JP3788178B2

JP3788178B2 - 高速回転スピンドル装置

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Publication number: JP3788178B2
Application number: JP2000072533A
Authority: JP
Inventors: 秀人由井; 宏敏荒牧; 秀雄岡野
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2000-03-15
Filing date: 2000-03-15
Publication date: 2006-06-21
Anticipated expiration: 2020-03-15
Also published as: JP2001268859A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電動モータによって例えば１０万min^-1 （r.p.m.）以上の高速で回転する高速回転スピンドル装置の改良に関する。この様な高速回転スピンドル装置は、例えば歯科用ハンドピースや微小部品を加工する工作機械用旋盤、或は研削盤、ボール盤等の工作機械に好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば歯科医が使用する治療用ハンドピース、或は歯科技工士が使用する作業用ハンドピースとして従来から、圧縮空気の力により砥石を回転させるものが広く使用されている。この様な従来構造の場合には、先端部に砥石が装着され、玉軸受によりハウジングに回転自在に支持された回転軸に固定されたタービン翼を、このハウジング内に供給した圧縮空気の圧力により回転駆動する。この様な圧縮空気により回転軸を駆動する構造によれば、この回転軸の高速回転化は、安定した回転速度を確保する事を考慮した場合には限界があり、回転速度は限られたものである。
【０００３】
一方、歯科治療時の患者の不快感を軽減したり、或は入れ歯等の加工時の加工能率を向上させる為には、回転軸の回転速度を速める事が求められている。言い換えれば、この回転軸の先端部に固定した砥石の周速を早くして切れ味を良くし、削り作業が短時間で済む様にする事が求められている。従来構造の場合、上記タービン翼に吹き付ける圧縮空気の量を多くし、圧力を高くすれば、或る程度砥石の周速を早くできるが、十分な効果を得る事は難しい。即ち、回転砥石の駆動源として圧縮空気を使用した場合には、砥石による歯や入れ歯等の切削時に、切削抵抗に基づき、この砥石を回転させる為に要するトルクが増大して上記回転軸が減速され、切削効果が低減する。しかも、歯と砥石との接触部の接触面圧や接触面積の変動に基づく上記トルクの変動によって、上記回転軸の回転速度が頻繁にしかも大きく変動する為、騒音が増大する等、患者に対する不快感が増大する。
【０００４】
この様な事情により、歯科用ハンドピースの駆動源として電動モータを用いる事が望まれている。ところが、回転軸と共に回転するロータを構成する界磁マグネットの強度不足や、この界磁マグネットのアンバランスに基づいて生じる、砥石を固定する回転軸先端部の振れ、更には電動モータの発熱に基づいて生じる、上記回転軸を支持する軸受の潤滑不足等の影響で、この回転軸の回転速度を高める事には限度がある。この為に従来は、歯科用ハンドピースの様な、比較的小型のスピンドル装置の回転軸の場合でも、１０万min^-1 以上の高速回転を得る事はできなかった。
【０００５】
又、微小な機械部品を切削加工する為には、被加工物である当該部品の大きさに応じた容量の工作機械を使用する事が、加工精度を確保する面からも、或は省エネルギ及び省資源の観点からも好ましい。これに対して従前の場合には、微小な機械部品を加工する場合にも、より大きな物品の加工も行なえる様な大型の工作機械を用いる場合が多かった。この様な状態は、被加工物に対して過大なスペース及びエネルギを必要とし、しかも加工精度を確保する事が難しくなる為、好ましくない。
【０００６】
これに対して、日経ＢＰ社が２０００年１月に発行した技術雑誌「日経メカニカル」の No.５４４の第３８〜３９頁には、駆動源として電動モータを用い、回転軸を５万min^-1 で回転させる事ができる高速回転スピンドル装置が実現された事が記載されている。この構造では、上記電動モータのロータを構成する界磁マグネットとしてサマリウムコバルト燒結磁石を使用し、ステータのコアとして積層珪素鋼板を使用している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述した様な技術雑誌「日経メカニカル」に記載された高速回転スピンドル装置の場合、電動モータを駆動源とする構造で、従前に比べて高速回転が可能にはなったが、５万min^-1 を遥かに越える様なより高速回転を実現する為には、依然として次の▲１▼▲２▼の様な点を改良する事が望まれている。
【０００８】
▲１▼ 電動モータのロータを構成するサマリウムコバルト磁石は、密度が８．４ｇ／cm³ 程度と、回転軸を構成するステンレス鋼、合金鋼、軸受鋼等と同程度に大きいのに対し、引っ張り強度が４．４×１０⁷ Ｎ／ｍ² 程度と、必ずしも大きな値とは言えない。密度が大きい事は、高速回転時に加わる遠心力が大きく、内部に大きな引っ張り応力が作用する事に繋がる。これに対して、引っ張り強度が十分に大きくはないので、上記高速回転スピンドル装置は、歯科用ハンドピース程度の、比較的小径（ロータの外径が１０mm程度）の機械装置に組み込んだ場合でも、７万min^-1 を越える様な回転速度を実現する事は難しい。即ち、この様な高速回転時にサマリウムコバルト磁石を界磁マグネットとして組み込んだロータは、フープ応力で破壊するので、このロータを高速回転させる事はできない。
【０００９】
▲２▼ 上記電動モータのロータを構成するサマリウムコバルト磁石は、線膨張係数が８〜１１×１０^-6／℃と、回転軸を構成するステンレス鋼、合金鋼、軸受鋼等の線膨張係数（１０〜１７×１０^-6／℃）と同程度か、むしろこれよりも小さい場合が多い。従って、高速回転スピンドル装置の運転時の発熱に基づく上記ロータの熱膨張量は、このロータを外嵌固定した回転軸の熱膨張量と同じか、この回転軸の熱膨張量よりも少なくなる。この為、上記ロータを上記回転軸に、隙間なく外嵌固定すると、温度上昇時にこの回転軸が、このロータの内周面を直径方向外方に強く押圧し、上記フープ応力が更に増加して、許容回転速度が低下する。この様な熱膨張率の差に基づくフープ応力の増大を防止する為には、上記回転軸と上記ロータとの嵌合状態を隙間嵌とし、これらロータと回転軸とを接着剤により固定する事が考えられる。但し、この場合には、使用回転速度が、接着剤の接着強度による制限を受ける（回転軸と接着剤との間、並びにロータと接着剤との間が、線膨張係数の差によりフープ応力を受けると共に、接着部が剪断力を受け、その応力が大きいと接着部が剥れる）。
【００１０】
これらの理由によって従来は、１０万min^-1 と言った、７万min^-1 を大きく越える様な回転速度を得られる高速回転スピンドル装置は実現していなかった。
本発明は、この様な事情に鑑みて、１０万min^-1 若しくはそれ以上の回転速度を得られる高速回転スピンドル装置を実現すべく発明したものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の高速回転スピンドル装置は、従来から知られているスピンドル装置と同様に、ハウジングと、回転軸と、ロータと、ステータとを備える。
このうちの回転軸は、玉軸受、静圧或は動圧の流体軸受等の軸受により、上記ハウジングの内側に回転自在に支持されている。
又、上記ロータは、界磁マグネットを有し、上記回転軸の外周面に固定されている。
又、上記ステータは、上記ハウジングの内周面で上記ロータの外周面と対向する部分に設けられている。
特に、本発明の高速回転スピンドル装置は、上記ロータが上記回転軸に、締り嵌めで外嵌固定されている。且つ、このロータを構成する界磁マグネットがマンガンアルミ製であり、このロータを構成するマンガンアルミ磁石の線膨張係数が、上記回転軸を構成する鋼材の線膨張係数よりも大きい。
【００１２】
【作用】
上述の様に構成する本発明の高速回転スピンドル装置によれば、最高回転速度が１０万min^-1 以上となる条件で使用した場合であっても、次の様な理由により、ロータを構成する界磁マグネットの損傷を防止できる。
【００１３】
先ず第一に、界磁マグネットを構成するマンガンアルミの引っ張り強度は、２．９×１０⁸ Ｎ／ｍ² 程度と、前述した従来構造に組み込まれていた界磁マグネットを構成するサマリウムコバルトの引っ張り強度（４．４×１０⁷ Ｎ／ｍ² 程度）に比べて６倍以上大きい。この為、同じ引っ張り応力が加わった場合でも、破壊する事がなくなる。
【００１４】
第二に、上記マンガンアルミの密度は、５．１ｇ／cm³ 程度と、上記サマリウムコバルトの密度（８．４ｇ／cm³ 程度）に比べて小さい。この為、同じ回転速度の場合でも発生する遠心力が小さくなり、その分、高速回転が可能になる。
【００１５】
第三に、上記マンガンアルミの線膨張係数は、２０〜２２×１０^-6／℃程度と、サマリウムコバルトの線膨張係数（８〜１１×１０^-6／℃）よりも遥かに大きく、回転軸を構成するステンレス鋼、合金鋼、軸受鋼等の線膨張係数（１０〜１７×１０^-6／℃）に比べても十分に大きい。従って、高速回転スピンドル装置の運転時の発熱に基づく上記ロータの熱膨張量は、この回転軸の熱膨張量よりも多くなる。この為、上記ロータを上記回転軸に、締り嵌めにより隙間なく外嵌固定しても、温度上昇時にこの回転軸がこのロータの内周面を直径方向外方に強く押圧する事がなく、上記ロータに作用するフープ応力の増加を抑えて、許容回転速度の低下を防止できる。又、ロータを回転軸に対し、圧入、ロータの焼き嵌め、回転軸の冷やし嵌め等による締り嵌めで外嵌固定できる。この為、これらロータと回転軸とを接着剤により固定する場合の様に、許容回転速度が接着剤の接着強度による制限を受けない。
【００１６】
これらの相乗効果により、本発明の高速回転スピンドル装置の許容回転速度は、歯科用ハンドピース程度の、ロータの外径が１０mm程度である比較的小径の機械装置に組み込んだ場合で、２３万min^-1 程度に達する。前述した、サマリウムコバルト磁石のロータを使用した従来構造の場合に、同じ条件での許容回転速度が７万min^-1 程度であったのに対して、本発明の場合には３倍以上の許容回転速度を得られる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施の形態の第１例を示している。本例は、本発明をブラシレス直流モータを組み込んだ高速回転スピンドル装置に適用した場合に就いて示している。ハウジング１の内側に回転軸２を、請求項に記載した軸受に相当する、１対の玉軸受３、３により回転自在に支持している。これら各玉軸受３、３を構成する内輪４、４は、それぞれの外端面（軸方向に関して互いの反対側端面）を上記回転軸２の中間部端部寄り部分に形成した段部５、５に突き当てて、互いに離れる方向への変位を阻止している。これに対して、上記各玉軸受３、３を構成する外輪６、６の内端面（軸方向に関して互いに対向する端面）は、上記ハウジング１の開口部内周面に形成した段部７、７に、直接又は予圧ばね８を介して突き当てている。この構成により、上記両玉軸受３、３に予圧を付与し、上記ハウジング１の内側に上記回転軸２を、がたつきなく、回転自在に支持している。尚、上記両玉軸受３、３には、グリース等の潤滑剤を封入して、これら両玉軸受３、３が、軽い力で円滑に回転する様にしている。
【００１８】
上記回転軸２の中間部で、上記１対の玉軸受３、３同士の間で上記ハウジング１の内周側に位置する部分には、本発明の特徴である、マンガンアルミ製の界磁マグネットにより構成したロータ９を、締り嵌めにより外嵌固定している。これに対して、上記ハウジング１の内周面で上記ロータ９の外周面と対向する部分には、ステータ１０を支持固定している。このステータ１０は、多数枚の磁性金属薄板を軸方向に積層して成る積層コア１１に、電機子コイル１２を巻回する事により構成している。そして、この電機子コイル１２をモータインバータ１３に接続し、通電に基づいて上記回転軸２を回転駆動する、高速回転スピンドル装置を構成している。
【００１９】
上述の様に構成する高速回転スピンドル装置の使用時には、上記回転軸２の先端部（図１の右端部）に、例えば歯科治療用の砥石を支持固定した状態で、上記モータインバータ１３から、上記電機子コイル１２に通電する。この結果、上記ロータ９を外嵌固定した上記回転軸２が、１０万min^-1 を越える様な高速で回転する。このロータ９には、この高速回転に伴って大きな遠心力が作用するが、本発明の高速回転スピンドル装置の場合には、上記ロータ９をマンガンアルミ磁石により構成している為、このロータ９が破壊する事はない。この点に就いて、以下に詳しく説明する。
【００２０】
電動モータのロータを構成する界磁マグネットとして従来は、サマリウムコバルト等の希土類磁石、若しくはフェライト磁石等が用いられていた。これに対して本発明の場合には、ロータ９を構成する界磁マグネットとしてマンガンアルミ磁石を使用している。マンガンアルミ磁石は、コバルト等の希少元素を使わない、安価に得られる汎用磁石の中では、引っ張り強度、圧縮強度を含めて優れた機械的強度を有し、高速回転、高負荷の使用環境に耐える。しかもマンガンアルミ磁石は、切削加工性が良好で着磁の多様性を併せ持っている為、電動モータのロータを構成する材質として好ましい。
【００２１】
この様なマンガンアルミ磁石の優れた性質のうち、回転軸の高速回転化の為に特に重要な性質である引っ張り強度を、サマリウムコバルト磁石と比較して、図２に示す。この図２から明らかな通り、本発明の高速回転スピンドル装置に使用するマンガンアルミ磁石の引っ張り強度は、従来の高速回転スピンドル装置に使用されていたサマリウムコバルト磁石の引っ張り強度よりも遥かに大きい。例えば、外径が１０mm程度のロータを外嵌固定した回転軸を、１０万min ^-1 を越える様な高速で回転させた場合に生じる大きなフープ応力に耐える為には、当該ロータを構成する界磁マグネットに２００×１０⁶ Ｎ／ｍ² 以上の引っ張り応力が要求される。この数値を前提として図２を見れば明らかな通り、本発明に使用するマンガンアルミ磁石はこの条件を満足するが、従来使用されていたサマリウムコバルト磁石はこの条件を満たさない。
【００２２】
図３は、マンガンアルミ磁石、或はサマリウムコバルト磁石により構成した、外径が１０mmであるロータの回転速度と、回転に伴って発生する遠心力に基づくフープ応力との関係を示している。従来使用されていたサマリウムコバルト磁石は、密度が高く（８．４ｇ／cm³ 程度）、回転の上昇に伴う遠心力並びにフープ応力の上昇が著しいのに許容限界引っ張り強度が低い為、７万min^-1 程度までしか回転させる事ができない。これに対して、本発明に使用するマンガンアルミ磁石の場合には、密度が低く（５．１ｇ／cm³ 程度）、回転の上昇に伴う遠心力並びにフープ応力の上昇が緩やかで、しかも許容限界引っ張り強度が高い為、２３万min^-1 程度まで回転させる事ができる。即ち、マンガンアルミ磁石を使用する本発明の場合には、サマリウムコバルト磁石を使用する従来の場合に比べて、約３．３倍の高速回転が可能になる。
【００２３】
次に、図４は、外径が１０mmであるサマリウムコバルト磁石のロータにより得られる最高回転速度である７万min^-1 でロータを回転させた場合に、このロータの外径と回転に伴って発生する遠心力に基づくフープ応力との関係を示している。ロータをサマリウムコバルト磁石により造った場合には、外径が１０mmの場合にロータが遠心力で破壊するのに対して、ロータをマンガンアルミ磁石により造った場合には、外径を３５mmまで大きくできる。この事は、高速回転スピンドル装置を設計する場合に於ける自由度の増大に繋がる。
【００２４】
しかも、本発明の場合にロータ９を構成するマンガンアルミ磁石の線膨張係数は、２０〜２２×１０^-6／℃と、従来の場合にロータを構成していたサマリウムコバルト磁石の線膨張係数（８〜１１×１０^-6／℃）よりも十分に大きく、回転軸２を構成する鋼材の線膨張係数（１０〜１７×１０^-6／℃）よりも大きい組み合せが可能になる。そして、この様な（ロータ９を構成する材料の線膨張率を回転軸２を構成する材料の線膨張率よりも大きくする）組み合わせを実現する事により、高速スピンドル装置の運転に伴う発熱で上記回転軸２が熱膨張した場合でも、上記ロータ９がより大きく熱膨張する為、このロータ９に加わるフープ応力が増加する（遠心力に基づくものよりも大きくなる）事はない。
【００２５】
本発明の高速回転スピンドル装置の場合には、上述の様に回転軸２の熱膨張量よりもロータ９の熱膨張量を大きくした事に伴い、この回転軸２に対する上記ロータ９の取り付けを、締り嵌めによる嵌合固定とする事ができる。この為、前述した従来構造の様に接着剤を使用する必要がなくなり、許容最高回転速度が、接着剤の接着強度による制限を受けない。
【００２６】
一方、前記電機子コイル１２を巻回した積層コア１１として、珪素鋼板を軸方向に積層したものを使用している。この様な積層コア１１を組み込んで高速回転スピンドル装置の電動モータを構成した場合には、渦電流の発生を抑え、発熱量及び回転抵抗を小さくする事ができる。特に、この様な積層コア１１を採用する事による効果は、マンガンアルミ磁石製のロータ９と組み合わせて、１０万min^-1 以上の高速回転を実現する場合に、より顕著に得られる。
【００２７】
又、前記各玉軸受３、３の潤滑はメンテナンス性を良好にする為には、グリース潤滑が適する。この場合に使用できる好ましいグリースとして例えば、協同油脂社製のＮＳハイリューブ（商品名）がある。このグリースは、回転抵抗を小さくして、上記各玉軸受３、３の転がり抵抗を低減し（低トルク化し）、これら各玉軸受３、３により支持した回転軸２の高速回転の実現に寄与できる。
【００２８】
又、より高速化を図る為には、上記各玉軸受３、３を構成する玉１４、１４の材質として、セラミックを採用する事が好ましい。この理由は、次の通りである。上記各玉軸受３、３により回転自在に支持する回転軸２の駆動源に、上記ロータ９と前記ステータ１０とから成る電動モータを用いた場合、この電動モータの発熱により上記各玉軸受３、３の温度が上昇し、上記各玉１４、１４の転動面と、内輪４の外周面に設けた内輪軌道及び外輪６の内周面に設けた外輪軌道との当接部に存在する油膜が薄くなる可能性がある。上記各玉１４、１４の材質として、一般的に使用する軸受鋼に比べて密度が小さいセラミックを使用すれば、上記回転軸２の回転時に上記各玉１４、１４に作用する遠心力が小さくなり、上記各玉軸受３、３に負荷される荷重を抑えて、発熱量の上昇を抑える事ができる。又、上記各玉１４、１４をセラミック製とした場合には、上記当接部に存在する油膜が不十分になっても、同種の金属材同士が接触する事を防止して、耐摩擦性、耐焼付性を向上させ、高速化を図る事ができる。尚、上記内輪４や外輪６をステンレス鋼で造る事により、これら内輪４及び外輪６を含む上記各玉軸受３、３の耐食性向上を図る事も可能である。
【００２９】
又、上記各玉軸受３、３には、前記予圧ばね８により予圧を付与しているので、アキシアル方向の位置決めを正確に行ない、前記回転軸２の振れを抑え、上記各玉１４、１４の滑りを抑制する事ができる。尚、上記各玉軸受３、３に予圧を付与する為の方法としては、高速性を要する場合には、図示の様に予圧ばね８等の弾性材を使用した定圧予圧方式が適している。これに対して、大きな剛性を要する用途には、上記各玉軸受３、３を構成する内輪４、４及び外輪６、６を所定位置に固定する定位置予圧が好ましい。又、予庄付与の方向としては、回転軸２に関する作用点距離が大きく、モーメント荷重に対する負荷能力が優れている背面組合せが適しているが、高速回転スピンドル装置の組立作業性を要求される場合は、正面組合せを採用する事もできる。
【００３０】
又、本発明の高速回転スピンドル装置を実施する場合に、高速回転になるとアンバランスによる不釣り合い力が回転性能に影響を及ぼすので、上記回転軸２と前記ロータ９とを組み立てた状態で、アンバランスを取り除く、バランス修正作業を行なう必要がある。このバランス修正作業は、例えば図５に示す様に、上記回転軸２の両端部で上記各玉軸受３、３の内輪４、４を外嵌固定すべき部分を、治具３１、３１により支持した状態で行なう。そして、上記回転軸２及びロータ９を回転させて、この回転軸２の中間部でこのロータ９に近い部分の外周面、或はロータ９の両端面部分を修正面としてバランス修正すれば、適正にバランス修正を行なえる。尚、この様なバランス修正作業を行なう為に、上記回転軸２にアンバランス修正部を設ける事が好ましい。又、バランス修正をグラインダ等を用いて、上記回転軸２或はロータ９の一部を削り取る事により行なう場合には、削り取った部分の円周方向に関する形状は流線形にし、風切音を極力抑える事が望ましい。更に、上記ロータ９の外周面は、このロータ９を上記回転軸２に外嵌固定した後に、上記内輪４、４を外嵌固定すべき部分を支持して研摩を行ない、上記回転軸２と上記ロータ９の外周面との同軸度を向上させる事もできる。
【００３１】
次に、図６は、図１に示した様な電動モータを駆動源とした本発明の高速回転スピンドル装置を使用した場合と、圧縮空気を駆動源とした従来の高速回転スピンドル装置との、加工時の負荷トルク及び出力回転速度の特性を示している。尚、何れの場合に就いても、回転軸２の外径は３．１７５mm、軸方向長さは３０mm、ロータ９の外径は１０mm、ハウジング１の外径は２５mmとした。又、上記回転軸２を支持する為の玉軸受３、３は、内径が３．１７５mm、外径が６．３５０mm、幅が２．３８mm、玉径が１mm、玉数が７で、材質は、内輪４及び外輪６がステンレス鋼であるＳＵＳ４４０Ｃ、玉１４、１４がセラミックであるSi₃N₄ である。潤滑は、前記ＮＳハイリューブによるグリース潤滑とした。上記各玉軸受３、３は背面組み合せとして予圧を付与した。又、上記回転軸２と上記ロータ９とを組み合わせた回転体のバランス修正は、半径３mmの位置で、０．００１ｇ以下となる様にした。
【００３２】
この様な条件で行なった実験の結果を示す図６から明らかな通り、図１に示した様な電動モータを駆動源とした本発明の高速回転スピンドル装置によれば、圧縮空気を駆動源とした従来の高速回転スピンドル装置に比べて、回転状態を安定化させる事ができる。即ち、回転軸２に負荷トルクが加わった場合、駆動源に圧縮空気を用いた従来構造の場合には、回転軸の回転数が低下し、負荷がなくなった状態で一時的に回転数が上昇すると言った、不安定な動きをするのに対して、電動モータを駆動源とした本発明の構造の場合には、負荷の状態に拘らず、回転軸２の回転数は殆ど変化しない。
【００３３】
次に、図７は、本発明の実施の形態の第２例を示している。本例の基本構造は、上述した第１例の場合と同様である為、同等部分には図１と同じ符号を付して、重複する説明を省略する。尚、本例の場合には、マンガンアルミ製の磁石であるロータ９と回転軸２との取り付け固定を、圧入と接着との組み合わせにより行なっている。接着強度を確保する為、上記回転軸２の中間部外周面には複数の凹溝２５、２５を形成し、これら各凹溝２５、２５内に接着剤を介在させる様にしている。この様な構成は、上記ロータ９を構成するマンガンアルミ磁石の線膨張係数が、回転軸２を構成する鋼材の線膨張係数よりも大幅に大きい場合に、公差を大きくする為に有効である。即ち、上記ロータ９を上記回転軸２に、締り嵌めのみで外嵌固定した場合には、熱膨張により締め代の変化を勘案して、上記回転軸２の外径と上記ロータ９の内径との組み付け公差を厳密に管理する必要がある。これに対して本例の場合には、接着を併用する事により、上記外径と内径との公差を大きく取る事が可能になって、コスト低減を図れる。
【００３４】
又、電機子コイル１２を巻回する積層コア１１を構成する金属薄板として、珪素（Si）を６．５重量％添加させた珪素鋼板を使用している。鉄系合金中に珪素を６〜７重量％添加した珪素鋼板を使用する事により、低鉄損、低磁歪、高透磁率、品質安定化、無方向性等、電動モータ用ステータの積層コアに要求される各種特性を向上させて、高性能の電動モータを実現する事ができる。そして、定格の高速回転速度までの立ち上がりが早くなり、歯科用スピンドルの様な、頻繁にＯＮ−ＯＦＦを繰り返す用途に適した高速回転スピンドル装置を実現できる。この様に、鉄系合金中に珪素を６〜７重量％添加した珪素鋼板は、例えば、ＮＫＫ社製のＮＫスーパーＥコア（商品名、珪素含有率６．５重量％）が使用可能である。
【００３５】
又、各玉軸受３、３を潤滑する為の潤滑剤は、人体への影響を考慮して、人体への影響が極めて小さい材料、例えばポリαオレフイン（ＰＡＯ）や、ＩＳＯ規格でＶＧ３２、ＶＧ６８等の流動パラフィン等を用いるのが望ましい。潤滑方法にグリース潤滑を用いた場合、各玉軸受３、３の軸方向両端部にそれぞれシール板を設ける両側シールを用いる事が、グリースの漏洩防止の面から有効である。或は、図７に示す様に、上記各玉軸受３、３の軸方向両端部のうち、回転軸２の端面側にのみシール板１５を設ける片側シール構造を使用し、上記各玉軸受３、３の開放部側にグリース保持空間１６を設ける事も、グリースの漏洩防止の面から有効である。この様な構造を採用する場合に於いて、潤滑剤供給装置３０から潤滑剤供給孔１７を通じてグリースを補給する方法も、上記各玉軸受３、３内に存在するグリースの量を長期間に亙って十分に確保する面から有効である。
【００３６】
又、一方又は双方の玉軸受３の外輪６の外周面とハウジング１の内周面との間に、Ｏリング１８等の緩衝材を挟持する事も、防振効果を高め、回転部分のアンバランスや外力に基づく振動を抑える面から有効である。
【００３７】
又、歯科用ハンドピースとして使用する際に発生する、歯牙処置切削粉等の異物がハンドピース内部へ侵入するのを防止する為に、防塵機構を設置する事が望ましい。この様な防塵機構としては、上記各玉軸受３、３に設けた、グリースの漏れ防止用のシール板１５、１５に加えて、前記ハウジング１と前記回転軸２との間に、ラビリンスシール２８、２８やエアーシール等を設ける事が考えられる。又、圧縮空気供給装置２９から圧縮空気を上記ハウジング１内に送り込んでこのハウジング１内の圧力を高くし、外部から上記各軸受３、３内に入る空気流を極力減らす方法も有効である。この様な構造は、電動モータの発熱に拘らず、上記各玉軸受３、３の温度上昇を抑え、これら各玉軸受３、３内部の油膜厚さ、並びにこれら各玉軸受３、３の剛性を確保する為にも有効である。
【００３８】
又、図７に示す様に、ハウジング１内の空間容積を極力小さくし、電機子コイル１２を合成樹脂製の被覆１９によりモールドして表面を平滑にする事は、ロータ９が高速回転した場合に発生する風切音や風損の低減に対して有効である。
尚、本例では、回転軸２の端部に直接、工具又はワーク２０の取付部２１を設けているが、取扱性を向上させる為に、この様な取付部２１を設けた別体の回転軸を、ハンドピース本体に設けた回転軸２と別体に構成し、カップリング等の連結機溝により、上記別体の回転軸を駆動する構造を採用する事もできる。
【００３９】
次に、図８は、本発明の実施の形態の第３例として、本発明を小さな被加工物を加工する小型の工作機械に適用した場合に就いて示している。本例の基本構造も、前述した第１例或は上述した第２例の場合と同様である為、同等部分には図１、７と同じ符号を付して、重複する説明を省略する。
本例の場合には、ロータ９とステータ１０とにより構成する電動モータや各玉軸受３、３部分で発生する発熱に基づく温度上昇を小さく抑える為に、ハウジング１の外周面に冷却カバー２２を装着している。そして、この冷却カバー２２の内部（冷却カバー２２の内周面と上記ハウジング１の外周面との間）に、油、水、空気等の冷媒を、冷却媒体供給装置２３より送り込み自在としている。冷媒の種類は、コスト、熱吸収性、作業性等を考慮して選択する。又、上記ハウジング１の内面で上記ロータ９と対向する部分には、回転速度センサ２４を装着して、回転軸２の回転速度を測定自在としている。
【００４０】
又、本例の場合には、上記各玉軸受３、３の潤滑を、オイルエア潤滑等の微量潤滑により行なって、これら各玉軸受３、３の回転トルクを小さくし、高速性を実現させる様にしている。或は、これら各玉軸受３、３の潤滑方法として、１日１回程度、これら各玉軸受３、３の内部に潤滑剤を、直接、又は空気と混合させて送り込む方法を採用する事もできる。勿論、前述した第２例の場合と同様に、グリースを送り込む事もできる。
【００４１】
又、前述した実施の形態の第１〜２例の場合には、各玉軸受３、３を構成する玉１４、１４をセラミック製とする事により、これら各玉軸受３、３の接触部に存在する油膜が不十分になっても、同種の金属材同士が接触する事を防止して、耐摩擦性、耐焼付性を向上させ、高速化を図っている。これに対して、本例の様に、本発明を工作機械に適用した場合には、回転軸２の支持剛性を高くすべく、上記各玉軸受３、３への予圧付与を定位置予圧により行なう場合が多い。この様な場合には、これら各玉軸受３、３に組み込む玉１４、１４をセラミック製とすると、温度上昇時に金属製の内輪４及び外輪６との熱膨張量との差に起因して、予庄抜けが生じる可能性がある。この為、定位置予圧を行なう場合には、上記各玉１４、１４を、上記内輪４及び外輪６との間で熱膨張量の差が殆どない（若しくは全くない）、（それぞれ線膨張係数が１０．１〜１３．５×１０^-6の範囲にある）鋼製、或は線膨張係数が大きい（１０．５×１０^-6）ジルコニア等のセラミックとする必要がある。この場合に、潤滑性を十分に確保できない可能性がある場合には、上記各玉１４、１４の転動面を、窒化、セラミック、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）等の被膜で表面処理して、同種の金属材同士が接触する事を防止する事が有効である。尚、本例の場合、上記各玉軸受３、３の予圧付与の方向は、背面組合せとする事が、大きな剛性を得られる事から好ましい。
【００４２】
又、工作機械として使用する場合には、回転軸２の回転速度及びトルクが、仕上面及び加工精度に影響するので、加工面の精度を向上させる為に回転速度の制御が必要となる場合がある。この為に本例の場合には、上記回転軸２の回転速度を制御する為の磁気センサ２６と回転速度制御装置２７とを設置している。上記回転軸２の回転速度は、ロータ９を構成する界磁マグネットの磁気を検知する上記磁気センサ２６と、この磁気センサ２６からの信号を受け入れる回転速度制御装置２７とにより計測する。そして、この計測値に基づき、目標回転速度に対して適切な電力量を、モータインバータ１３から電機子コイル１２に通電する。尚、回転速度検知に用いる回転速度センサ２４は、上述の様な磁気センサ２６の他、変位センサ、光センサでも良い。更には、用途によっては、回転速度の検出を、センサを用いる事なく、上記電機子コイル１２への通電量で求める事もできる。
【００４３】
【発明の効果】
本発明は、以上に述べた通り構成され作用するので、従来は困難であった、１０万min^-1 を越える様な高速回転を可能にし、各種機械装置の性能向上を図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の第１例を示す断面図。
【図２】マンガンアルミ磁石の引っ張り強度とサマリウムコバルト磁石の引っ張り強度とを比較して示すグラフ。
【図３】外径が１０mmのロータを構成した場合に、回転速度がマンガンアルミ磁石製のロータに生じる引っ張り応力とサマリウムコバルト磁石製のロータに生じる引っ張り応力とに及ぼす影響を示す線図。
【図４】回転速度を７万min^-1 とした場合に、ロータの外径がマンガンアルミ磁石製のロータに生じる引っ張り応力とサマリウムコバルト磁石製のロータに生じる引っ張り応力とに及ぼす影響を示す線図。
【図５】回転軸にロータを外嵌固定して成る回転体のバランスをとる状態を示す側面図。
【図６】回転軸を２０万min^-1 で回転させた場合に、この回転軸に加わる負荷トルクが、電動モータにより駆動される回転軸の回転速度と圧縮空気により駆動される回転軸の回転速度とに及ぼす影響を示す線図。
【図７】本発明の実施の形態の第２例を示す断面図。
【図８】同第３例を示す断面図。
【符号の説明】
１ハウジング
２回転軸
３玉軸受
４内輪
５段部
６外輪
７段部
８予圧ばね
９ロータ
１０ステータ
１１積層コア
１２電機子コイル
１３モータインバータ
１４玉
１５シール板
１６グリース保持空間
１７潤滑剤供給孔
１８Ｏリング
１９被覆
２０ワーク
２１取付部
２２冷却カバー
２３冷却媒体供給装置
２４回転速度センサ
２５凹溝
２６磁気センサ
２７回転速度制御装置
２８ラビリンスシール
２９圧縮空気供給装置
３０潤滑剤供給装置
３１治具

Claims

ハウジングと、軸受によりこのハウジングの内側に回転自在に支持された回転軸と、この回転軸の外周面に固定された、界磁マグネットを有するロータと、上記ハウジングの内周面でこのロータの外周面と対向する部分に設けられたステータとを備えた高速回転スピンドル装置に於いて、上記ロータが上記回転軸に、締り嵌めで外嵌固定されており、且つ、このロータを構成する界磁マグネットがマンガンアルミ製であり、このロータを構成するマンガンアルミ磁石の線膨張係数が、上記回転軸を構成する鋼材の線膨張係数よりも大きい事を特徴とする高速回転スピンドル装置。
ステータを構成する電機子コイルを巻回した積層コアが、珪素を６〜７重量％添加した珪素鋼板を軸方向に積層したものである、請求項１に記載した高速回転スピンドル装置。
マンガンアルミ製の磁石であるロータと回転軸との取り付け固定を、圧入と接着との組み合わせにより行なっている、請求項１又は請求項２に記載した高速回転スピンドル装置。
電機子コイルを合成樹脂製の被覆によりモールドして表面を平滑にした、請求項１〜３の何れかに記載した高速回転スピンドル装置。
回転軸が工作機械を構成するもので、端部に工具又はワークの取付部を設けており、ハウジングの内面でロータと対向する部分に回転速度センサを装着して、上記回転軸の回転速度を測定自在としている、請求項１〜４の何れかに記載した高速回転スピンドル装置。