JP2001268859A - High-speed rotation spindle - Google Patents

High-speed rotation spindle

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JP2001268859A
JP2001268859A JP2000072533A JP2000072533A JP2001268859A JP 2001268859 A JP2001268859 A JP 2001268859A JP 2000072533 A JP2000072533 A JP 2000072533A JP 2000072533 A JP2000072533 A JP 2000072533A JP 2001268859 A JP2001268859 A JP 2001268859A
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Hirotoshi Aramaki
宏敏 荒牧
Hideo Okano
秀雄 岡野
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To enable high-speed rotation with a structure of rotation-driving a rotary shaft 2 by a large torque with an electric motor, and of a speed not lower than 100,000 revolutions per min (r.p.m) on top of that. SOLUTION: By the electric motor composed of a rotor 9 into which a rotary shaft 2 is inserted and fixed, and a stator 10 fixed to the inner surface of a housing 1, the shaft 2 is rotated. As a field magnet which constitutes the rotor 9, a manganese aluminum magnet is used. Since the tensile strength of the manganese aluminum magnet is large, it is not broken by centrifugal force caused by a high-speed rotation, and the above problem is solved.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、電動モータによっ
て例えば10万min-1 (r.p.m.)以上の高速で回転する
高速回転スピンドル装置の改良に関する。この様な高速
回転スピンドル装置は、例えば歯科用ハンドピースや微
小部品を加工する工作機械用旋盤、或は研削盤、ボール
盤等の工作機械に好適なものである.
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an improvement of a high-speed spindle device which is rotated at a high speed of, for example, 100,000 min -1 (rpm) or more by an electric motor. Such a high-speed rotating spindle device is suitable for a machine tool such as a lathe for a machine tool for processing a dental handpiece or a minute component, or a machine tool such as a grinding machine and a drilling machine.

【0002】[0002]

【従来の技術】例えば歯科医が使用する治療用ハンドピ
ース、或は歯科技工士が使用する作業用ハンドピースと
して従来から、圧縮空気の力により砥石を回転させるも
のが広く使用されている。この様な従来構造の場合に
は、先端部に砥石が装着され、玉軸受によりハウジング
に回転自在に支持された回転軸に固定されたタービン翼
を、このハウジング内に供給した圧縮空気の圧力により
回転駆動する。この様な圧縮空気により回転軸を駆動す
る構造によれば、この回転軸の高速回転化は、安定した
回転速度を確保する事を考慮した場合には限界があり、
回転速度は限られたものである。
2. Description of the Related Art For example, a treatment handpiece used by a dentist or a work handpiece used by a dental technician has been widely used which rotates a grindstone by the force of compressed air. In the case of such a conventional structure, a grindstone is attached to the tip, and a turbine blade fixed to a rotating shaft rotatably supported by a housing by a ball bearing is driven by the pressure of compressed air supplied into the housing. Drive rotationally. According to such a structure in which the rotating shaft is driven by compressed air, there is a limit to the high-speed rotation of the rotating shaft in consideration of securing a stable rotating speed.
The rotation speed is limited.

【0003】一方、歯科治療時の患者の不快感を軽減し
たり、或は入れ歯等の加工時の加工能率を向上させる為
には、回転軸の回転速度を速める事が求められている。
言い換えれば、この回転軸の先端部に固定した砥石の周
速を早くして切れ味を良くし、削り作業が短時間で済む
様にする事が求められている。従来構造の場合、上記タ
ービン翼に吹き付ける圧縮空気の量を多くし、圧力を高
くすれば、或る程度砥石の周速を早くできるが、十分な
効果を得る事は難しい。即ち、回転砥石の駆動源として
圧縮空気を使用した場合には、砥石による歯や入れ歯等
の切削時に、切削抵抗に基づき、この砥石を回転させる
為に要するトルクが増大して上記回転軸が減速され、切
削効果が低減する。しかも、歯と砥石との接触部の接触
面圧や接触面積の変動に基づく上記トルクの変動によっ
て、上記回転軸の回転速度が頻繁にしかも大きく変動す
る為、騒音が増大する等、患者に対する不快感が増大す
る。
On the other hand, in order to reduce the discomfort of the patient during dental treatment or to improve the processing efficiency in processing dentures, it is required to increase the rotation speed of the rotating shaft.
In other words, it is required to increase the peripheral speed of the grindstone fixed to the tip of the rotating shaft so as to improve the sharpness and to reduce the cutting work in a short time. In the case of the conventional structure, if the amount of compressed air blown to the turbine blade is increased and the pressure is increased, the peripheral speed of the grindstone can be increased to some extent, but it is difficult to obtain a sufficient effect. In other words, when compressed air is used as the drive source for the rotating grindstone, the torque required to rotate this grindstone increases based on the cutting resistance during cutting of teeth and dentures by the grindstone, and the rotating shaft decelerates. And the cutting effect is reduced. In addition, the fluctuation of the torque based on the fluctuation of the contact surface pressure and the contact area of the contact portion between the tooth and the grinding wheel frequently and largely fluctuates the rotation speed of the rotating shaft, thereby increasing noise and other problems for the patient. Pleasure increases.

【0004】この様な事情により、歯科用ハンドピース
の駆動源として電動モータを用いる事が望まれている。
ところが、回転軸と共に回転するロータを構成する界磁
マグネットの強度不足や、この界磁マグネットのアンバ
ランスに基づいて生じる、砥石を固定する回転軸先端部
の振れ、更には電動モータの発熱に基づいて生じる、上
記回転軸を支持する軸受の潤滑不足等の影響で、この回
転軸の回転速度を高める事には限度がある。この為に従
来は、歯科用ハンドピースの様な、比較的小型のスピン
ドル装置の回転軸の場合でも、10万min-1 以上の高速
回転を得る事はできなかった。
[0004] Under such circumstances, it is desired to use an electric motor as a drive source for a dental handpiece.
However, the strength of the field magnet constituting the rotor that rotates together with the rotating shaft is insufficient, and the end of the rotating shaft that fixes the grindstone, which is generated due to the imbalance of the field magnet, and the heat generated by the electric motor. Due to the effect of insufficient lubrication of the bearings supporting the rotating shaft, there is a limit to increasing the rotating speed of the rotating shaft. For this reason, conventionally, it was not possible to obtain high-speed rotation of 100,000 min -1 or more even in the case of a relatively small spindle device such as a dental handpiece.

【0005】又、微小な機械部品を切削加工する為に
は、被加工物である当該部品の大きさに応じた容量の工
作機械を使用する事が、加工精度を確保する面からも、
或は省エネルギ及び省資源の観点からも好ましい。これ
に対して従前の場合には、微小な機械部品を加工する場
合にも、より大きな物品の加工も行なえる様な大型の工
作機械を用いる場合が多かった。この様な状態は、被加
工物に対して過大なスペース及びエネルギを必要とし、
しかも加工精度を確保する事が難しくなる為、好ましく
ない。
[0005] Further, in order to cut a minute mechanical part, using a machine tool having a capacity corresponding to the size of the part to be processed is necessary from the viewpoint of securing processing accuracy.
Alternatively, it is preferable from the viewpoint of energy saving and resource saving. On the other hand, in the conventional case, a large machine tool that can process a large article even when processing a small mechanical component is often used. Such a condition requires excessive space and energy for the workpiece,
Moreover, it is difficult to ensure the processing accuracy, which is not preferable.

【0006】これに対して、日経BP社が2000年1
月に発行した技術雑誌「日経メカニカル」の No.544
の第38〜39頁には、駆動源として電動モータを用
い、回転軸を5万min-1 で回転させる事ができる高速回
転スピンドル装置が実現された事が記載されている。こ
の構造では、上記電動モータのロータを構成する界磁マ
グネットとしてサマリウムコバルト燒結磁石を使用し、
ステータのコアとして積層珪素鋼板を使用している。
On the other hand, Nikkei BP, Inc.
No.544 of the technical magazine “Nikkei Mechanical” published in January
Nos. 38-39 describe that a high-speed rotary spindle device capable of rotating an axis of rotation at 50,000 min -1 using an electric motor as a drive source has been realized. In this structure, a samarium-cobalt sintered magnet is used as a field magnet constituting the rotor of the electric motor,
A laminated silicon steel sheet is used as the core of the stator.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】上述した様な技術雑誌
「日経メカニカル」に記載された高速回転スピンドル装
置の場合、電動モータを駆動源とする構造で、従前に比
べて高速回転が可能にはなったが、5万min-1 を遥かに
越える様なより高速回転を実現する為には、依然として
次のの様な点を改良する事が望まれている。
In the case of the high-speed rotating spindle device described in the technical magazine "Nikkei Mechanical" as described above, the structure using an electric motor as a driving source makes it possible to rotate at a higher speed than before. However, in order to realize higher-speed rotation far exceeding 50,000 min -1 , it is still desired to improve the following points.

【0008】 電動モータのロータを構成するサマリ
ウムコバルト磁石は、密度が8.4g/cm3 程度と、回
転軸を構成するステンレス鋼、合金鋼、軸受鋼等と同程
度に大きいのに対し、引っ張り強度が4.4×107
/m2 程度と、必ずしも大きな値とは言えない。密度が
大きい事は、高速回転時に加わる遠心力が大きく、内部
に大きな引っ張り応力が作用する事に繋がる。これに対
して、引っ張り強度が十分に大きくはないので、上記高
速回転スピンドル装置は、歯科用ハンドピース程度の、
比較的小径(ロータの外径が10mm程度)の機械装置に
組み込んだ場合でも、7万min-1 を越える様な回転速度
を実現する事は難しい。即ち、この様な高速回転時にサ
マリウムコバルト磁石を界磁マグネットとして組み込ん
だロータは、フープ応力で破壊するので、このロータを
高速回転させる事はできない。
The samarium-cobalt magnet forming the rotor of the electric motor has a density of about 8.4 g / cm 3, which is as large as that of stainless steel, alloy steel, bearing steel, etc. forming the rotating shaft. Strength is 4.4 × 10 7 N
/ M 2, which is not necessarily a large value. When the density is high, the centrifugal force applied at the time of high-speed rotation is large, which leads to a large tensile stress acting inside. On the other hand, since the tensile strength is not sufficiently large, the high-speed rotating spindle device is as large as a dental handpiece.
It is difficult to achieve a rotation speed exceeding 70,000 min -1 even when the motor is incorporated in a mechanical device having a relatively small diameter (the outer diameter of the rotor is about 10 mm). That is, a rotor incorporating a samarium-cobalt magnet as a field magnet during such high-speed rotation breaks due to hoop stress, and therefore cannot be rotated at high speed.

【0009】 上記電動モータのロータを構成するサ
マリウムコバルト磁石は、線膨張係数が8〜11×10
-6/℃と、回転軸を構成するステンレス鋼、合金鋼、軸
受鋼等の線膨張係数(10〜17×10-6/℃)と同程
度か、むしろこれよりも小さい場合が多い。従って、高
速回転スピンドル装置の運転時の発熱に基づく上記ロー
タの熱膨張量は、このロータを外嵌固定した回転軸の熱
膨張量と同じか、この回転軸の熱膨張量よりも少なくな
る。この為、上記ロータを上記回転軸に、隙間なく外嵌
固定すると、温度上昇時にこの回転軸が、このロータの
内周面を直径方向外方に強く押圧し、上記フープ応力が
更に増加して、許容回転速度が低下する。この様な熱膨
張率の差に基づくフープ応力の増大を防止する為には、
上記回転軸と上記ロータとの嵌合状態を隙間嵌とし、こ
れらロータと回転軸とを接着剤により固定する事が考え
られる。但し、この場合には、使用回転速度が、接着剤
の接着強度による制限を受ける(回転軸と接着剤との
間、並びにロータと接着剤との間が、線膨張係数の差に
よりフープ応力を受けると共に、接着部が剪断力を受
け、その応力が大きいと接着部が剥れる)。
The samarium-cobalt magnet constituting the rotor of the electric motor has a linear expansion coefficient of 8 to 11 × 10
−6 / ° C., which is almost the same as, or rather smaller than, the linear expansion coefficient (10 to 17 × 10 −6 / ° C.) of the stainless steel, alloy steel, bearing steel, and the like that constitute the rotating shaft. Therefore, the amount of thermal expansion of the rotor based on heat generation during operation of the high-speed rotating spindle device is equal to or smaller than the amount of thermal expansion of the rotating shaft to which the rotor is fixed. For this reason, when the rotor is externally fitted and fixed to the rotating shaft without a gap, the rotating shaft strongly presses the inner peripheral surface of the rotor diametrically outward when the temperature rises, and the hoop stress further increases. , The allowable rotation speed decreases. In order to prevent an increase in hoop stress based on such a difference in coefficient of thermal expansion,
It is conceivable that the fitting state between the rotating shaft and the rotor is a clearance fit, and the rotor and the rotating shaft are fixed with an adhesive. However, in this case, the rotation speed used is limited by the adhesive strength of the adhesive (the hoop stress is reduced by the difference in linear expansion coefficient between the rotating shaft and the adhesive and between the rotor and the adhesive. At the same time, the adhesive part is subjected to shearing force, and if the stress is large, the adhesive part peels off.

【0010】これらの理由によって従来は、10万min
-1 と言った、7万min-1 を大きく越える様な回転速度
を得られる高速回転スピンドル装置は実現していなかっ
た。本発明は、この様な事情に鑑みて、10万min-1
しくはそれ以上の回転速度を得られる高速回転スピンド
ル装置を実現すべく発明したものである。
For these reasons, 100,000 min
A high-speed rotary spindle device capable of obtaining a rotational speed much exceeding 70,000 min -1 has not been realized. In view of such circumstances, the present invention has been made to realize a high-speed rotary spindle device capable of obtaining a rotational speed of 100,000 min -1 or more.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】本発明の高速回転スピン
ドル装置は、従来から知られているスピンドル装置と同
様に、ハウジングと、回転軸と、ロータと、ステータと
を備える。このうちの回転軸は、玉軸受、静圧或は動圧
の流体軸受等の軸受により、上記ハウジングの内側に回
転自在に支持されている。又、上記ロータは、界磁マグ
ネットを有し、上記回転軸の外周面に固定されている。
又、上記ステータは、上記ハウジングの内周面で上記ロ
ータの外周面と対向する部分に設けられている。特に、
本発明の高速回転スピンドル装置は、上記回転軸の最高
回転速度が10万min-1 以上となる条件で使用されるも
ので、上記ロータを構成する界磁マグネットがマンガン
アルミ製である。
A high-speed rotating spindle device according to the present invention includes a housing, a rotating shaft, a rotor, and a stator, similarly to a conventionally known spindle device. The rotating shaft is rotatably supported inside the housing by a bearing such as a ball bearing or a hydrostatic or hydrostatic bearing. The rotor has a field magnet and is fixed to an outer peripheral surface of the rotating shaft.
The stator is provided at a portion of the inner peripheral surface of the housing that faces the outer peripheral surface of the rotor. In particular,
The high-speed rotating spindle device of the present invention is used under the condition that the maximum rotational speed of the rotating shaft is 100,000 min -1 or more, and the field magnet constituting the rotor is made of manganese aluminum.

【0012】[0012]

【作用】上述の様に構成する本発明の高速回転スピンド
ル装置によれば、最高回転速度が10万min-1 以上とな
る条件で使用した場合であっても、次の様な理由によ
り、ロータを構成する界磁マグネットの損傷を防止でき
る。
According to the high speed rotary spindle device of the present invention configured as described above, even when the rotor is used under the condition that the maximum rotational speed is 100,000 min -1 or more, the rotor can be used for the following reasons. Can be prevented from being damaged.

【0013】先ず第一に、界磁マグネットを構成するマ
ンガンアルミの引っ張り強度は、2.9×108 N/m
2 程度と、前述した従来構造に組み込まれていた界磁マ
グネットを構成するサマリウムコバルトの引っ張り強度
(4.4×107 N/m2 程度)に比べて6倍以上大き
い。この為、同じ引っ張り応力が加わった場合でも、破
壊する事がなくなる。
First, the tensile strength of manganese aluminum constituting the field magnet is 2.9 × 10 8 N / m
About 2 times, which is at least 6 times larger than the tensile strength (about 4.4 × 10 7 N / m 2 ) of samarium cobalt constituting the field magnet incorporated in the conventional structure described above. For this reason, even if the same tensile stress is applied, no breakage occurs.

【0014】第二に、上記マンガンアルミの密度は、
5.1g/cm3 程度と、上記サマリウムコバルトの密度
(8.4g/cm3 程度)に比べて小さい。この為、同じ
回転速度の場合でも発生する遠心力が小さくなり、その
分、高速回転が可能になる。
Second, the density of the manganese aluminum is:
The density is about 5.1 g / cm 3 , which is smaller than the density of the samarium cobalt (about 8.4 g / cm 3 ). For this reason, even if the rotation speed is the same, the generated centrifugal force is reduced, and accordingly, high-speed rotation is possible.

【0015】第三に、上記マンガンアルミの線膨張係数
は、20〜22×10-6/℃程度と、サマリウムコバル
トの線膨張係数(8〜11×10-6/℃)よりも遥かに
大きく、回転軸を構成するステンレス鋼、合金鋼、軸受
鋼等の線膨張係数(10〜17×10-6/℃)に比べて
も十分に大きい。従って、高速回転スピンドル装置の運
転時の発熱に基づく上記ロータの熱膨張量は、このロー
タを外嵌固定した回転軸の熱膨張量と同じか、この回転
軸の熱膨張量よりも少なくなる。この為、上記ロータを
上記回転軸に隙間なく外嵌固定しても、温度上昇時にこ
の回転軸がこのロータの内周面を直径方向外方に強く押
圧する事がなく、上記ロータに作用するフープ応力の増
加を抑えて、許容回転速度の低下を防止できる。又、ロ
ータを回転軸に対し、圧入、ロータの焼き嵌め、回転軸
の冷やし嵌め等による締り嵌めで固定できる。この為、
これらロータと回転軸とを接着剤により固定する場合の
様に、許容回転速度が接着剤の接着強度による制限を受
けない。
Third, the linear expansion coefficient of the manganese aluminum is about 20 to 22 × 10 −6 / ° C., which is much larger than the linear expansion coefficient of samarium cobalt (8 to 11 × 10 −6 / ° C.). Also, the coefficient of linear expansion of the stainless steel, alloy steel, bearing steel, etc. constituting the rotating shaft is sufficiently larger than the linear expansion coefficient (10 to 17 × 10 −6 / ° C.). Therefore, the amount of thermal expansion of the rotor based on heat generation during operation of the high-speed rotating spindle device is equal to or smaller than the amount of thermal expansion of the rotating shaft to which the rotor is fixed. Therefore, even if the rotor is externally fitted and fixed to the rotating shaft without any gap, the rotating shaft does not strongly press the inner peripheral surface of the rotor outward in the diameter direction when the temperature rises, and acts on the rotor. An increase in hoop stress can be suppressed, and a decrease in allowable rotation speed can be prevented. Further, the rotor can be fixed to the rotating shaft by press-fitting, shrink-fitting of the rotor, cold fitting of the rotating shaft, or the like. Because of this,
As in the case where the rotor and the rotating shaft are fixed with an adhesive, the allowable rotation speed is not limited by the adhesive strength of the adhesive.

【0016】これらの相乗効果により、本発明の高速回
転スピンドル装置の許容回転速度は、歯科用ハンドピー
ス程度の、ロータの外径が10mm程度である比較的小径
の機械装置に組み込んだ場合で、23万min-1 程度に達
する。前述した、サマリウムコバルト磁石のロータを使
用した従来構造の場合に、同じ条件での許容回転速度が
7万min-1 程度であったのに対して、本発明の場合には
3倍以上の許容回転速度を得られる。
Due to these synergistic effects, the permissible rotational speed of the high-speed rotary spindle device of the present invention is as large as that of a dental handpiece when incorporated in a relatively small-diameter mechanical device whose outer diameter of the rotor is approximately 10 mm. It reaches about 230,000 min -1 . In the case of the conventional structure using the samarium-cobalt magnet rotor described above, the allowable rotation speed under the same conditions was about 70,000 min -1 , whereas in the case of the present invention, the allowable rotation speed was three times or more. The rotation speed can be obtained.

【0017】[0017]

【発明の実施の形態】図1は、本発明の実施の形態の第
1例を示している。本例は、本発明をブラシレス直流モ
ータを組み込んだ高速回転スピンドル装置に適用した場
合に就いて示している。ハウジング1の内側に回転軸2
を、請求項に記載した軸受に相当する、1対の玉軸受
3、3により回転自在に支持している。これら各玉軸受
3、3を構成する内輪4、4は、それぞれの外端面(軸
方向に関して互いの反対側端面)を上記回転軸2の中間
部端部寄り部分に形成した段部5、5に突き当てて、互
いに離れる方向への変位を阻止している。これに対し
て、上記各玉軸受3、3を構成する外輪6、6の内端面
(軸方向に関して互いに対向する端面)は、上記ハウジ
ング1の開口部内周面に形成した段部7、7に、直接又
は予圧ばね8を介して突き当てている。この構成によ
り、上記両玉軸受3、3に予圧を付与し、上記ハウジン
グ1の内側に上記回転軸2を、がたつきなく、回転自在
に支持している。尚、上記両玉軸受3、3には、グリー
ス等の潤滑剤を封入して、これら両玉軸受3、3が、軽
い力で円滑に回転する様にしている。
FIG. 1 shows a first embodiment of the present invention. This example shows a case where the present invention is applied to a high-speed rotating spindle device incorporating a brushless DC motor. Rotating shaft 2 inside housing 1
Is rotatably supported by a pair of ball bearings 3, 3 corresponding to the bearing described in the claims. The inner races 4, 4 constituting the respective ball bearings 3, 3 have step portions 5, 5, each of which has an outer end surface (an end surface on the opposite side in the axial direction) formed near the middle end of the rotary shaft 2. To prevent displacement in the direction away from each other. On the other hand, the inner end surfaces (end surfaces facing each other in the axial direction) of the outer races 6, 6 constituting each of the ball bearings 3, 3 correspond to step portions 7, 7 formed on the inner circumferential surface of the opening of the housing 1. , Directly or via a preload spring 8. With this configuration, preload is applied to the two ball bearings 3, and the rotating shaft 2 is rotatably supported inside the housing 1 without rattling. The two ball bearings 3, 3 are filled with a lubricant such as grease so that the two ball bearings 3, 3 rotate smoothly with a small force.

【0018】上記回転軸2の中間部で、上記1対の玉軸
受3、3同士の間で上記ハウジング1の内周側に位置す
る部分には、本発明の特徴である、マンガンアルミ製の
界磁マグネットにより構成したロータ9を、締り嵌めに
より外嵌固定している。これに対して、上記ハウジング
1の内周面で上記ロータ9の外周面と対向する部分に
は、ステータ10を支持固定している。このステータ1
0は、多数枚の磁性金属薄板を軸方向に積層して成る積
層コア11に、電機子コイル12を巻回する事により構
成している。そして、この電機子コイル12をモータイ
ンバータ13に接続し、通電に基づいて上記回転軸2を
回転駆動する、高速回転スピンドル装置を構成してい
る。
A portion of the intermediate portion of the rotary shaft 2 located on the inner peripheral side of the housing 1 between the pair of ball bearings 3, 3 is made of manganese aluminum, which is a feature of the present invention. A rotor 9 composed of a field magnet is externally fitted and fixed by interference fit. On the other hand, a stator 10 is supported and fixed on a portion of the inner peripheral surface of the housing 1 facing the outer peripheral surface of the rotor 9. This stator 1
No. 0 is constituted by winding an armature coil 12 around a laminated core 11 formed by laminating a number of magnetic metal thin plates in the axial direction. The armature coil 12 is connected to a motor inverter 13 to constitute a high-speed rotary spindle device that drives the rotary shaft 2 to rotate based on energization.

【0019】上述の様に構成する高速回転スピンドル装
置の使用時には、上記回転軸2の先端部(図1の右端
部)に、例えば歯科治療用の砥石を支持固定した状態
で、上記モータインバータ13から、上記電機子コイル
12に通電する。この結果、上記ロータ9を外嵌固定し
た上記回転軸2が、10万min-1 を越える様な高速で回
転する。このロータ9には、この高速回転に伴って大き
な遠心力が作用するが、本発明の高速回転スピンドル装
置の場合には、上記ロータ9をマンガンアルミ磁石によ
り構成している為、このロータ9が破壊する事はない。
この点に就いて、以下に詳しく説明する。
At the time of using the high-speed rotary spindle device constructed as described above, the motor inverter 13 is fixed to a tip (right end in FIG. 1) of the rotary shaft 2 with, for example, a grindstone for dental treatment supported. Then, the armature coil 12 is energized. As a result, the rotating shaft 2 to which the rotor 9 is fixedly fitted is rotated at a high speed exceeding 100,000 min -1 . Although a large centrifugal force acts on the rotor 9 with this high-speed rotation, in the case of the high-speed rotation spindle device of the present invention, since the rotor 9 is made of a manganese aluminum magnet, this rotor 9 There is no destruction.
This will be described in detail below.

【0020】電動モータのロータを構成する界磁マグネ
ットとして従来は、サマリウムコバルト等の希土類磁
石、若しくはフェライト磁石等が用いられていた。これ
に対して本発明の場合には、ロータ9を構成する界磁マ
グネットとしてマンガンアルミ磁石を使用している。マ
ンガンアルミ磁石は、コバルト等の希少元素を使わな
い、安価に得られる汎用磁石の中では、引っ張り強度、
圧縮強度を含めて優れた機械的強度を有し、高速回転、
高負荷の使用環境に耐える。しかもマンガンアルミ磁石
は、切削加工性が良好で着磁の多様性を併せ持っている
為、電動モータのロータを構成する材質として好まし
い。
Conventionally, a rare earth magnet such as samarium cobalt or a ferrite magnet has been used as a field magnet constituting the rotor of the electric motor. On the other hand, in the case of the present invention, a manganese aluminum magnet is used as a field magnet constituting the rotor 9. Manganese aluminum magnets, among rare-use magnets that do not use rare elements such as cobalt, can be obtained at a low tensile strength,
Has excellent mechanical strength including compressive strength, high-speed rotation,
Withstands high-load operating environments. Moreover, the manganese aluminum magnet is preferable as a material constituting the rotor of the electric motor because it has good machinability and has a variety of magnetizations.

【0021】この様なマンガンアルミ磁石の優れた性質
のうち、回転軸の高速回転化の為に特に重要な性質であ
る引っ張り強度を、サマリウムコバルト磁石と比較し
て、図2に示す。この図2から明らかな通り、本発明の
高速回転スピンドル装置に使用するマンガンアルミ磁石
の引っ張り強度は、従来の高速回転スピンドル装置に使
用されていたサマリウムコバルト磁石の引っ張り強度よ
りも遥かに大きい。例えば、外径が10mm程度のロータ
を外嵌固定した回転軸を、10万sec-1 を越える様な高
速で回転させた場合に生じる大きなフープ応力に耐える
為には、当該ロータを構成する界磁マグネットに200
×106 N/m2 以上の引っ張り応力が要求される。こ
の数値を前提として図2を見れば明らかな通り、本発明
に使用するマンガンアルミ磁石はこの条件を満足する
が、従来使用されていたサマリウムコバルト磁石はこの
条件を満たさない。
Among such excellent properties of the manganese aluminum magnet, the tensile strength, which is particularly important for high-speed rotation of the rotating shaft, is shown in FIG. 2 in comparison with the samarium-cobalt magnet. As apparent from FIG. 2, the tensile strength of the manganese aluminum magnet used in the high-speed spindle device of the present invention is much higher than the tensile strength of the samarium-cobalt magnet used in the conventional high-speed spindle device. For example, in order to withstand a large hoop stress generated when a rotary shaft having an outer diameter of about 10 mm and externally fixedly mounted thereon is rotated at a high speed exceeding 100,000 sec −1 , a field constituting the rotor is required. 200 for magnetic magnet
A tensile stress of × 10 6 N / m 2 or more is required. As apparent from FIG. 2 based on this numerical value, the manganese aluminum magnet used in the present invention satisfies this condition, but the samarium cobalt magnet conventionally used does not satisfy this condition.

【0022】図3は、マンガンアルミ磁石、或はサマリ
ウムコバルト磁石により構成した、外径が10mmである
ロータの回転速度と、回転に伴って発生する遠心力に基
づくフープ応力との関係を示している。従来使用されて
いたサマリウムコバルト磁石は、密度が高く(8.4g
/cm3 程度)、回転の上昇に伴う遠心力並びにフープ応
力の上昇が著しいのに許容限界引っ張り強度が低い為、
7万min-1 程度までしか回転させる事ができない。これ
に対して、本発明に使用するマンガンアルミ磁石の場合
には、密度が低く(5.1g/cm3 程度)、回転の上昇
に伴う遠心力並びにフープ応力の上昇が緩やかで、しか
も許容限界引っ張り強度が高い為、23万min-1 程度ま
で回転させる事ができる。即ち、マンガンアルミ磁石を
使用する本発明の場合には、サマリウムコバルト磁石を
使用する従来の場合に比べて、約3.3倍の高速回転が
可能になる。
FIG. 3 shows the relationship between the rotation speed of a rotor made of a manganese aluminum magnet or a samarium cobalt magnet and having an outer diameter of 10 mm, and the hoop stress based on the centrifugal force generated with the rotation. I have. The samarium-cobalt magnet conventionally used has a high density (8.4 g).
/ Cm 3 or so), since the allowable limit tensile strength to increase significant centrifugal force and hoop stress with increasing rotation is low,
It can only rotate up to about 70,000 min -1 . On the other hand, in the case of the manganese aluminum magnet used in the present invention, the density is low (about 5.1 g / cm 3 ), the centrifugal force and the hoop stress increase slowly with the increase in rotation, and the allowable limit is increased. Due to its high tensile strength, it can be rotated up to about 230,000 min -1 . That is, in the case of the present invention using a manganese aluminum magnet, it is possible to rotate about 3.3 times as fast as the conventional case using a samarium cobalt magnet.

【0023】次に、図4は、外径が10mmであるサマリ
ウムコバルト磁石のロータにより得られる最高回転速度
である7万min-1 でロータを回転させた場合に、このロ
ータの外径と回転に伴って発生する遠心力に基づくフー
プ応力との関係を示している。ロータをサマリウムコバ
ルト磁石により造った場合には、外径が10mmの場合に
ロータが遠心力で破壊するのに対して、ロータをマンガ
ンアルミ磁石により造った場合には、外径を35mmまで
大きくできる。この事は、高速回転スピンドル装置を設
計する場合に於ける自由度の増大に繋がる。
Next, FIG. 4 shows the relationship between the outer diameter of the rotor and the rotation when the rotor is rotated at 70,000 min -1 which is the maximum rotation speed obtained by a rotor of a samarium cobalt magnet having an outer diameter of 10 mm. 2 shows the relationship with the hoop stress based on the centrifugal force generated with the above. When the rotor is made of a samarium-cobalt magnet, the rotor is broken by centrifugal force when the outer diameter is 10 mm, whereas when the rotor is made of a manganese aluminum magnet, the outer diameter can be increased to 35 mm. . This leads to an increase in the degree of freedom in designing a high-speed rotating spindle device.

【0024】しかも、本発明の場合にロータ9を構成す
るマンガンアルミ磁石の線膨張係数は、20〜22×1
-6/℃と、従来の場合にロータを構成していたサマリ
ウムコバルト磁石の線膨張係数(8〜11×10-6
℃)よりも十分に大きく、回転軸2を構成する鋼材の線
膨張係数(10〜17×10-6/℃)よりも大きい組み
合せが可能になる。そして、この様な(ロータ9を構成
する材料の線膨張率を回転軸2を構成する材料の線膨張
率よりも大きくする)組み合わせを実現する事により、
高速スピンドル装置の運転に伴う発熱で上記回転軸2が
熱膨張した場合でも、上記ロータ9がより大きく熱膨張
する為、このロータ9に加わるフープ応力が増加する
(遠心力に基づくものよりも大きくなる)事はない。
In addition, in the case of the present invention, the linear expansion coefficient of the manganese aluminum magnet constituting the rotor 9 is 20 to 22 × 1.
0 −6 / ° C., which is the linear expansion coefficient (8 to 11 × 10 −6 /) of the samarium-cobalt magnet constituting the rotor in the conventional case.
C.), and a combination larger than the linear expansion coefficient (10 to 17 × 10 −6 / ° C.) of the steel material forming the rotating shaft 2 becomes possible. By realizing such a combination (the coefficient of linear expansion of the material forming the rotor 9 is made larger than the coefficient of linear expansion of the material forming the rotating shaft 2),
Even when the rotating shaft 2 thermally expands due to heat generated by the operation of the high-speed spindle device, the rotor 9 thermally expands more, so that the hoop stress applied to the rotor 9 increases (which is larger than that based on centrifugal force). No) never.

【0025】本発明の高速回転スピンドル装置の場合に
は、上述の様に回転軸2の熱膨張量よりもロータ9の熱
膨張量を大きくした事に伴い、この回転軸2に対する上
記ロータ9の取り付けを、締り嵌めによる嵌合固定とす
る事ができる。この為、前述した従来構造の様に接着剤
を使用する必要がなくなり、許容最高回転速度が、接着
剤の接着強度による制限を受けない。
In the case of the high-speed rotating spindle device of the present invention, as described above, the amount of thermal expansion of the rotor 9 is made larger than the amount of thermal expansion of the rotating shaft 2, so that the rotor 9 is The attachment can be a fixed fit by an interference fit. Therefore, there is no need to use an adhesive as in the above-described conventional structure, and the allowable maximum rotation speed is not limited by the adhesive strength of the adhesive.

【0026】一方、前記電機子コイル12を巻回した積
層コア11として、珪素鋼板を軸方向に積層したものを
使用している。この様な積層コア11を組み込んで高速
回転スピンドル装置の電動モータを構成した場合には、
渦電流の発生を抑え、発熱量及び回転抵抗を小さくする
事ができる。特に、この様な積層コア11を採用する事
による効果は、マンガンアルミ磁石製のロータ9と組み
合わせて、10万min- 1 以上の高速回転を実現する場合
に、より顕著に得られる。
On the other hand, the product obtained by winding the armature coil 12
What laminated | stacked the silicon steel plate in the axial direction as the layer core 11
I'm using High speed by incorporating such laminated core 11
When the electric motor of the rotary spindle device is configured,
Suppress the generation of eddy current and reduce heat generation and rotational resistance
Can do things. In particular, the use of such a laminated core 11
The effect of the combination with the rotor 9 made of manganese aluminum magnet
100,000 min in total- 1 When realizing the above high-speed rotation
And more remarkably.

【0027】又、前記各玉軸受3、3の潤滑はメンテナ
ンス性を良好にする為には、グリース潤滑が適する。こ
の場合に使用できる好ましいグリースとして例えば、協
同油脂社製のNSハイリューブ(商品名)がある。この
グリースは、回転抵抗を小さくして、上記各玉軸受3、
3の転がり抵抗を低減し(低トルク化し)、これら各玉
軸受3、3により支持した回転軸2の高速回転の実現に
寄与できる。
Grease lubrication is suitable for lubrication of the ball bearings 3, 3 in order to improve maintainability. A preferable grease that can be used in this case is, for example, NS High Lube (trade name) manufactured by Kyodo Yushi Co., Ltd. This grease reduces the rotational resistance and reduces the above-mentioned ball bearings 3,
The rolling resistance of the bearing 3 is reduced (reduced torque), and it is possible to contribute to realization of high-speed rotation of the rotating shaft 2 supported by each of the ball bearings 3.

【0028】又、より高速化を図る為には、上記各玉軸
受3、3を構成する玉14、14の材質として、セラミ
ックを採用する事が好ましい。この理由は、次の通りで
ある。上記各玉軸受3、3により回転自在に支持する回
転軸2の駆動源に、上記ロータ9と前記ステータ10と
から成る電動モータを用いた場合、この電動モータの発
熱により上記各玉軸受3、3の温度が上昇し、上記各玉
14、14の転動面と、内輪4の外周面に設けた内輪軌
道及び外輪6の内周面に設けた外輪軌道との当接部に存
在する油膜が薄くなる可能性がある。上記各玉14、1
4の材質として、一般的に使用する軸受鋼に比べて密度
が小さいセラミックを使用すれば、上記回転軸2の回転
時に上記各玉14、14に作用する遠心力が小さくな
り、上記各玉軸受3、3に負荷される荷重を抑えて、発
熱量の上昇を抑える事ができる。又、上記各玉14、1
4をセラミック製とした場合には、上記当接部に存在す
る油膜が不十分になっても、同種の金属材同士が接触す
る事を防止して、耐摩擦性、耐焼付性を向上させ、高速
化を図る事ができる。尚、上記内輪4や外輪6をステン
レス鋼で造る事により、これら内輪4及び外輪6を含む
上記各玉軸受3、3の耐食性向上を図る事も可能であ
る。
In order to further increase the speed, it is preferable to use ceramic as the material of the balls 14 constituting the ball bearings 3. The reason is as follows. When an electric motor composed of the rotor 9 and the stator 10 is used as a drive source of the rotating shaft 2 rotatably supported by the ball bearings 3, 3, the respective ball bearings 3, The oil film existing in the contact portion between the rolling surface of each of the balls 14, 14 and the inner raceway provided on the outer peripheral surface of the inner race 4 and the outer raceway provided on the inner peripheral surface of the outer race 6 May become thinner. Each ball 14, 1
If a ceramic having a smaller density than the commonly used bearing steel is used as the material of the material 4, the centrifugal force acting on each of the balls 14, 14 during rotation of the rotary shaft 2 is reduced, and each of the ball bearings is used. It is possible to suppress the load applied to the third and third components and to suppress the increase in the amount of generated heat. In addition, each ball 14, 1
In the case where 4 is made of ceramic, even if the oil film existing in the contact portion becomes insufficient, it is possible to prevent metal materials of the same kind from coming into contact with each other and to improve friction resistance and seizure resistance. , Speeding up can be achieved. By forming the inner race 4 and the outer race 6 from stainless steel, it is possible to improve the corrosion resistance of the ball bearings 3 including the inner race 4 and the outer race 6.

【0029】又、上記各玉軸受3、3には、前記予圧ば
ね8により予圧を付与しているので、アキシアル方向の
位置決めを正確に行ない、前記回転軸2の振れを抑え、
上記各玉14、14の滑りを抑制する事ができる。尚、
上記各玉軸受3、3に予圧を付与する為の方法として
は、高速性を要する場合には、図示の様に予圧ばね8等
の弾性材を使用した定圧予圧方式が適している。これに
対して、大きな剛性を要する用途には、上記各玉軸受
3、3を構成する内輪4、4及び外輪6、6を所定位置
に固定する定位置予圧が好ましい。又、予庄付与の方向
としては、回転軸2に関する作用点距離が大きく、モー
メント荷重に対する負荷能力が優れている背面組合せが
適しているが、高速回転スピンドル装置の組立作業性を
要求される場合は、正面組合せを採用する事もできる。
Since a preload is applied to each of the ball bearings 3 and 3 by the preload spring 8, positioning in the axial direction is accurately performed, and deflection of the rotary shaft 2 is suppressed.
The sliding of each of the balls 14, 14 can be suppressed. still,
As a method for applying a preload to each of the ball bearings 3 and 3, when high speed is required, a constant pressure preload method using an elastic material such as a preload spring 8 is suitable as shown. On the other hand, for applications requiring high rigidity, fixed position preload for fixing the inner races 4, 4 and the outer races 6, 6 constituting the ball bearings 3, 3 at predetermined positions is preferable. In addition, as the direction of applying the preshoot, a back-to-back combination in which the action point distance with respect to the rotating shaft 2 is large and the load capability against moment load is excellent is suitable, but when assembly workability of a high-speed rotating spindle device is required. Can also adopt a front combination.

【0030】又、本発明の高速回転スピンドル装置を実
施する場合に、高速回転になるとアンバランスによる不
釣り合い力が回転性能に影響を及ぼすので、上記回転軸
2と前記ロータ9とを組み立てた状態で、アンバランス
を取り除く、バランス修正作業を行なう必要がある。こ
のバランス修正作業は、例えば図5に示す様に、上記回
転軸2の両端部で上記各玉軸受3、3の内輪4、4を外
嵌固定すべき部分を、治具31、31により支持した状
態で行なう。そして、上記回転軸2及びロータ9を回転
させて、この回転軸2の中間部でこのロータ9に近い部
分の外周面、或はロータ9の両端面部分を修正面として
バランス修正すれば、適正にバランス修正を行なえる。
尚、この様なバランス修正作業を行なう為に、上記回転
軸2にアンバランス修正部を設ける事が好ましい。又、
バランス修正をグラインダ等を用いて、上記回転軸2或
はロータ9の一部を削り取る事により行なう場合には、
削り取った部分の円周方向に関する形状は流線形にし、
風切音を極力抑える事が望ましい。更に、上記ロータ9
の外周面は、このロータ9を上記回転軸2に外嵌固定し
た後に、上記内輪4、4を外嵌固定すべき部分をを支持
して研摩を行ない、上記回転軸2と上記ロータ9の外周
面との同軸度を向上させる事もできる。
When the high-speed rotation spindle device of the present invention is implemented, when the rotation speed becomes high, the unbalanced force due to the imbalance affects the rotation performance, so that the rotation shaft 2 and the rotor 9 are assembled. Therefore, it is necessary to remove the imbalance and perform a balance correction operation. As shown in FIG. 5, for example, as shown in FIG. 5, the parts for fixing the inner rings 4, 4 of the ball bearings 3, 3 at the both ends of the rotating shaft 2 are supported by jigs 31, 31, for example. It is performed in the state of having done. Then, by rotating the rotary shaft 2 and the rotor 9 and correcting the balance by using the outer peripheral surface of a portion near the rotor 9 at the intermediate portion of the rotary shaft 2 or both end surfaces of the rotor 9 as a correction surface, proper Can make balance corrections.
In order to perform such a balance correcting operation, it is preferable to provide an unbalance correcting section on the rotating shaft 2. or,
When the balance is corrected by shaving off a part of the rotating shaft 2 or the rotor 9 using a grinder or the like,
The shape of the shaved part in the circumferential direction should be streamlined,
It is desirable to minimize wind noise. Further, the rotor 9
After externally fixing the rotor 9 to the rotary shaft 2, the outer peripheral surface of the rotary shaft 2 is polished by supporting a portion to which the inner rings 4, 4 are to be externally fixed. The coaxiality with the outer peripheral surface can be improved.

【0031】次に、図6は、図1に示した様な電動モー
タを駆動源とした本発明の高速回転スピンドル装置を使
用した場合と、圧縮空気を駆動源とした従来の高速回転
スピンドル装置との、加工時の負荷トルク及び出力回転
速度の特性を示している。尚、何れの場合に就いても、
回転軸2の外径は3.175mm、軸方向長さは30mm、
ロータ9の外径は10mm、ハウジング1の外径は25mm
とした。又、上記回転軸2を支持する為の玉軸受3、3
は、内径が3.175mm、外径が6.350mm、幅が
2.38mm、玉径が1mm、玉数が7で、材質は、内輪4
及び外輪6がステンレス鋼であるSUS440C、玉1
4、14がセラミックであるSi3N4 である。潤滑は、前
記NSハイリューブによるグリース潤滑とした。上記各
玉軸受3、3は背面組み合せとして予圧を付与した。
又、上記回転軸2と上記ロータ9とを組み合わせた回転
体のバランス修正は、半径3mmの位置で、0.001g
以下となる様にした。
Next, FIG. 6 shows a case where the high-speed rotary spindle device of the present invention using an electric motor as a drive source as shown in FIG. 1 is used, and a conventional high-speed rotary spindle device using compressed air as a drive source. 2 shows the characteristics of the load torque and the output rotation speed during machining. In any case,
The outer diameter of the rotating shaft 2 is 3.175 mm, the axial length is 30 mm,
The outer diameter of the rotor 9 is 10 mm and the outer diameter of the housing 1 is 25 mm
And Ball bearings 3 for supporting the rotating shaft 2
Has an inner diameter of 3.175 mm, an outer diameter of 6.350 mm, a width of 2.38 mm, a ball diameter of 1 mm, a number of balls of 7, and a material of 4 inner rings.
And SUS440C in which outer ring 6 is stainless steel, ball 1
Reference numerals 4 and 14 are ceramics Si 3 N 4 . The lubrication was grease lubrication by the NS high lube. Each of the ball bearings 3 was preloaded as a rear combination.
The balance correction of the rotating body combining the rotating shaft 2 and the rotor 9 is performed at a position of a radius of 3 mm by 0.001 g.
It was made as follows.

【0032】この様な条件で行なった実験の結果を示す
図6から明らかな通り、図1に示した様な電動モータを
駆動源とした本発明の高速回転スピンドル装置によれ
ば、圧縮空気を駆動源とした従来の高速回転スピンドル
装置に比べて、回転状態を安定化させる事ができる。即
ち、回転軸2に負荷トルクが加わった場合、駆動源に圧
縮空気を用いた従来構造の場合には、回転軸の回転数が
低下し、負荷がなくなった状態で一時的に回転数が上昇
すると言った、不安定な動きをするのに対して、電動モ
ータを駆動源とした本発明の構造の場合には、負荷の状
態に拘らず、回転軸2の回転数は殆ど変化しない。
As is clear from FIG. 6 showing the results of experiments conducted under such conditions, according to the high-speed rotary spindle device of the present invention using an electric motor as a drive source as shown in FIG. The rotation state can be stabilized as compared with a conventional high-speed rotating spindle device used as a driving source. That is, when a load torque is applied to the rotating shaft 2, in the case of the conventional structure using compressed air as the driving source, the rotating speed of the rotating shaft decreases, and the rotating speed temporarily increases when the load is removed. However, in the case of the structure of the present invention using an electric motor as a drive source, the rotation speed of the rotating shaft 2 hardly changes regardless of the load state.

【0033】次に、図7は、本発明の実施の形態の第2
例を示している。本例の基本構造は、上述した第1例の
場合と同様である為、同等部分には図1と同じ符号を付
して、重複する説明を省略する。尚、本例の場合には、
マンガンアルミ製の磁石であるロータ9と回転軸2との
取り付け固定を、圧入と接着との組み合わせにより行な
っている。接着強度を確保する為、上記回転軸2の中間
部外周面には複数の凹溝25、25を形成し、これら各
凹溝25、25内に接着剤を介在させる様にしている。
この様な構成は、上記ロータ9を構成するマンガンアル
ミ磁石の線膨張係数が、回転軸2を構成する鋼材の線膨
張係数よりも大幅に大きい場合に、公差を大きくする為
に有効である。即ち、上記ロータ9を上記回転軸2に、
締り嵌めのみで外嵌固定した場合には、熱膨張により締
め代の変化を勘案して、上記回転軸2の外径と上記ロー
タ9の内径との組み付け公差を厳密に管理する必要があ
る。これに対して本例の場合には、接着を併用する事に
より、上記外径と内径との公差を大きく取る事が可能に
なって、コスト低減を図れる。
FIG. 7 shows a second embodiment of the present invention.
An example is shown. Since the basic structure of the present example is the same as that of the first example described above, the same parts are denoted by the same reference numerals as in FIG. 1 and duplicate description is omitted. In the case of this example,
The rotor 9 which is a manganese aluminum magnet and the rotating shaft 2 are attached and fixed by a combination of press-fitting and bonding. In order to secure the bonding strength, a plurality of concave grooves 25, 25 are formed on the outer peripheral surface of the intermediate portion of the rotary shaft 2, and an adhesive is interposed in each of the concave grooves 25, 25.
Such a configuration is effective for increasing the tolerance when the linear expansion coefficient of the manganese aluminum magnet forming the rotor 9 is significantly larger than the linear expansion coefficient of the steel material forming the rotating shaft 2. That is, the rotor 9 is connected to the rotating shaft 2,
When the outer fitting is fixed only by the interference fit, it is necessary to strictly control the assembly tolerance between the outer diameter of the rotating shaft 2 and the inner diameter of the rotor 9 in consideration of a change in interference due to thermal expansion. On the other hand, in the case of the present embodiment, by using the bonding together, it is possible to increase the tolerance between the outer diameter and the inner diameter, thereby reducing the cost.

【0034】又、電機子コイル12を巻回する積層コア
11を構成する金属薄板として、珪素(Si)を6.5重
量%添加させた珪素鋼板を使用している。鉄系合金中に
珪素を6〜7重量%添加した珪素鋼板を使用する事によ
り、低鉄損、低磁歪、高透磁率、品質安定化、無方向性
等、電動モータ用ステータの積層コアに要求される各種
特性を向上させて、高性能の電動モータを実現する事が
できる。そして、定格の高速回転速度までの立ち上がり
が早くなり、歯科用スピンドルの様な、頻繁にON−O
FFを繰り返す用途に適した高速回転スピンドル装置を
実現できる。この様に、鉄系合金中に珪素を6〜7重量
%添加した珪素鋼板は、例えば、NKK社製のNKスー
パーEコア(商品名、珪素含有率6.5重量%)が使用
可能である。
As a metal thin plate constituting the laminated core 11 around which the armature coil 12 is wound, a silicon steel sheet to which 6.5% by weight of silicon (Si) is added is used. The use of a silicon steel sheet containing 6 to 7% by weight of silicon in an iron-based alloy makes it possible to reduce the core loss, reduce magnetostriction, increase magnetic permeability, stabilize quality, and ensure non-directionality. By improving various required characteristics, a high-performance electric motor can be realized. And the rise to the rated high-speed rotation speed is fast, and the ON-O
It is possible to realize a high-speed rotating spindle device suitable for applications where FF is repeated. As described above, as the silicon steel sheet in which 6 to 7% by weight of silicon is added to the iron-based alloy, for example, NK Super E core (trade name, silicon content: 6.5% by weight) manufactured by NKK can be used. .

【0035】又、各玉軸受3、3を潤滑する為の潤滑剤
は、人体への影響を考慮して、人体への影響が極めて小
さい材料、例えばポリαオレフイン(PAO)や、IS
O規格でVG32、VG68等の流動パラフィン等を用
いるのが望ましい。潤滑方法にグリース潤滑を用いた場
合、各玉軸受3、3の軸方向両端部にそれぞれシール板
を設ける両側シールを用いる事が、グリースの漏洩防止
の面から有効である。或は、図7に示す様に、上記各玉
軸受3、3の軸方向両端部のうち、回転軸2の端面側に
のみシール板15を設ける片側シール構造を使用し、上
記各玉軸受3、3の開放部側にグリース保持空間16を
設ける事も、グリースの漏洩防止の面から有効である。
この様な構造を採用する場合に於いて、潤滑剤供給装置
30から潤滑剤供給孔17を通じてグリースを補給する
方法も、上記各玉軸受3、3内に存在するグリースの量
を長期間に亙って十分に確保する面から有効である。
The lubricant for lubricating each of the ball bearings 3 is made of a material having a very small effect on the human body, for example, poly-α-olefin (PAO), IS
It is desirable to use liquid paraffin such as VG32 and VG68 in O standard. When grease lubrication is used as the lubrication method, it is effective to use a double-sided seal in which seal plates are provided at both ends in the axial direction of each of the ball bearings 3 and 3 from the viewpoint of preventing grease leakage. Alternatively, as shown in FIG. 7, a one-sided seal structure in which a seal plate 15 is provided only on the end face side of the rotating shaft 2 among the axial end portions of the ball bearings 3 is used. Providing the grease holding space 16 on the side of the opening 3 is also effective from the viewpoint of preventing grease leakage.
In the case of adopting such a structure, the method of supplying grease from the lubricant supply device 30 through the lubricant supply hole 17 also requires the amount of grease present in each of the ball bearings 3, 3 to be increased over a long period of time. It is effective from the aspect of securing sufficient.

【0036】又、一方又は双方の玉軸受3の外輪6の外
周面とハウジング1の内周面との間に、Oリング18等
の緩衝材を挟持する事も、防振効果を高め、回転部分の
アンバランスや外力に基づく振動を抑える面から有効で
ある。
Also, a cushioning material such as an O-ring 18 may be interposed between the outer peripheral surface of the outer ring 6 of one or both of the ball bearings 3 and the inner peripheral surface of the housing 1 to enhance the vibration isolation effect and to increase the rotation. This is effective from the viewpoint of suppressing the unbalance of the parts and the vibration caused by the external force.

【0037】又、歯科用ハンドピースとして使用する際
に発生する、歯牙処置切削粉等の異物がハンドピース内
部へ侵入するのを防止する為に、防塵機構を設置する事
が望ましい。この様な防塵機構としては、上記各玉軸受
3、3に設けた、グリースの漏れ防止用のシール板1
5、15に加えて、前記ハウジング1と前記回転軸2と
の間に、ラビリンスシール28、28やエアーシール等
を設ける事が考えられる。又、圧縮空気供給装置29か
ら圧縮空気を上記ハウジング1内に送り込んでこのハウ
ジング1内の圧力を高くし、外部から上記各軸受3、3
内に入る空気流を極力減らす方法も有効である。この様
な構造は、電動モータの発熱に拘らず、上記各玉軸受
3、3の温度上昇を抑え、これら各玉軸受3、3内部の
油膜厚さ、並びにこれら各玉軸受3、3の剛性を確保す
る為にも有効である。
It is desirable to provide a dustproof mechanism in order to prevent foreign substances such as tooth treatment cutting powder generated when used as a dental handpiece from entering the inside of the handpiece. Such a dustproof mechanism includes a seal plate 1 provided on each of the ball bearings 3 for preventing grease leakage.
In addition to 5 and 15, it is conceivable to provide labyrinth seals 28, 28, an air seal, and the like between the housing 1 and the rotating shaft 2. In addition, compressed air is sent from the compressed air supply device 29 into the housing 1 to increase the pressure in the housing 1, and the bearings 3, 3
It is also effective to reduce the airflow that enters inside as much as possible. Such a structure suppresses a temperature rise of each of the ball bearings 3 and 3 irrespective of heat generation of the electric motor, and the oil film thickness inside each of the ball bearings 3 and 3 and the rigidity of each of the ball bearings 3 and 3 It is also effective to secure

【0038】又、図7に示す様に、ハウジング1内の空
間容積を極力小さくし、電機子コイル12を合成樹脂製
の被覆19によりモールドして表面を平滑にする事は、
ロータ9が高速回転した場合に発生する風切音や風損の
低減に対して有効である。尚、本例では、回転軸2の端
部に直接、工具又はワーク20の取付部21を設けてい
るが、取扱性を向上させる為に、この様な取付部21を
設けた別体の回転軸を、ハンドピース本体に設けた回転
軸2と別体に構成し、カップリング等の連結機溝によ
り、上記別体の回転軸を駆動する構造を採用する事もで
きる。
As shown in FIG. 7, it is possible to minimize the space volume in the housing 1 and to mold the armature coil 12 with a coating 19 made of synthetic resin to make the surface smooth.
This is effective for reducing wind noise and windage loss generated when the rotor 9 rotates at high speed. In this example, the attachment portion 21 for the tool or the work 20 is provided directly at the end of the rotating shaft 2. However, in order to improve the handling, a separate rotation provided with such an attachment portion 21 is provided. It is also possible to adopt a structure in which the shaft is formed separately from the rotating shaft 2 provided in the handpiece main body, and the separate rotating shaft is driven by a coupling device groove such as a coupling.

【0039】次に、図8は、本発明の実施の形態の第3
例として、本発明を小さな被加工物を加工する小型の工
作機械に適用した場合に就いて示している。本例の基本
構造も、前述した第1例或は上述した第2例の場合と同
様である為、同等部分には図1、7と同じ符号を付し
て、重複する説明を省略する。本例の場合には、ロータ
9とステータ10とにより構成する電動モータや各玉軸
受3、3部分で発生する発熱に基づく温度上昇を小さく
抑える為に、ハウジング1の外周面に冷却カバー22を
装着している。そして、この冷却カバー22の内部(冷
却カバー22の内周面と上記ハウジング1の外周面との
間)に、油、水、空気等の冷媒を、冷却媒体供給装置2
3より送り込み自在としている。冷媒の種類は、コス
ト、熱吸収性、作業性等を考慮して選択する。又、上記
ハウジング1の内面で上記ロータ9と対向する部分に
は、回転速度センサ24を装着して、回転軸2の回転速
度を測定自在としている。
FIG. 8 shows a third embodiment of the present invention.
As an example, a case where the present invention is applied to a small machine tool for processing a small workpiece is shown. Since the basic structure of this example is also the same as that of the above-described first example or the above-mentioned second example, the same parts are denoted by the same reference numerals as in FIGS. In the case of this example, a cooling cover 22 is provided on the outer peripheral surface of the housing 1 in order to suppress a temperature rise due to heat generated in the electric motor and the ball bearings 3 and 3 formed by the rotor 9 and the stator 10. I am wearing it. Then, inside the cooling cover 22 (between the inner peripheral surface of the cooling cover 22 and the outer peripheral surface of the housing 1), a coolant such as oil, water, or air is supplied to the cooling medium supply device 2.
It can be sent freely from 3. The type of the refrigerant is selected in consideration of cost, heat absorption, workability, and the like. A rotation speed sensor 24 is mounted on a portion of the inner surface of the housing 1 facing the rotor 9 so that the rotation speed of the rotating shaft 2 can be measured.

【0040】又、本例の場合には、上記各玉軸受3、3
の潤滑を、オイルエア潤滑等の微量潤滑により行なっ
て、これら各玉軸受3、3の回転トルクを小さくし、高
速性を実現させる様にしている。或は、これら各玉軸受
3、3の潤滑方法として、1日1回程度、これら各玉軸
受3、3の内部に潤滑剤を、直接、又は空気と混合させ
て送り込む方法を採用する事もできる。勿論、前述した
第2例の場合と同様に、グリースを送り込む事もでき
る。
In the case of the present embodiment, the ball bearings 3, 3
Is performed by a slight amount of lubrication such as oil-air lubrication to reduce the rotational torque of each of the ball bearings 3 and 3 so as to realize high speed. Alternatively, as a method of lubricating each of the ball bearings 3, 3, a method in which a lubricant is directly or mixed with air and sent into the inside of each of the ball bearings 3, 3 about once a day may be adopted. it can. Of course, as in the case of the above-described second example, grease can be sent in.

【0041】又、前述した実施の形態の第1〜2例の場
合には、各玉軸受3、3を構成する玉14、14をセラ
ミック製とする事により、これら各玉軸受3、3の接触
部に存在する油膜が不十分になっても、同種の金属材同
士が接触する事を防止して、耐摩擦性、耐焼付性を向上
させ、高速化を図っている。これに対して、本例の様
に、本発明を工作機械に適用した場合には、回転軸2の
支持剛性を高くすべく、上記各玉軸受3、3への予圧付
与を定位置予圧により行なう場合が多い。この様な場合
には、これら各玉軸受3、3に組み込む玉14、14を
セラミック製とすると、温度上昇時に金属製の内輪4及
び外輪6との熱膨張量との差に起因して、予庄抜けが生
じる可能性がある。この為、定位置予圧を行なう場合に
は、上記各玉14、14を、上記内輪4及び外輪6との
間で熱膨張量の差が殆どない(若しくは全くない)、
(それぞれ線膨張係数が10.1〜13.5×10-6
範囲にある)鋼製、或は線膨張係数が大きい(10.5
×10-6)ジルコニア等のセラミックとする必要があ
る。この場合に、潤滑性を十分に確保できない可能性が
ある場合には、上記各玉14、14の転動面を、窒化、
セラミツク、DLC(ダイヤモンドライクカーボン)等
の被膜で表面処理して、同種の金属材同士が接触する事
を防止する事が有効である。尚、本例の場合、上記各玉
軸受3、3の予圧付与の方向は、背面組合せとする事
が、大きな剛性を得られる事から好ましい。
In the first and second examples of the above-described embodiment, the balls 14, 14 constituting each of the ball bearings 3, 3 are made of ceramic, so that these ball bearings 3, 3 are formed. Even if the oil film existing in the contact portion becomes insufficient, the same kind of metal material is prevented from coming into contact with each other, and the friction resistance and seizure resistance are improved and the speed is increased. On the other hand, when the present invention is applied to a machine tool as in this example, in order to increase the support rigidity of the rotating shaft 2, the preload is applied to each of the ball bearings 3, 3 by a fixed position preload. Often done. In such a case, if the balls 14, 14 incorporated in the respective ball bearings 3, 3 are made of ceramic, due to a difference in thermal expansion between the metal inner ring 4 and the outer ring 6 when the temperature rises, There is a possibility that pre-emption may occur. For this reason, when performing the fixed-position preload, the balls 14, 14 have little (or no) difference in the amount of thermal expansion between the inner ring 4 and the outer ring 6.
Made of steel (each having a linear expansion coefficient in the range of 10.1 to 13.5 × 10 −6 ) or having a large linear expansion coefficient (10.5
× 10 −6 ) It is necessary to use ceramic such as zirconia. In this case, if there is a possibility that lubricity may not be sufficiently ensured, the rolling surfaces of the balls 14, 14 may be nitrided,
It is effective to prevent the metal materials of the same kind from contacting each other by performing a surface treatment with a coating such as ceramic or DLC (diamond-like carbon). In the case of this example, it is preferable that the preload application direction of each of the ball bearings 3 is a back-to-back combination in order to obtain a large rigidity.

【0042】又、工作機械として使用する場合には、回
転軸2の回転速度及びトルクが、仕上面及び加工精度に
影響するので、加工面の精度を向上させる為に回転速度
の制御が必要となる場合がある。この為に本例の場合に
は、上記回転軸2の回転速度を制御する為の磁気センサ
26と回転速度制御装置27とを設置している。上記回
転軸2の回転速度は、ロータ9を構成する界磁マグネッ
トの磁気を検知する上記磁気センサ26と、この磁気セ
ンサ26からの信号を受け入れる回転数制御装置27と
により計測する。そして、この計測値に基づき、目標回
転速度に対して適切な電力量を、モータインバータ13
から電機子コイル12に通電する。尚、回転速度検知に
用いる回転速度センサ24は、上述の様な磁気センサ2
6の他、変位センサ、光センサでも良い。更には、用途
によっては、回転速度の検出を、センサを用いる事な
く、上記電機子コイル12への通電量で求める事もでき
る。
When used as a machine tool, the rotational speed and torque of the rotary shaft 2 affect the finished surface and the processing accuracy. Therefore, it is necessary to control the rotational speed to improve the accuracy of the processed surface. May be. Therefore, in the case of the present embodiment, a magnetic sensor 26 for controlling the rotation speed of the rotating shaft 2 and a rotation speed control device 27 are provided. The rotation speed of the rotating shaft 2 is measured by the magnetic sensor 26 that detects the magnetism of the field magnet that forms the rotor 9 and a rotation speed control device 27 that receives a signal from the magnetic sensor 26. Then, based on the measured value, an appropriate amount of electric power for the target rotation speed is supplied to the motor inverter 13.
To the armature coil 12. The rotation speed sensor 24 used for detecting the rotation speed is a magnetic sensor 2 as described above.
6, a displacement sensor or an optical sensor may be used. Furthermore, depending on the application, the rotation speed can be detected by using the amount of current supplied to the armature coil 12 without using a sensor.

【0043】[0043]

【発明の効果】本発明は、以上に述べた通り構成され作
用するので、従来は困難であった、10万min-1 を越え
る様な高速回転を可能にし、各種機械装置の性能向上を
図れる。
Since the present invention is constructed and operates as described above, it is possible to rotate at a high speed exceeding 100,000 min -1 which has been difficult in the past, and to improve the performance of various mechanical devices. .

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の実施の形態の第1例を示す断面図。FIG. 1 is a sectional view showing a first example of an embodiment of the present invention.

【図2】マンガンアルミ磁石の引っ張り強度とサマリウ
ムコバルト磁石の引っ張り強度とを比較して示すグラ
フ。
FIG. 2 is a graph showing a comparison between the tensile strength of a manganese aluminum magnet and the tensile strength of a samarium cobalt magnet.

【図3】外径が10mmのロータを構成した場合に、回転
速度がマンガンアルミ磁石製のロータに生じる引っ張り
応力とサマリウムコバルト磁石製のロータに生じる引っ
張り応力とに及ぼす影響を示す線図。
FIG. 3 is a diagram showing the influence of the rotational speed on the tensile stress generated in a manganese aluminum magnet rotor and the tensile stress generated in a samarium cobalt magnet rotor when a rotor having an outer diameter of 10 mm is formed.

【図4】回転速度を7万min-1 とした場合に、ロータの
外径がマンガンアルミ磁石製のロータに生じる引っ張り
応力とサマリウムコバルト磁石製のロータに生じる引っ
張り応力とに及ぼす影響を示す線図。
FIG. 4 is a graph showing the effect of the outer diameter of the rotor on the tensile stress generated in a manganese aluminum magnet rotor and the tensile stress generated in a samarium cobalt magnet rotor when the rotation speed is set to 70,000 min −1. FIG.

【図5】回転軸にロータを外嵌固定して成る回転体のバ
ランスをとる状態を示す側面図。
FIG. 5 is a side view showing a state in which a rotating body formed by externally fixing the rotor to the rotating shaft is balanced;

【図6】回転軸を20万min-1 で回転させた場合に、こ
の回転軸に加わる負荷トルクが、電動モータにより駆動
される回転軸の回転速度と圧縮空気により駆動される回
転軸の回転速度とに及ぼす影響を示す線図。
FIG. 6 shows that when the rotating shaft is rotated at 200,000 min −1 , the load torque applied to the rotating shaft is determined by the rotation speed of the rotating shaft driven by the electric motor and the rotation of the rotating shaft driven by compressed air. FIG. 4 is a diagram illustrating an effect on speed.

【図7】本発明の実施の形態の第2例を示す断面図。FIG. 7 is a sectional view showing a second example of the embodiment of the present invention.

【図8】同第3例を示す断面図。FIG. 8 is a sectional view showing the third example.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 ハウジング 2 回転軸 3 玉軸受 4 内輪 5 段部 6 外輪 7 段部 8 予圧ばね 9 ロータ 10 ステータ 11 積層コア 12 電気子コイル 13 モータインバータ 14 玉 15 シール板 16 グリース保持空間 17 潤滑剤供給孔 18 Oリング 19 被覆 20 ワーク 21 取付部 22 冷却カバー 23 冷却媒体供給装置 24 回転速度センサ 25 凹溝 26 磁気センサ 27 回転速度制御装置 28 ラビリンスシール 29 圧縮空気供給装置 30 潤滑剤供給装置 31 治具 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Housing 2 Rotating shaft 3 Ball bearing 4 Inner ring 5 step part 6 Outer ring 7 step part 8 Preload spring 9 Rotor 10 Stator 11 Laminated core 12 Elementary coil 13 Motor inverter 14 Ball 15 Seal plate 16 Grease holding space 17 Lubricant supply hole 18 O-ring 19 coating 20 work 21 mounting part 22 cooling cover 23 cooling medium supply device 24 rotation speed sensor 25 concave groove 26 magnetic sensor 27 rotation speed control device 28 labyrinth seal 29 compressed air supply device 30 lubricant supply device 31 jig

───────────────────────────────────────────────────── 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) F16C 25/08 F16C 25/08 Z 5H019 H01F 1/04 H02K 21/14 M 5H621 H02K 21/14 29/00 Z 5H622 29/00 H01F 1/04 Z (72)発明者 岡野 秀雄 神奈川県藤沢市鵠沼神明一丁目5番50号 日本精工株式会社内 Fターム(参考) 3C045 FD08 3J012 AB02 AB06 BB01 CB03 DB13 FB10 HB02 3J103 AA02 AA13 AA21 CA13 CA62 CA78 DA05 EA08 FA01 FA12 FA14 GA02 GA52 HA03 HA06 HA15 HA16 HA32 HA33 HA37 4C052 AA06 BB02 CC03 CC12 5E040 AA09 CA01 NN15 5H019 AA05 CC03 5H621 HH01 JK17 5H622 AA03 CA01 CA05 CA07 DD06 PP01 PP11 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification code FI Theme coat ゛ (Reference) F16C 25/08 F16C 25/08 Z 5H019 H01F 1/04 H02K 21/14 M 5H621 H02K 21/14 29/00 Z 5H622 29/00 H01F 1/04 Z (72) Inventor Hideo Okano 1-50, Kumeinuma Shinmei, Fujisawa-shi, Kanagawa F-term in NSK Ltd. (reference) 3C045 FD08 3J012 AB02 AB06 BB01 CB03 DB13 FB10 HB02 3J103 AA02 AA13 AA21 CA13 CA62 CA78 DA05 EA08 FA01 FA12 FA14 GA02 GA52 HA03 HA06 HA15 HA16 HA32 HA33 HA37 4C052 AA06 BB02 CC03 CC12 5E040 AA09 CA01 NN15 5H019 AA05 CC03 5H621 HH01 JK17 5H622 AA03 CA01 PP05

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 ハウジングと、軸受によりこのハウジン
グの内側に回転自在に支持された回転軸と、この回転軸
の外周面に固定された、界磁マグネットを有するロータ
と、上記ハウジングの内周面でこのロータの外周面と対
向する部分に設けられたステータとを備え、上記回転軸
の最高回転速度が10万min-1 以上となる条件で使用さ
れる高速回転スピンドル装置に於いて、上記ロータを構
成する界磁マグネットがマンガンアルミ製である事を特
徴とする高速回転スピンドル装置。
1. A housing, a rotating shaft rotatably supported inside the housing by a bearing, a rotor having a field magnet fixed to an outer peripheral surface of the rotating shaft, and an inner peripheral surface of the housing. And a stator provided at a portion facing the outer peripheral surface of the rotor. The high-speed spindle device used under the condition that the maximum rotation speed of the rotation shaft is 100,000 min -1 or more, A high-speed rotating spindle device characterized in that the field magnets constituting are made of manganese aluminum.
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