JP2006258162A - 回転軸支持装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
部品精度を必要以上に高めることなく、製造コストを抑えながらも、部品の干渉等を回避できる回転軸支持装置を提供する。
【解決手段】
スリーブ２１が、本体１１に対して半径方向に位置調整可能に取り付けられているので、組み付け時に、回転軸３が本体１１に支持された状態で、周溝２１ｆの軸線方向両側に設けられた第１オリフィス部２１ｄと第２オリフィス部２１ｅと回転軸３の表面との間の微小スキマが最適になるように、スリーブ２１を半径方向に調整でき、それにより部品精度に関わらず、回転軸３とスリーブ２１との干渉を回避することができる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、回転軸支持装置に関し、たとえば外部環境から隔離されたハウジング内に対して回転力を伝達する回転軸をシールする回転軸支持装置に関する。

半導体製造装置などにおいては、真空や特殊ガス雰囲気に維持したプロセス室内で、ワークをステージに載置して移動させて加工処理や検査等をすることが行われている。ここで、プロセス室内のワークを加工等するために、ワークもしくは工具を移動させる必要がある。

例えばプロセス室の外部に駆動源を設け、それに連結した回転軸をハウジングの開口を介してプロセス室内へと延在させ、かかる回転軸を介して駆動力をワークや工具に伝達することが考えられる。ここで、プロセス室内における大気とは異なる特殊な環境をどのように維持するかが問題となる。特許文献１には、静圧軸受と差動排気シールとを備えた駆動装置が開示されている。
特開２００２−３０３３２３号公報

ところで、特許文献１の駆動装置によれば、軸受部と差動排気シール部とが一体、もしくは半径方向に相対移動不能に嵌合取り付けされている。しかるに、軸受部と差動排気シール部とが、そのような構成であると、部品精度などによっては、回転軸が軸受により支持された状態で、差動排気シールのオリフィス部において必要な微小スキマを適切に確保できず、場合によってはオリフィス部が回転軸と接触するといった問題が生じる。かかる不具合を回避するには、部品精度を高める必要が生じ、コスト増を招くこととなる。

そこで本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑み、部品精度を必要以上に高めることなく、製造コストを抑えながらも、部品の干渉等を回避できる回転軸支持装置を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、本発明の回転軸支持装置は、ハウジングに対して取り付けられ、前記ハウジングの開口を介して延在する回転軸を回転自在に支持すると共に、前記ハウジングに対して前記回転軸をシールする回転軸支持装置において、
前記ハウジングに取り付けられる本体と、
前記本体に取り付けられて前記回転軸を回転自在に支持する軸受と、
前記本体と前記回転軸との間を密封する差動排気シールユニットとを有し、
前記差動排気シールユニットは、前記本体に対して半径方向に位置調整可能に取り付けられるスリーブを備え、前記スリーブの内周には、外部の排気ポンプに接続された差圧室と、前記差圧室を挟んで軸線方向両側に設けられ前記回転軸との間の気体の流れを制限するオリフィス部とが形成されていることを特徴とする。

本発明の回転軸支持装置によれば、前記スリーブが、前記本体に対して半径方向に位置調整可能に取り付けられているので、組み付け時に、前記回転軸が前記本体に支持された状態で、前記オリフィス部と前記回転軸の表面との間の微小スキマが最適になるように前記スリーブを半径方向に調整でき、それにより部品精度に関わらず、前記回転軸と前記スリーブとの干渉を回避することができる。

少なくとも前記オリフィス部の内周には、導電部材が配置されており、前記スリーブと前記本体との間は絶縁されていると、例えば組み付け時に、前記オリフィス部と前記回転軸との電気的導通を検出することができ、それにより目視では判断が難しい前記回転軸と前記オリフィス部との接触を正確に判定でき、前記スリーブの調整が容易になる。

本明細書中で用いる差動排気シールとは、例えば対向する２面（例えばシール開口と回転軸外周面）間の微小な間隙にある気体を前記２面間に設けられた差圧室を介して排気することにより、非接触の状態で、対向面を挟む両側の雰囲気（例えば大気圧と高真空）を一定の状態に保つように機能するものをいう。以下に述べる実施の形態においては、差圧室とそれに隣接する間隙（オリフィス部）を差動排気シールという。

以下、図面を参照して、比較例と、本発明の好適な実施の形態について説明する。図１は、比較例にかかる回転軸支持装置の断面図であり、プロセス室を覆うハウジングに取り付けた状態で示している。

まず、比較例から説明する。図１において、ハウジング（真空チャンバともいう）１０２は、ターボ分子ポンプＴＰ及び補助ポンプＳＰに接続され、それらを動作させることによって高真空状態に維持されるプロセス室Ｐを、その内部に有している。プロセス室Ｐ内の真空度は真空計ＶＭにより検出できる。ハウジング１０２の一面に設けられた開口１０２ａに、回転軸１０３が挿入されている。開口１０２ａを覆うようにして、ハウジング１０２の大気側の外壁に回転軸支持装置１１０が取り付けられている。回転軸１０３は、回転軸支持装置１１０に支持されている。

回転軸支持装置１１０は、本体１１１と、回転軸１０３を回転自在に支持する転がり軸受などのベアリング１１２ａ、１１２ａとからなる。ベアリング１１２ａ、１１２ａの内輪は、内輪間座１１４、内輪押え１１６により、回転軸３に対し、固定されている。同様にベアリング１１２ａ、１１２ａの外輪は、外輪間座１１３、外輪押え１１５により、ハウジング１０２に固定されている。円筒状の本体１１１は、ハウジング１０２に対してボルト止めされるフランジ部１１１ａと、回転軸１０３を挿通させたシール開口１１１ｂとを有している。なお、フランジ部１１１ａの端面には、シール開口１１１ｂを取り巻くようにしてＯ−リング周溝１１１ｃが形成されており、フランジ部１１１ａをハウジング１０２の外壁に取り付けたときに、Ｏ−リング周溝１１１ｃ内に配置されたＯ−リングＯＲが両者間を気密するようになっている。

ベアリング１１２ａ、１１２ａよりハウジング１０２側において、シール開口１１１ｂには、それぞれ回転軸１０３とのスキマを小さくした第１オリフィス部１１１ｄと、第２オリフィス部１１１ｅとを、この順序で大気側より配置形成している。第１オリフィス部１１１ｄと、第２オリフィス部１１１ｅとの間におけるシール開口１１１ｂには、差圧室となる周溝１１１ｆが形成されており、これは本体１１１に設けた孔を介して外部の排気ポンプＰ１に接続されている。

次に、比較例に係る回転軸支持装置の動作について説明する。回転軸１０３の図で右端部は、モータ等の駆動源（不図示）に接続されており、回転軸１０３を回転駆動するようになっている。このとき、回転軸１０３は、ベアリング１１２ａ、１１２ａにより回転自在に支持されているので、摩擦などの抵抗が少ない状態で、本体１１１に対して回転可能となっている。

差動排気シールの作用について説明すると、第１オリフィス部１１１ｄ及び第２オリフィス部１１１ｅにおいて、シール開口１１１ｂと回転軸１０３とのクリアランスを極力小さくして気体の流れを制限すると、大気側から流入する気体（一般的にはエア）の量が少なくなる。さらに、流入するガスのほとんどの量を周溝１１１ｆから排気すると、プロセス室Ｐ側への気体の流入は極めて微量となる。したがって、回転軸１０３が回転（又は直動）自在にシール開口１１１ｂを貫通しているにもかかわらず、プロセス室Ｐは気密的に隔離された状態を得ることができる。周溝１１１ｆ（差圧室）に接続される排気ポンプＰ１の能力（到達圧力と排気速度）に応じて、複数段の差圧室を設ける場合もある。即ち、非接触状態で回転軸１０３と本体１１１との間を気密できるため、シールからの発塵・アウトガスがなく、長寿命で、さらに温度に寿命が依存しないという特長を有する。

ところで、比較例に示す回転軸支持装置において、第１オリフィス部１１１ｄ及び第２オリフィス部１１１ｅは、スキマが極めて小さい。そのため、本体１１１と一体的に各オリフィス部１１１ｄ、１１１ｅを形成しておいて、その中にベアリング１１２ａ、１１２ａに支持された回転軸１０３を挿通することは困難である。なぜなら、寸法誤差や組み付け誤差（各はめあい部の同軸度誤差等）が累積した結果、回転軸１０３と各オリフィス部１１１ｄ、１１１ｅとの同軸度を損ない、周方向のスキマが不均一になることによって、回転軸１０３と本体１１１とが接触してしまう恐れがあるからである。

ここで、オリフィス部のスキマをどれくらいの寸法にする必要があるか、比較例の回転軸支持装置を例に取った排気系モデルについて検討する。図１に示すように、真空チャンバは、ターボ分子ポンプＴＰによって排気され、そのターボ分子ポンプＴＰを別の補助ポンプＳＰが排気しているものとする。ターボ分子ポンプＴＰの排気速度性能は、５５０Ｌ／ｓｅｃであり、補助ポンプＳＰは、このターボ分子ポンプＴＰの排気速度に見合ったものが選定されているとする。

差動排気シールに接続されている排気ポンプＰ１の性能は、排気速度性能が２６７Ｌ／ｍｉｎ、到達圧力が０．２Ｐａであり、回転軸１０３の軸径はφ８としている。この排気系モデルで、真空計ＶＭの測定位置での到達圧力が１．３×１０^-5Ｐａになるようにした時、所定のスキマに対してどれくらいのオリフィス長さが必要かを計算した。計算結果を図２に示す。

図２によれば、第１オリフィス部１１１ｄ及び第２オリフィス部１１１ｅの長さＬが約１０ｍｍである時、各オリフィス部１１１ｄ、１１１ｅの許容最大スキマＣを１０μｍ以下とする必要があることが分かる。ここで、最大許容スキマＣが１０μｍであるとした場合、本体１１１と回転軸１０３との間に１０μｍ以上の累積誤差があると、両者は接触することとなるが、それをクリアする精度を実際の製品に求めることは極めて難しい。これに対し、許容最大スキマＣを２０μｍまで条件を緩めると、図２から、各オリフィス部１１１ｄ、１１１ｅの長さＬが約７０ｍｍ以上必要となり、回転軸支持装置の大型化を招くため好ましくない。以下の実施の形態によれば、かかる問題を解消できる。

図３は、本実施の形態にかかる回転軸支持装置の断面図であり、プロセス室を覆うハウジングに取り付けた状態で示している。図３において、ハウジング（真空チャンバともいう）２は、ターボ分子ポンプＴＰ及び補助ポンプＳＰに接続され、それらを動作させることによって高真空状態に維持されるプロセス室Ｐを、その内部に有している。プロセス室Ｐ内の真空度は真空計ＶＭにより検出できる。ハウジング２の一面に設けられた開口２ａに、回転軸３が挿入されている。開口２ａを覆うようにして、ハウジング２の大気側の外壁に回転軸支持装置１０が取り付けられている。回転軸３は、回転軸支持装置１０に支持されている。

回転軸支持装置１０は、本体１１と、回転軸３を回転自在に支持する転がり軸受などのベアリング１２ａ、１２ａと、差動排気シールユニット２０とからなる。ベアリング１２ａ、１２ａの内輪は内輪間座１４、内輪押え１６により、回転軸３に対し、固定されている。同様にベアリング１２ａ、１２ａの外輪は、外輪間座１３、外輪押え１５により、ハウジング２に固定されている。円筒状の本体１１は、ハウジング２に対してボルト止めされるフランジ部１１ａと、回転軸３を挿通させた中央開口１１ｂとを有している。なお、フランジ部１１ａの端面には、中央開口１１ｂを取り巻くようにしてＯ−リング周溝１１ｃが形成されており、フランジ部１１ａをハウジング２の外壁に取り付けたときに、Ｏ−リング周溝１１ｃ内に配置されたＯ−リングＯＲが両者間を気密するようになっている。

ベアリング１２ａ、１２ａよりハウジング２側における、本体１１の内部空間内に、半径方向にスペースを空けながら差動排気シールユニット２０が配置されている。差動排気シールユニット２０は、本体１１とは別体である円筒状のスリーブ２１を有している。スリーブ２１には、ボルト２２を挿通するために複数の貫通孔２１ａを形成している。差動排気シールユニット２０のスリーブ２１は、本体１１の取り付け面１１ｈに突き当てられ、貫通孔２１ａに挿通されたボルト２２を本体１１のねじ孔１１ｊに螺合させることにより、本体１１に固定されるようになっている。ただし、ボルト２２を緩めた状態では、スリーブ２１は、貫通孔２１ａとボルト２２との間のスキマの分（例えば０．５ｍｍ程度）だけ、半径方向に移動可能となっている。なお、スリーブ２１と本体１１との間は、Ｏ−リング等により気密されていると好ましい。

スリーブ２１は、回転軸３を挿通させたシール開口２１ｂを有している。シール開口２１ｂには、それぞれ回転軸３とのスキマを小さくした第１オリフィス部２１ｄと、第２オリフィス部２１ｅとを、この順序で大気側より配置形成している。第１オリフィス部２１ｄと、第２オリフィス部２１ｅとの間におけるシール開口２１ｂには、差圧室となる周溝２１ｆが形成されており、これは周溝２１ｆに連通するようにスリーブ２１に設けた孔及び本体１１に設けた孔及びこれらの２つの孔に気密的に接続された図示しない管を介して外部の排気ポンプＰ１に接続されている。

次に、本実施の形態に係る回転軸支持装置１０の動作について説明する。回転軸３の図で右端部は、モータ等の駆動源（不図示）に接続されており、回転軸３を回転駆動するようになっている。このとき、回転軸３は、ベアリング１２ａ、１２ａにより回転自在に支持されているので、摩擦などの抵抗が少ない状態で、本体１１に対して回転可能となっている。

差動排気シールの作用について説明すると、第１オリフィス部２１ｄ及び第２オリフィス部２１ｅにおいて、シール開口２１ｂと回転軸３とのクリアランスを極力小さくして気体の流れを制限すると、大気側から流入する気体（一般的にはエア）の量が少なくなる。更に流入するガスのほとんどの量を周溝２１ｆから排気すると、プロセス室Ｐ側への気体の流入は極めて微量となる。したがって、回転軸３が回転（又は直動）自在にシール開口２１ｂを貫通しているにもかかわらず、プロセス室Ｐは気密的に隔離された状態を得ることができる。周溝２１ｆ（差圧室）に接続される排気ポンプＰ１の能力（到達圧力と排気速度）に応じて、複数段の差圧室を設ける場合もある。即ち、非接触状態で回転軸３と本体１１との間を気密できるため、シールからの発塵・アウトガスがなく、長寿命で、さらに温度に寿命が依存しないという特長を有する。

組み付け時には、本体１１をハウジング２から分離した状態で、スリーブ２１の各オリフィス部２１ｄ、２１ｅとベアリング１２ａ、１２ａを介して本体２１に支持された状態の回転軸３とのスキマ調整を行う。より具体的には、例えば、厚さ１０μｍのシックネステープ（不図示）を用意し、第２オリフィス部２１ｅ内に回転軸３を挿通した状態で、シックネステープをそれらの間に挿入して、スキマの状態を確認しながら最適なスキマ状態になるように、スリーブ２１の位置を半径方向に微調整し、スリーブ２１の位置が定まったら、緩めに締めていたボルト２２を本体１１に締結する。ボルト２２を締め込んだ後は、スリーブ２１と本体１１との相対変位が阻止されるため、第２オリフィス部２１ｅに最適なスキマ（全周にわたってスキマの偏りのない状態）を設定できることとなる。なお、第１オリフィス部２１ｄと第２オリフィス部２０ｅとは一度に加工がなされ、同軸度は高いため、第２オリフィス部２０ｅと回転軸３とのスキマが適切になれば、第１オリフィス部２０ｄと回転軸３とのスキマも適切になる。

本実施の形態によれば、スリーブ２１が、本体１１に対して半径方向に位置調整可能に取り付けられているので、組み付け時に、回転軸３が本体１１に支持された状態で、周溝２１ｆの軸線方向両側に設けられた第１オリフィス部２１ｄ及び第２オリフィス部２１ｅと回転軸３の表面との間の微小スキマが最適になるように、スリーブ２１を半径方向に調整でき、それにより部品精度に関わらず、回転軸３とスリーブ２１との干渉を回避することができる。

又、スキマ調整の変形例について説明する。正圧ポンプを用意し、排気ポンプＰ１の代わりに周溝２１ｆに接続する。本体１１をハウジング２から分離し、第１オリフィス部２１ｄ及び第２オリフィス部２０ｅ内に回転軸３を挿通した状態で、正圧ポンプを駆動すると、周溝２１ｆを介して供給された空気が、第１オリフィス部２１ｄ及び第２オリフィス部２１ｅと、回転軸３との間を通過して外部へと流出する。このとき、通過する空気により第１オリフィス部２１ｄ及び第２オリフィス部２１ｅに対して回転軸３は調心され、すなわち両者間に均等なスキマが自動的に形成されることとなる。この状態を維持しつつ、スリーブ２１をボルト２２を用いて本体１１に組み付ける。ボルト２２を締め込んだ後は、スリーブ２１と本体１１との相対変位が阻止されるため、第１オリフィス部２０ｄと第２オリフィス部２１ｅに最適なスキマを設定できることとなる。

なお、スリーブ２１は一体品である必要はない。例えば第１オリフィス部２１ｄと第２オリフィス部２１ｅを高精度に加工する必要がある場合、それを含む中央円筒部のみ高精度に加工を行って、貫通孔を有する外周円筒部は別個に加工を行い、中央円筒部と外周円筒部とを気密的に嵌合させることによってスリーブを形成しても良い。

図４は、第２の実施の形態にかかる回転軸支持装置１０’の断面図である。本実施の形態においては、図３の実施の形態に対して、差動排気シールユニット２０’の構成のみが異なっているので、異なる点のみを説明し、共通する構成に関しては同じ符号を付すことで説明を省略する。

差動排気シールユニット２０’は、中央円筒部２１Ａと、それに嵌合する外周円筒部２１Ｂの二部品からなるスリーブ２１’を有している。導電部材からなる中央円筒部２１Ａは、第１オリフィス部２１ｄ、周溝２１ｆ、第２オリフィス部２１ｅが形成されたシール開口２１ｂを有している。一方、外周円筒部２１Ｂは、少なくとも回転軸３に対向する表面がセラミックや樹脂などの非導電性部材からなり、貫通孔２１ａを有している。中央円筒部２１Ａと外周円筒部２１Ｂは、接着、溶着、圧入等により気密的に結合されている。両者間に例えばＯ−リングを介在させて気密すると好ましい。なお、中央円筒部２１Ａは、本体１１とは接触しておらず、電気的導通が断たれた状態にある。回転軸３は、例えば導電性を有するステンレス鋼などから形成される。

組み付け時のスキマ調整について説明する。本体１１をハウジング２から分離した状態で、図４に示すように、回転軸３と中央円筒部２１Ａとの間に、電流計Ａと電池Ｅからなる測定回路を取り付ける。予め回転軸３は、本体１１のベアリング１２ａ、１２ａと、第１オリフィス部２１ｄ及び第２オリフィス部２０ｅ内に挿通させてある。ここで、回転軸３と中央円筒部２１Ａとの同心度が崩れて両者の接触が生じると、測定回路がクローズドとなって電流が流れるので、電流計Ａの針が振れることとなる。即ち、電流計Ａの針が振れないように、スリーブ２１’を半径方向に移動させ、スリーブ２１をボルト２２を用いて本体１１に組み付ければ、第１オリフィス部２１ｄ及び第２オリフィス部２１ｅに最適なスキマを設定できることとなる。差動排気シールユニット２０’が取り付けられた本体１１をハウジング２に装着する前に、かかる測定回路は取り外される。

外周円筒部２１Ｂの素材としては、特に加工性の容易さからは、マシナブルセラミックスが好適である。また、気密のためにＯリング等のシール材を用いることを考慮すれば、面粗度を良好に仕上げることが可能なアルミナ系セラミックスが好適である。外周円筒部２１Ｂの素材として樹脂材を用いる場合は、真空領域で実績があり、加工性も悪くないＰＥＥＫ材が好適である。

外周円筒部２１Ｂ全体を非導電性部材で形成する必要はなく、その表面を非導電性物質でコーティングすることも考えられる。たとえば、外周円筒部２１ＢをＡｌ合金（アルミ合金）で製作し、表面にアルマイト処理を施すことができる。処理される面は、外周円筒部２１Ｂと中央円筒部２１Ａとの接合面のみで良いが、工程上全面に施すのが容易である。外周円筒部２１Ｂと中央円筒部２１Ａとの接合後、露呈している面のアルマイト処理を機械加工等で切除したとしても、機能上は特に影響はない。

アルマイトの膜厚みは１μｍでも形成されていれば十分であるが、処理残り等が発生することを考えれば、膜厚みが厚い方が信頼性が高い。その点で、Ａｌ合金のＡ６０００番系のものに１０〜５０μｍ厚みのアルマイト処理を施すのが良い。膜厚みが確保できるのと同時に、処理後の表面硬度が他のＡｌ合金より高く、外周円筒部２１Ｂと中央円筒部２１Ａとを圧入する場合等に好適である。また、たとえば、外周円筒部２１Ｂ表面にフッソ系の樹脂コーティングを行うことでも良い。

更に、図示はしないが、スリーブ２１’を中央円筒部２１Ａと外周円筒部２１Ｂとに分ける代わりに、スリーブ２１’を導電性物質で形成したスリーブに直接非導電性物質をコーティングしたものとしても良い。たとえば、スリーブ２１’にフッソ系の樹脂コーティングを行い、その後、機械加工によって、スリーブのシール開口２１ｂにおける第１オリフィス部２１ｄ及び第２オリフィス部２１ｅの内周及びプロセス室Ｐ側の端面のうち、前記測定回路を用いるための導通部として使用する部分の樹脂コーティングを切除する。それにより、第１オリフィス部２１ｄ及び第２オリフィス部２１ｅの表面を導電性とすることができる。ただし、本体１１に装着される面及びボルト２２を挿通される貫通孔は絶縁された状態である。

以上、本発明を実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定して解釈されるべきではなく、適宜変更・改良が可能であることはもちろんである。例えば、周溝（差圧室）をスリーブに複数段設ける場合にも適用できる。

比較例にかかる回転軸支持装置の断面図である。 オリフィス長さと、スキマとの関係を示す図である。 第１の実施の形態にかかる回転軸支持装置の断面図である。 第２の実施の形態にかかる回転軸支持装置の断面図である。

符号の説明

１０、１０’ 回転軸支持装置
１１ 本体
１１ａ フランジ部
１１ｂ 中央開口
１１ｃ Ｏ−リング周溝
１１ｈ 取り付け面
１１ｊ ねじ孔
１２ａ ベアリング
２０ 差動排気シールユニット
２０ｄ オリフィス部
２０ｅ オリフィス部
２１ スリーブ
２１Ａ 中央円筒部
２１Ｂ 外周円筒部
２１ａ 貫通孔
２１ｂ シール開口
２１ｄ 第１オリフィス部
２１ｅ 第２オリフィス部
２１ｆ 周溝
２２ ボルト
Ａ 電流計
Ｅ 電池
ＯＲ Ｏ−リング
Ｐ プロセス室
Ｐ１ 排気ポンプ
ＳＰ 補助ポンプ
ＴＰ ターボ分子ポンプ
ＶＭ 真空計

Claims (2)

1. ハウジングに対して取り付けられ、前記ハウジングの開口を介して延在する回転軸を回転自在に支持すると共に、前記ハウジングに対して前記回転軸をシールする回転軸支持装置において、
   前記ハウジングに取り付けられる本体と、
   前記本体に取り付けられて前記回転軸を回転自在に支持する軸受と、
   前記本体と前記回転軸との間を密封する差動排気シールユニットとを有し、
   前記差動排気シールユニットは、前記本体に対して半径方向に位置調整可能に取り付けられるスリーブを備え、前記スリーブの内周には、外部の排気ポンプに接続された差圧室と、前記差圧室を挟んで軸線方向両側に設けられ前記回転軸との間の気体の流れを制限するオリフィス部とが形成されていることを特徴とする回転軸支持装置。
2. 少なくとも前記オリフィス部の内周には、導電部材が配置されており、前記スリーブと前記本体との間は絶縁されていることを特徴とする請求項２に記載の回転軸支持装置。
   

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