JPH0765614B2 - 磁性流体を使用した静圧軸受装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、軸とこれに嵌合される静圧軸受とが相対的
に移動即ち回転又は摺動可能な静圧軸受装置に係り、特
に作動流体として磁性流体を使用した磁性流体を使用す
る静圧軸受装置に関する。

〔従来の技術〕

従来の静圧軸受装置としては、例えば第４図に示す構成
のものが提案されている。

この従来例は、静圧軸受１内に回転軸２が内嵌されてい
る。静圧軸受１の内周面には、所定圧力の作動油が供給
される作動油溜り３と、その軸方向の両端位置に所定間
隔を保って形成された環状の回収溝４と、その外方位置
に形成された環状のシール溝５とが設けられている。そ
して、作動油溜り３には、透孔６を通じて外部の油圧ポ
ンプ７から作動油が供給され、この作動油溜り３から軸
方向に溢出する作動油が回収溝４で回収され、透孔８を
通じてタンク９に戻される。一方、シール溝５には、加
圧気体供給源10からの静圧シール気体が圧力調整弁11及
び透孔12を介して供給され、回収溝４から漏出する作動
油が外部に漏出することを防止する。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、上記従来の静圧軸受にあっては、作動油
の流出による周辺装置の汚染を防止するために、作動油
とシール気体との圧力バランスを保つことにより作動油
の漏出を防止するようにしているので、回収溝で回収し
た作動油をタンクに戻す際に空気が混入したり、回転軸
表面に付着した薄膜作動油の漏出を避けることができ
ず、外部雰囲気から静圧機構を確実に遮断することは不
可能であると共に、半導体製造装置、特に露光装置のよ
うに真空中で使用する場合には、空気シールを適用する
ことは全くできない等の問題点があった。

このような問題点を解決するために、空気シールに代え
てメカニカルシールを使用することが考えられるが、こ
の場合にも、静圧軸受の起動時，負荷変動，熱膨張等の
問題からシール機能を維持するために、作動油回収系の
シール機構周辺部に緩衝材として気体の介在が必要であ
り、この気体が外部に漏出することは避けられないもの
であった。

さらに、静圧軸受に代えて、ころがり軸受を適用するこ
とも考えられるが、この場合には、グリース潤滑が必要
となり、このグリースの油脂分の蒸発により外部雰囲気
を汚染する問題点がある。

そこで、この発明は、上記従来例の問題点に着目してな
されたものであり、静圧軸受の流体として磁性流体を使
用し、この磁性流体の外部への漏出を磁気シールによっ
て防止すると共に、磁性流体を流体溜りに還流する圧送
機構を回収溝に対面して設けることにより、圧送効率を
向上することができる磁性流体を使用した静圧軸受装置
を提供することを目的としている。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、この発明は、軸とこれに嵌
合する静圧軸受とが相対的に移動可能に構成された静圧
軸受装置において、前記静圧軸受は、ケース体を有し、
該ケース体は前記軸との対向面に形成され磁性流体を静
圧保持する流体溜りと、該流体溜りから溢出する磁性流
体を回収する回収溝と、該回収溝と前記流体溜りとを連
通する循環通路と、前記回収溝に軸方向から対面して配
設された圧送機構と、前記ケース体の磁性流体漏出部に
配設された磁気シールとを備え、前記圧送機構は、前記
回収溝に対する隔壁となる可撓性フィルムと、該可撓性
フィルムの前記回収溝とは反対側から当接し、且つ前記
軸と同心的に積層され軸方向に進退駆動される複数の押
圧筒体と、該複数の押圧筒体の循環通路側に形成された
磁性流体の流れ抵抗を変化させる流れ抵抗変化機構とか
ら構成されていることを特徴としている。

〔作用〕

この発明においては、圧送機構によって所定圧力で圧送
される磁性流体が案内軸及びケース体間に形成された流
体溜りに供給されるので、この流体溜り内の磁性流体の
静圧によって軸受としての機能が得られる。また、流体
溜りの軸方向端部に形成された磁気シールによって磁性
流体の外部への漏出を確実に防止することができ、しか
も磁性流体を流体溜りに還流する圧送機構が回収溝に対
面して設けられているので、圧送機構による加圧面積を
大きく採ることができ、圧送効率を向上させることがで
きる。

〔実施例〕

以下、この発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図はこの発明の一実施例を示す断面図である。

図中、１は静圧軸受、２は静圧軸受１に回転自在で且つ
摺動自在に内嵌された回転軸である。

静圧軸受１は、非鉄金属合成樹脂等の非磁性体で成形さ
れ回転軸２の外形より僅かに大きい内径を有する円筒状
のケース体21を備えている。このケース体21は軸方向に
３分割され、各分割体21a〜21cが液密に接合されてい
る。分割体21bの内周面の軸方向中央部には、作動流体
としての磁性流体を静圧保持する凹所からなる流体溜り
22がｘ方向ｙ方向にそれぞれ対向するよう円周方向に４
個所形成されている。ここで、磁性流体としては、液相
中に微細なマグネタイト等の磁性粉末を極めて安定に分
散させたコロイド溶液で、重力あるいは磁場などによっ
て凝集、沈降などの固液分離が起こらず、みかけ上液体
自身が磁性をもっているごとくふるまう性質を示すもの
を適用し得る。

一方、分割体21a及び21cの内周面における外部に磁性流
体が漏出する軸方向の両端部には、それぞれ磁気シール
23L,23Rが配設されている。これら磁気シール23L,23R
は、軸方向にＮ−Ｓに着磁されたリング状の永久磁石24
と、その軸方向両端部に固着されたリング状の磁気ヨー
ク25a,25bとから構成されている。ここで、磁気ヨーク2
5a,25bは、その内径が回転軸２の外径より僅かに大きく
選定され、これら磁気ヨーク25a,25b間に形成される磁
界によって後述する磁性流体を吸着し、磁性流体の外部
への漏出を確実に防止する。

また、ケース体21の内周面における流体溜り22と磁気シ
ール23L及び23Rとの間すなわちら分割体21bの両端部
に、流体溜り22にランド26及び回転軸２の外周面で形成
される僅かな間隙27を介して連通する円環状の回収溝28
L,28Rが形成され、ケース体21内に回収溝28L,28Rと流体
溜り22とを固定絞りＯを介して連通する循環通路29が形
成されている。

回収溝28L,28Rには、その軸方向の外側に対面して、磁
性流体を流体溜り22に圧送して流体溜り22内の磁性流体
の静圧を所定値に維持するための圧送機構30L,30Rが連
接されている。

圧送機構30L,30Rのそれぞれは、第２図に拡大図示した
ように、ケース体21の回収溝28L,28Rに対向する位置に
回転軸２と同心的な円環状凹部31が形成され、この凹部
31の開口部を覆うように可撓性を有する例えばダイアフ
ラム等のフィルム32が固着され、このフィルム32によっ
て凹部31と回収溝28L,28Rとが隔絶されている。そし
て、円環状凹部31内に押圧筒体としての圧電素子で構成
される２つの押圧円筒体33及び34が軸方向に伸縮可能に
積層されて配設され、またケース体21の円環状凹部31よ
り循環通路29側に磁性流体の逆流を防止すべく流れ抵抗
変化機構としての電磁石35が配設されている。各押圧円
筒体33及び34は、ケース体21の外部に設けられた駆動回
路36によって所定順序で且つ所定サイクルで通電され、
これによって円筒体33及び34の軸方向長さが伸縮し、且
つ電磁石35も円筒体33及び34の通電に同期して駆動回路
36によって通電駆動される。ここで、円筒体33及び34の
通電順序及び電磁石36の通電駆動は、各円筒体33及び34
が非通電状態にあって、それらの内方端面が円環状凹部
31の開口端より僅かに突出しており、回収溝28L,28Rの
容積が大きく、且つ電磁石35が通電されてこの電磁石位
置での磁性流体の移動抵抗を変化させ見かけ上の粘性を
上げることにより、循環通路29側からの磁性流体の流入
が抑制されているものとすると、この状態では、流体溜
り22からランド26の内周面及び回転軸２の外周面間の間
隙を介して溢出する磁性流体が回収溝28L,28R内に回収
される。この状態で、駆動回路36によって、内方の円筒
体33に通電して、これを伸長させてその内方端面をケー
ス体21の対向側壁に当接させることにより、磁性流体を
閉じ込め、次いで駆動回路36によって、外方の円筒体34
に通電して、これを上記円筒体33と同様に対向側壁に当
接させると共に、駆動回路36により電磁石35の通電を遮
断することによって、磁性流体の循環炉29側への移動抵
抗を減少させて磁性流体を循環通路29に圧送する。

なお、37L,37Rはそれぞれ磁気シール23L,23Rの外側に形
成された外部からの塵埃の侵入を阻止するダストシール
である。

次に、上記実施例の動作を説明する。

今、回転軸２が停止状態にあり、且つ静圧軸受１におけ
る圧送機構30L,30Rの駆動回路36から押圧円筒体33,34及
び電磁石36に対して電流が出力されていないものとする
と、この状態では、圧送機構30L,30Rの円筒体33及び34
が縮小状態にあり、磁性流体の圧送を停止している状態
であるので、流体溜り22内の磁性流体の静圧は零とな
り、静圧軸受１のランド26と回転軸２とが接触して、ラ
ンド26によって回転軸２を支持している。このとき、磁
性流体は、流体溜り22、回収溝28L,28R及び循環通路29
内に分散されており、回収溝28L及び28Rの外側には、磁
気シール23L及び23Rが配置されているので、その磁力に
よって外部に漏出しようとする磁性流体が吸着されるこ
とにより磁性流体の外部への漏出が確実に防止されてい
る。

この停止状態から回転軸２を回転のため静圧支持させる
には、まず、駆動回路36を起動して、圧送機構30L,30R
を作動させる。すなわち、電磁石35に駆動回路36から電
流が供給されて、これが励磁されることにより、この電
磁石35近傍の磁性流体は、見かけ上粘土が高くなり、磁
性流体の循環通路29から回収溝28L,28R側への流入が抑
制され、これと同時に又は僅かに遅れて内方の円筒体33
に駆動回路36から電流が供給され、これが伸長してその
内方端面がケース体21の対向側壁に当接し、磁性流体を
電磁石35及び円筒体33間に閉じ込める。次いで、駆動回
路36から電磁石35に供給されている電流が遮断され、こ
れによって循環通路29と回収溝28L,28Rとの間の磁性流
体の見かけ上の粘土が低下して磁性流体が容易に流動可
能な状態となる。これと同時又は僅かに遅れて円筒体34
に駆動回路36から電流が供給されて、これが軸方向に伸
長する。この円筒体34の伸長に伴って、電磁石35及び円
筒体33間に閉じ込められていた磁性流体が循環通路29に
圧送され、この循環通路29及び固定絞りＯを介して流体
溜り22に送給される。したがって、流体溜り22内の磁性
流体の静圧が、圧送される磁性流体量とランド26及び回
転軸２間の間隙を介して溢出する磁性流体量との差に応
じて上昇し、圧送機構30L,30Rからの磁性流体の圧送を
繰り返すことにより、流体溜り22内の磁性流体が所定の
静圧に保持される。

このように、流体溜り22内の磁性流体が所定の静圧に保
持されると、この静圧によって回転軸２が静圧軸受１の
ランドから浮上した状態にとなり、この状態で回転軸２
を回転させると、回転軸２及び静圧軸受１間の摩擦抵抗
が極めて小さくなり、その回転を円滑に行うことができ
る。このとき、流体溜り22から軸方向に溢出する磁性流
体は、回収溝28L,28Rによって回収され、圧送機構30L,3
0Rに戻されて循環通路29を介して強制循環されるが、回
収溝28L,28Rから外方に漏出する磁性流体は、ケース体2
1の軸方向端部に配設された磁気シール23L,23Rによって
ケース体21外への漏出が確実に阻止され、外部雰囲気の
汚染を防止すると共に、磁性流体の目減りを防止するこ
とができる。

また、磁性流体の循環通路及び圧送機構がケース体21内
に設けられているので、磁性流体の循環路長を短縮する
ことができ、必要とする高価な磁性流体の量を少なくす
ることができ、製造コストを低減することができる。

なお、上記実施例においては、円筒状外周面を有する回
転軸２を支持する場合について説明したが、回転軸に代
えて固定軸を適用し、これに静圧軸受１を軸方向に摺動
させる所謂スライダとして使用することもできる。

また、上記実施例においては、静圧軸受１を回転軸２に
外嵌した場合について説明したが、これに限らず中空円
筒状の回転軸に静圧軸受を内嵌させる構造の静圧軸受と
することもできることは勿論である。

さらに、上記実施例においては、圧送機構30L,30Rの圧
電素子で構成された２つの押圧円筒体33,34を積層した
場合について説明したが３以上の押圧円筒体を積層して
これらを順次駆動するようにしてもよく、また押圧円筒
体としては、圧電素子で構成する場合に限定されるもの
ではなく、非伸縮形の押圧円筒体33,34を電磁ソレノイ
ド等の別体の駆動機構によって進退制御するようにして
もよい。

またさらに、磁性流体の循環通路29からの回収溝28L,28
Rへの流入を抑制する流れ抵抗変化機構としては、電磁
石35に限定されるものではなく、第３図に示すように、
弁座41にスプリング42によって当接された弁としてのボ
ール43を有する逆止弁44を適用するようにしてもよく、
さらに圧送機構30L,30Rの圧電素子33,34の端面を直接回
収溝28L,28Rを形成する側壁に対向させる場合に限ら
ず、第３図に示すように、回収溝となる環状の凹所45内
に間座46を固着し、この間座46の端面と圧電素子33,34
の端面を対向させるようにしてもよい。

また、ケース体21としては、筒状に形成する場合に限ら
ず、円周上の一部を削除したＣ字状，コ字状等の開環状
に形成してもよく、この場合には、磁気シールを軸方向
端部のみならず、周方向の両端部にも形成して磁性流体
の外部への漏出を防止するようにすればよい。

〔発明の効果〕

以上説明したように、この発明によれば、静圧軸受と軸
とを相対的に浮上させる静圧発生流体として磁性流体を
適用し、これを回転軸との対向面に形成した流体溜りに
所定の静圧を保持するように圧送することにより、軸と
静圧軸受との間に磁性流体の薄膜を介在させた状態にで
きるので、両者の相対的移動を円滑に行うことができ、
また流体溜りから溢出する磁性流体を回収する回収溝に
対面して圧送機構を設けたので、磁性流体に対する加圧
面積を大きく採ることができ、磁性流体の圧送流量及び
吐出圧力を大きくして圧送効率を向上させることがで
き、しかもケース体の磁性流体漏出部に磁気シールを形
成したので、この磁気シールによって気体の存在を必要
とすることなく確実に磁性流体の漏出を防止することが
でき、磁性流体の漏出によって外部雰囲気を汚染するこ
とがなく、真空中においても何ら不都合を生じることな
く適用することができ、また、ケース体に磁性流体の循
環通路及び圧送機構を内装したので、全体の磁性流体を
収容する容積を減少させることができ、全体の構成を簡
易小型化することができると共に、高価な磁性流体の必
要量を極力抑えることができ、安価に製造することがで
きる等の効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す横断面図、第２図は
この発明に適用し得る圧送機構の一例を示す拡大断面
図、第３図は圧送機構の他の例を示す拡大断面図、第４
図は従来例を示す断面図である。 図中、１は静圧軸受、２は回転軸、21はケース体、22は
流体溜り、23L,23Rは磁気シール、28L,28Rは回収溝、29
は循環通路、30L,30Rは圧送機構、31は円環状凹部、32
はフィルム、33,34は円筒体、35は電磁石（逆流防止機
構）、36は駆動回路、44は逆止弁である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】軸とこれに嵌合する静圧軸受とが相対的に
   移動可能に構成された静圧軸受装置において、前記静圧
   軸受は、ケース体を有し、該ケース体は前記軸との対向
   面に形成され磁性流体を静圧保持する流体溜りと、該流
   体溜りから溢出する磁性流体を回収する回収溝と、該回
   収溝と前記流体溜りとを連通する循環通路と、前記回収
   溝に軸方向から対面して配設された圧送機構と、前記ケ
   ース体の磁性流体漏出部に配設された磁気シールとを備
   え、前記圧送機構は、前記回収溝に対する隔壁となる可
   撓性フィルムと、該可撓性フィルムの前記回収溝とは反
   対側から当接し、且つ前記軸と同心的に積層され軸方向
   に進退駆動される複数の押圧筒体と、該複数の押圧筒体
   の循環通路側に形成された磁性流体の流れ抵抗を変化さ
   せる流れ抵抗変化機構とから構成されていることを特徴
   とする磁性流体を使用する静圧軸受装置。
2. 【請求項２】前記圧送機構の押圧筒体は、圧電素子で構
   成されている特許請求の範囲第１項記載の磁性流体を使
   用する静圧軸受装置。