(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転磁石と非回転磁石とを備えた磁気軸受装置であって、
前記回転磁石は、前記非回転磁石を同心円状に取り囲む単一片リング磁石を含み、
前記単一片リング磁石は、回転機構において使用される磁気軸受のための細長い単一片永久リング磁石であって、使用時に、前記軸受は、前記リング磁石のボアと平行であって該ボアの中心を通る回転軸を有し、前記磁石は、軸方向に隣接する分極ゾーンが互いに相互反発するように偶数個の軸方向分極ゾーンを該磁石の軸端間に有し、
前記非回転磁石は、軸方向に隣接するリングが互いに相互反発するように軸方向に分極した永久リング磁石のアレイを有し、
前記回転磁石の前記軸方向分極ゾーン、及び前記非回転磁石の前記アレイの前記軸方向に分極したリング磁石は、前記回転磁石と前記非回転磁石の前記アレイとの間に相互反発をもたらすように配向される、磁気軸受装置。
【請求項２】
前記単一片リング磁石は、少なくとも４つの軸方向分極ゾーンを有する、請求項１に記載の磁気軸受装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の軸受装置を備える高速回転装置。
【請求項４】
請求項１または請求項２に記載の軸受装置を備え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、磁気軸受装置のための磁石、このような磁石を含む軸受装置、及びこのような軸受装置を含む真空ポンプに関する。具体的には、本発明は、ターボ分子真空ポンプの浮遊磁場を低減する磁気軸受装置において特に有用となり得るが、本発明はこの分野に限定されるものではなく、当業者であれば他の応用も受け入れるであろうと理解されたい。
【０００２】
以下、特定の応用に関して本発明を説明する。しかしながら、本発明は、ターボ分子真空ポンプに限定されるものではないと理解されたい。
【背景技術】
【０００３】
走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）及びリソグラフィ装置などの装置の排気を行うために使用される真空システムの構成部品として、しばしばターボ分子ポンプが使用される。
【０００４】
通常、このようなターボ分子ポンプは、ポンプの高真空端部にオイルフリーの受動型永久磁石軸受装置を有して、排出体積内の汚染の原因となり得る減摩剤を含まない実質的に無摩擦の乾燥軸受装置を提供する。
【０００５】
欧州特許第２７０５２６３号に記載されているように、受動型永久磁石軸受の既知の構成では、複数の軸方向に積み重ねられたリング磁石が使用される。図１及び図２に、このような構成例を示す。
【０００６】
図１は、ロータシャフト１０８から外向きに延びる一連のロータブレード１０６を含む典型的なターボ分子ポンプ２００の断面図である。シャフト１０８の高真空（入口）端部には、受動型磁気軸受装置１００、１１０が存在する。軸受装置１００、１１０は、ロータ装置１０６、１０８に固定されてこれらと共に軸１０２の周囲を回転する一連の３つの個々の永久磁石リング１１０と、永久磁石リング１１０によって同心円状に取り囲まれるポンプハウジングに固定された一連の３つの個々の永久磁石リング１００とを含む。
【０００７】
図２には、ターボ分子ポンプ（図示せず）の受動型永久磁石軸受装置１０のさらなる例の断面図をさらに詳細に示す。この例では、軸受装置１０が、４つの外側回転永久磁石リング１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄのアレイ１２、及び４つの内側非回転永久磁石リング１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄのアレイ１４を、外側の回転するアレイ１２が内側の固定アレイ１４を同心円状に取り囲むような配置で含む。これらの磁石は、全てサマリウムコバルトなどの希土類磁石材料で形成される。外側アレイ１２は、ターボ分子ポンプ（図示せず）のロータに取り付けられ、固定アレイ１４は、ポンプのステータに取り付けられる。機械的強度及び実用的構造に起因して、通常は、外側リングアレイが軸受装置の回転部品を形成し、内側リングが固定部品を形成する。
【０００８】
この例では、各アレイ１２、１４の磁石リング１２ａ〜１２ｄ及び１４ａ〜１４ｄの磁化（すなわち分極）が、それぞれポンプロータ（図示せず）の回転軸１０２と実質的に整列する。この磁化（分極）方向を矢印で示しており、各矢印の先端はＮ極を示す。
【０００９】
これらの磁石は、各アレイ内において互いに相互反発するように配置され、すなわちアレイ内の隣接する磁石は、同じアレイ内の最寄りの隣接する磁石と同じ極同士が接触する（例えば、磁石１２ａ及び１２ｂは、互いにＳ極同士が接触する）。各アレイ内の外側の磁石リング１２ａ、１２ｄ、１４ａ、１４ｄは、Ｎ極が最外部を向く。
【００１０】
装置１０の各アレイ１２、１４内の磁石１２ａ〜１２ｄ及び１４ａ〜１４ｄは、アレイ１２、１４間に相互反発をもたらし、従ってほとんど無摩擦の軸受を形成するように配向される。
【００１１】
軸方向又は半径方向に磁化された異なる数のリングを用いてロータとステータの間に反発力又は引力のいずれかをもたらすように配置した非常に多くの他の構成が可能である。様々な構成が可能であるが、これらは全て、リングの磁化方向がその回転軸１０２に関して完全に対称な場合に最適に機能する。
【００１２】
図２には、回転アレイ１２のリング１２ａ〜１２ｄの磁化を、その幾何学的（回転）軸１０２に関して完全に対称な形で示している。しかしながら、実際には、各磁石リング１２ａ〜１２ｄの軸方向磁化は（磁石１４ａ〜１４ｄについても同様に）、その製造工程の実際的制限に起因して不完全である。
【００１３】
磁石の製造は当業者に周知であるが、本明細書では、工程の不完全性がどのように生じてターボ分子ポンプに問題を引き起こすのかを示すために簡略化したバージョンを説明する。
【００１４】
最も一般的な磁石製造方法は、粉末冶金を使用する。工程は、微粉末の形成から開始し、これを圧縮して共に焼結した後で帯電又は帯磁させる。
【００１５】
複数のステップによって形成される微粉末は、特定の粒子サイズを有して１つの好ましい磁気配向の材料を含む。
【００１６】
粉末の形成後、この粉末を所望の形状に圧縮する。この工程に使用する２つの周知の技術は、軸方向／横方向圧縮成形法及び静水圧圧縮成形法である。基本的に、これらの方法は、完成した磁石の全ての磁場領域が１方向を向くように粒子を並べて固定するものである。
【００１７】
軸方向／横方向圧縮成形では、最終的な磁石の形状に一致するように成形された強固なキャビティ内に粉末を配置した後に圧縮ツールを用いて圧縮する。圧縮を行う前に、粉末に整列磁場を与えて全ての粒子を確実に同じ方向に整列させる。そして、圧縮行為によってこの整列を固定又は「凍結」させる。
【００１８】
静水圧圧縮成形では、可撓性容器を粉末で満たした後に、この容器を密封して整列場を与える。次に、油圧流体（例えば、水）を用いてこの容器を平衡に加圧し、従って密封容器の外部に圧力を加え、容器を全ての箇所で均等に圧縮する。静水圧圧縮により、大型磁石の形成が可能になるとともに、全ての箇所に成形圧力が均等に加わることにより、粉末が比較的高い磁気エネルギーを有して比較的良好に整列した状態を保つことが確実になる。
【００１９】
次に、これらの加圧部品を、製造する磁石の種類及び等級に応じて磁石周囲の温度及び雰囲気を指定して真空焼結炉内で焼結する。希土類材料は、焼結温度に加熱されると、時間と共に高密度化されるようになる。上記の例で使用したＳｍＣｏ系磁石は、焼結後にさらに固溶化熱処理する必要がある。
【００２０】
これらの磁石は、焼結工程が終了した時点では、粗面及びおおよその寸法しか有していないので、最終仕上げのために、例えば内面及び外面を研削することによるさらなる処理が必要になる。この時点では、これらの磁石は未だ外部磁場を示さない。
【００２１】
磁石は、仕上げ工程の後に、外部磁場を生じるように磁化する必要がある。この工程は、様々なサイズ及び形状の磁石を内部に配置できる中空シリンダを有するソレノイド内で、或いは独自の磁気パターンを与えるように設計された他の装置を用いて行うことができる。
【００２２】
従って、アレイ内の各個々の磁石の製造時には、これらの各磁石の磁場方向の向きがわずかに変化することがある。このため、各個々のリング磁石は、互いに対してわずかな不完全性を有し、従って回転軸１０２に対するアレイ内の各分極の軸方向整列も互いに対して不完全（非対称）になってしまう。
【００２３】
図３ａ及び図３ｂにこのことを示す。通常、軸方向に磁化された永久磁石リングに見られる最も大きな磁気の非対称性は、図３ａに示すように磁石の軸が回転軸１０２から２、３度の角度だけ変位するようなわずかな角度誤差である。この角度誤差θは、磁石の品質又は等級に応じて３°程度になる可能性がある。この誤差は、理想的な軸方向磁化からのわずかな摂動と見なすことができ、実際には、図３ｂに示すように、目的とする軸方向双極子モーメント６に横方向の磁気双極子モーメント８が重なり合ったものである。
【００２４】
横方向の双極子の（一次）非対称性に加え、例えば４極子の非対称性及び６極子の非対称性などの、より高次の非対称性も存在する。通常、非対称性の大きさ又は磁場強度は、極数が増えるにつれて減少する。
【００２５】
回転磁石アレイ１２のリング１２ａ〜１２ｄのいずれかにこれらのわずかな非対称性が生じると、時変磁場が発生する（固定磁石１４ａ〜１４ｄでは、磁場は一定である）。これらの２重極、４重極及び６重極の非対称性は、それぞれポンプロータの回転速度の１倍、２倍、３倍の周波数の時変磁場を生じる。
【００２６】
走査型電子顕微鏡の性能は、ターボ分子ポンプから放出される機械的振動又は浮遊磁場に非常に影響されやすい。浮遊磁場は、電子ビーム又は計器の電子回路に直接干渉することが知られている。
【００２７】
上述した１次及び２次浮遊磁場の問題を解決する１つの既知の方法は、欧州特許第２７０５２６３号に記載されているように、各個々の磁石の浮遊磁場を効果的に相殺する方法によって永久磁石軸受装置の回転磁石アレイを組み立てることによるものである。この方法は、最初に、複数の磁石の少なくとも１次及び２次横方向浮遊磁場、すなわち双極子及び４極子の横方向浮遊磁場の大きさ及び位相（ベクトル）の測定／特性化を行うことによって行われる。次に、少なくとも４つのリング磁石について、これらのリング磁石上の基準点に個別に関連して、アレイを組み立てた時にもたらされる時変磁場が最小化されるように、アレイ内の少なくとも４つの磁石の各々の相対的角度配向及び相対的磁極性方向を計算する。この配向が、各磁石の全ての浮遊磁場が実質的に相殺される最適な磁石の相対的配向である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２８】
【特許文献１】欧州特許第２７０５２６３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２９】
しかしながら、上述した方法の１つの問題点は、ポンプのための容認可能な磁石の組み合わせを発見するために多くの磁石を特性化する必要がある点である。換言すれば、実質的に浮遊磁場を相殺できる４つのリング磁石の組み合わせを発見するために、４つよりも多くの磁石の初期特性化が必要である。
【００３０】
本発明の目的は、上述した問題点を解決することである。
【課題を解決するための手段】
【００３１】
本発明は、第１の態様において、使用時にリング磁石のボアと平行であってボアの中心を通る回転軸を有する磁気軸受装置のための細長い単一片永久リング磁石であって、磁石の軸端間に、軸方向に隣接する分極ゾーンが互いに相互反発する偶数個の軸方向分極ゾーンを有する、単一片リング磁石を提供する。
【００３２】
従って、先行技術について上述した別個のリング磁石のアレイの代わりに、偶数個の軸方向分極ゾーンを有する単一片リング磁石を軸受装置の回転要素に設ける。各軸方向分極ゾーンは、別個の磁石又は部分リング磁石として機能し、磁石の製造中に、単一片磁石の軸長に沿って、これらの分極ゾーンが互いに相互反発するように形成され、すなわちアレイ内の隣接する部分磁石は、その最寄りの隣接する部分磁石と同じ磁極同士が接触する（Ｎ極−Ｎ極、又はＳ極−Ｓ極）。この単一片磁石は、偶数個の磁石アレイの磁場ではあるが浮遊磁場の影響が低減された磁場を実質的に再現する。
【００３３】
本発明の単一片磁石は、全ての磁石を別個に製造する際に生じる磁石間の相対的非対称性を排除するので、４つの別個のリング磁石で形成された磁石アレイについて上述した問題点を解決する。圧縮段階中に与えられる整列磁場のわずかなばらつき、或いは焼結又は仕上げ工程（焼結した磁石表面の研削／フライス加工）における誤差に起因して、非対称性、従って横方向磁場が生じることがある。単一片磁石を提供することにより、軸方向の磁化によって生じる（角度誤差θに見られるような）あらゆる角度的非対称性は、磁石の全長に沿って全ての軸方向分極ゾーンについて等しくなる。従って、全ての軸方向分極ゾーンの磁気強度が等しいと仮定すると、回転軸の周囲の正味横方向磁場はゼロになる。
【００３４】
本発明のさらなる態様については、特許請求の範囲に示す。
【００３５】
以下、本発明を十分に理解できるように、ほんの一例として示すその実施形態について添付図面を参照しながら説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】ターボ分子ポンプの断面図である。
【図２】ターボ分子ポンプのための受動型磁気軸受装置の断面図である。
【図３ａ】永久リング磁石の非対称磁化の説明図である。
【図３ｂ】永久リング磁石の非対称磁化の説明図である。
【図４】本発明による磁石を含む磁気軸受装置の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
図４に、本発明によるリング磁石１２２を有する磁気軸受装置３００を示す。リング磁石１２２は、例えばサマリウムコバルトなどの磁性材料で形成された単一片の円筒形管状磁石である。磁石１２２は、軸受装置３００における使用時に、ターボ分子ポンプ（図示せず）のロータと共に軸１０２の周囲を回転する。軸１０２は、図示の磁石１２２のボアと平行にボアの中心を通る。図示の磁石は、４つの軸方向分極ゾーン１２２ａ、１２２ｂ、１２２ｃ及び１２２ｄを有し、軸方向に隣接する分極ゾーンは互いに相互反発し、例えば、ゾーン１２２ａと１２２ｂは互いに同じ極同士が接触し（矢印の尾部によって示すように、Ｓ極−Ｓ極）、ゾーン１２２ｂと１２２ｃも同様（矢印の先端部によって示すように、Ｎ極−Ｎ極）である。
【００３８】
上述したように、図２に示すようなアレイ１２内の別個の磁石を使用する場合に比較して、偶数個の軸方向分極ゾーンを有する単一片リング磁石を製造する利点は、理想的な幾何学的（回転）軸１０２からの１つの角度誤差θしか存在しない点である。角度誤差は、磁石製造の圧縮段階、焼結段階又は仕上げ段階によって生じるので、製造される全ての磁石は独自の誤差を有する。しかしながら、単一片磁石では、その軸長全体に沿って単一の均一な角度誤差θしか得ることができない。従って、分極ゾーン１２２ａ、１２２ｂ、１２２ｃ及び１２２ｄの各々の磁気強度が等しいと仮定すると、単一片磁石１２２に沿った正味横方向双極子モーメントは（図４の線４００によって示すように）ゼロになる。
【００３９】
磁石１２２は、４つの軸方向分極ゾーンを有するように示しているが、特定の軸受装置の要件に従って、例えば６個、８個、１０個、１２個などのあらゆる偶数個の軸方向分極ゾーンを有することができる。重要な特徴は、正味横方向双極子モーメントがゼロになるように、従ってこの磁石がターボ分子ポンプの軸受装置内で回転している時に事実上浮遊磁場が生成されないように、偶数個の軸方向分極ゾーンが存在しなければならない点である。
【００４０】
磁石１２２は、上述した段階に従って製造される。しかしながら、複数の軸方向分極ゾーンを形成するには、単一片磁石を整列磁場内で所望の形状に圧縮し、焼結して仕上げたら直ぐに磁石を帯電させて、各分極ゾーン１２２ａ、１２２ｂ、１２２ｃ及び１２２ｄを同時に形成することが有利である。これを行うには、未だ帯電されていないゾーン１２２ａ’、１２２ｂ’、１２２ｃ’及び１２２ｄ’（図示せず）の各々を、これらのゾーンを軸方向に分極させるように設計された独自のソレノイドによって取り囲むべきである。ソレノイドは、磁石１２２の内部ボア内にも配置して、各ゾーン１２２ａ’、１２２ｂ’、１２２ｃ’及び１２２ｄ’がこれらを帯電させる独自のソレノイド対を有するようにすることが理想的である。ソレノイド対は、各軸方向分極ゾーンを磁気強度が同じになるように形成することが好ましい。
【００４１】
図４には、軸受装置３００の固定された非回転磁石１４４の相対的位置も示しており、すなわち非回転磁石１４４は、磁石１２２によって同心円状に取り囲まれる。磁石１４４は、（図２に示す）従来の軸受装置のように別個の軸方向に分極したリング磁石のアレイで形成することも、或いは回転磁石１２２の分極ゾーンと等しい数の分極ゾーン（１４４ａ、１４４ｂ、１４４ｃ及び１４４ｃ）を有する単一片磁石で形成することもできる。しかしながら、浮遊磁場の低減に加えて機械的にも強く、必要な製造時間も短く、２つの別個の磁石アレイよりも取り扱いやすいという理由により、回転磁石及び固定磁石１２２、１４４の両方に単一片磁石を使用することが好ましい。従って、本発明の磁石を含むターボ分子ポンプは、従来の装置よりも効率的に製造することができる。
【００４２】
また、軸方向分極ゾーン１２２ａ〜ｄ及び１４４ａ〜ｄは、磁石１２２、１４４間に相互反発をもたらすように配向され、従ってほとんど無摩擦の軸受３００を形成する。
【００４３】
軸受装置３００は、特にターボ分子ポンプにおける高速回転機械の磁気軸受に使用して、走査型電子顕微鏡などの用途における浮遊磁場を低減することが好ましい。
【符号の説明】
【００４４】
１２２  回転磁石
１２２ａ〜ｄ  軸方向分極ゾーン
１４４  非回転磁石
１４４ａ〜ｄ  軸方向分極ゾーン
３００  軸受装置
４００  正味横方向双極子モーメント
【図１】
0006613248.tif 000002
【図２】
0006613248.tif 000003
【図３ａ】
0006613248.tif 000004
【図３ｂ】
0006613248.tif 000005
【図４】
0006613248.tif 000006