(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸を駆動するモータと、この回転軸の負荷側に設けられこの回転軸の軸径方向荷重を支持する第一のラジアル軸受と、前記負荷側に対して反対側に設けられた第二のラジアル軸受とで構成される磁気軸受スピンドルにおいて、前記第一と第二のラジアル軸受のロータは夫々、前記回転軸の軸方向に積層された磁性材料で構成され、かつ、前記第一と第二のラジアル軸受の積層された磁性材料のうち、前記第一と第二のラジアル軸受の各単層の軸方向の肉厚が異なること
を特徴とする磁気軸受スピンドル。
【請求項２】
第一と第二のラジアル軸受の回転部は材質の異なる磁性材料より構成されることを特徴とする請求項１記載の磁気軸受スピンドル。
【請求項３】
前記第一のラジアル軸受の回転部の外径は、前記第二のラジアル軸受のそれと比べて大きいこと特徴とする請求項１または２記載の磁気軸受スピンドル。
【請求項４】
前記第一と第二のラジアル軸受の各ロータ部は軸芯部に装着された磁性材料による回転部材から構成されており、かつ前記第一と第二のラジアル軸受のそれぞれの前記軸芯部の外径をｄ1、ｄ2としたとき、ｄ1＞ｄ2であることを特徴とする請求項１または２記載の磁気軸受スピンドル。
【請求項５】
請求項１〜４の何れか一項に記載の磁気軸受スピンドルが搭載されることを特徴とする加工機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、生産加工機械あるいは半導体装置のターボ分子ポンプなどで用いられる磁気軸受スピンドルに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
以下、機械加工における高速スピンドルを例にとり、その課題について説明する。
【０００３】
近年機械加工の分野において、高速切削加工に対する要請が強くなっている。高速切削は生産効率を向上させ、切削抵抗の減少により加工精度の向上と工具の寿命を延ばす、また一体の原料から形状を一気に削り出すことで鋳型などの費用を削減できかつ工程の短縮化がはかれる、などの効果が期待されている。
【０００４】
また最近の製品品質に対する要求は、加工面の品質すなわち形状精度や面粗度だけでなく、加工表面下の欠陥や変質層の有無まで問われるようになってきており、金属除去に伴う発生熱の影響が低く、切削抵抗が小さくできる高速切削の期待が大きい。
【０００５】
加工機の性能を決定的に支配するスピンドルには、従来から主に玉軸受による支持構造が用いられてきた。前述した高速切削の要請に対して、潤滑方式の改良、セラミックス軸受の採用などにより、高速化に応えるための開発がなされている。
【０００６】
一方、磁気浮上により非接触で回転体を支持する能動制御型の磁気軸受スピンドルが、玉軸受方式の限界を超える可能性を持つものとして、近年注目されている。
【０００７】
図３はその磁気軸受スピンドルの一例であり、５００はスピンドルの主軸、５０１はモータロータ、５０２はモータステータである。５０３と５０４はフロント側ラジアル軸受、５０５と５０６はリア側ラジアル軸受、５０７と５０８はスラスト軸受であり、それぞれ回転側のロータと固定側のステータから構成される。５０９，５１０はフロント側とリア側のラジアル変位センサー、５１１はスラスト変位センサー、５１２，５１３は保護ベアリング、５１４はケーシングである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
加工用スピンドルの基本性能は、通常ＤＮ値(主軸径×回転数)の大きさで評価される。玉軸受スピンドルの場合、近年様々な改良がなされているが、機械的な摺動潤滑をともなうために、寿命という点を考慮すれば、実用的にはＤＮ値は250万程度が限界とされている。
【０００９】
一方磁気軸受の場合、半永久的に使用可能である非接触回転の特徴を活かすことにより、玉軸受のＤＮ値を大きく上回るスピンドルが実現できる可能性がある。前述した加工側の高速・高剛性の要請に応えるために、スピンドルの主軸径をより大きく、またより高速で回転させる試みがなされている。大きな主軸径が要望される理由は、主軸径が大きい程、高速時の慣性剛性（主軸の軸中心が一方向を保とうとする力学的効果）が大きく、またより大きな外径の刃具を把持できるからである。
【００１０】
しかし非接触であるがゆえに低損失であると期待された磁気軸受は、高ＤＮ値を追求する取組みの結果、予想外の大きな摩擦損失が生じることが明らかとなった。その主たる要因は、ラジアル軸受の渦電流損によるものである。ラジアル軸受は上下左右の４方向から磁気の力で回転子を吸引して回転子を非接触で中心に保持する。回転子鉄心中の一点は、回転によってたとえばN→S→N→Sと順次に磁束が変化するために、回転子鉄心には変動する誘起起電力が生じて渦電流が流れることになる。この渦電流損を小さくするために、回転子鉄心は、通常薄い電磁鋼板（珪素鋼板）を重ねあわせた積層構造が採用される。
【００１１】
さて渦電流損は、一般に抵抗率に反比例し、同じ材質ならば鉄板の厚さの２乗に比例し、周波数（回転速度）の２乗に比例する。上記おおまかな原則を踏まえて、高ＤＮ値（大きな主軸径と高い回転数）のスピンドルの実現を見込み、磁気軸受の回転部を構成した場合、次のような課題が生じた。
【００１２】
▲１▼渦電流損を低減するために、抵抗率が高く、鉄損が小さく、同じ材質ならば板厚の薄い電磁鋼板を採用した場合、遠心力によって発生する応力に対して、材料の機械的強度の限界から許容回転数に制約が生じた。遠心力によって発生する応力は、回転体の周速で決まるため、ＤＮ値にはおのずと限界が生ずる。
【００１３】
▲２▼逆により高い回転数にまで耐える、同じ材質ならば、板厚が大きく、抵抗率が低く、鉄損が大きい電磁鋼板を採用した場合、大きな渦電流損による発熱によって主軸に異常な温度上昇をもたらした。
【００１４】
この温度上昇は、複合部品により構成される回転主軸の信頼性に多大な悪影響を与えた。磁気軸受の主軸は通常、モータ・磁気軸受の電磁鋼板とそれを側面から締結するリング、スラスト軸受の円盤、主軸内部を利用して設けられたツーリング部材等から構成されるが、高速・高温下の苛酷な条件下において、これらの部品の破壊 変形などのトラブルが発生した。
【００１５】
本発明は、磁気軸受スピンドルの高速・高剛性化（高ＤＮ値化）を図る上で本質的に抱えている上記▲１▼▲２▼の相矛盾する課題に対して、解決策を与えるものである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、回転軸を駆動するモータと、回転軸を駆動するモータと、この回転軸の負荷側に設けられこの回転軸の軸径方向荷重を支持する第一のラジアル軸受と、前記負荷側に対して反対側に設けられた第二のラジアル軸受とで構成される磁気軸受スピンドルにおいて、前記第一と第二のラジアル軸受のロータは夫々、前記回転軸の軸方向に積層された磁性材料で構成され、かつ、前記第一と第二のラジアル軸受の積層された磁性材料のうち、前記第一と第二のラジアル軸受の各単層の軸方向の肉厚が異なるものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の第一実施例の高速磁気軸受スピンドルを示すもので、１はスピンドルの主軸、２はモータロータ、３はモータステータである。４と５はフロント側ラジアル軸受（第一のラジアル軸受）のロータとステータ、６と７はリア側ラジアル軸受（第二のラジアル軸受）のロータとステータである。８と９はスラスト軸受のロータとステータである。１０，１１はフロント側とリア側のラジアル変位センサー、１２はスラスト変位センサー、１３，１４は保護ベアリング、１５はフロントプレート、１６はフロントケース、１７はリアーケース、１８はリアープレートである。
【００１８】
主軸１は、フロント側ラジアル軸受のロータ４（外径：φＤ1）が装着されたフロント部１９、モータロータ２（外径：φＤm）が装着されたモータ部２０、リア側ラジアル軸受のロータ６（外径：φＤ2）が装着されたリアー部２１から構成される。
【００１９】
磁気軸受スピンドルのフロント側とリアー側の電磁石を次のように構成する。
▲１▼フロント側の電磁石部分での主軸径をφＤ1として、その電磁鋼板には鉄損（渦電流損）が大きいが機械的強度が高い材料を用いる。
【００２０】
▲２▼リアー側の電磁石部分での主軸径をφＤ2として、その電磁鋼板には機械的強度は低いが鉄損（渦電流損）も小さい材料を用いる。
【００２１】
▲３▼φＤ1＞φＤ2として、設定回転数の条件下で、遠心力によって発生する応力に耐える範囲内で上記φＤ1、φＤ2の寸法を決定する。
【００２２】
上記構成により高ＤＮ値を維持したままで、磁気軸受の通常の構成方法すなわちフロント側、リアー側とも渦電流損の大きな同一材料を用いた場合と比べて、渦電流損失による発熱を大幅に低減することができる。しかしスピンドルの磁気軸受の静剛性には大きな影響を与えず、最外径のφＤ1とφＤ2を同一に構成した場合と比べて、ほぼ同等の静剛性を得ることができる。その理由は次のようである。加工用スピンドルがツールから受けるラジアル荷重は、二つのラジアル軸受によって配分されて支持される。てこの原理から明らかなように、リアー側のラジアル軸受が受けるラジアル荷重は、フロント側（負荷側）と比べて充分に小さい。したがってリアー側の軸受径：φＤ2を小さくしても、スピンドル本体の静剛性に与える影響は小さくてすむからである。
【００２３】
なお下記の表は、電磁鋼板の遠心力に対する強度と鉄損が相反する関係にあることを示す一例である。
【００２４】
【表１】
0003736104.tif 000002
【００２５】
上記表１において鉄損のW15／50は、周波数５０Herz、最大磁束密度１．５Tのときの損失を示す。
【００２６】
図２は本発明の第二の実施例を示すもので、フロント側とリアー側のラジアル磁気軸受の外径比をさらに大きくして、強度と磁気的損失が相反する性格を持っている電磁鋼板材料の特徴を一層活かすことにより、高速化を図ったものである。
【００２７】
３０、３１はフロント側ラジアル軸受のロータとステータ、３２，３３はリアー側ラジアル軸受のロータとステータ、３４は主軸３５のフロント部、３６はモータ部、３７はリアー部である。
【００２８】
さてラジアル軸受の各ロータ部は、主軸に装着された磁性材料による積層鉄芯から構成されている。この軸受部の剛性は、▲１▼積層鉄心の外径（φＤ1、φＤ2）と半径方向の幅で決まる電磁気的な吸引力、▲２▼主軸の外径（φｄ1、φｄ2）で決まる機械的強度の二つで決定される。通常、積層鉄芯は母体である主軸程は機械的強度は期待できない。そこで、
（１）大きな加工負荷が加わるフロント部３４は、主軸径（φｄ1）を一層大きくする。
【００２９】
（２）加工負荷の小さいリアー部３７は、主軸径（φｄ2）を一層小さくする。
【００３０】
上記(1)(2)により、積層鉄心の外径比（Ｄ1／Ｄ2）も一層大きくできるため、それぞれの電磁鋼板の短所を出さないで長所を活かすことができる。たとえば、フロント側は高強度材料であることを利用して、せいいっぱい外径φＤ1を大きくできる。リアー側は外径φＤ2がさらに小さいため、発生する応力がもっと小さくなることを利用して、より高品位（低発熱）の材料が選べる。
【００３１】
以上要約すれば、第一と第二のラジアル軸受のそれぞれの前記軸芯部の外径をｄ1、ｄ2としたとき、ｄ1＞ｄ2すればよい。
【００３２】
なお本発明が対象とする電磁鋼板とは、珪素鋼板、アモルファス材料など磁気軸受の回転子として用いることのできる磁性材料ならばどんなものでもよい。
【００３３】
また実施例では、加工用スピンドルを例にあげて説明したが、ターボ分子ポンプなどにも本発明を適用できる。この場合、負荷側の軸受とは大きな慣性負荷を持つ、たとえば、回転翼が取り付けられた側を示す。
【００３４】
【発明の効果】
本発明を用いれば、磁気軸受の通常の構成方法すなわちフロント側、リアー側とも渦電流損の大きな同一の電磁鋼板材料を用いた場合と比べて、渦電流損失を大幅に低減するとともに、高いＤＮ値（主軸径×回転数）を実現できる。また二つのラジアル軸受の外径を同一に構成した場合と比べて、スピンドルの剛性には大きな影響を与えない。その結果、主軸の温度上昇を抑制することができ、多くの複合部品で構成されるスピンドルの信頼性を向上させると共に、主軸の軸方向の伸びを押さえ、高い振れ精度を維持できる。
【００３５】
本発明の適用により、磁気軸受スピンドルが本来持っている基本的能力（高速・高剛性）を一層活かした形で高速切削加工の要請に応えることができ、その実用的効果は極めて大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる第一の実施の形態である磁気軸受スピンドルの正面断面図
【図２】本発明の第二の実施の形態の正面断面図
【図３】従来の磁気軸受スピンドルを示す図
【符号の説明】
１        回転軸
４、５    第一のラジアル軸受け
６、７    第二のラジアル軸受け
２，３    モータ部
【図１】
0003736104.tif 000003
【図２】
0003736104.tif 000004
【図３】
0003736104.tif 000005