JP2003191142A - スピンドル装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】静圧軸受あるいは動圧軸受で支持されたスピン
ドルに、流体のエネルギで回転駆動するモータ機能と冷
却機能が一体的に組み込まれた構造が単純なスピンドル
装置を提供すること。 【解決手段】モータ機能が組み込まれたスピンドル１を
ラジアル静圧軸受２およびスラスト静圧軸受３で支持す
る。ラジアル静圧軸受２を流れてスピンドルを支持した
流体は、スピンドルに設けられた流入流路６の流路を流
れて、スピンドル中心部の流路７に流入する。この流体
は、スピンドル１に設けられた流出流路７を流れてスピ
ンドル外部に流出する。流路６と８は、流体の角運動量
が変化するように作られ、これに伴ってスピンドルを回
転させるトルクが生じ、これをモータ機能として用い
る。また、温度制御された流体をスピンドルの内外周部
に同時に供給することにより、スピンドルの冷却機能を
備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明に属する技術分野】本発明は、工作機械、医療用
機器等に用いるためのスピンドルに、流体のエネルギを
利用したモータ機能とスピンドル冷却機能を一体化した
スピンドル装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般的な工作機械のスピンドルの多く
は、転がり軸受で支持され、スピンドル装置とは別に設
けられた電気駆動のモータの回転運動をベルト、プーリ
等の伝達要素を介して回転運動が与えられる。従来の方
式のこのようなスピンドルが特に精密な工作機械システ
ムに用いられる場合には、以下のような３つの問題が発
生する。

【０００３】すなわち、第一にスピンドルは転がり軸受
における摩擦や機械的なガタによって高精度の回転運動
の実現が難しいというだけでなく、超精密加工において
要求される高速回転時には転がり軸受の焼き付きが発生
しやすくなるという大きな問題がある。この問題に対し
て、高精度加工が要求される工作機械では、静圧軸受に
よってスピンドルを支持する方式が用いられる。

【０００４】第２は、スピンドルの高速回転時にはベル
ト、プーリといった伝達要素で発生する振動がスピンド
ルに伝わり、スピンドル自体の振動を引き起こすといっ
た問題である。このため、スピンドル自体にタービンを
取付けこれに流体を吹き付ける方式により、ベルト等の
伝達要素を必要としないスピンドルが用いられている例
がある。

【０００５】第３は、スピンドルが工作機械に用いられ
る場合、加工中に工具と被削材間で発生する摩擦熱がス
ピンドルに伝わり、スピンドルの熱膨張を引き起こし、
これによって加工誤差が発生するといった問題である。
そこで、スピンドル装置に冷却流体を流す方式が用いら
れる場合がある。

【発明が解決しようとする課題】

【０００６】以上のように、高精度加工を行う工作機械
に用いられるスピンドル装置には、静圧軸受による支持
機能、流体のエネルギによってスピンドルに回転動作を
発生させるモータ機能、並びに冷却機能を備えているこ
とが必要になる。しかしながら、これら３つの機能を同
時にスピンドル装置に組み込もうとするとスピンドル装
置が複雑になり大型になってしまう。このために、スピ
ンドル装置の製造コストが上昇するだけでなく、スピン
ドルの高速回転性能を低下させることになる。

【０００７】本発明の目的は、スピンドル装置に要求さ
れる上記３つの機能を有機的に一体化したスピンドル構
造を発明することにより、簡単な構造を有する高性能ス
ピンドル装置を提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】まず、本発明はこの種の
スピンドル装置において従来から用いられているような
スピンドルに取り付けられたタービンに流体を吹き付け
る形式のモータ構造の代りに、スピンドルの断面に単純
な穴形状の流路を設けるだけで高速回転が可能なモータ
機能をスピンドルに容易に組み込める構造を特徴とする
ものである。このモータによれば、スピンドル外周面か
らスピンドル中心に設けられた流路まで貫通する流路を
利用して流体を流すとき、さらにスピンドル中心部の流
路からスピンドル断面に設けられた流路を通して、スピ
ンドル外周面へ流体を流すそれぞれの場合に、流体のも
つ角運動量変化によって回転トルクが発生し、このスピ
ンドルを回転させることができる。すなわち、このよう
な流路によってスピンドルにモータ機能を組み込むこと
が可能になる。しかも、このような流路をスピンドルに
複数設けることによって、より性能の高いモータ機能を
スピンドルに一体的に組み込むことが可能になった。こ
のような構造を持つスピンドル構造によって前記目的を
達成した。

【０００９】つぎに、上記のようなモータが組み込まれ
たスピンドルを支持する静圧あるいは動圧軸受のための
流体を、モータ部に供給する流体と併用することによ
り、より少ない流量でスピンドルを支持し、スピンドル
を回転運動させることができる。

【００１０】発明したスピンドルの中心内部には、スピ
ンドルにモータ機能を組み込むために設けられた流路に
流体が流れ、また同時に、スピンドルの外周面全体には
スピンドルを支持するための静圧あるいは動圧軸受に供
給された流体が存在する。このようなスピンドル装置に
温度制御された流体を供給することにより、スピンドル
の外周部と内部に温度制御された流体が同時に流れるこ
とになり、スピンドルの温度変化を小さくすることがで
きる。

【００１１】以上のようなスピンドル構造により、高性
能スピンドルに要求される精密な支持機能、モータ機
能、冷却機能が同時に実現されるだけでなく、これらが
有機的に一体化した構造が簡単な高性能スピンドルが実
現できる。

【００１２】このスピンドル装置は、高精度の回転動作
が要求される様々な工作機械などに用いることができる
が、例えば、超精密ダイヤモンド旋盤において、被削材
を高速高精度に回転させるためのスピンドル装置、また
高精度に回転工具を回転加工する工作機械用のスピンド
ル装置、さらには被削材と研磨布を高精度に回転させる
必要のあるＣＭＰ装置のスピンドル装置などに用いるこ
とができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施形態の代表例を説明する。図１（ａ）は、モータ構造
が組み込まれたスピンドル１をラジアル静圧軸受２およ
びスラスト静圧軸受３で支持したスピンドル構造の断面
図である。外部のポンプあるいはコンプレッサーで供給
された流体がスピンドル装置の流入ポート４、５から供
給される。流入ポート４から流入した流体はラジアル静
圧軸受２を流れ、スピンドル１を支持する。この流体
は、ラジアル静圧軸受２を通過した後、スピンドル１に
設けられた流入流路６を流れて、スピンドル中心部の流
路７に流入し、スピンドルに設けられた流出流路８を流
れてスピンドル外部に流出し、この流体はスピンドル装
置の流出ポート９から流出する。流入ポート５からスピ
ンドル装置に流入した流体は、スラスト軸受でスピンド
ルを支持し、流出ポート９から流出する。

【００１４】ここで、スピンドルに設けられた流入流路
６と流出流路８は、それぞれ図１（ｂ）、（ｃ）に示す
ようになっており、この流路を流体が流れるとき、流体
の角運動量が変化し、これに伴ってスピンドルを回転さ
せるトルクが発生する。このモータ機能は、スピンドル
断面に設けられた流路を流体が流入出するたびにトルク
を発生させることができるので、図１（ａ）のスピンド
ル装置の場合、合計４箇所でトルクを発生させてスピン
ドルを回転させるが、その数を増やすことも可能であ
る。

【００１５】また、このモータ機能においては、スピン
ドルを流れる流体に角運動量変化を発生させることによ
り、モータ回転のためのトルクを発生させることができ
るので、スピンドル断面に設ける流路は、必ずしも図１
（ｂ）、（ｃ）に示すような“卍“形状である必要はな
く、流路が曲がる角度や形状は特に直角や直線状である
必要がなく、要求されるモータの性能に合わせて形状を
変更することができる。すなわち、この流路の形状が滑
らかな曲線に沿っていても構わない。さらに、１つの断
面に設ける流路の数も図１（ｂ）、（ｃ）のように４本
である必要もない。

【００１６】図１（ｂ）、（ｃ）に示すような流路形状
の場合、スピンドルにドリル加工によって数本の穴を設
けるだけでモータ機能を組み込むことができる。スピン
ドル中心から半径方向に空ける流路は、スピンドル外周
から中心に向かってドリル加工し、外周面に形成された
穴をプラグで止栓すればよい。これと同様に、スピンド
ル中心部に設ける穴についても、スピンドルの両端面か
ら、穴あけを行った後、これをプラグにより止栓すれば
よく製作が極めて容易である。

【００１７】このスピンドル装置に供給される流体はス
ピンドルの外周および内部を流れるため、温度制御され
た流体を供給することにより、スピンドルの温度変化を
容易に一定化することができ、これによりスピンドルの
熱膨張を最小限にすることが可能になり、熱膨張によっ
て発生する加工誤差をなくすことができる。

【００１８】このようなモータ機能を用いると、約２０
１／ｍｉｎの流体をスピンドルに供給することにより、
静圧軸受で精度よく支持された上で、毎分５００００回
転以上で駆動することが可能になる。試作した例では、
直径２０ｍｍのスピンドルの各断面に直径１。７ｍｍの
流入出流路を１本設けている。

【００１９】本発明のスピンドルの回転数は、スピンド
ルの負荷が一定なら供給する流量に比例するが、例えば
切削力などの負荷が変化した場合には、回転数が変化す
る。そこで、スピンドル回転数を一定にするために、ス
ピンドルの回転数を計測し制御弁によって流量を制御す
るフィードバック制御により、より安定した回転特性が
得られる。

【００２０】次に、図２に示す発明の第２の実施例をつ
いて説明する。本発明のスピンドル装置は、静圧軸受あ
るいは動圧軸受で支持するのが特徴の一つであるが、こ
れを図２に示すような転がり軸受に置き換えることも可
能である。また、転がり軸受の代わりに、各種樹脂等を
用いた滑り軸受に置き換えることも可能である。この場
合には、図１に示したスピンドル構造よりもさらに単純
な構造を有するモータ機能が一体化されたスピンドル装
置ができる。

【００２１】このようなスピンドルは、工作機械への応
用のほかに、例えば、歯科治療に用いるスピンドル装置
にも用いることができる。この際、スピンドルのモータ
機能に供給する流体には、空気を用いることも可能であ
るし、空気に水や薬品等を混入させ、これをスピンドル
から直接患部にかけることも可能である。これと同様な
応用範囲としては、整形外科における手術において、骨
への穴あけやその他の処置に用いる装置用のモータ機能
が一体化されたスピンドル装置としても利用できる。図
２の装置は、構造が単純であり、プラスチック成形技術
等を用いれば、大量生産も可能になり、この場合には、
使い捨てができるスピンドル装置も可能になる。これ
は、医療機器への応用において利点が多い。

【００２２】

【発明の効果】以上、説明してきたように、本発明によ
れば、機械加工等に用いられる高性能のスピンドル装置
に要求される、静圧軸受あるいは動圧軸受によって支持
されたスピンドルに対して、構造が単純でスピンドルに
簡単に組み込むことが可能なモータ機能を設け、さらに
軸受とモータに供給する流体をスピンドルの冷却流体と
しても利用できる、構造が簡単なスピンドル装置を提供
することが可能になる。

【００２３】このスピンドルは、構造が簡単なため、ス
ピンドル装置を小型化することができ、またわずかな部
品数で構成することができる。これは、製造コストを下
げることが可能になるだけでなく、スピンドル構造の単
純化によって、スピンドル回転数の高速化と剛性の向上
を可能にもする。

【図面の簡単な説明】

【図１ａ】本発明のスピンドル装置の第１実施例を示す
断面図である。

【図１ｂ】同上のＡ−Ａ線部の断面図

【図１ｃ】同上のＢ−Ｂ線部の断面図

【図２】本発明のスピンドル装置の第２実施例を示す断
面図である。

【符号の説明】

１・・・スピンドル、２・・・ラジアル軸受、３・・・
スラスト軸受、４・・・流入ポートａ、５・・・流入ポ
ートｂ、６・・・流入流路、７・・・スピンドル中心流
路、８・・・流出流路、９・・・流出ポート、２０・・
・スピンドル、２１・・・転がり軸受。

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１４年３月１９日（２００２．３．１
９）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図面の簡単な説明

【補正方法】変更

【補正内容】

【図面の簡単な説明】

【図１】は本発明のスピンドル装置の第１実施例を示す
概略図である。（ａ）は本発明のスピンドル装置本体の
断面図である。（ｂ）はスピンドル部のＡ−Ａ線部の断
面図である。（ｃ）はスピンドル部のＢ−Ｂ線部の断面
図である。

【図２】は本発明のスピンドル装置の第２実施例を示す
断面図である。

【符号の説明】 １…スピンドル、２…ラジアル軸受、３…スラスト軸
受、４…流入ポートａ、５…流入ポートｂ、６…流入流
路、７…スピンドル中心流路、８…流出流路、９…流出
ポート、２０…スピンドル、２１…転がり軸受。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】流体を流したとき、この流体の角運動量が
   変化するようにスピンドル内部に流路を設け、スピンド
   ルに流体を流すことによって、回転トルクを発生させる
   ことのできるモータ構造を、スピンドルに一体的に組み
   込んだ軸受構造を有するスピンドル構造。
2. 【請求項２】前記軸受構造が各種加圧流体による静圧軸
   受である請求項１記載のスピンドル構造。
3. 【請求項３】前記軸受構造が各種流体による動圧軸受で
   ある請求項１記載のスピンドル構造。
4. 【請求項４】請求項１記載のモータ構造に供給する流体
   と請求項２、３記載の軸受に供給する流体を共用するこ
   とのできる請求項１記載のスピンドル構造。
5. 【請求項５】前記軸受構造が転がり軸受である請求項１
   記載のスピンドル構造。
6. 【請求項６】前記軸受構造が滑り軸受である請求項１記
   載のスピンドル構造。
7. 【請求項７】請求項１記載のスピンドルの内外部に温度
   制御された流体を供給することにより冷却機能を持たせ
   た請求項１記載のスピンドル構造。