JP3766866B2 - 磁性流体シール回転軸受け - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、磁性流体シール回転軸受けに関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、高速の回転軸を効率よく密封し、かつ、回転軸の回転抵抗が小さく、また、部品点数が少なく，小形軽量であり、さらには、より低いコストでの製造が可能な磁性流体シール回転軸受けに関するものである．
【０００２】
【従来の技術と発明の課題】
磁性流体シール回転軸受けは、Ｘ線発生装置の心臓部である回転対陰極の回転軸、真空攪拌機のプロペラ回転軸、真空ロボットの回転軸、宇宙船の船外マニュピレータの関節軸、および、エネルギー貯蔵用のフライホイール回転軸などに用いられる他、半導体製造分野において、単結晶引き上げ装置の結晶回転軸並びにるつぼ回転軸、真空蒸着装置やスバッタ装置などの基板回転軸、また、気相反応装置やプラズマ化学蒸着装置の基板回転軸などに用いられている。また、最近では、電子線露光装置の回転ステージ回転軸、並びに、Ｘ−Ｙステージの駆動用ステップモーター回転軸など真空中で作動する空気軸受けを密閉する際に多用されるようになってきている。これらは、コンピュータのリジッド磁気ディスクの防塵回転軸やレーザープリンタのポリゴンミラーの防塵回転軸などに代表される、一般に防塵シールと呼ばれる型式の軸受けも、もともとは磁性流体シール回転軸受けを原型とする軸受けのひとつである．
図４は、１９６８年に初めて考案された磁性流体シール回転軸受け（Ｒ． Ｅ． Ｒｏｓｅｎｓｗｅｉｇ， Ｇ． Ｍｉｓｋｏｌｃｚｙ， Ｆ． Ｄ． Ｅｚｅｋｉｅｌ ： Ｍｅｃｈ．Ｄｅｓ．，４０， １４５， （１９６８））の断面図である。磁性体のスチール製回転軸（４１）の回りにわずかの空隙を空けて円盤状の磁極片（４２）、軸方向に着磁した円筒状の永久磁石（４３）、および、円盤状の綻鉄（４４）を、順次積み重ねてなる円筒状構造体を設け、スチール製回転軸（４１）を通じて全体として閉じた磁気回路を構成する。永久磁石（４３）の起磁力は磁極片（４２）とスチール製回転軸（４１）の空隙に集中する。その空隙に磁性流体（４５）を充填すると、磁性流体（４５）に対して空隙の磁界が作用し、軸受けの左右の圧力差に耐えるリングを形成する。その結果、スチール製回転軸（４１）が回転する際、固体どうしの接触がないために、摩擦がなく、かつ気密性が保持される。以上が、磁性流体シール回転軸受けの基本的な原理である。現実には一段の磁気回路では耐圧性能が十分でないので、多段の磁気回路を組み込んで用いられている。この種の多段型式はカスケード型と呼ばれている。
【０００３】
多段の磁気回路、すなわちカスケードを構成するのに、従来、回転軸突起型磁性流体シール回転軸受けと軸受け突起型磁性流体シール回転軸受けの２つの方式が知られている。
【０００４】
図５は、回転軸突起型磁性流体シール回転軸受けの断面図を示したものである。真空フランジ（５６）は真空ガスケット（５７）により気密に真空容器に固定され、該軸受けの左側の真空側と右側の大気側とが隔てられている。そこにスチール製回転軸（５１）が貫通し、その回転は２個の玉軸受け（５８）により機械的に支えられている。真空の気密を保持する磁性流体シール部分は２個の玉軸受け（５８）の間に設けられており、その部分のみを拡大して図示したのが図６である。円筒の形状をもつ軸方向着磁永久磁石（６３）の左右に円筒状の継鉄（６４）を接続し、スチール製回転軸（６１）に対してわずかの空隙を設けてそれを取り囲んでいる。回転軸突起型磁性流体シール軸受けの特徴はスチール製回転軸（６１）がその外周面に矩形断面をもつ円環状突起（６９）を有していることである。軸方向着磁永久磁石（６３）の起磁力は継鉄（６４）の内周面と回転軸突起（６９）のすき間に集中し、磁性流体（６５）はその個所に磁気的に保持されて、左右の大気圧に耐える構造になっている。通常は、左右併せて１０〜２０段程度の突起が設けられており、各段がそれぞれ段階的に圧力差を分担し、合計として大気圧に耐える構造になっている。
【０００５】
他方の従来型式の軸受け突起型磁性流体シール軸受けを図７に示す。スチール製回転紬（７８）、真空フランジ（７６）、真空ガスケット（７７）、２個の玉軸受け（７８）の構成は先の回転軸突起型磁性流体シール軸受けと同様であり、玉軸受け（７８）の間に設けられた磁気回路部分のみが異なる。その磁気回路部分の拡大図を、図８に示す。軸受け突起型磁性流体シール軸受けにおいては、磁気回路を多段にするために、多数個の円盤状の軸方向に着磁した永久磁石（８３）と円盤状の継鉄（８４）を交互に積み重ね、また、各々の継鉄（８４）の内側端面においては、その断面が三角形になるように鋭く尖らせてある。各々の円盤状永久磁石（８３）はそれぞれ同極が対向するように積み重ねられており、一方、スチール製回転軸（８１）は外周面に構造をもたない単純な棒状である。このような構成により、スチール製回転軸を介して多数の磁気回路が形成され、かつ、各々の軸受け突起（８０）とスチール製回転軸（８１）のすき間に強い磁界が集中するようになり、磁性流体（８５）はその部分に磁気的に保持され、その結果として、回転軸（８１）は密封される。この方式においても、通常は、左右併せて１０〜２０段程度の突起が設けており、各段がそれぞれ段階的に圧力差を分担し、合計として大気圧に耐える構造になっている。
【０００６】
以上の従来技術である磁性流体シール回転軸受けにおいては、磁気回路部分が、何れも複雑な構造をもっていた。そのため形状および重量が大きいという欠点があり、同時に製造費用も高価であった。特に、後者の軸受け突起型磁性流体シール回転軸受けにおいては、多数個の円盤状永久磁石（８３）と多数個の円盤状の継鉄（８４）とをつなぎ合わせて磁気回路を構成するために、部品数が多くなり、その結果、構造は極めて複雑となっていた。高精度で軸受けの内面を突起状に整形加工する必要があることから、製造工程は非能率的であり、また、小口径の軸受けに関しては製造が困難であるという問題を有していた。
【０００７】
また、回転軸突起型磁性流体シール回転軸受けの磁気回路においては、図６から理解されるとおり、起磁力として働く軸方向着磁永久磁石（６３）から、磁気的負荷として作用する空隙までの磁気経路が継鉄（６４）を介して遠く離れているために、磁気回路のレラクタンスが大きくなり、磁気的損失が大きい。すなわちこの回転軸突起型磁性流体シール回転軸受けは、磁性流体が保持される空隙の部分に強い磁界を、合理的に永久磁石で発生させることができない。それに対して、軸受け突起型磁性流体シール回転軸受けの磁気回路においては、図８に示したとおり、軸方向着磁永久磁石（８３）から、磁界が集中する空隙までが接近しているため、磁気回路のレラクタンスが小さく、磁気的損失が小さい。すなわち、永久磁石の起磁力が高い効率で空隙に集中する。すなわち、軸受け突起型磁性流体シール軸受けは、構造は複雑であるが、磁気回路に関して合理的な構造を持っていると言える。
【０００８】
以上、詳しく説明したとおり、従来の磁性流体シール軸受けは、形状および重量が大きくなってしまうことが共通の課題としてあげられ、また、磁気回路の構造および機能に関して何れの方式においても一長一短があり、バランスよく特性を発揮できていなかった。
【０００９】
そこで、この出願の発明は、以上の通りの事情に鑑みてなされたものであり、部品数が少なく、合理的な磁気回路を備えており、さらには、製造が容易な、新しい磁性流体シール回転軸受けを提供することを課題としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、第１に、強磁性体からなる回転軸と、強磁性体からなる円筒状磁極片とこの円筒状磁極片の外周に配置された回転軸の軸径方向に着磁した円筒状永久磁石とを一組としたものを複数連結することで形成され、複数の円筒状永久磁石が、それぞれの極性が交互となるように、回転軸の外周に一定の間隔で配置された円筒状磁石連結体と、この円筒状磁石連結体の外周に円筒状磁石連結体を固定するように配置された強磁性体からなる円筒状継鉄とを備え、回転軸は、円筒状磁石連結体の内周との間に空隙を設けて配置され、磁性流体をシールとして作用させるための円筒形磁気回路を全体として閉じた系として形成することを特徴としている。
【００１１】
この出願の発明は、第２に、上記の磁性流体シール回転軸受けにおいて、円筒状磁極片、円筒状永久磁石、および、継鉄の各接合面に、磁性流体、磁気スラリー、または、接着剤のいずれか１つを含浸展開させることを特徴としている。
【００１４】
【発明の実施の形態】
この出願の発明は、上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下に、その実施の形態について説明する。
【００１５】
この出願の発明である磁性流体シール回転軸受けの実施の形態を図１〜３を用いて、詳しく述べる。
【００１６】
図１は、この出願の発明である磁性流体シール回転軸受けの全体を示す断面図である。２個の玉軸受け（８）で機械的に支えられた強磁性体からなる回転軸（１）は、真空部分まで貫通しており、該軸受けが真空フランジ（６）と真空ガスケット（７）により真空容器壁に気密に接続される。この出願の発明において特徴的であるのは、磁気回路部分である。
【００１７】
図２は、この出願の発明である磁性流体シール回転軸受けにおける磁気回路部分の拡大断面図である。強磁性体からなる回転軸（２１）においては、その外周面に沿って単数あるいは複数の環状突起（２９）が設けられている。これらの環状突起の断面形状は、矩形、メサ型、三角形、または、台形などから、適宜選択される。環状突起の数が複数個である場合、１０個以上隣接して配置されることが好適である。
【００１８】
この出願の発明である磁性流体シール回転軸受けにおいて、磁気回路は、強磁性体から
なる回転軸（２１）の周囲に、強磁性体からなる円筒状磁極片（２０）、回転軸（２１）の軸径方向に着磁した永久磁石（２２）、および、強磁性体からなる継鉄（２４）を順次積み重ねることで形成される。回転軸（２１）の表面に設けられた環状突起（２９）と円筒状磁極片（２０）との間に空隙が設けられている。
【００１９】
円筒状磁極片（２０）、永久磁石（２２）、および、継鉄（２４）のそれぞれを接続する接続面には、磁気スラリー、あるいは、磁性流体を、磁気回路による磁気的吸引力の作用により、含浸展開させる。また、例えばエポキシ樹脂やポリイミド樹脂のような耐熱性気密充填性の樹脂を、それ自身の表面張力を用いて含浸展開させてもよい。これらは接続面を通って外界の気体が真空領域に漏れないように気密を高め、かつ、それぞれの部材における熱膨張率の違いを緩衝するための解決手段として作用するものである。
【００２０】
ここで、回転軸（２１）の軸径方向に着磁した永久磁石（２２）は、内周面がＳ極、外周面がＮ極またはその逆にそれぞれ均一に磁極が分布し、磁力線が放射状に分布した磁石のことである。この種の円筒状永久磁石は、ネオジム−鉄−ホウ素系磁石合金、またはサマリウム−コバルト系磁石合金の熱間押し出し加工により、最近、製造が可能となった。また、これらの磁石合金粉末を樹脂で固めたボンド磁石と呼ばれる種類の磁石においても、射出成型法により同様の特性をもつ磁石が、最近、製造可能となった。この出願の発明においては、以上の最近の永久磁石技術を、取り入れることにより、構成されたものである。
【００２１】
図２にあるように、永久磁石はそれぞれ逆向きに着磁したもの２個を円筒状の非磁性体（２３）を間にはさんで一組とし、それらを継鉄（２４）で連結して用いることが磁気回路として合理的である。回転軸を密封するための磁性流体は磁極片（２０）と回転軸突起（２９）との間に設けられた空隙を満たすように注入する。このようにすると、磁束は、一方の永久磁石（２２） → 一方の磁極片（２０） → 一方の磁性流体（２５） → 回転軸（２１） → 他方の磁性流体（２５'） → 他方の磁極片（２０'） → 他方の永久磁石（２２'） → 継鉄（２４） → 一方の永久磁石（２２）の順番で、最短距離での閉じた系を構成する。磁気回路の部材の接触面に、含浸展開させた磁気スラリー、あるいは、磁性流体は、各部材を磁気的に連結し、磁気回路のレラクタンスをより小さくするのに有効である。このようにして形成される磁気回路は、極めてバランスがよく、またレラクタンスが小さく、さらには、起磁力の損失が小さいため、小型の永久磁石を用いた場合であっても、強い磁界を磁性流体に作用させることができる。同時に、熱減磁や衝撃減磁も小さくなり、加熱および衝撃に対しても、高い安定性を示す。その結果、磁性流体シール軸受けは従来型のものより小形軽量、安価となり、特性も安定する。
【００２２】
なお、図３に示したように、回転軸（３１）において、その外周面に断面が矩形となる部分を残し、単数あるいは複数の環状溝（３９）を彫り込んでも、以上で説明した磁気回路の作用効果と同一の作用効果が得られる。外周面に彫り込まれる溝は断面が、メサ型、三角形、または、台形となる部分を残すように彫り込まれたものであってもよい。
【００２３】
環状突起を用いるか、または、環状溝を用いるかに関しては、それぞれこの出願の発明の磁性流体シール回軽軸受けを機器に組み込む際の適合性や容易性を考慮して適宜好適な方が選択されるものである。
【００２４】
この出願の発明は、以上の特徴を持つものであるが、以下に実施例を示し、さらに具体的に説明する。
【００２５】
【実施例】
実施例１
以上の実施の形態で説明したこの出願の発明である磁性流体シール回転軸受けに関して、図１および図２を用いて、具体的な実施例を示す。強磁性体からなる回転軸（１）は、ステンレススチールＳＵＳ４３０製の外形１０ｍｍの棒状であり、その外周面に高さ０．５ｍｍ、幅０．４ｍｍの断面が矩形の形状をもつ環状突起（９）が、１ｍｍ間隔で１０段設けられている。軟銅製の内径１１．２ｍｍ、外径１３．８ｍｍ未満の円筒状磁極片（１１）と、これに外接するように内径１３．８ｍｍ、外径１７．８ｍｍの永久磁石（１２）を配置し、軸受け側の磁気回路の左側を構成した。永久磁石（１２）は、ネオジム−鉄−ホウ素合金からなる熱間押出し異方性磁石を回転軸（１）の軸径方向に着磁したものである。さらに、反対向きに着磁した永久磁石を用いて、同様な部材を作製し、磁気回路の右側を構成し、左右の磁気回路の間にＡ５０８３耐食アルミニウム合金円筒を介挿させることにより、両者を５ｍｍ隔てて、強磁性体であるステンレススチールＳＵＳ６３０製の内径１７．８ｍｍ、外径２２ｍｍの円筒状継鉄（４）に挿入した。この磁気回路を、図１に示した真空フランジ（６）付きの軸受けハウジングに真空ガスケットを用い気密性を保って組み込み、さらに、回転軸（１）を環状突起（９）と円筒状磁極片（１１）が対向するように、また両者の間に０．１ｍｍの空隙を設けて、玉軸受け（８）を用いて機械的に固定することで、回転の自由を残した。なお、組立の過程でフッ素油ベース超高真空用磁性流体（５）を空隙に注入し、磁性流体シールとした。また、同質のフッ素油べース超高真空用磁気スラリーを円筒状磁極片（１１）と永久磁石（１２）の界面、および、永久磁石（１２）と継鉄（４）の界面に含浸させ、両界面の気密を形成した。
【００２６】
以上の磁性流体シール回転軸受けを、磁性流体シール回転軸真空試験装置を用い、１気圧の圧力差のもとで試験した結果、毎分２０，０００回転以上の回転数で、１０-6Ｐａの真空度を維持した結果、真空漏れは検出されなかった。さらに、３０００時間以上の連続運転の後でも、また１５０℃の１０回の加熱サイクルを経た後でも気密性の破壊は発生しなかった。
実施例２
次いで、図３に示した環状溝付き回転軸を備える構成に対して、実施例１と同様にして試験を行った。図３に示すとおり、外周面に断面が高さ０．５ｍｍ、幅０．４ｍｍの矩形の突起を１ｍｍ間隔に１０個残すように、外周面を削り込んだ外径１１．０ｍｍの回転軸（３１）を形成し、それ以外の構成は、実施例１と同様の構成とした。回転軸の製作は、実施例１のものよりやや容易であった。試験結果は実施例１とほとんど等価であり、特筆する差異は認められず、この出願の発明である磁性流体シール回転軸受けの高いシーリング特性が示された。
【００２７】
【発明の効果】
この出願の発明によって、以上詳しく説明したとおり、部品数が少なく、合理的な磁気回路を備えており、さらには、製造が容易な、新しい磁性流体シール回転軸受けが提供される。
【００２８】
この出願の発明の磁性流体シール回転軸受けは、合理的な磁気回路を形成し、小さい永久磁石を用いても、強い磁界を磁性流体部分に作用させることができ、さらには、全体構成が小型軽量なものとなる。また、この出願の発明の磁性流体シール回転軸受けを構成する部品数は少ないため、製造および保守が容易である。この出願の発明の磁性流体シール回転軸受けに用いられる希土類磁石は少量ですむため、原材料費も安くなり、製造工程が簡潔なことと合わせて、全製造コストが低減されるものと考えられる。さらには、この出願の発明の磁性流体シール回転軸受けにおいては、不具合が発生する頻度も少なく、不具合の修復も容易であるため、維持運転経費が節減されることも期待される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この出願の発明の磁性流体シール回転軸受けの構成について示した概要図である。
【図２】 この出願の発明の磁性流体シール回転軸受けの構成について示した概要図である。
【図３】 この出願の発明の磁性流体シール回転軸受けの構成について示した概要図である。
【図４】 従来技術である磁性流体シール回転軸受けの原理について示した概要図である。
【図５】 従来技術である磁性流体シール回転軸受けの構成について示した概要図である。
【図６】 従来技術である磁性流体シール回転軸受けの構成について示した概要図である。
【図７】 従来技術である磁性流体シール回転軸受けの構成について示した概要図である。
【図８】 従来技術である磁性流体シール回転軸受けの構成について示した概要図である。
【符号の説明】
１ 回転軸
４ 継鉄
５ 磁性流体または磁気スラリー
６ 真空フランジ
７ 真空ガスケット
８ 玉軸受け
９ 環状突起
１１ 円筒状磁極片
１２ 動径方向着磁永久磁石
２０ 円筒状磁極片
２１ 回転軸
２２ 動径方向着磁永久磁石
２３ 非磁性体スペーサ
２４ 継鉄
２５ 磁性流体または磁気スラリー
２９ 環状突起
３０ 円筒状磁極片
３１ 回転軸
３２ 動径方向着磁永久磁石
３３ 非磁性体スペーサ
３４ 継鉄
３５ 磁性流体または磁気スラリー
３９ 環状溝
４１ 回転軸
４２ 円盤状磁極片
４３ 軸方向着磁永久磁石
４４ 継鉄
４５ 磁性流体または磁気スラリー
５１ 回転軸
５３ 軸方向着磁永久磁石
５４ 継鉄
５５ 磁性流体または磁気スラリー
５６ 真空フランジ
５７ 真空ガスケット
５８ 玉軸受け
５９ 環状突起
６１ 回転軸
６３ 軸方向着磁永久磁石
６４ 継鉄
６５ 磁性流体または磁気スラリー
６９ 環状突起
７１ 回転軸
７３ 軸方向着磁永久磁石
７４ 継鉄
７５ 磁性流体または磁気スラリー
７６ 真空フランジ
７７ 真空ガスケット
７８ 玉軸受け
８０ 軸受け突起
８１ 回転軸
８３ 軸方向着磁永久磁石
８４ 継鉄
８５ 磁性流体または磁気スラリー
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、磁性流体シール回転軸受けに関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、高速の回転軸を効率よく密封し、かつ、回転軸の回転抵抗が小さく、また、部品点数が少なく，小形軽量であり、さらには、より低いコストでの製造が可能な磁性流体シール回転軸受けに関するものである．
【０００２】
【従来の技術と発明の課題】
磁性流体シール回転軸受けは、Ｘ線発生装置の心臓部である回転対陰極の回転軸、真空攪拌機のプロペラ回転軸、真空ロボットの回転軸、宇宙船の船外マニュピレータの関節軸、および、エネルギー貯蔵用のフライホイール回転軸などに用いられる他、半導体製造分野において、単結晶引き上げ装置の結晶回転軸並びにるつぼ回転軸、真空蒸着装置やスバッタ装置などの基板回転軸、また、気相反応装置やプラズマ化学蒸着装置の基板回転軸などに用いられている。また、最近では、電子線露光装置の回転ステージ回転軸、並びに、Ｘ−Ｙステージの駆動用ステップモーター回転軸など真空中で作動する空気軸受けを密閉する際に多用されるようになってきている。これらは、コンピュータのリジッド磁気ディスクの防塵回転軸やレーザープリンタのポリゴンミラーの防塵回転軸などに代表される、一般に防塵シールと呼ばれる型式の軸受けも、もともとは磁性流体シール回転軸受けを原型とする軸受けのひとつである．
図４は、１９６８年に初めて考案された磁性流体シール回転軸受け（Ｒ． Ｅ． Ｒｏｓｅｎｓｗｅｉｇ， Ｇ． Ｍｉｓｋｏｌｃｚｙ， Ｆ． Ｄ． Ｅｚｅｋｉｅｌ ： Ｍｅｃｈ．Ｄｅｓ．，４０， １４５， （１９６８））の断面図である。磁性体のスチール製回転軸（４１）の回りにわずかの空隙を空けて円盤状の磁極片（４２）、軸方向に着磁した円筒状の永久磁石（４３）、および、円盤状の綻鉄（４４）を、順次積み重ねてなる円筒状構造体を設け、スチール製回転軸（４１）を通じて全体として閉じた磁気回路を構成する。永久磁石（４３）の起磁力は磁極片（４２）とスチール製回転軸（４１）の空隙に集中する。その空隙に磁性流体（４５）を充填すると、磁性流体（４５）に対して空隙の磁界が作用し、軸受けの左右の圧力差に耐えるリングを形成する。その結果、スチール製回転軸（４１）が回転する際、固体どうしの接触がないために、摩擦がなく、かつ気密性が保持される。以上が、磁性流体シール回転軸受けの基本的な原理である。現実には一段の磁気回路では耐圧性能が十分でないので、多段の磁気回路を組み込んで用いられている。この種の多段型式はカスケード型と呼ばれている。
【０００３】
多段の磁気回路、すなわちカスケードを構成するのに、従来、回転軸突起型磁性流体シール回転軸受けと軸受け突起型磁性流体シール回転軸受けの２つの方式が知られている。
【０００４】
図５は、回転軸突起型磁性流体シール回転軸受けの断面図を示したものである。真空フランジ（５６）は真空ガスケット（５７）により気密に真空容器に固定され、該軸受けの左側の真空側と右側の大気側とが隔てられている。そこにスチール製回転軸（５１）が貫通し、その回転は２個の玉軸受け（５８）により機械的に支えられている。真空の気密を保持する磁性流体シール部分は２個の玉軸受け（５８）の間に設けられており、その部分のみを拡大して図示したのが図６である。円筒の形状をもつ軸方向着磁永久磁石（６３）の左右に円筒状の継鉄（６４）を接続し、スチール製回転軸（６１）に対してわずかの空隙を設けてそれを取り囲んでいる。回転軸突起型磁性流体シール軸受けの特徴はスチール製回転軸（６１）がその外周面に矩形断面をもつ円環状突起（６９）を有していることである。軸方向着磁永久磁石（６３）の起磁力は継鉄（６４）の内周面と回転軸突起（６９）のすき間に集中し、磁性流体（６５）はその個所に磁気的に保持されて、左右の大気圧に耐える構造になっている。通常は、左右併せて１０〜２０段程度の突起が設けられており、各段がそれぞれ段階的に圧力差を分担し、合計として大気圧に耐える構造になっている。
【０００５】
他方の従来型式の軸受け突起型磁性流体シール軸受けを図７に示す。スチール製回転紬（７８）、真空フランジ（７６）、真空ガスケット（７７）、２個の玉軸受け（７８）の構成は先の回転軸突起型磁性流体シール軸受けと同様であり、玉軸受け（７８）の間に設けられた磁気回路部分のみが異なる。その磁気回路部分の拡大図を、図８に示す。軸受け突起型磁性流体シール軸受けにおいては、磁気回路を多段にするために、多数個の円盤状の軸方向に着磁した永久磁石（８３）と円盤状の継鉄（８４）を交互に積み重ね、また、各々の継鉄（８４）の内側端面においては、その断面が三角形になるように鋭く尖らせてある。各々の円盤状永久磁石（８３）はそれぞれ同極が対向するように積み重ねられており、一方、スチール製回転軸（８１）は外周面に構造をもたない単純な棒状である。このような構成により、スチール製回転軸を介して多数の磁気回路が形成され、かつ、各々の軸受け突起（８０）とスチール製回転軸（８１）のすき間に強い磁界が集中するようになり、磁性流体（８５）はその部分に磁気的に保持され、その結果として、回転軸（８１）は密封される。この方式においても、通常は、左右併せて１０〜２０段程度の突起が設けており、各段がそれぞれ段階的に圧力差を分担し、合計として大気圧に耐える構造になっている。
【０００６】
以上の従来技術である磁性流体シール回転軸受けにおいては、磁気回路部分が、何れも複雑な構造をもっていた。そのため形状および重量が大きいという欠点があり、同時に製造費用も高価であった。特に、後者の軸受け突起型磁性流体シール回転軸受けにおいては、多数個の円盤状永久磁石（８３）と多数個の円盤状の継鉄（８４）とをつなぎ合わせて磁気回路を構成するために、部品数が多くなり、その結果、構造は極めて複雑となっていた。高精度で軸受けの内面を突起状に整形加工する必要があることから、製造工程は非能率的であり、また、小口径の軸受けに関しては製造が困難であるという問題を有していた。
【０００７】
また、回転軸突起型磁性流体シール回転軸受けの磁気回路においては、図６から理解されるとおり、起磁力として働く軸方向着磁永久磁石（６３）から、磁気的負荷として作用する空隙までの磁気経路が継鉄（６４）を介して遠く離れているために、磁気回路のレラクタンスが大きくなり、磁気的損失が大きい。すなわちこの回転軸突起型磁性流体シール回転軸受けは、磁性流体が保持される空隙の部分に強い磁界を、合理的に永久磁石で発生させることができない。それに対して、軸受け突起型磁性流体シール回転軸受けの磁気回路においては、図８に示したとおり、軸方向着磁永久磁石（８３）から、磁界が集中する空隙までが接近しているため、磁気回路のレラクタンスが小さく、磁気的損失が小さい。すなわち、永久磁石の起磁力が高い効率で空隙に集中する。すなわち、軸受け突起型磁性流体シール軸受けは、構造は複雑であるが、磁気回路に関して合理的な構造を持っていると言える。
【０００８】
以上、詳しく説明したとおり、従来の磁性流体シール軸受けは、形状および重量が大きくなってしまうことが共通の課題としてあげられ、また、磁気回路の構造および機能に関して何れの方式においても一長一短があり、バランスよく特性を発揮できていなかった。
【０００９】
そこで、この出願の発明は、以上の通りの事情に鑑みてなされたものであり、部品数が少なく、合理的な磁気回路を備えており、さらには、製造が容易な、新しい磁性流体シール回転軸受けを提供することを課題としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、第１に、強磁性体からなる回転軸と、強磁性体からなる円筒状磁極片とこの円筒状磁極片の外周に配置された回転軸の軸径方向に着磁した円筒状永久磁石とを一組としたものを複数連結することで形成され、複数の円筒状永久磁石が、それぞれの極性が交互となるように、回転軸の外周に一定の間隔で配置された円筒状磁石連結体と、この円筒状磁石連結体の外周に円筒状磁石連結体を固定するように配置された強磁性体からなる円筒状継鉄とを備え、回転軸は、円筒状磁石連結体の内周との間に空隙を設けて配置され、磁性流体をシールとして作用させるための円筒形磁気回路を全体として閉じた系として形成することを特徴としている。
【００１１】
この出願の発明は、第２に、上記の磁性流体シール回転軸受けにおいて、円筒状磁極片、円筒状永久磁石、および、継鉄の各接合面に、磁性流体、磁気スラリー、または、接着剤のいずれか１つを含浸展開させることを特徴としている。
【００１４】
【発明の実施の形態】
この出願の発明は、上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下に、その実施の形態について説明する。
【００１５】
この出願の発明である磁性流体シール回転軸受けの実施の形態を図１〜３を用いて、詳しく述べる。
【００１６】
図１は、この出願の発明である磁性流体シール回転軸受けの全体を示す断面図である。２個の玉軸受け（８）で機械的に支えられた強磁性体からなる回転軸（１）は、真空部分まで貫通しており、該軸受けが真空フランジ（６）と真空ガスケット（７）により真空容器壁に気密に接続される。この出願の発明において特徴的であるのは、磁気回路部分である。
【００１７】
図２は、この出願の発明である磁性流体シール回転軸受けにおける磁気回路部分の拡大断面図である。強磁性体からなる回転軸（２１）においては、その外周面に沿って単数あるいは複数の環状突起（２９）が設けられている。これらの環状突起の断面形状は、矩形、メサ型、三角形、または、台形などから、適宜選択される。環状突起の数が複数個である場合、１０個以上隣接して配置されることが好適である。
【００１８】
この出願の発明である磁性流体シール回転軸受けにおいて、磁気回路は、強磁性体から
なる回転軸（２１）の周囲に、強磁性体からなる円筒状磁極片（２０）、回転軸（２１）の軸径方向に着磁した永久磁石（２２）、および、強磁性体からなる継鉄（２４）を順次積み重ねることで形成される。回転軸（２１）の表面に設けられた環状突起（２９）と円筒状磁極片（２０）との間に空隙が設けられている。
【００１９】
円筒状磁極片（２０）、永久磁石（２２）、および、継鉄（２４）のそれぞれを接続する接続面には、磁気スラリー、あるいは、磁性流体を、磁気回路による磁気的吸引力の作用により、含浸展開させる。また、例えばエポキシ樹脂やポリイミド樹脂のような耐熱性気密充填性の樹脂を、それ自身の表面張力を用いて含浸展開させてもよい。これらは接続面を通って外界の気体が真空領域に漏れないように気密を高め、かつ、それぞれの部材における熱膨張率の違いを緩衝するための解決手段として作用するものである。
【００２０】
ここで、回転軸（２１）の軸径方向に着磁した永久磁石（２２）は、内周面がＳ極、外周面がＮ極またはその逆にそれぞれ均一に磁極が分布し、磁力線が放射状に分布した磁石のことである。この種の円筒状永久磁石は、ネオジム−鉄−ホウ素系磁石合金、またはサマリウム−コバルト系磁石合金の熱間押し出し加工により、最近、製造が可能となった。また、これらの磁石合金粉末を樹脂で固めたボンド磁石と呼ばれる種類の磁石においても、射出成型法により同様の特性をもつ磁石が、最近、製造可能となった。この出願の発明においては、以上の最近の永久磁石技術を、取り入れることにより、構成されたものである。
【００２１】
図２にあるように、永久磁石はそれぞれ逆向きに着磁したもの２個を円筒状の非磁性体（２３）を間にはさんで一組とし、それらを継鉄（２４）で連結して用いることが磁気回路として合理的である。回転軸を密封するための磁性流体は磁極片（２０）と回転軸突起（２９）との間に設けられた空隙を満たすように注入する。このようにすると、磁束は、一方の永久磁石（２２） → 一方の磁極片（２０） → 一方の磁性流体（２５） → 回転軸（２１） → 他方の磁性流体（２５'） → 他方の磁極片（２０'） → 他方の永久磁石（２２'） → 継鉄（２４） → 一方の永久磁石（２２）の順番で、最短距離での閉じた系を構成する。磁気回路の部材の接触面に、含浸展開させた磁気スラリー、あるいは、磁性流体は、各部材を磁気的に連結し、磁気回路のレラクタンスをより小さくするのに有効である。このようにして形成される磁気回路は、極めてバランスがよく、またレラクタンスが小さく、さらには、起磁力の損失が小さいため、小型の永久磁石を用いた場合であっても、強い磁界を磁性流体に作用させることができる。同時に、熱減磁や衝撃減磁も小さくなり、加熱および衝撃に対しても、高い安定性を示す。その結果、磁性流体シール軸受けは従来型のものより小形軽量、安価となり、特性も安定する。
【００２２】
なお、図３に示したように、回転軸（３１）において、その外周面に断面が矩形となる部分を残し、単数あるいは複数の環状溝（３９）を彫り込んでも、以上で説明した磁気回路の作用効果と同一の作用効果が得られる。外周面に彫り込まれる溝は断面が、メサ型、三角形、または、台形となる部分を残すように彫り込まれたものであってもよい。
【００２３】
環状突起を用いるか、または、環状溝を用いるかに関しては、それぞれこの出願の発明の磁性流体シール回軽軸受けを機器に組み込む際の適合性や容易性を考慮して適宜好適な方が選択されるものである。
【００２４】
この出願の発明は、以上の特徴を持つものであるが、以下に実施例を示し、さらに具体的に説明する。
【００２５】
【実施例】
実施例１
以上の実施の形態で説明したこの出願の発明である磁性流体シール回転軸受けに関して、図１および図２を用いて、具体的な実施例を示す。強磁性体からなる回転軸（１）は、ステンレススチールＳＵＳ４３０製の外形１０ｍｍの棒状であり、その外周面に高さ０．５ｍｍ、幅０．４ｍｍの断面が矩形の形状をもつ環状突起（９）が、１ｍｍ間隔で１０段設けられている。軟銅製の内径１１．２ｍｍ、外径１３．８ｍｍ未満の円筒状磁極片（１１）と、これに外接するように内径１３．８ｍｍ、外径１７．８ｍｍの永久磁石（１２）を配置し、軸受け側の磁気回路の左側を構成した。永久磁石（１２）は、ネオジム−鉄−ホウ素合金からなる熱間押出し異方性磁石を回転軸（１）の軸径方向に着磁したものである。さらに、反対向きに着磁した永久磁石を用いて、同様な部材を作製し、磁気回路の右側を構成し、左右の磁気回路の間にＡ５０８３耐食アルミニウム合金円筒を介挿させることにより、両者を５ｍｍ隔てて、強磁性体であるステンレススチールＳＵＳ６３０製の内径１７．８ｍｍ、外径２２ｍｍの円筒状継鉄（４）に挿入した。この磁気回路を、図１に示した真空フランジ（６）付きの軸受けハウジングに真空ガスケットを用い気密性を保って組み込み、さらに、回転軸（１）を環状突起（９）と円筒状磁極片（１１）が対向するように、また両者の間に０．１ｍｍの空隙を設けて、玉軸受け（８）を用いて機械的に固定することで、回転の自由を残した。なお、組立の過程でフッ素油ベース超高真空用磁性流体（５）を空隙に注入し、磁性流体シールとした。また、同質のフッ素油べース超高真空用磁気スラリーを円筒状磁極片（１１）と永久磁石（１２）の界面、および、永久磁石（１２）と継鉄（４）の界面に含浸させ、両界面の気密を形成した。
【００２６】
以上の磁性流体シール回転軸受けを、磁性流体シール回転軸真空試験装置を用い、１気圧の圧力差のもとで試験した結果、毎分２０，０００回転以上の回転数で、１０-6Ｐａの真空度を維持した結果、真空漏れは検出されなかった。さらに、３０００時間以上の連続運転の後でも、また１５０℃の１０回の加熱サイクルを経た後でも気密性の破壊は発生しなかった。
実施例２
次いで、図３に示した環状溝付き回転軸を備える構成に対して、実施例１と同様にして試験を行った。図３に示すとおり、外周面に断面が高さ０．５ｍｍ、幅０．４ｍｍの矩形の突起を１ｍｍ間隔に１０個残すように、外周面を削り込んだ外径１１．０ｍｍの回転軸（３１）を形成し、それ以外の構成は、実施例１と同様の構成とした。回転軸の製作は、実施例１のものよりやや容易であった。試験結果は実施例１とほとんど等価であり、特筆する差異は認められず、この出願の発明である磁性流体シール回転軸受けの高いシーリング特性が示された。
【００２７】
【発明の効果】
この出願の発明によって、以上詳しく説明したとおり、部品数が少なく、合理的な磁気回路を備えており、さらには、製造が容易な、新しい磁性流体シール回転軸受けが提供される。
【００２８】
この出願の発明の磁性流体シール回転軸受けは、合理的な磁気回路を形成し、小さい永久磁石を用いても、強い磁界を磁性流体部分に作用させることができ、さらには、全体構成が小型軽量なものとなる。また、この出願の発明の磁性流体シール回転軸受けを構成する部品数は少ないため、製造および保守が容易である。この出願の発明の磁性流体シール回転軸受けに用いられる希土類磁石は少量ですむため、原材料費も安くなり、製造工程が簡潔なことと合わせて、全製造コストが低減されるものと考えられる。さらには、この出願の発明の磁性流体シール回転軸受けにおいては、不具合が発生する頻度も少なく、不具合の修復も容易であるため、維持運転経費が節減されることも期待される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この出願の発明の磁性流体シール回転軸受けの構成について示した概要図である。
【図２】 この出願の発明の磁性流体シール回転軸受けの構成について示した概要図である。
【図３】 この出願の発明の磁性流体シール回転軸受けの構成について示した概要図である。
【図４】 従来技術である磁性流体シール回転軸受けの原理について示した概要図である。
【図５】 従来技術である磁性流体シール回転軸受けの構成について示した概要図である。
【図６】 従来技術である磁性流体シール回転軸受けの構成について示した概要図である。
【図７】 従来技術である磁性流体シール回転軸受けの構成について示した概要図である。
【図８】 従来技術である磁性流体シール回転軸受けの構成について示した概要図である。
【符号の説明】
１ 回転軸
４ 継鉄
５ 磁性流体または磁気スラリー
６ 真空フランジ
７ 真空ガスケット
８ 玉軸受け
９ 環状突起
１１ 円筒状磁極片
１２ 動径方向着磁永久磁石
２０ 円筒状磁極片
２１ 回転軸
２２ 動径方向着磁永久磁石
２３ 非磁性体スペーサ
２４ 継鉄
２５ 磁性流体または磁気スラリー
２９ 環状突起
３０ 円筒状磁極片
３１ 回転軸
３２ 動径方向着磁永久磁石
３３ 非磁性体スペーサ
３４ 継鉄
３５ 磁性流体または磁気スラリー
３９ 環状溝
４１ 回転軸
４２ 円盤状磁極片
４３ 軸方向着磁永久磁石
４４ 継鉄
４５ 磁性流体または磁気スラリー
５１ 回転軸
５３ 軸方向着磁永久磁石
５４ 継鉄
５５ 磁性流体または磁気スラリー
５６ 真空フランジ
５７ 真空ガスケット
５８ 玉軸受け
５９ 環状突起
６１ 回転軸
６３ 軸方向着磁永久磁石
６４ 継鉄
６５ 磁性流体または磁気スラリー
６９ 環状突起
７１ 回転軸
７３ 軸方向着磁永久磁石
７４ 継鉄
７５ 磁性流体または磁気スラリー
７６ 真空フランジ
７７ 真空ガスケット
７８ 玉軸受け
８０ 軸受け突起
８１ 回転軸
８３ 軸方向着磁永久磁石
８４ 継鉄
８５ 磁性流体または磁気スラリー
Claims (2)
- 強磁性体からなる回転軸と、
強磁性体からなる円筒状磁極片とこの円筒状磁極片の外周に配置された回転軸の軸径方向に着磁した円筒状永久磁石とを一組としたものを複数連結することで形成され、複数の円筒状永久磁石が、それぞれの極性が交互となるように、回転軸の外周に一定の間隔で配置された円筒状磁石連結体と、
この円筒状磁石連結体の外周に円筒状磁石連結体を固定するように配置された強磁性体からなる円筒状継鉄と
を備え、
回転軸は、円筒状磁石連結体の内周との間に空隙を設けて配置され、
磁性流体をシールとして作用させるための円筒形磁気回路を全体として閉じた系として形成することを特徴とする磁性流体シール回転軸受け。 - 円筒状磁極片、円筒状永久磁石、および、継鉄の各接合面に、磁性流体、磁気スラリー、または、接着剤のいずれか１つを含浸展開させることを特徴とする請求項１記載の磁性流体シール回転軸受け。
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