JP2013142466A - 磁性流体シール装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回転軸が回転したときの磁性流体の飛散による減少を非常に簡単な構成によって確実に防止することにより、磁性流体シール装置の寿命を長くする。
【解決手段】回転軸１２，３０の軸方向に沿って隣接する第１領域Ａ１と第２領域Ａ２とを封止する磁性流体シール装置７である。回転軸３０の外周面に対して間隙をおいてポールピース２８ａの尖端部が配置され、磁石２９によってポールピース２８ａと回転軸３０との間の間隙に磁界が形成され、ポールピース２８ａとスリーブ３０との間の間隙に磁力によって磁性流体膜３１ａが形成され、回転軸３０上に突部３３が設けられ、突部３３の外周面に対して間隙を隔てて覆い部３４が設けられる。磁性流体膜３１ａから噴出した磁性流体は突部３３にぶつかり、遠心力によって飛散して覆い部３４で受け取られ、磁石２９の磁力によってポールピース２８ａの内周面尖端部に還流して再利用される。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転軸の軸方向に沿った２つの領域の間を封止する磁性流体シール装置に関する。

産業界で用いられる種々の装置において、異なる雰囲気である２つの領域にわたって回転軸が設けられる構造を持った装置がある。例えば、Ｘ線分析の分野で用いられる回転体陰極Ｘ線発生装置においては、真空状態で無塵状態ある第１領域内に回転体陰極が設けられ、その第１領域は大気圧状態で有塵状態である第２領域から封止され、回転対陰極から延びる回転軸が第１領域と第２領域とにわたって設けられる。また、情報処理の分野で用いられる磁気ディスク装置においては、無塵状態である第１領域内に磁気ディスク及び磁気ヘッドが配置され、その第１領域は有塵状態である第２領域から封止され、磁気ディスクを回転させる回転軸が第１領域と第２領域とにわたって設けられる。

上記の各装置においては、第１領域内の雰囲気と第２領域内の雰囲気とが互いに影響を及ぼし合うことなく所望の状態に維持されなければならない。つまり、第１領域と第２領域とが封止されていなければならない。本発明に係る磁性流体シール装置は異なる雰囲気状態にある２つの領域の間に設けられて、それらの間を封止するために用いられる。

異なる雰囲気状態にある２つの領域の間を封止する装置として、例えば特許文献１、特許文献２及び特許文献３に開示された磁性流体シール装置が知られている。これらの磁性流体シール装置では、回転軸の周囲にポールピース又はヨーク（以下単にポールピースと言う）を設け、ポールピースの近傍に磁石を設け、ポールピースと回転軸との間に磁石によって磁界を形成し、回転軸とポールピースとの間の間隙に前記磁界によって磁性流体を保持することにより当該間隙に磁性流体膜を形成し、この磁性流体膜により第１領域と第２領域との間を封止して、それらの領域内の雰囲気を保持している。このような磁性流体シール装置においては、磁性流体膜の寿命を長く維持するために、回転軸が回転したときに磁性流体が遠心力によって飛散することを防止することが望ましい。

特開昭６０−０７６０５３号公報（第２頁、第３図） 特開平１−２２９４５８号公報（第４頁、第１図） 実開平５−０８１５６９号公報（実願平４−０３２６５６号）のマイクロフィルム（第５頁、図１）

特許文献１に開示された磁性流体シール装置では、磁路となる部材に磁性流体溜を設け、この磁性流体溜に磁性流体を溜めることにより、回転軸が回転した際の磁性流体の飛散を防止している。また、特許文献２に開示された磁性流体シール装置では、回転軸の外周面に溝を設けたり、回転軸の周囲に在る部材であるスピンドルハブに溝を設け、それらの溝によって磁性流体を捕捉することにより、回転軸が回転したときの磁性流体の飛散を防止している。さらに、特許文献３に開示された磁性流体シール装置では、磁性流体の周囲に設けられた放熱リングやポールピースを壁として機能させて磁性流体の飛散を防止している。しかしながら、上記の各構成では磁性流体の飛散を防止することが不十分であり、磁性流体シール装置の寿命が短かった。

本発明は上記の問題点に鑑みて成されたものであって、回転軸が回転したときの磁性流体の飛散を非常に簡単な構成によって確実に防止することにより、磁性流体シール装置の寿命を長くすることを目的とする。

本発明に係る磁性流体シール装置は、回転軸の軸方向に沿った一方の領域である第１領域と他方の領域である第２領域との間を封止する磁性流体シール装置において、透磁性材料によって形成されており内周面が前記回転軸の外周面に対して間隙をおいて設けられたポールピースと、該ポールピースと前記回転軸との間の前記間隙に磁界を形成する磁石と、前記第１領域に面して位置しており前記磁界によって前記間隙内に保持された磁性流体膜と、前記第１領域内に在る部分の前記回転軸上に設けられており該回転軸の径方向に突出した突部と、該突部の外周面に対して間隙をおいて設けられており該突部を覆う覆い部とを有し、前記磁界を形成する磁力線は前記覆い部を通ることを特徴とする。

この磁性流体シール装置によれば、回転軸に沿って第１領域及び第２領域の２つの領域が隣接していて、それらの領域内の雰囲気（例えば、気圧状態、塵が存在するか否かの状態）が互いに異なっている場合に、第１領域と第２領域とを磁性流体膜によって封止することにより、それらの領域内の雰囲気が互いに影響し合うことを防止でき、それらの領域内の雰囲気を所望の初期状態に維持できる。

また、上記の磁性流体シール装置においては、回転軸上に突部を設けたことにより、磁性流体膜を構成する磁性流体が回転軸に沿って第１領域内へ移動することを、その突部によって阻止できる。また、突部によって移動を阻止された磁性流体が回転軸の回転に応じた遠心力によって回転軸の径方向へ飛散したとしても、その磁性流体が覆い部にぶつかって受け止められて第１領域内へ飛散することが防止される。さらに、覆い部には磁性流体膜の形成に寄与している磁界を形成している磁力線が通っているので、その覆い部によって受け止められた磁性流体はその磁力線に従って移動することにより磁性流体膜へ還流して回収される。こうして磁性流体の回転軸からの飛散が防止され、磁性流体シール装置の寿命を長く保つことができる。また、そのための構成は、突部及び覆い部を設けるだけという、非常に簡単な構成である。

次に、本発明に係る磁性流体シール装置において、前記突部の前記磁性流体膜に対向する面は前記回転軸の外周面に対して９０°以下の角度を成していることが望ましい。この構成によれば、回転軸の外周面に沿って該回転軸の軸方向へ移動して突部にぶつかった磁性流体が回転軸の回転による遠心力によって外部へ飛散したとき、その飛散の方向を第１領域から離れる方向とすることができ、その結果、飛散した磁性流体の還流、すなわち回収を行い易くできる。

次に、前記突部の前記磁性流体膜に対向する面を前記回転軸の外周面に対して９０°以下の角度に設定した構成の本発明に係る磁性流体シール装置において、前記回転軸の軸線を含む面で前記突部を切断したときの当該突部の断面形状は三角形であり、当該三角形の頂角は９０°以下であることが望ましい。この構成によれば、突部にぶつかった磁性流体が突部の頂点部分を迂回移動して第１領域の内部へ進行することを、より確実に防止できる。

次に、本発明に係る磁性流体シール装置において、前記覆い部は前記第１領域内に張り出したポールピースの一部分のうちの前記突部に対向した部分であることが望ましい。このように、覆い部をポールピースの一部分として当該ポールピースと一体に形成すれば、磁性流体シール装置の構造を簡単にでき、且つ小型にできる。

次に、本発明に係る磁性流体シール装置において、前記覆い部は、前記磁性流体膜を保持している前記ポールピースの内周先端部分と形状的につながっており、そのつながっている部分は前記突部に対して凹状態となる湾曲面として形成されていることが望ましい。この構成によれば、回転軸の回転による遠心力によって突部から飛散して、さらに覆い部によって受け取られた磁性流体を磁力線によって還流させる際、凹状態の湾曲面に沿ってその還流が行われるので、その還流を円滑且つ安定して行うことができる。

次に、本発明に係る磁性流体シール装置において、前記覆い部及び前記突部は前記磁石の磁極中心線よりも前記回転軸側に在ることが望ましい。こうすれば、覆い部によって受け取られた磁性流体を磁力線によって正確にポールピースの回転軸側先端側、すなわち磁性流体膜が存在する側へ還流させることができる。

次に、本発明に係る磁性流体シール装置において、前記回転軸における前記第１領域と前記第２領域との間の部分の外周上に設けられたスリーブをさらに有し、前記突部は前記スリーブの外周上に当該スリーブの一部分として設けられることが望ましい。こうすれば、突部を形成する部材を回転軸ではなくてスリーブとすることができ、さらにポールピースと協働して磁性流体膜を形成する部材を回転軸ではなくてスリーブとすることができる。このため、回転軸の形状及び材質を拘束する条件が少なくなり、回転軸の設計の自由度を高めることができる。

次に、本発明に係る磁性流体シール装置において、前記突部は前記回転軸の円周方向の全域に設けられることが望ましい。また、前記覆い部も前記回転軸の円周方向の全域に設けられることが望ましい。これらの構成によれば、磁性流体の第１領域内への飛散を回転軸の円周方向の全域に関して防止できる。

次に、本発明に係る磁性流体シール装置においては、前記回転軸へ向けて突出したポールピース側突部を前記覆い部上にさらに設け、該ポールピース側突部は前記回転軸の軸線方向に沿って前記突部よりも前記磁性流体膜から離れた位置に設けられていることが望ましい。この構成によれば、回転軸の回転による遠心力によって突部から飛散して、さらに覆い部によって受け取られた磁性流体が、その覆い部の表面に沿って移動して第１領域の内部へ入り込むことをポールピース側突部によって阻止でき、その結果、磁性流体の磁性流体膜への還流を促進できる。

次に、本発明に係る磁性流体シール装置において、前記第１領域を減圧領域、例えば真空領域とし、前記第２領域を大気圧領域とすることができる。この構成によれば、第１領域内を減圧状態に且つ第２領域を大気圧状態に保持しつつ、第２領域から第１領域へ塵、埃、ゴミ等が侵入することを本磁性流体シール装置によって防止できる。そして、減圧状態且つ無塵状態の下で行わなければならない処理、例えば回転対陰極を用いたＸ線発生処理を行うことができる。

本発明に係る磁性流体シール装置においては、回転軸上に突部を設けたことにより、磁性流体膜を構成する磁性流体が回転軸に沿って第１領域内へ移動することを、その突部によって阻止できる。また、突部によって移動を阻止された磁性流体が回転軸の回転に応じた遠心力によって回転軸の径方向へ飛散したとしても、その磁性流体が覆い部によって受け止められて第１領域内へ飛散することが防止される。さらに、覆い部には磁性流体膜の形成に寄与している磁界を形成するために磁力線が通っているので、その覆い部によって受け止められた磁性流体はその磁力線に従って移動することにより磁性流体膜へ還流して回収される。こうして、磁性流体が回転軸から飛散することによってその磁性流体の量が減少することが防止され、磁性流体シール装置の寿命を長く保つことができる。また、そのための構成は、突部及び覆い部を設けるだけという、非常に簡単な構成である。

本発明に係る磁性流体シール装置の一実施形態を示す断面図である。 図１の主要部を拡大して示す図である。 図２の主要部を拡大して示す図である。 図１の磁性流体シール装置を用いた回転対陰極Ｘ線管を示す図である。 本発明に係る磁性流体シール装置の他の実施形態を示す断面図である。 本発明に係る磁性流体シール装置のさらに他の実施形態を示す断面図である。 本発明に係る磁性流体シール装置のさらに他の実施形態を示す断面図である。 磁性流体シール装置の比較例を示す断面図である。 （ａ）は図８の主要部を拡大して示し、（ｂ）は当該主要部における磁力線の強度分布を示している。 磁性流体の挙動の一形態を示す図である。 磁性流体の挙動の他の一形態を示す図である。

（第１の実施形態）
以下、本発明に係る磁性流体シール装置を実施形態に基づいて説明する。本実施形態では、磁性流体シール装置をＸ線発生装置である回転対陰極Ｘ線管を構成する構成要素として用いた場合を例示する。なお、本発明がこの実施形態に限定されないことはもちろんである。また、これ以降の説明では図面を参照するが、その図面では特徴的な部分を分かり易く示すために実際のものとは異なった比率で構成要素を示す場合がある。

図４は、本発明に係る磁性流体シール装置を用いたＸ線発生装置としての回転対陰極Ｘ線管を示している。図１は、本発明に係る磁性流体シール装置の一実施形態を示している。図３は、図１において矢印Ｚｂで示す部分を拡大して示している。

図４において、回転対陰極Ｘ線管１は、例えば銅又は銅合金によって形成されたケーシング２と、このケーシング２の右側壁に支持されたターゲットユニット３とを有する。ターゲットユニット３は、軸線Ｘ１を中心とする略円筒形状のハウジング４を有する。このハウジング４も、例えば銅又は銅合金によって形成されている。ハウジング４はケーシング２の右側壁に任意の締結手法によって固着されている。この締結手法としては、例えばボルト又はネジを用いた方法、圧入を用いた方法等が考えられる。ハウジング４とケーシング２との間はシール材であるＯリング５によって気密に密閉されている。

ケーシング２及びハウジング４によって囲まれた第１領域Ａ１は図示しない減圧手段、例えばロータリーポンプ及び／又はターボ分子ポンプによって真空に近い減圧状態（例えば１０^−３Ｐａ以下の気圧状態）に減圧される領域である。また、ケーシング２及びハウジング４の外側の領域である第２領域Ａ２は大気圧領域である。

ハウジング４の内部には、第１領域Ａ１から順に、磁性流体シール装置７、第１軸受８、ダイレクトドライブ装置９、及び第２軸受１０が設けられている。第１軸受８及び第２軸受１０はいずれも回転軸受である。回転軸受は、例えばラジアル軸受が使用できる。軸受８，１０は、軸線Ｘ１を中心とする円筒形状である回転軸としての第１内管１２を軸線Ｘ１を中心として回転自在に支持している。第１内管１２は、例えば非透磁性材料である真ちゅうによって形成されている。なお、本明細書において「非透磁性材料」は磁力線を通さない材料、すなわち磁石によって磁化されない材料のことである。また、「透磁性材料」は磁力線を通すことができる材料、すなわち磁石によって磁化され得る材料のことである。

ダイレクトドライブ装置９は、第１内管１２の外周面に固着されたロータ１３と、ハウジング４の内周面に固着されステータ１４とを有する。このステータ１４は、第１内管１２に固着されたロータ１３に対して間隙をおいて設けられている。ステータ１４は通電によって回転磁界を形成し、その回転磁界によってロータ１３及びそれに固着された第１内管１２が一体となって軸線Ｘ１を中心として回転する。この回転の速度は、例えば６，０００ｒｐｍである。

第１内管１２の第１領域Ａ１内に在る先端部分は半径方向へ広がって、矢印Ｂ方向から見て略円形状になっている。この第１内管１２の先端円形状部分がターゲット底部１５を構成している。そして、このターゲット底部１５の外周側面に対陰極であるターゲット１６が固着されている。ターゲット１６は軸線Ｘ１を中心とする有底円筒形状、すなわちカップ形状となっている。ターゲット１６は、熱伝導率の高い材料（例えばＣｕ（銅））によってカップ状の基部を形成すると共に、その基部における円筒状側面部分の表面に適宜の物質によってＸ線発生帯を形成することによって作製されている。Ｘ線発生帯は、イオンプレーティング、メッキ、焼き嵌め、その他適宜の成膜手法によって適宜の物質を基部の円周方向に帯状に成膜することによって形成されている。Ｘ線発生帯を形成する物質としては、例えばＣｕ（銅）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｃｒ（クロム）、Ｃｏ（コバルト）等が挙げられる。Ｘ線発生帯を形成する物質を適宜に選定することにより、そのＸ線発生帯から発生されるＸ線の波長、すなわちエネルギを所望の値に設定することができる。

第１領域Ａ１内の適所、図４では第１領域Ａ１の下部に、陰極であるフィラメント１７が設けられている。このフィラメント１７はターゲット１６の側面部分の一部分に対向して設けられている。このフィラメント１７は通電によって発熱して熱電子を放出する。放出された熱電子はターゲット１６の側面に衝突する。このようにフィラメント１７からの電子が衝突するターゲット１６上の領域がＸ線焦点であり、このＸ線焦点に電子が衝突したときにこのＸ線焦点からＸ線が発生する。Ｘ線焦点の大きさは、軸線Ｘ１に対して直角の方向からの平面視で長方形状であり、図４の奥行き方向（図の紙面垂直方向）が１ｍｍ程度で横方向（図の左右方向）が１０ｍｍ程度の長方形状である。Ｘ線焦点の大きさがこのように１ｍｍ×１０ｍｍ程度であるとき、上記のＸ線発生帯の軸線Ｘ１に沿った幅は１３ｍｍ程度に設定される。

一般に、フィラメント１７の近傍には電子の進行方向を制御するためのウエネルトが設けられるが、図４ではそのウエネルトの図示を省略している。また、ケーシング２の壁のうちターゲット１６上のＸ線焦点に近い位置にある壁にはＸ線取出し窓１９が設けられ、ターゲット１６から発生したＸ線がこの窓１９を通して外部に取り出される。通常、Ｘ線の取出し角度γは６°である。Ｘ線取出し用窓１９は、Ｘ線を透過できると共に真空状態と大気圧状態との間で損傷しない程度の機械的強度を持った材料、例えばＢｅ（ベリリウム）によって形成される。

軸受８，１０によって回転自在に支持された第１内管１２の内部に、円筒形状の第２内管２０が回転不能状態、すなわち固定状態で設けられている。第２内管２０は、例えば、ステンレス鋼や真ちゅうによって形成されている。第２内管２０の第１領域Ａ１側の先端部分は半径方向へ広がって、矢印Ｂ方向から見て略円形状になっている。この第２内管２０の先端円形状部分は、ターゲット１６とターゲット底部１５とによって囲まれた空間内でそれらから離れて配置されて、仕切り板２５を構成している。仕切り板２５とターゲット１６とによって形成される空間及び仕切り板２５とターゲット底部１５とによって形成される空間は、それぞれ、後述する冷却水のための通路を形成し、この通路を流れる冷却水によってターゲット１６が内部から冷却される。

第２内管２０の第２領域Ａ２側の先端部には開口２２が設けられ、ハウジング４における対応する後端部分に設けられた通水口２３がその開口２２に連通している。一方、ハウジング４の後端部分における通水口２３と反対側には排水口２４が設けられており、この排水口２４は第１内管１２と第２内管２０との間の間隙である通水路に連通している。通水口２３には図示しない冷却水供給装置の冷却水通水路が接続されており、通水口２３を介してその冷却水通水路から第２内管２０の内部へ冷却水が供給される。供給された冷却水は、順に、第２内管２０の内部において第１領域Ａ１側へ向けて流れ、ターゲット１６と仕切り板２５との間を流れ、ターゲット底部１５と仕切り板２５との間を流れ、第１内管１２と第２内管２０との間の空間を流れ、そして排水口２４から外部へ流れ出て回収される。

以上の構成から成る回転対陰極Ｘ線管１においては、ケーシング２とハウジング４とで囲まれる空間、すなわちフィラメント１７及びターゲット１６の周囲空間がターボ分子ポンプ等といった減圧手段によって減圧されて、略真空状態である１０^−３Ｐａ以下まで高精度に減圧される。この減圧の理由は、例えば、放電の発生を防止したり、フィラメントの酸化を防止したり、できるだけ低いフィラメント温度で電子を放出させる等のためである。さらに、ダイレクトドライブ装置９によって駆動されて第１内管１２及びそれと一体なターゲット１６が、例えば６，０００ｒｐｍの高速度で回転する。さらに、ターゲット１６の内部に冷却水が流される。ターゲット１６を回転させるのは、ターゲット１６の外周全面に均等にＸ線焦点の熱負荷を負担させるためである。また、ターゲット１６の内部に冷却水を流すのは、電子の衝突によって発熱するターゲット１６が異常高温にならないようにするためである。

以上の条件の下、フィラメント１７に通電が成されて当該フィラメント１７から電子が放出され、その電子がターゲット１６のＸ線発生帯に衝突してＸ線焦点を形成し、Ｘ線発生帯を形成する物質の材質に応じた特性Ｘ線がそのＸ線焦点から発生し、同時に各種の波長成分を含む連続Ｘ線がそのＸ線焦点から発生する。発生したＸ線Ｒは図示しないスリットによってＸ線取出し窓１９から取出し角度γ＝６°でケーシング２の外部へ取り出される。取り出されたＸ線Ｒは、Ｘ線回折装置、蛍光Ｘ線分析装置、ＸＡＦＳ測定装置、Ｘ線応力測定装置、その他のＸ線分析装置において測定対象である試料に照射される。その際、Ｘ線Ｒは必要に応じて、モノクロメータによる単色化、コリメータによる平行ビーム化等といった各種のＸ線光学要素による処理を受ける。

次に、磁性流体シール装置７について説明する。磁性流体シール装置７は、回転軸である第１内管１２の回転を許容しつつ、当該磁性流体シール装置７に関して一方の領域である第１領域Ａ１を当該第１領域Ａ１に隣接する他方の領域である第２領域Ａ２から隔絶して真空状態且つ無塵状態に保持する。つまり、磁性流体シール装置７は、第１内管１２の回転を許容しつつ、第１領域Ａ１と第２領域Ａ２との間を封止して第１領域Ａ１を密閉している。

磁性流体シール装置７は、図１に示すように、例えば真ちゅうによって形成された円筒形状の外枠２７と、その外枠２７の内周面に接触して設けられた透磁性ステンレスによって形成された３個の環状（すなわちリング状）のポールピース２８と、各ポールピース２８の間に設けられた２つの環状の磁石２９と、第１内管１２の外周面に固着されたスリーブ３０とを有する。スリーブ３０は透磁性ステンレスによって形成されており、圧入その他の嵌め込み手法によって第１内管１２に対して位置移動しないように当該第１内管１２の外周面に固着されている。

本実施形態では、スリーブ３０は第１内管１２と一体であって回転軸の一部分であると考える。つまり、スリーブ３０と言った場合には回転軸である第１内管１２を指し示すことがある。スリーブ３０は磁性流体シール装置７に対して好適な材質で好適な形状に形成される。このため、第１内管１２の形状及び材質は磁性流体シール装置７とは無関係に自由に選定できる。つまり、スリーブ３０を用いることにより、回転軸である第１内管１２の設計の自由度を高めることができる。なお、場合によっては、スリーブ３０を用いることなく、第１内管１２の外周面に対して磁性流体シール装置７を直接に設けることもできる。

各ポールピース２８の内周面は平らな平面ではなく、鋭角的に尖った複数の環状の尖端部が第１内管１２の軸線Ｘ１の方向に沿って並んだ形状になっている。つまり、各ポールピース２８の内周面は山部である尖端部と谷部とが交互に連続する凹凸形状に形成されている。矢印Ｚｂで示す部分の拡大図である図３に示すように、各尖端部の先端とスリーブ３０の外周面との間には間隙ｄが形成されている。

２つの磁石２９のうちの第１領域Ａ１側の磁石は、図２に示すように、第１領域Ａ１側の側面がＮ極となり、反対側（第２領域Ａ２へ向いた側）の側面がＳ極となるように着磁されている。また、２つの磁石２９は一対の磁石として配置されている。それらの磁石２９は磁力的に互いに反発する向きに配置されている。すなわち、それらの磁石２９の磁石極性（Ｎ極及びＳ極）は、例えば図２に示すように、一方の磁石２９のＳ極と他方の磁石２９のＳ極とが互いに向かい合っている。

なお、第１領域Ａ１側の磁石２９を、第１領域Ａ１側がＮ極となり、第２領域Ａ２側がＳ極となるように配置し、そして、２つの磁石２９のＮ極同士が互いに向かい合うように配置することもできる。

磁石２９の磁力線はＮ極とＳ極との磁力中心線Ｍ０を境としてスリーブ３０側とその反対側の２つの領域に分かれて分布している。スリーブ３０側に分布する磁力線は、Ｎ極から出た後、Ｎ極側ポールピース２８、スリーブ３０、及びＳ極側ポールピース２８を経由して、Ｓ極へ入る磁気閉回路を構成する。ポールピース２８とスリーブ３０との間には適量、例えば１００〜２００μｌ（マイクロリットル）の磁性流体が充填されている。この磁性流体は、例えば、マグネタイト等といった強磁性の固体微粒子を分散媒であるベースオイルの中に界面活性剤を用いて安定に分散させたコロイド溶液である。この磁性流体はポールピース２８の尖端部とスリーブ３０との間を通る磁力線に沿った領域に集まって磁性流体膜３１を形成する。

磁性流体膜３１は、図１において、３個のポールピース２８の内周面上の複数の尖端部とスリーブ３０の外周面との間に形成されている。これらの磁性流体膜３１は第１内管１２及びスリーブ３０が一体に回転する際、磁力によってポールピース２８に吸着した状態でスリーブ３０と擦れ合う。これらの磁性流体膜３１の働きにより、真空状態である第１領域Ａ１が封止、すなわち密閉され、大気圧領域である第２領域Ａ２から隔絶される。さらに、大気圧領域である第２領域内には塵、埃、ゴミ等といった不要な微細物が存在するが、磁性流体膜３１はそれらの不要微細物が第１領域Ａ１内へ侵入することを防止して、第１領域Ａ１を無塵で清浄な状態に保持する。その結果、図４のフィラメント１７とターゲット１６との間で異常な放電が発生することを防止でき、Ｘ線の発生を長期間にわたって安定して行うことができる。

図３において、減圧状態且つ清浄状態である第１領域Ａ１に最も近いポールピース２８ａの尖端部とスリーブ３０との間に形成された磁性流体膜３１ａを形成する磁性流体は、第１領域Ａ１と第２領域Ａ２との圧力差によって磁性流体膜３１ａから噴出して第１領域Ａ１内へ飛散することがある。また、磁性流体は、スリーブ３０が回転したときに遠心力を受け、スリーブ３０から飛散することがある。この飛散を放置すると、磁性流体膜３１ａを形成する磁性流体が減少して所望の封止機能を達成できなくなって磁性流体シール装置の寿命が尽きることになる。磁性流体の飛散の程度が大きければ、磁性流体シール装置の寿命が短くなる。本実施形態では、このような磁性流体の飛散を防止して磁性流体シール装置の寿命を長くするために、以下の構成を採用している。

第１領域Ａ１内に在る部分のスリーブ３０上に断面三角形状の突部３３が円周方向の全域にわたって設けられている。この突部３３は、スリーブ３０の径方向に突出する突部である。さらに、その突部３３の外周面に対して間隙を隔てて覆い部３４が設けられている。覆い部３４も円周方向の全域にわたって設けられている。覆い部３４はポールピース２８ａを第１領域Ａ１の方向へ膨出させる（すなわち張り出させる）ことにより、ポールピース２８ａと一体に形成されている。覆い部３４は、スリーブ３０上の突部３３の磁性流体膜３１に対向する面の面内を通る線の延長部分Ｌ０と交差する状態に配置されて、突部３３の外周面を間隔をおいて覆っている。

覆い部３４には、磁石２９によって形成される磁界を形成する磁力線Ｍ１が通る状態となっている。つまり、覆い部３４は磁石２９の磁界が及ぶ領域内に設けられている。また、突部３３及び覆い部３４は磁石２９の磁極中心線Ｍ０よりもスリーブ３０に近い側（従って第１内管１２（図１参照）に近い側）に設けられている。また、突部３３の磁性流体膜３１に対向する面とスリーブ３０の外周面との成す角度αはα＝９０°に設定されている。この角度は０°＜α≦９０°内の任意の角度に設定することもできる。さらに、断面三角形状の突部３３の頂角βは０°＜β≦９０°内の任意の角度に設定されている。

覆い部３４は、磁性流体膜３１ａを保持しているポールピース２８ａの内周先端部分である尖端部分と形状的につながっており、そのつながっている部分はスリーブ３０側の突部３３に対して凹状態となる湾曲面、例えば円弧面、楕円の一部の面，長円の一部の面として形成されている。

また、覆い部３４を形成しているポールピース２８ａの第１領域Ａ１側の角部４０には丸み、すなわちＲ（アール）、すなわち湾曲が形成されている。この丸みを設けたことにより、角部４０に磁力が集中してしまうことを防止でき、その結果、磁性流体が角部４０に集まってしまうことを防止できる。

本実施形態では、スリーブ３０側の突部３３と、それに対向して設けられたポールピース２８ａ側の覆い部３４と、その覆い部３４を磁石２９の磁力線領域に置くこと、との協働により、スリーブ３０の回転時における磁性流体の飛散を防止するのであるが、そのことを理解し易くするために、まず、突部３３及び覆い部３４が無い状態における磁性流体の挙動について説明する。

図８に示す磁性流体シール装置１０７は、図１に示した磁性流体シール装置７からスリーブ３０側の突部３３及びポールピース２８ａの側面部分に設けた覆い部３４を除去した構造を示している。図８において図１と同じ符号は同じ部材を示している。図９（ａ）は図８において矢印Ｚｈで示す部分を拡大して示している。図９（ｂ）は図９（ａ）の磁石２９によって形成される磁界の磁束密度の分布をシミュレーションソフトによって求めた結果を示している。図９（ｂ）において濃淡階調表示の濃い領域は磁束密度が高いことを示し、濃淡階調表示の薄い領域は磁束密度が低いことを示している。

図９（ｂ）において、第１領域Ａ１に近いポールピース２８ａ内の磁束密度分布を観察すると、内周面先端の尖端部で最も高く、段部Ｄよりも少し内周側の矢印Ｃで示す領域で低くなり、段部Ｄの周辺では尖端部程ではないが再び高くなっている。図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は図８における矢印Ｅに従ってポールピース２８ａの側面を示している。図１０（ａ）は回転軸を挿入していない状態を示しており、図１０（ｂ）は回転軸である第１内管１２及びスリーブ３０を挿入した状態を示している。

図１０（ａ）において、ポールピース２８ａの側面の中央付近に磁性流体Ｇを滴状に付着させた。図１０（ａ）では回転軸１２，３０を挿入していないため、磁性流体Ｇは付着させた場所に留まっている。次に、図１０（ｂ）に示すように回転軸１２，３０を挿入したところ、留まっていた磁性流体Ｇが磁束密度の高いポールピース尖端部、すなわちシール部へ流れて移動した。次に、図１１（ａ）はポールピース２８ａの段部に少しの磁性流体Ｇを滴状に付着させた状態を示している。図１１（ｂ）は磁性流体Ｇの付着量を増加させた状態を示している。増量した磁性流体Ｇは、図９（ｂ）における段部Ｄの外側の磁力線に吸引されて図１１（ｂ）に示すように外周方向へ流れ出した。

以上の観察から次のことが理解される。図８において、第１領域Ａ１と第２領域Ａ２との圧力差によってシール部から噴出した磁性流体はスリーブ３０の外周面に付着する。その磁性流体は回転による遠心力によって径方向の外方へ飛散する。図８に示す構造においては、飛散する磁性流体はポールピース２８ａの外周の段部Ｄまで飛ばされるので、その磁性流体は図１１（ｂ）に示すようにシールに寄与しない外周部分へ流れ出てしまう。仮に、飛散した磁性流体がポールピース２８ａの中央部分（図１０（ａ）参照）又はそれよりも先端寄りの部分に留まれば、その磁性流体は磁力線の働きによってポールピース尖端部（すなわちシール部）の方向へ還流してシール部へ戻る。

本実施形態において、図３に示すようにスリーブ３０側に突部３３を設け、その突部３３に対向して覆い部３４をポールピース２８ａ側に設けた構成は、以上の観察に基づいて採用された構成である。詳しく説明すれば、第１内管１２（図１参照）と共にスリーブ３０が回転すると、図３において第１領域Ａ１に面する磁性流体膜３１ａを通して第１領域Ａ１への微量気体の漏れが繰り返して起こる。このとき、流出気体と共に磁性流体も第１領域Ａ１内へ流入してしまう。この流入の頻度はスリーブ３０の回転速度が大きいほど高くなる。

第１領域Ａ１内へ移動した磁性流体は第１領域Ａ１の奥へ移動することなく、突部３３の磁性流体膜３１ａ側の面にぶつかってそこに付着する。この磁性流体はスリーブ３０の回転に伴った遠心力に従って突部３３の外方へ飛び出した後、ポールピース２８ａ側の覆い部３４にぶつかってそこに付着する。この覆い部３４には磁石２９から出てポールピース２８ａの尖端部分に向かう磁力線Ｍ１が形成されているので、この覆い部３４に付着した磁性流体は第１領域Ａ１へ向かうことなく、磁力線に従ってポールピース２８ａの尖端部分、すなわちシール部へ還流移動して、再びシール材として利用される。このため、スリーブ３０の回転を長期間にわたって継続させても磁性流体は減少することがなく、所望のシール機能を安定して保持できる。こうして、磁性流体シール装置の寿命を長く保持できる。

（第２の実施形態）
図５は、本発明に係る磁性流体シール装置の他の実施形態を示している。図５において、先の実施形態である図３の実施形態と同じ部材は同じ符号によって示しており、それらの部材についての説明は省略する。この実施形態が図３に示した先の実施形態と異なる点は、覆い部３４を形成しているポールピース２８ａの第１領域Ａ１側の端部すなわち角部４０に丸みを付けること無く、角部４０を角度がほぼ９０°である鋭角的に形成したことである。ここで鋭角的とは、丸み形状に比べて角部が形成されていることが認識される状態のことであり、従って、９０°よりも大きな角度であることもある。

この実施形態においても、スリーブ３０すなわち回転軸である第１内管１２（図１参照上）に突部３３を設けたことにより、磁性流体膜３１を構成する磁性流体が第１内管（回転軸）１２に沿って第１領域Ａ１内へ移動することを、その突部３３によって阻止できる。また、突部３３によって移動を阻止された磁性流体が第１内管（回転軸）１２の回転に応じた遠心力によって第１内管（回転軸）１２の径方向へ飛散したとしても、その磁性流体が覆い部３４によって受け止められて第１領域Ａ１内へ飛散することが防止される。

また、覆い部３４には磁性流体膜３１の形成に寄与している磁界を形成するために磁力線が通っているので、その覆い部３４によって受け止められた磁性流体はその磁力線に従って移動することにより、磁性流体膜へ還流して回収される。こうして、磁性流体が第１内管（回転軸）１２から飛散することによってその磁性流体の量が減少することが防止され、磁性流体シール装置の寿命を長く保つことができる。さらに、以上のような作用効果を得るための構成は、受部３３及び覆い部３４を設けるだけという、非常に簡単な構成である。

（第３の実施形態）
図６は本発明に係る磁性流体シール装置のさらに他の実施形態を示している。図６において、先の実施形態である図３の実施形態と同じ部材は同じ符号によって示しており、それらの部材についての説明は省略する。この実施形態が図３に示した先の実施形態と異なる点は、ポールピース２８ａ側の覆い部３４の第１領域Ａ１側の端部すなわち角部４０にポールピース側突部３５Ａを設けたことである。このポールピース側突部３５Ａはスリーブ３０の軸線方向（図６の左右方向）に沿ってスリーブ側突部３３よりも磁性流体膜３１ａから離れた位置に設けられている。

ポールピース側突部３５Ａの表面は丸み、すなわちＲ（アール）、すなわち湾曲を有している。また、ポールピース側突部３５Ａの第２領域側（すなわち第１領域Ａ１と反対側）の面は覆い部３４の表面に対しても丸みを持っている。つまり、ポールピース側突部３５Ａそれ自身の表面及びポールピース側突部３５Ａの周辺には、角度が急激に変化する部分、すなわち鋭角的な角部が存在しないようになっている。このような構成のポールピース側突部３５Ａを設けたことにより、覆い部３４に付着した磁性流体が第１領域Ａ１へ移動することを、より確実に防止できる。

（第４の実施形態）
図７は本発明に係る磁性流体シール装置のさらに他の実施形態を示している。図７において、先の実施形態である図３の実施形態と同じ部材は同じ符号によって示しており、それらの部材についての説明は省略する。この実施形態が図３に示した先の実施形態と異なる点は、ポールピース２８ａ側の覆い部３４の第１領域Ａ１側の端部、すなわち角部４０にポールピース側突部３５Ｂを設けたことである。このポールピース側突部３５Ｂはスリーブ３０の軸線方向（図７の左右方向）に沿ってスリーブ側突部３３よりも磁性流体膜３１ａから離れた位置に設けられている。ポールピース側突部３５Ｂの第２領域側（すなわち第１領域Ａ１と反対側）の面は覆い部３４の表面に対して略９０°の角度を成している。ポールピース側突部３５Ｂを設けたことにより、覆い部３４に付着した磁性流体が第１領域Ａ１へ移動することを防止できる。なお、ポールピース側突部３５Ｂの第２領域側の面の覆い部３４の表面に対する角度は９０°以下としても良い。

本実施形態では、ポールピース側突部３５Ｂの表面の全体が丸みを帯びているのではなく、角度が急激に変化する部分、すなわち丸みよりは鋭角的な角部が存在している。このため、図６に示した実施形態に比べれば、角部４０に磁力が集中する程度が高くなるおそれがある。しかしながら、本実施形態の場合でも、スリーブ３０側に突部３３を設け、それを覆う覆い部３４をポールピース２８側に設け、その覆い部３４に磁性流体膜３１ａへ向かう磁力線を形成するようにしたので、磁性流体膜３１ａから分離して覆い部３４へ付着した磁性流体の分離物を磁性流体膜３１ａへ還流させるという作用効果を得ることができる。

（その他の実施形態）
以上、好ましい実施形態を挙げて本発明を説明したが、本発明はその実施形態に限られることなく、種々に改変可能である。
例えば、本発明の磁性流体シール装置は回転対陰極Ｘ線管に限られず、シール機能を必要とする種々の機器、例えば磁気ディスク装置に適用できる。図１のスリーブ３０側の突部３３は第１内管１２の外周面に直接に形成しても良い。ポールピース２８ａ側の覆い部３４はポールピース２８ａと別体に設けても良い。

図３に示す実施形態において主要部材の寸法を次のように規定した。
（１）覆い部３４のポールピース２８ａ本体部からの膨出長さＬ１を２ｍｍ〜４ｍｍの範囲内に設定した。
（２）突部３３の磁性流体膜３１ａに対向する面のスリーブ３０表面に対する角度αを９０°とした。
（３）突部３３の頂角βを０°〜９０の範囲内に設定した。
（４）突部３３のスリーブ３０の外周面からの高さＨ０を１ｍｍ〜２ｍｍの範囲内に設定した。
（５）覆い部３４の表面のスリーブ３０の外周面からの高さＨ１を２ｍｍ〜４ｍｍの範囲内に設定した。
以上の条件の下、回転対陰極Ｘ線管によってＸ線を発生させたところ、磁性流体シール装置による所望のシール機能を長期間にわたって保持できた。すなわち、磁性流体シール装置の寿命を長くすることができた。

１．回転対陰極Ｘ線管、 ２．ケーシング、 ３．ターゲットユニット、
４．ハウジング、 ５．Ｏリング、 ７．磁性流体シール装置、 ８．第１軸受、
９．ダイレクトドライブ装置、 １０．第２軸受、 １２．第１内管（回転軸）、
１３．ロータ、 １４．ステータ、 １５．ターゲット底部、
１６．ターゲット（回転対陰極）、 １７．フィラメント、 １９．Ｘ線取出し窓、
２０．第２内管、 ２２．開口、 ２３．通水口、 ２４．排水口、 ２５．仕切り板、
２７．外枠、 ２８．ポールピース、 ２９．磁石、 ３０．スリーブ（回転軸）、
３１．磁性流体膜、 ３３．突部、 ３４．覆い部、 ３５Ａ，３５Ｂ．ポールピース側突部、 ４０．角部、 １０７．磁性流体シール装置、 Ａ１．第１領域、 Ａ２．第２領域、 Ｄ．段部、 Ｇ．磁性流体、 Ｍ０．磁力中心線、 Ｍ１．磁力線、 Ｒ．Ｘ線、 Ｘ０，Ｘ１．軸線

Claims (12)

1. 回転軸の軸方向に沿った一方の領域である第１領域と他方の領域である第２領域との間を封止する磁性流体シール装置において、
   透磁性材料によって形成されており内周面が前記回転軸の外周面に対して間隙をおいて設けられたポールピースと、
   該ポールピースと前記回転軸との間の前記間隙に磁界を形成する磁石と、
   前記第１領域に面して位置しており前記磁界によって前記間隙内に保持された磁性流体膜と、
   前記第１領域内に在る部分の前記回転軸上に設けられており該回転軸の径方向に突出した突部と、
   該突部の外周面に対して間隙をおいて設けられており該突部を覆う覆い部と、を有し、
   前記磁界を形成する磁力線は前記覆い部を通る
   ことを特徴とする磁性流体シール装置。
2. 請求項１記載の磁性流体シール装置において、前記覆い部は前記突部から前記回転軸の径方向へ飛散する磁性流体がぶつかる位置に設けられることを特徴とする磁性流体シール装置。
3. 請求項１又は請求項２記載の磁性流体シール装置において、前記突部の前記磁性流体膜に対向する面は前記回転軸の外周面に対して９０°以下の角度を成していることを特徴とする磁性流体シール装置。
4. 請求項３記載の磁性流体シール装置において、前記回転軸の軸線を含む面で前記突部を切断したときの当該突部の断面形状は三角形であり、当該三角形の頂角は９０°以下であることを特徴とする磁性流体シール装置。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１つに記載の磁性流体シール装置において、
   前記覆い部は、前記第１領域内に張り出した前記ポールピースの一部分のうちの前記突部に対向した部分である
   ことを特徴とする磁性流体シール装置。
6. 請求項１から請求項５のいずれか１つに記載の磁性流体シール装置において、
   前記覆い部は、前記磁性流体膜を保持している前記ポールピースの内周先端部分と形状的につながっており、そのつながっている部分は前記突部に対して凹状態となる湾曲面として形成されていることを特徴とする磁性流体シール装置。
7. 請求項１から請求項６のいずれか１つに記載の磁性流体シール装置において、前記覆い部及び前記突部は前記磁石の磁極中心線よりも前記回転軸側に在ることを特徴とする磁性流体シール装置。
8. 請求項１から請求項７のいずれか１つに記載の磁性流体シール装置において、
   前記回転軸における前記第１領域と前記第２領域との間の部分の外周上に設けられたスリーブをさらに有し、前記突部は前記スリーブの外周上に当該スリーブの一部分として設けられることを特徴とする磁性流体シール装置。
9. 請求項１から請求項８のいずれか１つに記載の磁性流体シール装置において、前記突部は前記回転軸の円周方向の全域に設けられることを特徴とする磁性流体シール装置。
10. 請求項１から請求項９のいずれか１つに記載の磁性流体シール装置において、前記覆い部は前記回転軸の円周方向の全域に設けられることを特徴とする磁性流体シール装置。
11. 請求項１から請求項１０のいずれか１つに記載の磁性流体シール装置において、
    前記覆い部に設けられており前記回転軸へ向けて突出したポールピース側突部をさらに有し、該ポールピース側突部は前記回転軸の軸線方向に沿って前記回転軸側の前記突部よりも前記磁性流体膜から離れた位置に設けられていることを特徴とする磁性流体シール装置。
12. 請求項１から請求項１１のいずれか１つに記載の磁性流体シール装置において、前記第１領域は減圧領域であり、前記第２領域は大気圧領域であることを特徴とする磁性流体シール装置。

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