(57)【要約】【課題】  スピンドルをＺ軸方向およびＺ軸回転方向に駆動可能であって、かつ精密な位置決め制御を容易に実現できるスピンドルモータを提供する。【解決手段】  磁極が軸方向に沿って配置された永久磁石を備えるスピンドルと、前記スピンドルの外周に空隙を介して配置され、前記スピンドルを軸回転方向に駆動させるスピンドル回動手段と、前記スピンドルの外周に空隙を介して同心円状に配置され、前記スピンドルを非接触で軸支して前記スピンドルの軸方向および軸回転方向以外の変位を拘束する軸受と、前記スピンドルの外周に空隙を介して同心円状に配置され、軸方向に相互逆向きの磁束を形成する第１リングコイルおよび第２リングコイルと、前記スピンドル回動手段、前記軸受、前記第１リングコイルおよび前記第２リングコイルを収納するハウジングとを有し、  前記第１リングコイルおよび前記第２リングコイルの励磁によって、前記スピンドルが軸方向に駆動可能であることを特徴とするスピンドルモータ。【選択図】  図１
2005278359.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁極が軸方向に沿って配置された永久磁石を備えるスピンドルと、
前記スピンドルの外周に空隙を介して配置され、前記スピンドルを軸回転方向に駆動させるスピンドル回動手段と、
前記スピンドルの外周に空隙を介して同心円状に配置され、前記スピンドルを非接触で軸支して前記スピンドルの軸方向および軸回転方向以外の変位を拘束する軸受と、
前記スピンドルの外周に空隙を介して同心円状に配置され、軸方向に相互逆向きの磁束を形成する第１リングコイルおよび第２リングコイルと、
前記スピンドル回動手段、前記軸受、前記第１リングコイルおよび前記第２リングコイルを収納するハウジングとを有し、
前記第１リングコイルおよび前記第２リングコイルの励磁によって、前記スピンドルが軸方向に駆動可能であることを特徴とするスピンドルモータ。
【請求項２】
前記スピンドルは、軸方向長さが前記スピンドルのストロークより大きく設定された羽根を軸中心に対して回転対称に配置してなるインペラーを有し、
前記スピンドル回動手段は、前記インペラーに流体を吹き付ける流体供給部と、前記流体をモータ外部に排出する流体排出部とを有することを特徴とする請求項１に記載のスピンドルモータ。
【請求項３】
前記流体供給部は前記スピンドルの軸中心に対して回転対称に複数配置されてなることを特徴とする請求項２に記載のスピンドルモータ。
【請求項４】
前記軸受が静圧空気軸受であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のスピンドルモータ。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のスピンドルモータと、
前記スピンドルの後端に固定されたターゲットミラーと、
前記ターゲットミラーにレーザ光を照射して前記スピンドルの軸方向変位を検出する計測部と、
前記軸方向変位に基づいて、前記第１リングコイルおよび前記第２リングコイルを制御する制御部と、を有することを特徴とするスピンドルモータ装置。
【請求項６】
前記制御部は、前記第１リングコイルおよび前記第２リングコイルの電流量を検出する電流量検出部と、前記軸方向変位および前記電流量に基づいて前記スピンドルの先端の荷重を推定するオブザーバと、を有することを特徴とする請求項５に記載のスピンドルモータ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は工作機械等に使用されるスピンドルモータについて、特にスピンドルの軸方向の精密移動を可能とするスピンドルモータに関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロ金型や非球面レンズなどの加工に用いられる超精密加工機については、より一層の小型化と高精度の加工性能とが要望されている。ここで、スピンドルをＺ軸方向およびＺ軸回転方向に駆動させる場合には、スピンドルをＺ軸回転方向にのみ駆動させるスピンドルモータを、送りねじ機構からなる移動テーブル上に固定して移動させる構成が一般的である。
【０００３】
しかし、上記構成の工作機械では以下の点で改善の余地があった。すなわち、（１）スピンドルモータと移動テーブルとを積み重ねるので装置が大型化する。（２）移動テーブルを精密に制御しても、スピンドルの先端位置は加工時の荷重や外乱力によって変位するので、スピンドルの位置決め精度を向上させることが困難である。（３）スピンドルの軸方向位置を計測して移動テーブルを制御する場合には、アッベの原理を満たさないため十分な制御性能を得ることが困難である。（４）駆動部の質量が大きくなるためアクチュエータの応答速度が遅く、またアクチュエータのサイズや発熱量も大きくなる。
【０００４】
また、非特許文献１には、スピンドルをＺ軸方向およびＺ軸回転方向に駆動させる他の構成として、Ｚ軸方向に対向配置した電磁石の吸引力または反発力を利用したローカルアクチュエータが開示されている。
【非特許文献１】三宅  英孝  他；「ローカルアクチュエータによる微細穴放電加工」，２００３年度精密工学会秋期大会学術講演会講演論文集，ｐ５９０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記の非特許文献１のようにレラクタンス力を利用した電磁アクチュエータでは、Ｚ軸方向のストロークが１ｍｍ程度に制限されるのでその用途は著しく限定される。また、上記非特許文献１の電磁アクチュエータは、電流および発生力の関係が非線形であって、アクチュエータの可動範囲全域で安定した位置決めを行うには非線形補償を考慮した複雑なコントローラが不可欠となる。しかも、上記非特許文献１の電磁アクチュエータは、スピンドルのＺ軸方向の位置によっても発生力に大きなばらつきが生じるので、高精度の位置決め制御は極めて困難である。
【０００６】
本発明は上記従来技術の課題を解決するためにされたものであり、その目的はスピンドルをＺ軸方向およびＺ軸回転方向に駆動可能であって、コンパクトで汎用性が高く、かつ精密な位置決め制御を容易に実現できるスピンドルモータを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１の発明は、磁極が軸方向に沿って配置された永久磁石を備えるスピンドルと、前記スピンドルの外周に空隙を介して配置され、前記スピンドルを軸回転方向に駆動させるスピンドル回動手段と、前記スピンドルの外周に空隙を介して同心円状に配置され、前記スピンドルを非接触で軸支して前記スピンドルの軸方向および軸回転方向以外の変位を拘束する軸受と、前記スピンドルの外周に空隙を介して同心円状に配置され、軸方向に相互逆向きの磁束を形成する第１リングコイルおよび第２リングコイルと、前記スピンドル回動手段、前記軸受、前記第１リングコイルおよび前記第２リングコイルを収納するハウジングとを有し、前記第１リングコイルおよび前記第２リングコイルの励磁によって、前記スピンドルが軸方向に駆動可能であることを特徴とする。
【０００８】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記スピンドルは、軸方向長さが前記スピンドルのストロークより大きく設定された羽根を軸中心に対して回転対称に配置してなるインペラーを有し、前記スピンドル回動手段は、前記インペラーに流体を吹き付ける流体供給部と、前記流体をモータ外部に排出する流体排出部とを有することを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項２の発明において、前記流体供給部は前記スピンドルの軸中心に対して回転対称に複数配置されてなることを特徴とする。
【０００９】
請求項４の発明は、請求項１から請求項３の発明において、前記軸受が静圧空気軸受であることを特徴とする。
請求項５の発明は、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のスピンドルモータと、前記スピンドルの後端に固定されたターゲットミラーと、前記ターゲットミラーにレーザ光を照射して前記スピンドルの軸方向変位を検出する計測部と、前記軸方向変位に基づいて、前記第１リングコイルおよび前記第２リングコイルを制御する制御部と、を有することを特徴とする。
【００１０】
請求項６の発明は、請求項５の発明において、前記制御部は、前記第１リングコイルおよび前記第２リングコイルの電流量を検出する電流量検出部と、前記軸方向変位および前記電流量に基づいて前記スピンドルの先端の荷重を推定するオブザーバと、を有することを特徴とする。
（作用）
請求項１の発明では、軸受に非接触支持されたスピンドルはスピンドル回動手段によって軸回転方向に駆動する。また、リングコイルを励磁すると、スピンドルの永久磁石の磁束とリングコイルに生じる磁束との磁気的作用でスピンドルが軸方向に駆動する。
【００１１】
ここで、リングコイルを励磁する電流とスピンドル軸方向の発生力との関係は線形性を有しており、かつスピンドルの軸方向位置による発生力のばらつきが極めて少ないので、軸方向に移動するスピンドルを精密な位置決め制御できる。なお、スピンドルの軸方向および軸回転方向以外の変位は非接触式の軸受によって拘束され、スピンドルの軸方向移動は軸受にガイドされて安定する。
【００１２】
請求項２の発明では、流体供給部がスピンドルのインペラーに流体を吹き付けることで、スピンドルのストローク全域で均一な回転力を発生できる。また、インペラーに吹き付けられた流体がリングコイルや軸受からの発熱を奪うので、スピンドルの回転に伴ってリングコイルや軸受の冷却も同時に行われる。
請求項３の発明では、回転対称に配置された複数の流体供給部からインペラーに流体を吹き付けることで、回転時におけるスピンドルの偏心が抑制される。
【００１３】
請求項４の発明では、スピンドルが軸受内周に形成される空気膜で非接触支持されることから、他の非接触式の軸受を採用した場合に比べて装置の小型化、軽量化を図ることができる。
請求項５の発明では、計測部でスピンドルの軸方向変位を測定し、この軸方向変位に基づいてスピンドルの軸方向移動が制御される。したがって、スピンドルの軸方向移動について、アッベの原理を満足した精密な位置決め制御が可能となる。
【００１４】
請求項６の発明では、スピンドルの軸方向変位とリングコイルの電流量に基づいて、オブザーバがスピンドルの先端の荷重を推定する。したがって、マイクロ部品の精密加工等で不可欠となるワークとツールの高精度な接触の検知や、スピンドル先端の加工力推定が可能となる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、移動テーブル等を別途必要とすることなくスピンドルを軸方向および軸回転方向の２自由度に駆動させることができ、工作機械等の小型軽量化を実現できる。また、本発明では、軸方向に移動するスピンドルの精密な位置決め制御を容易に実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態を詳細に説明する（請求項１〜４のスピンドルモータと、請求項５、６のスピンドルモータ装置に対応する）。
（スピンドルモータの構成）
図１、図２は本実施形態のスピンドルモータ１を示す図である。本実施形態のスピンドルモータ１は、スピンドル２と、スピンドル２を軸方向および軸回転方向に駆動させる固定部３とから構成されている。
【００１７】
スピンドル２は、セラミックス製のスピンドル本体４と、永久磁石５と、インペラー６（羽根車）と、バランサーリング７，８と、ターゲットミラー９とを有している。なお、本実施形態のスピンドル２の全長は１５６ｍｍ、質量は２５９ｇであって、軸方向のストロークが１０ｍｍ（±５ｍｍ）に設定されている。
スピンドル本体４は太径部４ａと細径部４ｂとを有しており、細径部４ｂの後端は太径部４ａの先端と同心状に接続されている。細径部４ｂの先端側には図示しない工具などが取り付けられる。
【００１８】
また、太径部４ａの中間部には、軸方向の両端に磁極を有する円筒形状の永久磁石５が配置されている。この永久磁石５の外径は太径部４ａの外径とほぼ等しく設定され、磁極をなす両端面はそれぞれ太径部４ａと接続されてスピンドル本体４と一体化している。すなわち、永久磁石５の磁極はスピンドル２の軸方向に沿って配置されている。
永久磁石５の後端側付近には、複数の羽根を備えたアルミ製のインペラー６が取り付けられている。インペラー６の羽根の軸方向長さは１６ｍｍであって、スピンドル２のストロークより大きく設定されている。また、各羽根の配置はスピンドル２の軸中心に対して回転対称をなし、インペラー６が太径部４ａの外径に収まるように設定されている。
【００１９】
また、太径部４ａの後端には大径のバランサーリング７が取り付けられている。このバランサーリング７の後端側にはターゲットミラー９が固定されている。一方、太径部４ａの先端には、細径部４ｂの先端側から嵌め込まれた小径のバランサーリング８が固定されている。バランサーリング７，８には、軸方向に刻設された複数のねじ穴７ａ，８ａが軸中心から同心円をなすようにそれぞれ配置されており、ねじ穴７ａ，８ａに螺合される雄ねじ（図示を省略する）の微調整によってスピンドル２のバランス調整を行えるようになっている。
【００２０】
固定部３にはスピンドル本体４の太径部４ａよりやや太径の筒状空間が軸方向に沿って形成され、この筒状空間内にスピンドル２が配置される。固定部３は、２つの静圧空気軸受１０と、スピンドル回動手段としてのエアガイドブロック１１と、第１リングコイル１２および第２リングコイル１３と、これらを収納する円筒形状のハウジング１４とを有している。
【００２１】
２つの静圧空気軸受１０はそれぞれハウジング１４内部の両端に配置されて、固定部３の中心軸に沿って配置されるスピンドル２を回転可能に支持している。静圧空気軸受１０の内周には多孔質セラミックがリング状に配置されており、圧縮空気を供給することで軸受内周面に空気膜が形成され、スピンドル２が軸受内周と非接触状態で支持される。また、ハウジング１４の両端に配置された静圧空気軸受１０はスピンドル２の軸方向の動きを許容する一方で、軸方向および軸回転方向以外の変位を拘束する。そのため、静圧空気軸受１０はスピンドル２の軸方向移動を案内する機能を有している。
【００２２】
なお、本発明の軸受として磁気軸受や静圧油軸受などの非接触式の軸受を用いることもできる。しかし、磁気軸受の場合には軸受の複数のコイルを制御するアンプ等が別途必要となり、また静圧油軸受の場合には潤滑油の供給機構が複雑となるので、静圧空気軸受１０の使用が特に好ましい。
エアガイドブロック１１は、太径部４ａの外径よりもやや大きい内径の中空部を中心に有するリング状部材であって、エア供給路１５およびエア排出路１６がそれぞれ２つずつ形成されている。エアガイドブロック１１は、スピンドル２のインペラー６に対応する位置でハウジング１４に固定される。
【００２３】
各エア供給路１５の一端は中空部内壁面に形成された吹き出し口１５ａに連絡し、エア供給路１５の他端から供給される圧縮空気は吹き出し口１５ａからインペラー６に吹き付けられる。また、各エア排出路１６は中空部内壁面に形成された排気口１６ａからモータ外部に連絡している。排気口１６ａは吹き出し口１５ａに対してインペラー回転方向の位置に形成されており、インペラー６に吹き付けられた圧縮空気がインペラー６の回転に伴って排気口１６ａから排出されるようになっている。
【００２４】
さらに、図３に示すように、エアガイドブロック１１に形成される吹き出し口１５ａおよび排気口１６ａは、圧縮空気の吹き出しによってスピンドル２の偏心が発生しないように、スピンドル２の軸中心に対して１８０°回転対称をなすように配置されている。
第１リングコイル１２および第２リングコイル１３は、太径部４ａの外径よりもやや大きい内径の中空部が形成されたリング状の空芯コイルアレイであって、ハウジング１４にはスピンドル２の永久磁石５に対応する位置で固定される。第１リングコイル１２および第２リングコイル１３はそれぞれ相互に逆方向の電流が流れるように結線され、通電時には軸方向に相互逆向きの磁束を形成する。
【００２５】
また、ハウジング１４の内部には静圧空気軸受１０と連絡する流路（図示を省略する）が形成されて、この流路は軸受用エアプラグ１７に接続されている。また、ハウジング１４には、エア供給路１５の他端と連絡する吸気用プラグ１８と、エア排出路１６に対応する開口１４ａと、コイル用プラグ１９がそれぞれ配置されている。なお、軸受用エアプラグ１７および吸気用プラグ１８は図示しないコンプレッサに接続されている。
【００２６】
（制御装置の構成）
図４に示すように、制御装置は、計測部としてのレーザー干渉計２０と、コイル用アンプユニット２１と、コントローラ２２とから構成されている。
レーザー干渉計２０は、スピンドル２のターゲットミラー９にレーザー光を照射し、ターゲットミラー９からの反射光を測定することでスピンドル２の軸方向変位を検出する。レーザー干渉計２０が検出した軸方向変位はコントローラ２２に入力される。
【００２７】
コイル用アンプユニット２１はコイル用プラグ１９を介して第１リングコイル１２および第２リングコイル１３と接続され、コントローラ２２の出力に従って各リングコイル１２，１３に流す電流を変化させる。また、コイル用アンプユニット２１は、各リングコイル１２，１３の電流量を検出して、電流量の情報をコントローラ２２に出力する電流量検出部の機能を有する。
【００２８】
コントローラ２２は、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）やＤ／Ａ変換回路等から構成される。コントローラ２２は入力された軸方向変位に基づいて各リングコイル１２，１３の電流を変化させ、スピンドル２の軸方向位置の閉ループ制御を行う。また、コントローラ２２は、軸方向変位および電流量の情報に基づいてスピンドルの先端の荷重を推定するオブザーバ２３を有している。
【００２９】
図５は本実施形態の制御装置のブロック図である。本実施形態のスピンドルモータ１の制御において、目標値特性は式（１）の関係を満たしている。
【００３０】
【数１】
2005278359.tif 000003
【００３１】
ここで、Ｚはスピンドルの軸方向変位、Ｚrは目標値、ｍはスピンドルの質量、ｃは減衰係数、Ｋampはアンプユニットのゲイン、Ｋiはリングコイルの電流力係数、Ｖは電圧、Ｉはリングコイルの電流量、ａ１，ｂ０，ｂ１，ｂ２は制御パラメータである。なお、制御パラメータ（ａ１，ｂ０，ｂ１，ｂ２）は、閉ループ伝達関数の特性方程式の解が複素平面上で実軸上の安定な一点に重根となるようにαを決定することで、自ずと決定される。
【００３２】
また、本実施形態のスピンドルモータ２の外乱特性を式（２）に示す。
【００３３】
【数２】
2005278359.tif 000004
【００３４】
ここで、ｗはスピンドルに作用する外乱力（スピンドルの先端の荷重）である。
さらに、オブザーバ２３による外乱力の推定について詳細に説明する。本実施形態のスピンドルモータはスピンドルが静圧空気軸受で非接触で支持されており、軸方向の摩擦力は無視できる。また、後述するようにリングコイルの電流とスピンドル軸方向の発生力とがほぼ線形に比例する。したがって、スピンドルに外乱ｗが働いたときのスピンドルのＺ方向の運動方程式は式（３）となる。
【００３５】
【数３】
2005278359.tif 000005
【００３６】
ここで、ｚはスピンドルの軸方向変位である。
また、リングコイルとスピンドル軸方向の発生力とは式（４）の関係を満たす。
【００３７】
【数４】
2005278359.tif 000006
【００３８】
ここで、ｉはリングコイルの電流量である。
状態変数として主軸の変位、速度、外乱力を式（５）とおく。
【００３９】
【数５】
2005278359.tif 000007
【００４０】
上記の式（５）においてα0は未知の定数であり、式（３）、式（４）、式（５）の関係から式（６）の状態方程式が導出される。
【００４１】
【数６】
2005278359.tif 000008
【００４２】
ここで、
【００４３】
【数７】
2005278359.tif 000009
【００４４】
とする。
実際の観測対象とそのモデルとの出力偏差をモデルにフィードバックすると、式（８）のように表される。
【００４５】
【数８】
2005278359.tif 000010
【００４６】
ここでＬはオブザーバのゲイン行列であり、
【００４７】
【数９】
2005278359.tif 000011
【００４８】
となる。したがって、オブザーバのゲイン行列Ｌの値を変えることによって（Ａ−ＬＣ）の極を自由に設定できる。（Ａ−ＬＣ）を安定行列にできれば、任意の初期誤差に対して
【００４９】
【数１０】
2005278359.tif 000012
【００５０】
となる。以上のようにしてオブザーバ２３が外乱力を推定する。
（実施形態の作用、効果）
本実施形態のスピンドルモータ１および制御装置は上記のように構成され、以下、その作用、効果を説明する。
スピンドル２の軸方向の駆動は、第１リングコイル１２および第２リングコイル１３の励磁によって行われる。コイル用アンプユニット２１が所定方向に電流を流すことで、各リングコイル１２，１３には軸方向に相互逆向きの磁束が形成される。そして、第１リングコイル１２の磁束と永久磁石５の磁束との間で吸引力が発生し、第２リングコイル１３の磁束と永久磁石５の磁束との間で反発力が発生して、スピンドル２が軸方向の先端側に駆動する。
【００５１】
また、コイル用アンプユニット２１が上記と逆方向へ電流を流すと上記の吸引力および反発力は逆向きとなり、スピンドル２が軸方向の後端側に復動する。したがって、リングコイル１２，１３に流す電流の向きを高速で切り換えることにより、スピンドル２の先端に固定される工具（図示を省略する）を高速で軸方向に移動させることができる。なお、２つの静圧空気軸受１０によってスピンドルは軸方向に沿って案内されるため、スピンドル２と固定部３との軸線の間に傾きが生じることはない。
【００５２】
図６にリングコイル１２，１３の電流とスピンドル軸方向の発生力との関係を示す。図６の例では、スピンドル２をストローク範囲の中間位置（ｚ＝０ｍｍと定義する）に固定し、リングコイル１２，１３の電流を０Ａから３Ａの範囲で変化させて発生力を測定した。リングコイル１２，１３の電流とスピンドル軸方向の発生力はほぼ線形に比例し、電流および発生力が良好な線形性を有することが確認できた。
【００５３】
図７にスピンドル２の軸方向位置と発生力との関係を示す。図７の例ではリングコイル１２，１３の電流を３Ａに固定し、ｚ＝０ｍｍからｚ＝５ｍｍの範囲でスピンドル２の軸方向位置を１ｍｍごとに変化させてスピンドル軸方向の発生力を測定した。スピンドル軸方向の発生力は約１１．６Ｎ（図中一点鎖線で示す）から約１２．１Ｎ（図中二点鎖線で示す）の範囲で変化した。発生力の最小値（約１１．６Ｎ）は最大値（約１２．１Ｎ）の約９６．２％に相当し、スピンドルモータ１のストローク全域に渡ってほぼ均一な発生力が得られることが確認できた。すなわち、従来技術のようにレラクタンス力を利用した電磁アクチュエータでは軸方向のストロークが１ｍｍ程度に制限されるが、本実施形態のスピンドルモータ１では１０ｍｍの範囲でスピンドルの位置決め制御が可能である。
【００５４】
一方、スピンドル２の軸回転方向の駆動は、固定部３の吸気用プラグ１８から圧縮空気を供給することで行われる。圧縮空気はエア供給路１５を経て吹き出し口１５ａからインペラー６に吹き付けられる。これによりインペラー６が回転方向に付勢され、インペラー６と一体化されているスピンドル２が回転する。圧縮空気はインペラー６の回転に伴って排気口１６ａを経てモータ外部に排出される。
【００５５】
ここで、インペラー６の軸方向長さはスピンドル２のストロークより大きく設定されているので、インペラー６はスピンドル２のストローク全域で吹き出し口１５ａの圧縮空気を受けることができる。したがって、スピンドル２が軸方向に移動しても均一な回転力を得ることができる。また、吹き出し口１５ａは軸中心に対して１８０°回転対称に２カ所配置されているので、回転時のスピンドル２の偏心が抑制される。さらに、スピンドル２の回転には電磁石を使用しないため、電磁加振力によるラジアル方向の振動がスピンドル２に発生することはない。
【００５６】
図８は半径方向の回転精度をリサージュ法を用いて示した図である。図８の例では、ｚ＝０ｍｍの位置においてスピンドル２を１５，０００ｒｐｍで５回転させた。ＮＲＲＯ（Non-Repeatable Run-Out：軸振れのバラツキ成分）は０．２１μｍであった。
さらにまた、インペラー６に吹き付けられる圧縮空気は、リングコイル１２，１３や静圧空気軸受１０からの発熱を奪ってモータ外部に排出される。そのため、スピンドル２の回転と同時にリングコイル１２，１３および静圧空気軸受１０が空冷され、スピンドル２の熱膨張が抑制される。
【００５７】
図９にスピンドル２の回転時における表面の温度変化を示す。図９の例では、リングコイル１２，１３に１Ａの電流を流し、スピンドル２の非回転時（０ｒｐｍ）および５，０００ｒｐｍでの回転時でスピンドル２の表面の温度変化を測定した。非回転時のスピンドル２の温度上昇が６．８Ｋであるのに対し、５，０００ｒｐｍの回転時にはスピンドル２の温度上昇が４Ｋとなり、スピンドル２の回転時に冷却効果があることが確認できた。
【００５８】
ここで、本実施形態のスピンドルモータ１の軸方向移動の位置決め分解能を図１０、図１１に基づいて説明する。
図１０（ａ）および（ｂ）はスピンドル２の非回転時（０ｒｐｍ）にｚ＝０ｍｍ，５ｍｍの位置を基準としてスピンドル２を軸方向に往復動させ、スピンドル２の軸方向変位をレーザ干渉計２０で計測した結果である。図１０（ａ）および（ｂ）のいずれも分解能は２．５ｎｍであり、ｚ＝０ｍｍおよび５ｍｍの位置で分解能にほとんど相違がみられないことが確認できた。
【００５９】
また、図１１（ａ）および（ｂ）では、ｚ＝０ｍｍにおいてスピンドル２を１５，０００ｒｐｍで回転させ、上記と同様にスピンドル２の軸方向変位を計測した結果である。図１１（ａ）は圧縮空気を供給している状態であり、図１１（ｂ）は圧縮空気の供給を停止して慣性で回転させている状態である。図１１（ａ）での分解能は２９．７ｎｍであり、図１１（ｂ）での分解能は１９．８ｎｍであった。
【００６０】
また、本実施形態ではレーザー干渉計２０でスピンドル２の軸方向変位を検出し、この軸方向変位に基づいてコントローラ２２がスピンドル２の軸方向移動をフィードバック制御する。したがって、本実施形態では、アッベの原理を満足した精密なスピンドル２の位置決め制御が可能となる。
さらに、本実施形態ではオブザーバ２３によってスピンドル２の先端の荷重が推定できるので、マイクロ部品の精密加工等で不可欠となるワークとツールの高精度な接触の検知や、スピンドル先端の加工力推定が可能となる。特に、本実施形態はスピンドル２が非接触で保持される無摩擦機構であって、かつアクチュエータの線形性が良好であるので、最小分解能２ｍＮの高い精度で加工力の推定が可能となる。
【００６１】
（実施形態の補足事項）
以上、本発明を上記の実施形態によって説明してきたが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、本発明のスピンドル回動手段は圧縮空気でスピンドルを回転させる構成に限定されず、永久磁石とコイルの磁束の磁気的作用でスピンドルを回転させる構成としてもよい。
【００６２】
また、エアガイドブロック１１の吹き出し口１５ａの配置は上記実施形態の例に限定されず、３つ以上の吹き出し口を形成するようにしてもよい。例えば、３つの吹き出し口を１２０°の位相をもって回転対称に配置してもよく、４つの吹き出し口を９０°の位相をもって回転対称に配置するようにしてもよい（いずれも図示を省略する）。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明は、例えば、超精密多軸加工機、超精密形状測定機器、細胞操作装置および半導体露光装置などに適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本実施形態のスピンドルモータの横断面図である。
【図２】本実施形態のスピンドルモータの側面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ断面図である。
【図４】本実施形態のスピンドルモータおよび制御装置の概要図である。
【図５】本実施形態の制御装置のブロック図である。
【図６】リングコイルの電流とスピンドル軸方向の発生力との関係を示す図である。
【図７】スピンドルの軸方向位置と発生力との関係を示す図である。
【図８】スピンドルの半径方向の回転精度を示した図である。
【図９】スピンドルの回転時における表面の温度変化を示す図である。
【図１０】スピンドルの非回転時におけるスピンドルモータの軸方向移動の位置決め分解能を示す図である。
【図１１】スピンドルの回転時におけるスピンドルモータの軸方向移動の位置決め分解能を示す図である。
【符号の説明】
【００６５】
１  スピンドルモータ
２  スピンドル
３  固定部
４  スピンドル本体
４ａ  太径部
４ｂ  細径部
５  永久磁石
６  インペラー
７，８  バランサーリング
７ａ，８ａ  ねじ穴
９  ターゲットミラー
１０  静圧空気軸受
１１  エアガイドブロック
１２  第１リングコイル
１３  第２リングコイル
１４  ハウジング
１４ａ  開口
１５  エア供給路
１５ａ  吹き出し口
１６  エア排出路
１６ａ  排気口
１７  軸受用エアプラグ
１８  吸気用プラグ
１９  コイル用プラグ
２０  レーザー干渉計
２１  コイル用アンプユニット
２２  コントローラ
２３  オブザーバ
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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