(57)【要約】  スリーブ（３）内での回転のために、エアーベアリングにより支持されるシャフト（１）と、スリーブに対してシャフトを駆動するためのモータと、を備えたエアーベアリングスピンドルである。モータは巻線固定子（７）を備え、シャフトは巻線固定子が配置される略環状の収容用の凹部（１１１）を規定する。それゆえに、使用中に、シャフトの周囲部（１１２）は、巻線固定子（７）と関連して磁路の一部を形成する。また、スピンドルは、軸方向のエアーベアリング（８）を備えている。
2008509640.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スリーブ内での回転のためにエアーベアリングにて支持される(journalled)シャフトと、前記スリーブに対してシャフトを駆動するためのモータと、を備えたエアーベアリングスピンドルであって、
前記モータは巻線固定子を備えると共に、
前記シャフトは、前記巻線固定子が配置される略環状の収容用の凹部を規定し、
それゆえに、前記シャフトの周囲部は、使用中に、前記巻線固定子と関連して磁路(magnetic flux path)の一部を形成し、
軸方向のエアーベアリングを備えたスピンドル。
【請求項２】
前記シャフトを電気的に接地するための接触部を備えた請求項１に記載のスピンドル。
【請求項３】
前記接触部が磁性流体シールを備えたことを特徴とする請求項２に記載のスピンドル。
【請求項４】
前記シャフトは、前記スリーブに設けられたベアリング面に対向するベアリング面を備え、
前記巻線固定子収容用の凹部は、前記シャフトのベアリング面の内側に放射状に配置された前記何れかの請求項に記載のスピンドル。
【請求項５】
前記エアーベアリングが補助ポートを備えた前記何れかの請求項に記載のスピンドル。
【請求項６】
前記補助ポートは、チャック受け部へ接続する空気路を提供するためのものである請求項５に記載のスピンドル。
【請求項７】
使用中に前記受け部にて収容されるチャックは、前記補助ポートを介して給気または排気される空気の直接作用または間接作用の下に保持されるように構成された請求項６に記載のスピンドル。
【請求項８】
前記補助ポートが真空ポートである請求項５ないし請求項７の何れかに記載のスピンドル。
【請求項９】
前記巻線固定子は、前記シャフトのベアリング面の内側に放射状に配置された前記何れかの請求項に記載のスピンドル。
【請求項１０】
前記スリーブが、内部にシャフトが支持される主孔を備え、前記巻線固定子収容用の凹部の外径は、前記スリーブの主孔の径よりも小さい前記何れかの請求項に記載のスピンドル。
【請求項１１】
前記巻線固定子は略環状であり、前記巻線固定子の径は前記スリーブの主孔の径よりも小さい請求項１０に記載のスピンドル。
【請求項１２】
前記エアーベアリングは、該エアーベアリングにより直接支持されるシャフトの部分に対応する軸方向の長さを備え、
前記巻線固定子収容用の凹部は、使用中に前記エアーベアリングの軸方向の長さにおさまるシャフトの部分に、少なくとも部分的に設けられた前記何れかの請求項に記載のスピンドル。
【請求項１３】
前記巻線固定子は、非鉄巻線であり、前記シャフトの周囲部は、前記非鉄巻線のためのバッキングアイアン(backing iron)として作用する前記何れかの請求項に記載のスピンドル。
【請求項１４】
前記巻線固定子収容用の凹部は前記シャフトの一端に設けられ、前記巻線固定子は、前記スリーブから前記凹部に向けて軸方向に突出された前記何れかの請求項に記載のスピンドル。
【請求項１５】
前記巻線固定子は、前記スリーブの底部から軸方向に突出された中空の円筒として設けられた前記何れかの請求項に記載のスピンドル。
【請求項１６】
前記シャフトは、前記モータの一部である少なくとも１つの永久磁石を支持するステム部と、さらに、前記ステム部の周囲に配置された周囲スカート部と、を備え、
前記巻線固定子収容用の凹部は、前記ステム部と前記スカート部との間に規定された前記何れかの請求項に記載のスピンドル。
【請求項１７】
前記シャフトは、１つの部材にて形成されたシャフト本体部を備え、該シャフト本体部は、前記ステム部は必ずしも含んでいないが前記スカート部を含む請求項１６に記載のスピンドル。
【請求項１８】
前記スピンドルは、空気静圧エアーベアリングスピンドルである前記何れかの請求項に記載のスピンドル。
【請求項１９】
前記スピンドルは、ディスク試験エアーベアリングスピンドルである前記何れかの請求項に記載のスピンドル。
【請求項２０】
前記シャフトの駆動に対する制御及び／またはモニタに使用されるエンコーダ装置を備えた前記何れかの請求項に記載のスピンドル。
【請求項２１】
前記何れかの請求項に記載のエアーベアリングスピンドルにおいて使用されるシャフトであって、
少なくとも１つの永久磁石を支持するステム部と、
該ステム部の周囲に配置される周囲スカート部と、
を備え、
前記ステム部と前記スカート部との間に規定される巻線固定子収容用の凹部を備えたシャフト。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、エアーベアリングスピンドルに関するものである。この発明は特に比較的遅い速さの用途（約１０，０００ｒｐｍから１５，０００ｒｐｍ）での使用に適している。特に関心のある１つの用途は、ディスク検査スピンドルであり、他の可能な用途は、半導体分野や工作機械分野における使用を含む。
【０００２】
エアーベアリングスピンドルを駆動するための一般的な従来技術は、シャフト上に取り付けられた永久磁石と、スピンドルの固定部分に設けられた駆動巻線と、によりモータを構成する。シャフトは、一般的に、スピンドルに設けられた１つまたはそれ以上のエアーベアリングに支持されており、磁石及び巻線は、ベアリングの間またはベアリングの１つの側に配置されている。１つのエアーベアリングを有する用途において、この配置は、シャフト及びベアリングが、モータを支持する片持ち梁として作用することを意味する。これは、どれだけスピンドルをコンパクトにできるか、また、スピンドルの動的性能を落としうるかに影響する。
【０００３】
これらの配置は、従来のブラシレスＤＣモータの考え方を活用しており、それゆえに、ヒステリシス損失やコギング効果が問題となる。
近年、非鉄固定子を用いた改良されたブラシレスＤＣモータは、非常にスムーズに動くモーションシステムを可能とした。これは、磁気回路を完成するためのリターンパスを設けるために、永久磁石と磁気材料のリングの両方とを保持する回転子によるものであり、それゆえに、これらの部品の間には、関連する動きが無い。最もシンプルな構成においては、このようなモータは、巻き固定子コイル、永久磁石、及び、リターンアイアンといった３つの要素を備えている。これらの最後の２つは、モータが駆動するようにシャフトに装着されるために、一般的に１つの部品として結合されている。一般的に、これらのモータは、回転子と固定子との間で、流体（オイルベース）ベアリング、または、ボールベアリングを用いている。
【０００４】
運動の質の観点から、エアーベアリングスピンドルのいくつかの用途は、より一層要求が厳しくなっている。従来の電気モータに見られた不規則な磁束結合（フラックスカップリング）によって引き起こされる障害が、現在、深刻な関心事である。非鉄固定子を備えたタイプのモータは、運動の質において潜在的に非常に大きな改善を提供しうるが、それらの実現は、これらのシステムが要求されてきたモータの大質量、極慣性(polar inertia)及び直径により妨げられてきた。これらの要因が、これまで潜在的な有効性を否定してきた。
【０００５】
本発明の目的は、従来技術に関連された問題の少なくともいくつかを軽減することである。
本発明の１つの側面によれば、スリーブ内での回転のためにエアーベアリングにて支持されたシャフトと、スリーブに対してシャフトを駆動するためのモータと、備えたエアーベアリングスピンドルが提供されており、モータは、巻線固定子を備えると共に、シャフトは、巻線固定子が配置される略環状の収容用の凹部を規定し、それゆえに、シャフトの周囲部は、使用中に、巻線固定子と関連して磁路の一部を供給する。
【０００６】
これは、コンパクトなデザインを達成しうると共に、使用される部品数を最小にしうるといった優位性を有する。さらに、シャフト部材の使用自体が、磁束リターンパスを提供する。
【０００７】
一般的に、シャフトは、スリーブに設けられたベアリング面に対向するベアリング面を備えている。好ましくは、巻線固定子収容用の凹部は、シャフトベアリング面の内側に放射状に配置される。その結果として、巻線固定子を、シャフトベアリング面の内側に放射状に配置してもよい。そのような場合の少なくともいくつかにおいては、リターンパスを提供するのがシャフトの部材というだけでなく、ベアリング面を提供するためになくてはならない部材である。
【０００８】
スリーブは、シャフトが内部に支持される主孔を有してもよい。巻線固定子収容用の凹部の外径は、スリーブの主孔の径よりも小さくしてもよい。
エアーベアリングスピンドルは、空気静圧エアースピンドルとしてもよい。エアーベアリングスピンドルは、軸方向のエアーベアリングを備えていてもよい。この軸方向のエアーベアリングは、スラストベアリングとして作用しうる。
【０００９】
巻線固定子は、略環状としてもよく、また、巻線固定子の径は、スリーブの主孔の径よりも小さくしてもよい。
この明細書において、略環状という表現は、略環状の形状の何れをも指して用いられ、幾何学的に完全に環状な形状であることを必要としない。特に、この場合の巻線固定子においては、各部品が全体的に略環状な形状を与えるように一緒に配置されるようにしてもよい。
【００１０】
上述した構成は、結果的にコンパクトなデザインをもたらし、モータがエアーベアリング内に配置される可能性を向上しうる。
エアーベアリングは、エアーベアリングにより直接支持されるシャフト部分に対応する軸方向の長さを持つように考慮されていてもよい。好ましくは、巻線固定子収容用の凹部は、使用中にエアーベアリングの軸方向の長さにおさまるシャフトの部分に、少なくとも部分的に設けられる。この構成は、コンパクトなデザインをもたらすと共に、ベアリングを超えて一端が飛び出したモータを有する必要性を避けるために用いられうる。
【００１１】
一般的に巻線固定子は、非鉄巻線であり、シャフトの周囲部は、非鉄巻線用のバッキングアイアン(backing iron)として作用する。巻線は磁性材料のコア（しばしば、鉄）の周囲に巻かれた金属線のコイルを有し、また、非鉄巻線は、磁性材料のコアは無いが、少なくとも１つの金属線のコイルを有すると理解されうる。特に、非鉄の巻線が使用された場合、本発明の実施形態においては、従来のＤＣモータの配置が用いられたシステムと比較して、性能の優位性を有しうる。ヒステリシス損失やコギング効果が低減または除去されうることが、少なくとも理由の１つとして挙げられる。
【００１２】
巻線固定子収容用の凹部は、シャフトの一端に設けてもよく、巻線固定子は、スリーブから凹部に向けて軸方向に突出するようにしてもよい。巻線固定子は、スリーブの底部から軸方向に突出する中空の円筒として設けてもよい。
【００１３】
シャフトは、モータの一部である少なくとも１つの永久磁石を支持するステム部を備えるようにしてもよく、さらに、ステム部の周囲に配置される周囲スカート部を備えていてもよい。巻線固定子収容用の凹部は、ステム部とスカート部の間に規定してもよい。
【００１４】
シャフトは、１つの部材からなり、スカート部を含むシャフト本体部を備えていてもよい。ステム部はシャフト本体部とは異なる部材にて形成してもよい。
スピンドルのシャフトは、シャフトの駆動に対する制御及び／またはモニタに使用するためのエンコーダ装置を支持してもよい。
【００１５】
スピンドルは、シャフトを電気的に接地するための接触部を備えていてもよい。接触部は、シャフト部の周囲に配置されるシールを備えていてもよい。このシールは、スピンドルのスリーブに取り付けてもよい。このシールは、スリーブとシャフトとの間の唯一の接触が流体を介するように、磁性流体シールを備えていてもよい。
【００１６】
本発明の他の側面によれば、上述したような型のエアーベアリングスピンドルを使用するためのシャフトが提供されている。このシャフトは、少なくとも１つの永久磁石を保持するステム部と、ステム部の周囲に配置される周囲スカート部と、を備えており、ステム部とスカート部との間に規定される巻線固定子収容用の凹部を有している。
【００１７】
エアースピンドルは、ディスク検査エアーベアリングスピンドルとしてもよい。エアーベアリングスピンドルは、チャック受け部へ接続される空気路を提供するための補助ポートを備えていてもよい。補助ポートは、真空ポートとしてもよい。これは、チャックが、真空の作用の下に適当な位置にて支持されることを可能とする。これは、直接的または間接的に達成してもよい。このチャックは、真空の作用の下に、対応したテーパにて収容及び保持されるテーパ部を備えていてもよい。他にも、チャック受け部は、真空の作用の下にチャックを保持するための操作が可能な機構を備えていてもよい。同様に、補助ポートは、チャックを保持するために、機構を操作するための空気の供給を、正圧がかかった状態で受けてもよい。チャックを保持するための機構は、圧縮ばね（spring pack）及び／またはピストンを備えるようにしてもよい。
【００１８】
本発明の実施形態を、ほんの一例として、ディスク検査エアーベアリングスピンドルを示す添付の図面を参照しつつ以下に説明する。
図面は、スピンドルのシャフト１を回転駆動するための非鉄ＤＣモータを取り入れたディスク検査エアーベアリングスピンドルを示している。このようなディスク検査スピンドルは、メディアディスクがディスクドライブユニットに組み付けられるのに先だって行われる検査中に、メディアディスクを支持及び回転するために使用される。ディスクはシャフト１に取り付けられたハブ（図示無し）によって支持される。
【００１９】
本発明はディスク検査スピンドルにおいて有用である一方、上述したように、本発明はこれよりも広い分野に適用可能である。
スピンドルのシャフト１は、同様にスピンドルハウジング３内に配置されたエアーベアリング２にて支持されている(journalled)。ハウジング３及びベアリング２は、共にシャフト１が回転のために支持される(journalled)スリーブを供給すると考えられる。ベアリングは、シャフト１の円筒形の外ベアリング面１ａと対向する略円筒形の内ベアリング面２ａを備える。
【００２０】
エアーベアリング２は空気静圧ベアリングであり、ベアリングを動作可能とするためにベアリング面１ａ，２ａの間のスペースに空気を送るノズル及び供給チャネルが設けられている。スピンドルのこれらの側面は従来から一般的であり、エアーベアリング分野において周知の技術として用いられているので、これらのノズル及びチャネルは詳細に示しておらず、また詳細に説明しない。
【００２１】
シャフト１は、２つの部品本体、つまり、外面がシャフトベアリング面１ａを備えたシャフト本体部１１と、シャフト本体部１１にねじ込むことにより取り付けられた後尾部１２と、を備えている。後尾部１２は、シャフト本体部１１において、ハブ（図示無し）が支持された端部と反対側の端部に設けられた孔１１１内に配置されている。
【００２２】
孔１１１の主要部分は、シャフト本体部１１のスカート部１１２といわれる部分にて規定される。このスカート部の外面は、シャフトベアリング面１ａの一部を形成し、スカート部１１２の内面は、後尾部１２と共に、シャフト１の端部に略環状の凹部４を規定する。
【００２３】
シャフトの後尾部１２は、ステム部１２１上に取り付けられた一組の永久磁石５を備えている。磁石５は、ハウジング３に対してシャフト１を駆動するために使用されるモータの一部を形成する。磁石５の外面は、略環状の凹部４の内側境界を部分的に規定する。
【００２４】
後尾部１２は、従来より一般的なエンコーダ部６を支持し、シャフト１の駆動における制御／モニタのために使用されうる。エンコーダ部６は、シャフト１共に回転するように配置されたエンコーダディスク６１を備えている。エンコーダプリント回路基板及びエンコーダディテクター６２はハウジング３に取り付けられている。エンコーダ部６及びプリント回路基板及びディテクター６２は、共に、シャフトの駆動における制御／モニタのために使用されるエンコーダ装置を構成する。
【００２５】
管状または中空円筒状に成型された一組の非鉄巻線固定子７は、スピンドルハウジング３の底部３１から軸方向に突出されるようにスピンドルハウジング３に取り付けられると共に、略環状の凹部４に収容される。巻線固定子７は、それゆえに一組の磁石５の付近に配置され、さらに、シャフトのスカート部１１２は、巻線固定子７の周囲を囲む。少なくともシャフトのスカート部１１２は、磁性材料、一般的な磁性鋼からなり、そして、それゆえに、これは、巻線固定子７のための磁束リターンパスとして作用しうる。
【００２６】
シャフト１は、本実施形態では磁性流体シール９を備えた接触部を介してハウジング３と電気的に接続される。支持されたディスクに作用する好ましくない電気的影響を抑制する観点から、この接触部にてシャフト１を接地している。このような磁性流体シール９は市販されているものであり、磁性流体を介してシャフト１と接触する。シールはこの場合、ハウジング３に取り付けられる。
【００２７】
磁石５、（図示しない適当な駆動電流源及び制御装置を備えた）巻線固定子７及び“バックアイアン(back iron)”としてのスカート部１１２は、共に、ハウジング３に対してシャフト１を駆動するための効果的なモータを提供する。この非鉄固定子ＤＣモータは、そのようなモータに対してスムーズな動作を与え、バックアイアンとしてシャフトの部材を用いることは、そのようなモータを用いた従来のスピンドルにおいて見られたいくつかの問題点を軽減する。
【００２８】
巻線固定子７及び環状の凹部４の径は、シャフトのベアリング面１ａの径よりも小さいことにも注意するとよい。それゆえに、モータは径方向においてエアーベアリング２“内”に設けてもよい。さらに、略環状の凹部４、磁石５、スカート部１１２及び巻線固定子７の夫々は、全体、または、ほぼ全体がエアーベアリング２の軸方向の長さ内に配置される。それゆえに、モータ５，７，１１２は、エアーベアリング２の軸方向内に配置されたと言うことができ、片持ち梁として作用するシャフト１及びベアリング２により支持されない。これは、スピンドルの動力学特性及びコンパクト性を向上する。
【００２９】
モータにバッキングアイアンを設けるために、ベアリング面１ａの一部として作用するシャフト１の一部を利用することは、バッキングアイアンとして専用の別部品を用いるシステムと比較して、部品を軽減し、また、駆動される部品の質量及び慣性モーメント低減する。
【００３０】
スピンドルは、ラジアルエアーベアリング２に加え、軸（スラスト）エアーベアリング８を備えている。このスラストベアリングは、ハウジングに設けられた一対のスラスト板８２，８３の間に配置されたシャフト１上に設けられた軸スラストラナー８１を備えている。スラスト板８２，８３は、スラストスペーサ８４にて分割されており、スラストベアリングに空気をおくるためのノズル８２ａ，８２ｂを夫々備えている。
【００３１】
スピンドルは、真空ポンプ（図示無し）を、シャフト１のチャック受け部１３に対して操作可能に接続できるようにするためのチャネルＣを備えている。それゆえに、ディスクを保持するためのチャック（図示無し）が、受け部１３にて収容されたとき、チャックは、少なくとも部分的に真空の作用を受けて、適当な位置にて支持されうる。エアーベアリング２は、シャフト１の円筒形の面１ａに設けられた真空供給溝１１３への空気接続路を提供する真空ポート２ｂを備えている。絞り（図示無し）は、溝１１３からシャフト１の中心孔（図示無し）へ通じ、次にはチャック受け部１３に通じる。本実施形態においては、チャック受け部は、チャックのテーパ部が収容されうる内部テーパを備えている。吸引力が、真空ポンプにより支持用チャックのテーパ部に適用されてもよいように、中心孔は、この内部テーパに通じている。
【００３２】
一対の排気溝１１４は、シャフト１の円筒形の面１ａにおいて、真空供給溝１１３の夫々の側に設けられている。これらの排気溝１１４は、真空供給溝１１３の両側で、ラジアルエアーベアリング２の各部から空気の受容及び排気をし、真空システムの効果的な操作を確実にすることを助ける。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】スピンドルのシャフト１を回転駆動するための非鉄ＤＣモータを取り入れたディスク検査エアーベアリングスピンドルを示している。
【図１】
2008509640.tif 000003
【手続補正書】
【提出日】平成18年5月10日(2006.5.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スリーブ内での回転のために空気静圧エアーベアリングにて支持される(journalled)シャフトと、前記スリーブに対してシャフトを駆動するためのモータと、を備えたエアーベアリングスピンドルであって、
前記モータは巻線固定子を備えると共に、
前記シャフトは、前記巻線固定子が配置される略環状の収容用の凹部を規定し、
それゆえに、前記シャフトの周囲部は、使用中に、前記巻線固定子と関連して磁路(magnetic flux path)の一部を形成し、
軸方向の空気静圧エアーベアリングを備えたスピンドル。
【請求項２】
前記シャフトを電気的に接地するための接触部を備えた請求項１に記載のスピンドル。
【請求項３】
前記接触部が磁性流体シールを備えたことを特徴とする請求項２に記載のスピンドル。
【請求項４】
前記シャフトは、前記スリーブに設けられたベアリング面に対向するベアリング面を備え、
前記巻線固定子収容用の凹部は、前記シャフトのベアリング面の内側に放射状に配置された前記何れかの請求項に記載のスピンドル。
【請求項５】
前記エアーベアリングが補助ポートを備えた前記何れかの請求項に記載のスピンドル。
【請求項６】
前記補助ポートは、チャック受け部へ接続する空気路を提供するためのものである請求項５に記載のスピンドル。
【請求項７】
使用中に前記受け部にて収容されるチャックは、前記補助ポートを介して給気または排気される空気の直接作用または間接作用の下に保持されるように構成された請求項６に記載のスピンドル。
【請求項８】
前記補助ポートが真空ポートである請求項５ないし請求項７の何れかに記載のスピンドル。
【請求項９】
前記巻線固定子は、前記シャフトのベアリング面の内側に放射状に配置された前記何れかの請求項に記載のスピンドル。
【請求項１０】
前記スリーブが、内部にシャフトが支持される主孔を備え、前記巻線固定子収容用の凹部の外径は、前記スリーブの主孔の径よりも小さい前記何れかの請求項に記載のスピンドル。
【請求項１１】
前記巻線固定子は略環状であり、前記巻線固定子の径は前記スリーブの主孔の径よりも小さい請求項１０に記載のスピンドル。
【請求項１２】
前記エアーベアリングは、該エアーベアリングにより直接支持されるシャフトの部分に対応する軸方向の長さを備え、
前記巻線固定子収容用の凹部は、使用中に前記エアーベアリングの軸方向の長さにおさまるシャフトの部分に、少なくとも部分的に設けられた前記何れかの請求項に記載のスピンドル。
【請求項１３】
前記巻線固定子は、非鉄巻線であり、前記シャフトの周囲部は、前記非鉄巻線のためのバッキングアイアン(backing iron)として作用する前記何れかの請求項に記載のスピンドル。
【請求項１４】
前記巻線固定子収容用の凹部は前記シャフトの一端に設けられ、前記巻線固定子は、前記スリーブから前記凹部に向けて軸方向に突出された前記何れかの請求項に記載のスピンドル。
【請求項１５】
前記巻線固定子は、前記スリーブの底部から軸方向に突出された中空の円筒として設けられた前記何れかの請求項に記載のスピンドル。
【請求項１６】
前記シャフトは、前記モータの一部である少なくとも１つの永久磁石を支持するステム部と、さらに、前記ステム部の周囲に配置された周囲スカート部と、を備え、
前記巻線固定子収容用の凹部は、前記ステム部と前記スカート部との間に規定された前記何れかの請求項に記載のスピンドル。
【請求項１７】
前記シャフトは、１つの部材にて形成されたシャフト本体部を備え、該シャフト本体部は、前記ステム部は必ずしも含んでいないが前記スカート部を含む請求項１６に記載のスピンドル。
【請求項１８】
前記スピンドルは、ディスク試験エアーベアリングスピンドルである前記何れかの請求項に記載のスピンドル。
【請求項１９】
前記シャフトの駆動に対する制御及び／またはモニタに使用されるエンコーダ装置を備えた前記何れかの請求項に記載のスピンドル。
【請求項２０】
前記何れかの請求項に記載のエアーベアリングスピンドルにおいて使用されるシャフトであって、
少なくとも１つの永久磁石を支持するステム部と、
該ステム部の周囲に配置される周囲スカート部と、
を備え、
前記ステム部と前記スカート部との間に規定される巻線固定子収容用の凹部を備えたシャフト。
【国際調査報告】
2008509640.tif 000004
2008509640.tif 000005