JP5541397B2 - 工作機械用主軸装置、及び工作機械 - Google Patents

Description

本発明は、工作機械用主軸装置、及び工作機械に関する。

近年、工作機械用主軸装置としては、ｄｍ・Ｎが１００万〜３００万の高速回転と、低振動が求められており、ビルトインモータ方式を採用するものが多く使用されている。例えば、図１１に記載の主軸装置１００では、工具Ｔが取り付けられる回転軸１０１が前側軸受１０２及び後側軸受１０３を介して外筒１０４に回転自在に取り付けられている。前側及び後側軸受１０２，１０３間には、回転軸１０１の周囲に設けられたロータ１０５と、外筒１０４の内側に冷却ジャケット１０６を介して設けられたステータ１０７と、を備えたビルトインモータ１０８が配置されている。

また、主軸装置１００では、熱変位を防止するため、外筒１０４や冷却ジャケット１０６に形成された冷却経路１０９，１１０によって冷却が行なわれている。さらに、主軸装置１００では、前側軸受１０２及び後側軸受１０３を潤滑するため、外筒１０４に形成された給油経路１１１を介して、動粘度が１０〜３２ｃＳｔと低い潤滑油を用いての微量給脂が行なわれており、軸受内の異常発熱を防止している。

さらに、前側軸受１０２の径方向外方の外筒１０４には、温度センサとしての熱電対１１２が配置されており、軸受１０２の外輪外径面やその近傍の温度を測定して、軸受１０２の焼付き防止を図っている。

また、軌道部周辺に温度センサを取り付け、該温度センサからの検出出力に基づいて給油ユニットのポンプを制御するようにしたものが考案されている（例えば、特許文献１参照。）。

特表２００４−０２５１３０号公報

ところで、工作機械用主軸装置では、高速、高荷重であり、また、過冷却やモータ発熱の影響で軸受の内外輪で温度差が大きくなると、予圧増加などにより軸受の焼付きが起こる可能性がある。また、図１１に示す主軸装置１００では、外輪の外径面を測定する熱電対１１２の応答速度が遅く、軸受１０２の温度を感度良く測定することができないため、軸受の焼付き防止対策にはさらなる改善が求められる。

また、特許文献１に記載の温度センサは、工作機械のスピンドル用軸受に適用できることが記載されているが、温度センサの配線の配索については具体的に記載されていない。工作機械用主軸装置では、配線の取り回しは非常に重要で、特に、複数の軸受を有する場合、主軸内部に位置する軸受のセンサからの配線の取り回しは、潤滑剤の給油通路や冷却通路等を迂回する必要があり、非常に困難であるとともに加工も煩雑であった。

本発明は、前述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、軸受に設けられたセンサによって軸受の状態を検出することができ、且つ、センサの配線を容易に配索することができる工作機械用主軸装置、及び工作機械を提供することにある。

本発明の上記目的は、下記の構成により達成される。
（１） 回転軸と、
該回転軸の周囲に設けられるハウジングと、
前記回転軸と前記ハウジングとの間にそれぞれ配置され、前記回転軸を前記ハウジングに対して回転自在に支持する複数の軸受と、
前記ハウジングにボルト締結され、前記複数の軸受の外輪を軸方向に固定する前蓋又は後側軸受外輪押えと、
軸方向において最も外側に位置する前記軸受の外輪に取り付けられ、該軸受の状態を検出するためのセンサと、
を有する工作機械用主軸装置であって、
前記前蓋又は後側軸受外輪押えと、前記ハウジングの端部との少なくとも一方には、前記センサの配線が前記ハウジングの外側に配索されるように、径方向孔と径方向溝の少なくとも一つが形成されることを特徴とする工作機械用主軸装置。
（２） 前記ハウジングの端部には、前記センサの配線が前記ハウジングの外側に配索されるように、径方向溝と径方向孔の両方が形成されることを特徴とする（１）に記載の工作機械用主軸装置。
（３） （１）又は（２）に記載の前記主軸装置を備えることを特徴とする工作機械。

本発明によれば、センサが軸方向において最も外側に位置する前記軸受の外輪に取り付けられるので、該軸受の状態を検出することができ、また、前記前蓋又は後側軸受外輪押えと、前記ハウジングの端部との少なくとも一方には、前記センサの配線が前記ハウジングの外側に配索されるように、径方向孔と径方向溝の少なくとも一つが形成されるので、該センサの配線を、ハウジングの外部へ容易に配索することができる。

本発明の第１実施形態に係る工作機械用主軸装置の概略図である。 図１の前側軸受近傍を示す要部拡大断面図である。 （ａ）は、図１の前側軸受近傍を示す図２と異なる位相の要部拡大断面図であり、（ｂ）は、（ａ）のIII−III線に沿った断面図である。 図１の前側軸受を示す要部拡大断面図である。 （ａ）は、温度センサのフィルム基板の上に形成した温度センサ部を示す平面図であり、（ｂ）は、フィルム基板の上にフィルムカバーを示す平面図であり、（ｃ）は、（ｂ）のＶ−Ｖ線に沿って切断した、温度センサの断面図である。 （ａ）は、他の温度センサのフィルム基板の上に形成した温度センサ部を示す平面図であり、（ｂ）は、フィルム基板の上にフィルムカバーを示す平面図であり、（ｃ）は、（ｂ）のVI−VI線に沿って切断した、温度センサの断面図である。 本発明の第１実施形態の変形例に係る工作機械用主軸装置の前側軸受近傍を示す断面図である。 本発明の第１実施形態の他の変形例に係る工作機械用主軸装置の前側軸受近傍を示す断面図である。 (ａ)は、第２実施形態に係る工作機械用主軸装置の前側軸受近傍の要部拡大断面図であり、（ｂ）は、（ａ）のIX−IX線に沿った断面図である。 第２実施形態の変形例に係る工作機械用主軸装置の前側軸受近傍の要部拡大断面図である。 従来の主軸装置における断面図である。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態に係る工作機械用主軸装置、及び、工作機械について図面に基づいて詳細に説明する。

図１に示すように、主軸装置２０は、ビルトインモータ方式であり、その軸方向中心部には、中空状の回転軸２２が設けられ、回転軸２２の軸芯には、ドローバ２３が摺動自在に挿嵌されている。ドローバ２３は、工具ホルダ２４に取付けられたプルスタッド２５を、クランプボール２６を介して、ばね部材２７の力によって反工具側方向（図の右方向）に付勢しており、工具ホルダ２４は、回転軸２２のテーパ面２８と嵌合する。工具ホルダ２４には工具Ｔが取り付けられており、この結果、回転軸２２は、一端（図の左側）に工具Ｔをクランプして、工具Ｔを取り付け可能としている。

また、回転軸２２は、その軸方向中間位置Ｃに対して同じ工具側を支承する２列の前側軸受６０，７０と、反工具側を支承する１列の後側軸受８０とによって、ハウジングを構成する外筒２９に回転自在に支持されている。なお、前側軸受６０，７０は、本発明の第１軸受をなす前側第１軸受７０と、本発明の第２軸受をなす前側第２軸受６０とからなり、前側第１軸受７０は、前側第２軸受６０に対して軸方向中間位置Ｃ寄り（奥側）に配置される。

前側軸受６０，７０と後側軸受８０間における回転軸２２の外周面には、ロータ３０が外嵌されている。また、ロータ３０の周囲に配置されるステータ３２は、ステータ３２に焼き嵌めされた冷却ジャケット３３を外筒２９に内嵌することで、外筒２９に固定される。従って、ロータ３０とステータ３２はモータを構成し、モータ制御部３１によってステータ３２に電力を供給することでロータ３０に回転力を発生させ、回転軸２２を回転させる。

また、外筒２９と反工具側で固定されたハウジングを構成する後蓋３４には、工具アンクランプピストン３５を摺動自在に内嵌したハウジングを構成する工具アンクランプシリンダ３６が固定されている。よって、工具を交換する際には、図示しない油路から油圧室３８に作動油を導き、工具アンクランプピストン３５を工具側（図の左側）へ前進させることにより、ドローバ２３を工具側（図の左側）へ前進させて、工具Ｔをアンクランプする。

図２及び図３に示すように、前側軸受６０，７０は、外輪６１，７１と、内輪６２，７２と、接触角を持って配置される転動体としての玉６３，７３と、玉６３，７３を略等間隔で保持する外輪案内の保持器６４，７４と、をそれぞれ有するアンギュラ玉軸受である。後側軸受８０は、図１に示すように、外輪８１と、内輪８２と、転動体としての円筒ころ８３と、円筒ころ８３を略等間隔で保持する外輪案内の保持器（図示せず）と、を有する円筒ころ軸受である。

前側軸受６０，７０の外輪６１，７１は外筒２９に締結固定された前側ハウジング５０に内嵌されており、且つ前側ハウジング５０にボルト締結された前蓋５１によって外輪間座４０を介して外筒２９に対し軸方向に固定されている。また、前側軸受６０，７０の内輪６２，７２は、回転軸２２に外嵌されており、且つ回転軸２２に締結されたナット４１によって内輪間座４２を介して回転軸２２に対し軸方向に固定されている。なお、前側ハウジング５０及び前蓋５１もハウジングを構成する。

さらに、図１に示すように、各外輪６１，７１とその間に配置される外輪間座４０には、外輪６１と外輪間座４０の各外周面の溝に、及び外輪７１と外輪間座４０の各外周面の溝に側面視Ｃ形状の一対のスナップリング６５，７５がそれぞれ掛け渡されている。これにより、各外輪６１，７１と外輪間座４０との互いの周方向における位相ずれを防止している。

後側軸受８０の外輪８１は後蓋３４に内嵌されており、且つ後蓋３４にボルト締結された後側軸受外輪押え４３によって後蓋３４に固定されている。後側軸受８０の内輪８２は、回転軸２２とテーパ嵌合されており、回転軸２２に締結された他のナット４５によって、内輪間座４６を介して位置決めされている。

ここで、冷却ジャケット３３や前側ハウジング５０には冷却溝３３ａ，５０ａが形成されており、供給される冷却油によって主軸装置２０の各構成部品を冷却し、これら構成部品の熱変位を防止している。

また、図１に示すように、外筒２９、後蓋３４、前側ハウジング５０には、前側軸受６０，７０及び後側軸受８０をそれぞれ潤滑するための複数の給油通路９０が形成されており、これら通路９０の一端側には、潤滑油を送り込む潤滑装置９１が図示しない配管を介してそれぞれ取り付けられている。なお、潤滑装置９１によって供給される潤滑方式は、オイル潤滑であればよく、オイルエア潤滑、オイルミスト潤滑、直噴潤滑等のいずれであってもよい。

各給油通路９０の他端側には、潤滑ノズル９２が取り付けられており、潤滑装置９１によって送られた潤滑油を各軸受６０，７０，８０の軸受空間内に供給する。具体的に、図２に示すように、前側軸受６０，７０では、潤滑ノズル９２は、前側ハウジング５０に収容され、且つ、ノズル先端が内輪間座４２及び外輪間座４０内に位置するように外輪間座４０に形成された貫通孔４０ａから突出しており、潤滑油は各軸受６０，７０の反カウンタボア側から軸受空間内に供給される。これにより、潤滑油がカウンタボア側に配置される後述の温度センサ５２に直接吐出されることがなく、温度測定への影響を抑えることができる。なお、前側軸受６０の潤滑ノズル９２が突出する貫通孔４０ａは、外輪間座４０のスナップリング６５が位置しない外周面に形成されている。

図２〜図４に示すように、前側軸受６０，７０の外輪６１，７１には、カウンタボア側の内周面６１ａ，７１ａの一部にセンサ収容溝６１ｃ，７１ｃが形成されている。そして、これらセンサ収容溝６１ｃ、７１ｃの平坦面には、温度センサ５２，５２がカウンタボア側内周面６１ａ，７１ａから径方向内方に突出しないように貼り付けられている。これにより、軸受空間内の潤滑油の滞留を防ぎ、異常昇温のリスクを低減できる。

前側第２軸受６０の温度センサ５２は、電気配線５３ａを介して温度検出部５４に接続されている。電気配線５３ａは、前蓋５１に形成される開口溝（径方向溝）５１ａから、前側ハウジング５０の端部に形成された径方向溝５０ｄ、及び前側ハウジング５０の端部に形成された配線通路をなす径方向孔５０ｂを通過して前側ハウジング５０の外側へ配索されている。

前側軸受６０，７０間の外輪間座４０には、周方向の一部に、前側第１軸受７０寄りの軸方向端面から切欠かれた切欠き部４０ｂが形成されている。切欠き部４０ｂは、スナップリング６６が位置しない外周面に形成されている。また、前側第２軸受６０、及び前側軸受６０，７０間の外輪間座４０と対向する前側ハウジング５０の内周面の周方向一部には、径方向孔５０ｂまで軸方向に延びる配線通過部としての軸方向溝５０ｃが形成されている。このため、前側軸受７０の配線５３ｂは、外輪間座４０の切欠き部４０ｂ及び前側ハウジング５０の軸方向溝５０ｃを通過して、前側軸受６０のカウンタボア側へ配索され、さらに、前側ハウジング５０の径方向孔５０ｂを通過して、前側ハウジング５０の外側へ配索される。

なお、電気配線５３ａ，５３ｂは、温度センサ５２と温度検出部５４との間を直接接続する方法以外に、軸受端部近傍から温度検出部５４の測定アンプまでの間で、必要に応じて、オスメス継手（ソケット・コネクタ等）等により、分離線を接続する形態でもかまわない。

図５（ａ）〜（ｃ）のように、温度センサ５２は、耐熱性及び可撓性を有する高分子材料（ポリイミド（ＰＩ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）等の合成樹脂）からなるフィルム基板５５と、フィルム基板５５上に形成された白金等からなる膜状の温度センサ部５６と、温度センサ部５６が形成されたフィルム基板５５を覆うように配置された同種の高分子材料（合成樹脂）からなるフィルムカバー５７と、を備えるＭＥＭＳセンサであり、全体として平面が矩形状で厚さが薄くかつ可撓性のある構成となっている。

膜状の温度センサ部５６は、図５（ａ）のように、全体の幅ａでかつ幅ｂの帯状部から構成され、幅ｂの帯状部は全体の帯状長さを長く確保するために複数箇所で折り返されている。膜状の温度センサ部５６の図の左右端下側に位置する幅ｂの帯状部の両端に、一対の配線取付部５８，５８が幅ｂよりも広幅に設けられている。

フィルム基板５５を覆うフィルムカバー５７には、図５（ａ）の一対の配線取付部５８，５８に対応する位置に、図５（ｃ）のように孔５９が形成されることで、図５（ｂ）のように一対の配線取付部５８，５８がフィルムカバー５７の表面に露出している。なお、図６（ａ）〜（ｃ）に示すように、一対の配線取付部５８が表面にて露出するように、フィルムカバー５７を配置してもよい。一対の配線取付部５８，５８に、一対の電気配線５３が電気接続される。温度検出部５４では、温度変化により変化する温度センサ部５６の抵抗値に基づいて温度測定が行われる。

このように温度センサ５２は、フィルム基板５５に形成した膜状の温度センサ部５６とフィルムカバー５７の表面に露出する配線取付部５８とから構成されるため、従来のチップ型積層サーミスタよりも薄く可撓性があり、かつ、小型であるので、温度センサ５２の取付位置に制約がなくなる。従って、温度センサ５２を外輪６１，７１と玉６３，７３との接触点ｐ近傍に配置することができ、冷却油の影響を抑えた温度測定が可能で、温度検知のレスポンスが良好となる。また、膜状の温度センサ部５６をフィルムカバー５７で覆うので、温度センサ５２の劣化のおそれが少なく、また、温度センサ５２全体が可撓性のある構造なので、割れのおそれもなく、耐久性を向上できる。

特に、温度センサ５２は、外輪６１，７１のカウンタボア側の内周面６１ａ，７１ａのセンサ収容溝６１ｃ、７１ｃに取り付けられるので、保持器案内面を構成する反カウンタボア側の内周面６１ｂ，７１ｂで外輪案内される保持器６４，７４との干渉を確実に防止することができる。
なお、温度センサ５２としては、上述したもの以外に、熱電対、サーミスタ等の他の部材を用いた膜状のセンサを使用してもよい。

また、温度検出部５４において、測定された温度データに基づいて軸受６０，７０の異常昇温が検出された時には、軸受６０，７０の焼付きを防止するように軸受６０，７０の運転状態を制御する。具体的には、図１に示すように、モータ制御部３１によって主軸の回転を減速、或いは停止させたり、潤滑装置９１によって潤滑油の吐出タイミングや潤滑油量をコントロールする。

従って、本実施形態の工作機械用主軸装置２０によれば、前側ハウジング５０には、前側第１軸受７０に設けられた温度センサ５２の配線５３ｂを、前側第２軸受６０の前側第１軸受７０と軸方向反対側、即ち、前側第２軸受６０のカウンタボア側へ配索可能な軸方向溝５０ｃが形成されるので、前側第１軸受７０に設けられた温度センサ５２によって前側第１軸受７０の温度状態を検出することができ、且つ、前側第１軸受７０の温度センサ５２の配線５３ｂを前側第２軸受６０を越えて容易に配索することができる。

また、回転軸２２の軸方向中間位置Ｃに対して同じ側に配置される前側軸受６０，７０において、奥側の前側第１軸受７０の温度センサ５２の配線５３ｂを手前側の前側第２軸受６０を越えて軸方向一端側へ配索することができる。特に、回転軸２２にロータ３０が設けられる本実施形態のようなモータビルトインタイプの場合には、ロータ３０に近い前側第１軸受７０の配線５３ｂの配索が容易となり、焼付きが発生しやすい前側第１軸受７０の温度状態を検出することができる。

さらに、前側第２軸受６０には、前側第２軸受６０の状態を検出するための他の温度センサ５２を備えており、前側第１軸受７０の温度センサ５２の配線５３ａと、他の温度センサ５２の配線５３ｂとを同じ軸方向位置からハウジングの外側に取り出すことができる。

なお、図７に示す変形例のように、前蓋５１に形成される開口溝５１ａを配線５３ａ，５３ｂが取り出される位置を繋ぐように周方向に延ばし、前側第２軸受６０の温度センサ５２の配線５３ａが通過する径方向孔５０ｂに、前側第１軸受７０のカウンタボア側へ配索された、前側第１軸受７０の温度センサ５２の配線５３ｂが通過するようにすれば、２つの配線５３ａ，５３ｂを集約して、取り回しの構造を簡潔化することができる。

また、図８に示す他の変形例のように、スナップリング６５，７５の代わりに、各外輪６１，７１とその間に配置される外輪間座４０には、外輪６１と外輪間座４０の対向する各軸方向端面の穴に、及び外輪７１と外輪間座４０の対向する各軸方向端面の穴にそれぞれ跨る位置決めピン６６，７６を配置してもよい。この場合にも、各外輪６１，７１と外輪間座４０との互いの周方向における位相ずれを防止することができる。

（第２実施形態）
図９は、本発明の第２実施形態に係る工作機械用主軸装置を示す。なお、本実施形態では、温度センサの配線の取り回し構造が第１実施形態のものと異なるのみである。そのため、第１実施形態と同等部分については、同一符号を付して説明を省略或いは簡略化する。

この実施形態では、外輪間座４０には、切欠き部４０ｂから軸方向に延びる軸方向溝４０ｃが形成されている。また、前側第２軸受６０ａでは、軸方向溝４０ｃと同位相となる外周面の一部に軸方向に亙って配線通過部としての軸方向溝６１ｄが形成されている。また、第１実施形態と同様、前側第２軸受６０ａの外輪６１、外輪間座４０、前側第１軸受７０の外輪７１は、スナップリング６５，７５によって互いの周方向における位相ずれが防止されており、外輪間座４０の軸方向溝４０ｃと外輪６１の軸方向溝６１ｄは、スナップリング６５が位置しない外周面に形成されている。

このため、前側第１軸受７０の温度センサ５２の配線５３ｂは、外輪間座４０の切欠き部４０ｂ及び軸方向溝４０ｃと、前側第２軸受６０ａの軸方向溝６１ｄを通過して、前側第２軸受６０ａのカウンタボア側へ配索され、前側ハウジング５０の径方向孔５０ｂを通過して、前側ハウジング５０の外側へ配索される。

従って、本実施形態においても、前側第１軸受７０の温度センサ５２の配線５３ｂを前側第２軸受６０ａを越えて、前側第２軸受６０ａのカウンタボア側へ容易に配索することができる。
その他の構成及び作用については、第１実施形態のものと同様である。また、本実施形態においても、スナップリング６５，７５の代わりに、図８に示した位置決めピン６６，７６によって前側第２軸受６０ａの外輪６１、外輪間座４０、前側第１軸受７０の外輪７１の互いの周方向における位相ずれを防止してもよい。

なお、図１０に示す変形例のように、外輪間座４０には、切欠き部４０ｂから軸方向に延びる軸方向孔４０ｄが形成され、前側第２軸受６０ａ´には、軸方向孔４０ｄと同位相となる位置に軸方向に亙って配線通過部としての軸方向孔６１ｅが形成されてもよい。

この場合にも、前側第１軸受７０の温度センサ５２の配線５３ｂは、外輪間座４０の切欠き部４０ｂ及び軸方向孔４０ｄと、前側第２軸受６０ａ´の軸方向孔６１ｅを通過して、前側第２軸受６０ａ´のカウンタボア側へ配索され、前側ハウジング５０の径方向孔５０ｂを通過して、前側ハウジング５０の外側へ配索される。

尚、本発明は、前述した各実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。
本発明は、２列の前側軸受６０，７０に適用されているが、２列以上の軸受に対して適用可能であり、２列以上の後側軸受８０を有する場合にも適用可能である。また、各軸受の種類も任意に設定可能である。
また、本発明の回転軸は、工具が取り付けられるもののほか、加工物が取り付けられるものであってもよい。
なお、本発明のセンサとしては、温度センサに限定されるものでなく、速度センサや加速度センサや荷重センサ等、軸受に配置される任意のセンサが適用可能である。
さらに、第１実施形態では、配線通過部として、前側ハウジング５０に軸方向溝５０ｃを形成しているが、前側ハウジング５０に互いに貫通する径方向孔と軸方向孔を設け、外輪間座４０の切欠き部４０ｂからの配線５３ｂを前側第２軸受６０のカウンタボア側へ配索するようにしてもよい。

２０ 主軸装置
２２ 回転軸
３０ ロータ
３２ ステータ
４０ 外輪間座
４２ 内輪間座
５０ 前側ハウジング（ハウジング）
５０ｃ 軸方向溝（配線通過部）
５２ 温度センサ
５３ａ，５３ｂ 電気配線
６０，６０ａ，６０ａ´ 前側第２軸受（アンギュラ玉軸受）
７０ 前側第１軸受（アンギュラ玉軸受）
６１，７１ 外輪
６１ｄ 軸方向溝（配線通過部）
６１ｅ 軸方向孔（配線通過部）
８０ 後側軸受（円筒ころ軸受）

Claims (3)

1. 回転軸と、
   該回転軸の周囲に設けられるハウジングと、
   前記回転軸と前記ハウジングとの間にそれぞれ配置され、前記回転軸を前記ハウジングに対して回転自在に支持する複数の軸受と、
   前記ハウジングにボルト締結され、前記複数の軸受の外輪を軸方向に固定する前蓋又は後側軸受外輪押えと、
   軸方向において最も外側に位置する前記軸受の外輪に取り付けられ、該軸受の状態を検出するためのセンサと、
   を有する工作機械用主軸装置であって、
   前記前蓋又は後側軸受外輪押えと、前記ハウジングの端部との少なくとも一方には、前記センサの配線が前記ハウジングの外側に配索されるように、径方向孔と径方向溝の少なくとも一つが形成されることを特徴とする工作機械用主軸装置。
2. 前記ハウジングの端部には、前記センサの配線が前記ハウジングの外側に配索されるように、径方向溝と径方向孔の両方が形成されることを特徴とする請求項１に記載の工作機械用主軸装置。
3. 請求項１又は２に記載の前記主軸装置を備えることを特徴とする工作機械。

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