JP4152553B2

JP4152553B2 - タービンロータを備えたスピンドル装置

Info

Publication number: JP4152553B2
Application number: JP2000034239A
Authority: JP
Inventors: 正和上杉; 庄太郎溝渕
Original assignee: THK Co Ltd
Current assignee: THK Co Ltd
Priority date: 2000-02-10
Filing date: 2000-02-10
Publication date: 2008-09-17
Anticipated expiration: 2020-02-10
Also published as: DE10105672B4; JP2001225240A; US6368052B2; US20010014281A1; DE10105672A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、砥石等のツールを保持したスピンドル主軸を高速で回転させるスピンドル装置に係り、詳細には、気体又は液体の流体エネルギをタービンロータによって上記スピンドル主軸の回転動力に変換するスピンドル装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、研削盤等の工作機械に用いられるスピンドル装置としては、被加工物に対する高精密加工の要請から、小型で且つ主軸回転数の高い装置が必要とされており、本願出願人は過去にタービンロータによってスピンドル主軸を回転駆動すると共に、かかるスピンドル主軸の回転を動圧軸受によって支承したスピンドル装置を提案している（特開平１０−１７５１３７号公報）。
【０００３】
かかるスピンドル装置では、タービンブレードを備えたタービンロータがスピンドル主軸に固定される一方、上記スピンドル主軸の回転は高圧の流体潤滑膜を発生する動圧軸受によって支承されており、上記タービンブレードに対して駆動流体を噴きつけると、スピンドル主軸がタービンロータと共に回転するように構成されている。また、スピンドル主軸の回転を動圧軸受によって支承したことから、かかるスピンドル主軸が回転を開始すると、該スピンドル主軸は流体潤滑膜の作用によって浮揚状態となり、抵抗や振動が殆ど作用することなく滑らかに回転するようになっている。
【０００４】
更に、このスピンドル装置では駆動流体の回収を容易にすると共にタービンロータの小型化を図るため、かかるタービンロータに具備されたタービンブレードは遠心羽根として構成されており、駆動流体がタービンロータ内を半径方向へ放射状に吹き抜けることによって、かかるタービンロータに回転が与えられるようになっている。このため、駆動流体はハウジング側に固定された噴出ノズルから回転するタービンロータの中心へ吹き込まれ、かかるタービンロータ内を放射状に吹き抜ける際にタービンブレードによって回転駆動力を発生するように構成されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この従来のスピンドル装置では噴出ノズルを用いてタービンロータの中心へ駆動流体を吹き込む際に、かかる噴出ノズルが固定されたハウジングと回転するタービンロータとの隙間に駆動流体が漏出してしまい、噴出ノズルに対して供給された駆動流体の全量をタービンロータに吹き込むことが困難であった。また、漏出した駆動流体がハウジングとタービンロータとの間に静圧を発生させるため、スピンドル主軸に対してはハウジングとタービンロータとの隙間を拡開させる方向へ力が作用し易く、益々駆動流体の漏出量が増加してしまう傾向にあった。このため、噴出ノズルに対する駆動流体の供給圧力を増加させても、スピンドル主軸の回転トルクは僅かにしか増加せず、被加工物の加工効率の著しい向上を図ることが困難であるという問題点があった。
【０００６】
このような駆動流体の漏出を防止する方法としては、ハウジングとタービンロータとの間にメカニカルシール等の接触シールを設ける方法が挙げられるが、かかるタービンロータは極めて高速で回転するため、シールの耐久性に問題が生じる他、構造が複雑になるといった不利益がある。
【０００７】
本発明はこのような問題点に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、固定されたハウジングとこれに対して回転自在に支承されたスピンドル主軸との間でタービンロータの駆動流体が漏出するのを可及的に防止し、以て供給された駆動流体を効率的に利用し、スピンドル主軸の回転トルクを高めることが可能なスピンドル装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のスピンドル装置は、ハウジングと、このハウジングに対して回転自在に支承されたスピンドル主軸と、このスピンドル主軸に回転を与えるべく該スピンドル主軸に固定されたタービンロータとを備え、かかるタービンロータに対する駆動流体の吹き込みがスピンドル主軸の軸心に形成された駆動流体通路を通じ、該タービンロータの半径方向の外側に向けて放射状に行われるように構成されたスピンドル装置を前提とし、上記スピンドル主軸上にはラジアル動圧軸受を構成する回転スリーブを配置する一方、この回転スリーブと所定の軸受隙間を介して対向するラジアル動圧軸受の固定スリーブをハウジングに設け、かかるラジアル動圧軸受によって上記ハウジングに対するスピンドル主軸の回転を支承すると共に、上記スピンドル主軸の駆動流体通路に対してハウジング側から駆動流体を供給する供給孔を上記固定スリーブに対して放射状に形成する一方、この供給孔から駆動流体を受け取って上記駆動流体通路へ導く受給孔を上記回転スリーブに対して放射状に形成したことを特徴とするものである。
【０００９】
このように構成された本発明のスピンドル装置において、上記スピンドル主軸はタービンロータによって回転駆動させられるが、かかるタービンロータを駆動する駆動流体は先ずハウジング側からスピンドル主軸の駆動流体通路に吹き込まれ、この後にスピンドル主軸に固定されたタービンロータに吹き込まれる。上記駆動流体通路はスピンドル主軸の軸心に形成されており、駆動流体はこの駆動流体通路から半径方向の外側に向けて放射状にタービンロータへ吹き込まれる。ここで、ハウジングから高速回転するスピンドル主軸への駆動流体の受け渡しは、かかるスピンドル主軸の回転を支承するラジアル動圧軸受の内部で行われる。すなわち、ラジアル動圧軸受を構成すると共にハウジングに設けられた固定スリーブには放射状の供給孔を形成する一方、やはりラジアル動圧軸受を構成すると共にスピンドル主軸上に設けられた回転スリーブには上記供給孔から駆動流体を受け取って駆動流体通路へ導く放射状の受給孔を形成し、これら供給孔と受給孔との間で駆動流体の受け渡しが行われるように構成されている。
【００１０】
このとき、ラジアル動圧軸受を構成する固定スリーブと回転スリーブとの軸受隙間は数μｍと極僅かであり、しかもスピンドル主軸の回転中は該軸受隙間に高圧の流体潤滑膜が形成されていることから、供給孔から噴出された駆動流体が固定スリーブと回転スリーブの隙間、すなわちラジアル動圧軸受の軸受隙間に漏れ出すのを可及的に防止することができ、供給孔から噴出した駆動流体の略全量が回転スリーブの受給孔に流入させることができる。換言すれば、ラジアル動圧軸受が駆動流体の漏出を防止するシールとしての機能を発揮していることになる。従って、ハウジングからスピンドル主軸の駆動流体通路に対してタービンロータの駆動流体を吹き込むに当たり、かかる駆動流体の漏出を可及的に防止することができ、その分だけタービンロータで発生する回転トルクの向上を図ることができるものである。
【００１１】
このような技術的手段において、ラジアル動圧軸受の軸受隙間は極めて小さく、回転スリーブの受給孔に流入することなくこの軸受隙間に入り込んでしまう駆動流体は極僅かであるが、供給孔から噴出する駆動流体は加圧されているので、かかる加圧力が高い場合には、駆動流体が固定スリーブと回転スリーブとの隙間に流れ込んでしまう懸念がある。従って、かかる観点からすれば、上記回転スリーブの外周面又は固定スリーブの内周面には上記受給孔又は供給孔を挟むようにして一対の動圧発生用溝を形成し、これら供給孔及び受給孔の両側においてラジアル動圧軸受の軸受隙間で高圧の流体潤滑膜が発生するように構成するのが好ましい。このように構成すれば、供給孔及び受給孔の両側において高圧の流体潤滑膜が発生するので、供給孔から噴出する駆動流体がラジアル動圧軸受の軸受隙間に流入するのを積極的に防止することができ、供給孔から受給孔に受け渡される駆動流体の損失を可及的に防止することが可能となる。
【００１２】
また、スピンドル主軸は回転していることから、かかるスピンドル主軸の回転位置によっては固定スリーブに形成された供給孔と回転スリーブに供給された受給孔との連通が遮蔽されることがあり、これに伴ってタービンロータに対する駆動流体の供給が遮断されると、スピンドル主軸の回転トルクに著しい変動が生じることになる。従って、このような観点からすれば、上記供給孔及び受給孔を固定スリーブ又は回転スリーブの円周方向に沿って夫々複数個設け、スピンドル主軸の回転位置に関わらず、常にいずれかの供給孔と受給孔とが連通するように構成するのが好ましい。このように構成すれば、タービンロータに対しての駆動流体の供給が遮断されることがないので、スピンドル主軸に与えられる回転トルクの変動を可及的に防止することが可能となる。
【００１３】
更に、本発明のスピンドル装置においては、タービンロータの駆動流体がラジアル動圧軸受を半径方向に貫通するようにしてスピンドル主軸に吹き込まれることから、ラジアル動圧軸受の軸受隙間に供給される潤滑流体を上記駆動流体と共用することも可能である。但し、駆動流体と潤滑流体とを共用した場合、スピンドル主軸の停止のために駆動流体の供給を停止すると、ラジアル動圧軸受に対する潤滑流体の供給も停止してしまい、ラジアル動圧軸受の軸受隙間が著しい負圧となってしまうことから、固定スリーブと回転スリーブとが互いに吸いついて固体接触を生じてしまう懸念がある。従って、かかる観点からすれば、軸受隙間に対する潤滑流体の供給経路をタービンロータの駆動流体の供給経路とは別個に設け、駆動流体の供給停止時にも潤滑流体がラジアル動圧軸受の軸受隙間に供給されるように構成するのが好ましい。
【００１４】
また更に、駆動流体及び潤滑流体としては、空気等の気体の他に、水やクラント液等の液体を用いることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づいて本発明のスピンドル装置を詳細に説明する。
図１はフライス盤等の主軸頭を構成するスピンドル装置に本発明を適用した第１実施例を示すものである。このスピンドル装置は、工作機械の主軸頭に固定されるハウジング１と、ツール３を保持して回転するスピンドル主軸２と、このスピンドル主軸２を上記ハウジング１に対して回転自在に支承する動圧軸受手段４と、加圧された駆動流体の吹き込みに伴って上記スピンドル主軸２を回転駆動するタービンロータ５とから構成されている。
【００１６】
図２はこのスピンドル装置のうち、上記スピンドル主軸２及びこれと共に回転する部材を省略し、ハウジング１等の固定された部材のみを描いたものである。この図に示されるように、上記ハウジング１は、機械装置に固定される基部１ａと、この基部１ａと共に上記タービンロータ５の収容室１０を形成するタービンケース１ｂと、このタービンケース１ｂに固定されると共に後述する動圧軸受手段４の固定スリーブ４０を保持する軸受ケース１ｃと、この軸受ケース１ｃに固定されてスピンドル主軸２の先端を覆うカバー体１ｄとから構成されており、これらを相互に結合して略円筒状に形成されている。尚、図中の符号１１はロータ収容室１０からハウジング１外へ使用済み駆動流体を排出するための排出ポートである。
【００１７】
一方、図３は上記ハウジング１等の固定された部材を省略し、スピンドル主軸２及びこれと共に回転する部材のみを描いたものである。このスピンドル主軸２の先端にはコレットチャック２０が設けられており、かかるスピンドル主軸２の先端に螺合する止めねじ２１を締めつけることで、ツール３がコレットチャック２０にくわえ込まれて固定されるようになっている。また、スピンドル主軸２の胴部には動圧軸受手段４を構成する回転スリーブ４１が固定されると共に、この回転スリーブ４１に隣接して上記タービンロータ５が固定されている。スピンドル主軸２にはフランジ部２２が突設されており、回転スリーブ４１及びタービンロータ５はこのフランジ部２２を基準としてスピンドル主軸２に固定されている。すなわち、スピンドル主軸２の後端から円筒状に形成された回転スリーブ４１及びタービンロータ５を該スピンドル主軸２に挿通させた後、エンドキャップ２３をスピンドル主軸２の後端に螺合させることにより、回転スリーブ４１及びタービンロータ５が上記フランジ部２２とエンドキャップ２３に挟み込まれるようにしてスピンドル主軸２に固定されるようになっている。
【００１８】
また、上記タービンロータ５は円筒状の部材であり、図４に示すように、軸方向長さを二分した位置には遠心羽根としてスパイラル状に形成された複数枚のタービンブレード５０が形成されている。従って、このタービンブレード５０に対して加圧された駆動流体を半径方向の内側から吹きつけると、かかるタービンブレード５０の作用によってタービンロータ５が図中の矢線方向へ回転し、スピンドル主軸２に回転が与えられるようになっている。ここで、タービンロータ５に対する駆動流体の供給はスピンドル主軸２を通じて行われている。図１及び図３に示すように、スピンドル主軸２の軸心には駆動流体通路２４が軸方向に沿って形成されており、この駆動流体通路２４から半径方向へ放射状に延びる噴出孔２５を介して駆動流体がタービンロータ５へ供給されるようになっている。尚、この駆動流体通路２４に対する駆動流体の供給経路については後に詳述する。
【００１９】
更に、上記動圧軸受手段４は、ハウジング１の軸受ケース１ｃに対して焼き嵌め又は接着等により固定された円筒状の固定スリーブ４０と、上記スピンドル主軸２に対して固定された回転スリーブ４１とから構成されている。後者の回転スリーブ４１は、固定スリーブ４０の内周面と所定の軸受隙間（例えば、５μｍ）を介して対向する円筒状のジャーナル部４１ａと、このジャーナル部４１ａの一端から半径方向の外側に張り出したフランジ部４１ｂとから構成されており、かかるジャーナル部４１ａと上記固定スリーブ４０とが協働してラジアル動圧軸受を構成している。図５は上記固定スリーブ４０と回転スリーブ４１との関係を示す図である。ジャーナル部４１ａの外周面の軸方向の両端近傍にはヘリングボーン状の動圧発生用溝４２が形成されており、スピンドル主軸２と共に上記回転スリーブ４１が回転すると、回転スリーブ４１のジャーナル部４１ａと固定スリーブ４０との隙間、すなわちラジアル動圧軸受の軸受隙間に高圧の流体潤滑膜が形成され、回転スリーブ４１が固定スリーブ４０に対して非接触の状態でその回転を支承されるようになっている。
【００２０】
また、上記回転スリーブ４１のフランジ部４１ｂはタービンロータ５と相まって上記固定スリーブ４０を抱え込んでおり、かかるフランジ部４１ｂと固定スリーブ４０、タービンロータ５と固定スリーブ４０は夫々協働してスラスト動圧軸受を構成している。回転スリーブ４１のフランジ部４１ｂと固定スリーブ４０との間、タービンロータ５と固定スリーブ４０との間には所定の軸受隙間（例えば、９μｍ）が夫々形成されており、固定スリーブ４０と対向するフランジ部４１ｂの側面及びタービンロータ５の軸方向端面には夫々スパイラル状の動圧発生用溝（図示せず）が形成されている。このスパイラル状の動圧発生用溝は、回転スリーブ４１の回転に伴って軸受隙間内の潤滑流体を内径側から外径側に向けて吐き出すいわゆるポンプアウト型に形成されている。このため、スピンドル主軸２と共に上記回転スリーブ４１及びタービンロータ５が回転すると、各スラスト動圧軸受の軸受隙間に高圧の流体潤滑膜が形成され、固定スリーブ４０に対するスピンドル主軸２の軸方向の移動が規制されるようになっている。尚、フランジ部４１ｂに形成されたスパイラル状の動圧発生用溝と、タービンロータ５に形成されたスパイラル状の動圧発生用溝とは互いに向き合っているため、互いに逆方向に捩じれて形成されている。
【００２１】
この実施例のスピンドル装置において、上記ラジアル動圧軸受及びスラスト動圧軸受の軸受隙間に供給される潤滑流体は空気であり、上記固定スリーブ４０に穿設された吸入口４３からラジアル動圧軸受の軸受隙間に吸引され、かかる軸受隙間からスラスト動圧軸受の軸受隙間に流動する。上記吸入口４３は固定スリーブに対して放射状に複数形成されており、各吸入口４３は固定スリーブ４０の外周面に形成された環状溝４４と連通している。また、これら吸入口４３は回転スリーブ４１のジャーナル部４１ａに形成された一対の動圧発生用溝４２，４２に夫々対応し、軸方向の二箇所に分かれて配置されている。図１及び図２に示すように、上記ハウジング１には潤滑流体を供給するための吸入路１２が形成されており、この吸入路１２は前述した固定スリーブ４０の環状溝４４と連通している。従って、かかる吸入路１２は固定スリーブ４０に形成された環状溝４４及び吸入口４３を介してラジアル動圧軸受の軸受隙間と連通しており、スピンドル主軸２が回転を開始すると、ハウジング１外の空気がラジアル動圧軸受及びスラスト動圧軸受の軸受隙間に吸引され、これら軸受隙間に高圧の流体潤滑膜が形成される。
【００２２】
動圧軸受では軸の回転に伴って軸受隙間に高圧の流体潤滑膜が形成され、この流体潤滑膜によって軸の回転を支承していることから、上記スピンドル主軸２の起動時には固定スリーブ４０に対して回転スリーブ４１やタービンロータ５が固体接触を生じ易く、いきなりタービンロータ５に対して駆動流体を供給してスピンドル主軸２を回転させたのでは、回転スリーブ４１や固定スリーブ７４０が破損してしまう懸念がある。そのため、この実施例のスピンドル装置では、タービンロータ５に対する駆動流体の供給が開始される前に加圧された空気（潤滑流体）を上記吸入路１２へ供給するように構成している。このように加圧された空気をラジアル動圧軸受及びスラスト動圧軸受の軸受隙間に供給すると、各動圧軸受の軸受隙間に潤滑流体の静圧が作用して固定スリーブ４０と回転スリーブ４１、あるいは固定スリーブ４０とタービンロータ５との接触を極力防止することができる。また、スラスト動圧軸受におけるスパイラル状の動圧発生用溝は所謂ポンプアウト型に形成されていることから、加圧された空気がスラスト動圧軸受の軸受隙間に流入すると、かかる空気の流れによってスピンドル主軸２に回転が与えられる結果となり、タービンロータ５に対する駆動流体の供給に先立ってスピンドル主軸２に低速の回転を与えることができる。これにより、各動圧軸受の軸受隙間には潤滑流体の動圧も発生することになり、スピンドル主軸２の起動時における固体接触の発生を有効に回避することができる。
【００２３】
一方、図５及び図６に示すように、スピンドル主軸２に固定された回転スリーブ４１のジャーナル部４１ａにはスピンドル主軸２の駆動流体通路２４と連通する複数の受給孔４５が放射状に形成されており、これら受給孔４５は上記ジャーナル部４１ａの長手方向を二分する位置、すなわちラジアル動圧軸受の軸方向長さを二分する位置に設けられている。また、上記固定スリーブ４０の長手方向を二分する位置には、回転スリーブ４１の受給孔４５に対向する駆動流体の供給孔４６が放射状に複数形成されると共に、これら供給孔４６に連通する環状溝４７が固定スリーブ４０の外周面に形成されている（図５参照）。図１及び図２に示すように、上記ハウジング１には加圧された駆動流体を供給するための供給路１３が形成されており、この供給路１３は上記固定スリーブ４０の環状溝４７と連通している。従って、かかる供給路１３は固定スリーブ４０に形成された環状溝４７、供給孔４６及び回転スリーブ４１の受給孔４５を介してスピンドル主軸２の駆動流体通路２４と連通しており、ハウジング１の供給路１３から固定スリーブ４０の供給孔４６へ圧送された駆動流体は回転スリーブ４１の受給孔４５を経てスピンドル主軸２の駆動流体通路２４へと送り込まれ、最終的には駆動流体通路２４からタービンロータ５のタービンブレード５０に吹き込まれる。尚、スピンドル主軸２の後端にはエンドキャップ２３が螺合していることから、かかるスピンドル主軸２の軸心に形成された駆動流体通路２４の開放端はこのエンドキャップ２３により閉塞されており、回転スリーブ４１の受給孔４５から駆動流体通路２４に送り込まれた駆動流体はその総量がタービンロータ５の駆動に用いられることになる。
【００２４】
ここで、受給孔４５が形成された回転スリーブ４１は供給孔４６が形成された固定スリーブ４０に対して回転しているため、スピンドル主軸２の回転中は供給孔４６に対する受給孔４５の相対位置は刻一刻と変化しており、供給孔４６及び受給孔４５の開設位置や大きさによっては、総ての供給孔４６に対して受給孔４５が閉塞された状態となり、タービンロータ５に対して駆動流体が供給されない状態が生じてしまう。スピンドル主軸２は高速で回転するので、タービンロータ５に対する駆動流体の遮断時間は極僅かではあるが、このように駆動流体が遮断されると、スピンドル主軸２の回転トルクに変動が発生してしまい、かかるスピンドル主軸２に固定されたツール３の回転ムラ、ひいてはこのツール３によって加工されるワークの加工精度に影響が及ぶことになる。
【００２５】
そこで、タービンロータ５に対する駆動流体の供給が一時でも遮断されることがないよう、この実施例ではスピンドル主軸２の回転位置に関わらず常にいずれかの供給孔４６と受給孔４５とが連通した状態となるように、これら供給孔４６及び受給孔４５の大きさや形成個数を決定している。すなわち、図６（ａ）に示すように、供給孔４６の断面積を受給孔４５の断面積よりも大きく設定し、受給孔４５が供給孔４６に正対しない場合であっても、供給孔４６と受給孔４５とが連通するように構成している。また、図６（ｂ）に示すように、受給孔４５を供給孔４６よりも多く形成し、いずれかの受給孔４５が完全に閉塞された場合であっても、他の受給孔４５が供給孔４６と連通するように構成しても良い。
【００２６】
そして、以上のように構成れされた本実施例のスピンドル装置は、先ず、ハウジング１に形成された吸入路１２に対して加圧された潤滑流体を供給し、スピンドル主軸２に低速の回転を与えた後、やはりハウジング１に形成された供給路１３に対して加圧された駆動流体を供給し、かかる駆動流体でタービンロータ５を回転駆動してスピンドル主軸２に回転を与えて使用される。
【００２７】
このとき、固定側のハウジング１と回転側のスピンドル主軸２との間には必ず隙間が存在し、駆動流体をハウジング１からスピンドル主軸２の駆動流体通路２４に送り込む際に、かかる隙間に駆動流体の一部が漏れ出してしまうと、ハウジング１の供給路１３に対して圧送した加圧駆動流体のすべてをタービンロータ５の駆動に用いることができず、この駆動流体の損失によってタービンロータ５の出力（回転トルク）が低下してしまうことになる。
【００２８】
しかし、本実施例のスピンドル装置では固定スリーブ４０及び回転スリーブ４１から構成れされるラジアル動圧軸受を貫通するようにして駆動流体の供給経路を設けているので、かかる駆動流体をハウジング１からスピンドル主軸２の駆動流体通路２４に送り込む際に、その損失を殆ど零に抑えることができ、タービンロータ５の出力の向上を図ることができるものである。すなわち、固定スリーブ４０及び回転スリーブ４１はラジアル動圧軸受を構成しており、固定スリーブ４０と回転スリーブ４１との間には極僅かな軸受隙間が存在するのみであり、しかも、スピンドル主軸２の回転中はこの軸受隙間に高圧の流体潤滑膜が形成されている。従って、固定スリーブ４０の供給孔４６から噴出した駆動流体はラジアル動圧軸受の軸受隙間に流入することは殆どなく、略全量が供給孔４６の対向位置に形成された回転スリーブ４１の受給孔４５に流入することになる。これにより、本実施例のスピンドル装置ではハウジング１の供給路１３に対して圧送した加圧駆動流体の略全量を回転するスピンドル主軸２の駆動流体通路２４に送り込むことができ、これをそのままタービンロータ５の回転駆動に用いることができるものである。
【００２９】
図７は、本実施例のスピンドル装置と従来のスピンドル装置の双方について、駆動流体の供給圧力に対するスピンドル主軸２の出力の変化を測定した結果を示すグラフであり、また図８は、駆動流体の供給圧力の変化に対するスピンドル主軸２の回転数の変化を測定した結果を示すグラフである。いずれの場合も、従来品とは特開平１０−１７５１３７号公報に開示されたスピンドル装置である。これらの測定結果からわかるように、スピンドル主軸２の回転数については本発明品と従来品との間で大差はないが、スピンドル主軸２の出力については駆動流体の供給圧力が高まるにつれ、本発明品の方が従来品よりも大きな出力を発揮していることが伺われる。すなわち、従来品は駆動流体の供給圧力が大きくなるにつれ、ハウジング１とスピンドル主軸２との間における駆動流体の漏れ量が多くなり、スピンドル主軸２の出力が頭打ちになると考えられるが、本発明品では駆動流体の漏れ量が殆どないことから、供給圧力の増加に比例するようにしてスピンドル主軸２の出力が増加していると考えられる。
【００３０】
次に、図８は本発明を適用したスピンドル装置の第２実施例を示すものである。
この第２実施例のスピンドル装置の構造も基本的には前述の第１実施例のスピンドル装置と略同じである。但し、このスピンドル装置では固定スリーブ４０と回転スリーブ４１のフランジ部４１ｂとの間にスピンドル主軸２とは無関係に回転するフリー円板６を設け、このフリー円板６に形成されたタービンブレードに対してタービンロータ５とは別系統で駆動流体（以下、「円板駆動流体」という）を供給するように構成した。尚、その他の構成は前述の第１実施例のスピンドル装置と同一なので、図中に同一符号を付することにして、その詳細な説明は省略する。
【００３１】
スピンドル主軸２に固定されたタービンロータ５に対する駆動流体（以下、「主軸駆動流体」という）の供給経路は第１実施例と全く同じである。すなわち、ハウジング１の供給路１３に圧送された主軸駆動流体は固定スリーブ４０に形成された供給孔４６を介して回転スリーブ４１の受給孔４５に送り込まれ、スピンドル主軸２に形成された駆動流体通路２４を経て放射状の噴出孔２５からタービンロータ５に吹き込まれる。また、主軸駆動流体の一部は固定スリーブ４０と回転スリーブ４１との隙間にも入り込み、ラジアル動圧軸受及びスラスト動圧軸受の潤滑流体としても利用される。ラジアル動圧軸受の軸受隙間は極めて小さいので、回転スリーブ４１の受給孔４５に入ることなく潤滑流体として利用される主軸駆動流体の量は極僅かであり、主軸駆動流体を動圧軸受の潤滑流体として共用した場合であっても、タービンロータ５に吹き込まれる主軸駆動流体の流量は殆ど減少することがなく、スピンドル主軸２の出力が第１実施例のそれと比較して極端に低下することは一切ない。
【００３２】
一方、上記フリー円板６は僅かな隙間を介して回転スリーブ４１のジャーナル部４１ａに遊嵌しており、フリー円板６とジャーナル部４１とがラジアル動圧軸受を構成している。また、フリー円板６の一方の端面と固定スリーブ４０の端面、フリー円板６の他方の端面と回転スリーブ４１のフランジ部４１ｂとの間にも僅かな隙間が形成されており、固定スリーブ４０、フリー円板６及びフランジ部４１ｂが一対のスラスト動圧軸受を構成している。前述の第１実施例では回転スリーブ４１のフランジ部４１ｂにスパイラル状の動圧発生用溝が形成されていたが、この第２実施例では上記フリー円板６の表裏両面に夫々スパイラル状の動圧発生用溝が形成されており、スピンドル主軸２が停止している状態でフリー円板６を回転させると、かかるフリー円板６の表裏に存在する軸受隙間に高圧の流体潤滑膜が形成されるようになっている。更に、フリー円板６を停止させた状態でスピンドル主軸２を回転させると、回転スリーブ４１のフランジ部４１ｂとフリー円板６との間にのみ高圧の流体潤滑膜が形成される。
【００３３】
このフリー円板６にはタービンロータ５と同様なタービンブレードが形成されており円板駆動流体を半径方向の内側から外側に向けて吹き込むことで、該フリー円板６をスピンドル主軸２とは別個に自由に回転させることができるようになっている。フリー円板６に対する円板駆動流体の供給経路はタービンロータ５に対する主軸駆動流体の供給経路とは全く別個独立であるが、供給経路の構成それ事態は近似している。すなわち、ハウジング１の供給口１４から圧送された円板駆動流体は固定スリーブ４０に形成された放射状の供給口６０から回転スリーブ４１の受給孔６１に流入した後、スピンドル主軸２の軸心に形成された駆動流体通路２６を経てフリー円板６に吹き込まれる。このとき、駆動流体通路２６はスピンドル主軸２の先端に開放されているが、コレットチャック２０によって閉塞されており、ここでも駆動流体の略全量を回転エネルギへ変換することができる。
【００３４】
そして、以上のように構成された第２実施例のスピンドル装置によれば、タービンロータ５に対して主軸駆動流体を供給することによってスピンドル主軸２が回転するのは勿論であるが、フリー円板６に対しても円板駆動流体を供給することによって、スピンドル主軸２とは別個にフリー円板６を回転させることができる。このとき、フリー円板６の回転方向をスピンドル主軸２の回転方向とは逆向きに設定しておくと、フリー円板６と回転スリーブ４１のフランジ部４１ｂとの間には相対的に大きな回転差が生じるので、これらによって構成されるスラスト動圧軸受の軸受隙間には一層高圧の流体潤滑膜が発生し、スピンドル主軸２の軸方向の負荷に対する剛性を高めることが可能となる。
【００３５】
また、フリー円板６に対して加圧された円板駆動流体を供給することにより、フリー円板６の表裏両側に位置するスラスト動圧軸受の軸受隙間には加圧された円板駆動流体が流入することになるので、スピンドル主軸２の起動時に予めフリー円板６のみを回転させておくことにより、スピンドル主軸２の回転が停止していてもスラスト動圧軸受の軸受隙間には高圧の流体潤滑膜が形成され、固定スリーブ４０とフリー円板６、回転スリーブ４１とフリー円板６の固体接触を防止して、スピンドル主軸２を円滑に起動することが可能となる。一方、スピンドル主軸２の停止のためにタービンロータ５への主軸駆動流体の供給を停止した場合でも、フリー円板６を回転させておくことにより、スラスト動圧軸受の軸受隙間には依然として高圧の流体潤滑膜が形成されるので、固体接触の発生を防止しながらスピンドル主軸２を円滑に停止させることも可能となる。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明のスピンドル装置によれば、スピンドル主軸に形成された駆動流体通路へハウジングから駆動流体を供給するに当たり、かかるスピンドル主軸の回転を支承するラジアル動圧軸受の固定スリーブと回転スリーブとの間で駆動流体を供給するように構成したので、固定スリーブと回転スリーブとの隙間に駆動流体が漏れ出すのを可及的に防止することができ、この装置に供給した駆動流体の略全量を損失なくタービンロータの回転に利用して、スピンドル主軸の回転トルクの向上を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のスピンドル装置の第１実施例を示す断面図である。
【図２】第１実施例に係る固定側部材を示す断面図である。
【図３】第１実施例に係る回転側部材を示す断面図である。
【図４】第１実施例に係るタービンロータに形成されたタービンブレードを示す断面図である。
【図５】第１実施例に係る固定スリーブ、回転スリーブ及びタービンロータの関係を示す拡大断面図である。
【図６】第１実施例に係る固定スリーブに形成された供給孔、回転スリーブに形成された受給孔の位置関係を示す断面図である。
【図７】第１実施例に係るスピンドル装置の出力と従来のスピンドル装置の出力とを比較した結果を示すグラフである。
【図８】第１実施例に係るスピンドル装置の回転数と従来のスピンドル装置の回転数とを比較した結果を示すグラフである。
【図９】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…ハウジング、２…スピンドル主軸、３…ツール、４…動圧軸受手段、５…タービンロータ、６…フリー円板、２４…駆動流体通路、４０…固定スリーブ、４１…回転スリーブ、４５…受給孔、４６…供給孔

Claims

ハウジングと、このハウジングに対して回転自在に支承されたスピンドル主軸と、このスピンドル主軸に回転を与えるべく該スピンドル主軸に固定されたタービンロータとを備え、かかるタービンロータに対する駆動流体の吹き込みがスピンドル主軸の軸心に形成された駆動流体通路を通じ、該タービンロータの半径方向の外側に向けて放射状に行われるように構成されたスピンドル装置において、
上記スピンドル主軸上にはラジアル動圧軸受を構成する回転スリーブを配置する一方、この回転スリーブと所定の軸受隙間を介して対向するラジアル動圧軸受の固定スリーブをハウジングに設け、かかるラジアル動圧軸受によって上記ハウジングに対するスピンドル主軸の回転を支承すると共に、上記スピンドル主軸の駆動流体通路に対してハウジング側から駆動流体を供給する供給孔を上記固定スリーブに対して放射状に形成する一方、この供給孔から駆動流体を受け取って上記駆動流体通路へ導く受給孔を上記回転スリーブに対して放射状に形成し、
上記回転スリーブの外周面又は固定スリーブの内周面には上記受給孔又は供給孔を挟むようにして一対の動圧発生用溝を形成すると共に、これら動圧発生用溝に潤滑流体を吸引する吸入口を前記供給孔とは別個に前記固定スリーブに形成したことを特徴とするスピンドル装置。
固定スリーブに形成された供給孔及び回転スリーブに形成された受給孔は円周方向に沿って夫々複数個設けられ、スピンドル主軸の回転位置に関わらず、常にいずれかの供給孔と受給孔とが連通していることを特徴とする請求項１記載のスピンドル装置。
上記ラジアル動圧軸受を構成する回転スリーブはフランジ部を具備し、このフランジ部が上記固定スリーブの軸方向端面と所定の軸受隙間を介して対向することにより、上記スピンドル主軸の軸方向の移動を規制するスラスト動圧軸受を構成していることを特徴とする請求項１又は２記載のスピンドル装置。
上記固定スリーブと回転スリーブのフランジ部との間には、上記ハウジング及びスピンドル主軸のいずれに対しても回転自在なフリー円板が設けられ、このフリー円板と固定スリーブ及び回転スリーブのフランジ部とが一対のスラスト動圧軸受を構成する一方、かかるフリー円板をスピンドル主軸とは別個に回転駆動する手段を設けたことを特徴とする請求項３記載のスピンドル装置。