JP2008208785A - ターボ分子ポンプおよびタッチダウン軸受装置 - Google Patents

Abstract

【課題】寿命が長くて、回転速度が高い軸であっても、軸を所定回数確実に支持することができるタッチダウン軸受装置およびタッチダウン軸受装置の寿命が長いターボ分子ポンプを提供することにある。
【解決手段】タッチダウン軸受装置１０を、ハウジング２に固定された外輪３１と、外輪３１に径方向に対向する内輪３３と、径方向において外輪３１と内輪３３との間に配置された中間輪３２と、外輪３１と中間輪３２との間に配置された第１の玉３４と、中間輪３２と内輪３３との間に配置された第２の玉３５とで構成する。タッチダウン軸受装置１０は、磁気軸受が正常に動作しているときには、回転軸３と内輪３３とが非接触な状態である一方、磁気軸受が正常に動作していないときには、回転軸３を、内輪３３で支持することによって、回転軸３をハウジング２に対して支持するようになっている。
【選択図】図２

Description

本発明は、ターボ分子ポンプに関する。また、本発明は、ターボ分子ポンプや、真空ポンプ等に使用されるタッチダウン軸受装置に関する。

従来、ターボ分子ポンプとしては、特開２００４−１１６５５８号公報（特許文献１）に記載されているものがある。

このターボ分子ポンプは、回転軸、ハウジング、磁気軸受およびタッチダウン軸受としての玉軸受を備える。上記磁気軸受は、電磁石を有し、通常運転時において、上記回転軸を磁気的に非接触に支持している。

一方、上記玉軸受は、内輪、外輪および玉を有している。上記外輪は、ハウジングの内周面に内嵌されて配置されている一方、上記内輪は、上記磁気軸受が正常に動作しているときには、上記回転軸に対して非接触な状態になっている。

上記玉軸受は、上記磁気軸受の制御の操作ミス（人為的ミス）時や停電等によって、上記磁気軸受が正常に動作しなくなったときに、回転軸の外周面を、内輪の内周面で受けて、回転軸をハウジングに対して機械的に支持するようになっている。

上記ターボ分子ポンプにおいては、上記磁気軸受が制御不能になっている場合には、回転軸に振れが生じているから、上記回転軸が、上記玉軸受の内輪に片当たりする。また。タッチダウン時においては、上記玉軸受は、内輪の回転速度が、回転軸との摩擦によって、停止状態から一瞬にしてロータの高い回転速度付近まで急激に急加速される。このため、タッチダウン時において、軌道輪と玉との間に大きな摩擦力が発生し、玉が軌道輪に対してロックし易くて、玉および軌道輪に焼付きが発生し易く、玉軸受の寿命が短くなることを避けがたいという問題がある。また、玉によって軌道輪が摩耗し、回転軸とハウジングとの近接した部分が接触することもある。また、ターボ分子ポンプにおいて、現在よりも速い回転速度において、タッチダウンできるタッチダウン軸受装置が所望されている。
特開２００４−１１６５５８号公報

そこで、本発明の課題は、タッチダウン軸受装置の寿命が長いターボ分子ポンプを提供することにある。また、本発明の課題は、寿命が長くて、回転速度が高い回転軸であっても、回転軸を所定回数で確実に支持することができるタッチダウン軸受装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、この発明のターボ分子ポンプは、
軸と、
上記軸に径方向に間隔をおいて対向するハウジングと、
上記軸を上記ハウジングに対して磁気的に非接触支持する磁気軸受と、
上記ハウジングと、上記軸との間に配置されると共に、上記磁気軸受が正常に動作していないときに、上記軸を機械的に支持するタッチダウン軸受装置と、
上記ハウジングに対して上記軸を相対回転駆動するモータと
を備え、
上記タッチダウン軸受装置は、
上記ハウジングに固定されると共に、軌道面を有する第１軌道部材と、
上記第１軌道部材に隙間を介して対向すると共に、軌道面を有する第２軌道部材と、
上記第１軌道部材と上記第２軌道部材との間に配置されると共に、上記第１軌道部材の上記軌道面に対向する第１軌道面と、上記第２軌道部材の上記軌道面に対向する第２軌道面とを有する中間軌道部材と、
上記第１軌道部材の上記軌道面と上記中間軌道部材の上記第１軌道面との間に配置された第１転動体と、
上記中間軌道部材の上記第２軌道面と上記第２軌道部材の上記軌道面との間に配置された第２転動体と
を有し、
上記磁気軸受が正常に動作しているときには、上記軸と上記第２軌道部材とが非接触な状態である一方、上記磁気軸受が正常に動作していないときには、上記軸を上記第２軌道部材で支持することによって、上記軸を上記ハウジングに対して支持するようになっていることを特徴としている。

上記ハウジングを、ケースおよびケースに対して相対移動しない部材として定義する。また、上記軸は、モータのロータとなっていて、上記軸が、モータの一部を構成していても良い。また、上記軸と、上記モータのロータとが、別部材であっても良い。例えば、上記モータのロータが、輪状の部材であって、上記輪状のロータが、上記軸の外周面に固定される形式であっても良い。

また、上記および以下の第１、第２、中間軌道部材は、軌道輪そのものであってもよいし、軌道輪に別部材を取り付けたものであっても良い。

本発明によれば、第２軌道部材が、軸に接触することによって、軸からの荷重を、第２軌道部材、第２転動体、中間軌道部材、第１転動体、および、第１軌道部材を介してハウジングで受けるようになっているから、タッチダウン時において、第１軌道部材に対する中間軌道部材の回転速度と、中間軌道部材に対する第２軌道部材の回転速度とを、ともに、タッチダウン時の軸の回転速度の半分程度の回転速度まで急激に低減することができる。

したがって、タッチダウン時において、第１軌道部材に対する中間軌道部材の回転速度を、従来のタッチダウン軸受における外輪に対する内輪の回転速度と比較して、１／２程度まで大幅に低減できるから、第１転動体が、第１軌道部材および中間軌道部材のうちの少なくとも一方に対してロックすることを抑制できる。また、中間軌道部材に対する第２軌道部材の回転速度を、従来のタッチダウン軸受における外輪に対する内輪の回転速度と比較して、１／２程度まで大幅に低減できるから、第２転動体が、中間軌道部材および第２軌道部材のうちの少なくとも一方に対してロックすることを抑制できる。したがって、従来のターボ分子ポンプと比較して、タッチダウン軸受装置の寿命を格段に長くすることができる。

また、従来と比較して、第１軌道部材に対する中間軌道部材の回転速度と、中間軌道部材に対する第２軌道部材の回転速度とを、タッチダウン時の軸の回転速度の半分程度の回転速度まで格段に小さくすることができるから、従来と比較して、タッチダウン軸受装置が、タッチダウンできる軸の回転速度の上限を、格段に大きくすることができる。

したがって、従来の構成、すなわち、タッチダウン軸受を、一つの内外輪と、その内外輪の間に配置された転動体とで構成する構成と比較して、磁気軸受と軸との接触や、モータを構成するロータとステータとの接触等、二つの異なる部材が接触する可能性を格段に低くすることができる。

また、本発明によれば、第１軌道部材、中間軌道部材の第１軌道面および第１転動体のうちの少なくとも一つの部材が焼付いて、第１軌道部材に対して中間軌道部材が正常に回転しなくなったとしても、第２軌道部材、中間軌道部材の第２軌道面および第２転動体で、軸を回転自在にハウジングに対して支持することができる。また、逆に、中間軌道部材の第２軌道面、第２軌道部材および第２転動体のうちの少なくとも一つの部材が焼付いて、中間軌道部材に対して第２軌道部材が正常に回転しなくなったとしても、第１軌道部材、中間軌道部材の第１軌道面および第１転動体で、軸を回転自在にハウジングに対して支持することができる。したがって、従来と比較して、タッチダウン軸受に接触する軸が摩耗や損傷することを抑制できる。

また、本発明のタッチダウン軸受装置は、
ハウジングに固定されると共に、軌道面を有する第１軌道部材と、
軸に間隔をおいて非接触に対向するとともに、上記第１軌道部材に隙間を介して上記第１軌道部材に対向すると共に、軌道面を有する第２軌道部材と、
上記第１軌道部材と上記第２軌道部材との間に配置されると共に、上記第１軌道部材の上記軌道面に対向する第１軌道面と、上記第２軌道部材の上記軌道面に対向する第２軌道面とを有する中間軌道部材と、
上記第１軌道部材の上記軌道面と上記中間軌道部材の上記第１軌道面との間に配置される第１転動体と、
上記中間軌道部材の上記第２軌道面と上記第２軌道部材の上記軌道面との間に配置される第２転動体と
を有し、
上記軸と上記ハウジングとの相対位置が変化することで上記軸と上記第２軌道部材とが接触したときに、
上記軸を上記第２軌道部材で支持することによって、上記軸を上記ハウジングに対して支持することを特徴としている。

本発明によれば、従来と比較して、寿命を格段に長くすることができる。また、従来と比較して、タッチダウンできる軸の回転速度の上限を、格段に大きくすることができる。

また、本発明のターボ分子ポンプは、
軸と、
上記軸に間隔をおいて対向するハウジングと、
上記軸を上記ハウジングに対して磁気的に非接触支持する磁気軸受と、
上記軸と、上記ハウジングとの間に配置されると共に、上記磁気軸受が正常に動作していないときに、上記軸を機械的に支持するタッチダウン軸受装置と、
上記ハウジングに対して上記軸を相対回転駆動するモータと
を備え、
上記タッチダウン軸受装置は、
上記軸に固定されると共に、軌道面を有する第１軌道部材と、
上記第１軌道部材に隙間を介して対向すると共に、軌道面を有する第２軌道部材と、
上記第１軌道部材と上記第２軌道部材との間に配置されると共に、上記第１軌道部材の上記軌道面に対向する第１軌道面と、上記第２軌道部材の上記軌道面に対向する第２軌道面とを有する中間軌道部材と、
上記第１軌道部材の上記軌道面と上記中間軌道部材の上記第１軌道面との間に配置された第１転動体と、
上記中間軌道部材の上記第２軌道面と上記第２軌道部材の上記軌道面との間に配置された第２転動体と
を有し、
上記磁気軸受が正常に動作しているときには、上記ハウジングと上記第２軌道部材とが非接触な状態である一方、上記磁気軸受が正常に動作していないときには、上記第２軌道部材を上記ハウジングで支持することによって、上記軸を上記ハウジングに対して支持するようになっていることを特徴としている。

タッチダウン軸受装置は、軸に固定されても、ハウジングに固定されても、静止側に固定されても、または、回転側に固定されても良い。この例では、タッチダウン軸受装置は、軸に固定されている。

本発明によれば、従来と比較して、タッチダウン軸受装置の寿命を格段に長くすることができる。また、従来と比較して、タッチダウン軸受装置が、タッチダウンできる軸の回転速度の上限を格段に大きくすることができる。

また、本発明のタッチダウン軸受装置は、
軸に固定されると共に、軌道面を有する第１軌道部材と、
ハウジングに間隔をおいて非接触に対向すると共に、上記第１軌道部材に隙間を介して上記第１軌道部材に対向すると共に、軌道面を有する第２軌道部材と、
上記第１軌道部材と上記第２軌道部材との間に配置されると共に、上記第１軌道部材の上記軌道面に対向する第１軌道面と、上記第２軌道部材の上記軌道面に対向する第２軌道面とを有する中間軌道部材と、
上記第１軌道部材の上記軌道面と上記中間軌道部材の上記第１軌道面との間に配置される第１転動体と、
上記中間軌道部材の上記第２軌道面と上記第２軌道部材の上記軌道面との間に配置される第２転動体と
を有し、
上記軸と上記ハウジングとの相対位置が変化することで上記ハウジングと上記第２軌道部材とが接触したときに、上記第２軌道部材をハウジングに接触させることによって、上記軸を上記ハウジングに対して支持することを特徴としている。

本発明によれば、従来と比較して、寿命を格段に長くすることができる。また、従来と比較して、タッチダウンできる軸の回転速度の上限を、格段に大きくすることができる。

本発明のターボ分子ポンプによれば、従来と比較して、タッチダウン軸受装置の寿命を格段に長くすることができる。また、従来と比較して、タッチダウン軸受装置が、タッチダウンできる軸の回転速度の上限を格段に大きくすることができる。

また、本発明のタッチダウン軸受装置によれば、従来と比較して、寿命を格段に長くすることができる。また、従来と比較して、タッチダウンできる軸の回転速度の上限を、格段に大きくすることができる。

以下、本発明を図示の形態により詳細に説明する。

図１は、本発明の第１実施形態のターボ分子ポンプの軸方向の断面図である。

このターボ分子ポンプは、ターボ分子ポンプ本体１と、図示しないコントローラとを備え、図示しない真空機器に連通する。

上記ターボ分子ポンプ本体１は、ハウジング２と、軸としての回転軸３と、回転軸３を駆動するモータ４と、アキシアル位置検出センサ１６と、ラジアル位置検出センサ１４,１５と、アキシアル磁気軸受６と、第１および第２ラジアル磁気軸受７,８と、本発明の第１実施形態の第１のタッチダウン軸受装置１０と、第２のタッチダウン軸受装置１１とを備える。

上記アキシアル位置検出センサ１６は、回転軸３のアキシアル位置を検出して、上記コントローラに、回転軸３のアキシアル位置を表す信号を出力するようになっている。また、上記ラジアル位置検出センサ１４,１５は、回転軸３の軸方向に互いに間隔をおいて配置されている。上記ラジアル位置検出センサ１４,１５は、回転軸３のラジアル位置を検出して、上記コントローラに、回転軸３のラジアル位置を表す信号を出力するようになっている。上記コントローラは、アキシアル位置検出センサ１６から信号に基づいて、アキシアル磁気軸受６に制御信号を出力すると共に、ラジアル位置検出センサ１４,１５からの信号に基づいて、第１および第２ラジアル磁気軸受７,８に制御信号を出力するようになっている。

上記モータ４は、ロータ２０と、ステータ２１とを有する。上記ロータ２０は、リング状の２極永久磁石で構成されており、回転軸３の外周面に固定されている。また、上記ステータ２１は、図示しない電機子コイルを有している。電機子コイルに適切に電流を流すことにより、ロータ２０をステータ２１に対して高速回転させて、ロータ２０が固定された回転軸３を高速回転させるようになっている。

上記アキシアル磁気軸受６は、回転軸３をアキシアル方向に磁気的に非接触支持している。詳しくは、上記アキシアル磁気軸受６は、回転軸３のアキシアル方向の両端面を、アキシアル方向の両側から挟むように配置された１対の電磁石（数は２個）を有している。上記アキシアル磁気軸受６の上記電磁石の磁力は、上記コントローラからの制御信号によって適切に制御されるようになっている。アキシアル磁気軸受６は、毎分数万回転で回転する回転軸３の位置をアキシアル方向に精密に制御して、回転軸３のアキシアル方向のぐらつきを抑制して、回転軸３を、アキシアル方向において所定位置に精密に位置させるようになっている。

一方、上記第１および第２ラジアル磁気軸受７,８は、回転軸３をラジアル方向に磁気的に非接触支持している。詳しくは、上記第１および第２ラジアル磁気軸受７,８の夫々は、回転軸３をラジアル方向の両側から挟むように配置された互いに直交する２対の電磁石（各ラジアル磁気軸受において、電磁石の数は４個）を有している。上記第１および第２ラジアル磁気軸受７,８の夫々の上記電磁石の磁力は、上記コントローラからの制御信号によって適切に制御されるようになっている。上記第１および第２ラジアル磁気軸受７,８は、毎分数万回転で回転する回転軸３の位置をラジアル方向に精密に制御して、回転軸３のラジアル方向のぐらつきを抑制して、回転軸３を、ラジアル方向において所定位置に精密に位置させるようになっている。

上記第１のタッチダウン軸受装置１０は、第１および第２ラジアル磁気軸受７,８が制御不能になったときに回転軸３をラジアル方向に機械的に支持するようになっている。また、上記第２のタッチダウン軸受装置１１は、アキシアル磁気軸受６、または、第１および第２ラジアル磁気軸受７,８が制御不能になったときに、回転軸３をアキシアル方向およびラジアル方向に機械的に支持するようになっている。

上記第１のタッチダウン軸受装置１０および第２のタッチダウン軸受装置１１は、第１および第２ラジアル磁気軸受７,８が制御不能になったときに、回転軸３を支持することによって、第１および第２ラジアル磁気軸受７,８と回転軸３との接触や、ロータ２０とステータ２１との接触等を確実に防止するようになっている。

図２は、図１における上記第１のタッチダウン軸受装置１０近傍の模式断面図である。

上記第１のタッチダウン軸受装置１０は、ハウジング２の内周円筒面５８と回転軸３２の外周面５９との間に配置されている。上記第１のタッチダウン軸受装置１０は、第１軌道部材としての外輪３１、中間軌道部材としての中間輪３２、第２軌道部材としての内輪３３、第１転動体としての複数の第１の玉３４および第２転動体としての複数の第２の玉３５を有する。

上記外輪３１、中間輪３２、および、内輪３３は、例えば、軸受鋼（ＳＵＪ２等）、ステンレス鋼（ＳＵＳ４４０Ｃ等）、または、工具鋼（ＳＫＨ４等）等の強磁性体材料からなっている。また、上記第１の玉３４および第２の玉３５は、軸受鋼（ＳＵＪ２等）や、工具鋼（ＳＫＨ４や耐熱性に優れるＭ５０（ＡＩＳＩ規格）等の強磁性体材料からなっている。ここで、強磁性体材料とは、磁界内に置くと、磁界と同じ方向に磁化され、磁界を除いても磁気を残す性質を有する材料のことをいう。

第１実施形態のように、第１のタッチダウン軸受装置１０の軌道輪および玉として、強磁性体材料製の軌道輪３１,３２,３３および玉３４,３５を使用すれば、第１のタッチダウン軸受装置１０に近接配置される第１および第２ラジアル磁気軸受７,８の磁場による磁束を、内輪３３、第２の玉３５、中間輪３２、第１の玉３４、および、外輪３１を貫通させることができる。

したがって、ハウジング２に固定されている外輪３１に、第１の玉３４、中間輪３２、第２の玉３５および内輪３３を磁力で引きつけておくことができるから、ターボ分子ポンプの運転時かつラジアル磁気軸受７,８の正常駆動時に、ターボ分子ポンプの組み立て時に磁化された回転軸３に、内輪３３がつれ回ることを防止できる。したがって、中間輪３２に対して内輪３３が相対回転すること、および、外輪３１に対して中間輪３２が相対回転すること、のうちの少なくとも一方が起こったならば（この実施形態では相対回転しない）発生するだろう大きな騒音（異音）が発生することがない。

上記外輪３１は、ハウジング２の内周円筒面５８に内嵌されて固定されている。上記外輪３１は、内周面に軌道面としての深溝型の軌道溝５１を有している。上記内輪３３は、外輪３１の径方向の内方に位置している。上記内輪３３は、外輪３１に隙間を介して径方向に対向している。上記内輪３３は、外周面に軌道面としての深溝型の軌道溝５２を有している。

上記中間輪３２は、筒状の部材である。上記中間輪３２は、径方向において、外輪３１と内輪３３との間に配置されている。上記中間輪３２は、外輪３１に対して隙間を介して径方向に対向していると共に、内輪３３に対して隙間を介して径方向に対向している。上記中間輪３２は、外周面に第１軌道面としての深溝型の第１軌道溝５３を有していると共に、内周面に第２軌道面としての深溝型の第２軌道溝５４を有している。

上記複数の第１の玉３４は、外輪３１の軌道溝５１と、中間輪３２の第１軌道溝５３との間に、周方向に互いに間隔をおいて配置されている。また、上記複数の第２玉３５は、中間輪３２の第２軌道溝５４と、内輪３３の軌道溝５２との間に、周方向に互いに間隔をおいて配置されている。タッチダウン軸受装置１０は、保持器を有さず、第１の玉３４および第２の玉３５は、保持器で保持されない構成になっている。このようにして、タッチダウン軸受装置１０の負荷容量を大きくしている。

上記構成のターボ分子ポンプにおいて、電源異常や停電等により電源側からの電力の供給が停止されて電源電圧が低下すると、上記モータ４が、発電機として電圧を出力するようになっている。具体的には、上記モータ４は、電源電圧が低下すると、位置検出センサ１４,１５,１６、各磁気軸受６,７,８の磁気軸受駆動回路（図示せず）およびモータドライバ（図示せず）に、回生電力を供給するようになっている。上記モータ４から供給される回生電力が磁気軸受６,７,８を駆動できる間、磁気軸受６,７,８は、上記回生電力によって磁気浮上制御されるようになっている。

上記モータ４の回転速度が下がり、モータ４からの回生電力が磁気軸受７,８の駆動に必要な電力よりも低下すると、磁気軸受７,８の磁気浮上制御が停止するようになっている。上記磁気軸受７,８の磁気浮上制御が停止すると、タッチダウン軸受装置１０が、磁気軸受７,８の替わりに回転軸３をラジアル方向に機械的に支持すると共に、第２のタッチダウン軸受１１が、磁気軸受７,８の替わりに回転軸３をラジアル方向に機械的に支持するようになっている。第２のタッチダウン軸受１１は、磁気軸受６の磁気浮上制御が停止すると、回転軸３をアキシアル方向に機械的に支持する役割も担っている。

詳細には、第１のタッチダウン軸受装置１０は、次のように動作するようになっている。磁気軸受７,８の磁気浮上制御が停止すると、回転軸３の外周面が、内輪３３に接触する。回転軸３の外周面が内輪３３の内周面に接触した瞬間、すなわち、回転軸３が第１のタッチダウン軸受装置１０にタッチダウンした瞬間、内輪３３の回転速度は、タッチダウン時の回転軸の回転軸３の回転速度付近まで急加速し、中間輪３２の回転速度は、タッチダウン時の回転軸の回転軸３の回転速度の略半分の回転速度まで急加速するようになっている。

すなわち、外輪３１は静止部材であるハウジング２に固定されているから、回転軸３が第１のタッチダウン軸受装置１０にタッチダウンした瞬間、外輪３１に対する中間輪３２の回転速度および中間輪３２に対する内輪３３の回転速度の両方は、タッチダウン時の回転軸３の回転速度の略半分の回転速度になる。このように、本発明の第１のタッチダウン軸受装置１０においては、タッチダウン時に、瞬時に発生する外輪３１に対する中間輪３２の回転速度および中間輪３２に対する内輪３３の回転速度の両方を、従来の内外輪および転動体からなるタッチダウン軸受における外輪に対する内輪の回転速度の半分程度の回転速度程度まで急激に低減することができるのである。

上記第１実施形態のターボ分子ポンプによれば、回転軸３が、内輪３３に接触することによって、回転軸３からの荷重を、内輪３３、第２の玉３５、中間輪３２、第２の玉３４、外輪３１を介してハウジング２で受けることができて、タッチダウン時において、外輪３１に対する中間輪３２の回転速度と、中間輪３２に対する内輪３３の回転速度とを、ともに、従来と比較して、タッチダウン時の回転軸３の回転速度の半分程度の回転速度まで急激に低減することができる。

したがって、タッチダウン時において、第１の玉３４が、外輪３１の軌道溝５１および中間輪３２の第１軌道溝５３のうちの少なくとも一方に対してロックすることを抑制でき、また、第２の玉３５が、中間輪３２の第２軌道溝５４および内輪３３の軌道溝５２のうちの少なくとも一方に対してロックすることを抑制できる。したがって、従来と比較して、タッチダウン軸受装置１０の寿命を格段に長くすることができる。

また、外輪３１に対する中間輪３２の回転速度と、中間輪３２に対する内輪３３の回転速度とが、従来と比較して、半分程度に格段に小さくなるから、第１のタッチダウン軸受装置１０が、タッチダウンできる回転軸３の回転速度の上限を、格段に大きくすることができる。

また、上記第１実施形態のターボ分子ポンプによれば、外輪３１、中間輪３２の第１軌道溝５３および第１の玉３４のうちの少なくとも一つが焼付いて、外輪３１に対して中間輪３２が正常に相対回転しなくなったとしても、中間輪３２の第２軌道溝５４、内輪３３および第２の玉３５で、回転軸３を回転自在にハウジング２に対して支持することができる。また、逆に、中間輪３２の第２軌道溝５４、内輪３３および第２の玉３５のうちの少なくとも一つが焼付いて、中間輪３２に対して内輪３３が正常に相対回転しなくなったとしても、外輪３１、中間輪３２の第１軌道溝５３および第１の玉３４で、回転軸３を回転自在にハウジング２に対して支持することができる。

したがって、従来の構成、すなわち、タッチダウン軸受を、一つの内外輪と、その内外輪の間に配置された転動体とで構成する場合と比較して、磁気軸受７,８と回転軸３との接触や、モータ４を構成するロータ２０とステータ２１との接触等の可能性を格段に低くすることができる。

また、上記第１実施形態のタッチダウン軸受装置によれば、外輪３１に対する中間輪３２の回転速度と、中間輪３２に対する内輪３３の回転速度とを、内外輪および玉からなる従来のタッチダウン軸受における、外輪に対する内輪の回転速度の半分程度まで低減できる。

また、回転軸３の振れに基づいて回転軸３が第１のタッチダウン軸受装置１０に片あたりする際に発生する回転軸３からのアキシアル荷重において、外輪３１の軌道溝５１、中間輪３２の第１軌道溝５３および第１の玉３４で負荷する分担分、および、中間輪３２の第２軌道溝５４、内輪３３の軌道溝５２および第２の玉３５で負荷する分担分の両方が、転がり軸受が一段に配置された従来のタッチダウン軸受と比較して、半分程度の小さい値になる。

したがって、従来のタッチダウン軸受における内外輪または玉に焼付きが発生する可能性と比較して、内外輪３１,３３、中間輪３２、または、第１,第２の玉３４,３５に焼付きが発生する可能性を、格段に低くすることができて、第１のタッチダウン軸受装置１０の寿命を格段に長くすることができる。また、従来のタッチダウン軸受と比較して、タッチダウンできる回転軸３の回転速度の上限を格段に大きくすることができる。

図３は、図１における上記第２のタッチダウン軸受装置１１近傍の模式断面図である。

上記第２のタッチダウン軸受装置１１が上記第１のタッチダウン軸受装置１０と異なる点は、上記第１のタッチダウン軸受装置１０が主にラジアル方向の支持のみを受けるのに対して、上記第２のタッチダウン軸受装置１１がラジアル方向とアキシアル方向の支持を受ける構造としたことである。このため、第２のタッチダウン軸受装置１１の総玉軸受の材料は第１のタッチダウン軸受に用いるものと同様のものから選ばれ、また、作用は第１のタッチダウン軸受装置１０と同様であるが、アキシアル方向の支持を受ける構造で以下のように異なる。

上記第２のタッチダウン軸受装置１１は、軸方向一方側（図３では上側）に、内周面にアンギュラ型の軌道溝を有する第２の外輪６１と内周面と外周面とにアンギュラ型の軌道溝を有する第２の中間輪６２と外周面にアンギュラ型の軌道溝を有する第２の内輪６３とを有し、第２の外輪６１の軌道溝と第２の中間輪６２の外周面の軌道溝との間に複数の第３の玉６４を配置し、第２の中間輪６２の内周面の軌道溝と第２の内輪６３の軌道溝との間に複数の第４の玉６５を配置している一方、軸方向他方側（図３では下側）に、内周面にアンギュラ型の軌道溝を有する第３の外輪７１と内周面と外周面とにアンギュラ型の軌道溝を有する第３の中間輪７２と外周面にアンギュラ型の軌道溝を有する第３の内輪７３とを有し、第３の外輪７１の軌道溝と第３の中間輪７２の外周面の軌道溝との間に複数の第５の玉７４を配置し、第３の中間輪７２の内周面の軌道溝と第３の内輪７３の軌道溝との間に複数の第６の玉７５を配置している。

上記第２内輪６３と上記第３内輪７３とは軸方向に並べられ、上記第２中間輪６２と上記第３中間輪７２とは軸方向に並べられ、上記第２外輪６１と上記第３外輪７１とは軸方向に並べられてハウジング２の内周面８８に内嵌されて固定されている。

つまり、第２のタッチダウン軸受装置１１は、第１軌道部材としての第２外輪６１および第３外輪７１、第２軌道部材としての第２内輪６３および第３内輪７３、中間軌道部材としての第２中間輪６２および第３中間輪７２、第１転動体としての複数の第３の玉６４および複数の第５の玉７４、第２転動体としての複数の第４の玉６５および複数の第６の玉７５とを有する。

ラジアル磁気軸受７，８およびアキシアル磁気軸受６が回転軸３を正常に磁気制御している際、第２内輪６３および第３内輪７３は、回転軸３の周面８９径方向の外方に位置し、かつ、端面８７に間隔をおいて位置し、回転軸３に径方向および軸方向に非接触に対向するようになっている。

ラジアル磁気軸受７，８の磁気浮上制御およびアキシアル磁気軸受６の磁気浮上制御の少なくとも何れかが停止すると、第２内輪６３の内周面と回転軸３の周面８９、第３内輪７３の内周面と回転軸３の周面８９、および、第２内輪６３の軸方向一方側の端面と上記回転軸３の端面８７の少なくとも何れかが接触し、回転軸３をハウジング２に対してラジアル方向およびアキシアル方向の少なくとも何れかに機械的に支持することができる。

上記第１実施形態のターボ分子ポンプによれば、第２のタッチダウン軸受装置１１は第１のタッチダウン軸受装置１０と同様に、タッチダウン時に、瞬時に発生する中間輪６２，７２に対する内輪６３，７３および外輪６１，７１に対する中間輪６２，７２の相対回転速度を大幅に抑制することができ、タッチダウン時の回転軸３の回転速度の半分程度の回転速度まで急激に低減することができる。このことにより、第２のタッチダウン軸受装置１１の寿命を格段に長くすることができる。

また、タッチダウン時の回転軸３の回転速度の半分程度の回転速度まで急激に低減することができるため、第２のタッチダウン軸受装置１１が、タッチダウンできる回転軸３の回転速度の上限を、格段に大きくすることができる。

また、上記第１実施形態のターボ分子ポンプによれば、第２外輪６１、第２中間輪６２の外周面の軌道溝および第３の玉６４ならびに第３外輪７１、第３中間輪７２の外周面の軌道溝および第５の玉７４のうちの少なくとも一つの部材が焼付いて、第２外輪６１に対して第２中間輪６２および第３外輪７１に対して第３中間輪７２の少なくとも何れかが正常に回転しなくなったとしても、第２中間輪６２の内周面の軌道溝、第２内輪６３および第４の玉６５ならびに第３中間輪７２の内周面の軌道溝、第３内輪７３および第６の玉７５で回転軸３を回転自在にハウジング２に対して支持することができる。また、逆に、第２中間輪６２の内周面の軌道溝、第２内輪６３および第４の玉６５ならびに第３中間輪７２の内周面の軌道溝、第３内輪７３および第３の玉７５のうちの少なくとも一つの部材が焼付いて、第２中間輪６２に対して第２内輪６３および第３中間輪７２に対して第２内輪７３の少なくとも何れかが正常に回転しなくなったとしても、第２外輪６１、第２中間輪６２の外周面の軌道溝および第３の玉６４ならびに第３外輪７１、第３中間輪７２の外周面の軌道溝および第５の玉７４で回転軸３を回転自在にハウジング２に対して支持することができる。

上記第１実施形態の第２のタッチダウン軸受装置１１によれば、第１のタッチダウン軸受装置１０と同様に、タッチダウン時に、瞬時に発生する中間輪６２，７２に対する内輪６３，７３および外輪６１，７１に対する中間輪６２，７２の相対回転速度を大幅に抑制することができ、タッチダウン時の回転軸３の回転速度の半分程度の回転速度まで急激に低減することができる。このことにより、第２のタッチダウン軸受装置１１の寿命を格段に長くすることができる。

また、タッチダウン時の回転軸３の回転速度の半分程度の回転速度まで急激に低減することができるため、第２のタッチダウン軸受装置１１が、タッチダウンできる回転軸３の回転速度の上限を、格段に大きくすることができる。

尚、上記第１実施形態のターボ分子ポンプでは、第１のタッチダウン軸受装置１０および第２のタッチダウン軸受装置１１が、静止部材であるハウジング２の内周面に固定されたが、この発明では、タッチダウン軸受装置は、回転軸に固定されても良い。

また、上記第１実施形態の第１のタッチダウン軸受装置１０は、外輪３１および中間輪３２の外周面が深溝型の軌道溝５１,５３を有し、かつ、中間輪３２の内周面および内輪３３が深溝型の軌道溝５２,５４を有していた。しかしながら、この発明では、外輪および中間輪の外周面、および、中間輪の内周面および内輪のうちの少なくとも一方は、深溝型の軌道溝でなくて、アンギュラ型の軌道溝であっても良い。この場合、タッチダウン軸受装置で大きな量のアキシアル荷重を負荷することができて好ましい。

また、上記第１実施形態の第１のタッチダウン軸受装置１０および第２のタッチダウン軸受装置１１では、保持器を有さず、第１の玉３４、第２の玉３５、第３の玉６４、第４の玉６５、第５の玉７４、第６の玉７５のすべてが、保持器で保持されない構成であったが、この発明では、第１の玉、第２の玉、第３の玉、第４の玉、第５の玉および第６の玉のうちの少なくとも一つ（一つ以上）は、保持器によって保持される構成であっても良い。

また、上記第１実施形態の第１のタッチダウン軸受装置１０および第２のタッチダウン軸受装置１１では、第１転動体および第２転動体の両方が、玉３４,３５,６４,６５,７４,７５であったが、この発明では、第１転動体および第２転動体のうちの少なくとも一方は、玉でなくて、円筒ころや円錐ころ等、玉以外の転動体であっても良い。

また、上記第１実施形態の第１のタッチダウン軸受装置１０および第２のタッチダウン軸受装置１１では、中間輪３２,６２,７２が二つの軌道溝５３,５４を有する一体部材であったが、この発明では、中間輪は、一体の部材でなくても良い。すなわち、中間輪が、外輪と、この外輪とは別部材の内輪とからなり、中間輪は、内周に軌道面を有する外輪の外周面に、外周に軌道面を有する内輪の内周面を固定してなる構造であっても良い。

また、上記第１実施形態の第１のタッチダウン軸受装置１０および第２のタッチダウン軸受装置１１では、強磁性体材料からなる第１の玉３４,第２の３５,第３の玉６４,第４の玉６５,第５の玉７４,第６の玉７５を使用したが、この発明では、第１の玉,第２の,第３の玉,第４の玉,第５の玉,第６の玉のうちの少なくとも一つ（一つ以上）として、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）等のセラミックス製の非磁性体材料からなる玉を使用しても良い。セラミックス製の玉を使用した場合、玉の耐久性を向上させることができる。また、この発明では、内外輪および玉の材料が全てステンレス鋼であっても良く、この場合、玉軸受のコストを格段に低減することができる。

図４は、本発明の第２実施形態のターボ分子ポンプの部分模式断面図である。

このターボ分子ポンプは、ハウジング１０２と、回転軸１０３と、本発明の第２実施形態のタッチダウン軸受装置１１０とを備える。

第２実施形態のターボ分子ポンプでは、本発明のタッチダウン軸受装置１１０が、回転軸１０３の一部を構成する筒状の部分の内周面１１８と、この内周面１１８よりも径方向の内方に位置するハウジング１０２の円柱状の部分１１７の外周円筒面１１９との間に配置されている点が、本発明のタッチダウン軸受装置１０が、ハウジング２の内周円筒面５８と、回転軸３の外周面５９との間に配置されている第１実施形態のターボ分子ポンプ１０と異なる。

第２実施形態のターボ分子ポンプでは、第１実施形態のターボ分子ポンプと共通の作用効果および変形例については説明を省略することにし、第１実施形態のターボ分子ポンプと異なる作用効果および構成についてのみ説明を行うことにする。

タッチダウン軸受装置１１０は、第１軌道輪としての内輪１３１、中間輪１３２、第２軌道輪としての外輪１３３、第１転動体としての複数の第１の玉１３４、および、第２転動体としての複数の第２の玉１３５を有する。

上記複数の第１の玉１３４は、内輪１３１の軌道溝１５１と、中間輪１３２の第１軌道溝１５３との間に、周方向に互いに間隔をおいて配置されている。また、上記複数の第２玉１３５は、中間輪１３２の第２軌道溝１５４と、外輪１３３の軌道溝１５２との間に、周方向に互いに間隔をおいて配置されている。

上記第２実施形態のターボ分子ポンプによれば、タッチダウン軸受装置１１０が、回転軸１０３の外周面１７０よりも径方向の内方に位置しているから、ターボ分子ポンプを小型化することができる。

尚、上記第１および第２実施形態では、本発明のタッチダウン軸受装置１０,１１０を、ターボ分子ポンプに搭載した。しかしながら、本発明のタッチダウン軸受装置を、ターボ分子ポンプではなくて、単なる真空ポンプに搭載しても良いことは、言うまでもない。

本発明の第１実施形態のターボ分子ポンプの軸方向の断面図である。 図１における第１のタッチダウン軸受装置近傍の模式断面図である。 図１における第２のタッチダウン軸受装置近傍の模式断面図である。 本発明の第２実施形態のターボ分子ポンプの部分模式断面図である。

符号の説明

１ ターボ分子ポンプ本体
２,１０２ ハウジング
３,１０３ 回転軸
４ モータ
６ アキシアル磁気軸受
７ 第１ラジアル磁気軸受
８ 第２ラジアル磁気軸受
１０ 第１のタッチダウン軸受装置
１１ 第２のタッチダウン軸受装置
３１,１３３ 外輪
３２,１３２ 中間輪
３３,１３１ 内輪
３４ 第１の玉
３５ 第２の玉
５１,５２,１５１,１５２ 軌道溝
５３,１５３ 第１軌道溝
５４,１５４ 第２軌道溝
５８ 内周円筒面
５９ 外周面
１１０ タッチダウン軸受装置
１１８ 内周面
１１９ 外周円筒面

Claims (4)

1. 軸と、
   上記軸に径方向に間隔をおいて対向するハウジングと、
   上記軸を上記ハウジングに対して磁気的に非接触支持する磁気軸受と、
   上記ハウジングと、上記軸との間に配置されると共に、上記磁気軸受が正常に動作していないときに、上記軸を機械的に支持するタッチダウン軸受装置と、
   上記ハウジングに対して上記軸を相対回転駆動するモータと
   を備え、
   上記タッチダウン軸受装置は、
   上記ハウジングに固定されると共に、軌道面を有する第１軌道部材と、
   上記第１軌道部材に隙間を介して対向すると共に、軌道面を有する第２軌道部材と、
   上記第１軌道部材と上記第２軌道部材との間に配置されると共に、上記第１軌道部材の上記軌道面に対向する第１軌道面と、上記第２軌道部材の上記軌道面に対向する第２軌道面とを有する中間軌道部材と、
   上記第１軌道部材の上記軌道面と上記中間軌道部材の上記第１軌道面との間に配置された第１転動体と、
   上記中間軌道部材の上記第２軌道面と上記第２軌道部材の上記軌道面との間に配置された第２転動体と
   を有し、
   上記磁気軸受が正常に動作しているときには、上記軸と上記第２軌道部材とが非接触な状態である一方、上記磁気軸受が正常に動作していないときには、上記軸を上記第２軌道部材で支持することによって、上記軸を上記ハウジングに対して支持するようになっていることを特徴とするターボ分子ポンプ。
2. ハウジングに固定されると共に、軌道面を有する第１軌道部材と、
   軸に間隔をおいて非接触に対向するとともに、上記第１軌道部材に隙間を介して上記第１軌道部材に対向すると共に、軌道面を有する第２軌道部材と、
   上記第１軌道部材と上記第２軌道部材との間に配置されると共に、上記第１軌道部材の上記軌道面に対向する第１軌道面と、上記第２軌道部材の上記軌道面に対向する第２軌道面とを有する中間軌道部材と、
   上記第１軌道部材の上記軌道面と上記中間軌道部材の上記第１軌道面との間に配置される第１転動体と、
   上記中間軌道部材の上記第２軌道面と上記第２軌道部材の上記軌道面との間に配置される第２転動体と
   を有し、
   上記軸と上記ハウジングとの相対位置が変化することで上記軸と上記第２軌道部材とが接触したときに、
   上記軸を上記第２軌道部材で支持することによって、上記軸を上記ハウジングに対して支持することを特徴とするタッチダウン軸受装置。
3. 軸と、
   上記軸に間隔をおいて対向するハウジングと、
   上記軸を上記ハウジングに対して磁気的に非接触支持する磁気軸受と、
   上記軸と、上記ハウジングとの間に配置されると共に、上記磁気軸受が正常に動作していないときに、上記軸を機械的に支持するタッチダウン軸受装置と、
   上記ハウジングに対して上記軸を相対回転駆動するモータと
   を備え、
   上記タッチダウン軸受装置は、
   上記軸に固定されると共に、軌道面を有する第１軌道部材と、
   上記第１軌道部材に隙間を介して対向すると共に、軌道面を有する第２軌道部材と、
   上記第１軌道部材と上記第２軌道部材との間に配置されると共に、上記第１軌道部材の上記軌道面に対向する第１軌道面と、上記第２軌道部材の上記軌道面に対向する第２軌道面とを有する中間軌道部材と、
   上記第１軌道部材の上記軌道面と上記中間軌道部材の上記第１軌道面との間に配置された第１転動体と、
   上記中間軌道部材の上記第２軌道面と上記第２軌道部材の上記軌道面との間に配置された第２転動体と
   を有し、
   上記磁気軸受が正常に動作しているときには、上記ハウジングと上記第２軌道部材とが非接触な状態である一方、上記磁気軸受が正常に動作していないときには、上記第２軌道部材を上記ハウジングで支持することによって、上記軸を上記ハウジングに対して支持するようになっていることを特徴とするターボ分子ポンプ。
4. 軸に固定されると共に、軌道面を有する第１軌道部材と、
   ハウジングに間隔をおいて非接触に対向すると共に、上記第１軌道部材に隙間を介して上記第１軌道部材に対向すると共に、軌道面を有する第２軌道部材と、
   上記第１軌道部材と上記第２軌道部材との間に配置されると共に、上記第１軌道部材の上記軌道面に対向する第１軌道面と、上記第２軌道部材の上記軌道面に対向する第２軌道面とを有する中間軌道部材と、
   上記第１軌道部材の上記軌道面と上記中間軌道部材の上記第１軌道面との間に配置される第１転動体と、
   上記中間軌道部材の上記第２軌道面と上記第２軌道部材の上記軌道面との間に配置される第２転動体と
   を有し、
   上記軸と上記ハウジングとの相対位置が変化することで上記ハウジングと上記第２軌道部材とが接触したときに、上記第２軌道部材をハウジングに接触させることによって、上記軸を上記ハウジングに対して支持することを特徴とするタッチダウン軸受装置。

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