CN201087935Y - 主轴装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种利用空气轴承支撑主轴的主轴装置，该主轴装置包含冷却系统以冷却驱动马达线圈及设有钻头的主轴末端；具体而言，该冷却系统利用冷却剂(水或油)作为冷却媒介以对驱动线圈与轴承作接触式冷却。该冷却系统是经组态整合于主轴装置之中，以维持整体结构及元件的机械性质与精密度。本实用新型的主轴装置具有可增加进气量的空气进气凹槽及进气孔的空气轴承，且其整体结构是经组态可使冷却剂流向设有钻头的主轴末端，尤指邻设于该末端的轴承，以提供冷却。该主轴装置适用于钻孔加工机上，如印刷机板高精密的高速钻孔机上。本实用新型的主轴装置除具有高精密度外，各元件的配置依其功能或功效清楚区分设计，故有利于整体结构的组装及各元件的保养与维护。

Description

主轴装置

技术领域

本实用新型涉及一种主轴装置，尤指一种利用空气轴承作为其主轴支撑的主轴装置，该主轴装置可用于印刷基板的钻孔机上。

背景技术

随着科技进步，电子产品精密度要求日益趋高，生产制造过程中的钻孔加工作业已成为相当重要的一环与技术。举例而言，许多电子产品的印刷基板为其核心元件之一，故于大量生产制造过程中，钻孔加工作业显得非常重要且必须具有相当的精度，以提高产品的整体良率及质量。利用主轴装置使其中的主轴呈高速转动是高速切削的原理与首要条件，而利用空气轴承作为该高速主轴的支撑以进一步提高主轴转速与回转的精度是目前于高速与高精密钻孔加工技术上广泛采用的技术。

如图1所示的公知钻孔机主轴装置的剖视图，其利用空气轴承A、B与C将主轴1支撑于主体10的内部空间11中。该主轴装置利用环形马达以驱动主轴1转动，当电源供应至设于该主体10内的驱动马达线圈12(定子)时，设有金属或导电材质(如铜)的外环9(转子)的主轴1将被驱动而于旋转轴O上转动。夹设于主轴1的一末端2上的钻头3也将随该主轴1的旋转与转速而转动。当加压空气自进气口14及16注入至该主轴装置中时，加压空气将经由空气轴承A、B及C上的多个出气口13与15朝该主轴1喷出，以支撑主轴1于内部空间11中旋转。其中空气轴承A及B(径向轴承)提供主轴1的径向支撑；空气轴承C(轴向轴承)则可提供主轴1的轴向支撑，且该空气轴承C借助于将加压空气由这些出气口15喷向于该主轴1的法兰部或突缘部4上，以达成所述主轴1于轴向方向上的支撑。该主轴装置可装设于一钻孔机(图未示)上并经由线型马达的驱动作轴向移动，以对架设于该主轴装置的钻头3下方的加工件如印刷基板(图未示)进行钻孔加工作业。当主轴装置以转速达每分钟数万转至数十万转时，其内部各元件的精密度与整体结构的稳定性是相当重要的。

然而，钻孔机或主轴装置却有其使用与作业上的不理想之处；尤指，该主轴装置于作业中所产生的高温与高热，将会影响主轴装置的寿命与功效。本领域技术人员已知所述热源的产生主要是因为(1)由电源供应电力的环形驱动马达的线圈12所产生的高温、及(2)钻头3与加工件钻孔摩擦时所产生的高热所造成。然而主轴装置的元件大多由金属材质所构成，高温及高热都会使此些元件的机械性质变差、使用寿命减短，因此可能造成钻孔精密度降低外，甚至可能于作业中时发生如断针等故障情况；因此，高温与高热对于主轴装置中的空气轴承A、B及C与钻头3的机械性质(mechanical properties)与钢性(stiffness)的影响需特别注意。又如上述，对于高速主轴而言，如何维持整体结构的稳定与元件的精密度的同时，还能对其提供有效的冷却系统是一课题与考虑。

关于可冷却主轴装置的冷却系统，美国专利第5,798,587号揭示了一种高速主轴冷却回路构造(Cooling Loop Structure of HighSpeed Spindle)，其提供一由三组相互连通的冷却回路，由冷却机经主轴后端流至前轴承冷却部分、再先后流入马达冷却部分与后轴承冷却部分后留回冷却机形成一控温冷却回路。此回路虽可于上述环形驱动马达的线圈部分与轴承部分提供冷却，但因其回路构造需依主轴装置围绕设置外，对于采用空气轴承的高精密主轴装置而言，并未提供有效且具有实质效益的解决方案。特别地，该冷却回路必须由金属或导热性质较佳的材质制成螺旋状，其大小必须相配于该主轴装置外，制造成本较高、配置与拆卸不易，也会造成主轴装置的整体重量增加与结构精密度的降低；然而对高速主轴而言，整体结构的组装、维修容易是相当重要的，且结构的整体性与精密度都与该主轴装置作业的精密度有关。另外，由于此冷却回路并未考虑到采用空气轴承的主轴装置。空气轴承需于其侧面设有通气孔，所以当以冷却回路方式围绕轴承的外表面时，可能阻碍通气孔的进气外，也不利于空气轴承与主体或壳体的设置，甚至造成轴承结构上机械性质的降低。除此之外，由于此为一冷却回路，故此回路设计若有任何一处有所缺陷，则将使冷却剂外泄并及回路中断，而无法有效提供冷却。如何同时冷却环形驱动马达与空气轴承，并能够维持整体结构的精密度与轴承的刚性，且便于维护与清理是相当重要的。

另外，美国专利第6,373,158号揭示了一种主轴高速散热装置(Motor Main Shaft Provided with Fast Cooling Means)，其特征在于提供设有多个凹凸相间的鳍片(microfin)或散热片于主轴装置中邻近于驱动马达的线圈(定子)及轴承部分的内部壳体上，增加其散热面积以利于散热与热传导至外界。然而，此散热装置并无法提供有效且合乎经济效益的主轴散热系统。首先，由于这些散热片设于主轴装置的内部，即接近主要热源部-定子线圈部与轴承部，主轴装置内部可视为一封闭空间，在内部空间有所局限的条件下，空气残量相对微少且其对流更是为小；所以，若经由这些散热片作为主要散热与导热机制，其效果非常有限。另外，此散热装置主要用于具有滚轮轴承的主轴装置上，所以对空气轴承的主轴装置相对并不适用；理由包含空气轴承需具有可由其轴承外表面的侧面通孔进气的设计外，且必须同时可紧配于容纳此轴承的壳体上，所以当邻近于其壳体内部上设有散热片时，将影响空气轴承与壳体彼此相配合的设计，进而可能造成空气轴承刚性的降低与整体结构精密度的减少。除此之外，若于壳体的内表面上设置或形成多个散热片构造，于制造过程上需较高的成本，故有其实质应用与经济效益上的不便与缺陷。

关于利用空气轴承的主轴装置，除上述的高温高热对于元件机械性质与刚性的考虑外，还有如何提高设于主轴装置内部的空气轴承的空气进气量的考虑；即，提高空气轴承的空气进气量的同时，还能维持空气轴承与主轴装置壳体的紧配、轴承的刚性与整体结构的精密度。当空气轴承的空气进气量提高时，能更为有效且稳固地支撑主轴；而整体结构包含空气轴承都能维持其刚性与精密度。此为利用空气轴承的主轴装置的另一课题与考虑。

本领域技术人员了解利用空气轴承于主轴装置中，以达精密且具有高速转速的主轴。然而，虽空气轴承较其它轴承(如滚轮轴承)具有较为「干净」的作业环境；换言之，空气轴承与受其支撑的主轴或转子轴之间的界面是空气或气体，而非其它如滚轮轴承所使用的润滑油。然而，空气轴承仍会因使用时间增长，受空气中的杂质的影响而需对该主轴装置作保养与维护，因此提供一种具有高精密度且利于拆卸与保养维护的主轴装置也为本实用新型的另一课题与考虑。

实用新型内容

提供一种具有冷却系统以冷却主轴装置，且于利用空气轴承的高速主轴装置中可同时提高空气进气量以利空气轴承更有效地支撑该主轴装置的主轴，为本实用新型的一个目的；另外，在提供高转速主轴及其冷却系统的同时，也能维持该主轴装置的整体结构性与精密度，且可克服现有技术的缺陷与不足，是本实用新型的另一目的。

本实用新型提供一种利用空气轴承支撑主轴的主轴装置，该主轴装置包含冷却系统以冷却驱动马达线圈(定子)、及设有钻头的主轴末端，尤指邻设于该末端的轴承；该冷却系统利用冷却剂(包含如水或油的冷却介质)作为冷却媒介。该冷却系统整合于该主轴装置中，以维持结构元件本身的机械性质与整体结构的精密度。具体而言，本实用新型具有较佳的空气轴承，以提供改良的空气进气凹槽及进气孔，增加空气进气量，并经组态可使冷却剂流向驱动线圈外并可进一步流至设有钻头的主轴末端以提供冷却。该主轴装置适用于钻孔加工机上，如印刷机板高精密的高速钻孔机上。

本实用新型的一目的在于提供一种具有冷却系统的主轴装置。其中所述冷却系统同时利用气态与液态介质作为冷却媒介；具体而言，本实用新型的主轴装置中的环形驱动马达的定子线圈借助于冷却剂达到接触式冷却效果；本实用新型的邻近于主轴末端及钻头箝夹上方的轴向轴承，则借助于设于该轴向轴承中的冷却剂导槽以导引冷却剂流经该轴承内部与主轴末端，进而达到冷却该设有钻头的主轴末端的效果。

在本实用新型的一实施例中，该主轴装置包含有一壳体、设于该壳体中的冷却主体、设于该主轴中的空气轴承及驱动线圈(定子)、可旋转式设于该驱动线圈中的主轴(转子)；其中该壳体包含气体注入口、冷却剂注入口及冷却剂流出口；该冷却主体设有气体通口及气体通道与该壳体的气体注入口呈流体连接，以使空气流至这些空气轴承；该冷却主体还设有冷却剂线圈导口，以允许环绕该冷却主体的冷却剂经该冷却主体的冷却剂线圈导口流进至该驱动定子线圈的外表面，作接触式冷却；该冷却主体还进一步提供有冷却剂轴承导口，以允许冷却剂流至轴承内部，以对该轴承及主轴末端作接触式冷却。在本实用新型的一实施例中，这些空气轴承具有多个进气孔与喷气孔与该壳体的气体注入口及冷却主体的气体通道与气体通口呈流体连接，并经组态于其外表面设有气体凹槽，以增加空气进气量。在本实用新型的另一实施例中，所述冷却主体及设于其中的空气轴承是经组态，以允许空气由该主体的气体通口流至这些空气轴承的进气口并阻止流经该主体的冷却剂进入这些空气轴承的进气口。在本实用新型的驱动圈的另一实施例中，该驱动线圈的外表面是经组态以作为导引冷却剂的一界面，并可与该主体相接合。在本实用新型的壳体的一实施例中，该壳体进一步包含一可与钻孔加工机相接合接头固定座，该气体注入口、冷却剂注入口及冷却剂流出口设于该接头固定座上。在本实用新型的主轴的另一实施例中，该设于驱动线圈中的主轴的导电材质部分是经组态以利于驱动线圈的驱动。

在本实用新型的另一实施例中，这些空气轴承包含前端轴承、后端轴承及推力轴承；其中后端轴承可提供主轴于主体内的径向支撑、前端轴承可提供主轴于主体内的径向支撑并可同于与该推力轴承相作用以提供主轴于主体内的轴向支撑。每一轴承中的进气孔是与其喷气孔呈流体连接。较佳为这些喷气孔的孔径小于进气孔的孔径。在本实用新型的推力轴承的一实施例中，该推力轴承的一侧面上进一步设有冷却剂通口并于其内部设有冷却剂导槽，其中该冷却剂通口与冷却主体的冷却剂轴承导口呈流体连接，以导引冷却剂流经该邻设主轴末端附近的冷却剂导槽，进而达到冷却该末端与邻近于钻头附近的效果。在本实用新型的推力轴承的另一实施例中，其内部进一部设有对流槽与其进气孔呈流体连接，以增加空气存留量，有效地提供空气至喷气孔。在本实用新型的主轴的一实施例中，该主轴具有突缘部，且介于前端轴承与推力轴承之间；其中该突缘部设于一间隔环中，该间隔环的轴向厚度尺寸是至少容纳该突缘部。在一实施例中，该间隔环可进一步设有冷却剂穿孔，与轴承的冷却剂通口呈流体连接。

本实用新型的另一目的在于提供主轴装置的冷却系统时还能增加该主轴装置中的空气轴承的空气进气量。在本实用新型的一实施例中，主轴装置的主体内中设有至少一径向轴承提供主轴径向支撑及至少一轴向轴承提供主轴轴向支撑，其中径向轴承的外周面进一步设有凹槽以增加主体内的空气容纳空间，该外周面还经组态可与该主体相接合。在本实用新型的另一实施例中，其包含设于主体中的前端轴承，后端轴承及推力轴承，其中前端轴承可提供主轴径向支撑并可与推力轴承相作用以提供主轴轴向支撑，后端轴承与前端轴承的外周面进一步设有凹槽以增加主体内的空气容纳空间，及该推力轴承具有与进气孔呈流体连接且设于其内部的空气对流槽，以增加于该推力轴承的空气，并可有效地提供喷气孔空气。

本实用新型的另一目的在于提供主轴装置冷却系统时，可维持主轴装置整体结构的精密度与机械性质。本实用新型的主轴装置包含上述实施例，将该利用有气体与液态冷却剂的冷却系统整合于该主轴装置的元件中；其中尤指，主轴装置的主体、空气轴承及驱动线圈经组态以整合式地提供冷却系统于该主轴装置中，所以可维持该主轴装置的整体结构性及其精密度。另外，对利用空气轴承的主轴装置而言，维持空气轴承的刚性是相当重要的。本实用新型的空气轴承是经组态，以提高空气进气量并同时，仍可维持其刚性并与该主轴装置的主体之间的稳固接合，并确保该主轴装置的精密度。

本实用新型所提供的主轴装置具有高精密度的元件与整体结构，并利用有空气轴承，且适用于高速主轴钻孔机上，其较佳为可达每分钟20,000至160,000转。

本实用新型的另一目的在于提供，易于组装、维护与保养的主轴装置。如前述的本实用新型实施例，各元件之间的连接关系单纯直接，且所提供的冷却系统以整合方式与整体结构结合。举例而言，并无如前述先前技术所揭露的额外配接的螺旋式冷却管或表面构体复杂且不齐的散热片。本实用新型的主轴装置的元件或构件是可拆卸式地接合，除具有高精密度外，各元件的配置依其功能或功效清楚区分设计，且彼此连接关系单纯，故有利于整体结构的组装与维护。

前述内容是关于本实用新型的大体内容，不应限制本实用新型的范围。于此所述的作业及结构可以不同方法及实施例实施，所以其任何变化或其它变化实施例都不违于本实用新型的范围。以下将针对本申请的实施例详细说明。

附图说明

图1是一公知的主轴装置的剖视图；

图2是本实用新型的主轴装置的一较佳实施例的剖视图；

图3显示了本实用新型主轴装置的主轴的一较佳实施例沿其轴线所取的剖视图；

图4显示了本实用新型主轴装置的壳体部分的一较佳实施例沿其轴线所取的剖视图；

图5显示了本实用新型主轴装置的驱动线圈的一较佳实施的侧视图；

图6是本实用新型的主轴装置的另一较佳实施例的剖视图；

图7显示了如图6所示的本实用新型主轴装置的另一较佳实施例的组装图；

图8A显示了本实用新型的主轴装置的空气轴承/后端轴承的一较佳实施例的俯视图；

图8B显示了如图8A所示的空气轴承/后端轴承沿A-A线所取的剖视图；

图9A显示了本实用新型的主轴装置的空气轴承/前端轴承的一较佳实施例的俯视图；

图9B显示了如图9A所示的空气轴承/前端轴承沿A-A线所取的剖视图；

图10A显示了本实用新型的主轴装置的空气轴承/推力轴承的一较佳实施例的俯视图；及

图10B显示了如图10A所示的空气轴承/推力轴承沿A-A线所取的剖视图；

图11显示了本实用新型的主轴装置的空气轴承/推力轴承的另一较佳实施例的俯视图。

具体实施方式

本实用新型提供一种用于钻孔机上的主轴装置。该主轴装置利用空气轴承作为其主轴支撑，并具有整合于其中的冷却装置。该主轴装置具有高速主轴及精密度高的整体结构，可用于如印刷基板的钻孔机上，以提供高转速与高精密度的钻孔加工。以下将对本实用新型的较佳实施例作说明，并请参考附图，以更加了解本实用新型的技术内容、特征及功效。这些较佳实施例旨在于说明本实用新型，本实用新型的范围并不局限于这些实施例，其它变化实施例也不违其范围。

首先，请参考图2，其显示本实用新型的主轴装置10的一较佳实施例的剖视图。该主轴装置10包括一具有气体注入口22、冷却剂注入口24及冷却剂流出口26的壳体20；设于该壳体20内部的冷却主体30，其具有气体通口32与该壳体20的气体注入口22呈流体连接、冷却剂线圈导口34及冷却剂轴承导口36与该壳体20的冷却剂注入口24及冷却剂流出口26呈流体连接(如图示，其是于该冷却剂注入口24的另一侧面上)；该冷却主体30具有一外表面31及环形内表面35，一具有外环42的驱动马达线圈(定子)40，该外环42可接合于该内表面35上且经组态于该冷却主体30的冷却剂线圈导口34之间形成流体连接的界面；一主轴50可旋转式设置于该驱动线圈40中，并具有突缘部52径向向外延伸于该外表面51上；该壳体20还设有径向轴承70、80及轴向轴承90；其中该径向轴承70及80设于主体中且分别位于该驱动线圈40的两末端43、45，并提供该主轴50于径向上的支撑，该轴向轴承90则设于该主轴50的突缘部52上，以轴向支撑该主轴50。

所述径向轴承70及80各具有设有多个进气孔73、83的外周面72、82及设有多个喷气孔75、85的内周面74、84，这些进气孔73、83与所述主体30的气体通口32呈流体连接、喷气孔75、85与进气孔73、83呈流体连接，喷气孔以平行于该主轴50的径向设置；所述轴向轴承90具有设有多个进气孔93的进气面92及设有多个喷气孔95的推力面94；同理地，这些进气孔93与所述主体30的气体通口32呈流体连接、喷气孔95与进气孔93呈流体连接，喷气孔95以垂直于该主轴50的突缘部52设置。为了冷却该主轴50的具有一钻头55的末端57，并利于该末端的冷却或温度的降低，该轴向轴承90进一步设有冷却剂通口96与冷却剂导槽91，以使冷却剂可经由所述冷却主体30的冷却剂轴承导口36通过轴向轴承90的冷却剂通口96流至设于该轴向轴承90中的冷却剂导槽91，以达到冷却该主轴末端57的功效。

对于空气轴承的相关运作，当加压空气由壳体20的气体注入口22注入后，该加压空气将会流经冷却主体30的气体通道39而由气体通口32流至设于该冷却主体30内部的径向轴承70及80及邻设于主轴50的突缘部52上的轴向轴承90。空气由径向轴承70及80的外周面72、82的进气孔73、83进入至轴承的径向喷气孔75、85；空气也将由轴向轴承90的进气面92进入至该轴承的轴向喷气孔95。所以，径向轴承70及80的喷气孔75及85可借助于其朝该主轴50的外表面51喷出的空气，以支撑该主轴50于其径向上；而该轴向轴承90的喷气孔95则可借助于其朝该主轴50的突缘部52的上下表面58、59喷出的空气，以支撑该主轴50于其轴向上。可以理解的是，主轴装置10可包含多个径向与轴向轴承；且该主轴还可设计为包含多个突缘部52以配合轴向轴承90的配置。以上所述的所有喷气孔都可具有较小于进气孔的孔径，以产生所谓的「喷嘴效应」，以将空气以加压的方式喷出。另外，于本实用新型的另一实施例中，这些空气轴承包括如所述的径向与轴向轴承，还可进一步区分为前端轴承、后端轴承及推力轴承，以达到主轴的径向与轴向支撑。这些实施例都属本实用新型的范围，并将于后揭露的技术内容再详细叙明。

就主轴装置10的运作而言，当一电源如交流电源(图未示)，提供电力至驱动线圈40(定子)时，该主轴50的外表面51的一区块包覆有导电材质54(转子)，将会受该驱动线圈40的驱动而于轴线O上旋转。且如前述，该主轴50将受空气轴承70、80及90的支撑，而于该主体30及驱动线圈40中转动。另外，所述导电材质可为铜，或具有铜的金属材质或合金，但不仅局限于这些材质。如图3所示的本实用新型的主轴50的一实施例的剖视图，此导电材质部54可以涂覆方式设于该主轴50的外表面51上；在另一实施例中，该设于驱动线圈40中的主轴50部分可完全由该导电材质54所制成。该主轴50会受驱动线圈40的驱动而于轴线O上转动。在本实用新型的主轴50的一较佳实施例中，其中该设于主轴50的外表面51上的导电材质54具有呈多条于轴向上延伸的长条纹，这些长条纹与主轴50的旋转轴线O呈一倾角，较佳为5度，但不仅局限于此倾斜角度上；如此设置，有利于该导电材质54受线圈40的驱动而启动。因此，设于该主轴50的一末端57的钻头55将受驱动而转动，以达到高速钻孔一设于该钻孔下方的工件(图未示)的功效。然而，如前述，该线圈40是主轴装置10的主要热源之一，所以提供主轴装置的驱动线圈的冷却是相当重要的。

以下将对本实用新型的一实施例，其具有整合于该主轴装置10中的冷却剂冷却系统以冷却驱动线圈40作详细说明，并请同时参考图2及图4与5的相关元件。首先，请再参考图2，在本实用新型的较佳实施例中，主轴装置10的壳体20包含有冷却剂注入口24及冷却剂流出口26(于该注入口24的另一侧)。当冷却剂自一钻孔机上的冷却机(图未示)由该冷却剂注入口24注入至该壳体20内时，该冷却剂将会流至该冷却主体30的外表面31并包覆该外表面31；具体而言，该冷却剂于介于冷却主体30的外表面31与壳体20的内表面21之间流动。于冷却主体30的一较佳实施例中，该冷却主体30的外表面31的两端33、37可经组态与该壳体20的内表面21相接合；即，如图2与图4所示，冷却主体30的一端33上可设有O型环及主体30的另一端37可与壳体20的内表面21上的O型环相接合。在另一实施例中，这些O型环都是设于该冷却主体30的外表面31上，以与该壳体20的内表面21相接合。可以理解的是，除O型环外，该冷却主体30的外表面31和/或壳体20的内表面21还可经由直径尺寸差别与密合方式的设计以彼此相接合。

如图4所示，流动于壳体20的内表面21与冷却主体30的外表面31之间的冷却剂将可经由设于该冷却主体30上的冷却剂线圈导口34，以流经设于该冷却主体30内部的驱动线圈40的外环42上，对该驱动线圈40有效且接触式地冷却。该冷却主体30进一部设有冷却剂轴承导口36，以提供冷却剂流经其中并至轴向轴承90的冷却剂通口96及其内部中。又如图4所示的本实用新型的冷却主体30的一较佳实施例，该主体30的外表面31进一步设有冷却剂凹槽38，以利于导引于该外表面31上的冷却剂；另外，在本实用新型的冷却主体30的另一较佳实施例中，冷却主体30上的冷却剂线圈导口34及冷却剂轴承导口36设于所述冷却剂凹槽38中。如图所示，冷却主体30中设有气体通口32，其与壳体20的气体注入口22呈流体连接；具体而言，冷却主体30的一实施例中，其具有设于其内部的气体通道39，其与壳体20的气体注入口22及冷却主体30上的气体通口32呈流体连接，所以空气可经由此通道39流至该冷却主体30内部。此将空气与冷却剂分离的主体30的设计，可搭配前述O型环的配设，以同时使空气流至主体30内部，及冷却剂流经其主体30的外表面与内部，进而使空气轴承70、80及90可接收空气，并可使冷却剂以不影响空气进气的方式流经该冷却剂主体30。另外，于该冷却主体30的一较佳实施例中，该冷却主体30的外表面或其整体外层可进一步包覆一烤漆，其作用在于提供一更为光滑的表面，以利于冷却剂流经冷却主体30的表面。

图5显示了本实用新型的驱动线圈40的一较佳实施例。如前述，设于冷却主体30中的驱动线圈40是主轴装置10的主要热源之一。当冷却机(图未示)的冷却剂经由上述冷却主体30的冷却剂线圈导口34流入后，将会接触并流经该驱动线圈40的外环42上，随之将再经该冷却主体30及所述导口流出，以由该壳体20的冷却剂流出口26，形成一冷却循环。如图所示，驱动线圈40的外环42形成于主体30的冷却剂导入口34之间的界面，且于一实施例中，该外环42可进一步设有凹槽48，以利于导引流经于其上的冷却剂。另外，为使冷却剂流至邻设于主轴末端57的轴向轴承90中，该冷却主体30进一部设有冷却剂轴承导口36，以供冷却剂流至轴向轴承90。在一较佳实施例中，该冷却主体30的冷却剂线圈导口34设于所述驱动线圈40的外环42的凹槽48上，以使冷却剂直接流至该凹槽48。由此，驱动线圈40得以受冷却剂的直接且接触式有效地冷却。

请参考下表1及表2，以更加明了冷却剂「接触式」流经驱动线圈40的差异与冷却功效为何。如表1所示其揭露当仅允许冷却剂流经冷却主体30的外表面31上，而未经所述冷却剂线圈导口34，故并未直接接触式地冷却主体30内部的驱动线圈40时，该线圈的温度表现。表2则揭露本实用新型的主轴装置10的以一实施例，其允许冷却剂如前述经由冷却主体30的冷却剂线圈导口34「接触式」流经驱动线圈40的外环42上，以直接冷却该驱动线圈40的温度表现，详如下。

表1：定子线圈温度(冷却剂未直接流经或接触定子线圈)

表2：定子线圈温度(冷却剂直接流经或接触定子线圈)

由此二表的比较即可知，冷却剂接触式流经驱动线圈40实可相当有效地冷却该线圈的温度。举例而言，当冷却机温度-即冷却剂温度为19.1℃时，表1中的线圈温度为67℃(如表中标示粗体部分)；而当冷却剂同样具有温度为19.1℃时，且直接流经与该线圈接触时，线圈温度则降至53℃(如表中标示粗体部分)；两者温度相差甚多。所述测量工具与方法是利用「热敏电阻」测量及换算。意即，利用测量该驱动线圈40所产生的电阻，及公知的温度、线圈材质R-T与电阻之间的关系，以换算相对的温度。上述测量的冷却机温度已清楚揭露且利用一冷却水。然而，可以理解的是，以上量测与比较都在于说明所述两者的差别；所以，任何公知种类的冷却剂包括水、胶状或油状的冷却剂都可运用于本实用新型上，且皆属本实用新型的范围，而并不局限于本测量所运用的冷却水。

以下将再针对本实用新型的另一实施例作详细说明，并请同时参考图6至11。如图6示出了本实用新型的另一实施例的主轴装置110的剖视图，此实施例与前述实施例的主要差别，但非唯一且非仅限于此些差别，是在于主轴装置110中的壳体120及空气轴承170、180及190。如前述，本实用新型可提供一种利于组装与保养维护的主轴装置110，此可经由提供整合有上述冷却系统的主轴装置110中的壳体120的变化组态而达成；易言之，前实施例所述的壳体20具有较为简易的结构，但另一实施例的壳体120可进一步具有不同的结构，以更加突显此方面的功效。又如前述，提供一种可增加空气进气量至空气轴承70、80、90和/或170、180及190的主轴装置10、110，以提供主轴50、150更加稳固的支撑，也为本实用新型的目的之一。再者，经由空气轴承90、190的进一步组态，以使冷却剂经由冷却主体30、130流至轴承90、190中，进而使设有钻头55、155的主轴50、150的一末端57、157及其附近获得有效的冷却，也为本实用新型的另一目的。以下将对这些实施例与技术特征作说明。

于图6所示的主轴装置110与前述的另一实施例主轴装置10具有相同的驱动线圈冷却系统与构造，包括如其中的冷却主体30、130；驱动线圈40、140；冷却剂注入口24、124；冷却剂流出口26、126及其前述相关的元件等，故于此将不再对相关于此冷却剂或驱动线圈等部分作赘述。另外，如图2及6所示的主轴装置10、110，其中的主轴50、150的一实施例具有中空管状的形体，使一气压式推杆60、160可设于该主轴50、150中空管状中；推杆60、160经组态以提供用于更换该主轴50、150的钻头55、155的机构；于此实施例中，推杆59、159的机构可推压箝夹于该主轴50、150末端的钻头55、155。可以理解的是，本实用新型所提供的主轴装置还包含具有钻头55、155更换的机构的实施例，以下将不再对此部分赘述。关于壳体120的说明，请参考图7。

图7是本实用新型的另一实施例的主轴装置110的组装图，其中该壳体120的一实施例包含有一外罩体123及一接头固定座125。该外罩体123套设于主体130的外侧上，且可包覆空气轴承170、180于其两端127、129的内表面上，并可进一步包覆该设于冷却主体130内的驱动线圈140及于其中的主轴150。空气轴承170、180及190的设置还可紧固于该外罩体123上，紧固方式可包含如锁附、螺栓等方式接合，以增加整体构造的稳定性与精密度。所述接头固定座125则与该外罩体123的一末端129相接合，同理地该接合方式包含可借助于紧固元件如螺栓等方式接合。在该接头固定座125的一实施例中，气体注入口122、冷却剂注入口124及冷却剂流出口126设在该接头固定座125上。如图所示，主轴装置110的结构及其元件之间的连接关系清楚分明，虽其包含许多不同元件，但相当易于组装与拆卸，且可对每一元件作个别维护与保养、甚至替换，而可避免因某一元件的损坏或故障，而须替换主轴装置10、110的一完整整体。另外，可以理解的是，于此所揭露的主轴装置10、110是本实用新型的较佳实施例，所以若将壳体20、120与冷却主体30、130作为一体成形；或将外罩体123、接头固定座125、主体30、130与线圈40、140作为一体成形，也都属于本实用新型的范围。

以下是关于空气轴承70、170；80、180；90、190，并将阐明如何于主轴装置10、110中增加此些空气轴承的进气量。首先，图8A、8B示出了空气轴承70、170的一较佳实施例，其可为一如前述的径向轴承。且又如前述，空气轴承70、170可经由设于外周面72、172上的进气孔73、173使空气进入并由设于内周面74、174上的多个喷气孔75、175喷出，以提供主轴50、150径向支撑。在空气轴承170的一实施例中，其可为主轴装置110的一后端轴承，并如图7所示可设于主轴150的一末端159及外罩体123的末端129上，以径向支撑该主轴150。空气轴承70、170的外周面72、172进一步设有进气凹槽77、177，且在一实施例中，该进气凹槽77上还设有进气孔73、173。空气轴承70、170的外周面72、172上可借助于O型环的设置，以与主体30、130相接合。所以因为外周面72、172邻接于主体30、130的内部，进气凹槽77的设置可有效地增加空气存留于该空气轴承70、170与主体30、130之间的空间，进而增加进气量。又在空气轴承70、170的另一实施例中，其一末端可具有一突缘部79、179，以将其紧固接合于主体30、130上。另外，可以理解的是，以上所述的空气轴承70、170的实施例也适用于前述主轴装置10的实施例中的径向轴承，如径向轴承70及80。

再者，请参考图9A、9B，其揭露空气轴承180的一较佳实施例。在此实施例中，空气轴承180是指一前端轴承，且其与前述的空气轴承80的主要差异，但非唯一差异在于空气轴承180可同时提供径向的支撑与轴向的推力。同于前述，空气轴承80、180都具有一设有多个进气孔83、183的外周面82、182，及一设有多个喷气孔85、185的内周面84、184，以径向支撑该主轴50、150。然而，前端轴承180同时具有一推力面189，该推力面是平行于前述主轴150的突缘部152，并设有多个垂直于该突缘部152的喷气孔185，提供主轴150的轴向推力与支撑。又同于前述，空气轴承80、180的外周面82、182还可进一步设有进气凹槽87、187，且于一实施例中，该进气凹槽87、187上还设有进气孔83、183，以增加空气的进气量。空气轴承80、180的外周面82、182上可借助于O型环的设置，以与主体30、130相接合。空气轴承80、180邻设于冷却主体30、130的内部且于主轴50、150的末端57、157上。如图9A、9B所示，为使自前述该冷却主体130中的冷却剂轴承导口136中的冷却剂流经空气轴承180或前端轴承，其进一步设有冷却剂通口186；在一实施例中，该冷却剂通口186贯穿该空气轴承180的至少一部分并与冷却主体30、130中的冷却剂轴承导口36、136呈流体连接。

图10A、10B揭示了本实用新型的空气轴承90、190的一较佳实施例。空气轴承90、190都具有轴心穿孔98、198以接纳主轴50、150的末端57、157，并使钻头穿过其中。空气轴承90如前述是一轴向轴承，其相关说明请参考前述。空气轴承190则是一推力轴承，其可与上述的空气轴承180所提供的轴向推力相互作用，以支撑主轴150于其轴向上。如图所示，推力轴承190具有一上表面与192与一下表面194，该上表面192是平行且邻设于主轴150的突缘部152且设有多个垂直于该突缘部152的喷气孔195；该下表面194可设有进气孔193。在一实施例中，该上表面192还可设有多个进气孔193。同于前述，为增加空气的进气量，轴向轴承90与推力轴承190中还可进一步设有空气对流槽97、197，以增加空气的容纳空间并有效提供空气至喷气孔95、195。推力轴承190邻设于主轴150的末端157以提供轴向支撑，且相对于上述前端轴承180，以与其相作用而施予该主轴150的突缘部152轴向推力以支撑其于轴向上。在一实施例中，该前端轴承180与推力轴承190之间提供有一设于该主体150内的间隔环200，其允许该主轴150的一端穿过其中并可于其中自由旋转，该间隔环200的轴向厚度经组态以至少容纳该主轴150的突缘部152于其中。

为利于或提供该主轴50、150的末端57、157的冷却，空气轴承90、190或推力轴承进一步设有冷却剂通口96、196及冷却剂导槽91、191，如图10A、10B所示。当冷却剂自冷却主体130的冷却剂轴承导口136流出后，冷却剂将流经上述的空气轴承180的冷却剂通口186及设于间隔环200上的冷却剂穿孔206，进入至空气轴承190的冷却剂流入口196。再者，于空气轴承90、190内部设有冷却剂导槽91、191与该冷却剂流入口96、196呈流体连接；所以，冷却剂得以借助于该冷却剂导槽91、191冷却该轴承90、190外，还可对该主轴50、150末端57、157作冷却，进而降低邻近钻头或其周围的温度。另外，又如图所示，该冷却剂导槽91、191与空气对流槽97、197呈分隔设计-即，两者非彼此流体相通的。因此，可增加空气对流及存留空间于该空气对流槽97、197中的同时，还能允许冷却剂流经冷却剂导槽91、191，有效地达到冷却的功效；在一实施例中，该冷却剂导槽91、191是环设于该轴心穿孔98、198附近。

图11显示了本实用新型的空气轴承的另一实施例190’。于此实施例中，推力轴承190’是经组态以进一步包含可侦测主轴(转子)50、150的转速、并输出其讯号以回授或引导马达驱动线圈40、140(定子)电流切换使用的转速传感器(图未示)。如图所示，该推力轴承190’包含有传感器接纳孔199’以容纳转述传感器于其中。该传感器接纳孔199’较佳是设于该推力轴承190’的相对于主轴50、150的突缘部52、152的上表面192’上。在一实施例中，该内设有转速传感器的传感器接纳孔199’设于该推力轴承190’的轴心穿孔198’及冷却剂导槽191’的外侧，较佳是在该空气对流槽197’的外侧、且远离于进气孔193’及冷却剂流入口196’。其中，所述转速传感器的一实施例是一磁电转换传感器，包含如霍尔元件(hall component)、磁阻元件(magnetoresistivecomponent)。在一特定实施例中，推力轴承190’的传感器接纳孔199’是经组态而设有一霍尔元件或霍尔感应器，以利用霍尔原理感测主轴(转子)磁极及转子位置、输出讯号并以利于该讯号的使用及主轴50、150的转速的控制。而该传感器接纳孔199’的大小是以不实质影响该轴承的钢性为合适的尺寸。可以理解的是，上述传感器还包含其它实施例，如光传感器，而非仅限于磁电转换传感器或霍尔传感器。除此之外，同理地，在本实用新型的另一实施例中，转速传感器还可设于如前述实施例的轴向轴承90上，较佳则是设于其推力面89上，此也属本实用新型的范围。

最后，本发明虽参照上述具体实施例描述，但可以理解的是这些实施例的揭露是为阐明本实用新型的原则而作的具体说明，本实用新型的范围并不局限于本实用新型所揭示的实施例。举例而言，上述所提的「空气」，为使用气体的较佳实施例之一，其它气体仍可适用于本实用新型上，而不仅局限所述空气此一气体。所以不同的变型、改进或其它实施例都是可能的实施例，并且所有的这些变型、改进或组合都可能，且不悖于本实用新型的精神与其所请的申请专利范围。

【主要附图标记说明】

10、110主轴装置          20、120壳体

21、121内表面            22、122气体注入口

24、124冷却剂注入口      26、126冷却剂流出口

30、130冷却主体          31、131外表面

32、132气体通口          33、133、37、主体末端

                         137

34、134冷却剂线圈导口    35、135内表面

36、136冷却剂轴承导口    38、138冷却剂凹槽

39、139气体通道          40、140驱动线圈

42、142外环              43、143、45、线圈末端

                         145

48、148槽                50、150主轴

51、151外表面            52、152突缘部

54、154导电材质          55、155钻头

57、157主轴末端          58、158上表面

59、159下表面            60、160推杆

70、80、90空气轴承       72、172外周面

73、173进气孔            74、174内周面

75、175喷气孔            77、177进气凹槽

79、179突缘部            82、182外周面

83、183进气孔            84、184内周面

85、185喷气孔            86、186冷却剂通口

87、187进气凹槽          89、189推力面

91、191冷却剂导槽        92进气面

93、193进气孔            94推力面

95、195喷气孔            96、196冷却剂流入口

97、197空气对流槽        98、198轴心穿孔

123外罩体                125接头固定座

127、129外罩体末端       170、180、190空气轴承

192上表面            194下表面

190’推力轴承        191’冷却剂导槽

192’上表面          193’进气孔

196’冷却剂流入口    197’空气对流槽

198’轴心穿孔        199’传感器接纳孔

200间隔环            206冷却剂穿孔

Claims (30)

1.一种用于钻孔机上的主轴装置，包括：

壳体，其包含至少一气体注入口、至少一冷却剂注入口及至少一冷却剂流出口；

设于该壳体内部的冷却主体，其具有至少一气体通口与该壳体的气体注入口呈流体连接、至少一冷却剂线圈导口及至少一冷却剂轴承导口与该壳体的冷却剂注入口呈流体连接；

设于该主体内部的驱动线圈，其具有外环及该外环的至少一部分是介于该冷却主体的冷却剂导口之间形成流体连接的界面；

可旋转式设置于该驱动线圈中的主轴，其外表面的至少一部分是由导电材质包覆，并包含至少一突缘部延伸于该外表面上；

设于该冷却主体内部的至少一径向轴承，其具有设有多个进气孔的外周面及设有多个喷气孔的内周面，这些进气孔与所述主体的气体通口呈流体连接、喷气孔与进气孔呈流体连接，喷气孔是以平行于该主轴的径向设置；

设于该冷却主体内部的至少一轴向轴承，其具有设有多个进气孔的进气面、设有多个喷气孔的推力面及至少一冷却剂通口，这些进气孔与所述主体的气体通口呈流体连接、喷气孔与进气孔呈流体连接，喷气孔是以垂直于该主轴的突缘部设置，及冷却剂通口与该冷却主体的冷却剂轴承导口呈流体连接；及

其特征在于，当冷却剂由该冷却剂注入口注入后，将经该冷却主体的冷却剂线圈导口流至该冷却主体内部的驱动线圈的外环上，并将经该冷却主体的冷却剂轴承导口流至轴向轴承的冷却剂通口；该轴向轴承的内部进一步设有冷却剂导槽，与该冷却剂通口呈流体连接。

2.如权利要求1所述的主轴装置，其特征在于，该壳体进一步包含一接头固定座经组态以将该主轴装置的一端与所述钻孔机上相接合。

3.如权利要求2所述的主轴装置，其特征在于，该至少一气体注入口、该至少一冷却剂注入口及该至少一冷却剂流出口设于该接头固定座上。

4.如权利要求1所述的主轴装置，其特征在于，该冷却主体的外表面的至少一部分设有冷却剂凹槽，以利于所述冷却剂的导引。

5.如权利要求4所述的主轴装置，其特征在于，该冷却主体的冷却剂线圈导口与冷却剂轴承导口设于所述冷却剂凹槽中。

6.如权利要求1或4所述的主轴装置，其特征在于，该冷却主体的外表面上设有至少一O型环与该壳体相接合。

7.如权利要求1所述的主轴装置，其特征在于，该驱动线圈的外环的至少一部分所形成的界面具有至少一凹槽，以利于冷却剂于该驱动线圈上的外环上的导引。

8.如权利要求1所述的主轴装置，其特征在于，该驱动线圈的外环上设有至少一O型环与该冷却主体相接合。

9.如权利要求1所述的主轴装置，其特征在于，该设于主轴的外表面上的导电材质具有呈多条于轴向上延伸的长条纹，这些长条纹与主轴的旋转轴呈一倾角。

10.如权利要求1所述的主轴装置，其特征在于，该径向轴承的外周面上设有至少一进气凹槽，及这些进气孔设于该进气凹槽中。

11.如权利要求1所述的主轴装置，其特征在于，该径向轴承的外周面设有至少一O型环与该主体相接合。

12.如权利要求1所述的主轴装置，其特征在于，该轴向轴承进一步包含一轴心穿孔，以接纳该主轴的一末端于其中。

13.如权利要求1所述的主轴装置，其特征在于，该轴向轴承进一步包含一空气对流槽，其与这些进气孔呈流体连接。

14.如权利要求1所述的主轴装置，其特征在于，这些喷气孔的孔径尺寸小于这些进气孔的孔径。

15.如权利要求1所述的主轴装置，其特征在于，该轴向轴承是由一组彼此相对的推力轴承构成，该对推力轴承的喷气孔是相对于该主轴的突缘部设置，以支撑该主轴于其轴向上。

16.如权利要求15的主轴装置，其特征在于，该组推力轴承之间提供有一设于该主体内的间隔环，其允许该主轴的一端穿过其中并可于其中自由旋转，该间隔环的厚度是经组态以至少容纳该主轴的突缘部于其中。

17.如权利要求16所述的主轴装置，其特征在于，该间隔环进一步设有冷却剂穿孔，其与轴向轴承的冷却剂通口呈流体连接。

18.如权利要求1所述的主轴装置，其特征在于，该轴向轴承的推力面进一步设有传感器接纳孔，其是经组态以容纳至少一转速传感器于其中。

19.如权利要求1所述的主轴装置，其特征在于，该转速传感器是一霍尔传感器。

20.一种用于钻孔机上的主轴装置，包括：

外罩体；

接合于该外罩体的接头固定座，其包含至少一气体注入口、至少一冷却剂注入口及至少一冷却剂流出口；

设于该外罩体内部的冷却主体，该冷却主体具有至少一气体通口与该外罩体的气体注入口呈流体连接、至少一冷却剂线圈导口及至少一冷却剂轴承导口与该外罩体的冷却剂注入口呈流体连接；

设于该冷却主体内部及具有外环的驱动马达线圈，该外环的至少一部分介于该冷却主体的冷却剂线圈导口之间形成流体连接的界面；

可旋转式设置于该驱动马达线圈中的主轴，其外表面的至少一部分是由导电材质包覆并包含至少一突缘部径向向外延伸于该外表面上；

设于该冷却主体内部的前端轴承，其具有设有多个进气孔的外周面、设有多个喷气孔的内周面及推力面、及至少一冷却剂通口，这些进气孔与所述冷却主体的气体通口呈流体连接，其中该内周面的喷气孔是以平行于该主轴的径向设置，及该推力面的喷气孔垂直于该主轴的突缘部，及冷却剂通口是与该冷却主体的冷却剂轴承导口呈流体连接；

设于该主体内部的后端轴承，其具有设有多个进气孔的外周面及设有多个喷气孔的内周面，这些进气孔与所述主体的气体通口呈流体连接，喷气孔以平行于该主轴的径向设置；

相对于该前端轴承设置的推力轴承，其具有设有至少一进气孔的进气面、多个喷气孔的推力面及至少一冷却剂流入口，喷气孔垂直于该主轴的突缘部，该冷却剂流入口与前端轴承的冷却剂通口呈流体连接；

介于该前端轴承与推力轴承之间的间隔环，其允许该主轴的一端穿过其中并可于其中自由旋转；及

其特征在于，当冷却剂由该冷却剂注入口注入后，将经该冷却主体的冷却剂线圈导口流至该冷却主体内部的驱动线圈的外环上，并将经该冷却主体的冷却剂轴承导口流经前端轴承的冷却剂通口至推力轴承的冷却剂流入口；该推力轴承的内部进一步具有冷却剂导槽与该冷却剂流入口呈流体连接。

21.如权利要求20所述的主轴装置，其特征在于，该冷却主体的外表面的至少一部分设有冷却剂凹槽，以利于所述冷却剂的导引。

22.如权利要求21所述的主轴装置，其特征在于，该冷却主体的冷却剂线圈导口与冷却剂轴承导口设于该冷却剂凹槽中。

23.如权利要求20所述的主轴装置，其特征在于，该冷却主体的外表面上设有至少一O型环与该外罩体相接合。

24.如权利要求20所述的主轴装置，其特征在于，该驱动线圈的外环的至少一部分所形成的界面具有至少一凹槽，以利于冷却剂于该驱动线圈上的外环上的导引。

25.如权利要求20所述的主轴装置，其特征在于，该驱动线圈的外环上设有至少一O型环与该主体相接合。

26.如权利要求20所述的主轴装置，其特征在于，该设于主轴的外表面上的导电材质具有呈多条于轴向上延伸的长条纹，这些长条纹与主轴的旋转轴呈一倾角。

27.如权利要求20所述的主轴装置，其特征在于，该前端轴承与该后端轴承的外周面上各设有至少一进气凹槽。

28.如权利要求20所述的主轴装置，其特征在于，该推力轴承的推力面进一步设有空气对流槽，其与这些进气孔呈流体连接。

29.如权利要求20所述的主轴装置，其特征在于，该间隔环进一步设有冷却剂穿孔，其与前端轴承的冷却剂通口及推力轴承的冷却剂流入口呈流体连接。

30.如权利要求20所述的主轴装置，其特征在于，该推力轴承进一步包含有传感器接纳孔，其是经组态以容纳至少一转速传感器于其中。

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