JP4264731B2 - 静圧空気軸受スピンドル - Google Patents
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Description
本発明は、例えば、精密加工機などの高精度回転スピンドルに適し、主軸と軸受間の軸受隙間に圧縮空気を供給することによって主軸を非接触状態で支持する静圧空気軸受スピンドルに関する。
従来、主軸と軸受間に設けた微小な軸受隙間に給気ノズルから圧縮空気を供給することにより、主軸を非接触支持する構成の静圧空気軸受スピンドルは、図３に示すようになっている。なお、図３は従来の静圧空気軸受スピンドルの上半分を示した側断面図である。
図３において、１はハウジング、２は主軸、２ａはスラスト板、２ｂは主軸軸受部、３は反負荷側の静圧空気ジャーナル軸受、４は負荷側の静圧空気ジャーナル軸受、５は反負荷側の静圧空気スラスト軸受、６は負荷側の静圧空気スラスト軸受、７はスペーサ、８は圧縮空気供給路、９はモータ、９ａはモータロータ、９ｂはモータステータ、１０はスリーブ、１１、１２は給気ノズル、１３は第１排気通路、１４は第２排気通路、１５は第３排気通路、１６は第４排気通路、１７は負荷側静圧空気スラスト軸受６とスラスト板２ａ間の負荷側隙間、１９はハウジング蓋部である。静圧空気軸受スピンドルは、基本的にはハウジング１内に収納した主軸２と、主軸２のラジアル方向を支持する２個の静圧空気ジャーナル軸受３、４と、主軸２の負荷側に設けたスラスト板２ａの径方向に設けてなるスペーサ７の両側を挟み込むように配置され、主軸２のスラスト方向を支持する両面対向形の静圧空気スラスト軸受５、６とで構成されている。また、静圧空気ジャーナル軸受３、４には、ハウジング１に設けた圧縮空気供給路８と連通する給気ノズル１２が設けられ、静圧空気スラスト軸受５、６には、同様に圧縮空気供給路８と連通する給気ノズル１１が設けられている。また、主軸２の反負荷側端部にはモータロータ９ａが取り付けられると共に、ハウジング１にはスリーブ１０を介してモータステータ９ｂが取り付けられ、両者によりモータ９を構成する。
次に動作を説明する。
静圧空気軸受スピンドルにおいて、給気ノズル１１、１２を介して軸受隙間に圧縮空気を供給することにより、主軸２がラジアル方向およびスラスト方向に対して非接触で支持される。圧縮空気供給路８に供給された圧縮空気は、負荷側では第３排気通路１５、第４排気通路１６および負荷側隙間１７から主軸２の外部へ排気されると共に、反負荷側では第１排気通路１３から第２排気通路１４を経由して主軸２の外部へ排気される。
このように、主軸２は軸受により非接触で支持された状態で、モータ９によって直接駆動される（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−３０４２５９号公報（第５−６頁、図１）
図３において、１はハウジング、２は主軸、２ａはスラスト板、２ｂは主軸軸受部、３は反負荷側の静圧空気ジャーナル軸受、４は負荷側の静圧空気ジャーナル軸受、５は反負荷側の静圧空気スラスト軸受、６は負荷側の静圧空気スラスト軸受、７はスペーサ、８は圧縮空気供給路、９はモータ、９ａはモータロータ、９ｂはモータステータ、１０はスリーブ、１１、１２は給気ノズル、１３は第１排気通路、１４は第２排気通路、１５は第３排気通路、１６は第４排気通路、１７は負荷側静圧空気スラスト軸受６とスラスト板２ａ間の負荷側隙間、１９はハウジング蓋部である。静圧空気軸受スピンドルは、基本的にはハウジング１内に収納した主軸２と、主軸２のラジアル方向を支持する２個の静圧空気ジャーナル軸受３、４と、主軸２の負荷側に設けたスラスト板２ａの径方向に設けてなるスペーサ７の両側を挟み込むように配置され、主軸２のスラスト方向を支持する両面対向形の静圧空気スラスト軸受５、６とで構成されている。また、静圧空気ジャーナル軸受３、４には、ハウジング１に設けた圧縮空気供給路８と連通する給気ノズル１２が設けられ、静圧空気スラスト軸受５、６には、同様に圧縮空気供給路８と連通する給気ノズル１１が設けられている。また、主軸２の反負荷側端部にはモータロータ９ａが取り付けられると共に、ハウジング１にはスリーブ１０を介してモータステータ９ｂが取り付けられ、両者によりモータ９を構成する。
次に動作を説明する。
静圧空気軸受スピンドルにおいて、給気ノズル１１、１２を介して軸受隙間に圧縮空気を供給することにより、主軸２がラジアル方向およびスラスト方向に対して非接触で支持される。圧縮空気供給路８に供給された圧縮空気は、負荷側では第３排気通路１５、第４排気通路１６および負荷側隙間１７から主軸２の外部へ排気されると共に、反負荷側では第１排気通路１３から第２排気通路１４を経由して主軸２の外部へ排気される。
このように、主軸２は軸受により非接触で支持された状態で、モータ９によって直接駆動される（例えば、特許文献１参照）。
従来の静圧空気軸受スピンドルにおいて、負荷側静圧空気ジャーナル軸受４に給気した圧縮空気の一部は、負荷側静圧空気ジャーナル軸受４と主軸軸受部２ｂ間の軸受隙間を通過した後、空気の流れが９０度変わるようにスラスト板２ａと反負荷側静圧空気スラスト軸受５間の軸受隙間を経由して、第４排気通路１６から排気される。しかしながら、空気の流れが９０度変わる際に高圧の空気がスラスト板２ａに衝突し、このスラスト板２ａに対する空気流の衝突による衝撃が負荷となり、主軸２にスラスト方向の振れが発生するという問題があった。
また、スラスト板２ａと反負荷側静圧空気スラスト軸受５間の軸受隙間を通過する空気は、反負荷側静圧空気スラスト軸受５の給気部と交差するため、反負荷側静圧空気スラスト軸受５の気流を乱し、軸受性能を低下させるという問題もあった。その結果、スラスト方向の振れ精度が低下し、主軸２に負荷を取り付けて加工などを行う場合、加工精度に影響を及ぼすという問題が生じた。
本発明は上記問題を解決するためになされたものであり、負荷側静圧空気ジャーナル軸受に給気した圧縮空気による主軸へのスラスト方向の負荷を極力小さくすることができ、同時に、反負荷側静圧空気スラスト軸受の給気部と交差する空気を極力少なくすることができ、スラスト方向の振れ精度の高い静圧空気軸受スピンドルを提供することを目的とする。
また、スラスト板２ａと反負荷側静圧空気スラスト軸受５間の軸受隙間を通過する空気は、反負荷側静圧空気スラスト軸受５の給気部と交差するため、反負荷側静圧空気スラスト軸受５の気流を乱し、軸受性能を低下させるという問題もあった。その結果、スラスト方向の振れ精度が低下し、主軸２に負荷を取り付けて加工などを行う場合、加工精度に影響を及ぼすという問題が生じた。
本発明は上記問題を解決するためになされたものであり、負荷側静圧空気ジャーナル軸受に給気した圧縮空気による主軸へのスラスト方向の負荷を極力小さくすることができ、同時に、反負荷側静圧空気スラスト軸受の給気部と交差する空気を極力少なくすることができ、スラスト方向の振れ精度の高い静圧空気軸受スピンドルを提供することを目的とする。
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１に記載の発明は、ハウジングに収納された主軸と、前記主軸のラジアル方向を支持する静圧空気ジャーナル軸受と、前記主軸のスラスト方向を支持する静圧空気スラスト軸受と、前記静圧空気ジャーナル軸受の反負荷側に設けられ、前記静圧空気ジャーナル軸受の排気を前記主軸の外部へ導くための第１排気通路と、前記ハウジングに設けられ、前記第１排気通路の排気を前記主軸の外部へ導くための第２排気通路と、前記静圧空気スラスト軸受の反負荷側に設けられ、前記静圧空気ジャーナル軸受の排気を前記主軸の外部へ導くための第３排気通路と、前記静圧空気スラスト軸受の負荷側と反負荷側間のスペーサに設けられ、前記静圧空気ジャーナル軸受および前記スラスト軸受の排気を前記主軸の外部へ導くための第４排気通路と、前記主軸の反負荷側端部に取り付けたモータロータと、前記ハウジングにスリーブを介して取り付けたモータステータを備えた静圧空気軸受スピンドルにおいて、前記主軸は、前記静圧空気ジャーナル軸受の軸受面となる主軸軸受部と前記静圧空気スラスト軸受の軸受面となる前記スラスト板との間に該主軸軸受部の軸径より小さい軸径を有する段付部を形成してあり、前記静圧空気スラスト軸受の反負荷側には、前記主軸軸受部側に先端が突出した形状を有する略Ｌ字状の突起部を前記段付部と対向するように設けると共に、前記突起部の内径を前記主軸軸受部の軸径より小さくしてあり、前記主軸軸受部の段差面と前記突起部の先端との間に形成される排気隙間を微小としてあり、前記突起部の先端の外周と前記反負荷の側静圧空気スラスト軸受との間の隙間を前記第３排気通路に連通させるようにしたものである。
また、請求項２に記載の発明は、請求項１記載の静圧空気軸受スピンドルにおいて、前記突起部の先端を前記負荷側静圧空気ジャーナル軸受からの空気が前記第３排気通路へ流れやすくなるようにテーパ形状としたものである。
請求項１に記載の発明は、ハウジングに収納された主軸と、前記主軸のラジアル方向を支持する静圧空気ジャーナル軸受と、前記主軸のスラスト方向を支持する静圧空気スラスト軸受と、前記静圧空気ジャーナル軸受の反負荷側に設けられ、前記静圧空気ジャーナル軸受の排気を前記主軸の外部へ導くための第１排気通路と、前記ハウジングに設けられ、前記第１排気通路の排気を前記主軸の外部へ導くための第２排気通路と、前記静圧空気スラスト軸受の反負荷側に設けられ、前記静圧空気ジャーナル軸受の排気を前記主軸の外部へ導くための第３排気通路と、前記静圧空気スラスト軸受の負荷側と反負荷側間のスペーサに設けられ、前記静圧空気ジャーナル軸受および前記スラスト軸受の排気を前記主軸の外部へ導くための第４排気通路と、前記主軸の反負荷側端部に取り付けたモータロータと、前記ハウジングにスリーブを介して取り付けたモータステータを備えた静圧空気軸受スピンドルにおいて、前記主軸は、前記静圧空気ジャーナル軸受の軸受面となる主軸軸受部と前記静圧空気スラスト軸受の軸受面となる前記スラスト板との間に該主軸軸受部の軸径より小さい軸径を有する段付部を形成してあり、前記静圧空気スラスト軸受の反負荷側には、前記主軸軸受部側に先端が突出した形状を有する略Ｌ字状の突起部を前記段付部と対向するように設けると共に、前記突起部の内径を前記主軸軸受部の軸径より小さくしてあり、前記主軸軸受部の段差面と前記突起部の先端との間に形成される排気隙間を微小としてあり、前記突起部の先端の外周と前記反負荷の側静圧空気スラスト軸受との間の隙間を前記第３排気通路に連通させるようにしたものである。
また、請求項２に記載の発明は、請求項１記載の静圧空気軸受スピンドルにおいて、前記突起部の先端を前記負荷側静圧空気ジャーナル軸受からの空気が前記第３排気通路へ流れやすくなるようにテーパ形状としたものである。
請求項１および請求項２に記載の発明によると、スラスト板に衝突する空気および反負荷側静圧空気スラスト軸受の給気部と交差する空気は極めて少なくなるため、主軸へのスラスト方向の負荷を大幅に軽減することができ、同時に、反負荷側静圧空気スラスト軸受の軸受性能の低下を抑制することができるため、スラスト方向の振れ精度の高い静圧空気軸受スピンドルを提供することができる。
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
図１は、本発明の第１実施例による静圧空気軸受スピンドルの上半分を示した側断面図である。なお、本発明の構成要素が従来技術と同じものついてはその説明を省略し、異なる点について説明する。
図１において、２ｃは段付部、２ｄは段差面、５ａは突起部、５ｂは隙間、１８は排気隙間、Ｄ１主軸軸受部の軸径、Ｄ２は段付部の軸径である。
本発明が従来技術と異なる点は以下のとおりである。
すなわち、主軸２は、静圧空気ジャーナル軸受の軸受面となる主軸軸受部２ｂと前記静圧空気スラスト軸受５、６の軸受面となるスラスト板２ａとの間に主軸軸受部２ｂの軸径Ｄ１より小さい軸径Ｄ２を有する段付部２ｃを形成してあり、静圧空気スラスト軸受５の反負荷側には、主軸軸受部２ｂ側に先端が突出した形状を有する略Ｌ字状の突起部５ａを段付部２ｃと対向するように設けると共に、突起部５ａの内径を主軸軸受部２ｂの軸径より小さくしてあり、主軸軸受部２ｂの段差面２ｄと突起部５ａの先端との間に形成される排気隙間１８を微小としてあり、突起部５ａの先端の外周と反負荷側の静圧空気スラスト軸受５との間の隙間５ｂを第３排気通路１５に連通させるようにした点である。
ここで、反負荷側静圧空気スラスト軸受５は２個以上に分割可能な部品で構成し、各部品の分割面における空気の流路の周囲はＯリングなどでシールを行い空気の漏れを防止するようになっている。また、組立は、モータ９、静圧空気ジャーナル軸受３、４を取り付けたハウジング１に主軸２を挿入し、反負荷側静圧空気スラスト軸受５を構成し、その後、スペーサ７、負荷側静圧空気スラスト軸受６を取り付けるという手順で行う。
図１において、２ｃは段付部、２ｄは段差面、５ａは突起部、５ｂは隙間、１８は排気隙間、Ｄ１主軸軸受部の軸径、Ｄ２は段付部の軸径である。
本発明が従来技術と異なる点は以下のとおりである。
すなわち、主軸２は、静圧空気ジャーナル軸受の軸受面となる主軸軸受部２ｂと前記静圧空気スラスト軸受５、６の軸受面となるスラスト板２ａとの間に主軸軸受部２ｂの軸径Ｄ１より小さい軸径Ｄ２を有する段付部２ｃを形成してあり、静圧空気スラスト軸受５の反負荷側には、主軸軸受部２ｂ側に先端が突出した形状を有する略Ｌ字状の突起部５ａを段付部２ｃと対向するように設けると共に、突起部５ａの内径を主軸軸受部２ｂの軸径より小さくしてあり、主軸軸受部２ｂの段差面２ｄと突起部５ａの先端との間に形成される排気隙間１８を微小としてあり、突起部５ａの先端の外周と反負荷側の静圧空気スラスト軸受５との間の隙間５ｂを第３排気通路１５に連通させるようにした点である。
ここで、反負荷側静圧空気スラスト軸受５は２個以上に分割可能な部品で構成し、各部品の分割面における空気の流路の周囲はＯリングなどでシールを行い空気の漏れを防止するようになっている。また、組立は、モータ９、静圧空気ジャーナル軸受３、４を取り付けたハウジング１に主軸２を挿入し、反負荷側静圧空気スラスト軸受５を構成し、その後、スペーサ７、負荷側静圧空気スラスト軸受６を取り付けるという手順で行う。
次に動作を説明する。
負荷側静圧空気ジャーナル軸受４に給気した圧縮空気のうち、負荷側に流れる空気は、主軸２の段差面２ｄと突起部５ａ間の排気隙間１８が微小のため、排気隙間１８を通過する空気、すなわちスラスト板２ａに衝突する空気および反負荷側の静圧空気スラスト軸受５の給気部と交差する空気は極めて少なくなり、大部分の空気が起部５ａの先端の外周と反負荷側の静圧空気スラスト軸受５との間にある隙間５ｂから第３排気通路１５の方へ向かうという経路で主軸２の外部へ排気される。
第１実施例は上記構成にしたので、負荷側の静圧空気ジャーナル軸受４に給気した圧縮空気による主軸２へのスラスト方向の負荷を大幅に軽減することができると共に、また、反負荷側静圧空気スラスト軸受５の軸受性能の低下を抑制することができる。その結果、スラスト方向の振れ精度の高い静圧空気軸受スピンドルを提供することができる。
負荷側静圧空気ジャーナル軸受４に給気した圧縮空気のうち、負荷側に流れる空気は、主軸２の段差面２ｄと突起部５ａ間の排気隙間１８が微小のため、排気隙間１８を通過する空気、すなわちスラスト板２ａに衝突する空気および反負荷側の静圧空気スラスト軸受５の給気部と交差する空気は極めて少なくなり、大部分の空気が起部５ａの先端の外周と反負荷側の静圧空気スラスト軸受５との間にある隙間５ｂから第３排気通路１５の方へ向かうという経路で主軸２の外部へ排気される。
第１実施例は上記構成にしたので、負荷側の静圧空気ジャーナル軸受４に給気した圧縮空気による主軸２へのスラスト方向の負荷を大幅に軽減することができると共に、また、反負荷側静圧空気スラスト軸受５の軸受性能の低下を抑制することができる。その結果、スラスト方向の振れ精度の高い静圧空気軸受スピンドルを提供することができる。
図２は本発明の第２実施例による静圧空気軸受スピンドルの上半分を示した側断面図である。
図２において、５ｃは突起部の外周である。
第２実施例が第１実施例と異なる点は、突起部５ａの先端を負荷側静圧空気ジャーナル軸受４からの空気が第３排気通路１５へ流れやすくなるようにするためテーパ形状とした点である。
図２において、５ｃは突起部の外周である。
第２実施例が第１実施例と異なる点は、突起部５ａの先端を負荷側静圧空気ジャーナル軸受４からの空気が第３排気通路１５へ流れやすくなるようにするためテーパ形状とした点である。
次に動作を説明する。
負荷側静圧空気ジャーナル軸受４に給気した圧縮空気のうち、負荷側に流れる空気は、主軸２の段差面２ｅと突起部５ａ間の排気隙間１８が微小であり、さらに、突起部５ａの外周５ｃが傾斜をつけたテーパ状で空気が第３排気通路１５へ流れやすくなっているため、排気隙間１８を通過する空気、すなわちスラスト板２ａに衝突する空気および反負荷側静圧空気スラスト軸受５の給気部と交差する空気は極めて少なくなり、大部分が反負荷側静圧空気スラスト軸受５の隙間５ｂから第３排気通路１５という経路で主軸２の外部へ排気される。
第２実施例は上記構成にしたので、負荷側静圧空気ジャーナル軸受４に給気した圧縮空気による主軸２へのスラスト方向の負荷を大幅に軽減することができると共に、また、反負荷側静圧空気スラスト軸受５の軸受性能の低下を抑制することができる。その結果、スラスト方向の振れ精度の高い静圧空気軸受スピンドルを提供することができる。
負荷側静圧空気ジャーナル軸受４に給気した圧縮空気のうち、負荷側に流れる空気は、主軸２の段差面２ｅと突起部５ａ間の排気隙間１８が微小であり、さらに、突起部５ａの外周５ｃが傾斜をつけたテーパ状で空気が第３排気通路１５へ流れやすくなっているため、排気隙間１８を通過する空気、すなわちスラスト板２ａに衝突する空気および反負荷側静圧空気スラスト軸受５の給気部と交差する空気は極めて少なくなり、大部分が反負荷側静圧空気スラスト軸受５の隙間５ｂから第３排気通路１５という経路で主軸２の外部へ排気される。
第２実施例は上記構成にしたので、負荷側静圧空気ジャーナル軸受４に給気した圧縮空気による主軸２へのスラスト方向の負荷を大幅に軽減することができると共に、また、反負荷側静圧空気スラスト軸受５の軸受性能の低下を抑制することができる。その結果、スラスト方向の振れ精度の高い静圧空気軸受スピンドルを提供することができる。
静圧空気軸受スピンドルは静圧空気軸受の剛性を向上させることによって、回転振れ精度の高精度化が期待でき、例えば、ハードディスク検査装置、レーザスキャナ用ポリゴンミラー、真円度測定機などの用途にも適用できる。
１ ハウジング
２ 主軸
２ａ スラスト板
２ｂ 主軸軸受部
２ｃ 段付部
２ｄ 段差面
３ 静圧空気ジャーナル軸受（反負荷側）
４ 静圧空気ジャーナル軸受（負荷側）
５ 静圧空気スラスト軸受（反負荷側）
５ａ 突起部
５ｂ 隙間
５ｃ 突起部の外周
６ 静圧空気スラスト軸受（反負荷側）
７ スペーサ
８ 圧縮空気供給路
９ モータ
９ａ モータロータ
９ｂ モータステータ
１０ スリーブ
１１、１２ 給気ノズル
１３ 第１排気通路
１４ 第２排気通路
１５ 第３排気通路
１６ 第４排気通路
１７ 負荷側隙間
１８ 排気隙間
１９ ハウジング蓋部
Ｄ１ 主軸軸受部の軸径
Ｄ２ 段付部の軸径
２ 主軸
２ａ スラスト板
２ｂ 主軸軸受部
２ｃ 段付部
２ｄ 段差面
３ 静圧空気ジャーナル軸受（反負荷側）
４ 静圧空気ジャーナル軸受（負荷側）
５ 静圧空気スラスト軸受（反負荷側）
５ａ 突起部
５ｂ 隙間
５ｃ 突起部の外周
６ 静圧空気スラスト軸受（反負荷側）
７ スペーサ
８ 圧縮空気供給路
９ モータ
９ａ モータロータ
９ｂ モータステータ
１０ スリーブ
１１、１２ 給気ノズル
１３ 第１排気通路
１４ 第２排気通路
１５ 第３排気通路
１６ 第４排気通路
１７ 負荷側隙間
１８ 排気隙間
１９ ハウジング蓋部
Ｄ１ 主軸軸受部の軸径
Ｄ２ 段付部の軸径
Claims (2)
- ハウジングに収納された主軸と、前記主軸のラジアル方向を支持する静圧空気ジャーナル軸受と、前記主軸のスラスト方向を支持する静圧空気スラスト軸受と、前記静圧空気ジャーナル軸受の反負荷側に設けられ、前記静圧空気ジャーナル軸受の排気を前記主軸の外部へ導くための第１排気通路と、前記ハウジングに設けられ、前記第１排気通路の排気を前記主軸の外部へ導くための第２排気通路と、前記静圧空気スラスト軸受の反負荷側に設けられ、前記静圧空気ジャーナル軸受の排気を前記主軸の外部へ導くための第３排気通路と、前記静圧空気スラスト軸受の負荷側と反負荷側間のスペーサに設けられ、前記静圧空気ジャーナル軸受および前記スラスト軸受の排気を前記主軸の外部へ導くための第４排気通路と、前記主軸の反負荷側端部に取り付けたモータロータと、前記ハウジングにスリーブを介して取り付けたモータステータを備えた静圧空気軸受スピンドルにおいて、
前記主軸は、前記静圧空気ジャーナル軸受の軸受面となる主軸軸受部と前記静圧空気スラスト軸受の軸受面となるスラスト板との間に該主軸軸受部の軸径より小さい軸径を有する段付部を形成してあり、
前記静圧空気スラスト軸受の反負荷側には、前記主軸軸受部側に先端が突出した形状を有する略Ｌ字状の突起部を前記段付部と対向するように設けると共に、前記突起部の内径を前記主軸軸受部の軸径より小さくしてあり、
前記主軸軸受部の段差面と前記突起部の先端との間に形成される排気隙間を微小としてあり、
前記突起部の先端の外周と前記反負荷側の静圧空気スラスト軸受との間の隙間を前記第３排気通路に連通させたことを特徴とする静圧空気軸受スピンドル。 - 前記突起部の先端を前記負荷側静圧空気ジャーナル軸受からの空気が前記第３排気通路へ流れやすくなるようにテーパ形状としたことを特徴とする請求項１記載の静圧空気軸受スピンドル。
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