JP4146151B2

JP4146151B2 - 静圧気体軸受及びこれを用いたスピンドル装置

Info

Publication number: JP4146151B2
Application number: JP2002109288A
Authority: JP
Inventors: 芳夫藤川; 清尚楠; 和幸青野; 竜井上
Original assignee: NTN Corp
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2002-04-11
Filing date: 2002-04-11
Publication date: 2008-09-03
Anticipated expiration: 2022-04-11
Also published as: US7066652B2; US20040109622A1; JP2003301841A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、高精度な加工機や検査装置などに組み込まれ、主軸を非接触支持する静圧気体軸受及びこれを用いたスピンドル装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
静圧気体軸受は主軸を軸受面に対して非接触状態で支持するため、その回転精度が高く、精密加工機や精密検査装置のワークスピンドル装置または工具スピンドル装置などに使用されている。このような静圧気体軸受およびこれを用いたスピンドル装置の従来例を図９に示す。
【０００３】
この静圧気体軸受は、ハウジング３に軸受スリーブ４，５，６を適宜の手段で固定し、主軸１を、二つの軸受スリーブ４，５により形成されたジャーナル軸受部７，８で微小な軸受隙間を介して非接触状態で径方向に支持すると共に、主軸１に一体に設けたスラスト板２を、その両面から二つの軸受スリーブ５，６で挟み込むことで形成された一対のスラスト軸受部９，１０で微小な軸受隙間を介して非接触状態で軸方向に支持する。この静圧気体軸受を具備するスピンドル装置では、主軸１と同軸的に駆動源２２が設けられ、この駆動源２２は、主軸１にモータロータ１１が一体に取り付けられ、モータステータ１２との間に作用する電磁力により発生する駆動力でもって主軸１を回転させる。
【０００４】
ジャーナル軸受部７，８を構成する軸受スリーブ４，５には、主軸１と対向する軸受面に開口する複数個の微細な給気孔１３を円周方向等間隔に配置した軸方向二列の給気列２３がそれぞれ設けられている。また、主軸１の外径面には、軸受スリーブ４，５に形成された二列の給気列２３と対向する位置に円周溝１８が設けられている。
【０００５】
スラスト軸受部９，１０を構成する軸受スリーブ５，６には、スラスト板２と対向する軸受面に開口する複数個の微細な給気孔１４を円周方向等間隔に配置した円周上一列の給気列２４がそれぞれ設けられている。このスラスト軸受部９，１０における静剛性を上げるため、軸受スリーブ５，６に形成された給気列２４の給気孔１４を連結する形で円周溝を設ける場合もある。
【０００６】
この静圧気体軸受では、軸受給気口１５から圧縮気体を供給すると、圧縮気体は、ハウジング３に設けられた給気通路１６を経由して給気列２３，２４の給気孔１３，１４からジャーナル軸受部７，８およびスラスト軸受部９，１０の軸受隙間に流入し、軸受隙間内の圧縮気体の圧力によって主軸１の自重や外部負荷に釣り合う軸受反力を生じる。このジャーナル軸受部７，８およびスラスト軸受部９，１０により、主軸１を非接触状態で支持しながら回転駆動させることによって、高精度の回転運動を実現している。なお、ジャーナル軸受部７，８およびスラスト軸受部９，１０から流出する気体は、軸受端部から直接、または、排気通路１７を通ってハウジング３の外部に排出される。
【０００７】
軸受スリーブ４と５の間には、シールスリーブ１９が配設されている。このシールスリーブ１９には、内径面と外径面間で貫通する排気孔２５およびその排気孔２５と連通する円周溝２６が内径面と外径面にそれぞれ形成されている。この排気孔２５および円周溝２６を介して、主軸１に設けた排気通路２１とハウジング３に設けた排気通路２０とが連通している。シールスリーブ１９の内径面に形成された円周溝２６の両側は、ジャーナル軸受部７，８の軸受隙間と同等の微小なシール隙間を介して主軸１の外径面と対向し、非接触シール構造を呈する。
【０００８】
このスピンドル装置では、排気通路２０に接続された外部の真空ポンプ（図示せず）によって、シールスリーブ１９を経由して主軸１の排気通路２１から吸引排気することにより、主軸１の先端に真空チャック（図示せず）などを取付けて使用する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、主軸１の径方向振れ精度に関しては、ジャーナル軸受部７，８の特性が支配的である。また、静圧気体軸受の剛性および減衰係数を大きくするには軸受隙間を小さくすることが有効なので、他の要因が許容する範囲内で可能な限り軸受隙間を小さく設定し、その隙間で軸受剛性が最大となるように給気孔１３の大きさと個数および給気列２３の軸方向位置を決定するのが一般的である。ここで、軸受隙間を小さくすると圧縮気体の流れに対する軸受隙間の抵抗が大きくなり、それに応じて給気孔１３の抵抗も大きくする必要があるので、給気孔１３の直径を可能な限り小さくし、その個数を減らすことになる。
【００１０】
また、ジャーナル軸受部７，８の給気列２３における給気孔１３の円周方向位置に関しては、従来は特別の配慮はされておらず、ジャーナル軸受部７，８における二列の給気列２３の給気孔１３はそれぞれ同位相（同じ円周方向位置）で配置され、ジャーナル軸受部７と８の給気孔１３による位相関係に関しては、特に規定されていないのがほとんどである。
【００１１】
近年では、半導体や情報媒体の高密度化、微細化に伴い、特に主軸の径方向振れが検査や加工の精度に対して影響が大きいことから、静圧気体軸受の主軸の振れ精度をさらに向上させることが望まれている。この静圧気体軸受の主軸振れ精度に関して、一列給気で円周溝を持たない自成絞り型の静圧気体軸受を解析対象（軸受モデル）として、給気孔の個数と主軸形状（真円度誤差）の相互作用によって、主軸の回転時に特定周波数の加振力が発生して軸心振れを生じることが理論的に示されている〔「静圧気体ジャーナル軸受の回転精度特性に関する基礎的研究（第２報、軸回転精度特性）」日本機械学会論文集（Ｃ編）５８巻５４８号（1992-4）p.1177〜1183〕。
【００１２】
この文献によれば、給気列を構成する給気孔の個数がｋ個の場合、主軸の真円度誤差との相互作用により、回転速度のｎｋ±１倍（ｎ＝１，２，・・・・）の振動数を有する軸心振れが発生する可能性が指摘されている。また、主軸の回転速度の影響に関しては、回転数が増加して軸心振れの周波数が共振点を超えると、軸心振れの振幅が小さくなることが示されている。従って、図９に示すように二列の給気列２３で円周溝１８を設けた静圧気体軸受についても、原理的には同様な現象が発生する可能性があると推定できる。
【００１３】
前記文献で指摘された給気孔個数と主軸形状（真円度誤差）の相互作用に起因する主軸の軸心振れを低減するには、図９に示すように主軸１の外径面に円周溝１８を設けることにより、給気孔出口の隙間を大きくし、かつ、軸受隙間の圧力を円周方向に平準化することで一定の効果が期待できる。半導体や情報媒体の高密度化、微細化に伴い、静圧気体軸受の主軸１の振れ精度をさらに向上させることが望まれている点から、更なる効果を発揮させるために、一つの給気列における給気孔の個数ｋを増やして、使用回転数のｋ−１倍がスピンドル装置の共振点を超えるようにすれば、軸心振れの振幅を小さくすることができる。しかしながら、給気孔の個数を増やすと軸受隙間の増加が必要になり、そのため軸受の剛性および減衰係数の低下と圧縮気体消費量の増大を招く。特に、剛性および減衰係数の低下は、外乱振動による軸心振れを増大させるという問題がある。
【００１４】
そこで、本発明は前記問題点に鑑みて提案されたもので、その目的とするところは、従来と同等の静剛性および圧縮気体消費量を確保しながら、静圧気体軸受の振れ精度を向上させ得る静圧気体軸受及びこれを用いたスピンドル装置を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するための技術的手段として、本発明は、主軸と、複数個の給気孔が円周方向等間隔に配置された給気列を軸方向に複数列設けたジャーナル軸受部とを備え、前記給気列の給気孔から圧縮気体を噴出させることにより前記主軸を非接触状態で回転自在に径方向に支持する静圧気体軸受において、前記給気列の給気孔を、各給気列ごとにずらして隣接する給気列の給気孔の円周方向中間位置に配すると共に、その円周方向位置について前記給気列の配列方向中央の両側で対称となるように配置したことを特徴とする。
【００１６】
通常、主軸のジャーナル軸受面は円筒研削盤で加工され、その円筒研削盤のワークスピンドルの軸心振れが主軸の真円度誤差として転写されるので、軸方向に異なる位置でもほぼ同一の断面形状（真円度誤差）を持っている。そのため、ジャーナル軸受部における複数の給気列の給気孔を、各給気列ごとにずらして隣接する給気列の給気孔の円周方向中間位置に配することにより、円周上の給気孔の個数を見かけ上増加させることができる。
【００１７】
このような配置により給気孔の個数が見かけ上増加することにより、主軸の真円度誤差に起因する加振力の周波数が高くなり、その周波数をスピンドル装置の共振点よりも高周波側に容易に設定できる。これにより、共振点よりも周波数が高い軸心振れに対しては、軸受の減衰作用が効果的に作用するので軸心振れの振幅を小さくすることができる。ここで、給気孔の個数は、実際上従来どおりであるため、軸受剛性、減衰係数、圧縮気体消費量については、従来と同等の性能を維持できる。
【００１８】
なお、前記給気列の給気孔を、その円周方向位置について前記給気列の配列方向中央の両側で対称となるように配置したことにより、給気孔の個数と主軸形状（真円度誤差）の相互作用に起因する主軸の軸心振れの加振力は給気列の配列方向中央の両側で対称に発生するので、この加振力による主軸の傾きを最小限に抑制することができる。
【００１９】
また、前記ジャーナル軸受部の各給気列を単一の軸受部材に形成することが望ましい。このようにすれば、給気列の給気孔を、その円周方向位置について主軸中心に対して軸方向で対称となるように配置することが容易となり、給気孔の円周方向配置を精度よく行なえる。
【００２０】
前記構成からなる静圧気体軸受は、前記主軸に連設されたスラスト板に対向配置して主軸を軸方向に支持するスラスト軸受部を有し、さらに、その静圧気体軸受の主軸を回転させる駆動源とを具備することによりスピンドル装置を構成する。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施形態を示す。なお、図９と同一部分には同一参照符号を付す。この実施形態の静圧気体軸受は、ハウジング３に軸受スリーブ４，５，６を適宜の手段で固定し、主軸１を、二つの軸受スリーブ４，５により形成されたジャーナル軸受部７，８で微小な軸受隙間を介して非接触状態で径方向に支持すると共に、主軸１に一体に設けたスラスト板２を、その両面から二つの軸受スリーブ５，６で挟み込むことで形成された一対のスラスト軸受部９，１０で微小な軸受隙間を介して非接触状態で軸方向に支持する。
【００２２】
この静圧気体軸受を具備するスピンドル装置では、主軸１と同軸的に駆動源２２が設けられ、この駆動源２２は、主軸１にモータロータ１１が一体に取り付けられ、モータステータ１２との間に作用する電磁力により発生する駆動力でもって主軸１を回転させる。モータには、主軸１を非接触支持する静圧気体軸受の特色を生かすため、同期型または誘導型のＡＣモータ等、ブラシを用いないモータが用いられる。なお、ＡＣサーボモータを使用する場合には主軸１の回転角を検出するセンサが必要であり、例えば主軸１を図示右側に延長してロータリーエンコーダ（図示せず）が取り付けられる。
【００２３】
ジャーナル軸受部７と８を構成する軸受スリーブ４と５には、主軸１と対向する軸受面に開口する複数個の微細な給気孔３１ａ，３１ｂと３１ｃ，３１ｄを円周方向等間隔に配置した軸方向二列の給気列４１ａ，４１ｂと４１ｃ，４１ｄがそれぞれ設けられている。また、主軸１の外径面には、軸受スリーブ４，５に形成された二列の給気列４１ａ，４１ｂと４１ｃ，４１ｄと対向する位置に円周溝１８がそれぞれ設けられている。このような比較的単純な構造により、ジャーナル軸受部７，８における静剛性を大きくしている。
【００２４】
なお、スラスト軸受部９と１０を構成する軸受スリーブ５と６には、従来と同様、スラスト板２と対向する軸受面に開口する複数個の微細な給気孔１４を円周方向等間隔に配置した円周上一列の給気列２４がそれぞれ設けられている。このスラスト軸受部９，１０における静剛性を上げるため、軸受スリーブ５，６に形成された給気列２４の給気孔１４を連結する形で円周溝を設ける場合もある。
【００２５】
この静圧気体軸受では、軸受給気口１５から圧縮気体を供給すると、圧縮気体は、ハウジング３に設けられた給気通路１６を経由して給気列４１ａ〜４１ｄ，２４の給気孔３１ａ〜３１ｄ，１４からジャーナル軸受部７，８およびスラスト軸受部９，１０の軸受隙間に流入し、軸受隙間内の圧縮気体の圧力によって主軸１の自重や外部負荷に釣り合う軸受反力を生じる。このジャーナル軸受部７，８およびスラスト軸受部９，１０により、主軸１を非接触状態で支持しながら回転駆動させることによって、高精度の回転運動を実現している。なお、ジャーナル軸受部７，８およびスラスト軸受部９，１０から流出する気体は、軸受端部から直接、または、排気通路１７を通ってハウジング３の外部に排出される。
【００２６】
軸受スリーブ４と５の間には、シールスリーブ１９が配設されている。このシールスリーブ１９には、内径面と外径面間で貫通する排気孔２５およびその排気孔２５と連通する円周溝２６が内径面と外径面にそれぞれ形成されている。この排気孔２５および円周溝２６を介して、主軸に設けた排気通路２１とハウジング３に設けた排気通路２０とが連通している。シールスリーブ１９の内径面に形成された円周溝２６の両側は、ジャーナル軸受部７，８の軸受隙間と同等の微小なシール隙間を介して主軸１の外径面と対向し、非接触シール構造を呈する。
【００２７】
このスピンドル装置では、排気通路２０に接続された外部の真空ポンプ（図示せず）によって、シールスリーブ１９を経由して主軸１の排気通路２１から吸引排気することにより、主軸１の先端に真空チャック（図示せず）などを取付けて使用する。
【００２８】
この実施形態では、軸受スリーブ４におけるジャーナル軸受部７の給気列４１ａ，４１ｂの給気孔３１ａ，３１ｂを図２に示すように配置すると共に、軸受スリーブ５におけるジャーナル軸受部８の給気列４１ｃ，４１ｄの給気孔３１ｃ，３１ｄを図３に示すように配置する。同図に示すように給気列４１ｂの給気孔３１ｂを、給気列４１ａの給気孔３１ａの円周方向中間位置に配置し、また、給気列４１ｄの給気孔３１ｄを、給気列４１ｃの給気孔３１ｃの円周方向中間位置に配置する。すなわち、給気列４１bの給気孔３１ｂは、給気列４１ａの給気孔３１ａの位置から円周方向へ４５°位相がずれた位置に配置されることになり、同様に、給気列４１ｄの給気孔３１ｄは、給気列４１ｃの給気孔３１ｃの位置から円周方向へ４５°位相がずれた位置に配置されることになる。
【００２９】
ここで、主軸１のジャーナル軸受面は円筒研削盤で加工され、その円筒研削盤のワークスピンドルの軸心振れが主軸１の真円度誤差として転写される。主軸１は、軸方向に異なる位置でもほぼ同一の断面形状（真円度誤差）を持っているので、ジャーナル軸受部７，８における複数の給気列４１ａ，４１ｃの給気孔３１ａ，３１ｃを、隣接する給気列４１ｂ，４１ｄの給気孔３１ｂ，３１ｄの円周方向中間位置に配することにより、主軸１の真円度誤差と給気孔３１ａ〜３１ｄの個数の関係については、見かけ上、円周上の給気孔３１ａ〜３１ｄの個数を２倍にした場合とほぼ等しくなる。
【００３０】
このように給気孔３１ａ〜３１ｄの個数は、実際上従来どおりであるにもかかわらず、前述したような配置により給気孔３１ａ〜３１ｄの個数が見かけ上増加することになり、主軸形状（真円度誤差）と給気孔３１ａ〜３１ｄの相互作用によって発生する軸心振れにおける加振力の周波数が、従来のように給気孔１３を円周方向に同位相（同じ円周方向位置）で配置した場合の２倍程度に高くなり、その周波数をスピンドル装置の共振点よりも高周波側に容易に設定できる。これにより、共振点よりも周波数が高い軸心振れに対しては、軸受の減衰作用が効果的に作用するので軸心振れの振幅を小さくすることができ、高精度の回転駆動を実現できる。なお、給気孔３１ａ〜３１ｄの個数は、実際上従来どおりであるため、軸受剛性、減衰係数、圧縮気体消費量については、従来と同等の性能を維持できる。
【００３１】
二つのジャーナル軸受部７，８において、給気列４１ａ〜４１ｄの給気孔３１ａ〜３１ｄを、その円周方向位置について給気列の配列方向中央の両側で対称となるように配置する。つまり、図２及び図３に示すように軸受スリーブ４の給気列４１ａ，４１ｂの給気孔３１ａ，３１ｂと、軸受スリーブ５の給気列４１ｃ，４１ｄの給気孔３１ｃ，３１ｄとを、軸線に垂直な方向から見て、給気列の配列方向中央であるシールスリーブ１９の軸方向中央位置の両側で左右対称となるように配置する。これにより、主軸回転時に主軸形状と給気孔個数の相互作用で発生する加振力は給気列の配列方向中央の両側で左右対称に発生するので、加振力による主軸１の傾きを最小限に抑え、ワークや工具等を取り付ける主軸先端部での振れをさらに小さくすることができる。
【００３２】
図１の実施形態では、ジャーナル軸受部７，８において、二列給気の軸受スリーブ４，５を二つ並設した場合について説明したが、軸受スリーブの個数は三個以上であってもよく、各軸受スリーブの給気列数も、三列以上であってもよい。また、給気列が一列の軸受スリーブを軸方向に複数個配置し、各軸受スリーブの給気列の給気孔について、給気列ごとに位相をずらすようにしてもよい。また、給気列一列当りの給気孔個数は四個に限定されるものではない。
【００３３】
図４は本発明の他の実施形態で、四つのジャーナル軸受部４２〜４５を単一の軸受部材である軸受スリーブ５０で構成した場合を示す。この実施形態では、四つのジャーナル軸受部４２〜４５の給気孔４６ａ〜４６ｈを、図５乃至図８に示すように配置すればよい。各ジャーナル軸受部４２〜４５の二列の給気列５６ａ〜５６ｈを構成する給気孔、すなわち、ジャーナル軸受部４２の給気孔４６ａと４６ｂ、ジャーナル軸受部４３の給気孔４６ｃと４６ｄ、ジャーナル軸受部４４の給気孔４６ｅと４６ｆ、ジャーナル軸受部４５の給気孔４６ｇと４６ｈを、それぞれ隣接する給気孔の円周方向間隔の１／２、つまり４５°だけ位相（円周方向位置）をずらし、ジャーナル軸受部４２と４３、およびジャーナル軸受部４４と４５では、さらにその１／２、つまり２２．５°だけ位相（円周方向位置）をずらして配置する。また、ジャーナル軸受部４２と４５、ジャーナル軸受部４３と４４は、その給気孔配置を軸受スリーブ５０の軸方向中央位置に対して左右対称としている。
【００３４】
図１の実施形態では、二つのジャーナル軸受部７，８をそれぞれ別体の軸受スリーブ４，５で構成しているため、給気列４１ａ〜４１ｄの給気孔３１ａ〜３１ｄを、軸線に垂直な方向から見て左右対称に配置するには、組立時に軸受スリーブ４，５の位相合わせの作業が必要である。これに対して、図４の実施形態のように複数のジャーナル軸受部４２〜４５を単一の軸受スリーブ５０に設けるようにすれば、組立時の位相合わせ作業が不要になり、また、給気孔４６ａ〜４６ｈの円周方向配置の精度も良くなるという利点がある。
【００３５】
なお、軸受スリーブ５０の各ジャーナル軸受部４２〜４５の間には排気通路４７が設けられてハウジング３に設けた排気通路４８と連通し、各ジャーナル軸受部４２〜４５の端部から流出する気体は、排気通路４７，４８を通ってスピンドル装置の外部へ排出される。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、ジャーナル軸受部に設けた給気列の給気孔の円周方向位置を、給気列ごとにずらすことにより、主軸形状と給気孔の相互作用によって主軸回転時に発生する加振力の周波数を高くすることができる。このため、軸受の減衰効果が有効に作用して主軸の軸心振れが小さくなり、従来と同等の静剛性および圧縮気体消費量を確保しながら、静圧気体軸受の振れ精度を向上させることができて高精度の回転運動を実現できる。
【００３７】
また、給気列の給気孔を給気列の配列方向中央の両側で対称となるように配置することで、発生する加振力が軸方向で対称となり、主軸回転時の中心軸の傾きを抑制し、主軸先端部の振れを最小限に小さくできて振れ精度をより一層向上させることができる。このため、主軸先端部に取り付けられるワークや工具の回転精度がより一層向上する。さらに、複数のジャーナル軸受部を単一の軸受部材に設けることで、ジャーナル軸受部を相互に位置合わせする作業が不要になり、作業工数を削減でき、また、ジャーナル軸受部相互間での円周方向位置誤差も低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示す断面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図３】図１のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。
【図４】本発明の他の実施形態を示す断面図である。
【図５】図３のＣ−Ｃ線に沿う断面図である。
【図６】図３のＤ−Ｄ線に沿う断面図である。
【図７】図３のＥ−Ｅ線に沿う断面図である。
【図８】図３のＦ−Ｆ線に沿う断面図である。
【図９】静圧気体軸受およびスピンドル装置の従来例を示す断面図である。
【符号の説明】
１主軸
２スラスト板
７，８ジャーナル軸受部
９，１０スラスト軸受部
２２駆動源
３１ａ〜３１ｄ給気孔
４１ａ〜４１ｄ給気列
５０軸受部材（軸受スリーブ）

Claims

主軸と、複数個の給気孔が円周方向等間隔に配置された給気列を軸方向に複数列設けたジャーナル軸受部とを備え、前記給気列の給気孔から圧縮気体を噴出させることにより前記主軸を非接触状態で回転自在に径方向に支持する静圧気体軸受において、前記給気列の給気孔を、各給気列ごとにずらして隣接する給気列の給気孔の円周方向中間位置に配すると共に、その円周方向位置について前記給気列の配列方向中央の両側で対称となるように配置したことを特徴とする静圧気体軸受。
前記ジャーナル軸受部の各給気列を単一の軸受部材に形成したことを特徴とする請求項１に記載の静圧気体軸受。
前記主軸に連設されたスラスト板に対向配置して主軸を軸方向に支持するスラスト軸受部を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の静圧気体軸受。
請求項１乃至３のいずれかに記載した静圧気体軸受と、その静圧気体軸受の主軸を回転させる駆動源とを具備したことを特徴とするスピンドル装置。