(57)【要約】【課題】非接触軸受を採用した主軸装置において、接触センサを主軸に装着してワークの測定を行う場合でも、測定精度を向上させることが可能な主軸装置を提供する。【解決手段】この主軸装置１００は、主軸１０と、非接触で主軸１０を中心軸線回りに回転可能に支持する非接触軸受２０と、主軸１０を回転駆動する駆動部３０と、主軸１０の一端部に設けられ、工具１またはワーク３の測定を行う接触センサ２を着脱可能に保持する工具保持部４０と、を備える。非接触軸受２０は、接触センサ２の装着時に、主軸１０を接触状態で支持することにより主軸１０の移動を抑制する測定状態Ｐ２に切替可能に構成されている。【選択図】図２
2019104066.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主軸と、
非接触で前記主軸を中心軸線回りに回転可能に支持する非接触軸受と、
前記主軸を回転駆動する駆動部と、
前記主軸の一端部に設けられ、ワークの加工を行う工具またはワークの測定を行う接触センサを着脱可能に保持する工具保持部と、を備え、
前記非接触軸受は、前記接触センサの装着時に、前記主軸を接触状態で支持することにより前記主軸の移動を抑制する測定状態に切替可能に構成されている、主軸装置。
【請求項２】
前記非接触軸受は、
前記主軸を軸方向の両側から軸方向に支持するアキシャル軸受部と、前記主軸を半径方向に支持するラジアル軸受部とを含み、
前記測定状態において、前記アキシャル軸受部のアキシャル軸受面と、前記主軸のアキシャル対向面とが、軸方向に接触するように構成されている、請求項１に記載の主軸装置。
【請求項３】
前記アキシャル軸受部は、前記主軸を一端側から支持する一方側アキシャル軸受面と、前記主軸を一端側とは反対の他端側から支持する他方側アキシャル軸受面とを含み、
前記非接触軸受は、前記測定状態において、前記一方側アキシャル軸受面が前記主軸から離隔し、前記他方側アキシャル軸受面が前記主軸のアキシャル対向面と接触するように構成されている、請求項２に記載の主軸装置。
【請求項４】
前記非接触軸受は、静圧流体軸受であり、
前記静圧流体軸受への圧力供給を制御する流体回路をさらに備え、
前記流体回路は、前記アキシャル軸受部の一端側および他端側のうち、いずれか片方の供給圧力を他の片方よりも弱めるかまたは遮断することにより、前記アキシャル軸受面と前記アキシャル対向面とを接触させるように構成されている、請求項２または３に記載の主軸装置。
【請求項５】
前記静圧流体軸受は、静圧空気軸受であり、
前記流体回路は、前記アキシャル軸受部のいずれか片方に対する空気圧の供給と遮断とを切り替える切替バルブを含む、請求項４に記載の主軸装置。
【請求項６】
前記測定状態において、前記主軸を軸方向に付勢することにより、前記主軸と前記非接触軸受とを接触させる付勢部をさらに備える、請求項１〜３のいずれか１項に記載の主軸装置。
【請求項７】
工具交換装置から前記工具保持部に前記接触センサが装着されたことを判別する判別部と、
前記工具保持部に前記接触センサが装着された場合に、前記非接触軸受を前記測定状態に切り替える制御を行う制御部とをさらに備える、請求項１〜６のいずれか１項に記載の主軸装置。
【請求項８】
前記工具保持部は、ストレートシャンク型の前記工具および前記接触センサを直接保持可能なコレット部材を有する、請求項１〜７のいずれか１項に記載の主軸装置。
【請求項９】
前記駆動部は、誘導モータを含み、
前記非接触軸受は、前記測定状態において、前記主軸との接触により前記主軸の回転を停止させるように構成されている、請求項１〜８のいずれか１項に記載の主軸装置。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の主軸装置と、
前記主軸装置とワークとを相対移動させる移動機構と、
前記工具および前記接触センサを前記主軸装置の前記主軸に対して着脱可能に保持する工具交換装置と、を備える、工作機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、主軸装置および工作機械に関し、特に、工具に代えてワークを測定するためのセンサを装着可能な主軸を備えた主軸装置および工作機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、工具に代えてワークを測定するためのセンサを装着可能な主軸を備えた主軸装置が知られている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００３】
上記特許文献１には、主軸と、主軸を回転支持する軸受と、主軸を回転駆動するモータと、主軸の先端部に設けられた工具クランプ機構と、を備えた主軸装置が開示されている。主軸の先端部には、工具クランプ機構によって、ワークの加工を行う工具と、ワークの加工箇所の直径を測定するための測定ヘッドとのいずれかを、交換して着脱できる。
【０００４】
上記特許文献１には明記されていないが、主軸の軸受は接触式のボールベアリングであると考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−３２６８０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ここで、主軸装置の軸受には、ボールベアリングなどの接触式の転がり軸受の他に、静圧流体軸受などの非接触軸受が採用される場合がある。非接触軸受には、接触式の軸受と比較して、軸受摩擦係数が小さく発熱が小さい一方、軸受剛性が低く、外力によって主軸が軸受との隙間分だけ移動しやすいという特徴がある。そのため、非接触軸受を採用した主軸装置において、測定ヘッドとして接触センサを主軸に装着してワークの測定を行おうとする場合、ワークからの接触反力によって主軸が位置ずれしてしまい、正確な測定が困難になるという問題点がある。そのため、非接触軸受を採用した主軸装置において、接触センサを主軸に装着してワークの測定を行う場合でも、測定精度を向上できるようにすることが望まれている。
【０００７】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、非接触軸受を採用した主軸装置において、接触センサを主軸に装着してワークの測定を行う場合でも、測定精度を向上させることが可能な主軸装置および工作機械を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明の第１の局面による主軸装置は、主軸と、非接触で主軸を中心軸線回りに回転可能に支持する非接触軸受と、主軸を回転駆動する駆動部と、主軸の一端部に設けられ、ワークの加工を行う工具またはワークの測定を行う接触センサを着脱可能に保持する工具保持部と、を備え、非接触軸受は、接触センサの装着時に、主軸を接触状態で支持することにより主軸の移動を抑制する測定状態に切替可能に構成されている。
【０００９】
この主軸装置では、上記のように非接触軸受を構成することによって、接触センサを工具保持部に装着してワークの測定を行う場合に、非接触軸受を測定状態に切り替えて、非接触軸受により主軸を接触状態で支持することができる。そのため、接触センサの接触反力が主軸に作用する場合に、非接触状態のまま主軸を保持する場合と比べて、接触反力による主軸の位置ずれを抑制することができる。位置ずれの抑制手法としては、非接触軸受と主軸との接触方向と接触反力の作用方向との関係により様々であるが、接触反力を軸受面で直接支持することによる移動規制、接触に伴う摩擦抵抗の増大、軸受面と主軸側の対向面との面接触による密着力の発生、などがある。
【００１０】
すなわち、接触反力の作用方向に向けて主軸を非接触軸受に接触させた場合、非接触軸受の軸受面に支持された主軸がそれ以上動かなくなるため、接触反力による主軸の位置ずれを効果的に抑制できる。接触反力と交差する方向に向けて主軸を非接触軸受に接触させた場合、接触箇所における摩擦力の増大により主軸の移動を抑制できる。接触反力と反対方向に向けて主軸を非接触軸受に接触させた場合、軸受面と主軸側の対向面との密着力の発生により主軸を支持しうる。すなわち、一般に、軸受面および主軸側の対向面はラップ仕上げなどにより平滑にされるため、軸受面および対向面が一度面接触すると強力に密着して、主軸の移動を抑制することができる。これらの結果、非接触軸受を測定状態に切り替えた状態で測定を行うことにより、非接触軸受を採用した主軸装置において、接触センサを主軸に装着してワークの測定を行う場合でも、測定精度を向上させることができる。
【００１１】
上記第１の局面による主軸装置において、好ましくは、非接触軸受は、主軸を軸方向の両側から軸方向に支持するアキシャル軸受部と、主軸を半径方向に支持するラジアル軸受部とを含み、測定状態において、アキシャル軸受部のアキシャル軸受面と、主軸のアキシャル対向面とが、軸方向に接触するように構成されている。このように構成すれば、アキシャル軸受面と主軸のアキシャル対向面とを軸方向に面接触させることができる。その結果、面同士の密着によって、接触センサからの軸方向の接触反力に対しても、径方向の接触反力に対しても、主軸の位置ずれを効果的に抑制できる。また、主軸の軸方向位置が非接触軸受のアキシャル軸受面との接触位置に位置決めされるので、主軸の軸方向の位置精度を向上させることができる。その結果、より高精度にワークの測定を行うことができる。
【００１２】
この場合、好ましくは、アキシャル軸受部は、主軸を一端側から支持する一方側アキシャル軸受面と、主軸を一端側とは反対の他端側から支持する他方側アキシャル軸受面とを含み、非接触軸受は、測定状態において、一方側アキシャル軸受面が主軸から離隔し、他方側アキシャル軸受面が主軸のアキシャル対向面と接触するように構成されている。このように構成すれば、他方側アキシャル軸受面が他端側から主軸のアキシャル対向面と接触するので、接触センサからの軸方向の接触反力が主軸を押し込む方向（主軸の他端側に向かう方向）に作用した場合にも、主軸が移動することを確実に防止できる。そして、主軸の軸方向位置を他方側アキシャル軸受面との接触位置で位置決めできる。その結果、接触反力による位置ずれの防止と、測定状態における主軸の軸方向の位置精度の向上との両方を実現できる。
【００１３】
上記非接触軸受がアキシャル軸受部とラジアル軸受部とを含む構成において、好ましくは、非接触軸受は、静圧流体軸受であり、静圧流体軸受への圧力供給を制御する流体回路をさらに備え、流体回路は、アキシャル軸受部の一端側および他端側のうち、いずれか片方の供給圧力を他の片方よりも弱めるかまたは遮断することにより、アキシャル軸受面とアキシャル対向面とを接触させるように構成されている。このように構成すれば、静圧流体軸受への供給圧力を調節（弱めるかまたは遮断）するだけで、容易に、アキシャル軸受面とアキシャル対向面とを接触させることができる。また、静圧流体軸受によって主軸を非接触で支持するための流体回路を用いるだけでよいので、アキシャル軸受面とアキシャル対向面とを接触させる場合でも、装置構成が複雑化することがない。
【００１４】
この場合、好ましくは、静圧流体軸受は、静圧空気軸受であり、流体回路は、アキシャル軸受部のいずれか片方に対する空気圧の供給と遮断とを切り替える切替バルブを含む。このように構成すれば、切替バルブを設けるだけの簡単な構成で、容易に、アキシャル軸受面とアキシャル対向面とを接触させる測定状態に切り替えることができる。
【００１５】
上記第１の局面による主軸装置において、好ましくは、測定状態において、主軸を軸方向に付勢することにより、主軸と非接触軸受とを接触させる付勢部をさらに備える。このように構成すれば、付勢部によって、容易に測定状態に切り替えることができる。また、主軸と非接触軸受とを接触させるために専用の付勢部を設ける場合には、接触センサからの接触反力の大きさに応じて付勢力を設定することにより、主軸の位置ずれを十分に抑制することができる。
【００１６】
上記第１の局面による主軸装置において、好ましくは、工具交換装置から工具保持部に接触センサが装着されたことを判別する判別部と、工具保持部に接触センサが装着された場合に、非接触軸受を測定状態に切り替える制御を行う制御部とをさらに備える。このように構成すれば、工具による加工の開始前の測定でも、加工途中での測定でも、工具保持部に接触センサが装着されたことが判別された場合には測定状態に切り替えることができる。その結果、ユーザが測定状態に切り替える必要がなく、確実に、接触センサによる測定時に非接触軸受を測定状態に切り替えることができる。
【００１７】
上記第１の局面による主軸装置において、好ましくは、工具保持部は、ストレートシャンク型の工具および接触センサを直接保持可能なコレット部材を有する。このように構成すれば、コレット付き工具（接触センサ）を着脱する場合と異なり、個々の工具（接触センサ）にコレットチャックを設ける必要がない分、部品点数を削減しつつ工具を小型化できる。そのため、工具交換装置に接触センサを設ける場合でも、装置構成が大型化することがない。
【００１８】
上記第１の局面による主軸装置において、好ましくは、駆動部は、誘導モータを含み、非接触軸受は、測定状態において、主軸との接触により主軸の回転を停止させるように構成されている。ここで、誘導モータを採用する場合に主軸を駆動しないと、主軸は空転する。そのため、工具保持部に接触センサを装着した場合に、主軸の中心軸と接触センサの中心軸とが厳密に一致しないと、接触センサの先端が振れ回ることになり、接触位置がばらつくことにより測定精度を低下させる要因となる。そこで、上記構成によれば、測定状態で主軸の回転を確実に停止させた状態で、接触センサによるワークの測定を行うことができるので、誘導モータを採用する構成において、特別なモータ制御を行うことなく容易に測定精度を向上させることができる。
【００１９】
この発明の第２の局面による工作機械は、上記第１の局面のいずれかの主軸装置と、主軸装置とワークとを相対移動させる移動機構と、工具および接触センサを主軸装置の主軸に対して着脱可能に保持する工具交換装置と、を備える。
【００２０】
この工作機械では、上記のように構成することによって、上記第１の局面による主軸装置と同様に、接触センサを工具保持部に装着してワークの測定を行う場合に、非接触軸受を測定状態に切り替えて、主軸を接触状態で支持させることができるので、接触センサの接触反力が主軸に作用する場合に、非接触状態のまま主軸を保持する場合と比べて、接触反力による主軸の位置ずれを抑制することができる。その結果、非接触軸受を採用した主軸装置を備える工作機械において、接触センサを主軸に装着してワークの測定を行う場合でも、測定精度を向上させることができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、上記のように、非接触軸受を採用した主軸装置において、接触センサを主軸に装着してワークの測定を行う場合でも、測定精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】第１実施形態による主軸装置を備えた工作機械の全体構成を示した模式図である。
【図２】第１実施形態による主軸装置を示した模式的な縦断面図である。
【図３】工具保持部の構成および工具交換を説明するための工具保持部の模式的な拡大断面図である。
【図４】加工状態を説明するための主軸装置の模式図である。
【図５】測定状態を説明するための主軸装置の模式図である。
【図６】接触センサを用いた測定処理の流れを説明するためのフロー図である。
【図７】基準ゲージの測定を示す図（Ａ）およびワークの測定を示す図（Ｂ）である。
【図８】第２実施形態による主軸装置を示した模式的な縦断面図である。
【図９】第２実施形態における測定状態を説明するための主軸装置の模式図である。
【図１０】工具保持部の第１の変形例を示した模式図である。
【図１１】工具保持部の第２の変形の把持状態（Ａ）および解除状態（Ｂ）を示した模式図である。
【図１２】図５に示した測定状態の変形例を示した模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２４】
［第１実施形態］
図１〜図５を参照して、第１実施形態による主軸装置１００および主軸装置１００を備えた工作機械２００について説明する。
【００２５】
（主軸装置および工作機械の概要）
図１に示すように、主軸装置１００は、主軸１０（図２参照）を中心軸回りに回転駆動することにより、主軸１０の一端部に装着される工具１を回転させて、被加工物であるワーク３の加工を行うための装置である。主軸装置１００は、工作機械２００に組み付けられ、工作機械２００が備える移動機構１１０によって、ワーク３に対して相対移動される。工作機械２００は、数値制御（ＮＣ）工作機械であり、工具１とワーク３との相対運動（位置および速度）を数値情報によって制御し、加工に関わる一連の動作をプログラム１３２により実行する。具体的には、工作機械２００は、主軸装置１００と工具交換装置１２０とを備えたマシニングセンタであり、主軸装置１００に対する工具１の付け替えによって、穴あけ、中ぐり、フライス削りなどの各種の加工を行える。
【００２６】
第１実施形態では、一例として、ワーク３が光学レンズ用の金型であり、工作機械２００によって金型の精密加工を行う例について説明する。第１実施形態の主軸装置１００および工作機械２００は、接触センサ２によるワーク３の高精度測定が可能であるため、金型の製作などの高精度が要求される精密加工を行う場合に特に好適である。
【００２７】
工作機械２００は、主軸装置１００と、移動機構１１０と、工具交換装置１２０と、を備える。また、工作機械２００（主軸装置１００）は、これらの各部を制御する制御部１３０を備える。
【００２８】
移動機構１１０は、主軸装置１００とワーク３とを相対移動させるように構成されている。工作機械２００は、主軸装置１００とワーク３とを、少なくとも、上下方向と、水平面内で直交する２方向との、直交３軸方向に相対移動させる。主軸装置１００とワーク３との相対移動は、主軸装置１００およびワーク３の一方のみが移動してもよいし、主軸装置１００およびワーク３の両方が移動してもよい。図１の例では、移動機構１１０は、主軸装置１００を、上下方向であるＺ方向と、水平面内のＸ方向（図１の左右方向）に移動させ、ワーク３を、水平面内でＸ方向と直交するＹ方向（図１の紙面に垂直な手前および奥方向）に移動させる。
【００２９】
図１では、工作機械２００が門型マシニングセンタである例を示す。工作機械２００は、ワーク３が設置されるテーブル１４０と、テーブル１４０をＹ方向に移動可能に支持するベッド１４１とを備える。工作機械２００は、ベッド１４１のＸ方向両側に配置された一対のコラム１４２と、一対のコラム１４２の上端部に掛け渡されたクロスバー１４３とを備える。クロスバー１４３は、テーブル１４０およびベッド１４１の上方を跨ぐようにＸ方向に延びている。クロスバー１４３は、サドル１４４をＸ方向に移動可能に支持する。サドル１４４は、主軸装置１００が設けられたヘッド１４５をＺ方向に移動可能に支持する。
【００３０】
移動機構１１０は、ヘッド１４５をＺ方向に移動させるＺ軸移動機構１１１と、サドル１４４をＸ方向に移動させるＸ軸移動機構１１２と、テーブル１４０をＹ方向に移動させるＹ軸移動機構１１３と、を備える。Ｚ軸移動機構１１１、Ｘ軸移動機構１１２およびＹ軸移動機構１１３の各々は、たとえば位置検出器を内蔵したサーボモータ１１４と、サーボモータ１１４により駆動させる直動機構（図示せず）とを含む。なお、移動機構１１０は、３軸よりも多い移動軸を備えていてもよい。たとえば、移動機構１１０は、ヘッド１４５をＹ方向の軸中心に回動させる（主軸装置１００の工具１を水平面に対して傾斜させる）回動軸や、テーブル１４０をＺ軸中心に回転させる（ワーク３を水平面内で回転させる）回転軸を備えていてもよい。
【００３１】
工具交換装置１２０は、複数種の工具１を取り出し可能に保持し、主軸装置１００の主軸１０に装着する工具１を交換させる機能を有する。第１実施形態では、工具交換装置１２０は、工具１に加えて、接触センサ２を取り出し可能に保持する。すなわち、工具交換装置１２０は、工具１および接触センサ２を主軸装置１００の主軸１０に対して着脱可能に保持するように構成されている。
【００３２】
図１に示す工具交換装置１２０は、工具１および接触センサ２を保持するマガジン１２１と、マガジン１２１を駆動するモータ１２２とを含む。マガジン１２１は、円盤状に形成され、外周部に、周方向に沿って複数の保持孔（図示せず）を有する。マガジン１２１は、それぞれの保持孔に、工具１または接触センサ２を上方に引き抜き可能な状態で保持できる。モータ１２２は、マガジン１２１を中心の回転軸回りに回転させるように構成されている。
【００３３】
マガジン１２１の回転により、マガジン１２１の所望の保持孔を、主軸装置１００に対する工具交換位置に位置付けることができる。これにより、工作機械２００は、主軸装置１００をマガジン１２１の上方の工具交換位置に移動させて、主軸装置１００に装着された工具１または接触センサ２を外して工具交換位置の保持孔にセットすること、および、工具交換位置に移動された保持孔に保持された工具１または接触センサ２を主軸装置１００に装着することが可能である。
【００３４】
制御部１３０は、工作機械２００の全体の動作制御を行うように構成されている。制御部１３０は、ＣＰＵなどのプロセッサにより構成されている。制御部１３０は、ワーク３の加工プログラムを含む工作機械２００を制御するための各種プログラム１３２が記憶された記憶部１３１を備える。記憶部１３１に記憶されたプログラムをプロセッサが実行することにより、プロセッサが工作機械２００の制御部１３０として動作する。これにより、制御部１３０は、主軸装置１００の動作制御、移動機構１１０の動作制御、工具交換装置１２０の動作制御を行う。制御部１３０は、たとえば工作機械２００の制御盤に設けられており、制御盤の表示部（図示せず）や入力部（図示せず）と接続されている。
【００３５】
（主軸装置）
図２に示すように、主軸装置１００は、主軸１０と、非接触軸受２０と、駆動部３０と、工具保持部４０と、を備える。主軸装置１００は、これらの各部をハウジング５０内に収容したアセンブリとしてパッケージ化されている。
【００３６】
主軸１０は、概略円筒状のハウジング５０の中心に、上下に延びるように設けられた軸部材である。主軸１０は、中実の軸部材であってもよいが、図２の例では、中空（図３参照）の円筒形状を有する。主軸１０は、駆動部３０により中心軸回りに回転駆動され、主軸１０の一端部（主軸端）に設けられた工具保持部４０に装着した工具１を回転させる。以下では、便宜的に、主軸１０の工具保持部４０が配置される側を一端側（Ｚ１方向）とし、主軸１０の工具保持部４０とは反対側を他端側（Ｚ２方向）とする。
【００３７】
主軸１０には、外周面に径方向外側に突出した鍔部１１が設けられている。鍔部１１は、一定の厚みを有し、円板状に形成されている。鍔部１１において、軸方向の一端側（Ｚ１方向側）および他端側（Ｚ２方向側）の各表面には、非接触軸受２０と軸方向に対向するアキシャル対向面１１ａが形成されている。主軸１０には、外径一定の軸部１２が設けられている。軸部１２には、非接触軸受２０と径方向に対向するラジアル対向面１２ａが設けられている。なお、鍔部１１の位置は特に限定されす、鍔部１１が軸部１２に対して一端側（Ｚ１方向側）に配置されていてもよい。
【００３８】
工具保持部４０は、主軸１０の一端部に設けられ、ワーク３の加工を行う工具１またはワーク３の測定を行う接触センサ２を着脱可能に保持するように構成されている。工具保持部４０は、中空の主軸１０の一端部において、挿入された工具１または接触センサ２と係合することにより、工具１または接触センサ２を保持する。工具保持部４０の詳細については後述する。
【００３９】
非接触軸受２０は、非接触で主軸１０を中心軸線回りに回転可能に支持するように構成されている。非接触軸受２０は、少なくとも主軸１０の回転駆動時において、非接触で主軸１０を中心軸線回りに回転可能に支持するように構成されている。言い換えると、非接触軸受２０は、工具１の装着時に、主軸１０を非接触状態で回転可能に支持する加工状態Ｐ１（図４参照）となるように構成されている。そして、第１実施形態では、非接触軸受２０は、接触センサ２の装着時に、主軸１０を接触状態で支持することにより主軸１０の移動を抑制する測定状態Ｐ２（図５参照）に切替可能に構成されている。非接触軸受２０としては、油や空気を作動流体とした静圧流体軸受や、磁気軸受が採用できる。第１実施形態では、非接触軸受２０は、静圧流体軸受であって、特に静圧空気軸受により構成されている。静圧空気軸受は、加圧された気体を軸受と主軸との隙間ＣＬに導入し、気体圧力の釣り合いによって主軸１０に作用する負荷（自重および接触反力）を非接触で支持する軸受である。
【００４０】
非接触軸受２０は、主軸１０を軸方向の両側から支持するアキシャル軸受部２１と、主軸１０を半径方向に支持するラジアル軸受部２２とを含む。
【００４１】
アキシャル軸受部２１は、主軸１０の鍔部１１に対して軸方向両側に配置された一対のアキシャル軸受面を有する。すなわち、アキシャル軸受部２１は、主軸１０を一端側から支持する一方側アキシャル軸受面２１ａと、主軸１０を他端側から支持する他方側アキシャル軸受面２１ｂとを含む。なお、一方側アキシャル軸受面２１ａおよび他方側アキシャル軸受面２１ｂは、いずれも特許請求の範囲の「アキシャル軸受面」の一例である。一方側アキシャル軸受面２１ａおよび他方側アキシャル軸受面２１ｂは、それぞれ、軸方向視で円環状に形成され、鍔部１１のアキシャル対向面１１ａから微小な隙間ＣＬを隔てて軸方向に対向するように設けられている。アキシャル軸受部２１には、空圧源（正圧源）６０から後述する流体回路７０およびハウジング５０の通路部５１を介して、圧縮空気が供給される。一方側アキシャル軸受面２１ａと、他方側アキシャル軸受面２１ｂとには、それぞれ、アキシャル対向面１１ａとの隙間ＣＬに圧縮空気を放出する図示しない絞り孔が設けられている。これにより、アキシャル軸受部２１は、一方側アキシャル軸受面２１ａおよび他方側アキシャル軸受面２１ｂから鍔部１１の軸方向両側にそれぞれ供給された作動流体（空気）の圧力の釣り合いにより、主軸１０の軸方向（アキシャル方向）の支持を非接触で行うことが可能である。
【００４２】
ラジアル軸受部２２は、主軸１０の軸部１２に対して同心円状に形成されたラジアル軸受面２２ａを有する。ラジアル軸受面２２ａは、主軸１０のラジアル対向面１２ａから微小な隙間ＣＬを隔てて対向するように設けられている。ラジアル軸受部２２には、通路部５１を介して圧縮空気が供給される。ラジアル軸受面２２ａには、ラジアル対向面１２ａとの隙間ＣＬに圧縮空気を放出する図示しない絞り孔が設けられている。これにより、ラジアル軸受部２２は、ラジアル軸受面２２ａからラジアル対向面１２ａとの間の隙間ＣＬに供給された作動流体（空気）の圧力の釣り合いにより、主軸１０の径方向（ラジアル方向）の支持を非接触で行うことが可能である。
【００４３】
なお、ラジアル軸受部２２は、主軸１０の軸方向に沿って離隔する位置に、２つ設けられている。これにより、主軸１０の傾きが防止される。軸方向他端側のラジアル軸受部２２は、アキシャル軸受部２１と共通の断面Ｌ字形状の軸受本体に設けられている。
【００４４】
主軸１０の回転駆動時における圧力変動や圧力ばらつきを抑制するため、これらの軸受面（一方側アキシャル軸受面２１ａ、他方側アキシャル軸受面２１ｂ、ラジアル軸受面２２ａ）と、主軸１０の対向面（アキシャル対向面１１ａ、ラジアル対向面１２ａ）とは、ラップ仕上げ面により構成されている。つまり、これらの軸受面および対向面は、それぞれ極めて小さい表面粗さで、かつ、高い寸法精度で形成されている。アキシャル軸受部２１およびラジアル軸受部２２の、主軸１０との隙間ＣＬの大きさは、たとえば８μｍ以上２０μｍ以下程度とされている。アキシャル軸受部２１と主軸１０との隙間ＣＬの大きさと、ラジアル軸受部２２と主軸１０との隙間ＣＬの大きさとは、異なっていてもよい。
【００４５】
なお、主軸装置１００は、静圧流体軸受である非接触軸受２０への圧力供給を制御する流体回路７０を備えている。流体回路７０は、非接触軸受２０に連通するとともに、圧力調整弁７１（図４参照）を介して外部の空圧源６０と接続されている。これにより、流体回路７０を介して非接触軸受２０に所定の圧力の圧縮空気が供給される。供給される空気圧としては、たとえば約０．３ＭＰａ以上、約０．７ＭＰａ以下である。
【００４６】
駆動部３０は、主軸１０を回転駆動するように構成されている。駆動部３０は、主軸１０の他端部に連結され、主軸１０を直接、中心軸線回りに回転駆動するように構成されている。駆動部３０は、６００００ｒｐｍ程度の高速回転が可能な電動モータであり、ハウジング５０の内部に組み込まれたビルトインモータである。モータは、同期モータや誘導モータなどを採用することが可能であるが、第１実施形態では、駆動部３０は、誘導モータにより構成されている。誘導モータは、ステータ３１において発生させた回転磁界によってロータ３２に誘導電流を発生させ、誘導電流によって発生する磁界とステータ３１の回転磁界との相互作用によってロータ３２を回転させるものである。ロータ３２は、主軸１０に固定されている。ステータ３１は、ロータ３２の径方向外側を取り囲むようにハウジング５０に固定されている。
【００４７】
なお、図２の例では、主軸装置１００は、工具保持部４０による工具１のチャック（把持）とリリース（把持解除）とを切り替えるための切替機構８０を備えている。切替機構８０は、主軸１０に対して他端側（Ｚ２方向側）に設けられたアクチュエータ８１と、中空の主軸１０の内部に挿入され、他端側から工具保持部４０の近傍まで延びるプッシュロッド８２とを含む。アクチュエータ８１は、たとえば空圧式または油圧式のピストンや、電動のソレノイドなどにより構成され、プッシュロッド８２を軸方向に進退させる。
【００４８】
（工具の交換）
図３に示す第１実施形態の構成例では、工具保持部４０は、工具１または接触センサ２のシャンク部１ａ（２ａ）を直接把持して、工具１または接触センサ２を保持可能に構成されている。すなわち、工具保持部４０は、ストレートシャンク型の工具１および接触センサ２を直接保持可能なコレット部材４１を有する。
【００４９】
具体的には、工具保持部４０は、コレット部材４１と、主軸１０の一端部に固定される中空筒状のスリーブ４２と、皿ばね４３と、コレットナット４４とを含む。スリーブ４２の一端側は、他端側（Ｚ２方向側）に向かうに従って内径が小さくなるようにテーパ状に形成されたチャック孔となっており、コレット部材４１が挿入される。コレット部材４１は、内周側でシャンク部１ａ（２ａ）を保持可能な筒状形状を有し、スリーブ４２の一端側（Ｚ１方向側）からスリーブ４２内に挿入されている。コレット部材４１の一端側部分は、スリーブ４２のチャック孔に対応して、他端部に向かうに従って外径が小さくなるようにテーパ状に形成されている。
【００５０】
コレット部材４１には、中間位置から一端部に亘って、軸方向に延びる切り欠き４１ａが形成されている。コレット部材４１は、スリーブ４２内を貫通して他端側へ延びており、コレット部材４１の他端部にコレットナット４４が設けられている。そして、スリーブ４２とコレットナット４４との間に設けられた皿ばね４３によって、コレット部材４１が他端部側（Ｚ２方向側）に向けて付勢されている。皿ばね４３によってコレット部材４１がスリーブ４２のテーパ状のチャック孔の奥側（Ｚ２方向側）に付勢される結果、コレット部材４１の一端部（切り欠き４１ａが形成された部分）が径方向内側に圧縮変形されて内径を縮小させる。コレット部材４１の一端部内に挿入された工具１または接触センサ２のシャンク部１ａ（２ａ）に、径方向の圧縮力が作用することによって、工具１または接触センサ２が把持（クランプ）される。
【００５１】
切替機構８０のアクチュエータ８１によってプッシュロッド８２が工具保持部４０側に前進されると、プッシュロッド８２の先端がコレット部材４１の他端部と接触し、コレット部材４１が一端側（Ｚ１方向側）に向けて押圧される。切替機構８０は、皿ばね４３の付勢力よりも大きい押圧力を付与することによって、皿ばね４３を圧縮してコレット部材４１を所定量だけ一端側に押し出す。コレット部材４１は、テーパ状のチャック孔から押し出された分だけ径方向の圧縮力が弱まるため、工具１または接触センサ２のシャンク部１ａ（２ａ）の把持力が弱まる。その結果、アクチュエータ８１の動作によって、工具１または接触センサ２の保持が解除（リリース）可能である。
【００５２】
工具１および接触センサ２は、工具交換装置１２０のマガジン１２１において、シャンク部１ａ（２ａ）を上方（Ｚ１方向）に向けた姿勢で保持される。工具交換時に、工作機械２００は、制御部１３０の制御によって、主軸装置１００を工具交換位置の保持孔上方まで移動させ、プッシュロッド８２を前進させた状態でシャンク部１ａ（２ａ）をコレット部材４１の内部に挿入させる。そして、工作機械２００は、プッシュロッド８２を後退させることにより、工具１または接触センサ２のシャンク部１ａ（２ａ）をコレット部材４１に把持させる。これにより、工具保持部４０に工具１または接触センサ２が保持される。工具１または接触センサ２を工具交換装置１２０に戻す場合、工作機械２００は、工具交換位置において、元の保持孔に工具１または接触センサ２を配置した状態で、プッシュロッド８２を前進させて工具保持部４０による把持を解除させる。
【００５３】
工具１は、一端部（Ｚ１方向側）にワーク３の加工用の刃部１ｂが形成され、他端部（Ｚ２方向側）にシャンク部１ａが設けられている。接触センサ２は、一端部にタッチプローブ２ｂを有し、接触センサ２の他端部には、シャンク部２ａが設けられている。接触センサ２は、タッチプローブ２ｂの被測定物との接触を検知する。接触センサ２は、たとえば歪みゲージを内蔵し、タッチプローブ２ｂと被測定物との接触によって生じた応力による歪みに基づいて接触を検知する。接触センサ２は、無線通信部を内蔵し、工作機械２００内の所定位置に配置された図示しない受信部に対して、検知信号を出力する。接触センサ２の出力に基づいて、タッチプローブ２ｂと被測定物との接触位置を精密に測定することが可能である。
【００５４】
（加工状態および測定状態）
次に、主軸装置１００に工具１を装着して加工を行う際の加工状態と、主軸装置１００に接触センサ２を装着してワーク３の測定を行う測定状態と、について説明する。
【００５５】
上記のように、第１実施形態では、非接触軸受２０は、工具１の装着時に、主軸１０を非接触状態で回転可能に支持する加工状態Ｐ１（図４参照）となり、接触センサ２の装着時に、主軸１０を接触状態で支持することにより主軸１０の移動を抑制する測定状態Ｐ２（図５参照）に切替可能に構成されている。
【００５６】
〈加工状態〉
まず、加工状態Ｐ１では、図４に示すように、流体回路７０により、空圧源６０からの圧縮空気が、アキシャル軸受部２１の一方側アキシャル軸受面２１ａと、他方側アキシャル軸受面２１ｂとの両方に供給される。これにより、主軸１０が、アキシャル軸受部２１に対して非接触状態で軸方向に支持される。また、加工状態Ｐ１では、空圧源６０からの圧縮空気が、２つのラジアル軸受部２２の各ラジアル軸受面２２ａに供給される。これにより、主軸１０が、ラジアル軸受部２２に対して非接触状態で径方向に支持される。これらの結果、主軸１０は、非接触軸受２０との隙間ＣＬに供給された空気圧によって、軸方向（Ｚ方向）および径方向（ＸＹ方向）の移動が非接触で拘束された状態で、中心軸回りに回転可能に支持される。
【００５７】
この状態で、駆動部３０によって主軸１０が回転駆動され主軸１０に装着された工具１が高速回転される。そして、移動機構１１０によって主軸装置１００とワーク３とが相対移動され、工具１をワーク３に接触させることにより、切削加工が行われる。
【００５８】
〈測定状態〉
一方、図５に示すように、非接触軸受２０は、測定状態Ｐ２において、アキシャル軸受部２１のアキシャル軸受面（他方側アキシャル軸受面２１ｂ）と、主軸１０のアキシャル対向面１１ａとが、軸方向に接触するように構成されている。
【００５９】
すなわち、主軸１０と非接触軸受２０とが接触するように、非接触軸受２０に対する供給圧力が調節される。流体回路７０は、測定状態Ｐ２では、アキシャル軸受部２１の一端側（Ｚ１方向側）および他端側（Ｚ２方向側）のうち、いずれか片方の供給圧力を他の片方よりも弱めるかまたは遮断することにより、アキシャル軸受面とアキシャル対向面１１ａとを接触させるように構成されている。
【００６０】
より具体的には、第１実施形態では、流体回路７０が、アキシャル軸受部２１のいずれか片方に対する空気圧の供給（オン）と遮断（オフ）とを切り替える切替バルブ７２を含む。すなわち、測定状態Ｐ２では、切替バルブ７２によってアキシャル軸受部２１のいずれか片方に対する空気圧の供給が遮断されることにより、遮断された側に主軸１０が移動して、アキシャル軸受面とアキシャル対向面１１ａとが接触する。
【００６１】
流体回路７０には、一方側アキシャル軸受面２１ａの絞り孔に連通する流路７３と、他方側アキシャル軸受面２１ｂの絞り孔に連通する流路７４とが別々に設けられている。切替バルブ７２は、他方側アキシャル軸受面２１ｂの絞り孔に連通する流路７４上に配置されている。そのため、切替バルブ７２によって、一方側アキシャル軸受面２１ａには圧縮空気の供給を継続したまま、他方側アキシャル軸受面２１ｂに対する圧縮空気の供給および遮断を切り替えられる。他方側アキシャル軸受面２１ｂに対する圧縮空気の供給が遮断されることにより、一方側アキシャル軸受面２１ａとの間の隙間ＣＬの部分のみが高圧となり、主軸１０が他方側アキシャル軸受面２１ｂ側に移動する。
【００６２】
このような構成により、図５に示す第１実施形態では、非接触軸受２０は、測定状態Ｐ２において、一方側アキシャル軸受面２１ａが主軸１０から離隔し、他方側アキシャル軸受面２１ｂが主軸１０のアキシャル対向面１１ａと接触するように構成されている。主軸１０は、他方側アキシャル軸受面２１ｂとアキシャル対向面１１ａとの間の隙間ＣＬの大きさ分（約８μｍ〜約２０μｍ程度）だけ軸方向他端側（Ｚ２方向）に移動する。その結果、他方側アキシャル軸受面２１ｂとアキシャル対向面１１ａとが面接触する。
【００６３】
測定状態Ｐ２では、他方側アキシャル軸受面２１ｂに対して主軸１０のアキシャル対向面１１ａが接触するため、主軸１０の軸方向（Ｚ方向）位置が、他方側アキシャル軸受面２１ｂとアキシャル対向面１１ａとの接触位置により正確に位置決めされる。また、主軸１０の軸方向他端側（Ｚ２方向）への外力がアキシャル軸受部２１によって支持され、主軸１０がそれ以上他端側には移動できないように主軸１０の移動が規制される。
【００６４】
ここで、誘導モータは、ロータに永久磁石を設ける同期モータと異なり、導体が設けられるだけであるため、モータの非駆動時にロータ３２（主軸１０）が自由回転の状態となる。これに対し、上記の通り、非接触軸受２０の軸受面と主軸１０の対向面とは、それぞれラップ仕上げにより平滑に仕上げられているため、面接触状態で、他方側アキシャル軸受面２１ｂとアキシャル対向面１１ａとが強力に密着する。このため、測定状態Ｐ２では、主軸１０の回転が停止される。このように、非接触軸受２０は、測定状態Ｐ２において、主軸１０との接触により主軸１０の回転を停止させるように構成されている。同様に、測定状態Ｐ２では、他方側アキシャル軸受面２１ｂとアキシャル対向面１１ａとの密着によって、主軸１０のラジアル方向への移動が抑制される。
【００６５】
この状態で、移動機構１１０によって主軸装置１００とワーク３とが相対移動され、接触センサ２をワーク３などの被測定物に接触させることにより、被測定物の寸法や、移動機構１１０の座標系における接触位置の精密測定が行われる。
【００６６】
接触センサ２による測定としては、たとえばワーク３（図７参照）の外形形状および位置の測定と、被加工面の形状測定とが行われる。たとえば直方体状のワーク３の外形形状は、水平方向の４側面に対する水平方向（主軸１０のラジアル方向）の接触と、上面に対する上下方向（主軸１０のアキシャル方向）の接触とにより測定される。たとえばワーク３の上面に形成された被加工面の形状は、被加工面の面内の複数の測定点に対して上下方向（主軸１０のアキシャル方向）の接触を行い、得られた複数の測定点の３次元位置の分布を近似して、被加工面の形状を求めることにより測定される。
【００６７】
このため、特に接触センサ２を被測定物の上方から軸方向（Ｚ方向）に接触させる場合に、接触センサ２と被測定物との接触に起因して軸方向他端側（Ｚ２方向）へ向かう接触反力ＦＲ（図５参照）が主軸１０に作用する。接触センサ２の構造上、被測定物に対する押し付け力は、水平方向で約０．１Ｎ〜１Ｎ程度であるのに対して、軸方向では約１Ｎ〜約７Ｎ程度と大きくなる。第１実施形態では、測定状態Ｐ２において他方側アキシャル軸受面２１ｂとアキシャル対向面１１ａとを接触させることにより、軸方向の接触反力ＦＲを支持して主軸１０の位置ずれが防止される。なお、水平方向の測定では、押し付け力が小さいため、他方側アキシャル軸受面２１ｂとアキシャル対向面１１ａとの密着によって、ラジアル方向の位置ずれが十分に防止される。
【００６８】
測定状態Ｐ２に切り替えられた後、加工状態Ｐ１に戻す場合、図４に示したように、他方側アキシャル軸受面２１ｂに圧縮空気を供給するように切替バルブ７２を切り替えることにより、他方側アキシャル軸受面２１ｂとアキシャル対向面１１ａとの接触を解除して、加工状態Ｐ１に切り替えることができる。
【００６９】
加工状態Ｐ１と測定状態Ｐ２との切替は、主軸１０に装着された装着物が工具１であるか接触センサ２であるかに応じて、制御部１３０によって制御される。すなわち、第１実施形態では、主軸装置１００は、工具交換装置１２０から工具保持部４０に接触センサ２が装着されたことを判別する判別部１３３を備える。そして、制御部１３０は、工具保持部４０に接触センサ２が装着された場合に、非接触軸受２０を測定状態Ｐ２に切り替える制御を行うように構成されている。
【００７０】
工作機械２００による加工動作を規定したプログラム１３２に従って制御部１３０が一連の加工動作を実行するように制御する際に、判別部１３３は、工具１が装着されているか、接触センサ２が装着されているかを判別する。接触センサ２が装着されていると判別部１３３が判別すると、制御部１３０は、流体回路７０の切替バルブ７２を制御して、他方側アキシャル軸受面２１ｂへの圧縮空気を遮断させる。工具１が装着されていると判別部１３３が判別すると、制御部１３０は、流体回路７０の切替バルブ７２を制御して、他方側アキシャル軸受面２１ｂに圧縮空気を供給させる。
【００７１】
第１実施形態では、判別部１３３は、制御部１３０が制御プログラムを実行することによる機能ブロックの１つとして構成され、ソフトウェアにより実現されている。制御部１３０とは別個のプロセッサを設けて、判別部１３３をハードウェアによって構成してもよい。
【００７２】
〈測定動作制御〉
次に、図６を参照して、接触センサ２を用いて測定動作制御について説明する。ここでは、工作機械２００によるワーク３の加工時にワーク３の位置および形状の測定を行う例について説明する。
【００７３】
ステップＳ１において、制御部１３０は、プログラム１３２に従って接触センサ２を工具保持部４０に装着させる。
【００７４】
ステップＳ２において、判別部１３３が、主軸１０の工具保持部４０に接触センサ２が装着されたか否かを判別する。接触センサ２が装着されない場合、測定動作は開始されない。
【００７５】
接触センサ２が装着された場合、制御部１３０は、ステップＳ３に進み、非接触軸受２０を測定状態Ｐ２に切り替える。すなわち、切替バルブ７２を切り替えて、他方側アキシャル軸受面２１ｂの絞り孔への圧縮空気の供給を遮断させる。この結果、非接触軸受２０と主軸１０とが接触して主軸１０の移動が抑制される。
【００７６】
次に、ステップＳ４およびＳ５において、制御部１３０は、接触センサ２を用いて基準ゲージ４を測定することにより、ゼロ点調整（キャリブレーション）を実行する。
【００７７】
図１に示したように、基準ゲージ４は、たとえばワーク３が設置されたテーブル１４０上に配置される。図１では、図示の都合上、ワーク３に対してＸ方向に並ぶ位置に基準ゲージ４を示しているが、たとえばワーク３に対してＹ方向に並ぶ位置に基準ゲージ４が配置されてもよい。
【００７８】
図７（Ａ）に示す基準ゲージ４は、セラミックなどにより予め高い寸法精度で製作された治具であり、たとえば円環形状を有する。制御部１３０は、測定状態Ｐ２で、移動機構１１０を制御して、接触センサ２のタッチプローブ２ｂを基準ゲージ４の内周面の複数箇所に接触させ、水平面内（ＸＹ面内）の基準位置座標を取得する。また、制御部１３０は、接触センサ２のタッチプローブ２ｂを基準ゲージ４の上面に接触させ、Ｚ方向の基準位置座標を取得する。
【００７９】
ステップＳ５において、制御部１３０は、取得した基準ゲージ４の基準位置座標に基づいて、水平方向（ＸＹ方向）および上下方向（Ｚ方向）のゼロ点を設定する。このゼロ点が、ワーク３の位置および形状測定における基準位置となる。
【００８０】
ステップＳ６において、制御部１３０は、接触センサ２を用いてワーク３の位置および形状を測定する。制御部１３０は、測定状態Ｐ２で、移動機構１１０を制御して、図７（Ｂ）に示すように、接触センサ２のタッチプローブ２ｂをワーク３のそれぞれの外側面（４側面）に接触させ、各側面のワーク３の水平方向の位置を測定する。また、制御部１３０は、接触センサ２のタッチプローブ２ｂをワーク３の上面に接触させ、ワーク３の上面の高さ位置（Ｚ方向位置）を測定する。また、制御部１３０は、接触センサ２のタッチプローブ２ｂをワーク３の被加工面に設定した複数の測定点に接触させ、被加工面の形状を測定する。これにより、基準ゲージ４により設定したゼロ点を基準として、ワーク３の位置および形状が精密に測定される。
【００８１】
測定が完了した後、制御部１３０は、ステップＳ７において、補正加工を行うか否かを判断する。たとえば図７（Ｂ）において、加工後のワーク３が所望の形状に形成されていることが測定結果により確認された場合、補正加工が不要であるため、制御部１３０は、測定処理を終了させる。ワーク３が所望の形状に形成されていない場合、制御部１３０は、処理をステップＳ８に進める。
【００８２】
ステップＳ８において、制御部１３０は、接触センサ２に代えて、工具交換装置１２０から工具１を工具保持部４０に装着させる。ステップＳ９において、判別部１３３が、主軸１０の工具保持部４０に工具１が装着されたか否かを判別する。工具１が装着されない場合、加工動作は開始されない。
【００８３】
工具１が装着された場合、制御部１３０は、ステップＳ１０において、非接触軸受２０を測定状態Ｐ２から加工状態Ｐ１に切り替える。すなわち、切替バルブ７２を切り替えて、他方側アキシャル軸受面２１ｂの絞り孔へ圧縮空気を供給させる。この結果、非接触軸受２０と主軸１０とが離隔して主軸１０が非接触状態で回転可能に支持される。
【００８４】
その後、制御部１３０は、制御ブログラムに従って、加工動作制御を実行する。すなわち、制御部１３０は、駆動部３０により主軸１０を高速回転させ、測定によって得られた位置情報および形状情報に基づいて、ワーク３の加工を実施させる。
【００８５】
なお、ワーク３の測定は、加工中の所定タイミングで実施されうる。ワーク３の測定をどのタイミングで実施するかは、加工動作を規定するプログラム１３２によって定められている。そのため、加工中にワーク３の測定を行うために主軸１０に接触センサ２が装着（ステップＳ１）されると、上記ステップＳ２〜Ｓ６が実施されることにより、ワーク３が測定される。また、ワーク３の加工前に未加工のワーク３の位置および形状の測定を行う場合には、ステップＳ１〜Ｓ６を行ってワーク３の位置および形状を測定し、ステップＳ８〜Ｓ１０を行って工具を交換した後、測定結果に基づいてワーク３の加工が開始される。
【００８６】
（第１実施形態の効果）
第１実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
【００８７】
第１実施形態では、上記のように、非接触軸受２０を、接触センサ２の装着時に、主軸１０を接触状態で支持することにより主軸１０の移動を抑制する測定状態Ｐ２に切替可能に構成することによって、接触センサ２を工具保持部４０に装着してワーク３の測定を行う場合に、非接触軸受２０を測定状態Ｐ２に切り替えて、非接触軸受２０により主軸１０を接触状態で支持することができる。そのため、接触センサ２の接触反力ＦＲが主軸１０に作用する場合に、非接触状態のまま主軸１０を保持する場合と比べて、接触反力ＦＲによる主軸１０の位置ずれを抑制することができる。
【００８８】
具体的には、たとえば主軸回転数が６００００ｒｐｍ程度の高速回転を行う主軸装置１００では、通常、静圧空気軸受の剛性が軸方向（アキシャル方向）で約１０Ｎ／μｍ〜約２０Ｎ／μｍ程度とされる。一方、被測定物に対して軸方向にタッチプローブ２ｂが押圧される場合、押圧力は上記の通り約１Ｎ〜約７Ｎ程度となる。剛性が１０Ｎ／μｍ、押圧力が７Ｎである場合、主軸１０が０．７μｍ変位することになり、金型に要求される精度での精密測定は困難になる。これに対して、上記第１実施形態の構成によれば、接触反力ＦＲの作用方向に向けて主軸１０を非接触軸受２０に機械的に接触させるので、主軸１０の位置ずれを効果的に抑制できる。その結果、非接触軸受２０を測定状態Ｐ２に切り替えた状態で測定を行うことにより、非接触軸受２０を採用した主軸装置１００において、接触センサ２を主軸１０に装着してワーク３の測定を行う場合でも、測定精度を向上させることができる。
【００８９】
また、第１実施形態では、上記のように、測定状態Ｐ２において、アキシャル軸受部２１のアキシャル軸受面（他方側アキシャル軸受面２１ｂ）と、主軸１０のアキシャル対向面１１ａとが軸方向に接触するように、非接触軸受２０を構成するので、アキシャル軸受面（他方側アキシャル軸受面２１ｂ）と主軸１０のアキシャル対向面１１ａとを軸方向に面接触させることができる。その結果、面同士の密着によって、接触センサ２からの軸方向の接触反力ＦＲに対しても、径方向の接触反力に対しても、主軸１０の位置ずれを効果的に抑制できる。また、主軸１０の軸方向位置が非接触軸受２０のアキシャル軸受面との接触位置に位置決めされるので、主軸１０の軸方向の位置精度を向上させることができる。その結果、より高精度にワーク３の測定を行うことができる。
【００９０】
また、第１実施形態では、上記のように、測定状態Ｐ２において、一方側アキシャル軸受面２１ａが主軸１０から離隔し、他方側アキシャル軸受面２１ｂが主軸１０のアキシャル対向面１１ａと接触するように非接触軸受２０を構成する。これにより、他端側（Ｚ２方向側）の他方側アキシャル軸受面２１ｂが主軸１０のアキシャル対向面１１ａと接触するので、接触センサ２からの軸方向の接触反力ＦＲ（図５参照）が主軸１０を押し込む方向（Ｚ２方向）に作用した場合にも、主軸１０が移動することを確実に防止できる。そして、主軸１０の軸方向位置を他方側アキシャル軸受面２１ｂとの接触位置で位置決めできる。その結果、接触反力ＦＲによる位置ずれの防止と、測定状態Ｐ２における主軸１０の軸方向の位置精度の向上との両方を実現できる。
【００９１】
また、第１実施形態では、上記のように、流体回路７０を、アキシャル軸受部２１の一方側および他方側のうち、いずれか片方（他方側）の供給圧力を遮断することにより、アキシャル軸受面（他方側アキシャル軸受面２１ｂ）とアキシャル対向面１１ａとを接触させるように構成する。これにより、静圧流体軸受への供給圧力を調節（遮断）するだけで、容易に、アキシャル軸受面とアキシャル対向面１１ａとを接触させることができる。また、静圧流体軸受によって主軸１０を非接触で支持するための流体回路７０を用いるだけでよいので、アキシャル軸受面とアキシャル対向面１１ａとを接触させる場合でも、装置構成が複雑化することがない。なお、他方側への供給圧力を遮断する代わりに、他方側への供給圧力を一方側への供給圧力よりも弱めるだけでもよい。他方側への供給圧力を一方側への供給圧力より十分に小さくすれば、圧力差によって、アキシャル軸受面とアキシャル対向面１１ａとを接触させることができる。したがって、アキシャル軸受面とアキシャル対向面１１ａとを接触させることができれば、他方側への供給圧力を完全に遮断する必要はない。
【００９２】
また、第１実施形態では、上記のように、流体回路７０に、アキシャル軸受部２１のいずれか片方に対する空気圧の供給と遮断とを切り替える切替バルブ７２を設ける。これにより、切替バルブ７２を設けるだけの簡単な構成で、容易に、アキシャル軸受面とアキシャル対向面１１ａとを接触させる測定状態Ｐ２に切り替えることができる。
【００９３】
また、第１実施形態では、上記のように、工具交換装置１２０から工具保持部４０に接触センサ２が装着されたことを判別する判別部１３３と、工具保持部４０に接触センサ２が装着された場合に、非接触軸受２０を測定状態Ｐ２に切り替える制御を行う制御部１３０とを設ける。これにより、工具１による加工の開始前の測定でも、加工途中での測定でも、工具保持部４０に接触センサ２が装着されたことが判別された場合には測定状態Ｐ２に切り替えることができる。その結果、ユーザが測定状態Ｐ２に切り替える必要がなく、確実に、接触センサ２による測定時に非接触軸受２０を測定状態Ｐ２に切り替えることができる。
【００９４】
また、第１実施形態では、上記のように、工具保持部４０に、ストレートシャンク型の工具１および接触センサ２を直接保持可能なコレット部材４１を設ける。これにより、コレット付き工具１（接触センサ２）を着脱する場合と異なり、個々の工具１（接触センサ２）にコレットチャックを設ける必要がない分、部品点数を削減しつつ工具１を小型化できる。そのため、工具１交換装置に接触センサ２を設ける場合でも、装置構成が大型化することがない。
【００９５】
また、第１実施形態では、上記のように、駆動部３０を誘導モータにより構成し、非接触軸受２０を、測定状態Ｐ２において、主軸１０との接触により主軸１０の回転を停止させるように構成する。上記の通り、誘導モータを採用する場合に主軸１０を駆動しないと、主軸１０は空転する。そのため、工具保持部４０に接触センサ２を装着した場合に、主軸１０の中心軸と接触センサ２の中心軸とが厳密に一致しないと、接触センサ２の先端が振れ回ることになり、ワーク３や基準ゲージ４との接触位置がばらついて測定精度を低下させる要因となる。そこで、上記構成によって、測定状態Ｐ２で主軸１０の回転を確実に停止させた状態で、接触センサ２によるワーク３の測定を行うことができるので、誘導モータを採用する構成において、特別なモータ制御を行うことなく容易に測定精度を向上させることができる。
【００９６】
また、第１実施形態では、上記のように構成した主軸装置１００を備える工作機械２００を構成することによって、非接触軸受２０を採用した主軸装置１００を備える工作機械２００において、接触センサ２を主軸１０に装着してワーク３の測定を行う場合でも、測定精度を向上させることができる。
【００９７】
［第２実施形態］
次に、図８および図９を参照して、第２実施形態による主軸装置１０１について説明する。第２実施形態では、アキシャル軸受部２１の他方側アキシャル軸受面２１ｂへの圧力供給を遮断することにより測定状態Ｐ２に切り替える構成の第１実施形態と異なり、主軸１０を軸方向に付勢する付勢部２１０を設ける構成について説明する。なお、第２実施形態において、主軸装置１０１以外の構成は上記第１実施形態と同様であるので、説明を省略する。また、第２実施形態において、上記第１実施形態と同一の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００９８】
図８に示すように、第２実施形態の主軸装置１０１では、測定状態Ｐ２（図９参照）において、主軸１０を軸方向（Ｚ方向）に付勢することにより、主軸１０と非接触軸受２０とを接触させる付勢部２１０が設けられている。
【００９９】
付勢部２１０は、主軸１０に外力を付与して非接触軸受２０に押し付ける。これにより、測定状態Ｐ２（図９参照）において、主軸１０と非接触軸受２０とが接触する。主軸１０と非接触軸受２０との接触により、タッチプローブ２ｂの接触反力ＦＲが主軸１０に作用しても、主軸１０の移動が抑制される。
【０１００】
付勢部２１０は、主軸１０に外力を付与可能な構成であれば特に限定されない。図８の例では、付勢部２１０は、駆動部３０に対して軸方向の他端側（Ｚ２方向側）に配置され、空気圧により主軸１０を付勢するように構成されている。すなわち、付勢部２１０には、流体回路７０を介して圧縮空気が供給される。付勢部２１０は、ロータ３２の軸方向他端部に設けられたバランスリング３３と対向するとともに、内側をプッシュロッド８２が挿通された環状の供給面２１１を有する。付勢部２１０は、供給面２１１に設けられた図示しない絞り孔からバランスリング３３に対して圧縮空気を吐出するように構成されている。
【０１０１】
図９に示すように、流体回路７０は、切替バルブ２２０により、付勢部２１０への圧力供給と遮断とを切り替えることができる。その結果、切替バルブ２２０のオン（供給）状態では、付勢部２１０から供給された空気圧によって、バランスリング３３、ロータ３２およびこれらに連結された主軸１０が、軸方向一端側（Ｚ１方向）に向けて付勢される。これにより、非接触軸受２０は、切替バルブ２２０がオン状態に切り替えられると、主軸１０を接触状態で支持することにより主軸１０の移動を抑制する測定状態Ｐ２に切り替られるように構成されている。
【０１０２】
切替バルブ２２０のオフ（遮断）状態では、圧縮空気の供給が遮断されることにより付勢が解除され、主軸１０が非接触軸受２０に非接触状態で回転支持される。これにより、非接触軸受２０は、切替バルブ２２０がオフ状態に切り替えられると、図８のように、主軸１０を非接触状態で回転可能に支持する加工状態Ｐ１に切り替られるように構成されている。
【０１０３】
このように、図９の例では、付勢部２１０は、主軸１０を一端側（Ｚ１方向）に付勢することにより、一方側アキシャル軸受面２１ａとアキシャル対向面１１ａとを接触させるように構成されている。
【０１０４】
そのため、第２実施形態の場合、測定状態Ｐ２において、主軸１０の鍔部１１に対して、軸方向の接触反力ＦＲの作用方向である他端側（Ｚ２方向側）には、他方側アキシャル軸受面２１ｂとの間に隙間が生じる。したがって、接触反力ＦＲが付勢部２１０の付勢力ＦＦよりも大きい場合、主軸１０が他端側に変位する可能性がある。
【０１０５】
その場合、他方側アキシャル軸受面２１ｂとアキシャル対向面１１ａとの隙間ＣＬの減少に伴ってアキシャル軸受部２１の他端側の圧力が上昇するので、主軸１０の自重、付勢力ＦＦおよび他端側の圧力ＦＰとの合力と、接触反力ＦＲとが釣り合う位置で主軸１０の変位が停止すると考えられる。このようなケースでは、一方側アキシャル軸受面２１ａとアキシャル対向面１１ａとの接触位置で主軸１０が軸方向に位置決めされた状態で、所定の接触反力ＦＲによる変位が生じるため、同じ大きさの接触反力ＦＲが作用すれば、変位量も同じになる。
【０１０６】
そのため、基準ゲージ４の測定時（図７（Ａ）参照）と、ワーク３の測定時（図７（Ｂ）参照）とで、タッチプローブ２ｂによる押圧力が等しい場合、接触反力ＦＲも等しくなり、主軸１０の変位量も等しくなる。つまり、基準ゲージ４の測定時に、接触反力ＦＲによって主軸１０が軸方向に所定量だけ変位した状態でゼロ点調整が行われ、次にワーク３の測定時にも、同じ接触反力ＦＲによって所定量だけ変位した状態で測定を行うことになるので、結果として、主軸１０の軸方向の変位の影響を受けることなくワーク３の測定が可能である。
【０１０７】
したがって、第２実施形態では、制御部１３０は、基準ゲージ４の測定時と、ワーク３の測定時とで、同一の押圧力で接触センサ２による測定を行うように、移動機構１１０（図１参照）を制御する。
【０１０８】
なお、第２実施形態では、制御部１３０は、測定状態Ｐ２において、アキシャル軸受部２１のうち、一方側アキシャル軸受面２１ａの絞り孔への供給圧力を弱めるか、または遮断する。これにより、一方側アキシャル軸受面２１ａとアキシャル対向面１１ａとを密着させ、両者の間に密着力を発生させることができるので、接触反力ＦＲによる主軸１０の移動を効果的に抑制できる。
【０１０９】
また、好ましくは、付勢部２１０は、接触センサ２によるワーク３の測定時のワーク３に対する軸方向の押圧力よりも大きい付勢力ＦＦで、付勢するように構成されている。これにより、タッチプローブ２ｂの接触反力ＦＲが主軸１０に作用しても、主軸１０の移動を確実に抑制できる。
【０１１０】
第２実施形態のその他の構成は、上記第１実施形態と同様である。
【０１１１】
（第２実施形態の効果）
第２実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
【０１１２】
第２実施形態では、上記第１実施形態と同様に、非接触軸受２０を、接触センサ２の装着時に、主軸１０を接触状態で支持することにより主軸１０の移動を抑制する測定状態Ｐ２に切替可能に構成することによって、接触センサ２を工具保持部４０に装着してワーク３の測定を行う場合に、非接触軸受２０を測定状態Ｐ２に切り替えて、非接触軸受２０により主軸１０を接触状態で支持することができる。そのため、接触センサ２の接触反力ＦＲが主軸１０に作用する場合に、非接触状態のまま主軸１０を保持する場合と比べて、接触反力ＦＲによる主軸１０の位置ずれを抑制することができる。
【０１１３】
また、第２実施形態では、上記のように、測定状態Ｐ２において、主軸１０を軸方向に付勢することにより、主軸１０と非接触軸受２０とを接触させる付勢部２１０を設ける。これにより、付勢部２１０によって、容易に測定状態Ｐ２に切り替えることができる。また、主軸１０と非接触軸受２０とを接触させるために専用の付勢部２１０を設ける場合には、接触センサ２からの接触反力ＦＲの大きさに応じて付勢力ＦＦを設定することにより、主軸１０の位置ずれを十分に抑制することができる。
【０１１４】
第２実施形態のその他の効果は、上記第１実施形態と同様である。
【０１１５】
（変形例）
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更（変形例）が含まれる。
【０１１６】
たとえば、上記第１および第２実施形態では、工具保持部４０が、工具１および接触センサ２のストレートシャンク（シャンク部１ａ（２ａ））を直接保持可能なコレット部材４１を有する例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、工具保持部４０は、コレット部材４１を有していなくてもよい。たとえば、主軸装置では、コレット部材が工具保持部ではなく、工具の側に設けられている構成が知られている。
【０１１７】
図１０では、工具保持部４０は、工具１が固定的に取り付けられた工具保持コレット３１０を挿入する保持孔を有し、回転式の外筒３２０を主軸１０にネジ取り付けして締め付けることにより、工具保持コレット３１０を保持するように構成されている。
【０１１８】
図１１では、工具保持部４０は、工具１が固定的に取り付けられた工具保持コレット３３０を挿入する保持孔を有し、主軸１０の内部に設けられたドローバー３４０の進退によって、工具保持コレット３３０の把持および把持の解除を切り替えるように構成されている。工具保持コレット３３０は、テーパ形状のシャンク部３３１を有し、工具保持部４０の内部に挿入される際にテーパ面が当接することにより軸心位置および軸心の向きが規制される。ドローバー３４０は、図２に示したプッシュロッド８２に代えて設けられる。図１１（Ａ）のように、ドローバー３４０を後退させると、ドローバー３４０に設けられたロックロット３４１がクランプ爪３５０を径方向外側に押圧し、外周側のシャンク部３３１にクランプ爪３５０を係合させて工具１を把持（クランプ）する。図１１（Ｂ）のように、ドローバー３４０を前進させると、ロックロット３４１によるクランプ爪３５０の押圧が解除されることにより、シャンク部３３１とクランプ爪３５０との係合が解除（リリース）される。
【０１１９】
本発明では、上記の図１０または図１１の構成の工具保持部４０を備えていてもよい。ただし、工具保持部４０が、工具１および接触センサ２のストレートシャンク（シャンク部１ａ（２ａ））を直接保持可能なコレット部材４１を有する構成では、個々の工具１や接触センサ２に１つずつ工具保持コレットを設けなくてもよい点と、正確に位置決めした状態で主軸１０に取り付けられたコレット部材４１によって工具１や接触センサ２を直接把持することから、軸心位置および軸心の向きのずれを抑制して、高精度に固定することが可能な点で好ましい。
【０１２０】
また、上記第１および第２実施形態では、非接触軸受２０に対して主軸１０を軸方向（アキシャル方向）に接触させる例（アキシャル軸受部に接触させる例）を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、非接触軸受２０に対して主軸１０を径方向（ラジアル方向）に接触させてもよい。すなわち、ラジアル軸受部２２には、複数の絞り孔が全周に渡って等角度間隔で設けられ、それぞれの絞り孔から吐出される圧縮空気による静圧の釣り合いによって主軸１０が径方向に非接触支持される。そのため、ラジアル軸受部２２の複数の絞り孔のうち、いずれか１または複数に対する圧力供給を遮断することにより、主軸１０のラジアル対向面１２ａをラジアル軸受部２２のラジアル軸受面２２ａに接触させることができる。この場合、ラジアル対向面１２ａとラジアル軸受面２２ａとの接触箇所における摩擦力の増大によって主軸１０の移動を抑制することができる。なお、第１または第２実施形態において示した構成と組み合わせて、主軸１０をアキシャル軸受部２１およびラジアル軸受部２２の両方に接触させてもよい。
【０１２１】
また、上記第１実施形態では、他方側アキシャル軸受面２１ｂの絞り孔に対する圧力供給を遮断することにより、他方側アキシャル軸受面２１ｂに対して主軸１０のアキシャル対向面１１ａを接触させる例を示したが、本発明はこれに限られない。図１２に示すように、一方側アキシャル軸受面２１ａの絞り孔に対する圧力供給を遮断することにより、一方側アキシャル軸受面２１ａに対して主軸１０のアキシャル対向面１１ａを接触させてもよい。
【０１２２】
また、上記第２実施形態では、付勢部２１０が主軸１０を一端側（Ｚ１方向）に付勢することにより、一方側アキシャル軸受面２１ａとアキシャル対向面１１ａとを接触させる例を示したが、本発明はこれに限られない。上記第２実施形態において、逆に、付勢部２１０が主軸１０を他端側（Ｚ２方向）に付勢するように構成することにより、他方側アキシャル軸受面２１ｂに対して主軸１０のアキシャル対向面１１ａを接触させてもよい。この場合、主軸１０と非接触軸受２０とは、上記第１実施形態と同様の接触状態（図５参照）となる。
【０１２３】
また、上記第２実施形態では、付勢部２１０が空気圧により非接触で主軸１０を付勢するように構成されている例を示したが、本発明はこれに限られない。付勢部２１０は、たとえば空圧式または油圧式のピストンや、電動のソレノイドなどにより、主軸１０と直接接触して主軸１０を付勢するように構成されてもよい。
【０１２４】
また、上記第１および第２実施形態において、測定状態Ｐ２において、アキシャル軸受部２１の一方側および他方側のうち、いずれか片方の供給圧力を他の片方よりも弱めるかまたは遮断する例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、たとえば空圧源６０において正圧源とは別個に負圧源を設けて、アキシャル軸受部２１の一方側および他方側のうち、いずれか片方には負圧を供給し、他の片方には正圧を供給してもよい。これによっても、非接触軸受２０に対して主軸１０を接触させることができる。
【０１２５】
また、上記第１および第２実施形態では、門型マシニングセンタの例を示したが、本発明の工作機械は、門型構造を有しない立型マシニングセンタや、主軸１０が水平方向に設けられる横型マシニングセンタであってもよい。
【符号の説明】
【０１２６】
１  工具
２  接触センサ
３  ワーク
１０  主軸
１１ａ  アキシャル対向面
２０  非接触軸受
２１  アキシャル軸受部
２１ａ  一方側アキシャル軸受面（アキシャル軸受面）
２１ｂ  他方側アキシャル軸受面（アキシャル軸受面）
２２  ラジアル軸受部
３０  駆動部
４０  工具保持部
４１  コレット部材
７０  流体回路
７２  切替バルブ
１００、１０１  主軸装置
１１０  移動機構
１２０  工具交換装置
１３０  制御部
１３３  判別部
２００  工作機械
２１０  付勢部
Ｐ１  加工状態
Ｐ２  測定状態
【図１】
2019104066.tif 000003
【図２】
2019104066.tif 000004
【図３】
2019104066.tif 000005
【図４】
2019104066.tif 000006
【図５】
2019104066.tif 000007
【図６】
2019104066.tif 000008
【図７】
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【図８】
2019104066.tif 000010
【図９】
2019104066.tif 000011
【図１０】
2019104066.tif 000012
【図１１】
2019104066.tif 000013
【図１２】
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