JP2596791Y2 - 静圧気体軸受スピンドル装置 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本考案は、精密加工機、小径穴空
け機、静電塗装機等の高速で回転する主軸を非接触状態
で支持するための静圧気体軸受スピンドル装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】静圧気体軸受は、気体の静圧を利用して
主軸を非接触支持するもので、摩擦損失が極めて少ない
ため、高速回転スピンドルの軸受として広く用いられて
いる。このような静圧気体軸受を用いたスピンドル装置
の一例を図４に示す。

【０００３】このスピンドル装置は、ハウジング（51）
の内径部に回転自在に収容した主軸（53）を、ジャーナ
ル気体軸受（55）（57）とスラスト気体軸受（59）とで
非接触支持するものである。ハウジング（51）の内径部
には、第１および第２の軸受スリーブ（61）（63）がス
テータ（65）を挟んで嵌合固定されている。

【０００４】第１の軸受スリーブ（61）は、主軸（53）
の外径面に対して微小なジャーナル軸受隙間を介して対
向するジャーナル軸受面（61ａ）と、主軸（53）の端部
に設けられたスラスト板（67）の一方の端面に対し、ス
ラスト軸受隙間を介して対向するスラスト軸受面（61
ｂ）とを有する。このスラスト軸受面（61ｂ）は、スラ
スト板（67）を挟んで対向配置されたスラスト軸受部材
（69）のスラスト軸受面（69ｂ）と対をなしてスラスト
気体軸受（59）を構成している。

【０００５】第２の軸受スリーブ（63）は、主軸（53）
の外径面にジャーナル軸受隙間を介して対向するジャー
ナル軸受面（63ａ）を有する。

【０００６】第１および第２の軸受スリーブ（61）（6
3）と、スラスト軸受部材（69）とには、それぞれ給気
ノズル（71ａ）〜（71ｄ）が設けられている。ハウジン
グ（51）の給気通路（73）を介して供給された圧縮気体
は、各給気ノズル（71ａ）〜（71ｄ）から各軸受隙間に
流入する。

【０００７】ステータ（65）は、主軸（53）の中央部分
に設けられたロータ（75）に対向しており、ステータ
（65）に通電すると主軸（53）が励磁回転する。そし
て、主軸（53）は、各軸受隙間に流入した圧縮気体の静
圧によって回転自在に非接触支持されながら高速で回転
する。

【０００８】

【考案が解決しようとする課題】上記構成のスピンドル
装置では、１次危険速度の約２倍の回転数でホワールと
呼ばれる不安定な自励振動が生じ、それ以上の高速運転
が困難になる。このホワールの発生を抑制し、より一層
の高速運転を実現するための手段として、第１及び第２
の軸受スリーブ（61）（63）をＯリング等の弾性体でハ
ウジング（51）に対して弾性的に支持し、弾性体の減衰
作用を利用して主軸（53）の振動を吸収するようにした
ものが従来より知られている。この方法によれば、簡単
な構造で高いホワール抑制効果を発揮することができ、
主に歯科用ハンドピース等で実用化されている。

【０００９】しかし、この構造は、歯科用ハンドピース
等のように主軸（53）が小型・軽量で外部から加わる負
荷も小さい場合には適用可能であるが、加工機等のスピ
ンドル装置のように剛性が必要とされる場合には、以下
の点から適用困難である。

【００１０】即ち、一般にＯリング等の弾性体に生じる
形状誤差は、ジャーナル軸受隙間やスラスト軸受隙間の
隙間量に比べてはるかに大きい。この弾性体の形状誤差
によって、ジャーナル軸受（55）（57）同士の同軸度や
ジャーナル軸受（55）（57）とスラスト軸受（59）の直
角度等にくるいが生じ、主軸（53）やスラスト板（67）
とジャーナル軸受面（61ａ）（63ａ）およびスラスト軸
受面（61ｂ）（69ｂ）とが接触するため、軸受性能の低
下を招くおそれがある。これを回避するには、ジャーナ
ル及びスラスト軸受隙間を大きくすればよいが、逆に軸
受の剛性低下を招き、さらに圧縮気体の消費量増加等の
不具合をも招いてしまう。

【００１１】そこで、本考案は、スピンドル装置の十分
な剛性を確保しつつ、主軸等の回転部材と軸受スリーブ
の各軸受面との接触を防止することにより、静圧気体軸
受の軸受性能を長期にわたって安定化させることを目的
とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的達成のため、本
考案は、ハウジングと、ハウジングの内径部に回転自在
に収容した主軸と、前記ハウジングと主軸の間に介在
し、主軸の外径面とジャーナル軸受隙間を介して対向す
るジャーナル軸受面を少なくとも備えた複数の軸受スリ
ーブとを有し、前記主軸が前記ジャーナル軸受隙間に供
給された気体の静圧により軸受スリーブに対して非接触
支持され、かつ、各軸受スリーブがハウジングとの間に
介在させた複数の弾性体により、ハウジングに対して弾
性的に支持されてなる静圧気体軸受スピンドル装置にお
いて、

【００１３】前記軸受スリーブの外径部の軸方向に離隔
した複数箇所に、隙間を介してハウジング内径面と対向
するはめ合い面を設け、このはめ合い面とハウジング内
径面との間の隙間を前記ジャーナル軸受隙間よりも小さ
くした。

【００１４】また、前記ハウジング内径面およびはめ合
い面のうち少なくとも一方に、摺動性または耐摩耗性に
優れた表面処理を施した。

【００１５】

【作用】軸受スリーブの外径部の軸方向に離隔した複数
箇所に、隙間を介してハウジング内径面と対向するはめ
合い面を設け、このはめ合い面とハウジング内径面との
間の隙間を前記ジャーナル軸受隙間よりも小さくすれ
ば、軸受スリーブは、はめ合い面とハウジング内径面と
が接触する範囲内でラジアル方向に変位可能となる。は
め合い面とハウジング内径面とが接触すると、軸受スリ
ーブのそれ以上の変位が規制されるので、主軸とジャー
ナル軸受面との接触が回避される。なお、はめあい面と
ハウジング内径面との接触時には、軸の振れ廻りにつれ
て生じる軸受スリーブの運動が拘束されるため、弾性体
の変形量が小さくなってホワールの抑制効果が悪影響を
受けることも予想されるが、実際には通常利用されるＯ
リング等で生じ得る形状誤差に基く軸受スリーブ相互の
同軸度誤差を矯正するのに必要な力程度であれば、仮に
両者が接触したとしても両接触面間に作用する摩擦力は
極めて小さく、したがって弾性体の機能が害されること
もなく、それ故ホワールの抑制効果も十分に確保され
る。

【００１６】また、ハウジング内径面およびはめ合い面
のうち少なくとも一方に、摺動性または耐摩耗性に優れ
た表面処理を施すことにより、ハウジング内径面とはめ
合い面の接触・摺動時（弾性体の形状誤差により、軸受
スリーブが、ハウジング内径面に接触した状態で主軸の
振れ廻りに伴って運動する時）に両面に作用する摩擦力
が低減する。従って、ホワール抑制効果をさらに高める
ことができ、かつハウジング内径面やはめ合い面の摩耗
を低減させることが可能となる。

【００１７】

【実施例】以下、本考案の実施例を図１乃至図３に基づ
いて説明する。

【００１８】図１に、本考案に係る静圧気体軸受スピン
ドル装置の先端部の構造を示し、図２に同じく後端部の
構造を示す。なお、両図中に示す矢印は、先端方向を表
している。

【００１９】図１及び図２に示すように、このスピンド
ル装置は、筒状のハウジング（１）と、ハウジング
（１）の内径部に回転自在に収容した主軸（３）と、ハ
ウジング（１）および主軸（３）の間に介在する軸受ス
リーブ（5a）（5b）とを主要な構成要素とする。主軸
（３）は、ラジアル方向外側に突出したスラスト板（2
9）を備えており、ジャーナル気体軸受（７）とスラス
ト気体軸受（27）によってラジアル方向及びスラスト方
向に非接触支持されている。

【００２０】図１に示す先端側の軸受スリーブ（5a）
は、弾性体（９）、例えばＯリングを介してハウジング
（１）に対して弾性的に支持されている。この軸受スリ
ーブ（5a）の内径面には、ジャーナル軸受隙間（10）を
介して主軸（３）の外径面に対向するジャーナル軸受面
（11）が形成され、かつ、外径面の両端部には、ハウジ
ング内径面（13）と対向するはめ合い面（15）が形成さ
れている。このはめ合い面（15）とハウジング内径面
（13）間の平均隙間（ｓ）（はめ合い面とハウジング内
径面の直径寸法差の1／2）は、平均ジャーナル軸受隙間
（ｔ）（軸受スリーブ内径と主軸外径の寸法差の1／2）
以下の大きさとされている。

【００２１】図２に示す後端側の軸受スリーブ（5b）
は、先端側のものと同様に、弾性体（９）を介してハウ
ジング（１）に対して弾性的に支持されている。この軸
受スリーブ（5b）は、ハウジング内径面（13）と対向す
るはめ合い面（15）と、ジャーナル軸受隙間（10）を介
して主軸（３）の外径面と対向するジャーナル軸受面
（11）と、スラスト軸受隙間（31）を介してスラスト板
（29）と対向するスラスト軸受面（33）とを有する。前
記スラスト軸受面（33）は、スラスト板（29）を挟んで
対向配置されたスラスト軸受部材（35）のスラスト軸受
面（37）と対をなし、スラスト気体軸受（27）を構成し
ている。なお、この後端側軸受スリーブ（5b）のはめ合
い面（15）とハウジング内径面（13）間の平均隙間も、
先端側と同様に、平均ジャーナル軸受隙間以下の大きさ
とされている。

【００２２】両軸受スリーブ（5a）（5b）の外径側には
気体溜り（17）が設けられる。この気体溜り（17）は給
気ノズル（19）を介してジャーナル軸受隙間（10）およ
びスラスト軸受隙間（31）に連通している。圧縮気体
は、外部の圧縮気体源（図示省略）からハウジング
（１）に設けた給気通路（21）を通って気体溜り（17）
に供給され、給気ノズル（19）から各軸受隙間（10）
（31）に流入する。この時、各軸受隙間（10）（31）に
流入した圧縮気体の静圧により主軸（３）が軸受スリー
ブ（5a）（5b）に対して非接触状態で支持される。各軸
受隙間（10）（31）から流出する気体は、排気通路（図
示省略）を経由して、または直接スピンドルの外部に排
出される。

【００２３】上述のように、このスピンドル装置では、
はめ合い面（15）とハウジング内径面（13）間の平均隙
間が平均ジャーナル軸受隙間以下の大きさとされてい
る。これにより、ハウジング内径面（13）が軸受スリー
ブ（５）のラジアル方向への変位を規制するので、主軸
（３）とジャーナル軸受面（11）とが接触することはな
い。従って、弾性体（９）の形状誤差により、ジャーナ
ル気体軸受（７）とスラスト気体軸受（27）の直角度
や、２つのジャーナル気体軸受（７）の平行度等に大き
なくるいが生じた場合にも、主軸（３）やスラスト板
（29）が各軸受面（11）（33）（37）と接触することは
なく、当初の軸受性能が長期間維持される。また、この
効果を得るにあたり、各軸受隙間（10）（31）の大きさ
は従来品と同程度でよいので、スピンドル装置の剛性低
下を招くこともない。

【００２４】図３は、はめ合い面（15）およびハウジン
グ内径面（13）の表面に黒鉛、二硫化モリブデン、フッ
素樹脂等の固体潤滑剤からなる被膜層（23）（25）を形
成した場合を示す。このように自己潤滑性を有する被膜
層（23）（25）を表面に形成することによって、はめ合
い面（15）とハウジング内径面（13）との接触・摺動に
よる両面（13）（15）の摩耗を低減させることができ、
軸受性能の低下を防止することが可能になる。また、上
述の固体潤滑剤の他、無電解ニッケルめっき、クロムめ
っき、陽極酸化処理等の摺動性、耐摩耗性に優れた表面
処理を施すことによっても同様の効果が得られる。さら
に、軸受スリーブ（5a）（5b）自体を、固体潤滑剤を含
む焼結金属で形成しても同様の効果が得られる。なお、
上記表面処理は、はめ合い面（15）とハウジング内径面
（13）のうち少なくとも一方に施せば良い。

【００２５】

【考案の効果】本考案によれば、弾性体の形状誤差に基
づく主軸とジャーナル軸受面の接触が確実に回避でき、
軸受性能の低下を招くこともない。従って、当初の軸受
性能が長期にわたって維持でき、スピンドル装置を長期
間安定して作動させることが可能となる。また、スピン
ドル装置の剛性低下も生じないので、歯科用ハンドピー
スに限らず、加工機等のスピンドル装置のように高い剛
性を必要とするものにも適用することができる。

【００２６】さらに、はめ合い面およびハウジング内径
面の少なくとも一方に表面処理を施すことによって、は
め合い面およびハウジング内径面の摩耗が低減できるの
で、当初の軸受性能をより長期間維持することが可能と
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案に係る静圧気体軸受スピンドル装置の先
端部の構造を示す断面図、及び、部分拡大断面図であ
る。

【図２】前記スピンドル装置の後端部の構造を示す断面
図である。

【図３】本考案の他の実施例を示す部分拡大断面図であ
る。

【図４】従来の静圧気体軸受スピンドル装置の断面図で
ある。

【符号の説明】

１ ハウジング ３ 主軸 5a・5b 軸受スリーブ ９ 弾性体 10 ジャーナル軸受隙間 11 ジャーナル軸受面 13 ハウジング内径面 15 はめ合い面

Claims (2)

(57)【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 ハウジングと、ハウジングの内径部に回
   転自在に収容した主軸と、前記ハウジングと主軸の間に
   介在し、主軸の外径面とジャーナル軸受隙間を介して対
   向するジャーナル軸受面を少なくとも備えた複数の軸受
   スリーブとを有し、前記主軸が前記ジャーナル軸受隙間
   に供給された気体の静圧により軸受スリーブに対して非
   接触支持され、かつ、各軸受スリーブがハウジングとの
   間に介在させた弾性体により、ハウジングに対して弾性
   的に支持されてなる静圧気体軸受スピンドル装置におい
   て、 前記軸受スリーブの外径部の軸方向に離隔した複数箇所
   に、隙間を介してハウジング内径面と対向するはめ合い
   面を設け、このはめ合い面とハウジング内径面との間の
   隙間を前記ジャーナル軸受隙間よりも小さくしたことを
   特徴とする静圧気体軸受スピンドル装置。
2. 【請求項２】 前記ハウジング内径面およびはめ合い面
   のうち少なくとも一方に、摺動性または耐摩耗性に優れ
   た表面処理を施したことを特徴とする請求項１記載の静
   圧気体軸受スピンドル装置。