JP3601924B2 - 磁性流体含有軸受ユニット - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば高速高精度回転が要求される小型モータなどに用いて好適な磁性流体含有軸受ユニットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
音響機器、映像機器あるいはコンピュータの周辺機器などの駆動用として用いられる小型モータの軸受には、従来、転がり軸受が一般に使用されていた。しかしながら、これらの機器に用いられる小型モータは、高性能化、小型化および多機能化が要求されつつあり、このような小型モータに用いられる軸受として、高速回転が可能でしかも回転軸の振れが少ないという優れた性能を満足するには、転がり軸受では回転精度が不充分であった。このため、潤滑油を使用したすべり軸受が採用されつつある。
【０００３】
すべり軸受の代表的なものとして製造コストが安価な焼結含油軸受があるが、高速回転になると摺接面への潤滑油の供給が不充分となって摩擦抵抗が高くなる。一方、軸受の内周面や軸の外周面に潤滑油による動圧発生用の溝を形成した流体軸受も上記した機器へ適用されつつある。しかしながら、このような流体軸受は、高速性能や回転精度等の軸受特性は優れているが、軸受の内周面に溝を形成するために製造コストが割高になるという欠点がある。また、上記した機器の内部では、クリーンな環境が要求されるため、潤滑油の漏洩は許されない。このため、潤滑油を使用する軸受ユニットのオイルシールに対しては非常に厳しい性能が要求されている。
【０００４】
軸受ユニットのオイルシールを改善する技術として、たとえば特開平７−６３２２０号には、潤滑油として磁性流体を用い、軸受ユニットに組み込んだ磁石によって潤滑油を内部（軸受の摺接部）に保持するようにした磁性流体軸受が提案されている。この磁性流体軸受は、円筒状をなすハウジングの内周に磁石と焼結軸受を配置し、ハウジングの開放端に磁性流体シールを配置して内側に磁性流体を充満させることにより、摺接部に充分な磁性流体を保持するようにしたものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記提案に係る磁性流体軸受では、磁性流体シールの内側に磁性流体を充満させているため、高速回転で使用したときに、軸受の摺接部の発熱により磁性流体の体積が膨張して磁性流体シールから漏出したり、さらには、磁性流体に遠心力が作用して飛散する恐れがある。また、磁性流体シールから一旦外に出た磁性流体は回収されることがなく、機器の内部を汚染する原因となる。したがってこの発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、高速回転時の回転精度を向上させることができるのは勿論のこと、外部への磁性流体の漏出や飛散を効果的に防止することができる磁性流体含有軸受ユニットを提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明の磁性流体含有軸受ユニットは、両端部のうち少なくとも一方が開放されたハウジングの内周に、磁石と、軸を回転自在に支持するように磁性流体を含有した多孔質含油軸受とを配置し、ハウジングの開放端側に、多孔質含油軸受よりも気孔径の大きい多孔質のリング状吸収体を、多孔質含油軸受の端面に接触させて配置したことを特徴としている。
【０００７】
多孔質含油軸受では、軸が回転することによるポンプ作用と発熱した油の熱膨張により、軸との摺接部に多孔質含油軸受の内部から油が浸出する。上記構成の磁性流体含有軸受ユニットでは、軸が磁化されることで磁性流体が磁力によって多孔質含油軸受から引き出され易くなるので、摺接部には充分な量の磁性流体が保持される。したがって、軸が高速で回転しても潤滑が充分であるため摩擦抵抗の増大が抑制される。そして、磁性流体の熱膨張などに起因して多孔質含油軸受の端面から浸出した磁性流体は、同端面に接触したリング状吸収体に吸収されるので、ハウジングの外部への漏出が防止される。また、多孔質含油軸受の気孔径の方がリング状吸収体の気孔径よりも小さいため、磁性流体を吸収する能力（毛細管力）は多孔質含油軸受の方が大きい。よって、軸の回転速度が遅くなるか停止して磁性流体の体積が縮小すると、隣接するリング状吸収体から磁性流体を吸引する。このため、多孔質含油軸受には常に適量の磁性流体が含有され、軸との摺接部に充分な磁性流体が供給されるとともに、リング状吸収体からの磁性流体の漏洩も防止される。
【０００８】
ここで、磁石をリング状吸収体よりもさらに開放端側に配置すると効果的である。このように構成することにより、リング状吸収体から磁性流体が漏洩した場合に磁石に吸着し、ハウジングからの漏洩が確実に防止される。また、多孔質含油軸受の個数は１個でも良いが、１個の場合には、多孔質含油軸受の内周面の中央部が両端部の内周面よりも外周面側に膨らんだ形状のものを用いると、軸方向の両端内周面で軸を支持するとともに、多孔質含油軸受の中央部に磁性流体を保持する空間が形成されるので、より効果的である。さらに、複数の多孔質含油軸受を軸方向に互いに離間して配置する場合には、多孔質含油軸受どうしの間に磁石を配置すると良い。この場合、磁石の内径寸法を多孔質含油軸受の内径寸法よりも大きくし、磁石の内周面と軸の外周面との間に磁性流体を封入することが望ましい。このように構成することにより、摺接部への磁性流体の供給量が増加し、高速回転で使用する場合の摩擦抵抗の増加をより効果的に抑制することができる。なお、ハウジングの一端部が閉塞されている場合には、その閉塞された部分の内側の空間に磁性流体を封入することもできる。
また、磁石の着磁方向は任意であるが、磁力線が軸方向を向くような着磁であれば軸が軸方向に磁化され、磁力による磁性流体の吸引が効率良く行われる。
【０００９】
リング状吸収体の材質は任意であるが、焼結合金、セラミックス、プラスチックなどが好適である。また、リング状吸収体はハウジングの内周面に固定し、軸の外周面との間にクリアランスを設けることが望ましい。さらに、リング状吸収体の内周面をハウジングの開放端に向かって拡開するようなテーパ状に形成すると好適である。このように構成することにより、リング状吸収体の内周面と軸の外周面との間に内側へ向かう楔状の空間が形成され、その空間に存在する磁性流体が毛細管現象で内側（楔の奥側）に吸い寄せられる。
【００１０】
リング状吸収体のさらに開放端側に、円筒状の周面に螺旋状をなす溝を有する流体戻し部材を配置して軸の回転方向に沿って溝がハウジングの内側へ向かうように構成すると、磁性流体の漏出をより効果的に防止することができる。流体戻し部材は軸に固定してもハウジングの内周面に固定しても良い。また、流体戻し部材のさらに開放端側に、磁性流体の外部への漏出を阻止するシール部材を設けるとさらに効果的である。シール部材は、軸に固定しても良いが、シール部材をハウジングの内周面に固定するとともに、流体戻し部材を軸に固定することで、軸の抜け止が構成される。なお、流体戻し部材を設けずにシール部材のみを設けることも可能である。
【００１１】
以上の構成は、ハウジングの一端が閉塞されている場合は勿論のこと、ハウジングの両端が開放されている場合にも適用することができる。ハウジングの一端が閉塞されている場合には、閉塞部に軸の端面と接触するスラスト受を設けることができる。ただし、たとえば画像形成装置のポリゴンミラー駆動用のモータなどに本発明を適用する場合には、軸に設けたロータと、モータハウジングのステータとの間の磁力により軸がスラスト方向に保持されるので、スラスト受が不要になることがある。なお、ハウジングの両端が開放されている場合には、リング状吸収体をハウジングの両側に設ける必要がある。
【００１２】
さらに、上記した全ての構成に加えて、多孔質含油軸受の内周面に動圧発生用の溝を設けることもできる。たとえば、多孔質含油軸受の内周面に、軸方向と平行な複数の溝を円周方向に等間隔に形成することができる。これにより、軸が回転すると、溝の内部の磁性流体が軸との摺接部に引き込まれる際に半径方向へ向かう圧力が生じ、この圧力によって軸は多孔質含油軸受の中央に配置される。よって、軸の回転精度が大幅に向上するとともに、軸が高速で回転しても摺接部での油膜の破れが効果的に防止されるので、摩擦抵抗の増大は生じない。
【００１３】
【発明の実施の形態】
Ａ．第１実施形態
以下、図１を参照して本発明の第１実施形態を説明する。図１は第１実施形態の磁性流体含有軸受ユニットを示す縦断面図である。図中符号１はハウジングであり、ハウジング１は円筒状をなすハウジング本体２の一端部にフランジ部３を形成して構成されている。ハウジング１の内周面には、永久磁石（磁石）４が圧入あるいは焼嵌めなどの適当な方法により固定されている。永久磁石４は、その磁力線が軸方向へ向くように着磁されている。永久磁石４の両側には多孔質含油軸受５が固定され、多孔質含油軸受５・５の内周面には、一端部をハウジング１から突出させた軸６が回転自在に支持されるようになっている。多孔質含油軸受５は焼結合金によって構成され、その内部には、磁性流体が含浸させられている。磁性流体は、潤滑油に磁性の超微粉を分散させて磁性を与えたものである。また、永久磁石４の内周面と軸６の外周面との間にはクリアランス４ａが設けられ、クリアランス４ａには適量の磁性流体が封入されている。
【００１４】
次に、ハウジング１のフランジ部３の開口部は蓋７で閉塞され、蓋７の内面にはスラスト受８が固定されている。また、ハウジング１の開放端側の内周面には、リング状吸収体９が多孔質含油軸受５の端面に密着して固定されている。リング状吸収体９は、例えば焼結合金により製造され、その気孔径は多孔質含油軸受５の気孔径よりも大きく設定されている。このリング状吸収体９は、ハウジング１の内周面に固定され、軸６の内周面との間にはクリアランス９ａが設けられている。なお、スラスト受８の内側の空間に磁性流体を封入することもでき、その場合に、上記したクリアランス４ａに磁性流体を封入しないでおくことも可能である。
【００１５】
上記構成の磁性流体含有軸受ユニットに軸６を挿入すると、永久磁石４→多孔質含油軸受５→軸６→多孔質含油軸受５→永久磁石４という閉磁路が構成され、軸６が磁化される。また、軸６が回転することによるポンプ作用と発熱した磁性流体の熱膨張により、軸との摺接部に多孔質含油軸受の内部から油が浸出するとともに、軸６の磁力によっても多孔質含油軸受５から磁性流体が引き出され、多孔質含油軸受５の内周面と軸６の外周面との間の摺接部に磁性流体が保持される。
【００１６】
軸６が比較的低速で回転する場合（たとえば１００００ｒｐｍ以下）には、磁性流体が磁化されているために軸６に吸引され、遠心力が作用しても飛散することはない。一方、軸６が高速で回転する場合（１００００ｒｐｍ以上）には、磁性流体の昇温による体積膨張によって磁性流体が摺接部から浸出したり、さらには、磁性流体に作用する遠心力が磁力に打ち勝って飛散しようとする。しかしながら、上記構成の磁性流体含有軸受ユニットでは、多孔質含油軸受５の端面にリング状吸収体９を密着させているので、摺接部から浸出した磁性流体はリング状吸収体９に吸収される。したがって、磁性流体のハウジング１からの漏洩が防止される。
【００１７】
一方、軸６の回転速度が遅くなったり停止した場合には、磁性流体の温度が下がって体積が縮小する。この場合、多孔質含油軸受５の気孔径がリング状吸収体９の気孔径よりも小さいため、毛細管現象によりリング状吸収体９に含有された磁性流体が多孔質含油軸受５に吸収される。したがって、多孔質含油軸受５には常に適量の磁性流体が含有され、摺接部の潤滑が確実に行われるとともに、リング状吸収体９からの磁性流体の漏洩も防止される。
【００１８】
このように、上記構成の磁性流体含有軸受ユニットにおいては、摺接部に磁性流体が保持されるので、軸６が高速で回転しても油膜が破れることによる摩擦抵抗の増大は生じない。しかも、軸６の回転速度の変化に応じて磁性流体が多孔質含油軸受５とリング状吸収体９との間で循環するので、摺接部に充分な磁性流体を供給することができるとともに、磁性流体の漏洩を確実に防止することができる。
特に、上記第１実施形態では、永久磁石４と軸６との間にクリアランス４ａを設けてそこに磁性流体を封入しているので、多孔質含油軸受５に磁性流体が補充され、摺接部に供給する磁性流体の量が確保されるという利点がある。なお、この効果は、スラスト受８の内側に磁性流体を封入するとさらに高められる。
【００１９】
Ｂ．第２実施形態
次に、図２を参照して本発明の第２実施形態について説明する。なお、以下の説明においては、第１実施形態と同等の構成要素には同符号を付してその説明を省略する。図２に示すように、リング状吸収体９のさらに開放端側にはスクリューリング（流体戻し部材）１０が配置されている。スクリューリング１０は、その外周面に複数の螺旋状の溝１０ａを形成したもので、軸６の外周面に固定されてハウジング１との間に適当なクリアランスが設けられている。溝１０ａの螺旋の方向は、軸６の回転方向に沿って螺旋が内側（図中右側）へ進む方向とされている。
【００２０】
このような磁性流体含有軸受ユニットにおいては、仮に、リング状吸収体９から磁性流体が漏洩した場合であっても、磁性流体は螺旋をなす溝１０に沿って内側へと押し戻される。したがって、磁性流体のハウジング１からの漏洩をより確実に防止することができる。なお、図２中二点鎖線で示すように、スクリューリング１０のさらに開放端側に、リング状のオイルシール（シール部材）１１を設ければさらに効果的である。この場合、オイルシール１１は、軸６に固定することもできるが、ハウジング１に固定すれば軸６の抜け止めとなって使い勝手が良い。
【００２１】
Ｃ．第３実施形態
次に、図３は本発明の第３実施形態を示す図であり、軸２０をハウジング２１の両端部から突出させた例を示すものである。図においてハウジング２１は円筒状をなし、ハウジング２１には、前記実施形態と同等の永久磁石２２と多孔質含油軸受２３・２３とが固定されている。この実施形態では、ハウジング２１の両端部が開放されているため、各多孔質含油軸受２３の開放端側にリング状吸収体２４が密着して配置されている。
【００２２】
上記構成の磁性流体含有軸受ユニットにおいても前記第１実施形態と同等の作用、効果を得ることができる。また、図３に示すように、リング状吸収体２４のさらに開放端側にスクリューリング２５を設けることもでき、スクリューリング２５のさらに開放端側にオイルシール２６を設けることもできる。この場合には、第２実施形態と同等の作用、効果を得ることができる。
なお、スクリューリング２５とオイルシール２６のいずれか一方を設けることも可能であり、さらに、図４に示すように、ハウジング２１の内周面に、内周面に螺旋状の複数の溝２７ａを形成したスクリューリング２７を固定することもできる。この場合も、各スクリューリング２７の溝２７ａの螺旋の方向は、軸２０の回転方向に沿って螺旋が内側（中央側）へ進む方向とされる。このようなスクリューリング２７は、第２実施形態にも使用することができる。
【００２３】
Ｄ．第４実施形態
次に、図５は本発明の第４実施形態を示す図である。この磁性流体含有軸受ユニットは、図１のものとほぼ同等の構成であるが、永久磁石４に代えてスペーサ３０を設けた点と、リング状吸収体９の開放端側にこれと密着する永久磁石３１を設けた点が異なっている。このような磁性流体含有軸受ユニットにおいては、リング状吸収体９から磁性流体が漏洩した場合に永久磁石３１に吸着されるから、磁性流体のハウジング１からの漏洩を確実に防止することができる。
【００２４】
なお、第４実施形態のように、リング状吸収体の開放端側に永久磁石を配置する構成は第１〜第３の全ての実施形態に適用可能である。また、第４実施形態に、第２、第３実施形態のスクリューリング２５，２７やオイルシール２６を設けることも可能であり、スペーサ３０と軸６との間のクリアランスやスラスト受８の内側に磁性流体を封入することもできる。
【００２５】
Ｅ．変更例
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、以下のように種々の変更が可能である。
▲１▼永久磁石の着磁方向は、軸方向に限らず半径方向であっても良い。
▲２▼永久磁石と多孔質含油軸受とを軸方向に並設しているが、永久磁石の内周面に、多孔質含油軸受を軸方向へ互いに離間して固定しても良い。
▲３▼永久磁石の内周面に、多孔質含油軸受とリング状吸収体とを固定しても良い。▲４▼多孔質含油軸受は１個であっても良く、３個またはそれ以上設けることもできる。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の磁性流体含有軸受ユニットにおいては、軸が高速で回転しても油膜が破れることによる摩擦抵抗の増大がなく、回転精度も要求を充分に満足するものとなる。しかも、多孔質含油軸受とリング状吸収体との間で磁性流体が循環するので、磁性流体のハウジングからの漏洩を確実に防止することができる。よって、潤滑油の漏洩が許されない高速回転、高精度の機器に使用して十分に満足した性能を発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の磁性流体含有軸受ユニットを示す縦断面図である。
【図２】本発明の第２実施形態の磁性流体含有軸受ユニットを示す縦断面図である。
【図３】本発明の第３実施形態の磁性流体含有軸受ユニットを示す縦断面図である。
【図４】本発明の第３実施形態の変更例を示す縦断面図である。
【図５】本発明の第４実施形態の磁性流体含有軸受ユニットを示す縦断面図である。
【符号の説明】
１…ハウジング、４…永久磁石（磁石）、４ａ…クリアランス、
５…多孔質含油軸受、６…軸、９…リング状吸収体。

Claims (4)

1. 両端部のうち少なくとも一方が開放されたハウジングの内周に、磁石と、軸を回転自在に支持するように磁性流体を含有した多孔質含油軸受とを配置し、上記ハウジングの開放端側に、上記多孔質含油軸受よりも気孔径の大きい多孔質のリング状吸収体を、上記多孔質含油軸受の端面に接触させて配置し、さらに、上記リング状吸収体のさらに上記開放端側に、円筒状の周面に螺旋状をなす溝を有する流体戻し部材を配置して上記軸の回転方向に沿って上記溝が上記ハウジングの内側へ向かうように構成したことを特徴とする磁性流体含有軸受ユニット。
2. 前記磁石を前記リング状吸収体よりもさらに前記開放端側に配置したことを特徴とする請求項１に記載の磁性流体含有軸受ユニット。
3. 複数の前記多孔質含油軸受を軸方向に互いに離間して配置し、上記多孔質含油軸受どうしの間に磁石を配置し、この磁石の内径寸法を前記多孔質含油軸受の内径寸法よりも大きくし、上記磁石の内周面と上記軸の外周面との間に磁性流体を封入したことを特徴とする請求項１に記載の磁性流体含有軸受ユニット。
4. 前記リング状吸収体のさらに前記開放端側に、前記磁性流体の外部への漏出を阻止するシール部材を設けたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の磁性流体含有軸受ユニット。

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