JPS5942185B2 - 磁性流体シ−ル装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、磁性流体を用いたシール乃至磁性流体シール
装置に関する。

磁性流体を用いたシールは従来より使用されており、圧
力差や方向に拘りなく気体や汚染物ｌこ対して確実な密
封障壁を提供することが知られている。

このような磁性流体シールは、多くの回転軸を備える装
置において、長寿命であること、確実性が高いこと、デ
ィスチャージが僅少であること、低廉であることなどの
利点を有する。

磁性流体シール装置の分野における開拓的仕事、特に多
段シールは、１９７１年１１月１６日付で発行された米
国特許第３，６２０，５８４号に開示されている。

さらに、１９７５年１１月４日付で発行された米国特許
第３，９１７，５３８号は、優れた磁気特性を有する磁
性流体（フェロフルイドとしても知られている）の新規
な組成物およびその製造方法を開示している。

磁性流体シールは、原理上、集束された放射状磁束線を
発生する磁石の存在下で回転表面と静止表面との間隙乃
至ギャップに磁性流体を適用することにより動作する。

しかして、磁束線は、磁性流体を回転軸の回りのギャッ
プに例えは流体の０輪をなすよ゛うに保持する。

磁性流体シールは、最近、コンピュータの磁気ディスク
記憶装置において、汚染物がディスク領域に達するのを
阻止するのにその用途が見出された。

コンピュータのディスク駆動装置では、普通、ディスク
駆動軸の回りに学課またはその他の粒子や蒸気が侵入す
るのを防ぐため、静置された非磁性ハウジングに納めら
れた磁性流体形式のシールモジュールが採用されている
。

コンピュータ用ディスク駆動装置に適用される場合、シ
ールモジュールは、軸方向に磁化された環状乃至リング
状の永久磁石、磁石を挾む１対の透磁性の磁極片および
磁性流体を含む。

普通シール装置は、シールの低強度磁界がディスクの記
憶情報に影響を与えるのを防ぐためディスク記憶装置か
ら磁気的は隔絶されている。

シール装置は、磁極片の内周端と軸表面との間にギャッ
プが形成されるようにディスクの回転軸のまわりに組立
てられる。

ギャップは０．１〜０．２ｍｍ（４−８ミル）である。

磁性流体が、流体の０輪シールを形成するようにギャッ
プに塗布あるいはその他の方法で被着され、そしてこの
シールが透磁性ディスク軸とともに閉じた磁束回路を形
成する。

現在のところ、たいていのコンピュータのディスク駆動
装置およびその他の応用分野において、磁石および磁極
片を収容したハウジングがユニットとして購入される。

しかしながら、使用者は、磁性流体を購入し、軸の回り
にシール装置を取り付けるときに磁性流体を被着しなけ
ればならない。

使用者による磁性流体の被着には、種々の困難な点があ
る。

流体は高価であり、小量の流体を得ることが難しいとき
もある。

他の流体と同様に、貯蔵中の漏洩を避けねばならない。

また、磁性流体の被着は、一定の熟練を必要とし、適正
量の磁性流体が被着されたかどうかを決定するのが難し
い。

それゆえ、磁性流体シールは自動作動性（自動的に作動
状態におくことができる）であること、すなわち組立て
る時点における磁性流体の添加に関連する問題を避は得
ることがもつとも望ましいであろう。

本発明は、シャフトのごとき可動部材とハウジングのご
とき静止部材間の改良された密封シール装置、かかるシ
ール装置を製造する方法、ならびにそれを使用する方法
に関する。

さらに詳しくいうと、本発明は、自動作動性で時間的に
制御される磁性流体ないしフェロフルイドシール装置、
その製造方法およびその使用法に関する。

さらに特定すると、自動作動性の磁性流体シール装置は
、コンピュータ用ディスク駆動装置に使用されるものと
して開示される。

本発明の自動作動性シールは、磁石、二つの磁極片およ
び磁性流体を含むモジュール中に透磁性のシャフトない
し類似の部材を挿入することにより形成される。

シールモジュールは、磁石および磁極片が互に流密関係
（流体を密封する状態）で固定され、シャフトまたは類
似の部材が挿入されるまで磁性流体を収容し得る空洞（
キャビティ）を形成するように構成される。

シャフトが挿入されると、磁場の分布が変更され、磁極
片とシャフトとの間の小ギャップを横切る磁束路が形成
される。

磁性流体は、０輪状の密封シールを形成するようにギャ
ップ中に、引き込まれる。

このような０輪状の密封シールは、コンピュータ用ディ
スクの記憶領域をスピンドルの内側から発する汚染物か
ら密封するのに特に有用である。

コンピュータ用磁気ディスク駆動装置のディスクは、最
高で６００ ＯＲＰＭの速度で回転し、読出し／書込ヘ
ッドから０．０００２５〜０．０００１３ｃｍ（０，０
００１０００ないし０．００００５０インチ）だけ離れ
ているから、極めて小さい粒子でさえも、ヘッドとディ
スクとの間にはさまれ、記憶情報が失なわれたり、部品
が破壊されたりすることがある。

このような応用において、本発明のモジュールは、駆動
手段と磁気ディスクとの間、詳しくいうと頂部軸受とデ
ィスクとの間に組付けられ、ディスク駆動シャフトの挿
入により作動化され得る。

作動化されると、磁石および磁極片は静止状態のまま保
たれるが、磁極片とシャフトとのギャップは磁性流体シ
ーラントで充たされ、ディスクおよびヘッドが動作しつ
る清浄な環境が形成される。

自動作動化シールの動作原理は、透磁性物質の存在によ
る磁界の変更、および磁界の変更の結果として生ずる磁
性流体の再配置に基づくものである。

他の透磁性物質の不存在の場合、磁石の一極から隣接す
る磁極片を経、キャビディを通り、他の磁極片を経て磁
石の他極に戻るような磁束を発生する。

理論上、磁石を取り巻く空間を通って多数の磁束路が存
在するが、実際には、主たる磁束路は磁気抵抗が最小と
なるような磁束路、すなわちキャビティを通る磁束路で
ある。

この状況の下で、キャビティ内の磁性流体はキャビティ
を出る勢力をもたず、そして実際に、流体は磁石の磁極
にもつとも近いキャビティの角部に吸引されることが分
った。

しかしながら、他の透磁性部材がモジュールに挿入され
ると、最小磁気抵抗の磁束路が変更される。

透磁性シャフトがモジュールに挿入されると、磁界およ
び磁束路は変更され、殆んど閉じた磁気回路すなわち磁
束路が磁極片およびシャフトにより形成される。

この状況の下で、磁性流体が磁極片とシャフトとの間隙
（ギャップ）に急速；こ引き込まれてそこに保持され、
ギャップを有効に密封する。

本発明は前記した従来技術の問題点を前記した原理に基
づき解決すべく成されたものであり、その目的とすると
ころは、使用者によって作動状態に容易且つ確実に組付
られ得るようにした磁性流体シール装置を提供すること
にある。

本発明によれば、この目的は、 高透磁性の可動部材のまわりに配置すべく構成された環
状の永久磁石部材と、 一端側が永久磁石部材の一方の磁極部に密着せしめられ
てＳり他端が可動部材の表面に近接して位置するように
構成された高透磁性の第一の環状磁極片と、 一端側が永久磁石部材の他方の磁極部に密着せしめられ
ており、永久磁石部材及び第一の磁極片と協働して可動
部材の表面に対問して開口する環状の空洞を形成すべく
他端が可動部材の表面に近□接して位置するように構成
された高透磁性の第二の環状磁極片と、 空洞の開口側において、第−及び第二の磁極片の前記他
端間に配置された非磁性のリング状部材とからなる磁性
流体シール装置であって、前記リング状部材は、 装置が可動部材に適用されていない場合磁性流体を前記
空洞内に保持し得るように構成されており、且つ 装置が可動部材に適用された場合空 から少なくとも一
方の磁極片の前記他端と可動部材との間隙への磁性流体
の移動を許容する第一の貫通孔部に加えて、装置が可動
部材に適用された場合リング状部材と可動部材との間の
空間から前記空洞内への気体の流入を許容する第２の貫
通孔部をその環状壁部に有している。

磁性流体シール装置によって達成される。

本発明の磁性流体シール装置としての自動作動化シール
装置の利点は、シャットの挿入に先立ちモジュールの磁
極片に磁性流体を塗布またはその他の方法で被着する骨
の折れる段階を除いた点にある。

使用者は、使用準備状態にある装置を購入すればよく、
使用者が磁性流体を取扱ったり、貯蔵したりする必要が
なくなる。

それゆえ、製造および組立の経済性が得られる。

本発明によるもつとも好ましい具体例の磁性流体シール
装置では、１８０°離間して位置づけられており、装着
前においてはプラグまたは類似の部材例えばテープで閉
塞されている二つの孔を有する非磁性の輪状の貯蔵用リ
ングによって、空洞（キャビティ）が密封される。

リングは、磁極片の溝内に流密態様（流体を密封する状
態）で設定される。

貯蔵用リングの孔は、注入器または類似装置を使ってキ
ャビティ内に流体を注入するための孔である。

注入後孔にはプラグが挿入され、予め組み立Ｃられたモ
ジュールは、衝撃または振動のために、又はこの磁気シ
ールの回りの他の磁気シールの存在に起因して流体が漏
洩したり、あるいは汚染したりする危険なしに長距離輸
送することができる。

使用の時点でプラグは除去され、モジュールはシャフト
に組付られ、適所に固定される。

磁性流体は、次いで貯蔵用リングの孔の寸法と数と位置
に依存する速度でギャップを充たすように移動する。

実際には、少なくとも二つの孔を備え、一つが注入中通
気孔きして働くようにするのが好ましい。

例示の目的で、以下に本発明を好ましい具体例について
説明するが、技術に精通したものであれば、特許請求の
範囲内において種々の変形および変更をなし得るもので
ある。

１例えば、本発明は、前記好ましい具体例の貯蔵用リン
グを用いても用いなくても実施できよ・う。

例えば、リングは、同様にプラグを嵌合した孔、テープ
またはその他の流体放出手段で密封されたスリットを備
えるプラスチック管のごとき他の流体貯蔵用非磁性リン
グ状部材で置き代えることができよう。

さらに、本発明磁性流体ノール装置を１段の磁極片に関
して説明したが、本発明は多段のシール装置に応用でき
ることも明らかである。

さらに、本発明の磁性流体シール装置は、シャフトが不
存在の場合の磁石の近傍の位置からシャフトが挿入され
た場合の単一の磁極片とシャフトとの間のギャップに磁
性流体が移動する単一磁極片式磁気シールとしても実施
できる。

この種の応用例においては、磁束がシャフトから磁石に
比較的広がった状態で戻るから、強磁界の磁石が必要と
なろう。

本発明は、シール装置として説明したが、磁性流体が密
封のためでなく潤滑または振動減衰のために使用される
場合にも実施できることも明らかである。

最後に、上述の実施例は回転可能なシャフトおよび管に
ついて言及したが、本発明はこれに制限されるものでな
く、任意の断面形状の摺動振動または往復運動シャフト
または部材にも、またシールを通って供給される連続的
に移動する部材にも応用できる。

以下、図面を参照して本発明を好ましい具体例について
説明する。

第１図には従来形式の磁気シール装置１０が示されてい
るが、この装置１０においては、環状乃至リング状磁石
１２、磁石１２の磁極部である軸線方向の両端部に夫々
の一端側が固定された一対の磁極片１Ｂ、１８および磁
性流体２０よりなるモジュールが、可動部材としての透
磁性シャフト１６を囲むフランジ付きハウジング１４内
に形成されている。

モジュールは、二つの磁極片１８゜１８の外周縁上に位
置づけられた二つの静的シール３０によりハウジング１
４に固定されている。

これらの静的シールすなわちＯリング３０は、ハウジン
グ１４の内周壁と流密に係合している。

このような装置において、ハウジング１４はアルミニウ
ムのような非磁性材料よりなり、シャフト１６は鋼のよ
うな磁化可能な材料よりなる。

ハウジング１４は、磁性モジュールに対する固定支持体
となるように、ボルト孔３８により他の装置（図示せず
）に取り付けられる。

シャフト１６は、モータまたはその他の手段（図示せず
）により駆動される。

磁極片１８．１８は、各磁極片１８のシャフト１６側の
端部とシャフト１６の周面との間に小間隙（０，０１〜
０．０２ｃｍ）が存在するように配置される。

第１図において、磁極片１８．１８の各内周は、磁極片
１８．１８とシャフト１６との間のギャップに突出する
複数の縁部を有し、多段密封を行なうように構成されて
いる。

普通磁極片１８゜１８はステンレススチールで形成され
る。

二つの磁極片１８，１８間に設けられる磁石１２は、低
エネルギセラミックから高エネルギアルニコ系合金、サ
マリウムコバルト、ミツシュメタルおよびその他の希土
類合金に至る種々の永久磁石材料の任意のものからなる
。

この種の装置に使用される磁性流体は、マグネタイトの
ような磁性固体、表面活性安定剤（普通、１不飽和脂肪
酸）およびキャリヤ液体（例えば、水、炭化水素または
フルオロカーボン）を含むのがもつちも普通である。

磁気的特性だけでなく、その安定性、潤滑特性および振
動減衰特性においても優れた周知の磁性流体としては、
マサチューセッツ州所在のフエロフルーデイツクス・コ
ーポレーションにより製造されたＤＯ４フェロフルイド
があり、これは４５０ガウスおよび７５０センチポアズ
の規格を有する。

第２図および第３図には、本発明磁性流体シール装置の
原理が示されている（大きさは比例していない）。

第２図においては、空洞１９の体積より少ない所定量の
磁性流体２０が一段式磁極片１８゜１８及び磁石１２に
より形成されたモジュールの空洞（キャビティ）１９内
に保持されている。

磁石１２の流体２０に対する引力のために、流体はキャ
ビティ１９の内側角部に係留される。

第２図のように透磁性シャフトに組付けられていない場
合、磁束路は第２図の矢印付破線で示されるようになり
、磁束線は主としてキャビティ１９内に集中しており、
磁極片１８．１８の内周端から出る磁束は全々または僅
かしか検出できない。

第３図は、シャフトが挿入されたときの磁束路の変更を
示している。

この状況の下では、はとんどの磁束は、磁極片１８の内
周端部とシャフト１６との間のギャップを横切り、磁性
流体２０はこのギャップを充たすように移動する。

第４図には、本発明による好ましい一具体例の磁性流体
シール装置が示されている。

環状乃至輪状磁石１２、環状乃至輪状の一段式磁極片１
８゜１８および磁性流体２０を含む磁性モジュールが、
ハウジング１４に流密に固定されており、そしてアルミ
ニウムまたはプラスチックのような非磁性材料よりなる
薄い平坦な貯蔵用リング２２が、空洞１９の開口側にお
いて磁極片１８．１８の内周端部側のみそに同じく流密
に固定されている。

リング２２は、適当な接着剤またはシーラントでみそに
取り付けられ、リング２２および磁極片１８間に横様的
堅固性を与えるとともに漏洩のない界面を形成する。

貯蔵用リング２２の中心には１８０゜離間した位置に二
つの貫通孔２６．２８が形成されている。

この孔２６．２８にはプラグ２４．２４が嵌合されてい
る。

透磁性シャフト１６が挿入されていないこの第４図の状
態では、磁性流体２０はリング２２によってキャビティ
１９内に保持されている。

この孔２６．２８としては１．８〜２ｍｍ（７０−８０
ミル）程度の直径の孔が好ましい。

第５図においては、プラグ２４．２４が孔２６および２
８から除去されており、シャフト１６がモジュールに挿
入されている。

磁性流体２０が、前の位置（点線で図示される）から密
封位置へ移動する様子が略示されている。

この略示において、孔２６は、空洞１９から磁極片１８
とシャフト１６との間隙への磁性流体２０の移動を許容
する第］の貫通孔部としての放出路として働き、孔２８
は１月／グ２２とシャフト１６との間の空間から空洞１
９内への気体の流入を許容する第２の貫通孔部としての
通気口として働く。

実際には、両方の孔は、液体を放出するとき同時に排気
を行なうことになろう。

第６図は、貯蔵用リング２２の孔３２がリングの中心か
ら片寄せられていて、一方の磁極片に接近して位置する
ようにしである。

第７図は貯蔵用リング２２の他の変形を示すものであり
、孔はスリット３４により置き代えられている。

また、第８図は複数の小孔３６をもつ変形のリング２２
を示している。

動作について説明すると、好ましい具体例は、使用の用
意が整えられた装置として製造される。

モジュールが組み立てられるとき、貯蔵用リング２２は
磁極片１８に固定される。

注入器またはその他の装置を使って。

シールを形成するに必要な予定量の磁性流体２０がキャ
ビティ１９に入れられ、次いでプラグ２４またはテープ
で密封される。

使用時に、プラグ２４またはテープは除去され、固定さ
れたモジュールをもつハウジング１４はシャフト１６上
に配置され、そしてハウジング１４は、孔３８により固
定位置にボルト止めされる。

モジュールをシャフト１６の回りに適所に配置すると、
磁束分布の変更により、流体２０は孔２６乃至２８から
流出し、磁極片１８．１８およびシフト１６間のギャッ
プを充たす。

流体２０がギャップを充たす速度は、半径方向ギャップ
寸法に依存する。

しかして、このギャップは、たいていの場合０．１〜０
．２ｍｍ （４−８ミル）である。

例えば、０．１５ｍｍ（６ミル）のギャップおよび約２
ｍｍ （７８ミル）の直径の孔の場合、完全な一段式
シールの状態の耐圧になるまでに約４分かかった。

０．２ｍｍ（８ミル）のギャップおよび約２ｍｏ１（７
８ミル）の直径の孔の場合、一段式シールは約２０分で
その最大の耐圧力状態に達した。

流量に影響するように変えることができる他のパラメー
タは、孔の寸法、孔の数、キャビティ内の磁性流体の量
、永久磁石の選択および磁極片の幅である。

さらに、第６図に示されるように、孔を両磁極片から等
距離に位置づけないことにより、一方の磁極片の側のギ
ャップに他方の磁極片の側のギャップよりも優先的に磁
性流体を充たすことができる。

以上のとおり、本発明の磁性流体シール装置では、該装
置が可動部材に適用されていない場合、永久磁石部材並
びに第１及び第２の磁極片によって結成された環状空洞
の可動部材表面に対向する開口側において、第１及び第
２の磁極片の可動部材表面に近接して位置する端部間に
配設された非磁性のリング状部材が、磁性流体を前記空
洞内に保持し得るように構成されているために、装置の
搬送中及び組付前等において装置に振動乃至衝撃が与え
られても、磁性流体が空洞内、特りこ永久磁石の磁極部
と隣接磁極片との接合部近傍すなわち空洞内の隅部に保
持され得、磁性流体が飛散乃至漏出する虞れが少ない。

更に、本発明の磁性流体シール装置では、前記非磁性リ
ング状部材は、装置が可動部材に適用された場合空洞か
ら少なくとも一方の磁極片の可動部材表面に近接して位
置する端部と可動部材との間隙への磁性流体の移動を許
容する第１の貫通孔部に加えて、装置が可動部材に適用
された場合リング状部材と可動部材との間の空間から前
記空洞内への気体の流入を許容する第２の貫通孔部をそ
の環状壁部に有しているために、装置の透磁性可動部材
への適用に伴なう磁束路の変化に応じて、磁性流体が、
空洞内から第１の貫通孔部を通って少なくとも一方の磁
極片の可動部材表面に近接して位置する端部と可動部材
との間隙にすみやかに充填され得る。

尚この第１の貫通孔部を通る磁性流体のすみやかな移動
は、空洞内への気体の流入を許容し、空洞内が負圧にな
ることを回避させる第２の貫通孔部によって助けられる
。

【図面の簡単な説明】

第１図はハウジングおよびシャフト間に設けられた従来
形式の磁性流体シール装置の斜視図、第２図及び第３図
は本発明の磁性流体シール装置の原理を説明するための
説明図であり、このうち第２図はハウジングおよび一段
式磁極片を有するシールモジュールの断面図で、シャフ
トが存在しないときの磁束路を示すもの、第３図はノｚ
ｆ）リングおよび一段式磁極片を有するシールモジュー
ルの断面図で、シャフトが適所に置かれたときの磁束路
を示すもの、第４図及び第５図は本発明による好ましい
一興体例の磁性流体シール装置の説明図であり、このう
ち第４図はノｚ’）リングおよび磁性流体貯蔵リングを
使用するシールモジュールの一部切除の斜視図、第５図
はハウジングおよびシールモジュールの１部削除の斜捨
図で、透磁性シ゛ヤフトの導入の際の磁性流体の移動を
示すもの、第６図乃至第８図は他の貯蔵用リング形態を
示す一部切除の斜視図である。 １２・・・環状磁石、１４・・・／”％ウジング、１８
・・・磁極片、１９・・・空洞（キャビティ）、２０・
・・磁性流体、２２・・・貯蔵用リング、２４・・・プ
ラグ、２６゜２８・・・孔。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 高透磁性の可動部材のまわりに配設すべく構成され
   た環状の永久磁石部材と、 一端側が永久磁石部材の一方の磁極部に密着せしめられ
   ており他端が可動部材の表面に近接して位置するように
   構成された高透磁性の第一の環状磁極片と、 一端側が永久磁石部材の他方の磁極部に密着せしめられ
   ており、永久磁石部材及び第一の磁極片と協働して可動
   部材の表面に対向して開口する環状の空洞を形成すべく
   他端が可動部材の表面に近接して位置するように構成さ
   れた高透磁性の第二の環状磁極片と、 空洞の開口側において、第−及び第二の磁極片の前記他
   端間に配設された非磁性のリング状部材とからなる磁性
   流体シール装置であって、前記リング状部材は、 装置が可動部材に適用されていない場合磁性流体を前記
   空洞内に保持し得るように構成されており、且つ 装置が可動部材に適用された場合空洞から少なくとも一
   方の磁極片の前記他端と可動部材との間隙への磁性流体
   の移動を許容する第一の貫通孔部に加えて、装置が可動
   部材に適用された場合リング状部材と可動部材との間の
   空間から前記空洞内への気体の流入を許容する第二の貫
   通孔部をその環状壁部に有している 磁性流体シール装置。 ２ 装置が可動部材に適用されていない場合磁性流体を
   前記空洞内に保持し得るように、前記リング部材の第１
   及び第２の孔部を閉塞する閉塞手段を有する特許請求の
   範囲第１項に記載の装置。 ３ 前記閉塞手段は、装置が可動部材に適用される際除
   去され得るように構成されている特許請求の範囲第２項
   に記載の装置。 ４ 前記リング部材はその環状壁を貫通する少なくとも
   一つの貫通孔を有しており、この少なくとも一つの貫通
   孔が前記第１及び第２の孔部として機能すべく構成され
   ている特許請求の範囲第１項乃土弟３項のいずれかに記
   載の装置。 ５ 前記少なくとも一つの貫通孔が少なくとも一つの細
   長いスリットからなる特許請求の範囲第４項に記載の装
   置。 ６ 前記少なくとも一つの貫通孔が約１８ｏ°離間して
   位置づけられた少なくとも二つの貫通孔からなる特許請
   求の範囲第４項に記載の装置。 ７ 前記リング部材は、第１及び第２の磁極片の前記他
   端と可動部材との間の一対の間隙のうちの一方の間隙が
   前記第１の孔部を通って流出する磁性流体によって優先
   的にみたされるように、一対の間隙のうちの他方の間隙
   よりも前記一方の間隙に近接して開口した少なくとも貫
   通孔を前記第１の孔部として有する特許請求の範囲第１
   項乃至第６項のいずれかに記載の装置。 ８ 前記可動部材がその中心軸線のまわりで回転される
   回転軸からなる特許請求の範囲第１項乃至第７項のいず
   れかに記載の装置。 ９ 前記回転軸が磁気ディスク駆動装置の回転軸である
   特許請求の範囲第８項に記載の装置。 １０ 磁気ディスク駆動装置がコンピュータ用の磁気
   ディスク駆動装置である特許請求の範囲第９項に記載の
   装置。