及び鉄心２ｂの延在方向は、軸部材９に対して略垂直となっている。この電磁石２は鉄やその他の金属等で形成された鋳物のカバー７の内部に設けられる。

なお、アンプ１からの電流の供給がなされなければ、コイル２ａによる磁場は形成されないが、磁化された鉄心２ｂによって磁場が形成されるようになっている。
カバー７は、図１に示す断面形状を有して、環状隙間１３においてケーシング８面上に軸部材９の全周を覆うように環状に配置される。また、本実施形態では、ケーシング８内において、軸部材９の周方向に略等間隔に電磁石２が配置される。これにより、ケーシング８内の電磁石２は環状隙間１３近傍において、軸部材９の全周を覆うように設けられることになる。

磁性流体４は、電磁石２により形成された磁場によって生じる磁力を受け、環状隙間１３内に磁気的に捕捉されて粘度を増加させ、カバー７の内周面から軸部材９にかけて環状に磁着する流体であり、ベースとなる媒体に磁性超微粒子を懸濁したものである。つまり、磁場はカバー７の内周面から軸部材９にかけて形成されるため、カバー７近傍において環状隙間１３の全周に磁性流体４が磁着してシールされることになる。

なお、磁性流体４によるシール性能は、その粘度（すなわち、ベースに懸濁する磁性超微粒子同士が引きつけ合う磁気の力の大きさ）に応じて変化するものであるが、ここでは、前述の所定量の電流によって形成された磁場下、及び、鉄心２ｂによって形成される磁場下において、ケーシング８内部の作動油等のリークや外部からのホコリの侵入を防止しうる粘度となるように、磁性流体４の特性及び電流の大きさが設定されている。また、本実施形態では、磁性流体４のベース媒体として、軸部材９の作動油に対する非親油性（疎油性）を備えた媒体が用いられる。これにより、磁性流体４はケーシング８内の作動油によって混濁されないものとなっている。

磁性流体４によってシールされるケーシング８の内部側には、ケーシング８の内圧を検出する圧力センサ５が設けられている。ここで検出された内圧は、コントローラ６へ入力される。
また、図１に示すように、ケーシング８の内部側には、軸部材９の回転表面の変動加速度を検出する加速度センサ１００、及び、軸部材９の回転数（すなわち、軸部材９とケーシング８との相対速度と同義）を検出する回転数センサ１０１が備えられている。これらのセンサで検出された変動加速度，回転数についても、コントローラ６へ入力される。

コントローラ６は、ケーシング内部の状態に応じてアンプ１から出力される電流の大きさを制御する電子制御装置である。ここでは、各センサから入力された内圧，変動加速度，回転数に基づいて、アンプ１から電磁石２へ供給される電流量を増加させる制御が実施される。
まず、コントローラ６は、圧力センサ５で検出されたケーシング８の内圧が高いほど、電磁石２へ供給される電流量を増加させる。また、コントローラ６は、加速度センサ１００で検出された変動加速度が大きくなるにつれて、電磁石２へ供給される電流量を増加させ、さらに、回転数センサ１０１で検出された回転数が大きいほど、電磁石２へ供給される電流量を増加させる。

つまり、磁性流体４によるシール性能は、ケーシング８の内圧や摺動面の摺動速度，摺動加速度等によって変化するため、本実施形態ではケーシング内部の状態を検出する手段として圧力センサ５，加速度センサ１００及び回転数センサ１０１を設け、これらの検出結果に応じて磁場の強度を制御し、磁性流体４の粘性を制御するようになっている。

［作用・効果］
以上のような構成により、本実施形態の軸シール構造１０は以下のような作用・効果を奏する。

コントローラ６による制御がなされていないときには、アンプ１から所定量の電流が電磁石２へ供給される。電磁石２内のコイル２ａに通電されると、環状隙間１３を介して、軸部材９方向へ配向される磁束を生成するように磁場が形成される。同時に、鉄心２ｂが磁化されるとともに、コイル２ａによる磁場が鉄心２ｂによって強化される。そして、電磁石２により形成された磁場によって生じる磁力を受けて、磁性流体４の粘性が増加して、カバー７の内周面から軸部材９にかけて環状に磁着する。

したがって、カバー７近傍において環状隙間１３の全周を磁性流体４によってシールして、ケーシング８内部の環状隙間１３を外部から区画することができる。
このシールは、流動性を備えた磁性流体４によって形成されるものであるため、軸部材９とケーシング８とのミスアライメントによって発生する振動や、軸部材９の表面加工誤差によって生じる環状隙間１３の寸法変動に対して、自在に形状を変えながらシール性を確保することができる。つまり、軸部材９やケーシング８に高い制作精度を必要とせず、部材寸法精度の誤差を従来よりも大きく許容できるようになり、製品の生産性を向上させることができる。

また、このシール構造では、従来の合成ゴムシール構造のようにシール部材の摩耗や劣化がない。そのため、シールが切れたり隙間を生じるおそれがなく、ケーシング８内部からのリークを防止でき、高度なシール性を保持できる。また、シール部材とケーシング８との物理的な密着性についても考慮する必要がない。つまり、従来のような軸部材９の表面加工（メッキ加工等）が不要となり、製品コストを削減できる。さらに、磁性流体４が非親油性であるため、ケーシング８内部側の作動油が磁性流体４に混入することがなく、化学的に作動油と磁性流体４とを分離させることができる。

次に、ケーシング８内部の圧力が上昇した場合、圧力センサ５によって圧力の上昇が検出され、コントローラ６によってアンプ１から出力される電流が増量する制御が実施される。これにより、電磁石２によって形成される電場が強化され、磁性流体４の粘度が上昇して、ケース７及び軸部材９への定着性が高くなる。つまり、磁性流体４によるシール性を向上させることができ、リーク防止作用への信頼性を高めることができる。

軸部材４の回転数や回転表面の変動加速度が増大した場合も同様であり、加速度センサ１００，回転数センサ１０１によって変動加速度，回転数の増大が検出されると、コントローラ６によってアンプ１から出力される電流が増量するように制御される。これにより、電磁石２によって形成される磁場の強度が高くなり、磁性流体４の粘度を上昇させることができ、磁性流体４によるシール性を向上させることができる。

また、作業機械のメインスイッチがオフ操作されてアンプ１からの電流出力が停止された場合、電磁石２への通電によって形成されていた磁場は消失することになるが、磁化された鉄心２ｂによる磁場は依然として形成されたままであるため、磁性流体４によるシール機能を保持することができる。
このように、本実施形態によれば、簡素な構成で、生産性及びシール性能をともに向上させて、極めて利用性の高い軸シール構造１０を提供できる。

［その他］
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこのような実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
上述の実施形態では、コントローラ６によるアンプ１からの出力制御が、ケーシング８内圧，軸部材９の回転数，回転表面の変動加速度に基づく制御となっているが、これらの何れか一つのパラメータに基づく制御であればよく、或いはこれらに限らず、ケーシング８内の温度等、ケーシング内部の状態に応じた制御としてもよい。

つまり、磁性流体４の粘度特性は、一般に、与えられる応力の大きさ等に応じて変化することが知られている。そこで、磁性流体４の粘度がリーク及びホコリの侵入を防止しうる粘度となるように磁場強度を正確に制御するには、磁性流体４の粘性に影響を与える様々なパラメータを考慮することが望ましいことになる。例えば、ケーシング８内の温度が高温であるほど、アンプ１から出力される電流を増量する制御を実施してもよい。

また、上述の実施形態では、アンプ１から出力される電流量を制御する構成となっているが、より本質的には、磁性流体４の磁着にかかる磁場強度を制御するものであればこれに限定されない。同様に、磁場形成装置３についても、電磁石２を用いたものに限定されない。
なお、上述の実施形態では、軸シール構造１０が作業機械の油圧旋回モータ１１及び旋回ドライブ１２に適用されたものを例示したが、回転駆動装置における回転軸周りの摺動面をシールするための構造として、ポンプ等にも広く適用可能である。

本発明の一実施形態としての軸シール構造を示す模式図である。 本構造が適用された油圧モータを示す断面図である。

符号の説明

１ アンプ（電力供給手段）
２ 電磁石
２ａ コイル
２ｂ 鉄心（磁化部材）
３ 磁場形成装置
４ 磁性流体
５ 圧力センサ
６ コントローラ
７ カバー
８ ケーシング
９ 軸部材
１０ 軸シール構造
１１ 油圧旋回モータ
１２ 旋回ドライブ
１３ 環状隙間
１００ 加速度センサ
１０１ 回転数センサ

Claims (9)

1. 軸部材と該軸部材の外周を被装するケーシングとの間の環状隙間を封止する軸シール構造であって、
   該環状隙間に磁場を形成する磁場形成装置と、
   該磁場形成装置により形成された該磁場によって生じる磁力を受け、該環状隙間内に磁気的に捕捉されて、該ケーシングから該軸部材の周面にかけて環状に磁着し、該ケーシングと該軸部材との間をシールする非親油性の磁性流体と
   を備えたことを特徴とする、軸シール構造。
2. 該磁場形成装置は、電力を供給する電力供給手段と、該環状隙間近傍に設けられ該電力の供給を受けて該磁場を形成する電磁石とを有して構成される
   ことを特徴とする、請求項１記載の軸シール構造。
3. 該磁性流体によって外部と区画される該ケーシング内部の圧力を検出する圧力センサと、
   該圧力センサで検出された該圧力に応じて、該電力供給手段から該電磁石へ供給される電力量を制御するコントローラと
   を備えたことを特徴とする、請求項２記載の軸シール構造。
4. 該コントローラは、該圧力センサで検出された該圧力が高いほど、該電力供給手段から該電磁石へ供給される電力量を増加させる
   ことを特徴とする、請求項３記載の軸シール構造。
5. 該電磁石は、導線を環状に巻回したコイルと、該コイルの内部において該コイルの軸方向へ延在し該電力供給手段による該電力の非供給時に該磁性流体を磁気的に捕捉しうる磁化部材とを有して構成される
   ことを特徴とする、請求項２〜４の何れか１項に記載の軸シール構造。
6. 軸部材と、該軸部材の外周を被装するケーシングと、該軸部材及び該ケーシング間の環状隙間に磁場を形成する磁場形成装置と、該磁場形成装置により形成された該磁場によって生じる磁力を受け、該環状隙間内に磁気的に捕捉されて、該軸部材の周面に環状に磁着する非親油性の磁性流体とを備えた磁性シールにおいて、
   該磁性流体によって外部と区画される該ケーシング内部の状態を把握し、
   該状態のうち該磁性流体の粘性に影響を及ぼすパラメータに基づいて、該磁場形成装置によって形成される該磁場の強度を制御する
   ことを特徴とする、磁性シールの磁場制御方法。
7. 該ケーシング内部の圧力を検出する圧力センサを設け、
   該圧力センサで検出された該圧力に応じて該磁場の強度を制御する
   ことを特徴とする、請求項６記載の磁性シールの磁場制御方法。
8. 該軸部材の回転数を検出する回転数センサを設け、
   該回転数センサで検出された該回転数に応じて該磁場の強度を制御する
   ことを特徴とする、請求項６又は７記載の磁性シールの磁場制御方法。
9. 該軸部材の回転表面の変動加速度を検出する加速度センサを設け、
   該加速度センサで検出された該加速度に応じて、該磁場の強度を制御する
   ことを特徴とする、請求項６〜８の何れか１項に記載の磁性シールの磁場制御方法。

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