JP6737660B2 - 磁性流体シール付き軸受ユニット、及び、そのような軸受ユニットを備えた駆動モータ - Google Patents
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Description
本発明は、回転軸を回転自在に支持すると共に、内部に埃や水分などの異物が侵入しないようにする磁性流体シール付き軸受ユニット、及び、そのような軸受ユニットを備えた駆動モータに関する。
一般的に、各種の駆動力伝達機構に設置される回転軸部分や駆動モータの回転軸（出力軸）部分には、軸受が配設されている。通常、軸受は、内輪と外輪との間に周方向に沿って複数の転動体（転がり部材）を収容した、いわゆるボールベアリング（玉軸受）を用いることが多く、このようなタイプの軸受を用いることで、回転軸の回転性能の向上を図っている。
ところで、上記したタイプの軸受については、内部に埃、水分等の異物の侵入を防止するために、例えば、特許文献１に開示されているように、磁性流体シール機構を組み込んだ構成（磁性流体シール付き軸受）が知られている。この軸受に組み込まれている磁性流体シール機構は、内輪側の外周面または外輪側の内周面を固定側としてリング状の磁石を装着して磁気回路を形成し、反対側の隙間（外輪側の内周面の隙間または内輪側の外周面の隙間）に磁性流体を保持することで転動体に異物が侵入しないように構成されている。
また、磁気シール機構については、軸受そのものに組み込むのではなく、回転軸とフレームなどの筐体部分との間に配設される軸受を保護するように配設することも知られている。例えば、特許文献２には、電動リールの駆動モータのフレーム（ハウジング）と駆動軸との間に配設される軸受に対して、フレームにフランジ部を一体形成し、そのフランジ部分に、駆動軸との間に磁性流体を保持する磁気シール機構を配設することで、軸受に異物が侵入しないように構成した駆動モータが開示されている。
上記したような磁性流体シール付き軸受は、磁石によって形成される磁気回路によって磁性流体を保持する構成であることから、その取扱いや、回転軸部分への組み込み作業には注意が必要となる。例えば、金属製の作業台など磁性を有する部分に磁性流体シール付き軸受を載置すると磁気回路が影響を受けて磁性流体が流れ出てしまう可能性がある。このため、磁性流体シール付き軸受を回転軸部分に組み込んだ後に磁性流体を注入することも考えられるが、組み込み作業性が悪くなる。
また、特許文献２に開示されているように、駆動モータの軸受と隣接して磁気シール機構を駆動モータのフレームに配設すると、磁気シール機構の磁石によって形成される磁気回路が磁性材で形成されるフレームの影響を受けてしまい安定しなくなる。すなわち、磁性流体を所定の隙間部分に安定して保持するためには、磁気回路は安定して形成されていることが好ましい。
本発明は、上記した問題に着目してなされたものであり、取扱い性及び回転軸部分への組み込み作業性が良く、安定したシール機能が発揮される磁性流体シール付き軸受ユニットを提供することを目的とする。また、本発明は、安定した磁気回路を形成することが可能な磁性流体シール付き軸受ユニットが組み込まれた駆動モータを提供することを目的とする。
上記した目的を達成するために、本発明に係る磁性流体シール付き軸受ユニットは、磁性材で形成された内輪及び外輪と、前記内輪と外輪との間に介装された複数の転動体と、前記内輪と外輪との間に配設され、前記複数の転動体側への異物の侵入を阻止する磁気シール機構と、前記内輪の内周面に対して全長に亘って嵌合、保持されると共に、少なくとも一方に、前記内輪から軸方向に突出して前記内輪の端面に当て付くフランジが形成された非磁性の内輪側支持部材と、前記外輪の外周面に対して全長に亘って嵌合、保持されると共に、少なくとも一方に、前記外輪から軸方向に突出して前記外輪の端面に当て付くフランジが形成された非磁性の外輪側支持部材と、を有すること特徴とする。
上記した構成の磁性流体シール付き軸受ユニットは、内外輪間に磁気シール機構が配設されて転動体がシールされている。前記内輪には、非磁性の内輪側支持部材が嵌合、保持されており、前記外輪には、非磁性の外輪側支持部材が嵌合、保持されているため、そのような軸受ユニットを回転軸とフレームとの間に装着すると、それぞれの支持部材によって、内輪及び外輪をフレームとの間で適度に離間させることができ、フレームによって磁気回路が影響を受けること（磁束漏れ等によって影響を受けること）が抑制される。この結果、磁気回路の性能が安定することから、磁性流体を安定して隙間に保持することが可能となる。また、そのような支持部材が、内輪側、及び、外輪側に嵌合、保持されて予めユニット化されているため、磁性流体を予め注入しておいても、取扱い時に磁性流体が散逸することを防止することが可能となり、更には、回転軸部分への装着性（組み込み性）が向上する。
また、上記した目的を達成するために、本発明に係る駆動モータは、ハウジングと、ハウジング内に収容される磁石と、磁石との間の電磁作用により回転駆動され、回転軸を装着したロータと、前記回転軸を回転可能に支持する軸受とを具備したモータ構成部品を有しており、前記軸受は、磁性材で形成された内輪及び外輪と、前記内輪と外輪との間に介装された複数の転動体と、前記内輪と外輪との間に配設され、前記複数の転動体側への異物の侵入を阻止する磁気シール機構と、を有し、前記外輪とモータ構成部品との間、及び、前記内輪とモータ構成部品との間には、非磁性の支持部材が配設されていることを特徴とする。
上記した駆動モータでは、磁気シール機構を組み込んだ軸受の外輪とモータ構成部品との間、及び、内輪とモータ構成部品との間に、非磁性の支持部材を配設しているため、内輪及び外輪をモータ構成部品との間で適度に離間させることができ、モータ構成部品によって磁気回路が影響を受けることが抑制される。この結果、磁気回路の性能が安定することから、磁性流体を安定して隙間に保持することが可能となる。
なお、上記した磁気シール機構については、軸受を構成する転動体の両側に設置されていても良いし、一方側のみに設置されたものであっても良い。さらに、磁気シール機構を構成する磁石（磁石を保持する保持板）については、外輪側に固定されていても良いし、内輪側に固定されていても良い。
本発明によれば、取扱い性及び回転軸部分への組み込み作業性が良く、安定したシール機能が発揮される磁性流体シール付き軸受ユニットが得られる。また、本発明によれば、
安定した磁気回路を形成することが可能な磁性流体シール付き軸受ユニットが組み込まれた駆動モータが得られる。
安定した磁気回路を形成することが可能な磁性流体シール付き軸受ユニットが組み込まれた駆動モータが得られる。
図１から図３は、本発明に係る磁性流体シール付き軸受ユニットの一実施形態を示す図であり、図１は、中央断面図、図２は、図１に示す磁性流体シール付き軸受ユニットの分解斜視図、そして、図３は、図２に示す磁性流体シール付き軸受ユニットの軸受部分を分解した斜視図である。
本実施形態に係る磁性流体シール付き軸受ユニット（以下、軸受ユニットとも称する）１は、円筒状の内輪３と、これを囲繞する円筒状の外輪５と、前記内輪３と外輪５との間に介装される複数の転動体（転がり部材）７とを備えている。前記転動体７は、環状に形成されたリテーナ（保持器）８に保持されており、内輪３と外輪５を相対的に回転可能としている。
前記内輪３、外輪５及び転動体７は、磁性を有する材料、例えばクロム系ステンレス（ＳＵＳ４４０Ｃ）によって形成されており、前記リテーナ８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７については、必ずしも磁性体である必要はない。また、本実施形態の内輪３及び外輪５は、軸方向（軸受の軸芯方向）Ｘにおける長さが同一（略同一であっても良い）となるように構成されているが、外輪５を内輪３よりも軸方向に長く形成しても良いし、内輪３を外輪５よりも軸方向に長く形成しても良く、この長くなった部分を利用して以下の磁気シール機構を設けても良い。
前記内輪３と外輪５の開口側には、前記複数の転動体側への異物の侵入を阻止する磁気シール機構（磁性流体シール）１０が設置されている。なお、本実施形態では、前記内輪３と外輪５の両側の開口に、同じ構成の磁気シール機構１０が配設されているが、このような磁気シール機構は、片方の開口のみに配設されていても良く、両開口側で異なる構成となっていても良い。
前記磁気シール機構１０は、リング状に構成された磁石（以下、磁石とも称する）１２と、この磁石１２を軸方向内側面に取着するリング状の極板（以下、極板とも称する）１４と、前記磁石１２によって形成される磁気回路に保持される磁性流体１６と、を有しており、本実施形態では、磁石１２及び極板１４は、外輪５の内周面を固定側として、内輪３の外周面との間に所定の隙間を形成している。すなわち、内輪３の外周面と、磁石及び極板１４との間に所定の隙間を形成し、この隙間部分に磁性流体１６を充填することで、前記転動体７内に異物が侵入しないようにシールする機能を有している。
前記磁石１２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、予め軸方向（軸受の軸芯方向）Ｘに磁極（Ｓ極、Ｎ極）が向くように着磁されている（図１では、左側の磁気シール機構の磁石について着磁の態様を図示する）。また、磁石１２の軸方向外側面には、前記極板１４が接するように配設される。極板１４は、前記磁石１２と略同一のリング状の外観形状となっており、磁性を有する材料、例えばクロム系ステンレス（ＳＵＳ４４０Ｃ）によって形成されている。これにより、内輪３側には、図で示すような磁気回路Ｍ１が形成され、外輪５側には、図で示すような磁気回路Ｍ２が形成される。
前記磁気回路によって保持される磁性流体は、例えばＦｅ3Ｏ4のような磁性微粒子を、界面活性剤によりベースオイルに分散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。すなわち、内輪３との間の隙間部分に、そのような磁性流体を保持することによって隙間をシールし、内部に異物が侵入することを防止する機能を備えている。この場合、磁石１２による磁気回路は、上記したように外輪５側にも形成されていることから、磁性流体は、外輪５の内周面と磁石１２との間の微小な隙間内に充填しておいても良い。
本実施形態の外輪５には、転動体側の内周面に段差５ａが形成されており、この段差５ａにより、外輪５は、開口側が薄肉領域、転動体側が厚肉領域となって、軸方向の外側の内外輪間隔が内側よりも大きく形成されている。この段差５ａは、開口側から挿入（嵌入）して所定位置に装着される磁石１２（極板１４が取着された磁石１２；磁石とユニット化された極板）を当て付けて位置決め固定する機能を備えている。
前記極板１４は、内輪３の外周面との間に全周に亘って均等な隙間が生じるように磁石１２に対して取着されている。この場合、極板１４は、磁石１２の内輪側縁面よりも径方向内側に突出する大きさに形成されており、前記磁石１２は、極板１４に取着された状態で、内輪３の外周面との間で上記した隙間と略同程度の隙間が生じるように形成されている。前記磁性流体１６は、スポイト等の注入器具によって隙間に充填すると、磁気回路の磁力によって全周に亘って保持される。前記磁石１２と極板１４については、磁気吸着によって固定しても良いし、磁気吸着に加え接着剤を介在して固定しても良い。
前記内輪３には、円筒状で非磁性の内輪側支持部材３０が内嵌されるように配設されている。この円筒状の内輪側支持部材３０は、内輪３がフレーム（筐体、ケーシング等）に対して確実に適度な距離が保たれるように、内輪３から軸方向に突出した軸方向長さを有していることが好ましく、本実施形態では、内輪３の内周面に対して、全長に亘って嵌合、保持されて、その一端が内輪３の端部から突出する長さに形成されている。この場合、内輪側支持部材３０は、内輪に対して一体化されるように固着された状態で保持されていても良いし、両者が摺動できる程度に嵌合して保持されていても良い。また、内輪側支持部材３０は、両端が内輪３の端部から突出する長さに形成されていても良いし、図５に示すように、一端が内輪３の端部から突出し、他端が内輪の中央部分で終端するように形成されていても良い。すなわち、内輪側支持部材３０の嵌合長さについては、装着される部分（フレーム）の形態によって適宜変形することが可能である。なお、内輪側支持部材３０の形状については、円筒状に限定されることはなく、例えば、筒状に構成したり、内面を多角形状にする等、適宜変形することが可能である。
前記内輪側支持部材３０は、軸受ユニット１を回転軸部分に配設した際、上記したようにフレームとの間で適度な離間距離を維持することで、上記した磁気回路Ｍ１，Ｍ２を安定化させる機能を備えている。すなわち、内輪３がフレーム（磁性材）と直接、接した状態になると、磁気回路Ｍ１，Ｍ２に磁束漏れ等が生じて安定化しなくなり、これにより、磁性流体の保持状態も安定しなくなる可能性があるが、上記した内輪側支持部材３０を配設することで磁気回路を安定して維持することができ、安定したシール機能を発揮することが可能となる。また、このような内輪側支持部材３０が内輪３から軸方向に突出するように配設されることで、取扱い性の向上が図れると共に、磁性流体の散逸を防止することが可能となる。
また、前記外輪５にも、円筒状で非磁性の外輪側支持部材４０が外嵌するように配設されている。この円筒状の外輪側支持部材４０は、外輪５がフレーム（筐体、ケーシング等）に対して確実に適度な距離が保たれるように、外輪３から軸方向に突出した軸方向長さを有していることが好ましく、本実施形態では、外輪５の外周面に対して、全長に亘って嵌合、保持されて、その一端が外輪５の端部から突出する長さに形成されている。この場合、外輪側支持部材４０は、外輪に対して一体化されるように固着された状態で保持されていても良いし、両者が摺動できる程度に嵌合して保持されていても良い。また、外輪側支持部材４０は、両端が外輪５の端部から突出する長さに形成されていても良いし、図５に示すように、一端が外輪５の端部から突出し、他端が外輪の中央部分で終端するように形成されていても良い。すなわち、外輪側支持部材４０の嵌合長さについては、装着される部分（フレーム）の形態によって適宜変形することが可能である。なお、外輪側支持部材４０の形状については、円筒状に限定されることはなく、例えば、筒状に構成したり、外面を多角形状にする等、適宜変形することが可能である。
このような外輪側支持部材４０は、内輪側支持部材３０と同様、軸受ユニット１を回転軸部分に配設した際、上記したようにフレームとの間で、適度な離間距離を維持することで、上記した磁気回路Ｍ１，Ｍ２を安定化させる機能を備えている。すなわち、外輪５がフレーム（磁性材）と直接、接した状態になると、磁気回路Ｍ１，Ｍ２に磁束漏れ等が生じて安定化しなくなり、これにより、磁性流体の保持状態が安定しなくなる可能性があるが、上記した外輪側支持部材４０を配設することで磁気回路を安定して維持することができ、安定したシール機能を発揮することが可能となる。また、このような外輪側支持部材４０が外輪５から軸方向に突出するように配設されることで、取扱い性の向上が図れると共に、磁性流体の散逸を防止することが可能となる。
上記した内輪側支持部材３０及び外輪側支持部材４０は、突出端部に内輪及び外輪の端面に当て付くフランジ３０ａ，４０ａを形成しておくことが好ましい。このようなフランジ３０ａ，４０ａを形成することで、フレームに装着した際、内輪３及び外輪５がフレームに接することを確実に防止できるため、安定した磁気回路を維持し易くなる。また、このようなフランジが形成されていることで、他物の接触等によって磁性流体が散逸することが確実に防止でき、軸受ユニットとしての取扱い性や組み込み性の向上がより図れるようになる。更に、このようなフランジが形成されることで、内輪の内側、及び、外輪の外側に嵌合する際、位置決めされてその保持状態の安定化が図れる。
なお、上記したフランジ３０ａ，４０ａについては、いずれか一方のみに形成されたものであっても良い。また、その径方向長さについては、内輪３及び外輪５の端面がカバーできる程度あれば良いが、図１のフランジ４０ａのように、磁気シール機構を覆う程度の長さに形成されていても良い。このように、フランジが磁気シール機構を覆うような大きさに形成されることで、形成される磁気回路をより安定化させることが可能となる。
前記内輪側支持部材３０及び外輪側支持部材４０の肉厚Ｔについては、特に限定されることはないが、形成される磁気回路が影響を受けないように内外輪をフレームから適度に離間させる程度であれば良く、０．０５ｍｍ以上あれば良い。この場合、支持部材の肉厚が０．０５ｍｍ以上確保されていれば、毛管現象によって磁性流体が散逸されることも防止することも可能となる。また、肉厚Ｔについては、ある程度、大きくすることで、磁気を遮蔽する効果を奏することも可能となる。すなわち、駆動モータの回転軸部分に設置した場合、駆動モータの構成部品からの磁気が磁気シール機構に影響を与えることを防止できると共に、磁気シール機構の磁気を駆動モータの構成部品に影響を与えることを防止することが可能となる。
前記非磁性の内輪側支持部材３０及び外輪側支持部材４０については、アルミ、亜鉛のような金属材料で構成することが可能であるが、樹脂、ゴムなどの絶縁体で構成しても良い。このような絶縁体で構成することで、水分等が付着した際、電食等による腐食を効果的に抑制することが可能となる。なお、このような絶縁体については、いずれか一方の支持部材であっても良い。
次に、図４及び図５を参照して、上記した軸受ユニットと同様な構成の軸受ユニット１Ａを駆動モータ内に組み込んだ実施形態について説明する。
なお、以下に説明する実施形態では、前記実施形態と同様な構成については同一の参照符号を付し、詳細な説明については省略する。
なお、以下に説明する実施形態では、前記実施形態と同様な構成については同一の参照符号を付し、詳細な説明については省略する。
図４は、駆動モータの一構成例を示す概略斜視図であり、図５は、図４に示す駆動モータの概略を示した断面図である。
本実施形態の駆動モータ５０の構成部品は、ハウジング５１と、ハウジング５１内に収容される複数の棒状の磁石５２と、回転軸５３を装着し前記磁石５２との間の電磁作用により回転駆動されるロータ５５と、回転軸５３を回転可能に支持する軸受ユニット１Ａとを具備している。
本実施形態の駆動モータ５０の構成部品は、ハウジング５１と、ハウジング５１内に収容される複数の棒状の磁石５２と、回転軸５３を装着し前記磁石５２との間の電磁作用により回転駆動されるロータ５５と、回転軸５３を回転可能に支持する軸受ユニット１Ａとを具備している。
前記磁石５２はステータ５２Ａ（永久磁石型のステータ）としてハウジングの内面に装着されており、その内側にワイヤ（コイル）が巻回されたロータ５５が配設されている。ロータ５５の中心部には、回転軸５３が装着されており、前記磁石５２とロータ５５との電磁作用によってロータと共に回転軸５３が回転駆動される。
前記軸受ユニット１Ａは、回転軸５３を、ハウジング５１に対して回転可能となるようにモータ構成部品との間で支持しており、外輪とモータ構成部品との間、及び、内輪とモータ構成部品との間には、非磁性の支持部材４０Ａ，３０Ａが配設されている。具体的には、外輪５とハウジング５１との間、及び、内輪３と回転軸５３及びロータ５５との間には、非磁性の支持部材（外輪側支持部材４０Ａ及び内輪側支持部材３０Ａ）が配設されている。
前記外輪側支持部材４０Ａは、外輪５を直接、モータ構成部品であるハウジング５１と接触させない機能を有しており、上述した実施形態と同様、外輪５に対して嵌合、保持される円筒状に形成されている。また、前記内輪側支持部材３０は、内輪３を直接、モータ構成部品であるロータ５５と接触させない機能を有しており、上述した実施形態と同様、内輪３に対して嵌合、保持される円筒状に形成されている。すなわち、内輪３及び外輪５は、夫々の支持部材によって、モータ構成部品から適度な離間距離を維持して回転軸５３を回転可能に支持していることから、磁気シール機構１０の磁気回路がモータ構成部品によって影響を受けることは無く、安定したシール機能を発揮することが可能となる。
なお、外輪側支持部材４０Ａ及び内輪側支持部材３０Ａの形状、肉厚、軸方向長さ等の構成については、駆動モータの構成部品、各構成部品の形状、軸受ユニットの配設箇所等に応じて適宜変形することが可能である。また、各支持部材については、上述した実施形態と同様、絶縁体で構成しても良い。
このように、磁性流体シール付き軸受ユニットを組み込んだ駆動モータによれば、回転軸に配設される軸受部分の異物の侵入が確実に防止できると共に、安定したシール性能が得られるようになる。また、上述したように、予め磁性流体を充填しておく等、軸受ユニットの取扱いが容易であることから、ハウジング内部への組み込み作業が容易に行えるようになる。
上記したような駆動モータの構造（ステータ、ロータ、ハウジングなどの構造）については、各種、変形することが可能であり、それに応じて、軸受ユニットの支持部材の構成についても適宜変形することが可能である。例えば、ハウジングの内面側にコイルを装着し、ロータ側に磁石を装着したような形態でも良く、駆動モータの内部構造については、特定の形態に限定されることはない。また、上記した駆動モータについては、使用環境が厳しい状況で使用される装置、例えば、電動リール、無人航空機、電動自動車、空冷ファン等の駆動源として用いることが可能である。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記した実施形態に限定されることはなく、適宜変形することが可能である。
本発明は、磁気シール機構を組み込んだ軸受ユニットの外輪部分、及び、内輪部分に配設される支持部材に特徴があり、磁気シール機構については、内輪又は内輪との間の隙間に磁気回路を形成して磁性流体を保持し、内部へ異物が入り込まないように構成されたものであれば、その構成（磁石や極板の内地態様など）については限定されることはない。また、軸受ユニットとしては、外輪側支持部材、内輪側支持部材のいずれか一方のみが配設された構成であっても良い。さらに、軸受ユニットの保持状態は、外輪側支持部材と内輪側支持部材に磁気シール付き軸受をある程度の強い力で押し込む、つまり、圧入しての保持状態、磁気シール付き軸受をしっくり嵌合しての保持状態、磁気シール付き軸受を嵌合接着しての保持状態等、取り扱い可能なユニット状態に保持されていれば良く、ユニット保持方法は適宜設定される。
１，１Ａ 磁性流体シール付き軸受ユニット
３ 内輪
５ 外輪
７ 転動体
１０ 磁気シール機構
１２ 磁石
１４ 極板
１６ 磁性流体
３０，３０Ａ 内輪側支持部材
４０，４０Ａ 外輪側支持部材
５０ 駆動モータ
Ｍ１，Ｍ２ 磁気回路
３ 内輪
５ 外輪
７ 転動体
１０ 磁気シール機構
１２ 磁石
１４ 極板
１６ 磁性流体
３０，３０Ａ 内輪側支持部材
４０，４０Ａ 外輪側支持部材
５０ 駆動モータ
Ｍ１，Ｍ２ 磁気回路
Claims (3)
- ハウジングと、ハウジング内に収容される磁石と、磁石との間の電磁作用により回転駆動され、回転軸を装着したロータと、前記回転軸を回転可能に支持する軸受とを具備したモータ構成部品を有する駆動モータであって、
前記軸受は、磁性材で形成された内輪及び外輪と、前記内輪と外輪との間に介装された複数の転動体と、前記内輪と外輪との間に配設され、前記複数の転動体側への異物の侵入を阻止する磁気シール機構と、を有し、
前記外輪とモータ構成部品との間、及び、前記内輪とモータ構成部品との間には、非磁性の支持部材が配設されていることを特徴とする駆動モータ。 - 前記非磁性の支持部材は、樹脂又はゴムで構成されていることを特徴とする請求項１に記載の駆動モータ。
- 前記非磁性の支持部材は、前記軸受の外輪とハウジングとの間、及び、前記軸受の内輪とロータとの間に介在されるように、前記外輪及び内輪に対して嵌合、保持される円筒状に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の駆動モータ。
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