JPH1019043A - 静圧軸受スピンドル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 主軸−軸受系の危険速度の増大、ラジアル負
荷容量の増大等 【解決手段】 主軸３２の前端部外周に設けたスラスト
板３３をスラスト空気軸受３７でスラスト方向に非接触
支持し、主軸３２のスラスト板３３より後方側の外周を
第２のジャーナル空気軸受３５、３６でラジアル方向に
非接触支持し、主軸３２のスラスト板３３より前方側の
外周を第１のジャーナル空気軸受４０でラジアル方向に
非接触支持する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、前端に工具が着脱
自在に装着される主軸を静圧空気軸受で回転自在に非接
触支持する静圧軸受スピンドルに関する。

【０００２】

【従来の技術】プリント基板の穴開け加工等に使用され
る静圧軸受スピンドルには、前端にドリル等の工具が着
脱自在に装着される中空状の主軸を、ハウジングに対し
て静圧空気軸受でラジアル方向とスラスト方向に非接触
支持したものがある。この種のスピンドルにおける静圧
空気軸受は、ジャーナル空気軸受とスラスト空気軸受で
構成され、その一般的構造例を図３及び図４に示す。

【０００３】図３に示される静圧軸受スピンドルは、前
端に工具１が着脱自在に装着される中空状の主軸２の後
端外周にスラスト板３を一体に形成し、このスラスト板
３をハウジング４に対してスラスト空気軸受７でスラス
ト方向に非接触支持すると共に、主軸２のスラスト板３
より前方側の外周をハウジング４に対して前後一対のジ
ャーナル空気軸受５、６でラジアル方向に非接触支持し
ている。前後のジャーナル空気軸受５、６は離隔して、
この両者間に主軸２を回転させるモータ部８が配設され
る。

【０００４】中空状の主軸２の軸中心に貫通させた貫通
穴１７の前端部はテーパ穴部１２で、このテーパ穴部１
２の内径にコレットチャック１４が前後動自在に挿通さ
れる。コレットチャック１４の前端部は軸線方向に複数
に分割され、この分割前端部の外径面はテーパ穴部１２
の内径面に適合したテーパ面になっている。コレットチ
ャック１４の後端に同軸に連結されたドローバー１５が
主軸２の貫通穴１７に皿バネ等の弾性体１６を介して挿
通される。弾性体１６は、ドローバー１５に常時後方に
引っ張る弾性力を付勢する。

【０００５】弾性体１６でドローバー１５を介してコレ
ットチャック１４を後方に引き込むと、コレットチャッ
ク１４の前端部のテーパ面がテーパ穴部１２の内径面で
圧迫されて縮径し、この前端部に挿入された工具１を握
持する。ハウジング４の後部に設置されたプッシュロッ
ド等の押圧手段１８でドローバー１５を弾性体１６の弾
性力に抗して前方に押し出すと、ドローバー１５でコレ
ットチャック１４の前端部がテーパ穴部１２に沿って前
方に押し出されて拡径し、工具１の取り外しが可能とな
る。

【０００６】ハウジング４に形成された給気通路１１に
外部から圧縮空気を供給すると、この圧縮空気が前後の
ジャーナル空気軸受５、６の絞り孔９からジャーナル軸
受隙間に流入して、主軸２がハウジング４に対してラジ
アル方向に非接触支持され、同時に給気通路１１に供給
された圧縮空気がスラスト空気軸受７の絞り孔１０から
スラスト軸受隙間に流入して、主軸２がスラスト方向に
非接触支持される。

【０００７】モータ部８は、主軸２の略中央部に設けら
れたかご形のロータ８ａと、ハウジング４の内径に固定
されたステータ８ｂとを備えている。ステータ８ｂに通
電すると、ステータ８ｂとロータ８ａとの間に励磁力が
発生し、これにより主軸２が回転する。主軸２と一体に
コレットチャック１４、工具１、ドローバー１５、弾性
体１６が回転して、工具１による穴開け加工等が行われ
る。

【０００８】図４に示される静圧軸受スピンドルは、前
端に工具１が着脱自在に装着される中空状の主軸２２の
前端部外周にスラスト板２３を一体に形成して、このス
ラスト板２３をハウジング２４に対してスラスト空気軸
受２７でスラスト方向に非接触支持すると共に、主軸２
２のスラスト板２３より後方側の外周をハウジング２４
に対して前後一対のジャーナル空気軸受２５、２６でラ
ジアル方向に非接触支持している。図３と同様に前後の
ジャーナル空気軸受２５、２６は離隔して、この両者の
間に主軸２２を回転させるモータ部２８が配設される。

【０００９】図４の静圧軸受スピンドルの場合も、ハウ
ジング２４に形成された給気通路１１’に圧縮空気を供
給すると、この圧縮空気が前後のジャーナル空気軸受２
５、２６の絞り孔９’からジャーナル軸受隙間に流入
し、また、スラスト空気軸受２７の絞り孔１０’からス
ラスト軸受隙間に流入して、主軸２２がハウジング２４
に対してラジアル方向およびスラスト方向に非接触支持
される。モータ部２８も主軸２２側のロータ２８ａとハ
ウジング２４側のステータ２８ｂとを備え、ステータ２
８ｂに通電して主軸２２を回転させると、工具１が回転
して穴開け加工等が行われる。

【００１０】尚、図４の主軸２２の内部構造は、図３の
主軸２と同様で、同一又は相当部分には同一符号を付し
て説明は省略する。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】以上のような静圧軸受
スピンドルにおいては、主軸を高速回転させると、モー
タ部の発熱などにより主軸に軸方向の熱変位が生じる。
この主軸の熱変位は主軸のスラスト板を基点として起こ
り、主軸の前端位置が前方へと変位することにより、工
具の前端位置が変位する。このような主軸回転時の工具
前端位置の変位量は、主軸のスラスト板から工具前端ま
での距離に比例する。

【００１２】従って、図３の静圧軸受スピンドルの場合
は、主軸２の後端にスラスト板３を設けているためにス
ラスト板３から工具１の前端までの距離が長くなって、
主軸回転時の工具前端位置の変位量が大きくなる。その
ため、図３の静圧軸受スピンドルにおいては、例えば穴
深さ精度に高精度なものが要求されるブラインドバイヤ
ホール（止まり穴）等の加工には適当ではない。

【００１３】また、図４の静圧軸受スピンドルの場合
は、主軸２２の前端部にスラスト板２３を設けているの
で、このスラスト板２３から工具１の前端までの距離が
図３のスピンドルに比べて大幅に短くなり、主軸回転時
の工具前端位置の変位量を小さく抑制することができ
る。ところが、図４の静圧軸受スピンドルにおいては、
主軸２２の前端とジャーナル空気軸受２５との間にスラ
スト空気軸受２７を設けているため、工具１とジャーナ
ル空気軸受２５との距離が図３のスピンドルに比べて長
くなり、その結果、スピンドルの主軸−軸受系の危険速
度が低くなり、かつ、ラジアル負荷容量が小さくなる。

【００１４】即ち、主軸２２をラジアル方向に非接触支
持するジャーナル空気軸受２５と工具１の距離が短い
程、スピンドルの主軸−軸受系の危険速度を高くでき、
主軸回転速度の高速化が容易となり、かつ、主軸２２の
前端にラジアル方向の荷重が働いて主軸２２がジャーナ
ル空気軸受２５、２６と接触するときの荷重であるラジ
アル負荷容量を大きくできることが分かっている。とこ
ろが、図４の静圧軸受スピンドルは、工具１とジャーナ
ル空気軸受２５との距離がスラスト空気軸受２７のため
に長くなって、図３のスピンドルに比べて主軸２２の高
速回転化が難しく、また、ラジアル負荷容量を大きくす
ることが難しい問題があった。そのため、例えばプリン
ト基板穴あけ加工は主に小径（φ0.1 〜 0.4）加工であ
り、加工能率改善のために工具の高速回転が要求されて
いるが、この要求を満たすような工具の高速回転化が図
４のスピンドルでは難しく、従って、図４のスピンドル
はブラインドバイヤホール加工時の穴深さの高精度化は
可能であるが、高能率化が難しい問題があった。

【００１５】また、加工穴数は少ないが、プリント基板
においては、同一スピンドルによって約φ６．４ｍｍの
基準穴の加工も必要となり、この時にはラジアル負荷容
量の大きいことも要求されている。

【００１６】本発明の目的とするところは、図３と図４
の静圧軸受スピンドルの両者の欠点を除去して長所を活
かした、従って、主軸の熱膨張による工具前端の変位量
の小さい、主軸の高速回転化を容易にした、かつ、ラジ
アル負荷容量の大きな静圧軸受スピンドルを提供するこ
とにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明の上記目的を達成
する技術的手段は、前端に工具が着脱自在に装着される
主軸を、ハウジングに対して静圧空気軸受でラジアル方
向とスラスト方向に非接触支持した静圧軸受スピンドル
において、上記静圧空気軸受を、主軸の前端部外周に形
成されたスラスト板をスラスト方向に非接触支持するス
ラスト空気軸受と、主軸のスラスト板より前方側の外周
をラジアル方向に非接触支持する第１のジャーナル空気
軸受と、主軸のスラスト板より後方側の外周を非接触支
持する第２のジャーナル空気軸受とで構成したことにあ
る。

【００１８】上記のように、主軸の前端部外周にスラス
ト板を設けることで、工具前端位置の変位量を小さくす
ることができる。同時に、主軸のスラスト板より前方に
第１のジャーナル空気軸受を設置することで、ジャーナ
ル空気軸受と工具前端との距離が短くなり、主軸−軸受
系の危険速度が大きくなり、かつ、ラジアル負荷容量が
大きくなる。

【００１９】主軸のスラスト板より前方に第１のジャー
ナル空気軸受を設けた場合、この第１のジャーナル空気
軸受の剛性及び軸受隙間を慎重に選定する必要がある。
即ち、主軸の前端部にラジアル方向の荷重が働いた場
合、主軸が、スラスト板より後方側に配置された第２の
ジャーナル空気軸受と接触する前に第１のジャーナル空
気軸受と接触すると、ラジアル負荷容量の増大化が望め
なくなる場合がある。

【００２０】そこで、ラジアル負荷容量を確実に増大さ
せるため、主軸の前端部にラジアル方向の荷重が働いた
場合に、主軸が第２のジャーナル空気軸受と接触する前
に第１のジャーナル空気軸受と接触しないように、第１
のジャーナル空気軸受のジャーナル軸受隙間と第２のジ
ャーナル空気軸受のジャーナル軸受隙間を設定する。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、一実施例について図１及び
図２を参照して説明する。

【００２２】図１に示される静圧軸受スピンドルは、前
端に工具１が着脱自在に装着され、前端部にスラスト板
３３が一体に形成された中空状の主軸３２を有する。こ
の主軸３２がハウジング３４に対して、後述の第１のジ
ャーナル空気軸受４０、スラスト空気軸受３７、第２の
ジャーナル空気軸受３５、３６で非接触支持される。

【００２３】スラスト空気軸受３７は主軸３２のスラス
ト板３３をスラスト方向に非接触支持し、第２のジャー
ナル空気軸受３５、３６は主軸３２のスラスト板３３よ
り後方側の外周をラジアル方向に非接触支持する。第２
のジャーナル空気軸受３５、３６は前後に分割した一対
が離隔して配置され、この一対の間に主軸３２を回転さ
せるモータ部３８が配置される。

【００２４】主軸３２は図４に示す主軸２２と同様なコ
レットチャック１４、ドローバー１５、弾性体１６を内
蔵し、コレットチャック１４が工具１を脱着可能に握持
する。仮に図１の主軸３２の全長が図４の主軸２２と同
様であるとすると、図１の主軸３２の前端からスラスト
板３３までの距離は、図４の主軸２２の前端からスラス
ト板２３までの距離と同一である。また、スラスト空気
軸受３７と第２のジャーナル空気軸受３５、３６の構
造、及び、主軸３２を回転させるモータ部３８（ロータ
３８ａとステータ３８ｂで構成）の構造は、図４の対応
するスラスト空気軸受２７とジャーナル空気軸受２５、
２６、及び、モータ２８と同様で、その説明は省略す
る。

【００２５】図１の静圧軸受スピンドルの図４と相違す
る特徴は、主軸３２のスラスト板３３より前方の外周を
ラジアル方向に非接触支持する第１のジャーナル空気軸
受４０を有することである。第１のジャーナル空気軸受
４０の絞り穴４２は、ハウジング３４の給気通路１１’
に連通している。給気通路１１’に外部から圧縮空気を
供給すると、この圧縮空気が第２のジャーナル空気軸受
３５、３６の絞り孔４３と第１のジャーナル空気軸受４
０の絞り穴４２から夫々のジャーナル軸受隙間に流入
し、更に、スラスト空気軸受３７の絞り孔４４からスラ
スト軸受隙間に流入して、主軸３２がハウジング３４に
対してラジアル方向およびスラスト方向に非接触支持さ
れる。

【００２６】主軸３２の前端部にスラスト板３３を形成
することで、主軸３２が高速回転時に熱変位してもスラ
スト板３３から工具１の前端までの距離が短くて、工具
前端位置の変位量が小さくでき、高精度なブラインドバ
イヤホール加工等が可能となる。また、第１のジャーナ
ル空気軸受４０と工具１との距離が、図３のスピンドル
の場合と同様に小さくできるため、スピンドルの主軸−
軸受系の危険速度を増大させることができ、工具１の高
速回転化が可能となると共に、以下に説明するジャーナ
ル軸受隙間の大小設定によってラジアル負荷容量が増大
する。

【００２７】図１のスピンドルの主軸３２の前端部にラ
ジアル方向の荷重が働いた場合に、主軸３２が第２のジ
ャーナル空気軸受３５、３６を接触する前に第１のジャ
ーナル空気軸受４０に接触すると、ラジアル負荷容量が
図４のスピンドルのラジアル負荷容量よりも却って小さ
くなることがある。そこで、図２に示すように、主軸３
２の前端部にラジアル方向の荷重が働いて、主軸３２が
第２のジャーナル空気軸受３５、３６のジャーナル軸受
隙間内で最大限傾いてＡ点とＢ点で接触したとしても、
主軸３２が第１のジャーナル空気軸受４０のＣ点で接触
しないように、第１のジャーナル空気軸受４０のジャー
ナル軸受隙間と第２のジャーナル空気軸受３５、３６の
ジャーナル軸受隙間を設定する。

【００２８】図２の状態におけるスラスト板３３より後
方側のジャーナル軸受隙間の最大値をδ₁ 、スラスト板
３３より前方側のジャーナル軸受隙間の最大値をδ₂ 、
Ａ点とＢ点の距離をＬ₁ 、Ａ点とＣ点の距離をＬ₂ とす
ると、 δ₂ ＝δ₁ ｛（Ｌ₁ ＋Ｌ₂ ）／Ｌ₁ ｝ となる。従って、δ₂ ＞δ₁ となるように、かつ、軸受
剛性も考慮して各ジャーナル空気軸受３５、３６、４０
のジャーナル軸受隙間を設定すれば、ラジアル負荷容量
の確実な増大化が可能となる。

【００２９】また、主軸３２の前端部に配置したスラス
ト空気軸受３７の直前に第１のジャーナル空気軸受４０
を設けると、このジャーナル空気軸受４０が主軸３２の
前端側からスラスト空気軸受３７内にゴミ類が吸い込ま
れるのを防止する。即ち、主軸３２とスラスト板３３を
高速回転させると、スラスト板３３の遠心力によって主
軸３２の前端側からスラスト空気軸受３７内にゴミ類が
真空吸引されることがあるが、このゴミ類の吸い込みが
ジャーナル空気軸受４０での圧縮空気流のエアーシール
効果で防止される。

【００３０】また、第１のジャーナル空気軸受４０に流
入した圧縮空気は、主軸３２の前端部外周を伝って主軸
前端側へと排出され、このときの圧縮空気流で主軸３２
の工具１を支持する前端部と工具１が積極的に空冷され
る。

【００３１】

【発明の効果】本発明によれば、主軸の前端部にスラス
ト空気軸受で非接触支持されるスラスト板を設置した主
軸構造特有の作用効果、つまり、主軸高速回転時に主軸
が軸方向に熱変位しても工具前端位置の軸方向での変位
量が少なく抑制できて、ブラインドバイヤホール加工等
の穴加工の高精度化が容易になる作用効果がそのまま活
かされる静圧軸受スピンドルが提供できる。

【００３２】同時に、主軸のスラスト板より前方に設け
た第１のジャーナル空気軸受は、工具との距離を短くし
て主軸−軸受系の危険速度の増大化、主軸回転速度の増
大化を容易にするので、工具の高速回転化による加工能
率改善が図れる。

【００３３】更に、主軸の前端にラジアル方向に荷重が
働いたときに、主軸が第２のジャーナル空気軸受と接触
しても第１のジャーナル空気軸受と接触しないように各
ジャーナル軸受隙間を設定することで、ラジアル負荷容
量の増大化が可能となる。

【００３４】また、主軸の前端部にスラスト空気軸受を
設置すると、ここに主軸前端側からゴミ類が吸い込まれ
る可能性が高くなるが、この可能性はスラスト空気軸受
の前方に配置された第１のジャーナル空気軸受で低減し
て、スラスト空気軸受の長期に亘る機能保全が可能とな
る。更に、第１のジャーナル空気軸受の軸受隙間を流れ
る圧縮空気が主軸前端部と工具を空冷する効果もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す静圧軸受スピンドルの
断面図である。

【図２】図１のスピンドルの主軸前端にラジアル方向に
荷重が働いた場合のジャーナル軸受隙間の大小関係を説
明するための断面図である。

【図３】従来の静圧軸受スピンドルの断面図である。

【図４】他の従来の静圧軸受スピンドルの断面図であ
る。

【符号の説明】

１ 工具 ３２ 主軸 ３３ スラスト板 ３４ ハウジング ３５ 第２のジャーナル空気軸受 ３６ 第２のジャーナル空気軸受 ３７ スラスト空気軸受 ３８ モータ部 ４０ 第１のジャーナル空気軸受 δ₁ ジャーナル軸受隙間 δ₂ ジャーナル軸受隙間

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 前端に工具が着脱自在に装着される主軸
   を、ハウジングに対して静圧空気軸受でラジアル方向と
   スラスト方向に非接触支持した静圧軸受スピンドルにお
   いて、 上記静圧空気軸受が、主軸の前端部外周に形成されたス
   ラスト板をスラスト方向に非接触支持するスラスト空気
   軸受と、主軸の上記スラスト板より前方側の外周をラジ
   アル方向に非接触支持する第１のジャーナル空気軸受
   と、主軸の上記スラスト板より後方側の外周を非接触支
   持する第２のジャーナル空気軸受とを有することを特徴
   とする静圧軸受スピンドル。
2. 【請求項２】 主軸の前端部にラジアル方向の荷重が働
   いた場合に、主軸が上記第２のジャーナル空気軸受と接
   触する前に上記第１のジャーナル空気軸受と接触しない
   ように、上記第１のジャーナル空気軸受のジャーナル軸
   受隙間と上記第２のジャーナル空気軸受のジャーナル軸
   受隙間とを設定したことを特徴とする請求項１記載の静
   圧軸受スピンドル。