(57)【要約】【課題】半径隙間を簡単な手段と方法で調整及び設定することと、剛性を高めることを目的とする。【解決手段】研削砥石スピンドルは、砥石を支持する回転軸２を空気軸受３Ａ，３Ｂにより本体スリーブ１に支持した構成を備える。空気軸受をテーパ軸受面３ａを有する一対の軸受３Ａ，３Ｂとするとともに、回転軸に半径隙間を挟んで対峙するテーパ軸部２ａを形成し、一方の軸受３Ａを本体スリーブに軸方向不動に固定するとともに、他方の軸受３Ｂを半径隙間調整スペーサ４を介して本体スリーブに固定した。【選択図】図１
2005342878.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
砥石を支持する回転軸（２）を空気軸受（３）により本体スリーブ（１）に支持した研削砥石スピンドルにおいて、
前記空気軸受をテーパ軸受面（３ａ）を有する一対の軸受（３Ａ，３Ｂ）とするとともに、前記回転軸にテーパ軸受面に半径隙間を挟んで対峙するテーパ軸部（２ａ）を形成し、一対の軸受の一方（３Ａ）を前記本体スリーブに軸方向不動に固定するとともに、他方（３Ｂ）を半径隙間調整スペーサ（４）を介して本体スリーブに固定したことを特徴とする研削砥石スピンドル。
【請求項２】
前記空気軸受を、供給空気を透過する多孔質材とし、前記テーパ軸受面に前記回転軸の軸周に気流の動圧を作用させる微小窪み（３ｂ）を形成した、請求項１記載の研削砥石スピンドル。
【請求項３】
前記微小窪みを、多孔質材のテーパ軸受面に施すきさげ加工により形成した、請求項２記載の研削砥石スピンドル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気軸受を用いた研削砥石スピンドルの軸受構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
空気軸受を軸受構造に用いた研削砥石スピンドルは、空気軸受と回転軸との間に隙間（以下半径隙間という）を与え、空気圧により回転軸を浮上させて回転させるもので、摺動抵抗が小さく、したがって発熱が少ないので、高速回転と高回転精度が得られることが知られている。
【０００３】
空圧軸受の形式は給気形式によって、多数孔給気、溝給気、多孔質絞り、スロット絞り、表面絞り方式に分類されており、それぞれ特徴があるので、用途に応じて使い分けられている。
【０００４】
従来のスピンドルの空気軸受構成としては、特許文献１に記載のものがある。この形式のものでは、ラジアル方向の荷重と、スラスト方向の荷重を別の空気軸受で支持する構成とされている。詳しくは、ラジアル荷重は、軸の両端部に配置したラジアル空気軸受で支持し、スラスト方向の荷重は、工具（砥石）を取付ける側の軸端に近い側で回転軸の軸周から径方向に張出す鍔状突起を一対のブッシュ（スラスト空気軸受）で挟んで支持する構成とされ、鍔状突起の両端面とスラスト空気軸受の軸受面との間の隙間は、両スラスト空気軸受間に介在させたスペーサリングにより設定される。
【特許文献１】特開平６−２５４７０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、空気軸受では、軸受方法と供給空気の流量及び半径隙間の設定により負荷容量が決定され、該負荷容量に応じた軸受剛性が設定されるが、一般に高剛性、高精度を得るには半径隙間は７〜１２μｍ、高速を得るには１５〜２０μｍとされ、半径隙間の設定如何により性能が左右される。このように半径隙間の設定は重要な要素であるが、製作に際しては、前記性能の兼ね合いから試行錯誤とならざるを得ない。
【０００６】
この半径隙間の設定に関して、前記従来方式では、回転軸側の円筒面と空気軸受側の円筒面間の隙間として設定されるため、スラスト方向の隙間設定のようにスペーサによる調整は不可能である。このため、従来方式のものでは、空気軸受の内径に対して半径隙間が数種類得られるような外径の異なる複数の回転軸を製作し、それらの中から所期の性能が得られる半径隙間のものを選択する方法が採られる。こうした方法では、製造コストが高くなる。
【０００７】
また、高速回転と、高い軸受剛性を両立させるには、空気供給圧を上げることが考えられるが、こうした方法は反省エネルギとなる。これを避けて半径隙間を小さくすることで剛性を高めようとすれば、焼付きを発生する課題がある。
【０００８】
本発明は、前述した従来技術の課題に対し、半径隙間を簡単な手段と方法で調整及び設定可能とすることを第１の目的とする。次に本発明は、軸受剛性を半径隙間を小さくすることで高めることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するため、本発明は、砥石を支持する回転軸（２）を空気軸受（３）により本体スリーブ（１）に支持した研削砥石スピンドルにおいて、前記空気軸受をテーパ軸受面（３ａ）を有する一対の軸受（３Ａ，３Ｂ）とするとともに、前記回転軸にテーパ軸受面に半径隙間を挟んで対峙するテーパ軸部（２ａ）を形成し、一対の軸受の一方（３Ａ）を前記本体スリーブに軸方向不動に固定するとともに、他方（３Ｂ）を半径隙間調整スペーサ（４）を介して本体スリーブに固定したことを特徴とする。
前記の構成において、空気軸受を、供給空気を透過する多孔質材とし、前記テーパ軸受面に前記回転軸の軸周に気流の動圧を作用させる微小窪み（３ｂ）を形成した構成を更なる特徴とする。
また、前記微小窪みを、多孔質材のテーパ軸受面に施すきさげ加工により形成した構成を更なる特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、従来、スペーサにより設定が不可能であった半径隙間をスペーサにより設定することができる。すなわち、回転軸と空気軸受の間の半径隙間の設定と変更が、部品の長さ方向の寸法測定を行い、簡単な数式に測定寸法と所望の半径隙間値を代入した計算値により、隙間設定スペーサを一枚製作することで、安価に手早くできるようになる。
また、テーパ軸受面に微小窪みを形成した構成では、回転軸の軸周に気流の動圧を作用させることができ、それにより半径隙間を小さくしながら、高剛性かつ高回転のスピンドルを実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明においては、軸受として多孔質空気軸受を用いることとし、軸受方式は、回転軸の両端部をテーパ軸部とし、このテーパ軸部に係合する空気軸受の片方は、軸方向に移動しないように本体スリーブに軽圧入し、本体スリーブの他の一方からは、回転軸を挿入し、半径隙間設定スペーサに続いて空気軸受を静合挿入し、同様に軸方向に空気軸受を動かないように固着して構成するものである。このように、テーパ軸部をテーパ軸受に対向させることで、スラストとラジアル耐荷重はテーパにより発生する合力により発生させ、半径隙間の適正量を半径隙間設定スペーサの厚さ寸法で容易に設定することができる。
【００１２】
また、仕上げされた両端テーパ軸部に対応する空気軸受の当たり精度を向上させる手段として、きさげ加工による当たり取りのための手仕上げを行うに際し、動圧を発生させるようにきさげ仕上げにより空気軸受の内面を微小窪み形成のために切り下げ切り上げを行う。これにより、多孔質空気軸受であることでこの微小窪み部分からも空気は流出し、半径隙間に静圧が発生すると同時に、軸回転によるくさび作用で動圧を発生させ、剛性を高めることができる。
【実施例１】
【００１３】
図１は、多孔質空気軸受を用いた空気軸受式研削砥石スピンドルの断面図である。図に示すように、図示しない砥石を支持する回転軸２は、空気軸受３Ａ，３Ｂ（以下の説明において、これら両軸受を総称する場合の英字付記を省略する）により本体スリーブ１に支持されている。
【００１４】
本発明に従い、空気軸受３はテーパ軸受面３ａを有する一対の軸受３Ａ，３Ｂとされるとともに、回転軸２にはテーパ軸受面３ａに半径隙間を挟んで対峙するテーパ軸部２ａが形成されている。一対の軸受の一方の軸受３Ａは、本体スリーブ１に軸方向不動に固定され、他方の軸受３Ｂは、半径隙間調整スペーサ４を介して本体スリーブ１に固定されている。
【００１５】
図４は、空気軸受を拡大して示す断面図である。空気軸受３は、供給空気を透過する多孔質材とされ、テーパ軸受面３ａに回転軸２の軸周に気流の動圧を作用させる微小窪み３ｂが形成されている。この微小窪み３ｂは、多孔質材のテーパ軸受面３ａに施すきさげ加工により形成されている。
【００１６】
以下、各部の具体的構成を説明する。まず、図１を参照して、本体スリーブ１は中空円筒形で、回転軸２が挿入される中央部の内径に対して両端部の内径が空気軸受組込みのために拡径された段差部を備える段付内孔とされ、この段差部の端面が空気軸受３の軸方向位置決め面を構成している。
【００１７】
本体スリーブ１の周壁内には周方向の異なる位置で、それぞれ軸方向に延びる空気供給孔Ｓと空気排出孔Ｅが形成されている。空気供給孔Ｓは、本体スリーブ１のほぼ全長に渡って延びており、基端側は本体スリーブ１の端面に開口し、先端側は段付内孔の拡径部位置で径方向孔を経て拡径部内周面に開口している。空気排出孔Ｅは、本体スリーブ１のほぼ半分の長さだけ延びており、基端側は段付内孔の中央部に径方向孔で連通し、先端側は本体スリーブ１の端面に開口している。
【００１８】
回転軸２は、本体スリーブ１内に収まる部分に相当する両側位置に、拡径部の軸方向長さに匹敵する軸方向長さの、軸端方向に縮径するテーパ軸部２ａを形成されている。また、回転軸２が本体スリーブ１から突出する部分の基端側（図において右側）は、軸回転入力部２ｂとされ、同じく先端側（図において左側）には、別のテーパ軸部２ｃが形成され、このテーパ軸部２ｃに砥石フランジを嵌込み、更にその外側のねじ部にナットを締め込むことで砥石を固定する構成とされている。
【００１９】
回転軸２のテーパ軸部２ａに対応して、本体スリーブ１の段付内孔の拡径部にそれぞれ空気軸受３が配置され、一方の空気軸受３Ａは、その内端を直接本体スリーブ１の段差部に当接させ、他方の空気軸受３Ｂは、半径隙間設定スペーサ４を介して、本体スリーブ１に当接配置されている。両空気軸受３は、それぞれ本体スリーブ１の両端にボルト止め等の締結手段（図示せず）で固定されるカバー６Ａ，６Ｂに外端を当接させることで、これらカバーを介して本体スリーブ１に対して抜止め固定されている。一方のカバー６Ａには、空気供給孔Ｓと空気排出孔Ｅに整合する配管接続用のねじ孔が形成されている。
【００２０】
図４を参照して、空気軸受３は、多孔質空気軸受体３１を多孔質体用バックメタル３２に焼成接合され一体化されたものである。バックメタル３２は、その外周に複数の周回溝（実施例において３条）からなる分配溝３ｃとそれら分配溝間を軸方向に連絡する溝３ｄを備え、各分配溝の底部には周方向に所定間隔で分配溝３ｃと軸受体３１の外周とを連通する分配孔３ｅが形成されている。
【００２１】
図１に戻って、スペーサ４は、本体スリーブ１の段付内孔の拡径部に嵌め込み可能な外径と中央部の内径と同様の内径を有する環状部材とされ、その軸方向寸法すなわち厚さは、後記する設定に従う所定の精密寸法とされている。
【００２２】
以上の構成からなるスピンドルは、本体スリーブ１の段付内孔の一端側（図１において右側）から一方の空気軸受３Ａを組込み、他方側（図１において左側）から回転軸２を組込み、その後に同じく他方側からスペーサ４と他方の空気軸受３Ｂを組み込むことで組立てられたものである。しかしながら、この種のスピンドルは、単なる組み立てによっては所期の性能を発揮させることができない。実際の組み立てに際して、組み付け調整のための仕上げ加工を必要とする。そこで、次に、組み立てに伴う仕上げ加工について説明する。
【００２３】
この仕上げ加工は、きさげによる空気軸受テーパ面３ａの仕上としてなされる。詳しくは、回転軸２に一体のテーパ軸部２ａの仕上げ研削された左右テーパ面（円錐面）をモデルとして、係合する相手空気軸受３の内面とを摺り合せることによる当たりを確認し、全テーパ面の当たりが均一になるようにきさげ手仕上げにより加工する。
【００２４】
具体的手順としては、空気軸受テーパ面３ａに光明丹を塗り、相手側の回転軸２のテーパ軸部２ａと共摺りする。これにより局部的に面同士が当たる部分が金属表面色に光る。この光る部分をきさげで除去する。この一連の作業を何度も繰り返して、単位面積当たりの当たり数が均等になるようにする。なお、このきさげ加工に伴う多孔質材の目詰まりは、超音波洗浄により除去される。
【００２５】
この加工において、空気軸受３のテーパ面全面に均等な当たりを得るには、空気軸受３の脱着を少なくとも複数回行うので、当たり精度のばらつきを少なくするために、片方は固定化とすべく本体スリーブ１と空気軸受３Ａとの嵌合は静圧入とし、他方の着脱側の空気軸受３Ｂは静合とすることが望ましい。きさげの当たり数の目安は、２．５４ｃｍ２（１平方インチ）当たり２５〜３０とし、切込み深さは、７〜１２μｍ程度とする。きさげ作業のために空気軸受３と本体スリーブ１の円周方向位置を同一に定めるために本体スリーブ１の内孔開口部側面及び空気軸受３の外周に、けがき線入れて着脱の繰り返しにより位置ずれを防ぐことが望ましい。
【００２６】
本来、きさげ加工の技術的意味は、当接面の当たりを均等化することにあり、このために所定面積当たりの当たり数を均一化することが重要であるが、本発明では、この本来の目的と併せて、各きさげの切込み深さを深くして、軸受面に微小窪みを生成させることを狙いとしたきさげ加工がなされる。
【００２７】
図５はこのきさげ加工の形状を拡大し、かつ模式化して示す。図示するように、軸受面の半径をＲとして、切込み深さδを７〜１２μｍを目標に、そして仕上げは小さな勾配αができるようにきさげ加工を行う。このようにきさげ加工で仕上げ勾配αを創生することで、多孔質であることで軸受面の全面より均等に流出する空気に、軸の回転による動圧を発生させることができる。図では、回転軸２が反時計回りに回転することを想定したきさげの加工形状を模式的に示すが、実際にはきさげ加工が手作業であり、かつ極めて微細な加工であるため、切込み位置、方向、形状、勾配α、深さδともに不均一なものとなる。したがって、軸の回転方向に対して勾配αの方向は不規則になる。実際にはこうした不規則なきさげ加工に対して、回転軸の回転方向を時計回り、反時計回りの何れとしても目だった軸受剛性の差異は現れない。
【００２８】
前記のようなきさげ加工により回転軸２のテーパ軸部２ａと相手側軸受面との当接による単位面積当たりの当たり数が所期の数となったところで組み込みのための軸受面の加工が完了する。こうして軸受面の精度が確立した状態で、次に、スペーサの製作のための部品寸法測定を行う。
【００２９】
図２に空気軸受部分の寸法関係を示す。図に示すように、両側テーパ隙間なしの状態で、本体スリーブ１の端面から拡径部奥端面までの長さの測定値をＡ、回転軸２と軸受３の隙間ゼロにおける本体スリーブ１の端面から軸受３の外端面までの距離の測定値をＢ、空気軸受３の幅寸法の測定値をＣ、半径隙間ゼロ状態の軸受３の外端面と拡径部奥端面間の距離（半径方向隙間設定リング４装着のためのスペースとして、当初より約５ｍｍを見込む）をＤとすると、
Ｄ＝Ａ−（Ｂ＋Ｃ）    ・・・式１
が成立する。
【００３０】
次に角度関係を示す図３を参照して、テーパ軸部における勾配角度θに対して、半径隙間すなわち回転軸周面と軸受面間の最短距離Ｒｃと、軸方向隙間すなわち前記両面間の回転軸軸線方向の距離Ｒｔは、
Ｒｃ／Ｒｔ＝ｓｉｎθ
で表せるから、例えば勾配角度θを１０°とすると、
Ｒｃ／Ｒｔ＝０．１７３６
となり、これを書き替えて、
Ｒｔ＝Ｒｃ／０．１７３６    ・・・式２
が成立する。
【００３１】
ここで半径隙間Ｒｃを例えば１μｍに設定する場合、軸方向隙間は、前記式２より
Ｒｔ＝１／０．１７３６〔μｍ〕＝５．７６０〔μｍ〕
となる。この値は、片側の軸受に対する値で、両側共に半径隙間１μｍを与えるには２倍の値１１．５２μｍとなる。したがって、半径隙間設定スペーサ４の軸方向幅寸法すなわち厚さ＝Ｄ＋１１．５２〔μｍ〕とすれば、半径隙間は１μｍとなる。
【００３２】
以上のように、空気軸受の軸受面を仕上げ加工した後に、加工済みの一対の空気軸受と回転軸との現物合わせによる寸法計測で、上記の計算に基づくスペーサ寸法の割り出しを行い、所定寸法のスペーサ４と共に前記の手順で空気軸受３Ｂを組み込むことで、極めて剛性が高く、しかも高速回転が可能なスピンドルが完成する。
【００３３】
従来方式の空気軸受研削スピンドルのスラスト方向空気軸受部品の空気軸受とスラスト円板の隙間は５μｍが限界で、それ以下にすると焼付きを発生したが、本発明方式のテーパ軸受方式ときさげによる仕上げを行った空気軸受方式に半径隙間１μｍを設定して運転した結果、軸のかじりはなくなり、正常に回転を継続した。このことは、多孔質系空気軸受による軸受面全面より一様に静圧が発生することに加えて、きさげ加工で創製した勾配によるくさび作用による動圧が発生した結果によると考えられる。
【００３４】
最後に、実施例の研削砥石スピンドルの作動を略記する。スピンドルは、本体スリーブ１の一方のカバー６Ａに空気供給用の配管と空気排出用の配管を連結することで、供給空気は空気供給孔Ｓ、連絡孔、バックメタル３２の分配溝３ｃ及び分配孔３ｅを経て、多孔質体内で分散し、テーパ部全面より半径隙間に放出され、回転軸２を空圧により浮上させる。半径隙間より噴出した空気は、回転軸２の外周に沿って本体スリーブ１の中央方向に流れ、空圧排出孔Ｅより配管を経て大気に放出される。
【００３５】
こうした回転軸２の浮上状態で、軸回転入力部２ｂに回転駆動力を与えることで、テーパ軸部２ｃに取り付けられた図示しない砥石が回転し、それにより研削が行われる。この研削に際して、前記のように軸受剛性が高いことで、回転軸２のぶれや傾きが極めて少なくなり、高精度の研削加工が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施例に係る研削砥石スピンドルの断面図である。
【図２】スペーサ寸法割り出しのための部品相互の寸法関係を示す図である。
【図３】勾配と半径隙間及び軸方向隙間の関係を示す説明図である。
【図４】空気軸受の拡大断面図である。
【図５】軸受面のきさげ形状を示す拡大部分断面図である。
【符号の説明】
【００３７】
１    本体スリーブ
２    回転軸
２ａ    テーパ軸部
３Ａ，３Ｂ    空気軸受
３ｂ    微小窪み
４    半径隙間調整スペーサ
【図１】
2005342878.tif 000003
【図２】
2005342878.tif 000004
【図３】
2005342878.tif 000005
【図４】
2005342878.tif 000006
【図５】
2005342878.tif 000007