JPH0825106A - 軸受の予圧調整装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】軸受の外輪に作用する荷重を直接検出すること
により、前記軸受の予圧を常時正確に調整することを可
能にする。 【構成】軸受１６、１８の外輪１６ｂ、１８ｂに作用す
る荷重を変形量として検出する歪みゲージ２６ａ、２６
ｂと、この歪みゲージ２６ａ、２６ｂにより検出された
変形量に応じて圧電素子２４に印加される電圧を制御す
る制御手段２８とを備え、前記軸受１６、１８に直接作
用する荷重に基づいて前記圧電素子２４を伸縮させる。
これによって、遠心力の変化や温度変化に影響されるこ
となく、軸受１６、１８の予圧を迅速かつ正確に調整す
ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、回転軸を支持する軸受
の側方に配設された圧電素子により前記軸受を軸方向に
押圧して予圧を調整するための軸受の予圧調整装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、工作機械のスピンドル（主軸）
を支持する軸受には、このスピンドルを円滑に回転させ
るために圧電素子を介して所定の予圧が付与されてい
る。この場合、スピンドルの低速回転時には、圧電素子
に高電圧を印加してこの圧電素子を大きく伸長させるこ
とにより、前記圧電素子に係合する軸受に重予圧を与え
て前記スピンドルの剛性、特に軸方向の剛性を維持して
いる。一方、スピンドルが高速回転になると、圧電素子
に印加される電圧を下げてこの圧電素子を収縮させるこ
とにより、軸受に付与される予圧荷重を減少させてい
る。

【０００３】この場合、圧電素子に対し電圧を印加制御
するために、従来から種々の提案がなされている。例え
ば、特開平４−１７１１０１号公報に開示されているよ
うに、主軸の回転数の変化に応じて圧電素子に印加する
電圧を変化させるもの（以下、従来例１という）や、実
開平２−１１２２０号公報に開示されているように、軸
受の温度を検出し、この検出された軸受の温度と予め設
定された基準温度とを比較することにより、圧電素子に
印加される電圧を制御するもの（以下、従来例２とい
う）が知られている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、主軸および
軸受は、ともに室温状態で停止状態から一挙に高速回転
（数万ｒｐｍ）に加速される場合が多い。その際、数十
秒から数分の間、軸受周辺では温度上昇が殆どなく、こ
の軸受の予圧量の変化が小さいにもかかわらず、上記の
従来例１では、主軸の回転数を検出した直後に圧電素子
の印加電圧が低下してこの圧電素子が収縮してしまう。
このため、図７に示すように、主軸回転開始時間ｔ₀ か
ら所定の時間ｔ₁ までの間に予圧過少状態（範囲）が惹
起され、これにより軸受の剛性が低下してしまう。従っ
て、この状態で切削加工等を行えば、びびりが発生して
加工精度が著しく低下するという問題が生ずる。

【０００５】特に、最近のマシニングセンタによる加工
では、少量多種加工が行われるために、工具交換回数が
増加しており、加工時間を短縮するためにも、主軸の停
止と高速回転とを短いサイクルで行うことが望まれてい
るが、図７中、時間ｔ₀ 乃至ｔ₁ の間に加工が精度よく
行われないために、加工作業の効率化が達成されないと
いう問題が指摘されている。

【０００６】さらに、一定の回転数で回転中の主軸を覆
うハウジングの外周が気温の低下やカッチング液の飛散
等により冷却される場合がある（図８参照）。その際、
ハウジングが収縮するため、軸受の外輪が外方から締め
つけられるように収縮し、この軸受の予圧荷重が上昇し
てしまう。しかしながら、上記の従来例１では、主軸の
回転数が一定であるために、圧電素子を制御することが
できず、前記軸受の内輪が発熱してこの熱が主軸側に伝
達され易い。これによって、主軸が軸線方向に膨張して
この主軸先端に取り付けられた工具の位置に誤差が生
じ、加工精度の低下が惹起されてしまう。

【０００７】一方、従来例２は、軸受周辺の温度変化に
対応して予圧荷重を可変とするものであるが、主軸の初
期回転変動に起因する遠心力の増加やハウジングの外周
温度の変動に起因する予圧荷重の変動に対応することが
困難であるという問題が指摘されている。

【０００８】本発明は、この種の問題を解決するための
ものであり、軸受の外輪に作用する荷重を直接検出する
ことにより、前記軸受の予圧を常時正確に調整すること
が可能な軸受の予圧調整装置を提供することを目的とす
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
めに、本発明は、回転軸を支持する軸受の側方に圧電素
子が配設され、この圧電素子により前記軸受を軸方向に
押圧して予圧を調整するための軸受の予圧調整装置であ
って、前記軸受の外輪に作用する荷重を検出するセンサ
と、前記検出された荷重に応じて前記圧電素子に印加さ
れる電圧を制御する制御手段と、を備えることを特徴と
する。

【００１０】

【作用】上記の本発明に係る軸受の予圧調整装置では、
軸受の外輪に作用する荷重を直接検出し、この検出され
た荷重に基づいて圧電素子に印加される電圧を制御する
ため、前記軸受に作用する遠心力や外部温度の変化等に
影響されることなく、該軸受の予圧を迅速かつ高精度に
調整することができる。

【００１１】

【実施例】本発明に係る軸受の予圧調整装置について実
施例を挙げ、添付の図面を参照しながら以下詳細に説明
する。

【００１２】図１において、参照数字１０は、本実施例
に係る予圧調整装置を組み込むスピンドルユニットを示
す。このスピンドルユニット１０は、ハウジング１２
と、このハウジング１２内に円筒状の間座１４を介し所
定間隔離間して配設された軸受１６、１８の内輪１６
ａ、１８ａに嵌着されるスピンドル２０とを備える。

【００１３】スピンドルユニット１０に組み込まれる本
実施例に係る予圧調整装置２２は、軸受１６を軸方向
（矢印Ａ方向）に押圧して予圧を調整するための圧電素
子２４と、軸受１６、１８の外輪１６ｂ、１８ｂに作用
する荷重を検出するセンサ、例えば、歪みゲージ２６
ａ、２６ｂと、この歪みゲージ２６ａ、２６ｂにより検
出された前記荷重に対応する変形量に応じて前記圧電素
子２４に印加される電圧を制御する制御手段２８とを備
える。

【００１４】圧電素子２４は、ハウジング１２の側部に
その軸線方向に指向し、かつ互いに等角度間隔ずつ離間
して３個所に設けられており（図２参照）、各圧電素子
２４の先端部にはスライダ３０が係合する。図１に示す
ように、スライダ３０は、軸受１６の外輪１６ｂと一体
的に矢印Ａ方向に進退自在に配設され、前記スライダ３
０の圧電素子２４に係合する一方の側部に対応する他方
の側部には、該スライダ３０を常時一定圧で前記圧電素
子２４側に押圧する押圧手段３２が配設される。 押圧
手段３２は、図示しない圧力空気供給源に連通するシリ
ンダ室３４と、このシリンダ室３４内に摺動自在に配設
され、その先端部でスライダ３０に押圧力を付与するピ
ストン部３６とを備える。

【００１５】歪みゲージ２６ａ、２６ｂは、軸受１６、
１８の外輪１６ｂ、１８ｂに装着されており、この軸受
１６、１８に作用する荷重を変形量として検出するもの
であり、その検出信号が制御手段２８を構成するセンサ
アンプ３８に入力される。センサアンプ３８は、軸受１
６、１８の変形量をフィードバック信号として比較回路
４０に入力するとともに、この比較回路４０には、予圧
設定部４２から予め設定された予圧指令信号が入力され
る。この比較回路４０から出力される信号がドライバ４
４に入力されるとともに、前記ドライバ４４は、電源４
６から各圧電素子２４に対して所定の電圧を印加するよ
うに構成されている。

【００１６】次に、このように構成される本実施例に係
る予圧調整装置２２の動作について説明する。

【００１７】まず、スピンドル２０の停止状態におい
て、軸受１６、１８に予め予圧を付与しておく。すなわ
ち、ドライバ４４を介して電源４６から各圧電素子２４
に高電圧が供給され、この圧電素子２４が大きく伸長す
ることによりスライダ３０が矢印Ａ方向に押圧される。
このため、スライダ３０と一体的に軸受１６の外輪１６
ｂが矢印Ａ方向に押圧されて予圧が付与される。

【００１８】そこで、図３に示すように、スピンドル２
０が停止状態から一挙に高速回転されると、このスピン
ドル２０に嵌着されて一体的に高速回転される軸受１
６、１８の内輪１６ａ、１８ａに遠心力が作用してこの
内輪１６ａ、１８ａが外周側に膨張するとともに、各軸
受１６、１８の転動ボール（またはローラ）に遠心力が
発生する。これにより、軸受１６、１８の外輪１６ｂ、
１８ｂには、前記遠心力等に起因して荷重が発生し、こ
の荷重が歪みゲージ２６ａ、２６ｂにより変形量として
検出される。

【００１９】この外輪１６ｂ、１８ｂに生じた荷重は、
センサアンプ３８から比較回路４０にフィードバック信
号として入力され、予圧設定部４２から入力される予圧
指令信号と比較される。この比較回路４０では、軸受１
６、１８に直接作用する荷重に基づいて得られた予圧状
態と、予圧設定部４２から入力された予圧指令信号とが
比較され、圧電素子２４を収縮させるためにドライバ４
４に信号が導出される。このため、ドライバ４４は、圧
電素子２４への印加電圧を低下させ、この圧電素子２４
が収縮して軸受１６の外輪１６ｂに付与される押圧力が
低減される。

【００２０】このように、本実施例では、軸受１６、１
８の外輪１６ｂ、１８ｂに発生する荷重を直接検出して
圧電素子２４をフィードバック制御するため、図７に示
すように、回転数を検出してフィードバック制御する従
来例のように、熱伝達の遅れによる予圧過少範囲が発生
することがない（図３参照）。従って、スピンドル２０
を停止状態から高速回転させた直後においても軸受１
６、１８の剛性低下を惹起することがなく、びびりの発
生を可及的に低減して高精度な加工作業が効率的に遂行
されるという効果が得られる。

【００２１】さらに、図４に示すように、外気温度の低
下やカッチング液の冷却作用下にハウジング１２の温度
が低下した場合、このハウジング１２が収縮して軸受１
６、１８の外輪１６ｂ、１８ｂの予圧荷重が上昇する。
ここで、スピンドル２０の回転数が一定であるため、図
８に示す従来の回転数フィードバック方式では、これに
対応することができない。しかしながら、本実施例で
は、ハウジング１２の温度変化に伴う軸受１６、１８の
予圧荷重の上昇を直接検出することができ、圧電素子２
４に印加される電圧を下げることによって前記軸受１
６、１８の予圧荷重を一定に維持することができる。こ
れによって、スピンドル２０が不要に発熱して軸線方向
に膨張することを防止することが可能になり、工具位置
の誤差が発生することがない。

【００２２】さらにまた、本実施例では、スライダ３０
の他方の側部にエア圧を介してこのスライダ３０を圧電
素子２４側に常時一定圧で押圧する押圧手段３２が設け
られている。このため、圧電素子２４に印加される電圧
が減少されてこの圧電素子２４が収縮する際、この押圧
手段３２により前記圧電素子２４の収縮が迅速かつ正確
に遂行され、軸受１６、１８の予圧低下動作が効率的に
遂行されるという利点がある。

【００２３】なお、図５には、スピンドル２０を０ｒｐ
ｍから約２４，０００ｒｐｍまで回転させた時の実験結
果が示されている。ここで、押圧手段３２を構成するシ
リンダ室３４には、５ｋｇｆ／ｃｍ² のエア圧が常時付
与されており、圧電素子２４には、予め６００Ｖの高電
圧が印加された。これによって、圧電素子２４の印加電
圧が制御されることにより、軸受１６、１８の荷重値
（με）、すなわち、予圧荷重を常時一定に維持するこ
とができるという効果が得られた。

【００２４】なお、本実施例では、押圧手段３２として
エア圧によりスライダ３０を押圧するために、シリンダ
室３４とピストン部３６とを備えているが、これに限定
されるものではなく、前記スライダ３０を常時一定圧で
圧電素子２４側に押圧する機能を有するものであれば、
例えば、ばねであってもよい。

【００２５】また、歪みゲージ２６ａ、２６ｂが軸受１
６、１８の外輪１６ｂ、１８ｂの外周面に直接装着され
ているが、図６に示すように、外輪１６ｂ、１８ｂの外
周面を切り欠いて平坦部５０を形成し、この平坦部５０
に前記歪みゲージ２６ａ、２６ｂを装着することができ
る。

【００２６】

【発明の効果】本発明に係る軸受の予圧調整装置によれ
ば、以下の効果乃至利点が得られる。

【００２７】軸受の外輪に作用する荷重がセンサで検出
され、この検出された荷重に応じて圧電素子に印加され
る電圧が制御されるため、遠心力の変化や温度変化によ
って前記軸受の予圧が変化しても、該変化を迅速かつ確
実に検出して該軸受に対する予圧を調整することができ
る。これによって、回転軸にびびりや軸線方向の伸長変
動が発生することを阻止し、この回転軸を高精度かつ円
滑に回転支持することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る予圧調整装置を組み込む
スピンドルユニットの概略構成説明図である。

【図２】前記スピンドルユニットの正面説明図である。

【図３】前記予圧調整装置において、スピンドルの回転
数が変化した場合の予圧荷重と圧電素子の説明図であ
る。

【図４】前記予圧調整装置において、スピンドルの回転
数が一定でハウジングの温度が変化した際の予圧荷重と
圧電素子の説明図である。

【図５】前記予圧調整装置において、スピンドルの回転
数の変化に伴う軸受荷重値とスライダ移動量等の説明図
である。

【図６】軸受の外輪の一部を切り欠いて歪みゲージを装
着した際の説明図である。

【図７】従来の回転数フィードバック方式において、ス
ピンドルの回転数が変化した際の予圧荷重と圧電素子の
説明図である。

【図８】前記回転数フィードバック方式において、スピ
ンドルの回転数が一定でハウジング温度が変化した際の
予圧荷重と圧電素子の説明図である。

【符号の説明】

１０…スピンドルユニット １２…ハウジング １６、１８…軸受 １６ｂ、１８ｂ…
外輪 ２０…スピンドル ２２…予圧調整装
置 ２４…圧電素子 ２６ａ、２６ｂ…
歪みゲージ ２８…制御手段 ３０…スライダ ３２…押圧手段

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】回転軸を支持する軸受の側方に圧電素子が
   配設され、この圧電素子により前記軸受を軸方向に押圧
   して予圧を調整するための軸受の予圧調整装置であっ
   て、 前記軸受の外輪に作用する荷重を検出するセンサと、 前記検出された荷重に応じて前記圧電素子に印加される
   電圧を制御する制御手段と、 を備えることを特徴とする軸受の予圧調整装置。
2. 【請求項２】請求項１記載の予圧調整装置において、前
   記センサは、前記軸受の外輪に作用する荷重を変形量と
   して検出する歪みゲージであり、 前記歪みゲージが、前記軸受の外輪外周面に沿って複数
   箇所に設けられることを特徴とする軸受の予圧調整装
   置。
3. 【請求項３】請求項１または２記載の予圧調整装置にお
   いて、前記軸受の外輪と一体的に軸方向に移動自在なス
   ライダを備え、 前記スライダの一方の側部に前記圧電素子が係合すると
   ともに、 前記スライダの他方の側部に該スライダを常時一定圧で
   前記圧電素子側に押圧する押圧手段が配設されることを
   特徴とする軸受の予圧調整装置。