(57)【要約】【課題】真空チャック機構を備えた回転軸が高速回転する構成にも適用でき、かつ、長寿命化および高精度化を達成できるワーク保持装置および加工機械を提供。【解決手段】本体１１と、本体に回転可能に支持され内部に第１流路２１を有する回転軸２０と、回転軸の一端に取り付けられた真空チャック機構３０と、回転軸の他端側に回転継手５０を介して設けられたエアー吸引回路とを備える。回転継手は、回転軸の他端外周面に対して僅かなシール隙間５１を有して本体に設けられた非接触シール部材５２と、非接触シール部材に形成されエアー吸引回路とシール隙間５１とを連通させる第２流路５４と、回転軸の他端外周に形成されたシール隙間５１に連通する環状の第３流路５５と、回転軸に形成され第３流路と第１流路とを連通させる第４流路５６とを備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
本体と、前記本体に回転可能に支持され内部軸方向に沿って第１流路を有する回転軸と、前記回転軸の一端に取り付けられ前記第１流路と連通する吸気孔を有する真空チャック機構と、前記回転軸の他端側に回転継手を介して設けられ前記第１流路を通じて前記真空チャック機構のエアーを吸引するエアー吸引手段とを備えたワーク保持装置において、
前記回転継手は、前記回転軸の他端外周面に対して僅かなシール隙間を有して前記本体に設けられた非接触シール部材と、前記非接触シール部材に形成され前記エアー吸引手段と前記シール隙間とを連通させる第２流路と、前記回転軸の他端外周に形成された前記シール隙間に連通する環状の第３流路と、前記回転軸に形成され前記第３流路と前記第１流路とを連通させる第４流路とを備えた、
ことを特徴とするワーク保持装置。
【請求項２】
請求項１に記載のワーク保持装置において、
前記回転軸の他端外周面と前記非接触シール部材とのシール隙間が、１μｍ〜２０μｍに設定されている、
ことを特徴とするワーク保持装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のワーク保持装置において、
前記回転継手を通じて前記真空チャック機構にエアーを供給するエアー供給手段と、
前記エアー吸引手段と前記エアー供給手段とを切り換える切換手段とを備える、
ことを特徴とするワーク保持装置。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のいずれかに記載のワーク保持装置において、
前記本体と前記回転軸との間には、前記回転軸をエアーによって非接触状態で支持するエアーベアリング機構が設けられている、
ことを特徴とするワーク保持装置。
【請求項５】
請求項１〜請求項４のいずれかに記載のワーク保持装置を備えた加工機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ワークを真空吸着によって保持するワーク保持装置およびこれを備えた加工機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
回転軸に真空チャック機構を取り付け、この真空チャック機構によってワークを吸着保持した状態において、回転軸の回転によりワークを回転させながら、ワークの加工を行う加工機械にあっては、回転軸とこれを支持する本体との間に真空用回転継手が設けられ、この真空用回転継手を通じて、真空チャック機構のエアーを本体側から吸引する機構が必要とされる。
【０００３】
例えば、特許文献１では、先端に吸着プレートを取り付けたスピンドルを摺動軸受部材を介してハウジングに回転可能に支持した構造において、摺動軸受部材の内周面に環状溝が形成され、この環状溝がハウジングに形成された流路を通じてエアー吸引ラインに接続されるとともに、スピンドルの内部に環状溝に開口しかつ吸着プレートの吸込口に連通する流路が形成される。
このような構成において、エアー吸引ラインによってエアーを吸引すると、ハウジングに形成された流路、環状溝、スピンドルの内部の流路を通じて、吸着プレートの吸引口が吸引される結果、ワークを吸着プレートに吸着することができる。
【０００４】
また、図５に示すワーク保持装置では、本体１１と、この本体１１に回転可能に支持され内部軸方向に沿って第１流路２１を有する回転軸２０と、この回転軸２０の一端に取り付けられ第１流路２１と連通する吸気孔３２を有する真空チャック機構３０と、回転軸２０の他端側に回転継手５０を介して設けられ前記第１流路２１を通じて真空チャック機構３０のエアーを吸引するエアー吸引手段８０とを備える。
回転継手５０は、本体１１側に固定された固定筒８１と、この固定筒８１に先端が固定され後端がエアー吸引手段８０に接続されたチューブ８２と、このチューブ８２とは反対側の固定筒８１内にベアリング８３を介して回転可能に設けられ回転軸２０と一緒に回転する回転ノズル８４と、この回転ノズル８４の外周と固定筒８１との間に設けられたシール部材８５とを備える。
【０００５】
従って、エアー吸引手段８０によってエアーを吸引すると、チューブ８２、回転ノズル８４および回転軸２０の第１流路２１を通じて、真空チャック機構３０の吸気孔３２が吸引される結果、ワークを真空チャック機構３０に吸着することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−１５１６９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述した従来技術において、回転継手の部分からエアーが漏れないように、特許文献１では、スピンドルが摺動軸受部材に対して密着した状態で回転する構造に、また、図５に示すワーク保持装置では、固定筒と回転ノズルとの間にシール部材を介在させた構造にしてあるため、スピンドルが高速回転する加工機械には適用できない。
【０００８】
特に、図５に示すワーク保持装置の場合、シール部材を用いているため、摩耗により劣化しやすい。そのため、使用条件にもよるが１年程度しか使用できず、寿命が問題となる。更に、高精度な加工が求められる市場では、シール部材の摩耗やベアリングの転がり振動が加工精度に影響を与えるため、精度上の理由から適用が制限される場合もある。
【０００９】
本発明の目的は、このような課題を解消し、真空チャック機構を備えた回転軸が高速回転する構成にも適用できるとともに、長寿命化および高精度化を達成できるワーク保持装置およびこれを用いた加工機械を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本願発明のワーク保持装置は、本体と、前記本体に回転可能に支持され内部軸方向に沿って第１流路を有する回転軸と、前記回転軸の一端に取り付けられ前記第１流路と連通する吸気孔を有する真空チャック機構と、前記回転軸の他端側に回転継手を介して設けられ前記第１流路を通じて前記真空チャック機構のエアーを吸引するエアー吸引手段とを備えたワーク保持装置において、前記回転継手は、前記回転軸の他端外周面に対して僅かなシール隙間を有して前記本体に設けられた非接触シール部材と、前記非接触シール部材に形成され前記エアー吸引手段と前記シール隙間とを連通させる第２流路と、前記回転軸の他端外周に形成された前記シール隙間に連通する環状の第３流路と、前記回転軸に形成され前記第３流路と前記第１流路とを連通させる第４流路とを備えた、ことを特徴とする。
【００１１】
このような構成によれば、エアー吸引手段によってエアーを吸引すると、第２流路、第３流路、第４流路、第１流路を通じて真空チャック機構のエアーが吸引されるため、ワークを真空チャックに吸着させることができる。
このとき、第２流路と第３流路との間、つまり、回転軸の他端外周面と非接触シール部材との間には、僅かなシール隙間が形成された構成であるため、非接触シールとしての機能を持たせることができる。つまり、シール隙間を通じて外部から大気エアーが吸引されるとしても、真空チャック機構によってワークを保持できるレベルに真空度を上げることができる。
この状態において、回転軸が回転しても、回転軸と非接触シール部材とが接触することがないので、従来の課題を解消できる。つまり、真空チャック機構を備えた回転軸が高速回転する構成にも適用できるとともに、長寿命化および高精度化を達成できる。
【００１２】
本発明のワーク保持装置において、前記回転軸の他端外周面と前記非接触シール部材とのシール隙間が、１μｍ〜２０μｍに設定されている、ことが好ましい。シール隙間としては、上記範囲内であればよいが、好ましくは、８〜１７μｍ、より好ましくは１０〜１５μｍの範囲がよい。
このような構成によれば、回転軸の他端外周面と非接触シール部材とのシール隙間が、１μｍ〜２０μｍに設定されているから、非接触シールとしての機能を十分に果たすことができる。
【００１３】
本発明のワーク保持装置において、前記回転継手を通じて前記真空チャック機構にエアーを供給するエアー供給手段と、前記エアー吸引手段と前記エアー供給手段とを切り換える切換手段とを備える、ことが好ましい。
通常、真空チャック機構によってワークを吸着し、この状態でワークを加工したのち、ワークを真空チャック機構から外す場合、真空を切断しただけでは、ワークを真空チャック機構から外すことができない場合がある。
【００１４】
本発明では、回転継手を通じて前記真空チャック機構にエアーを供給するエアー供給手段を備えるとともに、これらエアー吸引手段およびエアー供給手段を切り換える切換手段を備えているから、ワークを真空チャック機構から外す場合、切換手段によってエアー吸引手段からエアー供給手段に切り換えると、エアーが第２流路、第３流路、第４流路、第１流路を通じて真空チャック機構に供給されるから、ワークを真空チャック機構から外すことができる。従って、真空チャック機構を用いた加工を効率的に行うことができる。
【００１５】
本発明のワーク保持装置において、前記本体と前記回転軸との間には、前記回転軸をエアーによって非接触状態で支持するエアーベアリング機構が設けられている、ことが好ましい。
このような構成によれば、回転軸がエアーベアリング機構によって支持されているから、回転軸を高速回転させることができる。従って、ワークの高速回転に適した加工を実現できる。
【００１６】
本発明の加工機械は、上述したいずれかに記載のワーク保持装置を備えることを特徴とする。
このような構成によれば、上述した効果を奏する加工機械を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態に係る加工機械を示す斜視図。
【図２】前記実施形態において、ワーク保持装置を示す断面図。
【図３】図２のIII矢視断面図。
【図４】前記実施形態のエアー回路を示す図。
【図５】従来の回転継手を用いたワーク保持装置を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
＜実施形態の構成＞
本実施形態の加工機械は、図１に示すように、ベッド１と、このベッド１の上面一側にＸ軸駆動機構２を介して前後方向（Ｘ軸方向）に移動可能に設けられたサドル３と、このサドル３に図示省略のＹ軸駆動機構を介して上下方向（Ｙ軸方向）へ移動可能に設けられた工具用主軸装置４と、ベッド１の上面他側にＺ軸駆動機構８を介して左右方向（Ｚ軸方向）に移動可能に設けられワークＷを保持するワーク保持装置１０とを含んで構成されている。
【００１９】
工具用主軸装置４は、モータ５と、このモータ５により回転駆動させる工具用主軸６と、この工具用主軸６に着脱可能に取り付けられた工具７とを含んで構成されている。
【００２０】
ワーク保持装置１０は、図２に示すように、本体１１と、この本体１１に回転可能に支持され内部軸方向に沿って第１流路を有する回転軸２０と、この回転軸２０の一端に取り付けられ第１流路２１と連通する吸気孔３２を有する真空チャック機構３０と、回転軸２０の他端側に設けられ回転軸２０を回転駆動させる回転駆動源４０と、回転軸２０の他端側に回転継手５０を介して設けられ第１流路２１を通じて真空チャック機構３０のエアーを吸引および真空チャック機構３０にエアーを供給するエアー回路６０とから構成されている。
【００２１】
回転軸２０は、内部軸方向に沿って第１流路２１を有する所定長さの軸部２２と、この軸部２２の途中に設けられ軸部２２の径よりも径大なフランジ部２３とを有する。
【００２２】
本体１１と回転軸２０との間には、回転軸２０をエアーによって非接触状態で支持するエアーベアリング機構を構成する軸受部材１２，１３，１４が設けられている。
軸受部材１２は、軸部２２の外周面との間に所定のラジアル隙間１５を有する内径に形成されるとともに、ラジアル隙間１５に空気を噴出するエアー噴出孔１２Ａを有する。
軸受部材１３は、軸部２２の外周面との間に所定のラジアル隙間１５を有する内径に形成されるとともに、ラジアル隙間１５に空気を噴出するエアー噴出孔１３Ａを有する。更に、軸受部材１３は、フランジ部２３の端面との間に所定のスラスト隙間１６およびスラスト隙間１６に空気を噴出するエアー噴出孔１３Ｂを有する。
軸受部材１４は、フランジ部２３の端面との間に所定のスラスト隙間１６およびスラスト隙間１６に空気を噴出するエアー噴出孔１４Ｂを有する。
【００２３】
なお、本体１１には、エアー供給口１７が形成されているとともに、内部にエアー供給口１７から、各軸受部材１２，１３，１４のエアー噴出孔１２Ａ，１３Ａ，１３Ｂ，１４Ｂに連通するエアー供給路１８が形成されている。エアー供給口１７には、エアー源１９が接続されている。
【００２４】
真空チャック機構３０は、回転軸２０の一端に設けられた吸着プレート３１と、この吸着プレート３１の吸着面（ワークＷを吸着する面）に開口された吸気孔３２と、吸着プレート３１の内部に形成され回転軸２０の第１流路２１と吸気孔３２とを連通させる連通路３３とを含んで構成されている。
【００２５】
回転駆動源４０は、回転軸２０の他端側に固定されたロータ４１と、このロータ４１の外周に隙間を介して本体１１に固定されたステータ４２とからなるモータによって構成されている。
【００２６】
回転継手５０は、図３にも示すように、回転軸２０の他端外周面に対して僅かなシール隙間５１を有して設けられたリング形状の非接触シール部材５２と、この非接触シール部材５２を本体１１に固定する固定リング５３と、この固定リング５３および非接触シール部材５２に半径方向に沿って形成されエアー回路６０とシール隙間５１とを連通させる第２流路５４と、回転軸２０の他端外周に形成されシール隙間５１に連通（開口）する環状の第３流路５５と、回転軸２０の中心を通り第３流路５５と第１流路２１とを連通させるように回転軸２０に貫通して形成された第４流路５６とを備えて構成されている。
【００２７】
ここで、非接触シール部材５２は、低摩擦材料、本実施形態ではカーボンブッシュによって構成されている。低摩擦材料としては、カーボンに限らず、テフロン（登録商標）やモリブデンなどでもよい。
また、回転軸２０の他端外周面と非接触シール部材５２とのシール隙間５１については、１μｍ〜２０μｍの範囲、本実施形態では、１３μｍに設定されている。シール隙間５１を小さく設定すれば、エアーの漏れが少なくなる一方、製作が難しい。逆に、シール隙間５１を大きく設定すれば、製作が容易になる反面、エアーの漏れが多くなる。本実施形態では、製作のしやすさと漏れ量との妥協点として、１３μｍに設定されている。なお、シール隙間５１としては、上記範囲内であればよいが、好ましくは、８〜１７μｍ、より好ましくは１０〜１５μｍの範囲がよい。
【００２８】
エアー回路６０は、図４に示すように、回転継手５０を通じて真空チャック機構３０のエアーを吸引するエアー吸引手段としてのエアー吸引回路６１と、回転継手５０を通じて真空チャック機構３０にエアーを供給するエアー供給手段としてのエアー供給回路６７と、エアー吸引回路６１とエアー供給回路６７とを切り換える切換手段としての電磁切換弁７０とを備える。
【００２９】
エアー吸引回路６１は、圧縮空気源（元圧：７kgf／cm２）６２、フィルタ６３、減圧弁６４、電磁切換弁６５、ディフューザ型の真空発生器６６を順に接続することにより構成されている。ディフューザ型の真空発生器６６は、ノズル（一次側）およびディフューザ（排気側）を直列に接続し、この接続部に吸引用の経路（二次側）を合流させたものである。一次側から圧縮空気を供給すると、ノズルから吐出された圧縮空気が膨張して接続部の圧力を低下させる。すると、その低圧部へ二次側から空気が流れ込み、ノズルから吐出された圧縮空気に伴われて運ばれ、ディフューザを介して排気される。つまり、一次側から圧縮空気を供給することにより、二次側が吸引されて真空排気される構造である。
【００３０】
エアー供給回路６７は、圧縮空気源（元圧：７kgf／cm２）６２およびフィルタ６３をエアー吸引回路６１と共用し、フィルタ６３と減圧弁６４の間から分岐され、減圧弁６８および電磁弁６９を順次接続することにより構成されている。
切換手段としての電磁切換弁７０は、エアー吸引回路６１およびエアー供給回路６７と回転継手５０との間に挿入され、エアー吸引回路６１およびエアー供給回路６７のいずれかを回転継手５０に接続させる。
【００３１】
＜実施形態の作用、効果＞
このような構成の工作機械において、ワークＷを真空チャック機構３０に吸着するには、図４のエアー回路６０において、電磁弁６９を閉の状態とし、電磁切換弁６５を切り換えて真空発生器６６の一次側に圧縮空気を供給するとともに、電磁切換弁７０を開（図４の状態）に切り換える。すると、回転継手５０の第２流路５４、第３流路５５、第４流路５６、および回転軸２０の第１流路２１を通じて真空チャック機構３０のエアーが吸引されるため、ワークＷを真空チャック機構３０に吸着させることができる。
【００３２】
このとき、第２流路５４と第３流路５５との間、つまり、回転軸２０の他端外周面と非接触シール部材５２との間には、僅かなシール隙間５１が形成されているので、非接触シールとしての機能を持たせることができる。特に、回転軸２０の他端外周面と非接触シール部材５２とのシール隙間５１が、１３μｍに設定されているから、非接触シールとしての機能を十分に果たすことができる。従って、シール隙間５１を通じて外部から大気エアーが吸引されるとしても、真空チャック機構３０によってワークＷを保持できるレベルに真空度を上げることができる。
【００３３】
この状態において、回転駆動源４０を駆動して回転軸２０を回転させながら、工具７によってワークＷを加工する。このとき、回転軸２０が回転しても、回転軸２０と非接触シール部材５２とが接触することがないので、従来の課題を解消できる。つまり、真空チャック機構３０を備えた回転軸２０が高速回転する構成にも適用できるとともに、長寿命化および高精度化を達成できる。
特に、本実施形態においては、本体１１と回転軸２０との間には、回転軸２０をエアーによって非接触状態で支持するエアーベアリング機構（軸受部材１２，１３，１４）が設けられているから、回転軸２０を高速回転させることができる。従って、ワークＷの高速回転に適した加工を実現できる。
【００３４】
また、本実施形態においては、非接触シール部材５２が低摩擦材料（カーボンブッシュ）によって構成されているので、ワーク加工中において、回転軸２０に斜めの負荷が作用して傾いて、非接触シール部材５２に接触したとしても、回転軸２０の回転が極端に低下するのを防止できる。更に、回転軸２０の回転によって非接触シール部材５２が損傷しても、非接触シール部材５２のみを部品交換するだけで補修できる。
【００３５】
また、ワークＷを加工したのち、ワークＷを真空チャック機構３０から解放するには、電磁切換弁７０を閉（図４において右側室）に切り換えるとともに、電磁切換弁６５を切り換えて真空発生器６６への圧縮空気の供給を停止し、電磁弁６９を開に切り換える。すると、回転継手５０の第２流路５４、第３流路５５、第４流路５６、および回転軸２０の第１流路２１を通じて真空チャック機構３０にエアーが供給されるから、ワークＷを真空チャック機構３０から解放することができる。従って、真空チャック機構３０を用いた加工を効率的に行うことができる。
【００３６】
＜変形例＞
なお、本発明は、前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれる。
前記実施形態では、回転軸２０を、内部に第１流路２１を有する所定長さの軸部２２と、この軸部２２の途中に設けられ軸部２２の径よりも径大なフランジ部２３とを有する形状とし、これをエアーベアリング機構によって非接触状態で回転可能に支持した構造であったが、これに限らず、ボールベアリング等によって回転可能に支持する構造であってもよい。
【００３７】
前記実施形態では、加工機械として、工具用主軸装置４がＸ軸方向およびＹ軸方向へ移動可能に、また、ワーク保持装置１０がＺ軸方向へ移動可能であったが、これに限られない。要は、工具用主軸装置４とワーク保持装置１０が二次元（２軸方向）あるいは三次元（３軸方向）へ相対移動可能な構造であれば、いずれが移動する構造であってもよい。
【００３８】
また、前記実施形態の各軸移動機構、つまり、Ｘ軸駆動機構２、Ｙ軸駆動機構（図示省略）、Ｚ軸駆動機構８の構造については、特に問わないが、リニアモータ機構や、ボールねじを用いた送り機構であってもよい。
また、前記実施形態では、回転軸２０の回転駆動源４０として、モータを用いたが、これに限らず、例えば、回転軸２０にタービンを取り付け、これをエアーによって回転させるエアータービン構造などであってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明は、一般的な加工機械に限らず、超精密非球面加工機などの超精密工作機械にも応用できる。
【符号の説明】
【００４０】
１０…ワーク保持装置、
１１…本体、
１２，１３，１４…軸受部材（エアーベアリング機構）、
２０…回転軸、
２１…第１流路、
３０…真空チャック機構、
３２…吸気孔、
５０…回転継手、
５１…シール隙間、
５２…非接触シール部材、
５４…第２流路、
５５…第３流路、
５６…第４流路、
６１…エアー吸引回路（エアー吸引手段）、
６７…エアー供給回路（エアー供給手段）、
７０…電磁切換弁（切換手段）
Ｗ…ワーク。  
【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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