JP2530340Y2 - ２モータ内蔵型スピンドル装置 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本考案は、工作機械や木工機械等に好適に用い得る超
高速モータ内蔵型スピンドル装置に関する。

〔従来の技術〕

従来のこの種のモータ内蔵型スピンドル装置は、両端
部を軸受で支承されたスピンドル軸の外面に固着された
１個のモータロータ（以下、ロータという）と、このロ
ータを取り囲んで周対向にハウジング内面に固着された
１個のモータステータ（以下、ステータという）とを有
する１組の交流サーボモータを備えている。ステータの
コイルに通電して得られるロータの回転で、スピンドル
軸を直接回転駆動するようにしている。軸受潤滑はグリ
ース潤滑等の他、オイルエア潤滑方式も採用されてい
る。

最近は、このような高速のモータ内蔵型スピンドル装
置の回転速度をより一層高めることが要望されている。

〔考案が解決しようとする課題〕

上記従来のモータ内蔵型スピンドル装置を超高速化す
るとオイルエア潤滑方式では潤滑剤の供給量が不足し軸
受の焼付き等の不具合を生じるおそれがある。そこで大
量の潤滑剤で強制潤滑するいわゆるジェット潤滑方式の
方が好ましい。しかし、ジェット潤滑方式は大量の潤滑
剤によるスピンドル回転抵抗の増大で内蔵モータの所要
トルクが大きくなるから、これに対応してモータ出力を
従来の数倍程度大きくすることが必要になる。

ところが、モータ出力を大きくするべくロータ、ステ
ータを大径にすると、スピンドル回転でロータに加わる
遠心力も増大するから、これによるロータの破壊等が発
生しやすくなる。また、軸方向長さを大きくするとロー
タを挟んでスピンドルを支承する軸受の間隔も大きくな
るから、スピンドルの固有振動数とロータの回転数とが
共振する危険速度が低くなる。

すなわち、従来の内蔵モータを大型化することによる
出力増大は、ロータの遠心破壊やスピンドルの危険速度
低下を招くこととなり、超高速回転の実現は難しいとい
う問題点があった。

そこで本考案は、上記従来の問題点に着目してなされ
たものであり、その目的とするところは、１本のスピン
ドルの両端部と中間部とを軸受で支承し、各軸受間にそ
れぞれモータを配設することにより、内蔵モータのロー
タ径や軸受間隔を大型化することなくモータ出力を増大
せしめて上記従来の問題点を解決することにある。

ところで電動機の分野では、電動機内に複数個の固定
子を配設した複数固定子誘導電動機が提案されている
（特開平１−177848号公報）。このものは、同一回転軸
に任意の間隔を設けて軸着した２つの回転子コアを有
し、その２つの回転子コアのそれぞれを貫通して装設し
た複数個の導体のそれぞれを両端において短絡すると共
に、その２つの回転子コア間において、各複数個の導体
を抵抗材によって連結して一体的に形成した回転子と、
前記２つの回転子コアにそれぞれ対峙する外周部に設け
た複数種の極数に切換可能な巻線を施した２つの固定子
と、これら２つの固定子のうち少なくとも１個の固定子
に設けた前記回転子と同心的に回動する回動装置と、前
記捲線の極数を切換える極数切換装置とを有している。

しかしながら、上記の複数固定子誘導電動機は、電動
機の増速時や減速時に極数を切換えて負荷トルクに対し
電動機の出力トルクをほぼ同等に設定することで、衝撃
のない滑らかな変速を可能としたものであって、超高速
回転におけるロータ破壊や危険速度低下によるトラブル
を防止するというものではない。

〔課題を解決するための手段〕 上記目的を達成するため、本考案は、ハウジング内に
スピンドル軸を直接駆動するサーボモータを内蔵してな
るモータ内蔵型スピンドル装置において、前記ハウジン
グ内には、前側と中間と後側の３箇所がアンギュラ玉軸
受で支持された一部材からなるスピンドル軸が挿通さ
れ、前側の軸受と中間の軸受との間には第１のサーボモ
ータが、中間の軸受と後側の軸受との間には第２のサー
ボモータがそれぞれ配設され、第１のサーボモータと第
２のサーボモータとは、それぞれスピンドル軸に嵌合さ
れ小径とされたロータと、該ロータと同心とされ前記ハ
ウジングに固定されたステータとを有し、前記前側の軸
受は固定支持され、前記中間の軸受と後側の軸受とは、
それぞれ外輪が軸方向に移動自在に前記ハウジングに支
持され外輪を前記前側の軸受から離隔する方向に付勢す
る予圧手段を備えている。

〔作用〕

超高速回転に必要なモータ出力は第１と第２の２組の
モータの合力で得られるから、大出力にできる。

しかも各モータのロータ，ステータは、同出力を１台
のモータで得る場合に比し、はるかに小型化できる。ま
た各モータともそれぞれ両側がアンギュラ玉軸受で支承
されるから、軸方向の支持スパンが短くできる。したが
って、超高速回転時にロータに加わる遠心力が過大にな
ることがないし、危険速度が低くなりスピンドルが共振
するおそれもない。かくして、従来の一台の内蔵モータ
を大型化したものでは不可能であった超高速度モータ内
蔵型スピンドル装置が実現できる。

また、スピンドル軸１を両端部と中間部との３点支持
としたことにより、スピンドル軸１の剛性を２点支持の
場合より極めて大きくすることができ、軸回転の安定化
ひいては加工精度の向上を図ることができる。

また、軸受をばねで定圧予圧することにより、ある程
度スピンドル軸１が熱膨張しても安定な軸受予圧が確保
でき、また軸受の摩耗に対しても安定した予圧負荷が確
保できて、長期にわたり精度劣化のないスピンドル装置
を提供することができる。

〔実施例〕

以下、本考案の実施例を図とともに説明する。

第１図は、本考案の一実施例を示すものである。スピ
ンドル軸１は中空で、軸心部に貫通孔２が設けられてお
り、その貫通孔２の前端（図の左端）には工具取付け用
テーパ穴３が形成されている。このスピンドル軸１は、
前後の両端部と中間部との３ケ所において、軸受で支承
されている。すなわち、スピンドル軸１の先端部の面1A
は外径がやや細くされ、そこには２個のアンギュラ玉軸
受4A1,4A2が予圧を付与するための内輪間座５と外輪間
座６とを介して組み合わされてなる前軸受ブロック７が
スピンドル軸１の前端側から挿入されている。この前軸
受ブロック７の後方玉軸受4A2の内輪の一側面は、スピ
ンドル軸１の段部8Aに係止している。この段部8Aに続く
スピンドル軸１の外面1Bは最大外径面とされ、以後スピ
ンドル軸１の外径は、段部8Bを経て外面1C、段部8Cを経
て外面1D、段部8Dを経て外面1Eと、後端側に向かって階
段状に僅かづつ細くなっている。中間部の外面1Dには、
１個の中間アンギュラ玉軸受4Bが内輪間座10と内輪間座
11とに挟まれて装着され、また後端部の外面1Eには、１
個の後端アンギュラ玉軸受4Cが内輪間座12と内輪間座13
とに挟まれて装着されている。

そして、前軸受ブロック７と中間アンギュラ玉軸受4B
との間には第１のサーボモータ15のロータ16が配設さ
れ、中間アンギュラ玉軸受4Bと後端アンギュラ玉軸受4C
との間には第２のサーボモータ17のロータ18が配設され
ている。

上記の第１のサーボモータ15のロータ16,中間アンギ
ュラ玉軸受4B,第２のサーボモータ17のロータ18,後端ア
ンギュラ玉軸受4C等は、スピンドル軸１の後端側から順
次装着されている。

第１のサーボモータ15のロータ16は、温められ内径が
拡径された状態で内径先端がスピンドル軸１の段部8Bに
係止するまで後端側から挿入され、スピンドル軸の外面
1Cに締め代をもった嵌合で固定されている。中間アンギ
ュラ玉軸受4Bの先方の内輪間座10は段部8Cに係止してい
る。一方、後方の内輪間座11は、スピンドル軸の外面1D
の後部に形成されている雄ねじ19に螺着したナット20に
より軸方向に押圧されている。

第２のサーボモータ17のロータ18は、スピンドル軸の
段部8Dに先端を係止させてスピンドル軸の外面1Eに焼き
ばめされたロータスリーブ22を介して固定されている。
ロータスリーブ22は、スピンドル軸１との嵌合面に、油
圧室23を有している。これは脱着時に油圧を負荷して内
径を拡張させてスピンドル軸１から抜き出すための脱着
手段である。詳細には、この油圧室23の前端が当接する
個所のスピンドル軸１の外面には、僅かな段差8Eが設け
てある。これにより、スピンドル軸１の外径は、段差8E
以前より段差8E以後の部分が僅かに小径とされ、この部
分に嵌合したロータスリーブ22の油圧室23の前端面と後
端面との間に受圧面積の差が設けられている。

内輪間座12と後端アンギュラ玉軸受4Cと内輪間座13と
は、スピンドル軸の外面1Eにすきまばめで挿入され、内
輪間座12の先端はロータスリーブ22の後端面に当接して
いる。更にスピンドル軸１の後端部には、回転位置セン
サとして例えば磁気式ロータリエンコーダ26の検出リン
グ27が嵌め込まれ、この検出リング27を後方の内輪間座
13に当接させ、スピンドル軸１の後端に形成されている
外径ねじ28にナット29を螺合して固定されている。前記
検出リング27の外周には同一ピッチで歯が形成されてい
る。

スピンドル軸１はハウジング覆われるが、そのハウジ
ングは第１のサーボモータ15が内蔵された第１ハウジン
グ31と、この第１ハウジング31の後端に配設された中間
支持板32と、この中間支持板32を介して接続され第２の
サーボモータ17が内蔵された第２ハウジング33と、この
第２ハウジング33の後端に配設された後蓋34とを備えて
いる。

上記第１ハウジング31は、ボルト孔35Aが設けられた
工作機械への取付け用フランジ35を外面に有すると共
に、内径面にステータスリーブ36に固着された第１のサ
ーボモータ15のステータ37が嵌合されている。ステータ
コイル37Aを有するこのステータ37は、第１のサーボモ
ータ15のロータ16と周対向に配置される。なお、ステー
タスリーブ36の外周面に対応するハウジング31内径面に
は、ステータ37の冷却ジャケット38である環状空間が形
成され、その前後には冷却流体の漏れ止め用にＯリング
シール39が取付けてある。冷却流体の供給排出口は図示
を省略してある（以下、同じ）。

第１ハウジング31の内径面の先端部には、先に述べた
前軸受ブロック７が嵌合されている。前軸受ブロック７
の先方アンギュラ玉軸受4A1の外輪の一側面は、第１ハ
ウジング31端面に取付けた前蓋41に係止している。一
方、先方アンギュラ玉軸受4A1の内輪の一側面は、内輪
間座42を介してナット43で押圧されて、両玉軸4A1,4A2
に予圧が付与されている。前蓋41の先端面には、カバー
44が取付けられている。また第１ハウジング31の先端部
の外径面には、内径面に環状空間からなる冷却ジャケッ
ト45とその前後に取付けられたＯリングシール46を有す
る冷却用スリーブ47が装着されている。

前軸受ブロック７が装着された第１ハウジング31に、
スピンドル軸１の先端が挿入されて取付けられている。

上記中間支持板32は、外径が第１ハウジング31と同径
に形成され、内径面には軸受スリーブ50が軸方向に摺動
可能に嵌合されている。この軸受スリーブ50の後端には
フランジ51が径方向に突設され、このフランジ51とこれ
に対向する中間支持板32の後端面との間に定圧予圧用の
コイルばね52が介装されている。その軸受スリーブ50の
内径面に、中間アンギュラ玉軸受4Bの外輪が嵌着される
と共に、内径面に形成された雌ねじ53に螺合された外輪
押さえ54で固定されている。これにより、中間アンギュ
ラ玉軸受4Bの外輪は軸受スリーブ50と一体に軸方向に移
動でき、コイルばね52による定圧予圧が負荷される。

この中間支持板32はスピンドル軸１の後端側から挿入
され、第１ハウジング31の後端面に当接させて取付けら
れている。

上記第２ハウジング33は、第１ハウジング31と同径の
外径を有する。その内径面には、ステータスリーブ56に
固着された第２のサーボモータ17のステータ57が嵌合さ
れている。ステータコイル57Aを有するこのステータ57
は、第２のサーボモータ17のロータ18と周対向に配置さ
れる。また、ステータスリーブ56の外周面に対応する第
２ハウジング33内径面には、ステータ57の冷却ジャケッ
ト58である環状空間が形成され、その前後には冷却流体
の漏れ止め用にＯリングシール59が取付けてある。

なお、この実施例の第１のサーボモータ15と第２のサ
ーボモータ17とは大きさが異なっており、第２のサーボ
モータ17は第１のサーボモータ15に比べてかなり小型化
されている。もっとも、両者の大きさの関係はこれに限
定されず、仕様に応じて自在に選定すればよい。

第２ハウジング33もスピンドル軸１の後端側から挿入
される。そして中間支持板32の後端面に当接させて取付
けられている。

上記後蓋34は、外径が第２ハウジング33と同径に形成
され、内径面には軸受スリーブ60が軸方向に摺動可能に
嵌合されている。この軸受スリーブ60の後端にはフラン
ジ61が径方向に突設され、このフランジ61とこれに対向
する後蓋34の後端面との間に定圧予圧用のコイルばね62
が介装されている。その軸受スリーブ60の内径面に、後
端アンギュラ玉軸受4Cの外輪が嵌着されると共に、内径
面に形成された雌ねじ63に螺合された外輪押さえ64で固
定されている。これにより、後端アンギュラ玉軸受4Cの
外輪は軸受スリーブ60と一体に軸方向に移動でき、コイ
ルばね62による定圧予圧が負荷される。

軸受スリーブ60のフランジ61の後端面には、先に述べ
た磁気式ロータリエンコーダ26の検出リング27に対応さ
せて、読取りヘッド66が取付けられている。この読取り
ヘッド66の読み取りに基づいてロータリエンコーダ33か
ら発信される位置検出信号に基づいて、前記第１のサー
ボモータ15と第２のサーボモータ17の回転を制御するよ
うになっている。

後蓋34もスピンドル軸１の後端側から挿入され、第２
ハウジング33の後端面に当接させて取付けられている。

後蓋34の後端には、ケース67がボルト止めされてい
る。

第１のサーボモータ15のステータコイル37Aと、第２
のサーボモータ17のステータコイル57Aとは、通常、同
期してフィードバック制御可能に図示されない制御装置
に接続される。そして、同じく制御装置に接続された磁
気式ロータリエンコーダ26の検出リング27からの位置検
出信号に応じて同期的に電流が制御される。

次に作用を述べる。

この実施例のスピンドル装置の出力は、第１のサーボ
モータ15と第２のサーボモータ17との２組の内蔵モータ
の合力として得ることができるから、超高速回転に必要
な大出力が得られる。

しかも第１のサーボモータ15と第２のサーボモータ17
の各ロータ16,18及び各ステータ37,57は、同出力を１台
のモータで得る場合に比し、はるかに小型化できる。し
たがって、超高速回転時にロータに加わる遠心力が過大
になることがない。

またスピンドル軸１はアンギュラ玉軸受4A1,4A2を組
付けた前軸受ブロック７と、中間アンギュラ玉軸受4Bと
後端アンギュラ玉軸受4Cとで３ケ所支承されるから、軸
方向の支持スパンが短くなる。したがって、危険速度が
低くなることがないからスピンドルが共振するおそれも
ない。

かくして、従来の一台の内蔵モータを大型化したもの
では不可能であった超高速度モータ内蔵型スピンドル装
置が実現できる。

また、スピンドル軸１を両端部と中間部との３点支持
としたことにより、スピンドル軸１の剛性が両端部のみ
の２点支持の場合より極めて大きくなるから、軸回転の
安定化ひいては加工精度の向上を図ることができる。

また、中間アンギュラ玉軸受4Bと後端アンギュラ玉軸
受4Cはそれぞれコイルばね52,62で定圧予圧するものと
したことにより、ある程度スピンドル軸１が熱膨張して
も軸受予圧の変動はコイルばね52,62で吸収された安定
な軸受予圧が確保できる。また、長期使用後の軸受の摩
耗に対しても、コイルばね52,62の弾性力で補償されて
安定した予圧負荷が確保でき、長期にわたり精度劣化の
ないスピンドル装置を提供することが可能である。

また、ハウジングを第１ハウジング31と第２ハウジン
グ33に分割したため、スピンドル装置全体の組立・分解
性が良好であり、製造，保守点検が迅速，容易に行え
る。

例えば保守点検時には、次のような手順で、中間アン
ギュラ玉軸受4Bをスピンドル軸１から脱着して点検また
は変換することができる。

先ず後端のケース67を取り外す。次にスピンドル軸１
の後端に螺合されているナット29を外して、ロータリエ
ンコーダの検出リング27,内輪間座13をスピンドル軸１
から抜きとる。

外輪押さえ64と後端アンギュラ玉軸受4Cと軸受スリー
ブ60、及び後蓋34と第２ハウジング33と第２のサーボモ
ータ17のステータ57とは、一体のままスピンドル軸１か
ら抜き取ることも可能である。

これらを取り外し、内輪間座12をスピンドル軸１から
引き抜くと、第２のサーボモータ17のロータ18が露出さ
れる。

このロータ18を外すには、ロータスリーブ22の外面の
油圧供給口24に、図示されない油圧源からの油圧供給ホ
ースを接続し、油圧をスリーブの内面の油圧室23に供給
する。この油圧力でロータスリーブ22が拡径されると共
に、油圧室23の前後の端面の受圧面積の差による後方へ
の押圧力が負荷され、ロータスリーブ22はロータ18と共
にその油圧力により右方に移動し、容易に取り外しがで
きる。

次いで、スピンドル軸１の外径ねじ19に螺合している
ナット20を外せば、中間アンギュラ玉軸受4Bは軸受スリ
ーブ50と一体的に、順次後部に向かって外径が小さくな
っているスピンドル軸１の後端から容易に抜き取ことが
できる。

かくして、前軸受ブロック７のアンギュラ玉軸受4A1,
4A2や後端アンギュラ玉軸受4Cのような軸端部のものは
勿論のこと、中間アンギュラ玉軸受4Bが摩耗して軸受交
換が必要になった場合も、交換作業が迅速に行える。

なお、スピンドル軸１は軸心に貫通孔２を有して中空
に形成されているから、スピンドル軸１の重量が軽減さ
れて慣性モーメントが小さくなり、その分、高速運転に
有利である。

また更に、第１ハウジング31,第２ハウジング33には
それぞれ冷却ジャケット38,58を設けたため、前記中空
構造とあいまってスピンドル軸１の温度上昇の制御作用
によって、温度による軸受の予圧変動を極力抑えること
ができる。

なお、スピンドル軸１の貫通孔２を利用して、工具取
付用テーパ穴３に装着する工具の自動交換装置を取付け
ることも可能になる利点がある。

〔考案の効果〕

以上説明したように、本考案のスピンドル装置では、
一部材からなるスピンドル軸の前側と中間と後側の３箇
所をアンギュラ玉軸受で支持し、前側の軸受と中間の軸
受との間には第１のサーボモータを、中間の軸受と後側
の軸受との間には第２のサーボモータをれぞれ配設し
て、第１のサーボモータと第２のサーボモータとが、そ
れぞれスピンドル軸に嵌合され回転時の遠心力が小さく
なるよう小径とされたロータと、このロータと同心とさ
れハウジングに固定されたステータとを有する構成とし
た。そのため、超高速運転に必要な出力を確保するのに
１台の内蔵モータを大型化した場合に発生するロータの
遠心力による破壊やスピンドルの危険速度低下が防止で
きる。また、スピンドル軸は３点で支持されているの
で、剛性が大きく軸回転が安定化し、この装置を用いた
工作機械等の加工精度を向上させることができる。さら
に、アンギュラ玉軸受が予圧手段を備えているので、安
定した軸受予圧が確保でき、長期にわたり精度劣化を生
じないという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の一実施例の縦断面図である。 図中、１はスピンドル軸、２はその貫通孔、３は工具取
付用テーパ穴、4Bは中間アンギュラ玉軸受、4Cは後端ア
ンギュラ玉軸受、７は前軸受ブロック、15は第１のサー
ボモータ、16はそのロータ、17は第２のサーボモータ、
18はそのロータ、31は第１ハウジング、32は中間支持
板、33は第２ハウジング、34は後蓋、37は第１のサーボ
モータのステータ、38はその冷却ジャケット、57は第２
のサーボモータのステータ、58はその冷却ジャケット。

Claims (1)

(57)【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】ハウジング内にスピンドル軸を直接駆動す
   るサーボモータを内蔵してなるモータ内蔵型スピンドル
   装置において、 前記ハウジング内には、前側と中間と後側の３箇所がア
   ンギュラ玉軸受で支持された一部材からなるスピンドル
   軸が挿通され、前側の軸受と中間の軸受との間には第１
   のサーボモータが、中間の軸受と後側の軸受との間には
   第２のサーボモータがそれぞれ配設され、第１のサーボ
   モータと第２のサーボモータとは、それぞれスピンドル
   軸に嵌合され小径とされたロータと、該ロータと同心と
   され前記ハウジングに固定されたステータとを有し、前
   記前側の軸受は前記ハウジングに固定支持され、前記中
   間の軸受と後側の軸受とは、それぞれ外輪が軸方向に移
   動自在に前記ハウジングに支持され外輪を前記前側の軸
   受から離隔する方向に付勢する予圧手段を備えたことを
   特徴とする２モータ内蔵型スピンドル装置。