JP2010510893A - 高速スピンドル - Google Patents

Abstract

本発明は、１つのスピンドルハウジング（１）と、スピンドルハウジング（１）内で、回転軸（Ｘ）を中心に回転および駆動可能に、静圧型空気軸受により支持されているスピンドルシャフト（３）と、スピンドルシャフト（３）と一緒に回転するためにこれと連結されているツールホルダー（４）とを有する高速スピンドルに関するものである。このスピンドルシャフト（３）は軸方向の貫通孔（３１）を有し、トルク耐性に、また、軸方向に固定された状態でツールホルダー（４）と接続されているツールホルダーシャフト（４８）は、貫通孔を介して通され、トルク耐性に、しかしスピンドルシャフト（３）に対し相対的に軸方向へ移動可能であるようにスピンドルシャフト（３）と連結されており、ツールホルダーシャフト（４８）に作用する併進アクチュエータ（６）は、ツールホルダーシャフト（４８）とツールホルダー（４）とを軸方向に動かすために準備されていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、請求項１の前提部分に基づく高速スピンドルに関する。

通常、プリント回路基板に穴をあける場合、１２０，０００ １／ｍｉｎ〜３５０，０００ １／ｍｉｎの範囲にある非常に高速の空気静圧軸受けスピンドルが使用される。周知のスピンドルは、内蔵回転駆動モータ、ツール用クランプ装置および冷却装置を有する閉じた機能ユニットである。この種のスピンドルは、例えば、ＤＥ１０２１０７５０ＡＬから知られている。プリント基板に穴をあけるためには、通常、１５ｍｍよりも小さいドリル送りを実行するプリント基板用ドリルの垂直な送り装置の上に、スピンドルが取り付けられる。この送り装置は、例えば、スピンドル‐ナットアクチュエータまたは転がり軸受リニアモータといった、１つのリニアアクチュエータを有している。

このような周知の装置では、穴をあけるためにスピンドル全体が移動しなければならず、また、通常は、時間単位当たり多数のドリルホールがあけられるため、穴をあけるためにスピンドルが上下運動する場合、動いているスピンドルの質量によって高い加速力が生じる。しかしながら、このような高い加速力では作業速度が限られてしまうため、プリント基盤に穴をあける場合に達成できる工率が制限される。大きな質量を動かすことは、その他にも、高性能の軸方向アクチュエータが必要であるため、製造コストが非常に高くなってしまう。

本発明の課題は、業界標準の高速スピンドルを、例えば、プリント基盤の穴開けにおいて、高速でも高い加工性能を実現できるように発展させることである。

この課題は、請求項１に示されている特徴によって解決される。

スピンドルシャフトの内側にツールホルダーシャフトを軸方向に配置すること、また、これら両方のシャフトはトルク耐性に連結されるが、相対的に互いが軸方向に移動可能であるように連結することによって、スピンドル全体が動く必要はなくなり、ツールホルダーのみがツールホルダーシャフトとともに動くため、軸方向に往復運動する質量は、従来の技術と比べると明らかに低下する。このために必要な併進アクチュエータは、かなり小型化することができるため、製造コストが抑えられ、併進アクチュエータを取り付けた高速スピンドル全体の容積は、従来の技術に比べ明らかに低下する。

発明に基づくこのような実施形態によって、スピンドルシャフトをある基準（長さ／直径‐比）まで制限することができ、このことが、対象となる４００，０００ １／ｍｉｎまでの回転数範囲において、いわゆるオイルホイップが生じるのを防止する。これは、併進アクチュエータがツールホルダーシャフトに作用し、従来技術の場合のようにスピンドルシャフトに作用しないことによって実現される。すなわち、スピンドルシャフトは、リニアアクチュエータの位置および実施形態とは無関係に、最適にサイズを決めることが可能となる。

従って、発明に基づく高速スピンドルの場合は、回転運動と直線運動とがツールホルダーと、ツールホルダーに取り付けられているツールに直接伝達される。回転アクチュエータは、従来の高速スピンドルと同じように取り付けられ、半径方向と軸方向に通るスピンドルシャフトを有し、これらのスピンドルシャフトは、１つの同期モータまたは非同期モータによって電気的に駆動される。従って、スピンドルシャフトの長さ、直径および固有振動数は、別の構造パラメーター（例えば、併進アクチュエータへの接続など）がスピンドルシャフトの長さに影響を及ぼすことなく、対象となる最大回転数に正確に適合することができる。

本発明に基づく高速スピンドルの実施形態で有利な点は、リニアアクチュエータが非常に少ない質量しか動かす必要がなく、従って出力も少なくて済むことから、従来の高速スピンドルの併進アクチュエータよりも、かなり小型化できるという点である。さらに、硬質の、特別な材料でスピンドルシャフトを製造する必要もない。

とくに、ツールホルダーシャフトとスピンドルシャフトとをトルク耐性に連結するため、回転同期カップリングが準備されている場合は有利である。この回転同期カップリングは、スピンドルシャフトと接続され、１つの軸方向の孔を有しており、この孔にツールホルダーシャフトが通されている。その際、回転同期カップリング部分のツールホルダーシャフトには、縦方向の形状が施され、これに対応するように形成された、回転同期カップリングの形状体がこの縦方向の形状にかみ合っている。このような実施形態によって、軸方向の相対運動が問題なく行えるため、確実なトルク伝達を実現することができる。

回転同期カップリングの形状体が少なくとも１つの球体から形成され、さらにツールホルダーシャフトの縦方向の形状が少なくとも１つの軸に平行な縦溝によって形成されている場合は、とくに有利である。この縦溝の中に少なくとも１つの球体がかみ合っており、この球体は回転同期カップリングの内壁に形成されているボールソケットの中に支持されている。１つまたは複数の球体が、縦方向の形状にかみ合う形状体として準備されることによって、確実なトルク伝達で、摩擦の少ない軸方向の動きが実現される。

しかし、その他にも、回転同期カップリングの形状体とツールホルダーシャフトの縦方向の形状とは、従来のシャフト‐ハブ接続、とりわけ多重歯型形状接続によっても形成することができる。

併進アクチュエータが１つのリニアアクチュエータによって形成されており、このリニアアクチュエータは軸継ぎ手によってツールホルダーシャフトと軸方向に連結され、１つの平らな、軸方向に作用するエアベアリングにより、ツールホルダーシャフトに関して、回転デカップリングされていることが好ましい。エアベアリングによるこの回転デカップリングは、トルクデカップリングに関して、とりわけ、リニアアクチュエータの摩擦の少ないツールホルダーシャフトへの接続で、軸方向の力を確実に伝達する働きがある。その際、このリニアアクチュエータは、例えばリニアモータまたは従来のボルト‐ナットアクチュエータによって形成することができる。

その際、併進アクチュエータとツールホルダーシャフト間の軸継ぎ手がマグネットを有しており、磁力による軸方向の連結が行われる場合は、とくに好ましい。

次に、１つの例に基づき、図を用いて本発明をより詳しく説明する。
発明に基づく高速スピンドルの縦断面図である。 図１の線ＩＩ−ＩＩで切断した場合の横断面の拡大図である。 図１の線ＩＩＩ−ＩＩＩで切断した場合の、もう１つの回転同期カップリングの拡大図である。

図１は、主として円筒形スピンドルハウジング１をもつ、発明に基づいた高速スピンドルである。このスピンドルハウジング１は、管状ハウジングカバー１０と、この管状ハウジングカバー１０に接続されているツールヘッド１２とを有している。

管状ハウジングカバー１０の正面先端部１１（以下にスピンドル裏面とも呼ばれる）において、第１の円筒形エアベアリングユニット１４が、管状ハウジングカバー１０の中にはめ込まれており、このエアベアリングユニットはフランジ様の正面拡張部分１５を有し、この正面拡張部分が管状ハウジングカバー１０の後方正面に接し、これとボルトで接続されている。管状ハウジングカバー１０にかみ合う、第１の円筒形エアベアリングユニットの円筒形部分１５´は、管状ハウジングカバー１０の内壁１０´に対して、シールリング１５″でシールされている。

第１の円筒形エアベアリングユニット１４は、管状ハウジングカバー１０の中心軸Ａに対し同軸の貫通孔１４´を有している。

管状ハウジングカバー１０のもう一方の正面先端部１３（以下、前方先端部と呼ぶ）では、第２の円筒形エアベアリングユニット１６が管状ハウジングカバー１０の中にはめ込まれている。この第２の円筒形エアベアリングユニット１６も、その正面にフランジ部分１７を有しており、このフランジ部分は管状ハウジングカバー１０の前方部分１３の正面に接し、これとボルトで接続されている。第２の円筒形エアベアリングユニット１６もまた、管状ハウジングカバー１０にかみ合う円筒形部分１７´の外周にシールリング１７″が取り付けられており、これらのシールリングは、管状ハウジングカバー１０の内壁１０´に接している。第２の円筒形エアベアリングユニット１６には、同様に軸方向の貫通孔１６´が備えられており、この貫通孔は管状ハウジングカバー１０の長軸Ａに対して同軸に通っている。

第２エアベアリングユニット１６の外側の正面には、半径方向に延びるエアベアリング部分１６″が取り付けられている。

管状ハウジングカバー１０の内側にある、第１エアベアリングユニット１４および第２エアベアリングユニット１６の正面先端部は互いに離されており、その間にできた空間に、電気回転駆動モータ２のステーター２０が配置されている。このステーター２０は、円筒形リングの形に形成されており、その中心の貫通開口部は管状ハウジングカバー１０の軸Ａに対して同軸であり、その直径は、貫通孔１４´と１６´の直径よりもわずかに大きい。

第１の円筒形エアベアリングユニット１４の貫通孔１４´と第２の円筒形エアベアリングユニット１６の貫通孔１６´は、それぞれ半径方向の静圧型空気軸受を形成している（以下ではエアベアリングとも呼ぶ）。第１エアベアリングユニット１４と第２エアベアリングユニット１６の各内壁には、さらに微細孔が付けられており、これらの微細孔はそれぞれのエアベアリングユニット１４、１６の内側に準備されている圧縮空気ダクトに合流している。このような静圧型空気軸受は、例えば、ＤＥ９４２１５３６から周知であり、そこでのエアベアリングの説明が、本説明の公開内容の中に取り入れられている。

管状スピンドルシャフト３は、その外径が貫通孔１４´と１６´の内径よりもわずかに小さく、第１エアベアリングユニット１４または第２エアベアリングユニット１６の貫通孔１４´と１６´の中にはめ込まれており、そのため、管状スピンドルシャフト３は両方のエアベアリングユニット１４、１６の内部で空気静圧によって支持されている。

管状スピンドルシャフト３の前方先端部には、スピンドルシャフト３の管状部分３０から半径方向に延びるフランジ部分３２が取り付けられている。半径方向のフランジ部分３２は、第２エアベアリングユニット１６側の後方正面３２´と、第２エアベアリングユニット１６の半径方向に延びるエアベアリング部分１６″との間にわずかな隙間ができるように配置され、半径方向に延びるエアベアリング部分１６″がスピンドルシャフト３に対して、軸方向に作用する静圧型空気軸受を形成している。スピンドルシャフト３の管状部分３０の内部には、電気回転駆動モータ２の円筒形ローター２２が、ステーター２０の半径方向の内側に置かれ、スピンドルシャフト３とトルク耐性に接続されている。ローター２２には中心の貫通孔２３が備えられており、長軸Ａと同軸に通っている。このような方法でステーター２０とローター２２とが電気回転駆動モータ２を形成し、これと一緒に、第１と第２のエアベアリングユニット１４、１６の静圧型空気軸受の中で回転支持されるスピンドルシャフト３が、回転しながら移動可能になっている。

ツールヘッド１２のフランジ部分１２´と第２エアベアリングユニット１６のフランジ部分１７との間には、スペーサーリング１８が準備され、その軸方向の厚さは、スピンドルシャフト３の半径方向のフランジ部分３２の厚さよりも少し大きい。こうしたことから、管状ハウジングカバー１０、第２エアベアリングユニット１６のフランジ部分１７、スペーサーリング１８およびツールヘッド１２のフランジ部分１２´を接合し、軸方向に相互にボルトで締めて高速スピンドルを組み立てると、第２エアベアリングユニット１６の半径方向に延びるエアベアリング部分１６″と、ツールヘッド１２の後方正面に準備された半径方向に延びるエアベアリング部分１２″との間に軸方向の隙間が形成され、これがスピンドルシャフト３の自由な回転を可能にする。スピンドルシャフト３は、その際、半径方向に延びる両方のエアベアリング部分１２″と１６″によって軸方向に固定されている。

ツールヘッド１２は軸方向の貫通孔１９を有し、この貫通孔はエアアウトレットノズルとして多数の微細孔がつけられ、ツールヘッド１２内の圧縮空気供給システム（図に示されていない）と接続されている。従って、軸方向の貫通孔１９の内壁は、軸方向の貫通孔に挿入された、チャックインサート４のチャックスリーブ４０に対して、静圧型空気軸受の軸受け面を形成する。このような方法で、チャックスリーブ４０は、ツールヘッド１２の軸方向の貫通孔１９の中で回転可能であるように、また、軸方向に移動可能であるように支持されている。

チャックスリーブ４０の内部にはチャック４２が準備され、チャックスリーブ４０とトルク耐性に接続されているが、これはＤＥ１０２００５００３７０１Ａ１から知られているチャックに該当する。ＤＥ１０２００５００３７０１の公開内容は、チャックの説明に関して、本説明の中に明確に引用されている。

チャック４２の中には、例えばドリルなどの回転ツール４４が、そのドリル軸４４´とともに挿入されている。ツールヘッド１２の外側の正面に準備されているリング形のけん引機構４６は、チャックを開ける役割を果たし、回転ツール４４をチャック４２の中に挿入したり、そこから引き出したりするために作動する。

チャックスリーブ４０の外側先端部（図１左）の反対側であり、スピンドルハウジング１の内部に収まっている、管状チャックスリーブ４０の先端部には、固定用インサート４７が挿入され、チャックスリーブ４０とトルク耐性に接続されている。この固定用インサート４７には、ツールホルダーシャフト４８がトルク耐性に取り付けられ、このツールホルダーシャフトは、チャックスリーブ４０の固定用インサート４７から中央に、管状スピンドルシャフト３を通り抜けて軸方向へ延び、管状スピンドルシャフトの後方先端部でスピンドルシャフトから出ている。ツールホルダーシャフト４８は、その際、長軸Ａに対して同軸に置かれており、従って、管状ハウジングカバー１０の長軸Ａと、回転スピンドルシャフト３とツールホルダーシャフト４８の共通の回転軸Ｘとは同一である。

後方先端部（図１の右）では、ツールホルダーシャフト４８が軸継ぎ手６０の管状部分６２の中に挿入され、この管状部分６２は、スピンドルシャフト３の管状部分３０の貫通孔３１に部分的に挿入されている。軸継ぎ手６０の管状部分６２は、管状部分３０の内部で、好ましくはエアベアリングによって軸方向に移動可能であるように支持されている。軸継ぎ手６０の管状部分６２の外側先端部には、管状部分６２と接続されている半径方向のフェースプレート６４が準備されている。管状部分６２の反対側の、半径方向フェースプレート６４の正面６３には、もう１つの静圧型空気軸受が準備されており、これは、併進アクチュエータ６の継ぎ手部分６６の軸方向の軸受けに働く。

このような方法により、回転軸Ｘ方向に前後運動することのできる並進アクチュエータは、軸継ぎ手６０とツールホルダーシャフト４８とを、チャックインサート４と一緒に軸Ｘ方向に（図１の左へ）押すことができる。（図１の右へ）引く動きを伝達するために、連結部分６６の中にはマグネット６８が準備され、並進アクチュエータ６が図１の右へ動いた場合、このマグネットが、適合する磁化材料から作られた半径方向のフェースプレート６４とツールホルダーシャフト４８とを、チャックインサート４と一緒に引き戻す。

スピンドルシャフト３の管状部分３０の内部には、例えば１つまたは２つの、断面がリング状の円筒形カップリングエレメント５０、５２を有する回転同期カップリング５が準備されており、これらのカップリングエレメントの外周が管状部分３０の内周と接し、トルク耐性に管状部分３０と接続されている。カップリングエレメント５０、５２には、それぞれ軸方向の貫通孔があり、その際、各貫通孔の内周には、少なくとも１つの縦溝、好ましくは周辺方向に相互に間隔をおいて、複数の縦溝が付けられ、回転同期カップリング５の形状体を形成している。ツールホルダーシャフト４８の外周にも、同様にこの部分において、相当数の縦溝４８´が取り付けられているため、ツールホルダーシャフト４８の外周と各カップリングエレメント５０、５２の内周とは周辺方向に互いに形状固定しているが、軸方向には相対的に動き合うことができる。このことによって、スピンドルシャフト３の回転は、その管状部分３０と回転同期カップリング５のカップリングエレメント５０、５２とを介して、ツールホルダーシャフト４８へ伝達され、そこからチャック４２と回転ツール４４へ確実に伝達され、同時に、ツールホルダーシャフト４８の軸方向の動きがスピンドルシャフト３に対して相対的に可能となる。その他にも、カップリングエレメント５０、５２とツールホルダーシャフト４８とは、力結合（例えば、磁気抗力）を介して互いに連結することがでる。

図２は、線ＩＩ−ＩＩで切断した場合の横断面の拡大図である。この場合、ツールホルダーシャフト４８とカップリングエレメント５０、５２との間のシャフト−ハブ接続が、縦溝４８´および５２´による多重歯型形状として形成されている。この拡大図では、ツールホルダーシャフト４８とカップリングエレメント５２との間の形状固定によるシャフト−ハブ接続がはっきりと認められる。

もう１つのシャフト−ハブ接続を図３に示す。この図は、図１の線ＩＩＩ−ＩＩＩで切断した場合の横断面図である。図中の数字は、図１および２の実施例に示されている数字に１００が付け足されている。

スピンドルシャフト１０３の管状部分１３０は、第１の実施例と同じく、フランジ部分１１７の円筒形部分１１７´において静圧型空気軸受により回転支持されている。軸方向の貫通孔１５１を有するカップリングエレメント１５０は、管状部分１３０内部で半径方向に、トルク耐性に管状部分１３０と接続された状態で準備されている。この軸方向の貫通孔１５１の壁には、部分的球体の形をした２つのボールソケット１４８´が、１８０°の円周角を隔てて準備されており、その中にそれぞれ１個の球体１４９が入れられている。これに合うように、ツールホルダーシャフト１４８の外周には、軸方向に平行な２つの縦溝１４８´が、１８０°の円周角を隔てて付けられており、それぞれの縦溝の中に球体１４９の１つがかみ合っている。このような方法で、カップリングエレメント１５０とツールホルダーシャフト１４８との間で、回転方向Ｒへの形状結合が形成されるため、ツールホルダーシャフト１４８は、カップリングエレメント１５０およびスピンドルシャフト１３０と一緒に回転することができる。しかし同時に、ツールホルダーシャフト１４８は、縦方向、すなわち回転軸Ｘの方向に、カップリングエレメント１５０に対して相対的に動くことができる。その際、球体１４９は、この軸方向への動きに対して摩擦の少ないボールベアリングを形成する。

球体の対称配置（円周を分割することによって、２つ以上の球体でも準備可能）は、回転時にアンバランスが生じるのを防ぐ。この種のアンバランスは、かなりの高速で回転させようとする場合には避けなければならない。カップリングエレメント１５０とツールホルダーシャフト１４８との間のキャッチエレメントとして、球体１４９が１つだけしか取り付けられていない場合、ツールホルダーシャフト１４８とカップリングエレメント１５０とは、それに応じてバランスを保つ必要がある。第２のカップリングエレメントは、第１のカップリングエレメント１５０に合わせて形成される。

ツールホルダーシャフトとスピンドルシャフトとが軸方向へ分離し、それと同時にこの両方のシャフトが回転式に連結されることによって、工作物加工用の回転ツールを有するチャックインサートが軸方向に移動することができる。また、そのために、スピンドル全体が軸方向に動く必要はない。すなわち、ツールホルダーシャフトと、これに接続しているチャックインサートだけが軸方向に動かされる。

本発明は上記の実施形態に制限されるものではなく、この実施形態は、本発明の中心となるアイディアを一般的に説明するためのものである。発明に基づくこの装置は、実際に上記の実施形態以外の形態も保護範囲に入れることができる。この場合、本装置は、請求項のそれぞれ個別の特徴を組み合わせた、特殊な特徴を有することができる。

請求項、説明および図の中の記号は、本発明をより分かりやすく理解するためだけに用いられているのであって、保護範囲を制限するべきものではない。

Claims (6)

1. １つのスピンドルハウジング（１）と、
   前記スピンドルハウジング（１）内で、回転軸（Ｘ）を中心に回転および駆動可能に、静圧型空気軸受によって支持されているスピンドルシャフト（３）と、
   前記スピンドルシャフト（３）と一緒に回転するためにこれと連結されているツールホルダー（４）とを有する高速スピンドルであって、
   前記スピンドルシャフト（３）が軸方向の貫通孔（３１）を有し、トルク耐性に、また、軸方向に固定された状態でツールホルダー（４）と接続しているツールホルダーシャフト（４８）が前記貫通孔を介して通され、
   前記ツールホルダーシャフト（４８）が、トルク耐性に、しかし前記スピンドルシャフト（３）に対し相対的に軸方向へ移動可能であるように、前記スピンドルシャフト（３）と連結されており、
   前記ツールホルダーシャフト（４８）に作用する併進アクチュエータ（６）が、前記ツールホルダーシャフト（４８）と前記ツールホルダー（４）を軸方向に動かすために準備されていることを特徴とする、高速スピンドル。
2. 前記ツールホルダーシャフト（４８）と前記スピンドルシャフト（３）とをトルク耐性に連結するために、前記スピンドルシャフト（３）と接続された、１つの軸方向の孔を有する回転同期カップリング（５）が準備され、前記孔を介して前記ツールホルダーシャフト（４８）が通されており、その際、前記ツールホルダーシャフト（４８）には、前記回転同期カップリング（５）の部分に縦方向の形状が付けられ、これに対応するように形成された前記回転同期カップリング（５）の形状体が前記縦方向の形状にかみ合うことを特徴とする、請求項１に記載の高速スピンドル。
3. 前記回転同期カップリング（１０５）の形状体が少なくとも１つの球体（１４９）から形成され、前記ツールホルダーシャフト（１４８）の前記縦方向の形状が少なくとも１つの軸に平行な縦溝（１４８´）によって形成され、前記縦溝の中に少なくとも１つの球体（１４９）がかみ合い、前記球体は前記回転同期カップリング（１０５）の内壁（１５１）に形成されているボールソケット（１５０´）の中で支持されていることを特徴とする、請求項２に記載の高速スピンドル。
4. 前記回転同期カップリング（５）の形状体と前記ツールホルダーシャフト（４８）の前記縦方向の形状とが、シャフト‐ハブ接続、とりわけ多重歯型形状接続を形成していることを特徴とする、請求項２に記載の高速スピンドル。
5. 前記併進アクチュエータ（６）が１つのリニアアクチュエータによって形成されており、前記リニアアクチュエータは１つの軸継ぎ手（６０）によって前記ツールホルダーシャフト（４８）と軸方向に連結され、１つの平らな、軸方向に作用するエアベアリングにより、前記ツールホルダーシャフト（４８）に関して回転デカップリングされていることを特徴とする、これまでの請求項の１つに記載の高速スピンドル。
6. 前記併進アクチュエータ（６）と前記ツールホルダーシャフト（４８）間の前記軸継ぎ手（６０）がマグネットを有しており、それによって磁力による軸方向の連結が行われることを特徴とする、請求項５に記載の高速スピンドル。

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