JP3847796B2 - バックアップ軸受装置を備えた真空ポンプ - Google Patents

Description

発明の背景
本発明は、バックアップ軸受装置を備えた真空ポンプに関し、特に、熱補償装置および軸方向位置センサを有する装置を備えたこの様なポンプに関する。
通常、一体的なロータディスクを備えたロータアッセンブリと一体的なステータリングを備えたポンプ本体とを有するターボ分子ポンプ(turbomolecular pump)などの真空ポンプが、参照によりここに組み込まれる米国特許５，２３８，３６２に記載されている。この様なターボ分子ポンプのロータは、磁気軸受に支持されている場合、例えば、主要磁気軸受浮揚システムが停電のために動作不能となった時や、磁気軸受の過負荷または制御電子システムの誤作動が起こった時に、ポンプにダメージを与えることなく安全にロータを減速回転するバックアップ軸受が設けられていることが好ましい。さらに、Ｖａｒｉａｎ Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓ，Ｉｎｃ出願の米国特許出願Ｎｏ．０８／８５８，２３０に開示されているように、小型設計を可能とし、保守を簡単にするために、この様なバックアップ軸受装置をロータアッセンブリの駆動シャフトの内部に設けることが好ましい。
さらに、真空ポンプにより発生した熱が、ロータアッセンブリの駆動シャフトに伝達され、熱膨張を起こす可能性がある。駆動シャフトはこの様な膨張は、バックアップ軸受の表面と駆動シャフトの内面との間の遊隙を変化させ、バックアップ軸受と駆動シャフトの係合に影響を与える可能性がある。バックアップ軸受装置は、最適性能を確保するために、起こり得る遊隙変化を補償可能であるべきであり、この様な変化を監視する手段を設けるべきである。
本発明の要旨
したがって、本発明の目的は、主軸受システムの故障によるロータおよびステータのダメージを防止可能な改良型バックアップ軸受装置を備えた真空ポンプを提供することである。本発明のバックアップ軸受装置は、バックアップ軸受を着脱可能に設けた中心クイルシャフトとロータアッセンブリの駆動シャフトの内面との間の遊隙の変化を補償することによって、バックアップ軸受の係合のための設計パラメータを維持することが可能である。駆動シャフトの管状中空空洞部内にバックアップ軸受を配置することによって、磁気ベアリングや駆動モータ、あるいは、その他のポンプ構成部材を分解する必要なしに、バックアップ軸受の取り外しや交換が簡単に行える。
上記およびその他の目的を達成可能な、本発明を具現化するバックアップ軸受装置は、ロータアッセンブリの駆動シャフトの管状中空空洞部内に同軸に設けられた中心クイルシャフトの外面に設けられた軸方向スペーサによって離隔された１対のバックアップ軸受と、中空空洞部の開放端に位置して、駆動シャフトの軸方向動作遊隙を規制するための熱補償装置として機能するポリマーリングと、この様な軸方向の遊隙を監視するために中心クイルシャフトの前端部に取り付けられた位置センサとを含むことを特徴とする。本発明の好適な実施形態によれば、位置センサは、駆動シャフト内の空洞部の盲端に取り付けられた反射ターゲット面に対向する前端部において、中心クイルシャフトとの軸方向の遊隙を検出するための発光素子と受光素子とを含むことを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
本明細書に組み込まれ、その一部を構成する添付図面は、本発明を具現化するバックアップ軸受装置の概略側断面図であり、記述と共に本発明の原理の説明に用いられる。
発明の詳細な説明
１９９３年８月２４日にＣａｓａｒｏらに付与された上記の米国特許５，２３８，３６２は、参照によりここに組み込まれており、本発明のバックアップ軸受装置を組み込み可能な、一定数のポンピングステージを含む高真空ポンプが記載されている。各ステージは、当業で周知のように、ロータとステータからなる。バックアップ軸受装置は、主軸受システムが動作不能となった場合に、ダメージを与えることなくロータを減速回転するための安全装置として備えられる。
図示のように、ロータ駆動シャフト１０は、開放端をポンプロータ１４の反対側に有する、盲端空洞部１３を形成する中空管状後端部と、駆動シャフト１０の中空内部に同軸に設けられた中心クイルシャフト１２とを有する。中心クイルシャフト１２は、バックアップ軸受１５と直線的に嵌合(line-to-line fitted)し、端部ディスク３１に取り付けられ、共にバックアップ軸受「カートリッジ」を構成する。一般的に、ボール軸受は、寿命が限られているので、保守時に時折交換しなければならない。本発明は、バックアップ軸受にアクセスするためにロータ１４、磁気軸受１６（外側磁気軸受１６ａおよび内側磁気軸受１６ｂ）および／または真空ポンプ用駆動モータ１９を分解する必要がないため、この様な保守の利便性を大幅に向上させる。バックアップ軸受カートリッジは簡単に取り外しでき、バックアップ軸受を交換できる。
好適な実施形態においては、２対のバックアップ軸受１５（外側バックアップ軸受対１５ａおよび内側バックアップ軸受対１５ｂ）が、クイルシャフト１２回りに取り付けられている。外側バックアップ軸受１５ａと内側バックアップ軸受１５ｂは、アンギュラコンタクトボール軸受の二重連続対である。図示のように、内側バックアップ軸受１５ｂの外側リングは、外側バックアップ軸受１５ａの外側リングよりも直径が小さい。アンギュラコンタクトボール軸受は、軸方向および／または半径方向の圧力が外側リングに掛かった場合に回転する。ロータ駆動シャフトのサイズに基づいて、異なるタイプの軸受を使用したり、バックアップ軸受の数を変更することも可能である。
管状スペーサスリーブ１７が、外側および内側バックアップ軸受１５ａ、１５ｂの間に介在して両者間に一定の軸方向の距離を維持し、ナット１８がねじ込まれた時に支持部に予め適切な負荷を与える役割を果たす。クイルシャフト１２回りのロック可能螺刻ナット１８は、外側バックアップ軸受１５ａおよびスペーサスリーブ１７、内側バックアップ軸受１５ｂを固定し、軸方向に締着するために設けられている。ロック可能ナット１８の螺刻方向は、回転減速トルクによるロック可能ナット１８の脱離を防止できるように定められる。
二重バックアップ軸受１５の外側リングは、所定の設計遊隙をあけて駆動シャフト１０の管状空洞部１３に内嵌可能なような外径を有する。空洞部１３の孔は、正常な状態において駆動シャフト１０がバックアップ軸受１５に接触せずに回転可能なような半径方向の遊隙を提供するに充分な大きさである。駆動シャフト１０の管状空洞部の内面は、主磁気浮揚軸受システムが予期せず故障したり停止した場合に、バックアップ軸受１５の外側リングと摩擦係合する。
磁気浮揚がなくなった場合にロータアッセンブリは軸方向に移動するので、バックアップ軸受は、軸方向バックアップ位置制御手段としての役割も果たす。好適な実施形態においては、駆動シャフト１０内の管状空洞部の孔は、ステップを形成する少なくとも１つの肩部を有する。図示のように、管状空洞部１３の孔は、一様ではなく、ロータアッセンブリの軸方向の移動を一軸方向に制御するために、ステップ１１が設けられている。ステップ１１を形成するための孔は、内側バックアップ軸受１５ｂの外側リングの外径よりも小さくなるように寸法決めされており、これによって、ロータアッセンブリの軸方向の移動が規制される。ステップ１１は、主要磁気浮揚軸受システムが予期せず故障したり停止した場合に、内側バックアップ軸受１５ｂの外側リングと摩擦係合する。
図示のように、ステップ１１の反対側へのロータアッセンブリの軸方向移動を制御する目的のために、フランジ形態の金属リング２０が、ポリマースリーブ２１に取り付けられており、駆動シャフト１０内の空洞部１３の開放端に固定されている。好適な実施形態においては、ポリマースリーブ２１は、空洞部１３の開放端に内嵌するように設計された金属キャップ２２を有し、金属キャップ２２の内径は、外側バックアップ軸受１５ａの外側リングの外径よりも小さくなるように寸法決めされており、これによって、ロータアッセンブリの軸方向の移動を規制する。フランジ２０は、一連のネジ３４によって駆動シャフト１０に固定されている。換言すれば、ステップ１１と金属キャップ２２とは、共に、浮揚がなくなった場合に、軸に沿う両方向バックアップ接触面を提供し、ロータアッセンブリの軸方向の移動を規制するための軸方向制御手段としての役割を果たす。金属キャップ２２の前端部は、所定位置にある時、主磁気浮揚軸受システムが予期せず故障したり停止した場合に、外側バックアップ軸受１５ａの外側リングと摩擦係合する。
本発明のバックアップ軸受装置は、最適性能を維持するために、起こり得る軸方向の遊隙変化を補償することができる。真空ポンプにおいては、気体摩擦や泡電流(eddy currents)、ヒステリシス損失、その他の影響によって、ロータアッセンブリの駆動シャフトが加熱され、駆動シャフトの熱膨張を起こす可能性がある。駆動シャフトのこの様な熱膨張によって、バックアップ軸受の外側リングと駆動シャフト上の対応する接触表面との間の遊隙が変化し、バックアップ軸受の係合パラメータに影響を及ぼす可能性がある。軸方向の遊隙変化を防止するために、ポリマースリーブ２１は、ロータシャフト１０よりも熱膨張係数が高い素材（ポリマーｖｓ鉄鋼シャフトの場合のように）で形成されていることが好ましい。駆動シャフト１０が加熱されて膨張すると、ポリマースリーブ２１は、外側バックアップ軸受１５ａに対する軸方向の遊隙を維持できるように、内側に膨張する。この様に、ポリマースリーブ２１の膨張によって、駆動シャフト１０の如何なる膨張も補償される。
本発明の別の好適な実施形態において、軸方向位置センサ２５が、クイルシャフト１２内の前方端側に嵌め込まれている。位置センサ２５は、空洞部１３の盲端に位置するターゲット平面２８に反射される光を射出する赤外線光学検出器であることが好ましい。光学検出器は、樹脂カプセルに収納された小型の発光ダイオード（図示せず）とフォトトランジスタ検出器（図示せず）とを含む。軸方向位置センサ２５から引き出された電流は、ターゲット２８からの反射光に応じて変化し、内側バックアップ軸受１５ｂとステップ１１との間の軸方向遊隙およびクイルシャフト１２に対する駆動シャフト１０の軸方向位置と直接的な相関関係にある。磁気軸受浮揚システム用の制御装置（図示せず）は、軸方向位置センサ２５からの電流を監視し、軸方向センサ２５とターゲット面２８との間に一定の間隔を維持することによってバックアップ軸受の遊隙を制御する。
上記のような、軸方向位置センサ２５の配置には、幾つかの利点がある。所望の軸方向制御位置の近くにこれを配置することによって、ステップ１１とターゲット平面２８との間の部分の熱膨張により起こり得る駆動シャフト１０の位置計測エラーを最小限に抑える。また、位置センサ２５を環状中空空洞部１３内のクイルシャフト１２内に配置することによって、攻撃的な圧送ガスによる汚染からセンサを保護する。唯一の考え得る汚染源は、バックアップ軸受１５からの摩耗細塵であり、この様な細塵が位置センサ２５に到達するのを防止するために、遮蔽材（図示せず）を用いてもよい。さらに、軸方向位置センサ２５をクイルシャフト１２内に配置することは、磁気軸受システムに必要なポンプハウジング３５を小型化し、センサを機械的ダメージから保護するのに役立つ。
図面と共に上記で説明した例によって、本発明の範囲を限定する意図はない。本発明の範囲内において、多数の改良、変更が可能である。例えば、半径方向の遊隙変化を検出するための半径方向センサ３０を設けてもよい。図面には、ロータシャフト１０の外側に半径方向センサ３０を示しているが、ポンプの小型化と計測プローブの保護のために、中心シャフト１２の内部に設けてもよい。半径方向センサは、半径方向アクチュエータ（図面において番号１６により示す。）の配置箇所と全く同じ軸方向位置に配置してもよく、これにより、変位検出精度と制御ロジックの単純化という利点を提供する。上記では光学センサを参照しているが、異なる種類のセンサを用いてもよい。要するに、当業者にとって明らかなこの様な修正、変更は、すべて本発明の範囲に含まれる。

Claims (11)

1. ロータ駆動シャフトおよび主軸受システムを有する、バックアップ軸受装置を備えた真空ポンプであって、前記バックアップ軸受装置は、
   基端部および遠端部を有する軸方向に長尺の中心シャフトと、
   前記中心シャフトに嵌め込まれて取り付けられた環状軸受と、
   前記中心シャフトに対する前記駆動シャフトの位置を検出するために前記中心シャフトの遠端部付近に配置されたセンサとを含み、
   前記駆動シャフトは、開放端と側壁と盲端とを有する管状中空空洞部を有して、
   前記中心シャフトおよび前記環状軸受は、前記中空空洞部内に設けられ、前記駆動シャフトと同軸に配置されており、さらに、
   前記中空空洞部の開放端に固定された金属リングと、
   前記駆動シャフトの軸に沿う前記軸受の移動を規制するための、前記金属リングに取り付けられた規制ユニットとを含み、
   前記規制ユニットが、前記駆動シャフトと前記中心シャフトとの間で前記中空空洞部の側壁に沿って内部に延びるキャップを有するスリーブ部を更に含み、
   前記スリーブ部が、前記駆動シャフトの熱膨張係数より大きな熱膨張係数を有する材料を含み、
   前記主軸受システムが動作不能となった場合に、前記駆動シャフトの側壁が、前記環状軸受に摩擦係合する、真空ポンプ。
2. 前記スリーブ部がポリマー素材で形成されたポリマースリーブを有し、前記キャップが金属で形成されている請求項１のバックアップ軸受装置を備えた真空ターボポンプ。
3. 前記センサが、前記中心シャフトに対する前記駆動シャフトの軸方向位置を検出するためのものである請求項２のバックアップ軸受装置を備えた真空ターボポンプ。
4. 前記中心シャフトが管状であり、前記センサが前記中心シャフトの中空部内の遠端部側に保持されている請求項３のバックアップ軸受装置を備えた真空ターボポンプ。
5. 前記ロータ駆動シャフトが、前記中空空洞部の盲端部に位置する光反射内面を有し、前記センサが、間隔をあけて前記光反射内面と面対向関係にある請求項４のバックアップ軸受装置を備えた真空ターボポンプ。
6. 前記センサが、発光装置および受光装置を含む請求項５のバックアップ軸受装置を備えた真空ターボポンプ。
7. 第１および第２の環状軸受の間に位置する前記中心シャフト回りの管状スリーブを更に含み、前記第１の環状軸受は前記中心シャフトの遠端部付近に位置し、前記第２の環状軸受は前記中心シャフトの基端部付近に位置する請求項２ないし６のいずれかのバックアップ軸受装置を備えた真空ターボポンプ。
8. 前記ポリマースリーブは、前記駆動シャフトよりも高い熱膨張係数を有し、前記スリーブ部は、前記主軸受システムが動作不能となった場合に、前記第２の環状軸受と摩擦係合して前記駆動シャフトの軸方向の移動を規制する役割を果たす前方キャップを有する請求項７のバックアップ軸受装置を備えた真空ターボポンプ。
9. 前記中空空洞部の直径を小径化して、前記駆動シャフトの側壁に形成されたステップ部を更に含み、前記駆動シャフトの側壁の前記ステップ部は、前記主軸受システムが動作不能となった場合に、前記第１の環状軸受と摩擦係合して前記駆動シャフトの軸方向の移動を規制する役割を果たす請求項７または８のバックアップ軸受装置を備えた真空ターボポンプ。
10. 前記主軸受システムが磁気軸受浮揚システムである請求項１ないし９のいずれかのバックアップ軸受装置を備えた真空ターボポンプ。
11. 前記中心シャフトが前記中空空洞部内に着脱可能に設けられ、前記環状軸受が前記中心シャフトに着脱可能に取り付けられている請求項１ないし１０のいずれかのバックアップ軸受装置を備えた真空ターボポンプ。

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