JP2002070861A

JP2002070861A - 静圧気体軸受スピンドル

Info

Publication number: JP2002070861A
Application number: JP2000258845A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Fujikawa; 芳夫藤川; Takanobu Ito; 高順伊藤
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2000-08-29
Filing date: 2000-08-29
Publication date: 2002-03-08

Abstract

(57)【要約】【課題】回転軸７が軸受ハウジング５内に圧縮気体に
よって非接触で支持される静圧気体軸受スピンドルで、
軸受排気の外部への漏れが十分に少なく、特に真空中で
使用して好適な静圧気体軸受スピンドルを提供するこ
と。【解決手段】ハウジング５、６内に軸受隙間を介して
回転軸７を設け、この軸受隙間に圧縮気体を導入して、
ハウジング５、６に対して回転軸７を非接触で支持する
静圧気体軸受スピンドルにおいて、上記ハウジング５、
６又は回転軸７の内部に圧縮気体の流れによって負圧を
発生させる負圧発生器２３を複数個設け、軸受隙間から
排出される気体を、上記負圧発生器２３によって吸引す
ることで、負圧発生器２３が１個の場合に比べ、真空室
に流出する軸受排気の量を抑え、真空室の真空到達度を
高めることができるようにした。

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
る静圧気体軸受スピンドルに関する。

【０００２】

【従来の技術】静圧気体軸受スピンドルは、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。従って、静圧気体軸受スピンド
ルは、高い回転精度と耐久性が得られるため、高精度の
加工等に用いられている。

【０００３】特に、光ディスクの原盤加工においては、
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。

【０００４】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スピンドルが提案されている
（特開平６３−１７４８０２号公報）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】この従来の静圧気体軸
受スピンドルは、軸受ハウジングの端部内面に複数段の
排気溝を設け、この複数投の排気溝に排気ポンプを接続
して、軸受隙間から軸受ハウジング外部に漏出する気体
を吸引するようにしている。

【０００６】しかしながら、この従来の静圧気体軸受ス
ピンドルで真空室の真空到達度を高めようとすると真空
室外の複数の排気ポンプで気体を吸引することが必要と
なる。このため、排気ポンプの台数に応じて運転費用が
増大する上、排気ポンプを設置するスペースが必要とな
る問題があった。また、静圧気体軸受スピンドルと排気
ポンプを接続するチューブも排気ポンプの台数に応じて
必要となり、静圧気体軸受スピンドルを直動テーブルな
どに搭載して位置決めをする際には、チューブの本数が
増えることによって、テーブル移動時のチューブの抵抗
も増大するため、位置決め精度が低下するという問題が
生じる。

【０００７】かかる問題を解決するために、この発明者
らは、内蔵する負圧発生器で軸受排気を吸引することに
より、軸受排気が真空室に漏れ出すことを抑えるように
した静圧気体軸受スピンドルを既に特許出願している
（特願平１１−２４９００８号等）。

【０００８】ところで、内蔵する負圧発生器で軸受排気
を吸引するタイプの静圧気体軸受スピンドルにおいて、
軸受排気が真空室に漏れ出す量Ｑは、シール部のコンダ
クタンスをＣ、吸引溝の圧力Ｐ１、真空室の圧力をＰ２
としたとき、Ｑ＝Ｃ（Ｐ１−Ｐ２）で表される。

【０００９】そして、Ｑが大きくなるほど、真空室の真
空到達度は低くなるので、真空室の真空到達度を高める
ためには、シール部のコンダクタンスＣを小さくする
か、吸引溝の圧力Ｐ１を小さくすることでＱを小さくす
る必要がある。

【００１０】シール部のコンダクタンスＣを小さくしよ
うとした場合、シール部の隙間を小さくするか、シール
長さを長くする必要があるが、寸法や部品精度の制約か
ら限界がある。

【００１１】また、真空室の真空到達度を高めるため
に、吸引溝の圧力を低くすることが考えられるが、負圧
発生器で吸引溝の圧力をどれだけ小さくできるかは、負
圧発生器の性能に依存し、スピンドルに内蔵できるよう
なコンパクトな負圧発生器では、おのずと限界がある。

【００１２】そこで、この発明は、負圧発生器をスピン
ドルに内蔵する構造で、さらに真空室の真空到達度を高
めることが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。

【００１３】

【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静圧気体軸受ス
ピンドルにおいて、上記スピンドル内部に圧縮気体の流
れによって負圧を発生させる負圧発生器を複数個設け、
軸受隙間から排出される気体を、上記負圧発生器によっ
て吸引することとしたものである。

【００１４】一般に、負圧発生器の負圧部圧力と吸引流
量の関係は、図１（ａ）に示すとおりである。つまり、
負圧発生器の吸引流量が多いほど負圧部圧力は高くな
る。

【００１５】そこで、図２に示すとおり、スピンドルに
複数個の負圧発生器を内蔵し、各負圧発生器の負圧部を
吸引溝に連通させ、１個の負圧発生器が吸引する軸受排
気の量を減らすことで吸引溝の圧力を小さくし、真空室
の真空到達度を高めることができる。

【００１６】また、ノズル径が異なる負圧発生器２個を
図４、図５に示すように配置し、ノズル径が大である負
圧発生器（図面下側の負圧発生器）のノズル部に圧縮気
体を供給し、ノズル径が大である負圧発生器の負圧部を
ノズル径が小である負圧発生器（図面上側の負圧発生
器）の排気部と連通させ、ノズル径が小である負圧発生
器のノズル部を大気開放すると、ノズル径が大である負
圧発生器への供給圧力とノズル径が小である負圧発生器
の負圧部圧力の関係は図１（ｂ）の実線のとおりとな
る。なお、図１（ｂ）の破線は、１個の負圧発生器の供
給圧力と負圧部圧力の関係を示している。

【００１７】つまり、負圧発生器２個を図４、図５に示
すように配置することで、負圧発生器１個の場合よりも
吸引溝の圧力を小さくでき、真空室の真空到達度を高め
ることができる。

【００１８】さらに、ノズル径が同じ負圧発生器５個を
図６、図７のように配置し、図面下側の負圧発生器４個
のノズル部に圧縮気体を供給し、その負圧発生器４個の
負圧部を図面上側の負圧発生器の排気部と連通させ、図
面上側の負圧発生器のノズル部を大気開放し、図面上側
の負圧発生器の負圧部を吸引溝と連通させると、前記の
ノズル径が異なる2 個の負圧発生器の場合と同様に、吸
引溝内の圧力は負圧発生器が１個の場合に比べ小さくす
ることができる。

【００１９】このように、負圧発生器を複数個内蔵させ
ることで、負圧発生器が１個の場合に比べ、吸引溝の圧
力を小さくすることができ、真空室の真空到達度を高め
ることができる。

【００２０】

【発明の実施の形態】この発明にかかる静圧気体軸受ス
ピンドルの第１の実施形態を図２に示す。

【００２１】軸受スリーブ１は、それぞれ内径に固定側
ジャーナル軸受面２を持ち、ハウジング５に固定されて
いる。スラスト軸受部材３は、それぞれ端面に固定側ス
ラスト軸受面４を持ち、ハウジング５およびハウジング
６に固定されている。回転軸７とスラスト板８、ターン
テーブル９は、一体に固定され回転部を構成している。

【００２２】回転軸７の外径面は、ジャーナル軸受面２
に、スラスト板８の端面は、スラスト軸受面４に、それ
ぞれ微小な軸受隙間を介して対向し、回転側の軸受面を
構成している。

【００２３】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１２、１３を通って軸受隙間に流入し、回転部
を固定部に対して非接触で支持する。

【００２４】モータロータ１４は、回転軸７に一体に取
付けられ回転角度検出器１５から得られる信号によっ
て、回転部を精密に回転駆動する。

【００２５】気密ケース１６は、ハウジング５に周囲の
真空雰囲気に対して気密に取付けられている。ハウジン
グ５と気密ケース１６の間の排気空間１７は、真空用ベ
ローズ継手１８によって真空室外に連通し、大気圧に保
たれている。排気通路１９、２０、２１を通って排気空
間１７に流入する軸受排気は、ベローズ継手１８を通っ
て真空室外へ排出される。ベローズ継手１８は、軸受給
気チューブやモータケーブル、回転角度検出器のケーブ
ル等を真空室外に導く通路を兼ねている。

【００２６】ターンテーブル９側のスラスト軸受内周か
ら、吸引溝２２に流入する軸受排気のほとんどは２個の
負圧発生器２３によって吸引される。

【００２７】図３は、負圧発生器２３の拡大図である。
負圧発生器２３は、回転軸７内に埋め込まれるケース２
４にＯリング（図示せず）を介してノズル２５とディフ
ューザ２６を嵌合した構造であり、ディフューザ２６の
端部には、消音フィルタ２７が設置されている。

【００２８】図２、図３において、負圧発生器２３のノ
ズル２５には、軸受給気通路１１から軸受隙間と同程度
の微小隙間による非接触シール部を介して分岐した給気
通路２８から圧縮気体が供給されるようになっている。
そして、ノズル２５からディフューザ２６に向かって圧
縮気体が噴出されると、ノズル２５の噴出口の周囲に負
圧部２９が発生する。この負圧部２９は、吸引通路３０
を介して吸引溝２２と連通しており、吸引溝２２に流入
した軸受排気を吸引する。負圧発生器２３に供給された
圧縮気体はノズル２５とディフューザ２６を通過した
後、排気通路３１、２１を通って排気空間１７に流入
し、ベローズ継手１８を通って真空室外へ排出される。

【００２９】このように、２個の負圧発生器２３によっ
て軸受排気が吸引されるが、このうちの１個の負圧発生
器２３が吸引する軸受排気の量は、スピンドルに１個の
負圧発生器のみが内蔵されている場合に比べ、半分の量
となる。そして、負圧発生器は図１（ａ）に示す特性を
有していることから、吸引する軸受排気の量が減ること
で、吸引溝２２の圧力を小さくすることが可能である。
そして、吸引溝２２の圧力が小さくなることと、シール
部材３２の端面とスラスト板８の端面の間の微小なシー
ル隙間３３の管路抵抗によるシール効果により、シール
隙間３３を通って真空室に漏出する軸受排気は非常に少
なくなる。その結果、真空室の真空到達度を高めること
ができる。

【００３０】また、２個の負圧発生器２３は回転軸中心
に対し、対称に配置していることから、回転軸７に不釣
合いを生じさせることはなく、静圧気体軸受スピンドル
の特徴である高い回転精度が劣化することはない。

【００３１】なお、この実施形態では、回転軸７内の負
圧発生器は２個であるが、必要に応じてその数を増やす
ことで、吸引溝２２の圧力を小さくすることができ、真
空室の真空到達度を高めることができる。

【００３２】次に、この発明にかかる静圧気体軸受スピ
ンドルの第２の実施形態を図４、図５に示す。

【００３３】この回転軸３４には、ノズル径が異なる２
個の負圧発生器３５、３６が内蔵されている。

【００３４】図面下側のノズル径が大である負圧発生器
３６のノズル部４０には、軸受給気通路４３から軸受隙
間と同程度の微小隙間による非接触シール部を介して分
岐した給気通路４４から圧縮気体が供給されるようにな
っている。そして、図面下側の負圧発生器３６の負圧部
４１は、図面上側のノズル径が小である負圧発生器３５
の排気部３９と接続通路４５を介して連通している。図
面上側の負圧発生器３５のノズル部３７は、通路４６を
介して大気に開放されている。図面上側の負圧発生器３
５の負圧部３８は吸引通路４７を介して、吸引溝４８と
連通しており、吸引溝に流入した軸受排気を吸引する。
図面下側の負圧発生器に供給された圧縮気体は、排気通
路４９、５０、５１を通って排気空間５２に流入し、ベ
ローズ継手５３を通って真空室外へ排出される。

【００３５】このように、ノズル径が異なる２個の負圧
発生器３５、３６を上記のとおり接続すると、負圧発生
器は図１（ｂ）に示す特性を有していることから、負圧
発生器１個の場合に比べ、吸引溝４８の圧力を小さくす
ることができる。例えば、ノズル径がφ１．５の負圧発
生器とφ０．７の負圧発生器を組み込んだ場合に、吸引
溝４８の圧力は負圧発生器が１個の場合に比べ約２／３
まで小さくできることを確認している。そして、吸引溝
４８の圧力が小さくなることにより、真空室の真空到達
度を高めることができる。

【００３６】また、２個の負圧発生器３５、３６は回転
軸３４と同軸に配置しており、回転軸３４に不釣合いを
生じさせることはなく、回転精度が劣化することはな
い。

【００３７】次に、この発明にかかる静圧気体軸受スピ
ンドルの第３の実施形態を図６、図７に示す。

【００３８】この回転軸５４には、ノズル径が同じ負圧
発生器が５個内蔵されている。

【００３９】図面下側の４個の負圧発生器５６（図６、
図７には、図面下側に２個の負圧発生器しか記載されて
いないが、図面下側の負圧発生器は回転軸中心に対して
４個等間隔で配置されている）のノズル部６０には、軸
受給気通路６３から軸受隙間と同程度の微小隙間による
非接触シール部を介して分岐した給気通路６４から圧縮
気体が供給されるようになっている。そして、図面下側
の４個の負圧発生器５６の負圧部６１は、図面上側の負
圧発生器５５の排気部５９と接続通路６５を介して連通
している。図面上側の負圧発生器５５のノズル部５７
は、通路６６を介して大気に開放されている。図面上側
の負圧発生器５５の負圧部５８は吸引通路６７を介し
て、扱引溝６８と連通しており、吸引溝６８に流入した
軸受排気を吸引する。図面下側の４個の負圧発生器５６
に供給された圧縮空気は、排気通路６９、７０、７１を
通って排気空間７２に流入し、ベローズ継手７３を通っ
て真空室外へ排出される。

【００４０】このように、ノズル径が同じ５個の負圧発
生器を上記のとおり接続することで、第２の実施形態と
同様に、負圧発生器１個の場合に比べ、吸引溝の圧力を
小さくすることができる。例えば、ノズル径がφ１の負
圧発生器を５個内蔵した場合に、吸引溝の圧力は負圧発
生器１個の場合に比べ約１／３まで小さくできることを
確認している。そして、吸引溝の圧力が小さくなること
で、真空室の真空到達度を高めることができる。

【００４１】また、５個の負圧発生器は回転軸中心に対
して軸対称となるように配置していることから、回転軸
に不釣合いを生じさせることはなく、回転精度が劣化す
ることはない。

【００４２】次に、この発明にかかる静圧気体軸受スピ
ンドルの第４の実施形態を図８、図９に示す。

【００４３】この実施形態では、２個の負圧発生器７４
がハウジング７５内に設けられている。この負圧発生器
７４のノズル部には軸受給気通路７７および円周溝７８
を通って圧縮気体が供給されるようになっており、負圧
発生器７４の負圧部は吸引溝７６に連通している。この
第４の実施形態において、第１の実施形態と同一の構成
部分には、同一の符号を付し、その説明は省略する。

【００４４】第１〜第３の実施形態は、いずれも回転軸
内に負圧発生器を複数個を内蔵する溝造であったが、第
４の実施形態に示すようにハウジング内に複数個の負圧
発生器を設けることでも同様に真空室の真空到達度を高
めることが可能である。

【００４５】上記のとおり、負圧発生器をスピンドルに
複数個内蔵した場合の実施形態を示したが、上記の実施
形態はほんの一例であり、その他の組み合わせであって
も、負圧発生器が１個の場合よりも吸引溝の圧力を小さ
くすることは可能であり、この発明は上記の実施形態以
外の形態を除外するものではない。

【００４６】また、吸引溝を複数段設ける構造、あるい
は、軸受隙間と吸引溝の間に非接触シールを設ける構造
とすることで、さらに、真空到達度を高めることも可能
である。

【００４７】また、第１〜第４の実施形態では、いずれ
も負圧発生器への給気が軸受給気通路を経由するが、負
圧発生器への給気通路を、軸受給気通路と別に設けても
よい。この場合、給気通路は複雑になるが、軸受と負圧
発生器の給気圧をそれぞれ別に設定できるという利点が
ある。

【００４８】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、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
接触で支持する静圧気体軸受スピンドルにおいて上記ス
ピンドルの内部に圧縮気体の流れによって負圧を発生さ
せる負圧発生器を複数個設け、軸受隙間から排出される
気体を、上記負圧発生器によって吸引することで、負圧
発生器が１個の場合に比べ、真空室に流出する軸受排気
の量を抑えることができ、真空室の真空到達度を高める
ことができる。

【００４９】また、負圧発生器が１個でも真空室の真空
到達度が十分な場合においては、複数の負圧発生器を内
蔵することで、軸受排気の漏出を抑えることができ、真
空室の排気を行う真空ポンプの排気能力を小さくするこ
とができる。このため、前記真空ポンプを設置するスペ
ースの省スペース化が可能であり、装置全体をコンパク
トにすることができる上、真空ポンプの運転費用を抑え
ることができる。

【００５０】さらに、複数個の負圧発生器を回転軸に内
蔵する場合に、負庄発生器を回転軸と同軸で配置するこ
と、または、回転軸の軸中心に対して軸対称に配置する
ことで、回転軸の不釣合いを抑え、振れまわりによる回
転精度の劣化を抑えることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】負圧発生器の特性を示す図

【図２】この発明に係る静圧気体軸受装置の第１の実施
形態を示す断面図

【図３】負圧発生器の拡大図

【図４】この発明に係る静圧気体軸受装置の第２の実施
形態を示す断面図

【図５】この発明に係る静圧気体軸受装置の第２の実施
形態を示す別の断面図

【図６】この発明に係る静圧気体軸受装置の第３の実施
形態を示す断面図

【図７】この発明に係る静圧気体軸受装置の第３の実施
形態を示す別の断面図

【図８】この発明に係る静圧気体軸受装置の第４の実施
形態を示す断面図

【図９】この発明に係る静圧気体軸受装置の第４の実施
形態を示す別の断面図

【符号の説明】

１軸受スリーブ２固定側ジャーナル軸受面３スラスト軸受部材４固定側スラスト軸受面５、６、７５ハウジング７、３４、５４回転軸８スラスト板９ターンテーブル１０軸受給気口１１、４３、６３、７７軸受給気通路１２、１３絞り穴１４モータロータ１５回転角度検出器１６気密ケース１７、５２、７２排気空間１８、５３、７３ベローズ継手１９、２０、２１、３１、４９、５０、５１、６９、７
０、７１排気通路２２、４８、６８、７６吸引溝２４ケース２５ノズル２６ディフューザ２７消音フィルタ２８、４４、６４給気通路２９、３８、４１、５８、６１負圧部３0 、４７、６７吸引通路３２シール部材３３シール隙間３７、４０、５７、６０ノズル部３９、４２、５９、６２排気部４５、６５接続通路４６、６６通路７８円周溝

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Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】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静圧気体軸受スピ
ンドルにおいて、上記ハウジング又は回転軸の内部に圧縮気体の流れによ
って負圧を発生させる負圧発生器を複数個設け、軸受隙
間から排出される気体を、上記負圧発生器によって吸引
することを特徴とする静圧気体軸受スピンドル。
【請求項２】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静圧気体軸受スピ
ンドルにおいて、上記ハウジングの外部から上記軸受隙間に至る経路中の
ハウジングと回転軸の間に、微小なシール隙間を設け、
このシール隙間と軸受隙間の中間に吸引溝を設け、上記
ハウジングに圧縮気体の流れによって負圧を発生させる
負圧発生器を複数個内蔵させ、１個以上の負圧発生器の
負圧部と上記吸引溝とを接続する吸引通路を設けたこと
を特徴とする静圧気体軸受スピンドル。
【請求項３】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静圧気体軸受スピ
ンドルにおいて、上記ハウジングの外部から上記軸受隙間に至る経路中の
ハウジングと回転軸の間に、微小なシール隙間を設け、
このシール隙間と軸受隙間の中間に吸引溝を設け、上記
回転軸に圧縮気体の流れによって負圧を発生させる負圧
発生器を複数個内蔵させ、１個以上の負圧発生器の負圧
部と上記吸引溝とを接続する吸引通路を回転軸内に設け
たことを特徴とする静圧気体軸受スピンドル。
【請求項４】前記複数個の負圧発生器のすべての負圧
部を前記吸引溝に連通させたことを特徴とする請求項２
または請求項３に記載の静圧気体軸受スピンドル。
【請求項５】前記複数個の負圧発生器のうち１個以上
の負圧発生器の負圧部を前記吸引溝に連通させて第１の
負圧発生器とし、他の１個以上の負圧発生器を第２の負
圧発生器として第２の負圧発生器の負圧部を第１の負圧
発生器の排気部に連通させ、第２の負圧発生器のノズル
部に圧縮気体を供給することを特徴とする請求項２また
は請求項３に記載の静圧気体軸受スピンドル。
【請求項６】負圧発生器を回転軸と同軸で配置したこ
とを特徴とする請求項１、３、４、５のいずれかの項に
記載の静庄気体軸受スピンドル。
【請求項７】負圧発生器を回転軸中心に対して軸対称
に配置したことを特徴とする請求項１、３、４、５のい
ずれかの項に記載の静圧気体軸受スピンドル。