JP5312876B2

JP5312876B2 - 回転部の軸受け装置及びそれを用いたポンプ

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Publication number: JP5312876B2
Application number: JP2008219327A
Authority: JP
Inventors: 久男北條
Original assignee: Vacuum Products Corp
Current assignee: Vacuum Products Corp
Priority date: 2008-08-28
Filing date: 2008-08-28
Publication date: 2013-10-09
Anticipated expiration: 2028-08-28
Also published as: JP2010053947A

Description

本発明は、ラジアル軸受け及びスラスト軸受けを含む回転部の軸受け装置及びそれを用いたポンプに関する。

ラジアル軸受け及びスラスト軸受けとして、ベアリング等のように機械的接触に頼った軸受け以外に、流体軸受け、気体軸受けまたは磁気軸受等の非接触な軸受けが知られている。

軸とそれに挿通されるスリーブのラジアル方向及び軸受けを流体軸受けにて形成することは、例えば特許文献１に開示されている。気体を用いた動圧軸受けは、特許文献２に開示されている。磁気軸受けとして、スラスト方向の軸受けが特許文献３−５に開示されている。
特開２００７−１３９１９９号公報特開２００７−１７０５７８号公報特開平１１−２３００８６号公報特公平７−８５６３８号公報特開２００３−９７５５５号公報

特許文献１の技術では、特許文献１の図１に示すように、軸（２８）とスリーブ（２６）との隙間に循環油等の循環流体（６２）を圧送するものであるので、油による汚染は避けられない。

特許文献２の技術では、特許文献２の図１に示すように、ラジアル軸受け（Ｒ）は、軸（６１）に動圧溝（Ｒａ，Ｒｂ）を形成して、軸（６１）と筒部（５０）との間の隙間に空気による動圧を発生させている。このラジアル軸受けは気体による動圧軸受けを利用した非接触軸受けである。しかし、スラスト軸受け（Ｓ）は、筒部（５０）の底部（５２）に半球面状の凸部を設け、軸端部を凸部に点接触させるピボット型軸受けであり、非接触軸受けではない。

特許文献３−５には、スラスト方向に磁気軸受けを採用することで、スラスト方向で非接触にて軸受けしている。特許文献３に示すスラスト軸受け（１１）は、特許文献３の図１に示すように、主軸（４）の一端に主軸（４）よりも大径のターゲットディスク（９）を設け、その両面側に所定の間隔をあけて電磁石（１０ａ，１０ｂ）を配置したものである。この場合、電磁石（１０ａ，１０ｂ）の電気的制御が必要であると共に、大径のターゲットディスク（９）は装置の小型化を阻む。また、特許文献３では、緊急用ベアリング（２１，２２）を配置する必要があるため、完全な非接触軸受けは実現できない。

特許文献４に示すスラスト軸受け（５）は、特許文献４の図１、図３または図４に示すように、軸（１）に磁性体または永久磁石（５１）を設け、それと対向する周囲にコア付きコイルまたはソレノイド等の複数の磁力部（５２，５２ａ，５２ｂ）をリング状またはスパイラル状に設けたものである。そして、複数の磁力部（５２，５２ａ，５２ｂ）を独立して、増磁または減磁させ、あるいは励磁または消磁させることで、軸（４）をスラスト方向に駆動しながら非接触軸受けを実現している。特許文献５に示すスラスト軸受けも特許文献４と同様であり、特許文献５の図１に示すように、回転軸（３）に永久磁石（１ａ）を配置し、それと対向する周囲にヨーク（６）で磁気結合された複数のボイスコイル（５ａ，５ｂ）を配置している。そして、ボイスコイル（５ａ，５ｂ）に流す電流を制御することで、回転軸（３）のスラスト方向の位置制御を高精度に行なうことを可能としている。

しかし、特許文献４，５のいずれも、回転軸は水平であり、スラスト方向には回転軸の荷重が作用せず、しかも、コイル等に流す電流制御が必須である。

本発明の目的は、電流制御が不要であり、かつ、スラスト方向でフリーである被回転駆動部のスラスト荷重と吊り合った力を作用させながらスラスト方向の軸受けを行うことができる回転部の軸受け装置及びそれを用いたポンプを提供することにある。

本発明の一態様に係る回転部の軸受け装置は、
軸と、
前記軸に挿通される円筒部材と、
前記軸及び前記円筒部材の一方が固定されたガイド部材とされ、前記軸及び前記円筒部材の他方を含んで被回転駆動部が形成され、前記被回転駆動部を回転駆動する回転駆動部と、
前記被回転駆動部の回転時に前記軸と前記円筒部材との隙間に気体圧を発生させて、前記軸と前記円筒部材とをラジアル方向にて非接触に維持する少なくとも一つのラジアル軸受けと、
前記軸及び前記円筒部材の一方にて、スラスト方向に沿って間隔をおいて、かつ、スラスト方向でＮ極とＳ極の異極同士が隣り合うように配置された複数の永久磁石リングを含む第１部材と、前記軸及び前記円筒部材の他方にて、前記第１部材に対向して配置されて磁性を帯びる第２部材とを含み、スラスト方向にてフリーの前記被回転駆動部を、該被回転駆動部のスラスト方向の荷重と吊り合ったスラスト方向での所定位置に維持する少なくとも一つのスラスト軸受けと、
を有することを特徴とする。

本発明の一態様によれば、被回転駆動部をガイド部材に対してラジアル方向でもスラスト方向でも非接触で支持することができる。つまり、ラジアル軸受けでは、回転時に軸と円筒部材との隙間に気体圧を発生させて軸受けすることができる。スラスト軸受けでは、磁気軸受により、スラスト方向にてフリーの被回転駆動部を、該被回転駆動部のスラスト方向の荷重と吊り合ったスラスト方向での所定位置に維持することができる。つまり、鉛直方向に荷重（軸が鉛直である場合には自重）が作用する被回転駆動部に対して、その荷重と吊り合った力をスラスト方向に発生させて、非接触での軸受けを可能とした。しかも、スラスト軸受けは電磁石でなく永久磁石を用いているので、電流制御も不要である。このように、ラジアル方向及びスラスト方向にて非接触な軸受けとしたので、軸受けにて発生する熱は自然空冷により放熱させることができる。

本発明の一態様では、前記回転駆動部は、前記軸をガイド部材とし、前記軸の周りで前記被回転駆動部である前記円筒部材を回転駆動することができる。軸をガイド部材とした時、被回転駆動部は軸に挿通させるだけでよく、スラスト方向の位置決めは永久磁石を用いたスラスト軸受けにて行なうことができる。よって、組立が極めて簡易になる。

本発明の一態様では、前記第２部材を磁性体とすることができ、磁気吸引力を増大させたい時には永久磁石を用いることもできる。

本発明の一態様では、前記第１部材は、前記永久磁石の各々が、周方向の各位置で連続的にスラスト位置が異なるようにスラスト方向に対して傾斜したリング状に形成され、
前記第２部材は、前記軸の直径方向にて対向する一方の位置にて、周方向の一部に亘ってスラスト方向にそれぞれ配置された複数の永久磁石と、前記軸の直径方向にて対向する他方の位置にて周方向の他の一部に亘って配置された磁性体とを含むことができる。こうすると、前記回転駆動部の駆動に従い、スラスト方向にて変化する前記所定位置に従って前記被回転駆動部を往復動させることができる。

本発明の一態様では、スラスト方向にて隣り合う２つのラジアル軸受けの間に、前記少なくとも一つのスラスト軸受けを配置することができる。こうすると、少なくとも一つのスラスト軸受けの両側にラジアル軸受けを配置することができ、軸受け動作がより安定する。

本発明の一態様では、前記第１部材に設けられる前記複数の永久磁石は、スラスト方向にて隣り合う２つが異極同士と同極同士とを交互に繰り返す配置関係にて配置することができる。こうすると、スラスト方向にて隣り合う２つが異極同士のみである場合と比較して、閉鎖磁気回路を形成しやすくなり、スラスト方向に発生する力を増大できる。また、スラスト方向での漏れ磁界も低減できる。

本発明の一態様では、前記少なくとも一つのラジアル軸受けは、前記回転駆動部の回転時に前記軸と前記円筒部材との隙間に動圧を発生させて、前記軸と前記円筒部材とをラジアル方向にて非接触に維持し、
前記軸受け装置はさらに、
タンクと、
前記少なくとも一つのラジアル軸受けにて発生した動圧を前記タンクに導く第１流路と、
前記タンク内の動圧を前記少なくとも一つのラジアル軸受けに戻し供給する第２流路と、
前記回転駆動部の少なくとも回転停止時に前記タンクを前記第２流路と連通させる弁と、
を有することができる。

こうすると、動圧が少なくなる回転停止付近や、あるいは動圧が発生しない回転停止時に、ラジアル軸受けを動圧軸受けから静圧軸受けに切り替えることができる。

本発明の他の態様は、上述した回転部の軸受け装置を含むポンプを定義している。

以下、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお以下に説明する本実施形態は特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではなく、本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。

（複合型ポンプ）
図１は、本実施形態に係る回転部の軸受け装置を含む真空ポンプ、例えば複合型ポンプの断面図である。この複合型ポンプ１０は、第１ケーシング２０と第２ケーシング３０とをボルト４０にて連結した外観形状を有する。第１ケーシング２０は、一端を吸気口２２とし、第１フランジ２４を有する他端を連結口として、吸気口２２から連結口まで連通する第１中空部２６を有する中空筒体である。第２ケーシング３０は、一端に排気ポート３２が連結され、第２フランジ３４を有する他端を連結口とし、外周に冷却フィン３８を有する中空筒体である。第１，第２ケーシング２０，３０は、第１，第２フランジ２４，３４同士を、Ｏリング４２を介してボルト４０にて締結することで気密に連結されている。

第１，第２中空部２６，３６には、軸５０と、この軸５０に挿通される円筒部材６０とが、配置されている。軸５０の端部にはフランジ５２が設けられている。このフランジ５２は、第２ケーシング３０の軸受け壁部３７にＯリング７２を介してボルト７０により気密に締結されている。

円筒部材６０は、第１ケーシング２０の第１中空部２６に位置するように、ねじ溝８１を有する回転体８０をボルト８２にて固定している。ねじ溝８１を有する回転体８０は、ターボ分子ポンプとして機能する。また、円筒部材６０は、第２ケーシング３０の第２中空部３６に位置するようにロータ９２を固着している。ロータ９２の周囲には、第２ケーシング３０に固定されたステータ９４が設けられている。ロータ９２とステータ９４とによりモータ９０が構成される。モータ９０は、ステータ９４のコイルに電流が供給されることで、ステータ９４とロータ９２との相互磁気作用によってロータ９２を回転させる。ロータ９２の回転により円筒部材６０と共に回転体８０が回転され、ねじ溝８１により気体を圧縮して吸気口２２より気体を吸引することができる。

なお、被回転駆動部である円筒部材６０、回転体８０及びロータ９２は、スラスト方向ではフリーであり、後述するスラスト軸受け１１０によってスラスト方向の所定位置に維持される。

この複合型ポンプ１０は、上述のターボ分子ポンプに加えて、排気段側にもう一つのポンプを有するが、これについては後述する。

（回転部の軸受け装置の概要）
図１に示す実施形態では、軸５０が固定されたガイド部材とされ、円筒部材６０とその付属品である回転体８０及びロータ９２にて被回転駆動部が形成され、被回転駆動部６０，８０，９２を回転駆動する回転駆動部がステータ９４である。

軸５０とその廻りを回転する円筒部材６０のための軸受け装置として、少なくとも一つ例えば２つの第１，第２ラジアル軸受け１００Ａ，１００Ｂと、少なくとも一つのスラスト軸受け１１０とが設けられている。本実施形態では、第１，第２ラジアル軸受け１００Ａ，１００Ｂの双方を気体軸受けにて形成している。

また、図１に示すように、スラスト方向にて隣り合う２つの第１，第２ラジアル軸受け１００Ａ，１００Ｂの間に、スラスト軸受け１１０を配置している。本実施形態では、スラスト軸受け１１０を磁気軸受にて形成している。

（ラジアル軸受け）
第１，第２ラジアル軸受け１００Ａ，１００Ｂの各々は、被回転駆動部６０，８０，９２の回転時に軸５０と円筒部材６０との隙間に流体圧を発生させて、軸５０と円筒部材６０とをラジアル方向にて非接触に維持するものである。この種の軸受けとしてグルーブ軸受けが知られている。グルーブ軸受とは、軸または軸受けの表面に多数の溝を設けたもので、回転時に多数の溝にて発生する流体圧にて被回転駆動部を支持するものである。グルーブ軸受けは大別して２種類あり、一つは静圧気体軸受けであり、他の一つは動圧気体軸受けである。本実施形態の第１，第２ラジアル軸受け１００Ａ，１００Ｂの各々はそれら２つのいずれか一つが採用されるが、本実施形態では動圧気体軸受けを採用している。このために、第１，第２ラジアル軸受け１００Ａ，１００Ｂの各々は、図２に示すように、軸５０の外周面に例えばヘリングボーン型の多数の動圧溝１０２を形成して構成している。

軸５０には、フランジ５２に開口する中心孔１０４が形成され、この中心孔１０４は第２ラジアル軸受け１００Ｂを経て第１ラジアル軸受け１００Ａまで達している。この中心孔１０４は、図２に示すIV−IV断面（第１，第２ラジアル軸受け１００Ａ，１００Ｂの２箇所）である図４に示すように、周方向にて複数例えば５つ設けられ、各々がラジアル方向に延びて軸５０の外周面に開口する第１横孔１０５と連通している。

さらに、軸５０には、フランジ５２側の端面５２Ａにて開口する第１偏心孔１０７Ａが、第２ラジアル軸受け１００Ｂの上方位置まで達するように形成されている。軸５０のフランジ５２とは反対側の端面５０Ａにて開口する第２偏心孔１０７Ｂが、第１ラジアル軸受け１００Ａの下方位置まで達するように形成されている。第１，第２偏心孔１０７Ａ，１０７Ｂは、第１ラジアル軸受け１００Ａの下方位置、第２ラジアル軸受け１００Ｂの上方位置及び下方位置の計３箇所にて、軸５０の外周面に開口する第２横孔１０６と連通している。なお、第１偏心孔１０７Ａの下端側は気密シール部材１０７Ｃにより塞がれている（図２参照）。

フランジ５２には、第１偏心孔１０７Ａに連通するバイパス孔１０８が形成され、このバイパイ孔１０８は端面５２Ａにて開口している。なお、フランジ５２には、図２の底面図である図３に示すように、図１に示すボルト７０により軸５０を第２ケーシング３０の軸受け壁部３７と締結するためのねじ孔１０９が複数個形成されている。

（ラジアル軸受けの作用）
先ず、第１，第２ラジアル軸受け１００Ａ，１００Ｂの作用について説明する。モータ９０のうちステータ９４のコイルに通電すると、ロータ９２及びステータ９４間での相互磁気作用により、ロータ９２が回転駆動される。ロータ９２の回転により円筒部材６０と共に回転体８０が回転され、回転体８０の外面に形成されたねじ溝８１によって吸気口２２より気体を吸引して、複合型ポンプ１０のうちのターボ分子ポンプが作動する。

第１，第２ラジアル１００Ａ，１００Ｂでは、軸５０に形成されたヘリングボーン型の多数の動圧溝１０２が、軸５０と円筒部材６０との間の僅かな隙間（例えば５〜１０μｍ）にて露出して回転されることになる。こうすると、空気の粘性に基づくせん断力によって、中心孔１０４から第１横孔１０５を介して、軸５０と円筒部材６０との間の僅かな隙間に空気を引き込み、それによって動圧を発生させる。この動圧は、被回転駆動部としての円筒部材６０を、ガイド部材である軸５０に対してラジアル方向にて非接触で支持する支持力となる。こうして、第１，第２ラジアル軸受け１００Ａ，１００Ｂは、スラスト方向で離れた２箇所にてラジアル軸受けとして機能して、被回転駆動部としての円筒部材６０をラジアル方向にて安定して支持することができる。しかも、非接触軸受けであるので、騒音や磨耗の低減を図ることができ、オイルによる汚染の心配もない。なお、軸５０と円筒部材６０との間の僅かな隙間に引き込まれて動圧を発生させた空気は、第２横孔１０６と偏心孔１０７Ａ，１０７Ｂを介して排気することができる。

（スラスト軸受け）
図１に示すように、第１，第２ラジアル軸受け１００Ａ，１００Ｂの間にて軸５０に形成されるスラスト軸受け１１０は、図２に示すように軸５０の直径を他の箇所よりも小径とされた磁石配列部１１２を有する。この磁石配列部１１２には、図５及び図６に示す第１部材１１３が配置される。この第１部材１１３は、スラスト方向に沿って間隔をおいて、かつ、スラスト方向で異極同士が隣り合うように配置された複数の永久磁石１１４，１１６を含んでいる。永久磁石１１４，１１６は互いに着磁方向が異なり、永久磁石１１４をＳ極リングと称し、永久磁石１１６をＮ極リングと称する。

Ｓ極リング１１４とは、図６に示すように外周面がＳ極で内周面がＮ極となるように着磁されたリング状永久磁石である。Ｎ極リング１１６とは、Ｓ極リング１１４とは着磁方向が異なり、図６に示すように外周面がＮ極で内周面がＳ極となるように着磁されたリング状永久磁石である。なお、Ｓ極リング１１４及びＮ極リング１１６は、軸５０の磁石配列部１１２への取り付け上の便宜等から、周方向で分割された複数の円弧状ピースを、ギャップを介して組み合わせて全体としてリング状とすることができる。このとき、円弧状ピース間のギャップは、周方向での磁場作用に悪影響がない範囲で設定できる。

この第１部材１１３では、スラスト方向隣り合うＳ極リング１１４またはＮ極リング１１６を隔離するために、非磁性体リング１１５を挿入配置することができる。各リング１１４−１１６の厚さＴは例えば１．５ｍｍであり、各リング１１４−１１６のリング部分の幅Ｗ＝（外径−内径）／２は例えば２ｍｍである。

ここで、第１部材１１３では、複数のＳ極リング１１４と複数のＮ極リング１１６とは、スラスト方向にて隣り合う２つが異極同士と同極同士とを交互に繰り返す配置関係にて配置されている。つまり、本実施形態では、スラスト方向にて両端に２つのＳ極リング１１４が配置され、その２つのＳ極リング１１４のそれぞれの内側に２つ、計４つのＮ極リング１１６が配置され、さらにそのＮ極リング１１６の内側に２つのＳ極リング１１４が配置されている。これに代えて、スラスト方向の両端にＮ極リング１１６を配置してもよく、Ｓ極及びＮ極リング１１４，１１６の総数は８個を超える数でも良い。

一方、円筒部材６０には、軸５０に取付けられた第１部材１１３に対して周方向の少なくとも一部にて対向して配置されて磁性を帯びる第２部材１１８が配置されている。この第２部材１１８は、図７に示すように、例えば非磁性体にて形成された円筒部材６０の内面側に配置され、リング状に形成された磁性体１１９を有する。この第２部材１１８をスラスト方向で見ると、図１に示すように、第１部材１１３のうちＳ極リング１１４とＮ極リング１１６とにラジアル方向で対向する各位置にて、スラスト方向で間隔をおいて磁性体１１８が配置されている。

なお、第２部材１１８を磁性体でなく、スラスト方向で分割され、かつ、第１部材１１３と対向して磁気吸引するように着磁された永久磁石としても良い。この場合、第２部材１１８は、Ｓ極リングに対向する位置にＮ極リングが、Ｎ極リングに対向する位置にＳ極リングを配置すれば良い。さらに、第２部材１１８は、リング状に形成せずに、例えば直径方向の線上で相対向する２箇所であって、各箇所にて角度θ（例えばθ＝６０゜）に亘って磁性体または永久磁石１１９を円筒部材６０に配置してもよい。

本実施形態の軸５０と円筒部材６０とは、軸５０のフランジ５２と第２ラジアル軸受け１００Ｂとの間の領域にねじシール部１２０を有する。このねじシール部１２０は、ねじ溝８１を用いたターボ分子ポンプに対して低排気速度となる排出段側の補助ポンプとして機能する。ねじ溝８１を用いたターボ分子ポンプによって圧縮排気された気体は、ねじシール部１２０による補助ポンプにて圧縮され、さらに軸５０の第１横孔１０５及び中心孔１０４を介して、排気ポート３２に排気される。

（ポンプの組立方法とスラスト軸受けの作用）
排気ポート３２とステータ９４が固定された第２ケーシング３０の上方より、第１部材１１３が取付けられた軸５０を挿入する。軸５０の下端のフランジ５２が、第２ケーシング３０の軸受け壁部３７にＯリング７２を介してボルト７０により気密に締結される。

次に、回転体８０及びロータ９２が固定された円筒部材６０が軸５０に上方から挿入され、最後に第１ケーシング２０がＯリング４２を介して第２ケーシング３０とボルト４０により締結されて、複合型ポンプ１０が完成する。

ここで、回転体８０及びロータ９２が固定された円筒部材６０は、軸５０の上方から挿入されるだけで良く、組立は格段に容易である。このとき、円筒部材６０に設けられた第２部材１１８が、軸５０に設けられた第１部材１１３と対向することで、第２部材１１８の磁性体１１９が磁性を帯び、相対向する異極同士が磁気吸引される。このスラスト軸受け１１０の作用により、スラスト方向にてフリーの被回転駆動部６０，８０，９２を、該被回転駆動部６０，８０，９２の自重と吊り合ったスラスト方向での所定位置に維持することができる。

この意味で、本実施形態はスラスト方向を水平方向とするよりもむしろ鉛直方向とするものに好適である。スラスト方向が水平方向であると、被回転部６０，８０，９２の自重は、ラジアル軸受けにて受け持たれるからである。つまり本実施形態は、被回転部６０，８０，９２の自重またはその一部がスラスト方向に作用するように、スラスト方向が鉛直方向であるか、あるいは鉛直方向に対して傾斜してものにも好適である。

スラスト方向での軸受け作用を、図８（Ａ）（Ｂ）を参照して説明する。図８（Ａ）は、第１部材１１３の例えばＳ極リング１１４の中心線ＣＬ１に第２部材１１８の磁性体１１９の中心線が完全に一致した正対状態を示す。磁性体１１９の対向面はＮ極を帯びる。被回転駆動部６０，８０，９２が無荷重であると図８（Ａ）の位置でスラスト位置が決まるが、実際には被回転駆動部６０，８０，９２のスラスト方向の荷重（図１での鉛直荷重である自重）が作用するのでそうならない。図８（Ｂ）は、第１部材１１３のＳ極リング１１４の中心線ＣＬ１に対して、第２部材１１８の磁性体１１９の中心線ＣＬ２が完全正対位置よりも下方に変位量ｄｙだけずれた状態を示している。図８（Ａ）の完全正対位置ではＮ極からＳ極に磁束が流れ易い一方で、図８（Ｂ）では変位量ｄｙだけずれること磁束が流れ難くなり、図８（Ａ）側に復元しようとする復元力Ｆｙが生じている。図８（Ｂ）は、被回転駆動部６０，８０，９２の重量と復元力Ｆｙとが吊り合った状態であり、これにより定常時の被回転駆動部６０，８０，９２のスラスト位置が所定位置に定まる。

図９に示す実線は、図１のスラスト軸受け１１０（磁石の材質：Ｎｄ４２ＢＨ）を用いて計算した、変位量ｄｙと復元力Ｆｙとの関係のシミュレーション結果を示している。同図の実線から明らかなように、変位量ｄｙがある範囲内（図９ではｄｙの最大値１ｍｍまで算出）であれば、復元力Ｆｙは変位量ｄｙに対して比例的に増大している。

ただし、図８（Ｂ）において変位量ｄｙがさらに増大して、例えばＳ極リング１１４と磁性体１１９とが非対向となると、復元力Ｆｙは作用しなくなる。被回転駆動部６０，８０，９２は、定常時には被回転駆動部６０，８０，９２の重量と復元力Ｆｙとが吊り合った状態であり、これにより定常時の被回転駆動部６０，８０，９２の自重と吊り合った所定位置に維持されるため、大きな外力が作用しない限り、変位量ｄｙが１ｍｍにも達することはない。しかし、本実施形態は複合型ポンプ１０に適用したもので、図１の吸気口２２側または排気ポート３２側が一気に大気圧になった非定常時には、被回転駆動部６０，８０，９２に大きな外力が作用することがある。そこで、円筒部材６０の下限・上限ストッパを設けている。

図１０は、ピボット型の下限・上限ストッパの一例を示している。図１０に示すように、図１に示す回転体８０には、その下面に臨んで半球状に形成された第１凹部８４と、その上面に臨んで半球状に形成された第２凹部８６とが設けられている。一方、軸５０の上端には先端が半球面状の下限ストッパ５４が設けられると共に、第１ケーシング２０には下端が半球面状の上限ストッパ２８が設けられている。図１０において、回転体８０のスラスト方向の位置が図８（Ｂ）に示す所定位置であるとすると、第１凹部８４と下限ストッパ５４との間の許容クリアランスＣＬＬと、第２凹部８６と上限ストッパ２８との間の許容クリアランスＣＬＵとは共に例えば１ｍｍに設定されている。

本実施形態では、図６に示すように、スラスト方向で互いに異極（Ｓ−Ｎ）の永久磁石であるＳ極リング１１４及びＮ極リング１１６が隣り合うように、複数の永久磁石リング１１４，１１６を配列している。しかも、スラスト方向にて隣り合う２つが互いに異極（Ｓ−Ｎ）の永久磁石であるＳ極リング１１４及びＮ極リング１１６同士の組と、互いに同極（Ｓ−ＳまたはＮ−Ｎ）の永久磁石であるＳ極リング１１４同士またはＮ極リング１１６同士の組とを、交互に繰り返す配置関係にて配置されている。

図６では、スラスト方向で隣り合う互いに異極（Ｓ−Ｎ）の永久磁石である、４組のうちの各２組のＳ極リング１１４及びＮ極リング１１６と第２部材（磁性体）１１８にて磁気回路が閉鎖されている。この実施形態の第１部材１１３を用いると、図９の実線で示す変位量ｄｙ−復元力Ｆｙの特性を得ることができる。

一方、図６の配置とは異なり、スラスト方向でＮ極とＳ極の異極同士１１４，１１６が必ず隣り合うように、複数の永久磁石リング１１４，１１６を配列することもできる。例えば、Ｓ極リング１１４、Ｎ極リング１１６、Ｓ極リング１１４、Ｎ極リング１１６、…の順で配列することもできる。ただし、この場合には、図６にて破線で示す変位量ｄｙ−復元力Ｆｙの特性となり、実線の特性より復元力Ｆｙは小さくなることが分かった。しかも、スラスト方向の両端側にてＳ極リング１１４の磁気回路が閉じないので、スラスト方向での漏れ磁界も大きくなる。この点で、図６に示す磁石配列の方が優れている。

上述した実施形態によれば、鉛直方向に自重が作用する被回転駆動部６０，８０，９２に対して、その自重と吊り合った力をスラスト方向に発生させて、非接触での軸受けが可能となる。しかも、スラスト軸受け１１０は電磁石でなく永久磁石１１４，１１６を用いているので、電流制御も不要である。このように、ラジアル方向は気体軸受けとし、スラスト方向では磁気軸受として、両方向を非接触な軸受けとしたので、軸受け１００Ａ，１００Ｂ，１１０にて発生する熱は、図１に示す冷却フィン３８による自然空冷により放熱させることができる。

（軸及び円筒部材の変形例）
図１１は、スラスト軸受け１１０の組み立て上の便宜から、軸５０の第１ラジアル軸受け１００Ａの領域を小径部５１に形成している。小径部５１を有する図１１に示す軸５０が図２とさらに異なる点は、スラスト軸受け１１０を形成する８個の永久磁石１１４，１１６を軸５０に挿入した後、その上端に抜け止めのＣリング５１Ａを圧入した点である。よって、図２に示す軸５０を用いた場合のように、８個の永久磁石１１４，１１６を円周方向で半割りピース状として装着しなくても良い。図１１に示す円筒部材６０は、Ｃリング５１Ａと干渉しないための逃げ孔６１を有すると共に、軸５０の小径部５１にフィットさせるための厚肉部６２を有する。

（ポンプの変形例）
図１２は、図１とは異なるターボ分子ポンプ１３０を示している。図１２に示すターボ分子ポンプ１３０が図１と異なる点は、排気ポート３２が第２ケーシング３０の第２中空部３６に連通して第２ケーシング３０の側面に取付けられている点である。この場合、図１に示すねじシール部１２０に代えて隙間シール部１３２が形成されている。このため、軸５０と円筒部材６０の下端側では、軸５０と円筒部材６０との間の隙間が隙間シール部１３２によって気密にシールされ、排気ルートとは機能しない。つまり、図１２のターボ分子ポンプ１３０は回転体８０の回転によるターボ分子ポンプみのとして機能し、図１に示すねじシール部１２０による補助ポンプを有していない。

（往復動させるスラスト軸受けとそれを用いたポンプ）
本実施形態では、スラスト軸受け１１０における第１，第２部材１１３，１１８を変更することで、被回転駆動部６０，８０，９２を回転させながら往復動させることもできる。図１３は、軸５０、円筒部材６０、第１，第２ラジアル軸受け１００Ａ，１００Ｂを有する点で上述の実施形態と同じである。図１３に示すスラスト軸受け１４０が上述したスラスト軸受け１１０と異なっている。

図１３に示すスラスト軸受け１４０は、軸５０に固定される第１部材１４２として、上述のＳ極リング１１４とＮ極リング１１６をスラスト方向に対して傾斜させたＳ極リング１４４とＮ極リング１４６とした。つまり、Ｓ極リング１４４とＮ極リング１４６との各永久磁石は、周方向の各位置で連続的にスラスト位置が異なるように形成されている。

円筒部材６０に固定される第２部材１５０は、本実施形態では軸５０の一直径方向にて対向する一方の位置に、着磁方向が異なる２種の永久磁石１５２，１５４を有し、他方の位置に磁性体１５６を有する。一方の永久磁石１５２は第１部材１４２のＳ極リング１４４と対向して配置されるＮ極ピースであり、他方の永久磁石１５４は第１部材１４２のＮ極リング１４６と対向して配置されるＳ極ピースである。

図１３に示すスラスト軸受け１４０でも、図８（Ｂ）にて説明したスラスト軸受け機能を担保できる。これに加えて、スラスト軸受け１４０は、円筒部材６０の回転駆動に従い円筒部材６０をスラスト方向にて往復動させることができる。この理由は、Ｓ極リング１４４及びＮ極リング１４６は、周方向の各位置で連続的にスラスト位置が異なるように傾斜しているからであり、回転されるＳ極ピース１５２及びＮ極ピース１５４は固定されたＳ極リング１４４及びＮ極リング１４６に従ってスラスト方向に変位するからである。なお、第２部材１５０のうちの磁性体１５６は、スラスト方向の駆動力を生ずるというよりもむしろ、対向する永久磁石１５２，１５４と協働して軸５０をラジアル方向で軸受けすることが主たる機能となる。

図１４は、図１３と同様に回転案内かつ往復動させるスラスト軸受け１４０の配置を変更した者である。上述した実施形態では、スラスト方向にて隣り合う２つのラジアル軸受け１００Ａ，１００Ｂの間にスラスト軸受け１１０，１４０を配置したが、これに限定されない。図１４では、スラスト軸受け１４０が軸５０の最端部に配置されて、スラスト軸受けの組立性を改善している。

（回転案内かつ往復動させる軸受けを利用したポンプ）
図１５は、回転するピストンを往復動させて気体通路の連通／遮断が可能なポンプを示している。この種のポンプは、特開平６−１２９３５４に開示されているが、図１５は本実施形態に係るスラスト軸受け１４０を用いて同一機能を実現したものである。

図１５において、吸気口１６２Ａと排気口１６２Ｂを有するシリンダ室１６２に中央部が配置される回転軸１６４は、その一端にロータ１６６が固定されて、ステータ１６８に通電することで回転駆動される。この回転軸１６４は、シリンダ室１６２に固定された２つの筒体１７０，１７２との間で動圧を発生させる２つのラジアル軸受け１００Ａ，１００Ｂにより支持されている。回転軸１６４の他端にはスラスト軸受け１８０が設けられている。

スラスト軸受け１８０は、第１部材１４２として図１３及び図１４と同じものを使用できるが、本実施形態の第１部材１４２では計５個の永久磁石１４４，１４６であって、３個のＳ極リング１４４と２個のＮリング１４６とをスラスト方向で交互に配置している。また、第２部材１５０として、３個のＳ極リング１４４と対向する３個のＮ極ピース１５２と、Ｎ極リング１４６と対向する２個のＳ極ピース１５４とを有する。Ｎ極、Ｓ極ピース１５２，１５４は、図１６に示すように円周方向で角度θ（例えばθ＝６０゜）の範囲に亘って形成されている。また、このＮ極、Ｓ極ピース１５２，１５４と軸１６４の直径方向にて対向して同角度θ（例えばθ＝６０゜）の範囲に亘って、かつ、スラスト方向に沿って磁性体１５６が設けられている。このような配置は、図１３及び図１４も同様である。被回転部を往復駆動する場合には、第２部材１５０として永久磁石を全周に配置するとスラスト方向の駆動力が発生しないからである。よって、第２部材１５０としての永久磁石１５２，１５４は、周方向の一部にのみ設ければ良い。これら永久磁石１５２，１５４及び磁性体１５６は、固定リング部材１８２に固定されている。

２つの筒体１７０，１７２の間に形成された空間に位置するように、軸１６４には段付きピストン１９０が固着されている。ロータ１６６及びステータ１６８により回転駆動され、かつ、スラスト軸受け１８０により往復動される回転軸１６４と一体的に、段付きピストン１９０は回転かつ往復動される。

この段付きピストン１９０の端面と２つの筒体１７０，１７２との間に４つのピストン室１９２，１９４，１９６，１９８が形成される。また、筒体１７２等には周方向の一部に気体通路１７４が形成されている。この他、必要な部材は省略しているが、段付きピストン１９０を回転かつ往復動することで、特開平６−１２９３５４に開示された原理と同様にして、吸気口１６２Ａからの気体を、第１〜第４のピストン室１９２，１９４，１９６，１９８を経て排気口１６２Ｂにポンプ排気することができる。

（回転停止時での動圧軸受けから静圧軸受けへの切り替え）
ラジアル軸受け１００Ａ，１００Ｂとして動圧軸受けを採用した場合、回転停止時及びその付近では発生する動圧が弱くなり、ラジアル軸受けとして機能しなくなる。そこで、少なくとも回転停止時には動圧軸受けから静圧軸受けに切り替えることができる。例えば図１に示す実施形態において、図１７に示すように、軸５０の偏心孔１７０Ａ及びバイパス孔１０８に接続される第１配管２００と、第１配管２００に接続されたタンク２０２と、タンク２０２に接続された第２配管２０４と、軸５０の中心孔１０４に接続される第３配管２０６と、第３配管２０６途中に設けられた弁２０８とをさらに設ける。弁２０８は、通常時は中心孔１０４からのポンプ出力を排気するが、回転停止時付近では例えば信号Ｓに基づいて切り替えられて、第３配管２０６の大気開放口を閉鎖し、第２配管２０４と第３配管２０６とを接続する。

軸５０の回転中では、第１のラジアル軸受け１００Ａにて発生した動圧が、第２横孔１０６、偏心孔１０７Ａ、バイパス孔１０８及び第１配管２００（第１流路）を介してタンク２０２に導かれる。第２のラジアル軸受け１００Ｂにて発生した動圧は、軸５０と円筒部材６０との隙間を介して第２のラジアル軸受け１００Ｂに達し、同様にしてタンク２０２に導かれる。

軸５０の回転が停止される際には、タンク２０２内の圧力をラジアル軸受け１００Ａ，１００Ｂに戻し供給する第２流路が確立する。つまり、弁２０８が信号Ｓに基づいて切り替えられ、第３配管２０６の大気開放口を閉鎖し、第２配管２０４と第３配管２０６とを接続する。こうすると、タンク内の圧力は、第２配管２０４、弁２０８、第３配管２０６、中心孔１０４及び第１横孔１０５を介して、ラジアル軸受け１００Ａ，１００Ｂに供給されることになる。よって、回転停止時に低下したラジアル軸受け１００Ａ，１００Ｂでの動圧は、タンク２０２からの圧力によって補填され、ラジアル軸受け１００Ａ，１００Ｂを静圧軸受けとして機能させることができる。

なお、回転停止時での動圧軸受けから静圧軸受けへの切り替えは、図１７のように構成するものの他、別途に用意したガスをラジアル軸受け１００Ａ，１００Ｂに供給するものであってもよい。

なお、上記のように本実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できるものである。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。例えば、明細書又は図面において、少なくとも一度、より広義または同義な異なる用語と共に記載された用語は、明細書又は図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えることができる。

本発明が適用されるターボ分子ポンプの概略断面図である。図１に示すターボ分子ポンプの軸を示す図である。図１に示す軸の底面図である。図２に示すIV−IV断面図である。図１に示す軸に第１部材を取付けた状態を示す図である。図５に示す第１部材を示す図である。図１に示す第２部材を示す図である。図８（Ａ）は第１，第２部材が完全に正対した状態を、図８（Ｂ）は第１，第２部材がセンターずれして対向した状態をそれぞれ示す図である。第１，第２部材の変位量とそれに応じて発生する復元力との関係を示す特性図である。被回転駆動部の下限・上限ストッパを示す図である。図２に示す第１ラジアル軸受けの領域を小径部に形成した軸の変形例を示す図である。図１とは異なるターボ分子ポンプを示す図である。被回転駆動部である円筒部材を回転させながら軸方向に往復動させるスラスト軸受けを示す図である。図１３に示す第１，第２ラジアル軸受けとスラスト軸受けの配置を変更した変形例を示す図である。図１４に示すスラスト軸受けを用いた、回転するピストンを往復動させて気体通路の連通／遮断が可能なポンプを示す図である。図１５に用いられるスラスト軸受けを説明する図である。回転停止時にラジアル軸受けを動圧軸受けから静圧軸受けへ切り替えるための構成を示す図である。

符号の説明

１０複合型ポンプ、２０第１ケーシング、２２吸気口、２４第１フランジ、２６第１中空部、２８上限ストッパ、３０第２ケーシング、３２排気ポート、３４第２フランジ、３６第２中空部、３７軸受け壁部、３８冷却フィン、４０ボルト４２Ｏリング、５０軸、５１小径部、５１ＡＣリング、５０Ａ端面、５２フランジ、５２Ａ端面、５４下限ストッパ、６０円筒部材、６２厚肉部、７０ボルト、７２Ｏリング、８０回転体（ターボ分子ポンプ）、８１ねじ溝、８２ボルト、８４第１凹部、８６第２凹部、９０モータ、９２ロータ、９４ステータ、１００Ａ，１００Ｂ第１，第２ラジアル軸受け、１０２ヘリングボーン溝、１０４中心孔、１０５第１横孔、１０６第２横孔、１０７Ａ，１０７Ｂ第１，第２偏心孔、１０８バイパス孔、１１０スラスト軸受け、１１２磁石配列部、１１３第１部材、１１４Ｓ極リング、１１５非磁性体リング、１１６Ｎ極リング、１１８第２部材、１１９磁性体、１２０ねじシール部、１３０ターボ分子ポンプ、１３２隙間シール部、１４０スラスト軸受け、１４２第１部材、１４４傾斜したＳ極リング、１４６傾斜したＮ極リング、１５０第２部材、１５２，１５４永久磁石、１５６磁性体、１６０ドライポンプ、１６２シリンダ室、１６４回転軸、１６６ロータ、１６８ステータ、１７０，１７２筒体、１７４気体通路、１８０スラスト軸受け、１９０段付きピストン、１９２，１９４，１９６，１９８第１〜第４ピストン室、２００，２０４，２０６第１〜第３配管、２０２タンク、２０８弁

Claims

軸と、
前記軸に挿通される円筒部材と、
前記軸及び前記円筒部材の一方が固定されたガイド部材とされ、前記軸及び前記円筒部材の他方を含んで被回転駆動部が形成され、前記被回転駆動部を回転駆動する回転駆動部と、
前記被回転駆動部の回転時に前記軸と前記円筒部材との隙間に気体圧を発生させて、前記軸と前記円筒部材とをラジアル方向にて非接触に維持する少なくとも一つのラジアル軸受けと、
前記軸及び前記円筒部材の一方にて、スラスト方向に沿って間隔をおいて、かつ、スラスト方向でＮ極とＳ極の異極同士が隣り合うように配置された複数の永久磁石リングを含む第１部材と、前記軸及び前記円筒部材の他方にて、前記第１部材に対向して配置されて磁性を帯びる第２部材とを含み、前記第１部材と前記第２部材との間に磁気吸引力を作用させて、スラスト方向にてフリーの前記被回転駆動部を、該被回転駆動部のスラスト方向の荷重と吊り合ったスラスト方向での所定位置に維持する少なくとも一つのスラスト軸受けと、
を有し、
前記第１部材は、前記複数の永久磁石リングの各々が、周方向の各位置で連続的にスラスト位置が異なるようにスラスト方向に対して傾斜したリング状に形成され、
前記第２部材は、前記軸の直径方向にて対向する一方の位置にて、周方向の一部に亘ってスラスト方向にそれぞれ配置された複数の永久磁石と、前記軸の直径方向にて対向する他方の位置にて周方向の他の一部に亘って配置された磁性体とを含み、
前記回転駆動部の駆動に従い、スラスト方向にて変化する前記所定位置に従って前記被回転駆動部を往復動させることを特徴とする回転部の軸受け装置。
請求項１において、
前記回転駆動部は、前記軸をガイド部材とし、前記軸の周りで前記被回転駆動部である前記円筒部材を回転駆動することを特徴とする回転部の軸受け装置。
請求項１または２において、
スラスト方向にて隣り合う２つのラジアル軸受けの間に、前記少なくとも一つのスラスト軸受けを配置したことを特徴とする回転部の軸受け装置。
請求項１乃至３のいずれかにおいて、
前記少なくとも一つのラジアル軸受けは、前記回転駆動部の回転時に前記軸と前記円筒部材との隙間に動圧を発生させて、前記軸と前記円筒部材とをラジアル方向にて非接触に維持し、
前記軸受け装置はさらに、
タンクと、
前記少なくとも一つのラジアル軸受けにて発生した動圧を前記タンクに導く第１流路と、
前記タンク内の動圧を前記少なくとも一つのラジアル軸受けに戻し供給する第２流路と、
前記回転駆動部の少なくとも回転停止時に前記タンクを前記第２流路と連通させる弁と、
を有することを特徴とする回転部の軸受け装置。
請求項１乃至４のいずれかに記載の回転部の軸受け装置を含むことを特徴とするポンプ。