JPH0989120A

JPH0989120A - 真空装置

Info

Publication number: JPH0989120A
Application number: JP7244760A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Kojima; 良明小島
Original assignee: Pioneer Electronic Corp
Current assignee: Pioneer Corp
Priority date: 1995-09-22
Filing date: 1995-09-22
Publication date: 1997-03-31
Also published as: US5686941A

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】磁性流体シールだけの場合よりも回転抵抗が少
なく且つ差動排気方式だけの場合よりも安価な真空装置
を実現する。【解決手段】真空室１０内に延びた回転軸１を外気圧側
から駆動する真空装置において、真空室１０と外気圧側
とに亘る回転軸１周りの間隙を塞ぐ密封装置を備え、こ
の密封装置は磁性流体シール３０が真空室１０側に配設
されるとともに低真空用の差圧室５０が外気圧側に形成
される。

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、真空装置に関
し、詳しくは、真空室内に延びた回転軸を外気圧側から
駆動する真空装置に関する。例えばＣＤや光ディスクの
射出成形用マスタープレート等の作成は、光学的加工手
段を超える微細加工を行うことが求められることから、
高真空雰囲気中で高速回転させながら電子ビームを照射
して所望の情報を書き込むことで行われるが、これに用
いられる情報記録装置は、真空装置の典型例である。

【０００２】かかる情報記録装置は、ワーク即ち加工対
象のプレートを真空チャンバ内で回転させるために回転
軸を有するが、この回転軸は高速且つ正確な回転のため
に空気軸受等によって支持・支承されるのが通例であ
る。このため、この種の装置は、真空室内に延びた回転
軸を外気圧側から駆動するものとなっている。

【０００３】そして、回転軸が外気圧側から真空室に延
びていれば、その部分をシールする必要がある。この発
明は、真空室内に延びた回転軸を外気圧側から駆動する
真空装置について、特にその回転軸周りのシール技術の
改良に関する。

【０００４】

【従来の技術】従来、上記の真空装置における回転軸周
りのシーリングとしては、磁性流体シールによるもの
や、差動排気によるものが知られている。

【０００５】図５に従来の磁性流体シールの断面構造を
示すが、これは、回転軸としてのスピンドルを囲むハウ
ジング２に、磁性流体シール３，４を備えて、回転軸周
りの間隙を塞ぐものである。磁性流体シール３は、マグ
ネット３ｃと、これを挟む一対のポールピース３ｂと、
ポールピース３ｂの先端とスピンドルとの隙間に詰めら
れた密封用の磁性流体３ａとを備えて、これらの間に形
成される閉磁路によって磁性流体３ａを保持することで
密封状態を維持する。磁性流体シール４も同様のもので
ある。

【０００６】図６には、従来の差動排気機構の断面構造
を示すが、これは、不所望な回転軸の横押圧力の抑制等
のためにラビリンスに似た構造の複数の差圧室５ａ，５
ｂ，５ｃを備え、さらに高真空度側へのリークの抑制の
必要などから、それぞれを排気装置６ａ，６ｂ，６ｃで
真空引きするものである。一般に、大気圧に近くてよい
差圧室５ａの真空引きを行う排気装置６ａには到達真空
度が劣っていても安価なロータリポンプ等が用いられる
一方、高真空に近い差圧室５ｃの真空引きを行う排気装
置６ｃには高価だが高性能のターボモレキュラーポンプ
等が用いられる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の真空装置では、差動排気による場合、真空室
の真空引きを行う本来の真空ポンプの他に、多数の排気
装置をも備える必要がある。特に高真空に近い差圧室の
真空引きには、高価なターボモレキュラーポンプ等が必
要とされる。このため、装置が高価になりがちである。
さらに、複雑で大型にもなり易い。

【０００８】一方、磁性流体シールによる場合は、単段
での耐圧が小さいことから、大気圧レベルの耐圧を得る
には、多数段の磁性流体シールを設けることが必要とさ
れる。このため、磁性流体シール部における粘性抵抗が
大きくて、回転軸を高速回転させるのには妨げとなる。
ＣＤ等の情報記録などの場合、回転速度が記録速度に直
結することから、回転速度が上がらないと、処理効率が
悪いので不都合である。

【０００９】そこで、真空室内に延びた回転軸を外気圧
側から駆動する真空装置についてコスト制約の下で処理
効率の向上を図るためには、その回転軸周りをシールす
るに際し、磁性流体シール及び差動排気の両者の長所の
みを併せて持たせることが課題となる。

【００１０】また、磁性流体シールは耐圧を超える圧力
差があると破れてしまうが、その補修は、真空室内に延
びた回転軸を取り外してから行なわなければならないの
で、困難を伴う。しかし、磁性流体シールの耐圧が十分
でないと、真空ポンプやバルブ等の誤動作や誤操作ある
いは予期しない停電等に紀伊に起因して、たやすく磁性
流体シールが破れてしまうこととなる。そこで、磁性流
体シールの破損防止も重要な課題となる。

【００１１】この発明は、このような課題を解決するた
めになされたものであり、磁性流体シールだけの場合よ
りも回転抵抗が少なく且つ差動排気方式だけの場合より
も安価な真空装置を実現することを目的とする。また、
本発明は、磁性流体シールが破れることのない真空装置
を実現することをも目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】このような課題を解決す
るために発明された第１乃至第２の解決手段について、
その構成および作用効果を以下に説明する。

【００１３】［第１の解決手段］第１の解決手段の真空
装置は（、出願当初の請求項１に記載の如く）、真空室
内に延びた回転軸を外気圧側から駆動する真空装置にお
いて、前記真空室と前記外気圧側とに亘る前記回転軸周
りの間隙を塞ぐ密封装置を備え、この密封装置は磁性流
体シールが前記真空室側に配設されるとともに低真空用
の差圧室が前記外気圧側に形成されたものであることを
特徴とするものである。

【００１４】ここで、上記の「外気圧」は、大気圧が典
型的なものであるが、与圧や減圧された準大気圧の状態
も該当する。また、「低真空用の」とは、外気圧に比べ
れば真空であるが真空室内の本来の真空度ほど高真空で
はない中間の真空度にされて本来の機能を発揮するとい
う意味である。

【００１５】このような第１の解決手段の真空装置にあ
っては、真空室内に延びた回転軸が外気圧側から駆動さ
れて、真空雰囲気内での回転物の加工等が行なわれる。
このような真空室と外気圧側とに亘る回転軸周りの間隙
を塞ぐ密封装置を備えたことによって、真空室内に関し
ては、電子ビームやイオンビームによる加工等に必要な
高真空状態を確保することが容易になる。また、外気圧
側に関しては、抵抗の少ない空気軸受の採用等が可能で
高速の回転駆動を行うことが容易になる。

【００１６】ここで、この密封装置は、磁性流体シール
を具備して回転軸周りの間隙を塞ぐが、この磁性流体シ
ールが真空室と差圧室との間に配設されることから、こ
の磁性流体シールは耐圧が外気圧よりも小さくても済
む。これにより、磁性流体シールだけで真空室を外気圧
から封じる場合に較べて、磁性流体シールの厚さを薄く
することが可能となるので、回転軸の回転抵抗を少なく
することができる。その結果、回転軸の高速回転駆動が
一層容易になる。さらに、磁性流体シール部における粘
性抵抗の削減は、そこでの発熱を抑制して、熱膨張によ
る不所望な変形に起因しての位置精度の悪化を防止する
等の改善にもつながる。

【００１７】また、磁性流体シールと外気圧との間に差
圧室が形成されるが、これは低真空用のものである。そ
こで、この差圧室を作動状態に保つには、低真空用の例
えばロータリポンプ等の安価な真空ポンプで吸引・排気
すれば十分である。これにより、差動排気方式だけで高
真空を達成する場合に較べて、真空室側の差圧室やこれ
を高真空またはこれに近い真空度に保つための高真空用
の例えばターボモレキュラーポンプさらにはそのブース
タ等の高価な真空ポンプを接続する必要が無くなる。そ
の結果、安価になる。

【００１８】したがって、この発明によれば、磁性流体
シールだけの場合よりも回転抵抗が少なく且つ差動排気
方式だけの場合よりも安価な真空装置を実現することが
できる。

【００１９】［第２の解決手段］第２の解決手段の真空
装置は（、出願当初の請求項２に記載の如く）、上記の
第１の解決手段の真空装置であって、前記真空室と前記
差圧室との圧力差が前記磁性流体シールの耐圧に基づく
所定の閾値以内に収まるように前記真空室又は前記差圧
室の圧力を調整する保護手段を備えたことを特徴とする
ものである。

【００２０】ここで、上記の「所定の閾値」は、望まし
くは、個体ごとのばらつきや，経時変化，応答遅れ等に
対する余裕度・安全率を見込んで、その分だけ磁性流体
シールの耐圧そのものよりも小さい値に設定される。

【００２１】このような第２の解決手段の真空装置にあ
っては、真空室と差圧室との圧力差が所定の閾値を超え
て広がらないように保護手段によって調整される。これ
により、真空ポンプやバルブ等の誤動作や誤操作等の不
所望な事態が発生した場合でも、磁性流体シールの両側
面の圧力差がその耐圧を超えることはない。そこで、耐
圧不足による破損から確実に、磁性流体シールを保護す
ることができる。

【００２２】したがって、この発明によれば、磁性流体
シールが破れることのない真空装置を実現することがで
きる。

【００２３】

【発明の実施の形態】このような第１乃至第２の解決手
段で達成された本発明の真空装置について、これを実施
するための具体的な形態を説明する。

【００２４】［第１の実施の形態］本発明の第１の実施
形態は、上記の第１の解決手段であって、前記真空室お
よび前記差圧室に対して設けられた又はこれらの室間に
亘って設けられた圧力調整機構と、前記真空室および前
記差圧室の検出圧力を受けこれらの圧力差が前記磁性流
体シールの耐圧に基づく所定の閾値以内に収まるように
前記圧力調整機構の駆動制御を行う保護回路とを備えた
ことを特徴とするものである。

【００２５】ここで、上記の「圧力調整機構」は、絞り
開度等を連続的に駆動制御可能なものに限らず、開閉
（オンオフ）駆動されるものであってもよい。

【００２６】このような第１の実施形態の真空装置にあ
っては、真空室と差圧室との圧力差が磁性流体シールの
耐圧に基づく所定の閾値に近づくと、保護回路によって
そのことが検出され、さらに、この保護手段の駆動制御
に応じた圧力調整手段の働きによって、真空室と差圧室
と圧力差がそれ以上広がらないように保たれる。これに
より、真空ポンプやバルブ等の誤動作や誤操作等の不所
望な事態が発生した場合でも、磁性流体シールの両側面
の圧力差がその耐圧を超えることはない。そこで、耐圧
不足による破損から確実に、磁性流体シールを保護する
ことができる。

【００２７】したがって、この発明によれば、磁性流体
シールが破れることのない真空装置を実現することがで
きる。

【００２８】［第２の実施の形態］本発明の第２の実施
形態は、上記の第１の解決手段であって、前記真空室と
前記差圧室との連通路と、この連通路に介挿された開閉
弁と、前記真空室および前記差圧室の検出圧力を受けこ
れらの圧力差が前記磁性流体シールの耐圧に基づく所定
の閾値以内のときに限って前記開閉弁を閉じさせる保護
回路とを備えたことを特徴とするものである（図１参
照）。

【００２９】［第３の実施の形態］本発明の第３の実施
形態は、上記の第２の解決手段であって、保護手段の簡
易化のために、前記所定の閾値が固定値（５６ｄ）であ
ることを特徴とする（３図参照）。

【００３０】［第４の実施の形態］本発明の第４の実施
形態は、上記の第２の解決手段であって、回転軸の回転
数が上がると磁性流体シールの耐圧は下がるという特質
をも考慮して、前記所定の閾値（Ｂ）を前記回転軸の回
転数（Ａ）に応じて可変に設定する手段（５６ｅ）を備
えたことを特徴とする（図４参照）。これにより、回転
軸の回転数が異常に上昇して磁性流体シールの耐圧が不
所望に下がった場合であっても、磁性流体シールの確実
な保護を達成することができる。

【００３１】

【実施例】本発明の真空装置の最良と思う実施例につい
て、その具体的な構成を、図面を引用して説明する。図
１は、本発明の真空装置の実施例としての荷電粒子ビー
ム記録装置について、Ｙ部を断面にした模式図である。
また、図２は、そのＹ部すなわちシール部の拡大断面図
であり、図３は、その保護回路の例である。

【００３２】この記録装置は、ワークへの情報記録を荷
電粒子ビームで行うために、室内が高真空にされる真空
室としての真空チャンバ１０と、荷電粒子ビームを射出
する電子カラム１１とを備えたものである。そして、真
空雰囲気でワークを直線移動させるために、ステージ１
２が真空チャンバ１０内に設けられたものとなってい
る。

【００３３】また、この記録装置は、ワークを回転させ
るために、送りステージ１２上部に設置されたスピンド
ルモータ１３と、スピンドルモータ１３によって下端側
が電磁駆動で回転駆動される回転軸としてのスピンドル
１と、真空チャンバ１０内に延びたスピンドル１の上端
に設けられたターンテーブル１４とを備えている。そし
て、スピンドル１の下端は図示しない空気軸受けによっ
て支承されているが、そのために、送りステージ１２内
で少なくともスピンドル１の下端側は配管１５を介して
外気圧としての大気圧に保たれている。これにより、こ
の記録装置は、真空室内に延びた回転軸を外気圧側から
駆動する真空装置となっている。

【００３４】さらに、スピンドル１の中央部から下端側
を囲むスピンドルモータ１３のハウジング２０には、ス
ピンドル１の中央部外周面に対向して環状に、磁性流体
シール３０と差圧室５０とが上下に設けられている。こ
れにより、この記録装置は、真空チャンバ１０と大気圧
側とに亘るスピンドル１周りの間隙を塞ぐ密封装置を備
えたものとなっている。

【００３５】磁性流体シール３０は、マグネット３３
と、これを挟む一対のポールピース３２と、ポールピー
ス３２の先端とスピンドル１との隙間に詰められた密封
用の磁性流体３１とを具備して、これらの間に形成され
る閉磁路によって磁性流体３１を保持することで密封状
態を維持するものであるが、従来よりも厚みが薄くてそ
の耐圧は例えば０．５気圧（約０．０５ＭＰａ）弱しか
なく、しかもハウジング２０に対しその内部上側に挿着
されている。これにより、この記録装置の密封装置は、
磁性流体シール３０が真空チャンバ１０側に配設された
ものとなっている。

【００３６】差圧室５０は、ハウジング２０に対しその
内部下側に切削加工等で形成された環状空間であり、バ
ルブ５１を介してロータリポンプ等の排気装置６ａによ
って例えば絶対圧力で約０．３気圧（約０．０３ＭＰ
ａ）にまで真空引きされるものである。これにより、こ
の記録装置の密封装置は、低真空用の差圧室５０が大気
圧側に形成されたものとなっている。

【００３７】また、この記録装置は、真空チャンバ１０
内を高真空にするために、バルブ５２を介して真空チャ
ンバ１０の真空引きを行うターボモレキュラーポンプ等
の排気装置６ｄと、真空計５４で検出した差圧室５０の
圧力と真空計５５で検出した真空チャンバ１０内の圧力
とに基づいてこれらの圧力差が約０．３５気圧（約０．
０３５ＭＰａ）を超えないようにバルブ５１，５２を開
閉させながら真空チャンバ１０内を高真空に導くシーケ
ンス制御を行う制御回路５７とを備えたものである。

【００３８】さらに、この記録装置は、真空チャンバ１
０と差圧室５０との連通路としての差動排気用配管５０
ａと、この差動排気用配管５０ａに介挿された開閉弁と
してのバルブ５３と、真空計５４，５５から真空チャン
バ１０および差圧室５０の検出圧力を受けバルブ５３の
開閉を駆動制御する保護回路５６とを備えている。すな
わち、真空チャンバ１０と差圧室５０との間に亘って設
けられた開閉式の圧力調整機構と、この圧力調整機構の
オンオフ駆動制御を行う保護回路とを備えたものであ
る。

【００３９】そして、保護回路５６は、真空計５４，５
５から真空チャンバ１０および差圧室５０の検出圧力を
受けてこれらの差を算出して出力する差動アンプ５６ａ
と、差動アンプ５６ａの出力を受けその絶対値を算出し
て出力する絶対値回路５６ｂと、絶対値回路５６ｂの出
力と約０．４気圧（約０．０４ＭＰａ）対応の閾値５６
ｄとを受けこれらを比較して絶対値回路５６ｂの出力が
閾値５６ｄ未満のときにはバルブ５３を閉状態に駆動制
御する信号を出力し絶対値回路５６ｂの出力が閾値５６
ｄ以上のときにはバルブ５３を開状態に駆動制御する信
号を出力するコンパレータ５６ｃとを具備したものであ
る。

【００４０】これらの真空計５４，５５及び保護回路５
６は、停電時でも動作可能なように、バッテリバックア
ップされている。また、バルブ５３は、前述のバッテリ
バックアップが損なわれてバルブ５３の駆動制御が行え
ないときには、安全側の開状態となるように、常開弁が
採用されている。さらに、閾値５６ｄは、磁性流体シー
ル３０の耐圧が０．５気圧弱であることからこの耐圧よ
りも少し低く、しかも排気装置６ａの到達真空度（０．
３気圧）および制御回路５７の参照圧力差（０．３５気
圧）よりは高くなるように定められたものである。

【００４１】これにより、この記録装置は、真空チャン
バ１０と差圧室５０との圧力差が磁性流体シール３０の
耐圧に基づく所定の閾値５６ｄ以内のときに限ってバル
ブ５３を閉じさせることで、真空室と差圧室との圧力差
が磁性流体シールの耐圧に基づく所定の閾値以内に収ま
るように真空室及び差圧室の圧力を調整する保護手段を
備えたものとなっている。

【００４２】このような構成の情報記録装置について、
その具体的な動作を説明する。

【００４３】制御回路５７等を初期化してバルブ５１，
５２が開状態でバルブ５３が閉状態になったところで、
ターンテーブル１４にワークを載せてチャックさせると
ともに、排気装置６ａ，６ｂを作動させて真空引きを開
始させる。すると、先ず小容量の差圧室５０が先に−
０．３５気圧に達してバルブ５１が制御回路５７によっ
て閉じられ、次に大容量の真空チャンバ１０が同気圧に
追いつくとバルブ５１が制御回路５７によって開けられ
て差圧室５０の真空引きも再開される。これを繰り返し
て、差圧室５０は圧力がロータリポンプに基づく０．３
気圧程度の真空度となり、真空チャンバ１０は圧力がタ
ーボモレキュラーポンプに基づく高真空になる。こうし
て、荷電粒子ビームにより記録を行うことの可能な状態
が得られる。

【００４４】そして、排気装置６ｄによる真空チャンバ
１０の真空引きを継続しながら、スピンドルモータ１３
でターンテーブル１４さらにはワークを回転させるとと
もに、送りステージ１２でワークを直線移動もさせなが
ら、荷電粒子ビームで所望の情報をワーク表面に書き込
んでいく。この記録処理は、磁性流体シール３０の粘性
抵抗が小さいので高速で効率良く行える。しかも、磁性
流体シール３０での発熱が少なくてスピンドル１やハウ
ジング２０がほとんど変形しないので精度良く行える。

【００４５】この処理中に、例えば排気装置６ａが突然
故障した場合、差圧室５０の排気が停止する。そうする
と、スピンドル１の下端側からスピンドル１とハウジン
グ２０との間隙を縫って差圧室５０に至る大気のリーク
によって、差圧室５０の圧力が徐々に上がってしまう。

【００４６】かかる場合、差圧室５０の圧力が約０．４
気圧（約０．０４ＭＰａ）になると、高真空の真空チャ
ンバ１０の圧力との差が０．４気圧に達し、このことが
保護回路５６によって検出される。そして、この保護回
路５６の駆動制御によってバルブ５３が開けられて、差
圧室５０から真空チャンバ１０に空気が送られる。これ
によって、真空チャンバ１０の圧力が上がると、バルブ
５３は再び閉じさせられるが、さらに、差圧室５０の圧
力が上がると再びバルブ５３を開けての圧力調整が行わ
れる。このようなことを繰り返しながら、差圧室５０の
圧力は大気圧に近いものとなる一方、真空チャンバ１０
の圧力は差圧室５０の圧力よりも概ね０．４気圧弱低い
ものとなる。

【００４７】そして、排気装置６ａが回復すると、バル
ブ５３は閉じられて、バルブ５１，５２が適宜開閉させ
られて、真空チャンバ１０と差圧室５０との圧力差を
０．３５気圧以下に維持しながら、再び真空チャンバ１
０内が高真空状態に到達する。そこで、同一ワークへの
再書き込み、又は新たなワークへの新規な書き込みが、
続行される。

【００４８】このように、正常な状態においては元よ
り、真空ポンプの故障等の異常事態にあっても、真空チ
ャンバ１０と差圧室５０との圧力差が磁性流体シール３
０の耐圧に基づく所定の閾値以上になるということがな
い。したがって、この情報記録装置は、磁性流体シール
だけの場合よりもスピンドル１の回転抵抗が少なく、し
かも差動排気方式だけの場合よりも安価でありながら、
磁性流体シールが破れることもない。

【００４９】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の第１の解決手段の真空装置にあっては、磁性流体シー
ルを真空室と差圧室との間に配設したことにより磁性流
体シールの厚さを薄くすることが可能になるとともに、
磁性流体シールと外気圧との間に差圧室を形成したこと
により差圧室に高真空用の真空ポンプを接続する必要が
無くなった。したがって、磁性流体シールだけの場合よ
りも回転抵抗が少なく且つ差動排気方式だけの場合より
も安価な真空装置を実現することができるという有利な
効果が有る。

【００５０】また、本発明の第２の解決手段の真空装置
にあっては、真空室と差圧室との圧力差が磁性流体シー
ルの耐圧以上に広がらないようにすることにより、磁性
流体シールは破れることがないという有利な効果を奏す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の真空装置の実施例としての荷電粒子
ビーム記録装置について、一部（Ｙ部）断面模式図であ
る。

【図２】そのシール部（Ｙ部）の拡大断面図である。

【図３】その保護回路の例である。

【図４】その保護回路の他の例である。

【図５】従来の磁性流体シールの断面構造である。

【図６】従来の差動排気機構の断面構造である。

【符号の説明】

１スピンドル２ハウジング３磁性流体シール３ａ磁性流体３ｂポールピース３ｃマグネット４磁性流体シール５ａ差圧室５ｂ差圧室５ｃ差圧室６ａ排気装置（ロータリポンプ）６ｂ排気装置（メカニカルブースタ）６ｃ排気装置（ターボモレキュラーポンプ）６ｄ排気装置（ターボモレキュラーポンプ）１０真空チャンバ１１電子カラム１２送りステージ１３スピンドルモータ１４ターンテーブル１５配管２０ハウジング３０磁性流体シール３１磁性流体３２ポールピース３３マグネット５０差圧室５０ａ差動排気用配管５１バルブ５２バルブ５３バルブ５４真空計５５真空計５６保護回路５６ａ差動アンプ５６ｂ絶対値回路５６ｃコンパレータ（ＣＭＰ．）５６ｄ閾値５６ｅ閾値設定回路５７制御回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】真空室内に延びた回転軸を外気圧側から駆
動する真空装置において、前記真空室と前記外気圧側と
に亘る前記回転軸周りの間隙を塞ぐ密封装置を備え、こ
の密封装置は磁性流体シールが前記真空室側に配設され
るとともに低真空用の差圧室が前記外気圧側に形成され
たものであることを特徴とする真空装置。
【請求項２】前記真空室および前記差圧室に対して設け
られた又はこれらの室間に亘って設けられた圧力調整機
構と、前記真空室および前記差圧室の検出圧力を受けこ
れらの圧力差が前記磁性流体シールの耐圧に基づく所定
の閾値以内に収まるように前記圧力調整機構の駆動制御
を行う保護回路とを備えたことを特徴とする請求項１記
載の真空装置。