JP5024965B2 - Magnetic fluid seal device - Google Patents
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Description
本発明は、異なる環境間に置かれた軸部材をそれらの環境間において密封状態で回転支持する装置である磁性流体シール装置に関する。 The present invention relates to a magnetic fluid sealing device that is a device that rotatably supports a shaft member placed between different environments in a sealed state between the environments.
上記の磁性流体シール装置として、従来、特許文献1に開示されたものがある。この従来の磁性流体シール装置の基本となる構造は、図6に示す磁性流体シール装置101と同じである。すなわち、磁性流体シール装置101は、隔壁102によって隔てられている2つの異なった環境E1及びE2の間に置かれた軸部材である回転軸103を回転可能に支持すると共に、環境E1と環境E2との間で回転軸103をシールしている。
Conventionally, as the above magnetic fluid sealing device, there is one disclosed in Patent Document 1. The basic structure of this conventional magnetic fluid seal device is the same as that of the magnetic
磁性流体シール装置101は、隔壁102に固定されたハウジング104を有している。ハウジング104の中には2つの軸受105a及び105bが設けられており、これらの軸受によって回転軸103が回転可能に支持されている。ハウジング104の内部であって軸受105aと105bとの間に磁性流体シール部106が設けられている。
The magnetic
磁性流体シール部106は、回転軸103を中心としたリング状のポールピース107aと、同じくリング状のポールピース107bとを有している。これらのポールピースの間にリング状の磁石108が設けられている。ポールピース107a,107bと回転軸103との間には間隙が設けられており、その間隙に磁性流体(図示せず)が充填されている。
The magnetic
磁石108はポールピース107a,107bの一方、回転軸103、そしてポールピース107a,107bの他方を順次に通過する磁気閉回路を形成し、この磁気閉回路によってポールピース107a,107bの内周面と回転軸103の外周面との間に磁性流体膜が形成されている。この磁性流体膜により、環境E1と環境E2との間で回転軸103がシールされている。
The
従来の磁性流体シール装置101においては、回転軸103、ポールピース107a,107bは磁性材料、すなわち磁界において磁性を帯びる材料、によって形成されていた。また、ハウジング104は非磁性材料、すなわち磁界において磁性を帯びない材料、によって形成されていた。また、ポールピース107a,107bはハウジング104とは別部品のため環境E1と環境E2との間を封止するためにOリング109を設けていた。
In the conventional magnetic
次に、従来、他の構造の磁性流体シール装置が特許文献2に開示されている。この従来の磁性流体シール装置においては、外部の磁界の影響によって磁性流体シールの機能が損なわれることを防止するために、ポールピースと同様にハウジングも磁性材料によって形成されている。
Next, a magnetic fluid sealing device having another structure has been disclosed in
次に、従来、さらに他の構造の磁性流体シール装置が特許文献3に開示されている。この従来の磁性流体シール装置においては、複数のポールピースを1つの部品として形成すると共に、ポールピースの一部分を薄い管状壁部の形状に形成してフランジに向けて延在させ、この薄い管状壁部を熱抵抗体として機能させている。
Next, a magnetic fluid sealing device having still another structure is disclosed in
特許文献1及び図6に開示された従来の磁性流体シール装置においては、ポールピース107a,107bが磁性材料によって形成され、それを包囲するハウジングが非磁性材料によって形成され、ポールピースとハウジングとは別の部品であった。一般にポールピースは回転軸等といった軸部材に対して厳しく寸法管理されなければならず、それ故、ポールピースそれ自体はもとより、そのポールピースを包囲するハウジングも所定の形状に正確に形成されなければならなかった。
In the conventional magnetic fluid sealing device disclosed in Patent Document 1 and FIG. 6, the
上記ハウジングは、通常、他の機器に接続される部分であるフランジを有している。このフランジにおける他の機器への接続面と、ハウジングにおけるポールピースが当接する内周面とは、厳しい精度で所定の相対的な位置関係に形成されなければならない。また、上記回転軸も軸受との外接面と磁性流体が注入されるポールピース対向面になる外周面とは厳しい同軸関係、及び寸法公差が必要とされる。このように、この従来の磁性流体シール装置においては、回転軸、ポールピース及びハウジングについての寸法精度に関して高精度が要求される部品を別々に製作しなければならず、コストが高くなるという問題があった。 The housing usually has a flange that is a part connected to another device. The connection surface of the flange to the other device and the inner peripheral surface of the housing on which the pole piece abuts must be formed in a predetermined relative positional relationship with a strict accuracy. Further, the rotating shaft also requires a strict coaxial relationship and a dimensional tolerance between the outer surface of the bearing and the outer peripheral surface serving as the pole piece facing surface into which the magnetic fluid is injected. As described above, in this conventional magnetic fluid sealing device, there is a problem in that it is necessary to separately manufacture parts that require high accuracy with respect to the dimensional accuracy of the rotating shaft, the pole piece, and the housing, which increases the cost. there were.
また、ポールピース107a,107bはハウジング104とは別部品のため環境E1と環境E2との間を封止するためにOリング109を設けていた。そのため、磁性流体シール装置のシール性能として磁性流体以外にOリングによるシール性能、透過や放出ガス、及び温度に対する耐久性などが、磁性流体シール装置全体のシール性能を制限することがあった。
Further, since the
例えば、Oリングの使用には、ヘリウムや水素などの軽い気体を短時間で大量に透過してしまう、10−6から10−7Pa(パスカル)程度の超高真空領域では、Oリングの気体の透過により圧力上昇が起こり、真空到達が難しくなる、といった問題がある。 For example, in the use of an O-ring, an O-ring gas is used in an ultrahigh vacuum region of about 10 −6 to 10 −7 Pa (pascal) that allows a large amount of light gas such as helium and hydrogen to pass through in a short time. There is a problem that the pressure rises due to permeation of the water, making it difficult to reach the vacuum.
次に、特許文献2に開示された従来の磁性流体シール装置においては、ハウジングをポールピースと同様に磁性材料によって形成するという技術が開示されている。しかしながら、その理由は、磁性流体シール部分に対する外部磁界の影響を少なくすることであり、ハウジングとポールピースとを同一材料から一体に製作することを提案するものではない。従って、特許文献2に開示された技術においても、ポールピースとハウジングとは別々の部品であり、それ故、コストが高くなるという問題があった。
Next, in the conventional magnetic fluid sealing device disclosed in
次に、特許文献3に開示された従来の磁性流体シール装置においては、従来であれば複数個用意されていたポールピースを1つの部品として製作し、その1つの部品であるポールピースの一部分を外方へ延在させ、その延在部に別部品であるフランジを固着させている。この従来装置においては、図6に示した従来装置におけるハウジング104のうちポールピース107a,107bを包囲する部分が無く、ハウジング104のうちのフランジ部分がポールピース107a,107bに直接に固着されたような構造になっている。特許文献3に開示された技術においても、ポールピースとフランジとは別々の部品であり、それらを別々に製作した上でそれらを組み合わせるという工程が必要であり、それ故、コストが高くなるという問題があった。
Next, in the conventional ferrofluidic sealing device disclosed in
本発明は、上記の問題点に鑑みて成されたものであって、従来のハウジングとポールピースとの構造を改善することにより、高性能で信頼性が高く、かつ製造コストを著しく低減できる磁性流体シール装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-mentioned problems. By improving the structure of the conventional housing and pole piece, the magnetic performance can be improved with high reliability and the manufacturing cost can be significantly reduced. An object is to provide a fluid seal device.
上記の目的を達成するため、本発明に係る磁性流体シール装置は、内部に設けられた軸受によって軸部材を支持するハウジングを有しており、前記ハウジングは、他の機器に取り付けられる取付部と、前記軸部材の外周面に間隙をあけて対向するポールピース部とを有しており、前記ポールピース部と前記軸部材との間に磁界を形成する磁石が前記ハウジングに設けられており、前記磁界の作用により前記ポールピース部と前記軸部材とに磁気的に吸着する磁性流体が前記ポールピース部と前記軸部材の外周面との間に設けられており、前記ポールピース部と前記取付部は同一の磁性材料によって1つの部材として一体に形成されていることを特徴とする。 In order to achieve the above object, a magnetic fluid seal device according to the present invention has a housing that supports a shaft member by a bearing provided therein, and the housing includes an attachment portion that is attached to another device. A pole piece portion facing the outer peripheral surface of the shaft member with a gap, and a magnet for forming a magnetic field between the pole piece portion and the shaft member is provided in the housing. A magnetic fluid that is magnetically attracted to the pole piece part and the shaft member by the action of the magnetic field is provided between the pole piece part and the outer peripheral surface of the shaft member, and the pole piece part and the attachment The portions are integrally formed as one member with the same magnetic material.
本発明によれば、ポールピース部と取付部(例えば、フランジ)が同一の磁性材料によって1つの部材として一体に形成されているので、従来のように取付部を備えたハウジングとポールピースとを別々に製作した上でそれらを組み合わせるという工程が無くなり、それ故、軸部材に対するポールピース部の内周面の位置精度を簡単に高精度に設定することができる。また、従来の別体構造に起因して使用していたOリングが不要となり、このため、Oリングに起因するシール性能の制限や経時でのシール性能の劣化がなくなり、従来品に比較し信頼性の高い磁性流体シール装置を実現できる。しかも、ハウジングとポールピースとを別々に製作する場合に比べてコストを著しく低くできる。こうして、安価で高機能の磁性流体シール装置を提供することが可能となった。 According to the present invention, since the pole piece part and the attachment part (for example, flange) are integrally formed as one member with the same magnetic material, the housing and the pole piece provided with the attachment part as in the prior art. The process of combining them after they are manufactured separately is eliminated, so that the positional accuracy of the inner peripheral surface of the pole piece portion with respect to the shaft member can be easily set with high accuracy. In addition, the O-ring that was used due to the conventional separate structure is no longer necessary, which eliminates the limitation of sealing performance and deterioration of the sealing performance over time due to the O-ring. A highly magnetic fluid sealing device can be realized. Moreover, the cost can be remarkably reduced as compared with the case where the housing and the pole piece are manufactured separately. Thus, it has become possible to provide an inexpensive and highly functional magnetic fluid sealing device.
また、本発明では、フランジとポールピース部とが同一の磁性材料によって1つの部材として一体に形成されているので、フランジとポールピースとを別々に製作した後で、それらを接合して磁性流体シール装置を製作するという従来の装置に比べて、やはり、コストを低く抑えることができ、しかも、フランジとポールピース部の内周面との相対的な位置関係を常に安定して正確な位置関係に設定することができる。 In the present invention, the flange and the pole piece part are integrally formed as one member with the same magnetic material. Therefore, after the flange and the pole piece are separately manufactured, they are joined together to form a magnetic fluid. Compared to conventional devices that produce sealing devices, the cost can be kept low, and the relative positional relationship between the flange and the inner peripheral surface of the pole piece is always stable and accurate. Can be set to
次に、本発明に係る磁性流体シール装置において、前記ハウジングのポールピース部には前記磁石を入れるための有底の凹部が設けられており、該凹部の底部分における前記ハウジングの厚さは、底部分が当該ハウジング部分が磁石の磁力によって実質的に磁気的に飽和する程度の厚さであることが望ましい。この構成により、磁石からの磁力線の多くをポールピース部へ向かわせることができ、軸部材とポールピース部との間に強い磁界を形成できる。 Next, in the magnetic fluid sealing device according to the present invention, the pole piece portion of the housing is provided with a bottomed concave portion for containing the magnet, and the thickness of the housing at the bottom portion of the concave portion is: Desirably, the bottom portion is of a thickness such that the housing portion is substantially magnetically saturated by the magnetic force of the magnet. With this configuration, most of the lines of magnetic force from the magnet can be directed to the pole piece portion, and a strong magnetic field can be formed between the shaft member and the pole piece portion.
次に、本発明に係る磁性流体シール装置において、前記軸受は前記軸部材の中心軸線が延びる方向に関して前記取付部の一方の側に設けられ、前記磁石は前記軸部材の中心軸線が延びる方向に関して前記取付部の反対側に設けられ、当該反対側には軸受は設けられず、さらに、前記ポールピース部の一部は前記取付部に対応するハウジングの内部に設けられることが望ましい。軸受によって片持ち支持された軸部材の自由端において、ポールピース部及び磁性流体によって、磁気シールが行われる。この構成により、磁性流体シール装置の全体形状を小型に形成できる。また、ポールピース部を取付部によって直接的に固定支持することにより安定したシール機能を長期間にわたって保持できる。 Next, in the magnetic fluid sealing device according to the present invention, the bearing is provided on one side of the mounting portion with respect to the direction in which the central axis of the shaft member extends, and the magnet is in the direction in which the central axis of the shaft member extends. It is preferable that a bearing is not provided on the opposite side of the attachment part, and that a part of the pole piece part is provided inside a housing corresponding to the attachment part. At the free end of the shaft member cantilevered by the bearing, magnetic sealing is performed by the pole piece portion and the magnetic fluid. With this configuration, the overall shape of the magnetic fluid seal device can be formed in a small size. Moreover, the stable sealing function can be maintained over a long period of time by directly fixing and supporting the pole piece portion with the mounting portion.
本発明によれば、ポールピース部と取付部が同一の磁性材料によって1つの部材として一体に形成されるので、取付部を備えたハウジングとポールピースとを別々に製作した上でそれらを組み合わせるという従来の工程が無くなり、それ故、軸部材に対するポールピース部の内周面の位置精度を簡単且つ高精度に設定することができる。また、従来の別体構造に起因して必要となったOリングが不要となり、このため、信頼性の高い磁性流体シール装置を実現できる。しかも、ハウジングとポールピースとを別々に製作する場合に比べてコストを著しく低くできる。こうして、安価で高機能の磁性流体シール装置を提供することが可能となった。 According to the present invention, the pole piece part and the mounting part are integrally formed as one member with the same magnetic material, so that the housing provided with the mounting part and the pole piece are separately manufactured and then combined. The conventional process is eliminated, and therefore the position accuracy of the inner peripheral surface of the pole piece portion with respect to the shaft member can be set easily and with high accuracy. In addition, the O-ring that is required due to the conventional separate structure becomes unnecessary, and thus a highly reliable magnetic fluid sealing device can be realized. Moreover, the cost can be remarkably reduced as compared with the case where the housing and the pole piece are manufactured separately. Thus, it has become possible to provide an inexpensive and highly functional magnetic fluid sealing device.
また、本発明では、フランジとポールピース部とが同一の磁性材料によって1つの部材として一体に形成されているので、フランジとポールピースとを別々に製作した後で、それらを接合して磁性流体シール装置を製作するという従来の装置に比べて、やはり、コストを低く抑えることができ、しかも、フランジとポールピース部の内周面との相対的な位置関係を常に安定して正確な位置関係に設定することができる。 In the present invention, the flange and the pole piece part are integrally formed as one member with the same magnetic material. Therefore, after the flange and the pole piece are separately manufactured, they are joined together to form a magnetic fluid. Compared to conventional devices that produce sealing devices, the cost can be kept low, and the relative positional relationship between the flange and the inner peripheral surface of the pole piece is always stable and accurate. Can be set to
(第1実施形態)
以下、本発明に係る磁性流体シール装置を実施形態に基づいて説明する。なお、本発明がこの実施形態に限定されないことはもちろんである。また、これ以降の説明では図面を参照するが、その図面では特徴的な部分を分かり易く示すために実際のものとは異なった比率で構成要素を示す場合がある。
(First embodiment)
Hereinafter, a magnetic fluid seal device according to the present invention will be described based on embodiments. Of course, the present invention is not limited to this embodiment. In the following description, the drawings are referred to. In the drawings, the components may be shown in different ratios from the actual ones in order to show the characteristic parts in an easy-to-understand manner.
図1は、本発明に係る磁性流体シール装置の一実施形態を示している。この磁性流体シール装置1は、例えば、互いに異なる環境である第1環境E1と第2環境E2とを区画している隔壁2に取付けられる。取付けは、例えば、ボルト穴3を通したボルト(図示せず)による締め付けによる固定であったり、溶接による固定であったり、その他任意の取付手法を採用できる。
FIG. 1 shows an embodiment of a magnetic fluid sealing device according to the present invention. The magnetic fluid sealing device 1 is attached to, for example, a
本実施形態では、第1環境E1は減圧状態でクリーン(清浄)な雰囲気であり、第2環境E2は塵、ほこり等を含んだ大気である。減圧状態は、例えば、真空状態である。回転軸7は第1環境E1と第2環境E2とにわたって設けられている。回転軸7の第2環境E2側の部分は電動モータ等といった駆動源に接続している。回転軸7の第1環境E1側の部分は適宜の処理装置のための回転駆動源として利用される。
In the present embodiment, the first environment E1 is a clean (clean) atmosphere in a reduced pressure state, and the second environment E2 is an atmosphere containing dust, dust, and the like. The reduced pressure state is, for example, a vacuum state. The
このような処理装置としては、例えば半導体製造装置やX線発生装置等が考えられる。半導体製造装置の場合には、処理対象である単結晶ウエハ(図示せず)が回転軸7に直接又は間接に取付けられる。X線発生装置の場合には、回転対陰極(回転ターゲット)が回転軸7に取付けられる。
As such a processing apparatus, for example, a semiconductor manufacturing apparatus or an X-ray generation apparatus can be considered. In the case of a semiconductor manufacturing apparatus, a single crystal wafer (not shown) to be processed is attached directly or indirectly to the
磁性流体シール装置1は、概ね円筒形状のハウジング4を有する。このハウジング4の全体は磁性材料、例えば磁性ステンレス鋼によって形成されている。具体的には、ハウジング4は磁性ステンレス鋼を主に切削加工することによって形成されている。ハウジング4の隔壁2側の端部には取付部としてのフランジ5が形成されている。フランジ5は回転軸7の中心軸線X0と直角の方向(すなわち、ハウジング4の半径方向)に突出した厚さが均一な突縁部である。このフランジ5を隔壁2に固定することにより、磁性流体シール装置1の全体が隔壁2に固定されている。フランジ5の隔壁2への固定は、例えば、ボルト穴3にボルトを通し、そのボルトをナットで締め付けることにより実現できる。
The ferrofluidic sealing device 1 has a substantially
ハウジング4は中空、すなわち内部が空間となっており、その内部空間内に複数、実施形態では2つの軸受6a及び6bが位置不動に固定されている。そして、これらの軸受によって軸部材、実施形態では回転軸7が支持されている。回転軸7は磁性材料、例えば磁性ステンレス鋼によって形成されている。回転軸7は、軸受6a,6bによって中心軸線X0を中心として回転可能に、しかし軸方向移動不能に支持されている。
The
軸受6a,6bは任意の軸受によって構成できる。例えば、ラジアルボールベアリング、プーリロード型ベアリング(例えば複列アンギュラベアリング)、特開平10−184932号公報に記載されたクロスローラベアリング等を適用できる。
The
ハウジング4のうち軸受6aと軸受6bとによって挟まれた部分、すなわち軸線X0に沿ったハウジング4の略中央部分はポールピース(磁極片)部12となっている。このポールピース部12の略中央には、中心軸線X0と平行の方向である矢印A方向から見て連続したリング状、すなわち環状に設けられた有底の凹部8、すなわち溝部8が設けられている。そして、この凹部8の中に磁石、実施形態では永久磁石9が設けられている。
A portion of the
磁石9は、例えば複数のボタン形状、すなわち単体形状であり、この複数の磁石9が凹部8の中で同心状に並べられている。これらの磁石9は凹部8に圧入により固定されても良いし、適宜の接着剤によって固定されても良い。
The
ポールピース部12の内周面、すなわち回転軸7の外周面に対向する面は、先端が鋭角形状である断面三角形状の多数のエッジ13となっている。エッジ13の先端は例えば0.2〜0.3mmであり、エッジ13の数は6〜20個である。すなわち、エッジ13の軸線X0に沿った段数は6〜20段である。エッジ13の先端と回転軸7の外周面との間隔δは、例えば約50μmである。この間隔δ内に磁性流体14がディスペンサによって適量充填されている。
The inner peripheral surface of the
磁性流体14は、例えば、キャリヤ流体に界面活性剤と強磁性体粒子を分散させて作成されている。キャリヤ流体は、例えば、水、ハイドロカーボン、フルオロカーボン等である。界面活性剤は、例えば脂肪酸である。そして、強磁性体粒子は酸化鉄、フェライト等である。
The
磁石9は軸線X0方向の一端面がN極に着磁され、反対面がS極に着磁されている。このため、N極から出た磁力線がハウジング4のポールピース部12の片側、回転軸7、そしてハウジング4のポールピース部12の他の片側を通ってS極へ到達する。これにより、ポールピース部12と回転軸7とにわたって磁気回路が形成され、従って、ポールピース部12と回転軸7との間に磁界が形成される。
One end surface of the
ポールピース12のエッジ13と回転軸7との間に充填された上記の磁性流体14は上記の磁界の作用により、エッジ13及び回転軸7表面に磁気的に吸着し、これにより、両者間に磁性流体膜が形成されている。エッジ13の先端部は鋭角形状となっているので、エッジ13と回転軸7との間にはエッジ13ごとに磁束が集中しており、これらの集中磁束ごとに磁性流体膜が形成される。
The
これらの磁性流体膜14は回転軸7が回転する場合でもエッジ13と回転軸7表面との間に形成され続ける。そして、これらの磁性流体膜14の作用により、第1環境E1と第2環境E2との間で回転軸7がシール、すなわち密封、すなわち封止される。つまり、第1環境E1が減圧状態で第2環境E2が大気圧に維持され、さらに第2環境E2内の塵等が第1環境E1内へ進入することが防止される。ポールピース部12のエッジ13と回転軸7は非接触であるので、ポールピース部12、回転軸7及び磁性流体膜14によって形成された磁性流体シール部は長期間にわたって所望のシール機能を維持する。つまり、長寿命のシール機能が達成される。
These magnetic
磁石9が挿入されたハウジング4の凹部8の底部分11のところの体積、すなわち底部分11の軸線X0と直角方向のハウジング4の厚さは、この部分が磁石9の磁力によって磁気的に飽和する程度の薄い厚さに設定されている。以下、この底部分11を薄壁部分又は薄厚連結部分と呼ぶことがある。この薄壁連結部分11を磁気飽和が成される部分とすることにより、磁石9から出る磁力線はこの薄壁連結部分11に漏れて進むことが無くなり、ポールピース部12のエッジ13部分に強い磁界を形成することができる。こうして、軸線X0に関して磁石9の両側に存在するポールピース部12を薄壁連結部分11でつなげて成るポールピースの一体構造、すなわちハウジング4の一体構造が形成されている。
The volume at the
従来の装置では、フランジを備えたハウジングとポールピースとが別々に製作された上で、それらが組み合わされていた。ポールピースの内周面と回転軸の外周面との間の間隙は所定の寸法に正確に維持されることが大切であり、それ故、ポールピースの形状を高精度に形成することはもとより、ハウジングの内周面の形状も高精度に形成しなければならなかった。このようにハウジング及びポールピースの両方の形状を高精度に形成しなければならないということは、大きなコストアップを招来するということであり、それ故、ハウジングとポールピースとを別々に製作していた従来の磁性流体シール装置は非常に高価であった。 In a conventional apparatus, a housing having a flange and a pole piece are separately manufactured and then combined. It is important that the gap between the inner peripheral surface of the pole piece and the outer peripheral surface of the rotating shaft is accurately maintained at a predetermined size. Therefore, not only to form the shape of the pole piece with high accuracy, The shape of the inner peripheral surface of the housing had to be formed with high accuracy. The fact that the shapes of both the housing and the pole piece have to be formed with high accuracy in this way means a significant increase in cost, and therefore the housing and the pole piece have been manufactured separately. Conventional magnetic fluid sealing devices are very expensive.
これに対し、本実施形態の磁性流体シール装置においては、フランジ5とポールピース部12とが同一の材料である磁性ステンレス鋼によって1つの部材として一体に形成されているので、従来のようにフランジを備えたハウジングとポールピースとを組み合わせるという工程が無くなり、それ故、回転軸7に対するポールピースの内周面の位置精度を簡単に高精度に設定することができる。しかも、ハウジングとポールピースとを別々に製作する場合に比べてコストを著しく低くできる。こうして、安価で高機能の磁性流体シール装置を提供することが可能となった。
On the other hand, in the magnetic fluid sealing device of the present embodiment, the
また、本実施形態では、フランジ5とポールピース部12とが同一の材料である磁性ステンレス鋼によって1つの部材として一体に形成されているので、フランジとポールピースとを別々に製作した後で、それらを接合して磁性流体シール装置を製作するという従来の装置に比べて、やはり、コストを低く抑えることができ、しかも、フランジ5とポールピース部12の内周面の相対的な位置関係を常に安定して正確な位置関係に設定することができる。
Moreover, in this embodiment, since the
さらに、図6に示すようにポールピースとハウジングとの間にOリングを設けていた従来の装置においては、Oリングを透過する気体により、超高真空領域の真空維持が難しくなるおそれがあった。また、図1の環境E1がCVD(Chemical Vapor Deposition)装置等といった半導体処理装置の処理領域内であるような場合には、その領域内はハロゲン系で高温の活性ガス雰囲気に置かれることが多い。磁性流体シール装置においてOリングを用いる場合には、活性ガスがOリングを透過して外部へ漏れ出ることが考えられる。また、場合によっては処理領域内の有害ガスがOリングを透過して外部へ漏れ出るおそれもある。 Further, in the conventional apparatus in which an O-ring is provided between the pole piece and the housing as shown in FIG. 6, there is a possibility that it is difficult to maintain the vacuum in the ultrahigh vacuum region due to the gas that passes through the O-ring. . Further, when the environment E1 of FIG. 1 is in a processing region of a semiconductor processing apparatus such as a CVD (Chemical Vapor Deposition) apparatus, the region is often placed in a halogen-based high-temperature active gas atmosphere. . When an O-ring is used in the magnetic fluid sealing device, it is conceivable that the active gas permeates the O-ring and leaks outside. In some cases, harmful gas in the processing region may pass through the O-ring and leak to the outside.
これらの点に関し、本実施形態では、ハウジングとポールピースとを一体に形成したためにOリングを用いる必要が無いので、従来の装置における上記の問題、すなわち超高真空度の維持が困難であることや、活性ガスや有害ガスの漏出が有り得ること等の問題を解消できる。 With respect to these points, in the present embodiment, since the housing and the pole piece are integrally formed, it is not necessary to use an O-ring. Therefore, it is difficult to maintain the above-described problem in the conventional apparatus, that is, the ultrahigh vacuum. In addition, problems such as possible leakage of active gas and harmful gas can be solved.
(第2実施形態)
図2は、本発明に係る磁性流体シール装置の他の実施形態を示している。この磁性流体シール装置21も、互いに異なる環境である第1環境E1と第2環境E2とを区画している隔壁2に取付けられる。取付けは、例えば、ボルト穴3を通したボルト(図示せず)による締め付けによる固定であったり、溶接による固定であったり、その他任意の取付手法を採用できる。第1環境E1及び第2環境E2の状態及びこれらの環境内での回転軸7に付加される構造は図1に示した実施形態の場合と同じである。
(Second Embodiment)
FIG. 2 shows another embodiment of the magnetic fluid sealing device according to the present invention. The magnetic
磁性流体シール装置21は、概ね円筒形状のハウジング24を有する。このハウジング24の全体は磁性材料、例えば磁性ステンレス鋼によって形成されている。具体的には、ハウジング24は磁性ステンレス鋼を主に切削加工することによって形成されている。ハウジング24の中央に近い中間部分には取付部としてのフランジ25が形成されている。フランジ25は回転軸7の中心軸線X0と直角の方向(すなわち、ハウジング24の半径方向)に突出した厚さが均一な突縁部である。このフランジ25を隔壁2に固定することにより、磁性流体シール装置21の全体が隔壁2に固定されている。フランジ25の隔壁2への固定は、例えば、ボルト穴3にボルトを通し、ナットで締め付けることにより実現できる。
The
ハウジング24は中空、すなわち内部が空間となっており、その内部空間内であってフランジ25よりも第2環境E2側の部分に複数、実施形態では2つの軸受26a及び26bが位置不動に並べて固定されている。そして、これらの軸受によって軸部材、実施形態では回転軸7が支持されている。回転軸7は磁性材料、例えば磁性ステンレス鋼によって形成されている。回転軸7は、軸受26a,26bによって中心軸線X0を中心として回転可能に、しかし軸方向移動不能に支持されている。軸受26a,26bは2個設けることが必須ではなく、必要に応じて1個又は3個以上とすることができる。
The
ハウジング24のうちフランジ25よりも第1環境E1側の部分はポールピース(磁極片)部22となっている。このポールピース部22の略中央には、中心軸線X0と平行の方向である矢印A方向から見て連続したリング状、すなわち環状に設けられた有底の凹部28、すなわち溝部28が設けられている。そして、この凹部28の中に磁石、実施形態では永久磁石29が設けられている。磁石29が埋設された部分のハウジング24の外周には、円筒形状のキャップ部材32が被されており、そのキャップ部材32は止めリング33によって軸方向移動しないように止められている。
A portion of the
つまり、本実施形態では、フランジ25よりも第2環境E2側の一方の側に軸受26a,26bが設けられ、フランジ25が形成されている部分のハウジング24の内部から軸受26a,26bと反対側の部分にかけてポールピース部22が設けられ、そしてフランジ25に関して軸受26a,26bの反対側に磁石が設けられている。
That is, in the present embodiment, the
つまり、本実施形態では、隔壁2に固定される部分であるフランジ25に対応する部分のハウジング24の内部にポールピース部分22の一部分が存在し、軸受26a,26bと磁石29とが、それぞれ、フランジ25の両側に分けて設けられている。
That is, in this embodiment, a part of the
つまり、回転軸7はフランジ25の一方の側で軸受26a,26bによって片持ち支持の状態で支持されており、ポールピース部22の一部分がフランジ25を介して隔壁2に直接に支持されており、そして軸受26a,26bによって片持ち支持された回転軸7の自由端に対応して磁石29及びポールピース部22の他の一部分が設けられている。
That is, the
磁石29は、例えば複数のボタン形状、すなわち単体形状であり、この複数の磁石29が凹部28の中でリング状に並べられている。これらの磁石29は凹部28に圧入により固定されても良いし、適宜の接着剤によって固定されても良い。
The
ポールピース部22の内周面に対向する回転軸7の外周面は、先端が鋭角形状である断面三角形状の多数のエッジ23となっている。エッジ23の先端は例えば0.2〜0.3mmであり、エッジ23の数は6〜20個である。すなわち、エッジ23の軸線X0に沿った段数は6〜20段である。エッジ23の先端とポールピース部22の内周面との間隔δは、例えば約50μmである。回転軸7のエッジ23とポールピース部22の内周面との間に磁性流体14がディスペンサによって適量充填されている。
The outer peripheral surface of the
磁性流体14は、例えば、キャリヤ流体に界面活性剤と強磁性体粒子を分散させて作成されている。キャリヤ流体は、例えば、水、ハイドロカーボン、フルオロカーボン等である。界面活性剤は、例えば脂肪酸である。そして、強磁性体粒子は酸化鉄、フェライト等である。
The
磁石29は軸線X0方向の一端面がN極に着磁され、反対面がS極に着磁されている。このため、N極から出た磁力線がハウジング24のポールピース部22の片側、回転軸7、そしてハウジング24のポールピース部22の他の片側を通ってS極へ到達する。これにより、ポールピース部22と回転軸7とにわたって磁気回路が形成され、従って、ポールピース部22と回転軸7との間に磁界が形成される。
One end surface of the
回転軸7のエッジ23とポールピース部22との間に充填された上記の磁性流体14は上記の磁界の作用により、エッジ23及びポールピース部22表面に磁気的に吸着し、これにより、両者間に磁性流体膜が形成されている。エッジ23の先端部は鋭角形状となっているので、エッジ23とポールピース部22との間にはエッジ23ごとに磁束が集中しており、これらの集中磁束ごとに磁性流体膜が形成される。
The
これらの磁性流体膜14は回転軸7が回転する場合でもエッジ23とポールピース部22表面との間に形成され続ける。そして、これらの磁性流体膜14の作用により、第1環境E1と第2環境E2との間で回転軸7がシール、すなわち密封、すなわち封止される。つまり、第1環境E1が減圧状態で第2環境E2が大気圧に維持され、さらに第2環境E2内の塵等が第1環境E1内へ進入することが防止される。回転軸7のエッジ23とポールピース部22は非接触であるので、ポールピース部22、回転軸7及び磁性流体膜14によって形成された磁性流体シール部は長期間にわたって所望のシール機能を維持する。つまり、長寿命のシール機能が達成される。
These magnetic
磁石29が挿入されたハウジング24の凹部28の底部分31の体積、すなわち底部分31の軸線X0と直角方向のハウジング24の厚さは、この部分が磁石29の磁力によって磁気的に飽和する程度の薄い厚さに設定されている。以下、この底部分31を薄壁部分又は薄厚連結部分と呼ぶことがある。この薄壁連結部分31を磁気飽和が成される部分とすることにより、磁石29から出る磁力線はこの薄壁連結部分31に漏れて進むことが無くなり、回転軸7のエッジ23部分に強い磁界を形成することができる。こうして、軸線X0に関して磁石29の両側に存在するポールピース部22を薄壁連結部分31でつなげて成るポールピースの一体構造、すなわちハウジング24の一体構造が形成されている。
The volume of the
従来の装置では、フランジを備えたハウジングとポールピースとが別々に製作された上で、それらが組み合わされていた。ポールピースの内周面と回転軸の外周面との間の間隙は所定の寸法に正確に維持されることが大切であり、それ故、ポールピースの形状を高精度に形成することはもとより、ハウジングの内周面の形状も高精度に形成しなければならなかった。このようにハウジング及びポールピースの両方の形状を高精度に形成しなければならないということは、大きなコストアップを招来するということであり、それ故、ハウジングとポールピースとを別々に製作していた従来の磁性流体シール装置は非常に高価であった。 In a conventional apparatus, a housing having a flange and a pole piece are separately manufactured and then combined. It is important that the gap between the inner peripheral surface of the pole piece and the outer peripheral surface of the rotating shaft is accurately maintained at a predetermined size. Therefore, not only to form the shape of the pole piece with high accuracy, The shape of the inner peripheral surface of the housing had to be formed with high accuracy. The fact that the shapes of both the housing and the pole piece have to be formed with high accuracy in this way means a significant increase in cost, and therefore the housing and the pole piece have been manufactured separately. Conventional magnetic fluid sealing devices are very expensive.
これに対し、本実施形態の磁性流体シール装置においては、フランジ25とポールピース部22とが同一の材料である磁性ステンレス鋼によって1つの部材として一体に形成されているので、従来のように別部品であるハウジングとポールピースとを組み合わせるという工程が無くなり、それ故、回転軸7に対するポールピース部22の内周面の位置精度を簡単に高精度に設定することができる。しかも、ハウジングとポールピースとを別々に製作する場合に比べてコストを著しく低くできる。こうして、安価で高機能の磁性流体シール装置を提供することが可能となった。
On the other hand, in the magnetic fluid sealing device of the present embodiment, the
また、本実施形態では、フランジ25とポールピース部22とが同一の材料である磁性ステンレス鋼によって1つの部材として一体に形成されているので、フランジとポールピースとを別々に製作した後で、それらを接合して磁性流体シール装置を製作するという従来の装置に比べて、やはり、コストを低く抑えることができ、しかも、フランジ25とポールピース部22の内周面の相対的な位置関係を常に安定して正確な位置関係に設定することができる。
Moreover, in this embodiment, since the
さらに本実施形態では、隔壁2に固定される部分であるフランジ25の一方の側に軸受26a,26bが設けられ、フランジ25に関してその反対側に磁石29が設けられ、さらに、ポールピース部22の一部分がフランジ25に対応したハウジング24の内部部分に設けられている。この構成により、磁性流体シール装置21の全体形状を小型に形成でき、隔壁2の外側へ張り出す磁性流体シール装置21の部分を小さくでき、しかもポールピース部22をフランジ25によって直接的に固定支持することにより安定したシール機能を長期間にわたって保持できる。
Furthermore, in the present embodiment,
さらに、本実施形態では、回転軸7に負荷される回転以外の荷重は軸受26a,26bを介してハウジング24に伝わり、フランジ25によって受けられるが、薄壁連結部を形成している底部分31には伝わらない。これにより負荷による薄壁部のたわみや、ねじれが起こることなく、使用することが出来る。
Furthermore, in the present embodiment, a load other than the rotation applied to the
(第3実施形態)
図3は本発明に係る磁性流体シール装置のさらに他の実施形態を示している。この磁性流体シール装置41は図1に示した磁性流体シール装置1に改変を加えたものである。本実施形態において図1に示す実施形態と同じ構成要素は同じ符号を付して示すこととし、その説明は省略する。
(Third embodiment)
FIG. 3 shows still another embodiment of the magnetic fluid sealing device according to the present invention. This magnetic
図1に示した実施形態では、ポールピース部12において磁石9が挿入される凹部8をハウジング4の外径側から加工によって掘り下げ、底部11の厚みとして磁石9により磁気飽和する程度の厚みを確保した。
In the embodiment shown in FIG. 1, the
これに対して本実施形態では、図3において、ハウジング44のポールピース部42において磁石9が挿入される凹部48をハウジング44の内径側から加工によって掘り下げ、底部11の厚みとして磁石9により磁気飽和する程度の厚みを確保した。この実施形態においても図1に示した実施形態と同じ効果を得ることができる。
On the other hand, in the present embodiment, in FIG. 3, the
(第4実施形態)
図4は本発明に係る磁性流体シール装置のさらに他の実施形態を示している。この磁性流体シール装置51は図2に示した磁性流体シール装置21に改変を加えたものである。本実施形態において図2に示す実施形態と同じ構成要素は同じ符号を付して示すこととし、その説明は省略する。
(Fourth embodiment)
FIG. 4 shows still another embodiment of the magnetic fluid sealing device according to the present invention. This magnetic
図2に示した実施形態では、ポールピース部22において磁石29が挿入される凹部28をハウジング24の外径側から加工によって掘り下げ、底部31の厚みとして磁石29により磁気飽和する程度の厚みを確保した。
In the embodiment shown in FIG. 2, the
これに対して本実施形態では、図4において、ポールピース部52において磁石29が挿入される凹部58をハウジング44の内径側から加工によって掘り下げ、底部61の厚みとして磁石29により磁気飽和する程度の厚みを確保した。この実施形態においても図2に示した実施形態と同じ効果を得ることができる。
On the other hand, in the present embodiment, in FIG. 4, the
(第5実施形態)
図5は本発明に係る磁性流体シール装置のさらに他の実施形態を示している。この磁性流体シール装置71は図1に示した磁性流体シール装置1に改変を加えたものである。本実施形態において図1に示す実施形態と同じ構成要素は同じ符号を付して示すこととし、その説明は省略する。
(Fifth embodiment)
FIG. 5 shows still another embodiment of the magnetic fluid sealing device according to the present invention. This magnetic
図1に示した実施形態では、ポールピース部12において1列の磁石9をハウジング4に埋設した。これに対して本実施形態では、図5において、ポールピース部72内に2つの凹部8,8を加工によって掘り、その内部にそれぞれ磁石9,9を挿入した。そして、それぞれの凹部8の底部11におけるハウジング4の厚さを、磁石9によって磁気飽和状態になる程度の厚さに設定した。
In the embodiment shown in FIG. 1, one row of
本実施形態においては、2列の磁石9,9がそれらの同極が互いに向き合うように配置されている。この構成により、磁石9,9から出た磁力線をより集中させて強力な磁力を持つ磁気回路を形成することができ、安定して確実なシール機能を実現できる。
In the present embodiment, the two rows of
以上、好ましい実施形態を挙げて本発明を説明したが、本発明はその実施形態に限定されるものでなく、請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々に改変できる。
例えば、ポールピース部又は回転軸に設けるエッジの形状は断面三角形状に限られず、断面台形状とすることができる。また、磁性材料は磁性ステンレス鋼に限られない。
The present invention has been described with reference to the preferred embodiments. However, the present invention is not limited to the embodiments, and various modifications can be made within the scope of the invention described in the claims.
For example, the shape of the edge provided on the pole piece part or the rotating shaft is not limited to the triangular cross section, and may be a trapezoidal cross section. The magnetic material is not limited to magnetic stainless steel.
1.磁性流体シール装置、2.隔壁(他の機器)、3.ボルト穴、4.ハウジング、
5.フランジ(取付部)、6a,6b.軸受、7.回転軸、8.凹部(溝部)、
9.永久磁石、11.底部分、12.ポールピース部、13.エッジ、14.磁性流体、
21.磁性流体シール装置、22.ポールピース部、23.エッジ、24.ハウジング、
25.フランジ、26a,26b.軸受、28.凹部(溝部)、29.磁石、
31.底部分、32.キャップ部材、33.止めリング、41.磁性流体シール装置、
42.ポールピース部、44.ハウジング、48.凹部(溝部)、
51.磁性流体シール装置、58.凹部(溝部)、61.底部、
71.磁性流体シール装置、72.ポールピース部
1. 1. Magnetic fluid sealing device; 2. Bulkhead (other equipment); Bolt holes, 4. housing,
5. Flange (mounting part), 6a, 6b. 6. bearings; Rotation axis, 8. Recess (groove),
9. Permanent magnets, 11. Bottom portion, 12. Pole piece part, 13. Edge, 14. Magnetic fluid,
21. Magnetic fluid sealing device, 22. Pole piece section, 23. Edge, 24. housing,
25. Flange, 26a, 26b. Bearings, 28. Recess (groove), 29. magnet,
31. Bottom portion, 32. Cap member, 33. Stop ring, 41. Magnetic fluid sealing device,
42. Pole piece section, 44. Housing, 48. Recess (groove),
51. Magnetic fluid sealing device, 58. Recess (groove), 61. bottom,
71. Magnetic fluid sealing device, 72. Pole piece part
Claims (4)
前記ハウジングは、他の機器に取り付けられる取付部と、前記軸部材の外周面に間隙をあけて対向するポールピース部とを有しており、
前記ポールピース部と前記軸部材との間に磁界を形成する磁石が前記ハウジングに設けられており、
前記磁界の作用により前記ポールピース部と前記軸部材とに磁気的に吸着する磁性流体が前記ポールピース部と前記軸部材の外周面との間に設けられており、
前記ポールピース部と前記取付部は同一の磁性材料によって1つの部材として一体に形成されている
ことを特徴とする磁性流体シール装置。 It has a housing that supports the shaft member by a bearing provided inside,
The housing has an attachment part attached to another device, and a pole piece part facing the outer peripheral surface of the shaft member with a gap therebetween,
A magnet that forms a magnetic field between the pole piece portion and the shaft member is provided in the housing,
A magnetic fluid that is magnetically attracted to the pole piece portion and the shaft member by the action of the magnetic field is provided between the pole piece portion and the outer peripheral surface of the shaft member,
The magnetic fluid seal device according to claim 1, wherein the pole piece portion and the attachment portion are integrally formed as one member with the same magnetic material.
前記ハウジングのポールピース部には前記磁石を入れるための有底の凹部が設けられており、該凹部の底部分における前記ハウジングの厚さは、前記底部分が前記磁石の磁力によって実質的に磁気的に飽和する厚さである
ことを特徴とする磁性流体シール装置。 The magnetic fluid seal device according to claim 1,
The pole piece portion of the housing is provided with a bottomed recess for receiving the magnet, and the thickness of the housing at the bottom portion of the recess is substantially magnetized by the magnetic force of the magnet. The magnetic fluid sealing device is characterized in that the thickness is saturated.
前記ポールピース部における前記軸部材の外周面に対向する面又は前記ポールピース部に対向する前記軸部材の外周面に、前記磁性流体を強力に吸着するために磁場を集中させるための複数の凸部を設けたことを特徴とする磁性流体シール装置。 In the magnetic fluid sealing device according to claim 1 or 2,
A plurality of protrusions for concentrating a magnetic field to strongly adsorb the magnetic fluid on a surface of the pole piece portion facing the outer peripheral surface of the shaft member or an outer peripheral surface of the shaft member facing the pole piece portion. A magnetic fluid seal device comprising a portion.
前記軸受は前記軸部材の中心軸線が延びる方向に関して前記取付部の一方の側に設けられ、前記磁石は前記軸部材の中心軸線が延びる方向に関して前記取付部の反対側に設けられ、当該反対側には軸受は設けられず、前記ポールピース部の一部は前記取付部に対応するハウジングの内部に設けられることを特徴とする磁性流体シール装置。 In the magnetic fluid seal device according to any one of claims 1 to 3,
The bearing is provided on one side of the mounting portion with respect to the direction in which the central axis of the shaft member extends, and the magnet is provided on the opposite side of the mounting portion in the direction in which the central axis of the shaft member extends. No magnetic bearing is provided, and a part of the pole piece portion is provided inside a housing corresponding to the mounting portion.
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