JP2020085029A - 転がり軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】耐久性を損なうことなく、外輪と内輪とを安定的に導通させることが可能な転がり軸受を提供する。【解決手段】外輪２及び内輪３と、複数の転動体４と、外輪２と内輪３との間の環状開口部１２をシールする磁性流体シール７とを備えた転がり軸受１において、磁性流体シール７は、導電性を有する磁性金属からなる磁路形成部材７３及び磁石７４を有して外輪２に取り付けられた本体部７０と、内輪３と本体部７０との間に介在して磁路形成部材７３と内輪３とを電気的に接続する導電性磁性流体ＭＲとを備える。本体部７０と内輪３とは、導電性磁性流体ＭＲを保持する第１隙間Ｓ１、及び第１隙間Ｓ１よりも転動体４側に位置する第２隙間Ｓ２において近接しており、転動体４の中心を含む軸方向断面ならびに転動体４を含まない軸方向断面の両断面において、第１隙間Ｓ１における磁束密度の平均値が第２隙間Ｓ２における磁束密度の平均値よりも高い。【選択図】図２

Description

本発明は、転がり軸受に関し、特に磁性流体シールを備えた転がり軸受に関する。

従来、例えばブラシレスモータのシャフトを支持する軸受として、特許文献１に記載のものが知られている。特許文献１に記載の軸受は、ブラシレスモータの固定子を保持するブラケットに取り付けられた外輪と、回転子に固定されたシャフトに外嵌された内輪と、外輪と内輪との間に配置された複数の転動体とを備えている。

また、特許文献１に記載の軸受は、巻線の磁界によって固定子及び回転子にそれぞれ異なる電圧が誘起されることに起因して発生する外輪と内輪との間の電位差により、転動体が転動する軌道面に電食が発生することを抑制するために、転動体を連続した孔を持つ焼結金属で構成している。そして、この構成によって転動体の転動時における潤滑油の動圧が低下するので、外輪と内輪とを転動体を介して安定的に導通させることができ、外輪及び内輪の電位差による放電の発生が抑制されて電食が抑えられるとされている。

一方、特許文献２には、磁石を一対のポールピースによって挟持して構成されたシール部材が外輪に取り付けられ、一対のポールピースのそれぞれと内輪との間の隙間に磁性流体が磁力によって保持された密封装置としての軸受が記載されている。

特開２０１５−２１５４４号公報 特開昭６３−２４６５７７号公報

特許文献１に記載の軸受では、転動体を連続した孔を持つ焼結金属で構成することにより電食を抑制しているが、このように転動体を構成することにより強度が低下し、使用状況によっては充分な耐久性を確保できないおそれがある。また、例えばカーボンブラシや導電性を有する潤滑油を用いて外輪と内輪を電気的に導通させれば、電食を抑制することができるとも考えられるが、この場合にはカーボンブラシの摩耗や潤滑油の導電性の劣化のおそれがあり、耐久性の観点から好ましくない。

ここで、特許文献２に記載された構成の軸受において磁性流体に導電性を持たせれば、耐久性を損なうことなく、外輪と内輪とをシール部材及び磁性流体を介して導通させることができるとも考えられる。しかし、特許文献２に記載の軸受では、一対のポールピースのそれぞれの先端部にあたる２箇所に磁性流体が存在するので、例えば振動によってこれら２箇所の間で磁性流体が移動してしまうと、磁路が適切に形成されなくなってしまうおそれがある。

そこで、本発明は、耐久性を損なうことなく、外輪と内輪とを安定的に導通させることが可能な転がり軸受を提供することを目的とする。

本発明は、上記の目的を達成するため、外輪及び内輪からなる一対の軌道輪と、及び前記一対の軌道輪の間に転動可能に配設された複数の転動体と、前記一対の軌道輪の間の環状開口部をシールする磁性流体シールと、を備えた転がり軸受であって、前記磁性流体シールは、導電性を有する磁性金属からなる磁路形成部材、及び前記磁路形成部材に磁束を発生させる磁石を有し、前記一対の軌道輪のうち一方の軌道輪に取り付けられた本体部と、前記一対の軌道輪のうち他方の軌道輪と前記本体部との間に介在し、前記磁路形成部材と前記他方の軌道輪とを電気的に接続する導電性磁性流体とを備え、前記本体部と前記他方の軌道輪とは、前記導電性磁性流体を保持する第１隙間、及び前記一対の軌道輪の軸方向において前記第１隙間よりも前記転動体側に位置する第２隙間において近接し、前記転動体の中心を含む軸方向断面ならびに前記転動体を含まない軸方向断面の両断面において、前記第１隙間における磁束密度の平均値が前記第２隙間における磁束密度の平均値よりも高い、転がり軸受を提供する。

本発明に係る転がり軸受によれば、耐久性を損なうことなく、外輪と内輪とを安定的に導通させることが可能となる。

本発明の実施の形態に係る転がり軸受を示す斜視断面図である。 （ａ）は、転がり軸受の一部を軸受中心軸Ｏに沿った軸方向断面で示す断面図であり、（ｂ）は（ａ）のＣ部拡大図である。 （ａ）は、軸受中心軸Ｏと転動体の中心とを含む転がり軸受の軸方向断面における磁束密度の分布を示す図であり、（ｂ）は、軸受中心軸Ｏを含み転動体を含まない転がり軸受の軸方向断面における磁束密度の分布を示す図である。 （ａ）は、比較例に係る転がり軸受の一部を軸受中心軸Ｏに沿った軸方向断面で示す断面図である。（ｂ）は、（ａ）のＤ部を示す拡大図である。 （ａ）は、比較例に係る転がり軸受における軸受中心軸Ｏと転動体の中心とを含む軸方向断面における磁束密度の分布を示す図であり、（ｂ）は、軸受中心軸Ｏを含み転動体を含まない軸方向断面における磁束密度の分布を示す図である。 （ａ）は、第２の実施の形態に係る転がり軸受の一部を軸受中心軸Ｏに沿った軸方向断面で示す断面図である。（ｂ）は、（ａ）のＥ部を示す拡大図である。 （ａ）は、第２の実施の形態に係る転がり軸受における軸受中心軸Ｏと転動体の中心とを含む軸方向断面における磁束密度の分布を示す図であり、（ｂ）は、軸受中心軸Ｏを含み転動体を含まない軸方向断面における磁束密度の分布を示す図である。

［第１の実施の形態］
本発明の第１の実施の形態について、図１乃至図３を参照して説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、本発明を実施する上での好適な具体例として示すものであり、技術的に好ましい種々の技術的事項を具体的に例示している部分もあるが、本発明の技術的範囲は、この具体的態様に限定されるものではない。

図１は、本発明の実施の形態に係る転がり軸受を示す斜視断面図である。図２（ａ）は、転がり軸受の一部を軸受中心軸Ｏに沿った軸方向断面で示す断面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＣ部拡大図である。

この転がり軸受１は、一対の軌道輪としての外輪２及び内輪３と、外輪２と内輪３との間に転動可能に配設された複数の転動体４と、複数の転動体４を保持する樹脂製の保持器５とを、軸受本体１０として備えている。転がり軸受１は、例えば電動式のモータに組み込まれ、モータの回転子に固定されたシャフトを支持するために用いられる。複数の転動体４は、シャフトの回転に伴い、外輪２の軌道面２ａ及び内輪３の軌道面３ａを転動する。内輪３は、軸受中心軸Ｏを中心として外輪２に対して相対回転する。以下、軸受中心軸Ｏに平行な方向を軸方向という。

図１では、軸受中心軸Ｏを含む断面で転がり軸受１を軸方向に半円状に切断した場合の断面を示している。図面上方の断面は、転動体４の中心点ＣＰを含む断面であり、図面下方の断面は、転動体４を含まない断面である。図２（ａ）は、図１のＡ矢視における軸受中心軸Ｏと転動体４の中心点ＣＰとを含む転がり軸受１の断面を示している。

外輪２は、モータの固定子を保持するモータケースに取り付けられ、シャフトが内輪３に挿通される。外輪２、内輪３、及び転動体４は、導電性及び磁性（軟磁性）を有する金属からなる。具体的には、外輪２及び内輪３が軸受鋼や機械構造用鋼材からなり、転動体４は軸受鋼等からなる。本実施の形態では、転動体４が球状であり、転がり軸受１が玉軸受として構成されているが、転動体４として円筒ころや円錐ころ、あるいは針状ころを用いてもよい。

また、転がり軸受１は、軸方向一方側に開口する外輪２と内輪３との環状開口部１１を塞ぐシールド６と、軸方向他方側に開口する外輪２と内輪３との環状開口部１２を塞ぐ磁性流体シール７とを有している。シールド６は、例えば亜鉛めっきされた冷間圧延鋼板によって形成された環状の部材であり、外周側の端部が外輪２の軸方向一方側の内周面に形成された環状溝２１に嵌合されることで外輪２に固定されている。シールド６は、内輪３の外周面との間でラビリンスシールを構成している。

磁性流体シール７は、外輪２に取り付けられた本体部７０と、内輪３と本体部７０との間に介在する導電性磁性流体ＭＲとを備えている。本体部７０は、第１リング７１及び第２リング７２からなる磁路形成部材７３と、磁路形成部材７３に磁束を発生させる磁石７４とを有している。第１リング７１、第２リング７２、及び磁石７４は、軸受中心軸Ｏを中心として同心状に配置されている。

第１リング７１は、磁石７４の軸方向一方側に配置され、第２リング７２は磁石７４の軸方向他方側に配置されている。第１リング７１及び第２リング７２は、導電性を有する磁性金属からなる環状の導電性部材であり、具体的には例えば冷間圧延鋼板からなる。

磁石７４は、例えばフェライト等の硬磁性体を着磁した永久磁石である。磁石７４の材料としては、導電性を有するＭｎ−Ｚｎ系フェライトを好適に用いることができる。磁石７４は、第１リング７１側の軸方向一方側が例えばＳ極に着磁され、第２リング７２側の軸方向他方側が例えばＮ極に着磁されている。ただし、軸方向一方側がＮ極に着磁され、軸方向他方側がＳ極に着磁されていてもよい。

第１リング７１は、軸方向に対して垂直な平板状であり、外周側の端部が外輪２の軸方向他方側の内周面に形成された環状溝２２に嵌合されることで外輪２に固定されている。また、第１リング７１は、外輪２と電気的に導通している。なお、第１リング７１を加締めや溶接によって外輪２に固定してもよい。

第２リング７２は、軸方向に対して垂直な平板状の平板部７２１と、平板部７２１の内周側の端部から軸方向一方側に向かって延在する円筒部７２２とを一体に有している。磁石７４は、第１リング７１と第２リング７２の平板部７２１との間に介在して配置されている。第１リング７１、第２リング７２、及び磁石７４は、磁石７４の磁力によって互いに固定されている。ただし、これらを接着剤を用いてより強固に固定してもよい。第２リング７２は、磁石７４及び第１リング７１を介して外輪２と電気的に導通している。

内輪３は、軌道面３ａよりも軸方向他方側の端部に、外輪２の環状溝２２から離間するように径方向内方に窪んで形成された凹部３１を有している。凹部３１における内輪３の外周面３１ａは軸方向に対して平行であり、第２リング７２の円筒部７２２の内周面７２２ａと凹部３１における内輪３の外周面３１ａとの間の第１隙間Ｓ_１には、導電性磁性流体ＭＲが保持されている。第１隙間Ｓ_１の寸法（内周面７２２ａと外周面３１ａとの間隔）は、例えば０．２ｍｍである。導電性磁性流体ＭＲは、磁石７４の磁力及び表面張力により第１隙間Ｓ_１に保持されている。

導電性磁性流体ＭＲは、例えばシリコンオイルなどの溶剤に、Ｎｉ−Ｆｅ合金、鉄、マグネタイトなどの導電性を有する強磁性体粒子を分散させたものである。導電性磁性流体ＭＲが第１隙間Ｓ_１に介在することで、磁路形成部材７３と内輪３とが電気的に接続されている。これにより、環状開口部１２が磁性流体シール７により密封されると共に、外輪２と内輪３とが磁性流体シール７を介して電気的に導通する。導電性磁性流体ＭＲとしては、例えば株式会社フェローテック社製の商品名ＣＦＦ１００Ａ、ＣＦＦ２００Ａを用いることができる。

磁性流体シール７の本体部７０と内輪３とは、導電性磁性流体ＭＲを保持する第１隙間Ｓ_１、及び軸方向において第１隙間Ｓ_１よりも軸方向一方側（転動体４側）に位置する第２隙間Ｓ_２において近接している。これにより、第１リング７１、第２リング７２、及び内輪３を含む磁路に磁石７４の磁束が流れる。また、磁石７４の磁束の一部は、内輪３、複数の転動体４、及び外輪２を含む磁路にも流れる。

また、内輪３には、第１隙間Ｓ_１と第２隙間Ｓ_２との間に、第１隙間Ｓ_１と軸方向に向かい合う段差面３ｂが形成されている。段差面３ｂは、軸方向に対して垂直な円環状の平面である。段差面３ｂと軌道面３ａとの間における内輪３の外周面は、軸方向に対して平行な円筒面３ｃとなっている。第２隙間Ｓ_２は、段差面３ｂ及び円筒面３ｃにより形成される内輪３の角部３２と磁石７４との間に形成されている。

転がり軸受１の製造時において、導電性磁性流体ＭＲは、軸受本体１０に磁性流体シール７を取り付けた後に環状開口部１２から第１隙間Ｓ_１に注入される。この導電性磁性流体ＭＲは、第１隙間Ｓ_１に留まることが望ましく、一部が第２隙間Ｓ_２に移動してしまったり、さらに軌道面３ａに移動してしまうことは望ましくない。導電性磁性流体ＭＲの一部が第２隙間Ｓ_２に移動してしまうと、第１隙間Ｓ_１の導電性磁性流体ＭＲが減少してしまい、適切に磁路を形成することができず、さらに導電性磁性流体ＭＲの一部が軌道面３ａに移動してしまうと、転動体４の円滑な転動に影響を与えてしまうためである。

ここで、本発明者は、磁場の解析等により、第２隙間Ｓ_２の磁束密度が第１隙間Ｓ_１の磁束密度よりも高いと、モータの振動等によって導電性磁性流体ＭＲが第１隙間Ｓ_１から第２隙間Ｓ_２に移動しやすくなるとの知見を得た。また、本発明者は、外輪２及び内輪３の周方向において、転動体４が位置する部位と位置しない部位とで第２隙間Ｓ_２における磁束密度が異なることを見出し、導電性磁性流体ＭＲを安定的に第１隙間Ｓ_１に保持するためには、周方向の何れの部位においても第１隙間Ｓ_１の磁束密度の平均値が第２隙間Ｓ_２における磁束密度の平均値よりも高くすべきであることに想到した。

図３（ａ）は、転動体４の中心を含む転がり軸受１の軸方向断面における磁束密度の分布を示す図であり、図３（ｂ）は、転動体４を含まない転がり軸受１の軸方向断面における磁束密度の分布を示す図である。図３（ａ）及び（ｂ）では、導電性磁性流体ＭＲがない場合の磁束密度の分布を示しており、図３（ａ）では図２（ｂ）に示す範囲の磁束密度の分布を示している。図３（ｂ）に示す断面は、図１の図面下方に示すＢ矢視における転がり軸受１の断面の一部である。

図３（ａ）及び（ｂ）では、第１隙間Ｓ_１及び第２隙間Ｓ_２を破線で示している。図３（ａ）及び（ｂ）に示す第１隙間Ｓ_１及び第２隙間Ｓ_２は、所定量の導電性磁性流体を配置した場合に、当該導電性磁性流体を保持し得る空間である。

図３（ａ）において、第１隙間Ｓ_１の平均磁束密度は０．３６Ｔであり、第２隙間Ｓ_２の平均磁束密度は０．１８Ｔである。また、図３（ｂ）において、第１隙間Ｓ_１の平均磁束密度は０．３３Ｔであり、第２隙間Ｓ_２の平均磁束密度は０．２６Ｔである。すなわち、転動体４が位置する部位、及び転動体４が位置しない部位の両部位において、第１隙間Ｓ_１の磁束密度の平均値が第２隙間Ｓ_２における磁束密度の平均値よりも高い。これにより、第１隙間Ｓ_１に配置された導電性磁性流体ＭＲが第２隙間Ｓ_２に移動してしまうことを抑止でき、外輪２と内輪３とを安定的に導通させることが可能となっている。

（比較例）
次に、比較例に係る転がり軸受１００について、図４及び図５を参照して説明する。図４及び図５において、第１の実施の形態に係る転がり軸受１について説明したものに対応する部材等には、図１乃至図３に付したものと共通する符号を付して重複した説明を省略する。

図４（ａ）は、比較例に係る転がり軸受１００を示す断面図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）のＤ部を示す拡大図である。図５（ａ）は、転動体４の中心を含む転がり軸受１００の軸方向断面における磁束密度の分布を示す図であり、図５（ｂ）は、転動体４を含まない転がり軸受１００の軸方向断面における磁束密度の分布を示す図である。

この転がり軸受１００は、第１の実施の形態に係る転がり軸受１と同様の構成を具備しているが、転がり軸受１００の磁石７４の内径及び外径が転がり軸受１の磁石７４の内径及び外径よりも小さい。また、第１リング７１の内径は磁石７４の内径と同じであり、第２リング７２の外径は磁石７４の外形と同じである。これにより、転がり軸受１００では、内輪３の角部３２と磁性流体シール７の本体部７０との最短距離Ｄ_２が、転がり軸受１における内輪３の角部３２と磁性流体シール７の本体部７０との最短距離Ｄ_１（図２（ｂ）参照）よりも短くなっている。

図５（ａ）において、第１隙間Ｓ_１の平均磁束密度は０．３７Ｔであり、第２隙間Ｓ_２の平均磁束密度は０．３１Ｔである。また、図５（ｂ）において、第１隙間Ｓ_１の平均磁束密度は０．３４Ｔであり、第２隙間Ｓ_２の平均磁束密度は０．４１Ｔである。すなわち、転動体４が位置する部位では、第１隙間Ｓ_１の磁束密度の平均値が第２隙間Ｓ_２における磁束密度の平均値よりも高いが、転動体４が位置しない部位では、第１隙間Ｓ_１の磁束密度の平均値が第２隙間Ｓ_２における磁束密度の平均値よりも低い。このため、比較例に係る転がり軸受１００では、第１の実施の形態に係る転がり軸受１に比較して、転動体４が位置しない部位において第１隙間Ｓ_１に配置された導電性磁性流体ＭＲが第２隙間Ｓ_２に移動しやすくなっている。

（第１の実施の形態の効果）
第１の実施の形態では、転動体４の中心を含む軸方向断面ならびに転動体４を含まない軸方向断面の両断面において、第１隙間Ｓ_１における磁束密度の平均値が第２隙間Ｓ_２における磁束密度の平均値よりも高いことにより、導電性磁性流体ＭＲが第１隙間Ｓ_１から第２隙間Ｓ_２に移動してしまうことが抑止されている。これにより、外輪２と内輪３とを安定的に導通させることが可能となり、外輪２と内輪３との間の電位差によって軌道面２ａ，３ａに電食が発生してしまうことを防ぐことができる。また、軸受本体１０の構成や材料としては一般的に使用されているものをそのまま用いることができ、例えばカーボンブラシを用いる場合のように摩擦摺動する部分もないので、外輪２と内輪３とを導通させるための構成により転がり軸受１の耐久性が損なわれることもない。

また、第１の実施の形態では、第１隙間Ｓ_１と第２隙間Ｓ_２との間に内輪３の段差面３ｂが形成されているので、導電性磁性流体ＭＲが第１隙間Ｓ_１から第２隙間Ｓ_２に移動してしまうことがより確実に抑止されている。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について、図６及び図７を参照して説明する。図６及び図７において、第１の実施の形態に係る転がり軸受１について説明したものに対応する部材等には、図１乃至図３に付したものと共通する符号を付して重複した説明を省略する。

図６（ａ）は、第２の実施の形態に係る転がり軸受１Ａの一部を軸受中心軸Ｏに沿った軸方向断面で示す断面図である。図６（ｂ）は、図６（ａ）のＥ部を示す拡大図である。図７（ａ）は、軸受中心軸Ｏと転動体４の中心とを含む転がり軸受１Ａの軸方向断面における磁束密度の分布を示す図であり、図７（ｂ）は、軸受中心軸Ｏを含み転動体４を含まない転がり軸受１Ａの軸方向断面における磁束密度の分布を示す図である。

この転がり軸受１Ａは、磁石７４の内外径が図４及び図５を参照して説明した比較例のものと同じであるが、第１リング７１の内径が磁石７４の内径よりも大きくされ、内輪３の角部３２と磁性流体シール７の本体部７０との最短距離Ｄ_３が、比較例に係る転がり軸受１００における最短距離Ｄ_２よりも長くなっている。

図７（ａ）において、第１隙間Ｓ_１の平均磁束密度は０．３６Ｔであり、第２隙間Ｓ_２の平均磁束密度は０．３２Ｔである。また、図７（ｂ）において、第１隙間Ｓ_１の平均磁束密度は０．３３Ｔであり、第２隙間Ｓ_２の平均磁束密度は０．３２Ｔである。すなわち、転動体４が位置する部位、及び転動体４が位置しない部位の両部位において、第１隙間Ｓ_１の磁束密度の平均値が第２隙間Ｓ_２における磁束密度の平均値よりも高い。

これにより、第１の実施の形態と同様に、第１隙間Ｓ_１に配置された導電性磁性流体ＭＲが第２隙間Ｓ_２に移動してしまうことを抑止でき、外輪２と内輪３とを安定的に導通させることが可能となっている。したがって、この第２の実施の形態によっても、第１の実施の形態と同様の作用及び効果を得ることができる。

（付記）
以上、本発明を実施の形態に基づいて説明したが、これらの実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

また、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変形して実施することが可能である。例えば、第１及び第２の実施の形態では、磁性流体シール７が外輪２に取り付けられ、導電性磁性流体ＭＲが磁性流体シール７の本体部７０と凹部３１における内輪３の外周面３１ａとの間に配置された場合について説明したが、これとは逆に、磁性流体シール７を内輪３に取り付け、導電性磁性流体ＭＲを磁性流体シール７の本体部７０と外輪２の内周面との間に配置してもよい。

１，１Ａ…転がり軸受 １１，１２…環状開口部
２…外輪 ３…内輪
３ｂ…段差面 ４…転動体
７…磁性流体シール ７０…本体部
７１…第１リング ７２…第２リング
７３…磁路形成部材 ７４…磁石
ＣＰ…中心点 ＭＲ…導電性磁性流体
Ｓ_１…第１隙間 Ｓ_２…第２隙間

Claims (1)

1. 外輪及び内輪からなる一対の軌道輪と、及び前記一対の軌道輪の間に転動可能に配設された複数の転動体と、前記一対の軌道輪の間の環状開口部をシールする磁性流体シールと、を備えた転がり軸受であって、
   前記磁性流体シールは、
   導電性を有する磁性金属からなる磁路形成部材、及び前記磁路形成部材に磁束を発生させる磁石を有し、前記一対の軌道輪のうち一方の軌道輪に取り付けられた本体部と、
   前記一対の軌道輪のうち他方の軌道輪と前記本体部との間に介在し、前記磁路形成部材と前記他方の軌道輪とを電気的に接続する導電性磁性流体とを備え、
   前記本体部と前記他方の軌道輪とは、前記導電性磁性流体を保持する第１隙間、及び前記一対の軌道輪の軸方向において前記第１隙間よりも前記転動体側に位置する第２隙間において近接し、
   前記転動体の中心を含む軸方向断面ならびに前記転動体を含まない軸方向断面の両断面において、前記第１隙間における磁束密度の平均値が前記第２隙間における磁束密度の平均値よりも高い、
   転がり軸受。