JP2007010030A5 - - Google Patents

Description

磁性流体シール装置

この発明は、回転軸を磁性流体を用いてシールする磁性流体シール装置に関する。

磁性流体シール装置は、例えば、圧力の異なる雰囲気や真空室内などの特殊環境下へ回転駆動力を伝達するための最適な装置である。
特に、同軸上で２軸回転する磁性流体シール装置（以下、２軸回転磁性流体シール装置と称する）は、半導体ウェーハに対して真空中で各種のプロセス処理をする半導体製造装置、Ｘ線回折装置、及び真空中で基板等を搬送する真空搬送ロボットなどの回転駆動用部品として広く適用される。

図５は、従来技術として知られている２軸回転磁性流体シール装置の概略構成を示す側面断面図である。
同図に示すように、２軸回転磁性流体シール装置１は、２軸が同軸状に挿入される軸受孔２を内部に有する非磁性材料からなる円筒状のケース１０を備えている。また、ケース１０の内周面に設けた一対の外側軸受１１により回転自在に支持され、非磁性材料からなる円筒状の外側回転軸２０を備えている。さらに、外側回転軸２０の中空部内周面に一対の内側軸受２１設けて回転自在に支持され、磁性材料で中間部３１と一体に製作される円柱状の内側回転軸３０又は中間部３１を磁性材料で覆った非磁性材料で円柱状の内側回転軸３０を含む構成である。
なお、磁性材料とは、磁石や電流などの磁場により磁化しやすい性質をもつ材料であり、逆に非磁性材料は、磁化しにくい性質をもつ材料である。

ケース１０と外側回転軸２０との間には、磁性材料からなる外側磁性部材１２を設け、同様に、外側回転軸２０と内側回転軸３０との間にも内側磁性部材２２を設けている。また、外側磁性部材１２の対向面には、外側回転軸２０の外周面を覆う磁性材料からなる外側回転軸中間部２８を備えた構成である。各磁性部材１２、２２の中間部には、磁極面を軸方向に向けた状態でそれぞれ磁石１３、２３が設けられている。各磁性部材１２、２２の内周面には、断面三角形状の凸部１４、２４が軸方向に並べて形成してある。

外側磁性部材１２の内周面と外側回転軸中間部２８の外周面との間、および内側磁性部材２２の内周面と内側回転軸３０の中間部３１外周面との間は、それぞれに微小隙間が形成してあり、この微小隙間に磁性流体（図示せず）が充填してある。磁性流体は、強磁性超微粒子が安定に分散した液体であり、磁石１３、２３の磁場の影響で磁化される性質をもつ材料である。

磁石１３、２３から発生する磁力は、透磁率の高いルートを通り、しかも最短距離を通過して反対極へ向かう性質を持つため、各磁性部材１２、２２の磁石周辺域を磁化させ、一定の磁気の流れを形成させる。ここで、各磁性部材１２、２２の内周面に設けた凸部１４、２４の周囲の微小隙間部分は透磁率が小さい。さらに、凸部１４、２４は、磁力ルートにおける断面積が縮小されているので、凸部１４、２４部分の磁束密度が高くなる。このため、磁力はこの凸部１４、２４へ集まることとなり、よって、凸部１４、２４の先端に磁性流体が引き寄せられて保持される。
このようにして、磁石１３は、磁化された外側磁性部材１２、磁性流体、および外側回転軸中間部２８を経由した外側磁気回路１５を形成させる。また、磁石２３は、磁化された内側磁性部材２２、磁性流体、および内側回転軸３０の中間部３１を経由した内側磁気回路２５を形成させる。その結果、磁性流体が凸部１４、２４と各回転軸２０、３０の外周面との間に保持されるため、これら各回転軸２０，３０と外側磁性部材１２及び内側磁性部材２２の間の微小隙間を磁性流体が非接触でシールすることができる。

さて、２軸回転磁性流体シール装置は、前述したように非磁性体からなるケースと外側回転軸が、外側磁性部材と内側磁性部材の外周面とにそれぞれ接触している。各磁性部材に介在させた磁石による磁場は、この非磁性体により遮断されるため、各磁性部材の外周面方向には磁気回路が形成されない。したがって、磁気回路は、一つの磁石から一方向だけに形成されることとなる。
このような構成の場合、複数の回転軸に対して、それぞれ磁気回路を形成するための磁石が別個に必要となるため、部品点数が多く構造が複雑化するとともに、装置が大形化する問題があった。

この発明は、このような従来技術の問題を解決するためになされたもので、外形寸法を小さくし、かつ部品点数を少なくした磁性流体シール装置の提供を目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、軸受孔が形成され、当該軸受孔の内周面に外側軸受を備えたケースと、軸受孔内で前記外側軸受により回転自在に支持される円筒状の外側回転軸と、この外側回転軸の中空部内周面に設けられた内側軸受と、外側回転軸の中空部内で前記内側軸受により回転自在に支持される内側回転軸と、を含む２軸回転構造において、外側回転軸に磁石を設け、当該磁石から発生する磁力をもって、ケースを経由する外側磁気回路と、内側回転軸を経由する内側磁気回路とを形成し、外側磁気回路の形成領域であって、前記ケースと前記外側回転軸との間の微小隙間に磁性流体を充填するとともに、内側磁気回路の形成領域であって、外側回転軸と内側回転軸との間の微小隙間に磁性流体を充填したことを特徴とする。
ここで、ケース、外側回転軸、および内側回転軸は、それ自身が直接、磁気回路を形成することを可能とするために、磁性材料で製作される。これにより、装置の小形化や部品点数の低減を図ることができる。

外側回転軸に設けた磁石は、外側回転軸と内側回転軸の２軸に対して磁気回路をそれぞれ形成させる。形成された磁気回路により、磁性流体を微小隙間に保持し非接触で二つの回転軸をそれぞれシールさせる。このように、本発明によれば、外側回転軸に設けた磁石が、２軸に対する磁気回路を形成するので、装置部品点数の削減、構造の簡素化、および装置の小形化を図ることができる。

また、外側磁気回路の形成領域であって磁性流体の充填部分は、ケースの内周面または外側回転軸の外周面に複数の凸部が並べて形成してある構成とする。さらに、内側磁気回路の形成領域であって磁性流体の充填部分は、外側回転軸の内周面または内側回転軸の外周面に複数の凸部が並べて形成してある構成とする。

磁力は透磁率の高い経路を通過するため、それぞれに設けられた凸部は、磁石からの磁力を集中させることができ、磁性流体を凸部の先端に引き寄せる。その結果、外側回転軸や内側回転軸は、磁力により保持される磁性流体で強力にシールされて、耐圧性の優れた非接触の回転軸シールを可能とする。

外側回転軸には、内周面または外周面に開口する環状の磁石埋設溝が径方向に掘り下げて形成してあり、当該磁石埋設溝の内部に磁石を配置するとともに、磁石埋設溝の形成部分は、前記外側回転軸の肉厚が薄い磁力飽和領域を形成していることが好ましい。

磁石埋設溝の底部は薄肉のため磁力通過方向の断面積が小さいので、磁力が通過しにくく、少ない磁力の通過ですぐに飽和状態となる。したがって、磁石で発生した磁力の多くを内側回転軸方向へ向けさせることができ、強力な磁気回路を形成させることができる。外側回転軸は、磁力飽和領域によって軸方向に連結されているため、一個の部品として加工でき、よって部品点数が削減され、製作コストを低減することができる。

以上説明したように、本発明によれば、寸法を小形化し、部品点数を少なくした回転中心を同一とした２軸の磁性流体シール装置を提供することができる。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に係る２軸回転磁性流体シール装置の概略構成を示す側面断面図である。
なお、本実施形態において、先に示した従来技術と同一部分または相当する部分には同一符号を付し、その部分の詳細な説明は省略する。

図１に示すように、ケース１０は、周面が円筒状で、内部に外側回転軸２０と内側回転軸３０の２軸が同軸状に挿入できる軸受孔２を有し、内周面には所定箇所に凸部１４を軸方向に並べて設けてある。ケース１０は、磁化されやすい磁性材料で形成してある。

外側回転軸２０は、ケース１０の軸受孔２内に挿入して、ケース１０の内周面に設けた外側軸受１１により回転自在に軸支されている。外側回転軸２０は、ケース１０と同様に磁性材料であり、内周面の所定箇所に凸部２４が軸方向に並べて設けてある。内側回転軸３０は、外側回転軸２０の軸受孔２ａ内に挿入して、軸受孔２ａの内周面に設けた内側軸受２１により回転自在に軸支されている。この内側回転軸３０は、軸方向に延びる各軸部３２、３３とその中間部３１とが一体となった構造で、磁性材料により製作される。さらに、外側回転軸２０の外周面とケース１０の内周面の所定箇所に設けてある凸部１４との間、外側回転軸２０の内周面の所定箇所に設けてある凸部２４と内側回転軸３０の中間部３１の外周面との間には、それぞれ微小隙間を設けてあり、その微小隙間に磁性流体が充填してある。

ケース１０の内周面と外側回転軸２０の内周面とに設けたそれぞれの凸部１４、２４は、山形状に形成してあり、その先端への磁力の集中を容易にし、周辺に充填してある磁性流体を引き寄せ保持する機能を有している。

図２は、図１に示した２軸回転磁性流体シール装置の要部構造を示す拡大側面断面図である。
同図に示すように、外側回転軸２０の外周面には、環状の磁石埋設溝２６が径方向に掘り下げて形成してある。磁石埋設溝２６は、外側回転軸２０の内周面近くまで深く掘り下げてあり、内部に磁石２３が挿入される。磁石埋設溝２６の底部は磁力飽和領域２７を形成している。この磁力飽和領域２７は、外側回転軸２０の肉厚が薄い状態となっており、しかも対向する内側回転軸３０の中間部３１との間に隙間２７ａが形成してある。この隙間２７ａ内は透磁率が小さい。よって、磁力飽和領域２７では、軸方向に形成される磁気回路がすぐに飽和状態となり、それ以上の磁力のロスを防ぐことができる。
なお、本実施形態では、磁石埋設溝２６を外側回転軸２０の外周面に設けたが、逆に外側回転軸２０の内周面に設けた構成であってもよい。

外側回転軸２０は、このような構成を採用することにより、磁力飽和領域２７で軸方向に連結されているため、一つの部品として加工することができる。

外側回転軸２０に挿入される磁石２３は、磁極面を軸方向に向けて挿入される。
挿入される磁石２３は、周辺にある磁性材料や磁性流体を磁化させて磁気回路を形成するため、一定以上の磁力が要求される。このため、磁石２３は、例えばネオジウム鉄ボロン系，ネオジウム鉄系などの強力な磁力を発する材料を適用することが好ましい。また、磁石埋設溝２６の容量を変化させて、磁石２３の体積を必要に応じて増減し、磁力を強力にすることもできる。

磁石２３は、ケース１０を経由する外側磁気回路１５と、内側回転軸３０の中間部３１を経由する内側磁気回路２５と、の二つの磁気回路を形成する。
外側磁気回路１５は、磁石２３から発した磁力によって形成される磁場内において、ケース１０、磁性流体、外側回転軸２０をそれぞれ磁化させて、磁性流体を微小隙間に保持させる。ここで、隙間部分に存在する磁性流体は、高い磁束密度を形成している凸部１４が微小隙間をいっそう狭小としているため、磁力が凸部１４に集中し、その結果、凸部１４の先端に磁性流体が引き寄せられて、その部分で保持される。
なお、磁力の集中がおきる凸部は、図示のように、断面三角形状または山形状に限定されるものではなく、磁性流体を封じ込める場所の断面積が縮小される構造であればよい。

内側磁気回路２５は、磁石２３から発した磁力が磁力飽和領域２７によって飽和されてその周囲に広がることで形成される。すなわち、磁石２３は、その磁場内において外側回転軸２０、磁性流体、内側回転軸３０をそれぞれ磁化させて、磁性流体を微小隙間に保持させる。

各磁気回路１５、２５によって凸部１４、２４の先端に引き寄せられた磁性流体は、ケース１０と外側回転軸２０との間の微小隙間（第一の微小隙間）、外側回転軸２０と内側回転軸３０との間の微小隙間（第二の微小隙間）をそれぞれシールする。その結果、回転軸を非接触でシールすることができ、耐圧性の優れた磁性流体シール装置を実現できる。

以上のような構成にすることで、外側回転軸２０に埋設した磁石２３だけで、外側回転軸２０と内側回転軸３０の双方を磁性流体を用いてシールすることができ、部品点数の削減とともに装置の小型化を実現することができる。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、必要に応じて種々の応用実施または変形実施が可能であることは勿論である。例えば、本実施形態では、ケース１０、外側回転軸２０に磁性材料を適用して一体形成しているが、磁性材料を磁石２３の周辺にだけ設けた構成としてもよい。

《変形例１》
図３は、本発明の変形例を示す要部拡大断面図である。
同図に示す構成では、外側回転軸２０に、磁石を２個並べて埋設してある。すなわち、外側回転軸２０に磁石埋設溝２６を同軸方向に一定間隔をあけて２箇所に設け、２個の磁石２３を同一磁極面が対向するように埋め込んである。この構成によれば、外側磁気回路１５と内側磁気回路２５とを、軸方向の２箇所に形成することができる。同一極面が対向した間の磁力は互いに反発しあうため、外側回転軸２０の外周面や内周面方向に磁束が極所的に分布して磁性流体を引き寄せることが可能となる。したがって、より強力な磁場が形成されて磁性流体の保持力を向上させることができる。
上述した変形例１の構成では、複数の磁石を使用しているが、そのいずれも外側回転軸２０に埋設してあるため、装置が大型化することはなく、しかもケース１０と内側回転軸３０の構造が簡素化されるため全体として製作が容易となる利点がある。

《変形例２》
図４は、本発明の他の変形例を示す要部拡大側面断面図である。
同図に示す構成は、外側回転軸２０の外周面と内周面の双方から磁石埋設溝２６を形成し、各磁石埋設溝２６内に磁石２３を磁極面同一方向に向けて埋め込んである。各磁石埋設溝２３に挟まれた外側回転軸２０の中間壁部は、薄肉の磁力飽和領域２７を形成している。各磁石２３から発生した磁力は、磁石飽和領域２７を挟んで反発し合うため、対向面側へは磁力が進みにくくなる。よって、外側磁気回路１５および内側磁気回路２５を形成する磁力をいっそう強めることが可能となる。
上述した変形例２の構成でも、変形例１と同様、複数の磁石を使用しているが、そのいずれも外側回転軸２０に埋設してあるため、装置が大型化することはなく、しかもケース１０と内側回転軸３０の構造が簡素化されるため全体として製作が容易となる利点がある。

なお、上記各変形例１、２では磁石を二個使用したが、この構成に限定されるわけでない。磁性流体シール装置は、要求される磁束密度に応じて、任意数の磁石埋設溝２６を設け、それぞれに磁石２３をはめ込む構成とすることができる。

本発明の実施形態に係る２軸回転磁性流体シール装置の概略構成を示す側面断面図である。 図１に示した２軸回転磁性流体シール装置の要部構造を示す拡大側面断面図である。 本発明の変形例を示す要部拡大側面断面図である。 本発明の他の変形例を示す要部拡大側面断面図である。 従来技術の２軸回転磁性流体シール装置の概略構成を示す側面断面図である。

符号の説明

１：２軸回転磁性流体シール装置、２：軸受孔
１０：ケース、１１：外側軸受、１２：外側磁性部材、１３、２３：磁石
１４、２４：凸部、１５：外側磁気回路、
２０：外側回転軸、２１：内側軸受、２２：内側磁性部材、２５：内側磁気回路、
２６：磁石埋設溝、２７：磁力飽和領域、２７ａ：隙間、２８：外側回転軸中間部
３０：内側回転軸、３１：中間部

Claims (5)

1. 軸受孔が形成され、当該軸受孔の内周面に外側軸受を備えたケースと、
   前記軸受孔内で前記外側軸受により回転自在に支持される円筒状の外側回転軸と、
   前記外側回転軸の中空部内周面に設けられた内側軸受と、
   前記外側回転軸の中空部内で前記内側軸受により回転自在に支持される内側回転軸と、を含む２軸回転構造において、
   前記外側回転軸に形成された磁石埋設溝と、
   前記磁石埋設溝に挿入された磁石と、
   前記ケースと前記外側回転軸との間に形成され、磁性流体が充填してある第一の微小隙間と、
   前記外側回転軸と前記内側回転軸との間に形成され、磁性流体が充填してある第二の微小隙間とを備え、
   前記磁石は、前記ケース、前記第一の微小隙間に充填された磁性流体、及び前記外側回転軸を、それぞれ磁化させて外側磁気回路を形成するとともに、
   更に、前記磁石は、前記外側回転軸、前記第二の微小隙間に充填された磁性流体、及び前記内側回転軸を、それぞれ磁化させて内側磁気回路を形成する構成の磁性流体シール装置。
2. 前記ケース、外側回転軸、および内側回転軸は、少なくとも前記外側磁気回路または内側磁気回路の形成領域を磁性材料で構成してある請求項１の磁性流体シール装置。
3. 前記外側磁気回路の形成領域であって前記磁性流体の充填部分は、前記ケースの内周面または前記外側回転軸の外周面に複数の凸部が平行に並べて形成してある請求項１または２の磁性流体シール装置。
4. 前記内側磁気回路の形成領域であって前記磁性流体の充填部分は、前記外側回転軸の内周面または前記内側回転軸の外周面に複数の凸部が平行に並べて形成してある請求項１乃至３のいずれか１項に記載の磁性流体シール装置。
5. 前記外側回転軸には、内周面または外周面に開口する環状の磁石埋設溝が径方向に掘り下げて形成してあり、当該磁石埋設溝の内部に前記磁石を配置するとともに、
   前記磁石埋設溝の形成部分は、前記外側回転軸の肉厚が薄い磁力飽和領域を形成している請求項１乃至４のいずれか１項に記載の磁性流体シール装置。