JP4793748B2 - スピンドル装置 - Google Patents

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モータビルトイン型の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、静圧軸受は圧力伝達媒体の静圧によって軸を支承するので、これを用いたモータビルトイン型のスピンドル装置（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１０−１９０４３号公報

ところで、静圧軸受を用いたスピンドル装置を用いて高精度な加工を実現する加工機において、その加工効率を向上させるにはスピンドル主軸の回転数を高くすれば良い。しかし、スピンドル主軸を高速で回転させると、静圧軸受における静圧スキマ（静圧パッドとスピンドル主軸との間の微小スキマ）に供給した圧力伝達媒体の剪断が生じ、それにより発熱が生じるという問題がある。また圧力伝達媒体の剪断抵抗も生じるため、スピンドル主軸を回転駆動するモータの駆動力が、それに消費されてしまうという特徴がある。特に高速回転を要求される用途に用いられるモータビルトイン型スピンドル装置においては、ある一定速度に達した後は、スピンドル主軸を回転駆動するモータへの電力供給を増大させても、回転速度が増加する代わりに、増大した電力のほとんどが熱に変換されてしまい、それにより局所的にスピンドル主軸の温度が上がって無視できない変形が生じ、かじりや焼き付きなどの破損を招く恐れがある。つまり、静圧軸受によって支持され高速回転を行うスピンドル主軸において重要な課題の一つは、効率的な冷却を如何に実現するかである。

ここで、静圧軸受の静圧パッドなどは、冷却水などを通す配管などを設けて冷却することができる。また、モータについても、そのコア側はエアを吹き付けたり、冷却水を循環したりして冷却を行うことができる。例えば、特許文献１に示すようなタイプのモータでは、モータのコアが接するハウジング内部にウォータジャケットを設け、ここに冷却水を通して水冷することはできる。しかしながら、スピンドル主軸は、静圧軸受によってハウジングに対して非接触で支持されているので、接触による効果的な放熱が期待できないことから、電力供給によってモータのコイルや磁石の発熱によりスピンドル主軸の温度も増大した場合、その冷却をハウジング側からの冷却のみに頼ることは困難である。

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、冷却の問題を解消して迅速且つ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、ハウジングと主軸とを備えたモータビルトイン型のスピンドル装置において、
前記ハウジングに対して前記主軸を回転自在に支持する静圧軸受と、
前記主軸に、その周方向に交互に異極が並ぶように配置された２列の磁石と、
前記ハウジングに、前記磁石にそれぞれ対向するようにして配置された２対のコイルと
を有し、
前記２列の磁石は、異極が並ぶ位相を周方向に互いにずらしており、かつ、スキュウの傾き方向を互いに逆方向としており、
前記ハウジングは、外部から冷却媒体を供給される冷却ジャケットを有することを特徴とする。

本発明のスピンドル装置によれば、前記主軸に、その周方向に交互に異極が並ぶように配置された２列の磁石と、前記ハウジングに、前記磁石にそれぞれ対向するようにして配置された２対のコイルとを有するので、１列の磁石及び１つのコイルからなる場合に比べ、全体的に同レベルのトルクで前記主軸を回転駆動させることができるにもかかわらず、発熱体となるコイルや磁石を分散配置させることで、前記主軸において局所的に高温となる部位が生じることを回避している。又、前記主軸に設けた磁石の面積が増大することで、前記磁石に発熱が生じても、１列に磁石を配置した場合に比べ、より高い冷却効果を得ることができる。

請求項２に記載のスピンドル装置は、ハウジングと主軸とを備えたモータビルトイン型のスピンドル装置において、
前記ハウジングに対して前記主軸を回転自在に支持する静圧軸受と、
前記主軸に配置された２列の導体と、
前記ハウジングに、前記導体にそれぞれ対向するようにして配置された２対のコイルと
を有し、
前記２対のコイルはそれぞれコアを巻回しており、
前記２対のコアは、その位相配置を周方向に互いにずらしており、かつ、スキュウの傾き方向を互いに逆方向としており、
前記ハウジングは、外部から冷却媒体を供給される冷却ジャケットを有することを特徴とする。

本発明のスピンドル装置によれば、前記主軸に配置された２列の導体（例えば銅やアルミ等）と、前記ハウジングに、前記導体にそれぞれ対向するようにして配置された２対のコイルとを有するので、１列の導体及び１つのコイルからなる場合に比べ、全体的に同レベルのトルクで前記主軸を回転駆動させることができるにもかかわらず、発熱体となるコイルや導体を分散配置させることで、前記主軸において局所的に高温となる部位が生じることを回避している。又、前記主軸に設けた導体の面積が増大することで、前記導体に発熱が生じても、１列に磁石を配置した場合に比べ、より高い冷却効果を得ることができる。なお、導体とコイルとを用いるモータとしては、誘導モータがある。

請求項３に記載のスピンドル装置は、ハウジングと主軸とを備えたモータビルトイン型のスピンドル装置において、
前記ハウジングに対して前記主軸を回転自在に支持する静圧軸受と、
前記主軸に、その周方向に交互に異極が並ぶように配置された２列の磁石と、
前記ハウジングに、前記磁石にそれぞれ対向するようにして配置された２対のコイルと
を有し、
前記２対のコイルはそれぞれコアを巻回しており、
前記２対のコアは、その位相配置を周方向に互いにずらしており、かつ、スキュウの傾き方向を互いに逆方向としている
前記ハウジングは、外部から冷却媒体を供給される冷却ジャケットを有することを特徴とする。

ところで、前記主軸の高速回転を実現するには、その慣性モーメントを極力小さく抑えることが望ましい。このためには、前記主軸の外径を極力抑えることが望ましいといえる。ところが、モータビルトイン型のスピンドル装置において、スピンドル主軸の外径を小さくすると、その外周に配置する磁石及びコアの数が制限されるという問題がある。例えば、１００００ｍｉｎ^-1以上の回転速度のスピンドル装置では、周方向に配置する磁石は一般的には４極または８極に制限される。このように磁極数が少ないと、１回転あたり４回又は８回のトルク変動が生じることとなり、それにより振動が発生して主軸に取り付けられたワークや工具が回転角に同期して変位するため、加工面にうねりなどを生じて面精度が低下する恐れがある。これを回避するには、主軸を太くして多極化を図る必要があり、それにより慣性モーメントの増大を招き、高速回転の実現が困難である一因となっている。

本発明によれば、前記２列の磁石が、異極が並ぶ位相を周方向に互いにずらしているので、例えば４極の磁石配置であった場合でも、実質的に８極の磁石配置と同等のトルク変動に抑えることができる。これにより、前記主軸の小径化を図り高速回転を実現しながらも、トルクムラが大幅に抑制されて回転精度が向上し、高い加工精度を得ることができる。なお、２列の磁石の位相は、互いに１／２ピッチでずれていると、トルク変動が効果的に抑制されるので好ましい。

請求項４に記載のスピンドル装置は、請求項１に記載の発明において、前記２対のコイルはそれぞれコアを巻回しており、前記２対のコアは、その位相配置を周方向に互いにずらしていることを特徴とするので、上述と同様に前記主軸の小径化を図り高速回転を実現しながらも、トルクムラが大幅に抑制されて回転精度が向上し、高い加工精度を得ることができる。なお、２列のコアの位相は、互いに１／２ピッチでずれていると、トルク変動が効果的に抑制されるので好ましい。

少ない磁極数でありながらトルク変動を抑えるために、磁石にスキュウを与える技術が知られている。スキュウとは、コイルのコアや磁石を回転軸線方向に対して斜めに配置することをいい、一般的には傾き角度は５〜１５度程度であるが、ステータ側のコイルのコアやロータ側の磁石に対して、回転に伴い磁極がコアを断続的に横切って磁界が切り替わるのではなく、コアに対して１つの磁極が部分的に（一端から他端へと連続的に）切り変わることで滑らかにトルクが働くようにする作用効果がある。ところが、１列の磁石において一方向にスキュウを与えた場合、それにより主軸にスラスト分力が発生し、加工時に軸線方向に変位するという恐れがある。これを回避するために、コアと磁石の隙間を大きくしたりして磁界を広がらせることで、このスラスト分力を低減させることはできるが、かかる手法ではモータの駆動力も弱まるため主軸の高速回転の実現が難しくなる。一方、スラスト力を受ける静圧軸受の面積を増大して剛性を高めることもできるが、それにより慣性モーメントの増大を招き、同様に高速回転の実現が困難となる。

本発明によれば、前記２列の磁石は、スキュウの傾き方向を互いに逆方向としているので、前記主軸に作用するスラスト分力を釣り合わせることができ、それにより前記主軸の小径化を図り高速回転を実現しながらも、トルクムラが大幅に抑制されて回転精度が向上し、高い加工精度を得ることができる。なお、前記２列の磁石のスキュウによる傾き角度は、軸線に平行な角度を０度として絶対値が等しく且つ正負が逆になる値とすることが望ましい。

請求項５に記載のスピンドル装置は、請求項１又は４に記載の発明において、前記２対のコイルはそれぞれコアを巻回しており、前記２対のコアは、スキュウの傾き方向を互いに逆方向としているので、上述と同様に前記主軸に作用するスラスト分力を釣り合わせることができ、それにより前記主軸の小径化を図り高速回転を実現しながらも、トルクムラが大幅に抑制されて回転精度が向上し、高い加工精度を得ることができる。なお、前記２対のコアのスキュウによる傾き角度は、軸線に平行な角度を０度として絶対値が等しく且つ正負が逆になる値とすることが望ましい。

請求項６に記載のスピンドル装置は、請求項１〜５のいずれかに記載の発明において、前記静圧軸受と前記主軸との間に圧力伝達媒体が供給されることによって、前記主軸は前記ハウジングに対して回転自在に支持されることを特徴とする。

本発明によれば、冷却の問題を解消して迅速且つ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モータビルトイン型のスピンドル装置は、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モータビルトイン型のスピンドル装置は、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モータビルトイン型のスピンドル装置は、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モータビルトイン型のスピンドル装置は、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、本実施の形態にかかるモータビルトイン型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。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。

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、ハウジングの一部を構成するモータケース１０４ａと、周方向に異極が交互になる（Ｎ極、Ｓ極、Ｎ極、Ｓ極、・・・）ように主軸１０２に取り付けられた４極２列（軸線方向に並んだ）の磁石１０４ｂ、１０４ｂと、磁石１０４ｂ、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２対のコイル１０４ｃ、１０４ｃと、コイル１０４ｃ、１０４ｃにそれぞれ巻回されたコア１０４ｄ、１０４ｄとからなる。コイル１０４ｃ、１０４ｃに外部から電力を供給することによって、公知の態様で主軸１０２を回転駆動することができる。なお、このモータケース１０４ａには、冷却水が通る孔１０４ｅが設けられ、ここを通過する冷却水によりコイル１０４ｃ、１０４ｃの発熱に起因するモータケース１０４ａの温度上昇を抑えている。

図５で左列の磁石１０４ｂはスキュウを与えられ、軸線に対して＋θ度傾けられており、図５で右列の磁石１０４ｂもスキュウを与えられているが、軸線に対して−θ度傾けられている。又、２列の磁石１０４ｂ、１０４ｂは、位相配置が周方向に互いに１／２ピッチずれている。

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、それにより主軸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。本実施の形態によれば、モータケース１０４ａに、２列の磁石１０４ｂ、１０４ｂにそれぞれ対向するようにして配置された２対のコイル１０４ｃ、１０４ｃを有するので、１列の磁石及び１つのコイルからなる場合に比べ、全体的に同レベルのトルクで主軸１０２を回転駆動させることができるにもかかわらず、発熱体となる磁石１０４ｂ、１０４ｂを分散配置させることで、主軸１０２において局所的に高温となる部位が生じることを回避している。又、主軸１０２に設けた磁石１０４ｂ、１０４ｂの面積が増大することで、磁石１０４ｂ、１０４ｂに発熱が生じても、１列に磁石を配置した場合に比べ、より高い冷却効果を得ることができる。加えて、モータケース１０４ａの孔１０４ｅに供給された冷却水により、コイル１０４ｃ、１０４ｃの発熱によるモータケース１０４ａの温度上昇を抑えることができる。

特に、２列の磁石１０４ｂ、１０４ｂが、異極が並ぶ位相を周方向に互いにずらしているので、４極の磁石配置でありながら、実質的に８極の磁石配置と同等のトルク変動に抑えることができる。これにより、主軸１０２の小径化を図り高速回転を実現しながらも、トルクムラが大幅に抑制されて回転精度が向上し、高い加工精度を得ることができる。加えて、２列の磁石１０４ｂ、１０４ｂは、スキュウの傾き方向を互いに逆方向（＋θ度、−θ度）としているので、主軸１０２に作用するスラスト分力を抑えつつ主軸１０２の小径化を図り高速回転を実現しながらも、トルクムラが大幅に抑制されて回転精度が向上し、高い加工精度を得ることができる。

更に、回転駆動時にモータ１０４からの伝熱等で主軸１０２が加熱されたとしても、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。また、発熱による高温限界が同じであれば、本発明では従来よりも径の大きな、静圧面積の大きなローターシャフトが使用できるので、かかる場合剛性が高くでき、回転精度をより向上できる。

比較例として、主軸外径φ４０ｍｍ、フランジ外径φ８５ｍｍのスピンドル装置を、単一のコア付きサーボモータで駆動し、２２℃のほぼ室温の冷却水をハウジングとモータケースに流して水冷し３５０００ｍｉｎ^-1で回転させたところ、冷却水の温度は４５℃まで上昇した。これに対し、実施例として同じ静圧構造のスピンドル装置に同じモータを２つ並べ、お互いにコアと磁石は同じ位置で取り付け、モータケースに並行して冷却水が供給されるように配管を分岐して接続した。かかる状態で、両モータに同相の電流を流し同じ３５０００ｍｉｎ^-1で駆動したところ、冷却水温度は３４℃となり、比較例に比べ１１℃低下し冷却効果が確認できた。

更に、上記実施例の２連モータによるスピンドル装置で、スピンドルヘッドの回転精度を測定したところ、径方向で５０ｎｍＰＰ（ＰＰ：Ｐｅａｋ ｔｏ Ｐｅａｋ）、軸方向で約１０ｎｍＰＰであった。この状態で、主軸に取り付けた２つの４極の永久磁石を、極間角度の半分の角度（１／２ピッチ）だけずらして、９０度位相の異なる位相の電流をコイルに供給してそれぞれの回転磁界を整合させ、見かけ上８極モータとして駆動したところ、回転精度は径方向３０ｎｍＰＰ、軸方向１０ｎｍＰＰとなり、更に高精度な回転が行えることがわかった。

更に、主軸に取り付けた磁石に同じ方向のスキュウ（傾き角度＋１０度、＋１０度）を与え、同様に３５０００ｍｉｎ^-1で駆動したところ、回転精度は径方向２５ｎｍＰＰ、軸方向３０ｎｍＰＰとなった。これに対し、主軸に取り付けた磁石に、異なる方向のスキュウ（傾き角度＋１０度、−１０度）を与え、かつ前述したように磁極の位相を１／２ピッチずらして取り付け、同様に３５０００ｍｉｎ^-1で駆動したところ、回転精度は径方向２１ｎｍＰＰ、軸方向８ｎｍＰＰとなった。以上の比較結果より、軸方向精度を落とすことなく、径方向回転精度を２倍以上に向上できた。この時、発熱による温度上昇は、単一モータのスピンドル装置に比較して半分となった。

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。例えば、上述した実施の形態では、２列の磁石１０４ｂ、１０４ｂにおいて、互いに位相配置をずらし、スキュウの傾き角度を逆としているが、２つのコイル１０４ｃ、１０４ｃのコアについて、位相配置をずらし、スキュウの傾き角度を逆としても良いし、コア及び磁石にスキュウ（ただし対向し合うコアと磁石のスキュウ角度は異なる）を与えても良い。

更に、スピンドル装置を駆動するモータの種類は問わない。コア付き、コア無しのＡＣサーボモータであっても良いし、上述した磁石の代わりに導体を用いた誘導モータであっても良い。特に誘導モータは、ＡＣサーボモータと比較してスベリによる損失があるので発熱しやすく、本発明の効果はより顕著である。

２軸旋削精密加工機の斜視図である。 旋削精密加工機の斜視図である。 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の斜視図である。 ミーリング加工機の斜視図である。 本実施の形態のスピンドル装置の断面図である。

符号の説明

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

Claims (6)

1. ハウジングと主軸とを備えたモータビルトイン型のスピンドル装置において、
   前記ハウジングに対して前記主軸を回転自在に支持する静圧軸受と、
   前記主軸に、その周方向に交互に異極が並ぶように配置された２列の磁石と、
   前記ハウジングに、前記磁石にそれぞれ対向するようにして配置された２対のコイルと
   を有し、
   前記２列の磁石は、異極が並ぶ位相を周方向に互いにずらしており、かつ、スキュウの傾き方向を互いに逆方向としており、
   前記ハウジングは、外部から冷却媒体を供給される冷却ジャケットを有することを特徴とするスピンドル装置。
2. ハウジングと主軸とを備えたモータビルトイン型のスピンドル装置において、
   前記ハウジングに対して前記主軸を回転自在に支持する静圧軸受と、
   前記主軸に配置された２列の導体と、
   前記ハウジングに、前記導体にそれぞれ対向するようにして配置された２対のコイルと
   を有し、
   前記２対のコイルはそれぞれコアを巻回しており、
   前記２対のコアは、その位相配置を周方向に互いにずらしており、かつ、スキュウの傾き方向を互いに逆方向としており、
   前記ハウジングは、外部から冷却媒体を供給される冷却ジャケットを有することを特徴とするスピンドル装置。
3. ハウジングと主軸とを備えたモータビルトイン型のスピンドル装置において、
   前記ハウジングに対して前記主軸を回転自在に支持する静圧軸受と、
   前記主軸に、その周方向に交互に異極が並ぶように配置された２列の磁石と、
   前記ハウジングに、前記磁石にそれぞれ対向するようにして配置された２対のコイルと
   を有し、
   前記２対のコイルはそれぞれコアを巻回しており、
   前記２対のコアは、その位相配置を周方向に互いにずらしており、かつ、スキュウの傾き方向を互いに逆方向としている
   前記ハウジングは、外部から冷却媒体を供給される冷却ジャケットを有することを特徴とするスピンドル装置。
4. 前記２対のコイルはそれぞれコアを巻回しており、前記２対のコアは、その位相配置を周方向に互いにずらしていることを特徴とする請求項１に記載のスピンドル装置。
5. 前記２対のコイルはそれぞれコアを巻回しており、
   前記２対のコアは、スキュウの傾き方向を互いに逆方向としていることを特徴とする請求項１又は４に記載のスピンドル装置。
6. 前記静圧軸受と前記主軸との間に圧力伝達媒体が供給されることによって、前記主軸は前記ハウジングに対して回転自在に支持されることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のスピンドル装置。

Images