(57)【要約】【課題】トーンリングの大径化を招くことなく高い角度分解能を実現することができ、かつスピンドル軸の回転方向をも検出可能な回転検出器を備えたスピンドル装置を提供する。【解決手段】スピンドル装置１０は、内輪間座１６に配設されたトーンリング１８と、該トーンリング１８に設けられた凹凸状の歯部を検知して該凹凸に応じた信号を出力すると共に互いに分割されており、かつ出力信号の位相が１／４周期ずれるように外輪間座１７に配設されたＭＲセンサ１９とセンサホルダ２０により構成された２個の回転検出器３０とにより、スピンドル軸１１の回転速度及び回転方向が検出される。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転側部材に配設されたトーンリングと、該トーンリングに設けられた凹凸状の歯部を検知して該凹凸に応じた信号を出力すると共に互いに分割されており、かつ出力信号の位相がずれるように静止側部材に配設された検出素子を備えた２個以上の回転検出器とにより、スピンドル軸の回転が検出されることを特徴とするスピンドル装置。
【請求項２】
前記各回転検出器が、配設される回転検出器の個数をｎとした際に、前記トーンリングの凹凸状の歯部に応じた出力信号が相対的に１／２ｎ周期だけ互いに位相がずれるように配設され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】
前記トーンリングと前記２個以上の回転検出器が、スピンドル装置における前後部軸受間に配設されることを特徴とする請求項１又は２に記載のスピンドル装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はスピンドル装置に関し、特に工作機械、産業機械等のスピンドル軸の回転速度や回転方向等の回転を検出する回転検出器を備えたスピンドル装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、工作機械、産業機械等に用いられるスピンドル装置には、スピンドル軸の回転速度を検出する検出器（速度センサ）が取り付けられているものがある（例えば、特許文献１参照）。
一般的には、磁性体を材質とした平歯車状のトーンリングをスピンドル軸に取り付けると共に、該トーンリングの外周部に近接配置された検出素子（例えば電磁式のピックアップコイルやホール素子、ＭＲセンサ）によってトーンリング外周面の凹凸状の歯部による磁束の変化に応じた信号を出力し、該出力信号に基づいて回転速度を検出する方式が採用されている。この方式は潤滑油などによる汚れの影響を受け難いため広く用いられている。
【０００３】
一方、回転速度の検出のみならず、スピンドル軸の角度位置決めを行う必要がある工作機械に組み込まれるスピンドル装置の場合は、前記検出素子が複数個内蔵された検出器やスピンドル軸の軸端部にロータリエンコーダを取り付ける方式が広く用いられている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１−５１２５６号公報（第３頁、図１）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年の工作機械の高速化、インテリジェント化に伴い、スピンドル装置には高速回転化はもちろん、加減速時の応答性の高さや負荷変動時の回転速度変動率の低さなどが要求されている。そのためには、制御装置の速度ループゲインを上げる必要があり、高い角度分解能を有する回転速度信号が求められている。
【０００６】
しかしながら、上述したような従来の速度センサが検出できるトーンリングのモジュール（ピッチ円直径／歯数）は、通常１〜３程度であるため、高い角度分解能を実現しようとするとトーンリングを大径化する必要がある。例えば角度分解能が５１２分割必要な場合、最低でも直径５１４ｍｍもの大径のトーンリングをスピンドル軸に取り付ける必要がある。
【０００７】
このような大径のトーンリングは、遠心破壊のみならず、回転側部材の大幅な質量増加を招くため、スピンドル装置の危険速度域が低下し、高速回転が困難となってしまう虞れがある。
一方、モジュールが０．１５等の微細なトーンリングを用いることが可能な速度センサも存在するが、トーンリングと速度センサ間のエアギャップが０．１ｍｍ程度と狭く、取付け誤差の許容値も小さいため、スピンドル装置への組み付けが非常に難しい。また、温度変化などによる寸法変化等により、速度センサの出力が乱れたり、出力されなくなる場合があった。
【０００８】
また、前記速度センサの応答速度は高くても１００ｋＨｚ程度であるため、角度分解能を５１２分割とした場合は、１２０００ｒｐｍ程度までしか回転速度を検出できない。これでは近年の工作機械に要求されている２００００ｒｐｍを超えるような高速スピンドル装置に対応することが出来ない。
【０００９】
更に、回転速度センサでは、スピンドル軸の回転方向が判別できないため、穴あけの割り出しや工具をチャックする際のキー溝合わせなどを行う際の閉ループ制御によるスピンドル軸角度の位置決めを行うことは困難である。
一方、検出素子が複数個内蔵された検出器やスピンドル軸の軸端にロータリエンコーダを取り付けた場合は、スピンドル軸の回転方向を判別できるので、閉ループ制御による角度の位置決めを行うことはできる。
しかし、検出素子が複数個内蔵された検出器の場合、検出素子どうしの距離が定まっているため、トーンリングのモジュールを自由に変更することができず、スピンドルの大きさによって角度分解能が決められてしまう。また、スピンドルの軸端にロータリエンコーダを取り付けた場合は、軸受部からのスピンドル軸のオーバハングが大きくなるため、危険速度域の低下のみならず、回転不釣合いに起因するスピンドル軸の振れが大きくなるという問題が生じる。
【００１０】
従って、本発明の目的は上記課題を解消することに係り、トーンリングの大径化を招くことなく高い角度分解能を実現することができ、かつスピンドル軸の回転方向をも検出可能な回転検出器を備えたスピンドル装置を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の上記目的は、回転側部材に配設されたトーンリングと、該トーンリングに設けられた凹凸状の歯部を検知して該凹凸に応じた信号を出力すると共に互いに分割されており、かつ出力信号の位相がずれるように静止側部材に配設された検出素子を備えた２個以上の回転検出器とにより、スピンドル軸の回転が検出されることを特徴とするスピンドル装置により達成される。
【００１２】
上記構成のスピンドル装置によれば、２個以上の回転検出器がそれぞれ位相のずれた出力信号を出力するので、複数相の出力信号を得ることができる。
そこで、例えば検出素子の出力信号がパルス列出力の場合には、逓倍回路によってトーンリングの歯部の歯数に対して逓倍の角度分解能を有するパルス信号を得ることできる。又、検出素子の出力信号がアナログ出力の場合には、各出力信号と任意の閾値を比較して各出力信号が閾値より大きいか小さいかを判別し、パルス列出力として検出することによって、前記パルス列出力の検出素子を用いた場合と同様にトーンリングの歯部の歯数に対して逓倍（検出素子の個数倍）の角度分解能を有するパルス信号を得ることできる。
更に、２個の回転検出器の出力信号の立ち上がり又は立ち下がりの位相差を検出することによって、回転方向検出信号を得ることができる。
【００１３】
従って、トーンリングの歯部の歯数以上の角度分解能を得ることができるので、トーンリングのモジュールを維持しつつもトーンリングを大径化することなく高い角度分解機能を実現することができると共に、回転方向を検知することができる。
【００１４】
尚、好ましくは前記各回転検出器が、配設される回転検出器の個数をｎとした際に、前記トーンリングの凹凸状の歯部に応じた出力信号が相対的に１／２ｎ周期だけ互いに位相がずれるように配設される。
又、前記歯部の凹凸形状は、検出素子の出力信号がパルス列出力の場合はデューティ比が略５０％（±５％以下が望ましい）の矩形波が出力され、アナログ出力の場合は正弦波（波形歪み率１％以下が望ましい）が出力される形状とされることが好ましい。
これらの場合、各出力信号の周期誤差を小さくすることができるので、検出精度を向上させることができる。
【００１５】
更に、前記トーンリングと前記２個以上の回転検出器が、スピンドル装置における前後部軸受間に配設されることが好ましい。
この場合、危険速度域の低下や回転不釣合いに起因するスピンドル軸の軸振れを防止でき、かつ軸方向長さを抑えることができるので、スピンドル装置をコンパクトにできる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づいて本発明の一実施形態に係るスピンドル装置を詳細に説明する。
図１は本発明の一実施形態に係るスピンドル装置を説明するための縦断面図、図２は図１中ＩＩ−ＩＩ断面矢視図である。
【００１７】
図１に示したように、本実施形態のスピンドル装置１０は、スピンドル軸１１と外筒１２との間に、２個一組の前後部軸受１３，１４が軸方向に二カ所離間配置されており、前記スピンドル軸１１を回転自在に支持している。
また、前記外筒１２には、水冷ジャケット１５が外嵌されている。前記前後部軸受１３，１４の内輪間には、内輪間座分割体１６ａ，１６ｂから成る内輪間座（回転側部材）１６が配置され、前記前後部軸受１３，１４の外輪間には、外輪間座（静止側部材）１７が配置されている。
【００１８】
そして、前記内輪間座１６の軸方向の略中央部には、磁性体を材質とした平歯車状のトーンリング１８（本実施例においては、モジュール１、歯数１２８枚）が前記内輪間座分割体１６ａ，１６ｂの間に挟み込まれる形でスピンドル軸１１に締まり嵌め嵌合され、対応する外輪間座１７の内径側には、トーンリング１８の凹凸状の歯部を検知して該凹凸に応じた信号を出力するＭＲセンサ（検出素子）１９とセンサホルダ２０により構成された回転検出器３０が互いに分割され、かつ出力信号の位相がずれるように２個配置されている。
【００１９】
そして、前記トーンリング１８における歯部の凹凸形状は、前記各ＭＲセンサ１９の出力信号がパルス列出力の場合はデューティ比が略５０％（±５％以下が望ましい）の矩形波が出力されるような形状とし、アナログ出力の場合は正弦波（波形歪み率１％以下が望ましい）が出力される形状とすると、周期誤差が小さくなって検出精度が向上するので好ましい。但し、本発明のトーンリングにおける歯部の凹凸形状をこれに限定するものではない。
【００２０】
尚、内輪間座の外径部に凹凸形状の歯部を直接設けることで、内輪間座とトーンリングを一体とした形態としても良い。この場合、内輪間座の外径部の一部を大径化し、その部分に平歯車状のトーンリングを形成しても良いし、前記の如く大径化する部分を設けなくても、単純円筒状の内輪間座の外径部に溝を彫り込むことでトーンリングを形成しても良い。このように内輪間座に歯部を直接設けると、部品点数を少なくできるので好ましい。
【００２１】
また、前記トーンリング１８の回転側部材への取付位置は、特に限定されないが、前後部軸受１３，１４からのオーバハングがなるべく小さくなる箇所に配設することが望ましい。例えば図１に示したように、前記前後部軸受１３，１４間にトーンリング１８を配設することで、危険速度域の低下や回転不釣合いに起因するスピンドル軸１１の軸振れを防止でき、かつ軸方向長さを抑えることができるので、スピンドル装置をコンパクトにできて好ましい。
【００２２】
前記各ＭＲセンサ１９は、磁石と共に円弧形状のセンサホルダ２０の空孔部に配設されている。ＭＲセンサ１９をセンサホルダ２０の空孔部に配設する際は、シリコン樹脂、エポキシ樹脂などでセンサホルダ２０内をモールディングすると、ＭＲセンサ１９が潤滑油などの影響を受けないので好ましい。
【００２３】
なお、元来金属ケースなどで保護されている形の検出素子であれば、センサホルダ２０を用いる必要はない。また、使用する検出素子は、ＭＲセンサ１９に限らず、ホール素子、電磁式のピックアップコイル等の前記トーンリング１８の凹凸形状を検出できるものであれば良い。
【００２４】
前記センサホルダ２０は、図２に示したように、２つのＭＲセンサ１９の出力信号が相対的に１／４周期（センサ数ｎ＝２、１／２ｎ＝１／４周期）だけ位相がずれるように、前記外輪間座１７の内径側にボルト等によって固定されている。外輪間座１７に設けるセンサホルダ２０を固定するための少なくとも一つのねじ穴は、長手方向を円周方向に設定した長穴とすると組立時の位相調整が簡便になるので好ましい。
【００２５】
また、センサホルダ２０の形状を円環形状とすると、１個のセンサホルダ２０につき外輪間座１７に少なくとも１つのタップ穴を設けるだけで止めねじを用いて固定することが出来、位相調節も簡便になるので好ましい。
どちらにしても、本実施形態の如く２個の回転検出器３０を用いる場合は、少なくとも１個の回転検出器３０を位相調節が可能な取り付け方とすることで、機械的な位相誤差を吸収できるのは勿論、角度分解能を変更するためにトーンリング１８の歯数を増減させる場合（例えば、１００枚）にも、トーンリング１８の外径寸法や、回転検出器３０の径方向の取り付け位置を変更することなく、トーンリング１８のモジュールのみを変更し、２個のＭＲセンサ１９の出力信号が相対的に１／４周期だけ位相がずれるように調整するだけで対応できるので良い。
【００２６】
なお、本実施形態では、外筒１２のセンサ配線抜き穴２１を一箇所とし、かつセンサ配線２２を１本の多芯電線とするために２つのセンサホルダ２０を軸方向に重ねてなるべく近接させる形をとっているが、トーンリングが外筒の外に配設される場合など、センサホルダの配設箇所の白由度が高い場合は、軸方向に重ねずに軸方向の同一平面に配設しても良い。このようにすると、軸方向にセンサを重ねない分だけトーンリングの軸方向厚みを薄くできるので、スピンドル軸１１のオーバハング量を小さく、かつ回転側部材の重量増加を少なくできる。
【００２７】
また、図示したようにセンサ配線２２とＭＲセンサ１９の電気的結合部はコネクタ２３や端子台を用いると、スピンドル装置１０の組立やメンテナンス時の分解が簡便となるので好ましい。特に、本実施形態のように外筒１２に水冷ジャケット１５を装着する形式のスピンドル装置１０において、センサ配線抜き穴２１を水栓プラグ２４で塞ぐ必要がある場合は、奥まった箇所で配線作業を行う必要があるので、その効果は大きい。
【００２８】
即ち、このように構成されたスピンドル装置１０によれば、２個のＭＲセンサ１９がそれぞれ位相のずれた出力信号を出力するので、パルス列出力の場合はロータリエンコーダのＡ相，Ｂ相と同等の２相の出力信号を得ることができる。
そこで、制御装置３１の逓倍回路によってそれぞれの信号の立上がりエッジと立下がりエッジを検出することでトーンリング１８の歯部の歯数に対して逓倍（２倍又は４倍）の角度分解能を有するパルス信号を得ることできる。
【００２９】
これにより、使用する前記ＭＲセンサ１９の応答速度が１００ｋＨｚの場合、トーンリング１８の角度分解能が５１２分割にもかかわらず、４５０００ｒｍｐを超える回転速度まで検出することができる。
即ち、トーンリング１８のモジュールを維持しつつも該トーンリング１８を大径化する必要が無く、遠心破壊や回転側部材の大幅な質量増加を防止できるので、スピンドル装置１０の危険速度域を下げることなく高い角度分解能を実現できる。
【００３０】
一方、前記ＭＲセンサ１９がアナログ出力の場合であっても、それぞれの出力信号と任意の閾値を比較してそれぞれの出力信号が閾値より大きいか小さいかを判別し、パルス列出力として検出することで前記パルス列出力のＭＲセンサを用いた場合と同様に２倍又は４倍の角度分解能を有するパルス信号を得ることができる。
また、それぞれの出力信号をｓｉｎθ、ｃｏｓθとすると、
Ｕ＝ｓｉｎθ
Ｖ＝ｓｉｎθ・ｃｏｓ（２／３）π＋ｃｏｓθ・ｓｉｎ（２／３）π
Ｗ＝ｓｉｎθ・ｃｏｓ（４／３）π＋ｃｏｓθ・ｓｉｎ（４／３）π
の式で演算して１／３周期ずつ位相のずれたＵ，Ｖ，Ｗの３相正弦波信号を生成し、それぞれの信号の電気角０°と１８０°の点を検出することで６倍の角度分解能を有するパルス信号を得ることができる。さらに細分化していけば無限に逓倍することができるが、前記ＭＲセンサ１９の出力信号が完全な２相の正弦波ではない限り周期誤差が生じるので、周期誤差の許容範囲内でとどめておく方が良い。
【００３１】
また、パルス列、アナログ信号を問わず２個のＭＲセンサ１９の出力信号の立上がり又は立下りの位相差（進み位相差、遅れ位相差）を制御装置３１で検出することによって、回転方向検出信号を得ることができるので、回転方向を検知可能である。
また、２個の回転検出器３０は互いに分離されているので、組立時の位相調整が可能であることは勿論、角度分解能を変更する場合も、トーンリング１８のモジュールを変更し、位相調整するだけで対応できる。更に、検出素子が複数個内蔵された回転検出器では、ある定まったモジュールしか使用できないので実現不可能な、スピンドル装置の大きさにかかわらず任意の角度分解能を得るといったことが可能となる。
【００３２】
そして、これらの信号を用いることにより、モータとしてサーボモータを使用した場合のみならず、誘導モータを使用した場合でもベクトル制御やオリエント制御の機能を有するインバータ装置を用いることにより、ロータリエンコーダを取り付けることなく閉ループによるスピンドル軸角度の位置決めを行うことが可能でありながらも、ロータリエンコーダにより軸受部からのオーバハングが大きくなることは無いので、回転不釣り合いに起因するスピンドル軸１１の振れを小さくできる。
【００３３】
尚、本発明のスピンドル装置に係る回転側部材、静止側部材、トーンリング、検出素子、及びスピンドル軸等の構成は、上記実施形態の構成に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の形態を採りうることは言うまでもない。
【００３４】
例えば、上記実施形態のスピンドル装置１０では、検出素子であるＭＲセンサ１９を２個配置した場合を例にとったが、３個、４個と検出素子数を増やしていけば、角度分解能はトーンリング１８の歯部の歯数に対してパルス列出力の場合６倍、８倍と増え、アナログ出力の場合は高逓倍時の周期誤差が小さくなっていくので好ましい。
また、上記実施形態では、モータを内蔵しない形式のスピンドル装置１０を用いたが、スピンドル装置内にモータを内蔵したビルトイン形式のスピンドル装置にも応用できることは云うまでもない。
【００３５】
【発明の効果】
以上、上述した本発明のスピンドル装置によれば、２個以上の回転検出器がそれぞれ位相のずれた出力信号を出力するので、複数相の出力信号を得ることができる。
そこで、例えば検出素子の出力信号がパルス列出力の場合には、逓倍回路によってトーンリングの歯部の歯数に対して逓倍の角度分解能を有するパルス信号を得ることできる。又、検出素子の出力信号がアナログ出力の場合には、各出力信号と任意の閾値を比較してそれぞれの出力信号が閾値より大きいか小さいかを判別し、パルス列出力として検出することによって、前記パルス列出力の検出素子を用いた場合と同様にトーンリングの歯部の歯数に対して逓倍（検出素子の個数倍）の角度分解能を有するパルス信号を得ることできる。
【００３６】
更に、２個の回転検出器の出力信号の立ち上がり又は立ち下がりの位相差を検出することによって、回転方向検出信号を得ることができる。
そこで、トーンリングの歯部の歯数以上の角度分解能を得ることができるので、トーンリングのモジュールを維持しつつもトーンリングを大径化することなく高い角度分解機能を実現することができると共に、回転方向を検知することができる。
【００３７】
従って、トーンリングのモジュールを維持しつつもトーンリングを大径化する必要が無く、遠心破壊や回転側部材の大幅な質量増加を防止できるので、スピンドル装置の危険速度域を下げることなく高い角度分解能を実現できる。
また、スピンドル軸の回転方向を検知できるため、ロータリエンコーダを取り付けることなく閉ループ制御によるスピンドル軸角度の位置決めを行うことが可能でありながらも、ロータリエンコーダにより軸受部からのオーバハングが大きくなることは無く、回転不釣り合いに起因するスピンドル軸の振れを小さくできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るスピンドル装置を説明するための縦断面図である。
【図２】図１中ＩＩ−ＩＩ断面矢視図である。
【符号の説明】
１０  スピンドル装置
１１  スピンドル軸
１２  外筒
１３，１４  転がり軸受
１６  内輪間座（回転側部材）
１７  外輪間座（静止側部材）
１８  トーンリング
１９  ＭＲセンサ（検出素子）
３０  回転検出器
３１  制御装置
【図１】
2004219147.tif 000003
【図２】
2004219147.tif 000004