JP2020069567A - 主軸装置および工作機械 - Google Patents

Abstract

【課題】工具を着脱可能に支持する主軸と、該主軸の駆動源である電動モータとを備える主軸装置、および、該主軸装置を備える工作機械において、電動モータの性能にかかわらず、種々の加工に対応することができる主軸装置を提供する。【解決手段】主軸装置１は、電動モータ５の回転を、ダブルキャビティ型かつハーフトロイダル型のトロイダル無段変速機４により、減速または増速して、主軸３に伝達する。前記トロイダル無段変速機４は、入力部材１５と、１対の出力ディスク１６ａ、１６ｂと、複数のパワーローラ１７と、押圧装置１８とを含む。【選択図】図１

Description

本発明は、工具を着脱可能に支持する主軸と、該主軸の駆動源である電動モータとを備える主軸装置、および、該主軸装置を備える工作機械に関する。

フライス盤やマシニングセンタなどの工作機械は、主軸装置に着脱可能に支持された工具を、高速で回転させつつ、テーブルに保持された被加工物の表面に押し付けることにより、該被加工物に切削などの加工を施す。主軸装置は、工具を着脱可能に支持する主軸を、電動モータにより直接回転駆動するか、または、前記主軸に、前記電動モータの回転を、変速機により減速若しくは増速して伝達するようにしている。

特開平１１−２０７５５８号公報

電動モータの最高回転数（最大回転速度）と最大トルクの大きさとは、トレードオフの関係にある。すなわち、最高回転数を高くすると、最大トルクは小さくなるのに対し、最大トルクを大きくすると、最高回転数は低くなる。

フライス盤やマシニングセンタなどの工作機械を用いる加工のうち、チタンやニッケル基超合金などの難削材の加工や重切削加工などにおいては、大きなトルクが必要となるのに対し、金型などの仕上げ加工などにおいては、回転数を高くする必要がある。

主軸装置の先行技術としては、例えば、特開平１１−２０７５５８号公報に記載の構造がある。特開平１１−２０７５５８号公報に記載の主軸装置では、電動モータの回転を、遊星歯車式の変速機により減速してから主軸に伝達するようにしている。しかしながら、特開平１１−２０７５５８号公報に記載の主軸装置では、遊星歯車式の変速機の変速比を変更することができない。このため、工作機械を導入（購入）する時点で、該工作機械を、難削材の加工や重切削加工など、工具を低速かつ高トルクで回転させる加工に使用するか、あるいは、仕上げ加工など、工具を高速かつ低トルクで回転させる加工に使用するかを選択する必要がある。

本発明は、上述のような事情に鑑み、電動モータの性能にかかわらず、種々の加工に対応することができる、主軸装置の構造を実現することを目的としている。

本発明の主軸装置は、ハウジングと、主軸と、トロイダル無段変速機と、電動モータとを備える。
前記主軸は、前記ハウジングの内側に回転自在に支持されている。
前記トロイダル無段変速機は、入力部材と、１対の出力ディスクと、複数のパワーローラと、押圧装置とを含む。
前記入力部材は、前記主軸、または、該主軸と同軸にかつ該主軸と同期して回転するように配置された出力軸の周囲に、該主軸または該出力軸に対する相対回転を可能に支持されて、軸方向両側の側面に入力トロイダル曲面をそれぞれ有する。
前記１対の出力ディスクは、前記主軸または前記出力軸のうち、前記入力部材を挟んだ軸方向２箇所位置に、該主軸または該出力軸と同期して回転するように支持されて、前記入力トロイダル曲面と軸方向に対向する側面に出力トロイダル曲面を有する。
前記パワーローラのそれぞれは、前記入力部材と前記出力ディスクとの間部分に挟持されて、前記入力トロイダル曲面と前記出力トロイダル曲面とにそれぞれの周面を転がり接触させた転動面を有する。
前記押圧装置は、前記出力ディスクと前記入力部材とを互いに近づく方向に押圧する。
前記電動モータは、前記入力部材を回転駆動する。

本発明の主軸装置では、前記入力部材を、中空軸と、１対のディスク素子とを備えるものとすることができる。
前記中空軸は、前記主軸または前記出力軸のうち、軸方向に関して前記出力ディスク同士の間部分の周囲に、前記主軸または前記出力軸に対する相対回転を可能に支持される。
前記１対のディスク素子は、前記中空軸の軸方向両側の端部に、該中空軸と同期して回転するように支持されて、前記出力トロイダル曲面と軸方向に対向する側面に前記入力トロイダル曲面を有する。
この場合、前記電動モータを、前記中空軸に外嵌固定されたロータと、前記ハウジングに支持固定されたステータとを備えるものとする。

本発明の工作機械は、本発明の主軸装置を備える。

上述のような本発明の主軸装置は、電動モータの回転を、変速比を調節可能なトロイダル無段変速機により、減速または増速して、主軸に伝達するようにしている。このため、本発明の主軸装置によれば、電動モータの性能にかかわらず、種々の加工に対応することができる。

図１は、本発明の実施の形態の１例の主軸装置を示す断面図である。 図２は、図１の右側部分の拡大図である。

図１および図２は、本発明の実施の形態の１例を示している。本例の主軸装置１は、ハウジング２と、主軸３と、トロイダル無段変速機４と、電動モータ５とを備える。すなわち、主軸装置１は、電動モータ５の回転を、変速比を調節可能なトロイダル無段変速機４により、減速または増速して、主軸３に伝達する。

ハウジング２は、内側に、主軸３を回転自在に支持する主軸側ハウジング６と、内側に、トロイダル無段変速機４および電動モータ５を収納するモータ側ハウジング７とを軸方向に結合してなる。

主軸３は、先端部（工具側の端部。図１の左端部）の内周面に、先端側に向かうほど内径寸法が大きくなるテーパ凹部８を有する。このようなテーパ凹部８に、図示しない工具の基端部外周面に形成されたテーパ凸部を嵌合することにより、主軸３に対する工具の径方向および軸方向に関する位置合わせを図ることができる。すなわち、工具を主軸３と同軸に配置した状態で、工具を主軸３に対して支持固定することができる。

主軸３は、主軸側ハウジング６の内側に、それぞれがラジアル荷重およびスラスト荷重を支承可能な複数組（図示の例では２組）の軸受装置１０ａ、１０ｂにより回転自在に支持されている。

本例では、軸受装置１０ａ、１０ｂのうち、主軸３の基端部（モータ側の端部。図１の右端部）を主軸側ハウジング６に回転自在に支持する軸受装置１０ａは、１対のアンギュラ玉軸受１１ａ、１１ｂを、転動体の接触角を互いに逆向きにして（転動体に背面組み合わせ型の接触角を付与して）組み合わせることにより構成されている。

軸受装置１０ａ、１０ｂのうち、主軸３の軸方向中間部を主軸側ハウジング６に回転自在に支持する軸受装置１０ｂは、４個のアンギュラ玉軸受１３ａ、１３を備える。すなわち、軸受装置１０ｂは、アンギュラ玉軸受１３ａ、１３ｂを、主軸３の外周面と主軸側ハウジング６の内周面との間の軸方向２箇所位置に、１対ずつ隣接して配置することにより構成されている。本例では、軸方向片側（工具側。図１および図２の左側）の１対のアンギュラ玉軸受１３ａの転動体の接触角と、軸方向他側（電動モータ５側。図１および図２の右側）の１対のアンギュラ玉軸受１３ｂの転動体の接触角とを、互いに逆向きにしている。すなわち、軸方向片側の１対のアンギュラ玉軸受１３ａの転動体と、軸方向他側の１対のアンギュラ玉軸受１３ｂの転動体とに、背面組み合わせ型の接触角を付与している。なお、軸方向片側の１対のアンギュラ玉軸受１３ａのうちの軸方向他側のアンギュラ玉軸受１３ａの内輪および外輪のそれぞれの軸方向他側面と、軸方向他側の１対のアンギュラ玉軸受１３ｂのうちの軸方向片側のアンギュラ玉軸受１３ｂの内輪および外輪のそれぞれの軸方向片側面との間に、スリーブ１２ａ、１２ｂをそれぞれ挟持している。これにより、軸方向片側の１対のアンギュラ玉軸受１３ａと軸方向他側の１対のアンギュラ玉軸受１３ｂとの軸方向に関する位置決めを図っている。

トロイダル無段変速機４は、ダブルキャビティ型かつハーフトロイダル型のもので、出力軸１４と、入力部材１５と、１対の出力ディスク１６ａ、１６ｂと、複数のパワーローラ１７と、押圧装置１８とを備える。

出力軸１４は、主軸３と同軸に、かつ、該主軸３と同期して回転するように配置されている。本例では、出力軸１４の軸方向片側（主軸３の側。図１および図２の左側）の部分を、後述する押圧装置１８および軸方向片側の出力ディスク１６ａを介して、主軸３の軸方向他側（電動モータ５の側。図１および図２の右側）の端部に、該主軸３と同期した回転を可能に接続している。なお、出力軸１４の軸方向片側の端部外周面と、主軸３の基端部内周面との間には、真鍮などの自己潤滑性を有する材料製のブッシュ（滑り軸受）５９を配置している。一方、出力軸１４の軸方向他側（反主軸３の側。図１および図２の右側）の端部を、モータ側ハウジング７に対して回転自在に支持している。具体的には、出力軸１４の軸方向他側の端部に螺合したローディングナット１９を、円筒ころ軸受２０を介して、モータ側ハウジング７の軸方向他側の端部内周面に回転自在に支持している。

以下の説明において、軸方向および径方向とは、特に断らない限り、出力軸１４の軸方向および径方向のことをいう。なお、出力軸１４の軸方向および径方向は、主軸３、並びに、入力部材１５および出力ディスク１６ａ、１６ｂの軸方向および径方向と一致する。

なお、本例では、出力軸１４は、中心部を軸方向に貫通する潤滑油流路９と、該潤滑油流路９の内周面と出力軸１４の外周面とを連通するように、軸方向複数箇所に形成された通油孔５７とを有する。潤滑油（トラクションオイル）は、潤滑油流路９のうち、図示しない供給口から潤滑油流路９内に導入されて、通油孔５７を通じて転がり接触部や回転部分に供給され、当該部分を潤滑する。

入力部材１５は、出力軸１４の軸方向中間部の周囲に、該出力軸１４に対する相対回転を可能に支持されて、軸方向両側の側面に、断面円弧形の入力トロイダル曲面２１を有する。本例では、入力部材１５は、出力軸１４の軸方向中間部の周囲に配置された中空軸２２の軸方向両側の端部に、１対のディスク素子２３を、スプライン係合などにより、中空軸２２と同期して回転するように結合固定してなる。１対のディスク素子２３は、互いに反対側を向いた軸方向側面に入力トロイダル曲面２１を有する。

入力部材１５は、１対のディスク素子２３のそれぞれの内周面のうち、中空軸２２との嵌合部から軸方向に外れた部分と、出力軸１４の外周面との間に、ラジアルニードル軸受２４を配置することにより、出力軸１４の軸方向中間部の周囲に、該出力軸１４に対する相対回転を可能に支持されている。また、中空軸２２の軸方向両側部分の外周面と、モータ側ハウジング７の軸方向中間部２箇所位置に配置された隔壁部２５ａ、２５ｂの内周面との間に、軸受装置２６ａ、２６ｂをそれぞれ配置している。本例では、中空軸２２の軸方向片側部分の外周面と軸方向片側の隔壁部２５ａの内周面との間に配置された軸受装置２６ａとして、ラジアル荷重およびスラスト荷重を支承可能なものを使用している。具体的には、軸方向片側の軸受装置２６ａを、１対のアンギュラ玉軸受２７ａ、２７ｂを、転動体の接触角を互いに逆向きにして組み合わせることにより構成している。すなわち、軸方向片側の軸受装置２６ａを、転動体に背面組み合わせ型の接触角を付与した、複列アンギュラ玉軸受により構成している。これに対し、中空軸２２の軸方向他側部分の外周面と軸方向他側の隔壁部２５ｂの内周面との間に配置された軸受装置２６ｂを、円筒ころ軸受により構成している。

１対の出力ディスク１６ａ、１６ｂは、出力軸１４のうち、入力部材１５を挟んだ軸方向２箇所位置に、出力軸１４と同期して回転するように支持されて、軸方向に関して、入力トロイダル曲面２１に対向する側面に、出力トロイダル曲面２８をそれぞれ有する。本例は、１対の出力ディスク１６ａ、１６ｂは、出力軸１４の軸方向両側部分に、該出力軸１４に対する軸方向の相対変位を可能に、かつ、該出力軸１４と同期して回転するように支持されている。具体的には、本例では、軸方向片側の出力ディスク１６ａを、出力軸１４のうちで軸方向片側のディスク素子２３の軸方向片側の端面よりも軸方向片側に突出する部分に、ボールスプライン２９を介して支持している。一方、軸方向他側の出力ディスク１６ｂの内周面の円周方向複数箇所に、軸方向に伸長するように形成されたディスク側凹溝３０と、出力軸１４のうちで軸方向他側のディスク素子２３の軸方向他側の端面よりも軸方向他側に突出する部分の外周面の円周方向複数箇所に、軸方向に伸長するように形成された軸側凹溝３１との間にそれぞれ、ニードル３２を配置している。なお、軸方向片側の出力ディスク１６ａは、軸方向片側面の径方向外側部分に、円周方向に関する凹凸である駆動側カム面３３を有する。

パワーローラ１７は、入力部材１５と１対の出力ディスク１６ａ、１６ｂとの間部分に、それぞれ複数個ずつ（例えば２〜３個ずつ）挟持されており、外周面に、入力トロイダル曲面２１と出力トロイダル曲面２８とに転がり接触する転動面３４をそれぞれ有する。

パワーローラ１７のそれぞれは、トラニオン３５により、入力部材１５および出力ディスク１６ａ、１６ｂの中心軸に対しねじれの位置に存在する傾転軸を中心とする揺動変位を自在に支持されている。本例では、パワーローラ１７をトラニオン３５の内側面に、変位軸３６と、複数の転がり軸受を介して支持している。

トラニオン３５のそれぞれは、図示しない１対の傾転軸と、該１対の傾転軸の間に存在する支持梁部３７とを備える。トラニオン３５は、１対の傾転軸を、モータ側ハウジング７に対し、該傾転軸を中心とする回転を自在に、かつ、該傾転軸の軸方向に関する変位を可能に支持されている。支持梁部３７は、内側面に、有底で円形の断面形状を有する凹孔３８を有する。

変位軸３６は、円板部３９と、該円板部３９の内側面の中央位置から径方向内方に突出した枢支軸部４０と、該円板部３９の外側面の中央位置から外れた部分から径方向外方に突出した支持軸部４１とを備える。すなわち、枢支軸部４０と支持軸部４１とは、互いに平行で、かつ、偏心している。

変位軸３６は、トラニオン３５の内側面に、支持軸部４１を中心とする揺動を可能に支持されている。このために、支持軸部４１を、トラニオン３５の凹孔３８の内側にラジアルニードル軸受４２を介して回転自在に支持するとともに、円板部３９の外側面と支持梁部３７の内側面との間にスラストニードル軸受４３を配置している。

パワーローラ１７は、変位軸３６の枢支軸部４０の周囲に、該枢支軸部４０を中心とする回転を自在に支持されている。このために、枢支軸部４０の外周面とパワーローラ１７の内周面との間にラジアルニードル軸受４４を配置するとともに、円板部３９の内側面とパワーローラ１７の外側面との間にスラスト玉軸受４５を配置している。

このような構造により、パワーローラ１７の転動面３４と入力トロイダル曲面２１および出力トロイダル曲面２８との接触状態を適正に維持すべく、トラニオン３５に対してパワーローラ１７を、入力部材１５および出力ディスク１６ａ、１６ｂの軸方向に関して変位可能としている。

押圧装置１８は、入力部材１５と１対の出力ディスク１６ａ、１６ｂとを互いに近づく方向に押圧して、パワーローラ１７の転動面３４と、入力トロイダル曲面２１および出力トロイダル曲面２８との転がり接触部であるトラクション部の面圧を確保するためのものである。

本例では、押圧装置１８は、ローディングカム式のものであって、出力軸１４と軸方向片側の出力ディスク１６ａとの間に配置されており、カム板４６と、該軸方向片側の出力ディスク１６ａとカム板４６との間に配置された複数個のローラ４７とを備える。

カム板４６は、内径側部材４８と外径側部材４９とを、トルク伝達可能に組み合わせてなる。ただし、カム板４６として、全体を一体に構成されたものを使用することもできる。カム板４６は、軸方向他側面の径方向外側部分に、円周方向に関する凹凸である被駆動側カム面５０を有する。カム板４６は、出力軸１４の軸方向片側の端部の周囲に、アンギュラ玉軸受５１により、出力軸１４に対する回転を可能に支持されるとともに、主軸３に対し、トルクの伝達を可能に、かつ、軸方向の相対変位を可能に係合している。具体的には、例えば、カム板４６の径方向中間部の軸方向他側面（外径側部材４９の軸方向他側面の径方向内側部分）に形成され、かつ、周方向に関して凹部と凸部とを交互に配置してなる駆動側凹凸部と、主軸３の軸方向他側の端部に形成され、かつ、周方向に関して凹部と凸部とを交互に配置してなる被駆動側凹凸部とを凹凸係合させることができる。ただし、主軸３と出力軸１４とは、バックラッシュが存在しない方法により、トルクの伝達を可能に結合することが好ましく、例えば、弾性部材を有する継手を介するなどして結合することもできる。

ローラ４７は、円柱状で、軸方向片側の出力ディスク１６ａの駆動側カム面３３とカム板４６の被駆動側カム面５０との間に、それぞれの中心軸を放射方向に向け、かつ、保持器５８のポケットのそれぞれに複数個ずつ（図示の例では３個ずつ）保持した状態で配置されている。

押圧装置１８は、軸方向片側の出力ディスク１６ａに伝達されるトルクの大きさに応じた押圧力を発生する。具体的には、軸方向片側の出力ディスク１６ａに伝達されるトルクが大きくなるほど、駆動側カム面３３および被駆動側カム面５０の凸部側へのローラ４７の乗り上げ量が増大して、軸方向片側の出力ディスク１６ａとカム板４６との間隔が拡がる。この結果、押圧装置１８は、軸方向片側の出力ディスク１６ａに伝達されるトルクの大きさに応じた押圧力を発生し、この押圧力により、１対の出力ディスク１６ａ、１６ｂを互いに近づく方向に押圧する。すなわち、押圧装置１８が発生する力により、軸方向片側の出力ディスク１６ａを、軸方向片側のディスク素子２３に向け押圧するとともに、出力軸１４を軸方向片側に向けて引っ張り、軸方向他側の出力ディスク１６ｂを、軸方向他側のディスク素子２３に向け押圧する。これにより、トラクション部の面圧が確保され、トラクション部における有害な滑りの発生が防止される。

なお、本例では、カム板４６の軸方向他側面の径方向内側部分にスラストニードル軸受５２を介して支持した円輪板状の座板５３と、軸方向片側の出力ディスク１６ａの軸方向片側面との間に予圧ばね５４を配置することにより、主軸装置１の運転直後からトラクション部に必要最低限の面圧を付与できるようにしている。

電動モータ５は、トロイダル無段変速機４の入力部材１５を回転駆動する。本例では、電動モータ５は、入力部材１５の中空軸２２の周囲に外嵌固定されたロータ５５と、モータ側ハウジング７の軸方向中間部に内嵌固定されたステータ５６とを備える。すなわち、本例では、電動モータ５を、所謂ビルトインモータとしている。

本例の主軸装置１を備える工作機械により、被加工物に加工を施す際には、該被加工物を工作機械のテーブルに載置するか、あるいは、チャックにより固定するとともに、工具（刃物）の基端部外周面に形成されたテーパ凸部を、主軸３のテーパ凹部８に嵌合させて、工具を主軸３と同軸に配置した状態で、工具を主軸３に対して支持固定する。次いで、電動モータ５に通電することにより、入力部材１５を回転駆動し、この入力部材１５の回転を、トロイダル無段変速機４により、減速または増速して、主軸３に伝達して該主軸３を回転駆動する。このようにして、主軸３を回転駆動することにより、工具を所望の速度で回転させつつ、該工具を、前記被加工物の表面に押し付けて、該被加工物に切削などの加工を施す。

本例の主軸装置１では、トロイダル無段変速機４の変速比を調節することにより、電動モータ５と主軸３との間の変速比を調節可能としている。トロイダル無段変速機４の変速比、すなわち入力部材１５と出力ディスク１６ａ、１６ｂとの間の変速比の調節は、パワーローラ１７を回転自在に支持するトラニオン３５を、図示しないアクチュエータにより、傾転軸の軸方向に変位させることにより行う。トラニオン３５を、傾転軸の軸方向に変位させると、パワーローラ１７の転動面３４と、入力トロイダル曲面２１および出力トロイダル曲面２８との転がり接触部であるトラクション部に作用する接線方向の力の向きが、傾転軸の軸方向に対し変化する。具体的には、トラクション部が中立位置からずれる（すなわち、トラクション部の中心位置が、入力部材１５および出力ディスク１６ａ、１６ｂの中心軸を含み、かつ、傾転軸の中心軸に対し直交する仮想平面上に存在する状態からずれる）と、ずれの方向に応じて、トラニオン３５に、傾転軸を中心として、減速側または増速側に揺動させる方向の力が加わる。そして、トラクション部の位置が、入力部材１５および出力ディスク１６ａ、１６ｂの径方向に関して変化し、入力部材１５と出力ディスク１６ａ、１６ｂとの間の変速比が変化する。この変速比が所望の値になった状態で、トラクション部を中立位置に戻すことで、入力部材１５と出力ディスク１６ａ、１６ｂとの間の変速比を、所望の値に保持する。

パワーローラ１７の転動面３４を、入力トロイダル曲面２１の径方向外側部分と出力トロイダル曲面２８の径方向内側部分とに転がり接触させれば、入力部材１５と出力ディスク１６ａ、１６ｂとの間の変速比が増速側となる。これに対し、パワーローラ１７の転動面３４を、入力トロイダル曲面２１の径方向内側部分と出力トロイダル曲面２８の径方向外側部分とに転がり接触させれば、入力部材１５と出力ディスク１６ａ、１６ｂとの間の変速比が減速側となる。具体的には、例えば、トロイダル無段変速機４の変速比は、０．３７〜２．７程度の範囲で調節することができる。

なお、トラニオン３５を傾転軸の軸方向変位させるためのアクチュエータは、トロイダル無段変速機４が動力を伝達している間中、この動力伝達に基づいてトラニオン３５に加わる、傾転軸の軸方向のスラスト荷重（トロイダル無段変速機の技術分野で「２Ｆｔ」と呼ばれる力）を支承する。

上述のように、本例の主軸装置１では、電動モータ５の回転を、変速比を調節可能なトロイダル無段変速機４により、減速または増速して、主軸３に伝達するように構成している。このため、本例の主軸装置１によれば、電動モータ５の性能（すなわち、最高回転数および最大トルク）にかかわらず、種々の加工に対応することができる。具体的には、難削材の加工や重切削加工などを行う際には、トロイダル無段変速機４の変速比を減速側に変化させることにより、電動モータ５の回転トルクを減速してから主軸３に伝達し、該主軸３に支持固定した工具を低速かつ高トルクで回転させる。これに対し、鋼材などの切削などの汎用加工を行う際には、トロイダル無段変速機４の変速比を１または１の近傍に変化させて、主軸に支持固定した工具を中速かつ中トルクで回転させる。また、仕上加工などを行う際には、トロイダル無段変速機４の変速比を増速側に変化させることにより、電動モータ５の回転トルクを増速してから主軸３に伝達し、該主軸３に支持固定した工具を高速かつ低トルクで回転させる。

本例の主軸装置１は、変速比を調節可能な変速機構を備えていない、従来の主軸装置に比べて、駆動源である電動モータ５として同じ性能を有するものを使用した場合でも、加工速度の高速化を図りやすい。

すなわち、切削加工時の切屑排出量は、工具の出力に比例する。したがって、本例の主軸装置１では、前記従来の主軸装置において出力が不足しがちになる工具の回転数が小さい加工の際にも、トロイダル無段変速機４の変速比を減速側として、電動モータ５の回転数を減速し、かつ、トルクを増大することにより、工具の出力を十分確保することができる。この結果、本例の主軸装置１によれば、前記従来の主軸装置よりも切屑排出量を多くすることができるため、切削加工を行う際の加工速度の高速化を図りやすい。

本例の主軸装置１は、電動モータ５と主軸３との間の変速比を調節するための変速機構として、歯車同士の噛合部が存在しないトロイダル無段変速機４を使用している。したがって、本例の主軸装置１によれば、変速機構として、歯車式のものを使用した主軸装置に比べて、主軸３の振動を小さく抑えることができるとともに、運転時の静音性を向上することができる。さらに、電動モータ５から主軸３へのトルクの伝達経路中に存在するバックラッシュを小さく抑えることができるため、主軸３の回転トルクの変動（回転ムラ）を抑えることができ、加工面に筋状の切削跡（挽き目）が生じるのを抑えることができる。

また、本例の主軸装置１では、電動モータ５を、ロータ５５を入力部材１５の中空軸２２に直接支持固定した、所謂ビルトインモータとしている。この面からも、電動モータ５から主軸３へのトルクの伝達経路中に存在するバックラッシュを小さく抑えることができて、加工面に筋状の切削跡が生じるのを抑えることができるとともに、主軸３の振動低減および運転時の静音性の向上を図れる。また、主軸装置１の外径寸法を抑えて、小型化を図ることができる。

なお、本例では、入力部材１５を、中空軸２２と１対のディスク素子２３とから構成している。ただし、本発明の主軸装置では、入力部材として、軸方向両側の側面に、断面円弧形の入力トロイダル曲面をそれぞれ有する一体型の入力ディスクを使用することもできる。この場合には、電動モータの回転トルクを、入力ディスクの外周面に形成された入力歯車に入力したり、電動モータの出力軸と入力ディスクの外周面との間にかけ渡されたベルトやチェーンなどにより該入力ディスクに入力したりすることができる。

また、本例では、主軸３に同期した回転を可能に接続された出力軸１４の周囲に、入力部材１５および１対の出力ディスク１６ａ、１６ｂを配置しているが、入力部材および１対の出力ディスクを、主軸の周囲に直接配置することもできる。換言すれば、本例における主軸３と出力軸１４とを一体に構成したような構造とすることもできる。

本例では、押圧装置１８として、ローディングカム式のものを使用しているが、本発明の主軸装置では、油圧式のものを使用することもできる。また、本例では、押圧装置１８を、出力軸１４と軸方向片側の出力ディスク１６ａとの間に配置しているが、本発明の主軸装置においては、押圧装置を別の部分に配置することもできる。具体的には、例えば、押圧装置を、入力部材を構成する中空軸と１対のディスク素子との間にそれぞれ配置することができる。

また、本例では、変位軸３６の枢支軸部４０にパワーローラ１７を回転自在に支持するとともに、トラニオン３５の凹孔３８に、変位軸３６のうち、枢支軸部４０に対し偏心した支持軸部４１を回転自在に支持することにより、トラニオン３５に対してパワーローラ１７を軸方向に変位可能としている。ただし、本発明の主軸装置では、トラニオンに対してパワーローラを、入力部材および出力ディスクの軸方向に関して変位させる機構として、本例の構造とは異なる構造を採用することもできる。具体的には、例えば、トラニオンの支持梁部の内側面に形成した円筒状凸面と、パワーローラを回転自在に支持するスラスト玉軸受の外輪の外側面に形成した部分円筒面状の凹部とを係合させる構造を採用することができる。

１ 主軸装置
２ ハウジング
３ 主軸
４ トロイダル無段変速機
５ 電動モータ
６ 主軸側ハウジング
７ モータ側ハウジング
８ テーパ凹部
９ 潤滑油流路
１０ａ、１０ｂ 軸受装置
１１ａ、１１ｂ アンギュラ玉軸受
１２ａ、１２ｂ スリーブ
１３ａ、１３ｂ アンギュラ玉軸受
１４ 出力軸
１５ 入力部材
１６ａ、１６ｂ 出力ディスク
１７ パワーローラ
１８ 押圧装置
１９ ローディングナット
２０ 円筒ころ軸受
２１ 入力トロイダル曲面
２２ 中空軸
２３ ディスク素子
２４ ラジアルニードル軸受
２５ａ、２５ｂ 隔壁部
２６ａ、２６ｂ 軸受装置
２７ａ、２７ｂ アンギュラ玉軸受
２８ 出力トロイダル曲面
２９ ボールスプライン
３０ ディスク側凹溝
３１ 軸側凹溝
３２ ニードル
３３ 駆動側カム面
３４ 転動面
３５ トラニオン
３６ 変位軸
３７ 支持梁部
３８ 凹孔
３９ 円板部
４０ 枢支軸部
４１ 支持軸部
４２ ラジアルニードル軸受
４３ スラストニードル軸受
４４ ラジアルニードル軸受
４５ スラスト玉軸受
４６ カム板
４７ ローラ
４８ 内径側部材
４９ 外径側部材
５０ 被駆動側カム面
５１ アンギュラ玉軸受
５２ スラストニードル軸受
５３ 座板
５４ 予圧ばね
５５ ロータ
５６ ステータ
５７ 通油孔
５８ 保持器
５９ ブッシュ

Claims (3)

1. ハウジングと、
   前記ハウジングの内側に回転自在に支持された主軸と、
   トロイダル無段変速機とを備え、
   前記トロイダル無段変速機は、
   前記主軸、または、該主軸と同軸にかつ該主軸と同期して回転するように配置された出力軸の周囲に、該主軸または該出力軸に対する相対回転を可能に支持されて、軸方向両側の側面に入力トロイダル曲面をそれぞれ有する入力部材と、
   前記主軸または前記出力軸のうち、前記入力部材を挟んだ軸方向２箇所位置に、該主軸または該出力軸と同期して回転するように支持されて、前記入力トロイダル曲面と軸方向に対向する側面に出力トロイダル曲面を有する１対の出力ディスクと、
   前記入力部材と前記出力ディスクとの間部分に挟持されて、前記入力トロイダル曲面と前記出力トロイダル曲面とに転がり接触させた転動面を有する、複数のパワーローラと、
   前記入力部材と前記出力ディスクとを互いに近づく方向に押圧する押圧装置とを含み、
   前記入力部材を回転駆動する電動モータをさらに備える、
   主軸装置。
2. 前記入力部材は、中空軸と、１対のディスク素子とを備え、
   前記中空軸は、前記主軸または前記出力軸のうち、軸方向に関して前記出力ディスク同士の間部分の周囲に、前記主軸または前記出力軸に対する相対回転を可能に支持されており、
   前記ディスク素子は、前記中空軸の軸方向両側の端部に、該中空軸と同期して回転するように支持されて、前記出力トロイダル曲面と軸方向に対向する側面に前記入力トロイダル曲面を有しており、
   前記電動モータは、前記中空軸に外嵌固定されたロータと、前記ハウジングに支持固定されたステータとを備える、
   請求項１に記載の主軸装置。
3. 主軸装置を備える工作機械であって、
   前記主軸装置が、請求項１または２に記載の主軸装置である、工作機械。

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