JP4000259B2 - スピンドル装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明に属する技術分野】
本発明は、工作機械、医療用機器等に用いるためのスピンドルに、流体のエネルギを利用したモータ機能とスピンドル冷却機能を一体化したスピンドル装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般的な工作機械のスピンドルの多くは、転がり軸受で支持され、スピンドル装置とは別に設けられた電気駆動のモータの回転運動をベルト、プーリ等の伝達要素を介して回転運動が与えられる。従来の方式のこのようなスピンドルが特に精密な工作機械システムに用いられる場合には、以下のような３つの問題が発生する。
【０００３】
すなわち、第一にスピンドルは転がり軸受における摩擦や機械的なガタによって高精度の回転運動の実現が難しいというだけでなく、超精密加工において要求される高速回転時には転がり軸受の焼き付きが発生しやすくなるという大きな問題がある。この問題に対して、高精度加工が要求される工作機械では、静圧軸受によってスピンドルを支持する方式が用いられる。
【０００４】
第２は、スピンドルの高速回転時にはベルト、プーリといった伝達要素で発生する振動がスピンドルに伝わり、スピンドル自体の振動を引き起こすといった問題である。このため、スピンドル自体にタービンを取付けこれに流体を吹き付ける方式により、ベルト等の伝達要素を必要としないスピンドルが用いられている例がある。
【０００５】
第３は、スピンドルが工作機械に用いられる場合、加工中に工具と被削材間で発生する摩擦熱がスピンドルに伝わり、スピンドルの熱膨張を引き起こし、これによって加工誤差が発生するといった問題である。そこで、スピンドル装置に冷却流体を流す方式が用いられる場合がある。
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
以上のように、高精度加工を行う工作機械に用いられるスピンドル装置には、静圧軸受による支持機能、流体のエネルギによってスピンドルに回転動作を発生させるモータ機能、並びに冷却機能を備えていることが必要になる。しかしながら、これら３つの機能を同時にスピンドル装置に組み込もうとするとスピンドル装置が複雑になり大型になってしまう。このために、スピンドル装置の製造コストが上昇するだけでなく、スピンドルの高速回転性能を低下させることになる。
【０００７】
本発明の目的は、スピンドル装置に要求される上記３つの機能を有機的に一体化したスピンドル構造を発明することにより、簡単な構造を有する高性能スピンドル装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
まず、本発明はこの種のスピンドル装置において従来から用いられているようなスピンドルに取り付けられたタービンに流体を吹き付ける形式のモータ構造の代りに、スピンドルの断面に単純な穴形状の流路を設けるだけで高速回転が可能なモータ機能をスピンドルに容易に組み込める構造を特徴とするものである。このモータによれば、スピンドル外周面からスピンドル中心に設けられた流路まで貫通する流路を利用して流体を流すとき、さらにスピンドル中心部の流路からスピンドル断面に設けられた流路を通して、スピンドル外周面へ流体を流すそれぞれの場合に、流体のもつ角運動量変化によって回転トルクが発生し、このスピンドルを回転させることができる。すなわち、このような流路によってスピンドルにモータ機能を組み込むことが可能になる。しかも、このような流路をスピンドルに複数設けることによって、より性能の高いモータ機能をスピンドルに一体的に組み込むことが可能になった。このような構造を持つスピンドル構造によって前記目的を達成した。
【０００９】
つぎに、上記のようなモータが組み込まれたスピンドルを支持する静圧あるいは動圧軸受のための流体を、モータ部に供給する流体と併用することにより、より少ない流量でスピンドルを支持し、スピンドルを回転運動させることができる。
【００１０】
発明したスピンドルの中心内部には、スピンドルにモータ機能を組み込むために設けられた流路に流体が流れ、また同時に、スピンドルの外周面全体にはスピンドルを支持するための静圧あるいは動圧軸受に供給された流体が存在する。このようなスピンドル装置に温度制御された流体を供給することにより、スピンドルの外周部と内部に温度制御された流体が同時に流れることになり、スピンドルの温度変化を小さくすることができる。
【００１１】
以上のようなスピンドル構造により、高性能スピンドルに要求される精密な支持機能、モータ機能、冷却機能が同時に実現されるだけでなく、これらが有機的に一体化した構造が簡単な高性能スピンドルが実現できる。
【００１２】
このスピンドル装置は、高精度の回転動作が要求される様々な工作機械などに用いることができるが、例えば、超精密ダイヤモンド旋盤において、被削材を高速高精度に回転させるためのスピンドル装置、また高精度に回転工具を回転加工する工作機械用のスピンドル装置、さらには被削材と研磨布を高精度に回転させる必要のあるＣＭＰ装置のスピンドル装置などに用いることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態の代表例を説明する。図１（ａ）は、モータ構造が組み込まれたスピンドル１をラジアル静圧軸受２およびスラスト静圧軸受３で支持したスピンドル構造の断面図である。外部のポンプあるいはコンプレッサーで供給された流体がスピンドル装置の流入ポート４、５から供給される。流入ポート４から流入した流体はラジアル静圧軸受２を流れ、スピンドル１を支持する。この流体は、ラジアル静圧軸受２を通過した後、スピンドル１に設けられた流入流路６を流れて、スピンドル中心部の流路７に流入し、スピンドルに設けられた流出流路８を流れてスピンドル外部に流出し、この流体はスピンドル装置の流出ポート９から流出する。流入ポート５からスピンドル装置に流入した流体は、スラスト軸受でスピンドルを支持し、流出ポート９から流出する。
【００１４】
ここで、スピンドルに設けられた流入流路６と流出流路８は、それぞれ図１（ｂ）、（ｃ）に示すようになっており、この流路を流体が流れるとき、流体の角運動量が変化し、これに伴ってスピンドルを回転させるトルクが発生する。このモータ機能は、スピンドル断面に設けられた流路を流体が流入出するたびにトルクを発生させることができるので、図１（ａ）のスピンドル装置の場合、合計４箇所でトルクを発生させてスピンドルを回転させるが、その数を増やすことも可能である。
【００１５】
また、このモータ機能においては、スピンドルを流れる流体に角運動量変化を発生させることにより、モータ回転のためのトルクを発生させることができるので、スピンドル断面に設ける流路は、必ずしも図１（ｂ）、（ｃ）に示すような"卍"形状である必要はなく、流路が曲がる角度や形状は特に直角や直線状である必要がなく、要求されるモータの性能に合わせて形状を変更することができる。すなわち、この流路の形状が滑らかな曲線に沿っていても構わない。さらに、１つの断面に設ける流路の数も図１（ｂ）、（ｃ）のように４本である必要もない。
【００１６】
図１（ｂ）、（ｃ）に示すような流路形状の場合、スピンドルにドリル加工によって数本の穴を設けるだけでモータ機能を組み込むことができる。スピンドル中心から半径方向に空ける流路は、スピンドル外周から中心に向かってドリル加工し、外周面に形成された穴をプラグで止栓すればよい。これと同様に、スピンドル中心部に設ける穴についても、スピンドルの両端面から、穴あけを行った後、これをプラグにより止栓すればよく製作が極めて容易である。
【００１７】
このスピンドル装置に供給される流体はスピンドルの外周および内部を流れるため、温度制御された流体を供給することにより、スピンドルの温度変化を容易に一定化することができ、これによりスピンドルの熱膨張を最小限にすることが可能になり、熱膨張によって発生する加工誤差をなくすことができる。
【００１８】
このようなモータ機能を用いると、約２０１／ｍｉｎの流体をスピンドルに供給することにより、静圧軸受で精度よく支持された上で、毎分５００００回転以上で駆動することが可能になる。試作した例では、直径２０ｍｍのスピンドルの各断面に直径１。７ｍｍの流入出流路を１本設けている。
【００１９】
本発明のスピンドルの回転数は、スピンドルの負荷が一定なら供給する流量に比例するが、例えば切削力などの負荷が変化した場合には、回転数が変化する。そこで、スピンドル回転数を一定にするために、スピンドルの回転数を計測し制御弁によって流量を制御するフィードバック制御により、より安定した回転特性が得られる。
【００２０】
次に、図２に示す発明の第２の実施例をついて説明する。本発明のスピンドル装置は、静圧軸受あるいは動圧軸受で支持するのが特徴の一つであるが、これを図２に示すような転がり軸受に置き換えることも可能である。また、転がり軸受の代わりに、各種樹脂等を用いた滑り軸受に置き換えることも可能である。この場合には、図１に示したスピンドル構造よりもさらに単純な構造を有するモータ機能が一体化されたスピンドル装置ができる。
【００２１】
このようなスピンドルは、工作機械への応用のほかに、例えば、歯科治療に用いるスピンドル装置にも用いることができる。この際、スピンドルのモータ機能に供給する流体には、空気を用いることも可能であるし、空気に水や薬品等を混入させ、これをスピンドルから直接患部にかけることも可能である。これと同様な応用範囲としては、整形外科における手術において、骨への穴あけやその他の処置に用いる装置用のモータ機能が一体化されたスピンドル装置としても利用できる。図２R>２の装置は、構造が単純であり、プラスチック成形技術等を用いれば、大量生産も可能になり、この場合には、使い捨てができるスピンドル装置も可能になる。これは、医療機器への応用において利点が多い。
【００２２】
【発明の効果】
以上、説明してきたように、本発明によれば、機械加工等に用いられる高性能のスピンドル装置に要求される、静圧軸受あるいは動圧軸受によって支持されたスピンドルに対して、構造が単純でスピンドルに簡単に組み込むことが可能なモータ機能を設け、さらに軸受とモータに供給する流体をスピンドルの冷却流体としても利用できる、構造が簡単なスピンドル装置を提供することが可能になる。
しかも本発明では、モータ構造を複数箇所設けそのうち2箇所づつをスピンドル中心に設けた流路で接続し、そのうち一方のモータ構造にはスピンドル外周面から流体を供給し、その流体を他方のモータ構造からスピンドル外周面へ流出する構造だから、流体が流入と流出をするたびにトルクを発生させることができる。
【００２３】
このスピンドルは、構造が簡単なため、スピンドル装置を小型化することができ、またわずかな部品数で構成することができる。これは、製造コストを下げることが可能になるだけでなく、スピンドル構造の単純化によって、スピンドル回転数の高速化と剛性の向上を可能にもする。
【００２４】
さらにモータ構造の流路をスピンドルにドリル加工により形成し外周面に開いた穴はプラグで止栓すれば、流路の製作が極めて容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】は本発明のスピンドル装置の第１実施例を示す概略図である。
（ａ）は本発明のスピンドル装置本体の断面図である。
（ｂ）はスピンドル部のＡ−Ａ線部の断面図である。
（ｃ）はスピンドル部のＢ−Ｂ線部の断面図である。
【図２】は本発明のスピンドル装置の第２実施例を示す断面図である。
【符号の説明】
１…スピンドル、２…ラジアル軸受、３…スラスト軸受、４…流入ポートａ、５…流入ポートｂ、６…流入流路、７…スピンドル中心流路、８…流出流路、９…流出ポート、２０…スピンドル、２１…転がり軸受。

Claims (8)

1. 流体を流したとき、この流体の角運動量が変化するようにスピンドル内部に流路を設け、スピンドルに流体を流すことによって、回転トルクを発生させることのできるモータ構造を、スピンドルに複数箇所一体的に組み込むと共に、このスピンドルを支持する軸受構造を備え、
   そして前記複数箇所のモータ構造のうち2箇所ずつをスピンドル中心に設けた流路で接続し、そのうち一方のモータ構造に流体をスピンドル外周面から供給し,この供給した流体を他方のモータ構造よりスピンドル外周面へ流すようにして成るスピンドル構造。
2. 前記軸受構造が各種加圧流体による静圧軸受である請求項１記載のスピンドル構造。
3. 前記軸受構造が各種流体による動圧軸受である請求項１記載のスピンドル構造。
4. 前記軸受構造を支持するための流体を、モータ構造にも供給することを特徴とする請求項２又は３に記載のスピンドル構造。
5. 前記軸受構造が転がり軸受である請求項１記載のスピンドル構造。
6. 前記軸受構造が滑り軸受である請求項１記載のスピンドル構造。
7. 請求項１記載のスピンドルの内外部に温度制御された流体を供給することにより冷却機能を持たせた請求項１記載のスピンドル構造。
8. 前記モータ構造の流路をスピンドルにドリル加工により形成し外周面の穴はプラグで止栓して成る請求項１記載のスピンドル構造。

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