JPH05292700A - エアスピンドルユニット - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ［目的］ 容積に比して軸受剛性が高く、高回転、高剛
性、および高負荷容量を同時に達成できるようにしたエ
アスピンドルユニットを提供することを目的とする。 ［構成］ 工作機械の主軸用スピンドルユニットにおい
て、モータのロータヨーク４２の外周側をもラジアル静
圧気体軸受によって受けるようにし、これによってモー
タを内蔵し、しかも全長を短くでき、高回転化を可能に
したものであって、ロータヨーク４２の外周部をも軸受
として利用するために、全長が同じ従来のものと比較し
て、高剛性化および高負荷容量化を可能にしている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はエアスピンドルユニット
に係り、とくにハウジング内に組込まれているスピンド
ルをモータによって高速回転させるようにしたエアスピ
ンドルユニットに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の工作機械主軸用エアスピンドルユ
ニットは例えば図７に示すような構造になっていた。こ
のエアスピンドルユニットはハウジング１を具備し、そ
の中にスピンドル２を配し、上下の多孔質体３、４によ
ってラジアル静圧気体軸受を構成し、回転可能に支持し
ていた。このスピンドル２の下端には砥石５が取付けら
れるとともに、上端にはスラスト受け円板６が取付けら
れるようになっている。スラスト円板６は多孔質体７お
よび多孔質体３によって構成されるスラスト方向の静圧
気体軸受によって受けられるようになっている。すなわ
ち多孔質体３、４、７には空気供給孔８および空気通路
９を介して加圧空気が供給されるようになっている。

【０００３】そしてスピンドル２の上端側は直流モータ
１２のロータ１３に直結されるようになっている。ロー
タ１３の外周側にはステータコア１４が配されるととも
に、このステータコア１４にコイル１５が巻装されるよ
うになっている。

【０００４】そしてコイル１５を巻装したステータコア
１４はインナケース１６の内周面に支持されるととも
に、このインナケース１６の外周側にはアウタケース１
７が取付けられており、しかもインナケース１６とアウ
タケース１７との間の隙間が冷却通路１８を構成してい
る。そして冷却通路１８に連通するように、アウタケー
ス１７には冷却水注入口１９と冷却水排出口２０とがそ
れぞれ形成されるようになっている。

【０００５】以上のような構成において、スピンドル２
は上下一対の多孔質体３、４を介して、空気供給孔８か
ら供給される静圧によってラジル方向に支持されるとと
もに、スラスト受け円板６が上下の多孔質体７、３によ
ってスラスト方向に静圧で支持されることになる。そし
てステータコイル１５に通電されると、ロータ１３が回
転駆動され、この回転力がスピンドル２を介して先端側
の砥石５に伝達され、砥石５が高速回転されるようにな
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このような従来の主軸
用スピンドルにおいて、モータ内蔵タイプに通常用いら
れている誘導モータあるいは直流モータでは、モータ１
２の部分が軸受を構成できない。従ってエアスピンドル
ユニットの剛性を上げるためにスピンドル２を軸線方向
に長い多孔質体３、４を介して支持しなくてはならず、
このために全長が長くなってしまう。

【０００７】最高回転数を回転部分の固有振動数以下に
しないと、軸が共振して焼付いてしまうために、剛性を
上げなくてはならない。このためには軸の長さを短くす
ればよいが、軸受剛性、とくにラジアル剛性が小さくな
ってしまう。すなわち回転数が５００００ｒｐｍを超え
るようなスピンドルにおいては、ラジアル剛性は最大で
も１０Ｎ／μｍ程度になってしまう。これまでの構造に
よれば、高回転と高剛性、高負荷容量の両立は困難であ
った。

【０００８】本発明はこのような問題点に鑑みてなされ
たものであって、高速回転と、高剛性と、そして高負荷
容量とを同時に達成できるようにしたエアスピンドルユ
ニットを提供することを目的とするのものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】第１の発明は、エアスピ
ンドルユニットのハウジング内にモータを組込むように
し、前記モータのロータの外周面をラジアル静圧気体軸
受で受けるようにしたことを特徴とするエアスピンドル
ユニットに関するものである。

【００１０】また第２の発明は、上記第１の発明におい
て、前記モータが直流ブラシレスモータから構成されて
いることを特徴とするエアスピンドルユニットに関する
ものである。

【００１１】

【作用】第１の発明によれば、モータのロータの外周面
がラジアル静圧気体軸受で受けられながらエアスピンド
ルユニットのスピンドルとともに回転するようになる。

【００１２】第２の発明によれば、ブラシレスモータの
ロータの外周面がラジアル静圧気体軸受で受けられた状
態でスピンドルとともに回転することになる。

【００１３】

【実施例】図１〜図４は本発明の一実施例に係るエアス
ピンドルユニットを示すものであって、このエアスピン
ドルユニットは円柱状をなすハウジング２５を備えてい
る。そしてこのハウシング２５内にスピンドル２６が配
されている。スピンドル２６は凹部２７内に配されてい
る多孔質体２８によって構成されるラジアル静圧気体軸
受によって回転可能に支持されるようになっている。す
なわち多孔質体２８へは、給気用継手２９および給気通
路３０を通して圧縮空気が供給されるようになってい
る。

【００１４】スピンドル２６の下端側にはスラスト受け
円板３３が配されており、その上下面は多孔質体３４、
３５によって受けられるようになっている。そしてこれ
らの多孔質体３４、３５へも、給気用継手２９および給
気通路３０を介して圧縮空気が供給されるようになって
いる。

【００１５】スラスト受け円板３３の外周側および上記
ラジアル静圧気体軸受を構成する多孔質体２８の外周側
は排気通路３６に連通されるとともに、この排気通路３
６が排気用継手３７に接続されるようになっている。そ
してスラスト受け円板３３の先端側には駆動軸３８が連
結されるとともに、この駆動軸３８の先端側にはカップ
状砥石３９が取付けられている。

【００１６】つぎにこのエアスピンドルユニットのハウ
ジング２５内に組込まれているモータの構造について説
明すると、スピンドル２６の上端にはロータヨーク４２
が直結されている。そしてこのロータヨーク４２の中心
部には中心軸４３が取付けられている。ロータヨーク４
２はその外周面が多孔質体４４によって構成されるラジ
アル静圧気体軸受で回転可能に支持されるようになって
いる。そしてロータヨーク４２の内側にはマグネット４
５が固着されるとともに、このマグネット４５の内周側
においてコイル４６がハウジング２５のエンドプレート
５１に固定支持されている。

【００１７】上記ハウジング２５の外周側にはとくに図
５および図６に示すように２条にらせん状の溝４９が形
成されている。これらの溝４９には図１および図２に示
すように銅パイプ５０が取付けられている。これらの銅
パイプ５０の端部は、図３に示すようにエンドプレート
５１に設けられている冷却水注入口５２および冷却水排
出口５３にそれぞれ接続されている。また銅パイプ５０
の外周側は空間５４を介してカバー５５によって覆われ
るようになっている。またハウジング２５の下端側には
エンドプレート５８が取付けられるとともに、このエン
ドプレート５８の中央部の開口を覆うようにキャップ５
９が取付けられている。

【００１８】以上のような構成において、給気用継手２
９および給気通路３０を介して、多孔質体４４および２
８にゲージ圧が６ｋｇｆ／ｃｍ² の圧縮空気を供給す
る。このような圧縮空気は多孔質体４４とロータヨーク
４２の外周面との隙間に供給される。あるいはまたスピ
ンドル２６と多孔質体２８との間に供給される。これに
よってロータヨーク４２およびエアスピンドル２６がラ
ジアル静圧気体軸受によって非接触で支持されることに
なる。

【００１９】また上記給気用継手２９および給気通路３
０を通して供給される圧縮空気はスラスト円板３３の上
下の多孔質体３４、３５にそれぞれ供給され、これによ
ってスラスト円板３３の上下面と多孔質体３４、３５と
の間の隙間が非接触に支持されるようになり、スラスト
静圧気体軸受によってスラスト受け円板３３が非接触で
支持されるようになる。

【００２０】ここでラジアル隙間はロータヨーク４２の
部分で３０μｍであって、エアスピンドル２６の部分で
１０μｍになっている。またスラスト受け円板３３の部
分におけるスラスト隙間は１０μｍの値に設定されてい
る。また供給された圧縮空気は排気通路３６および排気
用継手３７を通して排出されるようになっている。

【００２１】ハウジング２５内のマグネット４５とコイ
ル４６とによってブラシレスモータが構成されており、
コイル４６に通電を行なうことによって、マグネット４
５を備えるロータヨーク４２が回転することによって、
このブラシレスモータが出力を生ずるようになる。この
ようなモータの回転はスピンドル２６および駆動軸３８
を介して先端側のカップ状砥石３９に伝達され、この砥
石３９が高速で回転して加工を行なうようになる。

【００２２】なお本実施例において、スピンドル２６は
刃物３９を下に取付けた縦型になっており、先端には外
径が３０ｍｍのカップ状砥石３９を結合するようにして
いる。また駆動軸３８の中心部には研削液供給用の穴６
０が形成されている。

【００２３】このようにして研削を行なうための砥石３
９を駆動するようにしたエアスピンドルユニットにおい
て、高回転を実現するためには、スピンドル２６の固有
振動数を毎秒の最高回転数よりも高くする必要がある。
この実施例のエアスピンドルユニットは１０００００ｒ
ｐｍの目標回転数を設定しているために、固有振動数も
それよりも高い値に設定されている。

【００２４】またエアスピンドルユニットの軸受剛性
は、スラスト方向に１５０Ｎ／μｍとし、またラジアル
方向については１３０Ｎ／μｍとしている。このような
高い軸受剛性を達成するために、軸受部表面積はできる
だけ広くする必要がある。そこでスラスト受け円板３３
の外径については、最高回転数と使用する材料との組合
わせによって、強度上の限度が欠点されるために、ラジ
アル軸受面積を大きくする構造にしている。

【００２５】ロータヨーク４２の外周部およびスピンド
ル２６の外周部にそれぞれ設けられているラジアル軸受
部での空気の粘性損失とモータの出力とから、ラジアル
軸受面積の限度がある程度決定される。そしてラジアル
軸受部の損失は、直径の３乗に比例するために、面積を
増加させても損失が増えるとは限らない。

【００２６】以上の点を考慮に入れて、本実施例のエア
スピンドルユニットにおいては、ハウジング２５内に組
込まれているモータのロータヨーク４２の外周部を直接
ラジアル軸受によって支持するようにしているために、
スピンドル２６の全長を短くでき、軸の固有振動数を高
くすることが可能になる。また限られた軸の表面積を有
効に活用できるという利点をもたらす。

【００２７】そしてロータヨーク４２とスピンドル２６
とが軸を構成することになるが、その直径が途中で変わ
るようになるために、スラスト軸受の面積を大きくする
ことが可能になる。またラジアル軸受の面積を大きくす
るとともに、しかもその直径を細くすることによって損
失を抑えることが可能になる。

【００２８】このように本実施例に係る工作機械用主軸
スピンドルにおいて、モータを内蔵し、しかも高速回転
化および高剛性化を達成するために、モータのロータヨ
ーク４２の外周面をラジアル静圧気体軸受によって支持
するようにし、これによって回転部分を短くし、しかも
ラジアル軸受部の面積を最大限に得られる構造とした。
また通常に用いられている誘導モータではなく、直流ブ
ラシレスモータを用いたことによって、回転精度の向上
を達成するようにしている。

【００２９】従って同一容量のスピンドルユニットと比
較して高剛性になる。また回転部分を短くできるため
に、高回転化が可能になる。このことから、高回転、高
剛性、高負荷容量を同時に達成できるようになる。

【００３０】さらに本実施例に係るエアスピンドルユニ
ットにおいては、ハウジング２５の外周面に図５および
図６に示すように、その外周面に２条ねじ状に円弧状の
溝４９を形成するようにしており、これらの溝４９に銅
パイプ５０を巻付けるようにしている。銅パイプ５０の
両端をエンドプレート５１（図３参照）に設けられてい
る冷却水注入口５２と冷却水排水口５３とにそれぞれ接
続するようにしており、冷却水注入口５２から冷却水を
注入するとともに、冷却水排出口５３から冷却水を排出
するようにしている。そして銅パイプ５０の外周側に空
間５４を介してカバー５５を取付けるようにしている。

【００３１】なお本実施例に係るエアスピンドルユニッ
トのハウジング２５の外周面に巻かれる銅パイプ５０
は、図５および図６に示す縦溝５６、５７によって軸線
方向に導かれ、その後に２条ねじ状に形成されたらせん
状の溝４９に沿って巻かれるようになっている。

【００３２】従ってこのような冷却構造を採用すること
により、冷却水の経路がその入口５２から出口５３まで
銅パイプ５０によって構成され、Ｏリング、シール等が
不要になり、構造が非常に単純になる。また銅パイプ５
０によって流路の構造を単純化できるために内部損失が
減少し、同一断面積でも多量の冷却水を流すことがで
き、これによって冷却効率を高めることが可能になる。

【００３３】またハウジング２５内に機械加工によって
冷却水の流路を形成する場合に比べて、少ないスペース
で冷却系を構成できる利点がある。しかも同一円周上で
均一な冷却効果が期待できる。

【００３４】さらにはハウジング２５内に直接冷却水を
流す必要がなく、ハウジング２５の材料に自由度が大き
くなる。すなわちハウジング２５の腐蝕等による冷却水
のスピンドル２６の内部へのリークの心配がなくなる。
またスピンドル２６のメインテナンス時にハウジング２
５を分解しても、流路内に残った冷却水が漏れてモータ
の部分にかかるようなトラブルを引起す可能性がない。
またハウジング２５の最外周部で冷却し、しかもその外
側に空間５４を介してカバー５５を取付けるようにして
いるために、外部に熱が漏れないようになる。従ってこ
のエアスピンドルユニット内で発生する熱が工作機械本
体に伝わるのを防止できるようになる。

【００３５】

【発明の効果】第１の発明は、エアスピンドルユニット
のハウジング内にモータを組込むようにし、このモータ
のロータの外周面をラジアル静圧気体軸受で受けるよう
にしたものである。従って回転部分を短くできるため
に、高回転化が可能になり、しかもラジアル軸受部の表
面積が増大するために、軸受剛性が高くなり、高回転、
高剛性、および高負荷容量を同時に達成できるようにな
る。

【００３６】第２の発明は上記第１の発明において、モ
ータを直流ブラシレスモータから構成するようにしたも
のである。従ってこれにより、回転精度の向上が期待で
きるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】エアスピンドルユニットの縦断面図である。

【図２】図１とは９０°ずれた位置のエアスピンドルユ
ニットの縦断面図である。

【図３】エアスピンドルユニットの平面図である。

【図４】エアスピンドルユニットの底面図である。

【図５】ハウジングの平面図である。

【図６】ハウジングの正面図である。

【図７】従来のエアスピンドルユニットの縦断面図であ
る。

【符号の説明】

２５ ハウジング ２６ スピンドル ２７ 凹部 ２８ 多孔質体 ２９ 給気用継手 ３０ 給気通路 ３３ スラスト受け円板 ３４、３５ 多孔質体 ３６ 排気通路 ３７ 排気用継手 ３８ 駆動軸 ３９ カップ状砥石 ４２ ロータヨーク ４３ 中心軸 ４４ 多孔質体 ４５ マグネット ４６ コイル ４９ らせん状の溝 ５０ 銅パイプ ５１ エンドプレート ５２ 冷却水注入口 ５３ 冷却水排出口 ５４ 空間 ５５ カバー ５６、５７ 縦溝 ５８ エンドプレート ５９ キャップ ６０ 穴

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｂ２４Ｂ 41/04 9135−3Ｃ Ｆ１６Ｃ 32/06 Ｚ 8613−3Ｊ Ｈ０２Ｋ 29/00 Ｚ 9180−5Ｈ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 エアスピンドルユニットのハウジング内
   にモータを組込むようにし、前記モータのロータの外周
   面をラジアル静圧気体軸受で受けるようにしたことを特
   徴とするエアスピンドルユニット。
2. 【請求項２】 前記モータが直流ブラシレスモータから
   構成されていることを特徴とする請求項１に記載のエア
   スピンドルユニット。