JP5607285B2 - 軸受装置 - Google Patents
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Description
本発明は、例えば旋盤、ボール盤、中ぐり盤、フライス盤、研削盤、ホーニング盤、超仕上盤、ラップ盤等で代表される、高速で摺動、回転する工作機械の主軸支持部等に組み込まれる工作機械主軸に用いられる軸受装置に関する。
上記に挙げたような工作機械のスピンドルには、主軸支持用に通常転がり軸受が組み込まれており、一般にアンギュラ玉軸受や円筒ころ軸受等が組み合わされて使用されている。ここで、工作機械の加工精度や生産性は、主軸の回転速度に依存するところが大きく、生産性を高めるためには主軸の回転速度の高速化を図らなければならない。しかし、転がり軸受を高速回転下で使用すると、軸受の発熱が顕著に増大したり、遠心力により転動体と内外輪との間の接触面圧が増大したりするため、スピンドルの使用条件は著しく悪化し、結果として、摩耗や焼付き等に代表される軸受損傷の可能性が高まる。また、高速回転により発熱も大きくなることから、工作機械の熱変形が起こる可能性もあり、加工精度ヘの影響もある。
このような致命的な不具合を軸受に発生させないため、また工作機械全体の熱変形による加工精度の低下をさけるためにも、高速回転下においては適切な潤滑方式を選択して主軸支持用転がり軸受における発熱を極力抑えなければならない。これに対し、高速回転する工作機械の主軸支持用転がり軸受の潤滑には、潤滑油供給に伴う冷却効果が得られることから、オイルエア潤滑法、ノズルジェット潤滑法、アンダーレース潤滑法が採用されている（特許文献１参照）。
特開２００３−２７８７７３号公報
しかるに、特許文献１に見られるように、潤滑油量に着目している従来技術はあるものの、実際の軸受の温度に着目し、適宜適量の潤滑油を供給することを目的としているものはない。上述したような従来技術では、運転中の軸受の温度を直接測定して潤滑油を適宜適量の供給することは難しい。
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、必要な量の潤滑油を供給することにより信頼性を向上させた軸受装置を提供することを目的とする。
本発明の軸受装置は、外輪と、内輪と、両輪間に配置された転動体とを有する転がり軸受と、前記転がり軸受の内部の温度を測定する温度センサと、潤滑ユニットとを有し、工作機械用主軸を保持するために用いられる軸受装置において、
前記転がり軸受の外輪外径面に、前記工作機械主軸の内側ハウジングの内周面が緊密嵌合して固定されており、前記内側ハウジングには冷却溝が形成され、前記冷却溝内を冷却油が循環しており、前記温度センサは前記外輪の軌道面以外の内径面に接着剤で取り付けられており、
前記潤滑ユニットは、前記温度センサが検出した温度に応じた量の潤滑油を前記転がり軸受に供給するようになっており、
前記温度センサは、絶縁膜付きのシリコン基板と、その上に形成された白金薄膜の抵抗パターンのみからなり、基板の表面に塗布したレジストに、マスクを用いて、線幅が狭い一本の線からなるジグザグ形状の微細パターンを露光現像し、更にスパッタリングにより白金被膜を微細パターン上に付着させた後に、残留レジストを除去することで形成されており、前記微細パターンは、一方向の長さの合計長が、前記一方向に直交する他方向の長さの合計長より長いことを特徴とする。
前記転がり軸受の外輪外径面に、前記工作機械主軸の内側ハウジングの内周面が緊密嵌合して固定されており、前記内側ハウジングには冷却溝が形成され、前記冷却溝内を冷却油が循環しており、前記温度センサは前記外輪の軌道面以外の内径面に接着剤で取り付けられており、
前記潤滑ユニットは、前記温度センサが検出した温度に応じた量の潤滑油を前記転がり軸受に供給するようになっており、
前記温度センサは、絶縁膜付きのシリコン基板と、その上に形成された白金薄膜の抵抗パターンのみからなり、基板の表面に塗布したレジストに、マスクを用いて、線幅が狭い一本の線からなるジグザグ形状の微細パターンを露光現像し、更にスパッタリングにより白金被膜を微細パターン上に付着させた後に、残留レジストを除去することで形成されており、前記微細パターンは、一方向の長さの合計長が、前記一方向に直交する他方向の長さの合計長より長いことを特徴とする。
本発明によれば、前記潤滑ユニットは、前記温度センサが検出した温度に応じた量の潤滑油を前記転がり軸受に供給するので、前記転がり軸受の内部の温度を直接且つ精度良く測定することにより、転がり軸受に適宜適量の潤滑油を供給し、これにより高速回転条件下においても十分に長寿命を確保できる軸受装置を提供することができる。
前記温度センサは、基板の表面に塗布したレジストに、マスクを用いて微細パターンを露光現像し、更にスパッタリングにより金属被膜を微細パターン上に付着させた後に、残留レジストを除去することで形成されている。このような温度センサであると、極めて薄く製作できるため大きな取り付けスペースを必要としないので、前記軸受装置の内部において、前記外輪の軌道面以外の内径面に接着剤で取り付けることができ、本来測定したい部位の温度を精度良く測定することができる。
前記軸受装置は、工作機械用主軸に用いられる。
次に、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は、本実施の形態に用いる転がり軸受の軸線方向断面図である。転がり軸受（アンギュラ玉軸受）１６は外輪１６ａと、内輪１６ｂと、両輪１６ａ，１６ｂ間に配置された転動体としての玉１６ｃと、玉１６ｃを周方向に等間隔に保持する保持器１６ｄとを有する。外輪１６ａは、その内周において、軌道面１６ｅを有する。内輪１６ｂは、その外周において、軌道面１６ｆを有する。玉１６ｃは、窒化珪素や炭化珪素等のセラミック製とすることもできる。
外輪１６ａの軌道面１６ｅ以外の内周面に、温度センサＴＳが接着剤で取り付けられている。温度センサＴＳからの配線は、外輪１６ａの内周面から端面を介して外部に引き出されるようになっている。なお図１において、温度センサＴＳの厚さは誇張して示されている。
図２は、温度センサＴＳを拡大して示す斜視図である。図２において、温度センサＴＳは、基板ＴＳａと、基板ＴＳａ上に形成された微細な抵抗パターンＴＳｂとを有する。抵抗パターンＴＳｂは、線幅が狭い白金製の一本の線からなっており、温度に応じて基板ＴＳａに膨張又は収縮が生じることに応じて全長が変わり抵抗値が変化するため、抵抗パターンＴＳｂに電流を流すことで温度を測定することができる。
温度センサＴＳの製造方法について説明する。絶縁膜として酸化膜付きのシリコーン基板（厚さ：２００μｍ）表面上に、厚さ約２μｍのフォトレジスト（東京応化（株）製ＯＦＰＲ８００ＬＢ）をスピンコートにより塗布し、９０℃で８分間プレべーク処理を行った。その後、抵抗パターンＴＳｂに対応するマスクを用いて露光（ユニオン光学（株）製 ＥＭＡ−４００）し、現像液（東京応化（株）製 ＭＮＤ３）を用いて現像した。これを、最後に超純水で６０秒間リンスした。
その後、フォトレジスト上に、スパッタリング法にて厚さ約２５０ｎｍの白金の被膜を付着させ、アセトンによりリフトオフ法を用いて、基板上の残留フォトレジストを除去した。その後、ダイシング装置にて所定のチップサイズに切断した後、チップ上の白金抵抗パターンＴＳｂに配線を行った。温度センサＴＳの作成に、上述した半導体微細加工技術を用いることで、量産性、小型化、及び小型化に伴うセンサの反応性に優れる。
図３は、図１に示す転がり軸受を組み込んだ工作機械用主軸装置の断面図である。主軸装置１００は、外側ハウジングに冷却油を流すジャケット構造を採用した工作機械用の主軸装置であって、曲げに対して柔軟性のあるφ１〜φ３．２ｍｍ（ここでは一例として外径φ１．６ｍｍ、内径φ１．０ｍｍ）のステンレス製の耐圧チューブ１０を主軸装置１００内に取り回し、耐圧チューブ１０をノズルこま１２に接続する構造としている。このステンレス製の耐圧チューブ１０は光輝焼鈍処理を施しており、柔軟であるため、手で容易に曲げることができ、また、圧力による配管膨張が少なく、微量の潤滑油供給に適した配管である。
主軸装置１００は、スピンドル軸１４と、このスピンドル軸を回転自在に支承する複数個（図示例では４個）の転がり軸受１６と、転がり軸受１６の外側を覆う内側ハウジング１８と、主軸装置１００の外側を覆う外側ハウジング２０とを備え、潤滑油の供給源である潤滑ユニット２２から外側ハウジング２０に軸方向に沿って形成された潤滑油供給用の連通孔２４や、内側ハウジング１８に形成された開口部８６を通じて、内側ハウジング１８内に配置されたノズルこま１２まで耐圧チューブ１０により接続されている。即ち、ノズルこま１２は、転がり軸受１６に微量の潤滑油を間欠的に直接噴射供給するノズルである。そして、耐圧チューブ１０は、潤滑ユニット２２の吐出する潤滑油をノズルこま１２まで導く配管である。
外側ハウジング２０は、内側ハウジング１８の外周を包囲する外筒２８、２９と、外筒２９の端面に固着された後蓋３２とから構成されている。転がり軸受１６は、２個づつ組となってスピンドル軸１４の前側と後側とをそれぞれに分担して支承するように、軸方向に所定間隔をおいて配置されており、各転がり軸受１６の外輪外径面は内側ハウジング１８の内周面に緊密嵌合して固定され、最前部の転がり軸受１６の外輪は外輪押さえ３４に当接して回転不可に係止され、最後部の転がり軸受１６の外輪は外輪押さえ３６を介して外筒２８にバネ３８により軸方向に弾性付勢されつつ、回転不可に係止されている。また、各転がり軸受１６の内輪内径面は、スピンドル軸１４の外周面に嵌合により固定され、前側・後側のぞれぞれで、各転がり軸受１６の間に、転がり軸受１６を軸方向に固定するための間座４０が設けられている。
また、図示のように、内側ハウジング１８の外径に冷却溝４２があり、この冷却溝には図示しない冷却ユニットからの冷却油が循環することで外側ハウジング２０の冷却を行っている。即ち、この主軸装置１００は外筒冷却方式による冷却機能を有する構成となっている。なお、本実施形態におけるスピンドル軸１４は水平に支承されているが、例えばマシニングセンタに用いる場合では、垂直或いは傾斜して使用されることもある。
次に、潤滑ユニット２２を説明する。図４は、潤滑ユニット２２の構成を示す図である。この図に示すように、潤滑ユニット２２は、正特性の超磁歪素子からなる棒体４６が、該棒体４６の軸線方向一端部４６ａを予圧調整機構４８を介してケース５０に固定されている。この棒体４６は、磁界が印加されると磁気歪現象（ジュール効果）によって軸線方向に伸長する。
予圧調整機構４８は、例えば回転により棒体４６の軸線方向に突出し、棒体４６の一端部４６ａを押圧可能にしたネジ機構を用いることができる。棒体４６の軸線方向他端部４６ｂには、棒体４６を予圧調整機構４８側に付勢して棒体４６の軸方向に対する隙間（遊び）を生じさせずに圧力伝達する圧力伝達部材５２が配設され、この圧力伝達部材５２を介して棒体４６がピストン５４に接続されている。ピストン５４は、シリンダ５６の内部に摺動自在に配設され、シリンダ５６とピストン５４によりポンプ室を形成している。
このシリンダ５６にはポンプ室に潤滑油を供給するための吸入流路５８が設けられ、吸入流路５８の吸入口５９までの流路の途中には、ポンプ室から潤滑油の流出を阻止する逆止バルブからなる吸入側チェック弁６０が設けられている。また、シリンダ５６にはポンプ室から吐出される潤滑油を排出するための排出流路６２が設けられ、排出流路６２の排出口６３までの流路の途中には、ポンプ室への潤滑油の導入を阻止する逆止バルブからなる排出側チェック弁６４が設けられている。
棒体４６の外周には、同軸状にコイル６６が設けられ、さらにコイル６６の外側には、棒体４６とで磁気回路を形成する磁性材料からなるヨーク６８が設けられている。また、コイル６６には、駆動回路７０が電気的に接続されている。駆動回路７０は、温度センサＴＳから測定した温度に対応した信号を受信して、それに応じて磁界発生のための電流を出力する。この電流がコイル６６に印加されることにより、棒体４６がコイル６６から発生する磁界を受けて伸長することで、吸入流路５８を通じて供給されたポンプ室内の潤滑油が、排出流路６２を通じて排出口６３から排出される。排出された潤滑油は耐圧チューブ１０を通じてノズルこま１２から吐出される。このときの１ショットあたりの吐出量は、０．５〜１０ｍｍ3と微量であり、また、その吐出圧力は１ＭＰａ以上で、間欠的に吐出される。
本発明者らは、上記方法により作製された温度センサＴＳを、外輪１６ａの軌道面１６ｅに取り付けた転がり軸受１６を、図３に示す主軸装置に組み付けて、温度センサＴＳの温度測定結果に基づいて潤滑ユニット２２の潤滑油量を調整して供給した場合（フィードバック制御有り）と、温度に関わらず潤滑ユニット２２の潤滑油を間欠的に供給した場合（フィードバック制御無し）とで、転がり軸受１６の温度変化をシミュレーションした。雰囲気温度２５℃、２０，０００ｒｐｍ、１時間回転させた状態における温度変化のシミュレーション結果を図５に示す。潤滑ユニット２２の潤滑油を間欠的に供給した場合は、一定時間ごとにー定量の潤滑油が供給されるため、軸受温度が安定しにくいという問題がある。これに対し、温度センサＴＳにより温度情報をリアルタイムで測定し、その情報を基に潤滑油の供給タイミング・供給量をコントロールして潤滑ユニット２２から供給した場合は、軸受温度が非常に安定していることがわかる。
以上、本発明を実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定して解釈されるべきではなく、適宜変更・改良が可能であることはもちろんである。例えば、温度センサＴＳからの情報は、有線に限らず無線（ＩＣタグ等）で駆動回路７０に受け渡し、その情報を解析し潤滑ユニット２２から適量の潤滑油が供給することもできる。
１０ 耐圧チューブ
１４ スピンドル軸
１６ 軸受
１６ａ 外輪
１６ｂ 内輪
１６ｃ 玉
１６ｄ 保持器
１６ｅ 軌道面
１６ｆ 軌道面
１８ 内側ハウジング
２０ 外側ハウジング
２２ 潤滑ユニット
２４ 連通孔
２５ 雰囲気温度
２８ 外筒
２９ 外筒
３２ 後蓋
３８ バネ
４０ 間座
４２ 冷却溝
４６ 棒体
４６ａ 軸線方向一端部
４６ｂ 軸線方向他端部
４８ 予圧調整機構
５０ ケース
５２ 圧力伝達部材
５４ ピストン
５６ シリンダ
５８ 吸入流路
５９ 吸入口
６０ 吸入側チェック弁
６２ 排出流路
６３ 排出口
６４ 排出側チェック弁
６６ コイル
６８ ヨーク
７０ 駆動回路
８６ 開口部
ＴＳ 温度センサ
ＴＳａ 基板
ＴＳｂ 抵抗パターン
１４ スピンドル軸
１６ 軸受
１６ａ 外輪
１６ｂ 内輪
１６ｃ 玉
１６ｄ 保持器
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１６ｆ 軌道面
１８ 内側ハウジング
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２８ 外筒
２９ 外筒
３２ 後蓋
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４０ 間座
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４６ 棒体
４６ａ 軸線方向一端部
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６６ コイル
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ＴＳ 温度センサ
ＴＳａ 基板
ＴＳｂ 抵抗パターン
Claims (1)
- 外輪と、内輪と、両輪間に配置された転動体とを有する転がり軸受と、前記転がり軸受の内部の温度を測定する温度センサと、潤滑ユニットとを有し、工作機械用主軸を保持するために用いられる軸受装置において、
前記転がり軸受の外輪外径面に、前記工作機械主軸の内側ハウジングの内周面が緊密嵌合して固定されており、前記内側ハウジングには冷却溝が形成され、前記冷却溝内を冷却油が循環しており、前記温度センサは前記外輪の軌道面以外の内径面に接着剤で取り付けられており、
前記潤滑ユニットは、前記温度センサが検出した温度に応じた量の潤滑油を前記転がり軸受に供給するようになっており、
前記温度センサは、絶縁膜付きのシリコン基板と、その上に形成された白金薄膜の抵抗パターンのみからなり、基板の表面に塗布したレジストに、マスクを用いて、線幅が狭い一本の線からなるジグザグ形状の微細パターンを露光現像し、更にスパッタリングにより白金被膜を微細パターン上に付着させた後に、残留レジストを除去することで形成されており、前記微細パターンは、一方向の長さの合計長が、前記一方向に直交する他方向の長さの合計長より長いことを特徴とする軸受装置。
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