JPH10274239A

JPH10274239A - 高速静圧スピンドル

Info

Publication number: JPH10274239A
Application number: JP10000542A
Authority: JP
Inventors: Kugalur S Chandrasekar; エスチャンドラセカークーガラー
Original assignee: Ingersoll Milling Machine Co
Current assignee: Ingersoll Milling Machine Co
Priority date: 1996-12-31
Filing date: 1998-01-05
Publication date: 1998-10-13
Also published as: EP0860232A2; US5921731A; EP0860232A3; DE69722912T2; CN1203138A; DE69722912D1; EP0860232B1; CN1091403C

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】機械加工ツールでワークピースを高い回転速度
で精密に切削するためのコンパクトなスピンドル及びモ
ータユニットを提供する。【解決手段】静圧ベアリングをスピンドルシャフトの
前端及び後端の周囲に備えたスピンドルシャフトとモー
タとを共に内蔵したハウジングを含む一体型スピンドル
・モータユニットである。前及び後ろの静圧ベアリング
パッドは、スピンドルシャフトに沿って軸方向に近づけ
て配置される。スピンドルユニットは、シーリングシス
テムと合体しており、一連の非接触シールが利用され、
ラビリンスシールと空気静圧フローティングリングシー
ルを含み、ベアリング油をスピンドル内に保つ。空気静
圧リングシールは、内部への空気リストリクタ開口を有
し、空気静圧空気フィルムを作る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は機械加工ツールでワ
ークピースを高い回転速度で精密に切削するためのコン
パクトなスピンドル及びモータユニットに関する。

【０００２】

【発明の背景】機械切削ツールの切削では、ツールが高
いスピンドル回転速度とパワー容量とを有することが一
般的に求められており、多くのアプリケーションにおい
て利用可能なパワーを増加させ切削速度を高めること
で、切削結果を改善することができ、切削ワークピース
の表面の仕上げ及び精度と素材の除去のレートと機械の
サイクルタイムの点から改善する。例えば、重い粗切削
は金属の除去のレートをミーリングやボーリングの動作
において最大に実行することができ、結果の粗い仕上げ
と寸法的なばらつきは軽い仕上げ切削で修正することが
できる。これらの動作の各々で、ツール速度や、送りレ
ート及び切削深さが注意深く選択されて、サイクルタイ
ムを最小化して生産性を改善し、機械のスピンドルの堅
さ又は剛性について、そしてスピンドルのパワーの利用
可能な馬力の制限について留意することが要求される。

【０００３】典型的には、これらのスピンドルのための
モータは誘導タイプのモータで、切削ツールを運ぶスピ
ンドルのシャフトを駆動し、シャフトはベアリングによ
って回転動作できるように支持される。スピンドルシャ
フトはモータ駆動シャフトによって駆動されることがで
き、パワーはモータのベルト及び／又はギアの手段によ
り伝達され、ツールはスピンドルシャフトとモータのパ
ワートランスミッションギアトレーンとモータの駆動軸
を通して結合される。機械加工に対するパワーの要求
は、速度と切削力に比例し、ベアリング及び機械のギア
内のパワー損失は速度とともに増加する。スピンドルモ
ータの馬力定格はツールを選択したときに考察されなけ
ればならず、なぜなら、パワー消費は金属の除去のレー
トに直接に関係があり、これは生産レートに関係があ
る。要求された切削の数を最小化するには、機械加工ツ
ールのパワーの制限と除去される素材の量との中で、切
削の深さを出来る限り大きくする。切削の深さが増加す
ると、ツールヘッドでの切削力が大きくなる。従って、
相対的に深い切削が求められるところでは、大きな量の
馬力が要求される。加えて、特定のタイプの機械加工動
作とワークピースの材料はある一定のパワーを要求し、
例えば鋼のタッピングでは、スピンドルはかなりゆっく
りと運転しなければならず、しかも切削のための十分な
トルクを提供できなければならない。多くの現在の機械
加工ツールのスピンドルは、誘導モータを有し、制限さ
れたパワー容量を有するので、切削力は機械のオーバー
ロードにならない値に制限されなければならない。

【０００４】一般的に多くの機械加工の動作で、パワー
の要求は素材の除去レートに直接に比例する。スピンド
ルの速度は特定のワークピース材料とツール材料の組合
わせによって最適な切削速度に制御される。"チップロ
ード(chip load)" は他の重要な要素で、ツールの寿命
に影響を与える。それはスピンドルのスピード（ｒｐ
ｍ）と送りレートによって定められる。これゆえに、与
えられたツールのパワー利用量に対して最適なチップロ
ードと最適な切削速度を維持するために、切削の深さが
唯一の変更することができる変数である。これは直接に
機械加工タイムに影響する。従来のミーリング動作で
は、切削の深さは例えば粗切削では０．２５０インチの
オーダーで、仕上げでは０．０２５インチ又はそれ以下
である。航空機部品のようなアルミニウム合金のミーリ
ングでは、生産性を高めるために、より速くより深い切
削が共通に求められている。切削の深さは通常の数倍大
きく、半インチのオーダー又はそれ以上で、多くの従来
の切削加工ツールで与えられていたよりも大きなパワー
容量を要求する。アルミニウム合金の切削速度について
は、機械加工ツールの制限によって、またワークピース
によって定められる。一般的にアルミニウムは広い範囲
の速度で容易に切削することができる。しかしながら、
アルミニウム合金の熱膨張の係数は通常機械加工される
ほとんどの金属よりも高いので、仕上げ部分の寸法の精
密には、その部分を機械加工中に冷却する必要がある。
高い切削速度はその部分を低温に保つ助けとなる。なぜ
なら与えられた回転中にその部分に導入されたほとんど
の熱は次の回転においてチップと共に除去され、熱が内
部に拡散する時間は短いからである。加えて、高い速度
は一般的に高いレートの金属除去と最良の仕上げをもた
らす。従って、切削するアルミニウム部品が高速の切削
を受入れるならば、それは概して好ましい。しかしなが
ら、主として利用可能なスピンドル速度と馬力により負
わされた制限から、超高速の切削動作はアルミニウム部
品について一般的でない。従って、深い切削と高い速度
を生むことができるスピンドルを有する機械加工ツール
が求められ、特にアルミニウム部品の機械加工中の温度
上昇を最小化するために求められる。

【０００５】スピンドルの剛性は最大速度においてチャ
ッタリングを生じないための著しい効果を持つ。チャッ
タリングは機械加工ツールのカッターがスピンドルシャ
フトの自然周波数により定められる周波数で共振して振
動する状態である。別言すれば、スピンドルはそれら固
有の特性又は限界速度を振動が非常に大きくなるところ
に有する。スピンドルはそれらの限界速度で動作させる
ことができず、さもなくば調和振動が発生する。共振又
は調和振動に起因するチャッタリングは、公差及び部品
の仕上げについて機械加工の精度に逆に影響を与える。
加えて、スピンドルシャフトの剛性は、切削力によって
生ずる偏りの量の著しい要素である。スピンドルの剛性
不足から生じるツールの偏りとチャッタリングは余分な
ツールの摩耗と破損を生じさせ、ワークピースを損傷さ
せ、寸法的な不正確と受入れられない仕上げ面となる。

【０００６】現在の高速切削動作に用いられるスピンド
ルは、比較的大きく、不都合な長さと直径の比率を持
ち、スピンドルの設計とそのためのベアリングは一般的
に望まれる剛性を与えることができず、特にベアリング
の表面が摩耗し又は疲労し始め、ピッチングを表面に形
成し始めると高い速度で発生することがある高い周波数
の振動と極端な負荷条件によりできない。これらのスピ
ンドルユニットでの共振振動の発生を防ぐため、典型的
には低いスピンドル速度が採用される。しかしながら、
いくつかの実例において、高い速度で軽い送りで切削す
ることが部品の仕上げを改善するために望ましい。low-
micro-inchの仕上げを達成しなければならないときに
は、剛性のあるスピンドルが必要である。従って、剛性
のあるスピンドルを有する機械加工ツールを設計し、共
振振動の発生を防止し、チャッタリングを最小化又は高
い周波数の振動とチャッタリングから生じる問題を省略
し、生産を増加させ、生産コストを低下させることが望
まれる。剛性のあるスピンドル設計により可能となる増
加した速度は、仕上げを改善し製造レートを増加させ
る。

【０００７】機械加工ツールでは、相当数の部品がベア
リングの構成要素となるため、高い程度の機械加工精度
余裕をもち、非常に満足のゆく表面状態を与えつつ、高
速スピンドルを転がり接触のベアリングで提供するのは
極めて難しい。ローラやボールベアリングのような従来
型のベアリングを用いてスピンドルシャフトから受ける
負荷を支持することは、特に高速のアプリケーションに
おいて精度の問題の原因となり、高い遠心力と極度の摩
耗と熱と高速で生じる支持力条件のもとで疲労する。加
えて、これらの接触式のベアリングの寿命は、与えられ
た負荷のもとでは、典型的にはある数の回転であり、従
って、高速はこの数の回転を比較的速いレートで使い尽
し、それに相当するものとして回転要素のベアリングの
寿命を短くする。動圧及び静圧ベアリングを組合わせて
高速のスピンドルを支持することは、米国特許 5,462,3
64号に開示されており、動圧ベアリングは高い回転速度
で効果的であり、静圧ベアリングはスピンドルの低い速
度の回転に効果的である。流体の動圧及び静圧ベアリン
グは概して従来の転がり要素のベアリングよりも実質的
に大きなパフォーマンスを実現することができ、特にこ
れらの流体ベアリングがベアリング内の表面の不完全に
対して鈍感で、それらはオーバータイムで摩耗せず、大
きな負荷容量を有し、それらは実質的に、ローラ要素の
ベアリングには窪みを作り、ベアリング表面に穴の原因
となるようなモーメントのオーバーロードの影響を受け
ない。

【０００８】動圧ベアリングスピンドルでは、スピード
が変化したとき剛性は変化し、一方、典型的な静圧ベア
リングでは低圧の液圧油はより均一な剛性を提供する。
従って、固定されたベアリング部材に対するスピンドル
の位置は、静圧ベアリングにより支持されているスピン
ドルシャフトの回転の速度と独立で、ポンピング圧力と
ベアリングの形態により定められる最大の許容ベアリン
グ負荷値に到達しない限り、スピンドルシャフトと固定
されたベアリングとの間に接触は生じない。これらの有
利性に関わらず、ベアリング内で圧力を受けた油の使用
は、スピンドル内のベアリング流体のシールドの観点か
ら問題点を提出し、それは切削流体とは混合せず、特に
高速においてシールを高速で回転する部品と接触させて
使用することは摩耗を起す傾向があり、シーリング能力
を失わせる。多くの切削流体は水と油のエマルジョン
で、静圧ベアリング用の液圧油のような両立しない流体
による切削流体の汚染は、ワークピースの仕上げ又は寸
法について余分な変化を生じさせることからツール寿命
の短縮まで、問題を生じさせうる。シーリングの問題は
スピンドルが旋回装置タイプの機械加工ツールでスピン
ドルが水平に対して姿勢を変化させて使用されるときに
悪化し、重力の効果が増加してベアリング流体をスピン
ドルが傾いたときにスピンドルから引きだそうとする傾
向がある。従って、切削スピンドルとモータ装置に対し
ては、比較的一定の剛性と負荷容量を低い切削速度と高
い切削速度例えば２０，０００ｒｐｍまたはそれ以上で
維持することのニーズがある。そのようなスピンドルと
モータ装置にとって、スピンドルのシーリングシステム
が必要で、スピンドルの流体ベアリングからの油の著し
い漏れを防止し、機械加工領域の機械加工ツールが高い
速度で動作している切削流体へ漏れないようにし、スピ
ンドルが静止しているときも漏れないようにする。

【０００９】静圧ベアリングは、円周状に間隔をあけた
ポケットとその中に圧力下の流体が供給されるように共
通に設計されている。ポケットは島又は静止領域で囲ま
れており、典型的には隣接するポケット間の静止領域に
はドレン溝が形成されている。高い回転速度で運転する
静圧流体ベアリングについて見いだされたひとつの問題
は、ポケット内の流体圧力が低下すると静圧ベアリング
の支持力が減少することである。この支持力の減少は、
油の粘性の減少に起因すると信じられ、なぜなら、ベア
リングポケット内で高い回転速度で発生する増加した乱
流と流体の摩擦はエネルギーの損失とポケット内の流体
圧力の低下をきたす。一定以上の高いｒｐｍのスピンド
ルの回転では、いわゆる"ビスカスポンプ動作"といわれ
るベアリング流体が優勢となり、ポケット内の油は相当
多量に送り出され、補充される油の不足により、ポケッ
トの圧力は減少し、それにより、流体ベアリングの静圧
容量に劇的に影響し、これは好ましくない。

【００１０】この点については、ベアリング内に一定の
最小クリアランスを維持し、その支持力を現在のスピン
ドルが運転できる高い回転速度で受ける増加した負荷に
対して十分に保つことが重要である。ベアリング流体の
ビスカスポンピングに加え、高温はスピンドルの熱膨張
をもたらし、固定されたベアリング内にあらかじめ設定
されたクリアランスは減少するかもしれず、適切な支持
力のために必要な最小限のクリアランスを下回り、スピ
ンドル要素の熱変形による機械加工エラーが生じ得る。

【００１１】

【発明の概要】本発明に従うと、機械加工ツールの一体
型スピンドル・モータユニットが提供され、剛性と支持
力を満足して維持しつつ大きな切削速度範囲を有する。
一体型スピンドル・モータユニットは静圧流体ベアリン
グを含み、剛性の増加したユニットを提供し、現在のス
ピンドルユニットが運転すべく設計された全範囲のスピ
ードで切削精度が改善される。発明の好ましい形態で
は、スピンドルシャフトはハウジングフレーム内に取付
けられ、２０，０００ｒｐｍまで又はそれ以上の回転数
で回転し、モータの第１の部分はスピンドルシャフト上
のその両端の間に提供され、モータの第２の部分はフレ
ーム上で、モータの第１の部分と協同して、スピンドル
シャフトの回転駆動をする。好ましい実施形態は２０，
０００ｒｐｍの速度で動作し、一方、他のより小さな設
計では４０，０００ｒｐｍまでの速度で動作できる。静
圧ベアリングはシャフトの端部に近接して形成され、高
い圧力の流体を供給され、シャフトをフレーム内に回転
駆動されるように支持する。静圧ベアリングを利用する
ことにより、本スピンドルはその全体の動作範囲にわた
って実質的に均一な堅さ又は剛性と支持力を提供する。
加えて、モータがスピンドルに一体化され、その部分を
スピンドルシャフト上に有するので、動力伝達ギア又は
ベルトのような従来のスピンドルモータで生じるパワー
損失は生じない。

【００１２】約２０，０００ｒｐｍの速度で共振振動を
生じることなく剛性を維持するため、静圧ベアリングの
間のスパンは短くなければならない。そのような短いス
パンで高いパワー例えば１００ｈｐを達成するため、一
体型スピンドル・モータユニットのモータは永久磁石モ
ータで、モータの第２の部分はフレームに固定されたス
テータで、モータの第１の部分は永久磁石を含むロータ
で、フレーム内を回転可能にスピンドルシャフト上に取
付けられる。ここで永久磁石モータは従来型の誘導モー
タで伝達ギア及び／又はベルトを利用しパワーが損失し
ていたものよりも増加したパワーを提供する。従って、
本一体型スピンドル・モータユニットは高い速度すなわ
ち２０，０００ｒｐｍまでの動作が可能であり、一方、
ツールヘッドにおいて増加したパワーを提供する。従っ
て、本スピンドルは高い速度で運転可能なだけでなく、
各切削で大きな量の金属を除去する重くて深い切削も増
加したパワー容量により実行可能である。

【００１３】他の有利的な特徴は、特に永久磁石モータ
をスピンドル及びモータユニットに組立てたことは、す
なわち、永久磁石を含むロータはスピンドルシャフト上
に取付けられ、焼嵌め結合により堅く確実にシャフトの
高速回転中にシャフトとロータを取付ける。高い圧力の
作動流体が流体通路又は管内に供給され、それはロータ
のボディ内に形成され、ボアを拡張させ、ロータはシャ
フト上においてスピンドルフレームに取付けられたステ
ータに対して適切に配置される。ロータがシャフト上に
配置されたとき、流体圧力は除去することができ、拡張
したロータのボアがスピンドルシャフトを締付け堅く握
り、高い速度で回転する。加えて、ロータが拡張するよ
うに設計することは、高い速度の切削動作中のスピンド
ルシャフトの熱膨張より容易に適応することを有利的に
許容する。

【００１４】一体型スピンドル・モータユニットは、好
ましくは、スピンドルシャフトに対して非接触で間隔を
あけられベアリング流体をスピンドル内に保ち、切削動
作中に切削ツールから隔離するシールを利用する。前述
したように、流体ベアリング内で液圧油を使用すること
は、もしそのような流体がスピンドルからツール／ワー
クピースの界面に漏れ、典型的には水ベースの溶液であ
る切削流体を汚染すると問題になり得る。さらに、高い
切削速度では従来の接触タイプのシールは摩耗する傾向
があり、漏れを許容していた。本一体型スピンドル・モ
ータユニットでは、シールは非接触タイプのシールで、
従って、従来の接触シールの高速での摩耗の問題は除去
される。好ましくは、シールはベアリングと近接してシ
ャフトの前端又は後端にラビリンスシールを含む。ラビ
リンスシールは蛇行性の通路を画定し、それを通ってベ
アリング流体は漏れ出なければならない。静圧フローテ
ィングリングシールがスピンドルシャフト上にラビリン
スシールと隣接して、又はその外側に提供され、ラビリ
ンスシールはスピンドルシャフトに沿ってフローティン
グリングシールとベアリングの間にある。フローティン
グリングシールは高い圧力の空気とともに提供され、シ
ャフトとリングシールとの間に空気バリアを形成し、ラ
ビリンスシールを通って漏れるかも知れないベアリング
流体をスピンドル内に保つ。この意味で、ここでのシー
ルはベアリング流体がスピンドルから漏れ出ないように
するのに効果的であり、スピンドルシャフトと接触する
ことを要求されることがなく、さもなくば特にスピンド
ルの高速回転においてシールを損傷し得る。従って、本
一体型スピンドル・モータユニットはシーリングシステ
ムを有し、これによりベアリング流体がスピンドルから
漏れ出るのが防止され、高い速度の切削動作中でさえ
も、またスピンドルが水平に対して様々な姿勢で傾斜し
ても切削流体へ混入しない。

【００１５】フローティングリングシールは多孔性のリ
ングボディを含むことができ、スピンドルシャフトの前
側端又は後ろ側端に取付けられ、それに対して間隔をあ
けられ、高い圧力の空気と共に提供され、シャフトとリ
ングシールボディとの間に空気のバリアを形成し、リン
グボディの細孔を通して空気が浸入し、それを通るベア
リング流体の漏れを制限する。好ましい形態では、スピ
ンドルシャフトは傾いた表面をその前側及び後ろ側の端
に含み、静圧ベアリングがスピンドルシャフトの傾いた
表面に設けられ、軸方向及び放射状方向の負荷を受け
る。少なくともひとつのベアリング部材が、好ましくは
後ろ側の円錐状のベアリング部材が、シフト可能なベア
リングマウントによりスピンドルハウジング上に取付け
られ、スピンドルが運転しているとき、ベアリング部材
がシフトすることを許容して、向い合うベアリングとシ
ャフト表面の間のクリアランスを一定距離に保つこと
で、スピンドルの熱膨張の効果が最小化され、静圧ベア
リング内の適正な支持力が十分に提供される。この意味
で、スピンドル要素の金属が切削動作中に発生する高温
により膨張したとき、表面のクリアランスが受入れ可能
な公差を下回って、スピンドルに損傷を与えるかも知れ
ないようなシャフトに対する過剰な負荷はなく、機械加
工の精度は高温でのシャフトの膨張に関わらず維持され
る。好ましくは、後ろ側のベアリング部材はスプリング
負荷され、スプリング力は約３，０００ｌｂｓでスピン
ドルシャフトの膨張により打勝たれ、ベアリング部材が
ローラ要素上をスライドし、クリアランスをある一定の
最小公差レベルより上に保ち、ベアリング内の適正な支
持力を維持する。

【００１６】スピンドルシャフトはその内部を貫通する
軸方向のボアを含むことができ、シャフトの前端に拡大
されたツールホルダー受けソケット部分を有する。ツー
ルホルダーは拡大されたソケット部分内に取付けられ、
ツールチェンジャーがシャフトボア内に提供され、ツー
ルホルダをソケット内に取付け、スピンドル上のツール
をチェンジするにはホルダーを解放する。好ましくは、
圧力流体源が約１２００ｐｓｉの圧力の流体を静圧ベア
リングに提供し、ベアリングは高い支持力を提供する。
モータはわずかに加圧された空気を供給されるキャビテ
ィを有することができ、ベアリング流体がモータキャビ
ティ内に漏れないように保つのを助ける。本発明の好ま
しい実施形態に従えば、機械加工ツールの高速切削動作
のためのモータ一体化スピンドルユニットが提供され
る。スピンドルユニットは中心軸まわりに回転可能なス
ピンドルシャフトを含み、シャフトに延在して回転自在
に切削ツールが取付けられ、ワークピースを高速で切削
する。モータはスピンドルシャフトを２０，０００ｒｐ
ｍの速度で駆動する。スピンドルユニットのハウジング
はスピンドルシャフトとモータを内部に取付ける。傾い
たベアリング表面がシャフトに形成され、シャフトの回
転軸に対して傾いている。傾いた表面がハウジング内に
提供されシャフトの傾いた表面と対面し協同し、軸方向
及び放射状方向の負荷を受ける静圧ベアリングを形成す
る。油はベアリングに少なくとも１０００ｐｓｉの圧力
で供給され、スピンドルシャフトの回転駆動中に発生す
る負荷を支持する。ラビリンスシールがベアリングポケ
ットに近接して提供され、蛇行性の通路を画定し、ベア
リング流体がラビリンスシールの通路を通って漏れるの
を制限する。フローティングリングシールはラビリンス
シールと近接して提供され、ラビリンスシールを通って
漏れるかも知れないベアリング流体がスピンドルユニッ
トの外部に漏れ出るのを防止し、特にスピンドルの前側
からツール／ワークピースの界面に漏れるのを防止す
る。

【００１７】好ましくは、モータはパワー出力容量定格
が約１３５馬力を有し、少なくとも１００馬力が切削ツ
ールの切削のために、ベアリング内の流体の摩擦損失に
よりある。このように、モータ一体化スピンドルユニッ
トは、ワークピースに実行される極めて高速の及び重い
切削動作を許容し、ツールヘッドで十分なパワーが不足
することによるスピンドルのオーバーロードの恐れがな
い。スピンドルシャフトは、スピンドルシャフトの前側
端に近接した近接部分を有することができ、そこで切削
ツールが運ばれ、遠隔部分は、前側の近接部分から後ろ
側へ所定の距離だけ軸方向に間隔をあけられる。静圧ベ
アリングはシャフトの近接部分とシャフトの遠隔部分と
のまわりに形成される。好ましくは、モータは第１のモ
ータ部分をスピンドル上の近接及び遠隔部分の間に含
み、第２のモータ部分をハウジングに有し、第１のモー
タ部分と協同してスピンドルシャフトを２０，０００回
転までの速度で回転させる。スピンドルシャフトの部分
の間の所定の距離は十分に短く、スピンドルシャフトは
動剛性を有し、シャフトがスタートアップから２０，０
００ｒｐｍまでに駆動される間に高速の共振シャフト振
動が始るのを防ぐのに十分である。モータは永久磁石モ
ータとすることができ、モータの第２の部分はステータ
で、モータの第１の部分はロータで、ロータに固定され
た永久磁石を含む。モータは少なくとも１３５馬力のパ
ワー出力容量定格を有することができ、シャフトの近接
部分とシャフトの遠隔部分とのベアリングは１６インチ
以下の距離だけ間隔をあけられている。ここでのスピン
ドルユニットは比較的小型でコンパクトで、静圧ベアリ
ングは近づいて軸方向にスピンドルシャフトに沿って設
けられ、高い回転速度での精密な切削動作のための、非
常に堅く剛性のあるスピンドルを提供する。

【００１８】発明の他の形態では、静圧ベアリング部材
を含むスピンドルユニットが提供され、ベアリング部材
は高圧ベアリングポケットをスピンドルシャフトのまわ
りに含み、高圧油を受けてシャフトを回転自在に支持
し、高圧ベアリングポケットの間の低圧ポケットが低い
圧力の油を受ける。低圧ポケットはスピンドルの動作中
に低圧油で満たされた状態に保たれ、ベアリングポケッ
ト内の流体のピスカスポンピング動作はスピンドルの回
転方向と逆で、ベアリングポケット内の流体圧力に逆に
影響しない。従って、低圧ポケットを含む本スピンドル
ユニットは適切なベアリング圧力で頼もしく動作し、た
とえベアリングポケット内のベアリング流体のビスカス
ポンピングに起因して静圧ベアリングの支持力が逆に影
響を受ける傾向がある高い回転速度でも動作する。

【００１９】

【発明の実施の形態】図１において、本発明による一体
型スピンドル・モータユニットは、模式的に示され、全
体が参照符号１０で示されている。一体型スピンドル・
モータユニット１０は、静止したハウジング１２を含
み、その中にはスピンドルシャフト１４が、回転動作す
べくモータ１６で駆動され、モータ１６もハウジング１
２内においてスピンドルシャフトのまわりに取付けられ
ている。スピンドルシャフト１４は２０，０００回転／
分までの速度で駆動されることができ、全体を１８にて
示し、ハウジング１２内においてスピンドルシャフト１
４のまわりに形成された、静圧ベアリングによって剛的
に支持されている。より具体的には、スピンドルシャフ
ト１４は、その前端１４ａ及び後端１４ｂの双方のまわ
りに静圧ベアリングパッド２０を有する。好ましくは、
４つの等間隔のパッド２０が、シャフト１４の前端１４
ａ及び後端１４ｂの双方のまわりに形成されている。前
及び後ろのベアリングパッド２０の軸方向の距離は比較
的短く、そのため、スピンドルシャフト１４はハウジン
グ１２内に硬く、高いレベルの動剛性をもって、モータ
１６で高速に回転駆動された場合においても、取付けら
れている。更に、スピンドルシャフト１４の全体の長さ
は、ベアリング１８を越えて突出した部分を含み、比較
的短い。従って、前及び後ろのベアリングパッド２０の
間の短い軸方向距離を有する短いスピンドル１４は、ス
ピンドルが共振振動を発生させる前に駆動されなければ
ならない限界速度のスレッショルド、この例では２００
００ｒｐｍを越えるあたりとなる、を増加させる。本発
明のこの図示された実施形態では、それぞれのベアリン
グ１８の中心間のスパンは、約１６インチでモータは１
００馬力である。明らかに、この距離と出力は例証のた
めであって限定ではない。すなわち、シャフトの前端１
４ａの切削ツール２２の取付けと近接したベアリングパ
ッド２０は、この後でより完全に論議されるように、切
削ツール２２から離れたシャフトの後端１４ｂのベアリ
ングパッド２０から１６インチ軸方向に間隔をあけられ
ている。従って、比較的にコンパクトな一体型スピンド
ル・モータユニット１０の、前と後ろの静圧ベアリング
パッド２０の接近した軸方向の間隔の提供によって、高
い切削速度と負荷を扱うことができ、依然としてワーク
ピースの精密切削を提供しつつ、スピンドルシャフト１
４の共振振動が防止される。

【００２０】モータ１６は好ましくは永久磁石モータ
で、ここでモータ１６は、静止したハウジング１２に取
付けられたステータ部分２６と、スピンドルシャフト１
４に取付けられ、これもまた永久磁石を含む、ロータ部
分２４を含む。前述したように、スピンドルシャフト１
４の限界速度を増加させるため、シャフトは比較的短く
なるように設計され、これはここでの一体型デザインに
おけるシャフト１４に与えることができるロータ２４の
長さをも決定する。従って、モータ１６は多くのパワー
を短いスパンに与えることができるものでなければなら
ず、それにより本スピンドルユニット１０に、現在の誘
導モータを利用したスピンドルよりも、増加したパワー
容量を与える。ここに、１００馬力のモータは軸方向の
長さが９インチで、ステータは約９インチの直径であ
る。実際のモータは、この出願の図面で描写されている
よりも、その断面図がより正方形に表れる。この永久磁
石モータ１６は、従来の誘導モータの伝達ベルトやギア
の使用を省き、それに付随するパワーロスを省く。加え
て、永久磁石モータ１６は、従来の誘導モータに比べ
て、短いスパンでツールヘッドへ大きなレベルの馬力を
与えることができる。永久磁石モータは、たとえ同等の
誘導モータよりコストがかかっても、好ましい。従っ
て、このコンパクトな高速スピンドルユニット１０は、
より高い速度性能と改善された剛性を有するのに加え、
更にまた、増加された馬力容量を有し、より高い自由度
の様々なタイプの、例えばドリリング及びボーリング動
作における粗切削及び仕上げ切削で実行される、切削動
作を提供し、これらの異なるタイプの機械加工動作の実
行の効率を与える。

【００２１】ロータ２４は引き延された環状のボディ２
４ａを有するのが好ましく、これは図示のようにスピン
ドルシャフトに焼嵌め結合にて提供され、他の実施形態
であるスピンドル及びモータユニット２００に関しては
図５に示される。スピンドル及びモータユニット２００
で使用されるロータボディ部分２４ａは、それらの前面
及び後面に形成された環状の凹部２７を含み、前部の環
状凹部の凹部底面２７ａは、スピンドルシャフトに形成
された肩に寄りかかっており、ロータ部分２４を軸方向
の適切な位置に配置する。軸方向の通路２９は、ロータ
ボディ２４ａの内部に形成され、長手方向にボディ２４
ａの長さに沿って延在し、後部の環状凹部２７の凹部底
面２７ｂに開口している。数本の長手方向の通路２９
が、ロータボディ２４ａのまわりに間隔をあけて円周状
に設けられ、高い圧力の作動流体を、長手方向の通路２
９から放射状に延びた短い放射状の通路３１へ送る。好
ましくは、２本の軸方向に間隔をあけた放射状の通路３
１が、各長手方向の通路２９に設けられる。通路３１は
放射状に延在し、ロータボディの内周面３３内に形成さ
れた円形の溝３１ａに開口し、これはシャフトのまわり
に延在し、軸方向に配置された放射状の通路３１から高
い圧力の流体を受けて、高い圧力の油をシャフトの表面
とロータボア３３の間に送る。このやり方では、ロータ
部分２４のボディ２４ａは広げられることができ、スピ
ンドルシャフト上においてハウジングフレーム１２に付
けられたステータ部分２６に対してそれが適切に配向さ
れることが許容される。ロータボディ２４ａが適切に配
向すると、高い圧力の液圧が長手方向の通路２９から除
去され、ロータボディ２４ａ及び特にその内周面３３が
シャフト表面を堅くしっかりと締付けることを許容し、
ロータ部分２４はシャフトを握って共に回転する。拡張
可能なロータボディ２４ａは、スピンドルシャフトが高
速動作の最中に熱膨張したときにもまた有利であり、拡
張可能なロータ２４ａはスピンドルシャフトの膨張に、
モータ１６に問題を生じることなく、より容易に適応す
ることができる。

【００２２】スピンドルユニット１０のベアリング１８
は、次により具体的に説明される。スピンドルシャフト
１４はメインの大直径の中央部分１５を含み、その上に
モータのロータ部分２４が取付けられ、シャフトの端部
１４ａと１４ｂがそれの両側にある。スピンドルシャフ
トの端部１４ａと１４ｂは円錐状の部分１７と１９を含
み、これはそれぞれ前及び後ろの小直径の環状部分３０
と３２へとテーパで細くなっている。前側及び後ろ側の
円錐状の部分１７と１９は、それぞれ外面３４と３６を
含み、これらはスピンドルシャフト１４のシャフト回転
中心である長手方向の軸３７に対して傾いている。前部
ハウジング部分１２ａと後部ハウジング部分１２ｂは、
それぞれ放射状に内側に突出したベアリング部分３８と
４０とを含み、その上に傾いた表面３８ａと４０ａが提
供され、それぞれスピンドルシャフト１４の傾いた表面
３４と３６と近接し対向する。スピンドルシャフト１４
の傾いた表面３４と３６と、対応するベアリング部分３
８と４０上の傾いた表面３８ａと４０ａとは、協同して
静圧ベアリングパッド２０を形成し、放射状及び軸方向
の両方の負荷を受け、この負荷はシャフト１４の回転と
スピンドルユニット１０の機械加工動作の際に発生す
る。ベアリングパッド２０は、改善された剛性と従来の
接触ローラ要素のベアリングに対する可動部品の数の低
減を提供し、これにより本スピンドルユニット１０は、
従来のベアリングだけを用いたスピンドルの重大な限界
であった、振動する傾向がより少なくなる。さらに、静
圧ベアリングパッド２０は、従来のベアリングとは異な
るダンピング機能を提供し、シャフト１４が振動し始め
たとしても、パッド２０内の流体が振動を、振動が共振
にいたる前に、放散されダンピングされるように動作す
る。静圧ベアリングを用いた、ここでのスピンドルユニ
ット１０の剛性の範囲は、短いツール長さに対しては約
７５０，０００ｌｂ／ｉｎに、長いツールに対しては約
３５０，０００ｌｂ／ｉｎにいたることが見いだされて
いる。

【００２３】図１に概略を示したように、ベアリングパ
ッド２０には加圧された油が油循環システムによって送
られ、全体を４２にて示すベアリング油供給手段が含ま
れている。油供給手段４２は、それぞれ油送り通路４２
ａと４２ｂを含み、前側及び後ろ側ハウジング部分１２
ａと１２ｂに形成され、供給手段からの送られた油がハ
ウジング１２の内部に入ってベアリングパッド２０にい
く。好ましくは油供給手段は、少なくとも１０００ｐｓ
ｉに加圧した油をベアリングパッド２０に供給する能力
があり、スピンドルシャフト１４の高速回転駆動中に発
生することのある増加した負荷を支持する。さらに好ま
しくは、ベアリングパッド２０に供給される油の圧力範
囲は１２００から１５００ｐｓｉである。前述したよう
に、静圧ベアリングを用いると、圧力が低い油はベアリ
ングにそれらの負荷搬送容量を与える。従って、高い圧
力の油を用いると、ここでのスピンドルシャフト１４は
増加した負荷搬送容量を与えられ、これは回転駆動速度
がスタートアップから２０，０００ｒｐｍの範囲にわた
って実質的に一定で、静圧ベアリングの負荷搬送容量は
シャフト１４の回転速度と独立である。最大許容ベアリ
ング負荷値に到達しない限り、シャフト１４とハウジン
グベアリング部分３８と４０との接触は発生しない。こ
の意味で、スピンドルユニット１０の負荷搬送容量と剛
性は２０，０００ｒｐｍまで維持される。

【００２４】次に図２を参照してシーリングシステムに
ついて説明すると、全体が２８にて示されており、モー
タ化されたスピンドルユニット１０に取付けられてい
る。図２はシーリングシステム２８だけを示しており、
これはスピンドルシャフト１４の前部に提供され、これ
に対し図１を参照すると、スピンドルシャフト１４の後
部も類似してシールされていることが見て取れ、そのた
め前側シーリングシステム２８についての説明は、わず
かに些細な違いがあるものの、後ろ側シーリングシステ
ムについても等しく適用される。静圧ベアリングを液圧
油とともに提供する結果として、スピンドルユニット１
０からツール／ワークピースの境界に提供される切削流
体へ、いかなる漏れも無いことが重要であり、機械加工
動作に利用される切削流体又はクーラントは典型的には
水ベースの水／油エマルジョンであって、ベアリングに
用いられる液圧油とは相容れないものだからである。従
って、スピンドルユニット１０からのいかなる漏れも、
油のベアリング流体によるクーラントの汚染はクーラン
トのクーリング及び削り屑の除去機能の見地から問題を
発生させる可能性があるため、避けなければならない。
ベアリング流体の漏れの問題は、ここでのスピンドルユ
ニット１０が従来型のシールのときに悪化し、これはス
ピンドルシャフト１４に接触し、本スピンドルシャフト
１４が駆動されることのある高速において摩耗する傾向
がある。従って、ここでのシーリングシステム２８は非
接触シールを利用し、それらはスピンドルシャフト１４
と特に環状部分３０と３２に相対的に間隔をあけて提供
される。

【００２５】より詳しくは、前側及び後ろ側ハウジング
部分１２ａと１２ｂはそれぞれ軸方向に延在するリング
部分４４，４６を含む。前側及び後ろ側リング部分４４
と４６の軸方向の外端には、それぞれ前と後ろのキャッ
プ部材４８と５０が取付けられ、それに前及び後ろのシ
ーリングシステム２８が取付けられる。ベアリング油を
スピンドルユニット１０内にシーリングするために、ス
ピンドルの各端には３つのシールが与えられ、ひとつ目
はラビリンスシール５２であって、それらの対向表面と
の間のクリアランスが非常に小さい。ラビリンスシール
５２はベアリングパッド２０と近接して与えられ、前及
び後ろのチャンバ５４と５６内に、つまり前及び後ろの
キャップ部材４８及び５０と、ハウジング部分１２ａ及
び１２ｂ特にそれぞれのリング部分４４及び４６とベア
リング部分３８及び４０との間に形成された中にある。
ラビリンスシール５２はスピンドルシャフト１４が回転
しているときに非常に効果的なシールであるが、回転が
とまったときは少ない量のベアリング油がラビリンスシ
ール５２を通過して漏れるかも知れず、シャフト１４が
回転していないときには残りのシールが効果的に漏れを
防ぐ。

【００２６】ラビリンスシール５２はシャフトの環状部
分３０と３２の上に円錐部分５８を含み、環状部分３０
及び３２と対応するシャフトの円錐部分１７及び１９と
の接続部分から近接して直ちに軸方向外方に設けられ
る。従って、ラビリンスシール５２はベアリングパッド
２０と直に隣接する。ラビリンスシールの円錐部分５８
は対をなす同心状の環状リング６０と６２を含み、これ
はそれらの間に外側の環状凹部６４を協同して形成す
る。内側の環状リング６２とシャフトの先端部分３０は
協同して、それらの間に内側の環状の凹部６８を形成す
る。固定されたラビリンスシール部材６８が、キャップ
部材４８の後ろ側に開いた凹部部分７０に取付けられて
おり、外側及び内側の同心状の環状リング７２及び７４
を含み、これが円錐部分５８の対応する外側及び内側の
環状の凹部６４及び６６にぴったりはめ込まれ、それら
の表面の間には僅かなクリアランスがある。これらのク
リアランス表面は好ましくは０．００５から０．０１０
インチの範囲にあり、ここで説明されている実施形態で
は０．００５が使用されている。内側のリング７４はシ
ャフトの先端部分３０から接近して間隔をあけられ、外
側のリング７２と協同して、環状の凹部７６を形成し、
その中にリング６２が突出する。円錐部分の外側の環状
リング６０は、固定されたシール部材の外側のリング７
２から放射状外方に接近して間隔をあけられている。明
らかなように、円錐部分５８の環状リング６０及び６２
と、固定されたシール部材６８の環状リング７２及び７
４との接近した相互配置により、蛇行性の通路が提供さ
れ、これがスピンドルシャフト１４が回転動作中にいか
なる油の通行をも制限する。従って、油がベアリングパ
ッド２０からスピンドル１０の外部へ漏れるためには、
油は最初にラビリンスシール５２によって形成された蛇
行性の通路を横切らなければならない。

【００２７】ラビリンスシール５２から漏れたいかなる
微量の油もスピンドル１０から漏れないことを、特にシ
ャフト１４が回転していないときに確実にするため、一
対の環状のフローティングリングシール７８及び８０が
提供され、各シャフト部分３０と３２の上のラビリンス
シール５４から軸方向外方にある。リングシール７８と
８０はフローティングリングシールと呼ばれるが、なぜ
ならば、これらはスピンドルシャフト１４と接触せず、
空気圧の層上に浮かんでおり、ここでより完全に説明す
る。ドレン溝８２がキャップ部材４８に形成され、リン
グシール７８と８０の間のシャフトの先端部分と近接し
ている。内側のリングシール７８を漏れ出るかも知れな
いいかなる少量の油も、ドレン溝８２とそれに適用され
る真空によって吸い出され、スピンドル１０から排出さ
れる。いかなる残った油も外側のリングシール８０によ
ってスピンドル１０から漏れでないように遮断される。
これにより、ここでのシーリングシステム２８は、ベア
リングパッド２０からスピンドルユニット１０の外部へ
の流体の漏れを防止し、特にツール／ワークピース境界
の切削流体への漏れを防ぐ。

【００２８】リングシール７８と８０は、図２に模式的
に示すエアーコンプレッサ８４の形態をとる空気供給手
段からの高圧空気とともに提供される。コンプレッサ８
４からの空気は、高圧の空気の層を形成し、シール７８
と８０とスピンドルの先端部分３０との界面で、好まし
くは４０から８０ｐｓｉの間である。フローティングリ
ングシール７８と８０は、フローティングリングシール
７８及び８０及びキャップ部材４８の隣接する表面との
間で極めてぴったり近接しており、約０．０００５から
０．００１インチの範囲にある。高圧の空気が、フロー
ティングリング７８と８０のそれぞれボディ７８ａと８
０ａの外側の円周状の表面を取囲むチャンバ内に導入さ
れる。それらは多孔性部材またはいくつかの孔８１が放
射状にそのまわりにドリリングされて、空気静圧フィル
ムをスピンドルとフローティングリングとの間に形成
し、図７で他の実施形態であるスピンドル及びモータユ
ニット２００について示したように、以下より完全に説
明する。Ｏリング８３はフローティングリングの両側に
追加することができ、空気静圧シールの効率を改善す
る。細孔又は代替的な孔８１は制限として動作し、フロ
ーティングリングの内側の円周表面とスピンドルの外周
の円周表面との間に静圧フィルムを形成し、油の漏れを
防止する。

【００２９】前述したように、ラビリンスシール５２と
静圧フローティングリングシール７８及び８０とは共
に、後ろのシャフト部分３２にも類似した互いの相対配
置で提供されている。しかしながら、スピンドルシャフ
ト１４の前の先端部分３０はまた、前のラビリンスシー
ル８６を含み、これがツール／ワークピースの界面の切
削流体がスピンドルユニット１０の内部に浸入しないよ
うに保つ。より具体的には、キャップ部材４８は前側の
開口凹部８８を含み、その中に環状シール取付け部材９
０が取付けられている。シール取付け部材９０を締付け
るのは、ラビリンスシール８６の外側の環状固定部分９
２で、放射状に突起した歯９２ａを含む。ラビリンスシ
ール８６のシール部分９４の回転は、シャフトの先端部
分３０上に提供され、放射状に外側に突起した歯９４ａ
を含み、これが歯９２ａと噛合い、蛇行性の通路を作
り、切削流体がスピンドルユニット１０に浸入するのを
シールするようになっている。シールカバー９６はキャ
ップ部材４８の前面に取付けられ、ラビリンスシール８
６を機械加工動作中に発生する切削屑から保護する。

【００３０】ベアリングパッド２０の他の側には、それ
ぞれハウジング部分１２ａと１２ｂに、前の内側キャビ
ティ９８と後ろの内側キャビティ１００が形成されてい
る。キャビティ９８と１００の中に軸方向内側に漏れた
パッド２０からの液圧ベアリング油は、これらのキャビ
ティから排出され、油供給手段４２の油ポンプへ戻り、
ここで再びフィルターを通され、再びベアリングパッド
２０に戻して送られ、液圧油を循環させる。ハウジング
部分１２ａと１２ｂは、それぞれ内側に開いた凹部１０
２と１０４とを含み、それぞれ固定されたシール取付け
部材１０６と１０８を取付ける。シール取付け部材１０
６と１０８は、それらの対応する凹部１０２と１０４に
取付けられて、リングシールチャンバ１１０と１１２と
を画定し、その中にフローティングリングシール１１４
と１１６が与えられる。フローティングリングシール１
１４と１１６は、キャビティ９８と１００から排出され
なかったベアリング油がモータキャビティ１１８に漏れ
るのを防止する。さらに、モータキャビティはわずかに
加圧された空気と共に提供することができ、例えば工場
の空気源などからの２から３ｐｓｉの範囲で、さらに漏
れ出た油がモータキャビティ１１８に入るのを制限す
る。さらに、モータキャビティ１１８内には油ドレン１
２０が提供され、これが油を油供給手段４２の油だめに
返し、油がキャビティ１１８に入ってもモータ１６が損
傷すること無く、油はそこから除去される。

【００３１】スピンドルシャフト１４もまた、内部を貫
通する軸方向のボア１２２と共に提供され、その中に従
来型のツールチェンジャ１２４が取付けられている。ツ
ールチェンジャはグリップ部材１２６をその前端に含
み、従来のＨＳＫツールアダプタ１２８をスピンドルシ
ャフト１４にグリップし締付ける。図１のスピンドルユ
ニットの前側を破断して示したように、ツールアダプタ
１２８は切削ツール２２をその上に取付ける。軸方向の
ボア１２２は直径が太くなったソケット部分１３０をそ
の前端に含み、これにはテーパのついた壁が含まれてお
り、対応するツールアダプタ１２８のテーパのついたシ
ャンク部分１３２を受ける。ツールチェンジャ１２４の
グリップ部材１２６は、アダプタシャンク１３２のボア
部分１３４にぴったり嵌まり、ツールチェンジャ１２４
はアダプタシャンクをソケット１３０内に引張るように
操作される。後ろスプリング１３６はスピンドルシャフ
ト１４のソケット１３０内に設けられたツールアダプタ
１２８を保持し、ともに回転する。

【００３２】図３について見ると、改良されたバージョ
ンのスピンドルユニット１０の後端が、スピンドルシャ
フト１４の熱膨張を考慮にいれて示されている。これを
行うための方法は、全体が１４２で示されるシフト可能
なベアリングマウントを備えた、後ろベアリング部材１
４０を提供し、これがハウジング１２の後ろの様々な部
分と後ろベアリング部材１４０との間の相対的な移動を
許容し、シャフトが膨張したとき、向い合うベアリング
表面の間のクリアランスを一定の規定された距離内で保
ち、それ以下では後ろのベアリングパッドの支持力が逆
に作用し、これは、この例では、約０．００１５インチ
のクリアランスかも知れない。よって、シャフト１４の
いかなる膨張も、さもなくばクリアランスを最小クリア
ランス距離以下に落込ませるはずが、後ろベアリング部
材１４０をシフト可能なベアリングマウント１４０によ
ってシフトさせ、シャフトの膨張を追跡し、クリアラン
スを最小セット制限より上に保ち、静圧ベアリングパッ
ド２０の適切な支持力を維持する。

【００３３】より具体的には、シフト可能なベアリング
マウント１４２は好ましくは、環状のスプリング部材１
４４を皿バネの形態をもって含み、その内側直径の円周
状の縁は、ベアリング支持部材１４６の放射状フランジ
部分１４６ａに取付けられ、ベアリング支持部材はその
内側面に後ろベアリング部材１４０が取付けられてい
る。シフト可能なベアリングマウント１４２は更に、ロ
ーラエレメント１５０のためのローラ篭１４８を含み、
図３に示されるように、ベアリング支持１４６の外面と
係合している。ハウジングフレーム１２は後ろハウジン
グ部分１５２を含むことができ、内側円周表面１５２ａ
を含み、これはシャフトの軸３８と同軸で、ローラ篭１
４８のベアリング支持１４６に対して外側に配置され、
ローラエレメント１５０と係合している。後ろハウジン
グ部分１５２は環状のカットアウト１５４を含み、内側
表面１５２ａの軸方向の内側端から延びた垂直な肩面１
５４ａと、シャフト軸３８と同軸な放射状外方への円周
面１５４ｂとで画定される。

【００３４】皿バネ部材１４４は、その放射状外方の縁
１４４ａを環状のカットアウト表面１５４ａと１５４ｂ
の角の結合部に配置し、その放射状内側の縁１４４ｂを
ベアリング支持フランジ１４６ａに当接させる。バネ部
材１４４の放射状の内側端は、放射状の外側端から軸方
向に内側に間隔をあけており、環状のバネ部材１４４が
わずかに傾斜した円錐状の形になって、ベアリング支持
１４６をバイアスし、従ってシャフトが膨張したときに
後ろベアリング部材１４０が後ろハウジング部分１５２
に逆行する。ベアリング支持１４６は、カットアウトの
垂直肩１５４ａの軸方向に内側の位置に、軸方向に延
び、円錐状のバネ部材１４４を、フランジ１４６ａとカ
ットアウト１５４の角部との間にきつく受入れるのに十
分なクリアランスを提供する。シャフト１４が高速切削
動作中に熱膨張を受けるとき、対向するスピンドルシャ
フト１４の傾いた表面３６と後ろベアリング部材１４０
の１４０ａとの間のクリアランスはわずかに変化するこ
とができるが、しかしながら、ここでのシフト可能なベ
アリングマウント１４２により、クリアランスを維持す
ることが可能となり、そのため適切な支持力に対して確
立された誤差、例えば約０．００１５インチのオーダー
を下回ることがない。いったんシャフト１４が膨張する
と、バネのバイアス力は、これは好ましくは約３，００
０ｌｂｓであるが、打勝たれて、クリアランスは最小の
公差まで減少し、シャフトの膨張にトラッキングしてベ
アリング部材１４０がシフトすることにより、このクリ
アランスに維持され、関連するローラエレメント１５０
上のベアリング支持１４６はベアリング支持フランジ１
４６ａをバネ部材１４４の放射状の内周部分に当接さ
れ、これを軸方向外側に後ろハウジング部分１５２の垂
直表面１５４ａに向けて押す。このやり方で、シャフト
１４の熱膨張は静圧ベアリングの支持力に逆の影響を与
えることがなく、これは特に、スピンドルがここでのス
ピンドルすなわち２０，０００ｒｐｍまでの高い回転速
度で運転しているときに重要である。

【００３５】図４から１０の他の実施形態であるスピン
ドル及びモータユニット２００について次に説明する。
スピンドル及びモータユニット２００と前記スピンドル
及びモータユニット１０との主たる相違は、静圧ベアリ
ングの形態に関し、スピンドル及びモータユニット１０
は傾いた表面でベアリングパッド２０を形成し、スピン
ドルシャフト１４の軸方向及び放射方向の両方の荷重を
受けていたのに対して、スピンドル及びモータユニット
２００は分離したラジアルベアリング２０１とスラスト
ベアリング２０３を利用している。ラジアルベアリング
２０１はポケット２０２を有し、スラストベアリング２
０３は溝２０４を有し、それぞれ、スピンドルシャフト
２０６のラジアル及びスラスト負荷を受ける。ユニット
２００の永久磁石モータは水冷式の１３５馬力モータで
ある。１３５馬力のモータにより、ベアリング１８内の
流体の摩擦に帰される出力損失を考慮にいれて、ツール
ヘッドにおいて１００馬力が可能である。スピンドル及
びモータユニット１０のシーリングシステム２８は実質
的にスピンドル及びモータユニット２００のシーリング
システム２０８と同じである。主たる違いは、多孔性の
ボディを用いた静圧フローティングリングシール７８と
８０の構造に対して、静圧フローティングリング２１０
と２１２が、多孔性のボディの代りにボディにドリルで
あけられた放射状の通路８１を含むことである。Ｏリン
グはリングの両側にシーリングの目的で配置される。高
圧空気が、フローティングリング７８，８０，２１０及
び２１２で囲まれたチャンバ内に導入され、細孔又はド
リル孔は制限的に働いて、静圧フィルムをフローティン
グリングの内側の円周表面とスピンドルの外周の円周表
面との間に形成し、油の漏れを防止する。フローティン
グリング７８，８０，２１０及び２１２はそれら自身の
重量だけを運び、静圧フィルムはリングを浮べ、たとえ
姿勢が変化してもそれを同心に保つ。リングシール２１
０と２１２のボディはカーボン材料とすることができ、
これによりたとえいくらかスピンドルシャフト２０６と
接触しても、シャフト２０６に損傷はない。さらに、ス
ピンドル及びモータユニット２００は、旋回装置タイプ
の機械加工ツールに使用され、姿勢を水平に対して上側
に約３５゜と水平に対して下側に３５゜との間のように
変化させる。従って、シーリングシステム２０８の効率
は、ここでの旋回装置タイプのスピンドル及びモータユ
ニット２００で非常に重要となる。この観点から見いだ
されたのは、静圧フローティングリングシール２１０と
２１２の使用が特に優れて適しており、たとえ傾斜して
いても実質的にベアリング流体のスピンドル２００から
の漏れを防止し、なぜなら、たとえ旋回装置が傾斜して
スピンドルが実質的に例えば３０゜に傾斜しても、静圧
フィルムがフローティングリングをスピンドルシャフト
に対して同心に保つ。

【００３６】上述したように、スピンドル及びモータユ
ニット２００は、別個のラジアル及びスラストベアリン
グ２０１と２０３を含み、シャフト２０６のラジアル及
びスラスト荷重を受ける。ラジアルベアリングポケット
２０２とスラストベアリング溝２０４はユニット２００
の前側端２００ａに提供され、これに対して、後ろ側端
２００ｂにはラジアルベアリングポケット２０２だけが
提供される。この点については、スピンドルシャフト２
０６は環状のスラストカラー部分２１４をシャフトの前
側端に近接して含み、これが実質的に一定なシャフト２
０６の残りから放射状外方に延びる。スラストベアリン
グ２０３は、環状のスラストカラー部分２１４のの両側
に提供され、図５及び７に最もよく示されている。ラジ
アルベアリング２０１はポケット２０２を有し、これら
はスラストカラー部分２１４の軸方向前側に、スピンド
ルシャフト２０６の円周を取巻くように間隔をあけら
れ、スラストベアリング溝２０４はそのまわりに延びて
いる。

【００３７】より具体的には、スピンドル及びモータユ
ニットは、ハウジングフレーム２１６を含み、これが前
のフランジ部分２１８をユニット２００の前側端２００
ａに含み、フランジ部分２１８は軸方向に延びるリング
部分２２０を含んでいる。前のキャップ部材２２２がリ
ング部分２２０の前側端には取付けられ、前のシーリン
グシステム２０８がキャップ部材２２２の内側表面に取
付けられて、スピンドルユニット１０のキャップ部材４
８とシーリングシステム２８に類似している。フランジ
部分２１８は内側の円周状のボア表面２２４を含み、長
手方向に後ろ向きに延びて、垂直になり、放射状に内側
に延びた壁の表面２２６はステップ表面２２８を有し、
長手方向に後ろ側にシャフト軸と平行にステップ表面２
２８は延びる。ステップ表面はボア表面２２４の直径よ
りも小さな直径を有し、垂直壁の表面２２６が延在する
距離に対応した距離だけ小さい。シャフトスラストカラ
ー部分２１４はハウジング部分のステップ表面２２８に
軸方向に配置され、それらから放射状内側に間隔をあけ
ている。

【００３８】静圧ベアリング部材２３０は、小さな直径
の部分２３２と大きな直径のフランジ部分２３４を有
し、ハウジング部分２１８に取付けられ、フランジ部分
２３４の外側直径表面はそれらの後ろのボア表面２２４
に向き合い、小さな直径部分２３２はステップ表面２２
８に向き合い、図５及び７に最良に示されている。ベア
リング部材２３０は軸方向の貫通ボア２３６を含み、そ
れを通してスピンドルシャフト２０６を受入れる。ラジ
アルベアリングポケット２０２は貫通ボア２３６の表面
に形成され、ひとつのスラストベアリングの円周状の溝
２０４は、ベアリング部材の小さな直径部分２３２の放
射状に内側のわずかに持上がった環状壁の部分２３２ａ
に形成されている。従って、スラストベアリング２０４
のＤＮ値（ベアリングの直径のミリメートル値とベアリ
ングが支持できるスピンドルの最大回転速度の積）は高
く、スピンドルユニット２００の約１２０mmの大きな直
径に基づいており、これに対して、ラジアルベアリング
２０２の直径は約８５mmである。ラジアルベアリング２
０２は最大のＤＮ値の約１，７００，０００を有し、ス
ラストベアリング２０４は最大のＤＮ値の約２，４０
０，０００を有するので、スピンドルユニット２００か
ら出るベアリング流体中の熱の大部分は、スラストベア
リング２０４に由来する。

【００３９】本発明のラジアルベアリング２０１の他の
特徴は、低圧ポケット２３８（図１０）を高圧ラジアル
ベアリングポケット２０２に隣接して提供したことで、
ベアリングポケット２０２内の流体の圧力を、適切な支
持力に対して十分に高いレベルに保つ。これはベアリン
グポケット２０２内の高い圧力の油のビスカスポンピン
グの負の効果を最小化する。前に説明したように、典型
的な静圧ベアリングポケット２０２は、静止領域で囲ま
れており、陸地又はポケット２０２のまわりの貫通ボア
２３６の表面の静止領域２４０と類似しており、ポケッ
ト２０２の間の排出溝２４４と軸方向に延びて、ポケッ
ト２０２からのベアリング流体の強制的な排出流れ通路
を提供する。十分に高い流体圧力を、たとえここでのス
ピンドル及びモータユニット２００が高速動作中でも、
ベアリングポケット２０２内で維持するために、低圧ポ
ケット２３８が供給され、作動流体又は油が低い圧力で
スピンドルユニット２００の動作中に常時充満され、開
端の排出溝として形成する代りになっている。ポケット
２３８はポケット２３８の対向側に対向端壁２４０を含
み、端壁は小さな軸方向に延びるノッチ２４４を有し、
これが中心的にポケット２３８の端部から静止領域２４
０の縁にまで延び、ポケット２３８から油を排出する。
フローポケット２３８内の低圧油は、ラジアルベアリン
グポケット２０２内の圧力のビスカスポンピング反対効
果を最小化することにのみ寄与する。低圧フローポケッ
ト２３８を、端壁２４２と小さなノッチ２４４を内部に
有して提供することで、油はフローポケット２３８から
静止領域２４０の縁に自由に流れなくなる。小さなノッ
チ２４４は圧力制限として寄与することがわかってお
り、液圧システムに一定量の背圧を付加し、ベアリング
ポケット２０２内の圧力を十分に高く保ち、スピンドル
シャフト２０６の高速回転での適切な支持力を、ポケッ
ト２０２内のベアリング流体のビスカスポンピング動作
に関わらず得る。

【００４０】高い圧力の油、例えば１２００から１５０
０ｐｓｉをラジアルベアリングのラジアルベアリングポ
ケットに供給するために、ハウジングフランジ部分（図
４及び５）は放射状及び軸方向の流体供給管２４６と２
４８を含み、放射状の管２４６はフランジ部分の大きな
直径の外側表面２１８ａから放射状管２４８の軸方向の
内側端に延在し、長手方向に外側に延び、ハウジング部
分２１８の垂直な壁表面２２６に開口し、図５に最も良
く示される。垂直壁表面２２６は、ベアリングフランジ
部分２３４の環状表面２５０に接し、放射状管２４８の
端部は、ベアリングフランジ部分２３４内のベアリング
部材の軸方向の供給管２５２に開口して配置されてい
る。ベアリング部材の軸方向の管２５２は、ベアリング
部材のフランジ部分２３４の内側の環状の表面２５０の
それらの開口から延びて、放射状内側に延びて、ラジア
ルベアリングポケット２０２のインレットポート２５６
に開口する、ベアリング部材の放射状管２５４へと延び
る。

【００４１】好ましい形態では、ベアリング部材は４つ
のラジアルベアリング２０１を有し、それぞれのベアリ
ングポケット２０２はボア２３６のまわりに円周状に等
しく間隔をあけられている。ベアリングポケット２０２
は、関連するベアリング部分２１８内の放射状及び軸方
向の供給管２４６と２４８を通して高圧油が供給され、
ベアリング部材２３０内の軸方向及び放射状の供給管２
５２と２５４を通り、中心に配置されたインレットポー
ト２５６を通り、ポケット２０２へ出る。従って、各ベ
アリングポケット２０２はスピンドルユニット２００内
に分離された液圧ラインシステムを有し、高い圧力のベ
アリング流体が供給され、シャフト２０６の負荷に耐え
る。低圧ポケット２３８へ低圧の油を供給するために、
ベアリングフランジ部分２１８は単一の放射状供給管２
５８（図７）を含み、これが表面２１８ａのフランジ部
分に開口し、放射状に内側ボア表面２２４へ延びてい
る。インレット開口２６０は円周状の溝２６２内に形成
され、ベアリングフランジ部分２３４の外部のまわり
で、放射状供給管２５８の排出開口がインレット開口２
６０のひとつと並び、図６及び７に示すようになってい
る。放射状の供給管２６２は、フランジ溝２６２内の関
連する開口２６０からベアリング部材２３０を通り、低
圧ポケット２３８のインレットポート２６４へ延びる。
従って、低圧流体は供給管２５８によって溝２６２へ供
給される。流体は、ひとつの並べられたインレット開口
２６０を通り、その関連する供給管２６０へ、そして溝
２６２内の流れによってインレット開口２６０の残りへ
流れ、低圧流体を残りの供給管２６２へ入れ、ポケット
２３８のポート２６４から出す。低圧流体は、上述した
理由からポケット２３８を充満して保つためだけに利用
されているので、各ポケット２３８に供給する流体の精
密なコントロールはベアリングポケット２０２のように
は重要ではなく、各ポケット２０２は分離した管システ
ムから高圧流体が供給され、ハウジング部分２１８内に
形成されて、支持力の目的のため、低圧流体のための単
一の供給管２５８と反対に、ポケット２３８を充填して
保つ。

【００４２】ベアリング部材の持上がった部分２３２ａ
内のスラストベアリング２０３に高圧油を供給するた
め、ハウジング部分２１８は放射状の供給管２６４（図
７）を含み、表面２１８ａにて開き、放射状にハウジン
グ部分のステップ表面２２８に延びる。ベアリング部材
部分２３２の肩表面２６６はハウジングのステップ表面
２２８と接しており、放射状供給管２６８のためのイン
レット開口を有し、ベアリング部材２３２内に形成さ
れ、供給管２６４と並べられ、放射状に内側に軸方向の
供給管２７０に延びる。供給管２７０は軸方向に内側に
延び、ベアリング部材部分２３２の持上がった環状の表
面２３２ａに開口し、ベアリング流体をシャフトスラス
トカラー２１４の軸方向外側の円周状のスラストベアリ
ング溝２０４に向ける。

【００４３】スラストカラー２１４の軸方向内側側面の
溝２０４は放射状の供給管２７２から高圧油が供給さ
れ、ハウジング部分２１８内のポケット供給管２５８か
ら軸方向に間隔をあけ、表面２１８ａから軸方向の供給
管２７４へ延び、図７に示される通りである。スラスト
ベアリング部材２７６はハウジング部分２１８の後ろ側
内側端に取付けられ、ベアリング部材２３０と類似した
構造を有し、小さな直径部分２７８と大きな直径のフラ
ンジ部分２８０がある。軸方向の供給管２７４は軸方向
の供給管２８２と並べられ、フランジ部分２８０の環状
の表面２８４から延びて、長手方向に内側にシャフトス
ラストカラー２１４から離れて、放射状の供給管２８６
へいく。供給管２８６は放射状に内側に他の軸方向の供
給管２８８へ延び、軸方向の管２８２から放射状内側に
間隔をあけ、流体を向けなおしてシャフトスラストカラ
ー２１４へ、ベアリング流体をスラストベアリング溝２
０４内のインレット開口へ供給し、これはベアリング部
材部分２７８のわずかに持上げられた環状部分２７８ａ
に形成されている。従って、高い圧力のベアリング流体
はシャフトカラー部分２１４の両側の円周状の溝２０４
に供給され、シャフト２０６の軸方向に向けられたスラ
スト負荷を受ける。

【００４４】上述したように、シャフトスラストカラー
部分２１４はベアリングステップ表面２２８から放射状
内側に間隔をあけられ、ドレン領域２９０を提供し、そ
こからスピンドルユニット２００からの油が排出され、
冷却され、フィルターを通され、圧力をかけて送り出さ
れてベアリング２０１と２０３へ、スピンドル及びモー
タユニット２００で利用された作動流体が再循環され
る。ドレン領域２９０はそれらの各側に接しており、ベ
アリング部材部分２３２及び２７８を向け、軸方向内側
にラジアルベアリングポケット２０２と低圧ポケット２
３８から排出された油を受け、放射状外側にスラストベ
アリング溝２０４から、油は領域２９０から吸い出さ
れ、排出開口２９２を通る。スピンドルユニット１０に
似て、ベアリング流体を永久磁石モータから隔離するた
め、モータキャビティ２９４（図７）は、わずかな加圧
空気が提供され、約５ｐｓｉである。スラストベアリン
グ部材２７６は軸方向の貫通ボア２９６を有し、シャフ
ト２０６から表面が放射状に間隔をあけて、それらを通
って延在し、それらの間に小さなクリアランスを提供
し、キャピラリシールを形成し、ベアリング流体が軸方
向内側に、スラストベアリング部材の持上がり部分２７
８ａの放射状内側のキャビティ２９８から移動しないよ
うにする。さらに、静圧フローティングリングシール３
００がスラストベアリング部材２７６の軸方向内側の開
口凹部３０２内に配置され、流体がモータキャビティ２
９４を通ってキャピラリシールを通って漏れるのを防止
する。図５を参照すると、スピンドル及びモータユニッ
ト２００の後端２００ｂは前端２００ａと実質的に類似
した構成を持ち、スラストベアリング２０４に関連する
構成が少ない。従って、シャフト２０６の前端部分のス
ラストカラー部分２１４に類似した対応するスラストカ
ラー部分はシャフト２０６の後端部分にはなく、しか
し、ラジアルベアリングはそれらの管システムを含んで
似ており、シーリングシステムは実質的にそれぞれ対応
しており、従ってここで詳細は説明しない。

【００４５】本発明の特定の実施形態について図示し説
明したけれども、様々な変化と改良が当業者には生じる
ことは認識されるだろうし、これら全ての変化と改良
は、本発明の真の精神と範囲内に含まれ、添付されたク
レームがカバーする。

【図面の簡単な説明】

【図１】ハウジングフレーム内のスピンドルシャフト
とモータを示す本発明による機械加工ツールのための一
体型スピンドル・モータユニットの概略図

【図２】シャフトのための前の静圧ベアリングと、ベ
アリング流体がスピンドルユニットから漏れ出さないよ
うに保つためのシーリングシステムとを示すスピンドル
シャフトの前端の拡大断面図

【図３】スピンドルハウジングの後ろフランジ部分と
後ろベアリング部材との間のシフト可能なベアリングマ
ウントを示す一体型スピンドル・モータユニットの後部
の拡大図

【図４】ラジアルベアリングポケットのためのベアリ
ング流体管を想像線で示す本発明の他の実施形態による
スピンドル・モータユニットの正面立面図

【図５】ロータがスピンドルシャフト上に焼嵌めさ
れ、作動流体の通路を含むモータのロータを示す他の実
施形態によるスピンドル・モータユニットの図４の５−
５線による断面図

【図６】ラジアルベアリングポケットの間の低圧ポケ
ットのためのベアリング流体管を想像線で示す図４に類
似した他の実施形態によるスピンドル・モータユニット
の正面立面図

【図７】実質的に図２のシーリングシステムと類似し
た、回転及びスラストのためのシーリングシステムを示
す他の実施形態によるスピンドル・モータユニットの前
部分の図６の７−７線による拡大断面図

【図８】ラジアルベアリングポケットと、ラジアルベ
アリングポケットの間の低圧ポケットとを示すベアリン
グ部材のひとつの斜視図

【図９】ベアリング部材内のベアリング流体管を想像
線で示す図８のベアリング部材の立面図

【図１０】図８及び９のベアリング部材の図９の１０
−１０線による断面図

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】切削ツールを回転させてワークピースを
切削する機械加工ツールの一体型スピンドル・モータユ
ニットであって、スピンドル及びモータユニットは：ハ
ウジングフレームと；ハウジングフレームに回転すべく
取付けられ、後端と前端とを有し、シャフトの前端に切
削ツールが取付けられ、ワークピースに対して切削動作
を実行するためのスピンドルシャフトと；スピンドルシ
ャフトの両端の間に取付けられたモータの第１部分と；
フレームに取付けられ、モータの第１部分と協同してス
ピンドルシャフトを回転駆動するためのモータの第２の
部分と；シャフトの前端及び後端と隣接し、高圧ベアリ
ング流体が供給され、フレーム内にスピンドルシャフト
を回転すべく取付ける静圧ベアリング部材と；および、
回転するスピンドルの周りにベアリング流体を維持し、
スピンドルユニットから漏れないようにする非接触シー
ルと；を備えていることを特徴とするスピンドル及びモ
ータユニット。
【請求項２】非接触シールは、ラビリンスと空気静圧
フローティングリングシールとの組合わせを含むことを
特徴とする請求項１記載のスピンドル及びモータユニッ
ト。
【請求項３】シールは、前側ベアリングにおいてラビ
リンスシールを含み、蛇行性の通路を画定し、ベアリン
グ流体が漏れ出る際にはその中を通らなければならない
ようになっており、そして、空気静圧フローティングリングシールはスピンドルシャ
フト上でラビリンスシールと隣接し、ラビリンスシール
はフローティングリングシールとスピンドルシャフトに
沿ったベアリングとの間にあり、フローティングリング
シールは高圧空気と共に提供され、シャフトとの間に空
気静圧フィルムを形成することを特徴とする請求項１記
載のスピンドル及びモータユニット。
【請求項４】シールは、スピンドルシャフトの前端及
び後端に間隔を開けて取付けられたリングボディ内に空
気通路を含み、これらは、高圧空気と共に提供され、シ
ャフトとリングシールとの間の空間に空気静圧フィルム
を形成し、空気通路を通ってリングシールとシャフトと
の間の空間へ空気を流すことを特徴とする請求項３記載
のスピンドル及びモータユニット。
【請求項５】静圧ベアリング部材は、シャフトの前端
及び後端の周りに円周状に間隔を開けられた高圧ベアリ
ングポケットを含み、切削動作中のシャフト負荷を支持
し受入れ、そして、高圧ベアリングポケットの間の低圧ポケットがベアリン
グポケットよりも低い圧力の流体と共に提供され、低圧
ポケットは低圧流体で充填されて、スピンドルシャフト
の高速回転中にベアリングポケット内を高い流体圧力に
維持することを特徴とする請求項１記載のスピンドル及
びモータユニット。
【請求項６】シャフトの前端及び後端のひとつの静圧
ベアリング部材のための、シフト可能なベアリングマウ
ントを含み、ワークピースの切削動作中にベアリング部
材のシフトを許容し、シャフトが熱膨張を受けていると
きに、ベアリング部材とシャフト表面との間のクリアラ
ンスを維持し、高い回転速度でのシャフトの適切な支持
力に十分であることを特徴とする請求項１記載のスピン
ドル及びモータユニット。
【請求項７】モータが永久磁石モータで、モータの第
２の部分はステータで、モータの第１の部分はロータ
で、ロータに固定された永久磁石を含み、ロータを貫通
する軸方向のボアでスピンドルシャフト上に取付けられ
ることを特徴とする請求項１記載のスピンドル及びモー
タユニット。
【請求項８】スピンドルシャフトとシャフトに取付け
られるロータボアとの間は焼嵌めされていることを特徴
とする請求項７記載のスピンドル及びモータユニット。
【請求項９】液圧管がロータ内に提供され、高い圧力
の作動流体を受けて、ロータボアを広げて、ロータをシ
ャフト上に取付けることを特徴とする請求項８記載のス
ピンドル及びモータユニット。
【請求項１０】スピンドルシャフトは片端に傾いた表
面を含み、静圧ベアリングがスピンドルシャフトの傾い
た表面に設けられ、軸方向及び放射状方向の負荷を受け
ることを特徴とする請求項１記載のスピンドル及びモー
タユニット。
【請求項１１】スピンドルシャフトはそれを通るよう
に軸方向のボアを有し、大きくされたツールホルダがシ
ャフトの前端にボアのソケット部分を受け、ツールホル
ダはシャフトの前端の大きくされたソケット部分に取付
けることができ、シャフトボア内のツールグリッパは、グリッパが動作さ
れてホルダがソケット内に取付けられ、スピンドル上の
切削ツールを交換すべくホルダが解放されることを特徴
とする請求項１記載のスピンドル及びモータユニット。
【請求項１２】圧力流体源が少なくとも約１０００ｐ
ｓｉの圧力の流体を静圧ベアリングに提供し、モータはキャビティを有し、加圧空気が供給されて、ベ
アリング流体がモータキャビティに漏れ入るのを防止す
ることを特徴とする請求項１記載のスピンドル及びモー
タユニット。
【請求項１３】機械加工ツールの高速切削動作のため
のモータが一体化されたスピンドルユニットであって、
スピンドルユニットは、シャフトを通る中心軸のまわりに回転可能なスピンドル
シャフトが、それに取付けられた切削ツールを回転さ
せ、ワークピースの高速切削を行い；スピンドルシャフ
トを高速で駆動するモータと；スピンドルユニットのハ
ウジングであって、その中にスピンドルシャフトとモー
タが取付けられ；スピンドルシャフトをハウジング内に
回転自在に取付ける静圧ベアリングが軸方向及び放射状
方向の負荷を受け；ベアリングに加圧されたベアリング
流体を供給して、スピンドルシャフトの回転駆動中に発
生する負荷を支持するベアリング流体の供給手段；ベア
リングに近接したラビリンスシールであって、通過すべ
き蛇行性の通路を画定し、スピンドルシャフトの高速回
転中にラビリンスシールの通路を通るベアリング流体の
漏れを制限し；ラビリンスシールに近接する静圧フロー
ティングリングシールであって、加圧空気を受け、スピ
ンドルシャフトとフローティングリングシールとの間の
空間に空気フィルムを形成し、スピンドルシャフトが回
転していないときにラビリンスシールを通って漏れるか
も知れないベアリング流体を、スピンドルユニットから
漏れないようにすることを特徴とするスピンドルユニッ
ト。
【請求項１４】フローティングリングシールは、その
内部に制限された空気通路が形成されたリングボディを
含み、空気供給手段は、高い圧力の空気をリングシールに供給
し、空気はリングボディの制限された空気通路を通っ
て、静圧フィルムをリングシールとスピンドルシャフト
との間の空間に形成し、リングボディを通過するベアリ
ング流体の漏れを制限し、リングをスピンドルシャフト
と同心に保つことを特徴とする請求項１３記載のスピン
ドルユニット。
【請求項１５】静圧ベアリングはシャフトとハウジン
グとに円錐状の表面を含むことを特徴とする請求項１３
記載のスピンドルユニット。
【請求項１６】モータはハウジングに取付けられたス
テータと、スピンドルシャフト上のロータを含み、ロー
タはそれに固定された永久磁石を含むことを特徴とする
請求項１３記載のスピンドルユニット。
【請求項１７】ロータは拡張可能なボアとボアに高い
圧力の作動流体を適用する液圧管システムとを有し、ロ
ータをスピンドルシャフト上に取付けるために、ロータ
ボアを管システムに高い圧力の作動流体を適用すること
で広げ、ロータをスピンドルシャフト上にて固定された
ステータに対して適切な位置に配向し、高い圧力の液圧
を除去し、ロータがスピンドルシャフト上に堅くグリッ
プし共に回転するようにしたことを特徴とする請求項１
６記載のスピンドルユニット。
【請求項１８】モータはパワー出力容量定格が少なく
とも１００馬力であることを特徴とする請求項１３記載
のスピンドルユニット。
【請求項１９】４つの静圧ベアリングポケットがスピ
ンドルシャフトのまわりの表面に形成されていることを
特徴とする請求項１３記載のスピンドルユニット。
【請求項２０】４つの低圧ポケットがスピンドルシャ
フトのまわりの表面に形成され、低圧ポケットはベアリ
ングポケットの間で、切削動作中に低圧流体で満たさ
れ、ベアリングポケットの高い流体圧力をスピンドルシ
ャフトが高速で回転したときに維持することを特徴とす
る請求項１９記載のスピンドルユニット。
【請求項２１】スピンドルシャフトは、切削ツールに
隣接した近接部分と、近接部分から所定の距離だけ軸方
向に間隔をあけられた遠隔部分とを有し、静圧ベアリン
グはシャフトの近接部分とシャフトの遠隔部分のまわり
に配置されていることを特徴とする請求項１３記載のス
ピンドルユニット。
【請求項２２】ベアリングのためのシフト可能なベア
リングマウントを少なくともひとつのシャフトの近接又
は遠隔部分に有し、ベアリングのシフトを許容し、スピ
ンドルシャフトの高速切削動作中の熱膨張に追従するこ
とを特徴とする請求項２１記載のスピンドルユニット。
【請求項２３】モータは第１のモータ部分をスピンド
ルシャフト上の近接及び遠隔部分の間に有し、第２のモ
ータ部分をハウジングに有して第１のモータ部分と協同
して、スピンドルシャフトを２０，０００ｒｐｍまでの
高速で回転させ、スピンドルシャフト部分の間の所定の
距離は十分に小さく、シャフトがスタートアップから２
０，０００ｒｐｍまでの駆動中に高速共振のシャフトの
振動の発生を防止するようにしたことを特徴とする請求
項２１記載のスピンドルユニット。
【請求項２４】モータは永久磁石モータで、モータの
第１の部分はロータで、モータの第２の部分はステータ
で、永久磁石をロータに固定されていることを特徴とす
る請求項２３記載のスピンドルユニット。
【請求項２５】モータはパワー出力容量定格が切削ツ
ールにおいて少なくとも１００馬力で、シャフトの近接
部分及びシャフトの遠隔部分の静圧ベアリングは少なく
とも１６インチの距離をあけていることを特徴とする請
求項２３記載のスピンドルユニット。
【請求項２６】機械加工ツールで高速切削動作をする
ためのスピンドルユニットであって、スピンドルユニッ
トは：スピンドルハウジングと；ハウジング内に回転自
在に取付けられ、切削ツールを回転させてワークピース
を切削するためのスピンドルシャフトと；スピンドルシ
ャフトをハウジング内に回転自在に取付ける静圧ベアリ
ング部材と；ベアリング部材内にスピンドルシャフトの
まわりに形成された高圧ベアリングポケットであって、
高い圧力のベアリング液を受け、シャフトを回転中に支
持するものと；そして、ベアリング部材内にスピンドルシャフトのまわりにベア
リングポケットの間に形成された低圧ポケットであっ
て、低い圧力のベアリング液をその中に受け、低圧ポケ
ットは低圧ベアリング液で満たされた状態に保たれ、ベ
アリングポケットにおいてスピンドルシャフトの高速回
転中に高い流体圧力を維持することを特徴とするスピン
ドルユニット。
【請求項２７】静圧ベアリング部材がスピンドルシャ
フトを取囲むラジアルベアリングを含み、そしてさらに
スピンドルシャフトにはスラストカラーが備えられ、静圧スラストベアリングがスラストカラーと協同して、
スピンドルシャフトからスラスト負荷を受けることを特
徴とする請求項２６記載のスピンドルユニット。
【請求項２８】ハウジングはモータキャビティを含
み、ハウジングキャビティ内の一体化されたモータがス
ピンドルシャフトを高速で駆動し、モータはハウジング
に固定されたステータと拡張可能なボアを有するロータ
と、ロータのボアを拡張させるための静圧管システム
と、高い圧力の作動流体をロータの管システム内に適用
して、ロータをシャフト上の所定の位置にステータに対
して配向させ、高い圧力の液圧を管システムから除去す
ることでロータをシャフト上の所定の位置に固定し、ロ
ータが堅くスピンドルシャフトをグリップすることを許
容することを特徴とする請求項２６記載のスピンドルユ
ニット。
【請求項２９】スピンドルシャフトに対して非接触で
間隔をあけたシールを含み、モータキャビティのいずれ
かの側にシールを提供し、空気の通路を有するリングボ
ディを含み、これに加圧された空気が供給されて、リン
グボディとスピンドルシャフトとの間に空気のバリアを
形成し、ベアリング流体がモータキャビティ内に漏れる
のを防止することを特徴とする請求項２８記載のスピン
ドルユニット。
【請求項３０】高い圧力のベアリングポケットはスピ
ンドルシャフトのラジアル負荷を受け、少なくともひと
つのベアリング部材がスラストベアリング領域を含み、
高い圧力の油を供給されて、スピンドルシャフトの軸方
向の負荷を受けることを特徴とする請求項２６記載のス
ピンドルユニット。
【請求項３１】スピンドルシャフトに対して非接触に
間隔をあけたシールを含み、スピンドルユニット内にベ
アリング流体を保ち、切削動作中に切削ツールから隔離
させるようにしたことを特徴とする請求項２６記載のス
ピンドルユニット。
【請求項３２】ラビリンスシールをベアリングに隣接
して含み、蛇行性の通路を形成し、それを通ってベアリ
ング流体は漏れるように通らなければならず、ラビリン
スシールに隣接して静圧フローティングリングシールを
含む非接触シールが、ラビリンスシールはフローティン
グリングシールとスピンドルシャフトに沿ったベアリン
グの間にあり、フローティングリングシールは加圧空気
と共に提供され、シャフトとリングシールの間に空気バ
リアを形成し、ラビリンスシールを漏れ出たベアリング
流体をスピンドルハウジング内に保つことを特徴とする
請求項３１記載のスピンドルユニット。