JP2015121263A - 磁性流体シール装置 - Google Patents

Abstract

【課題】気密室側への磁場の漏洩を抑制した磁性流体シール装置を提供する。
【解決手段】ハウジング３内にポールピース６で挟んだ状態で偶数個の磁石５を組み込む。回転軸２は、ハウジング３の中空部３ａ内にあって、気密室１にもっとも近い位置にあるポールピース６よりも気密室１寄りにある任意の部位を境界とし、それよりも気密室１寄りの領域を非磁性材料で形成する。ハウジング３は、気密室１にもっとも近い位置にあるポールピース６と接触する部位から気密室１寄りの領域を磁性材料で形成する。
【選択図】図１

Description

この発明は、気密室内に一部領域が挿入される回転軸を、気密室内の気密性を保持したまま支持する磁性流体シール装置に関する。

産業界においては、内部が気密に遮蔽された空間内を外部の圧力と異なった圧力状態、すなわち差圧状態に保持し、その差圧状態下において種々の処理を行うようにした各種の装置が存在する。また、その差圧状態に加えて内部を防塵状態、あるいは特殊なガス雰囲気状態に保持した状態で種々の処理を行う場合もある。例えば、半導体ウエハの減圧処理装置、真空乾燥機、回転対陰極形式のＸ線発生装置や電子顕微鏡の内部等においては、真空に減圧された防塵状態下で所定の処理が行われる。磁性流体シール装置は、それらの所定の処理が行われる空間領域（気密室内）と大気圧領域との２つの空間領域を互いに遮蔽するために用いられる。

従来の磁性流体シール装置は、筒状をしたハウジングの両端付近の内壁に軸受を組み込み、これらの軸受で回転軸を回転自在に支持している。さらに、ハウジング内に磁石を内蔵し、磁石と回転軸の間の隙間に磁性流体を充填して密閉性を高めた構成となっている。磁性流体は、磁石の周囲に生じた磁場によって磁石と回転軸の間の隙間に保持される。
特許文献１は、この種の構造を備えた従来の磁性流体シール装置を開示している。

さて、上述したように磁性流体シール装置は磁石を内蔵しているために、磁石の周囲に磁場が生じることは避けられない。ところが、磁性流体シール装置が適用される対象装置によっては、この磁場が同対象装置の性能に悪影響を及ぼすおそれがあった。例えば、電子線を使用する電子顕微鏡や、電子銃から対陰極（ターゲット）に向かって電子を衝突させて対陰極の表面からＸ線を発生させるＸ線発生装置などを対象装置とする場合である。これらの装置では、気密室の内部で電子が取り扱われるため、磁性流体シール装置の磁石によって発生した磁場が対象装置の気密室内へと漏洩した場合、電子の軌道が漏洩磁場によって本来の軌道から逸れてしまう等の悪影響が危惧される。

特開平１１−１６６６３３号公報

本発明は上述した事情に鑑みてなされたもので、気密室側への磁場の漏洩を抑制した磁性流体シール装置の提供を目的とする。

本発明は、気密室内に一部領域が挿入される回転軸を、気密室内の気密性を保持したまま支持する磁性流体シール装置であって、
気密室とその外部空間とを仕切る境界部に設けられるとともに、回転軸を挿通する中空部を有するハウジングと、
ハウジングへ軸方向に任意の間隔をおいて並べて組み込まれる複数個の磁石と、
複数個の磁石を挟み込むようにハウジングに組み込まれ、且つ径方向の内側端面を回転軸の周面と対向して配置された複数個のポールピース（磁極片）と、
ポールピースにおける径方向の内側端面と回転軸の周面との間に充填される磁性流体と、を備えている。

ここで、磁石は、各磁石の対向する軸方向の端面を同じ極として偶数個をハウジングへ組み込まれている。
また、ポールピースは、磁性材料で形成されている。
そして、回転軸は、ハウジングの中空部内にあって、気密室にもっとも近い位置にあるポールピースよりも気密室寄りにある任意の部位を境界として、当該境界部位よりも外部空間寄りの領域が磁性材料で形成され、一方、当該境界部位よりも気密室寄りの領域が非磁性材料で形成されている。
さらに、ハウジングは、気密室にもっとも近い位置にあるポールピースに接触するとともに、当該ポールピースに隣接するポールピースには接触しない部位を境界として、当該境界部位よりも外部空間寄りの領域が非磁性材料で形成され、一方、当該境界部位よりも気密室寄りの領域が磁性材料で形成されている。

本発明者らは、このように構成することで、磁石の周囲に発生する磁場の広がり、特に気密室方向への磁場の広がりを抑制することができることを実験的に見出すことができた。
なお、ハウジングの軸方向への寸法拡大による大形化を抑制するために、磁石はハウジングに２個又は４個組み込む構成とすることが好ましい。

本発明によれば、磁石の周囲に発生する磁場の広がり、特に気密室方向への磁場の広がりを抑制することができる。

本発明の実施形態に係る磁性流体シール装置の基本構造を示す正面断面図である。 本発明の実施形態に係る磁性流体シール装置の特徴的構造を説明するための半断面図である。なお、断面を示すハッチングは省略してある（図３、図５、図７、図８も同じ）。 本発明に係る磁性流体シール装置の実験例１を説明するための半断面図である。 実験例１の測定結果を示す表である。 本発明に係る磁性流体シール装置の比較例１を説明するための半断面図である。 比較例１の測定結果を示す表である。 本発明に係る磁性流体シール装置の実験例２を説明するための半断面図である。 本発明に係る磁性流体シール装置の比較例２を説明するための半断面図である。

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。
〔基本構造〕
まず、図１を参照して本発明の実施形態に係る磁性流体シール装置の基本構造を説明する。
本実施形態に係る磁性流体シール装置は、同装置が適用される対象装置の気密室１の壁面１ａに装着され、気密室１内に一部領域が挿入される回転軸２を回転自在に支持するとともに、気密室１内の気密性を保持する機能を有しており、ハウジング３、軸受４、磁石５、ポールピース６（磁極片）、磁性流体７を主要な構成部品として備えている。

ハウジング３は、磁性流体シール装置の筐体を構成する部品であり、内部に一端から他端に貫通する断面円形をした中空部３ａが形成してある。回転軸２は、この中空部３ａを挿通して一部が気密室１内に挿入される。また、ハウジング３の一端部外面にはフランジ部３ｂが形成してあり、このフランジ部３ｂが図示しないボルト等の締結具を用いて気密室１の壁面１ａに固定され、これにより本磁性流体シール装置が、気密室１とその外部空間１００とを仕切る境界部に配設される。

軸受４は、ハウジング３の両端部近くに、それぞれ中空部３ａの周面に支持面を露出した状態で組み込まれている。中空部３ａに挿通された回転軸２は、これらの軸受４によって回転自在に支持される。

ハウジング３の内部には、偶数個の磁石５が任意の間隔をおいて軸方向に組み込まれている。ここで、偶数個の磁石５は、各磁石５の対向する軸方向の端面が同じ極となるような配置をもって組み込まれている。例えば、２個の磁石５を組み込む場合は、各磁石５の対向する端面がＳ極又はＮ極となるように配置する。同様に、４個の磁石５を組み込む場合は、例えば、左から１個目と２個目の磁石５の対向する端面をそれぞれＳ極（又はＮ極）とすれば、２個目と３個目の磁石５の対向する端面はそれぞれＮ極（又はＳ極）とし、３個目と４個目の磁石５の対向する端面はそれぞれＳ極（又はＮ極）とすればよい。

さらに、ハウジング３の内部には、複数個の磁石５を挟み込むようにして複数個のポールピース６（磁極片）が組み込まれている。これらのポールピース６は磁性材料で形成してあり、径方向の内側端面を回転軸２の周面と対向して配置されている。
そして、互いに対向するポールピース６の内側端面と回転軸２の周面との間に、磁性流体７が充填されている。この磁性流体７は、非磁性の流体媒体に磁性体の金属微粒子をコロイド状に分散させることによって形成された流体である。例えば、炭化水素、炭化フッ素、あるいは脂肪酸等の流体にフェライトその他の磁性体粉末を分散した流体を用いることができる。
充填された磁性流体７は、磁石５のそれぞれから出て各ポールピース６及び回転軸２の磁性材料部分を通る磁気閉回路を構成する磁束に集中して、磁性流体膜を構成する。こうして形成された磁性流体膜によって気密室１と外部空間１００とが遮断され、気密室１内の気密状態が保持される。
なお、図１に示すように、互いに対向するポールピース６の内側端面と回転軸２の周面のいずれか一方又は双方に周方向に延びる複数本の溝を形成し、この溝内に磁性流体７を充填すれば、磁性流体７をいっそう強固に当該箇所へ留めておくことができて好ましい。

上述した構成の磁性流体シール装置において、回転軸２と、ハウジング３は、磁性材料と非磁性材料とを組み合わせた構成としてある。ここで、磁性材料というのは、磁石５によって磁化される性質を有する材料をいい、非磁性材料というのは、磁石５を近付けても磁化されない性質を有する材料をいう。

具体的には図２に示すように、回転軸２は、ハウジング３の中空部３ａ内にあって、気密室１にもっとも近い位置にあるポールピース６よりも気密室１寄りにある領域Ｓ２＋Ｓ３内に非磁性材料と磁性材料の境界Ｓ０が設定されており、その境界Ｓ０よりも外部空間１００寄りの領域２Ｘを磁性材料で形成するとともに、その境界Ｓ０よりも気密室１寄りの領域２Ｙを非磁性材料で形成した構成となっている。
また、ハウジング３は、気密室１にもっとも近い位置にあるポールピース６と接触する領域Ｈ３ａから、当該領域よりも外部空間１００寄りであってかつ当該ポールピース６と隣接するポールピース６には接触しない領域Ｈ３ｂまでの任意の部位を境界Ｈ０として、当該境界Ｈ０よりも気密室１寄りの領域３Ｘを磁性材料で形成するとともに、当該境界部位よりも外部空間１００寄りの領域３Ｙを非磁性材料で形成した構成となっている。
このように回転軸２とハウジング３を構成することで、磁石５から発生する磁力線が回転軸２の磁性材料の領域から、ハウジング３の磁性材料の領域へと導かれて磁石５へ帰還する磁気回路が形成され、気密室１方向への磁場の広がりが抑制される。

ここで、回転軸２及びハウジング３の磁性材料部分は、例えば鉄鋼材料によって形成され、非磁性材料部分は非磁性金属材料や合成樹脂等によって形成することができる。両部分の繋ぎ目は、摩擦圧接による拡散接合による接合方法が強固でかつ滑らかな表面を得られて好ましいが、これに限定されず溶接やねじ結合、あるいはその他任意の方法によって接合することができる。

〔実験例１〕
次に、図３及び図４を参照して、本発明に係る磁性流体シール装置の実験例１について説明する。
本発明者は、図３に示すように、ハウジング３内に２個の磁石５を、各磁石５の対向する軸方向の端面を同じ極として組み込んだ構成の磁性流体シール装置を用いて、次の（１）（２）に示す条件を適宜変更しながら、回転軸２の気密室側の端面から中心軸に沿って１０ｍｍの距離だけ離間した地点Ａにおける磁場の強さと、同じく５０ｍｍの距離だけ離間した地点Ｂにおける磁場の強さとを計測した。
（１）回転軸２における次のＳ１〜Ｓ３の領域を、磁性材料か非磁性材料のいずれかに設定する。
Ｓ１：ハウジング３よりも気密室１側に露出した領域
Ｓ２：ハウジング３の気密室１側端面からフランジ部３ｂの厚さ分だけ中空部３ａ内に入り込んだ領域
Ｓ３：ハウジング３の中空部３ａ内であってフランジ部３ｂよりも外部空間１００寄りで、且つ気密室１にもっとも近い位置にあるポールピース６よりも気密室１寄りの領域
（２）ハウジング３における次のＨ１〜Ｈ４の領域を、磁性材料か非磁性材料のいずれかに設定する。
Ｈ１：フランジ部３ｂの形成された領域
Ｈ２：フランジ部３ｂよりも外部空間１００寄りで、且つ気密室１にもっとも近い位置にあるポールピース６よりも気密室１寄りの領域
Ｈ３：気密室１にもっとも近い位置にあるポールピース６と接触する領域（図２のＨ３ａ）
Ｈ４：Ｈ３の領域端から、気密室１にもっとも近い位置にあるポールピース６と隣接するポールピース６と接触する中央部までの領域

測定結果は、図４に示すように、回転軸２における磁性材料の領域及び非磁性材料の領域と、ハウジング３における磁性材料の領域及び非磁性材料の領域との組み合わせを適宜変更して、地点Ａ及び地点Ｂでの磁場の強さとを計測した結果、ハウジング３のＨ１、Ｈ２及びＨ３の領域（Ｈ１＋Ｈ２＋Ｈ３）を磁性材料で形成し、その他の領域を非磁性材料で形成するとともに、回転軸２におけるＳ１及びＳ２の領域（Ｓ１＋Ｓ２）を非磁性材料で形成し、その他の領域を磁性材料で形成した構造において、地点Ａ及び地点Ｂともに磁場の強さが著しく低減した（データＮｏ．７）。

すなわち、ハウジング３はフランジ部３ｂだけを磁性材料にしても十分な磁気シールド効果が得られない。気密室１にもっとも近い位置にあるポールピース６に接触する領域まで磁性材料とすることで、磁気回路が閉じるためシールド効果が発揮される。一方、磁性材料の部位が磁石５を跨いでしまうと磁性流体７の磁場が減少（３割減）してしまうため、気密室１にもっとも近い位置にあるポールピース６と隣接するポールピース６とをハウジング３の磁性材料部分で繋ぐことは好ましくない。
回転軸２は、磁性材料部分がハウジング３の中空部３ａから気密室１側へ出てしまうと、磁気漏洩先端部がシールド外部にでることになるため漏洩が大きくなる。ハウジング３の中空部３ａ内で磁性材料と非磁性材料の境界位置を変更しても磁気漏洩に大きな差はないが、磁性流体７よりも気密室１寄りに当該境界を配置したときもっとも磁気漏洩が小さくなる。

〔比較例１〕
次に、図５及び図６を参照して、本発明に係る磁性流体シール装置の比較例１について説明する。
本発明者は、図５に示すように、ハウジング３内に１個の磁石５を組み込んだ構成の磁性流体シール装置を用いて、上述した（１）（２）に示す条件を適宜変更しながら、回転軸２の真空室側の端面から中心軸に沿って１０ｍｍの距離だけ離間した地点Ａにおける磁場の強さと、同じく５０ｍｍの距離だけ離間した地点Ｂにおける磁場の強さとを計測した。

測定結果は、図６に示すように、いずれの計測結果も好ましいものではなく、地点Ａ及び地点Ｂに至る広範囲の磁気漏洩が観察された。

〔実験例２〕
次に、図７を参照して、本発明に係る磁性流体シール装置の実験例２について説明する。
本発明者は、図７に示すように、ハウジング３内に４個の磁石５を、各磁石５の対向する軸方向の端面を同じ極として組み込んだ構成の磁性流体シール装置を用いて、回転軸２の気密室側の端面から中心軸に沿って１０ｍｍの距離だけ離間した地点Ａにおける磁場の強さと、同じく５０ｍｍの距離だけ離間した地点Ｂにおける磁場の強さとを計測した。
回転軸２は、Ｓ１＋Ｓ２の領域を非磁性材料、その他の領域を磁性材料とした。
ハウジング３は、Ｈ１＋Ｈ２＋Ｈ３の領域を磁性材料、その他の領域を非磁性材料とした。

測定結果は、地点Ａにおける磁場の強さは６８．７μＴ、地点Ｂにおける磁場の強さは５．７μＴであり、いずれも極めて低い磁場の強さであった。

〔比較例２〕
次に、図８を参照して、本発明に係る磁性流体シール装置の比較例２について説明する。
本発明者は、図８に示すように、ハウジング３内に３個の磁石５を、各磁石５の対向する軸方向の端面を同じ極として組み込んだ構成の磁性流体シール装置を用いて、回転軸２の気密室側の端面から中心軸に沿って１０ｍｍの距離だけ離間した地点Ａにおける磁場の強さと、同じく５０ｍｍの距離だけ離間した地点Ｂにおける磁場の強さとを計測した。
回転軸２は、Ｓ１＋Ｓ２の領域を非磁性材料、その他の領域を磁性材料とした。
ハウジング３は、Ｈ１＋Ｈ２＋Ｈ３の領域を磁性材料、その他の領域を非磁性材料とした。

測定結果は、地点Ａにおける磁場の強さは４５２．４μＴ、地点Ｂにおける磁場の強さは７３．４μＴであり、いずれも極めて大きな磁場の強さであった。

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、磁性流体シール装置の細部構造など必要に応じて適宜設計変更できることは勿論である。

１：気密室、１ａ：気密室の壁面、２：回転軸、２Ｘ：磁性材料の領域、２Ｙ：非磁性材料の領域、３：ハウジング、３Ｘ：磁性材料の領域、３Ｙ：非磁性材料の領域、３ａ：中空部、３ｂ：フランジ部、４：軸受、５：磁石、６：ポールピース（磁極片）、７：磁性流体、１００：外部空間

Claims (2)

1. 気密室内に一部領域が挿入される回転軸を、前記気密室内の気密性を保持したまま支持する磁性流体シール装置であって、
   前記気密室とその外部空間とを仕切る境界部に設けられるとともに、前記回転軸を挿通する中空部を有するハウジングと、
   前記ハウジングへ軸方向に任意の間隔をおいて並べて組み込まれる複数個の磁石と、
   前記複数個の磁石を挟み込むように前記ハウジングに組み込まれ、且つ径方向の内側端面を前記回転軸の周面と対向して配置された複数個のポールピースと、
   前記ポールピースにおける径方向の内側端面と前記回転軸の周面との間に充填される磁性流体と、を備え、
   前記磁石は、各磁石の対向する軸方向の端面を同じ極として偶数個を前記ハウジングへ組み込み、
   前記ポールピースは、磁性材料で形成し、
   前記回転軸は、前記ハウジングの中空部内にあって、前記気密室にもっとも近い位置にあるポールピースよりも気密室寄りにある任意の部位を境界として、当該境界部位よりも外部空間寄りの領域を磁性材料で形成するとともに、当該境界部位よりも気密室寄りの領域を非磁性材料で形成し、
   前記ハウジングは、前記気密室にもっとも近い位置にあるポールピースと接触する領域から、当該領域よりも外部空間寄りであってかつ当該ポールピースと隣接するポールピースには接触しない領域までの任意の部位を境界として、当該境界部位よりも気密室寄りの領域を磁性材料で形成するとともに、当該境界部位よりも外部空間寄りの領域を非磁性材料で形成したことを特徴とする磁性流体シール装置。
2. 前記磁石は、前記ハウジングに２個又は４個組み込んであること特徴とする請求項１の磁性流体シール装置。

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