JP4049531B2 - 磁気軸受モータおよびエキシマレーザ装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に回転体の振れ回りやステータの振動を低減した、密封構造を有する磁気軸受モータおよび該モータを使用したエキシマレーザ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
磁気軸受は、接触形のすべり軸受や玉軸受と異なり、ロータを非接触で回転支持するため、▲１▼機械的損失が少ない、▲２▼摩擦、摩耗がない、▲３▼潤滑油が不要である、▲４▼低振動・低騒音である、▲５▼メンテナンスフリ一である、等の利点を有している。このような特徴を有する磁気軸受を利用した例として、不純物の少ない真空環境を作成するターボ分子ポンプや、超高速回転を行なえる工作機械用スピンドル等がある。
【０００３】
ここで、不純物を極端に嫌う環境や腐食環境下で磁気軸受を使用する場合は、これを構成する材料（例えば、電磁鋼板や銅線コイル、有機材料等）からのガス放出や腐食が間題となる。このため、磁気軸受表面に被覆材を設け、腐食環境下から上記構成材料を保護するようにしている。このような構成、すなわち密封構造を有する磁気軸受とモータとを互いに隣接した位置に配置した磁気軸受モータを用いた一例として、エキシマレーザ装置がある。
【０００４】
図５は、従来のエキシマレーザ装置の概略構造を示すものである。図５に示すように、従来のエキシマレーザ装置は、ハロゲン系ガス（Ｆ_２，Ｃ１_２等）を含むレーザガスを封入したレーザ容器１０１と、レーザ容器１０１の内部に配置したレーザガスを予備電離する予備電離電極（図示せず）と、レーザ容器１０１の内部に配置したレーザ光の発振を可能とする放電を得るための一対の主放電電極１０２，１０２とを備えている。更に、レーザ容器１０１内には、一対の主放電電極１０２，１０２の間に高速のレーザガス流れを作り出すための循環ファン１０３が配置されている。なお、一対の主放電電極１０２，１０２の両端には、レーザ光取出し窓１０５，１０５が備えられている。
【０００５】
循環ファン１０３は、この内部を貫通し両端から突出する回転軸１０４を有していて、この回転軸１０４は、レーザ容器１０１の両端に設けられた２つのラジアル磁気軸受１０６，１０７と１つのアキシャル磁気軸受１０８で非接触にて回転自在に浮上支持されている。またラジアル磁気軸受１０７の軸端側には循環ファン１０３を駆動するモータ１０９が設けられている。
【０００６】
回転軸１０４には、磁性材料からなる各磁気軸受１０６，１０７，１０８の電磁石ターゲット１０６ｄ，１０７ｄ，１０８ｅおよびセンサターゲット１０６ｃ，１０７ｃ，１０８ｄと、モータロータ１０９ｂが固着されている。そして、これらに対向する位置に電磁石１０６ｂ，１０７ｂ，１０８ｂ，１０８ｃ、誘導型変位センサ１０６ａ，１０７ａ，１０８ａ、モータステータ１０９ａがそれぞれ配置されている。上記構成により、回転軸１０４は、物体の６自由度のうち回転軸１０４回りの運動以外の５自由度を各磁気軸受１０６，１０７，１０８にて支持されることにより、安定した回転が得られる。
【０００７】
ラジアル磁気軸受１０６，１０７の電磁石１０６ｂ，１０７ｂおよび誘導型変位センサ１０６ａ，１０７ａと、モータステータ１０９ａの内周面には、非磁性材料、例えばオーステナイト系ステンレス鋼等からなる薄肉円筒状の隔壁１１０，１１１がそれぞれ設けられ、各ステータ構成要素を収容するハウジングと両端を溶接等により固着して密封構造を形成している。またアキシャル磁気軸受１０８も同様に、電磁石１０８ｂ，１０８ｃ，１０８ｄおよび誘導型変位センサ１０８ａの露出面は、非磁性金属材料からなる薄肉円盤状の隔壁１１２，１１３で覆われている。更に、モータロータ１０９ｂの外周面にも、非磁性金属材料からなる隔壁１１４が設けられている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来構成の磁気軸受モータでは、モータステータ１０９ａに回転駆動電流を励磁すると、モータの交流磁束により隔壁１１１内に渦電流や電磁ノイズ等が発生し、この渦電流や電磁ノイズが隔壁１１１内を容易に伝わって、誘導型変位センサ１０７ａの検出信号に影響を与えてしまう。すなわち、モータステータ１０９ａの励磁電流周波数と同一のノイズが誘導型変位センサ１０７ａの検出信号に加えられ、回転軸１０４をラジアル磁気軸受１０７で加振してしまうという問題があった。
【０００９】
なお、この問題を解決するため、隔壁をテフロン、セラミックス、ガラス等の非電導性材料で構成することも行われている。しかしながら、エキシマレーザ装置のように、特殊な腐食環境下で放出ガスを極端に低減したい場合は、非磁性金属材料が最も優れている。しかも、非磁性金属材料は、非電導性材料に比して一般に優れた機械的強度を有するので、隔壁の厚さを薄くでき、さらに製造も容易で、コストが安い利点がある。
【００１０】
本発明は上述の事情に鑑みてなされたもので、隔壁として非磁性金属材料を使用し、しかもモータステータに与えられる回転駆動電流による回転体の振れ回りやステータの振動を低減できるようにした磁気軸受モータおよび該モータを使用したエキシマレーザ装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の磁気軸受モータは、回転体を回転駆動するモータのモータステータと回転体を浮上支持するラジアル磁気軸受の誘導型変位センサ及び電磁石とを、シール材を介在させつつ互いに隣接させて配置したモータハウジング本体と軸受ハウジング本体の内部にそれぞれ収容し、前記モータハウジング本体の内周面を、薄肉円筒状の非磁性金属材料からなる第１の隔壁で、前記軸受ハウジング本体の内周面を、薄肉円筒状の非磁性金属材料からなる第２の隔壁で、前記両隔壁を互いに離間させた状態で個別に気密封止して、前記両隔壁、該両隔壁間に露出する前記モータハウジング本体及び前記軸受ハウジング本体、並びに前記モータハウジング本体と前記軸受ハウジング本体との間に介在させた前記シール材で、前記モータのモータロータ、及び前記ラジアル磁気軸受の変位センサターゲット及び電磁石ターゲットを気密的に包囲した気密空間を形成したことを特徴とする。
【００１２】
このように、モータステータの内周面を気密封止する第１の隔壁と、誘導型変位センサの内周面を気密封止する第２の隔壁とを別体で構成して互いに分離させることで、モータステータに回転駆動電流を励磁した場合にモータの交流磁束により発生する第１の隔壁内の渦電流や電磁ノイズが第２の隔壁に伝わり難くして、誘導型変位センサの検出信号に与える影響を低減できる。
【００１３】
本発明のエキシマレーザ装置は、レーザガスを封入するレーザ容器と、該レーザ容器内に配置されレーザ光の発振を可能とする放電を得るための一対の主放電電極と、回転軸を有し前記一対の主放電電極間に高速のレーザガス流を作り出す循環ファンと、前記回転軸を回転駆動する講求項１乃至４のいずれかに記載の磁気軸受モータとを有することを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図１乃至図４を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１および図２は、本発明の第１の実施の形態の磁気軸受モータを備えたエキシマレーザ装置を示すもので、図１は全体断面図で、図２は図１の要部拡大図である。
【００１５】
このエキシマレーザ装置は、ハロゲン系ガス、例えばフッ素ガスを含むレーザガスを封入したレーザ容器１と、レーザ容器１の内部に配置したレーザガスを予備電離する予備電離電極（図示せず）と、レーザ容器１の内部に配置したレーザ光の発振を可能とする放電を得るための一対の主放電電極２，２とを備えている。更に、レーザ容器１内には、一対の主放電電極２，２の間に高速のレーザガス流を作り出すための循環ファン３が配置されている。
【００１６】
レーザ光は、一対の主放電電極２，２間に高電圧を印加することによってレーザ励起放電が行なわれて得られる。発生したレーザ光は、レーザ容器１の側壁に設けられた窓５，５を経由してレーザ容器１の外部へ取出される。上記レーザ励起放電が行われると、一対の主放電電極２，２間にあるレーザガスは劣化し、この劣化により放電特性が悪くなり、繰返し発振が行なえなくなる。このため循環ファン３により、レーザ容器１内のレーザガスを循環させて、放電ごとに一対の主放電電極２，２間のレーザガスを入れ替えることにより安定した繰返し発振を行なっている。
【００１７】
循環ファン３は、内部を貫通し両端部から突出する回転軸４を有している。回転軸４は、レーザ容器１の両端部に設けられた軸受ハウジング６とモータハウジング７に収容されたラジアル磁気軸受８，９およびアキシャル磁気軸受１０にて非接触で回転自在に支持されている。そして、モータ１１は、循環ファン３の回転軸４に回転動力を与える。
【００１８】
軸受ハウジング６およびモータハウジング７のレーザ容器１側には、ハウジング内へダストが混入することを防止するねじ溝ラビリンス１４，１５が設けられている。これにより、レーザ容器１内で発生するダストが軸受ハウジング６およびモータハウジング７の内部へ混入し、保護用軸受１２，１３の転動面へ混入することを防止できる。さらに、レーザ容器１にはガス流出口１６が設けられており、ガス流出口１６より流出したレーザガスは、ガス導入室１７，１７内のダスト除去フィルタ１８，１８でダストが除去され、ガス導入管１９，１９から軸受ハウジング６およびモータハウジング７の軸端部に導入される。すなわち、図中矢印のようにガスを循環させることにより、ハウジング６，７内へのダストの混入を確実に防止できる。
【００１９】
図２は、モータハウジング７の周辺を拡大して示す要部拡大図である。モータハウジング７は、軸受ハウジング本体７ａ、モータハウジング本体７ｂおよび軸受カバー７ｃを具備している。軸受ハウジング本体７ａはレーザ容器１の側壁に取付けられている。軸受ハウジング本体７ａには、モータハウジング本体７ｂおよび軸受カバー７ｃが順次取付けられている。そして、各取付面にはそれぞれシール用溝５２，５４，５６が設けられ、この各シール用溝５２，５４，５６にシール材５３，５５，５７を装着してレーザガスを密閉している。なお、シール材としては、レーザガスを汚染する水分等のガス放出が少ない金属製（例えば、ステンレス鋼やアルミニウム）のシール材を用いることが好ましい。
【００２０】
軸受ハウジング本体７ａには、ラジアル磁気軸受９の誘導型変位センサ９ａと電磁石９ｂがスペーサ４１と側板４２により相対位置が決まった状態で収容されている。そして、誘導型変位センサ９ａと電磁石９ｂの内周面には、薄肉円筒状の隔壁４４が配置され、この隔壁４４の両端は、軸受ハウジング本体７ａと側板４２に溶接等で固着されている。このように、隔壁４４を設けることにより、レーザガスに対して耐腐食性の乏しい誘導型変位センサ９ａや電磁石９ｂがレーザガスと接することがない。この隔壁４４は、レーザガスに対して耐腐食性を有し、かつ非磁性材料、例えばオーステナイト系ステンレス鋼等で構成されている。
【００２１】
モータハウジング本体７ｂには、モータ１１のモータステータ１１ａと側板４３が収容されている。モータステータ１１ａの内周面には、薄肉円筒状の隔壁４５が配置され、この隔壁４５の両端は、モータハウジング本体７ｂと側板４３に溶接等で固着されている。これによって、モータステータ１１ａがレーザガスと接触することを防止している。
【００２２】
上述のように、モータ１１のモータステータ１１ａの内周面を気密封止する隔壁４５と、ラジアル磁気軸受９の誘導型変位センサ９ａの内周面を気密封止する隔壁４４とを別体で構成して互いに分離させることで、モータステータ１１ａに回転駆動電流を励磁した場合にモータの交流磁束により発生する隔壁４５内の渦電流や電磁ノイズが隔壁４４に伝わり難くして、誘導型変位センサ９ａの検出信号に与える影響を低減し、これによって、誘導型変位センサ９ａからノイズの少ない変位出力信号を取出すことができる。
【００２３】
一方、循環ファン３の回転軸４には、ラジアル磁気軸受９の変位センサターゲット９ｅ、電磁石ターゲット９ｆ、モータ１１のモータロータ１１ｂがロータスペーサ４６，４７により相対位置が決まった状態で固着され、レーザ容器１内と連通した気密空間内に配置されている。ここで、変位センサターゲット９ｅおよび電磁石ターゲット９ｆを構成する磁性材料として、レーザガス中に含まれるフッ素ガスに対して耐腐食性が良好なパーマロイ（３０〜８０％Ｎｉを含むＦｅ−Ｎｉ合金）を使用している。
【００２４】
また、変位センサターゲット９ｅおよび電磁石ターゲット９ｆには、回転によって生じる磁界変化によって渦電流損失が発生する。この渦電流損失を低減するため、変位センサターゲット９ｅおよび電磁石ターゲット９ｆとして、薄板を積層した構造を採用している。なお、積層した薄板の間にガス溜りができレーザガスを汚染する等の問題が生じる場合は、変位センサターゲット９ｅおよび電磁石ターゲット９ｆを一体材料で構成しても良い。
【００２５】
また、モータ１１のモータロータ１１ｂは、積層したけい素鋼板とアルミニウムの複合材から構成されている。このように、モータロータ１１ｂをけい素鋼板とアルミニウムの複合材で構成すると、この表面に耐腐食処理として好適なＮｉめっきを密着性良く均一に施工することが困難である。このため、モータロータ１１ｂの外周面に隔壁４８を配置し、この隔壁４８の両端を側板４９，５０に溶接等により固着し、さらに側板４９，５０と循環ファン３の回転軸４を溶接等により固着することで気密空間を形成して、モータロータ１１ｂがレーザガスに接することをなくしている。この隔壁４８は、前述した理由により、オーステナイト系ステンレス鋼で構成されている。
【００２６】
保護用軸受１２としては、転動体１２ａがアルミナセラミックス、ジルコニアセラミックス等で構成され、外輪１２ｃおよび内輪１２ｂがＳＵＳ４４０Ｃ等のステンレス鋼で構成された転がり軸受を使用している。
【００２７】
図３および図４は、本発明の第２の実施の形態の磁気軸受モータを備えたエキシマレーザ装置を示すもので、図３は要部拡大断面図（図２相当図）で、図４は図３のＡ−Ａ線断面図である。
【００２８】
この実施の形態の第１の実施の形態と異なる点は、ラジアル磁気軸受９として、その電磁石９ｂの鉄心における突出部が隔壁４４を貫通しその内周面が露出したものを使用した点である。ここで、電磁石９ｂの鉄心は、レーザガスと接するので耐腐食性を有する必要がある。このため、レーザガスに対して耐腐食性が良好なパーマロイを使用している。そして電磁石９ｂの鉄心を隔壁４４と溶接等により固着することで、レーザガスに対して耐腐食性の乏しい電磁石９ｂのコイル巻線がレーザガスと接触することを防止している。
【００２９】
この実施の形態によれば、電磁石９ｂの鉄心と電磁石ターゲット９ｆの磁気ギャップが隔壁４４により拡大することを防止して、磁気軸受としての効率を向上し、消費電力の低減および小型化を図ることができる。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、モータステータの内周面を気密封止する第１の隔壁と、誘導型変位センサの内周面を気密封止する第２の隔壁とを別体で構成して互いに分離させることで、モータステータに回転駆動電流を励磁した場合にモータの交流磁束により発生する第１の隔壁内の渦電流や電磁ノイズが第２の隔壁に伝わり難くして、誘導型変位センサの検出信号に与える影響を低減できる。このため、モータの回転駆動電流と同一の周波数にて磁気軸受が回転体を加振することを防止し、これによって、回転体の振れ回りが小さく、ステータの振動を低減できる密封構造を有する磁気軸受モータを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の磁気軸受モータを備えたエキシマレーザ装置の全体断面図である。
【図２】図１の要部を拡大して示す要部拡大図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態の磁気軸受モータを備えたエキシマレーザ装置の要部拡大断面図（図２相当図）である。
【図４】図３のＡ−Ａ線断面図である。
【図５】従来の磁気軸受モータを備えたエキシマレーザ装置の全体断面図である。
【符号の説明】
１ レーザ容器
２ 主放電電極
３ 循環ファン
４ 回転軸
７ モータハウジング
８，９ ラジアル磁気軸受
９ａ 誘導型変位センサ
９ｂ 電磁石
９ｅ 変位センサターゲット
９ｆ 電磁石ターゲット
１０ アキシャル磁気軸受
１１ モータ
１１ａ モータステータ
１１ｂ モータロータ
１６ ガス流出口
１２，１３ 保護用軸受
１４，１５ 溝ラビリンス
１７ ガス導入室
１８ ダスト除去フィルタ
１９ ガス導入管
４４，４５，４８ 隔壁

Claims (5)

1. 回転体を回転駆動するモータのモータステータと回転体を浮上支持するラジアル磁気軸受の誘導型変位センサ及び電磁石とを、シール材を介在させつつ互いに隣接させて配置したモータハウジング本体と軸受ハウジング本体の内部にそれぞれ収容し、
   前記モータハウジング本体の内周面を、薄肉円筒状の非磁性金属材料からなる第１の隔壁で、前記軸受ハウジング本体の内周面を、薄肉円筒状の非磁性金属材料からなる第２の隔壁で、前記両隔壁を互いに離間させた状態で個別に気密封止して、前記両隔壁、該両隔壁間に露出する前記モータハウジング本体及び前記軸受ハウジング本体、並びに前記モータハウジング本体と前記軸受ハウジング本体との間に介在させた前記シール材で、前記モータのモータロータ、及び前記ラジアル磁気軸受の変位センサターゲット及び電磁石ターゲットを気密的に包囲した気密空間を形成したことを特徴とする磁気軸受モータ。
2. 前記第１の隔壁は、前記モータハウジング本体と該モータハウジング本体の内部に配置した側板に両端を溶接して固定され、前記第２の隔壁は、前記軸受ハウジング本体と該軸受ハウジング本体の内部に配置した側板に両端を溶接して固定されていることを特徴とする請求項１記載の磁気軸受モータ。
3. 前記第２の隔壁には、前記電磁石の鉄心が貫通し該鉄心の内周面が露出していることを特徴とする請求項１または２記載の磁気軸受モータ。
4. 前記第２の隔壁と前記電磁石の鉄心とは、溶接により接合されていることを特徴とする請求項３記載の磁気軸受モータ。
5. レーザガスを封入するレーザ容器と、
   該レーザ容器内に配置されレーザ光の発振を可能とする放電を得るための一対の主放電電極と、
   回転軸を有し前記一対の主放電電極間に高速のレーザガス流を作り出す循環ファンと、
   前記回転軸を回転駆動する講求項１乃至４のいずれかに記載の磁気軸受モータとを有することを特徴とするエキシマレーザ装置。

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