JP4989140B2

JP4989140B2 - エアスピンドル用駆動装置

Info

Publication number: JP4989140B2
Application number: JP2006195470A
Authority: JP
Inventors: 光佐藤
Original assignee: Oiles Corp
Current assignee: Oiles Corp
Priority date: 2006-07-18
Filing date: 2006-07-18
Publication date: 2012-08-01
Anticipated expiration: 2026-07-18
Also published as: JP2008025607A

Description

本発明は、エアスピンドル用駆動装置に関し、特に、サブミクロンクラスの高回転精度が得られ、超精密加工や超精密測定器等に使用されるエアスピンドル用駆動装置に関する。

従来、超精密加工や超精密測定器、例えば、回転砥石を備えた切削機械、磁気ヘッド、回転粘度計等に、ハウジングの中空部に挿嵌され、空気軸受により浮動状態に支承されたエアスピンドル（空気軸）が用いられ、このエアスピンドルの回転駆動手段として、回転軸にロータを直接ビルトインしたモータや、カップリングを介したベルト等の駆動装置が使用されている。

しかし、回転軸に直接モータのロータをビルトインする駆動手段は、他のものに比較して振動が少なく、高速、高出力であるが、モータのスペースが必要でコンパクトにならない、モータが発熱する、コストが高いなどの問題がある。また、カップリングを介したベルト駆動は、滑りやトルクスリップによる低周波振動の問題があるとともに、機械加工中の騒音も高いため、振動が小さく、騒音を低減することのできるエアスピンドル用駆動装置が求められていた。

そこで、上記問題を解決するため、特許文献１には、ハウジングの中空部に挿嵌され、空気軸受により浮動状態に支承された中空回転軸の頭頂部に、円板状噴射プレートを中空回転軸の軸心に対して垂直方向に軸承し、この円板状噴射プレートの内部に、中空回転軸の軸心を通る気体通路と、この気体通路の両先端部に該気体通路に直交し、かつ、中空回転軸の軸心に対し点対称に分岐路を設け、この分岐路に先端が円板状噴射プレートの側壁を貫通する気体排出路を設け、中空回転軸に圧縮気体を供給し、気体通路、分岐路及び気体排出路を経由して圧縮気体を円板状噴射プレート外へ排出することにより円板状噴射プレートを回転させ、中空回転軸を連れ回り回転するエアスピンドルが提案されている。
特開２００５−１４７３７９号公報

しかし、上記特許文献１に記載のエアスピンドルにおいては、円板状噴射プレートに圧縮気体を供給するにあたって、中空回転軸への圧縮気体の導入をロータリージョイントを介して行っているため、このジョイント部で振動、騒音、発熱、摩擦損失等が発生し、高速かつ高精度の回転を得ることができないという問題があった。

そこで、本発明は、上記従来のエアスピンドルにおける問題点に鑑みてなされたものであって、従来ジョイント部で発生していた諸問題を解消し、高速かつ高精度の回転を維持することができるエアスピンドル用駆動装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、エアスピンドル用駆動装置であって、本体の中空部に挿嵌され、第１の空気軸受により浮動状態で支承される回転軸と、該回転軸の一端に固定され、前記本体に対して浮動状態となるように、第２の空気軸受により支承される第１の板状部材と、該第１の板状部材を囲繞し、前記本体に固定される蓋体と、前記回転軸の他端に固定され、前記本体に対して浮動状態となるように、第３の空気軸受により支承される第２の板状部材と、前記蓋体の外表面から、前記蓋体の前記第１の板状部材と相対向する面上の、前記回転軸の軸心を中心とする円形開口部まで貫通する第１の空気供給路と、前記本体の外表面から前記第１の空気軸受、前記第２の空気軸受及び前記第３の空気軸受の各々まで貫通する第２の空気供給路と、前記第１の空気軸受と前記第２の空気軸受との境界部、及び前記第１の空気軸受と前記第３の空気軸受との境界部の各々から前記本体の外表面に貫通するようにＶ字状に設けられる第１の空気排出路と、前記第１の板状部材に、前記蓋体の前記円形開口部に連通するように設けられる第２の空気排出路とを備え、前記第１の空気供給路を介して供給された空気が、前記第２空気排出路を通過した後、外部に噴出することにより、前記第１の板状部材、前記回転軸及び前記第２の板状部材が回転することを特徴とする。

そして、本発明によれば、第１の空気供給路を介して供給された空気が、前記第２の空気排出路を通過した後、外部に噴出することにより、第１の板状部材、回転軸及び第２の板状部材が回転し、この際、回転軸は、第１及び第２の板状部材以外の部材とは完全に非接触の状態となるため、従来のロータリージョイントを用いた場合のような振動、騒音等が生じることがなく、高速かつ高精度の回転を維持することができる。また、ロータリージョイントを不要としたことにより、従来必要であったロータリージョイントまわりの保守管理が不要となり、摩擦粉が発生することもなく、グリース等による汚染問題も解消され、エアスピンドル用駆動装置全体の部品点数も低減することができる。さらに、蓋体に穿設した第１の空気供給路と、第１の板状部材に穿設した第２の空気排出路とを介して前記第１の板状部材を回転させることができるため、回転機構を構成するにあたり部品の加工も容易となる。
また、前記第１の空気排出路を、前記第１の空気軸受と前記第２の空気軸受との境界部、及び前記第１の空気軸受と前記第３の空気軸受との境界部の各々から前記本体の外表面に貫通するようにＶ字状に設けることで、空気の滞留しやすい上記両境界部から効率よく、また、第１乃至第３の空気軸受から同時に空気を本体の外部に排出することができる。

前記エアスピンドル用駆動装置において、前記第１乃至第３の空気軸受を、多孔質焼結層を有する軸受とすることができる。

また、前記エアスピンドル用駆動装置において、前記回転軸と前記第１の板状部材とが一体に形成されていてもよく、前記回転軸と前記第２の板状部材とが一体に形成されるように構成することもできる。

さらに、前記エアスピンドル用駆動装置において、前記第２の空気供給路の一部を、前記本体の外表面から前記第２の空気軸受及び第３の空気軸受まで各々貫通するようにＴ字状に設けることができる。これにより、第２の空気軸受及び第３の空気軸受に同時に空気を供給することができるとともに、回転軸の加工が容易となる。

また、前記エアスピンドル用駆動装置において、前記第２の空気排出路を、前記回転軸の軸線方向に対して垂直に延設することができる。これにより、第２の空気排出路を最短にすることができ、効率よく第１の板状部材を回転させることができるとともに、第１の板状部材の加工も容易となる。

以上のように、本発明によれば、振動、騒音等の発生を防止することができ、高速かつ高精度の回転を維持することなどが可能なエアスピンドル用駆動装置を提供することができる。

次に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

図１乃至図４は、本発明にかかるエアスピンドル用駆動装置の一実施の形態を示し、この装置１は、大別して、本体２と、回転軸３と、円板部材（第１の板状部材）４と、円板部材４を囲繞し、スペーサ１２を介して本体２に固定されるカバー（蓋体）７と、スラストプレート（第２の板状部材）５と、回転軸３、円板部材４及びスラストプレート５を本体２に対して浮動状態に支承する空気軸受６（６Ａ〜６Ｃ）と、空気軸受６（６Ａ〜６Ｃ）に空気を供給するための給気口８（８Ａ〜８Ｃ）等と、円板部材４を回転させるための空気を供給する給気口１０等で構成される。

本体２は、図１及び図２（ｃ）に示すように、中空円筒状に形成され、外周面に、給気口８Ａを備える。給気口８Ａは、空気軸受６Ｂ、６Ｃに空気を供給するために備えられ、空気供給路２ａ〜２ｃを通じて空気軸受６Ｂ、６Ｃに空気が供給される。また、図２（ａ）に示すように、本体２の外周面には、空気軸受６Ａに空気を供給するための別の給気口８Ｂ、８Ｃが備えられ、これらの給気口８Ｂ、８Ｃと空気軸受６Ａとを連通させるための空気供給路（不図示）が形成される。また、本体２には、空気軸受６Ａ〜６Ｃに供給された空気を排出するための空気排出路２ｄ〜２ｆと、排気口９とが設けられる。

回転軸３は、図２（ｃ）に示すように、中空円筒状に形成され、本体２の中空部に挿嵌され、空気軸受６Ａによって、浮動状態に支承される。

円板部材４は、空気軸受６Ｂによって、本体２に対して浮動状態に支承される。円板部材４は、図３に示すボルト１１Ａを介して回転軸３の右端部に固定され、カバー７の空気供給路７ａと連通して外部に空気を排出するための空気排出路４ａ、及び２対の空気排出路４ｂ、４ｃを備える。これらの空気排出路４ｂ、４ｃは、円板部材４の中心に対して点対称に形成されている。

カバー７は、図１及び図２（ｃ）に示すボルト１１Ｂを介してリング状のスペーサ１２に固定され、スペーサ１２は、図示しないボルトを介して本体２に固定される。これにより、カバー７は、本体２に一体化される。カバー７には、給気口１０からの空気を、円板部材４の空気排出路４ａ及び２対の空気排出路４ｂ、４ｃに供給するための空気供給路７ａが設けられ、空気供給路７ａの左端の開口部は、円板部材４の空気排出路４ａの右端の開口部と相対向し、これらの開口部まわりのカバー７及び円板部材４の相対向する両面は、互いに接触せず、かつ、給気口１０から空気が供給された際に、空気が両開口部から漏れない程度の隙間を有する。また、カバー７には、空気排出路４ｃから噴出した空気を外部に排出するため、空気排出路１３ａと排気口１３とが設けられる。空気排出路１３aの位置は、回転ムラをなくすため、円板部材４が回転した時に、空気排出路４ｃの延長線上にこない位置に設けられる。

スラストプレート５は、中央部に中空部を有する円板状に形成され、空気軸受６Ｃによって、本体２に対して浮動状態に支承される。このスラストプレート５は、図示しないボルトを介して回転軸３の左端部に固定される。

空気軸受６Ａ〜６Ｃは、多孔質焼結層を有し、空気軸受６Ｂ、６Ｃへは、給気口８Ａから空気供給路２ａ〜２ｃを介して常時空気が供給され、本体２と、円板部材４及びスラストプレート５の各々との間に一定の圧力の空気が介在し、本体２に対して、円板部材４及びスラストプレート５が浮動状態で支承される。また、空気軸受６Ａへは、図２（ａ）に示す給気口８Ｂ及び８Ｃから本体２内の空気供給路（不図示）を介して常時空気が供給され、本体２と回転軸３との間に一定の圧力の空気が介在し、本体２に対して回転軸３が浮動状態で支承される。

次に、上記構成を有するエアスピンドル用駆動装置１の動作について、図面を参照しながら説明する。尚、以下の説明においては、この装置１を研磨加工に利用する場合を例にとって説明する。

図２（ｃ）において、スラストプレート５の左表面には、ボルト、治具等を介して研磨対象となるワーク（不図示）を固定する。

図示しない空気ポンプを駆動し、チューブ等を介して給気口８Ａから空気供給路２ａ〜２ｃを通して空気軸受６Ｂ、６Ｃへ空気を供給する。また、同様に、空気軸受６Ａにも図２（ａ）に示す給気口８Ｂ及び８Ｃから、図示しない空気供給路を介して空気を供給する。これにより、本体２と、回転軸３、円板部材４及びスラストプレート５の各々との間に３〜２０μｍの空気層が形成され、回転軸３、円板部材４及びスラストプレート５の各々が本体２に対して浮動状態に支承される。尚、空気軸受６Ａ〜６Ｃからの空気は、空気排出路２ｄ〜２ｆを介して排気口９から本体２の外部に排出される。

次に、研磨加工を行うため、円板部材４を回転させる。図２（ｃ）において、図示しない空気ポンプを駆動し、チューブ等を介して給気口１０から空気を導入すると、導入された空気は、空気供給路７ａを介してを経て、円板部材４の空気排出路４ａ及び２対の空気排出路４ｂ、４ｃを通過し、図２（ｂ）に示すように、矢印Ｘ方向に噴出する。この噴出空気の反力により、円板部材４は、矢印Ｙ方向に回転する。同時に、回転軸３及びスラストプレート５も同方向に回転する。空気排出路４ｃから噴出した空気は、空気排出路１３ａを通って排気口１３から外部に排出される。空気排出路１３aの位置は、回転ムラをなくすため、円板部材４が回転した時に、空気排出路４ｃの延長線上にこない位置に設けられる。

スラストプレート５の回転により、スラストプレート５に装着されたワークも回転し、ワークに研磨パッドを当接させてワークの表面を研磨する。

ワークの研磨加工が終了すると、空気ポンプを停止して給気口１０への空気を導入を停止し、円板部材４等の回転を停止させた後、空気軸受６Ａ〜６Ｃへの空気の供給も停止する。

尚、上記実施の形態においては、空気軸受６Ａ〜６Ｃを多孔質焼結層を有するものとしたが、本発明は、必ずしも多孔質焼結層を有するものに限定されず、本体２に対して回転軸３、円板部材４及びスラストプレート５を３〜２０μｍ程度の空気層を介在させて支承することができる空気軸受を使用することができる。

また、回転軸３と、円板部材４及びスラストプレート５とは、互いにボルト等で一体化する構造ではなく、回転軸３と、円板部材４又はスラストプレート５のいずれか一方とを一体構造とすることもできる。

さらに、空気軸受６Ａ〜６Ｃへの空気供給路２ａ〜２ｃについても、Ｔ字状ではなく、種々の経路を取ることができ、各々の空気軸受６Ａ〜６Ｃに対して個別に空気供給路を設けてもよい。同様に、空気排出路２ｄ〜２ｆについても、各々の空気軸受６Ａ〜６Ｃに対して個別に設けてもよい。

本発明にかかるエアスピンドル用駆動装置の一実施の形態を示す外観斜視図である。本発明にかかるエアスピンドル用駆動装置の一実施の形態を示す図であって、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。本発明にかかるエアスピンドル用駆動装置の一実施の形態を示す図であって、図１のＡ方向から見た側面図である。本発明にかかるエアスピンドル用駆動装置の一実施の形態を示す図であって、図１に示した状態からカバー及びスペーサを取り外した状態を示す斜視図である。

符号の説明

１エアスピンドル用駆動装置
２本体
２ａ〜２ｃ空気供給路
２ｄ〜２ｆ空気排出路
３回転軸
４円板部材
４ａ〜４ｃ空気排出路
５スラストプレート
６（６Ａ〜６Ｃ）空気軸受
７カバー
７ａ空気供給路
８（８Ａ〜８Ｃ）給気口
９排気口
１０給気口
１１Ａ、１１Ｂボルト
１２スペーサ
１３排気口
１３ａ空気排出路

Claims

本体の中空部に挿嵌され、第１の空気軸受により浮動状態で支承される回転軸と、
該回転軸の一端に固定され、前記本体に対して浮動状態となるように、第２の空気軸受により支承される第１の板状部材と、
該第１の板状部材を囲繞し、前記本体に固定される蓋体と、
前記回転軸の他端に固定され、前記本体に対して浮動状態となるように、第３の空気軸受により支承される第２の板状部材と、
前記蓋体の外表面から、前記蓋体の前記第１の板状部材と相対向する面上の、前記回転軸の軸心を中心とする円形開口部まで貫通する第１の空気供給路と、
前記本体の外表面から前記第１の空気軸受、前記第２の空気軸受及び前記第３の空気軸受の各々まで貫通する第２の空気供給路と、
前記第１の空気軸受と前記第２の空気軸受との境界部、及び前記第１の空気軸受と前記第３の空気軸受との境界部の各々から前記本体の外表面に貫通するようにＶ字状に設けられる第１の空気排出路と、
前記第１の板状部材に、前記蓋体の前記円形開口部に連通するように設けられる第２の空気排出路とを備え、
前記第１の空気供給路を介して供給された空気が、前記第２空気排出路を通過した後、外部に噴出することにより、前記第１の板状部材、前記回転軸及び前記第２の板状部材が回転することを特徴とするエアスピンドル用駆動装置。
前記第１乃至第３の空気軸受は、多孔質焼結層を有することを特徴とする請求項１に記載のエアスピンドル用駆動装置。
前記回転軸と前記第１の板状部材とが、又は、前記回転軸と前記第２の板状部材とが一体に形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載のエアスピンドル用駆動装置。
前記第２の空気供給路の一部は、前記本体の外表面から前記第２の空気軸受及び第３の空気軸受まで各々貫通するようにＴ字状に設けられることを特徴とする請求項１、２又は３に記載のエアスピンドル用駆動装置。
前記第２の空気排出路は、前記回転軸の軸線方向に対して垂直に延設されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のエアスピンドル用駆動装置。