JPH1162878A - ターボ分子ポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 温度に対する安定性が高く、安定に回転軸を
保持できるターボ分子ポンプを提供する。 【解決手段】 羽根車12とモータ35のロータ部とを装着
した回転軸14を、磁気軸受からなる半径方向軸受20,22
と軸方向軸受38とで支持するターボ分子ポンプ10におい
て、半径方向軸受として永久磁石28,30,32,34を有する
受動型磁気軸受を備え、受動型磁気軸受を軸方向の異な
る位置に２箇所設け、それぞれの受動型磁気軸受に半径
方向振動を抑制する渦電流ダンパ40,50を設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はターボ分子ポンプに
係り、特に羽根車とモータのロータ部とを装着した回転
軸を、磁気軸受からなる半径方向軸受と軸方向軸受とで
支持するターボ分子ポンプに関する。

【０００２】

【従来の技術】ターボ分子ポンプは、高速でポンプ羽根
車を回転することで、真空排気するポンプである。この
ため、一軸制御型の磁気軸受においては、半径方向軸受
として永久磁石を有する受動安定型磁気軸受を備え、軸
方向軸受として能動型磁気軸受を備え、非接触で回転軸
を保持することで、高速運転への対応、油等による汚染
の防止等を図っている。

【０００３】このような磁気軸受を用いたターボ分子ポ
ンプでは、回転体の半径方向の運動と傾き方向の運動を
永久磁石の磁気力によって安定化しているため、回転軸
の振動の減衰が非常に小さい。したがって、磁気軸受に
よって支持された回転軸を安定に高速回転させるために
は、性能の良い半径方向（ラジアル）ダンパを設ける必
要がある。そこでこのような磁気軸受を用いたターボ分
子ポンプにおいて、半径方向軸受として永久磁石を有す
る受動型磁気軸受を軸方向の異なる位置に２箇所設け、
それぞれの受動型磁気軸受に半径方向振動を抑制する減
衰機構を設けることが必要である。

【０００４】この減衰機構としては、従来、図７に示す
ような板状のゴム等の減衰材２６ａ及び金属板２６ｂを
交互に軸方向に複数積層した積層型ダンパ２６が考案さ
れている。図７の（ａ）（ｂ）に示すように、この積層
構造により軸方向には固定されているが半径方向には移
動可能であり、これにより半径方向の振動を吸収するこ
とが可能である。係る構造の減衰機構を設けたターボ分
子ポンプにおいては、下側の軸受部のみならず、上側の
軸受部をも減衰材で半径方向に柔軟に支持することによ
り、上下双方の軸受部位置で回転軸にダンピングを与え
ることができる。これによりロータを含めた回転軸の振
動モードが変化した場合にも、全回転領域で十分な減衰
効果が得られる軸受機構とすることができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この減
衰機構にもいくつかの問題点がある。特に大きな問題
は、上記減衰機構は減衰材としてゴム板を使用している
ため、温度上昇に伴い剛性、及び減衰効果が小さくなる
という問題がある。又ゴム材は、静的な剛性と動的な剛
性が異なり、静的な剛性は動的な剛性の数分の１程度の
大きさになってしまうため、半径方向振動に対して効果
的な動剛性に設定すると、静剛性はかなり小さな値にな
ってしまうという問題がある。このため当該ターボ分子
ポンプを横置きにして使用することが難しいという問題
がある。

【０００６】本発明は上述の事情に鑑みて為されたもの
で、特に温度に対する安定性が高く、安定に回転軸を保
持できるターボ分子ポンプを提供することを目的とす
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上述した目的を達成する
ため、本発明は、羽根車とモータのロータ部とを装着し
た回転軸を、磁気軸受からなる半径方向軸受と軸方向軸
受とで支持するターボ分子ポンプにおいて、半径方向軸
受として永久磁石を有する受動型磁気軸受を備え、該受
動型磁気軸受を軸方向の異なる位置に２箇所設け、それ
ぞれの受動型磁気軸受に半径方向振動を抑制する渦電流
ダンパを設けたことを特徴とするものである。

【０００８】また、前記渦電流ダンパは、固定部に固着
されている固定部材と、軸方向には固定されているが半
径方向には移動可能である可動部材とを含み、該固定部
材と可動部材の一方は、永久磁石と磁性体磁極により構
成され、他方はヨークにより構成され、該可動部材の振
動により前記永久磁石から生じる磁束が対面するヨーク
全体に対して均等性が破られ、前記永久磁石を通らない
磁束の振動分のループを形成することを特徴とするもの
である。

【０００９】永久磁石と磁性体磁極と、ヨークとのどち
らかが固定部に取り付けられ、他方が可動部に取り付け
られる渦電流ダンパは、可動部は軸方向には移動せず、
半径方向だけに移動するように構成されている。この渦
電流ダンパの特徴は、第一に高透磁率材料の磁極とヨー
クによる磁石からの磁路をギャップを介して接続し、振
動によってギャップの長さに増減の変化をもたらすよう
にしたものである。これによって磁石の各部分からの磁
束の磁路は必ずしも対向するヨークへ放射状に流れず短
いギャップを探して回り込むことになり、微小振動であ
っても磁石からの磁束の経路に大きな変化をもたらす構
造にして、ギャップの磁束分布が大幅に変化するように
したものである。第二は、磁極とヨークを大型にして導
体を兼用させ、通常の渦電流ダンパのように銅を不要に
したことである。つまり、渦電流が磁極とヨーク全体に
ほぼ均等に分散して形成されることで、電流のネックが
なくなるような構造にしたので、単純な構造でありなが
ら、振動エネルギーを、電流を介して有効に熱に変換で
きる。このように磁束の回り込み現象に基づいて受動的
ダンパを構成したので、従来の一般的な渦電流ダンパと
比較して振動の減衰効果を著しく高めることができる。
又、永久磁石及び磁性材はそれぞれ温度変化の影響を受
け難いので、その剛性、及び減衰効果を温度変化に左右
されずに得ることができる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係るターボ分子ポ
ンプの一実施形態を図１乃至図６を参照して説明する。
図１において、全体を符号１０で示すターボ分子ポンプ
は、一体的に構成された羽根車１２と回転軸１４とから
なる回転部１５を備え、回転軸にはモータ３５のロータ
側が固着され、固定部１６に固着されたモータ３５のス
テータにより高速で回転駆動される。回転軸１４は、受
動型のラジアル磁気軸受２０，２２により半径方向に非
接触で支持され、そして、回転軸１４の下端部近傍には
スラストディスク１８が着脱自在に取り付けられ、回転
軸１４を軸方向に非接触で能動型磁気軸受３８により支
持している。

【００１１】回転軸１４を半径方向について支持するた
めの受動安定型磁気軸受２０，２２は、リング状の複数
の永久磁石２８，３０，３２，３４から構成されてい
る。対向する永久磁石の極性は同一であり、両者間には
磁気的な反発力が作用する。これにより回転軸１４は外
周側のリング状の永久磁石２８，３２の略中央部分に位
置決めされ保持される。

【００１２】前記リング状の複数の永久磁石２８は永久
磁石ホルダ３１に保持されており、この永久磁石ホルダ
３１と固定部１６との間には永久磁石と磁性体磁極とヨ
ークにより構成される渦電流ダンパ４０が介装されてお
り、その可動側及び固定側は永久磁石ホルダ３１及び固
定部１６にそれぞれ固着されている。同様に下側の半径
方向磁気軸受２２の固定側のリング状の永久磁石３２
は、永久磁石ホルダ５２に保持されており、この永久磁
石ホルダ５２と固定側の部材４８との間には、永久磁石
と磁性体磁極とヨークにより構成される渦電流ダンパ５
０が介装されている。即ち、永久磁石２８，３２を保持
する永久磁石ホルダ３１，５２は、それぞれ固定側に対
して渦電流ダンパ４０，５０により軸方向には固定さ
れ、半径方向には移動可能に、固定側１６，４８に固定
されている。

【００１３】図１に示されるように、スラストディスク
１８を挟むようにソレノイド３６を含む能動型磁気軸受
３８が固定部１６に設けられている。この能動型磁気軸
受３８には図示しない制御機構を介してその電磁石３６
に励磁電流が供給される。電磁石３６を励磁した際に
は、スラストディスク１８を介して回転軸１４が軸方向
の所定の浮上位置に非接触で支持される。尚、図１にお
いて、符号３７は上側の非常用玉軸受を示しており、ま
た符号３９は下側の非常用玉軸受を示している。

【００１４】図２乃至図５は、渦電流ダンパの一実施形
態の詳細を示す。渦電流ダンパ４０は固定部１６に固着
されたリング状の磁極４２を有する円筒状永久磁石４１
と、可動側である永久磁石ホルダ３１に固着された円筒
状ヨーク４３とから構成されている。磁石４１と磁極４
２とは、一体的に固着されており、断面コの字形を為し
て、その磁極面がヨーク４３と対向して空隙を介して配
置されている。可動側の永久磁石ホルダ３１と固定側１
６とはそれぞれ可撓性を有する４本のばね材４４で接続
されている。従って、ばね材４４は、永久磁石ホルダ３
１を軸方向に固定すると共に、半径方向には移動可能に
保持する。

【００１５】一方、永久磁石３２を保持する永久磁石ホ
ルダ５２と固定部１６との間にも渦電流ダンパ５０が介
装されており、その上面及び下面は永久磁石ホルダ５２
と固定部１６に固着された固定部材４８にそれぞれ装着
されている。

【００１６】図４及び図５は、この渦電流ダンパの構造
の詳細及びその動作を示す。軸方向に着磁された円筒状
永久磁石４１の両端には磁極４２が装着されている。扁
平なリング状の磁極４２の内周面（磁極面）４２ａに対
向するように、円筒状ヨーク４３が配置されている。円
筒状ヨーク４３は、振動の減衰対象の回転軸を支持する
受動型磁気軸受を保持する永久磁石ホルダー３１に固定
される。この実施形態においては、円筒状の磁石４１及
び磁極４２は固定部１６に固定されており、磁極４２の
内周面４２ａとこれに対向する可動側に固定されたヨー
ク４３の円筒状外周面４３ａとは、空隙を隔てて対向
し、円筒状磁石４１のＮ極から磁極４２、空隙（４２ａ
と４３ａとの間）、円筒状ヨーク４３、空隙（４２ａと
４３ａとの間）、磁極４２を通り、Ｓ極に戻る磁気回路
が形成される。

【００１７】この実施形態においては、磁極４２及び円
筒状ヨーク４３は比較的電気抵抗の低い電磁軟鉄等の磁
性材を使用しており、その中で渦電流が形成され、振動
エネルギーが熱に変換される。

【００１８】図５は、図４の渦電流ダンパを上から見た
図であり、ヨーク４３が少し右側へ変位した場合の磁束
変化分ΔΦの流れを示したものである。変位がなく中央
に位置しておれば空隙Ｓは全周にわたって均等なので、
磁石からの磁束は最短距離の近接したヨークへ流れて元
へ戻るので磁束Φは軸対称で放射状に均等に分布する。
しかし、ヨーク２３が右変位すれば左側空隙Ｓは広く、
逆に右側空隙Ｓは狭くなるので、磁束密度は右端空隙で
最大となるが、その付近は磁束が集中し易いために等価
的に磁気抵抗が増大するので、全磁束がその一点に集中
するわけではなく、密度は右端が最大、左端が最小の、
全周にわたって滑らかな勾配を持った分布となる。この
ことは一定不変の中に変動分のΔΦを加算したものが各
ギャップの磁束分布となることを示している。従って左
側の磁極部分からの磁束は放射状でなくなり、リング状
磁極に沿って左側からかなり離れた空隙のヨークを経て
逆の磁極へ戻り、磁極に沿って左側の磁石部分へ戻る。

【００１９】磁束の変化分ΔΦは、図示するようにヨー
ク４３が右方向に移動した場合には、ヨーク４３内を右
側においては磁束が下方向に流れ、左側においては磁束
が上方向に流れる。そして、ヨーク上側の外周面４３ａ
から上側の磁極の外周面４２ａに入り、上側の磁極４２
を周方向に流れて再び磁極とヨークとの空隙を通り、ヨ
ーク側に入りヨーク内を軸方向に流れる。ヨーク４３が
左側へ変位した場合の磁束変化分ΔΦの流れはこの逆と
なる。従って、ヨーク４３のＸ方向の振動に対して生じ
る磁束の変化分ΔΦの振動は、それを防げる渦電流を発
生する。磁極４２及びヨーク４３において図示のΔΦが
増大中であれば図示の方向の渦電流を生じさせることが
できる。同様にヨーク４３のＹ方向の振動に対して生じ
る磁束の変化分は、磁極４２においてはその右側部分と
左側部分で、ヨーク４３においてもその上側部分と下側
部分とで渦電流を形成することができる。

【００２０】なお、リング型渦電流ダンパは図２乃至図
５に示される構造のものに限定されるわけではなく、例
えばヨーク４３を磁石４１の外側に設けてもよく、回転
軸の振動に伴い、永久磁石４１から生じる磁束がヨーク
の異なる面に回り込み、振動により渦電流が形成される
構造のものであればよい。

【００２１】図６は、他の実施形態の渦電流ダンパを示
す。この渦電流ダンパは直動型のダンパであり、固定側
の部材６２に対して、可動側の部材６１がばね部材６７
により固定されている。このため、可動部材６１は固定
部材６２に対してＺ方向には移動不能であるが、Ｘ，Ｙ
方向にはばね部材の弾性により移動可能となっている。
渦電流ダンパ６０は、単位となる渦電流ダンパ６０Ｘ，
６０Ｙを備えている。例えば単位となる渦電流ダンパ６
０Ｘは、固定部材６２には永久磁石６３が磁極６４Ｕ，
６４Ｄと共に固定されており、磁極６４Ｕ，６４Ｄは空
隙を介して可動側のヨーク６６Ｌ，６６Ｒと対向してい
る。磁極６４Ｕ，６４Ｄの両側の空隙が等しい場合に
は、永久磁石６３から生じる磁束Φは左右のヨーク６６
Ｌ，６６Ｒに均等に振り分けられる。しかしながら可動
部材６１が右側に変位すると、永久磁石６３から生じる
磁束は右側のヨーク６６Ｒに振り分けられる量が増大
し、左側のヨーク６６Ｌに振り分けられる磁束の量が減
少する。逆に可動部材６１が左側に変位すると永久磁石
６３から生じる磁束は左側のヨーク６６Ｌに振り分けら
れる量が増大し、右側のヨーク６６Ｒに振り分けられる
量が減少する。このようにして可動部材６１のＸ方向の
振動により、磁束の変化分ΔΦは永久磁石６３を通らず
に磁極６４Ｕ，ヨーク６６Ｒ（６６Ｌ），磁極６４Ｄ，
ヨーク６６Ｌ（６６Ｒ）という順に閉ループを形成する
ように流れる。この磁束の変化分ΔΦによりヨーク６６
Ｌ，６６Ｒ及び磁極６４Ｕ，６４Ｄには渦電流が形成さ
れ、抵抗損失により電流が消費され、振動のエネルギー
が熱エネルギーに変換される。これにより、可動部材６
１に固定された永久磁石ホルダの振動を吸収し、ひいて
は磁気軸受を介して支持した回転軸の振動を減衰させ
る。

【００２２】この渦電流ダンパ６０には、このように単
位となる永久磁石及び磁極とこれに対向したヨークとの
対が、図６（ａ）に示すようにＸ方向に２ヶ所、Ｙ方向
に２ヶ所設けられている。これにより単位となる渦電流
ダンパ６０Ｘにより可動部材６１のＸ方向の振動成分が
減衰され、単位となる渦電流ダンパ６０Ｙにより可動部
材６１のＹ方向の振動成分が減衰される。尚、上述した
単位となる渦電流ダンパ６０Ｘ，６０Ｙは、それぞれ永
久磁石から生じる磁束を左方向及び右方向の２方向に振
り分けるものであるが、角柱状の永久磁石の４方向にヨ
ークを配列することで、永久磁石から生じる磁束を４方
向に振り分けるような構造にしても勿論よい。このよう
に本発明の趣旨を逸脱することなく、種々の変形実施例
が可能である。

【００２３】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明によれ
ば、下側の軸受部と、上側の軸受部とを渦電流ダンパで
支持することにより、上下双方の軸受部位置で回転体に
ダンピングを与えることができる。特に上記渦電流ダン
パは、永久磁石、磁極、ヨークから構成されているの
で、ゴム材のようなへたり等の経年変化の影響がない。
又、温度変化の影響を受け難く、温度変化に対して安定
した剛性、減衰効果を得ることができる。又、振動モー
ドが変化した場合にも、全回転領域で充分な減衰効果が
得られ、安定性に優れたターボ分子ポンプとすることが
できる。

【００２４】また本発明によれば、減衰材をいわば磁極
及びヨーク自体が構成するので、小型コンパクトな構造
とすることができ、組立分解が容易で、かつ装置全体の
構成を簡素化することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るターボ分子ポンプの一実施形態を
示す断面図である。

【図２】本発明に係る渦電流ダンパの軸に垂直な面の断
面図である。

【図３】本発明に係る渦電流ダンパの軸に沿った面の断
面図である。

【図４】本発明に係る渦電流ダンパの部分斜視図であ
る。

【図５】本発明に係る渦電流ダンパの磁束の流れを示す
説明図である。

【図６】本発明の他の実施形態に係る渦電流ダンパの
（ａ）は立面図であり、（ｂ）は平面図である。

【図７】従来の積層ゴム型ダンパを示す説明図であり、
（ａ）は半径方向の変位が無い場合であり、（ｂ）は有
る場合である。

【符号の説明】

１０ ターボ分子ポンプ １２ 羽根車 １４ 回転軸 １６ 固定部 １８ スラストディスク ２０，２２ 受動型磁気軸受 ２８，３０，３２，３４ 永久磁石 ３１，５２ 永久磁石ホルダ ３５ モータ ３７，３９ 非常用玉軸受 ３８ 能動型磁気軸受 ４０，５０，６０ 渦電流ダンパ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 羽根車とモータのロータ部とを装着した
   回転軸を、磁気軸受からなる半径方向軸受と軸方向軸受
   とで支持するターボ分子ポンプにおいて、半径方向軸受
   として永久磁石を有する受動型磁気軸受を備え、該受動
   型磁気軸受を軸方向の異なる位置に２箇所設け、それぞ
   れの受動型磁気軸受に半径方向振動を抑制する渦電流ダ
   ンパを設けたことを特徴とするターボ分子ポンプ。
2. 【請求項２】 前記渦電流ダンパは、固定部に固着され
   ている固定部材と、軸方向には固定されているが半径方
   向には移動可能である可動部材とを含み、該固定部材と
   可動部材の一方は、永久磁石と磁性体磁極により構成さ
   れ、他方はヨークにより構成され、該可動部材の振動に
   より前記永久磁石から生じる磁束が対面するヨーク全体
   に対して均等性が破られ、前記永久磁石を通らない磁束
   の振動分のループを形成することを特徴とする請求項１
   記載のターボ分子ポンプ。