JP5920058B2 - スピンドル装置、並びにそれを備えた工作機械及び半導体製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、スピンドル装置、並びにそれを備えた工作機械及び半導体製造装置に関し、特に、工作機械や半導体製造装置に用いられ、回転軸内に軸方向に移動可能なシリンダ機構を備えたスピンドル装置、並びにそれを備えた工作機械及び半導体製造装置に関する。

従来より、工作機械や半導体製造装置に用いられ、回転軸内に軸方向に移動可能なシリンダ機構を備えた、いわゆるリフト機構付スピンドル装置としては、特許文献１に記載されたような技術が開示されている。
特許文献１に記載されたスピンドル装置は、ディスク回転支持装置として適用されるものであり、回転軸内にシリンダ機構が配置され、シリンダの回転軸への押付けは、内蔵されたコイルばねの弾性力を利用している。

特開平１１−０７３６８８号公報

しかしながら、特許文献１に開示された技術においては、シリンダの回転軸への押付け力を確保するために、ばねのばね定数を大、あるいは予圧量を大とすると、上昇時に必要となる力を得るために、シリンダの断面積を大きくする必要があり、これに伴って回転軸の軸径も大きくなる。その結果、回転軸全体の慣性モーメントが大きくなり、回転モータにかかる負荷を考慮する必要があった。
そこで、本発明は上記の問題点に着目してなされたものであり、その目的は、回転モータにかかる負荷を軽減することができるスピンドル装置、並びにそれを備えた工作機械及び半導体製造装置を提供することにある。

前記課題を解決するため、本発明者が鋭意検討を重ねた結果、シリンダの回転軸への押付け力として、コイルばねによる弾性力を用いるのではなく、シリンダ及び回転軸のそれぞれの当接する部材間に設けた空間を真空吸引することで発生する圧力差を用いることが回転モータにかかる負荷を軽減するために有効であることを知見した。
本発明は、本発明者らによる上記知見に基づくものであり、上記課題を解決するための本発明の請求項１に係るスピンドル装置は、前端部にフランジ部が設けられた円筒形状の回転軸と、該回転軸内で前後移動可能かつ回転可能に配設され、前記フランジ部の前面に対向する後面を有するキャップ部を前端部に設けたシリンダとを有し、
前記フランジ部の前面及び前記キャップ部の後面の少なくとも何れかには、前記フランジ部の前面と前記キャップ部の後面とが当接した際に閉空間を形成する凹部が設けられ、
前記閉空間を減圧して、前記閉空間に生じる差圧で、前記フランジ部と前記キャップ部とを互いに保持させる保持制御部が設けられたことを特徴としている。

また、本発明の請求項２に係るスピンドル装置は、請求項１に記載のスピンドル装置において、前記フランジ部と前記キャップ部とがそれぞれ嵌合可能なテーパ形状をなしていることを特徴としている。
また、本発明の請求項３に係る工作機械は、請求項１又は２に記載のスピンドル装置を備えたことを特徴としている。
また、本発明の請求項４に係る半導体製造装置は、請求項１又は２に記載のスピンドル装置を備えたことを特徴としている。

本発明によれば、回転モータにかかる負荷を軽減することができるスピンドル装置、並びにそれを備えた工作機械及び半導体製造装置を提供することができる。

本発明に係るスピンドル装置の第１の実施形態における構成を示す軸方向に沿う断面図である。 本発明に係るスピンドル装置の第１の実施形態における動作を示す軸方向に沿う断面図である。 本発明に係るスピンドル装置の第１の実施形態における動作を示す軸方向に沿う断面図である。 本発明に係るスピンドル装置の第１の実施形態における動作を示す軸方向に沿う断面図である。 本発明に係るスピンドル装置の第２の実施形態における構成を示す軸方向に沿う断面図である。 本発明に係るスピンドル装置の第２の実施形態における動作を示す軸方向に沿う断面図である。 本発明に係るスピンドル装置の第２の実施形態における動作を示す軸方向に沿う断面図である。 本発明に係るスピンドル装置の第２の実施形態における動作を示す軸方向に沿う断面図である。

以下、本発明に係るスピンドル装置の実施形態について図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明に係るスピンドル装置の第１の実施形態における構成を示す軸方向に沿う断面図である。また、図２〜４は、本発明に係るスピンドル装置の第１の実施形態における動作を示す軸方向に沿う断面図である。なお、本実施形態の説明においては、図１〜４の上方を前方、図１〜４の下方を後方として説明する。また、説明の便宜上、図１〜４においてハッチング表示は省略する。

＜構成＞
図１に示すように、本実施形態のスピンドル装置１は、回転軸１０と、シリンダ２０と、保持制御部３０とを有する。これらのうち、回転軸１０とシリンダ２０とがスピンドルユニット２を構成する。
＜回転軸＞
回転軸１０は、中空の円筒形状をなす。回転軸１０の内部には、前後移動可能かつ回転可能にシリンダ２０が配設されている。
また、回転軸１０の前端部には、フランジ部１１が設けられている。

＜シリンダ＞
シリンダ２０は、円柱形状をなし、中空の円筒形状をなす回転軸１０の内部に、前後移動可能かつ回転可能に配設される。
シリンダ２０の前端部には、キャップ部２１が固定されている。このキャップ部２１の前面２１ａには、真空チャック２３が搭載されている。この真空チャック２３には、ワーク５０が吸着保持される。すなわち、シリンダ２０は、その前端部にワーク５０が吸着保持された真空チャック２３を搭載して、回転軸１０に対して前後方向（図１における上下方向）に動作する。
一方、キャップ部２１の後面２１ｂは、フランジ部１１の前面１１ａに対向し、前面１１ａに当接可能とされる。

＜凹部＞
ここで、フランジ部１１の前面１１ａ及びキャップ部２１の後面２１ｂの少なくとも何れかには、フランジ部１１とキャップ部２１とが当接した際に閉空間Ｓを形成する凹部１２（２２）が設けられる。すなわち、平坦に形成された前面１１ａと凹部２２が形成された後面２１ｂとによってフランジ部１１とキャップ部２１とが当接した際に閉空間Ｓが形成されてもよいし、凹部１２が形成された前面１１ａと、平坦に形成された後面２１ｂとによってフランジ部１１とキャップ部２１とが当接した際に閉空間Ｓが形成されてもよいし、凹部１２が形成された前面１１ａと、凹部２２が形成された後面２１ｂとによってフランジ部１１とキャップ部２１とが当接した際に閉空間Ｓが形成されてもよい。なお、図１では、凹部１２のみ形成された態様を示した。
特に、前面１１及び後面２１ｂの少なくとも何れか一方の外縁部に、前面１１と後面２１ｂとの接触面が形成されるように、凹部１２（２２）を設けるようにすると、同一の押付け力でも大きなトルクを伝達可能となる。

＜保持制御部＞
保持制御部３０は、フランジ部１１とキャップ部２１とが当接した際に形成される閉空間Ｓに連通する経路６０と共に構成され、かかる経路６０を介して閉空間Ｓに給排気して圧力制御する手段である。具体的には、前面１１及び後面２１ｂの少なくとも何れか一方に連通する経路６０を介して保持制御部３０が、閉空間Ｓを減圧して、該閉空間Ｓに生じる差圧で、フランジ部１１とキャップ部２１とを互いに保持させる手段である。保持制御部３０としては、例えば、真空ポンプ等が挙げられる。なお、以下の「給排気」の説明では、保持制御部３０と同様に真空ポンプ等が用いられる。

ここで、前述したように、シリンダ２０は、前側より中間位置まで軸方向に中空となっており、主軸の中ほどに設けた真空チャック２３の給排気経路６１と連通しており、真空チャック２３の圧力制御ができるようになっている。なお、シリンダ２０は、半径方向に穴が貫通しているとともに、回転軸１０の内径よりも径が小となっている。これは、回転軸１０のある排気穴とシリンダ２０の位相によって、排気抵抗が著しく変化しないための構造である。真空チャック２３は、例えば、チャック面に多孔質部材が用いられた構成を採用することができるが、ワーク５０を吸着保持する構成であれば、特に制限はなく、細穴を多数設けた構造など種類は問わない。

また、シリンダ２０の後部には、ばね手段７０とシリンダ２０を前後移動させる圧力容器となる空間が設けられる。このように、本実施形態のスピンドル装置においては、シリンダ２０の構造が単動（型）構造であることが好ましい。シリンダ２０にばね手段７０を用いた単動構造としたことは、回転する主軸内に設けた圧力空間への給排気構造をシンプルとして、シリンダ２０の軸方向長さを短くするためである。ここで、シリンダを複動（型）構造とすると、真空チャックの２３の給排気経路６１と隣り合う部位に正圧の空間を設けることになる。そして、この正圧の影響を受けなくするためには、ラビリンスの隙間を狭くするなどの工夫が必要となる。

そこで、本実施形態では、ばね力と真空排気とを利用した単動（型）構造を採用している。
その結果、真空排気によって、真空チャック２３の給排気経路６１の排気が乱されることがない、という効果を奏する。
特に、真空チャック２３は、回転時に強い保持力が必要となる。
したがって、回転時（シリンダ２０が下降時）に、真空チャックの２３の給排気経路６１の排気が強く、上昇時はワーク５０がずれ落ちない程度の保持力を要すると想定すると、本実施形態のスピンドル装置の構造は、その構造がシンプルであること以外に、単動（型）として、真空排気で駆動するメリットが明らかであるといえる。
また、ばね手段７０は、その構造のなかでストローク端において滑らかに速度を停止させるための手段である。このばね手段を用いた単動式のシリンダ構造は、本実施形態に固有の技術ではなく、一般的な構成である。

また、スピンドルユニット２を格納するハウジング３と、回転軸１０との間には、軸受部８０が複数設けられる。軸受部８０に関しては、多孔質絞りを採用した一般的な静圧気体軸受を採用している。軸受８０の構造そのものは、本実施形態に固有のものではないため、詳細な説明は省略する。なお、静圧気体軸受のしぼり形式は、自成絞り、オリフィス絞り、表面絞りなどその種類を問うものではない。ただし、後述のシール効果を得るためには、流量が小となる多孔質絞りが最も適している。
なお、本実施形態では、前側のスラスト軸受８１とラジアル軸受８２の間の排気をスピンドル外へ排気する流路は、従来（例えば後側）と異なる構造を採用している。これは、後述のシール構造を採用するための構造である。

＜経路＞
本実施形態では、閉空間Ｓに連通する経路６０としての「シリンダ２０の押付け用の給排気経路６０」が回転軸１０及びハウジング３に設けられている。また、回転軸１０及びハウジング３には、「真空チャック２３の給排気経路６１」、「シリンダ２０の上下用の給排気経路６２」、「静圧気体軸受の排気経路６３」、「シリンダ給気の漏れ排気経路６４」も設けられている。
ここで、上記経路６０〜６４は、回転軸１０とシリンダ２０との間に形成される空間への給排気経路であるため、以下の構成を採用している。

給排気の経路６０〜６４は、スピンドルユニット２を格納するハウジング３に半径方向に形成された連通穴を介して回転軸１０の外周面に流路が形成される。なお、回転軸１０の位相による流路抵抗が著しく変化しないように、ハウジング３内には溝が設けられている。特に、「シリンダ給気の漏れ排気経路６４」は、シリンダ２０に正圧を給気したとき、「真空チャック２３の給排気経路６１」の排気に影響を与えないための排気系統手段として設けられたものである。
また、回転軸１０の外周面にて給気する気体が回転軸１０の前後方向へ流れない、あるいは排気する場合は、回転軸１０の外周面の気体を排気して排気効率を低下させないようにシール構造が設けられている。

［シール構造］
シール構造としては、本実施形態では、数〜数十μｍの隙間となるシール構造（ラビリンス構造）を採用した。これは、非接触式の静圧気体軸受の特徴を活かすために非接触式のシール構造を採用したものである。
ラビリンスシールの外側には、前後に隣り合う静圧軸受や給排気ポートの圧力の影響を軽減するために、スピンドル装置１の周囲の圧力とほぼ同一となるような、ハウジング３内に溝及び半径方向に連通した穴、すなわち開放ポートが設けられている。
回転軸１０には、それぞれの給排気経路６０〜６４を構成するために半径方向の穴が配置されている。図１では、各１本の位相に見える箇所もあるが、貫通させて１８０度の位相の経路を２本、９０度の位相の経路を４本にするなど適宜変更可能である。

なお、本実施形態では、ラビリンスシールを構成するハウジング３に摺動性に優れるカーボンなどを採用しておりハウジング３と別体構造としている。また、ハウジング３と同一材にて一体構造とすることも可能である。前側に関しては、スラスト軸受８１の部材をラビリンスシール部材として採用している。このスラスト軸受８１は、スラスト面は気体が連通する多孔質絞りとなっているものの、ラビリンスシールとなるラジアル面は、樹脂などによる封孔処理にて気体の連通は無い状態となっていることが好ましい。

＜動作＞
図２〜４は、本実施形態のスピンドル装置の動作を示す軸方向に沿う断面図であり、図２は、ワークを吸着してスピンドルが回転動作している際の給気・排気状態を示す図、図３は、回転を停止し、リフトを前側（上側）へ移動開始する際に必要な動作を示す図、図４は、図３の後、シリンダに正圧を給気してシリンダを上昇させている状態を示す図である。

図２及び図３に示すように、スピンドル装置１の閉空間Ｓ内が大気圧もしくは大気圧より若干上回るとなった後にリフトを上昇させる。そのため、前側を大気圧もしくは大気圧よりも若干高い圧力を給気する。この際、シリンダ２０は、ばね力や重力で後側に配置しているため、シリンダ２０内を次の動作に備え大気圧と同一もしくは若干低い圧力（低真空）へと排気を緩めることが好ましい。
その後、図４に示すように、シリンダ２０の動作が滑らかになるように、給気経路に絞りを配置して流入量が大とならないようにすべきである。
移動完了は、ばね力による反力よりも前方向への押付け力が若干上回る程度として滑らかに停止するようにさせる。

また、本実施形態のスピンドル装置は、工作機械及び半導体製造装置に備えられることで、様々な条件や環境（高速条件下、腐食環境下、高温環境下、真空環境下、清浄雰囲気中、高荷重下）において、長寿命等、好適な工作機械及び半導体製造装置を提供することができる。

（第２の実施形態）
図５は、本発明に係るスピンドル装置の第２の実施形態における構成を示す軸方向に沿う断面図である。また、図６〜８は、本実施形態のスピンドル装置の動作を示す軸方向に沿う断面図であり、図６は、ワークを吸着してスピンドルが回転動作している際の給気・排気状態を示す図、図７は、回転を停止し、リフトを前側（上側）へ移動開始する際に必要な動作を示す図、図８は、図７の後、シリンダに正圧を給気してシリンダを上昇させている状態を示す図である。なお、本実施形態のスピンドル装置は、キャップ部２１及びフランジ部１１の形状が上述した第１の実施形態と異なるだけであるため、第１の実施形態と重複又は相当する部材等については図に同一符号を付して説明を省略する。また、本実施形態においても、説明の便宜上、図５〜８においてハッチング表示を省略する。

図５〜８に示すように、本実施形態のスピンドル装置１は、キャップ部２１の内周面２１ｃ、及びフランジ部１１の外周面１１ｃを、互いに嵌合可能なテーパ形状とした。これにより、閉空間Ｓの断面積・圧力が第１の実施形態と同一であっても、クサビ効果により大きな力を発揮させる。クサビ効果は、テーパ角を２θとした場合に、１／ｔａｎθ倍の摩擦力を得るものである。そのため、θが小となるほど大きな摩擦力を得ることができる。このキャップ部２１の内周面２１ｃ、及びフランジ部１１の外周面１１ｃを、互いに嵌合可能なテーパ形状としたことによるクサビ効果で、押付け力の数〜数十倍以上（１／ｔａｎθ倍）の保持力が得られる。

テーパ角２θは小さいほど摩擦力を大とできる反面、シリンダ２０を前側に移動させる際、つまり、キャップ部２１とフランジ部１１との嵌合をはずす際の力が大きくなる傾向にある。それぞれのテーパ面の摩擦係数を０．１とした場合に、θ＝２．８６°にて挿入力と外す力＝引抜き力が吊りあう。（θ＝２．８６°における１／ｔａｎθ＝２０）
挿入力は自重＋真空による差圧（最大１気圧）に対し、引抜においては正圧を用いるため、例えばθ＝２°として０．２９ＭＰａ（大気圧：０．１ＭＰａのため０．１９ＭＰａ（ゲージ圧））を供給することで外すこともできる。ただし、挿入が外れた際に、シリンダ２０に作用している力が、シリンダ２０を前側へ加速させる力となり、前側へ飛び出る恐れもある。

そこで、本実施形態では、テーパ面に直接給気する流路及び、フランジ部１１の外周面に溝を設けてもよい。この溝の内部が正圧となることで、（部品の加工精度のために構成される隙間や、キャップ側が弾性変形することで生じる隙間などに）テーパ面に空気膜を形成して前述の引抜き力よりも小さな力で、キャップ部２１とフランジ部１１との嵌合が滑らかに外れるようになっている。
なお、本実施形態においては、上述の第１の実施形態に対し、図７に示すように、シリンダ２０内部を大気圧あるいは正圧として、シリンダ２０を後側へ吸引しない構成が必要である。

以上説明したように、本発明によれば、押付け力がシリンダ２０の断面積によらないため、シリンダ２０のシャフト径を小とし、これにより回転軸１０の軸径も小とすることができる。これにより、回転軸１０の全体の慣性モーメントを小とすることができ、結果として、回転モータに対する負荷を軽減し、同一の加減速を求める使用条件に対してモータ容量を削減することができる。

また、キャップ部とフランジ部との摩擦面が回転中心から離れた位置になるため同一の押付け力であっても、保持トルクを大とすることが可能である。
さらに、押付け力が必要な場合、あるいは、高速回転におけるアンバランスを避けるためには、キャップ部とフランジ部とをテーパ嵌合として、同一の押付け力で得られる摩擦による保持力を高めるとともに、回転軸とシリンダの同軸を管理することでアンバランスを低減することができる。

また、本実施形態のスピンドル装置も、工作機械及び半導体製造装置に備えられることで、様々な条件や環境（高速条件下、腐食環境下、高温環境下、真空環境下、清浄雰囲気中、高荷重下）において、長寿命等、好適な工作機械及び半導体製造装置を提供することができる。
以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明はこれに限定されずに、種々の変更、改良を行うことができる。

１ スピンドル装置
１０ 回転軸
１１ フランジ部
１１ａ 前面
２０ シリンダ
２１ キャップ部
２１ｂ 後面
３０ 保持制御部

Claims (4)

1. 前端部にフランジ部が設けられた円筒形状の回転軸と、該回転軸内で前後移動可能かつ回転可能に配設され、前記フランジ部の前面に対向する後面を有するキャップ部を前端部に設けたシリンダとを有し、
   前記フランジ部の前面及び前記キャップ部の後面の少なくとも何れかには、前記フランジ部の前面と前記キャップ部の後面とが当接した際に閉空間を形成する凹部が設けられ、
   前記閉空間を減圧して、前記閉空間に生じる差圧で、前記フランジ部と前記キャップ部とを互いに保持させる保持制御部が設けられたことを特徴とするスピンドル装置。
2. 前記フランジ部と前記キャップ部とがそれぞれ嵌合可能なテーパ形状をなしていることを特徴とする請求項１に記載のスピンドル装置。
3. 請求項１又は２に記載のスピンドル装置を備えたことを特徴とする工作機械。
4. 請求項１又は２に記載のスピンドル装置を備えたことを特徴とする半導体製造装置。

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