JP2014173432A - 真空ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】低振動で玉軸受の放熱特性に優れた真空ポンプの提供。
【解決手段】真空ポンプは玉軸受を保持する軸受保持部５０を備え、その軸受保持部５０は、内周側に外輪を保持し、外周側に凸部５１１および凹部５１２が周方向に交互に複数形成された内側保持リング５１と、内側保持リング５１の外周側に配置されるようにベース２に固定され、複数の凹部５１２と対向する複数の凸部５２１および複数の凸部５１１と対向する複数の凹部５２２が内周側に形成された外側保持リング５２と、内周面の一部が複数の凸部５１１に接触し、かつ、外周面の一部が複数の凸部５２１に接触するように波板状に弾性変形させられた状態で、内側保持リング５１および外側保持リング５２との間を周回するように介装されている板バネ５３と、を備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、玉軸受を軸受に用いた真空ポンプに関する。

ターボ分子ポンプ等の真空ポンプでは、ロータは数万ｒｐｍの回転数で回転駆動される。このように高速回転するロータを有する真空ポンプにおいては、共振振動などの回転に起因するロータの振動がポンプベース側に伝わってポンプ本体の振動を招くという問題がある。そのため、ロータを支持する軸受に玉軸受を用いている真空ポンプにおいては、振動遮断を目的として、玉軸受や軸受ハウジングをＯリング等のエラストマー弾性体を介して保持する構造が知られている（例えば、特許文献１参照）。エラストマー弾性体は熱伝達性能に劣るので、特許文献１に記載の真空ポンプにおいては、玉軸受が保持されているスリーブからスリーブケースへの放熱性を改善するために、円板状の放熱板がスリーブとスリーブケースとに接続されている。

特開２０１１−３８５３４号公報

しかしながら、Ｏリング等のエラストマー弾性体では振動遮断性能が十分ではなく、特に、Ｏリングをスラスト方向に配置した場合には、径方向の振動に対して剛性が比較的大きいという問題がある。また、Ｏリングを構成するエラストマー弾性体の経年変化により振動遮断特性が変化してしまうという欠点も有している。さらに、放熱板はポンプ軸方向の変形に関しては剛性が小さいが、径方向の変形に対しては比較的剛性が高いので、振動減衰性を損なうという欠点がある。

本発明の好ましい実施形態による真空ポンプは、ロータの軸を回転自在に支持する玉軸受と、ロータを回転駆動するモータと、モータが設けられたポンプベースに固定され、玉軸受の外輪を保持する軸受保持部と、を備え、軸受保持部は、内周側に外輪を保持し、外周側に第１凸部および第１凹部が周方向に交互に複数形成された第１保持リングと、第１保持リングの外周側に配置されるようにポンプベースに固定され、複数の第１凹部と対向する複数の第２凸部および複数の第１凸部と対向する複数の第２凹部が内周側に形成された第２保持リングと、内周面の一部が複数の第１凸部に接触し、かつ、外周面の一部が複数の第２凸部に接触するように波板状に弾性変形させられた状態で、第１および第２保持リングとの間を周回するように介装されている板バネと、を備える。
さらに好ましい実施形態では、板バネには、第１凸部との接触領域と第２凸部との接触領域との間に、軸方向に長く延びたスリットが形成されている。
さらに、第１および第２保持リングの少なくとも板バネと接触する面には、該第１および第２保持リングよりも摩擦係数の小さな膜が形成されているのが好ましい。
さらに好ましい実施形態では、第１保持リング、第２保持リングおよび板バネの少なくとも一つが制振合金で形成されている。
さらに好ましい実施形態では、第１および第２凸部に、板バネの軸方向端部と接触する鍔部を形成されている。

本発明によれば、低振動で玉軸受の放熱特性に優れた真空ポンプを提供することができる。

図１は、ターボ分子ポンプ１の断面図である。 図２は、玉軸受８の保持構造を詳細に示す図である。 図３は、軸受保持部５０の横断面図である。 図４は、凸部５１１、５２１の部分の拡大図である。 図５は、凸部５１１，５２１の頂部形状の変形例を示す図である。 図６は、板バネ５３の変形例を示す図である。 図７は、板バネ５３を保持リング５１、５２の間に装着する際に用いられる治具の一例を示す図である。

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の形態を示す図であり、ターボ分子ポンプ１の断面図である。なお、ターボ分子ポンプ１には電力を供給する電源ユニットが接続されるが、図１では図示を省略した。

図１に示すターボ分子ポンプ１は、排気機能部として、タービン翼を備えたターボポンプ部と、螺旋型の溝を備えたHolweckポンプ部とを備えている。もちろん、本発明は、排気機能部にターボポンプ部およびHolweckポンプ部を備えた真空ポンプに限らず、タービン翼のみを備えた真空ポンプや、ジーグバーンポンプやHolweckポンプなどのドラッグポンプのみを備えた真空ポンプや、それらを組み合わせた真空ポンプにも適用することができる。

ターボポンプ部は、ロータ３に形成された複数段の回転翼３０とベース２側に配置された複数段の固定翼２０とで構成される。一方、ターボポンプ部の下流側に設けられたHolweckポンプ部は、ロータ３に形成された一対の円筒部３１ａ，３１ｂと、ベース２側に配置された一対のステータ２１ａ，２１ｂとで構成されている。円筒状のステータ２１ａ，２１ｂの内外周面の内、円筒部３１ａ，３１ｂと対向する周面には螺旋溝が形成されている。

ロータ３はシャフト１０に締結されて、ロータ３とシャフト１０とは一体の回転体ユニットを構成している。シャフト１０はモータ４により回転駆動される。モータロータ４ａはシャフト１０に設けられ、モータステータ４ｂは、ベース２のモータハウジング部２ａに設けられている。シャフト１０の上側は永久磁石６ａ，６ｂを用いた永久磁石磁気軸受６により非接触支持され、シャフト１０の下側は玉軸受８により回転自在に支持されている。

永久磁石６ａ，６ｂは、軸方向に磁化されたリング状の永久磁石である。ロータ３に設けられた複数の永久磁石６ａは、同極同士が対向するように軸方向に複数配置されている。一方、固定側の複数の永久磁石６ｂは、ポンプケーシング１２に固定された磁石ホルダ１１に装着されている。これらの永久磁石６ｂも、同極同士が対向するように軸方向に複数配置されている。

ロータ３に設けられた永久磁石６ａの軸方向位置は、その内周側に配置された永久磁石６ｂの位置よりも若干上側となるように設定されている。すなわち、回転側の永久磁石６ａの磁極は、固定側の永久磁石６ｂの磁極に対して軸方向に所定量だけずれている。永久磁石６ａと永久磁石６ｂとの反発力により、ラジアル方向の支持力と軸方向上向きの（ポンプ開口方向）力とが回転体ユニットに作用している。永久磁石磁気軸受６の支持力は、上述した軸方向のずれ量の大きさによって異なる。

磁石ホルダ１１の内周側には、玉軸受９が保持されている。玉軸受９は、シャフト上部のラジアル方向の振れを制限するタッチダウンベアリングとして機能するものである。ロータ３が定常回転している状態では、シャフト１０と玉軸受９とは接触することはなく、大外乱が加わった場合や、回転の加速時または減速時にロータ３の振れ回りが大きくなった場合に、シャフト１０が玉軸受９の内輪に接触する。玉軸受８，９には、例えば深溝玉軸受が用いられる。下側の玉軸受８にはグリースが封入されている。

図２は、玉軸受８の保持構造を詳細に示す図である。また、図３は、軸受保持部５０の横断面、すなわち、シャフト１０に垂直な面で断面した場合の断面図である。なお、図２は、図３のＡ−Ａ断面を示したものである。

図２に示すように、玉軸受８は、内輪８ａがスラストナット１７によりシャフト１０に固定されている。玉軸受８の外輪８ｂは、軸受保持部５０によって保持されている。軸受保持部５０は、内側保持リング５１、外側保持リング５２および板バネ５３を備えている。外側保持リング５２は、ベース２に装着され、スラストストッパ１８によってベース２に固定される。板バネ５３は、内側保持リング５１と外側保持リング５２とを弾性的に連結する部材である。板バネ５３は、帯状のバネ材を、内側保持リング５１と外側保持リング５２との間で、表裏面が径方向を向くように１周以上周回させたものである。

図３に示すように、内側保持リング５１の外周側には、径方向に突出する凸部５１１が周方向に等間隔で複数形成されている。隣接する凸部５１１と凸部５１１との間は凹部５１２を形成している。図３に示す例では、凸部５１１および凹部５１２は８個ずつ形成されている。すなわち、凸部５１１同士および凹部５１２同士の角度間隔は４５degに設定されている。外側保持リング５２の内周側には、径方向に突出する凸部５２１が周方向に等間隔で複数形成されている。隣接する凸部５２１と凸部５２１との間は凹部５２２を形成している。外側保持リング５２には、凸部５２１および凹部５２２が８個ずつ形成されている。外側保持リング５２は、凸部５２１が内側保持リング５１の凹部５１２に対向し、凹部５２２が内側保持リング５１の凸部５１１に対向するように配置されている。なお、本実施の形態では、凸部５１１，５２１の数はそれぞれ８個であるが、これらの数は８個に限定されるものではなく、３個以上であればいくつであっても良い。

図３に示す例では、板バネ５３は、内側保持リング５１と外側保持リング５２との間を１周よりも若干多く周回しており、板バネ５３の両端部分は符号Ｄで示す部分において重なり合っている。図２に示すように、内側保持リング５１の凸部５１１の軸方向両端には、鍔部５１１ａ，５１１ｂが径方向に突出するように形成されている。また、外側保持リング５２の凸部５２１の軸方向上端には、鍔部５２１ａが径方向に突出するように形成されている。

鍔部５１１ａ，５１１ｂの軸方向間隔は、板バネ５３の幅寸法（軸方向寸法）よりも大きく設定されている。上述したように、回転体ユニットは、ポンプ吸気口方向に引き上げるような力を永久磁石磁気軸受６から受けているので、下側の鍔部５１１ｂが板バネ５３の下端に当接している。一方、外側保持リング５２の凸部５２１においては、板バネ５３の上端が鍔部５２１ａに当接している。その結果、回転体ユニットの軸方向位置が決まる。

内側保持リング５１の図示上側への変位は、外側保持リング５２の上端に形成されたリング部５２３によって規制される。逆に、内側保持リング５１の図示下側への移動は、スラストストッパ１８によって規制される。なお、隙間ｈ１は、内側保持リング５１が図示上側へ移動したときに、板バネ５３が座屈しないような寸法に設定される。また、隙間寸法ｈ２は、内側保持リング５１が図示下側へ移動した場合に、永久磁石６ｂに対する永久磁石６ａのズレ方向が逆転しないような寸法に設定される。

図４は、図３の凸部５１１、５２１の部分を拡大して示した図である。板バネ５３が接触する凸部５１１、５２１の頂部の半径寸法Ｒ１，Ｒ２は、板バネ５３の厚さをｔとしたとき、「Ｒ１＋ｔ＞Ｒ２」のように設定される。このとき、Δ＝Ｒ１＋ｔ−Ｒ２が大きいほど径方向の剛性が大きくなるので、所望の剛性が得られるようにΔを設定する。

なお、点Ｏは、内側保持リング５１の中心軸の位置を示す。このように寸法を設定することにより、板バネ５３は凸部５１１により径方向外側に変形されるとともに、凸部５２１によって径方向内側に変形され、波形状に弾性変形する。その結果、内側保持リング５１は、板バネ５３によって、外側保持リング５２に対してほぼ同軸となるように保持される。

凸部５１１，５２１の頂部は凸状に形成されている。図４に示す例では、いずれの頂部も円弧面で形成されており、円弧面の両端はＲ形状に形成されている。このように、凸部５１１，５２１の頂部の面形状を外側に凸とすることにより、板バネ５３との接触面積を大きくすることができる。各頂部の面形状は、板バネ５３の撓み易さやＲ１，Ｒ２の寸法等に応じて、接触面積が可能な限り大きくなるように決定される。図４の例では頂部を円弧面としたが、凸部５１１，５２１の頂部形状を図５（ａ）に示すように平面状とした場合、板バネ５３は、符号Ｂで示す頂部の両端（Ｒ形状部）の２箇所において接触することとになる。また、図５（ｂ）に示すように、平面の中央部を突出させた山形形状とすれば、中央部と両端部の３箇所で接触させることもできる。凸部５１１、５２１と板バネ５３との接触面積が大きいほど、内側保持リング５１から外側保持リング５２への熱伝達特性が向上する。

図７は、板バネ５３を保持リング５１、５２の間に装着する際に用いられる治具の一例を示したものである。この装着用ジグは、内側治具６１と外側治具６２とを有しており、いずれも筒部材である。図７において、（ａ）は治具６１、６２の板バネ挿入側の断面図であり、（ｃ）は治具６１、６２の板バネ排出側の断面図であり、（ｂ）は中間位置における断面を示したものである。

内側治具６１の外周面には、内側保持リング５１の凸部５１１と同数の凸部６１１が形成されている。外側治具６２の内周面には、外側保持リング５２の凸部５２１と同数の凸部６２１が形成されている。中心軸Ｏから各凸部６１１，６２１の頂部までの半径Ｒ１１，Ｒ２１は、挿入側（図７（ａ））ではＲ１１＜Ｒ２１のように設定され、排出側ではＲ１１＞Ｒ２１のように設定されている。すなわち、挿入側から排出側に近づくにつれて、凸部６１１，６２１が凹部側に食い込むような形状となっている。図７に示す例では、排出側の断面形状は、図３に示す保持リング５１，５２の断面形状と同一となっている。

板バネ５３は挿入側から治具６１，６２間の隙間に挿入される。挿入側では、板バネ５３の形状は円弧状であるが、排出側に近づくに連れて波板状に変形される。そして、波板状に変形されて両端部が重なり合った形状の板バネ５３は、治具６１，６２の排出側から排出され、保持リング５１，５２の隙間に挿入される。

玉軸受８を保持する軸受保持部５０は、玉軸受８（すなわちシャフト１０）を軸方向所定位置に保持するとともに、径方向に関しては玉軸受８を柔軟に保持している。すなわち、板バネ５３の幅方向を軸方向と一致させることで、内側保持リング５１１の軸方向への変位に対しては剛性を高めている。また、内側保持リング５１が径方向へ変位すると板バネ５３が撓むことになるが、板バネ５３の弾性係数を小さく設定することにより径方向変位に対する剛性を小さく設定することができる。その結果、シャフト振動のポンプベース側への伝達を低減することができる。

また、板バネ５３の変形や、板バネ５３の接触面における摩擦によるエネルギー吸収によって、シャフト１０の振動に対する減衰効果も得られる。なお、一般的には、板バネ５３にはバネ鋼が用いられ、内側保持リング５１、外側保持リング５２、スラストナット１７にはステンレス材が用いられるが、例えば、Ｍｎ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ｆｅ系合金等の制振合金を用いることにより、制振効果を向上させることができる。制振効果とは、シャフト１０からベース２へと伝達される振動を遮断する振動減衰効果とは異なり、制振合金により振動エネルギーの一部を吸収して、シャフト１０の振動そのものを減少させる効果のことである。

また、板バネ５３が接触する部分である凸部５１１、５２１および鍔部５１１ｂ，５２１ａや、内側保持リング５１の下方への変位を規制するスラストストッパ１８の表面に、摺動性に優れた保護膜（ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）膜や窒化膜等）を形成するようにしても良い。そのような保護膜を形成することにより、接触面における摩擦が小さくなることで接触面における引っ掛かりが防止され、内側保持リング５１がよりスムーズに変位することができる。また、ＤＬＣ膜や窒化膜は耐摩耗性にも優れているので、接触面における摩耗を低減することができる。

なお、保護膜は、内側保持リング５１および外側保持リング５２の全面に形成しても良いし、接触部を含む一部に形成しても良い。また、接触部における摩擦が低減されるように、軸受保持部５０内にグリース等の潤滑剤を配しても良い。

さらに、軸受保持部５０には、玉軸受８で発生する熱をポンプベース側に放熱する機能も要求される。本実施の形態の軸受保持部５０では、金属製の板バネ５３を介して内側保持リング５１を外側保持リング５２に接触させているので、従来のようにエラストマー弾性体を介装する構造に比べて、外輪８ｂからベース２への放熱特性を向上させることができる。

なお、図３に示す例では、板バネ５３の周回数を１周としているが、板バネ５３の板厚をより薄くして２周以上周回させるようにしても良い。

（変形例）
図６は板バネ５３の変形例を示す図である。図６（ａ）は図４の場合と同様の拡大図であり、図６（ｂ）は板バネ５３を外側保持リング５２側から見た図である。板バネ５３には、板バネ５３の幅方向（ポンプ軸方向）に延びるスリット５３０が複数形成されている。各スリット５３０は、凸部５１１との接触領域Ｃ１と、凸部５２１との接触領域Ｃ２との間に配置されている。

このようなスリット５３０を形成することにより、スリット５３０を形成しない場合（図３、４）と比べて、内側保持リング５１の径方向変位に対する板バネ５３の剛性を小さくすることができる。一方、スリット５３０は幅方向に延びているので、スリット５３０を形成したことによる幅方向の剛性低下は小さい。そのため、スリット５３０を設けることにより、幅方向と径方向との剛性の比を調整することが可能である。

以上説明したように、本実施の形態における軸受保持部５０は、内周側に外輪８ｂを保持し、外周側に凸部５１１および凹部５１２が周方向に交互に複数形成された内側保持リング５１と、内側保持リング５１の外周側に配置されるようにベース２に固定され、複数の凹部５１２と対向する複数の凸部５２１および複数の凸部５１１と対向する複数の凹部５２２が内周側に形成された外側保持リング５２と、内周面の一部が複数の凸部５１１に接触し、かつ、外周面の一部が複数の凸部５２１に接触するように波板状に弾性変形させられた状態で、内側保持リング５１および外側保持リング５２との間を周回するように介装されている板バネ５３と、を備える。

軸受保持部５０においては、玉軸受８の外輪８ｂを保持する内側保持リング５１は、波板状に弾性変形した板バネ５３のみによって外側保持リング５２に連結されることになる。帯状の板バネ５３は、幅方向が軸方向と一致しているので、内側保持リング５１の径方向の変位に対しては剛性を非常に小さくすることができ、軸方向の変位に関しては充分大きな剛性を得ることができる。その結果、優れた振動減衰性（振動遮断性能）が得られる。さらに、内側保持リング５１および外側保持リング５２に複数の凸部５１１、５２１を形成して、板バネ５３を、複数の凸部５１１、５２１に対して面接触（図３）または複数の線接触をさせるようにしているので、玉軸受８からベース２への放熱性能を向上させることができる。

また、板バネ５３には、凸部５１１との接触領域Ｃ１と凸部５２１との接触領域Ｃ２との間に、軸方向に長く延びたスリット５３０が形成されているので、軸方向の剛性を確保しつつ、径方向の剛性を充分小さくすることができる。

さらに、内側保持リング５１および外側保持リング５２の少なくとも板バネ５３と接触する面に、内側保持リング５１および外側保持リング５２よりも摩擦係数の小さな保護膜（例えば、ＤＬＣ膜や窒化膜）を形成することで、内側保持リング５１の径方向への滑らかな移動を妨げる引っ掛かり等を防止することができる。

また、内側保持リング５１、外側保持リング５２および板バネ５３の少なくとも一つをＭｎ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ｆｅ系合金等の制振合金で形成することで、シャフト１０の振動そのものを減少させる制振効果を生じさせることができる。その結果、低振動な真空ポンプを提供することができる。

さらに、凸部５１１、５２１に板バネ５３の軸方向端部（幅方向端部）と接触する鍔部５１１ｂ，５２１ａを形成することで、この接触部における摩擦による制振効果を発生させることができる。内側保持リング５１が径方向に振動したときに板バネ５３が変形すると、板バネ５３の端面と鍔部５１１ｂ，５２１ａとが擦れ、その摩擦により振動エネルギーの一部が消費されることになる。その結果、シャフト１０の振動自体を減少させる制振効果が生じる。

なお、以上の説明はあくまでも一例であり、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。例えば、上述した実施の形態では、図１に示すように、シャフト１０の一端側の軸受に永久磁石磁気軸受６を用い、他端側の軸受に玉軸受８を用いた。しかしながら、上述した軸受保持部５０は、図１の軸受構成に限らず、永久磁石磁気軸受６に代えて玉軸受を用いた真空ポンプにも適用することができる。

１：ターボ分子ポンプ、２：ベース、３：ロータ、４：モータ、６：永久磁石磁気軸受、８，９：玉軸受、１０：シャフト、１８：スラストストッパ、５１：内側保持リング、５２：外側保持リング、５３：板バネ、５１１、５２１：凸部、５１１ａ，５１１ｂ，５２１ａ：鍔部、５１２、５２２：凹部、５３０：スリット

Claims (5)

1. ロータの軸を回転自在に支持する玉軸受と、
   前記ロータを回転駆動するモータと、
   前記モータが設けられたポンプベースに固定され、前記玉軸受の外輪を保持する軸受保持部と、を備え、
   前記軸受保持部は、
   内周側に前記外輪を保持し、外周側に第１凸部および第１凹部が周方向に交互に複数形成された第１保持リングと、
   前記第１保持リングの外周側に配置されるように前記ポンプベースに固定され、前記複数の第１凹部と対向する複数の第２凸部および前記複数の第１凸部と対向する複数の第２凹部が内周側に形成された第２保持リングと、
   内周面の一部が前記複数の第１凸部に接触し、かつ、外周面の一部が前記複数の第２凸部に接触するように波板状に弾性変形させられた状態で、前記第１および第２保持リングとの間を周回するように介装されている板バネと、を備える真空ポンプ。
2. 請求項１に記載の真空ポンプにおいて、
   前記板バネには、前記第１凸部との接触領域と前記第２凸部との接触領域との間に、軸方向に長く延びたスリットが形成されている、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、
   前記第１および第２保持リングの少なくとも前記板バネと接触する面には、該第１および第２保持リングよりも摩擦係数の小さな膜が形成されている、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、
   前記第１保持リング、第２保持リングおよび板バネの少なくとも一つが制振合金で形成されている、真空ポンプ。
5. 請求項１乃至４のいずれか一項に記載の真空ポンプにおいて、
   前記第１および第２凸部に、前記板バネの軸方向端部と接触する鍔部を形成した、真空ポンプ。

Images