(57)【要約】付勢手段のガススプリングと解除手段の流体圧シリンダを連結してコンパクトに構成した工作機械主軸の工具固定装置である。工具固定装置（４）は、工具（５）の基端部に連結可能なドローバー（１１）と、このドローバー（１１）を工具固定側に付勢する付勢機構（１２）と、この付勢機構（１２）の付勢力に抗してドローバー（１１）を固定解除側へ駆動可能な解除機構（１３）とを備え、ドローバー（１１）の基端側部分に、主軸（２）の基端の端面外へ延びるドローバー延長部（２４）が形成され、付勢機構（１２）は、主軸（２）の基端に一体回転するように連結されドローバー（１１）をドローバー延長部（２４）において工具固定側へ付勢するガススプリング（３０）を有し、解除機構（１３）は、ドローバー（１１）をドローバー延長部（２４）において固定解除側へ駆動可能な油圧シリンダ（４０）であって、ガススプリング（３０）の基端に連結された油圧シリンダ（４０）を有する。
2004041465.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
工作機械の主軸の先端側部分に装着される工具を固定解除可能に固定する為の工具固定装置であって、工具の基端部に連結可能なドローバーと、このドローバーを工具固定側に付勢する付勢手段と、この付勢手段の付勢力に抗してドローバーを固定解除側へ駆動可能な解除手段とを備えた工具固定装置において、
前記ドローバーの基端側部分に、主軸の基端の端面外へ延びるドローバー延長部が形成され、
前記付勢手段は、主軸の基端に一体回転するように連結されドローバーをドローバー延長部において工具固定側へ付勢するガススプリングを有し、
前記解除手段は、ドローバーをドローバー延長部において固定解除側へ駆動可能な流体圧シリンダであって、前記ガススプリングの基端に連結された流体圧シリンダを有することを特徴とする工作機械主軸の工具固定装置。
【請求項２】
前記ガススプリングと流体圧シリンダとが相対回転可能に連結されたことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の工作機械主軸の工具固定装置。
【請求項３】
前記ガススプリングは、ドローバー延長部に外嵌され且つ主軸の基端に一体回転するように連結されたシリンダ本体と、シリンダ本体内に形成されたシリンダ孔と、ドローバー延長部の長さ方向途中部に一体的に設けられシリンダ孔に所定ストローク移動可能に装着されたピストン部と、シリンダ孔のうちのピストン部に対して主軸側に形成され圧縮ガスが封入されたガス作動室とを備えたことを特徴とする請求の範囲第１項又は第２項に記載の工作機械主軸の工具固定装置。
【請求項４】
前記シリンダ孔を、主軸側程小径のテーパ状に形成したことを特徴とする請求の範囲第３項に記載の工作機械主軸の工具固定装置。
【請求項５】
前記ガススプリングは、ガス作動室内に装着されピストン部を工具固定側へ付勢する付勢部材を備えたことを特徴とする請求の範囲第３項に記載の工作機械主軸の工具固定装置。
【請求項６】
前記シリンダ本体を、主軸とほぼ同径又は主軸よりも大径に構成したことを特徴とする請求の範囲第３項に記載の工作機械主軸の工具固定装置。
【請求項７】
前記ガススプリングは、ピストン部とシリンダ本体との間をシールするシール部材と、ピストン部とシリンダ本体との間を潤滑するとともに圧縮ガスをシールする為の潤滑油を有することを特徴とする請求の範囲第３項に記載の工作機械主軸の工具固定装置。
【請求項８】
前記シリンダ本体は、ガス作動室に圧縮ガス及び潤滑油を充填する為の充填ポートを有することを特徴とする請求の範囲第３項に記載の工作機械主軸の工具固定装置。
【請求項９】
前記シリンダ本体の外周部に、放熱用のフィンを設けたことを特徴とする請求の範囲第３項に記載の工作機械主軸の工具固定装置。
【請求項１０】
前記流体圧シリンダに、ドローバー延長部を固定解除側に駆動する際にガススプリングの付勢力を検出する付勢力検出手段を設けたことを特徴とする請求の範囲第３項に記載の工作機械主軸の工具固定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、工作機械主軸の工具固定装置に関し、特に、ドローバーを工具固定側へ付勢するガススプリングを主軸の基端の端面外に設けたものに関する。
【背景技術】  ワークに機械加工を施す工作機械の主軸の先端側部分には、工具を保持する工具保持部が設けられており、工具は、工具固定装置により工具保持部に固定解除可能に固定される。一般的な工具固定装置は、工具の基端部に連結可能なドローバーと、このドローバーを工具固定側（主軸の基端側）へ付勢する付勢機構と、付勢機構の付勢力に抗してドローバーを固定解除側（主軸の先端側）へ駆動可能な解除機構等を備えている。
ドローバーを工具固定側へ付勢する付勢機構には、種々の構成のものが提案され、あるいは実用化されているが、例えば、本願出願人は、圧縮ガスを封入したガススプリングの付勢力でドローバーを工具固定側に付勢する付勢機構を備えた工具固定装置を提案している（特開２００１−８７９１０号公報参照）。この工具固定装置においては、ドローバーの基端側部分に主軸の基端の端面外に延びるドローバー延長部が形成され、このドローバー延長部においてガススプリングはドローバーを工具固定側へ付勢する。
また、この工具固定装置には、ガススプリングの付勢力に抗してドローバーを固定解除側へ駆動する油圧シリンダも設けられているが、この油圧シリンダは、ガススプリングを覆うカバー部材を介して主軸ユニットのハウジングに固定されており、ガススプリングと油圧シリンダは別体に構成され互いに連結されていない。
ガススプリングは主軸の基端の端面外に設けられているため、ガススプリングを主軸に内蔵する場合と異なり、ガス作動室を形成するシリンダ本体の外径を主軸の径よりも小さくする必要はないため、シリンダ本体の内径を大きくして、主軸や工具固定装置などで構成される主軸ユニット全体の長さを短くできる。さらに、ガス作動室内で圧縮ガスの付勢力が作用するピストンの受圧面積も大きくなるので、ガス作動室内のガス圧を低めに設定しても工具を確実に固定する為の付勢力を十分に確保できる。
尚、この工具固定装置には、圧縮ガスの漏れによるガス作動室内のガス圧低下を検出可能なガス圧検出手段も設けられている。
次に、本願の発明により解決しようとする課題について説明する。
前記公報の工具固定装置においては、ガススプリングと油圧シリンダは別体に構成されて、ガススプリングと油圧シリンダが互いに連結されていないため、これらガススプリングと油圧シリンダを主軸を含む主軸ユニットに夫々別々に取り付けなくてはならず、組み付け作業に時間を要する。
また、ガススプリングを主軸に内蔵した工具固定装置においては、一般的に、工具を確実に工具保持部に固定するためには、ガス作動室に封入された圧縮ガスを高圧に保つ必要があるが、ガス圧を高圧にするほど圧縮ガスは漏れやすくなる。そして、ガス作動室内のガス圧が所定圧以下に低下した場合には、工具を工具保持部に確実且つ高精度に固定することができなくなる。
この点、前記公報の工具固定装置は、ガススプリングを主軸の基端の端面外に設けることで、前述の問題点を多少は改善することができる。しかし、この工具固定装置のガススプリングには、ガス作動室からの圧縮ガスの漏れを防止する為の合成樹脂製のシール部材が設けられているものの、このシール部材のみで高圧の圧縮ガスを長期間にわたってシールすることはほとんど不可能である。また、このシール部材に加えてピストンの摺動部を潤滑する潤滑油を用いて圧縮ガスの漏れを防止したりする技術も提案されているが、この場合でも、潤滑油がシール部材の周辺に十分に給油されなければ、圧縮ガスの漏れを防止することはできず、ガス圧が短期間で低下してしまう。また、前記公報の工具固定装置においてはガス圧低下を検知して圧縮ガスを補充することができるものの、圧縮ガスを補充する頻度が高くなってしまう。
さらに、機械加工時に生じる熱により主軸はかなりの高温状態になるが、主軸から伝わった熱がガススプリングからほとんど放熱されない状態が続くと、圧縮ガスの熱膨張によりガス圧が過剰に上昇して圧縮ガスの漏れ量が増加したり、潤滑油の温度が上昇してその粘度が低下し、潤滑油の潤滑性能及びシール性能が低下してしまう。
本発明の目的は、ガススプリングと固定解除用の流体圧シリンダとを連結してコンパクトに構成しそれらの主軸ユニットへの組み付けを容易にすること、圧縮ガスの漏れを極力抑えてガススプリングの付勢力低下を長期間にわたって抑制すること、ガススプリングからの放熱を促進すること、等である。その他の本発明の目的は、本発明の効果や実施の形態の記載からも判るであろう。
【発明の開示】
本発明の工作機械主軸の工具固定装置は、工作機械の主軸の先端側部分に装着される工具を固定解除可能に固定する為の工具固定装置であって、工具の基端部に連結可能なドローバーと、このドローバーを工具固定側に付勢する付勢手段と、この付勢手段の付勢力に抗してドローバーを固定解除側へ駆動可能な解除手段とを備えた工具固定装置において、前記ドローバーの基端側部分に、主軸の基端の端面外へ延びるドローバー延長部が形成され、前記付勢手段は、主軸の基端に一体回転するように連結されドローバーをドローバー延長部において工具固定側へ付勢するガススプリングを有し、前記解除手段は、ドローバーをドローバー延長部において固定解除側へ駆動可能な流体圧シリンダであって、前記ガススプリングの基端に連結された流体圧シリンダを有することを特徴とするものである。
工具が主軸に固定されている状態では、工具の基端部に連結されたドローバーが、主軸の端面外へ延びるドローバー延長部において付勢手段のガススプリングにより工具固定側へ強力に付勢されている。この状態から、解除手段の流体圧シリンダによりガススプリングの付勢力に抗してドローバーを固定解除側へ駆動すると、工具の固定が解除される。解除手段には、流体圧シリンダの他、流体圧シリンダに作動流体を供給する作動流体供給源や、流体圧シリンダと作動流体供給源を接続する接続ホース等も含まれる。
ここで、流体圧シリンダはガススプリングの基端に連結されている。つまり、ガススプリングと流体圧シリンダとを予め組み立てておくことが可能な１つのユニットに構成できるので、付勢手段と駆動手段をコンパクトに構成できるし、ガススプリングと流体圧シリンダを主軸を含む主軸ユニットへ組み付けるのが容易になる。
次に、本発明の構成に関する好ましい形態について説明する。
ａ）前記ガススプリングと流体圧シリンダとを相対回転可能に連結してもよい。この場合には、流体圧シリンダは回転不能に固定され、ガススプリングだけが主軸と一体的に回転するように構成される。
ｂ）ガススプリングは、ドローバー延長部に外嵌され且つ主軸の基端に一体回転するように連結されたシリンダ本体と、シリンダ本体内に形成されたシリンダ孔と、ドローバー延長部の長さ方向途中部に一体的に設けられシリンダ孔に所定ストローク移動可能に装着されたピストン部と、シリンダ孔のうちのピストン部に対して主軸側に形成され圧縮ガスが封入されたガス作動室とを備えている。従って、ガス作動室内の圧縮ガスの付勢力によりピストン部が工具固定側に付勢されて、ドローバーに連結された工具が主軸に固定される。
ｃ）前記シリンダ孔を、主軸側程小径のテーパ状に形成してもよい。この場合、ガス作動室内にピストン部とシリンダ本体と間を潤滑する潤滑油を注入しておけば、機械加工時に主軸及びシリンダ本体が回転したときには、遠心力により潤滑油がシリンダ孔の内周面に付着し、さらに、テーパ状のシリンダ孔に沿って潤滑油が移動して、ピストン部とシリンダ本体との間に装着されたシール部材に潤滑油が給油される。
従って、主軸が回転する毎にシール部材に潤滑油が給油されることになるため、シール部材と潤滑油によりピストン部とシリンダ本体との間を確実にシールできるし、シール部材の摩耗やへたりも抑えられるためシール部材の寿命も長くなり、ガス作動室からの圧縮ガスの漏れを長期間にわたって極力防止でき、圧縮ガスを補充する頻度も少なくなる。
ｄ）前記ガススプリングは、ガス作動室内に装着されピストン部を工具固定側へ付勢する付勢部材を備えている。この場合、ドローバー延長部は、ガス作動室内の圧縮ガスの付勢力と、付勢部材の付勢力により工具固定側へ付勢されることになるため、万が一、圧縮ガスが漏れて圧縮ガスによる付勢力が低下しても、コイルバネの付勢力により工具の固定状態が維持されるので、主軸の回転中に主軸から工具が外れてしまうことがない。また、付勢部材の付勢力の分だけ、ガス作動室内のガス圧を低くすることができるので、圧縮ガスが漏れにくくなる。
ｅ）前記シリンダ本体を、主軸とほぼ同径又は主軸よりも大径に構成してもよい。この場合、シリンダ本体内のガス作動室の径をより大きくすることができるため、ガス作動室の長さを短くしても必要な容積を確保でき、主軸や工具固定装置などで構成される主軸ユニット全体の長さを短くできる。また、ガス作動室の径を大きくすることでピストン部におけるガス圧の受圧面積も大きくなるので、ガス作動室内のガス圧を低くしても工具を強力に固定することが可能になり、ガス作動室から圧縮ガスが漏れにくくなる。
ｆ）前記ガススプリングは、ピストン部とシリンダ本体との間をシールするシール部材と、ピストン部とシリンダ本体との間を潤滑するとともに圧縮ガスをシールする為の潤滑油を有する。この場合、ピストン部とシリンダ本体との間が、シール部材と潤滑油によりシールされることになるため、ガス作動室からの圧縮ガスの漏れを極力抑えることができる。
ｇ）前記シリンダ本体は、ガス作動室に圧縮ガス及び潤滑油を充填する為の充填ポートを有する。従って、この充填ポートからガス作動室に圧縮ガス及び潤滑油を充填できる。
ｈ）前記シリンダ本体の外周部に、放熱用のフィンを設けてもよい。このようにガススプリングからの放熱を促進するように構成することで、機械加工時に生じた熱に起因する圧縮ガスの熱膨張により、ガス圧が過剰に上昇して圧縮ガスの漏れ量が増加するのを防止できる。さらには、潤滑油の温度上昇による潤滑油の粘度低下を抑制して、潤滑油の潤滑性能及びシール性能が低下するのを極力抑えることもできる。
ｉ）前記流体圧シリンダに、ドローバー延長部を固定解除側に駆動する際にガススプリングの付勢力を検出する付勢力検出手段を設けてもよい。工具の固定を解除するために、流体圧シリンダでドローバー延長部を固定解除側へ駆動する毎にガススプリングの付勢力を検出できるため、圧縮ガスが漏れて付勢力が低下していないかどうかを機械加工の開始前に定期的にチェックでき、圧縮ガスによる付勢力が低下している状態で機械加工を行ってしまうのを防止できる。
【図面の簡単な説明】  図１は本発明の実施の形態に係る工作機械の主軸ユニット（工具固定状態）の縦断面図である。図２は主軸ユニット（工具固定解除状態）の縦断面図である。図３は主軸ユニットの付勢機構及び解除機構（工具固定状態）の拡大断面図である。図４は主軸ユニットの付勢機構及び解除機構（工具固定解除状態）の拡大断面図である。図５は変更形態の図３相当図である。図６は別実施形態に係る主軸ユニットの付勢機構及び解除機構の拡大断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】  以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。
本実施形態は、立型マシニングセンタの主軸ユニットに本発明を適用した場合の一例である。尚、図１の上下左右を上下左右として以下説明する。
図１、図２に示すように、主軸ユニット１は、主軸２と、この主軸２を回転駆動する駆動モータ１６を含むハウジング３と、主軸２に工具５を固定解除可能に固定する工具固定装置４とを有する。工具固定装置４は、工具５の基端部に係合するコレットチャック１０と、このコレットチャック１０により工具５の基端部に連結可能なドローバー１１と、ドローバー１１を上方（工具固定側）に付勢する付勢機構１２と、この付勢機構１２の付勢力に抗してドローバーを下方（固定解除側）へ駆動可能な解除機構１３とを備えている。
主軸２の先端部分には、先端側程大径化するテーパ状の工具保持部２ａが形成され、この工具保持部２ａには、工具５の基端側部分に形成されたテーパ状のシャンク部５ａが係合可能である。主軸２は、ハウジング３内に鉛直姿勢に配設され、主軸２の両端部がベアリング１４，１５によりハウジング３に回転自在に支持されている。ハウジング３のモータ収容部３ａには、ハウジング３に対して主軸２を回転駆動する駆動モータ１６が組み込まれている。
主軸２の内部には、工具保持部２ａとこの工具保持部２ａの上端に連なる収容孔２ｂとが直列状に形成されている。工具５は、工具保持部２ａに内嵌可能なシャンク部５ａと、このシャンク部５ａの基端部に形成された小径軸部５ｂ及び被係合部５ｃと、シャンク部５ａの先端側に形成され工具５の交換時に図示しない自動工具交換装置により把持される大径の把持部５ｄとを有する。工具５を主軸２に装着した状態では、シャンク部５ａが工具保持部２ａに密着状に係合し、被係合部５ｃが収容孔２ｂの先端部に臨む状態となる。
収容孔２ｂの内部には２つの筒部材２０，２１が内装されており、筒部材２０の先端部の内側にはコレットチャック１０が配設されている。このコレットチャック１０は、複数に分割されたコレット分割体１０ａにより工具５の被係合部５ｃを把持するものである。
筒部材２０，２１の内側には、ドローバー１１が上下方向に摺動可能に配設されている。ドローバー１１は、ドローバー本体２２と、このドローバー本体２２の先端部に固定された連結体２３とを有する。ドローバー本体２２の基端側部分には、主軸２及びハウジング３の端面外へ延びるドローバー延長部２４が形成され、このドローバー延長部２４に付勢機構１２と解除機構１３が連結されている。ドローバー本体２２の下端部は連結体２３に内嵌状に螺合しており、その連結体２３には、コレットチャック１０とスペーサ２５とが係合されている。
図１に示すように、付勢機構１２によりドローバー１１が上方へ付勢されている状態では、コレットチャック１０が工具５の被係合部５ｃを把持した状態で上方へ付勢され、工具５が工具保持部２ａに固定される。一方、図２に示すように、解除機構１３によりドローバー１１が下方へ駆動された状態では、コレットチャック１０も下方へ移動してコレット分割体１０ａが開放状態となり、工具５の固定が解除される。
ドローバー本体２２の内部には、工具５に供給する切削液を通す通路２２ａが形成され、連結体２３の内部にはこの通路２２ａに連通する先端チューブ２６も設けられている。工具５を工具保持部２ａに装着した状態では、先端チューブ２６の先端部が被係合部５ｃに押圧状に接触し、図示外の切削液供給装置から切削液がロータリジョイント２７、通路２２ａ、先端チューブ２６を介して工具５に供給される。
次に、付勢機構１２について説明する。
図１〜図４に示すように、付勢機構１２は、ドローバー１１をドローバー延長部２４において工具固定側へ付勢するガススプリング３０を有する。このガススプリング３０は、ドローバー延長部２４に外嵌され且つ主軸２の基端部に一体回転するように螺合連結されたシリンダ本体３１と、シリンダ本体３１内に形成されたシリンダ孔３１ａと、ドローバー延長部２４の長さ方向途中部に一体的に設けられシリンダ孔３１ａに所定ストローク移動可能に装着されたピストン部３２と、シリンダ孔３１ａのうちのピストン部３２に対して下側（主軸側）に形成され圧縮ガス３４が封入されたガス作動室３３とを備えている。
シリンダ本体３１は、主軸２とほぼ同径に構成されており、このシリンダ本体３１の下端部は、主軸２に螺合連結されている。シリンダ本体３１の下端部の軸心部分には、ドローバー延長部２４が挿通する挿通孔３１ｂが形成されている。シリンダ本体３１の下端部の左右両側部分には、ガス作動室３３に圧縮ガス３４及び後述の潤滑油を充填する為の２つの充填ポート３１ｃが左右対称な位置に形成されている。ガススプリング３０を主軸２から取り外す際には、圧縮ガス３４は充填ポート３１ｃから排出される。
さらに、図３、図４に示すように、シリンダ本体３１の内部には挿通孔３１ｂの上端に連なるシリンダ孔３１ａが下方（主軸側）程小径のテーパ状に形成されている。このシリンダ孔３１ａには、ドローバー延長部２４と一体形成されたピストン部３２が摺動可能に装着されている。シリンダ孔３１ａとピストン部３２の間、及び挿通孔３１ｂとドローバー延長部２４との間には、夫々合成樹脂製のシール部材３５，３６が装着されている。
ガス作動室３３内には、高圧（例えば、３〜７ＭＰａ程度）の圧縮ガス３４（例えば、圧縮窒素ガス）が封入され、この圧縮ガス３４によりピストン部３２が上方へ付勢されている。ここで、シリンダ本体３１は主軸２とほぼ同径に構成されているため、ガススプリング３０が主軸２に内蔵されている場合と比べて、シリンダ本体３４の内部に形成されたガス作動室３３の径を大きくすることができ、シリンダ本体３１の上下方向の長さを短くして主軸ユニット１の全長も短くできる。また、ピストン部３２におけるガス圧の受圧面積も大きくできるので、圧縮ガス３４のガス圧を多少低くしても、工具５を確実に固定する為に必要な付勢力を確保できるし、ガス圧を低くすることでガス作動室３３から圧縮ガス３４が漏れにくくなる。
このガス作動室３３内には、ドローバー延長部２４とシリンダ本体３１との間を潤滑するとともに圧縮ガス３４をシールする為の潤滑油３７が注入されている。この潤滑油３７は、ドローバー延長部２４と挿通孔３１ｂとの間のシール部材３６に重力落下により自然に給油され、シール部材３６とともにドローバー延長部２４と挿通孔３１ｂとの間をシールする。さらに、前述のように、シリンダ孔３１ａが下方程小径のテーパ状に形成されているため、主軸２の高速回転（例えば、２０，０００ｓ  ｐｍ以上）時には、その高速回転に起因する遠心力により潤滑油３７がシリンダ孔３１ａの内周面に付着し、さらに、その付着した潤滑油３７がテーパ状のシリンダ孔３１ａに沿って上方へ移動してピストン部３２とシリンダ孔３１ａとの間のシール部材３５に給油され、潤滑油３７は、ピストン部３２とシリンダ本体３１との間を潤滑しつつ、シール部材３５とともにピストン部３２とシリンダ本体３１との間をシールする。
次に、解除機構１３について説明する。
図１〜図４に示すように、解除機構１３は、ガススプリング３０の基端に相対回転可能に連結された油圧シリンダ４０を有し、ガススプリング３０と油圧シリンダ４０は、主軸ユニット１への組み付け前に予め組み立て可能な１つのユニットに構成されている。油圧シリンダ４０は、シリンダ本体４１と、ドローバー延長部２４のピストン部３２よりも上側の部分に摺動自在に外嵌した筒状のピストン部材４２であって、シリンダ本体４１の内部のシリンダ孔４１ａに摺動自在に装着されたピストン部４２ａを有するピストン部材４２と、ピストン部４２ａを下方へ駆動する油室４３などを備えている。
シリンダ本体４１は、周方向に分割された複数の連結分割体４４により、ガススプリング３０のシリンダ本体３１の基端に相対回転自在に連結されている。つまり、ガススプリング３０は主軸２と一体的に回転するが、油圧シリンダ４０は回転しないように構成されている。シリンダ本体の上端部には、油室４３に油圧を供給する為の油圧供給口４１ｂが設けられている。さらに、シリンダ本体４１の上端部には、工具５の固定状態及び固定解除状態でのドローバー１１の位置を検出する為の位置検出スイッチ４５が設けられており、一方、ドローバー延長部２４には位置検出スイッチ４５で検出される被検出体４６が設けられている。
筒状のピストン部材４２は、ドローバー延長部２４に対して上下摺動可能且つ回転摺動可能に外嵌されている。図３に示すように、ガススプリング３０のピストン部３２が上限位置にあり、工具５が工具保持部２ａに固定されている状態では、ピストン部材４２の下端は、ピストン部３２の上端から離れている。ピストン部材４２の下端には、図示外のコントロールユニットと電気的に接続されたロードセル４７（付勢力検出手段）が設けられており、油圧シリンダ４０でドローバー延長部２４を固定解除側に駆動する際にピストン部材４２が下方へ駆動されると、図４に示すように、ロードセル４７にピストン部３２の上端が接触し、ロードセル４７によりガススプリング３０の付勢力が検出される。
ピストン部４２ａの上側には油室４３が形成されており、図示外の油圧供給源から油室４３に油圧が供給されると、ピストン部４２ａが下方へ駆動され、ピストン部材４２の下端がガススプリング３０のピストン部３２の上端に当接して、ピストン部３２も圧縮ガス３４の付勢力に抗して下方へ駆動される。一方、ピストン部４２ａの下側には、エア室４８が形成されており、このエア室４８は、比較的低圧の加圧エアが充填された図示外のエアアキュームレータと接続されている。従って、油室４３に油圧が供給されていない状態（工具固定状態）では、ピストン部４２ａは、エア室４８内の加圧エアにより上方へ付勢されており、ガススプリング３０が主軸２と一体的に回転する際に、ピストン部３２とピストン部材４２とが接触しないように構成されている。
次に、工具固定装置４の作用について説明する。
まず、図１に示すように、ガス作動室３３内の圧縮ガス３４の付勢力によりドローバー１１が上方へ付勢されて工具５が工具保持部２ａに固定された状態で、油圧シリンダ４０の油室４３に油圧を供給すると、油圧シリンダ４０のピストン部材４２が下方へ駆動され、さらに、ピストン部材４２がガススプリング３０のピストン部３２にロードセル４７を介して当接し、圧縮ガス３４の付勢力に抗して、ピストン部材４２及びピストン部３２が一体的に下方へ駆動されて、ドローバー１１が下方へ移動する。すると、コレットチャック１０も下方へ移動してコレット分割体１０ａが開放状態となり、工具保持部２ａにおける工具５の固定が解除される（図２参照）。このとき、ロードセル４７により、ガススプリング３０の付勢力を検出できるので、ガス作動室３３内のガス圧の状態を検知することができる。
次に、自動工具交換装置により別の工具５を工具保持部２ａに装着した後、油室４３の油圧を排出すると、ガススプリング３０のピストン部３２が圧縮ガス３４の付勢力により上方へ移動し、ドローバー１１及びコレットチャック１０も上方へ移動してコレット分割体１０ａにより工具５の被係合部５ｃが把持され、さらにドローバー１１が上方へ移動することにより、工具５が工具保持部２ａに強固に固定される。
この状態で、被加工物に対する機械加工を行うために主軸２が高速回転すると、ガス作動室３３内の潤滑油３７が、遠心力によりシリンダ孔３１ａの内周面に付着し、さらに、下方程テーパ状に形成されたシリンダ孔３１に沿って潤滑油３７が上方へ移動するため、潤滑油３７がピストン部とシリンダ部材との間のシール部材３５に供給されて、シール部材３５と潤滑油３７によりピストン部３２とシリンダ本体３１との間が確実にシールされる。一方、挿通孔３１ｂとドローバー延長部２４との間のシー部部材３６にも潤滑油３７が重力落下により自然に供給されており、挿通孔３１ｂにおいてもドローバー延長部２４とシリンダ本体３１との間が確実にシールされる。尚、潤滑油３７は相当の粘性を有し、さらに、一旦、シリンダ孔３１ａとピストン部３２との間に潤滑油３７が供給されると、この潤滑油３７は、シール部材３５とともにガス作動室３３内の圧縮ガス３４により上方へ付勢されるため、シリンダ孔３１ａとピストン部３２との間の潤滑油３７は下方へ落下しにくくなり、主軸２の停止中でもシール部材３５におけるシール性能はほとんど低下しない。
以上説明した工具固定装置４によれば、次のような効果が得られる。
油圧シリンダ４０をガススプリング３０の基端に相対回転可能に連結し、主軸ユニット１への組み付け前に予め組み立て可能な１つのユニットに構成したので、付勢機構１２及び解除機構１３をコンパクトに構成できるし、これら付勢機構１２及び解除機構１３を主軸ユニット１に組み付けるのが容易になる。
ガス作動室３３内には、ドローバー延長部２４とシリンダ本体３１との間を潤滑するとともに圧縮ガス３４をシールする為の潤滑油３７が注入され、さらに、シリンダ孔３１ａが下方程小径のテーパ状に形成されているため、主軸２の高速回転に起因する遠心力によりシリンダ孔３１ａの内周面に付着した潤滑油３７がテーパ状のシリンダ孔３１ａに沿ってシール部材３５に供給される。従って、主軸２が回転する毎に潤滑油３７がシール部材３５に供給されるため、シール部材３５と潤滑油３７によりピストン部３２とシリンダ本体３１との間を確実にシールできるし、シール部材の摩耗やへたりも抑えられるためシール部材３５の寿命が長くなるので、ガス作動室３３からの圧縮ガス３４の漏れを長期間にわたって防止でき、圧縮ガス３４を補充する頻度も少なくなる。
シリンダ本体３１は主軸２とほぼ同径に構成されているため、シリンダ本体３１の内部に形成されたガス作動室３３の径を大きくすることができ、シリンダ本体３１の上下方向の長さを短くして主軸ユニット１全体の長さも短くできる。また、圧縮ガス３４の付勢力が作用するピストン部３２の受圧面積も大きくできるので、圧縮ガス３４のガス圧を多少低くしても、工具５を確実に固定する為に必要な付勢力を確保できるし、ガス圧を低くすることでガス作動室３３から圧縮ガス３４が漏れにくくなる。
工具５の固定を解除するために、油圧シリンダ４０でドローバー延長部２４を固定解除側へ駆動する毎に、ロードセル４７によりガススプリング３０の付勢力を検出できるため、圧縮ガス３４が漏れて付勢力が低下していないかどうかを定期的にチェックでき、付勢力が低下している状態で機械加工を行ってしまうのを防ぐことができる。
次に、前記実施形態に種々の変更を加えた変更形態について説明する。但し、前記実施形態と同じ構成を有するものについては同じ符号を付して適宜その説明を省略する。
１］図５に示すように、工具固定装置４Ａにおいて、付勢機構１２Ａのガススプリング３０Ａのシリンダ本体３１Ａの外周部に、放熱用のフィン５０を形成してもよい。このようにガススプリング３０Ａからの放熱を促進するように構成することで、機械加工時に生じた熱に起因する圧縮ガス３４の熱膨張により、ガス圧が過剰に上昇して圧縮ガス３４の漏れ量が増加するのを防止できる。さらには、潤滑油３７の温度上昇による潤滑油３７の粘度低下を抑制して、潤滑油３７の潤滑性能及びシール性能が低下するのを極力抑えることもできる。
２］より大きな付勢力をガススプリング３０で発生させる必要がある場合には、シリンダ本体３１を主軸２よりも大径に構成することもできる。つまり、工具５を工具保持部２ａに確実に固定するのに必要な付勢力と封入される圧縮ガス３４のガス圧に応じて、シリンダ本体３１の径を適宜変更できる。
３］油圧シリンダ４０のエア室４８に加圧エアを供給する代わりに、コイルバネ等の付勢部材を設け、この付勢部材の付勢力によりピストン部材４２を上方に付勢して、主軸２の回転中にピストン部材４２がガススプリング３０のピストン部３２に当接しないように構成してもよい。勿論、油圧を供給して油圧によりピストン部材４２を上方へ駆動するようにしてもよい。
４］前記実施形態は、立型マシニングセンタの主軸ユニット１に本発明を適用したものであるが、勿論、横型マシニングセンタの主軸ユニット１にも本発明を適用できる。この場合においても、シリンダ孔３１ａが主軸側程小径のテーパ状に形成されているため、主軸２及びシリンダ本体３１の回転中に、ガス作動室３３内の潤滑油３７がピストン部３２とシリンダ本体３１との間のシール部材３５に給油され、シール部材３５と潤滑油３７によりピストン部３２とシリンダ本体３１との間を確実にシールできる。
次に、本発明の別実施形態について説明する。
図６に示すように、工具固定装置４Ｂは、工具の基端部に連結可能なドローバー１１Ｂと、このドローバー１１Ｂを上方（工具固定側）へ付勢する付勢機構１２Ｂと、この付勢機構１２Ｂの付勢力に抗してドローバー１１Ｂを下方（解除固定側）へ駆動可能な駆動機構１３Ｂとを有する。ドローバー１１Ｂの基端側部分には、主軸２Ｂの基端の端面外へ延びるドローバー延長部６０が形成されている。付勢機構１２Ｂは、ドローバー１１Ｂをドローバー延長部６０において下方へ付勢するガススプリング３０Ｂを有する。駆動機構１３Ｂは、前記実施形態とほぼ同様の構成の油圧シリンダ４０Ｂを有し、油圧シリンダ４０Ｂは、複数の連結分割体４４Ｂにより、ガススプリング３０Ｂの基端に相対回転可能に連結されて、ガススプリング３０Ｂと油圧シリンダ４０Ｂとは１つのユニットに構成されている。
ガススプリング３０Ｂは、ドローバー延長部６０に外嵌され且つ主軸２Ｂの基端に一体回転するように固定的に連結されたシリンダ本体３１Ｂと、シリンダ本体３１Ｂ内に形成されたシリンダ孔６１と、ドローバー延長部６０の長さ方向途中部に一体的に設けられシリンダ孔６１に所定ストローク移動可能に装着されたピストン部３２Ｂと、シリンダ孔６１のうちのピストン部３２Ｂに対して下側（主軸側）に形成され圧縮ガス３４が封入されたガス作動室３３Ｂと、このガス作動室３４Ｂ内に装着されピストン部３２Ｂを下方へ付勢するコイルバネ６２（付勢部材）とを備えている。
前記実施形態と同様に、シリンダ孔６１は、下方程小径のテーパ状に形成されており、シリンダ孔６１とピストン部３２Ｂとの間、及びドローバー延長部６０が挿通される挿通孔６３とドローバー延長部６０との間には、シール部材３５Ｂ，３６Ｂが夫々装着されている。さらに、ガス作動室３３Ｂ内には潤滑油３７も注入されている。コイルバネ６２は、ガス作動室３３Ｂ内においてドローバー延長部６０に外装されており、ピストン部３２Ｂの下端部に形成された環状のバネ受け部６４に当接してピストン部３２Ｂを上方に付勢している。
つまり、ドローバー延長部６０は、ガス作動室３３Ｂ内の圧縮ガス３４の付勢力と、コイルバネ６２の付勢力により上方へ付勢されている。従って、ガス作動室３３Ｂ内のガス圧を比較的低くしても工具を確実に固定する為の付勢力を確保できるので、圧縮ガス３４が漏れにくくなる。また、万が一、圧縮ガス３４が漏れて圧縮ガス３４による付勢力が低下しても、コイルバネ６２の付勢力により工具の固定状態は維持されるので、機械加工中などに工具が主軸２Ｂから外れてしまうことがない。
尚、コイルバネ６２の数は１つに限るものではなく、工具を確実に固定するのに必要な付勢力に応じて適宜コイルバネ６２の数を変更できる。さらに、コイルバネ６２の代わりに皿バネなど他の付勢部材を用いることもできる。
本発明は、以上説明した実施の形態に限定されるものではなく、当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、これらの形態に種々の変更を付加して実施することができるものも本発明は包含するものである。
【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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【国際調査報告】
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