JP2009220189A - ロータ側から駆動用流体を噴射することにより駆動するスピンドル - Google Patents
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Abstract
【課題】高精度の回転と静粛性の優れたスピンドルを提供すること。
【解決手段】静圧流体軸受４，５を介してロータ２がステータ３に支持されるスピンドル１において、ステータ３は、ステータ３側に設けられた少なくとも１つの供給口８から、ステータ３の表面と対向するロータ２の表面に駆動用流体を供給する流路を内部に有し、ステータ３の外部に延在するフランジ部２ｂ，２ｃを有するロータ２は、駆動用流体を流す流路を内部に有し、フランジ部２ｂ，２ｃは駆動用流体を噴射する噴射口１５を有し、駆動用流体を通す流路は供給口８から噴射口１５まで連通して形成されており、供給口８から駆動用流体を供給し噴射口１５から駆動用流体を噴射しロータ２を回転駆動することを特徴とする、ロータ側から駆動用流体を噴射することにより駆動するスピンドル。
【選択図】図１
【解決手段】静圧流体軸受４，５を介してロータ２がステータ３に支持されるスピンドル１において、ステータ３は、ステータ３側に設けられた少なくとも１つの供給口８から、ステータ３の表面と対向するロータ２の表面に駆動用流体を供給する流路を内部に有し、ステータ３の外部に延在するフランジ部２ｂ，２ｃを有するロータ２は、駆動用流体を流す流路を内部に有し、フランジ部２ｂ，２ｃは駆動用流体を噴射する噴射口１５を有し、駆動用流体を通す流路は供給口８から噴射口１５まで連通して形成されており、供給口８から駆動用流体を供給し噴射口１５から駆動用流体を噴射しロータ２を回転駆動することを特徴とする、ロータ側から駆動用流体を噴射することにより駆動するスピンドル。
【選択図】図１
Description
本発明は、エアで回転駆動されるスピンドルに関し、特に、ロータ側から流体を噴射することにより駆動するスピンドルに関する。
孔加工や切削加工を実行する超精密機械では、高精度を要求することや発熱を抑制することを目的として、前記超精密機械の主軸には静圧気体軸受のエアタービンスピンドルが使用されている。エアタービンスピンドルは、スピンドルの非回転側に設けられたノズルから、回転体であるロータに設けられた多数のブレードに対して、圧縮流体が噴射されることで、回転する。
このエアタービンスピンドルは、電動機を駆動源とするスピンドル装置に比較して、一般的に、主軸を高精度かつ低振動で高速回転できるとともに、発熱が少なく主軸の伸び（軸線方向熱膨張）を抑制できる。
このエアタービンスピンドルのロータにワークを固定し、ワークに加工の負荷がかかるような旋盤加工を行う場合、駆動源であるロータに設けられた前記ブレードのパターンがワーク表面に現れることがある。例えば、平面や球面の旋盤加工においてブレードの枚数分である数十ｎｍ程度の放射状に形成された模様がワーク表面に現れることがある。
ブレードのパターンがワークに現れる現象の原因は、超精密機械に使用されているエアタービンスピンドルのノズルとブレードへ流体が周期的に影響を及ぼすからである。この流体の周期的な影響を排除するため、特許文献１には、ステータ内部に配置されたロータ内部から空間に流体を噴射させてロータを回転駆動する技術が開示されている。
背景技術で説明した従来技術では、ロータは、ロータ回転駆動用の流体をスピンドル内部で噴射させ、スピンドルに設けられた排気穴を通して流体をスピンドル外部に放出している。そのため、噴射口が排気穴を横切る時には、ロータから噴射される流体の流れが変動し、その流体の流れの変動による影響がロータに及ぶ。
また、流体軸受に供給される流体が駆動力を得るための流体と同一の経路で供給されるため、スピンドルの回転数が変化すると、軸受圧力が変動してしまう。これらの理由により、背景技術で説明したスピンドルは高精度の回転を実現することは困難である。
そこで、本発明は、高精度の回転を実現可能であるとともに、静粛性の優れたスピンドルを提供することを目的とする。
そこで、本発明は、高精度の回転を実現可能であるとともに、静粛性の優れたスピンドルを提供することを目的とする。
本願の請求項１に係る発明は、静圧流体軸受を介してロータがステータに支持されるスピンドルにおいて、ステータは、ステータ側に設けられた少なくとも１つの供給口から、前記ステータ表面と対向するロータ表面に駆動用流体を供給する流路を内部に有し、前記ステータの外部に延在するフランジ部を有するロータは、前記駆動用流体を流す流路を内部に有し、前記フランジ部は前記駆動用流体を噴射する噴射口を有し、駆動用流体を通す前記流路は前記供給口から前記噴射口まで連通して形成されており、前記供給口から駆動用流体を供給し前記噴射口から前記駆動用流体を噴射しロータを回転駆動することを特徴とする、ロータ側から駆動用流体を噴射することにより駆動するスピンドルである。
請求項２に係る発明は、前記噴射口が絞り部材を有していることを特徴とする請求項１に記載のロータ側から駆動用流体を噴射することにより駆動するスピンドルである。
請求項３に係る発明は、前記ステータに設けられる前記流路の流出口と前記ロータに設けられる前記流路の流入口とは、前記ロータの回転軸の軸方向にずれて配置して設けられ、前記流出口に面する前記ロータの表面は前記ロータの回転方向に対して平坦な面であることを特徴とする請求項１または２のいずれか一つに記載のロータ側から駆動用流体を噴射することにより駆動するスピンドルである。
請求項３に係る発明は、前記ステータに設けられる前記流路の流出口と前記ロータに設けられる前記流路の流入口とは、前記ロータの回転軸の軸方向にずれて配置して設けられ、前記流出口に面する前記ロータの表面は前記ロータの回転方向に対して平坦な面であることを特徴とする請求項１または２のいずれか一つに記載のロータ側から駆動用流体を噴射することにより駆動するスピンドルである。
請求項４に係る発明は、前記ロータの前記流入口と前記流出口との近傍に駆動用流体の排気空間を設け、前記排気空間と前記流入口及び前記流出口との間に軸受隙間と同じ隙間となるシール面とを設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載のロータ側から駆動用流体を噴射することにより駆動するスピンドルである。
請求項５に係る発明は、前記噴射口からの駆動用流体の噴射は、噴射口の傾斜角度をロータの回転軸の軸方向に対して角度をもつ方向または接線方向に角度をもつ方向に向けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載のロータ側から駆動用流体を噴射することにより駆動するスピンドルである。
請求項６に係る発明は、前記ロータは２つのフランジ部を有し、それぞれのフランジ部に駆動用流体の噴出口を設けたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載のロータ側から駆動用流体を噴射することにより駆動するスピンドルである。
請求項７に係る発明は、前記２つのフランジ部に設けられた噴出口はロータを時計回り方向か反時計回り方向に回転する向きに駆動用流体を噴射するように配置され、両フランジに設けられた前記噴出口からの駆動用流体を選択して噴射する手段を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載のロータ側から駆動用流体を噴射することにより駆動するスピンドルである。
本発明により、ロータの回転による周期的な影響を排除することができ、高精度の回転が可能であるとともに静粛性に優れたスピンドルを提供することができる。
以下、図面と共に本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の第一の実施形態におけるスピンドル１の内部構造を示す図である。
スピンドル１は、ロータ２、ステータ３、ロータ２をラジアル方向に支持するラジアル軸受４とスラスト方向に支持するスラスト軸受５を備えている。ラジアル軸受４及びスラスト軸受５は静圧流体軸受である。静圧流体軸受を使用することにより、ロータ２とステータ３とは非接触な状態となっている。
図１は、本発明の第一の実施形態におけるスピンドル１の内部構造を示す図である。
スピンドル１は、ロータ２、ステータ３、ロータ２をラジアル方向に支持するラジアル軸受４とスラスト方向に支持するスラスト軸受５を備えている。ラジアル軸受４及びスラスト軸受５は静圧流体軸受である。静圧流体軸受を使用することにより、ロータ２とステータ３とは非接触な状態となっている。
ステータ３には貫通孔が設けられており、ロータ２はステータ３の前記貫通孔を貫通する中心軸部２ａと、中心軸部２ａの両端部に設けられたステータ３の外側に延在するフランジ部２ｂ，２ｃとを有する。そして、ロータ２の中心軸部２ａは、静圧流体軸受を介してステータの貫通孔に回転自在に支持されている。ベース６はスピンドル１を工作機械などに据え付ける台である。ラジアル軸受４はロータ２の中心軸部２ａの外周面を支持し、スラスト軸受５はロータ２のフランジ部２ｂ、２ｃの一側面を支持する。
ステータ３の内部に駆動用流体を通すステータ内流路７を設け、ステータ３の外側面に駆動用流体を供給するための駆動用流体供給口８を設ける。また、ステータ３の内部に、ラジアル軸受４とスラスト軸受５に流体を供給するための軸受用流体流路９を設ける。さらに、ステータ３の外側面に、ラジアル軸受４とスラスト軸受５の静圧流体軸受用流体供給口１０を設ける。
ロータ２の中心軸部２ａの内部に、ロータ２の回転軸方向に伸びる中心流路１２を設ける。図１では、この中心流路１２は、中心軸部２ａを貫通する流路として形成されている。また、ロータ２の中心軸部２ａの内部に、ロータ２の回転軸と直交する平面内ロータ内流路１１を設ける。図１では、このロータ内流路１１は、前記直交する平面内であってロータ２の回転軸を中心として放射状に複数本配置されている。
ロータ２の中心軸部２ａの一端部に配置されたフランジ部２ｂに、中心流路１２に同軸に凹部１３を中心流路１２側の面に設ける。そして、ロータ２のフランジ部２ｂ内部に、ロータ２の回転軸と直行する平面内でこの回転軸を中心として放射状に伸びるフランジ内流路１４を設ける。
フランジ内流路１４の一端部は凹部１３に、他端部はフランジ部２ｂの外側面に配置する。フランジ部２ｂの外側面に配置した流路の端部には、駆動用流体噴射口ノズル１５を設ける。なお、第一の実施形態では、ロータ２の中心軸部２ａの他端部に配置されたフランジ部２ｃは、バランス調整用の重りとしての機能とともにスラスト方向（ロータ２の回転軸方向）の支持部材としての機能を有する。
ステータ３に設けられた駆動用流体供給口８から供給された駆動用流体は、ステータ内流路７→ロータ内流路１１→中心流路１２→フランジ内流路１４を経由し、駆動用流体噴射口ノズル１５からスピンドル１の外部に噴射される。なお、ステータ内流路７からロータ内流路１１の連通部１６の構成については後述（図５〜図７の説明を参照）する。なお中心軸部２ａ、フランジ部２ｂ，２ｃはロータ２の構成要素であるから、中心流路１２、フランジ内流路１４及びロータ内流路１１でロータ２内の流路を構成している。
軸受用流体排気口２６は、後述する（図６（ａ）参照）軸受用流体排気流路２７に流入する軸受用流体をスピンドル１から外部に放出する排気口である。この軸受用流体排気口２６は、図６（ａ）に示される軸受用流体排気流路の配置に合わせてフランジ部２ｃに設けられている。
ステータ３に設けられた駆動用流体供給口８及び静圧流体軸受用流体供給口１０から供給される流体は、例えば、加圧された空気、窒素ガス、ヘリウムガス、アルゴンガス、炭酸ガス等が使用される。
図２は、本発明の第一の実施形態におけるスピンドル１で、ロータ２の内部の構造と駆動用流体の流れ１７を示す図である。図２（ａ）はロータ２の内部の構造を示す断面図であり、図２（ｂ）はフランジ部２ｂのロータ２の回転軸に直交する面での断面図である。図２（ａ）に示されるように、駆動用流体供給口８（図１参照）から供給された駆動用流体は、ロータ２の中心軸部２ａに形成されたロータ内流路１１→中心流路１２→フランジ内流路１４を経由し、駆動用流体噴射口ノズル１５からスピンドル外部に噴射される。駆動用流体噴射口ノズル１５から噴射された駆動用流体は、ロータ２の回転軸の周方向に噴出する。このように駆動用流体をフランジ部２ｂの周方向に噴射し、駆動用流体からの反力によりロータ２は回転力を獲得する。
なお、駆動用流体噴射口ノズル１５のフランジ部２ｂへの取り付け方向を変更できるようにし、ロータ２の回転方向を時計回り方向回転（時計の針の進む方向の回転）と反時計回り方向回転（時計の針の進む方向と反対方向の回転）とを適宜に選択して設定するようにしてもよい。図２（ｂ）で、駆動用流体噴射口ノズル１５の方向を右向きに設定すると、ロータ２は反時計回り方向回転し、駆動用流体噴射口ノズル１５の方向を左向きに設定すると、ロータ２は時計回り方向回転する（但し、回転方向は紙面上側から見た方向を基準としている）。
図３を用いて、駆動用流体の噴射方向１８とロータ２の回転方向１９について再度説明する。図３は、本発明の第一の実施形態におけるスピンドル１で、流体の噴射方向１８とロータ２の回転方向１９とを示す図である。図３（ａ）はスピンドル１の側面図であり、図３（ｂ）はフランジ部２ｂを図３（ａ）の破線部の切断線で示す箇所で切断した断面図である。図３（ａ）のフランジ部２ｂとステータ３との境界領域はより詳細に図５に示される。
図３（ｂ）に示されるように、駆動用流体はフランジ部２ｂの外側面に配置した複数の駆動用流体噴射口ノズル１５からロータの回転軸回りに均一に駆動用流体を噴射し（噴射方向１８、白矢印方向参照）、この駆動用流体からの反作用によりロータ２は図面上では反時計回り方向（回転方向１９、黒矢印方向参照）に回転する。
図３（ｂ）に示されるように、駆動用流体はフランジ部２ｂの外側面に配置した複数の駆動用流体噴射口ノズル１５からロータの回転軸回りに均一に駆動用流体を噴射し（噴射方向１８、白矢印方向参照）、この駆動用流体からの反作用によりロータ２は図面上では反時計回り方向（回転方向１９、黒矢印方向参照）に回転する。
図４は、本発明の第一の実施形態のスピンドル１で、駆動用流体である噴出流体が回転角度によって流れの変化が起こらない構造を示す図である。図３について説明したように、駆動用流体は駆動用流体噴射口ノズル１５から白抜き矢印で示される方向に噴射される。この噴射された駆動用流体からの反力により、ロータ２は図面上では反時計回り方向に回転する。
本発明の第一の実施形態において図４に示されるように、十分に開放された空間に駆動用流体を噴射するようにしている。これは、駆動用流体噴射口ノズル１５の噴射口付近に突起物や穴などがあると、それらが周期的な影響をロータ２に対して及ぼす。このため、各駆動用流体噴射口ノズル１５から噴射される流体の影響がなくなるのに十分離れた場所に位置する空間ないし平滑な面に対して噴射する。
図４に示されるように、駆動用流体噴射口ノズル１５から噴射した駆動用流体の噴射方向１８は、フランジ部２ｂの回転軸回りに一様に噴射されており、駆動用流体の噴射はフランジ部２ｂ（ロータ２）の回転角度依存性がなく、また、駆動用流体の噴射に影響を及ぼす要素が存在しないことを示している。図４では駆動用流体を噴射方向１８（白矢印方向）に噴射することによりロータ２は黒矢印で示される回転方向１９に回転する。
図４に示されるように、噴出した駆動用流体の影響がフランジ部２ｂを含めてスピンドル１本体に及ばなくなり、駆動用流体の噴射による推力が減衰しないことから、ロータ２の回転が高精度に一様となるとともに高速回転が可能となる。したがって、本発明は、駆動用流体の影響で従来技術であるエアスピンドルで生ずることがあった放射状の模様が、ワークに現れることを防止することができる。
図５は、本発明の第一の実施形態におけるスピンドル１で、ステータ３とロータ２に設けられる駆動用流体の流路の構造の一部を示す図である。ステータ内流路７とロータ内流路１１とを連通する連通部１６（図面破線円の内側箇所）は、空間１（符号２０）と空間２（符号２１）とを有する。空間１及び空間２はロータ２の中心軸部２ａの周側面に一周する凹部である溝として形成される。
駆動用流体はステータ内流路７を通ってまず空間１（符号２０）に流入する。そして、駆動用流体は次に空間１（符号２０）と連通している空間２（符号２１）に流入する。空間２（符号２１）に流入した駆動用流体はロータ内流路１１に流れていく。空間１（符号２０）及び空間２（符号２１）の構造及び機能について図６に対する説明で詳細に説明する。
図６は、本発明の第一実施形態におけるスピンドル１で、駆動用流体のステータ３からの流出口２３とロータ２の内部に設けられたロータ内流路１１との位置関係を示す図である。図６（ａ）は図６（ｂ）のステータ内流路７（符号２０の空間１）の部分の一点破線位置で切断した断面図である。図６（ｃ）は図６（ｂ）の排気空間２５の部分の一点破線位置で切断した断面図である。そして、図６（ｄ）は図６（ｂ）のロータ内流路１１（符号２１の空間２）の部分の一点破線位置で切断した断面図である。なお、図６（ｂ）、図６（ｃ）、及び、図６（ｄ）は、図６（ａ）の破線部分での紙面と垂直な面での断面図である。
前述の図５で説明したように、空間１（符号２０）及び空間２（符号２１）はロータ２の中心軸部２ａの周側面に一周する凹部である溝として形成される。図６（ｂ）に示されるように、空間１（符号２０）と空間２（符号２１）はロータ２の回転軸方向に並んで配置して形成される。そして、両空間１，２（符号２０，２１）は隙間２２を介して連通していることから、図示されるようにステータ内流路７とロータ内流路１１とは直接には連通していない。
このように駆動用流体の流路を構成することにより、本発明の第一の実施形態であるスピンドル１は、ステータ３に設けられるステータ内流路７の流出口とロータ２に設けられるロータ内流路１１の流入口とを、ロータ２の回転軸の軸方向にずらした位置関係に配置して設けている。そして、空間１（符号２０）の底面（前記流出口に面するロータ２の表面に相当）はロータ２の回転方向に対して段差や孔などが無い平滑な面として形成されている。
従って、空間１（符号２０）に流入した駆動用流体はラジアル軸受４とロータの中心軸部２ａの表面とで形成される狭い隙間２２を経由して流れる。このような構成により、ロータ内流路１１に流入する際に駆動用流体に脈動が発生を抑止することができる。脈動発生が抑止できることから、ロータ２の高精度な回転が実現できる。
なお、図６（ａ）に図示されるロータ２の中心軸部２ａに設けられた軸受用流体排気流路２７は、後述（図７に関する説明）する排気空間２５に流入する軸受用流体を軸受用流体排気口２６（図１、図２を参照）からスピンドル１の外部に放出するための流路である。軸受用流体排気流路２７は、ロータ２の中心軸部２ａの外周面に沿って均等に配設する。配設する軸受用流体排気流路２７の数は適宜選択できるが、ロータの慣性モーメントの観点から、偶数個の軸受用流体排気流路２７をロータ２の回転軸周りにロータ２の中心軸部２ａに均等に配置するのが望ましい。
図７は、本発明の第一の実施形態におけるスピンドル１で、シール面２４と排気空間２５とにより、静圧流体軸受に供給される軸受用流体がロータの回転駆動系へ流出することを抑制し、静圧流体軸受と駆動用流体による駆動系とが独立した流体圧を保つ構造を示す図である。この図では、静圧流体軸受はラジアル軸受４である。
この第一の実施形態では、ロータ２の中心軸部２ａの空間１（符号２０）や空間２（符号２１）が形成されている近傍部表面に排気空間２５を形成する。排気空間２５は、静圧流体軸受に供給される軸受用流体を流出させるための排気手段である。この排気空間２５も空間１（符号２０）や空間２（符号２１）と同様に、ロータ２の中心軸部２ａの周側面に一周する凹部である溝として形成される。そして、排気空間２５と空間１（符号２０）や空間２（符号２１）との間にはシール面を形成する。このシール面は、静圧流体軸受の隙間と同じ隙間間隔を有する。排気空間２５を空間１（符号２０）や空間２（符号２１）の近傍部に配置することにより、静圧流体軸受に供給される軸受用流体がロータ２の回転駆動系へ流出することを抑制できる。
このように、静圧流体軸受の軸受用流体の駆動系への流出を抑制することで、静圧流体軸受と駆動用流体による回転駆動系とが独立した流体圧を保つことができる。空間１（符号２０）に流入した駆動用流体は隙間２２を通り空間２（符号２１）に流れ込む。隙間２２の隙間間隔はシール面２４の隙間間隔より幅広に形成されていることから、駆動用流体は排気空間２５に流入することはなく空間２（符号２１）に流れ、そして、ロータ内流路１１に流れ込む。なお、通常、静圧流体軸受に供給される軸受用流体の圧力が駆動用流体の圧力より高い。従って、静圧流体軸受からの軸受用流体の排気を排気空間２５で集めることで、軸受用流体がロータ２の駆動系に影響を及ぼすことを防止できる。
このように構成することにより、本発明の第一の実施形態では、静圧流体軸受からロータ駆動用流体への影響を排除することができ、ロータ２を高精度に回転駆動することができる。
図８は、本発明の第一の実施形態であるスピンドル１で、ノズルの絞りにより駆動用流体の噴射径を絞り、駆動用流体の噴出流速を増大する構造を示す図である。フランジ部２ｂの周側面に配設された駆動用流体噴射口ノズル１５に絞り１５ａを設ける。フランジ内流路１４からの駆動用流体は駆動用流体噴射口ノズル１５に達し、ノズル１５の先端に取り付けられている絞り１５ａにより流出径が絞られる。これにより、駆動用流体を噴射した際に流体の噴出径を絞り、流速を増大することが可能である。
図９は、本発明の第一の実施形態におけるスピンドル１で、駆動用流体噴射口ノズルに角度をつけることにより、高速回転時における排気の干渉を防止することを示す図である。後述する本発明の他の実施形態におけるスピンドル１に用いられる駆動用流体噴射口ノズル１５も同様に角度をつけることができる。
駆動用流体噴射口ノズル１５から噴射される駆動用流体の流速が大きくなると、隣接する駆動用流体噴射口ノズル１５から噴射された駆動用流体同士が干渉を起こし、ロータ２の高精度な回転に対して影響を及ぼす。また、ロータ２の回転速度を増加することが困難になる。そこで、駆動用流体噴射口ノズル１５の噴射方向１８を、図９（ａ）に示すように接線方向に対して角度を持たせる（図９（ａ）では接線方向に対して外向き）、図９（ｂ）に示すように軸方向に角度を持たせる（図９（ｂ）ではスピンドル１本体から離れる方向）、または、この両者を組み合わせることにより設定する。このように噴射方向１８を調整することで、各々の駆動用流体噴射口ノズル１５から噴出した駆動用流体同士が干渉しあうことを抑制することができる。
図１０は、本発明の第二の実施形態におけるスピンドル１で、駆動用流体のロータ２への供給がスラスト軸受５側になされる場合を示す図である。図１０（ａ）は、駆動用流体をロータ２のフランジ部２ｂに供給する機構をスラスト軸受５側に設けた、スピンドル１の断面図である。図１０（ｂ）は、駆動用流体をロータ２のフランジ部２ｂに供給する機構の要部（図１０（ａ）の破線部分）を説明した図である。
図１０では、図示省略した駆動用流体供給口８から供給された駆動用流体は、ステータ３の内部に設けられたステータ内流路７ａを経由してロータ２のフランジ部２ｂに設けられたフランジ内流路１４ａに流入する。そして、駆動用流体は、フランジ部２ｂの周側面に設けられた駆動用流体噴出口ノズル１５からフランジ部２ｂを含むスピンドル１の外部に噴出する。
この第二の実施形態のスピンドル１の構成では、ロータ２の中心軸部２ａに中心流路１２である空間を形成する必要がない。このため、ロータ２の径を小径化することが可能である。また、本実施形態においても、ステータ内流路７ａとフランジ内流路１４ａとを直接には連通させるのではなく、第１の実施形態について説明したように、空間１（符号２０）、空間２（符号２１）、隙間２２に相当する機構をロータ２のフランジ部２ｂに設ける。このようにすることにより、フランジ部２ｂに設けられたフランジ内流路１４ａに流れこむ駆動用流体に脈動が発生することを抑制することができる。
図１１は、本発明の第三の実施形態におけるスピンドル１が、駆動用流体噴射口ノズル１５を備えたフランジ部２ｂ，２ｃをロータ２の中心軸部２ａの両端部であってステータ３の外部に備えた構造を示す図である。本発明の第一の実施形態では、フランジ部２ｂにのみ駆動用流体の流路などを形成し、フランジ部２ｃはバランス調整用のウェイトとして機能させていた。図１１に示される本発明の第三の実施形態では、フランジ部２ｃに対しても駆動用流体噴射口ノズル１５を配置する等、フランジ部２ｂと同様の構成を施す。この構成により、ロータ２の両端部で駆動トルクを得ることができる。このため、より高速回転が可能なスピンドルを提供することが可能である。
以上説明したように、本発明のスピンドルは、ブレードを持たない構造であるため、背景技術で説明したエアタービンスピンドルで発生していたブレードとノズルとに起因する振動を抑制することが可能である。振動を抑制できることから、本発明のスピンドルは滑らかに回転可能である。
これにより、スピンドルの振動や機械への振動の影響が抑制できるため、加工物の形状精度や面粗さを向上させることができる。また、ブレードが必要ないため、ブレードの加工工数を削減できる。さらに、静圧空気軸受をラジアル軸受及びスラスト軸受に用いているので、ロータとステータとは非接触となっている。これにより、ステータに振動が伝わりにくくなっている。
これにより、スピンドルの振動や機械への振動の影響が抑制できるため、加工物の形状精度や面粗さを向上させることができる。また、ブレードが必要ないため、ブレードの加工工数を削減できる。さらに、静圧空気軸受をラジアル軸受及びスラスト軸受に用いているので、ロータとステータとは非接触となっている。これにより、ステータに振動が伝わりにくくなっている。
図１２は、本発明の第四の実施形態におけるスピンドル１が、ベース側のフランジ部２ｃに取り付けられるノズルの噴射方向を前側のフランジ部２ｂに取り付けられるノズルと反対方向とし、駆動用流体の流路を切り換えることでロータ２を時計方向と反時計方向の両方向に回転することができる構図を示す図である。
図１２に示されるように、時計回り方向（反対回転）用と反時計回り方向（正回転）用の駆動用流体の供給路をロータ２、ステータ３に設け、中心軸部２ａの中央部に前記量流路を独立した流路とするための隔壁を設ける。なお、隔壁は中央部に限定されるわけではなく、時計回り方向用の流路と反時計回り方向用の流路を中心軸部２ａのどの位置に配置するかによって、適宜配置位置を変更して両流路を独立した流路とする。
この構成により、両フランジ部２ｂ，２ｃに設けられたノズルからの駆動流体の噴射を選択して噴射することができ、フランジ部２ｂとフランジ部２ｃに設けられた駆動用流体噴射口ノズル１５から、時計回り方向（反対回転）と反時計回り方向（正回転）用の駆動用流体をそれぞれ独立して噴出させることができる。
通常、流体回転によるスピンドルは制動手段を有しないが、本実施形態によれば、正回転から反対回転（または、反対回転から正回転）に駆動方向を切り換えることにより、非接触でロータの回転を減速や停止させることができる。また、ワークや治具の種類によっては加工空間が制限され加工時の姿勢が限定されてしまうことがあり、このような場合に、時計回り方向回転と反時計回り方向回転の両方向の回転が可能であることにより、加工空間を有効に使用できる。
１ スピンドル
２ ロータ
２ａ 中心軸部
２ｂ，２ｃ フランジ部
３ ステータ
４ ラジアル軸受
５ スラスト軸受
６ ベース
７ ステータ内流路
８ 駆動用流体供給口
９ 軸受用流体流路
１０ 静圧流体軸受用流体供給口
１１ ロータ内流路
１２ 中心流路
１３ 凹部
１４ フランジ内流路
１５ 駆動用流体噴射口ノズル
１５ａ 絞り
１６ 連通部
１７ 駆動用流体の流れ
１８ 噴射方向
１９ ロータの回転方向
２０ 空間１
２１ 空間２
２２ 隙間
２３ 流出口
２４ シール面
２５ 排気空間
２６ 軸受用流体排気口
２７ 軸受用流体排気流路
２ ロータ
２ａ 中心軸部
２ｂ，２ｃ フランジ部
３ ステータ
４ ラジアル軸受
５ スラスト軸受
６ ベース
７ ステータ内流路
８ 駆動用流体供給口
９ 軸受用流体流路
１０ 静圧流体軸受用流体供給口
１１ ロータ内流路
１２ 中心流路
１３ 凹部
１４ フランジ内流路
１５ 駆動用流体噴射口ノズル
１５ａ 絞り
１６ 連通部
１７ 駆動用流体の流れ
１８ 噴射方向
１９ ロータの回転方向
２０ 空間１
２１ 空間２
２２ 隙間
２３ 流出口
２４ シール面
２５ 排気空間
２６ 軸受用流体排気口
２７ 軸受用流体排気流路
Claims (7)
- 静圧流体軸受を介してロータがステータに支持されるスピンドルにおいて、
ステータは、ステータ側に設けられた少なくとも１つの供給口から、
前記ステータ表面と対向するロータ表面に駆動用流体を供給する流路を内部に有し、
前記ステータの外部に延在するフランジ部を有するロータは、前記駆動用流体を流す流路を内部に有し、
前記フランジ部は前記駆動用流体を噴射する噴射口を有し、
駆動用流体を通す前記流路は前記供給口から前記噴射口まで連通して形成されており、
前記供給口から駆動用流体を供給し前記噴射口から前記駆動用流体を噴射しロータを回転駆動することを特徴とする、
ロータ側から駆動用流体を噴射することにより駆動するスピンドル。 - 前記噴射口が絞り部材を有していることを特徴とする請求項１に記載のロータ側から駆動用流体を噴射することにより駆動するスピンドル。
- 前記ステータに設けられる前記流路の流出口と前記ロータに設けられる前記流路の流入口とは、前記ロータの回転軸の軸方向にずれて配置して設けられ、前記流出口に面する前記ロータの表面は前記ロータの回転方向に対して平坦な面であることを特徴とする請求項１または２のいずれか一つに記載のロータ側から駆動用流体を噴射することにより駆動するスピンドル。
- 前記ロータの前記流入口と前記流出口との近傍に駆動用流体の排気空間を設け、前記排気空間と前記流入口及び前記流出口との間に軸受隙間と同じ隙間となるシール面とを設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載のロータ側から駆動用流体を噴射することにより駆動するスピンドル。
- 前記噴射口からの駆動用流体の噴射は、噴射口の傾斜角度をロータの回転軸の軸方向に対して角度をもつ方向または接線方向に角度をもつ方向に向けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載のロータ側から駆動用流体を噴射することにより駆動するスピンドル。
- 前記ロータは２つのフランジ部を有し、それぞれのフランジ部に駆動用流体の噴出口を設けたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載のロータ側から駆動用流体を噴射することにより駆動するスピンドル。
- 前記２つのフランジ部に設けられた噴出口はロータを時計回り方向か反時計回り方向に回転する向きに駆動用流体を噴射するように配置され、両フランジに設けられた前記噴出口からの駆動用流体を選択して噴射する手段を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載のロータ側から駆動用流体を噴射することにより駆動するスピンドル。
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