JP5919745B2 - 真空ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、永久磁石およびボールベアリングを軸受に用いた真空ポンプに関する。

ターボ分子ポンプの軸受機構には、ボールベアリングのみを使用する構造、ボールベアリングと永久磁石とを用いる構造、電磁石のみを用いた磁気軸受構造などがある。ボールベアリングと永久磁石とを用いる構造のターボ分子ポンプとして、特許文献１に記載のような構成が知られている。

一般的に、ターボ分子ポンプの回転周波数は、回転体の共振周波数（2次の危険速度）よりも高い周波数であるため、ポンプ起動および停止時には、この共振周波数（危険速度）を通過させる必要がある。共振周波数を通過する際には回転体が振動するが、電磁石を用いる軸受の場合にはアクティブに回転軸の振動を制御できる。しかし、永久磁石、ボールベアリングを用いる構成の場合にはアクティブに振動を制御することができない。そのため、特許文献１に記載の技術では、ボールベアリングが設けられている部分に振動を減衰させるためのダンパを設置するようにしている。

再公表特許２００６−００１２４３号公報

ところで、永久磁石とボールベアリングとを用いて回転体を支持する構成のターボ分子ポンプの場合には、危険速度を通過する際に永久磁石の部分での回転体の振れ回りが大きい。そのため、特許文献１に記載のような、ベアリング外周の軸方向中央部分をＯリングで支持する構成を採用した場合、回転軸が容易に傾きやすく制震効果が損なわれやすい。また、特許文献１に記載のダンパ機構では、ボールベアリングの外側に二重構造のスリーブを設け、Ｏリングを介して設けられた２つのスリーブの間にゲルを配置する構造が採用されており、構造が複雑で部品点数が多くなるという問題もある。

請求項１の本発明は、排気機能部が形成されたロータをボールベアリングと永久磁石式磁気軸受とで支持し、ロータをモータにより高速回転させて真空排気する真空ポンプにおいて、ボールベアリングの外輪を軸方向から挟持し、該外輪を径方向に移動可能に保持する保持機構と、ポンプベースに形成され、保持機構が収納されるハウジングと、ハウジング内において、外輪の外周側に近接して設けられた弾性部材と、を備え、弾性部材は、隙間を介して外輪の外周を囲むように設けられたリング状の弾性部材であって、少なくとも隙間にオイルまたはグリスが注入されており、外輪が径方向へ振動すると隙間に注入されているオイルまたはグリスのみがダンパとして作用し、外輪の径方向への振動が大きい際にはオイルまたはグリスに加えて前記弾性部材もダンパとして機能することを特徴とする。
請求項２の本発明は、請求項１に記載の真空ポンプにおいて、弾性部材の外周とハウジングとの間に形成された外周側隙間と、外周側隙間に注入されたオイルまたはグリスと、を備えたことを特徴とする。
請求項３の本発明は、請求項１または２に記載の真空ポンプにおいて、弾性部材を金属で形成したことを特徴とする。
請求項４の本発明は、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の真空ポンプにおいて、保持機構は、外輪の軸方向両端に配設される一対の押さえ板と、一対の押さえ板の各々とハウジングとの間に配設された弾性的支持部材と、を有することを特徴とする。
請求項５の本発明は、排気機能部が形成されたロータをボールベアリングで支持し、ロータをモータにより高速回転させて真空排気する真空ポンプにおいて、ボールベアリングの外輪を軸方向から挟持し、該外輪を径方向に移動可能に保持する保持機構と、ポンプベースに形成され、保持機構が収納されるハウジングと、ハウジング内において、外輪の外周側に近接して設けられた弾性部材と、を備え、弾性部材は、隙間を介して外輪の外周を囲むように設けられたリング状の弾性部材であって、少なくとも隙間にオイルまたはグリスが注入されており、外輪が径方向へ振動すると隙間に注入されているオイルまたはグリスのみがダンパとして作用し、外輪の径方向への振動が大きい際にはオイルまたはグリスに加えて弾性部材もダンパとして機能することを特徴とする。

本発明によれば、永久磁石式磁気軸受とボールベアリングとによりロータを支持する真空ポンプにおいて、構造が複雑になるのを抑えつつ制震性能の向上を図ることができる。

ターボ分子ポンプの一実施の形態を示す断面図である。 ボールベアリング８の部分の拡大図である。 第１の変形例を示す図である。 第２の変形例を示す図である。 第３の変形例を示す図である。 第４の変形例を示す図である。

以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。図１は本発明に係る真空ポンプの一実施形態を示す図であり、ターボ分子ポンプの断面図である。ロータ３には排気機能部として回転翼３０と円筒部３１とが形成されている。回転翼３０に対応しては、固定翼２０が設けられている。なお、円筒部３１に対応して固定筒が固定側排気機能部として設けられているが、図１では図示を省略した。

ロータ３はシャフト１に締結されており、そのシャフト１はモータ４により回転駆動される。シャフト１が締結されたロータ３は、永久磁石６，７を用いた磁気軸受とボールベアリング８とにより回転自在に支持されている。ボールベアリング８には、例えば、アンギュラコンタクト玉軸受が用いられる。円筒状の永久磁石６はロータ３に固定されている。一方、固定側の永久磁石７は磁石ホルダ１１に保持され、永久磁石６の内周側に対向配置されている。

磁石ホルダ１１は、ポンプケーシング１０のフランジ部分に固定されている。図１に示す例では、磁石ホルダ１１の梁部分と固定翼２０の位置決めを行うスペーサリング５とが、ポンプケーシング１０のフランジ部とベース２との間に挟持されるように保持されている。磁石ホルダ１１の中央には、ボールベアリング９を保持するベアリングホルダ１３が固定されている。

ボールベアリング９はシャフト上部のラジアル方向の振れを制限するために設けられているものであり、ボールベアリング９の内輪とシャフト１との間には隙間が形成されている。この隙間の寸法は、永久磁石６，７間の隙間寸法より小さく設定されている。これにより、危険速度通過時にロータ３が振れ回った際に、永久磁石６，７同士が接触するのを防止している。

図２は、シャフト１の下部に設けられているボールベアリング８の部分の拡大図である。ボールベアリング８はシャフト１の下端に形成された軸部に装着されており、ナット４０によって内輪８０が固定されている。一方、ボールベアリング８の外輪８１は、ベース２に形成された凹部２２（以下では、ハウジング２２と呼ぶことにする）内に固定されている。

ハウジング２２において、外輪８１は一対の押さえ板４４，４５によって軸方向に挟持されており、ハウジング２２と押さえ板４５との間、および、ハウジング蓋２１と押さえ板４４との間には、弾性支持部材４２がそれぞれ配設されている。ハウジング蓋２１はボルト等によりベース２に固定されている。弾性支持部材４２にはバネのような弾性的な金属部材やゴム等が用いられる。また、形状に関してはリング状の弾性支持部材４２を用いても良いし、間隔を空けて複数の弾性支持部材４２をリング状に配設しても良い。

このように、外輪８１は保持機構（押さえ板４４，４５、弾性支持部材４２）によってハウジング２２に弾性的に支持されており、ボールベアリング８の径方向の振動が可能な構造となっている。例えば、弾性支持部材４２のゴムを用いた場合、弾性支持部材４２を軸方向に関して扁平形状とすることで、ボールベアリング８の傾きを防止しつつ、径方向の摺動が可能となる。

ハウジング２２内には、外輪８１の外周面に接触するようにリング状の弾性部材４１が設けられている。押さえ板４４，４５で挟持された外輪８１は、弾性部材４１、弾性支持部材４２によって弾性的に支持されているため、回転体が危険速度を通過する際に径方向に振動することになる。その際、振動のエネルギーの一部が弾性部材４１および弾性支持部材４２の変形に消費されることにより、振動が抑制される。

また、ベース２に形成されたハウジング２２内に、制震部材である弾性部材４１、弾性支持部材４２を直接収納する構成としているため、部品点数の増加を抑えることができる。さらに、弾性支持部材４２および押さえ板４４，４５によって外輪８１の軸方向の支持を行っているので、上述した従来の構成に比べて軸が傾き難い。

なお、上述した例では弾性部材４１、弾性支持部材４２の形状をリング状としたが、ボールベアリング８の軸を中心とした円周上に複数の弾性部材を配置しても構わない。弾性支持部材４２は例えばゴム系の材料が用いられ、例えば、シール部材として用いられるＯリングを使用しても良い。例えば、Ｏリングを使用した場合、その硬度は回転体の重量や振動の状況に応じて適宜選択される。

［第１変形例］
図３は、上述した実施形態の第１の変形例を示す図である。なお、図２に示した構成要素と同一部分には同一の符号を付し、以下では異なる部分を中心に説明する。上述した実施の形態では、図２に示したように、弾性部材４１はベアリング８の外輪８１に常時接触するように構成されている。一方、図３に示す第１変形例では、弾性部材４６と外輪８１との間に僅かな隙間４７が形成されており、その隙間４７にはオイルフィルムダンパとして機能するオイルが注入されている。この場合、オイルは少なくとも隙間４７に注入されていることが必要であるが、弾性部材４６の上部の隙間にもオイルが注入されていても構わない。

危険速度通過時にシャフト１が径方向に振動すると、隙間４７に注入されているオイルがダンパとして作用するため、制震効果の向上を図ることができる。隙間４７の寸法は０．１〜０．２ｍｍ程度であり、危険速度通過時のように振動が大きい場合には外輪８１と弾性部材４６とが接触して弾性部材４６が変形するため、弾性部材４６もダンパとして機能する。

［第２変形例］
図４は、上述した実施形態の第２の変形例を示す図である。図３に示した変形例１では、弾性部材４６と外輪との間に隙間４７を形成したが、図４に示す変形例では、弾性部材４９の内径を外輪８１との間に隙間４７が形成されるような寸法とすると共に、弾性部材４９とハウジング２２との間にも隙間４８が形成されるように弾性部材４９の外径寸法を設定している。各隙間にはオイルが注入されている。

弾性部材４９の内外周の隙間寸法は変形例１の場合と同様に０．１〜０．２ｍｍ程度とされ、弾性部材４９の軸方向の隙間寸法は１０〜２０μｍ程度に設定される。そのため、危険速度通過時にシャフト１が径方向に振動すると連動して弾性部材４９も径方向に振動し、弾性部材４９の内外周の隙間４７，４８に注入されているオイルがオイルフィルムダンパとして機能する。図３の場合と比較すると、隙間４８が形成されている分だけ制震効果が高くなる。なお、シャフト１の振動振幅が大きい場合には、弾性部材４９は振動するだけでなく、外輪８１が当接して変形されることになる。

［第３変形例］
図５は、上述した実施形態の第３の変形例を示す図である。変形例３では、ボールベアリング８の外輪８１のほぼ軸方向中央に接するようにリング状の弾性部材５０を設け、その弾性部材５０の軸方向両側に隙間５１を形成し、その隙間５１にオイルフィルムダンパとして機能するオイルを注入している。この場合、弾性部材５０と隙間５１のオイルとが同時にダンパとして機能する。なお、特許文献１に記載の構造と同じように弾性部材５０がボールベアリング８の外輪８１の軸方向中央に配置されているが、隙間５１にオイルが注入されておりダンパとして機能しているため、ベアリングの傾きを防止することが可能である。

［第４変形例］
図６は第４の変形例を説明する図である。図２〜図５ではベアリング８の外周側にＯリングのような弾性部材４１を配置したが、弾性部材の材料はゴム材や弾性的樹脂などに限らず、例えば金属であっても構わない。図６（ａ）は金属弾性部材５２の一例を示したものであり、金属の波板をリング状に形成したものである。二点差線で示したリング状部材は図２に示した弾性部材４１を金属弾性部材５２に重ねて示したものである。

大型のポンプの場合には回転体の重量も増すため、振動が大きくなった場合、ゴム材の弾性部材では変形量が大きくなりすぎてしまうので、このような金属弾性部材５２を用いるのが好ましい。なお、図６（ａ）では、弾性部材４１の代わりに金属弾性部材５２を使用する場合を例に示したが、図３〜５に示した弾性部材４６，４９，５０の代わりに、図６に示すような形状の金属弾性部材を用いても良い。

弾性部材４１，５０の代わりに金属弾性部材を用いる場合、ハウジング２２の内周面および外輪８１の外周面が金属弾性部材５２に接触しているが、波状の隙間にオイルを注入することにより、そのオイルをオイルフィルムダンパとして機能させることができる。金属弾性部材の構造は種々のものが可能であり、例えば、図６（ｂ）に示すように、リング状板材５３の周面に突状部５３ａを一周に亘って複数形成するようにしても良い。

なお、上述した実施の形態では隙間にオイルを注入したが、オイルに代えてグリスを注入するようにしても良い。グリスの粘性によってダンピング効果が生じ、危険速度通過時のシャフト１の振動が抑えられる。また、ターボ分子ポンプに限らず、同様の軸受構造を有する真空ポンプ、例えば、ドラッグポンプ等の真空ポンプにも適用することができる。

上述した各実施形態はそれぞれ単独に、あるいは組み合わせて用いても良い。それぞれの実施形態での効果を単独あるいは相乗して奏することができるからである。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。

１：シャフト、２：ベース、３：ロータ、４：モータ、６，７：永久磁石、８，９：ボールベアリング、２２：ハウジング、４１，４６，４９，５０：弾性部材、４２：弾性支持部材、４４，４５：押さえ板、４７，４８：隙間、５２：金属弾性部材、８０：内輪、８１：外輪

Claims (5)

1. 排気機能部が形成されたロータをボールベアリングと永久磁石式磁気軸受とで支持し、前記ロータをモータにより高速回転させて真空排気する真空ポンプにおいて、
   前記ボールベアリングの外輪を軸方向から挟持し、該外輪を径方向に移動可能に保持する保持機構と、
   ポンプベースに形成され、前記保持機構が収納されるハウジングと、
   前記ハウジング内において、前記外輪の外周側に近接して設けられた弾性部材と、を備え、
   前記弾性部材は、隙間を介して前記外輪の外周を囲むように設けられたリング状の弾性部材であって、
   少なくとも前記隙間にオイルまたはグリスが注入されており、
   前記外輪が径方向へ振動すると隙間に注入されているオイルまたはグリスのみがダンパとして作用し、前記外輪の径方向への振動が大きい際にはオイルまたはグリスに加えて前記弾性部材もダンパとして機能することを特徴とする真空ポンプ。
2. 請求項１に記載の真空ポンプにおいて、
   前記弾性部材の外周と前記ハウジングとの間に形成された外周側隙間と、
   前記外周側隙間に注入されたオイルまたはグリスと、を備えたことを特徴とする真空ポンプ。
3. 請求項１または２に記載の真空ポンプにおいて、
   前記弾性部材を金属で形成したことを特徴とする真空ポンプ。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載の真空ポンプにおいて、
   前記保持機構は、
   前記外輪の軸方向両端に配設される一対の押さえ板と、
   前記一対の押さえ板の各々と前記ハウジングとの間に配設された弾性的支持部材と、を有することを特徴とする真空ポンプ。
5. 排気機能部が形成されたロータをボールベアリングで支持し、前記ロータをモータにより高速回転させて真空排気する真空ポンプにおいて、
   前記ボールベアリングの外輪を軸方向から挟持し、該外輪を径方向に移動可能に保持する保持機構と、
   ポンプベースに形成され、前記保持機構が収納されるハウジングと、
   前記ハウジング内において、前記外輪の外周側に近接して設けられた弾性部材と、を備え、
   前記弾性部材は、隙間を介して前記外輪の外周を囲むように設けられたリング状の弾性部材であって、
   少なくとも前記隙間にオイルまたはグリスが注入されており、
   前記外輪が径方向へ振動すると隙間に注入されているオイルまたはグリスのみがダンパとして作用し、前記外輪の径方向への振動が大きい際にはオイルまたはグリスに加えて前記弾性部材もダンパとして機能することを特徴とする真空ポンプ。

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