JPS583152B2

JPS583152B2 - 磁気シ−ル装置

Info

Publication number: JPS583152B2
Application number: JP54040578A
Authority: JP
Inventors: 丸山照雄; 森本正人
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1979-04-04
Filing date: 1979-04-04
Publication date: 1983-01-20
Also published as: JPS55132466A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、潤滑流体の漏洩防止のために設けられた磁気
シール装置を有する回転伝達装置に関するものであり、
低トルクで、長期使用後も潤滑流体の揮発が少なく、良
好な潤滑条件が長期にわたって維持出来る軸受構造を提
供する。

潤滑流体の漏洩防止を目的として、磁性流体と永久磁石
を組み合わせた磁気シールを用いることは従来から行な
われている。

磁気シールを用いた場合、非接触の状態で、潤滑油の密
封保持が出来るため、負荷変動を嫌う高精度な回転機能
を必要とする精密機器等に好適である。

例えば、鉱物油、合成油をベース・オイルとして、潤滑
性をもたせた磁性潤滑流体を用いて、流体軸受を構成す
ることも出来る。

例えば、ＶＴＲ（ビデオ・テープ・レコーダ）のシリン
ダの様な高精度な回転装置に、磁性流体を潤滑油として
用いた流体軸受を適用して、かつ磁気シールを設けるこ
とにより、流体潤滑の特徴を生かした極めて高精度な回
転機能を得ることが出来る。

以下、本発明の実施例の一つとして、ＶＴＲのシリンダ
（ヘッド・アセンブリ）に適用した場合について説明す
る。

ＶＴＲ装置の最近のポータブル化にともなって、シリン
グのコンパクト化、高精化に加うるに軸受部に次の様な
点の要望があった。

１負荷トルクが小さく、環境温度の変化を受けにくい
こと。

ＩＩ悪条件下（例えば高温下）においても、長期に
わたって、潤滑性能が維持されること。

上記１は、バッテリー内蔵型のポータブルＶＴＲは、低
消費電力に重点をおいた設計となってきた事から、特に
要求されるものである。

上記１ｉは、ポータブルＶＴＲは、その製品の性質上、
悪環境条件下に放置される可能性があるため、軸受部に
は、特にきびしい性能が要求される，特に、シリンダに
流体潤滑軸受を適用した場合、一定量の潤滑油を封じ込
めた状態で、流体軸受を構成するため、高温放置下にお
ける潤滑油の密封保持に、大きな難題があった。

磁性流体の潤滑油としての特性は、そのベースオイルの
特性に大きく左右される。

例えば、エステル、シリコン油等の合成油とタービン油
、モービル油等の鉱物油を用いた場合の潤滑油としての
磁性流体の特性は、互いに相容れない長所・短所を有し
、上記１，１１の相方を満足させる流体軸受を構成する
には、以下に述べる様な難点があった。

合成油の中でも、とりわけ、エステル系の潤滑油は、境
界潤滑性（油性）、揮発性等に優れ、流体軸受の潤滑に
好適であるが、磁性潤滑流体を製造する場合、カルボキ
シル基とアルコールによって得られるエステル基の分子
量が大きいため、低粘度の油脂とベースオイルの間では
、磁性微粒子の分散が悪くなり、磁性流体の低粘度化は
難しい等の問題があった。

シリコン系潤滑油をベースオイルとした磁性潤滑流体の
場合は、低粘度にする事は出来るが、シリコーン油が元
来、境界潤滑性に劣るため、流体軸受の油膜切れが起こ
り、長期使用後、焼きっけが発生する等のトラブルがあ
った。

鉱物油、例えば、パラフィンをベースオイルとした磁性
流体の場合、コロイド溶液としての磁性流体のエマルジ
ョン効果、及で界面活性剤である油脂（オレイン酸）の
特性の影響を受けて、■■値（温度粘度変化特性）の向
上が計れる等の効果が得られる。

しかし、鉱物油の特質上、揮発しやすいため、特に高温
下における過酷な条件で、使用した場合には長期にわた
る潤滑油の密封・保持が難しい等の問題点があった。

合成油、鉱物油に限らず、一般に潤滑油は粘度が高い程
、揮発性が小さく、磁性流体にした場合，長期にわたる
密封保持の点で好ましいが、粘性負荷が大きくなってし
まうという相容れない矛盾があった。

本発明は、磁性流体を用いた磁気シールに関する上記問
題点を解消したものである。

すなわち、種類、あるいは、粘度特性の異なる２種類の
磁性流体のうち、低粘度の磁性流体を流体軸受の潤滑油
として、また、高粘度の方を磁気シールとして用いるこ
とにより、装置の負荷特性を損うことなく、潤滑流体の
長期にわたる密封保持を計りい良好な潤滑条件を維持す
ることが出来るもので以下、ＶＴＲのシリンダ構造に本
発明を適用した場合について、実施例をあげ、説明する
。

第１図は、本発明の基本構成を説明するもので、低粘度
の磁性流体を流体軸受の潤滑に、高粘度の磁性流体を漏
洩・揮発防止に用いて、流体軸受の低トルク化と、長期
にわたる密封性の両面を満足させた磁気シール構造であ
る。

１は固定軸、２は固定軸１を支持する下部ベース、３は
固定軸１に回転可能に係合されたハウジング、４は固定
軸１の先端に形成された球面形状のピボット軸受である
。

５は潤滑用磁性流体であり、固定軸１とハウジング３で
構成される隙間に隅なく封じ込められており、マグネッ
ト６によって、漏洩が防止される。

また、７は、マグネット６をハウジング３に固着させる
ための収納ゲースである。

８はシール用磁性流体であり、９，１０は、それぞれマ
グネットである。

１１は、マグネット９、マグネット１０を収納し下部ベ
ース２に固着された固定スリーブである。

１２は、マグネット９，１０、固定スリーブ１１の内側
面、収納ケース７の外側の間で構成される一間部であり
、前記隙間部１２に、シール用磁性流体８が封じ込めら
れている。

さて、本装置は、３つのマグネット６，９．１０
と、２種類の磁性流体５，８から、磁気シールが構成さ
れているが、個々の作用を説明すると、汗記の通りであ
る。

（［）マグネット６の作用固定軸１とハウジング３の間は、流体潤滑受が形成され
ており、潤滑油として封じ込められタ潤滑用磁性流体５
によって、ハウジング３に加わるラジマル荷重と平衡す
るための油膜圧力が発生する。

前記油膜圧力により、潤滑油としの磁性流体５は、唯一
の大気への開口部であるハウジング３の下端開口部から
流出しようとするが、下端開口部に設けられたマグネッ
ト６によって、捕促され流出は防止される。

この様に、マグネット６による磁気シール効果によって
、潤滑流体５は常に、固定軸１とハウジング３の間に密
封・保持することが出来る．本装置で用いた磁性潤滑流
体は、液体の特性である流動性と鉄、ニッケル、フエラ
イト等の合金（固体）から作られる磁性体としての両方
の性質を有するものである。

本発明の実施例では、フエライトの一種であるマグネタ
イト（Ｆｅ０・Ｆｅ２０３）を約１００
Åの直径の微粒子にして、界面活性剤の助けをかりて溶
媒中に分散させた市販品を用いた。

また、磁性流体の溶媒は、実施例では低粘度化を計るた
めに鉱物系オイル（高蒸気圧）を用いた。

（１１）マグネット９，１０の作用、効果マグネツト９
．１０の間の間隙部１２には、潤滑用磁性流体５よりも
ずっと高粘度のエステル油をベースオイルとしたシール
用磁性流体８を封じ込めた。

マグネット９とマグネット６の間は、空隙部１３となっ
ており、この部分には、いずれの磁性流体５，８も存在
しない。

マグネット９は、シール用磁性流体８が、下部の空隙部
１３に流出するのを防止する作用を有し、また、マグネ
ット１０は、シール用磁性流体の装置外部への漏洩を防
止する作用を有する。

シール用磁性流体８が封じ込められている隙間部１２に
おける、収納ケース７と固定スリーブ１１の間隙（第２
図におけるδ２）は、ハウジング３と固定軸１の間隙：
δ１よりも、ずっと大大き目に形成されている。

そのため、長期使用後のシール用磁性流体８の若干の揮
発量を十分に補うだけの量の磁性流体を隙間部１２に封
じ込める事が出来る。

また、間隙：δ１は、流体軸受としての剛性を保つため
に小さく形成されているが、隙間部１２には高粘度のシ
ール用磁性流体８が封じ込められているにもかかわらず
、間隙：δ２が十分大きいため粘性負荷は僅少である。

実施例においては、δ１≦１５〜２５μ，δ２≦５００
μ〜６００μに形成して、低トルク駆動にもかかわらず
、流体軸受としての十分な剛性を得る事が出来た。

さて、実施例の一例として、２種類の磁性流体５，８の
特性を比較すると下記の様である。

表１において、揮発量は、定量のビーカー（５０ｃｃ．
）に３００ＣＣ．（７）磁性流体５，６を入れ、８０℃
の温度下における２００時間放置後の結果を比較したも
のである。

磁性流体に限らず、潤滑油の揮発性は粘度が低い程大き
く、また引火点が小さい程、揮発量は大きいが、表１の
結果からもその傾向は分かる。

粘度の低い潤滑用磁性流体５を流体軸受の潤滑油として
用いた場合、粘性負荷は小さくてすむが、粘度の高いシ
ール用磁性流体８と比べて、揮発量は極めて大きいこと
が分かる。

例えば、表１の潤滑用磁性流体５のみを流体軸受の潤滑
油として回転装置を構成し、高温下（８０℃程度）で放
置した場合、次の様な経過をたどることが分かった。

磁性流体は、通常、磁性微粒子、油脂、ベース・オイル
から構成されるが、最初は最も揮発性の高いベース・オ
イルが流体軸受の大気と接する開口部から揮発すること
になり、その結果、みかけ上磁性流体の粘度が上昇して
いく。

つまり、高温下の放置によって回転装置の負荷トルクが
除々に増大、潤滑油の封じ込め量が減少していき、潤滑
条件は悪化していく。

例えば、ＶＴＲのシリンダでは、潤滑油膜部に空気が混
入し、その結果、流体軸受特有の不安定現象であるオイ
ルーホワールの発生をもたらしたりする。

あるいは、トルクの不均一からくる回転ムラの増大、軸
受部の焼きつけ等、様々な悪影響を与えることになる。

しかし、本装置においては、低揮発性のシール用磁性流
体８による「防壁」によって、揮発性の大きな磁性流体
５は、装置外部の大気と遮断されており、磁性流体５の
揮発は間隙部１３の小さな容積内に留めることが出来る
。

その結果、潤滑用磁性流体５は、長期放置後も、常に一
定量を流体軸受の油膜部に保持することが出来る様にな
った。

さらに、本装置の特徴は、それぞれの磁性流体５，８の
間に独立した磁気シール６，９を設けたという点にある
。

潤滑用磁祥流体５とシール用磁性流体８の間は、２つの
マグネット６，９によって、封止されており、また、空
隙部１３を介しているため互いの磁性流体５，８の「接
触」は防止される。

異種のベースオイルからなる２種類の磁性流体が混合す
ると、磁性微粒子の溶媒中の分散が悪くなり、磁性微粒
子が沈殿・降下してしまう等の現象が起こり、その結果
、流体軸受のトルク増大トルク変動等をもたらすが、本
装置においては、その様なトラブルは防止される。

例えば、ポータブルＶＴＲの様に、装置に外部からの衡
撃的な外乱、振動などがある場合でも、本装置では、磁
性流体５，８が漏出して、混入する様な事はなく、長期
にわたって、良好な潤滑条件を保つことが出来る。

さて、本装置に用いた磁性流体（あるいは磁性潤滑流体
、磁性潤滑剤）は、前述した様に、磁気粒子の懸濁液で
あり、普通、加圧ガスの密封シール等に用いられるもの
である。

本発明では、任意の構成からなる磁性流体が適用出来る
。

例えば、合成炭化水素、ジエステル、フルオエーテル、
石油等をベース液として、フエライト、マグネタイト等
の磁性材料を磁性微粒子とした構成からなる任意の磁性
流体を、シール用の潤滑用に組み合わせて用いることが
出来る。

表１で掲げている様に、実施例では異種類の潤滑油をベ
ース・オイルとした磁性流体を用いたが、同種の潤滑油
の場合でも粘度の違いによって、揮発量が異なるため、
同一のベースオイルで製作した磁性流体の粘度の低い方
を、潤滑用に、粘度の高い方をシール用に用いる構成で
あってもよい。

この場合でも、シール用磁性流体の潤滑用磁性流体への
混入は防止されるため、混入による粘度上昇によって、
負荷トルクが増大する等のトラブルは防止出来る。

磁気シールに用いる永久磁石は、アルニコ、フエライト
、マンガンアルミ磁石あるいはフレキシブル磁石等を用
いてよい。

本発明をＶＴＲシリンダ適用した実施例においては、流
体軸受油膜部の発生圧力が小さくてよいため、永久磁石
のリング６，９．１０を軸方向に磁化しただけのものを
装着するだけで、十分なシール効果を得る事が出来た。

また、第２図の構造で、マグネット９の磁力が十分強け
れば、粘度の高いシール用磁性流体８の流動性が悪いた
め、マグネット１０を省略してもシール用磁性流体８を
隙間部１２に封じ込め、装置外部への流出を防止する事
が出来る。

他の用途で、高いシール圧を必要とされる装置に本発明
を適用する場合には、例えば従来から知られている様に
、磁気集中化が起こる様な多段のエッジを設け、閉ルー
プの磁気回路を積極的に構成する様にすればよい。

また、第１図は、基板に固定された固定軸１に係合され
たハウジング３が回転する構造であるが、逆に、固定さ
れたハウジング３に収納された軸が回転する構造でも、
本発明を適用出来る。

また、第１図のハウジングの片側は密封構造であるため
、磁気シールは、ハウジングの開口側のみ設けているが
、両端開口の場合でも本発明を適用出来る。

この場合本発明の磁気シールは２組必要である。

さて、本発明をベースとした他の実施例について説明す
る。

第２図では、シール用磁性流体８を封じ込めるのに、固
定スリーブ１１を設けているが、第３図のごとく、同一
のハウジング３と固定軸１の間に磁性流体５，８の両方
を封じ込める事も出来る。

第２図の構造と比べ、ハウジングの全長は長くなるが、
固定軸１の支持部近傍の外径は径小となる。

さて、第３図において、１４は固定軸１の流体軸受側に
形成された潤滑用スパイラル・グループ、１５はシール
側に形成されたシール用スパイラル・グループである。

スパイラル・グループは、通常、流体軸受の不安定現象
を防止するために形成されるが、本装置に用いれば、磁
気シールが一段と効果的となる。

潤滑用スパイラルグループ１４は、そのポンピング作用
（潤滑流体の圧送作用）によって、シール用磁性流体５
を流体軸受の密封側（固定軸１の上部）に流動させよう
とする力を与える。

マグネット６の磁性流体に対する捕捉作用と、前記スパ
イラルグループ１４のポンピング作用によるビスコ・シ
ールの効果によって、潤滑用磁性流体５の空隙部１３へ
の漏洩防止（すなわち、２つの磁性流体の混入防止は一
段と強化される。

シール用スパイラル・グループ１５も、隙間部１２の中
央部に磁性流体８が流動する力を受ける様に形成され、
同様の効果によって、空隙部１３及び外部への漏洩防止
効果は、さらに強化される。

特に潤滑用スパイラル・グループ１４のビスコシール効
果は、回転時のみ有効であるが、高い圧力の発生によっ
て潤滑流体が漏出する可能性があるのは、回転時であり
、静止時には、通常表面張力の効果も加わるため、微弱
なマグネットで磁性流体の漏出防止が出来る。

シール用磁性流体８、潤滑用磁性流体５が封じ込められ
た部分に、それぞれ、スパイラル・グループ１５．１４
を独立して形成した本装置によって、磁気シール用マグ
ネットは、微弱な磁力のものでもよくその結果、磁気シ
ールの構造は、十分に小型・簡易な構成とする事が出来
る。

流体軸受の潤滑部分と、シール部分に、それぞれスパイ
ラル・グループを単独に形成して、外部への漏洩防止と
、２つの磁性流体の混入防止を強化する本装置の方法は
、勿論、第２図の構造にも適用出来る。

第２図の構造の場合には、潤滑用スパイラルグルブは、
固定軸１もしくはハウジング３の内壁に形成し、シール
用スパイラルグループ１５は、収納ケース７、あるいは
、固定スリーブ１１の内壁に形成すればよい。

実施例の一つであるＶＴＲシリンダに、前記スパイラル
グループを形成した場合の、その形状寸法を、下記の表
に一例として上げる。

第４図に、本発明の一実施例であるＶＴＲシリンダを参
考に示す。

１６は上部シリンダ、１７は上部シリンダ１６に装着し
たヘッド、１８は下部シリンダであり、下部ベース１９
に固定されている。

２０．２１は、ヘッド１７の信号を非接触で回転側から
固定側へ伝達するロータリー・トランスの回転側用と固
定側用である。

２２はハウジングであり、上部シリンダ１６を装置の上
方向から着脱自在になる様に固着して、本装置の回転部
を構成している。

２３は上部蓋であり、潤滑流体漏洩防止のためのガスケ
ット２４を介して、回転スリーブ２２に固着される。

２５は固定軸であり、２７は固定軸２５し先端に形成さ
れたスラスト支持部、２８はスラスト軸受のスペーサで
ある。

２９．３０は、本装置の回転部に回転駆動力を与えるた
めのダイレクト・ドライブモータのステータ２９とロー
タ３０である。

３１はマグネットであり、固定軸２５とハウジング２２
の間に封じ込められた潤滑用磁性流体５の磁気シールの
作用を有する。

３２は補助スリーブであり、ハウジング２２の先端部に
、マクネット３１を装着するために設けられる。

３３．３４はマグネットであり、シール用磁性流体８
を密封・保持する作用を有する。

本シリンダ構造は、第１図、第２図の基本構造を利用し
たものであり、ハウジング２２の下端部とダイレクト・
ドライブモータのステータ２９の内壁のスペースを有効
に利用した磁気シールによって極めてコンパクトな構成
とすることに成功している。

特性の異なる２種の磁性流体を、潤滑用とシール用に分
離して、それぞれに独立した磁気シールを構成するとい
う本発明の適用によって、低トルクで悪環境条件下でも
長期にわたる安定した回転性能が得られるポータブルＶ
ＴＲシリンダを実現することが出来た。

本発明に用いて、様々な装置への応用・展開が出来る。

例えば、高精度な回転性能を要求されるビデオ・ディス
ク、磁気ディスク、電動モータ、ジャイロプレイヤ一等
、幅広い応用が出来る。

また、実施例では装置の内部に低粘度の磁性流体を潤滑
油として用いて、装置外部への開口部分に高粘度の磁性
流体を磁気シールとして用いたが、その逆の場合でも、
本発明を適用出来る。

例えば、真空ポンプの軸受部を２重のスリーブで構成し
ポンプ内部の低気圧の空気に触れる部分には、低揮発性
の高粘度磁性流体を用いてシールして、外側スリーブの
ポンプ外部の大気と接する部分には、低粘度磁性流体を
用いて、流体軸受を構成する等の方法を適用出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の基本構成を説明する図、第２図は、
その部分拡大図、第３図は本発明を展開した例の基本構
成図、第４図は、本発明をＶ’ＴＲシリンダに適用した
正面断面図である。１・・・・・・軸、３・・・・・・ハウジング、５・・
・・・・磁性流体Ａ，８・・・・・・磁性流体Ｂ，６，
９，１０・・・・・・磁石。

Claims

【特許請求の範囲】１軸とハウジング間に形成される間隙部に封じ込めら
れ、前記軸と前記ハウジング間で形成される軸受を潤滑
する磁性流体Ａと、前記間隙部と装置外部に到る経路の
藺に磁性流体Ａに対し空隙部を設けて封し込めた磁性流
体Ｂと、前記磁性流体Ａの前記空隙部への漏出ならびに
前記磁性流体Ｂの前記空隙部及び装置外部への漏出の双
方を阻止するようにそれぞれ配置された磁石とにより構
成され、かつ磁性流体Ａと磁性流体Ｂは異種類もしくは
粘度特性が異なることを特徴とする磁気シール装置。２磁性流体Ｂの粘度は、磁性流体Ａの粘度より高粘度
であることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の
磁気シール装置。３軸とハウジングは、流体潤滑軸受によって、回転可
能に係合されていることを特徴とする特許請求の範囲第
１項に記載の磁気シール装置。４磁注流体Ａ、磁性流体Ｂがそれぞれ空隙部から離れ
る方向に圧送作用を有するらせん溝を、間隙部と装置外
部に至る経路内に形成したことを特徴とする特許請求の
範囲第１項に記載の磁気シール装置。