JP4508585B2

JP4508585B2 - 空気軸受装置

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Publication number: JP4508585B2
Application number: JP2003317320A
Authority: JP
Inventors: 祥浩中須
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2003-09-09
Filing date: 2003-09-09
Publication date: 2010-07-21
Anticipated expiration: 2023-09-09
Also published as: JP2005083506A

Description

本発明はスピンドル装置の高速度化、高精度化を図る技術に関するものであり、特にスピンドルを支える空気軸受の負荷容量・剛性の増加と軸受配置に関するものである。

近年、工作機械で使用する精密スピンドルの回転軸を支える軸受として、回転精度向上のために空気軸受の使用が一般化している。また、特に金型を対象とした工作機械の場合、対象とする金型の複雑化がすすむにつれて、工具の小径化およびスピンドルの小型化が望まれてきている。工具が小径化すると必然的に周速も低下してしまうため、低下分を補うためにも100,000rpm以上の超高速回転が必須である。

100,000rpmを超える超高速度の環境下では、転がり軸受に比べ摩擦抵抗がはるかに少ない空気軸受であっても、空気のせん断抵抗に起因する発熱が問題となってくる。発熱が大きいと回転軸が膨張し、焼きつきが起こる可能性が生じてしまう。発熱の影響を低減する方法として、軸受スリーブと回転軸のクリアランスの拡大及び回転軸の小径化が考えられる。しかし、クリアランスを拡大すると軸受剛性が低下し、スピンドルの精度が悪化してしまうため、これまで100,000rpmを超える超高速回転が可能なスピンドルでサブミクロンオーダの回転精度を実現した例は存在していない。

超高速回転下で回転精度の高いスピンドルを実現するために、回転軸を支える軸受に動圧効果と静圧効果を併用した空気軸受を用いるという方法が考えられる。この方法の従来例として、多数孔給気による静圧効果とヘリングボーン溝による動圧効果を併用したものが存在する（特許文献１）。

この提案は、約3,000rpmの低速回転から約50,000rpmの高速回転までのいずれの回転数においても十分な剛性を備えたスピンドル主軸を提供することを目的としている。動圧発生用溝と同一面上でかつ動圧発生用溝と連通する静圧発生用リセスを形成し、またこれら空気動圧軸受に静圧を与える静圧付与手段を設け、静圧及び動圧を協働させながらスピンドル主軸の回転を支承することを特徴としており、円周を三等分乃至五等分あるいはそれらの整数倍分に分割するように静圧孔が配置され、各静圧孔をつなぐリセスをつくることで円周方向全体に給気がいきわたる構造である。また、スラスト空気動圧軸受に隣接配置されたラジアル空気動圧軸受の動圧発生用溝をスラスト空気動圧軸受側に空気を送り込むポンプアウト型のヘリングボーン状溝とする一方、スラスト空気動圧軸受のラジアル空気動圧軸受側に形成された動圧発生用溝をポンプアウト型のスパイラル状溝としたことを特徴としている。

しかしながら、この例では静圧付与手段として多数孔による点給気を用いているが、点給気では給気口の影響が無視できず回転精度に悪影響を及ぼす可能性がある。

また、ポンプアウト型の動圧効果をスピンドルに利用した例として特開平１０−９６４１７号公報（特許文献２）が存在する。この提案は、スピンドル主軸の回転に伴うラジアル動圧軸受の発熱を抑え、ラジアル動圧軸受の軸受隙間の変動を可及的に防止することにより、高い負荷能力及び剛性を備えた動圧スピンドル装置を提供することを目的としている。

しかしながら、この例では、ポンプアウト型の動圧発生用溝に潤滑流体を供給する供給流路が開設されているが、静圧効果を期待したものではなく、動圧効果の向上のみを目的として流体を供給したものであるため、軸受の高剛性化がまだ十分ではない。
特開平７−１９２３６号公報特開平１０−９６４１７号公報。

空気軸受において、100,000rpm以上の超高速でスピンドルを回転させる場合の高精度化を図るためには高い加工点剛性が要求され、高剛性の軸受および加工点剛性が高くなるような軸受配置が必要である。軸受の高剛性化のためには回転軸と軸受スリーブのクリアランスを極力小さくし軸受の剛性を高める必要がある。しかし、100,000rpm以上の超高速回転下では発熱の問題が無視できずクリアランスを大きくとる必要があり、結果として剛性の低下を招くため、上記の従来技術では高精度と高速は両立できないという課題があった。

従って、本発明は上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、超高速回転を行なうスピンドルの軸受の高精度化と高剛性化を図ることである。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係わる空気軸受装置は、回転軸と、該回転軸を回転自在に支持するスリーブとを備える空気軸受装置において、前記スリーブは、該スリーブの軸受面に配置され、前記回転軸と前記スリーブとの間に空気を供給するための多孔質パッドを有し、前記多孔質パッドは、前記スリーブの軸受面全体に配置され、前記回転軸は、前記スリーブとの対向面に、へリングボーン溝と、軸端平滑部とを有し、前記回転軸が、前記多孔質パッドから供給された空気を前記へリングボーン溝によって前記軸端平滑部に向かって押し出す方向に回転することにより、前記へリングボーン溝と前記軸端平滑部との間の段差部で前記空気が圧縮されることを特徴とする。

また、この発明に係わる空気軸受装置において、前記多孔質パッドから前記回転軸と前記スリーブとの間に供給される空気の流量を、前記回転軸の長手方向の位置に応じて異ならせたことを特徴とする。

また、この発明に係わる空気軸受装置において、前記多孔質パッドから供給される空気の静圧分布を、前記へリングボーン溝間の中央の中央平滑部から前記スリーブの端部に向かって減少していくように前記空気の流量を調整したことを特徴とする。

また、この発明に係わる空気軸受装置において、前記多孔質パッドに与える空気の供給圧力を、前記回転軸の長手方向の位置に応じて異ならせたことを特徴とする。

また、この発明に係わる空気軸受装置において、前記多孔質パッドから供給される空気の静圧分布を、前記へリングボーン溝間の中央の中央平滑部から前記スリーブの端部に向かって減少していくように前記空気の供給圧力を調整したことを特徴とする。

また、この発明に係わる空気軸受装置において、前記回転軸をスラスト方向に支持するスラスト方向軸受部を更に具備し、前記ヘリングボーン溝と前記多孔質パッドとを前記スラスト方向軸受部の両側に配置したことを特徴とする。

以上のように、本発明によれば、超高速回転を行なうスピンドルの軸受の高精度化と高剛性化を図ることが可能となる。

以下、本発明の好適な実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係わるハイブリッド空気軸受の構成を示す側断面図である。

図１において、符号１は回転軸、符号２は軸受スリーブを示している。回転軸１の表面１ａにはヘリングボーン動圧溝３が形成されており、回転軸表面１ａの中央平滑面４に対向する軸受スリーブ２の内径位置に静圧効果をもたらす多孔質パッド５が配置されている。多孔質パッド５には通気路６を通してエアが給気される。回転軸１はヘリングボーン動圧溝３がポンプアウト形式の動圧効果をもたらす向きに回転し、多孔質パッド５を通して給気されるエアを軸端方向に押し出す。押し出されたエアはへリングボーン動圧溝３から軸端平滑部へ向かう段差部３ａで圧縮される。これにより軸端付近で高い圧力が得られる。

図２は、図１のＡ−Ａ断面である。通気路６から多孔質パッド５に給気されたエアは、回転軸１の全周を覆うように配置された多孔質パッド５を通して回転軸１を支える。回転軸１と軸受スリーブ２は１０μm前後のクリアランスを有している。

図３は、図１に示したスピンドルの駆動時における軸受隙間の主軸方向の圧力分布を示した図である。横軸が軸の長手方向位置、縦軸は圧力である。Ｐsは通気路６から供給されたエアが多孔質パッド５を通って軸受隙間に至ったときの給気圧力である。Ｐaはスピンドルの周囲圧力である。ヘリングボーン動圧溝３をポンプアウト形式で使用しているので、軸端側の溝端３ａにおいて圧力がもっとも高くなる。回転軸１の中央平滑面４に対応する軸受スリーブ位置に多孔質パッド５による静圧を付与することで、中央平滑面４での負荷容量および剛性を高め、またヘリングボーン溝による動圧効果の向上をはかることができる。

（第２の実施形態）
図４は、本発明の第２の実施形態に係わるハイブリッド空気軸受の構成を示す側断面図である。

この第２の実施形態では、第１の実施形態の動圧静圧ハイブリッドラジアル空気軸受に対して、静圧効果を与える多孔質パッド７（第１の実施形態の多孔質パッド５に対応する）を軸受面全体に配置し、多孔質パッド７から回転軸に供給される流量を場所により異なる値にすることでヘリングボーン動圧溝３の動圧効果が高まるように静圧を軸方向に分布させている。軸受面全体を多孔質パッド７で形成できるため製作が容易である。流量の調整は多孔質パッド７の表面に施した目止め量を調整することでおこなう。

回転軸１の中央平滑面４に対応する位置７ａ、ヘリングボーン動圧溝部に対応する位置７ｂ、軸端に対応する位置７ｃの３種類の位置にそれぞれ異なる目止め率を持つように多孔質パッド７に目止めを施している。位置７ａ、７ｂ、７ｃと中央部から軸端に向かうにつれて目止め率を増やしていき、多孔質パッド７に与える圧力が一定値Ｐ1であっても多孔質パッド７から回転軸１に給気される流量が中央部から軸端に向かうにつれて低下するようにし、ポンプアウト形式の動圧効果を高めることが可能である。

（第３の実施形態）
図５は、本発明の第３の実施形態に係わるハイブリッド空気軸受の構成を示す側断面図である。

この第３の実施形態では、第１の実施形態の動圧静圧ハイブリッドラジアル空気軸受に対して、静圧効果を与える多孔質パッド５を軸受面全体に配置し、多孔質パッド５に与える給気圧力を調整することでヘリングボーン動圧溝３の動圧効果が高まるように静圧を軸方向に分布させている。軸受面全体を多孔質パッド５で形成できるため製作が容易である。

回転軸１の中央平滑面４に対応する位置８ａ、ヘリングボーン動圧溝部に対応する位置８ｂ、軸端に対応する位置８ｃの３種類の位置で圧力を異なる値にすることができる。位置８ａ、８ｂ、８ｃと中央部から軸端に向かうにつれて供給する圧力をＰ2、Ｐ3、Ｐ4と低下させていき、多孔質パッド５から回転軸に給気される流量が中央部から軸端に向かうにつれて低下するように調整することで、ポンプアウト形式の動圧効果を高めることが可能である。

なお、図４および図５の構成では、目止め率又は給気圧力を、多孔質パッドから回転軸に給気される流量が回転軸中央部から軸端に向かうにつれて増加するように調整することで、図４および図５の回転軸１を各図と逆向きに回転させ、ヘリングボーン動圧溝３をポンプイン形式で使用させたときの動圧効果を高めるように使用することも可能である。

（第４の実施形態）
図６は、本発明の第４の実施形態に係わるハイブリッド空気軸受の構成を示す側断面図である。

この第４の実施形態では、第１の実施形態の動圧静圧ハイブリッドラジアル空気軸受を、スラスト方向の支持を行なうスラスト板９の両側に配置し、当該ラジアル軸受（第１の実施形態の動圧静圧ハイブリッドラジアル空気軸受）からスラスト軸受（スラスト板９）に向かってエアが押し出される構造としている。

図６には、多孔質パッド５がヘリングボーン動圧溝３の中央平滑面４に対応する位置にのみ配置されたものを示しているが、第２及び第３の実施形態のように軸受面全体を多孔質パッドとした形態のものでもよい。

スラスト板９の両側に配置されたポンプアウト形式の動圧静圧ハイブリッドラジアル空気軸受からスラスト板９にエアが供給され、スラスト板９に形成されたポンプアウト形式の動圧溝の動圧効果によってスラスト板端部で高い負荷容量が得られる。また、図６に示したスピンドルの回転時における軸受隙間の軸方向圧力分布を示す図７のように、ポンプアウト型のヘリングボーン動圧溝をスラスト軸受の両側に配置することで高圧部分が軸端に位置し、負荷容量の高い部分の間隔を広げることができるため、スピンドルの性能を左右する加工点剛性の向上に効果がある。また、ラジアル軸受、スラスト軸受ともポンプアウト形式で構成しているため、スピンドル回転時におけるスピンドル内部へのゴミの混入を防ぐことができる。

なお、上記の説明では、軸受に供給する気体を空気として説明したが、空気に限らず他の気体であってもよいことは言うまでもない。

以上説明したように、従来のような点給気では給気口の影響が無視できず回転精度に悪影響を及ぼす可能性があったが、上記の実施形態では円周方向に均等に給気することができ、負荷圧力および剛性の向上がはかれ、多孔質パッドを用いることにより構造も簡単であり、エアダウン時の接触に関してもキズに対して有効である。また、多孔質パッドを用いた面給気であるために、静圧を軸方向に分布させて動圧効果を向上させることができる。

また、動圧効果だけでなく多孔質給気による静圧効果も積極的に利用しているので軸受の支持剛性を高めることができる。

また、上記の実施形態による動圧静圧ハイブリッドラジアル空気軸受をスピンドルの軸受として用いることで、回転軸と軸受スリーブのクリアランスを空気軸受においては比較的大きな10μm以上の値とした場合でも高い剛性を得ることができ、超高速回転させたときに問題となる発熱の影響を軽減させることができる。

また、上記のハイブリッド軸受はヘリングボーン動圧溝をポンプアウト形式ではたらく回転方向で使用するので、軸受内部に細かな塵が混入する心配も少ない。また、ヘリングボーン動圧溝の中央平滑面への静圧の付与は、回転軸と軸受スリーブの隙間の空気を滞らせることなく常に多孔質部から給気されてくる空気を入れ替える作用もあり、発熱の低減に役立っている。

更に、ポンプアウト型の動圧溝を両側に形成したスラスト板を挟み込むように、ハイブリッドラジアル空気軸受を配置したスピンドル構成にすることで、加工点剛性の高いスピンドルを実現することが可能である。また、駆動開始時における動圧がはたらきにくい段階では静圧を積極的に利用することでタッチダウンを防ぐことができる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係わるハイブリッド空気軸受の構成を示す側断面図である。図１のＡ−Ａ断面図である。図１に示したスピンドルの駆動時における軸受隙間の主軸方向の圧力分布を示した図である。本発明の第２の実施形態に係わるハイブリッド空気軸受の構成を示す側断面図である。本発明の第３の実施形態に係わるハイブリッド空気軸受の構成を示す側断面図である。本発明の第４の実施形態に係わるハイブリッド空気軸受の構成を示す側断面図である。図６に示したスピンドルの回転時における軸受隙間の軸方向圧力分布を示す図である。

符号の説明

１回転軸
２軸受スリーブ
３ヘリングボーン動圧溝
４中央平滑面
５多孔質パッド
６通気路
７多孔質パッド
８ａ，８ｂ，８ｃ通気路
９スラスト板

Claims

回転軸と、該回転軸を回転自在に支持するスリーブとを備える空気軸受装置において、
前記スリーブは、該スリーブの軸受面に配置され、前記回転軸と前記スリーブとの間に空気を供給するための多孔質パッドを有し、
前記多孔質パッドは、前記スリーブの軸受面全体に配置され、
前記回転軸は、前記スリーブとの対向面に、へリングボーン溝と、軸端平滑部とを有し、
前記回転軸が、前記多孔質パッドから供給された空気を前記へリングボーン溝によって前記軸端平滑部に向かって押し出す方向に回転することにより、前記へリングボーン溝と前記軸端平滑部との間の段差部で前記空気が圧縮されることを特徴とする空気軸受装置。
前記多孔質パッドから前記回転軸と前記スリーブとの間に供給される空気の流量を、前記回転軸の長手方向の位置に応じて異ならせたことを特徴とする請求項１に記載の空気軸受装置。
前記多孔質パッドから供給される空気の静圧分布を、前記へリングボーン溝間の中央の中央平滑部から前記スリーブの端部に向かって減少していくように前記空気の流量を調整したことを特徴とする請求項２に記載の空気軸受装置。
前記多孔質パッドに与える空気の供給圧力を、前記回転軸の長手方向の位置に応じて異ならせたことを特徴とする請求項１に記載の空気軸受装置。
前記多孔質パッドから供給される空気の静圧分布を、前記へリングボーン溝間の中央の中央平滑部から前記スリーブの端部に向かって減少していくように前記空気の供給圧力を調整したことを特徴とする請求項４に記載の空気軸受装置。
前記回転軸をスラスト方向に支持するスラスト方向軸受部を更に具備し、前記ヘリングボーン溝と前記多孔質パッドとを前記スラスト方向軸受部の両側に配置したことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の空気軸受装置。