JP6680715B2 - 磁性流体シール付き軸受 - Google Patents

Description

本発明は、各種の動力伝達機構に配設され、回転体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の軸受に関する。

一般に、各種の駆動力伝達機構に設置される回転軸、歯車、及び、ローラ等の回転体は、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、回転体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体の支持手段として用いられるが、駆動装置によっては、とりわけ屋外で使用される駆動装置においては、埃、水分等の異物が軸受内部に侵入し易く、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。

そのため、回転体の回転性能を低下させることなく、軸受部分に対する異物の侵入防止を図る構成として、磁性流体を用いた磁性流体シール機構を備える軸受（以下、磁性流体シール付き軸受と称する）が知られている（例えば、特許文献１参照）。

このような磁性流体シール付き軸受は、外輪と内輪との間に転動体を保持したボールベアリングに関し、相対回転する外輪と内輪との間に磁性体を介在するとともに、磁性体の一方側を固定し、他方側のシール隙間に磁性流体を配設した構成（又は、固定側及び隙間側の両方に磁性流体を配設した構成）を成している。

具体的には、図６に示されるように、そのような磁性流体シール付き軸受１００は、内輪１０２と、外輪１０４と、内輪１０２と外輪１０４との間に保持器１３０を介して保持される複数の転動体１０６とから成る軸受本体１２０の軸方向開口１５０側に、内輪１０２及び／又は外輪１０４との間で磁気回路を形成して軸受本体１２０の内部をシールする磁性流体シール１１０が一体に保持され、磁性流体シール１１０は、内輪１０２及び／又は外輪１０４との間で磁気回路を形成する磁石１１２と、該磁石１１２を保持する極板１１４と、内輪１０２及び／又は外輪１０４と極板１１４及び／又は磁石１１２との間に保持される磁性流体１１６とから成る。

そして、磁石１１２と極板１１４とにより構成される磁性体は、内側の転動体１０６を支持する内外輪１０２，１０４の支持面１０２ａ，１０４ａに対して開口１５０側で、支持面１０２ａ，１０４ａよりも径寸法の大きい大径部１０４ｂに嵌合して径方向で位置決めされるとともに、転動体１０６の前記支持面１０４ａと大径部１０４ｂとの間に形成される段差部１４０により軸方向で位置決めされる（軸方向の移動が規制される）。

すなわち、磁性流体シール付き軸受１００は、内輪１０２と外輪１０４との間に磁性体１１２，１１４を配設して転動体１０６を閉塞するとともに、磁性体１１２，１１４の一方側を固定し、他方側をシール隙間ｓとして、シール隙間ｓ側に（場合により固定側にも）磁性流体１１６を配設することで、転動体１０６を密閉状態にシールし、回転性能に影響を与える転動体部分への異物の侵入を防止（ひいては、軸受内部の耐食性を向上）している。

特許第５７９７６００号

ところで、このような磁性流体シール付き軸受１００には、一般的なボールベアリングと同様に、摩擦抵抗を少なくして転動体１０６をスムーズに回転させるという軸受本来の機能が求められる。そのため、前記支持面１０２ａ，１０４ａ、すなわち、転動体１０６が転がる軌道面（レース面）１０２ａ，１０４ａには、所定の表面粗さを得るべく研磨仕上げが施される。

しかしながら、磁性流体シール１１０を構成する磁性体１１２，１１４は、前述したように内外輪１０２，１０４の軸方向開口１５０側で段差部１４０により形成される大径部１０４ｂに嵌合して位置決めされることから、この段差部１４０の存在に起因して、大径部１０４ｂの嵌合面に転動体１０６の軌道面１０２ａ，１０４ａと同様の研磨仕上げを施すことが困難であり、そのため、大径部１０４ｂの嵌合面の寸法精度は軌道面１０２ａ，１０４ａのそれよりも劣る。

したがって、転動体１０６の軌道面（支持面）１０２ａ，１０４ａ（したがって、内外輪１０２，１０４）に対する磁性体１１２，１１４の径方向の位置精度（同芯度）を高精度に実現することができず、その結果、磁気シール部の隙間ｓを小さく均一化することが難しく、シール性能（耐圧性能）が安定しない。

本発明は、上記した問題に着目してなされたものであり、磁性流体シールの磁性体の径方向の位置精度（同芯度）を高精度に実現して、磁気シール部の隙間を小さく均一化でき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、本発明の磁性流体シール付き軸受は、磁性体により形成される内輪及び外輪と、前記内輪と前記外輪との間に転動可能に介挿される転動体とを有する軸受本体と、前記軸受本体に一体に保持され、前記内輪及び／又は前記外輪との間で磁気回路を形成して前記軸受本体の内部をシールする磁性流体シールとを備え、前記磁性流体シールは、前記内輪及び／又は前記外輪との間で磁気回路を形成する磁石と、該磁石を保持する極板と、前記内輪及び／又は前記外輪と前記極板及び／又は前記磁石との間に保持される磁性流体とを有し、前記転動体を支持するための研磨仕上げされた前記内輪又は前記外輪の研磨支持面によって前記極板が径方向で位置決め支持されることを特徴とする。

上記構成によれば、研磨仕上げされた転動体の軌道面（レース面）である内輪又は外輪の研磨支持面と同一の面（研磨支持面それ自体）で極板を径方向で位置決め支持する（径方向の移動を規制する）ようにしているため、極板の径方向位置を高精度で管理でき（極板及び磁石により構成される磁性体の径方向の位置精度を高精度で実現でき）、したがって、磁性流体が充填される磁気シール部の隙間を小さく安定して維持（均一化）できるようになり、その結果、磁性流体を保持する磁場が強化されて耐圧性能が向上し、安定したシール性能（異物侵入／浸水防止効果）を得ることができる。

また、上記構成によれば、転動体を転動自在に支持する研磨支持面をそのまま活用して極板を支持するため、コストの増大を招くことなく位置精度の向上を図れるとともに、転動体の保持器のスペースを確保しつつ軸受本体の軸方向寸法の短縮化も可能になる。

本発明によれば、磁性流体シールの磁性体の径方向の位置精度（同芯度）を高精度に実現して、磁気シール部の隙間を小さく均一化できる磁性流体シール付き軸受が得られる。

本発明の第１の実施形態に係る磁性流体シール付き軸受の軸方向に沿う断面図である。 図１の要部拡大断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る磁性流体シール付き軸受の要部拡大断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る磁性流体シール付き軸受の要部拡大断面図である。 本発明の第４の実施形態に係る磁性流体シール付き軸受の要部拡大断面図である。 従来の磁性流体シール付き軸受の軸方向に沿う断面図である。

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１及び図２は、本発明に係る磁性流体シール付き軸受の第１の実施形態を示し、図１は軸方向に沿う全体断面図、図２は図１の要部拡大図である。

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、内輪３と外輪５との間に転動可能に介装される複数の転動体（転がり部材）７とにより構成される軸受本体１０を備えている。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とを相対的に回転可能としている。

内輪３及び外輪５は、磁性を有する材料（磁性体）、例えばクロム系ステンレス（ＳＵＳ４４０Ｃ）によって形成されており、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。また、転動体７は、非磁性材料、例えばセラミック（窒化珪素、アルミナ、ジルコニア、ＳｉＣなど）、非磁性鋼（オーステナイトステンレス鋼、チタン、チタン合金、超硬材（タングステンカーバイト等）など）、銅合金、プラスチックなどから形成される。また、本実施形態の外輪５は、その露出端面５ａが、内輪３の露出端面３ａと同一面（略同一面）上となるように構成されているが、いずれか一方が他方より長く形成されていてもよい。

内輪３及び外輪５の開口１５側には、磁性流体シール２０が設置されている。この磁性流体シール２０は、軸受本体１０に一体に保持され（軸受本体１０と一体化されて軸受本体１０と共にユニットとして構成されてもよい）、内輪３及び／又は外輪５との間で磁気回路を形成して軸受本体１０の内部をシールするものであり、具体的には、内輪３及び／又は外輪５との間で磁気回路を形成する磁石１２と、該磁石１２を保持する極板１４（１４ａ，１４ｂ，１４ｃ）と、内輪３及び／又は外輪５と極板１４（１４ａ，１４ｂ，１４ｃ）及び／又は磁石１２との間に保持される磁性流体２５とから成る。なお、本実施形態では、内輪３及び外輪５の両側の開口１５に、同じ構成の磁性流体シール２０が配設されているため、以下の説明では、片側の構成（図１の左側）について説明する。

磁性流体シール２０は、リング状に構成された磁石（以下、磁石と称する）１２と、磁石１２をその軸方向両側で保持する複数（本実施形態では３枚）の極板１４（１４ａ，１４ｂ，１４ｃ）と、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２５と、を有しており、これらのシール要素により、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。

この場合、極板１４は、磁石１２の軸方向両側面に接して配置されるリング状の部材であり、転動体７と対向する内側で磁石１２を保持する内側極板１４ａと、これとは反対の外側で磁石１２を保持する２枚の互いに軸方向に重ね合わされて接合された第１及び第２の外側極板１４ｂ，１４ｃとを有する。

なお、本実施形態において、磁性流体２５は、内輪３側に設けられるが、軸受本体１０に対する極板１４の支持形態に応じて、外輪５側及び内輪３側の２か所に設けられてもよく或いは外輪５側のみに設けられても構わない。

また、軸受本体１０に対する極板１４の支持形態に関して、本実施形態では、外輪５側の極板１４の外面を固定側とし、内輪３側の極板１４の内面と内輪３の外面との間に磁性流体２５の充填のための隙間Ｇを形成しているが、勿論、内輪３側の極板１４の内面を固定側とし、外輪５側の極板１４の外面と外輪５の内面との間に磁性流体２５の充填のための隙間Ｇを形成してもよく、或いは、前者と後者の複合形態であっても構わない。

また、磁石１２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により形成することができ、予め軸方向（軸受１の軸芯方向Ｘ）に磁極（Ｓ極、Ｎ極）が向くように着磁される。また、磁石１２を保持する極板１４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もよい。

磁石１２と極板１４は、組み付け時では取着された状態にあり、本実施形態では、両部材が接着されていないが、接着されても構わない。この場合、両部材を予め接着しておくことで、磁石１２の位置決めや芯出しが容易に行える共に、磁石１２と極板１４がユニット化され、組み込み作業が容易に行えるようになる。

組み込みにおいては、外輪５の開口側内面の両側に段差部４０が形成され、磁石１２を径方向に若干の遊度をもって（したがって、磁石１２の外径は極板１４の外径よりも若干小さい）軸方向で挟持する内側極板１４ａ及び第１の外側極板１４ｂの外径よりも第２の外側極板１４ｃの外径が大きく設定されるとともに、内側極板１４ａ及び第１の外側極板１４ｂの外径が外輪５の内径と略同一に設定され且つ極板１４（１４ａ，１４ｂ，１４ｃ）の内径が内輪３の外径よりも大きく設定されていることから、極板１４（１４ａ，１４ｂ，１４ｃ）を磁石１２と共に外輪５の開口１５側から装着、嵌合すると、段差部４０よりも転動体７側の内側に位置される外輪５の内周面部位である後述する研磨支持面３０で内側極板１４ａ及び第１の外側極板１４ｂが径方向で位置決め支持されるとともに、段差部４０に第２の外側極板１４ｃが当接して、極板１４と磁石１２とから構成される磁性体が軸方向で位置決めされ（第２の外側極板１４ｃが段差部４０により軸方向で位置決めされ）、また、この組み込み状態で内輪３の外面と極板１４（１４ａ，１４ｂ，１４ｃ）との間に隙間Ｇが生じるようになる。

内輪３と極板１４との間に形成される前記隙間Ｇには例えばスポイト等の注入器具によって磁性流体２５が注入される。この注入される磁性流体２５は、隙間Ｇに溜まるようになるが、その注入量及び／又は磁力の強さによっては磁石１２の表面を伝わって固定側（外輪５側）にも溜まり得る。また、注入される磁性流体２５は、例えばＦｅ₃Ｏ₄のような磁性微粒子が、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（界面活性剤を磁性微粒子にまぶすことにより、ベースオイル内に分散させている）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。このため、磁性流体２５は、磁石１２、磁性材料で構成される内輪３、外輪５、及び、極板１４との間で形成される磁気回路によって、所定の位置に安定して保持される。

また、本実施形態に係る磁性流体シール付き軸受１は、軸受本体１０に対する磁性流体シール２０の極板１４の支持形態に特徴を有する。具体的には、本実施形態では、転動体７の所望の回転性能を確保するべく、転動体７を支持するための内輪３及び外輪５の支持面３０（すなわち、両側の段差部４０間に位置される内輪３の外周面部位及び外輪５の内周面部位）が高精度の仕上げ面、すなわち、所定の表面粗さを得るように研磨仕上げされた研磨支持面３０として形成されており、この研磨支持面３０に内側極板１４ａ及び第１の外側極板１４ｂが高精度に嵌合されて径方向で位置決め支持される。言い換えると、特に外輪５側を極板１４の固定側とする本実施形態では、転動体７を転動可能に支持する外輪５の研磨支持面部位３０ａと、内側極板１４ａ及び第１の外側極板１４ｂの外面を径方向で支持する外輪５の研磨支持面部位３０ｂとが同一の研磨仕上げ面により形成されている。

なお、研磨支持面３０は、本実施形態では、表面粗さが例えばＪＩＳで規定されている１．６以下（鏡面仕上げ）に設定され、一方、研磨支持面３０に隣接する段差部４０よりも外側（開口１５側）に位置されて磁性体の軸方向が位置決めされる外輪５の内面部位の表面粗さは例えばＪＩＳで規定されている１．６〜６．３の切削加工による並仕上げ程度に設定される。

このように、本実施形態によれば、研磨仕上げされた転動体７の軌道面（レース面）である内輪３又は外輪５の研磨支持面３０と同一の面（研磨支持面３０それ自体）で極板１４ａ，１４ｂを径方向で位置決め支持する（径方向の移動を規制する）ようにしているため、極板１４（１４ａ、１４ｂ，１４ｃ）の径方向位置を高精度で管理でき（極板１４及び磁石１２により構成される磁性体の径方向の位置精度を高精度で実現でき）、したがって、磁性流体２５が充填される磁気シール部の隙間Ｇを小さく安定して維持（均一化）できるようになり、その結果、磁性流体２５を保持する磁場が強化されて耐圧性能が向上し、安定したシール性能（異物侵入／浸水防止効果）を得ることができる。

また、本実施形態によれば、転動体７を転動自在に支持する研磨支持面３０をそのまま活用して極板１４を支持するため、コストの増大を招くことなく位置精度の向上を図れるとともに、転動体７の保持器８のスペースを確保しつつ軸受本体１０の軸方向寸法の短縮化も可能になる。

図３には本発明の第２の実施形態が示される。図示のように、本実施形態の磁性流体シール付き軸受１Ａでは、第１の実施形態における第１及び第２の外側極板１４ｂ，１４ｃが一体化（一体形成）されて成る。言い換えると、本実施形態では、第１の外側極板１４ｂが、研磨支持面３０によって径方向で位置決め支持される第１の極板部１４ｂａと、段差部４０により軸方向で位置決めされる第２の極板部１４ｂｂとを有する。なお、それ以外の構成は第１の実施形態と同様である。したがって、第１の実施形態と同様の作用効果が得られるとともに、部品点数を削減して、製造・組み付け工程を減らすこともでき、ひいては、製造コストの低減にもつながる。

図４には本発明の第３の実施形態が示される。図示のように、本実施形態の磁性流体シール付き軸受１Ｂでは、第１の実施形態における第２の外側極板１４ｃの代わりに例えば非磁性材から成る保持部材５０が使用される。すなわち、第１の実施形態では、極板１４の軸方向の位置決めが段差部４０に当接する第２の外側極板１４ｃによって行なわれたが、本実施形態では、極板１４の軸方向の位置決めが、段差部４０に当接して例えば第１の外側極板１４ｂに接着固定される保持部材５０によって行なわれる。なお、それ以外の構成は第１の実施形態と同様である。したがって、第１の実施形態と同様の作用効果が得られる

図５には本発明の第４の実施形態が示される。図示のように、本実施形態の磁性流体シール付き軸受１Ｃでは、磁性流体シール２０において、内側極板１４ａ及び第２の外側極板１４ｃが排除されている。すなわち、本実施形態では、第１の外側極板１４ｂのみによって磁石１２が保持されている。なお、それ以外の構成は第１の実施形態と同様である。したがって、第１の実施形態と同様の作用効果が得られるとともに、部品点数を削減して、製造・組み付け工程を減らすこともでき、ひいては、製造コストの低減にもつながる。なお、外側極板１４ｂを図３のように径方向位置決め部１４ｂａと軸方向位置決め部１４ｂｂに形成してもよい。

以上、本発明の様々な実施形態について説明してきたが、本発明は、前述した実施形態に限定されず、その要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施可能である。例えば、前述した研磨支持面は、表面粗さが例えば１．６以下に設定されていたが、研磨支持面は、転動体の所望の回転性能を確保するように研磨仕上げされていればよく、その表面粗さは任意に設定できる。また、前述した実施形態では、段差部を境に、研磨支持面と、段差部よりも外側（開口側）に位置される外輪の内面部位とで、外輪の内面の表面粗さに差異をもたせたが、段差部を排除し、外輪の内面全体が研磨支持面として形成されてもよい。その場合には、極板と磁石とにより構成される磁性体を軸方向で位置決めする前述した外側極板又は保持部材が外輪の開口端面に当接されてもよい。

また、以上説明した磁性流体シール付き軸受は、防塵性、防水性が要求される様々な装置の回転駆動部に設置することが可能であり、例えば、工業部品や、魚釣用リールなどにおいても使用可能である。

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ 磁性流体シール付き軸受
３ 内輪
５ 外輪
７ 転動体
１０ 軸受本体
１２ 磁石
１４ 極板
１４ａ 内側極板
１４ｂ，１４ｃ 外側極板
１４ｂａ 第１の極板部
１４ｂｂ 第２の極板部
２０ 磁性流体シール
２５ 磁性流体
３０ 研磨支持面
４０ 段差部
５０ 保持部材

Claims (5)

1. 磁性体により形成される内輪及び外輪と、前記内輪と前記外輪との間に転動可能に介挿される転動体とを有する軸受本体と、
   前記軸受本体に一体に保持され、前記内輪及び／又は前記外輪との間で磁気回路を形成して前記軸受本体の内部をシールする磁性流体シールと、
   を備え、
   前記磁性流体シールは、前記内輪及び／又は前記外輪との間で磁気回路を形成する磁石と、該磁石を保持する極板と、前記内輪及び／又は前記外輪と前記極板及び／又は前記磁石との間に保持される磁性流体とを有し、
   前記転動体を支持するための研磨仕上げされた前記内輪又は前記外輪の研磨支持面によって前記極板が径方向で位置決め支持されることを特徴とする磁性流体シール付き軸受。
2. 前記研磨支持面に隣接する前記内輪又は前記外輪の段差部により前記極板が軸方向で位置決めされ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. 前記磁石をその軸方向両側で保持する２つの前記極板を有し、前記転動体と対向する側で前記磁石を保持する内側極板が前記研磨支持面によって径方向で位置決め支持されるとともに、反対側の外側極板が前記段差部により軸方向で位置決めされ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. 前記極板は、前記研磨支持面によって径方向で位置決め支持される第１の極板部と、前記段差部により軸方向で位置決めされる第２の極板部と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。
5. 前記研磨支持面に隣接する前記内輪又は前記外輪の段差部に当接して前記極板を軸方向で位置決め保持するための保持部材を更に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。