JP2006167822A - スピンドル装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】
熱膨張の影響を回避して高精度な加工を行うのに適したスピンドル装置を提供する。
【解決手段】
主軸102のフランジ102aに対しホルダHDの取り付け面102h側に設けられた静圧軸受の軸線方向長Δ1は、フランジ102aに対しモータ104側に設けられた静圧軸受の軸線方向長Δ2より短いので、フランジ102aから取り付け面102hまでの距離を短くでき、それにより熱膨張の影響を極力抑えることができる。
【選択図】 図5
熱膨張の影響を回避して高精度な加工を行うのに適したスピンドル装置を提供する。
【解決手段】
主軸102のフランジ102aに対しホルダHDの取り付け面102h側に設けられた静圧軸受の軸線方向長Δ1は、フランジ102aに対しモータ104側に設けられた静圧軸受の軸線方向長Δ2より短いので、フランジ102aから取り付け面102hまでの距離を短くでき、それにより熱膨張の影響を極力抑えることができる。
【選択図】 図5
Description
本発明は、スピンドル装置に関し、特に高精度な加工を行える工作機械に用いられると好適なスピンドル装置に関する。
従来、この種のスピンドル装置としては、その主軸の回転を、玉軸受あるいはころ軸受に代表される転がり軸受や、油又は空気に代表される作動流体の静圧を利用した静圧軸受で支承しているものが一般的であった。
ここで、転がり軸受を用いたスピンドル装置は、ボールあるいはコロが内外輪の間を転走するので、低速回転においては特に問題が生じないものの、高速回転においては振動や摩擦熱が発生し、スピンドル主軸の振れ回りや発熱等の問題が生じていた。また、内外輪の転走面を潤滑する必要があり、ランニングコストが嵩む他、メインテナンスに手間がかかるという問題点もあった。
一方、静圧軸受は流体の静圧によって軸を支承するので、これを用いたスピンドル装置(特許文献1参照)は、転がり軸受を用いたものに比べ高い回転精度を期待できるという利点がある。従って静圧軸受は、光学素子の光学面を成形する光学素子用成形金型の転写光学面を加工する加工機に用いると好適である。
特開平2003−191142号公報
しかるに、高精度な加工を行う場合には、熱膨張による影響も極力回避する必要がある。特に主軸は発熱したモータなど熱伝導を受けやすく、加熱された主軸が熱膨張すると、その先端に取り付けられた工具や被加工物が変位するため、高精度な加工が阻害されやすくなる。ここで、特許文献1に記載のスピンドル装置は、スラスト荷重を受けるフランジが主軸の中央に配置され、その両側にラジアル荷重を受ける静圧軸受が配置されている。しかしながら、かかる構成であると、主軸のフランジから、工具や被加工物などの装着物を取り付ける取り付け面までの距離が比較的長くなってしまう。ハウジングと主軸との軸線方向の相対位置はフランジの位置で決まるので、フランジから取り付け面までの距離が長いと、熱膨張により主軸が伸縮した場合に、取り付けられた工具や被加工物の変位が無視できなくなる恐れがある。
本発明は、かかる従来技術の課題に鑑みてなされたものであり、熱膨張の影響を回避して高精度な加工を行うのに適したスピンドル装置を提供することを目的とする。
請求項1に記載のスピンドル装置は、
ハウジングと、
装着物を取り付ける取り付け面を有する主軸と、
前記ハウジングに対し前記主軸を回転自在に支持するラジアル用の静圧軸受と、
前記主軸を回転させる駆動源と、を有するスピンドル装置において、
前記主軸は、スラスト荷重を受けるフランジを有し、前記フランジに対し前記取り付け面側に設けられた前記静圧軸受の軸線方向長は、前記フランジに対し前記駆動源側に設けられた前記静圧軸受の軸線方向長より短いことを特徴とする。
ハウジングと、
装着物を取り付ける取り付け面を有する主軸と、
前記ハウジングに対し前記主軸を回転自在に支持するラジアル用の静圧軸受と、
前記主軸を回転させる駆動源と、を有するスピンドル装置において、
前記主軸は、スラスト荷重を受けるフランジを有し、前記フランジに対し前記取り付け面側に設けられた前記静圧軸受の軸線方向長は、前記フランジに対し前記駆動源側に設けられた前記静圧軸受の軸線方向長より短いことを特徴とする。
本発明によれば、前記フランジに対し前記取り付け面側に設けられた前記静圧軸受の軸線方向長は、前記フランジに対し前記駆動源側に設けられた前記静圧軸受の軸線方向長より短いので、前記フランジから前記取り付け面までの距離を短くでき、それにより熱膨張の影響を極力抑えることができる。尚、「装着物」としては、工具、被加工物、それらを保持するホルダ等がある。又、「フランジ」とは、半径方向に延在する板状の部位をいうものとする。
請求項2に記載のスピンドル装置は、
ハウジングと、
装着物を取り付ける取り付け面を有する主軸と、
前記ハウジングに対し前記主軸を回転自在に支持するラジアル用の静圧軸受と、
前記主軸を回転させる駆動源と、を有するスピンドル装置において、
前記主軸は、スラスト荷重を受けるフランジを有し、前記フランジに対し前記駆動源側にのみ前記静圧軸受が設けられていることを特徴とする。
ハウジングと、
装着物を取り付ける取り付け面を有する主軸と、
前記ハウジングに対し前記主軸を回転自在に支持するラジアル用の静圧軸受と、
前記主軸を回転させる駆動源と、を有するスピンドル装置において、
前記主軸は、スラスト荷重を受けるフランジを有し、前記フランジに対し前記駆動源側にのみ前記静圧軸受が設けられていることを特徴とする。
本発明によれば、前記フランジに対し前記駆動源側にのみ前記静圧軸受が設けられているので、前記フランジから前記取り付け面までの距離を極力短くでき、それにより熱膨張の影響を極力抑えることができる。
請求項3に記載のスピンドル装置は、請求項1又は2に記載の発明において、前記ハウジングと前記フランジとの間には、スラスト用の静圧軸受が設けられていることを特徴とするので、適切にスラスト荷重を受けることができる。
尚、本発明の静圧軸受で用いる流体としては、静圧を発生させることができる媒体であれば、液体・気体を問わず用いることができるが、取り扱い容易性を考慮すると気体が好ましく、更に空気であれば安価に利用できるのでより好ましい。
本発明によれば、熱膨張の影響を回避して高精度な加工を行うのに適したスピンドル装置を提供することができる。
以下、本発明の実施の形態につき、図面を参照して説明する。本発明の実施の形態にかかるスピンドル装置は、図1に示す2軸旋削精密加工機に用いることができる。図1において、不図示の制御装置によってX軸方向に駆動されるX軸テーブル2が、定盤1上に配置されている。X軸テーブル2上には、ダイヤモンド工具3が工具取り付け部7を介して取り付けられている。又、不図示の制御装置によってZ軸方向に駆動されるZ軸テーブル4が、定盤1上に配置されている。Z軸テーブル4上には、駆動制御機構6と、駆動制御機構6により制御されるスピンドル装置SDが設けられている。スピンドル装置SDの主軸は、例えば光学素子用成形金型の被加工物Mを取り付け可能となっている。かかる2軸旋削精密加工機を用いて、光学素子用成形金型の転写光学面を高精度に切削できる。
更に、本発明の実施の形態にかかるスピンドル装置は、図2に示す旋削精密加工機に用いることができる。図2において、定盤11上にX軸方向に駆動されるX軸テーブル12とZ軸方向に駆動されるZ軸テーブル14が取り付けられている。X軸テーブル12上には、工具13を旋回することが出来る旋回軸(B軸)18が取り付けられており、その旋回軸18の上には、工具取り付け部17が取り付けられている。Z軸テーブル14上には、駆動制御機構16と、駆動制御機構16により制御されるスピンドル装置SDが設けられている。スピンドル装置SDの主軸は、例えば光学素子用成形金型の被加工物Mを取り付け可能となっている。かかる旋削精密加工機を用いて、光学素子用成形金型の転写光学面を高精度に切削できる。
更に、本発明の実施の形態にかかるスピンドル装置は、図3に示す、直交3軸の可動ステ一ジと、ダイヤモンド工具を回転させる回転機構とを有する超精密加工機に用いることができる。図3において、定盤21上にX軸方向に駆動するX軸テーブル22とZ軸方向に駆動するZ軸テーブル24が取り付けられている。X軸テーブル22上には、Y軸方向に駆動するY軸ステージ26が取り付けられ、Y軸ステージ26上にスピンドル機構SDが配置され、その主軸が、ダイヤモンド工具23を回転させるための回転部27に連結されている。その回転軸はZ軸と平行である。また、Z軸テーブル24上には、被加工物Mが固定されている。
更に、本発明の実施の形態にかかるスピンドル装置は、図4に示すミーリング加工機に用いることができる。図4において、定盤41上にX軸方向に駆動するX軸ステージ42とZ軸方向に駆動するZ軸ステージ44が取り付けられている。X軸テーブル42上には、Y軸方向に駆動するY軸ステージ46が取り付けられ、Y軸ステージ46にはダイヤモンド工具43を回転させるスピンドル装置SDがアーム45により支持されている。アーム45内に組み込まれたスピンドル装置SDの主軸の端面に、回転中心から半径方向に例えば15mm離れた位置に工具刃先がくるように取り付け、Z軸ステージ44上に固定された被加工物Mに対して、Y軸方向に切り込みを与え、X軸方向にダイヤモンド工具43を送って切削加工を行う。
図5は、本実施の形態のスピンドル装置の断面図である。図5のスピンドル装置SDは、例えば図4のミーリング加工機に組み込むことができるが、それに限られず、図1〜3の加工機或いはそれ以外の加工機にも組み込むことができるのはいうまでもない。
図5において、中空円筒状のハウジング101内に、円筒状の主軸102が嵌入されている。両者のスキマは10μm程度である。主軸102は、図5で左端近傍にフランジ102aを有し、中央に貫通孔102bを有している。ハウジング101は、フランジ102aに対して右方に配置された主ハウジング101Aと、フランジ102aに対して左方に配置された副ハウジング101Bと、フランジ102aの半径方向外方において主ハウジング101Aと副ハウジング101Cを連結してなるリングブロック101Cとからなる。
主ハウジング101Aは、一端が外周面に開口し外部の流体源である正圧ポンプP+に接続された供給通路101aを有している。供給通路101aの他端は、主ハウジング101Aの内周面において、軸線方向に並んで3列で且つ周方向に120度等間隔で主軸102の外周面に対向して開口している(これらを吐出口A,B、Cという)と共に、主ハウジング101Aの端面において、フランジ102aに対向して、周方向に120度等間隔で開口している(これを吐出口Dという)。供給通路101aの各吐出口においては、***(供給通路の最小断面積を規定する)のあいた絞り部材103が嵌合されている。供給通路101aの吐出口A,B、Cに接続するようにして、主ハウジング101Aの内周面には周溝101cが形成されている。本実施の形態においては、主ハウジング101Aの内周面全体が静圧で満たされ、ラジアル用の静圧軸受として機能する。従って、フランジ102aに対してモータ104側の静圧軸受の軸線方向長は、主ハウジング101Aの軸線方向長Δ2に等しい。尚、主ハウジング101Aは、その内部に、冷却水を流す冷却ジャケット101fを有しているが、これは供給通路101aとは非接続状態にある。
副ハウジング101Bは、一端が外周面に開口し外部の流体源である正圧ポンプP+に接続された供給通路101bを有している。供給通路101bの他端は、副ハウジング101Bの内周面において、軸線方向に並んで2列で且つ周方向に120度等間隔で主軸102の外周面に対向して開口している(これらを吐出口E,F)と共に、副ハウジング101Bの端面において、フランジ102aに対向して、周方向に120度等間隔で開口している(これを吐出口Gという)。供給通路101bの各吐出口においては、***のあいた絞り部材103が嵌合されている。供給通路101bの吐出口E,Fに接続するようにして、副ハウジング101Bの内周面には周溝101dが形成されている。本実施の形態においては、副ハウジング101Bの内周面全体が静圧で満たされ、ラジアル用の静圧軸受として機能する。従って、フランジ102aに対してホルダHDの取り付け面102h側の静圧軸受の軸線方向長は、副ハウジング101Bの軸線方向長Δ1に等しい。ここで、Δ1<Δ2である。
リングハウジング101Cには、その内周と主軸102のフランジ102aとの間のスキマから、外周に抜ける排気口101kが設けられている。
主ハウジング101Aに隣接して、駆動手段であるモータ104が設けられている。モータ104は、モータケース104aと、主軸102に取り付けられたロータ104bと、ロータ104bの半径方向外方であってモータケース104a内に配置されたコイル104cとからなり、コイル104cに外部から電力を供給することによって、主軸102を回転駆動することができるものである。
主軸102の右端には、縮径円筒部102dが同軸に形成されている。縮径円筒部102dは、その外周に一体的に回転するエンコーダ板105bを取り付けている。エンコーダ105aは、エンコーダ板105bの回転角度を検出し、主軸102の回転角度を求めることができる。
縮径円筒部102dの先端は、吸引ケース106に挿入されている。吸引ケース106は、ハウジング101に取り付けられており、その開口端には、縮径円筒部102dに対向して円管多孔質状の静圧パッド106aを配置している。静圧パッド106aの背面側で吸引ケース106に設けられた供給通路106cは、正圧ポンプP+に接続され、これを介して縮径円筒部102dの外周面と、静圧パッド106aの内周面との間に加圧された空気を供給することで、吸引ケース106と縮径円筒部106dとの接触が回避される。吸引ケース106の内部空間は、主軸102の貫通孔102b及び排出口106bに連通しており、排出口106bに接続された負圧ポンプP−により、貫通孔102b内の空気が吸引されるようになっている。
主軸102の左端は平坦面となっており、またボルト孔102gが設けられているため、これを利用して、工具Tを保持するホルダHDを取り付けることができる。ホルダHDの取り付け面を主軸102に押し当てた状態で、負圧ポンプP−を駆動すると、吸引ケース106を介して貫通孔102b内の空気が吸引されて負圧になるので、大気圧との差圧によりホルダHDは主軸102に対して固定される。かかる段階で主軸102を回転しながら、ホルダHDの芯出しを行う。ホルダHDの芯出しが行われた後、ボルトBTをボルト孔102gに螺合することでホルダHDを主軸102に固定する。ホルダHDをボルトBTを用いて主軸102に固定すれば、主軸102を例えば10000min−1以上の高速で回転駆動させた場合でも、遠心力などにより脱落やずれを招くことはない。
図5のスピンドル装置SDを、図4のミーリング加工機に組み込んだ状態で動作させたとき、正圧ポンプP+から供給通路101a、101bの吐出口A,B、C、E,Fを介して主ハウジング101A及び副ハウジング101Bの内部に供給される空気によって、主軸102は、主ハウジング101A及び副ハウジング101Bに対して非接触状態で支持されるため、工具Tから受けるラジアル方向の荷重を受けることができる。
又、正圧ポンプP+から供給通路101a、101bの吐出口D、Gを介して主ハウジング101A及び副ハウジング101Bの内部に供給される空気によって、主軸102のフランジ102aが主ハウジング101A及び副ハウジング101Bに対して非接触状態で支持されるため、工具Tから受けるスラスト方向の荷重を受けることができる。即ち、フランジ102aの両側面と、これに対向する主ハウジング101A及び副ハウジング101Bの端面とでスラスト用の静圧軸受を構成する。
かかる状態でモータ104を駆動すると、主軸102が回転する。回転駆動時にモータ104からの伝熱等で加熱される主軸102は、冷却ジャケット101fに供給される冷却水により冷却され、その熱膨張が抑えられるようになっている。又、例え回転する主軸102と縮径円筒部102dとが偏心していたような場合にも、静圧パッド106aから吐出される空気の静圧を用いて、縮径円筒部102dと吸引ケース106とのスキマは維持され、互いに接触することが防止される。
このとき、主ハウジング101Aにおいて供給通路101aの吐出口を周溝101cにつなげており、副ハウジング101Bにおいて供給通路101bの吐出口を周溝101dにつなげているので、例え主ハウジング101A、副ハウジング101B又は主軸102の断面が真円でない場合でも、周溝101c、101dが供給通路101a、101bから供給される空気が全周にわたりほぼ均一な圧力の一時的な蓄積領域となって、回転に伴う静圧スキマと吐出口との位置関係によらず、主軸102の外周面に付与される圧力変動を抑えて、その振動を抑制できる。
尚、供給通路101aから供給された空気は、主軸102と主ハウジング101Aとの間を通過し、モータ104の間のスキマから外部へ流出する。又、供給通路101bから供給された空気は、主軸102と副ハウジング101Bとの間を通過し、ホルダHDの近傍から外部へ流出する。従って、内周に開放した軸線方向に並んだ供給通路101aの吐出口A、B、Cと、供給通路101bの吐出口E,Fの間に排出路を設けていないことから、供給された流体は、主軸102の外周面とハウジング101A、101Bの内周面との間を通って外部へと流出するのみであるので、それにより静圧を増大させて支持剛性を高めることができる。
本実施の形態によれば、主軸102のフランジ102aに対しホルダHDの取り付け面102h側に設けられた静圧軸受の軸線方向長Δ1は、フランジ102aに対しモータ104側に設けられた静圧軸受の軸線方向長Δ2より短いので、フランジ102aから取り付け面102hまでの距離を短くでき、それにより熱膨張の影響を極力抑えることでホルダHDの変位を極力抑制し、高精度な加工を行うことができる。
図6は、別な実施の形態にかかるスピンドル装置の図5と同様な断面図である。本実施の形態においては、上述した実施の形態に対し、副ハウジング101B’の構成のみが異なっているので、共通する構成については同じ符号を付すことで説明を省略する。
図6において、副ハウジング101B’の供給通路101b’は、主軸102のフランジ102aの側面にのみ開口しており、その内周面に開口していない。即ち、副ハウジング101B’の内周面と主軸102の外周面との間に静圧が形成されないので、この部分はラジアル用の静圧軸受として機能しないこととなる。
本実施の形態によれば、主軸102のフランジ102aに対しモータ104側にのみラジアル用の静圧軸受が設けられているので、フランジ102aから取り付け面102hまでの距離を極力短くできる。しかも、ラジアル剛性が同等のスピンドル装置で比較すると、ラジアル静圧面積が同じで主軸径が同じだから、本実施の形態によれば、他の場合よりもモータ104からフランジまでの距離が最も離れる構成となる。それらにより熱膨張の影響を極力抑えることができる。
以上、本発明を実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定して解釈されるべきではなく、適宜変更・改良が可能であることはもちろんである。
1 定盤
2 X軸テーブル
3 ダイヤモンド工具
4 Z軸テーブル
6 駆動制御機構
7 工具取り付け部
11 定盤
12 X軸テーブル
13 工具
14 Z軸テーブル
16 駆動制御機構
17 工具取り付け部
18 旋回軸
21 定盤
22 X軸テーブル
23 ダイヤモンド工具
24 Z軸テーブル
26 Y軸ステージ
27 回転部
41 定盤
42 X軸ステージ
43 ダイヤモンド工具
44 Y軸ステージ
45 アーム
46 Y軸ステージ
47 アーム
47 回転機構
101 ハウジング
101A 主ハウジング
101B 副ハウジング
101C リングハウジング
101a 供給通路
101b 供給通路
101c 周溝
101d 周溝
101f 冷却ジャケット
102 主軸
102 縮径円筒部
102a フランジ
102b 貫通孔
102c 排気口
102d 縮径円筒部
103 部材
104 モータ
105 エンコーダ
106 吸引ケース
106a 静圧パッド
106b 排出口
P+ 正圧ポンプ
P− 負圧ポンプ
S 主軸
SD スピンドル装置
T 工具
2 X軸テーブル
3 ダイヤモンド工具
4 Z軸テーブル
6 駆動制御機構
7 工具取り付け部
11 定盤
12 X軸テーブル
13 工具
14 Z軸テーブル
16 駆動制御機構
17 工具取り付け部
18 旋回軸
21 定盤
22 X軸テーブル
23 ダイヤモンド工具
24 Z軸テーブル
26 Y軸ステージ
27 回転部
41 定盤
42 X軸ステージ
43 ダイヤモンド工具
44 Y軸ステージ
45 アーム
46 Y軸ステージ
47 アーム
47 回転機構
101 ハウジング
101A 主ハウジング
101B 副ハウジング
101C リングハウジング
101a 供給通路
101b 供給通路
101c 周溝
101d 周溝
101f 冷却ジャケット
102 主軸
102 縮径円筒部
102a フランジ
102b 貫通孔
102c 排気口
102d 縮径円筒部
103 部材
104 モータ
105 エンコーダ
106 吸引ケース
106a 静圧パッド
106b 排出口
P+ 正圧ポンプ
P− 負圧ポンプ
S 主軸
SD スピンドル装置
T 工具
Claims (3)
- ハウジングと、
装着物を取り付ける取り付け面を有する主軸と、
前記ハウジングに対し前記主軸を回転自在に支持するラジアル用の静圧軸受と、
前記主軸を回転させる駆動源と、を有するスピンドル装置において、
前記主軸は、スラスト荷重を受けるフランジを有し、前記フランジに対し前記取り付け面側に設けられた前記静圧軸受の軸線方向長は、前記フランジに対し前記駆動源側に設けられた前記静圧軸受の軸線方向長より短いことを特徴とするスピンドル装置。 - ハウジングと、
装着物を取り付ける取り付け面を有する主軸と、
前記ハウジングに対し前記主軸を回転自在に支持するラジアル用の静圧軸受と、
前記主軸を回転させる駆動源と、を有するスピンドル装置において、
前記主軸は、スラスト荷重を受けるフランジを有し、前記フランジに対し前記駆動源側にのみ前記静圧軸受が設けられていることを特徴とするスピンドル装置。 - 前記ハウジングと前記フランジとの間には、スラスト用の静圧軸受が設けられていることを特徴とする請求項1又は2に記載のスピンドル装置。
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2004360404A JP2006167822A (ja) | 2004-12-13 | 2004-12-13 | スピンドル装置 |
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JP2004360404A JP2006167822A (ja) | 2004-12-13 | 2004-12-13 | スピンドル装置 |
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