JP4124977B2 - 回転装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、工作機械の主軸・割り出し盤等に使用される改良された回転装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、高い加工精度が要求される工作機械には、特開昭６３−１８６０３０号公報に示されるような静圧軸受とビルトインモーターからなる回転装置が搭載される。図５に沿って、工作機械に搭載された従来の回転装置について簡単に説明する。
【０００３】
図５に示されるように、１ａはスラストプレート、１ｂはラジアルロータで、糸巻き状の回転軸（軸体）を構成し、該回転軸は、ハウジング２に固定され表面から空気を噴出するスラスト軸受３ａ、ラジアル軸受３ｂによりハウジング２に非接触で支持され、それによって高い回転精度が得られる静圧軸受を形成している。
【０００４】
駆動用モーターを構成するモーターコイル４ａ、モーターマグネット４ｂが静圧軸受の外部に配置され、さらにその外側に、回転位置検出器を構成するエンコーダディスク５ａ、エンコーダ検出部５ｂが配置され、全体として回転装置を構成している。この回転装置は、回転部と固定部が完全に非接触であるため、高い回転精度と耐久性・信頼性を得ることができる。
【０００５】
このような回転装置を、例えば、一般的な正面旋削に利用する際には、スライドガイド６ｂ上を移動するスライド６ａに該回転装置を搭載し、主軸端にワーク７を固定し、軸体を回転させ、バイト８がＸ方向に移動されて高い形状精度・表面粗さを持つ平面あるいは球面等を形成することができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の回転装置は、スラストプレートが２枚あり、また、静圧軸受の外側にモーターと、さらにその外側にエンコーダ−が配置されているため、回転装置が軸方向に長くなり、回転装置全体が大型になるという欠点があった。スラストプレートが１枚の構成の回転装置もあるが、該１枚のスラストプレートを両側から挟み込むスラスト軸受とハウジングが必要となるため、この構成でも主軸長を短くすることはできない。このため、回転装置を搭載するスライダ、ひいては工作機械全体が大型になってしまう。
【０００７】
また、大型のワークを横型工作機械で加工しようとすると、回転軸の負荷容量不足で加工できないことがある。そこで回転軸を縦仕様とすると、回転軸の長さが大きいため、スライドから加工点までの距離が大きく、加工点剛性が低下し、良好な表面粗さを得ることができない。また、回転軸が軸方向に長いため、Ｘ軸周りの慣性モーメントが大きく，この方向の共振周波数が低く、加工外乱により振動してしまうこともあった。
【０００８】
さらに、静圧軸受の隙間は、数μｍであり、これを成り立たせるために部品加工・組立にはサブミクロンの精度が必要である。従来の静圧軸受の回転軸は、複数の部品から構成されるため、これらの加工・組立には非常に高い技術が必要であるとともに、製作に時間とコストがかかった。
【０００９】
本発明の目的は、上記問題点を解決し、静圧軸受の構造を単純で且つ薄型、小型として静圧軸受の加工、組立を容易にするとともに、加工外乱の高い共振周波数に対しても振動し難く加工精度の高い、工作機械の回転装置・割り出し盤等に使用される回転装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の回転装置は、ハウジングと、該ハウジングに固定された静圧軸受と、該静圧軸受により回転自由に浮上支持された軸体とからなる回転装置において、前記軸体は、円盤状であり、該円盤状軸体の外周部を前記ハウジングに固定されたラジアル静圧軸受によってラジアル支持し、該円盤状軸体の底面を前記ハウジングに固定されたスラスト静圧軸受によってスラスト支持するとともに、前記ハウジング又は前記円盤状軸体に、リング状の磁石と、前記磁石と反対の極性を持つリング状の磁石とを半径方向に並べて配置した、前記円盤状軸体を軸方向に吸引する吸引手段を備えることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の回転装置は、前記ハウジング内に、駆動用モーター及び回転位置検出器が収容されていることを特徴とする。
【００１２】
本発明における回転装置の前記駆動用モーターは、少なくともモーターマグネット及びモーターコイルとからなり、該モーターマグネットとモーターコイルが同心円状に配置されていてもよいし、前記軸体の底面にモーターマグネットが配置され、前記ハウジングの前記モーターマグネットに対向する位置にモーターコイルが配置されていてもよい。
【００１４】
さらに、本発明における回転装置のハウジングは、前記ラジアル支持するラジアル軸受が固定されるラジアルハウジングと、前記スラスト支持するスラスト軸受が固定されるスラストハウジングとから形成されていてもよい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
（第１実施例）
図１に本発明に係る回転装置の第１の実施例が示されている。
１は、静圧軸受の軸体である。該軸体１は、通常単純な円筒体であるが、本実施例では非常に薄く形成しているため円盤状をなしている。２は、ハウジングであり、スラストハウジング２ａ、ラジアルハウジング２ｂとからなる。３ａは、スラスト軸受、３ｂは、ラジアル軸受であり、それぞれ前記スラストハウジング２ａ、ラジアルハウジング２ｂに固定されている。これらの軸受は、多孔質材で形成され、図示されていない空気供給路から供給される空気を該軸受表面から噴出し、前記軸体１を浮上支持するようになっている。
【００１６】
９は、軸体１をスラスト軸受３ａ方向に吸引する吸引手段としてのリング状の磁石を含む磁石部である。従来の静圧軸受は、２個のスラスト軸受が軸方向に逆方向の力を発生させ軸体を所定位置に支持させている（上記従来の回転装置の説明及び図５参照）が、本発明では、スラスト軸受が１個であるため、その浮上力を磁石の吸引力と釣り合わせることにより、軸体１を浮上した状態で所定位置に支持させるようにしている。軸体１の外周面とラジアル軸受３ｂは、対向して数μｍの微小隙間を形成し、この隙間における圧力空気が軸体１を半径方向に非接触に支持している。
【００１７】
ハウジング２は、実際の加工のし易さから、上記したように、スラストハウジング２ａとラジアルハウジング２ｂとからなる。スラストハウジング２ａは、ラジアルハウジング２ｂとの接合面をサブミクロンオーダーの平面度で加工しなければならないため、構造体として高い剛性が必要であり、軸方向に数十ｍｍの厚さを持っている。
【００１８】
本実施例においては、前記スラストハウジング２ａの中央部を円形にくり貫いて貫通孔１４を形成し、該貫通孔１４内周壁に沿って駆動用モーターを構成するモーターコイル４ａが組み込まれる。一方、駆動用モーターを構成するモーターマグネット４ｂが、軸体１裏面中央部から軸方向に延出している回転筒体１３の外周壁に沿って、前記モーターコイル４ａに対向した位置に同心円状に設けられている。
【００１９】
必要なモータートルクを得るには、モーターの軸方向長さに制限がある場合、半径方向に少なくともモーターコイル４ａを拡げる必要がある。本実施例では、半径方向にスペースがあるため必要なトルクを確保することができる。駆動用モーターは、小型で比較的発生トルクが大きく、非接触なため高精度で耐久性にも優れたビルトイン型のＤＣブラシレスモーターを使用する。
【００２０】
また、前記回転筒体１３の中空内部空間を利用して、該空間内に、軸体１に固定された回転位置検出器を構成するエンコーダディスク５ａ及びスラストハウジング２ａに固定されたエンコーダ検出部５ｂが配置される。
【００２１】
このように構成することにより、前記スラストハウジング２ａの軸方向の厚さを特に増加させることなく、すなわち、回転装置の軸方向の長さを増加させることなく、スラストハウジング２ａ内にモーターやエンコーダなどを収容することができる。
【００２２】
また、スラスト軸受剛性とラジアル軸受剛性をほぼ同等にするということに関し、本実施例においては、静圧軸受としての軸方向長さを従来の約１／２にすることが可能である。この際、半径方向の寸法増加は、２０〜３０％程度である。さらに、本実施例では、静圧軸受としての剛性（スラスト軸受剛性とラジアル軸受剛性）が従来のものと比べて同等であるにもかかわらず、回転装置としての軸方向の長さは、従来のものと比べて約１／３に縮小することができる。
【００２３】
例えば、軸体１の直径が２４０ｍｍφ、厚さが４５ｍｍである場合、回転装置の外径は、３００ｍｍφ程度で、軸方向の長さは約１００ｍｍと非常に薄くできる。この時、スラスト軸受３ａは、内径１７０ｍｍφ、外径２４０ｍｍφの多孔質絞りを使用し、磁石９を内径１０８ｍｍφ、外径１６６ｍｍφ、厚さ３ｍｍの希土類磁石とすれば、磁石９と軸体１の隙間０．２５ｍｍの場合、約４５００Ｎの吸引力が得られる。
【００２４】
したがって、軸受隙間５μｍでスラスト軸受３ａの負荷容量と磁石９の吸引力が釣り合うものとすると、約１０００Ｎ／μｍと非常に高いスラスト剛性が得られる。ラジアル剛性も８００Ｎ／μｍ程度と工作機械の回転装置として十分な値が得られる。
【００２５】
また、駆動用モーターの大きさは、厚さ３５ｍｍと薄型のものを使用しているが、コイル外径を１７７ｍｍφと大きく取れるため、３０００ｒｐｍで２Ｎ・ｍ以上のトルクが確保できる。エンコーダについても、検出部５ｂの外径が７０ｍｍφで、ディスク５ａ込みの厚さが５０ｍｍ程度の市販品を使用しても、モーター内部に収めることが可能である。
【００２６】
軸体の製作に関しても、従来のように複数の部品から軸体１を組み立てる必要がなく、単一部品の加工でよいため、容易に高い加工精度が得られる。ハウジングの製作についても精度が要求される個所が減るため加工・組立が容易になる。結果として、回転装置全体の製作に関し、製作時間の短縮、製作コストの低減化が図れる。
【００２７】
また、軸体１が軸方向に短いため、Ｘ軸回りの慣性モーメントが小さく、Ｘ軸回りの共振周波数を従来の約１．５倍にすることができる。本実施例における回転装置では、この周波数を１６００Ｈｚ程度と、加工外乱に対して十分高い周波数にできるため、加工外乱により軸体１が共振して、ワークの表面粗さ等の加工精度が劣化することもない。
【００２８】
図２は、磁石部９の拡大図である。吸引力が軸方向に働くような磁気回路１０が形成されるように、極性の異なるリング状の磁石９ａ、９ｂをスラストハウジング２ａ上に同心状に配置してある。９ｃは、磁性体のヨークである。ところで、軸体１が磁性体であれば問題はないが、セラミック等の非磁性体の場合は、図に示されるように、リング状の磁性体１ｃを前記磁石９ａ、９ｂに対向するように軸体１に配置する。なお、本実施例では、軸体１に磁性体１ｃを、スラストハウジング２ａに磁石９を、互いに対向するように配置したが、軸体１に磁石９を、スラストハウジング２ａに磁性体１ｃを、互いに対向するように配置してもよい。
【００２９】
軸方向の吸引力を得るためには磁石９はリング状である必要はないが、軸体１が回転して円周方向に一定でない磁界の中を磁性体１ｃが通過すると、磁界の変動を打ち消す方向に軸体１に渦電流が流れ、発熱してしまう。さらに、渦電流が磁界の中を流れるため、軸体１の回転を抑制又は促進する方向に力が発生し、回転トルクが変動し、回転ムラが生じる。したがって、本実施例のように、磁石９は、リング状にすることが好ましい。
【００３０】
また、磁石に複数の極性を持たせなくても吸引力は発生するが、反対の極性を持つ磁石を半径方向に並べ、閉じた磁気回路を形成した方が、限られたスペース内での吸引力を大きくできるので望ましい。
【００３１】
図３は、回転装置をスライダに搭載し、縦型工作機械として使用した例を示している。ワーク７が大型でも、その重量をスライド軸受が垂直に受けるため、負荷容量が不足することはない。回転装置が薄型のため、スライダ６ａからワーク７の加工点までの距離を短くできるため、切削抵抗により発生するスライダ６ａに対するモーメント力が小さく、ワーク７の変位・振動を抑制でき、良好な形状精度・表面粗さを得ることができる。
【００３２】
なお、本実施例では、吸引手段として永久磁石を使用しているが、電磁石あるいは真空吸引等を採用してもよい。
【００３３】
ところで、上記実施例のように工作機械の主軸用としてではなく、低速回転で高い回転分解能が必要な割り出し盤として使用するには、エンコーダの分解能を高めるために大きな径のエンコーダディスクを使用する必要がある。
【００３４】
この場合、図４に示される第２の実施例のように、軸体１に駆動用平面モーターのモーターマグネット４ｂを配置し、このモーターマグネット４ｂに対向してスラストハウジング２ａ側にモーターコイル４ａを固定してスラストハウジング２ａに半径方向の余裕を持たせ、この部分にエンコーダユニット（エンコーダディスク５ａ及びエンコーダ検出部５ｂ）を配置してもよい。
【００３５】
また、図４に示される第２の実施例においては、吸引に真空状態を使用している。
【００３６】
即ち、スラストハウジング２ａと軸体１（エンコーダディスク用延出部分を含む）との隙間１２を数μｍとし、この部分のコンダクタンスを非常に小さくすることによって非接触ラビリンスシールを形成している。このため、真空ポンプに接続された排気路１１を介して、軸体１とスラストハウジング２ａとの隙間１２から空気を排気し、この部分を非接触状態で真空にすることができる。スラスト軸受３ａの内側のほとんどの部分を真空吸引に利用できるため比較的大きな吸引力を得ることができる。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、非常に単純で薄型の回転装置を実現することができる。そして、単純構造であるため、加工・組立（製作）コストが低減できる。また、軸体が薄型であるため、最も低いモーメント方向の共振周波数を高め、加工外乱による軸体の振動を抑制できる。さらに、装置全体も薄型にできるため、工作機械に搭載した場合、工作機械全体の大型化が避けられるとともに、スライダから加工点までの距離を小さくできるため、加工外乱によるワークの形状精度・表面粗さの劣化を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の回転装置の第１の実施例の断面図である。
【図２】図１における磁石による吸引の原理を示す拡大図である。
【図３】本発明の回転装置を工作機械に搭載した状態を示す図である。
【図４】本発明の回転装置の第２の実施例の断面図である。
【図５】工作機械に搭載された従来の回転装置を示す図である。
【符号の説明】
１ 軸体
１ａ スラストプレート
１ｂ ラジアルロータ
１ｃ 磁性体
２ ハウジング
２ａ スラストハウジング
２ｂ ラジアルハウジング
３ａ スラスト軸受
３ｂ ラジアル軸受
４ａ モーターコイル
４ｂ モーターマグネット
５ａ エンコーダディスク
５ｂ エンコーダ検出部
６ａ スライド
６ｂ スライドガイド
７ ワーク
８ バイト
９ 磁石部
９ａ、９ｂ リング状磁石
９ｃ ヨーク
１０ 磁気回路
１１ 排気路
１２ 隙間
１３ 回転筒体
１４ 貫通孔

Claims (5)

1. ハウジングと、該ハウジングに固定された静圧軸受と、該静圧軸受により回転自由に浮上支持された軸体とからなる回転装置において、
   前記軸体は、円盤状であり、該円盤状軸体の外周部を前記ハウジングに固定されたラジアル静圧軸受によってラジアル支持し、該円盤状軸体の底面を前記ハウジングに固定されたスラスト静圧軸受によってスラスト支持するとともに、
   前記ハウジング又は前記円盤状軸体に、リング状の磁石と、前記磁石と反対の極性を持つリング状の磁石とを半径方向に並べて配置した、前記円盤状軸体を軸方向に吸引する吸引手段を備えることを特徴とする回転装置。
2. 前記ハウジング内に、駆動用モーター及び回転位置検出器が収容されていることを特徴とする請求項１に記載の回転装置。
3. 前記駆動用モーターは、少なくともモーターマグネット及びモーターコイルとからなり、該モーターマグネットとモーターコイルが同心円状に配置され、前記回転位置検出器は、前記軸体中心線上であって、前記駆動用モーター内に収容されていることを特徴とする請求項２に記載の回転装置。
4. 前記駆動用モーターは、前記軸体の底面にモーターマグネットが配置され、前記ハウジングの前記モーターマグネットに対向する位置にモーターコイルが配置されてなることを特徴とする請求項２に記載の回転装置。
5. 前記ハウジングは、前記ラジアル支持するラジアル軸受が固定されるラジアルハウジングと、前記スラスト支持するスラスト軸受が固定されるスラストハウジングとから形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の回転装置。

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