JP7269047B2 - 磁気粘性流体装置の回転軸のシール構造 - Google Patents

Description

本発明は、互いに回転可能に設けられた部材間に磁気粘性流体を介在させ、当該磁気粘性流体に付与する磁場の強さを変えることにより、部材間で伝達されるトルクを変えることができる磁気粘性流体装置における回転軸のシール構造に関する。

この種の回転軸のシール構造は、特許文献１の図４や、特許文献２の図１に開示されている。特許文献１および特許文献２に開示されている回転軸のシール構造では、内部に封入された磁気粘性流体が回転軸と軸穴との隙間から外部に漏出しないように、環状のシール部材を用いて当該隙間がシールされている。

特開２０１７－０７６２０９号公報 特開２０１９－０１１７８８号公報

ところで、磁気粘性流体装置の内部に封入された磁気粘性流体が回転軸と軸穴との隙間から漏出することを防止するためには、シール部材が回転軸と軸穴に対して十分な力で押圧されるよう、シール部材の断面変形量（Ｏリングの場合はつぶし代）を設定することが必要となる。設計者は、通常、そうなるように、シール部材の断面寸法と、シール部材を嵌め付けるスペースの径方向寸法とを選定する。

しかし、磁気粘性流体が漏れないように、シール部材の断面変形量を設定した場合、回転軸の回転抵抗が大きくなってしまう。一方、シール部材の断面変形量を小さく設定すると、回転軸の回転抵抗は小さくなるものの、装置の内部に封入された磁気粘性流体が回転軸と軸穴との隙間から漏出する可能性が高くなる。

本発明は、上記課題に鑑みて創案されたものであり、回転軸の回転抵抗を抑えながら、回転軸と軸穴との隙間から磁気粘性流体が漏出する可能性を低くすることができる、磁気粘性流体装置の回転軸のシール構造を提供することを目的とする。

本発明に係る磁気粘性流体装置の回転軸のシール構造は、回転軸と、前記回転軸が挿入された軸穴と、前記回転軸および前記軸穴の双方に対して回転可能に、前記回転軸と前記軸穴との間に挿入された中間部材と、前記回転軸と前記中間部材との隙間をシールする内側シール部材と、前記中間部材と前記軸穴との隙間をシールする外側シール部材と、を備える。

前記回転軸が前記軸穴に対して回転するとき、前記中間部材が前記回転軸よりも低い回転速度で前記軸穴に対して回転するように、前記内側シール部材および前記外側シール部材の断面変形量がそれぞれ設定されている、ことが好ましい。

例えば、前記内側シール部材は、前記回転軸の外周部又は前記中間部材の内周部に形成された環状溝に嵌め込まれており、外側シール部材は、前記中間部材の外周部又は前記軸穴の内周部に形成された環状溝に嵌め込まれている。

前記回転軸の外周部又は前記中間部材の内周部にグリスを充填した環状溝が形成されていてもよい。

前記中間部材の外周部又は前記軸穴の内周部にグリスを充填した環状溝が形成されていてもよい。

本発明によれば、回転軸の回転抵抗を抑えながら、回転軸と軸穴との隙間から磁気粘性流体が漏出する可能性を低くすることができる。

本発明の実施形態に係る磁気粘性流体装置の回転軸のシール構造を示す断面図である。 本発明の実施形態の変形例に係る磁気粘性流体装置の回転軸のシール構造を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態に係る磁気粘性流体装置の回転軸のシール構造について、図面を参照しつつ説明する。

磁気粘性流体装置は、互いに回転可能に設けられた部材間に磁気粘性流体を介在させ、当該磁気粘性流体に付与する磁場の強さを変えることにより、部材間で伝達されるトルクを変えるものであればよい。

本実施形態に係る磁気粘性流体装置１は、図１に示すように、回転軸２、円板３、第１ヨーク４、第２ヨーク５、コイル６、中間部材７、ケーシング８、磁気粘性流体９等で構成されている。

回転軸２は、その端部が円板３の中心部に垂直に接続されている。回転軸２はベアリング１１を介して第２ヨーク５に設けられた軸穴１２に対して回転自在に支持されている。なお、回転軸２には非磁性体が用いられることが望ましい。また、ベアリング１１には、転がり軸受又は滑り軸受が採用される。

円板３は、ケーシング８、第１ヨーク４、第２ヨーク５等に対して回転する。円板３は、回転軸２と一体に設けられている。円板３は、例えば、磁性体を用いて構成される。

第１ヨーク４は、磁性体で構成され、円板３の表面３ｂに対して微小隙間を介して対向する対向面４ａを有する円板状のものに形成されている。この第１ヨーク４は、円筒状のケーシング８に嵌め込まれて固定されている。

第２ヨーク５は、磁性体で構成され、円板３の裏面３ａに対して微小隙間を介して対向する対向面５ａを有する。この第２ヨーク５は、中央に軸穴１２を有している。軸穴１２には、後述する円筒状の中間部材７が挿入されている。更に中間部材７には、回転軸２が挿通されている。また、第２ヨーク５には、コイル６を配設するための環状の溝１３が形成されている。第２ヨーク５は、円筒状のケーシング８の内側に嵌め込まれて固定されている。

符号１４は、非磁性体からなる球体であり、第１ヨーク４の中心に形成された凹部と、回転軸２の端面の中心に形成された凹部とで形成されるスペースに収容されている。この球体１４は、第１ヨーク４と円板３との隙間の設定を容易にするためのものであり、球体１４の直径によって、当該隙間が定まる。

コイル６は、第２ヨーク５に形成された溝１３に沿って配設されている。このコイル６には、図外の給電装置から電流が供給される。

中間部材７は、円筒状の部材であり、回転軸２と軸穴１２との間に挿入されている。中間部材７と回転軸２との間には僅かな隙間が確保されている。また、中間部材７と軸穴１２との間にも僅かな隙間が確保されている。したがって、中間部材７は、回転軸２および軸穴１２の双方に対して回転可能である。

中間部材７と回転軸２との間には、中間部材７と回転軸２との隙間をシールするシール部材１６（以下「内側シール部材１６」ともいう。）が設けられている。また、中間部材７と軸穴１２との間には、中間部材７と軸穴１２との隙間をシールするシール部材１７（以下「外側シール部材１７」ともいう。）が設けられている。内側シール部材１６は、回転軸２の外周部に形成された内側環状溝１８に嵌め込まれており、外側シール部材１７は、中間部材７の外周部に形成された外側環状溝１９に嵌め込まれている。本実施形態では、内側シール部材１６および外側シール部材１７としてＯリングが用いられているが、Ｏリングに代えて他のシール部材、例えば、各種断面形状の環状パッキン、オイルシールなどを用いてもよい。なお、本実施形態では、内側シール部材１６および外側シール部材１７は、それぞれ３本ずつ設けられているが、本数はこれに限定されず、１本、２本又は４本以上であってもよい。また、内側シール部材１６と外側シール部材１７の本数が互いに異なっていてもよい。

磁気粘性流体９は、円板３と、第１ヨーク４および第２ヨーク５との隙間に封入されている。この磁気粘性流体９は、磁性粒子を分散媒に分散させてなる液体であり、例えば、その磁性粒子がナノサイズの金属粒子（金属ナノ粒子）からなるものが使用できる。磁性粒子は磁化可能な金属材料からなり、金属材料に特に制限はないが軟磁性材料が好ましい。軟磁性材料としては、例えば鉄、コバルト、ニッケルおよびパーマロイ等の合金が挙げられる。分散媒は、特に限定されるものではないが、一例として疎水性のシリコーンオイルを挙げることができる。磁気粘性流体における磁性粒子の配合量は、例えば３～４０ｖｏｌ％とすればよい。磁気粘性流体にはまた、所望の各種特性を得るために、各種の添加剤を添加することも可能である。

上記構成を備える磁気粘性流体装置１において、コイル６に電流が印加されると、例えば矢印Ｐに示す方向に沿って円板３、第１ヨーク４、第２ヨーク５内に磁路が形成される。この磁路は、円板３の表面３ｂと第１ヨーク４の対向面４ａとの隙間や、円板３の裏面３ａと第２ヨーク５の対向面５ａとの隙間に介在する磁気粘性流体９を貫通する。これにより、当該磁気粘性流体９には、磁場の強さに応じた粘度（ずり応力）が発現し、円板３とヨーク４，５との間での伝達トルクが磁場の強さに応じて大きくなる。その結果、回転軸２の制動力もコイル６に印加される電流の強さに応じて大きくなる。

本実施形態における磁気粘性流体装置１の回転軸２のシール構造は、既述した回転軸２、中間部材７、軸穴１２、内側シール部材１６、外側シール部材１７等で構成されている。そして、回転軸２が軸穴１２に対して、所定の回転速度又は任意の回転速度で、回転するとき、中間部材７が軸穴１２に対して回転軸２よりも低い回転速度で回転するように、内側シール部材１６および外側シール部材１７の断面変形量（つぶし代）がそれぞれ設定されている。このため、各シール部材１６，１７がその内径側の部材又は外径側の部材と摺動する速度を低く抑えることができる。例えば、回転軸２が軸穴１２に対して、１００ｒｐｍの回転速度で回転し、中間部材７が軸穴１２に対して回転軸２よりも低い回転速度（例えば４０ｒｐｍ）で回転する場合は、内側シール部材１６の内径側部材（回転軸２）と外径側部材（中間部材７）との相対回転速度は、４０ｒｐｍとなる。また、外側シール部材１７の内径側部材（中間部材７）と外径側部材（軸穴１２）との相対回転速度は、６０ｒｐｍとなる。従来例に係る磁気粘性流体装置の場合、回転軸が軸穴に対して１００ｒｐｍの回転速度で回転する場合、シール部材の内径側部材と外径側部材との相対回転速度も１００ｒｐｍとなる。

一般的に、シール部材の内径側部材と外径側部材との相対回転速度が高くなるにつれて、シール機能が低下し、磁気粘性流体の漏れが生じ易くなる。本実施形態に係る回転軸のシール構造によれば、当該相対回転速度を低く抑えることができるため、各シール部材１６，１７の断面変形量（つぶし代）を大きくすることなく、磁気粘性流体の漏れを抑制することができる。また、各シール部材１６，１７の断面変形量を大きくせずに済むことから、回転軸２の回転抵抗を抑えることもできる。このことは、コイル６に電流を印加していない状態での回転軸２の回転抵抗（所謂「基底トルク」）を抑えることにも繋がる。

また、本実施形態に係る回転軸のシール構造によれば、シール部材の内径側部材と外径側部材との相対回転速度を低く抑えることができるので、各シール部材１６，１７の劣化を遅らせることができる。換言すれば、各シール部材１６，１７の耐久性が向上する。

＜変形例＞
既述した実施形態では、内側シール部材１６および外側シール部材１７をそれぞれ複数列設けていたが、そのうちの一部のシール部材を取り除き、取り除いたシール部材が嵌め付けられていた内側環状溝１８及び／又は外側環状溝１９にグリスのみを充填するようにしてもよい。但し、グリスのみを充填する環状溝は、磁気粘性流体９に最も近い環状溝とは異なる環状溝であることが望ましい。このようにすることで、磁気粘性流体の漏れを防止しつつ、回転軸２の回転抵抗を抑制することができる。この場合の一例を図２に示す。同図に示す磁気粘性流体装置１では、回転軸２と中間部材７との間において、グリスを充填した環状溝２０が回転軸２の外周部に形成されている。また、中間部材７と軸穴１２との間において、グリスを充填した環状溝２１が中間部材７の外周部に形成されている。

本発明は、例えば、互いに回転可能に設けられた部材間に磁気粘性流体を介在させ、当該磁気粘性流体に付与する磁場の強さを変えることにより、部材間で伝達されるトルクを変えることができる磁気粘性流体装置に適用することが可能である。

１ 磁気粘性流体装置
２ 回転軸
７ 中間部材
９ 磁気粘性流体
１２ 軸穴
１６ 内側シール部材
１７ 外側シール部材
２０ 環状溝
２１ 環状溝

Claims (5)

1. 回転軸と、
   前記回転軸が挿入された軸穴と、
   前記回転軸および前記軸穴の双方に対して回転可能に、前記回転軸と前記軸穴との間に挿入された中間部材と、
   前記回転軸と前記中間部材との隙間をシールする内側シール部材と、
   前記中間部材と前記軸穴との隙間をシールする外側シール部材と、
   を備え、
   前記回転軸の外周部又は前記中間部材の内周部にグリスを充填した環状溝が形成されている、
   ことを特徴とする磁気粘性流体装置の回転軸のシール構造。
2. 回転軸と、
   前記回転軸が挿入された軸穴と、
   前記回転軸および前記軸穴の双方に対して回転可能に、前記回転軸と前記軸穴との間に挿入された中間部材と、
   前記回転軸と前記中間部材との隙間をシールする内側シール部材と、
   前記中間部材と前記軸穴との隙間をシールする外側シール部材と、
   を備え、
   前記中間部材の外周部又は前記軸穴の内周部にグリスを充填した環状溝が形成されている、
   ことを特徴とする磁気粘性流体装置の回転軸のシール構造。
3. 請求項１又は２に記載の磁気粘性流体装置の回転軸のシール構造において、
   前記内側シール部材は、前記回転軸の外周部又は前記中間部材の内周部に形成された環状溝に嵌め込まれており、外側シール部材は、前記中間部材の外周部又は前記軸穴の内周部に形成された環状溝に嵌め込まれている、
   ことを特徴とする磁気粘性流体装置の回転軸のシール構造。
4. 回転軸と、
   前記回転軸が挿入された軸穴と、
   前記回転軸および前記軸穴の双方に対して回転可能に、前記回転軸と前記軸穴との間に挿入された中間部材と、
   前記回転軸と前記中間部材との隙間をシールする内側シール部材と、
   前記中間部材と前記軸穴との隙間をシールする外側シール部材と、
   を備え、
   前記中間部材の内周部又は外周部には、前記内側シール部材あるいは前記外側シール部材を嵌め込むための環状溝が形成されている、
   ことを特徴とする磁気粘性流体装置の回転軸のシール構造。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の磁気粘性流体装置の回転軸のシール構造において、
   前記回転軸が前記軸穴に対して回転するとき、前記中間部材が前記回転軸よりも低い回転速度で前記軸穴に対して回転するように、前記内側シール部材および前記外側シール部材の断面変形量がそれぞれ設定されている、
   ことを特徴とする磁気粘性流体装置の回転軸のシール構造。
   

Images