(57)【要約】【課題】            時間変化迷走磁界の効果を低減させることができる磁気軸受装置の回転可能な永久磁石配列の組立て方法および磁気軸受装置を提供することにある。【解決手段】        磁気軸受組立体の回転磁石配列の永久磁石の非対称磁化により発生される迷走磁界は、ターボ分子ポンプに使用されるときに、走査電子顕微鏡等の装置に大きい問題を引き起こす。迷走磁界を最小にするため、配列における各磁石の少なくとも双極子モーメントおよび４極子モーメントが最初に測定される。次に、双極子モーメントおよび４極子モーメントが最小になるように配列の磁石が互いに配置され、これにより、ターボ分子ポンプ内で磁石配列が回転されるときに、迷走磁界が最小になる。【選択図】          図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも４つの永久リング磁石を有する、磁気軸受装置の回転可能な永久磁石配列の組立て方法において、
少なくとも４つのリング磁石の各々について、リング磁石上の基準点に対する少なくとも第１次および第２次の横方向迷走磁界ベクトルを測定する工程と、
少なくとも４つの磁石が組立てられかつ回転されるときに、時間変化磁界が最小となるように、配列内の各磁石について相対角度配向および相対磁極方向を計算する工程と、
計算にしたがって磁石の配列を組立てる工程とを有することを特徴とする回転可能な磁石配列の組立て方法。
【請求項２】
前記計算工程にしたがってひとたび組立てられた１次および２次の横方向迷走磁界ベクトルを測定する工程を更に有することを特徴とする請求項１記載の回転可能な磁石配列の組立て方法。
【請求項３】
請求項１または２記載の方法にしたがって組立てられた少なくとも４つの永久磁石を有することを特徴とする永久磁石軸受装置の回転可能な磁石配列。
【請求項４】
請求項１または２記載の方法にしたがって組立てられた少なくとも４つの永久磁石を備えた回転可能な磁石配列を有することを特徴とする軸受装置。
【請求項５】
請求項４記載の軸受装置を有することを特徴とする高速回転装置。
【請求項６】
請求項４記載の軸受装置を有することを特徴とするターボ分子ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気軸受の分野に関する。より詳しくは、ターボ分子ポンプのような高速回転機械の永久磁石軸受装置により引き起こされる迷走直交磁界を低減させる装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ターボ分子ポンプは、走査電子顕微鏡（scanning electron microscope：ＳＥＭ）およびリソグラフィー装置等に要求される高真空環境を発生させるのに使用される真空システムの一部として用いられる。
【０００３】
ポンプの高真空目的で、ターボ分子ポンプにオイルフリー受動永久磁石軸受装置を用いることは一般的に行われている。
【０００４】
図１には、ターボ分子ポンプ（図示せず）の受動永久磁石軸受装置１０の断面が示されている。この例では、軸受装置１０は、４つの外側回転永久磁石リング１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄの配列１２および４つの非回転永久磁石リング１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄの配列１４を有し、これらの配列１２、１４は、外側の回転配列１２が内側の静止配列１４を同心状に包囲するように配置されている。磁石は、全て希土類磁気材料で形成されている。外側配列１２はターボ分子ポンプ（図示せず）のロータに取付けられ、静止配列はターボ分子ポンプのステータに取付けられている。機械的強度および実際の構造上の理由から、通常、リングの外側配列が軸受装置の回転部分を形成し、内側リングが静止部分を形成する。
【０００５】
この例では、各配列１２、１４のそれぞれの磁石リング１２ａ〜１２ｄおよび１４ａ〜１４ｄの磁化は、ポンプロータ（図示せず）の回転軸線と実質的に整合している。磁化方向は矢印で示されており、各矢印の頭はＮ極を示す。
【０００６】
磁石は、各配列内で、相互に反発し合うように配置されている。すなわち、一配列内の近接磁石は、同じ磁極をもつ同配列内の最近接磁石と向かい合わせられている（例えば、磁石１２ａ、１２ｂは、これらのＳ極同士が向かい合わせられている）。各配列の外側磁気リング１２ａ、１２ｄ、１４ａ、１４ｄは、これらのＮ極が最外方を向いている。
【０００７】
装置１０の各配列１２、１４の磁石１２ａ〜１２ｄおよび１４ａ〜１４ｄは、配列１２、１４間で相互に反発し合うように配向されており、したがって殆ど摩擦の無い軸受を創出している。
【０００８】
異なる数のリング、軸線方向磁化および半径方向磁化を用い、かつロータとステータとの間に反発力または誘引力が作用するようにして、非常に多くの他の構成が可能である。種々の構成が可能であるが、リングの磁化方向がこれらの幾何学的軸線に関して完全に対称的であるならば、全ての構成が最適に機能する。
【０００９】
図１には、回転配列１２のリング１２ａ〜１２ｄの磁化が、これらのリングの幾何学的軸線４に関して完全に対称的であるところが示されている。しかしながら、実際には、各磁気リング１２ａ〜１２ｄ（および同様に、磁石１４ａ〜１４ｄ）の磁化は、これらの磁石の製造方法が事実上制限されることにより不完全である。これは、図２ａおよび図２ｂに示されている。軸線方向に磁化された永久磁石リングに観察される最大磁気非対称性は、通常、図２ａに示すように、磁石の軸線が幾何学的軸線４から数度の角度だけ変位するような小さい角度誤差である。磁石の品質またはグレードにより異なるが、角度誤差θは、３°程度である。この誤差は、理想的な軸線方向磁化からの小さい摂動、実際には、図２ｂに示すように、意図した軸線方向の双極子モーメント６上に重畳された横方向の磁気双極子モーメント８であると考えることができる。
【００１０】
横方向の双極（第１次）非対称性に加え、高次の非対称性、例えば４極および５極の非対称性が存在する。通常、非対称の大きさすなわち磁界強度は、極数の増大につれて減少する。
【００１１】
これらの小さい非対称性が回転磁石配列１２のリング１２ａ〜１２ｄのいずれかに生じると、時間変化磁界（time varying magnetic field）が発生される（静止磁石１４ａ〜１４ｄについては、磁界は一定である）。これらの双極、４極および６極非対称性により、ポンプロータの回転速度のそれぞれ１倍、２倍および３倍の周波数の時間変化磁界を発生する。
【００１２】
走査電子顕微鏡の性能は、機械的振動またはターボ分子ポンプから放出される迷走磁界の影響を受け易い。迷走磁界は、電子ビームまたは機器の電子回路に直接干渉することが知られている。
【００１３】
このような磁界放出を低減させるのに強磁性体シールディングを使用するのは一般的であるが、このようなシールディングはコストが嵩みかつ有効性が非常に限定されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
したがって、これらの時間変化迷走磁界の効果を他の手段により低減させることが望まれている。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
第１態様では、本発明は、少なくとも４つの永久リング磁石を有する、磁気軸受装置の回転可能な永久磁石配列の組立て方法において、
少なくとも４つのリング磁石の各々について、リング磁石上の基準点に対する少なくとも第１次（第１オーダ）および第２次（第２オーダ）の横方向迷走磁界ベクトルを測定する工程と、
少なくとも４つの磁石が組立てられかつ回転されるときに、時間変化磁界が最小となるように、配列内の各磁石について相対角度配向および相対磁極方向を計算する工程と、
計算にしたがって磁石の配列を組立てる工程とを有することを特徴とする回転可能な磁石配列の組立て方法を提供する。
【００１６】
磁石リングの最適選択および組立てを行うことにより、幾つかの回転リングの非対称磁化が実質的に相互に反作用するようになる。「上向き」配向および「下向き」配向にある磁石の全ての順列の効果およびこれらの全ての磁石の相対角度配向を計算することにより、迷走磁界の大部分を最小化するための磁石の最適形状を決定できる。
【００１７】
次に、迷走磁界を決定するための計算および／または完成した配列の迷走磁界の測定による好ましい配向および順列についての磁石の組の測定が実行される。
【００１８】
本発明の他の好ましい態様および／または任意の態様は、特許請求の範囲に記載されている。
【００１９】
本発明を良く理解できるようにするため、例示としてのみ示す本発明の実施形態を添付図面を参照して以下に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】受動磁気軸受組立体を示す断面図である。
【図２ａ】永久リング磁石の非対称磁化を示す図面である。
【図２ｂ】永久リング磁石の非対称磁化を示す図面である。
【図３】本発明による測定を実施する装置を示す概略図である。
【図４】４リング磁石システムの低減された横方向の迷走双極子モーメント磁界を示す図面である。
【図５】４リング磁石システムの横方向の迷走双極子モーメント磁界および４極子モーメント磁界を示す図面である。
【図６】４リング磁石システムの低減された横方向の迷走双極子モーメント磁界および４極子モーメント磁界を示す図面である。
【図７】本発明による４磁石配列測定を示すフローチャートである。
【図８−１】本発明による４磁石配列測定を示すフローチャートである。
【図８−２】本発明による４磁石配列測定を示すフローチャートである。
【図８−３】本発明による４磁石配列測定を示すフローチャートである。
【図８−４】本発明による４磁石配列測定を示すフローチャートである。
【図８−５】本発明による４磁石配列測定を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図３は、本発明による測定を実施する装置を示す概略図である。磁石測定ステーション（すなわち磁気整合リグ）５０は、磁石回転セクション５８、６０、６２、６４、６６および磁界測定セクション５４、５６、６８、７０、７２を有している。
【００２２】
磁石回転セクションは、磁石を回転させるモータ６２を有している。モータ６２は、インバータのような速度制御装置６４および電源６６により駆動される。モータ６２に取付けられた非磁性スピンドル（すなわちロータ）６０が、非磁性ベンチ５２を貫通して磁石ホルダ（これも非磁性体）５８まで延びている。モータ６２は磁石ホルダ５８および測定ステーション５０から充分離れて配置されており、このため、モータ６２から放出されるいかなる磁界も、実行される全ての測定に干渉することはない。磁石が実質的に振動すなわち運動の影響なく回転できるようにするため、ロータ６０は、モータ６２から遠位側（磁石ホルダ５８の近位側）の端部が非磁性軸受装置（図示せず）により支持されるのが好ましい。磁石ホルダ５８は、スピンドル６０に取付けられたベース５８ａと、軸線方向クランピング装置５８ｂとを有している。ベース５８ａは実質的に平らな表面５８ｃを有し、リング磁石１２ａが、好ましくはベース５８ａから上方に延びている中心軸（図示せず）により、前記表面５８ｃ上に受入れられる。中心軸は、リング磁石１２ａの内径と実質的に同じ直径を有し、このため磁石１２ａは、回転中に半径方向移動することが防止される。軸線方向クランピング装置５８ｂは、中心軸の直径に実質的に等しい内径を有する。クランピング装置５８ｂは、ねじ装置によりベース５８ａに取付けられるのが好ましい。回転中のスピンドルの回転位置を検出するための位相基準ピックアップ装置８０も設けられている。ピックアップ８０として、例えば、ベース５８ａ上にデータまたは基準線等が設けられた光学トリガを使用できる。ピックアップ８０はコンピュータ７２に接続されている。
【００２３】
磁界測定セクションは、非磁性支持体５４を介してベンチ５２上に支持された磁界測定装置５６を有している。この測定装置５６は、５００ｐＴより小さいノイズで１ｎＴを分解できる感度を有するフラックスゲートセンサ、ホール効果センサまたはサーチコイルで構成できる。センサ５６は、信号調整装置６８、高速フーリエ変換オーダトラッキング装置７０およびコンピュータ７２に接続されている。コンピュータ１７２には、各磁石についてなされた測定に基づいて磁石の好ましい構成および／または順列（permutation）を計算するソフトウェアが設けられている。
【００２４】
使用時に、測定すべき個々の磁石１２ａが、Ｎ極を下に向けて、磁石ホルダ５８のベース５８ａ上に置かれる。基準点（これは、ペンにより記された単なるマークでよい）が、ベース５８ａ上の基準データラインに一致するようにしてリング磁石１２ａ上に置かれる。次に、磁石１２ａが、この位置において、クランピング装置５８ｂを用いて磁石ホルダ５８に固定される。
【００２５】
磁石１２ａとセンサ５６とは、センサ軸線８４が、磁石１２ａの外周の赤道（すなわち、Ｎ極とＳ極との中間）と実質的に整合するように整合されなくてはならない。
【００２６】
各磁石の磁界を特徴付けるためモータ６２が回転され、これにより、スピンドル６０および磁石ホルダ５８を介して磁石１２ａが回転される。モータは２１Ｈｚと２４Ｈｚとの間で回転される。スピンドル６０および磁石ホルダ５８は、磁界センサ５６の軸線が、１°より小さい磁石の平面（すなわち公称磁化軸線に対して直角な平面）内にあるように、磁石（単一または複数）を反復配向させなくてはならない。回転軸６０およびホルダ５８ａ上での磁石衝合面の軸線方向の振れは、１０μｍより小さくすべきである（１μｍの振れすなわち０．００１９°の磁石傾斜は、０．６ｎＴの誤差に等しい）。
【００２７】
センサ５６は、ピックアップ８０、信号調整装置６８、高速フーリエ変換分析器７０およびコンピュータ７２と協働して、磁石の横方向磁界の大きさおよび位相データを検出しかつ記録する。各磁石について、少なくとも１次および２次の横方向迷走磁界すなわち横方向の双極および４極迷走磁界を測定しかつ記録すべきである。しかしながら、より高次（例えば６極）の多極横方向磁界のデータを収集することもできる。
【００２８】
少なくとも４つの磁石からなる永久磁石軸受装置１０についてこの方法を実施する場合には、この方法は、少なくとも３つの他の磁石１２ｂ、１２ｃ、１２ｄについても反復される。このデータは、各磁石について少なくとも２０秒間の回転に亘って収集される。
【００２９】
次に、配列１２内の４つの磁石１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄの各々の相対角度配向（測定工程中に各磁石に記された基準点に対する相対角度配向）および相対磁極方向が計算され、これにより、回転中の最短時間変化磁界で組立てられた配列１２が得られる。
【００３０】
図４に示すように、計算が、４つの回転磁石リングの配列内の横方向双極磁界すなわち１次磁界に限定される場合には、４つの磁石リングの４つの横方向双極子モーメント２１、２２、２３、２４のベクトル加法を考えるだけでよい。配列内の４つのリングを相対回転させることにより、磁石の相対角度配向を創出でき、この場合、４つの個々の双極子モーメント２１、２２、２３、２４が閉四辺形を形成し、したがって、（個々のどの磁石も、他の３つの磁石の和より大きい双極子モーメントをもたない限り）ゼロベクトル和となる。幾つかの相対角度配向法でこの四辺形を形成でき、依然としてゼロベクトル和を達成できる。ゼロ和双極（zero total dipole）を形成する４リング磁石の構成は、１度の自由度を有するといわれている。
【００３１】
各配列に３つの回転磁石を有する磁気軸受の回転磁石配列は、閉三角形を形成するように配置することもできるが（３つのベクトルの相対的な大きさにもよる）、唯一の相対配向であるため、自由度は存在しない。一般に、Ｎ-３自由度を有する最小双極子モーメントについてはＮ個の磁石システムを組み立てることができる。
双極子モーメントに加えて、２次４極子モーメント迷走磁界による時間変化磁界が考えられる場合には、４極子モーメントの方向と双極子モーメントの方向との間には特別の関係がないと考えられ、このため、一般に、双極子モーメントのゼロベクトル和を満たしても４極子モーメントのゼロ和を作ることはできない。４磁石構成は双極のみに１自由度を与えるが、問題が過剰拘束されているので、双極および４極の両方のゼロ和を達成するゼロ自由度より小さい。これは、図５に示されている。ゼロ和のために４つの双極子モーメント２１、２２、２３、２４が配置されているが、対応する４つの４極ベクトル３１、３２、３３、３４はゼロ和とならないばかりか、組合せベクトル１００を形成する。
【００３２】
しかしながら、回転配列１２の磁石１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄのうちの２つはＮ極を上向きにかつ他の２つはＮ極を下向き配向する必要がある。磁石のうちの２つを物理的に反転させることにより、自由度を高くできかつ非反転構成と比較して、双極に対して４極の位相を負にできる。かくして、図６に示すように、磁石の双極子モーメント２１、２２、２３、２４による横方向磁界の和はゼロにでき、同時に、４極ベクトル３１、３２、３３、３４の全効果２００を少なくとも半減できる。
【００３３】
コンピュータ７２は、（測定工程中に各磁石に付された基準点に対する）相対角度配向および回転中の最短時間変化迷走双極および４極横方向磁界を形成する、配列１２内の４つの磁石１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄの各々の相対磁極方向を計算する。
【００３４】
磁石の大きいバッチ２０上の迷走磁界を測定し、次に上記計算を行って５つまでの磁石配列（各磁石配列は、迷走磁界の放出が最適に小さい４つの磁石を有している）を決定するのが有利であることは明白であろう。
【００３５】
計算は、時間変化磁界を考慮に入れかつ重畳の原理を用いて行われる。すなわち、
全迷走磁界＝Ａ+Ｂ+Ｃ+Ｄ、ここで、
Ａ＝Ａ１・ＣＯＳ（θ１+φ１）+Ａ２・ＣＯＳ（２・θ１+Ψ１）
Ｂ＝Ｂ１・ＣＯＳ（θ２+φ２）+Ｂ２・ＣＯＳ（２・θ２+Ψ２）
Ｃ＝Ｃ１・ＣＯＳ（θ３+φ３）+Ｃ２・ＣＯＳ（２・θ３+Ψ３）
Ｄ＝Ｄ１・ＣＯＳ（θ+φ４）+Ｄ２・ＣＯＳ（２・θ+Ψ４）
ここで、
θ１＝θ+Ｔ１、θ２＝θ+Ｔ２、θ３＝θ+Ｔ３
φｎおよびΨｎは、それぞれ、双極子モーメントおよび４極子モーメントの位相角度である。
Ｔ１、Ｔ２およびＴ３は、個々の磁石になし得る回転調節である。
【００３６】
上記状態によれば、φｎおよびΨｎの対のうちの２つは、（反転磁石を表わすため）負であり、２つは正でなくてはならない。
【００３７】
目的は、Ｔ１，Ｔ２、Ｔ３およびφｎおよびΨｎの対の組合せの符号を変えることにより、０≦θ≦２πについて全Ａ（A Total）のピーク-ピーク値を最小にすることにある。
【００３８】
コンピュータ７２による計算から得られる出力は、
ａ）組立ての順序、すなわち配列１２において磁石が占める位置、
ｂ）基準（角度）ゼロに対する各磁石の回転、
ｃ）配列１２のｎＴピーク-ピークにおける予測迷走磁界
を表示することが要求される。
【００３９】
４つの磁石１２ａ〜１２ｄのいずれかが、組として使用するのに適していない場合には、コンピュータ７２のソフトウェアは、どの磁石を他の候補磁石に置換すべきかを表示しかつ最初から再スタートする。
【００４０】
ひとたび、４つの磁石１２ａ〜１２ｄの組についての相対角度配向および相対磁極方向が計算されたならば、配列１２が計算にしたがって配置されかつ配列が磁石測定ステーション上でチェックされる。
【００４１】
この工程が実行された場合には、センサ軸線８４は、磁石配列の外周の中間（すなわち、図１において磁石１２ｂと磁石１２ｃとの間）と実質的に整合されなくてはならない。４つの磁石の組について、軸線から２００ｍｍの位置で測定した、目標とする時間変化最大横方向迷走磁界は、１８０ｎＴ（ピーク−ピーク）である。
【００４２】
図７および図８には、個々の磁石および配列の測定方法のフローチャートが示されている。
【００４３】
本発明により組立てられた配列１２は、次に、ターボ分子ポンプ等の高速回転機械に組み込まれる軸受装置として組み立てられる。
【００４４】
迷走磁界を更に低減させるため、最適化された軸受組立体を、これ自体に、または受動シールドまたは能動キャンセレーション機能と組合わされた軸受組立体に使用できる。
【符号の説明】
【００４５】
１０  受動永久磁石装置
１２  外側回転永久磁石リングの配列
１４  内側回転永久磁石リングの配列
５０  磁石測定ステーション（磁気整合リグ）
５６  磁界測定装置（センサ）
５８  磁石ホルダ
６０  スピンドル（ロータ）
６２  モータ
７２  コンピュータ
８０  位相基準ピックアップ装置
【図１】
2014514519.tif 000003
【図２ａ】
2014514519.tif 000004
【図２ｂ】
2014514519.tif 000005
【図３】
2014514519.tif 000006
【図４】
2014514519.tif 000007
【図５】
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【図６】
2014514519.tif 000009
【図７】
2014514519.tif 000010
【図８−１】
2014514519.tif 000011
【図８−２】
2014514519.tif 000012
【図８−３】
2014514519.tif 000013
【図８−４】
2014514519.tif 000014
【図８−５】
2014514519.tif 000015
【国際調査報告】
2014514519.tif 000016
2014514519.tif 000017
2014514519.tif 000018