(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジングに静圧流体軸受でラジアル方向およびスラスト方向に非接触支持された中空主軸と、該中空主軸の貫通穴の先端部に設けられたテーパ穴部に前後動自在に装着されたコレットチャックと、上記貫通穴内に配置され、上記コレットチャックの後端に連結されたドローバーと、上記貫通孔の後端開口から該貫通穴内に挿入され、上記ドローバーに後方から押圧力を付与可能なプッシュロッドと、上記中空主軸のスラスト力による変位を検出するための非接触変位センサとを備えたものであって、
上記非接触変位センサは、ナイロン、フッ素樹脂、及びポリアセタールの中から選択される合成樹脂材又はセラミック材で形成された中空円筒状のセンサコアと、導電材料で形成され、このセンサコアの外径に装着されたコイルとからなる渦電流型のものであり、
上記非接触変位センサは、上記中空主軸と同軸に、かつ、上記中空主軸における検出のターゲットとする部位に対向させて配置され、かつ、上記センサコアの内径面で上記プッシュロッドを前後動自在に案内することを特徴とする静圧軸受スピンドル。
【請求項２】
上記非接触変位センサにダミーセンサとダミーターゲットとを一体に具備させた請求項１の静圧軸受スピンドルであって、上記ダミーセンサは導電材料で形成され、上記センサコアの後端外径に装着されたダミーコイルを備えた渦電流型のものであり、上記ダミーターゲットは導電材料で形成され、上記センサコアの後端面に装着されたものであることを特徴とする静圧軸受スピンドル。
【請求項３】
上記中空主軸をハウジングに対しスラスト方向に非接触支持するスラスト軸受の軸受面に、このスラスト軸受の絞り孔に連通し、無負荷時のスラスト軸受隙間よりも浅い円周溝または部分円周溝を形成したことを特徴とする請求項１の静圧軸受スピンドル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、自動工具交換機構付きスピンドル等の中空主軸を備えたスピンドルにおいて、この中空主軸のスラスト力による変位を検出するための手段に関する。
【０００２】
【従来の技術】
小径の穴加工では、工具の径が小さいため加工時に折損しやすいという問題がある。このため、従来から、加工状態を常時監視することにより工具の折損を検出あるいは予知しようとする試みがなされており、その一手段として、スピンドル内に変位センサを組込み、加工反力を主軸のスラスト変位によって検出するものがある。特に、主軸を静圧気体軸受等で非接触支持する場合には、軸受に起因する回転時の振動が非常に小さいので、微小な加工反力でも主軸のスラスト変位として検出することが可能である。
【０００３】
このような主軸のスラスト変位を変位センサによって精度良く検出するためには、主軸の形状誤差や振れ回りの等の影響を避けることが必要であり、そのためには、変位を検出する変位センサは主軸と同軸に配置するのが好ましい。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ＮＣボール盤等に用いられるスピンドルでは、ドリル等の工具を精度良くかつ自動的に交換することができるように、自動工具交換機構を備えたものが多い。例えば、図９に示すスピンドル（主軸部分のみを示している）は、主軸３１の貫通穴３１ａの先端（工具側）に設けたテーパ穴部３１ａ１にコレットチャック３２を前後動自在に装着すると共に、貫通穴３１ａの後端（反工具側）からプッシュロッド３３の先端を挿入し、コレットチャック３２をその後端に連結したドローバー３４を介してプッシュロッド３３で前後動させることにより、工具３５の握持・開放を自在に行なうものである。すなわち、プッシュロッド３３が圧縮エアー圧等を受けて前進すると、ドローバー３４を介してコレットチャック３２が前方へ押し出され、工具３５が開放される。一方、プッシュロッド３３が後退すると、コレットチャック３２が弾性体３６の弾性力によってドローバー３４を介して後方に引き込まれ、工具３５が握持される。
【０００５】
上記のような自動工具交換機構を備えたスピンドルにおいては、主軸の貫通穴内に配置された部材（図９ではドローバー３４）に反工具側（後方）から押圧力を付与するための押圧手段（図９ではプッシュロッド３３であるが、圧縮エアー等を用いる場合もある）を主軸の後方に同軸配置することが必須である。したがって、このようなスピンドルでは、通常使用される変位センサでは主軸との同軸配置が不可能であり、そのため、主軸のスラスト変位を精度良く検出することができなかった。
【０００６】
そこで、本発明は、上記のような中空主軸を有するスピンドルにおいて、変位センサの主軸との同軸配置を可能にし、主軸のスラスト力による変位の検出精度を高めることをその目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の静圧軸受スピンドルは、ハウジングに静圧流体軸受でラジアル方向およびスラスト方向に非接触支持された中空主軸と、中空主軸の貫通穴の先端部に設けられたテーパ穴部に前後動自在に装着されたコレットチャックと、貫通穴内に配置され、コレットチャックの後端に連結されたドローバーと、貫通孔の後端開口から該貫通穴内に挿入され、ドローバーに後方から押圧力を付与可能なプッシュロッドと、中空主軸のスラスト力による変位を検出するための非接触変位センサとを備えたものであって、非接触変位センサは、ナイロン、フッ素樹脂、及びポリアセタールの中から選択される合成樹脂材又はセラミック材で形成された中空円筒状のセンサコアと、導電材料で形成され、このセンサコアの外径に装着されたコイルとからなる渦電流型のものであり、非接触変位センサは、中空主軸と同軸に、かつ、中空主軸における検出のターゲットとする部位に対向させて配置され、かつ、センサコアの内径面でプッシュロッドを前後動自在に案内するものである。
【０００８】
非接触変位センサには、ダミーセンサとダミーターゲットとを一体に具備させても良い。この場合、ダミーセンサは、導電材料で形成され、上記（非接触変位センサの）センサコアの後端外径に装着されたダミーコイルを備えた渦電流型のものとし、ダミーターゲットは、導電材料で形成され、上記センサコアの後端面に装着されたものとすると良い。
【０００９】
さらに、中空主軸をハウジングに対しスラスト方向に非接触支持するスラスト軸受の軸受面に、このスラスト軸受の絞り孔に連通し、無負荷時のスラスト軸受隙間よりも浅い円周溝または部分円周溝を形成しても良い。
【００１０】
【作用】
非接触変位センサを中空円筒状のものとすることにより、中空主軸の場合でも、非接触変位センサを主軸と同軸に配置することが可能となる。したがって、主軸の形状誤差や、振れ等が非接触変位センサの出力に影響しなくなり、外部から加わるスラスト力による主軸のスラスト変位を精度良く検出することができる。
【００１１】
また、非接触変位センサとして、ナイロン、フッ素樹脂、及びポリアセタールの中から選択される合成樹脂材又はセラミック材で形成された中空円筒状のセンサコアと、導電材料で形成され、このセンサコアの外径に装着されたコイルとからなる渦電流型のものを用いることにより、センサ部を単純なセンサコアとコイルとで構成することができるので、コンパクトでかつ中空状にしやすい。さらに、プッシュロッドを耐摩耗性、摺動性に優れた上記の合成樹脂材又はセラミック材で形成されたセンサコアの内径面で前後動自在に案内する構成とすることにより、プッシュロッドの円滑な前後動作を可能にすることができると同時に、構造の簡単化を図ることができる。
【００１２】
一般に、渦電流型変位センサはセンサ部および検出回路部の温度変化によってセンサ出力がドリフトする可能性があるが、非接触変位センサにダミーセンサとダミーターゲットとを一体に具備させ、非接触変位センサとダミーセンサとの出力差をとることにより、ドリフトによる影響を消去することができる。
【００１３】
スラスト軸受の軸受面に絞り孔に連通した円周溝を設けることにより、絞り孔からスラスト軸受隙間に流入する圧縮気体の多くが円周溝に沿って流通し、中空主軸を全周にわたって支持するので、スラスト方向の負荷容量が無負荷時に比べ顕著に増大する。スラスト軸受の軸受面積や円周溝の溝深さ等の条件によりエアハンマの発生が予測される場合には、絞り孔ごとに独立した部分円周溝を設け、溝全体の容積を小さくすることによりこれを防止することができる。
【００１４】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面に従って説明する。
【００１５】
図１に示すように、ハウジング１に回転自在に挿通された主軸２の外径面は、軸受スリーブ３および軸受スリーブ４の内径面とジャーナル軸受隙間を介して対向し、また、主軸２の後端に設けられたスラスト板５の端面は、軸受スリーブ４の端面およびスラスト軸受６の軸受面とスラスト軸受隙間を介して対向している。ハウジング１に設けられた軸受給気口７から圧縮気体（圧縮空気等）を供給すると、この圧縮気体が、ハウジング１に設けられた給気通路８を介して、軸受スリーブ３、４およびスラスト軸受６の絞り孔３ａ、４ａおよび４ｂ、６ａからジャーナル軸受隙間およびスラスト軸受隙間に流入し、主軸２をハウジング１に対しラジアル方向およびスラスト方向に非接触支持する。ジャーナル軸受隙間およびスラスト軸受隙間から流出する軸受排気は、ハウジング１に設けられた排気通路（図示省略）を介してスピンドル外部に排出される。
【００１６】
主軸２は、その軸中心に貫通穴２ａを備えた中空状のものである。貫通穴２ａの先端部はテーパ穴部２ａ１で、このテーパ穴部２ａ１の内径にコレットチャック９が前後動自在に装着されている。コレットチャック９の先端部は軸線に沿った複数のスリット（図示省略）によって複数部分に分割されており、また、その外径面はテーパ穴部２ａ１の内径面に適合したテーパ面９ａになっている。そのため、コレットチャック９は後方に引き込まれるとテーパ穴部２ａ１の内径面から圧迫されてその先端部が縮径し、テーパ穴部２ａ１に沿って前方に押し出されるとその先端部が拡径する。コレットチャック９は、常時は、その後端に連結されたドローバー１０を介して皿バネ等の弾性体１１の弾性力によって後方に付勢され、テーパ穴２ａ１部内に引き込んでいる。
【００１７】
主軸２の貫通穴２ａの後端は開口しており、この開口を貫通してプッシュロッド１２の先端部が貫通穴２ａ内に入り込んでいる。プッシュロッド１２は、常時は、圧縮バネ１３の弾性力によって後方に付勢され、その先端がドローバー１０の後端と接触しない位置に保持されている。ハウジング１の後端に設けられた給気口１４から圧縮気体を供給すると、プッシュロッド１２が圧縮バネ１３の弾性力に抗して前進してドローバー１０の後端に当接し、さらに、圧縮バネ１３および弾性体１１の弾性力に抗して前進することにより、ドローバー１０を介してコレットチャック９を前方へ押し出す。これにより、コレットチャック９が拡径し、これに握持された工具１５が開放されて着脱可能となる。給気口１４からの圧縮気体の供給を止めると、プッシュロッド１２は圧縮バネ１３の弾性力によってドローバー１０と接触しない位置まで後退する。そして、コレットチャック９が弾性体１１の弾性力によってドローバー１０を介して後方に引き込まれる。これにより、コレットチャック９が縮径し、工具１５が握持される。
【００１８】
また、主軸２にはかご形のロータ１６が一体に設けられ、ハウジング１の内径にはロータ１６に対向して、ステータ１７が固定されている。ステータ１７に電流を通じると主軸２が高速で回転し、これにより、コレットチャック９、工具１５、ドローバー１０、弾性体１１が主軸２と一体となって高速回転する。
【００１９】
主軸２のスラスト力による変位を検出する中空円筒状の非接触変位センサ２０は、主軸２と同軸で、かつ、主軸２に設けられたスラスト板５の後端面と対向する位置に配置されている。コレットチャック９を前後動させるプッシュロッド１２の先端は、非接触変位センサ２０の中空部を貫通して主軸２の貫通穴２ａに挿入される。この実施例では、非接触変位センサ２０として、合成樹脂材等の絶縁材料で形成された円筒状のセンサコア２０ａと、導電材料で形成され、センサコア２０ａの外径に装着されたコイル２０ｂとからなる渦電流型のものを用いている。尚、センサコア２０ａはハウジング１にビス等で固定される。このような非接触変位センサ２０を用いることによって、中空状の主軸２（後端からプッシュロッド１２が挿入される）の場合でも、非接触変位センサ２０を主軸２と同軸に配置することが可能となる。したがって、スラスト軸受６に対するスラスト板５の傾き等の形状誤差や、主軸２の振れ等が非接触変位センサ２０の出力に影響しなくなり、外部から加わるスラスト力による主軸２のスラスト変位を精度良く検出することができる。また、非接触変位センサ２０として上記のような渦電流型のものを用いることにより、センサ部を単純なセンサコア２０ａとコイル２０ｂとで構成することができるので、コンパクトでかつ中空状にしやすい。
【００２０】
図２に示す実施例は、図１におけるスラスト軸受６の軸受面に、絞り穴６ａに連通した円周溝６ｂを設けたものである。円周溝６ｂを設けたのは次の理由による。一般に、変位計の出力をスラスト力の検出に用いる場合、スラスト力に対する分解能は（スラスト軸受の剛性×変位計の変位に対する分解能）で決まるので、スラスト力を精度良く検出するためには、スラスト軸受の剛性（スラスト剛性）は小さい方が良い。スラスト剛性を低減する手段としては、絞り孔の径を小さくする、絞り孔の個数を少なくする、さらに、スラスト軸受隙間を大きくする手段等が考えられる。しかし、絞り孔を小径化しあるいは個数を減少すると、負荷容量が必要以上に低下し、加工時のスラスト力によって主軸とスラスト軸受とが接触する可能性がある。また、スラスト軸受隙間をあまり大きくすると、圧縮空気の消費量の増加が問題になる。そこで、この実施例では、スラスト軸受６の軸受面に円周溝６ｂを設けることにより、加工時の負荷容量の低下、圧縮空気消費量の増加を招くことなくスラスト剛性を低減することを可能にしたものである。
【００２１】
円周溝６ｂの溝深さは、無負荷時のスラスト軸受隙間よりも浅くし、また、スラスト軸受隙間は、スラスト剛性が比（必要な力の分解能）／（変位計の変位に対する分解能）よりも小さくなるような値に設定する。絞り孔６ａの個数は通常（７〜８個程度）よりも少なく３〜６個程度（この実施例では４個）である。無負荷時には、円周溝６ｂの溝深さがスラスト軸受隙間に比べ相対的に小さいため円周溝６ｂによる影響は少ないが、外部からスラスト力が加わってスラスト軸受隙間が小さくなると、円周溝６ｂの溝深さがスラスト軸受隙間に比べ相対的に大きくなるため、円周溝６ｂによる効果が顕著になる。すなわち、スラスト軸受６の絞り孔６ａからスラスト軸受隙間に流入する圧縮気体の多くが円周溝６ｂに沿って流通し、スラスト板５を全周にわたって支持することにより、スラスト方向の負荷容量が無負荷時に比べ顕著に増大する。一方、絞り孔６ａの個数は通常よりも少ないので、気体消費量の増加も少ない。したがって、この実施例の構成によれば、スラスト剛性を低減することによって微小なスラスト力を精度良く検出でき、しかも、負荷容量の減少、気体消費量の増加といった弊害を生じさせる心配もない。
【００２２】
図３〜図５は、上記の円周溝６ｂの効果を計算結果によって示したものである。図３〜図５において、Ａは本実施例品（円周溝：あり、絞り穴：４個）、Ｂ、Ｃは比較品についての結果をそれぞれ示している。比較品Ｂは（円周溝：なし、絞り孔：４個）、比較品Ｃは（円周溝：なし、絞り孔：２４個）である。無負荷時のスラスト軸受隙間はいずれもＳである。
【００２３】
図３に示すように、本実施例品Ａのスラスト負荷容量は、スラスト軸受隙間が所定値よりも小さくなった付近から急速に増大し、比較品Ｃと同等以上の値を示した。また、図４および図５に示すように、本実施例品Ａのスラスト剛性および気体消費量は比較品Ｂよりも僅かに大きい程度であり、比較品Ｃと比べるとかなり少なかった。
【００２４】
尚、絞り孔６ａの個数を減らし、円周溝６ｂを設けると不安定な自励振動（エアハンマ）が発生しやすくなる場合がある。スラスト軸受６の軸受面積や円周溝６ｂの溝深さ等の条件によりエアハンマの発生が予測される場合には、図６に示すように、絞り孔６ａごとに独立した部分円周溝６ｂ’を設け、溝全体の容積を小さくすることによりこれを防止することができる。
【００２５】
図７に示す実施例は、別体のセンサターゲット２１を主軸２のスラスト板５の後端面に一体に装着すると共に、非接触変位センサ２０にダミーセンサ２０’とダミーターゲット２２とを一体に具備させたものである。センサターゲット２１は、渦電流型変位センサのターゲットとして好適な物性を有する材料例えばＳＵＳ３１０Ｓ材等で形成されたものである。ダミーセンサ２０’は、非接触変位センサ２０と共通のセンサコア２０ａと、センサコア２０ａの後端外径に装着されたダミーコイル２０ｂ’とからなる。ダミーターゲット２２はセンサターゲット２１と同じ材料からなり、センサコア２０ａの後端面に取付けられている。尚、センサコア２０ａの内径には、プッシュロッド１２を前後動自在に案内する中空円筒状のガイド２５が装着されている。
【００２６】
主軸２はかご形のロータ１６を一体に設けるため磁性材料でなければならないが、これは渦電流型変位センサのターゲットとして必ずしも好適ではなく、材質のムラによってセンサ出力の変動を生じたり、電気抵抗が大きく変位センサの感度が低下したりする懸念がある。センサターゲット２１を主軸２とは別部品とし、材料を自由に選択可能とすることにより、非接触変位センサ２０の感度を高めることができる。また、渦電流型変位センサはセンサ部および検出回路部の温度変化によってセンサ出力がドリフトする可能性があるが、非接触変位センサ２０とダミーセンサ２０’のそれぞれに検出回路をつなぎ、その出力差をとることにより、ドリフトによる影響を消去することができる。
【００２７】
図８に示す実施例は、センサコア２０ａの内径面でプッシュロッド１２を前後動自在に案内する構成としたものである。この場合、センサコア２０ａの材料は絶縁体で、かつ、耐摩耗性、摺動性に優れたものであることが必要で、セラミックやナイロン、フッ素樹脂、ポリアセタール等の合成樹脂が適している。
【００２８】
尚、本発明は、中空状の主軸を備えた構成の（主軸の貫通穴内に配置された部材に反工具側から押圧力を付与する手段を有する）スピンドル一般に適用することができ、実施例の構成に限定されるものではない。例えば、上記のプッシュロッド１２に代えて圧縮エアー等を用いる構成（主軸の貫通穴に反工具側から圧縮エアー等を供給してドローバーを作動させる構成）のスピンドル等にも同様に適用できる。また、主軸のハウジングに対する支持手段として、静圧流体軸受、磁気軸受等の非接触支持手段、あるいは、一般ベアリング等の接触支持手段を用いたスピンドルにも同様に適用できる。そして、これらの場合にも、上記と同様の作用効果を奏する。
【００２９】
【発明の効果】
本発明は、以下に示す効果を有する。
【００３０】
（１）非接触変位センサを中空円筒状のものとしたので、中空主軸の場合でも、非接触変位センサを主軸と同軸に配置することが可能となる。したがって、主軸の形状誤差や、振れ等が非接触変位センサの出力に影響しなくなり、外部から加わるスラスト力による主軸のスラスト変位を精度良く検出することができる。
【００３１】
（２）非接触変位センサとして、ナイロン、フッ素樹脂、及びポリアセタールの中から選択される合成樹脂材又はセラミック材で形成された中空円筒状のセンサコアと、導電材料で形成され、このセンサコアの外径に装着されたコイルとからなる渦電流型のものを用いたことにより、センサ部を単純なセンサコアとコイルとで構成することができるので、コンパクトでかつ中空状にしやすい。また、プッシュロッドを耐摩耗性、摺動性に優れた上記の合成樹脂材又はセラミック材で形成されたセンサコアの内径面で前後動自在に案内する構成としたことにより、プッシュロッドの円滑な前後動作を可能にすることができると同時に、構造の簡単化を図ることができる。
【００３２】
（３）非接触変位センサにダミーセンサとダミーターゲットとを一体に具備させ、非接触変位センサとダミーセンサとの出力差をとることにより、ドリフトによる影響を消去することができる。
【００３３】
（４）スラスト軸受の軸受面に絞り孔に連通し、無負荷時のスラスト軸受隙間よりも浅い円周溝または部分円周溝を設けることにより、負荷容量の減少、気体消費量の増加といった弊害を生じさせることなくスラスト剛性を低減させて、微小なスラスト力を精度良く検出することができる。尚、スラスト軸受の軸受面積や円周溝の溝深さ等の条件によりエアハンマの発生が予測される場合には、絞り孔ごとに独立した部分円周溝を設け、溝全体の容積を小さくすることによりこれを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に係わるスピンドルを示す断面図である。
【図２】本発明の他の実施例に係わるスピンドルのスラスト軸受面を示す平面図である。
【図３】図２に示すスピンドルにおけるスラスト軸受隙間ースラスト負荷容量の関係を比較試験した結果を示す図である。
【図４】図２に示すスピンドルにおけるスラスト軸受隙間ースラスト剛性の関係を比較試験した結果を示す図である。
【図５】図２に示すスピンドルにおけるスラスト軸受隙間―気体消費量の関係を比較試験した結果を示す図である。
【図６】本発明の他の実施例に係わるスピンドルのスラスト軸受面を示す平面図である。
【図７】本発明の他の実施例に係わるスピンドルを示す断面図である。
【図８】本発明の他の実施例に係わるスピンドルを示す断面図である。
【図９】従来のスピンドル装置における主軸部分を示す断面図である。
【符号の説明】
１    ハウジング
２    中空主軸
３    軸受スリーブ
４    軸受スリーブ
５    スラスト板
６    スラスト軸受
６ａ  絞り孔
６ｂ  円周溝
６ｂ’部分円周溝
２０  非接触変位センサ
２０ａ  センサコア
２０ｂ  コイル
２０’  ダミーセンサ
２０ｂ’  ダミーコイル
２２  ダミーターゲット
【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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【図８】
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【図９】
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