(57)【要約】【課題】主軸の駆動部にタービン型駆動機構と電動機型駆動機構とを装備したスピンドル装置において、装置全体の軸線方向寸法を削減できるようにする。【解決手段】スピンドル装置１０は、外周部分１２を有する主軸１４と、外周部分に対向する内周部分１６を有して主軸を回転可能に支持するハウジング１８と、主軸をハウジングに対し回転駆動するタービン型駆動機構２６及び電動機型駆動機構３２とを備える。主軸１４は、外周部分１２に、タービン型駆動機構２６の複数の翼２２を周方向整列配置で備えるとともに、各翼２２に、電動機型駆動機構３２の磁石２８が形成される。ハウジング１８は、内周部分１６に、電動機型駆動機構３２の複数のコイル３０を、主軸の複数の翼２２に対向可能な周方向整列配置で備えるとともに、複数のコイル３０に近接して、主軸の複数の翼２２に対向可能な位置に、タービン型駆動機構２６のノズル２４が形成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周部分を有する主軸と、該外周部分に対向する内周部分を有して該主軸を回転可能に支持するハウジングと、該主軸を該ハウジングに対し回転駆動する駆動部とを具備し、該駆動部が、翼及びノズルを含むタービン型駆動機構と磁石及びコイルを含む電動機型駆動機構とを備えて構成されるスピンドル装置において、
前記主軸は、前記外周部分に、前記タービン型駆動機構の複数の前記翼を、周方向整列配置で備えるとともに、該複数の翼の各々に、前記電動機型駆動機構の前記磁石が形成され、
前記ハウジングは、前記内周部分に、前記電動機型駆動機構の複数の前記コイルを、前記主軸の前記複数の翼に対向可能な周方向整列配置で備えるとともに、該複数のコイルに近接して、前記主軸の前記複数の翼に対向可能な位置に、前記タービン型駆動機構の前記ノズルが形成されること、
を特徴とするスピンドル装置。
【請求項２】
前記複数の翼を感知することにより前記主軸の回転を検出する回転検出部をさらに具備する、請求項１に記載のスピンドル装置。
【請求項３】
前記複数の翼の各々が着磁されて前記磁石が形成される、請求項１又は２に記載のスピンドル装置。
【請求項４】
前記ハウジングの前記内周部分に、前記電動機型駆動機構のスロット付ステータ、コアレスステータ及びスロットレスステータのうちいずれか１つのステータが形成され、前記複数のコイルが該ステータに設けられる、請求項１〜３のいずれか１項に記載のスピンドル装置。
【請求項５】
前記主軸を、前記複数の翼を有する前記外周部分の軸線方向両側で、前記ハウジングに回転可能に支持する軸受部をさらに具備する、請求項１〜４のいずれか１項に記載のスピンドル装置。
【請求項６】
前記主軸が、鉄よりも線膨張係数の低い材料から作製される、請求項１〜５のいずれか１項に記載のスピンドル装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スピンドル装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
工作機械、医療機器等で使用されるスピンドル装置において、ハウジングに支持される主軸を空気圧により回転駆動するタービン型駆動機構を内蔵したもの（例えばエアタービンスピンドルと称する）が知られている。タービン型駆動機構は、主軸に設けた複数の翼に、ハウジングに設けたノズルから作動空気を連続的に吹き付けて、主軸をハウジング上で高速回転させる構成を有する。この種のタービン型駆動機構を備えたスピンドル装置は、電動機を駆動源とするスピンドル装置に比べて、一般に、主軸を高精度かつ低振動で高速回転できるとともに、発熱が少なく主軸の伸び（軸線方向熱膨張）を抑制できるので、精密で微細な作業を高速かつ高精度に遂行することが要求される用途で好適に利用されている。その反面、タービン駆動式のスピンドル装置は、電動機駆動式のスピンドル装置に比べて、主軸の回転位置や回転速度の制御が容易ではない課題を有する。
【０００３】
上記したタービン駆動式と電動機駆動式との双方の欠点を補完し得るスピンドル装置として、例えば特許文献１は、主軸の回転駆動部に、タービン型駆動機構と電動機型駆動機構との両者を装備したスピンドル装置を開示する。特許文献１に記載されるスピンドル装置では、主軸の軸線方向略中央に、エアタービンの翼列が設けられるとともに、翼列に対し軸線方向へ隣接して、電動機のロータ部が主軸に設けられる。他方、ハウジングには、主軸の翼列に対向する位置に、エアタービンのノズルが設けられるとともに、主軸のロータ部に対向する位置に、電動機のステータ部が設けられる。主軸は、その軸線方向一端側で、空気軸受によってハウジングに支持される。また、主軸の軸線方向他端側には、主軸の回転を検出するエンコーダが、ハウジングに設置される。
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−２８９７１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前述した特許文献１に記載されるスピンドル装置では、タービン型駆動機構と電動機型駆動機構とが主軸の軸線方向へ互いに並んで配置されるので、ハウジングの軸線方向寸法が大きくなる課題が生じている。また、軸線方向寸法の所与の制約下で、主軸をハウジング上に両端支持することが困難になっている。しかも、スピンドル装置の組立時には、タービン型駆動機構と電動機型駆動機構とのそれぞれの構成要素を適正に位置決めする必要があるので、組立作業が煩雑になる傾向がある。
【０００６】
本発明の目的は、主軸の駆動部にタービン型駆動機構と電動機型駆動機構との両者を装備したスピンドル装置において、装置全体の軸線方向寸法を削減できるとともに、軸線方向寸法の所与の制約下でも主軸をハウジング上に両端支持でき、しかも、適正な組立作業を容易に遂行できるスピンドル装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、外周部分を有する主軸と、外周部分に対向する内周部分を有して主軸を回転可能に支持するハウジングと、主軸をハウジングに対し回転駆動する駆動部とを具備し、駆動部が、翼及びノズルを含むタービン型駆動機構と磁石及びコイルを含む電動機型駆動機構とを備えて構成されるスピンドル装置において、主軸は、外周部分に、タービン型駆動機構の複数の翼を、周方向整列配置で備えるとともに、複数の翼の各々に、電動機型駆動機構の磁石が形成され、ハウジングは、内周部分に、電動機型駆動機構の複数のコイルを、主軸の複数の翼に対向可能な周方向整列配置で備えるとともに、複数のコイルに近接して、主軸の複数の翼に対向可能な位置に、タービン型駆動機構のノズルが形成されること、を特徴とするスピンドル装置を提供する。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のスピンドル装置において、複数の翼を感知することにより主軸の回転を検出する回転検出部をさらに具備する、スピンドル装置を提供する。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載のスピンドル装置において、複数の翼の各々が着磁されて磁石が形成される、スピンドル装置を提供する。
【００１０】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載のスピンドル装置において、ハウジングの内周部分に、電動機型駆動機構のスロット付ステータ、コアレスステータ及びスロットレスステータのうちいずれか１つのステータが形成され、複数のコイルがステータに設けられる、スピンドル装置を提供する。
【００１１】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載のスピンドル装置において、主軸を、複数の翼を有する外周部分の軸線方向両側で、ハウジングに回転可能に支持する軸受部をさらに具備する、スピンドル装置を提供する。
【００１２】
請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のいずれか１項に記載のスピンドル装置において、主軸が、鉄よりも線膨張係数の低い材料から作製される、スピンドル装置を提供する。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１に記載の発明によれば、主軸の駆動部として、タービン型駆動機構と電動機型駆動機構との両者を装備しているから、タービン型駆動機構を支配的に作動させたときには、主軸をハウジング上で高精度かつ低振動で高速回転させることができ、また電動機型駆動機構を支配的に作動させたときには、主軸の回転を高精度に制御することができる。さらに、主軸の外周部分に設けられるタービン型駆動機構の複数の翼の各々に、電動機型駆動機構の磁石を形成するとともに、ハウジングの内周部分に、主軸の複数の翼（すなわち磁石）に対向するように位置決めして、タービン型駆動機構のノズル及び電動機型駆動機構の複数のコイルを形成しているから、タービン型駆動機構と電動機型駆動機構との双方が、主軸に関して所望の１箇所に集約的に設置されることになる。したがって、タービン型駆動機構と電動機型駆動機構とが主軸の軸線方向へ互いに並んで配置される従来構成に比べて、装置全体の軸線方向寸法を効果的に削減できる。またそれにより、軸線方向寸法の所与の制約下でも、主軸をハウジング上に両端支持することが可能になる。しかも、スピンドル装置の組立時には、タービン型駆動機構と電動機型駆動機構との共通の構成要素である複数の翼に対し、ノズル及びコイルを位置決めすればよいから、適正な組立作業を容易に遂行でき、以って、高精度の動作特性を確実に獲得できる。
【００１４】
請求項２に記載の発明によれば、回転検出器が、回転変位する複数の翼を感知することで、電動機型駆動機構の制御に用いられる主軸の回転位置や回転速度を検出できるから、スピンドル装置の外部に回転検出器を設置する構成に比べて、装置全体の軸線方向への寸法を、一層効果的に削減できる。
【００１５】
請求項３に記載の発明によれば、別体の磁石を用意する必要が無いから、スピンドル装置の部品点数及び組立工数を削減できる。
【００１６】
請求項４に記載の発明によれば、電動機型駆動機構で生じ得るコギングトルクを削減する要求に応じて、ステータの構成を適宜選択できる。
【００１７】
請求項５に記載の発明によれば、軸受部が主軸をハウジングに回転可能に両端支持するから、主軸の回転精度を一層向上させることができる。
【００１８】
請求項６に記載の発明によれば、電動機型駆動機構における発熱が主軸の動作精度に及ぼす影響を可及的に低下させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。全図面に渡り、対応する構成要素には共通の参照符号を付す。
図面を参照すると、図１は、本発明の一実施形態によるスピンドル装置１０の斜視図であって、内部構造を断面で明示する図、図２及び図３は、スピンドル装置１０の主要構成要素の斜視図、図４は、スピンドル装置１０の構成要素を一部省略して内部構造を示す図である。
【００２０】
図１に示すように、スピンドル装置１０は、外周部分１２を有する主軸１４と、外周部分１２に対向する内周部分１６を有して主軸１４を回転可能に支持するハウジング１８と、主軸１４をハウジング１８に対し回転駆動する駆動部２０とを備える。駆動部２０は、翼２２及びノズル２４を含むタービン型駆動機構２６と、磁石２８及びコイル３０を含む電動機型駆動機構３２とを備えて構成される。
【００２１】
図１及び図２に示すように、主軸１４は、軸線１４ａを有する回転体であって、軸線１４ａを中心とする円筒形の外周面３４ａを有する軸部３４と、軸部３４の軸線方向略中央で外周面３４ａから径方向外方へ突出する円板部３６とを備える。主軸１４の円板部３６は、一対の略平坦な軸線方向端面３６ａ、３６ｂ（図１、図４）を互いに反対側に有するとともに、円板部３６の径方向外端に、軸線１４ａを中心として環状に延びる外周部分１２が形成される。
【００２２】
主軸１４の外周部分１２には、タービン型駆動機構２６の複数の翼２２が、等間隔の周方向整列配置で形成される。各翼２２は、外周部分１２の周方向に見て互いに反対側に正圧面２２ａ及び負圧面２２ｂを配置するタービン翼の構造を有する。複数の翼２２は、いずれも同一の形状及び寸法を有するとともにそれぞれの正圧面２２ａを同一側に配置して、外周部分１２の周方向へ予め定めたピッチで整列するタービン翼列を形成する。
【００２３】
主軸１４の外周部分１２にはさらに、複数の翼２２の各々に、電動機型駆動機構３２の磁石２８が形成される。それら磁石２８は、周方向へ隣り合う翼２２の主軸径方向外端面２２ｃに互いに異なる磁極（Ｎ、Ｓ）が現れるように、主軸径方向への磁界を生じるものとなっている（図２）。このような磁石２８は、個々の翼２２をそれ自体、主軸径方向へ着磁することによって形成できる。それにより、スピンドル装置１０の部品点数及び組立工数を削減できる。この場合、主軸１４は、少なくとも各翼２２が強磁性材料から作製されることが有利である。或いは図示しないが、各翼２２に、別体の磁石２８を組み込むこともできる。
【００２４】
図１及び図３に示すように、ハウジング１８は、軸線１８ａを有する中空筒状体であって、主軸１４の共軸状の内設を可能にするための組立構造を備えている。すなわちハウジング１８は、軸線１８ａを中心とする円筒形の内周面３８ａを有する環状の前ハウジング要素３８と、軸線１８ａを中心とする円筒形の内周面４０ａを有する環状の後ハウジング要素４０と、それら前ハウジング要素３８と後ハウジング要素４０との間に軸線方向へ介在する環状の中間ハウジング要素４２とを、互いに固定的に組み付けて構成される。
【００２５】
中間ハウジング要素４２は、前後ハウジング要素３８、４０の内周面３８ａ、４０ａよりも大径の内周面４２ａを有し、それにより、それらハウジング要素３８、４０、４２の間に、主軸１４を回転自在に収容する内部空間４４が画定される。そして、それらハウジング要素３８、４０、４２における、中間ハウジング要素４２の内周面４２ａに隣接する領域に、軸線１８ａを中心として環状に延びる内周部分１６が形成される。
【００２６】
ハウジング１８の内周部分１６には、電動機型駆動機構３２の複数のコイル３０が、等間隔の周方向整列配置で設けられる。図示実施形態では、ハウジング１８の内周部分１６に、電動機型駆動機構３２のスロット付ステータ４６が形成され、スロット付ステータ４６に、複数のコイル３０が設けられている（図３）。さらに詳述すれば、スロット付ステータ４６は、中間ハウジング要素４２の内周面４２ａに固定される環状のステータコア４８を有し、ステータコア４８の内周面に沿って等間隔の周方向整列配置で径方向内方へ突設される複数の突起部分４８ａに、それぞれコイル３０が巻設される。
【００２７】
ハウジング１８の内周部分１６に設けた複数のコイル３０は、ハウジング１８の内部空間４４に主軸１４を適正に収容したときに、主軸１４の外周部分１２に設けた複数の翼２２に対向可能な位置に設置される。なお、主軸１４をハウジング１８に適正に組み込んだときに、個々の翼２２に形成した磁石２８と個々のコイル３０との間には、予め定めた寸法の空隙が形成される（図１）。
【００２８】
上記構成では、ハウジング１８は、少なくとも内周部分１６に設置されるステータコア４８が強磁性材料から作製されることが有利である。或いは、中間ハウジング要素４２の全体を強磁性材料から作製して、複数の突起部分４８ａを有するステータコア４８を中間ハウジング要素４２に一体に成形することもできる。
【００２９】
ハウジング１８の内周部分１６にはさらに、複数のコイル３０に近接して、タービン型駆動機構２６のノズル２４が形成される。図示実施形態では、複数のノズル２４が、内部空間４４を画定する後ハウジング要素４０の軸線方向前端面４０ｂに分散的に開口するようにして、後ハウジング要素４０に形成される。各ノズル２４は、図示しない導管を介して図示しない作動空気供給源（例えばコンプレッサ）に接続され、作動空気供給源から予め定めた圧力で送給された作動空気を、内部空間４４に噴出する。それらノズル２４は、ハウジング１８の内部空間４４に主軸１４を適正に収容したときに、主軸１４の外周部分１２に設けた複数の翼２２に対向可能な位置に設置される。
【００３０】
スピンドル装置１０は、主軸１４を、複数の翼２２を有する外周部分１２の軸線方向両側で、ハウジング１８に回転可能に支持する軸受部５０、５２をさらに備える。詳述すれば、主軸１４の外周部分１２の軸線方向前側（すなわち前ハウジング要素３８側）には、軸受部５０として、主軸１４の軸部３４の外周面３４ａと前ハウジング要素３８の内周面３８ａとの間にラジアル軸受５０Ａが形成されるとともに、主軸１４の円板部３６の軸線方向前端面３６ａと前ハウジング要素３８の軸線方向後端面３８ｂとの間にスラスト軸受５０Ｂが形成される（図１）。他方、主軸１４の外周部分１２の軸線方向後側（すなわち後ハウジング要素４０側）には、軸受部５２として、主軸１４の軸部３４の外周面３４ａと後ハウジング要素４０の内周面４０ａとの間にラジアル軸受５２Ａが形成されるとともに、主軸１４の円板部３６の軸線方向後端面３６ｂと後ハウジング要素４０の軸線方向前端面４０ｂとの間にスラスト軸受５２Ｂが形成される（図２）。
【００３１】
主軸１４をハウジング１８の内部空間４４に適正に収容したときに、主軸１４は軸受部５０、５２によってハウジング１８に、両者の軸線１４ａ、１８ａを合致させた状態で回転自在に両端支持される。これら軸受部５０、５２は、公知の空気軸受又は滑り軸受の構造を有することができる。
【００３２】
スピンドル装置１０はさらに、主軸１４の回転を検出する回転検出部５４を備える。回転検出部５４は、図１に示すように、ハウジング１８の後ハウジング要素４０の軸線方向後端面４０ｃに設置されるエンコーダ等の非接触型検出器５６と、主軸１４の軸部３４の軸線方向後端の延長部分３４ｂに形成される突歯等の被検出要素５８とを有する。非接触型検出器５６は、回転変位する被検出要素５８を感知することで主軸１４の回転位置や回転速度を検出し、電動機型駆動機構３２の制御部（図示せず）へフィードバック信号として出力する。
【００３３】
上記構成を有するスピンドル装置１０は、主軸１４の駆動部２０として、タービン型駆動機構２６と電動機型駆動機構３２との両者を装備しているから、それら駆動機構２６、３２の操作上の欠点を補完するとともに両者の長所を生かすようにして、主軸１４を回転駆動することができる。すなわち、タービン型駆動機構２６を支配的に作動させたときには、主軸１４に設けた複数の翼２２に、ハウジング１８に設けたノズル２４から作動空気を連続的に吹き付けて、主軸１４をハウジング１８上で高精度かつ低振動で高速回転させることができる。この間、駆動部２０の発熱が少なく、主軸１４の伸び（軸線方向熱膨張）を抑制できるので、精密で微細な作業を高速かつ高精度に遂行することができる。他方、電動機型駆動機構３２を支配的に作動させたときには、回転検出部５４により、主軸１４の回転位置や回転速度を検出して、主軸１４の回転を高精度に制御することができる。
【００３４】
さらに、スピンドル装置１０では、主軸１４の外周部分１２に設けられるタービン型駆動機構２６の複数の翼２２の各々に、電動機型駆動機構３２の磁石２８を形成するとともに、ハウジング１８の内周部分１６に、主軸１４の複数の翼２２（すなわち磁石２８）に対向するように位置決めして、タービン型駆動機構２６のノズル２４及び電動機型駆動機構３２の複数のコイル３０を形成している。それにより、タービン型駆動機構２６と電動機型駆動機構３２との双方が、主軸１４の軸線方向に見て所望の１箇所に集約的に設置されることになる。したがって、スピンドル装置１０は、タービン型駆動機構と電動機型駆動機構とが主軸の軸線方向へ互いに並んで配置される既述の特許文献１に開示されるスピンドル装置に比べて、装置全体（特にハウジング１８）の軸線方向寸法を効果的に削減できる。
【００３５】
軸線方向寸法を削減したスピンドル装置１０は、軸線方向寸法の所与の制約下でも、軸受部５０、５２により主軸１４をハウジング１８上に両端支持することができる。それにより、主軸１４の回転精度を一層向上させることができる。しかも、スピンドル装置１０の組立時には、タービン型駆動機構２６と電動機型駆動機構３２との共通の構成要素である複数の翼２２に対し、ノズル２４及びコイル３０を位置決めすればよいから、適正な組立作業を容易に遂行でき、以って、高精度の動作特性を確実に獲得できる。
【００３６】
上記したスピンドル装置１０においては、種々の変形例を提供できる。例えば、図５に示すように、主軸１４及びハウジング１８の外部に設置される回転検出部５４（図１）の代わりに、ハウジング１８の内部空間４４に設置される回転検出部６０を採用することができる。この場合、回転検出部６０は、主軸１４の外周部分１２に設けた複数の翼２２を感知するように構成される。そのために回転検出部６０は、ハウジング１８の内部空間４４で複数の翼２２に近接する所望位置に配置されるエンコーダ等の非接触型検出器６２を備えることができる。
【００３７】
図示の変形例では、非接触型検出器６２は、前ハウジング要素３８の軸線方向後端面３８ｂに形成されるタービン型駆動機構２６（図１）用の空気流路６４に設置される。非接触型検出器６２は、回転変位する翼２２を感知することで主軸１４の回転位置や回転速度を検出し、電動機型駆動機構３２の制御部（図示せず）へフィードバック信号として出力する。このような構成によれば、スピンドル装置１０の特に軸線方向への寸法を、一層効果的に削減できる。
【００３８】
また、図６に示すように、電動機型駆動機構３２において生じ得るコギングトルクを低減する目的で、スロット付ステータ４６（図３）の代わりに、コアレスステータ６６（図６（ａ））又はスロットレスステータ６８（図６（ｂ））を、電動機型駆動機構３２に採用することができる。コアレスステータ６６は、環状のステータコア４８（図３）を省略して、中間ハウジング要素４２の内周面４２ａの周方向所定位置に、複数のコイル３０を直接的に固着した構成を有する。また、スロットレスステータ６８は、複数の突起部分４８ａ（図３）を有さない環状のステータコア４８を用いて、ステータコアの４８の周方向所定位置に、複数のコイル３０を巻設した構成を有する。いずれの場合も、樹脂モールドや接着剤により、コイル３０を固定することができる。
【００３９】
また、電動機型駆動機構３２における発熱が主軸１４の動作精度に及ぼす影響を可及的に低下させる目的で、主軸１４は、インバー（ニッケル３６％のＦｅ−Ｎｉ合金）、ノビナイト鋳鉄（商品名：Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ−Ｃ−Ｓｉ合金）、ゼロデュア（登録商標：ガラス−セラミック複合材料）等の、鉄よりも線膨張係数の低い材料から作製されることが有利である。なお、主軸１４の全体を上記した低線膨張係数の材料から一体成形することもできるが、前述したように複数の翼２２を強磁性材料から作製する場合には、軸部３４及び円板部３６を低線膨張係数の材料から一体成形するとともに、翼２２を含む外周部分１２を強磁性材料から一体成形して円板部３６に接合する構成を採用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の一実施形態によるスピンドル装置の斜視図であって、内部構造を断面で明示する。
【図２】図１のスピンドル装置が有する主軸の斜視図である。
【図３】図１のスピンドル装置が有するハウジングの斜視図であって、構成要素を一部省略して内部構造を明示する。
【図４】図１のスピンドル装置の部分断面斜視図であって、構成要素を一部省略して内部構造を明示する。
【図５】図１のスピンドル装置の変形例の主要部を示す部分断面斜視図である。
【図６】図１のスピンドル装置に適用可能なステータの変形例を示す斜視図で、（ａ）コアレスステータ、及び（ｂ）スロットレスステータをそれぞれ示す。
【符号の説明】
【００４１】
１０    スピンドル装置
１２    外周部分
１４    主軸
１６    内周部分
１８    ハウジング
２０    駆動部
２２    翼
２４    ノズル
２６    タービン型駆動機構
２８    磁石
３０    コイル
３２    電動機型駆動機構
４４    内部空間
４６    スロット付ステータ
５０、５２    軸受部
５４、６０    回転検出部
６６    コアレスステータ
６８    スロットレスステータ
【図１】
2007325469.tif 000003
【図２】
2007325469.tif 000004
【図３】
2007325469.tif 000005
【図４】
2007325469.tif 000006
【図５】
2007325469.tif 000007
【図６】
2007325469.tif 000008