JP4535814B2 - 静圧気体軸受スピンドルおよびその制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、磁気ディスクや光ディスク等の製造工程，検査工程等で使用される高精度位置検出機能を備えた静圧気体軸受スピンドルおよびその制御装置に関する。

静圧気体軸受スピンドルは、主軸を静圧気体軸受により非接触で支持するため、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または工具スピンドルなどに使用される。このようなスピンドルでは外乱の侵入を防ぎ制御性を高めるために、ベルト等を使用せず主軸にモータのロータを直接取付けて駆動する場合が多い。回転時の軸の振れや回転速度に対して、特に高い精度が必要な場合には、ロータに永久磁石を使用した同期型ＡＣサーボモータとロータリーエンコーダを主軸に直接取付けて、フィードバック制御を行なうことが多い（例えば特許文献１）。

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るが、このような用途では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き込む必要があり、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付け、回転位置を高精度に検出して、ヘッドの位置やデータの書き込み／読み取りのタイミングの補正に用いる場合がある。

なお、このような高精度の回転位置検出が必要な用途において、回転制御用とは別に、回転位置検出用の高分解能のロータリーエンコーダを主軸に取付けるものを先に提案した（特願２００３−３３９３３８）。

この先出願例となるＡＣサーボモータによるダイレクトドライブ型静圧気体軸受スピンドルを図６に示す。主軸３１は、ハウジング３２に静圧気体ジャーナル軸受３３ａおよび静圧気体スラスト軸受３３ｂからなる静圧気体軸受３３を介して非接触で支持され、同期型ＡＣサーボモータ３６のロータ３６ａが一体に取付けられている。主軸３１の一端にはワークを固定するための回転テーブル３５が取付けられ、もう一方の端に、高分解能の第１のロータリーエンコーダ３８のパルス円板３８ａと、これよりも低分解能の第２のロータリーエンコーダ３７のパルス円板３７ａが取付けられている。両パルス円板３７ａ，３８ａは、主軸３１の回転速度ムラを小さくするために、主軸３１の回転中心とパルス円板３７ａ，３８ａ上の検出マークの回転中心とが一致するよう主軸３１に固定される。
特開平１０−２３９１０２号公報

従来の構成では、いずれも、図６を参考に説明すると、ワークを固定する回転テーブル３５と回転位置検出に使用するロータリーエンコーダ３７，３８との距離が離れているため、主軸３１の回転中心に偏心や傾きが生じた場合、ロータリーエンコーダ３７，３８で検出した位置とワークの位置とがずれ、位置決め精度不良となる可能性がある。
主軸３１を駆動するモータ３６のコギングトルクは、滑らかに回転する主軸３１の動きを乱す原因になる。そのため、モータ３６のコギングトルクが大きいと主軸３１に偏心や傾きが生じ易く、高精度の位置検出が困難になる。また、主軸３１はアンバランスによる振れ回りによっても偏心や傾きが生じるため、主軸３１にアンバランスがあると高精度位置検出が困難になる。

また、ロータリーエンコーダ３８の分解能が高いと、１回転当たりの出力パルス数が多いため、出力信号の周波数が高くなる。これをスピンドルの回転制御用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高過ぎて、従来のモータ制御装置では対応できない。このため、図６の先出願例では、回転制御用のフィードバック信号に適した出力の第２のロータリーエンコーダの３７をさらに主軸３１に取付けている。しかし、その場合、主軸３１が静圧気体軸受３３の外側へ突出している部分の長さが長くなるので、主軸３１の振れ回りを低減することが困難である。

この発明の目的は、主軸回転時に偏心や傾きが生じた場合でも、高精度な位置検出が可能な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、主軸とロータリーエンコーダのパルス円板の芯合わせ作業を容易にできるものとすることである。
この発明のさらに他の目的は、主軸回転時の偏心や傾きを抑えることである。
この発明のさらに他の目的は、高精度な位置検出用のロータリーエンコーダとは別に回転制御用のロータリーエンコーダを設けることなくモータの回転制御が一般的な回路構成で行える静圧気体軸受スピンドル制御装置を提供することである。

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、上記主軸の一端に固定された回転テーブルと、上記主軸を回転駆動するモータと、上記主軸の回転位置を検出するロータリーエンコーダ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を、上記静圧気体軸受に対して上記回転テーブルと軸方向の同じ側に配置したことを特徴とする。
この構成によると、ロータリーエンコーダを、静圧気体軸受に対して回転テーブルと軸方向の同じ側に配置したため、回転テーブルにセットされるワークと、ロータリーエンコーダのパルス円板との距離が短くなる。そのため、主軸の回転中心に偏心や傾きが発生した場合でも、ロータリーエンコーダで検出した位置とワークの位置とのずれを小さく抑えることができる。

上記ロータリーエンコーダを構成するパルス円板を上記回転テーブルとは別体に設け、このパルス円板を上記回転テーブルに対し半径方向に位置調節して固定可能な固定手段により固定する。
回転テーブルとパルス円板を別体とすることで、主軸に対して回転テーブルの位置を変えることなく、パルス円板だけで芯合わせ作業が行え、その芯合わせ作業を容易に行うことができる。

この発明において、上記ロータリーエンコーダに、原点信号の出力機能を持たせても良い。
原点信号の出力機能があると、主軸の回転中心に偏心や傾きが発生した場合でも、主軸の１回転ごとに原点信号が検出される位置とワークの回転基準位置とのずれを小さく抑えることができ、高精度の位置検出が可能となる。また、パルス円板の芯合わせ作業時も、回転テーブルの近傍に配置されたロータリーエンコーダからの原点信号を基準として使用することで、偏心方向を容易にかつ正確に得ることができ、その芯合わせ作業を効率良く行うことができる。

この発明において、上記モータを、回転側に永久磁石とロータヨークを有し固定側に励磁コイルを有するコアレスモータとしても良い。
コアレスモータは、主軸の回転中の外乱となるコギングトルクが小さいので、主軸の回転中心の偏心や傾きを小さく抑えることができる。

この発明において、上記コアレスモータの回転側のロータヨークに、バランス修正用のねじ孔を複数個設けても良い。
上記ねじ孔が設けられていると、主軸のアンバランスの大きさに応じた重さのねじをねじ込むことで、主軸のバランス修正を容易に行うことができる。

この発明において、前記主軸に、バランス修正用のねじ孔を複数個有するアース用接触子を設けても良い。
この構成の場合、アース用接触子を介して、主軸が電気的に接地される。また、主軸にモータヨークやアース用接触子等を取付けた際に生じるアンバランスに応じて、接触子のバランス修正用のねじ孔に重りとなるねじをねじ込むことで、主軸の回転時の振れ回りを小さくすることができる。

この発明において、上記ロータリーエンコーダよりも低分解能の第２のロータリーエンコーダを設けても良い。
高分解能のロータリーエンコーダは、１回転当たりのパルス数が大きいので、これを回転制御のフィードバック信号して使用すると、フィードバック信号の周波数が非常に高くなり、一般的な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、モータ制御を簡易に行うことができる。
また、この構成の場合、第１のロータリーエンコーダについては、回転テーブルと軸方向の同じ側に配置しているため、他方に第２のロータリーエンコーダのパルス円板を取付けても、主軸が静圧気体軸受から突出する長さを短くできる。そのため、主軸の同じ側に２つのロータリーエンコーダのパルス円板を取付ける場合に比べて、主軸の振れ回りが低減される。

第２のロータリーエンコーダを設ける代わりに、次の構成の静圧気体軸受スピンドル制御装置を設けてても良い。この静圧気体軸受スピンドル制御装置は、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の回転を制御する制御装置であって、上記ロータリーエンコーダの出力パルスを分周する分周回路を備えたことを特徴とする。
この構成の場合、ロータリーエンコーダの出力パルスを分周し、その信号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ことにより、回転制御用の低分解能のロータリーエンコーダを別に取付ける必要が無くなる。そのため、回転制御用のロータリーエンコーダを別に取付けない分だけ、主軸が軸受部の外側へ突き出す部分の長さを短くすることができ、主軸の振れ回りを低減することが可能になる。

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、上記主軸の一端に固定された回転テーブルと、上記主軸を回転駆動するモータと、上記主軸の回転位置を検出するロータリーエンコーダ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を、上記静圧気体軸受に対して上記回転テーブルと軸方向の同じ側に配置したため、主軸回転時に偏心や傾きが発生した場合でも、ロータリーエンコーダで検出した位置とワークの位置とのずれが小さく抑えられ、高精度な位置検出が可能となる。
上記ロータリーエンコーダを構成するパルス円板を上記回転テーブルとは別体に設け、半径方向に位置調節して固定可能な固定手段により固定したため、主軸とロータリーエンコーダのパルス円板の芯合わせ作業を容易に行うことができる。
上記モータをコアレスモータとした場合は、主軸回転時の偏心や傾きを抑えることができる。

この発明の静圧気体軸受スピンドル制御装置は、上記ロータリーエンコーダの出力パルスを分周する分周回路を備えたため、高精度な位置検出用のロータリーエンコーダとは別に回転制御用のロータリーエンコーダを設けることなくモータの回転制御が一般的な回路構成で行えて、回転制御用のロータリーエンコーダを別に取付ける場合に比べて主軸の突き出し長さを短くすることができ、主軸の振れ回りを低減することが可能になる。

この発明の第１の実施形態を図１と共に説明する。この静圧気体軸受スピンドルＡは、ハウジング２内において、主軸１を静圧気体軸受３により非接触で支持し、ハウジング２に内蔵のモータ６によって主軸１を回転駆動するものである。静圧気体軸受３は、ハウジング２の内周部を構成するスリーブ２ａに設けられている。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のスリーブ２ａ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ウジング２内のノズル４ａ，４ｂから圧縮気体を噴出することにより、非接触で主軸１を支持するものである。主軸１は下部の外周にフランジ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１０を介して圧縮気体供給源（図示せず）に接続されている。モータ６は、主軸１の下端に設けられた永久磁石からなるロータ６ａと、ハウジング２における前記ロータ６ａに対向する位置に設けられたステータ６ｂとで構成された同期型ＡＣモータとされている。

主軸１の上端には回転テーブル５が設けられ、その上面中央部は磁気ディスク等のワーク（図示せず）のセット部５ａａとされる。このワークセット部５ａａは、主軸１と同心の円形凹部に形成されている。ワークセット部５ａａへのワークのセットは、真空チャック等の取付手段（図示せず）によって行われる。回転テーブル５と主軸１とは一体であっても良いが、主軸１が下部にフランジ１ａを有するため、ハウジング２のスリーブ２ａと主軸１との組立の都合上、主軸１とは別体に形成され、ボルト等で固定されている。
回転テーブル５は、ワークセット部５ａａを上面に形成した中央凸部５ａと、その外周に中央凸部５ａよりも段差を持って低く形成された外周板部５ｂとでなる段付き円板状とされ、上記外周板部５ｂの上面に、主軸１の回転位置を検出するロータリーエンコーダ７のパルス円板９がボルト等の着脱可能な締結具１１で固定されている。中央凸部５ａは、主軸１と同心の円柱状とされている。

パルス円板９は、回転テーブル５の中央凸部５ａの外周に隙間を介して遊嵌するリング状とされ、この隙間の範囲で回転テーブル５に対して位置調整可能である。また、パルス円板９の上記ボルトからなる締結具１１を挿通する挿通孔は、パルス円板９の半径方向について、回転テーブル５の中央凸部５ａとパルス円板９間の上記隙間よりも大きな隙間が締結具との間に得られる大きさの円形孔または長孔とされている。これらの各隙間を得る各部の形状と上記締結具１１とで、パルス円板９を回転テーブル５に対し半径方向に位置調節して固定可能な固定手段１１Ａが構成される。

パルス円板９は、円板基体９ａと、この円板基体９ａの上面に貼付した検出マークシート９ｂとでなり、検出マークシート９ｂの幾何学中心と主軸１の回転中心とが一致するように回転テーブル５に対して半径方向に調整して主軸１に固定される。ハウジング２の上端には、前記パルス円板９を覆うカバー部２ｂが設けられ、このカバー部２ｂに、パルス円板９に対して軸方向に対面する検出ヘッド８が設けられる。この検出ヘッド８とパルス円板９とで、ロータリーエンコーダ７が構成される。このように、静圧気体軸受３に対して回転テーブル５と軸方向の同じ端部側にロータリーエンコーダ７が配置される。

ロータリーエンコーダ７の検出ヘッド８および検出マークシート９ｂは、回転方向・回転角度検出用の互いに位相が略９０度ずれた２相（Ａ相，Ｂ相）の信号を出力するためのセンサおよび検出マークを有しており、かつ回転位置の原点信号となるＺ相信号を出力するためのセンサおよび検出マーク（いずれも図示せず）を有している。

上記構成の静圧気体軸受スピンドルＡによると、ロータリーエンコーダ７を、静圧気体軸受３に対して回転テーブル５と同じ側に配置しているので、回転テーブル５にセットされるワークと、ロータリーエンコーダ７のパルス円板９との距離が短くなる。そのため、主軸１の回転中心に偏心や傾きが発生した場合でも、ロータリーエンコーダ７で検出した位置とワークの位置とのずれを小さく抑えることができる。

また、回転テーブル５に対してパルス円板９を別部材とし、固定手段１１Ａにより、回転テーブル５に対して半径方向に調整可能にパルス円板９を固定する構造としたので、主軸１に対して回転テーブル５の位置を変えることなく、パルス円板９だけでその芯合わせ作業を容易に行うことができる。

また、ロータリーエンコーダ７の上記検出ヘッド８および検出マークシート９ｂは、回転位置の原点信号となるＺ相信号を出力するためのセンサおよび検出マークを有するものとしているので、主軸１の回転中心に偏心や傾きが発生した場合でも、主軸１の１回転ごとに原点信号が検出される位置とワークの回転基準位置とのずれを小さく抑えることができ、高精度の位置検出が可能となる。また、パルス円板９の芯合わせ作業時も、回転テーブル５の近傍に配置されたロータリーエンコーダ７からの原点信号を基準として使用することで、偏心方向を容易かつ正確に得ることができ、その芯合わせ作業を効率良く行うことができる。

図２は、この発明の他の実施形態を示す。この実施形態の静圧気体軸受スピンドルＡでは、図１に示す第１の実施形態におけるＡＣ同期型モータ６に代えて、コアレスモータ６Ａを用いている。このコアレスモータ６Ａは、回転側である主軸１に設けられた永久磁石１２およびロータヨーク１３と、固定側であるハウジング２に設けられた励磁コイル１４とでなる。ロータヨーク１３には、バランス修正用ねじ孔１５が複数個設けられている。このねじ孔１５は、周方向に等間隔に並べて配置される。ねじ孔１５の向きは、ここでは軸方向とされているが、径方向であっても良い。その他の構成は第１の実施形態の場合と同じである。

コアレスモータ６Ａは、主軸１の回転中の外乱となるコギングトルクが小さいので、主軸１の回転中心の偏心や傾きを小さく抑えることができる。また、主軸１に固定されるロータヨーク１３に複数個のねじ孔１５が設けられているため、主軸１のアンバランスの大きさに応じた重さのねじをねじ込むことで、主軸１のバランス修正を容易に行うことができる。

なお、主軸１のバランス修正はこの実施形態のようにモータ６Ａの回転部での１面修正に限らず２面修正を行っても良い。その場合には、ロータヨーク１３における構造と同様のねじ孔を、回転テーブル５やパルス円板９の端面や外径面に設けることで、２面修正を行うことができる。

図３は、この発明のさらに他の実施形態を示す。この実施形態の静圧気体軸受スピンドルＡでは、図２に示す実施形態における主軸１の下端とハウジング２との間に、主軸１を電気的に接地するためのアース用接触子１６が設けられている。この接触子１６は、回転部材である主軸１の下端に取付けられた接触子回転部１６ａと、固定部材であるハウジング２の下端に取付けられた板ばね等の導電性弾性部材１６ｂと、この弾性部材１６ｂの先端に設けられ前記接触子回転部１６ａに押し当てられる導電体１６ｃとでなる。導電体１６ｃはカーボン等の自己潤滑性を有するものとされる。接触子回転部１６ａの外径面には、複数個のバランス修正用ねじ孔１７が周方向に等間隔に並べて配置されている。このねじ孔１７は、接触子回転部１６ａの端面に設けても良い。その他の構成は、第２の実施形態の場合と同じである。

この実施形態の場合、アース用接触子１６およびハウジング２を介して、主軸１が電気的に接地される。また、主軸１にコアレスモータ６Ａの永久磁石１２、ロータヨーク１３や、アース用接触子１６等を取付けた際に生じるアンバランスに応じて、接触子回転部１６ａのバランス修正用ねじ孔１７に重りとなるねじをねじ込むことで、主軸１の回転時の振れ回りを小さくすることができる。

図４は、この発明のさらに他の実施形態を示す。この静圧気体軸受スピンドルでは、図１に示す第１の実施形態において、ロータリーエンコーダ７よりも低分解能の第２のロータリーエンコーダ１８が設けられている。第２のロータリーエンコーダ１８のパルス円板１９は主軸１の下端に設けられ、このパルス円板１９に対面する検出ヘッド（図示せず）はハウジング２に設けられる。第２のロータリーエンコーダ１８の出力信号は、主軸１の回転制御用に使用される。その他の構成は、第１の実施形態の場合と同じである。

この実施形態では、外部出力用のロータリーエンコーダ７とは別に、低分解能の第２のロータリーエンコーダ１８を設けている。そのため、ロータリーエンコーダ７の高分解能化等によりロータリーエンコーダ７からの出力信号の周波数が上昇しても、その出力信号を主軸１の回転制御用に併用することなく、低分解能の第２のロータリーエンコーダ１８を回転制御用に使用することができる。このため、回転制御装置側で制御回路を変更することなく、一般的なモータ制御回路を用いて主軸１の回転を制御することが可能である。そのため、主軸１の回転位置検出用のロータリーエンコーダ７を、必要に応じて異なる仕様のものに容易に取り替えることができる。

また、この実施形態で回転位置検出用および回転制御用の２つのロータリエンコーダ７，１８を主軸１に設けている点については、図６に示した提案例と同様であるが、この実施形態では前記両ロータリエンコーダ７，１８のパルス円板９，１９の一つを回転テーブル５に固定している。そのため、提案例の場合に比べて主軸１が軸受部の外側へ突き出している部分の長さを短くできる。その結果、提案例に比べて、主軸１の振れ回りを低減できる。

図５は、図１〜図３の実施形態のように１つのロータリーエンコーダ７のみを備えた静圧気体軸受スピンドルＡに用いられる制御装置の一実施形態を示す。この制御装置Ｂは、静圧気体軸受スピンドルＡにおけるロータリーエンコーダ７の出力パルスを分周する分周回路２０を備える。また、その分周出力ａを制御手段２１で所定の指令値２２と比較することで補正信号ｂを得て、静圧気体軸受スピンドルＡのモータ６，６Ａを駆動するモータ駆動手段２３に前記補正信号ｂをフィードバック信号として与えるものとしている。これにより、主軸１の回転を制御するものとしている。

静圧気体軸受スピンドルＡにおける回転位置検出用のロータリーエンコーダ７は分解能が高いので、この出力をそのまま一般的なモータ制御に用いることができない。一般的なモータ制御回路を使用するには、従来例や図４の実施形態のように、回転制御用のフィードバック信号として適した出力パルス数の別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付ける必要がある。しかし、この実施形態のように、静圧気体軸受スピンドルＡの制御装置Ｂに分周回路２０を設けることで回転位置検出用のロータリーエンコーダ７の出力を分周すると、その分周信号を回転制御のフィードバック信号として使用することができる。これにより、回転制御用のロータリーエンコーダを別に取付ける必要が無くなる。そのため、回転制御用のロータリーエンコーダを別に取付けない分だけ、主軸１が軸受部の外側へ突き出す部分の長さを短くすることができ、主軸１の振れ回りを低減することが可能になる。

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断面図である。 この発明の他の実施形態にかかる静圧気体軸受スピンドルの断面図である。 この発明のさらに他の実施形態にかかる静圧気体軸受スピンドルの断面図である。 この発明のさらに他の実施形態にかかる静圧気体軸受スピンドルの断面図である。 この発明の静圧気体軸受スピンドル用の回転制御装置の概略構成を示すブロック図である。 先提案例の断面図である。

符号の説明

１…主軸
３…静圧気体軸受
５…回転テーブル
６…モータ
６Ａ…コアレスモータ
７…ロータリーエンコーダ
９…パルス円板
１１Ａ…固定手段
１２…永久磁石
１３…ロータヨーク
１４…励磁コイル
１５…バランス修正用ねじ孔
１６…アース用接触子
１７…バランス修正用ねじ孔
１８…第２のロータリーエンコーダ
１９…パルス円板
２０…分周回路
Ａ…静圧気体軸受スピンドル
Ｂ…制御装置

Claims (7)

1. 主軸を回転自在に支持する静圧気体軸受と、上記主軸の一端に固定された回転テーブルと、上記主軸を回転駆動するモータと、上記主軸の回転位置を検出するロータリーエンコーダ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を、上記静圧気体軸受に対して上記回転テーブルと軸方向の同じ側に配置し、上記ロータリーエンコーダを構成するパルス円板を上記回転テーブルとは別体に設け、このパルス円板を上記回転テーブルに対し半径方向に位置調節して固定可能な固定手段により固定したことを特徴とする静圧気体軸受スピンドル。
2. 請求項１において、上記ロータリーエンコーダに、原点信号の出力機能を備えた静圧気体軸受スピンドル。
3. 請求項１または請求項２において、上記モータを、回転側に永久磁石とロータヨークを有し固定側に励磁コイルを有するコアレスモータとした静圧気体軸受スピンドル。
4. 請求項３において、上記コアレスモータの回転側のロータヨークに、バランス修正用のねじ孔を複数個設けた静圧気体軸受スピンドル。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項において、前記主軸に、バランス修正用のねじ孔を複数個有するアース用接触子を設けた静圧気体軸受スピンドル。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項において、上記ロータリーエンコーダよりも低分解能の第２のロータリーエンコーダを設けた静圧気体軸受スピンドル。
7. 請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の静圧気体軸受スピンドルの回転を制御する制御装置であって、上記ロータリーエンコーダの出力パルスを分周する分周回路を備えたことを特徴とする静圧気体軸受スピンドル制御装置。

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