JP3569668B2 - 空気動圧スピンドル装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、工作機械等において工具若しくは工作物を主軸端に保持して回転するスピンドル装置に係り、詳細には、精密加工用スピンドル装置の主軸を支承する軸受の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種のスピンドル装置としては、その主軸の回転を、玉軸受あるいはころ軸受に代表される転がり軸受や、油又は空気に代表される作動流体の静圧を利用した静圧軸受で支承しているものが主流であった。
【０００３】
しかし、前者の転がり軸受はボールあるいはころが内外輪の間を転走しているので、低速回転においては特に問題が生じないものの、高速回転においては振動や摩擦熱が発生し、スピンドル主軸の振れ回りや発熱を避けることができなかった。また、内外輪の転走面を潤滑する必要があり、ランニングコストが嵩む他、メインテナンスに手間がかかるという問題点もあった。
【０００４】
一方、後者の静圧軸受は作動流体の潤滑膜によって軸を支承するので、前者の転がり軸受よりは高い回転精度を期待できるが、その反面として剛性が低く、加えて油又は空気を加圧するためのポンプやコンプレッサが必要であり、装置が大がかりにならざるを得ないという問題点があった。
【０００５】
また、作動流体として油を用いた静圧軸受では空気を用いたものに比較してその剛性は高くなるが、粘性の影響から高速回転時での発熱量が大きく、主軸を高速回転させるためには強制冷却装置が必要であった。作動流体の発熱量を軽減する対策としては、作動流体の潤滑膜の厚さすなわち軸受クリアランスを大きく設定する方法もあるが、これでは剛性が低下し且つ主軸の振れ回りも大きくなるという問題点があった。
【０００６】
そこで、本願発明者らはこのような従来のスピンドル装置の問題点を解決するものとして、空気動圧軸受によってスピンドル主軸の回転を支承するスピンドル装置を以前に提案している（特願平５−３０５３１号）。この提案によれば、スピントル主軸の回転をラジアル空気動圧軸受及びスラスト空気動圧軸受で支承しているので、転がり軸受を用いた従来のスピンドル装置のように高速回転時に振動を生じることがなく、また静圧軸受を用いた従来のスピンドル装置のように装置が大型化することもなく、回転精度が高く且つ小型なスピンドル装置を得ることができた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、この種の精密加工用スピンドルは、荒加工あるいは仕上げ加工等の各種加工形態に応じ、低速回転（約３０００ｒｐｍ）から高速回転（約５００００ｒｐｍ）までの様々な回転数で使用される。従って、一つのスピンドル装置で各種加工形態に対応するためには、いずれの使用回転数においてもスピンドル主軸が十分な剛性を有している必要がある。
【０００８】
しかし、空気動圧軸受は回転数に比例して荷重の負荷容量が増加するので、この軸受を用いたスピンドル装置では、スピンドル主軸の回転数が低いと当該軸に十分な剛性を与えることができないといった問題点があった。
【０００９】
本発明はこのような問題点に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、低速回転から高速回転までのいずれの回転数においてもスピンドル主軸が十分な剛性を備え、スピンドル主軸の回転数が異なる各種加工形態に幅広く対応することが可能な空気動圧スピンドル装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、本願発明者らは以下に示す二つの発明を案出するに至った。
先ず、第一の発明は空気動圧軸受の動圧発生効果を高めることによって低回転数における当該軸受の負荷容量の増加を図り、以てスピンドル主軸の剛性の向上を図ることを狙いとするものである。
すなわち、第一の発明に係る空気動圧スピンドル装置は、駆動手段に連結されて回転する主軸と、この主軸の周囲に介装されて当該軸をハウジングに対して回転自在に支持するラジアル空気動圧軸受と、上記主軸の周囲に介装されて当該軸の軸方向への移動を規制するスラスト空気動圧軸受とから構成され、上記ラジアル及び／又はスラスト空気動圧軸受には動圧発生用溝と同一面上で且つ当該溝と連通する静圧発生用リセスを形成し、またこれら空気動圧軸受に静圧を与える静圧付与手段を設け、静圧及び動圧を共働させながら上記主軸の回転を支承することを特徴とするものである。
【００１１】
このような技術的手段において、上記ラジアル及び／又はスラスト空気動圧軸受に静圧を与える場合には、静圧付与手段から送出される加圧空気をこれら軸受の軸受クリアランスに噴出する静圧孔をこれら軸受に形成しなければならないが、この静圧孔の配置及び個数は適宜設計変更して差し支えない。但し、主軸の振れを防止するという観点からすれば、上記静圧孔は各軸受の円周を三等分乃至五等分あるいはそれらの整数倍分に分割するように配置されることが好ましい。
【００１２】
また、上記技術的手段においては、主軸の回転に伴い発生する動圧と静圧付与手段によって与えられた静圧とが共働して主軸の回転を支承しているので、主軸の回転数が高くなって大きな動圧が動圧軸受に発生しているのであれば、動圧軸受に付与する静圧は小さくても何ら差し支えない。従って、この装置ではラジアル及び／又はスラスト空気動圧軸受から流出する静圧空気の流量を制御する絞り弁を設け、この絞り弁の開閉に応じてこれら軸受に作用する静圧の大きさを調整するのが好ましく、更にこの絞り弁の開閉量は主軸の回転数及び／又は主軸温度に基づいて制御されるのが好ましい。
【００１３】
更に、上記ラジアル空気動圧軸受に静圧を付与する場合、当該軸受の動圧発生用溝と同一面上には静圧発生用リセスが形成されるが、このリセスの外に静圧付与手段から送出された加圧空気を当該軸受の円周方向に導く空気流入溝を動圧発生用溝と同一面上に形成し、加圧空気がラジアル空気動圧軸受の円周方向に円滑に拡散するように構成するのが好ましい。また、この空気流入溝を絞り溝によって静圧発生用リセスと連通させ、空気流入溝から静圧発生用リセスに流入する空気の圧力をこの絞り溝によって高め、静圧の発生効果の向上を図るのが好ましい。
【００１４】
次に、上記目的を達成する第二の発明は空気動圧軸受で発生する動圧の分布を最適化し、動圧の発生効果を高めることなくスピンドル主軸の剛性の向上を図ることを狙いとするものである。
すなわち、第二の発明に係る空気動圧スピンドル装置は、駆動手段に連結されて回転する主軸と、この主軸の周囲に介装されて当該軸をハウジングに対して回転自在に支持するラジアル空気動圧軸受と、上記主軸の周囲に介装されて当該軸の軸方向への移動を規制するスラスト空気動圧軸受とから構成され、上記スラスト空気動圧軸受に隣接配置されたラジアル空気動圧軸受の動圧発生用溝をスラスト空気動圧軸受側に空気を送り込むポンプアウト型のヘーリングボーン状溝とする一方、上記スラスト空気動圧軸受のラジアル空気動圧軸受側に形成された動圧発生用溝をポンプアウト型のスパイラル状溝としたことを特徴とするものである。
【００１５】
【作用】
これら発明によれば、ラジアル及びスラスト空気動圧軸受は主軸の回転に伴って動圧を発生し、空気潤滑膜によって主軸の回転を非接触に支承する。
【００１６】
第一の発明によれば、動圧発生用溝と同一面上で且つ当該溝と連通する静圧発生用リセスが形成され、また静圧付与手段がこれら空気動圧軸受に静圧を与えているので、主軸は動圧及び静圧の共働によってその回転が支承される。このとき、静圧発生用リセスに溜まった高圧空気は圧力の低い動圧発生用溝に流入していくので、主軸の回転に伴って動圧発生用溝が空気を加圧する効果、すなわち動圧の発生効果が高まって空気潤滑膜の圧力が上昇し、空気動圧軸受の荷重の負荷容量が増大する。
【００１７】
従って、本発明の空気動圧スピンドル装置によれば、静圧が付与されているラジアル及び／又はスラスト空気動圧軸受は主軸が低速で回転している場合にも十分な負荷容量を発揮するので、低速回転であっても主軸の剛性が十分に確保される。
【００１８】
また、本発明では静圧が付与されているラジアル及び／又はスラスト空気動圧軸受から流出する静圧空気の流量を制御する絞り弁を設けると、この絞り弁を操作することにより空気動圧軸受に付与する静圧の大きさを自在に調整することができる。従って、動圧の発生効果が低い主軸の低速回転時にはこの絞り弁を絞って静圧を高め、これによって動圧の発生効果を高めて主軸に十分な剛性を与える一方、動圧の発生効果が高く且つ発熱量が大きい主軸の高速回転時にはこの絞り弁を解放して空気流量を増加し、これによって軸受の冷却効果を高めて熱膨張による主軸の変位を防止することができる。
【００１９】
更に、このとき絞り弁の開閉量を主軸回転数及び／又は主軸温度に基づいて制御すれば、回転数に応じた剛性を主軸に与え且つ熱膨張による主軸の変位を所定の値以下に抑え込むことができる。
【００２０】
また、第二の発明によれば、ラジアル空気動圧軸受に形成されたポンプアウト型のヘーリングボーン状溝が空気をスラスト空気動圧軸受に押し込む一方、スラスト空気動圧軸受に形成されたポンプアウト型のスパイラル状溝はラジアル空気動圧軸受から押し込まれた空気を外周方向に向かって加圧するので、スラスト空気動圧軸受の外周側で高い動圧が発生する。すなわち、主軸中心から離れた位置で高い動圧が発生しているので、主軸が低速回転している場合であっても当該軸に作用する曲げモーメントに対して高い剛性を得ることができる。
【００２１】
【実施例】
以下、添付図面に基づいて本発明の空気動圧スピンドル装置を詳細に説明する。
図１は研削盤の研削軸として用いられる空気動圧スピンドル装置に本発明を適用した第一実施例を示すものであり、符号１は軸端に砥石（図示せず）が装着される主軸を、符号２はハウジングを、符号３及び符号４は上記主軸１をハウジング２に対して回転自在に支持するラジアル空気動圧軸受（以下、ラジアル軸受）及びスラスト空気動圧軸受（以下、スラスト軸受）を夫々示している。
【００２２】
また、符号５，６はハウジング２の両端に固定されたエンドキャップ、符号７は工作物研削時のクーラントがハウジング２内に浸入するのを防止するラビリンスシール、符号８は主軸１に螺合して上記ラビリンスシール７を固定する止め金具である。
【００２３】
上記ラジアル軸受３は上記主軸１に接着接合された内輪３１と、この内輪３１と所定の軸受クリアランスを保持して上記ハウジング２に焼き嵌めされた外輪３２とから構成されている。図３に示すように、上記内輪３１の周面には二重のヘーリング・ボーン状パターンを有する動圧発生用溝３３，３３が形成されており、その溝深さは１０μｍ、主軸回転方向（矢線Ａ方向）に対する溝角度β＝３０°である。また、上記内輪３１の周面には動圧発生用溝３３，３３と連通する静圧発生用リセス３４も形成されている。このリセス３４は二重に形成されたヘーリング・ボーン状溝３３，３３の中央及びこれら溝３３，３３の両端に形成されており、内輪３１の周面を６分割するように円周方向に延びている。また、各リセス３４の溝深さは１０μｍである。
【００２４】
従って、この内輪３１が主軸１と共に矢線Ａ方向へ回転すると、ヘーリングボーン状溝３３，３３が各リセス３４に溜まっている空気を各ヘーリング・ボーン状溝３３の中央部（矢線Ｂ位置）へ流動させ、この位置で高い動圧が発生する。尚、この実施例では主軸１に作用するモーメント荷重に抗するため、所定の間隔をおいて上記ラジアル軸受３を２つ配設したが、個々のラジアル軸受３のモーメント荷重の負荷能力が高い場合にはこれには及ばない。
【００２５】
更に、上記スラスト軸受４は上記主軸１に嵌め合い接合されたカラー４１と、このカラー４１と所定の軸受クリアランスを保持して配設されたスラスト板４２とから構成されている。図４に示すように、上記カラー４１の両表面にはポンプイン型のスパイラル状パターンを有する動圧発生用溝４３が形成されており、その溝深さは１５μｍ、円周方向に対する溝角度α＝１６°である。また、上記カラー４１の両表面には動圧発生用溝４３と連通する静圧発生用リセス４４も形成されている。このリセス４４はスパイラル状溝４３の外周を囲むようにして環状に形成されており、その溝深さは１５μｍである。
【００２６】
従って、スラスト軸受４が主軸１と共に矢線Ｃ方向へ回転すると、ポンプイン型スパイラル状溝４２がリセス４４に溜まっている空気を内周方向へ吸い込み、スパイラル状溝４３の内側で高い動圧が発生する。
【００２７】
上記カラー４１は主軸１上で上記ラジアル軸受３の内輪３１と当接しており、カラー４１の一方の表面に形成された動圧発生用溝４３はハウジング２に固定されたラジアル軸受３の外輪３２と対向している。また、カラー４１の他方の表面に形成された動圧発生用溝４３はスラスト板４２と対向しており、上記スラスト板４２とラジアル軸受３の外輪３２との間にはスペーサ４５が配設されている。これにより、外輪３２とスラスト板４２との間隔は所定値に保持され、主軸１の回転時にカラー４５と外輪３２、カラー４１とスラスト板４２とが夫々に形成する軸受クリアランスを所定値に維持することができる。
【００２８】
また、作動流体である空気の動圧が発生する軸受クリアランスはラジアル軸受３で８μｍ、スラスト軸受４で４μｍとした。このようにスラスト軸受４の軸受クリアランスをラジアル軸受３の軸受クリアランスよりも小さく設定したのは、スラスト軸受４の剛性を高めることによって砥石が装着されるスラスト軸受側の主軸１の軸端の変位を小さくし、研削加工における加工精度の向上を図るためである。
【００２９】
上記ラジアル軸受３の内外輪３１，３２、スラスト軸受４のカラー４１及びスラスト板４２にはアルミナ焼結体のセラミクス材を用いた。上記ヘーリングボーン状溝３３、スパイラル状溝４１及びリセス３４，４４の加工は内輪３１あるいはカラー４１の溝加工面に樹脂製マスクを貼り付け、３５０メッシュのＡｌ２Ｏ３砥粒を用いたショットブラストにより行った。尚、内外輪３１，３２、カラー４１及びスラスト板４２の材料としては、Ａｌ２Ｏ３の焼結体の他、Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２系、Ａｌ２Ｏ３−ＺｒＯ２系、Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２−ＭｇＯ系の複合セラミクス材も適用できる。
【００３０】
また、図２に示すように、上記ラジアル軸受３の外輪３２には円周を三等分するようにして静圧孔３５が形成され、更に互いに隣接する静圧孔３５の間を二分するようにして吐出孔３６が形成されている。これら静圧孔３５及び吐出孔３６は外輪３２を半径方向に貫通しており、静圧孔３５はハウジング２に形成された流体供給通路２１とラジアル軸受３の軸受クリアランス３７とを、吐出孔３６は軸受クリアランス３７とハウジング２に形成された流体排出通路２２とを連通している。また、これら静圧孔３５及び吐出孔３６の内周側の開口は、ラジアル軸受３の内輪３１に形成されたヘーリング・ボーン状溝３３，３３の中央に位置するリセス３４に対向している。
【００３１】
更に、図１に示すように、スラスト軸受４においてはスペーサ４５を半径方向に貫通する静圧孔４６及び吐出孔４７が形成されており、静圧孔４６はエンドキャップ６に形成された流体供給通路６１とスラスト軸受４の軸受クリアランスとを、吐出孔４７はスラスト軸受４の軸受クリアランスとエンドキャップ６に形成された流体排出通路６２とを連通している。またラジアル軸受３と同様に、上記静圧孔４６は円周を三等分するように形成され、吐出孔４７は互いに隣接する静圧孔４６の間を二分するように形成されている。
【００３２】
そして、図１に示すように、流体供給通路２１，６１にはコンプレッサ等の静圧付与手段１０が接続され、静圧付与手段１０から送出された加圧空気がラジアル軸受３の静圧孔３５及びスラスト軸受４の静圧孔４６を介して夫々の軸受の軸受クリアランスに噴出し、各軸受３，４に静圧が作用するようになっている。尚、上記静圧付与手段１０は図示外のエアフィルタを介して加圧空気を送出し、各軸受３，４に供給される空気から塵芥を取り除いている。
【００３３】
一方、流体排出通路２２，６２にはラジアル軸受３の吐出孔３６及びスラスト軸受４の吐出孔４７から吐出される空気の流量を調整する絞り弁２０が接続されている。この絞り弁はコントローラ３０によってその開閉量が制御される電磁弁であり、ラジアル軸受３及びスラスト軸受４の夫々について吐出空気の流量を調整している。また、コントローラ３０は図示外のセンサによって検出された主軸１の回転数及び／又は主軸温度に基づき、その時点での最適な吐出空気の流量を予め定められたプログラムに従って演算し、これに応じて絞り弁２０の開閉量を調整する。
【００３４】
更に、この実施例では主軸１の起動時及び停止時にスラスト軸受４のカラー４１とスラスト板４２とが接触するのを防止するため、カラー４１とスラスト板４２との間には主軸１の自重のみを支える低圧の静圧を付与している。図５及び図６に示すように、スラスト板４２には図示外のコンプレッサに連通する静圧孔４８が穿設され、カラー４１に面した静圧孔４８の周囲には深さ２０μｍのリセス４９が設けられている。これにより主軸１は静圧によって自重を下方から支えられているので、起動時及び停止時にもカラー４１をスラスト板４２に接触させることなく回転することができる。
【００３５】
以上のように構成された本実施例の空気動圧スピンドル装置は、図７に示すように、スピンドル装置のハウジング２をブラケット１１で固定部１２に固定し、やはりこの固定部１２に固定されたモータ１３の出力をベルト１４でスピンドル装置の主軸１に伝達して使用される。このとき、上記ベルト１４は直接主軸１に架け回されるのではなく、カップリング１５を介して主軸１に連結されたサポートベアリング１６に架け回され、これによってモータ１３の起動時や増減速時の衝撃力が主軸１に伝達されるのを防止している。
【００３６】
本実施例のスピンドル装置は空気動圧軸受ではあるが、その使用に当たっては静圧付与手段１０によって加圧空気をラジアル軸受３及びスラスト軸受４に供給して使用される。このため、各軸受３，４では供給された加圧空気が静圧発生用リセス３４，４４に溜まって静圧が発生する。一方、これらリセス３４，４４は動圧発生用溝３３，４３と夫々連通しているので、これらリセス３４，４４に溜まっている加圧空気は主軸１の回転に伴って動圧発生用溝３３，４３に流れ込み、これら動圧発生用溝３３，４３で加圧されて動圧が発生する。つまり、主軸１は静圧及び動圧の共働によってその回転を支承される。
【００３７】
このとき、動圧発生用溝３３，４３に流れ込む空気は静圧を発生させている加圧空気なので、静圧を作用させていない場合に比較して動圧発生用溝３３，４３に対する空気の流れ込みが促進され、主軸１が低速で回転している場合であっても高い動圧が発生する。図８は主軸１の軸方向に沿った各位置での動圧の発生分布を示すグラフであり、実線が静圧を作用させた場合を、破線が静圧を作用させていない場合を示している。また、グラフ中で高圧力の発生位置が二つのラジアル軸受３，３の配設位置と対応している。このグラフから明らかなように、静圧を作用させると、作用させない場合に比較してΔＰだけ高い動圧が発生する。また、二つのラジアル軸受３，３の境界位置の圧力は静圧分Ｐｓだけ上昇する。
【００３８】
従って、本実施例の空気動圧スピンドル装置によれば、低速回転時の主軸１の負荷容量が増大し、低速回転でも高い主軸剛性を得ることができる。
【００３９】
また、本実施例では絞り弁２０によってラジアル軸受３及びスラスト軸受４から吐出される空気の流量を調整しているので、絞り弁２０の開閉量に応じて各軸受３，４に作用する静圧の大きさを調整し、動圧の発生効果を制御することができる。すなわち、吐出空気の流量を少なくすれば大きな静圧が発生するので、動圧の発生効果が高まる一方、吐出空気の流量を多くすれば静圧は小さくなるので、動圧の発生効果は低くなる。また、吐出空気の流量を多くすれば主軸１の冷却効果を高めることもできる。
【００４０】
従って、主軸１の低速回転時には絞り弁２０を絞るようにすれば、空気動圧軸受には不適とされていた低い回転数でも高い動圧発生効果を得ることができ、また高速回転時には絞り弁２０を開けるようにすれば、空気の剪断摩擦熱による主軸１の加熱を防止することができる。
【００４１】
また、本実施例ではこのような絞り弁２０の開閉を主軸１の回転数及び主軸温度に基づいて行っているので、いずれの主軸回転数でも最適な剛性を主軸に与え、且つ、主軸の熱膨張による研削加工精度の悪化を防止することができる。
【００４２】
尚、本実施例ではラジアル軸受３の内輪３１に二重のヘーリングボーン状溝３３，３３を形成したが、主軸に要求される負荷容量に応じて一重のヘーリングボーン状溝としても差し支えない。その場合、静圧発生用リセスはヘーリングボーン状溝の両端に形成するものとし、更に外輪３２を貫通する静圧孔３５及び吐出孔３６は互いに隣接するラジアル軸受３，３の間に形成される。
【００４３】
次に、本発明の第二実施例について説明する。
この実施例では第一実施例に係るラジアル軸受３の内輪３１に形成された溝パターンを図９に示すものとした。すなわち、内輪３１の外周面には、第一実施例と同様に二重のヘーリングボーン状の動圧発生用溝５０，５０が形成され、更に各ヘーリングボーン状溝５０の両端には主軸１の回転方向（矢線Ａ方向）に延びる静圧発生用リセス５１，５１，…が形成されている。また、二重に形成されたヘーリングボーン状溝５０，５０の境界部には外輪３２に形成された静圧孔３５及び吐出孔３６に対向する円周溝５２が形成され、この円周溝５２は隣接するリセス５１，５１，…と絞り溝５３，５３，…によって連通されている。更に、これら溝パターンの両端に位置するリセス５１，５１，…にも絞り溝５３，５３，…が設けられている。
【００４４】
上記絞り溝５３の深さはリセス５１と同じ１０μｍであるが、円周溝５２の深さはこれよりも大きい３ｍｍとした。これは、静圧孔３５から噴出された空気を効率良く円周方向へ拡散させるためである。従って、静圧孔３５から噴出された空気は断面積の大きな円周溝５２を伝わって軸受クリアランス内を円周方向へ拡散し、絞り溝５３を通ってリセス５１に流入する。このとき、絞り溝５３は円周溝５２に拡散して低下した空気の圧力を高め、リセス５１における静圧の効果を高める。
【００４５】
尚、ラジアル軸受３の溝パターンを変更した以外は第一実施例と同じ構成なので、その説明は省略する。
【００４６】
次に、図１０に示す第三実施例について説明する。
この実施例は第二の発明に対応するものであり、スラスト軸受４のカラー４１のラジアル軸受７０側の表面には図１１（ａ）に示すようなポンプアウト型のスパイラル状動圧発生用溝６１が形成される一方、スラスト板４２側の表面には図１１（ｂ）に示すようなポンプイン型のスパイラル状動圧発生用溝６２が形成されている。これら図中においてカラー４１の回転方向は矢線Ｄ方向である。
【００４７】
また、スラスト軸受４に隣接したラジアル軸受３ａの内輪３１には、図１２に示すように、その外周面に一重のヘーリングボーン状溝６３が形成されると共に、上記スラスト軸受３に空気を送り込むポンプアウト型のヘーリングボーン状溝６４が上記ヘーリングボーン状溝６３に沿って形成されている。また、ヘーリングボーン状溝６３の両端には静圧発生用リセス６５が形成され、互いに隣接するリセス６５とヘーリングボーン状溝６３あるいはヘーリングボーン状溝６４は連通している。この図中において内輪３１の回転方向は矢線Ａ方向である。また、スラスト軸受４に隣接していないラジアル軸受３ｂは第一実施例と全く同じ構成である。
【００４８】
更に、この実施例においては、ラジアル軸受３ａに形成された静圧孔３５及び吐出孔３６は互いに隣接するヘーリングボーン状溝６３，６４の間に位置するリセス６５に対向して設けられている。
【００４９】
従って、この実施例では主軸１が回転するとポンプアウト型のヘーリングボーン状溝６４が静圧発生用リセス６５に溜まった空気をスラスト軸受４に送出し、更にカラー４１のラジアル軸受３ａ側に形成されたポンプアウト型のスパイラル状溝６１がこの空気をカラー４１の外周に向かって加圧する。このため、スラスト軸受４では主軸１の軸心から離れたカラー４１の外周側で高い動圧が発生するので、主軸に作用する曲げモーメントに対して高い剛性を発揮することができる。
【００５０】
尚、カラー４１のスラスト板４２側の動圧発生用溝をポンプイン型のスパイラル状溝６２としたのは、主軸１の回転時におけるカラー４１のスラスト板４２に対する浮上力を増強するためである。
【００５１】
この第三実施例において上記以外の構成は全て第一実施例と同じなので、図１０に第一実施例と同一符号を付してその説明は省略する。
【００５２】
また、この第三実施例においてラジアル軸受３ａの溝パターンは図１３に示すものであっても差し支えない。すなわち、ポンプアウト型ヘーリングボーン状溝６６と一重のヘーリングボーン状溝６７の間に静圧孔３５から噴出した空気を円周方向へ拡散させる円周溝６８を形成し、絞り溝６９を通して静圧発生用リセス７０に空気が流れ込むように構成しても良い。
【００５３】
【発明の効果】
以上説明してきたように、第一の発明に係る空気動圧スピンドル装置によれば、ラジアル空気動圧軸受及び／又はスラスト空気動圧軸受の動圧発生用溝と連通する静圧発生用リセスに静圧を与えながらこれら軸受に動圧を発生させているので、動圧の発生効果を高めてその分だけ空気動圧軸受の荷重の負荷容量を増大させることができ、低速回転から高速回転までのいずれの回転数においてもスピンドル主軸に対して十分な剛性を与えることが可能となる。
【００５４】
また、第二の発明に係る空気動圧スピンドル装置によれば、スラスト空気動圧軸受の外周側で高い動圧が発生し、主軸中心から離れた位置で主軸の回転が支承されるので、当該軸に作用する曲げモーメントに対して高い剛性を得ることができ、やはり低速回転から高速回転までのいずれの回転数においてもスピンドル主軸に対して十分な剛性を与えることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の空気動圧スピンドル装置の第一実施例を示す断面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。
【図３】第一実施例に係るラジアル空気動圧軸受に形成された溝パターンを示す図である。
【図４】第一実施例に係るスラスト空気動圧軸受に形成された溝パターンを示す図である。
【図５】第一実施例に係るスラスト板を示す平面図である。
【図６】第一実施例に係るスラスト板を示す断面図である。
【図７】第一実施例に係る空気動圧スピンドル装置の使用例を示す概略図である。
【図８】第一実施例に係る空気動圧スピンドル装置の動圧発生効果を示すグラフである。
【図９】第二実施例に係るラジアル空気動圧軸受に形成された溝パターンを示す図である。
【図１０】本発明の空気動圧スピンドル装置の第三実施例を示す断面図である。
【図１１】第三実施例に係るスラスト空気動圧軸受に形成された溝パターンを示す図である。
【図１２】第三実施例に係るラジアル空気動圧軸受に形成された溝パターンを示す図である。
【図１３】第三実施例に係るラジアル空気動圧軸受の溝パターンの他の実施例を示す図である。
【符号の説明】
１…主軸、２…ハウジング、３…ラジアル空気動圧軸受、４…スラスト空気動圧軸受、１０…静圧付与手段、２０…絞り弁、３０…コントローラ、３５…静圧孔、３３…動圧発生用溝、３４…静圧発生用リセス
【産業上の利用分野】
本発明は、工作機械等において工具若しくは工作物を主軸端に保持して回転するスピンドル装置に係り、詳細には、精密加工用スピンドル装置の主軸を支承する軸受の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種のスピンドル装置としては、その主軸の回転を、玉軸受あるいはころ軸受に代表される転がり軸受や、油又は空気に代表される作動流体の静圧を利用した静圧軸受で支承しているものが主流であった。
【０００３】
しかし、前者の転がり軸受はボールあるいはころが内外輪の間を転走しているので、低速回転においては特に問題が生じないものの、高速回転においては振動や摩擦熱が発生し、スピンドル主軸の振れ回りや発熱を避けることができなかった。また、内外輪の転走面を潤滑する必要があり、ランニングコストが嵩む他、メインテナンスに手間がかかるという問題点もあった。
【０００４】
一方、後者の静圧軸受は作動流体の潤滑膜によって軸を支承するので、前者の転がり軸受よりは高い回転精度を期待できるが、その反面として剛性が低く、加えて油又は空気を加圧するためのポンプやコンプレッサが必要であり、装置が大がかりにならざるを得ないという問題点があった。
【０００５】
また、作動流体として油を用いた静圧軸受では空気を用いたものに比較してその剛性は高くなるが、粘性の影響から高速回転時での発熱量が大きく、主軸を高速回転させるためには強制冷却装置が必要であった。作動流体の発熱量を軽減する対策としては、作動流体の潤滑膜の厚さすなわち軸受クリアランスを大きく設定する方法もあるが、これでは剛性が低下し且つ主軸の振れ回りも大きくなるという問題点があった。
【０００６】
そこで、本願発明者らはこのような従来のスピンドル装置の問題点を解決するものとして、空気動圧軸受によってスピンドル主軸の回転を支承するスピンドル装置を以前に提案している（特願平５−３０５３１号）。この提案によれば、スピントル主軸の回転をラジアル空気動圧軸受及びスラスト空気動圧軸受で支承しているので、転がり軸受を用いた従来のスピンドル装置のように高速回転時に振動を生じることがなく、また静圧軸受を用いた従来のスピンドル装置のように装置が大型化することもなく、回転精度が高く且つ小型なスピンドル装置を得ることができた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、この種の精密加工用スピンドルは、荒加工あるいは仕上げ加工等の各種加工形態に応じ、低速回転（約３０００ｒｐｍ）から高速回転（約５００００ｒｐｍ）までの様々な回転数で使用される。従って、一つのスピンドル装置で各種加工形態に対応するためには、いずれの使用回転数においてもスピンドル主軸が十分な剛性を有している必要がある。
【０００８】
しかし、空気動圧軸受は回転数に比例して荷重の負荷容量が増加するので、この軸受を用いたスピンドル装置では、スピンドル主軸の回転数が低いと当該軸に十分な剛性を与えることができないといった問題点があった。
【０００９】
本発明はこのような問題点に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、低速回転から高速回転までのいずれの回転数においてもスピンドル主軸が十分な剛性を備え、スピンドル主軸の回転数が異なる各種加工形態に幅広く対応することが可能な空気動圧スピンドル装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、本願発明者らは以下に示す二つの発明を案出するに至った。
先ず、第一の発明は空気動圧軸受の動圧発生効果を高めることによって低回転数における当該軸受の負荷容量の増加を図り、以てスピンドル主軸の剛性の向上を図ることを狙いとするものである。
すなわち、第一の発明に係る空気動圧スピンドル装置は、駆動手段に連結されて回転する主軸と、この主軸の周囲に介装されて当該軸をハウジングに対して回転自在に支持するラジアル空気動圧軸受と、上記主軸の周囲に介装されて当該軸の軸方向への移動を規制するスラスト空気動圧軸受とから構成され、上記ラジアル及び／又はスラスト空気動圧軸受には動圧発生用溝と同一面上で且つ当該溝と連通する静圧発生用リセスを形成し、またこれら空気動圧軸受に静圧を与える静圧付与手段を設け、静圧及び動圧を共働させながら上記主軸の回転を支承することを特徴とするものである。
【００１１】
このような技術的手段において、上記ラジアル及び／又はスラスト空気動圧軸受に静圧を与える場合には、静圧付与手段から送出される加圧空気をこれら軸受の軸受クリアランスに噴出する静圧孔をこれら軸受に形成しなければならないが、この静圧孔の配置及び個数は適宜設計変更して差し支えない。但し、主軸の振れを防止するという観点からすれば、上記静圧孔は各軸受の円周を三等分乃至五等分あるいはそれらの整数倍分に分割するように配置されることが好ましい。
【００１２】
また、上記技術的手段においては、主軸の回転に伴い発生する動圧と静圧付与手段によって与えられた静圧とが共働して主軸の回転を支承しているので、主軸の回転数が高くなって大きな動圧が動圧軸受に発生しているのであれば、動圧軸受に付与する静圧は小さくても何ら差し支えない。従って、この装置ではラジアル及び／又はスラスト空気動圧軸受から流出する静圧空気の流量を制御する絞り弁を設け、この絞り弁の開閉に応じてこれら軸受に作用する静圧の大きさを調整するのが好ましく、更にこの絞り弁の開閉量は主軸の回転数及び／又は主軸温度に基づいて制御されるのが好ましい。
【００１３】
更に、上記ラジアル空気動圧軸受に静圧を付与する場合、当該軸受の動圧発生用溝と同一面上には静圧発生用リセスが形成されるが、このリセスの外に静圧付与手段から送出された加圧空気を当該軸受の円周方向に導く空気流入溝を動圧発生用溝と同一面上に形成し、加圧空気がラジアル空気動圧軸受の円周方向に円滑に拡散するように構成するのが好ましい。また、この空気流入溝を絞り溝によって静圧発生用リセスと連通させ、空気流入溝から静圧発生用リセスに流入する空気の圧力をこの絞り溝によって高め、静圧の発生効果の向上を図るのが好ましい。
【００１４】
次に、上記目的を達成する第二の発明は空気動圧軸受で発生する動圧の分布を最適化し、動圧の発生効果を高めることなくスピンドル主軸の剛性の向上を図ることを狙いとするものである。
すなわち、第二の発明に係る空気動圧スピンドル装置は、駆動手段に連結されて回転する主軸と、この主軸の周囲に介装されて当該軸をハウジングに対して回転自在に支持するラジアル空気動圧軸受と、上記主軸の周囲に介装されて当該軸の軸方向への移動を規制するスラスト空気動圧軸受とから構成され、上記スラスト空気動圧軸受に隣接配置されたラジアル空気動圧軸受の動圧発生用溝をスラスト空気動圧軸受側に空気を送り込むポンプアウト型のヘーリングボーン状溝とする一方、上記スラスト空気動圧軸受のラジアル空気動圧軸受側に形成された動圧発生用溝をポンプアウト型のスパイラル状溝としたことを特徴とするものである。
【００１５】
【作用】
これら発明によれば、ラジアル及びスラスト空気動圧軸受は主軸の回転に伴って動圧を発生し、空気潤滑膜によって主軸の回転を非接触に支承する。
【００１６】
第一の発明によれば、動圧発生用溝と同一面上で且つ当該溝と連通する静圧発生用リセスが形成され、また静圧付与手段がこれら空気動圧軸受に静圧を与えているので、主軸は動圧及び静圧の共働によってその回転が支承される。このとき、静圧発生用リセスに溜まった高圧空気は圧力の低い動圧発生用溝に流入していくので、主軸の回転に伴って動圧発生用溝が空気を加圧する効果、すなわち動圧の発生効果が高まって空気潤滑膜の圧力が上昇し、空気動圧軸受の荷重の負荷容量が増大する。
【００１７】
従って、本発明の空気動圧スピンドル装置によれば、静圧が付与されているラジアル及び／又はスラスト空気動圧軸受は主軸が低速で回転している場合にも十分な負荷容量を発揮するので、低速回転であっても主軸の剛性が十分に確保される。
【００１８】
また、本発明では静圧が付与されているラジアル及び／又はスラスト空気動圧軸受から流出する静圧空気の流量を制御する絞り弁を設けると、この絞り弁を操作することにより空気動圧軸受に付与する静圧の大きさを自在に調整することができる。従って、動圧の発生効果が低い主軸の低速回転時にはこの絞り弁を絞って静圧を高め、これによって動圧の発生効果を高めて主軸に十分な剛性を与える一方、動圧の発生効果が高く且つ発熱量が大きい主軸の高速回転時にはこの絞り弁を解放して空気流量を増加し、これによって軸受の冷却効果を高めて熱膨張による主軸の変位を防止することができる。
【００１９】
更に、このとき絞り弁の開閉量を主軸回転数及び／又は主軸温度に基づいて制御すれば、回転数に応じた剛性を主軸に与え且つ熱膨張による主軸の変位を所定の値以下に抑え込むことができる。
【００２０】
また、第二の発明によれば、ラジアル空気動圧軸受に形成されたポンプアウト型のヘーリングボーン状溝が空気をスラスト空気動圧軸受に押し込む一方、スラスト空気動圧軸受に形成されたポンプアウト型のスパイラル状溝はラジアル空気動圧軸受から押し込まれた空気を外周方向に向かって加圧するので、スラスト空気動圧軸受の外周側で高い動圧が発生する。すなわち、主軸中心から離れた位置で高い動圧が発生しているので、主軸が低速回転している場合であっても当該軸に作用する曲げモーメントに対して高い剛性を得ることができる。
【００２１】
【実施例】
以下、添付図面に基づいて本発明の空気動圧スピンドル装置を詳細に説明する。
図１は研削盤の研削軸として用いられる空気動圧スピンドル装置に本発明を適用した第一実施例を示すものであり、符号１は軸端に砥石（図示せず）が装着される主軸を、符号２はハウジングを、符号３及び符号４は上記主軸１をハウジング２に対して回転自在に支持するラジアル空気動圧軸受（以下、ラジアル軸受）及びスラスト空気動圧軸受（以下、スラスト軸受）を夫々示している。
【００２２】
また、符号５，６はハウジング２の両端に固定されたエンドキャップ、符号７は工作物研削時のクーラントがハウジング２内に浸入するのを防止するラビリンスシール、符号８は主軸１に螺合して上記ラビリンスシール７を固定する止め金具である。
【００２３】
上記ラジアル軸受３は上記主軸１に接着接合された内輪３１と、この内輪３１と所定の軸受クリアランスを保持して上記ハウジング２に焼き嵌めされた外輪３２とから構成されている。図３に示すように、上記内輪３１の周面には二重のヘーリング・ボーン状パターンを有する動圧発生用溝３３，３３が形成されており、その溝深さは１０μｍ、主軸回転方向（矢線Ａ方向）に対する溝角度β＝３０°である。また、上記内輪３１の周面には動圧発生用溝３３，３３と連通する静圧発生用リセス３４も形成されている。このリセス３４は二重に形成されたヘーリング・ボーン状溝３３，３３の中央及びこれら溝３３，３３の両端に形成されており、内輪３１の周面を６分割するように円周方向に延びている。また、各リセス３４の溝深さは１０μｍである。
【００２４】
従って、この内輪３１が主軸１と共に矢線Ａ方向へ回転すると、ヘーリングボーン状溝３３，３３が各リセス３４に溜まっている空気を各ヘーリング・ボーン状溝３３の中央部（矢線Ｂ位置）へ流動させ、この位置で高い動圧が発生する。尚、この実施例では主軸１に作用するモーメント荷重に抗するため、所定の間隔をおいて上記ラジアル軸受３を２つ配設したが、個々のラジアル軸受３のモーメント荷重の負荷能力が高い場合にはこれには及ばない。
【００２５】
更に、上記スラスト軸受４は上記主軸１に嵌め合い接合されたカラー４１と、このカラー４１と所定の軸受クリアランスを保持して配設されたスラスト板４２とから構成されている。図４に示すように、上記カラー４１の両表面にはポンプイン型のスパイラル状パターンを有する動圧発生用溝４３が形成されており、その溝深さは１５μｍ、円周方向に対する溝角度α＝１６°である。また、上記カラー４１の両表面には動圧発生用溝４３と連通する静圧発生用リセス４４も形成されている。このリセス４４はスパイラル状溝４３の外周を囲むようにして環状に形成されており、その溝深さは１５μｍである。
【００２６】
従って、スラスト軸受４が主軸１と共に矢線Ｃ方向へ回転すると、ポンプイン型スパイラル状溝４２がリセス４４に溜まっている空気を内周方向へ吸い込み、スパイラル状溝４３の内側で高い動圧が発生する。
【００２７】
上記カラー４１は主軸１上で上記ラジアル軸受３の内輪３１と当接しており、カラー４１の一方の表面に形成された動圧発生用溝４３はハウジング２に固定されたラジアル軸受３の外輪３２と対向している。また、カラー４１の他方の表面に形成された動圧発生用溝４３はスラスト板４２と対向しており、上記スラスト板４２とラジアル軸受３の外輪３２との間にはスペーサ４５が配設されている。これにより、外輪３２とスラスト板４２との間隔は所定値に保持され、主軸１の回転時にカラー４５と外輪３２、カラー４１とスラスト板４２とが夫々に形成する軸受クリアランスを所定値に維持することができる。
【００２８】
また、作動流体である空気の動圧が発生する軸受クリアランスはラジアル軸受３で８μｍ、スラスト軸受４で４μｍとした。このようにスラスト軸受４の軸受クリアランスをラジアル軸受３の軸受クリアランスよりも小さく設定したのは、スラスト軸受４の剛性を高めることによって砥石が装着されるスラスト軸受側の主軸１の軸端の変位を小さくし、研削加工における加工精度の向上を図るためである。
【００２９】
上記ラジアル軸受３の内外輪３１，３２、スラスト軸受４のカラー４１及びスラスト板４２にはアルミナ焼結体のセラミクス材を用いた。上記ヘーリングボーン状溝３３、スパイラル状溝４１及びリセス３４，４４の加工は内輪３１あるいはカラー４１の溝加工面に樹脂製マスクを貼り付け、３５０メッシュのＡｌ２Ｏ３砥粒を用いたショットブラストにより行った。尚、内外輪３１，３２、カラー４１及びスラスト板４２の材料としては、Ａｌ２Ｏ３の焼結体の他、Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２系、Ａｌ２Ｏ３−ＺｒＯ２系、Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２−ＭｇＯ系の複合セラミクス材も適用できる。
【００３０】
また、図２に示すように、上記ラジアル軸受３の外輪３２には円周を三等分するようにして静圧孔３５が形成され、更に互いに隣接する静圧孔３５の間を二分するようにして吐出孔３６が形成されている。これら静圧孔３５及び吐出孔３６は外輪３２を半径方向に貫通しており、静圧孔３５はハウジング２に形成された流体供給通路２１とラジアル軸受３の軸受クリアランス３７とを、吐出孔３６は軸受クリアランス３７とハウジング２に形成された流体排出通路２２とを連通している。また、これら静圧孔３５及び吐出孔３６の内周側の開口は、ラジアル軸受３の内輪３１に形成されたヘーリング・ボーン状溝３３，３３の中央に位置するリセス３４に対向している。
【００３１】
更に、図１に示すように、スラスト軸受４においてはスペーサ４５を半径方向に貫通する静圧孔４６及び吐出孔４７が形成されており、静圧孔４６はエンドキャップ６に形成された流体供給通路６１とスラスト軸受４の軸受クリアランスとを、吐出孔４７はスラスト軸受４の軸受クリアランスとエンドキャップ６に形成された流体排出通路６２とを連通している。またラジアル軸受３と同様に、上記静圧孔４６は円周を三等分するように形成され、吐出孔４７は互いに隣接する静圧孔４６の間を二分するように形成されている。
【００３２】
そして、図１に示すように、流体供給通路２１，６１にはコンプレッサ等の静圧付与手段１０が接続され、静圧付与手段１０から送出された加圧空気がラジアル軸受３の静圧孔３５及びスラスト軸受４の静圧孔４６を介して夫々の軸受の軸受クリアランスに噴出し、各軸受３，４に静圧が作用するようになっている。尚、上記静圧付与手段１０は図示外のエアフィルタを介して加圧空気を送出し、各軸受３，４に供給される空気から塵芥を取り除いている。
【００３３】
一方、流体排出通路２２，６２にはラジアル軸受３の吐出孔３６及びスラスト軸受４の吐出孔４７から吐出される空気の流量を調整する絞り弁２０が接続されている。この絞り弁はコントローラ３０によってその開閉量が制御される電磁弁であり、ラジアル軸受３及びスラスト軸受４の夫々について吐出空気の流量を調整している。また、コントローラ３０は図示外のセンサによって検出された主軸１の回転数及び／又は主軸温度に基づき、その時点での最適な吐出空気の流量を予め定められたプログラムに従って演算し、これに応じて絞り弁２０の開閉量を調整する。
【００３４】
更に、この実施例では主軸１の起動時及び停止時にスラスト軸受４のカラー４１とスラスト板４２とが接触するのを防止するため、カラー４１とスラスト板４２との間には主軸１の自重のみを支える低圧の静圧を付与している。図５及び図６に示すように、スラスト板４２には図示外のコンプレッサに連通する静圧孔４８が穿設され、カラー４１に面した静圧孔４８の周囲には深さ２０μｍのリセス４９が設けられている。これにより主軸１は静圧によって自重を下方から支えられているので、起動時及び停止時にもカラー４１をスラスト板４２に接触させることなく回転することができる。
【００３５】
以上のように構成された本実施例の空気動圧スピンドル装置は、図７に示すように、スピンドル装置のハウジング２をブラケット１１で固定部１２に固定し、やはりこの固定部１２に固定されたモータ１３の出力をベルト１４でスピンドル装置の主軸１に伝達して使用される。このとき、上記ベルト１４は直接主軸１に架け回されるのではなく、カップリング１５を介して主軸１に連結されたサポートベアリング１６に架け回され、これによってモータ１３の起動時や増減速時の衝撃力が主軸１に伝達されるのを防止している。
【００３６】
本実施例のスピンドル装置は空気動圧軸受ではあるが、その使用に当たっては静圧付与手段１０によって加圧空気をラジアル軸受３及びスラスト軸受４に供給して使用される。このため、各軸受３，４では供給された加圧空気が静圧発生用リセス３４，４４に溜まって静圧が発生する。一方、これらリセス３４，４４は動圧発生用溝３３，４３と夫々連通しているので、これらリセス３４，４４に溜まっている加圧空気は主軸１の回転に伴って動圧発生用溝３３，４３に流れ込み、これら動圧発生用溝３３，４３で加圧されて動圧が発生する。つまり、主軸１は静圧及び動圧の共働によってその回転を支承される。
【００３７】
このとき、動圧発生用溝３３，４３に流れ込む空気は静圧を発生させている加圧空気なので、静圧を作用させていない場合に比較して動圧発生用溝３３，４３に対する空気の流れ込みが促進され、主軸１が低速で回転している場合であっても高い動圧が発生する。図８は主軸１の軸方向に沿った各位置での動圧の発生分布を示すグラフであり、実線が静圧を作用させた場合を、破線が静圧を作用させていない場合を示している。また、グラフ中で高圧力の発生位置が二つのラジアル軸受３，３の配設位置と対応している。このグラフから明らかなように、静圧を作用させると、作用させない場合に比較してΔＰだけ高い動圧が発生する。また、二つのラジアル軸受３，３の境界位置の圧力は静圧分Ｐｓだけ上昇する。
【００３８】
従って、本実施例の空気動圧スピンドル装置によれば、低速回転時の主軸１の負荷容量が増大し、低速回転でも高い主軸剛性を得ることができる。
【００３９】
また、本実施例では絞り弁２０によってラジアル軸受３及びスラスト軸受４から吐出される空気の流量を調整しているので、絞り弁２０の開閉量に応じて各軸受３，４に作用する静圧の大きさを調整し、動圧の発生効果を制御することができる。すなわち、吐出空気の流量を少なくすれば大きな静圧が発生するので、動圧の発生効果が高まる一方、吐出空気の流量を多くすれば静圧は小さくなるので、動圧の発生効果は低くなる。また、吐出空気の流量を多くすれば主軸１の冷却効果を高めることもできる。
【００４０】
従って、主軸１の低速回転時には絞り弁２０を絞るようにすれば、空気動圧軸受には不適とされていた低い回転数でも高い動圧発生効果を得ることができ、また高速回転時には絞り弁２０を開けるようにすれば、空気の剪断摩擦熱による主軸１の加熱を防止することができる。
【００４１】
また、本実施例ではこのような絞り弁２０の開閉を主軸１の回転数及び主軸温度に基づいて行っているので、いずれの主軸回転数でも最適な剛性を主軸に与え、且つ、主軸の熱膨張による研削加工精度の悪化を防止することができる。
【００４２】
尚、本実施例ではラジアル軸受３の内輪３１に二重のヘーリングボーン状溝３３，３３を形成したが、主軸に要求される負荷容量に応じて一重のヘーリングボーン状溝としても差し支えない。その場合、静圧発生用リセスはヘーリングボーン状溝の両端に形成するものとし、更に外輪３２を貫通する静圧孔３５及び吐出孔３６は互いに隣接するラジアル軸受３，３の間に形成される。
【００４３】
次に、本発明の第二実施例について説明する。
この実施例では第一実施例に係るラジアル軸受３の内輪３１に形成された溝パターンを図９に示すものとした。すなわち、内輪３１の外周面には、第一実施例と同様に二重のヘーリングボーン状の動圧発生用溝５０，５０が形成され、更に各ヘーリングボーン状溝５０の両端には主軸１の回転方向（矢線Ａ方向）に延びる静圧発生用リセス５１，５１，…が形成されている。また、二重に形成されたヘーリングボーン状溝５０，５０の境界部には外輪３２に形成された静圧孔３５及び吐出孔３６に対向する円周溝５２が形成され、この円周溝５２は隣接するリセス５１，５１，…と絞り溝５３，５３，…によって連通されている。更に、これら溝パターンの両端に位置するリセス５１，５１，…にも絞り溝５３，５３，…が設けられている。
【００４４】
上記絞り溝５３の深さはリセス５１と同じ１０μｍであるが、円周溝５２の深さはこれよりも大きい３ｍｍとした。これは、静圧孔３５から噴出された空気を効率良く円周方向へ拡散させるためである。従って、静圧孔３５から噴出された空気は断面積の大きな円周溝５２を伝わって軸受クリアランス内を円周方向へ拡散し、絞り溝５３を通ってリセス５１に流入する。このとき、絞り溝５３は円周溝５２に拡散して低下した空気の圧力を高め、リセス５１における静圧の効果を高める。
【００４５】
尚、ラジアル軸受３の溝パターンを変更した以外は第一実施例と同じ構成なので、その説明は省略する。
【００４６】
次に、図１０に示す第三実施例について説明する。
この実施例は第二の発明に対応するものであり、スラスト軸受４のカラー４１のラジアル軸受７０側の表面には図１１（ａ）に示すようなポンプアウト型のスパイラル状動圧発生用溝６１が形成される一方、スラスト板４２側の表面には図１１（ｂ）に示すようなポンプイン型のスパイラル状動圧発生用溝６２が形成されている。これら図中においてカラー４１の回転方向は矢線Ｄ方向である。
【００４７】
また、スラスト軸受４に隣接したラジアル軸受３ａの内輪３１には、図１２に示すように、その外周面に一重のヘーリングボーン状溝６３が形成されると共に、上記スラスト軸受３に空気を送り込むポンプアウト型のヘーリングボーン状溝６４が上記ヘーリングボーン状溝６３に沿って形成されている。また、ヘーリングボーン状溝６３の両端には静圧発生用リセス６５が形成され、互いに隣接するリセス６５とヘーリングボーン状溝６３あるいはヘーリングボーン状溝６４は連通している。この図中において内輪３１の回転方向は矢線Ａ方向である。また、スラスト軸受４に隣接していないラジアル軸受３ｂは第一実施例と全く同じ構成である。
【００４８】
更に、この実施例においては、ラジアル軸受３ａに形成された静圧孔３５及び吐出孔３６は互いに隣接するヘーリングボーン状溝６３，６４の間に位置するリセス６５に対向して設けられている。
【００４９】
従って、この実施例では主軸１が回転するとポンプアウト型のヘーリングボーン状溝６４が静圧発生用リセス６５に溜まった空気をスラスト軸受４に送出し、更にカラー４１のラジアル軸受３ａ側に形成されたポンプアウト型のスパイラル状溝６１がこの空気をカラー４１の外周に向かって加圧する。このため、スラスト軸受４では主軸１の軸心から離れたカラー４１の外周側で高い動圧が発生するので、主軸に作用する曲げモーメントに対して高い剛性を発揮することができる。
【００５０】
尚、カラー４１のスラスト板４２側の動圧発生用溝をポンプイン型のスパイラル状溝６２としたのは、主軸１の回転時におけるカラー４１のスラスト板４２に対する浮上力を増強するためである。
【００５１】
この第三実施例において上記以外の構成は全て第一実施例と同じなので、図１０に第一実施例と同一符号を付してその説明は省略する。
【００５２】
また、この第三実施例においてラジアル軸受３ａの溝パターンは図１３に示すものであっても差し支えない。すなわち、ポンプアウト型ヘーリングボーン状溝６６と一重のヘーリングボーン状溝６７の間に静圧孔３５から噴出した空気を円周方向へ拡散させる円周溝６８を形成し、絞り溝６９を通して静圧発生用リセス７０に空気が流れ込むように構成しても良い。
【００５３】
【発明の効果】
以上説明してきたように、第一の発明に係る空気動圧スピンドル装置によれば、ラジアル空気動圧軸受及び／又はスラスト空気動圧軸受の動圧発生用溝と連通する静圧発生用リセスに静圧を与えながらこれら軸受に動圧を発生させているので、動圧の発生効果を高めてその分だけ空気動圧軸受の荷重の負荷容量を増大させることができ、低速回転から高速回転までのいずれの回転数においてもスピンドル主軸に対して十分な剛性を与えることが可能となる。
【００５４】
また、第二の発明に係る空気動圧スピンドル装置によれば、スラスト空気動圧軸受の外周側で高い動圧が発生し、主軸中心から離れた位置で主軸の回転が支承されるので、当該軸に作用する曲げモーメントに対して高い剛性を得ることができ、やはり低速回転から高速回転までのいずれの回転数においてもスピンドル主軸に対して十分な剛性を与えることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の空気動圧スピンドル装置の第一実施例を示す断面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。
【図３】第一実施例に係るラジアル空気動圧軸受に形成された溝パターンを示す図である。
【図４】第一実施例に係るスラスト空気動圧軸受に形成された溝パターンを示す図である。
【図５】第一実施例に係るスラスト板を示す平面図である。
【図６】第一実施例に係るスラスト板を示す断面図である。
【図７】第一実施例に係る空気動圧スピンドル装置の使用例を示す概略図である。
【図８】第一実施例に係る空気動圧スピンドル装置の動圧発生効果を示すグラフである。
【図９】第二実施例に係るラジアル空気動圧軸受に形成された溝パターンを示す図である。
【図１０】本発明の空気動圧スピンドル装置の第三実施例を示す断面図である。
【図１１】第三実施例に係るスラスト空気動圧軸受に形成された溝パターンを示す図である。
【図１２】第三実施例に係るラジアル空気動圧軸受に形成された溝パターンを示す図である。
【図１３】第三実施例に係るラジアル空気動圧軸受の溝パターンの他の実施例を示す図である。
【符号の説明】
１…主軸、２…ハウジング、３…ラジアル空気動圧軸受、４…スラスト空気動圧軸受、１０…静圧付与手段、２０…絞り弁、３０…コントローラ、３５…静圧孔、３３…動圧発生用溝、３４…静圧発生用リセス
Claims (1)
- 駆動手段に連結されて回転する主軸と、この主軸の周囲に介装されて当該軸をハウジングに対して回転自在に支持するラジアル空気動圧軸受と、上記主軸の周囲に介装されて当該軸の軸方向への移動を規制するスラスト空気動圧軸受とから構成され、
上記スラスト空気動圧軸受に隣接配置されたラジアル空気動圧軸受の動圧発生用溝をスラスト空気動圧軸受側に空気を送り込むポンプアウト型のヘーリングボーン状溝とする一方、上記スラスト空気動圧軸受のラジアル空気動圧軸受側に形成された動圧発生用溝をポンプアウト型のスパイラル状溝としたことを特徴とする空気動圧スピンドル装置。
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