JP2018091358A - 磁性流体シール付き軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】外部からの異物侵入を防止しつつ、外部からの接触による磁性流体の付着、持ち出しを防止して磁性流体のシール性能の安定化を図る。【解決手段】内輪２と外輪３との間に複数の転動体４を介装し、内輪２と外輪３との間に形成されるリング状の開口部５にリング状の磁石２１を配設して磁性流体２４を保持し、開口部５をシールする磁性流体シール付き軸受１である。開口部５に配置され、磁石２１を取着するリング状の保持部材２２を備えている。保持部材２２は、内輪２と外輪３とのうちいずれか一方に設けられた固定部に固定されるとともに、他方との間に隙間Ｓ１を形成して配置されている。隙間Ｓ１の軸方向外側の領域には、開口部５をシールするリング状の弾性体２５が設けられている。【選択図】図２

Description

本発明は、各種の動力伝達機構に配設され、回転体を回転自在に支持する磁性流体シール付き軸受に関するものである。

一般的に、各種の動力伝達機構に配設される回転体は、軸受を介して回転自在に支持されている。このような軸受は、様々な駆動装置における動力伝達機構の回転体の支持手段として用いられるが、駆動装置によっては、軸受内部に埃、水分等の異物の侵入を防止したい。特に、屋外で動力伝達機構が使用される場合には、軸受内部に埃、水分等の異物が侵入し易いため、回転性能が劣化したり、異音が生じたりする等の問題が生じる。

従来、軸受内部への埃、水分等の異物の侵入を防止するシール構造として、合成ゴム等の弾性部材で軸受の開口部をシールする構造が採用されてきた。しかし、このシール構造では、シール材の劣化や変形等によって僅かな隙間を生じることがあり、そのような隙間を生じると完全な密封状態にすることができず、シール性能が安定し難い。

そこで、回転体の回転性能を低下させることなく、軸受部分に対する異物の侵入防止を図る構成として、特許文献１に示すような磁性流体によるシール構造を採用した磁性流体シール付き軸受の採用が広がっている。

特許文献１に開示された磁性流体シール付き軸受では、内輪および外輪との間に形成される開口部に磁石と極板とからなる磁性体を配設し、磁性体の一端側を外輪に固定するとともに、磁性体の他端側と内輪との間に隙間を形成している。そして、磁性体の両端に形成した磁気回路に磁性流体をそれぞれ保持して軸受内部を密閉する磁気シールを行っている。

この磁性流体シール付き軸受では、粘性の低い液体の転動体側への侵入を確実に防止できるので、軸受内部の耐食性が格別に向上している。

特許第５７９７６００号公報

しかしながら、前記した従来の磁性流体シール付き軸受は、開口部に隙間を形成してこの隙間に磁性流体を保持する構成であることから、軸受の組付時等に指に磁性流体が付着したり、他物と接触したりして磁性流体が持ち出されることでシール性能が低下するおそれがあった。このため、このような磁性流体の持ち出しを防止すべく、作業環境や管理方法に注意が必要であり、慎重な取り扱いが要求されていた。

本発明は、前記課題を解決するためになされたものであり、外部からの異物侵入を防止しつつ、外部からの接触による磁性流体の付着、持ち出しを防止して磁性流体のシール性能の安定化を図ることができる磁性流体シール付き軸受を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために本発明の磁性流体シール付き軸受は、内輪と外輪との間に複数の転動体を介装し、前記内輪と前記外輪との間に形成されるリング状の開口部にリング状の磁石を配設して磁性流体を保持し、前記開口部をシールする磁性流体シール付き軸受である。磁性流体シール付き軸受は、前記開口部に配置され、前記磁石を取着するリング状の保持部材を備えている。前記保持部材は、前記内輪と前記外輪とのうちいずれか一方に設けられた固定部に固定されるとともに、他方との間に隙間を形成して配置されている。前記隙間の軸方向外側の領域には、前記開口部をシールするリング状の弾性体が設けられている構成とした。

この磁性流体シール付き軸受では、リング状の開口部が隙間に保持される磁性流体、および隙間よりも軸方向外側の領域に設けられるリング状の弾性体でシールされている。つまり、リング状の開口部が、軸方向外側から弾性体と磁性流体との二段階のシール構造でシールされている。これにより、外部からの比較的大きな異物の侵入を外側の弾性体によるシールでブロックし、これを通過した比較的小さい異物を内側の磁性流体によるシールでブロックすることができる。したがって、外部からの異物の侵入を効果的に防止できる。また、磁性流体を採用するシール構造であることから慎重な取り扱いが求められるが、外部からの接触物による磁性流体の付着や持ち出しを弾性体によって効果的に防止できるので、取り扱いが簡単になるとともに、磁性流体のシール性能の安定化を図ることができる。

また、前記した磁性流体シール付き軸受において、前記弾性体は前記保持部材に支持されているのがよい。このように構成することによって、弾性体を支持する部材が別途必要とならないので、部品点数の増加を回避できるとともに、組み立てが容易になる。

また、前記した磁性流体シール付き軸受において、前記保持部材が前記隙間を形成する側および前記弾性体が対向する側は、前記内輪または前記外輪の同じ側であるのがよい。このように構成することによって、磁性流体によるシール構造と弾性体によるシール構造とを軸方向に容易に配置することができ、二段階のシール構造を容易に構築することができる。

本発明によれば、外部からの異物侵入を防止しつつ、外部からの接触による磁性流体の付着、持ち出しを防止して磁性流体のシール性能の安定化を図ることができる磁性流体シール付き軸受が得られる。

本発明に係る磁性流体シール付き軸受の一実施形態を示す図であり、軸方向に沿った断面図である。 図１に示す磁性流体シール付き軸受の要部拡大断面図である。 第一変形例を示す要部拡大断面図である。 第二変形例を示す要部拡大断面図である。 第三変形例を示す要部拡大断面図である。 第四変形例を示す要部拡大断面図である。

以下、本発明に係る磁性流体シール付き軸受の実施形態について図面を参照して説明する。

本実施形態に係る磁性流体シール付き軸受（以下、軸受とも称する）１は、図１に示すように、内輪２と、外輪３と、複数の転動体（転がり部材）４と、を備えている。内輪２は、円筒状を呈し、回転体としての回転軸１００とともに回転可能に嵌合される。外輪３は、円筒状を呈し、内輪２を囲繞して駆動装置の筐体（内部フレーム等）１１０に配設される。複数の転動体４は、内外輪２，３間に介装して配設されている。転動体４は、保持器（図示せず）によって保持されており、これにより内輪２と外輪３とを相対的に回転可能としている。

内輪２、外輪３および転動体４は、磁性体であり、例えばクロム系ステンレス（ＳＵＳ４４０Ｃ）によって形成されている。保持器は、耐食性、耐熱性に優れた材料、例えばステンレス材（ＳＵＳ３０４）によって形成されている。なお、転動体４については、必ずしも磁性体である必要はない。転動体４は、例えば、セラミックス系の材料で形成することにより、磁場の影響を受けない（転動体４と内外輪２，３が吸引されない）ように構成することができ、低トルク化することが可能である。

また、本実施形態の外輪３は、その端面（露出端面）３ａが内輪２の端面（露出端面）２ａと同一平面上（略同一な平面であってもよい）に位置するように構成されている。同一平面とは、軸方向Ｘ（図１参照、以下同じ）に垂直なひとつの面をいう。なお、内輪２の端面２ａと外輪３の端面３ａのいずれか一方が他方よりも長く形成されていてもよい。

内輪２と外輪３との間に形成されるリング状の開口部５には、以下に詳述する磁性流体シール（磁気シール機構）２０が設置されている。なお、磁性流体シール２０は、内輪２と外輪３との上下の開口部５で同じ構成であるため、以下の説明では、図１の上側に位置する開口部５の構成について説明する。磁性流体シール２０は、本実施形態のように、軸受１の内部のシール性を高めるために、上下の開口部５のそれぞれに配設しておくことが好ましいが、一方の開口部５にだけ設置する構成であってもよい。

磁性流体シール２０は、リング状の磁石２１と、磁石２１の軸方向外側面に接して配置されるリング状の保持部材としての外側極板２２と、磁石２１の軸方向内側面に接して配置されるリング状の保持部材としての内側極板２３と、を備えている。さらに、磁性流体シール２０は、磁石２１によって形成される磁気回路に保持される磁性流体２４と、リング状に形成された弾性体としての弾性シール部材２５と、を備えている。磁性流体シール２０は、これらの部材によって、開口部５を通じて軸受１内に、埃、水分等の異物が侵入しないようにシールする機能を有している。

磁石２１は、図２に示すように、外側極板２２と内側極板２３との間に挟持されるように取着されて開口部５内に配置されている。磁石２１は、磁力によって外側極板２２および内側極板２３に取着されているが、これらに対して接着剤等により接着されていてもよい。
磁石２１は、外輪３側の外周面２１ｂが外輪３の対向面（内面、固定部として機能する）３ｂに対して接触している。また、磁石２１は、内輪２に対向する内周面２１ａが内側極板２３の内周面２３ａよりも内輪２の対向面２ｂから離間している。これにより、磁石２１の内周面２１ａの側方に磁性流体２４が付着し難いスペースが形成されている。

磁石２１としては、磁束密度が高く、磁力が強い永久磁石、例えば、焼結製法によって作成されるネオジム磁石を用いることができる。磁石２１は、図２に示すように、予め軸方向Ｘに磁極（Ｓ極、Ｎ極）が向くように着磁されている。磁石２１の軸方向外側面には、外側極板２２が接するように配設され、磁石２１の軸方向内側面には、内側極板２３が接するように配設されている。外側極板２２および内側極板２３は、磁性体であり、例えば磁性を有するステンレス（ＳＵＳ４２０）によって形成されている。

外側極板２２は、磁石２１よりも径方向Ｙに短く形成されており、弾性シール部材２５を支持する支持部材としての機能を併せ備えている。外側極板２２は、内輪２に対向する内周面２２ａが磁石２１の内周面２１ａよりも内輪２の対向面２ｂからさらに離間している。これにより、外側極板２２の径方向Ｙの内側には、弾性シール部材２５の内周部側が配置されるスペースＳ５が形成されている。
また、外側極板２２は、外輪３に対向する外周面２２ｂが外輪３の対向面３ｂから離間している。これにより、外側極板２２の径方向外側には、弾性シール部材２５の外周部側が配置されるスペースＳ６が形成されている。弾性シール部材２５の詳細については後記する。

内側極板２３は、内輪２と外輪３との両対向面２ｂ，３ｂのうち、外輪３の対向面（内面）３ｂに圧入されて固定されるとともに、内輪２の対向面（外面）２ｂとの間に隙間Ｓ１を形成して配置されている。内側極板２３の外周面２３ｂは、外輪３の対向面３ｂに対して僅かに大きく形成されており、圧入により外輪３の対向面３ｂに密着している。なお、内側極板２３の組み付け構造は、これとは逆側となる内輪２の対向面（外面）２ｂに対して内側極板２３を固定し、外輪３の対向面（内面）３ｂとの間に隙間Ｓ１を形成するものであってもよい。内側極板２３の軸受１に対する組み付けは、圧入以外にも隙間嵌め、磁力固定であってもよい。

磁性流体２４は、内輪２側に形成される隙間Ｓ１に保持されている。磁性流体２４は、例えば、Ｆｅ_３Ｏ_４のような磁性微粒子を、ベースオイルに分散（界面活性剤を利用してベースオイル内に分散させている）させて構成されたものであり、粘性があって磁石を近づけると反応する特性を備えている。このため、磁性流体２４は、磁石２１と、磁性材料で構成される内輪２および内側極板２３との間で形成される磁気回路によって、隙間Ｓ１における所定の位置に安定して保持される。
なお、前記のように磁石２１の内周面２１ａの側方には、磁性流体２４が付着し難いスペースが形成されているので、隙間Ｓ１における所定の位置により一層安定して磁性流体２４が保持されるようになる。

弾性シール部材２５は、隙間Ｓ１の軸方向Ｘの外側から開口部５をシールする部材である。弾性シール部材２５は、外側極板２２に支持され、隙間Ｓ１の軸方向Ｘの外側領域に配置される。つまり、弾性シール部材２５は、磁性流体２４でシールされる側となる内輪２側と同じ側において開口部５をシールしている。弾性シール部材２５の素材としては、弾性変形する素材であればよく、例えば、天然ゴムや合成ゴムなどのゴムや、エラストマー、ポリエチレンなどの樹脂等、いかなるものであっても構わない。

弾性シール部材２５は、外側極板２２に支持された状態で、内輪２の端面２ａ、外輪３の端面３ａよりも軸方向Ｘの内側に所定量だけ窪むように位置付けられている。弾性シール部材２５は、外側極板２２に装着するための凹部２５ｃと、内輪２の対向面２ｂに接触するシール部２５ａと、外輪３に装着される外周基端部２５ｂと、を備えている。

凹部２５ｃは、断面扁平四角形状を呈しており、外側極板２２の全体を覆う大きさを備えている。凹部２５ｃの径方向Ｙの内側となる内周部は、外側極板２２の径方向内側に形成されるスペースＳ５を覆っている。スペースＳ５において、弾性シール部材２５の内周部は、磁石２１の軸方向Ｘの外側面に当接している。
また、凹部２５ｃの径方向Ｙの外側となる外周部は、外側極板２２の径方向外側に形成されるスペースＳ６を覆っている。スペースＳ６において、弾性シール部材２５の外周部は、磁石２１の軸方向Ｘの外側面に当接している。
これらの当接によって、弾性シール部材２５は、磁石２１の径方向Ｙに亘る比較的広い範囲で支持されるようになっている。なお、前記したスペースＳ５，Ｓ６において、接着剤等を用いて弾性シール部材２５の各部を固定してもよい。

弾性シール部材２５のシール部２５ａは、内輪２の対向面２ｂに向けて窄まる断面リップ状を呈している。シール部２５ａは、内輪２の対向面２ｂに接触して対向面２ｂとの間をシールしている。このようなシール部２５ａは、異物が軸受１の内部に侵入するのを防止する役割をなす。なお、シール部２５ａは、内輪２と外輪３との相対的な回転に影響を及ぼさない程度に対向面２ｂに対して接触している。

外周基端部２５ｂは、断面略半円形状を呈している。外周基端部２５ｂは、外輪３の対向面３ｂに凹設された略半円形状の凹状部３ｅに弾性をもって係合し、密着している。これにより、外周基端部２５ｂは、外側極板２２と外輪３との間をシールしている。なお、外周基端部２５ｂは、接着剤等により凹状部３ｅに固定してもよい。また、外周基端部２５ｂは、必ずしも外側極板２２と外輪３との間をシールしていなくてもよい。

以上のような弾性シール部材２５は、シール部２５ａの対向する側が、磁性流体２４によりシールされる側と同じ側となる内輪２側であるものを示したが、これに限られることはなく、径方向Ｙの向きを逆向きに配置して、外輪３側にシール部２５ａが対向して外輪３の対向面３ｂとの間をシールするように構成してもよい。

なお、磁性流体シール２０は、各部材を予め組み付けてユニット化することが可能であり、磁性流体シール２０の構造を簡略化することが可能である。この場合、磁性流体２４は、開口部５にユニット化したものを組み付けた後に、例えば、弾性シール部材２５のシール部２５ａの一部をめくってストロー状のノズル等を内部に挿入することで、隙間Ｓ１に正確に充填することが可能である。もちろん、磁性流体シール２０は、ユニット化することなく各部材を順に開口部５内に組み付けることも可能である。

本実施形態で説明した磁性流体シール付き軸受１は、各種の駆動装置の回転体（回転軸１００、駆動軸）を支持する部分に配設可能である。上記したように、リング状の磁石２１、外側極板２２および内側極板２３によって、内輪２側に形成される隙間Ｓ１が磁性流体２４でシールされ、その軸方向Ｘの外側の領域が弾性シール部材２５でシールされている。このため、内輪２の外側表面を伝わり易い埃や水分等の異物の内部への侵入が確実に防止される。これにより、軸受１の回転性能を維持して回転軸１００の滑らかな回転を長期に亘って維持することが可能となる。

以上説明した磁性流体シール付き軸受では、リング状の開口部５が隙間Ｓ１に保持される磁性流体２４、および隙間Ｓ１よりも軸方向Ｘの外側の領域に設けられるリング状の弾性シール部材２５でシールされている。つまり、リング状の開口部５が、軸方向Ｘの外側から弾性シール部材２５と磁性流体２４との二段階のシール構造でシールされている。これにより、外部からの比較的大きな異物の侵入を外側の弾性シール部材２５によるシールでブロックし、これを通過した比較的小さい異物を内側の磁性流体２４によるシールでブロックすることができる。したがって、外部からの異物の侵入を効果的に防止できる。また、磁性流体２４を採用するシール構造であることから慎重な取り扱いが求められるが、外部からの接触物による磁性流体２４の付着や持ち出しを弾性シール部材２５によって効果的に防止できるので、取り扱いが簡単になるとともに、磁性流体２４のシール性能の安定化を図ることができる。

また、弾性シール部材２５は、外側極板２２に支持され、支持部材が別途必要とならないので、部品点数の増加を回避できるとともに、組み立てが容易になる。

また、隙間Ｓ１を形成する側および弾性シール部材２５が対向する側は、同じ側となる内輪２側であるので、磁性流体２４によるシール構造と弾性シール部材２５によるシール構造とを軸方向Ｘに容易に配置することができ、二段階のシール構造を容易に構築することができる。

図３から図６に本実施形態の磁性流体シール付き軸受の変形例を示す。
図３に示した第一変形例の磁性流体シール付き軸受１は、弾性シール部材２５のシール部２５ａを内輪２の対向面２ｂに対して若干の間隙をもって対向配置した磁性流体シール２０Ａを備えている。このようにシール部２５ａを内輪２の対向面２ｂに対して非接触状態に配置することによって、弾性シール部材２５による接触抵抗を排除でき、内輪２および外輪３のより滑らかな相対回転を実現することができる。この場合も、外部からの比較的大きな異物の侵入を外側の弾性シール部材２５によるシールでブロックし、これを通過した比較的小さい異物を内側の磁性流体２４によるシールでブロックすることができ、前記実施形態と同様の作用効果が得られる。

図４に示した第二変形例の磁性流体シール付き軸受１は、外輪３の対向面３ｂに固定部として機能する段差部３ｃを設け、この段差部３ｃに、磁性流体シール２０Ｂの磁石２１の外周面２１ｂ、内側極板２３の外周面２３ｂ、および弾性シール部材２５の外周基端部２５ｂを組み付けたものである。

段差部３ｃは、軸方向Ｘに対して垂直となる垂直面３ｃ１と、この垂直面３ｃ１に連続し、軸方向Ｘに対して平行となる平行面３ｃ２と、を備えている。内側極板２３の外周面２３ｂは、段差部３ｃの平行面３ｃ２に対して僅かに大きく形成されており、これに取着された磁石２１とともに、垂直面３ｃ１（垂直面３ｃ１と平行面３ｃ２との角部）に当て付けられて位置決めされている。なお、内側極板２３の段差部３ｃに対する組み付けは、圧入以外にも隙間嵌め、磁力固定であってもよい。

この磁性流体シール付き軸受１においても、前記実施形態と同様の作用効果が得られる。また、段差部３ｃを利用して磁性流体シール２０Ｂを外輪３側に容易に位置決めすることができるので、組付作業性に優れる。
なお、この第二変形例においても、段差部３ｃの平行面３ｃ２に対して弾性シール部材２５の外周基端部２５ｂを弾性をもって密着させることにより、外側極板２２と外輪３との間を弾性シール部材２５でシールしてもよい。

図５に示した第三変形例の磁性流体シール付き軸受１は、外側極板２２（図２参照）を排除して磁石２１に弾性シール部材２５を直接支持した磁性流体シール２０Ｃを備えている。弾性シール部材２５は、磁石２１に装着するための凹部２５ｃを備えている。磁石２１の内周面２１ａおよび外周面２１ｂは、弾性シール部材２５で覆われている。
なお、シール部２５ａは、軸方向Ｘにおいて隙間Ｓ１から離間した位置に配置したが、隙間Ｓ１に保持される磁性流体２４に近接しない位置であれば適宜の位置に配置することが可能である。

この磁性流体シール付き軸受１においても、前記実施形態と同様の作用効果が得られる。また、外側極板２２を用いない構造であるので、部品点数を低減でき、組み立てが容易になるとともにコストを低減できる。

図６に示した第四変形例の磁性流体シール付き軸受１は、内側極板２３（図２参照）を排除して、磁石２１の内周面２１ａと内輪２の対向面２ｂとの間に隙間Ｓ１を形成した磁性流体シール２０Ｄを備えている。なお、外側極板２２は、外輪３の対向面３ｂに対して当て付けて固定するように構成してもよい。

この磁性流体シール付き軸受１においても、前記実施形態と同様の作用効果が得られる。また、内側極板２３を用いない構造であるので、部品点数を低減でき、組み立てが容易になるとともにコストを低減できる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上述した実施形態に限定されることはなく、種々変形して実施することが可能である。
例えば、弾性シール部材２５を支持する部材として磁性体からなる外側極板２２を用いたが、これに限られることはなく、非磁性体からなる部材を用いてもよい。この場合、非磁性体からなる部材は、例えば、真鍮、アルミ合金、樹脂、あるいは金属補強された弾性材等からなるものを挙げることができる。

弾性シール部材２５は、開口部５の径方向Ｙに亘る大きさを備えたものを用いたが、これに限られることはなく、隙間Ｓ１の軸方向Ｘの外側の領域をシールできるものであれば、大きさを問わず、種々の形態のものを採用することができる。

また、磁石２１や外側極板２２，内側極板２３は、内輪２および外輪３の一方に非磁性体であるスペーサを介在して取着されるように構成してもよい。非磁性体であるスペーサを介在して内輪２または外輪３に取着されることにより、これに近接する内輪２または外輪３との間の狭い領域で磁気回路が形成されることを好適に回避することができる。

また、上記した磁気シール機構の構成については一例を示したに過ぎず、磁石２１や外側極板２２等の構成や配置態様については適宜変形することが可能である。例えば、内輪２や外輪３の軸方向Ｘの位置決め方法、さらには、内輪２や外輪３に対するシール方法等、適宜変形することが可能である。

１ 磁性流体シール付き軸受
２ 内輪
２ｂ 対向面
３ 外輪
３ｂ 対向面
４ 転動体
５ 開口部
２１ 磁石
２２ 外側極板（保持部材）
２３ 内側極板
２４ 磁性流体
２５ 弾性シール部材（弾性体）
Ｓ１ 隙間
Ｘ 軸方向

Claims (3)

1. 内輪と外輪との間に複数の転動体を介装し、前記内輪と前記外輪との間に形成されるリング状の開口部にリング状の磁石を配設して磁性流体を保持し、前記開口部をシールする磁性流体シール付き軸受であって、
   前記開口部に配置され、前記磁石を取着するリング状の保持部材を備え、
   前記保持部材は、前記内輪と前記外輪とのうちいずれか一方に設けられた固定部に固定されるとともに、他方との間に隙間を形成して配置されており、
   前記隙間の軸方向外側の領域には、前記開口部をシールするリング状の弾性体が設けられていることを特徴とする磁性流体シール付き軸受。
2. 前記弾性体は前記保持部材に支持されていることを特徴とする請求項１に記載の磁性流体シール付き軸受。
3. 前記保持部材が前記隙間を形成する側および前記弾性体が対向する側は、前記内輪または前記外輪の同じ側であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の磁性流体シール付き軸受。

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