JP4906660B2 - 非接触シール装置 - Google Patents

Description

本発明は、回転軸と軸受孔との隙間を流体が流出と流入をしないようにシールし、かつ回転軸と軸受孔とが接触しない非接触状態で回転軸を軸受孔に支持する非接触シール装置に関するものである。

従来、防水シール装置は、大きく分けると、接触シール装置と非接触シール装置との２種類に分類される。

接触シール装置は、回転軸とシール部材との摺動面同士を圧接させて、回転軸の軸受をシールするようになっている。通常、Ｏリングやオイルシールなどのシール部材を使用する接触シール装置は、回転軸の回転精度が劣化するだけでなく、摺動面に研磨液が直接触れる構成になっているため、摺動面が研摩されて、シール機能の寿命が短かった。

これに対して、非接触シール装置は、原理的に、内外の圧力の釣り合いにより回転軸の軸受をシールするようになっており、シール内外の漏れを無くすためには非常に高精度な圧力制御が必要であった。このため、非接触シール装置は、シール内の圧力を高くして、シール内に存在する流体を噴出することでシールを行っていた（特許文献１参照）。

また、非接触シール装置には、静圧を補助するため、回転軸に動圧溝を形成して、動圧を発生させることで外部圧力より内部圧力を高めてシールする方法を採用したものもあった（特許文献２参照）。

さらに、図６に示す非接触シール装置１８のように、気相５を内在した工具装置ケース３の軸受孔１６と、この軸受孔を貫通する回転軸１との間の隙間１７を狭くして、長くすることで液相４の液体が気相に侵入する抵抗を増やしたものもある。

特開平０６−０６６３７４号公報（第１頁、第１図） 特開平１１−５０９９４号公報（第１頁、第１図）

ところで、従来、ＥＥＭに代表される工具を備えた回転軸に高い回転精度が要求されている高精度研磨において、回転軸の軸受と工具との距離を短くして工具のモーメント剛性を高めるため、回転軸を研磨液に入れて被加工物を加工する方法が提案されている。

図７に、従来の一般的な高精度な研摩装置に使用される、不図示の工具を備えた回転軸を研摩液中で支持した非接触シール装置１９を示す。この従来例の非接触シール装置１９は、回転軸１と工具装置ケース３の軸受孔１６との隙間１７において、内部の気相５の内圧を液相の研磨液圧以上に維持して、液相の研磨液１４が気相５内に侵入しないように隙間１７をシールしていた。工具装置ケース３の内部には、回転軸１を回転させる回転駆動源であるモータ１５が収納されて、液相４の研磨液１４が進入しないように気体を送り込まれている。

しかし、この非接触シール装置は、気相５の気体が常に研磨液１４中に放出されており、ＥＥＭのような超精密研磨加工では工具とワークとの間に気泡が混入して、加工プロセスに悪影響を与えるおそれがある。そのため、装置内をシールだけでなく装置外に対してもシールすることで外部研磨液（外部流体）の流入はもとより内部気体の流出も防ぐシール装置が必要であった。

気泡を研磨液中に放出させないためには、気相５内の内圧を研磨液圧と等しくすれば原理的には達成されることは公知である。しかし、工具ユニット若しくはワークが走査されることによる水位変動に対応するためには、多数の配管を、弾性部材を介して研摩装置に接続するため、研摩装置の機構が複雑になっていた。また、非常に高精度な圧力制御が要求されていた。

そこで、非接触シール装置には、圧力の制御を簡略化するため、図６に示す非接触シール装置１８がある。

しかし、図６の非接触シール装置１８は、隙間１７を狭くし、かつ軸方向の長さを長くする構成であるため、回転軸に設けた工具と回転軸の軸受との距離が長くなりモーメント剛性が低くかった。そこで、モーメント剛性を維持するため、研磨装置が大型になっていた。

本発明は、回転軸に設けた工具と回転軸の軸受との間の距離を長くすることなく、装置サイズを維持したままで、工具のモーメント剛性を向上させるとともに、工具内の気体を工具外へ放出されることを防いだ非接触シール装置を提供することにある。

本発明の非接触シール装置は、気相と液相とを分離する隔壁の軸受孔に貫通して、一端が前記気相に位置し、他端が液相に位置する回転軸を、前記軸受孔に対して非接触状態で支持するようになっており、径が前記回転軸より大きく形成されて前記回転軸と同軸に前記回転軸に固定された、前記気相と前記液相との一方に位置する回転フランジと、前記回転フランジと前記隔壁との間に形成された第１の隙間と、前記回転フランジの前記第１の隙間を形成する部分に形成されて、前記回転軸が一方向に回転したとき、前記第１の隙間に存在する前記液相及び気相のいずれか一方の相に対して他方の相に前記回転軸の方向への動圧を生じる第１の動圧溝と、前記隔壁の前記軸受孔と前記回転軸との間に形成された第２の隙間と、前記回転軸の前記第２の隙間を形成する部分に形成されて、前記回転軸が前記一方向に回転したとき、前記第２の隙間に存在する前記液相及び気相のいずれか一方の相に対して他方の相に前記回転フランジの方向への動圧を生じる第２の動圧溝と、を備え、前記第１の動圧溝と前記第２の動圧溝とが、前記回転軸が前記一方向に回転したとき、前記気相と前記液相との境目を前記第１の隙間と前記第２の隙間との領域内に保持する、ことを特徴としている。

本発明の非接触シール装置は、回転軸が一方向に回転したとき、第１の動圧溝と第２の動圧溝とで、気相と液相との境目を第１の隙間と第２の隙間との領域内に保持するようになっている。このため、本発明の非接触シール装置は、回転軸に設けた工具と回転軸の軸受との間の距離を長くすることなく、装置サイズを維持したままで、工具のモーメント剛性を向上させることができる。また、本発明の非接触シール装置は、気相の気体を液相の液体内に放出することを防ぐ確率を高めることができる。

本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。

図１に示すように、本発明の非接触シール装置２０は、気相５と液相４とを分離する隔壁としての工具装置ケース３の軸受孔１６に貫通して、一端が気相に位置し、他端が液相に位置する回転軸２１を、軸受孔１６に対して非接触状態で支持するようになっている。そして、本発明の非接触シール装置２０は、第１の隙間としてのフランジ隙間２２と第２の隙間としての回転軸隙間２３との領域内において存在する液体と気体の境目である境界面２４で、気相５と液相４の圧力を釣り合わせるようになっている。なお、回転フランジ側が液相４、回転フランジの反対側が気相５になっているものとするが、液相４、気相５が逆になっていても、動作は同様である。

フランジ隙間２２は、回転フランジ２と工具装置ケース３の側面３ａとの間に形成されている。回転軸隙間２３は、工具装置ケース３の軸受孔１６と回転軸２１との間に形成されている。隔壁としての工具装置ケース３は、液相４と気相５とを分離している。

回転フランジ２には、第１の動圧溝としてのフランジ動圧溝７が形成されている。また、回転軸２１には、第２の動圧溝としての回転軸動圧溝６が形成されている。

回転軸２１が矢印１２方向に回転したとき、フランジ動圧溝７によって、液相４側に、気相５側へと向かう方向（矢印１１の方向）の動圧を生じる。また、回転軸動圧溝６によって、気相５側に、液相４側へと向かう方向（矢印１０方向）の動圧を生じる。非接触シール装置２０は、生じた動圧及び気相５の気圧、液相４の液圧により、隙間２２，２３における液体と気体の境界面２４において、気相５と液相４の圧力を釣り合わせることができる。

液相４の内圧が高く回転軸動圧溝６に液体が侵入した場合、回転軸動圧溝６によって、侵入した液体に液相４に押し戻す動圧が加わる。すなわち、液相４に対して負圧が生じる。したがって、液圧と気圧の差分だけ浸入した液体に負圧が生じるので、隙間２２，２３における液体と気体の境界面２４では、気相５と液相４の圧力が釣り合う。

図４に示すように、回転軸隙間２３の全面に回転軸動圧溝６を形成しないで、回転軸１２１と回転フランジ２とのフランジ継ぎ目部１３付近に回転軸絞り部８を形成することで、一部の気体がポンプ作用で液中に気泡となって放出されることを防ぐことができる。さらに、回転軸絞り部８により、境界面２４における気相５側の静圧が高まると同時に、液体の粘性が浸入する液体に対して抵抗となる。なお、第２の絞り部としての回転軸絞り部８は、回転軸１２１に対する回転フランジ２の取付け部としてのフランジ継ぎ目部１３近傍の回転軸１２１と軸受孔１６との間に、回転軸隙間２３よりも狭く形成された部分のことである。

同様に、液相４のフランジ隙間２２で、フランジ継ぎ目部１３付近にフランジ絞り部９を有することで、回転軸絞り部８と同様の効果が得られる。加えて、フランジ継ぎ目部１３における最大圧力が加わる位置において、回転軸絞り部８による気相５側の圧力勾配が液相４側よりも急な圧力勾配になることで、フランジ継ぎ目部１３における気泡が圧力差により気相５側へと戻される。なお、第１の絞り部としてのフランジ絞り部９は、回転軸１２１に対する回転フランジ２の取付け部としてのフランジ継ぎ目部１３近傍の回転フランジ２と工具装置ケース３との間に、フランジ隙間２２より狭く形成された部分のことである。

気相５側に与圧機構としてのフランジ継ぎ目部１３を備えていると、回転軸動圧溝６によって発生する動圧以上に液圧が高い場合、液相と気相の境界面２４でフランジ継ぎ目部１３がオフセットとして気相５の内圧を上昇させることができる。これによって、気相５側と液相４側の圧力を釣り合わせることができる。

以上説明したように、本発明の非接触シール装置２０は、上記従来例に用いられていた静圧だけでなく、回転軸２１が回転することにより回転軸動圧溝６及びフランジ動圧溝７から生じる動圧も用いることができるようになっている。このため、本発明の非接触シール装置２０は、液相４及び気相５の境界面２４では液相４及び気相５の静圧と境界面２４における表面張力に加えて、回転軸動圧溝６及びフランジ動圧溝７より発生した動圧により圧力の釣り合いを保つことができる。

また、回転軸動圧溝６及びフランジ動圧溝７は、気相５の気体と液相４の液体とにそれぞれ対向した向きに動圧を与えて、流入している液体の量に応じて生じる動圧に変化が生じても、水位変動等の外乱に対して圧力を釣り合わせる許容値を保つようになっている。

したがって、本発明の非接触シール装置２０は、液相４及び気相５の境界面２４の圧力を釣り合わせて、境界面２４を軸方向に静止した状態に保ち、回転軸２１が非接触状態で気体或いは液体の流出を防止することができるようになっている。

さらに、本発明の非接触シール装置２０は、非接触式であるため、回転軸２１に高い回転精度が得られるだけでなく、非接触シール装置を装備した装置内の気体の噴出を防いで加工プロセスへの悪影響を防ぐことができる。加えて、シールのための配管及び圧力制御用の図６に示す長い隙間１７が不要となるので、非接触シール装置２０を小型にすることができる。結果として回転軸に設けた工具と非接触シール装置との距離を短くすることができて、工具のモーメント剛性が向上させることができる。

また、他の非接触シール装置１２０のように、回転軸隙間２３を狭くする回転軸絞り部８を備えていると、回転軸動圧溝６のポンプ効果により回転軸隙間２３に進入している気体の気泡が液体側に漏れることを防ぐことができる。しかも、回転軸絞り部８により気相５の内圧を高く保つことができて、釣り合いの許容圧力範囲をより広くすることができる。

同様に、非接触シール装置１２０は、フランジ隙間２２を狭くするフランジ絞り部９によって、釣り合いの許容圧力範囲をより広くすることができる。さらに、フランジ絞り部９により気相５側の圧力勾配が液相４側よりも急な圧力勾配とすることで一部の気泡が液相４側へ向かい液体中に放出されることを防ぐことができる。

さらに、本発明の非接触シール装置１２０のように、気相５側に与圧機構としての継ぎ目部１３を備えると、より高い液圧に対してシールをすることができる。

図１は、実施例１における非接触シール装置の回転軸に沿った断面図である。図１において、符号２１は回転軸を示し、符号２は回転フランジを示し、符号３は工具装置ケースを示し、符号４は液相を示し、符号５は気相を示している。さらに、符号６は回転軸２１に形成された回転軸動圧溝を示し、符号７は回転フランジ２に形成されたフランジ動圧溝を示している。

回転フランジ２は、径が回転軸２１より大きく形成されて、回転軸２１と同軸に回転軸２１に固定され、液相４側に位置している。なお、矢印１１は、回転フランジ２が一方向（矢印１２方向）に回転したとき、フランジ動圧溝７によって、回転軸２１側に液相の液体に加わる力の向きを示している。矢印１０は、回転軸２１が一方向（矢印１２方向）に回転したとき、回転軸動圧溝６によって回転フランジ２側に気相の気体に加わる力の向きを示している。

回転軸２１の回転軸動圧溝６は、回転軸２１が矢印１２方向に回転したとき、気相の気体を回転フランジ２側へ送る（矢印１０方向へ送る）ねじ状に形成された溝である。このため、回転軸２１が矢印１２の方向に回転すると、回転軸動圧溝６は、気相５の気体に矢印１０の方向へ流れる力を与えるので、気相５側より液相４側へ向かう動圧を気体に与える。すなわち、回転軸動圧溝６は、液相（一方の相）に対して液相（他方の相）に動圧を生じるようになっている。この動圧により液相４と気相５の境界面２４において気相側の内圧が上昇する。

なお、回転軸動圧溝６は、ねじ溝に形成されているが、へリングボーンのような溝形状であっても、同様の動圧が生じて、液相４と気相５の境界面２４において気相側の内圧が上昇するため、ねじ溝に限定されるものではない。

図２は、回転フランジ２に形成されたフランジ動圧溝７を示す図である。回転フランジ２のフランジ面上には、放射状でかつ湾曲したフランジ動圧溝７が複数形成されている。回転軸２１が矢印１２の向きに（一方向の向きに）回転すると、回転フランジ２は回転軸２１と同軸であるので、回転軸２１と同様に矢印１２の向きに回転する。フランジ動圧溝７の断面形状は、図３に示すように、回転フランジ２の外周からフランジ動圧溝７に沿って回転軸２１に向かう方向に液体に流れる力を与えるように、回転方向の上流側の壁面７ａの傾斜が下流側の壁面７ｂの傾斜より急勾配に形成されている。したがって、フランジ動圧溝７が液体に対して矢印１１の方向へ流れる力を与えるので、回転中心側、すなわち、液相４側から気相５側へ向かう動圧が液体に加わる。この動圧により液相４と気相５の境界面２４において液相側の内圧が上昇する。

図１において、液相４側の静圧と動圧を合わせた圧力と、気相５側の静圧と動圧を合わせた圧力とが等しい場合にはシールが行われて、液体が工具装置ケース３に進入しない。しかし、加工動作等により液相４の液圧が上昇して、液相４側の静圧と動圧を合わせた圧力の方が、気相５側の静圧と動圧を合わせた圧力より高くなると、液体が気相５側に浸入する。

このとき、浸入してきた液体に、回転軸２１に形成された回転軸動圧溝６が矢印１０側への力を加えるので、侵入してきた液体により矢印１０方向へ動圧が生じる。

液体の侵入前後において、回転軸動圧溝６の一部で気体が液体に入れ替わり、液体の粘度と気体の粘度の差により擬似的に液相４と気相５の境界面２４において気相５側の内圧が上昇する。結果として液体の侵入が進行することで気相５側の内圧が上昇し、液相４側の圧力と釣り合った位置において液体の浸入が止まる。よって、非接触シール装置２０は、回転軸隙間２３をシールすることができる。なお、液相４側の圧力と気相５側の圧力とが釣り合ったときの液相４と気相５の境界面２４は、回転軸隙間２３の領域に限らず、フランジ隙間２２の領域に位置して保持される場合もある。

このように、非接触シール装置２０は、液相４と気相５との圧力を釣り合わせて、隙間２３，２２に液相４と気相５の境界面２４を有することで気相５から液相４への気体の噴出を少なくして隙間２３，２２をシールすることができる。

図４は、実施例２における非接触シール装置の回転軸に沿った断面図である。

実施例２の非接触シール装置１２０は、実施例１の非接触シール装置２０に、回転軸絞り部８と、フランジ絞り部９とを加えた構成になっている。さらに、回転軸２１に対する回転フランジ２の取付け部であり与圧機構であるフランジ継ぎ目部１３を加えた構成になっている。実施例１の非接触シール装置２０と同一部分には、同一の符号を付して、その部分の説明を省略する。

回転軸絞り部８は、回転軸隙間２３において液相４側の端で回転軸動圧溝６を形成しないで、回転軸１２１と軸受孔１６との隙間を狭くしている部分である。すなわち、回転軸絞り部８は、フランジ継ぎ目部１３近傍の回転軸上に形成された鍔状部２５と軸受孔１６との間の隙間であり、回転軸隙間２３よりも狭く形成された隙間である。

フランジ絞り部９は、フランジ隙間２２で回転中心側の端の隙間を狭くしている部分である。すなわち、フランジ絞り部９は、軸受孔１６の液相４側端部の工具装置ケース３に、液相４側に環状に突出した環状突条部２６と、フランジ継ぎ目部１３近傍の回転フランジ２との間の隙間であり、フランジ隙間２２より狭く形成された隙間である。

回転軸動圧溝６が、回転軸絞り部８によって、回転軸隙間２３の途中で途切れているため、気体と液体の釣り合い位置は気相５側の回転軸動圧溝６の位置で釣り合い、回転軸動圧溝６のポンプ効果で一部の気泡を液相４側へ放出することを防ぐことができる。さらに、この回転軸絞り部８により気相５側の動圧による内圧上昇が大きくなるので、釣り合いの許容圧力範囲をより広くすることができる。

フランジ絞り部９は、回転軸絞り部８と同様に釣り合いの許容圧力範囲をより広くすることができる。また、最大圧力が加わる回転フランジ２と回転軸２１の継ぎ目部１３において、フランジ絞り部９により、気相５側の圧力勾配が液相４側よりも急な圧力勾配となり、フランジ継ぎ目部における気泡が圧力差により気相５側へと戻されることになる。

さらに、気相５側に与圧機構として備えたフランジ継ぎ目部１３によって、回転軸側の気相５に与圧を付与されて内圧が上昇すると、液相と気相との境界面２４において、気相５の内圧がフランジ継ぎ目部１３による圧力上昇分だけ高くなる。

したがって、この状態で回転軸動圧溝６とフランジ動圧溝７とによる動圧で圧力調整を行い、気相５側と液相４側の圧力を釣り合わせるように設定すると、非接触シール装置１２０は、より高い液圧に対してシールすることができる。

このように、本実施例の非接触シール装置１２０は、回転軸絞り部８、フランジ絞り部９の他に、与圧機構としてのフランジ継ぎ目部１３を組み合わせることで、圧力許容範囲を広げることができる。さらに、本実施例の非接触シール装置１２０は、回転軸絞り部８及びフランジ絞り部９により一部の気泡が液相４中へ放出されることを防止することができて、より高いシール性を得ることができる。

なお、以上説明した回転軸絞り部８は、回転軸１２１に形成された鍔状部２５と軸受孔１６との間に形成されているが、鍔状部２５の代わりに軸受孔１６の内周に環状突部を形成し、その環状突部と回転軸１２１との間に形成してもよい。すなわち、回転軸絞り部８は、回転軸１２１と軸受孔１６との間に回転軸隙間２３より狭く形成された隙間であればよい。

また、フランジ絞り部９は、工具装置ケース３に突出した環状突条部２６の代わりに軸受孔１６の端部に対向した回転フランジ上に環状突条部を形成し、その環状突条部と工具装置ケースとの間に形成してもよい。すなわち、フランジ絞り部９は、工具装置ケース３と回転フランジ２との間に、フランジ隙間２２より狭く形成された隙間であればよい。

さらに、実施例１、２の非接触シール装置２０，１２０における、液相４と気相５とを図５に示すように入れ換えても、実施例１、２の非接触シール装置２０，１２０は、同様な動作をして、回転軸隙間２３をシールすることができる。ただし、この場合、フランジ動圧溝７の周速が早くなり、気相５側の動圧が大きくなる。したがって、液相４のより高い液圧に対してのシール性を向上させることができる。

本発明の実施例１における非接触シール装置の回転軸に沿った断面図である。 図１のＡ−Ａ矢視断面図である。 図２のＢ−Ｂ矢視断面図である。 本発明の実施例２における非接触シール装置の回転軸に沿った断面図である。 図４において、液相と気相を入れ換えた図である。 従来の非接触シール装置の回転軸に沿った断面図である。 従来の一般的な高精度な研摩装置において、不図示の回転工具を研摩液中に設置した非接触シール装置を採用した軸受部分を示す図である。

符号の説明

２ 回転フランジ
３ 工具装置ケース（隔壁）
４ 液相
５ 気相
６ 回転軸動圧溝（第２の動圧溝）
７ フランジ動圧溝（第１の動圧溝）
８ 回転軸絞り部（第２の絞り部）
９ フランジ絞り部（第１の絞り部）
１０ 回転軸動圧溝による動圧の発生方向を示す矢印
１１ 回転フランジの動圧溝による動圧の発生方向を示す矢印
１２ 回転フランジと回転軸の回転方向を示す矢印
１３ フランジ継ぎ目部（回転軸に対する回転フランジの取付け部、与圧機構）
２０ 非接触シール装置
２１ 回転軸
２２ フランジ隙間（第１の隙間）
２３ 回転軸隙間（第２の隙間）
２４ 液相と気相との境界面（境目）
２５ 鍔状部
２６ 環状突条部
１２０ 非接触シール装置
１２１ 回転軸

Claims (4)

1. 気相と液相とを分離する隔壁の軸受孔に貫通して、一端が前記気相に位置し、他端が液相に位置する回転軸を、前記軸受孔に対して非接触状態で支持する非接触シール装置において、
   径が前記回転軸より大きく形成されて前記回転軸と同軸に前記回転軸に固定された、前記気相と前記液相との一方に位置する回転フランジと、
   前記回転フランジと前記隔壁との間に形成された第１の隙間と、
   前記回転フランジの前記第１の隙間を形成する部分に形成されて、前記回転軸が一方向に回転したとき、前記第１の隙間に存在する前記液相及び気相のいずれか一方の相に対して他方の相に前記回転軸の方向への動圧を生じる第１の動圧溝と、
   前記隔壁の前記軸受孔と前記回転軸との間に形成された第２の隙間と、
   前記回転軸の前記第２の隙間を形成する部分に形成されて、前記回転軸が前記一方向に回転したとき、前記第２の隙間に存在する前記液相及び気相のいずれか一方の相に対して他方の相に前記回転フランジの方向への動圧を生じる第２の動圧溝と、を備え、
   前記第１の動圧溝と前記第２の動圧溝とが、前記回転軸が前記一方向に回転したとき、前記気相と前記液相との境目を前記第１の隙間と前記第２の隙間との領域内に保持する、
   ことを特徴とする非接触シール装置。
2. 前記第１の隙間の前記回転軸に対する回転フランジの取付け部の近傍に、前記第１の隙間より狭い隙間を形成する第１の絞り部を備えた、
   ことを特徴とする請求項１に記載の非接触シール装置。
3. 前記第２の隙間の前記回転軸に対する回転フランジの取付け部の近傍に、前記第２の隙間より狭い隙間を形成する第２の絞り部を備えた、
   ことを特徴とする請求項１に記載の非接触シール装置。
4. 前記回転軸に対する回転フランジの取付け部が、前記回転軸側に位置する前記相に該相の内圧を高める与圧を付与する与圧機構である、
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の非接触シール装置。

Images