JP4613876B2

JP4613876B2 - 玉軸受

Info

Publication number: JP4613876B2
Application number: JP2006137597A
Authority: JP
Inventors: 浩関本; 正章大槻; 顕小山
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2006-05-17
Filing date: 2006-05-17
Publication date: 2011-01-19
Anticipated expiration: 2026-05-17
Also published as: JP2007309380A

Description

本発明は、玉軸受に関し、特に、ターボ分子ポンプにおけるタッチダウン軸受として使用されれば好適な玉軸受に関する。

従来、ターボ分子ポンプにおいては、通常運転時において、磁気軸受を用いて回転軸をハウジングに対して磁気的に非接触支持する一方、ターボ分子ポンプにより減圧される真空機器の操作ミス（人為的ミス）時、例えば真空機器の弁の開閉ミスにより真空環境が破壊される場合や、停電時等の緊急時において、タッチダウン軸受としての玉軸受を回転軸に接触させて、回転軸をハウジングに対して機械的に支持しているものがある。

この形式のターボ分子ポンプでは、回転軸をハウジングに対して高速回転させるために、回転軸およびハウジングのうちの一方に、強力な２極永久磁石（モータのロータとしての役割を果たす）を固定するようになっているものがある。ここで、この形式のターボ分子ポンプでは、上記２極永久磁石によって生成された磁場によって、上記２極永久磁石を組み込まれなかった回転軸およびハウジングのうちの他方の内部に電磁誘導の法則に基づく渦電流が生じて、上記２極永久磁石を組み込まれなかった回転軸およびハウジングのうちの他方が発熱する。

ここで、ハウジングに２極永久磁石を固定して回転軸が発熱するようにした場合、熱がポンプ外部に放熱されにくくて熱がポンプ内部にこもってふさわしくないことが知られている。このため、ターボ分子ポンプにおいては、一般的には、回転軸に２極永久磁石を固定して、２極永久磁石の設置に起因して発生する熱をポンプ外に効率よく放出するようにしている。

このようなターボ分子ポンプを製造する際、一般的には、玉軸受をハウジングに組み付けた後に回転軸に固定された２極永久磁石を内輪の内周面の内側を通過させる手法が採用されている。このようにして、玉軸受と回転軸との組み付けを容易にしている。

上記のような背景において、衝撃に対して強くするために、玉軸受の軌道輪の材料を、硬化処理が施された軸受鋼やステンレス鋼等の硬度が高い金属材料にすると、回転軸に固定された２極永久磁石が内輪の内周面の内側を通過する際に、内輪が磁化されて磁石化して、この磁石化した内輪によって生成される磁場によって回転軸に渦電流等が流れて回転軸が発熱するという問題がある。すなわち、通常運転時において、回転軸がハウジングに対して相対回転すると共に、タッチダウン軸受としての玉軸受は、外輪がハウジングに固定され、内輪は回転軸に接触せず、また、外輪に対して相対回転していない状態であるとき、内輪の磁化に起因して回転軸が発熱するという問題がある。

一方、上記内輪が磁化することに起因する回転軸の発熱の問題を回避するため、内輪の材料を磁化される性質が弱い金属材料にすると、内輪の硬度が低くなって、衝撃に対して弱くなるか、または、内輪の価格が非常に高くなるという問題がある。
特開平１１−１９０３４８号公報

そこで、本発明の課題は、ターボ分子ポンプの回転軸を機械的に支持するタッチダウン軸受として使用されても回転軸を昇温しにくくて、衝撃に対して強く、かつ、価格もそれほど高くない玉軸受を提供することにある。

上記課題を解決するため、この発明の玉軸受は、
タッチダウン軸受であって、
軌道溝を有すると共に、強磁性体材料からなり、かつ、内周面の内側を回転軸に固定された２極永久磁石が通過させられる内輪と、
軌道溝を有すると共に、強磁性体材料からなり、かつ、ハウジングに固定される外輪と、
上記内輪の上記軌道溝と、上記外輪の上記軌道溝との間に配置された玉と
を備え、
上記内輪の上記軌道溝の上記内輪の軸方向の一方の側の肩部と、上記外輪の上記軌道溝の上記軸方向の上記一方の側の肩部との距離は、上記玉の直径の１／４以下であることを特徴としている。

ここで、上記強磁性体材料には、例えば、軸受鋼や、ステンレス鋼や、工具鋼等が含まれる。上記強磁性体材料とは、磁界内に置くと、磁界と同じ方向に磁化され、磁界を除いても磁気を残す性質を有する材料のことをいう。

この発明の玉軸受によれば、内外輪が強磁性体材料からなり、かつ、内外輪の一方の上記肩部間の距離が、玉の直径の１／４以下であって、内外輪の一方の上記肩部間の距離が、従来の玉軸受よりも格段に小さいから、この発明の玉軸受をターボ分子ポンプのタッチダウン軸受として使用し、この発明の玉軸受と、２極永久磁石が固定された回転軸とを組み付けるとき、以下のような現象がおこる。

すなわち、先ず、玉軸受をハウジングに組み付けた後に、回転軸に固定された２極永久磁石が、内輪の内周面の内側を通過している最中に、内輪の第１個所と、内輪の第１個所と周方向の方向が同じ外輪の第２個所とが第１の磁極に磁化されると共に、内輪の第１個所と回転軸を介して正反対の内輪の第３個所と、外輪の第２個所と回転軸を介して正反対の外輪の第４個所とが第２の磁極に磁化される。

次に、回転軸に固定された２極永久磁石が、内輪の内周面の内側を通過した後、内外輪が強磁性体材料からなると共に、内外輪の一方の上記肩部間の距離が、従来の玉軸受よりも格段に小さいことに起因して、内輪と外輪の磁力の反撥を緩和するように、回動自在な内輪が略１８０°回転する。そして、第１個所と第４個所が周方向に対向すると共に、第２個所と第３個所が周方向に対向する。そして、第１個所と第４個所との間に、第１個所と第４個所との間を結ぶ高密度の磁力線が形成されると共に、第２個所と第３個所との間に、第２個所と第３個所との間を結ぶ高密度の磁力線が形成される一方、内輪の内周面の内部、すなわち、回転軸内を通過する磁力線が極端に少なくなる。

本発明によれば、玉軸受を２極永久磁石が固定された回転軸に組み付ける時、上記のような現象が起こって、回転軸内を通過する磁力線が極端に少なくなる。したがって、回転軸内を通過する磁力線に起因して回転軸内に発生する渦電流が極端に小さくなるから、回転軸の昇温を抑制できる。

また、本発明によれば、内外輪の材料が、強磁性体材料であるから、内外輪の材料として、例えば、軸受鋼や、ステンレス鋼や、工具鋼等の硬度が高い鋼材を使用できて、玉軸受の強度を高くできて、衝撃に対して強くすることができ、耐久性を大きくすることができる。また、内外輪の材料として、例えば、軸受鋼や、ステンレス鋼や、工具鋼等の価格がそれほど高くない材料を使用できるから、玉軸受の製造コストが極端に高くなることがない。

また、一実施形態の玉軸受は、上記玉が、非磁性体材料からなる。

上記実施形態によれば、上記玉が、非磁性体材料からなるので、上記玉内に磁力線が位置することがない。したがって、上記第１個所と上記第４個所とを確実に周方向に対向させることができると共に、第２個所と第３個所とを確実に周方向に対向させることができて、内輪の内周の内部に位置する磁力を小さくすることができる。

本発明の玉軸受によれば、玉軸受を２極永久磁石が固定された回転軸に組み付ける時、内輪の磁化に起因して回転軸を通過する磁力線を極端に少なくできる。したがって、回転軸を通過する磁力線に起因して回転軸内に発生する渦電流が極端に少なくなるから、回転軸の昇温を抑制できる。

また、本発明の玉軸受によれば、内外輪の材料が、強磁性体材料であるから、内外輪の材料として、例えば、軸受鋼や、ステンレス鋼や、工具鋼等の硬度が高い鋼材を使用できて、玉軸受の強度を高くでき、衝撃に対して強くすることができる。また、内外輪の材料として、例えば、軸受鋼や、ステンレス鋼や、工具鋼等の価格がそれほど高くない材料を使用できるから、玉軸受の製造コストが極端に高くなることがない。

以下、本発明を図示の形態により詳細に説明する。

図１は、この発明の玉軸受の一実施形態の深溝玉軸受１０を有するターボ分子ポンプの軸方向の断面図である。

このターボ分子ポンプは、ターボ分子ポンプ本体１と、図示しないコントローラとを備え、図示しない真空機器に連通する。

上記ターボ分子ポンプ本体１は、ハウジング２と、回転軸３と、回転軸３を駆動するモータ４と、回転軸３をアキシアル方向に磁気的に非接触支持するアキシアル磁気軸受６と、回転軸３をラジアル方向に磁気的に非接触支持する第１および第２ラジアル磁気軸受７,８とを有する。

また、上記ターボ分子ポンプ本体１は、第１および第２ラジアル磁気軸受７,８が制御不能になったときに回転軸３をラジアル方向に機械的に支持すると共に、タッチダウン軸受としての役割を果たす本発明の一実施形態の深溝玉軸受１０と、第１および第２ラジアル磁気軸受７,８が制御不能になったときに回転軸３をラジアル方向に機械的に支持すると共に、タッチダウン軸受としての役割を果たすアンギュラ玉軸受１１,１２とを有する。

また、上記ターボ分子ポンプ本体１は、回転軸３のラジアル位置を検出するラジアル位置検出センサ１４,１５と、回転軸３のアキシアル位置を検出するアキシアル位置検出センサ１６とを有する。上記ラジアル位置検出センサ１４,１５は、回転軸３の軸方向に互いに間隔をおいて配置されている。

上記モータ４は、ロータ２０と、ステータ２１とを有する。上記ロータ２０は、リング状の２極永久磁石で構成されており、回転軸３の外周面に固定されている。また、上記ステータ２１は、図示しない電機子コイルを有している。電機子コイルに適切に電流を流すことにより、ロータ２０をステータ２１に対して高速回転させ、ロータ２が固定された回転軸３を高速回転させるようになっている。また、上記モータ４は、発電機としての役割も兼ねている。詳しくは、上記モータ４は、電源異常や停電等により電源側からの電力の供給が停止されて電源電圧が低下すると、発電機として電圧を出力するようになっている。具体的には、上記モータ４は、電源電圧が低下すると、位置検出センサ１４,１５,１６、磁気軸受駆動回路（図示せず）およびモータドライバ（図示せず）に、回生電力を供給するようになっている。上記モータ４から供給される回生電力が磁気軸受６,７,８を駆動できる間、磁気軸受６,７,８は、上記回生電力によって磁気浮上制御されるようになっている。

上記アキシアル磁気軸受６は、回転軸３のアキシアル方向の両端面を、アキシアル方向の両側から挟むように配置された１対の電磁石（数は２個）を有する。また、上記第１および第２ラジアル磁気軸受７,８の夫々は、回転軸３をラジアル方向の両側から挟むように配置された互いに直交する２対の電磁石（各ラジアル磁気軸受において、電磁石の数は４個）を有している。上記磁気軸受６,７,８の上記電磁石の磁力を適切に制御することにより、毎分数万回転で回転する回転軸３を精密に制御して、回転軸３のぐらつきを抑制して、回転軸３を、所定位置に精密に位置させるようになっている。

電源異常時や停電時等に、上記モータ４の回転速度が下がり、モータ４からの回生電力が磁気軸受７,８の駆動に必要な電力よりも低下すると、磁気軸受７,８の磁気浮上制御が停止するようになっている。上記磁気軸受７,８の磁気浮上制御が停止すると、タッチダウン軸受としての深溝玉軸受１０およびアンギュラ玉軸受１１,１２が、磁気軸受７,８の替わりに回転軸３をラジアル方向に機械的に支持するようになっている。上記深溝玉軸受１０およびアンギュラ玉軸受１１,１２は、磁気軸受７,８が制御不能になったときに、回転軸３を支持することによって、磁気軸受７,８と回転軸３との接触や、ロータ２０とステータ２１との接触等を確実に防止するようになっている。

図２は、本発明の一実施形態である上記深溝玉軸受１０の軸方向の断面図である。

上記深溝玉軸受１０は、所謂総玉軸受であって保持器を有さない構造をしている。この深溝玉軸受１０は、外輪３０と、内輪３１と、玉３２とを有している。
上記外輪３０は、軸受鋼、ステンレス鋼または工具鋼等の強磁性を有する鋼材からなっている。上記外輪３０は、内周面に深溝型の軌道溝３８を有している。一方、上記内輪３１は、軸受鋼、ステンレス鋼または工具鋼等の強磁性を有する鋼材からなっている。上記内輪３１は、外周面に深溝型の軌道溝３９を有している。

上記玉３０は、非磁性体材料である窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）からなっている。上記玉３０は、外輪３０の軌道溝３８と内輪３１の軌道溝３９との間に複数配置されている。全ての玉３０を周方向に隙間なく当接させた状態で、外輪３０の軌道溝３８と内輪３１の軌道溝３９との間には、玉３０一個分程度もしくは、それ以上の周方向のスペースが存在している。

また、図示しないが、上記深溝玉軸受１０は、周方向の一部分（周方向において連続）の外輪３０と内輪３１との径方向の間隔が、上記一部分以外の部分における外輪３０と内輪３１との径方向の間隔よりも大きくなっている。言い換えると、上記深溝玉軸受１０は、周方向の一部分に入れ溝（玉３０を組み入れるために軌道輪のアキシアル方向に付けた溝）を有している。

上記深溝玉軸受１０の軌道溝に対して入れ溝が存在しない側や入れ溝が存在する側であって入れ溝近傍を除く部分の外輪３０の肩部３５と内輪３１の肩部３６との距離ｄは、０.４〜０.５ｍｍであり、玉３２の直径の１／４以下に設定されており、正確には、軌道の片側の入れ溝以外の部分の内外輪３０,３１の肩部３５,３６間の距離は、０.５ｍｍ以下に設定されている。

図３および図４は、本発明の玉軸受と、２極永久磁石を有するリングが固定された回転軸とを組み付けるときに、本発明の玉軸受の軌道輪に起こる現象を説明する図である。尚、図３および図４において、５０は、内輪を示し、５１は、外輪を示している。

先ず、玉軸受をターボ分子ポンプの本体のハウジング（図示せず）に組み付けた後に、回転軸（図示せず）に固定された２極永久磁石（図示せず）が、内輪５０の内周面の内側を通過しているまさにその最中、内外輪５０,５１がその２極永久磁石によって磁化される。具体的には、図３に示すように、２極永久磁石のＳ極（図示せず）に近接する内輪５０の第１個所６０と、内輪５０の第１個所６０と周方向の方向が同じ外輪５１の第２個所６１とが第１の磁極（Ｎ極）に磁化されると共に、２極永久磁石のＮ極（図示せず）に近接する内輪５０の第１個所６０と回転軸を介して正反対の内輪５０の第３個所６４と、外輪５１の第２個所６１と回転軸を介して正反対の外輪５１の第４個所６５とが第２の磁極（Ｓ極）に磁化される。

次に、回転軸に固定された２極永久磁石が、内輪５０の内周面の内側を通過した後、内外輪５０,５１が強磁性体材料からなると共に、内外輪５０,５１の少なくとも一方の肩部間の距離が、従来の玉軸受よりも格段に小さいことに起因して、内輪５０が、周方向に略１８０°回転する。具体的には、図４に示すように、内輪５０と外輪５１との磁力の反撥を緩和するように、回動自在な内輪５０が略１８０°回転する。そして、第１個所６０と第４個所６５とが周方向に対向すると共に、第２個所６１と第３個所６４とが周方向に対向する。そして、第１個所６０と第４個所６５との間に、第１個所６０と第４個所６５との間を結ぶ高密度の磁力線が形成されると共に、第２個所６１と第３個所６４との間に、第２個所６１と第３個所６４との間を結ぶ高密度の磁力線が形成される一方、内輪５０の内周面の内部６８、すなわち、回転軸内を通過する磁力線が極端に少なくなる。

このことから、本発明のように、内外輪５０,５１を磁性体材料から構成し、かつ、内外輪５０,５１の軌道溝の軸方向の一方の側の肩部間の距離を、玉の直径の１／４以下に設定すると、玉軸受を２極永久磁石が固定された回転軸に組み付ける時、上記のような現象が起こって、回転軸内を通過する磁力線が極端に少なくなる。したがって、回転軸内を通過する磁力線に起因して回転軸内に発生する渦電流が極端に少なくなるから、回転軸の昇温を格段に低減できる。

図５は、本発明の一実施形態の玉軸受を示す図であり、内外輪８０,８１の軌道溝の軸方向の一方の側の肩部間の距離が、０.５ｍｍ以下に設定されている玉軸受の回転軸の組み付け後の状態（図４に示す状態に対応する状態）を示す模式図である。

本発明者は、内外輪８０,８１の軌道溝の軸方向の一方の側の肩部間の距離が、０.５ｍｍ以下である図５に示すような場合、内外輪８０,８１の磁化に起因する回転軸の昇温を効果的に防止できて、内輪８０と回転軸の組み付け後に、回転軸が内輪８０に非接触な状態で回転軸とハウジングに対し相対回転させても回転軸の昇温が抑制されることを多数の実験によって確認した。これは、従来と比較して、内外輪８０,８１の一方の肩部間の距離が極端に短くて、組み付け後の内外輪８０,８１の間の相互作用が非常に大きくなることから、逆に、内輪の内周面の内部の磁場が非常に小さくなるためであると推察される。

上記実施形態の玉軸受１０によれば、内外輪３０,３１が非磁性体材料からなり、かつ、軸方向の一方の内外輪３０,３１の肩部３５,３６間の距離が玉３２の直径の１／４以下であるから、玉軸受１０を２極永久磁石が固定された回転軸３に組み付けた後、内輪３１の磁化に起因して発生する回転軸３内を通過する磁力線を極端に少なくできる。したがって、回転軸３内を通過する磁力線に起因して回転軸内に発生する渦電流が極端に少なくなるから、回転軸３の昇温を格段に抑制できる。

また、上記実施形態の玉軸受１０によれば、内外輪３０,３１の材料が、強磁性体材料を使用できるから、例えば、軸受鋼や、ステンレス鋼や、工具鋼等の硬度が高い鋼材を使用できて、玉軸受１０の強度を高くできて、衝撃に対して強くすることができ、耐久性が低下することがない。また、内外輪３０,３１の材料として、例えば、軸受鋼や、ステンレス鋼や、工具鋼等の価格がそれほど高くない材料を使用できるから、玉軸受１０の製造コストが極端に高くなることもない。

また、上記実施形態の玉軸受１０によれば、上記玉３２が、非磁性体材料からなるので、玉３２内に磁力線が生成されることがない。したがって、玉軸受１０に回転軸３を組み付けた後、確実に内外輪３０,３１の間に強い相互作用を発生させることができて、玉軸受１０に回転軸３を組み付けた後に、内輪３１の内周面の内側の磁場を確実に弱くすることができる。

尚、上記実施形態の玉軸受１０では、内外輪３０,３１の材料として、軸受鋼、ステンレス鋼または工具鋼を採用したが、この発明では、内外輪３０,３１の材料として、軸受鋼、ステンレス鋼および工具鋼以外の強磁性を有する硬化処理が施された鋼材を採用しても良い。また、上記実施形態の玉軸受１０では、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）製の玉３２を採用したが、この発明では、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）以外のセラミックス製の玉を採用しても良い。セラミックス製の玉を使用した場合、玉の耐久性を向上させることができる。また、この発明では、内外輪および玉の材料が全てステンレス鋼であっても良く、この場合、玉軸受のコストを格段に低減することができる。

また、上記実施形態では、玉軸受１０が所謂総玉軸受であって、保持器を有さず、かつ、軌道の片側の入れ溝以外の部分の内外輪３０,３１の肩部３５,３６間の距離が０.５ｍｍ以下に設定されていた。しかしながら、この発明は、入れ溝を有さず、かつ、軌道溝の一方の側の内外輪の肩部間の距離が、軌道溝の他方の側の内外輪の肩部間の距離よりも大きく、かつ、内外輪の肩部間の距離が大きい方の空間に、冠形保持器の環状部が挿入されている構造を有していても良い。また、上記実施形態では、玉軸受１０が深溝玉軸受であったが、この発明では、玉軸受は、軌道溝の一方の側の内外輪の肩部間の距離が、軌道溝の他方の側の内外輪の肩部間の距離よりも大きいアンギュラ玉軸受であっても良い。

この発明の玉軸受の一実施形態の深溝玉軸受を有するターボ分子ポンプの軸方向の断面図である。上記一実施形態の深溝玉軸受の軸方向の断面図である本発明の玉軸受と、回転軸（２極永久磁石を有するリング状のロータが固定されている）とを組み付けるときに、本発明の玉軸受の軌道輪に起こる現象を説明する図である。本発明の玉軸受と、回転軸（２極永久磁石を有するリング状のロータが固定されている）とを組み付けるときに、本発明の玉軸受の軌道輪に起こる現象を説明する図である。本発明の一実施形態の玉軸受を示す模式図である。

１ターボ分子ポンプ本体
３回転軸
１０深溝玉軸受
３０,５１,８１外輪
３１,５０,８０内輪
３２玉
３５,３６肩部
３８,３９軌道溝
ｄ深溝玉軸受の軌道溝に対して入れ溝が存在しない側の外輪の肩部と内輪の肩部との距離

Claims

タッチダウン軸受であって、
軌道溝を有すると共に、強磁性体材料からなり、かつ、内周面の内側を回転軸に固定された２極永久磁石が通過させられる内輪と、
軌道溝を有すると共に、強磁性体材料からなり、かつ、ハウジングに固定される外輪と、
上記内輪の上記軌道溝と、上記外輪の上記軌道溝との間に配置された玉と
を備え、
上記内輪の上記軌道溝の上記内輪の軸方向の一方の側の肩部と、上記外輪の上記軌道溝の上記軸方向の上記一方の側の肩部との距離は、上記玉の直径の１／４以下であることを特徴とする玉軸受。
請求項１に記載の玉軸受において、
上記玉は、非磁性体材料からなることを特徴とする玉軸受。