JP5862411B2 - 磁気軸受スピンドル装置 - Google Patents

Description

本発明は、工作機械用の磁気軸受スピンドル装置に関する。

工作機械用の磁気軸受スピンドル装置は、主軸（スピンドル）を磁気軸受により非接触で支持し、主軸を高速回転させて、主軸に取り付けられた工具によりワークを加工するものである。かかる磁気軸受スピンドル装置は、例えば特許文献１，２に開示されている。

一方、磁気軸受スピンドル装置は、その停止時において、主軸が磁気軸受に接触するのを防止するために、補助軸受を設ける場合がある。かかる補助軸受は、例えば特許文献３，４に開示されている。

特開２００８−２５４１１４号公報、「工作機械用磁気軸受スピンドル装置」 特開平１０−４３９１０号公報、「工作機械用磁気軸受スピンドル装置」 特開２００８−２３６８３号公報、「工作機械」 特開平１−３１６５１２号公報、「磁気軸受用補助軸受」

補助軸受を備えた従来の磁気軸受スピンドル装置では、ワークを加工する工具は主軸の一端に取り付けられ、主軸を駆動する主軸モータの両側にラジアル磁気軸受が設けられ、補助軸受が主軸の両端部に設けられていた。この補助軸受は、主軸のラジアル方向（半径方向）及びアキシャル方向（軸方向）を支持し、その他に、アキシャル磁気軸受が、例えば主軸モータとラジアル磁気軸受の間に設けられていた。

しかし上述した従来の構造では、工具と工具側のラジアル磁気軸受との間に、補助軸受が存在するため、ラジアル磁気軸受で支持する際に、工具と工具側のラジアル磁気軸受との間隔（以下「ラジアル支持間隔」）が長く、その間の弾性変形によりラジアル方向の加工精度が低下する問題点があった。
また、工具とアキシャル磁気軸受で支持されたディスクの間に、補助軸受と工具側のラジアル磁気軸受が存在するため、アキシャル磁気軸受で支持する際に、工具とアキシャル磁気軸受で支持されたディスクの間隔（以下、「アキシャル支持間隔」）が長く、その間の熱膨張により軸方向の位置精度が低下する問題点があった。

本発明は、かかる要望を満たすために創案されたものである。すなわち本発明の目的は、工具のラジアル支持間隔とアキシャル支持間隔の両方を短縮することができ、これによりラジアル方向の加工精度とアキシャル方向の位置精度を向上することができる磁気軸受スピンドル装置を提供することにある。

本発明によれば、一端に工具が着脱可能に取り付けられ、軸方向に一端から他端まで延びる主軸と、
主軸をその軸心を中心に回転駆動する主軸モータと、
主軸をラジアル方向に非接触で支持する１対のラジアル磁気軸受と、
主軸をラジアル方向に接触して支持する１対のラジアル補助軸受と、
主軸をアキシャル方向に非接触で支持する１対のアキシャル磁気軸受と、
主軸をアキシャル方向に接触して支持する１対のアキシャル補助軸受と、を備え、
前記主軸は、前記一端と主軸モータとの間に半径方向に延びる円板形状のディスクを有しており、
一端側の前記ラジアル補助軸受は、ディスクの外周面を支持するように、ディスクのラジアル方向外側に設けられ、
前記１対のアキシャル磁気軸受と前記１対のアキシャル補助軸受は、ディスクの軸方向両側にそれぞれ設けられ、
一端側の前記ラジアル磁気軸受は、前記一端とディスクの間、又はディスクと主軸モータとの間に設けられる、ことを特徴とする磁気軸受スピンドル装置が提供される。

上記本発明の構成によれば、円板形状のディスクが、主軸の一端と主軸モータとの間に位置しており、一端側（工具側）のラジアル補助軸受が、ディスクの外周面を支持するので、ディスクと工具との間には、工具側のラジアル補助軸受が存在しない。
従って、ラジアル補助軸受の軸方向長さに相当する長さ、工具とディスクの間隔（アキシャル支持間隔）を短縮することができ、その間の熱膨張量を短縮してアキシャル方向の位置精度を向上することができる。

また、一端側（工具側）のラジアル磁気軸受が、主軸の一端とディスクの間、又はディスクと主軸モータとの間に設けられるので、工具と工具側のラジアル磁気軸受との間には、前者（主軸の一端とディスクの間）に設けられた場合には他の軸受が存在せず、後者（ディスクと主軸モータとの間）に設けられた場合でも、ディスクとこれを支持する軸受のみが存在する。
従って、いずれの場合でも、ラジアル補助軸受の軸方向長さに相当する長さ、工具と工具側のラジアル磁気軸受との間隔（ラジアル支持間隔）を短縮することができ、その間の弾性変形を低減してラジアル方向の加工精度を向上することができる。

従来の磁気軸受スピンドル装置の構成図である。 本発明による磁気軸受スピンドル装置の第１実施形態図である。 本発明による磁気軸受スピンドル装置の第２実施形態図である。

以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図１は、従来の磁気軸受スピンドル装置の構成図である。
この図において、１は工具、２はチャック、３は主軸（スピンドル）、４は主軸モータ、５Ａ，５Ｂはラジアル磁気軸受、６Ａ，６Ｂはアキシャル磁気軸受、７Ａ，７Ｂは変位センサ、８Ａ，８Ｂは補助軸受である。

従来の工作機械用の磁気軸受スピンドル装置では、ワークを加工する工具１はチャック２により主軸３の一端（図で左端）に取り付けられ、主軸３を駆動する主軸モータ４の両側に主軸３を非接触で支持するラジアル磁気軸受５Ａ，５Ｂが設けられ、主軸３に接触して支持する補助軸受８Ａ，８Ｂが主軸の両端部に設けられていた。
また、主軸３の軸方向移動を非接触で支持するアキシャル磁気軸受６Ａ，６Ｂが、ディスク３ａの両側に設けられ、補助軸受８Ａ，８Ｂが主軸３の軸方向移動を主軸３に接触して支持するアキシャル補助軸受の機能を兼ねていた。
なおこの図でＬは、ラジアル磁気軸受５Ａ，５Ｂの支持距離である。

上述した従来の構造では、工具１と工具側のラジアル磁気軸受５Ａとの間に、工具側の補助軸受８Ａと変位センサ７Ａが存在するため、工具１（この例では先端）と工具側のラジアル磁気軸受５Ａとの間隔Ｌ１（ラジアル支持間隔）が長く、その間の弾性変形によりラジアル方向の加工精度が低下する。
また、従来の構造では、工具１とアキシャル磁気軸受６Ａ，６Ｂで支持されたディスク３ａの間に、工具側の補助軸受８Ａ、変位センサ７Ａ、及びラジアル磁気軸受５Ａが存在するため、工具１（この例では先端）とアキシャル磁気軸受６Ａ，６Ｂで支持されたディスク３ａの間隔Ｌ２（アキシャル支持間隔）が長く、その間の熱膨張により軸方向の位置精度が低下する。

図２は、本発明による磁気軸受スピンドル装置１０の第１実施形態図であり、図３はその第２実施形態図である。

図２、図３において、１は工具、２はチャック、１３は主軸（スピンドル）、１４は主軸モータ、１５Ａ，１５Ｂはラジアル磁気軸受、１６Ａ，１６Ｂはアキシャル磁気軸受、１７Ａ，１７Ｂは変位センサ、１８Ａ，１８Ｂはラジアル補助軸受、１９Ａ，１９Ｂはアキシャル補助軸受である。

工具１は、例えばボールエンドミルであり、チャック２に一体的に結合されている。また、チャック２は、例えば主軸１３の一端１１ａ（工具端）に設けた図示しないインロー孔とネジ孔に結合（嵌合と螺合）するようになっており、インローとネジにより、工具１を主軸１３と同心に固定できるようになっている。
なお、チャック２の構造、或いはチャック２と主軸１３の結合構造は、工具１を主軸１３の一端１１ａに着脱可能に取り付けられる限りで、この例に限定されない。

主軸１３は、工具１が取り付けられた一端１１ａ（工具端）から、軸方向に他端１１ｂまで延びる。また、主軸１３は、その一端１１ａと主軸モータ１４との間に半径方向に延びる円板形状のディスク１３ａを有している。
ディスク１３ａの厚さは一定であり、ディスク１３ａの外周面は主軸１３の軸心を中心とする円筒面であるのがよい。
また、ディスク１３ａ以外の主軸１３（以下、「支持軸１３ｂ」）の外周面は、主軸１３の軸心を中心とする円筒面であるのがよい。なお、この例で支持軸１３ｂの直径は一定であるが、必要に応じて直径を変化させてもよい。
なお、図２、図３において、磁気軸受スピンドル装置１０の主軸１３は、水平に示しているが、主軸１３の軸線は、水平、垂直、或いは傾斜してもよい。

主軸モータ１４は、主軸１３をその軸心を中心に回転駆動するスピンドルモータである。主軸モータ１４（スピンドルモータ）は、主軸１３に組み込まれたロータ部（図示せず）と主軸１３から第１隙間ａを隔ててこれを囲むステータ部１４ａとからなる。第１隙間ａは、主軸１３を所望の高速回転（例えば６万ｒｐｍ以上）で回転駆動できる限りで任意に設定される。

図２、図３において、主軸モータ１４、ラジアル磁気軸受１５Ａ，１５Ｂ、アキシャル磁気軸受１６Ａ，１６Ｂ、変位センサ１７Ａ，１７Ｂ、ラジアル補助軸受１８Ａ，１８Ｂ、及びアキシャル補助軸受１９Ａ，１９Ｂの外輪又は固定部は、磁気軸受スピンドル装置１０の図示しないケーシング内面に固定されている。

１対のラジアル磁気軸受１５Ａ，１５Ｂは、主軸１３をラジアル方向（半径方向）に非接触で支持する。ラジアル磁気軸受１５Ａ，１５Ｂと主軸１３との第２隙間ｂは、主軸モータ１４の第１隙間ａと同一又はこれより小さく設定されている。
変位センサ１７Ａ，１７Ｂは、主軸１３のラジアル方向（半径方向）の位置を非接触で検出する。
また、ラジアル磁気軸受１５Ａ，１５Ｂを制御する制御装置（図示せず）を備え、変位センサ１７Ａ，１７Ｂの検出データを基に、主軸１３を各磁気軸受１５Ａ，１５Ｂの中心位置に磁気浮上させて非接触で支持するようになっている。

１対のアキシャル磁気軸受１６Ａ，１６Ｂは、主軸１３をアキシャル方向（軸方向）に非接触で支持する。アキシャル磁気軸受１６Ａ，１６Ｂは、ディスク１３ａの軸方向両側にそれぞれ対向して設けられ、ディスク１３ａを各磁気軸受１６Ａ，１６Ｂの中心位置に磁気浮上させて非接触で支持するようになっている。
ディスク１３ａの両面と各磁気軸受１６Ａ，１６Ｂとの第３隙間ｃは、ディスク１３ａをアキシャル方向に非接触で支持できる限りで任意に設定される。

この例で一端側（工具側）の変位センサ１７Ａは、主軸１３のアキシャル方向（軸方向）の位置も非接触で検出する。
また、アキシャル磁気軸受１６Ａ，１６Ｂを制御する制御装置（図示せず）を備え、変位センサ１７Ａの検出データを基に、主軸１３をアキシャル磁気軸受１６Ａ，１６Ｂの中心位置に磁気浮上させて非接触で支持するようになっている。

１対のラジアル補助軸受１８Ａ，１８Ｂは、主軸１３をラジアル方向に接触して支持する。ラジアル補助軸受１８Ａ，１８Ｂと主軸１３との第４隙間ｄは、ラジアル磁気軸受１５Ａ，１５Ｂの第２隙間ｂより小さく、例えばその１／２に設定されている。ラジアル補助軸受１８Ａ，１８Ｂは、例えば玉軸受であるがその他の軸受であってもよい。

上述した構成により、ラジアル磁気軸受１５Ａ，１５Ｂにより主軸１３を各磁気軸受１５Ａ，１５Ｂの中心位置に磁気浮上させて非接触で支持する状態（正常な運転状態）では、主軸１３の偏心量（中心位置からの半径方向変位）はラジアル補助軸受１８Ａ，１８Ｂの第４隙間ｄより小さい。従って、正常な運転状態において、ラジアル補助軸受１８Ａ，１８Ｂは主軸１３と接触せず、なんら機能しない。

一方、ラジアル磁気軸受１５Ａ，１５Ｂが作動していない停止状態や、正常に機能していない場合には、主軸１３を各磁気軸受１５Ａ，１５Ｂの中心位置に保持できなくなり、主軸１３は磁気軸受１５Ａ，１５Ｂの中心位置から偏心する。この偏心量がラジアル補助軸受１８Ａ，１８Ｂの第４隙間ｄと一致すると、ラジアル補助軸受１８Ａ，１８Ｂの内面が主軸１３に接触し、主軸１３をラジアル方向に支持し、それ以上の偏心を防止することができる。

１対のアキシャル補助軸受１９Ａ，１９Ｂは、主軸１３（のディスク１３ａ）をアキシャル方向（軸方向）に接触して支持する。ディスク１３ａの両面とアキシャル補助軸受１９Ａ，１９Ｂとの第５隙間ｅは、アキシャル磁気軸受１６Ａ，１６Ｂの第３隙間ｃより小さく、例えばその１／２に設定されている。アキシャル補助軸受１９Ａ，１９Ｂは、例えば玉軸受であるがその他の軸受であってもよい。

この構成により、アキシャル磁気軸受１６Ａ，１６Ｂによりディスク１３ａを磁気軸受１６Ａ，１６Ｂの中心位置に磁気浮上させて非接触で支持する状態（正常な運転状態）では、ディスク１３ａの変位量（中心位置からの軸方向変位）は、アキシャル補助軸受１９Ａ，１９Ｂの第５隙間ｅより小さい。従って、正常な運転状態において、アキシャル補助軸受１９Ａ，１９Ｂはディスク１３ａと接触せず、なんら機能しない。

一方、アキシャル磁気軸受１６Ａ，１６Ｂが作動していない停止状態や、正常に機能していない場合には、ディスク１３ａを磁気軸受１６Ａ，１６Ｂの中心位置に保持できなくなり、ディスク１３ａは磁気軸受１５Ａ，１５Ｂの中心位置から変位する。この変位量（中心位置からの軸方向変位）がアキシャル補助軸受１９Ａ，１９Ｂの第５隙間ｅと一致すると、アキシャル補助軸受１９Ａ，１９Ｂがディスク１３ａに接触し、ディスク１３ａをアキシャル方向に支持し、それ以上の変位を防止することができる。

図２、図３において、一端側（工具側）のラジアル補助軸受１８Ａは、ディスク１３ａの外周面を支持するように、ディスク１３ａのラジアル方向外側に設けられている。
この構成により、工具側のラジアル補助軸受１８Ａとディスク１３ａが、軸方向の同一位置に位置するので、ディスク１３ａ以外の主軸１３の外周に工具側のラジアル補助軸受１８Ａを設ける必要性を無くすことできる。
言い換えれば、ラジアル補助軸受１８Ａの軸方向長さに相当する長さを、主軸モータ１４の一端側（工具側）で短縮することができる。

また図２、図３において、１対のアキシャル磁気軸受１６Ａ，１６Ｂと１対のアキシャル補助軸受１９Ａ，１９Ｂは、ディスク１３ａの軸方向両側にそれぞれ設けられている。
この構成により、主軸１３が熱膨張する場合でも、ディスク１３ａの軸方向位置をアキシャル磁気軸受１６Ａ，１６Ｂ及びアキシャル補助軸受１９Ａ，１９Ｂで同一位置に位置決めすることができる。

また、図２において、一端側（工具側）のラジアル磁気軸受１５Ａは、主軸１３の一端１１ａとディスク１３ａの間に設けられている。
言い換えれば、図２において、工具側のラジアル磁気軸受１５Ａが、主軸１３の一端側端部に設けられ、ディスク１３ａは、一端側のラジアル磁気軸受１５Ａと主軸モータ１４の間に設けられている。また、この例で一端側（工具側）の変位センサ１７Ａは、ラジアル磁気軸受１５Ａとディスク１３ａの間に設けられている。

この構成により、工具１と工具側のラジアル磁気軸受１５Ａとの間には、他の軸受が存在しない。従って、工具１（この例では先端）と工具側のラジアル磁気軸受１５Ａとの間隔Ｍ１（ラジアル支持間隔）を大幅に短縮することができ、その間の弾性変形を低減してラジアル方向の加工精度を向上することができる。
また、この例で、ラジアル磁気軸受１５Ａ，１５Ｂの支持距離Ｍは、従来例と同等であるが、ラジアル支持間隔Ｍ１が短縮されるので、磁気軸受スピンドル装置１０の全長を従来例より短縮することができる。

また、図３において、一端側のラジアル磁気軸受１５Ａは、ディスク１３ａと主軸モータ１４との間に設けられている。
言い換えれば、図３において、ディスク１３ａが、主軸１３の一端側端部に設けられ、一端側のラジアル磁気軸受１５Ａは、ディスク１３ａと主軸モータ１４の間に設けられている。また、この例で一端側（工具側）の変位センサ１７Ａは、ラジアル磁気軸受１５Ａと主軸モータ１４の間に設けられている。

この構成により、工具１とディスク１３ａとの間には、他の軸受が存在しない。従って、工具１（この例では先端）とディスク１３ａとの間隔Ｍ２（アキシャル支持間隔）を大幅に短縮することができ、その間の熱膨張量を大幅に低減して軸方向の位置精度を向上することができる。
また、この例で、ラジアル磁気軸受１５Ａ，１５Ｂの支持距離Ｍは、その間にディスク１３ａがないので従来例より大幅に短縮することができ、ラジアル支持間隔Ｍ１も短縮されるので、磁気軸受スピンドル装置１０の全長を従来例より短縮することができる。

上述したように本発明の構成によれば、円板形状のディスク１３ａが、主軸１３の一端１１ａと主軸モータ１４との間に位置しており、一端側（工具側）のラジアル補助軸受１８Ａが、ディスク１３ａの外周面を支持するので、ディスク１３ａと工具１との間には、工具側のラジアル補助軸受１８Ａが存在しない。
従って、ラジアル補助軸受１８Ａの軸方向長さに相当する長さ、工具１（この例では先端）とディスク１３ａの間隔Ｍ２（アキシャル支持間隔）を短縮することができ、その間の熱膨張量を短縮してアキシャル方向の位置精度を向上することができる。

また、一端側（工具側）のラジアル磁気軸受１５Ａが、主軸１３の一端１１ａ（工具端）とディスク１３ａの間、又はディスク１３ａと主軸モータ１４との間に設けられるので、工具１と工具側のラジアル磁気軸受１５Ａとの間には、前者（主軸１３の工具端１１ａとディスク１３ａの間）に設けられた場合には他の軸受が存在せず、後者（ディスク１３ａと主軸モータ１４との間）に設けられた場合でも、ディスク１３ａとこれを支持する軸受のみが存在する。
従って、いずれの場合でも、ラジアル補助軸受１８Ａの軸方向長さに相当する長さ、工具１（この例では先端）と工具側のラジアル磁気軸受１５Ａとの間隔Ｍ１（ラジアル支持間隔）を短縮することができ、その間の弾性変形を低減してラジアル方向の加工精度を向上することができる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

１ 工具、２ チャック、１０ 磁気軸受スピンドル装置、
１１ａ 一端（工具端）、１１ｂ 他端、
１３ 主軸（スピンドル）、１３ａ ディスク、１３ｂ 支持軸、
１４ 主軸モータ、１４ａ ステータ部、１５Ａ，１５Ｂ ラジアル磁気軸受、
１６Ａ，１６Ｂ アキシャル磁気軸受、
１７Ａ，１７Ｂ 変位センサ、
１８Ａ，１８Ｂ ラジアル補助軸受、
１９Ａ，１９Ｂ アキシャル補助軸受

Claims (3)

1. 一端に工具が着脱可能に取り付けられ、軸方向に一端から他端まで延びる主軸と、
   主軸をその軸心を中心に回転駆動する主軸モータと、
   主軸をラジアル方向に非接触で支持する１対のラジアル磁気軸受と、
   主軸をラジアル方向に接触して支持する１対のラジアル補助軸受と、
   主軸をアキシャル方向に非接触で支持する１対のアキシャル磁気軸受と、
   主軸をアキシャル方向に接触して支持する１対のアキシャル補助軸受と、を備え、
   前記主軸は、前記一端と主軸モータとの間に半径方向に延びる円板形状のディスクを有しており、
   一端側の前記ラジアル補助軸受は、ディスクの外周面を支持するように、ディスクのラジアル方向外側に設けられ、
   前記１対のアキシャル磁気軸受と前記１対のアキシャル補助軸受は、ディスクの軸方向両側にそれぞれ設けられ、
   一端側の前記ラジアル磁気軸受は、前記一端とディスクの間、又はディスクと主軸モータとの間に設けられる、ことを特徴とする磁気軸受スピンドル装置。
2. 一端側の前記ラジアル磁気軸受は、主軸の一端側端部に設けられ、
   前記ディスクは、一端側の前記ラジアル磁気軸受と主軸モータの間に設けられる、ことを特徴とする請求項１に記載の磁気軸受スピンドル装置。
3. 前記ディスクは、主軸の一端側端部に設けられ、
   一端側の前記ラジアル磁気軸受は、ディスクと主軸モータの間に設けられる、ことを特徴とする請求項１に記載の磁気軸受スピンドル装置。

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