WO2013069403A1 - 磁性流体を用いたシール装置 - Google Patents

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magnet
rolling bearing
sealing device
rotating shaft
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茂樹 本多
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イーグル工業株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a sealing device using a magnetic fluid, and more particularly to a sealing device using a magnetic fluid suitable for sealing a rolling bearing used in a vacuum field in a manufacturing apparatus such as a semiconductor, FPD, or solar cell.
  • a thin film is formed by a CVD method or the like by placing a wafer in a reaction chamber held in a vacuum state by a vacuum pump and introducing a reaction gas. It is necessary to transport the work in the reaction chamber while keeping the airtight state. In the transport mechanism for that purpose, the arm part that actually holds the work in the reaction chamber and the power from the outside of the reaction chamber to the arm part are transmitted. Therefore, it is necessary that the drive mechanism is completely partitioned in an airtight state. Moreover, it is necessary to suppress generation
  • a magnetic fluid sealing apparatus 101 as shown in FIG. 10 is used.
  • This magnetic fluid sealing device includes magnetic circuit forming means composed of pole pieces 102 and 103 as a pair of magnetic pole pieces and a magnet 104 as magnetic force generating means sandwiched between the pair of pole pieces 102 and 103. Used.
  • a pair of pole pieces 102 and 103 are attached to the housing 112 via O-rings 105 and 106 that improve the sealing performance, and the pole pieces 102 and 103, the magnet 104, the magnetic fluid 107, and the shaft 111 made of a magnetic material,
  • a magnetic circuit is formed by holding the magnetic fluid 107 between the pole pieces 102 and 103 and the tips of the plurality of annular protrusions formed on the shaft 111 to keep the vacuum side to be sealed in a vacuum state. It has a function (hereinafter referred to as “Prior Art 1”).
  • a bearing 110 as a cantilever type bearing portion is disposed on the atmosphere side of such a magnetic fluid seal device 101.
  • the bearing 110 is generally disposed on the atmosphere side of the magnetic fluid seal device 101 because dust generated from the bearing 110 is disliked.
  • An angular bearing or the like is used as the bearing 110, and grease is often used to lubricate the bearing 110.
  • FIG. 11 what is shown in FIG. 11 as a sealed-type rolling bearing is known (henceforth "the prior art 2", for example, refer patent document 1).
  • This prior art 2 includes a pair of seal bodies 133 and 133 fixed to both sides of the outer ring 131 of the rolling bearing 130, and each seal body 133 is fixed to the outer ring 131 and the permanent magnet 134.
  • the magnetic fluid is present in the seal gap between the yoke 135 and the inner ring 132, and a lubricant such as grease inserted between the pair of seal bodies 133 and 133 is sealed with the magnetic fluid. It is like that.
  • the lubricant such as grease is generally a base oil mixed with a thickener, and oil separation occurs. This situation becomes more prominent as the temperature increases.
  • the bearing is a cantilever type as shown in FIG. 10, the separated oil flows out of the bearing 110 and enters the magnetic fluid 107, causing the magnetic fluid 107 to deteriorate.
  • a lubricant such as grease causes oil separation and is mixed in the magnetic fluid, resulting in the same problem as in the prior art 1 (hereinafter referred to as “first problem”).
  • a dual-support type ferrofluidic seal device having a bearing disposed on the vacuum side has the first problem as in the case of a cantilever type. Further, bubbles and moisture are released into the vacuum, and the inside of the vacuum chamber It is regarded as a problem because the quality of the vacuum is reduced and pressure fluctuations occur (hereinafter referred to as “second problem”).
  • a rotation transmission device for transmitting power such as rotational force between the vacuum side and the atmosphere side partitioned in an airtight state by a partition wall 120.
  • a lubricant for the first and second ball bearings 113 and 114 that rotatably support the rotary output shaft 121 a lubricant using magnetic fluid instead of grease is known (hereinafter referred to as “Prior Art 4”).
  • This prior art 4 includes an annular first spacer 115 sandwiched between outer rings of the first and second ball bearings 113, 114, and an annular second spacer 116 sandwiched between inner rings.
  • the first spacer 115 is used to define the axial positions of the outer and inner rings of the first and second ball bearings 113 and 114 by the annular step surface 122a and the nut 117, and to form a magnetic circuit.
  • the ball bearings 113 and 114 are also made of a commonly used metal magnetic material
  • the second spacer 116 is a non-magnetic material
  • the periphery of the contact portion of the ring 113 and 114 is obtained so as to form a state of being covered by the magnetic fluid.
  • the amount of generated particles is considerably larger than when grease is used as a lubricant.
  • a known shield is provided on the bearing to make it difficult to generate particles.
  • the bearing is not provided with a shield as in FIG. Furthermore, a magnet with weak magnetic force was used.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and prevents the influence of mist and particles from the bearing portion to the vacuum side, and prevents the deterioration of vacuum quality and pressure fluctuation on the vacuum side.
  • An object of the present invention is to provide a sealing device using a magnetic fluid that can be realized.
  • a sealing device using a magnetic fluid of the present invention is firstly a sealing device provided between a housing and a rotating shaft to seal the vacuum side and the atmosphere side, A magnetic fluid seal provided at a central portion in the axial direction in the housing, and rolling bearings provided on both sides of the magnetic fluid seal, Among the rolling bearings on both sides, the lubricating part of the rolling bearing disposed on the vacuum side is filled with magnetic fluid and a magnet is mounted on the vacuum side of the outer ring, A ring-shaped yoke made of a magnetic material that is loosely fitted to the rotating shaft is mounted on the opposite side of the magnet from the outer ring of the rolling bearing.
  • the generation of mist and particles is prevented, the vacuum quality on the vacuum side is reduced, and the pressure fluctuation is prevented.
  • the deterioration of the magnetic fluid seal device can be prevented, or the problem of dripping at a high temperature and the increase in torque due to the use of grease can be solved.
  • the magnetic fluid seal is provided at the center, particles are trapped by the magnetic fluid seal on the magnetic fluid seal side of the rolling bearing, so that it is not necessary to provide a magnet trap on the magnetic fluid seal side of the rolling bearing.
  • the sealing device using the magnetic fluid of the present invention is secondly a sealing device that is provided between the housing and the rotating shaft and seals the vacuum side and the atmosphere side, A magnetic fluid seal provided at a central portion in the axial direction in the housing, and rolling bearings provided on both sides of the magnetic fluid seal, The lubricating parts of the rolling bearings on both sides are filled with magnetic fluid,
  • a magnet is mounted on the vacuum side of the outer ring of the rolling bearing disposed on the vacuum side and a magnet is mounted on the atmosphere side of the outer ring of the rolling bearing disposed on the atmosphere side
  • a ring-shaped yoke made of a magnetic material that is loosely fitted to the rotating shaft is mounted on the opposite side of the rolling bearing of each of the magnets.
  • the sealing device using the magnetic fluid of the present invention is thirdly a sealing device that is provided between the housing and the rotating shaft and seals the vacuum side and the atmosphere side, Two rolling bearings spaced apart so as to support both ends of the rotating shaft in the housing; Of the two rolling bearings, the lubricating part of the rolling bearing arranged on the vacuum side is filled with magnetic fluid and a magnet is mounted on the vacuum side of the outer ring, A ring-shaped yoke made of a magnetic material that is loosely fitted to the rotating shaft is mounted on the opposite side of the magnet from the outer ring of the rolling bearing.
  • rolling bearings are provided on both sides of the rotating shaft to prevent eccentricity of the rotating shaft, and even when a magnetic fluid seal is not provided in the center of the rolling bearing, the generation of mist and particles is prevented, It is possible to prevent the deterioration of the vacuum quality and pressure fluctuation on the vacuum side, the deterioration of the magnetic fluid seal device, or the problem of dripping at high temperature and the increase in torque due to the use of grease.
  • the sealing device using the magnetic fluid of the present invention is, fourthly, a sealing device that is provided between the housing and the rotating shaft and seals the vacuum side and the atmosphere side, Two rolling bearings spaced apart so as to support both ends of the rotating shaft in the housing;
  • the lubricating part of the two rolling bearings is filled with magnetic fluid
  • a magnet is mounted on the vacuum side of the outer ring of the rolling bearing disposed on the vacuum side and a magnet is mounted on the atmosphere side of the outer ring of the rolling bearing disposed on the atmosphere side,
  • a ring-shaped yoke made of a magnetic material that is loosely fitted to the rotating shaft is mounted on the opposite side of the rolling bearing of each of the magnets.
  • a fifth aspect of the sealing device using the magnetic fluid according to the present invention is that, in any one of the first to fourth features, at least the rolling bearing disposed on the vacuum side of the rolling bearing is disposed on the vacuum side. Is characterized by providing a shield. According to this feature, it is possible to prevent leakage of magnetic fluid from the inside of the rolling bearing disposed at least on the vacuum side or entry of foreign matter from the outside to the inside of the bearing.
  • a sealing device using the magnetic fluid wherein the rotating shaft is made of a magnetic material and the magnetic fluid is held in the lubricating portion in any of the first to fifth features.
  • a circuit is formed between an inner ring, a ball, and an outer ring of a magnet, a yoke, a rotating shaft, and a rolling bearing. According to this feature, the magnetic circuit can be sufficiently and easily formed.
  • the rotating shaft is formed of a magnetic material or a non-magnetic material, and the magnetic fluid is held in the lubricating portion.
  • the magnetic circuit is formed between the inner ring, the ball, and the outer ring of the magnet, the yoke, and the rolling bearing. According to this feature, in addition to the sixth feature, there is an advantage that the material of the rotating shaft is not limited to the magnetic material.
  • the sealing device using the magnetic fluid of the present invention is characterized in that the yoke has an I-shaped cross section. According to this feature, the yoke can be easily manufactured.
  • the yoke has an L-shaped cross section, and the L-shaped vertical portion is The horizontal portion is disposed so as to be in contact with the magnet and face the surface of the rotating shaft. According to this feature, particles and the like can be trapped efficiently.
  • an uneven portion is formed on a surface of the horizontal portion of the L-shaped yoke that faces the surface of the rotation shaft. It is a feature. According to this feature, particles and the like can be trapped extremely efficiently.
  • An eleventh aspect of the sealing device using a magnetic fluid according to the present invention is that, in any one of the first to tenth features, a bulging portion is provided on the ring-shaped yoke facing the magnet, A plurality of cylindrical or rectangular recesses that open to the outer ring side of the rolling bearings of the part are provided in the circumferential direction, and magnets are fitted into the recesses. According to this feature, if the yoke is manufactured with high dimensional accuracy, it is possible to install the rolling bearing with a simple structure with high dimensional accuracy without requiring the dimensional accuracy of the magnet. Can be applied to.
  • FIG. 4B is a longitudinal sectional view when magnet traps are provided on both sides of a vacuum side rolling bearing. It is a longitudinal cross-sectional view which shows the modification of the yoke in the sealing apparatus using the magnetic fluid which concerns on Embodiment 1 and 2 of this invention.
  • FIG. 9 shows still another modified example of the yoke in the sealing device using the magnetic fluid according to the first and second embodiments of the present invention, where (a) is a longitudinal sectional view and (b) is an A- It is A sectional drawing.
  • It is a longitudinal cross-sectional view which shows the sealing apparatus using the magnetic fluid which concerns on Embodiment 3 of this invention. The figure shows the amount of particles generated per hour when grease is used as a lubricant in a normal rolling bearing and when magnetic fluid is used as a lubricant and the magnetic fluid is fixed by a magnetic circuit using a magnet. It is.
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a sealing device using a magnetic fluid according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the left side is the vacuum side
  • the right side is the atmosphere side.
  • a sealing device using a magnetic fluid is mounted between a housing 2 and a rotating shaft 1 to seal the vacuum side and the atmosphere side.
  • a magnetic fluid seal 3 is disposed at the center of the housing 2 and rolling bearings 20 and 20 are disposed on both sides of the magnetic fluid seal 3, and the outer ring 21 or inner ring 22 of the vacuum side rolling bearing 20 and the magnetic fluid seal 3.
  • a spacer 4 made of a non-magnetic material is interposed between the outer ring 21 of the rolling bearing 20 on the atmosphere side and the magnetic fluid seal 3.
  • at least the vacuum side of the rolling bearing 20 disposed on the vacuum side is provided with a shield 34 which is a sealing cap obtained by pressing a metal plate, and is disposed at least on the vacuum side.
  • the shield 34 is provided on the vacuum side of the rolling bearing 20 disposed on the vacuum side, but in addition to this, it may be provided on the atmosphere side of the rolling bearing 20 disposed on the atmosphere side. .
  • the shield 34 is attached to the side surface of the outer ring of the rolling bearing 20 and is arranged in a non-contact with the inner ring with a narrow clearance.
  • the shield 34 is preferably provided when the lubricant for the air-side rolling bearing 20 is made of grease. However, when magnetic fluid is used for both the vacuum-side and air-side rolling bearings 20, the shield 34 is shielded. 34 need not be provided.
  • a step portion 5 is formed at the left end on the inner peripheral side of the housing 2, and a rolling bearing 20 is brought into contact with the step portion 5 so as to sandwich a magnet 24 and a yoke 25 described later, and toward the right side.
  • the spacer 4, the magnetic fluid seal 3, the spacer 4, and the rolling bearing 20 are arranged in this order, and are fixed so as to be pressed against the step portion 5 by the press ring 6 and the bolt 7 so as to sandwich the magnet 24 and the yoke 25.
  • the rotating shaft 1 is provided with a retaining ring 8 corresponding to the position of the atmospheric rolling bearing 20, and positions the inner ring 22 of the rolling bearing 20.
  • the magnetic fluid seal 3 includes a magnet 9 and pole pieces 10 and 10 arranged on both sides thereof.
  • a plurality of convex portions 11 are formed on the outer peripheral surface of the rotating shaft 1 facing the pole pieces 10 and 10.
  • O-rings 12 are mounted on the outer peripheral surfaces of the pole pieces 10 and 10 to seal between the inner peripheral surface of the housing 2.
  • a rolling bearing 20 is a bearing using rolling elements such as ball bearings or roller bearings, an outer ring 21 is fixed to the housing 2, and an inner ring 22 is a rotating shaft 1. Fixed to. A ball 23 is inserted between the outer ring 21 and the inner ring 22. Further, of the rolling bearings 20 and 20 on both sides, the lubricating portion of the vacuum-side rolling bearing 20 is filled with magnetic fluid, and the lubricating portion of the atmospheric-side rolling bearing 20 is filled with a normal lubricant such as magnetic fluid or grease. Is filled. In FIG. 1, the case where the magnetic fluid 26 is filled in the lubrication part of the rolling bearings 20 and 20 on both sides is shown. Even in the atmosphere-side rolling bearing 20, the use of the magnetic fluid 26 has a longer life.
  • magnets 24 are provided on the vacuum side surface of the outer ring 21 of the vacuum side rolling bearing 20 and the atmosphere side of the outer ring 21 of the atmospheric side rolling bearing 20, respectively.
  • a ring-shaped yoke 25 made of a magnetic material and loosely fitted to the rotary shaft 1 is provided on the opposite side of the outer ring 21 is shown in FIG. This is because the magnetic fluid 26 is filled, and when the lubrication part of the atmospheric rolling bearing 20 is filled with a normal lubricant, it is not necessary to provide the magnet 24 and the yoke 25 in the atmospheric rolling bearing 20. .
  • the magnet trap As shown in FIG. 1, by providing a magnet trap composed of a magnet 24 and a yoke 25 on the vacuum side and the atmosphere side of each rolling bearing 20, particles can be prevented from flowing out into the vacuum chamber and the atmosphere. The life of the bearing 20 can be extended. Further, in the case of FIG. 1, the magnet trap is provided only on one side of each rolling bearing 20 because the magnetic fluid seal 3 is provided on the side where the magnet trap is not provided, and the pole holding the magnetic fluid. This is because particles are trapped between the piece 10 and the plurality of convex portions 11 of the rotating shaft 1. However, when the magnetic fluid 26 used for the rolling bearing 20 is different from the magnetic fluid of the magnetic fluid seal and it is necessary to prevent the mutual mixing, it is desirable to provide a magnet trap on both sides of each rolling bearing 20.
  • a magnetic fluid 26 is used instead of grease, and lubrication is performed on the lubricated portion.
  • a magnetic circuit for holding the magnetic fluid 26 in the lubricated portion.
  • the rotating shaft 1 is made of a magnetic material
  • the outer ring 21, the inner ring 22 and the ball 23 of the rolling bearing 20 are also made of metal and are generally used. It is.
  • Magnetic fluids There are three types of magnetic fluids: water-based magnetic fluids, hydrocarbon oil-based magnetic fluids, and fluorine oil-based magnetic fluids.
  • Hydrocarbon oil-based magnetism that has low vapor pressure and is difficult to evaporate in high temperature and high vacuum. Fluids and fluorine oil based magnetic fluids are desirable.
  • the present invention is not limited to this, and any magnetic fluid can be used as long as it has lubricity. Therefore, in the present invention, not only the hydrocarbon oil-based magnetic fluid and the fluorine oil-based magnetic fluid but also a magnetic fluid having lubricity is simply referred to as a magnetic fluid.
  • the magnet 24 for example, a permanent magnet made of an organic material filled with metal or magnet powder is used.
  • FIG. 2 is a longitudinal sectional view showing a sealing device using a magnetic fluid according to Embodiment 2 of the present invention.
  • the left side is the vacuum side
  • the right side is the atmosphere side.
  • a sealing device using a magnetic fluid is mounted between the housing 2 and the rotating shaft 1 to seal the vacuum side and the atmosphere side.
  • a spacer 13 made of a nonmagnetic material is disposed at the center of the housing 2, and rolling bearings 20 and 20 are disposed on both sides of the spacer 13.
  • a shield 34 is provided at least on the vacuum side of the rolling bearing 20 disposed on the vacuum side, and leakage of magnetic fluid from the inside of the rolling bearing 20 disposed on at least the vacuum side, Alternatively, entry of foreign matter from the outside to the inside of the rolling bearing 20 is prevented.
  • the shield 34 is provided on the vacuum side of the rolling bearing 20 disposed on the vacuum side, but may be provided on both sides of the rolling bearing on both sides.
  • the shield 34 is attached to the side surface of the outer ring of the rolling bearing 20 and is arranged in a non-contact with the inner ring with a narrow clearance.
  • the shield 34 is preferably provided when the lubricant for the air-side rolling bearing 20 is made of grease. However, when magnetic fluid is used for both the vacuum-side and air-side rolling bearings 20, the shield 34 is shielded. 34 need not be provided.
  • a step portion 5 is formed at the left end on the inner peripheral side of the housing 2, and the rolling bearing 20 is brought into contact with the step portion 5 so as to sandwich the magnet 24 and the yoke 25.
  • the spacer 13 and the rolling bearing 20 are disposed, and are fixed so as to be pressed against the stepped portion 5 by the presser ring 6 and the bolt 7 so as to sandwich the magnet 24 and the yoke 25.
  • the rotating shaft 1 is provided with a retaining ring 8 at a position corresponding to the atmosphere-side rolling bearing, and the inner ring 22 of the rolling bearing 20 is positioned.
  • a rolling bearing 20 is a bearing that uses rolling elements such as ball bearings or roller bearings, an outer ring 21 is fixed to the housing 2, and an inner ring 22 is a rotating shaft 1. Fixed to. A ball 23 is inserted between the outer ring 21 and the inner ring 22. Further, of the rolling bearings 20 and 20 on both sides, the lubricating portion of the vacuum-side rolling bearing 20 is filled with magnetic fluid, and the lubricating portion of the atmospheric-side rolling bearing 20 is filled with a normal lubricant such as magnetic fluid or grease. Is filled. In FIG. 2, the case where the magnetic fluid 26 is filled in the lubrication part of the rolling bearings 20 and 20 on both sides is shown. Even in the atmosphere-side rolling bearing 20, the use of the magnetic fluid 26 has a longer life.
  • magnets 24 are respectively provided on the vacuum side surface of the outer ring 21 of the vacuum side rolling bearing 20 and the atmosphere side of the outer ring 21 of the atmospheric side rolling bearing 20.
  • the magnet traps are provided only on the vacuum side and the atmosphere side of the respective rolling bearings 20 because the distance between the two rolling bearings is long and particles are about to flow out to the vacuum side and the atmosphere side. This is because it is trapped by the magnet traps at both ends and cannot flow out. However, if the magnet traps are provided on both sides of the rolling bearing 20, it is possible to further prevent the particles from flowing out to the vacuum side and the atmosphere side.
  • FIG. 3 is a view for explaining a magnetic circuit in a sealing device using a magnetic fluid according to Embodiments 1 and 2 of the present invention.
  • FIG. 3A shows a magnet 24 on one side of a vacuum side rolling bearing.
  • FIG. 5B is a longitudinal sectional view when a magnet trap composed of a magnet 24 and a yoke 25 is provided on both sides of a vacuum side rolling bearing.
  • the shield 34 is omitted in FIGS.
  • the rotary shaft 1 is made of a magnetic material, and the outer ring 21, inner ring 22 and ball 23 of the rolling bearing 20 on the vacuum side are also magnetic materials, and a magnetic circuit is formed in the direction indicated by the arrow. That is, a magnetic circuit is formed that returns from the magnet 24, which is a permanent magnet, to the magnet 24 again via the yoke 25, the rotating shaft 1, the inner ring 22, the ball 23, and the outer ring 21. Therefore, the magnetic fluid 26 is held between the ball 23 and the outer ring 21 and between the ball 23 and the inner ring 22.
  • the yoke 25 has a ring shape having an inner diameter slightly larger than the diameter of the rotary shaft 1 so as to be loosely fitted to the rotary shaft 1, and its cross-sectional shape is L-shaped, and the portion in contact with the magnet 24 is L
  • the vertical portion 25-1 of the character and the portion facing the surface of the rotating shaft 1 is an L-shaped horizontal portion 25-2, and the horizontal portion 25-2 extends toward the inner ring 22.
  • the yoke 25 is disposed at least on the vacuum side of the magnet 24, that is, at least on the vacuum side of the ball 23. Even if this occurs, it is trapped by the yoke 25 to prevent particles from entering the vacuum side. There is a slight gap between the yoke 25 and the surface of the rotary shaft 1, and it is considered that particles enter the vacuum side through this gap, but the horizontal portion 25-2 of the yoke 25 and the rotary shaft 1 Since a magnetic circuit is formed between the surface and the surface, particles are efficiently trapped and cannot enter the vacuum side.
  • FIG. 3B when magnet traps composed of the magnet 24 and the yoke 25 are provided on both sides of the rolling bearing on the vacuum side, even if particles such as a magnetic fluid are generated by the rolling of the ball 23, etc.
  • a magnet trap comprising the magnets 24 and the yokes 25 is provided on both sides of the rolling bearing on the atmosphere side The release of particles to the magnetic fluid seal 3 side and the atmosphere side can be prevented.
  • a magnetic circuit of a magnet trap including a magnet 24 and a yoke 25 provided on the atmosphere side from the ball 23 of the rolling bearing is formed as indicated by an arrow on the right side of FIG.
  • FIG. 4 is a longitudinal sectional view showing a modification of the yoke in the sealing device using the magnetic fluid according to the first and second embodiments of the present invention.
  • the ring-shaped yoke 25 has an L-shaped cross section, the portion that contacts the magnet 24 is a vertical portion 25-1 of the L-shape, and the portion that faces the surface of the rotating shaft 1 is L-shaped.
  • the horizontal portion 25-2 of the character extends toward the inner ring 22.
  • a sawtooth-shaped uneven portion 27 is formed on the surface of the horizontal portion 25-2 of the yoke 25 that faces the surface of the rotary shaft 1.
  • the 4B has a square screw-like uneven portion 28 formed on the surface of the horizontal portion 25-2 of the yoke 25 that faces the surface of the rotary shaft 1. As shown in FIG. As described above, the portion facing the surface of the rotating shaft 1 is formed with the sawtooth-shaped uneven portion 27 or the square screw-shaped uneven portion 28 on the surface of the L-shaped horizontal portion 25-2 facing the surface of the rotating shaft 1. As a result, particles can be trapped efficiently.
  • FIG. 5 is a longitudinal sectional view showing another modified example of the yoke in the sealing device using the magnetic fluid according to the first and second embodiments of the present invention.
  • the ring-shaped yoke 29 has an I-shaped cross section. In this example, since the cross-sectional shape is simple, the yoke 29 can be easily manufactured.
  • FIG. 6 shows still another modified example of the yoke in the sealing device using the magnetic fluid according to the first and second embodiments of the present invention, where (a) is a longitudinal sectional view, and (b) is (a).
  • FIG. In FIG. 6, the ring-shaped yoke 30 has an I-shaped cross section as in the case of FIG.
  • a bulging portion 31 is provided on the side of the yoke 30 facing the magnet 33, and a plurality of cylindrical or rectangular concave portions 32 that open to the outer ring side of the rolling bearing of the bulging portion 31 are provided in the circumferential direction.
  • a cylindrical magnet 33 is inserted into each of the two.
  • the ring-shaped yoke 30 has an I-shaped cross section, but the shape is not limited to this, and may be the shape shown in other embodiments.
  • FIG. 7 is a longitudinal sectional view showing a sealing device using a magnetic fluid according to Embodiment 3 of the present invention.
  • the rolling bearing 20 according to the third embodiment has the same basic structure as that of the first embodiment.
  • the same reference numerals as those in FIG. 3 indicate the same members as in FIG.
  • the difference from Embodiment 1 will be mainly described.
  • the magnetic circuit for holding the magnetic fluid in the lubricated portion is formed as shown by the arrow. That is, the magnetic circuit is formed on a path from the magnet 24 that is a permanent magnet to the magnet 24 again via the yoke 25, the inner ring 22, the ball 23, and the outer ring 21.
  • the rotating shaft 1 is made of a nonmagnetic material, or the horizontal portion 25-2 facing the surface of the rotating shaft 1 of the ring-shaped yoke 25 is formed so as to be separated from the surface of the rotating shaft 1. Is done. For this reason, there exists an advantage that the material of the rotating shaft 1 is not limited to a magnetic material.
  • the trap of the sealing device in the third embodiment is performed between the horizontal portion 25-2 of the yoke 25 and the inner ring 22.
  • FIG. 8 shows a case where grease is used as a lubricant in a normal rolling bearing and a case where a magnetic fluid is used as a lubricant and a magnetic fluid is fixed by a magnetic circuit using a magnet (hereinafter referred to as “magnetic fluid without magnet trap). ”)”) And the amount of particles generated per hour was measured.
  • This measurement test was carried out by setting a weak magnetic field and creating a state in which particles are easily generated in order to confirm the trap effect of the magnet trap when the magnetic fluid is fixed by a magnetic circuit.
  • bearings using magnetic fluid are not provided with a shield, but bearings using grease are provided with a shield so that grease particles are not easily generated.
  • the number of particles of 0.1 ⁇ m or more per hour increases as the number of rotations increases.
  • the number of particles generated in a magnetic fluid without a magnet trap is larger than when grease is used.
  • FIG. 9 shows a case where grease is used as a lubricant in a normal rolling bearing, a magnetic fluid without a magnet trap, and a magnetic fluid is used as a lubricant and the magnetic fluid is fixed by a magnetic circuit using a magnet.
  • the ring-shaped yoke (magnet trap) according to the present invention is mounted (hereinafter referred to as “magnetic fluid with magnet trap”), the amount of particles generated per hour over time is measured. It is. For measurement, a bearing with a diameter of 25 mm was used and rotated at 300 rpm.
  • This measurement test was also performed by setting a weak magnetic field and creating a state where particles are easily generated in order to confirm the trap effect of the magnet trap when the magnetic fluid is fixed by a magnetic circuit. Also, bearings using magnetic fluid are not provided with a shield, but bearings using grease are provided with a shield so that grease particles are not easily generated.
  • 9 (a) and 9 (b) show the same measurement results, but FIG. 9 (b) makes it easy to see the number of particles generated when a magnetic fluid is used with a magnet trap and when grease is used. Therefore, it is a semi-logarithmic graph. As shown in FIG. 9A, in the case of a magnetic fluid without a magnet trap, the number of particles generated per hour is remarkably large regardless of the elapsed time.
  • the number of particles generated per hour is as low as about 1/8, compared with a magnetic fluid without a magnet trap. It can be seen that the number of occurrences suddenly increases before and after, and about 1000 are generated per hour even in other small time zones.

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Abstract

【課題】ミストおよびパーティクルの発生を防止し、真空側の真空の質の低下及び圧力変動を防止する。 【解決手段】ハウジング内の軸方向の中央部に設けられた磁性流体シールと、前記磁性流体シールの両側に設けられたころがり軸受とを備え、　前記両側のころがり軸受の内、真空側に配置されたころがり軸受の潤滑部には磁性流体が充填されるとともに外輪の真空側に磁石が装着され、　前記磁石の前記ころがり軸受の外輪と反対側には、回転軸に遊嵌する磁性材料製のリング状のヨークが装着されることを特徴とする磁性流体を用いたシール装置としている。

Description

磁性流体を用いたシール装置
　本発明は、磁性流体を用いたシール装置、特に、半導体、ＦＰＤ及び太陽電池などの製造装置における真空場で使用されるころがり軸受のシールに好適な磁性流体を用いたシール装置に関するものである。 
　半導体製造装置等においては、例えば、真空ポンプによって真空状態に保持された反応室内にウエハを配置して反応ガスを導入してＣＶＤ法等によって薄膜の形成を行なっている。反応室内でのワークの搬送は気密状態のままで行う必要があり、そのための搬送機構においては、反応室内においてワークを実際に把持するアーム部分と、反応室の外部からアーム部分に動力を伝達するための駆動機構との間が気密状態で完全に仕切られている必要がある。また、反応室の側は塵等の発生を極力抑える必要がある。このために、反応室内のアーム部分の駆動機構は摩耗粉、潤滑剤のミスト等が発生しない機構が望ましい。 
　上記のような半導体製造装置等にあっては、例えば、図１０に示すような磁性流体シール装置１０１が使用されている。この磁性流体シール装置は、一対の磁極片としてのポールピース１０２，１０３と、この一対のポールピース１０２，１０３に挟まれた磁力発生手段としての磁石１０４と、で構成される磁気回路形成手段を用いている。そして、ハウジング１１２に一対のポールピース１０２，１０３が密封性を向上させるＯリング１０５，１０６を介して装着され、ポールピース１０２，１０３と磁石１０４と磁性流体１０７と磁性材製である軸１１１とで磁気回路を形成して、磁性流体１０７をポールピース１０２，１０３と軸１１１に形成された複数の環状突起先端との間に保持して密封対象側である真空側を真空状態に保持する密封機能を備えるものである（以下、「従来技術１」という。）。 
　そして、このような磁性流体シール装置１０１の大気側に、片持ちタイプの軸受部としてのベアリング１１０が配置されている。このベアリング１１０は、一般にベアリング１１０から発生するダストが嫌われて、磁性流体シール装置１０１の大気側に配置される。ベアリング１１０には、アンギュラベアリング等が用いられ、このベアリング１１０の潤滑には、グリースを使用することが多い。 
　また、密封型ころがり軸受として図１１に示すものが知られている（以下、「従来技術２」という。例えば、特許文献１参照。） 
　この従来技術２は、ころがり軸受１３０の外輪１３１の両側に固定された一対のシール体１３３、１３３を備え、各シール体１３３が外輪１３１に固定された永久磁石１３４と該永久磁石１３４に固定されヨーク１３５とからなり、該ヨーク１３５と内輪１３２とのシール隙間に磁性流体を存在しており、一対のシール体１３３、１３３の間に入れられたグリース等の潤滑剤が磁性流体により密封されるようになっている。 
　しかし、上記従来技術１及び２では、グリース等の潤滑剤は、一般にベースオイルに増稠剤を混合したものであり、油分離は起こしてしまう。この状況は、温度が高くなる程顕著となり、図１０のように軸受が片持ちタイプの場合、分離したオイルがベアリング１１０から流れ出し、磁性流体１０７中に混入し、磁性流体１０７の劣化が生じ、耐圧性及び真空性に悪影響を及ぼし磁性流体シール装置１０１の寿命を短くする問題があった。また、従来技術２においてもグリース等の潤滑剤が油分離を起こし磁性流体中に混入し、従来技術１同様の問題を生じていた（以下「第１の問題」という。）。 
　また、従来技術１では、分離したオイルがベアリング１１０から大気側に流れ出しドライ状態となることから、トルクが大きくなり、最悪の場合ベアリングが壊れることもある。さらに、軸受にグリースを足す場合には、装置を分解する必要があり煩雑な作業を強いられることになる。 
　一方、軸受を真空側に配置した両持ちタイプの磁性流体シール装置などにあっては、片持ちタイプと同様に第１の問題があり、さらに気泡や水分が真空中に放出され真空チャンバー内の真空の質を低下させたり、圧力変動が起こり問題視されている（以下「第２の問題」という。）。 
　上記従来技術１の第１の問題に鑑み、大気側のポールピースの上面に、ハウジング側に下方へ凹むオイル受け部を備え、ベアリングでグリースが油分離を起こし、分離したオイルがベアリングから流れ出した場合に、ベアリングの下部にあるオイル受け部に溜め、オイルが磁性流体中に混入することを防止するようにした装置が知られている（以下「従来技術３」という。例えば、特許文献２参照。）。 
　また、上記第２の問題に鑑み、図１２に示すように、仕切り壁１２０により気密状態で仕切られた真空側と大気側との間で回転力等の動力を伝達するための回転伝達装置に関して、回転出力軸１２１を回転自在に支持している第１および第２のボールベアリング１１３、１１４の潤滑剤として、グリースの代わりに磁性流体を用いたものが知られている（以下「従来技術４」という。例えば、特許文献３参照。）。この従来技術４は、第１および第２のボールベアリング１１３、１１４の外輪の間に挟まれた円環状の第１のスペーサ１１５と内輪の間に挟まれた円環状の第２のスペーサ１１６と、円環状段面１２２ａと、ナット１１７とによって、第１および第２のボールベアリング１１３、１１４の外輪及び内輪の軸線方向の位置を規定し、磁気回路を構成するために、第１のスペーサ１１５はフェライト系あるいはマルテンサイト系ステンレス等の強磁性体から形成し、また、軸線方向の端がＮ極、Ｓ極となるように着磁し、さらに、回転出力軸１２１の少なくとも軸部分１２２は磁性体から形成し、これに加えて、ボールベアリング１１３、１１４も一般的に使用されている金属製の磁性体とし、第２のスペーサ１１６を非磁性体とし、ボールベアリング１１３、１１４の接触部分の周囲を磁性流体で覆われた状態に形成するようにしたものである。 
特開昭６３－１０１５２０号公報 特開２００３－２５４４４６号公報 特開平１１－１６６５９７号公報
　上記従来技術３においては、オイルの混入が防止された磁性流体には劣化が生じず、耐圧性及び真空性に影響が及ばず、磁性流体シール装置の長寿命化が図れるという効果はあるが、真空中の場合、オイル受け部に溜められたオイルに含まれている気泡や水分が真空中に放出され真空チャンバー内の真空の質を低下させるという問題があった。 
　また、上記従来技術４のように、潤滑剤としてグリースの代わりに磁性流体を用い、磁石を用いた磁気回路により磁性流体を固定するものではボールベアリングの接触部分で発生する微小な摩耗粉等のパーティクルが少なくなると期待されていたが、実際に試験してみると、図８および９に示すように、潤滑剤としてグリースを用いた場合に比べてパーティクル発生量がかなり多い。 
　ただし、この試験では、潤滑剤がグリースの場合、軸受に公知のシールドを設けてパーティクルを発生し難くしている一方、潤滑剤が磁性流体の場合、図１２と同じく軸受にシールドを設けず、さらに磁力の弱い磁石を用いた。 
　本発明は上記のような問題を解決するためになされたものであって、軸受部から真空側へのミストおよびパーティクルの影響を防止し、真空側の真空の質の低下及び圧力変動の防止を図ることのできる磁性流体を用いたシール装置を提供することを目的としている。 
　上述の目的を達成するために本発明の磁性流体を用いたシール装置は、第１に、ハウジングと回転軸との間に設けられて真空側と大気側とを密封するシール装置であって、 
　前記ハウジング内の軸方向の中央部に設けられた磁性流体シールと、前記磁性流体シールの両側に設けられたころがり軸受とを備え、 
　前記両側のころがり軸受の内、真空側に配置されたころがり軸受の潤滑部には磁性流体が充填されるとともに外輪の真空側に磁石が装着され、 
　前記磁石の前記ころがり軸受の外輪と反対側には、回転軸に遊嵌する磁性材料製のリング状のヨークが装着されることを特徴としている。 
　この特徴によれば、回転軸の両側にころがり軸受を設けて回転軸の偏芯を防止したものにおいて、ミストおよびパーティクルの発生を防止し、真空側の真空の質の低下及び圧力変動の防止、または、磁性流体シール装置の劣化の防止、あるいは、グリース使用による高温時の垂れおよび高トルク化の問題の解消を図ることができる。また、中央に磁性流体シールが設けられているため、ころがり軸受の磁性流体シール側では磁性流体シールによりパーティクルがトラップされることから、ころがり軸受の磁性流体シール側にマグネットトラップを設ける必要がない。 
　また、本発明の磁性流体を用いたシール装置は、第２に、ハウジングと回転軸との間に設けられて真空側と大気側とを密封するシール装置であって、 
　前記ハウジング内の軸方向の中央部に設けられた磁性流体シールと、前記磁性流体シールの両側に設けられたころがり軸受とを備え、 
　前記両側のころがり軸受の潤滑部には磁性流体が充填され、 
　前記両側のころがり軸受において、真空側に配置されたころがり軸受の外輪の真空側に磁石が装着されるとともに大気側に配置されたころがり軸受の外輪の大気側に磁石が装着され、 
　前記それぞれの磁石の前記ころがり軸受の外輪と反対側には、回転軸に遊嵌する磁性材料製のリング状のヨークが装着されることを特徴としている。 
　この特徴によれば、第１の特徴に加えて、大気中へのパーティクルの流出を防止することができるとともに、大気側のころがり軸受の長寿命化も図ることができる。 
　また、本発明の磁性流体を用いたシール装置は、第３に、ハウジングと回転軸との間に設けられて真空側と大気側とを密封するシール装置であって、 
　前記回転軸を前記ハウジング内において両持ち支持するように離間して配置された２つのころがり軸受を備え、 
　前記２つのころがり軸受の内、真空側に配置されたころがり軸受の潤滑部には磁性流体が充填されるとともに外輪の真空側に磁石が装着され、 
　前記磁石の前記ころがり軸受の外輪と反対側には、回転軸に遊嵌する磁性材料製のリング状のヨークが装着されることを特徴としている。 
　この特徴によれば、回転軸の両側にころがり軸受を設けて回転軸の偏芯を防止したものにおいて、ころがり軸受の中央に磁性流体シールを設けない場合でも、ミストおよびパーティクルの発生を防止し、真空側の真空の質の低下及び圧力変動の防止、または、磁性流体シール装置の劣化の防止、あるいは、グリース使用による高温時の垂れおよび高トルク化の問題の解消を図ることができる。 
　また、本発明の磁性流体を用いたシール装置は、第４に、ハウジングと回転軸との間に設けられて真空側と大気側とを密封するシール装置であって、 
　前記回転軸を前記ハウジング内において両持ち支持するように離間して配置された２つのころがり軸受を備え、 
　前記２つのころがり軸受の潤滑部には磁性流体が充填され、 
　前記２つのころがり軸受において、真空側に配置されたころがり軸受の外輪の真空側に磁石が装着されるとともに大気側に配置されたころがり軸受の外輪の大気側に磁石が装着され、 
　前記それぞれの磁石の前記ころがり軸受の外輪と反対側には、回転軸に遊嵌する磁性材料製のリング状のヨークが装着されることを特徴としている。 
　この特徴によれば、第３の特徴に加えて、大気中へのパーティクルの流出を防止することができるとともに、大気側のころがり軸受の長寿命化も図ることができる。 
　また、本発明の磁性流体を用いたシール装置は、第５に、第１乃至第４のいずれかの特徴において、前記ころがり軸受の内、少なくとも前記真空側に配置されたころがり軸受の真空側にはシールドを設けることを特徴としている。 
　この特徴によれば、少なくとも真空側に配置されたころがり軸受の内部からの磁性流体の漏れ、または、軸受の外部から内部への異物の侵入を防止することができる。 
　また、本発明の磁性流体を用いたシール装置は、第６に、第１乃至第５のいずれかの特徴において、回転軸を磁性材料から形成し、磁性流体を潤滑部に保持するところの磁気回路を、磁石、ヨーク、回転軸及びころがり軸受の内輪、ボール、外輪の間で形成することを特徴としている。 
　この特徴によれば、磁気回路の形成が十分、且つ容易にできる。 
　また、本発明の磁性流体を用いたシール装置は、第７に、第１乃至第５のいずれかの特徴において、回転軸を磁性材料又は非磁性材料から形成し、磁性流体を潤滑部に保持するところの磁気回路を、磁石、ヨーク、及びころがり軸受の内輪、ボール、外輪の間で形成することを特徴としている。 
　この特徴によれば、第６の特徴に加えて、回転軸の材料が磁性材料に限定されないという利点がある。　 
　また、本発明の磁性流体を用いたシール装置は、第８に、第１乃至第７のいずれかの特徴において、ヨークの断面形状がＩ字状であることを特徴としている。 
　この特徴によれば、ヨークの製造が容易にできる。 
　また、本発明の磁性流体を用いたシール装置は、第９に、第１乃至第７のいずれかの特徴において、ヨークの断面形状がＬ字状であって、該Ｌ字状の垂直部分が磁石に接し、水平部分は回転軸の表面に対向するように配設されることを特徴としている。 
　この特徴によれば、パーティクル等を効率よくトラップすることができる。 
　また、本発明の磁性流体を用いたシール装置は、第１０に、第９の特徴において、Ｌ字状のヨークの水平部分の回転軸の表面に対向する面に凹凸部が形成されることを特徴としている。 
　この特徴によれば、パーティクル等を極めて効率よくトラップすることができる。 
　また、本発明の磁性流体を用いたシール装置は、第１１に、第１乃至第１０のいずれかの特徴において、リング状のヨークの磁石に面する側に膨出部を設け、該膨出部のころがり軸受の外輪側に開口する筒状又は矩形状の凹部を円周方向に複数設け、該凹部に磁石を嵌入させることを特徴としている。 
　この特徴によれば、ヨークを寸法精度良く製造すれば磁石の寸法精度を要求するまでもなく、簡単な構造でころがり軸受を寸法精度良く設置することができ、また、既存のころがり軸受にも容易に適用することができる。 
本発明の実施形態１に係る磁性流体を用いたシール装置を示す縦断面図である。 本発明の実施形態２に係る磁性流体を用いたシール装置を示す縦断面図である。 本発明の実施形態１及び２に係る磁性流体を用いたシール装置における磁気回路を説明するためのもので、（ａ）は、真空側のころがり軸受の一方側にマグネットトラップを設けた場合の縦断面図、（ｂ）は、真空側のころがり軸受の両側にマグネットトラップを設けた場合の縦断面図である。 本発明の実施形態１及び２に係る磁性流体を用いたシール装置におけるヨークの変形例を示す縦断面図である。 本発明の実施形態１及び２に係る磁性流体を用いたシール装置におけるヨークの他の変形例を示す縦断面図である。 本発明の実施形態１及び２に係る磁性流体を用いたシール装置におけるヨークのさらに他の変形例を示すものであって、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ－Ａ断面図である。 本発明の実施形態３に係る磁性流体を用いたシール装置を示す縦断面図である。 通常のころがり軸受において潤滑剤としてグリースを用いた場合と、潤滑剤として磁性流体を用い、磁石を用いた磁気回路により磁性流体を固定した場合との１時間当たりのパーティクルの発生量を測定した図である。 通常のころがり軸受において潤滑剤としてグリースを用いた場合、潤滑剤として磁性流体を用い、磁石を用いた磁気回路により磁性流体を固定した場合、および、潤滑剤として磁性流体を用い、磁石を用いた磁気回路により磁性流体を固定するとともに、本発明によるマグネットラップ（磁石及びヨーク）を装着した場合における、時間経過に伴う１時間当たりのパーティクルの発生量を測定した図である。 従来技術１を示す縦断面図である。 従来技術２を示す縦断面図である。 従来技術４を示す縦断面図である。
　本発明の磁性流体を用いたシール装置を実施するための形態を図面を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれに限定されて解釈されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良を加えうるものである。 
〔実施の形態１〕 
　図１は、本発明の実施形態１に係る磁性流体を用いたシール装置を示す縦断面図である。 
　図１において、左側が真空側、右側が大気側である。 
　図１において、磁性流体を用いたシール装置は、ハウジング２と回転軸１との間に装着されて、真空側と大気側とをシールするものである。 
　ハウジング２内の中央部に磁性流体シール３を配置するとともに該磁性流体シール３の両側にころがり軸受２０、２０を配置し、該真空側のころがり軸受２０の外輪２１又は内輪２２と磁性流体シール３との間、及び、大気側のころがり軸受２０の外輪２１と磁性流体シール３との間には非磁性材料からなるスペーサ４が介在されている。また、ころがり軸受２０、２０の内、少なくとも真空側に配置されたころがり軸受２０の真空側には、金属板をプレス加工した密封用キャップであるところのシールド３４が設けられ、少なくとも真空側に配置されたころがり軸受２０の内部からの磁性流体の漏れ、または、ころがり軸受２０の外部から内部への異物の侵入を防止している。図１においては、シールド３４は、真空側に配置されたころがり軸受２０の真空側に設けられているが、これに加えて、大気側に配置されたころがり軸受２０の大気側に設けてもよい。このシールド３４は、ころがり軸受２０の外輪の側面に取り付けられ、内輪とは非接触で、狭いすきまをもって配置されている。 
　なお、シールド３４は、大気側のころがり軸受２０の潤滑剤をグリースにした場合には設けた方がよいが、真空側及び大気側の両方のころがり軸受２０に磁性流体を使用した場合は、シールド３４を設ける必要はない。 
　ハウジング２の内周側の左端には段部５が形成され、該段部５に、後記する磁石２４及びヨーク２５を挟着するようにして、ころがり軸受２０が当接され、右側に向かって順に、スペーサ４、磁性流体シール３、スペーサ４およびころがり軸受２０が配置され、磁石２４及びヨーク２５を挟着するようにして押えリング６およびボルト７により段部５に押し付けられるようにして固定される。 
　一方、回転軸１には、リテイニングリング８が大気側のころがり軸受２０の位置に対応してに設けられ、該ころがり軸受２０の内輪２２を位置決めしている。 
　磁性流体シール３は、マグネット９と、その両側に配置されたポールピース１０、１０とより構成される。ポールピース１０、１０に対向する回転軸１の外周面には、複数の凸部１１が形成されている。また、ポールピース１０、１０の外周面にはＯリング１２が装着され、ハウジング２の内周面との間をシールしている。 
　 図１において、本発明の実施形態１に係るころがり軸受２０は、玉軸受あるいはローラ軸受等の転動体のころがりを利用した軸受であり、外輪２１がハウジング２に固定され、内輪２２が回転軸１に固定される。外輪２１と内輪２２との間にはボール２３が嵌入されている。 
　また、両側にころがり軸受２０、２０の内、真空側のころがり軸受２０の潤滑部には磁性流体が充填され、大気側のころがり軸受２０の潤滑部には磁性流体またはグリースなどの通常の潤滑剤が充填される。図１においては、両側のころがり軸受２０、２０の潤滑部に磁性流体２６が充填された場合が示されている。大気側のころがり軸受２０においても磁性流体２６を用いた方が長寿命である。 
　また、図１には、真空側のころがり軸受２０の外輪２１の真空側側面、及び、大気側のころがり軸受２０の外輪２１の大気側には、それぞれ磁石２４が設けられ、該それぞれの磁石２４の外輪２１と反対側に、磁性材料からなり、回転軸１に遊嵌するリング状のヨーク２５が設けられる例が示されているが、これは、両側のころがり軸受２０、２０の潤滑部に磁性流体２６が充填されているからであり、大気側のころがり軸受２０の潤滑部に通常の潤滑剤が充填される場合には大気側のころがり軸受２０に磁石２４及びヨーク２５を設ける必要はない。 
　図１のように、それぞれのころがり軸受２０の真空側及び大気側に磁石２４及びヨーク２５より構成されるマグネットトラップを設けることにより真空室及び大気中にパーティクルの流出を防止することができ、ころがり軸受２０の長寿命化を図ることができる。 
　また、図１の場合、マグネットトラップを、それぞれのころがり軸受２０の片側にしか設けていないのはマグネットトラップを設けていない側には磁性流体シール３が設けられ、磁性流体を保持しているポールピース１０と回転軸１の複数の凸部１１との間でパーティクルがトラップされるからである。ただし、ころがり軸受２０に用いる磁性流体２６と磁性流体シールの磁性流体が異なり、相互に混入を防止する必要がある場合には、それぞれのころがり軸受２０の両側にマグネットトラップを設けるのが望ましい。 
　ころがり軸受２０の潤滑剤としては、グリースの代わりに、磁性流体２６が用いられ、被潤滑部分に対する潤滑が行われる。被潤滑部分の潤滑を長期間に亘って適切に行うために、磁性流体２６を被潤滑部分に保持するための磁気回路を形成する必要がある。 
　磁気回路の形成のため、本実施の形態においては回転軸１は磁性体から形成され、ころがり軸受２０の外輪２１、内輪２２およびボール２３も一般的に使用されている金属製であり、磁性体である。 
　磁性流体としては、大別して、水ベース磁性流体、炭化水素油ベース磁性流体及びふっ素油ベース磁性流体の３種類あるが、蒸気圧が低く、高温・高真空中において蒸発しにくい炭化水素油ベース磁性流体及びふっ素油ベース磁性流体が望ましい。しかし、本発明においてはこれに限らず、潤滑性を有するものであればあらゆる磁性流体を使用することができる。 
　そのため、本発明においては、炭化水素油ベース磁性流体及びふっ素油ベース磁性流体に限らず、潤滑性を有する磁性流体を、単に磁性流体と呼ぶこととする。 
　また、磁石２４としては、例えば、金属又は磁石粉を充填した有機材料等からなる永久磁石が用いられるが、これに限らず、永久磁石であればよい。 
〔実施の形態２〕 
　図２は、本発明の実施形態２に係る磁性流体を用いたシール装置を示す縦断面図である。 
　図２において、左側が真空側、右側が大気側である。 
　磁性流体を用いたシール装置は、ハウジング２と回転軸１との間に装着されて、真空側と大気側とをシールするものである。 
　磁性流体を用いたシール装置は、ハウジング２内の中央部に非磁性材料からなるスペーサ１３を配置するとともに該スペーサ１３の両側にころがり軸受２０、２０を配置している。また、ころがり軸受２０、２０の内、少なくとも真空側に配置されたころがり軸受２０の真空側にはシールド３４が設けられ、少なくとも真空側に配置されたころがり軸受２０の内部からの磁性流体の漏れ、または、ころがり軸受２０の外部から内部への異物の侵入を防止している。図２においては、シールド３４は、真空側に配置されたころがり軸受２０の真空側に設けられているが、両側のころがり軸受の両側に設けてもよい。このシールド３４は、ころがり軸受２０の外輪の側面に取り付けられ、内輪とは非接触で、狭いすきまをもって配置されている。 
　なお、シールド３４は、大気側のころがり軸受２０の潤滑剤をグリースにした場合には設けた方がよいが、真空側及び大気側の両方のころがり軸受２０に磁性流体を使用した場合は、シールド３４を設ける必要はない。 
　ハウジング２の内周側の左端には段部５が形成され、該段部５に、磁石２４及びヨーク２５を挟着するようにして、ころがり軸受２０が当接され、右側に向かって順に、スペーサ１３およびころがり軸受２０が配置され、磁石２４及びヨーク２５を挟着するようにして、押えリング６およびボルト７により段部５に押し付けられるようにして固定される。 
　一方、回転軸１には、大気側のころがり軸受に対応する位置にリテイニングリング８が設けられ、該のころがり軸受２０の内輪２２が位置決めされている。 
　 図２において、本発明の実施形態２に係るころがり軸受２０は、玉軸受あるいはローラ軸受等の転動体のころがりを利用した軸受であり、外輪２１がハウジング２に固定され、内輪２２が回転軸１に固定される。外輪２１と内輪２２との間にはボール２３が嵌入されている。 
　また、両側にころがり軸受２０、２０の内、真空側のころがり軸受２０の潤滑部には磁性流体が充填され、大気側のころがり軸受２０の潤滑部には磁性流体またはグリースなどの通常の潤滑剤が充填される。図２においては、両側のころがり軸受２０、２０の潤滑部に磁性流体２６が充填された場合が示されている。大気側のころがり軸受２０においても磁性流体２６を用いた方が長寿命である。 
　また、図２では、真空側のころがり軸受２０の外輪２１の真空側側面、及び、大気側のころがり軸受２０の外輪２１の大気側には、それぞれ磁石２４が設けられ、該それぞれの磁石２４の外輪２１と反対側に、磁性材料からなり、回転軸１に遊嵌するリング状のヨーク２５が設けられる例が示されているが、これは、両側のころがり軸受２０、２０の潤滑部に磁性流体２６が充填されているからであり、大気側のころがり軸受２０の潤滑部に通常の潤滑剤が充填される場合には大気側のころがり軸受２０に磁石２４及びヨーク２５を設ける必要はない。 
　図２のように、それぞれのころがり軸受２０の真空側及び大気側に磁石２４及びヨーク２５より構成されるマグネットトラップを設けることにより真空室及び大気中にパーティクルの流出を防止することができ、ころがり軸受２０の長寿命化を図ることができる。 
　図２において、それぞれのころがり軸受２０の真空側及び大気側にしかマグネットトラップを設けていないのは、２つのころがり軸受の距離が離れており、パーティクルが真空側及び大気側に流出しようとしても、両端のマグネットトラップでトラップされ流出できないからである。しかし、マグネットトラップをころがり軸受２０の両側に設ければ、一層、パーティクルの真空側及び大気側への流出を防止することができる。 
　図３は、本発明の実施形態１及び２に係る磁性流体を用いたシール装置における磁気回路を説明するためのものであって、（ａ）は、真空側のころがり軸受の一方側に磁石２４及びヨーク２５からなるマグネットトラップを設けた場合の縦断面図、（ｂ）は、真空側のころがり軸受の両側に磁石２４及びヨーク２５からなるマグネットトラップを設けた場合の縦断面図である。 
　なお、磁気回路を説明する都合上、図３ないし図７においてシールド３４は省略されている。 
　回転軸１は磁性体から形成され、真空側のころがり軸受２０の外輪２１、内輪２２およびボール２３も磁性体であり、矢印で示す方向に磁気回路が形成される。すなわち、永久磁石である磁石２４から、ヨーク２５、回転軸１、内輪２２、ボール２３、外輪２１を経由して再び磁石２４に戻る磁気回路が形成される。このため、ボール２３と外輪２１との間、および、ボール２３と内輪２２との間には、磁性流体２６が保持される。 
　ヨーク２５は、回転軸１に遊嵌されるように、回転軸１の径より少し大きい内径を有するリング状をしており、その断面形状はＬ字状をなし、磁石２４に接する部分はＬ字の垂直部分２５－１であり、回転軸１の表面に対向する部分はＬ字の水平部分２５－２であり、該水平部分２５－２は内輪２２に向かって延びている。 
　このヨーク２５は、図３（ａ）及び（ｂ）において、少なくとも磁石２４の真空側、すなわち、少なくともボール２３より真空側には配置されるため、ボール２３の転動により磁性流体などのパーティクル等が発生しても、ヨーク２５によりトラップし、真空側へのパーティクルの侵入を防止するものである。ヨーク２５と回転軸１の表面との間にはわずかな間隙があり、この間隙を通ってパーティクルが真空側に侵入することが考えられるが、ヨーク２５の水平部分２５－２と回転軸１の表面との間には磁気回路が形成されているため、パーティクルは効率よくトラップされ、真空側に侵入することはできない。 
　また、図３（ｂ）のように、真空側のころがり軸受の両側に磁石２４及びヨーク２５からなるマグネットトラップを設けた場合、ボール２３の転動により磁性流体などのパーティクル等が発生しても、両側のヨーク２５によりトラップし、真空側及び磁性流体シール３側へのパーティクルの侵入を防止することができ、大気側のころがり軸受の両側に磁石２４及びヨーク２５からなるマグネットトラップを設けた場合、磁性流体シール３側及び大気側へのパーティクルの放出を防止できる。 
　なお、ころがり軸受のボール２３より大気側に設けられる磁石２４及びヨーク２５からなるマグネットトラップの磁気回路は、図３（ｂ）の右側の矢印で示すように形成される。　 
〔ヨークの変形例〕 
　図４は、本発明の実施形態１及び２に係る磁性流体を用いたシール装置におけるヨークの変形例を示す縦断面図である。 
　図４において、リング状のヨーク２５は、断面形状がＬ字状をなし、磁石２４に接する部分はＬ字のうちの垂直部分２５－１であり、回転軸１の表面に対向する部分はＬ字のうちの水平部分２５－２であり、該水平部分２５－２は内輪２２に向かって延びている。 
　図４（ａ）のものは、ヨーク２５の水平部分２５－２の回転軸１の表面に対向する面に鋸刃状の凹凸部２７が形成されている。 
　また、図４（ｂ）のものは、ヨーク２５の水平部分２５－２の回転軸１の表面に対向する面に角ネジ状の凹凸部２８が形成されている。 
　このように、回転軸１の表面に対向する部分はＬ字の水平部分２５－２の回転軸１の表面に対向する面に鋸刃状の凹凸部２７または角ネジ状の凹凸部２８が形成されることにより、効率的にパーティクルをトラップすることができる。 
〔ヨークの他の変形例〕 
　図５は、本発明の実施形態１及び２に係る磁性流体を用いたシール装置におけるヨークの他の変形例を示す縦断面図である。 
　 図５において、リング状のヨーク２９は、その断面形状はＩ字状をなしている。本例においては、断面形状がシンプルであるため、ヨーク２９の製造が容易である。 
〔ヨークのさらに他の変形例〕 
　図６は、本発明の実施形態１及び２に係る磁性流体を用いたシール装置におけるヨークのさらに他の変形例を示すものであって、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ－Ａ断面図である。 
　図６において、リング状のヨーク３０は、図５の場合と同じくその断面形状はＩ字状をなしている。ヨーク３０の磁石３３に面する側に膨出部３１を設け、該膨出部３１のころがり軸受の外輪側に開口する筒状又は矩形状の凹部３２を円周方向に複数設け、該凹部３２にそれぞれ円筒状の磁石３３を嵌入させている。 
　ヨーク３０により磁石３３を保持する構造とすることにより、ヨーク３０を寸法精度良く製造すれば磁石３３の寸法精度を要求するまでもなく、簡単な構造でころがり軸受２０を寸法精度良く設置することができ、また、既存のころがり軸受にも容易に適用することができる。 
　なお、図６では、リング状のヨーク３０はその断面形状がＩ字状をなしているが、これに限らず、他の実施形態に示した形状でもよい。 
〔実施の形態３〕 
　図７は、本発明の実施形態３に係る磁性流体を用いたシール装置を示す縦断面図である。 
　実施形態３に係るころがり軸受２０は、基本構造は実施の形態１と同じであり、図７において、図３と同じ符号は図３の場合と同じ部材を指している。以下、実施の形態１と相違する部分について主に説明する。 
　図７において、磁性流体を被潤滑部分に保持するための磁気回路は、矢印で示すように形成される。すなわち、磁気回路は、永久磁石である磁石２４から、ヨーク２５、内輪２２、ボール２３、外輪２１を経由して再び磁石２４に戻る経路に形成される。このため、回転軸１は非磁性材料から製作されるか、または、リング状のヨーク２５の回転軸１の表面に対向する水平部分２５－２が、回転軸１の表面から離間するように形成される。 
　このため、回転軸１の材料が磁性材料に限定されないという利点がある。 
　本実施形態３におけるシール装置のトラップは、ヨーク２５の水平部分２５－２および内輪２２との間で行われる。 
　図８は、通常のころがり軸受において潤滑剤としてグリースを用いた場合と、潤滑剤として磁性流体を用い、磁石を用いた磁気回路により磁性流体を固定した場合（以下、「磁性流体でマグネットトラップなしの場合」という。）との１時間当たりのパーティクルの発生量を測定したものである。 
　なお、この測定試験は、磁気回路により磁性流体を固定した場合におけるマグネットトラップのトラップ効果を確認するため、あえて、磁場を弱く設定し、パーティクルの発生し易い状態を作り出して行ったものである。また、磁性流体を用いた軸受ではシールドを設けていないが、グリースを用いた軸受ではシールドを設けグリースのパーティクルを発生しにくい状況にした。 
　直径２５ｍｍのベアリングを５０ｒｐｍ～３００ｒｐｍの範囲で回転させて測定した結果、１時間当たり、０．１μｍ以上のパーティクルの発生数は、回転数が大きくなるにつれ多くなるが、いずれの回転数においても、磁性流体でマグネットトラップなしの場合の方がグリースを用いた場合に比べパーティクルの発生数は多い。 
　図９は、通常のころがり軸受において潤滑剤としてグリースを用いた場合と、磁性流体でマグネットトラップなしの場合、および、潤滑剤として磁性流体を用い、磁石を用いた磁気回路により磁性流体を固定するとともに、本発明によるリング状のヨーク（マグネットトラップ）を装着した場合（以下「磁性流体でマグネットトラップありの場合」という。）における、時間経過に伴う１時間当たりのパーティクルの発生量を測定したものである。なお、測定には、直径２５ｍｍのベアリングを用い、３００ｒｐｍで回転させた。 
　なお、この測定試験も、磁気回路により磁性流体を固定した場合におけるマグネットトラップのトラップ効果を確認するため、あえて、磁場を弱く設定し、パーティクルの発生し易い状態を作り出して行ったものである。また、磁性流体を用いた軸受ではシールドを設けていないが、グリースを用いた軸受ではシールドを設けグリースのパーティクルを発生しにくい状況にした。 
　また、図９（ａ）及び（ｂ）は同じ測定結果を示すものであるが、図９（ｂ）は、磁性流体でマグネットトラップありの場合及びグリースを用いた場合のパーティクルの発生数を見やすくするため、片対数のグラフにしている。 
　図９（ａ）をみると、磁性流体でマグネットトラップなしの場合、１時間当たりのパーティクルの発生数は、経過時間に関係なく、断然多い。また、通常のころがり軸受において潤滑剤としてグリースを用いた場合、磁性流体でマグネットトラップなしの場合にくらべて、１時間当たりのパーティクルの発生数は約１／８程度と少ないが、１２時間経過の前後において発生数が突然多くなっており、その他の少ない時間帯においても１時間当たり約１０００個程度発生していることがわかる。 
　これに対して、磁性流体でマグネットトラップありの場合には、図９（ｂ）から分かるように、運転開始直後に１時間当たり約５００個程度発生しているが、時間経過とともに急速に低下し、数時間後には１時間当たり数個程度まで減少し、その後は、ほとんど発生していない。 
　この測定結果から、本発明のリング状のヨーク（マグネットトラップ）を装着したころがり軸受においては、ヨークによるパーティクルのトラップが確実に行われていることがわかる。 
　　１　　　回転軸 
　　２　　　ハウジング 
　　３　　　磁性流体シール 
　　４　　　スペーサ 
　　５　　　段部 
　　６　　　押えリング 
　　７　　　ボルト 
　　８　　　リテイニングリング 
　　９　　　マグネット 
　　１０　　ポールピース 
　　１１　　凸部 
　　１２　　Ｏリング 
　　１３　　スペーサ 
　　２０　　ころがり軸受 
　　２１　　外輪 
　　２２　　内輪 
　　２３　　ボール 
　　２４　　磁石 
　　２５　　ヨーク 
　　２６　　磁性流体 
　　２７　　鋸刃状の凹凸部 
　　２８　　角ネジ状の凹凸部 
　　２９　　ヨーク 
　　３０　　ヨーク 
　　３１　　膨出部 
　　３２　　凹部 
　　３３　　磁石 
　　３４　　シールド 

Claims (11)

  1. 　ハウジングと回転軸との間に設けられて真空側と大気側とを密封するシール装置であって、 
    　前記ハウジング内の軸方向の中央部に設けられた磁性流体シールと、前記磁性流体シールの両側に設けられたころがり軸受とを備え、 
    　前記両側のころがり軸受の内、真空側に配置されたころがり軸受の潤滑部には磁性流体が充填されるとともに外輪の真空側に磁石が装着され、 
    　前記磁石の前記ころがり軸受の外輪と反対側には、回転軸に遊嵌する磁性材料製のリング状のヨークが装着されることを特徴とする磁性流体を用いたシール装置。 
  2. 　ハウジングと回転軸との間に設けられて真空側と大気側とを密封するシール装置であって、 
    　前記ハウジング内の軸方向の中央部に設けられた磁性流体シールと、前記磁性流体シールの両側に設けられたころがり軸受とを備え、 
    　前記両側のころがり軸受の潤滑部には磁性流体が充填され、 
    　前記両側のころがり軸受において、真空側に配置されたころがり軸受の外輪の真空側に磁石が装着されるとともに大気側に配置されたころがり軸受の外輪の大気側に磁石が装着され、 
    　前記それぞれの磁石の前記ころがり軸受の外輪と反対側には、回転軸に遊嵌する磁性材料製のリング状のヨークが装着されることを特徴とする磁性流体を用いたシール装置。 
  3. 　ハウジングと回転軸との間に設けられて真空側と大気側とを密封するシール装置であって、 
    　前記回転軸を前記ハウジング内において両持ち支持するように離間して配置された２つのころがり軸受を備え、 
    　前記２つのころがり軸受の内、真空側に配置されたころがり軸受の潤滑部には磁性流体が充填されるとともに外輪の真空側に磁石が装着され、 
    　前記磁石の前記ころがり軸受の外輪と反対側には、回転軸に遊嵌する磁性材料製のリング状のヨークが装着されることを特徴とする磁性流体を用いたシール装置。 
  4. 　ハウジングと回転軸との間に設けられて真空側と大気側とを密封するシール装置であって、 
    　前記回転軸を前記ハウジング内において両持ち支持するように離間して配置された２つのころがり軸受を備え、 
    　前記２つのころがり軸受の潤滑部には磁性流体が充填され、 
    　前記２つのころがり軸受において、真空側に配置されたころがり軸受の外輪の真空側に磁石が装着されるとともに大気側に配置されたころがり軸受の外輪の大気側に磁石が装着され、 
    　前記それぞれの磁石の前記ころがり軸受の外輪と反対側には、回転軸に遊嵌する磁性材料製のリング状のヨークが装着されることを特徴とする磁性流体を用いたシール装置。 
  5. 　前記ころがり軸受の内、少なくとも前記真空側に配置されたころがり軸受の真空側にはシールドを設けることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の磁性流体を用いたシール装置。 
  6. 　前記回転軸を磁性材料から形成し、磁性流体を潤滑部に保持するところの磁気回路を、磁石、ヨーク、回転軸、ころがり軸受の内輪、ボール、及び、外輪の間で形成することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の磁性流体を用いたシール装置。 
  7. 　前記回転軸を磁性材料又は非磁性材料から形成し、磁性流体を潤滑部に保持するところの磁気回路を、磁石、ヨーク、ころがり軸受の内輪、ボール、及び、外輪の間で形成することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の磁性流体を用いたシール装置。 
  8. 　前記ヨークの断面形状がＩ字状であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項記載の磁性流体を用いたシール装置。 
  9. 　前記ヨークの断面形状がＬ字状であって、該Ｌ字状の垂直部分が磁石に接し、水平部分は前記回転軸の表面に対向するように配設されることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項記載の磁性流体を用いたシール装置。 
  10. 　前記Ｌ字状のヨークの水平部分の前記回転軸の表面に対向する面に凹凸部が形成されることを特徴とする請求項９記載の磁性流体を用いたシール装置。 
  11. 　前記リング状のヨークの前記磁石に面する側に膨出部を設け、該膨出部の前記ころがり軸受の外輪側に開口する筒状又は矩形状の凹部を円周方向に複数設け、該凹部に前記磁石を嵌入させることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項記載の磁性流体を用いたシール装置。 
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