JP2006283925A - 回転軸シール装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
コンパクトな構成ながら、排気ポンプの異常時に対応できる回転軸シール装置を提供する。
【解決手段】
排気ポンプＰ１の吸引力が低下したことに応じて、貯留部２ｋから磁性流体ＭＬを追い出し、捕捉部２ｍが、開口２ａと回転軸３との間に磁気回路を形成することにより、追い出された磁性流体ＭＬを、開口２ａと回転軸３との間で架橋するように捕捉するので、排気ポンプＰ１に異常が生じた場合でも、自動的にハウジング２内の雰囲気を隔離でき、処理中のワークを損なうことが抑制される。
【選択図】 図３

Description

本発明は、回転軸シール装置に関し、たとえば外部環境から隔離されたハウジング内に対して回転軸をシールする回転軸シール装置に関する。

半導体製造装置などにおいては、真空や特殊ガス雰囲気に維持したプロセス室内で、ワークをステージに載置して移動させて加工処理することが行われている。ここで、プロセス室内のワークを加工するために、ワークもしくは工具を移動させる必要がある。

例えばプロセス室の外部に駆動源を設け、それに連結した回転軸をハウジングの開口を介してプロセス室内へと延在させ、かかる回転軸を介して駆動力をワークや工具に伝達することが考えられる。ここで、プロセス室内における大気とは異なる特殊な環境をどのように維持するかが問題となる。特許文献１には、転がり軸受と差動排気シールとを備えた回転導入機が開示されている。
特開２００３−３１４５７２号公報

ところで、特許文献１の回転導入機において、差動排気シールは非接触でプロセス室と大気側との間を隔絶できるという利点のある一方、その１つの課題は、差圧室に接続された排気ポンプに異常が生じると、差圧室の気圧が上昇し、差動排気シールの密封効果が低下するため、プロセス室内の気圧も上昇し、それにより処理中のワークが損なわれる恐れがあるということである。これに対し、予備の排気ポンプを用意しておき、排気ポンプの異常時にこれとつなぎ代えることもできるが、かかる場合、予備の排気ポンプ用のスペースが余分に必要となり、またコストも増大する。

そこで本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑み、コンパクトな構成ながら、排気ポンプの異常時に対応できる回転軸シール装置を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、第１の本発明の回転軸シール装置は、内部が外部と異なる環境に維持されたハウジングの開口を介して、前記ハウジングの外部から内部へと延在する回転軸を、前記開口に対して密封する回転軸シール装置において、
前記回転軸の周囲に形成されたオリフィス部と、排気通路を介して排気ポンプに接続された差圧室とを含む差動排気シールと、
磁性流体を貯留する貯留部と、
前記排気通路内の圧力が上昇したことに応じて、前記貯留部から磁性流体を移動させる駆動手段と、
前記開口と前記回転軸との間に磁気回路を形成することにより、移動した磁性流体を、前記開口と前記回転軸との間で架橋するように捕捉する捕捉部とを有することを特徴とする。

本発明によれば、前記駆動手段が、前記排気通路内の圧力が上昇したことに応じて、前記貯留部から磁性流体を移動させ、前記捕捉部が、前記開口と前記回転軸との間に磁気回路を形成することにより、移動した磁性流体を、前記開口と前記回転軸との間で架橋するように捕捉するので、例えば前記排気ポンプに異常が生じた場合でも、自動的に且つ迅速に前記ハウジング内の雰囲気を隔離でき、処理中のワークを損なうことが抑制される。「磁性流体」とは、磁性微粒子を界面活性剤を用いて安定に分散させた液体であって、「強磁性」という磁性体としての性質と、「流動性」という液体の性質とを兼ね備えているものをいうが、真空雰囲気で用いるには、蒸気圧の関係からフッ素油ベースのものが好ましい。

更に、前記駆動手段は、前記差圧室の近傍に配置された圧力溜まり部と、前記圧力溜まり部と前記貯留部とを連通する通路とを含むと、例えば前記排気ポンプの異常に応じて前記差圧室の圧力が高まったときに、それに応じて前記圧力溜まり部の圧力も高まるので、かかる圧力を利用して前記通路を介して前記貯留部の磁性流体を移動させることができる。

更に、前記駆動手段は、前記貯留部の近傍に配置された極片と、前記排気通路内の圧力が所定値未満の場合には前記極片より離れた第１の位置に保持され、前記排気通路内の圧力が所定値以上となったときに前記極片に近接する第２の位置へと移動する磁石とを含むと、前記第１の位置に前記磁石が保持されているときは、前記捕捉部において磁気回路が形成されないようにし、前記第２の位置へと前記磁石が移動したときは、前記磁石の磁力を用いて前記捕捉部において磁気回路が形成され、それにより前記貯留部にある前記磁性流体を移動させ前記捕捉部において捕捉することができる。なお、ここで「極片」とは、磁場が印加されたときのみ磁化が発生する部材をいい、例えば純鉄などの軟磁性体を含む。又、「磁石」とは、磁石単体でも良いが、磁石と極片を組み合わせたものも含む。

更に、前記磁石は、前記排気通路内の圧力を用いて前記第１の位置に保持されており、前記排気通路内の圧力が所定値以上となったときに、前記極片との間に作用する磁力により前記第２の位置へと移動すると、前記第１の位置から前記第２の位置への前記磁石の移動を、例えば前記排気ポンプの異常に応じて自動的に行うことができる。

更に、前記磁石は、前記第１の位置に保持されているときに、前記排気通路に連通する吸引開口を遮蔽すると、前記第１の位置から前記第２の位置への前記磁石の移動を、前記排気ポンプの異常に応じて自動的に行うことができる。

更に、前記磁石を前記第２の位置へと付勢する弾性手段を有すると、その弾性力を用いて前記第１の位置から前記第２の位置への前記磁石の移動を支援することができる。

更に、前記第２の位置へと移動した磁石を、前記第１の位置へと戻すリセット手段が設けられていると好ましい。

本明細書中で用いる差動排気シールとは、例えば対向する２面（例えばハウジング開口内周面と回転軸外周面）間の微小な間隙にある気体を前記２面間に設けられた差圧室を介して排気することにより、非接触の状態で、対向面を挟む両側の雰囲気（例えば大気圧と高真空）を一定の状態に保つように機能するものをいう。以下に述べる実施の形態においては、差圧室とそれに隣接するオリフィス部（ここでは円筒面）を差動排気シールという。

以下、図面を参照して、本発明の好適な実施の形態について説明する。図１〜３は、第１の実施の形態にかかる回転軸シール装置の断面図である。図１〜３において、ハウジング（真空チャンバともいう）２は、不図示のターボ分子ポンプに接続され、高真空状態に維持されるプロセス室Ｐを、その内部に有している。ハウジング２の一面に設けられた開口２ａに、回転軸３が挿入されている。回転軸３は、不図示の軸受により、ハウジング２に対して回転自在に支持されている。なお、回転軸３は、強磁性体（ＳＵＳ４３０，ＳＵＳ４４０Ｃ、ＳＵＳ６３０等）から形成されているものとする。

開口２ａには、外部の大気側より順に、第４オリフィス部２ｂ、周溝である第３差圧室２ｃ、第３オリフィス部２ｄ、周溝である第２差圧室２ｅ、第２オリフィス部２ｆ、周溝である第１差圧室２ｇ、第１オリフィス部２ｈ、周溝である圧力溜まり部２ｊ、磁性流体ＭＬを貯留する周溝である貯留部２ｋ、捕捉部２ｍが形成され又は配置されている。圧力溜まり部２ｊと貯留部２ｋとは、軸線方向に且つ貯留部２ｋに向かって半径方向内方に延在する１つもしくは複数の通路２ｗにより連通されている。なお、磁性流体ＭＬは、通常の状態では、表面張力と粘性とにより、ハウジング２の姿勢に関わらず、貯留部２ｋに留まるようになっており、また表面張力と粘性とが比較的強いため、通路２ｗを介して圧力溜まり部２ｊ側に漏れ出すことはない。圧力溜まり部２ｊと通路２ｗとで駆動手段を構成する。

第１差圧室２ｇは、排気通路２ｘを介して外部の第１排気ポンプＰ１に接続され、第２差圧室２ｅは、排気通路２ｙを介して外部の第２排気ポンプＰ２に接続され、第３差圧室２ｃは、排気通路２ｚを介して外部の第３排気ポンプＰ３に接続されている。オリフィス部２ｂ、２ｄ、２ｆ、２ｈと、回転軸３との間のスキマは１０μｍ程度に維持される。

捕捉部２ｍは、開口２ａに形成された周溝２ｎ内に配置された一対の環状の極片２ｓ、２ｔと、両極片間に配置された円筒状の永久磁石２ｖとから構成されている。極片２ｓ、２ｔは、強磁性体（ＳＵＳ４３０，ＳＵＳ４４０Ｃ、ＳＵＳ６３０等）から形成されているものとする。永久磁石２ｖは、厚み方向に着磁され、ここでは大気側がＳ極、プロセス室Ｐ側がＮ極となっているが、この逆でもかまわない。永久磁石２ｖの種類は問わないが、フェライト磁石、アルニコ磁石、サマリウムコバルト磁石、ネオジウム磁石、マンガンアルミ磁石等が好適に用いられる。回転軸３は強磁性体であるので、磁石２ｖ−極片２ｓ−回転軸３−極片２ｔ−磁石２ｖという磁気回路が形成されている（図１の点線参照）。極片２ｓ、２ｔと回転軸３とのギャップは、０．０１〜０．５ｍｍ程度であるので、製造上の困難性を回避しながら、高い磁束密度の磁気回路が形成される。

次に、本実施の形態にかかる回転軸シール装置の動作について説明する。回転軸３の図で右端部は、モータ等の駆動源（不図示）に接続されており、回転軸３を回転駆動するようになっている。このとき、回転軸３は、不図示の軸受により回転自在に支持されているので、摩擦などの抵抗が少ない状態で、ハウジング２に対して回転可能となっている。

差動排気シールの作用について説明すると、オリフィス部２ｂ、２ｄ、２ｆ、２ｈにおいて、開口２ａと回転軸３とのクリアランスを極力小さくして気体の流れを制限すると、大気側から流入する気体（一般的にはエア）の量が少なくなる。流入するガスのほとんどの量を差圧室２ｃ、２ｅ、２ｇから排気すると、プロセス室Ｐ側への気体の流入は極めて微量となる。したがって、回転軸３が回転（又は直動）自在に開口２ａを貫通しているにもかかわらず、プロセス室Ｐは気密的に隔離された状態を得ることができる。即ち、非接触状態で回転軸３とハウジング２との間を気密できるため、シールからの発塵・アウトガスがなく、長寿命で、さらに温度に寿命が依存しないという特長を有する。

ところで、回転軸シール装置において、排気ポンプに何らかの異常が発生し、その吸引力が低下する場合がある。排気ポンプの吸引力が低下すると、差動排気シールの能力が低下し、プロセス室Ｐに大気が流入して、処理中のワークを損ねる恐れがある。本実施の形態の回転軸シール装置によれば、かかる不具合を解消もしくは緩和できる。

例えば、図２において、第１の排気ポンプＰ１に異常が生じたものとする。すると、第１の差圧室２ｇ内の気圧が上昇し、捕捉部２ｍ側との間に差圧が生じる。なお、排気ポンプＰ２またはＰ３に異常が生じた場合も、程度の差はあっても同様の状況となる。ここで、第１の差圧室２ｇに隣接した圧力溜まり部２ｊ内の気圧も上昇し、それにより通路２ｗを介して貯留部２ｋに吹き出す空気流が生じ、そこに貯留されていた磁性流体ＭＬを捕捉部２ｍ側に追い出すこととなる。

ここで、上述したように、回転軸３と極片２ｔとの間には磁気回路の一部が形成されているので、図３に示すように、追い出された磁性流体ＭＬは、回転軸３と極片２ｔとの間に架橋するようにして捕捉されるが、その表面張力により周方向全体に広がって一様な膜を形成する。かかる磁性流体ＭＬの膜により、回転軸３とハウジング２の開口２ａとの間が遮蔽され、プロセス室Ｐを大気側から隔離し真空度を維持することができるので、プロセス室Ｐにおいてワークの処理中であったとしても、それを損ねることが回避される。かかる動作は瞬時に行われるので、プロセス室Ｐへの空気の流入は僅かで済む。又、回転軸３を停止させる必要はなく、処理中のワークに与える影響も少ない。同様な作用は、排気ポンプＰ２又はＰ３が異常となった場合にも生じ、或いはいずれかの排気ポンプまでの配管が損傷して大気が侵入した場合にも生じる。

排気ポンプＰ１が異常から復帰した場合、回転軸３と極片２ｔとの間に捕捉されている磁性流体ＭＬは、吸引されて不図示の排出路から貯留部２ｋへと戻されることで、図１に示す状態に復帰する。なお、極片２ｓ、２ｔは必ずしも必須ではなく、これを省略し、磁石２ｖと回転軸３との間に磁気回路を直接形成しても良い。

図４、５は、第２の実施の形態にかかる回転軸シール装置の断面図である。図４、５において、ハウジング（真空チャンバともいう）１２は、不図示のターボ分子ポンプに接続され、高真空状態に維持されるプロセス室Ｐを、その内部に有している。ハウジング１２の一面に設けられた開口１２ａに、回転軸３が挿入されている。回転軸３は、不図示の軸受により、ハウジング１２に対して回転自在に支持されている。なお、回転軸３は、強磁性体（ＳＵＳ４３０，ＳＵＳ４４０Ｃ、ＳＵＳ６３０等）から形成されているものとする。

開口１２ａには、外部の大気側より順に、第４オリフィス部１２ｂ、周溝である第３差圧室１２ｃ、第３オリフィス部１２ｄ、周溝である第２差圧室１２ｅ、第２オリフィス部１２ｆ、周溝である第１差圧室１２ｇ、第１オリフィス部１２ｈ、捕捉部１２ｍ、磁性流体ＭＬを貯留する周溝である貯留部１２ｋが形成され又は配置されている。なお、磁性流体ＭＬは、通常の状態では、表面張力と粘性とにより、ハウジング１２の姿勢に関わらず、貯留部１２ｋに留まるようになっている。

第１差圧室１２ｇは、排気通路１２ｘを介して外部の第１排気ポンプＰ１に接続され、第２差圧室１２ｅは、排気通路１２ｙを介して外部の第２排気ポンプＰ２に接続され、第３差圧室１２ｃは、排気通路１２ｚを介して外部の第３排気ポンプＰ３に接続されている。排気通路１２ｘの一部は分岐して、周溝１２ｎの側壁に開口（すなわち吸引開口１２ｐ）している。本実施の形態では、かかる開口を環状溝状の圧力溜まり部１２ｐとしているが、圧力溜まり部１２ｐの形状は、後述する極片１２ｔで覆われる形状であれば任意である。圧力溜まり部１２ｐの周囲に形成された２重の周溝内に、Ｏ−リングＯＲが配置されている。オリフィス部１２ｂ、１２ｄ、１２ｆ、１２ｈと、回転軸３との間のスキマは１０μｍ程度に維持される。

捕捉部１２ｍは、開口１２ａに形成された周溝１２ｎ内において、貯留部１２ｋに隣接して配置された環状の極片１２ｓと、スベリ軸受１２ｕにより周溝１２ｎ内を軸線方向に一体的に移動自在に配置された円筒状の永久磁石１２ｖ及び環状の極片１２ｔとから構成されている。駆動手段を構成する永久磁石１２ｖと極片１２ｔとは接着されていても良いが、磁力で互いに吸着しているだけでも良い。スベリ軸受１２ｕは必ずしも必須の構成ではなく、永久磁石１２ｖと極片１２ｔとが周溝１２ｎ内で軸線方向に移動できれば良い。

極片１２ｓ、１２ｔは、強磁性体（ＳＵＳ４３０，ＳＵＳ４４０Ｃ、ＳＵＳ６３０等）から形成されているものとする。永久磁石１２ｖは、厚み方向に着磁され、ここでは大気側がＳ極、プロセス室Ｐ側がＮ極となっているが、この逆でもかまわない。永久磁石１２ｖの種類は問わないが、フェライト磁石、アルニコ磁石、サマリウムコバルト磁石、ネオジウム磁石、マンガンアルミ磁石等が好適に用いられる。なお、図４に示す通常の動作時には、極片１２ｓと回転軸３との間には磁気回路が形成されていないので、磁性流体ＭＬは貯留部１２ｋに貯留されたままとなる。

次に、本実施の形態にかかる回転軸シール装置の動作について説明する。回転軸３の図で右端部は、モータ等の駆動源（不図示）に接続されており、回転軸３を回転駆動するようになっている。このとき、回転軸３は、不図示の軸受により回転自在に支持されているので、摩擦などの抵抗が少ない状態で、ハウジング１２に対して回転可能となっている。このとき、第１の排気ポンプＰ１の吸引力により、排気通路１２ｘ内が負圧になるので、それに連通した圧力溜まり部１２ｐも負圧になり、極片１２ｔの平面である側面は、圧力溜まり部１２ｐを遮蔽するようにして周溝１２ｎの側壁に密着し固定され、Ｏ−リングＯＲにより密封されることで、第１の差圧室１２ｇの負圧状態は保たれる。

差動排気シールの作用について説明すると、オリフィス部１２ｂ、１２ｄ、１２ｆ、１２ｈにおいて、開口１２ａと回転軸３とのクリアランスを極力小さくして気体の流れを制限すると、大気側から流入する気体（一般的にはエア）の量が少なくなる。流入するガスのほとんどの量を差圧室１２ｃ、１２ｅ、１２ｇから排気すると、プロセス室Ｐ側への気体の流入は極めて微量となる。したがって、回転軸３が回転（又は直動）自在に開口１２ａを貫通しているにもかかわらず、プロセス室Ｐは気密的に隔離された状態を得ることができる。即ち、非接触状態で回転軸３とハウジング１２との間を気密できるため、シールからの発塵・アウトガスがなく、長寿命で、さらに温度に寿命が依存しないという特長を有する。

ここで、図４において、第１の排気ポンプＰ１に異常が生じ、排気通路１２ｘ内の圧力が所定値以上に上昇したものとする。なお、排気ポンプＰ２あるいはＰ３に異常が生じた場合も、程度の差はあっても同様の状況となる。すると、第１の差圧室１２ｇ内の気圧が上昇し、圧力溜まり部１２ｐ内の気圧も上昇するので、周溝１２ｎとの間に差圧が生じる。従って極片１２ｔを左方へ押し出そうとする力が生じ、更に極片１２ｓと永久磁石１２ｖとの間に生じる磁力に引かれて、永久磁石１２ｖと極片１２ｔとは、図４に示す第１の位置から、一体で軸線方向へと移動し、図５に示す第２の位置へに到達し、永久磁石１２ｖは極片１２ｓに吸着することとなる。

このとき、回転軸３は強磁性体であるので、磁石１２ｖ−極片１２ｓ−回転軸３−極片１２ｔ−磁石１２ｖという磁気回路が形成されることとなる（図５の点線参照）。極片１２ｓ、１２ｔと回転軸３とのギャップは、０．０１〜０．５ｍｍ程度であるので、高い磁束密度の磁気回路が形成される。

回転軸３と極片１２ｓとの間に磁気回路の一部が形成されると、図５に示すように、貯留部１２ｋの磁性流体ＭＬは、その磁力により吸引されて移動し、回転軸３と極片１２ｓとの間に架橋するようにして捕捉されるが、その表面張力により周方向全体に広がって一様な膜を形成する。かかる磁性流体ＭＬの膜により、回転軸３とハウジング１２の開口１２ａとの間が遮蔽され、プロセス室Ｐを大気側から隔離し真空度を維持することができるので、プロセス室Ｐにおいてワークの処理中であったとしても、それを損ねることが回避される。かかる動作は瞬時に行われるので、プロセス室Ｐへの空気の流入は僅かで済む。又、回転軸３を停止させる必要はなく、処理中のワークに与える影響も少ない。排気通路１２ｘにおける圧力の上昇は、排気ポンプＰ２又はＰ３もしくは配管１２ｙ、１２ｚが異常となった場合にも生じ、或いはいずれかの排気ポンプまでの配管が損傷して大気が侵入した場合にも生じるため、同様な作用が期待できる。

排気ポンプＰ１が異常から復帰した場合、回転軸３と極片１２ｓとの間に捕捉されている磁性流体ＭＬは、吸引されて不図示の排出路から貯留部１２ｋへと戻されることで、図４に示す状態に復帰する。なお、極片１２ｓ、１２ｔは必ずしも必須ではなく、これを省略し、磁石１２ｖのみを貯留部１２ｋの近傍に移動させて、回転軸３との間に磁気回路を直接形成しても良い。

図６は、本実施の形態の変形例にかかる回転軸シール装置を示す断面図であり、図７，８は、図６の構成の矢印VII部を拡大して示す図である。本変形例については、図４，５の実施の形態に対して、異なる点のみを説明し、共通する構成に関しては同じ符号を付すことで説明を省略する。

本変形例においては、ハウジング側に貯留部を設ける代わりに、回転軸側に貯留部を設けている。より具体的に説明すると、図７に示すように、回転軸１３は、外表面において平行に並んだ細い周溝状の貯留部１３ｂを形成している。各貯留部１３ｂ内には、磁性流体ＭＬが貯留されている。磁性流体ＭＬは、通常の状態では、表面張力と粘性とにより、回転軸１３の回転に関わらず、貯留部１３ｂに留まるようになっている。隣接する貯留部１３ｂの間には、貯留部１３ｂよりも外径が大きいランド部１３ａが形成されている。具体的には、極片１２ｓ’と回転軸１３のランド部１３ａとのギャップΔ１は、０．０１〜０．５ｍｍ程度であり、極片１２ｓ’と回転軸１３の貯留部１３ｂとのギャップΔ２は、０．５〜５ｍｍ程度である。ギャップΔ２を０．５ｍｍ未満とした場合、極片１２ｓ’が磁化されたときに、貯留部１３ｂに対しても磁気回路が形成され、貯留されている磁性流体ＭＬを移動させる効果が小さくなる。一方、ギャップΔ２を５ｍｍを超えて設定した場合、極片１２ｓ’が磁化されたときに、貯留部１３ｂに貯留されている磁性流体ＭＬを吸引する磁力が小さくなる。なお、ハウジング１２の周溝１２ｎ内に配置された極片１２ｓ’は、軸線方向に並んだ全てのランド部１３ａに対向できるように軸線方向幅が大きくなっている。

通常動作時には、図４，５に示す実施の形態と同様に動作する。又、図６において、例えば、第１の排気ポンプＰ１に異常が生じ排気通路１２ｘ内の圧力が所定値以上上昇したものとすると、第１の差圧室１２ｇ内の気圧が上昇し、圧力溜まり部１２ｐ内の気圧も上昇するので、周溝１２ｎとの間に差圧が生じる。それにより極片１２ｔを左方へ押し出そうとする力が生じ、更に極片１２ｓ’と永久磁石１２ｖとの間に生じる磁力に引かれて、永久磁石１２ｖと極片１２ｔとは、図７に示す第１の位置から、一体で軸線方向へと移動し、図８に示す第２の位置へに到達し、永久磁石１２ｖは極片１２ｓ’に吸着することとなる（図８参照）。

このとき、回転軸１３は強磁性体であり、上述したようにランド部１３ａと極片１２ｓ’とが近接しているので、磁石１２ｖ−極片１２ｓ’−回転軸１３のランド部１３ａ−極片１２ｔ−磁石１２ｖという磁気回路が形成されることとなる。極片１２ｓ’、１２ｔと回転軸１３のランド部１３ａ又は表面とのギャップは、０．０１〜０．５ｍｍ程度であるので、高い磁束密度の磁気回路が形成される。

回転軸１３のランド部１３ａと極片１２ｓ’との間に磁気回路の一部が形成されると、図８に示すように、各貯留部１３ｂの磁性流体ＭＬは、その磁力により吸引されて移動し、最も近い回転軸１３のランド部１３ａと極片１２ｓ’との間に架橋するようにして捕捉されるが、その表面張力により周方向全体に広がって一様な膜を形成する。かかる磁性流体ＭＬの複数（ここでは６枚）の膜により、回転軸１３とハウジング１２の開口１２ａとの間が強固に遮蔽され、プロセス室Ｐを大気側から隔離し真空度を維持することができるので、プロセス室Ｐにおいてワークの処理中であったとしても、それを損ねることが回避される。かかる動作は瞬時に行われるので、プロセス室Ｐへの空気の流入は僅かで済む。又、回転軸１３を停止させる必要はなく、処理中のワークに与える影響も少ない。

排気ポンプＰ１が異常から復帰した場合、回転軸１３と極片１２ｓ’との間に捕捉されている磁性流体ＭＬは、吸引されて不図示の排出路から貯留部１３ｂへと戻されることで、図７に示す状態に復帰する。なお、極片１２ｓ’、１２ｔは必ずしも必須ではなく、これを省略し、磁石１２ｖのみを貯留部１３ｂの近傍に移動させて、回転軸１３との間に磁気回路を直接形成しても良い。

なお、以上の実施の形態で、異常時の動作を確実に行わせるために、圧力溜まり部１２ｐを排気通路１２ｘに連通させ、また密封機能を得るためにＯ−リングＯＲを配置しているが、必ずしもその必要はない。

図９〜１４は、第３の実施の形態にかかる回転軸シール装置の断面図である。図１２において、ハウジング（真空チャンバともいう）２２は、不図示のターボ分子ポンプに接続され、高真空状態に維持されるプロセス室Ｐを、その内部に有している。ハウジング２２の一面に設けられた開口２２ａに、回転軸３が挿入されている。回転軸３は、不図示の軸受により、ハウジング２２に対して回転自在に支持されている。なお、回転軸３は、強磁性体（ＳＵＳ４３０，ＳＵＳ４４０Ｃ、ＳＵＳ６３０等）から形成されているものとする。

開口２２ａには、外部の大気側より順に、磁性流体ＭＬを貯留する周溝である第１の貯留部２２ｋ、第１の捕捉部２２ｍ、磁性流体ＭＬを貯留する周溝である第２の貯留部２２ｋ’、第２の捕捉部２２ｍ’、第３オリフィス部２２ｄ、周溝である第２差圧室２２ｅ、第２オリフィス部２２ｆ、周溝である第１差圧室２２ｇ、第１オリフィス部２２ｈが形成され又は配置されている。第１の貯留部２２ｋは、ハウジング２２内に形成された第１の供給通路２３ｋを介して外部に連通しており、また第２の貯留部２２ｋ’は、ハウジング２２内に形成された第２の供給通路２３ｋ’を介して外部に連通している。なお、磁性流体ＭＬは、通常の状態では、表面張力と粘性とにより、ハウジング２２の姿勢に関わらず、貯留部２２ｋ、２２ｋ’に留まるようになっている。オリフィス部２２ｄ、２２ｆ、２２ｈと、回転軸３との間のスキマは１０μｍ程度に維持される。

第１差圧室２２ｇは、排気通路２２ｘを介して外部の第１排気ポンプＰ１に接続され、第２差圧室２２ｅは、排気通路２２ｙを介して外部の第２排気ポンプＰ２に接続されている。排気通路２２ｘの一部は分岐して、周溝２２ｎ’の側壁に開口（すなわち吸引開口２２ｐ’）している。一方、排気通路２２ｙの一部は分岐して、周溝２２ｎの側壁に開口（すなわち吸引開口２２ｐ）している。本実施の形態では、それぞれ単一の開口を圧力溜まり部２２ｐ’、２２ｐとしているが、圧力溜まり部２２ｐ’、２２ｐの形状は、後述する極片２２ｔ’、２２ｔで覆われる形状であれば任意である。圧力溜まり部２２ｐ’、２２ｐの周囲に形成された周溝内に、Ｏ−リングＯＲが配置されている。

第１の捕捉部２２ｍは、開口２２ａに形成された周溝２２ｎ内において、第１の貯留部２２ｋに隣接して配置された環状の極片２２ｓと、スベリ軸受２２ｕにより周溝２２ｎ内を軸線方向に一体的に移動自在に配置された円筒状の永久磁石２２ｖ及び環状の極片２２ｔとから構成されている。駆動手段を構成する永久磁石２２ｖと極片２２ｔとは接着されていても良いが、磁力で互いに吸着しているだけでも良い。スベリ軸受２２ｕは必ずしも必須の構成ではなく、永久磁石２２ｖと極片２２ｔとが周溝２２ｎ内で軸線方向に移動できれば良い。周溝２２ｎは、極片２２ｓの近傍において開口し、ハウジング２２内に形成された第１の工具孔２３ｎを介して外部に連通している。周溝２２ｎの圧力溜まり部２２ｐが形成された側面には、別な場所に袋孔状のばね室２３ｐが形成され、ここに弾性手段であるコイルばね２４が収容されている。

第２の捕捉部２２ｍ’は、開口２２ａに形成された周溝２２ｎ’内において、第２の貯留部２２ｋ’に隣接して配置された環状の極片２２ｓ’と、スベリ軸受２２ｕ’により周溝２２ｎ’内を軸線方向に一体的に移動自在に配置された円筒状の永久磁石２２ｖ’及び環状の極片２２ｔ’とから構成されている。駆動手段を構成する永久磁石２２ｖ’と極片２２ｔ’とは接着されていても良いが、磁力で互いに吸着しているだけでも良い。スベリ軸受２２ｕ’は必ずしも必須の構成ではなく、永久磁石２２ｖ’と極片２２ｔ’とが周溝２２ｎ’内で軸線方向に移動できれば良い。周溝２２ｎ’は、極片２２ｓ’の近傍において開口し、ハウジング２２内に形成された第２の工具孔２３ｎ’を介して外部に連通している。周溝２２ｎ’の圧力溜まり部２２ｐ’が形成された側面には、別な場所に袋孔状のばね室２３ｐ’が形成され、ここに弾性手段であるコイルばね２４’が収容されている。

捕捉部２２ｍ、２２ｍ’の極片２２ｓ、２２ｔは、それぞれ強磁性体（ＳＵＳ４３０，ＳＵＳ４４０Ｃ、ＳＵＳ６３０等）から形成されているものとする。永久磁石２２ｖは、厚み方向に着磁され、ここでは大気側がＳ極、プロセス室Ｐ側がＮ極となっているが、この逆でもかまわない。永久磁石２２ｖの種類は問わないが、フェライト磁石、アルニコ磁石、サマリウムコバルト磁石、ネオジウム磁石、マンガンアルミ磁石等が好適に用いられる。なお、図１２に示す通常の動作時には、各極片２２ｓと回転軸３との間には磁気回路が形成されていないので、磁性流体ＭＬは貯留部２２ｋ、２２ｋ’に貯留されたままとなる。

次に、本実施の形態にかかる回転軸シール装置の動作について説明する。ここで、使用時においては、図１２に示すように、第１の供給通路２３ｋ及び第１の工具孔２３ｎは、第１の蓋部材２５により気密的に遮蔽され、第２の供給通路２３ｋ’及び第２の工具孔２３ｎ’は、第２の蓋部材２５’により気密的に遮蔽される。回転軸３の図で右端部は、モータ等の駆動源（不図示）に接続されており、回転軸３を回転駆動するようになっている。このとき、回転軸３は、不図示の軸受により回転自在に支持されているので、摩擦などの抵抗が少ない状態で、ハウジング２２に対して回転可能となっている。

このとき、周溝２２ｎ内の空間は大気圧であるのに対し、第２の排気ポンプＰ２の吸引力により排気通路２２ｙ内が負圧になるので、それに連通した圧力溜まり部２２ｐも負圧になり、極片２２ｔの平面である側面は、圧力溜まり部２２ｐを遮蔽するようにして周溝２２ｎの側壁に密着し固定され、Ｏ−リングＯＲにより密封されることで、第１の差圧室２２ｇの負圧状態は保たれる。又、かかる状態では、極片２２ｔの側面により、ばね室２３ｐ内のコイルばね２４が圧縮された状態となる。

同様に、周溝２２ｎ’内の空間は大気圧であるのに対し、第１の排気ポンプＰ１の吸引力により排気通路２２ｘ内が負圧になるので、それに連通した圧力溜まり部２２ｐ’も負圧になり、極片２２ｔ’の平面である側面は、圧力溜まり部２２ｐ’を遮蔽するようにして周溝２２ｎ’の側壁に密着し固定され、Ｏ−リングＯＲにより密封されることで、第１の差圧室２２ｇの負圧状態は保たれる。又、かかる状態では、極片２２ｔ’の側面により、ばね室２３ｐ’内のコイルばね２４’が圧縮された状態となる。

差動排気シールの作用について説明すると、オリフィス部２２ｄ、２２ｆ、２２ｈにおいて、開口２２ａと回転軸３とのクリアランスを極力小さくして気体の流れを制限すると、大気側から流入する気体（一般的にはエア）の量が少なくなる。流入するガスのほとんどの量を差圧室２２ｅ、２２ｇから排気すると、プロセス室Ｐ側への気体の流入は極めて微量となる。したがって、回転軸３が回転（又は直動）自在に開口２２ａを貫通しているにもかかわらず、プロセス室Ｐは気密的に隔離された状態を得ることができる。即ち、非接触状態で回転軸３とハウジング２２との間を気密できるため、シールからの発塵・アウトガスがなく、長寿命で、さらに温度に寿命が依存しないという特長を有する。

ここで、図１３において、第１の排気ポンプＰ１に異常が生じ、排気通路１２ｘ内の圧力が所定値以上に上昇したものとする。すると、第１の排気通路２２ｘ内の気圧が上昇し、第１の捕捉部２２ｍ’における圧力溜まり部２２ｐ’内の気圧も上昇するので、周溝２２ｎ’との間の差圧が減少する。それにより極片２２ｔ’を左方へとどめようとする力が減少し、更にコイルばね２４’の付勢力に支援されて、永久磁石２２ｖ’と極片２２ｔ’とは、図１２に示す第１の位置から、一体で軸線方向へと移動し、図１３に示す第２の位置へに到達し、永久磁石２２ｖ’は極片２２ｓ’に吸着することとなる。

このとき、回転軸３は強磁性体であるので、磁石２２ｖ’−極片２２ｓ’−回転軸３−極片２２ｔ’−磁石２２ｖ’という磁気回路が形成されることとなる。極片２２ｓ’、２２ｔ’と回転軸３とのギャップは、０．０１〜０．５ｍｍ程度であるので、高い磁束密度の磁気回路が形成される。

回転軸３と極片２２ｓ’との間に磁気回路の一部が形成されると、図１４に示すように、第２の貯留部２２ｋ’の磁性流体ＭＬは、その磁力により吸引されて移動し、回転軸３と極片２２ｓ’との間に架橋するようにして捕捉されるが、その表面張力により周方向全体に広がって一様な膜を形成する。かかる磁性流体ＭＬの膜により、回転軸３とハウジング２２の開口２２ａとの間が遮蔽され、プロセス室Ｐを大気側から隔離し真空度を維持することができるので、プロセス室Ｐにおいてワークの処理中であったとしても、それを損ねることが回避される。かかる動作は瞬時に行われるので、プロセス室Ｐへの空気の流入は僅かで済む。又、回転軸３を停止させる必要はなく、処理中のワークに与える影響も少ない。

一方、図示していないが、第２の排気ポンプＰ２に異常が生じた場合には、第２の排気通路２２ｙ内の気圧が所定値以上に上昇し、第２の捕捉部２２ｍにおける圧力溜まり部２２ｐ内の気圧も上昇するので、周溝２２ｎとの間の差圧が減少する。それにより極片２２ｔを左方へとどめようとする力が減少し、更にコイルばね２４の付勢力に支援されて、永久磁石２２ｖと極片２２ｔとは、一体で軸線方向（図で右方）へと移動し、永久磁石２２ｖは極片２２ｓに吸着することとなる。

このとき、回転軸３は強磁性体であるので、磁石２２ｖ−極片２２ｓ−回転軸３−極片２２ｔ−磁石２２ｖという磁気回路が形成されることとなる。極片２２ｓ、２２ｔと回転軸３とのギャップは、０．０１〜０．５ｍｍ程度であるので、高い磁束密度の磁気回路が形成される。

回転軸３と極片２２ｓとの間に磁気回路の一部が形成されると、第１の貯留部２２ｋの磁性流体ＭＬは、その磁力により吸引されて移動し、回転軸３と極片２２ｓとの間に架橋するようにして捕捉されるが、その表面張力により周方向全体に広がって一様な膜を形成する。かかる磁性流体ＭＬの膜により、回転軸３とハウジング２２の開口２２ａとの間が遮蔽され、プロセス室Ｐを大気側から隔離し真空度を維持することができるので、プロセス室Ｐにおいてワークの処理中であったとしても、それを損ねることが回避される。かかる動作は瞬時に行われるので、プロセス室Ｐへの空気の流入は僅かで済む。又、回転軸３を停止させる必要はなく、処理中のワークに与える影響も少ない。更に、磁性流体の貯留部や捕捉部、駆動手段を差動排気シールよりも大気圧側寄りに設けており、より高真空度のプロセス室の場合にも好適である。

次に、本実施の形態の組み付け方法について説明する。まず図９に示すように、最初に組み上げた状態では、第１の捕捉部２２ｍの永久磁石２２ｖは磁力により極片２２ｓに吸着し、第２の捕捉部２２ｍ’の永久磁石２２ｖ’は磁力により極片２２ｓ’に吸着している。回転軸シール装置を動作させるに当たっては、これらを離隔させて、図１１に示す状態にする必要がある。

まず、図１０に示すように、下端がテーパ面となった工具Ｔを、第１の工具孔２３ｎと第２の工具孔２３ｎ’に差し入れる。このとき、各スベリ軸受２２ｕ，２２ｕ’は、極片２２ｓ、２２ｓ’に対して若干スキマが形成されるようにこうせいされていると、工具Ｔの侵入が容易になり好ましい。

第１の工具孔２３ｎと第２の工具孔２３ｎ’に工具Ｔを差し入れると、そのテーパ面がスベリ軸受２２ｕ，２２ｕ’を図で左方に押し出すので、永久磁石２２ｖを極片２２ｓから離隔させ、また永久磁石２２ｖ’を極片２２ｓ’から離隔させることができる。更に、コイルばね２４，２４’の付勢力に抗して、極片２２ｔ、２２ｔ’で圧力溜まり部２２ｐ、２２ｐ’を遮蔽する位置まで移動させた後、排気ポンプＰ１，Ｐ２を動作させれば圧力溜まり部２２ｐ、２２ｐ’は負圧になるので、図１１に示すように、工具Ｔを抜き出した後にも、極片２２ｔ、２２ｔ’は周溝２２ｎ、２２ｎ’の側壁に密着し固定されることとなる。更に外部から注射器などを用いて供給通路２３ｋ、２３ｋ’を介して、磁性流体ＭＬを貯留部２２ｋ、２２ｋ’に充填した後、第１の供給通路２３ｋ及び第１の工具孔２３ｎを、第１の蓋部材２５により気密的に遮蔽し、第２の供給通路２３ｋ’及び第２の工具孔２３ｎ’を、第２の蓋部材２５’により気密的に遮蔽することで、回転軸シール装置は動作可能な状態になる（図１２参照）。更に、ターボ分子ポンプを用いてプロセス室Ｐ内を排気すれば、回転軸３に取り付けた不図示のワークを処理可能となる。

なお、排気ポンプＰ１、Ｐ２が異常から復帰したときは、回転軸３と極片２２ｓとの間に捕捉されている磁性流体ＭＬは、吸引されて不図示の排出路から貯留部２２ｋ、２２ｋ’へと戻されることで、図１１に示す状態に復帰する。又、蓋部材２５，２５’を取り外して、工具Ｔを工具孔２３ｎ、２３ｎ’に差し込むことで、永久磁石２２ｖ、２２ｖ’及び極片２２ｔ、２２ｔ’を初期位置（図１２参照）へと復帰（リセット）させることができる。かかる場合、工具Ｔがリセット手段となる。極片は必ずしも必須ではなく、これを省略し、磁石のみを貯留部の近傍に移動させて、回転軸との間に磁気回路を直接形成しても良い。

図１５，１６は、第４の実施の形態にかかる回転軸シール装置の断面図である。本実施の形態は、図９〜１４に示す実施の形態に対し、部品点数を削減し低コスト化を図っている。図１５において、ハウジング（真空チャンバともいう）３２は、不図示のターボ分子ポンプに接続され、高真空状態に維持されるプロセス室Ｐを、その内部に有している。ハウジング３２の一面に設けられた開口３２ａに、回転軸３が挿入されている。回転軸３は、不図示の軸受により、ハウジング３２に対して回転自在に支持されている。なお、回転軸３は、強磁性体（ＳＵＳ４３０，ＳＵＳ４４０Ｃ、ＳＵＳ６３０等）から形成されているものとする。

開口３２ａには、外部の大気側より順に、磁性流体ＭＬを貯留する周溝である圧力溜まり部３２ｋ、捕捉部３２ｍ、第３オリフィス部３２ｄ、周溝である第２差圧室３２ｅ、第２オリフィス部３２ｆ、周溝である第１差圧室３２ｇ、第１オリフィス部３２ｈが形成され又は配置されている。なお、磁性流体ＭＬは、通常の状態では、表面張力と粘性とにより、ハウジング３２の姿勢に関わらず、貯留部３２ｋに留まるようになっている。オリフィス部３２ｄ、３２ｆ、３２ｈと、回転軸３との間のスキマは１０μｍ程度に維持される。

第１差圧室３２ｇは、排気通路３２ｘを介して外部の第１排気ポンプＰ１に接続され、第２差圧室３２ｅは、排気通路３２ｙを介して外部の第２排気ポンプＰ２に接続されている。排気通路３２ｘの一部は分岐して、周溝３２ｎの側壁に開口（不図示）している。一方、排気通路３２ｙの一部は分岐して、別な場所で、周溝３２ｎの側壁に開口（すなわち吸引開口３２ｐ）している。本実施の形態では、排気通路３２ｘ、３２ｙについて、それぞれ単一の開口を圧力溜まり部３２ｐとしているが、圧力溜まり部３２ｐの形状は、後述する極片３２ｔで覆われる形状であれば任意である。圧力溜まり部３２ｐの周囲に形成された周溝内に、Ｏ−リングＯＲが配置されている。

捕捉部３２ｍは、開口３２ａに形成された周溝３２ｎ内において、貯留部３２ｋに隣接して配置された環状の極片３２ｓと、スベリ軸受３２ｕにより周溝３２ｎ内を軸線方向に一体的に移動自在に配置された円筒状の永久磁石３２ｖ及び環状の極片３２ｔとから構成されている。駆動手段を構成する永久磁石３２ｖと極片３２ｔとは接着されていても良いが、磁力で互いに吸着しているだけでも良い。スベリ軸受３２ｕは必ずしも必須の構成ではなく、永久磁石３２ｖと極片３２ｔとが周溝３２ｎ内で軸線方向に移動できれば良い。周溝３２ｎの圧力溜まり部３２ｐが形成された側面には、別な場所に袋孔状のばね室３３ｐが形成され、ここに弾性手段であるコイルばね３４が収容されている。

捕捉部３２ｍの極片３２ｓ、３２ｔは、それぞれ強磁性体（ＳＵＳ４３０，ＳＵＳ４４０Ｃ、ＳＵＳ６３０等）から形成されているものとする。永久磁石３２ｖは、厚み方向に着磁され、ここでは大気側がＳ極、プロセス室Ｐ側がＮ極となっているが、この逆でもかまわない。永久磁石３２ｖの種類は問わないが、フェライト磁石、アルニコ磁石、サマリウムコバルト磁石、ネオジウム磁石、マンガンアルミ磁石等が好適に用いられる。なお、図１５に示す通常の動作時には、各極片３２ｓと回転軸３との間には磁気回路が形成されていないので、磁性流体ＭＬは貯留部３２ｋに貯留されたままとなる。

次に、本実施の形態にかかる回転軸シール装置の動作について説明する。回転軸３の図で右端部は、モータ等の駆動源（不図示）に接続されており、回転軸３を回転駆動するようになっている。このとき、回転軸３は、不図示の軸受により回転自在に支持されているので、摩擦などの抵抗が少ない状態で、ハウジング３２に対して回転可能となっている。

このとき、周溝３２ｎ内の空間は大気圧であるのに対し、第１の排気ポンプＰ１の吸引力により排気通路３２ｘ内が負圧になるので、それに連通した圧力溜まり部（不図示）も負圧になり、且つ第２の排気ポンプＰ２の吸引力により、排気通路３２ｙ内が負圧になるので、それに連通した圧力溜まり部３２ｐも負圧になり、極片３２ｔの平面である側面は、圧力溜まり部３２ｐを遮蔽するようにして周溝３２ｎの側壁に密着し固定され、Ｏ−リングＯＲにより密封されることで、差圧室３２ｅ、３２ｇの負圧状態は保たれる。又、かかる状態では、第１の排気通路３２ｘと第２の排気通路３２ｙとは連通しておらず、更に極片３２ｔの側面により、ばね室３３ｐ内のコイルばね３４が圧縮された状態となる。

差動排気シールの作用について説明すると、オリフィス部３２ｄ、３２ｆ、３２ｈにおいて、開口３２ａと回転軸３とのクリアランスを極力小さくして気体の流れを制限すると、大気側から流入する気体（一般的にはエア）の量が少なくなる。流入するガスのほとんどの量を差圧室３２ｅ、３２ｇから排気すると、プロセス室Ｐ側への気体の流入は極めて微量となる。したがって、回転軸３が回転（又は直動）自在に開口３２ａを貫通しているにもかかわらず、プロセス室Ｐは気密的に隔離された状態を得ることができる。即ち、非接触状態で回転軸３とハウジング３２との間を気密できるため、シールからの発塵・アウトガスがなく、長寿命で、さらに温度に寿命が依存しないという特長を有する。

ここで、図１５において、第１の排気ポンプＰ１に異常が生じ、排気通路１２ｘ内の圧力が所定値以上に上昇したものとする。すると、第１の排気通路３２ｘ内の気圧が上昇し、捕捉部３２ｍにおける圧力溜まり部（不図示）内の気圧も上昇するので、周溝３２ｎとの間の差圧が減少する。それにより極片３２ｔを左方へとどめようとする力が減少し、更にコイルばね３４の付勢力に支援されて、永久磁石３２ｖと極片３２ｔとは、図１５に示す第１の位置から、一体で軸線方向へと移動し、図１６に示す第２の位置へに到達し、永久磁石３２ｖは極片３２ｓに吸着することとなる。

同様に、第２の排気ポンプＰ２に異常が生じた場合にも、第２の排気通路３２ｙ内の気圧が所定値以上に上昇し、捕捉部３２ｍにおける圧力溜まり部３２ｐ内の気圧も上昇するので、周溝３２ｎとの間の差圧が減少する。それにより極片３２ｔを左方へとどめようとする力が減少し、更にコイルばね３４の付勢力に支援されて、永久磁石３２ｖと極片３２ｔとは、図１５に示す第１の位置から、一体で軸線方向へと移動し、図１６に示す第２の位置へに到達し、永久磁石３２ｖは極片３２ｓに吸着することとなる。

このとき、回転軸３は強磁性体であるので、磁石３２ｖ−極片３２ｓ−回転軸３−極片３２ｔ−磁石３２ｖという磁気回路が形成されることとなる。極片３２ｓ、３２ｔと回転軸３とのギャップは、０．０１〜０．５ｍｍ程度であるので、高い磁束密度の磁気回路が形成される。

回転軸３と極片３２ｓとの間に磁気回路の一部が形成されると、図１６に示すように、貯留部３２ｋの磁性流体ＭＬは、その磁力により吸引されて移動し、回転軸３と極片３２ｓとの間に架橋するようにして捕捉されるが、その表面張力により周方向全体に広がって一様な膜を形成する。かかる磁性流体ＭＬの膜により、回転軸３とハウジング３２の開口３２ａとの間が遮蔽され、プロセス室Ｐを大気側から隔離し真空度を維持することができるので、プロセス室Ｐにおいてワークの処理中であったとしても、それを損ねることが回避される。かかる動作は瞬時に行われるので、プロセス室Ｐへの空気の流入は僅かで済む。又、回転軸３を停止させる必要はなく、処理中のワークに与える影響も少ない。

なお、排気ポンプＰ１、Ｐ２が異常から復帰したときは、回転軸３と極片３２ｓとの間に捕捉されている磁性流体ＭＬは、吸引されて不図示の排出路から貯留部３２ｋへと戻されることで、図１５に示す状態に復帰する。また、前記第３の実施の形態と同様のリセット手段を併用すると好ましい。

図１７は、本実施の形態の変形例にかかる回転軸シール装置を示す断面図である。本変形例については、図１５，１６の実施の形態に対して、異なる点のみを説明し、共通する構成に関しては同じ符号を付すことで説明を省略する。

本変形例においては、ハウジング側に貯留部を設ける代わりに、回転軸側に貯留部を設けている。より具体的に説明すると、図７に示すように、回転軸１３は、外表面において平行に並んだ細い周溝状の貯留部１３ｂを形成している。各貯留部１３ｂ内には、磁性流体（不図示）が貯留されている。磁性流体は、通常の状態では、表面張力と粘性とにより、回転軸１３の回転に関わらず、貯留部１３ｂに留まるようになっている。隣接する貯留部１３ｂの間には、貯留部１３ｂよりも外径が大きいランド部１３ａが形成されている。具体的には、極片３２ｓ’と回転軸１３のランド部１３ａとのギャップは、０．０１〜０．５ｍｍ程度であり、極片３２ｓ’と回転軸１３の貯留部１３ｂとのギャップは、０．５〜５ｍｍ程度である。なお、ハウジング３２の周溝３２ｎ内に配置された極片３２ｓ’は、軸線方向に並んだ全てのランド部１３ａに対向できるように軸線方向幅が大きくなっている。即ち回転軸１３は、図７，８に示す構成と同様である。

通常動作時には、図１５，１６に示す実施の形態と同様に動作する。即ち、排気ポンプＰ１又はＰ２に異常が生じた場合、排気通路３２ｘ又は３２ｙ内の気圧が所定値以上に上昇し、捕捉部３２ｍにおける圧力溜まり部３２ｐ内の気圧も上昇するので、周溝３２ｎとの間の差圧が減少する。それにより極片３２ｔを左方へとどめようとする力が減少し、更にコイルばね３４の付勢力に支援されて、駆動手段である永久磁石３２ｖと極片３２ｔとは、一体で軸線方向（図で右方）へと移動し、永久磁石３２ｖは極片３２ｓに吸着することとなる。

このとき、回転軸１３は強磁性体であり、上述したようにランド部１３ａと極片３２ｓ’とが近接しているので、磁石３２ｖ−極片３２ｓ’−回転軸１３のランド部１３ａ−極片３２ｔ−磁石３２ｖという磁気回路が形成されることとなる。極片３２ｓ’、３２ｔと回転軸１３のランド部１３ａ又は表面とのギャップは、０．０１〜０．５ｍｍ程度であるので、高い磁束密度の磁気回路が形成される。

回転軸１３のランド部１３ａと極片３２ｓ’との間に磁気回路の一部が形成されると、各貯留部１３ｂの磁性流体は、その磁力により吸引されて移動し、最も近い回転軸１３のランド部１３ａと極片３２ｓ’との間に架橋するようにして捕捉されるが、その表面張力により周方向全体に広がって一様な膜を形成する。かかる磁性流体の複数（ここでは６枚）の膜により、回転軸１３とハウジング３２の開口３２ａとの間が強固に遮蔽され、プロセス室Ｐを大気側から隔離し真空度を維持することができるので、プロセス室Ｐにおいてワークの処理中であったとしても、それを損ねることが回避される。かかる動作は瞬時に行われるので、プロセス室Ｐへの空気の流入は僅かで済む。又、回転軸１３を停止させる必要はなく、処理中のワークに与える影響も少ない。排気通路１２ｘにおける圧力の上昇は、排気ポンプＰ２又はＰ３が異常となった場合にも生じ、或いはいずれかの排気ポンプまでの配管が損傷して大気が侵入した場合にも生じるため、同様な作用が期待できる。

排気ポンプＰ１が異常から復帰した場合、回転軸１３と極片３２ｓ’との間に捕捉されている磁性流体が、吸引されて不図示の排出路から貯留部１３ｂへと戻され、また永久磁石３２ｖと極片３２ｔとが図で左方へと移動される（そのためには、例えば第３の実施形態のリセット手段を併用すると容易に行えるので、好ましい。）ことで、図１７に示す状態に復帰する。なお、極片３２ｓ’、３２ｔは必ずしも必須ではなく、これを省略し、磁石３２ｖのみを貯留部１３ｂの近傍に移動させて、回転軸１３との間に磁気回路を直接形成しても良い。

図１８，１９は、第５の実施の形態にかかる回転軸シール装置の断面図である。本実施の形態は、以上述べた実施の形態と異なり、異常時に磁石を半径方向に移動させている。図１８において、ハウジング（真空チャンバともいう）４２は、不図示のターボ分子ポンプに接続され、高真空状態に維持されるプロセス室Ｐを、その内部に有している。ハウジング４２の一面に設けられた開口４２ａに、回転軸３が挿入されている。回転軸３は、不図示の軸受により、ハウジング４２に対して回転自在に支持されている。なお、回転軸３は、強磁性体（ＳＵＳ４３０，ＳＵＳ４４０Ｃ、ＳＵＳ６３０等）から形成されているものとする。

開口４２ａには、外部の大気側より順に、捕捉部４２ｍ、磁性流体ＭＬを貯留する周溝である貯留部４２ｋ、第２オリフィス部４２ｆ、周溝である差圧室４２ｇ、第１オリフィス部４２ｈが形成され又は配置されている。なお、磁性流体ＭＬは、通常の状態では、表面張力と粘性とにより、ハウジング４２の姿勢に関わらず、貯留部４２ｋに留まるようになっている。オリフィス部４２ｆ、４２ｈと、回転軸３との間のスキマは１０μｍ程度に維持される。

差圧室４２ｇは、排気通路４２ｘを介して外部の排気ポンプＰ１に接続されている。排気通路４２ｘの一部は分岐して、ハウジング４２の側壁に開口（すなわち吸引開口４２ｐ）している。圧力溜まり部４２ｐの周囲に形成された周溝内に、Ｏ−リングＯＲが配置されている。

捕捉部４２ｍは、開口（吸引開口ともいう）４２ａを覆うようにして一対の環状の極片４２ｓ、４２ｔと、移動可能に配置された駆動手段である磁石４２ｖとからなる。より具体的には、ハウジング４２の側面に取り付けられた極片４２ｔに対して、極片４２ｓは支柱４５を介して隔置配置されている。両者の間隔は、磁石４２ｖの厚さより大きく設定されている。具体的には、両者間に磁石４２ｖが係止されたときに、磁石４２ｖとのすきまがそれぞれ０．０１〜１ｍｍ程度となるように設定されている。又、ハウジング４２から、極片４２ｓ、４２ｔの間に向かって垂直方向に延在するガイド軸４６が設けられており、非磁性体であると好ましいガイド軸４６は、平板状の磁石４２ｖを貫通している。従って、磁石４２ｖは、ガイド軸４６にガイドされつつ鉛直方向に移動自在となっている。なお、極片４２ｓ、４２ｔの少なくとも一方の側面には、磁石４２ｖを係止するストッパ部ＳＴを設けると好ましい。

捕捉部４２ｍの極片４２ｓ、４２ｔは、それぞれ強磁性体（ＳＵＳ４３０，ＳＵＳ４４０Ｃ、ＳＵＳ６３０等）から形成されているものとする。永久磁石４２ｖの種類は問わないが、フェライト磁石、アルニコ磁石、サマリウムコバルト磁石、ネオジウム磁石、マンガンアルミ磁石等が好適に用いられる。なお、図１８に示す通常の動作時には、各極片４２ｓ、４２ｔと回転軸３との間には磁気回路が形成されていないので、磁性流体ＭＬは貯留部４２ｋに貯留されたままとなる。

次に、本実施の形態にかかる回転軸シール装置の動作について説明する。回転軸３の図で右端部は、モータ等の駆動源（不図示）に接続されており、回転軸３を回転駆動するようになっている。このとき、回転軸３は、不図示の軸受により回転自在に支持されているので、摩擦などの抵抗が少ない状態で、ハウジング４２に対して回転可能となっている。

このとき、排気ポンプＰ１の吸引力により、排気通路４２ｘ内が負圧になるので、それに連通した圧力溜まり部４２ｐも負圧になるので、磁石４２ｖの平面である側面は、圧力溜まり部４２ｐを遮蔽するようにしてハウジング４２の側壁に密着し固定され、Ｏ−リングＯＲにより密封されることで、差圧室４２ｇの負圧状態は保たれる。

差動排気シールの作用について説明すると、オリフィス部４２ｆ、４２ｈにおいて、開口４２ａと回転軸３とのクリアランスを極力小さくして気体の流れを制限すると、大気側から流入する気体（一般的にはエア）の量が少なくなる。流入するガスのほとんどの量を差圧室４２ｇから排気すると、プロセス室Ｐ側への気体の流入は極めて微量となる。したがって、回転軸３が回転（又は直動）自在に開口４２ａを貫通しているにもかかわらず、プロセス室Ｐは気密的に隔離された状態を得ることができる。即ち、非接触状態で回転軸３とハウジング４２との間を気密できるため、シールからの発塵・アウトガスがなく、長寿命で、さらに温度に寿命が依存しないという特長を有する。

ここで、図１８において、排気ポンプＰ１に異常が生じ、排気通路１２ｘ内の圧力が所定値以上に上昇したものとする。すると、排気通路４２ｘ内の気圧が上昇し、捕捉部４２ｍにおける圧力溜まり部４２ｐ内の気圧も上昇するので、永久磁石４２ｖの吸引力が低下し、永久磁石４２ｖは自重によりガイド軸４６に沿って、図１８に示す第１の位置から、鉛直方向下方へと移動し、図１９に示す第２の位置へと至り、極片４２ｓ、４２ｔの側面に設けられたストッパ部ＳＴに当接する。

このとき、回転軸３は強磁性体であるので、磁石４２ｖ−極片４２ｓ−回転軸３−極片４２ｔ−磁石４２ｖという磁気回路が形成されることとなる。極片４２ｓ、４２ｔと回転軸３とのギャップは、０．０１〜０．５ｍｍ程度であるので、高い磁束密度の磁気回路が形成される。

回転軸３と極片４２ｔとの間に磁気回路の一部が形成されると、図１９に示すように、貯留部４２ｋの磁性流体ＭＬは、その磁力により吸引されて移動し、回転軸３と極片４２ｓとの間に架橋するようにして捕捉されるが、その表面張力により周方向全体に広がって一様な膜を形成する。かかる磁性流体ＭＬの膜により、回転軸３とハウジング４２の開口４２ａとの間が遮蔽され、プロセス室Ｐを大気側から隔離し真空度を維持することができるので、プロセス室Ｐにおいてワークの処理中であったとしても、それを損ねることが回避される。かかる動作は瞬時に行われるので、プロセス室Ｐへの空気の流入は僅かで済む。又、回転軸３を停止させる必要はなく、処理中のワークに与える影響も少ない。

なお、排気ポンプＰ１が異常から復帰したときは、回転軸３と極片４２ｓとの間に捕捉されている磁性流体ＭＬが、吸引されて不図示の排出路から貯留部４２ｋへと戻され、且つ磁石４２ｖが上昇されることで、図１５に示す状態に復帰する。なお、ガイド軸４６は、鉛直方向のみならず、その他の方向に延在させても良い。かかる場合、永久磁石４２ｖを極片４２ｓ、４２ｔに向かって付勢するばね部材を設けることが望ましい。

以上、本発明を実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定して解釈されるべきではなく、適宜変更・改良が可能であることはもちろんである。

第１の実施の形態にかかる回転軸シール装置の断面図である。 第１の実施の形態にかかる回転軸シール装置の断面図である。 第１の実施の形態にかかる回転軸シール装置の断面図である。 第２の実施の形態にかかる回転軸シール装置の断面図である。 第２の実施の形態にかかる回転軸シール装置の断面図である。 本実施の形態の変形例にかかる回転軸シール装置を示す断面図である。 図６の構成の矢印VII部を拡大して示す図（通常動作時）である。 図６の構成の矢印VII部を拡大して示す図（異常時）である。 第３の実施の形態にかかる回転軸シール装置の断面図である。 第３の実施の形態にかかる回転軸シール装置の断面図である。 第３の実施の形態にかかる回転軸シール装置の断面図である。 第３の実施の形態にかかる回転軸シール装置の断面図である。 第３の実施の形態にかかる回転軸シール装置の断面図である。 第３の実施の形態にかかる回転軸シール装置の断面図である。 第４の実施の形態にかかる回転軸シール装置の断面図である。 第４の実施の形態にかかる回転軸シール装置の断面図である。 本実施の形態の変形例にかかる回転軸シール装置を示す断面図である。 第５の実施の形態にかかる回転軸シール装置の断面図である。 第５の実施の形態にかかる回転軸シール装置の断面図である。

符号の説明

２ ハウジング
２ａ 開口
２ｂ 第４のオリフィス部
２ｃ 第３の差圧室
２ｄ 第３のオリフィス部
２ｅ 第２の差圧室
２ｆ 第２のオリフィス部
２ｇ 第１の差圧室
２ｈ 第１のオリフィス部
２ｊ 圧力溜まり部
２ｋ 貯留部
２ｍ 捕捉部
２ｎ 周溝
２ｓ 極片
２ｔ 極片
２ｖ 永久磁石
２ｗ 通路
３ 回転軸
１２ ハウジング
１２ａ 開口
１２ｂ 第４のオリフィス部
１２ｃ 第３の差圧室
１２ｄ 第３のオリフィス部
１２ｅ 第２の差圧室
１２ｆ 第２のオリフィス部
１２ｇ 第１の差圧室
１２ｈ 第１のオリフィス部
１２ｋ 貯留部
１２ｍ 捕捉部
１２ｎ 周溝
１２ｐ 圧力溜まり部
１２ｓ 極片
１２ｔ 極片
１２ｕ スベリ軸受
１２ｖ 永久磁石
１２ｘ 第１の排気通路
１２ｙ 第２の排気通路
１２ｚ 第３の排気通路
１３ 回転軸
１３ａ ランド部
１３ｂ 貯留部
２２ ハウジング
２２ａ 開口
２２ｄ 第３のオリフィス部
２２ｅ 第２の差圧室
２２ｆ 第２のオリフィス部
２２ｇ 第１の差圧室
２２ｈ 第１のオリフィス部
２２ｋ、２２ｋ’ 貯留部
２２ｍ、２２ｍ’ 捕捉部
２２ｎ、２２ｎ’ 周溝
２２ｐ、２２ｐ’ 圧力溜まり部
２２ｓ、２２ｓ’ 極片
２２ｔ、２２ｔ’ 極片
２２ｕ，２２ｕ’ スベリ軸受
２２ｖ、２２ｖ’ 永久磁石
２２ｘ 第１の排気通路
２２ｙ 第２の排気通路
２３ｋ、２３ｋ’ 供給通路
２３ｎ，２３ｎ’ 工具孔
２３ｐ、２３ｐ’ ばね室
２５、２５’ 蓋部材
３２ ハウジング
３２ａ 開口
３２ｄ 第３のオリフィス部
３２ｅ 第２の差圧室
３２ｆ 第２のオリフィス部
３２ｇ 第１の差圧室
３２ｈ 第１のオリフィス部
３２ｋ 貯留部
３２ｋ 圧力溜まり部
３２ｍ 捕捉部
３２ｎ 周溝
３２ｐ 圧力溜まり部
３２ｓ 極片
３２ｔ 極片
３２ｕ スベリ軸受
３２ｖ 永久磁石
３２ｘ 第１の排気通路
３２ｙ 第２の排気通路
３３ｐ ばね室
４２ ハウジング
４２ａ 開口
４２ｆ 第２のオリフィス部
４２ｇ 差圧室
４２ｈ 第１のオリフィス部
４２ｋ 貯留部
４２ｋ 貯留部
４２ｍ 捕捉部
４２ｐ 圧力溜まり部
４２ｓ 極片
４２ｔ 極片
４２ｖ 永久磁石
４２ｘ 排気通路
４５ 支柱
４６ ガイド軸
ＭＬ 磁性流体
ＯＲ Ｏ−リング
Ｐ プロセス室
Ｐ１ 排気ポンプ
Ｐ２ 排気ポンプ
Ｐ３ 排気ポンプ
ＳＴ ストッパ部
Ｔ 工具

Claims (7)

1. 内部が外部と異なる環境に維持されたハウジングの開口を介して、前記ハウジングの外部から内部へと延在する回転軸を、前記開口に対して密封する回転軸シール装置において、
   前記回転軸の周囲に形成されたオリフィス部と、排気通路を介して排気ポンプに接続された差圧室とを含む差動排気シールと、
   磁性流体を貯留する貯留部と、
   前記排気通路内の圧力が上昇したことに応じて、前記貯留部から磁性流体を移動させる駆動手段と、
   前記開口と前記回転軸との間に磁気回路を形成することにより、移動した磁性流体を、前記開口と前記回転軸との間で架橋するように捕捉する捕捉部とを有することを特徴とする回転軸シール装置。
2. 前記駆動手段は、前記差圧室の近傍に配置された圧力溜まり部と、前記圧力溜まり部と前記貯留部とを連通する通路とを含むことを特徴とする請求項１に記載の回転軸シール装置。
3. 前記駆動手段は、前記貯留部の近傍に配置された極片と、前記排気通路内の圧力が所定値未満の場合には前記極片より離れた第１の位置に保持され、前記排気通路内の圧力が所定値以上となったときに前記極片に近接する第２の位置へと移動する磁石とを含むことを特徴とする請求項１に記載の回転軸シール装置。
4. 前記磁石は、前記排気通路内の圧力を用いて前記第１の位置に保持されており、前記排気通路内の圧力が所定値以上となったときに、前記極片との間に作用する磁力により前記第２の位置へと移動することを特徴とする請求項３に記載の回転軸シール装置。
5. 前記磁石は、前記第１の位置に保持されているときに、前記排気通路に連通する吸引開口を遮蔽することを特徴とする請求項３又は４に記載の回転軸シール装置。
6. 前記磁石を前記第２の位置へと付勢する弾性手段を有することを特徴とする請求項３〜５のいずれかに記載の回転軸シール装置。
7. 前記第２の位置へと移動した磁石を、前記第１の位置へと戻すリセット手段が設けられていることを特徴とする請求項３〜６のいずれかに記載の回転軸シール装置。
   
   
   

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