(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転しないハウジングと、
軸方向に予圧が付与された転がり軸受により前記ハウジングに回転自在に支持された主軸と、
前記主軸の先端部に前記主軸と同心に支持固定され、複数の切削部が円周方向に関して等間隔に設けられた切削工具と、
前記主軸と一体に回転すると共に、前記主軸と同心の被検出面を有するエンコーダと、
前記エンコーダの被検出面に検出部を対向させた状態で前記ハウジングに支持され、前記被検出面の特性の変化に応じた信号を出力するセンサと、
前記センサの出力信号が変化するパターンに基づいて前記主軸に作用するアキシャル荷重を算出する演算手段と、
を備えた工作機械のスピンドル装置において、
前記エンコーダの被検出面には、それぞれが他の部分とは特性が異なる１対の個性化部分より成る複数組の被検出部が円周方向に等間隔で形成され、
前記各１対の個性化部分は、前記１対の個性化部分同士の円周方向に関する間隔が軸方向に連続的に変化するように、前記エンコーダの軸方向に対して互いに逆方向に略同じ角度で傾斜したハの字状に形成され、
前記切削工具に設けられた切削部の数ｍを前記エンコーダの被検出面に存在する被検出部の組数ｎで除した数ｍ／ｎは、非整数に設定され、且つ、
前記各個性化部分が円周方向に平行な線と交差する傾斜角度は３０°〜７０°の範囲に設定されていることを特徴とする工作機械のスピンドル装置。
【請求項２】
前記転がり軸受の内径が４０ｍｍ〜１２０ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載の工作機械のスピンドル装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工作機械の主軸に作用するアキシャル荷重を測定可能な工作機械のスピンドル装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
工作機械において、主軸に作用するアキシャル荷重を測定することは、大きなメリットを有する。即ち、工作機械の主軸に働くアキシャル荷重は、加工精度、加工効率、工具寿命等に与える影響が大きい重要なパラメータである。従って、アキシャル荷重を知ることにより、適正な加工条件の選定が可能となる。例えば、加工条件は、一般的に工具の回転数や、送り速度によって決められているが、摩擦や、加工によって発生する熱等の制御し難い要因の影響も受けるので、回転数や送り速度を一定に設定しても、常に同じ加工精度が得られることはない。加工面の変化に対応する切削荷重（即ち、主軸のアキシャル荷重）を新たなパラメータとして考慮することで、より厳密な加工条件の選定が可能となり、加工精度の向上が期待される。
【０００３】
具体的には、切り屑排出量が同じであれば、切削荷重の小さい加工条件の方が効率的な加工条件であり、省エネルギ、工具寿命の延長に有利となる。また、切削荷重の増加から、工具の切削性（切れ味）の低下や、刃先摩耗等の発生を推測することができ、工具寿命や、工具交換時期を知ることが可能となる。更に、切削荷重の変化の履歴を管理することによって、無理な切削加工条件や工具とワークとの衝突（衝撃荷重）等の軸受損傷要因を推定することができ、また把握した工具の寿命特性から工具の改良、改善が可能となる。
【０００４】
上記したように、工作機械において切削荷重を知ることは重要である。しかし、工具が回転するタイプの工作機械において、工具や主軸に作用する荷重を検出することは、工具が回転しないタイプの工作機械と比較して困難が伴う。
【０００５】
工作機械の主軸にかかる荷重を検出することができる従来の装置として、特許文献１に記載された装置が従来から知られている。
【０００６】
この特許文献１に記載された装置は、水晶圧電式の荷重センサを複数個、荷重の作用方向に対して直列に配置し、この荷重センサの測定信号に基づいて、切削工具を支持固定した主軸（スピンドル）に加わる荷重（切削抵抗）を測定する様に構成している。このような装置の場合、高価な水晶圧電式の荷重センサを使用するため、荷重測定装置全体としてのコストが嵩むことが避けられない。
【０００７】
一方、特許文献２には、水晶圧電式の荷重センサに比べて低コストな磁気式のエンコーダとセンサを使用した荷重測定装置付転がり軸受ユニットに関する発明が記載されている。このユニットは、ハブに配置したエンコーダと、このエンコーダの被検出面に近接対向させたセンサとにより、外輪とハブ間に加わる荷重を求めるようにしたものである。
【０００８】
図１０〜１２は、特許文献２に記載された従来の荷重測定装置付転がり軸受ユニットの一例を示している。
この荷重測定装置付転がり軸受ユニットは、使用時にも回転しない外輪３０１の内径側に、使用時に車輪を支持固定した状態で車輪と共に回転するハブ３０２を、複列に配置された転動体３０３を介して回転自在に支持している。これら各転動体３０３には、予圧が付与されており、両列同士の間で互いに逆向きの（図示の場合には背面組み合わせ型の）接触角を持って転動する。
【０００９】
また、ハブ３０２の内端部には、円筒状のエンコーダ３０４をハブ３０２と同心に支持固定している。また、外輪３０１の内端開口を塞ぐ有底円筒状のカバー３０５の内側に、１対のセンサ３０６ａ、３０６ｂを支持すると共に、これら両センサ３０６ａ、３０６ｂの検出部を、エンコーダ３０４の被検出面である外周面に近接対向させている。エンコーダ３０４は磁性金属板製であり、被検出面であるエンコーダ３０４の外周面の先半部（軸方向内半部）には、透孔３０７（第１特性部）と柱部３０８（第２特性部）とを、円周方向に関して交互に且つ等間隔で配置している。これら各透孔３０７と各柱部３０８の境界は、エンコーダ３０４の軸方向に対し同じ角度だけ傾斜させると共に、この軸方向に対する傾斜方向を、エンコーダ３０４の軸方向中間部を境にして互いに逆向きとしている。従って、各透孔３０７と各柱部３０８とは、軸方向中間部が、円周方向に関して最も突出した「く」字形となっている。そして、上記境界の傾斜方向が互いに異なる被検出面の軸方向外半部と軸方向内半部のうち、軸方向外半部を第１の特性変化部３０９とし、軸方向内半部を第２の特性変化部３１０としている。
【００１０】
また、１対のセンサ３０６ａ、３０６ｂはそれぞれ、永久磁石と、検出部を構成する磁気検出素子とから成る。これら両センサ３０６ａ、３０６ｂは、カバー３０５の内側に支持固定した状態で、一方のセンサ３０６ａの検出部を第１の特性変化部３０９に、他方のセンサ３０６ｂの検出部を第２の特性変化部３１０にそれぞれ近接対向させている。これら両センサ３０６ａ、３０６ｂの検出部が第１、第２の特性変化部３０９、３１０に対向する位置は、エンコーダ３０４の円周方向に関して同じ位置としている。また、外輪３０１とハブ３０２との間にアキシャル荷重が作用しない状態で、各透孔３０７及び柱部３０８の軸方向中間部で円周方向に関して最も突出した部分（境界の傾斜方向が変化する部分）が、両センサ３０６ａ、３０６ｂの検出部同士の間の丁度中央位置に存在するように、各部材の設置位置を規制している。
【００１１】
上述のように構成した荷重測定装置付転がり軸受ユニットの場合、外輪３０１とハブ３０２との間にアキシャル荷重が作用し、外輪３０１とハブ３０２とがアキシャル方向に相対変位すると、両センサ３０６ａ、３０６ｂの出力信号が変化する位相がずれる。
【００１２】
即ち、外輪３０１とハブ３０２との間にアキシャル荷重が作用していない中立状態では、両センサ３０６ａ、３０６ｂの検出部は、図１２の（Ａ）の実線イ、イ上、即ち、上記最も突出した部分から軸方向に同じだけずれた部分に対向する。従って、両センサ３０６ａ、３０６ｂの出力信号の位相は、同図の（Ｃ）に示すように一致する。
【００１３】
これに対して、エンコーダ３０４を固定したハブ３０２に、図１２の（Ａ）で下向きのアキシャル荷重が作用した場合には、両センサ３０６ａ、３０６ｂの検出部は、図１２の（Ａ）の破線ロ、ロ上、即ち、上記最も突出した部分からの軸方向に関するずれが互いに異なる部分に対向する。この状態では両センサ３０６ａ、３０６ｂの出力信号の位相は、同図の（Ｂ）に示すようにずれる。
【００１４】
更に、エンコーダ３０４を固定したハブ３０２に、図１２の（Ａ）で上向きのアキシャル荷重が作用した場合には、両センサ３０６ａ、３０６ｂの検出部は、図１２の（Ａ）の鎖線ハ、ハ上、即ち、上記最も突出した部分からの軸方向に関するずれが、前述の場合と逆方向に互いに異なる部分に対向する。この状態では両センサ３０６ａ、３０６ｂの出力信号の位相は、同図の（Ｄ）に示すようにずれる。
【００１５】
上述のように、両センサ３０６ａ、３０６ｂの出力信号の位相が、外輪３０１とハブ３０２との間に加わるアキシャル荷重の作用方向（これら外輪３０１とハブ３０２とのアキシャル方向の相対変位の方向）に応じた向きにずれる。また、このアキシャル荷重（相対変位）により両センサ３０６ａ、３０６ｂの出力信号の位相がずれる程度は、アキシャル荷重（相対変位）が大きくなる程大きくなる。
【００１６】
従って、両センサ３０６ａ、３０６ｂの出力信号の位相ずれが存在する場合は、その向き及び大きさに基づいて、外輪３０１とハブ３０２とのアキシャル方向の相対変位の向き及び大きさ、ひいては、外輪３０１とハブ３０２との間に作用しているアキシャル荷重の作用方向及び大きさを求めることができる。
【００１７】
なお、両センサ３０６ａ、３０６ｂの出力信号の位相差に基づいてアキシャル方向の相対変位及び荷重を算出する処理は、図示しない演算器により行う。このため、この演算器には、予め理論計算や実験により調べておいた上記位相差と上記アキシャル方向の相対変位及び荷重との関係を計算式やマップ等の型式で組み込んでおく。
【００１８】
以上の例の他に、特許文献２には、エンコーダの軸方向に対する傾斜方向が互いに異なる１対の凹溝を、エンコーダの回転方向に隣り合わせて対にして「ハ」の字形に配置した構造も記載されている。
【００１９】
図１３（Ａ）はそのエンコーダの構成を示し、（Ｂ）はそのエンコーダを作るための長孔を加工した板金の構成を示している。被検出面である円筒状のエンコーダ３２０の外周面には、複数の被検出部３２４が、円周方向に等間隔で配置されている。これら各被検出部３２４は、それぞれが他の部分とは特性が異なる１対の個性化部分３２５により構成されている。各個性化部分３２５として、本例では、スリット状の長孔が採用されている。このような各個性化部分３２５を有するエンコーダ３２０は、予め各長孔を打ち抜き形成した帯状の磁性金属板を丸め、円周方向両端縁同士を突き合わせ溶接することにより作られている。なお、各個性化部分３２５としては、凹溝や凸部を採用することも可能である。
【００２０】
各被検出部３２４を構成する１対ずつの個性化部分３２５同士の円周方向に関する間隔は、総ての被検出部３２４で軸方向に連続的に変化させてある。即ち、各被検出部３２４を構成する１対ずつの個性化部分３２５同士の円周方向に関する間隔が、エンコーダ３２０の軸方向一端程小さくなり、円周方向に隣り合う各被検出部３２４を構成する個性化部分３２５同士の円周方向に関する間隔が、エンコーダ３２０の軸方向他端程小さくなる方向に傾斜している。
【００２１】
このようなエンコーダ３２０の被検出面である外周面に検出部を対向させたセンサの出力信号は、各個性化部分３２５に対向する瞬間に変化する。変化する間隔（周期）は、センサの検出部が対向する部分の軸方向位置の変化に伴って変化する。即ち、エンコーダ３２０を固定した主軸に作用する荷重に基づく被検出面と検出部のアキシャル方向相対変位に基づいて、センサの出力信号が変化するタイミングが１周期の間でずれる。
【００２２】
従って、単一のセンサのみで、出力信号の１周期に対する上記タイミングの比に基づき、主軸に作用する荷重を求めることができる。つまり、センサの出力信号のパターンを見れば、主軸がハウジングに対して軸方向にずれている程度（軸方向変位量）を求めることができ、更にこのずれている程度から、主軸に作用するアキシャル荷重を求めることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２３】
【特許文献１】特開２００２−１８７０４８号公報
【特許文献２】特開２００６−３１７４２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
ところで、特許文献２に記載の荷重測定装置付転がり軸受ユニットのように、自動車の車輪を支持するための車輪支持用転がり軸受ユニットに加わるアキシャル荷重を測定して走行安定性のための制御を行う場合は、アキシャル荷重の値が車輪支持部の構造等、本来の測定すべきアキシャル荷重以外の要因で、規則的に変化することは無い。これに対して、工作機械の主軸に適用する場合は、先端部に支持固定した加工工具の種類によっては、主軸に加わる荷重が規則的（正弦波的）に変化することが起こり得る。
【００２５】
例えば、ドリルやエンドミル等の切削工具（加工工具）の場合、外周面や先端面に複数の切削部（加工部）を、円周方向に関して等間隔に設けている。これら各切削部の総てが被加工物の被加工面を均等に切削等の加工をし続けるのであれば、切削工具の形状に起因して主軸に加わる荷重が変動することは無いが、実際には、各切削部の総てが被加工物の被加工面を均等に切削加工することは希であり、切削工具の形状に起因して、主軸に加わる荷重が規則的に変動する。
【００２６】
図１４は、外周面に１０箇所の切削部を有するエンドミル（ドリルでも同様）を工作機械の主軸の先端部に該主軸と同心に結合固定し、主軸を定速で回転させつつ、被加工物に向け定速で前進させて、被加工物に切削加工を施した場合における、主軸に関する物理量の変動状況を示している。図１４（Ａ）は主軸に加わる荷重の変動状況を、図１４（Ｂ）は主軸の変位状況をそれぞれ表している。荷重と変位とは比例するので、図１４の（Ａ）、（Ｂ）は、縦軸の値が異なるだけで、実質的に同じ図である。
【００２７】
図１４の（Ａ）、（Ｂ）に示すように、被加工物を複数の切削部を有する切削工具により加工する場合には、本来は主軸に加わる荷重が一定となるべき定速回転及び定速前進状態でも、主軸に加わる荷重が規則的に変動する。
【００２８】
このため、荷重測定のタイミングを考慮しないと、図１４の（Ａ）、（Ｂ）に示した変動に基づき、主軸に加わる荷重の測定精度が悪化する。
【００２９】
例えば、前述の図１０〜１２に示した荷重測定のための構造で、エンコーダ３０４の外周面に設ける（１周当りの）透孔の数を、切削工具の切削部の数と同じ１０個とした場合、図１４の（Ａ）、（Ｂ）に黒丸印で示した部分（測定点）で、センサ３０６ａ、３０６ｂの出力信号の位相差を求め、この位相差に基づいて主軸に加わる荷重を求めることになる。
【００３０】
図１４の（Ａ）、（Ｂ）の黒丸印で示した部分は、正弦波上の同じ位相部分である。このため、上述のように、透孔３０７の数を切削工具の切削部の数と同じ１０個とした場合には、図１４の（Ａ）、（Ｂ）の記載から明らかな通り、δなる値（ＤＣ成分のオフセット）が、前記変動に基づく誤差成分となる。
【００３１】
特許文献２に示されるように、エンコーダ３０４の被検出面に存在する透孔３０７及び柱部３０８等の被検出部の組数の数を、切削工具の切削部の数よりも十分に多く（自動車の車輪支持用の荷重測定装置付転がり軸受ユニットの場合のように数十個と）し、荷重測定を複数回行ってその平均値を取れば、前記誤差成分δの影響を排除できる。但し、工作機械の主軸の回転速度は、自動車用車輪の回転速度よりも桁違いに速いため、センサの出力信号を入力した演算器（ＣＰＵ）の処理速度を考慮した場合、前記被検出部の組数の数を、切削部の数を越えて多くすることは難しい。極端に処理速度が速い高価なＣＰＵを使用せずに工作機械の主軸に加わる荷重を測定することを考慮した場合、工作機械用荷重測定装置を構成するエンコーダでは、被検出部の組数は、１桁からせいぜい１０組程度とすることが現実的である。
【００３２】
ところが、エンコーダの被検出面に設けた被検出部の組数を１桁からせいぜい１０組程度とした場合には、切削工具の切削部の数ｍと被検出部の組数ｎとが一致（ｍ＝ｎ）したり、切削工具の切削部の数ｍが被検出部の組数ｎの整数倍（ｍ／ｎ＝整数）となる場合が生じる。これら両数ｍ、ｎが一致した場合は勿論、これら両数の比ｍ／ｎが整数の場合も、上記誤差成分δの影響を排除できない。被検出部の組数ｎを切削工具の切削部の数ｍよりも多くすれば、仮にこれら両数ｎ、ｍの比ｎ／ｍが２以上の整数となっても、荷重測定を複数回行ってその平均値を取ることにより上記誤差成分δの影響を排除できる。但し、被検出部の組数ｎは、上述のような理由により多くすることは難しいため、現実的な対応方法とは言えない。また、回転方向に関して、切削工具とセンサの検出部との位相を適切に規制し、図１４に示した測定点を正弦波曲線の中央位置にすれば、上記誤差成分δが生じることを防止することは不可能ではない。但し、工具交換の度に上記位相を一致させることは、何らかの位置決め用の印や、位置決め用の係合部を設けたとしても面倒で、やはり現実的な対応方法とは言えない。
【００３３】
また、工作機械のスピンドル装置に上述のセンサ及びエンコーダを組み込む場合、センサとエンコーダ間の軸方向位置のズレが大きくなると荷重検出ができなくなったり、検出誤差が過大となったりする。このため、センサ及びエンコーダの軸方向相対位置精度のレンジ（許容度）が小さいと、部品単体の一般仕上加工では満足できず、精密な仕上加工が要求されると共に、部品同士を選択嵌合するなど組付時に特別な調整工程が必要となる。このため、部品加工コスト高や組立調整コスト高を招きやすくなる上、補修時に簡単に部品交換ができなくなる可能性がある。
【００３４】
本発明は、前述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、極端に処理速度が速い高価なＣＰＵを使用しなくても、複数の切削部を円周方向に関して等間隔に設けた切削工具を使用する工作機械の主軸に加わる荷重を、精度良く測定できると共に、センサとエンコーダの軸方向相対位置精度のレンジを小さくせず、部品加工や組立調整の負担を軽減しつつ、該荷重を検出する上で必要とされる検出精度を確保することのできる工作機械のスピンドル装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００３５】
上記目的を達成するために、本発明は下記の構成によって達成される。
（１）  回転しないハウジングと、
軸方向に予圧が付与された転がり軸受により前記ハウジングに回転自在に支持された主軸と、
前記主軸の先端部に前記主軸と同心に支持固定され、複数の切削部が円周方向に関して等間隔に設けられた切削工具と、
前記主軸と一体に回転すると共に、前記主軸と同心の被検出面を有するエンコーダと、
前記エンコーダの被検出面に検出部を対向させた状態で前記ハウジングに支持され、前記被検出面の特性の変化に応じた信号を出力するセンサと、
前記センサの出力信号が変化するパターンに基づいて前記主軸に作用するアキシャル荷重を算出する演算手段と、
を備えた工作機械のスピンドル装置において、
前記エンコーダの被検出面には、それぞれが他の部分とは特性が異なる１対の個性化部分より成る複数組の被検出部が円周方向に等間隔で形成され、
前記各１対の個性化部分は、前記１対の個性化部分同士の円周方向に関する間隔が軸方向に連続的に変化するように、前記エンコーダの軸方向に対して互いに逆方向に略同じ角度で傾斜したハの字状に形成され、
前記切削工具に設けられた切削部の数ｍを前記エンコーダの被検出面に存在する被検出部の組数ｎで除した数ｍ／ｎは、非整数に設定され、且つ、
前記各個性化部分が円周方向に平行な線と交差する傾斜角度は３０°〜７０°の範囲に設定されていることを特徴とする工作機械のスピンドル装置。
（２）  前記転がり軸受の内径が４０ｍｍ〜１２０ｍｍであることを特徴とする（１）に記載の工作機械のスピンドル装置。
【発明の効果】
【００３６】
本発明によれば、極端に処理速度が速い高価なＣＰＵを使用しなくても、複数の切削部を円周方向に関して等間隔に設けた切削工具を使用する工作機械の主軸に加わるアキシャル荷重の平均値を精度良く測定できる。即ち、複数の切削部を備えた切削工具を主軸の先端部に結合固定した状態で被加工物の加工を行うと、この切削工具を介して主軸に加わる荷重は細かく変動する。工作機械の主軸の送り速度等を制御するには、この細かく変動する値ではなく、平均値を求める必要がある。切削工具の切削部の数ｍがエンコーダの被検出面に設けた被検出部の組数ｎの整数倍の場合には、前述したように、上記平均値中に、上記変動に基づく誤差成分δが入り込み易く、入り込んだ場合には、これを除去できない。
【００３７】
これに対して本発明の場合には、切削工具の切削部の数ｍがエンコーダの被検出面に設けた被検出部の組数ｎの整数倍ではない（ｍ／ｎ≠整数）ため、上記誤差成分の影響を除去して、上記平均値を精度良く求められる。即ち、本発明の場合でも、或る１組の被検出部を利用して測定した１回の荷重測定の結果には、前述の図１４に正弦波曲線で示した様な荷重変動の影響が出る可能性が高い。但し、「ｍ／ｎ≠整数」なる要件を満たすため、この影響の程度及び方向、即ち、上記誤差成分δの大きさ、並びに、当該誤差成分δが平均値に足される状態で生じるか、逆に平均値から減じる状態で生じるかは、測定毎に異なる。このため、連続して求めた複数の測定値の平均値を求めれば、上記誤差成分δの影響をなくすか、または減じて、上記平均値を精度良く求められる。連続して求めた複数の測定値の平均値を求めることにより、上記主軸に加わる荷重の平均値を求めるタイミングが多少遅れるが、本発明の対象となる工作機械用荷重測定装置に関して、この遅れが問題になることはない。この理由は、工作機械の主軸の回転速度は数万回／分にも達するため、この主軸が数回転する間の平均値を求めるとしても、それに要する時間は数ｍsec乃至は数十ｍsec程度に過ぎないことによる。このように平均値を求めるために要する時間が、極く短時間で済むのに対して、上記主軸の送り速度の制御等は、数百ｍsec乃至は数sec毎に行えば十分であり、工具の寿命検出等に関しては、これよりも遥かに長い時間的余裕があるためである。以上の理由により、本発明によれば、上記主軸に加わる荷重の平均値を、測定のタイミングに関して特に問題を生じることなく、精度良く求められる。
【００３８】
また、本発明によれば、エンコーダの被検出面に設けてある被検出部を構成する１対の個性化部分が円周方向に平行な線と交差する傾斜角度を３０°〜７０°の範囲に限定したので、センサとエンコーダの軸方向相対位置精度のレンジを小さくせず、部品加工や組立調整の負担を軽減しつつ、該荷重を検出する上で必要とされる検出精度を確保することができる。
【００３９】
即ち、傾斜角度を３０°以上に限定することで、センサとエンコーダの軸方向相対位置精度のレンジを広くすることができるようになり、部品現合合わせなど、特別な選別嵌合調整が不要で、一般加工公差の部品の積み重ねで該レンジを満足することができる。また、傾斜角度を７０°以下に限定することで、工作機械において、最適加工条件（切削送りや加工回転数）の設定・刃物切れ味の変化や工具寿命の検出の判断基準となる加工時荷重を検出する上で必要とされる検出精度を確保できる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の実施形態の軸受装置を組み込んだ工作機械のスピンドル装置の断面図である。
【図２】図１の要部拡大断面図である。
【図３】図１に示すエンコーダの斜視図である。
【図４】図３のエンコーダの展開図である。
【図５】図１に示すセンサを取り出して、検出部を被覆する前の状態（Ａ）と被覆した後の状態（Ｂ）を示す斜視図である。
【図６】同センサの要部の構成を示す斜視図である。
【図７】荷重測定の原理を説明するための模式図である。
【図８】上記エンコーダに形成したハの字状の１対の凹溝（個性化部分）のハの字の角度（凹溝の傾斜角度）とセンサとエンコーダの軸方向相対位置レンジの関係を示す特性図である。
【図９】上記エンコーダに形成したハの字状の１対の凹溝（個性化部分）のハの字の角度（凹溝の傾斜角度）と検出精度との関係を示す特性図である。
【図１０】従来の荷重測定装置付き転がり軸受ユニットの断面図である。
【図１１】同ユニットに使用されているエンコーダの被検出面の一部を径方向から見た図である。
【図１２】同エンコーダのアキシャル方向の変位により、１対のセンサの出力信号に位相差が生じる状況を説明するための模式図である。
【図１３】（Ａ）は従来のエンコーダの他の例を示す斜視図、（Ｂ）はそれを展開して示す斜視図である。
【図１４】（Ａ）及び（Ｂ）は、主軸の先端部に結合固定した切削工具の形状に起因し、主軸に加わる荷重及び主軸の変位が変動して、荷重測定に誤差が生じる状況を説明するための線図である。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
以下、本発明の実施形態の軸受装置を組み込んだ工作機械のスピンドル装置を図面に基づいて詳細に説明する。
【００４２】
図１及び図２に示すように、実施形態の工作機械のスピンドル装置１０は、モータビルトイン方式のものであり、その中心部には主軸１１が設けられている。主軸１１の軸方向の一端部（図１において左端部）には、工具ホルダ２を介してエンドミルやドリル等の切削工具３が取り付けられている。
【００４３】
主軸１１は、工具側を支承する前側軸受群２０と、反工具側を支承する後側軸受４０とによって、回転しない静止部材であるハウジング５０に回転自在に支持されている。
【００４４】
前側軸受群２０と後側軸受４０間における主軸１１の外周面には、ロータ６１が外嵌されている。また、ロータ６１の周囲に配置されるステータ６２は、ハウジング５０に固定されており、ステータ６２に電力を供給することで、ロータ６１に回転力を発生させて、主軸１１を回転させるようになっている。なお、ハウジング５０は、複数の分割ハウジング５１〜５３や外輪押え５４、カバー５５、５６などを順次結合させることによって構成されている。
【００４５】
前側軸受群２０は、工具３側（前側）から順番に配した４列の同一サイズのアンギュラ玉軸受２１〜２４によって構成されている。前側２つのアンギュラ玉軸受２１、２２と後側２つのアンギュラ玉軸受２３、２４は、背面組み合わせで配置されており、それぞれのアンギュラ玉軸受２１〜２４は、外輪２６と、内輪２７と、外輪２６の外輪軌道溝及び内輪２７の内輪軌道溝間に接触角を持って配置された転動体としての複数の玉２８と、を備えている。
【００４６】
前側軸受群２０の各アンギュラ玉軸受２１〜２４の外輪２６は、ハウジング５０に内嵌され、ハウジング５０にボルト締結された外輪押え５４によって、外輪間座７０，８１，８２を介してハウジング５０に固定されている。前側から２番目のアンギュラ玉軸受２２と３番目のアンギュラ玉軸受２３の外輪２６間に配置された外輪間座７０には、センサ取付孔７０ａが形成されている。
【００４７】
また、前側軸受群２０の各アンギュラ玉軸受２１〜２４の内輪２７は、主軸１１に外嵌され、主軸１１に締結されたナット８５によって、内輪間座７１，８３，８４を介して主軸１１に固定されている。前側から２番目のアンギュラ玉軸受２２と３番目のアンギュラ玉軸受２３の内輪２７間に、外輪間座７０と対向するように配置された内輪間座７１は、後述するエンコーダ７２を兼ねるものである。
【００４８】
また、前側軸受群２０のアンギュラ玉軸受２１〜２４は、ナット８５によって定位置予圧が負荷されており、それにより、主軸１１がハウジング５０に対して、ラジアル荷重及び両方向のスラスト荷重を支承する状態で、がたつきなく、回転自在に支持されている。
【００４９】
また、後側軸受４０は、円筒ころ軸受であり、図中符号は付さないが、外輪と、内輪と、転動体としての複数の円筒ころと、を有する。後側軸受４０の外輪はハウジング５０に内嵌され、ハウジング５０にボルト締結された外輪押えやスペーサなどによってハウジング５０に固定されている。後側軸受４０の内輪も、主軸１１に締結された他のナットやスペーサなどによって主軸１１に固定されている。
【００５０】
また、この工作機械では、運転時に、エンドミルやドリル等の切削工具３を高速で回転しつつ被加工物に押し付けて被加工物に切削加工を施すので、主軸１１に、反力としてのアキシャル荷重が作用する。そこで、このアキシャル荷重を測定できるように、前側軸受群２０を構成する前側から２番目のアンギュラ玉軸受２２と３番目のアンギュラ玉軸受２３の間に、図３に示すような円筒形状のエンコーダ７２（内輪間座７１）が外嵌されると共に、外輪間座７０の位置でハウジング５０側に、図５及び図６に示すようなセンサ１００が支持固定されている。
【００５１】
エンコーダ７２は、主軸１１と一体に回転するもので、図３に示すように、磁性金属材からなる内輪間座７１の外周面に、複数組の被検出部７５を、円周方向に等間隔で配置した構成を備えている。これら各被検出部７５は、それぞれが他の部分とは特性が異なる１対の個性化部分７５ａ、７５ｂにより構成されており、各個性化部分７５ａ、７５ｂとして、本実施形態では、凹溝が削り出し加工により形成されている。
【００５２】
なお、凹溝の代わりにエンコーダ７２を貫通する長孔や凸条を採用することもできるし、センサ１００の種類によっては、それ以外の要素を採用することもできる。例えば、光学式のセンサの場合は、光の反射率が周囲と異なる部分を設けて、その部分を個性化部分とすることも可能である。
【００５３】
個性化部分７５ａ、７５ｂを凹溝や凸条で構成した場合、それら凹溝や凸条が、センサ１００の検出部との距離が残部と異なる距離変化部に相当する。
【００５４】
図４に示すように、各被検出部７５を構成する１対の個性化部分７５ａ、７５ｂは、エンコーダ７２の軸方向に対して互いに逆方向に略同じ角度で傾斜して延びたハの字状に形成されており、それにより、１対の個性化部分７５ａ、７５ｂ同士の円周方向に関する間隔が軸方向に連続的に変化している。
【００５５】
このエンコーダ７２は、センサ１００と共にセンサユニットを構成しており、センサ１００は、エンコーダ７２の被検出面に検出部を対向させた状態でハウジング５０に支持されている。センサ１００は、エンコーダ７２の被検出面の特性が円周方向に交互に変化することにより、エンコーダ７２の回転に応じてパルス信号を出力する。即ち、センサ１００は、エンコーダ７２の回転に伴って各個性化部分７５ａ、７５ｂに検出部が対向する瞬間に、変化する信号を出力する。そして、その信号が変化する間隔（周期）は、センサ１００の検出部が対向する部分の軸方向位置の変化に伴って変化する。センサ１００の信号は図示略の演算器に入力され、演算器は、センサ１００の出力信号が変化するパターンに基づいて、主軸１１に作用するアキシャル荷重を算出する。
【００５６】
センサ１００は、図５に示すように、ホールＩＣ１０５を樹脂製のホルダ１０１の先端に配置して埋め込んだ構造をなしており、図６に示すように、ホールＩＣ１０５の背面（エンコーダ７２と反対側）に配置された永久磁石１０７を有して構成されている。永久磁石１０７の着磁方向は、センサ１００を構成するホールＩＣ１０５がエンコーダ７２の被検出面に対向している方向とする。そして、これらセンサ１００とエンコーダ７２との相対変位に伴って、パルスの間隔が変化する。
【００５７】
なお、１対の磁気検出素子１０５ａ、１０５ｂは差動式素子として機能して、エンコーダ７２の被検出面の性状変化を高精度に検出する。このために、両素子１０５ａ、１０５ｂを、エンコーダ７２の回転方向に配列している。エンコーダ７２が多極磁石エンコーダの場合には、１個のホール素子のホールＩＣを使用することもできる。
【００５８】
また、センサ１００の構造は、永久磁石を組み込んだものであれば、特にその形式を問わない。即ち、永久磁石から出る磁束の流れを導くポールピースの周囲にコイルを巻回して成る所謂パッシブ型のものであっても、磁束の密度に応じて特性を変化させる磁気検出素子を組み込んだ所謂アクティブ型のものであっても使用することができる。また、本実施形態のセンサ１００としては、長尺の溝とした個性化部分７５ａ、７５ｂのエッジを検出可能なものであればよく、光学センサ等の使用も可能である。
【００５９】
センサ１００とエンコーダ７２の被検出面との相対位置は、磁気検出素子１０５ａ、１０５ｂが被検出面の軸方向中間部に位置するように設定されている。具体的には、磁気検出素子１０５ａ、１０５ｂの位置は、定位置予圧が付与された前側軸受群のアンギュラ軸受２２、２３間に配置された内輪間座７１の軸方向中間位置となるエンコーダ７２の軸方向中間部と一致するように設定されている。
【００６０】
センサ１００の出力信号は、センサ１００の検出部（磁気検出素子１０５ａ、１０５ｂの配置された部分）をエンコーダ７２の個性化部分７５ａ、７５ｂが通過するのに伴って変化する（パルス信号を出力する）。この変化のタイミング（パルスが発生する位相）は、センサ１００の検出部が、エンコーダ７２の被検出面のうち、軸方向に関して何れの部分を走査するかによって変化する。そして、この変化に基づいて、エンコーダ７２の軸方向変位量を求められる。この点について、図７を用いて説明する。
【００６１】
例えば、エンコーダ７２を外嵌した主軸１１にアキシャル荷重が加わらず、エンコーダ７２が軸方向中立位置に存在する場合、センサ１００の検出部は、図７の（Ａ）に実線ａで示すように、エンコーダ７２の外周面のうちで、ほぼ軸方向中央部を走査する。この結果、センサ１００の出力信号は、例えば、図７の（Ｃ）に示すよう変化する。
【００６２】
これに対して、エンコーダ７２（主軸１１）に、図７の（Ａ）で下向きのアキシャル荷重が作用し、エンコーダ７２が、この図７の（Ａ）で下方に変位すると、センサ１００の検出部は、図７の（Ａ）に鎖線ｂで示すように、エンコーダ７２の被検出面のうち、軸方向片側｛図７の（Ａ）の上側｝に偏った部分を走査する。
【００６３】
この結果、センサ１００の出力信号は、例えば、図７の（Ｂ）に示すように変化する。アキシャル荷重の作用方向が逆向きの場合には、出力信号は逆方向に変化する。これら図７の（Ｂ）、（Ｃ）に記載した各周期α、β、Ｌのうち、全周期Ｌは、円周方向に隣り合う１対の被検出部７５に関するセンサ１００の出力信号の周期である。
【００６４】
具体的には、回転方向前側（図７の左側）の被検出部７５に関する所定部分（図示の例では、被検出部７５を構成する１対の個性化部分７５ａ、７５ｂのうち、回転方向前側の個性化部分７５ａの回転方向後端縁）での出力信号の立ち上がり部から回転方向後側（図７の右側）の被検出部７５に関する同等部分での出力信号の立ち上がり部までの時間である。また、第１部分周期αは、回転方向前側の被検出部７５を構成する１対の個性化部分７５ａ、７５ｂのうち、回転方向前側の個性化部分７５ａに関する（上記所定部分での）上記出力信号の立ち上がり部から回転方向後側の個性化部分７５ｂに関する出力信号の立ち上がり部までの時間である。更に、第２部分周期βは、回転方向前側の被検出部７５を構成する１対の個性化部分７５ａ、７５ｂのうち、回転方向後側の個性化部分７５ｂに関する出力信号の立ち上がり部から回転方向後側の被検出部７５を構成する１対の個性化部分７５ａ、７５ｂのうち、回転方向前側の個性化部分７５ａに関する（上記同等部分での）上記出力信号の立ち上がり部までの時間である。
【００６５】
上記各周期α、β、Ｌのうちの全周期Ｌは、上記第１部分周期αと第２部分周期βとの和（Ｌ＝α＋β）になる。また、タイミング比は、α／Ｌ（又はβ／Ｌ）となる。なお、各周期のうちの全周期Ｌは、出力信号が２回変化する周期（２パルス分の周期）であり、エンコーダ７２の回転速度が一定である限り、一定である。また、第１部分周期α及び第２部分周期βが、出力信号が１回変化する周期（１パルス分の周期）であり、エンコーダ７２の回転速度が一定であっても、エンコーダ７２の軸方向位置が変化すると変化する。
【００６６】
図７から明らかな通り、タイミング比α／Ｌまたはβ／Ｌ（出力信号が１回変化する周期／出力信号が２回変化する周期）は、エンコーダ７２の軸方向位置に伴って変化し、このタイミング比α／Ｌ又はβ／Ｌの変化量は、軸方向位置の変化量（軸方向変位量）が大きくなる程大きくなる。また、この軸方向変位量は、エンコーダ７２を外嵌固定した、主軸１１に加わるアキシャル荷重が大きくなる程大きくなる。また、アキシャル荷重に基づく軸方向変位量は、前側軸受群２０を構成する各アンギュラ玉軸受２１〜２４のうち、アキシャル荷重を支承する転がり軸受の剛性が大きくなる程小さくなる。また、このアキシャル荷重と前記軸方向変位量との関係は、この剛性を勘案した計算により、あるいは既知のアキシャル荷重と軸方向変位量との関係を測定する実験により、予め求めておくことができる。
【００６７】
従って、本実施形態によれば、低コストで、しかも小型に構成できる構造で、工作機械の主軸１１に加わるアキシャル荷重を求めることができる。
【００６８】
上述の説明から明らかな通り、本例の工作機械のスピンドル装置によれば、各被検出部７５を、エンコーダ７２の外周面のｎ箇所に設けたとすれば、主軸１１に加わるアキシャル荷重を、この主軸１１が１回転する間にｎ回求められる。一方、主軸１１の先端部に結合固定した切削工具３の先端面または外周面には、ｍ箇所の切削部３ａが存在する。そして、これらｍ箇所の切削部３ａに基づいて、主軸１１に加わる荷重が、前述の図１４に破線で示したように、主軸１１が１回転する間に、ｍ回変動する。この変動に基づいて、主軸１１に加わる荷重の測定値の平均値に誤差を生じないようにするべく、切削工具３に設けられた切削部３ａの数ｍを、エンコーダ７２の外周面に設けた各被検出部７５の組数ｎの非整数倍（ｍ／ｎ≠整数）としている。
【００６９】
このために本例の場合には、前述した理由により、極端に処理速度が速い高価なＣＰＵを使用しなくても、複数の切削部３ａを円周方向に関して等間隔に設けた切削工具３を先端部に結合固定した主軸１１に加わるアキシャル荷重の平均値を精度良く測定できる。
【００７０】
また、上記したように、センサ１００の出力信号は、主軸１１に作用するアキシャル荷重の方向に応じて、また、アキシャル荷重の大きさに比例して変化する。従って、定位置予圧が負荷されている前側軸受群２０の剛性（ばね定数）を予め測定あるいは計算して、アキシャル荷重の大きさと主軸１１の変位量との関係を求めておけば、センサ１００からの出力信号のパターンに基づいて、主軸１１に作用するアキシャル荷重の方向及び大きさが演算手段によって求められる。
【００７１】
また、エンコーダ７２を構成する内輪間座７１は、背面組合せで配置された一対のアンギュラ玉軸受２２、２３間に配置されているので、内輪間座７１の軸方向中間位置が主軸１１の熱によって伸縮する場合の軸方向中心となるため、主軸１１の伸縮による影響が抑制され、精度のよい荷重測定が可能となる。
【００７２】
また、本実施形態では、エンコーダ７２の被検出面は、円周方向に関して変化する特性のピッチが、軸方向に連続的に変化する部分を軸方向に単列で構成しており、センサ１００を一つのホールＩＣのみによって構成することができる。これにより、センサユニットのコスト低減が図られると共に、センサ１００及びエンコーダ７２を構成する内輪間座７１の軸方向幅も狭くすることができる。これにより、スピンドル装置１０の軸方向長さも短くすることができる。特に、５軸加工機などで主軸が旋回する（例えば、±１２０°前後で旋回）方式の場合、主軸長が短くなれば、旋回半径を小さくすることができ、工作機械全体の省スペース化や加工スペースを確保でき、３次元加工を行う場合など、主軸装置１０の動作が容易となり、加工プログラム作成の容易性や加工性が向上できるメリットがある。
【００７３】
また、一般的な工作機械のスピンドル装置、特に旋盤やマシニングセンタなど切削型の工作機械のスピンドル装置の場合、内径がφ４０ｍｍ以上φ１２０ｍｍ以下のアンギュラ玉軸受２１〜２４が主に使用されている。また、アンギュラ玉軸受２２，２３間に組み込まれるエンコーダ７２は、強度保持や加工寸法精度を確保する面などから、径方向肉厚が５ｍｍ以上、即ち、外径がφ５０ｍｍ以上であることが好ましい。さらに、エンコーダ外径部に対向するセンサの配置スペースやエンコーダと外輪間座との干渉を考えると、エンコーダ７２の径方向肉厚が１０ｍｍ以下であることが好ましく、アンギュラ玉軸受２１〜２４の内径がφ４０ｍｍの場合には、外径がφ６０ｍｍ以下であることが好ましい。
【００７４】
また、エンコーダ７２の被検出面に設けた被検出部７５の組数（＝ペアパルス数）を多くすると、変位検出精度は向上するが、溝加工コストが増えることと、軸受内径がφ１２０ｍｍ以下とした場合のエンコーダ７２の円周方向スペースを考慮すると、被検出部７５は１３組数以下であることが望ましい。さらに、上述した切削工具３の切削部３ａの刃数ｍとの干渉を避ける意味で、被検出部７５は３組数を越えることが好ましく、５組数以上であることがより好ましい。
【００７５】
ここで、外径がφ５０ｍｍ以上のエンコーダ７２が使用される場合において、１対のハの字状に配置された個性化部分７５ａ、７５ｂが円周方向に平行な線Ｓ１と交差する傾斜角度θは、センサ１００とエンコーダ７２の軸方向相対位置精度のレンジ、及び、荷重を検出する上で必要とされる検出精度の両方を考慮して、３０°〜７０°の範囲に設定されている。
【００７６】
図８は、センサ１００とエンコーダ７２の軸方向相対位置のレンジと、エンコーダ７２の各被検出部７５を構成する１対の個性化部分７５ａ，７５ｂの傾斜角度θとの関係を示す。また、図８及び後述の図９中、１ペアパルスとは、１対の個性化部分７５ａ，７５ｂに対応した１組の被検出部７５を示し、５ペアパルスとは、５組の被検出部７５をあらわす。
【００７７】
軸受の内外輪幅寸法精度、ハウジング深さ精度、内外輪間座幅寸法精度、センサ取付穴位置精度などを含む一般的な加工部品の公差を積み重ねると、センサ１００とエンコーダ７２の軸方向相対位置精度のレンジは、±０．５ｍｍが限界である。このため、図８に示すように、５組の被検出部７５を有するエンコーダ７２の外径をφ５０ｍｍ以上とした場合、個性化部分７５ａ，７５ｂの傾斜角度θが３０°以上であれば、センサとエンコーダの軸方向相対位置精度のレンジを±０．５ｍｍ以上とすることができる。従って、スピンドル装置を構成する各部品を一般的な加工精度レベルで加工し組み立てるだけで、つまり、一般的な加工精度の部品の公差の積み重ねだけで、その精度レンジを確保することができる。そのため、加工コストを抑えつつ、部品間の現合合わせを行なうことなく、容易な組み立てが可能になる。
【００７８】
なお、被検出部７５の組数が増加すると、センサとエンコーダの軸方向相対位置精度のレンジが低下する。このため、図示しないが、例えば、１３組数以下の被検出部７５を有する、外径φ５０ｍｍ以上のエンコーダにおいて、センサとエンコーダの軸方向相対位置精度のレンジを±０．５ｍｍ以上とするには、個性化部分７５ａ，７５ｂの傾斜角度θが３５°以上とすることが好ましい。
【００７９】
また、センサ１００が、最適加工条件（切削送りや加工回転数）の設定・工具切れ味悪化の検出・工具寿命の検知などに使用される場合、軸方向荷重５００Ｎ前後を最低検知する必要があり、変位検出精度（検出感度）は、組み込まれた軸受の剛性（軸方向ばね定数は、概ね１００〜２００Ｎ／μｍ）より換算すると、４μｍ以下であることが必要となる。
【００８０】
図９はセンサ１００の検出精度と各被検出部７５を構成する１対の個性化部分７５ａ、７５ｂの傾斜角度θの関係をグラフにしたものである。図９からわかるように、個性化部分７５ａ，７５ｂの傾斜角度が大きい程、変位の検出精度が広く（悪く）なる。つまり、個性化部分７５ａ，７５ｂの傾斜角度が小さい（ハの字が開いている）と、軸方向変位が微小でも大きなセンサ信号変化を生むことができるので、変位の可能検出精度が高くなる。一方、個性化部分７５ａ，７５ｂの傾斜角度が大きい（ハの字が閉じている）と、軸方向変位が大きくても、小さなセンサ信号変化しか生むことができないので、変位の可能検出精度が低くなる。
【００８１】
ここで、上述した５〜１３組数の被検出部７５を有する外径がφ８０ｍｍのエンコーダ７２は、変位検出精度を４μｍ以下とするために、図９に示すように、個性化部分７５ａ，７５ｂの傾斜角度θは７０°以下とする必要がある。また、変位検出精度を、より好ましい３μｍ以下とするには、個性化部分７５ａ，７５ｂの傾斜角度θは６５°以下とする必要がある。
【００８２】
なお、エンコーダ７２の外径が大きくなると、変位検出精度が大きくなる。このため、図示しないが、例えば、５〜１３組数の被検出部７５を有する、外径φ１３０ｍｍ以下のエンコーダにおいて、変位検出精度を４μｍ以下とするためには、個性化部分７５ａ，７５ｂの傾斜角度θを６０°以下とすることが好ましい。
【００８３】
例えば、実施例としてのスピンドル装置では、アンギュラ軸受２１〜２４の内径をφ７０ｍｍ、アンギュラ玉軸受２２、２３間のエンコーダ７２の外径をφ８０ｍｍ（径方向肉厚５ｍｍ）とし、被検出部７５の組数を５組、各個性化部分７５ａ，７５ｂの傾斜角度θを４５°としている。また、一般的な仕上加工による部品を積み重ねた、エンコーダ７２の幅方向の中心位置とセンサ１００の中心位置の軸方向相対位置の誤差が、基準セット位置に対して±２ｍｍとなっている。
【００８４】
このようなスピンドル装置では、検出精度（検出感度）が図９から１．５μｍであり、また、実際の軸方向相対位置の誤差±２ｍｍが、図８から与えられる軸方向相対位置のレンジ±３．６ｍｍ以下であるので、検出装置としての機能を満足することができる。
【００８５】
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。その他、上述した実施形態における各構成要素の材質、形状、寸法、数、配置箇所、等は本発明を達成できるものであれば任意であり、限定されない。
【符号の説明】
【００８６】
３  切削工具
３ａ  切削部
１０  スピンドル装置
１１  主軸
７２  エンコーダ
５０  ハウジング
７５  被検出部
７５ａ，７５ｂ  個性化部分（距離変化部）
１００  センサ
１０５  ホールＩＣ（検出部）
１０５ａ，１０５ｂ  磁気検出素子
１０７  永久磁石
【図１】
0005601091.tif 000002
【図２】
0005601091.tif 000003
【図３】
0005601091.tif 000004
【図４】
0005601091.tif 000005
【図５】
0005601091.tif 000006
【図６】
0005601091.tif 000007
【図７】
0005601091.tif 000008
【図８】
0005601091.tif 000009
【図９】
0005601091.tif 000010
【図１０】
0005601091.tif 000011
【図１１】
0005601091.tif 000012
【図１２】
0005601091.tif 000013
【図１３】
0005601091.tif 000014
【図１４】
0005601091.tif 000015