JP2014173431A - 真空ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】ポンプベース側へ伝達される振動を効果的かつ容易に低減することができる真空ポンプの提供。
【解決手段】真空ポンプは、グリース潤滑ボールベアリング８の外輪８ｂを弾性支持する支持機構１４は、シャフト１０の軸方向に積層配置された支持部材１４Ａ，１４Ｂを備える。支持部材１４Ａ，１４Ｂは、軸芯Ｊを囲むように形成されて同心状に配置された外側環状部１４１および内側環状部１４２を備えている。さらに、支持部材１４Ａに設けられた直線状の平板状バネ部１４３ａ，１４３ｂと支持部材１４Ｂに設けられた直線状の平板状バネ部１４３ａ，１４３ｂとは、その延在方向（接線方向）が、互いに９０°異なっている。そのため、外輪８ｂは径方向に移動し易く、ポンプベース側への振動伝達を低減することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、ポンプ回転体を永久磁石磁気軸受とボールベアリングとで支持する真空ポンプに関する。

一般に、ポンプ回転体を永久磁石磁気軸受とボールベアリングとで支持する真空ポンプでは、ボールベアリングの軸方向およびラジアル方向の支持は、ボールベアリングの外輪の軸方向端面に当接するエラストマーリング等の弾性部材、および外輪の外周側に当接する弾性部材によって行われている。そして、弾性部材の圧縮変形による減衰作用を利用して危険速度通過時の振れ回り低減を図っている。しかしながら、外輪の軸方向端面に当接する弾性部材は剪断変形に関する剛性が大きいため、ポンプ回転体の振動が弾性部材を介してポンプベースに伝達されてしまうという問題があった。

そのため、特許文献１に記載の発明では、内側環状部分と外側環状部分との間に可撓性部材が配置された弾性支持体によって、ボールベアリングを弾性支持するようにしている。ボールベアリングを油潤滑するものにおいては、可撓性部材間の隙間に振動減衰用の油膜を形成して、振れ回り時の減衰作用を発生させるようにしている。また、グリース潤滑のボールベアリングを用いるものでは、弾性支持体の溝に注入されたグリースや、弾性支持体端面に配置されたエラストマー減衰リングにより減衰作用を生じさせるようにしている。

特表２００８−５４２６２８号公報

しかしながら、可撓性部材の形状が弓形であるため、最適な弾性特性を得るのが難しい。また、油潤滑のものはポンプ姿勢が正立またはそれに近い姿勢に限定され、ポンプ取り付け姿勢の自由度が制限されてしまう。一方、グリース潤滑の場合にはポンプ取り付け姿勢が自由であるが、溝を密封するための環状密封要素やエラストマー減衰リングの剪断剛性が弾性支持体のラジアル方向剛性の増加を招く。そのため、ボールベアリングのラジアル方向の移動し易さを阻害したり、ポンプベースへ伝達される振動が大きくなったりするという問題があった。

本発明の好ましい実施形態による真空ポンプは、回転側排気機能部が形成されたポンプ回転体および回転軸を有する回転体ユニットと、固定側排気機能部と、回転軸の一端側を非接触支持する永久磁石磁気軸受と、回転軸に内輪が固定され、回転軸の他端側を支持する潤滑ボールベアリングと、回転軸の軸方向に積層配置される少なくとも第１および第２の支持部材によって潤滑ボールベアリングの外輪を弾性支持する支持機構と、を備え、第１支持部材は、永久磁石磁気軸受の軸方向支持力によって外輪の第１の軸方向端面が当接し、回転軸の軸芯を囲むように形成された第１環状部と、第１環状部に対して同心状に配置された第２環状部と、第１の接線方向に直線状に延在するとともに軸芯を挟んで配置され、第１環状部と第２環状部とを連結する一対の第１平板状弾性部と、を有し、第２支持部材は、第２環状部に対して軸方向端面に積層接合される第３環状部と、第３環状部に対して同心状に配置されてポンプベースに当接する第４環状部と、第１の接線方向と異なる第２の接線方向に直線状に延在するとともに軸芯を挟んで配置され、第３環状部と第４環状部とを連結する一対の第２平板状弾性部と、を有する。
本発明の好ましい他の実施形態による真空ポンプは、回転側排気機能部が形成されたポンプ回転体および回転軸を有する回転体ユニットと、固定側排気機能部と、回転軸の一端側を非接触支持する永久磁石磁気軸受と、回転軸に内輪が固定され、回転軸の他端側を支持する潤滑ボールベアリングと、回転軸の軸芯を囲むように同心状に配置された第１、第２および第３環状部材を有し、潤滑ボールベアリングの外輪を弾性支持する支持機構と、を備え、支持機構は、第１の接線方向に直線状に延在するとともに軸芯を挟んで配置され、互いに隣接する第１環状部と第２環状部とを連結する一対の第１平板状弾性部と、第１の接線方向と異なる第２の接線方向に直線状に延在するとともに軸芯を挟んで配置され、互いに隣接する第２環状部と第３環状部とを連結する一対の第２平板状弾性部と、を有し、第１環状部には、永久磁石磁気軸受の軸方向支持力によって外輪が当接し、第３環状部はポンプベースに当接する。
さらに好ましい実施形態では、第１および第２平板状弾性部の各々は、断面軸方向寸法が断面径方向寸法よりも大きく設定された板状部材である。
さらに好ましい実施形態では、潤滑ボールベアリングの外周側に設けられ、該潤滑ボールベアリングの外輪との動摩擦により振動減衰作用を発生させるラジアルダンパーリングを備える。
さらに好ましい実施形態では、外輪の第１の軸方向端面と反対側の第２の軸方向端面に対向するように配置され、回転体ユニットの軸方向支持力の方向と反対方向への変位を所定値以下に制限して、軸方向支持力の向きの反転を防止するストッパを備える。
さらに好ましい実施形態では、ストッパは、回転軸の軸方向に積層配置されて潤滑ボールベアリングの外輪を弾性支持する第３および第４の支持部材を備え、第３支持部材は、外輪の第２の軸方向端面に当接し、回転軸の軸芯を囲むように形成された第５環状部と、第５環状部に対して同心状に配置された第６環状部と、第１の接線方向に直線状に延在するとともに軸芯を挟んで互いに平行に配置され、第５環状部と第６環状部とを連結する一対の第３平板状弾性部と、を有し、第４支持部材は、第６環状部に対して軸方向端面に積層接合される第７環状部と、第７環状部に対して同心状に配置されてポンプベースに当接する第８環状部と、第２の接線方向に直線状に延在するとともに軸芯を挟んで互いに平行に配置され、第６環状部と第７環状部とを連結する一対の第４平板状弾性部と、を有し、第３および第４平板状弾性部の各々は、断面軸方向寸法が断面径方向寸法よりも大きく設定された板状部材である。
さらに好ましい実施形態では、支持機構は、Ｍｎ−Ｃｕ系合金またはＭｎ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ｆｅ系合金で形成されている。

本発明によれば、ポンプベース側へ伝達される振動を効果的かつ容易に低減することができる。

図１は、第１の実施の形態を示す断面図である。 図２は、ボールベアリング８の支持構造を詳細に示す図である。 図３は、支持部材１４Ａの詳細を示す図である。 図４は、支持機構１４の動作を説明する図である。 図５は、シャフト１０と共に振れ回っているボールベアリング８を模式的に示す図である。 図６は、従来のベアリング支持構造の一例を示す図である。 図７は、第２の実施の形態を示す断面図である。 図８は、支持機構１４の詳細を示す図である。 図９は、第３の実施の形態における支持機構２４を示す断面図である。 図１０は、支持部材２４Ａを示す図である。 図１１は、支持部材２４Ｂを示す図である。 図１２は、支持部材２４Ｃを示す図である。 図１３は、積層された支持部材２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃのそれぞれを、ｚ軸プラス方向から見た図である。 図１４は、第４の実施の形態を示す図である。 図１５は、内側環状部１４２で外輪８ｂを支持する構成を示す図である。 図１６は、平板状バネ部を鏡像対称構造とした場合を示す図である。

以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。
−第１の実施の形態−
図１は本発明に係る真空ポンプの第１の実施の形態を示す図であり、ターボ分子ポンプ１の断面図である。なお、ターボ分子ポンプ１には電力を供給する電源ユニットが接続されるが、図１では図示を省略した。

図１に示すターボ分子ポンプ１は、排気機能部として、タービン翼を備えたターボポンプ部Ｐ１と、螺旋型の溝を備えたHolweckポンプ部Ｐ２とを備えている。もちろん、本発明は、排気機能部にターボポンプ部Ｐ１およびHolweckポンプ部Ｐ２を備えた真空ポンプに限らず、タービン翼のみを備えた真空ポンプや、ジーグバーンポンプやHolweckポンプなどのドラッグポンプのみを備えた真空ポンプや、それらを組み合わせた真空ポンプにも適用することができる。

ターボポンプ部Ｐ１は、ポンプロータ３に形成された複数段の回転翼３０とベース２側に配置された複数段の固定翼２０とで構成される。一方、ターボポンプ部Ｐ１の排気下流側に設けられたHolweckポンプ部Ｐ２は、ポンプロータ３に形成された円筒部３１とベース２側に配置されたステータ２１とで構成されている。円筒状のステータ２１の内周面には螺旋溝が形成されている。複数段の回転翼３０と円筒部３１とが回転側排気機能部を構成し、複数段の固定翼２０とステータ２１とが固定側排気機能部を構成する。

ポンプロータ３はシャフト１０に締結されており、そのシャフト１０はモータ４により回転駆動される。モータ４には例えばＤＣブラシレスモータが用いられ、ベース２にモータステータ４ｂが設けられ、シャフト１０側にはモータロータ４ａが設けられている。シャフト１０とポンプロータ３とから成る回転体ユニットＲは、永久磁石６ａ，６ｂを用いた永久磁石磁気軸受６とボールベアリング８とにより回転自在に支持されている。

永久磁石６ａ，６ｂは、軸方向に磁化されたリング状の永久磁石である。ポンプロータ３に設けられた複数の永久磁石６ａは、同極同士が対向するように軸方向に複数配置されている。一方、固定側の複数の永久磁石６ｂは、ポンプケーシング１２に固定された磁石ホルダ１１に装着されている。これらの永久磁石６ｂも、同極同士が対向するように軸方向に複数配置されている。ポンプロータ３に設けられた永久磁石６ａの軸方向位置は、その内周側に配置された永久磁石６ｂの位置よりも若干上側となるように設定されている。すなわち、回転側の永久磁石の磁極は、固定側の永久磁石の磁極に対して軸方向に所定量だけずれている。この所定量の大きさによって、永久磁石磁気軸受６の支持力が異なる。図１に示す例では、永久磁石６ａの方が図示上側に配置されているため、永久磁石６ａと永久磁石６ｂとの反発力により、ラジアル方向の支持力と軸方向上向き（ポンプ排気口側方向）の力とが回転体ユニットＲに働いている。

磁石ホルダ１１の中央には、ボールベアリング９を保持するベアリングホルダ１３が固定されている。ボールベアリング８，９には、例えば深溝玉軸受が用いられる。ボールベアリング８にはグリースが封入されている。ボールベアリング９は、シャフト上部のラジアル方向の振れを制限するタッチダウンベアリングとして機能するものである。定常回転状態ではシャフト１０とボールベアリング９とが接触することはなく、大外乱が加わった場合や、回転の加速時または減速時にシャフト１０の振れ回りが大きくなった場合に、シャフト１０がボールベアリング９に接触する。ボールベアリング８とベース２との間には支持機構１４が設けられている。ボールベアリング８の外輪８ｂの外周側には、リング状のラジアルダンパー１５が設けられている。ラジアルダンパー１５の材料にはゴム等のエラストマーが用いられる。

図２はボールベアリング８の支持構造を詳細に示す図である。ボールベアリング８の内輪８ａはナット１７によってシャフト１０に固定されている。支持機構１４は、ボールベアリング８の外輪８ｂの軸方向上端面と、ベース２に形成されたハウジング２２の軸方向内周面との隙間に配置されている。支持機構１４は２つの支持部材１４Ａ，１４Ｂで構成されている。支持部材１４Ａ，１４Ｂは同一構造を有しており、後述するように外側環状部１４１、内側環状部１４２および弾性連結部を有している。支持部材１４Ａ，１４Ｂは、互の内側環状部１４２の符号Ｃで示す端面が接合されている。接合には、溶接、圧接、接着等が用いられる。

支持部材１４Ａの外側環状部１４１の下端面は、ボールベアリング８の外輪８ｂの上端面に当接している。支持部材１４Ｂの外側環状部１４１の上端面は、ハウジング２２に当接している。上述したように永久磁石磁気軸受６の軸方向支持力は回転体ユニットＲを図示上方に持ち上げるように働いているため、支持機構１４は外輪８ｂの上端面とハウジング２２の内周面との間に挟持される。

ラジアルダンパー１５はリング状の部材であり、ベース２のハウジング２２内に形成された溝２３内に装着されている。ハウジング２２と外輪８ｂとの間には寸法Ｇ１の隙間が形成されている。ハウジング２２の径方向内周面２２ａがボールベアリング８の径方向変位を制限する制限部としても機能し、ボールベアリング８の径方向変位はＧ１以下に制限される。この隙間寸法Ｇ１は、ボールベアリング８の外輪８ｂがハウジング２２に接触するまで移動した場合でも、Holweckポンプ部Ｐ２のステータ２１と円筒部３１とが接触しないような寸法に設定されている。例えば、隙間寸法Ｇ１を、ステータ２１と円筒部３１との間の隙間寸法未満に設定する。ハウジング２２の下側には、外輪８ｂの軸方向端面（下端面）と対向するように摺動部材１６が設けられている。摺動部材１６は、押さえナット１８によりベース２に固定されている。

摺動部材１６と外輪８ｂとの間には、隙間が形成されている。この隙間寸法は、外乱等によってボールベアリング８が摺動部材１６に当接する位置まで回転体ユニットＲが図示下方に変位した場合でも、永久磁石６ａの磁極と永久磁石６ｂの磁極との軸方向上下関係が逆転しないような寸法に設定される。すなわち、上述したように、回転側の永久磁石６ａの磁極は固定側の永久磁石６ｂの磁極に対して所定量だけ軸方向上側にずれるように設定されているので、外輪８ｂと摺動部材１６との軸方向隙間寸法はその所定量未満に設定される。仮に、永久磁石６ａと永久磁石６ｂとの上下関係が逆転して、永久磁石６ａの方が軸方向下側になると、永久磁石磁気軸受６から回転体ユニットＲに作用する軸方向支持力の向きが反転し、図示下側に押し下げるような力（軸方向支持力）が作用することになってしまう。このように、摺動部材１６および押さえナット１８は、軸方向支持力の向きが反転するのを防止するストッパの機能を有している。

図３は、支持部材１４Ａの詳細を示す図である。なお、支持部材１４Ｂも支持部材１４Ａと全く同一構造を有しているので、構造については支持部材１４Ａのみについて説明する。図３（ａ）は支持部材１４Ａの平面図、図３（ｂ）はＡ１−Ａ１断面図である。以下では、支持部材１４Ａの中心（軸中心）Ｏに関して、図３に示すようにｘ軸およびｙ軸を設定する。ｘ軸およびｙ軸は径方向を向いており、ｚ軸は中心Ｏ（同心中心）を通る。

支持部材１４Ａには厚さ方向（軸方向）に貫通する溝１４７ａ，１４７ｂが形成され、支持部材１４Ａは外側環状部１４１、内側環状部１４２、および、それらを連結している平板状バネ部１４３ａ，１４３ｂから成る。平板状バネ部１４３ａ，１４３ｂは、板幅方向がｚ軸方向（支持部材１４Ａの厚さ方向）と一致し、板厚方向が径方向（ｘ軸方向）と一致するように形成されている。中心Ｏを挟んで平行に配置されている平板状バネ部１４３ａ，１４３ｂの断面径方向寸法（ｘ軸寸法）は、断面軸方向寸法（ｚ軸寸法）に比べて小さく設定されている。なお、図３に示す例では、平板状バネ部１４３ａ，１４３ｂは、中心Ｏに関して点対称な形状に形成されている。

このように、平行に配置された一対の平板状バネ部１４３ａ，１４３ｂは、それぞれ一方向（図３の場合にはｙ軸方向）に延在するように形成されている。そのため、平板状バネ部１４３ａ，１４３ｂはｘ軸方向には撓み易いが、ｙ軸方向には撓み難い。その結果、外側環状部１４１に対する内側環状部１４２の変位に関する剛性は、ｘ軸方向に小さくｙ軸方向に大きくなっている。すなわち、支持部材１４Ａは、内側環状部１４２がｘ軸方向（合いマーク１４６ｂの方向）に変位しやすい構造となっている。また、平板状バネ部１４３ａ，１４３ｂの幅方向と支持部材１４Ａの厚さ方向（ｚ軸方向）とが一致するように構成されているので、内側環状部１４２の軸方向（ｚ軸方向）の変位に関しては剛性が大きい。

外側環状部１４１の下面側にはリング状の凸部１４４が形成されており、内側環状部１４２の上面側にはリング状の凸部１４５が形成されている。支持部材１４Ａの側面には、図２のように２個重ねて配置する際の位置合わせ用に用いられる合いマーク１４６ａ，１４６ｂが、角度ピッチ９０°間隔で形成されている。

支持部材１４Ａにはステンレス鋼等が用いられるが、好ましくはバネ用金属材料を用いるのが良く、より好ましくはＭｎ−Ｃｕ系材料やＭｎ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ｆｅ系材料等の高減衰金属材料（制振合金とも呼ばれる）を用いるのが良い。支持部材１４Ａを高減衰金属材料で形成することにより、支持部材１４Ａに伝達された振動が支持部材１４Ａ自体によって減衰され、ポンプベース側への振動伝達をより低減することができる。

図２に示すように、支持機構１４を構成する２つの支持部材１４Ａ，１４Ｂは、凸部１４５同士を向かい合わせて重ねられ互いに接合される。そのとき、支持部材１４Ａと支持部材１４Ｂとは、図２に示すようにｚ軸（すなわち、シャフト１０の軸芯Ｊ）を中心とする回転位置に関して９０°だけずらして接合される。すなわち、下側の支持部材１４Ａの合いマーク１４６ａの位置と、支持部材１４Ｂの合いマーク１４６ｂの位置とが一致するように重ね合わせられる。例えば、下側の支持部材１４Ａを図２に示すように配置した場合、上側の支持部材１４Ｂは、合いマーク１４６ａがｘ軸と一致し、合いマーク１４６ｂがｙ軸と一致するように配置される。その結果、下側の支持部材１４Ａの内側環状部１４２はｘ軸方向に移動しやすく、上側の支持部材１４Ｂの内側環状部１４２はｙ軸方向に移動しやすい構造となる。

上述したように、回転体ユニットＲには永久磁石磁気軸受６による図示上方に力が作用し、支持機構１４は図２に示すように外輪８ｂとハウジング２２との間に挟持される。その結果、支持部材１４Ａの外側環状部１４１の凸部１４４は外輪８ｂの上端面に当接し、支持部材１４Ｂの凸部１４４はハウジング２２に当接する。

図４は、支持機構１４の動作を説明する図である。図４（ａ）は、シャフト１０の変位によってボールベアリング８がｘ軸マイナス方向（矢印方向）にΔｘだけ移動した場合を示す。一方、図４（ｂ）は、ボールベアリング８がｙ軸プラス方向（矢印方向）にΔｙだけ移動した場合を示す。

図４（ａ）のようにボールベアリング８がｘ軸方向に移動した場合、上側の支持部材１４Ｂは、平板状バネ部１４３ａ，１４３ｂがｘ軸方向に延びているので、内側環状部１４２のｘ軸方向の変位に対して剛性が大きい。そのため、支持部材１４Ｂの内側環状部１４２はｘ軸方向にほとんど移動せず、その内側環状部１４２に接合されている支持部材１４Ａの内側環状部１４２もｘ軸方向に移動しない。そのため、外輪８ｂが右側に移動すると、支持部材１４Ａの平板状バネ部１４３ａ，１４３ｂがｘ軸方向に撓んで、外輪８ｂと共に支持部材１４Ａの外側環状部１４１も左側に移動する。図４（ａ）では、外側環状部１４１の移動により溝１４７ａ，１４７ｂの隙間が狭くなっている。なお、説明は省略するが、ボールベアリング８がｘ軸プラス方向に移動した場合も、支持部材１４Ａの平板状バネ部１４３ａ，１４３ｂがｘ軸方向に撓んで、支持部材１４Ａの外側環状部１４１がｘ軸プラス方向に移動する。

一方、図４（ｂ）に示すように、ボールベアリング８がｙ軸方向に移動した場合には、支持部材１４Ａと支持部材１４Ｂとの関係が、図４（ａ）に示す場合と逆になる。すなわち、支持部材１４Ａにおいては内側環状部１４２はｙ軸方向には移動せず、支持部材１４Ｂの内側環状部１４２がｙ軸方向に移動する。支持部材１４Ｂの内側環状部１４２がｙ軸プラス方向にΔｙ移動することによって、支持部材１４Ａの全体がｙ軸プラス方向にΔｙ移動することになる。このように、本実施の形態では、支持機構１４は、互いに直交する２つの径方向に関して剛性が弱く構成されている。

図１に示す永久磁石磁気軸受６はラジアル方向の変位に対して復元力を有するが、軸方向には変位を拡大する方向に力が生じる（負のバネ定数）という欠点がある。剛体モードの危険速度を通過する際にはシャフト１０が大きく振れ回るので、このような永久磁石磁気軸受６と組み合わせられるボールベアリング８の支持機構１４には、ラジアル方向と軸方向の両方の荷重を受けて、しかも柔軟に支持することが求められる。

このような要求に対して、本実施の形態では、図２に示すように、ラジアル方向（特にｘｙの２方向）の剛性が非常に小さい支持機構１４を設けた。さらに、振れ回りを抑制するような減衰作用が発生するように、外輪８ｂの外周側にラジアルダンパー１５を配置する構成とした。ラジアルダンパー１５と外輪８ｂとの間にはわずかな隙間が形成されている。その結果、シャフト１０に取り付けられたボールベアリング８を弾性的に支持する支持機構１４は、軸方向には高剛性で支持し、ラジアル方向には剛性が弱く変位しやすい構造となっている。

支持機構１４は径方向の軸受支持剛性が低いので、剛体モードの危険速度は一般的に低く、定格回転数を得るには危険速度を乗り越えて加速する必要がある。そのため、ボールベアリング８の支持構造には十分な減衰作用を与える必要がある。図２に示す構成では、支持機構１４のラジアル方向剛性を小さく設定し、後述するように外輪８ｂがラジアルダンパー１５を擦る際の動摩擦により減衰作用を発生させるようにしている。

通常、高速回転をさせる回転体ユニットＲは、製造時にアンバランス除去が行われる。ただし、実際には若干のアンバランスが残っているため、シャフト１０に振れ回りが生じる。図５は、シャフト１０と共に振れ回っているボールベアリング８を模式的に示したものである。

ボールベアリング８の振れ回り量がボールベアリング８とラジアルダンパー１５との隙間よりも大きくなると、外輪８ｂとラジアルダンパー１５とが接触する。シャフト１０の中心が軌跡８０４のように振れ回ると、ボールベアリング８の外輪８ｂの外周は二点差線８００のような軌跡を描く。ボールベアリング８が状態１の位置にあるときには、ボールベアリング８（外輪８ｂ）の符号８０１で示す領域の外周面が、ラジアルダンパー１５に押しつけられながらラジアルダンパー１５を擦る。同様に、状態２の位置にあるときにはボールベアリング８の符号８０２の領域が、状態３の位置にあるときには符号８０３で示す領域が、それぞれラジアルダンパー１５に押しつけられながらラジアルダンパー１５を擦る。なお、ラジアルダンパー１５の内周面にはグリースまたは油等の潤滑剤が施されるのが一般的であり、外輪８ｂはラジアルダンパー１５の内周面を滑らかに移動する。

そのため、回転体ユニットＲに振れ回りが生じると、ボールベアリング８の外輪８ｂがラジアルダンパー１５を擦るときの動摩擦による減衰作用と、ラジアルダンパー１５の変形に起因する減衰作用とが生じる。この場合、動摩擦による減衰作用が主であり、低回転速度のときに剛体モードの危険速度を通過する際に十分な減衰効果が得られ、振れ回り半径の増大を抑えることができる。また、高速回転時における動摩擦力は低速回転時の動摩擦力に比べてあまり増加しないので、高速回転時であっても摩擦力の反力によるポンプベース部の振動は大きくならない。

なお、ラジアルダンパー１５をラジアル方向に変形したときに、その反力がポンプベース部に伝わる。しかし、ゴム等のエラストマーにより形成されるラジアルダンパー１５の弾性係数を可能な限り小さく設定することで反力を小さくすることができるとともに、ボールベアリング８のラジアル方向への移動しやすさに対する影響を極力減らすことができる。

図６は、従来のベアリング支持構造の一例を示したものである。図６に示す構成では、ボールベアリング８の外輪８ｂを、エラストマーリング６００，６０１で軸方向およびラジアル方向に支持している。このような支持構造では、ラジアル方向の剛性に関しては、エラストマーリング６００の圧縮に関する剛性とエラストマーリング６０１の剪断変形による剛性とを合わせたものになる。そのため、永久磁石磁気軸受６のラジアル剛性に比べてボールベアリング８側のラジアル方向の支持剛性が格段に大きくなり、危険速度通過の際の永久磁石磁気軸受６におけるシャフト１０の振れ回り半径が大きくなり過ぎ、ボールベアリング９に激しく接触するという問題があった。

また、エラストマーリング６０１の剪断変形剛性が大きいために、ボールベアリング８とポンプベース側との間の振動絶縁性が悪く、さらに、ボールベアリング８がラジアル方向に移動し難くい。そのため、本実施の形態のような振れ回り時におけるボールベアリング８とエラストマーリング６００との間の動作摩擦による減衰効果も期待できなかった。

図６に示すようなボールベアリング支持構造の欠点を解消するものとして、上述した特許文献１に記載の発明では、内側環状部分と外側環状部分との間に弓形の可撓性部材が１２０°ピッチで３つ配置された弾性支持体によって、ボールベアリング８を弾性支持するようにしている。しかしながら、可撓性部材の形状が弓形であるため、所望の弾性特性を得るのが難しいという問題がある。

一方、本実施の形態では、ボールベアリング８とハウジング２２との間に挟持されるように配置された支持機構１４は、ラジアル方向剛性が軸方向剛性よりも小さく設定されている。そのため、シャフト１０に振れ回りが発生した際に、ボールベアリング８はラジアル方向に容易に移動できる。さらに、ボールベアリング８の外輪８ｂがラジアルダンパー１５の内周を滑るように振れ回った際に、外輪８ｂとラジアルダンパー１５との間の動摩擦による振動減衰作用が発生し、危険速度通過時の振れ回りの増大を抑制することができる。

また、本実施の形態では、ボールベアリング８の外輪８ｂの軸方向下側端面に対向するように摺動部材１６を配置し、回転体ユニットＲの永久磁石磁気軸受６の軸方向支持力の方向と反対方向への変位、すなわち下方向への変位を所定値以下に制限して、軸方向支持力の向きが反転するのを防止するようにした。そのため、例えば、外部から真空ポンプに衝撃等が加わって回転ユニットが瞬間的にポンプベース側に移動したとしても、永久磁石磁気軸受６の軸方向支持力の向きが反転するおそれがない。

さらに、摺動部材１６を低摩擦係数材料（フッ素樹脂等）で形成したり、低摩擦係数材料（フッ素樹脂等やモリブデン等の固体潤滑剤）を表面に形成した金属板等で形成したりすることで、外輪８ｂが摺動部材１６上を摺動した際の摩耗粉の発生を抑制したり、外輪８ｂが摺動部材１６に齧り付きを防止したりすることができる。なお、摺動時の動摩擦は、シャフト１０の振動減衰に寄与する。図２に示す例では、外輪８ｂと摺動部材１６との間に隙間を設けて通常は接触しないような設定となっているが、隙間寸法をゼロと設定するようにしても構わない。

−第２の実施の形態−
図７，８は、第２の実施の形態を示す図である。図７は、支持機構１４が設けられたボールベアリング８の部分の拡大図である。上述した第１の実施の形態では図２や図４に示すように、同一形状の支持部材１４Ａ，１４Ｂを９０°ずらして上下に配置することで支持機構１４を構成した。第２の実施の形態では、図７に示すように、外輪８ｂと共に移動する環状部（支持部材１４Ａの外側環状部１４１）とハウジング２２に固定状態となる環状部（支持部材１４Ｂの外側環状部１４１）とが、同心円状に径方向に並んで配置される構造とした。

図８は、支持機構１４の詳細を示す図である。なお、図２の場合と同様の構成には同様の符号を付した。本実施の形態では、上述した溝１４７ａ，１４７ｂの外側に、溝１５０ａ，１５０ｂをさらに形成した。その結果、外側環状部１４１、中間環状部１４８および内側環状部１４２が形成される。外側環状部１４１は、平板状バネ部１４９ａ，１４９ｂによって中間環状部１４８と連結されている。内側環状部１４２は、平板状バネ部１４３ａ，１４３ｂによって中間環状部１４８と連結されている。

平板状バネ部１４３ａ，１４３ｂが撓むことによって、内側環状部１４２はｘ軸方向に移動することができる。また、平板状バネ部１４９ａ，１４９ｂが撓むことによって、内側環状部１４２および中間環状部１４８が一体にｙ軸方向に移動することができる。その結果、第１の実施の形態に示した支持機構１４と同様の作用効果を奏することができる。第２の実施の形態の場合、３つの環状部（外側環状部１４１、中間環状部１４８、内側環状部１４２）が径方向に並ぶので第１の実施の形態の構成に比べて径方向寸法が大きくなるが、軸方向寸法を小さくすることができる。

−第３の実施の形態−
上述した第１及び第２の実施の形態で示した支持機構１４の場合、互いに直交する２方向に関して剛性を弱くし、その方向へ移動しやすい構成とした。一方、本実施の形態の支持機構２４では、図９に示すように３つの支持部材２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃを軸方向に積み重ねることで、外輪８ｂを１２０°ピッチの３方向に移動し易い構成とした。

図１０は支持部材２４Ａを示す図であり、図１１は支持部材２４Ｂを示す図であり、図１２は支持部材２４Ｃを示す図である。図１０に示すように、支持部材２４Ａは、合いマーク１４６ａ，１４６ｂ間の角度が６０°であることが異なるだけで、その他の形状は図３に示した支持部材１４Ａと同一形状である。図１１に示す支持部材２４Ｂは、合いマーク１４６ａ，１４６ｂ間の角度が６０°であること、凸部１４４に代えて接合用の凸部１４５ｂを形成した点が支持部材１４Ａと異なっており、その他の構造は、図２に示す支持部材１４Ａと同一である。図１２に示す支持部材２４Ｃは、凸部１４５ａに面取り加工が施されている点、および、合いマーク１４６ａ，１４６ｂの位置が異なる点を除いて、図１０に示す支持部材２４Ｂと同じ構造である。支持部材２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃを積層する際には、合いマーク１４６ａ同士、合いマーク１４６ｂ同士が一致するように位置合わせする。その結果、内側環状部１４２の変位に対して剛性の弱い方向が１２０°ずつズレることになる。

図１３は、積層された支持部材２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃのそれぞれを、ｚ軸プラス方向から見た図である。なお、図９の断面図においては、支持部材２４Ａは図１３のｘ軸方向に沿ったＢ１−Ｂ１断面を示し、支持部材２４ＢはＢ１−Ｂ１断面に対して１２０°回転したＢ２−Ｂ２断面を示し、支持部材２４ＣはＢ１−Ｂ１断面に対して２４０°回転したＢ３−Ｂ３断面を示す。支持部材２４Ａと支持部材２４Ｂとは内側の凸部同士（凸部１４５と凸部１４５ａ）で接合され、支持部材２４Ｂと支持部材２４Ｃとは外側の凸部同士（凸部１４５ｂ同士）で接合されている。

第３の実施の形態では、平行に配置された平板状バネ部を一対備えた３つの支持部材２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃを１２０°ずつずらして積層配置することで、径方向に関して３方向の剛性を弱くすることができる。その結果、支持機構２４で支持されたボールベアリング８は、それら３方向に移動し易い構造となっている。さらに支持部材の積層数を増やせば、４以上の径方向に関して剛性を弱くすることが可能であるが、その反面で、軸方向の積層寸法が大きくなる。実用的には、積層数を３以下にするのが好ましい。

−第４の実施の形態−
図１４は、第４の実施の形態を示す図である。上述した第１の実施の形態では、ボールベアリング８の外輪８ｂの上側に支持機構１４を設け、外輪８ｂの下側にストッパとして機能する摺動部材１６を設けたが、第４の実施の形態では、外輪８ｂの下側にも支持機構１４を設けた。

下側の支持機構１４は、ベース２にネジ止めされるナット２５と外輪８ｂの軸方向端面との間に挟持されるように設けられている。ナット２５の締め込み量を調整することで、軸方向の予圧を調整することができる。それにより、下側の外側環状部１４１はナット２５に当接し、上側の外側環状部１４１は外輪８ｂの下側端面に当接する。第４の実施の形態の構成では、外輪８ｂが振れ回り運動しても、外輪８ｂと当接している外側環状部１４１は外輪８ｂと一体に移動する。そのため、上述した摺動部材１６を用いた場合のように摩耗粉が発生することはない。なお、図７に示した構成の場合も、摺動部材１６に代えて、図８に示す支持機構１４を用いるようにしても良い。

以上説明したように、本発明による真空ポンプは、グリース潤滑のボールベアリング８の外輪８ｂを弾性支持する支持機構１４は、図２〜４に示すようなシャフト１０の軸方向に積層配置された支持部材１４Ａ，１４Ｂを備える。支持部材１４Ａ，１４Ｂは、軸芯Ｊを囲むように形成されて同心状に配置された外側環状部１４１および内側環状部１４２を備えている。さらに、支持部材１４Ａに設けられた直線状の平板状バネ部１４３ａ，１４３ｂと支持部材１４Ｂに設けられた直線状の平板状バネ部１４３ａ，１４３ｂとは、その延在方向（接線方向）が、互いに９０°異なっている。図２，４に示す例では、支持部材１４Ａの平板状バネ部１４３ａ，１４３ｂはｙ軸方向に延在し、支持部材１４Ｂの平板状バネ部１４３ａ，１４３ｂはｘ軸方向に延在している。

そのため、外輪８ｂを支持している外側環状部１４１は、ｘ軸方向よびｙ軸方向の両方に移動しやすい。このように外輪８ｂは、支持機構１４によって径方向に移動し易く支持されているので、ポンプベース側への振動伝達を低減することができる。また、平板状バネ部１４３ａ，１４３ｂは直線状のバネ部材なのでバネ定数の設計がし易く、弓形のバネ部材に比べて最適な弾性特性を容易に得ることができる。

また、図７，８に示すように、外輪８ｂを支持する外側環状部１４１と中間環状部１４８とをｘ軸方向に直線状に形成された平板状バネ部１４９ａ，１４９ｂで連結し、中間環状部１４８とハウジング２２に当接している内側環状部１４２とをｙ軸方向に直線状に形成された平板状バネ部１４３ａ，１４３ｂで連結する構成としても良い。その結果、外輪８ｂを支持している外側環状部１４１は、中間環状部１４８に対してｙ軸方向に移動しやすく、さらに中間環状部１４８は内側環状部１４２に対してｘ軸方向に移動しやすい。そのため、図２〜４の構成の場合と同様に、ポンプベース側への振動伝達を低減することができるとともに、バネ定数の設計がし易く最適な弾性特性を容易に得ることができる。

さらにまた、図９に示すように平板状バネ部１４３ａ，１４３ｂの延在方向が１２０°ピッチでずれるように支持部材２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃを軸方向に積み重ねることで、３つの径方向に関して外輪８ｂを移動しやすくすることができる。

さらに、ボールベアリング８の外周側に、リング状のラジアルダンパー１５を設けたことにより、シャフト１０が振れ回った際に、ボールベアリング８の外輪８ｂとラジアルダンパー１５との動摩擦により振動減衰作用を発生させることができる。

また、シャフト１０の下方向への過剰な移動を防止するストッパとしての摺動部材１６を設けることにより、永久磁石磁気軸受６の軸方向支持力の向きが反転するのを防止することができる。さらに、摺動部材１６の少なくとも前記外輪と対向する部分を低摩擦係数材料で形成するようにしても良い。さらに、摺動部材１６に代えて、図１４のように支持機構１４を用いても良い。この場合、外輪８ｂが振れ回り運動しても、外輪８ｂと当接している外側環状部１４１は外輪８ｂと一体に移動するので、摺動部材１６を用いた場合のように摩耗粉が発生するおそれがない。

なお、図２，７，９に示す構成では、外側環状部１４１で外輪８ｂを支持する構成としたが、図１５の（ａ）〜（ｃ）に示すように、内側環状部１４２で外輪８ｂを支持するような構成としても構わない。図１５（ａ）は軸方向に支持部材を２つ積層する場合を示し、図１５（ｂ）は同心状に径方向に外側環状部１４１、中間環状部１４８、内側環状部１４２を配置する場合を示し、図１５（ｃ）は軸方向に支持部材を３つ積層する場合を示す。

また、図３，８に示す例では、平板状バネ部１４３ａ，１４３ｂおよび１４９ａ，１４９ｂを中心Ｏに関して点対称な形状に形成したが、図１６に示すように、鏡像反転した形状でも構わない。

上述した各実施形態はそれぞれ単独に、あるいは組み合わせて用いても良い。それぞれの実施形態での効果を単独あるいは相乗して奏することができるからである。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。

１：ターボ分子ポンプ、２：ベース、３：ポンプロータ、６：永久磁石磁気軸受、６ａ，６ｂ：永久磁石、８，９：ボールベアリング、８ａ：内輪、８ｂ：外輪、１０：シャフト、１４，２４：支持機構、１４Ａ，１４Ｂ，２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃ：支持部材、１５：ラジアルダンパー、１６：摺動部材、２０：固定翼、２１：ステータ、２２：ハウジング、３０：回転翼、３１：円筒部、１４１：外側環状部、１４２：内側環状部、１４３ａ，１４３ｂ，１４９ａ，１４９ｂ：平板状バネ部、１４８：中間環状部、Ｒ：回転体ユニット

Claims (7)

1. 回転側排気機能部が形成されたポンプ回転体および回転軸を有する回転体ユニットと、
   固定側排気機能部と、
   前記回転軸の一端側を非接触支持する永久磁石磁気軸受と、
   前記回転軸に内輪が固定され、前記回転軸の他端側を支持する潤滑ボールベアリングと、
   前記回転軸の軸方向に積層配置される少なくとも第１および第２の支持部材によって前記潤滑ボールベアリングの外輪を弾性支持する支持機構と、を備え、
   前記第１支持部材は、
   前記永久磁石磁気軸受の軸方向支持力によって前記外輪の第１の軸方向端面が当接し、前記回転軸の軸芯を囲むように形成された第１環状部と、
   前記第１環状部に対して同心状に配置された第２環状部と、
   第１の接線方向に直線状に延在するとともに前記軸芯を挟んで配置され、前記第１環状部と前記第２環状部とを連結する一対の第１平板状弾性部と、を有し、
   前記第２支持部材は、
   前記第２環状部に対して軸方向端面に積層接合される第３環状部と、
   前記第３環状部に対して同心状に配置されてポンプベースに当接する第４環状部と、
   前記第１の接線方向と異なる第２の接線方向に直線状に延在するとともに前記軸芯を挟んで配置され、前記第３環状部と前記第４環状部とを連結する一対の第２平板状弾性部と、を有する、真空ポンプ。
2. 回転側排気機能部が形成されたポンプ回転体および回転軸を有する回転体ユニットと、
   固定側排気機能部と、
   前記回転軸の一端側を非接触支持する永久磁石磁気軸受と、
   前記回転軸に内輪が固定され、前記回転軸の他端側を支持する潤滑ボールベアリングと、
   前記回転軸の軸芯を囲むように同心状に配置された第１、第２および第３環状部材を有し、前記潤滑ボールベアリングの外輪を弾性支持する支持機構と、を備え、
   前記支持機構は、
   第１の接線方向に直線状に延在するとともに前記軸芯を挟んで配置され、互いに隣接する前記第１環状部と前記第２環状部とを連結する一対の第１平板状弾性部と、
   前記第１の接線方向と異なる第２の接線方向に直線状に延在するとともに前記軸芯を挟んで配置され、互いに隣接する前記第２環状部と前記第３環状部とを連結する一対の第２平板状弾性部と、を有し、
   前記第１環状部には、前記永久磁石磁気軸受の軸方向支持力によって前記外輪が当接し、
   前記第３環状部はポンプベースに当接する、真空ポンプ。
3. 請求項１または２に記載の真空ポンプにおいて、
   前記第１および第２平板状弾性部の各々は、断面軸方向寸法が断面径方向寸法よりも大きく設定された板状部材である、真空ポンプ。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の真空ポンプにおいて、
   前記潤滑ボールベアリングの外周側に設けられ、該潤滑ボールベアリングの外輪との動摩擦により振動減衰作用を発生させるラジアルダンパーリングを備える、真空ポンプ。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の真空ポンプにおいて、
   前記外輪の前記第１の軸方向端面と反対側の第２の軸方向端面に対向するように配置され、前記回転体ユニットの前記軸方向支持力の方向と反対方向への変位を所定値以下に制限して、前記軸方向支持力の向きの反転を防止するストッパを備える、真空ポンプ。
6. 請求項５に記載の真空ポンプにおいて、
   前記ストッパは、前記回転軸の軸方向に積層配置されて前記潤滑ボールベアリングの外輪を弾性支持する第３および第４の支持部材を備え、
   前記第３支持部材は、
   前記外輪の前記第２の軸方向端面に当接し、前記回転軸の軸芯を囲むように形成された第５環状部と、
   前記第５環状部に対して同心状に配置された第６環状部と、
   前記第１の接線方向に直線状に延在するとともに前記軸芯を挟んで互いに平行に配置され、前記第５環状部と前記第６環状部とを連結する一対の第３平板状弾性部と、を有し、
   前記第４支持部材は、
   前記第６環状部に対して軸方向端面に積層接合される第７環状部と、
   前記第７環状部に対して同心状に配置されてポンプベースに当接する第８環状部と、
   前記第２の接線方向に直線状に延在するとともに前記軸芯を挟んで互いに平行に配置され、前記第６環状部と前記第７環状部とを連結する一対の第４平板状弾性部と、を有し、
   前記第３および第４平板状弾性部の各々は、断面軸方向寸法が断面径方向寸法よりも大きく設定された板状部材である、真空ポンプ。
7. 請求項１乃至６のいずれか一項に記載の真空ポンプにおいて、
   前記支持機構は、Ｍｎ−Ｃｕ系合金またはＭｎ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ｆｅ系合金で形成されている真空ポンプ。

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