(57)【要約】【課題】回転軸とケーシングとの間の隙間を接触による摩擦負荷も、また騒音を発することがなく、外部の塵埃、水分などの侵入を防止することが可能に封止構造およびこれを用いたロータリエンコーダを提供する。【解決手段】装置フレームに軸受支持した回転軸と、この装置フレームと回転軸とを覆うケーシングとの間に、上記ケーシング側に上記回転軸の周囲に磁界を形成する一対の磁極形成部材を配置し、この磁界内に磁性流体を保持して成るシーリング層を設ける。そして磁極形成部材は例えばＮ−Ｓ磁極を有する永久磁石をリング状に形成して回転軸の周囲に嵌合し、この磁石の端面と回転軸との間に磁界を生起するか、或いは同様にリング状に形成した磁石に軟磁性材のヨークを接合し、このヨーク先端を回転軸の周壁面と対峙させる。このようなヨークを設けると、鉄その他の軟磁性材は加工も容易で加工精度も得られるため正確な磁気ギャップを形成することが出来る。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
装置フレームと、
この装置フレームに軸受支持した回転軸と、
上記装置フレームと上記回転軸とを覆うケーシングと、
上記ケーシングに配置され上記回転軸の周囲に磁界を形成する一対の磁極形成部材と、
上記磁界内に保持されたフッ素オイル基体、アルキナ基体などの磁性流体から成るシーリング層とを備えた回転軸の封止構造。
【請求項２】
前記回転軸は非磁性材で構成され、
この回転軸には前記磁極形成部材と対向する部位に磁性部材から成る磁性材リングが嵌合され、この磁性材リングと前記磁極形成部材との間に形成された磁界内に前記磁性流体を保持することを特徴とする請求項１に記載の回転軸の封止構造。
【請求項３】
装置フレームと、
この装置フレームに軸受支持した回転軸と、
上記装置フレームと上記回転軸とを覆うケーシングと、
上記ケーシングに配置された一対の磁極形成部材と、
この一対の磁極形成部材間に形成された磁界内に保持されたフッ素オイル基体、アルキナ基体などの磁性流体から成るシーリング層とを備え、
上記一対の磁極形成部材は、上記回転軸の軸方向に少許の間隙を隔てて対向する磁極を形成するよう配置され、
この対向する磁極が形成する磁界は上記回転軸の周囲に上記シーリング層を形成するように構成されていることを特徴とする回転軸の封止構造。
【請求項４】
前記磁極形成部材はＮＳ２極を有するリング状永久磁石と、
この永久磁石の磁極に連結され前記回転軸との間に少許の間隙を有する軟磁性部材から成るヨークとで構成されていることを特徴とする請求項１又は３に記載の回転軸の封止構造。
【請求項５】
前記磁極形成部材は対向する磁極を前記回転軸の周囲に軸方向に磁界を形成するように配置されていることを特徴とする請求項１又は３に記載の回転軸の封止構造。
【請求項６】
前記回転軸は非磁性材で構成され、
前記磁極形成部材は、この回転軸の軸方向に少許の間隙を隔てて対向する磁極を形成し、前記シーリング層はこの対向する磁極間に形成された磁界内に磁性流体を保持して形成されていることを特徴とする請求項１又は３に記載の回転軸の封止構造。
【請求項７】
前記磁極形成部材は前記回転軸の周方向にＮ−Ｓ磁極が交互に配置されていることを特徴とする請求項１又は３に記載の回転軸の封止構造。
【請求項８】
装置フレームと、
この装置フレームに回転自在に支持された回転軸と、
この回転軸に取付けられ円周上に所定の遮光部を形成した遮光ディスクと、
この遮光ディスクに光を照射する光源と、
上記遮光ディスクからの光を受光する受光素子と、
上記装置フレームに嵌合され上記遮光ディスク、光源、受光素子を覆うケーシングとを備え、
上記ケーシングに配置され上記回転軸の周囲に磁界を形成する一対の磁極形成部材と、
上記磁界内に保持されたフッ素オイル基体、アルキナ基体などの磁性流体から成るシーリング層とを有することを特徴とするロータリエンコーダ。
【請求項９】
前記回転軸は少なくとも前記磁極形成部材と対向する外周面が軟磁性部材で形成されていることを特徴とする請求項８に記載のロータリエンコーダ。
【請求項１０】
前記磁極形成部材は前記回転軸の軸方向に少許の間隙を形成してＮ−Ｓ磁極が対向するように前記ケーシングに配置され、
上記Ｎ−Ｓ磁極の形成する磁界に保持した磁性流体は前記回転軸の外周に密に接するように構成されていることを特徴とする請求項８に記載のロータリエンコーダ。
【請求項１１】
前記磁極形成部材は、前記回転軸の周囲に配置したリング状の永久磁石と、
この永久磁石に連結したリング状の軟磁性部材から成る一対のヨークで構成され、
前記磁性流体を保持する磁界は前記回転軸の軸方向に形成されていることを特徴とする請求項８に記載のロータリエンコーダ。
【請求項１２】
前記磁極形成部材は一対の磁極を形成する永久磁石を有し、この磁極形成部材は前記回転軸の軸方向に距離を隔てて複数配置されていることを特徴とする請求項８に記載のロータリエンコーダ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種産業機器、工作機械、電装機器などの回転軸と防塵ハウジングとの間の封止構造に係わり、例えばロータリエンコーダなどの回転軸と外筺ケーシングとの間のシーリングに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般にこの種のシーリング構造は、回転軸と外筺ケーシングとの間にオイルシール、或いはラビリンスシールを配置して外部から回転軸内部に塵埃や雨水などが浸入しないようにしている。このような防塵シールは例えばロータリエンコーダの場合、クレーンなどの建設機械、ロボットなどの産業用機器、電動回転機械のモータ等に広汎な用途で使用される。そしてその構造は外周に等間隔に遮光マスクを形成した回転スリット板を回転軸に取付け、このディスク表裏の一方に光源を他方に受光素子を配置して回転軸の回転角を検出し、速度或いは移動位置を割り出してフィードバック制御など種々の制御に用いている。
【０００３】
このような構造で遮光マスクに外部から侵入した塵埃が付着すると誤検出を招き、機器の暴走などの不具合をもたらす恐れがあり、また光源或いは受光素子に塵埃が付着しても同様な結果を招くこととなり、回転スリット板、光源ランプ、受光素子及び検出回路基板などはハウジングを構成するケーシングで、耐衝撃性などの機械的強度と同時に防塵などの密閉性、を確保する必要がある。
【０００４】
従来のシーリング構造は図８にオイルシール部材で防塵する場合を示し、例えば特許文献１で照介されている。その構造は回転軸Ｐ１に回転スリット板Ｐ２を取付け、図示しないがこの回転スリット板Ｐ２を挟んで光源ランプと受光素子を対向配置する。そして回転軸を軸受支持する装置フレームＰ３に防塵カバーＰ４をシール部材Ｐ５を介して一体に取付ける。この防塵カバーＰ４は回転軸Ｐ１、回転スリット板Ｐ２、図示しない光源ランプ、受光素子などを覆い、外部からの衝撃及び塵埃の侵入を防止するように構成されている。そこでこのカバーＰ４と回転軸Ｐ１との間にはカバーＰ４に基端部を接着固定したオイルシールの先端が回転軸Ｐ１の外周と接するように配置されている。そしてオイルシールＰ５としてはゴム質材が使用されゴムの弾性を利用して回転軸とハウジングとの間の隙間を塞いでいる。
【０００５】
また図９に示すものはオイルシールに代えて非接触式のラビリンスシールを用いた場合を示し、前述のものと同様に回転軸Ｐ１とカバーＰ４との間の隙間にラビリンスシールＰ６を配置している。このラビリンスシールＰ６は回転軸側にロータ側シールを、カバー側にステータシールを固着し、この両シールは互いに形成したオリフィスを非接触状態で噛み合わせて外部からの塵埃、水分などの侵入を防止している。
【特許文献１】特開２００３−１２０７０３号公報
【特許文献２】特開２００１−８２９７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述のように回転軸とハウジングを構成するケーシングとの間の隙間をオイルシールで密封しようとすると、軸とシール部材との接触によって回転軸に負荷トルクが作用し、引いては検出しようとする回転部に不用な負荷が作用し、この負荷が経時的な摩耗によって変動したり、環境温度によって変動し正確な回転位置の検出に影響を及ぼす。また、接触による騒音、摩耗粉が内部に侵入して回転スリット板に付着することにより正確な検出ができなくなるなどの問題がある。
【０００７】
次に前述のラビリンスシールは非接触であり、摩擦負荷、騒音、摩耗粉の侵入などの問題はないが、複雑なオリフィス形状のシール部材を組み合わせなければならず、その製作が困難で高価となり、またこれを組込む回転軸の外周形状もシール間のギャップを正しく確保する為に高精度の加工及び組立管理が要求され、防塵防水の効果も完全ではないなどの問題がある。
【０００８】
そこで本発明は、回転軸とハウジングを構成するケーシングとの間の隙間を接触による摩擦負荷も、また騒音を発することもなく摩耗粉が侵入することも無く、外部の塵埃、水分などの侵入を防止することが可能である回転軸の封止構造と、これを用いたエンコーダ装置の提供をその主な課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係わる回転軸の封止構造は、装置フレームに軸受支持した回転軸と、この装置フレームと回転軸とを覆うケーシングとの間に、上記ケーシング側に上記回転軸の周囲に磁界を形成する一対の磁極形成部材を配置し、この磁界内にフッ素オイル基体、アルキナ基体などの磁性流体を保持して成るシーリング層を設けたものである。そして磁極形成部材は例えばＮ−Ｓ磁極を有する永久磁石をリング状に形成して回転軸の周囲に嵌合し、この磁石の端面と回転軸との間に磁界を生起するか、或いは同様にリング状に形成した磁石に軟磁性材のヨークを接合し、このヨーク先端を回転軸の周壁面と対峙させる。このようなヨークを設けると、鉄その他の軟磁性材は加工も容易で加工精度も得られるため正確な磁気ギャップを形成することが出来る。また、回転軸を非磁性材で構成する場合には磁極形成部材と対向する部位に磁性材から成る磁性材リングを嵌合して一体化すれば良い。
【００１０】
更に回転軸が非磁性材の場合には、回転軸の周囲に軸方向に少許の間隙を隔てて対向する磁極を磁極形成部材で形成するようにする。そしてこの対向する磁極が形成する磁界は、この磁界内に保持した磁性流体が回転軸の周囲にシーリング層を形成するようにする。これによって、非磁性部材で構成された回転軸の周囲には磁極形成部材の先端に形成された磁界に磁性流体が保持され緊密に封止されることとなる。尚、回転軸の周囲に配置する磁極形成部材は、回転軸の周方向にＮ−Ｓ磁極が交互に配置するようにしても良い。この場合にはフェライトその他の強磁性材をリング形状に焼成し、その周方向に所定間隔でＮ極とＳ極を交互に配列するように着磁する。
【００１１】
次に本発明のロータリエンコーダは、基盤状の装置フレームに軸受け支持した回転軸と、この回転軸に遮光ディスクと、この遮光ディスクに光を照射する光源と、受光素子とを通常の構成で取付ける。そしてこれ等を覆うケーシングと回転軸との間を上記構成のシーリング層で封止する。この場合、磁極形成部材はケーシングに一体に固定する。また磁極形成部材は前記回転軸の軸方向に距離を隔てて複数配置することも可能であり、このように構成することによってより確実に防塵、防水されることとなる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は、回転軸とハウジングを構成するケーシングとの間に磁極形成部材で磁界を形成し、この磁界内に保持した磁性流体から成るシーリング層でケーシングと回転軸との間の隙間を封止したものであるから、オイルシール部材のような接触による負荷によって回転軸の回転数に変動を生ずることが無く、騒音が発生することも摩耗粉が内部に侵入することも無い。更にその為の構造も簡単であり、磁性流体から成るシーリング層は堅牢でかつ耐久性に優れているとの効果を有する。また、回転軸部に摩耗片、腐食片、金属粉などが発生或いは外部から混入した場合にも、これ等の金属粉を磁極形成部材によって磁性流体から成るシーリング層内に包み込んでしまう効果も併せて奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明を図示の好適な実施の形態に基づいて詳述する。図１は、本発明を採用したロータリエンコーダであり、図示しないモータ軸等の回転軸に嵌合し回転検出する貫通シャフトタイプの光学式エンコーダの断面図である。
【００１４】
以下基本的な構成について説明をする。図１に示すように、エンコーダ１００は、モータ軸等に嵌合しエンコーダ１００の回転軸となる中空のエンコーダシャフト１０１を、装置および組立ての基準となる装置フレーム１１０に固定されたベアリング等の軸受１１２に圧入或いは接着などで固定して回転自在に支持する。エンコーダシャフト１０１には、回転スリット板１７０を保持し一体で回転する回転スリット板取付台１６０が固定されている。
【００１５】
また、装置フレーム１１０には、複数の支柱１１１があり受光素子１３０および波形整形回路等を実装した回路基板１２０を支持固定している。さらに装置フレーム１１０には回路基板１２０上の受光素子１３０と光軸を合わせた対向位置に、発光素子１４０が配置固定されている。また発光素子１４０の真上には固定スリット板１５０が、発光素子１４０と合わせて相対位置を保ち配置固定されている。
【００１６】
回路基板１２０の受光素子１３０の取付面と反対側の面には、ＩＣや抵抗等からなる波形整形回路およびソケット等の電子部品１２１が実装されている。外界との遮断のためのケーシングであるカバー１０２が、これらの電子部品１２１および発光素子１４０、回転スリット板１７０、固定スリット板１５０、受光素子１３０、回路基板１２０等を覆うように装置フレーム１１０に固定されている。
【００１７】
またカバー１０２のエンコーダシャフト１０１外周面近傍には、シール部１８０を装着するシール装着スペース１０３が設けられている。カバー１０２固定時に、上記の内蔵部品に対する防塵をしてエンコーダ１００の信頼性の確保をするために、エンコーダシャフト１０１外周面に形成したシャフト溝１０４等に対向してシール部１８０を装着し外界との密封性を上げている。
【００１８】
［磁性流体シールの構成］
以上のような構成を有する光学式のエンコーダ１００において、機能および性能を左右する回転スリット板１７０、固定スリット板１５０等への埃の付着および内蔵電子回路等への塵埃の侵入防止を目的とする本考案の磁性流体２１０を用いた封止構造である磁性流体シール２００の構成について説明する。
【００１９】
磁性流体２１０は、直径が約１０ｎｍの磁性微粒子を界面活性剤で安定的に分散させた、強磁性と流動性の両方の特質を持つ流体である。磁性流体２１０の溶媒は磁性流体シール用として、蒸発性の問題から水ベースは用いられず、種類の多さと価格の点から一般的に炭化水素油ベース磁性流体が用いられる。また、低蒸気圧性、化学安定性、耐熱性などの要求される宇宙空間のような特殊環境下では、フッ素油ベース磁性流体が用いられる。磁性流体２１０は、磁場が無いと熱的擾乱によって磁気モーメントは全く自由な方向に向いているが、磁場を掛けると磁気モーメントが磁場に配向する。このとき磁性流体表面は、磁場の磁力線に沿って配向しようとする力と流体としての表面張力との拮抗作用で、スパイク現象と呼ぶ液体表面がトゲ状の突起で覆われる状態となる。この性質を利用して磁性流体シール２００を形成する。
【００２０】
以下、磁性流体シール２００の構成について説明する。図２は磁極形成部材（以下、磁力発生部２３１と称する。）の構成を示す。磁力発生部２３１は、エンコーダシャフト１０１の軸方向に磁界を形成するように着磁したリング状の永久磁石２２０を挟む形で、永久磁石２２０のＮ極、Ｓ極それぞれにリング状の軟磁性部材からなるヨーク２３０を上下に密着接合させて形成する。また磁力発生部２３１の永久磁石２２０から出た磁力線２５１は、Ｎ極からＮ極側に密着接合したヨーク２３０内を通り、ヨーク内周端面から空中に放出され、再びＳ極側に密着接合したヨーク内周端面からヨーク２３０内に入って、Ｓ極に戻る。
【００２１】
図３で本考案の実施例を説明する。
実施例ではアルミ、ステンレス等の非磁性材からなるエンコーダシャフト１０１に、軟磁性部材等からなる筒状の磁性材リング２４０を巻付け、その外周面にヨーク内周端面を近接させて磁気回路２５０を形成する。このときＮ極側のヨーク内周端面から空中に放出された磁力線２５１は、広がることなく磁性材リング２４０内を集中して通過し、Ｓ極側のヨーク内周端面からヨーク２３０内に入って、Ｓ極に戻る磁気回路２５０を形成する。
【００２２】
この磁気回路２５０内の磁力発生部２３１を構成する上下のヨーク内周端面とエンコーダシャフト１０１外周面の間の空間に所定適量の磁性流体２１０を注入封止して磁性流体シール２００が形成される。また磁性流体シール２００は、エンコーダ１００のカバー１０２に設けたシール装着スペース１０３に配設固定され外界からの塵埃等からエンコーダ１００を保護する。さらに、装置フレーム１１０とカバー１０２の間にも、Ｏリング１０５が配設され外界との遮断を完全にしている。
【００２３】
以下、図３で磁性流体シール２００の動作について説明する。磁性流体シール２００を形成する磁力発生部２３１の永久磁石２２０から出た磁力線２５１は、Ｎ極からＮ極側に密着接合したヨーク２３０内を通り、ヨーク内周端面から空中に放出され、再びＳ極側に密着接合したヨーク内周端面からヨーク２３０内に入って、Ｓ極に戻り磁気回路２５０を構成する。上述のように構成された磁気回路２５０のヨーク内周端面とエンコーダシャフト１０１外周面の間の空間に注入封止された磁性流体２１０は、この空間磁場の磁力線に沿って配向し保持されて摩擦抵抗が微小で、かつ完全密封が可能な磁性流体シール２００を形成する。
【００２４】
さらに、対向するエンコーダシャフト１０１外周面の磁性材リング２４０によって、ヨーク内周端面から空中に放出された磁力線２５１の磁束密度が高くなり、エンコーダシャフト１０１の外周面の磁性材リング２４０とヨーク２３０が近接した磁場空間には磁力線２５１が集中し、その空間に注入された磁性流体２１０は、集中した磁力線２５１に沿って強く収斂配向する。
【００２５】
この磁性流体２１０の収斂配向により、磁性流体シール２００とエンコーダシャフト１０１間に、磁性流体２１０からなるシール膜２０１が形成保持され、エンコーダ内部と外界とが隔絶される。また磁性流体２１０を注入した空間の磁力線２５１の磁束密度が高くなれば、さらに強く収斂配向し、前述したスパイク現象が顕著となってシール膜２０１の封止性能も向上する。エンコーダシャフト１０１が回転した場合も、磁性流体２１０は密着した状態で密封性は保たれ、かつ摩擦抵抗が微小なシール膜２０１を形成保持する。ただし、高速回転の場合は遠心力で磁性流体２１０が偏在して密封に対して有効に働く磁性流体の量が減少する傾向になる。
【００２６】
磁力線２５１の磁束密度が高くなれば、磁性流体２１０は強く収斂配向するため上記の高速回転の場合に対しても有利になる。また、シール効果を長持ちさせるためには、粘度が高く、高温時の蒸発量が少ないフッ素系ベース等の磁性流体２１０を使用する必要がある。
【００２７】
上述の磁力線２５１の磁束密度を高くして、磁性流体２１０の収斂を強める方法としては、図４乃至図５が変形例として考えられる。この変形例のいずれも、永久磁石２２０のＮ極、Ｓ極それぞれのヨーク２３０間のギャップを狭くすることで、その間の磁力線２５１の磁束密度を高くして密封性を上げるものである。
【００２８】
図４は、図３と同様に磁性材リング２４０を巻付けたエンコーダシャフト１０１または弱磁性体のエンコーダシャフトに対し、上下のヨーク内周端面を図示のように互いに接近させた形状として、ヨーク内周端面間のギャップを狭くする。これによりＮ極からの磁力線２５１は、エンコーダシャフト１０１に巻付けた磁性材リング２４０と永久磁石２２０およびヨーク２３０で形成される磁気回路２５０内に集中して有効に働き、磁性流体２１０を強く収斂配向させシール膜２０１の密封性を上げてＳ磁に戻る。
【００２９】
図５、図６は、エンコーダシャフト１０１が非磁性体のままで、磁性材リング２４０等を装着しない場合でも、シール膜２０１の密封性を上げられるものである。両者とも、磁気回路２５０は永久磁石２２０およびＮ極、Ｓ極それぞれのヨーク２３０のみで形成され、エンコーダシャフト１０１は関与しない。ヨーク内周端面間の磁界の強さは端面間の距離の二乗に反比例するので、永久磁石およびヨーク形状を変えて、ギャップを極小として磁束密度を上げる。
【００３０】
従ってシール膜２０１を形成する磁性流体２１０は、Ｎ極、Ｓ極それぞれのヨーク２３０の先端部間近傍に強く収斂配向されて偏在する。この強く収斂配向されて偏在した磁性流体２１０で形成されたシール膜２０１を、エンコーダシャフト１０１に極力近接させ、エンコーダシャフト１０１とシール膜２０１が重なるように配置することでシール膜２０１の密封性の高いエンコーダ１００の構成が可能になる。
【００３１】
図５は、Ｎ極、Ｓ極それぞれのヨーク２３０の形状を図示のようにしてヨーク２３０間のギャップを狭くし、磁性流体２１０をヨーク２３０の先端部間近傍に強く収斂配向させて上記の効果を狙うものである。このときヨーク２３０の先端形状、先端角度、互いに構成する角度等をパラメータとして最適化が図られる。
【００３２】
図６は、エンコーダ１００の薄型化に対応できるものであり、永久磁石２２０自身も薄型化して、Ｎ極、Ｓ極それぞれにヨーク２３０を密着接合させ、ヨーク２３０間の配置距離を狭めて結果的にヨーク２３０間の先端ギャップを小さくし上記の効果を狙うものである。さらに図７は、図６のようにして薄型化したものを、磁気シールド部材２５２を挟んで重ねて磁性流体シールを構成したもので、シール膜２０１が２層に形成され、高い密封性能が得られる。多段に重ねることで、更に密封性能は向上する。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明を採用したロータリエンコーダの概略構成図であり、（ａ）は中央縦断面図、（ｂ）はシーリング部の拡大説明図。
【図２】図１の装置の回転軸とシーリング層との組み合わせ状態を示す分解斜視図。
【図３】図１の装置の要部の説明図。
【図４】図１の装置と異なる磁極形成部材の構造を示す要部断面図。
【図５】図１および図４のものと異なる磁極形成部材の構造を示す要部断面図。
【図６】図１乃至図５のものと異なる磁極形成部材の構造を示す要部断面図。
【図７】図１乃至図６のものと異なる磁極形成部材の構造を示す要部断面図。
【図８】従来の封止構造の一例を示す説明図。
【図９】従来の封止構造の異なった例を示す説明図。
【符号の説明】
【００３４】
１００  エンコーダ
１０１  エンコーダシャフト
１０２  カバー（ハウジング）
１０３  シール装着スペース
１０４  シャフト溝
１１０  装置フレーム
１１１  支柱
１１２  軸受
１２０  回路基板
１２１  電子部品
１３０  受光素子
１４０  発光素子
１５０  固定スリット板
１６０  回転スリット板取付台
１７０  回転スリット板
１８０  シール部
２００  磁性流体シール
２０１  シール膜
２１０  磁性流体
２２０  永久磁石
２３０  ヨーク
２４０  磁性材リング
２５０  磁気回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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