JP5093807B2

JP5093807B2 - 静圧気体軸受スピンドル

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Publication number: JP5093807B2
Application number: JP2008061609A
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Inventors: 照悦堀内
Original assignee: NTN Corp
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2008-03-11
Filing date: 2008-03-11
Publication date: 2012-12-12
Anticipated expiration: 2028-03-11
Also published as: JP2009216200A

Description

この発明は、静圧気体軸受スピンドルに関し、より特定的には、差動排気シール機構を備える静圧気体軸受スピンドルに関する。

従来、ディスクの検査装置や光ディスクのマスタリング装置等では、高精度な回転が必要なため、静圧気体軸受スピンドルが回転駆動装置として使用されている。そして、さらに検査の高精度化、ディスクの高密度化に伴い、検査やマスタリングをおこなう対象物を高真空中に設置することが行われている。検査やマスタリングの対象物が設置される真空環境はできる限り高真空であることが望ましい。これは以下のような理由による。すなわち、例えばレーザを用いるディスクの検査装置等では、ディスクの周囲の空気の揺らぎが検査の精度に影響を及ぼすためである。また、電子ビームを用いるマスタリング装置等の場合は、空気の分子の存在により電子ビームの直進性が影響を受けるためである。

検査やマスタリングの対象物を真空中に設置するためには、静圧気体軸受スピンドルの一部、もしくは全体を真空中に設置する必要がある。しかし、静圧気体軸受スピンドルの回転軸は圧縮空気によって支持されている。そこで、静圧気体軸受スピンドルから空気が真空中に流れ出ることを防ぐシール手段が必要になる。従来、シール手段の１つとして磁性流体を使用したシールがある。具体的には、磁性流体を使用したシールとは、固定側と回転軸との隙間に、磁性流体（磁性体微粒子を表面活性剤等により有機溶媒中に分散させたもの）を磁力で保持し密封するシールである。しかし、このような磁性流体を使用したシールでは、回転時の発熱による磁性流体の粘度の変動や、磁性体微粒子の凝集が回転精度を悪化させる恐れがある。また、経年変化による劣化も考慮し、定期的な磁性流体の交換も必要であることから、超高精度を目的とした装置に適用することは難しい。

上述のような問題を解決するシール方式として、差動排気シールが従来提案されている（たとえば、特開昭６３−１７４８０２号公報（以下、「特許文献１」とよぶ）または特開２０００−１８２４８号公報（以下、「特許文献２」とよぶ）参照）。差動排気シールは磁性流体等の密封剤を使用しないので、回転精度に対する影響が小さく、経年変化による劣化も考慮する必要がない。
特開昭６３−１７４８０２号公報特開２０００−１８２４８号公報

ここで、差動排気シールは、固定側と回転軸の間に形成されるシール隙間の大きさがそのシール性能に大きく影響する。これは、シール隙間の流路抵抗が空気の漏れを抑制する為であり、当該シール隙間の流路抵抗が大きい程シール性能は高くなる。

特許文献１では、真空チャンバの内部に配置される静圧気体軸受スピンドルが開示されている。当該静圧気体軸受スピンドルでは、スラスト軸受の外周に対し、シールハウジングを設置し、当該スラスト軸受の外周とシールハウジングとの対向する領域において、シールハウジングの表面に隔壁と気体吸引用溝とを交互に形成している。気体吸引用溝の間に形成された隔壁とスラスト軸受の外周との間の隙間（シール隙間）は微小であるため、当該部分では大きな流路抵抗が発生する。このため、静圧気体軸受の排気が真空チャンバ内に流出する量をごく僅かに抑えることができるとしている。そして真空チャンバ外に設けられた吸引ポンプが気体吸引用溝から空気を吸引することにより、差動排気シールのシール性能が発揮され、真空チャンバ内を高真空に維持することができる。特許文献１に開示された装置においては、気体吸引用溝１つにつき吸引ポンプ１台を配置している。

また、特許文献２では、真空チャンバに取付けられる静圧気体軸受スピンドルのシール機構として、回転軸の外周面における真空チャンバ側に環状溝が形成され、当該環状溝から空気を強制排気するための強制排気ポートや当該強制排気ポートに接続された真空排気装置が開示されている。

上記特許文献１または特許文献２に開示された装置では、差動排気シールのシール性能は、気体吸引用溝の間に形成された隔壁のシール隙間（あるいは特許文献２の環状溝に隣接する部分のシール隙間）が小さい程向上する。しかしシール隙間を軸受隙間よりも小さな隙間にすることは、構成部品の加工精度や組立精度、実使用面からも非常に困難で現実的ではない。例えば、特許文献１に開示された装置のように、差動排気シールは回転軸を支える軸受部に対し軸出力側に配置されるため、回転時のアンバランス等による回転軸の振れは軸受部よりも軸出力側（つまり差動排気シール側）にいくほど大きな振れとなるからである。このような回転軸の振れを考慮すれば、差動排気シールにおけるシール隙間は、軸受隙間と同等以上とすることが好ましく、できれば軸受隙間より大きくすることが望ましい。

一方で、特許文献１や特許文献２に開示された構造に対し、差動排気シールの性能をより向上させる為には、差動排気シールのシール隙間を小さくする事が考えられるが、上述のようにシール隙間を軸受隙間よりも小さくする事は加工精度や組立の難易度の点で非常に困難であり現実的ではない。そこで別の手段として、気体吸引用溝の数（段数）と共に吸引ポンプの台数を増す、あるいは吸引ポンプ自体を大型化する（排気能力の高いものに変更する）、といった対応が考えられる。

しかし、吸引ポンプの台数を増せば設備が高額になってしまうばかりでなく、当該吸引ポンプの設置場所の確保や、吸引ポンプが発生する振動や騒音に対する対策を増して講じなくてはならない。そして、吸引ポンプを大型化した場合も同様の問題が発生する。

このように、従来静圧気体軸受スピンドルにおける差動排気シールのシール特性を、低コストで実現することは困難であった。

本発明は、上記のような課題を解決するために成されたものであり、この発明の目的は、装置コストの増大を抑制しながらシール性能を高めた差動排気シール機構を有する静圧気体軸受スピンドルを提供することである。

この発明に従った静圧気体軸受スピンドルは、回転軸と、軸受スリーブと、シール機構部と、排気部材とを備える。回転軸では先端に固定部が形成されている。軸受スリーブは、回転軸の外周面の一部を取り囲み、回転軸の外周面と間隙を介して対向するとともに間隙に気体を供給することで静圧気体軸受を構成する。シール機構部は、軸受スリーブより固定部側に配置され、回転軸の外周面の一部を取り囲む。シール機構部と回転軸の外周面とが対向する領域では、シール機構部の表面と回転軸の外周面との少なくともいずれか一方に、回転軸の外周面を周回する環状溝が複数形成される。排気部材は、環状溝に管路を介して接続される。管路は、複数の環状溝と排気部材とを接続するように途中で分岐点を有している。複数の環状溝のうちの１つから分岐点までの管路における部分での管路抵抗は、複数の環状溝のうちの他の１つから分岐点までの管路における部分での管路抵抗とは異なっている。
また、この発明に従った静圧気体軸受スピンドルは、回転軸と、軸受スリーブと、シール機構部と、排気部材とを備える。回転軸では先端に固定部が形成されている。軸受スリーブは、回転軸の外周面の一部を取り囲み、回転軸の外周面と間隙を介して対向するとともに間隙に気体を供給することで静圧気体軸受を構成する。シール機構部は、軸受スリーブより固定部側に配置され、回転軸の外周面の一部を取り囲む。シール機構部と回転軸の外周面とが対向する領域では、シール機構部の表面と回転軸の外周面との少なくともいずれか一方に、回転軸の外周面を周回する環状溝が複数形成される。排気部材は、環状溝に管路を介して接続される。管路は、複数の環状溝と排気部材とを接続するように途中で分岐点を有している。複数の環状溝のうちの１つから排気部材までの管路における管路抵抗は、環状溝の１つより固定部側に位置する複数の環状溝のうちの他の１つから排気部材までの管路における管路抵抗より小さい。

このように、複数の環状溝に対して、分岐点を有する管路を介して１つの排気部材を接続することで、複数の環状溝のそれぞれに対して個別に排気部材を接続する場合より装置コストを低減できる。また、管路において分岐点から環状溝側の管路部分について、それぞれの管路に適宜な管路抵抗を設定する事により、一つの排気ポンプが受け持つ複数の環状溝内の圧力が一定になろうとする作用を抑制し、固定部側の環状溝内の圧力を固定部側から遠い環状溝内の圧力より低く（真空度を高く）することができる。この結果、環状溝の周囲の隙間（シール隙間）を従来と同等に維持した上で、排気部材の数を増やすことなく差動排気シールの環状溝の数（段数）を増やすことができる。このため、静圧気体軸受スピンドルの製造コストの増大を抑制しながら、差動排気シールの性能を向上させることができる。

上記静圧気体軸受スピンドルは、回転軸およびシール機構部を少なくとも内部に保持する真空チャンバをさらに備えていてもよい。排気部材は真空チャンバの外部に配置されていてもよい。管路の分岐点は、真空チャンバの外部、真空チャンバの内部およびシール機構部の内部のうちの少なくともいずれか１つに配置されていてもよい。

この場合、静圧気体軸受から真空チャンバ内への気体の流入をシール機構部によって抑制できるので、本発明が特に効果的である。

上記静圧気体軸受スピンドルにおいて、上述のように複数の環状溝のうちの１つから分岐点までの管路の部分における管路抵抗は、複数の環状溝のうちの他の１つから分岐点までの管路の部分における管路抵抗とは異なっている。この場合も、一つの吸引ポンプが受け持つ複数の環状溝内の圧力が一定になろうとする作用を抑制し、固定部側の環状溝内の圧力を固定部側から遠い環状溝内の圧力より低く（真空度を高く）することができる。このため、回転軸の固定部側への気体の漏れを抑制することが可能になる。なお、管路抵抗は、管路の長さや管路の断面積を変更することで調整することができる。

上記静圧気体軸受スピンドルにおいて、シール機構部と回転軸の外周面とが対向する領域では、シール機構部の表面と回転軸の外周面との少なくともいずれか一方に、回転軸の外周面を周回する他の環状溝が形成されていてもよい。上記静圧気体軸受スピンドルは、他の環状溝に他の管路を介して接続される他の排気部材を備えていてもよい。

この場合、複数の環状溝に接続された排気部材と、１つの環状溝（他の環状溝）に接続された他の排気部材とを備えることにより、シール機構部の装置構成や能力の設定範囲の自由度を大きくすることができる。

上記静圧気体軸受スピンドルにおいて、環状溝は、シール機構部の表面と回転軸の外周面との両方において対向するように形成されていてもよい。この場合、環状溝の断面積を十分確保することができる。また、シール機構部や回転軸のそれぞれに環状溝を形成するので、必要な環状溝トータルの断面積を得るために必要な溝の深さをシール機構部側と回転軸側とで分配できる。そのため、シール機構部や回転軸での加工量に制限がある場合でも無理なく環状溝を形成することが可能になる。

上記静圧気体軸受スピンドルでは、回転軸の外周面において、軸受スリーブと対向する領域にはフランジ状部が形成されていてもよい。フランジ状部の表面と軸受スリーブとはフランジ状部間隙を介して対向するとともに、当該フランジ状部間隙に気体を供給することで静圧気体スラスト軸受を構成してもよい。この場合、回転軸をスラスト軸受によっても支持することができる。

上記静圧気体軸受スピンドルにおいて、複数の環状溝のうちの１つから分岐点までの管路の部分における管路抵抗は、環状溝の１つより固定部側に位置する複数の環状溝のうちの他の１つから分岐点までの管路の部分における管路抵抗より小さくてもよい。この場合、固定部側に位置する環状溝の内部圧力を、固定部からより遠くに配置された他の環状溝に比べて低く維持することができるので、固定部側への気体の漏洩を抑制するシール機構部のシール特性を良好に保つことができる。

本発明によれば、管路抵抗を調整することで、排気部材の数を増大させることなく差動排気シール機構を構成する環状溝の数を増やし、シール特性を向上させることができる。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の一実施の形態である静圧気体軸受スピンドルの実施の形態１を示す断面模式図である。図２は、図１に示した静圧気体軸受スピンドルにおける差動排気シール機構の構成を説明するための部分断面模式図である。図１および図２を参照して、本発明の実施の形態１における静圧気体軸受スピンドルを説明する。

図１および図２に示した静圧気体軸受スピンドルは、回転軸１と、ハウジング２と、軸受スリーブ３、４と、当該回転軸１の先端側に配置された差動排気シール部とを備える。回転軸１の外周面を囲むように、軸受スリーブ３、４が配置されている。軸受スリーブ３、４の外周を囲むようにハウジング２が配置されている。軸受スリーブ３、４はハウジング２に形成された開口部の内部に保持されている。回転軸１の先端側には加工対象物などを固定するための固定部としてのテーブル７が設置されている。また、回転軸１の後端側（テーブル７が設置された先端側と反対側の端部）には、駆動モータ１１およびエンコーダ１２が配置されている。回転軸１においてテーブル７が設置された先端側には、差動排気シール部を構成するシール機構部としてのシールカバー１０が配置されている。シールカバー１０は、軸受スリーブ３よりテーブル７側に配置され、回転軸１の外周面の一部を取り囲む。シールカバー１０と回転軸１の外周面とが対向する領域では、シールカバー１０の表面と回転軸１の外周面との両方に、回転軸１の外周面を周回する溝が形成されることにより環状溝１７が複数（たとえば少なくとも２段以上）形成される。シールカバー１０の外周には、複数の環状溝１７のそれぞれに接続する排気シール吸気口１９が複数個形成されている。複数の環状溝１７の間には複数の（少なくとも３段以上の）シール隙間１８が形成されている。なお、環状溝１７は、回転軸１の外周面のみに形成されていてもよいし、あるいはシールカバー１０の内周面のみに形成されていてもよい。排気部材としての吸引ポンプ２９、３０は、環状溝１７に管路としての配管３１、３２および排気シール吸気口１９を介して接続される。管路としての配管３１、３２は、複数の環状溝１７と吸引ポンプ２９、３０とを接続するように途中で分岐点４０を有している。つまり、吸引ポンプ３０から延びる配管は、分岐点４０において２本の配管３２に分岐する。そして、分岐した２本の配管３２は、それぞれ排気シール吸気口１９（図１参照）を介してテーブル７側の環状溝１７に接続される。また、吸引ポンプ２９から延びる配管は、分岐点４０において２本の配管３１に分岐する。そして、分岐した２本の配管３１は、それぞれ排気シール吸気口１９（図１参照）を介してテーブル７から離れた位置に配置された環状溝１７に接続される。

回転軸１において複数の環状溝１７が形成された領域から見てテーブル７と反対側に位置する領域には、回転フランジ１３が形成されている。また、回転軸１において、回転フランジ１３から見てエンコーダ１２側には、軸受スリーブ３を介して対向する位置にスラスト板５が配置されている。スラスト板５より回転軸１の後端側に上述した駆動モータ１１およびエンコーダ１２が配置されている。

ハウジング２の内部に設置された軸受スリーブ３、４の内周面と回転軸１の外周面との間に形成される間隙に、軸受エア供給口１６から気体を供給することで、回転軸１の円周方向を支持するジャーナル軸受１４が構成される。また、ハウジング２内部に設置された軸受スリーブ３の端面と回転フランジ１３の端面との間の間隙にも、軸受エア供給口１６から気体を供給することで、回転軸１をスラスト方向において支持するスラスト軸受１５が構成される。また、軸受スリーブ４の端面とスラスト板５の端面との間の間隙にも、軸受エア供給口１６から気体を供給することで、回転軸１をスラスト方向において支持するスラスト軸受１５が構成される。軸受エア供給口１６はハウジング２に形成されるとともに、軸受スリーブ３、４に形成されたエアの管路を介して上記間隙に気体を供給する。軸受エア供給口１６は図示しないエア供給源と軸受給気用配管３６（図８参照）を介して接続されている。当該エア供給源は、所定の圧力に加圧された気体を供給される。

また、この静圧気体軸受スピンドルでは、静圧気体軸受（ジャーナル軸受１４およびスラスト軸受１５）の排気を外部に排気する軸受エア排気口２０が形成されている。この軸受エア排気口２０は、ハウジング２に形成された貫通孔および軸受スリーブ３、４の境界部に形成された流路からなる。また、当該軸受エア排気口２０に連なる位置には、回転軸１の外周側面に円周状の溝が形成されている。

回転軸１の後端側においては、駆動モータ１１を覆うようにモータカバー８が配置されている。また、回転軸１の後端側に配置されるエンコーダ１２を囲むように、モータカバー８にエンコーダカバー９が接続されている。

ハウジング２、モータカバー８およびエンコーダカバー９の外周を囲むように、真空カバー２７が配置されている。真空カバー２７の内周面とハウジング２、モータカバー８およびエンコーダカバー９の外周面との間には間隙が形成されている。当該間隙に上記軸受エア排気口２０は繋がっているため、軸受エア排気口２０から排出される気体（空気）は上記間隙に導かれる。そして、真空カバー２７にはフレキシブルチューブ２８が接続されている。上記軸受エア排気口２０から排出された気体は上記間隙からフレキシブルチューブ２８を介して外部へ排出される。

テーブル７、回転フランジ１３、およびスラスト板５の外周側面には、バランスウエイトを設置するためのバランスウエイト取付タップ２５、２３、２４がそれぞれ複数個形成されている。当該バランスウエイト取付タップ２５、２３、２４は、それぞれテーブル７、回転フランジ１３、およびスラスト板５の外周面において等間隔または点対称な位置に配置されている。なお、シールカバー１０には、バランスウエイト取付タップ２３と対向する位置に、バランスウエイトを当該バランスウエイト取付タップ２３に設置するための挿入口２１が形成されている。また、モータカバー８においても、バランスウエイト取付タップ２４と対向する位置に、バランスウエイトを当該バランスウエイト取付タップ２４に設置するための挿入口２２が形成されている。

ここで、差動排気シール部のシール性能は、シール隙間１８の大きさに関係する。例えば回転軸１のアンバランスによりシール隙間１８に変動が生じるとシール性能が低下する可能性がある。そこで、上記静圧気体軸受スピンドルには、上述のようにバランスウエイト取付タップ２３〜２５を設けることで、回転軸１の回転状態を安定化させることを可能としている。

差動排気シール部は、上述のように回転軸１の外周面とシールカバー１０の内周面との間に形成された、少なくとも３段以上のシール隙間１８と、当該シール隙間１８の間に配置される少なくとも２段以上の環状溝１７と、環状溝１７に連通する排気シール吸気口１９とで構成される。排気シール吸気口１９は、静圧気体軸受スピンドルの外部に設置され、環状溝１７の数よりも少ない台数の吸引ポンプ２９、３０に配管接続される。また、シール隙間１８はジャーナル軸受１４の隙間と同じか、当該ジャーナル軸受１４の隙間よりも広い隙間で構成される。

環状溝１７は管路抵抗を小さくするために断面積をできるだけ大きくすることが望ましい。このため図１に示した静圧気体軸受スピンドルでは、回転軸１の外周面と、シールカバー１０の内周面の両方に溝を設けることで環状溝１７の大きな断面積を確保している。さらに環状溝１７に連通する排気シール吸気口１９の断面積もできるだけ大きくすることが望ましい。

このように、複数の環状溝１７に対して、分岐点４０を有する管路を介して１つの排気部材としての吸引ポンプ２９、３０を接続することで、複数の環状溝１７のそれぞれに対して個別に吸引ポンプを合計４台接続する場合より装置コストを低減できる。また、環状溝１７から吸引ポンプ２９、３０までの管路において分岐点４０から環状溝１７側の管路部分について、適宜な管路抵抗をもたせる事で、一つの排気ポンプが受け持つ複数の環状溝内の圧力が一定になろうとする作用を抑制し、固定部側の環状溝内の圧力を固定部側から遠い環状溝内の圧力より低く（真空度を高く）することができる。この結果、環状溝１７の周囲の隙間（シール隙間１８）を従来と同等に維持した上で、吸引ポンプ２９、３０の数を増やすことなく差動排気シール部の環状溝１７の数（段数）を増やすことができる。このため、静圧気体軸受スピンドルの製造コストの増大を抑制しながら、差動排気シール部の性能を向上させることができる。

図３は、図１および図２に示した静圧気体軸受スピンドルの第１の変形例における差動排気シール機構の構成を説明するための部分断面模式図である。図３を参照して、本発明の実施の形態における静圧気体軸受スピンドルの第１の変形例を説明する。なお、図３は図２に対応する。

図３に示した静圧気体軸受スピンドルは、基本的には図１および図２に示した静圧気体軸受スピンドルと同様の構成を備えるが、吸引ポンプ２９、３０と環状溝１７との接続構造が図１および図２に示した静圧気体軸受スピンドルとは異なっている。

具体的には、図２に示した差動排気シール機構では、４段の環状溝１７について、ジャーナル軸受１４に近い側の２段の環状溝１７を、排気シール吸気口１９の２段目までと、分岐点４０を有する配管３１と、を接続することで１台の吸引ポンプ２９に接続し、残りの２段の環状溝１７も同様に他の１台の吸引ポンプ３０に接続している。なお、分岐点４０は真空室３５内部もしくは真空チャンバ３４の壁部に配置される。一方、図３に示した差動排気シール機構では、ジャーナル軸受１４に近い側の１段の環状溝１７を、排気シール吸気口１９の１段目と配管３１とを接続することで１台の吸引ポンプ２９に接続している。そして、ジャーナル軸受１４から遠い側の３段の環状溝１７を、排気シール吸気口１９の３段と分岐点４０、４１を有する配管３２、３３とを接続することで１台の吸引ポンプ３０に接続している。具体的には、４段の環状溝１７のうちの回転軸１の中心軸方向における中央部の２つを、排気シール吸気口１９の当該中心軸方向における中央部の２つを介して、分岐点４１（前段分規点）で繋がる配管３２と接続する。さらに、４段の環状溝１７のうちの回転軸１の中心軸方向における先端側の１つを、排気シール吸気口１９の当該中心軸方向における先端側の１つを介して、分岐点４０に繋がる配管３３と接続する。分岐点４０には、上記配管３２が接続された分岐点４１が他の配管を介して接続されている。そして、分岐点４０と吸引ポンプ３０とは配管を介して接続されている。この場合も、適宜な管路抵抗により、一つの排気ポンプが受け持つ複数の環状溝１７内の圧力が一定になろうとする作用を抑制し、固定部側の環状溝１７内の圧力を固定部側から遠い環状溝１７内の圧力より低く（真空度を高く）することができる。

このようにしても、図１および図２に示した静圧気体軸受スピンドルと同様の効果を得ることができる。

図４は、図１および図２に示した静圧気体軸受スピンドルの第２の変形例における差動排気シール機構の構成を説明するための部分断面模式図である。図４を参照して、本発明の実施の形態における静圧気体軸受スピンドルの第２の変形例を説明する。なお、図４は図２に対応する。

図４に示した静圧気体軸受スピンドルは、基本的には図１および図２に示した静圧気体軸受スピンドルと同様の構成を備えるが、環状溝１７の数および環状溝吸引ポンプ２９、３０と環状溝１７との接続構造が図１および図２に示した静圧気体軸受スピンドルとは異なっている。

具体的には、図４に示した差動排気シール機構では、ジャーナル軸受１４（図１参照）に近い側の１段の環状溝１７を、ジャーナル軸受１４に近い側の排気シール吸気口１９の１段目と配管３１とを接続することで１台の吸引ポンプ２９に接続している。そして、ジャーナル軸受１４から遠い側の２段の環状溝１７は、図２に示した差動排気シール機構と同様に、排気シール吸気口１９の２段と分岐点４０を有する配管３２とを接続することで１台の吸引ポンプ３０に接続している。このような構成によっても、図１および図２に示した静圧気体軸受スピンドルと同様の効果を得ることができる。

ここで、複数の環状溝１７内の真空度は、テーブル７側の環状溝１７ほど真空度を高く保たなければならない。しかし、２段以上の環状溝１７を１台の吸引ポンプ３０で排気する場合、配管３２、３３などで環状溝１７同士がひとつの空間で繋がることになるので、真空度が低い環状溝１７側から真空度の高い環状溝１７側に気体が流れることにより、繋がっている環状溝１７が互いに一定の真空度になろうとする。そのため、本発明では、２段以上の環状溝１７を繋ぐ配管３２、３３に適宜な管路抵抗をもたせることにより、ひとつの空間で繋がれた２段以上の環状溝１７の真空度が一定になろうとする気体の流れを抑制することができる。これにより、２段以上の環状溝１７が配管３２、３３などの１つの空間で繋がっても、テーブル７側の環状溝１７内の真空度をジャーナル軸受１４側の環状溝１７内の真空度に比べて高い真空度に保つ事ができる。

なお、配管３２、３３の管路抵抗を調整する方法としては、配管の長さを適宜な長で構成すれば、管路抵抗は確保できるが、配管の長さによらず、管路抵抗を確保する方法として、たとえば配管３２、３３の個別の長さを変更する、あるいは配管３２、３３の断面積を変更する、といった対応が考えられる。具体的には、たとえば図３に示した配管３２、３３について、テーブル７側に近い環状溝１７に接続された配管３２、３３ほど、分岐点４０から環状溝１７までの配管長を長くすることにより、管路抵抗に変化をつける（テーブル７側に近い環状溝１７に接続された配管３２、３３ほど管路抵抗が大きくなるようにする）といった対応を行なってもよい。

図５は、図１および図２に示した静圧気体軸受スピンドルの第３の変形例における差動排気シール機構の構成を説明するための部分断面模式図である。図５を参照して、本発明の実施の形態における静圧気体軸受スピンドルの第３の変形例を説明する。なお、図５は図２に対応する。

図５に示した静圧気体軸受スピンドルは、基本的には図４に示した静圧気体軸受スピンドルと同様の構成を備えるが、環状溝吸引ポンプ２９、３０と環状溝１７との接続構造が図４に示した静圧気体軸受スピンドルとは異なっている。すなわち、図５に示した静圧気体軸受スピンドルでは、配管３１、３２として内径の異なる配管を用いることで、各配管３１、３２での管路抵抗を変更している。つまり、一番ジャーナル軸受１４に近い環状溝１７に接続された配管３１の内径は、できる限り管路抵抗が小さい事が望ましいので、他の配管３２の内径より大きくなっている。さらに、分岐点４０と吸引ポンプ３０とを接続する配管も配管３１と同様に、できる限り管路抵抗が小さい事が望ましい。このような構成によっても、図１および図２に示した静圧気体軸受スピンドルと同様の効果を得ることができる。

なお、吸引ポンプ２９、３０に直接接続される配管（たとえば図５の領域Ｂに位置する配管）と配管３１は、図５の領域Ａにおける配管３２に比べて管路抵抗が小さいことが望ましい。そのため、これらの配管についてはできる限り内周側の流路の断面積を大きくする、および／または長さを短くすることが好ましい。

図６は、図１および図２に示した静圧気体軸受スピンドルの第４の変形例における差動排気シール機構の構成を説明するための部分断面模式図である。図６を参照して、本発明の実施の形態における静圧気体軸受スピンドルの第４の変形例を説明する。なお、図６は図２に対応する。

図６に示した静圧気体軸受スピンドルは、基本的には図４に示した静圧気体軸受スピンドルと同様の構成を備えるが、環状溝吸引ポンプ２９、３０と環状溝１７との接続構造が図４に示した静圧気体軸受スピンドルとは異なっている。すなわち、図６に示した静圧気体軸受スピンドルでは、内径の異なる配管を用いることで、管路抵抗を変更している。つまり、吸引ポンプ３０に接続された分岐点４０から環状溝１７までの配管について、テーブル７側に近い側の配管の内径をテーブル７側から遠い側の配管の内径より小さくすることで、配管の長さによらず、適宜な管路抵抗を確保することができる。こうすることで、一つの吸引ポンプが受け持つ複数の環状溝１７内の圧力は、テーブル７側から遠い側の環状溝１７内の圧力より、テーブル７側から近い環状溝１７内の圧力を低く（真空度を高く）することができる。また、一つの吸引ポンプ３０が受け持つテーブル７側から遠い配管の管路抵抗と、吸引ポンプ２９に接続される配管の管路抵抗は、できる限り小さいことが望ましい。このような構成によっても、図１および図２に示した静圧気体軸受スピンドルと同様の効果を得ることができる。

図７は、図１および図２に示した静圧気体軸受スピンドルの第５の変形例における差動排気シール機構の構成を説明するための部分断面模式図である。図７を参照して、本発明の実施の形態における静圧気体軸受スピンドルの第５の変形例を説明する。なお、図７は図２に対応する。

図７に示した静圧気体軸受スピンドルは、基本的には図４に示した静圧気体軸受スピンドルと同様の構成を備えるが、環状溝吸引ポンプ２９、３０と環状溝１７との接続構造が図４に示した静圧気体軸受スピンドルとは異なっている。すなわち、図７に示した静圧気体軸受スピンドルでは、配管３１、３２として内径が同じ配管を用いる一方、シールカバー１０の内部で、１つの排気シール給気口と、テーブル７側の２つの環状溝１７とが、分岐点４０において分岐した管路により接続されている。また、上記管路の内径は、分岐点４０から環状溝１７に向かう２つの経路において互いに異なっている。より具体的には、テーブル７に最も近い環状溝１７と分岐点４０とを繋ぐ管路の内径は、テーブル７から離れる側に位置する他の環状溝１７と分岐点４０とを繋ぐ管路の内径より小さくなっている。そのため、吸引ポンプ３０から環状溝１７までの管路の管路抵抗は、図６に示した構成と同様に、一番ジャーナル軸受１４に近い側の環状溝１７に接続された管路よりテーブル７に近い側の環状溝１７に接続された管路の方が大きくなる。このため、吸引ポンプ３０が受け持つ環状溝１７のそれぞれでの圧力は、ジャーナル軸受１４側からテーブル７側に向かうにつれて徐々に低くなる（真空度が高くなる）。また、一つの吸引ポンプ３０が受け持つテーブル７側から遠い配管の管路抵抗と、吸引ポンプ２９に接続される配管の管路抵抗は、できる限り小さいことが望ましい。このような構成によっても、図１および図２に示した静圧気体軸受スピンドルと同様の効果を得ることができる。

図８は、図１および図２に示した静圧気体軸受スピンドルの第６の変形例を説明するための模式図である。図８を参照して、本発明の実施の形態における静圧気体軸受スピンドルの第６の変形例を説明する。

図８に示した静圧気体軸受スピンドルは、基本的には図１および図２に示した静圧気体軸受スピンドルと同様の構成を備えるが、環状溝１７（図１参照）と吸引ポンプ２９、３０との接続構造が図１および図２に示した静圧気体軸受スピンドルとは異なっている。すなわち、図８に示した静圧気体軸受スピンドルでは、環状溝１７から吸引ポンプ２９、３０までの管路における分岐点４０が真空チャンバ３４の外部（真空チャンバ３４より吸引ポンプ２９、３０側）に配置されている。なお、他の構成については図１および図２に示した静圧気体軸受スピンドルと同様である。

このような構成の静圧気体軸受スピンドルにおいても、吸引ポンプ２９、３０から環状溝１７までのそれぞれの管路の管路抵抗を適宜変更することで、図１および図２に示した静圧気体軸受スピンドルと同様に差動排気シール構造を実現できる。なお、環状溝１７から吸引ポンプ２９、３０までの管路の構成は、図８に示した構成に代えて図３〜図７のいずれかに示した構成を用いてもよい。

図９は、図１および図２に示した静圧気体軸受スピンドルの第７の変形例を説明するための模式図である。図９を参照して、本発明の実施の形態における静圧気体軸受スピンドルの第７の変形例を説明する。

図９に示した静圧気体軸受スピンドルは、基本的には図８に示した静圧気体軸受スピンドルと同様の構成を備えるが、図１に示されたような真空カバー２７を備えておらず、軸受エア供給口１６（図１参照）に接続される軸受給気用配管３６と、軸受エア排気口２０（図１参照）に接続される軸受排気用配管３７とが、直接真空チャンバ３４の壁部を貫通するように配置されている点が図８に示した静圧気体軸受スピンドルと異なっている。また、軸受給気用配管３６や軸受排気用配管３７とハウジング２などとの接続部には、気密性を維持するための気密部材としてＯリングなどが設置される。なお、他の構成については図８に示した静圧気体軸受スピンドルと同様である。

このような構成の静圧気体軸受スピンドルにおいても、図８に示した静圧気体軸受スピンドルと同様の効果を得ることができる。また、図９に示した静圧気体軸受スピンドルでは、真空カバー２７を備えていないため、装置の小型化をはかることができる。なお、環状溝１７から吸引ポンプ２９、３０までの管路の構成は、図８に示した構成に代えて図３〜図７のいずれかに示した構成を用いてもよい。

（実施の形態２）
図１０は、本発明の一実施の形態である静圧気体軸受スピンドルの実施の形態２を示す断面模式図である。図１０を参照して、本発明の実施の形態１における静圧気体軸受スピンドルを説明する。

図１０に示す静圧気体軸受スピンドルは、基本的には図１および図２に示した静圧気体軸受スピンドルと同様の構成を備えるが、回転軸１の回転フランジ１３において対向する２つの主面にそれぞれスラスト軸受１５が形成されている点、回転軸１の後端側（駆動モータ１１側）に図１に示すようなスラスト板５が形成されていない点、軸受スリーブ３、４の形状、および最も回転フランジ１３側の環状溝１７の形状が、図１および図２に示した静圧気体軸受スピンドルとは異なっている。具体的には、図１０に示した静圧気体軸受スピンドルでは、回転フランジ１３の２つの主面の一方と対向する位置に延在するように軸受スリーブ３が配置されている。また、軸受スリーブ４は、回転フランジ１３の２つの主面の他方（テーブル７側の主面）に対向する位置に配置されている。そして、軸受エア供給口１６から供給された気体をスラスト軸受１５に供給するための管路が、軸受スリーブ３の内部を通って回転フランジ１３の２つの主面の一方に位置するスラスト軸受１５にまで延びている。また、軸受エア供給口１６から供給された気体をスラスト軸受１５に供給するための他の管路が、軸受スリーブ３、ハウジング２および軸受スリーブ４を介して回転フランジ１３の２つの主面の他方に位置するスラスト軸受１５にまで延びている。なお、回転軸１の後端側における側面には、バランスウエイト取付タップ２４が形成されている。

また、図１０に示した静圧気体軸受スピンドルでは、最も回転フランジ１３寄りの環状溝１７が、軸受スリーブ４とシールカバー１０との境界部に形成され、当該最も回転フランジ１３寄りの環状溝１７において、回転フランジ１３側に隣接するシール隙間１８は回転軸１の側面と軸受スリーブ４の内周面との間に形成されている。そして、差動排気シール部を構成する吸引ポンプ２９、３０（図２参照）と環状溝１７との接続構造は、図２〜図９に示したいずれの構造を適用してもよい。

このような構成の静圧気体軸受スピンドルにおいても、図１および図２に示した静圧気体軸受スピンドルと同様の効果を得ることができる。

なお、環状溝１７から吸引ポンプ２９、３０までの管路の管路抵抗を設定する方法としては、図５に示したように、１台の吸引ポンプ３０から２段以上の環状溝１７に連通する管路の内径を同じ断面積で適正な長さを確保し、管路抵抗を持たせることや、図６および図７に示したように、１台の吸引ポンプ３０から２段以上の環状溝１７に連通するそれぞれの管路の内周側の断面積の大小により管路抵抗に差をつける、といった方法を用いることができる。また、当該管路からの排気流量に対して適切な管路抵抗を実現するには、図２〜図７などに示したように、１台の吸引ポンプ３０に接続する複数の環状溝１７は隣接していることが望ましい。また、図２〜図６などに示すように、下流側（テーブル７側）の複数の環状溝１７を１台の吸引ポンプ３０に接続することが望ましい。

また、上述した本発明による静圧気体軸受スピンドルにおいては、差動排気シール部のシール性能を低下させる原因として、熱膨張による部品の寸法変化や、各部品の組立精度による問題が考えられる。このような問題に対する対策としては、シールカバー１０などの部品の一部を熱膨張係数の小さいセラミックスなどにより構成する、あるいは回転軸１を一体構造にする、といった対応が考えられる。

また、上記静圧気体軸受スピンドルは、回転軸１およびシールカバー１０を少なくとも内部に保持する真空チャンバ３４を備える。吸引ポンプ２９、３０は図２〜図４、図８、図９などに示すように、真空チャンバ３４の外部に配置されている。管路の分岐点４０、４１は、真空チャンバ３４の外部（図８、図９参照）、真空チャンバ３４の内部（図２〜図４参照）およびシールカバー１０の内部（図７参照）のうちの少なくともいずれか１つに配置されていてもよい。この場合、静圧気体軸受としてのジャーナル軸受１４およびスラスト軸受１５から真空チャンバ３４内への気体の流入を差動排気シール機構によって抑制できるので、本発明が特に効果的である。

上記静圧気体軸受スピンドルにおいて、複数の環状溝１７のうちの１つから吸引ポンプ２９、３０までの管路における管路抵抗は、複数の環状溝１７のうちの他の１つから吸引ポンプ２９、３０までの管路における管路抵抗とは異なっている。この場合、差動排気シール機構において環状溝１７毎に内部の圧力を異ならせることが可能になる。このため、複数の環状溝１７の配置に応じて当該環状溝１７の内部圧力を設定することにより、回転軸１のテーブル７側への気体の漏れを効果的に抑制することが可能になる。

上記静圧気体軸受スピンドルにおいて、図３に示すように、シールカバー１０と回転軸１の外周面とが対向する領域では、シールカバー１０の表面と回転軸１の外周面との少なくともいずれか一方に、回転軸１の外周面を周回する他の環状溝１７（図３における最もジャーナル軸受１４側の環状溝１７）が形成されていてもよい。上記静圧気体軸受スピンドルは、他の環状溝１７に他の管路（配管３１）を介して接続される他の排気部材としての吸引ポンプ２９を備えている。

この場合、複数の環状溝１７に接続された吸引ポンプ３０と、１つの環状溝（他の環状溝１７）に接続された吸引ポンプ２９とを備えることにより、差動排気シール機構の装置構成や能力の設定範囲の自由度を大きくすることができる。

上記静圧気体軸受スピンドルにおいて、環状溝１７は、図２などに示すようにシールカバー１０の表面と回転軸１の外周面との両方において対向するように形成されている。この場合、環状溝１７の断面積を十分確保することができる。また、シールカバー１０や回転軸１のそれぞれに環状溝１７となるべき溝を形成するので、環状溝１７全体としての所定の断面積を得るために必要な溝の深さをシールカバー１０側と回転軸１側とで分配できる。そのため、シールカバー１０や回転軸１での加工量に制限がある場合でも無理なく環状溝１７を形成することができる。

上記静圧気体軸受スピンドルでは、図１に示すように、回転軸１の外周面において、軸受スリーブ３と対向する領域にはフランジ状部としての回転フランジ１３が形成されている。回転フランジ１３の表面と軸受スリーブ３とは、スラスト軸受１５を構成するフランジ状部間隙を介して対向するとともに、当該フランジ状部間隙に気体を供給することで静圧気体スラスト軸受としてのスラスト軸受１５を構成する。この場合、回転軸１をスラスト軸受１５によっても支持することで、回転軸１を安定して回転させることができる。

上記静圧気体軸受スピンドルにおいて、図５〜図７などに示すように、それぞれ一つの吸引ポンプが受け持つ複数の環状溝に繋がる配管の管路抵抗は、テーブル７に近い側の配管よりも、テーブル７より遠い側の配管のほうが小さくてもよい。この場合、テーブル７側に位置する環状溝１７の内部圧力を、テーブル７からより遠くに配置された他の環状溝１７に比べて低く維持することができるので、テーブル７側への気体の漏洩を抑制する差動排気シール機構のシール特性を良好に保つことができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明は、差動排気シール機構を備える静圧気体軸受スピンドルであって、とくに真空チャンバなどに配置されるスピンドルに有利に適用される。

本発明の一実施の形態である静圧気体軸受スピンドルの実施の形態１を示す断面模式図である。図１に示した静圧気体軸受スピンドルにおける差動排気シール機構の構成を説明するための部分断面模式図である。図１および図２に示した静圧気体軸受スピンドルの第１の変形例における差動排気シール機構の構成を説明するための部分断面模式図である。図１および図２に示した静圧気体軸受スピンドルの第２の変形例における差動排気シール機構の構成を説明するための部分断面模式図である。図１および図２に示した静圧気体軸受スピンドルの第３の変形例における差動排気シール機構の構成を説明するための部分断面模式図である。図１および図２に示した静圧気体軸受スピンドルの第４の変形例における差動排気シール機構の構成を説明するための部分断面模式図である。図１および図２に示した静圧気体軸受スピンドルの第５の変形例における差動排気シール機構の構成を説明するための部分断面模式図である。図１および図２に示した静圧気体軸受スピンドルの第６の変形例を説明するための模式図である。図１および図２に示した静圧気体軸受スピンドルの第７の変形例を説明するための模式図である。本発明の一実施の形態である静圧気体軸受スピンドルの実施の形態２を示す断面模式図である。

符号の説明

１回転軸、２ハウジング、３，４軸受スリーブ、５スラスト板、７テーブル、８モータカバー、９エンコーダカバー、１０シールカバー、１１駆動モータ、１２エンコーダ、１３回転フランジ、１４ジャーナル軸受、１５スラスト軸受、１６軸受エア供給口、１７環状溝、１８シール隙間、１９排気シール吸気口、２０軸受エア排気口、２１，２２バランスウエイト挿入口、２３〜２５バランスウエイト取付タップ、２７真空カバー、２８フレキシブルチューブ、２９，３０吸引ポンプ、３１〜３３配管、３４真空チャンバ、３５真空室、３６軸受給気用配管、３７軸受排気用配管、４０，４１分岐点。

Claims

先端に固定部が形成された回転軸と、
前記回転軸の外周面の一部を取り囲み、前記回転軸の前記外周面と間隙を介して対向するとともに前記間隙に気体を供給することで静圧気体軸受を構成する軸受スリーブと、
前記軸受スリーブより前記固定部側に配置され、前記回転軸の外周面の一部を取り囲むシール機構部とを備え、
前記シール機構部と前記回転軸の外周面とが対向する領域では、前記シール機構部の表面と前記回転軸の外周面との少なくともいずれか一方に、前記回転軸の外周面を周回する環状溝が複数形成され、さらに、
前記環状溝に管路を介して接続される排気部材を備え、
前記管路は、前記複数の環状溝と前記排気部材とを接続するように途中で分岐点を有しており、
前記複数の環状溝のうちの１つから前記分岐点までの前記管路の部分における管路抵抗は、前記複数の環状溝のうちの他の１つから前記分岐点までの前記管路の部分における管路抵抗とは異なっている、静圧気体軸受スピンドル。
前記複数の環状溝のうちの１つから前記分岐点までの前記管路の部分における管路抵抗は、前記環状溝の１つより前記固定部側に位置する前記複数の環状溝のうちの他の１つから前記分岐点までの前記管路の部分における管路抵抗より小さい、請求項１に記載の静圧気体軸受スピンドル。
先端に固定部が形成された回転軸と、
前記回転軸の外周面の一部を取り囲み、前記回転軸の前記外周面と間隙を介して対向するとともに前記間隙に気体を供給することで静圧気体軸受を構成する軸受スリーブと、
前記軸受スリーブより前記固定部側に配置され、前記回転軸の外周面の一部を取り囲むシール機構部とを備え、
前記シール機構部と前記回転軸の外周面とが対向する領域では、前記シール機構部の表面と前記回転軸の外周面との少なくともいずれか一方に、前記回転軸の外周面を周回する環状溝が複数形成され、さらに、
前記環状溝に管路を介して接続される排気部材を備え、
前記管路は、前記複数の環状溝と前記排気部材とを接続するように途中で分岐点を有しており、
前記複数の環状溝のうちの１つから前記排気部材までの前記管路における管路抵抗は、前記環状溝の１つより前記固定部側に位置する前記複数の環状溝のうちの他の１つから前記排気部材までの前記管路における管路抵抗より小さい、静圧気体軸受スピンドル。
前記回転軸および前記シール機構部を少なくとも内部に保持する真空チャンバをさらに備え、
前記排気部材は前記真空チャンバの外部に配置され、
前記管路の分岐点は、前記真空チャンバの外部、前記真空チャンバの内部および前記シール機構部の内部のうちの少なくともいずれか１つに配置される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の静圧気体軸受スピンドル。
前記シール機構部と前記回転軸の外周面とが対向する領域では、前記シール機構部の表面と前記回転軸の外周面との少なくともいずれか一方に、前記回転軸の外周面を周回する他の環状溝が形成され、
前記他の環状溝に他の管路を介して接続される他の排気部材を備える、請求項１〜４のいずれか１項に記載の静圧気体軸受スピンドル。
前記環状溝は、前記シール機構部の表面と前記回転軸の外周面との両方において対向するように形成されている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の静圧気体軸受スピンドル。
前記回転軸の外周面において、前記軸受スリーブと対向する領域にはフランジ状部が形成され、
前記フランジ状部の表面と前記軸受スリーブとはフランジ状部間隙を介して対向するとともに、前記フランジ状部間隙に気体を供給することで静圧気体スラスト軸受を構成する、請求項１〜６のいずれか１項に記載の静圧気体軸受スピンドル。
前記分岐点から前記排気部材までの前記管路の部分における管路抵抗は、前記環状溝から前記分岐点までの前記管路の部分における管路抵抗よりも小さい、請求項１〜７のいずれか１項に記載の静圧気体軸受スピンドル。