JP2011136401A - スピンドル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】軽量・コンパクト・簡素な構成の変位センサ装置を、既存の設計によるスピンドルヘッドに容易に装備できるスピンドル装置を提供する。
【解決手段】このスピンドル装置は、スピンドルヘッドのハウジングの外に突出した回転軸のクイル３０３ａに対向する変位センサ装置２０を備えたものであり、この変位センサ装置２０は、導電部を渦巻状に形成したコイルを有し、かつ、その渦巻面をクイル３０３ａと対向させて当該クイルのまわりを取り囲むフレキシブルプリント基板２２によって構成される。
【選択図】図８

Description

本発明は、高速回転する物体を支持するスピンドル装置に関する。

例えば回転軸の先端に砥石を装着したスピンドルヘッドは、ワーク研削時の荷重によって回転軸が径方向に変位する。そこで、径方向の変位をセンサによって検出すれば、その検出値に基づいて研削力の制御を行うことができる。また、熱変化等によって回転軸が軸方向に変位することもあるので、このような軸方向の変位を正確に検出し、その検出値に基づいてスピンドルヘッドの軸方向位置制御を行うことにより、温度に関わらず、正確な研削を行うことができる（例えば、特許文献１参照。）。
変位を検出するためのセンサは、鉄心にコイルを巻いたものであり、回転軸の外周に、径方向用及び軸方向用として合計８個が配置されている。

特開平７−３１４２８８号公報

しかしながら、上記のような従来のスピンドル装置では、鉄心にコイルを巻いたセンサの体積・重量が大きく、構成部品数も多いので、材料コストが高く、組立工数も多い。また、センサの支持物も多く必要であり、大きな取り付けスペースを要するため、既存の設計によるスピンドルヘッドに取り付けることは困難である。

かかる従来の問題点に鑑み、本発明は、軽量・コンパクト・簡素な構成の変位センサ装置を、既存の設計によるスピンドルヘッドに容易に装備できるスピンドル装置を提供することを目的とする。

（１）本発明は、砥石を回転させるための回転軸、当該回転軸を収容するハウジング、及び、当該ハウジングの外に突出した回転軸のクイルを有するスピンドルヘッドと、導電部を渦巻状に形成したコイルを有し、かつ、その渦巻面を前記クイルと対向させて当該クイルのまわりを取り囲むフレキシブルプリント基板によって構成され、当該クイルの変位を非接触で検出する変位センサ装置とを備えたものである。
上記のように構成されたスピンドル装置では、砥石からクイルにかかる荷重による変位が変位センサ装置によって検出される。かかる変位センサ装置は軽量・コンパクト・簡素で僅かなスペースにも配置できる。

（２）上記スピンドル装置において、クイルは周溝を有し、コイルのうち、軸方向変位検出用のコイルは、周溝の軸方向両端に対向する一対のコイルによって構成され、当該一対のコイルは周方向に互いにずれて設けられている、という構成であってもよい。
この場合、軸方向への変位に応じて一対のコイルのインダクタンスが対照的に変化するので、かかる変化に基づいて軸方向への変位を検出することができる。また、一対のコイルは周方向に互いにずれている（千鳥配置）ので、軸方向には十分に離れていなくても相互間の距離を確保して設けることができる。すなわち、周溝の幅はコイルの外径より小さくてもよいことになり、クイル側に大きな軸方向寸法を必要とせずに、軸方向の変位を検出することができる。また、検出した軸方向変位に基づいてスピンドルヘッドの位置制御を行えば、スピンドル装置始動直後の温度過渡期においてもワークに対する砥石の相対的な軸方向位置を正確に維持して研削を行うことができる。

（３）また、上記（２）のスピンドル装置において、コイルのうち、径方向変位検出用のコイルは、周方向に複数個等配され、一対ごとに径方向に対向していてもよい。
この場合、例えば４等配に配置すれば、径方向の、互いに直交する２方向において変位を検出することができる。

（４）また、上記（２）又は（３）のスピンドル装置において、各コイルと軸方向に近接して設けられた温度補償用コイルと、温度補償用コイルとクイルとの間にあって、クイルの変位が温度補償用コイルのインダクタンスに影響を与えないよう遮蔽する磁性体とを備えてもよい。
この場合、変位検出用のコイルの出力と温度補償用コイルの出力とを比較相殺することにより、温度変化による出力の変化をキャンセルすることができる。

（５）また、上記（１）〜（４）のいずれかのスピンドル装置において、変位センサ装置は、リング状の支持部に前記フレキシブルプリント基板を装着して成り、磁気シールドを成すカバーによって覆われているものであってもよい。
これにより、砥石によって研削されるワークをマグネットチャックする場合の、マグネットチャックの着磁による磁界が変位センサ装置に影響を及ぼすことを、防止することができる。

（６）また、上記（１）〜（４）のいずれかのスピンドル装置において、フレキシブルプリント基板には、コイルと接続され、変位を検出するための回路を構成する電子部品が実装されていてもよい。
この場合、電子部品を実装して、変位センサ装置としての主な機能を搭載し、必要な出力をとりだすことができる。

本発明のスピンドル装置によれば、既存の設計によるスピンドルヘッドに、変位センサ機能を容易に付加することができる。検出された変位に基づいてスピンドルヘッドの位置制御を行えば、正確な研削加工を行うことができる。

本発明のスピンドル装置に含まれる変位センサ装置に使用する平面コイルの原理を説明する図である。 ＬＣ回路の周波数特性の一例を示すグラフである。 コイルの巻き方の他の例（実用的な例）を示す斜視図である。 （ａ）は基板形センサの展開図、（ｂ）は基板形センサを円筒状に丸めた状態を示す斜視図である。 丸めた状態のフレキシブルプリント基板を円筒状の支持部の内周面上に取り付ける状態を示す斜視図である。 （ａ）は、支持部の図示を省略して、フレキシブルプリント基板の内側に回転体が挿通されている状態の基板形センサを示す斜視図であり、（ｂ）は、これを回転体の軸方向から見た図である。 転がり軸受装置の外輪の軌道を研削する砥石を回転させるスピンドル装置の断面図である。 （ａ）は、センシングユニットの正面図（図７の軸方向左側から見た図）、（ｂ）はセンシングユニットの断面図である。 フレキシブルプリント基板の展開図である（両面）。 支持部の斜視図、及び、支持部に装着されたフレキシブルプリント基板が、どのような形態となっているかを示す斜視図である。 フレキシブルプリント基板を支持部に装着することにより完成した状態の変位センサ装置を示す斜視図である。 回転軸のクイルと、フレキシブルプリント基板との、軸方向の位置関係を示す図である。 変位センサ装置を構成するフレキシブルプリント基板に搭載されるコイル及び信号処理回路を示す回路図である。

《原理》
図１は、本発明のスピンドル装置に含まれる変位センサ装置に使用する平面コイルの原理を説明する図である。この平面コイル１は、（ａ）に示すように、フレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）２上に、導電部を渦巻状に形成して成るコイル３を設けたものである。このような平面コイル１は、例えばポリイミド製の基板に銅やアルミニウム等の金属箔が貼着されたフレキシブルプリント基板からエッチングを行って、渦巻のパターンを残すことにより製作することができる。なお、コイル３の渦巻中心の端部は、例えばスルーホールで裏面へ導出することができる。コイル３は、渦巻のターン数（渦を巻いている回数）、コイルの断面積、コイルの長さ等に依存するインダクタンスＬを有するが、ターン数は２乗で関与するため、最も支配的な要素である。従って、ターン数を確保することによって、所望のインダクタンスを得ることが可能である。

（ｂ）は、平面コイル１を、変位の検出対象物４と近接対向させた状態を示す斜視図である。検出対象物４は金属製（例えば鉄系金属）であり、導電性を有する。コイル３のインダクタンスは、この検出対象物４によって影響を受ける。また、交流信号に対して、コイル３のパターンと検出対象物４との間に、パターン面積や相互間の距離に依存したキャパシタンスが現れる。従って、このような平面コイル１は、等価的に、（ｃ）に示すような並列のＬＣ回路となる。ここで、インダクタンスＬやキャパシタンスＣの値は、検出対象物４と平面コイル１とのギャップによって変化する。

上記ギャップが増大すると、交流信号に対するインダクタンスＬ及びキャパシタンスＣが共に低下し、逆に、ギャップが減少すると、インダクタンスＬ及びキャパシタンスＣが共に上昇する。従って、ギャップの変化により、ＬＣ回路の自己共振周波数ｆ（＝１／（２π（Ｌ・Ｃ）^1/2））が変化する。
図２は、ＬＣ回路の周波数特性の一例を示すグラフである。周波数特性は、例えば自己共振周波数ｆ１でピークとなる実線の曲線であるが、自己共振周波数が低下してｆ２になると、周波数特性は破線の曲線となる。この結果、ＬＣ回路に一定の発振周波数ｆ０を供給している場合において、ＬＣ回路の出力（振幅）は、Ｖ１からＶ２に変化する。このようにして、ギャップの変化を出力の変化として検出することができる。

図３は、コイル３の巻き方の他の例（実用的な例）を示す斜視図である。この例では、フレキシブルプリント基板２の表裏両面に、コイル３が設けられ、スルーホールの導電路５を介して互いに接続されている。なお、図を見易くするために２つのコイル３を互いに上下に引き離して表しているが、実際には、薄いフレキシブルプリント基板２を挟んで背中合わせになっている。なお、フレキシブルプリント基板２を複数枚重ねて、導電体のパターンを設ける層を複層化することも可能である。

２つのコイル３は、同じ方向（例えば上方）から見ると互いに逆の渦巻であるが、電流という視点から見ると、同じ方向に巻いている。すなわち、仮に、上のコイル３の外側の巻端から電流が流れ込むとすると、電流は右巻きに渦の中心へ向かい、下のコイル３に抜けると、今度は、右巻きに渦の外側へ向かい、下のコイル３の外側の巻端に達する。従って、電流は常に右巻きに流れており、右巻きのターン数が累積される。電流が逆に流れるときは、電流は常に左巻きに流れ、左巻きのターン数が累積される。このようにして、厚さ方向には極めて薄い平面コイル１でありながら、コイル３は全体として多くのターン数を確保することができる。従って、所望のインダクタンスを容易に得ることができる。

《原理的構成》
次に、上記のような平面コイル１を複数個使用した基板形センサの原理的構成について説明する。
図４の（ａ）は、基板形センサ１０の展開図である。この基板形センサ１０においては、フレキシブルプリント基板２上に、４個のコイル３（Ｘ＋，Ｚ＋，Ｘ−，Ｚ−）が設けられている。なお、図ではコイル３を簡略化して同心円のように描いているが、実際は、図１や図３に示したような渦巻である（以下、同様。）。

ここで、各コイル個別の符号は、後述の回転体の軸方向をＹ方向とした場合に、Ｙ方向に直交し、かつ、互いに直交するＸ方向・Ｚ方向に対応し、＋、−はＸ，Ｚ方向の組を表している。すなわち、変位を検出するためのコイルの組み合わせは、以下のようになる。
Ｘ方向変位：（Ｘ＋，Ｘ−）
Ｚ方向変位：（Ｚ＋，Ｚ−）
各コイル３における２つの巻端（図示せず。）は、フレキシブルプリント基板２の表裏両面の導電路６を経て、端子電極部２ａに導出されている。
このような基板形センサ１０をリング状に丸めると、（ｂ）に示すようになり、コイルＸ＋及びＸ−は、Ｘ方向に１組の存在となる。また、コイルＺ＋及びＺ−は、Ｚ方向に１組の存在となる。また、４個のコイルは、周方向の位相９０度ごとに配置されている。

図５は、丸めた状態のフレキシブルプリント基板２を支持し、かつ、その円筒形状を維持すべく、円筒状の支持部１１の内周面上に取り付ける状態を示す斜視図である。支持部１１は、樹脂製であってもよいが、ここでは金属製とする。金属製の場合、機械的強度を容易に確保することができるので、樹脂製に比べて薄肉の支持部とすることができる。このことは、コンパクト化に寄与する。なお、支持部が金属製であっても、高周波信号（１００ｋＨｚ〜５００ｋＨｚ）でＬＣ回路を駆動することにより、変位検出に影響がないことが確認された。
支持部１１の内周面に固定されたフレキシブルプリント基板２の内側には、径方向の微小な隙間を確保して、検出対象物としての回転体１２が挿入される。この回転体１２とは例えばスピンドル装置の回転軸（のクイル）である（詳細後述）。

図６の（ａ）は、支持部１１の図示を省略して、フレキシブルプリント基板２の内側に回転体１２が挿通されている状態の基板形センサ１０を示す斜視図である。（ｂ）は、これを回転体１２の軸方向から見た図である。フレキシブルプリント基板２と回転体１２の表面との間には径方向へのギャップがあり、このギャップの変化によって、前述のインダクタンスＬ，キャパシタンスＣが変化する。従って、回転軸１２に荷重が作用した際に発生する径方向の変位を、前述の出力の変化として検出することができる。

以上の構成の基板形センサ１０によれば、コイル３のインダクタンスを、フレキシブルプリント基板２上に形成された渦巻のターン数によって確保することができるので、コイルの厚さ寸法の増大を抑制することができる。
また、コイル３の導電部と回転体１２との間にキャパシタンスが現れるので、別途、回路部品としてのコンデンサを用意することなく、ＬＣ回路を構成することができる。
また、１つの基板に必要数のコイル３を設けることができ、それによって、僅か１枚のフレキシブルプリント基板２に必要な機能を集約し、検出対象物の変位を非接触で検出することができる。

《スピンドル装置としての実施形態》
次に、上記のような基板形センサを応用した変位センサ装置を含む、本発明の一実施形態に係るスピンドル装置について説明する。図７は、転がり軸受装置の例えば外輪の軌道を研削する砥石を回転させるスピンドル装置１００の断面図である。図において、スピンドル装置１００は、既存の設計に基づくスピンドルヘッド３００に、センシングユニット２００を装着したものである。スピンドルヘッド３００は、複数部材で構成されるハウジング３０１と、モータ３０２と、モータ３０２の回転軸３０３と、回転軸３０３をハウジング３０１に対して回転自在に支持する転がり軸受３０４，３０５とを主たる構成部材として備えている。回転軸３０３の先端側には、ハウジング３０１の外へ突出したクイル３０３ａが形成され、その小径化された先端には砥石３０６が装着されている。クイル３０３ａは磁性体の鉄系金属からなる。

スピンドル装置１００は、図示しない駆動テーブルによって、回転軸３０３の軸方向、並びに、当該軸方向と直交し、かつ、互いに直交する２方向へ移動可能である。
図の左端側には、砥石３０６を軸方向端部から見たときの、研削対象物としてのワークＷ（外輪）との位置関係の一例を示している。砥石３０６がワークＷに当たることによって、研削抵抗の接線分力Ｆｔ及び法線分力Ｆｎが発生する。センシングユニット２００は、この法線分力Ｆｎに基づくクイル３０３ａの径方向変位、及び、温度変化等によるクイル３０３ａの軸方向変位を検出しようとするものである。

図８の（ａ）は、センシングユニット２００の正面図（図７の軸方向左側から見た図）、（ｂ）はセンシングユニット２００の断面図である。図において、センシングユニット２００は、その中枢部としての変位センサ装置２０（詳細後述）と、フレーム２０１と、２重のシールドカバー２０２，２０３とを備えている。フレーム２０１は、磁性体の鉄系金属からなり、筒状体２０１ａの軸方向一端から外側へ、他端から内側へ、それぞれ外環部２０１ｂ、内環部２０１ｃが形成されたものである。

変位センサ装置２０はフレーム２０１の筒状体２０１ａの内周面に装着される。また、２つのシールドカバー２０２，２０３間にスペーサ２０４（非磁性体）を介して、６本のねじ２０５（非磁性体）を変位センサ装置２０に螺着することにより、変位センサ装置２０とシールドカバー２０２，２０３とを共に、フレーム２０１に固定することができる。スペーサ２０４によって、２つのシールドカバー２０２，２０３の間には隙間が形成されている。また、内側のシールドカバー２０３とフレーム２０１との間にも隙間が形成されている。シールドカバー２０２，２０３の孔２０２ａ，２０３ａの内径及びフレーム２０１の内環部２０１ｃの内径はそれぞれ、内側に通されるクイル３０３ａの外径よりも若干大きい。外側の６本のねじ２０６（非磁性体）は、その頭部を残して、シールドカバー２０２，２０３を貫通し、フレーム２０１の外環部２０１ｂに挿通（バカ孔）されている。ねじ２０６の頭部付近には防水及びねじ脱落防止のためのＯリング（図示略）が装着されている。

シールドカバー２０２，２０３は、パーマロイ・ニッケルめっき加工を施した鋼等の磁性体からなり、変位センサ装置２０を外部の磁界から遮蔽する機能を有する。外部の磁界とは、砥石３０６（図７）によって研削されるワークをマグネットチャックする場合の、マグネットチャックの着磁による磁界である。シールドカバー２０２，２０３間の隙間、及び、内側のシールドカバー２０３とフレーム２０１との間の隙間は、遮蔽効果を増強する。また、シールドカバー２０２，２０３の、外周が丸みを帯び、尖った部分を少なくした外形状も、遮蔽効果を高める。なお、シールドカバー２０２，２０３は、研削時に飛散する研削油から変位センサ装置２０を保護する機能も有する。

上記のように構成されたセンシングユニット２００は、図７に示すように、クイル３０３ａに外挿して、外側の６本のねじ２０６をハウジング３０１に螺着することにより、ハウジング３０１に取り付けられる。従って、既存の設計に基づくスピンドルヘッド３００に対しても、基本的な改造を要することなく、容易に装着することができる。また、現在使用中の（センサ機能無しの）スピンドルヘッドに追加工（６箇所のねじ孔）を施してセンシングユニット２００を取り付けることも容易である。

次に、上記変位センサ装置２０について詳しく説明する。
図９〜１１は、一実施形態としての変位センサ装置２０を示す図であり、図９はフレキシブルプリント基板２２の展開図（両面）、図１０は支持部２１の斜視図、及び、支持部２１に装着されたフレキシブルプリント基板２２が、どのような形態となっているかを示す斜視図、並びに、図１１は、フレキシブルプリント基板２２を支持部２１に装着することにより完成した状態の変位センサ装置２０を示す斜視図である。すなわち、図８に示す変位センサ装置２０は、詳細には、例えば図１１に示す形態である。

まず、図９において、（ａ）は当該基板をリング状に丸めたときに外側になる面を示し、（ｂ）は逆に内側になる面を示している。なお、コイル３は前述のように（図３）フレキシブルプリント基板２２の両面に設けることができるが、ここでは説明の簡略化のため、片面にのみ設けられているものとして説明する。
フレキシブルプリント基板２２は、コイル３等のセンサ回路要素を含む横長・長方形の基板本体２２ａと、この基板本体２２ａから上下にそれぞれ延伸して形成された合計１５片の止め代部２２ｂと、略中央の上部（又は下部）から延伸して形成された引出し部２２ｃとを一体に有するものである。

基板本体２２ａは、複数種類の領域ａ１〜ａ４を有している。４つの領域ａ１にはそれぞれ図４の基本要領で、さらに２列の構成とした４組８個のコイル３が設けられる。また、その他に、基板本体２２ａの端部（図９の右端部）に、１組３個のコイル３が設けられる。これら合計１１個のコイル３は、（ｂ）の面、すなわち、リング状に丸めたときの内側になる面に設けられている。コイル３は、表面に絶縁コーティング等が施される。また、黒く塗りつぶして表しているコイル３（４＋１個）は、絶縁コーティングの上にパーマロイ等の磁性体Ｍの膜を形成してマスキングし、当該コイル３のインダクタンスが、磁性体であるクイル３０３ａの影響を極力受けないようにしたものである。このようなコイル３を、以下、ダミーコイル（機能的には温度補償コイル）ともいう。

図９の右端側の、１組３個のコイル３のうち、ダミーコイル３を除く一対のコイル３は、フレキシブルプリント基板２２を丸めたとき、軸方向に所定距離（後述の距離ｄ３、図１２）離れている。また、丸めたときの周方向にも所定距離離れている。これにより、一対のコイルは、いわば千鳥配置となっている。なお、周方向へ離す距離は、２つのコイル３が重ならず、ダミーコイル３の近くにあるという条件を満たせばよく、クイル３０３ａとの関係で決まる距離ではない。

（ａ）の面において、斜線を付した３つの領域ａ２には、電子部品（詳細後述）が実装され、回路接続用の導電路が形成されている。また、斜線を付した７つの領域ａ３にも、補助的に、電子部品の実装が可能である。
残る７つの領域ａ４は、電子部品が実装されず、導電路のみが形成される。従って、領域ａ４での折り曲げが可能である。コイル３の２つの巻端は、スルーホール（図示せず。）を通って裏面側に導出されている。引出し部２２ｃには外部回路との接続のための導電路が集約されている。なお、裏面側の表面の、少なくとも導電路の部分には、絶縁コーティングが施される。
一方、止め代部２２ｂは、フレキシブルプリント基板２２を支持部２１（図１０）に固定するにあたっての、ねじやリベット等の止め具２３（図１０）による固定の用に供する部位である。各止め代部２２ｂには、丸孔ｈが形成されている。

次に、図１０において、支持部２１は、内周は多角形（８角形）で、外周は円筒となる全体としてはリング状の物体（リング体）である。この支持部２１は、前述の支持部１１と同様に金属製で、具体的には、温度特性を合わせる観点から、フレーム２０１（図８）と同じ鉄系材料が好ましい。支持部２１には、周方向へ規則的にポケットが形成されている。本例では、内外貫通の大きいポケット２１ａが周方向に９０度ごとに、８角形の１辺の範囲内で形成されている。また、内外貫通の一対の小さなポケット２１ｂが、周方向に９０度ごとに、８角形の１辺の範囲内で形成されている。一対の小さなポケット２１ｂの間に残る平面部２１ｃは、４組のコイル３の取り付け面となる。支持部２１の軸方向の両端面には、止め具２３の取り付け孔２１ｄが形成されている。

フレキシブルプリント基板２２の基板本体２２ａは、前述の領域ａ４（図９）を折り曲げ箇所として、開いた多角形状に折り曲げられ、支持部２１の内周側に装着される。また、止め代部２２ｂ及び引出し部２２ｃは、外側へ折り曲げられる。折り曲げられた止め代部２２ｂの孔ｈ（図９）には止め具２３が通され、取り付け孔２１ｄに固定される。こうして、図１１に示すように、フレキシブルプリント基板２２が支持部２１に固定される。電子部品Ｅ１，Ｅ２は、フレキシブルプリント基板２２の外側にあって、外方へ少し突出しているが、それぞれ、ポケット２１ａ，２１ｂへ収容されることにより、フレキシブルプリント基板２２を内方へ膨らませることなく装着することができる。コイル３／ダミーコイル３が軸方向に並んだものを１組として、計４組のコイル３は、周方向に９０度間隔で配置され、径方向に互いに対向している。また、当該４組のコイル３を配置した残りの内面（８角形の一辺に相当する内面）に、１組３個のコイル３（コイル２個＋ダミーコイル１個）が配置されている。

上記のように構成された変位センサ装置２０では、支持部２１に沿って支持されたフレキシブルプリント基板２２において、コイル３は、内方に向けて露出させた状態にある。従って、コイル３を、クイル３０３ａに近接して対向させることが容易である。電子部品Ｅ１，Ｅ２は逆に、外方に向けられた状態にあるので、クイル３０３ａとの接触を避けるには好適な配置である。

また、電子部品Ｅ１，Ｅ２による外方への突出部位はポケット２１ａ，２１ｂに収容されるので、フレキシブルプリント基板２２を、内方へ膨らませることなく装着することができる。しかも、ポケット２１ａ，２１ｂを多数形成することにより支持部２１の体積が大幅に減少し（例えば約半減）、支持部２１の軽量化に寄与する。また、ポケット２１ａ，２１ｂに収容されることで電子部品Ｅ１，Ｅ２を保護することができるので、支持部２１が保護機能も発揮する。すなわち、保護用の部材を別途設けなくても、支持部２１によって電子部品を保護することができる。また、電子部品Ｅ１，Ｅ２の実装により、変位センサ装置２０としての主な機能をフレキシブルプリント基板２２上に搭載し、必要な出力をとりだすことができる。
なお、ポケット２１ａ，２１ｂの配置は、電子部品を収容するか否かにかかわらず、回点対称な配置を基本形とする。これにより、支持部２１の熱膨張及び、コイル３の磁場を、径方向の対向部間で均一にすることができる。

図１２は、クイル３０３ａと、フレキシブルプリント基板２２との、軸方向の位置関係を示す図である。なお、このフレキシブルプリント基板２２は、便宜上、展開状態で示しているが、装着状態では、図１１に示したように、クイル３０３ａのまわりを取り囲むように８角形状に巻かれ、コイル３はクイル３０３ａに対して径方向に対向している。
図において、クイル３０３ａの外周には、周方向へ一周する周溝３０３ｂが形成されている。周溝３０３ｂの底面は、周溝３０３ｂ以外のクイルの外周面に比べてコイル３から離れるため、インダクタンスに与える影響が小さくなる。また、周溝３０３ｂは、周方向に９０度ごとに配置されている４組のコイル３のうち径方向の変位検出用である４個のコイル３（すなわちダミーコイルではない方）とは正面対向しない。従って、周溝３０３ｂの存在は、当該４個のコイル３のインダクタンスには影響しない。

図１２中の拡大図において、周溝３０３ｂの幅はｄであり、左寄りの２つのコイル３（ダミーコイル以外）の中心は幅ｄの範囲内にあり、それぞれ、周溝３０３ｂの軸方向両端から距離ｄ１，ｄ２だけ内側へずれている。また、２つのコイル３間の距離はｄ３（＝ｄ−ｄ１−ｄ２）である。基本的には、ｄ１＝ｄ２であり、軸方向で見たときの、２つのコイル３と、これらに対向するクイル３０３ａの形状との関係は左右対称である。すなわち、図示の通りの状態であれば、２つのコイル３から見て周溝３０３ｂのある部分の面積（正面対向面積）と、無い部分の面積（正面非対向面積）との割合が互いに同じである。従って、２つのコイル３のインダクタンス（クイル３０３ａの影響を含む。）は互いに同一である。

この状態から、温度変化によって例えばｄ１が増大し、ｄ２が減少すると、ｄ１側のコイル３のインダクタンスが減少し、ｄ２側のコイル３のインダクタンスが増大する。逆に、ｄ１，ｄ２の増減が逆であれば、２つのコイル３のインダクタンスの増減が逆になる。すなわち、軸方向への変位に応じて一対のコイル３のインダクタンスが対照的に変化することになる。従って、両コイル３に基づく２出力の差動増幅を行うことにより、クイル３０３ａの軸方向への変位を検出することができる。

ここで、一対のコイル３は周方向に互いにずれているので、軸方向には十分に離れていなくても相互間の距離を確保して設けることができる。すなわち、周溝３０３ｂの幅ｄはコイル３の外径より小さくてもよいことになり、周溝３０３ｂやクイル３０３ａ側に大きな軸方向寸法を必要とせずに、軸方向の変位を検出することができる。
また、検出した軸方向変位に基づいてスピンドルヘッド３００の位置制御を行えば、スピンドル装置１００始動直後の温度過渡期においてもワークＷに対する砥石３０６の相対的な軸方向位置を正確に維持して研削を行うことができる。

図１３は、上記の変位センサ装置２０を構成するフレキシブルプリント基板２２に搭載されるコイル３及び信号処理回路１９を示す回路図である。信号処理回路１９は、前述の電子部品Ｅ１，Ｅ２としてフレキシブルプリント基板２２上の複数箇所に実装することができる。なお、発振回路１３は、外部に設けられる。コイル３について、どの方向の変位検出に寄与するかによってＸ，Ｙ，Ｚの符号を用いると、Ｘ，Ｚは径方向に互いに直交する２方向である（図４参照。）。さらに、Ｙが軸方向である。添え字の＋、−が対（ペア）を表し、添え字のｄはダミーコイルを意味する。

各コイル３は前述のように等価的にはＬＣ回路であり、発振回路１３から抵抗１４を介して所定の発振周波数ｆ０の交流信号が供給される。ＬＣ回路の出力はインピーダンス変換を行うバッファ回路（電圧フォロワ回路）１５を経て、差動増幅回路１６及び１７に入力される。１１個の抵抗１４のうち、５個（黒塗り表示）の抵抗１４は、ダミーコイル３（Ｘｄ＋，Ｘｄ−，Ｚｄ＋，Ｚｄ−，Ｙｄ）用であり、その他の６個の抵抗１４とは抵抗値が異なる。例えば、Ｘ＋のコイル３はクイル３０３ａと対向しているのに対してＸｄ＋のダミーコイル３は磁性体Ｍでマスクキングされているので、インダクタンスやキャパシタンスが異なる。そこで、クイル３０３ａが、変位のない基準位置にあるときに、バッファ回路１５への入出力が、Ｘ＋のコイル３と、Ｘｄ＋のコイル３とで互いに等しくなうように、抵抗１４の抵抗値を選択する。他の組み合わせ（Ｘ−とＸｄ−、Ｚ＋とＺｄ＋、Ｚ−とＺｄ−、Ｙ＋又はＹ−とＹｄ）についても同様である。

このようにして変位検出用のコイル３（Ｘ＋，Ｘ−，Ｚ＋，Ｚ−，Ｙ＋，Ｙ−）の出力と、各ダミーコイル３（Ｘｄ＋，Ｘｄ−，Ｚｄ＋，Ｚｄ−，Ｙｄ）との差動出力を、差動増幅器１６でとることにより、２つの出力は比較相殺され、共通に含まれる温度変化による出力の変化（温度ドリフト）をキャンセルすることができる。すなわち、温度変化が生じた場合にも、各コイル３（Ｘ＋，Ｘ−，Ｚ＋，Ｚ−，Ｙ＋，Ｙ−）の出力の温度補償を行うことができる。

また、差動増幅回路１７は、対を成す２つのコイル３（Ｘ＋，Ｘ−，Ｚ＋，Ｚ−，Ｙ＋，Ｙ−）に基づく、温度補償がなされた出力の差をとることで信号の線形化を行い、かつ、増幅を行う。線形化によって、クイル３０３ａの径方向・軸方向への変位を正確に検出することができる。差動増幅後の信号は、Ｘ，Ｙ，Ｚの各方向の変位を表す出力となる。演算装置１８は、Ｘ，Ｚ２方向に関する２つの差動増幅器１７の出力に基づいて、クイル３０３ａすなわち砥石３０６に作用する砥石荷重（法線分力Ｆｎ）を求める。砥石荷重は、径方向の変位と関数関係にあり、予め、この関数又はマップを演算装置１８に記憶しておくことにより、径方向変位から砥石荷重を演算して出力することができる。

スピンドル装置１００の駆動テーブルは、砥石荷重に基づいて適切に、研削力の制御を行うことができる。また、軸方向変位に基づいてスピンドルヘッド１００の軸方向位置制御を行うことにより、温度に関わらず、正確な研削を行うことができる。

以上のように、本実施形態に係るスピンドル装置１００では、砥石３０６からクイル３０３ａにかかる荷重による変位が変位センサ装置２０によって検出され、かかる変位センサ装置２０は軽量・コンパクト・簡素で僅かなスペースにも配置できるため、既存の設計によるスピンドルヘッド３００に容易に取り付けることができる。また、現在使用中の（センサ機能無しの）スピンドルヘッドに追加工を施して変位センサ装置２０（センシングユニット２００）を取り付けることも可能である。

《その他》
なお、上記実施形態において図示したコイル３は、見易くするために、相対的に大きく描いている。図９〜１２に示した軸方向変位の検出に関する３個のコイル３は、図示した位置に限らず、フレキシブルプリント基板２２上の空いているスペースに配置することが可能であり、例えば、径方向変位の検出に関するコイル３が設けられている８角形の一辺に相当する平面に配置してもよい。
また、上記実施形態では、支持部２１の内周側にフレキシブルプリント基板２２を装着する例を示したが、これは一例に過ぎず、例えば肉厚が比較的薄い、窓付きの支持部の外周側にフレキシブルプリント基板を装着して、窓から内方へコイルを露出させるような構成も可能である。すなわち、フレキシブルプリント基板は、支持部の内周・外周のどちらにでも装着することができる。

なお、上記実施形態では内周が８角形の支持部２１を示したが、この８角形は一例に過ぎず、他の角数でもよい。例えば、検出対象となる回転軸が小径になると、それに対応して８角形の一辺が小さくなり、コイルや電子部品を搭載するための平面の面積を十分に確保できない。かかる場合には、例えば４角形にすることによって、面積の確保が容易になる。
また、上記各実施形態において、フレキシブルプリント基板２２の径方向変位検出用のコイル３は、２個１組で周方向へ４等配に設けられているが、これは出力の必要性に対応したもので、コイルの数や配置は、図示したものに限定されない。
なお、上記実施形態では信号処理回路１９をフレキシブルプリント基板２２に搭載した例を示したが、信号処理回路１９は基板とは別に、外部に設けることも可能である。

２：フレキシブルプリント基板、３：コイル、１１：支持部、１９：信号処理回路、２０：変位センサ装置、２１：支持部、２２：フレキシブルプリント基板、１００：スピンドル装置、３００：スピンドルヘッド、３０１：ハウジング、３０３：回転軸、３０３ａ：クイル、３０３ｂ：周溝、３０６：砥石、Ｍ：磁性体、２０２，２０３：シールドカバー

Claims (6)

1. 砥石を回転させるための回転軸、当該回転軸を収容するハウジング、及び、当該ハウジングの外に突出した回転軸のクイルを有するスピンドルヘッドと、
   導電部を渦巻状に形成したコイルを有し、かつ、その渦巻面を前記クイルと対向させて当該クイルのまわりを取り囲むフレキシブルプリント基板によって構成され、当該クイルの変位を非接触で検出する変位センサ装置と
   を備えたことを特徴とするスピンドル装置。
2. 前記クイルは周溝を有し、
   前記コイルのうち、軸方向変位検出用のコイルは、前記周溝の軸方向両端に対向する一対のコイルによって構成され、当該一対のコイルは周方向に互いにずれて設けられている請求項１記載のスピンドル装置。
3. 前記コイルのうち、径方向変位検出用のコイルは、周方向に複数個等配され、一対ごとに径方向に対向している請求項２記載のスピンドル装置。
4. 前記各コイルと軸方向に近接して設けられた温度補償用コイルと、
   前記温度補償用コイルと前記クイルとの間にあって、前記クイルの変位が前記温度補償用コイルのインダクタンスに影響を与えないよう遮蔽する磁性体とを備えた請求項２又は３に記載のスピンドル装置。
5. 前記変位センサ装置は、リング状の支持部に前記フレキシブルプリント基板を装着して成り、磁気シールドを成すカバーによって覆われている請求項１〜４のいずれか１項に記載のスピンドル装置。
6. 前記フレキシブルプリント基板には、前記コイルと接続され、変位を検出するための回路を構成する電子部品が実装されている請求項１〜４のいずれか１項に記載のスピンドル装置。

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