(57)【要約】【課題】  流体のエネルギーによって回転し、正逆いずれの回転方向にも回転可能であり、回転角や回転数の制御が可能であるスピンドル装置を提供する。【解決手段】  スピンドル装置では、ケーシング５内に配置されたスピンドル２の中央部に軸方向に伸び、中間部において互いに分離された流体流路２１，２２が形成され、この流体流路２１，２２の各々は、外部から流体が供給される流体供給ポート２５，２７と、流体の流れにより流体の角運動量が変化する形状の流体流出ポート２６，２８とに連通し、流体供給ポート２５，２７に流体が供給されると、流体流出ポート２６，２８の形状で定まる方向に、供給される流体の流量に応じた回転数でスピンドル２が回転する。  【選択図】        図１
2008069761.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケーシング内に配置されたスピンドルの中央部に軸方向に伸びるように形成され、中間部において互いに分離された第１の流体流路および第２の流体流路と、前記第１の流体流路および前記第２の流体流路の各々に独立に連通された第１の流体供給ポートおよび第２の流体供給ポートと、前記第１の流体流路および前記第２の流体流路の各々に独立に連通された第１の流体流出ポートおよび第２の流体流出ポートと、前記第１の流体供給ポートおよび前記第２の流体供給ポートに流体を供給する流体供給手段と、前記スピンドルの前記第１の流体流路および前記第２の流体流路の各々に対応して配置され、前記スピンドルの径方向の位置を支持する第１のジャーナル軸受および第２のジャーナル軸受と、前記スピンドルの前記第１の流体流路および前記第２の流体流路の各々に対応して配置され、前記スピンドルの軸方向の位置を支持する第１のスラスト軸受および第２のスラスト軸受とを具備したことを特徴とするスピンドル装置。
【請求項２】
前記第１の流体流出ポートは流体が流れたときに前記流体の角運動量が変化する形状の第１の流出流路を有しており、前記第２の流体流出ポートは流体が流れたときに前記流体の角運動量が変化する形状の第２の流出流路を有しており、前記第１の流出流路および前記第２の流出流路は流体が流れたときに互いに異なる方向に角運動量が変化する曲がり形状を有していることを特徴とする請求項１に記載のスピンドル装置。
【請求項３】
前記第１の流体流出ポートは流体が流れたときに前記流体の角運動量が変化する形状の第１の流出流路を有しており、前記第２の流体流出ポートは流体が流れたときに前記流体の角運動量が変化する形状の第２の流出流路を有しており、前記第１の流出流路および前記第２の流出流路は流体が流れたときに同一方向に角運動量が変化する曲がり形状を有していることを特徴とする請求項１に記載のスピンドル装置。
【請求項４】
前記第１の流出流路および前記第２の流出流路を、各々、前記第１の流体流路および前記第２の流体流路から前記スピンドルの外周方向に伸びる曲がり形状としたことを特徴とする請求項２または請求項３に記載のスピンドル装置。
【請求項５】
前記第１の流体流出ポートおよび前記第２の流体流出ポートを、各々、前記第１の流体流路および前記第２の流体流路の端部に配置したことを特徴とする請求項１に記載のスピンドル装置。
【請求項６】
前記流体供給手段は、前記第１の流体供給ポートおよび前記第２の流体供給ポートに供給する流体の流量を互いに独立して制御することを特徴とする請求項１に記載のスピンドル装置。
【請求項７】
前記スピンドルの回転数を検出する回転数検知手段を有し、前記回転数検知手段が検出した前記スピンドルの回転数に応じて、前記第１の流体供給ポートおよび前記第２の流体供給ポートへの流量を制御する構成としたことを特徴とする請求項６に記載のスピンドル装置。
【請求項８】
前記スピンドルの回転角を検出する回転角検知手段を有し、前記回転角検知手段が検出した前記スピンドルの回転角に応じて、前記第１の流体供給ポートおよび前記第２の流体供給ポートへの流量を制御する構成としたことを特徴とする請求項６に記載のスピンドル装置。
【請求項９】
前記第１のジャーナル軸受および前記第２のジャーナル軸受を、加圧流体により前記スピンドルの一部を径方向に押圧する第１のジャーナル静圧軸受および第２のジャーナル静圧軸受により構成したことを特徴とする請求項１に記載のスピンドル装置。
【請求項１０】
前記第１のジャーナル軸受および前記第２のジャーナル軸受を、前記ケーシングと前記スピンドル間の空間に配置されたボールベアリングにより構成したことを特徴とする請求項１に記載のスピンドル装置。
【請求項１１】
前記第１のスラスト軸受および前記第２のスラスト軸受を、加圧流体により前記スピンドルの一部を軸方向に押圧する第１のスラスト静圧軸受および第２のスラスト静圧軸受により構成したことを特徴とする請求項１に記載のスピンドル装置。
【請求項１２】
前記第１のスラスト静圧軸受および前記第２のスラスト静圧軸受に供給する流体の流量を互いに独立して制御する構成としたことを特徴とする請求項１１に記載のスピンドル装置。
【請求項１３】
前記スピンドルの軸方向の変位を検出するスラスト検知手段を有し、前記スラスト検知手段が検出した前記スピンドルの変位量に応じて、前記第１のスラスト静圧軸受および前記第２のスラスト静圧軸受への流量を制御する構成としたことを特徴とする請求項１２に記載のスピンドル装置。
【請求項１４】
請求項９に記載の前記第１のジャーナル静圧軸受および前記第２のジャーナル静圧軸受に加圧流体を供給するための流体供給制御系と、請求項１１に記載の前記第１のスラスト静圧軸受および前記第２のスラスト静圧軸受に加圧流体を供給するための流体供給制御系とを兼用する構成としたことを特徴とするスピンドル装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータ、工作機械、医療用機器等に用いるためのスピンドル装置に関し、特に流体のエネルギーを利用したモータ機能と静圧軸受機能を一体化したスピンドル装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的な工作機械のスピンドル装置の多くは、転がり軸受で支持され、スピンドル装置とは別に設けられた電気駆動モータの回転運動をベルトやプーリのような伝達要素を介して伝達している。このような構成のスピンドル装置を精密な工作機械システムに用いられる場合には、以下のような問題が発生する。
第１に、転がり軸受における摩擦や機械的なガタによって高精度の回転運動の実現が難しいだけでなく、超精密加工において要求される高速回転時には転がり軸受の焼き付きが発生しやすくなる。したがって、静圧軸受によってスピンドルを支持する方式にする必要がある。
第２に、スピンドルの高速回転時にはベルトやプーリのような伝達要素で発生する振動がスピンドルに伝わり、スピンドル自体の振動を引き起こすので、スピンドル自体に電気モータあるいは、タービンを取付け、これに流体を吹き付ける方式により、ベルト等の機械的な伝達要素を必要としない方式にする必要がある。
第３に、スピンドルが工作機械に用いられる場合、加工中に工具と被削材間で発生する摩擦熱がスピンドルに伝わり、スピンドルの熱膨張を引き起こし、これによって加工誤差が発生するので、スピンドル装置を冷却する必要がある。
これらに対処するスピンドル装置として、本発明者は先に特許文献１に示すモータ一体型スピンドル装置を提案した。
【特許文献１】特開２００３−１９１１４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上述したように、高精度加工を行う工作機械に用いられるスピンドル装置として、静圧軸受による支持機能、流体のエネルギーによってスピンドルに回転動作を発生させるモータ機能、および冷却機能を備えていることが必要になる。
特許文献１におけるスピンドル装置は、流体のエネルギーによってスピンドルに回転動作を発生させるモータ機能および冷却機能を備えており、これらの課題を解決するものである。しかし、このスピンドル装置はスピンドル構造によって決まる一方向にしか回転させることができない。また、割り出し動作や回転途中で止めるなど、回転角の制御をすることができないという課題があった。
【０００４】
本発明はかかる点に鑑みてなされたもので、流体のエネルギーによってスピンドルに回転動作を発生させるモータ機能および冷却機能を備えるとともに、スピンドルは正逆いずれの回転方向にも回転可能であるとともに、回転角や回転数の制御が可能で、割り出し動作や回転途中で止めるなどの操作も簡単なスピンドル装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１記載の本発明のスピンドル装置は、ケーシング内に配置されたスピンドルの中央部に軸方向に伸びるように形成され、中間部において互いに分離された第１の流体流路および第２の流体流路と、前記第１の流体流路および前記第２の流体流路の各々に独立に連通された第１の流体供給ポートおよび第２の流体供給ポートと、前記第１の流体流路および前記第２の流体流路の各々に独立に連通された第１の流体流出ポートおよび第２の流体流出ポートと、前記第１の流体供給ポートおよび前記第２の流体供給ポートに流体を供給する流体供給手段と、前記スピンドルの前記第１の流体流路および前記第２の流体流路の各々に対応して配置され、前記スピンドルの径方向の位置を支持する第１のジャーナル軸受および第２のジャーナル軸受と、前記スピンドルの前記第１の流体流路および前記第２の流体流路の各々に対応して配置され、前記スピンドルの軸方向の位置を支持する第１のスラスト軸受および第２のスラスト軸受とを具備したことを特徴とする。
請求項２記載の本発明は、請求項１に記載のスピンドル装置において、前記第１の流体流出ポートは流体が流れたときに前記流体の角運動量が変化する形状の第１の流出流路を有しており、前記第２の流体流出ポートは流体が流れたときに前記流体の角運動量が変化する形状の第２の流出流路を有しており、前記第１の流出流路および前記第２の流出流路は流体が流れたときに互いに異なる方向に角運動量が変化する曲がり形状を有していることを特徴とする。
請求項３記載の本発明は、請求項１に記載のスピンドル装置において、前記第１の流体流出ポートは流体が流れたときに前記流体の角運動量が変化する形状の第１の流出流路を有しており、前記第２の流体流出ポートは流体が流れたときに前記流体の角運動量が変化する形状の第２の流出流路を有しており、前記第１の流出流路および前記第２の流出流路は流体が流れたときに同一方向に角運動量が変化する曲がり形状を有していることを特徴とする。
請求項４記載の本発明は、請求項２または請求項３に記載のスピンドル装置において、前記第１の流出流路および前記第２の流出流路を、各々、前記第１の流体流路および前記第２の流体流路から前記スピンドルの外周方向に伸びる曲がり形状としたことを特徴とする。
請求項５記載の本発明は、請求項１に記載のスピンドル装置において、前記第１の流体流出ポートおよび前記第２の流体流出ポートを、各々、前記第１の流体流路および前記第２の流体流路の端部に配置したことを特徴とする。
請求項６記載の本発明は、請求項１に記載のスピンドル装置において、前記流体供給手段は、前記第１の流体供給ポートおよび前記第２の流体供給ポートに供給する流体の流量を互いに独立して制御することを特徴とする。
請求項７記載の本発明は、請求項６に記載のスピンドル装置において、前記スピンドルの回転数を検出する回転数検知手段を有し、前記回転数検知手段が検出した前記スピンドルの回転数に応じて、前記第１の流体供給ポートおよび前記第２の流体供給ポートへの流量を制御する構成としたことを特徴とする。
請求項８記載の本発明は、請求項６に記載のスピンドル装置において、前記スピンドルの回転角を検出する回転角検知手段を有し、前記回転角検知手段が検出した前記スピンドルの回転角に応じて、前記第１の流体供給ポートおよび前記第２の流体供給ポートへの流量を制御する構成としたことを特徴とする。
請求項９記載の本発明は、請求項１に記載のスピンドル装置において、前記第１のジャーナル軸受および前記第２のジャーナル軸受を、加圧流体により前記スピンドルの一部を径方向に押圧する第１のジャーナル静圧軸受および第２のジャーナル静圧軸受により構成したことを特徴とする。
請求項１０記載の本発明は、請求項１に記載のスピンドル装置において、前記第１のジャーナル軸受および前記第２のジャーナル軸受を、前記ケーシングと前記スピンドル間の空間に配置されたボールベアリングにより構成したことを特徴とする。
請求項１１記載の本発明は、請求項１に記載のスピンドル装置において、前記第１のスラスト軸受および前記第２のスラスト軸受を、加圧流体により前記スピンドルの一部を軸方向に押圧する第１のスラスト静圧軸受および第２のスラスト静圧軸受により構成したことを特徴とする。
請求項１２記載の本発明は、請求項１１に記載のスピンドル装置において、前記第１のスラスト静圧軸受および前記第２のスラスト静圧軸受に供給する流体の流量を互いに独立して制御する構成としたことを特徴とする。
請求項１３記載の本発明は、請求項１２に記載のスピンドル装置において、前記スピンドルの軸方向の変位を検出するスラスト検知手段を有し、前記スラスト検知手段が検出した前記スピンドルの変位量に応じて、前記第１のスラスト静圧軸受および前記第２のスラスト静圧軸受への流量を制御する構成としたことを特徴とする。
請求項１４記載の本発明のスピンドル装置は、請求項９に記載の前記第１のジャーナル静圧軸受および前記第２のジャーナル静圧軸受に加圧流体を供給するための流体供給制御系と、請求項１１に記載の前記第１のスラスト静圧軸受および前記第２のスラスト静圧軸受に加圧流体を供給するための流体供給制御系とを兼用する構成としたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、流体のエネルギーによってスピンドルの駆動、支持および冷却を行うので、電気的な配線や駆動機構が不要である。また、これらの駆動、支持および冷却機能をスピンドルの回転軸の内外に付随する機構で行うことができるとともに、スピンドルの中央部が中空であるので、スピンドルの小型軽量化を図ることができる。
また、スピンドルは正逆いずれの回転方向にも回転可能であるとともに、回転角や回転数の制御が可能であるので、割り出し動作や回転途中で止めるなどの操作も簡単に行うことができる。
また、スピンドルは流体以外とは完全に非接触にすることができるので、摩擦や機械的なガタがなく、高速回転時においても焼き付きがなく、ベルトやプーリのような機械的な振動伝達要素も必要ない。したがって、回転動作がスムースであり、騒音も小さくすることができる。
また、スピンドルにダイヤモンドバイトなどの工具を設けることにより、割り出し動作による工具の姿勢制御、回転角制御による自由曲面の超精密加工を行うことができる。
さらに、スピンドルを超精密サーボモータとして使用することができるので、超精密工作機械や液晶パネル製造装置に使用される超精密テーブルの位置決めなどを可能とすることができる。
また、流体として水を使用した場合には、水の粘性係数が空気と油の中間にあるので、水静圧軸受は比較的高い回転数領域における運転を可能とする。また、水は非圧縮流体であるので、空気静圧軸受に比較して高い支持剛性を得ることができる。したがって、軸受面を小さくすることができる。
一方、流体として空気を使用した場合は、流体の粘性が低いので、スピンドルの高速回転が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明の第１の実施の形態によるスピンドル装置は、ケーシング内に配置されたスピンドルの中央部に軸方向に伸びるように形成され、中間部において互いに分離された第１の流体流路および第２の流体流路と、第１の流体流路および第２の流体流路の各々に独立に連通された第１の流体供給ポートおよび第２の流体供給ポートと、第１の流体流路および第２の流体流路の各々に独立に連通された第１の流体流出ポートおよび第２の流体流出ポートと、第１の流体供給ポートおよび第２の流体供給ポートに流体を供給する流体供給手段と、スピンドルの第１の流体流路および第２の流体流路の各々に対応して配置され、スピンドルの径方向の位置を支持する第１のジャーナル軸受および第２のジャーナル軸受と、スピンドルの第１の流体流路および第２の流体流路の各々に対応して配置され、スピンドルの軸方向の位置を支持する第１のスラスト軸受および第２のスラスト軸受とを具備したものである。本実施の形態によれば、スピンドルがモータ機能と冷却機能を有するので、ベルトやプーリのような機械的な振動伝達要素がなく熱膨張もないスピンドルが得られる。そして、高精度加工を行う工作機械に用いられるスピンドル装置に必要な、摩擦や機械的なガタがなく、高速回転時においても焼き付きがなく、かつ、ベルトやプーリのような機械的な振動伝達要素がない条件をすべて満たすことを可能とする。また、１つのスピンドルを利用して２つのモータ部を構成することができるので、モータ部とスラスト静圧軸受およびジャーナル静圧軸受を有機的に一体化した、小型で簡単かつ高性能な構成のスピンドル装置を得ることを可能とする。また、正逆いずれの回転方向にも回転可能であるとともに、回転角や回転数の制御が可能で、割り出し動作や回転途中で止めるなどの操作も簡単なスピンドル装置を得ることを可能とする。
本発明の第２の実施の形態は、第１の実施の形態によるスピンドル装置において、第１の流体流出ポートは流体が流れたときに流体の角運動量が変化する形状の第１の流出流路を有しており、第２の流体流出ポートは流体が流れたときに流体の角運動量が変化する形状の第２の流出流路を有しており、第１の流出流路および第２の流出流路は流体が流れたときに互いに異なる方向に角運動量が変化する曲がり形状を有しているものである。本実施の形態によれば、第１の流体流出ポートと第２の流体流出ポートとに流す流体流量を制御することにより、スピンドルの回転方向、回転数、回転角を自由に制御することができる。
本発明の第３の実施の形態は、第１の実施の形態によるスピンドル装置において、第１の流体流出ポートは流体が流れたときに流体の角運動量が変化する形状の第１の流出流路を有しており、第２の流体流出ポートは流体が流れたときに流体の角運動量が変化する形状の第２の流出流路を有しており、第１の流出流路および第２の流出流路は流体が流れたときに同一方向に角運動量が変化する曲がり形状を有しているものである。本実施の形態によれば、スピンドルの回転速度を高速化させることができる。
本発明の第４の実施の形態は、第２または第３の実施の形態によるスピンドル装置において、第１の流出流路および第２の流出流路を、各々、第１の流体流路および第２の流体流路からスピンドルの外周方向に伸びる曲がり形状としたものである。本実施の形態によれば、簡単な構成でスピンドルに流出流路を形成することができる。
本発明の第５の実施の形態は、第１の実施の形態によるスピンドル装置において、第１の流体流出ポートおよび第２の流体流出ポートを、各々、第１の流体流路および第２の流体流路の端部に配置したものである。本実施の形態によれば、スピンドルの回転トルクを大きくすることができる。
本発明の第６の実施の形態は、第１の実施の形態によるスピンドル装置において、流体供給手段は、第１の流体供給ポートおよび第２の流体供給ポートに供給する流体の流量を互いに独立して制御するものである。本実施の形態によれば、スピンドルは正逆いずれの回転方向にも回転可能であるとともに、回転角や回転数の制御が可能で、割り出し動作や回転途中で止めるなどの操作も簡単なスピンドル装置を得ることができる。
本発明の第７の実施の形態は、第６の実施の形態によるスピンドル装置において、スピンドルの回転数を検出する回転数検知手段を有し、回転数検知手段が検出したスピンドルの回転数に応じて、第１の流体供給ポートおよび第２の流体供給ポートへの流量を制御する構成としたものである。本実施の形態によれば、スピンドルの回転数を所定の値に制御することができる。
本発明の第８の実施の形態は、第６の実施の形態によるスピンドル装置において、スピンドルの回転角を検出する回転角検知手段を有し、回転角検知手段が検出したスピンドルの回転数に応じて、第１の流体供給ポートおよび第２の流体供給ポートへの流量を制御する構成としたものである。本実施の形態によれば、スピンドルの回転角を所定の値に制御することができる。
本発明の第９の実施の形態は、第１の実施の形態によるスピンドル装置において、第１のジャーナル軸受および第２のジャーナル軸受を、加圧流体によりスピンドルの一部を径方向に押圧する第１のジャーナル静圧軸受および第２のジャーナル静圧軸受により構成したものである。本実施の形態によれば、流体制御されたジャーナル静圧軸受による安定した高精度のスピンドル支持が可能になる。すなわち、摩擦や機械的なガタがなく、高速回転時においても焼き付きがなくなる。
本発明の第１０の実施の形態は、第１の実施の形態によるスピンドル装置において、第１のジャーナル軸受および第２のジャーナル軸受を、ケーシングとスピンドル間の空間に配置されたボールベアリングにより構成したものである。本実施の形態によれば、ジャーナル軸受の構造を簡単にすることができる。
本発明の第１１の実施の形態は、第１の実施の形態によるスピンドル装置において、第１のスラスト軸受および第２のスラスト軸受を、加圧流体によりスピンドルの一部を軸方向に押圧する第１のスラスト静圧軸受および第２のスラスト静圧軸受により構成したものである。本実施の形態によれば、スラスト静圧軸受による安定した高精度のスピンドル支持が可能になる。すなわち、摩擦や機械的なガタがなく、高速回転時においても焼き付きがなくなる。
本発明の第１２の実施の形態は、第１１の実施の形態によるスピンドル装置において、第１のスラスト静圧軸受および第２のスラスト静圧軸受に供給する流体の流量を互いに独立して制御する構成としたものである。本実施の形態によれば、スピンドルのスラスト位置を独立して制御される流体の流量により簡単に調整することができる。
本発明の第１３の実施の形態は、第１２の実施の形態によるスピンドル装置において、スピンドルの軸方向の変位を検出するスラスト検知手段を有し、スラスト検知手段が検出したスピンドルの変位量に応じて、第１のスラスト静圧軸受および第２のスラスト静圧軸受への流量を制御する構成としたものである。本実施の形態によれば、スピンドルのスラスト位置の変位に応じてそのスラスト位置を精密に調整することができる。
本発明の第１４の実施の形態によるスピンドル装置は、第９の実施の形態における第１のジャーナル静圧軸受および第２のジャーナル静圧軸受に加圧流体を供給するための流体供給制御系と、第１１の実施の形態における第１のスラスト静圧軸受および第２のスラスト静圧軸受に加圧流体を供給するための流体供給制御系とを兼用する構成としたものである。本実施の形態によれば、それぞれの静圧軸受を制御する流体供給制御系の構成を簡単にすることができる。
【実施例１】
【０００８】
以下、本発明の一実施例によるスピンドル装置を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の実施例１におけるスピンドル装置の構成を示す断面図である。モータ部１が組み込まれたスピンドル２は、一対のジャーナル軸受、即ち第１のジャーナル静圧軸受４１（以下、ジャーナル静圧軸受４１）と第２のジャーナル静圧軸受４２（以下、ジャーナル静圧軸受４２）、および一対のスラスト軸受、即ち第１のスラスト静圧軸受５１（以下、スラスト静圧軸受５１）と第２のスラスト静圧軸受５２（以下、スラスト静圧軸受５２）により、ケーシング５の中央部に支持されている。
スピンドル２には、中央に形成された隔壁１０で分離された軸方向に伸びる一対の穴によって第１の流体流路２１（以下、流体流路２１）、第２の流体流路２２（以下、流体流路２２）が形成されており、流体流路２１，２２のそれぞれの端部はプラグ２３，２４で止栓されている。
スピンドル２の中央部の外周にはスピンドル２の側壁を径方向に延長させた鍔部１１が形成されている。鍔部１１の厚さは隔壁１０の厚さよりやや大きく形成されている。
流体流路２１には、外部のポンプあるいはコンプレッサ（以下ポンプと略す）から供給される水などの流体を、流体供給手段としての流量制御装置６を介して、スピンドル２の流体流路２１内に流入させる第１の流体供給ポート２５（以下、流入ポート２５）、および流体をスピンドル２から外部へ流出させる第１の流体流出ポート２６（以下、流出ポート２６）が形成されている。
流出ポート２６は、流入ポート２５に対して流体流路２１の内側、すなわち、スピンドル２の中央部に形成されている。流入ポート２５から流入した流体は、スピンドル２内で軸方向に伸びる流体流路２１に沿って流れ、流出ポート２６から流出する。流出ポート２６は、スピンドル２の隔壁１０に接しており、鍔部１１内を通ってスピンドル２の外方に連通している。
【０００９】
流出ポート２６の断面図を図２（ａ）に示す。
スピンドル２の中央部に形成されている流体流路２１から、スピンドル２の外部に第１の流出流路３１（以下、流出流路３１）が伸びている。流出流路３１は、スピンドル２の隔壁１０に接する位置からスピンドル２の鍔部１１内に伸び、さらにスピンドル２の外部に開口した流出口３５に連通している。この流出流路３１は、流体流路２１から径方向に伸びる細管部３２と細管部３２から略直角に伸びる経路３３とから構成された曲がり形状をしている。
流出流路３１は流出ポート２６に１箇所形成すればよいが、回転数を高くするためには複数箇所設けることが好ましい。図２（ａ）では４箇所設けた場合を示す。
流出ポート２６の流出流路３１の曲がり方向は、流体流路２１から流出流路３１の出口に向かって反時計方向に曲がるように形成されて、流体が流体流路２１から流出ポート２６を通って外方に流出したときに、流体の角運動量が変化してスピンドル２が矢印Ａで示すように時計方向に回転するような形状に形成される。
なお、流出流路３１が曲がる角度や形状は、特に直角や直線状である必要はなく、流出流路３１内に流体が流れたときに流体の角運動量が変化する形状であればよい。例えば、鈍角や弧状の滑らかな曲線でスピンドル２の外周方向に伸びる曲がり形状としてもよく、簡単な構成でスピンドル２に流出流路３１を形成することができる。
細管部３２は、スピンドル２の外周から中心に向かって径方向に流体流路２１を貫通させ、かつ、スピンドル２の反対側に突き抜けないようにドリル加工で穿孔させて形成する。そして、経路３３をスピンドル２の外方から穿孔して細管部３２と連通させる。その後、スピンドル２の外周面に形成された孔にプラグ３４を挿入してこの部分が流路とならないように止栓する。
同様に、スピンドル２の流体流路２２には、流量制御装置６を介して、流体をスピンドル２の流体流路２２内に流入させる第２の流体供給ポート２７（以下、流入ポート２７）、および流体をスピンドル２から外部へ流出させる第２の流体流出ポート２８（以下、流出ポート２８）が形成されている。
流出ポート２８は、流入ポート２７に対して流体流路２２の内側、すなわち、スピンドル２の中央部に形成されている。流入ポート２７から流入した流体は、スピンドル２内で軸方向に伸びる流体流路２２に沿って流れ、流出ポート２８から流出する。流出ポート２８は、スピンドル２の隔壁１０に接しており、鍔部１１内を通ってスピンドル２の外方に連通している。
【００１０】
流出ポート２８の断面図を図２（ｂ）に示す。
スピンドル２の中央部に形成されている流体流路２２から、スピンドル２の外部に第２の流出流路３６（以下、流出流路３６）が伸びている。流出流路３６は、スピンドル２の隔壁１０に接する位置からスピンドル２の鍔部１１内に伸び、さらにスピンドル２の外部に開口した流出口３５に連通している。この流出流路３６は、流体流路２２から径方向に伸びる細管部３７と細管部３７から略直角に伸びる経路３８とから構成された曲がり形状をしている。そして、スピンドル２の外周面の孔にプラグ３９を挿入して止栓する。
また、流出流路３６も流出ポート２８に１箇所形成すればよいが、回転数を高くするためには複数箇所設けることが好ましい。図２（ｂ）では４箇所設けた場合を示す。
流出ポート２８の流出流路３６の曲がり方向は、図２（a）とは反対方向、すなわち、流体流路２２から流出流路３６の出口に向かって時計方向に曲がるように形成されて、流体が流体流路２２から流出ポート２８を通って外方に流出したときに、流体の角運動量が変化してスピンドル２が矢印Ｂで示すように反時計方向に回転するような形状に形成される。
なお、流出流路３６が曲がる角度や形状も流出流路３１と同様に、特に直角や直線状である必要はなく、流出流路３６内に流体が流れたときに流体の角運動量が変化する形状であればよい。
【００１１】
流出ポート２６，２８の各々のスピンドル軸方向外側に、外部から供給される加圧流体によりスピンドル２の一部を軸方向に押圧するスラスト静圧軸受５１，５２が形成される。スラスト静圧軸受５１，５２は、スピンドル２の中央部における鍔部１１の外側に配置され、外部のポンプから流量制御装置７を介して、スラスト静圧軸受５１，５２に供給される水などの流体の量を制御することにより、スピンドル２の軸方向の位置を制御しながらスラスト方向に支持する。供給された流体は排出口５３，５４から排出される。
一方、流体流路２１，２２の各々のプラグ２３，２４側におけるスピンドル軸方向の内側に、外部から供給される加圧流体によりスピンドル２の一部を径方向に押圧するジャーナル静圧軸受４１，４２が形成される。
ジャーナル静圧軸受４１，４２は、外部のポンプ（図示省略）から、流量制御装置７と同様な流量制御装置（図示省略）を介して、流体供給口４３，４４から水などの流体を供給してスピンドル２の径方向の位置を制御しながらジャーナル方向に支持する。供給された流体は排出口４５，４６から排出される。
スピンドル２の一端部には、スピンドル２の回転数または回転角を検出する回転数検知手段または回転角検知手段としてのロータリエンコーダ８が設けられており、制御回路１５を介して外部の流量制御装置６に接続されている。
また、スピンドル２の一端部には、スピンドル２のスラスト方向の位置を検出するスラスト検知手段としての位置センサ９が設けられており、制御回路１５を介して流量制御装置７に接続されている。
流量制御装置６は、２系統に分岐されており、各々の分岐経路中に流量制御弁６１，６２が設けられて、この流量制御弁６１，６２により、２系統に分岐した経路の各々の流量を自由に制御することができる。
一方、流量制御装置７は、２系統に分岐されており、各々の分岐経路中に流量制御弁７１，７２が設けられて、この流量制御弁７１，７２により、２系統に分岐した経路の各々の流量を自由に制御することができる。
【００１２】
次に動作を説明する。
流量制御装置６から供給される流体は２系統に分岐されて、１つは流入ポート２５から流入して、スピンドル２内で軸方向に伸びる流体流路２１に沿って流れ、流出ポート２６から流出する。流出ポート２６から流出する流体は、流出ポート２６の流出流路３１の細管部２２から細管部３３に曲がって流出するので、流体の角運動量が変化し、これに伴ってスピンドル２を矢印Ａ方向、即ち時計方向に回転させるトルクが発生し、モータとして機能する。このモータ機能は、流出流路３１から流体が流出するたびにトルクを発生させることができる。スピンドル２の回転は、流出流路３１の数および流体の流量により調整することができる。
一方、流量制御装置６で分岐した他方の流体は、流入ポート２７から流入して、スピンドル２内で軸方向に伸びる流体流路２２に沿って流れ、流出ポート２８から流出する。流出ポート２８から流出する流体は、流出ポート２８の流出流路３６の細管部３７から細管部３８に曲がって流出するので、流体の角運動量が変化し、これに伴ってスピンドル２を矢印Ｂ方向、即ち反時計方向に回転させるトルクが発生し、モータとして機能する。このモータ機能は、流出流路３６から流体が流出するたびにトルクを発生させることができる。
【００１３】
そして、スピンドル２を時計方向に回転させたい場合は、流量制御装置６の流量制御弁６２を閉じて流入ポート２７側への流体の供給を行わず、流量制御弁６１により流入ポート２５側へのみ流体の供給を行う。この結果、流体は流入ポート２５にのみ供給され、スピンドル２内で軸方向に伸びる流体流路２１に沿って流れて流出ポート２６から流出するので、スピンドル２は流入ポート２５に供給されている流体の流量に応じた回転数で時計方向に回転する。
スピンドル２の回転数を減少させたい場合には、流量制御装置６の流量制御弁６１を調整して、流入ポート２５に供給されている流体の流量を減少させればよい。あるいは、流量制御弁６２を開いて流入ポート２７にも流体を供給することにより、スピンドル２の回転数を減少させることができる。すなわち、流入ポート２７にも流体を供給すると、流入ポート２７に供給された流体は、スピンドル２内で軸方向に伸びる流体流路２２に沿って流れて流出ポート２８から流出するので、スピンドル２は流入ポート２７に供給されている流体の流量に応じた回転数で反時計方向に回転させるトルクが発生する。したがって、時計方向に回転しているスピンドル２は、この反時計方向に作用するトルクの影響を受けて回転数が減少する。
また、スピンドル２の回転を停止させたい場合には、流量制御装置６の流量制御弁６１を閉じて流入ポート２５に供給されている流体の流量を０（零）にするか、流量制御弁６１，６２により流入ポート２５および流入ポート２７に供給する流体の流量を同一にすればよい。
同様に、スピンドル２を反時計方向に回転させたい場合は、流量制御装置６の流量制御弁６１を閉じて流入ポート２５側への流体の供給を行わず、流量制御弁６２により流入ポート２７側へのみ流体の供給を行ったり、流量制御弁６１，６２を調整して流入ポート２５に供給されている流体の流量よりも流入ポート２７に供給する流体の流量を大きくしたりすればよい。
【００１４】
このように、スピンドル２は、流量制御装置６から流体流路２１，２２の各々に供給される流体により互いに逆方向に回転しようとする。この結果、スピンドル２は、流体流路２１，２２の各々に供給される流体により得られる角運動量の差に応じて回転方向および回転数が変化して回転する。
例えば、流体流路２１側で発生する角運動量をω１、流体流路２２側で発生する角運動量をω２とし、ω１の絶対値│ω１│がω２の絶対値│ω２│より大きいとすると、スピンドル２の回転は│ω１│−│ω２│の差の大きさで定まる回転数で、ω１による方向に回転する。
すなわち、スピンドル２の回転方向および回転数は、ロータリエンコーダ８でスピンドル２の回転方向および回転数を検出して制御回路１５を介して流量制御装置６（の流量制御弁６１，６２）にフィードバックし、流量制御装置６から流体流路２１に供給する流体の流量と流体流路２２に供給する流体の流量とを制御することにより、所定の回転方向および回転数に制御することができる。
また、スピンドル２の回転角を制御することもできる。すなわち、ロータリエンコーダ８でスピンドル２の回転角を検出して制御回路１５を介して流量制御装置６にフィードバックし、所定の回転角に到達したときに流量制御装置６から流体流路２１および流体流路２２に供給する流体の流量を０にすると、スピンドル２はそのときの位置で回転を停止する。従って、スピンドル２を所定の回転角の位置に制御することができる。なお、所定の回転角の微調整は流量制御弁６１，６２を調整して流量制御装置６から流体流路２１および流体流路２２に供給する流体の流量を調整することにより行うことができる。
【００１５】
このように、本実施例によれば、スピンドル２は、正逆いずれの回転方向にも回転可能であるとともに、回転角や回転数の制御が可能であるので、割り出し動作や回転途中で止めるなどの操作も簡単に行うことができる。
なお、以上の説明では、流量制御装置６に２つの流量制御弁６１，６２を設けた流体供給手段の構成例について説明したが、流量制御装置６の流体流路２１および流体流路２２への接続を開閉弁により切り換えるようにして、流体流路２１および流体流路２２のいずれかに流体を供給する構成にしてもよい。
【００１６】
一方、流量制御装置７から供給される流体は前述したように２系統に分岐されており、そのうちの１方は流量制御弁７１を介してスラスト静圧軸受５１に供給され、他方は流量制御弁７２を介してスラスト静圧軸受５２に供給される。流量制御装置７からの流体は、流量制御弁７１，７２により２系統に分岐した経路の各々の流量を自由に制御することができる。
流量制御弁７１，７２によって流量制御装置７からスラスト静圧軸受５１およびスラスト静圧軸受５２に供給する流体の量を互いに独立して制御することにより、スピンドル２の軸方向の位置、すなわち、スラスト方向のスラスト位置をナノオーダーあるいはサブミクロンオーダーで独立して制御しながら、流体による静圧軸受作用によりスピンドル２をスラスト方向に支持することができる。換言すれば、スラスト静圧軸受による安定した高精度のスピンドル支持が可能になる。
また、スラスト方向の位置の制御は、位置センサ９でスピンドル２のスラスト方向の位置を検出し、それに応じて制御回路１５を介し流量制御装置７（の流量制御弁７１，７２）によって、スラスト静圧軸受５１，５２に供給する流量を制御すればよい。これにより、スラスト位置の変位に応じてスピンドル２のスラスト位置を精密に調整することができる。そして、スラスト静圧軸受５１，５２に供給された流体は排出口５３，５４から排出される。
一方、流量制御装置（図示省略）を介して、流体供給口４３からジャーナル静圧軸受４１に、流体供給口４４からジャーナル静圧軸受４２に加圧流体を供給して、スピンドル２の径方向の位置を制御しながら流体による静圧軸受作用によりスピンドル２をジャーナル方向に支持する。すなわち、流体制御されたジャーナル静圧軸受による安定した高精度のスピンドル支持が可能になる。そして、ジャーナル静圧軸受４１，４２に供給された流体は排出口４５，４６から排出される。
なお、スラスト静圧軸受５１，５２に加圧流体を供給するための流量制御装置７や流体供給管などの流体供給制御系と、ジャーナル静圧軸受４１，４２に加圧流体を供給するための流量制御装置（図示省略）や流体供給管などの流体供給制御系とを兼用する構成にしてもよく、これにより、それぞれの静圧軸受を制御する流体供給制御系の構成を簡単にすることができる。
なお、スピンドル２に供給される流体は、水が最適であるが、空気や油などその他の流体を使用することができる。
なお、流体はスピンドル２の外周および内部を流れるため、流体の温度を制御することにより、スピンドル２の温度変化を一定にすることができる。従って、スピンドル２の熱膨張を最小限にすることが可能になり、熱膨張によって発生する加工誤差をなくすことができる。また、スピンドルの冷却作用を行うことができる。
【００１７】
このように、本実施例のスピンドル装置によれば、高精度加工を行う工作機械に用いられるスピンドル装置に必要な条件、すなわち、摩擦や機械的なガタがなく、高速回転時においても焼き付きがなく、かつ、ベルトやプーリのような機械的な振動伝達要素がない条件を、すべて満たすことができる。また、１つのスピンドルを利用して２つのモータ部を構成することができるので、モータ部とスラスト静圧軸受およびジャーナル静圧軸受を有機的に一体化した、小型で簡単かつ高性能な構成のスピンドル装置を得ることができる。また、正逆いずれの回転方向にも回転可能であるとともに、回転角や回転数の制御が可能で、割り出し動作や回転途中で止めるなどの操作も簡単なスピンドル装置を得ることができる。
【００１８】
なお、以上の説明においては、流体流路２１における流出ポート２６からの流体の流出方向と、流体流路２２における流出ポート２８からの流体の流出方向が互いに反対方向である例について説明したが、両者の流出方向を同一方向にすることもできる。この場合は、スピンドル２の回転を高速化することができる。これは、２つのモータ部を直列連結した構成に相当する。
また、ジャーナル静圧軸受４１，４２のような加圧流体による静圧軸受の代わりに、ケーシング５とスピンドル２間の空間にボールベアリングを配置して、ジャーナル軸受の構造を簡単にする構成としてもよい。
【実施例２】
【００１９】
図３は、本発明の実施例２によるスピンドル装置の構成を示す断面図である。図３において、図１と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。
本実施例のスピンドル装置では、流出ポート２６，２８が流入ポート２５，２７に対して、流体流路２１，２２における外側に配置されている。また、スピンドル２の両端には、ロータとしての鍔部２９，３０が形成されている。鍔部２９，３０の内側には、スラスト静圧軸受５１，５２が形成されており、そのさらに内側に、ジャーナル静圧軸受４１，４２が形成されている。
スラスト静圧軸受５１，５２およびジャーナル静圧軸受４１，４２の各々への流体供給路７７，７８は、ケーシング５内部で分岐されて、一方の流体供給路７７はスラスト静圧軸受５１およびジャーナル静圧軸受４１に、他方の流体供給路７８はスラスト静圧軸受５２およびジャーナル静圧軸受４２に連結されている。
流出ポート２６，２８から排出される流体、およびスラスト静圧軸受５１，５２、ジャーナル静圧軸受４１，４２から排出される流体は、共通の排出路７５，７６から排出される。
スピンドル２の一端にはロータリエンコーダ８が設けられており、他端には加工品としてのワークピース８１を保持するワークホルダ８２が設けられている。流出ポート２６，２８は図２で説明した構成と同一である。
本実施例の動作は実施例１と本質的に同一であるので、説明は省略する。
本実施例のスピンドル装置によれば、比較的慣性能力を大きくしたロータとしての鍔部２９，３０がスピンドル２の両端に形成されているので、スピンドル２を安定して回転させることができる。
【実施例３】
【００２０】
図４は、本発明の実施例３によるスピンドル装置の構成を示す断面図である。図４において、図１、図３と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。
本実施例のスピンドル装置は、実施例２における構成において、流出ポート２６，２８をスピンドル２の両端にロータとして設けられている鍔部２９，３０の内部に形成したものである。すなわち、流出ポート２６，２８を、各々、流体流路２１，２２の端部に配置した構成である。そのほかの構成および動作は実施例２と同様である。
本実施例のスピンドル装置によれば、流入ポート２５，２７から流出ポート２６，２８までの流体流路２１，２２の長さを長くすることができるので、鍔部２９，３０の回転トルクを大きくすることができる。さらに、流体流路２１，２２の端部に配置した鍔部２９，３０（即ち流出ポート２６，２８）の外径を大きくして回転モーメントを大きくすることにより、スピンドル２の回転トルクを大きくすることができる。
また、流出ポート２６，２８が鍔部２９，３０に形成されているので製造が容易である。また、鍔部２９，３０をスピンドル２に対してねじ込みなどの方法で着脱自在にすれば、流出ポート２６，２８の流出流路３１，３６の形状を他の形状に変更することができ、スピンドル２の回転性能（回転数や回転トルク）を自由に変えることが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００２１】
本発明にかかるスピンドル装置は、正逆いずれの回転方向にも回転可能であるとともに、回転角や回転数の制御が可能であり、割り出し動作や回転途中で止めるなどの操作も簡単に行うことができる機能を有し、モータ、工作機械、医療用機器等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施例１におけるスピンドル装置の構成を示す断面図
【図２】図１におけるスピンドル装置の流出ポートの内部構造を説明する断面図
【図３】本発明の実施例２におけるスピンドル装置の構成を示す断面図
【図４】本発明の実施例３におけるスピンドル装置の構成を示す断面図
【符号の説明】
【００２３】
１    モータ部
２    スピンドル
５    ケーシング
６，７  流量制御装置
８    ロータリエンコーダ
９    位置センサ
１０  壁
１１，２９，３０  鍔部
１５  制御回路
２１，２２  流体流路
２３，２４  プラグ
２５，２７  流入ポート
２６，２８  流出ポート
３１，３６  流出流路
３２，３７  管部
３３，３８  経路
３４，３９  プラグ
３５  流出口
４１，４２  ジャーナル静圧軸受
４３，４４  流体供給口
４５，４６  排出口
５１，５２  スラスト静圧軸受
５３，５４  排出口
６１，６２，７１，７２  流量制御弁
８１  ワークピース
８２  ワークホルダ
【図１】
2008069761.tif 000003
【図２】
2008069761.tif 000004
【図３】
2008069761.tif 000005
【図４】
2008069761.tif 000006