JP4722340B2

JP4722340B2 - 動圧シール装置及びこれを用いたロータリジョイント装置

Info

Publication number: JP4722340B2
Application number: JP2001240671A
Authority: JP
Inventors: 正和上杉; 正浩角振; 淳長野; 庄太郎溝渕
Original assignee: THK Co Ltd
Current assignee: THK Co Ltd
Priority date: 2001-08-08
Filing date: 2001-08-08
Publication date: 2011-07-13
Anticipated expiration: 2021-08-08
Also published as: KR100941286B1; JP2003056719A; US6726215B2; DE10236021A1; US20030030225A1; DE10236021B4; KR20030014645A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固定部と回転体との隙間を密封するシール装置、更には、固定側部材に形成された配管と回転側部材に形成された配管とを相互に接続して、これら固定側部材と回転側部材との間で流体の受け渡しを行うロータリジョイントに係り、例えば、高速回転する工作機械のスピンドル主軸中に高圧のクーラント液等を送り込むための動圧シール装置及びこれを用いたロータリジョイント装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、研削盤等の工作機械に用いられるスピンドル装置としては、被加工物に対する高精密加工、高能率加工の要請から、小型で且つ主軸回転数の高い装置が必要とされているが、主軸回転数が高いと、ツールとワークとが接触する加工点において大きな加工熱が発生し、この加工熱がツールの切れ味を鈍らせて高精密加工を阻害してしまう。このため、かかる加工点に対してはクーラント液を確実に供給し、加工に伴うワーク及びツールの発熱を抑えてやる必要がある。しかし、高速回転するツールに対して外部からクーラント液を供給したのでは、クーラント液が遠心力によって周囲に飛散してしまい、加工点に対してクーラント液が進入し難く、クーラント液の供給量を多くしても、ツール及びワークの冷却が促進されないといった問題点がある。
【０００３】
このため、近年では、ツールを保持するスピンドル主軸の内部にクーラント液の供給路を形成し、ツールの内部から加工点に対して高圧のクーラント液を到達させることが行われている。この方法は加工点の冷却にすぐれており、高精密加工の要請に応えるものではあるが、高速回転するスピンドル主軸の内部に高圧のクーラント液を供給するためには、スピンドル主軸とその回転を支承する固定ハウジングとの間でクーラント液を漏れなく受け渡すことが可能な高性能のロータリジョイント装置が不可欠である。
【０００４】
従来、このロータリジョイント装置としては、固定ハウジング側に設けられる固定側部材と、軸受を介して上記固定側部材に対して回転自在に支承されると共にスピンドル主軸等の回転体の軸端に設けられる回転側部材と、これら固定側部材と回転側部材との隙間を密封するメカニカルシールとから構成され、回転軸に沿って回転側部材に形成された受給孔に対し、これに対向して固定側部材に形成された供給孔から流体を吹き込むタイプのものが知られている。
【０００５】
しかし、この従来のロータリジョイント装置では、接触式のメカニカルシールによって固定側部材と回転側部材との間における流体の漏れを防止していることから、回転側部材が高速回転するような使用条件下では摩耗が激しく、耐久性に問題があった。また、高圧の流体の受け渡しに使用する場合、メカニカルシールの摺接部はそれだけ高い圧力で摺接することが必要とされるので、耐用周速が小さくならざるを得ず、やはり回転側部材を高速回転するスピンドル主軸等に接続して使用することは不可能であった。
【０００６】
本発明はこのような問題点に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、高速回転する回転体に対して適用することが可能であり、しかも高圧流体の受け渡しに使用する場合であっても、長期にわたって漏れを生じることなく回転側部材と固定側部材との間で目的とする流体の受け渡しを行うことが可能な動圧シール装置及びこれを用いたロータリジョイント装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明の動圧シール装置は、固定部と回転体との隙間を密封するシール装置であって、上記固定部に装着される固定側部材と、上記回転体に装着される回転側部材とを備え、これら固定側部材と回転側部材とを所定の軸受隙間を介して対向させると共に、かかる隙間に潤滑流体を導いて動圧軸受を構成し、この動圧軸受によって上記固定体と回転体との隙間を密封することを特徴とするものである。
【０００８】
また、本発明のロータリジョイント装置は、固定側部材に形成された配管と回転側部材に形成された配管とを相互に接続し、固定側部材と回転側部材との間で目的流体の受け渡しを行うロータリジョイント装置であって、上記固定側部材と回転側部材とを所定の隙間を介して対向させ、かかる隙間に潤滑流体を導いて動圧軸受を構成し、上記固定側部材には、上記動圧軸受の軸受隙間に開口すると共に回転側部材へ目的圧流体を供給する供給孔を形成する一方、上記回転側部材には、やはり上記動圧軸受の軸受隙間に開口して上記供給孔と対向し、かかる供給孔から目的流体を受け取る受給孔を形成したことを特徴とするものである。
【０００９】
このように構成された本発明のロータリジョイント装置において、固定側部材と回転側部材とは所定の隙間を介して対向して動圧軸受を構成しており、これら固定側部材から回転側部材への目的流体の受け渡しは動圧軸受の軸受隙間を貫通するようにして行われる。すなわち、動圧軸受を構成する固定側部材には軸受隙間に開口する供給孔を形成する一方、回転側部材にはやはり動圧軸受の軸受隙間に開口すると共に上記供給孔に対向する受給孔を形成し、これら供給孔と受給孔との間で目的流体の受け渡しが行われるように構成されている。
【００１０】
このとき、動圧軸受を構成する固定側部材と回転側部材との軸受隙間は数μｍと極僅かであり、しかも回転側部材の回転中は該軸受隙間に高圧の流体潤滑膜が形成されていることから、供給孔から噴出された駆動流体が固定側部材と回転側部材の隙間、すなわち動圧軸受の軸受隙間に漏れ出すのを可及的に防止することができ、供給孔から噴出した目的流体の略全量を回転側部材の受給孔に流入させることができる。換言すれば、動圧軸受が目的流体の漏出を防止するシールとしての機能を発揮していることになる。従って、本発明のロータリジョイント装置では固定側部材と回転側部材との間を非接触式のシールで密封しいることになり、回転側部材が高速回転するような使用環境下においても、摩耗を原因としてシール機能が損なわれることはなく、長期にわたって目的流体を漏れなく受け渡しすることができるものである。
【００１１】
また、動圧軸受の軸受隙間に形成される流体潤滑膜の圧力は回転側部材の回転数が高まるにつれ高圧化するので、回転側部材の回転数が高まる程、固定側部材と回転側部材との間におけるシール機能は高まり、高圧の流体を固定側部材から回転側部材へ漏れなく受け渡すことが可能となる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づいて本発明の動圧シール装置及びこれを用いたロータリジョイント装置を詳細に説明する。
図１は本発明の動圧シール装置を含むロータリジョイント装置の簡易的な実施例を示すものである。このロータリジョイント装置は図示外の固定ハウジングと回転軸Ｓとの間で水やクーラント液等の目的流体を受け渡しするために使用され、上記固定ハウジングに装着される固定側部材としての固定スリーブ１と、上記回転軸Ｓに装着されると共に上記固定スリーブ１の中空部内に遊嵌した回転側部材としての回転スリーブ２と、上記回転スリーブ２を軸方向から挟むようにして上記回転軸Ｓに装着された一対のスラスト円板３，３とから構成されている。
【００１３】
上記固定スリーブ１の内周面と回転スリーブ２の外周面は所定の軸受隙間を介して対向しており、これらスリーブ１，２は協働してラジアル動圧軸受を構成している。回転スリーブ２の外周面には回転軸に対して所定の方向へ傾斜した４列の動圧発生用溝２１ａ，２１ｂが形成されており、回転軸Ｓと共に上記回転スリーブ２が回転すると、回転スリーブ２と固定スリーブ１との隙間、すなわちラジアル動圧軸受の軸受隙間に高圧の流体潤滑膜が形成され、回転スリーブ２が固定スリーブ１に対して非接触の状態でその回転を支承されるようになっている。４列の動圧発生用溝のうち、軸方向の両端に位置する２列の動圧発生用溝２１ａは回転スリーブ２の回転に伴い、軸受隙間に存在する潤滑流体を軸方向の両端、すなわち一対のスラスト円板３，３へ向けて加圧している。また、軸方向の中央に位置する２列の動圧発生用溝２１ｂは回転スリーブ２の回転に伴い、軸受隙間に存在する潤滑流体を軸方向の中央、すなわち一対のスラスト円板３，３に挟まれた真ん中へ向けて加圧している。
【００１４】
また、回転軸Ｓに固定された各スラスト円板３は固定スリーブ１と協働してスラスト動圧軸受を構成しており、固定スリーブ１を軸方向の両側から挟み込んでいる。スラスト円板３，３と固定スリーブ１との間には所定の軸受隙間（例えば、９μｍ）が夫々形成されており、この軸受隙間は上記ラジアル動圧軸受の軸受隙間と連通している。スラスト円板３と対向する固定スリーブの軸方向両端面には夫々スパイラル状の動圧発生用溝（図示せず）が形成されている。このスパイラル状の動圧発生用溝は、スラスト円板３の回転に伴って軸受隙間内の潤滑流体を内径側から外径側に向けて吐き出す所謂ポンプアウト型に形成されている。このため、回転軸Ｓと共に上記スラスト円板３が回転すると、各スラスト動圧軸受の軸受隙間に高圧の流体潤滑膜が形成され、固定スリーブ１に対する回転軸Ｓの軸方向の移動が規制されるようになっている。
【００１５】
この実施例のロータリジョイントにおいて、上記ラジアル動圧軸受及びスラスト動圧軸受の軸受隙間に供給される潤滑流体は液体であっても気体であっても差し支えない。これらの潤滑流体は上記固定スリーブ１に穿設された吸入口１１からラジアル動圧軸受の軸受隙間に吸引される。上記吸入口１１は固定スリーブ１に対して放射状に複数形成されており、各吸入口１１は固定スリーブ１の外周面に形成された環状溝１２と連通している。また、これら吸入口１１は回転スリーブ２に形成された動圧発生用溝２１ａと２１ｂの中間の位置に対応してラジアル動圧軸受の軸受隙間に開口している。従って、回転軸Ｓが回転を開始すると、環状溝１２及び吸入口１１を介して潤滑流体がラジアル動圧軸受の軸受隙間に吸引され、高圧の流体潤滑膜が形成される。ラジアル動圧軸受の軸受隙間に吸引された潤滑流体の一部は動圧発生用溝２１ａの働きによってスラスト円板３に向けて加圧され、残りの潤滑流体は動圧発生用溝２１ｂの働きによってスラスト円板３２とは反対方向へ加圧される。
【００１６】
一方、図１及び図２に示すように、上記回転軸Ｓには上記潤滑流体とは別の目的流体を軸方向へ送るための通路４が形成されており、この回転軸Ｓに固定された回転スリーブ２には上記通路４と連通する複数の受給孔２２が放射状に形成されている。これら受給孔２２は上記回転スリーブ２の長手方向を二分する位置、すなわちラジアル動圧軸受の軸方向長さを二分する位置に設けられている。また、上記固定スリーブ１の長手方向を二分する位置には、回転スリーブ２の受給孔２２に対向する供給孔１３が放射状に複数形成されると共に、これら供給孔１３に連通する環状溝１４が固定スリーブ１の外周面に形成されている。従って、上記環状溝１４に対して目的流体を供給すると、かかる目的流体は供給孔１３及び回転スリーブ２の受給孔２２を介して回転軸Ｓの通路４へと送り込まれる。
【００１７】
そして、以上のように構成れされた本実施例のロータリジョイント装置は、高速回転する回転軸Ｓの通路４に対して固定スリーブ１側から目的流体を供給する際に使用される。このとき、固定スリーブ１と高速回転する回転スリーブ２との間には必ず隙間が存在することから、両スリーブ１，２の間に何らシール機構を設けない場合には、目的流体が固定スリーブ１の供給孔１３から回転スリーブ２の受給孔２２に入り込む際に、一部の目的流体が該隙間に漏れ出してしまうことが心配される。
【００１８】
しかし、本実施例のロータリジョイント装置では固定スリーブ１及び回転スリーブ２から構成れされるラジアル動圧軸受を貫通するようにして目的流体の供給経路を設けているので、かかる目的流体を固定スリーブ１の供給孔１３から回転スリーブ２の受給孔２２へ送り込む際に、その漏出を殆ど零に抑えることができる。すなわち、固定スリーブ１及び回転スリーブ２はラジアル動圧軸受を構成しており、固定スリーブ１と回転スリーブ２との間には極僅かな軸受隙間が存在するのみであり、しかも、回転軸Ｓの回転中はこの軸受隙間に高圧の流体潤滑膜が形成されている。従って、固定スリーブ１の供給孔１３から噴出した目的流体はラジアル動圧軸受の軸受隙間に流入することは殆どなく、略全量が供給孔１３の対向位置に形成された回転スリーブ２の受給孔２２に流入することになる。
【００１９】
特に、この実施例では回転スリーブに開設した受給孔２２を両側から挟むようにして一対の動圧発生用溝２１ｂが設けられており、これらの動圧発生用溝２１ｂは吸入口１１からラジアル動圧軸受の軸受隙間に吸い込まれた潤滑流体を受給孔１３に向けて加圧している。従って、目的流体はこの加圧された潤滑流体に阻まれてラジアル動圧軸受の軸受隙間に入り込むことができず、一部の潤滑流体と共に受給孔に流れ込むことになる。つまり、動圧発生用溝２１ｂによって加圧された潤滑流体が目的流体を密封するシール機能を発揮しており、潤滑流体をそのような方向へ加圧する動圧発生用溝２１ｂはシール機構を構成していることになる。
【００２０】
このように、本実施例のロータリジョイント装置では、回転スリーブと固定スリーブとが構成する動圧軸受の軸受隙間に生じる潤滑流体の圧力を利用して目的流体の漏出を防止しており、機械的な摺接を伴わない非接触シールによって目的流体の密封を行っている。このため、経時的な使用によってシール機能が損なわれるといったこともなく、長期使用に十分に耐え得るものとなっている。また、固定スリーブに対して回転スリーブを回転自在に支承している動圧軸受で目的流体の密封を行っていることから、軸受機構とシール機構とが一体化して実現されており、その分だけコンパクトなロータリジョイント装置を提供することができるものである。
【００２１】
図３は、本実施例のロータリジョイント装置と従来のロータリジョイント装置の双方に関し、回転軸の回転数に対する目的流体の供給可能圧力を調べた結果を示すグラフである。この供給可能圧力とは、固定スリーブと回転スリーブとの間で目的流体を密封することができる最大供給圧力であり、この供給可能圧力を超えて目的流体を供給すると、固定スリーブと回転スリーブとの間から目的流体が漏れ出してしまうことになる。実線で示すグラフから明らかなように、本実施例のロータリジョイント装置では回転軸の回転数が上昇するにつれ、目的流体の供給可能圧力、すなわちシール圧力が上昇しており、回転数が上がる程、高圧の目的流体を回転軸の通路に対して供給可能であることが伺われる。
【００２２】
一方、破線で示すグラフから明らかなように、従来のロータリジョイント装置では、スピンドル主軸の回転数が上昇する程、目的流体の供給可能圧力が低下している。これは、回転数が上昇するにつれて、メカニカルシールにおける固定部と回転部との摺接状態が不安定になっており、その分だけ目的流体が漏出してしまっているためと推測される。
【００２３】
これにより、本実施例のロータリジョイント装置は高回転の回転軸に対して高圧の目的流体を供給する用途に適しており、かかる用途では従来の装置と比較して損失なく目的流体の移送を行えることが判明した。
【００２４】
次に、図４は前記実施例のロータリジョイントを工作機械のスピンドル装置に適用した例を示すものである。この適用例ではロータリジョイントがハウジング５内に収容され、かかる装置がスピンドル主軸Ｓをハウジング５に対して回転自在に支承する軸受としての機能も発揮している。スピンドル主軸Ｓの先端にはワーク６の研削加工に用いる砥石７が装着される一方、スピンドル主軸Ｓの後端には軸継手８を介してモータＭが接続されており、モータＭによってスピンドル主軸Ｓを回転させることで砥石７がワーク６の表面を研削加工するように構成されている。尚、ロータリジョイントの構成は前述の実施例と同じなので、図４中に前記実施例と同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００２５】
上記砥石７にはクーラント液を吐き出すための噴出口７０が設けられており、スピンドル主軸Ｓを貫通する通路４内を送られてきたクーラント液が上記噴出口７０から吐き出され、砥石７とワーク６とが接触する加工点に対してクーラント液を直接供給することができるようになっている。上記ロータリジョイントは高速で回転するスピンドル主軸Ｓの通路４に対してハウジング側からクーラント液を供給する目的で使用される。すなわち、この適用例ではクーラント液が前述の目的流体である。尚、この適用例では潤滑流体として水を用いている。
【００２６】
そして、この適用例では、高速回転するスピンドル主軸Ｓに対してハウジング側からクーラント液を漏出なく送り込むことができる他、ハウジング５に対するスピンドル主軸Ｓの支承をもロータリジョイントによって行うことができ、極めてコンパクトな構成でクーラント液が内部から噴出するスピンドル装置を構成することができるものである。
【００２７】
次に、図５も前記実施例のロータリジョイントを工作機械のスピンドル装置に適用した例を示すものである。この第２適用例でもハウジング５０に対するスピンドル主軸Ｓの回転を本発明のロータリジョイントを介して支承している。但し、この適用例ではスピンドル主軸Ｓを駆動するモータＭがハウジング５０に内蔵されており、かかるスピンドル主軸Ｓ上にモータロータＭ_Rが直接固定されている。このため、前述の第１適用例に比べて取り扱いや組み付けが容易なものとなっている。その反面、モータＭで発生した熱量がスピンドル主軸Ｓに流入し易く、スピンドル主軸Ｓを高速回転させた場合に、スピンドル主軸Ｓが熱膨張してワークの加工精度が低下し易いといった問題点も有している。
【００２８】
このため、この第２適用例ではロータリジョイントを介してハウジング５０からスピンドル主軸Ｓ内にクーラント液を導入し、かかるクーラント液をスピンドル主軸Ｓ内で循環させた後に再度ロータリジョイントを介してハウジング５０側へ戻すように構成している。具体的には、スピンドル主軸Ｓに対するロータリジョイント（回転スリーブ２）の装着位置からモータロータＭ_Rの固定位置にかけて、クーラント液の冷却往路５１及び冷却復路５２を形成し、ロータリジョイントを介してこれら往路５１及び復路５２とクーラント液の受け渡しを行うようにした。図６はスピンドル主軸Ｓ内に形成された冷却往路５１及び冷却復路５２を示す断面図である。固定スリーブ１及び回転スリーブ２を介してスピンドル主軸Ｓの冷却往路２に導入されたクーラント液は、かかるスピンドル主軸Ｓ内をモータロータＭ_Rの固定位置まで移動し、モータロータＭ_Rからスピンドル主軸Ｓに流れ込んだ熱量を奪い去る。また、熱を奪い取ったクーラント液はスピンドル主軸Ｓの中心に設けられた冷却復路５２を通り、ロータリジョイントを介してハウジング５０側へ排出される。冷却往路５１は冷却復路５２を取り囲むようにして形成されており、その分だけモータロータＭ_Rからスピンドル主軸Ｓに流入してくる熱量を奪い取り易くなっている。
【００２９】
また、この適用例では固定スリーブ１と回転スリーブ２との間でツール冷却用及びスピンドル主軸冷却用のクーラント液の受け渡しを行わなければならず、そのために回転スリーブ２の表面には各受給孔を挟むようにして最適な形状の動圧発生用溝２１ａ，２１ｂが形成されている。ここで、回転スリーブ２の軸方向の両端に形成された動圧発生用溝２１ａは専ら動圧軸受としての機能を担保するために設けた所謂軸受用であり、また、これら以外の動圧発生用溝２１ｂは専ら高圧のクーラント液が軸受隙間に拡散するのを防止するために設けた所謂シール用である。
【００３０】
そして、この第２適用例においても、高速回転するスピンドル主軸に対してハウジングから高圧のクーラント液を漏出なく送り込むことが可能であり、かかるクーラント液をツール冷却やスビンドル主軸そのものの冷却に利用することが可能となる。また、ハウジングとスピンドル主軸との間でクーラント液の受け渡しを行うロータリジョイント装置そのものがスピンドル主軸の軸受を兼ねているので、極めてコンパクトな構成のスピンドル装置を構成することができるものである。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明の動圧シール装置及びこれを用いたロータリジョイント装置によれば、固定側部材と回転側部材とから構成される動圧軸受の軸受隙間を貫通するようにして目的流体が固定側部材から回転側部材へ受け渡され、この動圧軸受が目的流体の漏出を防止する非接触式シールとしての機能しているので、回転側部材が高速回転するような使用環境下においても、摩耗を原因としてシール機能が損なわれることはなく、高速回転する回転体に対して適用することが可能であり、しかも高圧流体の受け渡しに使用する場合であっても、長期にわたって漏れを生じることなく回転側部材と固定側部材との間で目的とする流体の受け渡しを行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のロータリジョイントの実施例を示す断面図である。
【図２】実施例に係る固定スリーブに形成された供給孔、回転スリーブに形成された受給孔の位置関係を示す断面図である。
【図３】実施例に係るロータリジョイント装置と従来のロータリジョイント装置とに関し、回転スリーブの回転数とシール圧力との関係を示したグラフである。
【図４】本発明のロータリジョイントをスピンドル装置に使用した第１適用例を示す断面図である。
【図５】本発明のロータリジョイントをスピンドル装置に使用した第２適用例を示す断面図である。
【図６】第２適用例におけるスピンドル主軸の軸方向に垂直な断面図である。
【符号の説明】
１…固定スリーブ（固定側部材）、２…回転スリーブ（回転側部材）、３…スラスト円板、１３…供給孔、２１ａ，２１ｂ…動圧発生用溝、２２…受給孔、Ｓ回転軸

Claims

固定側部材に形成された配管と回転側部材に形成された配管とを相互に接続し、固定側部材と回転側部材との間で目的流体の受け渡しを行うロータリジョイント装置であって、
上記固定側部材と回転側部材とを所定の隙間を介して対向させ、かかる隙間に潤滑流体を導いて動圧軸受を構成し、
上記固定側部材には、上記動圧軸受の軸受隙間に開口すると共に回転側部材へ目的流体を供給する供給孔を形成する一方、
上記回転側部材には、上記動圧軸受の軸受隙間に開口して上記供給孔と対向し、かかる供給孔から目的流体を受け取る受給孔を形成し、
上記固定側部材又は回転側部材には、これら部材間の軸受隙間に面して、しかも上記受給孔又は供給孔を挟むようにして一対の動圧発生用溝が形成され、かかる動圧発生用溝は軸受隙間内の潤滑流体を上記受給孔及び供給孔に向けて加圧するパターンに形成されていることを特徴とするロータリジョイント装置。
上記動圧軸受は、固定側部材の内周面と回転側部材の外周面とが所定の軸受隙間を介して対向したラジアル動圧軸受であることを特徴とする請求項１記載のロータリジョイント装置。