JP2006194203A - Air turbine spindle - Google Patents
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Description
本発明は、駆動系にエアタービンを、軸受にエアベアリングを用いたスピンドル装置の高精度化に関するものである. The present invention relates to high accuracy of a spindle apparatus using an air turbine as a drive system and an air bearing as a bearing.
近年、工作機械で使用するスピンドルへの高速化及び高精度化の要求が加速してきている。特に、金型を対象とした工作機械の場合、対象とする金型の複雑化が進むに連れて金型の最小Rが小さくなり、工具の小径化が望まれてきている。工具が小径化すると、必然的に工具の周速も低下してしまうため、周速の低下分を補うためにスピンドルの超高速回転化が必須である。又、レンズ金型を対象に考えると、数十nmオーダの回転精度も要求される。 In recent years, demands for higher speed and higher accuracy of spindles used in machine tools have been accelerated. In particular, in the case of a machine tool for a mold, the minimum R of the mold becomes smaller as the target mold becomes more complicated, and it is desired to reduce the diameter of the tool. When the diameter of the tool is reduced, the peripheral speed of the tool inevitably decreases. Therefore, in order to compensate for the decrease in the peripheral speed, it is essential to rotate the spindle at a high speed. Further, when considering lens molds, rotation accuracy on the order of several tens of nanometers is also required.
これらの要求を満たすためには、駆動系にエアタービン、軸受にエアベアリングを採用するのが得策であると言える。駆動系にエアタービンではなくモータを用いると、高速回転時において、発熱や振れ回り不安定の発生(モータ重量分だけ軸重量が増加することにより危険速度が低下することから生じる現象)といったことが問題となり、又、軸受に非接触式であるエアベアリングではなく接触式ベアリングを用いると、高速回転時の寿命の問題は勿論のこと、回転精度の面でも問題となる。このような理由から100,000rpm以上の超高速回転及び数十nmオーダの回転精度を達成するには、駆動系にエアタービン、軸受にエアベアリングを用いる構成が最も有効であると言える。 In order to satisfy these requirements, it can be said that it is best to adopt an air turbine for the drive train and an air bearing for the bearing. When a motor is used instead of an air turbine in the drive system, heat generation or run-out instability occurs during high-speed rotation (a phenomenon caused by a decrease in the critical speed due to an increase in shaft weight by the motor weight). When a contact bearing is used instead of a non-contact type air bearing as a bearing, not only the problem of the life at high speed rotation but also the problem of rotational accuracy is caused. For these reasons, it can be said that a configuration using an air turbine for the drive system and an air bearing for the bearing is the most effective in achieving ultra-high speed rotation of 100,000 rpm or more and rotation accuracy on the order of several tens of nanometers.
具体的には、直径2mmの工具を200,000rpmで使用することを考える。軸受は回転精度の問題からエアベアリングが適切である。駆動系については、発熱回避のため、エアベアリングの軸受クリアランスを10μm以上の大きさにする必要が出てくるが、クリアランスを増加すると安定限界質量が100g程度となり、モータを付加すると安定限界質量を超えてしまう。即ち、モータの使用は考えにくく、重量増加がないエアタービンが有効であると言える。 Specifically, consider using a tool with a diameter of 2 mm at 200,000 rpm. An air bearing is appropriate for the bearing because of rotational accuracy. As for the drive system, it is necessary to make the bearing clearance of the air bearing 10 μm or more to avoid heat generation. However, if the clearance is increased, the stability limit mass becomes about 100 g, and if a motor is added, the stability limit mass is increased. It will exceed. That is, it is difficult to use a motor, and it can be said that an air turbine that does not increase in weight is effective.
駆動系にエアタービン、軸受にエアベアリングを用いたスピンドルの従来例としては、特許文献1が存在する。 As a conventional example of a spindle using an air turbine as a drive system and an air bearing as a bearing, Patent Document 1 exists.
特許文献1で提案されているような、駆動系にエアタービン、軸受にエアベアリングを用いたスピンドルでは、軸方向長さを短くするために、スラスト軸受を形成した板の円周上にエアタービンを配置した構成が殆どである。 In a spindle using an air turbine as a drive system and an air bearing as a bearing as proposed in Patent Document 1, an air turbine is arranged on the circumference of a plate on which a thrust bearing is formed in order to shorten the axial length. In most cases, the configuration is arranged.
しかしながら、エアタービンの排気孔とエアベアリングからの排気孔が共通であり、排気孔に至までの空間もほぼ共有しているため、エアタービンの排気エアとエアベアリングの排気エアが干渉してしまっていた。その結果、安定した特性を持つためには一定であることが望ましいエアベアリング端部の圧力が変動し、軸受剛性の変動が起きていた。 However, since the exhaust hole of the air turbine and the exhaust hole from the air bearing are common and the space to the exhaust hole is almost shared, the exhaust air of the air turbine and the exhaust air of the air bearing interfere with each other. It was. As a result, the pressure at the end of the air bearing, which is desirable to be stable in order to have stable characteristics, fluctuated, and fluctuations in bearing rigidity occurred.
又、エアベアリングの排気エアがエアタービンの給気流路に回り込み、外乱として作用するという問題もあった。こうしたことから、100,000rpm以上の高速回転下で数十nmオーダの精度を実現するのが困難であった。 In addition, there is a problem that the exhaust air from the air bearing flows into the air turbine air supply passage and acts as a disturbance. For these reasons, it has been difficult to achieve an accuracy of the order of several tens of nanometers under a high-speed rotation of 100,000 rpm or more.
本発明は、上記問題に鑑みてなされたもので、その目的とする処は、100,000rpm以上の超高速回転下でも数十nmオーダの回転精度を達成することが可能なエアタービンスピンドルを提供することである。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide an air turbine spindle capable of achieving rotational accuracy on the order of several tens of nanometers even under ultra high speed rotation of 100,000 rpm or more. It is to be.
上記課題を達成するための第1の手段は、駆動系にエアタービン、軸受にエアベアリングを用いたスピンドルにおいて、タービンの排気流路とエアベアリングの排気流路をそれぞれ独立に設けた構成とすることである。 A first means for achieving the above object is a spindle using an air turbine as a drive system and an air bearing as a bearing, wherein the turbine exhaust passage and the air bearing exhaust passage are provided independently of each other. That is.
第2の手段は、前記エアタービンスピンドルにおいて、スラスト空気静圧軸受を両面に配置したスラスト板の周上に当該スピンドルの駆動源となるエアタービンを構成し、且つ、回転軸に垂直で、且つ、スラスト板外周接線方向から当該エアタービンへの給気を行うことを特徴とした構成にすることである。本構成により,エアタービンへの供給エアがスラスト方向へ及ぼす影響を低減することが可能となる。 In the air turbine spindle, the second means constitutes an air turbine serving as a drive source of the spindle on the circumference of a thrust plate having thrust air static pressure bearings arranged on both sides, and is perpendicular to the rotation axis, and The air turbine is supplied with air from the direction of the tangent to the outer periphery of the thrust plate. With this configuration, it is possible to reduce the influence of air supplied to the air turbine on the thrust direction.
第3の手段は、前記エアタービンスピンドルにおいて、スラスト板両面に形成した静圧空気軸受の更に外周に大気開放のための通気部を配置し、その更に外周に狭いすきまによる非接触ラビリンスシールを設け、タービンの排気流路と多孔質静圧の排気流路を独立にしたことを特徴とした構成にすることである。本構成により、タービンの排気エアと多孔質静圧の排気エアの干渉を防ぐことで圧力変動を抑制でき、安定した軸受剛性及び安定したタービン供給圧を得ることができ、高い回転精度を得ることが可能となる。 The third means is that in the air turbine spindle, a vent for releasing the atmosphere is arranged on the outer periphery of the hydrostatic air bearing formed on both surfaces of the thrust plate, and a non-contact labyrinth seal with a narrow clearance is provided on the outer periphery. The turbine exhaust flow path and the porous static pressure exhaust flow path are independent of each other. With this configuration, pressure fluctuations can be suppressed by preventing interference between the turbine exhaust air and porous static pressure exhaust air, stable bearing rigidity and stable turbine supply pressure can be obtained, and high rotational accuracy can be obtained. Is possible.
第4の手段は、前記エアタービンスピンドルにおいて、スラスト板両面に形成した静圧空気軸受の更に外周に設けた非接触ラビリンスシールのすきまがスラスト静圧空気軸受における軸受すきまよりも小さいことを特徴とした構成にすることである.本構成とすることで、前記第3の手段によるタービンへの給気流路及び排気流路と多孔質静圧の排気流路を独立にする効果をより高めることが可能となる。 A fourth means is characterized in that, in the air turbine spindle, the clearance of the non-contact labyrinth seal provided on the outer periphery of the hydrostatic air bearing formed on both surfaces of the thrust plate is smaller than the bearing clearance in the thrust hydrostatic air bearing. The configuration is as follows. By adopting this configuration, it becomes possible to further enhance the effect of making the air supply passage and the exhaust passage to the turbine independent of the porous static pressure exhaust passage by the third means.
本発明によれば、駆動系にエアタービン、軸受にエアベアリングを用いたスピンドルにおいて、エアタービンへの給気エアを回転軸に垂直な方向から与え、且つ、タービンへの給気エア及び排気エアとスラスト空気静圧軸受の排気エアを分離する構造とすることで、100,000rpm以上の超高速回転下でも数十nmオーダの回転精度を達成することが可能なスピンドルを提供することができる。 According to the present invention, in a spindle using an air turbine as a drive system and an air bearing as a bearing, supply air to the air turbine is given from a direction perpendicular to the rotation axis, and supply air and exhaust air to the turbine are provided. And a structure that separates the exhaust air of the thrust air hydrostatic bearing can provide a spindle that can achieve rotational accuracy on the order of several tens of nanometers even under ultra high speed rotation of 100,000 rpm or more.
以下、本発明の実施例を図面に沿って説明していく。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は、駆動系にエアタービンを、軸受にエアベアリングを用いたスピンドルの概略図を示したものである。請求項2に記載したように、スラスト空気静圧軸受を両面に配置したスラスト板の周上に当該スピンドルの駆動源となるエアタービンを構成し、且つ、当該エアタービンへの給気を回転軸に垂直な方向で、且つ、スラスト板外周接線方向から行うことを特徴としており、タービンへの給気及び排気がスピンドルのスラスト方向への外乱とならないようにしている。タービンをスラスト静圧空気軸受が両面に形成されたスラスト板周上に配置することで、タービン配置のために軸方向に必要とされる領域を節約している。 FIG. 1 is a schematic view of a spindle using an air turbine as a drive system and an air bearing as a bearing. According to a second aspect of the present invention, an air turbine serving as a driving source of the spindle is formed on the circumference of a thrust plate having thrust air hydrostatic bearings disposed on both sides, and the supply air to the air turbine is rotated by a rotating shaft. In this case, the supply and exhaust to the turbine are not disturbed in the thrust direction of the spindle. By arranging the turbine on the circumference of the thrust plate formed with the thrust hydrostatic air bearings on both sides, the area required in the axial direction for turbine arrangement is saved.
タービンの排気流路と多孔質静圧の排気流路を分離するためには、タービン形成のための板をスラスト板と別に形成するという手段もある。しかし、そのような手段を採ると、タービン形成板分の重量増加により回転軸質量が安定限界質量を超えてしまう可能性が高い。又、タービン部とスラスト軸受形成部が軸方向に離れた位置となることでタービンへの給気が軸にモーメントを加えることとなり(スラスト軸受部が軸の回転中心付近になると考えられるので)、回転精度の点でも問題が生じる。 In order to separate the exhaust passage of the turbine and the exhaust passage of porous static pressure, there is a means of forming a plate for forming the turbine separately from the thrust plate. However, if such a measure is taken, there is a high possibility that the mass of the rotating shaft exceeds the stability limit mass due to an increase in the weight of the turbine forming plate. In addition, since the turbine portion and the thrust bearing forming portion are separated from each other in the axial direction, the supply air to the turbine adds moment to the shaft (because the thrust bearing portion is near the rotation center of the shaft), Problems also arise in terms of rotational accuracy.
尚、図1にはラジアル軸受・スラスト軸受共に多孔質静圧空気軸受を採用したものを示しているが、自成絞り・オリフィス絞り・スロット絞りのような他形式の静圧空気軸受を採用したものも勿論本発明の対象となる。 In addition, although the thing which employ | adopted the porous hydrostatic air bearing as both radial bearing and thrust bearing is shown in FIG. 1, the hydrostatic air bearing of other types, such as a self-made throttle, an orifice throttle, and a slot throttle, was adopted. Of course, this is also the subject of the present invention.
図2は、図1の破線円で示した領域の拡大図である。 FIG. 2 is an enlarged view of a region indicated by a broken-line circle in FIG.
タービンの排気エアとスラスト空気静圧軸受の排気エアの干渉による圧力変動や、干渉したエアがタービン給気へ回り込むことを防ぐために、請求項3で示した対策を講じている。スラスト板面上の静圧空気軸受構成部の更に外周に大気開放のための通気部を配置し、その更に外周に狭いすきまによる非接触ラビリンスシールを設け、タービンの排気エアと多孔質静圧の排気エアを分離する構造にしている。通気部は多数の孔がスラスト板表面に対向する位置にあけられた円環溝に繋がっている構造である。
In order to prevent pressure fluctuation due to interference between the exhaust air of the turbine and the exhaust air of the thrust air hydrostatic bearing, and the interference air from flowing into the turbine supply air, the measures described in
図3は、図1で示したスピンドルのタービン部を軸方向から見た断面図を示している。 FIG. 3 shows a sectional view of the turbine portion of the spindle shown in FIG. 1 as viewed from the axial direction.
タービンへの給気路が回転軸に垂直な方向で、且つ、スラスト板外周接線方向に設けられており、タービンへの給気圧がスラスト方向への外乱となって作用する影響を低減している。又、タービンの円周方向に配置した給気孔は、タービンの回転軸に対して対向配置となるように数組配置する。このように対向させることで、対向した1組の給気孔からタービンに与えられる力としてモーメントのみが取り出され、並進成分が互いに打ち消し合い、回転軸を並進方向に押す力が働かないため、高回転精度を達成するために効果がある。 The air supply path to the turbine is provided in the direction perpendicular to the rotation axis and in the direction of the tangent to the outer periphery of the thrust plate, reducing the influence of the supply air pressure to the turbine acting as a disturbance in the thrust direction. . Further, several sets of air supply holes arranged in the circumferential direction of the turbine are arranged so as to be opposed to the rotating shaft of the turbine. By facing in this way, only the moment is taken out as the force applied to the turbine from a pair of opposed air supply holes, the translational components cancel each other, and the force pushing the rotating shaft in the translational direction does not work, so high rotation Effective to achieve accuracy.
更に、エアタービンのブレード数xと給気孔数yを「x>y且つx≠ny(nは整数)」とすることで、ジッタ特性の安定化を図っている。エアタービンのブレード数xと給気孔数yを「x=ny(nは整数)」という関係にしてしまうと、各給気孔からタービンブレードに給気されて発生する回転力が周期的に変動することになり、ジッタ特性が不安定になる。 Further, the jitter characteristic is stabilized by setting the number x of blades and the number y of air supply holes of the air turbine to “x> y and x ≠ ny (n is an integer)”. If the relationship between the number x of air turbine blades and the number y of air supply holes is “x = ny (n is an integer)”, the rotational force generated by supplying air to the turbine blades from each air supply hole periodically varies. As a result, jitter characteristics become unstable.
図4は、請求項4の実施例を示すものであり、スラスト板面上の静圧空気軸受構成部の更に外周に設けた非接触ラビリンスシールのすきまをスラスト静圧空気軸受の軸受すきまよりも小さくすることで、タービンの排気流路とスラスト空気静圧軸受の排気流路を分離する効果を高めたものである。このような構成とすることで、より一層高い回転精度の達成が可能である。 FIG. 4 shows an embodiment of claim 4, wherein the clearance of the non-contact labyrinth seal provided on the outer periphery of the static pressure air bearing component on the thrust plate surface is more than the bearing clearance of the thrust static pressure air bearing. By reducing the size, the effect of separating the exhaust passage of the turbine and the exhaust passage of the thrust air hydrostatic bearing is enhanced. By adopting such a configuration, it is possible to achieve even higher rotational accuracy.
図5は、駆動系にエアタービンを、軸受にエアベアリングを用いたスピンドルの従来の形式を示した概略図である。又、図6は、図5の破線円で示した領域の拡大図である。 FIG. 5 is a schematic view showing a conventional type of spindle using an air turbine as a drive system and an air bearing as a bearing. FIG. 6 is an enlarged view of a region indicated by a broken-line circle in FIG.
図5及び6で示した従来形式にすると、図6の楕円で示した領域でタービンの排気エアとスラスト空気静圧軸受の排気エアが干渉するため、圧力変動が生じ、スラスト軸受剛性が円周方向及びスラスト板表裏で絶えず変化するため、高回転精度を狙う上で大きな障害となる。又、スラスト空気静圧軸受の排気エアがエアタービンのタービンブレードに回り込み、タービンへの給気圧を不安定にし、ラジアル方向への外乱及びジッタ特性の悪化を招く危険性がある。 5 and 6, the turbine exhaust air and the thrust air hydrostatic bearing exhaust air interfere with each other in the region indicated by the ellipse in FIG. Since the direction and the front and back of the thrust plate constantly change, this is a major obstacle to aiming for high rotational accuracy. Further, there is a risk that the exhaust air of the thrust air static pressure bearing will enter the turbine blades of the air turbine, destabilize the supply air pressure to the turbine, and cause disturbance in the radial direction and deterioration of jitter characteristics.
1 回転軸
2 軸受スリーブ
3 スラスト静圧軸受を形成する多孔質パッド
4 ラジアル静圧軸受を形成する多孔質パッド
5a 空気軸受給気部
5b タービン給気部
6 排気部
7 スラスト板円周上に配置したエアタービンブレード
8 エア圧干渉をおこす領域
9 エア圧分離のために新たに設けた排気部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (4)
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