WO2017090778A1 - 磁性流体シール付き軸受 - Google Patents

磁性流体シール付き軸受 Download PDF

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武恵 小原
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    • F16C2300/40—Application independent of particular apparatuses related to environment, i.e. operating conditions

Definitions

  • the present invention relates to a bearing with a magnetic fluid seal that is disposed in various power transmission mechanisms and rotatably supports a rotating shaft and prevents foreign matters such as dust and moisture from entering inside.
  • a rotating shaft installed in various driving force transmission mechanisms is rotatably supported through a bearing.
  • a so-called ball bearing (ball bearing) in which a plurality of rolling elements (rolling members) are accommodated in the circumferential direction between the inner ring and the outer ring is often used as the bearing. By using it, the rotational performance of the rotating shaft is improved.
  • Patent Document 1 discloses a bearing with a magnetic fluid seal having a sealing function with a magnetic fluid.
  • the bearing with a magnetic fluid seal disclosed in Patent Document 1 has a ring-shaped electrode plate attached with a ring-shaped (annular) magnet attached to (inserted into) an inner ring or an outer ring, and a gap is formed in the other outer ring or inner ring. By forming and holding the magnetic fluid in the gap, entry of foreign matter into the inside is prevented.
  • the ring-shaped magnet is magnetized in the axial direction, and a ring-shaped electrode plate is attached to the opening side thereof.
  • a minute gap generated on the mounting side of the ring-shaped electrode plate (ring-shaped magnet) (hereinafter, a gap is generated on the mounting side).
  • the magnetic fluid is also retained in such a manner that the foreign matter does not enter from the outer ring side and the inner ring side.
  • the magnetic field strength of the magnetic circuit generated on the gap side is the mounting side (insertion side). It becomes weaker than the magnetic field strength of the magnetic circuit generated in That is, in FIG. 1A, if a gap is formed on the inner ring side, a nonmagnetic material is interposed in that portion, so that the magnetic permeability is reduced, and the magnetic force is reduced from the end face 30a of the pole plate 30.
  • the magnetic force (magnetic field strength) toward the inner ring that is a material is weaker than the magnetic force (magnetic field strength) that is directed from the end face 30b of the electrode plate 30 to the outer ring that is a magnetic material.
  • the holding force of the magnetic fluid held in the gap is weak, and sufficient and stable sealing performance cannot be obtained.
  • the present invention has been made paying attention to the above-described problems, and an object thereof is to provide a bearing with a magnetic fluid seal that can obtain a stable sealing performance in a gap portion.
  • a bearing with a magnetic fluid seal includes an inner ring and an outer ring formed of a magnetic material, a plurality of rolling elements interposed between the inner ring and the outer ring, and the inner ring. It is attached to the inner peripheral surface of the outer ring so that a gap is formed between the outer peripheral surface of the outer ring and the ring-shaped electrode plate formed of a magnetic material and the inner surface in the axial direction of the ring-shaped electrode plate.
  • a ring-shaped magnet that is magnetized so that the magnetic poles face in the axial direction and forms a magnetic circuit on each of the outer ring side and the inner ring side, and the inner ring side that is held by the magnetic circuit on the inner ring side and seals the gap It has a magnetic fluid and a magnetic field strength improving unit that makes the magnetic field strength of the magnetic circuit generated on the inner ring side higher than the magnetic field strength of the magnetic circuit generated on the outer ring side.
  • a symmetrical magnetic circuit is formed on the inner ring side and the outer ring side by attaching the ring-shaped magnet magnetized in the axial direction to the ring-shaped pole plate.
  • the magnetic force of the magnetic circuit on the inner ring side becomes weaker than the magnetic force of the magnetic circuit on the outer ring side due to the gap formed between the outer ring surface of the inner ring and the magnetic force on the inner ring side is reduced by the magnetic field strength improving unit. Since the magnetic force of the circuit is higher than the magnetic force of the magnetic circuit on the outer ring side, the holding force of the magnetic fluid held in the gap is improved, and a stable sealing characteristic can be obtained.
  • the magnetic field strength improving unit described above is such that the magnetic force of the magnetic circuit formed on the inner ring side is higher than the magnetic force of the magnetic circuit formed on the outer ring side with the ring-shaped magnet attached to the ring-shaped electrode plate. What is necessary is just to become the structure to perform.
  • the magnetic field strength improving portion is configured by forming a ring-shaped electrode plate 30 such that the inner ring side Y1 is thicker than the outer ring side Y2 (T1> T2). With this configuration, the magnetic field strength of the inner ring side magnetic circuit M1 can be made higher than the magnetic field strength of the outer ring side magnetic circuit M2.
  • the magnetic field strength generated by the magnet 20 depends on the surface area of the electrode plate 30, and by increasing the surface area on the gap side, the magnetic field strength at the gap portion is effectively increased, and the magnetic permeability is reduced by the gap. Even so, it is possible to obtain a sufficient magnetic force. Accordingly, by arranging the ring-shaped electrode plate and the ring-shaped magnet having such a magnetic field strength improving portion between the inner and outer rings, the magnetic field strength on the gap side is the conventional configuration (the configuration shown in FIG. 1A). ) Can be efficiently increased, and stable sealing characteristics can be obtained.
  • a ring-shaped electrode plate is formed to have a tapered surface that gradually becomes thinner from the inner ring side toward the outer ring side, or the inner circumference of the ring-shaped electrode plate and the outer ring. It can be configured by interposing a nonmagnetic spacer between the surface and the surface. Further, in a configuration in which a minute gap is generated between the inner peripheral surface on the outer ring side and the ring-shaped electrode plate and the ring-shaped magnet, the magnetic fluid (outer ring-side magnetic fluid) may be held in that portion. Preferably, this makes it possible to reliably seal the inside.
  • the ring-shaped electrode plate on which the ring-shaped magnet having the above-described configuration is attached is attached to the outer peripheral surface of the inner ring, contrary to the above-described configuration, and a gap is formed on the outer-ring side to form a magnet on the outer-ring side. It may hold the fluid and seal the inside.
  • a bearing with a magnetic fluid seal capable of obtaining a stable sealing performance in the gap portion is obtained.
  • FIG. It is a figure which shows 1st Embodiment of the bearing with a magnetic fluid seal which concerns on this invention, and sectional drawing along an axial direction.
  • the enlarged view of the principal part of FIG. The principal part enlarged view which shows the 2nd Embodiment of this invention.
  • the principal part enlarged view which shows the 3rd Embodiment of this invention.
  • the principal part enlarged view which shows the 4th Embodiment of this invention.
  • FIG. 2 and 3 are views showing a first embodiment of a magnetic fluid seal bearing according to the present invention
  • FIG. 2 is a cross-sectional view along the axial direction
  • FIG. 3 is an enlarged view of a main part of FIG. It is.
  • a magnetic fluid seal bearing (hereinafter also referred to as a bearing) 1 includes a cylindrical inner ring 3, a cylindrical outer ring 5 surrounding the inner ring 3, and an inner ring 3 and an outer ring 5. And a plurality of rolling elements (rolling members) 7.
  • the rolling element 7 is held by a retainer (cage) 8 extending in the circumferential direction, and the inner ring 3 and the outer ring 5 are relatively rotatable.
  • the inner ring 3, the outer ring 5 and the rolling element 7 are made of a magnetic material, for example, chromium-based stainless steel (SUS440C), and the retainer 8 is made of a material having excellent corrosion resistance and heat resistance, for example, stainless steel (SUS304). Is formed by.
  • the rolling element 7 it does not necessarily need to be a magnetic body.
  • the inner ring 3 and the outer ring 5 of the present embodiment are configured such that the lengths in the axial direction (axial direction of the bearing) X are the same (may be substantially the same).
  • the inner ring 3 may be formed longer in the axial direction, and the inner ring 3 may be formed longer than the outer ring 5 in the axial direction.
  • a magnetic seal mechanism (magnetic fluid seal) 10 described in detail below is installed on the opening side of the inner ring 3 and the outer ring 5.
  • the magnetic seal mechanism 10 having the same configuration is disposed in the openings on both sides of the inner ring 3 and the outer ring 5, the upper right part (main part) of FIG. The description will be given with reference.
  • the magnetic seal mechanism 10 includes a ring-shaped magnet (hereinafter also referred to as a magnet) 20 and a ring-shaped electrode plate (hereinafter also referred to as a pole plate) 30 that attaches the magnet 20 to the inner surface in the axial direction. , And a magnetic fluid (in this embodiment, the inner ring side magnetic fluid 25) held in the magnetic circuit formed by the magnet 20, and by these members, dust, It has a function of sealing so that moisture and the like do not enter.
  • a ring-shaped magnet hereinafter also referred to as a magnet
  • a ring-shaped electrode plate hereinafter also referred to as a pole plate
  • a permanent magnet having a high magnetic flux density and a strong magnetic force for example, a neodymium magnet created by a sintering method can be used, and a magnetic pole (S pole) is previously set in the axial direction (axial direction of the bearing) X. , N pole).
  • the electrode plate 30 is disposed in contact with the outer surface of the magnet 20 in the axial direction.
  • the electrode plate 30 has a ring-like appearance substantially the same as the magnet 20, and is made of a magnetic material, for example, chromium-based stainless steel (SUS440C). Accordingly, as shown in FIG. 1, magnetic circuits M1 and M2 are formed on the inner ring side and the outer ring side, respectively.
  • the magnetic fluid held by the magnetic circuit is configured by dispersing magnetic fine particles such as Fe 3 O 4 in a base oil with a surfactant, and has a viscosity and reacts when the magnet is brought close to it. It has. That is, it has a function of sealing such a gap by holding such a magnetic fluid in a gap G, which will be described later, and preventing foreign matter such as dust and moisture from entering inside.
  • a step 5b is formed on the inner peripheral surface 5a on the rolling element side, and this step 5b causes the outer ring 5 to have a thin area 5A on the opening side and a thick area 5B on the rolling element side.
  • the step 5b is positioned and fixed by applying a magnet 20 (magnet 20 with the electrode plate 30 attached; electrode plate united with the magnet) that is inserted (inserted) from the opening side and attached at a predetermined position. It has a function. Therefore, the step 5b is preferably a plane perpendicular to the axial direction.
  • the step 5b is not limited to a vertical surface as in the present embodiment, and may be formed in a step shape or an inclined shape (slope) as long as the magnet 20 can be stably held. It may be formed.
  • the electrode plate 30 is attached to the magnet 20 so that a gap G is formed between the electrode plate 30 and the outer peripheral surface 3a of the inner ring 3.
  • the electrode plate 30 is formed to have a size protruding radially inward from the inner ring side edge surface 20 a of the magnet 20, and the magnet 20 is attached to the electrode plate 30 in the state of being attached to the inner ring 3.
  • the outer circumferential surface 3a is formed such that a gap substantially equal to the gap G described above (a gap slightly larger than the gap G in the configuration shown in the figure) is formed.
  • the magnetic fluid inner ring side magnetic fluid 25
  • the magnet 20 and the electrode plate 30 may be fixed by magnetic adsorption, or may be fixed with an adhesive in addition to magnetic adsorption.
  • a step 3b is formed on the outer peripheral surface of the inner ring 3 at a portion facing the inner ring side edge surface 30a of the electrode plate 30 in a direction orthogonal to the outer peripheral surface.
  • the inner ring-side magnetic fluid 25 is held so as to expand in the radial direction, and the sealing performance can be further improved.
  • the electrode plate 30 is preferably fixed so as not to protrude in the axial direction from the exposed end surface position P of the inner ring 3 and the outer ring 5.
  • the possibility of other objects coming into contact with the magnetic fluid 25 is reduced, and dissipation of the magnetic fluid is prevented. It becomes possible.
  • the magnetic seal mechanism 10 is provided with a magnetic field strength improving unit 50 that makes the magnetic field strength of the magnetic circuit M1 generated on the inner ring side higher than the magnetic field strength of the magnetic circuit M2 generated on the outer ring side.
  • the magnetic field strength improving unit 50 may be any unit that relatively increases the amount of magnetic flux that flows to the inner ring side and the outer ring side through the pole plate 30 on both sides in the radial direction between the inner and outer rings.
  • the pole plate 30 is provided with the magnetic field strength improving portion 50, and the inner ring side of the pole plate 30 is made thick and the outer ring side is made thin. That is, since the amount of magnetic flux depends on the surface area, the amount of magnetic flux is increased by making the thickness of the electrode plate 30 facing the outer peripheral surface of the inner ring thicker than the thickness of the inner ring on the outer ring. The magnetic field strength of the magnetic circuit formed on the side can be increased.
  • the electrode plate 30 is formed with a tapered surface 30b that is gradually thinned from the inner ring side toward the outer ring side, and the thinned edge 30C on the outer ring side is formed on the magnet 20. And the outer ring side edge surface 20b. According to such a configuration, the magnetic flux by the magnet 20 is biased toward the inner ring side, and the inner ring side magnetic fluid 25 can be stably held without lowering the magnetic force in the gap portion. Further, since the edge 30c on the outer ring side of the electrode plate 30 is made to coincide with the outer ring side edge surface 20b of the magnet 20, the both can be easily positioned.
  • the inner ring-side magnetic fluid 25 is held in the inner ring-side gap G.
  • a minute gap is formed between the inner peripheral surface 5 a of the outer ring 5 and the magnet 20. Since there is a possibility that this occurs, the sealing performance can be further improved by filling such a minute gap with an outer ring-side magnetic fluid (not shown).
  • FIG. 4 is an enlarged view of a main part showing a second embodiment of the present invention.
  • the magnetic field strength improving unit 50 of the present embodiment forms a tapered surface 30b that is gradually thinned from the inner ring side toward the outer ring side on the electrode plate 30, and terminates the taper surface at an intermediate portion thereof.
  • 30 is formed in a substantially trapezoidal cross section. For this reason, a gap is formed between the thinned edge 30c 'on the outer ring side of the electrode plate 30 and the inner peripheral surface 5a of the outer ring 5, and this part serves as a nonmagnetic spacer. It becomes.
  • FIG. 5 is an enlarged view of a main part showing a third embodiment of the present invention.
  • the magnetic field strength improving unit 50 of the present embodiment has a ring-shaped spacer 51 made of a nonmagnetic material such as a resin disposed on the outer ring side of the pole plate 30 having a uniform thickness.
  • a nonmagnetic spacer 51 By interposing such a nonmagnetic spacer 51 between the outer ring side edge 30c ′ of the electrode plate 30 and the inner peripheral surface 5a of the outer ring 5, it is formed on the inner ring side as in the above-described embodiment. Therefore, the inner ring-side magnetic fluid 25 can be stably held in the gap G.
  • the spacer 51 may be a nonmagnetic material, and may be a nonmagnetic metal or a simple air layer.
  • the spacer 51 preferably has a length in the radial direction that is longer than the length of the gap G. This makes it possible to more effectively improve the magnetic field strength on the inner ring side and stably hold the magnetic fluid. It becomes.
  • the minute clearance between the inner peripheral surface 5a of the outer ring 5 and the magnet 20 is also filled with the outer ring-side magnetic fluid 25a, which makes it possible to further improve the internal sealing performance.
  • Such outer ring side magnetic fluid 25a can be disposed by filling the outer ring side magnetic fluid as it is when filling the inner ring side magnetic fluid.
  • FIG. 6 is an enlarged view of a main part showing a fourth embodiment of the present invention.
  • the magnetic field strength improving unit 50 of the present embodiment includes a resin spacer 53 interposed between the electrode plate and the outer ring.
  • a ring-shaped recess 53a is formed on the inner ring side of the spacer 53, and the ring-shaped electrode plate 30 is attached to this portion. That is, the resin spacer 53 has a surface exposed at the opening between the inner and outer rings, and the ring-shaped electrode plate 30 is held on the inner side in the axial direction without exposing the surface.
  • the electrode plate 30 and the magnet 20 can be unitized together with the spacer 53 with high accuracy, and the assembly can be easily performed. Further, in such a configuration, since the opening portion is in a state where the surface of the resin spacer 53 is exposed, the surface of the electrode plate can be protected, and further, the appearance can be improved by adding color or the like. You can also improve.
  • the gap G is formed on the inner ring side, and the inner ring-side magnetic fluid is held in that portion.
  • the gap G May be formed on the outer ring side.
  • FIG. 7 is an enlarged view of a main part showing a fifth embodiment of the present invention.
  • a magnetic fluid (outer ring side magnetic fluid) 26 is held between the outer ring side edge 30 c ′ of the electrode plate 30 and the inner peripheral surface 5 a of the outer ring 5 with the same configuration as in the first embodiment.
  • the electrode plate 30 has a tapered surface 30b that is gradually thinned from the outer ring side toward the inner ring side, and a thinned edge 30a ′ on the inner ring side. Is matched with the inner ring side edge surface 20a of the magnet 20.
  • the magnetic flux by the magnet 20 is biased toward the outer ring side, and the outer ring side magnetic fluid 26 can be stably held without reducing the magnetic force in the gap portion. Further, by aligning the inner ring side edge portion 30a 'of the pole plate 30 with the inner ring side edge surface 20a of the magnet 20, the positioning of the both can be performed easily.
  • the inner ring side magnetic fluid is held in a minute gap generated on the inner ring side. You may do it.
  • FIG. 8 is a diagram showing a magnetic field strength portion distribution comparing a magnetic circuit having a conventional configuration and a magnetic circuit having the configuration of the present invention.
  • the bearings to be compared have the same conditions for the size of the inner and outer rings, the size of the magnet in the magnetic seal mechanism, the basic thickness of the electrode plate, and the size of the gap G, as shown in FIG.
  • the electrode plate has a normal type shape, a non-magnetic spacer (air layer) is disposed on the outer ring side of the electrode plate, as shown in FIG. A taper surface is formed on the electrode plate.
  • FIG. 8 shows a simulation of the magnetic field strength distribution on the personal computer software using the magnetic field analysis software that has been widely distributed for these three types of bearings.
  • the magnetic field generated on the gap side is The strength is weak, and thus the magnetic fluid is retained, but the retaining force is weak.
  • the non-magnetic spacer interposed on the outer ring side of the electrode plate and the one with the electrode plate gradually thinned toward the outer ring side have a strong magnetic field generated on the gap side, and the magnetic fluid Is also stable.
  • the length of the spacer in the radial direction is simulated to be slightly larger than the length of the gap. By further widening the length, it is possible to further increase the magnetic field strength on the gap side.
  • the magnetic field strength improving portion described above in a normal arrangement configuration in which a ring-shaped electrode plate is disposed on a ring-shaped magnet, when this is incorporated between the inner and outer rings, If the magnetic field strength of the magnetic circuit generated on the gap side is improved as shown in FIG. 1B, for example, as shown in FIG.
  • the magnet may be biased to the gap side
  • the pole plate may be made of a material that increases the permeability and saturation magnetic flux density on the gap side.
  • the magnet 20 is positioned and fixed by being applied to the step 5b formed on the outer ring side or the step 3b formed on the inner ring side, but without forming a step.
  • a configuration in which the magnet 20 is fitted (press-fitted) and fixed may be used, or a configuration in which the electrode plate with the magnet attached is applied to a step or the like and positioned and fixed may be used.
  • the electrode plate may be separately provided with irregularities or the like that contact the step.
  • the surfaces of the inner ring 3 and the outer ring 5 are subjected to electrolytic chromic acid treatment.
  • electrolytic chromic acid treatment it is possible to prevent the surface from cracking and tearing due to rust and corrosion, and it is possible to reliably prevent dust and foreign matter from entering the inside. Become.
  • a ring-shaped shield (sealing cover) may be press-fitted and fixed to the outer surface in the axial direction from the outside in the axial direction.
  • a shield can be formed of a material excellent in corrosion resistance and heat resistance, such as stainless steel (SUS304) or resin, and the provision of such a shield makes it more effective to intrude foreign matter. It is possible to effectively prevent magnetic substances (foreign matter) such as iron sand from adhering to the magnet 20.

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Abstract

隙間部分で安定したシール性能が得られる磁性流体シール付き軸受を提供する。磁性流体シール付き軸受１は、磁性材で形成された内輪３及び外輪５と、内輪と外輪の間に介装された複数の転動体７と、内輪の外周面との間に隙間が生じるように外輪の内周面に対して装着され、磁性材で形成されたリング状の極板３０と、リング状の極板の軸方向内側面に取着され、軸方向に磁極が向くように着磁されて外輪側と内輪側にそれぞれ磁気回路を形成するリング状の磁石２０と、内輪側の磁気回路に保持され、隙間をシールする内輪側磁性流体２５と、内輪側で生じる磁気回路の磁界強度を、外輪側で生じる磁気回路の磁界強度よりも高くする磁界強度向上部５０と、を有する。

Description

磁性流体シール付き軸受
　本発明は、各種の動力伝達機構に配設され、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は、軸受を介して回転自在に支持されている。この場合、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。
　このような軸受は、様々な駆動装置における駆動力伝達機構の回転軸の支持手段として用いられるが、駆動装置によっては、軸受部分を通過して、内部に埃、水分等の異物の侵入を防止したいことがある。また、軸受そのものに異物が侵入すると、回転性能が劣化したり、異音が生じる等の問題が生じる。そこで、例えば、特許文献１には、磁性流体によるシール機能を備えた磁性流体シール付き軸受が開示されている。
　前記特許文献１に開示された磁性流体シール付き軸受は、リング状（環状）の磁石を取着したリング状の極板を内輪又は外輪に装着（嵌入）し、他方の外輪又は内輪に隙間を形成し、その隙間部分に磁性流体を保持することで内部への異物の侵入を防止している。なお、特許文献１に開示された磁性流体シール付き軸受は、リング状の磁石は軸方向に着磁されており、その開口側にリング状の極板を取着したものであり、このような構成では、内輪側と外輪側のそれぞれに磁気回路が形成されることから、リング状の極板（リング状の磁石）の装着側に生じている微小な隙間（以下、装着側に隙間が生じている場合、微小隙間と称する）にも磁性流体を保持し、外輪側及び内輪側から内部に異物が侵入しないようにしている。
特開２０１３−２２８０４４号
　ところで、上記したように、リング状の磁石を軸方向に着磁し、それをリング状の極板に取着した場合、径方向の両側には、同じ磁界強度の磁気回路が形成される（図１（ａ）の模式図参照）。すなわち、特許文献１に開示されているように、リング状の極板３０及びリング状の磁石２０の肉厚が均一であれば、内外輪間の径方向の両側（内輪側がＹ１、外輪側がＹ２となる）の夫々に形成される磁気回路Ｍ１，Ｍ２の磁界強度は、内輪及び外輪が存在しない状態で極板３０のみを考慮するとおおよそ等しくなる。
　しかし、内輪（又は外輪）と極板との間に隙間を形成し、その隙間に磁性流体を保持させることから、隙間側で発生している磁気回路の磁界強度は、装着側（嵌入側）で発生している磁気回路の磁界強度よりも弱くなる。すなわち、図１（ａ）において、内輪側に隙間を形成していると、その部分は非磁性材が介在した状態になることから透磁率が低下してしまい、極板３０の端面３０ａから磁性材である内輪に向かう磁力（磁界強度）は、極板３０の端面３０ｂから磁性材である外輪に向かう磁力（磁界強度）よりも弱くなってしまう。この結果、隙間に保持される磁性流体の保持力が弱く、十分で安定したシール性能が得られない。
　なお、隙間部分で十分なシール力を得るためには、発生する磁界強度が大きい磁石を配設する必要があり、磁性流体シール付き軸受を効率的に小型化することができない。
　本発明は、上記した問題に着目してなされたものであり、隙間部分で安定したシール性能が得られる磁性流体シール付き軸受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は、磁性材で形成された内輪及び外輪と、前記内輪と外輪の間に介装された複数の転動体と、前記内輪の外周面との間に隙間が生じるように前記外輪の内周面に対して装着され、磁性材で形成されたリング状の極板と、前記リング状の極板の軸方向内側面に取着され、軸方向に磁極が向くように着磁されて外輪側と内輪側にそれぞれ磁気回路を形成するリング状の磁石と、前記内輪側の磁気回路に保持され、前記隙間をシールする内輪側磁性流体と、前記内輪側で生じる磁気回路の磁界強度を、前記外輪側で生じる磁気回路の磁界強度よりも高くする磁界強度向上部と、を有することを特徴とする。
　上記した構成によれば、軸方向に着磁されたリング状の磁石をリング状の極板に取着することによって、内輪側及び外輪側には、対称となる磁気回路が形成される。この場合、内輪の外周面との間で生じている隙間によって内輪側の磁気回路の磁力は、外輪側の磁気回路の磁力と比較すると弱くなるが、前記磁界強度向上部によって、内輪側の磁気回路の磁力を外輪側の磁気回路の磁力よりも高めているため、隙間に保持される磁性流体の保持力が向上し、安定したシール特性が得られるようになる。
　上記した磁界強度向上部は、リング状の極板にリング状の磁石を取着した状態で、内輪側で形成される磁気回路の磁力が、外輪側で形成される磁気回路の磁力よりも高くする構成となっていればよい。磁界強度向上部は、例えば、図１（ｂ）に示すように、リング状の極板３０を、外輪側Ｙ２よりも内輪側Ｙ１を厚く（Ｔ１＞Ｔ２）なるように形成することで構成することができ、このような構成により、内輪側の磁気回路Ｍ１の磁界強度を外輪側の磁気回路Ｍ２の磁界強度よりも高めることが可能となる。すなわち、磁石２０によって発生する磁界強度は、極板３０の表面積に依存しており、隙間側の表面積を多くすることで、隙間部分での磁界強度を効果的に高め、隙間によって透磁率が低下しても十分な磁力を得ることが可能である。したがって、このような磁界強度向上部を有するリング状の極板及びリング状の磁石を内外輪間に配設することで、隙間側の磁界強度を従来の構成（図１（ａ）に示す構成）と比較して効率的に高めることが可能となり、安定したシール特性が得られる。
　磁界強度向上部については、例えば、リング状の極板について、内輪側から外輪側に向けて次第に薄肉厚化するテーパ面を有するように形成したり、前記リング状の極板と外輪の内周面との間に非磁性のスペーサを介在することで構成することが可能である。
　また、外輪側の内周面と、リング状の極板及びリング状の磁石との間に、微小隙間が生じる構成では、その部分に磁性流体（外輪側磁性流体）を保持しておくことが好ましく、これにより、内部を確実にシールすることが可能となる。
　なお、上記した構成のリング状の磁石を取着したリング状の極板は、上記した構成とは逆に、内輪の外周面に対して装着され、外輪側に隙間を形成して外輪側磁性流体を保持して内部をシールするものであっても良い。
　本発明によれば、隙間部分で安定したシール性能が得られる磁性流体シール付き軸受が得られる。
軸方向に着磁されたリング状の磁石を取着したリング状の極板によって形成される磁気回路の模式図を示し、（ａ）は従来の構成、（ｂ）は磁界強度向上部を備えた構成を示す図。 本発明に係る磁性流体シール付き軸受の第１の実施形態を示す図であり、軸方向に沿った断面図。 図２の要部の拡大図。 本発明の第２の実施形態を示す要部拡大図。 本発明の第３の実施形態を示す要部拡大図。 本発明の第４の実施形態を示す要部拡大図。 本発明の第５の実施形態を示す要部拡大図。 従来の構成による磁気回路と、本発明の構成による磁気回路とを対比した磁界強度部分布を示す図。
　以下、図面を参照しながら本発明に係る磁性流体シール付き軸受の実施形態について説明する。
　図２及び図３は、本発明に係る磁性流体シール付き軸受の第１の実施形態を示す図であり、図２は軸方向に沿った断面図、図３は図２の要部の拡大図である。
　本実施形態に係る磁性流体シール付き軸受（以下、軸受とも称する）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、周方向に延出するリテーナ（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い。
　前記内輪３と外輪５の開口側には、以下に詳述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が配設されているため、以下の説明では、図１の右上の部分（主要部）を参照して説明する。
　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）２０と、この磁石２０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）３０と、前記磁石２０によって形成される磁気回路に保持される磁性流体（本実施形態では、内輪側磁性流体２５）と、を有しており、これらの部材により、前記転動体７内に、埃、水分等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２０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。また、磁石２０の軸方向外側面には、前記極板３０が接するように配設される。極板３０は、前記磁石２０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。したがって、内輪側及び外輪側には、図１に示したように、それぞれ磁気回路Ｍ１，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、後述する隙間Ｇ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、内部に埃、水分等の異物が侵入することを防止する機能を備えている。
　本実施形態の外輪５には、転動体側の内周面５ａに段差５ｂが形成されており、この段差５ｂにより、外輪５は、開口側が薄肉領域５Ａ、転動体側が厚肉領域５Ｂ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５ｂは、開口側から挿入（嵌入）して所定位置に装着される磁石２０（極板３０が取着された磁石２０；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。このため段差５ｂは、軸方向に対して垂直な面とすることが好ましい。なお、段差５ｂは、本実施形態のように、垂直な面に限定されるものではなく、磁石２０を安定して保持できるのであれば、階段状に形成されていたり、傾斜状（斜面）に形成されていても良い。
　前記極板３０は、内輪３の外周面３ａとの間に隙間Ｇが生じるように磁石２０に対して取着されている。この場合、極板３０は、磁石２０の内輪側縁面２０ａ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２０は、極板３０に取着された状態で、内輪３の外周面３ａとの間で上記した隙間Ｇと略同程度の隙間（図に示す構成では、隙間Ｇよりも僅かに大きい隙間）が生じるように形成されている。前記磁性流体（内輪側磁性流体２５）は、スポイト等の注入器具によって隙間Ｇに充填すると、磁気回路の磁力によって保持される。前記磁石２０と極板３０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の外周面には、極板３０の内輪側縁面３０ａと対向する部分に、外周面と直交する方向に段差３ｂを形成しておくことが好ましい。このような段差３ｂを形成しておくことで、内輪側磁性流体２５が径方向に拡がるように保持された状態となり、シール性をより高めることが可能となる。また、前記極板３０については、内輪３及び外輪５の露出端面位置Ｐから軸方向に突出しないように固定することが好ましい。極板３０を軸方向に突出させない（好ましくは、露出端面位置Ｐから窪んだ位置に配設する）ことで、磁性流体２５に他物が接触する可能性が減り、磁性流体の散逸を防止することが可能となる。
　前記磁気シール機構１０は、内輪側で生じる磁気回路Ｍ１の磁界強度を、外輪側で生じる磁気回路Ｍ２の磁界強度よりも高くする磁界強度向上部５０が設けられている。
　磁界強度向上部５０は、内外輪間の径方向の両側において極板３０を通じて内輪側及び外輪側の夫々に流れる磁束量を、相対的に内輪側を多くさせるものであれば良く、このような磁界強度向上部５０を設けることで、磁石２０が取着された極板３０を所定の位置に設置した際、隙間側の磁力が、磁界強度向上部５０を設けない構成と比較して強くなり、安定して内輪側磁性流体２５を保持することが可能となる。
　本実施形態では、極板３０に磁界強度向上部５０を設けており、極板３０の内輪側を肉厚にし、外輪側を薄肉にすることで構成されている。すなわち、磁束量は表面積に依存することから、内輪の外周面に対向する極板３０の肉厚を、外輪の内周面に対する肉厚よりも厚くすることで磁束量が多くなり、結果として内輪側で形成される磁気回路の磁界強度を強くすることが可能となる。
　具体的に、本実施形態では、極板３０に、内輪側から外輪側に向けて次第に薄肉厚化するテーパ面３０ｂを形成しており、外輪側の薄肉厚化された縁部３０Ｃを磁石２０の外輪側縁面２０ｂと一致させている。このような構成によれば、磁石２０による磁束が内輪側に偏重し、隙間部分の磁力を低下させることなく、安定して内輪側磁性流体２５を保持することが可能となる。また、極板３０の外輪側の縁部３０ｃを磁石２０の外輪側縁面２０ｂと一致させたことで両者の位置決めが容易に行えるようになる。
　上記した構成では、内輪側の隙間Ｇに内輪側磁性流体２５を保持する構成としたが、前記磁石２０の寸法公差によって、外輪５の内周面５ａと磁石２０との間に微小な隙間が生じている可能性もあるため、そのような微小隙間に外輪側磁性流体（図示せず）を充填することでシール性をより向上することが可能となる。
　次に、本発明の別の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。
　図４は、本発明の第２の実施形態を示す要部拡大図である。
　本実施形態の磁界強度向上部５０は、極板３０に、内輪側から外輪側に向けて次第に薄肉厚化するテーパ面３０ｂを形成するとともに、その中間部分でテーパ面を終端させて、極板３０を断面略台形状に形成している。このため、極板３０の外輪側の薄肉厚化された縁部３０ｃ´と外輪５の内周面５ａとの間には空隙が形成され、この部分が非磁性のスペーサとしての機能を果たすこととなる。
　このような構成によれば、第１の実施形態の構成よりも内輪側に形成される磁気回路の磁力を更に高めることが可能となり、より安定して内輪側磁性流体２５を隙間Ｇ内に保持することが可能となる。
　図５は、本発明の第３の実施形態を示す要部拡大図である。
　本実施形態の磁界強度向上部５０は、極板３０を均一の肉厚とし、その外輪側に配設される樹脂等の非磁性材料で形成されたリング状のスペーサ５１を有している。このような非磁性のスペーサ５１を、極板３０の外輪側の縁部３０ｃ´と外輪５の内周面５ａとの間に介在することで、上記した実施形態と同様、内輪側に形成される磁気回路の磁力を高めることが可能となり、安定して内輪側磁性流体２５を隙間Ｇ内に保持することが可能となる。
　また、前記スペーサ５１を樹脂材で形成することにより、極板３０及び磁石２０と一体化してユニット化することが容易となり、内外輪の間の組み付け及び位置決めが容易に行えるようになる。なお、スペーサ５１については、非磁性材料であれば良く、非磁性の金属や単なる空気層であっても良い。また、スペーサ５１は、その径方向長さが隙間Ｇの長さよりも長いことが好ましく、これにより、より効果的に内輪側の磁界強度を向上して磁性流体を安定して保持することが可能となる。
　更に、本実施形態では、外輪５の内周面５ａと磁石２０との間の微小隙間にも外輪側磁性流体２５ａを充填しており、これにより内部のシール性をより高めることが可能となる。このような外輪側磁性流体２５ａは、内輪側磁性流体を充填する際に、そのまま外輪側に充填することで配設することが可能である。
　図６は、本発明の第４の実施形態を示す要部拡大図である。
　本実施形態の磁界強度向上部５０は、第３実施形態と同様、極板と外輪との間に介在される樹脂製のスペーサ５３を備えている。このスペーサ５３の内輪側には、リング状の凹所５３ａが形成されており、この部分にリング状の極板３０が取着されている。すなわち、樹脂製のスペーサ５３は、内外輪間の開口部分に表面が露出した状態となっており、リング状の極板３０を表面に露出させることなく、軸方向内側に保持している。
　このような構成によれば、スペーサ５３と共に極板３０及び磁石２０を精度良くユニット化することができ、組み付けを容易に行うことが可能となる。また、このような構成では、開口部分は、樹脂製のスペーサ５３の表面が露出した状態になることから、極板の表面を保護することができ、更には、色彩等を付すことにより外観の向上も図れる。
　上述した各実施形態における軸受１の磁気シール機構１０は、いずれも隙間Ｇを内輪側に形成し、その部分に内輪側磁性流体を保持するようにしたが、いずれの実施形態においても、隙間Ｇは外輪側に形成しても良い。
　図７は、本発明の第５の実施形態を示す要部拡大図である。
　この実施形態では、第１の実施形態と同様な構成で、極板３０の外輪側縁部３０ｃ´と外輪５の内周面５ａとの間に磁性流体（外輪側磁性流体）２６を保持している。前記極板３０は、第１の実施形態とは逆に、外輪側から内輪側に向けて次第に薄肉厚化するテーパ面３０ｂを有しており、内輪側の薄肉厚化された縁部３０ａ´を磁石２０の内輪側縁面２０ａと一致させている。このような構成では、磁石２０による磁束が外輪側に偏重し、隙間部分の磁力を低下させることなく、安定して外輪側磁性流体２６を保持することが可能となる。また、極板３０の内輪側の縁部３０ａ´を磁石２０の内輪側縁面２０ａと一致させたことで両者の位置決めが容易に行えるようになる。
　また、外輪側に隙間を形成して、上記した第２実施形態から第４実施形態と同様な磁気シール機構とする場合、内輪側に生じる微小隙間に、内輪側磁性流体を保持するように構成しても良い。
　図８は、従来の構成による磁気回路と、本発明の構成による磁気回路とを対比した磁界強度部分布を示す図である。
　対比する軸受は、いずれも内外輪の大きさ、磁気シール機構における磁石の大きさ、極板の基本的な厚さ、隙間Ｇの大きさを同一条件としており、図１（ａ）に示したように、極板を通常タイプの形状としたもの、図５に示したように、極板の外輪側に非磁性のスペーサ（空気層）を配設したもの、図３に示したように、極板にテーパ面を形成したものである。このような３つのタイプの軸受について、一般的に流布している磁場解析ソフトを使用してパソコンソフト上で磁界強度分布をシミュレーションしたのが図８である。
　この磁界強度分布に見られるように、図１（ａ）に示す通常タイプの磁気シール機構では、上述した「発明が解決しようとする課題」の欄で指摘したように、隙間側で生じる磁界の強度が弱くなっており、したがって、磁性流体は保持するものの、その保持力は弱いものとなる。これに対し、極板の外輪側に非磁性のスペーサを介在させたもの、及び、極板を外輪側に向けて次第に薄肉厚化したものは、隙間側で生じる磁界の強度が強く、磁性流体の保持も安定する。
　なお、非磁性のスペーサを極板と外輪の内周面との間に介在するタイプでは、スペーサの径方向の長さを隙間の長さよりも若干広くしてシミュレーションしたが、スペーサの径方向の長さを更に広げることで、隙間側の磁界強度をより強くす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。
　上述した磁界強度向上部については、図１（ａ）に示したように、リング状の磁石にリング状の極板を配設した通常の配置構成では、これを内外輪間に組み込んだ際、隙間側の磁界強度が低下することに着目したものであり、これを、例えば図１（ｂ）に示すように、隙間側で生じる磁気回路の磁界強度を向上するように構成したものであれば、極板の形状、配置態様以外にも適宜変形することが可能である。例えば、磁石を隙間側に偏倚して配設しても良いし、極板については、隙間側の透磁率及び飽和磁束密度が高くなるような材料で構成したものであっても良い。
　また、上記した実施形態における磁気シール機構では、磁石２０は、外輪側に形成された段差５ｂ、或いは、内輪側に形成された段差３ｂに当て付けて位置決め固定したが、段差を形成することなく磁石２０を嵌入（圧入）して固定する構成であっても良いし、磁石を取着した極板を段差等に当て付けて位置決め固定する構成であっても良い。この場合、極板に、別途、段差に当て付くような凹凸等を形成しておいても良い。
　また、上記した各実施形態では、内輪３及び外輪５の表面に、電解クロム酸処理を施しておくことが好ましい。このように電解クロム酸処理を施しておくことで、錆や腐食によって表面に亀裂や裂けが生じることが防止でき、埃や異物が内部に侵入して行くことを確実に防止することが可能となる。
　さらに、上記した実施形態の構成において、開口側に極板３０が露出する場合、その軸方向外側の表面に、軸方向外方からリング状のシールド（密閉カバー）を圧入固定しておいても良い。このようなシールドは、耐食性、耐熱性に優れた材料、例えばステンレス材（ＳＵＳ３０４）や樹脂等によって形成することが可能であり、このようなシールドを配設することで、異物の侵入をより効果的に防止できると共に、砂鉄のような磁性物（異物）が磁石２０に付着することを効果的に防止することができる。
１　磁性流体シール付き軸受
３　内輪
５　外輪
７　転動体
１０　磁気シール機構
２０　リング状の磁石
２５　内輪側磁性流体
２６　外輪側磁性流体
３０　リング状の極板
５０　磁界強度向上部
Ｇ　隙間

Claims (12)

  1. 　磁性材で形成された内輪及び外輪と、
    　前記内輪と外輪の間に介装された複数の転動体と、
    　前記内輪の外周面との間に隙間が生じるように前記外輪の内周面に対して装着され、磁性材で形成されたリング状の極板と、
    　前記リング状の極板の軸方向内側面に取着され、軸方向に磁極が向くように着磁されて外輪側と内輪側にそれぞれ磁気回路を形成するリング状の磁石と、
    　前記内輪側の磁気回路に保持され、前記隙間をシールする内輪側磁性流体と、
    　前記内輪側で生じる磁気回路の磁界強度を、前記外輪側で生じる磁気回路の磁界強度よりも高くする磁界強度向上部と、
    を有することを特徴とする磁性流体シール付き軸受。
  2. 　前記磁界強度向上部は、内輪側が肉厚で外輪側が薄肉に形成された前記リング状の極板を有することを特徴とする請求項１に記載の磁性流体シール付き軸受。
  3. 　前記リング状の極板は、内輪側から外輪側に向けて次第に薄肉厚化するテーパ面を有することを特徴とする請求項２に記載の磁性流体シール付き軸受。
  4. 　前記磁界強度向上部は、前記リング状の極板と外輪の内周面との間に介在される非磁性のスペーサを有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の磁性流体シール付き軸受。
  5. 　前記非磁性のスペーサは樹脂材で形成されており、前記内外輪間の開口部分に表面が露出した状態で、前記リング状の極板を保持していることを特徴とする請求項４に記載の磁性流体シール付き軸受。
  6. 　前記外輪の内周面と、前記リング状の極板及びリング状の磁石との間に生じる微小隙間に外輪側磁性流体を保持したことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の磁性流体シール付き軸受。
  7. 　磁性材で形成された内輪及び外輪と、
    　前記内輪と外輪の間に介装された複数の転動体と、
    　前記外輪の内周面との間に隙間が生じるように前記内輪の外周面に対して装着され、磁性材で形成されたリング状の極板と、
    　前記リング状の極板の軸方向内側面に取着され、軸方向に磁極が向くように着磁されて外輪側と内輪側にそれぞれ磁気回路を形成するリング状の磁石と、
    　前記外輪側の磁気回路に保持され、前記隙間をシールする外輪側磁性流体と、
    　前記外輪側で生じる磁気回路の磁界強度を、前記内輪側で生じる磁気回路の磁界強度よりも高くする磁界強度向上部と、
    を有することを特徴とする磁性流体シール付き軸受。
  8. 　前記磁界強度向上部は、外輪側が肉厚で内輪側が薄肉に形成された前記リング状の極板を有することを特徴とする請求項７に記載の磁性流体シール付き軸受。
  9. 　前記リング状の極板は、内輪側から外輪側に向けて次第に薄肉厚化するテーパ面を有することを特徴とする請求項８に記載の磁性流体シール付き軸受。
  10. 　前記磁界強度向上部は、前記リング状の極板と内輪の外周面との間に介在される非磁性のスペーサを有することを特徴とする請求項７から９のいずれか１項に記載の磁性流体シール付き軸受。
  11. 　前記非磁性のスペーサは樹脂材で形成されており、前記内外輪間の開口部分に表面が露出した状態で、前記リング状の極板を保持していることを特徴とする請求項１０に記載の磁性流体シール付き軸受。
  12. 　前記内輪の外周面と、前記リング状の極板及びリング状の磁石との間に生じる微小隙間に内輪側磁性流体を保持したことを特徴とする請求項７から１１のいずれか１項に記載の磁性流体シール付き軸受。
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