JP2004204913A

JP2004204913A - 軸受装置

Info

Publication number: JP2004204913A
Application number: JP2002372964A
Authority: JP
Inventors: Norifumi Ikeda; 憲文池田; Hiroshige Sakota; 裕成迫田
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2002-12-24
Filing date: 2002-12-24
Publication date: 2004-07-22

Abstract

【課題】使用条件に応じた最適な軸剛性を得ることができるようにして回転精度の向上を図ると同時にコンパクト化をも可能にする。
【解決手段】転がり軸受３ｄの内輪５を間座１１を介して軸方向に押圧することにより、前記転がり軸受３ｄに予圧を付与するようにした軸受装置において、前記間座１１の少なくとも一部が磁歪材料１４で形成され、該磁歪材料１４の軸方向の磁歪変位量を制御することにより前記予圧を調整する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば産業機械、工作機械、精密測定機器或いは情報機器等の各種精密機器の回転支持部に用いられる予圧式の軸受装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高い回転精度を要求される精密機器の主軸を支持する軸受装置は、一般に予圧を負荷した複数の組合せ転がり軸受によって軸剛性を高めた状態で使用される。予圧の負荷方法としては、剛性体で構成された間座を締め付けることによって転がり軸受の外輪又は内輪に軸方向荷重を負荷する定位置予圧と、ばね等の弾性体を介して転がり軸受の外輪又は内輪に押圧力を負荷する定圧予圧がある。
【０００３】
定位置予圧は、構造が単純で重予圧を負荷できることから、小型機器や重予圧が必要となる重切削用の工作機械スピンドル装置等の主軸に用いられる軸受装置を始めとして幅広く適用されている。一方、定圧予圧は、定位置予圧ほど高い剛性は得られないため、定位置予圧では使用できない予圧変動の大きい用途の軸受装置に用いられている。
【０００４】
いずれの予圧負荷方法の場合も、設定予圧荷重が大きいと、高速回転させる場合に転がり軸受の回転摩擦による発熱量が大きくなり、軸の膨張等によって転がり軸受内のすきまが小さくなる等、該軸受の予圧が一般に過大になって早期に焼付きを発生させる場合がある。
また、耐焼付き性を改善する目的で転がり軸受の転動体として窒化けい素セラミック球を用いた場合には、外内輪を形成する金属材料の熱膨張率よりも窒化けい素セラミック球の熱膨張率が小さいため、軽予圧の場合には、予圧抜けが発生し、軸剛性が低下することがある。
【０００５】
そこで、これらの問題を解決するため、軸受予圧を能動的に制御する方法が種々検討されている。
例えば、軸受箱と中間リングを軸方向に移動自在に設けると共に、その軸受箱と中間リングに向かい合う油圧室を設け、該油圧室内の油圧によって中間リングと軸受箱を変位させることにより、軸受の予圧を制御するようにした予圧可変式スピンドル装置が提案されている（例えば特許文献１及び特許文献２参照）。
【０００６】
また、主軸を駆動するモータのロータとステータとのギャップ面をテーパ状に形成し、ロータの回転に対応してステータとロータとの間に生じる電磁力を制御して該電磁力の軸方向成分を主軸の軸方向の推力として軸受に伝達することによって該軸受の予圧量を制御するようにした予圧可変式スピンドル装置が提案されている（例えば特許文献３参照）。
更に、間座として用いるリング状パッドの内部に電気粘性流体を封入し、この電気粘性流体に電場を作用させることにより、該パッドの剛性を制御して軸剛性を制御するようにしたスピンドル装置が提案されている（例えば特許文献４参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特開平５−１９６０３４号公報
【特許文献２】
特開平６−１４３００３号公報
【特許文献３】
特開平１１−６９７０３号公報
【特許文献４】
特開２０００−５５０４５号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許文献１や上記特許文献２等のような油圧式の予圧制御装置を用いる場合、油圧を発生させるためのポンプやタンク、油圧を導入するための配管などが必要である。従って、装置の大型化が余儀なくされる。また、情報機器のようなクリーンな環境で用いられる場合には、密閉されていようとも油脂の使用は好ましくない。近年のスピンドル装置は、高精度化の一方で、コンパクト化を要求されており、装置性能を向上できるとはいえ、大型化を招く油圧ユニットを付加することは大きなデメリットとなる。
【０００９】
また、特許文献３に示されているように、ステータとロータの磁気推力によって軸受の予圧量を制御する方法では、負荷できる荷重が磁気推力によって制限され、重予圧の負荷には適さない。また、軸先端の荷重などにより、逆負荷が生じた場合、ロータとステータが接触する虞れがある。
更に、特許文献４に示されているように、電気粘性流体を媒体として電気信号により電気粘性流体の粘性を制御してパッドの剛性を変化させても、軸受に対して積極的に負荷をかけているわけではないので、重荷重や、幅広い予圧制御には適していない。また、電気粘性流体を封入したパッドに電場をかけるための電極が必要であり、コンパクト化という面でも課題が残る。
【００１０】
本発明はこのような不都合を解消するためになされたものであり、使用条件に応じた最適な軸剛性を得ることができるようにして回転精度の向上を図ることができると同時にコンパクト化をも満足することができる軸受装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、転がり軸受の外輪又は内輪を間座を介して軸方向に押圧することにより、前記転がり軸受に予圧を付与するようにした軸受装置において、
前記間座の少なくとも一部が磁歪材料で形成され、該磁歪材料の軸方向の磁歪変位量を制御することにより前記予圧を調整することを特徴とする。
【００１２】
ここで、磁歪現象は磁性材料に磁場を印加すると形状変化を生じる現象であり、常温でこの性質を有する材料を磁歪材料と呼んでいる。この磁歪材料としては例えば、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ等の単元素系の他に、Ｃｏ−Ｆｅ合金や、ＮｉＦｅ₂Ｏ₄、ＣｏＦｅ₂Ｏ₄、Ｆｅ₃Ｏ₄等の化合物系のものが挙げられるが、特に、Ｙ、Ｐｒ、Ｓｍ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ等の希土類元素と、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ等の金属元素を組合わせることにより大きな磁歪変位を発生させることが可能となる。
【００１３】
これらの磁歪材料は、数Ｎ／ｍｍ²の大応力を発生させることができ、この材料で間座の少なくとも一部を形成することにより、転がり軸受の予圧量を外部から制御することが可能である。特に、ＲＴ₂（Ｒ：ランタノイド元素、Ｔ：鉄族遷移元素）のラーベス構造立方晶を有する、Ｔｂ_0.3Ｄｙ_0.7Ｆｅ₂を中心組成に持つ磁歪材料は、６００〜１０００ｐｐｍの変位歪と、８Ｎ／ｍｍ²程度の発生応力を有しており、スピンドル装置の主軸に用いられる軸受装置の予圧負荷用間座としては最適な特性を有している。
【００１４】
上記組成を有する磁歪素子としては、単結晶のものと焼結体のものが市販されているが、軸受装置の予圧負荷用間座として用いる場合には、例えば、特開２００２−１２９２７４号公報に開示されているような焼結体のものが好ましい。
これは、リング形状を作成する場合に、単結晶では種結晶から結晶粒成長を利用して丸棒状単結晶を作成するため、製造に時間がかかる上、本発明で利用するようなリング状の成形体を得るためには、丸棒から削りだすことになる。このため、加工費用、材料歩留りなど、高コストにならざるを得ない。
【００１５】
これに対して、粉末成形プロセスによる焼結体はリング形状を最初から得られるので、最終形状にするまでの材料除去量が少なく、加工時間も短い。しかし、焼結体の磁歪素子を用いる場合、空孔率が１０％を超えると、内部酸化により著しく機能が劣化するため、空孔率は１０％以下か、特に磁歪材料が反応性の油脂に触れる場合には５％以下とすることが望ましい。また、空孔は応力集中源となって、素子強度を著しく減少させるため、部材の表面部の最大空孔径は５００μｍ以下、好ましくは２００μｍ以下とすることが望ましい。
【００１６】
また、本発明に係る軸受装置は、転がり軸受の予圧を適宜調整して、使用条件に応じた最適な軸剛性を得ることを目的をしていることから、上記磁歪素子を能動的に制御するための制御手段を有している。
即ち、この制御手段は、主軸の回転数や軸受温度、その時の予圧量等の情報から、磁歪素子を駆動させるコイルヘの供給電流値をコントロールし、予圧量を最適化する。
【００１７】
例えば、工作機械のスピンドル装置に用いられる軸受装置の場合では、低速重切削が行われる際には、必要な軸剛性を得るべく大きな予圧荷重が必要となるため、コイルヘの供給電流値を大きく設定し、磁歪素子の軸方向の変位量を大きくすれば良い。逆に、高速での軽切削が行われる際には、軸受の発熱を抑えるべく小さな予圧設定となるため、コイルヘの供給電流値を低くする。また、発熱等により、スピンドル装置の構成部材がそれぞれ熱膨張して、その熱膨張差によって予圧が変化しても、それを直接感知してフィードバック制御することにより、常に最適な予圧状態に維持することが可能である。
【００１８】
特に磁歪素子は微小変位のコントロールが可能であるため、予圧荷重に関しても、微小な制御が可能である。従って、情報機器に利用されるような小型のスピンドル装置に用いる軸受装置にも利用できる。この場合の制御手段としては、例えば、特開平９−１０８９０３号公報等に開示されたものが利用できる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態の一例を図を参照して説明する。図１は本発明の実施の形態の一例である軸受装置の要部断面図である。なお、この実施の形態では、スピンドル装置の主軸を回転可能に支持する軸受装置を例に採る。
この軸受装置は、図１に示すように、スピンドル装置の主軸１とハウジング２との間に配設された複数のアンギュラ軸受３ａ〜３ｄ，３ｂを備えており、アンギュラ玉軸受３ａ，３ｂ及びアンギュラ玉軸受３ｃ，３ｄは共に組合せ軸受とされて互いに背面配置されている。アンギュラ玉軸受３ａ〜３ｄは共に同一構造のもので、外輪４と内輪５との間に複数の転動体６が周方向に転動可能に配設されており、内輪５が主軸１に外嵌され、外輪４がハウジング２に内嵌されている。
【００２０】
アンギュラ玉軸受３ａの主軸１の先端側（図中左端側）には内輪間座７及び外輪間座８が配置され、アンギュラ玉軸受３ｂとアンギュラ玉軸受３ｃとの間には内輪間座９及び外輪間座１０が配置され、アンギュラ玉軸受３ｄの主軸１の駆動側端部（図中右端部）には内輪間座１１及び外輪間座１２がそれぞれ配置されている。
【００２１】
ここで、この実施の形態では、内輪間座１１を、アンギュラ玉軸受３ｄの内輪５に隣接配置されて軸方向に移動可能な可動スリーブ１３と、該可動スリーブ１３の前記内輪５から離間する側に配置されたリング状の磁歪素子１４とによって構成し、磁歪素子１４の外径側を覆う形でリング状のコイル１５をハウジング２と一体に設置している。
【００２２】
コイル１５は外部電源（図示せず）に接続されており、コイル９に流れる電流値は制御装置（図示せず）よって制御されるようになっている。即ち、制御装置は、スピンドル装置の使用条件に応じて任意に設定された設定値になるように前記電流値を制御する。
そして、コイル１５に所定の電流が流れると、コイル１５には軸方向の磁界が発生し、この磁界が磁歪素子１４に軸方向の磁歪変位を発生させる。これにより、可動スリーブ１３が磁歪素子１４の磁歪変位量に応じて軸方向に所定量だけ変位することで、該可動スリーブ１３によってアンギュラ玉軸受３ｄの内輪５が軸方向先端側に押圧され、前記可動スリーブ１３の変位量に応じた所定の予圧がアンギュラ玉軸受３ａ〜３ｄに負荷される。
【００２３】
このとき、スピンドル装置の予圧量は、外輪間座１０に取り付けた図示しない歪ゲージで測定され、適宜、制御装置にフィードバックされる。即ち、制御装置は、歪ゲージで測定された測定値が設定予圧量に応じた値になるように前記電流値をフィードバック制御する。なお、予圧量の測定は、磁歪素子１４の磁気特性の変化によりコイル１５を経由して検出するようにしてもよい。
【００２４】
また、主軸１の回転中のアンギュラ玉軸受３ａ〜３ｄの外輪４の温度は、例えば熱電対１６等の温度測定手段によって測定され、制御パラメータの一つとして利用される。また、必要に応じて、ロータリエンコーダや、トルク測定器、軸変位センサ等を取り付け、主軸１の回転状態を監視することができる。
ここで用いた磁歪素子１４は、Ｔｂ_0.3Ｄｙ_0.7Ｆｅ₂を中心組成に持つ磁歪素子（空孔率５％以下、最大空孔径２００μｍ以下）である。ここで、上記中心組成はＴｂ_0.2 _〜 _0.4Ｄｙ_0.6 _〜 _0.8Ｆｅ_1.9 _〜 _2.1程度の範囲で設定でき、適した特性の磁性素子を用いることができる。磁歪素子１４は、スピンドル装置を構成する金属材料に比較して、強度が低く、硬度も低いので、応力集中等を受けないように可能な限り精度良く製作されることが望ましい。特に磁歪素子１４の軸方向の両端の平行度が悪いと予圧を負荷した際に曲げ応力が発生し、割れる可能性がある。
【００２５】
また、反応性の強い油や、雰囲気で使用する場合には、磁歪素子部分に樹脂等のコーティングを施し、内質劣化を抑制することが望ましい。また、磁歪素子１４の角部は、面取り等を施して、応力集中を生じさせないように配慮されることが望ましい。
このようにこの実施の形態では、間座１１の少なくとも一部を磁歪素子１４で形成して該磁歪素子１４の軸方向の磁歪変位量を制御することにより、スピンドル装置の予圧量を調整して使用条件に応じた最適な軸剛性を得ることができるようにしているので、回転精度の向上を図ることができると同時にコンパクト化をも満足することができる軸受装置を提供することができる。
【００２６】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。
例えば、上記実施の形態では、スピンドル装置のコンパクト化を図るべく、磁歪素子１４を主軸１に取り付け、コイル１５をハウジング２内に収納して内輪側駆動とした場合を例に採ったが、必ずしもこのようにする必要はなく、ハウジング２側にコイル１５と磁歪素子１４を取り付けて、外輪側駆動によって予圧を制御するようにしてもよい。
【００２７】
また、上記実施の形態では、アンギュラ玉軸受３ｄの駆動側端部に磁歪素子１４を配置した場合を例に採ったが、これに限定されず、磁歪素子１４をアンギュラ玉軸受３ｂとアンギュラ玉軸受３ｃとの間又はアンギュラ玉軸受３ａの主軸１先端側に配置してもよい。
更に、上記実施の形態では、磁歪素子１４を一カ所のみ配置した場合を例に採ったが、これに限定されず、例えば磁歪素子１４をアンギュラ玉軸受３ｄの駆動側端部の他に、アンギュラ玉軸受３ｂとアンギュラ玉軸受３ｃとの間及びアンギュラ玉軸受３ａの主軸１先端側にそれぞれ配置してそれぞれの入出力（入力：磁歪素子への電流値、出力：歪測定値）を組合わせて制御することで、スピンドル装置の回転特性をより細かく設定することができる。
【００２８】
【発明の効果】
上記の説明から明らかなように、本発明によれば、間座の少なくとも一部を磁歪材料で形成して該磁歪材料の軸方向の磁歪変位量を制御することにより、スピンドル装置の予圧量を調整して使用条件に応じた最適な軸剛性を得ることができるので、回転精度の向上を図ることができると同時にコンパクト化をも満足することができる軸受装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の一例である軸受装置の要部断面図である。
【符号の説明】
３ａ〜３ｄ…アンギュラ玉軸受（転がり軸受）
４…外輪
５…内輪
１１…間座
１３…可動スリーブ
１４…磁歪素子

Claims

転がり軸受の外輪又は内輪を間座を介して軸方向に押圧することにより、前記転がり軸受に予圧を付与するようにした軸受装置において、
前記間座の少なくとも一部が磁歪材料で形成され、該磁歪材料の軸方向の磁歪変位量を制御することにより前記予圧を調整することを特徴とする軸受装置。
前記磁歪材料が希土類と鉄との化合物を主成分としていることを特徴とする請求項１記載の軸受装置。
前記磁歪材料がＴｂ_0.3Ｄｙ_0.7Ｆｅ₂を中心組成とする化合物を主成分としていることを特徴とする請求項１又は２記載の軸受装置。
スピンドル装置の回転支持部に用いられることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の軸受装置。