(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
筐体と、当該筐体内に軸受で回転可能に支持される回転シャフトと、当該回転シャフトを微小間隙を介して囲繞する磁石および磁極片とからなり、前記磁石による磁界が前記微小間隙に磁性流体膜を形成し、前記回転シャフトの両端の高圧および真空領域間を、前記磁性流体膜に軸と直交する方向に磁界をかけて磁気シールする耐磁場磁性流体シール装置において、前記筐体および磁気シール部と前記軸受を当該筐体内の所定位置に固定するための取付け蓋を磁性材料とし、更に、前記筐体と前記磁極片の前記シャフトの反対側部との接触部に空隙を設けることを特徴とする耐磁場磁性流体シール装置。
【請求項２】
請求項１に記載の耐磁場磁性流体シール装置において、前記取付け蓋に、前記シャフトの軸方向に直交する方向に延設し前記取り付け蓋と前記筐体とを螺号させるネジ部を覆うようにつば部を設けたことを特徴とする耐磁場磁性流体シール装置。
【請求項３】
請求項１、２のいずれかに記載の耐磁場磁性流体シール装置において、前記軸受および当該軸受係止用固定具を非磁性材料とすることを特徴とする耐磁場磁性流体シール装置。
【請求項４】
請求項１、２、３のいずれかに記載の耐磁場磁性流体シール装置において、前記筐体の取付け蓋の係止側と反対側の側壁を厚くして、磁気抵抗を小となるようにしたことを特徴とする耐磁場磁性流体シール装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐磁場磁性流体シール装置に係り、とくに、例えば単結晶の半導体引上げ装置等の軸受けに用いられる耐磁場磁性流体シール装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在、シリコン単結晶装置では、単結晶の大口径化に伴い、溶融しているシリコンに磁場をかけることで対流を制御し、酸素濃度の調整を行うという技術が報告されている。これによれば、シリコン単結晶中に入る不純物として酸素が考えられ、これは高温中の坩堝から、前記坩堝の構成材質である石英中の酸素がシリコン溶液内に溶けだし、熱対流によりその表面を伝い、結晶内部にまで流れ込み、吸蔵されるものである。
【０００３】
前記酸素が単結晶表面に吸着したとき、ほぼ蒸発してしまうが、熱対流が早い場合には蒸発しきれずに結晶中に吸蔵されることになる。
一方、磁界中では、シリコン融液中に電流が誘起され、前記熱対流が抑制される。しかし、前記熱対流を抑制しすぎると、融液中に酸素が充満してしまうため、適度な対流に制御しなければならない。
このような間題の解決めために、３００〜５００ｍＴ（ミリテスラ）程度の磁場がかけられているなどの報告が発表されている。
【０００４】
そのようなシリコン単結晶装置において使用されて回転導入機の軸受け部として使用されている磁気シールでは、上記シリコン対流制御のため加えられる磁界とは全く別に独立した磁場により磁化される磁性流体を用いてシールしている。
このような状況のもとで用いられる磁気シールは、外部からの強力な磁界による干渉によりそのシール性が保持できなくなるような事態が起こりうることが考えられる。
【０００５】
図４を参照して、従来技術の磁性流体シールを説明する。
図４は、従来の技術における磁性流体シール装置の要部説明図である。
磁性流体シール１０ａは、図４に示されるように、磁性材料のシャフト３と、永久磁石１と、前記永久磁石１を挾んで両側に配設されている磁極片２とからなり、前記永久磁石１と前磁極片２が、前記シャフト３との間に微小間隙δを隔てて当該シャフト３を囲繞して磁気回路を形成するように構成されている。
当該磁気回路中において前記微小間隙δに磁性流体５を充填したものである。
【０００６】
図５を参照して、従来の磁性流体シールを詳細に説明する。
図５は、従来の磁性流体シール装置の要部拡大説明図である。
前記微小間隙δの磁性流体５は、前記シャフト３の両端に加わるほぼ大気圧と真空部の圧力差に耐えて、気密性を保持することができるので、例えば、真空雰囲気内の密室への回転導入機構の軸受部として使用されている。
当該磁性流体５に磁気シール機能を発揮させるのは、永久磁石１ａ、１ｂによる磁界である。そこで、前記磁界とは別に外部から大きな磁界がかかることは前記磁気シールに対し大きな影響を与えることになる。
図５に示される磁気回路の磁気シールにおいては、約１０ｍＴ程度の外部磁界がかけられると、磁気シール機能が破壊され、真空を保てなくなることがあり、わずかな磁界中でも使用できない。
【０００７】
図５に図示するように、相互間に各永久磁石１ａ、１ｂ・・の同極を対抗させ、それぞれの相互間に磁極片２ａ、２ｂ・・を形成し、前記磁極片２ａ、２ｂ・・のシャフト３側の中央部をそれぞれ凹部Ｏ1、Ｏ2、・・を形成させ、その両端部を鋭角状の尖端部をＰ1、Ｐ2、Ｐ3、Ｐ4・・を形成させる。このような磁極片２ａ、２ｂにおいては、それぞれ磁束が２つに分路される。当該分路された磁束も同一の極性を有するから、相互に反発し合ってそれぞれ両側の磁極片、例えば２ｂの尖端部Ｐ3、Ｐ4・・を通る閉ルーブが形成されることになる。
【０００８】
従って、シャフト３の表面に極めて尖鋭に磁束が集中する磁界分布が形成され、当該磁界分布では、磁性流体５が極めて強力に保持される。このように、磁性流体５を保持する磁界が強力なので、磁性シールの形成する磁気回路に直接干渉する方向に、３００ｍＴ程度の外部磁界が加えられても前記シール性が保持されることが確かめられている。斯くの如く、図５に示されるような磁石の並べ方が同極対向配置の磁気シールの優れた機能性が確認されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記図５の従来の磁性流体シールにさらに強力な３００ｍＴ以上の磁場では影響を免れず、磁性流体シールの気密性が保てなくなる。図６を参照して、図５に示される磁性流体シール部を使用した回転機用の磁気シール装置を説明する。図６は、図５の磁性流体シール部を用いた回転機用磁気シール装置の説明図である。
磁気シール装置５０は、磁性流体シール全体を収容するケース２０と、回転運動を一方の端３ａ（真空側）から他方端３ｂ（大気圧領域側）に伝えるための磁性材料からなるシャフト３を前記ケース２０を挿通させると共に、前記ケース２０の空洞内には、前記挿通させたシャフト３を囲繞する磁性流体シール部１０の磁気回路と、前記シヤフト３を支える当該ケース２０の両端に配置されるベアリング６ａ、６ｂと、前記ベアリング６ａ、６ｂにはそれぞれ当該シャフト３を所定の位置に固定するための止め金具（以下、スナップリングという）７とが内設されている。
前記ケース２０の空洞内に前記磁性流体シール部１０の磁気回路等を内設したのち、前記磁気回路等を当該ケース２０の所定位置に固定するためのネジ蓋１１が当該ケース２０の一端のネジ部１４と螺合して取付けられている。
【００１０】
上記図６を参照して説明した磁気シール装置が前記シャフト３の−方端３ａが真空雰囲気であり、他方端３ｂが大気圧雰囲気の場合について説明する。
使用される真空側の雰囲気が、高真空、高クリーン要求時には真空側に出来るだけ部品を入れぬように図６のベアリング−磁気回路−べアリングの配置順序を変えたものもある。
【００１１】
上記シャフト３を支えるためのベアリング６ａ、６ｂと、前記ベアリング６ａ、６ｂをシャフト３に固定するためのスナップリング７は、弾性力による強度を必要とするため、焼き入れされたバネ鋼など強磁性材を用いる。磁界中ではこれらの部材が磁化され、磁石となることが起りうる。この磁化がシール機能上問題となる。
【００１２】
次ぎに、前記磁気シール装置を、大型の電磁石装置による外部磁界源に置いた場合の実験例を説明する。図７は、図６の磁気シール装置におけるシール機能実験の説明図である。
図７に示す如く、強力な電磁石１００による磁界Ｍ．Ｆ中に当該磁界Ｍ．Ｆと直交する方向に、前記磁気シール装置５０のシャフト３の軸方向を一致させて配設した。前記磁界Ｍ．Ｆと前記磁気シール装置５０の磁石による磁界とはお互いに作用しているので相互干渉は大であるはずである。この実験においては、磁界が、３００ｍＴを越えた強さで磁気シール装置５０のシール効果が破壊された。
【００１３】
前記磁気シール装置５０のシール効果の破壊を図８を参照して詳細に説明する。 図８は、図６の磁性流体シール装置の要部の分解図である。
図８において、真空領域側のべアリング６を固定するスナップリング７の尖鋭状微小間隙ｇ付近で真空の漏れが生じ、漏れ磁性流体５ａが発見された。これは、図示矢印Ｄで示される通常の磁性流体にかかる圧力によって生ずるものである。
【００１４】
また、前記ケース２０を磁性材料に変更し、実験した場合、ベアリング６が磁化されて強力な磁石となり、微小間隙ｇの磁性流体５を吸引し、通常の圧力方向Ｄとは逆の方向の力がかかり、大気雰囲気側の磁極片２に磁性流体５ｂが入り込んでいるのが、見つけだされた。
このような事態を防止するためには、従来においては磁気シール装置を外部磁界から遠ざけ、当該磁気シール装置に磁場が及ばない構造としていた。
【００１５】
また、磁性材料が磁束を多く通す性質を利用し、遮磁法もしくは磁気シールド法が用いられていた。
図９を参照して、遮磁法もしくは磁気シールド法の原理を説明する。
図９は、遮磁法もしくは磁気シールド法の原理説明図である。
遮磁法もしくは磁気シールド法は、磁性材料Ｍ．Ｍに内部空洞Ｇを形成した場合、その空洞Ｇ中に物体を入れると、外部磁束Ｍ．ＦLはその空洞部Ｇ中には漏洩しないことが電気磁気学の周知の技術である。
【００１６】
図１０を参照して、磁気シールド効果の利用方法を説明する。
図１０は、図９の磁気シールド法を用いた磁性流体シール装置の説明図である。図１０に示す如く、磁性流体シールに磁性体円筒材１６で囲み、磁性流体シール装置５０を形成し、磁場中で真空排気をする。この真空排気をしながらの測定では、ある程度厚みのある、少なくとも３ｍｍ以上の磁性材料の円筒材シールドにより、３００ｍＴ以上の磁界でもシール機能に問題はなかった。厚みが３ｍｍ以下の円筒材シールドでは３００ｍＴ以下の磁界でシール機能が破壊されてしまった。
【００１７】
しかし、このような効果的な磁気シールド装置で、磁性円筒材１６の厚みを大きくすることは、磁性流体シール装置を大きくしてしまうことになり、スペースを大きく取るなどに問題点が発生する。この問題の解決するためには、磁気シール部を外部磁界からできるだけ遠ざけるような構成とせざるをえないという問題点が発生した。
【００１８】
本発明は、強磁界中で使用される磁性流体シールについて、外径を大きくすることなく、ケース、ベアリング材質の変更と、ネジ蓋の寸法をすこし大きくし、漏洩磁束をすくなくし、磁性流体の飛散を防止し、耐磁性を向上させた磁性流体シール装置を提供することをその目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る耐磁場磁性流体シール装置は、筐体と、当該筐体内に軸受で回転可能に支持される回転シャフトと、当該回転シャフトを微小間隙を介して囲繞する磁石および磁極片とからなり、前記磁石による磁界が前記微小間隙に磁性流体膜を形成し、前記回転シャフトの両端の高圧および真空領域間を前記磁気シールする耐磁場磁性流体シール装置において、前記筐体および前記磁気シール部と前記軸受を当該筐体内の所定位置に固定するための取付け蓋を磁性材料としたことを特徴とするものである。
前項記載の耐磁場磁性流体シール装置において、前記筐体と前記磁極片の前記シャフトの反対側部との接触部に空隙を設けることを特徴とするものである。
前項記載のいずれかの耐磁場磁性流体シール装置において、前記取付け蓋に、前記外部磁界の方向に直交する方向に延設したつば部を設けたことを特徴とするものである。
前記載のいずれかの耐磁場磁性流体シール装置において、前記軸受および当該軸受係止用固定具を非磁性材料とすることを特徴とするものである。
前項記載のいずれかの耐磁場磁性流体シール装置において、前記筐体の取付け蓋の係止側と反対側の側壁を厚くして、磁気抵抗を小となるようにしたものである。
【００２０】
【発明の実施の形態】
次に、図１、２を参照して、本発明に係る耐磁場磁性流体シール装置の各実施形態を説明する。図１は、本発明に係る耐磁場磁性流体シール装置の一実施形態の説明図、図２は、本発明に係る耐磁場磁性流体シール装置の他の一実施形態の説明図、図３は、従来の磁性流体シール装置の説明図である。
【００２１】
〔実施形態  １〕
図３の従来の磁性流体シール装置と対比して、図１の本発明に係る磁性流体シール装置の一実施形態を説明する。なお、図示左側が真空雰囲気Ｖ、図示右側が大気圧雰囲気Ａとする。
まず、図１の耐磁場磁性流体シール装置は、耐磁場性を向上させるため、図３の磁気シール装置５０において、磁性流体シール部１０を構成する磁気回路部に対して外部磁界に対する磁気シールドを行うため、ケース２０およびネジ蓋１１を磁性材料に変更して、磁性材ケース２０Ａおよび磁性材ネジ蓋１１Ａとしたものを示している。このようにすることにより、ネジ蓋１１を係止するネジ部１４を短絡した構造となり、磁気飽和が起りにくい。
【００２２】
また、このような構成は、前記図９に示す遮磁法もしくは磁気シールド法の原理により、磁性材ケース２０Ａおよびネジ蓋１１Ａの内部には、外部磁界の磁束が漏洩せず、磁性流体シールのシール機能を向上させることができる。
【００２３】
しかしながら、上記の磁性流体シール装置では、上記の磁極片部２ａ、２ｂ・・・のシャフト３側の反対側とケース２０Ａとの接触部分では、その接触部分の磁場の強さが大きくなってくると、磁気的に接触している状態と等価的とは考えられず、磁気飽和を生ずるようになる。そのため、例えば図７の実験装置において、図１の耐磁場磁性流体シール装置で実験すると、磁気シールド効果により相当強度の磁界に対してシール機能が得られるはずであるのに、ある程度の強度の磁場を越えたところで前記シール機能が破壊された。
【００２４】
次いで、上記欠点を改善するため、図１に図示するように、ケース２０Ａに対し、磁性流体シール部１０の磁気回路を構成している磁極片２の当たり面を０リング１８に対する当たり面を残し、他の部分を小幅で僅少な空隙１５を形成させる。前記０リング１３の当たり面を有する磁極片２では、前記ケース２０Ａと接触しているものの、磁性流体シール部１０の磁気回路を構成する内側の磁界においては、空隙１５により磁気的には外部磁界と独立させることで、前記シール部１０の磁気回路を前記外部磁界と分離する。
【００２５】
また、図示される磁性材料を使用したケース２０Ａおよびネジ蓋１１Ａを有する磁気シール装置５０では、図２の左端では外部磁束に対して、前記ケース２０Ａと一体である十分な厚みの側壁部１２により、磁気抵抗が小さいため、磁束が当該磁性流体シール装置５０の内部部分に向かって漏洩しにくいため、図７に示される電磁石１００による外部磁界中で、磁気シールド効果が高くなる。
【００２６】
〔実施形態 ２〕
本実施形態は、上記〔実施形態 １〕の耐磁場磁性流体シールの耐磁場シール機能をさらに改善した装置について説明するものである。
上記〔実施形態 １〕において、該耐磁場磁性流体シール装置の右端では、ケース２０Ａと磁性流体シール部１０と、べアリング６ｂを係止するための押さえの磁性材ネジ蓋１１Ａと、当該ネジ蓋１１Ａとケース２０Ａとを取り付けるネジ部１４では、ネジ山相互間に間隙があるため、接触する有効部分が短くなるため、磁気抵抗が高くなり、強磁界中では磁気飽和し、漏れ磁束が生じ、磁極片２とシヤフト３との微小間隙δの磁性流体５に悪影響を及ぼすことになる。
【００２７】
上記問題の解決のため、図２に示されるネジ蓋１１Ａとケース２０Ａとを螺合させるネジ部１４を覆うように、つば部１３を設けるようにしたものである。
外部磁界の磁束が、ネジ部１４を通らずにツバ部１３を通過するような構造にし、磁気抵抗を低くしたため、漏洩磁束がすくなく、磁性流体５の飛散を防止するものである。
【００２８】
さらに、図１に示される耐磁場磁性流体シール装置において、磁性流体シール部１０を構成している磁気回路の周囲のべアリング６およびスナップリング７等の磁性材料は、外部磁界により磁化されて磁石となる。その磁化により生じる漏れ磁束により、空隙ｇ（図８参照）に保持されている磁性流体５を引き寄せてしまうことがあった。
【００２９】
上記間題の解決のため、図２に示すように、ベアリング６の材質をセラミックや、スナップリング７の材質をステンレス等の非磁性材料として、磁性流体シール部１０の磁気回路部を独立性を持たせるようにして、前記磁気回路部の周囲の構成部品が外部からの磁場により磁化しにくいようにする。そして、漏洩磁束がすくなく、磁性流体５の飛散を防止することができる。
【００３０】
セラミックスベアリング６Ｎは、Ｘ線発生装置に使用される回転式陰極管のベアリング等にも使用されるような、ケース２０Ａと回転シャフト３との間に電位差が生じ、放電による焼鈍によりベアリングに不良が起こり、使用が出来なくなる電蝕作用を防ぐためだけではなく、磁束を通しにくくするため使用されるものである。
【００３１】
これらの対策により、磁性流体シール装置の磁気回路は独立性が増し、図７に示される外部磁界の方向でも磁束は、ケース２０Ａ、ネジ蓋１１Ａを通り、磁気シールド効果により、磁性体シール部１０の磁気回路部に流れる磁束は少なくなる。
【００３２】
【発明の効果】
以上詳細に説明した如く、本発明の構成によれば、シリコン単結晶中に入る不純物としての酸素が、高温中の坩堝からシリコン溶液内に溶けだし、熱対流に上り表面を伝い、結晶にまで流れ込むものに対し、磁界中においてシリコン溶液に電流が誘起され、対流を適度に抑制すると共に、上記磁界とは全く別の独立した強力磁界により、シール性が保持できなくなることに対し、強磁界中で使用される磁性流体シールについて、外径を大きくすることなく、ケース、ベアリング材質の変更と、ネジ蓋の寸法をすこし大きくし、漏洩磁束を少なくし、磁性流体の飛散を防止し耐磁性を向上させた耐磁場磁性流体シール装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る耐磁場磁性流体シール装置の一実施形態の説明図である。
【図２】本発明に係る耐磁場磁性流体シール装置の他の一実施形態の説明図である。
【図３】従来の磁性流体シール装置の説明図である。
【図４】従来の技術における磁性流体シールの要部説明図である。
【図５】従来の技術における磁性流体シールの要部拡大説明図である。
【図６】図５の磁性流体シールを用いた回転機用磁気シール装置の説明図である。
【図７】図６の磁気シール装置におけるシール機能実験の説明図である。
【図８】図６の磁性流体気シール装置の要部の分解図である。
【図９】遮磁法もしくは磁気シールド法の原理説明図である。
【図１０】図９の磁気シールド法を用いた磁性流体シール装置の説明図である。
【符号の説明】
１…磁石
２…磁極片
３…シャフト
３ａ、３ｂ…シャフトの両端
５…磁性流体
５ａ、５ｂ…洩れだした磁性流体
６、６ａ、６ｂ…ベアリング
６Ｎ…非磁性ベアリング
７…スナップリング
７Ｎ…非磁性スナップリング
１０…磁性流体シール部
１１…ネジ蓋
１１Ａ…磁性体ネジ蓋
１２…側壁部
１３…つば
１４…ネジ部
１５…空隙
１６…磁性体円筒
２０…ケース
２０Ａ…磁性体ケース
５０…磁性流体シール装置
１００…電磁石
【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】
0004073064.tif 000008
【図８】
0004073064.tif 000009
【図９】
0004073064.tif 000010
【図１０】
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