JP2003343742A - 磁性流体を利用した密封装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 密封性能を向上させた信頼性の高い磁性流体
を利用した密封装置を提供する。 【解決手段】 回転軸２は、高耐食性及び高加工性を有
する磁性材料を含む第１の領域１０を外周に備え、第１
の領域１０の内周側に、高透磁率材料を含む第２の領域
１１を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、たとえば各種装置
の軸封止部に用いられる磁性流体を利用した密封装置に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】長寿命かつクリーンな高性能シール装置
として、磁性流体シール装置が知られている。この磁性
流体シール装置は、省メンテナンスで清浄な雰囲気が得
られる軸封機構が必要とされる半導体や液晶等の製造工
程や、各種コーティング・エッチング工程において、真
空中へ回転導入を行うための真空シール、軸受からのオ
イルミスト等がクリーンなエリアへ侵入するのを防止す
るための防塵シール、あるいはガスシール等に広く使用
されている。

【０００３】図４は、このような磁性流体を利用した一
従来例としての密封装置１００の断面構成を説明する模
式図である。

【０００４】この密封装置１００は、圧力差のある高圧
側Ｈ（この従来例においては大気側）及び低圧側Ｌ（こ
の従来例においては真空チャンバの容器内）の２領域間
にまたがる回転軸１０１及び回転軸１０１の軸受部１０
３の間に備えられている。

【０００５】軸受部１０３は、非磁性体であって、回転
軸１０１の保持及び密封を行うものであり、一方の端部
が、内部空間を真空状態（低圧側Ｌ）とする容器の開口
端部に取り付けられる。

【０００６】また、軸受部１０３と回転軸１０１とは不
図示のベアリングにより相対回転運動に対する動的な保
持が行われている。

【０００７】そして密封性に関しては、軸受部１０３内
側に備えられた環状の磁石１０４により形成される磁気
回路に介在させた磁性流体ＭＬにより行っている。

【０００８】磁石１０４は軸方向に異極が配されてお
り、軸方向両側には磁石１０４の磁極となるポールピー
ス１０５，１０６（以降の説明においては、ポールピー
ス１０５を代表させて行う）が備えられている。

【０００９】そして、回転軸１０１のポールピース１０
５に対向する部位に複数本の周方向に連続する凹溝１０
７ａ，１０７ｂ，・・・を形成し、ポールピース１０５
の内周面と各凹溝の間の凸条部の頂面との間隙に磁束が
集中するように発生させて（すなわち凸条部の頂面で磁
束密度が高まるようにしており、磁性流体ＭＬが保持さ
れる間隙の領域を複数のステージ部とする。）、これら
の間隙、すなわちステージ部に磁性流体ＭＬが保持され
て磁性流体シール部を形成するようにしている。

【００１０】そして、このように形成された磁性流体シ
ール部は、低圧側Ｌと高圧側Ｈとの間に複数の室を形成
し、各室の圧力が各ステージ部の耐圧範囲内で変化する
ことにより、密封領域の両側で圧力差がある場合におい
ても効果的な密封性を発揮し得るようになっている。例
えば、全ステージ部での耐圧の総和が１００ＫＰａ
（１．０ｋｇｆ ／ｃｍ² ）以上になれば、真空シー
ルとして利用することができる。

【００１１】尚、１０８，１０９は、軸受部１０３の内
周面側とポールピース１０５，１０６の外周面側との密
封性を維持するＯリングである。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような従来技術の場合、回転軸１０１は、例えばＳＵＳ
６３０等の加工性及び耐食性の良い磁性材料で構成され
るものであるが、その材質及び回転軸の径のサイズによ
っては、回転軸内で磁束が飽和してしまい、凸条部に磁
束が十分に流れることなく、すなわち、凸条部で磁束が
集中せず、凸条部とポールピース間で最適な磁気回路を
形成することが困難となる可能性があった。

【００１３】そのため、磁性流体を保持するための磁力
が小さくなり、高い密封性能を得ることができなかっ
た。

【００１４】本発明は上記の従来技術の課題を解決する
ためになされたもので、その目的とするところは、密封
性能を向上させた信頼性の高い磁性流体を利用した密封
装置を提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明にあっては、互いに相対回転可能に組み付けら
れる２部材間の環状隙間を封止する磁性流体を利用した
密封装置であって、前記２部材のうち一方の部材の前記
環状隙間側に設けられた第１磁極部と、前記２部材のう
ち他方の部材の前記環状隙間側に設けられた第２磁極部
と、前記環状隙間を通過する磁界を形成する磁力発生手
段と、前記磁力発生手段の磁界によって、前記環状隙間
を介して対向する前記第１磁極部と前記第２磁極部との
間に保持され、前記環状隙間を密封する磁性流体と、を
備えた磁性流体を利用した密封装置において、前記第１
の磁極部は、高耐食性及び高加工性を有する磁性材料を
含む第１の領域を外周に備え、該第１の領域の内周側
に、高透磁率材料を含む第２の領域を備えることを特徴
とする。

【００１６】これにより、前記第１磁極部と前記第２磁
極部との間の磁場の強さを強くすることができるので、
磁性流体の保持力が向上する。

【００１７】前記第１の磁極部には、前記第１の領域の
外周において、複数の環状突起部が設けられていると好
ましい。

【００１８】これにより、磁性流体は、前記第１の磁極
部の前記複数の環状突起部と前記第２磁極部との環状隙
間において磁束により保持され、前記環状隙間を軸方向
に複数段に分割して密封することができる。前記第１の
磁極部においては、磁束は前記複数の環状突起部に集中
するので、前記複数の環状突起部と前記第２磁極部との
間の環状隙間の磁束密度を高くすることができる。

【００１９】高耐食性及び高加工性を有する磁性材料と
しては、例えばＳＵＳ６３０，ＳＵＳ４３０であること
が好ましく、高透磁率材料としては、例えば純鉄である
ことが好ましい。

【００２０】また、前記第１の領域とはＳＵＳ６３０製
やＳＵＳ４３０製の環状部材であって、前記第２の領域
とは純鉄製の環状部材又は軸部材であり、該第１の領域
の軸孔に該第２の領域が挿入（圧入）されることにより
前記軸部材を構成することも好ましい。

【００２１】ここで、磁束の飽和は軸径が小さいほど顕
著である。すなわち、軸径が小さいほど磁束は流れにく
くなり、軸径が太くなるほど流れやすくなるが、前記第
１の磁極部に前記第１及び第２の領域を設けたことによ
り、軸径が小さい場合でも、軸内部で磁束が飽和するこ
とを抑えることができる。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下に図面を参照して、この発明
の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。ただ
し、この実施の形態に記載されている構成部品の寸法、
材質、形状それらの相対配置などは、発明が適用される
装置の構成や各種条件により適宜変更されるべきもので
あり、この発明の範囲を以下の実施の形態に限定する趣
旨のものではない。

【００２３】図１は本発明の実施の形態に係る磁性流体
を利用した密封装置１の構成を説明するための模式的断
面図である。

【００２４】この密封装置１は、密封容器として内部を
真空状態にする真空チャンバＶＣの外部から内部に回転
動力を伝達する一方の部材としての軸部材である回転軸
２の回転駆動力導入部ＶＣ１に備えられている。

【００２５】真空チャンバＶＣの運転時には、真空ポン
プ等により内部の真空引きを行うのでその内部が低圧側
Ｌとなり、大気圧側である高圧側Ｈとの間に圧力差が発
生する。

【００２６】従って、本実施の形態では、密封装置１
は、その圧力差のある２領域間を隔て、低圧側Ｌの真空
度を保持しつつ回転軸２により真空チャンバＶＣ内部に
回転動力を導入するために、回転軸２と回転軸２が挿通
される他方の部材として環状部材である軸受部３との間
の環状隙間４に備えられるものである。

【００２７】この軸受部３は、回転軸２の保持及び密封
を行う円筒部３ａと、円筒部３ａの一方の端部に、内部
空間を真空状態（低圧側Ｌ）とする真空チャンバＶＣの
回転駆動力導入部ＶＣ１の外壁面ＶＣ２に取り付けられ
るフランジ部３ｂを備えている。

【００２８】密封装置１において、軸受部３と回転軸２
とはベアリング５ａ，５ｂにより相対回転運動に対する
動的な保持が行われている。そして密封性に関しては、
軸受部３の円筒部３ａ内側に備えられた磁性流体シール
部ＭＳにより行っている。

【００２９】磁性流体シール部ＭＳは、軸方向に異極
（Ｎ及びＳと図示される）が配された磁石６と、磁石６
の軸方向両側に当接し磁極となる第２の磁極部としての
ポールピース（磁極部材）７ａ，７ｂ、及び回転軸２の
周壁面２ａの間を、磁石６により発生する磁束が形成さ
れる磁気回路ＭＣに介在させた磁性流体ＭＬにより行っ
ている。

【００３０】回転軸２の周壁面２ａには、ポールピース
７ａ，７ｂに対向するそれぞれの部位に複数本の周方向
に連続する環状突起部としての凸条部８（８ａ，８ｂ・
・・）が形成され、凸条部８（８ａ，８ｂ・・・）の外
周頂面をステージ部とし、磁性流体ＭＬは各ステージ部
を通過する磁束によりステージ部とポールピースとの間
に保持されている。

【００３１】ここで、第１の磁極部は回転軸２自体によ
り構成されており、本実施の形態の特徴として、前記第
１の磁極部は、高耐食性及び高加工性を有する磁性材料
を含む第１の領域１０と、第１の領域１０の内周側に設
けられ、高透磁率材料を含む第２の領域１１と、を備え
ている。

【００３２】第１の領域１０は、高耐食性及び高加工性
を有する磁性材料として、例えばＳＵＳ６３０，ＳＵＳ
４３０からなると好ましく、例えばＳＡＮＤＶＩＫ社製
のステンレスホローバーであるとよい。また、第２の領
域１１は、高透磁率材料として、例えば、純鉄であると
好ましい。

【００３３】また、第１の領域１０とは環状部材により
構成されて、第２の領域１１とは環状部材又は軸部材に
より構成されるものであるとよく、第１の領域１０の軸
孔に第２の領域１１が挿入（圧入）されるものであると
よい。

【００３４】なお、１２はポールピース７ｂとベアリン
グ５ａとの間隔を保つスペーサリング、１３は円筒部３
ａの内側に備えられた各構成部材を封止固定する固定環
部材である。また、１４，１５は、ポールピース７ａ，
７ｂの嵌め合い部としての外周面側と円筒部３ａの内周
面側との密封性を維持するシール手段としてのＯリング
である。

【００３５】このように構成される密封装置１において
は、各ステージ部に保持されている磁性流体ＭＬにより
低圧側Ｌと高圧側Ｈとの間に複数の圧力室９ａ，９ｂ，
・・・が形成される。そして真空チャンバＶＣの真空引
きを行うと、各ステージ部の耐圧限度内で複数の圧力室
９ａ，９ｂ，・・・の圧力が高圧側Ｈから低圧側Ｌにか
けて段階的に低下して、圧力差のある２領域（真空チャ
ンバＶＣ内部と大気側領域である高圧側Ｈ）を隔ててい
る。

【００３６】そして、各室の圧力バランスが安定してい
る状態で回転軸２を回転させて真空チャンバＶＣ内部に
動力を伝達可能としており、磁性流体シール部ＭＳによ
り密封性能を発揮して真空チャンバＶＣの真空度を高め
ることができる。

【００３７】ここで、磁石６で発生した磁束は、ポール
ピース７ａを通り、ポールピース７ａと回転軸２との隙
間を抜け、回転軸２内部を通り、回転軸２とポールピー
ス７ｂとの隙間を通り、ポールピース７ｂ内部を通って
磁石６に戻る。

【００３８】このような磁束の流れにおいて、磁束が回
転軸２とポールピース７ａ，７ｂの間の環状隙間４を通
る際、回転軸２の表面には凸条部８が設けられているた
め、磁束は回転軸２表面の凸条部８に集中し、凸条部８
とポールピース７ａ，７ｂ間の隙間の磁束密度は高くな
り、さらには、回転軸２は高耐食性及び高加工性を有す
る磁性材料からなる第１の領域１０の内周側に高透磁率
材料からなる第２の領域１１が設けられているので、磁
石６で発生した磁束が回転軸２内部で飽和することな
く、凸条部８全てにおいて磁束が飽和するようになる。

【００３９】したがって、凸条部８とポールピース７
ａ，７ｂ間の隙間の磁場の強さが強くなり、磁性流体の
保持力を向上させることができ、より高い密封性能を得
ることが可能となる。

【００４０】ここで、本実施の形態に係る密封装置１及
び従来技術に係る密封装置１００について磁束密度分布
及び磁場の強さについて解析を行った。

【００４１】図２は本実施の形態に係る密封装置１につ
いての磁束密度分布の解析結果を示す図、図３は本実施
の形態に係る密封装置１についての磁場の強さの解析結
果を示す図、図５は従来技術に係る密封装置１００につ
いての磁束密度分布の解析結果を示す図、図６は従来技
術に係る密封装置１００についての磁場の強さの解析結
果を示す図である。

【００４２】なお、図３，６において、縦軸は磁場強度
（Ａ／ｍ）を示し、横軸は位置（距離（ｍｍ））を示し
ている。

【００４３】図２からは、矢印Ａで示すように、回転軸
２の内部で磁束が流れやすくなり、すべての凸条部で磁
束が飽和していることがわかる。また、図５からは、矢
印Ｂで示すように、回転軸２の内部で磁束が飽和してお
り、凸条部に十分な磁束が流れていないことがわかる。

【００４４】このように本実施の形態に係る密封装置１
の磁束密度分布は、従来技術に係る密封装置１００の磁
束密度分布に比べて、すべての凸条部で磁束が飽和して
いることがわかる。

【００４５】凸条部とポールピースとの間の磁場の強さ
は、本実施の形態に係る密封装置１では図３に示すよう
に、０．４４×１０⁶ Ａ／ｍ 、従来技術に係る密封装
置１００では図６に示すように、０．３８×１０⁶ Ａ／
ｍ となり、従来よりも明らかに本実施の形態に係る密
封装置１における磁場の強さが大きいことがわかる。

【００４６】したがって、本実施の形態によれば、凸条
部とポールピースとの間の磁場の強さを強くすることが
できるので、磁性流体の保持力が向上し、密封性能を向
上させることが可能となる。

【００４７】なお、本実施の形態においては、磁性流体
シール部ＭＳを真空チャンバＶＣ側に設け、ベアリング
５ａ，５ｂを磁性流体シール部ＭＳよりも大気側Ｈに設
けることにより、ベアリング５ａ，５ｂから飛散するわ
ずかな潤滑油をも密封するものであるが、これに限ら
ず、磁性流体シール部ＭＳがベアリング５ａ，５ｂ間に
設けられていてもよい。

【００４８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
第１磁極部と第２磁極部との間の磁場の強さを強くする
ことができるので、磁性流体の保持力が向上し、密封性
能を向上させることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係る磁性流体を利用した
密封装置を示す模式的断面図である。

【図２】本実施の形態に係る密封装置についての磁束密
度分布の解析結果を示す図である。

【図３】本実施の形態に係る密封装置についての磁場の
強さの解析結果を示す図である。

【図４】従来技術に係る密封装置を示す模式的断面図で
ある。

【図５】従来技術に係る密封装置についての磁束密度分
布の解析結果を示す図である。

【図６】従来技術に係る密封装置についての磁場の強さ
の解析結果を示す図である。

【符号の説明】

１ 密封装置 ２ 回転軸 ３ 軸受部 ３ａ 円筒部 ３ｂ フランジ部 ４ 環状隙間 ５ａ，５ｂ ベアリング ６ 磁石 ７ａ，７ｂ ポールピース ８ａ，８ｂ，・・・ 磁極部 ９ａ，９ｂ，・・・ 圧力室 １０ 第１の領域 １１ 第２の領域 １２ スペーサリング １３ 固定環部材 １４，１５ Ｏリング ＶＣ 真空チャンバ ＶＣ１ 回転駆動力導入部 ＶＣ２ 外壁面

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】互いに相対回転可能に組み付けられる２部
   材間の環状隙間を封止する磁性流体を利用した密封装置
   であって、 前記２部材のうち一方の部材の前記環状隙間側に設けら
   れた第１磁極部と、 前記２部材のうち他方の部材の前記環状隙間側に設けら
   れた第２磁極部と、 前記環状隙間を通過する磁界を形成する磁力発生手段
   と、 前記磁力発生手段の磁界によって、前記環状隙間を介し
   て対向する前記第１磁極部と前記第２磁極部との間に保
   持され、前記環状隙間を密封する磁性流体と、を備えた
   磁性流体を利用した密封装置において、 前記第１の磁極部は、高耐食性及び高加工性を有する磁
   性材料を含む第１の領域を外周に備え、該第１の領域の
   内周側に、高透磁率材料を含む第２の領域を備えること
   を特徴とする磁性流体を利用した密封装置。
2. 【請求項２】前記第１の磁極部は、前記第１の領域の外
   周に、複数の環状突起部を備えることを特徴とする請求
   項１に記載の磁性流体を利用した密封装置。