JP4711044B2 - 主軸装置、加工装置および測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、主軸装置、加工装置および測定装置に関する。詳しくは、軸線を回転軸として回転可能に設けられる主軸と、主軸に着脱可能に取り付けられる加工手段または測定手段とを備え、被加工物の加工または被測定物の測定を行う主軸装置、この主軸装置を備える加工装置および測定装置に関する。

従来、回転可能に設けられる主軸に対して工具、例えば、加工工具や測定工具を取り付けるための機構として、コレットチャックによって工具の後部を把持する構成のもの（例えば、特許文献１参照）、あるいは、主軸の熱膨張を利用して工具を把持する構成のものが知られている（例えば、特許文献２参照）。
特許文献１において、工具は、その後端部にプルスタッドを有し、主軸は、このプルスタッドを把持可能に構成されるコレットチャックを有する。このコレットチャックは、ドローバを主軸の軸線方向に前後進させることによって開閉される。工具を主軸に取り付けるには、コレットチャックが開いている状態でその内部に工具のプルスタッドを挿入した後、ドローバによってコレットチャックを閉じ、コレットチャックによってプルスタッド
が把持されるようにすればよい。また、ドローバによってコレットチャックを開けば、工具を主軸から容易に取り外すことができる。
また、特許文献２においては、主軸の先端に工具を嵌め込むための工具嵌込穴が穿設されている。工具嵌込穴の直径は、室温においては工具のシャンク径よりもわずかに小さく仕上げられているため、工具嵌込穴に嵌め込まれた工具は、主軸によってしっかりと把持される。工具の着脱を行うためには、主軸の工具取付端部である先端部を加熱する。主軸は、工具よりも線膨張係数が大きい材料で構成されており、所定温度まで加熱を行うと、工具嵌込穴の直径が工具のシャンク径よりも大きくなる。そのため、工具を着脱できる。

特開２００３−２９１０４８号公報（第３頁、図１） 特開２００３−１１０３６号公報（第４頁、図１）

特許文献１においては、工具を主軸に対して取り付けるために、主軸にはコレットチャックおよびドローバを、工具にはプルスタッドを設ける必要があり、部品コストあるいは製造コストがかかり、また、構造が複雑化してしまうという問題がある。特に、加工目的に応じた工具が複数種類用意されているような場合には、各工具にそれぞれプルスタッドを設けなくてはならず、製造コストがかかってしまう。
また、特許文献２においては、工具を交換するためには主軸の加熱および冷却を行う必要がある。すなわち、まず、主軸を加熱することによって、工具嵌込穴の直径を大きくし、交換前の工具を取り外し、交換後の工具を工具嵌込穴に嵌め込む。その後、主軸を室温まで冷却することによって、工具嵌込穴の直径を小さくさせ、工具が主軸によってしっかりと把持されるようにする。このように、工具の交換のたびごとに主軸の加熱および冷却を行わなければならず、煩雑であるとともに、交換作業に時間がかかってしまい、生産性が悪い。

本発明の目的は、加工手段または測定手段の着脱機構を簡素化でき、かつ、加工手段または測定手段の交換作業を容易にかつ迅速にできる主軸装置、この主軸装置を備える加工装置および測定装置を提供することである。

本発明の主軸装置は、本体と、この本体に取り付けられ軸線を回転軸として回転可能に設けられる主軸と、この主軸の同軸上に着脱可能に取り付けられる交換部材とを備え、この交換部材は、被加工物の加工を行う加工手段、および、被測定物の測定を行う測定手段、のいずれかとされる主軸装置において、前記主軸および前記交換部材の対向端部の少なくともいずれかは磁石を備え、前記交換部材は、前記磁石の磁力によって前記主軸に取り付けられ、前記本体は、前記主軸の外周面の少なくとも軸方向一部分を覆って形成される第一外周部材と、前記交換部材の外周面の少なくとも軸方向一部分を覆って形成される第二外周部材とを備え、前記主軸の外周面と前記第一外周部材の内周面との間に空気を供給する第一空気軸受が設けられ、前記交換部材の外周面と前記第二外周部材の内周面との間に空気を供給する第二空気軸受が設けられ、前記第一外周部材及び前記第二外周部材に一連となる軸受用縦給気穴が前記主軸の軸方向に延びて形成され、前記軸受用縦給気穴に送り込まれた空気が前記第一空気軸受及び前記第二空気軸受に入り込むことを特徴とする。

この発明では、主軸が回転されると同時に、この主軸に取り付けられている交換部材が回転される。ここで、交換部材が加工手段とされる場合には、被加工物の加工が行われ、また、交換部材が測定手段とされる場合には、被測定物の測定が行われる。
この発明では、交換部材と主軸との間には磁石による磁気吸引力が生じているので、交換部材を主軸に対してある程度近接させれば、交換部材はこの磁気吸引力によって自動的に主軸に吸着される。また、交換部材を主軸から取り外すためには、この磁気吸引力以上の外力をかけて両者を引き離せばよい。
このように、この発明では、主軸および交換部材の対向端部の少なくともいずれかに磁石を設けるだけで交換部材を主軸に対して着脱可能にできる。そのため、従来のコレットチャック機構に比して着脱機構を簡素化でき、また、部品コストおよび製造コストを低減できる。さらに、特許文献２のように交換部材の交換に際して主軸の加熱、冷却を行う必要がないから、交換部材の交換を容易にかつ迅速にでき、生産性、作業性を向上できる。

また、この発明では、第一外周部材によって主軸が回転可能に支持されている。第一空気軸受から供給される空気によって、主軸は第一外周部材の内周面から浮き上がっている。そのため、主軸が回転する際の摩擦抵抗を低減でき、主軸、ひいては、交換部材を滑らかに回転できる。
また、第一空気軸受から供給される空気の量、圧力等を制御することによって、主軸の第一外周部材からの浮上状態を精密に決定できるから、主軸の軸線の位置決め（いわゆる、芯出し）を精密にできる。そのため、本発明によれば、超精密加工あるいは超精密測定に好適な主軸装置を提供できる。

さらに、この発明では、第二外周部材によって交換部材が回転可能に支持されている。第二空気軸受から供給される空気によって、交換部材は第二外周部材の内周面から浮き上がっている。そのため、交換部材が回転する際の摩擦抵抗を低減でき、交換部材、ひいては、主軸を滑らかに回転できる。
また、第二空気軸受から供給される空気の量、圧力等を制御することによって、交換部材の第二外周部材からの浮上状態を精密に決定できるから、交換部材の芯出しを精密にできる。したがって、前記の第一空気軸受に加えて本発明の第二空気軸受を設けることにより、主軸および交換部材の芯出しをよりいっそう精密にでき、超精密加工あるいは超精密測定によりいっそう好適な主軸装置を提供できる。

また、本発明では、前記第二外周部材は、前記第一外周部材に着脱可能に取り付けられることが好ましい。

この発明では、第二外周部材が第一外周部材に対して着脱可能であるので、互いに異なる複数種類の第二外周部材を用意しておき、適宜この中から選択して第一外周部材に取り付けることができる。特に、交換部材の形状に最も良く合った第二外周部材を選択し、第一外周部材に取り付けることができるので、交換部材はこの選択にかかる第二外周部材によって適切に回転可能に支持される。そのため、この発明によれば、交換部材の回転を適切にでき、交換部材による加工、測定を高精度にできる。また、この発明によれば、主軸に取り付けられる交換部材の形状に合わせて適宜第二外周部材を交換することにより、互いに形状が異なる交換部材であっても、これを用いて加工、測定ができる。そのため、様々な形状の交換部材を取り付けて運転できる汎用性の高い主軸装置を提供できる。

また、本発明では、前記主軸および前記交換部材のいずれか一方には凹部が設けられ、前記主軸および前記交換部材のいずれか他方には前記凹部と嵌合される凸部が設けられ、前記凹部および前記凸部の少なくともいずれかは、前記磁石に形成されることが好ましい。

本発明の主軸装置では、主軸と交換部材とが磁石の磁力で結合され、両者の間でトルクの伝達がなされることにより、主軸と交換部材とが一体的に回転されるようになっている。
この発明では、特に、主軸と交換部材とが結合されている状態において、凹部と凸部とが互いに嵌合され、主軸と交換部材との間でトルクの伝達がより適切になされるようになっている。そのため、主軸と交換部材とを確実に一体的に回転させることができ、両者が互いに空回りするのを防止できるから、動作性のよい主軸装置にできる。

また、本発明では、前記主軸の外周、および、前記交換部材の外周、の少なくともいずれかに設けられるタービン翼と、このタービン翼に気体を吹き付ける気体吹付け手段とが設けられることが好ましい。

この発明では、タービン翼によって気体のエネルギーが回転動力に変換され、磁石によって互いに結合された主軸と交換部材とが一体的に回転される。

また、本発明では、前記主軸を、その軸線を回転軸として回転させる電動機が設けられる構成であってもよい。

この発明では、電動機によって発生される動力によって、磁石によって互いに結合された主軸と交換部材とが一体的に回転される。

また、本発明によれば、前記の主軸装置を備える加工装置であって、前記交換部材が被加工物の加工を行う前記加工手段とされることを特徴とする加工装置を提供できる。
この加工装置は、前記の主軸装置を備えているので、この主軸装置について前述した種々の作用効果を奏することができる。

また、本発明によれば、前記の主軸装置を備える測定装置であって、前記交換部材が被測定物の測定を行う前記測定手段とされることを特徴とする測定装置を提供できる。
この測定装置は、前記の主軸装置を備えているので、この主軸装置について前述した種々の作用効果を奏することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
＜第一実施形態＞
図１から図３に本発明の第一実施形態にかかる主軸装置を示す。
図１は、主軸装置全体の構成を示す斜視図である。図２は、主軸装置の主軸１の軸線Ｌおよび一対のタービン用縦給気穴３２４を含む面で切断した場合の縦断面図である。また、図３は、図２におけるＩＩＩ−ＩＩＩ横断面図である。
この主軸装置は、ＮＣ工作機械等の加工装置の一部をなす装置である。後述するように、この主軸装置では、回転可能に設けられる工具２が回転されて被加工物の切削等の加工が行われる。主軸装置は、加工装置に設けられる一または複数の（図示せず）によって移動可能とされており、そのため、主軸装置に設けられる工具２は、被加工物に対して移動可能とされている。このような構成において、工具２は被加工物の表面に沿って移動され、加工がなされる。このときの工具２の送り速度（移動速度）、切り込み量等は、図示しないＮＣ装置によって数値制御されており、加工が適切になされるようにしている。

図１に示すように、この主軸装置は、軸線Ｌを回転軸として回転可能に設けられる主軸１と、主軸１の先端に取り付けられる加工手段としての工具２とを備える。この主軸装置では、同軸上に配置される主軸１と工具２とが一体的に回転され、被加工物の加工が行われる。図１には、工具２の一例として尖端部を有するエンドミルが示されている。工具２は、主軸１に対して着脱可能であり、その時々の加工の目的に最も適した工具を、予め用意された複数種類の工具の中から選択し、主軸１に取り付けることができる。このため、工具２は、本発明の交換部材を構成している。
また、この主軸装置は、主軸１および工具２の外周を覆って形成される厚肉略円筒形状のハウジング３を備える。ハウジング３は、本発明の本体を構成しているとともに、主軸１の外周面の少なくとも軸方向一部分を覆って形成される本発明の第一外周部材と、交換部材としての工具２の外周面の少なくとも軸方向一部分を覆って形成される本発明の第二外周部材とを構成している。ここで、工具２の先端部はハウジング３の外部に突出されており、この先端部を被加工物に当接させて加工を行うことができる。

主軸１は、略円柱形状であり、その外周面から突出して形成される断面円形状の鍔部１１を有する。主軸１の先端には図２に示すように、円形穴１２が穿設されている。ここで、円形穴１２の底面は、サマリウムコバルト磁石あるいはネオジム磁石等の磁力の強い磁石によって形成されている。

工具２は、主軸１と略同径の略円柱形状に形成され、その先端に被加工物の加工を行うための加工部２１を有する。加工部２１は、加工目的に応じて尖端や切刃を含む形状に形成されている。工具２は、加工部２１の形状が互いに異なるものが複数種類用意され、加工目的に応じて最も適当な加工部２１を有する工具２を選択して主軸１に取り付けることによって、被加工物の加工を適切にできる。

工具２は、その後端面から突出して配置される短尺円柱形状の磁石２２を有する。磁石２２は、主軸１の円形穴１２表面と同様、サマリウムコバルト磁石あるいはネオジム磁石等の磁力の強い磁石である。磁石２２の円柱形状における直径は、主軸１の円形穴１２の直径よりも小さくされており、工具２を主軸１に取り付けるために工具２の後端部を主軸１の先端部に接合させると、磁石２２が円形穴１２に嵌り込むと同時に、磁石２２の外周面と円形穴１２の内周面との間には隙間Ｓが形成される。ここで、円形穴１２底面の磁石と磁石２２とは、互いに引き合うように磁極が形成されており、磁石２２が円形穴１２に嵌り込むと、両者は磁気的な引力によって互いに接合される。このように、工具２の後端部を主軸１の先端部に近づけると、両者は磁力によって互いに接合され、工具２が主軸１に取り付けられる。
工具２の後端部寄りの外周には、タービン翼列２３が設けられる。タービン翼列２３は、図３に示すように、工具２の外周面に沿って環状に配設される複数のタービン翼２３Ａによって構成される。

ハウジング３は、図１に示すように、主軸１および工具２の外周を覆って形成される内周側ハウジング３１と、内周側ハウジング３１の外周を覆って形成される外周側ハウジング３２との、内外の２部材によって構成されている。
内周側ハウジング３１は、その中心軸上に断面円形状の貫通孔３１１が穿設され、略円筒形状となっている。貫通孔３１１の上部（図１中）には、主軸１が回転可能に収納され、貫通孔３１１の下部には、工具２が回転可能に収納される。貫通孔３１１上部の内周面には、主軸１を回転可能かつ軸線方向移動不可能に支持するスラスト軸受部３１２が形成される。スラスト軸受部３１２は、主軸１の鍔部１１を支持することにより、主軸１の軸線方向の荷重を支え、主軸１が軸線方向に移動されるのを防止する。

また、内周側ハウジング３１は、工具２の回転数を検出する回転数センサ３１３と、内周側ハウジング３１の内周面と工具２の外周面との間の隙間を検出するギャップセンサ３１４とを有する。
回転数センサ３１３は、工具２のタービン翼列２３と対向される位置に配置される静電容量式のセンサである。各タービン翼２３Ａには、それぞれ、電極が配設されており、これらの各電極と回転数センサ３１３が備える検出電極との間でコンデンサが構成される。工具２を回転させるためにタービン翼列２３が回転されると、このコンデンサの静電容量が変化されるから、この変化を通じて工具２の回転数が検出される。なお、回転数センサ３１３は、静電容量式のものに限らず、例えば、光電式のものであってもよい。
ギャップセンサ３１４は、内周側ハウジング３１の内周面と工具２の外周面との間の隙間の検出を通じて、工具２の姿勢を感知するセンサである。ギャップセンサ３１４は、内周側ハウジング３１の先端付近に配設されている。なお、ギャップセンサ３１４の検出方式は、静電容量式でもよいし、光電式でもよい。

外周側ハウジング３２は、その中心軸上に断面円形状の貫通孔３２１が穿設され、内周側ハウジング３１と同心の略円筒形状となっている。貫通孔３２１には内周側ハウジング３１が収納されている。ここで、外周側ハウジング３２の内周面と内周側ハウジング３１の外周面とは隙間なく密着され、高い気密性が確保されている。

外周側ハウジング３２には、一対の軸受用縦給気穴３２２が、主軸１の軸線Ｌに対して対称な位置に穿設されている。軸受用縦給気穴３２２は、軸線Ｌ方向に平行に形成される穴である。
軸受用縦給気穴３２２の側面には、軸線Ｌに向かう方向に複数（図１では４つ）の横孔３２３Ａ〜Ｄが穿設される。横孔３２３Ａ〜Ｄは、軸線Ｌ方向に垂直な向きに形成される。
内周側ハウジング３１には、横孔３２３Ａ〜Ｄに連続して、横孔３２３Ａ〜Ｄと同方向で、かつ、横孔３２３Ａ〜Ｄよりも小径のラジアル軸受用給気孔３１５Ａ〜Ｄが穿設される。ラジアル軸受用給気孔３１５Ａ〜Ｄの一端は横孔３２３Ａ〜Ｄ内に開口され、また、他端は、内周側ハウジング３１の貫通孔３１１内に開口される。

主軸１の鍔部１１よりも上方（図１中）位置に形成されているラジアル軸受用給気孔３１５Ａの側面には、軸線Ｌ方向と平行なスラスト軸受用給気孔３１６Ａが下方（図１中）に向かって穿設される。スラスト軸受用給気孔３１６Ａの他端は、主軸１の鍔部１１の上面（図１中）に対向される位置において開口されている。
また、主軸１の鍔部１１よりも下方（図１中）位置に形成されているラジアル軸受用給気孔３１５Ｂの側面には、軸線Ｌ方向と平行なスラスト軸受用給気孔３１６Ｂが上方（図１中）に向かって穿設される。スラスト軸受用給気孔３１６Ｂの他端は、主軸１の鍔部１１の下面（図１中）に対向される位置において開口されている。なお、スラスト軸受用給気孔３１６Ｂは、スラスト軸受用給気孔３１６Ａと同一延長線上に形成されている。

以上のような構成において、図１の上方に設けられるコンプレッサ（図示せず）によって加圧された空気を一対の軸受用縦給気穴３２２内に送り込むと、加圧空気は横孔３２３Ａ〜Ｄを経由して、ラジアル軸受用給気孔３１５Ａ〜Ｄに入り込み、ラジアル軸受用給気孔３１５Ａ〜Ｄの他端から主軸１および工具２の外周に吹き付けられる。すると、主軸１および工具２の外周面と内周側ハウジング３１の内周面との間に空気が入り込み、本発明の第一空気軸受および第二空気軸受が構成され、主軸１および工具２が回転される際の摩擦抵抗が極めて小さくなる。そのため、主軸１および工具２の回転を滑らかに、かつ、精密にできる。
また、コンプレッサから各軸受用縦給気穴３２２に供給される加圧空気の量、圧力を前記ＮＣ装置によって数値制御することによって、ラジアル軸受用給気孔３１５Ｃ、Ｄから工具２の外周面に吹き付けられる加圧空気が調整され、工具２の内周側ハウジング３１の内周面からの浮上状態が厳密に決定される。そのため、工具２の芯出しを精密にでき、超精密加工に好適な主軸装置にできる。なお、図２に示されるように、工具２の磁石２２と主軸１の円形穴との間には隙間Ｓが形成されているから、工具２の芯出しを行う際に主軸１が邪魔になることはない。

なお、ラジアル軸受用給気孔３１５Ａ〜Ｄが横孔３２３Ａ〜Ｄよりも小径であるため、空気は、横孔３２３Ａ〜Ｄからラジアル軸受用給気孔３１５Ａ〜Ｄに入り込む際に加圧されている。そのため、高圧の空気をラジアル軸受用給気孔３１５Ａ〜Ｄから主軸１および工具２に吹き付けることができ、摩擦抵抗の低減効果を増大できる。

一方、ラジアル軸受用給気孔３１５Ａに入り込んだ空気の一部は、スラスト軸受用給気孔３１６Ａに入り込み、その他端から主軸１の鍔部１１の上面に吹き付けられる。また、ラジアル軸受用給気孔３１５Ｂに入り込んだ空気の一部は、スラスト軸受用給気孔３１６Ｂに入り込み、その他端から鍔部１１の下面に吹き付けられる。すると、鍔部１１の上下面と、内周側ハウジング３１のスラスト軸受部３１２との間に空気が入り込む。この空気は、主軸１の軸線方向の荷重を支える役割を果たすとともに、主軸１が回転される際の鍔部１１とスラスト軸受部３１２との間の摩擦抵抗を減らす役割を果たす。

また、図２に示されるように、外周側ハウジング３２には、一対のタービン用縦給気穴３２４が、主軸１の軸線Ｌに対して対称な位置に穿設されている。タービン用縦給気穴３２４は、軸線Ｌ方向に平行に形成される穴である。
タービン用縦給気穴３２４の下端部（図２中）近傍の側面には、軸線Ｌに向かう方向に横孔３２５が穿設される。横孔３２５は、軸線Ｌ方向に垂直な向きに形成される。
内周側ハウジング３１には、横孔３２５に連続して、横孔３２５と同方向で、かつ、横孔３２５よりも小径のタービン用横給気孔３１７が穿設される。タービン用横給気孔３１７の一端は横孔３２５内に開口され、また、他端は、工具２のタービン翼列２３と対向される位置に開口される。

図２の上方に設けられる図示しないコンプレッサによって加圧された空気をタービン用縦給気穴３２４内に送り込むと、この加圧空気は、横孔３２５を経由され、タービン用横給気孔３１７の他端からタービン翼列２３に吹き付けられる。ここで、タービン用横給気孔３１７は、本発明の気体吹付け手段を構成している。空気を受けたタービン翼列２３は図３の矢印に示すように回転（図３においては、反時計回り方向に回転）され、それに伴って工具２が回転される。ここで、主軸１と工具２とは磁力によって互いに接合されているから、一体となって回転される。なお、当該コンプレッサから供給される加圧空気の量および圧力は前記のＮＣ装置によって数値制御されており、主軸１および工具２の回転速度の制御がなされている。このとき、前記のように、一対の軸受用縦給気穴３２２内に加圧空気が供給されているため、主軸１および工具２は、摩擦抵抗が少ない状態で滑らかに回転できる。
このように回転されている工具２を被加工面に接触させることによって、被加工面の加工が行われる。工具２として、図１に示されるようなエンドミルを用いれば、被加工面の切削を行うことができる。
なお、タービン用横給気孔３１７が横孔３２５よりも小径であるため、空気は、横孔３２５からタービン用横給気孔３１７に入り込む際に加圧されている。そのため、高圧の空気をタービン用横給気孔３１７からタービン翼列２３に吹き付けることができ、効率よくタービン翼列２３を回転させることができる。

被加工物の加工中に、回転数センサ３１３によって検出される工具２の回転数が所期の回転数よりもずれた場合、回転数センサ３１３は、前記のＮＣ装置に対して補正信号を発信する。この補正信号を受信したＮＣ装置は、数値制御用の数値情報を適宜自動修正して前記コンプレッサから各タービン用縦給気穴３２４に供給される加圧空気の量、圧力を補正し、工具２の回転数を所期の回転数へと調整し、回転数センサ３１３の検出回転数が所期の回転数に等しくなるようにする。このように、工具２の回転数は、常に所期の回転数に保たれるようになっているから、被加工物の加工を精密にできる。

また、被加工物の加工中に、被加工物から受ける負荷によって工具２の姿勢が所期の姿勢からずれ、その軸線が傾くことにより加工精度が悪化してしまうことがある。特に、工具２の送り速度または切り込み量が大きいと、被加工物から工具２にかかる負荷は大きくなり、工具２の軸線の傾きも大きくなる。また、工具２が傾くとそれと一体的に結合されている主軸１の軸線Ｌも所期の方向から傾いてしまう。このようにして主軸１および工具２の軸線の傾きが大きくなると、主軸１または工具２の外周面が内周側ハウジング３１の内周面と接触されるおそれがあり、互いに磨耗してしまうおそれがある。

これに対して、本実施形態では、ギャップセンサ３１４による隙間検出を通じて、工具２を所定の姿勢に保持できるとともに、主軸および工具２と内周側ハウジング３１とが接触して磨耗するのを防止できる。すなわち、工具２の軸線の傾きが大きくなってギャップセンサ３１４で検出される隙間寸法が所定の許容寸法範囲を逸脱すると、ギャップセンサ３１４は、前記ＮＣ装置（図示せず）に補正信号を発信する。この補正信号を受信したＮＣ装置は、数値制御用の数値情報を適宜自動修正することによって、前記コンプレッサ（図示せず）から各軸受用縦給気穴３２２に供給されて工具２の外周に吹き付けられる加圧空気の量または圧力を補正し、あるいは、前記駆動機構によって駆動される工具２の送り速度または切り込み量を補正する。この補正によって、ギャップセンサ３１４における検出隙間寸法が前記許容寸法範囲内の値に修正される。前記許容寸法範囲は、主軸１および工具２が所期の姿勢となるように予め設定されているので、以上のような構成によれば、主軸１および工具２の姿勢を所期の姿勢に保持できて加工精度を良好に保つことができ、また、主軸１および工具２と内周側ハウジング３１との接触が起こらないようにできるので、破損を防止でき、高い安全性を確保できる。

また、本実施形態では、工具２と主軸１との間に磁気吸引力が生じているので、工具２を主軸１に対してある程度近接させれば、工具２はこの磁気吸引力によって自動的に主軸１に取り付けられる。また、工具２を主軸１から取り外すためには、この磁気吸引力以上の外力をかけて両者を引き離せばよい。このように、本実施形態によれば、工具２を主軸１に対して容易に着脱できるから、工具２の交換を容易にかつ迅速にでき、生産性、作業性を向上できる。

＜第二実施形態＞
次に、本発明の第二実施形態にかかる主軸装置について説明する。
なお、前記第一実施形態における構成要素と同一または対応する構成要素については、第一実施形態における符号と同一の符号を付し、その説明を省略または簡略にする。
図４および図５に本実施形態にかかる主軸装置が示されている。図４は、主軸１を含む面で切断した場合の縦断面図（図５におけるＩＶ−ＩＶ断面図）である。図５は、図４におけるＶ−Ｖ断面図である。

この主軸装置は、主軸１と、主軸１に着脱可能に取り付けられる工具２と、主軸１および工具２の外周を覆って形成されるハウジング３とを有する。
主軸１と工具２とは、主軸１の先端（図４では左端）に設けられる磁石１３の磁力によって互いに結合される。工具２の後端部は、磁石１３と磁気的に引き合うように磁石あるいは鉄等の強磁性体によって形成されている。磁石１３には、輪郭が多角形状に形成される多角形穴１３１が穿設されている。この多角形穴１３１は、本発明の凹部を構成している。一方、工具２の後端には、この多角形穴１３１と略同形状に形成され、多角形穴１３１と嵌合可能な多角形凸部２４が設けられている。工具２を主軸１に取り付ける際には、多角形穴１３１と多角形凸部２４とが互いに嵌合されるとともに、磁石１３による磁力によって両者は互いに結合される。多角形穴１３１と多角形凸部２４とが互いに嵌合されることによって、主軸１と工具２との間で回転トルクの伝達が良好になされるから、主軸１と工具２とは互いに空回りすることなく、一体的に回転できる。また、多角形穴１３１と多角形凸部２４とが互いに嵌合されることによって、主軸１に対する工具２の位置関係が一義的に定まるから、工具２の位置決めを精密にでき、加工精度を向上できる。

前記第一実施形態においてはタービン翼列２３が工具２の外周に設けられていたが、本実施形態においては、タービン翼列１４が主軸１における鍔部１１の外周側面に設けられている（図５参照）。図示しないコンプレッサから図４に示すタービン用給気口３３内に供給された加圧空気は、主軸１と同心のリング状に形成される通気路３４内に入り込む。リング状通気路３４の側面には、図５に示すように、複数（図５では４つ）の空気噴出孔３５が穿設されており、加圧空気は、この空気噴出孔３５を通じてタービン翼列１４を構成する個々のタービン翼１４Ａに吹き付けられる。すると、タービン翼列１４において主軸１を回転させるための回転動力が生じ、主軸１が回転されるとともに、主軸１と一体的に回転可能な工具２も回転される。
なお、このとき、各ラジアル軸受用給気孔３１５（図４参照）および各スラスト軸受用給気孔３１６から、主軸１および工具２の外周面に加圧空気が吹き付けられており、空気軸受が形成されている。そのため、主軸１および工具２は、摩擦抵抗が著しく低減された状態で回転できるから、動作性のよい主軸装置を提供できる。また、各ラジアル軸受用給気孔３１５から主軸１および工具２の外周面に吹き付けられる加圧空気の量、圧力をＮＣ装置によって数値制御することによって、主軸１および工具２のハウジング３の内周面からの浮上状態が厳密に決定される。そのため、主軸１および工具２の芯出しを精密にでき、超精密加工に好適な主軸装置にできる。

図４に示されるように、ハウジング３は、主軸１の外周を覆う第一外周部材としての主軸用ハウジング３Ａと、主軸用ハウジング３Ａに着脱可能に取り付けられ、工具２の外周を覆う第二外周部材としての工具用ハウジング３Ｂとによって構成される。主軸用ハウジング３Ａは、主軸１を内部に収納するための主軸収納孔３１Ａを有し、また、工具用ハウジング３Ｂは、工具２を挿入、装着するための工具装着孔３１Ｂを有する。
本実施形態では、互いに径が異なる複数種類の工具２が用意されており、それに対応して、工具用ハウジング３Ｂも、互いに工具装着孔３１Ｂの径が異なる複数種類のものが用意されている。被加工物の加工の際には、まず、その加工目的に照らして最も適切な工具２を選択すると同時に、この選択にかかる工具２にあった工具装着孔３１Ｂ径を有する工具用ハウジング３Ｂを選択する。そして、この選択にかかる工具用ハウジング３Ｂを主軸用ハウジング３Ａにねじ３６によって取り付け、その後、工具装着孔３１Ｂにこの選択にかかる工具２を挿入し、工具２を主軸１に取り付ける。このようにすれば、工具２は、工具用ハウジング３Ｂによって適切に支持され、滑らかに回転できるから、加工を適切に行うことができる。
工具２を径の異なるものに交換する場合には、それに合わせて、工具用ハウジング３Ｂの交換を行えばよい。このように、本実施形態の主軸装置では、被加工物の加工に当たって、適切な径の工具２を適宜選択できるから、使い勝手がよい。また、適宜工具用ハウジング３Ｂの交換を行えば、互いに径の異なる工具であっても、これを用いて加工を行えるので、汎用性の高い主軸装置にできる。

＜第三実施形態＞
続いて、本発明の第三実施形態として、本発明の主軸装置を備える加工装置としてのＮＣ加工機械について説明する。なお、前記各実施形態における構成要素と同一または対応する構成要素については、前記各実施形態における符号と同一の符号を付し、その説明を省略または簡略にする。
図６は、本実施形態に係るＮＣ加工機械を示す斜視図である。この図において、本発明の主軸装置は、符号４１８で示される後述するスピンドルヘッドに用いられている。

本実施形態に係るＮＣ加工機械４は、ＮＣ装置により制御される工作機械であって、ベース４１と、このベース４１上に設置された機械本体４１１と、この機械本体４１１の駆動を制御するＮＣ装置４３とを備える。

前記機械本体４１１は、前記ベース４１の上面にレベラなどを介して据え付けられたベッド４１２と、このベッド４１２の上面に前後方向（Ｙ軸方向）へ移動可能に設けられたテーブル４１３と、前記ベッド４１２の両側に立設された一対のコラム４１４，４１５と、この両コラム４１４，４１５の上部間に掛け渡されたクロスレール４１６と、このクロスレール４１６に沿って左右方向（Ｘ軸方向）へ移動可能に設けられたスライダ４１７と、このスライダ４１７に上下方向（Ｚ軸方向）へ昇降可能に設けられたスピンドルヘッド４１８と、前記コラム４１４，４１５間の前面部を覆うように設けられ内部が透視可能でかつ上端を支点として上下方向へ開閉可能なスプラッシュガード４１９とから構成されている。

前記ベッド４１２には、前記テーブル４１３を案内するガイド（図示省略）とともに、テーブル４１３をＹ軸方向へ移動させるＹ軸駆動機構４２１が設けられている。Ｙ軸駆動機構４２１としては、モータと、そのモータによって回転する送りねじ軸とからなる送りねじ機構が用いられている。
前記各コラム４１４，４１５は、側面形状が、上部に対して下部が広くなった略三角形状に形成されている。これにより、下部が安定した構造であるから、スピンドルヘッド４１８が高速回転するものであっても、振動の発生を低減できる。

前記クロスレール４１６には、前記スライダ４１７を移動可能に案内する２本のガイドレール４２３が設けられているとともに、スライダ４１７をＸ軸方向へ移動させるＸ軸駆動機構４２４が設けられている。
前記スライダ４１７には、前記スピンドルヘッド４１８をＺ軸方向へ案内するガイド（図示省略）とともに、スピンドルヘッド４１８をＺ軸方向へ昇降させるＺ軸駆動機構４２５が設けられている。これらの駆動機構４２４，４２５についても、前記Ｙ軸駆動機構４２１と同様に、モータと、そのモータによって回転する送りねじ軸とからなる送りねじ機構が用いられている。

前記スピンドルヘッド４１８は、本発明の主軸装置によって構成されている。スピンドルヘッド４１８は、主軸１（図６では図示せず）を備え、主軸１の先端には工具２が回転可能に取り付けられる。工具２と主軸１とは磁石の磁力によって結合され、互いに着脱可能な構成となっている。なお、主軸１と工具２とは、エアタービンによって一体的に回転できるようになっている。

前記ＮＣ装置４３は、適宜入力された加工プログラムに基づいて前記Ｘ軸駆動機構４２４、Ｙ軸駆動機構４２１、Ｚ軸駆動機構４２５およびスピンドルヘッド４１８を駆動する装置である。

次に、本実施形態の作用を説明する。
被加工物の加工にあたっては、ＮＣ装置４３からの指令によって、テーブル４１３とスピンドルヘッド４１８（主軸装置）とをＸ，Ｙ，Ｚ軸方向へ相対移動させながら、主軸１に装着された工具２によって被加工物を加工する。つまり、テーブル４１３をＹ軸駆動機構４２１を介してＹ方向へ、スピンドルヘッド４１８をＸ軸駆動機構４２４およびＺ軸駆動機構４２５を介してＸおよびＺ軸方向へそれぞれ移動させながら、主軸１に装着された工具２を回転させ被加工物を加工する。

本実施形態によれば、スピンドルヘッド４１８に本発明の主軸装置を利用しているので、この主軸装置について前記各実施形態において述べた作用・効果と同一の作用・効果を奏することができる。

＜第四実施形態＞
続いて、本発明の第四実施形態として、本発明の主軸装置を備える測定装置としての三次元測定機について説明する。なお、前記各実施形態における構成要素と同一または対応する構成要素については、前記各実施形態における符号と同一の符号を付し、その説明を省略または簡略にする。

図７は、本実施形態にかかる三次元測定機を示す正面図である。
本実施形態の三次元測定機５は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向に相対移動可能に設けられるテーブル５１３とスピンドルヘッド５１８とを備えて構成される。テーブル５１３には被測定物が載置される。スピンドルヘッド５１８には本発明の主軸装置が用いられており、その主軸１（図７においては図示せず）の先端には測定手段としての測定プローブ２が回転可能に取り付けられる。測定プローブ２は、予め複数種類のものが用意されており、測定の目的に合わせて適宜選択して主軸１に取り付けることができる。主軸１と測定プローブ２とは磁石の磁力によって互いに結合されており、着脱が容易な構成とされている。すなわち、測定プローブ２を主軸１に近づければ両者は自動的に磁気的引力によって互いに結合され、また、この磁気的引力以上の外力を加えて引っ張れば両者を簡単に引き離すことができる。

被測定物の測定は、測定プローブ２を被測定物に対して適宜相対移動させながら、測定プローブ２を被測定物上の各点に接触させ、この各接触点の位置座標を検出することによって行われる。ここで、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各駆動機構によって測定プローブ２と被測定物とを直線的に相対移動させることもできるし、また、エアタービンや電気モータで測定プローブ２を適宜回転させることにより、測定プローブ２と被測定物とを相対移動させることもできる。Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の各相対移動量は、この各方向ごとに設けられるリニアスケール等によって検出され、また、測定プロ―ブ２の回転数は、例えば図１に示されるような回転数センサ３１３によって検出される。検出されたこの４つの量を基に適宜演算することによって、測定プローブ２と被測定物との接触点の位置座標を正確に算出できるから、これを基にして被測定物の表面形状等の測定を適切にできる。

本実施形態によれば、測定プローブ２を回転可能な構成としたことにより被測定物に対する測定プローブ２の姿勢を適宜調整できるので、使い勝手のよい測定装置を提供できる。また、本実施形態によれば、スピンドルヘッド５１８に本発明の主軸装置を利用しているので、この主軸装置について前記各実施形態において述べた作用・効果と同一の作用・効果を奏することができる。
なお、以上の説明において、測定プローブ２は接触型であるとしていたが、非接触型プローブ、例えば、原子間力顕微鏡における探針、合焦点式変位検出器における対物レンズ、であってもよい。

なお、本発明は前記の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、前記各実施形態では、主軸１および工具２はタービン翼列に空気が吹き付けられることによって回転されることとしていたが、主軸１および工具２は、電動機で発生される回転動力によって回転される構成でもよい。
ここで、電動機としては、誘導電動機、同期電動機および高周波モータ等が好適であり、毎分１万回転から１０万回転、あるいはそれ以上の回転数が実現可能である。

また、本発明では、主軸１と工具２とが磁石の磁力によって連結されていればよく、磁石は主軸１および工具２のいずれか一方に設けられていれば十分である。ここで、主軸１および工具２のいずれか他方は、磁石を有する必要はなく、例えば、鉄、ニッケル、コバルト等の強磁性体によって構成されていてもよい。要するに、前記の磁石との間に磁気的な引力を生ずる物質によって構成されていればよい。
ここで、主軸１および工具２のいずれか一方のみが磁石を備える構成とする場合には、磁石は主軸１に設けられるのが好ましい。工具２は前記の通り複数種類用意されているから、各工具２に磁石を設けるとするとその分だけ高価になってしまうが、主軸１に磁石を設けることとすれば磁石は一つで済むので安価にできる。
なお、本発明において、主軸１および工具２の双方が磁石を備える構成でもよいのはもちろんである。

また、前記第二実施形態においては、磁石１３に輪郭多角形状の穴１３１が設けられ、工具２の後端に輪郭多角形状の凸部２４が設けられることによって、穴１３１と凸部２４とが嵌合され、主軸１と工具２との間でトルクの伝達が適切になされるようになっていた。これに対して、本発明では、穴１３１および凸部２４の輪郭形状は円形状でなければどのような形状でもよく、多角形状に限らず、例えば、楕円形状であってもよい。また、穴１３１および凸部２４の輪郭形状が円形状であっても、この円形状の中心が主軸１の回転中心と一致していなければ、すなわち、この円形状の中心が主軸１の回転中心に対して偏心していれば、本発明の技術的範囲に含まれる。以上のような構成によれば、穴１３１および凸部２４が嵌合された状態で、主軸１および工具２との間のトルクの伝達が適切になされ、主軸１および工具２とは一体的に回転できる。

また、前記第二実施形態においては、主軸１と工具２との間でトルクの伝達が適切に行われるように、磁石１３に穴１３１を、工具２の後端に穴１３１と嵌合する凸部２４を設けていたが、本発明では、穴１３１および凸部２４を設ける代わりに、例えば、磁石１３の表面に平面波状あるいはジグザグ状の一方の凹凸を設けるとともに、工具２の後端に当該一方の凹凸と嵌合可能な他方の凹凸を設けてもよい。
このような構成によれば、主軸１と工具２とが結合されている状態においては、磁石１３表面における一方の凹凸と、工具２後端の他方の凹凸とが嵌合され、両者の間で滑りが生じにくくなっている。そのため、主軸１と工具２との間のトルクの伝達が適切になされるようにできるから、主軸１と工具２とが互いに空回りしてしまうようなこともなく、主軸１と工具２とを一体的に回転させることができ、動作性のよい主軸装置にできる。
また、磁石１３表面における一方の凹凸と、工具２後端の他方の凹凸とを嵌合させることにより、工具２の主軸１に対する位置関係を一意的に決定できるから、工具２の位置決めを精密にでき、被加工物の加工を高精度にできる。
また、逆に、工具２の位置決めを精密に行うためには煩雑な作業をする必要はなく、一方の凹凸と他方の凹凸とが互いに嵌合されるように工具２を主軸１に取り付けるだけでよいから作業を簡単にできる。
なお、一方および他方の凹凸は、平面波状あるいはジグザグ状であるとしていたが、これに限らず、主軸１と工具２との間のトルクの伝達が適切になされる形状であればどのような形状でもよい。

また、前記各実施形態では、タービン翼列を回転させるという目的と、空気軸受（エアベアリング）を構成して主軸１および工具２を滑らかに回転させるという目的との二つの目的のために主軸装置に加圧空気を供給していた。ここで、この加圧空気の供給を一つのコンプレッサによって行う構成とすれば、コンプレッサを二つ設ける必要がないから部品点数を減少でき、安価な主軸装置を提供できる。

また、例えば前記第一実施形態においては、主軸１および工具２の回転時の摩擦抵抗を低減させるという目的と、主軸１および工具２を所期の姿勢に保持し加工精度を高度に維持させるという目的との二つの目的のために、共通のラジアル軸受用給気孔３１５Ａ〜Ｄから主軸１および工具２の外周面に加圧空気を吹き付けていたが、本発明では、前記の各目的ごとに別々の給気孔を設けて当該各給気孔から加圧空気を吹き付ける構成としてもよい。このような構成によれば、前記の一方の目的のための給気孔から供給される加圧空気の量または圧力と、他方の目的のための給気孔から供給される加圧空気の量または圧力とを、ＮＣ装置等による数値制御等によって各々個別に適宜設定できるので、前記両目的を達成するために好適な主軸装置とできる。

また、前記第二実施形態では、主軸１と工具２との間のトルク伝達用の凹凸（図４における多角形穴１３１等）を磁石に形成させていたが、本発明では、トルク伝達用の凹凸は主軸１と工具２とが当接される部分において形成されていればよく、必ずしも磁石上に形成させる必要はない。

また、前記各実施形態では、主軸１と工具２とを互いに接合させるための磁石としてサマリウムコバルト磁石等の永久磁石を用いていたが、本発明では、電磁石でもよい。工具２を主軸１に取り付ける際には電磁石に電流を流して磁力を発生させて両者を接合させ、また、工具２を主軸１から取り外す際には電磁石の電流を止めた上で両者を引き離すことで、工具２の着脱が行われる。このような構成によれば、工具２を主軸１から取り外す際には磁力が発生していないので、弱い力で両者を引き離すことができ、取り外し作業を簡単にできる。

また、前記各実施形態では、空気軸受（特に、静圧軸受）を構成させることによって、主軸１および工具２の回転を滑らかにすることとしていたが、本発明では、エアベアリングの代わりに磁気軸受を設けてもよいし、エアベアリングと磁気軸受とを併用してもよいし、また、空気磁気複合軸受を設けてもよい。

また、前記各実施形態では、ハウジング３は、主軸１および工具２の外周面を覆って形成されていたが、本発明では、ハウジングは主軸の外周面を覆って形成されていればよく、必ずしも工具の外周面を覆って形成されている必要はない。このような構成においては、主軸がハウジングによって回転可能に支持されるとともに、主軸とハウジングとの間に構成される空気軸受（エアベアリング）によって主軸は滑らかに回転できる。主軸と工具とは一体的に回転されるので、主軸が滑らかに回転されれば、工具も滑らかに回転される。そのため、加工精度を良好に保つことができる。

本発明は、フライス盤、ボール盤、中ぐり盤または研削盤等の種々の工作機械に利用できるとともに、門型フレームを有し加工ワークの測定を行う三次元測定機等の種々の形状測定機にも利用できる。

本発明の第一実施形態にかかる主軸装置を示す斜視図。 前記第一実施形態にかかる主軸装置の縦断面図。 前記第一実施形態にかかる主軸装置の横断面図。 本発明の第二実施形態にかかる主軸装置を示す縦断面図。 前記第二実施形態にかかる主軸装置の横断面図。 本発明の第三実施形態にかかるＮＣ加工機械を示す斜視図。 本発明の第四実施形態にかかる三次元測定機を示す正面図。

符号の説明

１…主軸
２…工具、測定プローブ
３…ハウジング
３Ａ…主軸用ハウジング
３Ｂ…工具用ハウジング
４…ＮＣ加工機械
１３…磁石
１４…タービン翼列
２２…磁石
２３…タービン翼列
２４…多角形凸部
３５…空気噴出孔
１３１…多角形穴
３１５Ａ〜Ｄ…ラジアル軸受用給気孔
３１６Ａ、Ｂ…スラスト軸受用給気孔
３１７…タービン用横給気孔
４１３…テーブル
４１８、５１８…スピンドルヘッド

Claims (7)

1. 本体と、
   この本体に取り付けられ軸線を回転軸として回転可能に設けられる主軸と、
   この主軸の同軸上に着脱可能に取り付けられる交換部材とを備え、
   この交換部材は、被加工物の加工を行う加工手段、および、被測定物の測定を行う測定手段、のいずれかとされる主軸装置において、
   前記主軸および前記交換部材の対向端部の少なくともいずれかは磁石を備え、
   前記交換部材は、前記磁石の磁力によって前記主軸に取り付けられ、
   前記本体は、前記主軸の外周面の少なくとも軸方向一部分を覆って形成される第一外周部材と、前記交換部材の外周面の少なくとも軸方向一部分を覆って形成される第二外周部材とを備え、
   前記主軸の外周面と前記第一外周部材の内周面との間に空気を供給する第一空気軸受が設けられ、
   前記交換部材の外周面と前記第二外周部材の内周面との間に空気を供給する第二空気軸受が設けられ、
   前記第一外周部材及び前記第二外周部材に一連となる軸受用縦給気穴が前記主軸の軸方向に延びて形成され、前記軸受用縦給気穴に送り込まれた空気が前記第一空気軸受及び前記第二空気軸受に入り込むことを特徴とする主軸装置。
2. 請求項１に記載の主軸装置において、
   前記第二外周部材は、前記第一外周部材に着脱可能に取り付けられることを特徴とする主軸装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の主軸装置において、
   前記主軸および前記交換部材のいずれか一方には凹部が設けられ、
   前記主軸および前記交換部材のいずれか他方には前記凹部と嵌合される凸部が設けられ、
   前記凹部および前記凸部の少なくともいずれかは、前記磁石に形成されることを特徴とする主軸装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の主軸装置において、
   前記主軸の外周、および、前記交換部材の外周、の少なくともいずれかに設けられるタービン翼と、
   このタービン翼に気体を吹き付ける気体吹付け手段と、
   が設けられることを特徴とする主軸装置。
5. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の主軸装置において、
   前記主軸を、その軸線を回転軸として回転させる電動機が設けられることを特徴とする主軸装置。
6. 請求項１から請求項５のいずれかに記載の主軸装置を備える加工装置であって、
   前記交換部材が被加工物の加工を行う前記加工手段とされることを特徴とする加工装置。
7. 請求項１から請求項５のいずれかに記載の主軸装置を備える測定装置であって、
   前記交換部材が被測定物の測定を行う前記測定手段とされることを特徴とする測定装置。

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