(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷が印加されるスピンドルの負荷側をラジアル方向に非接触で支持するための電磁石を含む制御式磁気軸受、
前記スピンドルの反負荷側の端部を常時接触しながら支持する接触式軸受、
前記制御式磁気軸受と前記接触式軸受との間に設けられ、前記スピンドルを回転駆動するためのモータ、
前記電磁石に供給する電流を制御することによって、前記制御式磁気軸受の軸受剛性を制御するための制御手段、および
前記制御式磁気軸受、前記接触式軸受、前記モータおよび前記制御手段を収容するスピンドルハウジングを備えた、磁気軸受スピンドル装置。
【請求項２】
負荷が印加されるスピンドルの負荷側をラジアル方向に非接触で支持するための電磁石を含む制御式磁気軸受、
前記スピンドルの反負荷側の端部を磁石の吸引力を利用して支持するピボット動圧軸受、
前記制御式磁気軸受と前記動圧軸受との間に設けられ、前記スピンドルを回転駆動するためのモータ、
前記電磁石に供給する電流を制御することによって、前記制御式磁気軸受の軸受剛性を制御するための制御手段、および
前記制御式磁気軸受、前記動圧軸受、前記モータおよび前記制御手段を収容するスピンドルハウジングを備えた、磁気軸受スピンドル装置。
【請求項３】
さらに、前記接触式軸受と前記スピンドルハウジングとの間に設けられ、有機材料からなる高減衰材料もしくは粘性流体を利用したダンパ機構、または摩擦を利用したダンパ機構を備える、請求項１に記載の磁気軸受スピンドル装置。
【請求項４】
さらに、前記スピンドルの回転数を検出するセンサを備え、
前記制御手段は、
前記センサの出力信号に基づいて、前記スピンドルの回転周波数成分のゲインを低下させるためのバンドエリミネートフィルタを内蔵した補償回路、および
前記補償回路の出力電流を増幅して前記電磁石に供給するための増幅回路を含む、請求項１または請求項２に記載の磁気軸受スピンドル装置。
【請求項５】
前記バンドエリミネートフィルタの中心周波数を前記スピンドルの回転周波数にトラッキングさせることを特徴とする、請求項４に記載の磁気軸受スピンドル装置。
【請求項６】
前記センサの出力信号に応じて、前記バンドエリミネートフィルタの中心周波数を切換えることを特徴とする、請求項４に記載の磁気軸受スピンドル装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は磁気軸受スピンドル装置に関し、特に、制御式磁気軸受と接触軸受とを用い、アンバランス量の大きい高速回転機器に使用できるような磁気軸受スピンドル装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１１は従来の転がり軸受で支持したスピンドルの構成例を示す縦断面図である。図１１において、転がり軸受１，２によってロータ３が支持され、転がり軸受１と２との間のスピンドルハウジング５にはモータステータ６が設けられ、このモータステータ６に対向するようにロータ３にはモータロータ７が設けられ、モータステータ６はモータインバータ８によって駆動される。
【０００３】
図１１に示したスピンドルにおいて、ロータ３に取付けたワーク４にアンバランスやロータ３との芯ずれがあると、回転中ロータ３には大きな遠心力が作用し、回転同期の振動が発生する。この振動が転がり軸受１，２を介してスピンドルハウジング５に伝達される。遠心力はロータ回転数の２乗に比例するため、転がり軸受１，２のような軸受支持剛性が周波数によらず一定の場合には、回転時の振動が大きく、高速回転ができないという欠点がある。
【０００４】
図１２は磁気軸受で完全に非接触で支持するようにしたスピンドルの断面図および制御回路のブロック図である。図１２において、スピンドル本体は、１個のアキシャル磁気軸受ユニット２２と、２個のラジアル磁気軸受ユニット１４，１８とからなっていて、各磁気軸受ユニット２２，１４，１８は、それぞれ位置検出センサ１９，１１，１５と電磁石２０，２１，１２，１６から構成される。電磁石１２と１６との間にはモータユニット２４が設けられる。モータユニット２４はモータステータ２６とモータロータ２７とからなり、モータユニット２４はモータインバータ３８によって駆動される。
【０００５】
さらに、磁気軸受制御のための制御装置３１はスピンドル外部に設けられていて、ケーブル３０によってスピンドル本体と接続される。この制御装置３１は、外部から入力されるＡＣ電源３７を直流に変換する電源装置３２と、装置のシーケンス動作をコントロールするシーケンス回路３３と、位置センサのためのアンプ３４と、位置センサ出力を信号処理する補償回路３５と、電磁石２０，２１，１２，１６を駆動するための電流増幅回路３６とから構成される。この磁気軸受は、位置検出センサ１９，１１，１５の出力を補償回路３５で信号処理されて得られた信号を電流増幅回路３６に送り、電磁石１２，１６，２０，２１に電流を供給することによって、ロータ位置が制御される。
【０００６】
この図１２に示した磁気軸受の場合、その軸受性能（ばね特性，減衰特性）は、制御装置３１内の補償回路３５の設定によって可変することができ、各周波数域での軸受剛性を任意に設定できるという特徴がある。その結果、高周波数域の剛性を選択的に低めるように補償回路３５を設定することにより、高速回転時のロータ９からスピンドルハウジング２５への振動の伝達を下げることが可能である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１２に示した磁気軸受では、スピンドル本体以外に専用の制御装置３１やスピンドル本体と制御装置３１との間を接続するための専用のケーブル３０が必要であり、構成要素が多く、高価であることから、汎用の機器としては使用できないという問題点があった。
【０００８】
それゆえに、この発明の主たる目的は、磁気軸受の制御軸数を減少して制御装置を小型化でき、さらに制御装置をハウジング内に収納してケーブルを廃止し、コストを低減できるような磁気軸受スピンドル装置を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る磁気軸受スピンドル装置は、負荷が印加されるスピンドルの負荷側をラジアル方向に非接触で支持するための電磁石を含む制御式磁気軸受と、スピンドルの反負荷側の端部を常時接触しながら支持する接触式軸受と、制御式磁気軸受と接触式軸受との間に設けられ、スピンドルを回転駆動するためのモータと、電磁石に供給する電流を制御することによって、制御式磁気軸受の軸受剛性を制御するための制御手段と、制御式磁気軸受、接触式軸受、モータおよび制御手段を収容するスピンドルハウジングとを備えたものである。
【００１０】
また、この発明に係る他の磁気軸受スピンドル装置は、負荷が印加されるスピンドルの負荷側をラジアル方向に非接触で支持するための電磁石を含む制御式磁気軸受と、スピンドルの反負荷側の端部を磁石の吸引力を利用して支持するピボット動圧軸受と、制御式磁気軸受と動圧軸受との間に設けられ、スピンドルを回転駆動するためのモータと、電磁石に供給する電流を制御することによって、制御式磁気軸受の軸受剛性を制御するための制御手段と、制御式磁気軸受、動圧軸受、モータおよび制御手段を収容するスピンドルハウジングとを備えたものである。
【００１１】
好ましくは、さらに、接触式軸受とスピンドルハウジングとの間に設けられ、有機材料からなる高減衰材料もしくは粘性流体を利用したダンパ機構、または摩擦を利用したダンパ機構を備える。
【００１２】
また好ましくは、さらに、スピンドルの回転数を検出するセンサが設けられる。制御手段は、センサの出力信号に基づいて、スピンドルの回転周波数成分のゲインを低下させるためのバンドエリミネートフィルタを内蔵した補償回路と、補償回路の出力電流を増幅して電磁石に供給するための増幅回路とを含む。
【００１３】
また好ましくは、バンドエリミネートフィルタの中心周波数をスピンドルの回転周波数にトラッキングさせる。
【００１４】
また好ましくは、センサの出力信号に応じて、バンドエリミネートフィルタの中心周波数を切換える。
【００１５】
【作用】
この発明に係る磁気軸受スピンドル装置は、電磁石を含む制御式磁気軸受によってスピンドルの負荷側をラジアル方向に支持し、スピンドルの反負荷側の端部を接触式軸受または動圧軸受で支持し、制御式磁気軸受の軸受剛性を制御するための制御手段をスピンドルハウジング内に設けたことによって、制御式磁気軸受の軸数を減らして構造を簡単にでき、しかも制御手段を内蔵したことによってケーブルを不要にでき、コストも低減できる。
【００１６】
【実施例】
図１はこの発明の一実施例の縦断面図である。図１において、ロータ４０の上端にはアンバランスを有するワーク４１が取付けられており、このロータ４０の上端の負荷側は、位置センサ４４と電磁石４２とからなるラジアル磁気軸受ユニット４５によって支持され、ロータ４０下段の反負荷側は転がり軸受５０によって常時接触しながら支持される。磁気軸受ユニット４５と転がり軸受５０に挟まれた位置にモータロータ４７とモータステータ４６とからなるモータユニット４８が配置される。
【００１７】
さらに、スピンドル内部には、シーケンス回路５３とセンサアンプ５４と補償回路５５と電流増幅回路５６とを含む制御装置５８が内蔵され、外部からＤＣ電源５７が制御装置５８に供給されることにより、磁気軸受が作動される。
【００１８】
上述のごとく、負荷側に磁気軸受ユニット４５を配置したことによって、ワーク４１のアンバランスによる回転振動のスピンドルハウジング４９への伝達を抑えることができ、負荷側の軸受として非接触の磁気軸受ユニット４５を用いたことにより、軸受のメンテナンスによるランニングコストを軽減できる。また、ほとんど動的外乱が働かない反負荷側の支持に転がり軸受５０を用いることによって、磁気軸受の制御軸数を減らすことができ、磁気軸受装置のコストダウンを図ることができる。
【００１９】
一方、負荷側および反負荷側ともに磁気軸受ユニットを用いた完全非接触支持の磁気軸受装置では、ロータの曲げ固有振動へのダンピングは安定浮上のために不可欠であり、このことが磁気軸受補償回路を複雑にしてきた。これに対して、図１に示した実施例のように、ロータ４０に転がり軸受５０のような機械的接触部を持つことによって、ダンピングが付加される結果、磁気軸受の補償回路５５を簡略化することができる。さらに、ロータ４０に取付けたワーク４１によって変動する固有振動に対して制御回路の定数を変更して対処する必要もなく、スピンドルの汎用化を実現できる。さらに、比較的サイズの大きなＡＣ／ＤＣ電源回路以外のすべての制御装置全体をスピンドル本体内に配置することにより、装置全体をコンパクトにできると同時に外部に専用の制御装置を置く必要はないことから、低コスト化を実現できる。
【００２０】
図２はこの発明の他の実施例を示す縦断面図である。この図２に示した実施例は、図１に示した転がり軸受５０に代えてピボット動圧軸受６０を配置したものである。このピボット動圧軸受は、ロータ４０の反負荷側のハウジング４９側に半球状の凹部を設け、ロータ４０の反負荷側に半球状の凸部を形成し、両者の間に僅かな隙間を設けたものである。しかし、ピボット動圧軸受６０はロータ４０の下側方向への荷重は受けることができるが、図２において上方向への荷重を受けることができない。そこで、ロータ４０の下方に予圧を加える必要がある。この実施例では、ハウジング４９に永久磁石６２を固定し、対向するロータに配置した永久磁石６１との吸引力を利用して予圧を与えている。
【００２１】
なお、図１に示した実施例において、ロータ４０の回転中に発生するスピンドルハウジング４９の振動をさらに減少させるためには、反負荷側の転がり軸受５０もしくは動圧軸受６０を通じて伝達される振動を抑制する必要がある。そのような方法を図３〜図５に示す。
【００２２】
図３は転がり軸受５０を内蔵した軸受ハウジング６４の外径面とスピンドルハウジング４９との間に高分子材料で形成された高減衰材料６３を挿入し、ロータ４０からの振動をこの高減衰材料６３で吸収するようにしたものである。
【００２３】
図４に示した実施例は、転がり軸受６７の外径とスピンドルハウジング４９との隙間に２個のＯリング６５を組合せたオイル溜まり６６を形成し、その内部に粘性流体を含浸させることにより、粘性流体ダンパを構成したものである。
【００２４】
図５に示した実施例は、転がり軸受６８とスピンドルハウジング４９との間に隙間６９を持たせて、転がり軸受６８とスピンドルハウジング４９との間の相対変位による摩擦によって減衰を図ったものである。
【００２５】
さらに、磁気軸受ユニット４５を介してロータ４０からスピンドルハウジング４９へ伝達する振動を減少させるためには、磁気軸受の制御回路の特性を変更してロータ４０の回転数の振動を選択的に除去するようにしてもよい。
【００２６】
図６はそのような実施例を示す図である。ロータ４０の下方側には回転センサ１５７が設けられ、この回転センサ１５７によって検出されたロータ回転数に中心周波数を一致させるためのトラッキング型のバンドエリミネートフィルタ１５６を補償回路１５５内に挿入したものであり、常にロータ４０の回転周波数成分のゲインを低下させることができる。
【００２７】
図７（ａ）は補償回路５５の伝達関数を示し、図７（ｂ）はバンドエリミネートフィルタ１５６の伝達関数を示し、図７（ｃ）はバンドエリミネートフィルタ１５６を補償回路５５にカスケードに挿入して新たに得られた補償回路１５５の伝達関数を示す図である。図７（ａ）に示すような伝達関数を有する補償回路５５に図７（ｂ）に示す伝達関数を有するバンドエリミネートフィルタ１５６を挿入することによって、図７（ｃ）に示すように、ロータ回転周波数のゲインを選択的に低下させることができ、スピンドルハウジングの振動を軽減することができる。
【００２８】
図８は上述の例でロータの回転周波数Ｒにトラッキングさせてバンドエリミネートフィルタの中心周波数ωを変化させた特性を示す。
【００２９】
図９はバンドエリミネートフィルタの中心周波数ωをスピンドル常用回転周波数ω１に固定するようにした図である。この場合、図８に示した例と比較して、その回路構成を簡素化することができる特徴を有する。
【００３０】
図１０はスピンドルの回転数に応じてバンドエリミネートフィルタの中心周波数を多段に切換えるようにしたものであり、スピンドル常用回転周波数が複数（たとえばω１，ω２，ω３）ある場合に適用可能である。
【００３１】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、ロータの反負荷側を支持するために転がり軸受または動圧軸受を使用し、負荷側を制御式磁気軸受で支持し、磁気軸受を制御するための制御手段を内部に組込むようにしたので、スピンドルハウジングへの振動の伝達を軽減することができ、しかも制御ケーブルを不要にでき、コストダウンを図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施例の転がり軸受を用いた例を示す縦断面図である。
【図２】この発明の他の実施例の動圧軸受を用いた例の断面図である。
【図３】この発明の他の実施例として高減衰材料で振動を吸収するようにした例の断面図である。
【図４】この発明のさらにその他の実施例として粘性流体ダンパを使用した例を示す縦断面図である。
【図５】この発明のさらにその他の実施例として、転がり軸受とスピンドルハウジング間に隙間を持たせて振動の減衰を図った例を示す縦断面図である。
【図６】この発明のさらにその他の実施例として、磁気軸受の制御回路の特性を変更して振動を選択的に除去するようにした例を示す断面図である。
【図７】補償回路とバンドエリミネートフィルタとこのバンドエリミネートフィルタを補償回路に挿入して新たに得られた補償回路の伝達関数を示す図である。
【図８】ロータの回転周波数にトラッキングさせてバンドエリミネートフィルタの中心周波数を変化させる例を示す図である。
【図９】バンドエリミネートフィルタの中心周波数をスピンドル常用回転周波数に固定した例を示す図である。
【図１０】スピンドルの回転数に応じてバンドエリミネートフィルタの中心周波数を多段に切換える例を示す図である。
【図１１】従来の転がり軸受で支持したスピンドルの縦断面図である。
【図１２】磁気軸受でロータを非接触支持したスピンドルの縦断面図および制御回路のブロック図である。
【符号の説明】
４０  ロータ
４１  ワーク
４２  電磁石
４４  位置センサ
４６  モータステータ
４７  モータロータ
４８  モータユニット
５０，６７，６８  転がり軸受
５３  シーケンス回路
５４  センサアンプ
５５  補償回路
５６  電流増幅回路
５７  ＤＣ電源
６０  ピボット動圧軸受
６３  高減衰材料
６４  軸受ハウジング
６５  Ｏリング
１５６  バンドエリミネートフィルタ
【図１】
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【図２】
0003693384.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
0003693384.tif 000007
【図７】
0003693384.tif 000008
【図８】
0003693384.tif 000009
【図９】
0003693384.tif 000010
【図１０】
0003693384.tif 000011
【図１１】
0003693384.tif 000012
【図１２】
0003693384.tif 000013