(57)【要約】【課題】  回転軸の外径を大きくすることができて加工のための十分な剛性を確保できるとともに、回転軸装置の外形寸法を小さくすることができて機械の小型化を図ることができる工作機械の回転軸装置を提供する。【解決手段】  工作機械の回転軸装置１０を、回転軸１１と、前側軸受１４、後側軸受１７を介して回転軸１１を回転自在に支持するハウジング１３とを含み構成する。回転軸１１の先端側に加工用工具４３を装着可能とし、回転軸１１の後端側内部に第２中空部１１Bを形成する。この第２中空部１１Bに、回転軸１１に設けられたロータ２４と、ロータ２４の内方にロータ２４と対向配置して固定されるステータ２５とを備えて構成されたアウターロータタイプのビルトインモータ２３を設ける。【選択図】  図２
2006297541.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸と、内部に軸受を介して前記回転軸を回転自在に支持するハウジングと、を含み構成された主軸を備えた工作機械の回転軸装置において、
前記回転軸の先端側には被加工物を加工する加工用工具が装着可能とされ、前記回転軸の少なくとも後端側内部には中空部が形成されるとともに、該中空部内にビルトインモータが設けられ、
前記ビルトインモータが、前記回転軸の後端側内径部に設けられ当該回転軸とともに回転するロータと、該ロータの内方に当該ロータと対向配置して固定されるステータと、を備えて構成されたアウターロータタイプであることを特徴とする工作機械の回転軸装置。
【請求項２】
前記加工用工具が、砥石であることを特徴とする請求項１に記載した工作機械の回転軸装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工作機械内の回転軸装置に係り、さらに詳しくは回転軸装置（例えば、研削盤であれば砥石軸装置にあたる）に、アウターロータタイプの駆動モータを組み込んだ工作機械の回転軸装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、被加工物に種々の研削加工を行う研削盤としては、図3に示すように、駆動モータ３３が回転軸装置４０の外部に設置されたタイプの研削盤３０が使用されている。この研削盤３０は、例えば軸受内輪溝研削用として用いられ、被加工物に対して大きな外径の砥石４３が使用されている。
【０００３】
研削盤３０は、切り込みテーブル３２に設けられた前記駆動モータ３３と、砥石４３を回転させるための回転軸装置４０とを備えて構成されている。回転軸装置４０は、回転軸４１を含み、回転軸４１と駆動モータ３３とは、プーリ３５，３６やベルト３７を介して連結されている。これにより、駆動モータ３３の回転駆動がプーリ３５，３６、ベルト３７を介して回転軸４１に伝達される。
【０００４】
切り込みテーブル３２は、図示しないテーブル移動機構により、X軸（左右）方向およびY軸（前後）方向に移動可能に構成されている。また、切り込みテーブル３２のX軸方向一方側の所定位置には、被加工物であるワークを把持するワーク把持部４５Ａおよび把持機構（図略）を有するワークヘッド４５が設けられている。なお、駆動モータ３３としては、多くの場合、市販の安価なモータが使用されている。
【０００５】
以上の構造により、ワークヘッド４５の把持部４５Ａで把持されたワークに対して、切り込みテーブル３２をX軸方向およびY軸方向に移動させながら、砥石４３を所定の加工開始位置に合わせる。その後、切り込み量、送り速度等の微調整を適宜行いながら、切り込みテーブル３２を移動させ、砥石４３により所定の研削加工を施す。
【０００６】
また、以上のような外部モータを備えた研削盤の他に、従来、駆動モータを回転軸装置内部に組み込んだ、所謂、ビルトインモータ構造の工作機械が知られている（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。
これらの特許文献１，２の工作機械におけるビルトインモータ構造は、インナーロータタイプのものである。すなわち、特許文献２のビルトインモータの例として図４に示すように、主軸装置である回転軸装置５０は、回転軸５１とその外側に配置されるハウジング５３とを含み構成されている。回転軸５１の外周には、回転軸５１とともに回転するロータ５４が嵌合され、このロータ５４の外周には、当該ロータ５４と対応して配置・固定されるステータ５５が設けられている。このように、ビルトインモータ５６は、ステータ５５の内方でロータ５４が回転するインナーロータタイプとなっている。
ステータ５５は、軸受５７等を介して回転軸５１を回転自在に支持するハウジング５３の内径円筒部に固定されている。また、ステータ５５は、固定鉄心５５Ａと、この固定鉄心５５Ａ内部を巻回するコイル５５Ｂとを含み構成され、ハウジング５３と一体化された冷却ジャケット５８を介して冷却されている。なお、特許文献１のビルトインモータも、前述の特許文献２のビルトインモータとほぼ同様の構造である。
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−１５８２８８号公報（第３頁、図１）
【特許文献２】特開２００３−１２７０４１号公報（第４頁、図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、研削盤において、その性能を決定する重要な因子の一つは、切込軸、すなわち加工用工具を装着した回転軸の剛性が挙げられる。この回転軸の剛性は様々な要因により決まるが、主な要因として、回転軸を受ける軸受内径の大きさによるところが大きい。すなわち、軸受内径が大きいほど回転軸の外径が大きいことになり、それに伴って剛性も大きい。そして、大きな外径の回転軸ほど小さな外径の回転軸に比べて剛性も大きく、その結果、研削盤の性能も向上する。
一方で、機械サイズの小型化が図られる傾向にある。この場合、回転軸の外径を小さくすることは、前述のように剛性が小さくなることから好ましくないので、回転軸の外径は可能な限り大きくせざるを得ない。そうすると、機械サイズの小型化を図るためには、結局、回転軸装置の大きさが制限されることになる。
【０００９】
ところが、前述のような外部モータを使用した研削盤３０では、回転軸４１は大きな外径のものを使用できるが、駆動モータ３３が回転軸装置４０から離れた位置に設けられているため、駆動モータ３３を設置するためのスペースが必要となる。その結果、切り込みテーブル３２が大きくなり、ひいては機械サイズ、すなわち研削盤３０が大きくなる、という課題が生じている。
【００１０】
そのうえ、回転軸装置４０の外部に駆動モータ３３が配置されているので、回転軸装置４０の振動以外に、駆動モータ３３、プーリ３５，３６、ベルト３７からの振動が加わる。また、ベルト３７にはスリップや弛みが生じやすく、その結果、これらの振動や、スリップ等が研削加工に悪影響を及ぼす、という課題も生じている。
さらに、砥石径を小さくしたい場合、外径が大きい砥石４３での研削能率と同じ研削能率を得るためには、同一周速を得る必要があることから、外径に反比例して回転数を上げる必要がある。しかし、市販のモータでは、例えば４〜５倍以上に増速する必要があるような場合、前述の方法を適用しようとするとプーリや、回転軸装置等の大きさや掛かり代が問題となり、別の複雑な機械構造が必要となる。
【００１１】
また、前記特許文献１，２では、インナーロータタイプのビルトインモータ５６であるため、回転軸５１の外側にロータ５４が圧入（焼嵌め）もしくは接着され、その外側にステータ５５が対向配置され、このステータ５５はハウジング５３に固定されている。このように、回転軸５１の外側にロータ５４、そのロータ５４の外側にステータ５５、ハウジング５３と、順次積み重なった状態で設けられているため、回転軸５１やハウジング５３等で構成される回転軸装置５０が大きくなり、ひいては機械サイズが大きくなるという課題がある。
【００１２】
本発明の目的は、機械の小型化を図ることができるとともに、回転速度を容易に変えることができ、かつ振動の少ない工作機械の回転軸装置を提供することである。
【００１３】
本発明の他の目的は、回転軸の外径を大きくすることができて加工のための十分な剛性を確保できるとともに、回転軸装置の外形寸法を小さくすることができて機械の小型化を図ることができる工作機械の回転軸装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
１）本発明の工作機械の回転軸装置は、回転軸と、内部に軸受を介して前記回転軸を回転自在に支持するハウジングと、を含み構成された主軸を備えた工作機械の回転軸装置において、前記回転軸の先端側には被加工物を加工する加工用工具が装着可能とされ、前記回転軸の少なくとも後端側内部には中空部が形成されるとともに、該中空部内にビルトインモータが設けられ、前記ビルトインモータが、前記回転軸の後端側内径部に設けられ当該回転軸とともに回転するロータと、該ロータの内方に当該ロータと対向配置して固定されるステータと、を備えて構成されたアウターロータタイプであることを特徴とする。
【００１５】
前記構成の工作機械の回転軸装置によれば、回転軸の内部にビルトインモータが設けられ、このビルトインモータは、ステータの外周側でロータが回転するアウターロータタイプとなっているので、回転軸の外周側には軸受とハウジングのみがある。そのため、回転軸を十分な剛性を確保できる外径とすることができるとともに、回転軸装置の外形サイズをインナーロータタイプのビルトインモータと比べて格段に小さくすることができ、研削盤の小型化を図ることができる。
また、ベルト等の外部振動源がないので振動を少なくすることができ、さらにステータの固定子鉄心内部を巻回するコイル数を増減する等して調整することで、容易に所望の回転数を得ることができる。
【００１６】
２）本発明の工作機械の回転軸装置は、前記１）に記載した工作機械の回転軸装置において、前記加工用工具が砥石であることを特徴とする。
【００１７】
前記構成の工作機械の回転軸装置によれば、回転軸装置の外形寸法に対して回転軸の外径を大きくすることができ、十分な軸剛性を持たせたまま、研削盤の小型化を図ることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の工作機械の回転軸装置によれば、機械の小型化を図ることができ、かつ回転速度を容易に変えることができる。また、回転軸の外径を大きくすることができて加工のための十分な剛性を確保できるとともに、回転軸装置の外形寸法を小さくすることができて機械の小型化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明に係る好適な実施の形態例を図面に基づいて説明する。
図１、図２には本発明に係る工作機械の回転軸装置（以下、単に回転軸装置という）１０の実施形態が示されており、図１は回転軸装置１０を備えた工作機械としての研削盤１の概略構成図、図2は回転軸装置１０の縦断面図である。
【００２０】
図１に示すように、研削盤１は外形研削盤であり、X軸方向およびY軸方向に移動可能な切り込みテーブル２を備えている。また、切り込みテーブル２の上方には、回転軸装置１０が切り込みテーブル２に一体的に設けられている。この回転軸装置１０の内部には、回転軸１１の駆動機構となるビルトインモータが組み込まれており、回転軸１１の先端には、被加工物であるワークを研削加工する加工用工具としての砥石４３が取付けられている。また、切り込みテーブル２のX軸方向一方側の所定位置には、ワークを把持する把持部４５Ａ、および把持機構（図略）を有するワークヘッド４５が設けられている。なお、本実施形態のビルトインモータは、ブラシレスＤＣモータを例に説明するが、一般的なＡＣモータも使用することができる。
【００２１】
回転軸装置１０は、図２に示すような構造となっている。すなわち、回転軸装置１０は、主に回転軸１１と、ハウジング１３と、ビルトインモータ２３とから構成されている。回転軸１１には、その内部先端側（図２において左方）に第１中空部１１Ａ、内部後端側に第２中空部１１Ｂがそれぞれ形成され、回転軸１１は中空軸になっている。
【００２２】
回転軸１１の先端は小径部に形成され、かつ軸方向前方に突出した突出部１１Ｃが形成されている。そして、この突出部１１Ｃには、前記砥石４３がその内径部を嵌め込んで取付けられている。砥石４３は、ワークを研削加工するものであり、回転軸１１の外径寸法より大きな外径のものが使用されている。そして、ワークの材質等に対応して種々の形状、大きさに形成されている。
【００２３】
回転軸１１の先端には、砥石４３を押えて固定する砥石押え板１２が取り外し可能に取付けられている。この砥石押え板１２の外径は回転軸１１の前端側大径部とほぼ同じ大きさとなっており、全体形状がほぼ皿状に形成されている。
【００２４】
砥石押え板１２の中心部には、回転軸１１の突出部１１Ｃが嵌り込む第１内径部１２Ａと、この第１内径部１２Ａより大径の第２内径部１２Ｂが形成されている。そして、第２内径部１２Ｂと外周との間が、第２内径部１２Ｂの深さの分だけ突出した押え部１２Ｃが形成されている。したがって、押え部１２Ｃにより、回転軸１１の突出部１１Ｃに嵌め込まれた砥石４３の側面が押え付けられて固定され、砥石４３は回転軸１１とともに高速回転できるようになっている。
【００２５】
このような砥石押え板１２は、砥石４３を回転軸１１の突出部１１Ｃに嵌め込んだ後、突出部１１Ｃに第１内径部１２Ａを嵌め込むとともに、押え部１２Ｃを砥石４３の側面に当接させた状態で、複数個の固定ボルト２８により回転軸１１に取付けられる。
【００２６】
回転軸１１はハウジング１３に回転自在に支持されている。すなわち、ハウジング１３の内径は略円筒形に形成され、このハウジング１３の先端内径には、回転軸１１の先端側外周との間において前側軸受１４が嵌装されている。この前側軸受１４は、先端部を止め金１５により、後端部をノズル駒１６によりそれぞれ固定され、それぞれ軸方向の動きが規制されている。
【００２７】
止め金１５は、回転軸１１の先端側外周の一部に形成された窪み部に配置されるとともに、一端面をハウジング１３の先端面に当接し、かつ図示しない取付けボルトによりハウジング１３に固定されている。止め金１５の一端面には軸方向に突出した突起部１５Ａが形成され、この突起部１５Ａで前側軸受１４の外輪を押えるようになっている。また、止め金１５は回転軸１１の回転を妨げないような大きさの内径寸法に形成されている。
【００２８】
以上のような止め金１５の内周にはリング状のエアシール用の溝１５Ｂが切られている。なお、本実施形態では油潤滑に限定して説明するが、油潤滑に限定されるものではなく、グリース潤滑にも適用することができる。
【００２９】
ノズル駒１６は、一部突起部が前側軸受１４の外輪部と当接するとともに、一部突起部とは反対面がハウジング１３の内部突起部１３Ａに押付けられている。また、ノズル駒１６の内部には、潤滑油の供給通路、および排出通路が形成され、供給通路からの潤滑油が前側軸受１４に供給され、回転軸１１はスムーズな回転が可能となっている。
【００３０】
ハウジング１３の後端側内径部には、回転軸１１の後端側外周との間に後側軸受１７が嵌装されている。この後側軸受１７は、先端部をノズル駒１８で、後端部を軸受押え部材１９によりそれぞれ固定され、軸方向の動きが規制されている。ノズル駒１８には潤滑油を供給および排出できるように適宜通路が形成され、後側軸受１７に潤滑油が供給される。
【００３１】
軸受押え部材１９はリング状に形成されており、回転軸１１に後側軸受１７を装着した後、回転軸１１の後端外周に切られたねじに軸受押え部材１９をねじ込んで固定される。
【００３２】
前記ハウジング１３の後端には、複数本の取付けボルト２０により後蓋２１が取付けられている。また、この後蓋２１の内面には、次に述べるステータ２５を固定する固定軸２６が後蓋２１と一体に取付けられている。さらに、後蓋２１および固定軸２６内部には、冷却水通路２１Ａが形成されている。
【００３３】
固定軸２６の後蓋２１側において、回転軸１１の端部と対向する位置には、ホールセンサなどが装着された基板２７が取付けられている。
【００３４】
回転軸１１の後端側内部、つまり第２中空部１１Ｂにはビルトインモータ２３が設けられている。ビルトインモータ２３は、ロータ２４がステータ２５の外側で回転するアウターロータタイプとされている。ロータ２４は、永久磁石からなり、第２中空部１１Ｂ内において、回転軸１１の内径部に接着され、回転軸１１とともに高速回転可能となっている。
【００３５】
これに対して、ステータ２５は、ロータ２４の内方に、かつロータ２４と対向配置され、前述のように固定軸２６に取付けられている。このステータ２５は、図示しないが固定子鉄心と、この固定子鉄心内部を巻回するコイルを含み構成されている。そして、ステータ２５の外径面とロータ２４の内径面とは、所定の空隙を有して対向配置されている。
【００３６】
なお、回転軸１１は、ロータ２４を装着した状態でバランス調整が行われている。そのため、振れが少なくなり、精度のよい回転が得られる。その結果、加工精度が向上する。
【００３７】
以上に説明したように、回転軸装置１０においては、回転軸１１の内部にビルトインモータ２３が設けられ、回転軸１１の外周に前側軸受１４、後側軸受１７等を介してハウジング１３が設けられているので、回転軸１１を大きくとることができる。つまり、回転軸１１を大きくして剛性を確保する一方で回転軸装置１０の外形を小さくして、機械サイズの小型化が図られている。この場合、砥石４３の外径も小さくすることができる。
【００３８】
機械サイズを小さくするために砥石４３の外径を小さくしたい場合、外径が大きい砥石４３での研削能率と同等の研削能率を得るためには、同一周速を得る必要があることから、外径に反比例して回転数を上げる必要がある。
【００３９】
仮に、従来の単純で安価なベルト掛け構造の研削盤で、砥石４３の外径を小さくして、例えば１００００ｒｐｍ以上の回転数を得ようとする場合、従来の研削盤で使用される市販のモータでは回転数が３０００ｒｐｍ〜５０００ｒｐｍであるため、プーリの大きさや掛かり代が問題となり、別の複雑な機械構造が必要となる。
ところが、本実施形態の回転軸装置１０では、ビルトインモータ２３のロータ２４とステータ２５との構成、例えば、ステータ２５の固定子鉄心内部を巻回するコイル数を増減する等して調整することで、容易に所望の回転数を得ることができる。
【００４０】
ここで、砥石の回転数について考察する。
いま、砥石径をD（ｍ）、砥石回転数をN（ｒｐｍ）、必要砥石周速をV（ｍ／ｍｉｎ）、許容プーリ比をＲ（軸間距離や、回転速度によって決まる限界値）、市販モータ定格回転数をＮＭ（ｒｐｍ）としたとき、砥石回転数は次式により求められる。
N=NM×R      （１）
【００４１】
以上の式１により求めた砥石の回転数Nと、必要砥石周速Vとの関係を次に示す。
πＤＮ＞Ｖ     （２）
πＤＮ＜Ｖ     （３）
前記（２）式の場合は、必要砥石周速Vが低速なので、ベルト掛けにて砥石を回すことが可能である。また、（３）式の場合は、必要砥石周速Vが高速なので、ベルト掛けにて砥石を回すことができず、ビルトインモータなど、別の手段を考える必要がある。そして、本実施形態のアウターロータタイプのビルトインモータ２３を備えた回転軸装置１０では、（３）式の条件を容易に満たすことが可能となる。
【００４２】
次に、本実施形態の回転軸装置１０の作用を説明する。
ワークヘッド４５のワーク把持機構により把持されたワークに対して、テーブル移動機構の駆動により切り込みテーブル２をX軸およびY軸方向に移動させながら、回転軸１１に装着された砥石４３を所定の加工開始位置に停止させる。
【００４３】
次いで、アウターロータ２４を駆動させて回転軸１１および砥石４３を回転させるとともに、切り込みテーブル２を適宜X軸、Y軸方向に移動させ、切り込み量、送り速度等の微調整をしながら、所定の研削加工を行う。
【００４４】
以上のような本実施形態の回転軸装置１０によれば、回転軸１１の内部に設けられたビルトインモータ２３が、ステータ２５の外周側でロータ２４が回転するアウターロータタイプとなっているので、外部モータを設けたタイプの研削盤３０の切り込みテーブル３２に比べて、外部モータを設置するスペースが不要となる。その結果、回転軸装置１０を設ける切り込みテーブル２が小さなスペースのものですみ、研削盤の小型化を図ることができる。
【００４５】
また、回転軸１１の外周側には、前側軸受１４、後側軸受１７とハウジング１３のみが配置されている。そのため、回転軸１１を十分な剛性を確保できる外径とすることができるとともに、主軸２２の外形サイズをインナーロータタイプのビルトインモータと比べて格段に小さくすることができ、その結果、研削盤の小型化を図ることができる。
【００４６】
また、ステータ２５の固定子鉄心内部を巻回するコイル数を増減する等して調整することで、容易に所望の回転数を得ることができる。その結果、砥石４３の径を小さくして、例えば１００００ｒｐｍ以上の回転数を得ようとする場合でも、その要望に容易に対応することができる。
【００４７】
また、回転軸１１は、ロータ２４を装着した状態でバランス調整が行われているので、振れが少なくなり、ベルト等の外部振動源を持たないことと相俟って精度のよい回転が得られる。その結果、加工精度の向上を図ることができる。
【００４８】
更に、ステータ２５が固定軸２６に固定され、この固定軸２６はハウジング１３の後端面に取付けられた後蓋２１にハウジング１３と一体的に設けられているので、ハウジング１３の後端面を後蓋２１で塞ぐと同時にステータ２５を装着することができる。その結果、ステータの装着作業が少ない手間で済む。
【００４９】
なお、本発明に係る工作機械の回転軸装置は、上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜な変形、改良等が可能である。例えば、前記実施形態では、回転軸装置１０を設けた研削盤が外形研削盤とされていたが、これに限定されるものではない。回転軸装置１０は、内面研削盤や平面研削盤等の他の研削盤に設けてもよく、或いはワークヘッド４５に設けてもよい。
【００５０】
また、前記実施形態では、回転軸装置１０を研削盤に設けたが、例えば、回転軸を備えたマシニングセンタ等の工作機械にも適用することができる。
【００５１】
更に、前記実施形態では、回転軸１１の内部に、第１中空部１１Aおよび第２中空部１１Bを形成してあるが、ビルトインモータ２３を設けるための第２中空部１１Bが形成してあればよく、第１中空部１１Aは必ずしも形成しなくてもよい。そして、この場合は第１中空部１１Aを加工する手間が省ける。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明に係る工作機械の回転軸装置の一実施形態を示す概略平面図である。
【図２】前記実施形態の回転軸装置の構造を示す縦断面図である。
【図３】従来の外部駆動モータを備えた研削盤を示す概略平面図である。
【図４】従来のインナーロータタイプのビルトインモータを示す縦断面図である。
【符号の説明】
【００５３】
１          研削盤
１０        砥石用回転軸装置（工作機械の回転軸装置）
１１        回転軸
１３        ハウジング
２１        後蓋
２３        ビルトインモータ
２４        ロータ
２５        ステータ
【図１】
2006297541.tif 000003
【図２】
2006297541.tif 000004
【図３】
2006297541.tif 000005
【図４】
2006297541.tif 000006