(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
連続的に流れる磁性流体を用いた流体潤滑層を介して向かい合う平行で平坦な固定側の第１摺動面及び移動側の第２摺動面を有し、
前記第１摺動面に第１領域と第２領域を形成し、
前記第１領域の側に、磁力を発生させる磁力発生手段を設けて、前記第１領域と前記第２領域とで流体の密度を異ならせることで圧力を発生させるように構成し、かつ、
前記第１領域及び前記第２領域として、Ｖ字状もしくはＵ字状の領域が交互に、前記第２摺動面の移動方向に沿って形成され、
前記磁力発生手段は、前記移動方向と直交する方向において、中央部よりも両端部の方が強い磁力を有するように設定され、さらに、
前記第１領域の前記中央部に、流体のスリップ流れを生じさせるスリップ領域を形成したことを特徴とする磁性流体を用いた軸受構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、連続的に流れる磁性流体を用いた流体潤滑層を介して向かい合う平行で平坦な固定側の第１摺動面及び移動側の第２摺動面を有する軸受構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
荷重が支えられた状態で、第１摺動面と第２摺動面との間に流体潤滑膜（流体潤滑層に相当）を形成するためには、荷重に釣り合うだけの圧力を流体潤滑膜中に発生させる必要がある。また、摺動面外に流出する流体の量に見合うだけの流体が摺動面に供給されなければならない（例えば、下記特許文献１）。
【０００３】
そこで、上記のような圧力を発生させる原因の主たるものとしてくさび膜効果があげられる。これは、摺動面間の隙間が運動方向において狭くなるように形成された軸受構造により、粘性力でくさび状の隙間に引き込まれた流体分子同士の押し合いにより生じるものである。これを図１１により概念的に説明する。
【０００４】
図１１において、下部摺動面１００と上部摺動面２００とが流体潤滑膜を介して向かい合っている。下部摺動面１００は固定された状態であり、上部摺動面２００は速度ｕで左側から右側へと移動しているものとする。また、下部摺動面１００には、機械的な段差１００ａが形成されている。したがって、流体は隙間が広い部分から隙間の狭い部分へと引き込まれ、これにより、くさび膜効果が生じ動圧が発生する。理論的には、段差１００ａの位置で最も高い圧力（Ｐmaxで示されている）が発生する。このような段差により、荷重に釣り合うだけの圧力を発生させることができる。特に、流体が低粘度で負荷の発生が期待できないような水潤滑下（プロセス流体による潤滑の１例である。）での流体潤滑膜の形成においては、上記のような動圧発生構造は、不可欠である。
【０００５】
しかし、機械的な段差（溝）を形成する場合、例えば、上記ショットブラスト法による溝加工は、コストが高くなるという問題と、経時変化による磨耗の問題がある。そこで、機械的な段差を形成しない軸受構造として、本出願人は、加工コストを安価にできる流量修正係数を制御した軸受構造を提供した（下記特許文献２）。
【０００６】
この軸受構造は、流体潤滑層を介して向かい合う第１摺動面及び第２摺動面の一方に、第１領域と第２領域を形成する。第１領域は流体のスリップ流れを生じさせるように摺動面が形成され、第２領域はスリップ流れが０もしくは第１領域よりも小さくなるように摺動面が形成され、これにより、流体潤滑層に軸受支持圧力を発生させる。この構成によれば、機械的な段差を形成しなくてもよいので、加工コストを安価にすることができるとともに、経時変化による磨耗の問題を改善することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第４５３６６６７号公報
【特許文献２】特開２００７−２１１９５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本願の発明者は、さらに研究を重ねて、スリップ流れに基づく動圧発生原理とは異なる動圧発生原理を見出した。本発明の課題は、この新しい原理と従来のスリップ流れの原理とを組み合わせて、より大きな動圧発生を生じさせることが可能な軸受構造を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため本発明に係る磁性流体を用いた軸受構造は、
連続的に流れる磁性流体を用いた流体潤滑層を介して向かい合う平行で平坦な固定側の第１摺動面及び移動側の第２摺動面を有し、
前記第１摺動面に第１領域と第２領域を形成し、前記第１領域の側に、磁力を発生させる磁力発生手段を設けて、前記第１領域と前記第２領域とで流体の密度を異ならせることで圧力を発生させるように構成し、かつ、
前記第１領域及び前記第２領域として、Ｖ字状もしくはＵ字状の領域が交互に、前記第２摺動面の移動方向に沿って形成され、前記磁力発生手段は、前記移動方向と直交する方向において、中央部よりも両端部の方が強い磁力を有するように設定され、さらに、
前記第１領域の前記中央部に、流体のスリップ流れを生じさせるスリップ領域を形成したことを特徴とするものである。
【００１０】
かかる構成による軸受構造の作用・効果を説明する。この軸受構造は、平行で平坦な固定側の第１摺動面と移動側の第２摺動面と、その間に形成される流体潤滑層により構成されている。特に、流体潤滑層として、磁性流体を用いる点に特徴がある。そして、固定側の第１摺動面に第１領域と第２領域を形成し、第１領域の側に磁力を発生させる。この磁力により、磁性流体が影響を受け、第１領域の方が第２領域よりも密度が高くなる。そして、磁性流体の流れが連続的に発生するために、圧力が発生する。すなわち、第１領域と第２領域の密度差によるせん断質量流量の不連続性を実現することで圧力を発生させる。
【００１１】
さらに、スリップ流れを生じさせるスリップ領域を第１領域に設けることで、前記せん断質量流量の差がさらに増加するので、磁場を発生させることの効果に加えて、より大きな動圧の発生を生じさせることができる。
【００１２】
また、交互に配置する第１領域と第２領域は、摺動面の移動方向に沿って、Ｖ字状もしくはＵ字状の領域を交互に配置することで形成される。第１領域と第２領域をＶ字状もしくはＵ字状の領域とすることで、磁性流体の密度が高くなる第１領域において、擬似的に磁性流体の壁が形成される。また、第１領域においては、Ｖ字状もしくはＵ字状の領域の磁場の強さは、両端部のほうが中央部よりも強くなるように設定される。このように構成することで、両端部は、磁性流体の流れの入口側として機能し、中央部は出口側として機能する。入口側では、密度の高い第１領域の形状に沿うようにして、第２領域にある低粘度の磁性流体が安定して入口側から流入する（ポンピング作用）。これにより、いわゆるへリングボーン軸受と類似する構造が創出される。従って、前述のせん断質量流量の差に基づく動圧発生に、ポンピング作用が加わり、高い軸受圧力の発生を実現することができる。
【００１３】
しかし、第１領域の全体を高い磁場で形成すると、粘度が高くなる領域が広がり、軸受の摩擦抵抗が増加して、軸受特性に悪影響を及ぼす。そこで、第１領域の中央部は両端部よりも磁場が弱くなるように設定する。これにより、軸受の幅方向の中央部（出口側）では、密度が低くなるため、磁性流体の粘度が低下し摩擦抵抗を下げることができる。磁場を弱くした中央部は、両端部に比べて、せん断質量流量の差に基づいて発生する軸受荷重は低下する。しかし、第１領域の中央部にスリップ領域を設けているので、それを補うことができ、中央部においても両端部と同様に、せん断質量流量の不連続性を高めることができる。
【００１４】
以上のように、スリップ流れに基づく原理と磁場発生に基づく原理を組み合わせてせん断質量流量の差を発生させ、大きな動圧発生を生じさせることが可能になった。
【００１５】
また、磁力発生手段は、摺動面の側に設ける必要はなく、摺動面に機械的な段差を形成する必要はないので、経時変化により段差が摩耗していくという問題はない。スリップ領域についても同様である。
【００１６】
詳細な原理については、後述する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の基本原理を説明するための概念図
【図２】磁力発生手段の具体的な構成を示す図
【図３】第１領域と第２領域の構成例を示す図
【図４】実験装置を示す図
【図５】実験結果を示すグラフ（１）
【図６】実験結果を示すグラフ（２）
【図７】圧力が発生する原理を理論的に説明する図
【図８】スリップ領域を有する構成例を示す図
【図９】第１領域と第２領域の形状の好適な実施形態について説明する図
【図１０】図９の構成とスリップ領域を組み合わせた構成例を示す図
【図１１】従来技術に係る動力発生機構を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明に係る実施形態の好適な実施形態を図面を用いて説明する。図１は、基本原理を説明するための概念図である。本発明の基本原理を以下、説明する。
【００１９】
＜本発明の基本原理（磁性流体）＞
図１に示すように、第１摺動面１と第２摺動面２が流体潤滑層Ｍを介して向かい合っている。第１摺動面１と第２摺動面２は共に平坦な面を有し、かつ、互いに平行である。図１では、下側に位置する第１摺動面１（固定側）は移動せず、上側の第２摺動面２が図の矢印方向（左側）に移動するものとする。
【００２０】
流体潤滑層Ｍは、磁性流体により構成される。磁性流体は、きわめて微細な強磁性体が液体中に均一に分散している複合材料であり、マグネタイトやマンガン亜鉛フェライトなどの強磁性微粒子、その表面を覆う界面活性剤、ベース液（水や油）の３つの成分で構成される。なお、本発明としては、特定の成分に限定されるものではない。
【００２１】
第１摺動面１の側には、図１に示すように第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２が形成されており、第１領域Ｒ１は、磁力発生手段により磁力が発生している領域であり、第２領域Ｒ２は、磁力発生手段による磁力が発生していない領域である。磁力発生手段としては、第１領域Ｒ１の裏面側あるいは内部に永久磁石や電磁石を配置（あるいは埋設）することで、構成することができる。
【００２２】
第２摺動面２が左側に速度Ｕ１で移動しているとすれば、第１摺動面１の第１領域Ｒ１と対向する壁面における流体の移動速度Ｕ１と、第１摺動面１の第２領域Ｒ２と対向する壁面の移動速度Ｕ１は同じである。また、第１摺動面１の表面では、第１摺動面１は移動しないので流体の移動速度は０である。そこで、図１のような三角形を描くと、この三角形の面積はせん断流量ｑ（ｍ3／ｓ）に相当する。
【００２３】
一方、図示の三角形の領域における密度をρ１，ρ２とする。第１領域Ｒ１は、磁力が発生しているので、第２領域Ｒ２に比べて流体の密度が高くなる。前述のせん断流量について、第１領域Ｒ１の流量をｑ1とし、第２領域Ｒ２の流量をｑ2とすれば、ｑ1とｑ2は等しい。ところで、質量流量ｍ（ｋｇ／ｓ）を考えると、第１領域Ｒ１は、ｍ1＝ρ１×ｑ1、第２領域Ｒ２は、ｍ2＝ρ２×ｑ2である。せん断流量は両領域において等しいが、せん断流量は第１領域Ｒ１（入り口側）の方が大きい（せん断質量流量に差が生じる）ことになる。
【００２４】
そうすると、このようなせん断質量流量の差に起因して、第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２の間で圧力が発生することになる。この圧力により軸受としての機能を発揮させることができる。このように、質量流量の差を生じさせることで、軸受を支持するための動的圧力を発生させることができる。
【００２５】
図２は、磁力発生手段の具体的構成を示しているが、（ａ）は第１摺動面１の表面に永久磁石１０の表面が露出するように配置した構成例である。（ｂ）は第１摺動面１の内部に永久磁石１０を埋設させた構成例を示す図である。
【００２６】
＜第１領域及び第２領域の形状＞
次に、第１・第２領域Ｒ１，Ｒ２を形成する場合の形態を説明する。図３（ａ）はＶ字状に第１領域Ｒ１及び第２領域Ｒ２を形成した構成例、（ｂ）はＵ字状に第１領域Ｒ１及び第２領域Ｒ２を形成した構成例である。図３（ｃ）は、比較例であり、摺動面の移動方向に対して垂直な方向に第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２を形成した構成例である。前述のように、密度が高くなると、相対的に粘度も高くなる。そのため（ｃ）のように形成すると、ポンピング作用による圧力の発生がないため、（ａ）や（ｂ）に比べて、軸受としての性能が劣る。
【００２７】
図３は、第１摺動面１の上でプレート２０（裏面が第２摺動面２に相当する。）が移動する例である。（ｃ）の場合、右方向（Ｆ１）と左方向（Ｆ２）は軸受性能としては同じである。一方、（ａ）（ｂ）の場合、右方向（Ｆ１）と左方向（Ｆ２）とでは軸受性能としては異なると考えられる。
【００２８】
磁性流体を用いた場合、前述のように、第１領域Ｒ１の密度が高くなるため、その部分に磁性粉が集まり、擬似的な壁が創出される。このような擬似的な壁は、流体の流れを阻む方向に作用する。密度の高い領域は粘度も高くなるため、磁性流体の流動性が低下する。そのため、第１領域Ｒ１の形状に沿うように、第２領域Ｒ２にある低密度（低粘度）の磁性流体が引き込まれることになる。図３（ａ）（ｂ）において、Ｆ１の方向にプレート２０を引っ張ると、流体はＤ１の方向へ移動しようとし、幅方向の中央部から両端部へと流体が移動する。逆にＦ２の方向にプレート２０を引っ張ると、流体はＤ２の方向に移動しようとし、幅方向の両端部から中央部へと流体が移動する。つまり、Ｆ２の方向では、ポンピング作用が起こり、向かい合う摺動面の間に十分な流体潤滑層Ｍが形成され、圧力が発生しやすくなり、軸受として好ましい方向である。
【００２９】
以上のように、図３（ａ）（ｂ）に示すような第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２を形成することで、領域間のせん断質量流量の差に起因する圧力を生じさせることと、前述のポンピング作用の２つにより動的な圧力を発生させることができる。図３（ａ）（ｂ）のＦ１の方向にプレート２０が移動する場合は、ポンピング作用は起こらず、Ｆ２の方向にプレート２０が移動する場合に、ポンピング作用が起こる。
【００３０】
＜確認実験＞
以上のポンピング作用等の効果を確認するために、簡単な実験を行った。図４は、その実験装置を示す図である。動かない土台１０の上にプレート２０を載置し、プレート２０を左右に引っ張ることで摩擦力の測定を行った。土台１０の上面が第１摺動面１に相当し、プレート２０の裏面が第２摺動面２に相当する。土台１０の素材は、高分子樹脂であり、プレート２０の素材も、高分子樹脂である。土台１０には、不図示の磁石を配置することで磁力を発生させるようにした。
【００３１】
土台１０は、磁性流体が満たされた容器３内の底部に載置する。容器３の裏面側に秤４を設置し、摩擦力の測定を行った。なお、領域の形状は図３（ａ）に示すものを設定した。
【００３２】
図５（ａ）（ｂ）は実験結果を示すグラフである。グラフの縦軸は摩擦力の大きさを示し、横軸は移動距離を示す。（ａ）は摺動面間に作用する軸受荷重が相対的に低く、（ｂ）は軸受荷重が相対的に高い。図５において、Ｆ１で示す範囲は、プレート２０を右に移動させた時の結果を示し、Ｆ２で示す範囲は、プレート２０を左に移動させた時の結果を示す。図５の実験結果からもわかるように、Ｆ２で示す範囲はＦ１に比べて摩擦力が小さくなっている。この差は、ポンピング作用に基づくものであり、その効果が実験結果に表れているものと考えられる。
【００３３】
図６は、方向Ｆ１とＦ２を交互に繰り返した場合の実験結果を示すグラフである。すなわち、プレート２０を左右に連続的に往復動させた時の実験結果を示す。初期の段階では、Ｆ２の方が摩擦力が小さくなっているが、繰り返すうちに、Ｆ１とＦ２の差がなくなってくる。すなわち、徐々に平均化されてくる。以上のことから、往復動させる軸受よりも一方向にのみ移動するような軸受の方に好適であると言える。なお、図６の（ａ）の最初のＦ１と、（ｂ）の最初のＦ２は、第１摺動面と第２摺動面が接触している停止状態から作動させた場合の結果であるため、これらは除外して考える必要がある。
【００３４】
図３（ａ）に示す軸受構造は、密度の差により磁性流体の壁が形成されるので、擬似的にへリングボーン軸受やスパイラル軸受と同様の機能を創出することができる。ただし、これらのへリングボーンやスパイラル軸受は、摺動面に機械的な溝を形成するので、もともと一方向への移動にしか対応することができない。
【００３５】
一方、本発明による磁性流体を用いた軸受構造の場合、摺動面には溝を形成しないので、設置している永久磁石の配置方向を変換させたり、電磁石への印加状態を変化させることで、一方向のみならず両方向への移動に対応することができる。また、Ｖ字状に領域を形成する場合に、そのＶ字の角度は、移動速度により最適値があると考えられるが、本発明のような構成によれば、任意にＶ字の角度を変更することができる。Ｕ字状に形成する場合も同様である。
【００３６】
＜理論＞
図７により、本発明の構成により圧力が発生する原理を理論的に説明する。図７において図１と同様に、第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２が示されており、第２摺動面２が移動速度Ｕ1で左側に移動している。ここで、第１領域Ｒ１の側の密度をρ1、粘度をη1とし、第２領域Ｒ２の側の密度をρ2、粘度をη2とする。発生する圧力は、図７（ｂ）のように、第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２の境界（あるいは境界近傍）で最大値Ｐmaxとなる。Ｐmaxは、次式で表わされる。なお、ｘｙ座標は図７（ａ）に示すとおりである。
【数１】
0005439508.tif 000002
この式において、軸受として機能するためにＰmaxが＋（正）になる必要がある。式１において、Ｕ1は負の値である。Ｕ1の方向がｘ軸の負の方向を向いているからである。また、分母のＢ1とＢ2は、領域の長さを示しており正の値である。また、ηやρも正の値である。ｈは、摺動面間の距離であり、正の値である。従って、Ｐmaxが＋（正）になるためには、ρ1 ＞ρ2であればよい。
【００３７】
図７の場合、磁力が発生している第１領域Ｒ１の密度ρ1の方がρ2よりも大きくなるので、上記の大小関係を満足する。従って、結果的にＰmax＞０となり、圧力が発生する。これにより、図７に示す構造は動的な圧力を発生することが理論的にも確認された。
【００３８】
＜スリップ領域を有する構造＞
次に、スリップ領域を有する構造を図８により説明する。図７に示す構造と異なるのは、第１摺動面１の表面にスリップ領域Ｒ３を形成している点である。第１摺動面１は固定されているので、通常は表面における流体の移動速度は０であるが、スリップ領域Ｒ３を形成すると移動速度がＵ’1のスリップ流れが生じる。スリップ領域Ｒ３を形成すると、多くの流体が持ち込まれようと作用し、質量流量バランスをとるために圧力が発生することになる。この圧力により軸受荷重を支持することができる。
【００３９】
このスリップ領域Ｒ３の形成方法であるが、例えば、特許第４５３６６６７号に開示される方法を採用することができる。すなわち、撥水性あるいは撥油性を有する表面を形成すればスリップ流れを生じさせることができる。具体的には、フッ素樹脂膜を形成することができる。
【００４０】
スリップ領域Ｒ３を形成した時の最大圧力Ｐmaxは、次式２により表すことができる。
【数２】
0005439508.tif 000003
式１と異なるのは、−Ｕ’1ρ1の項目が付加されている点である。ここで、Ｕ’1はＵ1と同様に負の値であるから、−Ｕ’1ρ1は正の値になる。従って、Ｐmaxは式１の場合よりも大きくなる。従って、スリップ領域Ｒ３を設けることで更に大きな圧力を発生させることができる。
【００４１】
＜領域形状の好適な実施形態＞
次に、図９により、第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２の形状の好適な実施形態について説明する。図９は、第１摺動面１の平面図であり、不図示の第２摺動面２は右から左へ移動するものとする。前述のように、第１領域Ｒ１の磁性流体の密度が高くなるので壁のようなものが第１領域Ｒ１に形成される。その結果、ポンピング作用により流体は矢印Ｄ１方向（両端部から中央部へ）に引き込まれる。
【００４２】
ここで、流体が引き込まれる入口部の長さＬ１（摺動面の移動方向に沿った長さ）と引き込まれた内側の長さＬ２を比べると、入口部の長さＬ１の方がＬ２よりも長く設定されている。従って、流体が引き込まれた先の空間がだんだんと狭くなるので、流体は紙面の上方に逃げようとするので、圧力が発生することになる（ポンピング作用）。
【００４３】
なお、第１領域Ｒ１に磁力発生手段を設けると、第１領域Ｒ１は流体の密度が高くなるが、それと共に粘度も高くなる。ただし、粘度が高くなりすぎると、摩擦抵抗が大きくなるため、軸受の性能としては好ましくない。そこで、図９のＮに示すように、均一な磁力ではなく、外側（幅方向の両端部）に行くほど磁力が強くなるように設定する。
【００４４】
この磁力曲線に従えば、流体を引き込む入口部の近傍では磁力が強く、磁性流体の壁を創出する。この壁を創出することで、流体を内側へ引き込むきっかけとなるものを形成する。この中央部側へ引き込まれた流体は両端部方向へは出にくくなる。図９のＮのような磁力の分布を形成すれば、磁力の大きさに比例して、密度すなわち粘度は内側へ行くほど低くなる。これにより、摺動面間の全体の摩擦抵抗を減少させることができる。
【００４５】
＜スリップ領域との組み合わせ＞
図９の構成とスリップ領域との組み合わせの実施形態を図１０により説明する。図１０に示すように、第１摺動面１の側にスリップ領域Ｒ３を形成する。スリップ領域Ｒ３は、中央部（出口側）にのみ形成する。両端部（入口側）にはスリップ領域Ｒ３は形成しない。図９に示すように、中央部においては磁場を弱く設定しているので、磁性流体の粘度が低下し摩擦抵抗を下げることができる。しかし、磁場を弱くした中央部は、両端部に比べて、せん断質量流量の差により生じる動圧荷重は低下する。これを補うために、第１領域Ｒ１の中央部にスリップ領域Ｒ３を設けている。
【００４６】
図１０に示すように、スリップ領域Ｒ３とスリップ領域Ｒ３の間には非スリップ領域が存在するので、これに起因して圧力が発生する（原理は前述の特許第４５３６６６７号公報を参照）。このように、磁性流体の密度差に基づくせん断質量流量の不連続性と、スリップ流れに基づくせん断質量流量の不連続性を組み合わせることで、中央部においても両端部と同様に大きな圧力を発生させ、軸受性能を高めることができる。
【００４７】
＜別実施形態＞
本発明におけるＶ字状やＵ字状の具体的な形状は、厳密なＵ形状、厳密なＶ形状である必要はない。
【符号の説明】
【００４８】
１        第１摺動面
２        第２摺動面
Ｍ        流体潤滑層
Ｒ１      第１領域
Ｒ２      第２領域
Ｒ３      スリップ領域
【図１】
0005439508.tif 000004
【図２】
0005439508.tif 000005
【図３】
0005439508.tif 000006
【図４】
0005439508.tif 000007
【図５】
0005439508.tif 000008
【図６】
0005439508.tif 000009
【図７】
0005439508.tif 000010
【図８】
0005439508.tif 000011
【図９】
0005439508.tif 000012
【図１０】
0005439508.tif 000013
【図１１】
0005439508.tif 000014