JP4289965B2

JP4289965B2 - 静圧気体軸受スピンドル

Info

Publication number: JP4289965B2
Application number: JP2003339338A
Authority: JP
Inventors: 照悦堀内; 淳一平田
Original assignee: NTN Corp
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2003-09-30
Filing date: 2003-09-30
Publication date: 2009-07-01
Anticipated expiration: 2023-09-30
Also published as: US7281851B2; JP2005106155A; US20050069233A1

Description

この発明は、精密加工機や精密検査装置に使用されるロータリーエンコーダ付きの静圧気体軸受スピンドルに関する。

従来、ロータリーエンコーダを主軸に取り付けた静圧空気軸受スピンドルが提案されている（例えば、特許文献１）。この提案例の静圧気体軸受スピンドルでは、ロータリーエンコーダのパルス円板を取付ける円板取付部品を主軸と別体に設け、前記円板取付部品を主軸端面にボルトで取付けることによって、パルス円板の格子縞の中心位置を主軸の回転中心に一致させるようにしている。
特開平１０−２３９１０２

この種の静圧気体軸受スピンドルは、磁気ディスクや光ディスク等の製造、検査工程で使用されている。前記ディスクの記録密度を向上させるため、データ信号を高密度に書込む必要があり、ディスクと記録、再生ヘッドの位置決め精度の向上が必要になっている。そのため、高分解能のロータリーエンコーダを静圧気体軸受スピンドルに取り付け、回転位置を高精度に検出して、ヘッド位置やデータの書込み／読取りのタイミングの補正に用いる場合がある。
このような高分解能のロータリーエンコーダとしては、反射型光学式ロータリーエンコーダにおいて、検出光としてレーザを使用するものが利用できる。

高分解能ロータリーエンコーダは、１回転あたりの出力パルス数が多いので、これをモータの回転制御のフィードバック信号として使用すると、フィードバック信号の周波数が非常に高くなり、従来のモータ制御回路では対応できない。
このため、補正信号用の高分解能ロータリーエンコーダと、フィードバック信号用の従来のロータリーエンコーダとを、それぞれ静圧気体軸受スピンドルに内蔵する構成を考えた。
しかし、この構成によると、静圧気体軸受スピンドルの主軸の一端部にロータリーエンコーダを２個取付けるため、ロータリーエンコーダ取付部の軸受部からの突き出し長さが長くなり、ロータリーエンコーダのパルス円板の取付によって不釣合が発生すると、振れ精度が悪化しやすい。

円板取付部品の中心とパルス円板の格子縞の中心は一般に一致しておらず、パルス円板の格子縞の中心位置を主軸の回転中心と一致させると、円板取付部品の中心は主軸の回転中心に一致せず、不釣合を生じて回転時の主軸の振れが増大する。また、反射型光学式ロータリーエンコーダで、シート状のスケールを金属円板に貼り付けてパルス円板を構成する場合は、ガラス板製等のものに比べてパルス円板の質量が大きいため、パルス円板の重心とスケールの格子縞の中心が一致していないと、わずかな不一致でも大きな不釣合を生じる。

機械加工誤差によってパルス円板が傾いた場合、主軸が回転すると、検出ヘッド部とパルス円板の距離が変動し、検出誤差の原因になる。
これらのため、バルス円板に対して、検出ヘッドの位置を精密に調整する必要がある。一度調整を行った後に、分解すると、再度検出ヘッドの位置調整が必要であり、工数を要する。
また、検出手段としてレーザ光を用いる場合、パルス円板の回転に伴う空気の不規則な流れの影響によって、出力に誤差を生じる。

この発明の目的は、ロータリーエンコーダのパルス円板の中心位置調整が行えて、重量の不釣合を小さくすることができ、また不釣合の調整が容易に行え、これにより回転時の振れが小さくでき、ロータリーエンコーダを高分解能のものとした場合に、その分解能に応じた高精度な回転位置検出が可能なものとできる静圧気体軸受スピンドルを提供することである。
この発明の他の目的は、パルス円板の傾きの調整を可能にすることである。
この発明のさらに他の目的は、検出手段としてレーザ光を用いる場合の、パルス円板の回転に伴う空気の不規則な流れの影響を低減することである。
この発明のさらに他の目的は、検出ヘッドの位置調整を一度行った後は、分解、再組立時の位置調整を不要できるものとすることである。

この発明の静圧気体軸受スピンドルは、主軸を回転自在に支持する静圧気体軸受と、上記主軸を回転駆動するモータと、上記主軸の回転位置検出用ロータリーエンコーダとを備えた静圧気体軸受スピンドルにおいて、上記ロータリーエンコーダのパルス円板を、主軸の一端近傍に設けられて主軸の中心に対して垂直な取り付け面に配置し、このパルス円板に設けられた締結具挿通部に挿通される着脱可能な締結具によって上記パルス円板を上記取り付け面に固定したことを特徴とする。
この構成によると、パルス円板の締結具挿通部に挿通される着脱可能な締結具により、パルス円板を主軸の取り付け面に固定する構造であるため、上記締結具挿通部内での締結具の遊び分だけ、パルス円板の中心位置調整が行える。これにより、パルス円板の格子縞の中心と主軸中心を一致させることができ、また、位置調整によって移動するのはパルス円板だけなので、特許文献１のようにパルス円板と円板取付部品が一体になって移動する構成にくらべると、パルス円板の位置調整に伴って発生する不釣合は小さい。そのため、回転時の振れが小さくでき、ロータリーエンコーダを高分解能のものとした場合に、分解能に応じた高精度な回転位置検出が可能となる。

この発明において、上記パルス円板を固定する上記取り付け面は、主軸の一端に固定される取付台の端面とし、この取付台に上記主軸の一端の外周に遊嵌する円筒状のボス部を設け、このボス部の周壁を貫通するねじ孔を上記周壁の円周上に複数個設け、これら各ねじ孔に螺合する複数の止めねじによって取付台を主軸に固定する。
止ねじを１個として固定する場合には、ボス部の内径面は、止ねじによって、主軸に対して押付けられるが、上記のように複数の止めねじで固定する構造であると、ボス部の内径面は主軸の外径に対して隙間を介して固定される。そのためボス部の隙間の範囲内で、取付台の傾きを調整することができる。これによって、各部品に加工誤差があった場合でも、回転時のスケールと検出ヘッドの距離の変動を小さくすることができる。

この発明において、上記パルス円板の外周部の端面または外周面には、バランス修正部材取付用のねじ孔を、円周上に等間隔に並べて複数個設ける。
このようにねじ孔を等配すると、バランス修正部材を自由に取付けることができて、円周方向の重量の不釣合を容易に解消し、振れ精度をより一層向上させることができる。
主軸に上記取付台を設ける場合は、その取付台の端面または外周面に、バランス修正部材取付用のねじ孔を、円周上に等間隔に並べて複数個設けても、上記と同様に不釣合を容易に解消することができる。

この発明の上記いずれかの構成の静圧気体軸受スピンドルにおいて、上記ロータリーエンコーダは、上記パルス円板と検出ヘッドとで構成されて、この検出ヘッドの検出部からレーザ光を発射し、上記検出部により、上記パルス円板に設けられたスケールからの反射光によって格子縞を検出することで、回転位置を検出するものであり、上記パルス円板を覆うカバーを設け、上記検出ヘッドを上記カバーの外側に固定し、上記カバーに、上記検出部から射出される検出光が通過する窓を設け、この窓を、パルス円板の回転に伴う空気の不規則な流れの影響の低減用の透明板で閉じられたものとしてもよい。
検出手段としてレーザ光を用いる場合、検出手段による検出用の窓が貫通状態に設けられていると、パルス円板の回転に伴う空気の不規則な流れが生じ、検出精度に影響する。上記のように窓を透明板で閉じることにより、上記のパルス円板の回転に伴う空気の不規則な流れの影響を低減することができる。

この発明の上記いずれかの構成の静圧気体軸受スピンドルにおいて、上記ロータリーエンコーダは、上記パルス円板と検出ヘッドとで構成されて、この検出ヘッドの検出部からレーザ光を発射し、上記検出部により、上記パルス円板に設けられたスケールからの反射光によって格子縞を検出することで、回転位置を検出するものであり、上記検出ヘッドに、偏心したボルト孔を持つ位置決めブッシュを接触させ、前記偏心したボルト孔を貫通する固定ボルトによって、上記位置決めブッシュの外周面が上記検出ヘッドに接触した状態で上記検出ヘッドを検出部固定台に固定しても良い。検出部固定台は、静圧気体軸受を内蔵したハウジングの一部または、このハウジングに固定された部材である。
このように偏心したボルト孔を持つ位置決めブッシュを用いた場合に、検出ヘッドの位置調整を一度行った後は、位置決めブッシュの回転角度を保っておくことにより、分解後の再組立時に位置決めブッシュに検出部を接触させることで、分解前の検出部の位置を再現することができ、再度の位置調整を不要できる。

この発明の上記いずれかの構成の静圧気体軸受スピンドルにおいて、上記ロータリーエンコーダよりも分解能の低い、第２のロータリーエンコーダを内蔵しても良い。
高分解能ロータリーエンコーダは、１回転あたりの出力パルス数が多いので、これを回転制御のフィードバック信号として使用すると、フィードバック信号の周波数が非常に高くなり、従来のモータ制御回路では対応できない。しかし、分解能の低い第２のロータリーエンコーダを内蔵することで、従来の一般のモータ制御回路を用いることができる。そのため、外部出力として必要な分解能を第１のロータリーエンコーダで得ながら、制御を簡易に行うことができる。

この発明の静圧気体軸受スピンドルは、主軸を回転駆動するモータと、上記主軸の回転位置検出用ロータリーエンコーダとを備えた静圧気体軸受スピンドルにおいて、上記ロータリーエンコーダのパルス円板を、主軸の一端近傍に設けられて主軸の中心に対して垂直な取り付け面に配置し、このパルス円板に設けられた締結具挿通部に挿通される着脱可能な締結具によって上記パルス円板を上記取り付け面に固定したものであるため、ロータリーエンコーダのパルス円板の中心位置調整が行えて、重量の不釣合を小さくすることができ、また不釣合の調整が容易に行え、これにより回転時の振れが小さくでき、ロータリーエンコーダを高分解能のものとした場合に、その分解能に応じた高精度な回転位置検出が可能なものとできる。
また、上記パルス円板を固定する上記取り付け面を、主軸の一端に固定される取付台の端面とし、この取付台に上記主軸の一端の外周に遊嵌する円筒状のボス部を設け、このボス部の周壁を貫通するねじ孔を上記周壁の円周上に複数個設け、これら各ねじ孔に螺合する複数の止めねじによって取付台を主軸に固定しするため、パルス円板の傾きの調整が可能になる。これにより、パルス円板と検出部との距離の変動を小さくすることができ、出力が安定する。
また、上記パルス円板の外周部の端面または外周面に、バランス修正部材取付用のねじ孔を、円周上に等間隔に並べて複数個設けたため、バランス修正部材を自由に取付けることができて、円周方向の重量の不釣合を容易に解消し、振れ精度をより一層向上させることができる。

この発明の第１の実施形態を図１ないし図３と共に説明する。図１は、この静圧空気軸受スピンドルの断面図を示す。なお、この静圧気体軸受スピンドルは、図示の状態に対して上下逆さの姿勢で使用しても良い。主軸１は、ハウジング２内で、静圧気体軸受３により非接触で支持される。静圧気体軸受３は、静圧気体ジャーナル軸受３ａおよび静圧気体スラスト軸受３ｂからなる。これら静圧気体ジャーナル軸受３ａおよび静圧気体スラスト軸受３ｂは、それぞれハウジング２と主軸１との間の半径方向および軸方向の軸受隙間にハンジング２内のノズル４ａ，４ｂから圧縮気体を噴出することで、非接触で主軸１を支持するものである。主軸１はフランジ１ａを有していて、静圧気体スラスト軸受３ｂは、このフランジ１ａの両面の軸受隙間に圧縮気体を噴出するものとされている。ノズル４ａ，４ｂは給気路２４を介して圧縮気体供給源（図示せず）に接続されている。
主軸１の一端にはターンテーブル９が設けられ、ターンテーブル９に磁気ディスク等のワーク（図示せず）が真空チャック等の取付手段（図示せず）によって固定される。主軸１は、ハウジング２に内蔵のモータ１０によって高精度に回転駆動される。主軸１の他端には外部出力用のロータリーエンコーダ１９、および制御用とされる第２のロータリーエンコーダ１１が配置され、それぞれ回転位置信号を出力する。

外部出力用エンコーダ１９の出力は、回転位置誤差の補正等に使用するため、できるだけ分解能の高いほうが望ましい。しかし、ロータリーエンコーダの分解能を上げると、１回転あたりの出力パルス数が増加し、出力信号の周波数が高くなる。外部出力として必要な分解能に対応するロータリーエンコーダ出力信号の周波数が、モータの制御回路で対応できるフィードバック信号の周波数の上限を超える場合には、そのロータリーエンコーダの出力ではモータを制御することができない。しかし、この実施形態のように、モータ制御用のフィードバック信号を出力する制御用ロータリーエンコーダ１１と外部出力用ロータリーエンコーダ１９とをそれぞれ主軸１に取付けることにより、制御用フィードバック信号に適した周波数の信号と、外部出力に必要な高分解能の信号を同時に得ることができる。

図２は、ロータリーエンコーダ１１，１９の設置部の拡大図である。外部出力用ロータリーエンコーダ１９のパルス円板１６は、スケール貼付板１４にシート状のスケール１５を貼り付けて構成される。検出ヘッド１８の検出部１８ａからレーザ光を発射し、上記検出部１８ａにより、スケール１５からの反射光によって格子縞を検出することで、回転位置を検出する。

パルス円板１６は、主軸１の一端に止めねじ１３で取付けた取付台１２の端面からなる取り付け面Ｓに、締結具１７で着脱可能に取付ける。取り付け面Ｓは、主軸１の中心に対して垂直な面とする。締結具１７は、パルス円板１６に貫通して設けられた孔または溝からなる締結具挿通部７に挿通されるものであり、この実施形態ではボルトからなる。この取付構造により、主軸１に固定した取付台１２に対して、締結具挿通部７内での締結具１７の遊び分だけ、パルス円板１６を相対移動させることができる。この相対移動によって、格子縞の中心と主軸１の回転中心を一致させることができる。

スケール貼付板１４の端面の外周部には、円周上に並ぶ複数個のねじ孔２９が設けてある。格子縞の中心と主軸１の回転中心を一致させたときに、一般にはパルス円板１６の重心と主軸１の回転中心は一致せず、不釣合が生じる。この場合に、ねじ孔２９に適切な重さの止めねじ等からなるバランス修正部材２５を取付けることによって、容易に不釣合を修正することができる。不釣合修正が終わった時点で、バランス修正部材２５は接着剤によって固定することが望ましい。バランス修正部材２５の取付用のねじ孔２９は、スケール貼付板１４の端面に設けてもよいし、外径面に設けてもよい。

また、バランス修正部材２５の取付用のねじ孔２９は、取付台１２の外周部に設けてもよい。図２では、説明の便宜のため、ねじ孔２９をスケール貼付板１４の端面および取付台１２の外周部に設けた例を示しているが、取付台１２とスケール貼付板１４のいずれか片方にねじ孔２９を設ければ良い。

取付台１２を用いることにより、パルス円板１６の中央部にボルト孔が設けられない場合でも、上記のように芯出し可能な構成とすることができる。

図１，図２に示した実施形態では、取付台１２に主軸１の一端の外周に遊嵌する円筒状のボス部１２ａを設け、ボス部１２ａの円周上に止めねじ１３を複数個配置して、この止めねじ１３によって取付台１２を主軸１に固定している。止めねじ１３は、ボス部１２ａの周壁を貫通したねじ孔に螺合するものである。止ねじ１３を１個として固定する場合には、ボス部１２ａの内径面は、止ねじ１３によって、主軸１に対して押付けられるが、上記のように複数の止めねじ１３で固定する構造であると、ボス部１２ａの内径面は主軸１の外径に対して隙間を介して固定される。そのためボス部１２ａの隙間の範囲内で、取付台１２の傾きを調整することができる。これによって、各部品に加工誤差があった場合でも、回転時のスケール１５と検出ヘッド１８の距離の変動を小さくすることができる。

パルス円板１６は、ハウジング２に取付けられたエンコーダカバー８により覆われている。検出ヘッド１８の検出部１８ａから射出されたレーザ光線は、エンコーダカバー８に設けた窓２３ａを通過してスケール１５によって反射され、反射光が検出ヘッド１８の検出部１８ａに入射することによって、スケール１５の格子縞が検出される。主軸１の回転に伴ってパルス円板１６が回転すると、パルス円板１６の周囲に不規則な気流が生じる。この不規則な気流はレーザ光による格子縞検出精度を低下させ、回転位置検出の誤差が大きくなる。パルス円板１６をエンコーダカバー８内部の狭い閉鎖空間に配置することによって、回転に伴う不規則な流れを抑制することができるが、外気に通じる孔があると、その孔を通じて空気の出入りが生じ、気流の変動の原因になる。このため、レーザ光を通過させるための窓２３ａには、ガラス等の透明な材質でできた透明板２３を設けて外気の出入りを防止している。これによって回転時の気流の変動が抑制され、回転位置検出の精度を向上することができる。透明板２３は、エンコーダカバー８と別の部材とされてエンコーダカバー８に取付けられたものであっても、またエンコーダカバー８が樹脂製である場合、２色製成形等でエンコーダカバー８と一体に設けられたものであっても良い。

図３は検出ヘッド１８の固定部を示す。検出ヘッド１８は、ヘッド固定用のボルト２０によって、検出部固定台であるヘッド固定台２１に固定される。ヘッド固定台２１はエンコーダカバー８に固定されたものであり、したがってハウジング２に固定されている。上記ヘッド固定ボルト２０で固定される検出ヘッド１８を正確に位置決めする手段として、位置決めブッシュ２６が設けられている。位置決めブッシュ２６は外周面が円筒面とされた部材であって、その中心に対して偏心した偏心孔２６ａが設けられている。偏心孔２６ａにブッシュ固定ボルト２７を貫通させ、ヘッド固定台２１に位置決めブッシュ２６を固定する。

この場合に、ブッシュ固定ボルト２７およびヘッド固定ボルト２０を緩めた状態で検出ヘッド１８をスケール１５に対して位置決め調整した後、ヘッド固定ボルト２０を締め付けて検出ヘッド１８を固定する。次に、位置決めブッシュ２６を回転させて、検出ヘッド１８に接触させた状態で、ブッシュ固定ボルト２７を締め付け、位置決めブッシュ２６を固定する。分解する際にはヘッド固定ボルト２０を緩めることによって、検出ヘッド１８を取外すことができる。再組立の際には、検出ヘッド１８を位置決めブッシュ２６に押付けることによって、検出ヘッド１８とスケール１５の位置関係を再現することができるので、再調整の必要がない。

なお、以上の各実施形態は、２個のロータリーエンコーダ１１，１９を内蔵した静圧気体軸受スピンドルについて説明したが、高分解能のロータリーエンコーダ１９を１台のみ内蔵する場合にも、この発明を上記と同様に適用できる。その場合には、高分解能のロータリーエンコーダ１９の出力を、モータ制御回路のフィードバック信号としても用いる必要があるので、周波数の高いフィードバック信号に対応できるモータ制御回路を使用するか、または高分解能のロータリーエンコーダ１９の出力パルスを分周する分周回路を設け、モータ制御回路で対応できる周波数まで周波数を下げる。

この発明の第１の実施形態にかかる静圧気体軸受スピンドルの破断正面図である。同静圧気体軸受スピンドルのロータリーエンコーダ部分を拡大した破断正面図である。同ロータリーエンコーダの検出ヘッド部の拡大平面図である。同ロータリーエンコーダの検出ヘッド部の拡大正面図である。

符号の説明

１…主軸
２…ハウジング
３…静圧気体軸受
８…エンコーダカバー
７…締結具挿通部
９…ターンテーブル
１０…モータ
１１…第２のロータリーエンコーダ
１３…止めねじ
１４…スケール貼付板
１５…スケール
１６…パルス円板
１７…締結具
１８…検出ヘッド
１８ａ…検出部
１９…外部出力用のロータリーエンコーダ
２１…ヘッド固定台（検出部固定台）
２３ａ…窓
２３…透明板
２５…バランス修正部材
２６…位置決めブッシュ
２７…ブッシュ固定ボルト
２９…ねじ孔
Ｓ…取り付け面

Claims

主軸を回転自在に支持する静圧気体軸受と、上記主軸を回転駆動するモータと、上記主軸の回転位置検出用ロータリーエンコーダとを備えた静圧気体軸受スピンドルにおいて、上記ロータリーエンコーダのパルス円板を、主軸の一端近傍に設けられて主軸の中心に対して垂直な取り付け面に配置し、このパルス円板に設けられた締結具挿通部に挿通される着脱可能な締結具によって上記パルス円板を上記取り付け面に固定し、上記パルス円板を固定する上記取り付け面を、主軸の一端に固定される取付台の端面とし、この取付台に上記主軸の一端の外周に遊嵌する円筒状のボス部を設け、このボス部の周壁を貫通するねじ孔を上記周壁の円周上に複数個設け、これら各ねじ孔に螺合する複数の止めねじによって取付台を主軸に固定し、上記パルス円板の外周部の端面または外周面に、バランス修正部材取付用のねじ孔を、円周上に等間隔に並べて複数個設けた静圧気体軸受スピンドル。
請求項１において、上記取付台の端面または外周面に、バランス修正部材取付用のねじ孔を、円周上に等間隔に並べて複数個設けた静圧気体軸受スピンドル。
請求項１または請求項２において、上記ロータリーエンコーダは、上記パルス円板と検出ヘッドとで構成されて、この検出ヘッドの検出部からレーザ光を発射し、上記検出部により、上記パルス円板に設けられたスケールからの反射光によって格子縞を検出することで、回転位置を検出するものであり、上記パルス円板を覆うカバーを設け、上記検出ヘッドを上記カバーの外側に固定し、上記カバーに、上記検出部から射出される検出光が通過する窓を設け、この窓を、パルス円板の回転に伴う空気の不規則な流れの影響の低減用の透明板で閉じられたものとした静圧気体軸受スピンドル。
請求項１ないし請求項３のいずれかにおいて、上記ロータリーエンコーダは、上記パルス円板と検出ヘッドとで構成されて、この検出ヘッドの検出部からレーザ光を発射し、上記検出部により、上記パルス円板に設けられたスケールからの反射光によって格子縞を検出することで、回転位置を検出するものであり、上記静圧気体軸受を内蔵したハウジングの一部またはこのハウジングに固定された部材である検出部固定台を設け、上記検出ヘッドに、偏心したボルト孔を持つ位置決めブッシュを接触させ、前記偏心したボルト孔を貫通する固定ボルトによって、上記位置決めブッシュの外周面が上記検出ヘッドに接触した状態で上記検出ヘッドを上記検出部固定台に固定した静圧気体軸受スピンドル。
請求項１ないし請求項４のいずれかにおいて、上記ロータリーエンコーダよりも分解能の低い、第２のロータリーエンコーダを内蔵した静圧気体軸受スピンドル。