JP3090671B2

JP3090671B2 - 穴明機の主軸

Info

Publication number: JP3090671B2
Application number: JP02039316A
Authority: JP
Inventors: 邦夫荒井; 保彦金谷
Original assignee: Hitachi Via Mechanics Ltd
Current assignee: Via Mechanics Ltd
Priority date: 1990-02-20
Filing date: 1990-02-20
Publication date: 2000-09-25
Anticipated expiration: 2015-09-25
Also published as: JPH03245902A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は穴明機の主軸に関するものである。

［従来の技術］プリントＫ基板の穴明加工に用いる穴明機の主軸とし
て、銅芯一体型のロータシャフトをスピンドルハウジン
グに回転可能に支持する形式のスピンドルがある。

従来かかる形式のスピンドルとして、第１図及び第４
図に示すものがある。

第１図に示すスピンドルにあっては、中穴のロータシ
ャフト101はこれと一体の銅芯110,スラストフランジ103
及びドリル25を把持したテーパコレット24からなる。ロ
ータシャフト101はスピンドルボディ104の内部に設置さ
れたラジアルエアベアリング102とスラストエアベアリ
ング105によって支持される。銅芯110を囲うように設置
されたモータ駆動コイル106は穴明時にロータシャフト1
01を駆動する。矢印111はエアベアリング102,105のエア
供給方向を示し、スピンドルハウジング104の上部のダ
イアフラムボディ108の供給孔から供給される。

ダイアフラムボディ108のキャビティ内部のコレット
駆動用エアの供給方向を矢印112に示す。

自動工具交換（ATC）工程では、ダイアフラム107が矢
印112の方向にエアが供給された場合、ロータシャフト1
01内に同心に配置されたプッシュロッド114を介して矢
印113方向（下方）にコレット24を押す。これによって
コレット24のツメを開きドリル交換が行われる。

第２図，第３図は第１図のスピンドルを搭載した従来
の穴明機のＺ軸ユニットを示す。

ドライブモータ７はユニットベース６に搭載され、同
じくユニットベース６上に取付けられたボールベアリン
グ９に支持されたスクリューシャフト11を駆動する。ス
クリューシャフト11はスピンドルユニット14の軸方向に
可動式に取付けられたスピンドルサドル13のスクリュー
ナット12を駆動する。

スピンドルサドル13は詳細図示していないが既存の直
動機構によりガイドされ支持されている。スピンドルサ
ドル13には、従来のスピンドルユニット14が一体化され
ており、スピンドルユニット14をＺ軸方向に往復動させ
る。さらに切粉排出部39付のプレッシャフット20をも軸
方向に往復動させる。一方、プレッシャフット20はスピ
ンドルサドル13上のブラケット15,一対のエアシリンダ1
6,スイベルジョイント17及びスピンドルユニット14の両
側の軸受18で支持されたシャフト19によりガイドされ支
持されている。

通常の穴明工程では、スピンドルサドル13は、スクリ
ューナット12を駆動することによって下方に動かされ、
プレッシャフット20が最初にプリント基板表面（以後基
板という）に接触してから穴明される。プレッシャフッ
ト20はエアシリンダ16の駆動力によって基板22を押える
が、さらに、スピンドルユニット14はプレッシャフット
20の内部をＺ軸方向に前進を続け、モータコイル106に
よって駆動され回転されるドリル25で基板22を穴明す
る。そしてドリル25の先端が所定の深さに達すると同時
に、プレッシャフット20及びスピンドルサドル13はスト
ローク上端に戻る。次に基板が固定された加工テーブル
とスピンドルキャリジ（図示せず）が次の穴明位置に移
動し、プレッシャフット20が基板を押え穴明工程が繰返
される。

前述のＺ軸ユニットでは、可動部の全重量は15kg以上
になり、そのほとんどはスピンドルサドル13とスピンド
ルボディ104によるものである。

従って、高速位置決めに必要な高加速度コントロール
が十分に達せられず、また高加速度にした場合、騒音が
大きくなった。

結果としていままで駆動モータ及びスピンドル機構の
小型化も達成されなかった。

第４図はもう１つの従来のスピンドルの形態を14′に
示す。このスピンドルは動荷重を減らすすことによっ
て、より高加速度でコントロールし、騒音を減らすべく
図１のダイアフラムとテーパ式コレットの代りにロータ
シャフトの終端部に遠心コレットを使用している（図１
と同様な部分については、同じ番号でダッシュで指
示）。

ロータシャフト101′は図１の銅芯110よりわずかに長
い銅芯110′と一体化され軸方向の動きに対して考慮さ
れている。ラジアルベアリング102′はロータシャフト1
01′の軸長に沿って設置され、スラストフランジ103′
はロータシャフト101′の一部である。スラストベアリ
ング105′はスピンドルユニット14′の上部のスラスト
ベアリング部38に内蔵されスラストフランジ103′を支
持している。

駆動モータコイル106′は銅芯110′を囲うようになっ
ている。

高圧エアは、スピンドルボディ104′のポート（図中
指示なし）から矢印111′に示された方向からラジアル
ベアリング102′に供給される。しかし、図４のスピン
ドルユニット14′ではスラストベアリング部は第１図の
スピンドルユニット14と異なり、かなり重いスピンドル
サドル及びスピンドルボディの代りにスラストベアリン
グ部38の外周のラジアルベアリング117′及びエア溝11
8′によって軸方向に支持されガイドされている。矢印1
16′はスラストベアリング部38のポートからスラストベ
アリング105′に供給するエアの方向を示す。

ロッド32はスラストベアリング38に固定され、スラス
トベアリング部，ロータシャフト101′及び遠心コレッ
ト115′を介してドリル25を軸方向（矢印119）に動か
す。このような構造では、スピンドルユニット14′の動
荷重は約1.5kgに減るけれども、遠心コレット115′は回
転数15〜30Krpmの範囲で把持力が非常に小さく使用でき
ない。

第４図Ｅは第４図の遠心コレット115′の詳細を示
す。

穴径2.0〜6.35mmの穴明で穴内壁粗し、スミアの少な
い高品質化を達成するには、低速域で十分な把持力を維
持する必要がある。

その結果、スピンドルユニット14′の動荷重は前述の
ように遠心コレット化により減り、高加速度制御が可能
となり騒音は減るけれども、ドリル径が把持力の面でφ
2.0mm以下に制約された。

第４図のコレット115′を第４図Ｅにより説明する。
スピンドルボディ104′に軸心を中心に回転可能にラジ
アルベアリング102′に支持されているロータシャフト1
01′の先端部に、先端に開口し軸方向に適宜深さをもつ
孔3aが形成されており、この孔3aの開口部には中央に工
具25を嵌合する嵌合孔5aをもつ案内部6aを設けてあり、
また孔3aの底部には中央に前記工具25を嵌合する嵌合孔
7aをもつ筒状案内部8aが孔3aの内周と一定の隙間を有し
て軸方向に突出形成されており、前記案内部6aの嵌合孔
5aと筒状案内部8aの嵌合孔7aはそれぞれ工具25と数ミク
ロンの同心度嵌合公差をもって嵌合するように設定され
ている。また孔3a内には前記筒状案内部8aに嵌合する嵌
合孔12aをもつ遠心ピース13aが設けられており、この遠
心ピース13aは停止状態でＯリング14aにより前記隙間10
a,11aを保つように支持されている。また遠心ピース13a
の前記工具25を嵌合する嵌合孔9aは、工具25と前記嵌合
孔5a,7aとほぼ同等の公差で嵌合するように設定されて
いる。また嵌合した工具25はＯリング15aにより停止状
態で嵌合孔5a,7a,9aから抜け出して落下するのを防止さ
れるようになっている。

そして前記嵌合孔5a,7a,9aに嵌合した工具25は、ロー
タシャフト101′を回転させたとき、このロータシャフ
ト101′の回転に伴って遠心ピース13aが偏心して回転
し、この偏心回転による回転重心移動により生ずる遠心
力で遠心方向に働く力により面引を中心とする偶力を生
じ、嵌合孔5a,7aの嵌合面の反力と外面の摩擦係数によ
り工具25を保持する力が発生して保持される。

［発明が解決しようとする課題］本発明は上記問題点及び欠点を解決したスピンドルを
提供することにある。

特に、本発明ではスピンドルの動荷重を減らし、低速
域でコレット機構の信頼性が高められる構造のスピンド
ルを提供することを目的にしている。

また、穴位置精度及び生産性を改善すると同時に、穴
明可能なドリル径をφ0.1〜0.35mmの全ドリルサイズに
まで可能にすることにある。

さらに、スピンドル駆動モータの出力を最小化によっ
て、保守性及び機構の信頼性を向上し、コスト低減をも
目的としている。

［課題を解決するための手段］本発明は、上記課題を解決するために、内部にラジア
ルエアベアリングを備えるスピンドルボディを、ユニッ
トベースに固定し、軸心部にスラストエアベアリングを
形成したスラストベアリングを、前記スピンドルボディ
に上下方向移動自在に支持させ、先端に工具を保持する
テーパーコレットを配置し、後端にスラストフランジを
形成したロータシャフトを、前記スラストフランジを前
記スラストエアベアリングに係合させてスラスト方向に
支持させると共に、前記ラジアルエアベアリングにより
回転自在に支持するようにした穴明機の主軸において、
前記スラストベアリング内の前記スラストエアベアリン
グの上方に空間を設け、この空間に空圧動作式のダイヤ
フラムを配置し、前記テーパーコレットを開閉するプッ
シュロッドを、前記ダイヤフラムに接続すると共に、前
記スラストベアリングに軸方向移動自在に嵌合させた。

〔作用〕

プッシュロッドとロータシャフトの相対位置はロータ
シャフトの位置に影響されないから、任意の位置で工具
の着脱ができる。

［実施例］第５図は本発明の実施例の１例を示す。

第１図及び第４図と同様な部分については同じ番号で
ダブルダッシュで指示している。特に、本スピンドル1
4″は銅芯一体部の外径d₂及び上部に外径d₁のスラスト
フランジ103″からなる。ラジアルベアリング102″は、
ロータシャフト101″に対して軸方向に空間を保たれて
いる。

第５図Ｅは第５図のテーパコレットの詳細である。

前記ロータシャフト101″にあってはその本体が筒状
体に形成されており、その先端には、先端方向に広がる
即ち先端方向に向って順次大径となるテーパー孔27aを
もつ締付部28aが突出形成されている。

このテーパー孔27aはロータシャフト101″と同心上に
あり、且つロータシャフト101″内と連通している。

24″は前記締付部28aのテーパー孔27aに移動自在に挿
入されたコレットであり、このコレット24″は、先端部
に前記テーパー孔27a内に位置し工具25を把持する把持
部26aをもち後端部にはロータシャフト101″内に移動自
在に嵌合された膨出部122″を持っている。前記把持部2
6aにあっては、先端に開口し工具25aを挿入する挿入孔2
9aをもつ筒状体の外周に軸方向にスリット125″を形成
した構造となっており、コレット24″が後端方向に移動
すると、把持部26aは後端方向に向かって順次小径とな
る締付部28aのテーパー孔27aの内周面により求心方向に
挟圧され、前記挿入孔29aを閉じ、一方コレット24″を
先端側へ移動させると、把持部26aはテーパー孔27aによ
る挟圧から解放され、遠心方向に開くようになってい
る。ロータシャフト101″内には、前記コレット24″の
後端部の膨出部122″とロータシャフト101″の先端段部
との間にコレット24″を後端方向に付勢するスプリング
121の弾発力により、通常は、コレット24″は後端方向
に移動させられており、把持部26aが閉じた状態にあ
り、コレット24″をスプリング121の弾発力に抗してコ
レット開閉機構により先端方向に移動させることにより
把持部26aが開く。

スラストベアリング部38″に設置されたスラストベア
リング105″はスラストフランジ103″を支持する。モー
タコイル106″は銅芯110″を囲うように設置されてい
る。ラジアルベアリング102″への高圧エアは矢印111″
の方向にスピンドルボディのポートを介して供給され
る。高圧エアは矢印116″のようにスラストベアリング
部38″のポートを介してスラストベアリング105″にも
供給される。

エアは、圧力Pbでベアリング102″,105″に供給され
同時に外径D₂のスラストベアリング部38″の空気溝を介
して外周のベアリング118″にも供給される。スピンド
ルボディは上部径でD₃である。

スラストベアリング38″に固定されたロッド32″は第
８図，第９図に示す穴明機のＺ軸ユニットによって前述
のエアベアリングシステムを介してＺ軸方向（矢印11
9″）に駆動される。

スプリング戻し式のダイアフラム120″の第１図のダ
イアフラム107よりも径D₁が小さい以外似た構造であ
り、スラストベアリング部38″の空間を備えている。

そして、矢印112″に示す方向にポートを介して圧力P
dの高圧エアが、スラストベアリング部38″のポートを
介してダイアフラム120″に供給されると、プッシュロ
ッド114″が押されて、常時は皿バネ121によって上方に
押しつけられているストッパ122に接し、矢印113″の方
向に押される。

こうして常時シャフト101″内で把持方向にバネ121で
押しつけられているコレット24″のテーパを開き、ドリ
ル25″を交換する。

ベアリング102″,105″用のエア圧力Pbは各々約4.8〜
5.0kg/cm²である。一方、ダイアフラム120″に供給され
るエア圧Pdは約5.5〜6.0kg/cm²である。

従って、第５図の方式では、動荷重は15kgから2.8kg
に軽減される。その結果加速度コントロール，ノイズの
軽減にとって、高品質を得るに必要なドリルの使用制限
が無くなり大幅に改善される。

第５図のスピンドル14″での穴明工程では、ロータシ
ャフト101″，コレット24″，ドリル25,プッシュロッド
114″，ダイアフラム120″及びスラストベアリング部3
8″だけを駆動すればよく、第１図のスピンドル14の全
体、また、スピンドルサドル13を駆動する必要はない。
その結果、スピンドルの動荷重は2.8kgに減り、第２図
のスピンドルサドル13はなくせる。

第７図は実質的には第５図の発明と同じであるが、上
部の動荷重をさらに軽減したもう１つの本発明のスピン
ドルを示す。

構造，機能が第５図と似ている部品は同じ番号でトリ
プルダッシュとしている。ここでは以後に説明する範囲
にとどめる。

ダイアフラム120に供給されるエア圧はP₁であり、
ラジアルベアリング102，スラストベアリング105に
供給されるエア圧はP₂である。ロータシャフト101の
外径はd₂′、フランジ103の外径はd₁′である。ダイ
アフラム120の径はD₁′、スラストベアリング部38
の径はD₂′、またスピンドルボディ104の上部の径はD
₃′である。

故に、（d₁ ²−d₂ ²）Pb＝（d₁′^２−d₂′^２）P₂ ［∵P₂＝５〜10kg/cm²］ D₁ ²Pd＝D₁′P₁ ［P₁＝９〜10kg/cm²］とすればフランジ外径d₁′はd₁の75％に減らせ、ダイア
フラム径D₁′はD₁の70％に減らせる。従って、D₂′,
D₃′はD₂,D₃の70％近くにまで減らせる。そして動荷重
は2.8kgから2.0kgにまで大きく減らせる。

その結果、スピンドル14の外径寸法は実質的に減
り、小形化される。

従来の典型的な高速スピンドルには第６図，第６図Ａ
に示す２つの動特性がある。１つは第６図の特性であ
り、スーパークリティカル特性であり、振れのクリティ
カルポイントが実用回転範囲内にあるもので、もう１つ
は第６図Ａの特性であり、振れのクリティカルポイント
が実用回転範囲を超えているものである。これらの特性
はエアベアリングの圧力を増すと右方向に移動する。例
えば、スーパークリティカル特性のスピンドルのクリテ
ィカルポイントは、実線の曲線Ａから破線の曲線Ｂに変
り右側に移動する。このように、スーパークリティカル
振れ特性は、従来よりも高速域で振れが最大になるため
に80Krpmから120Krpmの回転範囲では少し悪くなるが、
第６図に示すようにφ0.1mmからφ0.35mmの小径穴明に
必要な60Krpmの範囲では大幅によくなる。

しかし、同時に大径ドリルに必要な十分な把持力が維
持される。

第８図，第９図は第５図，第７図のスピンドルを使用
した本発明の小形コンパクトなＺ軸ユニットを示す。以
下に詳細について説明する。

駆動モータ７′はユニットベース６′に設置され、同
じくユニットベースに設置されたボールベアリング1
0′，ハウジング９′により支持されたスクリューシャ
フト11′を駆動する。スクリューシャフト11′は軸方向
にスクリューナット12′を駆動する。

スクリューナット12はハウジング35′及びリニアベア
リング36′内に設置された一対のガイドシャフト34′に
支持されたプレート31′上に設置されている。

プレート31′はラジアルベアリングで支持されたロー
タシャフト，コレット，及び第５図，第７図のスラスト
ベアリング部からなるスピンドルロータシャフト部をロ
ッド32′を介して軸方向に往復動させる。

プレート31′は、また従来のＺ軸ユニットと同じよう
にスピンドル33の両側に配置された一対のブラケット3
7′，エアシリンダ16′スイベルジョイント17′及びシ
ャフト19′により支持されガイドされたプレッシャフッ
ト20′を駆動する。

前述によれば、第２図，第３図に示す穴明機のような
かなりの重量を構成するスピンドルサドル13及びスピン
ドルボディ104を駆動する必要がない。従って、これ
らの機構は2G以上の加速度コントロールが可能となるた
め、Ｚ軸の送り戻し時間が実質的に減らせる。さらに、
コレット把持力が従来と同じように維持されるため、φ
0.1〜φ0.35mmの穴明が達成できる。

以上のように本発明に従って発明の要点について述べ
たが、同様に発明の範囲にある変更，応用も無論可能で
あると考えるべきである。

［発明の効果］以上のように本発明によれば、スピンドルの動荷重の
軽減が図れるので、駆動力及びノイズの最小化を図るこ
とができるとともに、大径の穴明を可能とし且つ穴品質
を向上させることができ、更には高加速度コントロール
化を可能にすることができるといった効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のダイヤフラム式スピンドルの縦断面図、
第１図Ａは第１図の上視図、第１図Ｂは第１図のＢ−Ｂ
線断面図、第１図Ｃは第１図のＣ−Ｃ線断面図、第１図
Ｄは第１図の下視図である。第２図は第１図のスピンドルを組込んだＺ軸ユニットの
縦断面図、第３図は第２図の側面図である。第４図は従来の遠心コレット式スピンドルの縦断面図、
第４図Ａは第４図の上視図、第４図Ｂは第４図のＢ−Ｂ
線断面図、第４図Ｃは第４図のＣ−Ｃ線断面図、第４図
Ｄは第４図の下視図、第４図Ｅは第４図のＥ−Ｅ線断面
図である。第５図は本発明の穴明機の主軸のスピンドルユニットの
縦断面図、第５図Ａは第５図の上視図、第５図Ｂは第５
図のＢ−Ｂ線断面図、第５図Ｃは第５図のＣ−Ｃ線断面
図、第５図Ｄは第５図の下視図、第５図Ｅは第５図のＥ
−Ｅ線断面図である。第６図は高速スピンドルの特性、第６図Ａは高速スピン
ドルの特性である。第７図はもう１つの本発明の穴明機の主軸のスピンドル
ユニットの縦断面図、第７図Ａは第７図の上視図、第７
図Ｂは第７図のＢ−Ｂ線断面図、第７図Ｃは第７図のＣ
−Ｃ線断面図、第７図Ｄは第７図の下視図である。第８
図は第５図及び第７図のスピンドルを組込んだ本発明の
穴明機の主軸のＺ軸ユニットの縦断面図、第９図は第８
図の側面図である。 14……スピンドルユニット、24……コレット 25……ドリル、32……ロッド 38……スライドベアリング部 101……ロータシャフト 102……ラジアルベアリング 103……スラストフランジ 104……スピンドルボディ 105……スラストベアリング 106……モータ駆動コイル、110……銅芯 114……プッシュロッド 120……ダイアフラム、121……皿バネ

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23B 41/00,19/02,31/20 B23Q 5/32

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】内部にラジアルエアベアリングを備えるス
ピンドルボディを、ユニットベースに固定し、軸心部に
スラストエアベアリングを形成したスラストベアリング
を、前記スピンドルボディに上下方向移動自在に支持さ
せ、先端に工具を保持するテーパーコレットを配置し、
後端にスラストフランジを形成したロータシャフトを、
前記スラストフランジを前記スラストエアベアリングに
係合させてスラスト方向に支持させると共に、前記ラジ
アルエアベアリングにより回転自在に支持するようにし
た穴明機の主軸において、前記スラストベアリング内の
前記スラストエアベアリングの上方に空間を設け、この
空間に空圧動作式のダイヤフラムを配置し、前記テーパ
ーコレットを開閉するプッシュロッドを、前記ダイヤフ
ラムに接続すると共に、前記スラストベアリングに軸方
向移動自在に嵌合させたことを特徴とする穴明機の主
軸。