JPH1113761A - 静圧磁気複合軸受 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 静圧気体軸受の優れた動剛性および回転精度
と磁気軸受の優れた静剛性とを合わせ持つものとする。
また、絞りの加工性の向上、コンパクト化、発熱防止、
高速回転化等を実現可能とする。 【解決手段】 ロータ４を電磁力で所定の位置に支持す
る磁気軸受と、この磁気軸受のコア１３に絞り１５を有
する静圧気体軸受とを併設する。コア１３にはむく材を
使用する。コア１３は、一部をむく材として他の部分は
積層珪素鋼板とし、むく材の部分に絞り１５を設けても
良い。ロータ４は、積層珪素鋼板を使用し、その上に１
mm厚以下のセラミックスのコーティングを施しても良
い。また、ロータ４に低熱膨張性で軟磁性体のむく材を
使用し、このむく材の上にセラミックスのコーティング
を施しても良い。

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、静圧気体軸受と
磁気軸受とを組み合わせた静圧磁気複合軸受に関し、例
えば、高速切削加工機のスピンドル装置等に用いられる
静圧磁気複合軸受に関する。

【０００２】

【従来の技術と発明が解決しようとする課題】磁気軸受
は、大きな軸受ギャップを持つため回転によるトルクロ
スが極めて小さく、積分制御により大きな静剛性を付与
できる特徴がある。図２６は、従来のアルミ材用高速ミ
ーリング磁気軸受スピンドル装置を示す縦断面図であ
る。この従来例のスピンドル装置は、タッチダウンベア
リング２５１、工具２５２、変位センサ２５３、ラジア
ル磁気軸受２５４、スラスト磁気軸受２５５、モータ２
５６、ラジアル磁気軸受２５７、変位センサ２５８、お
よび主軸２５９を有する。この磁気軸受スピンドル装置
は、最高回転数：４万ｒｐｍ、出力：１５ｋＷ、最大切
削能力：１２５０ｃｍ³ ／ｍｉｎの各性能を有し、上記
用途として大変優れたものである。

【０００３】しかし、磁気軸受スピンドル装置は、加工
中に主軸の曲げ固有振動数の影響を受け易く、そのため
非常に複雑な制御系を構成する必要がある。したがっ
て、様々な加工条件への対応が要求される汎用工作機用
スピンドル装置としては適さない。

【０００４】一方、非接触の軸受として、磁気軸受のほ
かに静圧気体軸受がある。静圧気体軸受は、回転精度が
極めて高く優れた動的安定性を持っているが、圧縮性を
有するために、静剛性および負荷容量が小さく、汎用工
作機械用としてはほとんど適用例がない。

【０００５】そこで、最近、高速加工機用スピンドル装
置として、図２７に縦断面図で示すような、静圧気体軸
受と磁気軸受とを組合せた複合軸受スピンドル装置が提
案され、実用化が検討されている。この従来例のスピン
ドル装置は、変位センサ２６３、ラジアル磁気軸受２６
４、スラスト磁気軸受２６５、モータ２６６、ラジアル
磁気軸受２６７、変位センサ２６８、変位センサ２７
０、主軸２７１、および静圧気体軸受２７２，２７３を
有する。

【０００６】しかし、同図の複合軸受スピンドル装置で
は、磁気軸受２６４，２６７と、静圧気体軸受２７２，
２７３とを、軸方向に並べて配置しているため、主軸２
７１が長くなり、曲げ固有振動数が低くなるという問題
点がある。また、磁気軸受を単独で適用するスピンドル
装置の場合と全く同じ構造の制御系の構成を採用してい
るために、静圧気体軸受の動的安定性を損ね、むしろ外
乱発生源として作用するという問題点もある。また、こ
のスピンドル装置で高回転精度を得るためには、磁気軸
受用変位センサが高精度であることが要求されるが、通
常、磁気軸受に使用される変位センサは渦電流センサな
どの磁気センサが用いられ、分解能は１μｍ程度であ
る。一方、高精度変位センサとしては静電容量型変位セ
ンサがあるが、高価で利用は難しい。したがって、静圧
気体軸受，磁気軸受の特長を生かしつつ、欠点を補い合
うという目的は十分に達成されていないのが現状であ
る。

【０００７】この発明の目的は、このような課題を解消
し、静圧気体軸受の優れた動剛性および高回転精度と磁
気軸受の優れた静剛性とを併せ持ち、コンパクト化が図
れる静圧磁気複合軸受を提供することである。この発明
の他の目的は、電磁石のコアやロータの材質の選定や組
み合わせにより、絞りの加工性の向上による静圧気体軸
受の高精度化や、コンパクト化、鉄損の軽減による発熱
防止、高速回転化等を実現可能とすることである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明の静圧磁気複合
軸受は、いずれもロータの変位を測定する変位測定手段
を有し、この変位測定手段の測定値に従って電磁力を発
生させる磁気軸受と、この磁気軸受の軸受ステータに絞
りを有する静圧気体軸受とを併設することにより前記ロ
ータを非接触支持するものである。このため、静圧気体
軸受の優れた動剛性および回転精度と磁気軸受の優れた
静剛性という両者の特長を生かした軸受とできる。な
お、静圧気体軸受は、例えば静圧空気軸受とされる。こ
の発明の静圧磁気複合軸受は、ラジアル軸受であって
も、アキシャル軸受であっても良い。ラジアル軸受に適
用した場合は、静圧による支持と磁気による支持とに、
ロータとなる主軸に別の長さ部分を必要とせず、軸方向
に短い複合軸受とでき、主軸長さを短くできる。これに
より、曲げ固有振動数が高められ、より高速回転が可能
となる。また、軸方向に対する磁気軸受の支持中心点と
静圧気体軸受の支持中心点とを略一致させることがで
き、両軸受の制御が容易になる。アキシャル軸受に適用
した場合は、単に静圧気体軸受と磁気軸受とを径方向に
並べて配置する場合に比べて、構成がコンパクトにな
り、ロータの軸受対向面の径を小さくできる。

【０００９】このうち請求項１記載の静圧磁気複合軸受
は、磁気軸受の電磁石のコアにむく材を使用したもので
ある。むく材を使用すると、通常使用される積層鋼板で
構成された磁気軸受のコアと比較し、自成絞り等の絞り
が加工し易く、精度の良い静圧気体軸受を構成すること
ができる。

【００１０】請求項２記載の静圧磁気複合軸受は、電磁
石のコアにつき、全体をむく材とする代わりに、一部を
むく材で構成し、このむく材の部分に静圧気体軸受の前
記絞りを設け、前記コアのその他の部分を積層珪素鋼板
としたものである。これにより、電磁石のコアで発生す
る鉄損を軽減すると共に、静圧気体軸受の自成絞り等の
絞りを容易に形成することができる。

【００１１】請求項３記載の静圧磁気複合軸受は、前記
ロータに積層珪素鋼板を使用し、この積層珪素鋼板の上
に１mm厚以下のセラミックスのコーティング層を施した
ものである。ロータを積層珪素鋼板で構成することで、
高速回転時の鉄損を軽減し、高速回転時のロータの発熱
を抑えることができる。さらに、その外径にセラミック
ス材料をコーティングすることにより、軸受面とロータ
間が接触した場合にも、ロータの損傷を最小限にとどめ
ることができる。コーティング層をセラミックスとする
ことにより、磁気軸受の電磁石からの磁束による鉄損を
発生させることがなく、高速回転に適用できる。さら
に、コーティング層の外周面は、静圧気体軸受のロータ
面、内周面は磁気軸受のロータ面となり、コーティング
層の厚さを調整することで、最適な静圧気体軸受の軸受
隙間と、磁気軸受の軸受隙間とを設定することができ
る。

【００１２】請求項４記載の静圧磁気複合軸受は、前記
ロータに、低熱膨張性で軟磁性のむく材を使用し、この
むく材の上に１mm厚以下のセラミックスのコーティング
層を施したものである。ロータを主軸に設ける場合は、
その主軸もロータと同じ材料のむく材とすることが好ま
しい。むく材には、例えばインバー材が使用できる。こ
のように、ロータにむく材を使用することにより、ロー
タの曲げ固有振動数が高めれら、より高速まで回転する
ことが可能となる。さらに、ロータが発熱した場合にも
低熱膨張性によって、軸受隙間の変化が小さく、安定し
た静圧気体軸受性能が確保できる。また、軸方向への膨
張量も少ないために、工作機械用主軸に用いた場合には
加工精度の向上に効果がある。

【００１３】

【発明の実施の形態】この発明の第１の実施形態を図１
ないし図３と共に説明する。図１はこの実施形態にかか
る静圧磁気複合軸受を応用したスピンドル装置の縦断面
図を示す。この静圧磁気複合軸受スピンドル装置１は、
工作機械のビルトインモータ形式のスピンドル装置であ
って、スピンドル台となる円筒状のハウジング２内に、
モータ５の前後に配置された一対の静圧磁気複合軸受
３，３と、後端のスラスト磁気軸受１０とを介して主軸
４を回転自在に支持したものである。主軸４は、静圧磁
気複合軸受３のロータとなる。モータ５は、主軸４に一
体に設けられたモータ部ロータ６と、ハウジング２に直
接設置されたステータ７とで構成される。ハウジング２
の前後端にはフランジ２１Ａ，２１Ｂが形成され、これ
らフランジ２１Ａ，２１Ｂの内周面は潤滑性に優れた材
料からなる保護用軸受面２２とされている。これによ
り、複合軸受３に異常が生じて主軸４がタッチダウンし
た場合でも、主軸４の焼付きが防止される。スラスト磁
気軸受１０は、主軸４に一体に設けた軸受ロータ１９
と、ハウジング２に設置され上記軸受ロータ１９を軸方
向に前後から挟む一対の軸受ステータ２０Ａ，２０Ｂと
からなる。軸受ステータ２０Ａ，２０Ｂのコイル電流
は、主軸４の軸方向変位を検出するスラスト変位センサ
２４の測定値で制御される。スラスト変位センサ２４
は、ハウジング２の後部壁２３に設けられている。

【００１４】前後の静圧磁気複合軸受３，３は、次のよ
うにラジアル磁気軸受８とラジアル静圧気体軸受９と
を、構成部品に兼用部分が生じるように一体化させたも
のである。静圧気体軸受９には静圧空気軸受が用いられ
ている。なお、後述の各実施形態においても、各静圧気
体軸受には静圧空気軸受を用いている。ラジアル磁気軸
受８は、主軸４の外周に設けられた磁性体の軸受ロータ
１１と、ハウジング２に設置された軸受ステータ１２と
で構成される。軸受ステータ１２は、コア１３とコイル
１４とコイル覆い材１８とでリング状に形成されてい
る。コア１３には固有抵抗の大きい軟磁性むく材が使用
される。コア１３は、図２に示すようにリング状部分か
ら複数のヨーク部１３ａを内径側へ互いに放射状に突出
させたものであり、各ヨーク部１３ａに前記コイル１４
が巻かれている。隣合うヨーク部１３ａ，１３ａ間の隙
間は、樹脂モールド、または非磁性金属材料もしくはセ
ラミックス材料からなる溶射による充填、または非磁性
金属材料もしくはセラックス材料からなる隔壁、などか
らなるコア覆い材１８によって充填される。コア覆い材
１８の内径面は、ヨーク部１３ａの先端面と共に同一円
筒面に仕上げ加工されている。これらコア覆い材１８と
ヨーク部１３ａとで軸受ステータ１２の円筒面状の内径
面を構成している。

【００１５】軸受ステータコア１３のリング状部の内部
には、全周にわたる給気通路１６が形成され、この給気
通路１６から各々分岐して、軸受隙間に給気する絞り１
５が各ヨーク部１３ａの電磁力発生面である先端内径面
に開口して設けられている。給気通路１６は、周方向の
１か所または複数箇所に設けた給気口１７から、圧力流
体である圧縮空気の供給源（図示せず）に配管等で接続
されており、供給された圧縮空気は、軸受ステータ１２
の内径面と主軸４との間に形成される軸受隙間ｄに噴出
される。これら絞り１５と、軸受隙間形成部材を兼用す
る軸受ステータコア１３およびコア覆い材１８とで、ラ
ジアル静圧気体軸受９が構成される。また、軸受ステー
タコア１３は、絞り１５および給気通路１６の形成部材
を兼用する。この構成により、静圧気体軸受９は、磁気
軸受８の全体の軸方向幅内に配置されることになる。ま
た、磁気軸受８のギャップは、軸受ステータコア１３と
主軸４との間の隙間となるので、静圧気体軸受９の軸受
隙間ｄと、磁気軸受８のギャップとは、互いに主軸４の
軸方向の同じ位置に設けられることになる。図３に示す
ように、絞り１５は自成絞りであり、コア１３に設けら
れた給気孔１５ａと軸受隙間ｄとで構成される。給気孔
１５ａは、内径が段付きに形成されて、コア１３の内面
からなる静圧気体軸受面に開口する部分が微細孔となっ
ており、この微細孔部分は、直径１mm以下とされてい
る。このように、静圧気体軸受の給気形式に自成絞りを
用いた場合、ニューマティックハンマに対する安定性が
向上し、高周波域の軸安定性すなわち動剛性を高めるこ
とができる。絞り１５は主軸４の円周方向の少なくとも
３か所に配置することが好ましい。

【００１６】なお、この実施形態では、ヨーク部１３ａ
の全体をむく材としたが、図４に示すように、ヨーク部
１３ａの絞り周囲部１３ａａのみをむく材で形成し、ヨ
ーク部１３ａのその他の部分である絞り非近傍部１３ａ
ｂは、積層珪素鋼板としても良い。いずれの場合も、微
細孔で形成される自成絞り１５の部分をむく材で製作す
るため、通常使用される積層鋼板で構成されたコアに加
工する場合に比べて、このような微細孔の形成が容易に
行え、精度良く静圧気体軸受を形成することができる。
また、図４の例のように、絞り周囲部１３ａａ以外に積
層珪素鋼板を用いた場合は、全てむく材とする場合に比
べてコア１３で発生する鉄損を軽減できる。

【００１７】この静圧磁気複合軸受３は、このように静
圧気体軸受９と磁気軸受８とを組み合わせたものである
ため、静圧気体軸受９の優れた動剛性および回転精度と
磁気軸受８の優れた静剛性という両者の特長を生かした
軸受とできる。しかも、静圧気体軸受９と磁気軸受８と
は、構成部品が兼用されているため、単に静圧気体軸受
と磁気軸受とを軸方向に並べて配置する場合に比べて、
構成がコンパクトになり、主軸４の長さ短縮できる。こ
れにより、曲げ固有振動数が高められ、より高速回転が
可能となる。特に、この実施形態では、磁気軸受８の軸
受ステータコア１３およびコア覆い材１８が静圧気体軸
受９の軸受隙間形成部材を兼用し、かつ前記軸受ステー
タコア１３が絞り１５および給気通路１６の形成部材を
兼用するため、構成部品が高度に兼用化され、構成のコ
ンパクト化の効果が高い。

【００１８】前記静圧磁気複合軸受３の制御系を説明す
る。軸受ステータ１２には、コア覆い材１８を半径方向
に貫通して軸受隙間ｄに開口する圧力検出用通気孔２６
が、絞り１５の近くの周方向４か所に等間隔に設けら
れ、これに連通するセンサ装着孔２５に圧力センサ２７
Ａ〜２７Ｄが設けられている。これら圧力センサ２７Ａ
〜２７Ｄは、互いに直径方向に対向する２つのセンサが
１組となって、主軸４のラジアル変位を検出する差圧式
のエアマイクロセンサとされている。すなわち、互いに
直径方向に対向する圧力センサ２７Ａ，２７Ｂが１つの
組を、圧力センサ２７Ｃ，２７Ｄが他の１つの組をな
し、一方の圧力センサ２７Ａ，２７Ｂの組の間では、対
応する通気孔２６が開口する静圧気体軸受面での圧力差
を測定し、これを主軸４のＹ軸方向の変位に換算する。
また、他方の圧力センサ２７Ｃ，２７Ｄの組の間でも、
対応する通気孔２６が開口する静圧気体軸受面での圧力
差を測定し、これを主軸４のＸ軸方向の変位に換算す
る。

【００１９】コントローラ２８ａおよびアンプ２９など
で構成される磁気軸受制御手段２８は、Ｙ軸方向および
Ｘ軸方向のフィードバック制御系を有しており、Ｙ軸方
向のフィードバック制御系では、上記圧力センサ２７
Ａ，２７Ｂにより検出される主軸４のＹ軸方向への変位
に基づき、磁気軸受８のＹ軸方向のフィードバック制御
が行われる。すなわち、主軸４の変位に応じて、アンプ
２９を経て圧力センサ２７Ａ，２７Ｂに対応する位置の
コイル１４またはその近隣の幾つかのコイル１４に供給
する電流を加減し、主軸４がＹ軸方向に偏らないように
制御する。すなわち、主軸４が目標位置に一致するよう
に制御する。これと同様に、磁気軸受制御手段２８のＸ
軸方向のフィードバック制御系は、他の圧力センサ２７
Ｃ，２７Ｄの測定値により、所定のコイル１４の電流制
御を行う。このように、磁気軸受８の変位センサとし
て、軸受隙間ｄの静圧を検出する圧力センサ２７Ａ〜２
７Ｄを用いたエアマイクロセンサ方式を採用するため、
磁気軸受８の制御系のゼロ点（目標値）と静圧気体軸受
９の支持中心点（圧力平衡点）を容易に一致させること
ができ、複雑なセンサ調整が不要となる。また、他の方
式のセンサで問題となるロータセンサターゲット面の磁
気特性むらや真円度誤差は無関係となる。

【００２０】磁気軸受制御手段２８によるフィードバッ
ク制御は、積分動作または比例積分動作のみとされ、高
周波における補償は行われない。また、圧力センサ２７
Ａ，２７Ｂのドリフト等により磁気軸受制御系のゼロ点
と静圧気体軸受９の支持中心点がずれる場合は、積分制
御において僅かな不感帯ｗ（図５）を設けてもよい。不
感帯ｗは、圧力センサ２７Ａ，２７Ｂと磁気軸受制御手
段２８との間に図６のように不感帯回路３１を設けるこ
とで設定しても、また磁気軸受制御手段２８を構成する
制御回路内に不感帯回路を設けることで設定しても良
い。このように不感帯ｗを設けることにより、温度ドリ
フト等による磁気軸受８の誤動作を抑制することができ
る。すなわち、動剛性（高周波領域）を静圧気体軸受９
で、静剛性（低周波領域）を磁気軸受８でそれぞれ分担
して受け持つ役割分担が確実に行えて、両軸受８，９の
特長が共に生かされ、互いに干渉することを回避でき
る。また、このように、磁気軸受８は積分動作または比
例積分動作という低周波制御系となるため、比較的応答
性の遅い圧力センサ２７Ａ〜２７Ｄを変位センサとして
用いることができる。磁気軸受８の性能は、磁気軸受制
御手段２８の設定によって設定することができるが、一
般に磁気軸受の場合、高周波域に有効に減衰力を発生さ
せ、主軸を安定して浮上させることが難しいといった問
題がある。そこで、この発明では、磁気軸受８は、その
特長である低周波域での軸受剛性を高める役目だけに利
用するようにしている。

【００２１】磁気軸受８のコイル１４に電流を供給する
アンプ２９には、電流−電磁力を線型化させるための線
型化回路、例えば電流２乗フィードバック回路を有する
ものが用いられる。これにより、バイアス電流を流すこ
となく線形化でき、磁気軸受特有の負の剛性も発生しな
い。すなわち、磁気軸受８で負の剛性が発生するのを回
避でき、その負の剛性により静圧気体軸受９の安定性が
損なわれるのを防止できる。また、主軸４が回転したと
きにそのバイアス電流によって発生する主軸４内の鉄損
を無くすことができ、高速回転が可能となる。磁気軸受
制御手段２８には、主軸４の回転数に同期したバンドエ
リミネートフィルタ３２（図７）を挿入しても良い。こ
れにより、主軸４の回転時のロータアンバランスによる
振れに対して、磁気軸受８の電磁石からの電磁力は作用
しなくなる。前述したように、磁気軸受制御手段２８を
積分動作で構成した場合には高周波域での磁気軸受８の
作用力は主軸４に対して、不安定力として働く。主軸４
の回転時には主軸４の振れは回転同期成分が主成分とな
る。これを選択的に除去することで、主軸４を安定して
回転させることが可能となる。

【００２２】なお、この実施形態では、圧力センサ２７
Ａ〜２７Ｄで直接に主軸４の変位を検出するようにした
が、圧力センサによる測定値から換算して、主軸４と静
圧気体軸受面との間の隙間の大きさを求め、この隙間の
変化に応じて磁気軸受制御手段２８による制御を行うよ
うにしても良い。また、圧力センサを前記のように磁気
軸受８のコア１３の内部に配置する代わりに、静圧気体
軸受９の軸受隙間に連通するように中空パイプ（図示せ
ず）を配置し、外部の圧力センサで圧力を測定するよう
にしても良い。軸受サイズが小さく、外部に圧力センサ
を収納するスペースがある場合は、この外部に配置する
構成が好ましい。さらに、図８に示すように、磁気軸受
８の内径部、例えばコア覆い材１８等の部分に直接に圧
力センサ２７を配置し、主軸４とコア１３間の圧力を測
定して主軸４の変位に換算するようにしても良い。

【００２３】図９，図１０は、他の実施形態にかかる静
圧磁気複合軸受を示す。この例は、ラジアル磁気軸受８
Ａの軸受ステータ１２のコア１３Ａ内に、静圧気体軸受
９Ａの軸受隙間ｄへ給気する絞り１５を形成した静圧磁
気複合軸受３Ａにおいて、ラジアル磁気軸受８の電磁石
のコア１３Ａをいわゆる馬蹄形とし、その磁極１３Ａ
ａ，１３Ａａの対を、主軸４の軸方向に並べて配置した
構造である。各磁極１３Ａａの同一円周上の極性は同じ
にしてある。この様にすることで、主軸４の回転に伴っ
て主軸４で発生する鉄損を減少させることができる。そ
の他の構成，効果は第１の実施形態と同様である。コア
１３Ａの個数は、換言すれば電磁石の個数は、円周方向
に３個以上とすることが好ましい。このように、磁気軸
受８Ａを構成する電磁石を３個以上有するものとし、各
電磁石のコア１３Ａの磁極１３Ａａを回転軸方向に配置
し、同一円周上における各磁極１３Ａａの極性を一致さ
せることで、主軸４の回転に伴い、磁気軸受８Ａの主軸
部で発生するヒステリシス損および渦電流損を軽減でき
る。また、これらの損失による主軸４の発熱が抑制でき
るため、主軸４の熱膨張よる軸受隙間の減少を最小限に
抑え、安定した静圧気体軸受９Ａの性能を得ることがで
きる。

【００２４】図１１〜図１３の軸受３Ｂは、図９，図１
０の例に対して、ラジアル磁気軸受８Ａのコア形状を改
良したものである。主軸４の軸方向に配置したコア１３
Ｂのヨーク部１３Ｂａ，１３Ｂｂのうち、一方のヨーク
部１３Ｂａ側を円周方向に隣り合うヨーク部と共通化
し、形状を簡略化させている。このように電磁石を構成
することで、電磁石のヨーク１３Ｂの加工工数を減少で
きて、加工性を向上させることができると共に、主軸４
の回転に伴い発生する磁気軸受主軸部分での鉄損をさら
に軽減することができ、より高速回転に対応できる。

【００２５】図１４は、第１の実施形態において、軸受
３と対向する主軸４の表面にセラミックスのコーティン
グ層３３を施したものである。これにより、タッチダウ
ン時の主軸４および軸受面の焼き付きを防止できる。さ
らに、コーティング層３３がセラミックスであるため、
磁気軸受８の動作中で主軸４が回転したときに、その主
軸４の内部での、鉄損の発生を抑制でき、主軸４の高速
回転に対応できる。また、コーティング層３３の外周面
は静圧気体軸受９のロータ面、内周面は磁気軸受８のロ
ータ面となり、静圧気体軸受隙間と磁気軸受隙間とが異
なる寸法となるため、コーティング層３３の厚さを調整
することで、最適な静圧気体軸受９と磁気軸受８の隙間
を設定できる。このコーティング層３３の厚さを１mm厚
以下とすることで磁気軸受隙間ｄ′が広くなることを制
限すれば、コイル１４の供給電流を増やすことなく所望
の電磁力を発生させることができる。また、主軸４の磁
気軸受８におけるロータ部に積層珪素鋼板（図示せず）
を使用し、その上にセラミックスコーティング層３３を
施しても良い。前記積層珪素鋼板からなるロータ部は、
例えば主軸４の外周に設ける。その場合、積層珪素鋼板
を使用したことで、高速回転時の鉄損を一層軽減し、高
速回転時のロータの発熱を抑えることができる。また主
軸４の材質、またはその外周に前記のように設けるロー
タ部の材質に、低熱膨張軟磁性材たとえばインバー材を
使用し、その外周面上にセラミックスのコーティング層
３３を施すことが好ましい。これにより、主軸４ないし
ロータの曲げ固有振動数が高められ、より高速まで回転
することが可能になる。また、インバー材は、低熱膨張
係数を有するため、主軸４に温度上昇があっても、主軸
４の熱膨張による軸受隙間ｄ′の減少量は小さく抑える
ことができ、かつ磁気軸受８に適した磁気特性を持つ。
このため安定した静圧気体軸受性能が確保できる。しか
も、軸方向への膨張量も少ないため、工作機械用のスピ
ンドル装置に応用した場合には、加工精度の向上に効果
がある。さらに、一般にセラミックスは低熱膨張係数を
有することから、例えばフェライト系のステンレス鋼で
製作した主軸４上にセラミックスコーティング層３３を
施すと、主軸４の熱膨張係数の差によって、セラミック
スコーティング層３３に割れが発生したり、剥がれ生じ
る可能性があるが、インバー材を使用することによりこ
のような問題は解決される。

【００２６】なお、前記各静圧磁気複合ラジアル軸受の
実施形態では、軸受ステータコア１３に絞り１５を設け
たが、絞り１５はコア１３を避けてコイル覆い材１８等
に形成しても良い。また、上記各静圧磁気複合ラジアル
軸受の実施形態では、磁気軸受８と静圧気体軸受９とに
部品を兼用させたが、磁気軸受と静圧気体軸受とは、必
ずしも部品を兼用させなくても良く、磁気軸受の全体の
軸方向幅内に静圧気体軸受を設け、または静圧気体軸受
の全体の軸方向幅内に磁気軸受を設けても良い。あるい
は、静圧気体軸受の軸受隙間ｄと、磁気軸受の軸および
ステータコア間のギャップとを、互いに軸方向の略同じ
位置に設ければ良い。部品の兼用を行わずに、磁気軸受
と静電軸受との幅に共通部分を持たせる構成は、磁気軸
受を構成する部品と静電軸受を構成する部品の配置を円
周方向に異ならせることなどで実現される。

【００２７】図１５は、この静圧磁気複合軸受をアキシ
ャル軸受に適用した例を示す。この静圧磁気複合アキシ
ャル軸受装置は、磁性体からなる主軸４１の鍔状のスラ
スト支持部である軸受ロータ４１ａを軸方向両側から２
つの静圧磁気複合アキシャル軸受部４２，４３で挟んで
構成される。各静圧磁気複合アキシャル軸受４２，４３
は、電磁石のコア４４，４５内にコイル４６，４７を収
納し、このコア４４，４５内に絞り４８を設けたもので
あって、主軸４１の外周にリング状に設けられる。絞り
４８は自成絞りであり、コア４４，４５の軸受面に開口
する先端が微細孔となった給気孔４８ａと、軸受隙間ｄ
１，ｄ２とで構成される。前記のコア４４，４５とコイ
ル４６，４７とで、アキシャル磁気軸受４９の軸受ステ
ータ５２が構成され、コア４４，４５と絞り４８とでア
キシャル静圧気体軸受５０が構成される。

【００２８】コア４４，４５とロータ４１ａ間にこの圧
力流体を噴出させることにより、コア４４，４５とロー
タ４１ａ間に圧力が発生する。また、自成絞り４８を設
けたことによって、コア４４，４５とロータ４１ａ間の
隙間ｄ１，ｄ２の変動によって、圧力および隙間の間隔
が自動的に変化し、自動調芯機能を有する静圧気体軸受
を形成できる。これにより、ロータ４１ａを安定浮上さ
せることができる。この場合に、コア４４，４５とロー
タ４１ａ間の隙間ｄ１，ｄ２を０．１ｍｍ以下と微小す
ることで、この静圧気体軸受による軸受剛性を高め、静
圧気体軸受単独でも、ロータ４１ａは安定して浮上する
ことができる。

【００２９】この静圧磁気複合軸受には、外部にコア４
４，４５とロータ４１ａ間の距離を測定する変位センサ
５１を設け、その変位センサ５１の測定値に応じてコイ
ル４６，４７に流す電流をフィードバック制御する磁気
軸受制御手段５３を設ける。磁気軸受制御手段５３は、
例えばアンプ５４を介して電流制御する。これにより、
静圧気体軸受と磁気軸受とを兼用した軸受構成が可能と
なる。この磁気軸受制御手段５３は、第１の実施形態等
で説明した磁気軸受制御手段２８と同様な機能のものを
用いることができる。

【００３０】この実施形態の静圧磁気複合アキシャル軸
受装置において、前記変位センサ５１を設ける代わり
に、静圧気体軸受面の圧力を測定し、この圧力によって
静圧気体軸受５０における軸受隙間ｄ、すなわち電磁石
のコア４５とロータ４１ａ間の隙間ｄ（ｄ１，ｄ２）の
大きさを換算して求めてもよい。この隙間ｄの大きさの
検出結果により、磁気軸受制御手段５３でコイル４６，
４７の電流を制御する。圧力測定による変位測定の場
合、他の方式のセンサで問題となるロータセンサターゲ
ット面の磁気特性むらによるセンサの誤動作がなく、高
精度なセンシングが可能となる。

【００３１】この圧力測定のために、同実施形態におい
て、図１６に示すように、電磁石のコア４４，４５の内
部に圧力センサ５５を配置し、直接に静圧気体軸受５０
の圧力を測定するようにしても良い。図１７に示すよう
に、静圧気体軸受５０に直結した形で、中空パイプ５６
を設け、外部の圧力センサ５７で圧力を測定するように
しても良い。この場合、コア４４などの静圧気体軸受５
０の軸受面の構成部材に圧力測定用の微細孔５９を設
け、この微細孔５９に中空パイプ５６を結合する。軸受
サイズが小さく、外部に圧力センサのスペースがある場
合には、外部に圧力センサ５７を設けることが有利であ
る。また、圧力測定用に設けた前記微細孔５９の直径を
１mm以下と規制することで、静圧気体軸受への影響を少
なくし、またそれに接続するパイプ５６の内径（直径）
も１mm以下に規制することで、周波数特性を低下させず
に圧力の測定が可能となる。

【００３２】図１８は、図１６のＡ−Ａ断面を示した図
である。この例では、センサ圧力測定個所を静圧磁気複
合アキシャル軸受の静圧気体軸受面における同一円周上
の等ピッチ３箇所以上（図１８では３箇所の測定点ａ
１，ａ２，ａ３）の圧力を測定し、各測定値から各部の
ロータ４１ａと電磁石コア４４，４５間の隙間ｄ１，ｄ
２の値を換算し、その値の平均をとる。これにより、ロ
ータ４１ａのアキシャル方向位置を正確に測定すること
ができる。前記平均をとる演算は、例えば磁気軸受制御
手段５３で行う。

【００３３】上記のように３か所で圧力を測定する代わ
りに、図１９に示すように、円周上の１８０°離れた対
向する２個所の測定点ｂ１，ｂ２で行うようにしても良
い。図１９は図１６のＡ−Ａ断面に相当する図である。
圧力測定点ｂ１，ｂ２をこのように円周上の１８０°離
れた２点に設定することで、ロータ４１ａのピッチング
運動もしくはヨーイング運動に影響されることなく、最
小の圧力センサ個数でロータ４１ａのアキシャル方向位
置を測定することができる。

【００３４】図１６の例のようにロータ４１ａの両側に
対向して静圧磁気複合アキシャル軸受部４２，４３を設
ける場合、軸受隙間ｄ１，ｄ２の圧力を測定する測定点
は、図２０に示すように、各軸受隙間ｄ１，ｄ２につい
て１個所ずつとしても良い。その場合、片方の軸受隙間
ｄ１の測定点ｃ１と、もう片方の軸受隙間ｄ２の測定点
ｃ２とは、投影面で同一円周上の１８０°離れた２点と
する。また、磁気軸受制御手段５３は、両測定点ｃ１，
ｃ２の圧力測定値から求めた軸受隙間ｄ１，ｄ２の差分
を計算して電流制御を行うようにする。これにより、ロ
ータ４１ａのピッチング運動もしくはヨーイング運動に
影響されることなく、さらにロータ４１ａに熱膨張があ
った場合にも、最小の圧力センサ個数でロータ４１ａの
アキシャル方向位置を測定することができる。これら図
１８ないし図２０と共に説明した方法により、ロータ４
１ａのアキシャル方向の変位を正確にかつ低コストで測
定することができる。

【００３５】なお、前記各実施形態において示した圧力
センサ、例えば図１５，図１６の例や、図８の例の圧力
センサ５１，５５，２７は、半導体圧力センサを用いて
も良い。これにより、装置をコンパクトでかつその測定
結果を電気信号で直接外部に取り出すことができる。

【００３６】図２１はさらに他の実施形態にかかる静圧
磁気複合アキシャル軸受を示す。この例は、主軸４１の
ロータ４１ａの片方のみを支えるアキシャル軸受とした
ものである。すなわち、磁気軸受４９のステータコア４
５および静圧気体軸受５０の絞り４８をロータ４１ａの
軸方向の片側のみに配置している。この例では、磁気軸
受４９によるロータ４１ａへの作用力Ｆｍは吸引力とし
て働き、一方静圧気体軸受５０によるロータ４１ａへの
作用力Ｆｓは反発力として作用する。よって、静圧気体
軸受５０の単独ではロータ軸方向が鉛直方向にあった場
合には、ロータを支持することができない。しかし磁気
軸受４９と複合化することにより、軸受の据え付け方向
に依らずロータ４１ａを支持することができる。このよ
うに、主軸４１のスラスト支持部４１ａの片方のみに磁
気軸受４９および静圧気体軸受５０を配置し、吸引力と
反発力とを釣り合わせるようにした静圧磁気複合軸受と
することで、軸受構成がより一層コンパクトになる。

【００３７】図２２は、他の応用例に係る静圧磁気複合
軸受スピンドル装置の縦断面図を示す。この静圧磁気複
合軸受スピンドル装置１は、図１の静圧磁気複合軸受ス
ピンドル装置１において、モータ５と各軸受３，３，１
０の配置関係を変えたものであり、モータ５をハウジン
グ２内の最後部に配置してある。スラスト磁気軸受１０
は、前後の静圧磁気複合軸受３，３の間に配置してあ
る。その他の構成は前記実施形態と同じである。図１の
例のモータ配置では、モータ５を高出力とした場合、モ
ータ５のロータ６の肉厚，質量が大きくなって曲げ固有
振動数を低下させることがあるが、図２２の実施形態の
ようにモータ５を主軸４の後端部に配置することで、こ
れに対処できる。

【００３８】図２３はさらに他の応用例を示す。この静
圧磁気複合軸受スピンドル装置１は、図１の静圧磁気複
合軸受スピンドル装置１において、軸受に対する主軸４
のラジアル変位を検出するセンサとして、渦電流式の変
位センサ３０を用いたものである。各静圧磁気複合軸受
３に対するセンサ３０の設置位置は前後のどちらでも良
いが、図示の例では、前部の静圧磁気複合軸受３に対す
るものは軸受前方とされ、後部の静圧磁気複合軸受３に
対するものは軸受後方とされている。なお、上記渦電流
式変位センサ３０に代えて、リラクタンス式変位センサ
や静電容量式変位センサを用いてもよい。その他の構成
は、図１の実施形態と同じである。

【００３９】図２４は、静圧磁気複合軸受で構成したさ
らに他のスピンドル装置を示す。このスピンドル装置
は、２組の静圧磁気複合ラジアル軸受６５，６６と、１
組の静圧磁気複合アキシャル軸受６７と、主軸６８を回
転させるモータ６９から構成される。主軸６８は静圧磁
気複合アキシャル軸受６７で支持される鍔状のロータ４
１ａを有する。これら静圧磁気複合ラジアル軸受６５，
６６および静圧磁気複合アキシャル軸受６７には、前記
各実施形態で説明したいずれのものを使用しても良い。
また、同図のスピンドル装置において、２組の静圧磁気
複合ラジアル軸受６５，６６として、図２５に示すよう
に、コイル１４の主軸軸方向の両側に自成絞り１５を有
する静圧磁気複合ラジアル軸受６５Ａ，６６Ａを用いて
も良い。図２５の静圧磁気複合軸受スピンドル装置にお
けるその他の構成は図４に示すスピンドル装置と同じで
ある。なお、これらの例のスピンドル装置において、必
ずしも全ての軸受を静圧磁気複合軸受で構成する必要は
ない。スラスト方向のみの静剛性を高める必要ある場合
は、アキシャル軸受部のみを静圧磁気複合軸受で構成
し、ラジアル方向の軸受支持を静圧気体軸受で構成すれ
ばよい。また、ラジアル方向のみの静剛性を高める必要
のある場合は、スピンドル負荷側の端部に静圧磁気複合
ラジアル軸受６５を配置し、他の軸受支持部を静圧気体
軸受で構成してもよい。

【００４０】

【発明の効果】この発明の静圧磁気複合軸受およびスピ
ンドル装置は、いずれも静圧気体軸受と磁気軸受とを所
定の関係で組み合わせたものであるため、静圧気体軸受
の優れた動剛性と磁気軸受の優れた静剛性とを併せ持ち
ながら、構成がコンパクトになる。ラジアル軸受に適用
した場合は、主軸長も短縮することができる。また、電
磁石のコアやロータの材質の選定，組み合わせにより、
給気用の絞りの加工性の向上による静圧気体軸受の高精
度化や、コンパクト化、あるいは鉄損の軽減による発熱
防止、高速回転化等が実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１の実施形態に係る静圧磁気複合
軸受を応用したスピンドル装置の縦断面図である。

【図２】その静圧磁気複合ラジアル軸受の横断面図と軸
受制御系のブロック図とを組み合わせて示す説明図であ
る。

【図３】同静圧磁気複合ラジアル軸受の部分拡大図であ
る。

【図４】同静圧磁気複合ラジアル軸受のヨーク部分の変
形例の部分拡大図である。

【図５】同静圧磁気複合ラジアル軸受の電流制御例を示
す説明図である。

【図６】同静圧磁気複合ラジアル軸受の制御系の変形例
を示すブロック図である。

【図７】同静圧磁気複合ラジアル軸受の制御系の他の変
形例を示すブロック図である。

【図８】この発明の他の実施形態にかかる静圧磁気複合
ラジアル軸受の断面図である。

【図９】この発明のさらに他の実施形態にかかる静圧磁
気複合ラジアル軸受の横断面図である。

【図１０】その縦断面図である。

【図１１】この発明のさらに他の実施形態にかかる静圧
磁気複合ラジアル軸受の縦断面図である。

【図１２】図１１のXII-XII 線断面図である。

【図１３】図１１のXII1-XII1 線断面図である。

【図１４】この発明のさらに他の実施形態にかかる静圧
磁気複合ラジアル軸受の部分断面図である。

【図１５】この発明のさらに他の実施形態にかかる静圧
磁気複合アキシャル軸受の部分断面図と軸受制御系のブ
ロック図とを組み合わせて示す説明図である。

【図１６】この発明のさらに他の実施形態にかかる静圧
磁気複合アキシャル軸受の部分断面図と軸受制御系のブ
ロック図とを組み合わせて示す説明図である。

【図１７】この発明のさらに他の実施形態にかかる静圧
磁気複合ラジアル軸受の部分断面図である。

【図１８】その測定点の説明図である。

【図１９】その測定点の他の例の説明図である。

【図２０】（Ａ），（Ｂ）は各々測定点の他の例の説明
図である。

【図２１】この発明のさらに他の実施形態にかかる静圧
磁気複合ラジアル軸受の部分断面図である。

【図２２】この発明の他の応用例に係る静圧磁気複合軸
受スピンドル装置の縦断面図である。

【図２３】この発明のさらに他の応用例に係る静圧磁気
複合軸受スピンドル装置の縦断面図である。

【図２４】この発明のさらに他の応用例に係る静圧磁気
複合軸受スピンドル装置の縦断面図である。

【図２５】この発明のさらに他の応用例に係る静圧磁気
複合軸受スピンドル装置の縦断面図である。

【図２６】従来例の縦断面図である。

【図２７】他の従来例の縦断面図である。

【符号の説明】

１…静圧磁気複合軸受スピンドル装置 ２…ハウジング ３…静圧磁気複合軸受 ４…主軸（ロータ） ８…ラジアル磁気軸受 ９…ラジアル静圧気体軸受 １０…スラスト磁気軸受 １２…軸受ステータ １３…ステータコア １４…コイル １５…絞り １５ａ…給気孔 ２７Ａ〜２７Ｄ…圧力センサ（変位検出手段） ２８…磁気軸受制御手段 ３３…コーティング層 ４１…主軸（ロータ） ４１ａ…ロータ ４４，４５…ステータコア ４６…コイル ４８…絞り ４９…磁気軸受 ５０…静圧気体軸受 ５３…磁気軸受制御手段 ５１…変位センサ ５２…軸受ステータ ５５…圧力センサ ｄ…軸受隙間

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ロータの変位を測定する変位測定手段を
   有し、この変位測定手段の測定値に従って電磁力を発生
   させる磁気軸受と、この磁気軸受の軸受ステータに絞り
   を有する静圧気体軸受とを併設することにより前記ロー
   タを非接触支持し、磁気軸受の電磁石のコアにむく材を
   使用した静圧磁気複合軸受。
2. 【請求項２】 ロータの変位を測定する変位測定手段を
   有し、この変位測定手段の測定値に従って電磁力を発生
   させる磁気軸受と、この磁気軸受の軸受ステータに絞り
   を有する静圧気体軸受とを併設することにより前記ロー
   タを非接触支持し、前記電磁石のコアの一部をむく材で
   構成し、このむく材の部分に静圧気体軸受の絞りを設
   け、前記コアのその他の部分を積層珪素鋼板とした静圧
   磁気複合軸受。
3. 【請求項３】 ロータの変位を測定する変位測定手段を
   有し、この変位測定手段の測定値に従って電磁力を発生
   させる磁気軸受と、この磁気軸受の軸受ステータに絞り
   を有する静圧気体軸受とを併設することにより前記ロー
   タを非接触支持し、前記ロータに積層珪素鋼板を使用
   し、この積層珪素鋼板の上に１mm厚以下のセラミックス
   のコーティング層を施した静圧磁気複合軸受。
4. 【請求項４】 ロータの変位を測定する変位測定手段を
   有し、この変位測定手段の測定値に従って電磁力を発生
   させ磁気軸受と、この磁気軸受の軸受ステータに絞りを
   有する静圧気体軸受とを併設併設することにより前記ロ
   ータを非接触支持し、前記ロータに低熱膨張性で軟磁性
   のむく材を使用し、このむく材の上に１mm厚以下のセラ
   ミックスのコーティング層を施した静圧磁気複合軸受。