JP4529129B2 - 静圧空気軸受スピンドル - Google Patents

Description

本発明は、例えば、精密加工機などの高精度回転スピンドルに適し、主軸と軸受間の軸受隙間に圧縮空気を供給することによって主軸を非接触状態で支持する静圧空気軸受スピンドルに関する。

従来、主軸と軸受間に設けた微小な軸受隙間に給気ノズルから圧縮空気を供給することにより、主軸を非接触支持する構成の静圧空気軸受スピンドルは、図７に示すようになっている。なお、図７は従来技術を示す静圧空気軸受スピンドルの側断面図である。

図７において、１はハウジング、２は主軸、２ａはスラストディスク、３、４はそれぞれ反負荷側、負荷側に設けた静圧空気ジャーナル軸受、５、６はそれぞれ反負荷側、負荷側に設けた静圧空気スラスト軸受、７はスペーサ、８は圧縮空気供給路、９はモータ、９ａはモータロータ、９ｂはモータステータ、１０はスリーブ、１１、１２は給気ノズル、１３は排気通路、１５排気隙間、１６、１７、１８は排気経路、１９はモータロータ９ａとモータステータ９ｂ間の磁気的空隙部、２０はバックプレート、２０ａは排気穴である。なお、圧縮空気供給路８および排気通路１３を構成する部品となるハウジング１および静圧空気スラスト軸受５、６並びにスペーサ７の連通部は図示しないＯリングを用いてシールを行っている。

静圧空気軸受スピンドルは、基本的には中空断面を有する円筒状のハウジング１内に収納した主軸２と、主軸２のラジアル方向を支持する２個の静圧空気ジャーナル軸受３、４と、主軸２の負荷側に設けたスラストディスク２ａの径方向に設けてなるスペーサ７の両側を挟み込むように配置され、主軸２のスラスト方向を支持する両面対向形の静圧空気スラスト軸受５、６とで構成されている。静圧空気ジャーナル軸受３、４には、ハウジング１に設けた圧縮空気供給路８と連通する給気ノズル１１が設けられ、静圧空気スラスト軸受５、６には、同様に圧縮空気供給路８と連通する給気ノズル１２が設けられている。また、主軸２の反負荷側端部にはモータロータ９ａが接着などにより一体的に取り付けられている。さらに、該モータロータ９ａと磁気的空隙１９を介してモータステータ９ｂが対向配置されている。該モータステータ９ｂは、ハウジング１に嵌合されたスリーブ１０の内周側に接着などにより一体的に取り付けられており、モータロータ９ａおよびモータステータ９ｂの両者により主軸の駆動原となるモータ９を構成する。

次に動作を説明する。
静圧空気軸受スピンドルにおいて、圧縮空気供給路８に圧縮空気を供給すると、圧縮空気が給気ノズル１１および１２を通過し、主軸軸受部２ｂと静圧空気ジャーナル軸受３、４の間の軸受隙間、スラストディスク２ａと静圧空気スラスト軸受５、６の間の軸受隙間ににそれぞれ流入して気体膜を形成することにより、主軸２はラジアル方向およびスラスト方向に対して非接触で支持される。このように、主軸２は静圧空気軸受により非接触で支持された状態で、モータ９によって直接駆動される。

一方、軸受部に供給される圧縮空気に対して排気される圧縮空気の流れに関しては以下のとおりである。すなわち、負荷側の静圧空気スラスト軸受６に供給された空気の一部は、負荷側の排気隙間１５からハウジング１の外部へ排気される。また、反負荷側の静圧空気スラスト軸受５に供給された空気の一部は排気経路１６を通って排気通路１３を経由し、排気経路１８へ流入すると共に、負荷側の静圧空気ジャーナル軸受４に供給された空気の一部は排気経路１７を通って排気通路１３を経由し、排気経路１８へ流入する。さらに、反負荷側の静圧空気ジャーナル軸受３に供給された空気の一部は直接排気経路１８へ流入する。このように排気経路１８に流入した空気が、磁気的空隙部１９を通過する際に、モータステータ９ｂで発生した熱を強制対流に伴う熱伝達により冷却し、排気穴２０ａを通してハウジング１の外部に放熱している。

ここで、モータステータ９ｂで発生した熱は、前述の磁気的空隙部１９を通過する空気によって奪われる経路以外に、次の２つの経路が存在する。すなわち、モータステータ９ｂで発生した熱がスリーブ１０を介してハウジング１へ熱伝導し、ハウジング１の外面から空気中へ放熱される経路と、モータステータ９ｂで発生した熱が磁気的空隙部１９を介して主軸２へ輻射熱伝達し、主軸２内部全体に広がり、その後、主軸２の軸端面から直接空気中へ放熱されるか、または軸受隙間を介して軸受へ伝達し、ハウジング１を経由して、ハウジング１の外面から空気中へ放熱される経路が存在する。

次に，組立手順を説明する。
まず、反負荷側の静圧空気ジャーナル軸受３をハウジング１の反負荷側から挿入すると共に、負荷側の静圧空気ジャーナル軸受４を負荷側から挿入する。そして、反負荷側の静圧空気スラスト軸受５をハウジング１に取り付け、モータロータ９ａを一体化した主軸２を静圧空気ジャーナル軸受３、４の内部に負荷側から挿入する。さらに、スペーサ７、負荷側静圧空気スラスト軸受６をハウジング１の負荷側に取り付けた後、ハウジング１の反負荷側にモータステータ９ｂを一体化したスリーブ１０を挿入する。最後に、バックプレート２０を取り付ける。なお、主軸２と静圧空気ジャーナル軸受３、４が接触するなどの不具合が発生した場合、静圧空気ジャーナル軸受３、４をハウジング１から取り外して修理を行わなければならない。そのため、静圧空気ジャーナル軸受３、４を取り外す際、特に反負荷側静圧空気ジャーナル軸受３を取り外す際には、スリーブ１０がハウジング１から容易に取り外せることが必要であり、スリーブ１０のハウジング１への取り付けは隙間バメとなっている（例えば特許文献１参照）。
特開２００１−３０４２５９号公報（明細書第４頁、図１）

従来の静圧空気軸受スピンドルにおいては、スリーブ１０を隙間バメでハウジング１に取り付けるため、両部品間には嵌め合い隙間があり、スリーブ１０からハウジング１への熱抵抗が大きくなり、接触熱伝達率が小さくなる。そのため、モータステータ９ｂで発生した熱のうち、スリーブ１０へ伝達する熱量が減少する。ここで、磁気的空隙部１９を通過する空気によって奪われる熱量を一定とすると、主軸２へ伝達する熱量が多くなり、主軸２の温度上昇が大きくなる。その結果、主軸２が熱膨張し、主軸２に工具または加工対象物を取り付けて加工などを行う場合、軸方向に伸びが発生するため、加工精度が低下するという問題が生じた。

本発明は上記問題を解決するためになされたものであり、主軸へ伝達する熱量を少なくし、主軸の軸方向の伸びが少ない静圧空気軸受スピンドルを提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。

請求項１に記載の発明は、圧縮空気の給気通路と排気通路を有する筒状のハウジングと、前記ハウジングに収納された主軸と、前記主軸のラジアル方向を支持する静圧空気ジャーナル軸受と、前記主軸のスラスト方向を支持する静圧空気スラスト軸受と、前記主軸の反負荷側端部に取り付けたモータロータと、前記モータロータと磁気的空隙を介して対向配置されると共に、前記ハウジングの内周側にスリーブを介して取り付けたモータステータと、を備えた静圧空気軸受スピンドルにおいて、前記スリーブの負荷側の端部の外径側に、略リング状に切り欠いた段付部を設けると共に、前記スリーブの段付部と前記ハウジングとの間に囲まれた空間に前記ハウジングの排気通路と連通する空気通路を形成してあり、前記スリーブのハウジングとの対向面側には、前記空気通路と連通し、軸方向に貫通した凹溝を少なくとも1つ設けたことを特徴としている。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１記載の静圧空気軸受スピンドルにおいて、前記段付部は、前記空気通路側から前記主軸側に向かって連通する空気穴を少なくとも1つ設けてあることを特徴としている。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１記載の静圧空気軸受スピンドルにおいて、前記凹溝を円周方向に等間隔に複数個設けたことを特徴としている。
である。

また、請求項４に記載の発明は、請求項２記載の静圧空気軸受スピンドルにおいて、前記空気穴を円周方向に等間隔に複数個設けたことを特徴としている。

また、請求項５に記載の発明は、請求項２または４に記載の静圧空気軸受スピンドルにおいて、前記空気穴は前記凹溝に対して円周方向に沿って異なる角度位置に配置されていることを特徴としている。

また、請求項６に記載の発明は、請求項１に記載の静圧空気軸受スピンドルにおいて、前記スリーブと前記ハウジングとの間に熱伝導グリースを充填したことを特徴としている。

請求項１に記載の発明によると、排気通路を通過した空気は、スリーブの段付部に遮られるため、空気通路を円周方向に広がり、スリーブの凹溝を通過することによって、スリーブの外周を冷却する。このため、モータステータからスリーブへ伝達した熱は、ハウジングへ伝達する他に、凹溝を通過する空気によっても奪われることになり、モータステータからスリーブへ伝達する熱量が従来の場合よりも多くなる。その結果、モータステータから主軸へ伝達する熱量が少なくなるため、主軸の温度上昇が抑えられ、主軸の軸方向の伸びが少ない静圧空気軸受スピンドルを提供することができる。

請求項２に記載の発明によると、モータステータからスリーブへ伝達した熱は、ハウジングへ伝達するか、凹溝を通過する空気によって奪われる他に、段付部の空気穴を通過する空気によっても奪われることになり、モータステータからスリーブへ伝達する熱量が請求項１に記載の発明の場合よりもさらに多くなる。その結果、モータステータから主軸へ伝達する熱量がさらに少なくなるため、主軸の温度上昇も抑えられ、請求項１に記載の発明の場合よりも主軸の軸方向の伸びが少ない静圧空気軸受スピンドルを提供することができる。

請求項３に記載の発明によると、空気が等間隔でスリーブを通過するため、スリーブの外周を均一にムラなく冷却する。このため、モータステータからスリーブへ伝達した熱を効率よく奪うことができ、モータステータからスリーブへ伝達する熱量が、凹溝を不均一に設けた場合よりも多くなる。その結果、モータステータから主軸へ伝達する熱量が少なくなるため、主軸の温度上昇が抑えられ、主軸の軸方向の伸びが少ない静圧空気軸受スピンドルを提供することができる。

請求項４に記載の発明によると、空気が等間隔で空気穴を通過するため、スリーブの段付部を均一にムラなく冷却する。このため、モータステータからスリーブの段付部へ伝達した熱を効率よく奪うことができ、モータステータからスリーブへ伝達する熱量が、空気穴を不均一に設けた場合よりも多くなる。その結果、モータステータから主軸へ伝達する熱量が少なくなるため、主軸の温度上昇が抑えられ、主軸の軸方向の伸びが少ない静圧空気軸受スピンドルを提供することができる。

請求項５に記載の発明によると、凹溝と空気穴の両方へ確実に空気が流れるようになり、モータステータからスリーブの段付部へ伝達した熱を効率よく確実に奪うことができる。

請求項６に記載の発明によると、スリーブとハウジング間の接触熱伝達を向上させることができ、ハウジング外部側に効率よく放熱させることができる。

以下、本発明の実施例を図に基づいて説明する。なお、本発明の構成要素が従来技術と同じものについては同一符号を付してその説明を省略し、異なる点のみ説明する。

図１は本発明の第１実施例を示す静圧空気軸受スピンドルの側断面図、図２は図１のＡ−Ａ線に沿う正断面図、図３は図１における静圧空気軸受スピンドルに使用するスリーブを説明する図であって、（ａ）はその側面図、（ｂ）は（ａ）の矢視Ｂから見た正面図である。

図において、１０ａは段付部、１０ｂは凹溝、１０ｃは突起部である。

本発明が従来技術と異なる点は、以下のとおりである。

すなわち、静圧空気軸受スピンドルにおいては、図１に示すごとく、スリーブ１０の負荷側の端部は、一部が静圧空気ジャーナル軸受３の反負荷側の端部と隣接して連結されると共に，前記スリーブ１０と前記ハウジング１との間に排気通路１３と連通する空気通路１４を形成するよう、外径側を略リング状に切り欠いた段付部１０ａを設けてあり，前記スリーブのハウジングとの対向面側には、前記空気通路と連通し、軸方向に貫通した凹溝１０ｂを少なくとも1つ設けた点である。なお、スリーブ１０は凹溝１０ｂを除いた突起部１０ｃの外周部分をハウジング１に対して隙間バメにより取り付けており、両者の間には，接触熱伝達を向上させる目的で，熱伝導グリ−スを充填している。

ここで、図２および図３に示すように、排気通路１３を通過してくる空気が凹溝１０ｂへ流れやすいように、凹溝１０ｂと排気通路１３は中心軸回りに同じ角度で等間隔で複数個配置されることが望ましい。また、スリーブ１０は熱伝達率を大きくするため、例えばアルミニウム材料Ａ２０１７のような熱伝導率の大きい材料で製作する。

次に、動作について説明する。
各静圧空気軸受から排気される空気の経路は、負荷側の排気隙間１５からハウジング１外部へ排気される経路と、排気経路１８から磁気的空隙部１９、排気穴２０ａを経由してハウジング１外部へ排気される経路の他に、排気経路１６または排気経路１７を経由して排気通路１３へ流入する経路がある。そのうち、排気通路１３に流入した空気は、反負荷側静圧空気ジャーナル軸受３の反負荷側側面とスリーブ１０の負荷側側面およびスリーブ１０の段付部１０ａにより形成される空気通路１４に流入した後、段付部１０ａに遮られるため、空気通路１４に沿って円周方向に広がる。その後、スリーブ１０外周の円周上に１個または複数個設けられた凹溝１０ｂに沿って負荷側から反負荷側へ流れ、排気穴２０ａからハウジング１の外部へ排気される。その際、空気が凹溝１０ｂを通過することによって、スリーブ１０の外周が冷却される。ここで、モータステータ９ｂで発生した熱の経路は、スリーブ１０へ伝達するか、磁気的空隙部１９を介して主軸２へ伝達するか、または磁気的空隙部１９を通過する空気によって奪われるかの３通りである。このうち、スリーブ１０へ伝達した熱は、ハウジング１へ伝達する他に、凹溝１０ｂを通過する強制対流に伴う空気によっても奪われることになり、磁気的空隙部１９を通過する空気によって奪われる熱量が一定の場合、モータステータ９ｂからスリーブ１０へ伝達する熱量が従来の凹溝１０ｂのない場合よりも多くなる。

このように、第１実施例でスリーブ１０を段付形状とすることにより、スリーブ１０の熱伝達率を大きくすることができるため、主軸２へ伝達する熱量を少なくすることができる。その結果、主軸２の温度上昇が抑えられ、主軸２の軸方向の伸びを少なくすることができる。

図４は本発明の第２実施例を示す静圧空気軸受スピンドルの側断面図、図５は図４のＣ−Ｃ線に沿う正断面図、図６は図４における静圧空気軸受スピンドルに使用するスリーブを説明する図であって、（ａ）はその側面図、（ｂ）は（ａ）の矢視Ｄから見た正断面図である。なお、第２実施例の構成要素が第１実施例と同じものについてはその説明を省略し、異なる点について説明する。

図４において、１０ｄは空気穴である。なお、圧縮空気供給路８および排気通路１３を構成する部品の連通部は第1実施例同様に図示しないＯリングでシールしている。

第２実施例が第１実施例と異なる点は、図４乃至図６に示すごとく、スリーブ１０の段付部１０ａに、空気通路１４側から主軸２側に向かって空気が流れるように連通する空気穴１０ｄを設けた点である。

ここで、図５に示すように、凹溝１０ｂと空気穴１０ｄは円周方向に沿って、中心軸回りに異なる角度で、かつ、等間隔で複数個配置されることが望ましい。それは、凹溝１０ｂと空気穴１０ｄが中心軸回りに同じ角度で配置された場合、例えば空気の大部分が凹溝１０ｂへ流れて、空気穴１０ｄへはほとんど空気が流れないということが考えられるため、凹溝１０ｂと空気穴１０ｄ両方へ確実に空気が流れるようにするためである。

次に、動作について説明する。

各静圧空気軸受から排気される空気のうち、排気通路１３を経由して、空気通路１４に沿って円周方向に広がった空気は２つの経路に分かれる。１つ目の経路は、第１従来例で述べた凹溝１０ｂを通過する経路であり、２つ目の経路では、空気はスリーブ段付部１０ａの円周上に１個または複数個設けられた空気穴１０ｄを通過し、排気経路１８、モータス隙間１９を経由して、排気穴２０ａからハウジング１の外部へ排気される。その際、空気が空気穴１０ｄを通過することによって、段付部１０ａへ伝達した熱が奪われる。すなわち、モータステータ９ｂからスリーブ１０へ伝達した熱は、ハウジング１へ伝達するか、第１実施例で述べた凹溝を通過する強制対流に伴う空気によって奪われる他に、段付部の空気穴を通過する空気によっても奪われることになり、磁気的空隙部１９を通過する空気によって奪われる熱量が一定の場合、モータステータ９ｂからスリーブ１０へ伝達する熱量が第１実施例の場合よりもさらに多くなる。

このように、第２実施例でスリーブ１０を段付形状として、空気穴を設ける構成にすることにより、スリーブ１０の熱伝達率を第１実施例の場合よりも大きくすることができるため、主軸２へ伝達する熱量をさらに少なくすることができる。その結果、主軸２の温度上昇が抑えられ、主軸２の軸方向の伸びを少なくすることができる。

静圧空気軸受スピンドル主軸の軸方向の伸びが少なくなるため、精密加工機など運転時の主軸の変位を極力小さくする必要がある装置への適用が可能になる。

本発明の第１実施例を示す静圧空気軸受スピンドルの側断面図 図１のＡ−Ａ線に沿う正断面図 図１における静圧空気軸受スピンドルに使用するスリーブを説明する図であって、（ａ）はその側面図、（ｂ）は（ａ）の矢視Ｂから見た正面図 本発明の第２実施例を示す静圧空気軸受スピンドルの側断面図 図４のＣ−Ｃ線に沿う正断面図 図４における静圧空気軸受スピンドルに使用するスリーブを説明する図であって、（ａ）はその側面図、（ｂ）は（ａ）の矢視Ｄから見た正断面図 従来の静圧空気軸受スピンドルの側断面図

符号の説明

１ ハウジング
２ 主軸
２ａ スラストディスク
２ｂ 主軸軸受部
３ 静圧空気ジャーナル軸受（反負荷側）
４ 静圧空気ジャーナル軸受（負荷側）
５ 静圧空気スラスト軸受（反負荷側）
６ 静圧空気スラスト軸受（負荷側）
７ スペーサ
８ 圧縮空気給気路
９ モータ
９ａ モータロータ
９ｂ モータステータ
１０ スリーブ
１０ａ 段付部
１０ｂ 凹溝
１０ｃ 突起部
１０ｄ 空気穴
１１、１２ 給気ノズル
１３ 排気通路
１４ 空気通路
１５ 排気隙間
１６、１７、１８ 排気経路
１９ 磁気的空隙部
２０ バックプレート
２０ａ 排気穴

Claims (6)

1. 圧縮空気の給気通路と排気通路を有する筒状のハウジングと、
   前記ハウジングに収納された主軸と、
   前記主軸のラジアル方向を支持する静圧空気ジャーナル軸受と、
   前記主軸のスラスト方向を支持する静圧空気スラスト軸受と、
   前記主軸の反負荷側端部に取り付けたモータロータと、
   前記モータロータと磁気的空隙を介して対向配置されると共に、前記ハウジングの内周側にスリーブを介して取り付けたモータステータと、
   を備えた静圧空気軸受スピンドルにおいて、
   前記スリーブの負荷側の端部の外径側に、略リング状に切り欠いた段付部を設けると共に、前記スリーブの段付部と前記ハウジングとの間に囲まれた空間に前記ハウジングの排気通路と連通する空気通路を形成してあり、
   前記スリーブのハウジングとの対向面側には、前記空気通路と連通し、軸方向に貫通した凹溝を少なくとも1つ設けたことを特徴とする静圧空気軸受スピンドル。
2. 前記段付部は、前記空気通路側から前記主軸側に向かって連通する空気穴を少なくとも1つ設けてあることを特徴とする請求項１記載の静圧空気軸受スピンドル。
3. 前記凹溝を円周方向に等間隔に複数個設けたことを特徴とする請求項１記載の静圧空気軸受スピンドル。
4. 前記空気穴を円周方向に等間隔に複数個設けたことを特徴とする請求項２記載の静圧空気軸受スピンドル。
5. 前記空気穴は前記凹溝に対して円周方向に沿って異なる角度位置に配置されていることを特徴とする請求項２または４に記載の静圧空気軸受スピンドル。
6. 前記スリーブと前記ハウジングとの間に熱伝導グリースを充填したことを特徴とする請求項１に記載の静圧空気軸受スピンドル。

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