JP5614555B2 - スピンドル装置 - Google Patents

Description

開示の実施形態は、スピンドル装置に関する。

特許文献１には、ラジアル方向にエアを排出する多孔質ラジアル軸受、及び、スラスト方向にエアを排出する多孔質スラスト軸受、により支持されるスピンドルが、ハウジングの反負荷側に配置された電動モータによって回転駆動される、スピンドル装置が記載されている。

特開２００９−６８５４３号公報

しかしながら、特許文献１に記載のものでは、ラジアル軸受及びスラスト軸受が互いに別部材として離れて配置されているため、スピンドルの負荷側に連結される負荷から、上記２箇所の軸受までの間のスラスト方向距離が大きくなり、静圧軸受としての剛性の低下を招く。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、静圧軸受としての剛性を高めることができるスピンドル装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の一の観点によれば、ハウジングと、前記ハウジングの反負荷側に設けられたモータと、ディスクを有し、前記モータにより回転駆動される主軸と、前記主軸にラジアル方向から圧縮空気を供給するラジアル供給口、及び、前記ディスクにスラスト方向に沿って反負荷側から圧縮空気を供給する第１スラスト供給口、を備え、前記主軸を非接触で支持する第１支持部材と、前記ハウジングに設けられ、内周側に前記第１支持部材の外周部が固定される第１軸受部材と、を有し、前記第１支持部材は、前記主軸の外周部に位置するスリーブ部と、前記スリーブ部の負荷側に設けられたスラスト部と、を備えており、前記ラジアル供給口は、第１ラジアル供給口と、前記第１ラジアル供給口よりも負荷側に位置する第２ラジアル供給口とが、前記スリーブ部に設けられており、前記第１スラスト供給口は、前記スラスト部のうち、軸方向位置が前記第２ラジアル供給口よりも負荷側となる箇所に設けられており、前記ハウジングは、スラスト方向に貫通して圧縮空気を流通させる空気流通路を備えており、前記第１軸受部材は、前記空気流通路および前記第１ラジアル供給口と連通するラジアル通路と、前記空気流通路、前記第２ラジアル供給口、および前記第１スラスト供給口と連通するラジアル・スラスト通路と、を備えるスピンドル装置が適用される。

本発明のスピンドル装置によれば、静圧軸受としての剛性を高めることができる。

実施形態のスピンドル装置の全体構成を示す軸方向断面図である。 スピンドル装置の負荷側ラジアル・スラスト軸受部の第１支持部材を示す軸方向断面図及び右側面図である。 第１支持部材の斜視図である。 負荷側ラジアル・スラスト軸受部の第１支持部材及び第１軸受部材を示す軸方向半断面図及び右側面図である。 負荷側ラジアル・スラスト軸受部のスペーサ部の部分を示す軸方向断面図及び右側面図である。 比較例のスピンドル装置の全体構成を示す軸方向断面図である。

以下、一実施の形態について図面を参照しつつ説明する。

＜全体概略構成＞
まず、本実施形態のスピンドル装置の全体構成について図１を用いて説明する。図１に示すように、スピンドル装置１は、略円筒状のハウジング２内に収納した主軸（スピンドル）３と、ハウジング２の反負荷側（図１の左側）に設けられ主軸３を回転駆動するモータ４と、主軸３の反負荷側を圧縮空気によりラジアル方向に非接触に支持する反負荷側ラジアル軸受部５と、主軸３の負荷側（図１の右側）を圧縮空気によりラジアル方向及びスラスト方向に非接触に支持する負荷側ラジアル・スラスト軸受部６と、ラジアル軸受部５及びラジアル・スラスト軸受部６に圧縮空気を供給する空気流通路７とを、備えている。

空気流通路７は、ハウジング２内をスラスト方向（図１中左右方向）に貫通して設けられている。空気流通路７の反負荷側位置におけるハウジング２には、空気入口７ａが設けられている。空気流通路７の負荷側は、ラジアル・スラスト軸受部６の第１軸受部材１７（詳細には円板部１７ｂ。後述）及び第２軸受部材１８を貫通して、ハウジング２の負荷側末端まで至っている。空気入口７ａには図示しないコンプレッサー等の空気供給源が接続され、吸気供給源から供給された圧縮空気が空気流通路７に導入される。

モータ４は、主軸３の反負荷側に固定されたマグネットロータ４ａと、ハウジング２の内側にマグネットロータ４ａを囲むように設けられた筒状のステータ４ｂと、モータ出力軸４ｃと、を備えている。そして、モータ出力軸４ｃに、上記主軸３が連結されている。主軸３の負荷側端部は、ラジアル・スラスト軸受６から軸方向外方に延出している。主軸３のこの延び出した負荷側端部には、例えば工具等の適宜の負荷、（この例ではブレード９）が、フランジ８を介して取り付けられている。ブレード９は、例えば非晶質ダイヤを蒸着した刃先９ａを有し、モータ４による主軸３の回転駆動により回転する。これにより、このスピンドル装置１は、例えば半導体ウエハを半導体チップに切断するダイシング工程において用いられる。

ラジアル軸受部５は、主軸３の反負荷側に設けられた直円筒形状の筒状部材１１（スリーブ）と、ハウジング２に設けられ、内周側に筒状部材１１の外周部が固定される軸受部材１２とを備える。筒状部材１１は、主軸３にラジアル方向から圧縮空気を供給するラジアル供給口１３と、ラジアル供給口１３よりも負荷側に位置するラジアル供給口１４と、を有している。ラジアル供給口１３，１４は、筒状部材１１の周方向に沿ってそれぞれ複数個設けられている。

軸受部材１２は、空気流通路７と連通するとともに、ラジアル供給口１３，１４とラジアル方向にそれぞれ連通するラジアル通路３０，３０を有している。ラジアル通路３０，３０は、空気流通路７から導入した圧縮空気を、ラジアル供給口１３，１４へ導く。ラジアル供給口１３，１４に導かれた圧縮空気は、主軸３に対しラジアル方向から供給され、主軸３の反負荷側をラジアル方向に非接触に支持する。なお、ラジアル供給口１３，１４の内側には、主軸３に向けて供給する圧縮空気の流量を制御する図示しない絞り（オリフィス）が設けられている。

＜ラジアル・スラスト軸受部の詳細＞
ラジアル・スラスト軸受部６は、負荷側における主軸３の外周部に設けられた第１支持部材１５及び第２支持部材１６と、ハウジング２に設けられ、内周側に第１支持部材１５の外周部が固定される第１軸受部材１７と、ハウジング２に設けられ、内周側に第２支持部材１６の外周部が固定される第２軸受部材１８と、を備える。

＜第１支持部材及び第１軸受部材＞
第１支持部材１５は、図２（ａ）、図２（ｂ）、及び図３に示すように、主軸３の外周部に位置する直円筒形状のスリーブ部１９と、スリーブ部１９の負荷側に同一軸心で一体に設けられた略円板形状のスラスト部２０と、から構成されている。

スリーブ部１９は、主軸３にラジアル方向から圧縮空気を供給する第１ラジアル供給口２１と、第１ラジアル供給口２１よりも負荷側に位置する第２ラジアル供給口２２とを有している。第１及び第２ラジアル供給口２１，２２は、スリーブ部１９の周方向に沿ってそれぞれ複数個設けられている。

スラスト部２０は、上記スリーブ部１９よりも大径に構成されている。スラスト部２０の反負荷側の面の周縁部には、環状の凹溝２５が設けられている。スラスト部２０には、主軸３に固定したディスク１０にスラスト方向に沿って反負荷側から圧縮空気を供給する第１スラスト供給口２３が周方向複数箇所に備えられている。各第１スラスト供給口２３は、上記第２ラジアル供給口２２よりも軸方向位置が負荷側となるようにスラスト部２０に設けられており、上記凹溝２５に連通している。

第１軸受部材１７は、図４（ａ）、図４（ｂ）、及び上記図１に示すように、スリーブ部１９の外周部を囲む直円筒形状部１７ａと、スラスト部２０の外周部を囲む円板部１７ｂとからなり、円板部１７ｂは直円筒形状部１７ａの負荷側に一体に設けられている。円板部１７ｂは、直円筒形状部１７ａよりも大径の円形状であって、その下部が水平に切り欠かれた異形の円板に形成されている。

このとき、直円筒形状部１７ａには、空気流通路７と連通するとともに、上記第１ラジアル供給口２１と連通する、ラジアル通路３１が設けられている。また、円板部１７ｂには、スラスト流路４１を介し空気流通路７と連通するとともに、上記第２ラジアル供給口２２及び凹溝２５を介し上記第１スラスト供給口２３と連通する、ラジアル・スラスト通路３２が設けられている。

ラジアル通路３１は、空気流通路７から導入した圧縮空気を上記第１ラジアル供給口２１へ導く。ラジアル・スラスト通路３２は、空気流通路７から導入した圧縮空気を、ラジアル方向に導入して分岐させる。そして、分岐後の一方の圧縮空気は、ラジアル・スラスト通路３２にラジアル方向に連通する第２ラジアル供給口２２へ導かれ、分岐後の他方の圧縮空気はラジアル・スラスト通路３２にスラスト方向に連通する第１スラスト供給口２３へ導かれる。

上記第１及び第２ラジアル供給口２１，２２に導かれた圧縮空気は、主軸３に対しラジアル方向から供給され、主軸３の負荷側をラジアル方向に非接触に支持する。なお、第１及び第２ラジアル供給口２１，２２の内側には、主軸３に向けて供給する圧縮空気の流量を制御する図示しない絞りが設けられている。上記第１スラスト供給口２３に導かれた圧縮空気は、主軸３の負荷側に固定されたディスク１０に対しスラスト方向に沿って反負荷側から供給され、主軸３の負荷側をスラスト方向に非接触に支持する。

なお、第１軸受部材１７のうち、スラスト方向におけるラジアル通路２１とラジアル・スラスト通路３２との中間部には、冷却水通路３５が備えられている。冷却水通路３５は、図示しない冷却水供給源との間で循環される冷却水が流されることで、第１軸受部１７の周囲領域を冷却することができる。

＜第２支持部材及び第２軸受部材＞
第２支持部材１６は、図１に示すように、ディスク１０の負荷側における主軸３の外周部に設けられ、上記スラスト部２０と略同径の略円板形状を備えている。この第２支持部材１６には、ディスク１０に対しスラスト方向に沿って負荷側から圧縮空気を供給する、第２スラスト供給口２４が周方向複数箇所に備えられている。これら第２スラスト供給口２４に導かれた圧縮空気は、主軸３の負荷側に固定された上記ディスク１０に対しスラスト方向に沿って負荷側から供給され、主軸３の負荷側をスラスト方向に非接触に支持する。

第２軸受部材１８は、第２支持部材１６の外周部を囲むような、第１軸受部材１７の円板部１７ｂと略同径の略円板形状を備えている。第２軸受部材１８には、スラスト流路４１（図４参照）を介し空気流通路７とラジアル方向に連通するとともに、上記第２スラスト供給口２４とスラスト方向に連通する、転向通路３４が備えられている。

このとき、第１軸受部材１７の上記円板部１７ｂと第２軸受部材１８との間には、図５（ａ）、図５（ｂ）、及び上記図１に示すように、略円板状又は略平板状のスペーサ部材２６が介在配置されている。スペーサ部材２６は、ディスク１０の軸方向厚さ寸法と略同一の軸方向厚さ寸法を備えている。またスペーサ部材２６には、上記スラスト流路４１（図４参照）を介し空気流通路７に連通する、スラスト方向の貫通孔３３が備えられている。貫通孔３３は、空気流通路７及びスラスト流路４１からスラスト方向に導入した圧縮空気を上記転向通路３４へと導く。そして、上記転向通路３４が、上記貫通孔３３からの圧縮空気をラジアル方向に導入した後、その導入した圧縮空気を、反負荷側へのスラスト方向に転向させて、上記第２スラスト供給口２４へ導く。第２スラスト供給口２４に導かれた圧縮空気は、主軸３のディスク１０に対しスラスト方向に沿って負荷側から供給されることで、主軸３の負荷側をスラスト方向に非接触に支持する。

＜実施形態の効果＞
以上説明したように、本実施形態のスピンドル装置１では、ハウジング２の反負荷側にモータ４が設けられ、駆動力が主軸３に伝達されることで主軸３が回転する。これにより、主軸３の負荷側に連結される適宜の負荷（この例ではブレード９）をモータ４の駆動力で回転させることができる。このとき、主軸３は、いわゆる静圧軸受によって非接触で支持される。すなわち、主軸３の負荷側を支持する負荷側ラジアル・スラスト軸受部６において、主軸３のラジアル方向の支持は、圧縮空気が第１及び第２ラジアル供給口２１，２２から主軸３へ供給されることによって行われる。また、主軸３のスラスト方向の支持は、圧縮空気が第１及び第２スラスト供給口２３，２４から主軸３に固定したディスク１０へ供給されることによって行われる。

ここで、本実施形態では、上記第１及び第２ラジアル供給口２１，２２と第１スラスト供給口２３とが、主軸３の外周部に位置する共通の１つの第１支持部材１５に設けられている。これにより、それら２つのラジアル供給口２１，２２と第１スラスト供給口２３とを、別の部材にそれぞれ設ける場合に比べ、上記負荷側に連結される負荷（この例ではブレード９）から、上記ラジアル供給口までの間のスラスト方向距離を小さくすることができる。以下、この効果を、比較例を用いてさらに詳細に説明する。

＜比較例＞
ここで、２箇所の軸方向位置にそれぞれ設けられた上記ラジアル供給口２１，２２と、１箇所の軸方向位置に設けられた上記第１スラスト供給口２３とが、それぞれ別の部材に設けられる比較例を、図６を用いて説明する。図１と同等の部分には同一の符号を付し、説明を省略又は簡略化する。

図６において、この比較例によるスピンドル装置１Ａでは、主軸３の負荷側を非接触に支持するラジアル・スラスト軸受部６において、第１支持部材１５のスリーブ部１９に上記ラジアル供給口２１，２２が設けられている。一方、スリーブ部１９と小口部１９ａを介して設けられた別体のスラスト部２７に、上記第１スラスト供給口２３が設けられる。

上記のような構造により、この比較例では、第１軸受部材１７に、第１ラジアル供給口２１にラジアル方向に連通するラジアル通路３１の他に、第２ラジアル供給口２２にラジアル方向に連通する専用のラジアル通路３６が設けられる。同様に、スラスト部２７に、第１スラスト供給口２３にスラスト方向に連通する専用のラジアル通路３７が設けられる。この結果、上記負荷（ブレード９）から上記２箇所の軸方向位置のラジアル供給口２１，２２までの間のスラスト方向距離Ｌ１，Ｌ２が比較的大きくなる。

＜実施形態のスラスト方向距離低減効果＞
上記のような比較例に対し、本実施形態では、上記第１及び第２ラジアル供給口２１，２２と第１スラスト供給口２３とが、主軸３の外周部に位置する共通の１つの第１支持部材１５に設けられている。具体的には、第１支持部材１５は、直円筒形状のスリーブ部１９と、その負荷側に位置する略円板形状のスラスト部２０と、を備えている。２箇所の軸方向位置に設けられる上記第１及び第２ラジアル供給口２１，２２は上記スリーブ１９部に配置され、１箇所の軸方向位置に設けられる上記第１スラスト供給口２３は上記スラスト部２０に配置される。

そして、反負荷側の軸方向位置に設けられる上記第１ラジアル供給口２１には、第１軸受部材１７に設けられたラジアル通路３１がラジアル方向に連通している。ハウジング２内に導入された圧縮空気は、空気流通路７から上記ラジアル通路３１を介し上記第１ラジアル供給口２１に導かれ、主軸３に対しラジアル方向から供給される。一方、負荷側の軸方向位置に設けられる上記第２ラジアル供給口２２と、スラスト部２０に設けられた上記第１スラスト供給口２３とには、第１軸受部材１７に設けられた共通のラジアル・スラスト通路３２が連通している。ハウジング２内に導入された圧縮空気は、空気流通路７からラジアル・スラスト通路３２に導入された後、ラジアル方向とスラスト方向とに分岐される。ラジアル方向に分岐された圧縮空気は、ラジアル・スラスト通路３２に対しラジアル方向に連通した上記第２ラジアル供給口２２に導かれ、上記同様、主軸３に対しラジアル方向から供給される。スラスト方向に分岐された圧縮空気は、ラジアル・スラスト通路３２に対しスラスト方向に連通した上記第１スラスト供給口２３に導かれ、ディスク１０に対しスラスト方向から供給される。

上記のような構成及び圧縮空気の流れ構成とすることにより、本実施形態では、図１に示すように、上記負荷（ブレード９）から上記２箇所の軸方向位置の第１及び第２ラジアル供給口２１，２２までの間のスラスト方向距離Ｌ１′，Ｌ２′を、小さくすることができる。特に、共通の１つのラジアル・スラスト通路３２での圧縮空気の流れをラジアル方向とスラスト方向とに分岐して供給口へと導くことにより、上記スラスト方向距離Ｌ１′，Ｌ２′を、別の通路を用いる上記比較例でのスラスト方向距離Ｌ１，Ｌ２よりも、それぞれ確実に小さくすることができる。この結果、上記第１及び第２ラジアル供給口２１，２２から上記負荷（ブレード９）までの支持スパンが短くなり、静圧軸受としての剛性を高めることができる。したがって、主軸３の回転安定性を向上することができ、回転時の振動や騒音を低減することができる。

また、上記のようにして主軸３を回転支持するとき、固定側である第１支持部材１５と回転する主軸３との間には、熱が生じる。特に、第１支持部材１５のうち、スラスト方向において主軸３との対面距離が長いスリーブ部１９において熱が生じやすい傾向となる。そこで、本実施形態では特に、第１軸受部材１７のうち、上記スリーブ部１９の外周側に位置する領域となる、ラジアル通路３１とラジアル・スラスト通路３２との中間部に、冷却水通路３５が設けられる。これにより、当該冷却水通路３５を流れる冷却水により、当該通路３５のラジアル通路３１の側（言い替えれば反負荷側）とラジアル・スラスト通路３２の側（言い替えれば負荷側）とを比較的均等に冷却することができる。この結果、当該第１軸受部材１７の内周側に位置するスリーブ部１９に対し、スラスト方向の広い領域に渡ってまんべんなく冷却を行うことができる。

また、本実施形態では特に、ハウジング２の負荷側に第２軸受部材１８が設けられ、その内周側に第２支持部材１６が設けられる。このとき、第２軸受部材１８と第１軸受部材１７との間に、スペーサ部材２６が介在配置されている。これにより、それら第１軸受部材１７及び第２軸受部材１８のスラスト方向に沿った相対位置の位置決めを確実に行えるとともに、軸受部材を軸受部材１７，１８の分割構造とすることで組立性を向上することができる。

なお、以上既に述べた以外にも、上記実施形態による手法を適宜組み合わせて利用しても良い。

その他、一々例示はしないが、上記実施形態は、その趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更が加えられて実施されるものである。

１ スピンドル装置
２ ハウジング
３ 主軸
４ モータ
５ 反負荷側ラジアル軸受部
６ 負荷側ラジアル・スラスト軸受部
７ 空気流通路
９ ブレード（負荷）
１０ ディスク
１５ 第１支持部材
１６ 第２支持部材
１７ 第１軸受部材
１８ 第２軸受部材
１９ スリーブ部
２０ スラスト部
２１ 第１供給口
２２ 第２供給口
２３ 第１スラスト供給口
２４ 第２スラスト供給口
２５ 凹溝
２６ スペーサ部材
３１ ラジアル通路
３２ ラジアル・スラスト通路
３３ 貫通孔
３４ 転向通路
３５ 冷却水通路

Claims (3)

1. ハウジングと、
   前記ハウジングの反負荷側に設けられたモータと、
   ディスクを有し、前記モータにより回転駆動される主軸と、
   前記主軸にラジアル方向から圧縮空気を供給するラジアル供給口、及び、前記ディスクにスラスト方向に沿って反負荷側から圧縮空気を供給する第１スラスト供給口、を備え、前記主軸を非接触で支持する第１支持部材と、
   前記ハウジングに設けられ、内周側に前記第１支持部材の外周部が固定される第１軸受部材と、を有し、
   前記第１支持部材は、
   前記主軸の外周部に位置するスリーブ部と、
   前記スリーブ部の負荷側に設けられたスラスト部と、を備えており、
   前記ラジアル供給口は、
   第１ラジアル供給口と、前記第１ラジアル供給口よりも負荷側に位置する第２ラジアル供給口とが、前記スリーブ部に設けられており、
   前記第１スラスト供給口は、
   前記スラスト部のうち、軸方向位置が前記第２ラジアル供給口よりも負荷側となる箇所に設けられており、
   前記ハウジングは、
   スラスト方向に貫通して圧縮空気を流通させる空気流通路を備えており、
   前記第１軸受部材は、
   前記空気流通路および前記第１ラジアル供給口と連通するラジアル通路と、前記空気流通路、前記第２ラジアル供給口、および前記第１スラスト供給口と連通するラジアル・スラスト通路と、を備える
   ことを特徴とするスピンドル装置。
2. 前記第１軸受部材は、
   スラスト方向における前記ラジアル通路と前記ラジアル・スラスト通路との中間部に、冷却水通路を備えることを特徴とする請求項１記載のスピンドル装置。
3. 前記ディスクの負荷側における前記主軸の外周部に設けられ、前記ディスクに対しスラスト方向に沿って負荷側から圧縮空気を供給する第２スラスト供給口を備えた、第２支持部材と、
   前記空気流通路および前記第２スラスト供給口と連通する転向通路を備え、かつ、前記ハウジングに設けられるとともに内周側に前記第２支持部材の外周部が固定される、第２軸受部材と、
   前記第１軸受部材と前記第２軸受部材との間に介在配置され、前記転向通路と連通する貫通孔を備えたスペーサ部材と、
   をさらに有することを特徴とする請求項１又は２記載のスピンドル装置。
   

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