JP5384861B2 - スピンドル装置 - Google Patents

Description

本発明は、給気圧により動作する把持機構を回転軸体の先端に設けてなるスピンドル装置に係り、特に、給気圧を把持機構に供給するための給気圧供給手段を備えたスピンドル装置に関する。

従来、軸受体に軸支された回転軸体の先端にチャックなどの把持機構を取り付け、当該把持機構に保持された工具やワークを加工するためのスピンドル装置が知られている。このようなスピンドル装置では、把持機構を給気圧の有無で動作させる場合があるが、通常、回転軸体を軸支する軸受体の外周部より軸受面を横断して回転軸体の内部に給気圧を供給し、回転軸体を通して上記把持機構に給気圧を伝える構造となっていた（例えば、以下の特許文献１及び２参照）。
特開２０００−２２５５０５号公報 特開２００１−２１９３０２号公報

しかしながら、上記把持機構を備えたスピンドル装置では、軸受体の外周部から給気圧を供給する必要があるので、クリーンルーム等で用いる場合には軸受部の塵埃が外部に漏出したり、給気経路が軸受面を通過することで充分な給気圧を効率的に供給することが難しいなどの問題点があった。特に、流体（気体）静圧軸受などを用いる場合には軸受部の給排気系と上記給気経路が連通して圧力低下を生ずる虞もある。

そこで、本発明は上記問題点を解決するものであり、その課題は、回転軸体の軸受構造と干渉しない方法で充分な給気圧を効率的かつ確実に供給することができるスピンドル装置を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明のスピンドル装置は、回転自在に軸支され、軸線方向の基端に設けられた平坦な基端面と、該基端面に開口する給気開口から内部を貫通して先端に開口する給気通路を備えた回転軸体と、該回転軸体の先端に取り付けられ、前記給気通路を通して供給される給気圧が印加されたときに解放し、前記給気圧が解除されたときに把持する把持機構と、前記給気開口と対向する先端側開口及び反対側の基端側開口を備えた給気通孔が前記軸線方向に貫通形成され、前記先端側開口が開口してなり、前記回転軸体の前記基端面と密接したときに前記先端側開口が前記給気開口に接続されるように構成された平坦な先端当接面を有し、前記回転軸体に対し前記軸線方向の基端側に配置された接続体と、前記軸線方向の基端側に前記基端側開口に連通する給気導入口を備えるとともに、前記軸線方向の先端側に開放されて前記接続体の前記先端当接面が前記回転軸体の前記基端面に密接可能となるように前記接続体を軸線方向に進退可能に収容する空圧シリンダと、を具備し、前記給気導入口から所定の給気圧が供給されると、前記空圧シリンダ内の前記接続体の先端側と基端側の気圧による力の差により前記接続体が先端側へ摺動して前記先端当接面が前記回転軸体の前記基端面に密接し、前記給気通路を介して与えられた前記給気圧により前記把持機構が動作することを特徴とする。

この発明によれば、空圧シリンダの給気導入口を通して接続体の基端側に充分な給気圧が与えられると、接続体が先端側に移動し、その先端当接面が回転軸体の基端面に密接して接続体の給気通孔が回転軸体の給気通路に接続されるため、給気通孔から給気通路に給気圧が供給される。そして、給気圧が回転軸体の給気通路を介して供給されると、把持機構が把持物を解放する。このように、接続体を回転軸体の軸線方向に移動させて接続することで給気圧を把持機構に供給するように構成していることにより、回転軸体の軸受構造を介することなく給気圧を把持機構に供給できるようになるので、気体漏れなどが発生せず、確実に把持機構を動作させることが可能になる。この場合、把持機構は給気圧が解除されたときに把持し、給気圧が印加されたときに解放するように構成されるので、回転軸体の回転駆動状態が解除されたときに接続体を回転軸体に接続して給気圧を供給するように構成すればよいことから、接続体と回転軸体との接続を確実に行うことができる。

本発明においては、前記接続体は、前記基端側開口が開口してなり、前記先端当接面より大きい面積を備え、前記給気導入口から供給される給気圧を受ける基端側受圧面を、前記先端当接面に対し軸線方向の反対側の縁部に有する。これによれば、接続体の基端側受圧面が先端当接面より大きな面積を有することから、接続体の上流側と下流側の圧力が近接しても給気圧による接続体の回転軸体の基端部に対する押圧力が失われることがないので、接続体の動作が阻害されることがないとともに、給気通孔と給気通路の接続状態も確実に維持される。したがって、効率的に充分な給気圧を供給することができるとともに、給気圧自体によって回転軸体と接続体との接続動作を確実に行うことが可能になる。また、先端当接面の面積が小さいために、回転する回転軸体に接続体が当接しても、その回転力による接続体への影響（接続体と空圧シリンダとの間のシール部への負荷等）が低減される。

本発明においては、前記接続体は、前記先端当接面を備えた先端側部分と、前記基端側受圧面を備え前記先端側部分より大径の基端側部分とを軸線方向に有する段付形状に構成され、前記先端側部分と前記基端側部分の間の段差部に軸線方向先端側に開口した環状の凹溝を有するとともに、前記基端側部分の外周面が前記先端側部分の突出量より軸線方向の広い範囲において前記空圧シリンダの内面に対向し、シールリングを介して気密に摺動可能に構成されてなり、前記空圧シリンダには、周囲より内側へ張り出し、前記先端側部分の周囲に配置されるとともに前記基端側部分の先端側に配置される内側張出部が設けられ、前記凹溝内に収容されて前記内側張出部と前記接続体の間に配置され、前記接続体を前記軸線方向の基端側に付勢する弾性部材をさらに具備する。これによれば、接続体が小径の先端側部分と大径の基端側部分とを有する段付形状とされ、空圧シリンダの内側張出部が先端側部分の周囲に配置されるとともに基端側部分の先端側に配置され、この内側張出部と接続体の間に弾性部材が配置され、当該弾性部材が接続体を軸線方向の基端側に付勢するので、接続体に対し回転軸体から離反する方向に安定した付勢力を与えることができる。なお、前記基端側部分の外周面は、さらにガイドリングを介して前記空圧シリンダの内面に対して摺動可能に構成されることが好ましく、また、さらにリング状ばね材を介して摺動可能に構成されることが好ましい。

以下に、本発明に係るスピンドル装置の実施形態について図１及び図２を参照して詳細に説明する。図１は本実施形態のスピンドル装置の全体を示す概略縦断面図、図２は図１中の一点鎖線で囲んだ範囲Ａの拡大図である。

図１に示すように、このスピンドル装置１００は全体形状が直筒状に構成され、この内部に回転軸体１１０が収容され、筒状の軸受体１２０によって回転自在に軸支されている。また、回転軸体１１０の先端（図示上端）１１１には把持機構１３０が取り付けられ、この把持機構１３０は後述する給気圧によって動作する。具体的には、給気圧の有無によって固定部１３１に対して把持部１３２が移動し、これによってワークＷや工具等の被把持物（以下、単にワークＷという。）の着脱動作が可能となるように構成される。すなわち、給気圧が印加されている場合には固定部１３１に対し把持部１３２が移動してワークＷが開放され、給気圧が解除された場合には把持部１３２が戻ってワークＷが固定される。さらに、軸受体１２０の基端側（図示下方）には回転軸体１１０を回転駆動するための回転駆動部が設けられ、この回転駆動部は図示例の場合電動モータ１５０で構成される。この電動モータ１５０はステータ１５１、ロータ１５２及び回転位置センサ１５３を含み、ステータ１５１がハウジングに、ロータ１５２が回転軸体１２０の基端部寄りの部分にそれぞれ固定され、ステータ１５１とロータ１５２は相互に半径方向に対向配置されている。

軸受体１２０は、回転軸体１１０の外周を覆う円筒状の第１軸受部材１２１と、この第１軸受部材１２１の先端側に嵌合固定される第２軸受部材１２２と、第１軸受部材１２１の基端側に嵌合固定される第３軸受部材１２３とを有する。これらの３つの軸受部材の嵌合部にはそれぞれ環状の圧力室１２０ａ及びスロット状の絞り１２０ｂが形成され、絞り１２０ｂは回転軸体１１０の外周面に対向する軸受面に開口し、回転軸体１１０のラジアル軸受を構成する静圧空気軸受が形成される。ここで、圧力室１２０ａには給気経路１０１を通して圧縮空気などの気体が供給され、絞り１２０ｂを通して軸受隙間に供給される。なお、この軸受構造は気体軸受を構成するが、流体軸受であれば、たとえば油等の液体を用いたものであっても構わない。

また、軸受体１２０には上記第２軸受部材１２２に嵌合固定されたスラスト軸受部１２４が１又は複数の部材により設けられ、このスラスト軸受部１２４は回転軸受体１１０に対して軸線方向に対向する絞り１２０ｃを有している。この絞り１２０ｃは上記給気経路１０１から供給される気体を軸線方向に噴出し、回転軸体１１０を軸線方向に軸支する。なお、軸受体１２０の内部は排気経路１０２に連通し、上記絞り１２０ｂ及び１２０ｃを介して軸受隙間に供給された気体が排気経路１０２を介して排出される。

回転軸体１１０には軸線方向に貫通する給気経路１１０ａが設けられ、その基端部１１２には給気経路１１０ａの基端側の開口部である給気開口が中央部に開口してなる基端面１１２ａが形成されている。この基端面１１２ａは平坦に構成される。回転軸体１１０の基端部１１２のさらに基端側には給気圧導入機構１４０が設けられている。この給気圧導入機構１４０には、上記基端面１１２ａと対向する接続体１４１と、この接続体１４１を軸線方向に摺動可能に収容する収容部材１４２及びこの収容部材１４２に嵌合固定される保持部材１４３が設けられている。

上記の収容部材１４２及び保持部材１４３は空圧シリンダを構成し、この空圧シリンダは軸線方向先端側に開口し、上記回転駆動部の内部空間Ｓに開放されている。収容部材１４２は接続体１４１の基端側に形成された給気導入口１４２ａを有し、この給気導入口１４２ａを通して空圧シリンダの内部に給気圧が供給されるようになっている。また、保持部材１４３には収容部材１４２のシリンダ内壁を越えて内側に張り出す内側張出部１４３ａが形成され、この内側張出部１４３ａの内側にシリンダ部の軸線方向の先端側への開口１４３ｂが設けられている。保持部材１４３は内側張出部１４３ａによって接続体１４１（及び後述する弾性部材１４４）をシリンダ部内に保持する機能を有する。

接続体１４１は先端に上記基端面１１２ａと僅かな隙間Ｇを介して対向する先端当接面１４１ｓを有し、この先端接続面１４１ｓは平坦に構成され、接続体１４１が基端側に移動したとき、上記基端面１１２ａと密接するようになっている。これによって、接続体１４１から回転軸体１１０へ確実に給気圧を伝達することができる。接続体１４１は、上記先端当接面１４１ｓを備えた先端側部分１４１Ｘと、上記空圧シリンダの内部に摺動可能に配置された基端側部分１４１Ｙとを有し、先端側部分１４１Ｘは基端側部分１４１Ｙよりも小径に構成され、これにより接続体１４１が全体として段付き円柱状とされる。その結果、先端側部分１４１Ｘの軸線方向先端側に向いた先端当接面１４１ｓに対して、基端側部分１４１Ｙの軸線方向基端側に向いた基端側受圧面１４１ｔの面積が大きく構成される。なお、基端側受圧面１４１ｔには給気導入口１４２ａから給気圧をより効率的に受けるために給気導入口１４２ａに直接に連通する凹所１４１ｄが形成され、この凹所１４１ｄにより給気導入口１４２ａから導入される給気圧が迅速に接続体１４１に印加され、接続体１４１の初動速度が高速化される。なお、この凹所１４１ｄの底面積は先端当接面１４１ｓの面積より大きい。

また、接続体１４１には軸線方向に貫通した給気通孔１４１ａが設けられ、この給気通孔１４１ａは上記先端当接面１４１ｓの中央部に開口する先端側開口と、上記基端側受圧面１４１ｔの中央部に開口する基端側開口とを備えている。接続体１４１（の基端側部分１４１Ｙ）には軸線方向先端側に開口した環状の凹溝１４１ｂが形成され、この凹溝１４１ｂ内にコイルバネからなる弾性部材１４４が収容される。弾性部材１４４は接続体１４１の凹溝１４１ｂの底部と、上記保持部材１４３の上記内側張出部１４３ａとの間に配置され、空圧シリンダに対して接続体１４１を軸線方向の基端側に付勢している。

なお、図２に示すように、接続体１４１の基端側部分１４１Ｙの外周には、空圧シリンダの内壁と摺接するガイドリング１４５ａ、Ｏリングなどのシールリング１４５ｂ及びリング状ばね材１４５ｃが装着され、空圧シリンダと接続体１４１の間の気密性及び摺動性を確保している。

回転駆動部の内部空間Ｓは上記排気経路１０２に連通し、これにより空圧シリンダの軸線方向先端側は間接的に低圧空間（外部空間）に開放された構成となっている。なお、内部空間Ｓを隙間や開口を通して直接外部に連通するように構成してもよい。また、回転軸体１１０と接続体１４１の間隙Ｇは両者が接触しない範囲で小さい方が接続体１４１の所要動作ストロークを小さくし、確実な動作を保障するとともにコンパクトに構成する上で好ましい。

なお、上記の把持機構１３０は、公知のダイヤフラムチャック（既定の供給圧が印加されていないときにはチャック爪等の把持部がワークＷ等の被把持物を把持し、既定の供給圧の印加によってダイヤフラムが撓み、このダイヤフラムに接続された把持部が被把持物を解放するように構成されたもの）などで構成でき、その他、例えば上記供給圧によって動作する空圧シリンダを有するものなど、当業者であれば容易に入手し、製作することができる。

上述のように構成されたスピンドル装置１００においては、給気導入口１４２ａから圧縮空気などの気体を導入して給気圧を供給すると、接続体１４１の先端側の気圧による力と基端側の気圧による力の差により基端側受圧面１４１ｔが押圧されて接続体１４１の先端側当接面１４１ｓが回転軸体１１０の基端部１１２の基端面１１２ａに当接して密接し、接続体１４１の給気通孔１４１ａと回転軸体１１０の給気通路１１０ａとが接続される。また、当該給気圧は接続体１４１の給気通孔１４１ａを通して回転軸体１１０の給気通路１１０ａに供給される。このとき、基端側受圧面１４１ｔは先端当接面１４１ｓより面積が大きいので、給気圧の存在下で回転軸体１１０の基端面１１２ａと先端当接面１４１ｓの間の気圧が一時的に給気圧に近くなるまで上昇しても、接続体１４１は確実に回転軸体１１０に押し付けられ、かつ、上記の接続状態が維持される。これによって、給気圧は回転軸体１１０の給気通路１１０ａを通して把持機構１３０に確実に供給され、当該把持機構１３０は給気圧によって動作する。

また、接続体１４１の回転軸体１１０の基端部１１２への接続動作は、回転軸体１１０に対する回転駆動が停止されてから行えばよいが、状況によっては回転軸体１１０の回転が停止しないうちに接続体１４１が動作する場合も考えられる。この場合には、回転軸体１１０の基端面１１２ａに当接する先端当接面１４１ｓの面積が小さいために、回転する回転軸体１１０に接続体１４１が当接しても、その回転力の伝達度合が軽減されるので、接続体１４１への影響、例えば、接続体１４１に回転軸体１１０と連れ回る回転力が与えられることで接続体１４１と空圧シリンダとの間のシール部１４５ａ，１４５ｂ，１４５ｃに負荷がかかるといったこと等、が低減される。

図示例の場合、回転軸体１１０が回転駆動されているときには給気導入口１４２ａからの給気圧は低くされるため、回転軸体１１０と接続体１４１とが弾性部材１４４の弾性力により離反している。このとき、把持機構１３０に供給される気圧も低いため、ワークＷは固定部１３１と把持部１３２に挟持された状態（把持状態）とされる。回転軸体１１０の回転が停止すると、給気導入口１４２ａから充分な給気圧が供給され、上述のように接続体１４１は回転軸体１１０に当接し、把持機構１３０に供給される気圧が増大するので、把持部１３２が移動してワークＷは解放され、把持動作部１３０から取り外し可能な状態とされる。

本実施形態においては、回転軸体１１０の基端面１１２ａと接続体１４１の先端当接面１４１ｓがそれぞれ平坦に形成されて相互に密接可能な面形状とされているので、回転軸体１１０と接続体１４１の間から気体が漏れにくくなることから、確実に把持機構１３０に給気圧を供給できる。

また、接続体１４１は弾性部材１４４によって回転軸体１１０から離反する方向に付勢されているので、給気圧を低下させたり停止したりするだけで、接続体１４１が回転軸体１１０に当接したまま回転軸体１１０が回転してしまうことが防止される。

尚、本発明のスピンドル装置は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、上記実施形態ではスピンドル装置自体に回転駆動部（駆動モータ１５０）を組み込んでいるが、回転駆動部を外部に設け、回転軸体１１０を外部の駆動力によって回転駆動するように構成してもよい。また、上記実施形態では回転軸体１１０を軸受部１２０によって構成される気体軸受（静圧空気軸受）により回転自在に軸支しているが、気体軸受に限らず、種々の軸受構造で軸支しても構わない。

本考案に係る実施形態のスピンドル装置の全体構成を示す概略縦断面図。 図１の一点鎖線で囲んだ範囲Ａの拡大図である。

１００…スピンドル装置、１１０…回転軸体、１１０ａ…給気通路、１１１…先端、１１２…基端部、１１２ａ…基端面、１２０…軸受体、１３０…動作部、１４０…給気圧導入機構、１４１…接続体、１４１Ｘ…先端側部分、１４１ｓ…先端当接面、１４１Ｙ…基端側部分、１４１ｔ…基端側受圧面、１４２…収容部材、１４２ａ…給気導入口、１４３…保持部材、１４４…弾性部材、Ｗ…ワーク

Claims (3)

1. 回転自在に軸支され、軸線方向の基端に設けられた平坦な基端面と、該基端面に開口する給気開口から内部を貫通して先端に開口する給気通路を備えた回転軸体と、
   該回転軸体の先端に取り付けられ、前記給気通路を通して供給される給気圧が印加されたときに解放し、前記給気圧が解除されたときに把持する把持機構と、
   前記給気開口と対向する先端側開口及び反対側の基端側開口を備えた給気通孔が前記軸線方向に貫通形成され、前記先端側開口が開口してなり、前記回転軸体の前記基端面と密接したときに前記先端側開口が前記給気開口に接続されるように構成された平坦な先端当接面を有し、前記回転軸体に対し前記軸線方向の基端側に配置された接続体と、
   前記軸線方向の基端側に前記基端側開口に連通する給気導入口を備えるとともに、前記軸線方向の先端側に開放されて前記接続体の前記先端当接面が前記回転軸体の前記基端面に密接可能となるように前記接続体を軸線方向に進退可能に収容する空圧シリンダと、
   を具備し、
   前記接続体は、前記基端側開口が開口してなり、前記先端当接面より大きい面積を備え、前記給気導入口から供給される給気圧を受ける基端側受圧面を、前記先端当接面に対し軸線方向の反対側の縁部に有するとともに、前記先端当接面を備えた先端側部分と、前記基端側受圧面を備え前記先端側部分より大径の基端側部分とを軸線方向に有する段付形状に構成され、前記先端側部分と前記基端側部分の間の段差部に軸線方向先端側に開口した環状の凹溝を有するとともに、前記基端側部分の外周面が前記先端側部分の突出量より軸線方向の広い範囲において前記空圧シリンダの内面に対向し、シールリングを介して気密に摺動可能に構成されてなり、
   前記空圧シリンダには、周囲より内側へ張り出し、前記先端側部分の周囲に配置されるとともに前記基端側部分の先端側に配置される内側張出部が設けられ、
   前記凹溝内に収容されて前記内側張出部と前記接続体の間に配置され、前記接続体を前記軸線方向の基端側に付勢する弾性部材をさらに具備し、
   前記給気導入口から所定の給気圧が供給されると、前記空圧シリンダ内の前記接続体の先端側と基端側の気圧による力の差により前記接続体が先端側へ摺動して前記先端当接面が前記回転軸体の前記基端面に密接し、前記給気通路を介して与えられた前記給気圧により前記把持機構が動作することを特徴とするスピンドル装置。
2. 前記基端側部分の外周面は、さらにガイドリングを介して前記空圧シリンダの内面に対して摺動可能に構成されることを特徴とする請求項１に記載のスピンドル装置。
3. 前記基端側部分の外周面は、さらにリング状ばね材を介して前記空圧シリンダの内面に対して摺動可能に構成されることを特徴とする請求項１又は２に記載のスピンドル装置。

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