(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
主軸と、その主軸を半径方向に支持するラジアル静圧気体軸受と、軸方向に支持するスラスト複合軸受、上記主軸の駆動手段及び各軸受を支持するハウジングとからなり、上記スラスト複合軸受が、上記主軸の端部の磁性体からなる回転側スラスト軸受面に軸受すき間を介して対向した永久磁石とスラスト静圧気体軸受の組合わせからなり、該スラスト静圧気体軸受の給気孔から供給される圧縮気体による軸受反力と上記永久磁石の吸引力との釣合いによって上記主軸を軸方向に非接触支持するようにしてなる静圧気体軸受スピンドル装置において、上記永久磁石、その永久磁石と結合された磁気回路部材、前記の軸受すき間及び上記回転側スラスト軸受面により磁気回路を構成し、上記主軸の所要の外径を持ったラジアル軸受面の部分を小径に形成し、その小径部分に該主軸の主体材料からなる中心部の外周に低比重材料による外周部を固定したことを特徴とする静圧気体軸受スピンドル装置。
【請求項２】
上記主軸端部に磁性体でなる主軸端部材を固定して上記の回転側スラスト軸受面を構成したことを特徴とする請求項１に記載の静圧気体軸受スピンドル装置。
【請求項３】
上記永久磁石と磁気回路部材により囲まれた部分に、前記スラスト静圧気体軸受を構成する非磁性材料からなる給気部材を組み込み、その給気部材に回転側スラスト軸受面に対向した前記の給気孔を設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の静圧気体軸受スピンドル装置。
【請求項４】
上記磁気回路部材の回転側スラスト軸受面に対向する面の面積を、該磁気回路部材の磁束が飽和しない範囲で永久磁石の断面積より小さくしたことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の静圧気体軸受スピンドル装置。
【請求項５】
上記スラスト複合軸受の回転側スラスト軸受面及びこれに対向した固定側スラスト軸受面の少なくとも一方に、固体潤滑剤を含む保護被膜層を形成したことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の静圧気体軸受スピンドル装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、塗装用噴霧装置や各種加工機等の高速回転を必要とする機械装置に用いられる静圧気体軸受スピンドル装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
主軸を半径方向に支持するラジアル静圧気体軸受と、軸方向に支持するスラスト複合軸受と、上記主軸の駆動手段及びこれらの軸受を支持するハウジングからなり、上記スラスト複合軸受を永久磁石とスラスト静圧気体軸受の組合せにより構成し、磁石の吸引力とスラスト静圧気体軸受の軸受反力とをバランスさせるようにした静圧気体軸受スピンドル装置は、従来から知られている（例えば、実開平１−６５４２３号公報参照）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記の静圧気体軸受スピンドル装置のように、永久磁石とスラスト静圧気体軸受を組合わせたスラスト複合軸受を用いる場合は、永久磁石の吸引力とスラスト静圧気体軸受の軸受反力を釣合わせる必要があるため、磁石による吸引力が不十分な場合には静圧気体軸受の軸受反力を小さくする必要が生じ、静圧気体軸受への供給気体圧力を下げる等の対策がなされる。しかし、静圧気体軸受の軸受反力を小さくすることは、スピンドルの軸方向の剛性や負荷容量を低下させることにつながり、軸受としての性能が低下してしまう。そのため上記の対策は、スラスト複合軸受の性能を改善する対策とはいえない。
【０００４】
また、上記のスラスト複合軸受の回転側スラスト軸受面及びこれと軸受すき間をおいて対向する固定側スラスト軸受面は共に材料の潤滑性が高くないため、主軸回転中にスラスト軸受が接触した場合に焼き付きを発生する可能性が高い。
【０００５】
さらに、スピンドル装置の高速回転化を行う場合には、軸受を含めた主軸の固有振動数を大きくするためにラジアル軸受の性能を高めることが必要である。ラジアル軸受の性能は、スピンドル装置の主軸径を大きくすることにより高めることができるが、前述した従来例の構造を用いて主軸径を大きくした場合、主軸の重量は主軸径の２乗に比例して増加するため、結果として軸受を含めたスピンドル主軸の固有振動数を大きく改善することが難しく、スピンドル高速回転化を達成することが困難となる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、この発明は、主軸と、その主軸を半径方向に支持するラジアル静圧気体軸受と、軸方向に支持するスラスト複合軸受、上記主軸の駆動手段及び各軸受を支持するハウジングとからなり、上記スラスト複合軸受が、上記主軸の端部の磁性体からなる回転側スラスト軸受面に軸受すき間を介して対向した永久磁石とスラスト静圧気体軸受の組合わせからなり、該スラスト静圧気体軸受の給気孔から供給される圧縮気体による軸受反力と上記永久磁石の吸引力との釣合いによって上記主軸を軸方向に非接触支持するようにしてなる静圧気体軸受スピンドル装置において、上記永久磁石、その永久磁石と結合された磁気回路部材、前記の軸受すき間及び上記回転側スラスト軸受面により磁気回路を構成したものである。
【０００７】
上記のような磁気回路を構成することにより、永久磁石と主軸端面との間の漏れ磁束を効果的に低減することで、永久磁石から出る磁束を効率的に利用でき、結果としてスラスト複合軸受に発生する吸引力が高まる。
【０００８】
なお、上記主軸端部に磁性体でなる主軸端部材を固定して上記の回転側スラスト軸受面を構成するようにすれば、主軸はその端部材を除き、非磁性材料で形成することができる。
【０００９】
また、上記永久磁石と磁気回路部材により囲まれた部分に、前記スラスト静圧気体軸受を構成する非磁性材料からなる給気部材を組み込み、その給気部材に回転側スラスト軸受面に対向した前記の給気孔を設けた構成を採ることもできる。
【００１０】
また、上記磁気回路部材の回転側スラスト軸受面に対向する面の面積を、該磁気回路部材の磁束が飽和しない範囲で永久磁石の断面積より小さくした構成をとると、回転側スラスト軸受面に対向する面における磁束密度が大きくなり、スラスト複合軸受における吸引力が増大する。
【００１１】
さらに、上記主軸の所要の外径を持ったラジアル軸受面の部分を、該主軸の主体材料からなる中心部の外周に低比重材料による外周部を固定した構成をとると、主軸の重量増加を最小に抑えながら、主軸径を大きくすることができる。
【００１２】
なお、上記スラスト複合軸受の回転側スラスト軸受面及びこれに対向した固定側スラスト軸受面の少なくとも一方に、固体潤滑剤を含む保護被膜層を形成した構成をとることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の静圧気体軸受スピンドル装置の実施形態を添付図面に基づいて説明する。図１に示した第１実施形態は、主軸１、これを半径方向に支持するラジアル静圧気体軸受２、３及び軸方向に支持するスラスト複合軸受４、上記主軸１に駆動力を与えるモータ５並びにこれらの軸受２〜４を支持するハウジング６とからなる。
【００１４】
上記の主軸１は磁性材料で形成され、その中央部分にモータ５のロータ７が設けられる。ハウジング６には、前記ロータ７に対向したモータ５のステータ８が設けられ、そのステータ８を挟んで前記のラジアル静圧気体軸受２、３が設けられる。また、主軸１の一端面に対向して前記のスラスト複合軸受４が設けられる。ハウジング６にはこれらの各軸受２、３、４に圧縮気体を供給する給気通路９、１０、１１が設けられる。これらの各通路９、１０、１１は共通の給気継手１２を経てエアチューブ２３に接続される。ハウジング６には、モータ５及びラジアル静圧気体軸受２、３の冷却を行うための冷却用水路１３、１４が設けられる。
【００１５】
上記のラジアル静圧気体軸受２、３には、所要数の給気ノズル２ａ、３ａが設けられ、各給気ノズル２ａ、３ａは主軸１のラジアル軸受面に対し微小なラジアル軸受すき間をおいて対向する。
【００１６】
上記のスラスト複合軸受４は、軸線方向に着磁された永久磁石１５と、非磁性材料からなる給気部材１６と、高透磁率材料からなる磁気回路部材１７から構成される。磁気回路部材１７は主軸１の端面の直径を含む範囲内において該主軸１側に開放されたカップ状をなし、その内部の中心部分に永久磁石１５が固着され、その永久磁石１５の回りに環状の給気部材１６が嵌合固着される。給気部材１６には給気孔１８が設けられ、その給気孔１８に複数の給気ノズル１８ａが設けられる。上記の給気孔１８が前記の給気通路１１に連通され、各給気ノズル１８ａによりスラスト静圧気体軸受２０（図２参照）が構成される。
【００１７】
上記の永久磁石１５の固着側と反対側の磁極面２１と給気ノズル１８ａは同一面上にあり、固定側スラスト軸受面４ａが構成される（図２参照）。この固定側スラスト軸受面４ａに対し、微小なスラスト軸受すき間をおいて主軸１の端面の回転側スラスト軸受面４ｂが対向する。前述のように、主軸１は磁性材料により形成されるので、永久磁石１５、これとスラスト軸受すき間を介して対向した回転側スラスト軸受面４ｂを含む主軸１の端部、及び磁気回路部材１７により閉ループ状の磁気回路２２が構成される。
【００１８】
第１実施形態の静圧気体軸受スピンドル装置は以上のように構成され、次にその作用について説明する。
【００１９】
エアチューブ２３を通じて圧縮気体をラジアル静圧気体軸受２、３及びスラスト複合軸受４に供給するとともに、モータ５に通電すると、主軸１は、各軸受２、３及び４によりラジアル方向及びスラスト方向に静圧支持され高速回転する。このとき、スラスト複合軸受４においては、圧縮気体が給気ノズル１８ａを通りスラスト軸受すき間へ供給されることで、主軸１に対して軸線方向の軸受反力が発生し、軸方向に非接触支持する。
【００２０】
また、前記の磁気回路２２の軸受すき間の部分で、主軸１を軸線方向に吸引する力が発生し、その吸引力と上記の給気ノズル１８ａによる軸受反力の釣合いにより主軸１を軸方向に非接触支持する。永久磁石１５単独ではなく、磁気回路部材１７との組合わせにより磁気回路２２を構成することにより、漏れ磁束が低減され大きな軸方向の吸引力が得られる。
【００２１】
なお、磁気回路部材１７の周囲のハウジング６を非磁性材料で形成することにより、スピンドル主軸装置外部からの磁気的な影響を受けにくい構造になる。
【００２２】
図３に示した第２実施形態は、主軸１が非磁性材料で、その端面の回転側スラスト軸受面４ｂを構成する部分に磁性材料でなる主軸端部材２４を固定したものである。主軸端部材２４の主軸１への固定は、ねじによる締結、溶接、焼きばめなど、機械的な固定による。その他の構成は前述の第１実施形態の場合と同じである。
【００２３】
このように、主軸１が非磁性材料により構成される場合でも、磁性材料でなる主軸端部材２４を設けることにより、第１実施形態の場合と同様に閉ループ状の磁気回路２２が形成され、漏れ磁束の低減を図り、大きな軸方向の吸引力を発生させることができる。
【００２４】
図４に示した第３実施形態は、主軸１が非磁性材料であって、その端面に磁性体の主軸端部材２４が設けられる点で前記の第２実施形態と同じであるが、スラスト複合軸受４の具体的な構成において、前記の各実施形態の場合と相違する。即ち、この場合のスラスト複合軸受４は、永久磁石１５がリング状をなし、その端面の内径が主軸端部材２４の外径より小さい大きさに形成される。また、磁気回路部材１７は上記の永久磁石１５の他端面に固着された浅いカップ状部分の内面中央部に中心ボス部２５を設けたものである。その中心ボス部２５と永久磁石１５との間に環状の非磁性体でなる給気部材１６が一体に設けられ、その給気部材１６に所要数の給気孔１８が設けられる。その給気孔１８に給気ノズル１８ａが設けられ、前記の永久磁石１５の磁極面２１とともに固定側スラスト軸受面４ａを形成する。その固定側スラスト軸受面４ａは、回転側スラスト軸受面４ｂとなる主軸端部材２４に対し微小な軸受すき間をもって対向する。
【００２５】
上記の構成により、永久磁石１５、磁気回路部材１７、固定側スラスト軸受面４ａと回転側スラスト軸受面４ｂ間の軸受すき間、端部材２４とにより閉ループ状の磁気回路２２が構成され、前記の各実施形態の場合と同様の効果が得られる。
【００２６】
図５に示した第４実施形態も非磁性体の主軸１の端面に磁性体の主軸端部材２４を設けたものであるが、スラスト複合軸受４の磁気回路２２の構成において前記各実施形態の場合と相違する。即ち、磁気回路部材１７はカップ状をなす外側部材１７ａとこれと別体の中心部材１７ｂとからなり、その中心部材１７ｂと外側部材１７ａの底面との間に永久磁石１５を介在した構成となっている。上記の外側部材１７ａと中心部材１７ｂがそれぞれ主軸端部材２４に対向する先端部１７ｃ、１７ｄの断面積は、いずれも永久磁石１５の断面積よりも小さい部分となっている。但し、先端部１７ｃ、１７ｄの断面積はこの部分の磁束が磁気飽和しない範囲で最も狭く形成される。
【００２７】
上記の中心部材１７ｂと永久磁石１５を中心として外側部材１７ａとの間に介在される非磁性体でなる給気部材１６を介在し、これに所要数の給気孔１８を設ける点、これに給気ノズル１８ａを設ける点、さらに給気孔１８を給気通路１１に連通する点、これらの部材により磁気回路２２が構成される点は前記各実施形態と同様である。上記のように構成すると、先端部１７ｃ、１７ｄにおける吸引力が相対的に大きくなる。
【００２８】
図６に示した第５実施形態は、前記の第１実施形態の場合における主軸１のロータ７と主軸端部材２４との間、即ちラジアル静圧気体軸受３に対向したラジアル軸受面を含む部分を小径に形成して、上記主軸１を形成する主体材料からなる中心部２６の外周に軽合金材料等からなる低比重材料による外周部２７を固定したものである。このように構成することで、同一主軸径であっても主軸１の全体の重量を小さく抑えることが可能となるため、軸受を含めた主軸１の固有振動数を大きくすることができる。なお、主軸１と外周部２７との固定は、溶接、焼きばめなど機械的な固定方法による。また、主軸端部材２４は、それ自体に設けたねじ２８により主軸１に固定される。
【００２９】
図６の場合において、主軸端部材２４の端面、即ち、回転側スラスト軸受面４ｂを含む面に、二硫化モリブデンや黒鉛等の固体潤滑剤を含む保護被膜層２９を設けている（図７参照）。固定側スラスト軸受面４ａにも、同様の保護被膜層を設けても良い。このような保護被膜層は、各種の樹脂コーティングや溶射、めっきなどの方法で設けることができる。
【００３０】
このような固体潤滑剤を含む保護被膜層２９を固定側又は回転側のスラスト軸受面４ａ又は４ｂの少なくとも一方に設けることで、固定側スラスト軸受面４ａを永久磁石１５や高透磁率材料の磁気回路部材１７で構成した場合でも、スピンドル主軸１の回転中におけるスラスト軸受の接触による損傷を軽減するとともに焼き付きの可能性を低減することができる。
【００３１】
なお、以上の各実施形態においては主軸１の駆動手段としてモータ５を用いる場合について示したが、モータ５に代えて、図８に示すように、エアタービン３１を用いることもある。図において、３２はタービンロータ、３３はエアノズル部材、３４は圧縮エア供給ホースを示す。
【００３２】
【発明の効果】
この発明は以上のようなものであるので、以下に列挙する効果を奏する。
（１）永久磁石と静圧気体スラスト軸受からなるスラスト複合軸受は、磁気回路を備えることにより、漏れ磁束を効果的に低減して、永久磁石から出る磁束を効率的に利用でき、結果としてスラスト複合軸受に発生する吸引力が高まる。そのため、静圧気体スラスト軸受の軸受反力を小さく抑えるために給気圧力を低下させる等の必要がなくなり、静圧気体スラスト軸受のアキシアル剛性と負荷容量を向上させた設計が可能となる。
（２）磁気回路の回転側スラスト軸受面に対向する面の面積を、磁束が飽和しない範囲で永久磁石の断面積より小さくすることにより、磁気回路の回転側スラスト軸受面に対向する面における磁束密度が大きくなり、スラスト複合軸受部に発生する吸引力をより効果的に高めることができる。
（３）主軸の少なくとも外周部を軽合金等の低比重材料で構成し、回転側スラスト軸受面を磁性材料で構成することで、主軸の重量増加を最小に抑えながら、主軸径を大きくすることができる。主軸径を大きくすることにより、ラジアル軸受の性能を向上させられるため、軸受を含めた主軸の固有振動数が大きくでき、スピンドルの高速回転化が可能となる。
（４）回転側スラスト軸受面を磁性材料で構成することで、その軸受面以外が非磁性材料で構成されていても、スラスト複合軸受に必要な吸引力を発生するための磁気回路を形成することが可能となる。
（５）スラスト複合軸受の、回転側スラスト軸受面および固定側スラスト軸受面の少なくとも一方に固体潤滑材を含む保護被膜層を設けることで、スピンドル主軸回転中にスラスト軸受が接触した場合の焼き付きの可能性を大幅に低減することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態の断面図
【図２】同上の一部拡大断面図
【図３】第２実施形態の一部断面図
【図４】第３実施形態の一部断面図
【図５】第４実施形態の一部断面図
【図６】第５実施形態の一部断面図
【図７】同上の一部拡大断面図
【図８】駆動手段の変形例の一部断面図
【符号の説明】
１  主軸
２  ラジアル静圧気体軸受
２ａ  給気ノズル
３  ラジアル静圧気体軸受
３ａ  給気ノズル
４  スラスト複合軸受
４ａ  固定側スラスト軸受面
４ｂ  回転側スラスト軸受面
５  モータ
６  ハウジング
７  ロータ
８  ステータ
９、１０、１１  給気通路
１２  給気継手
１３、１４  冷却水路
１５  永久磁石
１６  給気部材
１７  磁気回路部材
１７ａ  外側部材
１７ｂ  中心部材
１８  給気孔
２１  磁極面
２２  磁気回路
２３  エアチューブ
２４  主軸端部材
２５  中心ボス部
２６  中心部
２７  外周部
２８  ねじ
２９  保護皮膜層
３１  エアタービン
３２  タービンロータ
３３  エアノズル部材
３４  圧縮エア供給ホース
【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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