JP2012505361A - 圧縮可能リングによりベアリングとシャフトを中心に配置する磁性流体封止装置 - Google Patents

Abstract

本開示は、磁気構造（２０）と転動体ベアリング（５０）とに対して中心に配置されるシャフト（２０）を有する磁性流体封止装置（１０）が記述されている。シャフト上の溝内に配置された圧縮可能リング（７０）は、シャフトと転動体ベアリングとの間の間隙を部分的に塞いで、転動体ベアリングに接触するために用いられる。該圧縮可能リング（７０）は、転動体ベアリング（５０）と共に、シャフトを位置合わせして中心に配置する。液体固定材料（７５）は間隙に加えられ、転動体ベアリングに対してシャフトと圧縮可能リングとを連結するために硬くなる。代替自動配置機構も記述されている。

Description

この開示は磁性流体封止装置に関し、より詳しくは、回転可能なシャフトやスリーブ等の周囲にシールを中心に配置する方法に関する。
［関連出願の相互参照］

本出願は、２００８年１０月９日に出願され「圧縮可能リングによりベアリングとシャフトを中心に配置する磁性流体封止装置」と題された米国仮特許出願番号６１／１０４，１８１号の利益を主張し、その全ての内容は参照により組み込まれている。

磁性流体封止装置は、ガス又は他の汚染物の導入から装置を保護するシールを提供するために一般に利用される。これらのシールは、相互に静止又は回転関係にある装置内に存在する種々の部品間の障壁を提供するために取り付けられてもよい。例えば、磁性流体シールは、モーター領域とディスク領域との間に伝わる汚染物に対する障壁として、コンピュータ磁気ディスク記憶装置に利用される。磁性流体シールは、また、製油所と化学工場で用いられるポンプ内に組み込まれる回転部品をシールすると同様に、高真空環境で用いられる回転可能なＸ線管の周辺をシールするためのシールロボットアクチュエータに設計されるようになっている。

磁性流体シールは、回転シャフトの表面と動的シールとして用いる固定面との間に設定される間隙内に磁性流体を配置することによって一般に機能する。固定面は、回転シャフトの表面と非接触している間隙を、周縁エッジの近くに形成する環状の磁気構造を含む。磁石によって発生する磁束路は保持され、間隙内に集中する磁性流体は液体Ｏリングのようなしっかりしたシールを形成する。回転することから固定面は直接相互を接触させないので、それらはまったく磨耗しない。このように磁性流体シールの有用な寿命は、メカニカルシールの寿命と比較して著しく延びる。

磁性流体シールが適切に機能するために、環状の磁気構造がいずれかの磁石と対応する磁極片を含み、回転可能シャフト周囲に同心で取付けられることが重要である。シャフト周囲の不正確なセンタリングは、磁気構造とシャフトとの間に設定される環状の間隙内の非均等な幅に結果としてなる。通常、それはシャフトに最も近くにセンタリングされている磁極片が最も重大である。

磁性シールがシャフト周囲に非同心で取付けられるとき、結果としての磁場はこのシャフト周囲で対称的に広がらずに、むしろ、磁束は間隙の最も狭い部分の近くで高まり、間隙の最も広い部分の近くで減少する。環状の間隙内で磁束の偏在は、間隙の最も狭い部分へ集中する磁性流体が引き起こしており、これにより、所望の封止力を維持するために、不十分な量の流体を有する間隙の最も広い部分を出る。当業者よりシール全体の低限界差で「破裂（ｂｕｒｓｔｉｎｇ）」封止する原因とすることができるシール力の低減は、一般に予想するか又は予測する。したがって、継続的な要求が存在しており、磁性流体封止装置と回転可能なシャフト周囲に磁性シールをセンタリングする方法を提供する必要がある。

本開示は、磁気構造と転動体ベアリングに対して中心に配置されたシャフトを有する磁性流体封止装置と該装置におけるシャフトを中心に配置する方法を提供する。本開示の教示に応じて構成される磁性流体封止装置の一実施例において、ハウジングと、その縦軸（Ｘ）に沿って第１部分と第２部分を有するシャフトと、該シャフトの該第１部分を囲むサイズに設定された円筒状チャンネルを有することにより第１の径方向間隙を形成する磁気構造と、該第１の間隙内に配置される磁性流体と、圧縮可能リングと、内側リングと外側リングを有する転動体ベアリングであって、該内側リングが前記シャフトの前記第２部分を囲むサイズに設定されることにより第２の径方向間隙を形成する転動体ベアリングと、を備える。磁気構造の外面と転動体ベアリングの外側リングは、転動体ベアリングの内側リングの中心と磁気構造における円筒状チャンネルの中心とが同軸に位置が合わさるように、ハウジングに連結される。

その第２部分におけるシャフトの外面は、圧縮可能リングが配置又は着座されるシャフトを径方向に囲む少なくとも１つの溝を含む。圧縮可能リングは、第２の間隙の部分を塞いで転動体ベアリングの内側リングに接触する。圧縮可能リングと転動体ベアリングの内側リングとの間の接触は、磁性流体が磁気構造とシャフトとの間でシールを設定している間に、ベアリングと共に、その縦軸（Ｘ）に沿ってシャフトを径方向に位置合わせして中心に配置する。

本開示の別の態様によれば、硬化可能な固定材料が第２の間隙内に配置される。硬くなる固定材料は、転動体ベアリングの内側リングに対してシャフトと圧縮可能リングとを連結させる。任意に、シャフト／ベアリング組立体は、固定材料が硬くなる間、シャフトとベアリングとの間に配置を維持するために、外部の取付具内に配置されていてもよい。

本開示のさらに別の態様によれば、シャフトは溝と圧縮可能リングとが存在する肩部を含んでもよい。この肩部の表面はシャフトの縦軸に対して直角又は垂直である。圧縮可能リングと連動したこの肩部は、固定材料が硬くなる間、外部の取付具を用いずにこのような配置を維持するように、シャフトと転動ベアリングとを中心に配置して位置合わせをすることができる。

本開示の別の目的は、ここに記述される磁性流体封止装置を組み立てる方法を提供することである。この方法は、圧縮可能リングが嵌合又は着座する少なくとも１つの溝を有するシャフトと、磁気構造と、ハウジングに連結されるとき各同心チャンネルの中心を同軸に位置合わせする転動体リングとを提供する。磁気構造内へのシャフトの挿入は、転動体ベアリングの内側リング内へのシャフトの挿入が第２の径方向間隙を設定する間に、第１の径方向間隙を設定する。転動体ベアリングの内側リングを通じたシャフトの挿入は、圧縮可能リングが第２の間隙の部分を塞いで内側リングと接触するように行う。内側リングとこの接触によって、圧縮可能リングが、転動体ベアリングと共に、その縦軸（Ｘ）に沿ってシャフトを径方向に位置合わせして中心に配置することができる。磁性流体は、磁気構造とシャフトとの間でシールを設定するために第１の間隙内に配置される。硬化可能な固定材料は第２の間隙に加えられる。固定材料が硬くなるときに、転動体ベアリングの内側リングに対してシャフトと圧縮可能リングとを連結する。

適用性の更なる領域は、ここに提供される明細書から明らかである。明細書と具体例は、説明の目的のみを意図しており、本開示の範囲を制限することを目的としていないことを理解しなければならない。

ここで記述される図面は、解説目的だけのためにあっていかなる形であれ現在の開示の範囲を制限することを目的としていない。

図１は、本開示の教示により構成された磁性流体封止装置の断面概略図である。

図２Ａは、本開示の一実施例によるシャフトと転動体ベアリングとの間に形成された第２の間隙を強調する図１の封止装置の断面２（ＡＢＣ）の拡大図である。

図２Ｂは、本開示の他の態様を強調する図１の封止装置の断面２（ＡＢＣ）の拡大図である。

図２Ｃは、本開示の更にもう一つの他の態様を強調する図１の封止装置の断面２（ＡＢＣ）の拡大図である。

図３は、本開示の教示による図１、２Ａ及び２Ｂの磁性流体封止装置を組み立てる方法の概略図である。

図４は、本開示の他の態様による図２Ｃの磁性流体封止装置を組み立てる方法の概略図である。

以下の説明は、単に自然界において例示的で、現在の開示または出願を制限することを目的とする方法又は使用法であるだけではない。明細書及び図面の全体にわたって、一致する参照符号が同類又は一致している部分と特徴を示すことを理解しなければならない。

本開示は、回転可能な部品を有する機器内に組み込まれる磁性流体封止装置を提供する。より詳しくは、磁性流体封止装置は、圧縮可能リング及び／又はシャフトの表面に配置される肩部の使用によって、回転可能シャフトと共に位置合わせされ中心に配置される転動体ベアリングを使用する。圧縮可能リング又はシャフト上の肩部のような使用は、磁性封止装置における磁気構造の内面と回転可能シャフトの外面との間において、小さい環状の均一な間隙を素早く設定することができる。本開示の磁性封止装置は、磁性封止装置における回転可能シャフトを中心に配置する従来の方法と関連する様々な欠点や問題を解決する。

図１を参照して、磁性封止装置１０は、磁気構造３５と転動体ベアリング５０とが連結される機器に取り付けられるハウジング１５を備えている。シャフト２０は、また、このハウジング１５内に回転可能に取り付けられている。シャフト２０は、第１部分２４と第２部分２６との図示が磁性シールと転動体ベアリング５０の間に存在するよう、その縦軸（Ｘ）に沿って第１部分２４と第２部分２６に分けられた外面２２を有することとして定められている。その第２部分２６におけるシャフト２０の外面２２は、シャフト２０を囲む少なくとも１つの溝３０を有している。断面直径が溝３０の深さより大きい圧縮可能リング７０は、この溝３０内に配置または着座されている。図１に示す磁性流体封止装置１０は、シャフト２０周囲で対称形である。

ハウジング１５は、当業者によってよく知られた何れかの周知の手段（その中で、例えば、フランジとボルトの組み合わせ）を使用している機器に設置されていてもよい。ハウジング１５は、一般に、金属、用途及び所望の動作特性に基づいて変化することができる合成物から構成されている。しかしながら、ハウジング１５は、要求されるにつれて金属又は合成物を含む何れの材料から構成されたものであってもよい。

磁気構造３５は、内面３７と外面３８により定められている。構造３５の外面３８は、ハウジング１５に連結されている。構造３５の内面３７は、その第１部分２４に沿ってシャフト２０の外面２２を囲む直径を有するサイズに設定されており、これにより、第１の径方向間隙４０を形成する。磁性流体４５は磁気構造３５とシャフト２０との間にシールを設定するために、この第１の間隙４０に配置されている。

転動体ベアリング５０は、内側リング５５と外側リング６０により定められている。外側リング６０は、ハウジング１５に連結される部分を表す。保持装置５１は、転動体ベアリング５０の内側リング５５と外側リング６０を適所に固定するために用いてもよい。内側リング５５は、その第２部分２６に沿ってシャフト２０の外面２２を囲む直径を有するサイズに設定されており、これにより第２の径方向間隙６５を形成する。

図１及び図２Ａをここで参照して、シャフト２０上の溝３０に位置されている圧縮可能リング７０は、第２の間隙６５の部分を塞ぐために用いられ、転動体ベアリング５０の内側リング５５と接触する。この圧縮可能リング７０は、転動体ベアリング５０と共に、その縦軸（Ｘ）に沿ってシャフト２０を径方向に位置合わせして中心に配置する。

当業者は、シャフト２０の第１部分２４が磁性流体シールの機能をする間に作られる磁気回路部分でありこれによって好ましくは磁気透過性材料の構成である、ことを理解する。シャフト２０の第１部分２４は、図１に示すように、磁石４２と磁極片４３を組み込んでもよい。この場合、磁石４２と磁極片４３は、シャフト２０と共に回転し、その第１部分２４の外面２２を定める。磁極片４３は、磁束の線が収束される磁気透過性材料の部分を表す。本開示の磁性流体装置において、第１の径方向間隙４０内において存在する何かの磁性流体を効果的に引きつけて保有するように、磁極片はシャフト２０と磁気構造３５の表面近傍にきまって配置される。

磁性ステンレス鋼は、洗浄度、真空互換性、強磁性の透磁率及び比較的低い熱伝導率のような特性の望ましい組み合わせを提供するので、シャフト２０の外面２２用に好適な材料である。好適な磁性ステンレス鋼は、１７−４ＰＨ合金（別名：合金６３０）である。いわゆる４００シリーズのステンレス鋼合金もまた用いることができ、非常に高い高度が要求される用途のようないくつかの用途に要求されてもよい。ステンレス鋼以外の磁気合金を用いてもよいが、高真空環境または他の処理環境（例えば、腐食性ガス）を有するそれらの不適合性を原因として生じるので、多くの用途に用いることは一般に要求されていない。

シャフト２０は、磁性流体封止装置が利用される機器の機能に基づいて中空でもよい。つまり、シャフト２０の中心は、必要に応じて更に、通路、チャンネル、ダクト又は導管を定めてもよい。このようにシャフト２０は一般に円筒状であるが、ロッド、車軸、チューブ、スリーブ及びパイプの群から選択されるものであってもよい。シャフト２０は、モーター又は他の手段（図示せず）によって回転駆動されてもよい。

図１に示すように、磁気構造３５は、磁気ステンレス鋼のような磁気透過性材料から構成されてもよい。磁気構造の内面３７は、第１の径方向間隙４０内に存在する磁性流体４５を引きつけて保有するために、磁束に収束することに関する磁極片４２として作用する。この場合、その第１部分２４内の回転可能シャフト２０の外面２２は、磁気回路を完成するために磁石４２及び磁極片４３の両方を構成する必要がある。磁気構造３５は、好ましくは、その内面３７に小さい隙間又はシャフト２０の外面２２を有する第１の間隙４０が形成されるように配置される。このように磁気構造３５は、直径がシャフト２０の外径よりわずかに大きい円筒状空洞を形成する。この種の磁気回路は、一般に「スーパーシール（SuperSeal）」構成と呼ばれている。

磁気構造３５は、代わりに、環状の磁石４２と磁気透過性材料（例えば磁気ステンレス鋼）の磁極片４３との組み合わせで構成されてもよい。この場合、第１部分２４におけるシャフト２０の外面２２は、磁気透過性材料から形成された、磁極片４３または各磁極片４３の組み合わせである。この代わりの配置で磁石４２は、シャフト２０が回転するよう固定したままである。この種の磁気回路は、一般に「固定磁極片」構成と呼ばれている。このように当業者は、本開示の磁性封止装置１０は、磁石４２と磁極片４２とが磁気構造３５のいずれの一部であってシャフト２０の回転に静止したまま、または、シャフト２０の第１部分２４の一部であってシャフト２０と共に回転する、配置であることを含んでもよいと理解する。

第１の径方向間隙４０を設定する磁気構造３５とシャフト２０間の距離は、約０．００１から０．００４インチまでの状態であってもよい。磁石４２は、磁極片４３の反対側にある磁石４２の極性が磁極片４３に対して対称であるように配置される。このように、２個隣接する磁石４２の対向する表面の極性は互いに同じである。

希土類磁石４２（例えば、ＳｍＣｏやＮｄＢＦｅ）は好まれる。これらの磁石４２は単一の部品として用いる又は層内に配置することができる。任意の数の磁石層を用いることができるが、フリンジフィールド（ｆｒｉｎｇｅ ｆｉｅｌｄｓ）のキャンセルのために偶数が好まれる。１枚の層がすべて真空用途用に十分であるが、２枚の層が一般に望ましい。大きい圧力差を有する用途のために、より多くの層を用いることができる。磁極片４３の表面は、磁性シールの縦軸に沿って連続的でもあってもよい。このような連続的な表面は、もう一つの溝（磁極端と一般に呼称する）の存在を含んでもよい。

磁気回路は、磁気構造３５と、シャフト２０の第１部分２４及び磁性流体４５の組み合わせによって設定される。磁石４２により作られる磁界は、シャフト２０内の磁極片４３と磁気構造３５によって磁束路に適用される。磁束路は、磁性流体４５が配置される第１の径方向間隙４０全体に広がっている。磁束が間隙４０内における磁性流体４５を保持することによって、シャフト２０周囲で液体Ｏリングシールを形成する。

当業者は、磁性流体４５が磁性シールとして機能する公知の何れかの強磁性流体組成であってもよいと理解する。このような磁性流体４５は、一般に、キャリア液（例えば水、炭化水素または過フッ化炭化水素）と、強磁性粒子（例えば、酸化鉄、またはキャリア液内に分散したフェライト）と、界面活性剤（例えば、粒子の分散を助ける脂肪酸）と、を構成している。磁性流体４５は、第１の径方向間隙４０内に配置される。

磁気構造３５により形成される円筒状空洞は、転動体ベアリング５０の内側リング５５により形成される空洞と共に同軸に配置される。シャフト２０の配置が転動体ベアリング５０を用いて成し遂げられることから、磁性構造３５がハウジング１５内に位置されそれに固定されるとき、磁気構造３５は、理想的には、シャフト２０周囲に自動的に中心に配置される。転動体ベアリング５０は、シャフト２０と転動体ベアリング５０とが本開示の教示によって一度連結されると、シャフト２０を傾けることができる何かの径方向の負荷又は瞬間作用の発生をオフセットするのに十分大きな抵抗を提供するための所定量の剛性を有している。

大径と軸プレイと（例えばラジアルボールベアリング）を有する転動体ベアリング５０は、プリロードされたベアリングのために回避しなければならない。従来のプリロードされたベアリングを高い剛性で設定することを成し遂げるために、適合長スペーサによって軸方向に別々のベアリングを並べる必要がある。しかしながら、このようなスペーサの使用は、一般に、フィードスルーの全長を増やし、全体的な磁性流体封止装置より大きなスペース量を占める負担に結果としてなる。本実施例における好まれるベアリングは、極めて短い軸方向空間で非常に高い剛性を提供する、ＴＨＫ株式会社（東京、日本）によって製造されるタイプの転動体ベアリング５０である。

第１の間隙４０内の磁性流体４５によって設定される磁性流体シールは、高気圧である機器の領域から該機器の低圧領域を区切るために用いてもよい。転動体ベアリング５０とシャフト２０の第２部分２６は、好ましくは、磁性流体シールの高気圧側に配置される。磁性流体シールは、気圧又は環境にさらされる領域から腐食剤または有毒ガスの領域を区切るために用いてもよい。

転動体ベアリング５０は、磁性流体封止装置１０が完全に組み立てられたとき、磁気構造３５内にぐらつくシャフト２０を取り除くために、「負の隙間（ｎｅｇａｔｉｖｅ ｃｌｅａｒａｎｃｅ）」タイプのものである。ベアリングの内側リングとシャフト用の従来の製造公差は、内側リングと内側リングが径方向に緊張したシャフトとのいくつかの組み合わせが原因となっている。シャフトとベアリングがハウジング内に取り付けられたとき、大きい負の隙間は、ベアリングを回すために要求される大きな荷重支持と高トルクに原因とすることができる。この状態を避ける１つの方法は、シャフトとベアリングを適合されたセットとして選択することであり、これにより径方向の歪み負荷は起こらない。このような選択プロセスが効果的であるが、それはまた非常に高価である。

本開示の一態様によれば、この状態を避ける改良された方法は、最大の直径を有するシャフトが最小の内径の内側リング５５を有するベアリング５０に最適に適合させるように、シャフト製造を管理することである。しかしながら、この方法では、シャフト／ベアリングをセットする他のすべてがより不安定に嵌合（例えば、内側リング５５の最大の内径とシャフト２０の最小径）するようになる。本開示の磁性流体封止装置１０は、この状態を容易に解決する手段を提供する。

図１及び図２を再び参照し、シャフト２０における第２部分又はベアリングジャーナルは、圧縮可能リング７０が着座する少なくも１つの溝３０によって形成される。ベアリング５０内に挿入されたとき、圧縮可能リング７０は、ベアリングの内側リング５５の内面６２とシャフト２０の外面２２との間に設定される第２の径方向間隙６５内に利用可能なスペースを部分的に塞ぐために圧入される。これは、その縦軸に沿ってベアリング５０と共にシャフト２０のほぼ正確な配置を提供することである。圧縮可能リング７０に要求される径方向の力量は、ベアリングの内側リング５５を径方向に緊張するのに十分ではない。

圧縮可能リング７０が、エポキシ樹脂、ポリエステル、ブチルゴム、シリコン、ポリエーテル、ポリウレタン、ポリオレフィン、スチレンブロック共重合体、ポリ塩化ビニル及びそれらの混合物または共重合体のグループから選択されるものを含むがこれに限定されず、当業者は、何かの周知のエラストマー又は重合樹脂系から製造されてもよいと理解する。圧縮可能リング７０は、Ｏリングと実質的に同じである。シャフト２０の第２部分２６内に存在する溝３０内に着座する圧縮可能リング７０は、溝３０の深さより大きな断面直径を有している。

最終的な配置を設定するために、液体固定材料７５は、図１及び図２Ａに示すように、シャフト２０の外面２２とベアリングの内側リング５５の内面６２との間に設定された第２の径方向間隙６５内において何か残る小さな開口を塞ぐために加えられる。この最終的な配置は、望ましい最終的な関係内のシャフト２０とベアリング５０を押し込む取付具で、シャフト／ベアリング組立部品を取り付けることによって必要に応じて成し遂げられてもよい。固定材料７５が硬くなったとき、シャフト／ベアリング組立体は、取付具から取り外されて、磁性流体封止装置１０において用いることができる。

硬くなった固定材料７５は、シャフト２０と圧縮可能リング７０を転動体ベアリング５０の内側リング５５の内面６２に連結する。一度、シャフト２０と転動体ベアリング５０とが硬くなる固定材料７５によって一緒に連結されると、この連結の剛性は、径方向荷重及び瞬間作用の発生によるシャフト２０の傾斜をオフセットするのに必要な抵抗を提供することができる。シャフト２０の傾きは、磁気構造３５に対して実質的に中心がずれたシャフト２０を移動することにより動的シールを弱めるような発生をするので避けなければならない。

液体固定材料７５は、硬化性又は矯正可能な接着剤、密封剤、または、当業者にとって公知の他の材料系であってもよい。液体固定材料７５は、圧縮可能リング７０を構成するエラストマー又は重合樹脂系と互換性を持つものに選ばれる。接着剤と密封剤系のいくつかの例は、エポキシ樹脂、ポリエステル、シリコン、ポリエーテル、ポリウレタン及びアクリル接着剤、それによる混合物又は共重合体と同様を含む本開示の教示による使用でもよいが、これに限定されるものではない。

本発明の圧縮可能リング７０は、センタリング機能を行うことに非常に役に立つ。このリング７０は、転動体ベアリング５０の内側リング５５と共に、その縦軸（Ｘ）に沿ってシャフト２０を中心に配置する。回転可能シャフト２０周囲における磁性封止装置１０のセンタリングは、シャフト２０と磁気構造３５との間と同様に、シャフト２０とサポートベアリング５０との間に設定する登録精度の影響を受ける。磁気構造３５とサポートベアリング５０が共通のハウジング１５内に通常連結されることから、回転可能なシャフト２０を中心に配置する精度は、ハウジング１５内にシャフト２０を中心に配置する精度に依存する。

ハウジング１５内におけるシャフト２０のセンタリングは、内側リング５５の内面６２により設定される同心円の中心および磁気構造３５によって設定される同心円の中心がそれらハウジング１５に連結され同軸上に位置合わせを確実にすることによって、成し遂げられる。圧縮可能リング７０によってシャフト２０の配置は、磁気構造３５の内面とシャフト２０の外面２２との間で、実質的に環状で均等な第１の径方向間隙４０を小さく形成することができる。

図２Ｂをここで参照して、第２部分２６内のシャフト２０は、シャフト２０を囲みそこに密接的に形成される肩部８０を任意に構成してもよい。好ましくは、肩部８０の表面８２は、シャフト２０の縦軸（Ｘ）に直角又は垂直であり、シャフト２０と転動体ベアリング５０の内側リング５５との配置を補助するために用いることができる。この場合、固定材料が硬くなる間に配置を維持する取付具の使用は、必要ではない。なぜなら、固定材料７５が硬くなるのに必要な時間中であって圧縮可能リング７０がシャフト２０とベアリング５０とを一緒に保持する間に、肩部８０がシャフト２０とベアリング５０との位置を合わせるために用いることができるためである。しかしながら、取付具は、望ましいときに今まで通りに利用することができる。

シャフト２０は、図２Ａに示すように、転動ベアリング５０の内側リング５５に設定される第２の径方向間隙６５内の領域の前に、後に及び全体にわたってその縦軸（Ｘ）に沿って略平坦である。任意に、シャフト２０は、図２Ｂに示すように、転動ベアリング５０の内側リング５５を有する第２の径方向間隙６５を設定する隆起部７８を更に備えていてもよい。この後者の場合に関して、溝３０と圧縮可能リング７０はシャフト２０の隆起部７８内に配置される。

図２Ｃをここで参照して、本開示の別の態様による磁性封止装置１０は、圧縮可能リングを使用することなく、シャフト２０と転動体ベアリング５０を自動で位置合わせする能力を含んでいてもよい。この自動位置合わせ機構は、シャフト縦軸（Ｘ）に対して直角又は垂直である肩部８０を有するシャフト２０だけを含む。ベアリング５０は、この肩部に対してしっかりと取り付けられており、シャフトとベアリング５０の軸が平行であることを確実にする。シャフト２０は、前述したような隆起部７８を任意に備えてもよい。

より詳しくは、磁性流体封止装置１０は、機器内に取付けられるハウジング１５と、該ハウジング１５に回転可能に取付けられるシャフト２０と、磁気構造３５と、磁性流体４５と、転動体ベアリング５０と、を備える。シャフト２０は、その縦軸（Ｘ）に沿って第１部分２４と第２部分２６とを定める外面２２を有している。図２Ｃに示すように、第２部分２６におけるシャフト２０の外面２２は、シャフト２０を囲む肩部８０を有している。肩部８０の表面８２は、シャフト２０の縦軸（Ｘ）に直角又は垂直である。

転動体ベアリング５０は内側リング５５と外側リングを有しており、外側リング６０はハウジング１５に連結されており、内側リング５５は外側リング６０に関連して回転可能である。内側リング５５はその第２部分２６に沿ってシャフト２０の外面２２を囲み、シャフト２０の外面に接触するサイズに設定されている。内側リング５５の内面６２とシャフト２０の外面２２との間で生じる接触は、転動体ベアリング５０と共に、その縦軸（Ｘ）に沿ってシャフト２０を径方向に位置合わせして中心に配置する。

この場合、固定材料７５が硬くなる間にシャフト２０とベアリング５０とを一緒に保持することができる圧縮可能リングの欠如は、外部の取付具の使用を通じて解決することができる。このような取付具は、固定材料７５が硬くなる間に、正確な配置でシャフト２０とベアリング５０とを保持するのに必要となる。正確な取付具の使用は、取付具に関する費用及び大規模、多量の生産環境において取付具を利用する問題点により多くの用途では望ましくはない。

当業者は、本発明のセンタリング機構が回転可能なシャフト２０周囲で強磁性流体シールを設ける磁性流体封止装置１０における種々の用途に利用することができることに理解する。このような用途の例は、スパッタリング装置、ＣＶＤ装置、イオン注入装置、エッチング装置、Ｘ線機器、エピタキシャル成長装置および真空輸送装置を含むがこれに限定されない。

シャフト２０が回転する機器の動作中は、磁性封止装置１０はシール機能、発熱の発生を提供する。磁性シールが機能に要求されるように、好ましくは、熱の発生は最小化にするか又は装置１０から取り除く。このように、磁性封止装置１０は、該装置１０内の何かの熱の蓄積を最小化又は減少させるために、サーマルレジスタ、分流器およびヒートシンクの組み合わせを更に備えてもよい。また、磁性封止装置１０のハウジング１５は、シャフト１０が回転したとき、該装置１０内に発生した熱を取り除く水冷機構（図示せず）を含んでもよい。

本開示の他の目的は、回転可能な部品を有する機器を使用するための磁性封止装置１０を組み立てる方法を提供することである。図３を参照して、この方法１００は、その縦軸（Ｘ）に沿って第１部分２４と第２部分２６を定める外面２２を有するシャフト２０を提供するステップ１０５を備える。第１部分２４について、方法１００は、シャフト２０の外面２２を囲むサイズに設定された内径３７を有することにより第１の径方向間隙４０を形成する磁気構造３５を提供するステップ１２０を更に備える。

第２部分２６について、方法１００は、シャフト２０を囲む少なくとも１つの溝３０を提供するステップ１１０と、該溝３０内に圧縮可能リング７０を配置するステップ１１５と、を備える。圧縮可能リング７０の断面直径は、溝３０の深さより大きい。方法１００は、内側リング５５と外側リング６０を有する転動体ベアリング５０を提供するステップ１２５を更に含む。内側リング５５は、シャフト２０の外面２２を囲むサイズに設定された内径６２を有することにより第２の径方向間隙６５を形成する。

方法１００は、磁性構造３５の外径３８と転動体ベアリング５０の外側リング６０とを連結させるハウジング１５を提供するステップ１３０を更に含む。ハウジング１５に対する磁気構造３５と転動ベアリング５０とを連結するステップ１３５は、環状の磁気構造３５の径方向中心が、転動体ベアリング５０の環状内側リング５５の径方向中心と同軸に位置を合わせるように行う。

方法１００は、圧縮可能リング７０が第２の径方向間隙６５の部分を塞ぎ、転動体ベアリング５０の内側リング５５に接触するように、転動体ベアリング５０の内側リング５５を通じてシャフト２０を挿入するステップ１４０を更に備える。このように、圧縮可能リング７０は、転動体ベアリング５０と共にその縦軸（Ｘ）に沿ってシャフト２０を径方向に位置合わせして中心に配置する。

方法１００は、磁気構造３５の内面３７を通じてシャフト２０を挿入するステップ１４５も含む。方法１００は、第２の間隙６５内に液体固定材料７５を加えるステップ１５０と、固定材料７５を硬くするステップ１５５とを更に備える。硬くなった固定材料７５は、転動体ベアリング５０の内側リング５５に対してシャフト２０と圧縮可能リング７０とを連結させる。最後に、方法１００は、第１の間隙４０内に磁性流体４５を配置するステップ１６０を更に含み、該磁性流体４５は、磁気構造３５とシャフト３０との間にシールを設定する。

本開示の別の態様によれば、方法１００は、固定材料７５が固まる間にシャフト２０と転動体ベアリング５０と径方向の配列で保持するように、外部の取付具内に磁性流体封装置１０を配置するステップ１６５を任意に含ませてもよい。固定材料７５が一度硬くなると、方法１００は、磁性流体封止装置１０を取付具から除去するステップ１７０を更に含む。

本開示の更なる別の態様によれば、方法１００は、シャフト２０が回転したとき該装置１０内に発生する熱を取り除くために、ハウジング１５を冷却するステップ１７５を更に備えてもよい。

本開示の他の実施例は、シャフト２０上の肩部８０だけでシャフト２０と転動ベアリング５０を位置合わせするのに用いる図２Ｃの自動組立機構で、磁性流体封止装置１０を組み立てる方法２００を提供する。図４を参照して、この方法２００は、その縦軸（Ｘ）に沿って第１部分２４と第２部分２６とを定める外面２２を有するシャフト２０を提供するステップ２０５を含む。肩部８０は、第２部分２６におけるシャフト２０の外面２２上に設けられている。該肩部８０の表面８２は、シャフト２０の縦軸（Ｘ）に対して垂直又は直角である。

方法２００は、内面３７を有する磁気構造３５を提供するステップ２２０を更に備える。磁気構造３５の内面３７がその第１部分２４に沿ってシャフト２０の外面２２を囲むサイズに設定されていることにより、第１の径方向間隙４０を形成する。

方法２００は、内側リング５５と外側リング６０を有しており、内側リング５５がその第２部分２６に沿ってシャフト２０の外面２２を囲むサイズに設定された内面６２を有する、転動体ベアリング５０を提供するステップ２２５とを更に含む。

方法２００は、磁気構造３５と転動体ベアリング５０の外側リング５５とを連結させるハウジング１５を提供するステップ２３０を更に含む。ハウジング１５に対して磁気構造３５と転動ベアリング５０とを連結させるステップ２３５は、環状の磁気構造３５の径方向中心が転動体ベアリング５０の内側リング５５の径方向中心と同軸に位置を合わせるように行う。

方法２００は、また、シャフト２０上における肩部８０の表面８２が転動体ベアリング５０の内側リング５５の内面６２に接触するように、転動体ベアリング５０の内側リング５５を通じてシャフト２０を挿入するステップ２４０を備える。シャフト２０の肩部８０と転動体ベアリング５０の内側リング５５との間の接触は、転動体ベアリング５０と共にその縦軸（Ｘ）に沿ってシャフト２０を軸方向に位置を合わせる。

方法２００は、磁気構造３５の内面３７を通じてシャフト２０を挿入するステップ２４５を更に含む。方法２００は、第２の間隙６５内に液体固定材料７５を加えるステップ２５０と、該固定材料７５を硬くさせるステップ２５５を更に含む。方法２００は、固定材料が硬くなる間にシャフト２０と転動体ベアリング５０とを径方向に配列で保持させるために、外部の取付具内に磁性流体封止装置１０を配置するステップ２６５も含む。硬くなった固定材料７５は、転動体ベアリング５０の内側リング５５にシャフト２０を連結する。固定材料７５が一旦硬くなると、方法２００は、取付具から磁性流体封止装置１０を除去するステップ２７０と、第１の径方向間隙４０内に磁性流体４５を配置するステップ１６０とを更に含む。磁性流体４５は、磁気構造３５とシャフト２０との間でシールを設定する。

任意に、方法２００は、シャフト２０が回転したとき、装置１０内に発生した熱を取り除くためにハウジング１５を冷却するステップ２７５を更に備えてもよい。

当業者は、記述される何れかの寸法は、種々の異なる試験方法によって得ることができる標準寸法であると認識する。本開示において記述される何れかの試験方法は、各々の記述された寸法を得るために１つの利用できる方法だけを示す。

本発明の様々な実施例の前述の説明は、図面及び明細書のために示される。本発明は開示される正確な実施例に制限又は精緻することを目的としていない。多数の修正又は変形は上記の教示を考慮してすることができる。議論される実施例は、本発明とその実施例の原理を最善の説明を提供するために選択され記述されていることから、様々な実施例において発明を利用する通常の技術のうち予測される特有の使用に適用される様々な修正をすることができる。すべてのこのような修正変更は、合法的、法律的に、公平な権利の幅に基づいて解釈される添付の請求の範囲によって定まる発明の範囲内である。

第１の径方向間隙４０を設定する磁気構造３５とシャフト２０間の距離は、約０．０２５４から０．１０１６ミリメートル（０．００１から０．００４インチ）までの状態であってもよい。磁石４２は、磁極片４３の反対側にある磁石４２の極性が磁極片４３に対して対称であるように配置される。このように、２個隣接する磁石４２の対向する表面の極性は互いに同じである。

Claims (24)

1. 回転可能な部品を有する機器内に組み込む磁性流体封止装置１０において、
   前記機器に取り付けられるハウジング１５と、
   該ハウジング１５内に回転可能に取り付けられるシャフト２０であって、その縦軸（Ｘ）に沿って第１部分２４と第２部分２６とを定める外面２２を有し、該第２部分２６における該シャフト２０の該外面２２が該シャフト２０を囲む少なくとも１つの溝を有するシャフト２０と、
   内面３７を有すると共にハウジング１５に連結される磁気構造３５であって、該磁気構造３５の内径がその第１部分２４に沿って前記シャフト２０の前記外面２２を囲むサイズに設定されることにより第１の径方向間隙４０を形成する磁気構造３５と、
   前記第１の間隙４０内に配置される磁性流体４５と、
   内側リング５５と外側リング６０を有する転動体ベアリング５０であって、該外側リング６０が前記ハウジング１５に連結され、該内側リング５５がその第２部分２６に沿って前記シャフト２０の前記外面２２を囲むサイズに設定された内径を有することにより第２の径方向間隙６５を形成する転動体ベアリング５０と、
   前記シャフト２０の前記溝３０内に配置される圧縮可能リング７０であって、前記第２の間隙６５の部分を塞ぐために、前記転動体ベアリング５０の前記内側リング５５に接触する圧縮可能リング７０と、
   前記第２の間隙６５の部分を塞ぐよう構成される硬化可能な固定材料７５とを備え、
   前記圧縮可能リング７０は、前記転動体ベアリング５０と共に、その縦軸（Ｘ）に沿って前記シャフト２０を径方向に位置合わせして中心に配置し、
   前記固定材料が硬くなるとき、前記転動体ベアリング５０の前記内側リング５５に対して前記シャフト２０と前記圧縮可能リング７０とを連結し、
   前記磁性流体４５が、前記磁気構造３５と前記シャフト２０との間においてシールを設定する磁性流体封止装置１０。
2. 第２部分２６における前記シャフト２０は、前記シャフト２０を囲みそこにおいて密接に形成される肩部８０を更に備えており、
   該肩部８０は、前記シャフト２０の前記縦軸（Ｘ）に対して垂直である請求項１の磁性流体封止装置１０。
3. 前記磁気構造３５は、磁極片４３と該磁極片４３を有する磁石４２の組み合わせを更に備え、
   前記第１部分２４における前記シャフト２０の該外面２２は、磁気透過性材料から形成され、
   前記磁石４２は前記シャフト２０が回転したとき静止したままである請求項１の磁性流体封止装置１０。
4. 磁気構造３５は、磁気透過性材料から形成される、単一の磁極片４３又は各磁極片４３の組み合わせを更に備え、
   前記シャフト２０の前記第１部分２４は、磁気透過性材料の磁極片４３と磁石４２の組み合わせを含み、
   前記磁石４２は前記シャフト２０と共に回転する請求項１の磁性流体封止装置１０。
5. 前記シャフト２０は、通路、チャンネル、ダクトまたは導管を定める中空コアを有している請求項１の磁性流体封止装置１０。
6. 前記磁気構造３５と前記シャフト２０との間に設定される前記シールは、高気圧である前記機器内の領域から該機器内の低圧領域を区切る請求項１の磁性流体封止装置１０。
7. 前記高気圧の領域は、前記転動体ベアリング５０と前記シャフト２０の前記第２部分２６とを含む請求項６の磁性流体封止装置１０。
8. 前記圧縮可能リング７０は、エポキシ樹脂、ポリエステル、ブチルゴム、シリコン、ポリエーテル、ポリウレタン、ポリオレフィン、スチレンブロック共重合体、ポリ塩化ビニル及びそれらの混合物または共重合体のグループから選択されたポリマーで形成されている請求項１の磁性流体封止装置１０。
9. 前記圧縮可能リング７０の断面直径は前記シャフト２０内の溝３０の深さより大きい請求項１の磁性流体封止装置１０。
10. 前記転動体ベアリング５０の前記内側リング５５は、前記外側リング６０に関連して回転可能である請求項１の磁性流体封止装置１０。
11. 前記ハウジング１５は、前記シャフト２０が回転したとき、該装置１０内に発生した熱を取り除くために水冷機構を更に備える請求項１の磁性流体封止装置１０。
12. 回転可能な部品を有する機器内に組み込む磁性流体封止装置１０において、
    前記機器に取り付けられるハウジング１５と、
    該ハウジング１５内に回転可能に取り付けられ、その縦軸（Ｘ）に沿って第１部分２４と第２部分２６とを定める外面２２を有するシャフト２０と、
    内面３７を有すると共にハウジング１５に連結される磁気構造３５であって該磁気構造３５の内径がその第１部分２４に沿って前記シャフト２０の前記外面２２を囲むサイズに設定されることにより第１の径方向間隙４０を形成する磁気構造３５と、
    前記第１の間隙４０内に配置される磁性流体４５と、
    内側リング５５と外側リング６０を有する転動体ベアリング５０であって該外側リング６０が前記ハウジング１５に連結され、該内側リング５５がその第２部分２６に沿って前記シャフト２０の前記外面２２を囲むサイズに設定された内径を有することにより第２の径方向間隙６５を形成する転動体ベアリング５０と、
    前記第２の間隙６５の部分を塞ぐよう構成される硬化可能な固定材料７５とを備え、
    前記シャフト２０は、前記固定材料７５が硬くなるまで、取付具の使用を通じて前記転動体ベアリング５０と共に、その縦軸（Ｘ）に沿って径方向配列で中心に配置されて保持され、
    前記固定材料７５が硬くなるとき、前記転動体ベアリング５０の前記内側リング５５に対してシャフト２０を連結し、
    前記磁性流体４５は、前記磁気構造３５と前記シャフト２０との間でシールを設定する磁性流体封止装置１０。
13. 前記第２部分２６における前記シャフト２０は、該シャフト２０を囲みそこにおいて密接に形成される肩部８０を更に備えており、
    該肩部８０の表面８２は前記シャフト２０の前記縦軸（Ｘ）に垂直である請求項１２の磁性流体封止装置１０。
14. 磁気構造３５は、磁極片４３と該磁極片４３を有する磁石４２との組み合わせを更に備え、
    前記第１部分２４における前記シャフト２０の該外面２２は、磁気透過性材料から形成され、
    前記磁石４３は前記シャフト２０が回転したとき静止したままである請求項１２の磁性流体封止装置１０。
15. 磁気構造３５は、磁気透過性材料から成る、単一の磁極片４３又は各磁極片４３の組み合わせを更に備え、
    前記シャフト２０の前記第１部分２４は、各磁極片４３の組み合わせと磁気透過性材料の該磁極片４３を有する磁石４２と含んでおり、
    前記磁石４３は前記シャフト２０と共に回転する請求項１２の磁性流体封止装置１０。
16. 前記磁性流体シールは、高気圧である前記機器内の領域から該機器内の低圧領域を区切り、
    前記高気圧の領域は、前記転動体ベアリング５０と前記シャフトの第２部分２６とを含む請求項１２の磁性流体封止装置１０。
17. 前記シャフト５０は、通路、チャンネル、ダクト又は導管を定める中空コアである請求項１２の磁性流体封止装置。
18. 回転可能な部品を有する機器内に使用する磁性流体封止装置を組み立てる方法１００において、
    その縦軸（Ｘ）に沿って第１部分２４と第２部分２６を定める外面２２を有するシャフト２０を提供するステップ１０５と、
    前記シャフト２０の前記第２部分２６における前記シャフト２０を囲む少なくとも１つの溝３０を提供するステップ１１０と、
    前記シャフト２０の前記溝３０内において断面直径が前記溝３０の深さより大きい圧縮可能リング７０を配置するステップ１１５と、
    内面３７を有する磁気構造３５であって、該構造３５の前記内径が前記第１部分２４に沿って前記シャフト２０の前記外面２２を囲むサイズに設定されることにより第１の径方向間隙４０を形成する磁気構造３５を提供するステップ１２０と、
    内側リング５５と外側リング６０とを有する転動体ベアリング５０であって、該内側リング５５は、その第２部分２６に沿って前記シャフト２０の前記外面２２を囲むサイズに設定されている内径を有することにより第２の径方向間隙６５を形成する転動体ベアリング５０を提供するステップ１２５と、
    ハウジング１５を提供するステップ１３０と、
    前記環状の磁気構造３５の径方向中心が前記環状の転動体ベアリング５０の径方向中心と同軸に位置が合わさるように、前記ハウジング１５に対して前記磁気構造３５と前記転動体ベアリング５０の前記外側リング５５とを連結するステップ１３５と、
    前記圧縮可能リング７０が前記第２の間隙６５の部分を塞いで前記内側リング５５に接触するように、前記転動体ベアリング５０の前記内側リング５５を通じて前記シャフト２０を挿入するステップ１４０と、
    前記磁気構造３５の前記内径を通じて前記シャフト２０を挿入するステップ１４５と、
    前記第２の間隙６５内に液体固定材料７５を加えるステップ１５０と、
    前記固定材料７５を硬くするステップ１５５と、
    前記第１の間隙４０内に磁性流体４５を配置するステップ１６０とを備え、
    前記圧縮可能リング７０は、前記転動体ベアリング５０と共に、その縦軸（Ｘ）に沿って前記シャフト２０を径方向に位置合わせをして中心に配置し、
    前記硬くなった固定材料７５は、前記転動体ベアリング５０の前記内側リング５５に対して前記シャフト２０と前記圧縮可能リング７０とを連結し、
    前記磁性流体４５は、前記磁気構造３５と前記シャフト２０との間にシールを設定する方法１００。
19. 前記固定材料７５が硬くなる間に、径方向配列で前記シャフト２０と前記転動体ベアリング５０とを保持した取付具内に磁性流体封止装置１０を配置するステップ１６５と、
    前記固定材料７５が硬くなった後に前記取付具から前記磁性流体封止装置１０を除去するステップ１７０とを更に備える請求項１８の方法１００。
20. 前記シャフト２０を提供するステップ１０５において、該シャフト２０は、その縦軸（Ｘ）に沿って前記第１部分２４と第２部分２６を定める外面２２を有し、該シャフト２０を囲みそこにおいて密接に形成された肩部８０を更に備え、
    該肩部８０の前記表面８２は、前記シャフト２０の前記縦軸（Ｘ）に対して垂直であり、
    前記圧縮可能リング７０と結合する肩部８０は、前記固定材料が硬くなる間に、前記転動体ベアリング５０と共に径方向及び軸方向に配列で前記シャフト２０を保持する請求項１８の方法１００。
21. 前記シャフト２０が回転したとき前記装置１０内に発生した熱を取り除くために前記ハウジング１５を冷却するステップ１７５とを更に備える請求項１８の方法１００。
22. 回転可能な部品を有する機器内に使用する磁性流体封止装置１０を組み立てる方法２００において、
    その縦軸（Ｘ）に沿って第１部分２４と第２部分２６を定める外面２２を有するシャフト２０を提供するステップ２０５と、
    内面３７を有する磁気構造３５であって該構造３５の内径が前記第１部分に沿って前記シャフト２０の前記外面２２を囲むサイズに設定されることにより第１の径方向間隙４０を形成する磁気構造３５を提供するステップ２２０と、
    内側リング５５と外側リング６０とを有する転動体ベアリング５０であって該内側リング５５がその第２部分２６に沿って前記シャフト２０の前記外面２２を囲むサイズに設定された内径を有することにより第２の径方向間隙６５を形成する転動体ベアリング５０を提供するステップ２２５と、
    ハウジング１５を提供するステップ２３０と、
    前記環状の磁気構造３５の径方向中心が、前記環状の転動体ベアリング５０の径方向中心と同軸に位置が合わさるように、前記ハウジング１５に対して前記磁気構造３５と前記転動体ベアリング５０の前記外側リング５５とを連結するステップ２３５と、
    前記転動体ベアリング５０の前記内側リング５５を通じて前記シャフト２０を挿入するステップ２４０と、
    前記磁気構造３５の前記内径を通じて前記シャフト２０を挿入するステップ２４５と、
    前記第２の間隙６５内に液体固定材料７５を加えるステップ２５０と、
    前記シャフト２０と前記転動体ベアリング５０をセンタリングすると共にそれら径方向の配列で保持するために取付具内に前記磁性流体封止装置１０を配置するステップ２６５と、
    前記固定材料７５を硬くするステップ２５５と、
    前記第１の間隙４０内に磁性流体４５を配置するステップ２６０と、
    前記固定材料７５が硬くなった後に前記取付具から前記磁性流体封止装置１０を除去するステップ２７０とを備え、
    前記硬くなった固定材料７５が前記シャフト２０と前記転動体ベアリング５０とを連結し、
    前記磁性流体４５は、前記磁気構造３５と前記シャフト２０の間でシールを設定する方法２００。
23. 前記シャフト２０が回転したとき前記装置１０内に発生した熱を取り除くためにハウジング１５を冷却するステップ２７５とを更に備える請求項２２の方法２００。
24. 前記シャフト２０を提供するステップ２０５において、前記シャフト２０は、その縦軸（Ｘ）に沿って前記第１部分２４と前記第２部分２６とを定める外面２２を有しており、該シャフト２０を囲みそこにおいて密接に形成された肩部８０を更に備え、
    該肩部８０の表面８２は、前記シャフト２０の前記縦軸（Ｘ）に対して垂直であり、
    前記取付具と結合する前記肩部８０は、前記固定材料７５が硬くなる間、前記転動体ベアリング５０と共に径方向及び軸方向の配列で前記シャフト２０を保持する請求項２２の方法２００。

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