JP5703496B2 - 軸受装置及び工作機械の主軸装置 - Google Patents

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Description

本発明は、軸受装置及び工作機械の主軸装置に関し、より詳細には、工作機械のスピンドル軸等の回転軸に作用するアキシャル荷重を測定可能な軸受装置及び工作機械の主軸装置に関する。

工作機械において、スピンドル軸に作用するアキシャル荷重を測定することは、大きなメリットを有する。即ち、工作機械のスピンドル軸に働くアキシャル荷重は、加工精度、加工効率、工具寿命等に与える影響が大きい重要なパラメータである。従って、アキシャル荷重を知ることにより適正な加工条件の選定が可能となる。例えば、加工条件は、一般的に工具の回転数や、送り速度によって決められているが、摩擦や、加工によって発生する熱等の制御し難い要因の影響も受けるので、回転数や送り速度を一定に設定しても、常に同じ加工精度が得られることはない。加工面の変化に対応する切削荷重(即ち、スピンドル軸のアキシャル荷重)を新たなパラメータとして考慮することで、より厳密な加工条件の選定が可能となり、加工精度の向上が期待される。

具体的には、切り屑排出量が同じであれば、切削荷重の小さい加工条件の方が効率的な加工条件であり、省エネルギ、工具寿命の延長に有利となる。また、切削荷重の増加から、工具の切削性(切れ味)の低下や、刃先摩耗等の発生を推測することができ、工具寿命や、工具交換時期を知ることが可能となる。更に、切削荷重の変化の履歴を管理することによって、無理な切削加工条件や工具とワークとの衝突(衝撃荷重)等の軸受損傷要因を推定することができ、また把握した工具の寿命特性から工具の改良、改善が可能となる。

上記したように、工作機械において切削荷重を知ることは重要である。しかし、工具が回転するタイプの工作機械(工具回転型工作機械)において、工具や回転軸に作用する荷重を検出することは、工具が回転しないタイプの工作機械(工具非回転型工作機械)と比較して困難が伴う。

工作機械の主軸にかかる荷重を検出することができる従来の装置としては、主軸先端部に軸受型センサを配設した工作機械主軸の荷重検出装置が開示されている(例えば、特許文献1参照。)。特許文献1に記載の軸受型センサは、ハウジングと主軸間に転がり軸受を配置し、外輪外周に貼付した歪みゲージによって、軸受の転動体が歪みゲージの位置を通過する度に発生する歪みを検出して主軸に加わる荷重の大きさを検出している。

また、軸受ユニットのハブに配置したエンコーダと、このエンコーダの被検出面に近接対向させたセンサとにより、外輪とハブ間に加わる荷重を求めるようにした荷重測定装置付転がり軸受ユニットが知られている(例えば、特許文献2参照。)。

特開平7−159260号公報 特開2006−317420号公報

しかしながら、特許文献1に開示されている工作機械主軸の荷重検出装置は、軸受の内輪に働く力を、転動体及び軸受外輪を介して間接的に検出する装置であり、回転に伴う発生熱等のように不規則に発生して外輪に作用する外乱(ノイズ)を除去することが困難であり、精度よく荷重を検出することができない問題点があった。また、センサがハウジングの前面側に突出配置されているので、スピンドルの軸長が長くなるばかりでなく、センサ設置のための専用スペースを必要とする問題点があった。

また、特許文献2に記載の荷重測定装置付転がり軸受ユニットは、軸受ユニットのハブにエンコーダを固定すると共に、このエンコーダの被検出面に検出部を近接対向させたセンサを外輪に配置し、検出部の出力信号の変化から外輪とハブとの間に加わる荷重を求めるものであり、工作機械の主軸への適用についても言及されているが、具体的構成については記載されていない。

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、回転軸に作用するアキシャル荷重を、回転部材から直接、精度よく、且つコンパクトなセンサによって測定することができる軸受装置及び工作機械の主軸装置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) ハウジングに嵌合固定される静止側軌道輪、スピンドル軸に嵌合固定される回転側軌道輪、及び、前記静止側軌道輪の静止側軌道及び前記回転側軌道輪の回転側軌道間に転動自在に配置された複数の転動体を備える軸受と、
前記回転側軌道輪の側方に配置されて前記回転側軌道輪と共に回転する回転側間座と、
被検出面の特性が円周方向に交互に変化するエンコーダ、及び、該エンコーダの前記被検出面に対向配置されて、前記ハウジングに形成される大径穴及び小径穴の間の段差によって半径方向に位置決めされると共に、前記大径穴の縁に至る凹溝によってセンサの中心軸周りに位置決めされ、前記被検出面の前記特性の変化を検出するセンサからなるセンサユニットと、を備え、工作機械の主軸装置に使用される軸受装置であって、
前記ハウジングの外周面に形成された冷却油溝を覆うように、前記ハウジングに外嵌するリング状の冷却ジャケットが設けられ、
前記冷却ジャケットには、前記センサを取り付けるためのセンサ穴が、前記ハウジングの大径穴及び小径穴と同心に形成され、
前記センサと前記大径穴との間、及び、前記センサと前記センサ穴との間は、それぞれOリングによってシールされ、
前記センサは、該センサから前記ハウジングの半径方向に導出される配線を備え、
前記エンコーダは、前記回転側間座によって構成されることを特徴とする軸受装置。
(2) ハウジングに嵌合固定される静止側軌道輪、スピンドル軸に嵌合固定される回転側軌道輪、及び、前記静止側軌道輪の静止側軌道及び前記回転側軌道輪の回転側軌道間に転動自在に配置された複数の転動体を備える軸受と、
被検出面の特性が円周方向に交互に変化するエンコーダ、及び、該エンコーダの前記被検出面に対向配置されて、前記ハウジングに形成される大径穴及び小径穴の間の段差によって半径方向に位置決めされると共に、前記大径穴の縁に至る凹溝によってセンサの中心軸周りに位置決めされ、前記被検出面の前記特性の変化を検出するセンサからなるセンサユニットと、を備え、工作機械の主軸装置に使用される軸受装置であって、
前記ハウジングの外周面に形成された冷却油溝を覆うように、前記ハウジングに外嵌するリング状の冷却ジャケットが設けられ、
前記冷却ジャケットには、前記センサを取り付けるためのセンサ穴が、前記ハウジングの大径穴及び小径穴と同心に形成され、
前記センサと前記大径穴との間、及び、前記センサと前記センサ穴との間は、それぞれOリングによってシールされ、
前記センサは、該センサから前記ハウジングの半径方向に導出される配線を備え、
前記エンコーダは、前記スピンドル軸の外周面によって構成されることを特徴とする軸受装置。
(3) 上記(1)又は(2)に記載の軸受装置を備え、前記スピンドル軸のアキシャル荷重が測定可能であることを特徴とする工作機械の主軸装置。

本発明の軸受装置によれば、被検出面の特性が円周方向に交互に変化するエンコーダと、被検出面に対向配置されて特性の変化を検出するセンサと、からなるセンサユニットを備え、エンコーダが回転側間座またはスピンドル軸の外周面に形成されるので、新たな専用スペースを設けることなく既存のスペースにセンサユニットを配置することができ、センサ付軸受装置を小型化することができる。

また、センサは、ハウジングに形成される大径穴及び小径穴の間の段差によって半径方向に位置決めされると共に、前記大径穴の縁に至る凹溝によってセンサの中心軸周りに位置決めされるので、センサとエンコーダとのギャップを精度良く設定することができ、また、センサの中心軸周りの位置決めを精確に設定することができる。
さらに、ハウジングの外周面に形成された冷却油溝を覆うように、ハウジングに外嵌するリング状の冷却ジャケットが設けられ、冷却ジャケットには、センサを取り付けるためのセンサ穴が、ハウジングの大径穴及び小径穴と同心に形成され、センサと大径穴との間、及び、センサとセンサ穴との間は、それぞれOリングによってシールされ、センサは、該センサからハウジングの半径方向に導出される配線を備える。これにより、冷却油溝内の冷却油をシールしつつ、センサを冷却ジャケットが外嵌されるハウジングの位置に配置することができ、また、ハウジングに配線の配索穴を設ける必要がなく、加工性を向上することができる。


また、工作機械の主軸装置が上記の軸受装置を備えるので、切削時にスピンドル軸に作用するアキシャル荷重の測定が可能となり、このアキシャル荷重を加工条件の新たなパラメータとして考慮することで、より厳密な加工条件の選定が可能となり、加工精度を向上させることができる。更には、工具寿命、工具交換時期、及び軸受損傷要因の推測や、工具の改良、改善が可能となる。

本発明に係る第1実施形態の主軸装置の断面図である。 図1に示す主軸装置の要部断面図である。 (a)は図1に示すエンコーダの正面図であり、(b)はその斜視図である。 図1に示すIV−IV断面図である。 (a)は図1に示すセンサの斜視図であり、(b)はその平面図、(c)はその側面図である。 図1に示すハウジングに設けられたセンサ取付穴の斜視図である。 (a)は図6に示すセンサ取付穴の平面図であり、(b)はその断面図である。 図1に示すセンサの組み付け手順を示す説明図である。 図1に示す主軸装置のアキシャル荷重の変動に伴って変化するセンサの出力信号を示す線図である。 第1実施形態の変形例の主軸装置の断面図である。 (a)は第1実施形態の他の変形例のエンコーダの正面図であり、(b)はその斜視図である。 (a)は第2実施形態のエンコーダの正面図であり、(b)はその斜視図である。 図12に示すエンコーダのアキシャル荷重の変動に伴って変化するセンサの出力信号を示す線図である。 第3実施形態のセンサ取付穴の斜視図である。 図14に示すセンサ取付穴の平面図である。 第4実施形態の主軸装置の要部断面図である。 第5実施形態の主軸装置の要部断面図である。 第6実施形態の主軸装置の要部断面図である。 第7実施形態の主軸装置の要部断面図である。 第8実施形態の主軸装置の要部断面図である。 第8実施形態の変形例の主軸装置の要部断面図である。 エンコーダが位置決め用の内輪間座に設けられたセンサユニットを備える第9実施形態の主軸装置の要部断面図である。 第9実施形態の変形例の主軸装置の要部断面図である。 第10実施形態の主軸装置の要部断面図である。 冷却機構を備えない主軸装置の要部断面図である。 冷却機構を備えない他の主軸装置の要部断面図である。 無線式センサを備える主軸装置の要部断面図である。

以下、本発明に係る主軸装置の各実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

(第1実施形態)
図1及び図2に示すように、第1実施形態の工作機械の主軸装置10は、モータビルトイン方式であり、その中心部には、回転部材である中空状の回転軸(スピンドル軸)11が設けられている。回転軸11の軸方向端部(図1において左側)には、不図示の工具が保持されている。

回転軸11は、その工具側を支承する一対の前側軸受20,30と、反工具側を支承する後側軸受40とによって、静止部材であるハウジング50に回転自在に支持されている。前側軸受20,30と後側軸受40間における回転軸11の外周面には、ロータ51が外嵌されている。また、ロータ51の周囲に配置されるステータ52は、ハウジング50に固定されており、ステータ52に電力を供給することで、ロータ51に回転力を発生させて、回転軸11を回転させる。尚、ハウジング50は、前側軸受30とステータ52との間で軸方向に2分割されたハウジング50aとハウジング50bとから構成されている。

前側軸受20,30は、背面組み合わせとなるように配置された略同一寸法の一対のアンギュラ玉軸受であり、静止側軌道輪である外輪21,31と、回転側軌道輪である内輪22,32と、静止側軌道である外輪軌道溝及び回転側軌道である内輪軌道溝間に、接触角を持って配置された転動体としての複数の玉23,33と、を備える。

前側軸受20,30の外輪21,31は、ハウジング50に内嵌され、ハウジング50にボルト締結された前側軸受外輪押え53によって静止側間座である外輪間座54を介してハウジング50に固定されている。

また、前側軸受20,30の内輪22,32は、回転軸11に外嵌され、回転軸11に締結されたナット55によって回転側間座である内輪間座81を介して回転軸11に固定されている。前側軸受20,30は、ナット55によって定位置予圧が負荷されており、前側軸受20,30によって回転軸11の軸方向位置が位置決めされる。

図3に示すように、内輪間座81の外周面には、永久磁石で構成されたエンコーダ84が設けられている。エンコーダ84は、磁性金属材からなる内輪間座81の外周面に整列形成された複数の溝92を有する。複数の溝92は、円周方向に交互に且つ等間隔で配置されると共に、エンコーダ84の軸方向中間部を境にしてエンコーダ84の軸方向に対して同じ角度で互いに逆方向(V字状)に傾斜している。この場合、第一被検出部85は溝92であり、第二被検出部86は隣接する溝92間の中間部である。このエンコーダ84は、後述するセンサ82と共にセンサユニット80を構成する。

図1に戻り、後側軸受40は、円筒ころ軸受であり、外輪41と、内輪42と、転動体としての複数の円筒ころ43と、を有する。後側軸受40の外輪41はハウジング50に内嵌され、ハウジング50にボルト締結された後側軸受外輪押え56によって外輪間座44を介してハウジング50に固定されている。後側軸受40の内輪42は、回転軸11に締結された他のナット57によって内輪間座45を介して回転軸11に固定されている。

軸方向において前側軸受20,30、及びステータ52に対応するハウジング50の外周面には、円環状の冷却油溝58、59が形成されている。この冷却油溝58、59は、Oリング62、63が装着されてハウジング50に外嵌するリング状の冷却ジャケット60、61によって覆われている。そして、この冷却油溝58,59に供給された冷却油によって前側軸受20,30、及びステータ52が冷却される。

図4に示すように、ハウジング50及び外輪間座54を径方向に貫通して設けられた一対のノズル穴66には、それぞれ給油ノズル67が配設されている。そして、潤滑装置から供給された潤滑油が、給油ノズル67のノズル(図示せず)から前側軸受20,30に向けて吐出され、前側軸受20,30を潤滑する。潤滑方式は、グリース潤滑、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。

また、ハウジング50及び外輪間座54には、それぞれセンサ取付穴68及び貫通孔54aが径方向に連続して形成されている。センサ取付穴68は、軸方向において給油ノズル67(ノズル穴66)と略同一位置、且つ円周方向位相が異なる位置に設けられている。センサ取付穴68には、センサユニット80を構成するセンサ82が配設される。

センサ取付穴68を、給油ノズル67(ノズル穴66)と軸方向略同一位置に配置することにより、センサ82を配置するための専用スペースが不要となり、小型化が可能となる。尚、給油ノズル67(ノズル穴66)とセンサ82(センサ取付穴68)との円周方向位相は、特に限定されず任意に設定することができる。

図5に示すように、センサ82は、検出部である一対の磁気センサ90を内蔵し、大径部82a及び小径部82bからなる段付円筒状に形成されている。大径部82a及び小径部82bには、それぞれOリング溝87a、87bが設けられ、大径部82aの上面には、U字溝82cが形成されている。U字溝82cには、長円形状の固定治具88の一端が嵌合する。

図6及び図7に示すように、ハウジング50に設けられたセンサ取付穴68は、大径部68a及び小径部68bを有する段付き穴であり、センサ82の配線83を配索するための第1配索穴70が、小径部68bに連通して軸方向に設けられている。更に、大径部68aと小径部68bとの段部には、長手方向が第1配索穴70に向けられた長円68cが第1配索穴70に連通して設けられている。

また、冷却油溝58の外周面には、一端が大径部68aに連続するU字溝68dが形成されている。U字溝68dには、センサ82を固定するための雌ねじ69が径方向に設けられている。尚、センサ82と給油ノズル67の外形形状を同一形状に設定しておけば、ノズル穴66とセンサ取付穴68(大径部68a及び小径部68b)の加工を同一の加工工程で行うことができ、コストダウンに寄与する。

図1を参照して、第1配索穴70は、ハウジング50aの反工具側から加工されており、ハウジング50の外周面から傾斜して径方向に設けられた傾斜穴71、及び第1配索穴70と平行に反工具側に延設する第2配索穴72に連通している。このように第1配索穴70、傾斜穴71、及び第2配索穴72を屈曲形成することにより、センサ82の配線83をステータ52と干渉することなく配索可能としている。第1配索穴70の反工具側端部には、栓74が挿入されて閉鎖されており、モータ側からの異物侵入が阻止される。

センサ82は、図1及び図8に示すように、Oリング溝87a、87bにOリング91a、91bを装着し、センサ82の配線83を第1配索穴70、傾斜穴71、及び第2配索穴72に挿通させ、ハウジング50のセンサ取付穴68、及び外輪間座54の貫通孔54aに挿入することで組み付けられる。

このとき、センサ取付穴68には、第1配索穴70に連通する長円68cが設けられているので、配線83がセンサ取付穴68とセンサ82の間に挟まれて損傷を受けることはない。また、センサ82に装着されたOリング91a、91bによって、冷却油溝58、及び前側軸受20,30側から第1配索穴70への潤滑油の侵入が防止される。

尚、第1配索穴70、傾斜穴71、及び第2配索穴72に対する配線83の挿通作業は、上記したように一度に挿通することが困難な場合には、第1配索穴70、及び傾斜穴71に挿通した配線83を一旦傾斜穴71から外に出した後、再び傾斜穴71から第2配索穴72に挿通するようにしてもよい。また、配線83挿通後に、傾斜穴71の開口部に栓(図示せず)を挿入して閉鎖し、異物の侵入を阻止することもできる。このように配索された配線83の一端は、演算装置150に接続されてセンサ82で検出された出力信号が入力される。

そして、固定治具88をセンサ82のU字溝82c、及びハウジング50のU字溝68dに嵌合させて、雄ねじ89をハウジング50の雌ねじ69に螺合させて固定する。これにより、センサ82の先端に設けられた一対の磁気センサ90は、所定の位置に位置決めされて、内輪間座81の外周面に形成されたエンコーダ84の被検出面に対向して配置される。

センサ82とエンコーダ84の被検出面との相対位置は、一対の磁気センサ90が被検出面の軸方向中間部を挟んで互いに軸方向反対側に位置する。具体的には、一対の磁気センサ90間の軸方向中間位置は、定位置予圧が付与された前側軸受20,30間に配置された内輪間座81の軸方向中間位置となるエンコーダ84の軸方向中間部(仮想線P)と一致するように設定されている。

第1実施形態の主軸装置10のセンサユニット80の作用を、図9に基づいて説明する。回転軸11(内輪間座81)にアキシャル荷重が作用していない場合、センサ82の一対の検出部は、仮想線Pから軸方向に同一距離だけずれた、図9(a)に示す実線イ、イ上に位置しており、出力信号の位相は、図9(c)に示す様に一致しており、位相ずれはない。

ここで、回転軸11、即ち内輪間座81に図9(a)において工具側から反工具側の方向にアキシャル荷重が作用すると、エンコーダ84に対する一対の検出部の位置が図9(a)に示す破線ロ、ロ上に移動し、図9(b)に示すように出力信号に位相ずれが生じる。

また、回転軸11に反工具側から工具側の方向にアキシャル荷重が作用すると、一対の検出部の位置が図9(a)に示す一点鎖線ハ、ハ上に移動し、図9(d)に示すように、出力信号に図9(b)と逆方向の位相ずれが生じる。

なお、磁気センサ90の構造は、永久磁石を組み込んだものであれば、特にその形式を問わない。即ち、この永久磁石から出る磁束の流れを導くポールピースの周囲にコイルを巻回して成る、所謂パッシブ型のものであっても、磁束の密度に応じて特性を変化させる磁気検出素子を組み込んだ、所謂アクティブ型のものであっても使用される。また、本実施形態のセンサ82としては、溝92のエッジを検出可能なものであればよく、光学センサ等が使用されてもよい。

上記したように、一対の磁気センサ90の出力信号は、回転軸11に作用するアキシャル荷重の方向に応じて位相が所定の方向へずれる。また、位相ずれの大きさは、アキシャル荷重の大きさに比例する。従って、定位置予圧が負荷されている前側軸受20,30の剛性(ばね定数)を予め測定あるいは計算して、アキシャル荷重の大きさと回転軸11の変位量との関係を求めておけば、一対の磁気センサ90からの出力信号の位相ずれの方向及び大きさに基づいて、回転軸11に作用するアキシャル荷重の方向及び大きさが、演算装置150によって求められる。

また、エンコーダ84を構成する内輪間座81は、背面組合せで配置された一対のアンギュラ玉軸受である前側軸受20,30間に配置されているので、内輪間座81の軸方向中間位置が回転軸11が熱によって伸縮する場合の軸方向中心となるため、回転軸11の伸縮による影響が抑制され、精度のよい荷重測定が可能となる。

さらに、配線83は、第1配索穴70、傾斜穴71、及び第2配索穴72によってハウジング50の内部を通過するので、別途配線用のカバーを設けることなく、加工時の切り屑や切削油等からコードを防護することができ、省スペース化が図られる。特に旋回型の主軸装置においては、ハウジング50の内部から主軸装置10を支持する旋回アームの内部へ配線を導出するようにすれば、配線を外部へ曝すことなく配索することができる。

図10は本発明の第1実施形態の変形例に係る主軸装置の要部断面図である。この主軸装置10では、ハウジング50に形成される第1配索穴70が工具側から加工され、傾斜穴71と連通している。これにより、第1配索穴70は前側軸受外輪押え53によって塞ぐことができ、栓74を設ける必要がない。また、ハウジング50が軸方向に2分割される構成でなくても容易に加工することができる。

図11(a)は本発明の第1実施形態の他の変形例に係るエンコーダの正面図であり、(b)はその斜視図である。本実施形態のエンコーダ84は、磁性金属材からなる内輪間座81の外周面に複数の円弧状溝93が連続して設けられている。円弧状溝93は、円周方向に交互に且つ等間隔で配置されており、隣接する円弧状溝93の稜線94は、エンコーダ84の中間部を境にして、エンコーダ84の軸方向に対して同じ角度で互いに逆方向(V字状)に傾斜している。これにより、高速回転時にも応力集中が内輪間座81(エンコーダ84)に作用することがなく、遠心力によって内輪間座81に与える損傷が防止される。

(第2実施形態)
図12(a)は本発明の第2実施形態に係るエンコーダの正面図であり、(b)はその斜視図である。第2実施形態のエンコーダ84の被検出面は、第一被検出部85であるS極、及び第二被検出部86であるN極が、円周方向に交互に且つ等間隔で配置されている。第一被検出部85と第二被検出部86との境界は、エンコーダ84の軸方向中間部(仮想線P)を境にしてエンコーダ84(内輪間座81)の軸方向に対して同じ角度で互いに逆方向に傾斜している。

本実施形態のエンコーダ84を備える主軸装置は、回転軸11にアキシャル荷重が作用していない状態では、センサ82の一対の磁気センサ90は、第一被検出部85及び第二被検出部86の境界が円周方向に関して最も突出する位置(傾斜方向が変化する位置)を通る仮想線Pから、軸方向に同一距離だけずれた、図13(a)に示す実線イ、イ上に位置している。従って、一対の磁気センサ90の出力信号の位相は、図3(c)に示す様に一致しており、位相ずれはない。

ここで、ワーク加工によって、回転軸11に図13(a)において工具側から反工具側の方向にアキシャル荷重が作用すると、内輪間座81、即ち、エンコーダ84の軸方向位置が回転軸11と共に反工具側へ変化する。これにより、エンコーダ84に対する一対の磁気センサ90の位置が、図13(a)に示す破線ロ、ロ上に移動する。即ち、一対の磁気センサ90は、仮想線Pからの軸方向距離が互いに異なる位置に位置することになり、一対の磁気センサ90の出力信号には、図13(b)に示すように位相ずれが生じる。

また、回転軸11に図13(a)において反工具側から工具側の方向にアキシャル荷重が作用すると、内輪間座81、即ち、エンコーダ84の軸方向位置が回転軸11と共に工具側に変化して、エンコーダ84に対する一対の磁気センサ90の位置が、図13(a)に示す一点鎖線ハ、ハ上に移動する。即ち、一対の磁気センサ90は、仮想線Pからの軸方向距離が互いに異なる位置に位置することになり、一対の磁気センサ90の出力信号には、図13(d)に示すように位相ずれが生じる。従って、一対の検出部からの出力信号の位相ずれの方向及び大きさに基づいて、回転軸11に作用するアキシャル荷重の方向及び大きさが演算装置150によって求められる。
なお、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。

(第3実施形態)
図14は本発明の第3実施形態のセンサ取付穴の斜視図、図15はセンサ取付穴の平面図である。第3実施形態のセンサ取付穴68は、第1実施形態のセンサ取付穴68と同様に、センサ82の大径部82a(図5参照)が挿通される大径部68a、及びセンサ82の小径部82bが挿通される小径部68bを有し、更に大径部68aと小径部68bとの間に中径部68eが形成された3段の段付き穴である。小径部68bには、センサ82の配線83を配索するための第1配索穴70が連通して軸方向に設けられている。また、ハウジング50には、第1実施形態と同様に、センサを固定するためのU字溝68d、及び雌ねじ69が設けられる。

このセンサ取付穴68の中径部68eは、センサ取付穴68にセンサ82を挿入する際、配線83とセンサ取付穴68との干渉を防止して組付けを容易にするためのものであり、配線83の干渉が防止可能な範囲で、できるだけ小さいことが望ましい。
なお、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。

(第4実施形態)
図16は本発明の第4実施形態の主軸装置の要部断面図である。第4実施形態の主軸装置10には、円環状の冷却油溝58内にセンサ取付穴68と同心円状にリング溝95が形成されている。リング溝95には、Oリング96が装着された円筒状の蓋体97が嵌合している。この主軸装置10によれば、冷却油溝58とセンサ82とが蓋体97で分離され、Oリング96によってシールされているので、冷却油がセンサ82に付着することが防止される。また、センサ82の大径部82aにOリング溝87aを加工する必要がない。 なお、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。

(第5実施形態)
図17は本発明の第5実施形態の主軸装置の要部断面図である。第5実施形態の主軸装置10では、センサ82の配線83を配索するため、工具側からセンサ取付穴68(小径部68b)に連通する配索穴98が加工されている。また、前側軸受外輪押え53に配索溝99が設けられると共に、ハウジング50の外周面には、配索溝99が開口する周方向位置を跨いで軸方向に延びる配線カバー100が固定されている。これにより、配索穴98から工具側に向けて導出された配線83は、前側軸受外輪押え53の配索溝99内を通り、配線カバー100で覆われて配索される。

この主軸装置10によれば、センサ取付穴68からハウジング50の端部(図中左端部)までの距離が短い場合、ハウジング50の加工量が少なくなり加工上有利である。また、センサ82の配線83が、前側軸受外輪押え53及び配線カバー100で覆われているので、加工中の切り屑等による配線83に与える損傷や切断を防止することができる。
なお、その他の構成及び作用については、第1実施形態の主軸装置10と同様である。また、ハウジング50の外部環境によっては、配線カバー100を設けずに配線83が配策されてもよい。

(第6実施形態)
図18は本発明の第6実施形態の主軸装置の要部断面図である。第6実施形態の主軸装置10では、前側軸受外輪押え53に形成される配索溝99が、ハウジング50の外周面まで開口せずに径方向に延びると共に、冷却ジャケット60には配索溝99に連通する配索穴101が形成されている。配索穴98から工具側に向けて導出された配線83は、前側軸受外輪押え53の配索溝99、及び冷却ジャケット60の配索穴101を通って配索される。これにより、第1実施形態と同様、別途配線用のカバーを設けることなく、加工時の切り屑や切削油等からコードを防護することができ、省スペース化が図られる。
なお、その他の構成及び作用については、第5実施形態のものと同様である。

(第7実施形態)
図19は本発明の第7実施形態の主軸装置の要部断面図である。第7実施形態の主軸装置10は、冷却ジャケット60にセンサ82を取り付けるためのセンサ穴102が、ハウジング50のセンサ取付穴68と同心に形成されている。また、センサ82は、大径部82aの長さが長く形成されると共に、配線83が大径部82aの上面から導出されている。大径部82aには、センサ取付穴68、及びセンサ穴102に対応する位置に、それぞれOリング91a、91cが装着されている。

センサ82は、冷却ジャケット60のセンサ穴102、ハウジング50のセンサ取付穴68、及び外輪間座54の貫通孔54aに挿入され、固定治具88と雄ねじ89によって冷却ジャケット60に固定される。センサ82と、センサ取付穴68、及びセンサ穴102との間は、それぞれOリング91a、91cによってシールされる。また、センサ82から径方向に導出された配線83は、配線カバー100で覆われて配索される。

この主軸装置10によれば、冷却ジャケット60に加工容易なセンサ穴102を形成するだけで、ハウジング50に加工し難い配索穴を設ける必要がなくなり、加工上有利となる。
なお、その他の構成及び作用については、第5実施形態のものと同様である。

(第8実施形態)
図20は本発明の第8実施形態の主軸装置の要部断面図である。第8実施形態の主軸装置10に組み込まれるセンサ103は、配線直付けタイプのセンサ82と異なり、小径部82bの側面に雌コネクタ104を備えるコネクタ接続タイプのセンサ103である。また、配線83の先端には、雌コネクタ104に嵌合可能な雄コネクタ105が設けられている。

本実施形態のセンサ103は、冷却ジャケット60が取り外された状態で、配線83を第1配索穴70に挿通し、ハウジング50の外方でセンサ取付穴68から延出された配線83の雄コネクタ105をセンサ103の雌コネクタ104に接続した後、配線83を第1配索穴70に押し込みながらセンサ103をセンサ取付穴68に挿入し、固定治具88と雄ねじ89によって固定することで組み付けられる。
なお、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。

図21は本発明に係る第8実施形態の変形例の主軸装置の要部断面図である。本変形例の主軸装置10に組み込まれるセンサ103は、図20に示すコネクタ接続タイプのセンサ103であり、ハウジング50には、配索穴98が工具側から加工されている。

センサ103は、雌コネクタ104を工具側(配索穴98側)に向けた状態で、ハウジング50のセンサ取付穴68、及び外輪間座54の貫通孔54aに挿入されて固定される。これにより、雌コネクタ104は配索穴98に対向して位置する。ここで、配線83の雄コネクタ105を接続治具110に載置して配索穴98の工具側から矢印方向に挿入し
て、雄コネクタ105と雌コネクタ104とを接続する。ここで、接続治具110の先端部110aは、雄コネクタ105が回転せず、且つ、軸方向後方へ移動しないように位置決めされており、雌コネクタ104との接続を確実に行うことができ、且つ、接続後に接続治具110を取り外すことができる。配索穴98から導出する配線83は、配索溝99内に収容して前側軸受外輪押え53を取り付ける。これにより、センサ103をハウジング50に取り付けた後に、配線83をセンサ103に接続することができる。

(第9実施形態)
図22は、本発明に係る第9実施形態の主軸装置の要部断面図である。この主軸装置10に組み込まれるエンコーダ84は、反工具側に配置された前側軸受30の内輪32と、回転軸11の段部11aとの間に配設されて前側軸受30の軸方向位置を調整する調整用内輪間座112の外周面に設けられている。この場合、センサ82は、前側軸受30の外輪31と、ハウジング50の段部50cとの間に配設された調整用外輪間座113の貫通孔113aを貫通してエンコーダ84の被検出面に対向配置される。このエンコーダ84を構成する調整用内輪間座112は、回転軸11の軸方向位置を位置決めする一対の前側軸受の回転側軌道輪の隣に配置されているので、回転軸11の伸縮による影響を受けない。

また、図23は、本発明に係る第9実施形態の変形例の主軸装置の要部断面図である。この主軸装置10では、一対の前側軸受20、30がこれらの間に内輪間座及び外輪間座を有せずに互いに隣接しており、エンコーダ84は図25と同様に、調整用内輪間座112の外周面に設けられている。この変形例は、グリース潤滑など、一対の軸受間に潤滑油供給ノズルなどを設置する間座スペースを必要としない場合に特に有効である。
なお、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。

(第10実施形態)
また、図24は、本発明に係る第10実施形態の主軸装置の要部断面図である。この主軸装置10では、反工具側に配置された前側軸受30の内輪32が回転軸11の段部11aに当接して配置されており、エンコーダ84は、回転軸11の段部11a近傍の外周面に直接形成されている。

これにより、エンコーダが回転側間座に形成される場合、センサ82とエンコーダ84との間に、間座と軸とのガタ(すきま)分だけ半径方向ギャップのずれが生じていたが、エンコーダ84を回転軸11に直接形成することで、このようなギャップのずれを抑制することができる。また、ギャップずれを防止すべく、エンコーダが形成された回転側間座を回転軸にしまり嵌めで嵌合する場合と比べて、本実施形態は、組み込み時間や分解時の手間を省くことができる。

また、本実施形態によれば、間座にエンコーダが形成された場合に、振動などによって、回転中に回転軸との間で生じる円周方向の位相ずれや、間座の不均一な遠心力膨張による、円周方向におけるギャップのばらつきも発生することがなく、より高精度な検出が可能となる。
なお、その他の構成及び作用については、第9実施形態のものと同様である。

尚、本発明は、前述した各実施形態及び変形例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。また、各実施形態及び変形例は、実施可能な範囲において組み合わせて適用することができる。
例えば、図25に示すように、本発明の主軸装置10は、冷却油溝を備えないハウジング50にも同様に適用することができ、この場合、センサ82の大径部82aに装着するOリングを省略することができる。
また、図26に示すように、配線83が大径部82aの上面から導出されるようにすることで、配索穴を設ける必要がなくなり、加工上有利となる。

さらに、図27に示すように、配線付のセンサ82、103に代えて、検出信号を無線で出力可能な無線式センサ111を用いれば、ハウジング50への配索穴の加工が不要となる。
なお、軸の熱膨張による誤差発生が少ない場合などでは、センサ及びエンコーダは必ずしも固定側軸受の間や隣接部に設置しなくても良い。例えば、主軸先端部(工具装着側)や反対の後端部(自由側軸受の間や隣接部)、或いは、モータ内蔵型主軸装置では、モータ部の前後など、任意の位置に設置してもよい。

また、上記の各実施形態及び変形例においてアンギュラ軸受は、背面組合せされたものとして説明したが、これに限定されることはなく正面組合せとすることもできる。また、前側軸受のアンギュラ軸受の列数や組合せの方向等についても限定されるものでない。
さらに、本発明のエンコーダは、回転側間座によって構成されればよく、内輪が静止側軌道輪で、外輪が回転側軌道輪である場合には、回転側間座としての外輪間座に構成されてもよい。
また、本発明の軸受装置は、工作機械の主軸装置の他、工作機械の円テーブルや、ボールねじ、鉄道車両、航空機、自動車等の回転部材が軸受によって支持され、該回転部材にアキシャル荷重が作用する箇所に適用可能である。

10 主軸装置
11 回転軸(回転部材、スピンドル軸)
20 アンギュラ玉軸受(前側軸受)
21 外輪(静止側軌道輪)
22 内輪(回転側軌道輪)
23 玉(転動体)
30 アンギュラ玉軸受(前側軸受)
31 外輪(静止側軌道論)
32 内輪(回転側軌道論)
33 玉(転動体)
50 ハウジング(静止部材)
54 外輪間座(静止側間座)
54a 貫通孔
80 センサユニット
81 内輪間座(回転側間座)
82 センサ
84 エンコーダ
85 第一被検出部
86 第二被検出部
90 磁気センサ(検出部)
103 センサ
111 無線式センサ(センサ)

Claims (3)

  1. ハウジングに嵌合固定される静止側軌道輪、スピンドル軸に嵌合固定される回転側軌道輪、及び、前記静止側軌道輪の静止側軌道及び前記回転側軌道輪の回転側軌道間に転動自在に配置された複数の転動体を備える軸受と、
    前記回転側軌道輪の側方に配置されて前記回転側軌道輪と共に回転する回転側間座と、
    被検出面の特性が円周方向に交互に変化するエンコーダ、及び、該エンコーダの前記被検出面に対向配置されて、前記ハウジングに形成される大径穴及び小径穴の間の段差によって半径方向に位置決めされると共に、前記大径穴の縁に至る凹溝によってセンサの中心軸周りに位置決めされ、前記被検出面の前記特性の変化を検出するセンサからなるセンサユニットと、を備え、工作機械の主軸装置に使用される軸受装置であって、
    前記ハウジングの外周面に形成された冷却油溝を覆うように、前記ハウジングに外嵌するリング状の冷却ジャケットが設けられ、
    前記冷却ジャケットには、前記センサを取り付けるためのセンサ穴が、前記ハウジングの大径穴及び小径穴と同心に形成され、
    前記センサと前記大径穴との間、及び、前記センサと前記センサ穴との間は、それぞれOリングによってシールされ、
    前記センサは、該センサから前記ハウジングの半径方向に導出される配線を備え、
    前記エンコーダは、前記回転側間座によって構成されることを特徴とする軸受装置。
  2. ハウジングに嵌合固定される静止側軌道輪、スピンドル軸に嵌合固定される回転側軌道輪、及び、前記静止側軌道輪の静止側軌道及び前記回転側軌道輪の回転側軌道間に転動自在に配置された複数の転動体を備える軸受と、
    被検出面の特性が円周方向に交互に変化するエンコーダ、及び、該エンコーダの前記被検出面に対向配置されて、前記ハウジングに形成される大径穴及び小径穴の間の段差によって半径方向に位置決めされると共に、前記大径穴の縁に至る凹溝によってセンサの中心軸周りに周方向に位置決めされ、前記被検出面の前記特性の変化を検出するセンサからなるセンサユニットと、を備え、工作機械の主軸装置に使用される軸受装置であって、
    前記ハウジングの外周面に形成された冷却油溝を覆うように、前記ハウジングに外嵌するリング状の冷却ジャケットが設けられ、
    前記冷却ジャケットには、前記センサを取り付けるためのセンサ穴が、前記ハウジングの大径穴及び小径穴と同心に形成され、
    前記センサと前記大径穴との間、及び、前記センサと前記センサ穴との間は、それぞれOリングによってシールされ、
    前記センサは、該センサから前記ハウジングの半径方向に導出される配線を備え、
    前記エンコーダは、前記スピンドル軸の外周面によって構成されることを特徴とする軸受装置。
  3. 請求項1または2に記載の軸受装置を備え、前記スピンドル軸のアキシャル荷重が測定可能であることを特徴とする工作機械の主軸装置。
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