(57)【要約】【課題】本発明は、軸線周りで相対的に回転可能となるように同軸状に配設された回転体および固定体を備えた、磁気粘性流体を用いたシール構造を有する回転装置を提供するものである。【解決手段】本発明の磁気粘性流体を用いたシール構造を有する回転装置では、前記回転体と前記固定体との一方には、互いの隙間を形成する表面の一部が非磁性体で形成され、前記回転体と前記固定体との他方には、前記隙間を介して前記非磁性体に対して半径方向に対向する位置に磁場発生手段が配設されている。さらに本回転装置では、前記隙間のうち前記非磁性体と前記磁場発生装置に挟まれる領域に磁気粘性流体が配置される。【選択図】  図１
2011127616.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸線周りで相対的に回転可能となるように同軸状に配設された回転体および固定体を備えた、回転装置であって、
前記回転体と前記固定体との一方は、互いの隙間を形成する表面の一部が非磁性体で形成され、
前記回転体と前記固定体との他方は、前記隙間を介して前記非磁性体に対して半径方向に対向する位置に磁場発生手段が配設され、
前記隙間のうち前記非磁性体と前記磁場発生装置とに挟まれる領域に磁気粘性流体が保持されることを特徴とする、磁気粘性流体を用いたシール構造を有する回転装置。
【請求項２】
前記固定体は、前記回転体の外周に同軸に配設され、
少なくとも前記回転体の外周面の一部は、非磁性体で形成され、
前記磁場発生装置は、前記外周面の一部に対向する前記固定体の内周面内に埋入固定させて、
前記回転体の外周面の一部と磁場発生装置との間に位置する隙間に磁気粘性流体を配置させたことを特徴とする、請求項１に記載の磁気粘性流体を用いたシール構造を有する回転装置。
【請求項３】
前記回転体は、回転体の軸線をその軸線とするシャフトと、該シャフトの外周に同軸状に配設され該シャフトに対して回転方向に固定された環状のスリーブとを備え、
前記シャフトは磁性体で構成され、前記スリーブは非磁性体で構成されることを特徴とする請求項２に記載の磁気粘性流体を用いたシール構造を有する回転装置。
【請求項４】
磁場発生装置は、前記磁気粘性流体内に軸線方向の磁束を発生させるように、回転体と同軸の環状部材で構成する永久磁石と、該永久磁石を軸線方向に挟み前記回転体と同軸の環状部材で構成する磁性体リングと、を含むことを特徴とする磁気粘性流体を用いたシール構造を有する回転装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転軸とその軸周りのハウジングや軸受との間の隙間を磁気粘性流体を用いてシールするシール構造を有する回転装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に軸受装置のような回転装置では、シャフト等の回転軸の軸周りにハウジングや軸受等の固定体が配設され、固定体に対して回転軸が相対的に軸周り回転する構成を有している。このような回転装置において回転軸と固定体との間には環状の隙間が存在し、この隙間を介して周囲の液体や気体が侵入し得る。したがって、回転装置では当該隙間を最適にシールするシール手段が要求されることが多い。
【０００３】
従来より上記シール手段の１つとして、回転軸等（以下、総称として「回転体」とも称する）とそのハウジングや軸受等の固定体との隙間に磁場を与えて保持された磁性流体によって、両者をシールするシール構造を有する回転装置が存在する（例えば、特許文献１や特許文献２）。
【０００４】
しかしながら、回転装置において、回転軸を鉄のような磁性体で作成し、ハウジング等の
固定体との隙間に磁性流体を保持させるような場合、固定体側から磁性流体に磁場を与えることで回転体と固定体とをひっつけてシールすることは可能となるが、磁場を強めてシール耐圧を強固にしようとすると回転に対する大きな抵抗となってしまい回転に必要なトルクが増大するという問題があった。なお、強固なシール耐圧を得ようとするために磁気粘性流体（例えば、特許文献３）を配置する方法も存在するが（例えば、特許文献４）、回転に対する抵抗が生じるという問題は解決されない。
【０００５】
また、上記の回転抵抗の問題は磁性流体が磁性体である回転軸とひっついてしまうことを原因とするものであり回転軸を非磁性体にすることも考えられるが、そもそもここでのシール構造は磁性流体が回転軸とひっつくことで効果を奏するものであり、回転軸として非磁性体を用いることはシール性を損なうことになり本来的な要求を達成できない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】実開平０５−０１０８２３号公報
【特許文献２】特開平０５−２８０５４５号公報
【特許文献３】特表２００６−５０５９３７号公報
【特許文献４】特開２００４−３１６８０５号公報
【特許文献５】特開２００９−１１７７９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、軸受装置に代表される軸線周りに回転する回転軸等の回転体とハウジング等の固定体とが同軸に配設された回転装置について、大きなトルクを要さないように回転抵抗を低減させつつ、回転体と固定体との隙間への液体や気体の侵入を強固にシールすることが可能な磁気粘性流体を用いたシール構造を有する回転装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の磁気粘性流体を用いたシール構造を有する回転装置は、軸線周りで相対的に回転可能となるように同軸状に配設された回転体および固定体を備えている。具体的に本回転装置は、前記回転体と前記固定体との一方は、互いの隙間を形成する表面の一部が非磁性体で形成され、前記回転体と前記固定体との他方は、前記隙間を介して前記非磁性体に対して半径方向に対向する位置に磁場発生手段が配設され、前記隙間のうち前記非磁性体と前記磁場発生装置とに挟まれる領域に磁気粘性流体が保持される。
【０００９】
また、上記磁気粘性流体を用いたシール構造を有する回転装置についてさらに具体的には、前記固定体が、前記回転体の外周に同軸に配設され、少なくとも前記回転体の外周面の一部は、非磁性体で形成されることが好ましい。このとき前記磁場発生装置は、前記外周面の一部に対向する前記固定体の内周面内に埋入固定させて、前記回転体の外周面の一部と磁場発生装置との間に位置する隙間に磁気粘性流体を配置させることが好ましい。
【００１０】
また、前記回転体は、回転体の軸線をその軸線とするシャフトと、該シャフトの外周に同軸状に配設され該シャフトに対して回転方向に固定された環状のスリーブとを備えもよい。
ここでの前記シャフトは磁性体で構成され、前記スリーブは非磁性体で構成されることが好ましい。
【００１１】
さらに、上記磁場発生装置は、前記磁気粘性流体内に軸線方向の磁束を発生させるように、回転体と同軸の環状部材で構成する永久磁石と、該永久磁石を軸線方向に挟み前記回転体と同軸の環状部材で構成する磁性体リング（ヨーク）と、で構成されてもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の磁気粘性流体を用いたシール構造を有する回転装置によれば、外周の一部を非磁性体で形成した回転体と固定体との隙間に磁気粘性流体を配置し、この隙間に磁場を与えるための磁場発生手段を配設することにより、回転抵抗を低減させることができ、その結果、回転トルクを低減することができる。これは回転体の一部に非磁性体を用いているため磁場発生手段の磁路が回転体を経由せず磁気粘性流体が回転体（磁場発生手段が回転体側に配設される場合には固定体）に吸着しない（吸着力が弱い）からである。
【００１３】
また、本発明の磁気粘性流体を用いたシール構造を有する回転装置によれば、上記回転体と固定体との隙間に磁気粘性流体が配置し、磁場発生手段により隙間内の軸線方向に沿った磁束を発生させるとこの磁束により磁気粘性流体の内部応力が増加し、強固なシール耐圧が得られることとなる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の磁気粘性流体を用いたシール構造を有する回転装置の軸線に沿った断面図である。
【図２】図１のエリアＡの拡大図である。
【図３】図１、図２に示すエリアＡと同エリアでの変形例を示す拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
まず、図１を参照すれば本発明の磁気粘性流体を用いたシール構造を有する回転装置の１つの実施形態が示されている。具体的には、本回転装置の回転軸線に沿った断面図を示している。なお、図１には軸線Ｘを中心に左右対称であり、左右いずれかに示された部材はこれに対称となる位置の部材も同一の部材を示している。
【００１６】
回転体(シャフト等)の構成について
まず、本実施形態の回転装置１０では、互いに相対的に軸回転する回転体１２と固定体２０とで構成されている。具体的には本回転装置１０の回転体１２は、回転軸としてのシャフト１４とこのシャフト１４に外挿されるスリーブ１６とで同一軸線Ｘ上に配設されている。シャフト１４は、鉄等の一般的な磁性材料を使用している。スリーブ１６は非磁性体として      オーステナイト系のステンレスを使用している。なお、スリーブ１６は、全体を非磁性体にすることまで要求されないが詳細は後述する。
【００１７】
また、スリーブ１６は、シャフト１４に対して少なくとも軸回転方向に固定する。すなわちシャフト１４とスリーブ１６とは一体の回転体１２として後述の固定体２０に対して軸線Ｘ周りに回転する。さらに、スリーブ１６は、図１の紙面の軸線方向上方から下方にスリーブ前部材１６ａとスリーブ後部材１６ｂとが配設され、両者が連結されて一体固定している。
【００１８】
固定体（ハウジング等）及び磁場発生手段の構成について
次に、スリーブ１６には、固定体としてのハウジング２０が外挿されるが、スリーブ１６の外表面全体１６ｃとハウジング２０の内表面全体との間には所定厚さδ（図２参照）の環状の隙間２２が形成されている。さらに、スリーブ１６とハウジング２０との下部（紙面視）において形成された環状の凹部分に転がり軸受２４が嵌め込まれている。この転がり軸受２４は、スリーブ１６とハウジング２０との下端部表面で形成された環状の凹部分２６に嵌め込まれる。そして、転がり軸受２４は、嵌め込まれた状態でから天板３０、３１を介してスリーブ１６とハウジング２０との両者にネジ２８、２９で連結され、固定体２０に対する回転体１２（シャフト１４及びスリーブ１６）の軸回転の軸受となる。
【００１９】
また、固定体としてのハウジング２０は、ここではステンレス等が使用されているが、とりわけ非磁性体に限定されるものではない。なお、本実施形態では固定体１２としてスリーブ１６に外挿するハウジング２０のみを示しているが、他にハウジング２０と一体に固定される部材が含まれても良い。
【００２０】
次に磁場発生手段２について説明する。
磁場発生手段２は、ハウジング２０の内周面に配設されている。具体的に、磁場発生手段２は、永久磁石４とこの永久磁石４のヨークとしての磁性体リング６とで構成されている。図１、図２に示すように永久磁石４は、スリーブ１６の外周面及びハウジング２０の内周面に沿った環状で断面が矩形の形状をなしており、本実施形態では図示していないが上下に一対に重ねられている。また、磁性体リング６は、断面がスリーブ１６方向及び上方向に開放するＬ字形状の第一磁性体リング６ａと、断面が矩形の第二磁性体リング６ｂとで構成されている。
【００２１】
さらに、磁性発生手段２は、ハウジング２０の上部内表面側に形成された環状の凹部分２０ａに上方から嵌め込まれている（紙面視）。そして、磁場発生手段２は、上方から嵌め込まれた状態で天板３２を介してハウジング２０にネジ２９で結合している。なお、上述するようにネジ２９については転がり軸受２４とハウジング２０の下端部との連結にも使用したが、ネジ２９はネジ山を有するボルト構造で形成されており、転がり軸受２４との連結同様に天板３２が上方からハウジング２０と磁場発生手段２との両者の上面を押圧して物理的に外れないようにしている。
【００２２】
磁気粘性流体について
次に、磁気粘性流体の保持について説明する。図１と図２とに示すように磁気粘性流体８は、本実施形態においては特に（回転体１２としての）スリーブ１６の外周面と（固定体としての）ハウジング２０の内周面との隙間２２に保持される。また、具体的にスリーブ１６の外表面と磁気粘性流体８とハウジング２０の内表面との３者の軸線方向の位置関係（紙面上下方向の位置関係）は、磁場発生手段２が配設される軸線方向に対応するハウジング２０の外表面と、これに対向する軸線方向位置にあるスリーブ１６の外表面と、その間の隙間８に保持される磁気粘性流体８とで構成される。これにより隙間２２に磁気粘性流体８が保持されるとその内部に埃等が侵入することを防止することができる。また、磁気粘性流体８は、本実施形態では前述の特許文献５で開示されたアークプラズマ法で作製したナノサイズの鉄粒子（磁性体）を分散媒に分散させたものを使用しているが、いわゆる磁気粘性流体と称される機能を有する流体であれば他のものでは差し支えない。
【００２３】
再び図２に戻ると、磁場発生手段２は次のような磁束が発生する。参照番号Ｙの矢印に示すように磁束の回路（磁路）Ｙは、永久磁石４から第一磁性体リング６ｂ方向に向かい天板３２に到達する前に隙間２２側に曲がる。これは本実施形態では天板３２も非磁性体であるステンレスを使用しているので透磁性が非常に小さく、磁束が磁性粒子を含む磁気粘性流体８側に向かうからであり、その後、磁路は透磁性の高い第一磁性体リング６ｂ内を進行する。次に、磁束は磁気粘性流体８内に侵入したら直ちに進路を軸線方向に曲げて磁気粘性流体８内を進行する。これも前述同様、スリーブ１６が非磁性体のステンレスを材質とするためステンレス内は透磁性が非常に小さいからである。
【００２４】
その意味において、非磁性材料であることを必要とするのは磁気粘性流体８の近傍、すなわち磁場発生手段２に対向するスリーブ１６の外表面近傍において非磁性体が配設されていれば足り、スリーブ１６を含む回転体１２全体としてまで非磁性体であることは要求されない。本実施形態の場合もスリーブ１６はステンレスを使用しているがシャフト１４は鉄系の磁性体を使用している。
【００２５】
さらに、隙間２２に保持された磁気粘性流体８内を軸線方向(紙面上下一方向)に進行した磁束は第二磁性体リング６ａの近傍まで到達すると再度、第二磁性体リング６ａ内に進路を曲げてさらに永久磁石４側に曲げて戻され、１つの磁路が形成される。
【００２６】
ここで磁束が磁気粘性流体８内を軸線方向に進行している状態について説明する。そもそも磁気粘性流体は、磁化可能な金属粒子を分散媒に分散させてなる液体である。この磁気粘性流体は、磁場の作用のないときには流体として機能する一方、磁場を作用させたときには、金属粒子がクラスターを形成して液体が増粘し、液体の内部応力が増大する。その内部応力の増大により磁気粘性流体は、剛体のように機能してせん断流れや圧力流れに対して抗力を示すようになる。
【００２７】
このため磁気粘性流体８は、その内部を軸線方向に進行する磁束に引っついており、上記クラスターの発生による増粘することにより隙間２２を高耐圧でシールすることができる。また、親水性の高い界面活性剤を使用した磁性流体を使用した場合にはシール役割の磁性流体が液体に溶解し混合していくためエアのシールにしか使用できなかったが、磁性粘性流体ではこのような問題もなく液体シールにも適している。
【００２８】
その一方、回転体１２の外表面、すなわちスリーブ１６の外表面は非磁性体であるため、固定体２０と回転体１２との間の軸回転に対しては摩擦力しか作用せず回転抵抗にならない。従って、本発明のように磁場発生装置と磁性粘性流体と非磁性体とを組み合わせたシールの場合、高いシール効果を維持しながら低トルクであるシールを達成することがきる。
【００２９】
図３は図１のエリアＡ内の構造の拡大図である図２の変形例で、図２との違いは永久磁石４のスリーブ側１６の内周面の周方向に環状の凹部分４ａを設け、スリーブ１６の外周面の周方向に凸部分１６ｃを設けてた点である。この構造を付加すると隙間に軸方向にクランク断面形状が形成され、効率の良い磁場を提供することができる。この場合、図３に矢印Ｚで示すように磁気粘性流体８内の磁路にも屈曲箇所が付加され、さらにシール耐圧が高くなる。
【００３０】
以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明の磁気粘性流体を用いたシール構造を有する回転装置はこれに限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載の精神と教示との範囲を逸脱しない他の変形例と改良例とが存在することは当業者に明白であろう。具体的には、本実施形態では、回転体１２としてシャフト１４とスリーブ１６とで構成し、スリーブ１６を非磁性体としていたが、固定体２０との隙間２２に対向する部分が非磁性体であれば良く、回転体１２は非磁性体のシャフト１４のみや他の非磁性体なども考えられる。
【００３１】
また、本実施形態では固定体２０に磁場発生装置２を設けたために回転体１２に非磁性体を使用したが、磁場発生手段２は回転体側１２に配設されても良く、その場合は固定体側２０に非磁性体を用いる構成となる。また、本実施形態では磁場発生装置２として永久磁石４とこれを挟むヨーク６を使用したが、コイルを用いて電磁石で磁場発生させる方法も考えられる。
【符号の説明】
【００３２】
２…磁場発生手段
４…永久磁石
６…磁性体リング（ヨーク）
８…磁気粘性流体
１０…回転装置
１２…回転体
１４…シャフト（回転軸）
１６…スリーブ
２０…ハウジング（固定体）
２２…隙間
２４…転がり軸受
【図１】
2011127616.tif 000003
【図２】
2011127616.tif 000004
【図３】
2011127616.tif 000005