JPH05208349A

JPH05208349A - 主軸ユニット

Info

Publication number: JPH05208349A
Application number: JP4013821A
Authority: JP
Inventors: Tateo Tanimoto; 楯夫谷本; Tetsuo Ichikizaki; 哲雄市来崎; Kazuo Ideue; 和夫井出上; Katsumi Nakamura; 克己中村
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1992-01-29
Filing date: 1992-01-29
Publication date: 1993-08-20

Abstract

(57)【要約】【目的】工作機械の主軸に装着される超音波加工ヘッ
ド等に、温度上昇を防止しつつ回転トランスを介して電
力を伝達する。【構成】工作機械のハウジング３０１にスピンドル外
筒１０２が固定して装着され、スピンドル外筒１０２の
内側に軸受部１０３を介してスピンドル１０１が回転自
在に支持されている。スピンドル１０１は駆動装置に連
結されていて、駆動装置により駆動回転される。ハウジ
ング３０１の先端側に対応するスピンドル外筒１０２の
先端部にステータ部１０５が設置され、ステータ部１０
５と対向するスピンドル１０１の部分にロータ部１０６
が設置されている。そして、これらステータ部１０５及
びロータ部１０６等で回転トランスが構成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、スピンドルに取付けら
れる加工ヘッド側に通電可能な主軸ユニットに関し、特
にセラミックス材等の材料の超音波研削加工などを行う
際に好適なものである。

【０００２】

【従来の技術】セラミックス等の硬脆材料の穴明けや、
平面研削加工において、工具を超音波振動させながら加
工する方法が従来からよく知られており、この加工に適
用される超音波加工ヘッドも例えば、特開昭６３−２０
０９５３号公報に掲載されたものなど、各種のものが提
案されている。つまり、この公報に示されるように回転
する工具に外部から高電力を供給して、工具に新たな機
能を付与する装置が要望され、近年増大している。

【０００３】しかしながら、回転する工具に外部から高
電力を供給するためには、何らかの電力伝送装置が必要
であり、特開昭６３−２００９５３号公報において開示
された従来の超音波加工ヘッドでは、回転する外筒の外
側に軸受を介して回転しない外筒を設け、両者の外筒間
にスリップリングを設けて電力を供給する手段を講じて
いる。すなわち、電力供給のため、超音波加工ヘッド自
体に電力伝送装置を組み込んだものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前述のように、回転す
る軸等に外部から給電する機構として、スリップリング
が多用されている。スリップリングは給電効率がよく、
高精度を要求される工作機械等でも使用され、高電力の
伝送が可能であるが、ブラシによる機械的接触であり、
火花，ノイズ等の発生、ブラシの摩耗等のため、高速回
転、例えば１０，０００rpm 以上の回転軸への給電には
向かない。また、周囲雰囲気の悪い場所での使用は、絶
縁不良を生じ使用できないと共に、加工ヘッド個々にス
リップリングなどの電力伝送装置が必要となり、加工ヘ
ッドが複雑な構造となり高価となる欠点を有する。

【０００５】そして、上記のような加工ヘッドの交換に
は、加工ヘッドへの電力伝送部分の接続も必要であり、
自動交換が困難であるという欠点をも有していた。

【０００６】この一方、電力伝送の他の手段として、回
転トランスを用いることが考えられる。回転トランス
は、回転する軸に外部から非接触で給電する機構として
周知のものであるが、給電効率がよくても７０〜８０％
であり、３０〜２０％は損失として熱になる。このた
め、高電力、例えば１０００ｗの入力に対して、出力は
７００〜８００ｗであり、残りの３００〜２００ｗは熱
になって、回転トランス及び周辺を加熱することにな
る。従って、高精度を要求される工作機械等の主軸への
高電力伝送には使用されておらず、計測信号の伝送等、
発熱の問題とならない範囲に使用が限られていた。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明による主軸ユニッ
トは、駆動装置に連結されて駆動回転され且つ先端側に
加工ヘッドが取付けられるスピンドルと、該スピンドル
の外周を覆うように位置し且つ外枠を形成するハウジン
グに装着されるスピンドル外筒と、前記スピンドルと該
スピンドル外筒との間に位置し且つ前記スピンドルを回
転自在に支持する軸受部とを有した主軸ユニットにおい
て、前記スピンドル外筒の先端部に設けられたステータ
部と、該ステータと対向して前記スピンドルに設けられ
たロータ部とを備えた回転トランスを有したことを特徴
とする。

【０００８】

【作用】軸受部を介してスピンドル外筒に支持されつつ
駆動装置に駆動されて、スピンドルが回転する。これに
伴って回転トランスのステータ部がスピンドル側のロー
タ部との間で、電力を伝送しつつ、ロータ部がスピンド
ルの回転に伴って回転する。

【０００９】この際、回転トランスがスピンドル外筒及
びスピンドルの先端部に設けられている為、すみやかに
回転トランスから発生する熱が放熱されて、主軸ユニッ
トの精度の低下が避けられる。

【００１０】また、加工ヘッドのスピンドルへの着脱に
際しては、電力伝送部分の接続が不必要となる。

【００１１】

【実施例】本発明の主軸ユニットに係わる一実施例を図
１及び図２に示し、これらの図に基づき本実施例を説明
する。

【００１２】主軸ユニット１００を表す図１に示すよう
に、工作機械等の主軸頭であって外枠を形成するハウジ
ング３０１にスピンドル外筒１０２が固定して装着さ
れ、このスピンドル外筒１０２の内側にボールべアリン
グ等で構成される軸受部１０３を介してスピンドル１０
１が回転自在に支持されている。このスピンドル１０１
は、図示しない駆動装置に連結されていて、駆動装置に
より駆動回転される。また、スピンドル外筒１０２とス
ピンドル１０１との間であって軸受部１０３に隣接する
位置には、軸受部１０３への異物の進入を防止するシー
ル部１０４が取付けられている。

【００１３】さらに、図１上、下側のハウジング３０１
先端側に位置するスピンドル外筒１０２の先端部に円環
状のステータ部１０５が設置されている。すなわち、ス
テータ部１０５は、フランジ１０２Ａに装着され、さら
に複数本のボルト１１５で一体構造となるように締結さ
れて、スピンドル外筒１０２に設置されている。そし
て、ステータ部１０５は、コア１０５Ａ及びコイル１０
５Ｂ等で構成されており、コイル１０５Ｂに電力ケーブ
ル１０７Ａ，１０７Ｂを通じて電力が供給される。

【００１４】一方、ステータ部１０５と対向するスピン
ドル１０１の位置には、円環状のロータ部１０６が設置
されている。このロータ部１０６は、コア１０６Ａ及び
コイル１０６Ｂ等で構成されており、ステータ部１０５
から非接触で伝送された電力を電力ケーブル１０８Ａ，
１０８Ｂを通じてスピンドル１０１の軸端面に設けられ
た電力端子１１４Ａ，１１４Ｂに伝送し、電力端子１１
４Ａ，１１４Ｂを介して加工ヘッド２００に電力供給す
る。

【００１５】つまり、これらステータ部１０５及びロー
タ部１０６等で回転トランスが構成され、この回転トラ
ンスが、加工ヘッド２００を着脱する側であるハウジン
グ３０１の先端側に設けられており、スピンドル外筒１
０２側からスピンドル１０１側に給電されることにな
る。

【００１６】他方、加工ヘッド２００は、超音波加工ヘ
ッドであり、公知の工具自動交換装置を用いると共に、
テーパ部１１７と図示しないキーにより、スピンドル１
０１に自動装着される。

【００１７】ここで、図１に示されるように、主軸ユニ
ット１００に装着された超音波加工ヘッドの詳細を図２
に基づき説明する。

【００１８】超音波加工ヘッドを拡大して表す図２に示
すように、１１は超音波発振子（電歪素子）であり、本
実施例では４枚の穴明き円板状のもので構成されてお
り、押え板１２をはさんで押え治具１３により伝送ホー
ン１４のねじ部１５で伝送ホーン１４に締めつけられて
いる。外筒１６の軸方向一方の端部にはテーパシャンク
１７が形成されており、シャンク部に超音波電力受電ソ
ケット端子１８，１９が設けられ、このソケット端子１
８，１９は電力ケーブル２０，２１を介して超音波発振
子１１に接続されている。テーパシャンク１７は工作機
械のスピンドル１０１に着脱自在に取付けられるもので
あり、このとき、ソケット端子１８，１９もスピンドル
１０１に設けられている電力端子１１４Ａ，１１４Ｂに
着脱自在に装入される。

【００１９】この、超音波振動系の支持は線Ｘ−Ｘで示
した軸方向の振動の節（ノード位置）で伝送ホーン１４
の外径側に設けたフランジ２２と、伝送ホーン１４の軸
中心部に設けた支持軸２３が締めつけフランジ２４によ
りボルト２５で外筒１６に押しつけられて支持されてい
る。この支持構造はフランジ２４に下向きの第１テーパ
部２６を形成し、且つ、支持軸２３の先端部には上向き
の第２テーパ部２７を形成し、一方、フランジ２４の第
１テーパ部２６を、これとはめあわされる第３テーパ部
２８を有した締めつけフランジ２４によりボルト２５で
外筒１６に締めつけられる。この時、支持軸２３の先端
の第２テーパ部２７は外筒１６の軸中心部に設けた第４
テーパ部２９にはめあわされ、伝送ホーン１４の軸中心
が外筒１６の軸中心と一致するように自動調心されなが
ら、精度よく、且つ、高剛性で外筒１６に伝送ホーン１
４が支持される構造となっている。

【００２０】また、外筒１６の軸中心部には貫通穴３０
が設けられており、テーパシャンク部１７にはプルスタ
ッド３１が取付けられているが、プルスタッド３１にも
貫通穴３２が設けられている。支持軸２３の第２テーパ
部３０はＯリングによる研削液等のシール３３がなされ
ており、支持軸２３、伝送ホーン１４、工具３４の軸中
心部にもそれぞれ貫通孔３５，３６，３７，３８がそれ
ぞれ設けられ、これらが連続した孔となっており、研削
液等の供給通路を構成している。

【００２１】而して、超音波発振子１１にソケット端子
１８，１９から電力ケーブル２０，２１を通じて超音波
電力が供給されると、超音波発振子１１は振動し、伝送
ホーン１４で増幅されながら伝送ホーン１４のもう一方
の端部に着脱自在に取付けられている工具３４に伝送さ
れ、この工具３４は高振幅で超音波振動する。

【００２２】このとき、超音波加工ヘッドの軸中心部は
超音波加工ヘッドが高速回転しても遠心力の作用が小さ
い部位であり、この部位を高圧の研削液等の供給通路と
することにより、回転バランスを良好に保つことが可能
となる。また、超音波加工ヘッドの軸中心部は外筒１
６、支持軸２３、伝送ホーン１４、工具３４で連結され
ており、工具３４が受ける加工反力はスラスト力につい
ては工具３４から伝送ホーン１４及び支持軸２３を経て
直接的に外筒１６が受けるため、伝送ホーン１４のフラ
ンジ２２には大きなスラスト力は作用しない。一方、ラ
ジアル力については伝送ホーン１４のフランジ２２と支
持軸２３を介して外筒１６が受ける構造となっており、
これらから従来に比べて高剛性支持ができることとな
る。なお、研削実験では、スラスト力１５０ｋｇ以上の
重研削が容易にでき、かつ4,０００rpm の高速回転にも
何ら問題は生じなかった。今後、セラミックス等の小径
穴あけ加工では１０，０００rpm 以上の高速回転に適用
できる超音波加工ヘッドが要望されてくるものと判断さ
れるが、この超音波加工ヘッドは、充分期待に応じられ
るものと推定される。

【００２３】なお、図２中、３７で示す伝送ホーン１４
の内部空洞は工具３４の超音波振動が逆に伝送ホーン１
４を通じて支持軸２３に直接伝送されるのを防止するも
のであり、図２中Ｄで示す空洞の直径は支持軸２３の直
径と同等以上であることが望ましい。これにより超音波
振動が外部ヘ伝送されるのを極力おさえることができ、
効率のよい安定した伝送ホーンの支持構造を形成するこ
とができる。

【００２４】他方、図１に示すように主軸ユニット１０
０のフランジ１０２Ａには複数個の圧縮空気流入孔１１
１Ａ，１１１Ｂが設けられており矢印Ｅ，Ｆで示すよう
に外部から圧縮空気が送り込まれる。送り込まれた圧縮
空気はヘッダー部１１２を経由して、回転トランスのス
テータ部１０５のコア１０５Ａとロータ部１０６のコア
１０６Ａとの隙間１１３Ａから、コイル部１０５Ｂ，１
０６Ｂに流入し、隙間１１３Ｂから矢印Ｇで示すように
加工ヘッド２００側の外部に噴出する。ここで、ヘッダ
ー部１１２は、隙間１１３Ａの全周から均一にコイル部
１０５Ｂ，１０６Ｂに圧縮空気を流入させる役目を持
つ。このように回転トランスのステータ部１０５とロー
タ部１０６との間の隙間を圧縮空気の流路とすることに
より、隙間１１３Ｂからの異物の進入を防止するシール
作用と給電時の発熱を外部に放散する作用を与えること
ができる。

【００２５】また、前述の研削液は矢印Ｈで示すように
スピンドル１０１の軸心を流れ、この時スピンドル１０
１の冷却を兼ねながら加工ヘッド２００の先端から外部
に流出する。従って、研削中は、加工ヘッド２００の先
端から流出した研削液は、被研削材との間で飛散し、こ
れが回転トランスにも飛散して外部からの冷却を助長す
る。勿論、安全のために回転トランスは絶縁処理されて
いることは当然である。

【００２６】さらに、回転トランスを組込んだ本実施例
の主軸ユニット１００は、図１で示したように一体構造
として構成されており、複数本のボルト１１５で容易に
工作機械のハウジング３０１に装着できる。従って、回
転トランス等の給電装置を持たない従来の主軸ユニット
と同じ構造であり、従来の主軸ユニットのかわりに本実
施例の主軸ユニットを何の問題もなく装着することがで
きる。

【００２７】なお、本実施例では回転トランスをスピン
ドルの加工ヘッド着脱側である先端部に設けた場合を示
したが、スピンドル中間部に設けても、回転トランスの
ステータ部とロータ部の隙間を圧縮空気の流路として回
転トランスを冷却することができる。

【００２８】

【発明の効果】本発明の主軸ユニットによれば、回転ト
ランスをスピンドル外筒及びスピンドルの先端部に設け
た構造とした結果、回転トランスで発生する熱を主軸ユ
ニット内に蓄熱することなく外部に熱を放散することが
でき、かつ、給電装置を持たない従来の主軸ユニットの
基本的な構造を変えないで、回転トランスを組込んだだ
けの簡素な構造の主軸ユニットを提供することができ
る。すなわち、既存の工作機械例えばマシニングセンタ
ーに適用できるものであり、加工ヘッドに超音波加工ヘ
ッドを用いれば、マシニングセンターの特徴の１つであ
る工具の自動交換機能を損なうことなくセラミックス等
の研削加工が可能となる。また、本発明の主軸ユニット
は、前述のように回転トランスを内蔵したユニットとし
て構成されているので、外部で組立後、工作機械に装着
ができる。このため、安価かつコンパクトで保守容易な
主軸ユニットを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係わる回転トランスを組込
んだ主軸ユニットの断面図である。

【図２】図１の主軸ユニットに支持される超音波振動子
の拡大断面図である。

【符号の説明】

１０１スピンドル１０２スピンドル外筒１０２Ａフランジ１０３軸受部１０４シール部１０５ステータ部１０６ロータ部１０５Ａ，１０６Ａコア１０５Ｂ，１０６Ｂコイル１０７Ａ，１０７Ｂ，１０８Ａ，１０８Ｂ電力ケーブ
ル１１１Ａ，１１１Ｂ空気流入孔２００加工ヘッド３０１ハウジングＥ，Ｆ，Ｇ，Ｈ，Ｍ矢印

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者中村克己京都府京都市右京区太秦巽町１番地三菱重工業株式会社京都精機製作所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】駆動装置に連結されて駆動回転され且つ
先端側に加工ヘッドが取付けられるスピンドルと、該ス
ピンドルの外周を覆うように位置し且つ外枠を形成する
ハウジングに装着されるスピンドル外筒と、前記スピン
ドルと該スピンドル外筒との間に位置し且つ前記スピン
ドルを回転自在に支持する軸受部とを有した主軸ユニッ
トにおいて、前記スピンドル外筒の先端部に設けられたステータ部
と、該ステータと対向して前記スピンドルに設けられた
ロータ部とを備えた回転トランスを有したことを特徴と
する主軸ユニット。