JPH07117103B2 - 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、軸とこの軸に嵌合するケース体とが相対的
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、軸とこの軸に
嵌合するケース体との間に磁性流体を介在させ、前記軸
とケース体とが相対的に移動可能とされた静圧軸受装置
であって、前記ケース体には、前記軸との対向面に流体
溜りとなる凹所が形成され、該流体溜りの外側には当該
流体溜りから溢出する前記磁性流体を回収する回収溝が
形成され、かつ、前記ケース体の前記回収溝の外側には
磁気シールが設けられ、前記ケース体の肉厚内を通って
前記回収溝から前記流体溜りに前記磁性流体を循環させ
る循環通路を形成し、該循環通路の途中に外部からの駆
動信号に基づき磁性流体を前記流体溜りに圧送する圧送
手段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、圧送手段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
性流体の循環通路及び圧送手段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，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ｙ方向にそれぞ
れ対向するよう円周方向に４ヶ所形成されている。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、みかけ上流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Ｎ−Ｓに磁着され
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,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28L,28Rが形成され、ケース体21の
肉厚内に回収溝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。

この循環通路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
の圧送手段を構成する圧送機構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31a〜31cに駆
動回路32から順次所定周波数の三相交流を外部から駆動
信号として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0.06cc/sec程度の流量で且つ5kg/cm²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,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23L,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22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１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30L,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29及び圧送機構30L,30R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35a〜35d間に互いに連通する回
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38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１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、静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
ーパー部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41a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48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の肉厚内に、一端が
各流体溜り45及び46の軸方向中央部に固定絞りＯ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の肉厚内に、一端が流体
溜り54に固定絞りＯを介して連通する供給通路56及び一
端が回収溝55に連通する回収通路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
を有する圧送機構30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１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方向の変位
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71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76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75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72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側の方が電磁
石75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2cm²としたとき例えば300Hz程度に選定することに
より、流量0.06cc/sec、吐出圧力5kg/cm²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〜82cを同心
的に積層して循環通路83の合流点に設け、各押圧部材を
第７図の状態から外周押圧部材82cを下降させて磁性流
体を閉じ込め、次いで中間押圧部材82b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軸と
ケース体との間の相対運動状態に関係なく所定の静圧を
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
通路及び圧送手段を内装したので、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。さらに、ケース体の肉厚内に設
けた循環通路の途中に圧送手段を設けるので、例えば、
該圧送手段を循環通路中の径の小さい部分などに設ける
ことが可能となり、上記圧送手段として小型のものが採
用可能である。

【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実施例のを示す横断面図、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−Ｉ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図は従来例の構成説明図である。 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はテーパー部、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、37
a〜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、80,81は逆止弁、82a〜82cはリング状押圧部材
である。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】軸とこの軸に嵌合するケース体との間に磁
   性流体を介在させ、前記軸とケース体とが相対的に移動
   可能とされた静圧軸受装置であって、前記ケース体に
   は、前記軸との対向面に流体溜りとなる凹所が形成さ
   れ、該流体溜りの外側には当該流体溜りから溢出する前
   記磁性流体を回収する回収溝が形成され、かつ、前記ケ
   ース体の前記回収溝の外側には磁気シールが設けられ、
   前記ケース体の肉厚内を通って前記回収溝から前記流体
   溜りに前記磁性流体を循環させる循環通路を形成し、該
   循環通路の途中に外部からの駆動信号に基づき磁性流体
   を前記流体溜りに圧送する圧送手段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. 【請求項２】圧送手段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. 【請求項３】圧送手段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. 【請求項４】圧送手段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。