(57)【要約】      （修正有）【課題】永久磁石を応用した受動型磁気軸受があるが、特定の小型ターボ分子ポンプに限定されている。その原因は２つあり、１）被支持体（ロータ）のパラメータ（重量、重心位置、慣性モーメント、慣性モーメント比、定常回転数、構造体の共振周波数等）の変更に対して自在に対応できず、異なる被支持体に対して、個別に磁気軸受の設計が必要となる、２）ロータの振れ回り現象への減衰能を大きくすることが困難。１）と２）を解消することが、受動型磁気軸受を利用する製品を拡大する課題となる。【解決手段】上記１）、ある基本となる磁気軸受ユニットを基準にし、それに径方向受動型磁気軸受を被支持体のパラメータの変化に応じて設定付加してゆく磁気軸受システムとする。上記２）、径方向受動型磁気軸受に受動ダンパーを付加するとともに、高真空や高温環境での応用製品に対しても使用可能な金属ファイバーを利用した受動ダンパーを付加して対応する。【選択図】図１
2010230161.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一組の径方向受動型磁気軸受と一組の径方向能動型磁気軸受と一組の軸方向能動型磁気軸受に更に一組の径方向受動型磁気軸受からなる磁気軸受システム
【請求項２】
一組の径方向能動型磁気軸受と一組の軸方向能動型磁気軸受から構成されるひとつの磁気軸受ユニットと更に一組の径方向受動型磁気軸受からなる磁気軸受システム
【請求項３】
一組の径方向受動型磁気軸受と一組の軸方向能動型磁気軸受から構成されるひとつの磁気軸受ユニットと更に一組の径方向受動型磁気軸受からなる磁気軸受システム
【請求項４】
二つ以上のばね要素とそのばね要素間あるいは別に挿入された金属ファイバーからなる受動ダンパーを構成要素にもつ径方向受動型磁気軸受を適用した請求項１、請求項２、又は請求項３記載の磁気軸受システム
【請求項５】
ＳＵＳ３１６またはＳＵＳ３１６Ｌの金属ファイバーを利用した請求項４記載の受動ダンパーを構成要素にもつ径方向受動型磁気軸受を適用した請求項１、請求項２、又は請求項３記載の磁気軸受システム
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は磁気軸受応用製品に適用する磁気軸受の構成とそれを実現するための磁気軸受要素技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】  磁気軸受を応用した製品で、量産品として最も成功している例として、ターボ分子ポンプがある。それは、磁気軸受の応用として比較的簡単な仕様でありながら、従来のボールベアリングに対して、その特徴である清浄（潤滑オイル必要なし）、超低振動（ロータとステータが無接触で、実効的には低剛性支持）、高信頼性（腐食性ガスに強い）というセールスポイントをもっとも活かせるアプリケーションであったためである。実際、半導体やフラットパネル等の製造用のほとんどすべてのエッチング装置に大型の磁気軸受式ターボ分子ポンプ（２，０００Ｌ／Ｓ以上）が採用されている。しかしながら、磁気軸受はボールベアリングに比べて高価格なため、低価格帯の小型のターボ分子ポンプ（５００Ｌ／Ｓ以下）には採用が進んでいないのが現状である。実際、質量分析機器等の分析機器類には、セラミック製のボールベアリングを採用した小型のターボ分子ポンプが標準採用されている。
ここで問題となるのは、大型と小型のターボ分子ポンプの中間帯のターボ分子ポンプの軸受である。この帯域のターボ分子ポンプを利用する各種真空応用装置においては、磁気軸受を採用するターボ分子ポンプでは高価格であり、従来のボールベアリング式では、その信頼性が不十分であるという不都合が生じている。
【先行技術文献】
低価格の磁気軸受を実現するための先行技術をして以下のようなものがある。
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特公平６−４６０３６号公報  この発明は、径方向の磁気軸受の一部を制御電磁石を用いず、永久磁石を利用した受動方式としたことを特徴とする軸流分子ポンプに関するものである。
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】
2010230161.tif 000003  この報告書は、軸方向能動型磁気軸受以外の２つの径方向磁気軸受を受動型とした場合でも、適当な受動ダンパーを付加することにより、高速回転まで安定な磁気軸受システムになりうることを実験データで説明しているものである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】  大型のターボ分子ポンプ、コンプレッサー、その他種々の工業製品に応用されている完全能動制御型磁気軸受（一般に５軸制御型磁気軸受と呼ばれている磁気軸受）に対して、その価格低減を目的に、磁気軸受の一部に永久磁石を応用した受動型磁気軸受を採用した先行技術はあるが、その適用範囲は特定の小型ターボ分子ポンプに限定されている。その原因は２つあり、１）完全能動制御型磁気軸受と違い、被支持体（ロータ）のパラメータ（重量、重心位置、慣性モーメント、慣性モーメント比、定常回転数、構造体の共振周波数等）の変更に対して自在に対応できず、異なる被支持体に対して、個別に磁気軸受の設計が必要となる事と２）ロータの振れ回り現象への減衰能を大きくすることが困難なため、大型の被支持体を安定に回転させることが容易でない事とである。これらの原因１）と２）を解消することが、受動型磁気軸受を利用する製品を拡大する課題となる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】  上記１）の課題を解消するために、ある基本となる磁気軸受ユニットを基準にし、それに径方向受動型磁気軸受を被支持体のパラメータの変化に応じて設定付加してゆく磁気軸受システムとすることで対応する。
上記２）の課題を解消するため、径方向受動型磁気軸受の減衰能を増大させるために、径方向受動型磁気軸受に受動ダンパーを付加するとともに、高真空や高温環境での応用製品に対しても使用可能な金属ファイバーを利用した受動ダンパーを付加して対応する。
【発明の効果】
【０００７】  磁気軸受ユニット部の標準化が可能になり、磁気軸受の価格が低減される（従来型のボールベアリングに近づく）ことにより、磁気軸受の特徴である清浄（潤滑オイル必要なし）、超低振動（ロータとステータが無接触で、実効的に低剛性）、高信頼性（腐食性ガスに強い）等を必要とするが高価格では採用が困難であった製品、例えば、大型と小型ターボ分子ポンプの中間帯のターボ分子ポンプあるいは高速回転ビームチョッパー等の軸受に採用可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施例を応用したターボ分子ポンプの縦断面図
【図２】本発明の第二の実施例を応用したターボ分子ポンプの縦断面図
【図３】本発明の第三の実施例を応用したターボ分子ポンプの縦断面図
【図４】本発明の実施例の受動ダンパー説明図
【図５】特許文献１の実施例であるターボ分子ポンプの縦断面図
【図６】ボールベアリング式ターボ分子ポンプの軸受構造例の説明図
【図７】本発明を具体的に利用した実施例の縦断面図
【発明を実施するための形態】
【実施例】
【０００９】以下、本発明の実施例を図１、図２、図３、図４に基づき説明する。
図１は、本発明の実施例を応用したターボ分子ポンプの縦断面図である。
特許文献１と同様に、径方向変位センサー１ａと径方向電磁石２ａで一組の径方向能動型磁気軸受を構成し、シャフト３ａを支持する。固定側永久磁石４ａと回転側永久磁石５ａは互いに吸引し，シャフト３ａを軸方向下方へ引く磁極配置とし、その逆方向である軸方向上方へ、軸方向電磁石７ａがアーマチャーディスク８ａを吸引する力を軸方向変位センサー６ａで検出する位置信号により、シャフト３ａの軸方向位置を制御し、軸方向能動型磁気軸受を構成する。また固定側永久磁石４ａと回転側永久磁石５ａによる軸方向吸引力は一組の径方向受動型磁気軸受を構成する。これらの磁気軸受により支持されるシャフト３ａに回転翼であるロータ９ａを装着し、駆動モータ１０ａでシャフトを高速回転させることにより、固定翼１３ａとの相互作用により、吸気口１１ａから気体分子を排気口１２ａへ結果的に移送するターボ分子ポンプを構成する。
しかしながら、特許文献１の発明による磁気軸受システムは、シャフト３ａとロータ９ａで構成される回転体の重量や重心位置と磁気軸受システムの径方向磁気軸受けの作用点やそのばね定数等にある関係が成立つ場合にのみ有効に動作するため、たとえば、図１に示すようなロータ９ａに変更した場合、重量が増加し重心が上部に移動するため、磁気軸受システムを有効に動作させるためには、それにあわせて、径方向電磁石能力や位置等を設計変更しなければならなくなる。従って、磁気軸受システム全体の設計変更が必要となる。そのような事態に対応するため、本発明においては、上記磁気軸受システムを基本的に変更せず、ロータ９ａの上部にさらにもう一組の径方向受動型磁気軸受を追加することにより、ロータ９ａの変更に対応できるようにしている。上部固定側永久磁石４１ａと上部回転側永久磁石５１ａが互いに反発することによりもう一組の径方向受動型磁気軸受を構成する。上部固定側永久磁石４１ａのホルダー１５ａは固定スパイダー１４ａにより支持ばね１６ａで支持され、支持ボール１７により軸方向位置は固定され、径方向に自由に動けるようになっている。ここでは具体的に示していないが、支持ばね１６ａ自体、あるいは別に減衰力が作用する部材を付加するとロータ９ａの回転中の安定性が増すようになる。ここで、１５ａの重量、１６ａのばね定数、４１ａと５１ａとの間の反発力とばね定数は、ロータ９ａの重量、重心位置等のパラメータにより最適化される必要がある。
図２は、本発明の第二の実施例を応用したターボ分子ポンプの縦断面図である。
図１と同様に、径方向変位センサー１ｂと径方向電磁石２ｂで一組の径方向能動型磁気軸受を構成し、シャフト３ｂを支持する。上部固定側永久磁石４１ｂと上部回転側永久磁石５１ｂは互いに反発し合う磁極配置とし、上部径方向受動型磁気軸受を構成し、シャフト３ｂを軸方向上方へ引き上げる力が働くように配置する。一方、軸方向電磁石７ｂはアーマチャーディスク８ｂを軸方向下方へ吸引する力を軸方向変位センサー６ｂで検出するシャフト３ｂの軸方向位置により制御し、軸方向能動型磁気軸受を構成する。これらの磁気軸受により支持されるシャフト３ｂに回転翼であるロータ９ｂを装着し、駆動モータ１０ｂでシャフトを高速回転させることにより、固定翼１３ｂとの相互作用により、図１と同様にターボ分子ポンプを構成する。本実施例の特徴は、径方向能動型磁気軸受と軸方向能動型磁気軸受を磁気軸受ホルダー２０でひとつのユニットとし、しかも磁気軸受回路１８も磁気軸受ホルダーと一体とすることにより、例えば、図６に示されているボールベアリング式ターボ分子ポンプの軸受構造のボールベアリングユニット部２２と自在に交換可能に設計できることである。これにより、磁気軸受ユニット部以外は、ボールベアリング式の商品と共通化でき、磁気軸受ユニット自体の低価格化とともに、磁気軸受を応用した商品全体の低価格化も実現できる。また、本発明においては上部固定側永久磁石４１ｂのホルダー１５ｂは固定スパイダー１４ｂにより支持ばね１６ｂで支持され、図１の支持ボール１７の代わりに、ホルダー１５ｂと固定スパイダー１４ｂの互いに接触する表面を摩擦係数の非常に低い膜１９、例えばテフロン膜をコーティングしさらにその表面にＤＬＣ膜をコーティングした表面等にすることにより径方向にある摩擦力をともなって自由に動けるようになっている。この摩擦力が減衰力となり、ロータ９ｂの回転中の安定性が増すようになる。当然のことながら、この上部径方向受動型磁気軸受は、図１で示した構成でもよい。
図３は、本発明の第三の実施例を応用したターボ分子ポンプの縦断面図である。
この実施例は、図２における磁気軸受ホルダー２０によるユニット内の径方向能動型磁気軸受を径方向受動型磁気軸受としていることを特徴とし、それ以外は基本的に図２と同様の構成である。上部固定側永久磁石４１ｃと上部回転側永久磁石５１ｃは互いに反発し合う磁極配置とし、上部径方向受動型磁気軸受を構成する。しかしながら、この実施例ではシャフト３ｃを軸方向下方へ引き下げる力が働くように、上部固定側永久磁石４１ｃと上部回転側永久磁石５１ｃの軸方向位置を配置し、また軸方向電磁石７ｃはアーマチャーディスク８ｃを軸方向上方へ吸引する力を軸方向変位センサー６ｃで検出するシャフト３ｃの軸方向位置により制御し、軸方向能動型磁気軸受を構成する。本実施例の特徴では、径方向受動型磁気軸受と軸方向能動型磁気軸受を磁気軸受ホルダー２０ｃでひとつのユニットとし、しかも磁気軸受回路１８ｃも磁気軸受ホルダー２０ｃと一体とすることにより、例えば、図６に示されているボールベアリング式ターボ分子ポンプの軸受構造のボールベアリングユニット部２２と自在に交換可能に設計できることになる。また、本実施例における磁気軸受ホルダー２０ｃ内の径方向受動型磁気軸受おいては、下部固定側永久磁石４２の下部ホルダー２５は磁気軸受ホルダー２０ｃにより粘弾性体２６で支持され、図１と同様の支持ボール１７ｃにより軸方向位置は固定され、径方向に自由に動けるようになっている。ここで、下部ホルダー２５の重量、粘弾性体２６のばね定数、下部固定側永久磁石４２と下部回転側永久磁石５２との間の反発力とばね定数は、ロータ９ｃの下部重量により最適化することにより下部径方向の最適な減衰力が得られる。また、本実施例における径方向受動型磁気軸受を前述した実施例における径方向受動型磁気軸受の構造にしてもよい。
図４は、径方向受動型磁気軸受の減衰能を生み出す構造の一例である。
図１、図２、図３の上部にある径方向受動型磁気軸受と同様に、回転側永久磁石のホルダー１５ｄが固定側スパイダー１４ｄに支持ばね１６ｄにより支持されている。この支持ばね１６ｄのばね定数は、ホルダー１５ｄの共振周波数が磁気軸受で支持している被支持体の共振周波数にほぼ一致するように調整されている。ホルダー１５ｄの振動が減衰するように、支持ばね１６ｄ間の空間２１に金属ファイバーを充填することは有効である。金属ファイバーの材質として、ＳＵＳ３１６やＳＵＳ３１６Ｌを使用すると、高温、高真空中や腐食ガス中においても利用可能である。またこのような減衰能を生み出す構造は、図１、図２、図３にある径方向受動型磁気軸受にも適用可能である。
図７は、具体的に上述した本発明を利用した実施例の縦断面図である。
【産業上の利用可能性】
【００１０】  大型のターボ分子ポンプばかりでなく、中型のターボ分子ポンプにも、信頼性が不十分な従来のボールベアリング式に代わり、全面的に磁気軸受を採用できるようになる。また、ターボ分子ポンプのように、軽負荷で回転軸の位置精度がきびしくない仕様の製品、例えば、回転ファンあるいは高速回転のビームチョッパーのような製品にも応用できる。
【符号の説明】
【００１１】１，１ａ，１ｂ                        径方向変位センサー
２，２ａ，２ｂ                        径方向電磁石
３，３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｅ            シャフト
４，４ａ                              固定側永久磁石
５，５ａ                              回転側永久磁石
６，６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｅ            軸方向変位センサー
７，７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｅ            軸方向電磁石
８，８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｅ            アーマチュアディスク
９，９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｅ            ロータ
１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｅ  駆動モータ
１１，１１ａ                          吸気口
１２，１２ａ                          排気口
１３，１３ａ，１３ｂ，１３ｅ          固定翼
１４ａ，１４ｂ，１４ｄ，１４ｅ        固定スパイダー
１５ａ，１５ｂ，１５ｄ，１５ｅ        ホルダー
１６ａ，１６ｂ，１６ｄ，１６ｅ        支持ばね
１７，１７ｃ，１７ｅ，１７ｆ          支持ボール
１８，１８ｃ                          磁気軸受回路
１９                                  摩擦係数の非常に低い膜
２０，２０ｃ，２０ｅ                  磁気軸受ホルダー
２１                                  ばね１６ｄ間の空間
２２                                  ボールベアリングユニット部
２５，２５ｅ                          下部ホルダー
２６，２６ｅ                          粘弾性体
４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｅ        上部固定側永久磁石
４２，４２ｅ                          下部固定側永久磁石
５１ａ，５１ｂ，５１ｃ，５１ｅ        上部回転側永久磁石
５２，５２ｅ                          下部回転側永久磁石
【図１】
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【図２】
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【図３】
2010230161.tif 000006
【図４】
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【図５】
2010230161.tif 000008
【図６】
2010230161.tif 000009
【図７】
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