JP2006167822A - スピンドル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
熱膨張の影響を回避して高精度な加工を行うのに適したスピンドル装置を提供する。
【解決手段】
主軸１０２のフランジ１０２ａに対しホルダＨＤの取り付け面１０２ｈ側に設けられた静圧軸受の軸線方向長Δ１は、フランジ１０２ａに対しモータ１０４側に設けられた静圧軸受の軸線方向長Δ２より短いので、フランジ１０２ａから取り付け面１０２ｈまでの距離を短くでき、それにより熱膨張の影響を極力抑えることができる。
【選択図】 図５

Description

本発明は、スピンドル装置に関し、特に高精度な加工を行える工作機械に用いられると好適なスピンドル装置に関する。

従来、この種のスピンドル装置としては、その主軸の回転を、玉軸受あるいはころ軸受に代表される転がり軸受や、油又は空気に代表される作動流体の静圧を利用した静圧軸受で支承しているものが一般的であった。

ここで、転がり軸受を用いたスピンドル装置は、ボールあるいはコロが内外輪の間を転走するので、低速回転においては特に問題が生じないものの、高速回転においては振動や摩擦熱が発生し、スピンドル主軸の振れ回りや発熱等の問題が生じていた。また、内外輪の転走面を潤滑する必要があり、ランニングコストが嵩む他、メインテナンスに手間がかかるという問題点もあった。

一方、静圧軸受は流体の静圧によって軸を支承するので、これを用いたスピンドル装置（特許文献１参照）は、転がり軸受を用いたものに比べ高い回転精度を期待できるという利点がある。従って静圧軸受は、光学素子の光学面を成形する光学素子用成形金型の転写光学面を加工する加工機に用いると好適である。
特開平２００３−１９１１４２号公報

しかるに、高精度な加工を行う場合には、熱膨張による影響も極力回避する必要がある。特に主軸は発熱したモータなど熱伝導を受けやすく、加熱された主軸が熱膨張すると、その先端に取り付けられた工具や被加工物が変位するため、高精度な加工が阻害されやすくなる。ここで、特許文献１に記載のスピンドル装置は、スラスト荷重を受けるフランジが主軸の中央に配置され、その両側にラジアル荷重を受ける静圧軸受が配置されている。しかしながら、かかる構成であると、主軸のフランジから、工具や被加工物などの装着物を取り付ける取り付け面までの距離が比較的長くなってしまう。ハウジングと主軸との軸線方向の相対位置はフランジの位置で決まるので、フランジから取り付け面までの距離が長いと、熱膨張により主軸が伸縮した場合に、取り付けられた工具や被加工物の変位が無視できなくなる恐れがある。

本発明は、かかる従来技術の課題に鑑みてなされたものであり、熱膨張の影響を回避して高精度な加工を行うのに適したスピンドル装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載のスピンドル装置は、
ハウジングと、
装着物を取り付ける取り付け面を有する主軸と、
前記ハウジングに対し前記主軸を回転自在に支持するラジアル用の静圧軸受と、
前記主軸を回転させる駆動源と、を有するスピンドル装置において、
前記主軸は、スラスト荷重を受けるフランジを有し、前記フランジに対し前記取り付け面側に設けられた前記静圧軸受の軸線方向長は、前記フランジに対し前記駆動源側に設けられた前記静圧軸受の軸線方向長より短いことを特徴とする。

本発明によれば、前記フランジに対し前記取り付け面側に設けられた前記静圧軸受の軸線方向長は、前記フランジに対し前記駆動源側に設けられた前記静圧軸受の軸線方向長より短いので、前記フランジから前記取り付け面までの距離を短くでき、それにより熱膨張の影響を極力抑えることができる。尚、「装着物」としては、工具、被加工物、それらを保持するホルダ等がある。又、「フランジ」とは、半径方向に延在する板状の部位をいうものとする。

請求項２に記載のスピンドル装置は、
ハウジングと、
装着物を取り付ける取り付け面を有する主軸と、
前記ハウジングに対し前記主軸を回転自在に支持するラジアル用の静圧軸受と、
前記主軸を回転させる駆動源と、を有するスピンドル装置において、
前記主軸は、スラスト荷重を受けるフランジを有し、前記フランジに対し前記駆動源側にのみ前記静圧軸受が設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、前記フランジに対し前記駆動源側にのみ前記静圧軸受が設けられているので、前記フランジから前記取り付け面までの距離を極力短くでき、それにより熱膨張の影響を極力抑えることができる。

請求項３に記載のスピンドル装置は、請求項１又は２に記載の発明において、前記ハウジングと前記フランジとの間には、スラスト用の静圧軸受が設けられていることを特徴とするので、適切にスラスト荷重を受けることができる。

尚、本発明の静圧軸受で用いる流体としては、静圧を発生させることができる媒体であれば、液体・気体を問わず用いることができるが、取り扱い容易性を考慮すると気体が好ましく、更に空気であれば安価に利用できるのでより好ましい。

本発明によれば、熱膨張の影響を回避して高精度な加工を行うのに適したスピンドル装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態につき、図面を参照して説明する。本発明の実施の形態にかかるスピンドル装置は、図１に示す２軸旋削精密加工機に用いることができる。図１において、不図示の制御装置によってＸ軸方向に駆動されるＸ軸テーブル２が、定盤１上に配置されている。Ｘ軸テーブル２上には、ダイヤモンド工具３が工具取り付け部７を介して取り付けられている。又、不図示の制御装置によってＺ軸方向に駆動されるＺ軸テーブル４が、定盤１上に配置されている。Ｚ軸テーブル４上には、駆動制御機構６と、駆動制御機構６により制御されるスピンドル装置ＳＤが設けられている。スピンドル装置ＳＤの主軸は、例えば光学素子用成形金型の被加工物Ｍを取り付け可能となっている。かかる２軸旋削精密加工機を用いて、光学素子用成形金型の転写光学面を高精度に切削できる。

更に、本発明の実施の形態にかかるスピンドル装置は、図２に示す旋削精密加工機に用いることができる。図２において、定盤１１上にＸ軸方向に駆動されるＸ軸テーブル１２とＺ軸方向に駆動されるＺ軸テーブル１４が取り付けられている。Ｘ軸テーブル１２上には、工具１３を旋回することが出来る旋回軸（Ｂ軸）１８が取り付けられており、その旋回軸１８の上には、工具取り付け部１７が取り付けられている。Ｚ軸テーブル１４上には、駆動制御機構１６と、駆動制御機構１６により制御されるスピンドル装置ＳＤが設けられている。スピンドル装置ＳＤの主軸は、例えば光学素子用成形金型の被加工物Ｍを取り付け可能となっている。かかる旋削精密加工機を用いて、光学素子用成形金型の転写光学面を高精度に切削できる。

更に、本発明の実施の形態にかかるスピンドル装置は、図３に示す、直交３軸の可動ステ一ジと、ダイヤモンド工具を回転させる回転機構とを有する超精密加工機に用いることができる。図３において、定盤２１上にＸ軸方向に駆動するＸ軸テーブル２２とＺ軸方向に駆動するＺ軸テーブル２４が取り付けられている。Ｘ軸テーブル２２上には、Ｙ軸方向に駆動するＹ軸ステージ２６が取り付けられ、Ｙ軸ステージ２６上にスピンドル機構ＳＤが配置され、その主軸が、ダイヤモンド工具２３を回転させるための回転部２７に連結されている。その回転軸はＺ軸と平行である。また、Ｚ軸テーブル２４上には、被加工物Ｍが固定されている。

更に、本発明の実施の形態にかかるスピンドル装置は、図４に示すミーリング加工機に用いることができる。図４において、定盤４１上にＸ軸方向に駆動するＸ軸ステージ４２とＺ軸方向に駆動するＺ軸ステージ４４が取り付けられている。Ｘ軸テーブル４２上には、Ｙ軸方向に駆動するＹ軸ステージ４６が取り付けられ、Ｙ軸ステージ４６にはダイヤモンド工具４３を回転させるスピンドル装置ＳＤがアーム４５により支持されている。アーム４５内に組み込まれたスピンドル装置ＳＤの主軸の端面に、回転中心から半径方向に例えば１５ｍｍ離れた位置に工具刃先がくるように取り付け、Ｚ軸ステージ４４上に固定された被加工物Ｍに対して、Ｙ軸方向に切り込みを与え、Ｘ軸方向にダイヤモンド工具４３を送って切削加工を行う。

図５は、本実施の形態のスピンドル装置の断面図である。図５のスピンドル装置ＳＤは、例えば図４のミーリング加工機に組み込むことができるが、それに限られず、図１〜３の加工機或いはそれ以外の加工機にも組み込むことができるのはいうまでもない。

図５において、中空円筒状のハウジング１０１内に、円筒状の主軸１０２が嵌入されている。両者のスキマは１０μｍ程度である。主軸１０２は、図５で左端近傍にフランジ１０２ａを有し、中央に貫通孔１０２ｂを有している。ハウジング１０１は、フランジ１０２ａに対して右方に配置された主ハウジング１０１Ａと、フランジ１０２ａに対して左方に配置された副ハウジング１０１Ｂと、フランジ１０２ａの半径方向外方において主ハウジング１０１Ａと副ハウジング１０１Ｃを連結してなるリングブロック１０１Ｃとからなる。

主ハウジング１０１Ａは、一端が外周面に開口し外部の流体源である正圧ポンプＰ＋に接続された供給通路１０１ａを有している。供給通路１０１ａの他端は、主ハウジング１０１Ａの内周面において、軸線方向に並んで３列で且つ周方向に１２０度等間隔で主軸１０２の外周面に対向して開口している（これらを吐出口Ａ，Ｂ、Ｃという）と共に、主ハウジング１０１Ａの端面において、フランジ１０２ａに対向して、周方向に１２０度等間隔で開口している（これを吐出口Ｄという）。供給通路１０１ａの各吐出口においては、小穴（供給通路の最小断面積を規定する）のあいた絞り部材１０３が嵌合されている。供給通路１０１ａの吐出口Ａ，Ｂ、Ｃに接続するようにして、主ハウジング１０１Ａの内周面には周溝１０１ｃが形成されている。本実施の形態においては、主ハウジング１０１Ａの内周面全体が静圧で満たされ、ラジアル用の静圧軸受として機能する。従って、フランジ１０２ａに対してモータ１０４側の静圧軸受の軸線方向長は、主ハウジング１０１Ａの軸線方向長Δ２に等しい。尚、主ハウジング１０１Ａは、その内部に、冷却水を流す冷却ジャケット１０１ｆを有しているが、これは供給通路１０１ａとは非接続状態にある。

副ハウジング１０１Ｂは、一端が外周面に開口し外部の流体源である正圧ポンプＰ＋に接続された供給通路１０１ｂを有している。供給通路１０１ｂの他端は、副ハウジング１０１Ｂの内周面において、軸線方向に並んで２列で且つ周方向に１２０度等間隔で主軸１０２の外周面に対向して開口している（これらを吐出口Ｅ，Ｆ）と共に、副ハウジング１０１Ｂの端面において、フランジ１０２ａに対向して、周方向に１２０度等間隔で開口している（これを吐出口Ｇという）。供給通路１０１ｂの各吐出口においては、小穴のあいた絞り部材１０３が嵌合されている。供給通路１０１ｂの吐出口Ｅ，Ｆに接続するようにして、副ハウジング１０１Ｂの内周面には周溝１０１ｄが形成されている。本実施の形態においては、副ハウジング１０１Ｂの内周面全体が静圧で満たされ、ラジアル用の静圧軸受として機能する。従って、フランジ１０２ａに対してホルダＨＤの取り付け面１０２ｈ側の静圧軸受の軸線方向長は、副ハウジング１０１Ｂの軸線方向長Δ１に等しい。ここで、Δ１＜Δ２である。

リングハウジング１０１Ｃには、その内周と主軸１０２のフランジ１０２ａとの間のスキマから、外周に抜ける排気口１０１ｋが設けられている。

主ハウジング１０１Ａに隣接して、駆動手段であるモータ１０４が設けられている。モータ１０４は、モータケース１０４ａと、主軸１０２に取り付けられたロータ１０４ｂと、ロータ１０４ｂの半径方向外方であってモータケース１０４ａ内に配置されたコイル１０４ｃとからなり、コイル１０４ｃに外部から電力を供給することによって、主軸１０２を回転駆動することができるものである。

主軸１０２の右端には、縮径円筒部１０２ｄが同軸に形成されている。縮径円筒部１０２ｄは、その外周に一体的に回転するエンコーダ板１０５ｂを取り付けている。エンコーダ１０５ａは、エンコーダ板１０５ｂの回転角度を検出し、主軸１０２の回転角度を求めることができる。

縮径円筒部１０２ｄの先端は、吸引ケース１０６に挿入されている。吸引ケース１０６は、ハウジング１０１に取り付けられており、その開口端には、縮径円筒部１０２ｄに対向して円管多孔質状の静圧パッド１０６ａを配置している。静圧パッド１０６ａの背面側で吸引ケース１０６に設けられた供給通路１０６ｃは、正圧ポンプＰ＋に接続され、これを介して縮径円筒部１０２ｄの外周面と、静圧パッド１０６ａの内周面との間に加圧された空気を供給することで、吸引ケース１０６と縮径円筒部１０６ｄとの接触が回避される。吸引ケース１０６の内部空間は、主軸１０２の貫通孔１０２ｂ及び排出口１０６ｂに連通しており、排出口１０６ｂに接続された負圧ポンプＰ−により、貫通孔１０２ｂ内の空気が吸引されるようになっている。

主軸１０２の左端は平坦面となっており、またボルト孔１０２ｇが設けられているため、これを利用して、工具Ｔを保持するホルダＨＤを取り付けることができる。ホルダＨＤの取り付け面を主軸１０２に押し当てた状態で、負圧ポンプＰ−を駆動すると、吸引ケース１０６を介して貫通孔１０２ｂ内の空気が吸引されて負圧になるので、大気圧との差圧によりホルダＨＤは主軸１０２に対して固定される。かかる段階で主軸１０２を回転しながら、ホルダＨＤの芯出しを行う。ホルダＨＤの芯出しが行われた後、ボルトＢＴをボルト孔１０２ｇに螺合することでホルダＨＤを主軸１０２に固定する。ホルダＨＤをボルトＢＴを用いて主軸１０２に固定すれば、主軸１０２を例えば１００００ｍｉｎ^−１以上の高速で回転駆動させた場合でも、遠心力などにより脱落やずれを招くことはない。

図５のスピンドル装置ＳＤを、図４のミーリング加工機に組み込んだ状態で動作させたとき、正圧ポンプＰ＋から供給通路１０１ａ、１０１ｂの吐出口Ａ，Ｂ、Ｃ、Ｅ，Ｆを介して主ハウジング１０１Ａ及び副ハウジング１０１Ｂの内部に供給される空気によって、主軸１０２は、主ハウジング１０１Ａ及び副ハウジング１０１Ｂに対して非接触状態で支持されるため、工具Ｔから受けるラジアル方向の荷重を受けることができる。

又、正圧ポンプＰ＋から供給通路１０１ａ、１０１ｂの吐出口Ｄ、Ｇを介して主ハウジング１０１Ａ及び副ハウジング１０１Ｂの内部に供給される空気によって、主軸１０２のフランジ１０２ａが主ハウジング１０１Ａ及び副ハウジング１０１Ｂに対して非接触状態で支持されるため、工具Ｔから受けるスラスト方向の荷重を受けることができる。即ち、フランジ１０２ａの両側面と、これに対向する主ハウジング１０１Ａ及び副ハウジング１０１Ｂの端面とでスラスト用の静圧軸受を構成する。

かかる状態でモータ１０４を駆動すると、主軸１０２が回転する。回転駆動時にモータ１０４からの伝熱等で加熱される主軸１０２は、冷却ジャケット１０１ｆに供給される冷却水により冷却され、その熱膨張が抑えられるようになっている。又、例え回転する主軸１０２と縮径円筒部１０２ｄとが偏心していたような場合にも、静圧パッド１０６ａから吐出される空気の静圧を用いて、縮径円筒部１０２ｄと吸引ケース１０６とのスキマは維持され、互いに接触することが防止される。

このとき、主ハウジング１０１Ａにおいて供給通路１０１ａの吐出口を周溝１０１ｃにつなげており、副ハウジング１０１Ｂにおいて供給通路１０１ｂの吐出口を周溝１０１ｄにつなげているので、例え主ハウジング１０１Ａ、副ハウジング１０１Ｂ又は主軸１０２の断面が真円でない場合でも、周溝１０１ｃ、１０１ｄが供給通路１０１ａ、１０１ｂから供給される空気が全周にわたりほぼ均一な圧力の一時的な蓄積領域となって、回転に伴う静圧スキマと吐出口との位置関係によらず、主軸１０２の外周面に付与される圧力変動を抑えて、その振動を抑制できる。

尚、供給通路１０１ａから供給された空気は、主軸１０２と主ハウジング１０１Ａとの間を通過し、モータ１０４の間のスキマから外部へ流出する。又、供給通路１０１ｂから供給された空気は、主軸１０２と副ハウジング１０１Ｂとの間を通過し、ホルダＨＤの近傍から外部へ流出する。従って、内周に開放した軸線方向に並んだ供給通路１０１ａの吐出口Ａ、Ｂ、Ｃと、供給通路１０１ｂの吐出口Ｅ，Ｆの間に排出路を設けていないことから、供給された流体は、主軸１０２の外周面とハウジング１０１Ａ、１０１Ｂの内周面との間を通って外部へと流出するのみであるので、それにより静圧を増大させて支持剛性を高めることができる。

本実施の形態によれば、主軸１０２のフランジ１０２ａに対しホルダＨＤの取り付け面１０２ｈ側に設けられた静圧軸受の軸線方向長Δ１は、フランジ１０２ａに対しモータ１０４側に設けられた静圧軸受の軸線方向長Δ２より短いので、フランジ１０２ａから取り付け面１０２ｈまでの距離を短くでき、それにより熱膨張の影響を極力抑えることでホルダＨＤの変位を極力抑制し、高精度な加工を行うことができる。

図６は、別な実施の形態にかかるスピンドル装置の図５と同様な断面図である。本実施の形態においては、上述した実施の形態に対し、副ハウジング１０１Ｂ’の構成のみが異なっているので、共通する構成については同じ符号を付すことで説明を省略する。

図６において、副ハウジング１０１Ｂ’の供給通路１０１ｂ’は、主軸１０２のフランジ１０２ａの側面にのみ開口しており、その内周面に開口していない。即ち、副ハウジング１０１Ｂ’の内周面と主軸１０２の外周面との間に静圧が形成されないので、この部分はラジアル用の静圧軸受として機能しないこととなる。

本実施の形態によれば、主軸１０２のフランジ１０２ａに対しモータ１０４側にのみラジアル用の静圧軸受が設けられているので、フランジ１０２ａから取り付け面１０２ｈまでの距離を極力短くできる。しかも、ラジアル剛性が同等のスピンドル装置で比較すると、ラジアル静圧面積が同じで主軸径が同じだから、本実施の形態によれば、他の場合よりもモータ１０４からフランジまでの距離が最も離れる構成となる。それらにより熱膨張の影響を極力抑えることができる。

以上、本発明を実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定して解釈されるべきではなく、適宜変更・改良が可能であることはもちろんである。

２軸旋削精密加工機の斜視図である。 旋削精密加工機の斜視図である。 直交３軸の可動ステ一ジと、ダイヤモンド工具を回転させる回転機構とを有する超精密加工機の斜視図である。 ミーリング加工機の斜視図である。 本実施の形態のスピンドル装置の断面図である。 別な実施の形態のスピンドル装置の断面図である。

符号の説明

１ 定盤
２ Ｘ軸テーブル
３ ダイヤモンド工具
４ Ｚ軸テーブル
６ 駆動制御機構
７ 工具取り付け部
１１ 定盤
１２ Ｘ軸テーブル
１３ 工具
１４ Ｚ軸テーブル
１６ 駆動制御機構
１７ 工具取り付け部
１８ 旋回軸
２１ 定盤
２２ Ｘ軸テーブル
２３ ダイヤモンド工具
２４ Ｚ軸テーブル
２６ Ｙ軸ステージ
２７ 回転部
４１ 定盤
４２ Ｘ軸ステージ
４３ ダイヤモンド工具
４４ Ｙ軸ステージ
４５ アーム
４６ Ｙ軸ステージ
４７ アーム
４７ 回転機構
１０１ ハウジング
１０１Ａ 主ハウジング
１０１Ｂ 副ハウジング
１０１Ｃ リングハウジング
１０１ａ 供給通路
１０１ｂ 供給通路
１０１ｃ 周溝
１０１ｄ 周溝
１０１ｆ 冷却ジャケット
１０２ 主軸
１０２ 縮径円筒部
１０２ａ フランジ
１０２ｂ 貫通孔
１０２ｃ 排気口
１０２ｄ 縮径円筒部
１０３ 部材
１０４ モータ
１０５ エンコーダ
１０６ 吸引ケース
１０６ａ 静圧パッド
１０６ｂ 排出口
Ｐ＋ 正圧ポンプ
Ｐ− 負圧ポンプ
Ｓ 主軸
ＳＤ スピンドル装置
Ｔ 工具

Claims (3)

1. ハウジングと、
   装着物を取り付ける取り付け面を有する主軸と、
   前記ハウジングに対し前記主軸を回転自在に支持するラジアル用の静圧軸受と、
   前記主軸を回転させる駆動源と、を有するスピンドル装置において、
   前記主軸は、スラスト荷重を受けるフランジを有し、前記フランジに対し前記取り付け面側に設けられた前記静圧軸受の軸線方向長は、前記フランジに対し前記駆動源側に設けられた前記静圧軸受の軸線方向長より短いことを特徴とするスピンドル装置。
2. ハウジングと、
   装着物を取り付ける取り付け面を有する主軸と、
   前記ハウジングに対し前記主軸を回転自在に支持するラジアル用の静圧軸受と、
   前記主軸を回転させる駆動源と、を有するスピンドル装置において、
   前記主軸は、スラスト荷重を受けるフランジを有し、前記フランジに対し前記駆動源側にのみ前記静圧軸受が設けられていることを特徴とするスピンドル装置。
3. 前記ハウジングと前記フランジとの間には、スラスト用の静圧軸受が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載のスピンドル装置。
   
   

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