(57)【要約】【課題】真空環境下で高速回転する転がり軸受に、適切な量の潤滑流体を安定して供給することができる真空ポンプの提供。【解決手段】真空ポンプは、ポンプロータ３が設けられたシャフト１０を支持するベアリング８と、ベアリング８に供給される潤滑流体が貯蔵される潤滑流体貯蔵部６０と、潤滑流体貯蔵部６０の潤滑流体をベアリング８に移送する微小流量ポンプ４０１が形成されたＭＥＭＳ素子４０と、毛細管力により潤滑流体貯蔵部６０の潤滑流体を微小流量ポンプ４０１まで移動させる毛細管構造の流路である吸引管６１と、を備える。【選択図】図２
2019214992.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポンプロータが設けられた回転軸を支持する転がり軸受と、
前記転がり軸受に供給される潤滑流体が貯蔵される潤滑流体貯蔵部と、
前記潤滑流体貯蔵部の潤滑流体を前記転がり軸受に移送する微小流量ポンプが形成されたＭＥＭＳ素子と、
毛細管力により前記潤滑流体貯蔵部の潤滑流体を前記微小流量ポンプまで移動させる毛細管構造の第１流路と、を備える真空ポンプ。
【請求項２】
請求項１に記載の真空ポンプにおいて、
前記ＭＥＭＳ素子は前記転がり軸受の外輪の外周面に固定され、
前記転がり軸受の外輪の外周側から内周側まで形成され、前記微小流量ポンプから送出された潤滑流体を前記外輪の内周側に導く第２流路を備える、真空ポンプ。
【請求項３】
請求項２に記載の真空ポンプにおいて、
前記第２流路は、前記外輪の外周面から内周面へ貫通する貫通穴である、真空ポンプ。
【請求項４】
請求項１に記載の真空ポンプにおいて、
前記ＭＥＭＳ素子は前記転がり軸受の外輪を保持する保持部の外周側に固定され、
前記保持部の外周側から前記外輪の内周側まで形成され、前記微小流量ポンプから送出された潤滑流体を前記外輪の内周側に導く第２流路を備える、真空ポンプ。
【請求項５】
請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の真空ポンプにおいて、
前記転がり軸受の振動を検出する振動センサまたは前記転がり軸受の温度を検出する温度センサの内、少なくともいずれかが具備され、
前記振動センサまたは前記温度センサの検出結果に基づいて前記微小流量ポンプを駆動制御し、前記微小流量ポンプによる潤滑流体の移送量を制御する制御部を備える、真空ポンプ。
【請求項６】
請求項５に記載の真空ポンプにおいて、
前記振動センサまたは前記温度センサの検出結果に基づいて前記転がり軸受の劣化情報を出力する警報部をさらに備える、真空ポンプ。
【請求項７】
請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の真空ポンプにおいて、
前記微小流量ポンプによる潤滑流体の移送量を検出する流量センサと、
前記流量センサの検出結果に基づいて、前記潤滑流体貯蔵部の潤滑流体の貯蔵量を診断する診断部と、をさらに備える真空ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、真空ポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ロータを転がり軸受で支持する構成の真空ポンプが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の真空ポンプはターボ分子ポンプであって、回転翼の径が小さな小型のターボ分子ポンプほどより高い回転速度が要求される。このような高速回転で使用される転がり軸受では、最適な潤滑剤供給量は非常に小さい。
【０００３】
従来は、特許文献１に記載の発明のように、軸受の軸端側に円錐面を有したコーンを装着し、コーンの円錐面に接触する柔軟性のある潤滑剤流出部より少量ずつ潤滑剤を供給する構成としている。円錐面に付着した潤滑剤は、遠心力によってコーン径が増加する軸受側に移動し軸受内に流入する。特許文献１に記載の発明では、潤滑剤流路の出口を柔軟性のある芯で塞いで潤滑剤流出部とし、ポンプによって芯に潤滑剤を供給し、この芯をコーンの円錐面に接触させるようにしている。芯内を移送された潤滑剤は、毛管現象の作用によりコーンの円錐面に送られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第６１６２６４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、コーンの円錐面に対する芯の組み立て誤差によって円錐面に対する芯の接触状態が変化し、接触状態によって潤滑剤の供給量が変化するという不都合がある。また、円錐面との接触による芯の摩耗等による劣化によって、潤滑剤の供給が不十分になるという問題もある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の好ましい態様による真空ポンプは、ポンプロータが設けられた回転軸を支持する転がり軸受と、前記転がり軸受に供給される潤滑流体が貯蔵される潤滑流体貯蔵部と、前記潤滑流体貯蔵部の潤滑流体を前記転がり軸受に移送する微小流量ポンプが形成されたＭＥＭＳ素子と、毛細管力により前記潤滑流体貯蔵部の潤滑流体を前記微小流量ポンプまで移動させる毛細管構造の第１流路と、を備える。
さらに好ましい態様では、前記ＭＥＭＳ素子は前記転がり軸受の外輪の外周面に固定され、前記転がり軸受の外輪の外周側から内周側まで形成され、前記微小流量ポンプから送出された潤滑流体を前記外輪の内周側に導く第２流路を備える。
さらに好ましい態様では、前記第２流路は、前記外輪の外周面から内周面へ貫通する貫通穴である。
さらに好ましい態様では、前記ＭＥＭＳ素子は前記転がり軸受の外輪を保持する保持部の外周側に固定され、前記保持部の外周側から前記外輪の内周側まで形成され、前記微小流量ポンプから送出された潤滑流体を前記外輪の内周側に導く第２流路を備える。
さらに好ましい態様では、前記転がり軸受の振動を検出する振動センサまたは前記転がり軸受の温度を検出する温度センサの内、少なくともいずれかが具備され、前記振動センサまたは前記温度センサの検出結果に基づいて前記微小流量ポンプを駆動制御し、前記微小流量ポンプによる潤滑流体の移送量を制御する制御部を備える。
さらに好ましい態様では、前記振動センサまたは前記温度センサの検出結果に基づいて前記転がり軸受の劣化情報を出力する警報部をさらに備える。
さらに好ましい態様では、前記微小流量ポンプによる潤滑流体の移送量を検出する流量センサと、前記流量センサの検出結果に基づいて、前記潤滑流体貯蔵部の潤滑流体の貯蔵量を診断する診断部と、をさらに備える。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、真空環境下で高速回転する転がり軸受に、適切な量の潤滑流体を安定して供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、ターボ分子ポンプのポンプ本体の断面図である。
【図２】図２は、ベアリングの潤滑系の一例を説明する図である。
【図３】図３は、シャフトに設けられたベアリングの斜視図である。
【図４】図４は、ＭＥＭＳ素子の潤滑流体送出側を示す図である。
【図５】図５は、図４のＡ−Ａ断面を示す図である。
【図６】図６は、変形例１，２を示す図である。
【図７】図７は、変形例３を示す図である。
【図８】図８は、吸引動作が可能な微小流量ポンプを備える場合の流路構成の一例を示す図である。
【図９】図９は、第２の実施の形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。
−第１の実施の形態−
図１は本発明に係る真空ポンプの第１の実施の形態を示す図であり、ターボ分子ポンプ１の断面を示したものである。ターボ分子ポンプ１はポンプ本体に電力を供給する電源装置を備えるが、図１では図示を省略した。
【００１０】
ターボ分子ポンプ１は、排気機能部として、タービン翼を備えたターボポンプ部Ｐ１と、螺旋型の溝を備えたHolweckポンプ部Ｐ２とを備えている。もちろん、本発明は、排気機能部にターボポンプ部Ｐ１およびHolweckポンプ部Ｐ２を備えた真空ポンプに限らず、タービン翼のみを備えた真空ポンプや、ジーグバーンポンプやHolweckポンプなどのドラッグポンプのみを備えた真空ポンプや、それらを組み合わせた真空ポンプにも適用することができる。
【００１１】
ターボポンプ部Ｐ１は、ポンプロータ３に形成された複数段の回転翼３０とベース２側に配置された複数段の固定翼２０とで構成される。一方、ターボポンプ部Ｐ１の排気下流側に設けられたHolweckポンプ部Ｐ２は、ポンプロータ３に形成された円筒部３１とベース２側に配置されたステータ２１とで構成されている。円筒状のステータ２１の内周面には螺旋溝が形成されている。複数段の回転翼３０と円筒部３１とが回転側排気機能部を構成し、複数段の固定翼２０とステータ２１とが固定側排気機能部を構成する。
【００１２】
ポンプロータ３はシャフト１０に締結されており、そのシャフト１０はモータ４により回転駆動される。モータ４には例えばＤＣブラシレスモータが用いられ、ベース２にモータステータ４ａが設けられ、シャフト１０側にはモータロータ４ｂが設けられている。シャフト１０とポンプロータ３とから成る回転体ユニットＲは、永久磁石６ａ，６ｂを用いた永久磁石磁気軸受６と転がり軸受であるベアリング８とにより回転自在に支持されている。
【００１３】
永久磁石６ａ，６ｂは、軸方向に磁化されたリング状の永久磁石である。ポンプロータ３に設けられた複数の永久磁石６ａは、同極同士が対向するように軸方向に複数配置されている。一方、固定側の複数の永久磁石６ｂは、ポンプケーシング１２に固定された磁石ホルダ１１に装着されている。これらの永久磁石６ｂも、同極同士が対向するように軸方向に複数配置されている。
【００１４】
ポンプロータ３に設けられた永久磁石６ａの軸方向位置は、その内周側に配置された永久磁石６ｂの位置よりも若干上側となるように設定されている。すなわち、回転側の永久磁石の磁極は、固定側の永久磁石の磁極に対して軸方向に所定量だけずれている。この所定量の大きさによって、永久磁石磁気軸受６の支持力が異なる。図１に示す例では、永久磁石６ａの方が図示上側に配置されているため、永久磁石６ａと永久磁石６ｂとの反発力により、ラジアル方向の支持力と軸方向上向き（ポンプ排気口側方向）の力とが回転体ユニットＲに働いている。
【００１５】
磁石ホルダ１１の中央には、ベアリング９を保持するベアリングホルダ１３が固定されている。図１では、ベアリング８，９に深溝玉軸受を用いているが、これに限らず、例えばアンギュラコンタクトの軸受を用いても良い。ベアリング９は、シャフト上部のラジアル方向の振れを制限するタッチダウンベアリングとして機能するものである。定常回転状態ではシャフト１０とベアリング９とが接触することはなく、大外乱が加わった場合や、回転の加速時または減速時にシャフト１０の振れ回りが大きくなった場合に、シャフト１０がベアリング９に接触する。
【００１６】
ベアリング８は、ベース２に設けられたベアリングホルダ５０に保持される。ベアリングホルダ５０には、ベアリング８に供給される潤滑流体を貯蔵する潤滑流体貯蔵部６０が設けられている。ベアリング８の潤滑流体には、潤滑油等の液状の潤滑剤が用いられる。
【００１７】
図２は、潤滑流体を用いたベアリング８の潤滑系を説明する図であり、ベアリングホルダ５０の部分を詳細に示したものである。ベアリング８は外輪８１，内輪８２，転動体８３および保持器８４を備えている。内輪８２はナット１００によりシャフト１０に固定され、外輪８１はベアリングホルダ５０に保持される。外輪８１とベアリングホルダ５０との間には、外輪８１の外周側に配置されるラジアルダンパー５２が設けられている。ラジアルダンパー５２には、例えばゴム等の弾性部材が用いられる。
【００１８】
潤滑流体貯蔵部６０は、ベアリングホルダ５０の下端（図１参照）に固定される貯蔵部ホルダ５１に設けられている。リング形状の潤滑流体貯蔵部６０は、フェルト状やスポンジ状の多孔質材または多孔質焼結プラスチックや多孔質焼結金属などで形成されており、多孔質材に形成された多数の微小空隙に潤滑流体が貯蔵される。多数の微小空隙が形成された多孔質材に潤滑流体が接触すると、毛細管力によって潤滑流体が多孔質材内に浸透し周囲の領域に拡がる。この毛細管力は、後述するように微小空隙の空間的な寸法と空間内面の濡れ性に依存しており、潤滑流体が潤滑系の流路に拡がるのに十分な毛細管力を有する構造のことを本実施の形態では毛細管構造と呼ぶことにする。また、適切な濡れ性が確保されたフェルト状やスポンジ状の多孔質材、多孔質焼結プラスチック、多孔質焼結金属などを、毛細管構造体と呼ぶことにする。
【００１９】
外輪８１の内周側の面および内輪８２の外周側の面には、転動面８１１，８２１が形成されている。外輪８１の外周面には、微小流量ポンプ４０１が組み込まれたＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems：微小電気機械システム）素子４０が接着等により固定されている。なお、ＭＥＭＳとは、微細な機械要素部品、センサ、アクチュエータなどと電子回路とを一つの基板（シリコン基板、ガラス基板、有機材料など）上に集積させたデバイス・システムのことである。本実施の形態では、ベアリング８への潤滑流体の供給はＭＥＭＳ素子４０に組み込まれた微小流量ポンプ４０１によって行われる。潤滑流体は外輪８１に形成された貫通穴８１２から内周側の転動面８１１に流入し、転動体８３および転動面８１１，８２１の表面に潤滑流体の膜が形成される。
【００２０】
ＭＥＭＳ素子４０は、ケーブル４２を介して接続された駆動回路３０１によって駆動制御される。本実施の形態では、駆動回路３０１はターボ分子ポンプの電源装置３００に設けられているが、ポンプ本体側に設けても良い。ＭＥＭＳ素子４０と潤滑流体貯蔵部６０とは、潤滑流体貯蔵部６０の潤滑流体を毛細管力によって潤滑流体をＭＥＭＳ素子４０へ導く吸引管６１によって接続されている。また、外輪８１の下端と潤滑流体貯蔵部６０の上端との間には、毛細管構造体で形成された潤滑流体戻り部６２が両者に接触するように設けられている。また、吸引管６１も毛細管構造体であって、例えば、管内にフェルト等の多孔質材を充填したものが用いられる。外輪８１の転動面８１１から排出された潤滑流体は、潤滑流体戻り部６２を介して潤滑流体貯蔵部６０へと戻る。
【００２１】
図３は、シャフト１０に設けられたベアリング８の斜視図である。ナット１００をシャフト１０の下端に形成された雄ねじ部１０ａに螺合させることで、ベアリング８の内輪８２がシャフト１０に固定されている。外輪８１の外周面には平面部８１３が形成されており、上述した貫通穴８１２（８１２ａ，８１２ｂ）は外輪８１に形成された平面部８１３から内周側に貫通し、転動面８１１のごく近傍に連通している。
【００２２】
微小流量ポンプ４０１が組み込まれたＭＥＭＳ素子４０は、外輪８１の平面部８１３に接着固定される。ＭＥＭＳ素子４０と外輪８１の間にはゴム等の薄板材で形成されたパッキン７０がシール材として配置される。パッキン７０には、外輪８１の貫通穴８１２ａ，８１２ｂに対向する位置に貫通穴７１ａ，７１ｂが形成されている。貫通穴８１２ａ，８１２ｂは、潤滑流体を供給するための流路として機能するものである。ＭＥＭＳ素子４０の微小流量ポンプ４０１から供給される潤滑流体は、貫通穴８１２（８１２ａ，８１２ｂ）から外輪８１の内周側に流入して、転動体８３が通過する際に転動体８３に付着する（図２参照）。潤滑流体は転動面８１１，８２１と転動体８３との間の接触で転動面８１１，８２１に拡がり、この部分の潤滑に供される。
【００２３】
図４はＭＥＭＳ素子４０を示す図であり、ＭＥＭＳ素子４０を、取り付け面である外輪８１の平面部８１３側から見た図である。上述したように、ＭＥＭＳ素子４０には微小流量ポンプ４０１（４０１ａ，４０１ｂ）が組み込まれている。微小流量ポンプ４０１ａのノズル４０２ａから送出された潤滑流体は、図３に示す貫通穴８１２ａを介して外輪８１の内周側に流入する。一方、微小流量ポンプ４０１ｂのノズル４０２ｂから送出された潤滑流体は、図３に示す貫通穴８１２ｂを介して外輪８１の内周側に流入する。
【００２４】
潤滑流体を潤滑流体貯蔵部６０からＭＥＭＳ素子４０へ導く吸引管６１は、ＭＥＭＳ素子４０に形成された流路４０４に接続されている。流路４０４は、途中で流路４０４ａおよび４０４ｂに分岐している。バルブ４０３ａは、流路４０４ａと微小流量ポンプ４０１ａに連通している流路４０５との間に設けられている。バルブ４０３ｂは、流路４０４ａと微小流量ポンプ４０１ｂに連通している流路４０６との間に設けられている。
【００２５】
図５は、図４のＡ−Ａ断面を示す図である。図５（ａ）はバルブ４０３ａが閉状態の場合を示し、図５（ｂ）はバルブ４０３ｂが開状態の場合を示す。図５に示す本実施の形態の微小流量ポンプ４０１ａは、圧電素子を用いて潤滑流体を移送する構造のポンプである。圧電素子を用いるタイプの微小流量ポンプは、撓みが許容される薄板または薄板構成部分と圧電素子とを組み合わせて流体の入る容積（圧力室）を加圧することで、流体を送り出す方式のポンプである。
【００２６】
図５（ａ）および図５（ｂ）に示すように、ＭＥＭＳ素子４０は、上層４０Ａ、中層４０Ｂ、下層４０Ｃの３層が貼り合わされた構造となっている。なお、上層４０Ａについては二点鎖線で示した。微小流量ポンプ４０１ａは，圧電素子４１１、ダイヤフラム４１２および圧力室４１３を備えている。圧電素子４１１への電圧の印加は駆動回路３０１によって制御される。圧電素子４１１の上面は上層４０Ａに固着されており、圧電素子４１１の下面はダイヤフラム４１２に固着されている。圧力室４１３には、ダイヤフラム４１２と相対する位置にノズル４０２ａの入口となる開口部４１４が形成されている。開口部４１４は、圧力室４１３側に広がる円錐形状に形成されている。
【００２７】
バルブ４０３ａは、ダイヤフラムから成る弁体４１５と、弁体４１５を駆動する圧電素子４１６と、弁体４１５に相対する位置に設けられたバルブシート４１７を備えている。圧電素子４１６への電圧の印加は駆動回路３０１によって制御される。圧電素子４１６の上面は上層４０Ａに固着されており、圧電素子４１６の下面は弁体４１５に固着されている。図５（ａ）に示す状態では弁体４１５とバルブシート４１７とが密着しており、バルブ４０３ａは閉状態となっている。その結果、流路４０４ａと流路４０５とは遮断状態となっている。
【００２８】
図５（ａ）に示すバルブ閉状態において、微小流量ポンプ４０１ａの圧電素子４１１に電圧が印加されると、圧力室４１３内の潤滑流体がノズル４０２ａから送出される。すなわち、圧電素子４１１に電圧が印加されると圧電素子４１１が図示上下方向に伸び、ダイヤフラム４１２が図示下方に押し下げられて圧力室４１３が加圧される。その加圧によって、圧力室４１３内の潤滑流体の一部が開口部４１４を通ってノズル４０２ａから流出する。
【００２９】
微小流量ポンプ４０１ａの圧力室４１３に潤滑流体を供給する際には、バルブ４０３ａの圧電素子４１６に電圧を印加して図５（ｂ）に示すようにバルブ４０３ａを開状態にする。圧電素子４１６に電圧が印加されると、図５（ｂ）に示すように圧電素子４１６が上下方向に縮んで弁体４１５が上方に持ち上げられ、弁体４１５とバルブシート４１７との間に隙間が形成されてバルブ４０３ａが開状態となる。その結果、流路４０４ａと流路４０５とが連通する。
【００３０】
なお、ベアリング８および潤滑流体貯蔵部６０を含む潤滑流体の循環系は真空環境中にあるので、潤滑流体の移動に大気の圧力差は利用できない。そのため、本実施の形態では、毛細管現象における毛細管力を利用して、流路４０４ａ内の潤滑流体を圧力室４１３に移動させるような構成としている。すなわち、流路４０４ａ，４０５や圧力室４１３の寸法は、適切な毛細管力が発生するような寸法に設定されている。毛細管力の詳細については後述する。
【００３１】
なお、図５では圧電素子を用いるタイプの微小流量ポンプ４０１ａを例に説明したが、微小流量ポンプ４０１ａの構造はこれに限定されず、他の方式の微小流量ポンプを適用しても構わない。例えば、ＭＥＭＳ素子４０に組み込まれる微小流量ポンプとしては、流体を封じた容積内の一部を急激に加熱し、流体を気化させて泡を作って体積を増大させて流体（液部分）を押し出すという方式のものや、帯電状態の薄板（ダイヤフラム）に相対した面に電位を与えることで、静電気による反発力や吸引力により薄板を変位させ、流体を吸い込んだり押し出したりする方式等が知られている。
【００３２】
ところで、高速回転するシャフト１０を支持するベアリング８においては、潤滑流体の撹拌損失を極力小さくして発熱を抑えると共に、転動体８３の転動時に潤滑流体膜の膜切れにより固体同士が接触しないという潤滑状態が最良である。そのため、ベアリング８の転動面８１１，８２１と転動体８３の表面に存在する潤滑流体膜の厚さは、これらの表面の仕上がり表面粗さの数倍程度となるようにするのが理想である。例えば、転動面８１１，８２１と転動体８３の表面が二乗平均平方根粗さＲｑ＝０．０４μｍに仕上げられている場合には、潤滑流体膜の厚さは０．１２〜０．２０μｍ程度であるのが好ましい。
【００３３】
上述したように、ベアリング８内に入った潤滑流体は外輪８１の端部からの流出等によって少しずつ減少するので、この減少分を補うために微小流量ポンプ４０１ａ，４０１ｂによって潤滑流体を供給する。ベアリング８内の各所に１μｍ以下の厚さの油膜が形成されている場合、ベアリング８内に存在する潤滑流体の量は数ｍｇ（体積では数μＬ(マイクロリットル)に相当）程度である。毎秒当たりの流出量は流出する部分の構造によって異なるが、例えば、ベアリング８内に溜まっている潤滑流体の量の1/100〜1/10000程度の量となる。そのため、この程度の量（毎秒数ｎＬ(ナノリットル)やそれ以下という微少量）の潤滑流体を供給することにより、潤滑流体膜の厚さを良好に維持することができる。本実施の形態では、毎秒数ｎＬ(ナノリットル)やそれ以下という微少量の潤滑流体をベアリング８に供給するために、ＭＥＭＳ素子４０に組み込まれた微小流量ポンプ４０１ａ，４０１ｂを用いることとした。
【００３４】
（潤滑流体循環系について）
図２に示した潤滑流体の循環系では、潤滑流体貯蔵部６０の潤滑流体は、潤滑流体貯蔵部６０→吸引管６１→ＭＥＭＳ素子４０→ベアリング８→潤滑流体戻り部６２→潤滑流体貯蔵部６０のように循環する。これらの循環経路の内、少なくとも潤滑流体貯蔵部６０からＭＥＭＳ素子４０の微小流量ポンプ４０１ａ，４０１ｂまでの流路においては、潤滑流体の移動に毛細管力が利用される。潤滑流体戻り部６２においては重力を利用して潤滑流体を潤滑流体貯蔵部６０に戻すことも可能であるが、潤滑流体戻り部６２を毛細管構造体で構成して毛細管力を利用することで、ポンプ姿勢に関係なく潤滑流体を潤滑流体貯蔵部６０に戻すことができる。
【００３５】
内径ｄの毛細管内の潤滑流体における真空界面には、次式（１）で計算される圧力が作用する。ただし、Ｔは潤滑流体の真空界面に対する張力（Ｎ／ｍ）であり、θは潤滑流体に対する接触面の濡れ性を表す接触角である。この場合、毛細管を重力方向に沿って立てると、高さｈ＝（４Ｔcosθ）／ρｇｄまで界面が上昇することになる。ただし、ρ＝液体の密度、ｇ＝重力加速度である。すなわち、細い管やフェルト等の毛細管構造体においては、毛細管力によって潤滑流体が移動（浸透）して毛細管構造体内に拡がる。
（４Ｔcosθ）／ｄ      …（１）
【００３６】
例えば、濡れ性の良い材料として接触角がθ＝15°となる部材を用い、内径がｄ=１．０×１０−５ｍ＝１０μｍである流路の場合，表面張力がＴ＝２．６×１０−２Ｎ／ｍである潤滑流体を用いた場合、式（１）の毛細管力は１０ｋＰａ程度の圧力となる。また、潤滑流体の密度をρ＝１０００ｋｇ／ｍ３、重力加速度をｇ＝９．８ｍ／ｓ２とすると、重力中における毛細管中の潤滑流体の界面の高さｈは約１００ｃｍとなる。
【００３７】
図２に示した潤滑流体の循環系において潤滑流体貯蔵部６０および潤滑流体戻り部６２に毛細管構造体を用いる場合、空洞の径寸法（多孔質材の場合）や繊維の隙間間隔（フェルト等の場合）は上述した毛細管の内径ｄに相当し、本実施形態では、それらの寸法を適切な毛細管力が生じる程度の値以下に設定する。また、ＭＥＭＳ素子４０に形成される流路４０４〜４０６および圧力室４１３の寸法も、内径ｄに相当する値以下に設定する。ＭＥＭＳ素子４０の場合には、微細構造であるためそのような条件は十分満足される。さらに、吸引管６１については、吸引管６１の内径を上述の内径ｄに設定しても良いし、太い管内にフェルトのようなものを充填した毛細管構造体を用いても良い。このように、潤滑流体が循環する経路の隙間寸法を十分な毛細管力が生じる程度の寸法に設定することで、微小流量ポンプ４０１ａ，４０１ｂによる潤滑流体の供給を適切に行わせることができる。
【００３８】
また、微小流量ポンプ４０１ａ，４０１ｂによりベアリング８へ供給すべき潤滑流体の量は、上述したように毎秒数ｎＬ(ナノリットル)程度であるが、特許第３１７１９５８号公報に記載のようなプリンタ等のインクジェットヘッドに用いられる微小流量ポンプにおいては、１パルスでピコリットルオーダーの微少量まで吐出することができる。例えば、微小流量ポンプ４０１ａ，４０１ｂを１パルスで１０ピコリットルを移送可能なポンプとした場合、毎秒１００パルスで潤滑流体を移送すれば、供給量は２ナノリットルとなる。すなわち、ＭＥＭＳ素子４０に組み込まれた微小流量ポンプ４０１ａ，４０１ｂを用いることで、毎秒ナノリットルオーダーという微少量の潤滑流体をベアリング８に供給することが可能となる。なお、微小流量ポンプ４０１ａ，４０１ｂによる潤滑流体の供給量（移送量）は、圧電素子４１１の伸縮振動の周波数を駆動回路３０１により制御することで調節することができる。
【００３９】
なお、式（１）からも明らかなように、毛細管力を決するのは、毛細管の寸法や流体界面の表面張力に加え、流体が接する面の濡れ性も重要な要素である。一般的に、ＭＥＭＳ素子４０に用いられる単結晶シリコン等のウエハ材は、表面を化学処理する前に脱脂処理を行う必要があることからも明らかなとおり、基本的には親油性（良好な濡れ性）を持っている。しかし、加工工程の中で表面に撥油性（撥液性）のある物質が被膜として付着した場合、濡れ性が極端に悪くなる。そこで、ＭＥＭＳ素子４０の加工工程では、流路の内面に撥油性のある物質が付着しない工程を採用することで良好な濡れ性を実現できる。
【００４０】
（変形例１）
図６（ａ）は、本実施の形態の変形例１を示す図である。上述した実施の形態では、微小流量ポンプ４０１ａ，４０１ｂが搭載されたＭＥＭＳ素子４０を外輪８１の外周面に固定したが、変形例１では、ＭＥＭＳ素子４０をベアリングホルダ５０の外周側に固定するようにした。ベアリングホルダ５０には微小流量ポンプ４０１ａ（不図示）のノズル４０２ａ（不図示）と対向する位置に貫通穴５００が形成されている。さらに、ベアリング８の外輪８１には、貫通穴５００に連通する貫通穴８１２が形成されている。微小流量ポンプ４０１ａから貫通穴５００に送出された潤滑流体は、貫通穴５００および貫通穴８１２を介して外輪８１の内周面側に供給され、転動面８１１に達する。なお、微小流量ポンプ４０１ｂに関する貫通穴に関しては図示を省略した。
【００４１】
なお、微小流量ポンプ４０１ａから送出された潤滑流体は、圧電素子４１１（図５参照）を駆動したときの加圧力によって貫通穴５００内を外輪８１側へ移動するが、貫通穴５００の寸法を適切な毛細管力が生じるような寸法に設定することで、潤滑流体の移動に毛細管力を利用することができる。
【００４２】
（変形例２）
図６（ｂ）は、本実施の形態の変形例２を示す図である。変形例２では、外輪８１に貫通穴８１２を形成する代わりに、ベアリングホルダ５０の内周面側に、潤滑流体の流路を構成する溝５０１を形成した。溝５０１の一端は貫通穴５００と連通し、他端は外輪８１の内周側に連通している。溝５０１の径寸法は、毛細管力により潤滑流体が貫通穴５００から外輪８１の内周面まで移動するように設定されている。変形例２の場合には、潤滑流体の流路（溝５０１）をベアリングホルダ５０に形成するようにしたので、ベアリング８の外輪８１に貫通穴８１２を形成する図６（ａ）の構成の場合に比べて、より容易に流路を形成することができる。
【００４３】
（変形例３）
図７は、本実施の形態の変形例３を示す図である。図４に示したＭＥＭＳ素子４０では、微小流量ポンプ４０１ａ，４０１ｂは潤滑流体をベアリング８に供給する機能のみを有していたが、変形例３では、潤滑流体を供給する機能に加えて、過剰な潤滑流体を吸引する機能も有する構成とした。
【００４４】
図７（ａ）は、微小流量ポンプ４０１ａとそれに接続されたバルブとを示す模式図であり、微小流量ポンプ４０１ａに対して一対のバルブ４０３ａ，４１３ａが設けられている。なお、図示は省略したが、バルブ４０３ｂについても、一つのバルブが同様に設けられている。バルブ４０３ａは、図４の場合と同様に、流路４０４ａと微小流量ポンプ４０１ａの圧力室４１３に連通している流路４０５との間に設けられている。圧電素子４１６に電圧を印加すると弁体４１５とバルブシート４１７との間に隙間が形成されてバルブ４０３ａは開状態となり、流路４０５と流路４０４ａとが連通する。
【００４５】
一方、バルブ４１３ａは、流路４０８と微小流量ポンプ４０１ａの圧力室４１３に連通している流路４０７との間に設けられている。流路４０８はベアリング８の外輪８１に形成された貫通穴８１２（図２参照）と連通している。バルブ４１３ａは、弁体４２５、圧電素子４２６およびバルブシート４２７を備えている。圧電素子４２６に電圧を印加すると、圧電素子４２６が図示上下方向に収縮して弁体４２５が持ち上げられ、弁体４２５とバルブシート４２７との間に隙間が形成される。すなわち、バルブ４１３ａが開状態となって流路４０７と流路４０８とが連通する。
【００４６】
図７（ａ）に示す構成のＭＥＭＳ素子４０では、図７（ｂ）に示す動作表のように微小流量ポンプ４０１ａおよびバルブ４０３ａ，４１３ａを動作させることにより、ベアリング８への潤滑流体の供給と、ベアリング８からの潤滑流体（過剰な潤滑流体）の吸引とを行わせることができる。
【００４７】
まず、供給時の動作について説明する。供給時においては状態１の動作と状態２の動作とが交互に繰り返される。状態１では、バルブ４０３ａが開状態とされると共にバルブ４１３ａが閉状態とされ、微小流量ポンプ４０１ａの圧電素子４１１への電圧印加は停止される。すなわち、圧力室４１３は加圧状態から非加圧状態に変化する。状態２では、バルブ４０３ａが閉状態とされると共にベアリング側のバルブ４１３ａは開状態とされ、さらに、圧電素子４１１に電圧が印加されて圧力室４１３は非加圧状態から加圧状態に変化する。その結果、ベアリング８へ潤滑流体が送出される。
【００４８】
次に、吸引時の動作について説明する。吸引時においては状態３の動作と状態４の動作とが交互に繰り返される。状態３では、バルブ４０３ａが開状態とされると共にバルブ４１３ａが閉状態とされ、さらに、圧電素子４１１へ電圧が印加されて圧力室４１３は非加圧状態から加圧状態に変化する。その結果、圧力室４１３内の潤滑流体が流路４０５を介して流路４０４ａ側に送出される。状態４では、バルブ４０３ａが閉状態とされると共にベアリング側のバルブ４１３ａは開状態とされ、圧電素子４１１への電圧印加は停止される。圧力室４１３は加圧状態から容積のより大きな非加圧状態となり、流路４０８側の潤滑流体は、弁体４２５とバルブシート４２７との間に形成された隙間を通って流路４０７側へ移動する。その結果、ベアリング８側の潤滑流体が吸引される。なお、潤滑流体が過剰か否かの診断方法については、後述する第２の実施の形態にて詳細に説明する。
【００４９】
吸引動作が可能な微小流量ポンプを備えるＭＥＭＳ素子４０の場合、例えば、図８に示すような流路構成としても良い。図８に示す構成では、外輪８１の転動面８１１の図示上側近傍に貫通穴８１４ａを形成し、転動面８１１の図示下側近傍に貫通穴８１４ｂを形成し、貫通穴８１４ａ，８１４ｂに連通する貫通穴５００，５０２をベアリングホルダ５０にそれぞれ形成した。この場合、貫通穴５００，５０２のいずれからも潤滑流体の供給および吸引が可能な構成としても良いし、貫通穴５００は供給だけで貫通穴５０２は供給および吸引が可能な構成としても良い。貫通穴５００を供給だけに使用する場合には、図４に示す微小流量ポンプ４０１ａおよびバルブ４０３ａを貫通穴８１４ａに対して配置しても良い。
【００５０】
上述したように、本実施の形態では、潤滑流体貯蔵部６０の潤滑流体をベアリング８に移送する手段としてＭＥＭＳ素子４０に形成された微小流量ポンプ４０１ａ，４０１ｂを使用し、潤滑流体貯蔵部６０から微小流量ポンプ４０１ａ，４０１ｂまで潤滑流体を移動させる手段として毛細管構造の流路である吸引管６１を設け、毛細管力を利用して潤滑流体を移動させるようにした。その結果、真空環境における軸受への微少量の潤滑流体供給を安定して行わせることができる。
【００５１】
ＭＥＭＳ素子４０の配置としては、図２，３のようにベアリング８の外輪８１の外周面に固定しても良いし、図６に示すようにベアリング８の保持部として機能するベアリングホルダ５０の外周側に固定しても良い。
【００５２】
図２，３のようにＭＥＭＳ素子４０を外輪８１の外周面に固定する構成では、微小流量ポンプ４０１（４０１ａ，４０１ｂ）から送出された潤滑流体は外輪８１に形成された貫通穴８１２（８１２ａ，８１２ｂ）を介して外輪８１の内周側に導かれる。なお、図２，３の構成において外輪８１に貫通穴８１２を形成する代わりに、ベアリング８の外輪外周面および外輪上端面に図６（ｂ）に示したような溝を形成し、微小流量ポンプ４０１ａ，４０１ｂから送出された潤滑流体を、毛細管力を利用して外輪８１の内周側まで移動させるようにしても良い。
【００５３】
また、ＭＥＭＳ素子４０をベアリングホルダ５０の外周側に固定する構成では、図６（ａ）に示したように、ベアリングホルダ５０の貫通穴５００および外輪８１の貫通穴８１２を介して潤滑流体を外輪８１の内周側に導いても良いし、図６（ｂ）に示したように、ベアリングホルダ５０に形成された貫通穴５００および溝５０１を介して潤滑流体を外輪８１の内周側に導いても良い。微小流量ポンプ４０１ａ，４０１ｂから送出された潤滑流体は、基本的には圧電素子４１１の加圧力により外輪８１の内周側まで移送されるが、貫通穴５００および溝５０１を毛細管構造とすることで、潤滑流体の移動に毛細管力を利用するようにしても良い。
【００５４】
−第２の実施の形態−
図９は、第２の実施の形態を示す図である。上述した第１の実施の形態では、例えば、図４に示すように、潤滑流体循環系としての微小流量ポンプ４０１ａ，４０１ｂおよびバルブ４０３ａ，４０３ｂをＭＥＭＳ素子４０に備えていた。一方、第２の実施の形態では、ＭＥＭＳ素子４０は、微小流量ポンプ４０１およびバルブ４０３を備える潤滑流体循環系４３０に加えて、流量センサ４３１と、温度センサ４３２と、加速度センサ等の振動センサ４３３とを備えている。
【００５５】
潤滑流体循環系４３０としては、図４に示すような構成であっても良いし、図７に示すような供給・吸引の両方の動作が行える構成であっても良い。すなわち、図４の構成の場合には微小流量ポンプ４０１は微小流量ポンプ４０１ａ，４０１ｂに、バルブ４０３はバルブ４０３ａ，４０３ｂにそれぞれ対応し、図７の構成の場合は、微小流量ポンプ４０１は微小流量ポンプ４０１ａに、バルブ４０３はバルブ４０３ａ，４１３ａに対応する。
【００５６】
流量センサ４３１は、流路４０４を流れる潤滑流体の流量、すなわち、吸引管６１から微小流量ポンプ４０１へ流れる潤滑流体の流量を計測する。温度センサ４３２は、ＭＥＭＳ素子４０が固定されているベアリング８の外輪８１の温度を計測する。振動センサ４３３は、外輪８１に発生している振動を計測する。なお、外輪８１の温度および振動を検出する場合、図２に示すようにＭＥＭＳ素子４０を外輪８１に直接固定するのが好ましいが、図６のようにＭＥＭＳ素子４０をベアリングホルダ５０に固定するようにしても構わない。
【００５７】
このようにＭＥＭＳ素子に流量センサ、温度センサ、振動センサ等を搭載する構成は周知であり、振動センサ４３３としては、例えば、特開平５−２５６８７号公報や特許第４８０４４６８号公報などに開示されているような、特定の隙間の状態が加速度や振動によって変化することによる静電容量の変化を検出する方式のものが利用できる。流量センサ４３１としては、例えば、特開平６−０６６６１３号公報に開示されているような流体の移動によって生じる熱の移動を計測する方式のものが利用できる。温度センサ４３２としては、例えば、熱電対や白金測温抵抗体などを用いる方式のものが利用できる。
【００５８】
電源装置３００には、微小流量ポンプ４０１およびバルブ４０３を駆動制御する駆動回路３０１と、流量センサ４３１，温度センサ４３２および振動センサ４３３からの計測信号が入力される演算回路３０２が設けられている。演算回路３０２は、入力された計測信号に基づいて、ベアリング８の潤滑流体に関する診断を行う。
【００５９】
演算回路３０２では、外輪８１の温度の変化や外輪８１に発生する振動の特徴から、ベアリング８内の潤滑の状態を推定する。図２に示すように、ベアリング８は転動体８３として球体が用いられるボールベアリングである。ボールベアリングにおけるボールと内外輪の転動面の間の接触では、部分的に「すべり」のある接触になっている。一般論として、接触面間に油膜が存在する金属接触では，存在する油膜厚さを金属面の表面粗さ代表値との比の値に応じて、境界潤滑領域→混合潤滑領域→流体潤滑領域となる、いわゆるストライベック曲線で示される複数形態が現れる。
【００６０】
図１に示すターボ分子ポンプのベアリング８においては、流体潤滑領域内で、かつ、流体潤滑領域のなるべく混合潤滑領域に近づけた状態を維持して運転することが求められる。この領域においては、摩擦係数が最小になり、軸受の回転損失を低く抑えることができる。一方、混合潤滑領域では、潤滑油膜が切れて金属同士の接触が発生し、損失の急増や焼き付き等を引き起こす可能性がある。また、潤滑油膜が厚くなると、潤滑油の攪拌抵抗が増大し、回転損失を増大させてしまう。
【００６１】
そこで、演算回路３０２では、転動面における潤滑油膜の厚さ増減を、転動体の転動によって生じる振動の特性から推測する。例えば、潤滑油膜厚さが適正な状態（通常状態）の場合には、振動センサ４３３の振動データをＦＦＴで処理すると、ロータ回転数に対応する振動数とその倍数およびベアリング８の構成部品（外輪８１，内輪８２，転動体８３および保持器８４）に対応する振動数にピークが見られる。しかし、潤滑油膜厚さが減少して混合潤滑領域に入ると、金属面の突起部分が接触するために起きる衝撃音のような突発振動が、上述したピークの振動数とは異なる位置に現れたり、前記ベアリング８の構成部品に対応する振動数のピーク値が増大する。そのため、突発振動の発生によって潤滑流体の量が適正量よりも少なくなっていることが推定できる。
【００６２】
また、図９のように温度センサ４３２も搭載している場合には、潤滑流体減少時に金属面の突起部分接触に起因する急峻な温度上昇も観測される場合が多い。そこで、上記突発振動の発生と温度上昇が観測された場合、または、突発振動の発生および急峻な温度上昇のいずれか一方が観測された場合には、潤滑流体量が減少していると推定できる。
【００６３】
一方、潤滑油膜が厚くなると攪拌現象が顕著になり、外輪８１に現れる振動の内の特定の周波数範囲（数ｋＨｚの範囲）の振幅が全体的に増大する現象が見られる。例えば、ロータ回転数に対応する振動数の３〜７倍の周波数範囲の振幅が全体的に増大する。この周波数は、例えば、外輪転動面の一部に潤滑油膜の厚い部分が存在していれば、ほぼボールの公転周波数にボールの個数を乗じた値に近いものである。攪拌損失の場合には、その周波数付近全体が盛り上がるような特性が現れる。これは、攪拌が生じる場所がずれたり、それぞれのボールが受ける抵抗値が都度変化したりしているためと推測される。この場合も温度センサ４３２を搭載していると、潤滑流体が増大し攪拌減少が顕著になると温度上昇が観測される。そこで、上記特定周波数振動の発生と温度上昇が観測された場合には、潤滑流体量が過大になっていると推定できる。
【００６４】
演算回路３０２は、振動センサ４３３の計測データ、または、振動センサ４３３および温度センサ４３２の計測データに基づいて上述したような解析を行い潤滑流体量の減少および過剰の診断を行う。その診断結果は駆動回路３０１や監視装置１０００に出力される。診断結果を受信した駆動回路３０１は、潤滑流体量が適正量よりも減少している場合には、微小流量ポンプ４０１による潤滑流体の供給量を増加させる。逆に、潤滑流体量が過剰な場合には、微小流量ポンプ４０１による潤滑流体の供給を減少または停止させてベアリング８の潤滑流体量を適正量に調整する。または、図７（ｂ）の吸引時のように微小流量ポンプ４０１（微小流量ポンプ４０１ａが対応）およびバルブ４０３（バルブ４０３ａ，４１３ａが対応）を動作させて、ベアリング８の潤滑流体量を適正量に調整する。
【００６５】
また、振動センサ４３３の計測データは、潤滑流体の流量診断だけでなく、ベアリング８の劣化診断や回転体のアンバランス量の増加判断にも利用することができる。ベアリング８が劣化した場合には、一般的に、周波数全体に亘って振幅が増大するという状況や、劣化したベアリング８の構成部品に対応する周波数の振幅の増加が観測される。また、転動面に傷が生じたり転動面に異物が混入したりした場合には、回転数の関数となる特定の周波数で振動ピークが現れるということが多い。そのため、演算回路３０２は振動データからこのような振動状況が観測された場合には、ベアリング８に劣化が生じたことを報知する警報信号やアンバランス増大を知らせる信号を監視装置１０００に出力し、保守を促す。このような動作を行うことによって、ベアリング８の劣化に適切に対処することができ、ベアリング劣化に伴うポンプ不具合の発生等を防止することができる。
【００６６】
また、潤滑流体貯蔵部６０における潤滑流体の貯蔵量が欠乏した場合、微小流量ポンプ４０１が正常に作動しているにもかかわらず、流量センサ４３１で検出される流量が適正量よりも小さくなる。このような状態で真空ポンプの運転を続けていると重大な故障を引き起こすことが予想されるので、演算回路３０２は、流量センサ４３１の検出結果に基づいて潤滑流体貯蔵部６０の潤滑流体の貯蔵量を診断し、その診断結果（すなわち、保守作業が必要という旨の信号）を監視装置１０００に出力し、適切な対応を促す。このような動作を行うことによって、潤滑流体貯蔵部６０における潤滑流体の欠乏に起因する不具合を回避することができる。
【００６７】
上述したように、第２の実施の形態では、ベアリング８の振動を検出する振動センサ４３３（または振動センサ４３３および温度センサ４３２）の検出結果に基づいて微小流量ポンプ４０１を駆動制御することで潤滑流体の移送量を制御し、ベアリング８内の潤滑流体量が過剰になったり欠乏状態になったりすることなく、適切な量に維持することができる。なお、図７に示すように一対のバルブ４０３ａ，４１３ａを備える構成では微小流量ポンプ４０１ａによる吸引動作を行わせることができるので、潤滑流体量が過剰な場合にはベアリング８内の過剰な潤滑流体を吸引することで、すなわち移送量を負の値とすることで、潤滑流体量を適切に制御することができる。
【００６８】
上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではなく、これらを組み合わせても良い。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。例えば、真空ポンプとして潤滑流体で潤滑を行う軸受でポンプロータの回転軸を支持するターボ分子ポンプを例に説明したが、ターボ分子ポンプに限らず、高速回転するポンプロータの回転軸を潤滑流体で潤滑する転がり軸受で支持する真空ポンプであれば、同様に適用することができる。
【符号の説明】
【００６９】
１…ターボ分子ポンプ、３…ポンプロータ、８，９…ベアリング、１０…シャフト、１３，５０…ベアリングホルダ、４０…ＭＥＭＳ素子、６０…潤滑流体貯蔵部、６１…吸引管、６２…潤滑流体戻り部、８１…外輪、８２…内輪、８３…転動体、３００…電源装置、３０１…駆動回路、３０２…演算回路、４０１，４０１ａ，４０１ｂ…微小流量ポンプ、４０２ａ，４０２ｂ…ノズル、４０３，４０３ａ，４０３ｂ…バルブ、４０４，４０４ａ，４０５〜４０８…流路、４１１，４２６…圧電素子、４１２…ダイヤフラム、４１３…圧力室、４２５…弁体、４２７…バルブシート、４３０…潤滑流体循環系、４３１…流量センサ、４３２…温度センサ、４３３…振動センサ、５００，５０２，８１２，８１２ａ，８１２ｂ，８１４ａ，８１４ｂ…貫通穴、５０１…溝、８１１，８２１…転動面、１０００…監視装置
【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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