JP2001140882A - 静圧気体軸受装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 回転軸が軸受ハウジング内に圧縮気体によっ
て非接触で支持する静圧気体軸受装置で、従来は不可能
であった微小な隙間で安定して動作する非接触シールに
よって、従来よりも少ない台数または低い性能の真空ポ
ンプで、あるいは真空ポンプなしで、真空または減圧雰
囲気での高精度な回転運動を実現できるようにすること
を課題とする。 【解決手段】 ハウジング４と、ハウジング４内に静圧
気体軸受で回転自在に支持された回転軸５と、回転軸５
の一端には、回転軸５を駆動させる駆動手段と、回転軸
５の外周面に非接触シールを設けた静圧気体軸受装置に
おいて、前記静圧気体軸受は回転軸を軸方向に支持する
２つの静圧気体軸受部を有し、ハウジング４外部に近い
側には、ハウジング４と回転軸５の相互に対向する面に
より、一方の静圧気体軸受部の軸受隙間８と前記非接触
シール隙間１８とを形成し、該一方の静圧気体軸受部の
軸受隙間８が他方の静圧気体軸受部の軸受隙間９より小
さくしたものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、真空または減圧
雰囲気等の特殊な雰囲気中で高精度な回転運動を実現す
る、静圧気体軸受装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】静圧気体軸受装置は、ハウジング内に軸
受隙間を介して回転軸を設け、この軸受隙間に圧縮気体
を導入して、ハウジングに対して回転軸を非接触で支持
する装置である。

【０００３】したがって、静圧気体軸受装置は、高い回
転精度と耐久性が得られるため、高精度の加工あるいは
半導体技術に関連した加工に用いられている。

【０００４】このような半導体技術においては、より高
精度、高密度を達成するために、真空雰囲気中において
加工をすることが求められてきており、そのような場
合、静圧気体軸受スピンドルを真空雰囲気内に配置する
ことになるため、軸受隙間に導入される気体が、真空雰
囲気に漏洩しないように対策をとる必要がある。

【０００５】ところで、従来、真空または減圧雰囲気で
高精度な回転運動を実現するために、静圧気体軸受の軸
受排気が真空室内に流出するのを防止する、非接触シー
ル装置を設けた静圧気体軸受装置が提案されている（特
開昭６３−１７４８０２号公報）。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、この従来の
装置では、下記のような問題点がある。

【０００７】上記従来の装置では、非接触シール部から
多段階に気体軸受の排気を吸引するようにしているた
め、排気段数に応じた数の排気ポンプが必要である。こ
のため、装置全体が大型となり、クリーンルーム等に設
置する場合にスペースの問題が生じる。また、設備の製
作費用、運転費用も高額となる。

【０００８】かかる問題点を解決するためには、シール
隙間を小さくして、排気段数を減らすことも考えられる
が、上記従来の装置では、構成部品の寸法差、即ち、ス
ラスト軸受の外周面と、隔壁の直径の差によって、シー
ル隙間を決めているため、隙間をあまり小さくすると、
加工精度や組立精度、使用時の温度変化による熱変形等
の誤差要因のために、シール隙間で回転部と固定部が接
触し、回転精度不良や焼付き等の不具合の原因となる。

【０００９】このため、上記従来の装置では、シール隙
間をあまり小さくできないので、高真空雰囲気に対応す
るためには、高性能の排気ポンプを用い、さらに排気段
数を増やす必要があった。

【００１０】そこで、この発明は、上記の問題点を解決
し、従来の装置では不可能であった微小な隙間で安定し
て動作する非接触シールを構成し、従来の装置よりも少
ない台数又は低い性能の真空ポンプで、あるいは真空ポ
ンプなしで、真空又は減圧雰囲気での高精度な回転運動
を実現できる静圧気体軸受スピンドルを提供することを
課題とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この発明は、上記の課題
を解決するために、ハウジングと、ハウジング内に静圧
気体軸受で回転自在に支持された回転軸と、回転軸の一
端には、回転軸を駆動させる駆動手段と、回転軸の外周
面に非接触シールを設けた静圧気体軸受装置において、
前記静圧気体軸受は回転軸を軸方向に支持する２つの静
圧気体軸受部を有し、ハウジング外部に近い側には、ハ
ウジングと回転軸の相互に対向する面により、一方の静
圧気体軸受部の軸受隙間と前記非接触シール隙間とを形
成し、該一方の静圧気体軸受部の軸受隙間が他方の静圧
気体軸受部の軸受隙間より小さくしたものである。

【００１２】

【作用】真空などの特殊雰囲気に一端を露出した回転体
は、回転体の周りに設けた静圧気体軸受と軸方向に対向
する２つの静圧気体軸受で非接触支持され、軸受装置に
内蔵されたモータなどの駆動手段によって精密な回転運
動を行う。

【００１３】そして、回転体が特殊雰囲気に露出してい
る方の固定部の端部には、前記軸方向に対向する静圧気
体軸受の近傍に、互いに微小な隙間を介して対向するシ
ール面が、固定部と回転部にそれぞれ設けられている。
このシール面は、回転軸と直交する平面または回転軸と
同軸の円錘面で構成され、回転体の軸方向変位によっ
て、シール隙間が変化する。また、軸が変位した時、シ
ール隙間が、それに近い方の静圧気体軸受の軸受隙間と
同じように増減するように、シール面および静圧気体軸
受を配置している。

【００１４】２つの静圧気体軸受は、シール隙間に近い
方の静圧気体軸受が、もう一方より軸受隙間が小さく剛
性が大きい状態で両者の軸受反力が釣合って回転体を支
持するように、その軸受諸元や給気圧力を変えている。
このような構成により、加工誤差、組立誤差、熱変形な
どに伴う寸法差の変動は、剛性の小さい方の静圧気体軸
受の隙間の変化によって、ほとんど吸収され、シール隙
間に近い方の静圧気体軸受の軸受隙間にあまり影響を与
えなくなる。したがって、上記のような寸法の変動があ
っても、従来と同程度の加工精度や組立精度で、従来よ
り微小なシール隙間を安定して維持することができる。

【００１５】

【実施の形態】この発明に係る静圧気体軸受装置の第１
の実施形態を、図１に示す。

【００１６】真空などの特殊雰囲気に一端を露出した回
転体は、回転体の周りに配置された静圧気体軸受と軸方
向に対向する２つの静圧気体軸受で非接触支持されてい
る。

【００１７】静圧気体軸受を構成する軸受スリーブ１、
１’は、それぞれ内径に固定側ジャーナル軸受面２、
２’、端面に固定側スラスト軸受面３、３’を持ち、ハ
ウジング４に固定されている。回転軸５と２個のスラス
ト板６、７は、一体に固定され、回転体を構成してい
る。スラスト板６、７の端面は、回転側のスラスト軸受
面となり、スラスト軸受面３、３’と、それぞれ微小な
スラスト軸受隙間８、９を介して対向して、スラスト軸
受Ａ、Ｂを構成している。また、回転軸５の外径面は、
ジャーナル軸受面２、２’とともに、ジャーナル軸受を
構成している。

【００１８】軸受給気口１０から圧縮気体を供給する
と、圧縮気体は軸受給気通路１１および各軸受面に設け
た絞り穴を通って軸受隙間に流入し、回転部が固定部に
対して非接触で支持される。この時、回転体の軸方向の
支持は、２つのスラスト軸受Ａ、Ｂによって行われる。

【００１９】モータロータ１２は、回転軸５に一体に取
付けられ、回転角度検出器１３から得られる信号によっ
て、回転体を精密に回転駆動させている。

【００２０】また、スラスト板６には、ワークを固定す
るためのターンテーブル１４が取付けられている。

【００２１】スラスト板６には、スラスト軸受面１７の
外周に近接して、回転側シール面１６が設けられてい
る。この回転側シール面１６は、固定側シール面１５と
シール隙間１８を介して対向している。

【００２２】スラスト軸受面３の外周部には、排気通路
２０を経由して外部の排気装置（図示せず）に連通する
排気溝１９が設けられている。

【００２３】スピンドルのモータ側には、気密ケース２
１が取付けられている。スピンドルのハウジング４と気
密ケース２１の間の空間は、ベローズ継手２２、２３に
よって外部の大気圧雰囲気に連通している。また、スラ
スト板６およびターンテーブル１４は、真空チャンバー
内の真空雰囲気に露出している。

【００２４】図２（ａ）は、ターンテーブル側のスラス
ト軸受面３、図２（ｂ）はモータ側のスラスト軸受面
３’を示している。両方のスラスト軸受面３、３’と
も、微細な絞り穴２４又は２６と、深さが軸受隙間の１
〜１５倍程度の浅い溝２５、２７を組合せた絞り形状を
している。この絞り穴２４、２６の直径と個数、溝深さ
やパターン形状を変えることによって、シール側のスラ
スト軸受Ａの軸受隙間８がモータ側のスラスト軸受Ｂの
軸受隙間９よりも小さく、かつスラスト軸受Ａの方の剛
性が大きくなるように規定している。具体的には、スラ
スト軸受Ｂに比べて、スラスト軸受Ａの絞り穴２４の数
を少なくしたり、あるいは直径を小さくしたり、溝２５
の深さを浅くするなどの方法がある。

【００２５】従来の装置では、両側のスラスト軸受は同
一の設計にしており、軸受隙間は２つの回転側スラスト
軸受面間の距離と、固定側スラスト軸受面間の距離の寸
法差の１／２になっているが、この発明では、シール側
の軸受隙間８を寸法差の１／２より小さくできる。ま
た、ターンテーブル側スラスト軸受面１７とシール面１
６を一体に構成し、特に、この第１の実施形態のよう
に、シール面１６をスラスト軸受面１７の延長上に設け
ることにより、スラスト軸受面１７とシール面１６を同
時に研削加工できるので、高精度な加工が可能になり、
組付け誤差もほとんど無視できる。したがって、シール
隙間１８を従来の装置よりも非常に小さくできる。

【００２６】また、ターンテーブル側スラスト軸受Ａの
方がモータ側スラスト軸受Ｂより剛性が大きいので、熱
変形等による寸法差の変化は、大部分がモータ側の軸受
隙間９が変化することによって吸収され、ターンテーブ
ル側軸受隙間８の変化が小さい。シール部は、ターンテ
ーブル側スラスト軸受Ａの近傍に配置され、シール隙間
１８が、ターンテーブル側スラスト軸受隙間８と連動し
て変化するので、シール隙間１８の変化も小さい。この
ため、従来の装置よりも微小なシール隙間および軸受隙
間を安定して維持できる。

【００２７】また、シール隙間１８を通過する気体の流
量は、連続流れの場合、隙間の３乗、分子流れの場合、
隙間の２乗に比例するので、シール隙間１８を小さくす
ることにより、漏れ流量を低減できる。 さらに、軸受
隙間を小さくすることにより、シール側スラスト軸受Ａ
から排気溝１９への軸受排気流出量も減少する。上記の
ようなシール性能の向上と軸受排気量の減少により、従
来の装置における非接触シールに比べて、排気段数の削
減や外部排気装置の簡略化が可能になる。

【００２８】この実施形態では、排気溝１９を外部排気
装置に連通しているが、スピンドルからの漏れ流量の許
容値によっては、小型の排気装置をスピンドルに一体に
設けたり、あるいは排気装置を省略することも可能であ
る。排気装置を省略する場合には、排気通路を気密ケー
スとハウジングの間の空間に開放すれば良い。

【００２９】図３は、この発明に係る静圧気体軸受装置
の第２の実施形態を示している。

【００３０】この例では、回転軸のターンテーブル側に
スラスト板２８を設け、その両側にスラスト軸受２９、
３０を配置して、ジャーナル軸受３１、３２と共に回転
軸を非接触で支持している。スラスト軸受３０の内径か
ら流出する軸受排気は、排気溝３３から回転体に設けた
排気通路３４、ハウジングの排気通路３６によってハウ
ジング３５と気密ケース３７の間の大気圧雰囲気へ排出
されている。 シール部材３８は、スラスト軸受３０と
共にスラスト軸受ハウジングに一体に固定され、シール
隙間３９を構成する面は、スラスト軸受３０の軸受面と
同一面内にある。

【００３１】スラスト板２８の両側のスラスト軸受隙間
４０、４１は、第１の実施形態と同様に、給気孔数、給
気孔直径、溝パターンおよび深さ等を適切に設計するこ
とにより、スラスト軸受隙間４０がスラスト軸受隙間４
１より小さい状態で、軸受反力が釣合う。この実施形態
では、スラスト軸受２９の軸受面積をターンテーブル側
のスラスト軸受３０より大きくすることで、さらに軸受
隙間の差を大きくしている。

【００３２】また、スラスト軸受３０への給気通路４２
と、それ以外の軸受への給気通路４３を別に設け、それ
ぞれに圧力調整器を介して圧縮気体を供給することによ
り、雰囲気圧力や外部負荷などの運転条件に応じて最適
のシール隙間に調整することができる。

【００３３】このようなスラスト軸受の配置では、スラ
スト板２８の外径部がスラスト軸受になっているので、
回転軸の傾斜に対する復元力が大きく、スラスト板２８
とスラスト軸受２９、３０の接触が生じにくい。また、
回転軸が傾斜して接触する場合でも、最初に接触するの
はスラスト軸受外径部であり、シール隙間３９を構成す
る面が接触して損傷することはない。さらに、スラスト
軸受外径部は大気圧雰囲気になるので、軸受又はスラス
ト板に黒鉛や二硫化モリブデン、PTFEなど、大気中で使
用される潤滑性の材料を使用し、又はそれらを含む被膜
を設けて、接触に対する耐久性を大幅に向上させること
ができる。

【００３４】図４は、この発明に係る静圧気体軸受装置
の第３の実施形態を示している。

【００３５】軸受の基本的な配置は、第２の実施形態と
同様であるが、ターンテーブル側スラスト軸受４４とも
う一方のスラスト軸受４５への給気は、共通の給気通路
４６によって供給されるようになっている。

【００３６】さらに、スラスト軸受の内径部に圧力室４
７と給気孔４８を設け、圧力調整器を介して、軸受給気
とは別の給気通路４９から、圧縮気体を供給するように
している。これにより、圧力室４７でスラスト板に作用
する力と、スラスト軸受４５の内径側の圧力が上がるこ
とによる軸受隙間内の圧力上昇のため、回転部はシール
側へ変位し、より小さいシール隙間を実現できる。

【００３７】また、シール面またはその近傍に変位セン
サ５０を設けて、その出力によって圧力室４７への給気
圧力を変えることにより、運転条件の変化によらず一定
のシール隙間を作ることができる。この給気圧力の変更
の制御は、自動制御によってもよいし、手動でもよい。

【００３８】図５は、この発明に係る静圧気体軸受装置
の第４の実施形態を示している。

【００３９】この実施形態では、２個の円錘形軸受５
１、５２で回転軸５３を半径方向および軸方向に支持
し、円錘形軸受５１の軸受面の延長上にシール面５４を
設けている。

【００４０】上記第１〜第４の実施形態では、スピンド
ルを真空中に持込むため、気密ケースおよびベローズ継
手を使用しているが、用途によっては、スピンドルのタ
ーンテーブル側を真空チャンバー内に入れ、モータ側を
チャンバー外の大気雰囲気に出した状態で使用すること
もできる。この場合は、モータケーブルや給排気ホース
などは、大気圧側のハウジングから直接大気雰囲気に出
すことができる。

【００４１】以上、静圧気体軸受装置を真空中で使用す
る場合について述べたが、この発明の構成は、その他の
特殊な雰囲気で、軸受排気の環境への流出および雰囲気
ガスの軸受部への流入を制限する場合に適用できる。

【００４２】以上に述べた実施形態では、シール側静圧
気体軸受とシール面の間に排気溝を１列設けているが、
従来の装置と同様に、排気溝を同心円状に複数列設け、
シール側静圧気体軸受に最も近い排気溝を気密ケースと
ハウジングの間の大気圧雰囲気に連通させ、その他の排
気溝を排気吸引装置に繋ぐようにしてもよい。

【００４３】このようにすると、軸受排気を直接吸引す
る場合に比べ、能力の低い小型で安価な排気吸引装置を
使用できる。また、さらに高真空への対応が可能にな
る。

【００４４】上記の各実施形態では、微細な絞り穴と浅
い溝を軸受面に設ける絞り構造を適用しているが、絞り
構造はこれに限らない。多孔質絞りやスロット絞りなど
他の絞り構造でも、シール側静圧気体軸受の絞りの流路
抵抗がもう一方の静圧気体軸受より大きくなるようにす
れば、同じように軸受隙間の不均衡を作ることができ
る。例えば多孔質絞りの場合は、シール側静圧気体軸受
に、他方より通気度の小さい素材を使用したり、表面の
目詰まり調整によって通気度を低下させる等の方法があ
る。

【００４５】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、微小
なシール隙間を安定して実現できるので、環境へ漏れ出
す軸受排気の量を低減できる。これにより、従来の装置
よりさらに高真空の雰囲気での高精度回転運動を実現す
ることができる。

【００４６】また、従来の装置と同程度の真空度の場合
には、気体軸受排気シールのために必要な排気吸引装置
を簡略化又は省略することができるので、装置が安価に
なる。

【００４７】さらに、使用状態でシール隙間を変化させ
ることにより、環境や軸受負荷の変動によらず、安定し
たシール効果が得られる。また、変位センサでシール隙
間を監視すれば、さらに的確な調整が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係る静圧気体軸受装置の第１の形態
を示す断面図

【図２】同上の固定側スラスト軸受面３、３’を示す図

【図３】この発明に係る静圧気体軸受装置の第２の形態
を示す断面図

【図４】この発明に係る静圧気体軸受装置の第３の形態
を示す断面図

【図５】この発明に係る静圧気体軸受装置の第４の形態
を示す断面図

【符号の説明】

１、１’ 軸受スリーブ ２、２’ 固定側ジャーナル軸受面 ３、３’ 固定側スラスト軸受面 ４ ハウジング ５ 回転軸 ６、７ スラスト板 ８、９ スラスト軸受隙間 １０ 軸受給気口 １１ 軸受給気通路 １２ モータロータ １３ 回転角度検出器 １４ ターンテーブル １５ 固定側シール面 １６ 回転側シール面 １７ スラスト軸受面 １８ シール隙間 １９ 排気溝 ２０ 排気通路 ２１ 気密ケース ２２、２３ ベローズ継手 ２４、２６ 絞り穴 ２５、２７ 溝 ２８ スラスト板 ２９、３０ スラスト軸受 ３１、３２ ジャーナル軸受 ３３ 排気溝 ３４ 排気通路 ３５ ハウジング ３６ 排気通路 ３７ 気密ケース ３８ シール部材 ３９ シール隙間 ４０、４１ スラスト軸受隙間 ４２ 給気通路 ４４ ターンテーブル側スラスト軸受 ４５ スラスト軸受 ４６ 給気通路 ４７ 圧力室 ４８ 給気孔 ４９ 給気通路 ５０ 変位センサ ５１、５２ 円錘形軸受 ５３ 回転軸 ５４ シール面

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ハウジングと、ハウジング内に静圧気体
   軸受で回転自在に支持された回転軸と、回転軸の一端に
   は、回転軸を駆動させる駆動手段と、回転軸の外周面に
   非接触シールを設けた静圧気体軸受装置において、前記
   静圧気体軸受は回転軸を軸方向に支持する２つの静圧気
   体軸受部を有し、ハウジング外部に近い側には、ハウジ
   ングと回転軸の相互に対向する面により、一方の静圧気
   体軸受部の軸受隙間と前記非接触シール隙間とを形成
   し、該一方の静圧気体軸受部の軸受隙間が他方の静圧気
   体軸受部の軸受隙間より小さいことを特徴とする静圧気
   体軸受装置。
2. 【請求項２】 前記回転軸の軸方向支持を行なう２つの
   静圧気体軸受が、径方向の支持も兼ねており、その軸受
   面が回転軸の軸心に対して円錘面となっている請求項１
   記載の静圧気体軸受装置。
3. 【請求項３】 シール面を前記一方の静圧気体軸受の軸
   受面の延長上に設けたことを特徴とする請求項１又は２
   記載の静圧気体軸受装置。
4. 【請求項４】 静圧気体軸受の気体流出端とシール隙間
   の間に、大気または排気装置に連通する排気溝を設けた
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の静圧気体軸受装
   置。
5. 【請求項５】 静圧気体軸受の気体流出端の周囲に、微
   小なシール隙間で区切られる複数の排気溝を設け、静圧
   気体軸受の気体流出端に最も近い排気溝を大気圧に連通
   し、他の排気溝をそれぞれ排気装置に接続したことを特
   徴とする請求項１又は２記載の静圧気体軸受装置。
6. 【請求項６】 前記２つの静圧気体軸受が、軸受面に開
   口する微細な穴の絞り作用を有する構造であり、前記一
   方の静圧気体軸受の微細穴の直径が前記他方の静圧気体
   軸受より小さいことを特徴とする請求項１〜５のいずれ
   かの項に記載の静圧気体軸受装置。
7. 【請求項７】 前記２つの静圧気体軸受が、軸受面に開
   口する微細な穴の絞り作用を有する構造であり、前記一
   方の静圧気体軸受の微細穴の数が前記他方の静圧気体軸
   受より少ないことを特徴とする請求項１〜６のいずれか
   の項に記載の静圧気体軸受装置。
8. 【請求項８】 前記２つの静圧気体軸受が、軸受面に開
   口する微細な穴の絞り作用を有する構造で、前記微細な
   穴に連通する浅い溝を有し、かつ、前記一方の静圧気体
   軸受の溝深さが他方より浅いことを特徴とする請求項１
   〜７のいずれかの項に記載の静圧気体軸受装置。
9. 【請求項９】 前記２つの静圧気体軸受が多孔質の絞り
   形状であり、前記一方の静圧気体軸受の多孔質の絞りの
   通気度が、前記他方の静圧気体軸受より小さいことを特
   徴とする請求項１〜８のいずれかの項に記載の静圧気体
   軸受装置。
10. 【請求項１０】 前記一方の静圧気体軸受の軸受面の面
    積が、前記他方の軸受より小さいことを特徴とする請求
    項１〜９のいずれかの項に記載の静圧気体軸受装置。
11. 【請求項１１】 前記２つの静圧気体軸受への軸受給気
    通路をそれぞれ別に設け、各軸受給気通路への給気配管
    系にそれぞれ圧力調整器を設けたことを特徴とする請求
    項１〜１０のいずれかの項に記載の静圧気体軸受装置。
12. 【請求項１２】 前記他方の静圧気体軸受の軸受面端部
    の周囲に近接して、圧力室を設け、その圧力室に連通す
    る給気通路を、軸受給気通路とは別に設け、各給気通路
    への給気配管系にそれぞれ圧力調整器を設けたことを特
    徴とする請求項１〜１０のいずれかの項に記載の静圧気
    体軸受装置。
13. 【請求項１３】 シール面又はその近傍にシール隙間の
    変化を測定する非接触式変位センサを設けたことを特徴
    とする請求項１〜１２のいずれかの項に記載の静圧気体
    軸受装置。