(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空軸からなる回転軸を静圧空気軸受で支持し、前記回転軸の孔内に加工用液を流す静圧空気軸受スピンドル装置において、前記回転軸の孔内に、前記加工用液を流す断熱性のある材質の流体配管を挿通し、前記流体配管の外径面を前記回転軸の孔の内径面に接触させたことを特徴とする静圧空気軸受スピンドル装置。
【請求項２】
中空軸からなる回転軸を静圧空気軸受で支持し、前記回転軸の孔内に加工用液を流す静圧空気軸受スピンドル装置において、前記回転軸の孔内に、前記加工用液を流す断熱性のある材質の流体配管を挿通し、前記流体配管の外径面と前記回転軸の孔の内径面との間に熱的なエアギャップとなる空間を設けたことを特徴とする静圧空気軸受スピンドル装置。
【請求項３】
中空軸からなる回転軸を静圧空気軸受で支持し、前記回転軸の孔内に加工用液を流す静圧空気軸受スピンドル装置において、前記静圧空気軸受の設置されたハウジングおよび前記回転軸の温度をそれぞれ検出する複数の温度検出手段を設け、前記ハウジングおよび回転軸のうち、少なくとも回転軸に発熱体を設け、これらハウジングおよび回転軸の温度検出手段から得られる温度検出値に基づいて、前記回転軸とハウジングとに温度差が生じないように、前記ハウジングおよび回転軸の発熱体の温度を制御する温度制御手段を設けた静圧空気軸受スピンドル装置。
【請求項４】
前記静圧空気軸受の設置されたハウジングおよび前記回転軸の温度をそれぞれ検出する複数の温度検出手段を設け、前記ハウジングおよび回転軸のうち、少なくとも回転軸に発熱体を設け、これらハウジングおよび回転軸の温度検出手段から得られる温度検出値に基づいて、前記回転軸とハウジングとに温度差が生じないように、前記ハウジングおよび回転軸の発熱体の温度を制御する温度制御手段を設けた請求項１または請求項２記載の静圧空気軸受スピンドル装置。
【請求項５】
静圧空気軸受が、磁気軸受と一体化されたものである請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の静圧空気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、旋削、研削、ポリシング等の加工装置に装備される静圧空気軸受スピンドル装置に関する。
【０００２】
【従来の技術と発明が解決しようとする課題】
旋削や研削を行う加工用のスピンドル装置では、回転軸を中空軸とし、その孔内にクーラント等の加工用液を直接に流す形式としたものが多い。一方、加工用スピンドル装置において、回転精度の向上等のために、静圧空気軸受が用いられることがある。
しかし、回転軸内に加工用液を流すようにすると、加工用液の温度と雰囲気温度との差により、回転軸とハウジングの温度差が生まれ、これら回転軸とハウジングとに熱膨張の差が生じる。このため、静圧空気軸受で支持する場合、前記温度差により、軸受隙間が変化し、静圧空気軸受の性能を低下させてしまう。
【０００３】
従来、このような温度差による問題を解決するために、回転軸やハウジングの材質に、熱膨張係数の小さい材質、例えばインバー材（商品名）を使用することにより、温度変化があっても、軸受隙間が大きく変化しないようにしたものがある。
しかし、回転軸やハウジングに使用可能で、かつ熱膨張係数が小さいという条件を満たす材質は限られていて、高価なものしかなく、また回転軸やハウジングは、材料使用量も多くなるため、コスト増になる。
【０００４】
この発明の目的は、加工用液の温度と雰囲気温度とに差があっても、軸受性能に影響することを防ぐことができ、かつ低コスト化が可能な静圧空気軸受スピンドル装置を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この発明の請求項１記載のスピンドル装置は、中空軸からなる回転軸を静圧空気軸受で支持し、前記回転軸の孔内に加工用液を流す静圧空気軸受スピンドル装置において、前記回転軸の孔内に、前記加工用液を流す断熱性のある材質の流体配管を挿通し、前記流体配管の外径面を前記回転軸の孔の内径面に接触させたものである。
このように流体配管を断熱性のある材質を使用したため、加工用液の温度と雰囲気温度とに差があっても、クーラント等の加工用液の熱が回転軸に伝わり難く、回転軸とハウジング間の熱膨張差による軸受隙間の変動が少なくなる。このため、前記温度差が軸受性能に影響することが防止される。また、断熱性のある材質の流体配管を用いるだけで良いため、コスト増加が少ない。
【０００６】
この発明において、回転軸の孔の内径面と流体配管との間に空間を設けても良い。このように、断熱性のある流体配管と回転軸の孔の内径面との間に、空間、つまりエアギャップを設けることで、より断熱性が高められ、加工用液の温度と雰囲気温度との差による軸受性能の低下が一層確実に防止される。
【０００７】
この発明の請求項３記載のスピンドル装置は、中空軸からなる回転軸を静圧空気軸受で支持し、前記回転軸の孔内に加工用液を流す静圧空気軸受スピンドル装置において、前記静圧空気軸受の設置されたハウジングおよび前記回転軸の温度を検出する温度検出手段を設け、前記ハウジングおよび回転軸のうち、少なくとも回転軸に発熱体を設け、これらハウジングおよび回転軸の温度検出手段から得られる温度検出値に基づいて、前記ハウジングおよび回転軸の発熱体の温度を制御する温度制御手段を設けたものである。
このように、温度検出手段および発熱体を設けることにより、回転軸とハウジングに温度差が生じないように制御することができ、これによっても、加工用液の温度と雰囲気温度との差による軸受性能の低下が防止される。
【０００８】
この温度検出手段および発熱体を設ける構成は、前記の断熱性のある材質の流体配管を用いる構成や、この流体配管と回転軸の孔の内径面とに空間を介在させる構成と併用することができる。
これにより、断熱性の流体配管から加工用液の低い熱が回転軸に伝わったとしても、回転軸とハウジングとに温度差が生じないように、両者の温度を、発熱体の温度で制御できる。この温度検出手段および発熱体を設ける構成は、流体配管の材質やその外周の空間だけでは解決できない場合に効果的である。
【０００９】
上記各構成の静圧空気軸受スピンドル装置において、静圧空気軸受は、磁気軸受と一体化されたものであっても良い。このように両形式の軸受を併用した場合、静圧空気軸受の優れた動剛性および回転精度と、磁気軸受の優れた静剛性とを併せ持つことができる。この併用した軸受の場合にも、前記の加工用液の温度と雰囲気温度とに差がある場合に、断熱性の流体配管や発熱体の温度制御により、静圧空気軸受の性能低下を防止することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
この発明の一実施形態を図１と共に説明する。この静圧空気軸受スピンドル装置は、ハウジング１に回転軸２を、ラジアル形式の静圧空気軸受３およびアキシャル形式の静圧空気軸受４を介して回転自在に支持したものである。回転軸２は、工具５が着脱可能に取付けられる工具把持部６を先端に有し、モータ７により回転駆動される。モータ７は、ハウジング１内に設けられて回転軸２の一部がロータとなるビルトイン形式のものであっても、ハウジング１の外部に設けられてベルトやギヤ列等の伝達機構を介して回転軸２に回転を伝えるものであっても良い。
【００１１】
ラジアル形式の静圧空気軸受３は、ハウジング１に設けられて回転軸２の外径面との間に軸受隙間ｄ１を形成する円筒面状の軸受面３ａと、この軸受面３ａに開口してハウジング１に設けられた給気用絞り８とで構成される。給気用絞り８は、軸方向に離れた複数個所に設けられている。これら給気用絞り８は、各々独立した複数の静圧空気軸受３を構成するものであっても、一つの静圧空気軸受３を構成するものであってもよい。
アキシャル形式の静圧空気軸受４は、ハウジング１に設けられて回転軸２の鍔状の軸受ロータ部２ａとの間に軸受隙間ｄ２を形成する平面状の軸受面４ａと、この軸受面４ａに開口する給気用絞り９とで構成される。回転軸２の軸受ロータ部２ａは、互いに軸方向に離れた２か所に設けられ、アキシャル形式の静圧空気軸受４は、各々が各軸受ロータ部２ａと対向するように、また互いに静圧の作用方向が反対側に向くように２個所に設けられている。
各静圧空気軸受３，４の給気用絞り８，９には、ハウジング１に設けられた給気路１０、およびその給気入口１１を介して、圧縮空気の供給手段（図示せず）から給気される。
【００１２】
回転軸２は中空軸からなり、その軸心部を貫通した孔１２内に、加工用液を流す流体配管１３が挿通されている。加工用液は、流体配管１３の基端（図の右端）から供給され、先端の工具把持部６から工具５や非加工物に供給される。
流体配管１３は、断熱性のある材質のものであり、例えば合成樹脂、セラミックス、またはゴム等の材質の管が使用される。
【００１３】
この静圧空気軸受スピンドル装置によると、モータ７の駆動により回転軸２が回転させられ、回転軸２の先端の工具５で切削または研削等の加工が行われる。この加工中に、回転軸２内の流体配管１３を通して、クーラント等の加工用液が工具５等に供給される。加工用液は、雰囲気温度よりも温度が低く、そのため回転軸２が加工用液に熱を奪われて温度低下する。
しかし、回転軸２に断熱性の流体配管１３を設けて加工用液を流すようにしたため、加工用液の温度が回転軸２に伝わり難く、回転軸２の温度低下が少ない。そのため、回転軸２とハウジング３間の熱膨張差による軸受隙間ｄ１，ｄ２の変動が少なくなり、軸受性能の低下が防止される。また、断熱性のある材質の流体配管１２を用いるだけで良いため、従来のように回転軸やハウジングに特殊な材質を使用する場合に比べて、コストが大幅に低下する。
【００１４】
流体配管１３は、図２に示すように、回転軸２の内径よりも小径とし、流体配管１３と回転軸２の孔１２の内径面との間に、熱的なエアギャップとなる空間１４を設けても良い。
このように空間を介在させることで、より断熱性の高い構造となり、温度差による軸受性能の低下をより一層確実に防止することができる。
【００１５】
図３は、この発明の他の実施形態を示す。この実施形態は、図２の例において、ハウジング１に温度検出手段である温度センサ１６および発熱体１８を設け、回転軸２にも温度センサ１７および発熱体１９を設け、温度センサ１６，１７から得られる温度検出値を比較して、発熱体１８，１９の温度を制御することにより、ハウジング１および回転軸２の温度を制御する温度制御手段２０を設けたものである。回転軸２の温度センサ１７および発熱体１９の電気配線は、ロータリジョイント２１を介して温度制御手段２０に接続される。
温度センサ１６，１７には、例えば熱電対等が使用される。発熱体１８，１９には、電気ヒータ等が使用される。温度制御手段２０は、静圧空気軸受スピンドル装置の全体を制御するコンピュータ式の制御装置の一部に設けられたものであっても、単独の半導体集積回路等で構成されたものであっても良い。温度制御手段２０は、例えば、ハウジング１と回転軸２の温度が等しくなるように、あるいは所定の温度差となるように、発熱体１８，１９を制御するものとされる。
【００１６】
このように、温度センサ１６，１７および発熱体１８，１９を設けた場合、断熱性の流体配管１３から加工用液の低い温度が回転軸２に伝わったとしても、回転軸２とハウジング１とに温度差が生じないように、両者の温度を、発熱体１８，１９の温度で制御できる。そのため、加工用液の温度が雰囲気温度と著しく違う場合や、断熱性の流体配管１３および空間１４の形成だけでは対処できない場合に有効である。
なお、図３の実施形態において、空間１４を形成せずに、流体配管１３を図１の実施形態と同様に、回転軸２の孔１２の内径面に接するように設けても良く、また流体配管１３を設けずに、回転軸２の孔１２に直接に加工用液を流すようにしても良い。
また、温度検出手段として、温度を直接に検出する温度センサ１６，１７の代わりに、回転軸２の回転数や、負荷、あるいは加工用液の温度等により、間接的にハウジング１や回転軸２の温度を検出する手段を設けても良い。
【００１７】
図４はこの発明のさらに他の実施形態を示す。この実施形態は、回転軸２を支持するラジアル形式の静圧空気軸受３Ａを、磁気軸受３Ｂと一体の複合軸受としたものである。磁気軸受３Ｂは、コア２２およびコイル２３で構成される電磁石からなり、回転軸２に作用する電磁力を制御して回転軸２を浮上支持するものである。コイル２３は樹脂材等の非磁性体２４により覆われている。このコア２２に静圧空気軸受３Ｂの給気用絞り８を設け、コア２２の表面により、静圧空気軸受３Ｂの軸受面３ａを構成している。各コア２２は、ハウジング１Ａに設置されている。
回転軸２は、図１の実施形態と同様に中空軸からなり、その孔１２内に、加工用液を通す断熱性の流体配管１３が挿通されている。
このように、静圧空気軸受３Ａを磁気軸受３Ｂと一体化させたものとした場合にも、加工用液と雰囲気温度との温度差による静圧空気軸受３Ａの軸受性能の低下を、流体配管１３の断熱性で防止することができる。
【００１８】
なお、図４では、アキシャル軸受の図示を省略したが、回転軸２とハウジング１Ａとの間には適宜のアキシャル軸受を設ける。このアキシャル軸受は、図１の例に示したような静圧空気軸受であっても、また磁気軸受であっても、さらに静圧磁気複合軸受であっても良い。また、図４の例において、図２の例と同様に、回転軸２の孔１２の内径面と流体配管１３との間に熱的なエアギャップとなる空間を介在させても良く、また図３の例と同様に温度センサおよび発熱体を設けて温度制御手段により温度制御するようにしても良い。
【００１９】
【発明の効果】
この発明の請求項１記載の静圧空気軸受スピンドル装置は、断熱性のある材質の流体配管を主軸の孔内に挿通し、この流体配管内に加工用液を流すようにし、前記流体配管の外径面を前記回転軸の孔の内径面に接触させたため、加工用液の温度と雰囲気温度とに差があっても、軸受性能に影響することを防ぐことができ、しかも低コストのものとできる。
回転軸の前記孔の内径面と流体配管との間に熱的なエアギャップとなる空間を設けた場合は、より断熱作用を高めることができ、前記温度差による軸受性能の低下を一層確実に防止できる。
この発明の請求項３記載の静圧空気軸受スピンドル装置は、ハウジングおよび回転軸の温度をそれぞれ検出する複数の温度検出手段を設け、かつハウジングおよび回転軸のうえち少なくとも回転軸に発熱体を設け、その温度検出値に基づいて発熱体の温度を制御する温度制御手段を設けたため、回転軸とハウジングに温度差が生じないように制御することができ、加工用液の温度と雰囲気温度との差による軸受性能の低下を防止することができる。また、回転軸およびハウジングに低熱膨張係数の材質を使用する場合に比べて、低コストとすることができる。
この温度制御と断熱性の流体配管とを併用した場合は、加工用液の低温度による軸受性能の低下を一層確実に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態にかかる静圧空気軸受スピンドル装置を模式的に示す断面図である。
【図２】この発明の他の実施形態にかかる静圧空気軸受スピンドル装置を模式的に示す断面図である。
【図３】この発明のさらに他の実施形態にかかる静圧空気軸受スピンドル装置を模式的に示す断面図である。
【図４】この発明のさらに他の実施形態にかかる静圧空気軸受スピンドル装置を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
１…ハウジング                        ８，９…給気用絞り
２…回転軸                            １２…孔
３…ラジアル形式の静圧空気軸受        １３…流体配管
４…アキシャル形式の静圧空気軸受      １４…空間
５…工具                              ３Ｂ…磁気軸受
７…モータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
0003751439.tif 000004
【図４】
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