(57)【要約】  スピンドル速度検出子（６）及びこのような速度検出子を備えるスピンドル。速度検出子（６）は、磁気抵抗センサ（３）を用いてシャフト（５）の回転速度を検出するように設定されている。磁気抵抗センサ（３）は、回路基板（６２）、電子モジュール（６１）、永久磁石（２）を積み重ねて構成されている。好ましくないウインドミルの防止を促進するために、さらなる抵抗をもたらす追加磁石（８）が配設されてもよい。
2008508509.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械加工スピンドルシャフトの回転速度を検出する機械加工スピンドル速度検出子であって、
前記速度検出子は、
磁界を発生する永久磁石と、
前記磁界内に配設され、前記検出子付近にて前記機械加工スピンドルシャフトが回転することによって生じる前記磁界の変化を検出するように設定された磁気抵抗センサと
を備え、
前記速度検出子は、さらに、前記磁気抵抗センサからの出力を受ける電子モジュールを備え、
前記磁気抵抗センサは、回路基板の一方の面に搭載され、
前記電子モジュールは、前記回路基板の反対面に搭載されている
ことを特徴とする機械加工スピンドル速度検出子。
【請求項２】
請求項１記載の機械加工スピンドル速度検出子であって、
前記永久磁石は、前記電子モジュールに搭載されている
ことを特徴とする機械加工スピンドル速度検出子。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載の機械加工スピンドル速度検出子であって、
前記センサ、回路基板、電子モジュールは、該回路基板が該センサと該電子モジュールとの間に挟まれた重なり合いとして配設されている
ことを特徴とする機械加工スピンドル速度検出子。
【請求項４】
請求項３記載の機械加工スピンドル速度検出子であって、
前記磁石は、前記重なり合いに対する追加層を形成するように配設されている
ことを特徴とする機械加工スピンドル速度検出子。
【請求項５】
請求項４記載の機械加工スピンドル速度検出子であって、
少なくとも前記センサ及び磁石は、前記重なり合いにおいて互いに一致して配設されている
ことを特徴とする機械加工スピンドル速度検出子。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の機械加工スピンドル速度検出子であって、
前記回路基板、前記電子モジュール、前記センサのうちの少なくとも１つの厚みは、
所望の検出子出力特性をもたらすように選定されている
ことを特徴とする機械加工スピンドル速度検出子。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載の機械加工スピンドル速度検出子であって、
前記センサは、前記磁界の変化に対して互いに反対に反応するように設定された２つの磁気抵抗素子を備える
ことを特徴とする機械加工スピンドル速度検出子。
【請求項８】
機械加工スピンドルであって、
前記スピンドルの前記シャフトを駆動するモータと、
前記シャフトの回転速度を検出する請求項１乃至請求項７のいずれか１つに記載の速度検出子と、
前記速度検出子からの出力に基づいて前記シャフトの駆動を制御する制御ユニットと
を備えることを特徴とする機械加工スピンドル。
【請求項９】
請求項８記載の機械加工スピンドルであって、
前記スピンドルは、
前記シャフトを内部で軸支した本体と、
前記速度検出子と異なり、前記スピンドルに搭載され、前記本体に対する前記シャフトの回転に抵抗力を付与する永久磁石と
を備えることを特徴とする機械加工スピンドル。
【請求項１０】
請求項９記載の機械加工スピンドルであって、
前記磁気抵抗磁石は、前記スピンドルの本体に搭載されている
ことを特徴とする機械加工スピンドル。
【請求項１１】
請求項９または請求項１０記載の機械加工スピンドルであって、
前記磁気抵抗磁石は、前記シャフトの回転軸に実質的に垂直なシャフトの表面と対面するように前記本体に搭載されている
ことを特徴とする機械加工スピンドル。
【請求項１２】
請求項９乃至請求項１１のいずれかに記載の機械加工スピンドルであって、
前記磁気抵抗磁石は、前記スピンドルの軸受付近、もしくは軸受内に配設されている
ことを特徴とする機械加工スピンドル。
【請求項１３】
請求項８乃至請求項１２のいずれか１つに記載の機械加工スピンドルであって、
前記本体は、前記シャフトを内部で軸支する少なくとも１つの空気軸受を備える
ことを特徴とする機械加工スピンドル。
【請求項１４】
請求項１乃至請求項７のいずれか１つに記載の機械加工スピンドル速度検出子であって、
前記電子モジュールは、前記センサからの出力を増幅する可変利得増幅器を備える
ことを特徴とする機械加工スピンドル速度検出子。
【請求項１５】
請求項１乃至請求項７，１４のいずれか１つに記載の機械加工スピンドル速度検出子であって、
前記電子モジュールは、出力バッファを備える
ことを特徴とする機械加工スピンドル速度検出子。
【請求項１６】
機械加工スピンドルであって、
前記スピンドルの前記シャフトを駆動するモータと、
前記シャフトの回転速度を検出する速度検出子と、
前記速度検出子からの出力に基づいて、前記シャフトの駆動を制御する制御ユニットと
を備え、
前記速度検出子は、
磁界を発生する永久磁石と、
前記磁界内に配設され、前記機械加工スピンドルシャフトの回転によって生じる磁界の変化を検出するように設定された磁気抵抗センサと
を備え、
前記速度検出子は、さらに、前記磁気抵抗センサからの出力を受ける電子モジュールを備え、
前記磁気抵抗センサは、回路基板の一方の面に搭載され、
前記電子モジュールは、前記回路基板の反対面に搭載されている
ことを特徴とする機械加工スピンドル。
【請求項１７】
機械加工スピンドルシャフトの回転速度を検出する機械加工スピンドル速度検出子を製造する方法であって、前記速度検出子は、磁界を発生する永久磁石と、前記磁界内に配設され、前記速度検出子付近にて機械加工スピンドルシャフトが回転することによって生じる磁界の変化を検出するように設定された磁気抵抗センサとを備え、前記速度検出子は、さらに、前記磁気抵抗センサからの出力を受ける電子モジュールを備え、前記磁気抵抗センサは、回路基板の一方の面に搭載され、前記電子モジュールは、前記回路基板の反対面に搭載され、
前記方法は、
所望の検出子出力特性をもたらすように前記電子モジュール、前記センサ、前記回路基板のうちの少なくとも１つの厚みを選定するステップを備える
ことを特徴とする方法。
【請求項１８】
スピンドルのシャフトを駆動するモータと、前記シャフトの回転速度を検出する速度検出子と、前記速度検出子からの出力に基づいて前記シャフトの駆動を制御する制御ユニットとを備え、前記速度検出子は、磁界を発生する永久磁石と、前記磁界内に配設され、前記機械加工スピンドルシャフトの回転によって生じる磁界の変化を検出するように設定された磁気抵抗センサとを備え、前記速度検出子は、さらに、前記磁気抵抗センサからの出力を受ける電子モジュールを備え、前記磁気抵抗センサは、回路基板の一方の面に搭載され、前記電子モジュールは、前記回路基板の反対面に搭載されている機械加工スピンドルを製造する方法であって、
所望の検出子出力特性をもたらすように前記電子モジュール、前記センサ、前記回路基板のうちの少なくとも１つの厚みを選定するステップと、
所望の検出子出力特性をもたらすように前記センサと前記シャフトとの間の間隔を選定するステップと
を備えることを特徴とする方法。
【請求項１９】
請求項１７または請求項１８記載の方法であって、
所望の検出子出力特性をもたらすように前記回路基板に搭載されるプリント回路基板のレイアウトを選定するステップを備える
ことを特徴とする方法。
【請求項２０】
請求項１７，１８，１９のいずれかに記載の方法であって、
所望の検出子出力特性をもたらすように前記永久磁石を選定する、さらなるステップを備える
ことを特徴とする方法。
【請求項２１】
請求項１７乃至請求項２０のいずれか１つに記載の方法であって、
前記電子モジュールは、可変利得増幅器を備え、
前記方法は、所望の検出子出力特性をもたらすように前記増幅器の利得を調節する、さらなるステップを備える
ことを特徴とする方法。
【請求項２２】
ドリルスピンドルシャフトの回転速度を検出するドリルスピンドル速度検出子であって、
前記速度検出子は、
磁界を発生する永久磁石と、
前記磁界内に配設され、前記速度検出子付近にてスピンドルシャフトが回転することによって生じる磁界の変化を検出するように設定された磁気抵抗センサとを備え、
前記速度検出子は、さらに、前記磁気抵抗センサからの出力を受ける電子モジュールを備え、
前記磁気抵抗センサは、回路基板の一方の面に搭載され、
前記電子モジュールは、前記回路基板の反対面に搭載されている
ことを特徴とするドリルスピンドル速度検出子。
【請求項２３】
スピンドルの本体における空気軸受に軸支されたシャフトのウインドミルに対抗する方法であって、
前記スピンドルの前記本体に永久磁石を設け、前記本体に対する前記シャフトの回転に抵抗を生じさせるステップを備える
ことを特徴とする方法。
【請求項２４】
空気軸受スピンドルであって、
前記スピンドルの本体における空気軸受に軸支されたシャフトと、
前記スピンドルの前記本体に搭載され、前記本体に対する前記シャフトの回転に抵抗を生じさせ、前記シャフトのウインドミルに対抗する永久磁石と
を備えることを特徴とする空気軸受スピンドル。
【請求項２５】
機械加工スピンドルシャフトの回転速度を検出する機械加工スピンドル速度検出子であって、
前記速度検出子は、
磁界を発生する永久磁石と、
前記磁界内に配設され、前記速度検出子付近にて機械加工スピンドルシャフトが回転することによって生じる前記磁界の変化を検出するように設定された磁気抵抗センサと
を備え、
前記速度検出子は、さらに、前記磁気抵抗センサからの出力を受ける電子モジュールを備え、
前記磁気抵抗センサは、回路基板の一方の面に搭載され、
前記電子モジュールは、前記回路基板の反対面に搭載され、
前記永久磁石は、前記電子モジュールに搭載されている
ことを特徴とする機械加工スピンドル速度検出子。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、ドリルスピンドル速度検出子と、この種の速度検出子を備えるドリルスピンドルとに関する。また、本発明は、例えば研削スピンドルといったドリルスピンドル以外の他の種類の機械加工スピンドルと、この種の機械加工スピンドルに使用される速度検出子とにも関連している。
【０００２】
一般的に、ドリルスピンドルは、ドリル工具を装着するシャフトの回転速度を検出する検出子を備えている。この検出子は、シャフトを駆動するモータを制御するフィードバック機構の一部である。このシステムによれば、ドリルシャフトを適切な回転速度に制御することが可能となり、シャフトを駆動するモータの効率の向上、及び／またはモータの信頼性の確保を促進できる。
【０００３】
既存のドリルスピンドルのうちの少なくとも一部では、磁気抵抗センサを利用した速度検出子が使われている。この種の従来の速度検出子の概要を図１に図示する。ここで、回転速度を検出される部品は、歯車１もしくは切り欠きのある他の金属部品である。永久磁石２は、歯車１付近に配設され、磁気抵抗センサ３は、永久磁石２と歯車１との間に配設されている。つまり、磁気抵抗センサ３は、永久磁石２が発生する磁界内に位置している。磁気抵抗センサ３から出力を得るために磁気抵抗センサ３の両端に電圧を印加すると、永久磁石２が発生する磁界の存在に起因する出力電圧が観測される。歯車１が回転すると、金属部品の歯もしくは切り欠きによって磁界が変化するように、磁気抵抗センサ３によって観測された磁界が変化する。検出された磁界のこのような変化によって、磁気抵抗センサ３の出力に変化が生じる。つまり、このような変化を監視し、分析すると、各切り欠きがセンサ３を通過するのを“観測”することが可能となり、さらに、歯車１の回転速度を測定することが可能となる。
【０００４】
この種の従来の速度検出子では、磁気抵抗センサ３の出力は、シャフトを駆動するモータの動作を制御するのに用いられる制御電子回路に直接供給される。
種々の問題が、このような既存の速度検出子に付随している。まず最初に、種々の有効な出力を得るには、回転金属部品１に対するセンサ３と磁石２との位置及び間隔が慎重に選定されなければならない。さらに、磁気抵抗センサの出力インピーダンスは、センサの出力にいかなる負荷を取り付けても信号電圧が低下するように非常に高く設定されがちである。つまり、シャフトを駆動するモータを制御する制御回路が比較的離れた位置で有効な信号を得ることは困難となり得る。
【０００５】
このような速度検出子は、ドリルスピンドルに確保された比較的限られた空間に設けられることが多い。ドリルスピンドルの残りの部分が故障する前に速度検出子が動作しなくなる可能性が比較的高いので、改修計画における保守の一環として、速度検出子を頻繁に交換する必要がある。このため、新たな速度検出子をそのまま既存の速度検出子と置き換えることができるように、既存の速度検出子と同等もしくはそれ以下の寸法で速度検出子を製造できることが望ましい。つまり、速度検出子のコンパクト設計を達成でき、速度検出子の性能をいかに向上させても、好ましくは検出子が既存のドリルスピンドルに適合しない程度に検出子の寸法が増大しないことが有利である。
【０００６】
本発明の一局面によって提供されるのは、ドリルスピンドルシャフトの回転速度を検出するドリルスピンドル速度検出子であって、速度検出子は、磁界を発生する永久磁石と、磁界内に配設され、速度検出子付近にてドリルスピンドルシャフトが回転することによって生じる磁界の変化を検出するように設定された磁気抵抗センサとを備え、速度検出子は、さらに、磁気抵抗センサからの出力を受ける電子モジュールを備え、磁気抵抗センサは、回路基板の一方の面に搭載され、電子モジュールは、回路基板の反対面に搭載されている。
【０００７】
この配置によれば、センサと電子モジュールとの間の電気的接続の長さを最小限にすることを促進でき、電磁干渉の影響の低減を促進できる。
電子モジュールは、センサからの出力を増幅する増幅器を備えてもよい。増幅器は、可変利得増幅器であってもよい。増幅器が可変利得増幅器であれば、例えば、組立公差に起因してスピンドル間に生じるシャフトとセンサとの間の間隔の誤差を打ち消すように増幅器の利得を調節できるという点で特に有用である。
【０００８】
電子モジュールは、出力バッファを備えてもよい。出力バッファによれば、電子モジュールの出力インピーダンスを低減させることができる。
永久磁石は、電子モジュールに搭載されてもよい。永久磁石は、電子モジュールに接合されてもよい。
【０００９】
センサ、回路基板、電子モジュールは、基板がセンサと電子モジュールとの間に挟まれた重なり合いとして配設されてもよい。磁石は、この重なり合いに追加の層を形成するように配設されてもよい。コンパクト設計を達成する、および／または所望の検出特性を有するデバイスを製造する試みに対して、上述の特徴を寄せ集め、組み合わせたり、個別に用いてもよい。センサ、センサの次に回路基板、回路基板の次に電子モジュール、電子モジュールの次に磁石を重ね合わせる、もしくは、積み重ねるようにセンサを配置すれば、最も効果的に性能を発揮できるとともに、検出子全体の寸法が最小限となることが分かっている。このように配置することで、検出子に与えられた寸法の範囲内で磁石とセンサとが最大限に離間されることが分かるであろう。
【００１０】
少なくともセンサと磁石とを互いに一致させて積み重ねて配置するのが好ましい。一致させてという表現は、センサと磁石とが積み重なり合う方向におおよそ垂直な平面にて、センサと磁石とが、幾何学的に可能な限り互いに重複することを意味するのに使用されている。
【００１１】
回路基板、電子モジュール、センサのうちの少なくとも１つの厚みは、所望の検出子出力特性をもたらすように選定されるとよい。回路基板の厚みは、０．６ｍｍ〜１ｍｍの範囲、好ましくは０．８ｍｍであるとよい。電子モジュール、及び／またはセンサの厚みは、１〜１．５ｍｍの範囲、好ましくは１．１ｍｍであるとよい。
【００１２】
センサは、磁界の変化に対して互いに反対に反応するように設定された２つの磁気抵抗素子を備えてもよい。２つの素子からの出力は、処理を行う電子モジュールへ供給されてもよい。電子モジュールは、２つの素子からの出力間の差異に基づいて、モジュール出力を生成するように設定されてもよい。センサは、この磁気抵抗素子もしくは各磁気抵抗素子によって検出された値の変化を測定できる基準となる少なくとも１つの基準素子を備えてもよい。ホイットストーンブリッジとして配設された４つの素子を備えてもよい。
【００１３】
本発明の他の局面によって提供されるのは、ドリルスピンドルであって、スピンドルのシャフトを駆動するモータと、上記で述べたようにシャフトの回転速度を検出する速度検出子と、速度検出子からの出力に基づいてシャフトの駆動を制御する制御ユニットとを備えている。
【００１４】
本発明のさらなる局面によって提供されるのは、ドリルスピンドルであって、スピンドルのシャフトを駆動するモータと、シャフトの回転速度を検出する速度検出子と、速度検出子からの出力に基づいてシャフトの駆動を制御する制御ユニットとを備え、速度検出子は、磁界を発生する永久磁石と、磁界内に配設され、ドリルスピンドルシャフトの回転によって生じる磁界の変化を検出するように設定された磁気抵抗センサとを備え、速度検出子は、さらに磁気抵抗センサからの出力を受ける電子モジュールを備え、磁気抵抗センサは、回路基板の一方の面に搭載され、電子モジュールは、回路基板の反対面に搭載されている。
【００１５】
このようなスピンドルでは、電子モジュールは、制御ユニットを備えてもよい。ただし、好ましくは、電子モジュールは、センサ出力に基づいてモジュール出力を生成し、モジュール出力は、制御ユニットへ供給されるのがよい。
【００１６】
スピンドルは、シャフトを内部で軸支する本体を備えてもよい。本体は、シャフトを内部で軸支する少なくとも１つの空気軸受を備えてもよい。
速度検出子とは異なる永久磁石をスピンドルに搭載することで、本体に対するシャフトの回転に抵抗力を付与してもよい。好ましくは、磁気抵抗磁石をスピンドルの本体に搭載するとよい。尚、磁気抵抗磁石をスピンドルの本体に搭載することは、磁気抵抗磁石をシャフトに搭載することよりも好ましい。その理由は、通常の使用時に、シャフトと、シャフトに装着されるものとによって大きな回転力が引き起こされるからである。
【００１７】
好ましくは、磁気抵抗磁石は、シャフトの実質的な軸面に対面するように本体に搭載されるとよい。シャフトの軸面とは、シャフトの回転軸に実質的に垂直な表面のことである。一般的に、このような表面は、シャフトにおける曲がったラジアル面とは対照的に平面となるであろう。シャフトにおける、おおよそ平らな軸面に対面するように磁気抵抗磁石を配置することは、磁気抵抗磁石とシャフトとの間に緊密なカップリングを形成するために特殊な形状の磁石を用いる必要がない点で有利である。
【００１８】
磁気抵抗磁石は、スピンドルの軸受付近もしくは軸受内に配設されるとよい。磁気抵抗磁石は、スピンドルのスラスト板に搭載されるとよい。
シャフトと、スピンドルの残りの部分との間の相対的な回転に対して、さらなる抵抗を付加することは、ウインドミル（風車）として知られている現象を克服するのに有用である。ウインドミルとは、シャフトの回転が“非常に良い”範囲にあることを意味する。つまり、シャフトに駆動力が印加されていないときに抵抗が非常に小さい空気軸受のことを意味する。ウインドミルは、通常、空気軸受に流れ込む空気の微小な不均衡によって発生する。空気軸受に流れ込む空気は、実際には、外部駆動がなく、外部の負荷が小さい、もしくは外部の負荷がないときに、シャフトの周りに“吹いている”。この現象によって、一部の用途では、“シャフトが静止しているべき”ときにシャフトが静止していないと一部のモータ制御システムが正常に機能しなくなるといった問題が発生し得る。一部のモータ制御装置は、このような状況において故障状態モードに入り、起動モードに入ることを防止するようになっている。
【００１９】
場合によっては、速度検出子もしくは他の抵抗源の存在によって、ウインドミルの発生が防止されることがあろう。しかし、本発明の少なくとも一部の実施形態では、ウインドミルが問題となる可能性があり、さらなる磁石を設けることが解決策となり得る。
【００２０】
本発明の他の局面によって提供されるのは、スピンドルの本体における空気軸受によって軸支されたシャフトのウインドミルに対抗する方法であって、スピンドルの本体に永久磁石を設けることで、本体に対するシャフトの回転に抵抗を生じさせるステップを備えている。
【００２１】
本発明の他の局面によって提供されるのは、空気軸受スピンドルであって、スピンドルの本体における空気軸受に軸支されたシャフトと、スピンドルの本体に搭載され、本体に対するシャフトの回転に抵抗を生じさせて、本体内のシャフトのウインドミルに対抗する永久磁石とを備えている。
【００２２】
空気軸受スピンドルは、速度検出子を備えても良い。速度検出子は、上記で述べた速度検出子であってもよいし、例えば光学的速度検出子といった他の種類の速度検出子であってもよい。永久磁石は、空気軸受スピンドルに設けられた速度検出子のいずれとも異なっているとよい。永久磁石は、スピンドルに設けられたモータのいずれとも異なっているとよい。抵抗を生じるために設けられた磁石に関連して上述した選択的特徴は、磁気的速度検出子がある場合、代替の速度検出子がある場合、速度検出子がない場合に対して適切になるように応用される。
【００２３】
本発明のさらなる他の局面によって提供されるのは、スピンドルシャフトの回転速度を検出するスピンドル速度検出子であって、速度検出子は、磁界を発生する永久磁石と、磁界内に配設され、速度検出子付近にてスピンドルシャフトが回転することによって生じる磁界の変化を検出するように設定された磁気抵抗センサとを備え、速度検出子は、さらに、磁気抵抗センサからの出力を受ける電子モジュールを備え、磁気抵抗センサは、回路基板の一方の面に搭載され、電子モジュールは、回路基板の反対面に搭載されている。
【００２４】
本発明のさらなる他の局面によって提供されるのは、ドリルスピンドルシャフトの回転速度を検出するドリルスピンドル速度検出子を製造する方法であって、速度検出子は、磁界を発生する永久磁石と、磁界内に配設され、速度検出子付近にてドリルスピンドルシャフトが回転することによって生じる磁界の変化を検出するように設定された磁気抵抗センサとを備え、速度検出子は、さらに、磁気抵抗センサからの出力を受ける電子モジュールを備え、磁気抵抗センサは、回路基板の一方の面に搭載され、電子モジュールは、回路基板の反対面に搭載されており、該製造する方法は、所望の検出子出力特性をもたらすように、電子モジュール、センサ、回路基板のうちの少なくとも１つの厚みを選択するステップを備えている。
【００２５】
本発明の他の局面によって提供されるのは、スピンドルのシャフトを駆動するモータと、シャフトの回転速度を検出する速度検出子と、速度検出子からの出力に基づいて、シャフトの駆動を制御する制御ユニットとを備え、速度検出子は、磁界を発生する永久磁石と、磁界内に配設され、ドリルスピンドルシャフトが回転することによって生じる磁界の変化を検出するように設定された磁気抵抗センサとを備え、速度検出子は、さらに、磁気抵抗センサからの出力を受ける電子モジュールを備え、磁気抵抗センサは、回路基板の一方の面に搭載され、電子モジュールは、回路基板の反対面に搭載されているドリルスピンドルを製造する方法であって、所望の検出子出力特性をもたらすように電子モジュール、センサ、回路基板のうちの少なくとも１つの厚みを選定するステップと、所望の検出子出力特性をもたらすようにセンサとシャフトとの間の間隔を選定するステップとを備えている。
【００２６】
この方法もしくは各方法は、さらに、所望の検出子出力特性をもたらすように基板上に配設されるプリント回路基板のレイアウトを選定するステップを備えてもよい。ここで、レイアウトという用語は、基板上もしくは基板内に配設されるホールと配線との双方を指すのに使用されている。
【００２７】
この方法もしくは各方法は、さらに、所望の検出子出力特性をもたらすように永久磁石を選定するステップを備えてもよい。
電子モジュールが可変利得増幅器を備えている場合、この方法もしくは各方法は、さらに、所望の検出子出力特性をもたらすように増幅器の利得を調節するステップを備えるとよい。
【００２８】
本発明の他の局面によって提供されるのは、機械加工スピンドルシャフトの回転速度を検出する機械加工スピンドル速度検出子であって、速度検出子は、磁界を発生する永久磁石と、磁界内に配設され、速度検出子付近にて機械加工スピンドルシャフトが回転することによって生じる磁界の変化を検出するように設定された磁気抵抗センサとを備え、速度検出子は、さらに、磁気抵抗センサからの出力を受ける電子モジュールを備え、磁気抵抗センサは、回路基板の一方の面に搭載され、電子モジュールは、回路基板の反対面に搭載されている。
【００２９】
本発明の他の局面によって提供されるのは、機械加工スピンドルであって、スピンドルのシャフトを駆動するモータと、上述したようにシャフトの回転速度を検出する速度検出子と、速度検出子からの出力に基づいてシャフトの駆動を制御する制御ユニットとを備えている。
【００３０】
本発明のさらなる局面によって提供されるのは、機械加工スピンドルであって、スピンドルのシャフトを駆動するモータと、シャフトの回転速度を検出する速度検出子と、速度検出子からの出力に基づいてシャフトの駆動を制御する制御ユニットとを備え、速度検出子は、磁界を発生する永久磁石と、磁界内に配設され、機械加工スピンドルシャフトが回転することによって生じる磁界の変化を検出するように設定された磁気抵抗センサとを備え、速度検出子は、さらに、磁気抵抗センサからの出力を受ける電子モジュールを備え、磁気抵抗センサは、回路基板の一方の面に搭載され、電子モジュールは、回路基板の反対面に搭載されている。
【００３１】
ここで、付随する図面を参照しつつ、ほんの一例として本発明の実施形態を説明する。
図２Ａは、本発明を具現化したドリルスピンドルの一部を図示している。ドリルスピンドルは、ドリルスピンドルシャフト５を内部で軸支するスピンドル本体４を備える。シャフト５は、モータ（図示せず）によって、スピンドル本体４に対して回転駆動されるように設定されている。さらに、シャフト５は、ドリル作業を行うための工具を装着するように設定されている。また、スピンドル本体４は、速度検出子６を速度検出子収容部４１に収容する。
【００３２】
速度検出子６の出力は、駆動制御ユニット７に接続されている。駆動制御ユニット７は、速度検出子６からの出力を用いて、所望の速度でシャフトを駆動するようにモータ（図示せず）の動作を制御するように設定されている。駆動制御ユニット７は、速度検出子受信ボード７１を備える。速度検出子受信ボード７１は、ケーブルを介して速度検出子６の出力部に接続された入力部を備える一方で、メイン制御ユニット７２に接続されている。
【００３３】
ドリルスピンドルシャフト５の端部には、切り欠きのあるスラスト円板５１が具備されている。尚、図２Ｂには、スラスト円板５１が端部側からより明確に示されている。スラスト円板５１は、スピンドル本体４に設けられたスラスト軸受内で作動し、スピンドル本体４に対するシャフト５の軸方向の動作を従来の方法で制御する。
【００３４】
さらに、これらの種類のドリルスピンドルにおいては従来どおりに、スラスト板５１には、複数（この場合は６つ）の切り欠き５２が設けられている。尚、切り欠き５２は、スラスト板５１の外周縁に設けられている。これらの切り欠き５２は、速度検出子６の速度検出動作を容易にするために設けられている。別形態として、切り欠き、もしくは速度検出子が容易に機能するように磁界に影響を与える他の特徴をスラスト円板上ではなく、シャフトの端部に直接設けてもよい。
【００３５】
本実施形態の速度検出子６は、図１に示した従来の速度検出子と同様に動作するが、従来の速度検出子と異なる部分がある。概念的な観点における速度検出子６の構造を図３に図示する。
【００３６】
さらに、速度検出子６は、切り欠きのある金属部品が回転している回転速度を検出するのに用いられる。この場合、切り欠きのある金属部品は、まさに上述したような、シャフト５の切り欠きスラスト円板５１である。さらに、永久磁石２と、永久磁石２によって生じる磁界内に配設され、切り欠きスラスト円板５１が回転することによって生じる磁界の変化を検出する磁気抵抗センサ３とがある。しかしながら、本実施形態の場合、増幅器６１ａと、出力バッファ６１ｂとが設けられ、磁気抵抗センサ３からの出力が増幅器６１ａに供給され、増幅器６１ａから出力バッファ６１ｂへと供給される。このような構成によって、磁気抵抗センサ３からの信号は増幅され、出力バッファを用いることで、検出子６の出力インピーダンスの低減が促進される。
【００３７】
本実施形態の磁気抵抗センサ３は、２つの磁気抵抗検出素子を備える。尚、これら磁気抵抗検出素子は、磁界の変化によって互いに反対に作用するように設定されている。つまり、センサによって観測される磁界が切り欠きスラスト円板５１の回転に起因して変化すると、本実施形態の磁気抵抗センサ３は、正反対の方向に変化する２つの出力を生成する。これらの検出素子は、２つの基準素子とともにホイットストーンブリッジ配置に設定されていてもよい。
【００３８】
これらの出力はともに増幅器６１ａに供給され、増幅器６１ａが磁気抵抗センサ３からの２つの出力間の差を増幅して、ノイズの影響の低減を促進し、信号対雑音比の改善を促進する。
【００３９】
しかしながら、既存の速度検出子との交換に用いることが可能な速度検出子を製造することが目的である場合、増幅器６１ａと出力バッファ６１ｂとを収容することが、それ自体の問題につながる。つまり、既存の速度検出子は、各検出子収容部４１の寸法と、既存の駆動制御ユニット７の受信ボード７１によって予め決められる、所定の必要な出力特性とによって決定づけられる所定の最大寸法を有しているからである。
【００４０】
図４を参照しつつ、より詳細を以下に説明するように、これらの要求は、速度検出子６の構成要素を慎重に選定することと、速度検出子の構成要素を慎重に配置することによって満足される。
【００４１】
図４は、本実施形態における速度検出子６の物理的構造をより詳細に図示している。ここで、速度検出子６の種々の構成要素は、積み重ねて、もしくは重ね合わせて配置されている。積み重ねの一端（図４に示すデバイスの向きにおける積み重ねの上端）にあるのは、磁気抵抗センサ３である。磁気抵抗センサ３の次に積み重なっているのは、回路基板６２であり、回路基板６２に磁気抵抗センサ３が搭載されている。回路基板６２の反対側にあるのは、電子モジュール６１であり、電子モジュール６１は、増幅器６１ａ及び出力バッファ６１ｂの双方を備えている。また、この電子モジュールは、回路基板６２に搭載されている。本実施形態における構成要素の積み重なりの最終要素は、永久磁石２であり、永久磁石２は、電子モジュール６１に接合されている。
【００４２】
また、速度検出子は、複数（本実施形態では３つ）の接続線を備え、複数の接続線は、速度検出子６を制御ユニット７の受信ボード７１に接続するのに使用される。本実施形態では、第１の接続線は＋５Ｖ、第２の接続線は０Ｖ、第３の接続線はＶOUTコネクタである。尚、ＶOUTコネクタは、速度検出子６が発生するアナログパルス信号を伝達する。
【００４３】
本実施形態では、回路基板６２は、０．８ｍｍのＦＲ４エポキシ積層回路基板である。回路基板のこの厚みは、既存のウエストウインド製ドリルスピンドルで使用される速度検出子の出力を再現することを意図した速度検出子の所望の検出子出力という点において、良好な結果をもたらすことが分かっているので好ましい。０．８ｍｍの厚みが特に好ましいけれども、他の実施形態において、基板の厚みは、例えば０．６ｍｍ〜１．２ｍｍの範囲であってもよい。本実施形態において、磁気抵抗センサ３は、ミニ・スモール・アウトライン・パッケージ（ＭＳＯＰ）の構成要素を備え、この構成要素は、積み重なり方向に１．１ｍｍの厚みを有している。電子モジュール６１は、ミニ・スモール・アウトライン・パッケージ（ＭＳＯＰ）のオペアンプ素子を備え、このオペアンプ素子は、積み重なり方向に１．１ｍｍの厚みを有している。１ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲の厚みを有する構成要素を電子モジュールに用いれば、許容範囲の出力がもたらされることが分かっている。当然のことながら、この種のデバイスにおいてＭＳＯＰ以外の他のパッケージを使用できることに注目すべきである。
【００４４】
磁石２は、電子モジュール素子６１に接合され、検出子が利用できる空間を最大限に利用する、つまり、検出子の寸法を最小限にするようにされている。
上述した方法で構成要素を配置し、上述した厚みを有する構成要素を使用することで、所望の出力特性を有する小型の検出子がもたらされる。
【００４５】
磁気抵抗センサ３と電子モジュール６１とをプリント回路基板６２の両面に背中合わせで設けることで、小型設計がもたらされ、また、構成要素間の電気的な接続経路を最小限にすることが促進される。構成要素間の電気的な接続経路を最小限にすることで、これら接続線が電磁干渉を受けることを低減できる。尚、これら接続線が電磁干渉を受けることを低減しなければ、速度検出子からの出力に歪みが生じる。それは、このようなあらゆる干渉は、増幅器６１ａで増幅され、状況によっては、磁気抵抗センサ３からの出力をかき消してしまうことがあるからである。
【００４６】
磁気抵抗センサ３に対する、重ね合わせの他の面における磁石２の位置は、磁石と磁気抵抗センサとの間の適切な離間をもたらし、正常な動作を可能とすることに大きな役割を果たす。磁気抵抗センサ３の位置と電子モジュール６１の位置とを入れ替えると、デバイスの性能に著しい低下をもたらすことになろう。想定され得る他の配置では、検出子の寸法が大きくなってしまったり、センサ３を磁石２と一致する位置から外してしまうことになり、デバイスからの出力をさらに低下させることになるであろう。
【００４７】
実際上、必要な全ての電子部品を相互に接続するのに必要とされる、プリント回路基板６２上に設けられた配線とプリント回路基板６２内のホールの位置が、検出子からの出力に影響を及ぼし得ることが分かっている。つまり、状況によって、デバイスの性能は、基板６２における配線やホールの配置を変えてみることで向上し得る。
【００４８】
既存の駆動制御ユニット７における上述の速度検出子受信ボード７１について述べたように、例えば既存のウエストウインド製ドリルスピンドルで使用されている速度検出子受信ボード７１は、正常に機能するために、特定の特性を有する入力信号を要求することができる。既存のウエストウインド製のデバイスの一部で使用されている受信ボードの場合、入力信号には、公称直流２．５Ｖのバイアス、最初に負、その後に正となる信号パルス、５００ｍＶの最低ピーク間振幅を有するパルス、１０００ｍＶ未満の最大ピーク間振幅を有するパルス、直流オフセット電圧について対称的な信号が必要とされ得る。当然のことながら、他の実施形態においては、異なるオフセット電圧、最低及び最大の許容振幅が関連し得る。
【００４９】
図５ａは、許容される検出子出力電圧、つまり、上述の既存の速度制御ユニット７に対して許容される入力を図示している。図４に示す配置及び寸法は、このようなパルスを達成するのに役立つであろう。シャフトのスラスト板５１と、磁気抵抗センサ３と、磁石との間の間隔は、信号に影響を及ぼし得る。磁石の磁力も同様に信号に影響を及ぼし得る。
【００５０】
図４に関連して上述した本実施形態の構造上の詳細を考えると、決められた取り付け方法における磁石の適切な磁力を決めるのは、比較的容易なことである。
磁石の磁力が過度であったり、もしくは磁石が磁気抵抗センサ３に近すぎる場合、磁気抵抗センサ３は、飽和し、図５Ｃに図示した類の信号を生成する。この信号は、２つ以上の立ち上がりエッジを有しており、複数の誤信号を生成する傾向がある。さらに、スラスト円板５１が磁気抵抗センサ３に近すぎる場合、図５Ｃに示す信号の変形の一種が観測され得る。
【００５１】
磁石と磁気抵抗センサ３との距離が過度に大きい場合、図５Ｄに示す類の弱信号が得られるであろう。このような信号は増幅できるものの、増幅によって、一層増幅されたノイズがもたらされるであろうし、構成要素の厳密な間隔に一層依存したシステムがもたらされるであろう。
【００５２】
磁石がＭＲセンサと一致しないで搭載された場合、つまり、磁石が中心から外れたり、切り欠きが磁気抵抗センサの直下を通過しなかったり、磁石と切り欠きとの間の材質が比較的不均一であったり、磁石と切り欠きとの材質が代わりに第一鉄である場合、図５Ｂに図示された類の非対称信号が観測される。
【００５３】
本出願において説明した特定の配置によれば、これらの潜在的な問題の多くが改善もしくは緩和され、広い範囲の異なる環境で作動するセンサを製造することがより一層扱い易い作業となる。
【００５４】
本実施形態において使用された増幅器６１ａは、可変利得を有しており、可変利得は、切り欠き円板／歯車から速度検出子６への間隔の違いによって必要とされる所望のレベルに速度検出子からの出力を調節するのに使用され得る。
【００５５】
現在のウエストウインド製ドリルスピンドルでは、速度検出子が収まらなければならない収容部は、最大６ｍｍの深さを有する直径９ｍｍの円筒である。
本実施形態では、増幅器６１ａが磁気抵抗センサに非常に接近しており、実質的にその間隔は、回路基板６２の厚さのみということが注目されるであろう。
【００５６】
図６は、図２Ａに示すドリルスピンドルに類似するドリルスピンドルを示している。図２Ａに示すドリルスピンドルの部品に相当する部品には、同一の参照数字を付しており、簡略化のため、これらの共通部品の説明は省略する。
【００５７】
図６に示すドリルスピンドルと図２Ａに示すドリルスピンドルとの差異は、スピンドルの本体４に追加磁石８が設けられていることである。この追加磁石８は、磁気抵抗磁石として作用し、本体４に対するシャフト５の回転に抵抗力を付与する。
【００５８】
追加磁石８は、永久磁石であり、この永久磁石は、速度検出子６とは異なる。追加磁石は、シャフト５の実質的な軸面、この場合、スラスト円板５１と対面するように本体４に搭載されている。つまり、追加磁石８は、スピンドルのスラスト板に搭載され、速度検出子６に接近している。
【００５９】
シャフト５とスピンドルの残りの部分との間の相対的な回転に対して追加的な抵抗を付与することは、本出願のはじめに述べたウインドミルとして知られている現象を克服するのに有用である。追加磁石８の寸法、磁力、位置は、特定の実装に基づいて、所望の大きさの抵抗力を付与するように選定され得る。
【００６０】
図７は、他の別形態のドリルスピンドルの一部を図示している。このドリルスピンドルは、図６に示すドリルスピンドルに類似している。ただし、スピンドルの配置はあまり示されていない。図６に示すドリルスピンドルの部品に相当する部品には、同一の参照数字を付しており、簡略化のため、これらの共通部品の説明は省略する。
【００６１】
さらに、この場合、磁石８は、シャフト５に磁気抵抗を付与するために設けられている。しかしながら、図７に示すスピンドルの場合、磁石８は、シャフト５の曲面に対面するように配設されている。より具体的には、本実施形態では、磁石８は、スラスト円板５１の曲面に対面している。つまり、この場合、磁石８は、ラジアル磁石とみなすことができる。シャフト５に対面している磁石８の面は、シャフト５との磁気的結合を促進する形状となっていてもよい。例えば、シャフト５に対面している磁石８の面は、凹面であってもよいし、シャフト５の湾曲に応じた湾曲を有してもよい。
【００６２】
磁気抵抗磁石８のさらなる代わりの位置は、図７に点線で示唆され、この磁石には、参照数字８'が付与されている。ここで、磁石８'は、さらにラジアル磁石であるものの、この場合、磁石８'は、シャフト５の主要部、つまり、軸受から離れた部分の曲面に対面している。さらに、シャフト５に対面している磁石８'の面は、上述のような形状であってもよい。
【００６３】
磁気速度検出子を備えるドリルスピンドルに関して、ウインドミル効果を抑制するために磁石８を設けることを上述したが、このような磁気抵抗磁石を用いることは、他の種類の速度検出子を備えるスピンドルにおけるウインドミルを低減もしくは防止するのにも適用可能である。他の種類の速度検出子を備えるスピンドルには、例えば、光学的速度検出子を備えるスピンドルや速度検出子を備えていないスピンドルがある。
【００６４】
さらに本発明のこの特徴や他の特徴は、研削スピンドルと、ドリルスピンドル以外の他の機械加工スピンドルに適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】従来技術の速度検出子を図示している。
【図２Ａ】本発明を具現化し、シャフトモータ駆動制御装置を備えるドリルスピンドルの一部を図示している。
【図２Ｂ】図２Ａに示すドリルスピンドルのシャフトにおける切り欠きスラスト板の一部を図示している。
【図３】図２Ａに示すドリルスピンドルの速度検出子を図示している。
【図４】図２Ａ，３における速度検出子の構造上レイアウトの詳細を示している。
【図５Ａ−５Ｄ】図３，４に示す速度検出子からの出力として観測され得る信号の例を示している。
【図６】本発明を具現化し、図２Ａに示すシャフトモータ駆動制御装置と同様のシャフトモータ駆動制御装置を備える別形態のドリルスピンドルの一部を図示している。
【図７】他の別形態のドリルスピンドルの一部を図示している。
【図１】
2008508509.tif 000003
【図２Ａ】
2008508509.tif 000004
【図２Ｂ】
2008508509.tif 000005
【図３】
2008508509.tif 000006
【図４】
2008508509.tif 000007
【図５Ａ】
2008508509.tif 000008
【図５Ｂ】
2008508509.tif 000009
【図５Ｃ】
2008508509.tif 000010
【図５Ｄ】
2008508509.tif 000011
【図６】
2008508509.tif 000012
【図７】
2008508509.tif 000013
【国際調査報告】
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2008508509.tif 000015
2008508509.tif 000016
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