JP3662741B2 - 静圧磁気複合軸受 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、静圧気体軸受と磁気軸受とを組み合わせた静圧磁気複合軸受に関し、例えば、高速切削加工機のスピンドル装置等に用いられる静圧磁気複合軸受に関する。
【０００２】
【従来の技術と発明が解決しようとする課題】
磁気軸受は、大きな軸受ギャップを持つため回転によるトルクロスが極めて小さく、積分制御により大きな静剛性を付与できる特徴がある。
図２６は、従来のアルミ材用高速ミーリング磁気軸受スピンドル装置を示す縦断面図である。この従来例のスピンドル装置は、タッチダウンベアリング２５１、工具２５２、変位センサ２５３、ラジアル磁気軸受２５４、スラスト磁気軸受２５５、モータ２５６、ラジアル磁気軸受２５７、変位センサ２５８、および主軸２５９を有する。この磁気軸受スピンドル装置は、最高回転数：４万ｒｐｍ、出力：１５ｋＷ、最大切削能力：１２５０ｃｍ3 ／ｍｉｎの各性能を有し、上記用途として大変優れたものである。
【０００３】
しかし、磁気軸受スピンドル装置は、加工中に主軸の曲げ固有振動数の影響を受け易く、そのため非常に複雑な制御系を構成する必要がある。したがって、様々な加工条件への対応が要求される汎用工作機用スピンドル装置としては適さない。
【０００４】
一方、非接触の軸受として、磁気軸受のほかに静圧気体軸受がある。静圧気体軸受は、回転精度が極めて高く優れた動的安定性を持っているが、圧縮性を有するために、静剛性および負荷容量が小さく、汎用工作機械用としてはほとんど適用例がない。
【０００５】
そこで、最近、高速加工機用スピンドル装置として、図２７に縦断面図で示すような、静圧気体軸受と磁気軸受とを組合せた複合軸受スピンドル装置が提案され、実用化が検討されている。この従来例のスピンドル装置は、変位センサ２６３、ラジアル磁気軸受２６４、スラスト磁気軸受２６５、モータ２６６、ラジアル磁気軸受２６７、変位センサ２６８、変位センサ２７０、主軸２７１、および静圧気体軸受２７２，２７３を有する。
【０００６】
しかし、同図の複合軸受スピンドル装置では、磁気軸受２６４，２６７と、静圧気体軸受２７２，２７３とを、軸方向に並べて配置しているため、主軸２７１が長くなり、曲げ固有振動数が低くなるという問題点がある。また、磁気軸受を単独で適用するスピンドル装置の場合と全く同じ構造の制御系の構成を採用しているために、静圧気体軸受の動的安定性を損ね、むしろ外乱発生源として作用するという問題点もある。
また、このスピンドル装置で高回転精度を得るためには、磁気軸受用変位センサが高精度であることが要求されるが、通常、磁気軸受に使用される変位センサは渦電流センサなどの磁気センサが用いられ、分解能は１μｍ程度である。一方、高精度変位センサとしては静電容量型変位センサがあるが、高価で利用は難しい。
したがって、静圧気体軸受，磁気軸受の特長を生かしつつ、欠点を補い合うという目的は十分に達成されていないのが現状である。
【０００７】
この発明の目的は、このような課題を解消し、静圧気体軸受の優れた動剛性および高回転精度と磁気軸受の優れた静剛性とを併せ持ち、コンパクト化が図れ、また高精度な変位検出を可能にすると共に、静圧気体軸受と磁気軸受の相互干渉の防止を容易とした静圧磁気複合軸受を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明の静圧磁気複合軸受は、ロータの変位を測定する変位測定手段を有し、この変位測定手段の測定値に従って電磁力を発生させる磁気軸受と、静圧気体軸受とを併設することにより前記ロータを非接触支持し、前記変位測定手段を、静圧気体軸受の軸受面の圧力を測定する圧力センサとし、この圧力センサの測定値を用いてロータの変位を求め磁気軸受の磁力制御を行うものである。
例えば、この静圧磁気複合軸受は、ロータと、磁性体からなりロータに対向するヨーク部を備えたコアと、通電によりロータとヨーク部の間に磁気吸引力を発生させるコイルと、ロータに対向するヨーク部端面を含みロータに所定の軸受隙間を介して対向する円周方向に一体に連続した軸受面と、コアまたはヨーク部を通って軸受面に開口し、軸受隙間に圧縮流体である気体を供給する給気孔と、軸受隙間の前記軸受面の流体圧力を検出する圧力センサとを備え、この圧力センサの出力から求めたロータの変位に基づいて、コイルに供給する電流を制御する手段を有するものとする。
この構成によると、静圧気体軸受と磁気軸受とを所定の関係で組み合わせて構成されるため、静圧気体軸受の優れた動剛性および回転精度と磁気軸受の優れた静剛性という両者の特長を生かした軸受とできる。なお、静圧気体軸受は、例えば静圧空気軸受とされる。また、磁気軸受と静圧気体軸受とは、静圧気体軸受の絞りを磁気軸受のステータに設け、特にそのコア内に前記絞りを設けるなど、磁気軸受と静圧気体軸受とが互いに兼用部分が生じるように併設することが好ましい。
ラジアル軸受に適用した場合は、静圧による支持と磁気による支持とに、ロータとなる主軸に別の長さ部分を必要とせず、軸方向に短い複合軸受とでき、主軸長さを短くできる。これにより、曲げ固有振動数が高められ、より高速回転が可能となる。また、軸方向に対する磁気軸受の支持中心点と静圧気体軸受の支持中心点とを略一致させることができ、両軸受の制御が容易になる。
アキシャル軸受に適用した場合は、単に静圧気体軸受と磁気軸受とを径方向に並べて配置する場合に比べて、構成がコンパクトになり、ロータの軸受対向面の径を小さくできる。
【０００９】
また、ロータの変位を測定する変位測定手段は、静圧気体軸受の軸受面の圧力を測定する圧力センサとしており、静圧気体軸受面の圧力を直接測定し、これをロータ変位に換算して軸受の制御に利用するようにしたため、他の方式のセンサで問題となるロータセンサターゲット面の磁気特性むらによるセンサの誤動作がなく、高精度なセンシングが可能となる。例えば、分解能がサブミクロン以下の高精度な変位検出が可能になると同時に、センサに小型のものが使用できて、センサを軸受内部に収納することができ、コンパクトな軸受構成が可能となる。また、静圧気体軸受の圧力をロータ変位に換算することで、静圧気体軸受の軸受中心を磁気軸受中心に設定できることから、両軸受の相互干渉を防ぐことが容易となる。
前記圧力センサに半導体圧力センサを使用した場合は、圧力測定部のコンパクト化が図れる。
【００１０】
この発明の静圧磁気複合軸受において、ラジアル軸受とした場合に、ロータの直径方向の両側に対向する静圧気体軸受面における静圧の圧力差を前記圧力センサで測定し、この測定値からロータの変位を求めるようにしても良い。
このように圧力センサを配置することで、少ない圧力センサ数で精度良くロータの変位を求めることができる。
【００１１】
この発明の静圧磁気複合軸受において、アキシャル軸受とした場合に、静圧気体軸受面の同一円周上の３か所以上の圧力を前記圧力センサにより測定し、これらの圧力測定値からロータのアキシャル方向の変位を求めるようにしても良い。このように圧力測定個所を設定することにより、少ないセンサ個数で、したがって低コストで、ロータのアキシャル方向の変位を精度良く測定することができる。
【００１２】
上記のように３個所で圧力測定をする代わりに、静圧気体軸受面の同一円周上で直径方向に対向する２か所の圧力を前記圧力センサで測定し、これらの測定値からロータのアキシャル方向の変位を求めるようにしても良い。
これにより、より少ないセンサ個数で、より低コストでロータのアキシャル方向の変位を精度良く測定することができる。
【００１３】
この発明の静圧磁気複合軸受において、アキシャル軸受とした場合に、ロータの軸方向両側に磁気軸受の電磁石および静圧気体軸受の絞りを配置しても良い。この場合に、ロータを介して対向する一方の静圧気体軸受面の任意個所と、他方の静圧気体軸受面における前記任意個所のロータ中心に対して点対称にある個所の圧力を前記圧力センサで測定し、両測定値からロータのアキシャル方向の変位を求めるようにしても良い。
このように圧力測定個所を定めることにより、より一層少ないセンサ個数で、したがってより一層低コストで、ロータのアキシャル方向の変位を精度良く測定することができる。
【００１４】
これら各構成の静圧磁気複合軸受において、前記圧力センサを、静圧気体軸受面の圧力測定個所から離さずに配置しても良い。すなわち、圧力センサを、静圧気体軸受面の圧力測定個所またはその近傍に直接に固定しても良い。
これにより、所望の測定面圧力を直接に測定することができる。
【００１５】
また、これら各構成の静圧磁気複合軸受において、圧力センサを測定面に配置する代わりに、圧力センサを静圧気体軸受面と離して配置し、圧力センサと静圧気体軸受面を、微細孔、またはパイプ、またはこれら微細孔およびパイプの両方で連結しても良い。この構成において、例えば、前記微細孔は、静圧気体軸受面に設け、直径１mm以下の孔とする。前記パイプは、前記微細孔に接続して用い、内径が１mm以下のものとする。このパイプの先端に圧力センサを取付ける。
このように、微細孔またはパイプを用いると、静圧気体軸受面または静圧磁気複合軸受自体が小さくて圧力センサが収納できない場合に、あるいはこの軸受を利用したスピンドル装置内に空きスペースがある場合に効果的である。また、圧力測定用に設けた静圧気体軸受面の微細孔径を直径１mm以下とすることにより、静圧気体軸受への影響を少なくし、またそれに接続するパイプ径を１mm以下の内径とすることで、周波数特性を低下させずに圧力の測定が可能となる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
この発明の第１の実施形態を図１ないし図３と共に説明する。
図１はこの実施形態にかかる静圧磁気複合軸受を応用した静圧磁気複合軸受スピンドル装置の縦断面図を示す。この静圧磁気複合軸受スピンドル装置１は、工作機械のビルトインモータ形式のスピンドル装置であって、スピンドル台となる円筒状のハウジング２内に、モータ５の前後に配置された一対の静圧磁気複合軸受３，３と、後端のスラスト磁気軸受１０とを介して主軸４を回転自在に支持したものである。主軸４は、静圧磁気複合軸受３のロータとなる。モータ５は、主軸４に一体に設けられたモータ部ロータ６と、ハウジング２に直接設置されたステータ７とで構成される。
ハウジング２の前後端にはフランジ２１Ａ，２１Ｂが形成され、これらフランジ２１Ａ，２１Ｂの内周面は潤滑性に優れた材料からなる保護用軸受面２２とされている。これにより、複合軸受３に異常が生じて主軸４がタッチダウンした場合でも、主軸４の焼付きが防止される。
スラスト磁気軸受１０は、主軸４に一体に設けた軸受ロータ１９と、ハウジング２に設置され上記軸受ロータ１９を軸方向に前後から挟む一対の軸受ステータ２０Ａ，２０Ｂとからなる。軸受ステータ２０Ａ，２０Ｂのコイル電流は、主軸４の軸方向変位を検出するスラスト変位センサ２４の測定値で制御される。スラスト変位センサ２４は、ハウジング２の後部壁２３に設けられている。
【００１７】
前後の静圧磁気複合軸受３，３は、次のようにラジアル磁気軸受８とラジアル静圧気体軸受９とを、構成部品に兼用部分が生じるように一体化させたものである。静圧気体軸受９には静圧空気軸受が用いられている。なお、後述の各実施形態においても、各静圧気体軸受には静圧空気軸受を用いている。ラジアル磁気軸受８は、主軸４の外周に設けられた磁性体の軸受ロータ１１と、ハウジング２に設置された軸受ステータ１２とで構成される。軸受ステータ１２は、コア１３とコイル１４とコイル覆い材１８とでリング状に形成されている。コア１３には固有抵抗の大きい軟磁性むく材が使用される。コア１３は、図２に示すようにリング状部分から複数のヨーク部１３ａを内径側へ互いに放射状に突出させたものであり、各ヨーク部１３ａに前記コイル１４が巻かれている。隣合うヨーク部１３ａ，１３ａ間の隙間は、樹脂モールド、または非磁性金属材料もしくはセラミックス材料からなる溶射による充填、または非磁性金属材料もしくはセラックス材料からなる隔壁、などからなるコア覆い材１８によって充填される。コア覆い材１８の内径面は、ヨーク部１３ａの先端面と共に同一円筒面に仕上げ加工されている。これらコア覆い材１８とヨーク部１３ａとで軸受ステータ１２の円筒面状の内径面を構成している。
【００１８】
軸受ステータコア１３のリング状部の内部には、全周にわたる給気通路１６が形成され、この給気通路１６から各々分岐して、軸受隙間に給気する絞り１５が各ヨーク部１３ａの電磁力発生面である先端内径面に開口して設けられている。給気通路１６は、周方向の１か所または複数箇所に設けた給気口１７から、圧力流体である圧縮空気の供給源（図示せず）に配管等で接続されており、供給された圧縮空気は、軸受ステータ１２の内径面と主軸４との間に形成される軸受隙間ｄに噴出される。
これら絞り１５と、軸受隙間形成部材を兼用する軸受ステータコア１３およびコア覆い材１８とで、ラジアル静圧気体軸受９が構成される。また、軸受ステータコア１３は、絞り１５および給気通路１６の形成部材を兼用する。
この構成により、静圧気体軸受９は、磁気軸受８の全体の軸方向幅内に配置されることになる。また、磁気軸受８のギャップは、軸受ステータコア１３と主軸４との間の隙間となるので、静圧気体軸受９の軸受隙間ｄと、磁気軸受８のギャップとは、互いに主軸４の軸方向の同じ位置に設けられることになる。
図３に示すように、絞り１５は自成絞りであり、コア１３に設けられた給気孔１５ａと軸受隙間ｄとで構成される。給気孔１５ａは、内径が段付きに形成されて、コア１３の内面からなる静圧気体軸受面に開口する部分が微細孔となっており、この微細孔部分は、直径１mm以下とされている。このように、静圧気体軸受の給気形式に自成絞りを用いた場合、ニューマティックハンマに対する安定性が向上し、高周波域の軸安定性すなわち動剛性を高めることができる。絞り１５は主軸４の円周方向の少なくとも３か所に配置することが好ましい。
【００１９】
なお、この実施形態では、ヨーク部１３ａの全体をむく材としたが、図４に示すように、ヨーク部１３ａの絞り周囲部１３ａａのみをむく材で形成し、ヨーク部１３ａのその他の部分である絞り非近傍部１３ａｂは、積層珪素鋼板としても良い。いずれの場合も、微細孔で形成される自成絞り１５の部分をむく材で製作するため、通常使用される積層鋼板で構成されたコアに加工する場合に比べて、このような微細孔の形成が容易に行え、精度良く静圧気体軸受を形成することができる。また、図４の例のように、絞り周囲部１３ａａ以外に積層珪素鋼板を用いた場合は、全てむく材とする場合に比べてコア１３で発生する鉄損を軽減できる。
【００２０】
この静圧磁気複合軸受３は、このように静圧気体軸受９と磁気軸受８とを組み合わせたものであるため、静圧気体軸受９の優れた動剛性および回転精度と磁気軸受８の優れた静剛性という両者の特長を生かした軸受とできる。
しかも、静圧気体軸受９と磁気軸受８とは、構成部品が兼用されているため、単に静圧気体軸受と磁気軸受とを軸方向に並べて配置する場合に比べて、構成がコンパクトになり、主軸４の長さ短縮できる。これにより、曲げ固有振動数が高められ、より高速回転が可能となる。特に、この実施形態では、磁気軸受８の軸受ステータコア１３およびコア覆い材１８が静圧気体軸受９の軸受隙間形成部材を兼用し、かつ前記軸受ステータコア１３が絞り１５および給気通路１６の形成部材を兼用するため、構成部品が高度に兼用化され、構成のコンパクト化の効果が高い。
【００２１】
前記静圧磁気複合軸受３の制御系を説明する。軸受ステータ１２には、コア覆い材１８を半径方向に貫通して軸受隙間ｄに開口する圧力検出用通気孔２６が、絞り１５の近くの周方向４か所に等間隔に設けられ、これに連通するセンサ装着孔２５に圧力センサ２７Ａ〜２７Ｄが設けられている。これら圧力センサ２７Ａ〜２７Ｄは、互いに直径方向に対向する２つのセンサが１組となって、主軸４のラジアル変位を検出する差圧式のエアマイクロセンサとされている。すなわち、互いに直径方向に対向する圧力センサ２７Ａ，２７Ｂが１つの組を、圧力センサ２７Ｃ，２７Ｄが他の１つの組をなし、一方の圧力センサ２７Ａ，２７Ｂの組の間では、対応する通気孔２６が開口する静圧気体軸受面での圧力差を測定し、これを主軸４のＹ軸方向の変位に換算する。また、他方の圧力センサ２７Ｃ，２７Ｄの組の間でも、対応する通気孔２６が開口する静圧気体軸受面での圧力差を測定し、これを主軸４のＸ軸方向の変位に換算する。
【００２２】
コントローラ２８ａおよびアンプ２９などで構成される磁気軸受制御手段２８は、Ｙ軸方向およびＸ軸方向のフィードバック制御系を有しており、Ｙ軸方向のフィードバック制御系では、上記圧力センサ２７Ａ，２７Ｂにより検出される主軸４のＹ軸方向への変位に基づき、磁気軸受８のＹ軸方向のフィードバック制御が行われる。すなわち、主軸４の変位に応じて、アンプ２９を経て圧力センサ２７Ａ，２７Ｂに対応する位置のコイル１４またはその近隣の幾つかのコイル１４に供給する電流を加減し、主軸４がＹ軸方向に偏らないように制御する。すなわち、主軸４が目標位置に一致するように制御する。これと同様に、磁気軸受制御手段２８のＸ軸方向のフィードバック制御系は、他の圧力センサ２７Ｃ，２７Ｄの測定値により、所定のコイル１４の電流制御を行う。
このように、磁気軸受８の変位センサとして、軸受隙間ｄの静圧を検出する圧力センサ２７Ａ〜２７Ｄを用いたエアマイクロセンサ方式を採用するため、磁気軸受８の制御系のゼロ点（目標値）と静圧気体軸受９の支持中心点（圧力平衡点）を容易に一致させることができ、複雑なセンサ調整が不要となる。また、他の方式のセンサで問題となるロータセンサターゲット面の磁気特性むらや真円度誤差は無関係となる。
【００２３】
磁気軸受制御手段２８によるフィードバック制御は、積分動作または比例積分動作のみとされ、高周波における補償は行われない。また、圧力センサ２７Ａ，２７Ｂのドリフト等により磁気軸受制御系のゼロ点と静圧気体軸受９の支持中心点がずれる場合は、積分制御において僅かな不感帯ｗ（図５）を設けてもよい。不感帯ｗは、圧力センサ２７Ａ，２７Ｂと磁気軸受制御手段２８との間に図６のように不感帯回路３１を設けることで設定しても、また磁気軸受制御手段２８を構成する制御回路内に不感帯回路を設けることで設定しても良い。このように不感帯ｗを設けることにより、温度ドリフト等による磁気軸受８の誤動作を抑制することができる。すなわち、動剛性（高周波領域）を静圧気体軸受９で、静剛性（低周波領域）を磁気軸受８でそれぞれ分担して受け持つ役割分担が確実に行えて、両軸受８，９の特長が共に生かされ、互いに干渉することを回避できる。また、このように、磁気軸受８は積分動作または比例積分動作という低周波制御系となるため、比較的応答性の遅い圧力センサ２７Ａ〜２７Ｄを変位センサとして用いることができる。
磁気軸受８の性能は、磁気軸受制御手段２８の設定によって設定することができるが、一般に磁気軸受の場合、高周波域に有効に減衰力を発生させ、主軸を安定して浮上させることが難しいといった問題がある。そこで、この発明では、磁気軸受８は、その特長である低周波域での軸受剛性を高める役目だけに利用するようにしている。
【００２４】
磁気軸受８のコイル１４に電流を供給するアンプ２９には、電流−電磁力を線型化させるための線型化回路、例えば電流２乗フィードバック回路を有するものが用いられる。これにより、バイアス電流を流すことなく線形化でき、磁気軸受特有の負の剛性も発生しない。すなわち、磁気軸受８で負の剛性が発生するのを回避でき、その負の剛性により静圧気体軸受９の安定性が損なわれるのを防止できる。また、主軸４が回転したときにそのバイアス電流によって発生する主軸４内の鉄損を無くすことができ、高速回転が可能となる。
磁気軸受制御手段２８には、主軸４の回転数に同期したバンドエリミネートフィルタ３２（図７）を挿入しても良い。これにより、主軸４の回転時のロータアンバランスによる振れに対して、磁気軸受８の電磁石からの電磁力は作用しなくなる。前述したように、磁気軸受制御手段２８を積分動作で構成した場合には高周波域での磁気軸受８の作用力は主軸４に対して、不安定力として働く。主軸４の回転時には主軸４の振れは回転同期成分が主成分となる。これを選択的に除去することで、主軸４を安定して回転させることが可能となる。
【００２５】
なお、この実施形態では、圧力センサ２７Ａ〜２７Ｄで直接に主軸４の変位を検出するようにしたが、圧力センサによる測定値から換算して、主軸４と静圧気体軸受面との間の隙間の大きさを求め、この隙間の変化に応じて磁気軸受制御手段２８による制御を行うようにしても良い。
また、圧力センサを前記のように磁気軸受８のコア１３の内部に配置する代わりに、静圧気体軸受９の軸受隙間に連通するように中空パイプ（図示せず）を配置し、外部の圧力センサで圧力を測定するようにしても良い。軸受サイズが小さく、外部に圧力センサを収納するスペースがある場合は、この外部に配置する構成が好ましい。
さらに、図８に示すように、磁気軸受８の内径部、例えばコア覆い材１８等の部分に直接に圧力センサ２７を配置し、主軸４とコア１３間の圧力を測定して主軸４の変位に換算するようにしても良い。
【００２６】
図９，図１０は、他の実施形態にかかる静圧磁気複合軸受を示す。この例は、ラジアル磁気軸受８Ａの軸受ステータ１２のコア１３Ａ内に、静圧気体軸受９Ａの軸受隙間ｄへ給気する絞り１５を形成した静圧磁気複合軸受３Ａにおいて、ラジアル磁気軸受８の電磁石のコア１３Ａをいわゆる馬蹄形とし、その磁極１３Ａａ，１３Ａａの対を、主軸４の軸方向に並べて配置した構造である。各磁極１３Ａａの同一円周上の極性は同じにしてある。この様にすることで、主軸４の回転に伴って主軸４で発生する鉄損を減少させることができる。その他の構成，効果は第１の実施形態と同様である。コア１３Ａの個数は、換言すれば電磁石の個数は、円周方向に３個以上とすることが好ましい。
このように、磁気軸受８Ａを構成する電磁石を３個以上有するものとし、各電磁石のコア１３Ａの磁極１３Ａａを回転軸方向に配置し、同一円周上における各磁極１３Ａａの極性を一致させることで、主軸４の回転に伴い、磁気軸受８Ａの主軸部で発生するヒステリシス損および渦電流損を軽減できる。また、これらの損失による主軸４の発熱が抑制できるため、主軸４の熱膨張よる軸受隙間の減少を最小限に抑え、安定した静圧気体軸受９Ａの性能を得ることができる。
【００２７】
図１１〜図１３の軸受３Ｂは、図９，図１０の例に対して、ラジアル磁気軸受８Ａのコア形状を改良したものである。主軸４の軸方向に配置したコア１３Ｂのヨーク部１３Ｂａ，１３Ｂｂのうち、一方のヨーク部１３Ｂａ側を円周方向に隣り合うヨーク部と共通化し、形状を簡略化させている。このように電磁石を構成することで、電磁石のヨーク１３Ｂの加工工数を減少できて、加工性を向上させることができると共に、主軸４の回転に伴い発生する磁気軸受主軸部分での鉄損をさらに軽減することができ、より高速回転に対応できる。
【００２８】
図１４は、第１の実施形態において、軸受３と対向する主軸４の表面にセラミックスのコーティング層３３を施したものである。これにより、タッチダウン時の主軸４および軸受面の焼き付きを防止できる。さらに、コーティング層３３がセラミックスであるため、磁気軸受８の動作中で主軸４が回転したときに、その主軸４の内部での、鉄損の発生を抑制でき、主軸４の高速回転に対応できる。また、コーティング層３３の外周面は静圧気体軸受９のロータ面、内周面は磁気軸受８のロータ面となり、静圧気体軸受隙間と磁気軸受隙間とが異なる寸法となるため、コーティング層３３の厚さを調整することで、最適な静圧気体軸受９と磁気軸受８の隙間を設定できる。このコーティング層３３の厚さを１mm厚以下とすることで磁気軸受隙間ｄ′が広くなることを制限すれば、コイル１４の供給電流を増やすことなく所望の電磁力を発生させることができる。
また、主軸４の磁気軸受８におけるロータ部に積層珪素鋼板（図示せず）を使用し、その上にセラミックスコーティング層３３を施しても良い。前記積層珪素鋼板からなるロータ部は、例えば主軸４の外周に設ける。その場合、積層珪素鋼板を使用したことで、高速回転時の鉄損を一層軽減し、高速回転時のロータの発熱を抑えることができる。
また主軸４の材質、またはその外周に前記のように設けるロータ部の材質に、低熱膨張軟磁性材たとえばインバー材を使用し、その外周面上にセラミックスのコーティング層３３を施すことが好ましい。これにより、主軸４ないしロータの曲げ固有振動数が高められ、より高速まで回転することが可能になる。また、インバー材は、低熱膨張係数を有するため、主軸４に温度上昇があっても、主軸４の熱膨張による軸受隙間ｄ′の減少量は小さく抑えることができ、かつ磁気軸受８に適した磁気特性を持つ。このため安定した静圧気体軸受性能が確保できる。しかも、軸方向への膨張量も少ないため、工作機械用のスピンドル装置に応用した場合には、加工精度の向上に効果がある。さらに、一般にセラミックスは低熱膨張係数を有することから、例えばフェライト系のステンレス鋼で製作した主軸４上にセラミックスコーティング層３３を施すと、主軸４の熱膨張係数の差によって、セラミックスコーティング層３３に割れが発生したり、剥がれ生じる可能性があるが、インバー材を使用することによりこのような問題は解決される。
【００２９】
なお、前記各静圧磁気複合ラジアル軸受の実施形態では、軸受ステータコア１３に絞り１５を設けたが、絞り１５はコア１３を避けてコイル覆い材１８等に形成しても良い。
また、上記各静圧磁気複合ラジアル軸受の実施形態では、磁気軸受８と静圧気体軸受９とに部品を兼用させたが、磁気軸受と静圧気体軸受とは、必ずしも部品を兼用させなくても良く、磁気軸受の全体の軸方向幅内に静圧気体軸受を設け、または静圧気体軸受の全体の軸方向幅内に磁気軸受を設けても良い。あるいは、静圧気体軸受の軸受隙間ｄと、磁気軸受の軸およびステータコア間のギャップとを、互いに軸方向の略同じ位置に設ければ良い。部品の兼用を行わずに、磁気軸受と静圧軸受との幅に共通部分を持たせる構成は、磁気軸受を構成する部品と静圧軸受を構成する部品の配置を円周方向に異ならせることなどで実現される。
【００３０】
図１５は、静圧磁気複合軸受をアキシャル軸受に適用した参考提案例を示す。この静圧磁気複合アキシャル軸受装置は、磁性体からなる主軸４１の鍔状のスラスト支持部である軸受ロータ４１ａを軸方向両側から２つの静圧磁気複合アキシャル軸受部４２，４３で挟んで構成される。各静圧磁気複合アキシャル軸受４２，４３は、電磁石のコア４４，４５内にコイル４６，４７を収納し、このコア４４，４５内に絞り４８を設けたものであって、主軸４１の外周にリング状に設けられる。絞り４８は自成絞りであり、コア４４，４５の軸受面に開口する先端が微細孔となった給気孔４８ａと、軸受隙間ｄ１，ｄ２とで構成される。前記のコア４４，４５とコイル４６，４７とで、アキシャル磁気軸受４９の軸受ステータ５２が構成され、コア４４，４５と絞り４８とでアキシャル静圧気体軸受５０が構成される。
【００３１】
コア４４，４５とロータ４１ａ間にこの圧力流体を噴出させることにより、コア４４，４５とロータ４１ａ間に圧力が発生する。また、自成絞り４８を設けたことによって、コア４４，４５とロータ４１ａ間の隙間ｄ１，ｄ２の変動によって、圧力および隙間の間隔が自動的に変化し、自動調芯機能を有する静圧気体軸受を形成できる。これにより、ロータ４１ａを安定浮上させることができる。 この場合に、コア４４，４５とロータ４１ａ間の隙間ｄ１，ｄ２を０．１ｍｍ以下と微小することで、この静圧気体軸受による軸受剛性を高め、静圧気体軸受単独でも、ロータ４１ａは安定して浮上することができる。
【００３２】
この静圧磁気複合軸受には、外部にコア４４，４５とロータ４１ａ間の距離を測定する変位センサ５１を設け、その変位センサ５１の測定値に応じてコイル４６，４７に流す電流をフィードバック制御する磁気軸受制御手段５３を設ける。磁気軸受制御手段５３は、例えばアンプ５４を介して電流制御する。これにより、静圧気体軸受と磁気軸受とを兼用した軸受構成が可能となる。この磁気軸受制御手段５３は、第１の実施形態等で説明した磁気軸受制御手段２８と同様な機能のものを用いることができる。
【００３３】
この発明の実施形態にかかる静圧磁気複合軸受では、図５の参考提案例にかかる静圧磁気複合アキシャル軸受装置において、前記変位センサ５１を設ける代わりに、静圧気体軸受面の圧力を測定し、この圧力によって静圧気体軸受５０における軸受隙間ｄ、すなわち電磁石のコア４５とロータ４１ａ間の隙間ｄ（ｄ１，ｄ２）の大きさを換算して求めるものとする。この隙間ｄの大きさの検出結果により、磁気軸受制御手段５３でコイル４６，４７の電流を制御する。
圧力測定による変位測定の場合、他の方式のセンサで問題となるロータセンサターゲット面の磁気特性むらによるセンサの誤動作がなく、高精度なセンシングが可能となる。
【００３４】
この圧力測定のために、同実施形態において、図１６に示すように、電磁石のコア４４，４５の内部に圧力センサ５５を配置し、直接に静圧気体軸受５０の圧力を測定するようにしても良い。
図１７に示すように、静圧気体軸受５０に直結した形で、中空パイプ５６を設け、外部の圧力センサ５７で圧力を測定するようにしても良い。この場合、コア４４などの静圧気体軸受５０の軸受面の構成部材に圧力測定用の微細孔５９を設け、この微細孔５９に中空パイプ５６を結合する。軸受サイズが小さく、外部に圧力センサのスペースがある場合には、外部に圧力センサ５７を設けることが有利である。また、圧力測定用に設けた前記微細孔５９の直径を１mm以下と規制することで、静圧気体軸受への影響を少なくし、またそれに接続するパイプ５６の内径（直径）も１mm以下に規制することで、周波数特性を低下させずに圧力の測定が可能となる。
【００３５】
図１８は、図１６のＡ−Ａ断面を示した図である。この例では、センサ圧力測定個所を静圧磁気複合アキシャル軸受の静圧気体軸受面における同一円周上の等ピッチ３箇所以上（図１８では３箇所の測定点ａ１，ａ２，ａ３）の圧力を測定し、各測定値から各部のロータ４１ａと電磁石コア４４，４５間の隙間ｄ１，ｄ２の値を換算し、その値の平均をとる。これにより、ロータ４１ａのアキシャル方向位置を正確に測定することができる。前記平均をとる演算は、例えば磁気軸受制御手段５３で行う。
【００３６】
上記のように３か所で圧力を測定する代わりに、図１９に示すように、円周上の１８０°離れた対向する２個所の測定点ｂ１，ｂ２で行うようにしても良い。図１９は図１６のＡ−Ａ断面に相当する図である。圧力測定点ｂ１，ｂ２をこのように円周上の１８０°離れた２点に設定することで、ロータ４１ａのピッチング運動もしくはヨーイング運動に影響されることなく、最小の圧力センサ個数でロータ４１ａのアキシャル方向位置を測定することができる。
【００３７】
図１６の例のようにロータ４１ａの両側に対向して静圧磁気複合アキシャル軸受部４２，４３を設ける場合、軸受隙間ｄ１，ｄ２の圧力を測定する測定点は、図２０に示すように、各軸受隙間ｄ１，ｄ２について１個所ずつとしても良い。その場合、片方の軸受隙間ｄ１の測定点ｃ１と、もう片方の軸受隙間ｄ２の測定点ｃ２とは、投影面で同一円周上の１８０°離れた２点とする。また、磁気軸受制御手段５３は、両測定点ｃ１，ｃ２の圧力測定値から求めた軸受隙間ｄ１，ｄ２の差分を計算して電流制御を行うようにする。これにより、ロータ４１ａのピッチング運動もしくはヨーイング運動に影響されることなく、さらにロータ４１ａに熱膨張があった場合にも、最小の圧力センサ個数でロータ４１ａのアキシャル方向位置を測定することができる。
これら図１８ないし図２０と共に説明した方法により、ロータ４１ａのアキシャル方向の変位を正確にかつ低コストで測定することができる。
【００３８】
なお、前記各実施形態および参考提案例において示した圧力センサ、例えば図１５，図１６の例や、図８の例の圧力センサ５１，５５，２７は、半導体圧力センサを用いても良い。これにより、装置をコンパクトでかつその測定結果を電気信号で直接外部に取り出すことができる。
【００３９】
図２１はさらに他の実施形態にかかる静圧磁気複合アキシャル軸受を示す。この例は、主軸４１のロータ４１ａの片方のみを支えるアキシャル軸受としたものである。すなわち、磁気軸受４９のステータコア４５および静圧気体軸受５０の絞り４８をロータ４１ａの軸方向の片側のみに配置している。
この例では、磁気軸受４９によるロータ４１ａへの作用力Ｆｍは吸引力として働き、一方静圧気体軸受５０によるロータ４１ａへの作用力Ｆｓは反発力として作用する。よって、静圧気体軸受５０の単独ではロータ軸方向が鉛直方向にあった場合には、ロータを支持することができない。しかし磁気軸受４９と複合化することにより、軸受の据え付け方向に依らずロータ４１ａを支持することができる。このように、主軸４１のスラスト支持部４１ａの片方のみに磁気軸受４９および静圧気体軸受５０を配置し、吸引力と反発力とを釣り合わせるようにした静圧磁気複合軸受とすることで、軸受構成がより一層コンパクトになる。
【００４０】
図２２は、他の応用例に係る静圧磁気複合軸受スピンドル装置の縦断面図を示す。この静圧磁気複合軸受スピンドル装置１は、図１の静圧磁気複合軸受スピンドル装置１において、モータ５と各軸受３，３，１０の配置関係を変えたものであり、モータ５をハウジング２内の最後部に配置してある。スラスト磁気軸受１０は、前後の静圧磁気複合軸受３，３の間に配置してある。その他の構成は前記実施形態と同じである。
図１の例のモータ配置では、モータ５を高出力とした場合、モータ５のロータ６の肉厚，質量が大きくなって曲げ固有振動数を低下させることがあるが、図２２の応用例のようにモータ５を主軸４の後端部に配置することで、これに対処できる。
【００４１】
図２３はさらに他の応用例を示す。この静圧磁気複合軸受スピンドル装置１は、図１の静圧磁気複合軸受スピンドル装置１において、軸受に対する主軸４のラジアル変位を検出するセンサとして、渦電流式の変位センサ３０を用いたものである。各静圧磁気複合軸受３に対するセンサ３０の設置位置は前後のどちらでも良いが、図示の例では、前部の静圧磁気複合軸受３に対するものは軸受前方とされ、後部の静圧磁気複合軸受３に対するものは軸受後方とされている。なお、上記渦電流式変位センサ３０に代えて、リラクタンス式変位センサや静電容量式変位センサを用いてもよい。その他の構成は、図１の実施形態と同じである。
【００４２】
図２４は、静圧磁気複合軸受で構成したさらに他のスピンドル装置を示す。このスピンドル装置は、２組の静圧磁気複合ラジアル軸受６５，６６と、１組の静圧磁気複合アキシャル軸受６７と、主軸６８を回転させるモータ６９から構成される。主軸６８は静圧磁気複合アキシャル軸受６７で支持される鍔状のロータ４１ａを有する。これら静圧磁気複合ラジアル軸受６５，６６および静圧磁気複合アキシャル軸受６７には、前記各実施形態で説明したいずれのものを使用しても良い。
また、同図のスピンドル装置において、２組の静圧磁気複合ラジアル軸受６５，６６として、図２５に示すように、コイル１４の主軸軸方向の両側に自成絞り１５を有する静圧磁気複合ラジアル軸受６５Ａ，６６Ａを用いても良い。図２５の静圧磁気複合軸受スピンドル装置におけるその他の構成は図４に示すスピンドル装置と同じである。
なお、この例のスピンドル装置において、必ずしも全ての軸受を静圧磁気複合軸受で構成する必要はない。スラスト方向のみの静剛性を高める必要ある場合はアキシャル軸受部のみを静圧磁気複合軸受で構成し、ラジアル方向の軸受支持を静圧気体軸受で構成すればよい。また、ラジアル方向のみの静剛性を高める必要のある場合は、スピンドル負荷側の端部に静圧磁気複合ラジアル軸受６５を配置し、他の軸受支持部を静圧気体軸受で構成してもよい。
また、この静圧磁気複合軸受スピンドル装置において、低速回転時に磁気軸受の制御ゲインを下げておき、主軸が所定の回転数以上となったときに、前記制御ゲインを所定の値に変化させるようにすることが好ましい。この制御ゲインの設定および変更は、磁気軸受制御手段２８，５３で行われる。
【００４３】
静圧磁気複合軸受で構成したスピンドル装置の起動方法を以下に示す。この起動方法、および後に説明する各起動方法は、いずれも、前記各実施形態のいずれのスピンドル装置にも適用できる。
この起動方法では、まず各静圧磁気複合軸受６５〜６７の絞りに圧力流体を供給し、静圧気体軸受のみでロータを浮上させる。その浮上状態で、変位センサ（または圧力センサによる変位測定値）の値をゼロにシフトさせ、その後、磁気軸受の制御を作動させる。このように起動することにより、常に静圧気体軸受および主軸ないしロータの自重との釣り合い状態で主軸ないしロータを浮上させることができ、無駄に磁気軸受の電磁石コイルに電流を流すことがなく、磁気軸受の負の剛性による影響を抑制することができる。
【００４４】
以下に他の起動方法を示す。
まず各静圧磁気複合軸受の絞りに圧力流体を供給し、静圧気体軸受のみで主軸ないしロータを浮上させる。その浮上状態で、所定の回転数に回転させ、変位センサ出力値（または圧力センサによる変位測定値）のＤＣ成分のみをゼロにシフトさせ、その後、磁気軸受の制御を作動させる。このような起動を行うことにより、静圧気体軸受および主軸ないしロータ自重との釣り合いだけでなく、主軸ないしロータの回転に伴い、主軸，ロータの周りの流体からの作用力の微妙なアンバランスから生じる静的力をも考慮し、その状態をロータ中心として、磁気軸受を作動することができる。また、主軸，ロータ回転上昇時に磁気軸受の磁束によって主軸，ロータ内に発生する鉄損の影響を回避でき、高速回転が可能になる。
【００４５】
さらに異なる起動方法を以下に示す。
まず、静圧磁気複合軸受の絞りに圧力流体を供給し、静圧気体軸受のみでロータを浮上させる。その浮上状態で、変位センサ（または圧力センサによる変位測定値）の値をゼロにシフトさせる。磁気軸受制御回路のゲインを下げた状態で磁気軸受を作動させる。その後、所定の回転数以上になったときに、前記制御ゲインを所定の値に変化させる。このような起動を行うことにより、主軸，ロータ回転上昇時に磁気軸受の磁束によって主軸ロータ内に発生する鉄損の影響を回避でき、高速回転が可能になる。さらに、ゲインを下げた状態で磁気軸受を作動させるため、磁気軸受を作動した瞬間の主軸，ロータへの外乱は抑制することができる。
【００４６】
【発明の効果】
この発明の静圧磁気複合軸受およびスピンドル装置は、いずれも静圧気体軸受と磁気軸受とを所定の関係で組み合わせたものであるため、静圧気体軸受の優れた動剛性と磁気軸受の優れた静剛性とを併せ持ちながら、構成がコンパクトになる。ラジアル軸受に適用した場合は、主軸長も短縮することができる。
また、ロータの変位を測定する変位測定手段に圧力センサを用いたため、高精度な変位検出が可能になると同時に、コンパクトな軸受構成が可能となり、また静圧気体軸受の軸受中心を磁気軸受中心に設定できて、両軸受の相互干渉を防ぐことが容易となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施形態に係る静圧磁気複合軸受を応用した静圧磁気複合軸受スピンドル装置の縦断面図である。
【図２】その静圧磁気複合ラジアル軸受の横断面図と軸受制御系のブロック図とを組み合わせて示す説明図である。
【図３】同静圧磁気複合ラジアル軸受の部分拡大図である。
【図４】同静圧磁気複合ラジアル軸受のヨーク部分の変形例の部分拡大図である。
【図５】同静圧磁気複合ラジアル軸受の電流制御例を示す説明図である。
【図６】同静圧磁気複合ラジアル軸受の制御系の変形例を示すブロック図である。
【図７】同静圧磁気複合ラジアル軸受の制御系の他の変形例を示すブロック図である。
【図８】この発明の他の実施形態にかかる静圧磁気複合ラジアル軸受の断面図である。
【図９】この発明のさらに他の実施形態にかかる静圧磁気複合ラジアル軸受の横断面図である。
【図１０】その縦断面図である。
【図１１】この発明のさらに他の実施形態にかかる静圧磁気複合ラジアル軸受の縦断面図である。
【図１２】図１１のXII-XII 線断面図である。
【図１３】図１１のXII1-XII1 線断面図である。
【図１４】この発明のさらに他の実施形態にかかる静圧磁気複合ラジアル軸受の部分断面図である。
【図１５】参考提案例にかかる静圧磁気複合アキシャル軸受の部分断面図と軸受制御系のブロック図とを組み合わせて示す説明図である。
【図１６】この発明のさらに他の実施形態にかかる静圧磁気複合アキシャル軸受の部分断面図と軸受制御系のブロック図とを組み合わせて示す説明図である。
【図１７】この発明のさらに他の実施形態にかかる静圧磁気複合ラジアル軸受の部分断面図である。
【図１８】その測定点の説明図である。
【図１９】その測定点の他の例の説明図である。
【図２０】（Ａ），（Ｂ）は各々測定点の他の例の説明図である。
【図２１】この発明のさらに他の実施形態にかかる静圧磁気複合ラジアル軸受の部分断面図である。
【図２２】この発明の他の応用例に係る静圧磁気複合軸受スピンドル装置の縦断面図である。
【図２３】この発明のさらに他の応用例に係る静圧磁気複合軸受スピンドル装置の縦断面図である。
【図２４】この発明のさらに他の応用例に係る静圧磁気複合軸受スピンドル装置の縦断面図である。
【図２５】この発明のさらに他の応用例に係る静圧磁気複合軸受スピンドル装置の縦断面図である。
【図２６】従来例の縦断面図である。
【図２７】他の従来例の縦断面図である。
【符号の説明】
１…静圧磁気複合軸受スピンドル装置
２…ハウジング
３…静圧磁気複合軸受
４…主軸（ロータ）
８…ラジアル磁気軸受
９…ラジアル静圧気体軸受
１０…スラスト磁気軸受
１２…軸受ステータ
１３…ステータコア
１４…コイル
１５…絞り
１５ａ…給気孔
２７Ａ〜２７Ｄ…圧力センサ（変位検出手段）
２８…磁気軸受制御手段
３３…コーティング層
４１…主軸（ロータ）
４１ａ…ロータ
４４，４５…ステータコア
４６…コイル
４８…絞り
４９…磁気軸受
５０…静圧気体軸受
５３…磁気軸受制御手段
５１…変位センサ
５２…軸受ステータ
５５…圧力センサ
ｄ…軸受隙間
【発明の属する技術分野】
この発明は、静圧気体軸受と磁気軸受とを組み合わせた静圧磁気複合軸受に関し、例えば、高速切削加工機のスピンドル装置等に用いられる静圧磁気複合軸受に関する。
【０００２】
【従来の技術と発明が解決しようとする課題】
磁気軸受は、大きな軸受ギャップを持つため回転によるトルクロスが極めて小さく、積分制御により大きな静剛性を付与できる特徴がある。
図２６は、従来のアルミ材用高速ミーリング磁気軸受スピンドル装置を示す縦断面図である。この従来例のスピンドル装置は、タッチダウンベアリング２５１、工具２５２、変位センサ２５３、ラジアル磁気軸受２５４、スラスト磁気軸受２５５、モータ２５６、ラジアル磁気軸受２５７、変位センサ２５８、および主軸２５９を有する。この磁気軸受スピンドル装置は、最高回転数：４万ｒｐｍ、出力：１５ｋＷ、最大切削能力：１２５０ｃｍ3 ／ｍｉｎの各性能を有し、上記用途として大変優れたものである。
【０００３】
しかし、磁気軸受スピンドル装置は、加工中に主軸の曲げ固有振動数の影響を受け易く、そのため非常に複雑な制御系を構成する必要がある。したがって、様々な加工条件への対応が要求される汎用工作機用スピンドル装置としては適さない。
【０００４】
一方、非接触の軸受として、磁気軸受のほかに静圧気体軸受がある。静圧気体軸受は、回転精度が極めて高く優れた動的安定性を持っているが、圧縮性を有するために、静剛性および負荷容量が小さく、汎用工作機械用としてはほとんど適用例がない。
【０００５】
そこで、最近、高速加工機用スピンドル装置として、図２７に縦断面図で示すような、静圧気体軸受と磁気軸受とを組合せた複合軸受スピンドル装置が提案され、実用化が検討されている。この従来例のスピンドル装置は、変位センサ２６３、ラジアル磁気軸受２６４、スラスト磁気軸受２６５、モータ２６６、ラジアル磁気軸受２６７、変位センサ２６８、変位センサ２７０、主軸２７１、および静圧気体軸受２７２，２７３を有する。
【０００６】
しかし、同図の複合軸受スピンドル装置では、磁気軸受２６４，２６７と、静圧気体軸受２７２，２７３とを、軸方向に並べて配置しているため、主軸２７１が長くなり、曲げ固有振動数が低くなるという問題点がある。また、磁気軸受を単独で適用するスピンドル装置の場合と全く同じ構造の制御系の構成を採用しているために、静圧気体軸受の動的安定性を損ね、むしろ外乱発生源として作用するという問題点もある。
また、このスピンドル装置で高回転精度を得るためには、磁気軸受用変位センサが高精度であることが要求されるが、通常、磁気軸受に使用される変位センサは渦電流センサなどの磁気センサが用いられ、分解能は１μｍ程度である。一方、高精度変位センサとしては静電容量型変位センサがあるが、高価で利用は難しい。
したがって、静圧気体軸受，磁気軸受の特長を生かしつつ、欠点を補い合うという目的は十分に達成されていないのが現状である。
【０００７】
この発明の目的は、このような課題を解消し、静圧気体軸受の優れた動剛性および高回転精度と磁気軸受の優れた静剛性とを併せ持ち、コンパクト化が図れ、また高精度な変位検出を可能にすると共に、静圧気体軸受と磁気軸受の相互干渉の防止を容易とした静圧磁気複合軸受を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明の静圧磁気複合軸受は、ロータの変位を測定する変位測定手段を有し、この変位測定手段の測定値に従って電磁力を発生させる磁気軸受と、静圧気体軸受とを併設することにより前記ロータを非接触支持し、前記変位測定手段を、静圧気体軸受の軸受面の圧力を測定する圧力センサとし、この圧力センサの測定値を用いてロータの変位を求め磁気軸受の磁力制御を行うものである。
例えば、この静圧磁気複合軸受は、ロータと、磁性体からなりロータに対向するヨーク部を備えたコアと、通電によりロータとヨーク部の間に磁気吸引力を発生させるコイルと、ロータに対向するヨーク部端面を含みロータに所定の軸受隙間を介して対向する円周方向に一体に連続した軸受面と、コアまたはヨーク部を通って軸受面に開口し、軸受隙間に圧縮流体である気体を供給する給気孔と、軸受隙間の前記軸受面の流体圧力を検出する圧力センサとを備え、この圧力センサの出力から求めたロータの変位に基づいて、コイルに供給する電流を制御する手段を有するものとする。
この構成によると、静圧気体軸受と磁気軸受とを所定の関係で組み合わせて構成されるため、静圧気体軸受の優れた動剛性および回転精度と磁気軸受の優れた静剛性という両者の特長を生かした軸受とできる。なお、静圧気体軸受は、例えば静圧空気軸受とされる。また、磁気軸受と静圧気体軸受とは、静圧気体軸受の絞りを磁気軸受のステータに設け、特にそのコア内に前記絞りを設けるなど、磁気軸受と静圧気体軸受とが互いに兼用部分が生じるように併設することが好ましい。
ラジアル軸受に適用した場合は、静圧による支持と磁気による支持とに、ロータとなる主軸に別の長さ部分を必要とせず、軸方向に短い複合軸受とでき、主軸長さを短くできる。これにより、曲げ固有振動数が高められ、より高速回転が可能となる。また、軸方向に対する磁気軸受の支持中心点と静圧気体軸受の支持中心点とを略一致させることができ、両軸受の制御が容易になる。
アキシャル軸受に適用した場合は、単に静圧気体軸受と磁気軸受とを径方向に並べて配置する場合に比べて、構成がコンパクトになり、ロータの軸受対向面の径を小さくできる。
【０００９】
また、ロータの変位を測定する変位測定手段は、静圧気体軸受の軸受面の圧力を測定する圧力センサとしており、静圧気体軸受面の圧力を直接測定し、これをロータ変位に換算して軸受の制御に利用するようにしたため、他の方式のセンサで問題となるロータセンサターゲット面の磁気特性むらによるセンサの誤動作がなく、高精度なセンシングが可能となる。例えば、分解能がサブミクロン以下の高精度な変位検出が可能になると同時に、センサに小型のものが使用できて、センサを軸受内部に収納することができ、コンパクトな軸受構成が可能となる。また、静圧気体軸受の圧力をロータ変位に換算することで、静圧気体軸受の軸受中心を磁気軸受中心に設定できることから、両軸受の相互干渉を防ぐことが容易となる。
前記圧力センサに半導体圧力センサを使用した場合は、圧力測定部のコンパクト化が図れる。
【００１０】
この発明の静圧磁気複合軸受において、ラジアル軸受とした場合に、ロータの直径方向の両側に対向する静圧気体軸受面における静圧の圧力差を前記圧力センサで測定し、この測定値からロータの変位を求めるようにしても良い。
このように圧力センサを配置することで、少ない圧力センサ数で精度良くロータの変位を求めることができる。
【００１１】
この発明の静圧磁気複合軸受において、アキシャル軸受とした場合に、静圧気体軸受面の同一円周上の３か所以上の圧力を前記圧力センサにより測定し、これらの圧力測定値からロータのアキシャル方向の変位を求めるようにしても良い。このように圧力測定個所を設定することにより、少ないセンサ個数で、したがって低コストで、ロータのアキシャル方向の変位を精度良く測定することができる。
【００１２】
上記のように３個所で圧力測定をする代わりに、静圧気体軸受面の同一円周上で直径方向に対向する２か所の圧力を前記圧力センサで測定し、これらの測定値からロータのアキシャル方向の変位を求めるようにしても良い。
これにより、より少ないセンサ個数で、より低コストでロータのアキシャル方向の変位を精度良く測定することができる。
【００１３】
この発明の静圧磁気複合軸受において、アキシャル軸受とした場合に、ロータの軸方向両側に磁気軸受の電磁石および静圧気体軸受の絞りを配置しても良い。この場合に、ロータを介して対向する一方の静圧気体軸受面の任意個所と、他方の静圧気体軸受面における前記任意個所のロータ中心に対して点対称にある個所の圧力を前記圧力センサで測定し、両測定値からロータのアキシャル方向の変位を求めるようにしても良い。
このように圧力測定個所を定めることにより、より一層少ないセンサ個数で、したがってより一層低コストで、ロータのアキシャル方向の変位を精度良く測定することができる。
【００１４】
これら各構成の静圧磁気複合軸受において、前記圧力センサを、静圧気体軸受面の圧力測定個所から離さずに配置しても良い。すなわち、圧力センサを、静圧気体軸受面の圧力測定個所またはその近傍に直接に固定しても良い。
これにより、所望の測定面圧力を直接に測定することができる。
【００１５】
また、これら各構成の静圧磁気複合軸受において、圧力センサを測定面に配置する代わりに、圧力センサを静圧気体軸受面と離して配置し、圧力センサと静圧気体軸受面を、微細孔、またはパイプ、またはこれら微細孔およびパイプの両方で連結しても良い。この構成において、例えば、前記微細孔は、静圧気体軸受面に設け、直径１mm以下の孔とする。前記パイプは、前記微細孔に接続して用い、内径が１mm以下のものとする。このパイプの先端に圧力センサを取付ける。
このように、微細孔またはパイプを用いると、静圧気体軸受面または静圧磁気複合軸受自体が小さくて圧力センサが収納できない場合に、あるいはこの軸受を利用したスピンドル装置内に空きスペースがある場合に効果的である。また、圧力測定用に設けた静圧気体軸受面の微細孔径を直径１mm以下とすることにより、静圧気体軸受への影響を少なくし、またそれに接続するパイプ径を１mm以下の内径とすることで、周波数特性を低下させずに圧力の測定が可能となる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
この発明の第１の実施形態を図１ないし図３と共に説明する。
図１はこの実施形態にかかる静圧磁気複合軸受を応用した静圧磁気複合軸受スピンドル装置の縦断面図を示す。この静圧磁気複合軸受スピンドル装置１は、工作機械のビルトインモータ形式のスピンドル装置であって、スピンドル台となる円筒状のハウジング２内に、モータ５の前後に配置された一対の静圧磁気複合軸受３，３と、後端のスラスト磁気軸受１０とを介して主軸４を回転自在に支持したものである。主軸４は、静圧磁気複合軸受３のロータとなる。モータ５は、主軸４に一体に設けられたモータ部ロータ６と、ハウジング２に直接設置されたステータ７とで構成される。
ハウジング２の前後端にはフランジ２１Ａ，２１Ｂが形成され、これらフランジ２１Ａ，２１Ｂの内周面は潤滑性に優れた材料からなる保護用軸受面２２とされている。これにより、複合軸受３に異常が生じて主軸４がタッチダウンした場合でも、主軸４の焼付きが防止される。
スラスト磁気軸受１０は、主軸４に一体に設けた軸受ロータ１９と、ハウジング２に設置され上記軸受ロータ１９を軸方向に前後から挟む一対の軸受ステータ２０Ａ，２０Ｂとからなる。軸受ステータ２０Ａ，２０Ｂのコイル電流は、主軸４の軸方向変位を検出するスラスト変位センサ２４の測定値で制御される。スラスト変位センサ２４は、ハウジング２の後部壁２３に設けられている。
【００１７】
前後の静圧磁気複合軸受３，３は、次のようにラジアル磁気軸受８とラジアル静圧気体軸受９とを、構成部品に兼用部分が生じるように一体化させたものである。静圧気体軸受９には静圧空気軸受が用いられている。なお、後述の各実施形態においても、各静圧気体軸受には静圧空気軸受を用いている。ラジアル磁気軸受８は、主軸４の外周に設けられた磁性体の軸受ロータ１１と、ハウジング２に設置された軸受ステータ１２とで構成される。軸受ステータ１２は、コア１３とコイル１４とコイル覆い材１８とでリング状に形成されている。コア１３には固有抵抗の大きい軟磁性むく材が使用される。コア１３は、図２に示すようにリング状部分から複数のヨーク部１３ａを内径側へ互いに放射状に突出させたものであり、各ヨーク部１３ａに前記コイル１４が巻かれている。隣合うヨーク部１３ａ，１３ａ間の隙間は、樹脂モールド、または非磁性金属材料もしくはセラミックス材料からなる溶射による充填、または非磁性金属材料もしくはセラックス材料からなる隔壁、などからなるコア覆い材１８によって充填される。コア覆い材１８の内径面は、ヨーク部１３ａの先端面と共に同一円筒面に仕上げ加工されている。これらコア覆い材１８とヨーク部１３ａとで軸受ステータ１２の円筒面状の内径面を構成している。
【００１８】
軸受ステータコア１３のリング状部の内部には、全周にわたる給気通路１６が形成され、この給気通路１６から各々分岐して、軸受隙間に給気する絞り１５が各ヨーク部１３ａの電磁力発生面である先端内径面に開口して設けられている。給気通路１６は、周方向の１か所または複数箇所に設けた給気口１７から、圧力流体である圧縮空気の供給源（図示せず）に配管等で接続されており、供給された圧縮空気は、軸受ステータ１２の内径面と主軸４との間に形成される軸受隙間ｄに噴出される。
これら絞り１５と、軸受隙間形成部材を兼用する軸受ステータコア１３およびコア覆い材１８とで、ラジアル静圧気体軸受９が構成される。また、軸受ステータコア１３は、絞り１５および給気通路１６の形成部材を兼用する。
この構成により、静圧気体軸受９は、磁気軸受８の全体の軸方向幅内に配置されることになる。また、磁気軸受８のギャップは、軸受ステータコア１３と主軸４との間の隙間となるので、静圧気体軸受９の軸受隙間ｄと、磁気軸受８のギャップとは、互いに主軸４の軸方向の同じ位置に設けられることになる。
図３に示すように、絞り１５は自成絞りであり、コア１３に設けられた給気孔１５ａと軸受隙間ｄとで構成される。給気孔１５ａは、内径が段付きに形成されて、コア１３の内面からなる静圧気体軸受面に開口する部分が微細孔となっており、この微細孔部分は、直径１mm以下とされている。このように、静圧気体軸受の給気形式に自成絞りを用いた場合、ニューマティックハンマに対する安定性が向上し、高周波域の軸安定性すなわち動剛性を高めることができる。絞り１５は主軸４の円周方向の少なくとも３か所に配置することが好ましい。
【００１９】
なお、この実施形態では、ヨーク部１３ａの全体をむく材としたが、図４に示すように、ヨーク部１３ａの絞り周囲部１３ａａのみをむく材で形成し、ヨーク部１３ａのその他の部分である絞り非近傍部１３ａｂは、積層珪素鋼板としても良い。いずれの場合も、微細孔で形成される自成絞り１５の部分をむく材で製作するため、通常使用される積層鋼板で構成されたコアに加工する場合に比べて、このような微細孔の形成が容易に行え、精度良く静圧気体軸受を形成することができる。また、図４の例のように、絞り周囲部１３ａａ以外に積層珪素鋼板を用いた場合は、全てむく材とする場合に比べてコア１３で発生する鉄損を軽減できる。
【００２０】
この静圧磁気複合軸受３は、このように静圧気体軸受９と磁気軸受８とを組み合わせたものであるため、静圧気体軸受９の優れた動剛性および回転精度と磁気軸受８の優れた静剛性という両者の特長を生かした軸受とできる。
しかも、静圧気体軸受９と磁気軸受８とは、構成部品が兼用されているため、単に静圧気体軸受と磁気軸受とを軸方向に並べて配置する場合に比べて、構成がコンパクトになり、主軸４の長さ短縮できる。これにより、曲げ固有振動数が高められ、より高速回転が可能となる。特に、この実施形態では、磁気軸受８の軸受ステータコア１３およびコア覆い材１８が静圧気体軸受９の軸受隙間形成部材を兼用し、かつ前記軸受ステータコア１３が絞り１５および給気通路１６の形成部材を兼用するため、構成部品が高度に兼用化され、構成のコンパクト化の効果が高い。
【００２１】
前記静圧磁気複合軸受３の制御系を説明する。軸受ステータ１２には、コア覆い材１８を半径方向に貫通して軸受隙間ｄに開口する圧力検出用通気孔２６が、絞り１５の近くの周方向４か所に等間隔に設けられ、これに連通するセンサ装着孔２５に圧力センサ２７Ａ〜２７Ｄが設けられている。これら圧力センサ２７Ａ〜２７Ｄは、互いに直径方向に対向する２つのセンサが１組となって、主軸４のラジアル変位を検出する差圧式のエアマイクロセンサとされている。すなわち、互いに直径方向に対向する圧力センサ２７Ａ，２７Ｂが１つの組を、圧力センサ２７Ｃ，２７Ｄが他の１つの組をなし、一方の圧力センサ２７Ａ，２７Ｂの組の間では、対応する通気孔２６が開口する静圧気体軸受面での圧力差を測定し、これを主軸４のＹ軸方向の変位に換算する。また、他方の圧力センサ２７Ｃ，２７Ｄの組の間でも、対応する通気孔２６が開口する静圧気体軸受面での圧力差を測定し、これを主軸４のＸ軸方向の変位に換算する。
【００２２】
コントローラ２８ａおよびアンプ２９などで構成される磁気軸受制御手段２８は、Ｙ軸方向およびＸ軸方向のフィードバック制御系を有しており、Ｙ軸方向のフィードバック制御系では、上記圧力センサ２７Ａ，２７Ｂにより検出される主軸４のＹ軸方向への変位に基づき、磁気軸受８のＹ軸方向のフィードバック制御が行われる。すなわち、主軸４の変位に応じて、アンプ２９を経て圧力センサ２７Ａ，２７Ｂに対応する位置のコイル１４またはその近隣の幾つかのコイル１４に供給する電流を加減し、主軸４がＹ軸方向に偏らないように制御する。すなわち、主軸４が目標位置に一致するように制御する。これと同様に、磁気軸受制御手段２８のＸ軸方向のフィードバック制御系は、他の圧力センサ２７Ｃ，２７Ｄの測定値により、所定のコイル１４の電流制御を行う。
このように、磁気軸受８の変位センサとして、軸受隙間ｄの静圧を検出する圧力センサ２７Ａ〜２７Ｄを用いたエアマイクロセンサ方式を採用するため、磁気軸受８の制御系のゼロ点（目標値）と静圧気体軸受９の支持中心点（圧力平衡点）を容易に一致させることができ、複雑なセンサ調整が不要となる。また、他の方式のセンサで問題となるロータセンサターゲット面の磁気特性むらや真円度誤差は無関係となる。
【００２３】
磁気軸受制御手段２８によるフィードバック制御は、積分動作または比例積分動作のみとされ、高周波における補償は行われない。また、圧力センサ２７Ａ，２７Ｂのドリフト等により磁気軸受制御系のゼロ点と静圧気体軸受９の支持中心点がずれる場合は、積分制御において僅かな不感帯ｗ（図５）を設けてもよい。不感帯ｗは、圧力センサ２７Ａ，２７Ｂと磁気軸受制御手段２８との間に図６のように不感帯回路３１を設けることで設定しても、また磁気軸受制御手段２８を構成する制御回路内に不感帯回路を設けることで設定しても良い。このように不感帯ｗを設けることにより、温度ドリフト等による磁気軸受８の誤動作を抑制することができる。すなわち、動剛性（高周波領域）を静圧気体軸受９で、静剛性（低周波領域）を磁気軸受８でそれぞれ分担して受け持つ役割分担が確実に行えて、両軸受８，９の特長が共に生かされ、互いに干渉することを回避できる。また、このように、磁気軸受８は積分動作または比例積分動作という低周波制御系となるため、比較的応答性の遅い圧力センサ２７Ａ〜２７Ｄを変位センサとして用いることができる。
磁気軸受８の性能は、磁気軸受制御手段２８の設定によって設定することができるが、一般に磁気軸受の場合、高周波域に有効に減衰力を発生させ、主軸を安定して浮上させることが難しいといった問題がある。そこで、この発明では、磁気軸受８は、その特長である低周波域での軸受剛性を高める役目だけに利用するようにしている。
【００２４】
磁気軸受８のコイル１４に電流を供給するアンプ２９には、電流−電磁力を線型化させるための線型化回路、例えば電流２乗フィードバック回路を有するものが用いられる。これにより、バイアス電流を流すことなく線形化でき、磁気軸受特有の負の剛性も発生しない。すなわち、磁気軸受８で負の剛性が発生するのを回避でき、その負の剛性により静圧気体軸受９の安定性が損なわれるのを防止できる。また、主軸４が回転したときにそのバイアス電流によって発生する主軸４内の鉄損を無くすことができ、高速回転が可能となる。
磁気軸受制御手段２８には、主軸４の回転数に同期したバンドエリミネートフィルタ３２（図７）を挿入しても良い。これにより、主軸４の回転時のロータアンバランスによる振れに対して、磁気軸受８の電磁石からの電磁力は作用しなくなる。前述したように、磁気軸受制御手段２８を積分動作で構成した場合には高周波域での磁気軸受８の作用力は主軸４に対して、不安定力として働く。主軸４の回転時には主軸４の振れは回転同期成分が主成分となる。これを選択的に除去することで、主軸４を安定して回転させることが可能となる。
【００２５】
なお、この実施形態では、圧力センサ２７Ａ〜２７Ｄで直接に主軸４の変位を検出するようにしたが、圧力センサによる測定値から換算して、主軸４と静圧気体軸受面との間の隙間の大きさを求め、この隙間の変化に応じて磁気軸受制御手段２８による制御を行うようにしても良い。
また、圧力センサを前記のように磁気軸受８のコア１３の内部に配置する代わりに、静圧気体軸受９の軸受隙間に連通するように中空パイプ（図示せず）を配置し、外部の圧力センサで圧力を測定するようにしても良い。軸受サイズが小さく、外部に圧力センサを収納するスペースがある場合は、この外部に配置する構成が好ましい。
さらに、図８に示すように、磁気軸受８の内径部、例えばコア覆い材１８等の部分に直接に圧力センサ２７を配置し、主軸４とコア１３間の圧力を測定して主軸４の変位に換算するようにしても良い。
【００２６】
図９，図１０は、他の実施形態にかかる静圧磁気複合軸受を示す。この例は、ラジアル磁気軸受８Ａの軸受ステータ１２のコア１３Ａ内に、静圧気体軸受９Ａの軸受隙間ｄへ給気する絞り１５を形成した静圧磁気複合軸受３Ａにおいて、ラジアル磁気軸受８の電磁石のコア１３Ａをいわゆる馬蹄形とし、その磁極１３Ａａ，１３Ａａの対を、主軸４の軸方向に並べて配置した構造である。各磁極１３Ａａの同一円周上の極性は同じにしてある。この様にすることで、主軸４の回転に伴って主軸４で発生する鉄損を減少させることができる。その他の構成，効果は第１の実施形態と同様である。コア１３Ａの個数は、換言すれば電磁石の個数は、円周方向に３個以上とすることが好ましい。
このように、磁気軸受８Ａを構成する電磁石を３個以上有するものとし、各電磁石のコア１３Ａの磁極１３Ａａを回転軸方向に配置し、同一円周上における各磁極１３Ａａの極性を一致させることで、主軸４の回転に伴い、磁気軸受８Ａの主軸部で発生するヒステリシス損および渦電流損を軽減できる。また、これらの損失による主軸４の発熱が抑制できるため、主軸４の熱膨張よる軸受隙間の減少を最小限に抑え、安定した静圧気体軸受９Ａの性能を得ることができる。
【００２７】
図１１〜図１３の軸受３Ｂは、図９，図１０の例に対して、ラジアル磁気軸受８Ａのコア形状を改良したものである。主軸４の軸方向に配置したコア１３Ｂのヨーク部１３Ｂａ，１３Ｂｂのうち、一方のヨーク部１３Ｂａ側を円周方向に隣り合うヨーク部と共通化し、形状を簡略化させている。このように電磁石を構成することで、電磁石のヨーク１３Ｂの加工工数を減少できて、加工性を向上させることができると共に、主軸４の回転に伴い発生する磁気軸受主軸部分での鉄損をさらに軽減することができ、より高速回転に対応できる。
【００２８】
図１４は、第１の実施形態において、軸受３と対向する主軸４の表面にセラミックスのコーティング層３３を施したものである。これにより、タッチダウン時の主軸４および軸受面の焼き付きを防止できる。さらに、コーティング層３３がセラミックスであるため、磁気軸受８の動作中で主軸４が回転したときに、その主軸４の内部での、鉄損の発生を抑制でき、主軸４の高速回転に対応できる。また、コーティング層３３の外周面は静圧気体軸受９のロータ面、内周面は磁気軸受８のロータ面となり、静圧気体軸受隙間と磁気軸受隙間とが異なる寸法となるため、コーティング層３３の厚さを調整することで、最適な静圧気体軸受９と磁気軸受８の隙間を設定できる。このコーティング層３３の厚さを１mm厚以下とすることで磁気軸受隙間ｄ′が広くなることを制限すれば、コイル１４の供給電流を増やすことなく所望の電磁力を発生させることができる。
また、主軸４の磁気軸受８におけるロータ部に積層珪素鋼板（図示せず）を使用し、その上にセラミックスコーティング層３３を施しても良い。前記積層珪素鋼板からなるロータ部は、例えば主軸４の外周に設ける。その場合、積層珪素鋼板を使用したことで、高速回転時の鉄損を一層軽減し、高速回転時のロータの発熱を抑えることができる。
また主軸４の材質、またはその外周に前記のように設けるロータ部の材質に、低熱膨張軟磁性材たとえばインバー材を使用し、その外周面上にセラミックスのコーティング層３３を施すことが好ましい。これにより、主軸４ないしロータの曲げ固有振動数が高められ、より高速まで回転することが可能になる。また、インバー材は、低熱膨張係数を有するため、主軸４に温度上昇があっても、主軸４の熱膨張による軸受隙間ｄ′の減少量は小さく抑えることができ、かつ磁気軸受８に適した磁気特性を持つ。このため安定した静圧気体軸受性能が確保できる。しかも、軸方向への膨張量も少ないため、工作機械用のスピンドル装置に応用した場合には、加工精度の向上に効果がある。さらに、一般にセラミックスは低熱膨張係数を有することから、例えばフェライト系のステンレス鋼で製作した主軸４上にセラミックスコーティング層３３を施すと、主軸４の熱膨張係数の差によって、セラミックスコーティング層３３に割れが発生したり、剥がれ生じる可能性があるが、インバー材を使用することによりこのような問題は解決される。
【００２９】
なお、前記各静圧磁気複合ラジアル軸受の実施形態では、軸受ステータコア１３に絞り１５を設けたが、絞り１５はコア１３を避けてコイル覆い材１８等に形成しても良い。
また、上記各静圧磁気複合ラジアル軸受の実施形態では、磁気軸受８と静圧気体軸受９とに部品を兼用させたが、磁気軸受と静圧気体軸受とは、必ずしも部品を兼用させなくても良く、磁気軸受の全体の軸方向幅内に静圧気体軸受を設け、または静圧気体軸受の全体の軸方向幅内に磁気軸受を設けても良い。あるいは、静圧気体軸受の軸受隙間ｄと、磁気軸受の軸およびステータコア間のギャップとを、互いに軸方向の略同じ位置に設ければ良い。部品の兼用を行わずに、磁気軸受と静圧軸受との幅に共通部分を持たせる構成は、磁気軸受を構成する部品と静圧軸受を構成する部品の配置を円周方向に異ならせることなどで実現される。
【００３０】
図１５は、静圧磁気複合軸受をアキシャル軸受に適用した参考提案例を示す。この静圧磁気複合アキシャル軸受装置は、磁性体からなる主軸４１の鍔状のスラスト支持部である軸受ロータ４１ａを軸方向両側から２つの静圧磁気複合アキシャル軸受部４２，４３で挟んで構成される。各静圧磁気複合アキシャル軸受４２，４３は、電磁石のコア４４，４５内にコイル４６，４７を収納し、このコア４４，４５内に絞り４８を設けたものであって、主軸４１の外周にリング状に設けられる。絞り４８は自成絞りであり、コア４４，４５の軸受面に開口する先端が微細孔となった給気孔４８ａと、軸受隙間ｄ１，ｄ２とで構成される。前記のコア４４，４５とコイル４６，４７とで、アキシャル磁気軸受４９の軸受ステータ５２が構成され、コア４４，４５と絞り４８とでアキシャル静圧気体軸受５０が構成される。
【００３１】
コア４４，４５とロータ４１ａ間にこの圧力流体を噴出させることにより、コア４４，４５とロータ４１ａ間に圧力が発生する。また、自成絞り４８を設けたことによって、コア４４，４５とロータ４１ａ間の隙間ｄ１，ｄ２の変動によって、圧力および隙間の間隔が自動的に変化し、自動調芯機能を有する静圧気体軸受を形成できる。これにより、ロータ４１ａを安定浮上させることができる。 この場合に、コア４４，４５とロータ４１ａ間の隙間ｄ１，ｄ２を０．１ｍｍ以下と微小することで、この静圧気体軸受による軸受剛性を高め、静圧気体軸受単独でも、ロータ４１ａは安定して浮上することができる。
【００３２】
この静圧磁気複合軸受には、外部にコア４４，４５とロータ４１ａ間の距離を測定する変位センサ５１を設け、その変位センサ５１の測定値に応じてコイル４６，４７に流す電流をフィードバック制御する磁気軸受制御手段５３を設ける。磁気軸受制御手段５３は、例えばアンプ５４を介して電流制御する。これにより、静圧気体軸受と磁気軸受とを兼用した軸受構成が可能となる。この磁気軸受制御手段５３は、第１の実施形態等で説明した磁気軸受制御手段２８と同様な機能のものを用いることができる。
【００３３】
この発明の実施形態にかかる静圧磁気複合軸受では、図５の参考提案例にかかる静圧磁気複合アキシャル軸受装置において、前記変位センサ５１を設ける代わりに、静圧気体軸受面の圧力を測定し、この圧力によって静圧気体軸受５０における軸受隙間ｄ、すなわち電磁石のコア４５とロータ４１ａ間の隙間ｄ（ｄ１，ｄ２）の大きさを換算して求めるものとする。この隙間ｄの大きさの検出結果により、磁気軸受制御手段５３でコイル４６，４７の電流を制御する。
圧力測定による変位測定の場合、他の方式のセンサで問題となるロータセンサターゲット面の磁気特性むらによるセンサの誤動作がなく、高精度なセンシングが可能となる。
【００３４】
この圧力測定のために、同実施形態において、図１６に示すように、電磁石のコア４４，４５の内部に圧力センサ５５を配置し、直接に静圧気体軸受５０の圧力を測定するようにしても良い。
図１７に示すように、静圧気体軸受５０に直結した形で、中空パイプ５６を設け、外部の圧力センサ５７で圧力を測定するようにしても良い。この場合、コア４４などの静圧気体軸受５０の軸受面の構成部材に圧力測定用の微細孔５９を設け、この微細孔５９に中空パイプ５６を結合する。軸受サイズが小さく、外部に圧力センサのスペースがある場合には、外部に圧力センサ５７を設けることが有利である。また、圧力測定用に設けた前記微細孔５９の直径を１mm以下と規制することで、静圧気体軸受への影響を少なくし、またそれに接続するパイプ５６の内径（直径）も１mm以下に規制することで、周波数特性を低下させずに圧力の測定が可能となる。
【００３５】
図１８は、図１６のＡ−Ａ断面を示した図である。この例では、センサ圧力測定個所を静圧磁気複合アキシャル軸受の静圧気体軸受面における同一円周上の等ピッチ３箇所以上（図１８では３箇所の測定点ａ１，ａ２，ａ３）の圧力を測定し、各測定値から各部のロータ４１ａと電磁石コア４４，４５間の隙間ｄ１，ｄ２の値を換算し、その値の平均をとる。これにより、ロータ４１ａのアキシャル方向位置を正確に測定することができる。前記平均をとる演算は、例えば磁気軸受制御手段５３で行う。
【００３６】
上記のように３か所で圧力を測定する代わりに、図１９に示すように、円周上の１８０°離れた対向する２個所の測定点ｂ１，ｂ２で行うようにしても良い。図１９は図１６のＡ−Ａ断面に相当する図である。圧力測定点ｂ１，ｂ２をこのように円周上の１８０°離れた２点に設定することで、ロータ４１ａのピッチング運動もしくはヨーイング運動に影響されることなく、最小の圧力センサ個数でロータ４１ａのアキシャル方向位置を測定することができる。
【００３７】
図１６の例のようにロータ４１ａの両側に対向して静圧磁気複合アキシャル軸受部４２，４３を設ける場合、軸受隙間ｄ１，ｄ２の圧力を測定する測定点は、図２０に示すように、各軸受隙間ｄ１，ｄ２について１個所ずつとしても良い。その場合、片方の軸受隙間ｄ１の測定点ｃ１と、もう片方の軸受隙間ｄ２の測定点ｃ２とは、投影面で同一円周上の１８０°離れた２点とする。また、磁気軸受制御手段５３は、両測定点ｃ１，ｃ２の圧力測定値から求めた軸受隙間ｄ１，ｄ２の差分を計算して電流制御を行うようにする。これにより、ロータ４１ａのピッチング運動もしくはヨーイング運動に影響されることなく、さらにロータ４１ａに熱膨張があった場合にも、最小の圧力センサ個数でロータ４１ａのアキシャル方向位置を測定することができる。
これら図１８ないし図２０と共に説明した方法により、ロータ４１ａのアキシャル方向の変位を正確にかつ低コストで測定することができる。
【００３８】
なお、前記各実施形態および参考提案例において示した圧力センサ、例えば図１５，図１６の例や、図８の例の圧力センサ５１，５５，２７は、半導体圧力センサを用いても良い。これにより、装置をコンパクトでかつその測定結果を電気信号で直接外部に取り出すことができる。
【００３９】
図２１はさらに他の実施形態にかかる静圧磁気複合アキシャル軸受を示す。この例は、主軸４１のロータ４１ａの片方のみを支えるアキシャル軸受としたものである。すなわち、磁気軸受４９のステータコア４５および静圧気体軸受５０の絞り４８をロータ４１ａの軸方向の片側のみに配置している。
この例では、磁気軸受４９によるロータ４１ａへの作用力Ｆｍは吸引力として働き、一方静圧気体軸受５０によるロータ４１ａへの作用力Ｆｓは反発力として作用する。よって、静圧気体軸受５０の単独ではロータ軸方向が鉛直方向にあった場合には、ロータを支持することができない。しかし磁気軸受４９と複合化することにより、軸受の据え付け方向に依らずロータ４１ａを支持することができる。このように、主軸４１のスラスト支持部４１ａの片方のみに磁気軸受４９および静圧気体軸受５０を配置し、吸引力と反発力とを釣り合わせるようにした静圧磁気複合軸受とすることで、軸受構成がより一層コンパクトになる。
【００４０】
図２２は、他の応用例に係る静圧磁気複合軸受スピンドル装置の縦断面図を示す。この静圧磁気複合軸受スピンドル装置１は、図１の静圧磁気複合軸受スピンドル装置１において、モータ５と各軸受３，３，１０の配置関係を変えたものであり、モータ５をハウジング２内の最後部に配置してある。スラスト磁気軸受１０は、前後の静圧磁気複合軸受３，３の間に配置してある。その他の構成は前記実施形態と同じである。
図１の例のモータ配置では、モータ５を高出力とした場合、モータ５のロータ６の肉厚，質量が大きくなって曲げ固有振動数を低下させることがあるが、図２２の応用例のようにモータ５を主軸４の後端部に配置することで、これに対処できる。
【００４１】
図２３はさらに他の応用例を示す。この静圧磁気複合軸受スピンドル装置１は、図１の静圧磁気複合軸受スピンドル装置１において、軸受に対する主軸４のラジアル変位を検出するセンサとして、渦電流式の変位センサ３０を用いたものである。各静圧磁気複合軸受３に対するセンサ３０の設置位置は前後のどちらでも良いが、図示の例では、前部の静圧磁気複合軸受３に対するものは軸受前方とされ、後部の静圧磁気複合軸受３に対するものは軸受後方とされている。なお、上記渦電流式変位センサ３０に代えて、リラクタンス式変位センサや静電容量式変位センサを用いてもよい。その他の構成は、図１の実施形態と同じである。
【００４２】
図２４は、静圧磁気複合軸受で構成したさらに他のスピンドル装置を示す。このスピンドル装置は、２組の静圧磁気複合ラジアル軸受６５，６６と、１組の静圧磁気複合アキシャル軸受６７と、主軸６８を回転させるモータ６９から構成される。主軸６８は静圧磁気複合アキシャル軸受６７で支持される鍔状のロータ４１ａを有する。これら静圧磁気複合ラジアル軸受６５，６６および静圧磁気複合アキシャル軸受６７には、前記各実施形態で説明したいずれのものを使用しても良い。
また、同図のスピンドル装置において、２組の静圧磁気複合ラジアル軸受６５，６６として、図２５に示すように、コイル１４の主軸軸方向の両側に自成絞り１５を有する静圧磁気複合ラジアル軸受６５Ａ，６６Ａを用いても良い。図２５の静圧磁気複合軸受スピンドル装置におけるその他の構成は図４に示すスピンドル装置と同じである。
なお、この例のスピンドル装置において、必ずしも全ての軸受を静圧磁気複合軸受で構成する必要はない。スラスト方向のみの静剛性を高める必要ある場合はアキシャル軸受部のみを静圧磁気複合軸受で構成し、ラジアル方向の軸受支持を静圧気体軸受で構成すればよい。また、ラジアル方向のみの静剛性を高める必要のある場合は、スピンドル負荷側の端部に静圧磁気複合ラジアル軸受６５を配置し、他の軸受支持部を静圧気体軸受で構成してもよい。
また、この静圧磁気複合軸受スピンドル装置において、低速回転時に磁気軸受の制御ゲインを下げておき、主軸が所定の回転数以上となったときに、前記制御ゲインを所定の値に変化させるようにすることが好ましい。この制御ゲインの設定および変更は、磁気軸受制御手段２８，５３で行われる。
【００４３】
静圧磁気複合軸受で構成したスピンドル装置の起動方法を以下に示す。この起動方法、および後に説明する各起動方法は、いずれも、前記各実施形態のいずれのスピンドル装置にも適用できる。
この起動方法では、まず各静圧磁気複合軸受６５〜６７の絞りに圧力流体を供給し、静圧気体軸受のみでロータを浮上させる。その浮上状態で、変位センサ（または圧力センサによる変位測定値）の値をゼロにシフトさせ、その後、磁気軸受の制御を作動させる。このように起動することにより、常に静圧気体軸受および主軸ないしロータの自重との釣り合い状態で主軸ないしロータを浮上させることができ、無駄に磁気軸受の電磁石コイルに電流を流すことがなく、磁気軸受の負の剛性による影響を抑制することができる。
【００４４】
以下に他の起動方法を示す。
まず各静圧磁気複合軸受の絞りに圧力流体を供給し、静圧気体軸受のみで主軸ないしロータを浮上させる。その浮上状態で、所定の回転数に回転させ、変位センサ出力値（または圧力センサによる変位測定値）のＤＣ成分のみをゼロにシフトさせ、その後、磁気軸受の制御を作動させる。このような起動を行うことにより、静圧気体軸受および主軸ないしロータ自重との釣り合いだけでなく、主軸ないしロータの回転に伴い、主軸，ロータの周りの流体からの作用力の微妙なアンバランスから生じる静的力をも考慮し、その状態をロータ中心として、磁気軸受を作動することができる。また、主軸，ロータ回転上昇時に磁気軸受の磁束によって主軸，ロータ内に発生する鉄損の影響を回避でき、高速回転が可能になる。
【００４５】
さらに異なる起動方法を以下に示す。
まず、静圧磁気複合軸受の絞りに圧力流体を供給し、静圧気体軸受のみでロータを浮上させる。その浮上状態で、変位センサ（または圧力センサによる変位測定値）の値をゼロにシフトさせる。磁気軸受制御回路のゲインを下げた状態で磁気軸受を作動させる。その後、所定の回転数以上になったときに、前記制御ゲインを所定の値に変化させる。このような起動を行うことにより、主軸，ロータ回転上昇時に磁気軸受の磁束によって主軸ロータ内に発生する鉄損の影響を回避でき、高速回転が可能になる。さらに、ゲインを下げた状態で磁気軸受を作動させるため、磁気軸受を作動した瞬間の主軸，ロータへの外乱は抑制することができる。
【００４６】
【発明の効果】
この発明の静圧磁気複合軸受およびスピンドル装置は、いずれも静圧気体軸受と磁気軸受とを所定の関係で組み合わせたものであるため、静圧気体軸受の優れた動剛性と磁気軸受の優れた静剛性とを併せ持ちながら、構成がコンパクトになる。ラジアル軸受に適用した場合は、主軸長も短縮することができる。
また、ロータの変位を測定する変位測定手段に圧力センサを用いたため、高精度な変位検出が可能になると同時に、コンパクトな軸受構成が可能となり、また静圧気体軸受の軸受中心を磁気軸受中心に設定できて、両軸受の相互干渉を防ぐことが容易となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施形態に係る静圧磁気複合軸受を応用した静圧磁気複合軸受スピンドル装置の縦断面図である。
【図２】その静圧磁気複合ラジアル軸受の横断面図と軸受制御系のブロック図とを組み合わせて示す説明図である。
【図３】同静圧磁気複合ラジアル軸受の部分拡大図である。
【図４】同静圧磁気複合ラジアル軸受のヨーク部分の変形例の部分拡大図である。
【図５】同静圧磁気複合ラジアル軸受の電流制御例を示す説明図である。
【図６】同静圧磁気複合ラジアル軸受の制御系の変形例を示すブロック図である。
【図７】同静圧磁気複合ラジアル軸受の制御系の他の変形例を示すブロック図である。
【図８】この発明の他の実施形態にかかる静圧磁気複合ラジアル軸受の断面図である。
【図９】この発明のさらに他の実施形態にかかる静圧磁気複合ラジアル軸受の横断面図である。
【図１０】その縦断面図である。
【図１１】この発明のさらに他の実施形態にかかる静圧磁気複合ラジアル軸受の縦断面図である。
【図１２】図１１のXII-XII 線断面図である。
【図１３】図１１のXII1-XII1 線断面図である。
【図１４】この発明のさらに他の実施形態にかかる静圧磁気複合ラジアル軸受の部分断面図である。
【図１５】参考提案例にかかる静圧磁気複合アキシャル軸受の部分断面図と軸受制御系のブロック図とを組み合わせて示す説明図である。
【図１６】この発明のさらに他の実施形態にかかる静圧磁気複合アキシャル軸受の部分断面図と軸受制御系のブロック図とを組み合わせて示す説明図である。
【図１７】この発明のさらに他の実施形態にかかる静圧磁気複合ラジアル軸受の部分断面図である。
【図１８】その測定点の説明図である。
【図１９】その測定点の他の例の説明図である。
【図２０】（Ａ），（Ｂ）は各々測定点の他の例の説明図である。
【図２１】この発明のさらに他の実施形態にかかる静圧磁気複合ラジアル軸受の部分断面図である。
【図２２】この発明の他の応用例に係る静圧磁気複合軸受スピンドル装置の縦断面図である。
【図２３】この発明のさらに他の応用例に係る静圧磁気複合軸受スピンドル装置の縦断面図である。
【図２４】この発明のさらに他の応用例に係る静圧磁気複合軸受スピンドル装置の縦断面図である。
【図２５】この発明のさらに他の応用例に係る静圧磁気複合軸受スピンドル装置の縦断面図である。
【図２６】従来例の縦断面図である。
【図２７】他の従来例の縦断面図である。
【符号の説明】
１…静圧磁気複合軸受スピンドル装置
２…ハウジング
３…静圧磁気複合軸受
４…主軸（ロータ）
８…ラジアル磁気軸受
９…ラジアル静圧気体軸受
１０…スラスト磁気軸受
１２…軸受ステータ
１３…ステータコア
１４…コイル
１５…絞り
１５ａ…給気孔
２７Ａ〜２７Ｄ…圧力センサ（変位検出手段）
２８…磁気軸受制御手段
３３…コーティング層
４１…主軸（ロータ）
４１ａ…ロータ
４４，４５…ステータコア
４６…コイル
４８…絞り
４９…磁気軸受
５０…静圧気体軸受
５３…磁気軸受制御手段
５１…変位センサ
５２…軸受ステータ
５５…圧力センサ
ｄ…軸受隙間
Claims (9)
- ロータと、磁性体からなりロータに対向するヨーク部を備えたコアと、通電によりロータとヨーク部の間に磁気吸引力を発生させるコイルと、ロータに対向するヨーク部端面を含みロータに所定の軸受隙間を介して対向する円周方向に一体に連続した軸受面と、コアまたはヨーク部を通って軸受面に開口し、軸受隙間に圧縮流体である気体を供給する給気孔と、軸受隙間の前記軸受面の流体圧力を検出する圧力センサとを備え、この圧力センサの出力から求めたロータの変位に基づいて、コイルに供給する電流を制御する手段を有することを特徴とする静圧磁気複合軸受。
- 前記圧力センサが半導体圧力センサである請求項１記載の静圧磁気複合軸受。
- ロータの変位を測定する変位測定手段を有し、この変位測定手段の測定値に従って電磁力を発生させる磁気軸受と、静圧気体軸受とを併設することにより前記ロータを非接触支持し、前記変位測定手段を、静圧気体軸受の軸受面の圧力を測定する圧力センサとし、この圧力センサの測定値を用いてロータの変位を求め磁気軸受の磁力制御を行うものとし、ラジアル軸受であって、ロータの直径方向の両側に対向する静圧気体軸受面における静圧の圧力差を前記圧力センサで測定し、この測定値からロータの変位を求めるようにした静圧磁気複合軸受。
- アキシャル軸受であって、静圧気体軸受面の同一円周上の３か所以上の圧力を前記圧力センサにより測定し、これらの圧力測定値からロータのアキシャル方向の変位を求めるようにした請求項１または請求項２記載の静圧磁気複合軸受。
- アキシャル軸受であって、静圧気体軸受面の同一円周上で直径方向に対向する２か所の圧力を前記圧力センサで測定し、これらの測定値からロータのアキシャル方向の変位を求めるようにした請求項１または請求項２記載の静圧磁気複合軸受。
- アキシャル軸受であって、ロータの軸方向の両側に磁気軸受の電磁石および静圧気体軸受の絞りを配置し、ロータを介して対向する一方の静圧気体軸受面の任意個所と、他方の静圧気体軸受面における前記任意個所のロータ中心に対して点対称にある個所の圧力を前記圧力センサで測定し、両測定値からロータのアキシャル方向の変位を求めるようにした請求項１または請求項２記載の静圧磁気複合軸受。
- 前記圧力センサが半導体圧力センサである請求項３記載の静圧磁気複合軸受。
- 前記圧力センサを、静圧気体軸受面の圧力測定個所から離さずに配置した請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の静圧磁気複合軸受。
- 前記圧力センサを静圧気体軸受面と離して配置し、前記圧力センサと静圧気体軸受面を、微細孔、またはパイプ、またはこれら微細孔およびパイプの両方で連結した請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の静圧磁気複合軸受。
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