(57)【要約】【課題】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要求される、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、機械的な振動伝達要素がないスピンドル装置を提供する。【解決手段】スピンドル２の中央部に軸方向に伸びる流体流路２１を形成し、この流体流路２１に連通して流体流入ポート６、流体流出ポート７、スピンドル２を支持するスラスト静圧軸受４およびジャーナル静圧軸受３を設ける。流体流出ポート７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流出路を有しており、流体流入ポート６と流体流出ポート７および両者間の流体流路２１とによりモータ部１を形成し、モータ部１とスラスト静圧軸受４およびジャーナル静圧軸受３が流体の流れに対して並列に配置される。【選択図】        図１
2004314257.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スピンドルの中央部に形成された軸方向に伸びる流体流路と、前記流体流路に連通した流体流入ポートと、前記流体流路に連通した流体流出ポートと、前記流体流路に連結し前記スピンドルを支持するスラスト静圧軸受およびジャーナル静圧軸受を具備したことを特徴とするスピンドル装置。
【請求項２】
前記流体流出ポートまたは流体流入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流出路を有しており、前記流体流入ポートと前記流体流出ポートおよび両者間の前記流体流路とによりモータ部を形成し、前記モータ部と前記スラスト静圧軸受および前記ジャーナル静圧軸受が前記流体の流れに対して並列に配置され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】
前記流体流出ポートの前記流出路が複数個形成されたことを特徴とする請求項２に記載のスピンドル装置。
【請求項４】
前記流体流入ポートから流入する流体の経路は流体流路部で２分岐され、一方の経路は前記流体流出ポート、前記スラスト静圧軸受、および前記ジャーナル静圧軸受に連通し、他方の経路は前記流体流出ポートおよび前記ジャーナル静圧軸受に連通することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のスピンドル装置。
【請求項５】
前記スラスト静圧軸受および前記ジャーナル静圧軸受は、前記スピンドルの側壁に形成されたリセスと、前記リセスおよび前記流体流路に連通し前記リセスより小径の貫通孔を有し、前記リセス内に絞りが配されたことを特徴とする請求項１、請求項２および請求項４のいずれかに記載のスピンドル装置。
【請求項６】
前記スラスト静圧軸受および前記ジャーナル静圧軸受は、前記流体流路から前記貫通孔および前記リセスを介して前記スピンドル外部へ流出する流体により支持されることを特徴とする請求項５に記載のスピンドル装置。
【請求項７】
前記流体が温度制御された流体であることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載のスピンドル装置。
【請求項８】
スピンドルの基本仕様として定格出力、定格回転数、ジャーナルおよびスラスト静圧軸受の剛性を定めて定格角速度およびスピンドルに一体的に組み込まれたモータの定格トルクを求め、これとスピンドル各部の寸法から下記数式により流体の流量を定めることを特徴とするスピンドル装置の設計方法。
【数１】
2004314257.tif 000035
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、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け機能を一体化したスピンドル装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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、本発明者は先に非特許文献１に示すモータ一体型スピンドルを提案した。
【０００３】
【非特許文献１】
神奈川大学工学研究所所報Ｎｏ．２４、２００１年１１月、第７３頁〜７６頁（第７３頁右欄１４行〜第７４頁左欄第１６行、図２および図３）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
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。非特許文献１に提案したスピンドルは、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いるが、静圧軸受の構成については提案していない。
【０００５】
本発明はかかる点に鑑みてなされたもので、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要求される上記３つの機能をすべて満たし、これらを有機的に一体化した簡単かつ高性能な構成のスピンドル装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の本発明のスピンドル装置は、スピンドルの中央部に形成された軸方向に伸びる流体流路と、この流体流路に連通した流体流入ポートと、流体流路に連通した流体流出ポートと、流体流路に連結しスピンドルを支持するスラスト静圧軸受およびジャーナル静圧軸受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、流体流出ポートまたは流体流入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流出路を有しており、流体流入ポートと流体流出ポートおよび両者間の流体流路とによりモータ部を形成し、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が流体の流れに対して並列に配置され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２に記載のスピンドル装置において、流出ポート部の流出路が複数個形成されたことを特徴とする。
請求項４記載の本発明は、請求項１または請求項２に記載のスピンドル装置において、流体流入ポートから流入する流体の経路が流体流路部で２分岐され、一方の経路は流体流出ポート、スラスト静圧軸受およびジャーナル静圧軸受に連通し、他方の経路は流体流出ポートおよびジャーナル静圧軸受に連通することを特徴とする。
請求項５記載の本発明は、請求項１、請求項２および請求項４のいずれかに記載のスピンドル装置において、スラスト静圧軸受およびジャーナル静圧軸受が、スピンドルの側壁に形成されたリセスと、リセスおよび流体流路に連通しリセスより小径の貫通孔を有し、このリセス内に絞りが配されたことを特徴とする。
請求項６記載の本発明は、請求項５に記載のスピンドル装置において、スラスト静圧軸受およびジャーナル静圧軸受が、流体流路から貫通孔およびリセスを介してスピンドル外部へ流出する流体により支持されることを特徴とする。
請求項７記載の本発明は、請求項１から請求項６のいずれかに記載のスピンドル装置において、流体が温度制御された流体であることを特徴とする。
請求項８記載の本発明のスピンドル装置の設計方法は、スピンドルの基本仕様として定格出力、定格回転数、ジャーナルおよびスラスト静圧軸受の剛性を定めて定格角速度およびスピンドルに一体的に組み込まれたモータの定格トルクを求め、これとスピンドル各部の寸法から（数２２）により流体の流量を定めることを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の実施の形態によるスピンドル装置は、スピンドルの中央部に形成された軸方向に伸びる流体流路と、この流体流路に連通した流体流入ポートと、流体流路に連通した流体流出ポートと、流体流路に連結しスピンドルを支持するスラスト静圧軸受およびジャーナル静圧軸受を設けることで、流体による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並列に配列することができる。したがって、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ができる。また、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。
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、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流体の流れに対して並列に配置しているので、設計が容易であり、かつスピンドルの性能を高くすることができる。
本発明の第３の実施の形態は、第２の実施の形態によるスピンドル装置において、流出ポート部の流出路が複数個形成されているので、回転数の高い流体モータを容易に実現することができる。
本発明の第４の実施の形態は、第１または第２の実施の形態によるスピンドル装置において、流体流入ポートから流入する流体の経路を流体流路部で２分岐しているので、モータ部の両側に静圧軸受を設けることができる。したがって、静圧軸受による安定した高精度の支持が可能になる。
本発明の第５の実施の形態は、第１、第２または第４の実施の形態によるスピンドル装置において、スラスト静圧軸受およびジャーナル静圧軸受が、スピンドルの側壁に形成されたリセスと、リセスおよび流体流路に連通しリセスより小径の貫通孔を有し、このリセス内に絞りが配された構成であるので、リセスおよび絞りの加工が容易であり、絞りが詰まった場合などのメンテナンスが容易になる。また、絞りの部品を変えることにより絞り径も自由に変更することができる。
本発明の第６の実施の形態は、第５の実施の形態によるスピンドル装置において、スラスト静圧軸受およびジャーナル静圧軸受がモータ部を流れる流体により支持されるので、流体を共用しつつベルト等の機械的な伝達要素を必要としない安定した高精度の静圧軸受でスピンドルを支持することができる。
本発明の第７の実施の形態は、第１から第６の実施の形態によるスピンドル装置において、流体が温度制御された流体とすることにより、スピンドル装置の駆動と同時に冷却をすることができる。
本発明の第８の実施の形態によるスピンドル装置の設計方法は、スピンドルの基本仕様として定格出力、定格回転数、ジャーナルおよびスラスト静圧軸受の剛性を定めて定格角速度およびスピンドルに一体的に組み込まれたモータの定格トルクを求め、これとスピンドル各部の寸法から（数２２）により流体の流量を定めるようにしたので、スピンドルの加工および組み立てが可能な範囲でスピンドルの効率を最高にするように設計することができる。
【０００８】
【実施例】
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、本発明の一実施例であるスピンドル装置の構成を示す断面図、図２は、図１におけるスピンドルの内部構造を説明する分解斜視図である。モータ１が組み込まれたスピンドル２、ジャーナル静圧軸受３およびスラスト静圧軸受４がケーシング５に支持されている。スピンドル２には、中央部に軸方向に伸びる穴を形成して流体の流路２１を形成し、端部をプラグ２２で止栓している。
モータ１は、外部のポンプあるいはコンプレッサー（図示せず）から供給される水などの流体をスピンドル２内に流入させる流入ポート６および流体をスピンドル２から外部へ流出させる流出ポート７から構成される。流出ポート７は、流入ポート６の両側に一対設けられており、流入ポート６から流入した流体の経路は、スピンドル２内で軸方向に伸びる流路２１に沿って２つに分岐され、流出ポート７から流出する。
【０００９】
流出ポート７部の断面図を図３に示す。
スピンドル２の中央部には、流体の流路２１が形成されており、流路２１からスピンドル２の外部に流出流路７１が伸びている。流出流路７１は、流路２１から径方向に伸びる細管部７２と細管部７２から略直角に伸びる経路７３から構成され、流出ポート７部に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３では３箇所設けた場合を示す。流出流路７１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７１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く、たとえば、滑らかな曲線に沿っていても構わない。
細管部７２は、スピンドル２の外周から中心に向かって径方向に流路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、スピンドル２の外方から経路７３を穿孔して細管部７２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７４を挿入してこの部分が流路とならないように止栓する。
流出ポート７のスピンドル軸方向外側に、スラスト静圧軸受４が形成される。スラスト静圧軸受４は、スピンドル２の側壁を一部径方向に延長させ、その延長部４１に、リセス４５およびリセス４５に連通してリセス４５より小径の貫通孔４２を形成し、リセス４５内には絞り４３およびプラグ４４を配している。
流出ポート７のスピンドル軸方向のさらに外側に、ジャーナル静圧軸受３が形成される。ジャーナル静圧軸受３は、スピンドル２の側壁からリセス３５およびリセス３５に連通してリセス３５より小径の貫通孔３２を形成し、リセス３５内には絞り３３およびプラグ３４を配している。ジャーナル静圧軸受３は、モータ１の両側に形成することが好ましい。
【００１０】
つぎに動作を説明する。
流入ポート６から流入した流体は、スピンドル２の中央部の流路２１で２方向に分岐し、さらに、流出ポート７近辺で２つに分岐して、一部が流出流路７１からスピンドル２の外部に流出する。このとき、流体は流出流路７１の細管部７２から細管部７３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７１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７１の数および流体の流量により調整することができる。
流出ポート７近辺で分岐した他方の流体は、スラスト静圧軸受４付近でさらに２つに分岐し、一方は、スラスト静圧軸受４に供給され、スピンドル２をスラスト方向に支持し、スピンドル２の外部に流出する。また、他方は、ジャーナル静圧軸受３に供給されてスピンドル２をジャーナル方向に支持し、スピンドル２の外部に流出する。
【００１１】
上述したように、本発明においては、モータ１とジャーナル静圧軸受３およびスラスト静圧軸受４が流体の流れに対して並列に配置されている。したがって、流体の流量を制御することにより、モータ１とジャーナル静圧軸受３およびスラスト静圧軸受４に対して最適な流量を供給することができ、スピンドル装置の高性能化を図ることができる。
また、モータ機能によりスピンドルが高速に回転するので、軸受面の圧力分布が均一化され、負荷の方向による軸受け性能の差がない。
また、ジャーナル静圧軸受３のリセス３５およびスラスト静圧軸受４のリセス４５をスピンドル２に配置しているので、リセスの加工をスピンドル２の加工時に行うことができ、リセスの加工が容易である。さらに、絞り３３、４３をスピンドル２とは別の部品で形成し、リセス３５、４５の各々に挿入するようにしているので、絞り３３、４３の加工が容易であり、絞り３３、４３が詰まった場合などの交換が容易であるので、メンテナンスが容易になる。また、絞り３３、４３の部品を変えることにより絞り径も自由に変更することができる。
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。したがって、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。
【００１２】
スピンドル装置の回転数とトルク出力は、流体の流量により自由に変化させることができる。図４は、流体の流量を変化させたときの回転数とトルクの特性である。流量が２０リットル／分のとき、回転数２０００ｒｐｍでトルク５０ｍＮｍ、回転数５０００ｒｐｍでトルク２５ｍＮｍが得られる。また、流量が３６リットル／分では、回転数５０００ｒｐｍでトルク１４０ｍＮｍ、回転数１００００ｒｐｍでトルク８０ｍＮｍが得られる。
図５は、流体の流量を変化させたときの回転数と出力の特性、図６は、回転数と効率の特性である。流量が２０リットル／分のとき、回転数３８００ｒｐｍで最大出力３０Ｗ、効率５％、流量が３６リットル／分のとき、回転数８５００ｒｐｍで最大出力９０Ｗ、効率６．３％が得られる。このとき、静圧軸受の流量に対する剛性は図７のようになり、流量が２０〜３６リットル／分の範囲では、ジャーナル静圧軸受３では４５〜１２５Ｎ／μｍ、スラスト静圧軸受４では、２３〜６０Ｎ／μｍであり、精度よく支持されていることがわかる。これらの結果から、スピンドルの基本仕様として、定格出力５０Ｗ、定格回転数１００００ｒｐｍ、定格流量３１．５リットル／分のものが得られる。
なお、スピンドルの回転数は、スピンドルの負荷が一定であれば図４に示すように供給される流体の流量に略比例するが、負荷が変化した場合には回転数が変化する。この場合は、スピンドルの回転数を一定にするためにスピンドルの回転数を計測し、制御弁によって流体の流量をフィードバック制御することにより、安定した回転特性を得ることができる。
なお、以上の説明では流体として水を例に説明したが、空気などの気体や油などの液体を使用することも可能である。
また、流体流出ポートに流体が流れたときに流体の角運動量が変化する形状の流路を有する場合について説明したが、流体流入ポートに流体が流れたときに流体の角運動量が変化するようにしてもよい。
【００１３】
つぎに、本発明によるスピンドル装置の設計方法について説明する。
まず、モータの性能を表わす理論式について説明する。
図８は流出ポート７部の寸法を説明する図で、図３に対応する。ただし、図８では流出流路７１を４本形成した例を示している。図８において、スピンドル２の径をＲ１、流体流路２１の径をＲ２、細管部７２の長さをｌｍ２、細管部７３の長さをｌｍ１、スピンドル２の中心から細管部７３の中心までの長さをｌｍ３、直径ｄｍの流出流路７１の断面積をＡｍ、流体の供給流量をｑ、モータの角速度をωとしている。
流出流路７１の一本に流量ｑの水が流れるとき、スピンドル２の定常状態を考える。このとき、モータのトルクＴｌは（数２）で表わされる。
【００１４】
【数２】
2004314257.tif 000003
【００１５】
ここで、ｎはスピンドル２の２箇所の断面に設けられた一断面あたりの流路７１の数、ρは流体の密度、μは流体の粘度である。
流出流路７１とジャーナルおよびスラスト静圧軸受における絞りを除いて、スピンドル内部に設けられた流路は大きな圧力損失が発生しないようにできるだけ大きく作られる。したがって、スピンドル２内の流体の圧力損失は、流出流路７１とそれぞれの静圧軸受において発生すると考えられる。
スピンドル効率の観点からは、トルク発生のための流出流路７１を通過する流量に比べて、それぞれの静圧軸受を流れる流量が十分少なくなるように設計する。この場合、スピンドル２内の流体の圧力損失は、流出流路７１において発生すると見なしてよい。流入ポート６における圧力がｐｓであるとき、流出流路７１を流れる流量ｑは（数３）で与えられる。ただし、κは（数４）で表わされるものである。
【００１６】
【数３】
2004314257.tif 000004
【００１７】
【数４】
2004314257.tif 000005
【００１８】
ここでλは流出流路７１の管摩擦係数であり、レイノルズ数Ｒｅによって（数５）、（数６）、（数７）のように表わされる。また、ζ１は流出流路７１における管路の縮小による損失係数、ζ２は流出流路７１における曲がりによる損失係数を表わす。
【００１９】
【数５】
2004314257.tif 000006
【００２０】
【数６】
2004314257.tif 000007
【００２１】
【数７】
2004314257.tif 000008
【００２２】
スピンドル２の流入ポート６から、スピンドル２内を流れずにスピンドル２とケーシング５間を流れる流体は、スピンドル２の動作に対して有効利用されない漏れとなる。これをｑｌで表すと、ｑｌは（数８）で与えられる。
【００２３】
【数８】
2004314257.tif 000009
このとき、静圧軸受以外に供給される流量Ｑｍは、（数９）で与えられる。
【００２４】
【数９】
2004314257.tif 000010
【００２５】
つぎに、ジャーナルおよびスラスト静圧軸受の性能を表わす理論式について説明する。ジャーナル軸受における負荷容量Ｗｊは（数１０）のように表わされる。ここで、Ωは無次元負荷容量、Ｂはジャーナル軸受の長さ、Ｄはスピンドル直径で、Ｄ＝２Ｒ１である。
【００２６】
【数１０】
2004314257.tif 000011
【００２７】
ジャーナル軸受１つあたりの剛性Ｋｊは（数１１）のように表わされる。（数１１）で、Γは無次元剛性、ｈｊはジャーナル軸受における平均隙間である。
【００２８】
【数１１】
2004314257.tif 000012
【００２９】
１つのジャーナル軸受を流れる流量Ｑｊと供給圧力ｐｓの関係は（数１２）で表わされる。
【００３０】
【数１２】
2004314257.tif 000013
【００３１】
（数１２）において、Θｊはジャーナル軸受における圧力・流量特性を表す係数である。なお、（数１０）、（数１１）、（数１２）におけるΩ、Γ、Θｊはレイノルズ方程式の数値計算結果から求められる静圧軸受の特性値であり、リセス数および軸の偏心率を決めればランド幅比Ｌｊ／Ｂと軸受形状比Ｂ／Ｄの関数として与えられる。Ｌｊはランド幅である。
一方、軸受に設けられた毛細管絞りの毛細管定数ｋｃｊは（数１３）で与えられる。ここで、ｎｊは各ジャーナル軸受におけるリセス数、ｕｃｊは絞りパラメータと呼ばれ、（数１４）で定義される。絞りパラメータはリセス圧力と供給圧力を関係付ける定数であり、ここではｕｃｊ＝１とする。これは、リセス圧力を供給圧力の半分にすることを意味する。
【００３２】
【数１３】
2004314257.tif 000014
【００３３】
【数１４】
2004314257.tif 000015
【００３４】
（数１３）で求められる毛細管定数ｋｃｊから、（数１５）によって毛細管絞りの長さｌｃｊと絞り直径ｄｃｊの関係が与えられる。
【００３５】
【数１５】
2004314257.tif 000016
【００３６】
つぎに、スラスト静圧軸受の特性を表す関係式を説明する。スラスト軸受の設計においてもジャーナル軸受の場合と同様に、スラスト軸受に組み込む毛細管絞りの絞りパラメータを１とする。
まず、スラスト軸受の剛性Ｋｔｈは（数１６）で与えられる。ここで、Πｔｈは面積係数、ｈｔｈはスラスト軸受部の隙間、Ａｐｔｈは軸受面の面積であり、（数１７）で表わされる。（数１７）において、αは軸受半径比であり、α＝Ｒ１／Ｒｔｈである。
【００３７】
【数１６】
2004314257.tif 000017
【００３８】
【数１７】
2004314257.tif 000018
【００３９】
つぎに、スラスト静圧軸受の両面を流出する流量Ｑｔｈは、（数１８）で表わされる。ここで、Θｔｈはスラスト軸受面における圧力・流量特性を表わすための係数である。なお、ΠｔｈとΘｔｈは軸受半径比αおよびランド幅比β＝ＣＬ／（Ｒｔｈ−Ｒ１）の関数である。ＣＬはスラスト軸受のランド幅である。このとき、ΠｔｈとΘｔｈは、Ω、Γ、Θｊと同様にレイノルズ方程式の数値計算結果より求められる。
【００４０】
【数１８】
2004314257.tif 000019
【００４１】
スラスト静圧軸受の毛細管定数ｋｃｔｈは（数１９）で表わされる。また、スラスト静圧軸受部における毛細管長さと絞り直径ｄｃｔｈの関係は（数２０）で与えられる。
【００４２】
【数１９】
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【００４３】
【数２０】
2004314257.tif 000021
【００４４】
つぎに、以上で説明したスピンドルの理論式を用いてスピンドル２の設計を行う方法を説明する。以下の説明では、スピンドル２の基本仕様として、定格出力Ｐｒ、定格回転数Ｎｒ、ジャーナルおよびスラスト静圧軸受の剛性Ｋｊｒ、およびＫｔｈｒを与え、スピンドル２の加工および組み立てが可能な範囲でスピンドルの効率を最高にするように設計する方法を説明する。
まず、設計するスピンドル２の基本仕様を定める。このとき定格角速度ωｒとスピンドル２に一体的に組み込まれたモータの定格トルクＴｒが求められる。これらを（数２）におけるωとＴｌに代入すると、要求されるモータ性能を出すために必要な流量ｑは（数２１）により求められる。すなわち、要求される流量ｑは（数２２）のようになる。ここで、α０、β０およびγ０は、それぞれ（数２３）、（数２４）および（数２５）で表わされる。
【００４５】
【数２１】
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【００４６】
【数２２】
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【００４７】
【数２３】
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【００４８】
【数２４】
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【００４９】
【数２５】
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【００５０】
（数２２）の計算を行うためには、スピンドル２の半径や長さ等のスピンドル各部の寸法が必要になる。スピンドル各部の寸法を以下のように表わす。まず、ｌ１＝ｃＲ１と表わし、ｃの取りうる値は以下のすべての条件を満たすように決定する。
（１）細管部７３の長さｌｍ１は細管部７３直径ｄｍの２倍以上とする。すなわち（数２６）を満足する。
【００５１】
【数２６】
2004314257.tif 000027
（２）加工上の制約から細管部７３の壁面からスピンドル外周面までの距離が１ｍｍ以上であること、すなわち、（数２７）を満足する。
【００５２】
【数２７】
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【００５３】
このとき、ｌｍ２は細管部直径ｄｍの２倍とする。この場合、スピンドル中心に設けられる流路半径Ｒ２は（数２８）で表わされる。
【００５４】
【数２８】
2004314257.tif 000029
【００５５】
さらにＲ２に関しては、この流路を流れる流体の流速が細管部７３の流速よりも大きくならないように（数２９）の条件を設定する。このとき、スピンドル２に供給される水の圧力ｐｓは（数３０）のようになる。
【００５６】
【数２９】
2004314257.tif 000030
【００５７】
【数３０】
2004314257.tif 000031
【００５８】
また、漏れ流量ｑｌは（数３０）で求められるｐｓを（数８）に代入すれば求められる。
つぎに、与えられた条件の下でジャーナル軸受のΩ、Γ、Θｊを求める。この結果から、ジャーナル軸受の負荷容量Ｗｊと剛性Ｋｊがそれぞれスピンドル２に作用する重力と仕様で与えられた定格剛性Ｋｊｒよりも大きいことを確認する。また、ｐｓを（数１２）に代入することによりジャーナル静圧軸受から流出する流量Ｑｊが求められる。さらに、毛細管絞りの長さｌｃｊを１ｍｍとする。このとき、必要な絞り直径ｄｃｊは（数１３）から（数１５）より計算される。
スラスト軸受についてもΓ、Θｔｈを計算し、これからスラスト軸受の剛性Ｋｔｈを求める。このとき、Ｋｔｈが定格剛性Ｋｔｈｒよりも大きいことを確認する。
さらに、ｐｓを（数１８）に代入することによりスラスト静圧軸受から流出する流量が求められる。ジャーナル軸受の場合と同様に、毛細管絞りの長さｌｃｔｈを１ｍｍとする。このとき、必要な絞り直径ｄｃｔｈは（数１９）および（数２０）より計算される。このとき、スピンドル全体を流れる流量Ｑｔは（数３１）で与えられる。したがって、スピンドル２の効率は（数３２）で与えられる。
【００５９】
【数３１】
2004314257.tif 000032
【００６０】
【数３２】
2004314257.tif 000033
【００６１】
なお、冷却装置の能力Ｐｃは（数３３）より求められる。
【００６２】
【数３３】
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【００６３】
【発明の効果】
本発明によれば、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、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のない静圧軸受を有し、ベルトやプーリのような機械的な振動伝達要素がなく、かつ、スピンドル装置自体の冷却が可能なスピンドル装置を実現することができる。
また、静圧軸受とモータの配列を流体の流れに対して並列に配置しているので、設計が容易であり、かつスピンドルの性能を高くすることができる。
また、静圧軸受のリセスをスピンドル側に設けているので、軸受剛性の方向による変化を平均化させることができる。したがって、ジャーナル荷重の方向によらず高い支持精度が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例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内部構造を説明する分解斜視図
【図３】図１におけるスピンドル装置の流出ポート部の断面図
【図４】本発明の一実施例におけるスピンドル装置の流体の流量を変化させたときの回転数とトルクの特性図
【図５】本発明の一実施例におけるスピンドル装置の流体の流量を変化させたときの回転数と出力の特性図
【図６】本発明の一実施例におけるスピンドル装置の流体の流量を変化させたときの回転数と効率の特性図
【図７】本発明の一実施例におけるスピンドル装置の静圧軸受の流量に対する剛性の特性図
【図８】本発明によるスピンドル装置の設計方法を説明するための図で、スピンドル装置の流出ポート部の断面図
【符号の説明】
１  モータ
２  スピンドル
３  ジャーナル静圧軸受
４  スラスト静圧軸受
５  ケーシング
６  流入ポート
７  流出ポート
２１  流路
２２、３４、４４、７４  プラグ
３２  ４２  貫通孔
３３、４３  絞り
３５、４５  リセス
４１  延長部
７１  流出流路
７２、７３  細管部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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