JP2000246565A - 静圧気体軸受スピンドル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 静圧気体軸受により非接触状態に支持した回
転軸に静電チャックを取付け、その静電チャックの電極
に外部電源から非接触で電流を供給できるようにして回
転軸の精度を高く維持することである。 【解決手段】 ハウジング１に絶縁された正極側放電部
材２５と負極側放電部材２６を設け、上記各放電部材２
５、２６間にハウジング１外部の高圧直流電源２７を接
続し、回転軸４を相互に絶縁された正極軸部７と負極軸
部８を結合して構成し、上記の各軸部にそれぞれ上記の
正極側放電部材２５と負極側放電部材２６とに微小な空
隙をおいて対向した正極側放電面２８と負極側放電面２
９を設け、上記の回転軸４の先端にその正極軸部７と負
極軸部８と導通した正負の電極３５、３６を有する静電
チャック３３を取付け、上記の各放電部材２５、２６と
各放電面２８、２９間に流れる放電電流により、正負の
電極３５、３６間に電流を供給する構成とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、精密検査装置な
どに用いられる静圧気体軸受スピンドルに関し、例え
ば、回転部に静電チャックなど静電気を利用した機構を
取付けた静圧気体軸受スピンドルに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】静圧気体軸受スピンドルは回転精度が良
く、精密加工機や精密測定器に利用されている。このよ
うなスピンドルに薄板状のワークを取付ける場合、真空
チャックが通常用いられる。

【０００３】しかし、真空チャックは、周囲の大気圧に
よってワークを押付けて固定するものであるから、減圧
雰囲気中又は真空雰囲気中では使用できないという問題
がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このような問題を回避
するために、真空チャックに代えて静電気による吸着力
を利用した静電チャックを用いることが考えられる。こ
の場合は、回転部に搭載した静電チャックを帯電させる
ために、直流電源からハウジングの静圧気体軸受及び回
転軸を通じて静電チャックに至る給電機構が必要とな
る。

【０００５】その給電機構として考えられるものとし
て、回転軸を相互に絶縁された正極軸部と負極軸部とに
より構成し、その正極軸部と負極軸部の外周面にそれぞ
れブラシを接触させ、そのブラシを通じて静電チャック
の正負の電極にそれぞれ電荷を給電させる方法がある。

【０００６】しかし、上記の給電機構によるとブラシの
摩擦によって回転軸の回転振れ精度及び回転速度精度が
低下し、また摩耗粉により軸受の故障を引き起し、また
雰囲気を汚染する問題がある。

【０００７】ブラシの摩擦による問題を多少とも減少さ
せる方策として、一つのブラシについては回転軸端面の
回転中心に接触させることが考えられる。この方法は、
静電チャックが単極式の場合は有効であるが、双極式の
場合は、一方の極については回転軸端面の回転中心にブ
ラシを接触させて給電するとしても、他方の極について
は上記の端面部分と絶縁された回転軸部分の外周面に接
触させなければならない。従って、その接触部分におい
て摩擦が発生するので依然として上記の問題が残り、完
全な解決策にはならない。

【０００８】そこで、この発明は高精度、高清浄、長寿
命等の静圧気体軸受の特長を保ったまま、ブラシの接触
による摩擦の問題を来すことのない静圧気体軸受スピン
ドルを提供することを課題とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、この発明は、ハウジングに設けた静圧気体軸受によ
り回転軸を支持する静圧気体軸受スピンドルにおいて、
上記ハウジングに相互に絶縁された正極側放電部材と負
極側放電部材を設け、上記各放電部材間にハウジング外
部の直流電源を接続し、上記回転軸を相互に絶縁された
正極軸部と負極軸部を結合して構成し、上記の各軸部に
それぞれ上記の正極側放電部材と負極側放電部材に対し
微小な空隙をおいて対向した正極側放電面と負極側放電
面を設け、上記回転軸の先端にその正極軸部と負極軸部
と導通した正負の電極を有するスピンドルヘッドを取付
けた構成とした。

【００１０】その他の構成として、ハウジングに設けた
静圧気体軸受により回転軸を支持する静圧気体軸受スピ
ンドルにおいて、上記ハウジングに放電部材とブラシを
設け、上記の放電部材と上記ブラシの間にハウジング外
部の直流電源を接続し、上記回転軸を相互に絶縁された
正極軸部と負極軸部を結合して構成し、上記一方の軸部
に上記の放電部材と微小な空隙をおいて対向した放電面
を設けると共に、他方の軸部端面の回転中心に上記のブ
ラシを接触させ、上記回転軸の先端にその正極軸部と負
極軸部と導通した正負の電極を有するスピンドルヘッド
を取付けた構成とすることもできる。

【００１１】なお、上記静圧気体軸受の軸受スリーブを
導電性部材により構成し、これを上記の放電部材として
用いるようにしてもよい。

【００１２】また、上記の静圧気体軸受をジャーナル軸
受として構成し、該ジャーナル軸受を絞り穴が周方向に
２列に配置された形式とし、該２列の絞り穴列の中央に
対向して上記回転軸の外周面に上記軸受隙間より高さの
低い突条を設けた構成をとることもできる。

【００１３】上記のスピンドルヘッドが静電チャックで
ある構成をとることもできる。また、上記回転軸を駆動
・制御するためのモータと回転角度検出器を、上記放電
部材に対して絶縁して取付けた構成をとることもでき
る。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、添付図面に基づいて、この
発明の実施形態を説明する。

【００１５】図１に示した第１実施形態の静圧気体軸受
スピンドルは、ハウジング１の内部に静圧気体ジャーナ
ル軸受２、２と静圧気体スラスト軸受３、３とにより非
接触で回転自在に回転軸４を支持し、該回転軸４をハウ
ジング１の内部に設けたモータ５により駆動し、該回転
軸４の回転角度をハウジング１の後端部に設けた回転角
度検出器６で検出し、その検出結果に基づいてモータ５
を制御するようにしている。

【００１６】上記の回転軸４は正極軸部７、負極軸部８
及びモータ軸９を一体に結合したものである。正極軸部
７と負極軸部８は導電性材料からなり、正極軸部７はス
リーブ状に形成される。負極軸部８は上記正極軸部７の
外径と同一の外径を有し、その先端面に小径の中心軸部
１１が設けられると共に、後端部に大径のつば部１２が
設けられる。上記の正極軸部７と負極軸部８は、絶縁層
１３を介在して正極軸部７の内部に負極軸部８の中心軸
部１１を嵌合することにより相互に絶縁された状態で結
合一体化される。またモータ軸９は負極軸部８の後端面
に嵌合される。

【００１７】上記の静圧気体ジャーナル軸受２、２は、
ハウジング１の内径面に軸方向に所要の間隔をおき、そ
れぞれ前記の正極軸部７と負極軸部８の各外径面と微小
な軸受隙間（５μｍ〜３０μｍ程度）をおいて設けられ
た２つの軸受スリーブ１４、１５にそれぞれ絞り穴１６
を設け、各絞り穴１６をハウジング１の内部に設けられ
た給気通路１７に連通させることにより構成される。給
気通路１７は外部の給気ホース１８に接続される。

【００１８】また上記の静圧気体スラスト軸受３、３
は、上記の負極軸部８に対向した軸受スリーブ１５と一
体に外向きに設けた軸受板１９と他の軸受板２１を上記
のつば部１２の両側に軸受隙間をおいて対向させ、これ
らの軸受板１９、２１に設けた絞り穴２２を、前記の給
気通路１７に連通させることにより構成される。

【００１９】上記の軸受スリーブ１４、１５の軸方向の
間隔部分において、ハウジング１の内径面に絶縁層２
３、２４を介して導体材料でなる環状の正極側放電部材
２５と負極側放電部材２６が軸方向に間隔をおいて設け
られる。正極側放電部材２５には、ハウジング１の外部
に設けられた直流電源２７の正極に接続され、負極側放
電部材２６はその負極に接続される。

【００２０】上記の正極側放電部材２５と負極側放電部
材２６にそれぞれ微小な空隙（３μｍ〜２０μｍ程度）
をおいて対向した正極側放電面２８と負極側放電面２９
が、それぞれ前記の正極軸部７と負極軸部８の外周面に
設けられる。

【００２１】なお、前記の各軸受スリーブ１４、１５と
これらが対向する正極軸部７と負極軸部８の各外周面に
そぞれ絶縁層３１、３１が設けられ、また各軸受板１
９、２１が対向するつば部１２の面にそれぞれ絶縁層３
２、３２が設けられる。これらの絶縁層３１、３２は、
ハウジング１を回転軸４に対して絶縁し、正負両放電部
材２５、２６間の絶縁を確実にするため設けられる。

【００２２】なお、上記の絶縁層３１、３２は軸受スリ
ーブ１４、１５、軸受板１９、２１とハウジング１の間
に設けてもよい。

【００２３】また、モータ５及び回転角度検出器６の搭
載部分は、ハウジング１に介在した絶縁層３３により絶
縁される。またモータ軸９は絶縁材料で構成することが
望ましい。

【００２４】上記の各絶縁層１３等はセラミックスや樹
脂のコーティングを使用できる。またこれらの絶縁材料
をリング状に形成したものを圧入等の手段により一体に
組付けるようにしてもよい。

【００２５】一方、前記の回転軸４の先端部はハウジン
グ１の先端から若干突き出しており、その先端面に静電
チャック３４が取付けられる。静電チャック３４は、円
板状の絶縁体（例えば、アルミナ系セラミックス）より
なるスピンドルヘッド３５の内部に正電極３６と負電極
３７を埋め込み、各電極３６、３７の脚を前記の正極軸
部７と負極軸部８の先端面に密に挿入することにより、
それぞれ正極側放電面２８と負極側放電面２９に導通さ
せている。

【００２６】第１実施形態の静圧気体軸受スピンドルは
以上のようなものであり、給気ホース１８から加圧気体
を給気通路１７を通じて静圧気体ジャーナル軸受２、２
と同スラスト軸受３、３に供給し、各絞り穴１６、２２
から噴出される加圧気体の圧力により回転軸４を非接触
状態に支持すると共に、モータ５を駆動してこれを回転
させる。

【００２７】高圧（例えば、数百ボルト）の直流電源２
７を投入すると、図２に示すように、正極側放電部材２
５と正極側放電面２８との間、及び負極側放電部材２６
と負極側放電面２９との間の放電（矢印ａ）又は静電誘
導により、正電極３６と負電極３７との間に電位差が生
じる。これにより、ワーク３８と静電チャック３４との
間にクーロン力が作用し、ワーク３８を吸着することが
できる。正電極３６と負電極３７との間には、漏れ電流
（矢印ｂ）が流れる。この漏れ電流の代表的な値として
は、電極間の電位差が４００ボルトの場合、約０．０７
〜０．９５μＡ／ｃｍ² である。上記の漏れ電流（電荷
の移動）に対して、正極側放電部材２５と正極側放電面
２８との間、及び負極側放電部材２６と負極側放電面２
９との間の放電（矢印ａ）によって、それと釣合う電流
が流れ、正電極３６と負電極３７との間の電位差が維持
される。

【００２８】なお、上記の正極側放電部材２５と負極側
放電部材２６、及び正極側放電面２８と負極側放電面２
９の材質の組合わせとしては、それぞれ放電を生じた場
合に電食を生じ難い材料、例えば、黒鉛と硬質クロムめ
っきの組合わせなどが適している。

【００２９】次に、図３に示した第２実施形態は、前記
に第１実施形態における負極放電部材２６を省略すると
共に電源２７の負極側を接地している。そして、モータ
軸９を導体材料により構成し、その一方の軸端面の回転
中心に突起３９を設け、ハウジング１に絶縁部材４２を
介して取付けブラシ４１をその突起３９に接触させるよ
うにしている。上記のブラシ４１は接地される。その他
の構成は第１実施形態と同じである。

【００３０】上記の第２実施形態の場合も、前記の第１
実施形態と同様の作用により、静電チャック３４にワー
ク３８を吸着させることができる。この場合は負極側は
ブラシ４１を通じて電流の供給が行われるが、ブラシ４
１はモータ軸９の回転中心に接触し、回転軸４に対して
ラジアル方向の力を及ぼすことがなく、また周速が小さ
いので摩擦の影響も少ない。従って、回転精度に影響を
与えることがない。

【００３１】また、図４に示した第３実施形態は、上記
の第１実施形態の正極側放電部材２５と負極側放電部材
２６を省略し、静圧気体ジャーナル軸受２を構成する軸
受スリーブ１４、１５を導体材料により構成して、各ス
リーブ１４、１５を軸受の機能と共に、放電部材の機能
を併用させるようにしたものである。この場合は、絶縁
層２３はこれらの各軸受スリーブ１４、１５とハウジン
グ１の間に介在され、直流電源２７は上記の軸受スリー
ブ１４、１５に接続される。

【００３２】上記の第３実施形態はジャーナル軸受２の
軸受スリーブ１４、１５を放電部材に兼用する例である
が、図１に示した回転軸４のつば部１２の部分で、該回
転軸４を正極軸部と負極軸部に分け、スラスト軸受３の
軸受板１９、２１をこれらの各軸部に対向させる構成を
とると、その軸受板１９、２１を正極側放電部材２５と
負極側放電部材２６に代わる放電部材とすることもでき
る。

【００３３】なお、上記のいずれの場合も前記の第２実
施形態と同様に電源２７の負極を接地し、モータ軸９の
回転中心にブラシ４１を接触させることにより、一つの
放電部材を省略した構成をとることができる。

【００３４】更に、上記の第３実施形態において、図５
に示すように、軸受スリーブ１４、１５に周方向２列の
絞り穴１６を形成し、その２列の絞り穴１６の中央に相
当する回転軸４の正極軸部７又は負極軸部８の外周面
に、軸受隙間の高さより低い突条４２を全周にわたり形
成してもよい。このような突条４３を設けることによ
り、軸受性能に影響を及ぼすことなく放電隙間を狭める
ことができ、一層安定した放電特性が得られる。

【００３５】なお、上記の突条４３は、黒鉛などの物質
を分散した樹脂コーティングや、めっき層のような導電
性、潤滑性のある被膜を部分的に設けることによって形
成することができる。

【００３６】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、静圧
気体軸受により非接触状態に支持された回転軸上の電極
に対し、ラジアル方向には非接触の給電機構により外部
電源から電流を供給することができる。このため、回転
軸の振れ精度、回転速度精度の劣化が無く、通常の静圧
気体軸受と同等の高い精度が得られる。

【００３７】また、ブラシの摩耗に伴うメンテナンス作
業も不要であるし、摩耗粉が軸受隙間に侵入したり雰囲
気を汚染することも無い。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施形態の断面図

【図２】同上通電状態の説明図

【図３】第２実施形態の断面図

【図４】第３実施形態の一部断面図

【図５】変形例の一部断面図

【符号の説明】

１ ハウジング ２ 静圧気体ジャーナル軸受 ３ 静圧気体スラスト軸受 ４ 回転軸 ５ モータ ６ 回転角度検出器 ７ 正極軸部 ８ 負極軸部 ９ モータ軸 １１ 中心軸部 １２ つば部 １３ 絶縁層 １４ 軸受スリーブ １５ 軸受スリーブ １６ 絞り穴 １７ 給気通路 １８ 給気ホース １９ 軸受板 ２１ 軸受板 ２２ 絞り穴 ２３ 絶縁層 ２４ 絶縁層 ２５ 正極側放電部材 ２６ 負極側放電部材 ２７ 直流電源 ２８ 正極側放電面 ２９ 負極側放電面 ３１ 絶縁層 ３２ 絶縁層 ３３ 絶縁層 ３４ 静電チャック ３５ スピンドルヘッド ３６ 正電極 ３７ 負電極 ３８ ワーク ３９ 突起 ４１ ブラシ ４２ 絶縁体 ４３ 突条

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｂ２３Ｑ 1/00 Ｃ (72)発明者 藤井 章二 静岡県磐田市東貝塚1578番地 エヌティエ ヌ株式会社内 (72)発明者 伊藤 高順 静岡県磐田市東貝塚1578番地 エヌティエ ヌ株式会社内 Ｆターム(参考） 3C016 AA01 AA02 BA01 BA08 FA01 FA38 GA10 3C045 FD14 3C048 CC07 DD13 EE10 3J102 AA02 BA03 BA17 BA18 CA04 EA02 EA06 FA04 FA05 FA06 FA12 GA07

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ハウジングに設けた静圧気体軸受により
   回転軸を支持する静圧気体軸受スピンドルにおいて、上
   記ハウジングに相互に絶縁された正極側放電部材と負極
   側放電部材を設け、上記各放電部材間にハウジング外部
   の直流電源を接続し、上記回転軸を相互に絶縁された正
   極軸部と負極軸部を結合して構成し、上記の各軸部にそ
   れぞれ上記の正極側放電部材と負極側放電部材に対し微
   小な空隙をおいて対向した正極側放電面と負極側放電面
   を設け、上記回転軸の先端にその正極軸部と負極軸部と
   導通した正負の電極を有するスピンドルヘッドを取付け
   たことを特徴とする静圧気体軸受スピンドル。
2. 【請求項２】 ハウジングに設けた静圧気体軸受により
   回転軸を支持する静圧気体軸受スピンドルにおいて、上
   記ハウジングに放電部材とブラシを設け、上記の放電部
   材と上記ブラシの間にハウジング外部の直流電源を接続
   し、上記回転軸を相互に絶縁された正極軸部と負極軸部
   を結合して構成し、上記一方の軸部に上記の放電部材と
   微小な空隙をおいて対向した放電面を設けると共に、他
   方の軸部端面の回転中心に上記のブラシを接触させ、上
   記回転軸の先端にその正極軸部と負極軸部と導通した正
   負の電極を有するスピンドルヘッドを取付けたことを特
   徴とする静圧気体軸受スピンドル。
3. 【請求項３】 上記静圧気体軸受の軸受スリーブを導電
   性部材により構成し、これを上記の放電部材として用い
   ることを特徴とする請求項１又は２に記載の静圧気体軸
   受スピンドル。
4. 【請求項４】 上記の静圧気体軸受をジャーナル軸受と
   して構成し、該ジャーナル軸受を絞り穴が周方向に２列
   に配置された形式とし、該２列の絞り穴列の中央に対向
   して上記回転軸の外周面に上記軸受隙間より高さの低い
   突条を設けたことを特徴とする請求項３に記載の静圧気
   体軸受スピンドル。
5. 【請求項５】 上記のスピンドルヘッドが静電チャック
   であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記
   載の静圧気体軸受スピンドル。
6. 【請求項６】 上記回転軸を駆動・制御するためのモー
   タと回転角度検出器を、上記放電部材に対して絶縁して
   取付けたことを特徴とする請求項１から５のいずれかに
   記載の静圧気体軸受スピンドル。