JP5617229B2 - エアスピンドル及びエア供給装置 - Google Patents

Description

本発明は、エアスピンドル及びエア供給装置に係り、特に直角度測定機等の測定物固定用のテーブルを回転自在に支持するエアスピンドル及びエア供給装置に関する。

エアスピンドルは、半導体の加工、レンズの加工、ディスクの検査等の装置に使用され、非常に高い精度の平面度、平行度、直角度が要求される。

従来、この種のエアスピンドルとしての静圧軸受スピンドル１００は、図５に示すように、例えば主軸（ロータ）１０１の外表面と微小な軸受隙間をもって対向する軸受面を有するハウジング１１０に固定された軸受部（ステータ）１０２を具備して構成される。そして、静圧軸受スピンドル１００は、その軸受部１０２の軸受面に開口する給気絞りから圧縮空気を主軸１００と軸受部１０２との隙間に供給することにより、主軸１０１を非接触支持するように構成される。また、静圧軸受スピンドル１００では、軸受部１０２の上端部、下端部及び内径部に形成されるエア供給孔（不図示）からの圧力エアが、スラスト上板１０６と軸受部１０２の上端部との隙間１１１と、スラスト板下１０７と軸受部１０２の下端部との隙間１１２、主軸１０１と軸受部１０２の内径部との隙間１１３に供給される（特許文献１あるいは特許文献２）。

この結果、静圧軸受スピンドル１００では、エア供給孔から供給される圧力エアの圧力によって、モーメント剛性（主軸１０１の倒れに対する剛性）と、ラジアル剛性（軸受部１０２に対する主軸１０１の求心力剛性）とが所定の強度で保持される。

このような静圧軸受スピンドル１００において、例えばスラスト負荷容量を大きくするには、単純にはスラスト上板１０６及び軸受部１０２の径を大きくすればよい。

特開平６−２０７６１７号公報 特開平１１−１０１２３８号公報

しかしながら、軸受部１０２等の径が大きくなればなるほど、エア圧のバランス、スラスト上板１０６の自重による径方向変形等により、要求される平面度、平行度、直角度の精度を維持することが難しいといった問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、所望の精度を保持し、かつスラスト負荷容量を高めたエアスピンドル及びエア供給装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明のエアスピンドルは、回転軸と軸受部とのラジアル方向隙間に圧力エアを噴出するラジアル方向エア噴出手段と、前記軸受部の上下端部と該上下端部に対向しかつ前記回転軸に上下端部に固着されたスラスト上板及びスラスト下板とのスラスト方向隙間に圧力エアを噴出するスラスト方向エア噴出手段と、を備え、前記ラジアル方向及びスラスト方向隙間を所定の精度で確保して前記回転軸を非接触で回転自在に支持するエアスピンドルにおいて、前記スラスト方向エア噴出手段は、前記軸受部の上下端部の内周側に設けられ、前記圧力エアの噴出により所定のスラスト負荷容量を生成する内周側負荷容量生成手段と、前記内周側エア供給手段よりも前記軸受部の少なくとも上端部の外周側に設けられ、前記圧力エアの噴出により前記所定のスラスト負荷容量に加算される加算スラスト負荷容量を生成する外周側負荷容量生成手段と、を備えて構成される。

これによれば、前記軸受部の上下端部の内周側に設けられた前記内周側負荷容量生成手段が前記圧力エアの噴出により所定のスラスト負荷容量を生成し、前記内周側負荷容量生成手段よりも前記軸受部の少なくとも上端部の外周側に設けられた前記外周側負荷容量生成手段が前記圧力エアの噴出により前記所定のスラスト負荷容量に加算される加算スラスト負荷容量を生成することで、安価でかつスラスト負荷容量を高めることができる。

上述のエアスピンドルにおいて、前記外周側負荷容量生成手段は、前記軸受部の少なくとも上端部の外周側の同心上に等分配置された複数のパッド型エアベアリングから構成されることが好ましい。

上述のエアスピンドルにおいて、前記複数のパッド型エアベアリング間に設けられ、前記回転軸の回転を制動する複数のブレーキ用エアベアリングをさらに備えることが好ましい。

上述のエアスピンドルにおいて、前記ブレーキ用エアベアリングは、前記圧力エアの噴出時には少なくとも前記スラスト上板に当接し、かつ前記圧力エアの遮断時には前記スラスト上板から離間して、前記回転軸の回転を制動することが好ましい。

上述のエアスピンドルに圧力エアの供給するエア供給装置であって、前記圧力エアの供給圧力を第１の圧力に設定し、内周側負荷容量生成手段に供給する第１のレギュレータと、前記第１の圧力による内周側負荷容量生成手段への前記圧力エアの流量を測定する流量計測手段と、前記流量計測手段の計測結果に基づいて、前記供給圧力を前記流量計測手段の計測結果に基づいた第２の圧力に設定し、外周側負荷容量生成手段に供給する第２のレギュレータと、を備えて構成される。

以上説明したように、本発明によれば、所望の精度を保持し、かつスラスト負荷容量を高めることができるという効果がある。

本発明の実施形態のエアスピンドルの外観を示す外観図 図１のＡ−Ａ線断面を示す断面図 図１のブレーキ用エアベアリング構造を示す断面図 図１のエアスピンドルにエアを供給するエア供給装置を示すブロック図 従来のエアスピンドルの構造を示す図

以下、添付図面を参照して、本発明に係るエアスピンドルの実施形態について詳細に説明する。
（構成）
図１は本発明の実施形態のエアスピンドルの外観を示す外観図であり、図２は図１のＡ−Ａ線断面を示す断面図である。

図１及び図２に示すように、本実施形態のエアスピンドル１では、ハウジング２にスラスト方向エア噴出手段及びラジアル方向エア噴出手段としてのステータ３が固定される。このステータ３の上面、下面、内径面には上エア噴出し面３ａ、下エア噴出し面３ｂ、内径エア噴出し面３ｃが形成されており、上エア噴出し面３ａ及び下エア噴出し面３ｂの平面度、内径エア噴出し面３ｃの真円度及び円筒度の精度が非常に高いのはもちろん、上エア噴出し面３ａ及び下エア噴出し面３ｂの平行度、上エア噴出し面３ａもしくは下エア噴出し面３ｂと内径エア噴出し面３ｃの直角度も非常に高い精度で形成されている。

なお、内周側負荷容量生成手段は、ステータ３の上エア噴出し面３ａ及び下エア噴出し面３ｂにより構成される。

そして、本実施形態のエアスピンドル１は、ステータ３の内径に非常に高い精度で寸法か管理されたロータ５を入れ、非常に高い精度の平面度のスラスト板上６、スラスト板下７をロータ５に固定することで構成される。

また、ステータ３においてはステータ３の上エア噴出し面３ａの外周周りには、外周側負荷容量生成手段としての複数、例えば６個のパッド型エアベアリング１１〜１６が均等に配置されて構成される。このパッド型エアベアリング１１〜１６は、スラスト板上６と同一平面を受けるように構成される。

本実施形態のエアスピンドル１においては、仮に、上エア噴出し面３ａとパッド型エアベアリング１１〜１６のスラスト負荷能力が同一であれば、６個のパッド型エアベアリング１１〜１６により、ステータ３全体としてのスラスト負荷能力は７倍になる。

パッド型エアベアリング１１〜１６を有する本実施形態のエアスピンドル１がエアスピンドルとして機能するには、パッド型エアベアリング１１〜１６のスラスト負荷面（スラスト板上６と対向するパッド型エアベアリング１１〜１６の面）１１ａ〜１６ａがステータ３の上面と同一面であることが必要である。そこで、本実施形態のエアスピンドル１では、まず、パッド型エアベアリング１１〜１６へのエア供給を遮断し、スラスト板上６を重力（自重）によって下方に落とし、ステータ３の上面とスラスト板上６の平面（下面）とを一致させる。

この状態で、図２に示すように、エアスピンドル１は、パッド型エアベアリング１１〜１６をボール支点２１を介してスラスト板上６に押し当て、パッド型エアベアリング１１〜１６のスラスト負荷面１１ａ〜１６ａをスラスト板上６の平面を介してステータ３の上面（下面）と一致させる（同一面）。なお、図２中のクランピングスクリュー２２はエア供給時のスラスト負荷反力による変形を小さくするための支持サポート部材である。

また、本実施形態のエアスピンドル１では、図１に示すように、パッド型エアベアリング１１〜１６の間に複数、図１の場合６個のブレーキ用エアベアリング３１〜３６が設けられている。

図３はブレーキ用エアベアリング３１〜３６の構造で、ブレーキ用エアベアリング３１〜３６はボール支点４１を介してガイドシャフト４２と繋がっており、ガイドシャフト４２は調整ネジ４３にガイドされ調整ネジ４３に沿ってエアの供給・遮断に応じて上下に動くことができる（エア供給時：図中下方向（実線矢印）エア遮断時：図中上方向（破線矢印）。

そして、ブレーキ用エアベアリング３１〜３６は、バルブ５６（図４参照）によりエアが供給されると、与圧用バネ４５がスラスト負荷反力によって縮んで当接部４６とスラスト板上６の平面との間に隙間ができ、エアベアリングとして機能する。また、ブレーキ用エアベアリング３１〜３６は、バルブ５６（図４参照）によりエアの供給を遮断すると、ブレーキ用エアベアリング３１〜３６では与圧用バネ４５によりボール支点４１を介してブレーキ用エアベアリング３１〜３６の当接部４６がスラスト板上６の平面に接してブレーキとして機能する。

本実施形態のエアスピンドル１では、外周側負荷容量生成手段としての複数、例えば６個のパッド型エアベアリング１１〜１６を設けて構成しているため、スラスト板上６全面を利用していないので、空いた部分（パッド型エアベアリング１１〜１６の間）にブレーキ用エアベアリング３１〜３６やスケール（不図示）を取り付けることができる。

なお、スラスト負荷が想定より小さい場合には、スラスト板上６が押し上げられ、スラスト板下７がステータ３に接してしまう。そのため、パッド型エアベアリング１１〜１６に供給するエア圧を任意に調整できることが望ましい。

そこで、本実施形態では、図４に示すように、エアスピンドル１にエアを供給するエア供給装置５１は、フィルタ５２、第１のレギュレータ５３、流量計５４、第２のレギュレータ５５、バルブ５６及び制御部５７と、を備えて構成される。

フィルタ５２は、図示しないエアコンプレッサ等のエア供給源からのエアより油ミスト等を取り除くものである。

第１のレギュレータ５３は、フィルタ５２を介したエアの圧力を所望の第１の圧力に調整するものであり、この第１の圧力のエアをステータ３の上面３ａ、下面３ｂ、内径面３ｃ、パッド型エアベアリング１１〜１６及びブレーキ用エアベアリング３１〜３６に接続された管路に供給する。

流量計５４は、ステータ３の内径面３ｃより噴出するエアの流量を測定するものである。また、第２のレギュレータ５５は、第１のレギュレータ５３からのエアを所望の第２の圧力に調整し、パッド型エアベアリング１１〜１６に供給するものである。バルブ５６は、第１のレギュレータ５３からのエアのブレーキ用エアベアリング３１〜３６への供給／遮断を実行するものである。

制御部５７は、流量計５４の計測結果に基づき、第２のレギュレータ５５の調整圧力、及びバルブ５６の供給／遮断を制御するものである。

なお、第２のレギュレータ５５とパッド型エアベアリング１１〜１６との間、及びバルブ５６とブレーキ用エアベアリング３１〜３６との間に、それぞれ絞り９０を設けることにより、制御部５７は、個別に第２のレギュレータ５５の調整圧力、及びバルブ５６の供給／遮断を制御することができる。

パッド型エアベアリング１１〜１６の軸受隙間はエア圧が一定であれば、エア流量と相関関係があるため、エア供給装置５１では、制御部５７は、流量計５４によりステータ３の内径面３ｃのエア流量を測定することで軸受隙間（間隔）を算出する。すなわち、制御部５７は、第１のレギュレータ５３及び第２のレギュレータ５５を流量計５４の計測結果に基づき制御し、パッド型エアベアリング１１〜１６に供給するエア圧を調整することにより、軸受隙間を調整することができる。

また、制御部５７は、バルブ５６の供給／遮断を制御することで、ブレーキ用エアベアリング３１〜３６をブレーキＯＦＦ（＝エア供給）／ブレーキＯＮ（＝エア遮断）制御することができる。

上述したように、本実施形態のエアスピンドル１によれば、ステータ３（スラスト方向エア噴出手段）において、エア吹き出し部４ａ（内周側負荷容量生成手段）のスラスト負荷能力に容易にパッド型エアベアリング１１〜１６（外周側負荷容量生成手段）のスラスト負荷能力を加算することができるので、所望の精度を保持し、かつスラスト負荷容量を高めることが可能となる。

以上、本発明のエアスピンドルについて詳細に説明したが、本発明は、以上の例には限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変形を行ってもよいのはもちろんである。

１…エアスピンドル、３…ステータ、３ａ…上面、３ｂ…下面、３ｃ…内径面、４ａ、４ｂ…エア吹き出し部、５…ロータ、６…スラスト板上、７…スラスト板下、１１〜１６…パッド型エアベアリング、３１〜３６…ブレーキ用エアベアリング

Claims (7)

1. 回転軸と軸受部とのラジアル方向隙間に圧力エアを噴出するラジアル方向エア噴出手段と、前記軸受部の上下端部と該上下端部に対向しかつ前記回転軸に上下端部に固着されたスラスト上板及びスラスト下板とのスラスト方向隙間に圧力エアを噴出するスラスト方向エア噴出手段と、を備え、前記ラジアル方向及びスラスト方向隙間を所定の精度で確保して前記回転軸を非接触で回転自在に支持するエアスピンドルにおいて、
   前記スラスト方向エア噴出手段は、
   前記軸受部の上下端部の内周側に設けられ、前記圧力エアの噴出により所定のスラスト負荷容量を生成する内周側負荷容量生成手段と、
   前記内周側負荷容量生成手段よりも前記軸受部の少なくとも上端部の外周側に設けられ、前記圧力エアの噴出により前記所定のスラスト負荷容量に加算される加算スラスト負荷容量を生成する外周側負荷容量生成手段と、を備え、
   前記外周側負荷容量生成手段は、前記軸受部の少なくとも上端部の外周側の同心上に等分配置された複数のパッド型エアベアリングから構成され、前記複数のパッド型エアベアリングの各々に供給されるエアは調節することが可能であり、前記複数のパッド型エアベアリング間に設けられ、前記回転軸の回転を制動して制御する複数のブレーキ用エアベアリングをさらに備え、
   前記ブレーキ用エアベアリングは、前記圧力エアの遮断時には少なくとも前記スラスト上板に当接し、かつ前記圧力エアの噴出時には前記スラスト上板から離間して、前記回転軸の回転を制動して制御することを特徴とするエアスピンドル。
2. 回転軸と軸受部とのラジアル方向隙間に圧力エアを噴出するラジアル方向エア噴出手段と、前記軸受部の上下端部と該上下端部に対向しかつ前記回転軸に上下端部に固着されたスラスト上板及びスラスト下板とのスラスト方向隙間に圧力エアを噴出するスラスト方向エア噴出手段と、を備え、前記ラジアル方向及びスラスト方向隙間を所定の精度で確保して前記回転軸を非接触で回転自在に支持するエアスピンドルにおいて、
   前記スラスト方向エア噴出手段は、
   前記軸受部の上下端部の内周側に設けられ、前記圧力エアの噴出により所定のスラスト負荷容量を生成する内周側負荷容量生成手段と、
   前記内周側負荷容量生成手段よりも前記軸受部の少なくとも上端部の外周側に設けられ、前記圧力エアの噴出により前記所定のスラスト負荷容量に加算される加算スラスト負荷容量を生成する外周側負荷容量生成手段と、を備え、
   前記外周側負荷容量生成手段は、前記軸受部の少なくとも上端部の外周側の同心上に等分配置された複数のパッド型エアベアリングから構成され、前記複数のパッド型エアベアリング間に設けられ、前記回転軸の回転を制動して制御する複数のブレーキ用エアベアリングをさらに備え、
   前記ブレーキ用エアベアリングは、前記圧力エアの遮断時には少なくとも前記スラスト上板に当接し、かつ前記圧力エアの噴出時には前記スラスト上板から離間して、前記回転軸の回転を制動して制御することを特徴とするエアスピンドル。
3. 前記ブレーキ用エアベアリングは、バルブにより前記圧力エアの供給が制御され、前記圧力エアが供給されない時は、前記ブレーキ用エアベアリングに設置されたバネが伸びることによりボールを介して当接部により前記スラスト上板に接し、前記圧力エアが供給される時は、前記バネが縮むことにより前記当接部と前記スラスト上板との間に隙間ができることにより前記回転軸の回転を制動して制御す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。
4. 回転軸と軸受部とのラジアル方向隙間に圧力エアを噴出するラジアル方向エア噴出手段と、前記軸受部の上下端部と該上下端部に対向しかつ前記回転軸に上下端部に固着されたスラスト上板及びスラスト下板とのスラスト方向隙間に圧力エアを噴出するスラスト方向エア噴出手段と、を備え、前記ラジアル方向及びスラスト方向隙間を所定の精度で確保して前記回転軸を非接触で回転自在に支持するエアスピンドルにおいて、
   前記スラスト方向エア噴出手段は、
   前記軸受部の上下端部の内周側に設けられ、前記圧力エアの噴出により所定のスラスト負荷容量を生成する内周側負荷容量生成手段と、
   前記内周側負荷容量生成手段よりも前記軸受部の少なくとも上端部の外周側に設けられ、前記圧力エアの噴出により前記所定のスラスト負荷容量に加算される加算スラスト負荷容量を生成する外周側負荷容量生成手段と、を備えたエアスピンドルに圧力エアを供給するエア供給装置であって、
   前記圧力エアの供給圧力を第１の圧力に設定し、内周側負荷容量生成手段に供給する第１のレギュレータと、
   前記第１の圧力による内周側負荷容量生成手段への前記圧力エアの流量を測定する流量計測手段と、
   前記流量計測手段の計測結果とスラスト方向隙間の相関関係に基づいて、前記供給圧力を第２の圧力に設定し、外周側負荷容量生成手段に供給する第２のレギュレータと、
   を備えたことを特徴とするエア供給装置。
5. 前記外周側負荷容量生成手段は、前記軸受部の少なくとも上端部の外周側の同心上に等分配置された複数のパッド型エアベアリングから構成され、前記複数のパッド型エアベアリングの各々に供給されるエアは調節することが可能であり、前記複数のパッド型エアベアリング間に設けられ、前記回転軸の回転を制動して制御する複数のブレーキ用エアベアリングをさらに備え、
   前記ブレーキ用エアベアリングは、前記圧力エアの遮断時には少なくとも前記スラスト上板に当接し、かつ前記圧力エアの噴出時には前記スラスト上板から離間して、前記回転軸の回転を制動して制御することを特徴とする請求項４に記載のエア供給装置。
6. 前記外周側負荷容量生成手段は、前記軸受部の少なくとも上端部の外周側の同心上に等分配置された複数のパッド型エアベアリングから構成され、前記複数のパッド型エアベアリング間に設けられ、前記回転軸の回転を制動して制御する複数のブレーキ用エアベアリングをさらに備え、
   前記ブレーキ用エアベアリングは、前記圧力エアの遮断時には少なくとも前記スラスト上板に当接し、かつ前記圧力エアの噴出時には前記スラスト上板から離間して、前記回転軸の回転を制動して制御することを特徴とする請求項４に記載のエア供給装置。
7. 前記ブレーキ用エアベアリングは、バルブによりエアの供給が制御され、前記エアが供給されない時は、前記ブレーキ用エアベアリングに設置されたバネが伸びることによりボールを介して当接部によりスラスト上板に接し、前記エアが供給される時は、前記バネが縮むことにより前記当接部とスラスト上板との間に隙間ができることにより前記回転軸の回転を制動して制御することを特徴とする請求項５又は６に記載のエア供給装置。

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