(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータのロータが取り付けられた主軸，及び前記モータのステータが取り付けられると共に軸方向に離間して配設された一対の軸受を介して前記主軸を回転自在に支持する本体フレームを具備するモータ内蔵主軸台において，
前記主軸を中空軸に構成し，前記中空軸の内部に前記中空軸の内周面を介して前記本体フレームの外部との間で熱伝導をする熱伝達手段を配設し，
前記熱伝達手段は前記中空軸内に遊挿状態に配設され且つ内部に油，空気等の集熱媒体が前記外部との間で流通される熱伝導管で構成され，
前記熱伝導管は前記内部に前記集熱媒体としての油が流れる内側通路が形成されている内管と前記内管を覆い且つ前記内管との間に前記集熱媒体としての空気が流れる外側通路が形成されている外管とから構成され，
前記主軸の前記内周面と前記熱伝導管の外周面との間に形成される空間部には高熱伝導性物質が充填されており，
前記モータの駆動に起因して前記主軸を昇温させた熱を前記熱伝達手段によって前記外部に排出することを特徴とするモータ内蔵主軸台における主軸冷却構造。
【請求項２】
前記熱伝導管は，熱伝導率の優れたアルミニウム，銅又は真鍮等の金属材料で形成されていることを特徴とする請求項１に記載のモータ内蔵主軸台における主軸冷却構造。
【請求項３】
前記熱伝導管の前記外周面には，高熱伝導性物質が塗布されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のモータ内蔵主軸台における主軸冷却構造。
【請求項４】
前記高熱伝導性物質は，伝導性シリコングリスに微細なアルミ粉末が混入された混合物であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のモータ内蔵主軸台における主軸冷却構造。
【請求項５】
前記主軸台の一端又は他端より外部に延出した前記主軸の一端部及び他端部には，それぞれ，工作物を把持する把持装置，若しくは前記把持装置の作動に用いる圧縮空気又は加工治具や工作物への切削油を供給するための回転継手が外気に晒された状態に取り付けられており，前記熱伝導管に伝達された熱は前記把持装置と前記回転継手とから外気に放熱されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のモータ内蔵主軸台における主軸冷却構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、精密旋盤等のモータ内蔵主軸台を用いた工作機械において、ロータ側の主軸の冷却を主軸回転中心の形成した貫通孔を利用して行う主軸冷却構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子機械部品、光学機械部品、精密機械部品等の工作精度が要求される部品を製作するための精密旋盤等の工作機械においては、切削加工の際に工作物把持手段又は切削刃が取り付けられている回転軸（主軸）に生じる反作用等によって回転軸に歪みが生じないように、強固な主軸台を設けて、主軸の支持剛性を向上することが行われている。また、工作機械の主軸台は、機械の稼働に伴って主軸とその主軸を回転自在に支持する軸受との間で回転摩擦熱を発生する。工作機械で加工される工作物の加工精度に大きな影響を与える要因の一つに、主軸台から発生する熱があげられている。
【０００３】
工作物の加工精度を維持するには適切な加工条件に対応した刃物の選定が必要であるが、主軸台から発生する熱を速やかに放散することも重要な課題としてその対策が急がれている。上記のような、摩擦熱の精度への影響に対して、切削油や切削油に含まれる微細な切り屑が主軸と軸受との間の間隙内に侵入するのを防止したり、工作機械の主軸に放熱用のフィンを設けたり、或いは主軸を軸受を介して支持する主軸ケーシングに放熱用のフィンを設ける対策が案出されている。
【０００４】
一方、近年、工作機械においては、ビルトイン形と呼称されるモータ内蔵方式の主軸台が広く採用されてきている。モータ内蔵型の主軸台は、主軸を回転可能に保持する前後一対の軸受間にモータを配置し、ロータ軸をそのまま主軸とする構造である。従来から広く普及してきた構造である、主軸台の上部にモータを搭載してプーリを介して動力を伝達する方式や、主軸台の後部にロータ軸芯と主軸の軸芯とを同芯状に配置して取り付けたモータから動力を伝達する方式などに比べ、ビルトイン形の主軸台は、全体的にも容積が略半分ほどに成り、又、動力伝達のための部品が不要と成りそこから発生する緩みも無くなることにより、主軸の回転速度も正確に維持できる構造である。
【０００５】
モータ内蔵型の主軸台については、内蔵モータが発する熱をいかに速やかに外部に放熱させるかという大きな課題がある。従来から広く普及してきた方式のものはモータが主軸台から離れた位置に設けられており、モータの発熱が工作物の加工精度に及ぼす影響も少なかったが、モータ内蔵型の主軸台の場合は、主軸に前後に配設した軸受間にモータが内蔵配置される構造上、モータに生じた熱を放置したままであれば工作物の加工精度に大きく影響することになる。
【０００６】
そこでその解決策としてモータ内蔵主軸台の冷却技術が、先行例として幾つか開示されている。例えば、特開平４−２４３９号に開示される技術は、モータが内蔵されるハウジングの内部に空間を設け、モータ外周から冷却する方法である。また、特開平４−４１１５２号には、内蔵モータのステータの温度変化を検出し、冷却部での冷却温度が最適になるようにした制御方法が開示されている。更に、特開平４−３４３６３８号には、モータのロータを断熱部材を介在して主軸に固定し、ロータの発熱が主軸に伝わらないようにした技術が開示されている。
【０００７】
また、本出願人は、主軸自体にヒートパイプ機能を持たせ、工作物の加工精度に悪影響を与える回転摩擦熱をその発生源近くで主軸全周から均一に且つ迅速に受熱して主軸後部に設ける放熱器まで動力を用いることなく導き、主軸の回転にともなって回転する放熱器から大気中へと速やかに機外に放熱し、しかも冷却の性能を半永久的に得ることができる工作機械の主軸台における主軸構造を提案している（特開平７−１０６５３３号公報参照）。
【０００８】
上記のいずれの主軸構造も、ロータの発熱で暖まった主軸側から速やかに放熱させることが困難な構造ではない。ステータの冷却に関してはステータを内蔵するフレームが大気に触れていることから多くの冷却技術が開示されているが、主軸を含むロータ側はその大半は主軸台の内部に収容されておりは大気に触れることも少なく、主軸の熱が工作物の加工精度に及ぼす課題が残されていた。
【０００９】
ロータ側に比べステータ側の冷却技術には多くの提案がなされているのでステータ側では比較的簡単に冷却が可能である。主軸は、一対の前後の軸受間に回転可能に保持されており、特に、前方の軸受としては、適正な与圧を与えられたアンギュラコンタクト形のベアリング軸受が多く採用されている。ベアリング軸受を構成している外輪もステータ側に固着されているので、ステータ側の冷却を追及すればステータ側の冷却につれてアンギュラコンタクト形ベアリング外輪も冷却され、前方の軸受を構成するベアリング外輪が縮径の傾向になるという問題が生じる。
【００１０】
一方、アンギュラコンタクト形ベアリング内輪は主軸に固着されており、主軸側の冷却を怠れば主軸の発熱の影響を受けて内輪には膨張歪みが現れる。その結果、アンギュラコンタクト形ベアリンングの内外輪温度差が大きくなり、適正であった与圧も、外輪の冷却による縮径と内輪の膨張との相乗作用により、設計値を大きく越え、アンギュラコンタクト形ベアリンングの寿命の低下と強いては工作物の加工精度の悪化がもたらされる。
【００１１】
【発明が解決しょうとする課題】
そこで、アンギュラコンタクト形ベアリンングの内外輪温度差をなくして、アンギュラコンタクト形ベアリンングに与えている与圧が、長期にわたって設計値通りの状態を保ち工作物の加工精度を維持することである。その為にはビルトインモータの駆動にともない発熱する主軸から速やかに熱を奪いさることにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は、上記の課題を解決することであり、ビルトインモータを構成するロータ軸即ち主軸が帯びた熱を大気中に放熱させるために、主軸の内径側から熱を捉え、捉えた熱は工作物を切削するときに刃先や工作物へ供給する切削油を間接的に介在して放熱させる方法であり、放熱の為に特別の装置や制御を必要とせずコスト的にも安価なモータ内蔵主軸における主軸冷却構造を提供することである。
【００１３】
この発明は，モータのロータが取り付けられた主軸，及び前記モータのステータが取り付けられると共に軸方向に離間して配設された一対の軸受を介して前記主軸を回転自在に支持する本体フレームを具備するモータ内蔵主軸台において，
前記主軸を中空軸に構成し，前記中空軸の内部に前記中空軸の内周面を介して前記本体フレームの外部との間で熱伝導をする熱伝達手段を配設し，前記熱伝達手段が前記中空軸内に遊挿状態に配設され且つ内部に油，空気等の集熱媒体が前記外部との間で流通される熱伝導管で構成され，前記熱伝導管が前記内部に前記集熱媒体としての油が流れる内側通路が形成されている内管と前記内管を覆い且つ前記内管との間に前記集熱媒体としての空気が流れる外側通路が形成されている外管とから構成され，前記主軸の前記内周面と前記熱伝導管の外周面との間に形成される空間部には高熱伝導性物質が充填されており，前記モータの駆動に起因して前記主軸を昇温させた熱を前記熱伝達手段によって前記外部に排出することを特徴とするモータ内蔵主軸台における主軸冷却構造に関する。
【００１４】
この発明によるモータ内蔵主軸台における主軸冷却構造は、上記のように構成されているので、モータの駆動に起因して主軸を昇温させた熱は、主軸の内周面を介して熱伝達手段によって集熱されて本体フレームの外部に排出され、主軸の温度上昇を防止する。
【００１５】
この主軸冷却構造において，主軸は内部に孔や穴が形成される中空管であるが，中空管の中空部そのものが，直接，集熱媒体を供給し戻す通路を形成しているのではなくて，中空部の中に集熱媒体のための供給チューブが熱伝導管として遊挿されており，該熱伝導管が圧縮空気や切削油の供給通路となる。また，工作物が切削油を必要としないドライカットの場合は，供給チューブは単管形状に形成されるが，切削油を必要とするウエットカットの場合は二重管形状に形成される。
【００１６】
前記熱伝導管は，熱伝導率の優れたアルミニウム，銅又は真鍮等の金属材料で形成されている。この主軸冷却構造は，ロータの発熱によって温度上昇した主軸を中空部の内周面から放熱することにより冷却しようとするものであるので，内周面は熱を捕捉する物質に接触しておかねばならない。主軸の中空部の内径は供給チューブの外径よりも大きく形成され，供給チューブは主軸の中空部内に遊挿状態に配設されているため，供給チューブの外周面全域が主軸の中空内周面に接触していない。そのため，熱伝導管は，中空部内周面から発する熱を効率良く捕捉するため，熱伝導率の優れた金属材料で形成されている。
【００１７】
この主軸冷却構造において，熱伝導管の外周面全域が主軸の内周面に熱的に確実に接触させるため，熱伝導管の外周面と主軸の内周面とで形成される空間部には，流動性が有り熱伝導性の高い物質が充填される。充填物質は水銀が理想的であるが水銀特有の危険性や後処理を考慮すれば他の物質がよい。即ち，前記高熱伝導性物質は，例えば，伝導性シリコングリスに微細なアルミ粉末や銅粉等が混入された混合物とするのが好ましい。
【００１８】
前記主軸の中空部の内径は遊挿される熱伝導管の外径に合わせて形成されている訳でなく、主軸台の大きさが決定すれば自ずと中空部の内径も決定される。一方、熱伝導管の外径は、把持装置の大きさや、単管形状か二重管形状などによって変更される。従って、熱伝導管の外周面と主軸の中空部内周面とで形成される空間部の幅が小さい場合は、主軸の中空部に遊挿する前に熱伝導管の外周面全域に上記の充填物質を塗布しておく。また、上記空間部の幅が大きい場合は、熱伝導管を遊挿後に上記物質を主軸の一端からグリスガン等を用いて圧入すれば良い。なお、主軸に対して熱伝導管も同体回転を行うので上記充填物質が流出することも少ないが、充填初期には滲み出ることを考慮すれば、主軸の両端開口部はシール処理を実施することが望ましい。
【００１９】
前記主軸台の一端又は他端より外部に延出した前記主軸の一端部及び他端部には、それぞれ、工作物を把持する把持装置、若しくは前記把持装置の作動に用いる圧縮空気又は加工治具や工作物への切削油を供給するための回転継手が外気に晒された状態に取り付けられており、前記熱伝導管に伝達された熱は前記把持装置と前記回転継手とから外気に放熱される。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しつつ、この発明によるモータ内蔵主軸台における主軸冷却構造の実施例を説明する。図１はこの発明によるモータ内蔵主軸台における主軸冷却構造の一実施例をその回転軸線を含む垂直面で切断した縦断面図、図２は、図１に示すモータ内蔵主軸台における主軸の縦断面図、図３は図２に示す主軸の横断面図であり、図１の矢視Ａ−Ａで見た断面図である。
【００２１】
図１〜図３を参照して、この発明によるモータ内蔵主軸台における主軸冷却構造の実施例を説明する。図１に示すモータ内蔵主軸台１は、複数の取付け座１２で据付け床に据え置かれる本体フレーム２に組み込まれているモータ３のための主軸台である。モータ３はロータ４、及びロータ４と電磁気的に相互作用をしてロータ４に相対回転する回転力を与えるステータ５とから成り、ロータ４は本体フレーム２を貫通して配設されている主軸６の中央部において外周面８上に取り付けられている。主軸６は内部に周面に形成された内周面９によって定められる中空部７を有する中空軸である。
【００２２】
本体フレーム２は、主軸台１を設置床に据え付けるための据付けボルトがねじ込まれるねじ穴１３が形成された取付け座１２を有する外側フレーム１０と、外側フレーム１０に対して入れ子状に嵌合した内側フレーム１１とから構成されている。外側フレーム１０は、外側フレーム本体１５と外側フレーム本体１５から主軸６の軸方向に延びる外側環状部１６とから成る。外側フレーム本体１５は、軸受１７を介して主軸６を一側において回転自在に支持しており、軸受１７は、内側及び外側の間座１８を介して隔置して設けられている２列の軸受で構成されている。
【００２３】
内側フレーム１１は、内側フレーム本体１５と軸方向に対向した内側フレーム本体１９と内側フレーム本体１９から主軸６の軸方向に延びる内側環状部２０とを備えている。内側環状部２０は外側環状部１６の内側に緊密に嵌合してモータ３を組み込む内部空間２４を形成しており、内側環状部２０の内周面に、モータ３のステータ５が取り付けられている。内側フレーム本体１９は、主軸６の他側において軸受２２を介して主軸６を回転自在に支持しており、軸受２２は、軸受１７と同様に、間座２３を介して隔置して設けられている２列の軸受で構成されている。内側フレーム１１は、内側フレーム本体１９から一体的に延びるフランジ部２１を貫通して外側フレーム本体１９にねじ込まれる取付けボルト１４によって互いに結合されている。軸受１７，２２は、アンギュラコンタクト型の軸受であり、ラジアル方向及びスラスト方向の力を支持することができる。
【００２４】
モータ３を冷却するため、外側フレーム１０に内部空間２２に連通する冷却空気入口２５が形成されている。また、内部空間２２内の空気を排出するため、内側フレーム１１の内側フレーム本体１９には冷却空気出口２６が形成されている。冷却空気入口２５から内部空間２２内に送り込まれた冷却空気は、モータ３の駆動に起因した発熱を受けて昇温したロータ４、ステータ５の内部空間２２に晒されている表面から熱を奪って、冷却空気出口２６から外部に排出される。
【００２５】
ステータ５の冷却のため、外側フレーム１０の外側環状部１６と内側環状部２０との間には、冷却油が流れる通路が形成されている。この例では、外側環状部１６には、軸方向一端側に冷却油入口２７が形成され、軸方向他端側に冷却油出口２８が形成されている。内側環状部２０の外周面３０には、冷却油が流れる縦横の溝又は螺旋状溝から成る冷却油通路３１が形成されており、冷却油入口２７が冷却油通路３１の一側に、冷却油出口２８が冷却油通路３１の他側に接続されている。冷却油通路３１は、外側環状部１６の内周面２９により閉じられている。冷却油入口２７を通じて送り込まれた冷却油は、冷却油通路３１を流れるうちに内側環状部２０を介してステータ５から熱を奪い、ステータ５を冷却する。
【００２６】
主軸６は、両端６ａ，６ｂがモータ内蔵主軸台１の一端又は他端より外部に延出している。主軸６の一端６ａは、フランジ状に拡大されており、取付けボルト３４によって工作物を把持する把持装置３３が取り付けられている。工作物を把持するため、把持装置３３には、チャック爪３５が設けられている。また、主軸６の他端６ｂには、把持装置３３の作動に用いる圧縮空気又は加工治具や工作物への切削油等の流体を供給するための回転継手３７が取り付けられている。把持装置３３及び回転継手３７は共に外気に晒された状態にあり、後述するように主軸６を介して伝達された熱は、把持装置３３と回転継手３７とから外気に放熱される。なお、一方の軸受１７，１７は主軸６上にねじ係合する与圧調整ナット３６を締付け調節することにより、間座１８を介して強固に固定される。また、他方の軸受２２は、主軸６の他端６ｂにねじ込まれた締付けナット３８によって、間座２３を介して主軸６上に強固に固定される。
【００２７】
モータ内蔵主軸台１は、冷却用油の漏れを防止したり、内部に設けられているモータ３への異物の侵入を防止するため、各所にシールが配設されている。即ち、本体フレーム２の外側フレーム１０と内側フレーム１１との接合部分には、冷却用油の漏れを防止するＯリングのようなシール４０，４０が設けられている。また、主軸６の両端には、後述する熱伝導管５０との間をシールするシール部材４１，４１が設けられている。シール部材４１，４１は、シール抑え３９によって、所定の緊密さで押圧されている。
【００２８】
次に、モータ内蔵主軸台における主軸冷却構造の詳細について説明する。モータ３のロータ４が取り付けられた主軸６は、内部に貫通孔が形成された中空軸に構成されているが、中空部７そのものが直接、集熱媒体を供給し戻す通路を形成しているのではなく、中空部７には、内周面９を介して本体フレーム２の外部との間で熱伝導をする熱伝達手段としての熱伝導管５０が配設されている。主軸６の中空部７の内径は熱伝導管５０の外径よりも大きく形成されているので、熱伝導管５０は主軸６の中空部７内に遊挿状態に配設されている。熱伝導管５０は、冷却用の油、空気等の集熱媒体が流れることができる構造に形成されている。モータ３の駆動に起因して主軸６を昇温させた熱は、集熱媒体によって外部との間で熱交換されて外部に排出されることにより、主軸６の温度上昇が防止される。
【００２９】
集熱媒体としての冷却油は、主軸台１が適用される工作機械が切削機械であるとき、回転継手３７を通じて切削加工に用いる加工治具や工作物へ供給される切削油とすることができる。また、集熱媒体としての冷却空気も、工作機械の把持装置３３の作動に用いる圧縮空気を用いることができる。
【００３０】
熱伝導管５０は、主軸６内に遊挿状態に配設されているので、熱伝導管５０の外周面５５の全域が主軸６の内周面９に接触していない。熱伝導管５０は、ロータ４の発熱によって温度上昇した主軸６を内周面９から放熱することにより冷却しようとするものであるので、主軸６の内周面９から発する熱を効率良く捕捉するために熱伝導率の優れたアルミニウム、銅又は真鍮等の金属材料で形成されている。
【００３１】
熱伝導管５０の内部構造を図２及び図３に示す断面図に基づいて説明する。図示の主軸台１は切削油を必要とするウエットカットであるので、熱伝導管５０は二重管形状に形成される。即ち、熱伝導管５０は、内管５１と外管５２との二重管から成り、内管５２の内部は、集熱媒体としての切削油が流れる内側通路５３として用いられる。内管５１と外管５２との間の環状空間は、集熱媒体としての圧縮空気が流れる外側通路５４となっており、外側通路５４には内管５１と外管５２との間の距離を保つために適宜の位置に板状のセパレータ５６が配設されている。主軸台１が工作物が切削油を必要としないドライカットの場合には、熱伝導管５０は、内管５１を省略して圧縮空気のみが流れる単管形状に形成される。
【００３２】
主軸６の内周面９と熱伝導管５０の外周面５５との間には、熱伝導を良好にするため流動性の有る高熱伝導性物質が充填されている。高熱伝導性物質としては水銀が理想的であるが、水銀特有の危険性や後処理を考慮すれば、例えば、伝導性シリコングリスに微細なアルミ粉末が混入された混合物とするのが好ましい。
【００３３】
主軸６の中空部７の内径は、遊挿される熱伝導管５０の外径に合わせて形成されている訳でなく、主軸台１の大きさが決定すれば自ずと中空部７の内径も決定される。一方、熱伝導管５０の外径は、把持装置３３の大きさや、単管形状か二重管形状などに依存する。従って、熱伝導管５０の外周面５５と主軸６の中空部７の内周面９とで形成される空間部の幅が小さい場合は、主軸６の中空部７に遊挿する前に熱伝導管５０の外周面５５に上記の高熱伝導性物質を塗布しておく。また、空間部の幅が大きい場合は、熱伝導管５０を遊挿後に上記の高熱伝導性物質を主軸６の一端からグリスガン等を用いて圧入すれば良い。なお、主軸６に対して熱伝導管５０も同体回転を行うので高熱伝導性物質が流出することは少ないが、充填初期には滲み出ることを考慮すれば、主軸６の両端開口部はシール４１によるシール処理を実施することが望ましい。
【００３４】
【発明の効果】
この発明によるモータ内蔵主軸台における主軸冷却構造は、上記に説明した構成を有しているので、次のような効果が得られる。即ち、この発明によるモータ内蔵主軸台における主軸冷却構造によれば、モータ内蔵主軸台の特性であるロータの発熱に起因して温度が上昇していた主軸が主軸内に配設した熱伝導管により効果的に冷却されるので、アンギュラコンタクト型軸受軸受の内外輪温度差をなくし、従って与圧を適正値に保つことができ、軸受の寿命を長期化することが可能になった。その結果、工作治具の位置精度が向上し、工作物の加工精度を維持することが可能になる。特に、主軸からの熱は流動性の有る高熱伝導性物質を介して捕捉されて熱伝導管に伝達されるので、主軸に形成する貫通孔は特に面粗度を配慮することなく、又、貫通孔に遊挿する供給チューブとしての熱伝導管も必ずしも直進性に優れているものでなくてもよい。流動性の有る高熱伝導性物質は、金属同志が接触するのは限られた箇所になるのに比べ、主軸と熱伝導管とに対して全域にわたって接触するので、熱の捕捉能力が高く、捕捉した熱は熱伝導率の高い熱伝導管を伝わり高速回転する把持装置や回転継手３７を通じて大気中に放熱される。
【００３５】
一般的な機械部品に比べ光学部品や情報関連部品はμｍ単位の加工精度が要求され、オートローダを用いての自動化運転が広く採用されている。従って、加工完了の都度、個々に工作物を測定することはまれで、セッティングが終了すれば連続した運転となり、次のセッティング迄は初期の加工精度を維持する必要がある。また、これらの部品は小物であるのが通例でタクトタイムも短く、内蔵モータの起動停止回数も多く、強いては内蔵モータの発熱も激しいが、この発明による主軸の冷却構造によれば、主軸から熱は速やかに奪い去られ、工作物の加工精度を長く維持することが可能となり、更に、特定の装置や制御を必要とせず主軸台をコスト的にも安価な技術で提供することが可能になった。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明によるモータ内蔵主軸台における主軸冷却構造の一実施例をその回転軸線を含む垂直面で切断した縦断面図である。
【図２】図１に示すモータ内蔵主軸台における主軸の縦断面図である。
【図３】図２に示す主軸の横断面図であり、図１の矢視Ａ−Ａで見た断面図である。
【符号の説明】
１    モータ内蔵主軸台
２    本体フレーム
３    モータ
４    ロータ
５    ステータ
６    主軸
６ａ  主軸台の一端
６ｂ  主軸台の他端
７    空間部
９    主軸の内周面
１７，２２  軸受
３３  把持装置
３７  回転継手
５０  熱伝導管（熱伝達手段）
５１  内管
５２  外管
５３  内側通路
５４  外側通路
５５  熱伝導管の外周面
【図１】
0004280383.tif 000002
【図２】
0004280383.tif 000003
【図３】
0004280383.tif 000004