JP4325254B2 - スピンドルユニット - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スピンドルユニットに関し、より詳細には、高速回転するスピンドルユニットの剛性を高めて回転軸の振動を低減できるスピンドルユニットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、スピンドルユニットは、高速回転時の発熱等によって回転軸が軸方向に伸縮したとき、該軸方向変位を吸収できるように、一方の軸受（自由側軸受）が、ハウジングに嵌合して軸方向に移動可能とされたスリーブに固定されている。ハウジングとスリーブとの嵌合は、単純なはめあいとした滑り面方式や軸方向に移動可能なボールブッシュを用いたボールスライド方式、等が知られている。回転軸の自由端側を支持するスリーブには、スライド性と共に、ラジアル剛性及びアキシャル方向の振動減衰性が要求される。
【０００３】
ハウジングとスリーブとの嵌合が滑り面方式の場合、発熱に伴って嵌合隙間が減少するので、初期嵌合隙間を大きく設定する必要がある。これは、スピンドルユニット回転時に回転軸の振動を増大させる一因となっていた。また、ボールブッシュを用いた嵌合のボールスライド方式の場合、発熱によって締め代が増大してスリーブの滑らかな軸方向移動が阻害されたり、アキシャル剛性が低く、回転軸のびびりと呼ばれる自励振動が生じる場合があった。
【０００４】
また、回転軸の自励振動を減衰させるため、ハウジングとスリーブの間に複数枚の皿ばねを積層して配置してアキシャル剛性を高めると共に、皿ばねの摩擦によって自励振動を防止するようにしたものが開示されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−１３８３０５号公報（第２−３頁、第１図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記特許文献１に開示されているスピンドル装置は、皿ばねの摩擦によって自励振動を減衰させるようになっており、減衰力は、皿ばねのバネ常数、枚数、設置方向、等で決まる。これらの事項は、スピンドル装置の組付け時に設定されてしまうので、スピンドル装置を分解するなどして皿ばねを組み替えない限り一定不変である。言い換えると、例えば減衰率等を運転条件に最適な値に再設定するなど、回転条件に応じて特性を変更することは困難であった。
近年、スピンドルユニットの高速化が著しく、該高速化に伴って発生熱量も多くなっていることから、これに対抗し得る、より高度な回転軸の支持方法が求められている。
【０００７】
本発明は、前述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、高い剛性を有し、かつ良好な減衰特性、スライド性に優れたスピンドルユニットを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前述した目的を達成するために、本発明に係る請求項１に記載したスピンドルユニットは、回転自在な回転軸と、外輪がハウジングに固定されると共に内輪が前記回転軸の一端に外嵌する固定側軸受と、前記回転軸の他端側に配設され前記ハウジングに嵌合して前記回転軸の軸方向に移動可能とされたスリーブと、内輪が前記回転軸の他端に外嵌すると共に外輪が前記スリーブに固定されて前記固定側軸受と共働して前記回転軸を回動自在に支持する自由側軸受と、を備え、前記回転軸の他端を軸方向に変位可能としたスピンドルユニットであって、
前記ハウジングと前記スリーブとの嵌合面に前記ハウジングと前記スリーブとの間をシールする弾性体を備えると共に、前記弾性体に圧力を負荷する流体を供給して前記弾性体を変形する手段を備え、前記弾性体の変形による剛性の変化を利用して自励振動の減衰率を変更するように構成したことを特徴としている。
【０００９】
前記構成のスピンドルユニットによれば、ハウジングと、該ハウジングに嵌合して回転軸の軸方向に移動可能とされたスリーブとの嵌合面に弾性体を配置したので、該弾性体によってラジアル剛性を高めると共に、アキシャル方向の減衰率を向上させて回転軸の自励振動を防止することができる。また、弾性体に圧力を負荷する流体を供給するようにしたので、弾性体を変形させて、更にラジアル剛性を高めると共に、アキシャル方向の減衰率を向上させて回転軸の自励振動抑制効果を高めることができる。
【００１０】
また、本発明に係る請求項２に記載したスピンドルユニットは、請求項１に記載のスピンドルユニットであって、前記弾性体はオーリングであり、前記流体は圧縮空気であって、複数本配設された前記オーリングの間に前記圧縮空気を供給して前記オーリングに圧力を負荷するようにしたことを特徴としている。
【００１１】
前記構成のスピンドルユニットによれば、弾性体はオーリングとし、また流体は圧縮空気として複数本配設されたオーリングの間に圧縮空気を供給してオーリングに圧力を負荷するようにしたので、高いスライド性を維持したままラジアル剛性を高めて効果的に回転軸の自励振動を防止することができる。また、オーリングは、加工性や汎用性に富むため、複雑な製造工程を必要とせず高性能のスピンドルユニットを製作することができる。
【００１２】
また、本発明に係る請求項３に記載したスピンドルユニットは、請求項１又は請求項２に記載のスピンドルユニットであって、前記弾性体に圧力を負荷する前記流体の圧力は、可変であることを特徴としている。
【００１３】
前記構成のスピンドルユニットによれば、弾性体に圧力を負荷する流体の圧力を可変としたので、スピンドルユニットの使用条件に応じて圧力を変えて、流体の圧力による弾性体の変形量を変えることができる。また、弾性体のラジアル剛性や減衰率を使用条件に最適な値に設定して効果的に回転軸の自励振動を防止することができる。また、弾性体のラジアル剛性や減衰率の変更は、供給する流体の圧力を変えるだけで可能であり、極めて容易に変更することができる。
【００１６】
また、本発明に係る請求項４に記載したスピンドルユニットは、請求項１から請求項３のいずれかに記載のスピンドルユニットであって、前記弾性体は、複数個の弾性体によって１セットとなる弾性体セットが複数セット配置されると共に、両端に配置された前記弾性体セットは、一方の前記弾性体セットが前記スリーブに配設され、他方の前記弾性体セットが前記ハウジングに配設されたことを特徴としている。
【００１７】
前記構成のスピンドルユニットによれば、複数個の弾性体によって構成した弾性体セットを、複数セット配置し、両端に配置された弾性体セットは、一方の弾性体セットをスリーブに、また他方の弾性体セットをハウジングに配設したので、組み立てが容易で、オーリングの損傷の心配が少ない。なお、スピンドルユニットに種々の負荷が作用した場合のスリーブの移動を均一且つ安定して行わせる効果は、弾性体をスリーブにのみ配設した場合及びハウジングにのみ配設した場合と同等である。さらに、スピンドルユニットに２個の弾性体を、一方はスリーブに、他方はハウジングに配設し、その弾性体の間に流体を供給する構成としても良い。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るスピンドルユニットの一実施形態を図１〜図４に基づいて詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態であるスピンドルユニットの縦断面図、図２は図１におけるスリーブ部を拡大して示す縦断面図、図３は図２における供給される流体の圧力によって弾性体が変形する状態を示す要部拡大断面図、図４はスリーブ部の各種特性を測定するための試験装置の要部縦断面図である。
【００１９】
図１及び図２に示すように、本実施形態のスピンドルユニット１は、回転軸２と、固定側軸受である一対の転がり軸受３，４と、スリーブ５と、自由側軸受である一対の転がり軸受６，７と、ハウジング８と、スリーブハウジング９とを備えている。スリーブハウジング９は、ハウジング８に固定されており、実質的にハウジング８の一部として機能する。
【００２０】
一対の転がり軸受３，４は、外輪３ａ，４ａがハウジング８に固定されると共に内輪３ｂ、４ｂが回転軸２の一端に嵌合、固定されてハウジング８との相対位置が固定された固定側軸受となっており、回転軸２を回転自在に支持している。
【００２１】
スリーブ５は、回転軸２の他端側に配設されたスリーブハウジング９の孔９ａに嵌合し、軸方向に移動可能に配設されている。スリーブ５とスリーブハウジング９の孔９ａとの隙間Ｃは、スリーブ寸法、要求される剛性、回転軸２の回転に伴う発熱による熱膨張等を考慮して決められ、１〜２００μｍの範囲から適宜選択して設計される。隙間Ｃが小さ過ぎると熱膨張によってスリーブ５とスリーブハウジング９の孔９ａとが接触する可能性がある。また、大き過ぎるとスリーブ５の中心位置が不安定となる傾向がある。
【００２２】
スリーブ５とスリーブハウジング９の孔９ａとの嵌合面には、弾性体の一例であるオーリング１０が両端部に２本ずつ、合計４本のオーリング１０が配設されている。オーリング１０は、複数本がまとめられて１つのセットを構成している。本実施形態においては、２セットのオーリング１０がスリーブ５の外周面５ａの両端に配置されている。
すなわち、固定側軸受に近い側に配置された２本のオーリング１０は、スリーブハウジング９の孔９ａに設けられたオーリング溝９ｂに装着される。また、固定側軸受から遠い側に配置された２本のオーリング１０は、スリーブ５の外周面５ａに設けられたオーリング溝５ｂに装着されている。なお、本実施形態の配置とは逆に、固定側軸受に近い側のスリーブ外周面にオーリング溝を設け、固定側軸受から遠い側のスリーブハウジングにオーリング溝を設ける構成も可能である。また、スリーブ外周面のみにオーリング溝を設ける構成やスリーブハウジングのみにオーリング溝を設ける構成も可能である。
【００２３】
オーリング１０の締め代は、オーリングの使用標準値以下、且つ使用標準値の１０％以上とするのがよく、例えば内径８４．５ｍｍ、太さ２ｍｍのオーリングの場合の締め代は、０．０５ｍｍ以上、０．５ｍｍ以下とするのがよい（使用標準値は通常オーリングメーカーより推奨値として提供されており、前記オーリングは約０．５ｍｍである）。好ましくは、０．２ｍｍ〜０．４５ｍｍとするのがよい。また、弾性体は、オーリング１０に限定されるものではなく、シール性を有するゴムパッキンや金属製パッキンなどであってもよい。
【００２４】
ここで、締め代の上限値を使用標準値以下としたのは、これより大きくすると、スリーブ５のスライド性が悪くなり、またオーリング１０の変形量が大きくなってオーリング１０の寿命が短くなる可能性がある。また、締め代の下限値を使用標準値の１０％以上としたのは、これより小さくなるとオーリング１０のシール性能が悪くなるからである。
【００２５】
一対の転がり軸受６，７は、内輪６ｂ，７ｂが回転軸２の他端に外嵌すると共に、外輪６ａ，７ａがスリーブ５に嵌合し、外輪押え１１によってスリーブ５に固定されており、スリーブ５と共に回転軸２の軸方向に移動可能とされた自由側軸受となっている。そして、固定側軸受３，４と共働して回転軸２を回動自在に支持している。予圧ばね１２は、スリーブハウジング９と外輪押え１１との間に装着されており、外輪押え１１を介してスリーブ５を後方に引っ張って転がり軸受６，７及び転がり軸受３，４に予圧をかけている。なお、定圧予圧の場合、定位置予圧で予圧ばねのない場合もある。
【００２６】
スリーブハウジング９には、夫々の一対のオーリング１０の間に流体供給口９ｃが開口する流体供給路９ｄが設けられており、該流体供給路９ｄは、スピンドルユニット１の外部に配設された圧縮流体供給装置（図示せず）に接続されて、該圧縮流体供給装置から圧縮流体を供給されて一対のオーリング１０の間に圧縮流体を供給するようになっている。圧縮流体供給装置は、例えばコンプレッサであり、流体は、例えば空気である。
【００２７】
本実施形態の作用を説明する。本発明の一実施形態であるスピンドルユニット１は、図１及び図２に示すように、回転軸２が高速回転すると、発生する摩擦熱などによって温度が上昇する。これによって、回転軸２は軸方向に伸びるが、自由側軸受である一対の転がり軸受６，７がスリーブ５と共に軸方向（図１において右方向）に移動して熱による回転軸２の伸びを吸収する。同時に、スリーブ５は熱膨張して外径が大きくなってスリーブハウジング９との隙間Ｃが小さくなるので、熱膨張を予め予測して隙間Ｃが、例えば１０μｍ程度に設定されている。隙間Ｃが大きいと、ラジアル剛性が低下するが、実際にはスリーブ５とスリーブハウジング９との間に複数本のオーリング１０が締め代分、潰された状態で配設されているので、オーリング１０によってラジアル剛性が高められ、回転軸２の振動が抑制されている。
【００２８】
図３に示すように、圧縮流体供給装置であるコンプレッサから圧縮空気を流体供給路９ｄを介して矢印Ａ方向に圧送し、一対のオーリング１０の間に供給すると、オーリング溝５ｂに嵌合して装着されている一対のオーリング１０は、互いに離れる方向に押圧されて潰れる（圧縮量ｃ）。これによって、一対のオーリング１０の剛性が更に高くなり、スリーブ５のラジアル剛性及びアキシャル剛性が高くなる。一対のオーリング１０の剛性は、圧縮空気の圧力を調整してオーリング１０の潰し量を調整することによって、任意の剛性を得ることができる。また、両方のオーリング１０に作用する圧力は、どちらのオーリング１０にも均一に作用するので、その潰し量も均一とすることができ、両方のオーリング１０の剛性のバランスを維持したまま高めることができる。
【００２９】
【実施例】
次に、試験装置２０（一例として要部を図４に示す）を用いて行った剛性の測定結果について説明する。
試験装置２０は、実機のスピンドルユニット１と同一寸法、外径８５ｍｍとしたダミースリーブ５Ａに、内径８５ｍｍとしたダミーハウジング９Ａを嵌合隙間１５０μｍを持たせて嵌合して配置されている。ダミーハウジング９Ａの固定軸受側（図４において左側）には２本のオーリング溝９ｂが設けられ、ダミースリーブ５Ａの自由軸受側（図４において右側）には、同様に２本のオーリング溝５ｂが平行に設けられており、夫々のオーリング溝５ｂ，９ｂに内径８４．５ｍｍ、太さ２ｍｍのオーリング１０が装着されている。また、ダミーハウジング９Ａの外周面９Ａｅには、電気マイクロメータのピックアップが取り付けられており、ダミーハウジング９Ａの外周面９Ａｅの半径方向変位量（ダミーハウジング９Ａの中心の変位量でもある）を電気マイクロメータ２１で検出できるようになっている。
【００３０】
このように構成された試験装置２０に、エアシリンダ（図示せず）によってダミーハウジング９Ａの外周面を矢印Ｂ方向に押圧して荷重を付与した。
上述した以外の各試験条件は以下のようである。
オーリングの素材：Ａ） ニトリルゴム
Ｂ） フッ素ゴム
オーリングの締め代：Ａ） ０．３００ｍｍ
Ｂ） ０．２７５ｍｍ
Ｃ） ０．２５０ｍｍ
圧縮空気の圧力：Ａ） ０ ＭＰａ
Ｂ） ０．４９ＭＰａ
エアシリンダによるオーリング２個の負荷荷重：Ａ) ５０Ｎ
Ｂ) １００Ｎ
試験方法： オーリングの素材、オーリングの締め代、圧縮空気の圧力、エアシリンダによる荷重、の各条件をランダムに変更して試験し、その時のダミーハウジング９Ａの外周面９Ａｅの変位量（中心の変位量）を電気マイクロメータ２１で測定した。夫々の測定は、５回ずつ測定して、その平均値を測定結果とした。
【００３１】
（試験結果）
圧縮空気の圧力を０ＭＰａとしたとき（つまり圧縮空気の供給がないとき）のオーリング剛性の測定結果を、エアシリンダでダミーハウジング９Ａに負荷した荷重と、中心の変位量との比として表１に示す。なお、単位は、Ｎ／μｍであり数値が大きいほどラジアル剛性が大きいことを示している。
【００３２】
【表１】
【００３３】
圧縮空気の圧力を０．４９ＭＰａとしたときのオーリング剛性の測定結果を、エアシリンダでダミーハウジング９Ａに負荷した荷重と、中心の変位量の比として表２に示す。なお、単位は、Ｎ／μｍであり数値が大きいほどラジアル剛性が大きいことを示している。
【００３４】
【表２】
【００３５】
また、締め代０．２５０ｍｍに設定したフッ素ゴム製オーリング１０をランダムな装着順で装着してダミーハウジング９Ａの中心位置のずれを５回測定した。そのばらつき（最大値−最小値）を表３に示す。
【００３６】
【表３】
【００３７】
表１から分かるように、オーリング１０に圧縮空気を供給しない場合、オーリング１０の締め代が大きい方がラジアル剛性が高い。また、締め代の変化量に対するラジアル剛性の変化量は、ニトリルゴム製オーリングよりフッ素ゴム製オーリングのほうが大きい。
【００３８】
表１及び表２から、オーリング１０に圧縮空気を供給することによって、ラジアル剛性を高められることが分かる。これは、圧縮空気によってオーリング１０が潰され（図３参照）、オーリング１０自身の剛性が高くなったことによる。また、締め代が小さい方が圧縮空気供給によるラジアル剛性の変化量が大きい。更に、圧縮空気供給によるラジアル剛性の変化量は、フッ素ゴム製オーリングの方がニトリルゴム製オーリングより大きくなっている。
【００３９】
表３から分かるように、ダミーハウジング９Ａの中心位置のずれ量のばらつきは、圧縮空気を供給しない場合は５６μｍであるのに対して、圧縮空気を供給すると２２μｍと小さくなっており、圧縮空気を供給することによって、オーリング１０の形状や姿勢が安定することが分かる。
【００４０】
以上の試験結果から、ハウジング８とスリーブ５の間に、複数のオーリング１０を配設すると共に、オーリング１０間に圧縮空気を供給することによって、ラジアル剛性を高めることができ、且つ圧縮空気の圧力を調整することにより、ラジアル剛性を任意の硬さに調整できることが理解できる。
【００４１】
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。その他、上述した実施形態における各構成要素の材質、形状、寸法、数値、形態、数、配置箇所、等は本発明を達成できるものであれば任意であり、限定されない。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明のスピンドルユニットによれば、ハウジングと、該ハウジングに嵌合して回転軸の軸方向に移動可能とされたスリーブとの嵌合面に弾性体を配置したので、該弾性体によってラジアル剛性を高めると共に、アキシャル方向の減衰率を向上させて回転軸の自励振動を防止することができる。また、弾性体に圧力を負荷する流体を供給するようにしたので、弾性体を変形させて、ラジアル剛性を高めると共に、アキシャル方向の減衰率を向上させて回転軸の自励振動抑制効果を高めることができる。よって、オーリングの剛性を適度に高めてスライド性を維持したまま、ラジアル剛性及びアキシャル減衰性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態であるスピンドルユニットの縦断面図である。
【図２】図１におけるスリーブ部を拡大して示す縦断面図である。
【図３】図２における供給される流体の圧力によって弾性体が変形する状態を示す要部拡大断面図である。
【図４】本発明のスリーブ部の各種特性を測定するための試験装置の要部縦断面図である。
【符号の説明】
１ スピンドルユニット
２ 回転軸
３，４ 固定側軸受
３ａ，４ａ 固定側軸受の外輪
３ｂ，４ｂ 固定側軸受の内輪
５ スリーブ
６，７ 自由側軸受
６ａ，７ａ 自由側軸受の外輪
６ｂ，７ｂ 自由側軸受の内輪
８ ハウジング
９ スリーブハウジング
１０ オーリング（弾性体）
【発明の属する技術分野】
本発明は、スピンドルユニットに関し、より詳細には、高速回転するスピンドルユニットの剛性を高めて回転軸の振動を低減できるスピンドルユニットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、スピンドルユニットは、高速回転時の発熱等によって回転軸が軸方向に伸縮したとき、該軸方向変位を吸収できるように、一方の軸受（自由側軸受）が、ハウジングに嵌合して軸方向に移動可能とされたスリーブに固定されている。ハウジングとスリーブとの嵌合は、単純なはめあいとした滑り面方式や軸方向に移動可能なボールブッシュを用いたボールスライド方式、等が知られている。回転軸の自由端側を支持するスリーブには、スライド性と共に、ラジアル剛性及びアキシャル方向の振動減衰性が要求される。
【０００３】
ハウジングとスリーブとの嵌合が滑り面方式の場合、発熱に伴って嵌合隙間が減少するので、初期嵌合隙間を大きく設定する必要がある。これは、スピンドルユニット回転時に回転軸の振動を増大させる一因となっていた。また、ボールブッシュを用いた嵌合のボールスライド方式の場合、発熱によって締め代が増大してスリーブの滑らかな軸方向移動が阻害されたり、アキシャル剛性が低く、回転軸のびびりと呼ばれる自励振動が生じる場合があった。
【０００４】
また、回転軸の自励振動を減衰させるため、ハウジングとスリーブの間に複数枚の皿ばねを積層して配置してアキシャル剛性を高めると共に、皿ばねの摩擦によって自励振動を防止するようにしたものが開示されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−１３８３０５号公報（第２−３頁、第１図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記特許文献１に開示されているスピンドル装置は、皿ばねの摩擦によって自励振動を減衰させるようになっており、減衰力は、皿ばねのバネ常数、枚数、設置方向、等で決まる。これらの事項は、スピンドル装置の組付け時に設定されてしまうので、スピンドル装置を分解するなどして皿ばねを組み替えない限り一定不変である。言い換えると、例えば減衰率等を運転条件に最適な値に再設定するなど、回転条件に応じて特性を変更することは困難であった。
近年、スピンドルユニットの高速化が著しく、該高速化に伴って発生熱量も多くなっていることから、これに対抗し得る、より高度な回転軸の支持方法が求められている。
【０００７】
本発明は、前述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、高い剛性を有し、かつ良好な減衰特性、スライド性に優れたスピンドルユニットを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前述した目的を達成するために、本発明に係る請求項１に記載したスピンドルユニットは、回転自在な回転軸と、外輪がハウジングに固定されると共に内輪が前記回転軸の一端に外嵌する固定側軸受と、前記回転軸の他端側に配設され前記ハウジングに嵌合して前記回転軸の軸方向に移動可能とされたスリーブと、内輪が前記回転軸の他端に外嵌すると共に外輪が前記スリーブに固定されて前記固定側軸受と共働して前記回転軸を回動自在に支持する自由側軸受と、を備え、前記回転軸の他端を軸方向に変位可能としたスピンドルユニットであって、
前記ハウジングと前記スリーブとの嵌合面に前記ハウジングと前記スリーブとの間をシールする弾性体を備えると共に、前記弾性体に圧力を負荷する流体を供給して前記弾性体を変形する手段を備え、前記弾性体の変形による剛性の変化を利用して自励振動の減衰率を変更するように構成したことを特徴としている。
【０００９】
前記構成のスピンドルユニットによれば、ハウジングと、該ハウジングに嵌合して回転軸の軸方向に移動可能とされたスリーブとの嵌合面に弾性体を配置したので、該弾性体によってラジアル剛性を高めると共に、アキシャル方向の減衰率を向上させて回転軸の自励振動を防止することができる。また、弾性体に圧力を負荷する流体を供給するようにしたので、弾性体を変形させて、更にラジアル剛性を高めると共に、アキシャル方向の減衰率を向上させて回転軸の自励振動抑制効果を高めることができる。
【００１０】
また、本発明に係る請求項２に記載したスピンドルユニットは、請求項１に記載のスピンドルユニットであって、前記弾性体はオーリングであり、前記流体は圧縮空気であって、複数本配設された前記オーリングの間に前記圧縮空気を供給して前記オーリングに圧力を負荷するようにしたことを特徴としている。
【００１１】
前記構成のスピンドルユニットによれば、弾性体はオーリングとし、また流体は圧縮空気として複数本配設されたオーリングの間に圧縮空気を供給してオーリングに圧力を負荷するようにしたので、高いスライド性を維持したままラジアル剛性を高めて効果的に回転軸の自励振動を防止することができる。また、オーリングは、加工性や汎用性に富むため、複雑な製造工程を必要とせず高性能のスピンドルユニットを製作することができる。
【００１２】
また、本発明に係る請求項３に記載したスピンドルユニットは、請求項１又は請求項２に記載のスピンドルユニットであって、前記弾性体に圧力を負荷する前記流体の圧力は、可変であることを特徴としている。
【００１３】
前記構成のスピンドルユニットによれば、弾性体に圧力を負荷する流体の圧力を可変としたので、スピンドルユニットの使用条件に応じて圧力を変えて、流体の圧力による弾性体の変形量を変えることができる。また、弾性体のラジアル剛性や減衰率を使用条件に最適な値に設定して効果的に回転軸の自励振動を防止することができる。また、弾性体のラジアル剛性や減衰率の変更は、供給する流体の圧力を変えるだけで可能であり、極めて容易に変更することができる。
【００１６】
また、本発明に係る請求項４に記載したスピンドルユニットは、請求項１から請求項３のいずれかに記載のスピンドルユニットであって、前記弾性体は、複数個の弾性体によって１セットとなる弾性体セットが複数セット配置されると共に、両端に配置された前記弾性体セットは、一方の前記弾性体セットが前記スリーブに配設され、他方の前記弾性体セットが前記ハウジングに配設されたことを特徴としている。
【００１７】
前記構成のスピンドルユニットによれば、複数個の弾性体によって構成した弾性体セットを、複数セット配置し、両端に配置された弾性体セットは、一方の弾性体セットをスリーブに、また他方の弾性体セットをハウジングに配設したので、組み立てが容易で、オーリングの損傷の心配が少ない。なお、スピンドルユニットに種々の負荷が作用した場合のスリーブの移動を均一且つ安定して行わせる効果は、弾性体をスリーブにのみ配設した場合及びハウジングにのみ配設した場合と同等である。さらに、スピンドルユニットに２個の弾性体を、一方はスリーブに、他方はハウジングに配設し、その弾性体の間に流体を供給する構成としても良い。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るスピンドルユニットの一実施形態を図１〜図４に基づいて詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態であるスピンドルユニットの縦断面図、図２は図１におけるスリーブ部を拡大して示す縦断面図、図３は図２における供給される流体の圧力によって弾性体が変形する状態を示す要部拡大断面図、図４はスリーブ部の各種特性を測定するための試験装置の要部縦断面図である。
【００１９】
図１及び図２に示すように、本実施形態のスピンドルユニット１は、回転軸２と、固定側軸受である一対の転がり軸受３，４と、スリーブ５と、自由側軸受である一対の転がり軸受６，７と、ハウジング８と、スリーブハウジング９とを備えている。スリーブハウジング９は、ハウジング８に固定されており、実質的にハウジング８の一部として機能する。
【００２０】
一対の転がり軸受３，４は、外輪３ａ，４ａがハウジング８に固定されると共に内輪３ｂ、４ｂが回転軸２の一端に嵌合、固定されてハウジング８との相対位置が固定された固定側軸受となっており、回転軸２を回転自在に支持している。
【００２１】
スリーブ５は、回転軸２の他端側に配設されたスリーブハウジング９の孔９ａに嵌合し、軸方向に移動可能に配設されている。スリーブ５とスリーブハウジング９の孔９ａとの隙間Ｃは、スリーブ寸法、要求される剛性、回転軸２の回転に伴う発熱による熱膨張等を考慮して決められ、１〜２００μｍの範囲から適宜選択して設計される。隙間Ｃが小さ過ぎると熱膨張によってスリーブ５とスリーブハウジング９の孔９ａとが接触する可能性がある。また、大き過ぎるとスリーブ５の中心位置が不安定となる傾向がある。
【００２２】
スリーブ５とスリーブハウジング９の孔９ａとの嵌合面には、弾性体の一例であるオーリング１０が両端部に２本ずつ、合計４本のオーリング１０が配設されている。オーリング１０は、複数本がまとめられて１つのセットを構成している。本実施形態においては、２セットのオーリング１０がスリーブ５の外周面５ａの両端に配置されている。
すなわち、固定側軸受に近い側に配置された２本のオーリング１０は、スリーブハウジング９の孔９ａに設けられたオーリング溝９ｂに装着される。また、固定側軸受から遠い側に配置された２本のオーリング１０は、スリーブ５の外周面５ａに設けられたオーリング溝５ｂに装着されている。なお、本実施形態の配置とは逆に、固定側軸受に近い側のスリーブ外周面にオーリング溝を設け、固定側軸受から遠い側のスリーブハウジングにオーリング溝を設ける構成も可能である。また、スリーブ外周面のみにオーリング溝を設ける構成やスリーブハウジングのみにオーリング溝を設ける構成も可能である。
【００２３】
オーリング１０の締め代は、オーリングの使用標準値以下、且つ使用標準値の１０％以上とするのがよく、例えば内径８４．５ｍｍ、太さ２ｍｍのオーリングの場合の締め代は、０．０５ｍｍ以上、０．５ｍｍ以下とするのがよい（使用標準値は通常オーリングメーカーより推奨値として提供されており、前記オーリングは約０．５ｍｍである）。好ましくは、０．２ｍｍ〜０．４５ｍｍとするのがよい。また、弾性体は、オーリング１０に限定されるものではなく、シール性を有するゴムパッキンや金属製パッキンなどであってもよい。
【００２４】
ここで、締め代の上限値を使用標準値以下としたのは、これより大きくすると、スリーブ５のスライド性が悪くなり、またオーリング１０の変形量が大きくなってオーリング１０の寿命が短くなる可能性がある。また、締め代の下限値を使用標準値の１０％以上としたのは、これより小さくなるとオーリング１０のシール性能が悪くなるからである。
【００２５】
一対の転がり軸受６，７は、内輪６ｂ，７ｂが回転軸２の他端に外嵌すると共に、外輪６ａ，７ａがスリーブ５に嵌合し、外輪押え１１によってスリーブ５に固定されており、スリーブ５と共に回転軸２の軸方向に移動可能とされた自由側軸受となっている。そして、固定側軸受３，４と共働して回転軸２を回動自在に支持している。予圧ばね１２は、スリーブハウジング９と外輪押え１１との間に装着されており、外輪押え１１を介してスリーブ５を後方に引っ張って転がり軸受６，７及び転がり軸受３，４に予圧をかけている。なお、定圧予圧の場合、定位置予圧で予圧ばねのない場合もある。
【００２６】
スリーブハウジング９には、夫々の一対のオーリング１０の間に流体供給口９ｃが開口する流体供給路９ｄが設けられており、該流体供給路９ｄは、スピンドルユニット１の外部に配設された圧縮流体供給装置（図示せず）に接続されて、該圧縮流体供給装置から圧縮流体を供給されて一対のオーリング１０の間に圧縮流体を供給するようになっている。圧縮流体供給装置は、例えばコンプレッサであり、流体は、例えば空気である。
【００２７】
本実施形態の作用を説明する。本発明の一実施形態であるスピンドルユニット１は、図１及び図２に示すように、回転軸２が高速回転すると、発生する摩擦熱などによって温度が上昇する。これによって、回転軸２は軸方向に伸びるが、自由側軸受である一対の転がり軸受６，７がスリーブ５と共に軸方向（図１において右方向）に移動して熱による回転軸２の伸びを吸収する。同時に、スリーブ５は熱膨張して外径が大きくなってスリーブハウジング９との隙間Ｃが小さくなるので、熱膨張を予め予測して隙間Ｃが、例えば１０μｍ程度に設定されている。隙間Ｃが大きいと、ラジアル剛性が低下するが、実際にはスリーブ５とスリーブハウジング９との間に複数本のオーリング１０が締め代分、潰された状態で配設されているので、オーリング１０によってラジアル剛性が高められ、回転軸２の振動が抑制されている。
【００２８】
図３に示すように、圧縮流体供給装置であるコンプレッサから圧縮空気を流体供給路９ｄを介して矢印Ａ方向に圧送し、一対のオーリング１０の間に供給すると、オーリング溝５ｂに嵌合して装着されている一対のオーリング１０は、互いに離れる方向に押圧されて潰れる（圧縮量ｃ）。これによって、一対のオーリング１０の剛性が更に高くなり、スリーブ５のラジアル剛性及びアキシャル剛性が高くなる。一対のオーリング１０の剛性は、圧縮空気の圧力を調整してオーリング１０の潰し量を調整することによって、任意の剛性を得ることができる。また、両方のオーリング１０に作用する圧力は、どちらのオーリング１０にも均一に作用するので、その潰し量も均一とすることができ、両方のオーリング１０の剛性のバランスを維持したまま高めることができる。
【００２９】
【実施例】
次に、試験装置２０（一例として要部を図４に示す）を用いて行った剛性の測定結果について説明する。
試験装置２０は、実機のスピンドルユニット１と同一寸法、外径８５ｍｍとしたダミースリーブ５Ａに、内径８５ｍｍとしたダミーハウジング９Ａを嵌合隙間１５０μｍを持たせて嵌合して配置されている。ダミーハウジング９Ａの固定軸受側（図４において左側）には２本のオーリング溝９ｂが設けられ、ダミースリーブ５Ａの自由軸受側（図４において右側）には、同様に２本のオーリング溝５ｂが平行に設けられており、夫々のオーリング溝５ｂ，９ｂに内径８４．５ｍｍ、太さ２ｍｍのオーリング１０が装着されている。また、ダミーハウジング９Ａの外周面９Ａｅには、電気マイクロメータのピックアップが取り付けられており、ダミーハウジング９Ａの外周面９Ａｅの半径方向変位量（ダミーハウジング９Ａの中心の変位量でもある）を電気マイクロメータ２１で検出できるようになっている。
【００３０】
このように構成された試験装置２０に、エアシリンダ（図示せず）によってダミーハウジング９Ａの外周面を矢印Ｂ方向に押圧して荷重を付与した。
上述した以外の各試験条件は以下のようである。
オーリングの素材：Ａ） ニトリルゴム
Ｂ） フッ素ゴム
オーリングの締め代：Ａ） ０．３００ｍｍ
Ｂ） ０．２７５ｍｍ
Ｃ） ０．２５０ｍｍ
圧縮空気の圧力：Ａ） ０ ＭＰａ
Ｂ） ０．４９ＭＰａ
エアシリンダによるオーリング２個の負荷荷重：Ａ) ５０Ｎ
Ｂ) １００Ｎ
試験方法： オーリングの素材、オーリングの締め代、圧縮空気の圧力、エアシリンダによる荷重、の各条件をランダムに変更して試験し、その時のダミーハウジング９Ａの外周面９Ａｅの変位量（中心の変位量）を電気マイクロメータ２１で測定した。夫々の測定は、５回ずつ測定して、その平均値を測定結果とした。
【００３１】
（試験結果）
圧縮空気の圧力を０ＭＰａとしたとき（つまり圧縮空気の供給がないとき）のオーリング剛性の測定結果を、エアシリンダでダミーハウジング９Ａに負荷した荷重と、中心の変位量との比として表１に示す。なお、単位は、Ｎ／μｍであり数値が大きいほどラジアル剛性が大きいことを示している。
【００３２】
【表１】
圧縮空気の圧力を０．４９ＭＰａとしたときのオーリング剛性の測定結果を、エアシリンダでダミーハウジング９Ａに負荷した荷重と、中心の変位量の比として表２に示す。なお、単位は、Ｎ／μｍであり数値が大きいほどラジアル剛性が大きいことを示している。
【００３４】
【表２】
また、締め代０．２５０ｍｍに設定したフッ素ゴム製オーリング１０をランダムな装着順で装着してダミーハウジング９Ａの中心位置のずれを５回測定した。そのばらつき（最大値−最小値）を表３に示す。
【００３６】
【表３】
表１から分かるように、オーリング１０に圧縮空気を供給しない場合、オーリング１０の締め代が大きい方がラジアル剛性が高い。また、締め代の変化量に対するラジアル剛性の変化量は、ニトリルゴム製オーリングよりフッ素ゴム製オーリングのほうが大きい。
【００３８】
表１及び表２から、オーリング１０に圧縮空気を供給することによって、ラジアル剛性を高められることが分かる。これは、圧縮空気によってオーリング１０が潰され（図３参照）、オーリング１０自身の剛性が高くなったことによる。また、締め代が小さい方が圧縮空気供給によるラジアル剛性の変化量が大きい。更に、圧縮空気供給によるラジアル剛性の変化量は、フッ素ゴム製オーリングの方がニトリルゴム製オーリングより大きくなっている。
【００３９】
表３から分かるように、ダミーハウジング９Ａの中心位置のずれ量のばらつきは、圧縮空気を供給しない場合は５６μｍであるのに対して、圧縮空気を供給すると２２μｍと小さくなっており、圧縮空気を供給することによって、オーリング１０の形状や姿勢が安定することが分かる。
【００４０】
以上の試験結果から、ハウジング８とスリーブ５の間に、複数のオーリング１０を配設すると共に、オーリング１０間に圧縮空気を供給することによって、ラジアル剛性を高めることができ、且つ圧縮空気の圧力を調整することにより、ラジアル剛性を任意の硬さに調整できることが理解できる。
【００４１】
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。その他、上述した実施形態における各構成要素の材質、形状、寸法、数値、形態、数、配置箇所、等は本発明を達成できるものであれば任意であり、限定されない。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明のスピンドルユニットによれば、ハウジングと、該ハウジングに嵌合して回転軸の軸方向に移動可能とされたスリーブとの嵌合面に弾性体を配置したので、該弾性体によってラジアル剛性を高めると共に、アキシャル方向の減衰率を向上させて回転軸の自励振動を防止することができる。また、弾性体に圧力を負荷する流体を供給するようにしたので、弾性体を変形させて、ラジアル剛性を高めると共に、アキシャル方向の減衰率を向上させて回転軸の自励振動抑制効果を高めることができる。よって、オーリングの剛性を適度に高めてスライド性を維持したまま、ラジアル剛性及びアキシャル減衰性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態であるスピンドルユニットの縦断面図である。
【図２】図１におけるスリーブ部を拡大して示す縦断面図である。
【図３】図２における供給される流体の圧力によって弾性体が変形する状態を示す要部拡大断面図である。
【図４】本発明のスリーブ部の各種特性を測定するための試験装置の要部縦断面図である。
【符号の説明】
１ スピンドルユニット
２ 回転軸
３，４ 固定側軸受
３ａ，４ａ 固定側軸受の外輪
３ｂ，４ｂ 固定側軸受の内輪
５ スリーブ
６，７ 自由側軸受
６ａ，７ａ 自由側軸受の外輪
６ｂ，７ｂ 自由側軸受の内輪
８ ハウジング
９ スリーブハウジング
１０ オーリング（弾性体）
Claims (4)
- 回転自在な回転軸と、外輪がハウジングに固定されると共に内輪が前記回転軸の一端に外嵌する固定側軸受と、前記回転軸の他端側に配設され前記ハウジングに嵌合して前記回転軸の軸方向に移動可能とされたスリーブと、内輪が前記回転軸の他端に外嵌すると共に外輪が前記スリーブに固定されて前記固定側軸受と共働して前記回転軸を回動自在に支持する自由側軸受と、を備え、前記回転軸の他端を軸方向に変位可能としたスピンドルユニットであって、
前記ハウジングと前記スリーブとの嵌合面に前記ハウジングと前記スリーブとの間をシールする弾性体を備えると共に、前記弾性体に圧力を負荷する流体を供給して前記弾性体を変形する手段を備え、前記弾性体の変形による剛性の変化を利用して自励振動の減衰率を変更するように構成したことを特徴とするスピンドルユニット。 - 前記弾性体はオーリングであり、前記流体は圧縮空気であって、複数本配設された前記オーリングの間に前記圧縮空気を供給して前記オーリングに圧力を負荷するようにしたことを特徴とする請求項１に記載のスピンドルユニット。
- 前記弾性体に圧力を負荷する前記流体の圧力は、可変であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のスピンドルユニット。
- 前記弾性体は、複数個の弾性体によって１セットとなる弾性体セットが複数セット配置されると共に、両端に配置された前記弾性体セットは、一方の前記弾性体セットが前記スリーブに配設され、他方の前記弾性体セットが前記ハウジングに配設されたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のスピンドルユニット。
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