JP2006266430A

JP2006266430A - ターボ分子ポンプ用タッチダウン軸受およびターボ分子ポンプ

Info

Publication number: JP2006266430A
Application number: JP2005087515A
Authority: JP
Inventors: Mitsuru Koike; 充小池; Masaaki Otsuki; 正章大槻; Akira Koyama; 顕小山; Satoshi Okudera; 智奥寺
Original assignee: JTEKT Corp; BOC Edwards Japan Ltd
Current assignee: JTEKT Corp; Edwards Japan Ltd
Priority date: 2005-03-25
Filing date: 2005-03-25
Publication date: 2006-10-05
Anticipated expiration: 2025-03-25
Also published as: JP4382689B2

Abstract

【課題】軌道輪の材質を変更することなく、磁気軸受が作る磁場により回転輪が連れ回りすることを防止することのできるターボ分子用タッチダウン軸受を提供する。
【解決手段】強磁性体からなる回転輪（例えば内輪）１と外輪２の間にセラミックス製の転動体（ボール）３を配置するとともに、そのセラミックス製の転動体３の列内に、磁化された部材（ボール）４を少なくとも１個介在させることにより、磁化された部材４が強磁性体からなる回転輪１に磁気的に吸着して転動体３の公転を阻止し、回転輪１の連れ回りを防止する。
【選択図】図１

Description

本発明はターボ分子ポンプにおいて磁気軸受で支持されている回転体を、回転の停止時もしくは制御異常時において保護するためのタッチダウン軸受と、そのタッチダウン軸受を備えてなるターボ分子ポンプに関する。

ターボ分子ポンプにおいては、排気用翼体を備えた回転体を磁気軸受により非接触のもとに支持する構成が多用されている。その例を図４に断面図で示す。この例において、ケース１０の内周に固定翼１１が配置されているとともに、このケース１０内には、回転翼１２が外周に固定された回転軸１３が回転自在に配置されている。この回転軸１３は電動モータ１４によって回転が与えられ、その回転状態においては、当該回転軸１３の外周面に近接配置された２つのラジアル磁気軸受１５，１６と、当該回転軸１３に一体に形成されたフランジ部１３ａの上下に配置された一組のアキシャル磁気軸受１７によって磁気浮上状態で非接触支持される。なお、図において８は吸気口であり、９は排気口である。

ケース１０内には、また、１つの総玉タイプの深溝玉軸受２１と、斜接方向を互いに逆向きに組み合わせた一対のアンギュラ玉軸受２２がタッチダウン軸受として配置されている。これらのタッチダウン軸受２１、２２は、回転軸１３の停止時および制御異常時に回転軸１３とラジアル磁気軸受１５，１６およびアキシャル磁気軸受１７とが接触して損傷することから保護するための転がり軸受であって、回転軸１３の外周面と各タッチダウン軸受２１、２２の内輪内周面との間には、回転軸１３と各磁気軸受１５，１６および１７の間の隙間よりも若干小さい隙間が介在している。これにより、回転軸１３が磁気軸受１５，１６および１７により磁気浮上状態で回転支持されている状態においては、回転軸１３は各タッチダウン軸受２１、２２に対して非接触状態を保つが、回転軸１３の停止時、あるいは外力の作用等による制御異常時には、回転軸１３が各磁気軸受１５，１６および１７に接触する前にタッチダウン軸受２１，２２の内輪に接触して回転支持される。

なお、以上は内輪を回転輪とした例を示したが、回転翼を備えた筒状の回転体を用いて、その筒状の回転体の内部にタッチダウン軸受を配置した構造のものも知られている。この構造のものでは、筒状の回転体の内周面に所定の隙間を介してタッチダウン軸受の外輪が配置され、回転体の停止時ないしは制御異常時に回転体の内周面がタッチダウン軸受の外輪外周面に接触して、回転体を回転支持する。

ところで、このような真空ポンプにおけるタッチダウン軸受２１，２２は、従来、その耐久性を向上させる目的で、その転動体（ボール）の材質にはセラミックスが多用され、また、内輪および外輪には主としてＳＵＳ４４０Ｃなどのマルテンサイト系ステンレス鋼が用いられている。

このような材質からなる各タッチダウン軸受２１，２２は、それぞれに隣接して磁気軸受１５，１６，１７が設けられるため、マルテンサイト系ステンレス鋼のような強磁性体からなる内・外輪のうち、回転輪（図４の例では内輪）が磁気軸受の磁場によって、回転軸１３と接触していないにも係わらず、固定輪（図４の例では外輪）に対して空転する連れ回りが発生し、ポンプの正常回転時にタッチダウン軸受の空転音が異音として発生するという問題が生じている。

このような現象を解消するため、従来、タッチダウン軸受の回転輪および転動体を、比透磁率が１．４以下の材料で形成することにより、回転輪の連れ回りを抑制する技術が知られている（例えば特許文献１参照）。
特開２００２−２２１２２６号公報

上記した特許文献１に記載の技術では、回転輪はオーステナイト系ステンレス鋼や超硬合金など、限られた材質により形成する必要があり、転がり軸受の軌道輪として最適な材質の選定が不可能となるか、あるいは高価な材料を用いなければならないと言う問題がある。

本発明はこのような実情に鑑みてなされたもので、タッチダウン軸受における回転輪を、コストや性能などの総合的な観点から従来から最適とされているマルテンサイト系ステンレス鋼等を用い、従って軸受としての基本的性能を犠牲にしたりコストを大幅に上昇させることなく、磁気軸受が作る磁場により回転輪が連れ回りして異音を発生することのないターボ分子ポンプ用タッチダウン軸受と、そのタッチダウン軸受を備えたターボ分子ポンプの提供をその課題としている。

上記の課題を解決するため、本発明のターボ分子ポンプ用タッチダウン軸受は、磁気軸受により支持される回転体を有するターボ分子ポンプに用いられ、回転体の停止時もしくは制御異常時にのみ当該回転体に内輪もしくは外輪のうちの一方である回転輪が接触して固定部材に固定された外輪もしくは内輪のうちの他方である固定輪に対してこの回転体を支持するタッチダウン軸受で、かつ、上記内輪および外輪のうち、少なくとも回転体に接触する回転輪が強磁性体製であり、内輪と外輪の間に複数のセラミックス製の転動体が配置されてなるタッチダウン軸受において、上記内輪と外輪の間に、上記転動体列に混じって、少なくとも１個の磁化された部材が設けられていることによって特徴づけられる（請求項１）。

ここで、本発明においては、上記磁化された部材を、上記転動体と同じ形状とした構成（請求項２）を好適に採用することができる。

また、本発明においては、上記転動体および磁化された部材がそれぞれボールであり、かつ、当該タッチダウン軸受の使用状態における上記磁化された部材の直径が転動体の直径よりも小さい構成（請求項３）を採用することが好ましい。

更に、請求項２または３に係る発明においては、上記磁化された部材が２個連続した状態で上記転動体列内に配置されている構成（請求項４）を採用することもできる。

また、本発明のターボ分子ポンプは、磁気軸受により支持される回転体と、その回転体の停止時もしくは制御異常時にのみ当該回転体に内輪もしくは外輪のうちの一方である回転輪が接触して固定部材に固定された外輪もしくは内輪のうちの他方である固定輪に対してこの回転体を支持するタッチダウン軸受を備えたターボ分子ポンプにおいて、上記タッチダウン軸受の内輪および外輪のうち、少なくとも回転体に接触する回転輪が強磁性体製であり、かつ、内輪と外輪の間に複数のセラミックス製の転動体が配置されているとともに、その内輪と外輪の間の転動体列に混じって、少なくとも１個の磁化された部材が設けられていることによって特徴づけられる（請求項５）。

ここで、本発明のターボ分子ポンプにおいても、上記磁化された部材が上記転動体と同じ形状を有している構成（請求項６）、および、上記転動体および磁化された部材がそれぞれボールであり、かつ、当該タッチダウン軸受の使用状態において、上記磁化された部材の直径が転動体の直径よりも小さい構成（請求項７）を採用することができ、更には、上記磁化された部材が２個連続した状態で上記転動体列内に配置されている構成（請求項８）を採用することもできる。

本発明は、強磁性体からなる回転輪とセラミックス製の転動体を用いたタッチダウン軸受において、転動体列内に少なくとも１個の磁化された部材を混在させることにより、その磁化された部材と強磁性体からなる回転輪とを磁気的に吸着させ、あるいは磁化された部材により回転輪を固定輪に磁気的に吸着させることにより、磁気軸受の磁場による回転輪の連れ回りを防止しようとするものである。

すなわち、回転輪が固定輪に対して回転するためには、転動体が公転する必要があるが、転動体列のなかに磁化された部材を配置すると、その磁化された部材が強磁性体からなる回転輪に磁気的に吸着し、磁気軸受の磁場により回転輪が連れ回りしようとしたとき、転動体が回転輪に吸着している磁化された部材により公転が阻止される結果、回転輪の連れ回りを防止することができる。この効果は、固定輪側にも強磁性体を用いることにより、回転輪と固定輪とが磁化された部材に介して相互に吸着することになり、より高いものとなる。なお、タッチダウン時における回転輪の回転時には大きなトルクが作用するため、磁化された部材の吸着力は殆ど無視できる程度であり、その回転を損なうことはない。

また、請求項２もしくは請求項６に係る発明のように、磁化された部材を転動体と同等の形状とし、更に請求項３もしくは請求項７に係る部材のように、これらをボールとすることによって、タッチダウン軸受の製造並びに組立が容易となってコスト的に有利であり、この場合、磁化された部材の直径を、使用状態において転動体の直径よりも小さくすることによって、磁化された部材が転動体として機能すること、つまり回転時に負荷が係ることがなく、転がり軸受としての耐久性に影響を及ぼすことがない。

また、請求項４もしくは請求項８に係る発明は、磁化された部材による転動体の公転阻止機能を向上させるものであって、この構成により、固定輪が強磁性体でなくても、転動体の公転を確実に阻止して回転輪の連れ回りを防止することができる。

本発明によれば、回転輪の材質として、軌道輪の材質をＳＵＳ４４０Ｃなど、従来からタッチダウン軸受の軌道輪として多用されている最適な材質を用い、また、転動体としてセラミックスなどの非磁性体を用いながら、磁気軸受が造る磁場による連れ回りを防止し、異音の発生を防止することができる。

また、請求項２，３、あるいは請求項６，７に係る発明のように、転動体列内に設ける磁化された部材として、転動体と同じ形状、特にボールとし、その使用状態における磁化された部材の直径を転動体の直径よりも小さくすることにより、製造コストおよび組立コストを低く抑えつつ、磁化された部材の存在に起因して軸受の耐久性を悪化させることがない。

更に、請求項４、あるいは請求項８に係る発明のように、磁化された部材を２個連続して転動体列内に配置すれば、転動体の公転阻止能力、ひいては回転輪の連れ回り阻止能力をより確実なものとすることができる。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について述べる。
図１は本発明を図４における総玉タイプの深溝玉軸受からなるタッチダウン軸受に適用した実施の形態の正面図であり、図２はその軸平行断面図である。

内輪１および外輪２はそれぞれマルテンサイト系ステンレス鋼であるＳＵＳ４４０Ｃ製であり、これらの間に複数のセラミックス製のボール３が転動自在に配置されている。そして、このセラミックス製のボール３の列内に、３個のＳＵＳ４４０Ｃからなるボール４が列を三等配する位置に配置されており、これらの各ＳＵＳ４４０Ｃからなるボール４は磁化されている。また、ＳＵＳ４４０Ｃからなるボール４の直径は、このタッチダウン軸受の使用状態において各セラミックス製のボール３の直径よりも小さい。従って、回転輪である内輪１の回転時には、各セラミックス製のボール３のみが転動体として負荷を受け、各ＳＵＳ４４０Ｃからなるボール４は負荷を受けず、転動体として機能しない。

そして、磁化されたＳＵＳ４４０Ｃからなる各ボール４は、このタッチダウン軸受が回転していない状態において、図２に例示するように、強磁性体のＳＵＳ４４０Ｃからなる内輪（回転輪）１および外輪２の双方に磁気的に吸着した状態となる。この状態は、図４における回転軸１３が各磁気軸受１５，１６，１７により磁気浮上状態で回転している状態においても同じであり、従って、各磁気軸受１５，１６，１７が作る磁場により強磁性体からなる内輪１が回転しようとしても、磁化されたＳＵＳ４４０Ｃからなるボール４によりセラミックス製の各ボール３が公転することができず、従って内輪１は磁場によって連れ回りすることがない。

一方、回転軸１３の停止時や磁気軸受１５，１６，１７の制御異常時において、回転軸１３が内輪１の内周面に接触したとき、つまりタッチダウン時には、内輪１に大きなトルクが作用するため、磁化されたＳＵＳ４４０Ｃからなるボール４の磁気的な吸着力に抗して各セラミックス製のボール３は公転するため、問題は生じない。また、磁化されたボール４の使用状態における直径をセラミックス製のボール３の直径よりも小さくしているため、タッチダウンによる回転時には磁化されたボール４に負荷が作用しないため、これらのボール４の剥離等により軸受の耐久性が悪化することがない。

なお、磁化されたボール４の数は特に３個に限られることなく、組み込まれるターボ分子ポンプのスペック等により、内輪１の空転を阻止できる数であれば任意である。また、磁化されたボール４を２個連続してセラミックス製のボール３の列内に配置すると、磁化されたボール４相互の吸着力も併せて転動体の公転阻止に寄与するため、内輪１の空転の阻止能力を向上させることができ、図３に本発明の他の実施の形態の正面図を示すように、このような２個連続した磁化されたボール４を複数対セラミックス製のボール３の列内に配置することにより、固定輪である外輪２が強磁性体でなくとも内輪１の空転を阻止することも可能である。

また、以上の実施の形態においては、回転輪の空転を抑制するための磁化された部材として、転動体と同じ形状のボールとしたが、本発明はこれに限定されることなく、タッチダウン時における転動体の公転を妨げない形状であれば任意とすることができる。

更に、以上の実施の形態においては、タッチダウン軸受のうち総玉タイプの深溝玉軸受に本発明を適用したが、組み合わせて用いられる一対のアンギュラ玉軸受についても、本発明の適用により、上記と同様に連れ回りを防止することができる。

更にまた、以上の実施の形態においては、内輪１を回転輪としたターボ分子ポンプに用いるタッチダウン軸受に本発明を適用した例を示したが、前記した外輪を回転輪としたタッチダウン軸受にも本発明を等しく適用し得ることは勿論である。

本発明の実施の形態の正面図である。本発明の実施の形態の軸平行断面図である。本発明の他の実施の形態の正面図である。タッチダウン軸受を備えたターボ分子ポンプの構成例を示す断面図である。

符号の説明

１内輪（回転輪）
２外輪
３セラミックス製のボール
４磁化されたＳＵＳ４４０Ｃ製のボール
１３回転軸
１５，１６，１７磁気軸受
２１，２２タッチダウン軸受

Claims

磁気軸受により支持される回転体を有するターボ分子ポンプに用いられ、回転体の停止時もしくは制御異常時にのみ当該回転体に内輪もしくは外輪のうちの一方である回転輪が接触して固定部材に固定された外輪もしくは内輪のうちの他方である固定輪に対してこの回転体を支持するタッチダウン軸受で、かつ、上記内輪および外輪のうち、少なくとも回転体に接触する回転輪が強磁性体製であり、内輪と外輪の間に複数のセラミックス製の転動体が配置されてなるタッチダウン軸受において、
上記内輪と外輪の間に、上記転動体列に混じって、少なくとも１個の磁化された部材が設けられていることを特徴とするターボ分子ポンプ用タッチダウン軸受。
上記磁化された部材が上記転動体と同じ形状を有していることを特徴とする請求項１に記載のターボ分子ポンプ用タッチダウン軸受。
上記転動体および磁化された部材がそれぞれボールであり、かつ、当該タッチダウン軸受の使用状態において、上記磁化された部材の直径が転動体の直径よりも小さいことを特徴とする請求項２に記載のターボ分子用タッチダウン軸受。
上記磁化された部材が２個連続した状態で上記転動体列内に配置されていることを特徴とする請求項２または３に記載のターボ分子用タッチダウン軸受。
磁気軸受により支持される回転体と、その回転体の停止時もしくは制御異常時にのみ当該回転体に内輪もしくは外輪のうちの一方である回転輪が接触して固定部材に固定された外輪もしくは内輪のうちの他方である固定輪に対してこの回転体を支持するタッチダウン軸受を備えたターボ分子ポンプにおいて、
上記タッチダウン軸受の内輪および外輪のうち、少なくとも回転体に接触する回転輪が強磁性体製であり、かつ、内輪と外輪の間に複数のセラミックス製の転動体が配置されているとともに、その内輪と外輪の間の転動体列に混じって、少なくとも１個の磁化された部材が設けられていることを特徴とするターボ分子ポンプ。
上記磁化された部材が上記転動体と同じ形状を有していることを特徴とする請求項５に記載のターボ分子ポンプ。
上記転動体および磁化された部材がそれぞれボールであり、かつ、当該タッチダウン軸受の使用状態において、上記磁化された部材の直径が転動体の直径よりも小さいことを特徴とする請求項６に記載のターボ分子ポンプ。
上記磁化された部材が２個連続した状態で上記転動体列内に配置されていることを特徴とする請求項６または７に記載のターボ分子ポンプ。