JP5220727B2

JP5220727B2 - 工具保持スピンドル

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Publication number: JP5220727B2
Application number: JP2009508472A
Authority: JP
Inventors: ジョンデービッドストラットン; トーマスレッツバッハ
Original assignee: ジーエスアイグループリミテッド
Priority date: 2006-05-09
Filing date: 2007-05-08
Publication date: 2013-06-26
Anticipated expiration: 2027-05-08
Also published as: EP2015884A1; TW200808472A; JP2009536103A; WO2007129073A1; GB0609180D0

Description

発明の詳細な説明

本発明は、工具保持スピンドルに関する。このようなスピンドルは、さまざまな目的で工具を保持するために使用することが可能である。一例としては、例えばＰＣＢ穴あけ作業のように、材料に穴をあける目的である。
特定の用途では、ＰＣＢ穴あけもその１つであるが、工具の高速回転中に、工具をしっかりと保持できることが必要である。ＰＣＢ穴あけなどのような特定の用途では、工具が３００，０００ｒｐｍとほぼ同程度の速度、あるいは３００，０００ｒｐｍを上回る速度で回転することがある。同時に、望ましいこと、また、多くの実用目的では不可欠であることは、高速穴あけスピンドルなどのような工具保持スピンドルによって保持される工具の交換品を提供することである。工具の磨耗または破損により、あるいは異なるサイズの工具が必要とされているために、工具の交換が必要になることがある。高速のＰＣＢ穴あけなどの特定の用途では、いわゆる「工具交換」作業を比較的頻繁に行われなければならない。

それ故、例えば高速回転中でも、工具をしっかりと保持することが可能なだけでなく、工具ホルダが保持している工具を容易に交換することも可能な、工具保持スピンドルを提供することが望ましい。工具交換作業が、自動的であり、且つ、スピンドル内部にあるアクチュエータを介して操作可能であれば、さらに望ましい。

本発明の目的は、上述の望ましい特徴の一部あるいは全てを実現可能な工具保持スピンドルを提供することである。

本発明の第１の局面によって提供されるのは、工具保持スピンドルであって、シャフトと、スピンドル本体であって、シャフトがスピンドル本体に対して回転するために、シャフトが内部に軸支されている、少なくとも１つの軸受を備える、スピンドル本体と、工具を保持するための工具ホルダと、工具ホルダを作動させるためにシャフト内に配置された、軸方向に移動可能なアクチュエータ部と、を備え、
工具ホルダが、シャフト内に取り付けられ、
工具ホルダが、
少なくとも１つの変形可能な工具把持部を備える工具受容部と、
変形可能な工具把持部に作用するように配置され、且つ、軸方向に移動可能なアクチュエータ部の作用により、工具受容部に対して軸方向に移動できるように配置された、少なくとも１つの楔部と、
を備え、
アクチュエータ部の、第１の方向における軸方向の移動が、楔部の、工具受容部に対する、第１の方向における軸方向の移動を生じさせて、受容した工具を把持するために、工具把持部をスピンドルの軸に向かって内側に変形させる、工具保持スピンドルである。

工具受容部は、シャフトに対する軸方向移動に対抗して保持されてもよい。楔部は、シャフトに対して軸方向に移動できるように配置されてもよい。

工具ホルダは、工具ホルダ本体を備えてもよい。工具ホルダ本体は、変形可能なスリーブ材を備えてもよい。このスリーブ材は、変形可能な工具把持部を備えてもよい。

工具ホルダ本体は、少なくとも１つの、円弧状の変形可能なスリーブ部を備えてもよい。円弧状の変形可能なスリーブ部は、変形可能な工具把持部を備えてもよい。

工具受容部は、複数の変形可能な工具把持部を備えてもよい。工具ホルダ本体は、工具受容部の内周の周囲に、互いに離間された、複数の円弧状の変形可能なスリーブ部を備えてもよい。各スリーブ部は、複数の変形可能な工具把持部の各々のうちの少なくとも１つを備えてもよい。

複数の円弧状のスリーブ部は、スピンドルの軸を中心にして、複数の円弧状のスリーブ部の間に円周方向の間隔を空けて、環状に配置され、内側を向いた、略円筒状の工具当接面を提供してもよい。

上記スリーブ部または各スリーブ部は、各ステムを介して、工具ホルダ本体の残りの部分に接続されてもよい。

上記工具ホルダまたは各工具把持部は、少なくとも１つの工具係合端部を備えてもよい。上記スリーブ部または各スリーブ部は、各工具係合端部を備えてもよい。各スリーブ部は、１対の工具把持部を備えることが好ましい。各スリーブ部は、１対の工具係合端部を備えることが好ましい。工具係合端部は、スリーブ部の反対側端部上にあってもよい。円周方向のすきまによって隔てられた、離間された複数のスリーブ部がある場合、隣接するスリーブ部の各工具係合端部は、各すきまを挟んで互いに向かい合っていてもよい。

上記工具把持部または各工具把持部は、工具把持部の内側への変形が、工具係合端部の内側への移動を生じさせるように設定されてもよい。工具ホルダは、複数の楔部を備えてもよい。上記楔部または各楔部は、上記楔部または各楔部の軸方向の長さに沿って次第に細くなってもよい。

工具ホルダは、上記楔部または各楔部と、アクチュエータ部と係合するための係合部と、を有する楔組立体を備えてもよい。

工具ホルダ本体は、環状楔受容部を備えてもよい。工具ホルダ本体は、複数の部分環状楔受容部を備えてもよい。

環状受容部あるいは各部分環状受容部は、環状受容部あるいは各部分環状受容部の軸方向の長さに沿って次第に細くなってもよい。上記受容部または各受容部のテーパは、上記楔または各楔のテーパを補完してもよい。上記受容部または各受容部のテーパと上記楔または各楔のテーパとが相補的な形状であることにより、確実に、各受容部内における楔の軸方向の移動によって、一点上／円周線上ではなく、各工具把持部の延長部にわたって、半径方向の変形力が生じるように促すことができる。

上記楔部または各楔部は、複数の工具把持部に作用するように配置されてもよい。

工具受容部は、軸受によって直接支持されるシャフトの軸方向の範囲内に配置されてもよい。工具ホルダは、軸受によって直接支持されるシャフトの実質的な軸方向の範囲内に配置されてもよい。

工具ホルダは、シャフト内に取り付けられているために、実質的に当該工具ホルダ全体の長さにわたって、支持され得る。シャフトの外径は、スピンドル全体にわたって、実質的に一定であってもよい。軸受の領域におけるシャフトの外径は、工具ホルダの領域におけるシャフトの外径と実質的に同一であってもよい。

工具ホルダにおける少なくとも一部の外径は、軸受の内径より小さくてもよい。工具ホルダにおける一部の外径は、シャフトの内径より小さくてもよい。

軸方向に移動可能なアクチュエータ部、および工具ホルダは、これらアクチュエータ部と工具ホルダとの間で相対的に回転できるように、配置されてもよい。そのような配置により、シャフトと工具ホルダとがスピンドル本体内部で回転する際に、アクチュエータ部を静止させ続けることができる。

移動可能なアクチュエータ部は、係合部と係合するための頭部を備えてもよい。

係合部は、アクチュエータ部の頭部によって取り入れられるための、雄型突出部として配置されてもよい。この配置は、最も単純で、さらなる配慮をしないで取る可能性の最も高い手段である。しかしながら、この配置は、突出部が工具ホルダおよびシャフトと共に回転することになるであろうという点で、問題を引き起こす可能性があり、高速回転を伴う場合に、この配置は、ふらつきまたは高振動などのような不安定性を引き起こす可能性がある。

係合部は、アクチュエータ部の頭部を受け入れるための、雌型受入部として配置されてもよい。雌型受入部は、遠心力に対して、シャフトの内壁によって支持され得る。

雌型受入部は、シャフトの内面に接する、外面を備えてもよい。

雌型受入部は、受容チャンバーであって、使用時に、アクチュエータ部の頭部が受容チャンバー内に配置される受容チャンバーを備えてもよい。雌型受入部は、入口開口部であって、組み立て時に、入口開口部を通って、アクチュエータ部の頭部がチャンバー内に挿入され得る入口開口部を備えてもよい。

アクチュエータ部は、頭部で終端する割鋲であって、複数の脚部を備え、各脚部が、頭部の各部で終端するとともに、頭部の有効外径を変更するように、互いに離れるように広がることが可能な、割鋲を備えてもよい。

アクチュエータ部は、展開ピンであって、脚部を広げるために配置され、頭部の有効外径が入口開口部の直径よりも小さくなる第１の位置と、頭部の有効外径が入口開口部の直径よりも大きくなる第２の位置との間で、割鋲に対して軸方向に移動可能な展開ピンを備えてもよい。この展開ピンによって、組み立てのために展開ピンが第１の位置にあるときには、頭部を受容チャンバーに挿入することが可能になり、また、作動のために展開ピンが第２の位置にあるときには、頭部をチャンバーに係合することが可能になる。アクチュエータ部および楔組立体は、頭部と係合部との間の当接を用いて、少なくとも１つの楔部を一方の軸方向または双方の軸方向に移動させるように配置されてもよい。

アクチュエータ部は、少なくとも１つの楔部を一方の軸方向に移動させるために、楔組立体と当接するための肩部を備えてもよい。この方向は、工具把持部に内側への変形を生じさせる、上記第１の方向となり得る。

アクチュエータ部が肩部を備えている場合、アクチュエータ部および楔組立体は、頭部と係合部との間の当接を用いて、少なくとも１つの楔部を反対の軸方向に移動させるように配置されてもよい。

内部にシャフトが軸支される、１対のラジアル軸受が存在してもよい。工具ホルダは、１対の軸受における最外端部の間である、シャフトの領域内に、実質的に全体が配置されてもよい。

上記軸受または各軸受は、気体軸受、通常では空気軸受であってもよい。

工具保持スピンドルは、機械加工スピンドルであってもよい。工具保持スピンドルは、穴あけスピンドル、例えば高速のＰＣＢ穴あけスピンドルであってもよい。工具保持スピンドルは、回転式塗料吹き付けスピンドルであってもよい。工具保持スピンドルは、研削スピンドルであってもよい。工具保持スピンドルは、ルータースピンドルであってもよい。

本発明の追加的な局面によって提供されるのは、工具保持スピンドルであって、シャフトと、スピンドル本体であって、シャフトがスピンドル本体に対して回転するために、シャフトが内部に軸支されている、少なくとも１つの気体軸受を備えるスピンドル本体と、工具を保持するための工具ホルダと、を備え、
工具ホルダが、シャフト内に取り付けられ、
工具ホルダが、
少なくとも１つの変形可能な工具把持部を備える工具受容部と、
変形可能な工具把持部に作用するように配置され、且つ、アクチュエータの作用により、工具受容部に対して軸方向に移動するように配置された、少なくとも１つの楔部と
を備え、
アクチュエータの作用による、楔部の、工具受容部に対する、第１の方向における軸方向の移動が、受容した工具を把持するために、工具把持部をスピンドルの軸に向かって内側に変形させる、工具保持スピンドルである。

アクチュエータは、シャフト内に配置された、軸方向に移動可能なアクチュエータ部を備えていてもよい。アクチュエータは、スピンドルとは別体となり得る外部アクチュエータを備えてもよい。外部アクチュエータは、スピンドルの前端部である工具受容部から、あるいはスピンドルの後端部から、楔部に作用してもよい。

本発明のさらに追加的な局面により提供されるのは、工具保持装置であって、本発明の上記追加的な局面における工具保持スピンドルと、工具保持スピンドルにおける楔部に作用するための外部アクチュエータと、を備える工具保持装置である。

本発明の別の局面により提供されるのは、穴あけスピンドルであって、シャフトと、スピンドル本体であって、シャフトがスピンドル本体に対して回転するために、シャフトが内部に軸支されている、少なくとも１つの気体軸受を備えるスピンドル本体と、工具を保持するための工具ホルダと、工具ホルダを作動させるためにシャフト内に配置された、軸方向に移動可能なアクチュエータ部と、を備え、
工具ホルダが、シャフト内に取り付けられ、
工具ホルダが、
少なくとも１つの変形可能な工具把持部を備える工具受容部と、
変形可能な工具把持部に作用するように配置され、且つ、軸方向に移動可能なアクチュエータ部の作用により、工具受容部に対して軸方向に移動するように配置された、少なくとも１つの楔部と
を備え、
アクチュエータ部の、第１の方向における軸方向の移動が、楔部の、工具受容部に対する、第１の方向における軸方向の移動を生じさせ、受容した工具を把持するために、工具把持部をスピンドルの軸に向かって内側に変形させる、穴あけスピンドルである。

本発明のさらに別の局面により提供されるのは、上記で定義された種類のスピンドルのための工具ホルダである。

当然のことながら、本発明の第１の局面に関して述べられた選択的な特徴は、状況が許せば、本発明の別の局面の選択的な特徴にもなり得る。

工具保持スピンドルの概略断面図である。図１に示された工具保持スピンドルの部分組立体の端面図である。図２に示された部分組立体のＩＩＩ−ＩＩＩ線上の断面図である。図１に示されたスピンドルの工具ホルダにおける工具ホルダ本体の斜視図である。図４に示された工具ホルダ本体の端面図である。図５に示された工具ホルダ本体のＶＩ−ＶＩ線上の断面図である。図１に示されたスピンドルの工具ホルダにおける楔組立体の斜視図である。図７に示された楔組立体の端面図である。図８に示された楔組立体のＩＸ−ＩＸ線上の断面図である。図１に示されたスピンドルのアクチュエータ部における割鋲の端面図である。図１０に示された割鋲のXI−XI線上の断面図である。図４〜６に示された工具ホルダ本体の一部の３次元図である。図７〜９に示された楔組立体の３次元図である。

ここで、単なる一例として、本発明の実施形態を、添付の図面を参照しながら説明する。

図１は、工具保持スピンドル１を示しており、工具保持スピンドル１は、スピンドル本体２を通常備え、スピンドル本体２の内部には、１対の空気軸受３が取り付けられている。シャフト４は、スピンドル１の軸を中心として回転するために、１対の空気軸受３の内部に軸支されている。シャフト４は、中空である。シャフト４の内部には、（図示しない）工具を保持するための工具ホルダ５が取り付けられている。本実施形態において、工具保持スピンドル１は、穴あけスピンドルであり、工具ホルダ５は、ドリルビットを保持するために配置されている。

工具保持スピンドル１は、シャフト４、ひいては工具ホルダ５および保持された工具を、スピンドル１の軸を中心として回転駆動するように設定されている。本実施形態において、回転駆動は、モータＭによって供給される。モータＭは、シャフト４を囲繞し、２つの空気軸受３の間に設けられた固定子Ｍ１と、シャフト４の外面上に鍍着された回転子巻線Ｍ２と、を備える。このような交流モータ駆動装置が、空気軸受スピンドルに使用されることは周知であり、このような交流モータ駆動装置は、本発明の場合には、特に関連性はない。したがって、モータＭの構造や動作について、これ以上説明しない。

シャフト４の内部にさらに設けられているのは、保持されている工具を把持したり離脱させたりできるように、工具ホルダ５を作動させるための工具アクチュエータ部６である。

シャフト４の外径は、実質的にスピンドル１全体にわたって同一である。より大きな直径のスラストランナー（図示せず）が、シャフト４の長さ方向に沿ったいずれかの位置に、通常は設けられるであろう。さらに、工具ホルダ５が、空気軸受３の内径よりも小さい最大外径を有することに留意されるであろう。実際に、工具ホルダ５の全長の大部分は、シャフト４内に嵌合される。本実施形態におけるように、シャフト４が鋼鉄製である場合には、工具ホルダ５は、シャフト４のボアに締まり嵌めされる。別の実施形態において、シャフト４が複合材料やセラミック材料製である場合には、工具ホルダ５は、シャフトのボアに滑り嵌めされ、接着剤を用いて所定の位置に保持される。工具ホルダのうち、シャフト４のボアの外側へ半径方向に突出する唯一の部分は、溶接、接着剤、および／またはボルトによって、工具ホルダ５をシャフト４に接合するのに用いられる、端部支持フランジ５Ｆである。

シャフト４、スピンドル１、および工具ホルダ５は、同軸上に配置される。工具ホルダ５は、シャフト４の内部に配置され、そしてまた、シャフト４は、軸受３の内部にある。工具ホルダ５の軸方向の位置は、軸受３のうちの１つ、すなわち「前部軸受」３の軸方向の位置と一致する。

本願において特に興味深いのは、工具ホルダ５およびアクチュエータ部６の構造および動作である。ここで、スピンドルのこれらの局面を、図２〜１１を参照しながら、より詳細に以下に説明する。

図２および図３は、工具保持スピンドル１の部分組立体を示している。この部分組立体は、工具ホルダ５とアクチュエータ部６とを備えている。図１に示されているように、完成したスピンドル１において、この部分組立体は中空のシャフト４内に取り付けられる。工具ホルダ５は、工具ホルダ本体５１と楔組立体５２とを備えている。

図４，５，６，１２は、工具ホルダ本体部５１を単体で示している。工具ホルダ本体５１は、略円筒形であり、スピンドル１によって保持されることになる工具を受容するために配置された、中心ボアＢを有する。本実施形態においては、工具ホルダ本体５１は、単一の材料から作られている。中心ボアＢは、工具受容部Ｂ’によって規定される。工具受容部Ｂ’は、円弧状で、変形可能な、弾力性のある複数のスリーブ部５３を備えている。本実施形態では、そのようなスリーブ部５３が３つある。図２および図５において最もよく分かるように、円弧状のスリーブ部５３は、工具ホルダ本体５１の軸を中心にして環状に配置されており、そのような配置は、円弧状のスリーブ部５３が、全体としてスピンドル１の軸を中心に環状に配置されていること、そして実際に、シャフト４の軸を中心にして環状に配置されていることを意味する。

再度、図２および図５において最も明確に分かるように、円弧状の各スリーブ部５３は、各ステム５４によって、工具ホルダ本体部５１の残りの部分に接合されている。各ステム部５４は、円弧状の各スリーブ部５３の中心に向かって、円弧状の各スリーブ部５３に接合されている。円弧状の各スリーブ部５３の材料は、弾性的に変形可能であり、円弧状の各スリーブ部５３の材料が弾性的に変形可能であるということは、ステム５４の各側面上にあるスリーブ部５３の部分が、図２および図５に示されている静止位置から離れるように変形可能であることを意味している。ステム５４の一方の側面上における、円弧状の各スリーブ部５３の２つの部分は、工具把持部５５としての機能を果たすことができる。したがって、本実施形態では、中心ボアＢの周囲に環状に配置される工具把持部５５は６つある。各工具把持部５５は、各端部において、円周方向すきまＧの分だけ、隣接する工具把持部５５から離間されている。さらに、各工具把持部５５は、円弧状のスリーブ部５３の最内面の端部に、工具係合端部５５ａを備える。変形可能な工具把持部５５が内側に変形されて、工具把持部５５の工具係合端部５５ａが中心ボアＢの中に入り込むようになると、工具の軸部が中心ボアＢ内に配置されていれば、工具把持部５５の工具係合端部５５ａが、工具の軸部に当接し、また工具の軸部に係合することになることが分かるであろう。

工具ホルダ本体５１は、複数の楔受容部５６も備えている。本実施形態では、楔受容部５６は３つある。楔受容部５６もまた円弧状であり、半環状として説明されてもよい。楔受容部５６は、工具把持部５５と、工具ホルダ本体部５１の外壁５７との間に配置される。隣接する楔受容部５６は、各ステム５４によって相互に隔てられている。図６において最も容易に分かるように、楔受容部５６は、工具ホルダ本体部５１の一端から他端に向かって、テーパが形成されている。換言すると、工具把持部５５の接面と、外壁部５７との間の半径方向の間隔は、工具ホルダ本体部５１の一端においては、工具ホルダ本体部５１の他端における間隔よりも大きい。この半径方向の間隔は、工具が通過してボアＢ内に挿入され得る、ボアＢの開口端に最も近い、工具ホルダ本体部５１の端部において最小である。

図７，８，９，１３は、楔組立体５２を単体で示している。楔組立体５２は、複数のテーパ楔５８を備えている。本実施形態では、テーパ楔５８は３つある。楔組立体５２は、略円筒形であって、テーパ楔５８を有し、テーパ楔５８は、円周方向に相互に離間され、係合部５９から突出している。本実施形態では、楔組立体５２は、単一の材料から作られている。各テーパ楔５８の内面は、テーパ楔５８の内面がともに円筒面上に位置するように、概して、軸方向および円周方向に延在している。他方、テーパ楔５８の外面は、楔５８の軸方向の一端から他端に向かって内側方向にテーパが形成されている。したがって、テーパを有する楔５８の外面は、円錐面上に位置する。テーパ楔５８のテーパは、ボアＢの開口端に最も近い楔５８の端部において、各楔５８における半径方向の断面の厚さが最小になるようにされている。各テーパ楔５８におけるテーパと工具ホルダ本体部５１における楔受容部５６のテーパとは相補的な形状である。

テーパ楔５８は、工具ホルダ本体部５１における各楔受容部５６に受容されるように配置される。図２および図３に示す部分組立体、ならびに図１において、テーパ楔５８は、受容部５６内に挿入されているのが図示されている。

楔組立体５２の係合部５９は、アクチュエータ部６の頭部６１を受け入れるための受容チャンバー５９ａと、頭部６１が通過してチャンバー５９ａ内に挿入され得る入口開口部５９ｂと、を備えている。

入口開口部５９ｂの内側端において、チャンバー５９ａには、本実施形態では環状の突起の形状をした当接面５９ｃが設けられており、アクチュエータ部の頭部６１は、その突起に対して当接することができる。

このようにして、環状の突起５９ｃは、入口開口部５９ｂの内側端における周縁の周囲に設けられる。しかしながら、頭部６１は、組み立ての際に入口開口部５９ｂを通って挿入されることは留意されるであろう。組み立ての際に頭部６１を入口開口部５９ｂを通って挿入しながらもなお、作動中に頭部６１を当接面５９ｃに当接させることができるという機能は、以下に詳細に説明するアクチュエータ部６の構造によって達成される。

アクチュエータ部６は、頭部６１で終端する割鋲６２を備えている。割鋲６２の周囲には、楔組立体５２の係合部５９に作用するようにも設定された肩部６３ａで終端する、外側部６３が設けられている。

図１０および図１１は、割鋲６２を単体で示している。割鋲６２は、複数の脚部６２ａを備える。本実施形態では、脚部６２ａは４つある。各脚部６２ａは、頭部６１の各部６１ａで終端する。脚部６２ａは、頭部６１の有効外径を変化させるために、互いに外に広がることができるように設定されている。脚部６２ａは、頭部６１の有効外径を最小化するために、互いに折り畳み可能なようにも設定されている。

図３において分かり得るように、テーパを有する端部６５を備える、展開ピン６４が、割鋲６２の内部に設けられている。脚部６２ａの内面にも、脚部６２ａの内面が頭部６１の各部６１ａに接触するにつれて、展開ピン６４における、テーパを有する端部６５のテーパと相補的な形状を有するテーパとして、テーパが形成されている。テーパを有する端部６５が頭部６１から離れるように、展開ピン６４が軸方向に後退した場合、頭部６１ａの部分は、入口開口部５９ｂを通って当該頭部６１ａの部分が挿入され得るように、同時に収縮し得る。頭部６１がいったんチャンバー５９ａの中に入って、収縮力が解除されると、頭部は静止直径を得ることになる。しかしながら、作動中に、頭部６１と当接面５９ｃとの間の当接を確実に良好にするために、テーパを有するピン６４は、テーパを有する端部６５が次第に脚部６２ａを外に広げて、頭部６１の外径を増加させる伸展位置へと押し込まれる。

アクチュエータ部６および係合部５９は、アクチュエータ部６と係合部５９との間で相対的な回転が可能になるように配置される。工具ホルダ本体５１と楔組立体５２との双方を備える工具ホルダ５は、工具ホルダ本体５１および楔組立体５２が、シャフト４と共に回転するように、シャフト４に取り付けられる。しかしながら、アクチュエータ部は静止し続けることが可能である。アクチュエータ部６は、（後部から挿入される）スピンドル１の外部構成部品によって、軸方向に移動するように駆動されてもよいし、あるいは、他の方法では、スピンドル内に設けられた軸方向駆動手段によって、駆動されてもよい。

係合部５９は、ボルト頭部のような雄型突出部としてではなく、雌型受入部として設定される。係合部５９は、円筒形の外面５９ｄを備え、外面５９ｄは、図１において分かり得るように、中空のシャフト４の内壁に当接する。外面５９ｄがシャフト４の内壁に当接することによって、工具ホルダ５がシャフト４と共に回転する際に、係合部５９を遠心力に対して支持する。係合部５９を遠心力に対して支持することは、例えば、ふらつきや振動などといった不安定性を軽減するのに有用となり得る。尚、ふらつきや振動は、係合部５９を遠心力に対して支持しなければ、高速な用途において生じ得る。

工具ホルダ５は、当該工具ホルダ５の全長にわたって、あるいは当該工具ホルダ５の実質的な全長にわたって、シャフト４によって支持されることに留意すべきである。工具ホルダ５が、当該工具ホルダ５の全長にわたって、あるいは当該工具ホルダ５の実質的な全長にわたって、シャフト４によって支持されることも、高速での不安定性を防止する一助となり得る。

作動の際、中心ボアＢに配置された工具の軸部に加わる把持力の大きさは、受容部５６における、テーパを有する楔５８の軸方向の位置によって決まる。したがって、第１の位置にある、テーパを有する楔５８と共に、工具を中心ボアＢに挿入すると、工具ホルダ本体５１における工具把持部５５が図５に示されるような静止位置となる。この状態で、中心ボアＢおよび工具受容部Ｂ’は、最大内径を有する。工具の軸部が受容ボアＢにいったん挿入されると、楔組立体５２は、テーパを有する楔５８を受容部５６の中にさらに押し込むように、工具ホルダ本体５１に対して移動され得る。楔５８が受容部５６の中へそのように移動すると、工具把持部５５は、スピンドル１の軸に向かって、中心ボアＢ内へと内側に変形する。こうして、中心ボアＢの有効径が全体的に減小することによって、工具の軸部が把持されることになる。さらに、工具把持部５５の工具係合端部５５ａは、工具の軸部を咬持するようになる。

作動の際、楔組立体５２における係合部５９の端部と当接し、また楔組立体５２を工具ホルダ本体部５１に向かって押し込む、アクチュエータ部６の肩部６３ａによって、テーパを有する楔５８は受容部５６の中に押し込まれる。

把持された工具を離脱させたいときに、アクチュエータ部６を反対方向へ移動させると、肩部６３ａは、係合部５９に当接しないものの、アクチュエータ部の頭部６１は、入口開口部５９の内面に設けられた当接面５９ｃに当接する。上述のように、頭部６１と当接面５９ｃとの良好な当接は、展開ピン６４を用いて頭部６１ａを外に広げることによって、達成される。換言すれば、頭部６１における部分６１ａが外に広がるように、展開ピン６４を中心ボアＢの開口端部に向かって軸方向に移動させると、アクチュエータ部６を全体的に中心ボアＢの開口端部から離れる方向に移動させることができる。こうすると、頭部６１は、係合部５９における当接面５９ｃに当接するようになり、ひいては、楔組立体５２を工具ホルダ本体部５１から引き離す。楔組立体５２が工具ホルダ本体部５１から引き離されると、工具把持部５５に加わる半径方向の力が排除されて、工具把持部５５が弛緩して元の状態に戻ることができるように、テーパを有する楔５８は、受容部５６内で軸方向に移動する。このようになったときには、当然のことながら中心ボアＢは元の直径に戻り、工具の軸部に加わる把持力は解除される。

工具ホルダ本体５１および楔組立体は、一般的には鋼鉄製であろう。本実施形態では、シャフト４は鋼鉄製である。しかし、他の実施形態では、シャフト４はセラミック材料製、あるいは複合材料製であってよい。そのような場合、異なる種類のモータ、おそらく直流モータが使用される可能性が最も高いであろう。

別の方法では、楔組立体５２を双方の軸方向に移動させるために、頭部６１を楔組立体５２に作用させてもよい。

工具ホルダ本体５１は、所望の形状を得るために、放電加工機（ＥＤＭ）によって、単一の材料で製作されてもよい。具体的には、スリーブ部５３、ひいては、把持部５５を、放電加工機によって製作してもよい。把持部５５および受容ボアＢの表面を、単一の工程で機械加工してもよく、その単一の工程は、ＥＤＭ工程であってもよい。

把持部５５は、重量が最小限になるように成形され、寸法が設定される。把持部５５は、当該把持部５５の半径が最小限になるように成形され、寸法が設定される。把持部５５は、工具ホルダの軸に可能な限り近接して配置される。把持部５５は、半径方向に薄い。把持部５５は、最小限の外半径および内半径を有する。各把持部５５は、各々の軸方向の長さに沿って、実質的に一定の肉厚を有する。各把持部５５は、各々の円周の範囲に沿って、実質的に一定の肉厚を有する。複数の把持部５５のうちのいずれか１つを通って、工具ホルダの軸に対して垂直に切断された断面は、把持部５５の軸方向の長さに沿って不変である。換言すれば、把持部５５／工具ホルダ５１の長さに沿った１つの位置で切断された断面は、把持部の長さに沿った他のいかなる位置において切断された断面とも、同一である。

把持部５５の質量は、工具ホルダ本体５１の質量全体に比べて小さい。把持部５５を一体とした質量は、工具ホルダ本体５１の質量の５０％未満となり得る。把持部５５を一体とした質量は、工具ホルダ本体５１の質量の１０％未満となり得る。

これらの特徴は、単独で、あるいは組み合わせることによって、高速において高性能を発揮する一助となることができ、また、遠心力を最小化する一助となることができる。

把持部５５における上述の特徴はまた、本実施形態において、スリーブ部５３に関しても適用される。

Claims

工具保持スピンドルであって、
シャフトと、
スピンドル本体であって、前記シャフトが該スピンドル本体に対して回転するために、前記シャフトが内部に軸支されている少なくとも１つの軸受を備える、スピンドル本体と、
工具を保持するための工具ホルダと、
該工具ホルダを作動させるために前記シャフト内に配置された、軸方向に移動可能なアクチュエータ部と
を備え、
前記工具ホルダは、
前記シャフト内に取り付けられ、
少なくとも１つの変形可能な工具把持部を備える工具受容部と、
前記変形可能な工具把持部に作用するように配置され、且つ、前記軸方向に移動可能なアクチュエータ部の作用により、前記工具受容部に対して軸方向に移動するように配置された、少なくとも１つの楔部と
を備え、
前記アクチュエータ部の、第１の方向における軸方向の移動は、前記楔部の、前記工具受容部に対する、第１の方向における軸方向の移動を生じさせて、受容した工具を把持するために、前記工具把持部を前記スピンドルの軸に向かって内側に変形させ、
前記工具受容部は、複数の変形可能な工具把持部を備え、前記工具ホルダは、前記工具受容部の内周の周囲において互いに離間された、複数の変形可能な円弧状のスリーブ部を備える工具ホルダ本体を備え、各スリーブ部は、前記変形可能な工具把持部のそれぞれのうちの少なくとも１つを備えており、
前記工具ホルダの軸に対して垂直に切断された、各工具把持部の断面は、前記把持部の軸方向の長さに沿って不変であり、
前記工具ホルダ本体は、少なくとも１つの環状または部分環状楔受容部を備え、該少なくとも１つの環状または部分環状楔受容部は、その軸方向の長さに沿ってテーパが形成され、前記少なくとも１つの楔部の外面は、その軸方向の長さに沿ってテーパが形成され、前記少なくとも１つの受容部の前記テーパと前記少なくとも１つの楔部の前記テーパとが相補的な形状である
ことを特徴とする工具保持スピンドル。
請求項１に記載の工具保持スピンドルであって、
前記工具受容部は、前記シャフトに対する軸方向の移動に対抗して保持される
ことを特徴とする工具保持スピンドル。
請求項１または請求項２に記載の工具保持スピンドルであって、
前記楔部は、前記シャフトに対して軸方向に移動するように設定されている
ことを特徴とする工具保持スピンドル。
請求項１〜３のいずれかに記載の工具保持スピンドルであって、
前記複数の円弧状のスリーブ部は、該スリーブ部の間に円周方向のすきまを空けて、前記スピンドルの軸を中心にして環状に配置されることで、内側を向いた、略円筒形状の工具当接面を提供する
ことを特徴とする工具保持スピンドル。
請求項１〜４のいずれかに記載の工具保持スピンドルであって、
各スリーブ部は、各ステムを介して、前記工具ホルダ本体の残りの部分に接続されている
ことを特徴とする工具保持スピンドル。
請求項１〜５のいずれかに記載の工具保持スピンドルであって、
各工具把持部は、少なくとも１つの工具係合端部を備えている
ことを特徴とする工具保持スピンドル。
請求項１〜６のいずれかに記載の工具保持スピンドルであって、
各スリーブ部は、１対の工具把持部を備えている
ことを特徴とする工具保持スピンドル。
請求項７に記載の工具保持スピンドルであって、
各スリーブ部は、前記スリーブ部の相対する端部に、１対の工具係合端部を備えている
ことを特徴とする工具保持スピンドル。
請求項６に記載の、あるいは請求項６に従属する場合の請求項７または請求項８に記載の工具保持スピンドルであって、
各工具把持部は、該工具把持部の内向きの変形が、前記工具係合端部の内向きの移動を生じさせるように設定されている
ことを特徴とする工具保持スピンドル。
請求項１〜９のいずれかに記載の工具保持スピンドルであって、
前記工具ホルダは、複数の楔部を備えている
ことを特徴とする工具保持スピンドル。
請求項１〜１０のいずれかに記載の工具保持スピンドルであって、
前記工具ホルダは、前記楔部または各楔部と、前記アクチュエータ部と係合するための係合部と、を備える楔組立体を備えている
ことを特徴とする工具保持スピンドル。
請求項１〜１１のいずれかに記載の工具保持スピンドルであって、
前記少なくとも１つの楔部は、複数の工具把持部に作用するように設定されている
ことを特徴とする工具保持スピンドル。
請求項１〜１２のいずれかに記載の工具保持スピンドルであって、
前記工具受容部は、前記軸受によって直接支持される、前記シャフトの軸方向の範囲内に配置されている
ことを特徴とする工具保持スピンドル。
請求項１〜１３のいずれかに記載の工具保持スピンドルであって、
前記工具ホルダは、前記軸受によって直接支持される、前記シャフトの軸方向の範囲内に配置されている
ことを特徴とする工具保持スピンドル。
請求項１〜１４のいずれかに記載の工具保持スピンドルであって、
前記工具ホルダは、前記シャフト内に取り付けられていることにより、前記工具ホルダの全長にわたって支持されている
ことを特徴とする工具保持スピンドル。
請求項１〜１５のいずれかに記載の工具保持スピンドルであって、
前記シャフトの外径は、前記スピンドル全体にわたって、一定である
ことを特徴とする工具保持スピンドル。
請求項１〜１６のいずれかに記載の工具保持スピンドルであって、
前記軸受の領域における前記シャフトの外径は、前記工具ホルダの領域における前記シャフトの外径と同一である
ことを特徴とする工具保持スピンドル。
請求項１〜１７のいずれかに記載の工具保持スピンドルであって、
少なくとも工具ホルダの一部の外径は、前記軸受の内径よりも小さい
ことを特徴とする工具保持スピンドル。
請求項１〜１８のいずれかに記載の工具保持スピンドルであって、
前記工具ホルダの一部の外径は、前記シャフトの内径よりも小さい
ことを特徴とする工具保持スピンドル。
請求項１１に記載の工具保持スピンドルであって、
前記軸方向に移動可能なアクチュエータ部と前記楔組立体の前記係合部との間で相対的に回転可能となるように、該軸方向に移動可能なアクチュエータ部の一部が該係合部内に受容されている
ことを特徴とする工具保持スピンドル。
請求項１１に記載の、あるいは請求項１１に従属する場合の、請求項１２〜２０のいずれかに記載の工具保持スピンドルであって、
前記移動可能なアクチュエータ部は、前記係合部と係合するための頭部を備えている
ことを特徴とする工具保持スピンドル。
請求項２１に記載の工具保持スピンドルであって、
前記係合部は、前記アクチュエータ部の前記頭部を受け入れるための、雌型受入部として設定されている
ことを特徴とする工具保持スピンドル。
請求項２２に記載の工具保持スピンドルであって、
前記雌型受入部は、遠心力に対抗して、前記シャフトの内壁によって支持される
ことを特徴とする工具保持スピンドル。
請求項２２または請求項２３に記載の工具保持スピンドルであって、
前記雌型受入部は、前記シャフトの前記内面に当接する、外面を備えている
ことを特徴とする工具保持スピンドル。
請求項２２〜２４のいずれかに記載の工具保持スピンドルであって、
前記雌型受入部は、
受容チャンバーであって、使用の際に前記アクチュエータ部の前記頭部が該受容チャンバー内に配置される、受容チャンバーと、
入口開口部であって、組み立て中に、該入口開口部を通って、前記アクチュエータ部の前記頭部が前記チャンバー内に挿入され得る、入口開口部と
を備えていることを特徴とする工具保持スピンドル。
請求項２１〜２５のいずれかに記載の工具保持スピンドルであって、
前記アクチュエータ部は、前記頭部で終端する割鋲を備え、
該鋲は、複数の脚部であって、各脚部が前記頭部の各部で終端し、前記頭部の有効外径を変更するために、前記複数の脚部が互いに離れるように広げられ得る、複数の脚部を備えている
ことを特徴とする工具保持スピンドル。
請求項２５に従属する場合の請求項２６に記載の工具保持スピンドルであって、
前記アクチュエータ部は、展開ピンであって、前記脚部を広げるために配置され、前記頭部の前記有効外径が前記入口開口部の直径よりも小さくなる第１の位置と、前記頭部の前記有効外径が前記入口開口部の前記直径よりも大きくなる第２の位置との間で、前記割鋲に対して軸方向に移動可能な、展開ピンを備えている
ことを特徴とする工具保持スピンドル。
請求項２１に記載の、あるいは請求項２１に従属する場合の請求項２２〜２７のいずれかに記載の工具保持スピンドルであって、
前記アクチュエータ部および楔組立体は、前記頭部と前記係合部との間の当接が、前記少なくとも１つの楔部を、一方の軸方向または双方の軸方向に移動させるのに用いられるように、設定されている
ことを特徴とする工具保持スピンドル。
請求項２８に記載の工具保持スピンドルであって、
前記アクチュエータ部は、前記少なくとも１つの楔部を１つの軸方向に移動させるために、前記楔組立体と当接するための肩部を備えている
ことを特徴とする工具保持スピンドル。
請求項１〜２９のいずれかに記載の工具保持スピンドルであって、
前記シャフトが内部に軸支されている１対のラジアル軸受を備え、
前記工具ホルダは、前記１対の軸受の最外端部の間にある前記シャフトの領域内に、全体が配置されている
ことを特徴とする工具保持スピンドル。
請求項１〜３０のいずれかに記載の工具保持スピンドルであって、
前記軸受または各軸受は、気体軸受である
ことを特徴とする工具保持スピンドル。
工具保持スピンドルであって、
シャフトと、
スピンドル本体であって、該シャフトが該スピンドル本体に対して回転するために、該シャフトが内部に軸支されている、少なくとも１つの気体軸受を備える、スピンドル本体と、
工具を保持するための工具ホルダと
を備え、
該工具ホルダは、
前記シャフト内に取り付けられ、
少なくとも１つの変形可能な工具把持部を備える工具受容部と、
前記変形可能な工具把持部に作用するように配置され、且つ、アクチュエータの作用により、前記工具受容部に対して軸方向に移動するように配置された、少なくとも１つの楔部と
を備え、
アクチュエータの作用による、前記楔部の、前記工具受容部に対する、第１の方向における軸方向の移動は、受容された工具を把持するために、前記工具把持部を前記スピンドルの軸に向かって内側に変形させ、
前記工具受容部は、複数の変形可能な工具把持部を備え、前記工具ホルダは、前記工具受容部の内周の周囲において互いに離間された、複数の変形可能な円弧状のスリーブ部を備える工具ホルダ本体を備え、各スリーブ部は、前記変形可能な工具把持部のそれぞれのうちの少なくとも１つを備えており、
前記工具ホルダの軸に対して垂直に切断された、各工具把持部の断面は、前記把持部の軸方向の長さに沿って不変であり、
前記工具ホルダ本体は、少なくとも１つの環状または部分環状楔受容部を備え、該少なくとも１つの環状または部分環状楔受容部は、その軸方向の長さに沿ってテーパが形成され、前記少なくとも１つの楔部の外面は、その軸方向の長さに沿ってテーパが形成され、前記少なくとも１つの受容部の前記テーパと前記少なくとも１つの楔部の前記テーパとが相補的な形状である
ことを特徴とする工具保持スピンドル。
請求項３２に記載の工具保持スピンドルであって、
前記アクチュエータは、前記シャフト内に配置された、軸方向に移動可能なアクチュエータ部を備えている
ことを特徴とする工具保持スピンドル。
請求項３２に記載の工具保持スピンドルであって、
前記アクチュエータは、外部アクチュエータを備え、
該外部アクチュエータは、前記スピンドルとは別体である
ことを特徴とする工具保持スピンドル。
請求項３４に記載の工具保持スピンドルであって、
前記外部アクチュエータは、前記スピンドルの前端部である工具受容部、および前記スピンドルの後端部のうちの１つから前記楔部に作用する
ことを特徴とする工具保持スピンドル。
工具保持装置であって、
請求項３２，３４，３５のいずれかに記載の工具保持スピンドルと、
該工具保持スピンドルにおける楔部に作用するための外部アクチュエータと
を備えていることを特徴とする工具保持装置。
穴あけスピンドルであって、
シャフトと、
スピンドル本体であって、該シャフトが該スピンドル本体に対して回転するために、該シャフトが内部に軸支されている、少なくとも１つの気体軸受を備える、スピンドル本体と、
工具を保持するための工具ホルダと、
該工具ホルダを作動させるために前記シャフト内に配置された、軸方向に移動可能なアクチュエータ部と
を備え、
前記工具ホルダは、
前記シャフト内に取り付けられ、
少なくとも１つの変形可能な工具把持部を備える工具受容部と、
前記変形可能な工具把持部に作用するように配置され、且つ、前記軸方向に移動可能なアクチュエータ部の作用により、前記工具受容部に対して軸方向に移動するように配置された、少なくとも１つの楔部と
を備え、
前記アクチュエータ部の、第１の方向における軸方向の移動は、前記楔部の、前記工具受容部に対する、第１の方向における軸方向の移動を生じさせて、受容された工具を把持するために、前記工具把持部を前記スピンドルの軸に向かって内側に変形させ、
前記工具受容部は、複数の変形可能な工具把持部を備え、前記工具ホルダは、前記工具受容部の内周の周囲において互いに離間された、複数の変形可能な円弧状のスリーブ部を備える工具ホルダ本体を備え、各スリーブ部は、前記変形可能な工具把持部のそれぞれのうちの少なくとも１つを備えており、
前記工具ホルダの軸に対して垂直に切断された、各工具把持部の断面は、前記把持部の軸方向の長さに沿って不変であり、
前記工具ホルダ本体は、少なくとも１つの環状または部分環状楔受容部を備え、該少なくとも１つの環状または部分環状楔受容部は、その軸方向の長さに沿ってテーパが形成され、前記少なくとも１つの楔部の外面は、その軸方向の長さに沿ってテーパが形成され、前記少なくとも１つの受容部の前記テーパと前記少なくとも１つの楔部の前記テーパとが相補的な形状である
ことを特徴とする穴あけスピンドル。
請求項１〜３７のいずれかに記載のスピンドルのための工具ホルダであって、前記工具ホルダは、
少なくとも１つの変形可能な工具把持部を備える工具受容部と、
前記変形可能な工具把持部に作用するように配置され、且つ、アクチュエータの作用により、前記工具受容部に対して軸方向に移動するように配置された、少なくとも１つの楔部と
を備え、
前記工具受容部に対する、且つ、アクチュエータの作用による前記楔部の第1の方向における軸方向の移動は、受容された工具を把持するために、前記工具把持部を前記スピンドルの軸に向かって内側に変形させ、
前記工具受容部は、複数の変形可能な工具把持部を備え、前記工具ホルダは、前記工具受容部の内周の周囲において互いに離間された、複数の変形可能な円弧状のスリーブ部を備える工具ホルダ本体を備え、各スリーブ部は、前記変形可能な工具把持部のそれぞれのうちの少なくとも１つを備えており、
前記工具ホルダの軸に対して垂直に切断された、前記工具把持部の断面は、前記把持部の軸方向の長さに沿って不変であり、
前記工具ホルダ本体は、少なくとも１つの環状または部分環状楔受容部を備え、該少なくとも１つの環状または部分環状楔受容部は、その軸方向の長さに沿ってテーパが形成され、前記少なくとも１つの楔部の外面は、その軸方向の長さに沿ってテーパが形成され、前記少なくとも１つの受容部の前記テーパと、前記少なくとも１つの楔部の前記テーパとが相補的な形状である
ことを特徴とする工具ホルダ。