JP3656839B2

JP3656839B2 - Fluid bearing device and fluid bearing system

Info

Publication number: JP3656839B2
Application number: JP2001325888A
Authority: JP
Inventors: 一郎片山; 秀夫涌井; 利充設楽; 成香吉本
Original assignee: UNION TOOL Co
Current assignee: UNION TOOL Co
Priority date: 2001-10-24
Filing date: 2001-10-24
Publication date: 2005-06-08
Anticipated expiration: 2021-10-24
Also published as: JP2003130052A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転体と固定部との間に流体を供給して回転体を支持する流体軸受装置に係り、特に回転側軸受面と固定側軸受面との間に液体を供給して静圧と動圧とを発生させて回転体を支持する流体軸受装置および流体軸受システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
プリント配線基板（ＰＣＢ）に形成される穴は、直径が６．５ｍｍ程度から０．１ｍｍ程度にわたっている。これらの穴は、通常、同一の穴あけ機によって異なった径を有するドリルを用いて形成される。このため、穴あけ機のスピンドルの回転速度は、太径のドリルを使用するときの１５ｋｒｐｍ（１．５万回転／分）から、極小径のドリルを使用するときの１６０ｋｒｐｍまで広範囲にわたっている。また、近年は、電子機器の小型化、高機能化に伴って、ドリル径がより小径化し、ドリルの回転速度として２００ｋｒｐｍ以上が要求されている。そして、プリント配線基板に使用する穴あけ機は、頻繁に起動と停止が繰り返される。
【０００３】
すなわち、高速の穴あけ機においては、毎秒数ヒット程度の割合で穴あけが行なわれる。また、プリント配線基板の穴あけに使用するドリルの寿命は、小径ドリルにおいて１０００〜３０００ヒット程度である。従って、穴あけ機は、日に何度も停止させてドリルの交換を行なう必要がある。そのため、穴あけ作業の効率を高めるためには、短時間で起動、停止が可能でなければならない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来、回転速度が１００ｋｒｍを超えるような高速回転する回転体を支持する場合、軸受として一般に流体軸受を用いたスピンドルが採用されている。そして、高速回転用の流体軸受は、通常、軸受負荷が大きい場合に静圧軸受が用いられ、軽負荷の場合に動圧軸受が採用されている。また、流体軸受における潤滑剤としての流体は、空気や油などが使用されている。
【０００５】
流体として空気を用いる流体軸受（空気軸受）は、圧縮性であって粘性が小さいため、固定側の軸受面と回転体との間に高圧の空気を供給するか、軸受面積を広くしなければ充分な負荷容量と剛性とを得ることができない。このため、穴あけ機の軸受として静圧空気軸受を採用した場合、低速回転時の大きな軸受負荷に耐えられる負荷容量を得るために高圧の空気を使用すると、空気の使用量が多くなってランニングコストが上昇する。また、空気軸受の軸受面積を広くすると、パワーロスが増加するばかりでなく、回転体の質量が大きくなって起動、停止に時間がかかり、作業効率が低下する。また、空気は、熱伝導率が低いため、ハウジングを冷却したとしても、回転体を回転させるモータの発熱と空気の摩擦によるせん断熱とによって回転体の温度が上昇し、回転体に大きな熱変位が生じて加工精度が低下することがある。
【０００６】
他方、流体として油を使用する流体軸受（油軸受）は、油の粘性が高く、非圧縮性であるために大きな負荷容量を有する。しかし、油は、粘性が空気と比較して非常に大きいため、粘性抵抗（摩擦抵抗）が大きく、パワーロスが大きくなる。また、摩擦抵抗が大きいために油の温度が上昇してしまい、高速回転をさせることが難しい。このため、プリント配線基板の穴あけ機に採用することは困難である。
【０００７】
本発明は、前記従来技術の欠点を解消するためになされたもので、低速回転領域から高速回転領域まで安定して回転体を支持できるとともに、大きな負荷容量が得られ、さらにパワーロスを抑制することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明に係る流体軸受装置は、回転体の回転側軸受面に対面して設けられ、液体を介して回転体を支持する固定側軸受面と、この固定側軸受面に設けられて回転側軸受面との間に液体を供給する第１液体供給孔と、前記回転側軸受面に設けられて固定側軸受面との間に液体を供給する第２液体供給孔と、を有することを特徴としている。
【０００９】
液体は、粘性の小さなものが望ましいが、経済性や安全性を考慮すると、水が比較的適している。そして、第２液体供給孔は、回転側軸受面に形成した凹部の、高速回転時に圧力が低下する位置に設けるとよい。回転側軸受面に形成する凹部は、動圧を発生させるために、一般に静圧軸受に形成される凹部より浅く形成する。また、回転側軸受面と固定側軸受面とは、円錐面に形成することができる。
【００１０】
そして、本発明に係る流体軸受システムは、請求項１ないし３のいずれか１に記載の流体軸受装置と、前記第２液体供給孔に前記液体を供給する給液手段と、与えられた前記回転体の回転速度と、回転体に取り付けた工具の必要負荷容量とに基づいて前記給液手段を制御し、前記固定側軸受面によって前記回転体を支持可能な液体を前記第２液体供給孔に供給する制御手段と、を有することを特徴としている。
【００１１】
【作用】
上記のようになっている本発明は、固定側軸受面と回転側軸受面とから両者の間に潤滑剤である液体を供給することにより、低速回転領域において静圧軸受の作用を行なわせることができ、大きな負荷容量が得られて大きな軸受負荷が作用する場合にも、回転体を安定して支持することができる。また、高速回転領域においては、静圧と動圧とのハイブリッド軸受として作用し、高速回転時の軸受負荷を支持することを可能にする。
【００１２】
回転側軸受面に形成する第２液体供給孔を、回転側軸受面に形成した凹部の、高速回転時に圧力が低下する位置に設けると、遠心力による増圧作用によって液体が第２液体供給孔から吐き出され、圧力の低下を防止して、液体の不足によって軸受機能が低下するのを防止するとともに、回転体内部への液体の供給圧力を小さくすることができる。そして、回転側軸受面と固定側軸受面とを円錐面とすることにより、回転側軸受面にスラスト方向とラジアル方向との分力を作用させることができ、少ない軸受面積で回転体の軸線方向の支持ばかりでなく、軸線と直交した方向の支持が可能となり、回転体の軽量化とパワーロスの低減が可能となる。
【００１３】
また、本発明に係る流体軸受システムにおいては、回転体の回転速度における必要負荷容量に基づいて、制御手段が流体軸受装置の回転側軸受面に設けた第２液体供給孔に供給する液体の量を、固定側軸受面によって回転体を支持可能な量とするため、回転体の任意の回転領域において、流体軸受４０に対する所望の負荷容量が得られるとともに、パワーロスを抑制することが可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明に係る流体軸受装置および流体軸受システムの好ましい実施の形態を、添付図面に従って詳細に説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る流体軸受装置を有する穴あけ機用スピンドル装置の断面図であり、図２は本発明の実施の形態に係る流体軸受装置の詳細を示す断面図である。これらの図において、スピンドル装置１０は、固定部となる円筒体１２の中心部に回転体であるロータ部２０が円筒体１２と同心に配置してあり、回転するようになっている。ロータ部２０は、中心部に軸線に沿った中心孔２２を有する有底円筒状に形成してある。この中心孔２２は、後述するように給水路としての役割をなす。
【００１５】
ロータ部２０の周囲には、ロータ部２０とともにモータを構成するステータ部２６がロータ部２０と同心に配置してある。このステータ部２６は、円筒体１２の内周面に固定してあって、ロータ部２０の磁石２８と対向した位置に鉄心３０を有する。
【００１６】
一方、ロータ部２０の上端部には、給水管３２が配置してある。給水管３２は、後述するように、ロータ部２０に潤滑用の液体（実施形態の場合、イオン交換水または純水）を供給するためのもので、下端部がロータ部２０に設けた中心孔２２の上端部に同心状に挿入されており、上端部が管支持部材３４の下端部に挿入して固定してある。そして、管支持部材３４は、上端部が図示しない支持部を介して円筒体１２に固定してある。また、給水管３２の下端部は、ロータ部２０の中心孔２２内に遊嵌してあって、ロータ部２０が給水管３２に対して回転自在となっている。
【００１７】
ロータ部２０は、上端部および円筒部２４の下部において、流体軸受（流体軸受装置）４０、４２を介して円筒体１２に回転自在に支持されている。流体軸受４０、４２は、基本的な構造が同じにしてあって、円筒体１２の内周面に固定した軸受ホルダ４４、４６の内周部に設けた固定側軸受部材４８、５０と、ロータ部２０の外周面に形成した回転側軸受部５２、５４とを有する。そして、上側の軸受ホルダ４４は、ステータ部２６の上面に接して配置してあり、ステータ部２６と円筒体１２に形成した段部５６とによって上下方向の位置決めがなされている。また、下側の軸受ホルダ４６は、ステータ部２６の下方に配置してあって、円筒体１２の下端部内周面に螺合したロックナット５８によって下端位置が位置決めしてある。
【００１８】
流体軸受４０、４２は、図２に下側の流体軸受４２を例にして示したように、ロータ部２０に形成した回転側軸受部５４の外周面が回転側軸受面５４ａとなっている。この回転側軸受面５４ａは、先端側に向けて縮径した円錐面（テーパ面）となっている。そして、回転側軸受部５４の周囲には、軸受ホルダ４６に固定した固定側軸受部材５０が配置してある。この固定側軸受部材５０は、図３に示したように、本体部５０ａと鍔部５０ｂとを有する側面視がかんかん帽状に形成してある。そして、固定側軸受部材５０は、中心部に鍔部５０ｂの上端側から本体部５０ａの下端側に向けて漸次縮径する円錐面（テーパ面）からなる固定側軸受面５０ｃが設けてある。
【００１９】
固定側軸受部材５０は、図１、図２に示してあるように、固定側軸受面５０ｃと回転側軸受面５４ａとが対面するように回転側軸受部５４の周囲に配置され、鍔部５０を上側にして軸受ホルダ４６に取り付けてある。そして、固定側軸受部材５０の本体部５０ａの外周面には、図２に示した環状給水路６０を形成する周溝５０ｄが設けてある。さらに、本体５０ａの内周面、すなわち固定側軸受面５０ｃの下部には、幅の狭い浅い周溝５０ｅが形成してある。そして、本体部５０ａには、外周面に形成した周溝５０ｄと固定側軸受面５０ｃに形成した周溝５０ｅとを連通する給水孔５０ｆが形成してある。給水孔５０ｆは、本体部５０ａの軸線に直交し、本体部５０ａの中心に対して放射状に複数形成してある。
【００２０】
本体部５０ａの外周面に設けた周溝５０ｄによって形成した環状給水路６０は、図１および図２に示したように、軸受ホルダ４６に設けた給水路６２の先端に接続してある。この給水路６２の後端側は、図１に示したように、円筒体１２の外周面に設けた第１給水路６４に接続している。第１給水路６４は、円筒体１２の軸線に沿って設けてある。また、円筒体１２の外周面には、上側の流体軸受４０を構成している固定側軸受部材４８に潤滑剤となるイオン交換水または純水を供給する第２給水路６６が軸線に沿って形成してある。これらの第１給水路６４と第２給水路６６とは、円筒体１２の外周面に形成した溝部と、円筒体１２に外嵌したスリーブ部材６８とによって形成され、図示しない給水源に接続される。
【００２１】
回転側軸受部５４の回転側軸受面５４ａには、図４、図５に示したように、一定の間隔で台形状の凹部５４ｂが複数形成してある。これらの凹部５４ｂは、後述するように動圧を得るために浅く形成してあって、例えばクリアランス（固定側軸受面と回転側軸受面との間隔）の数倍程度の深さにしてある。また、回転側軸受部５４には、各凹部５４ｂに対応して給水孔５４ｃが設けてある。各給水孔５４ｃは、実施形態の場合、回転側軸受面５４ａと直交するように形成してあって、一端がロータ部２０の中心部に設けた給水路となる中心孔２２に連通し、他端（先端）が凹部５４ｂ内に開口している。そして、凹部５４ｂ内における給水孔５４ｃの開口５４ｅの位置は、ロータ部２０が図４の矢印７０のように回転する場合、凹部５４ｂの回転方向側端部５４ｆの上隅となっている。これは、ロータ部２０が矢印７０のように回転したときに、後述するように、凹部５４ｂ内の水（図示せず）が、水の有する粘性によって回転方向７０の反対方向に相対移動し、回転方向側端部５４ｆが負圧になるのを防止するためである。また、固定側軸受部材５０に形成した給水孔５０ｆの固定側軸受面５０ｃにおける開口５０ｇ（図５参照）は、回転側軸受部５４に設けた凹部５４ｂの下端部に位置している。
【００２２】
なお、上側の流体軸受４０は、下側の流体軸受４２と同じ作用が得られるようになっている。ただし、上側の流体軸受４０においては、固定側軸受部材４８に設けた固定側軸受面が、フランジ部の上端側から本体部の下端側に向けて漸次大径となる円錐面として形成してある。そして、固定側軸受部材４８に設けた給水孔の固定側軸受面における開口は、回転側軸受部５２に設けた凹部の上端部と対応した位置に形成してある。また、回転側軸受部５２の給水孔の回転側軸受面における開口は、回転側軸受部５２に形成した凹部の、回転側軸受部５２の回転方向端部の下隅に形成してある。
【００２３】
下側の軸受ホルダ４６の上部には、図１に示したように皿ばね８０が配置してある。この皿ばね８０は、固定側軸受部材５０の固定側軸受面５０ｃと、回転側軸受部５４の回転側軸受面５４ａとの間隙ｇ（図５参照）を所定の値に保持するためのもので、内周側が外周側より下方となるように配置してある。そして、皿ばね８０とステータ部２６の下端部との間には、ばね押え８２が介在している。ばね押え８２は、中心側に円筒部を有し、この円筒部の上端部に軸線に直交したフランジ部が設けられ、フランジ部の下部に皿ばね８０の配置空間８４を形成している。
【００２４】
また、円筒体１２の外周面とスリーブ材６８の内周面との間には、排水通路８６が設けてある。この排水通路８６は、流体軸受４０、４２に供給された水をスピンドル装置１０の外部に設けた給水装置（給水源）に戻すためのもので、円筒体１２に設けた貫通孔８７ａ、８７ｂ、８７ｃを介して円筒体１２の内部と連通している。すなわち、上部の貫通孔８７ａは、軸受ホルダ４４の上方に設けられ、円筒体１２の内部空間と排水通路８６とを連通し、軸受ホルダ４４の上面に流れてくる水を排水通路８６に導くようになっている。また、その下方の貫通孔８７ｂは、排水通路８６を軸受ホルダ４４に形成した排水孔８９に連通し、上側の流体軸受４０に供給された水を排水通路８６に導く。また、下側の貫通孔８７ｃは、排水通路８６をばね押さえ８２によって形成した配置空間８４に連通し、後述するように、下側の流体軸受４２に供給された水を排水通路８６に導く。
なお、上側流体軸受４０においては、固定側軸受部材４８と回転側軸受部５２との軸受面の間隙がロックナット５８によって定まる。
【００２５】
このように構成したスピンドル装置１０の作用は、次の通りである。固定側となる円筒体１２に設けた第１給水路６４と第２給水路６６とは、図示しない給水源に接続される。また、回転体であるロータ部２０の中心孔２２に遊嵌した給水管３２は、第１給水路６４、第２給水路６６を接続した給水源と異なる給水圧力を有する給水源に接続される。そして、第１給水路６４、第２給水路６６に供給する水の圧力は、実施形態の場合、流体軸受４０、４２が静圧軸受として機能するように、給水管３２に供給する水の圧力より大きくしてある。
【００２６】
第１給水路６４に供給された水（イオン交換水または純水）は、軸受ホルダ４６に設けた給水路６２を介して流体軸受４２を構成している固定側軸受部材５０の給水孔５０ｆに流入し、固定側軸受部材５０の固定側軸受面５０ｃと回転側軸受部５４の回転側軸受面５４ａとの間に供給される。第２給水路６６に供給された水も第１給水路６４に供給された水と同様に、軸受ホルダ４４に形成した給水路を介して上側の流体軸受４０を形成している固定側軸受部材４８と回転側軸受部５２との間に供給され、固定側軸受部材４８と回転側軸受部５２とを離間した状態に保持する。
【００２７】
一方、給水管３２に供給された水（イオン交換水または純粋）は、ロータ部２０の中心孔２２に流入する。そして、中心孔２２に流入した水は、ロータ部２０が回転すると、回転による遠心力によって加圧され、一部が上側の流体軸受４０を構成している回転側軸受部５２に設けた給水路を介して回転側軸受部５２と固定側軸受部材４８との軸受面の間に供給される。また、中心孔２２に流入した水の一部は、下側の流体軸受４２を構成している回転側軸受部５４の給水孔５４ｃに流入し、回転側軸受面５４ａと固定側軸受面５０ｃとの間に供給される。
【００２８】
なお、実施形態の場合、回転側軸受部５２、５４から軸受面に供給される水の量は、給水側、すなわちスピンドル装置１０に供給される水の圧力と量とを圧力センサと流量センサとを介してコントローラ（いずれも図示せず）が監視し、回転体であるロータ部２０の回転を安定させることができ、消費電力を小さくできるようにコントローラによって制御している。
【００２９】
固定側軸受面５０ｃと回転側軸受面５４ａとの間に供給された水は、対面している固定側軸受面５０ｃと回転側軸受面５４ａとが円錐面（テーパ面）となっているため、回転側軸受部５４にスラスト方向の圧力とラジアル方向の圧力とを作用し、回転側軸受部５４を固定側軸受部材５０から離間した状態に保持し、かつロータ部２０の左右方向（軸線と直交した方向）の位置ずれを規制する。また、固定側軸受部材５０ｃと回転側軸受部５４ａとの間に供給された水は、ロータ部２０に形成した回転側軸受部５４の回転によって回転力を受け、遠心作用が生じて固定側軸受面５０ｃの面に沿って旋回しながら上昇し、ばね押え８２によって形成した皿ばね用配置空間８４流入し、円筒体１２に設けられた貫通孔８７ｃ、排水通路８６通じてスピンドル装置１０の外部に排出される。
【００３０】
上側の流体軸受４０を構成している固定側軸受部材４８と回転側軸受部５２との間に供給された水も同様に、回転側軸受部５２から回転力を受けて固定側軸受部材４８の軸受面（テーパ面）を旋回しながら下方に移動し、一部が排水孔８９、貫通孔８７ｂを介して排水通路８６に導かれ、一部がロータ部２０とステータ部２６との間をロータ部２０とステータ部２６とを冷却しつつ流下し、ばね押え８２の形成する配置空間８４から排水通路８６に排出される。さらに、ロータ部２０と給水管３２との間から漏れ出た水と、上部の流体軸受４０に供給された水の一部とは、軸受ホルダ４４の上部に設けた貫通孔８７ａから排水通路８６に流入する。
【００３１】
ところで、実施形態の流体軸受４０、４２は、図６に模式的に示したように、ロータ部２０の回転速度が高速域にならないと十分な動圧が発生しない。従って、実施形態の流体軸受４０、４２は、回転速度が３０ｋｒｐｍのような低回転速度領域においては、固定側軸受面と回転側軸受面との間に供給された水による静圧軸受として作用する。そして、回転速度が大きくなると動圧が発生し、高速回転領域においては、静圧と動圧とを利用したハイブリッド軸受として作用する。
【００３２】
また、低速回転速度の領域においては、流体軸受４０、４２に大きなスラスト負荷が作用する。そこで、実施形態においては、低速回転領域で使用する場合、流体軸受４０、４２に供給する水の量を多くして大きなスラスト負荷容量が得られるようにしている。図７は、スピンドル装置１０の回転体の回転速度が３０ｋｒｐｍ時において、固定側軸受部材４８、５０に給水する第１流路６４、第２流路６６の給水圧力を一定に設定し、回転側軸受部５２、５４に給水する給水管３２の給水量を変化させ、給水量とスラスト負荷容量との関係を示したものである。図７から明らかなように、給水管３２からの給水量（給水圧力）を増加させると、スラスト負荷容量が二次曲線的に増大することがわかる。従って、回転体に作用する負荷の大きさに応じて流体軸受４０、４２に給水管３２から供給する水の量（給水圧力）を調整することにより、負荷に応じたスラスト負荷容量が得られ、軸受機能を充分に発揮させることができ、固定側軸受部材４８、５０と回転体側軸受部材５２、５４とが接触するのを避けることができる。
【００３３】
一方、ロータ部２０、すなわち回転側軸受部５２、５４を高速回転すると、図８に下側の流体軸受４２を構成している回転側軸受部５４の展開図を例に示したように、回転側軸受面５４ａには凹部５４ｂが設けられているため、凹部５４ｂから給水がない場合、回転側軸受部５４の回転側軸受面５４ａに作用する圧力が同図の破線に示したように変化する。これは、回転側軸受部５４が同図の矢印のように図の左方向に回転すると、回転側軸受面５４ａと固定側軸受面５０ｃとの間に存在する水が、その粘性により回転側軸受面５４ａに対して相対的に回転方向と逆方向に移動し、水が凹部５４ｂの回転方向側と反対側の壁面に押圧されて圧力が上昇する。一方、凹部５４ｂの回転側端部５４ｆにおいては、水が相対的に回転方向と逆方向に移動するとともに、凹部５４ｂによって固定側軸受面５０ｃとの間隔が急激に広くなって圧力が低下し、回転側軸受部５４からの給水がない場合、図８の破線に示したように、凹部５４ｂの回転側端部５４ｆの近傍において負圧の状態となり、水切れが発生して回転側軸受部５４の動作が不安定となって、軸受機能を発揮させることができない。そこで、実施形態においては、凹部５４ｂの回転側端部５４ｆの近傍に給水孔５４ｃの開口５４ｅを設け、遠心力による増圧作用によって凹部５４ｂ内に給水する。これにより、凹部５４ｂにおける水切れが防止され、実線に示したように凹部５４ｂの回転側端部５４ｆの近傍における圧力が上昇し、回転側軸受部５４の動作が安定して所望の軸受機能を発揮させることができる。上側の流体軸受４０においても同様である。
【００３４】
ただし、高速回転領域においては、軸受面に供給する水の量が多くなると、モータを構成しているステータ部２６のコイルに供給する電力量（消費電力量）が増大するとともに、回転軸受部材の回転動作が不安定になる。図９は、実施形態に係るスピンドル装置１０の、回転速度が２００ｋｒｐｍ時における回転軸受部材からの給水量と消費電力との関係を示したものである。図９においては、固定側の第１給水路６４、第２給水路６６の給水圧力を一定に保持し、給水管３２に供給する給水圧力を変化させたときの消費電力との関係を示したものである。
【００３５】
図９からわかるように給水管３２からの給水量が多くなるのに従って消費電力量が多くなる。そして、実施形態の場合、回転軸受部材の回転速度が２００ｋｒｐｍのとき、回転軸受部材からの給水量が比較的少ない領域のところでは安定した回転特性が得られる。しかし、回転側軸受部からの給水量をさらに多くすると、回転側軸受部の回転が不安定となって振動成分が現れる。そして、回転側軸受部からの給水量をさらに多くした場合、回転側にホワール振動が発生し、２００ｋｒｐｍの回転速度を得ることができなかった。
【００３６】
従って、高速回転時（例えば、２００ｒｐｍ時）には、給水管３２への水の供給量を減少させることにより、回転体の回転を安定させることができるとともに、消費電力の低減を図ることができる。なお、図９に示した消費電力の曲線において、破線の部分は消費電力の予測を示す。
【００３７】
図１０は、給水管３２への給水量を制御するコントローラを有する実施形態に係る流体軸受システムの概略ブロック図である。この流体軸受システム１００は、前記した流体軸受４０（および流体軸受４２（なお、図１０の以下の説明においては、流体軸受４０についてのみ説明する））の回転体であるロータ部２０を回転させるために、スピンドル装置１０のステータ部２６を構成している励磁コイルに回転速度制御部１０２を備えたドライバ１０４が接続してある。そして、回転速度制御部１０２は、コントローラ１０６から回転速度指令が入力するとともに、流体軸受４０の回転体を構成しているロータ部２０の回転速度を検出する回転速度センサ１０８の出力信号がフィードバック入力し、ロータ部２０をコントローラ１０６から与えられた回転速度に回転制御する。
【００３８】
流体軸受４０の回転側軸受部５２に水を供給する給水管３２は、給水制御部１１０を設けた給水路を介して給水源１１４が接続してある。また、給水路には、流量センサ１１６と圧力センサ１１８とが設けてあって、給水管３２に供給する水の量と圧力とを検出できるようにしてある。そして、流量センサ１１６と圧力センサ１１８との検出信号は、コントローラ１０６に入力するようになっている。
【００３９】
このコントローラ１０６には、回転速度と給水管３２への給水量との関係、回転速度と必要負荷容量との関係などを記憶させたデータベース１２２と、データベース１２２の内容を変更したりするための入力部（図示せず）などが接続してある。さらに、コントローラ１０６は、ロータ部２０に異常な負荷が作用したときに、ドライバ１０４を介してステータ部２６への給電を遮断し、ロータ部２０の回転を停止できるようになっている。
【００４０】
このようになっている流体軸受システム１００は、回転速度と給水管３２に供給する水の量、ロータ部２０の回転速度と必要負荷容量との関係が、予め求めてデータベースに格納してある。そして、コントローラ１０６は、回転速度が図示しない設定部に設定されると、設定された回転速度に対応した給水管３２に供給する水の量をデータベース１２２から読み出し、給水制御部１１０に与える。また、コントローラ１０６は、設定された回転速度をドライバ１０４の回転速度制御部１０２に与える。
【００４１】
給水制御部１１０は、コントローラ１０６から与えられた給水量が得られるように図示しない弁やポンプを制御する。また、回転速度制御部１０２は、コントローラ１０６から与えられたロータ部２０の回転速度が得られるように、回転速度センサ１０８の検出信号に基づいてステータ部２６に与える電流の周波数をフィードバック制御する。
【００４２】
給水源１１２から給水制御部１１０、給水路を介して給水管３２に供給される水の量と圧力とは、給水路に設けた流量センサ１１６と圧力センサ１１８とのよって検出され、コントローラ１０６に入力される。コントローラ１０６は、流量センサ１１６と圧力センサ１１８との検出信号に基づいて、給水管３２への給水量がデータベース１２２から読み出した量となるように、給水制御部１１０を介して給水圧力を制御する。
これにより、ロータ部２０の任意の回転領域において、流体軸受４０に対する所望の負荷容量が得られるとともに、パワーロスを抑制することが可能となる。
【００４３】
このように、実施の形態に係る流体軸受（流体軸受装置）４０、４２は、流体軸受４０、４２を構成している固定側軸受部材４８、５０と回転側軸受部５２、５４とから両者の間に水を供給することにより、回転体であるロータ部２０を、低速回転領域から高速回転領域まで安定して支持することができ、また低速回転領域において大きな負荷容量が得られる。しかも、潤滑剤として水を使用しているため、圧縮空気を使用する場合のように回転体が大型化するのを防ぐことができる。このため、実施形態のスピンドル装置１０は、２００ｋｒｐｍまでの加速時間を最低で約４秒、２００ｒｐｍから停止までの時間を約６秒とすることができ、例えばプリント配線基板の穴あけ装置に適用した場合に、穴あけ作業の効率を向上することができる。
【００４４】
そして、実施形態においては、潤滑流体として水を使用しているため、潤滑流体が油のように大きな粘性を有していないため、パワーロスを小さくすることができ、消費電力を抑制することができる。また、水は、空気のように断熱性でなく、油に比較して熱容量が大きいために、ロータ部２０、ステータ部２６を効率よく冷却することができる。さらに、実施形態の流体軸受４０、４２は、回転側と固定側の軸受面が円錐面であるため、回転体にスラスト方向の力とラジアル方向との力を与えることができ、軸受面積を少なくすることができるため、軸受面におけるパワーロスを少なくすることができる。
【００４５】
なお、前記実施の形態においては、回転側軸受部５４の回転側軸受面５４ａに形成した凹部５４ｂが展開状態で台形状である場合について説明したが、凹部は螺旋状であってもよいし、へリングボーン状であってもよい。また、前記実施の形態において、固定側軸受面と回転側軸受面とが円錐面からなる場合について説明したが、回転側軸受部を円筒状または円柱状に形成し、軸受面をこれらの底面からなるリング状部または円形部と、円筒状または円柱状の周面とによって形成してもよい。そして、前記実施の形態においては、流体軸受４０、４２をスピンドル装置１０に適用した場合について説明したが、マシニングセンタやスライサなど、各種工具や回転体の支持にも適用することができる。
【００４６】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、固定側軸受面と回転側軸受面とから両者の間に潤滑流体である液体を供給することにより、低速回転領域において静圧軸受の作用を行なわせることができ、大きな負荷容量が得られて大きな軸受負荷が作用する場合にも、回転体を安定して支持することができる。また、高速回転領域においては、静圧と動圧とが両方作用するハイブリッド軸受として作用し、高速回転での軸受負荷を支持することを可能にする。
【００４７】
回転側軸受面に形成する第２液体供給孔を、回転側軸受面に形成した凹部の、圧力が低下する位置に設けると、遠心力による増圧作用によって液体が第２液体供給孔から吐き出され、圧力の低下を防止して液体が不足して軸受機能が低下するのを防止するとともに、回転体内部への液体の供給圧力を小さくすることができる。そして、回転側軸受面と固定側軸受面とを円錐面とすることにより、回転側軸受面にスラスト方向とラジアル方向との圧力を作用させることができ、回転体の軸線方向の支持ばかりでなく、軸線と直交した方向の支持が可能となり、パワーロスを抑制できる。
【００４８】
また、本発明に係る流体軸受システムにおいては、回転体の回転速度と、回転体に取り付けた工具の必要負荷容量とに基づいて、制御手段が流体軸受装置の回転側軸受面に設けた回転体内部に供給する液体の量を、固定側軸受面によって回転体を支持可能な量とするため、回転体の任意の回転領域において、流体軸受４０に対する所望の負荷容量が得られるとともに、パワーロスを抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る流体軸受装置を有するスピンドル装置の断面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る流体軸受装置の詳細を示す断面図である。
【図３】実施の形態に係る流体軸受装置を構成する固定側軸受部材の詳細を示す断面図である。
【図４】実施の形態に係る流体軸受装置を構成する回転側軸受部の詳細図である。
【図５】実施の形態に係る流体軸受装置の詳細を示す一部断面図である。
【図６】実施形態の流体軸受装置における回転体の回転速度と圧力との関係を示す図である。
【図７】実施の形態に係る流体軸受装置における回転体の回転速度が３０ｋｒｐｍ時の回転側軸受部からの給水量と負荷容量との関係を示す図である。
【図８】実施の形態に係る流体軸受装置の作用を説明する一部断面展開図である。
【図９】実施の形態に係る流体軸受装置における回転体の回転速度が２００ｋｒｐｍ時の回転側軸受部からの給水量と消費電力との関係を示す図である。
【図１０】実施の形態に係る流体軸受システムの概略ブロック図である。
【符号の説明】
１０……スピンドル装置、１２……円筒体、
２０………回転体（ロータ部）、２６……ステータ部、
４０、４２……流体軸受装置（流体軸受）、４８、５０……固定側軸受部材、
５２、５４……回転側軸受部、５０ｃ……固定側軸受面、
５０ｆ……第１液体供給孔（給水孔）、５４ｃ……第２液体供給孔（給水孔）、
５０ｇ、５４ｅ……開口、５４ａ……回転側軸受面、５４ｂ……凹部、
６０、６２、７２、７４……給水路、６４……第１給水路、
６６……第２給水路、１００………流体軸受システム、
１０２………回転速度制御部、１０６………コントローラ、
１０８………回転速度センサ、
１１０、１１２………給液手段（給水制御部、給水源）、
１１６………流量センサ、１１８………圧力センサ。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a hydrodynamic bearing device that supplies a fluid between a rotating body and a fixed portion to support the rotating body, and in particular, supplies a liquid between a rotating side bearing surface and a fixed side bearing surface to generate a static pressure. The present invention relates to a hydrodynamic bearing device and a hydrodynamic bearing system that generate a dynamic pressure and support a rotating body.
[0002]
[Prior art]
The hole formed in the printed wiring board (PCB) has a diameter ranging from about 6.5 mm to about 0.1 mm. These holes are usually formed using drills having different diameters with the same drilling machine. For this reason, the rotation speed of the drilling machine spindle ranges from 15 krpm (15,000 rpm) when using a large diameter drill to 160 krpm when using a very small diameter drill. In recent years, with the downsizing and higher functionality of electronic equipment, the drill diameter has been further reduced, and a drill rotation speed of 200 krpm or more is required. And the punching machine used for a printed wiring board is repeatedly started and stopped frequently.
[0003]
That is, in a high speed drilling machine, drilling is performed at a rate of several hits per second. Moreover, the lifetime of the drill used for drilling a printed wiring board is about 1000 to 3000 hits in a small diameter drill. Therefore, it is necessary to change the drill by stopping the drilling machine many times a day. Therefore, in order to increase the efficiency of drilling work, it must be possible to start and stop in a short time.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
Conventionally, in the case of supporting a rotating body that rotates at a high speed such that the rotational speed exceeds 100 krm, a spindle using a fluid bearing is generally employed as the bearing. The hydrodynamic bearing for high-speed rotation usually uses a hydrostatic bearing when the bearing load is large, and employs a hydrodynamic bearing when the load is light. In addition, air or oil is used as a fluid as a lubricant in the fluid dynamic bearing.
[0005]
Fluid bearings that use air as a fluid (air bearings) are compressible and have low viscosity. Therefore, high-pressure air must be supplied between the bearing surface on the fixed side and the rotating body, or the bearing area must be increased. Sufficient load capacity and rigidity cannot be obtained. For this reason, when a hydrostatic air bearing is used as a bearing for a drilling machine, if high-pressure air is used to obtain a load capacity that can withstand a large bearing load during low-speed rotation, the amount of air used increases and the running cost increases. Rises. Further, when the bearing area of the air bearing is increased, not only the power loss is increased, but the mass of the rotating body is increased, and it takes time to start and stop, and the working efficiency is lowered. In addition, since air has a low thermal conductivity, even if the housing is cooled, the temperature of the rotating body rises due to the heat generated by the motor that rotates the rotating body and the shear heat due to the friction of the air, causing a large thermal displacement in the rotating body. May occur and processing accuracy may decrease.
[0006]
On the other hand, fluid bearings (oil bearings) that use oil as a fluid have a high load capacity because the viscosity of the oil is high and it is incompressible. However, since the viscosity of oil is much higher than that of air, the viscosity resistance (friction resistance) is large and the power loss is large. Further, since the frictional resistance is large, the temperature of the oil rises and it is difficult to rotate at high speed. For this reason, it is difficult to employ for a printed circuit board punch.
[0007]
The present invention was made to eliminate the drawbacks of the prior art, and can stably support a rotating body from a low-speed rotation region to a high-speed rotation region, obtain a large load capacity, and further suppress power loss. It is an object.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a hydrodynamic bearing device according to the present invention is provided so as to face a rotating side bearing surface of a rotating body, and a fixed side bearing surface that supports the rotating body via a liquid, and the fixed side A second liquid supply for supplying a liquid between a first liquid supply hole provided on the bearing surface and supplying a liquid between the rotation side bearing surface and a fixed side bearing surface provided on the rotation side bearing surface. And a hole.
[0009]
A liquid having a low viscosity is desirable, but water is relatively suitable in consideration of economy and safety. And the 2nd liquid supply hole is good to provide in the position where a pressure falls at the time of high speed rotation of the crevice formed in the rotation side bearing surface. The concave portion formed on the rotation-side bearing surface is generally shallower than the concave portion formed in the hydrostatic bearing in order to generate dynamic pressure. The rotation-side bearing surface and the fixed-side bearing surface can be formed in a conical surface.
[0010]
A fluid dynamic bearing system according to the present invention includes the fluid dynamic bearing device according to any one of claims 1 to 3, liquid supply means for supplying the liquid to the second liquid supply hole, and the rotation provided. The liquid supply means is controlled based on the rotational speed of the body and the required load capacity of the tool attached to the rotating body, and the liquid that can support the rotating body by the fixed-side bearing surface is supplied to the second liquid supply hole. And a control means for supplying.
[0011]
[Action]
In the present invention as described above, a liquid as a lubricant is supplied between the fixed side bearing surface and the rotary side bearing surface to perform the action of the hydrostatic bearing in the low speed rotation region. Even when a large load capacity is obtained and a large bearing load acts, the rotating body can be stably supported. Further, in the high-speed rotation region, it acts as a hybrid bearing of static pressure and dynamic pressure, and can support a bearing load during high-speed rotation.
[0012]
When the second liquid supply hole formed on the rotation-side bearing surface is provided at a position of the recess formed on the rotation-side bearing surface where the pressure decreases during high-speed rotation, the liquid is supplied to the second liquid supply hole by a pressure increasing action due to centrifugal force. It is possible to prevent a decrease in pressure, prevent a bearing function from being deteriorated due to a lack of liquid, and reduce a supply pressure of the liquid into the rotating body. And by making the rotation-side bearing surface and the fixed-side bearing surface conical, it is possible to apply a component force in the thrust direction and the radial direction to the rotation-side bearing surface, and the axial direction of the rotating body with a small bearing area As a result, not only the support but also the support in the direction orthogonal to the axis can be achieved, and the weight of the rotating body can be reduced and the power loss can be reduced.
[0013]
Further, in the fluid dynamic bearing system according to the present invention, the amount of liquid supplied by the control means to the second liquid supply hole provided on the rotation side bearing surface of the fluid dynamic bearing device based on the required load capacity at the rotational speed of the rotating body. Therefore, a desired load capacity for the fluid bearing 40 can be obtained in an arbitrary rotation region of the rotating body, and power loss can be suppressed.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Preferred embodiments of a fluid bearing device and a fluid bearing system according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a cross-sectional view of a drilling spindle device having a hydrodynamic bearing device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view showing details of the hydrodynamic bearing device according to the embodiment of the present invention. . In these drawings, the spindle device 10 is configured such that a rotor portion 20 that is a rotating body is disposed concentrically with the cylindrical body 12 at the center of a cylindrical body 12 that is a fixed portion. The rotor part 20 is formed in a bottomed cylindrical shape having a center hole 22 along the axis at the center part. The center hole 22 serves as a water supply channel as will be described later.
[0015]
Around the rotor portion 20, a stator portion 26 that constitutes a motor together with the rotor portion 20 is disposed concentrically with the rotor portion 20. The stator portion 26 is fixed to the inner peripheral surface of the cylindrical body 12 and has an iron core 30 at a position facing the magnet 28 of the rotor portion 20.
[0016]
On the other hand, a water supply pipe 32 is disposed at the upper end of the rotor unit 20. As will be described later, the water supply pipe 32 is for supplying a lubricating liquid (in the embodiment, ion-exchanged water or pure water) to the rotor portion 20, and a lower end portion is a central hole provided in the rotor portion 20. 22 is inserted concentrically into the upper end of the tube 22 and the upper end is inserted and fixed into the lower end of the tube support member 34. The upper end of the tube support member 34 is fixed to the cylindrical body 12 via a support portion (not shown). Further, the lower end portion of the water supply pipe 32 is loosely fitted in the center hole 22 of the rotor portion 20, so that the rotor portion 20 is rotatable with respect to the water supply pipe 32.
[0017]
The rotor portion 20 is rotatably supported by the cylindrical body 12 via fluid bearings (fluid bearing devices) 40 and 42 at the upper end portion and the lower portion of the cylindrical portion 24. The fluid bearings 40 and 42 have the same basic structure, and are provided with fixed-side bearing members 48 and 50 provided on inner peripheral portions of bearing holders 44 and 46 fixed on the inner peripheral surface of the cylindrical body 12, and a rotor. Rotation-side bearing portions 52 and 54 formed on the outer peripheral surface of the portion 20. The upper bearing holder 44 is disposed in contact with the upper surface of the stator portion 26, and is positioned in the vertical direction by the stator portion 26 and the step portion 56 formed in the cylindrical body 12. Further, the lower bearing holder 46 is disposed below the stator portion 26, and its lower end position is positioned by a lock nut 58 screwed into the inner peripheral surface of the lower end portion of the cylindrical body 12.
[0018]
In the fluid bearings 40 and 42, as shown in the example of the lower fluid bearing 42 in FIG. 2, the outer peripheral surface of the rotation side bearing portion 54 formed in the rotor portion 20 is a rotation side bearing surface 54a. The rotation-side bearing surface 54a is a conical surface (tapered surface) whose diameter is reduced toward the tip side. A fixed-side bearing member 50 fixed to the bearing holder 46 is disposed around the rotation-side bearing portion 54. As shown in FIG. 3, the fixed-side bearing member 50 is formed in a canister shape in a side view having a main body portion 50 a and a flange portion 50 b. The fixed-side bearing member 50 is provided with a fixed-side bearing surface 50c having a conical surface (tapered surface) that gradually decreases in diameter from the upper end side of the flange portion 50b toward the lower end side of the main body portion 50a.
[0019]
As shown in FIGS. 1 and 2, the fixed-side bearing member 50 is disposed around the rotation-side bearing portion 54 so that the fixed-side bearing surface 50c and the rotation-side bearing surface 54a face each other. Is attached to the bearing holder 46 with the upper side facing up. And the peripheral groove 50d which forms the annular water supply path 60 shown in FIG. 2 is provided in the outer peripheral surface of the main-body part 50a of the stationary side bearing member 50. As shown in FIG. Furthermore, a narrow circumferential groove 50e having a narrow width is formed on the inner circumferential surface of the main body 50a, that is, the lower portion of the fixed-side bearing surface 50c. The main body 50a is formed with a water supply hole 50f that communicates a circumferential groove 50d formed on the outer peripheral surface and a circumferential groove 50e formed on the fixed bearing surface 50c. A plurality of water supply holes 50f are formed perpendicular to the axis of the main body 50a and radially with respect to the center of the main body 50a.
[0020]
The annular water supply passage 60 formed by the circumferential groove 50d provided on the outer peripheral surface of the main body 50a is connected to the tip of the water supply passage 62 provided in the bearing holder 46, as shown in FIGS. As shown in FIG. 1, the rear end side of the water supply path 62 is connected to a first water supply path 64 provided on the outer peripheral surface of the cylindrical body 12. The first water supply path 64 is provided along the axis of the cylindrical body 12. Further, on the outer peripheral surface of the cylindrical body 12, a second water supply channel 66 for supplying ion-exchanged water or pure water as a lubricant to the fixed-side bearing member 48 constituting the upper fluid bearing 40 is provided along the axis. It is formed. The first water supply path 64 and the second water supply path 66 are formed by a groove formed on the outer peripheral surface of the cylindrical body 12 and a sleeve member 68 that is externally fitted to the cylindrical body 12, and are connected to a water supply source (not shown). The
[0021]
As shown in FIGS. 4 and 5, a plurality of trapezoidal concave portions 54 b are formed on the rotation-side bearing surface 54 a of the rotation-side bearing portion 54 at regular intervals. These recesses 54b are shallowly formed in order to obtain dynamic pressure, as will be described later, and have a depth that is, for example, several times the clearance (the interval between the fixed-side bearing surface and the rotating-side bearing surface). Further, the rotation-side bearing portion 54 is provided with water supply holes 54c corresponding to the respective concave portions 54b. In the case of the embodiment, each water supply hole 54c is formed so as to be orthogonal to the rotation-side bearing surface 54a, and one end communicates with the center hole 22 serving as a water supply path provided in the central portion of the rotor portion 20, and others. The end (tip) is opened in the recess 54b. And the position of the opening 54e of the water supply hole 54c in the recessed part 54b is the upper corner of the rotational direction side end part 54f of the recessed part 54b when the rotor part 20 rotates as shown by the arrow 70 in FIG. This is because, when the rotor unit 20 rotates as indicated by an arrow 70, as will be described later, water (not shown) in the recess 54b relatively moves in the direction opposite to the rotation direction 70 due to the viscosity of the water, This is to prevent the rotation direction side end 54f from becoming a negative pressure. Further, the opening 50g (see FIG. 5) in the fixed bearing surface 50c of the water supply hole 50f formed in the fixed bearing member 50 is positioned at the lower end of the recess 54b provided in the rotation bearing 54.
[0022]
The upper fluid bearing 40 is configured to obtain the same action as the lower fluid bearing 42. However, in the upper fluid dynamic bearing 40, the fixed-side bearing surface provided on the fixed-side bearing member 48 is formed as a conical surface that gradually increases in diameter from the upper end side of the flange portion toward the lower end side of the main body portion. . The opening in the fixed bearing surface of the water supply hole provided in the fixed bearing member 48 is formed at a position corresponding to the upper end portion of the recess provided in the rotation bearing 52. Moreover, the opening in the rotation side bearing surface of the water supply hole of the rotation side bearing portion 52 is formed at the lower corner of the rotation direction end portion of the rotation side bearing portion 52 of the recess formed in the rotation side bearing portion 52.
[0023]
A disc spring 80 is disposed on the lower bearing holder 46 as shown in FIG. The disc spring 80 is for maintaining a gap g (see FIG. 5) between the fixed-side bearing surface 50c of the fixed-side bearing member 50 and the rotating-side bearing surface 54a of the rotating-side bearing portion 54 at a predetermined value. The inner peripheral side is disposed below the outer peripheral side. A spring retainer 82 is interposed between the disc spring 80 and the lower end of the stator portion 26. The spring retainer 82 has a cylindrical portion on the center side, a flange portion orthogonal to the axis is provided at the upper end portion of the cylindrical portion, and an arrangement space 84 for the disc spring 80 is formed at the lower portion of the flange portion.
[0024]
A drainage passage 86 is provided between the outer peripheral surface of the cylindrical body 12 and the inner peripheral surface of the sleeve material 68. The drainage passage 86 is for returning the water supplied to the fluid bearings 40 and 42 to the water supply device (water supply source) provided outside the spindle device 10, and through holes 87 a and 87 b provided in the cylindrical body 12. It communicates with the inside of the cylindrical body 12 through 87c. That is, the upper through hole 87 a is provided above the bearing holder 44, communicates the internal space of the cylindrical body 12 and the drainage passage 86, and guides water flowing on the upper surface of the bearing holder 44 to the drainage passage 86. It has become. The lower through hole 87 b communicates with the drain hole 89 formed in the bearing holder 44 through the drain passage 86, and guides water supplied to the upper fluid bearing 40 to the drain passage 86. Further, the lower through hole 87c communicates the drainage passage 86 with the arrangement space 84 formed by the spring retainer 82, and guides water supplied to the lower fluid bearing 42 to the drainage passage 86, as will be described later.
In the upper fluid bearing 40, the gap between the bearing surfaces of the stationary bearing member 48 and the rotation bearing 52 is determined by the lock nut 58.
[0025]
The operation of the spindle apparatus 10 configured as described above is as follows. The 1st water supply path 64 and the 2nd water supply path 66 which were provided in the cylindrical body 12 used as the stationary side are connected to the water supply source which is not shown in figure. Further, the water supply pipe 32 loosely fitted in the center hole 22 of the rotor portion 20 which is a rotating body is connected to a water supply source having a different water supply pressure from the water supply source connecting the first water supply path 64 and the second water supply path 66. . And the pressure of the water supplied to the 1st water supply path 64 and the 2nd water supply path 66 is the pressure of the water supplied to the water supply pipe | tube 32 so that the fluid bearings 40 and 42 may function as a static pressure bearing in the case of embodiment. It is bigger.
[0026]
Water (ion exchange water or pure water) supplied to the first water supply path 64 is supplied to the water supply hole 50f of the fixed-side bearing member 50 constituting the fluid bearing 42 via the water supply path 62 provided in the bearing holder 46. It flows in and is supplied between the stationary bearing surface 50 c of the stationary bearing member 50 and the rotating bearing surface 54 a of the rotating bearing 54. Similarly to the water supplied to the first water supply path 64, the water supplied to the second water supply path 66 also forms the upper fluid bearing 40 via the water supply path formed in the bearing holder 44. 48 is supplied between the rotation-side bearing portion 52 and the fixed-side bearing member 48 and the rotation-side bearing portion 52 in a separated state.
[0027]
On the other hand, the water (ion exchange water or pure) supplied to the water supply pipe 32 flows into the center hole 22 of the rotor unit 20. The water flowing into the center hole 22 is pressurized by the centrifugal force due to the rotation when the rotor portion 20 is rotated, and a water supply channel provided in the rotation-side bearing portion 52 that partially constitutes the upper fluid bearing 40. Is supplied between the bearing surfaces of the rotation-side bearing portion 52 and the fixed-side bearing member 48. Further, part of the water flowing into the center hole 22 flows into the water supply hole 54c of the rotation-side bearing portion 54 constituting the lower fluid bearing 42, and the rotation-side bearing surface 54a and the fixed-side bearing surface 50c. Supplied during.
[0028]
In the case of the embodiment, the amount of water supplied to the bearing surface from the rotation-side bearing portions 52 and 54 is determined by the pressure sensor and the flow rate sensor. A controller (none of which is shown) is monitored via the controller, and the rotation of the rotor unit 20 that is a rotating body can be stabilized, and is controlled by the controller so that power consumption can be reduced.
[0029]
The water supplied between the fixed-side bearing surface 50c and the rotating-side bearing surface 54a has a conical surface (tapered surface) between the facing fixed-side bearing surface 50c and the rotating-side bearing surface 54a. A thrust pressure and a radial pressure are applied to the rotation-side bearing portion 54 to hold the rotation-side bearing portion 54 in a state of being separated from the fixed-side bearing member 50 and to the left-right direction of the rotor portion 20 (perpendicular to the axis). Position deviation). Further, the water supplied between the fixed-side bearing member 50c and the rotation-side bearing portion 54a receives a rotational force due to the rotation of the rotation-side bearing portion 54 formed in the rotor portion 20, and a centrifugal action is generated to cause the fixed-side bearing. Ascending while turning along the surface of the surface 50 c, flows into the disc spring arrangement space 84 formed by the spring retainer 82, and passes through the through hole 87 c provided in the cylindrical body 12 and the drainage passage 86 to the outside of the spindle device 10. Discharged.
[0030]
Similarly, the water supplied between the stationary bearing member 48 constituting the upper fluid bearing 40 and the rotating bearing portion 52 receives the rotational force from the rotating bearing portion 52 and receives the rotational force from the rotating bearing portion 52. The bearing surface (tapered surface) moves downward while turning, a part thereof is led to the drainage passage 86 through the drainage hole 89 and the through hole 87b, and a part of the rotor is between the rotor part 20 and the stator part 26. The portion 20 and the stator portion 26 flow down while being cooled, and are discharged from the arrangement space 84 formed by the spring retainer 82 to the drainage passage 86. Further, water leaking from between the rotor portion 20 and the water supply pipe 32 and a part of the water supplied to the upper fluid bearing 40 are discharged from the through hole 87 a provided in the upper portion of the bearing holder 44. Flow into.
[0031]
By the way, as shown schematically in FIG. 6, the fluid bearings 40 and 42 of the embodiment do not generate sufficient dynamic pressure unless the rotational speed of the rotor portion 20 is in a high speed range. Therefore, the fluid bearings 40 and 42 according to the embodiment function as a hydrostatic bearing with water supplied between the stationary bearing surface and the rotating bearing surface in a low rotating speed region such as a rotating speed of 30 krpm. . When the rotational speed increases, dynamic pressure is generated, and in the high-speed rotation region, it acts as a hybrid bearing using static pressure and dynamic pressure.
[0032]
Further, a large thrust load acts on the fluid bearings 40 and 42 in the low rotational speed region. Therefore, in the embodiment, when used in the low-speed rotation region, the amount of water supplied to the fluid bearings 40 and 42 is increased to obtain a large thrust load capacity. FIG. 7 shows that when the rotational speed of the rotating body of the spindle device 10 is 30 krpm, the water supply pressures of the first flow path 64 and the second flow path 66 for supplying water to the fixed-side bearing members 48 and 50 are set to be constant. The relationship between the amount of water supply and the thrust load capacity is shown by changing the amount of water supplied to the water supply pipe 32 for supplying water to the bearing portions 52 and 54. As can be seen from FIG. 7, when the amount of water supplied from the water supply pipe 32 (water supply pressure) is increased, the thrust load capacity increases in a quadratic curve. Therefore, by adjusting the amount of water supplied from the water supply pipe 32 (water supply pressure) to the fluid bearings 40 and 42 according to the load acting on the rotating body, a thrust load capacity corresponding to the load can be obtained, The bearing function can be sufficiently exerted, and contact between the fixed-side bearing members 48 and 50 and the rotating body-side bearing members 52 and 54 can be avoided.
[0033]
On the other hand, when the rotor portion 20, that is, the rotation-side bearing portions 52 and 54 are rotated at a high speed, as shown in the development view of the rotation-side bearing portion 54 constituting the lower fluid bearing 42 in FIG. Since the side bearing surface 54a is provided with the recess 54b, when there is no water supply from the recess 54b, the pressure acting on the rotation side bearing surface 54a of the rotation side bearing portion 54 changes as shown by the broken line in FIG. . This is because when the rotation-side bearing portion 54 rotates in the left direction of the figure as indicated by the arrow in the figure, water existing between the rotation-side bearing surface 54a and the fixed-side bearing surface 50c is caused by the viscosity of the rotation-side bearing. It moves in the direction opposite to the rotation direction relative to the surface 54a, and water is pressed against the wall surface on the opposite side to the rotation direction side of the recess 54b to increase the pressure. On the other hand, at the rotation side end 54f of the recess 54b, water relatively moves in the direction opposite to the rotation direction, and the interval with the fixed-side bearing surface 50c is suddenly widened by the recess 54b, and the pressure is reduced. When there is no water supply from the rotation-side bearing portion 54, as shown by the broken line in FIG. 8, a negative pressure is generated in the vicinity of the rotation-side end portion 54f of the concave portion 54b, water breakage occurs, and the rotation-side bearing portion 54 The operation becomes unstable and the bearing function cannot be exhibited. Therefore, in the embodiment, the opening 54e of the water supply hole 54c is provided in the vicinity of the rotation-side end 54f of the recess 54b, and water is supplied into the recess 54b by a pressure increasing action due to centrifugal force. As a result, water drainage in the recess 54b is prevented, and the pressure in the vicinity of the rotation side end 54f of the recess 54b increases as shown by the solid line, and the operation of the rotation side bearing 54 is stable and exhibits a desired bearing function. Can be made. The same applies to the upper fluid bearing 40.
[0034]
However, in the high-speed rotation region, when the amount of water supplied to the bearing surface increases, the amount of power (power consumption) supplied to the coils of the stator portion 26 constituting the motor increases, and the rotation bearing member Rotational motion becomes unstable. FIG. 9 shows the relationship between the amount of water supplied from the rotary bearing member and the power consumption when the rotation speed of the spindle device 10 according to the embodiment is 200 krpm. FIG. 9 shows the relationship with the power consumption when the water supply pressure of the first water supply path 64 and the second water supply path 66 on the fixed side is kept constant and the water supply pressure supplied to the water supply pipe 32 is changed. Is.
[0035]
As can be seen from FIG. 9, the amount of power consumption increases as the amount of water supplied from the water supply pipe 32 increases. In the case of the embodiment, when the rotational speed of the rotary bearing member is 200 krpm, stable rotational characteristics can be obtained in a region where the amount of water supplied from the rotary bearing member is relatively small. However, if the amount of water supplied from the rotation-side bearing portion is further increased, the rotation of the rotation-side bearing portion becomes unstable and a vibration component appears. And when the amount of water supply from the rotation side bearing portion was further increased, whirl vibration occurred on the rotation side, and a rotation speed of 200 krpm could not be obtained.
[0036]
Therefore, at the time of high speed rotation (for example, at 200 rpm), by reducing the amount of water supplied to the water supply pipe 32, the rotation of the rotating body can be stabilized and the power consumption can be reduced. . In the power consumption curve shown in FIG. 9, the broken line portion indicates the power consumption prediction.
[0037]
FIG. 10 is a schematic block diagram of a hydrodynamic bearing system according to an embodiment having a controller that controls the amount of water supplied to the water supply pipe 32. The hydrodynamic bearing system 100 rotates the rotor unit 20 that is the rotating body of the hydrodynamic bearing 40 (and the hydrodynamic bearing 42 (only the hydrodynamic bearing 40 will be described in the following description of FIG. 10)). In addition, a driver 104 having a rotational speed control unit 102 is connected to an excitation coil constituting the stator unit 26 of the spindle device 10. The rotational speed control unit 102 receives a rotational speed command from the controller 106, and an output signal from the rotational speed sensor 108 that detects the rotational speed of the rotor unit 20 that constitutes the rotating body of the fluid dynamic bearing 40 is a feedback input. Then, the rotation of the rotor unit 20 is controlled to the rotation speed given from the controller 106.
[0038]
The water supply pipe 32 that supplies water to the rotation-side bearing portion 52 of the fluid dynamic bearing 40 is connected to a water supply source 114 via a water supply path provided with a water supply control unit 110. Further, a flow rate sensor 116 and a pressure sensor 118 are provided in the water supply channel so that the amount and pressure of water supplied to the water supply pipe 32 can be detected. Detection signals from the flow sensor 116 and the pressure sensor 118 are input to the controller 106.
[0039]
The controller 106 stores the relationship between the rotational speed and the amount of water supplied to the water supply pipe 32, the relationship between the rotational speed and the required load capacity, and the like, and an input for changing the contents of the database 122. The part (not shown) etc. are connected. Further, when an abnormal load is applied to the rotor unit 20, the controller 106 can interrupt the power supply to the stator unit 26 via the driver 104 and stop the rotation of the rotor unit 20.
[0040]
In the hydrodynamic bearing system 100 configured as described above, the relationship between the rotational speed and the amount of water supplied to the water supply pipe 32, the rotational speed of the rotor unit 20, and the required load capacity is obtained in advance and stored in a database. Then, when the rotation speed is set in a setting unit (not shown), the controller 106 reads the amount of water supplied to the water supply pipe 32 corresponding to the set rotation speed from the database 122 and gives it to the water supply control unit 110. Further, the controller 106 gives the set rotation speed to the rotation speed control unit 102 of the driver 104.
[0041]
The water supply control unit 110 controls a valve and a pump (not shown) so that the amount of water supplied from the controller 106 can be obtained. Further, the rotation speed control unit 102 feedback-controls the frequency of the current applied to the stator unit 26 based on the detection signal of the rotation speed sensor 108 so that the rotation speed of the rotor unit 20 given from the controller 106 can be obtained.
[0042]
The amount and pressure of water supplied from the water supply source 112 to the water supply pipe 32 via the water supply control unit 110 and the water supply channel are detected by the flow sensor 116 and the pressure sensor 118 provided in the water supply channel, and are sent to the controller 106. Entered. Based on detection signals from the flow sensor 116 and the pressure sensor 118, the controller 106 controls the water supply pressure via the water supply control unit 110 so that the amount of water supplied to the water supply pipe 32 becomes the amount read from the database 122. .
Thereby, in the arbitrary rotation area | region of the rotor part 20, while being able to obtain the desired load capacity with respect to the fluid bearing 40, it becomes possible to suppress a power loss.
[0043]
As described above, the fluid dynamic bearings (fluid bearing devices) 40 and 42 according to the embodiment include both of the fixed-side bearing members 48 and 50 and the rotary-side bearing portions 52 and 54 constituting the fluid dynamic bearings 40 and 42. By supplying water therebetween, the rotor unit 20 that is a rotating body can be stably supported from the low-speed rotation region to the high-speed rotation region, and a large load capacity can be obtained in the low-speed rotation region. Moreover, since water is used as the lubricant, it is possible to prevent the rotating body from becoming large as in the case of using compressed air. For this reason, the spindle device 10 of the embodiment can have an acceleration time up to 200 krpm at a minimum of about 4 seconds and a time from 200 rpm to a stop of about 6 seconds. For example, when applied to a printed circuit board drilling device In addition, the efficiency of the drilling operation can be improved.
[0044]
And in embodiment, since water is used as a lubricating fluid, since a lubricating fluid does not have big viscosity like oil, a power loss can be made small and power consumption can be suppressed. . Further, since water is not heat insulating like air and has a larger heat capacity than oil, the rotor portion 20 and the stator portion 26 can be efficiently cooled. Furthermore, the fluid bearings 40 and 42 according to the embodiments have conical conical surfaces on the rotating side and the fixed side, so that it is possible to apply a thrust force and a radial force to the rotating body, reducing the bearing area. Therefore, power loss on the bearing surface can be reduced.
[0045]
In the above-described embodiment, the case where the concave portion 54b formed in the rotation-side bearing surface 54a of the rotation-side bearing portion 54 is trapezoidal in the unfolded state has been described, but the recess may be spiral, Herringbone shape may be sufficient. Moreover, in the said embodiment, although the fixed side bearing surface and the rotation side bearing surface demonstrated the case where it consists of a conical surface, the rotation side bearing part is formed in cylindrical shape or a column shape, and a bearing surface is formed from these bottom surfaces. You may form by the ring-shaped part or circular part which becomes, and a cylindrical or columnar peripheral surface. In the above-described embodiment, the case where the fluid bearings 40 and 42 are applied to the spindle device 10 has been described. However, the present invention can be applied to support of various tools and rotating bodies such as a machining center and a slicer.
[0046]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the liquid as the lubricating fluid is supplied between the fixed side bearing surface and the rotary side bearing surface to perform the action of the hydrostatic bearing in the low speed rotation region. Even when a large load capacity is obtained and a large bearing load acts, the rotating body can be stably supported. Further, in the high speed rotation region, it acts as a hybrid bearing in which both static pressure and dynamic pressure act, and it is possible to support a bearing load at high speed rotation.
[0047]
If the second liquid supply hole formed in the rotation-side bearing surface is provided at a position where the pressure is reduced in the recess formed in the rotation-side bearing surface, the liquid is discharged from the second liquid supply hole due to the pressure increasing action by centrifugal force. Further, it is possible to prevent the pressure from being lowered and to prevent the bearing function from being lowered due to insufficient liquid, and to reduce the supply pressure of the liquid into the rotating body. And by making the rotation-side bearing surface and the fixed-side bearing surface conical, it is possible to apply pressure in the thrust direction and radial direction to the rotation-side bearing surface, and not only support the rotating body in the axial direction. The support in the direction perpendicular to the axis is possible, and the power loss can be suppressed.
[0048]
Further, in the fluid dynamic bearing system according to the present invention, based on the rotational speed of the rotating body and the required load capacity of the tool attached to the rotating body, the control means provides the rotating body provided on the rotation-side bearing surface of the fluid bearing device. Since the amount of liquid supplied to the inside is such that the rotating body can be supported by the fixed bearing surface, the desired load capacity for the fluid bearing 40 can be obtained and the power loss can be suppressed in any rotation region of the rotating body. It becomes possible to do.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a spindle device having a hydrodynamic bearing device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing details of a hydrodynamic bearing device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing details of a fixed-side bearing member constituting the hydrodynamic bearing device according to the embodiment.
FIG. 4 is a detailed view of a rotation-side bearing portion constituting the hydrodynamic bearing device according to the embodiment.
FIG. 5 is a partial cross-sectional view showing details of the hydrodynamic bearing device according to the embodiment.
FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the rotational speed and pressure of a rotating body in the hydrodynamic bearing device of the embodiment.
FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the amount of water supplied from the rotary bearing portion and the load capacity when the rotational speed of the rotating body in the hydrodynamic bearing device according to the embodiment is 30 krpm.
FIG. 8 is a partial cross-sectional development view for explaining the operation of the hydrodynamic bearing device according to the embodiment.
FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the amount of water supplied from the rotation-side bearing portion and the power consumption when the rotational speed of the rotating body in the hydrodynamic bearing device according to the embodiment is 200 krpm.
FIG. 10 is a schematic block diagram of a fluid dynamic bearing system according to an embodiment.
[Explanation of symbols]
10 ... spindle device, 12 ... cylindrical body,
20... Rotating body (rotor portion) 26. Stator portion
40, 42... Fluid bearing device (fluid bearing), 48, 50... Fixed side bearing member,
52, 54... Rotation side bearing, 50c... Fixed side bearing surface,
50f ...... first liquid supply hole (water supply hole), 54c ...... second liquid supply hole (water supply hole),
50 g, 54 e ...... Opening, 54 a ...... Rotating side bearing surface, 54 b ...... Recess,
60, 62, 72, 74 ... water supply channel, 64 ... first water supply channel,
66 …… Second water supply channel, 100 ……… Hydrodynamic bearing system,
102... Rotation speed control unit 106... Controller
108 .......... rotational speed sensor,
110, 112 ......... Liquid supply means (water supply control unit, water supply source),
116 ......... Flow sensor, 118 ......... Pressure sensor.

Claims

A fixed-side bearing surface that is provided facing the rotating-side bearing surface of the rotating body and supports the rotating body via liquid;
A first liquid supply hole that is provided on the fixed-side bearing surface and supplies a liquid to and from the rotation-side bearing surface;
A second liquid supply hole that is provided in the rotation-side bearing surface and supplies a liquid to and from the fixed-side bearing surface;
A hydrodynamic bearing device comprising:

2. The hydrodynamic bearing device according to claim 1, wherein the second liquid supply hole is provided in a concave portion formed in the rotation-side bearing surface at a position where pressure is reduced during rotation.

The hydrodynamic bearing device according to claim 1, wherein the rotation-side bearing surface and the fixed-side bearing surface are formed as conical surfaces.

The hydrodynamic bearing device according to any one of claims 1 to 3,
Liquid supply means for supplying the liquid to the second liquid supply hole;
The liquid supply means is controlled based on the given rotation speed of the rotating body and the required load capacity of a tool attached to the rotating body, and the liquid that can support the rotating body by the fixed bearing surface is Control means for supplying two liquid supply holes;
A hydrodynamic bearing system.