JPH1110420A - 静圧空気軸受スピンドル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高精度で高速回転が可能で、微細な精密加工
が能率良く行えるスピンドルを提供する。 【解決手段】 主軸１を静圧空気軸受４〜６，７，８に
より非接触で支持すると共に、主軸１に超音波振動子１
０を設けて非接触で加振する。また、主軸１に振動拡大
機能部を設ける。主軸１の回転は、主軸１にモータロー
タ１７を設け、またはタービンポケットを設けること
で、モータあるいはタービン式の無接触の回転駆動装置
で与える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、小径穴あけなど
の微細加工を行うための静圧空気軸受スピンドルに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】ドリルを回転させると共に、２０ｋＨｚ
以上の超音波領域の周波数で、軸方向に振動させて穴加
工を行う振動切削による穴明けは、次のような利点があ
る。ａ．面粗さ、真直度、直角度、真円度、円筒度な
ど、穴の形状精度が向上する。ｂ．切粉がスムーズに排
出され、切粉詰まりによる工具折損を生じ難い。このよ
うな振動切削による穴明けのために、従来、図３に示す
ようなスピンドルが提案されている。

【０００３】図３において、回転する振動子５５への励
振、励磁電流は、発振機からブラシ５２を介してスリッ
プリング５３に導き、スリップリング５３に半田づけさ
れているリード線５４によって与える。振動子５５の一
端は、振幅拡大用ホーン５７と接合し、そのホーン５７
の先端にドリル取付け用の3/100 テーパ穴を設ける。こ
れにテーパシャンクドリル５９を挿入し、２点鎖線で示
した取付けナット５８で締め付けて固定する。固定した
後に、このナット５８は取り外す。振幅拡大用ホーン５
７の回転主軸５６への取付けと心出しは、振幅拡大用ホ
ーン５７の振動節部を利用して行う。心出しを回転主軸
５６の内周部で行い、ドリル側の振動節部をフランジ状
の形状にして、主軸５６とボルト締めする。この場合、
長時間作業に耐えられるようにフェライト磁歪振動子は
オイルミスト方式によって強制冷却する。主軸寸法は、
ドリル形状が変われば、それに応じて変える。ドリル振
幅は、ホーン５７の直径比を大きくして希望どおりに増
幅させることができる。

【０００４】このボール盤によってドリル５９の円周方
向の振れ２μｍ，主軸端の軸方向の振れ２μｍ以内の回
転精度として、ドリル５９に回転数５００〜３０００ｒ
ｐｍの回転運動と振動数２０ｋＨｚ，片振幅３０μｍま
での縦振動を重畳させて振動穴明けすることができる。
そして、慣用切削に比べて、ドリル径に対する拡大しろ
を少なくし、面精度や真直度，直角度，真円度，円筒度
などの穴形状精度を向上させる効果が得られる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記従来例では、スリ
ップリング５３を介して振動子５５に給電するため、高
速回転できない。また、摩耗による寿命がある。しか
も、効率良く振動を拡大するために、振動子５５を支持
する位置は、振幅の小さい振動モードの節の位置に限ら
れる。一方、ドリル５９からなる工具は、最も振幅の大
きい位置に配置しなくてはならない。このため、工具か
ら離れた位置を支持することになり、工具の半径方向の
支持剛性が小さく、高速回転時の振れ回りが大きい。

【０００６】この発明は、上記課題を解消するものであ
り、高精度で高速回転が可能で、微細な精密加工が能率
良く行える静圧空気軸受スピンドルを提供することを目
的とする。この発明の他の目的は、主軸の回転振れの抑
制効果を高めることである。この発明のさらに他の目的
は、部品点数が削減でき、軽量，コンパクトなスピンド
ルを実現することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、この発明の静圧空気軸受スピンドルは、工具把持
部，振動子，および回転被付与手段を有する主軸と、こ
の主軸を非接触支持する静圧気体軸受と、前記振動子に
非接触に作用して主軸を加振する加振手段と、前記回転
被付与手段に作用して回転させる回転駆動手段とを備え
た構成とした。この構成によると、静圧気体軸受と、主
軸の振動子に作用する加振手段との組み合わせにより、
非接触で主軸を支持し、かつ加振できるので、高精度で
高速回転が可能で、微細な精密加工が能率良く行える。

【０００８】上記構成において、静圧気体軸受スピンド
ルの主軸に前記振動子として超音波振動子を設けて、主
軸自体を振動拡大機構として利用し、かつ超音波振動子
として超磁歪材料を用いて、固定部に設けた励磁コイル
によって加振力を発生させる構成とすることが好まし
い。例えば、上記構成の静圧空気軸受スピンドルにおい
て、前記振動子は超磁歪材料を利用した超音波振動子と
し、前記主軸に超音波振動子の振動を拡大する振動拡大
機能部を設け、前記静圧気体軸受の一つとして、前記主
軸の振動拡大機能部の少なくとも一部を支持する静圧気
体ジャーナル軸受を設け、前記加振手段は前記超音波振
動子を囲むようにハウジングに固定された励磁コイルを
持つものとする。静圧気体ジャーナル軸受は、軸方向の
動きを規制しないので、支持部の配置に関して厳しい制
約がなく、工具の近傍にこの静圧気体ジャーナル軸受を
配置して、回転振れをさらに改善することが可能であ
る。また、主軸のジャーナル軸受部と振動拡大機能部と
を兼用できるので、部品点数が削減でき、軽量，コンパ
クトなスピンドルが実現できる。

【０００９】また、上記の構成の静圧空気軸受スピンド
ルにおいて、前記主軸を、アキシャル方向の軸受を構成
する大径部と、この大径部よりも直径が小さく、静圧気
体ジャーナル軸受を構成する部分，前記工具把持部，お
よび振動拡大機能部を持つ主軸本体部とからなるものと
し、これら大径部と主軸本体部とは超音波振動子を介し
て一体に組付け、前記工具把持部を、前記主軸本体部の
超音波振動子とは反対側の端部に設けても良い。この構
成の場合も、工具の近傍にこの静圧気体ジャーナル軸受
を配置して、回転振れをさらに改善することが可能であ
る。また、主軸のジャーナル軸受部と振動拡大機能部と
を兼用できるので、部品点数が削減でき、軽量，コンパ
クトなスピンドルが実現できる。

【００１０】これらの構成において、主軸の振動拡大機
能部は、比重および弾性係数の異なる材料の軸部を軸方
向に接合したものであっても良い。これにより、優れた
振動拡大作用が得られる。また、主軸の振動拡大機能部
は、工具把持部の設けられた先端側ほど直径が小さくな
る段付き丸軸状としても良い。この構成とした場合も、
優れた振動拡大作用が得られる。

【００１１】

【発明の実施の形態】この発明の一実施形態を図１と共
に説明する。主軸１は、軸方向に並ぶ複数の静圧気体ジ
ャーナル軸受４，５，６、および静圧気体スラスト軸受
７，８により、スピンドルの固定部であるハウジング４
０に対して非接触で支持される。静圧気体ジャーナル軸
受４，５，６は、ハウジング４０に設けられたスリーブ
４１，４２，４３の内径面を軸受面とするものであり、
圧縮空気の給気路４４に連通した複数の微細な絞り孔を
軸受面に開口させてある。振動子１０は、磁界の変化に
応じて伸び縮みする超磁歪材と、超磁歪材を軸方向に貫
通するバイアス磁界を発生するための永久磁石からな
る。後部軸９および振動子１０は中空円筒形であり、中
空部を貫通して主軸１の主軸本体部に螺合するボルト１
１と、皿ばね１２によって軸方向に予圧をかけた状態
で、主軸１の主軸本体部の後端に続くように固定され
る。振動子１０を囲む形でハウジング４０に固定された
加振手段である励磁コイル１３に、高周波電源（図示し
ない）から給電すると、振動子１０を軸方向に貫通する
高周波交流磁界が発生し、振動子１０は軸方向に伸縮し
て、振動を発生する。

【００１２】主軸１は、大径部２とその先端側に続く小
径部３からなる段付き丸軸状とし、主軸１の固有振動数
と加振周波数を一致させ、かつ、スラスト軸受７，８
を、主軸１の振動モードの「節」の近傍に設けること
で、振動拡大機能を持つ。点線１４は、軸方向の振幅の
大きさを、横波の形で表したものである。一対のスラス
ト軸受７，８は、主軸１の振動モードの節の近傍に設け
られたフランジ部１ａの両面に各々微細隙間を介して軸
受面が対面するものであり、前記給気路４４に連通する
絞り孔が軸受面に開口している。主軸の小径部３の先端
部には、工具把持部であるチャック１５が設けてあり、
ドリル等の工具１６を取り付ける。振動子１０で発生す
る振動は、段付き形状の主軸１により拡大されて工具１
６に伝えられ、振動切削による穴加工が可能になる。ま
た、主軸１には回転被付与手段であるモータロータ１７
が設けられ、ハウジング４０にはモータステータ１８が
設けられる。これらモータロータ１７およびモータステ
ータ１８からなるモータにより、主軸１を回転させる回
転駆動手段４５が構成される。同図の実施形態では、加
振用の励磁コイル１３およびモータステータ１８の周囲
には、冷却液通路１９を設けているが、空冷方式も可能
である。

【００１３】この構成の静圧空気軸受スピンドルによる
と、このように振動子１０を超磁歪材料で構成すること
により、スピンドルの固定側から励磁コイル１３によっ
て加振することが可能で、スリップリングは不要とな
り、摩耗の問題が無くなる。また、この加振手段と静圧
気体軸受４〜６，７，８との組み合わせにより、高精度
で高速回転が可能であり、小径工具による穴あけやミリ
ング等の微細加工を高精度で能率良く行うことがでる。
また、静圧気体ジャーナル軸受４〜６は軸方向の拘束力
が無いので、軸方向の振動を阻害する心配が無い。その
ため、主軸１の振動モードと関係なく工具１６の近傍に
軸受４を配置する事ができ、振れ精度を一層改善する事
ができる。さらに、大径部２および小径部３からなる振
動拡大機能部３ｂの外径面を軸受面として、静圧気体ジ
ャーナル軸受４，５で支持することができるので、従来
の構成よりも部品点数が少なくなり、軽量、コンパクト
な超音波振動切削用スピンドルとなる。

【００１４】この発明の第２の実施形態を図２と共に説
明する。主軸２１は、短軸状の大径部２２と、その後方
に続く主軸本体部２３からなる。大径部２２には軸心部
で後方に張り出す張り出し部３６が設けられ、主軸本体
部２３の後端に固定された振動子２４が、皿ばね３７と
予圧ボルト３８により圧縮荷重をかけた状態で張り出し
部３６に固定されることにより、主軸２１および振動子
２４は一体の回転体を構成している。磁束を振動子に集
めるために、張り出し部３６は非磁性体で構成する。振
動子２４は、第１の実施形態と同様に、永久磁石と超磁
歪材からなる。

【００１５】主軸２１の大径部２２の両端面には静圧空
気スラスト軸受２５，２６が配置され、主軸２１の軸方
向の運動を非接触で規制する。静圧空気スラスト軸受２
５，２６は、軸受スリーブ５５のフランジ部５５ａが大
径部２２に対面する軸受面となるものであり、圧縮空気
の給気路４６に連通した複数の絞り孔が軸受面に開口し
ている。主軸本体部２３には複数の静圧空気ジャーナル
軸受２７，２８が配置され、主軸２１の半径方向の運動
を非接触で規制する。静圧空気ジャーナル軸受２７，２
８は、軸受スリーブ５４，５５の内径面が軸受面となる
ものであり、圧縮空気の給気路４６に連通した複数の絞
り孔が軸受面に開口している。軸受スリーブ５５は静圧
空気スラスト軸受２６の軸受部材を兼用している。

【００１６】主軸本体部２３の、超磁歪振動子２４と反
対側の端部には、工具把持部であるチャック２９が設け
てあり、ドリル等の工具３０を取り付ける。振動子２４
の周囲には、加振手段である励磁コイル３１が固定さ
れ、振動子２４を軸方向に通過する交流磁界を発生し、
超磁歪振動子２４を高周波で振動させる。励磁コイル３
１の近傍には、冷却液通路３２を設けて冷却液を流し、
励磁コイル３１を冷却する。

【００１７】主軸本体部２３は、比重、弾性係数の互い
に異なる材料の複数の軸部２３ａ，２３ｂを軸方向に接
合した構造であり、超磁歪振動子２４の振動を拡大して
工具３０に伝える。好適な材料としては、例えば、超音
波振動子側の軸部２３ａがステンレス、工具側の軸部２
３ｂがアルミ合金の組み合わせが考えられる。この場
合、主軸本体部２３ｂのチャック取り付け部３３は、工
具着脱に伴う摩耗を防止して精度を維持するため、アル
マイトやめっきなどの表面硬化処理を施すか、工具取り
付け部のみ、焼き入れ鋼や超硬合金、セラミックス等の
硬質材料で構成することが望ましい。大径部２２の外周
面には、回転被付与部であるタービンポケット３４が設
けられ、ハウジング５０に設けたタービンノズル３５か
らタービンポケット３４へ圧縮空気を接線方向に吹き付
けて、主軸２１を高速で回転させる。これらタービンポ
ケット３４およびタービンノズル３５で主軸２１の回転
駆動手段５７が構成される。

【００１８】この構成の場合、大径部２２の質量が大き
いので、超磁歪振動子２４の振動は、主軸本体部２３側
で大きくなり、効率良く工具３０を振動させることがで
きる。

【００１９】

【発明の効果】この発明の静圧空気軸受スピンドルは、
工具把持部，振動子，および回転被付与部を有する主軸
と、この主軸を非接触支持する静圧気体軸受と、前記振
動子に非接触に作用して主軸を加振する加振手段と、前
記主軸の回転被付与部に作用して前記主軸を非接触で回
転させる回転駆動手段とを備えたものであるため、高精
度で高速回転が可能で、微細な精密加工が能率良く行え
る。前記振動子が超磁歪材料を利用した超音波振動子で
あり、前記主軸に前記超音波振動子の振動を拡大する振
動拡大機能部を設け、前記静圧気体軸受の一つとして、
前記主軸の振動拡大機能部の少なくとも一部を支持する
静圧気体ジャーナル軸受を設け、前記加振手段は前記超
音波振動子を囲むようにハウジングに固定された励磁コ
イルを持つものとした場合は、支持部となる静圧気体ジ
ャーナル軸受の配置に関して厳しい制約がなく、工具の
近傍にこの静圧気体ジャーナル軸受を配置して、回転振
れをさらに改善することが可能となる。また、主軸のジ
ャーナル軸受部と振動拡大機能部とを兼用できるので、
部品点数が削減でき、軽量，コンパクトなスピンドルが
実現できる。また、前記主軸が、アキシャル方向の軸受
を構成する大径部と、この大径部よりも直径が小さく、
静圧気体ジャーナル軸受を構成する部分，前記工具把持
部，および振動拡大機能部を持つ主軸本体部とからな
り、これら大径部と主軸本体部とは超音波振動子を介し
て一体に組付け、前記工具把持部を、前記主軸本体部の
超音波振動子とは反対側の端部に設けた場合も、主軸の
回転振れの抑制効果を高めることができ、また部品点数
が削減でき、軽量，コンパクトなスピンドルを実現する
ことができる。主軸の振動拡大機能部が、比重および弾
性係数の異なる材料の軸部を軸方向に接合したものであ
る場合は、振動の拡大機能が優れたものとなる。主軸の
振動拡大機能部が、工具把持部の設けられた先端側ほど
直径が小さくなる段付き丸軸状である場合も、優れた振
動の拡大機能が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１の実施形態にかかる静圧空気軸
受スピンドルの断面図である。

【図２】この発明の第２の実施形態にかかる静圧空気軸
受スピンドルの断面図である。

【図３】従来例の断面図である。

【符号の説明】

１：主軸 ２：大径部 ３：小径部 １０：振動子 １３：励磁コイル（加振手段） １５：チャック（工具把持部） １７：モータロータ（回転被付与部） ２１：主軸 ２２：大径部 ２３：主軸本体部 ２３ａ，２３ｂ：軸部 ２４：振動子 ２９…チャック（加振手段） ３１：励磁コイル（加振手段） ４５：回転駆動手段 ５７：回転駆動手段

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 工具把持部，振動子，および回転被付与
   部を有する主軸と、この主軸を非接触支持する静圧気体
   軸受と、前記振動子に非接触に作用して主軸を加振する
   加振手段と、前記主軸の回転被付与部に作用して前記主
   軸を非接触で回転させる回転駆動手段とを備えた静圧空
   気軸受スピンドル。
2. 【請求項２】 前記振動子は超磁歪材料を利用した超音
   波振動子であり、前記主軸に前記超音波振動子の振動を
   拡大する振動拡大機能部を設け、前記静圧気体軸受の一
   つとして、前記主軸の振動拡大機能部の少なくとも一部
   を支持する静圧気体ジャーナル軸受を設け、前記加振手
   段は前記超音波振動子を囲むようにハウジングに固定さ
   れた励磁コイルを持つものとした請求項１記載の静圧空
   気軸受スピンドル。
3. 【請求項３】 前記主軸が、アキシャル方向の軸受を構
   成する大径部と、この大径部よりも直径が小さく、静圧
   気体ジャーナル軸受を構成する部分，前記工具把持部，
   および振動拡大機能部を持つ主軸本体部とからなり、こ
   れら大径部と主軸本体部とは超音波振動子を介して一体
   に組付け、前記工具把持部を、前記主軸本体部の超音波
   振動子とは反対側の端部に設けた静圧空気軸受スピンド
   ル。
4. 【請求項４】 主軸の振動拡大機能部は、比重および弾
   性係数の異なる材料の軸部を軸方向に接合したものであ
   る請求項２または請求項３記載の静圧空気軸受スピンド
   ル。
5. 【請求項５】 主軸の振動拡大機能部は、工具把持部の
   設けられた先端側ほど直径が小さくなる段付き丸軸状で
   ある請求項２ないし請求項４のいずれかに記載の静圧空
   気軸受スピンドル。