JP2008296309A - ビルトインモータおよび主軸ヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】効率的なステータの冷却を行うことができるとともに、ヘッド全体の軽量化および低コスト化を達成できるビルトインモータおよび主軸ヘッドを提供する。
【解決手段】工具２を着脱可能に装着する主軸１０を囲繞して設けられる主軸回転用のビルトインモータ２０のロータ２１を囲繞して設けられるステータ２２の外周面に放熱フィン２５を設け、ステータ２２を、主軸１０を軸支するフレーム（ベアリングケース２６）に断熱部材（シャフト２７）を介して連結してビルトインモータ２０を構成し、ヘッド外殻を構成するカバー部材５０に、放熱フィン２５を露出させるための開口部５２を形成した。
【選択図】図２

Description

本発明は、工具を着脱可能に装着する主軸を囲繞して設けられる主軸回転用のビルトインモータおよびこれを備えた主軸ヘッドに関する。

主軸を囲繞して設けられるビルトインモータを備えたビルトインモータ内蔵型の主軸ヘッドは、モータを冷却する機構を有している。従来の冷却機構は、例えば、ステータの外周面に周接する周壁の外周面に冷却フィンを設け、この冷却フィンを囲繞して空冷ジャケットが形成されているものがあった（例えば、特許文献１や特許文献２参照）。この構成によれば、モータの熱はステータから周壁に伝熱されて、冷却フィンから空冷ジャケット内の空気に伝熱され、外部に放熱されるようになっている。
特開２００３−３２４８９７号公報 特開２００６−１０２９０６号公報

ところで、従来の主軸ヘッドでは、ビルトインモータの外周部にステータの冷却機構となる空冷ジャケットが設けられ、さらに空冷ジャケット内の空気を循環させる送風手段も設けなければならないため、主軸ヘッドの重量増やコスト増を招いてしまうといった問題があった。また、ステータが主軸ヘッドの筒状外壁に接触しているので、ステータの熱がヘッド全体に伝わってしまい、冷却効率の改善の余地があった。

そこで、本発明は前記の問題を解決するために案出されたものであって、効率的なステータの冷却を行うことができるとともに、ヘッド全体の軽量化および低コスト化を達成できるビルトインモータおよび主軸ヘッドを提供することを課題とする。

前記課題を解決するための請求項１に係る発明は、工具を着脱可能に装着する主軸を囲繞して設けられる主軸回転用のビルトインモータにおいて、前記主軸に固定されるロータを囲繞して設けられるステータの外周面に放熱フィンを設け、前記ステータを、前記主軸を軸支するフレームに断熱部材を介して連結したことを特徴とするビルトインモータである。

このような構成によれば、ステータの外周面に直接放熱フィンを設け、ステータを断熱部材を介してフレームに連結したことで、フレームにステータの熱が伝わらず、モータの熱は放熱フィンから直接放熱され、効率的なステータの冷却を行うことができる。さらに、空冷ジャケットや送風手段を設ける必要がないので、ヘッド全体の小型化、軽量化および低コスト化を達成することができる。

請求項２に係る発明は、前記フレームが、前記主軸の軸方向に所定間隔を隔てて設けられた一対のベアリングケースからなり、前記断熱部材が、合金製のシャフトからなり、
このシャフトにより、前記ベアリングケースと前記ステータを固定したことを特徴とする請求項１に記載のビルトインモータである。

このような構成によれば、合金製のシャフトにて断熱部材を構成したことにより、さらなる断熱性の強化を図ることができる。

請求項３に係る発明は、前記放熱フィンが、前記主軸の軸方向に延びて形成され、前記ステータの円周方向に所定間隔を隔てて複数並列されていることを特徴とする請求項２に記載のビルトインモータである。

このような構成によれば、主軸の軸方向に流れる空気によってステータの熱が放熱フィンから効率良く放熱され、効率的なステータの冷却を行うことができる。

請求項４に係る発明は、工具を着脱可能に装着する主軸と、この主軸を囲繞して設けられた主軸回転用のビルトインモータとを備えた主軸ヘッドにおいて、前記ビルトインモータのステータの外周面に放熱フィンを設け、前記ステータを、前記主軸を軸支するフレームに断熱部材を介して連結したことを特徴とする主軸ヘッドである。

このような構成によれば、ステータの外周面に直接放熱フィンを設け、ステータを断熱部材を介してフレームに連結したことで、フレームにステータの熱が伝わらず、効率的なステータの冷却を行うことがで、さらに、空冷ジャケットや送風手段を設ける必要がないので、軽量化および低コスト化を達成することができる主軸ヘッドを提供することができる。

請求項５に係る発明は、請求項４に記載の主軸ヘッドにおいて、ヘッド外殻を構成するカバー部材を備え、このカバー部材に、前記放熱フィンを露出させるための開口部を形成したことを特徴とする主軸ヘッドである。

このような構成によれば、開口部を設けたことによって、放熱フィンから効率的に放熱を行うことができる。

本発明によれば、効率的なステータの冷却を行うことができるとともに、ヘッド全体の軽量化および低コスト化を達成できるといった優れた効果を発揮する。

本発明に係るビルトインモータおよび主軸ヘッドの最良の実施形態について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は本発明に係る主軸ヘッドの最良の実施形態を示した斜視図である。図２は本発明に係るビルトインモータの最良の実施形態を示した断面図である。図３は本発明に係るビルトインモータの最良の実施形態を示した正面図である。図４は本発明に係るビルトインモータの最良の実施形態を示した後面図である。

図１に示すように、かかる主軸ヘッド１は、工具２（図２参照）を着脱可能に装着する主軸１０と、この主軸１０を囲繞して設けられた主軸回転用のビルトインモータ２０と、このビルトインモータ２０が固定されるベース部材５３に一体的に設けられヘッド外殻を構成するカバー部材５０とを備えている。

主軸１０は、フレームおよびビルトインモータ２０の内部で回転可能に支持されている。主軸１０の先端側の周囲には、ビルトインモータ２０が設けられている。主軸１０の先端部には、図２に示すように、工具２を着脱するための取付穴１１が形成されている。取付穴１１は、先端側が拡径するテーパ形状を呈している。なお、主軸１０の先端部の形状は、一例であって、これに限られるものではなく、取り付けられる工具に応じてＢＴ、ＫＭ、ＨＳＫ等、種々の工具把持部形状に対応できるように適宜形成される。

図２に示すように、ビルトインモータ２０は、主軸に固定されたロータ２１と、このロータ２１を囲繞して設けられたステータ２２とを備えている。ロータ２１は、主軸１０に圧入等により一体的に固定されており、主軸１０とともに回転するようになっている。

ステータ２２は、ロータ２１と所定の間隔を隔てて固定系のフレームとなるベアリングケース２６に固定されている。ステータ２２は、コイル２３を備えており、このコイル２３に通電することで、ロータ２１を回転させて主軸１０を回転させるようになっている。ステータ２２の外周面には円筒部材２４が一体的に設けられている。円筒部材２４は、その内径がステータ２２の外径と同等に形成されており、円筒部材２４の内周面がステータ２２の外周面と周接するようになっている。円筒部材２４は、例えばアルミニウムあるいはアルミニウム合金にて構成されており、軽量化および放熱効率の向上を図るようになっている。図２の断面、および図３の破線にて示すように、円筒部材２４は、放熱フィン２５が形成される放熱フィン形成部２４ａと、ステータ２２をベアリングケース２６に固定するためのシャフト２７が装着されるシャフト装着部２４ｂとを備えて構成されている。シャフト装着部２４ｂは複数形成されており、シャフト装着部２４ｂと放熱フィン形成部２４ａが円周方向に交互に形成されるようになっている。

放熱フィン２５は、円筒部材２４の放熱フィン形成部２４ａの外周面に、円筒部材２４と一体形成された板状部材にて構成されている。放熱フィン２５は、主軸１０の軸方向に延びて形成されており、また、ステータ２２の円周方向に所定間隔を隔てて複数並列されて、主軸１０の軸芯を中心として放射状に配列されている。本実施形態では、放熱フィン２５は、シャフト装着部２４ｂを除いた放熱フィン形成部２４ａで、主軸１０の軸芯を中心とした略１５度ピッチの放射状に形成されている（図３参照）。放熱フィン２５は、主軸１０軸方向から見て、その先端部がベアリンクケース２６の外周面よりも突出するように、所定以上の高さを備えて形成されている。

シャフト装着部２４ｂは、円周方向三箇所に形成されており、主軸１０の軸芯を中心として１２０度ピッチで配置されている。なお、シャフト装着部２４ｂの形成個数および配置位置は、前記構成に限られるものではなく、シャフト２７の重量や形状に応じて適宜変更可能であるのは勿論である。シャフト装着部２４ｂは、両側に一対のシャフト２７，２７の基端部（円筒部材２４側）がそれぞれ装着されるように構成されており、各シャフト２７，２７の先端部は、ベアリングケース２６に固定されている。シャフト装着部２４ｂは、径方向外側に突出しており、この突出部分に主軸１０の軸方向に平行な貫通孔２８が形成されている。この貫通孔２８の両端部にシャフト２７，２７の基端部がそれぞれ圧入されて、シャフト装着部２４ｂの両端にシャフト２７，２７が固定されるように構成されている。

シャフト２７は、合金製の断熱部材にて形成されている。すなわち、ステータ２２は、主軸１０を軸支するフレーム（ベアリングケース２６）に断熱部材（シャフト２７）を介して連結されている。シャフト２７の先端部（ベアリングケース２６側）には、雄ネジ２７ａが形成されたネジ部材２７ｂが固定されており、ベアリングケース２６に形成されたネジ孔２６ａに螺合することで、シャフト７がベアリングケース２６に固定されることとなる。すなわち、シャフト２７は、ベアリングケース２６およびステータ２２と一体の円筒部材２４の両方に挿入されて、これらを固定するようになっている。

ベアリングケース２６は、主軸１０の軸方向に所定間隔を隔てて一対に設けられており、主軸１０の先端部で、ロータ２１の軸方向両端に配置されている。ベアリングケース２６は、その中心部に主軸１０が貫通する貫通孔２６ｂを有した円盤状に形成されており、前記円筒部材２４のシャフト装着部２４ｂに対応する三箇所の位置にネジ孔２６ａが形成されたフランジ部２６ｃがそれぞれ設けられている。一対のベアリングケース２６，２６の貫通孔２６ｂ，２６ｂ内には、ベアリング２９ａ，２９ｂがそれぞれ設けられており、主軸１０を前後二箇所で軸支するようになっている。

円筒部材２４の両端部でベアリングケース２６との間には、それらの間の隙間を塞ぐリング３０，３０がそれぞれ設けられている。リング３０，３０は、円筒形状を呈しており、円筒部材２４の内周面と略同等の内径を有して、円筒部材２４と同芯上に設けられている。このリング３０，３０によって、ビルトインモータ２０の内部に、加工時の切粉やクーラントなどが浸入するのを防止することができる。

基端側（図２中、右側）のベアリングケース２６よりも後方（図２中、右側）には、主軸１０が突出するように形成されており、ベアリングケース２６の後方には、突出した主軸１０を覆うケーシング部材３１がボルトなどの固定手段３２によって固定されている。ケーシング部材３１は、その中心部に貫通孔３１ａを有しており、主軸１０がさらに後方に延出されるように連結されている。ケーシング部材３１よりも先端側の主軸１０は、中空構造になっており、主軸１０の内部にその軸方向に移動可能なドローバー１０ａが設けられている。

図２の（ａ）および（ｂ）に示すように、ドローバー１０ａは、その先端が工具を着脱するための取付穴１１の底部に突出するように配置されており、その先端部に工具２の端部を把持するための把持穴３３を有している。一方、工具２の端部には、プルスタッド２ａが形成されている。ドローバー１０ａの把持穴３３は、工具２のプルスタッド２ａの外径と同等の内径を有しており、内部にプルスタッド２ａが挿入可能に構成されている。把持穴３３の開口部付近には、径方向に貫通する貫通孔３３ａが複数形成されており、この貫通孔３３ａには、把持穴３３の周囲の板厚よりも長い径方向長さ寸法を有する係止部材３４が、径方向に移動可能に挿入されている。取付穴１１の底部に連通するドローバー１０ａ収容部の周壁３５は、取付穴１１の底部の周壁１１ａよりも小径（ドローバー１０ａの外径と同等）となっており、これら周壁１１ａ，３５間には、基端側（図２中、右側）に向かうほど徐々に縮径するテーパ状段部３６が形成されている。ドローバー１０ａが先端側に移動した際には、係止部材３４は、取付穴１１の底部の周壁１１ａ部分に位置し、外側に突出することで、係止部材３４が把持穴３３の内周面から突出しなくなる。これによって、工具２のプルスタッド２ａが把持穴３３の奥まで挿入可能となる。プルスタッド２ａを把持穴３３の奥に挿入した状態で、ドローバー１０ａを基端側に移動させると、係止部材３４が、テーパ状段部３６に押されてドローバー１０ａの中心側へと移動し、把持穴３３の内周面から突出する。これによって、プルスタッド２ａが係止部材３４で係止されて、工具２が主軸１０に固定されることとなる（図２の（ｃ）参照）。

ケーシング部材３１には、ドローバー１０ａを先端側に押圧するための押圧ピン３７が軸方向に移動可能に設けられている。押圧ピン３７は、その頭部３７ａがケーシング部材３１に設けられたフランジ付円筒部材３８から後方に突出して設けられており、胴部３７ｂの先端がドローバー１０ａを押圧する円環部材３９に連結されている。フランジ付円筒部材３８には、押圧ピン３７の頭部３７ａとの間にばね部材４０が圧縮状態で設けられており、押圧ピン３７およびドローバー１０ａは、力を加えない状態では基端側に位置するように構成されている。なお、図２では、ロータ２１およびステータ２２の部分では水平方向断面を示し、押圧ピン３７の部分では、上下方向断面を示しており、押圧ピン３７，３７は、図４に示すように、水平方向に配列されている。

このような構成のビルトインモータ２０は、図１に示すように、ベース部材５３に固定されている。ビルトインモータ２０は、ベアリングケース２６，２６の下部に一体的に形成された脚部４３を、ボルト・ナット（図１では、ボルトのみ図示）などの固定手段４４を介してベース部材５３に固定されるようになっている。

主軸ヘッド１の外殻を構成するカバー部材５０は、先端部のビルトインモータ２０の周囲が形成されておらず、ベース部材５３の一部が開放されている。この部分が放熱フィン２５を露出させるための開口部５２を構成する。開口部５２は、少なくともビルトインモータ２０の一対のベアリングケース２６および放熱フィン２５が完全に露出するように構成されている。

以上のような構成のビルトインモータ２０によれば、ステータ２２の外周面に直接円筒部材２４と一体の放熱フィン２５を設けたことによって、ステータ２２で発生した熱を放熱フィン２５から直接放熱することができる。また、ステータ２２を、合金製のシャフト２７（断熱部材）を介してベアリングケース２６（フレーム）に連結しているので、ステータ２２とベアリングケース２６とは熱的に遮断されることとなる。これによって、加工時にステータ２２が発熱するが、ベアリングケース２６にステータ２２の熱が伝わることはなく、ビルトインモータ２０全体およびベース部材５３に熱が拡散することはない。したがって、ステータ２２の熱は、放熱フィン２５から集中的に放熱することができ、効率的なステータの冷却を行うことができる。特に、放熱フィン２５は、カバー部材５０の開口部５２によって外部に露出されているので、放熱効果が高い。また、ベース部材５３にステータの熱が伝熱されないので、ビルトインモータ２０の熱によって主軸ヘッド１が変形するのを防止することができる。

また、ステータ２２の外周面に直接円筒部材２４と一体の放熱フィン２５を設けたことによって、従来の主軸ヘッドのようにステータを冷却するための空冷ジャケットや送風手段を設けなくても済むので、主軸ヘッド１全体の軽量化および低コスト化を達成することができる。

さらに、合金製のシャフト２７にて断熱部材を構成したことにより、ビルトインモータ２０および主軸ヘッド１のさらなる断熱性の強化を図ることができるとともに、ベアリングケース２６にてフレームを構成しているので、シャフト２７の取付部材を別途に設ける必要がなく軽量化が図れるとともに、フレームへのステータ２２の固定を容易に行うことができる。

また、放熱フィン２５は、主軸１０の軸方向に延びて形成され、ステータ２２の円周方向に所定間隔を隔てて複数並列されているので、主軸１０の軸方向に流れる空気によってステータ２２の熱が放熱フィン２５から効率良く放熱され、効率的なステータ２２の冷却を行うことができる。放熱フィン２５は、ベアリングケース２６の外周面より突出するように形成されているので、ビルトインモータ２０の周囲の空気に晒され、放熱効果をさらに高くすることができる。

さらに、本実施形態の主軸ヘッド１によれば、カバー部材５０に、放熱フィン２５を露出させるための開口部５２を設けたことによって、ステータ２２の外周面に設けられた放熱フィン２５を外気に晒すことができるので、ステータ２２の熱が外気に放熱され効率的なステータ２２の冷却を行うことができる。

さらに、カバー部材５０の重量を低減することができ、主軸ヘッド１全体の軽量化を図ることができる。なお、開口部５２に薄板の蓋部材（図示せず）を設けるようにしてもよい。このような構成によれば、加工時の切粉やクーラントなどの主軸ヘッド１内への浸入を防止することができる。蓋部材は、例えば、カバー部材５０に沿って移動可能に形成して、開口部５２を開閉可能に形成しておけば、加工しないときに、蓋部材を移動させて開口部５２を開放することで、放熱フィン２５からの効率的な冷却を行うことができる。

以上、本発明の最良の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜設計変更が可能であるのは勿論である。例えば、本実施形態では、放熱フィン２５を備えた円筒部材２４をアルミニウムまたはアルミニウム合金にて構成しているが、これに限定されるものではなく、軽量で所定の熱伝導性を有する材質であればよい。また、シャフト２７は、合金にて構成しているが、これに限定されるものではなく、所定の断熱性と強度を有する材質であればよい。

本発明に係る主軸ヘッドの最良の実施形態を示した斜視図である。 （ａ）は本発明に係るビルトインモータの最良の実施形態を示した断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ部拡大図、（ｃ）は工具を主軸に固定した状態のＡ部拡大図である。 本発明に係るビルトインモータの最良の実施形態を示した正面図である。 本発明に係るビルトインモータの最良の実施形態を示した後面図である。

符号の説明

１ 主軸ヘッド
２ 工具
１０ 主軸
２０ ビルトインモータ
２１ ロータ
２２ ステータ
２５ 放熱フィン
２６ ベアリングケース（フレーム）
２７ シャフト（断熱部材）
５０ カバー部材
５２ 開口部

Claims (5)

1. 工具を着脱可能に装着する主軸を囲繞して設けられる主軸回転用のビルトインモータにおいて、
   前記主軸に固定されるロータを囲繞して設けられるステータの外周面に放熱フィンを設け、
   前記ステータを、前記主軸を軸支するフレームに断熱部材を介して連結した
   ことを特徴とするビルトインモータ。
2. 前記フレームは、前記主軸の軸方向に所定間隔を隔てて設けられた一対のベアリングケースからなり、
   前記断熱部材は、合金製のシャフトからなり、
   このシャフトにより、前記ベアリングケースと前記ステータを固定した
   ことを特徴とする請求項１に記載のビルトインモータ。
3. 前記放熱フィンは、前記主軸の軸方向に延びて形成され、前記ステータの円周方向に所定間隔を隔てて複数並列されている
   ことを特徴とする請求項２に記載のビルトインモータ。
4. 工具を着脱可能に装着する主軸と、この主軸を囲繞して設けられた主軸回転用のビルトインモータとを備えた主軸ヘッドにおいて、
   前記ビルトインモータのステータの外周面に放熱フィンを設け、
   前記ステータを、前記主軸を軸支するフレームに断熱部材を介して連結した
   ことを特徴とする主軸ヘッド。
5. 請求項４に記載の主軸ヘッドにおいて、
   ヘッド外殻を構成するカバー部材を備え、
   このカバー部材に、前記放熱フィンを露出させるための開口部を形成した
   ことを特徴とする主軸ヘッド。

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