(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁性材料によって形成された運動軸のまわりに配置される複数のポールピースと、各ポールピースと運動軸との間に磁気通路を形成する複数の磁石と、各ポールピースと運動軸との間に充填された磁性流体とを有しており、運動軸のまわりの２つの空間領域を磁性流体によって遮蔽する磁気シール装置において、
上記複数の磁石は、同磁極面が対向する一対の磁石から成る磁石ペアを運動軸の軸方向に複数個並べることによって構成されており、それら複数個の磁石ペアのうち互いに隣り合う少なくとも１組の磁石ペアは異磁極面が対向することを特徴とする磁気シール装置。
【請求項２】
請求項１記載の磁気シール装置において、複数の磁石の中間位置に中間排気室が配設され、その中間排気室の両側に位置する磁石ペアは異磁極面が対向することを特徴とする磁気シール装置。
【請求項３】
磁性材料によって形成された運動軸のまわりに配置される複数のポールピースと、各ポールピースと運動軸との間に磁気通路を形成する複数の磁石と、各ポールピースと運動軸との間に充填される磁性流体と、上記複数の磁石の中間位置に配設された中間排気室とを有しており、運動軸のまわりの２つの空間領域を磁性流体によって遮蔽する磁気シール装置において、
中間排気室を挟んで互いに隣り合う一対の磁石は異磁極面が対向し、残りの磁石は同磁極面が対向することを特徴とする磁気シール装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転軸、直動軸等といった運動軸のまわりに形成される２つの空間領域を磁性流体を用いて遮蔽する磁気シール装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
産業界においては、内部が気密に遮蔽された空間内を外部の圧力と異なった圧力状態、すなわち差圧状態に保持し、その差圧状態下において種々の処理を行うようにした各種の装置が存在する。また、その差圧状態に加えて内部を防塵状態、あるいは特殊なガス雰囲気状態に保持した状態で種々の処理を行う場合もある。例えば、半導体ウエハの減圧処理装置、真空乾燥機、回転対陰極形式のＸ線発生装置等においては、真空に減圧された防塵状態下で所定の処理が行われる。磁気シール装置は、それらの所定の処理が行われる空間領域と大気圧領域との２つの空間領域を互いに遮蔽するために用いられる。
【０００３】
例えば、回転対陰極Ｘ線発生装置を例にあげると、図２に示すように、ケーシング１の内部の真空で無塵状態である領域Ｑと大気圧領域Ｐとの間で、磁気シール装置２によって差圧状態及び防塵状態を保持する。このＸ線発生装置では、ターボ分子ポンプ、ロータリポンプ等によって構成される排気装置４によってケーシング１の内部を真空状態に排気し、そして、モータ等の回転駆動装置３によって円筒状のターゲット５を回転させる。通電によりフィラメント６から放出された熱電子はターゲット５の表面に高速で衝突し、その衝突部分からＸ線が発生する。発生したＸ線は、ケーシング１の所定箇所に設けられたベリリウム等によって形成されたＸ線取出し用窓７を通して外部へ取り出される。このＸ線が、Ｘ線回折測定等といった物理分析等に用いられる。
【０００４】
磁気シール装置２として、従来、特公昭６３−２４１９６号公報に開示されたように、複数の磁石を同磁極面、すなわちＮ極同士又はＳ極同士、が対向するように運動軸の軸方向に並べて配置し、さらに磁性流体の大気圧側すなわち高圧側を排気して磁性流体に加わる圧力差を低減した磁気シール装置が知られている。この磁気シール装置によれば、隣り合う磁石の磁極面を同磁極面としたので、各磁石間の磁力線が反発しあって個々の磁石と運動軸との間に形成される磁力線を狭い幅に高密度に集束できる。このため、ポールピースと運動軸との間の間隙に密度の高い強固な磁性流体膜を形成できることになり、よって、それらの磁性流体膜によって区画される２つの空間領域の間の差圧を確実に保持でき、しかも磁性流体が低圧側へ漏れ出ることを防止できる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら本発明者等の経験によれば、この従来の磁気シール装置では、設計当初に想定していた高精度の軸封能力が希望通りに得られないことが、しばしば見受けられた。また、稼働当初は所望の軸封能力が得られていたものの、比較的短期間の後に軸封能力が予想以上に低下してしまうということも見受けられた。本発明者等は、そのような現象が何故起こるのかについて種々の実験を行った。そしてその結果、ポールピースと運動軸との間に高密度の磁性流体膜を形成するために各磁石を同磁極面が対向するように並べたときに、各磁石の磁束分布に大きな乱れが発生することが、上記のような不都合な現象の原因ではないかということを知見した。
【０００６】
本発明は、上記の知見に基づいて成されたものであって、隣り合う磁石を同磁極面が対向するように並べることによって強固な磁性流体膜を形成するという技術をできる限り確保した上で、できる限り磁束に乱れが発生することを防止して、安定した軸封能力を長期間にわたって保持できる磁気シール装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る磁気シール装置は、磁性材料によって形成された運動軸のまわりに配置される複数のポールピースと、各ポールピースと運動軸との間に磁気通路を形成する複数の磁石と、各ポールピースと運動軸との間に充填された磁性流体とを有しており、運動軸のまわりに２つの空間領域を磁性流体によって遮蔽する磁気シール装置に関するものである。そして本発明の特徴とするところは、上記複数の磁石が、同磁極面が対向する一対の磁石から成る磁石ペアを運動軸の軸方向に複数個並べることによって構成されると共に、それら複数個の磁石ペアのうち互いに隣り合う少なくとも１組の磁石ペアに関しては異磁極面同士が対向するということである。
【０００８】
特公昭６３−２４１９６号公報にも開示されているように、磁気シール装置には、磁性流体にかかる圧力差を軽減するために中間排気室を設けることがある。この中間排気室は、特公昭６３−２４１９６号公報に示されるように、複数個の磁石の全てよりも高圧側の位置に設けられることもあるが、それとは別に複数個の磁石の中間位置に配置される場合もある。この場合には、その中間排気室を設けた所の磁石に関して、特に、磁束の乱れが大きいことを知見した。従って中間排気室を複数個の磁石の中間位置に配設した場合には、その中間排気室の両側に位置する磁石ペアに関して異磁極面同士を対向させることが望ましい。
【０００９】
一般に、真空室側が絶えず真空になっていれば、その隔壁を成している磁性流体は圧力差によって真空側へ引かれており、これを引き戻す力は磁束によって賄われている。それ故、何等かの不都合により、真空側の吸引力が磁束力よりも大きくなると、磁性流体が真空側へ進入して真空室を汚染する。この現象を回避するために行われるのが中間排気であり、その詳細を説明すれば以下の通りである。
【００１０】
真空状態を維持するために磁性流体膜によって形成される複数の小室は、組み付け当初には全て大気圧となっており、真空排気を行うときにそれらの小室が徐々に真空度を上げてゆく。このように各小室が徐々に真空度を上げるというのは、それらの小室が真空室側への開放を起こしているということに他ならず、このことは、本来であれば清浄に保持されなければならない真空室を汚しているということである。
【００１１】
近年、半導体製造プロセス等においては、プロセスを実施するための部屋内の雰囲気を非常にクリーンに保持することが要求されるようになってきた。このような状況下で磁気シール装置を半導体製造プロセスに使用する場合、長時間の運転の途中にプロセス室内の清浄度不良が指摘されることがあり、その原因を調べたところ、磁性流体の構成成分である鉄分がプロセス室内から検出されることがあった。
【００１２】
このような鉄分の混入は、主に、上記のようにして磁性流体が真空室へ飛散することが原因であると考えられる。またさらに、磁性流体の製造過程中に使われた水分を磁性流体から除去することが不十分であるときに、磁性流体に混入している成分が、プロセス室等に関する排気時点や真空維持運転中に破裂して、その結果、脱泡中に見られる泡の破裂のように、あるいはシャボン玉が破裂するときのようにして、破裂片が飛散することも原因となると考えられる。
【００１３】
以上のような不都合を解消するため、真空室側と大気圧側との間の中間位置に排気機構を設け、真空室側と大気圧側との圧力差の大半をその排気機構に分担させることにより、その排気機構と真空室との間の圧力差を極力小さくして、その結果、真空室に近い位置にある磁性流体内の成分が飛散して真空室内へ浸出することを防止するのである。
【００１４】
本発明では、同磁極面同士が対向する一対の磁石から成る磁石ペアを運動軸の軸方向に複数個並べたので、１個の磁石ペア内においては磁力線の反発による磁束の集束化が得られ、これにより強固な磁性流体膜を得ることができる。そしてその上、複数個の磁石ペアのうち互いに隣り合う少なくとも１組の磁石ペアに関しては、異磁極面同士が対向するように配置されるので、この所では磁力線の反発は発生せず、その磁石ペアはあたかも１つの磁石のように振る舞い、このため、複数の磁石のまわりの磁束が安定化する。この磁束の安定により、磁気シール装置の軸封能力を長期間にわたって安定状態に確保できる。また、磁束が安定するので、磁気シール装置の磁力特性に関する設計がし易くなる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係る磁気シール装置の一実施形態を示している。この磁気シール装置は、図１（ａ）に示すように、円筒状のハウジング１０を有している。ハウジング１０の右側内部にはベアリング１６が固定状態にはめ込まれ、磁性材料によって形成された運動軸１７がそのベアリングによって支持されている。運動軸１７は、回転軸であっても良いし、直動軸であっても良い。磁性材料というのは、磁石によって磁化される性質を有する材料のことであり、例えば、鋼材等によって形成される。運動軸１７のまわりには大気圧領域すなわち高圧領域Ｐ及び真空領域すなわち低圧領域Ｑの２つの空間領域が設定されており、これらの領域間の圧力差が本磁気シール装置によって維持される。また、本磁気シール装置は、高圧領域Ｐ内の塵、ゴミ、ガス等が低圧領域Ｑ内に侵入することを防止して低圧領域Ｑ内をクリーンな状態に維持する。
【００１６】
ハウジング１０の内部には、５個のリング状のポールピース８と、各ポールピースの間に挟まれた４個のリング状の磁石９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄとが収納されている。図１（ｂ）に示すように、左側の一対の磁石９ａ及び９ｂは第１磁石ペア９Ａを構成し、右側の一対の磁石９ｃ及び９ｄは第２磁石ペア９Ｂを構成している。第１磁石ペア９Ａと第２磁石ペア９Ｂとの間には中間排気室２０が形成され、その中間排気室の排気口２１には真空ポンプその他の排気装置２２が接続されている。
【００１７】
第１磁石ペア９Ａ内の一対の磁石９ａ及び９ｂは、Ｎ磁極面同士が対向すなわち同磁極面が対向している。また、第２磁石ペア９Ｂ内の一対の磁石９ｃ及び９ｄは、Ｓ磁極面同士が対向すなわち同磁極面が対向している。そしてさらに、中間排気室２０を挟んで対向するそれらの磁石ペア９Ａ及び９Ｂは異磁極面同士が対向すなわちＮ磁極面とＳ磁極面とが対向している。換言すれば、中間排気室２０を挟んで互いに隣り合う一対の磁石９ｂ及び９ｃは異磁極面同士が対向していて、残りの磁石９ａ及び９ｄは、それぞれが隣り合う磁石９ｂ及び９ｃに対して同磁極面同士が対向している。
【００１８】
各ポールピース８の内周端と運動軸１７との間に形成される間隙には磁性流体１２が注入、すなわち充填されている。この磁性流体１２は、非磁性の流体媒体に磁性体の金属微粒子をコロイド状に分散させることによって形成された流体であり、例えば、炭化水素、炭化フッ素、あるいは脂肪酸等の流体にフェライトその他の磁性体粉末を分散した流体を用いることができる。充填された磁性流体は、各磁石９ａ〜９ｄのＮ極から出て各ポールピース８及び運動軸１７を通って各磁石のＳ極へ到達する磁力線に集中して磁性流体膜を形成する。こうして各ポールピースの内周端の適所に形成した複数段の磁性流体膜によって、高圧領域Ｐと低圧領域Ｑとの間の差圧状態及び低圧領域Ｑ内のクリーンな雰囲気が保持される。
【００１９】
磁石９ａと磁石９ｂとによって挟まれるポールピース８ａの内部及び磁石９ｃと磁石９ｄとによって挟まれるポールピース８ｂの内部には、冷却水通路１３が形成され、図１（ａ）に示すように、これらの冷却水通路１３に給水ポンプその他の冷却水供給装置１５が接続されている。冷却水通路１３内を流れる冷却水は、磁性流体１２を冷却し、磁性流体１２に含まれるフッ素系オイルやアルキル系オイルが蒸散するのを防止する。
【００２０】
本実施形態に係る磁気シール装置は以上のように構成されているので、磁力の作用によって各ポールピース８と運動軸１７との間に形成された磁性流体膜１２の働きによって、低圧領域Ｑ内の低圧状態及びクリーン状態が維持される。また、同磁極面であるＮ極同士が対向する一対の磁石９ａ及び９ｂから成る第１磁石ペア９Ａと、同磁極面であるＳ極同士が対向する一対の磁石９ｃ及び９ｄから成る第２磁石ペア９Ｂとを運動軸１７の軸線方向に並べたので、個々の磁石ペア９Ａ又は９Ｂのそれぞれの内部においては磁力線の反発による磁束の集束化が得られ、これにより強固な磁性流体膜１２を得ることができる。
【００２１】
しかもその上、互いに隣り合う第１磁石ペア９Ａと第２磁石ペア９Ｂとの関係においては、異磁極面同士が対向するよう、すなわちＮ極とＳ極とが対向するように配置されるので、この所では磁力線の反発は発生せず、その磁石ペアはあたかも１つの磁石のように振る舞い、このため、複数の磁石９ａ〜９ｄのまわりの磁束が安定化する。この磁束の安定により、磁気シール装置の軸封能力を長期間にわたって安定状態に保持できる。また、磁束が安定するので、磁気シール装置の磁力特性に関する設計がし易くなる。
【００２２】
以上、好ましい実施形態を挙げて本発明を説明したが、本発明はその実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲に記載した技術的範囲内で種々に改変できる。例えば、図１に示した実施形態では、４個のリング状磁石によって２個の磁石ペアを形成する場合を示したが、６個の磁石によって３個の磁石ペアを形成したり、あるいは、より多くの磁石によってより多くの磁石ペアを形成することもできる。但しそのような場合でも、個々の磁石ペア内の一対の磁石については同磁極面同士を対向させ、そして少なくとも１組の互いに隣り合う磁石ペア間では異磁極面同士を対向させる。
【００２３】
また、請求項３に記載した磁気シール装置は、上記のような磁石ペアの考えに拘束されるのではなく、少なくとも、複数個の磁石のうち中間排気室を挟んで互いに隣り合う一対の磁石に関しては、異磁極面同士を対向させるということを要旨とするものである。よって、磁石ペアという概念を考えた場合には、必然的に、磁石の総個数が偶数になるが、請求項３に記載の磁気シール装置においては、磁石の総個数が偶数の場合もあるし、奇数の場合もある。但し、本発明者の実験によれば、磁石の数を偶数にした方が磁気シール装置内の磁束の安定化を達成する上でより効果的であった。
【００２４】
【発明の効果】
請求項１記載の磁気シール装置によれば、運動軸に沿って並べられた複数個の磁石のうちの互いに隣り合う磁石を同磁極面同士が対向するように並べることによって、強固な磁性流体膜を形成するという技術をできる限り確保した上で、さらにその磁石列群の中の少なくとも１箇所に異磁極面同士が対向する磁石対を形成することにより、磁気シール装置内の磁束分布に乱れが発生することをできる限り防止した。これにより、安定した軸封能力を長期間にわたって保持できる磁気シール装置が得られた。
【００２５】
請求項２及び請求項３記載の磁気シール装置によれば、特に磁束の乱れが発生しやすい中間排気室の両側に位置する磁石を互いに異磁局面同士が対向するように配置したので、磁気シール装置内の磁束の状態をより一層安定にすることができた。
【００２６】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る磁気シール装置の一実施形態を示す図、特に（ａ）はその磁気シール装置の全体の側面断面図であり、（ｂ）は要部の拡大断面図である。
【図２】磁気シール装置を使用するシステムの一例である回転対陰極方式のＸ線発生装置を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１              ケーシング
２              磁気シール装置
３              回転駆動装置
４              排気装置
５              ターゲット
６              フィラメント
７              Ｘ線取出し用窓
８，８ａ，８ｂ  ポールピース
９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ    磁石
９Ａ，９Ｂ      磁石ペア
１０              ハウジング
１２              磁性流体
１３              冷却水通路
１５              冷却水供給装置
１６              ベアリング
１７              運動軸
２０              中間排気室
２１              中間排気口
２２              排気装置
【図１】
0003773132.tif 000002
【図２】
0003773132.tif 000003