JP4069435B2

JP4069435B2 - スピンドルシール装置

Info

Publication number: JP4069435B2
Application number: JP2000050132A
Authority: JP
Inventors: 浩志相沢; 淳高橋; 好史稲垣; 輝彦藤崎
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 1999-11-30
Filing date: 2000-02-25
Publication date: 2008-04-02
Anticipated expiration: 2020-02-25
Also published as: JP2001221345A

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、スピンドル装置の内部と外界とを密封するスピンドルシール装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、スピンドル装置の内部と外界との間を密封し、スピンドル装置内部から外界への発塵を防止する種々のスピンドルシール装置が提供されている。この一例としては、例えば、図６に示すように、永久磁石１０１と磁性流体１０２を使用して密封をなすものがある。
【０００３】
具体的には、このスピンドルシール装置は、回転する回転軸１０３を囲み、かつ回転軸１０３の周面との間に空間を保って、永久磁石１０１と、永久磁石１０１の両面に密着する一対の磁極板１０４とが配置され、永久磁石１０１と磁極板１０４、及び回転軸１０３とで磁気回路を構成し、磁性流体１０２を回転軸１０３と、磁極板１０４との小間隙に充填してシール機能を発揮させる構造を備えている。
【０００４】
なお、符号１０５は、回転軸１０３を支持する軸受であり、符号１０６は、軸受１０５を介して回転軸１０３を回転可能に支持するハウジング外筒、符号１０７は、軸受押えである。
【０００５】
また、他のスピンドルシール装置としては、図７に示すように、軸受押さえ１０７やカバー１０８と、回転軸１０３との間の隙間を小さくし、入り子状にするラビリンスシール部１０９に、圧縮空気出口１１０から空気を吹き出すことにより、外部からの切削水等の浸入防止を目的としたシールを行うスピンドルシール装置もある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記した従来の永久磁石と磁性流体を使用してシールを行うタイプのスピンドルシール装置は、前記磁性流体を塗布する作業が困難である。また、高速回転限界が低いと共に、圧力差によってシール部がバーストする虞れがある。
【０００７】
また、ラビリンスシールと空気の組み合わせによりシールを行うタイプのスピンドルシール装置は、シールすべき空間（例えば、回転軸とハウジングや軸受押え等との隙間）をできるだけ小さくした方がシール効果が高くなることから、この空間（隙間）を小さく設定した方がより効果がある。しかし、例えば、回転軸が外力によりラジアル方向に変位した際に、前記空間（隙間）がなくなり、例えば回転軸とハウジングや軸受押え等とが接触してしまう虞がある。そのため、実際には前記空間を大きく設定する必要があり、それによりシール効果が制限されてしまうことになる。
【０００８】
本発明は、このような従来の問題点を解決することを課題とするものであり、磁性流体シールを使用することなく、かつ軸の外力によるラジアル変位の影響を受けることなく、シール効果を向上することが可能なスピンドルシール装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために、本発明は、軸受と、当該軸受を介してハウジングに相対的に回転可能に支持された軸と、を備えたスピンドル装置の内部と外界とを密封可能なスピンドルシール装置であって、前記軸受と前記外界との間に、気体軸受を配置したスピンドルシール装置を提供するものである。
【００１０】
この構成を備えたスピンドルシール装置は、気体軸受を介して軸表面に気体（例えば、空気（エア）や窒素等）を吹き出させ、その部分の圧力を周囲より高く維持することによって、前記軸受と外界との間をシールすることができ、例えば、ダスト、グリースや潤滑油等の油分等の異物が、軸受内部から外界に放出されることを防止することができる。また、逆に外部からの切削油等の浸入を防止することもできる。
【００１１】
前記気体軸受は、例えば、弾性部材を介して前記ハウジングに支持されることができる。すなわち、前記気体軸受を、この気体軸受より剛性が低い弾性部材によって支持することができる。このような構成にすることで、例えば、外力により軸がラジアル方向に変位しても、この気体軸受を前記軸の変位に追従させることができるため、前記気体軸受と軸との間に形成される隙間を一定に保つことができる。したがって、前記隙間をさらに微小にしても、気体軸受と軸が接触することを防止することができる。
【００１２】
なお、本発明で使用可能なスピンドル装置は、軸が回転するタイプのものであってもよいし、ハウジングが回転するタイプのものであってもよい。
【００１３】
前記気体軸受は、静圧軸受であってもよく、動圧軸受であってもよい。静圧軸受を採用した場合は、軸またはハウジングが回転していなくても、シール効果を得ることができ、回転中は外部から給気を行うため、動圧軸受を採用した場合よりもさらにシール効果を向上することができる。しかしながら、静圧軸受は圧縮空気供給源が必要であり、動圧軸受に比べ装置が大がかりになる。したがって、比較的条件が厳しくない条件下でシールを行う場合は、安価で構造が簡単な動圧軸受を用い、厳しい条件下でシールを行う場合は、静圧軸受を用いる等、使い分けを行うことができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態に係るスピンドルシール装置について、図面を参照して説明する。
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係るスピンドルシール装置の概略を示す一部断面図である。
【００１５】
なお、この実施の形態１では、スピンドル装置１０は、ハウジング１２のフランジ２３の座ぐり穴を用いて、図示しない装置に取り付けられ、図１でフランジ２３から左側の部分が外界に曝されていることになる。
【００１６】
図１に示すように、実施の形態１に係るスピンドルシール装置１は、転がり軸受１１と、転がり軸受１１を介してハウジング１２に回転可能に支持された回転軸１３と、を備えたスピンドル装置１０の内部と、フランジ２３より左側の外界とを密封可能に構成されている。ハウジング１２には、転がり軸受１１を押るための軸受押え１４が、例えば、ねじ止めされている。
【００１７】
なお、図１に示す例では、回転軸１３の一端側のみシールが必要であるが、回転軸１３の両端ともシールが必要な場合は、回転軸１３の他端側も同様の構成とすればよい。
【００１８】
このスピンドルシール装置１は、転がり軸受１１と前記外界との間に配設された気体軸受１５を備えて構成されている。この気体軸受１５は、静圧軸受であり、外部から供給された高圧の例えば空気を回転軸１３との間に形成されている隙間ｈ_２に供給し、その空間の圧力を外部より高圧に維持し、シールを形成している。さらにカバー２２との間及び軸受押え１４との間の隙間ｈ_１にも空気を供給し、気体軸受を形成し、回転軸１３が斜めに変位した時の逃げとなる。なお、この隙間ｈ_１及びｈ_２は、数μｍから数十μｍ程度の隙間が適当である。
【００１９】
また、気体軸受１５は、それ自身より剛性が低い、例えば、ゴムや樹脂等の弾性部材２１を介して軸受押え１４に組み込まれている。本実施形態では、Ｏリングを使用している。Ｏリングは、気体軸受１５の外周に２カ所設けられた環状溝に嵌められている。そして、気体軸受１５の外径は、対向する軸受押え１４の内周面の内径より、後述の弾性部材２１による調芯作用を得るために必要なだけ小さく（具体的には、最大１ｍｍ程度までの隙間となるよう）設定されている。
【００２０】
なお、実施の形態１では、多孔質体からなる気体軸受を使用した。このように、多孔質体からなる気体軸受を使用することで、高い軸受面圧が得られ、シール性をより向上させることができる。また、この気体軸受１５には、図示しない圧縮空気供給源から供給される圧縮空気が外部から軸受押え１４に設けられた空気供給孔１４ａを経由して供給される圧縮空気を気体軸受１５に供給する圧縮空気供給口１６が設けられている。
【００２１】
また、弾性部材２１は、気体軸受１５に供給されるべき空気が気体軸受１５の内部を通ることなく両端部へ漏れるのを防ぐシールの役割も果たしている。
【００２２】
この構成を備えたスピンドルシール装置１は、気体軸受１５が対向する回転軸１３の円周上の圧力を均一に高く維持することができる。すなわち、気体軸受１５から回転軸１３の表面に向けて吹出される空気の圧力及び流れにより、転がり軸受１１と外界との間を確実にシールすることができる。したがって、スピンドル装置１０内部のダストやグリース等の油分等を含む異物は、前記空気によるシールを越えて外部に放出されたり、外部から異物が侵入したりすることが防止される。
【００２３】
また、気体軸受１５が弾性部材２１を介して支持されることにより、外力により回転軸１３がラジアル方向に変位しても、弾性部材２１の弾性力による調芯作用により気体軸受１５を回転軸１３の変位に追従させることができる。このため、気体軸受１５と回転軸１３との間に形成される隙間を一定に保つことができる。
【００２４】
なお、弾性部材２１は、Ｖパッキンやゴム板を貼り付けたものなど、様々な形状、構成のものを用いることができる。
【００２５】
このように、実施の形態１に係るスピンドルシール装置１は、従来のスピンドルシール装置のように、シール手段として磁性流体を使用することなく、転がり軸受１１と外界との間を、気体軸受１５からの空気の吹付けにより確実にシールすることができる。
【００２６】
なお、このスピンドルシール装置１は、様々な装置に組み込まれるスピンドル装置に応用することが可能であるが、例えば、転がり軸受１１内部のグリース等が外部に漏れると不具合が生じるクリーンな環境で使用される、例えば半導体製造装置や検査装置等に使用されるスピンドル装置にも好適に使用することができる。
【００２７】
また、工作機械等に使用されるスピンドル装置に使用し、外部からの切削液の浸入を防止することもできる。
（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２に係るスピンドルシール装置について、図面を参照して説明する。
【００２８】
図２は、実施の形態２に係るスピンドルシール装置の概略を示す一部断面図である。なお、実施の形態２では、実施の形態１と同様の部材には同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００２９】
図２に示すように、実施の形態２に係るスピンドルシール装置２の、実施の形態１に係るスピンドルシール装置１と異なる点は、調芯作用をもたらせるＯリングが気体軸受１５の両端部に配置されていることにより、カバー２２との間及び軸受押え１４との間の隙間ｈ_３を大きくしていることである。また、気体軸受１５の両端面は封止してあり、内周面のみが気体軸受として機能する点も異なる。この理由は、実施の形態１では、隙間ｈ_１は気体軸受として作用しているため、隙間の値が数μｍから数十μｍ程度となってしまうが、実施の形態２では、弾性部材２１の弾性力により軸方向に保持されるため、ｈ_３の値は数μｍから１ｍｍ程度まで広げることが可能となる。
【００３０】
このように、実施の形態２に係るスピンドルシール装置２は、気体軸受１５と回転軸１３との間に形成された隙間ｈ_２を、数μｍ〜数十μｍ程度まで狭くすることができることに加え、ｈ_３を大きく設定できるため、気体軸受１５が大きく傾くことが許容されるため、調芯性がさらに向上し、大きな負荷にも追従することが可能となる。
（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３に係るスピンドルシール装置について、図面を参照して説明する。
【００３１】
図３は、実施の形態３に係るスピンドルシール装置の概略を示す一部断面図である。なお、実施の形態３では、実施の形態１と同様の部材には同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００３２】
図３に示すように、実施の形態３に係るスピンドルシール装置３の、実施の形態１に係るスピンドルシール装置２と異なる点は、実施の形態１では、気体軸受１５が半径方向のラジアル軸受を構成することによりシール作用を生じさせたのに対し、実施の形態３では、軸方向のアキシアル軸受を構成することによりシール作用を生じさせている点である。
【００３３】
この利点を説明すると、実施の形態１では弾性部材２１が軸方向の２カ所に配置され、そのスペースが必要となるが、実施の形態３では、弾性部材２１が２個配置されているが、軸方向で考えると１カ所となり、全体の軸方向長さが短くなり、スピンドル装置全体を小型化できる点である。
【００３４】
なお、図３に示す気体軸受１５の左側端面が、気体軸受として作用するので、隙間ｈ_２は、実施の形態１のｈ_１、ｈ_２や実施の形態２のｈ_２と同様数μｍから数十μｍとしているが、ラジアル方向の隙間ｈ_４は、軸と接触することのないよう、十分な隙間（１ｍｍ程度まで）としてある。したがって、気体軸受１５の内周面は気体軸受として機能する必要がないので封止してある。また、ｈ_３は、ｈ_４より小さな隙間としている。
【００３５】
実施の形態３の変形例として、図３に示す気体軸受１５の軸方向に加え、ラジアル方向も気体軸受として機能するようにしてもよい。すなわち、気体軸受１５の図３の左側端面及び内周面を共に気体軸受とし、隙間ｈ_４も数μｍから数十μｍとする。この場合、ｈ_３はｈ_４より大きくしてもよい。
【００３６】
隙間ｈ_２とｈ_４の両方が微小に保たれ、しかもシール作用を発生することになるので、さらに高いシール効果が得られる。
【００３７】
なお、実施の形態１〜３では、ハウジング１２や軸受押え１４に対して回転する回転軸１３を備えたスピンドル装置１０に、スピンドルシール装置１を配設した場合について説明したが、これに限らず、本発明に係るスピンドルシール装置は、軸に対してハウジングあるいは軸受押えが回転するタイプのスピンドル装置にも使用可能であることは勿論である。
【００３８】
また、気体軸受は、多孔質絞りの他に、自成絞り等、どのような絞りにも対応することができる。
【００３９】
そしてまた、実施の形態１〜３では、気体軸受１５を回転軸１３の一端に設けた場合について説明したがこれに限らず、気体軸受１５の位置は、スピンドル装置の内部と外界との間をシール可能であれば、その設置個所及び設置数は特に限定されるものではない。
【００４０】
また、気体軸受１５は、軸受押え１４に設置する他、ハウジング１２等に組み込んでもよいことは勿論である。
【００４１】
さらに、気体軸受１５の媒体として空気を用いたが、これに限らず、例えば窒素等、他の気体を用いてもよい。
【００４２】
さらにまた、本発明で使用可能なスピンドル装置は、転がり軸受の他、滑り軸受等、他の種類の軸受が配設されたスピンドル装置にも応用可能であることは勿論である。
（実施の形態４）
次に、本発明の実施の形態４に係るスピンドルシール装置について、図面を参照して説明する。
【００４３】
図４は、実施の形態４に係るスピンドルシール装置の概略を示す一部断面図、図５は、図４に示すスピンドルシール装置の回転軸端部を示す拡大図である。
【００４４】
なお、実施の形態４では、実施の形態１と同様の部材には同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。また、実施の形態４では、図４における左側から回転軸を見た際に、回転軸を反時計回りに回転させて使用するスピンドル装置に適用する場合を想定して説明する。
【００４５】
図４に示すように、実施の形態４に係るスピンドルシール装置４の、実施の形態１に係るスピンドルシール装置１と異なる点は、実施の形態１では、気体軸受１５として静圧軸受を使用したのに対し、実施の形態４では、動圧軸受を使用した点である。すなわち、実施の形態４では、圧縮空気供給源を必要としない。したがって、実施の形態４に係る気体軸受２５には、実施の形態１に係る気体軸受１５のように多孔質体である必要はなく、また、圧縮空気供給口１６が設けられていない。もちろん、圧縮空気供給口に連通される空気供給孔も不要である。
【００４６】
実施の形態４に係るスピンドルシール装置４は、転がり軸受１１と、転がり軸受１１を介してハウジング１２に回転可能に支持された回転軸３３と、を備えたスピンドル装置１０の内部と、フランジ２３より左側の外界とを密封可能に構成されている。ハウジング１２には、転がり軸受１１を押るための軸受押え１４が、例えば、ねじ止めされている。
【００４７】
回転軸３３の外界と転がり軸受１１との間、すなわち、ハウジング１２等に覆われている部分における左端近傍には、その外周面に沿って、動圧効果をもたらす複数の動圧発生用の溝３４が、例えばへリングボーン状に形成されている。この構成により、回転軸３３が、図４における左側から見た際に、反時計回りに回転すると、空気は、各々の溝３４内を特に図５に示す矢印方向に沿って流れ、中央部３５の圧力が高くなる。これによって、この高圧になった中央部３５から両側（回転軸の両端部方向）に空気が戻ろうとする。この空気の流れを利用して、転がり軸受１１と外界との間を確実にシールすることができる。したがって、スピンドル装置１０内部のダストやグリース等の油分等を含む異物は、前記空気によるシールを越えて外部に放出されたり、外部から異物が侵入したりすることが防止される。
【００４８】
なお、前記空気の圧力（動圧効果による圧力）は、気体軸受２５を支持する弾性部材２１のばね力より高く設定される。これにより、実施の形態１と同様に、弾性部材２１の弾性力による調芯作用により気体軸受２５を回転軸３３の変位に追従させることができる。このため、気体軸受２５と回転軸３３との間に形成される隙間を一定に保つことができる。
【００４９】
なお、回転軸３３と、気体軸受２５との間の隙間は、実施の形態１と同様に設定することができる。また、気体軸受２５の両端面とカバー２２や軸受押え１４との対向面の隙間は、接触しない程度に余裕をとることが必要である。
【００５０】
また、実施の形態４では、回転軸３３に動圧発生用の溝３４を形成した場合について説明したが、これに限らず、動圧発生用の溝３４は、気体軸受２５の内周面に形成してもよい。その場合、溝のパターンは逆パターンとする。そしてまた、溝３４のパターンも前述したものに限定されるものではなく、動圧効果が得られるものであればよい。すなわち、気体軸受２５と回転軸３３との隙間の軸方向中央部が、回転軸３３の回転により高圧となるようにすればよい。
【００５１】
そしてまた、実施の形態４では、図４における左側から回転軸を見た際に回転軸が反時計回りに回転する場合を想定して説明したが、回転軸を時計回りに回転させて使用するスピンドル装置に適用する時は、溝のパターンは逆パターン（すなわち、中央部３５から図４でいう下側に下がったパターン）にすればよい。
【００５２】
さらに、実施の形態４では、気体軸受２５の形状及び弾性部材２１の配置の仕方は、実施の形態１に準じたものとしたが、これに限らず、実施の形態２及び３に準じた形状や配置にしてもよいことは勿論である。
【００５３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係るスピンドルシール装置は、スピンドル装置の軸受と、その外部（外界）との間に、気体軸受を配置し、この気体軸受から吹出される空気の圧力及び流れによって、前記スピンドル装置の内部と外界との間をシールする構造を備えている。このため、従来のように磁性流体シール等を使用する必要なく、かつ信頼性の高い優れたシール効果を提供可能なスピンドルシール装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係るスピンドルシール装置の概略を示す一部断面図である。
【図２】本発明の実施の形態２に係るスピンドルシール装置の概略を示す一部断面図である。
【図３】本発明の実施の形態３に係るスピンドルシール装置の概略を示す一部断面図である。
【図４】本発明の実施の形態４に係るスピンドルシール装置の概略を示す一部断面図である。
【図５】図４に示すスピンドルシール装置の回転軸端部を示す拡大図である。
【図６】従来のスピンドルシール装置の概略を示す一部断面図である。
【図７】従来のスピンドルシール装置の概略を示す一部断面図である。
【符号の説明】
１、２、３、４スピンドルシール装置
１０スピンドル装置
１１転がり軸受
１２ハウジング
１３、３３回転軸
１４軸受押え
１５、２５気体軸受
１６圧縮空気供給口

Claims

ハウジングと、転がり軸受と、当該転がり軸受を介して前記ハウジングに相対回転可能に支持された回転軸と、を備えたスピンドル装置をシールする気体軸受が前記回転軸の少なくとも一端側に形成され、さらに、前記気体軸受の前記転がり軸受側ではない他端には軸受カバーが備わっているスピンドルシール装置であって、
前記気体軸受は弾性部材を介して前記気体軸受に対向する前記転がり軸受の軸受押えに支持されてなり、前記気体軸受の外周面における前記回転軸の軸方向の両端部の前記軸受カバー側に第１の環状溝を形成し、前記両端部の他端側に第２の環状溝を形成し、前記第１の環状溝には第１の弾性部材を嵌め込み、前記第２の環状溝には第２の弾性部材を嵌め込み、前記第１の弾性部材は、前記軸受カバーと前記軸受押えと前記気体軸受との間にあり、前記第２の弾性部材は、前記回転軸の径方向にある前記軸受押えと前記回転軸の軸方向にある前記軸受押えと前記気体軸受との間にある、スピンドルシール装置。
前記気体軸受の前記回転軸方向の両端面が封止され、当該気体軸受の前記回転軸の径方向の内周面のみから前記回転軸に気体が供給されてなる、請求項１記載のスピンドルシール装置。
ハウジングと、転がり軸受と、当該転がり軸受を介して前記ハウジングに相対回転可能に支持された回転軸と、を備えたスピンドル装置をシールする前記軸受が前記回転軸の少なくとも一端側に形成されたスピンドルシール装置であって、
前記気体軸受は、弾性部材を介して前記気体軸受に対向する前記転がり軸受の軸受押えに支持されてなり、前記弾性部材が前記気体軸受の前記回転軸の径方向における外周面の一箇所と、前記気体軸受の前記転がり軸受側の端面の一箇所にそれぞれ配置されてなり、前記気体軸受に気体を供給する供給口が前記端面に形成され、当該供給口に前記気体を供給する供給孔が前記軸受押えの前記回転軸方向に形成されてなり、かつ、前記気体軸受の転がり軸受け側の端面に配置された弾性部材の位置が前記供給口より回転軸側にある、スピンドルシール装置。
前記気体軸受の前記径方向における内周面が封止され、当該気体軸受の前記端面とは他端側端面に前記気体が供給されてなる、請求項３記載のスピンドルシール装置。
前記弾性部材は、前記気体軸受の部材よりも剛性が低い部材で構成されてなる、請求項１乃至４のいずれか１項記載の装置。
前記気体軸受が静圧軸受である、請求項１乃至５のいずれか１項記載の装置。
前記カバーと前記軸受押えとのそれぞれが前記気体軸受と成す隙間に気体が供給されてなる、請求項１記載の装置。
前記弾性部材はＯリングからなる、請求項１又は３記載の装置。
前記弾性部材は前記気体軸受の外周に設けられた環状溝に嵌装されてなる、請求項３記載の装置。
前記気体軸受の外周の径は、前記軸受押えの内周面の径より、前記弾性部材による調芯作用を得る程度に小さく設定されてなる、請求項１又は３記載の装置。
前記気体軸受は多孔質体から構成されてなる、請求項１又は３記載の装置。
前記弾性部材は、前記気体軸受に供給される気体が当該気体軸受外に漏れるのをシールするものである請求項１又は３記載の装置。
前記弾性部材は、Ｖパッキン又はゴムから構成されてなる、請求項１又は３記載の装置。
前記気体軸受が前記回転軸の軸方向のアキシアル軸受を構成する、請求項３記載の装置。
前記気体軸受が前記回転軸の半径方向の、ラジアル軸受を構成する、請求項１記載の装置。
前記気体静圧軸受は絞り、多孔質絞り、自成絞り等どのような絞りにも対応するように構成されてなる、請求項６記載の装置。