JP4646737B2 - 静圧気体軸受スピンドル装置 - Google Patents

Description

本発明は静圧気体軸受スピンドル装置に関し、より特定的には、回転軸と、回転軸の少なくとも一部を取り囲むハウジングとを備え、回転軸とハウジングとの間には、ハウジングに対して回転軸を非接触に軸支する静圧気体軸受が形成された静圧気体軸受スピンドル装置に関するものである。

回転軸とハウジング内部において回転軸に対向する部材との間の微小なすき間に圧縮空気などの気体が供給されることにより、回転軸がハウジングに対して支持される静圧気体軸受を備えた静圧気体軸受スピンドル装置においては、回転軸がハウジングに対して非接触の状態で支持される。そのため、軸受における摩擦損失が小さく、回転軸が高速で回転した場合の発熱も少ない。また、回転軸と、回転軸に対向する部材とが直接接触しないため、正常な運転状態である限り、材料の疲労や摩耗が生じない。このような特徴を生かして、静圧気体軸受スピンドル装置は高速スピンドル装置として広く使用されている。

静圧気体軸受スピンドル装置においては、たとえば回転軸の外周面と当該外周面に対向する部材との間に静圧気体ジャーナル軸受が設けられて主に回転軸の軸方向に垂直な方向（ラジアル方向）の荷重が支持される。一方、回転軸に一体に設けられたスラスト板の端面と当該端面に対向する部材との間に静圧気体スラスト軸受が設けられて、主に回転軸の軸方向（アキシアル方向）の荷重が支持される。この場合、十分なアキシアル方向の支持力を確保するためには、スラスト板の端面の面積を大きくして、静圧気体スラスト軸受を形成する領域を大きくすることが効果的である。しかし、スラスト板の端面の面積を大きくするためにスラスト板の直径を大きくすると、スラスト板の質量が増加する。ここで、回転軸の最高回転速度に影響を与える回転軸の固有振動数は、回転軸の質量と静圧気体軸受の剛性とで決定される。スラスト板の質量が増加することで回転軸の質量が増加すれば、固有回転数が低下して、回転軸の高速回転が困難になる。すなわち、単にスラスト板の直径を大きくしてアキシアル方向の支持力を確保すれば、回転軸の高速回転が困難になる。さらに、スラスト板の直径を大きくすると、回転軸の慣性モーメントが大きくなる。その結果、起動時に回転軸が所望の回転速度に達するまでの時間（起動時間）、および停止時に回転軸が完全に停止するまでの時間（停止時間）が長くなり、静圧気体軸受スピンドル装置の稼動効率およびエネルギー効率が低下するという問題点もある。

これに対して、軽合金からなるスラスト軸受部と鉄系合金からなるジャーナル軸受部とで構成された回転軸を備えた静圧気体軸受スピンドル装置が提案されている（たとえば特許文献１参照）。
特開平６−３１２３０３号公報

しかし、特許文献１に開示された静圧気体軸受スピンドル装置においては、ジャーナル軸受部は中空の軸であり、かつスラスト板部に設けられた突出部（ボス）を当該ジャーナル軸受部の中空部分に嵌入することにより、ジャーナル軸受部とスラスト板部とは結合されている。この構成によれば、スラスト板部とジャーナル軸受部とを確実に結合するためには、結合部分の締め代を正確に設定する必要がある。そのため、ボスの外周面およびジャーナル軸受部の内周面の直径寸法および真円度に精密さが要求され、非常に精密な加工が必要となる。その結果、回転軸を一体の素材から加工する場合に比べて、特許文献１の構成では加工工程が長くなるため、製造コストが上昇するという問題点がある。

また、上述の結合部分においては、ボスとジャーナル軸受部の中空部分とが重なるため、当該部分の回転軸の厚みが大きくなり、回転軸を一体の素材から加工する場合に比べて中空部分の内径が小さくなる。ここで、たとえば、加工用スピンドル装置においては、工具や被加工物などを保持するためのチャック機構が回転軸の中空部分に内蔵される場合がある。また、静電塗装用スピンドル装置においては、塗料や溶剤などを回転軸の先端部分に供給するためのパイプが回転軸の中空部分に内蔵される場合がある。このような場合、回転軸は中空であり、かつ当該中空部分は所定以上の内径を有する必要がある。しかし、上述のように特許文献１の構成では中空部分の内径が小さくなるため、所定の内径を確保するためには回転軸の外径を大きくする必要がある。回転軸の外径が大きくなることで回転軸の質量が増加すれば、回転軸の高速回転が困難になるという問題点が生じる。

そこで、本発明の目的は、軽合金からなるスラスト軸受部と鉄系合金からなるジャーナル軸受部とを有する回転軸を備え、かつ当該回転軸において、製造コストを低減しつつ、外径を大きくすることなく十分な内径を確保可能とした静圧気体軸受スピンドル装置を提供することである。

本発明に従った静圧気体軸受スピンドル装置は、回転軸と、回転軸の少なくとも一部を取り囲むハウジングとを備えている。回転軸とハウジングとの間には、ハウジングに対して回転軸を非接触に軸支する静圧気体軸受が形成されている。さらに、回転軸は、円柱状のジャーナル軸受部と、ジャーナル軸受部の端面に接合された円盤状のスラスト板部とを含んでいる。そして、ジャーナル軸受部は鉄系合金からなり、スラスト板部は軽合金からなっている。ジャーナル軸受部と、スラスト板部とは、摩擦圧接により一体に接合されている。さらに、ジャーナル軸受部の外周面の一部は、静圧気体軸受を構成するジャーナル軸受面となっている。そして、ジャーナル軸受部において、ジャーナル軸受部とスラスト板部とが接触している部分に隣接する部分の外径は、ジャーナル軸受部において、外周面がジャーナル軸受面である部分の外径よりも小さい。

本発明の静圧気体軸受スピンドル装置によれば、回転軸において、ジャーナル軸受部は鉄系合金からなっているため、十分な強度および剛性が確保されている。一方、スラスト板部は、軽合金からなっているため、回転軸の質量が減少し、固有振動数が向上することにより回転軸の最高回転数を向上させることができる。さらに、回転軸の慣性モーメントが低減されることにより、起動時間および停止時間が短縮されて、静圧気体軸受スピンドル装置の稼動効率およびエネルギー効率が上昇する。また、運転中の回転速度の変更に要する時間を短縮することができる。そして、鉄系合金からなるジャーナル軸受部と軽合金からなるスラスト板部とが摩擦圧接により一体に接合されているため、融点の差が大きな鉄系合金からなるジャーナル軸受部と軽合金からなるスラスト板部とが十分な強度をもって接合されている。さらに、ジャーナル軸受部とスラスト板部との接合前に、接合を実施するための精密な加工が必要ないため、加工工程を簡略化することが可能となる。その結果、製造コストを低減することができるため、最高回転数を向上させ、かつ稼動効率およびエネルギー効率の高い、安価な静圧気体軸受スピンドル装置を提供することができる。さらに、ジャーナル軸受部とスラスト板部との接合部分において、ジャーナル軸受部の中空部分とスラスト板部とが回転軸に垂直な方向に重ならないため、回転軸の中空部分の内径を大きくすることができる。その結果、たとえばチャック機構やパイプを回転軸の中空部分に内蔵するために回転軸の中空部分の内径を大きくする必要が生じた場合でも、回転軸の外径を大きくすることなく、すなわち回転軸の質量を増加させて回転軸の高速回転を阻害することなく、十分な内径を確保することができる。その結果、加工用スピンドル装置、静電塗装用スピンドル装置など中空部分の内径を大きくする必要がある静圧気体軸受スピンドル装置についても、最高回転数を向上させ、かつ稼動効率およびエネルギー効率の高い静圧気体軸受スピンドル装置を提供することができる。また、静圧気体軸受を構成するジャーナル軸受面は高精度に仕上げられている必要がある。ここで、前述のように本発明の静圧気体軸受スピンドル装置においては、ジャーナル軸受部とスラスト板部とでは素材が異なっているため、その接合部を高精度に仕上げるためには複雑な仕上げ工程が必要となる。しかし、上述のように、ジャーナル軸受部における接合部周辺の外径がジャーナル軸受を構成する部分の外径よりも小さいため、接合部の周辺におけるジャーナル軸受部の外周面はジャーナル軸受面とはならない。そのため、比較的容易にジャーナル軸受面を高精度に仕上げることが可能となる。

ここで、ジャーナル軸受部を構成する鉄系合金としては、たとえばオーステナイト系ステンレス、マルテンサイト系ステンレス、析出硬化系ステンレス、その他特殊鋼や機械構造用炭素鋼などを採用することができる。より具体的には、ＪＩＳ規格ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３０３、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ４４０Ｃ、ＳＵＳ４２０Ｊ２、ＳＵＳ６３０、ＳＮＣ材、ＳＮＣＭ材、ＳＣ材などを採用することができる。また、スラスト板部を構成する軽合金としては、たとえばアルミニウム系合金、チタン系合金などを採用することができ、より具体的にはＪＩＳ規格Ａ２０００系、Ａ５０００系、Ａ６０００系、Ａ７０００系のアルミニウム系合金、１〜４種、６０種、６１種のチタン系合金などを採用することができる。また、耐食性や耐摩耗性などを向上させるために、摩擦圧接後に、無電解ニッケルめっきや硬質クロムめっき等のめっき処理、陽極酸化処理（アルマイト）、セラミック等の硬質材料の溶射などの表面処理を行なってもよい。

上記静圧気体軸受スピンドル装置において好ましくは、スラスト板部において、ジャーナル軸受部の端面に対向する面には、ジャーナル軸受部の端面に向けて突出する突出部が形成されている。そして、突出部の頂面において、スラスト板部とジャーナル軸受部の端面とは接合されている。

スラスト板部において突出部が形成されずに、スラスト板部の端面とジャーナル軸受部の端面とが接合されている場合、スラスト板部とジャーナル軸受部との結合部におけるジャーナル軸受部の外周部には、その形状に起因して応力が集中しやすくなる。たとえば、静圧気体軸受スピンドル装置の運転中にスラスト板部に作用するアキシアル方向の荷重が不均一となった場合、スラスト板部とジャーナル軸受部との結合部におけるジャーナル軸受部の外周部に応力が集中し、使用環境によっては疲労破壊の原因となるおそれもある。これに対し、スラスト板部に前述の突出部が形成され、突出部の頂面において、スラスト板部とジャーナル軸受部の端面とが接合されていることにより、応力の集中部と接合部とを離すことができるため、接合部に応力が集中することを回避することができる。

上記静圧気体軸受スピンドル装置において好ましくは、スラスト板部は、スラスト板部を厚み方向に貫通するスラスト板部貫通孔を有している。そして、ジャーナル軸受部は、スラスト板部貫通孔と連通するジャーナル軸受部連通孔を有している。

上述の摩擦圧接においては、ジャーナル軸受部とスラスト板部との接合面を接触させた状態で、ジャーナル軸受部およびスラスト板部の一方または両方を回転軸の軸周りに回転させることで摩擦熱を発生させ、接合部の温度が材料の融点近傍まで到達した時点でジャーナル軸受部およびスラスト板部を互いに押し付けあうことで接合が実施される。ここで、ジャーナル軸受部およびスラスト板部の一方または両方を回転軸の軸周りに回転させることで摩擦熱を発生させる場合に、接合面に上述のスラスト板部貫通孔およびジャーナル軸受部連通孔が形成されていない場合、すなわちジャーナル軸受部およびスラスト板部が中実形状である場合、回転の中心付近においては周速が小さい。そのため、摩擦による発熱量が小さく、回転の中心付近が十分に加熱されない。その結果、摩擦圧接時におけるジャーナル軸受部とスラスト板部との接合面の温度が接合面内で不均一になり、接合面の強度が不十分となるおそれがある。これに対し、上述のスラスト板部貫通孔およびジャーナル軸受部連通孔が形成されていることにより、摩擦圧接時におけるジャーナル軸受部とスラスト板部との接合面の温度が接合面内で均一になり、十分な接合面の強度を確保することができる。また、上述のスラスト板部貫通孔およびジャーナル軸受部連通孔が形成されていることにより、回転軸の軽量化にも寄与することができる。さらに、ジャーナル軸受部連通孔をジャーナル軸受部の両端面を貫通するように形成することで、チャック機構や塗料や溶剤などを回転軸の先端部分に供給するためのパイプなどを回転軸に内蔵することも容易となる。

上記静圧気体軸受スピンドル装置において好ましくは、スラスト板部の外周面には、吹き付けられた気体を受け、スラスト板部を周方向に回転させるためのタービン羽根が形成されている。

これにより、回転軸をエアタービン駆動とすることができる。エアタービン駆動は電動機駆動の場合に比べて発熱が小さく、かつ回転軸の高速回転が比較的容易となる利点を有している。

上記静圧気体軸受スピンドル装置は、たとえば鉄系合金からなる円柱状のジャーナル軸受部の形状に成形された第１の成形部材と、軽合金からなる円盤状のスラスト板部の形状に成形された第２の成形部材とを準備する成形部材準備工程と、第１の成形部材の端部と第２の成形部材の端面とを摩擦圧接する摩擦圧接工程とを備えた製造方法により製造することができる。これにより、上記特徴を有する本発明の静圧気体軸受スピンドル装置を容易に製造することができる。

以上の説明から明らかなように、本発明の静圧気体軸受スピンドル装置によれば、軽合金からなるスラスト軸受部と鉄系合金からなるジャーナル軸受部とを有する回転軸を備え、かつ当該回転軸において、製造コストを低減しつつ、外径を大きくすることなく十分な内径を確保可能とした静圧気体軸受スピンドル装置を提供することができる。

以下、本発明の一実施の形態における静圧気体軸受スピンドル装置について図に基づいて説明する。図１は、本実施の形態における静圧気体軸受スピンドル装置の構成を示す概略断面図である。また、図２は図１の線分ＩＩ−ＩＩに沿う概略断面図である。図１および図２を参照して、本実施の形態における静圧気体軸受スピンドル装置について説明する。

図１および図２を参照して、本実施の形態の静圧気体軸受スピンドル装置１は、回転軸１０と、回転軸１０を取り囲むハウジング２０とを備えている。回転軸１０とハウジング２０との間には、ハウジング２０に対して回転軸１０を軸方向に垂直な方向（ラジアル方向）に非接触に軸支する静圧気体ジャーナル軸受３１および軸方向（アキシアル方向）に非接触に軸支する静圧気体スラスト軸受３２とが形成されている。さらに、回転軸１０は、円柱状のジャーナル軸受部１１と、ジャーナル軸受部１１の端面に接合されたジャーナル軸受部よりも直径が大きい円盤状のスラスト板部１２とを含んでいる。そして、ジャーナル軸受部１１は、鉄系合金からなっており、スラスト板部１２は、軽合金からなっている。ジャーナル軸受部１１と、スラスト板部１２とは、摩擦圧接により一体に接合されている。

さらに、本実施の形態の静圧気体軸受スピンドル装置１は、図示しないエアコンプレッサなどの支持用気体供給源に接続された支持用気体供給口３４をハウジング２０に備えており、支持用気体供給口３４と静圧気体ジャーナル軸受すき間３１Ｂおよび静圧気体スラスト軸受すき間３２Ｂとはハウジング２０に形成された支持用気体供給路３３により連通されている。そして、支持用気体供給路３３と静圧気体ジャーナル軸受すき間３１Ｂおよび静圧気体スラスト軸受すき間３２Ｂとの連通部には、ジャーナル給気絞り３１Ａおよびスラスト給気絞り３２Ａが形成されている。

さらに、スラスト板部１２の外周面には、吹き付けられた気体を受け、スラスト板部１２を周方向に回転させるためのタービン羽根１６が形成されている。そして、ハウジング２０には、図示しないエアコンプレッサなどのタービン用気体供給源に接続されたタービン用気体供給口４１と、一端においてタービン用気体供給口４１と連通し、他端においてタービンノズル４３と連通するタービン用気体供給路４２とが形成されている。タービンノズル４３はスラスト板部１２の外周面に形成されたタービン羽根１６に対向し、かつタービンノズル４３から噴出されるタービン用気体が、スラスト板部１２の外周にほぼ接する方向に噴出するように形成されている。さらに、ハウジング２０には、スラスト板部１２の外周面と当該外周面に対向する部材との間の空間に連通した排気通路４４が形成されている。

次に、図１および図２を参照して、本実施の形態の静圧気体軸受スピンドル装置１の動作について説明する。図示しない支持用気体供給源から供給された圧縮空気などの支持用気体は、支持用気体供給口３４、支持用気体供給路３３そしてジャーナル給気絞り３１Ａおよびスラスト給気絞り３２Ａを通じて静圧気体ジャーナル軸受すき間３１Ｂおよび静圧気体スラスト軸受すき間３２Ｂに供給される。これにより、回転軸１０とハウジング２０との間の隙間においては、供給された支持用気体により気体膜が形成されて、回転軸１０はハウジング２０に対して非接触かつ回転自在に軸支される。

さらに、図示しないエアコンプレッサなどのタービン用気体供給源から供給されたタービン用気体は、タービン用気体供給口４１からタービン用気体供給路４２を通じてタービンノズル４３に供給される。タービンノズル４３に供給されたタービン用気体は、スラスト板部１２の外周面に形成されたタービン羽根１６に向けて、スラスト板部１２の外周にほぼ接する方向に噴出する。噴出したタービン用気体をタービン羽根１６で受けることにより、スラスト板部１２には回転軸１０の軸まわりに回転する駆動力（トルク）が与えられて、回転軸１０が軸まわりに回転する。なお、回転軸１０に駆動力を与えたタービン用気体は、排気通路４４から静圧気体軸受スピンドル装置１の外部へと排出される。

ここで、前述のようにジャーナル軸受部１１は鉄系合金、たとえばステンレス系合金からなっているため、十分な強度および剛性が確保されている。一方、スラスト板部１２は軽合金、たとえばアルミニウム系合金からなっているため、回転軸１０の質量が減少し、固有振動数が向上するため回転軸１０の最高回転数が向上している。さらに、回転軸１０の慣性モーメントが低減されることにより回転軸１０の起動時間および停止時間が短縮されて、静圧気体軸受スピンドル装置１の稼動効率およびエネルギー効率が上昇している。

また、鉄系合金からなるジャーナル軸受部１１と軽合金からなるスラスト板部１２とが摩擦圧接により一体に接合されているため、融点の差が大きな鉄系合金からなるジャーナル軸受部１１と軽合金からなるスラスト板部１２とを接合する場合であっても十分な強度をもって接合されている。さらに、ジャーナル軸受部１１とスラスト板部１２との接合前に、接合を実施するための精密な加工が必要ないため、加工工程を簡略化することが可能となっている。その結果、製造コストが低減されるため、静圧気体軸受スピンドル装置１は最高回転数が向上し、かつ稼動効率およびエネルギー効率が高いだけでなく、安価となっている。さらに、ジャーナル軸受部１１とスラスト板部１２との接合部分において、ジャーナル軸受部１１の中空部分とスラスト板部１２とが回転軸１０の軸に垂直な方向に重ならないため、加工用スピンドル装置、静電塗装用スピンドル装置など中空部分の内径を大きくする必要がある静圧気体軸受スピンドル装置に好適な、静圧気体軸受スピンドル装置１となっている。なお、摩擦圧接の詳細については後述する。

さらに、図１を参照して、静圧気体軸受スピンドル装置１においては、スラスト板部１２において、ジャーナル軸受部１１の端面に対向する面には、ジャーナル軸受部１１の端面に向けて突出する突出部１５が形成されている。突出部１５の頂面において、スラスト板部１２とジャーナル軸受部１１の端面とは接合されている。これにより、スラスト板部１２とジャーナル軸受部１１との接合部に応力が集中することを回避することができる。

さらに、図１を参照して、静圧気体軸受スピンドル装置１においては、スラスト板部１２は、スラスト板部１２を厚み方向に貫通するスラスト板部貫通孔１４を有している。ジャーナル軸受部１１は、スラスト板部貫通孔１４と連通するジャーナル軸受部連通孔１３を有している。

これにより、摩擦圧接時におけるジャーナル軸受部１１とスラスト板部１２との接合面の温度が接合面内で均一になり、十分な接合面の強度を確保するとともに、回転軸１０の軽量化にも寄与することができる。さらに、図１に示すようにジャーナル軸受部連通孔１３をジャーナル軸受部１１の両端面を貫通するように形成することで、チャック機構や、塗料や溶剤などを回転軸の先端部分に供給するためのパイプなどを回転軸１０に内蔵することも容易となる。

さらに、図１を参照して、静圧気体軸受スピンドル装置１においては、ジャーナル軸受部１１の外周面の一部は、静圧気体ジャーナル軸受３１を構成するジャーナル軸受面１１Ｃとなっている。そして、ジャーナル軸受部１１において、ジャーナル軸受部１１とスラスト板部１２とが接触している部分に隣接する部分には、ジャーナル軸受部１１において、外周面がジャーナル軸受面１１Ｃである部分の外径よりも外径の小さい小径部１１Ａが形成されている。

これにより、ジャーナル軸受部１１とスラスト板部１２との接合部の周辺におけるジャーナル軸受部１１の外周面は、ジャーナル軸受面１１Ｃとはならない。そのため、比較的容易にジャーナル軸受面１１Ｃが高精度に仕上げられている。

次に、本実施の形態における静圧気体軸受スピンドル装置１の製造方法について説明する。図３は、本実施の形態における静圧気体軸受スピンドル装置の製造方法の概略を示す図である。図３を参照して、本実施の形態における静圧気体軸受スピンドル装置の製造方法について説明する。

図３を参照して、まずジャーナル軸受部１１の形状に成形された第１の成形部材と、スラスト板部１２の形状に成形された第２の成形部材とが準備される成形部材準備工程が実施される。具体的には、たとえば鉄系合金であるオーステナイト系ステンレス鋼の棒鋼を素材として、旋削加工などによりジャーナル軸受部１１の概略形状に加工された第１の成形部材が準備される。さらに、たとえば軽合金であるアルミニウム系合金の板材を素材として、旋削加工などによりスラスト板部１２の概略形状に加工された第２の成形部材が準備される。

次に、成形部材準備工程において準備された成形部材であるジャーナル軸受部１１とスラスト板部１２とが摩擦圧接により一体に接合される摩擦圧接工程が実施される。具体的には、ジャーナル軸受部１１とスラスト板部１２との接合面を接触させた状態で、ジャーナル軸受部１１およびスラスト板部１２の一方または両方を回転軸１０の軸周りに回転させることで摩擦熱を発生させる。そして、接合部の温度が材料の融点近傍まで到達した時点でジャーナル軸受部１１およびスラスト板部１２を互いに押し付けあうことで接合が実施される。さらに、摩擦圧接工程においてジャーナル軸受部１１とスラスト板部１２とが一体に接合されて形成された回転軸１０を完成品の形状に仕上げる仕上げ工程が実施される。具体的には、摩擦圧接工程において形成された接合部の返りの除去、ジャーナル軸受面１１Ｃの仕上げなどが実施される。上記成形部材準備工程、摩擦圧接工程および仕上げ工程の詳細については後述する。

さらに、上記工程により作製された回転軸１０と、別途作製されたハウジング２０などとを組み合わせて静圧気体軸受スピンドル装置１を組み立てる組立工程が実施される。以上の工程により、本実施の形態の静圧気体軸受スピンドル装置１を製造することができる。

次に、成形部材準備工程、摩擦圧接工程および仕上げ工程の詳細について説明する。図４は、本実施の形態における静圧気体軸受スピンドル装置の製造方法のうち、成形部材準備工程の詳細について説明するための図である。また、図５は、本実施の形態における静圧気体軸受スピンドル装置の製造方法のうち、摩擦圧接工程の詳細について説明するための図である。また、図６は、本実施の形態における静圧気体軸受スピンドル装置の製造方法のうち、仕上げ工程の詳細について説明するための図である。図４〜図６を参照して、本実施の形態における静圧気体軸受スピンドル装置の製造方法のうち、成形部材準備工程、摩擦圧接工程および仕上げ工程の詳細について説明する。

図４を参照して、成形部材準備工程においては、たとえば両端面を貫通するジャーナル軸受部連通孔１３が形成された中空円筒状のジャーナル軸受部１１の概略形状を有する第１の成形部材と、両端面を貫通するスラスト板部貫通孔１４が形成された円盤状のスラスト板部１２の概略形状を有する第２の成形部材とが、旋削などの機械加工により作製される。第２の成形部材の一方の端面には後述する摩擦圧接工程において圧縮されることを考慮して、圧縮代１２Ａを含む高さａのボス部１５Ａが形成されている。ここで、回転軸１０の最終形状を形成する機械加工などは後述する摩擦圧接工程の後に実施されるため、上述の成形部材の形状は削り代を考慮した概略形状であればよい。そのため、成形部材準備工程は加工が比較的容易であり、低コストで実施することができる。

次に、図５を参照して、摩擦圧接工程においては、成形部材準備工程において準備された成形部材としてのジャーナル軸受部１１の一方の端面とスラスト板部１２に形成されたボス部１５Ａの頂面とが互いに押し付けあうように接触して保持された状態で、軸まわりに相対的に回転される。これにより、接触面において摩擦熱が発生して、当該接触面近傍の温度が上昇する。そして、たとえばジャーナル軸受部１１がステンレス系合金からなり、スラスト板部１２がアルミニウム系合金からなる場合、接触部分の温度がステンレス系合金よりも融点の低いアルミニウム系合金の融点近傍まで上昇した時点で回転が停止され、図５に示すようにジャーナル軸受部１１の一方の端面とボス部１５Ａの頂面とを押し付けあう圧力がさらに加えられてジャーナル軸受部１１とスラスト板部１２とが接合される。このとき、接合面近傍においては材料が押し出されるため、返り１８、１９が形成される。また、前述のように、ボス部１５Ａは圧縮代１２Ａを含む高さａを有しているため、圧縮代１２Ａが接合によって返り１８、１９を形成して消滅した後も、突出部としてのボス部１５Ａは残存している。

ここで、前述の接触面が中実形状であれば、接触面の中心付近は周速が小さいため発熱量が小さい。そのため、接合面において温度が不均一となり、良好な接合状態を得ることは困難である。しかし、本実施の形態においては、接触面が中空形状であるため、接合面における温度の不均一性は小さく、容易に良好な接合状態を得ることができる。また、本実施の形態においては、融点の低いアルミニウム系合金は融点近傍まで加熱された状態で加圧されて接合される。そのため、接合面における汚れや酸化物等の不純物は返り１８、１９に押し出され、接合面においては粗い結晶粒やピンホールの無い良好な接合状態が実現される。

次に、図６を参照して、仕上げ工程においては、摩擦圧接工程において摩擦圧接することにより得られた回転軸１０に対して旋削加工等が実施される。これにより、ジャーナル軸受部１１において、スラスト板部１２と接合された端面とは反対側の端面付近に工具取付け部１７が形成されるとともに、図５に示す前述の返り１８、１９が除去される。また、ジャーナル軸受部１１の外周面に静圧気体ジャーナル軸受を構成するジャーナル軸受面１１Ｃが形成され、ジャーナル軸受部１１において、スラスト板部１２との接合面に隣接する領域には外周面がジャーナル軸受面１１Ｃである部分よりも外径の小さい小径部１１Ａが形成される。さらに、スラスト板部１２の両端面には静圧気体スラスト軸受を構成するスラスト軸受面１２Ｂ、１２Ｃが形成されるとともに、スラスト板部１２の外周面にはタービン羽根１６が形成される。そして、所望の形状に加工された回転軸１０に対して仕上げ加工が実施されることにより、ジャーナル軸受面１１Ｃおよびスラスト軸受面１２Ｂ、１２Ｃの表面が仕上げられる。以上の工程により、仕上げ工程が完了する。

ここで、図４に基づいて説明したボス部１５Ａは上述のように摩擦圧接後も残存しており、上述の旋削加工などにより突出部１５の一部となる。これにより、接合面の汚れや酸化物等の不純物などを接合部の外に押し出す作用が円滑に働き、高い接合強度が得られる。さらに、摩擦圧接後の返り１８、１９が回転軸１０に形成されるため、仕上げ工程における返り１８、１９の除去が容易である。また、ジャーナル軸受部１１において、スラスト板部１２との接合面に隣接する領域には小径部１１Ａが形成されており、小径部１１Ａの外周面および突出部１５の外周面は静圧気体ジャーナル軸受を構成しない。そのため、ジャーナル軸受面１１Ｃの仕上げ加工において、硬度等の異なる小径部１１Ａの外周面および突出部１５の外周面を一体の曲面に仕上げる必要が無い。その結果、ジャーナル軸受面１１Ｃの仕上げ加工を比較的容易に実施することができる。

さらに、上述のように、本実施の形態の静圧気体軸受スピンドル装置１の製造方法においては、ジャーナル軸受部１１およびスラスト板部１２が一体化される前にジャーナル軸受部１１およびスラスト板部１２の概略の形状を形成する加工が実施され、ジャーナル軸受部１１およびスラスト板部１２が一体化された後に精密さを要する加工が実施されている。そのため、ジャーナル軸受部１１およびスラスト板部１２に対して精密さを要する加工を実施した後に、圧入などにより一体化する場合に比べて加工の段取り時間が大幅に短縮される。また、加工を実施する際の加工機械による保持（チャッキング）の自由度や加工方法の選択の幅が増加し、加工時間が短縮される。その結果、静圧気体軸受スピンドル装置１の製造コストを低減することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の静圧気体軸受スピンドル装置は、回転軸と、回転軸の少なくとも一部を取り囲むハウジングとを備え、回転軸とハウジングとの間には、ハウジングに対して回転軸を非接触に軸支する静圧気体軸受が形成された静圧気体軸受スピンドル装置に特に有利に適用され得る。

静圧気体軸受スピンドル装置の構成を示す概略断面図である。 図１の線分ＩＩ−ＩＩに沿う概略断面図である。 静圧気体軸受スピンドル装置の製造方法の概略を示す図である。 静圧気体軸受スピンドル装置の製造方法のうち、成形部材準備工程の詳細について説明するための図である。 静圧気体軸受スピンドル装置の製造方法のうち、摩擦圧接工程の詳細について説明するための図である。 静圧気体軸受スピンドル装置の製造方法のうち、仕上げ工程の詳細について説明するための図である。

符号の説明

１ 静圧気体軸受スピンドル装置、１０ 回転軸、１１ ジャーナル軸受部、１１Ａ 小径部、１１Ｃ ジャーナル軸受面、１２ スラスト板部、１２Ａ 圧縮代、１２Ｂ スラスト軸受面、１３ ジャーナル軸受部連通孔、１４ スラスト板部貫通孔、１５ 突出部、１５Ａ ボス部、１６ タービン羽根、１７ 工具取付け部、１８，１９ 返り、２０ ハウジング、３１ 静圧気体ジャーナル軸受、３１Ａ ジャーナル給気絞り、３１Ｂ 静圧気体ジャーナル軸受すき間、３２ 静圧気体スラスト軸受、３２Ａ スラスト給気絞り、３２Ｂ 静圧気体スラスト軸受すき間、３３ 支持用気体供給路、３４ 支持用気体供給口、４１ タービン用気体供給口、４２ タービン用気体供給路、４３ タービンノズル、４４ 排気通路。

Claims (4)

1. 回転軸と、前記回転軸の少なくとも一部を取り囲むハウジングとを備え、前記回転軸と前記ハウジングとの間には、前記ハウジングに対して前記回転軸を非接触に軸支する静圧気体軸受が形成された静圧気体軸受スピンドル装置であって、
   前記回転軸は、
   円柱状のジャーナル軸受部と、
   前記ジャーナル軸受部の端面に接合された円盤状のスラスト板部とを含み、
   前記ジャーナル軸受部は、鉄系合金からなり、
   前記スラスト板部は、軽合金からなり、
   前記ジャーナル軸受部と、前記スラスト板部とは、摩擦圧接により一体に接合されており、
   前記ジャーナル軸受部の外周面の一部は、前記静圧気体軸受を構成するジャーナル軸受面となっており、
   前記ジャーナル軸受部において、前記ジャーナル軸受部と、前記スラスト板部とが接触している部分に隣接する部分の外径は、前記ジャーナル軸受部において、外周面が前記ジャーナル軸受面である部分の直径よりも小さい、静圧気体軸受スピンドル装置。
2. 前記スラスト板部において、前記ジャーナル軸受部の端面に対向する面には、前記ジャーナル軸受部の端面に向けて突出する突出部が形成され、
   前記突出部の頂面において、前記スラスト板部と前記ジャーナル軸受部の端面とは接合されている、請求項１に記載の静圧気体軸受スピンドル装置。
3. 前記スラスト板部は、前記スラスト板部を厚み方向に貫通するスラスト板部貫通孔を有しており、
   前記ジャーナル軸受部は、前記スラスト板貫通孔と連通するジャーナル軸受部連通孔を有している、請求項１または２に記載の静圧気体軸受スピンドル装置。
4. 前記スラスト板部の外周面には、吹き付けられた気体を受け、前記スラスト板部を周方向に回転させるためのタービン羽根が形成されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の静圧気体軸受スピンドル装置。

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