JPS63149411A - 磁性流体を使用した静圧軸受装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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８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Ｉ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１
１及び透孔１２を介して供給され、回収溝４から溢出す
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、空気シールを通用するこ
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、ころがり軸受を通用するこ
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非圧縮性の磁
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ことにより、上記従来例の問題点
を解決することができる磁性流体を使用した静圧軸受を
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、
該ケース体の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、該流体溜りの軸方向端部に当該
流体溜りから溢出する磁性流体を回収する回収溝を形成
し、前記ケース体の磁性流体漏出部に磁気シールを形成
し、前記回収溝と前記流体溜りとの間に磁性流体を循環
する循環通路を形成し、該循環通路の途中に磁性流体を
前記流体溜りに圧送する圧送機構を設けたことを特徴と
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ＥＮ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
磁性流体の循環通路及び圧送機構がケース体内に設けら
れているので、磁性流体の通路長が短くなり、必要とす
る磁性流体の量は少なくしてよい。

〔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図はこの発明の第１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２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である流体溜り
２２がＸ方向Ｘ方向にそれぞれ対向するよう円周方向に
４ケ所形成されている。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、ケース体２１の内周面におけ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ＮＳ
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２５ａ、２
５ｂ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を介して連通ずる円環状の回収溝２８Ｌ、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０を介して連通ずる循環通路２
９が形成されている。

この循環路２９には、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が介装されている。

圧送機構３０Ｌ、３０Ｒは、循環通路２９に巻装された
３相励磁コイル３１ａ〜３１ｃで構成され、各励磁コイ
ル３１３〜３１Ｃに駆動回路３２から順次所定周波数の
三相交流を供給することによって移動磁界を形成し、こ
の移動磁界により磁性流体を吸引して流体溜り２２の中
央部に例えば０、０６　ｃｃ／ｓｅｅ程度の流量で且つ
５ｋｇ／ｃｒＡ程度の吐出圧力で圧送する。

なお、３３Ｌ、３３Ｒはそれぞれ磁気シール２３Ｌ、２
３Ｒ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、上記第１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３２から電流が出
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で移動磁界が形成されず、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、２８Ｒの外側には、磁気シール２３
Ｌ、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３２を起動して、これから圧送機
構３０Ｌ、３０Ｒの励磁コイル３１ａ〜３１Ｃに所定サ
イクルで電流を供給して流体溜り２２の中央部に向かう
移動磁界を形成することにより、磁性流体が流体溜り２
２に圧送され、この流体溜り２２内の磁性流体の静圧が
所定圧力に維持される。このため、静圧軸受Ｉの内周面
と回転軸２の外周面との間に磁性流体の薄膜が形成され
半径方向における間隙が均一となって、回転軸２が静圧
軸受１内で浮上し、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から溢出する磁性流体は、回
収溝２８Ｌ、２８Ｒによって回収され、循環通路２９を
介して圧送機構３ＱＬ、３０Ｒに戻されて強制循環され
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２１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、上記第１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。

この場合の第２の実施例を、第２図により説明する。固
定軸３４が断面方形であるときには、ケース体２１の中
心開口を断面方形とし、固定軸３４の各面に対向する内
周面にそれぞれ互いに独立した流体溜り２２ａ〜２２ｄ
を形成し、これら流体溜り２２ａ〜２２ｄの周囲にそれ
ぞれランド３５ａ〜３５ｄを形成し、これらランド３５
ａ〜３５ｄ間に互いに連通ずる回収溝３６ａ〜３６ｄを
形成し、回収溝３６ａ〜３６ｄで回収した磁性流体を独
立した圧送機構３７ａ〜３７ｄによって循環通路を介し
て流体溜り２２ａ〜２２ｄに循環させるようにすればよ
い。

ここで、静圧軸受１と固定軸３４との間の軸方向と直交
する面内におけるＸＹ方向の相対変位をそれぞれ第２図
で鎖線図示の変位検出器３日及び３９で検出し、それら
の検出値に応じて各圧送機構３７ａ〜３７ｄの磁性流体
圧送量を制御することにより、固定軸３４の外周面と静
圧軸受１の内周面との間隙を均一とした状態で静圧軸受
１を浮上させることができる。

また、上記実施例においては、静圧軸受ｌに回転軸２を
外嵌した場合について説明したが、これに限らず円筒状
の静圧軸受を固定の軸に外嵌させるようにしてもよいこ
とは勿論である。

次に、この発明の第３実施例を第３図及び第４図につい
て説明する。

この第２実施例は、外圧軸受をラジアル及びスラスト軸
受に適用した場合の実施例であり、回転軸２の端部が外
方に行くに従い大径となるテーパー状部２ａとその端縁
の軸方向と直交する平端面２ｂとを有し、これに応じて
静圧軸受１がテーパー状部２ａを受けるラジアル軸受部
１ａと平端面２ｂを受けるスラスト軸受部１ｂとが合体
されて構成されている。

すなわち、ラジアル軸受部１ａは、回転軸２の円筒外面
に対向する円筒内面４１ａと、これに連接して回転軸２
のテーパ一部２ａに対向するテーパー内面４１ｂとを有
する筒状ケース体４２で構成されている。円筒内面４１
ａの上端側には、ダストシール４３及び磁気シール４４
が設けられ、テーパー内面４１ｂには、円周方向に４等
分して配された流体溜り４５．４６が軸方向に所定の間
隔を保って２つ並列関係に形成され、流体溜り４５及び
磁気シール４４間と流体溜り４５及び４６間とにそれぞ
れに環状の回収溝４７及び４日が形成され、且つ隣接す
る流体溜り４５．４６間には、第４図に示すように、そ
れぞれランド４９を介して回収溝５０が形成されている
。そして、筒状ケース体４２の内部に、一端が各流体溜
り４５及び４６の軸方向中央部に固定絞り０を介して連
通し、他端が筒状ケース体４２の下端面に開口する供給
通路５１及び一端が回収溝４７．４８及び５０に連通し
、他端が筒状ケース体４２の下端面に開口する回収通路
５２が設けられている。

一方、スラスト軸受部１ｂは、軸受部１ａと液密に嵌合
する円板状ケース体５３を有し、その回転軸２の平端面
２ｂに対向する中央位置に磁性流体を静圧保持する円形
凹所でなる流体溜り５４が形成されていると共に、回転
軸２の平端面２ｂの端縁に対向する位置に円環状の回収
溝５５が形成されている。そして、ケース体５３内に、
一端が流体溜り５４に固定絞りＯを介して連通ずる供給
通路５６及び一端が回収溝５５に連通ずる回収通路５７
がそれぞれ形成されていると共に、供給通路５６が前記
ラジアル軸受部１ａの供給通路５１に連通され、回収通
路５７が回収通路５２に連通され且つ両供給通路５６及
び回収通路５７の他端が互いに連接されて循環通路が構
成されている。

この循環通路の途中に移動磁界を形成する前記圧送機構
３０Ｌ、３０Ｒと同一構成を有する圧送機ｔｉ３０が介
装されている。

次に、上記第３実施例の動作を説明する。この第２実施
例によっても、圧送機構３０によって磁性流体をラジア
ル軸受部１ａの流体溜り４５．４６及びスラスト軸受部
１ｂの流体溜り５４に圧送することにより、各流体溜り
４５．４６及び５４内での磁性流体の静圧が所定値に保
持され、この静圧によって回転軸２が静圧軸受ｌにこれ
より僅かに浮上した状態で且つそのラジアル力が流体溜
り４５．４６の静圧により、スラスト力が流体溜り５４
の静圧によりそれぞれ受けられて回転自在に支持される
。

そして、各流体溜り４５．４６及び５４から溢出する磁
性流体は、それぞれ回収溝４７，４８゜５０及び５５に
回収され、この回収された磁性流体が圧送機構３０によ
って回収通路５２及び５７を通じて吸引され、供給通路
５１及び５６を介して各流体溜り４５．４６及び５４に
圧送される。

このとき、ラジアル軸受部１ａの上端には、磁気シール
４４が設けられているので、この磁気シール４４の磁力
によって磁性流体が吸着され、外部への漏出が確実に防
止され、且つラジアル軸受部１ａとスラスト軸受部１ｂ
とは液密に嵌合されているので、これら間から磁性流体
が漏出することもない。

また、上記第２実施例のように、回転軸２の軸端がテー
パー状に形成され、これに応じて静圧軸受１のラジアル
軸受部１ａにテーパー内面を形成することにより、回転
軸２に対する流体溜り４５゜４６及び５４により各静圧
軸受に相互い予圧を付加した状態とし静圧軸受の剛性を
高め、回転軸２をより確実に浮上させることができる。

回転軸２の軸方向と直交する面内におけるｘｙ力方向変
位を変位検出器５８．５９で検出し、それらの検出値に
基づき圧送機構３０ｄの圧送力を制御することにより、
静圧軸受１及び回転軸２間の間隙を均一に維持するよう
にしてもよい。なお、上記第１乃至第３実施例において
は、ラジアル静圧軸受１の流体溜りとしてＸＹ方向の対
向する２゛組の凹所を適用した場合について説明したが
、これに限定されるものではなく、対向する３つ以上の
流体溜りを形成するようにしてもよい。

また、上記各実施例においては、圧送機構３０として移
動磁界を形成する場合について説明したが、これに限定
されるものではなく、第５図に示すように、循環通路７
１の一部に可撓性を有するダイアフラム７２を設けたシ
リンダ室７３を形成すると共に、このシリンダ室７３の
前後に磁性流体の移動抵抗を変化させ見かけ上の粘性を
上げるようにする電磁石７４．７５を設け、且つダイア
フラム７２に圧電素子、電磁ソレノイド等の押圧部材７
６を対向させ、この押圧部材７６を制御回路によって所
定サイクルで上下に振動させると共に、その振動と同期
させて電磁石７４．７５をオン・オフ制御して、ダイア
フラム７２の開放時に電磁石７４をオフ状態、電磁石７
５をオン状態として回収溝に回収された磁性流体を吸引
し、次いで電磁石７４をオン状態、電磁石７５をオフ状
態としてから押圧部材７６を伸長させてダイアフラム７
２を押圧すると電磁石７４側の磁性流体は見かけ上粘土
が高くなり電磁石７５側の磁性流体は粘度が低くなった
状態となり、ダイヤフラム７２の押圧による圧力の上昇
における磁性流体の流れは電磁石７４例の方が電磁石７
５側より抵抗が大きくなるので磁性流体は電磁石７５側
の方へ多く流れることになり、シリンダ室７３内の磁性
流体を流体溜り側に圧送するようにした構成の流体ポン
プを適用するようにしてもよい。ここで、押圧部材７６
によるダイアフラム７２の押圧周波数は、ダイアフラム
７２の面積を２−としたとき例えば３００Ｈｚ程度に選
定することにより、流ｆｆ１０．０６ｃｃ／ｓｅｃ、吐
出圧力５ｋｇ／ｃｎｉを達成することができる。この場
合、ダイアフラム７２及びシリンダ室７３を省略して、
循環通路７１の一部を可撓性を有するチューブで構成し
、これに直接圧電素子等の押圧部材を当接させるように
してもよい。また、第６図に示す如く電磁石７４．７５
に代えて弁座７７にスプリング７８によって当接された
弁としてのボール７９を有する逆止弁８０，８１を適用
するようにしてもよく、さらに第７図に示す如く、圧電
素子で構成される３つのリング状押圧部材８２ａ〜８２
ｃを同心的に積層して循環通路８３０合流点に設け、各
押圧部材を第７図の状態から外周押圧部材８２ｃを下降
させて６〃磁性流を閉じ込め、次いで中間押圧部材８２
ｂ及び内周押圧部材８２ａの順に下降させることにより
、順次磁性流体を流体溜り２２側に圧送する圧送ポンプ
を構成するようにしてもよく、またさらに単に循環通路
の周囲にコイルを巻装し、これに励磁電流を供給して流
体溜り側に向かう磁束を発生させ、これによって磁性流
体を圧送するようにしてもよく、要は磁性流体を圧送可
能な構成を有しさえすればよいものである。

さらに、ケース体２１．４２としては、筒状に形成する
場合に限らず、一部を削除した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、
円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、軸を浮上
状態で支持し、且つ磁性流体の外部漏出部に磁気シール
を形成すると共に、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構成を有するので、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流体に気泡が混入することも
なく、また、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、しかもケース体に磁性流
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図はこの発明の第１実施例を示す縦断面図、第２図
はこの発明の第２実施例のを余す横断面図、第３図はこ
の発明の第３実施例を示す縦断面図、第４図は第２図の
Ｉ−１線における横断面図、第５図乃至第７図はそれぞ
れこの発明に適用し得る圧送機構の他の変形例を示す構
成図、第８図は従来例の構造説明図である。 図中、１は静圧軸受、１ａはラジアル軸受部、１ｂはス
ラスト軸受部、２は回転軸、２ａはテーパ一部、２ｂは
平端面、２１はケース体、２２゜２２ａ〜２２ｄ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、
３５ａ〜３５ｄは回収溝、３６ａ　〜３６ｄは磁気シー
ル、３７ａ〜３７ｄは圧送機構、３８．３９は位置検出
器４２はケース体、４４は磁気シール、４５．４６及び
５２は流体溜り、４７．４８及び５３は回収溝、６１ａ
〜６１ｃは流体溜り、６２ａ〜６２Ｃは回収溝、６４ａ
〜６４ｃは循環通路、６５ａ〜６５ｃは圧送機構、７２
はダイアフラム、７３はシリンダ室、７４．７５は電磁
石、７６は押圧部材、ｓｏ、ｓｉは逆止弁、８２ａ〜８
２ｃはリング状押圧部材である。 第５図 第６図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （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、該ケース体の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
   の軸方向端部に当該流体溜りから溢出する磁性流体を回
   収する回収溝を形成し、前記ケース体の磁性流体漏出部
   に磁気シールを形成し、前記回収溝と前記流体溜りとの
   間に磁性流体を循環する循環通路を形成し、該循環通路
   の途中に磁性流体を前記流体溜りに圧送する圧送機構を
   設けたことを特徴とする磁性流体を使用した静圧軸受装
   置。
2. （２）圧送機構が移動磁界によって磁性流体を吸引圧送
   するように構成されている特許請求の範囲第１項記載の
   静圧軸受装置。
3. （３）圧送機構が圧電素子製の多層リングで形成される
   圧送ポンプで構成されている特許請求の範囲第１項記載
   の静圧軸受装置。
4. （４）圧送機構が可撓性の流体通路と、これに対して押
   圧力を与える圧電素子と、前記流体通路の前後で磁性流
   体の流れ抵抗を変化させる流れ抵抗変化機構とで構成さ
   れている特許請求の範囲第１項記載の静圧軸受装置。