JP2007263327A - エアーベアリング機構 - Google Patents

Abstract

【課題】ラジアル軸受と回転軸の隙間（軸受隙間）に加圧空気を導入してなるエアーベアリング機構において、ロータシャフト２の高速回転（毎分１６〜３５万回転）時の膨張の影響を軽減し、かつ低速回転（毎分３〜１０万回転）時のエアーベアリング剛性の低下を防止する。
【解決手段】ラジアル軸受３１，４１を円弧状に分割して弾性体をその分割した周方向にできた隙間に挟み込み、ラジアル軸受の外側に配した圧電素子５１，５２，５３，５４に電圧を印加して、前記軸受隙間寸法を電気的に制御する。
【選択図】図１

Description

この発明はプリント基板用ドリル穴あけ加工装置のスピンドルに好適な、エアーベアリング機構に関するものである。

プリント基板の高密度化に伴い、穴径の極小化（直径０．１ｍｍ以下）が進んでいる。このような極小径の穴をドリルによりあけるためには、ドリルの最適な周速を得るために、高速回転（毎分３５万回転程度）できるスピンドルが要求されている。
プリント基板のドリル穴あけ装置には、通常、ドリルを保持する回転軸の軸受機構として、エアーベアリング機構を用いたスピンドルが使用されている。

図４は、プリント基板用ドリル穴あけ装置のスピンドルの従来例を示す正面断面図である。筒状のスピンドルボディ１内には、軸心を中心に回転可能にした筒状のロータシャフト２が回転軸として配置されている。ロータシャフト２は、ラジアル軸受３及びラジアル軸受４により、径方向に支持されている。ラジアル軸受３及びラジアル軸受４には、それぞれ空気導入孔７ａ及び７ｂが形成されている。ロータシャフト２の一端にはフランジ５が形成されている。フランジ５は、スラスト軸受６に支持されている。

スピンドルボディ１には、ラジアル軸受３及びラジアル軸受４に加圧空気を導く空気通路７が形成されている。空気通路７を通過した加圧空気は、空気導入孔７ａ及び空気導入孔７ｂを通過し、ロータシャフト２とラジアル軸受３及びラジアル軸受との隙間（以下、軸受隙間という。）に供給される。スラスト軸受６へは、空気通路８から加圧空気が供給される。そして、ロータシャフト２の内部を軸心方向に移動できるように押し棒９が配置されている。

ロータシャフト２の軸方向中央部には、銅芯１０が組み込まれており、スピンドルボディ１内の銅芯と対向する部分にはコイル１１が配置されている。そして、コイルに高周波電流を流すと、ロータシャフト２が回転する構造となっている。

ロータシャフト２の先端には、締め付け部１４が形成されている。締め付け部１４には、先端方向に向かって径拡大するテーパ孔１２が形成されている。テーパ孔１２は、ロータシャフト２と軸心が同じであり、ロータシャフト２と連通している。

テーパ孔１２には、軸心方向に移動可能に、工具保持部１６が形成されたコレット１３が挿入されている。コレット１３の他端には膨出部１７が形成されており、スプリング２０によって通常は引き上げられ、コレット１３の工具保持部１６に設けられた挿入孔８に工具１５を保持している。工具交換時には、押し棒９により膨出部１７が押されて、工具１５が開放される。

上記のような構造のスピンドルを用いて毎分３５万回転の高速回転を行った場合、コイル１１を流れる高周波電流による発熱やロータシャフト２に働く遠心力等により、ロータシャフト２は径方向に膨張する。ロータシャフト２が膨張すると、軸受隙間が小さくなり、ロータシャフト２が回転時に発生する振れ量やドリル工具１５を保持したことによる振れ量を吸収しきれなくなり、ロータシャフト２とラジアル軸受３又は４との接触や焼損につながる。

例えば、計算によれば、周囲温度２0℃、ロータシャフト２として、直径１１ｍｍのステンレス鋼を用い、毎分３５万回転で回転させた時、ロータシャフト２は７０℃となり、軸受隙間寸法は約６μｍ減少する。軸受隙間として最適な範囲は６μｍ〜８μｍであるので問題となる。

このような膨張の影響を低減させるために、軸受装置に圧電素子を用いたものが提案されている。（例えば、特許文献１参照。）しかしながら、これはころがり軸受用のものであり、より精密な隙間寸法の制御が必要なエアーベアリング機構には採用し難い。
特開平１０−２３８５３７号公報（第０００９段落から第００１５段落、第1図）

上述したロータシャフト２の高速回転（毎分１６〜３５万回転）による膨張の影響を軽減するために軸受隙間寸法を高速回転時に最適化してしまうと、プリント基板穴あけ加工装置においては径の大きいドリルに対する低速回転（毎分３〜１０万回転）での加工も必要であるため、低速回転時に隙間寸法が広がってしまうためロータシャフトが受ける加圧空気による圧力が不足し、エアーベアリングの剛性が低下する。
この発明は、上記従来技術の問題点を解決し、エアーベアリングに好適な、軸間隙間寸法を精度良く調整できる機構を提供することを課題とする。

エアーベアリング機構のラジアル軸受を円弧状に分割して弾性体をその分割した周方向にできた隙間に挟み込み、前記ラジアル軸受の外側に圧電素子を配し、前記軸受隙間寸法を電気的に制御するための制御装置を設けた。ラジアル軸受を円弧状に分割し、その間に弾性体を挟み込んだことにより、圧電素子に働く応力を低減したので、圧電素子の延びを最大限に隙間に伝えることができる。

エアーベアリング機構のラジアル軸受を円弧状に分割し、その間に弾性体を挟み込んだことにより、圧電素子の延びで最大限に隙間寸法を制御できるので、低速回転時においてエアーベアリングの剛性を低下させることなく、高速回転時の回転を安定させることができる。

さらに、ロータシャフトの回転数による前記軸受隙間寸法の変化のデータを予め取得し、それを記憶させた記憶装置を有することにより、回転数による隙間寸法の制御を精度良く行うことができる。

以下、本発明のエアーベアリング機構について図面に基づいて説明する。図１は、本発明に係るエアーベアリング機構を用いたスピンドルの正面断面図である。本図において、従来のスピンドル（第４図）と同一又は同等のものについては、同一の符号を付し、説明を省略する。

図１に示すように、スピンドルボディ１とラジアル軸受３１、４１との間には圧電素子５１〜５４がそれぞれ挟み込まれている。そして、記憶装置７０には、ロータシャフト２の回転数による軸受隙間寸法の変化のデータを予め取得し、それを記憶させる。制御装置６０は、記憶装置７０の記憶データとロータシャフト２の回転数に基づき、電圧発生装置８０に対して、これら圧電素子５１〜５４に電圧を印加するよう指令を出す。その電圧により圧電素子５１〜５４に延び又は縮みが生じ、ラジアル軸受３１、４１とロータシャフト２との間の隙間（軸受隙間）を制御するものである。

図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。本発明に係るラジアル軸受３１は、円弧状部３１１〜３１４と、それぞれの円弧状部の間に挟まれた弾性体２１〜２４とから構成される。空気導入孔７ａはそれぞれの円弧状部に設けられている。それぞれの弾性体は、軸受隙間に供給される加圧空気が円弧状部の隙間から流出するのを防止し、かつロータシャフト２回転時の軸受隙間の気流の乱れを防止する。ここで、弾性体はゴム状の弾性を有する、いわゆるエラストマーであれば何でも良い。
それぞれの円弧状部の外周には、圧電素子５１１〜５１４が配置されている。圧電素子を周方向に分割して５１１〜５１４にした理由は、圧電素子に電圧を印加して径方向に縮めた時に発生する周方向への延びを吸収して無用な応力を発生させないためである。

この構成は他のラジアル軸受４１においても同様である。

図３は、図２においてロータシャフト２が膨張し、圧電素子５１１〜５１４に電圧を印加して径方向に縮め、軸間隙間を一定に保った場合の様子を示す。ここで、二点鎖線が膨張する前の状態を示し、煩雑さを避けるため、図２に記入されていた隠れ線（破線）は全て省略されている。

ここで、本例ではラジアル軸受を４分割した例を示したが、これは２分割以上であれば効果がある。また、各ラジアル軸受３１、４１で分割数を変化させても良い。

また、本例では、１台の電圧発生装置８０により全ての圧電素子５１〜５４に同じ電圧を印加する例を示したが、複数台の電圧発生装置により、圧電素子に個別に電圧を印加しても良い。

また、本例では、圧電素子のラジアル軸受３１、４１側に電圧を印加する例を示したが、適切かつ安全な絶縁を施せばスピンドルボディ１側に印加しても良い。

周囲温度２0℃、ロータシャフト２として、直径１１ｍｍのステンレス鋼を用い、毎分３５万回転で回転させた時、ロータシャフト２は７０℃となり、軸受隙間寸法は約６μｍ減少する。その他いくつかの回転数にて軸受隙間寸法を計算し、そのデータを記憶装置７０に記憶させる。

圧電素子５１〜５４としては、１０ｍｍ厚のチタン酸ジルコン酸塩系の圧電セラミックを用いた。この圧電素子の圧電率ｄ_３３は６×１０⁻¹⁰（ｍＶ^−１）であるので、１０ｋＶの印加で６μｍの変化を生じさせることができる。

これにより、図１のようなスピンドルを構成して試験したところ、毎分３万回転から毎分３５万回転まで安定したロータシャフト２の回転を得ることができた。

本発明に係るエアーベアリング機構を用いたスピンドルの正面断面図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 図2においてロータシャフト２が膨張した場合の状態を示す図である。 従来のエアーベアリング機構を用いたスピンドルの正面断面図である。

符号の説明

１ スピンドルボディ
２ ロータシャフト
３１，４１ ラジアル軸受
３１１，３１２，３１３，３１４ 円弧状部
２１，２２，２３，２４ 弾性体
７ 空気通路
７ａ，７ｂ 空気導入孔
５１，５２，５３，５４ 圧電素子
５１１，５１２，５１３，５１４ 圧電素子
６０ 制御装置
７０ 記憶装置
８０ 電圧発生装置

Claims (2)

1. ラジアル軸受と回転軸の隙間（軸受隙間）に加圧空気を導入してなるエアーベアリング機構において、
   円弧状に分割して弾性体をその分割した周方向にできた隙間に挟み込んだラジアル軸受と、
   前記ラジアル軸受の外側に配した圧電素子と、
   前記軸受隙間寸法を電気的に制御するための制御装置を有することを特徴とするエアーベアリング機構。
2. 請求項１記載のエアーベアリング機構において、
   前記回転軸の回転数による前記軸受隙間寸法の変化のデータを予め取得し、それを記憶させた記憶装置を有することを特徴とするエアーベアリング機構。
   

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