(57)【要約】【課題】加工精度を向上できる工作機械の主軸装置の提供。【解決手段】主軸装置の主軸１は、回転軸受２によりラジアル方向に支持されるとともに、スラスト軸受パッド３により回転軸Ｃ方向に支承される。スラスト軸受パッド３には上下方向に延びる流体管路３１が形成されており、導入部６１の導入管路６２から供給されたエア圧が流体管路３１を介して主軸１の下面に噴射されている。流体管路３１から分岐された噴出路３７は、スラスト軸受パッド３の下端部に取り付けられた圧電アクチュエータ５の上端部に開口しており、流体管路３１と噴出路３７との間にはリリーフバルブ４が設けられている。リリーフバルブ４は流体管路３１内のエア圧が所定値以下の場合は閉弁し、流体管路３１内のエア圧が所定値を超えた場合に開弁して、噴出路３７を介してエア圧が圧電アクチュエータ５に直射され、圧電アクチュエータ５を冷却する。【選択図】図１
2010064201.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主軸と、
該主軸を回転可能に支承する回転軸受と、
前記主軸に対して回転軸方向に対向するとともに、前記主軸との対向面に開口する流体管路を備え、該流体管路に流体圧源からの流体圧を供給することにより、流体圧が前記主軸に向けて噴射され、前記主軸から離れた状態で、前記主軸を回転軸方向に支承するスラスト軸受パッドと、
基体に取り付けられるとともに、前記スラスト軸受パッドに接続された圧電素子であって、電力が印加されることにより伸縮して前記スラスト軸受パッドを前記基体に対して移動させ、前記スラスト軸受パッドの前記主軸に対する距離を変化させることにより、前記主軸に噴射される流体圧による付勢力を増減して前記主軸の軸方向位置を変化させる圧電素子と、
を備えた工作機械の主軸装置において、
前記流体圧源からの流体圧を前記圧電素子の周辺にも流動させることにより、前記圧電素子の作動による発熱を奪い、前記圧電素子の温度を低下させることを特徴とする工作機械の主軸装置。
【請求項２】
前記スラスト軸受パッドは、
前記流体管路から分岐して延び、前記圧電素子の周辺に向けて開口する冷却管路と、
前記流体管路上または前記冷却管路上に設けられ、前記流体管路内の流体圧が所定値以下の場合には閉弁することにより、前記圧電素子の周辺への流体圧の供給を遮断し、前記流体管路内の流体圧が前記所定値を超えた場合には開弁して、前記流体圧源からの流体圧を前記流体管路および前記冷却管路を介して前記圧電素子の周辺に流動させる分岐弁と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の工作機械の主軸装置。
【請求項３】
前記スラスト軸受パッドは前記圧電素子の外周面を取り囲む冷却空間を備え、前記冷却空間に前記冷却管路が接続されていることを特徴とする請求項２に記載の工作機械の主軸装置。
【請求項４】
前記基体は、
前記主軸の回転軸を中心とした場合において、前記スラスト軸受パッドの半径方向外方を覆う導入部と、
該導入部から前記主軸に対して離れる方向へと筒状に延びるブリッジ部と、
該ブリッジ部から半径方向内方へと平板状に延びる排出部とを具備しており、
前記圧電素子は前記スラスト軸受パッドの前記主軸から離れた側の端部と前記排出部の半径方向内端とを連結して、前記主軸の回転軸方向に延びるように取り付けられ、前記圧電素子の外周面と前記ブリッジ部の内周面とが半径方向に対向することにより、前記スラスト軸受パッドの端面、前記ブリッジ部の内周面、前記排出部および前記圧電素子の外周面により筒状の流動空間が形成され、
前記導入部、前記ブリッジ部および前記排出部の少なくとも何れかは、前記流動空間の流体を前記流動空間から前記流動空間の外部へ排出する排出路を有し、
前記冷却空間は前記圧電素子の前記主軸側の端部において前記冷却管路と接続されるとともに、前記圧電素子の外周面に沿って延びて前記流動空間に連通していることを特徴とする請求項３に記載の工作機械の主軸装置。
【請求項５】
前記基体は、
前記主軸の回転軸を中心とした場合において、前記スラスト軸受パッドの半径方向外方を覆う導入部と、
該導入部から前記主軸に対して離れる方向へと筒状に延びるブリッジ部と、
該ブリッジ部から半径方向内方へと平板状に延びる排出部とを具備しており、
前記圧電素子は前記スラスト軸受パッドの前記主軸から離れた側の端部と前記排出部の半径方向内端とを連結して、前記主軸の回転軸方向に延びるように取り付けられ、前記圧電素子の外周面と前記ブリッジ部の内周面とが半径方向に対向することにより、前記スラスト軸受パッドの端面、前記ブリッジ部の内周面、前記排出部および前記圧電素子の外周面により筒状の流動空間が形成され、
前記導入部は、その内周面に開口し、前記流体圧源による流体圧を前記スラスト軸受パッドの外周面に開口した前記流体管路へ供給する流体導入管路を備え、
前記排出部は、前記スラスト軸受パッドの外周面よりも半径方向内方に位置する部位に開口する排出路を有し、
前記流体導入管路に供給された流体圧の一部は、前記導入部の内周面と前記スラスト軸受パッドの外周面との間を通過して前記流動空間へと進入した後、前記排出路を通って外部へと排出されることを特徴とする請求項１または２に記載の工作機械の主軸装置。
【請求項６】
前記導入部の内周面と前記スラスト軸受パッドの外周面との間には、前記流体導入管路よりも前記主軸側において、前記導入部と前記スラスト軸受パッドとの間からの流体圧の流出を防ぐシール部材が設けられていることを特徴とする請求項５に記載の工作機械の主軸装置。
【請求項７】
主軸と、
該主軸を回転可能に支承する回転軸受と、
前記主軸に対して回転軸方向に対向するとともに、前記主軸との対向面に開口する流体管路を備え、該流体管路に流体圧源からの流体圧を供給することにより、流体圧が前記主軸に向けて噴射され、前記主軸から離れた状態で、前記主軸を回転軸方向に支承するスラスト軸受パッドと、
基体に取り付けられるとともに、前記スラスト軸受パッドに接続された圧電素子であって、電力が印加されることにより伸縮して前記スラスト軸受パッドを前記基体に対して移動させ、前記スラスト軸受パッドの前記主軸に対する距離を変化させることにより、前記主軸に噴射される流体圧による付勢力を増減して前記主軸の軸方向位置を変化させる圧電素子と、
を備えた工作機械の主軸装置において、
前記スラスト軸受パッドは、
前記流体管路から分岐して延びて前記圧電素子の周辺に向けて開口するとともに、前記流体管路に供給された流体圧を前記圧電素子の周辺に流動させることにより、前記圧電素子の作動による発熱を奪い、前記圧電素子の温度を低下させる冷却管路と、
前記流体管路上に設けられ、前記流体管路を通過して前記主軸に向けて噴射される流体量を一定に保持する流量調整機構と、
を備えたことを特徴とする工作機械の主軸装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主軸を流体の圧力により支持する工作機械の主軸装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
工作機械において、主軸を回転可能に支承するジャーナル軸受と、軸方向に支持するスラスト軸受とを備えた主軸装置に関する従来技術があった（例えば、特許文献１参照）。これは、上下軸を中心に回転する主軸の下端部に対して、スラスト軸受が軸方向に対向し、スラスト軸受の上端面に形成された給気孔からポンプ空気圧が噴出し、主軸を上方に浮揚させて支持している。
【０００３】
またこの主軸装置は、位置検出器により主軸端部の位置を検出し、検出された主軸の位置に基いて、制御装置が圧電素子により形成されたアクチュエータを作動させ、主軸とスラスト軸受との間の距離をフィードバック制御している。
一般に加工中の主軸は、ワークや刃具から様々な振動を受けてその軸方向位置が変動しやすく、主軸の位置変動は加工品の寸法精度を低下させる。このため、上述した従来技術による主軸装置においては、加工品の寸法精度を維持するために、検出した主軸位置に基づき、アクチュエータを作動させてスラスト軸受の位置を変化させ、空気圧によりスラスト軸受から主軸に加えられる付勢力を変化させて、主軸の位置を修正している。
【特許文献１】特開平８−４７６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、主軸位置の修正のためにアクチュエータは頻繁に作動し、アクチュエータを構成する圧電素子は伸縮を繰り返す。圧電素子は作動により発熱を伴い、発生した熱は圧電素子から他部材へと伝わり、スラスト軸受に伝達した熱はスラスト軸受を伸長させる。スラスト軸受が延びると、主軸へ供給される空気圧により主軸に加えられる付勢力が変化するため、主軸の先端に取り付けられた刃具あるいはワークの位置をくるわせる場合がある。特に、昨今は主軸の高速回転化が要求され、高回転に伴い主軸の振動周波数も増大し、アクチュエータの圧電素子は一層頻繁に伸縮を繰り返し、圧電素子による発熱の問題は深刻さを増している。
【０００５】
この対策として、発熱した圧電素子を冷却することが考えられるが、冷却するための冷却媒体の発生源や供給路を新たに設ける必要があり、主軸装置全体の大型化および高コスト化が避けられなかった。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、加工精度を向上できる工作機械の主軸装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
以下、上記課題を解決するのに適した各手段につき、必要に応じて作用効果等を付記しつつ説明する。
（手段１）手段１に係る工作機械の主軸装置は、
主軸と、
該主軸を回転可能に支承する回転軸受と、
前記主軸に対して回転軸方向に対向するとともに、前記主軸との対向面に開口する流体管路を備え、該流体管路に流体圧源からの流体圧を供給することにより、流体圧が前記主軸に向けて噴射され、前記主軸から離れた状態で、前記主軸を回転軸方向に支承するスラスト軸受パッドと、
基体に取り付けられるとともに、前記スラスト軸受パッドに接続された圧電素子であって、電力が印加されることにより伸縮して前記スラスト軸受パッドを前記基体に対して移動させ、前記スラスト軸受パッドの前記主軸に対する距離を変化させることにより、前記主軸に噴射される流体圧による付勢力を増減して前記主軸の軸方向位置を変化させる圧電素子と、
を備えた工作機械の主軸装置において、
前記流体圧源からの流体圧を前記圧電素子の周辺にも流動させることにより、前記圧電素子の作動による発熱を奪い、前記圧電素子の温度を低下させている。
【０００７】
したがって、手段１に係る工作機械の主軸装置によれば、流体圧源からの流体圧を主軸を回転軸方向に支承するために使用するとともに、圧電素子の周辺にも流動させているため、圧電素子が冷却されてスラスト軸受パッドの加熱による伸長が防止され、主軸の位置のくるいが低減されることにより加工精度を向上させることができる。また、冷却媒体の発生源を新たに設ける必要がなく、主軸装置の小型化および低コスト化が可能になる。
【０００８】
ここにおいて、流体圧を圧電素子の周辺に流動させるというのは、流体圧を圧電素子に対して直接に触れる状態で流動させる場合と、流体圧と圧電素子との間にスラスト軸受パッドの一部等が介在した状態で、流体圧を圧電素子の近傍に流動させる場合とを含んでいる。すなわち本発明において、流体圧を圧電素子の周辺に流動させるとは、流動する流体圧が直接的であれ間接的であれ圧電素子から熱を奪う状態を意味している。
【０００９】
（手段２）手段１に記載の工作機械の主軸装置において、
前記スラスト軸受パッドは、
前記流体管路から分岐して延び、前記圧電素子の周辺に向けて開口する冷却管路と、
前記流体管路上または前記冷却管路上に設けられ、前記流体管路内の流体圧が所定値以下の場合には閉弁することにより、前記圧電素子の周辺への流体圧の供給を遮断し、前記流体管路内の流体圧が前記所定値を超えた場合には開弁して、前記流体圧源からの流体圧を前記流体管路および前記冷却管路を介して前記圧電素子の周辺に流動させる分岐弁と、
を備えている。
【００１０】
したがって、手段２に係る工作機械の主軸装置によれば、流体管路内の流体圧が所定値以下の場合には分岐弁が閉弁することにより、主軸を付勢する流体圧を確保することができる。また、流体管路内の流体圧が所定値を超えた場合には分岐弁が開弁することにより、所定の流体圧により主軸を付勢するとともに、余剰流体圧を利用して圧電素子を効率的に冷却することができる。
【００１１】
（手段３）手段２の工作機械の主軸装置において、
前記スラスト軸受パッドは前記圧電素子の外周面を取り囲む冷却空間を備え、前記冷却空間に前記冷却管路が接続されている。
したがって、手段３に係る工作機械の主軸装置によれば、冷却管路を介して冷却空間に進入した流体が圧電素子の外周面を取り囲むことにより、その冷却性をいっそう向上させることができる。
【００１２】
（手段４）手段３の工作機械の主軸装置において、
前記基体は、
前記主軸の回転軸を中心とした場合において、前記スラスト軸受パッドの半径方向外方を覆う導入部と、
該導入部から前記主軸に対して離れる方向へと筒状に延びるブリッジ部と、
該ブリッジ部から半径方向内方へと平板状に延びる排出部とを具備しており、
前記圧電素子は前記スラスト軸受パッドの前記主軸から離れた側の端部と前記排出部の半径方向内端とを連結して、前記主軸の回転軸方向に延びるように取り付けられ、前記圧電素子の外周面と前記ブリッジ部の内周面とが半径方向に対向することにより、前記スラスト軸受パッドの端面、前記ブリッジ部の内周面、前記排出部および前記圧電素子の外周面により筒状の流動空間が形成され、
前記導入部、前記ブリッジ部および前記排出部の少なくとも何れかは、前記流動空間の流体を前記流動空間から前記流動空間の外部へ排出する排出路を有し、
前記冷却空間は前記圧電素子の前記主軸側の端部において前記冷却管路と接続されるとともに、前記圧電素子の外周面に沿って延びて前記流動空間に連通している。
【００１３】
したがって、手段４に係る工作機械の主軸装置によれば、圧電素子の外周面が冷却空間および流動空間により覆われることにより、外周面全体を流体にさらすことができ、その冷却性がさらに向上する。また、冷却管路から圧電素子に対して流体が直射されるため、その冷却性がいっそう向上する。
【００１４】
（手段５）手段１または２に記載の工作機械の主軸装置において、
前記基体は、
前記主軸の回転軸を中心とした場合において、前記スラスト軸受パッドの半径方向外方を覆う導入部と、
該導入部から前記主軸に対して離れる方向へと筒状に延びるブリッジ部と、
該ブリッジ部から半径方向内方へと平板状に延びる排出部とを具備しており、
前記圧電素子は前記スラスト軸受パッドの前記主軸から離れた側の端部と前記排出部の半径方向内端とを連結して、前記主軸の回転軸方向に延びるように取り付けられ、前記圧電素子の外周面と前記ブリッジ部の内周面とが半径方向に対向することにより、前記スラスト軸受パッドの端面、前記ブリッジ部の内周面、前記排出部および前記圧電素子の外周面により筒状の流動空間が形成され、
前記導入部は、その内周面に開口し、前記流体圧源による流体圧を前記スラスト軸受パッドの外周面に開口した前記流体管路へ供給する流体導入管路を備え、
前記排出部は、前記スラスト軸受パッドの外周面よりも半径方向内方に位置する部位に開口する排出路を有し、
前記流体導入管路に供給された流体圧の一部は、前記導入部の内周面と前記スラスト軸受パッドの外周面との間を通過して前記流動空間へと進入した後、前記排出路を通って外部へと排出される。
【００１５】
したがって、手段５に係る工作機械の主軸装置によれば、導入部の内周面とスラスト軸受パッドの外周面との間を通過して流動空間へと進入した流体圧は、排出路を通るためにスラスト軸受パッドの外周面から半径方向内方へと進んで、流動空間内に露出した圧電素子の外周面へ触れやすくなり、その冷却性をさらに向上させることができる。
【００１６】
（手段６）手段５の工作機械の主軸装置において、
前記導入部の内周面と前記スラスト軸受パッドの外周面との間には、前記流体導入管路よりも前記主軸側において、前記導入部と前記スラスト軸受パッドとの間からの流体圧の流出を防ぐシール部材が設けられている。
【００１７】
したがって、手段６に係る工作機械の主軸装置によれば、シール部材の働きにより、流体導入管路に供給された流体が、導入部とスラスト軸受パッドとの間を介して流体管路と流動空間のみに流れ込むため、主軸を支承させるとともに圧電素子を冷却する目的のために流体導入管路に供給された流体を有効的に利用できる。
【００１８】
（手段７）手段７に係る工作機械の主軸装置は、
主軸と、
該主軸を回転可能に支承する回転軸受と、
前記主軸に対して回転軸方向に対向するとともに、前記主軸との対向面に開口する流体管路を備え、該流体管路に流体圧源からの流体圧を供給することにより、流体圧が前記主軸に向けて噴射され、前記主軸から離れた状態で、前記主軸を回転軸方向に支承するスラスト軸受パッドと、
基体に取り付けられるとともに、前記スラスト軸受パッドに接続された圧電素子であって、電力が印加されることにより伸縮して前記スラスト軸受パッドを前記基体に対して移動させ、前記スラスト軸受パッドの前記主軸に対する距離を変化させることにより、前記主軸に噴射される流体圧による付勢力を増減して前記主軸の軸方向位置を変化させる圧電素子と、
を備えた工作機械の主軸装置において、
前記スラスト軸受パッドは、
前記流体管路から分岐して延びて前記圧電素子の周辺に向けて開口するとともに、前記流体管路に供給された流体圧を前記圧電素子の周辺に流動させることにより、前記圧電素子の作動による発熱を奪い、前記圧電素子の温度を低下させる冷却管路と、
前記流体管路上に設けられ、前記流体管路を通過して前記主軸に向けて噴射される流体量を一定に保持する流量調整機構と、
を備えた。
【００１９】
したがって、手段７に係る工作機械の主軸装置によれば、流体管路を通過して主軸に向けて噴射される流体量を一定に保持する流量調整機構を備えているため、主軸を軸方向に支持するために必要な流体量を確保することができる。また、流体管路に供給された流体量のうち流量調整機構を通過しない余剰分を圧電素子の周辺に流動させることにより、所定の流体量により主軸を付勢するとともに、余剰流体を利用して圧電素子を冷却することができる。これにより、流体圧源を複数個設けることなく、スラスト軸受パッドによる主軸の軸方向の軸受作動と圧電素子の冷却作動とを十分に機能させ、双方を両立させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
＜実施形態１＞
図１乃至図３に基づき、本発明の実施形態１による工作機械の主軸装置について説明する。尚、図１において、流体圧管路は実線による矢印にて表し、電気的接続は破線による矢印にて表している。また、説明中において、図１における上方を主軸装置の上方として説明する。
【００２１】
図１に示すように、本実施形態による工作機械の主軸装置は、図示しない電動モータと接続され、回転軸Ｃを中心に回転可能な主軸１（本発明の主軸に該当する）を備えている。主軸１の半径方向外方には、主軸１を挟むように互いに対向した一対の回転軸受２（本発明の回転軸受に該当する）が設けられている。各々の回転軸受２は、外周面から半径方向内方へと延びたエア供給路２１と、内周面が僅かに削られて形成されエア供給路２１と連通する支承室２２とを備えている。これにより、図示しないエアポンプから供給されたエア圧がエア供給路２１を介して支承室２２に導入され、主軸１に対し噴出されることにより、主軸１は回転軸受２から離れた状態でラジアル方向に回転可能に支承される。
【００２２】
スラスト軸受パッド３（本発明のスラスト軸受パッドに該当する）は、主軸１の回転軸Ｃを中心として略ドーナツ状に形成されている。スラスト軸受パッド３は、主軸１に対して回転軸Ｃ方向に対向するとともに、所定距離だけ離れており、上下方向に移動可能な状態で設けられている。
【００２３】
図２および図３に拡大して示すように、スラスト軸受パッド３の内部には、回転軸受２と同様にエア圧が供給される流体管路３１（本発明の流体管路に該当する）が、円周上に等間隔に複数個形成されている。各々の流体管路３１はスラスト軸受パッド３内を上下方向に延び、上端において主軸１との対向面３ａに開口するとともに、下端においては供給されたエア圧が流出しないように、合成ゴム等により形成された閉蓋３２が気密的に装着されている。流体管路３１の上端部には、供給されたエアが絞られて高圧で噴出されるように小径部３１ａが形成されている。それぞれの流体管路３１は分岐して、スラスト軸受パッド３の半径方向外方へと延びるインレット部３１ｂを有し、インレット部３１ｂはスラスト軸受パッド３の外周面３ｂに開口している。
【００２４】
また、少なくともいずれか１つの流体管路３１からは、分岐流路３３が半径方向内方へと枝分かれしている。分岐流路３３にはスラスト軸受パッド３の内周面３ｃに貫通した空間であるバルブチャンバ３４が連通しており、バルブチャンバ３４内には、リリーフバルブ４（本発明の分岐弁に該当する）が形成されている。
【００２５】
バルブチャンバ３４は分岐流路３３と接続されたテーパ部３４ａと、テーバ部３４ａに接続された円柱状のバルブ収容部３４ｂを有している。テーパ部３４ａには、リリーフバルブ４を形成する鋼球４１が内蔵され、鋼球４１には同じくリリーフバルブ４を形成するバルブスプリング４２の一端が接続されている。バルブスプリング４２の他端にはバルブ栓４３が連結されており、バルブスプリング４２は鋼球４１とバルブ栓４３との間で圧縮され、鋼球４１を所定の荷重で押圧している。バルブ栓４３は合成ゴム等により形成され、バルブ収容部３４ｂの開口部に装着されることにより、バルブチャンバ３４を気密的に閉塞している。
【００２６】
スラスト軸受パッド３の下端部（主軸１から離れた側の端部）の内方には、所定の容積を備えた空間である素子格納部３５が形成されている。素子格納部３５には、水晶、ロッシェル塩、圧電セラミックス等の圧電素子により形成された圧電アクチュエータ５（本発明の圧電素子に該当する）の上方側が装着されている。圧電アクチュエータ５は回転軸Ｃ方向に延びるように略円筒状を呈しており、およそ下半分がスラスト軸受パッド３の下端面３ｄから突出している。
【００２７】
また、スラスト軸受パッド３において、素子格納部３５の周囲には円環状の冷却空間３６（本発明の冷却空間に該当する）が形成されている。冷却空間３６は、圧電アクチュエータ５の外周面５ａの上半部を取り囲むように素子格納部３５の外周面全周に形成されている。冷却空間３６は、素子格納部３５に圧電アクチュエータ５が装着された場合に、圧電アクチュエータ５の外周面５ａに沿って延び、後述する流動空間６９に連通している。
【００２８】
さらに、バルブチャンバ３４と冷却空間３６とは噴出路３７により接続されている（分岐流路３３と噴出路３７とを包括して、本発明の冷却管路に該当する）。噴出路３７はバルブチャンバ３４から斜め下方へと延び、冷却空間３６の上端部（主軸１側の端部）に連通しており、素子格納部３５に装着された圧電アクチュエータ５の上端部に向けて開口している。
【００２９】
上述した構成により、流体管路３１内のエア圧がリリーフバルブ４の開弁圧である所定値（バルブスプリング４２が鋼球４１を押圧する荷重により決定される）以下の場合には、リリーフバルブ４が閉弁した状態となり、流体管路３１と噴出路３７との間の連通を遮断する。また、流体管路３１内のエア圧が所定値を越えると、リリーフバルブ４が開弁することにより噴出路３７を流体管路３１と連通させる。
【００３０】
一方、固定物である主軸ハウジング６（本発明の基体に該当する）は、回転軸Ｃを中心とした場合の、スラスト軸受パッド３の半径方向外方を覆う導入部６１（本発明の導入部に該当する）と、導入部６１から下方へと筒状に延びるブリッジ部６７（本発明のブリッジ部に該当する）と、ブリッジ部６７から半径方向内方へと平板状に延びる底部６８（本発明の排出部に該当する）とを具備している。
【００３１】
図２および図３に示すように、導入部６１はスラスト軸受パッド３の外周面３ｂから所定距離だけ離れて、その周囲全体を取り囲むようにリング状に形成されている。導入部６１には、その外周面６１ａと内周面６１ｂとを繋ぐように導入管路６２（本発明の流体導入管路に該当する）が形成されており、導入管路６２はスラスト軸受パッド３と導入部６１との間の間隙を介して、スラスト軸受パッド３に形成されたインレット部３１ｂへと連通している。導入部６１の内周面６１ｂにおける導入管路６２の開口部には、座刳り部６３が形成されている。座刳り部６３は導入部６１の内周面６１ｂ全周に渡ってリング状に形成されており、この座刳り部６３により、導入部６１に対するスラスト軸受パッド３の回転軸Ｃ方向への少々の移動にかかわらず、インレット部３１ｂと導入管路６２との連通が維持される。
【００３２】
また、スラスト軸受パッド３の外周面３ｂと対向する導入部６１の内周面６１ｂには、導入管路６２よりも上方側に位置するように、シール溝６４が形成されている。シール溝６４は内周面６１ｂの全周に渡ってリング状に形成され、その断面は矩形状を呈している。
シール溝６４内にはその底面に気密的に接するように、合成ゴム等により形成されたＯリング６５が設けられている。さらに、Ｏリング６５とスラスト軸受パッド３の外周面３ｂとの間には、テフロン等の弾性力を有した合成樹脂材料にて形成された角シールリング６６（Ｏリング６５および角シールリング６６を包括して、本発明のシール部材に該当する）が設けられており、角シールリング６６はＯリング６５から半径方向内方への付勢力を受けている。Ｏリング６５と角シールリング６６は、導入部６１の内周面６１ｂとスラスト軸受パッド３の外周面３ｂとの間の間隙を通過することによる、導入管路６２よりも上方へのエア圧の流出を防いでいる。角シールリング６６は、スラスト軸受パッド３の外周面３ｂに対する摩擦抵抗が低いため、スラスト軸受パッド３の導入部６１に対する相対移動にかかわらず、双方の間のシール性を確保できる。
【００３３】
上述したように、主軸ハウジング６を形成するブリッジ部６７は導入部６１から下方へと筒状に延び、底部６８はブリッジ部６７から半径方向内方へと平板状に延びている。また、圧電アクチュエータ５の下端部は底部６８の半径方向内端に取り付けられている。これにより、圧電アクチュエータ５の外周面５ａとブリッジ部６７の内周面６７ａとが半径方向に対向することにより、スラスト軸受パッド３の下端面３ｄ、導入部６１の下端面、ブリッジ部６７の内周面６７ａ、底部６８の上端面６８ａおよび圧電アクチュエータ５の外周面５ａにより筒状の流動空間６９（本発明の流動空間に該当する）が形成されている。この場合、ブリッジ部６７の内周面６７ａをもっと小径にし、スラスト軸受パッド３の下端面３ｄ、ブリッジ部６７の内周面６７ａ、底部６８の上端面６８ａおよび圧電アクチュエータ５の外周面５ａのみにより流動空間６９を形成するようにしてもよい。
また、底部６８は、スラスト軸受パッド３の外周面３ｂよりも半径方向内方に位置する部位に、上下方向（主軸１の回転軸Ｃ方向）に貫通する排出路７０（本発明の排出路に該当する）を有している。
【００３４】
図１に戻って、導入部６１の外周面６１ａにおける導入管路６２の開口には、エアポンプユニットＰＵ（本発明の流体圧源に該当する）が接続されており、導入管路６２内にエアポンプユニットＰＵにより発生されたエア圧が供給可能とされている。エアポンプユニットＰＵは駆動回路を含んでいるとともに、コントローラＥＣと電気的に接続されており、コントローラＥＣにより発信される駆動信号により回転制御される。
【００３５】
また、スラスト軸受パッド３の半径方向内方には、非接触式の位置検出器ＤＳが設けられている。位置検出器ＤＳは主軸ハウジング６に対する主軸１の位置を検出するためのものであり、主軸ハウジング６に固定されている。位置検出器ＤＳは渦電流式の位置センサまたは静電容量式の位置センサもしくはレーザー式の位置センサ等が使用され、主軸１に触れることなしに主軸１の位置を検出することができる。位置検出器ＤＳはコントローラＥＣと電気的に接続されており、位置検出器ＤＳによる検出信号はコントローラＥＣに入力される。
また、コントローラＥＣには圧電アクチュエータ５も電気的に接続されており、コントローラＥＣが発信する作動信号により、圧電アクチュエータ５が作動する。
【００３６】
次に、本実施形態による主軸装置の作動方法について説明する。回転軸受２のエア供給路２１に印加されたエア圧は、支承室２２を介して主軸１の外周面に噴出され、電動モータにより回転される主軸１を支承している。
それとともに、導入部６１の外周面６１ａに形成された導入管路６２の開口から、エアポンプユニットＰＵにより発生されたエア圧が供給される。コントローラＥＣはエアポンプユニットＰＵが吐出するエア圧が一定値となるように、エアポンプユニットＰＵの作動を制御している。導入管路６２に導入されたエア圧の大部分は、導入管路６２からスラスト軸受パッド３のインレット部３１ｂを介して流体管路３１内へと供給される。
【００３７】
上述したように、流体管路３１内のエア圧が所定値以下の場合にはリリーフバルブ４が閉弁しているため、冷却空間３６へのエア圧の供給が遮断される。流体管路３１内へ印加されたエア圧は小径部３１ａから主軸１の下面へと噴出されて主軸１を押圧し、スラスト軸受パッド３は主軸１から離れた状態で主軸１を回転軸Ｃ方向に支承する。
【００３８】
それとともに、コントローラＥＣは、位置検出器ＤＳからの検出信号に基づき主軸１の位置を制御している。例えば、主軸１が加工時に受ける振動等により変位したことを、位置検出器ＤＳからの検出信号に基づいてコントローラＥＣが認識した場合、圧電アクチュエータ５に電力を印加して伸縮させ、スラスト軸受パッド３を主軸ハウジング６に対して移動させ、スラスト軸受パッド３の主軸１に対する距離を変化させることにより、主軸１に噴射されるエア圧による付勢力を増減して主軸１の回転軸Ｃ方向の位置を変化させる。
【００３９】
また、導入管路６２に導入されたエア圧の一部は、導入部６１の内周面６１ｂとスラスト軸受パッド３の外周面３ｂとの間の間隙を通過して、下方へと進み流動空間６９へ流入する。流動空間６９へ進入したエア圧は、その後、底部６８に形成された排出路７０を介して外部へと排出される。このとき、排出路７０はスラスト軸受パッド３の外周面３ｂよりも半径方向内方に開口しているため、流動空間６９へ流入したエア圧は半径方向内方へと移動し、圧電アクチュエータ５の外周面５ａの周囲を通過して圧電アクチュエータ５の作動による発熱を奪い、圧電アクチュエータ５の温度を低下させる。
【００４０】
また、流体管路３１内のエア圧が所定値を越えた場合、リリーフバルブ４が開弁することにより噴出路３７を流体管路３１と連通させる。これにより、流体管路３１に供給された過剰のエア圧は、流体管路３１から分岐流路３３、リリーフバルブ４および噴出路３７を介して冷却空間３６へと流入する。冷却空間３６へと進入したエア圧は、圧電アクチュエータ５の外周面５ａの周囲を通過して流動空間６９へと進入した後、排出路７０から外部へと排出される。冷却空間３６内へ流入したエア圧は、上述した場合と同様に圧電アクチュエータ５の作動による発熱を奪い、圧電アクチュエータ５の温度を低下させる。
【００４１】
本実施形態によれば、主軸１と、主軸１を回転可能に支承する回転軸受２と、主軸１に対して回転軸Ｃ方向に対向するとともに、主軸１との対向面３ａに開口する流体管路３１を備え、流体管路３１にエアポンプユニットＰＵからのエア圧を供給することにより、エア圧が主軸１に向けて噴射され、主軸１から離れた状態で、主軸１を回転軸Ｃ方向に支承するスラスト軸受パッド３を備えている。
【００４２】
また、主軸ハウジング６に取り付けられるとともに、スラスト軸受パッド３に接続されて電力が印加されることにより伸縮してスラスト軸受パッド３を主軸ハウジング６に対して移動させ、スラスト軸受パッド３の主軸１に対する距離を変化させることにより、主軸１に噴射されるエア圧による付勢力を増減して主軸１の軸方向位置を変化させる圧電アクチュエータ５を備え、エアポンプユニットＰＵからのエア圧を圧電アクチュエータ５の周辺にも流動させることにより、圧電アクチュエータ５の作動による発熱を奪い、圧電アクチュエータ５の温度を低下させている。
【００４３】
したがって、エアポンプユニットＰＵからのエア圧を主軸１を回転軸Ｃ方向に支承するために使用するとともに、圧電アクチュエータ５の周辺にも流動させているため、圧電アクチュエータ５が冷却されてスラスト軸受パッド３の加熱による伸長が防止され、主軸１の位置のくるいが低減されることにより加工精度を向上させることができる。また、冷却媒体の発生源を新たに設ける必要がなく、主軸装置の小型化および低コスト化が可能になる。
【００４４】
また、本実施形態によれば、スラスト軸受パッド３は、流体管路３１から分岐して延びる分岐流路３３と、圧電アクチュエータ５の周辺に向けて開口する噴出路３７と、分岐流路３３上に設けられ、流体管路３１内のエア圧が所定値以下の場合には閉弁することにより、圧電アクチュエータ５の周辺へのエア圧の供給を遮断し、流体管路３１内のエア圧が所定値を超えた場合には開弁して、エアポンプユニットＰＵからのエア圧を流体管路３１、分岐流路３３および噴出路３７を介して圧電アクチュエータ５の周辺に流動させるリリーフバルブ４とを備えている。
【００４５】
したがって、流体管路３１内のエア圧が所定値以下の場合にはリリーフバルブ４が閉弁することにより、主軸１を付勢するエア圧を確保することができる。また、流体管路３１内のエア圧が所定値を超えた場合にはリリーフバルブ４が開弁することにより、所定のエア圧により主軸１を付勢するとともに、余剰エア圧を利用して圧電アクチュエータ５を効率的に冷却することができる。
【００４６】
また、本実施形態によれば、スラスト軸受パッド３は圧電アクチュエータ５の外周面５ａを取り囲む冷却空間３６を備え、冷却空間３６に噴出路３７が接続されている。
したがって、噴出路３７を介して冷却空間３６に進入したエアが圧電アクチュエータ５の外周面５ａを取り囲むことにより、その冷却性をいっそう向上させることができる。
【００４７】
また、本実施形態によれば、主軸ハウジング６は、スラスト軸受パッド３の（主軸１の回転軸Ｃを中心とした場合の）半径方向外方を覆う導入部６１と、導入部６１から下方へと筒状に延びるブリッジ部６７と、ブリッジ部６７から半径方向内方へと平板状に延びる底部６８とを具備している。また、圧電アクチュエータ５はスラスト軸受パッド３の下端部と底部６８の半径方向内端とを連結して、主軸１の回転軸Ｃ方向に延びるように取り付けられ、圧電アクチュエータ５の外周面５ａとブリッジ部６７の内周面６７ａとが半径方向に対向することにより、スラスト軸受パッド３の下端面３ｄ、ブリッジ部６７の内周面６７ａ、底部６８および圧電アクチュエータ５の外周面５ａにより筒状の流動空間６９が形成されている。
【００４８】
また、底部６８は、流動空間６９の流体を流動空間６９から外部へ排出する排出路７０を有し、冷却空間３６は圧電アクチュエータ５の上端部において噴出路３７と接続されるとともに、圧電アクチュエータ５の外周面５ａに沿って延びて流動空間６９に連通している。
したがって、圧電アクチュエータ５の外周面５ａが冷却空間３６および流動空間６９により覆われることにより、外周面５ａ全体をエア圧にさらすことができ、その冷却性がさらに向上する。また、噴出路３７から圧電アクチュエータ５に対してエア圧が直射されるため、その冷却性がいっそう向上する。
【００４９】
また、導入部６１の導入管路６２は内周面６１ｂに開口し、エアポンプユニットＰＵによるエア圧をスラスト軸受パッド３の流体管路３１へ供給し、排出路７０は、底部６８においてスラスト軸受パッド３の外周面３ｂよりも半径方向内方に位置する部位に開口している。これにより、導入管路６２に供給されたエア圧の一部は、導入部６１の内周面６１ｂとスラスト軸受パッド３の外周面３ｂとの間を通過して流動空間６９へと進入した後、排出路７０を通って外部へと排出される。
【００５０】
したがって、導入部６１の内周面６１ｂとスラスト軸受パッド３の外周面３ｂとの間を通過して流動空間６９へと進入したエア圧は、排出路７０を通るためにスラスト軸受パッド３の外周面３ｂから半径方向内方へと進んで、流動空間６９内に露出した圧電アクチュエータ５の外周面５ａへ触れやすくなり、その冷却性をさらに向上させることができる。
【００５１】
また、本実施形態によれば、導入部６１の内周面６１ｂとスラスト軸受パッド３の外周面３ｂとの間には、導入管路６２よりも主軸１側において、導入部６１とスラスト軸受パッド３との間の間隙を通過し、エア圧が流出することを防ぐシール部材としてのＯリング６５および角シールリング６６が設けられている。
したがって、Ｏリング６５および角シールリング６６の働きにより、導入管路６２に供給されたエア圧が、導入部６１とスラスト軸受パッド３との間を介して流体管路３１と流動空間６９のみに流れ込むため、主軸１を支承させるとともに圧電アクチュエータ５を冷却する目的のために、導入管路６２に供給されたエア圧を有効的に利用できる。
【００５２】
＜実施形態２＞
次に、図４に基づき、実施形態２による工作機械の主軸装置について説明する。本実施形態による主軸装置においては、スラスト軸受パッド３内にエア空間３８が形成されている。エア空間３８は実施形態１における冷却空間３６とは異なり、圧電アクチュエータ５の外周面５ａを直接に取り囲むようには形成されておらず、圧電アクチュエータ５の外周面５ａの半径方向外方に壁部３ｅを介して円環状に形成されている。エア空間３８の上端部は噴出路３９（分岐流路３３と噴出路３９とを包括して、本発明の冷却管路に該当する）によりバルブチャンバ３４と接続され、下端部は流動空間６９に連通している。エア空間３８には噴出路３９を介してエア圧が供給され、壁部３ｅを介して間接的に圧電アクチュエータ５を冷却した後、流動空間６９へと進入する。その他の構成については、実施形態１の場合と同様であるため説明は省略する。
【００５３】
＜実施形態３＞
次に、図５乃至図７に基づき、実施形態３による工作機械の主軸装置について説明する。図５に示すように、スラスト軸受パッド８の外周面からエア圧を供給可能な流体管路８１は、実施形態１と同様に上下方向に延び、上端には主軸１に向けてエア圧を噴出可能な開口が形成されているとともに、下端には合成ゴム等により形成された閉蓋８２が気密的に装着されている。
【００５４】
流体管路８１からは分岐流路８３が枝分かれしているが、実施形態１とは異なり、分岐流路８３上にはリリーフバルブ４は形成されていない。分岐流路８３はスラスト軸受パッド８の内周面に貫通しており、内周面の開口は合成ゴム等により形成された封止栓８４により気密的に閉塞されている。
分岐流路８３上には、後述する定流量弁９のオリフィス孔９２ａよりも小径の管路を有した絞り孔部材８３ａが設けられている。絞り孔部材８３ａの管路径は、固定であっても可変であってもよい。絞り孔部材８３ａは、主軸１を支承するために、流体管路８１に導入されたエア圧のすべてが分岐流路８３側へと逃げることを防いでいる。
【００５５】
実施形態１と同様に、スラスト軸受パッド８の素子格納部８５には圧電アクチュエータ５の上方側が装着されており、圧電アクチュエータ５の外周面５ａの周囲には冷却空間８６が形成されている。分岐流路８３の途中からは噴出路８７（分岐流路８３と噴出路８７とを包括して、本発明の冷却管路に該当する）が分岐し、噴出路８７は冷却空間８６の上端部に連通している。
【００５６】
流体管路８１の上部には、流体管路８１を通過して主軸１に向けて噴射されるエア圧の量を一定に保持する公知の定流量弁９（本発明の流量調整機構に該当する）が形成されている。図６において拡大して示すように、定流量弁９は内部に流路孔９１ａが貫通することにより円筒形をしたバルブスリーブ９１と、バルブスリーブ９１に取り付けられたバルブ板９２により形成されている。バルブ板９２は、流路孔９１ａ上に形成された円環状の装着溝９１ｂに嵌着されている。バルブスリーブ９１は、その外周面において流体管路８１中に気密的に嵌装されている。バルブ板９２は、合成ゴム等により円盤状に形成されており、中心部には自然状態で直径Ｄのオリフィス孔９２ａが貫通している。バルブ板９２の中央部は、エア圧により図の上下方向に撓み可能となっている。
【００５７】
通常、流体管路８１中において、定流量弁９のインレット側（図６において下側）のエア圧力Ｐ１とアウトレット側（図６において上側）のエア圧力Ｐ２との間の差圧が小さい場合、バルブ板９２の撓みはごく僅かであり、流体管路８１中のエア圧はオリフィス孔９２ａを通過して、スラスト軸受パッド８の上端面の開口から主軸１に向けて噴出される（図６示）。
【００５８】
一方、定流量弁９のインレット側のエア圧力Ｐ１が、アウトレット側のエア圧力Ｐ２に対して上昇して、インレット側のエア圧力Ｐ１とアウトレット側のエア圧力Ｐ２との間の差圧が大きくなった場合、バルブ板９２の中央部が差圧によりアウトレット側に向けて付勢されて撓み、オリフィス孔９２ａの直径がｄ（ｄ＜Ｄ）へと小さくなる（図７示）。
【００５９】
これにより、エア圧がオリフィス孔９２ａを通過する場合の流路抵抗が増大され、この結果、インレット側のエア圧力Ｐ１の増減にかかわらず、定流量弁９を通過するエアの流量がほぼ一定に保たれる。定流量弁９のインレット側に発生した余剰エア圧は、絞り孔部材８３ａの管路、分岐流路８３および噴出路８７を介して、圧電アクチュエータ５の周囲の冷却空間８６へと供給される。その他の構成については、実施形態１の場合と同様であるため説明は省略する。
【００６０】
本実施形態によれば、流体管路８１を通過して主軸１に向けて噴射されるエア圧の流量を一定に保持する定流量弁９を備えているため、主軸１を軸方向に支持するために必要なエア圧の量を確保することができる。また、流体管路８１に供給されたエア圧の量のうち定流量弁９を通過しない余剰分を圧電アクチュエータ５の周辺に流動させることにより、所定のエア圧の流量により主軸１を付勢するとともに、余剰エア圧の流量を利用して圧電アクチュエータ５を冷却することができる。これにより、エアポンプユニットＰＵを複数個設けることなく、主軸１の軸方向の軸受作動と圧電アクチュエータ５の冷却作動とを十分に機能させ、双方を両立させることができる。
【００６１】
＜他の実施形態＞
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、次のように変形または拡張することができる。
主軸１を支承し、圧電アクチュエータ５を冷却するために噴出される流体はエア圧に限られるものではなく、油圧、水圧等のあらゆる流体圧が適用可能である。
スラスト軸受パッド３の外周面３ｂと導入部６１の内周面６１ｂとの間のシール部材として、必ずしもＯリング６５と角シールリング６６の双方を必要とするものではなく、スラスト軸受パッド３と導入部６１との間からの主軸１側への流体のリークを防止できるのであれば、角シールリング６６のみであってもよい。
【００６２】
流体管路８１中に設けられる定流量弁９は上述したものに限られず、あらゆる方式のものが適用可能である。
本発明による工作機械の主軸装置は、主軸１の回転軸Ｃが必ずしも上下方向に延びていなければならないわけではなく、回転軸Ｃが水平方向または斜め方向に延びていてもよい。
主軸ハウジング６を形成するブリッジ部６７と底部６８は、一体に形成されていても別体に形成されていてもよい。
主軸１をラジアル方向に支承するためのエア圧と、回転軸Ｃ方向に支承するためのエア圧は同一のエア圧源から供給するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の実施形態１による工作機械の主軸装置を表した全体図
【図２】図１の要部拡大図
【図３】図２のＡ−Ａ断面図
【図４】実施形態２による工作機械の主軸装置の要部拡大図
【図５】実施形態３による工作機械の主軸装置の要部拡大図
【図６】図５に示した定流量弁の拡大断面図
【図７】図６に示した定流量弁の作動時の拡大断面図
【符号の説明】
【００６４】
図面中、１は主軸、２は回転軸受、３、８はスラスト軸受パッド、３ａはスラスト軸受パッドの主軸との対向面、３ｄはスラスト軸受パッドの下端面、４はリリーフバルブ（分岐弁）、５は圧電アクチュエータ（圧電素子）、５ａは圧電アクチュエータの外周面、６は主軸ハウジング（基体）、９は定流量弁（流量調整機構）、３１、８１は流体管路、３３、８３は分岐流路（冷却管路）、３６、８６は冷却空間、３７、８７は噴出路（冷却管路）、６１は導入部、６１ａは導入部の外周面、６１ｂは導入部の内周面、６２は導入管路（流体導入管路）、６５はＯリング（シール部材）、６６は角シールリング（シール部材）、６７はブリッジ部、６７ａはブリッジ部の内周面、６８は底部（排出部）、６９は流動空間、７０は排出路、Ｃは主軸の回転軸、ＰＵはエアポンプユニット（流体圧源）を示している。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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