(57)【要約】【課題】回転軸の回転精度を良好に保つことが可能な気体軸受スピンドルを提供する。【解決手段】気体軸受スピンドルは、回転軸１と、スリーブ３、４と、ハウジング２とを備える。スリーブ３は、回転軸１の側面の少なくとも一部と隙間を介して対向するように配置される。ハウジング２は、開口部を有し、当該開口部の内部にスリーブ３、４および回転軸１を保持する。回転軸１では、ハウジング２の開口部側の端部に形成された開口に連通する空洞部としての空洞１ｂが形成される。回転軸１の側面に、回転軸１の側面を周回する円周溝１ａが形成されている。回転軸１では、円周溝１ａと空洞１ｂとを繋ぐ連通孔１ｃが形成されている。スリーブ３、４およびハウジング２には、円周溝１ａに液体や気体などの冷却媒体を供給する供給路２ｂが形成されている。【選択図】図１
2009197942.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸と、
前記回転軸の側面の少なくとも一部と隙間を介して対向するように配置されたスリーブと、
開口部を有し、前記開口部の内部に前記スリーブおよび前記回転軸を保持するハウジングとを備え、
前記回転軸では、前記ハウジングの開口部側の端部に形成された開口に連通する空洞部が形成され、
前記回転軸の前記側面および前記側面に対向する前記スリーブの表面の少なくともいずれか一方に、前記回転軸の前記側面を周回する円周溝を形成し、
前記回転軸では、前記円周溝と前記空洞部とを繋ぐ連通孔が形成され、
前記スリーブおよび前記ハウジングには、前記円周溝に冷却媒体を供給する供給路が形成されている、気体軸受スピンドル。
【請求項２】
前記回転軸の前記側面および前記側面に対向する前記スリーブの表面の少なくともいずれか一方に、前記回転軸の中心軸の延在方向において前記円周溝を挟む位置に配置され、前記回転軸の前記側面を周回する１組の排出用円周溝が形成され、
前記スリーブおよび前記ハウジングには、前記排出用円周溝と連通する排出路が形成されている、請求項１に記載の気体軸受スピンドル。
【請求項３】
前記回転軸の前記側面および前記側面に対向する前記スリーブの表面の少なくともいずれか一方には、前記回転軸の中心軸の延在方向において前記円周溝を挟む位置に流体動圧発生用の溝形状部が形成されている、請求項１または２に記載の気体軸受スピンドル。
【請求項４】
前記回転軸の前記側面および前記側面に対向する前記スリーブの表面の一方に前記円周溝が形成され、
前記回転軸の前記側面および前記側面に対向する前記スリーブの表面の他方には、前記円周溝と対向して円周状に延びるとともに、前記回転軸の延在方向において前記円周溝の幅より広い幅を有するポケット溝が形成されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の気体軸受スピンドル。
【請求項５】
前記回転軸の前記開口が形成された端部に接続され、前記回転軸より幅の広い取付部材を備え、
前記取付部材には、
前記回転軸の前記開口と繋がる中心孔と、
前記中心孔と、前記回転軸の中心軸からみて半径方向における前記取付部材の外周部に形成された排出口とを繋ぐ排出路が形成されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の気体軸受スピンドル。
【請求項６】
前記取付部材は、前記ハウジングの表面上にまで延在し、
前記ハウジングには、
前記取付部材の表面と対向する領域に、前記回転軸を囲むように環状に配置された複数の給気孔と、
前記給気孔に気体を供給するための供給路とが形成されている、請求項５に記載の気体軸受スピンドル。
【請求項７】
前記回転軸の前記開口が形成された端部に接続され、前記回転軸より幅の広い取付部材を備え、
前記取付部材には、
前記回転軸の前記開口と繋がる中心孔と、
前記中心孔と、前記回転軸の中心軸からみて半径方向における前記取付部材の外周部において、前記ハウジングおよび前記スリーブに面する表面において前記中心孔を囲むように配置された環状の溝と、
前記溝と前記中心孔とを繋ぐ排出路とが形成されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の気体軸受スピンドル。
【請求項８】
前記回転軸の前記開口が形成された端部に接続され、前記回転軸より幅の広い取付部材を備え、
前記取付部材には、
前記回転軸の前記開口と繋がる中心孔と、
前記中心孔と、前記回転軸の中心軸からみて半径方向における前記取付部材の外周部において、前記ハウジングおよび前記スリーブに面する表面において前記中心孔を囲むように環状に配置された複数のノズル孔と、
前記ノズル孔と前記中心孔とを繋ぐ排出路とが形成されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の気体軸受スピンドル。
【請求項９】
前記回転軸の前記空洞部は、前記回転軸において前記開口が形成された側と反対側の端部に形成された後端側開口に連なるように形成され、
前記後端側開口に着脱可能に固定され、ノズル孔を有するブッシュ状部材をさらに備える、請求項８に記載の気体軸受スピンドル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、気体軸受スピンドルに関し、より特定的には、高精度な加工機や検査装置などに組み込まれて使用される気体軸受スピンドルに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、静圧気体軸受は、ハウジング内部において、回転軸と回転軸に対向する部材（スリーブ）との微少な隙間に圧縮気体が供給されることにより、回転軸がハウジングに対して非接触の状態で支持される。このため、軸受における摩擦損失が小さいだけでなくその回転精度が高く、精密加工機や精密検査装置のワークスピンドルまたは工具スピンドルなどに使用される。
【０００３】
ところが、上記回転軸を回転させるモータ等の発熱によって回転軸が熱膨張し、軸端位置の変化や、軸受隙間が小さくなることに伴う軸受剛性の低下等によって、精密な加工や測定ができなくなる場合が発生する。また、上述したモータ等に起因する熱が、軸端に配置した測定対象物に伝わると、精密な測定等に悪影響を及ぼす場合もある。
【０００４】
このような問題を解決するための１つの方法として、回転軸にインバー合金やセラミックス等、線膨張係数の低い材料を使用することが考えられる。しかし、このような材料は一般に高価であり、現実的な解決方法とは言い難い。また、回転軸を冷却する方法も考えられ、その一例がたとえば特開２０００−３３４６０４号公報（以下、特許文献１と呼ぶ）に示されている。
【０００５】
図６は、上記特許文献１に開示された従来の気体軸受スピンドルを示す断面模式図である。図６を参照して、従来の気体軸受スピンドルを説明する。
【０００６】
図６に示すように、気体軸受スピンドル１２０は、切削装置に搭載されるスピンドルユニットであり、先端にブレード１２１が装着された回転軸１１１が、スピンドルハウジング１２３に備えられた静圧気体軸受のラジアル気体軸受１２４及びスラスト気体軸受１２５によって非接触の状態で回転可能に支持されている。また、当該回転軸１１１はビルトインモータ１２６によって回転駆動される。
【０００７】
図６に示した気体軸受スピンドル１２０では、ビルトインモータ１２６により駆動されて回転軸１１１が高速回転すると、当該回転軸１１１の先端部に取付けられているブレード１２１が高速回転する。そして、気体軸受スピンドル１２０全体が下降することにより、高速回転するブレード１２１が保持テーブル１２８に保持された被加工物１２７に接触する。この結果、被加工物１２７がブレード１２１により切削される。
【０００８】
このとき、回転軸１１１には、当該回転軸１１１回転に伴いラジアル気体軸受１２４などやビルトインモータ１２６などでの発熱により熱膨張が生じる場合がる。この結果、ブレード１２１の水平方向の位置にずれが生じることで、切削位置もずれ、高精度の切削ができないという問題が生じる場合があった。
【０００９】
このような問題に対する対策として、図６に示した気体軸受スピンドル１２０では、回転軸１１１の後部端の開口部１１３から、回転軸１１１の軸心方向に沿ってブレード１２１が設置された前部側の端部近傍まで連通する空洞部１１２が形成されている。また、回転軸１１１においてスピンドルハウジング１２３より突出した突出部の外周１１４には、回転軸１１１に形成された空洞部１１２に連通する複数の外周孔１１５が等間隔に形成されている。そして、上記回転軸１１１の開口部１１３から上記空洞部１１２に冷却用の媒体を供給することにより、回転軸１１１の熱膨張を防止し、水平方向の位置ずれを抑制するとしている。
【特許文献１】特開２０００−３３４６０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、上述した従来の気体軸受スピンドルには以下のような問題があった。すなわち、図６に示した気体軸受スピンドル１２０のように、回転軸１１１の後端部にビルトインモータ１２６（つまりサーボモータ及びロータリエンコーダ）を設置している気体軸受スピンドルでは、回転軸１１１の後端部の軸径は細くなっており、当該後端部での回転軸１１１の断面積は小さくなっている。さらに、回転軸１１１は高速回転する。そのため、上記のように回転軸１１１の後端部の開口部１１３から、回転軸１１１の軸心に設けた空洞部１１２に冷却媒体を供給する時、当該冷却媒体を導入するための固定側の供給管路と、回転する回転軸１１１の後端部との効率的な連結が難しい。そのため、上記固定側の供給管路と回転軸１１１の後端部との繋ぎ部分で冷却媒体の漏れが発生したり、固定側の部材との接触圧や冷却流体の反力等が回転軸１１１の後端部に加わり、回転軸１１１の回転精度を悪化させたりする場合があった。また冷却媒体が液体の場合、漏れた液体がロータリエンコーダなどに付着し、正常な回転が不可能となる可能性もあった。
【００１１】
この発明は、上記のような課題を解決するために成されたものであり、この発明の目的は、回転軸の回転精度を良好に保つことが可能な気体軸受スピンドルを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この発明に従った気体軸受スピンドルは、回転軸と、スリーブと、ハウジングとを備える。スリーブは、回転軸の側面の少なくとも一部と隙間を介して対向するように配置される。ハウジングは、開口部を有し、当該開口部の内部にスリーブおよび回転軸を保持する。回転軸では、ハウジングの開口部側の端部に形成された開口に連通する空洞部が形成される。回転軸の側面および当該側面に対向するスリーブの表面の少なくともいずれか一方に、回転軸の側面を周回する円周溝が形成されている。回転軸では、円周溝と空洞部とを繋ぐ連通孔が形成されている。スリーブおよびハウジングには、円周溝に冷却媒体を供給する供給路が形成されている。
【００１３】
このようにすれば、回転軸の側面側から当該回転軸の空洞部に冷却媒体を供給できるので、回転軸の端部（たとえばハウジングの開口部が開口している先端側と反対側の後端側）から冷却媒体を当該空洞部に供給する場合のように、冷却媒体を空洞部に供給する配管などと回転軸の端部との接続部から冷却媒体が漏れる、あるいは冷却媒体の反力などが回転軸に伝わり、回転軸の回転精度が悪化するといった問題の発生を抑制できる。
【００１４】
上記気体軸受スピンドルでは、回転軸の延在方向において、円周溝を挟むようにシール部が形成されていてもよい。シール部は、回転軸の側面とスリーブの表面との距離が少なくとも回転軸の半径方向における円周溝の深さより小さくなっていてもよい。この場合、円周溝から冷却媒体が回転軸の側面に沿って漏れる程度を小さくすることができる。また、連通孔は回転軸の中心軸に対して点対象となるように複数個形成されていてもよい。この場合、回転軸の回転精度が、連通孔の形成により悪化することを抑制できる。また、回転軸の側面とスリーブの表面との間では、上記シール部を回転軸の中心軸の延在方向（回転軸の延在方向）において挟むように静圧気体軸受が形成されていてもよい。このようにすれば、シール部を形成することで、冷却媒体が静圧気体軸受を構成する隙間に流入する可能性を低減できる。
【００１５】
上記気体軸受スピンドルにおいて、回転軸の側面および当該側面に対向するスリーブの表面の少なくともいずれか一方に、回転軸の中心軸の延在方向において円周溝を挟む位置に配置され、回転軸の側面を周回する１組の排出用円周溝が形成されていてもよい。スリーブおよびハウジングには、排出用円周溝と連通する排出路が形成されていてもよい。この場合、排出用円周溝および排出路を介して、余分な冷却媒体を外部に排出することができる。このため、冷却媒体が回転軸の側面に沿って広がり、静圧気体軸受に悪影響を及ぼすことを抑制できる。
【００１６】
上記気体軸受スピンドルにおいて、回転軸の側面および当該側面に対向するスリーブの表面の少なくともいずれか一方には、回転軸の中心軸の延在方向において円周溝を挟む位置に流体動圧発生用の溝形状部が形成されていてもよい。この場合、当該溝形状部により冷却媒体が回転軸の側面上に当該溝形状部を超えて広がることを効率的に抑制できる。
【００１７】
上記気体軸受スピンドルにおいて、上記溝形状部はヘリングボーン溝が形成された領域であってもよい。具体的には、溝形状部では、回転軸の中心軸の延在方向に交差する方向に、互いに平行に延びる複数の溝が形成されていてもよい。この場合、上述した冷却媒体が回転軸の側面上に当該溝形状部を超えて広がることを効率的に抑制するという効果をより顕著にすることができる。
【００１８】
上記気体軸受スピンドルにおいて、回転軸の側面および当該側面に対向するスリーブの表面の一方に円周溝が形成されていてもよく、回転軸の側面および当該側面に対向するスリーブの表面の他方には、円周溝と対向して円周状に延びるとともに、回転軸の延在方向において円周溝の幅より広い幅を有するポケット溝が形成されていてもよい。この場合、気体軸受スピンドルの動剛性を向上させることができる。つまり、回転軸の振動を抑制することができる。
【００１９】
上記気体軸受スピンドルにおいて、１組の排出用円周溝は、回転軸の中心軸の延在方向においてポケット溝を挟むように配置されていてもよい。この場合、排出用円周溝によりポケット溝から回転軸の側面上に漏れ出る冷却媒体を排出することができる。そのため、当該冷却媒体が回転軸の側面とスリーブとの間に形成される気体軸受部分に流入することを抑制できる。
【００２０】
上記気体軸受スピンドルは、回転軸の開口が形成された端部に接続され、回転軸より幅の広い取付部材を備えていてもよい。取付部材には、回転軸の開口と繋がる中心孔と、当該中心孔と、回転軸の中心軸からみて半径方向における取付部材の外周部に形成された排出口とを繋ぐ排出路が形成されていてもよい。
【００２１】
この場合、回転軸の空洞部に供給された冷却媒体を、回転軸の開口から取付部材の中心孔、排出路を介して排出口から外部へ効率的に排出できる。
【００２２】
上記気体軸受スピンドルにおいて、取付部材は、ハウジングの表面上にまで延在してもよい。ハウジングには、取付部材の表面と対向する領域に、回転軸を囲むように環状に配置された複数の給気孔と、給気孔に気体を供給するための供給路とが形成されていてもよい。この場合、取付部材とハウジングとの対向する領域に、給気孔から気体を供給することで非接触シール部を構成することができる。この非接触シール部により、取付部材とハウジングとの対向する領域から、ハウジング内の回転軸とスリーブとの間に形成された気体軸受部に異物が入ることを抑制できる。
【００２３】
上記気体軸受スピンドルでは、ハウジングにおいて供給路として回転軸を囲むような円管状の給気溝が形成され、当該円管状の給気溝に複数の給気孔が繋がっていてもよい。この場合、複数の給気孔から偏り無く気体を噴出させることができる。このため、取付部材とハウジングとの間に、環状の均一な非接触シール部を形成することができる。
【００２４】
上記気体軸受スピンドルは、回転軸の開口が形成された端部に接続され、回転軸より幅の広い取付部材を備えていてもよい。取付部材には、回転軸の開口と繋がる中心孔と、当該中心孔と、回転軸の中心軸からみて半径方向における取付部材の外周部において、ハウジングおよびスリーブに面する表面において中心孔を囲むように配置された環状の溝と、溝と中心孔とを繋ぐ排出路とが形成されていてもよい。
【００２５】
この場合、回転軸の空洞部に供給された冷却媒体を、取付部材の環状の溝から排出することができる。このため、たとえば溝の幅などを調整することで、当該溝とハウジングまたはスリーブの表面との間にシール部を構成することができる。この結果、当該シール部により、ハウジング内の回転軸とスリーブとの間に形成された気体軸受部に異物が入ることを抑制できる。また、取付部材の外周部から外側に向かって直接冷却媒体を噴出する形態より、当該冷却媒体の排出に伴う騒音の発生を抑制できる。
【００２６】
上記気体軸受スピンドルは、回転軸の開口が形成された端部に接続され、回転軸より幅の広い取付部材を備えていてもよい。取付部材には、回転軸の開口と繋がる中心孔と、当該中心孔と、回転軸の中心軸からみて半径方向における取付部材の外周部において、ハウジングおよびスリーブに面する表面において中心孔を囲むように環状に配置された複数のノズル孔と、ノズル孔と中心孔とを繋ぐ排出路とが形成されていてもよい。
【００２７】
この場合、回転軸の空洞部に供給された冷却媒体を、取付部材のノズル孔から排出することができる。このため、当該ノズル孔とハウジングまたはスリーブの表面との間にシール部を構成することができる。この結果、当該シール部により、ハウジング内の回転軸とスリーブとの間に形成された気体軸受部に異物が入ることを抑制できる。
【００２８】
上記気体軸受スピンドルでは、取付部材の排出路は中心孔を中心として回転軸の半径方向に延びるように、放射状に複数形成されていてもよい。この場合、排出路の形成により取付部材の回転特性が劣化することを抑制できる。
【００２９】
上記気体軸受スピンドルにおいて、回転軸の空洞部は、回転軸において開口が形成された側と反対側の端部に形成された後端側開口に連なるように形成されていてもよい。上記気体軸受スピンドルは、後端側開口に着脱可能に固定され、ノズル孔を有するブッシュ状部材をさらに備えていてもよい。この場合、ノズル孔の径や長さを適切に設定したブッシュ状部材を選択して回転軸に設置することにより、当該回転軸の後端側から排出される冷却媒体の流量を調整することができる。この結果、回転軸全体を偏り無く冷却できるように、冷却媒体の流れの状態を調整することができる。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によれば、回転軸の回転精度を良好に保つことが可能な気体軸受スピンドルを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。
【００３２】
（実施の形態１）
図１は、本発明の一実施の形態である実施の形態１の気体軸受スピンドルの断面模式図である。図１を参照して、本発明の実施の形態１における気体軸受スピンドルを説明する。
【００３３】
ここでは、図１に示すように、本発明による気体軸受スピンドルを加工機のワークスピンドルに適用した場合を例に説明する。図１に示した気体軸受スピンドルでは、静圧気体軸受スピンドルであって、スリーブ３、４がハウジング２に対して適宜の手段で固定されている。スリーブ３は円筒状の形状を有する。そして、当該スリーブ３の内径側には回転軸１が挿入されている。当該回転軸１の先端側には円形の取付板１２が接続されている。回転軸１は、回転軸１の他の部分より半径が大きくなっている、フランジ状のスラスト板１ｄを含む。スラスト板１ｄの平面形状は円形状である。スリーブ３の取付板１２側（以下、開口側または前方側とも言う)、及び当該前方側と反対側（以下、後方側とも言う）にはラジアル軸受部１１ａ、１１ｂが形成される。具体的には、スリーブ３において、回転軸１と微小隙間を介して対向するスリーブ軸受面に開口する複数個の微細な給気孔３ｂが、円周方向において等間隔に配置されている。当該複数個の給気孔３ｂは、スリーブ３の内周面（軸受面）において円周方向に二列に並ぶように配置され、給気孔列を形成している。なお、回転軸１の外周面には、スリーブ３に形成された二列の給気孔列と対向する位置に軸受剛性を高めるために円周溝(図示せず)が設けられてもよい。
【００３４】
また、上記後方側のラジアル軸受部１１ｂのさらに後方に、スラスト軸受部３ａ、４ａが形成されている。当該スラスト軸受部３ａ、４ａを構成するスリーブ３、４は、スラスト板１ｄと微小な隙間を介して対向するように配置されている。スリーブ３、４には、スラスト軸受部３ａ、４ａを構成する軸受面（スラスト板１ｄと対向する面）に開口する複数個の微細な給気孔３ｃ、４ｃが形成されている。当該複数の給気孔３ｃ、４ｃは、回転軸１の中心軸を囲むように、円周方向等間隔に配置されている。つまり、給気孔３ｃ、４ｃは、円周上一列の給気孔列をそれぞれ構成する。このスラスト軸受部３ａ、４ａにおいても、静剛性を上げるために、スリーブ３、４に形成された給気孔列の給気孔３ｃ、４ｃを連結するように、スラスト板１ｄ又はスリーブ３、４に円周溝を設けてもよい。
【００３５】
上記の静圧気体軸受（ラジアル軸受部１１ａ、１１ｂおよびスラスト軸受部３ａ、４ａ）を具備する気体軸受スピンドルでは、回転軸１と同軸上に駆動源及び回転位置を検出するエンコーダ２０が設けられている。駆動源は回転軸１に一体に取り付けられたモータロータ９ａと、これに対向したモータステータ９ｂとによって構成される。駆動源はこのような構成を備えることによって、相互に作用する電磁力により発生する駆動力によって回転軸１を回転させる。
【００３６】
上記回転軸１の中心部にはハウジング開口部側（取付板１２が設置された側）から上記スラスト板１ｄの方向に向けて、先止りの空洞１ｂが形成されている。また上記ラジアル軸受部１１ａ、１１ｂの間の軸方向中間部には、回転軸１の側面とスリーブ３の内周面との間に、上記ラジアル軸受部１１ａ、１１ｂと同程度の隙間を形成することが好ましい。また、当該軸方向中間部の中央には、上記回転軸１の外周面またはスリーブ３の内周面に円周溝１ａが形成されている。回転軸１には、円周溝１ａと上記空洞１ｂを連通する複数の孔１ｃが形成されている。当該孔１ｃは、回転軸１の中心軸から半径方向に放射状に延びるように形成される。また、当該孔１ｃは、回転軸１の中心軸に対して軸対称の位置に設けられている。また、上記円周溝１ａに向けてスリーブ３の内周面に開口している開口部と連結するように、冷却媒体の供給路２ｂがハウジング２及びスリーブ３に形成されている。
【００３７】
上記回転軸１の回転軸前方端には、上述のようにワーク（被加工物）を把持するチャックやワークを搭載する搭載板を取付けるための取付板１２が設置されている。当該取付板１２は回転軸１の外径より直径の大きい円形状である。取付板１２は、上記ハウジング２及びスリーブ３の取付板１２に面する表面（開口部端面）から所定の隙間を設けて設置されている。
【００３８】
この取付板１２の中心部には、上記回転軸１の中心部に形成された空洞１ｂに連通する先止まりの中心孔１２ａが設けられている。取付板１２では、さらにこの中心孔１２ａに連通し、回転軸１の中心軸に対して軸対称の位置に、複数個の放射状の排出路１２ｂが設けられている。
【００３９】
なお、取付板１２の外周部では、この放射状に設けた排出路１２ｂの先端部において、斜前方（回転軸１から離れる前方方向であって、回転軸１の中心軸と交差する方向）に向けて排出孔１２ｃが形成されている。つまり、図１に示した気体軸受スピンドルでは、回転軸１の開口が形成された端部に接続され、当該回転軸１より幅の広い取付部材としての取付板１２を備える。取付板１２には、回転軸１の開口と繋がる中心孔１２ａと、当該中心孔１２ａと、回転軸１の中心軸からみて半径方向における取付板１２の外周部に形成された排出口としての排出孔１２ｃとを繋ぐ排出路１２ｂが形成されている。このため、回転軸１の空洞１ｂから取付板１２の中心孔１２ａ、排出路１２ｂおよび排出孔１２ｃを介して外部へ排出される冷却液などの冷却媒体は、スリーブ３の開口部前方端と取付板１２との間を通りラジアル軸受部１１ａに入り込み難くなっている。
【００４０】
上記気体軸受スピンドルでは、軸受給気口１８から圧縮気体を供給すると、圧縮気体は、ハウジング２に設けられた給気通路２ａを経由して給気孔列の給気孔３ｂ、３ｃ、４ｃからラジアル軸受部１１ａ、１１ｂおよびスラスト軸受部３ａ、４ａの軸受隙間に流入する。この結果、軸受隙間内の圧縮気体の圧力によって径方向及び軸方向に回転軸１の自重や外部負荷に釣り合う軸受反力を生じて、回転軸１は非接触状態で支持される。そして、回転軸１は駆動源としてのモータロータ９ａおよびモータステータ９ｂとを含むモータ部により発生される回転力により回転する。この結果、回転軸１に接続された取付板１２も同様に回転し、ワークや工具など取付板１２に取付けられた部材を高速かつ安定して回転させることができる。
【００４１】
図１に示された気体軸受スピンドルは主に横置きで使用され、冷却媒体は主として冷却された流体（気体又は液体）が使用される。たとえば、ハウジング２およびスリーブ３に形成されている冷却媒体の供給路２ｂに水等の冷却された流体を供給すると、上記円周溝１ａの周囲（回転軸１の中心軸に沿った方向における両側）は微小な隙間となっているため、この隙間を通過してラジアル軸受部１１ａ、１１ｂ側に流出する流体（冷却媒体）の流量は制限される。すなわちこの隙間によって非接触のシール部３０を形成する。このため、供給された冷却媒体の大部分は連通孔１ｃを経由して回転軸１内の空洞１ｂに供給される。
【００４２】
空洞１ｂに流入した流体は、図１に示した気体軸受スピンドルが横置きでもあるため、容易に取付板１２の中心孔１２ａを経由し放射状の排出路１２ｂに導かれる。このとき取付板１２は回転軸１に比較して直径が大きいため、排出路１２ｂの特に外周側では冷却流体に大きな遠心力が働く。この結果、冷却媒体は排出路１２ｂから排出孔１２ｃを介してスムーズに外気に放出されやすい。このため、冷却流体が回転軸１の空洞１ｂ内をスムーズに流れて上記排出孔１２ｃから排出されるので、回転軸１が効率よく冷却される。
【００４３】
なお、円周溝１ａの両側（回転軸１の中心軸に沿った方向における両側）に設けた、シール部３０を構成する上記微小な隙間の大きさは、冷却媒体の粘度と許容できる冷却媒体の漏れ量によって決定することができる。
【００４４】
このように、本発明によう気体軸受スピンドルでは、上記のように回転軸１と非接触の状態を保った上で安定して回転軸１内に冷却媒体を供給でき、回転軸１の高精度な回転に悪影響を及ぼすこともない。
【００４５】
また、図１に示すように、ラジアル軸受部１１ａ、１１ｂと、その中間部（回転軸１の中心軸に沿った方向におけるラジアル軸受部１１ａ、１１ｂの間の領域）に形成されているシール部３０（非接触シール部）との間には、排出路１７ａに連通する排出用の円周溝１５が設けられている。ラジアル軸受部１１ａ、１１ｂおよびスラスト軸受部３ａ、４ａから流出する気体は、軸受端部から直接、または上記円周溝１５を経由して排出路１７ａを介して、または排出路１７ｂを介してハウジング２の外部に排出される。回転軸１とスリーブ３の狭い隙間によるシール部３０から漏れた流体（冷却媒体）も、上記円周溝１５を経由し排出路１７ａを介して外部に排出される。このため、漏れた流体が回転軸１後方のモータ部やエンコーダに付着することはなく、回転軸１の正常な回転が持続出来る。
【００４６】
ここで、上記説明と一部重複数部分もあるが、上述した気体軸受スピンドルの特徴的な構成を要約すれば、この発明に従った気体軸受スピンドルは、図１に示すように、回転軸１と、スリーブ３、４と、ハウジング２とを備える。スリーブ３は、回転軸１の側面の少なくとも一部と隙間を介して対向するように配置される。ハウジング２は、開口部を有し、当該開口部の内部にスリーブ３、４および回転軸１を保持する。回転軸１では、ハウジング２の開口部側の端部に形成された開口に連通する空洞部としての空洞１ｂが形成される。回転軸１の側面および当該側面に対向するスリーブ３の表面の少なくともいずれか一方に、回転軸１の側面を周回する円周溝１ａが形成されている。回転軸１では、円周溝１ａと空洞１ｂとを繋ぐ連通孔１ｃが形成されている。スリーブ３、４およびハウジング２には、円周溝１ａに液体や気体などの冷却媒体を供給する供給路２ｂが形成されている。
【００４７】
このようにすれば、回転軸１の側面側から当該回転軸１の空洞１ｂに冷却媒体を供給できるので、回転軸１の端部（たとえばハウジング２の開口が形成されている先端側と反対側の後端側）から冷却媒体を当該空洞１ｂに供給する場合のように、冷却媒体を空洞１ｂに供給する配管などと回転軸１の端部との接続部から冷却媒体が漏れる、あるいは冷却媒体の反力などが回転軸１に伝わり、回転軸１の回転精度が悪化するといった問題の発生を抑制できる。
【００４８】
また、上記気体軸受スピンドルでは、回転軸１の延在方向において、円周溝１ａを挟むようにシール部３０が形成されている。シール部３０は、回転軸１の側面とスリーブ３の表面との距離が少なくとも回転軸１の半径方向における円周溝１ａの深さより小さくなっている。この場合、円周溝１ａから冷却媒体が回転軸１の側面に沿って漏れる程度を小さくすることができる。また、連通孔１ｃは回転軸１の中心軸に対して点対象となるように複数個形成されている。この場合、回転軸１の回転精度が、連通孔１ｃの形成により悪化することを抑制できる。また、回転軸１の側面とスリーブ３の表面との間では、上記シール部３０を回転軸１の中心軸の延在方向において挟むように静圧気体軸受としてのラジアル軸受部１１ａ、１１ｂが形成されている。この場合、シール部３０を形成することで、冷却媒体がラジアル軸受部１１ａ、１１ｂを構成する隙間に流入する可能性を低減できる。
【００４９】
上記気体軸受スピンドルにおいて、回転軸１の側面および当該側面に対向するスリーブ３の表面の少なくともいずれか一方に、回転軸１の中心軸の延在方向において円周溝１ａを挟む位置に配置され、回転軸１の側面を周回する１組の排出用の円周溝１５が形成されている。スリーブ３およびハウジング２には、排出用の円周溝１５と連通する排出路１７ａが形成されている。この場合、円周溝１５および排出路１７ａを介して、余分な冷却媒体を外部に排出することができる。
【００５０】
図２は、図１に示した気体軸受スピンドルの変形例を示す断面模式図である。図２を参照して、図１に示した気体軸受スピンドルの変形例を説明する。
【００５１】
図２に示す気体軸受スピンドルは、基本的には図１に示した気体軸受スピンドルと同様の構成を備える。ただし、図２に示した気体軸受スピンドルでは、シール部３０において、回転軸１の外周面またはスリーブ３の内周面に、流体動圧発生用の溝としてヘリングボーン溝１６が形成されている。別の観点から言えば、回転軸１の側面および当該側面に対向するスリーブ３の表面の少なくともいずれか一方には、回転軸１の中心軸の延在方向において円周溝１ａを挟む位置に流体動圧発生用の溝形状部としてのヘリングボーン溝１６が形成された部分が配置されている。当該ヘリングボーン溝１６は、回転軸１の中心軸の延在方向に交差する方向に、互いに平行に延びる複数の溝からなる。このようにすれば、たとえば上記円周溝１ａ周囲のシール部３０（隙間）の幅が狭くても、シール部の効果を高めることができる。
【００５２】
（実施の形態２）
図３は、本発明の一実施の形態である実施の形態２の気体軸受スピンドルの断面模式図である。図３を参照して、本発明の実施の形態２における気体軸受スピンドルを説明する。
【００５３】
図３に示した気体軸受スピンドルは、基本的には図１に示した気体軸受スピンドルと同様の構成を備えるが、回転軸１に形成された円周溝１ａに対向するスリーブ３の内周面の領域に、ラジアル軸受部１１ａ、１１ｂでの軸受隙間以上の深さを有する円周状のポケット部３ｄが形成されている点が異なる。つまり、回転軸１の側面および当該側面に対向するスリーブ３の表面の一方（図３では回転軸１の側面）に円周溝１ａが形成され、回転軸１の側面および当該側面に対向するスリーブ３の表面の他方（図３ではスリーブ３の内周面）には、円周溝１ａと対向して円周状に延びるとともに、回転軸１の延在方向において円周溝１ａの幅より広い幅を有するポケット溝としてのポケット部３ｄが形成されている。
【００５４】
また、図３に示した気体軸受スピンドルでは、回転軸１の前方端に設置された取付板１２の底面１２ｄ（取付板１２の表面のうち、ハウジング２側の面）に対向して、ハウジング２の開口部側での端面２ｃに給気ノズル３ｇが回転軸１を囲む円周状に複数個形成されている。また、ハウジング２には、この給気ノズル３ｇに連通する円周溝３ｆと、この円周溝３ｆに気体を供給する給気路３ｅが設けられている。つまり、ハウジング２には、取付板１２の表面と対向する領域に、回転軸１を囲むように環状に配置された複数の給気孔としての給気ノズル３ｇと、給気ノズル３ｇに気体を供給するための供給路としての給気路３ｅとが形成されている。また、ハウジング２において供給路として回転軸１を囲むような円管状の給気溝である円周溝３ｆが形成され、当該円管状の円周溝３ｆに複数の給気ノズル３ｇが繋がっている。
【００５５】
上述したポケット部３ｄのさらに軸端側（回転軸１の中心軸に沿った方向における両端側）には回転軸１の外周面とスリーブ３の内周面間にラジアル軸受部１１ａ、１１ｂと同等の隙間のシール部３０を設け、さらにそのシール部３０とラジアル軸受部１１ａ、１１ｂとの境界部には、排出路１７ａに連通する円周溝１５が形成されている。つまり、１組の排出用円周溝としての円周溝１５は、回転軸１の中心軸の延在方向においてポケット部３ｄを挟むように配置されている。
【００５６】
上述のような構成により、図１または図２に示した気体軸受スピンドルと同様の効果を得ることができる。さらに、以下のような効果も得ることができる。
【００５７】
ここで、気体軸受は圧縮気体を利用して軸受反力を発生させるものであり、流体すべり軸受に比較して減衰性能が劣る。そのため、気体軸受の軸受諸元の選定によっては微小振動が発生しやすい。本実施の形態においては、冷却流体の供給路２ｂに連通する円周溝１ａの両側に広がる浅いポケット部３ｄがスリーブ３の内周面に形成されており、供給路２ｂからこのポケット部３ｄに冷却流体が供給されると、回転軸１の回転に伴ってこのポケット部３ｄにおいて冷却流体の動圧効果が発生する。また、上記冷却流体として非圧縮性の流体（たとえば液体）を用いる場合には、特に減衰性能が向上する。このため、気体軸受スピンドルの動剛性が向上し、回転軸１の振動が大変少ない状態での動作（加工など）が実現できる。
【００５８】
上記ポケット部３ｄの深さは、冷却流体の粘度と必要な減衰特性に基づいて決定することができる。また、図３ではポケット部３ｄをスリーブ３の内周面に形成したが、当該ポケット部を回転軸１の側面に形成してもよい。また、円周溝１ａをスリーブ３の内周面に形成してもよい。なお、上記円周溝１ａに供給された冷却流体は、図１や図２に示された気体軸受スピンドルと同様に、回転軸１内部にも供給され、回転軸１が冷却される。
【００５９】
また、本実施の形態では、上述のように取付板１２の底面１２ｄに対向して、ハウジング２の開口部側の端面２ｃに複数の給気ノズル３ｇ形成されている。このため外部から給気路３ｅに気体が給気されると、上記給気ノズル３ｇから当該気体が取付板１２の底面１２ｄとハウジング２の端面２ｃとの間の隙間に導かれる。この結果、取付板１２の底面１２ｄとハウジング２の端面２ｃとの間で非接触シール部を形成できる。このように非接触シール部が形成されることにより、回転軸１周辺の汚れた油分や水分が、上記取付板１２の底面１２ｄとハウジング２の端面２ｃとの間、及びラジアル軸受部１１ａへ進入することを抑制できる。この結果、上記油分や水分に起因する気体軸受スピンドルの損傷を抑制できる。
【００６０】
なお、上記非接触シール部と前方側のラジアル軸受部１１ａとの間には、ラジアル軸受部１１ａや給気ノズル３ｇからの気体を排気するための排出路３ｈを設けている。この排出路３ｈは排出路１７ａに接続されている。このようにすれば、非接触シール部とラジアル軸受部１１ａ間に圧縮気体が溜り、エアーハンマ等が発生することを防止できる。
【００６１】
（実施の形態３）
図４は、本発明の一実施の形態である実施の形態３の気体軸受スピンドルの断面模式図である。図４を参照して、本発明の実施の形態２における気体軸受スピンドルを説明する。
【００６２】
図４に示した気体軸受スピンドルは、検査装置等においてワークを搭載して高精度に回転する用途等に使用されるものであって、基本的には図１に示した気体軸受スピンドルと同様の構成を備えるが、回転軸１における空洞１ｂの形状および取付板１２の構造が一部異なっている。具体的には、図４に示す気体軸受スピンドルでは、回転軸１の中心部に当該回転軸１を貫通する空洞１ｂが設けられている。また、回転軸１の前方端には上記した実施の形態と同様に、チャックやワーク搭載板を取付けるための円形の取付板１２が設置されている。この取付板１２には、外周近傍において、外周に沿って底面（ハウジング２やスリーブ３に対向する面）から取付板１２の板厚方向に円周溝１２ｅが形成されている。円周溝１２ｅは、取付板１２の板厚方向での厚みのほぼ半分（概略中央）の深さまで延びるように形成されている。また、取付板１２には、中心部に先止りの中心孔１２ａが形成されている。この中心孔１２ａと上記円周溝１２ｅとを繋ぐように、中心孔１２ａを中心として複数の排出路１２ｂが放射状に形成されている。複数の排出路１２ｂは、回転軸１の中心軸に対して軸対称の位置に配置されている。つまり、取付板１２には、回転軸１の開口と繋がる中心孔１２ａと、当該中心孔１２ａと、回転軸１の中心軸からみて半径方向における取付板１２の外周部において、ハウジング２およびスリーブ３に面する表面において中心孔１２ａを囲むように配置された環状の溝である円周溝１２ｅと、円周溝１２ｅと中心孔１２ａとを繋ぐ排出路１２ｂとが形成されている。
【００６３】
図４に示した気体軸受スピンドルにおいては、冷却媒体（冷却流体）として、ボルテックスチューブ（超低温空気発生器）やペルチエ素子等により冷却され、フィルターを通したクリーンな気体が使用できる。上述した実施の形態と同様に、周囲を狭い隙間（シール部３０）で囲まれた円周溝１ａにこの冷却用の気体が供給されると、上記回転軸１中心に設けられた空洞１ｂに連通孔１ｃを介して当該気体が導入される。そして、空洞１ｂに供給された気体の一部は、回転軸１の前部に設置された取付板１２に形成された中心孔１２ａから外周方向に向け放射状に形成された排出路１２ｂを経由し、円周溝１２ｅから外部に排気される。また、空洞１ｂに供給された気体の他の一部は、回転軸１の後端に形成された空洞１ｂの開口より外部に排気される。
【００６４】
図４に示した気体軸受スピンドルでは、回転する取付板１２において、放射状に形成された複数の排出路１２ｂが直接取付板１２の外周面（円周方向の外側）に向けて開口していないため、高速回転する取付板１２において冷却流体が排出される開口部で風切り音等の発生が少ない。また、このような構造とすれば、回転軸１の回転精度に悪影響することなくスムーズに冷却流体を排気することができるとともに、回転軸１の冷却を行なうことができる。
【００６５】
また上述のように使用される冷却流体がクリーンな気体である場合、回転軸１後端から排気された気体がミスト状となり、エンコーダ２０などに付着し悪影響を及ぼすといった可能性を低減できる。さらに、図４に示した構造とすれば、回転軸１の駆動源であるモータや、エンコーダ２０の取付部付近も、回転軸１の内部から冷却できる。
【００６６】
（実施の形態４）
図５は、本発明の一実施の形態である実施の形態４の気体軸受スピンドルの断面模式図である。図５を参照して、本発明の実施の形態４における気体軸受スピンドルを説明する。
【００６７】
図５に示した気体軸受スピンドルは、図４に示した気体軸受スピンドルと同様に、検査装置等においてワークを搭載して高精度に回転する用途等に使用されるものであり、基本的には図１に示した気体軸受スピンドルと同様の構成を備える。ただし、図５に示す気体軸受スピンドルでは、回転軸１における空洞１ｂの形状、回転軸１の後端側の構造および取付板１２の構造が一部異なっている。具体的には、取付板１２において、中心孔１２ａに連通する放射状の排出路１２ｂは先止りとなっている。そして、取付板１２では、排出路１２ｂと連通し、スリーブ３の前方側の端面３ｊに向けてノズル孔１３が複数個設けられている。このノズル孔１３は、放射状の排出路１２ｂに連通して、回転軸１を囲むように取付板１２の外周に沿って円周状に形成されている。つまり、取付板１２には、回転軸１の開口と繋がる中心孔１２ａと、当該中心孔１２ａと、回転軸１の中心軸からみて半径方向における取付板１２の外周部において、ハウジング２およびスリーブ３に面する表面において中心孔１２ａを囲むように環状に配置された複数のノズル孔１３と、ノズル孔１３と中心孔１２ａとを繋ぐ排出路１２ｂとが形成されている。取付板１２の排出路１２ｂは中心孔１２ａを中心として回転軸１の半径方向に延びるように、放射状に複数形成されている。
【００６８】
なお、このノズル１３が形成されることにより、当該ノズル１３から排出される冷却流体（たとえば冷却用の気体）の流量が絞られることになる。このため、回転軸１中心部に設けられた空洞１ｂに連通する回転軸１の後端の開口から、大部分の冷却気体が排出されることになる。このため、回転軸１の後端の開口の内径側に雌ねじを形成する。そして、その中心部に小径のノズル孔を有し、外周部にねじ加工を施したブッシュ状部材２１を、当該開口にねじ込み、着脱自在に取付ける。つまり、回転軸１の空洞１ｂは、回転軸１において開口が形成された側と反対側の端部に形成された後端側開口に連なるように形成されている。上記気体軸受スピンドルは、後端側開口に着脱可能に固定され、ノズル孔を有するブッシュ状部材２１をさらに備える。
【００６９】
そして、上記ブッシュ状部材２１については、ノズル孔径が異なるものを複数種類用意し、適宜取り替えることにより、上記取付板１２に設けたノズル孔１３からの冷却流体の排気量が適切となる、最適なブッシュ状部材２１を選定し、使用することが出来る。このようにすれば、上記取付板１２に設けたノズル孔１３及び上記回転軸１の後方端のブッシュ状部材２１のノズル孔から、冷却気体を偏ることなく排出できるので、回転軸１内部を冷却気体がスムーズに流れ、回転軸１の両端から冷却気体が排気される。このため、回転軸１を効率よく冷却できる。
【００７０】
またノズル孔１３から排気される冷却気体によって、スリーブ３の端面３ｊと取付板の底面１２ｄとの間に非接触シール部を形成できるので、気体軸受スピンドルの使用環境が悪くても、湿気や油分等がラジアル軸受部１１ａに当該シール部から混入するのを防止できる。さらに、上記ノズル孔１３とラジアル軸受部１１ａとの間には、ラジアル軸受部１１ａからの気体が外部に排出されるための排出路３ｈが設けられる。この排出路３ｈは排出路１７ａに接続されている。このため、当該部分で発生するエアーハンマ等を防止できる。
【００７１】
また、図５に示した気体軸受スピンドルでは、上記実施の形態３と同様に、ブッシュ状部材２１のノズル孔を通して回転軸１の後方端から排出される冷却気体をクリーンなものとすれば、エンコーダ２０に水分や油分が付着し悪影響を及ぼすといった問題の発生を抑制できる。また、上記のように回転軸１の後方端から冷却気体が排出されるため、回転軸１のモータ部や、エンコーダ２０の取付部付近も回転軸１内部から冷却できる。
【００７２】
なお、上記の実施の形態では、冷却媒体を供給して回転軸１を冷却する例を示したが、本発明は回転軸１の冷却だけでなく、加熱した媒体を回転軸１の空洞１ｂ内部に供給することによって回転軸１の温度を上昇させることも可能である。つまり、本発明は回転軸１の温度調整（温度制御）に適用できる。たとえば、スリーブ３やハウジング２に温度センサなどを設置し、当該温度センサの出力に応じて回転軸１の空洞１ｂに供給する媒体の温度を制御するようにしてもよい。たとえば、当該温度センサの出力値について設定値範囲を設け、当該設定値範囲より検出温度が高くなれば供給する媒体の温度を下げ、また、検出温度が設定値範囲より低ければ供給する媒体の温度を上げる、といった制御をおこなってもよい。この場合、回転軸１やスリーブ３などの温度を所定の範囲に維持することが可能になる。
【００７３】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
本発明によるスピンドル装置は、軸受として静圧気体軸受を用いたスピンドル装置であって、精密加工機や精密検査装置のワークスピンドル装置または工具スピンドル装置などに使用されるものに有利に適用される。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本発明の一実施の形態である実施の形態１の気体軸受スピンドルの断面模式図である。
【図２】図１に示した気体軸受スピンドルの変形例を示す断面模式図である。
【図３】本発明の一実施の形態である実施の形態２の気体軸受スピンドルの断面模式図である。
【図４】本発明の一実施の形態である実施の形態３の気体軸受スピンドルの断面模式図である。
【図５】本発明の一実施の形態である実施の形態４の気体軸受スピンドルの断面模式図である。
【図６】従来の気体軸受スピンドルを示す断面模式図である。
【符号の説明】
【００７６】
１  回転軸、１ａ  円周溝、１ｂ  空洞、１ｃ  連通孔、１ｄ  スラスト板、２  ハウジング、２ａ  給気通路、２ｂ  供給路、２ｃ  端面、３，４  スリーブ、３ａ，４ａ  スラスト軸受部、３ｂ，３ｃ  給気孔、３ｄ  ポケット部、３ｅ  給気路、３ｆ，１５  円周溝、３ｇ  給気ノズル、３ｈ  排出路、３ｊ  端面、９ｂ  モータステータ、９ａ  モータロータ、１１ａ，１１ｂ  ラジアル軸受部、１２  取付板、１２ａ  中心孔、１２ｂ  排出路、１２ｃ  排出孔、１２ｄ  底面、１２ｅ  円周溝、１３  ノズル孔、１６  ヘリングボーン溝、１７ａ，１７ｂ  排出路、１８  軸受給気口、２０  エンコーダ、２１  ブッシュ状部材、３０  シール部、１１１  回転軸、１１２  空洞部、１１３  開口部、１１４  外周、１１５  外周孔、１２０  気体軸受スピンドル、１２１  ブレード、
１２３  スピンドルハウジング、１２４  ラジアル気体軸受、１２５  スラスト気体軸受、１２６  ビルトインモータ、１２７  被加工物、１２８  保持テーブル。
【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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