JPH04343606A - 主軸装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、穴明け加工などのため
の工作機械の主軸装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】プリント配線基板等の穴明け加工は、小
径、深穴加工であり、そのアスペクト比（板厚／穴径）
は近年１０〜２０にも達している。そして加工穴数は、
数千から数万個もあり、その穴位置精度、真円精度、真
直度精度、穴壁粗さ精度等が高精度に要求されている。 また、これら基板は大量生産されるため、高速加工が要
求されている。

【０００３】このような小径深穴を高精度に加工するた
めには、切削切粉の排出を良好にすること、工具にかか
るスラスト力を小さくして、工具の摩耗及び工具の座屈
を防止すること等が必要となる。このような要求を満た
す加工技術として、切削中に工具の軸方向に高周波また
は超音波振動を行わせつつ穴加工をする「振動切削」が
公知である。

【０００４】この振動切削として、被加工物を振動させ
る方式（例えば、特開平２−１５２７０６号公報参照）
と、工具側を振動させる方式（例えば、特開昭６０−２
５９３４６　号公報、特開平１−１０９００７号公報参
照）とがある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前記被加工物側を振動
させるものにあっては、被加工物の大きさやその重量が
一定でないこと、並びに、被加工物構造での振動減衰及
び被加工物を取り付けている固定部での振動減衰が生じ
ること等により、振動伝達効率が悪いという問題があっ
た。

【０００６】また、工具側を振動させるものにあっては
、工具を取り付けている主軸全体を振動させるものであ
ったから、振動子によって加振される部材の質量が大き
くなり、そのため大きな加振エネルギーを必要とし、装
置が大型になるという問題があった。また、工具側を振
動させるものにあっては、超音波振動子を回転する主軸
に設けており、そのため励磁電流を外部から回転部分に
供給するためのスリップリング装置を必要とするので、
装置が大型となり、また、高速回転に不向きである等の
問題があった。

【０００７】そこで、本発明は、前記問題点を解決した
主軸装置を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
、本発明は次の手段を講じた。即ち、請求項１記載の本
発明の特徴とするところは、工具を先端部に取り付け可
能とした主軸が、非回転の主軸ケースに回転自在に支持
されると共に、該主軸が軸方向に振動するよう構成され
た主軸装置において、前記主軸は回転駆動される主軸後
部と、該主軸後部に軸方向振動可能に且つ一体回転可能
に結合された主軸前部とに分割構成され、前記主軸前部
に軸方向振動発生装置が設けられた点にある。

【０００９】また、請求項２記載の本発明の特徴とする
ところは、前記請求項１記載の主軸装置において、前記
主軸前部は、前記主軸後部に弾性部材を介して軸方向振
動可能に且つ一体回転可能に結合されており、前記軸方
向振動発生装置は、主軸前部に外嵌された超磁歪材料か
らなる円筒状振動子と、該振動子の外周に相対回転可能
な空隙を有して主軸ケースに固定された磁界発生用のコ
イルとを具備している点にある。

【００１０】

【作用】請求項１記載の本発明によれば、主軸後部が回
転駆動され、該回転は主軸前部に伝達され、主軸後部と
主軸前部は一体回転する。そして、主軸前部に設けられ
た軸方向振動発生装置により軸方向振動が起生される。 この軸方向振動は、主軸前部に伝達され、該主軸前部を
軸方向に加振する。従って、主軸前部に取り付けられた
工具は回転すると共に軸方向に振動し、振動切削をを行
う。

【００１１】前記軸方向振動発生装置は、従来のように
主軸全体を振動させるのではなく、主軸前部のみを振動
させるものであるので、その質量が小さくなり、振動エ
ネルギーは小さいもので足りる。請求項２記載の本発明
によれば、主軸後部の回転駆動力は、弾性部材を介して
主軸前部に伝達され、主軸前部を回転させる。また、磁
界発生用コイルに高周波電流を印加すると、超磁歪材料
からなる円筒状振動子が軸方向に振動し、該振動は主軸
前部に伝達され、主軸前部を加振し、主軸前部に取り付
けられた工具を軸方向に振動させる。この軸方向振動力
は、前記弾性部材により吸収されて、主軸後部には伝達
されず、従って、主軸前部のみを振動させるのに寄与す
る。

【００１２】前記磁界発生用コイルは、非回転部分の主
軸ケースに固定されているので、スリップリング等の装
置を介在することなくコイルに電流を流すことができ、
従って、主軸を高速回転させることができる。また、振
動子は、超磁歪材料で作られているので、通常の磁歪材
料の１０−５程度の小さな飽和磁歪値に比べ、１０−３
程度の大きな飽和磁歪値を示す。従って、小さな印加磁
界で、大きな変位量と大きな変位力を主軸前部に付与す
る。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づき説明す
る。図１は、プリント基板穴明け加工用工作機械の主軸
装置であり、図中の符号１で示す部材は、主軸ケースで
あり、該主軸ケース１　の前端面にキャップ２　がボル
ト３　により着脱自在に取り付けられている。この主軸
ケース１　は回転しない。この主軸ケース１　の内部に
、主軸４　が回転自在に支持されている。この主軸４　
は、主軸後部５　と主軸前部６　とに分割構成されてい
る。

【００１４】前記主軸後部５　は、円筒状に形成されて
おり、前記主軸ケース１　に組み込まれた図示省略の高
周波モータのロータを構成している。この主軸後部５　
は、第１ラジアルエヤーベアリング７　及びスラストエ
ヤーベアリング８　を介して、前記主軸ケース１　に回
転自在に、且つ、軸方向移動不能に支持されている。前
記主軸後部５　の前端面に、リング状のスペーサ９　が
固定されている。 このスペーサ９　の前端内周部に、凹部１０が形成され
ている。このスペーサ９　の前端面に、リング状の板バ
ネ１１の外周部が固定されている。このリング状板バネ
１１の内周部は、前記凹部１０より更に中心側に突出し
ている。従って、この板バネ１１の内周部は、スペーサ
９　の前端面に当接しない自由端部とされている。この
自由端部には、板バネ１１の板厚方向の弾性変形を容易
にするため、図２に示すような周方向長孔１２が同心状
に複数個形成されている。

【００１５】前記板バネ１１の内周部に、前記主軸前部
６　が固定されている。この主軸前部６は、複数の部材
から構成されている。即ち、主軸前部６　は、前記板バ
ネ１１の内周部後端面に固定された第１筒体１３と、前
記板バネ１１の前端面に固定された第２筒体１４と、該
第２筒体１４の前端面に固定されたリング体１５と、該
リング体１５の前端面に固定された主軸ノーズ部１６と
、これらの中心穴に貫挿されたコレット１７と、前記第
１筒体１３の後端面に当接しかつ前記コレット１７の後
端部に外嵌された複数の皿バネ１８と、該皿バネ１８の
後端面に当接したワッシャ１９と、前記コレット１７の
後端部に螺合されて前記ワッシャ１９を押圧するナット
２０とからなる。

【００１６】前記第１筒体１３は、前記主軸後部５　の
中心孔に突出して主軸後部５　と同心状に配置されてい
る。この第１筒体１３の前部は、径大な取り付けフラン
ジ２１に形成されている。この取り付けフランジ２１の
前端面が、前記板バネ１１の後端面に当接して、ボルト
２２により固定されている。この取り付けフランジ２１
は、前記スペーサ９　の凹部１０に入り込んでおり、凹
部１０底面とフランジ２１後端面との間に、軸方向の所
定間隙が形成されている。

【００１７】前記第２筒体１４は、前部と後部が径大な
段付き円筒状に形成されており、後部の径大部は取り付
けフランジ２３とされて、前記第１筒体１３と同心にな
るよう前記ボルト２２により前記板バネ１１に共締めさ
れている。 前記第２筒体１４の前部の径大部２４の前端面に、前記
リング体１５がボルト２５で固定されている。このリン
グ体１５の外径は、前記第２筒体１４の前部の大径部２
４の外径より大きくされている。更にこのリング体１５
の前端面に、前記主軸ノーズ部１６がボルト２６により
固定されている。この主軸ノーズ部１６の外周面及び前
記リング体１５の外周面は、前記主軸後部５　と同心に
形成され、これら外周面と、前記主軸ケース１　の前端
面に取り付けられた前記キャップ２　の内周面との間に
、第２ラジアルエヤーベアリング２７が形成されている
。

【００１８】前記主軸ノーズ部１６の内周面は、コレッ
ト取り付け用テーパ孔２８に形成されており、該テーパ
孔２８に前記コレット１７が挿入されている。このコレ
ット１７は、リング体１５、第１及び第２筒体１３，１
４　の中心孔を貫通して、前記主軸後部５　の中心孔に
その後部が突出しており、そしてこの突出部に前記皿バ
ネ１８、ワッシャ１９、及び、ナット２０が取り付けら
れている。

【００１９】前記コレット１７の軸心部には、工具取り
付け孔２９が形成され、該取り付け孔２９にドリル３０
が着脱自在に取り付けられている。このドリル３０の把
持力は、前記皿バネ１８によりコレット１７を後方に引
っ張り、主軸ノーズ部１６のテーパ孔２８でコレット１
７を締め付けることにより得られる。尚、前記ドリル３
０の取り外しは、前記コレット１７の後端面を図示省略
のプッシュロッドで押圧して、前記皿バネ１８の付勢力
に抗して該コレット１７を前方に移動させて、主軸ノー
ズ部１６のテーパ孔２８の締め付け力を解除することに
より行われる。

【００２０】前記主軸前部６　の第２筒体１４外周面と
、前記主軸ケース１　の内周面間に空間が形成されてお
り、該空間に軸方向振動発生装置３１が収納されている
。以下、この軸方向振動発生装置３１について説明する
。前記板バネ１１の前端面外周部に、非磁性体材による
フランジ部材３２がボルト３３で固定されている。この
フランジ部材３２の内周部に、前方に突出する筒部３４
が一体形成されている。前記フランジ部材３２の後端面
内周部に、前記スペーサ９　の凹部１０に対応した凹部
３５が形成されている。このフランジ部材３２の凹部３
５に、前記第２筒部材１４のフランジ２３が入り込んで
おり、この第２筒部材１４のフランジ２３前端面とフラ
ンジ部材３２の凹部３５底面との間に軸方向の所定間隙
が形成されている。

【００２１】前記フランジ部材３２の筒部３４は、前記
第２筒体１４に所定の間隙を有して同心状に外嵌されて
いる。 この筒部３４の外周に、フランジ部材３２の前端面に当
接するよう強磁性体の後部リング３６が外嵌され、この
後部リング３６の前端面に当接するようリング状の後部
永久磁石３７が外嵌され、更に、この永久磁石３７の前
端面に当接するよう、円筒状に形成された超磁歪振動子
３８の後端部が外嵌支持されている。

【００２２】前記超磁歪振動子３８は、図３に示すよう
真円の円筒状に形成されており、その前端部は、前記第
２筒体１４の大径部２４外周にリングカラー４５を介し
て外嵌支持されている。この超磁歪振動子３８の軸方向
中央部の内周面と前記第２筒体１４の外周面間には、所
定の間隙が形成されている。前記超磁歪振動子３８は、
超磁歪材料から形成されており、この超磁歪材料として
、例えば、１９９０年２月号の「センサ技術」第３５〜
４０ページに記載のものがある。

【００２３】更に、前記第２筒体１４の大径部２４には
、前記超磁歪振動子３８の前端面に当接するよう前部永
久磁石３９が軸方向移動自在に外嵌され、この前部永久
磁石３９の前端面に当接するよう強磁性体の前部リング
４０が軸方向移動自在に外嵌支持されている。前記前部
及び後部の永久磁石３９，３７　は、磁気バイアス用の
磁石であり、両永久磁石３７，３９　のＳ極とＮ極とが
互いに対向するよう配置されている。

【００２４】前記前部リング４０は、前記第２筒体１４
の前端面に固定された前記リング体１５に前後方向進退
自在に螺合された調整ネジ４１によって、後方に押圧さ
れている。この調整ネジ４１を回動操作するための操作
用孔４２が、前記主軸ノーズ部１６に開設されている。 前記調整ネジ４１を締め込むことにより、前記超磁歪振
動子３８に軸方向狭圧力が作用し、超磁歪振動子３８に
軸方向圧縮応力が発生する。この狭圧力の反作用力は、
前記板バネ１１によって支承されている。従って、この
狭圧力は、板バネ１１の弾性変形に比例している。そし
て、前記調整ネジ４１を締め込むことにより、板バネ１
１の内周部の自由端部は前方に移動し、この締め込み量
が大き過ぎると、第２筒体１４のフランジ２３の前端面
が、前記フランジ部材３２の凹部３５の底面に当接し、
それ以上の板バネ１１の変形を防止している。

【００２５】前記超磁歪振動子３８の外周側に、所定の
間隙を有して磁界発生用コイル４３が配置されている。 このコイル４３は、主軸ケース１の内面に固定された強
磁性体材からなる支持円筒４４に固定されている。前記
構成の主軸装置によれば、主軸後部５　に設けられた図
示省略の高周波モータにより、主軸後部５　が回転され
る。この主軸後部５　は、それ自体が高周波モータのロ
ータを構成しているので、ベルト伝動やギヤ伝動のもの
に比べ、円滑な高速回転が得られる。また、主軸後部５
　は、第１ラジアルエヤーベアリング７　によって回転
自在に支持されているので、回転摩擦抵抗が少なく、且
つ、スラストエヤーベアリング８　によって軸方向移動
が防止されている。

【００２６】前記主軸後部５　の回転は、板バネ１１を
介して主軸前部６　に伝達され、主軸前部６　は主軸後
部５　と一体回転する。主軸前部６　の前端部も第２ラ
ジアルエヤーベアリング２７によって回転自在に支持さ
れているので、回転摩擦抵抗の少ない回転が得られる。 また、主軸前部６　は、板バネ１１によって主軸後部５
　に結合されているので、径方向には移動不能であるが
、軸方向の振動が許容される。

【００２７】前記主軸前部６　の第２筒体１４の外周部
に外嵌された超磁歪振動子３８には、調整ネジ４１によ
り軸方向圧縮応力が加えられ、且つ、前後の永久磁石３
９，３７　により磁気バイアスが加えられている。この
状態で、磁界発生用コイル４３に高周波電流を流すこと
により発生する高周波磁界は、超磁歪振動子３８、後部
永久磁石３７、後部リング３６、支持円筒４４、前部リ
ング４０、及び、前部永久磁石３９で構成される磁路内
を通り、超磁歪振動子３８を軸方向に高周波振動させる
。

【００２８】この軸方向振動は、第２筒体１４に伝達さ
れ、主軸前部６　が軸方向に振動する。この主軸前部６
　の軸方向振動は、板バネ１１によって吸収され主軸後
部５　には伝達されない。前記実施例によれば、主軸４
　全体を振動発生装置３１により振動させるのではなく
、主軸前部６　のみを振動させるので、振動させる部材
の質量が小さくなり、振動発生装置３１の容量を小さい
ものにできる。また磁界発生コイル４３は、非回転の主
軸ケース１　に固定されているため、スリップリングを
用いることなくコイル４３に電気を供給することができ
、主軸４　の高速回転化が達成される。更に、超磁歪振
動子３８の使用により、振動子３８の寸法を小さくでき
、且つ、振動エネルギーを回転部に無接触で供給するこ
とにより、高速回転する主軸前部６　を効率よく軸方向
に振動させることができる。

【００２９】図４に示すものは、円筒状の超磁歪振動子
３８の他の実施例であり、この振動子３８は、超磁歪材
料からなる小径棒状体４６を、束ねて円筒状に形成した
ものである。この小径棒状体４６の表面には、絶縁被覆
が施され、互いの棒状体４５が直接接触しないようされ
ている。 このように、小径棒状体４６を束ねることにより、高周
波磁界により生じる渦電流損失を軽減することができる
。

【００３０】尚、本発明は、前記実施例に限定されるも
のではない。例えば、請求項１記載の発明において、主
軸後部５　と主軸前部６　とを一体回転可能に且つ軸方
向振動許容可能に結合する手段として、板バネ１１に限
定されるののではなく、主軸後部５と主軸前部６　とを
ベローズカップリング等により結合して前記機能を発揮
するようにしてもよい。また、主軸後部５と主軸前部６
　とを直接超磁歪振動子で結合してもよい。また、主軸
４を支持する手段として、エヤーベアリング７，８，２
７に代えて他の軸受け手段を用いてもよい。更に、主軸
の形式構造は如何なるものであってもよい。また工具は
、ドリルに限らず、砥石やリーマ等であってもよい。ま
た加工物は、プリント基板に限定されるものではない。 また、軸方向振動発生装置３１は、超磁歪振動子３８を
用いたものに限定されるものではなく、従来公知のもの
を用いることができ、この場合、スリップリングを用い
て回転部分に振動発生用高周波電流を供給するものであ
ってもよい。要は、請求項１記載の発明においては、そ
の振動させる質量を可及的に小さくできるものであれば
よい。

【００３１】また、請求項２記載の発明においては、弾
性部材は板バネに限定されるものではなく、コイルスプ
リングや流体を使用した各種ダンパー等を用いることが
できる。

【００３２】

【発明の効果】請求項１記載の本発明によれば、主軸を
主軸前部と主軸後部とに分割して、工具を保持する主軸
前部を軸方向振動発生装置により振動させるよう構成し
たので、従来の主軸全体を軸方向に振動させるものに比
べ、振動させる部材の質量が小さくなり、その結果、振
動エネルギーを小さくすることができるので、振動発生
装置を小型化できる。

【００３３】また、請求項２記載の発明によれば、超磁
歪振動子の使用により、振動子の寸法を小さくでき、且
つ、振動エネルギーを回転部に無接触で供給することに
より、高速回転する主軸前部を効率よく振動させること
ができる。また、磁界発生用コイルを非回転部に設けた
ので、従来のスリップリングが不用となり、主軸の高速
回転化が達成される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示す断面図である。

【図２】板バネの正面図である。

【図３】超磁歪振動子の斜視図である。

【図４】超磁歪振動子の他の例を示す斜視図である。

【符号の説明】

１　　　　主軸ケース ４　　　　主軸 ５　　　　主軸後部 ６　　　　主軸前部 １１　　弾性部材 ３０　　工具 ３１　　軸方向振動発生装置 ３８　　超磁歪振動子 ４３　　磁界発生用コイル

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　工具を先端部に取り付け可能とした主
   軸が、非回転の主軸ケースに回転自在に支持されると共
   に、該主軸が軸方向に振動するよう構成された主軸装置
   において、前記主軸は回転駆動される主軸後部と、該主
   軸後部に軸方向振動可能に且つ一体回転可能に結合され
   た主軸前部とに分割構成され、前記主軸前部に軸方向振
   動発生装置が設けられたことを特徴とする主軸装置。
2. 【請求項２】　　前記主軸前部は、前記主軸後部に弾性
   部材を介して軸方向振動可能に且つ一体回転可能に結合
   されており、前記軸方向振動発生装置は、主軸前部に外
   嵌された超磁歪材料からなる円筒状振動子と、該振動子
   の外周に相対回転可能な空隙を有して主軸ケースに固定
   された磁界発生用のコイルとを具備していることを特徴
   とする請求項１記載の主軸装置。