JP5484315B2

JP5484315B2 - 冷却構造を備える回転テーブル装置

Info

Publication number: JP5484315B2
Application number: JP2010500643A
Authority: JP
Inventors: 繁谷口; 利之浅生; 俊也田中
Original assignee: THK Co Ltd
Current assignee: THK Co Ltd
Priority date: 2008-02-29
Filing date: 2009-02-16
Publication date: 2014-05-07
Anticipated expiration: 2029-02-16
Also published as: CN101959640A; US20110001282A1; WO2009107493A1; DE112009000465T5; JPWO2009107493A1; US8439338B2; TW200944326A

Description

本発明は、工作機械などに用いられる回転テーブル装置および回転ベアリングのうち、冷却構造を備えるものに関する。

近時の工作機械においては、工具を装着する主軸部をＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向に移動させる３軸駆動機構と、被加工物を保持するテーブル等の保持部をＣ軸および／又はＡ軸回りに回転させる回転駆動機構とを備えたものが知られている（例えば、下記特許文献１参照）。かかる工作機械にあっては、一般的に、３軸駆動機構がそれぞれリニアモータによって駆動され、回転駆動機構が中空モータによって駆動されており、特に、回転駆動機構は、中空モータによるダイレクト駆動の作用によって立ち上がり動作が非常に早く、しかもＣ軸およびＡ軸の回転駆動を行うための機構においてプーリ等の伝導部材や減速機構等が不要になるという効果を発揮することができる。

そして、このような回転駆動機構では、被加工物を保持するテーブル等の保持部をＣ軸および／又はＡ軸回りで適切に回転させる必要があるため、上記保持部は回転ベアリングを介して工作機械のベッド等に設置されている。

特開２００４−１３０４６８号公報

ところで、上記保持部は、被加工物の加工のために毎分１０００〜１２００回転程度で回転運動することが求められる一方、被加工物の安定且つ確実な保持のために高い剛性を有していることが求められている。

しかしながら、上記保持部を支承している回転ベアリングにとって、高速回転と高剛性という２つの作用効果を同時に発揮することは、非常に困難なことである。すなわち、高速回転を安定して実現するためには、接触面積が小さいボールを用いた回転ボールベアリングを採用することが好適であるが、工作機械で要求される高い剛性を安定して満足することは、回転ボールベアリングには困難である。一方、工作機械で要求される高い剛性を満足させるために、ボールに比べて接触面積の大きいローラを用いた回転ローラベアリングを採用した場合には、高い剛性は有するものの、ローラの接触面積が大きい故に高速回転による摩擦等の負荷が大きくなり、回転駆動を行う側の部材が発熱するとともに、その熱が回転駆動を行わない側の部材にも伝わってしまうという不具合が生じることになる。

したがって、上記特許文献１等で提案されている従来の多軸駆動の工作機械では、ダイレクト駆動の採用に基づいた作用効果を十分に発揮することができていなかった。

本発明は、上述した課題の存在に鑑みて成されたものであって、その目的は、適切な冷却効果を発揮することが可能な冷却構造を備える回転テーブル装置と冷却構造を備える回転ベアリングとを提供することによって、工作機械などに用いられる回転ベアリングの高速回転化、高剛性化および高耐荷重化を同時に実現することにある。また、本発明は、上記冷却構造を備える回転テーブル装置と上記冷却構造を備える回転ベアリングとを利用することによって、多軸駆動の利点を十分に発揮することのできる工作機械などを得ることを目的とする。

本発明に係る冷却構造を備える回転テーブル装置は、駆動源である中空モータと、前記中空モータによって回転可能とされるテーブルと、前記テーブルの回転運動を支承する回転ベアリングと、を備え、前記回転ベアリングが、内周面に転走面が設けられた外輪と、外周面に前記転走面と対向する転走面が設けられた内輪と、前記外輪の転走面と前記内輪の転走面とで形成される転走路に装填される複数の転動体と、によって構成され、前記内輪又は前記外輪のいずれか一方にヒートシンクが設置され、前記テーブルに送風羽根が設置されていることを特徴とする。

また、本発明に係る冷却構造を備える回転テーブル装置において、前記送風羽根は、前記ヒートシンクと対向する位置に配置されていることとすることができる。

さらに、本発明に係る冷却構造を備える回転テーブル装置において、前記ヒートシンクは、前記内輪又は前記外輪の周面の全周にわたって設置されていることとすることができる。

またさらに、本発明に係る冷却構造を備える回転テーブル装置において、前記送風羽根と前記ヒートシンクは、ラビリンス構造を含む遮蔽部材によって外部と区画された空間内に設置されていることとすることができる。

本発明によれば、適切な冷却効果を発揮することが可能な冷却構造を備える回転テーブル装置と冷却構造を備える回転ベアリングとを提供することができるので、工作機械などに用いられる回転ベアリングの高速回転化、高剛性化および高耐荷重化を同時に実現することができる。また、本発明の冷却構造を備える回転テーブル装置と冷却構造を備える回転ベアリングとを利用することによって、多軸駆動の利点を十分に発揮することのできる工作機械などを得ることができる。

本実施形態に係る冷却構造を備える回転テーブル装置の全体構成を示す正面図である。本実施形態に係る冷却構造を備える回転テーブル装置の具体的な構成を説明するための縦断面図であり、特に、図１におけるＡ−Ａ断面を示している。本実施形態に係る冷却構造を備える回転テーブル装置の具体的な構成を説明するための斜視図であり、特に、テーブルを取り外した状態の回転テーブル装置の上面側を示している。本実施形態に係る冷却構造を備える回転テーブル装置の具体的な構成を説明するための斜視図であり、特に、取り外されたテーブルの裏面側を示している。

符号の説明

５回転テーブル装置、１０中空モータ、１２永久磁石、１３上方部材、１３ａフィン形状、１４下方部材、１６コイル部、１７固定部材、２０テーブル、２１延在部、２２ラビリンス構造、２４空間、２５ボルト、２６送風羽根、３０回転ローラベアリング、３１外輪、３２内輪、３２ａボルト孔、３３ローラ、３６ヒートシンク、４０ブレーキシャフト、４１ブレーキ装置、５０ロータリージョイント、６１固定部材、６２ボルト、α 冷却媒体導入路、β 冷却媒体排出路。

以下、本発明を実施するための好適な実施形態について、図１乃至図４を用いて説明する。なお、以下の実施形態は、各請求項に係る発明を限定するものではなく、また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、本実施形態に係る冷却構造を備える回転テーブル装置の全体構成を示す正面図である。また、図２は、本実施形態に係る冷却構造を備える回転テーブル装置の具体的な構成を説明するための縦断面図であり、特に、図１におけるＡ−Ａ断面を示している。さらに、図３および図４は、本実施形態に係る冷却構造を備える回転テーブル装置の具体的な構成を説明するための斜視図であり、特に、図３はテーブルを取り外した状態の回転テーブル装置の上面側を示しており、図４は取り外されたテーブルの裏面側を示している。ちなみに、本発明の回転ベアリングは、下記の実施形態では、回転テーブル装置５に組み込まれる回転ローラベアリング３０として例示されている。

本実施形態に係る冷却構造を備える回転テーブル装置５は、中空モータ１０、テーブル２０、回転ローラベアリング３０、ブレーキシャフト４０およびロータリージョイント５０なる部材を備えて構成されている。

中空モータ１０は、内方側に回転体であるロータが設置され、外方側に固定体であるステータが設置されるインナーロータ形式のモータであり、その回転駆動力を直接テーブル２０に対して及ぼすことのできるダイレクトドライブモータとして機能する。ロータは、ステータとの対向面に永久磁石１２を備えており、この永久磁石１２が界磁束発生源としての機能を発揮する。一方、ステータ側には、磁界発生源となるコイル部１６が設置されているので、これら永久磁石１２とコイル部１６との作用によって、中空モータ１０の回転駆動が実現されている。なお、ステータは、その下方側が固定部材１７に接合されることによって確実に固定されているので、中空モータ１０の駆動時には、ロータ側のみが安定して回転駆動できるようになっている。

ロータには、永久磁石１２の上部に設置される上方部材１３と、永久磁石１２の下部に設置される下方部材１４とが配設されている。

ロータに設置される上方部材１３の上部には、回転ローラベアリング３０が設置されている。この回転ローラベアリング３０は、内周に２列の転走面が設けられた外輪３１と、外輪３１の内側に配置され、その外周に外輪３１の有する２列の転走面と対向する２列の転走面が設けられた内輪３２と、内外輪３１，３２の転走面間に形成される転走路に装填される複数のローラ３３とから構成されている。

ロータに設置される上方部材１３は、ブレーキシャフト４０の上方でボルト２５によって固定されることとなるテーブル２０と協働して回転ローラベアリング３０の内輪３２を挟み込むことができるようになっており、上方部材１３とテーブル２０とが内輪３２を取り付けるための取付部材として機能するようになっている。つまり、回転ローラベアリング３０の内輪３２は、上方部材１３とテーブル２０との間に挟持されることによって、確実な固定状態を維持されることとなる。

かかる構成を有することにより、中空モータ１０を回転駆動させると、ロータの回転駆動にしたがって回転ローラベアリング３０の内輪３２側も回転するようになっている。つまり、本実施形態の回転ローラベアリング３０は、内輪３２側が回転駆動側として機能する。なお、回転ローラベアリング３０の外輪３１については、工作機械などの設置基準側に対して固定されることとなる固定部材６１に対してボルト６２を利用して確実に固定されているので、中空モータ１０の駆動力は、確実に回転ローラベアリング３０の内輪３２側に伝達されることになる。

なお、ロータに設置される上方部材１３は、回転ローラベアリング３０の内輪３２と接続する箇所にフィン形状１３ａを有しており、回転ローラベアリング３０が高速回転することによって内輪３２側に発生してしまう熱を、そのフィン形状１３ａの作用によって放熱し、冷却効果を発揮できるようになっている。この作用について具体的に説明すると、フィン形状１３ａは、表面積を拡大した形状によって形成されており、熱を奪う空気と広い面積で接触することができるように構成されているので、効果的な熱の放出が可能となっている。また、このフィン形状１３ａは、内輪３２とともに回転するので、回転時には停止時に比べて回転駆動力による放熱効果が向上することとなる。つまり、フィン形状１３ａは、その回転駆動力によっても外部への熱の放出を促進することができるようになっており、かかる構成によっても放熱効率を高めることが可能となっている。

上述したように、回転ローラベアリング３０の内輪３２の上方側には、テーブル２０が設置されている。このテーブル２０は、工作機械で加工される被加工物を保持するための保持部などとして機能する部材であり、中空モータ１０からの回転駆動力を受けて回転することにより、被加工物への加工が施される。なお、テーブル２０は、中空モータ１０との間に設置される回転ローラベアリング３０の支承作用によって、スムーズで安定した回転運動が実現されている。

これも上述したが、テーブル２０の下方側の面の中央部には、ボルト２５を利用してブレーキシャフト４０が設置されている。このブレーキシャフト４０は、後述する冷却媒体経路（α，β）がその内部に形成される経路形成管として機能する部材であり、一端側（図２における紙面上側）がテーブル２０に固定されることによって該テーブル２０とともに回転可能に設置される部材である。また、ブレーキシャフト４０は、中空モータ１０のロータが有する中空部を導通して下方に延びて挿通設置されており、下方に位置する他端側（図２における紙面下側）には、ロータリージョイント５０が設置されている。かかる構成によって、テーブル２０にしたがって回転運動するブレーキシャフト４０と、固定設置されるロータリージョイント５０との間での、冷却媒体の受け渡しが可能となっている。

なお、ブレーキシャフト４０は、導通する中空モータ１０とロータリージョイント５０との中間位置にブレーキ装置４１を備えている。このブレーキ装置４１は、図示しない工作機械などの制御装置からの停止信号を受信して動作することにより、ブレーキシャフト４０の回転運動を確実に停止させることが可能となっている。

続いて、回転ローラベアリング３０の内輪３２側を冷却媒体を用いて冷却するための構造について説明する。図２に示すように、本実施形態に係る冷却構造を備える回転テーブル装置５では、回転駆動側である内輪３２に隣接して、冷却媒体を導通させることができる冷却媒体経路（α，β）が形成されている。この冷却媒体経路（α，β）は、ロータリージョイント５０からブレーキシャフト４０内部に導通され、さらにテーブル２０内部を経由して回転ローラベアリング３０の内輪３２側の上方外周面に沿って一周する冷却媒体導入路αと、冷却媒体導入路αからテーブル２０内部を経由してブレーキシャフト４０内部に導通され、さらにロータリージョイント５０から外部に通じる冷却媒体排出路βと、から構成されている。

冷却媒体導入路αは、まず、ロータリージョイント５０の中央部を導通し、ロータリージョイント５０と接続するブレーキシャフト４０の軸心線に沿ってブレーキシャフト４０の中央部に形成された符号α₁で示される経路を辿っている。ブレーキシャフト４０の軸心線に沿って昇った冷却媒体導入路αは、次にテーブル２０の中央部分に接続し、テーブル２０の中央部から外周方向へと一直線に向かって形成される符号α₂で示される経路を進む。テーブル２０の外周端近くまで進んだ冷却媒体導入路αは、回転ローラベアリング３０の上方外周面に沿って一周する符号α₃で示される経路に接続する。そして、回転ローラベアリング３０の外周面に沿って一周したところで冷却媒体導入路αが終了する。なお、符号α₂で示される経路から分岐する符号α₃で示される経路は、回転ローラベアリング３０の上方外周面の全周を冷却することができるように、左右両方向に分岐している。

一方、冷却媒体排出路βは、冷却媒体導入路αのうち、回転ローラベアリング３０の上方外周面に沿って一周する符号α₃で示される経路に接続し、テーブル２０の外周端近くから中央部へと一直線に向かう符号β₁で示される経路から始まる。なお、冷却媒体排出路βの符号β₁で示されるテーブル２０内の経路と、冷却媒体導入路αの符号α₂で示されるテーブル２０内の経路とは、全く異なる箇所に形成される経路であり、例えば、なるべく離れた位置に形成することが好適である。

次にテーブル２０の中央部分まで進んだ冷却媒体排出路βは、ブレーキシャフト４０内部に導通される。このとき、ブレーキシャフト４０の内部を通過する符号β₂で示される経路は、ブレーキシャフト４０の軸心線に沿って上昇した冷却媒体導入路αに対して、その外周側に位置するように形成されることが好適である。

続いてブレーキシャフト４０の下端に達した冷却媒体排出路βは、ロータリージョイント５０に接続し、外部に通じるように形成されている。

そして、以上のように形成される冷却媒体導入路αと冷却媒体排出路βには、冷却媒体を導通可能となっている。この冷却媒体には、例えば、液体の冷却媒体であるオイルや水、液体窒素等や、気体の冷却媒体である二酸化炭素、炭化水素（プロパン、イソブタンなど）、アンモニア、空気、アルゴンガス等を用いることができる。

以上のような冷却媒体は、ロータリージョイント５０の機能によってブレーキシャフト４０とロータリージョイント５０との間、すなわち回転体と固定体との間での受け渡しが支障なく行われることになる。

なお、図２で示される本実施形態の冷却媒体導入路αは、符号α₃で示される箇所が回転ローラベアリング３０の上方の面に沿うように形成されている。一方、回転ローラベアリング３０の内輪３２には、一般的に内輪３２の取り付けのためのボルト孔３２ａが形成されることがある。したがって、冷却媒体導入路αに冷却媒体を漏れなく導通させるためには、ボルト孔３２ａを塞ぐ必要がある。このボルト孔３２ａの閉鎖には、ボルト孔３２ａに対してシール部材を設置したり、あるいは内輪３２の上方の面を塞ぐプレート部材を設置したりすることが可能である。なお、本実施形態の場合、内輪３２のボルト孔３２ａは使用されていないので、ボルト孔３２ａを設けないようにしても良い。

さらに、冷却媒体導入路α内では熱を受ける前の冷却媒体が通過し、冷却媒体排出路β内では熱を受けた後の冷却媒体が通過することになる。したがって、これら冷却媒体導入路αと冷却媒体排出路βは、極力離れた位置に形成されることが好ましい。そして、上述したように、テーブル２０内では、冷却媒体導入路αと冷却媒体排出路βとが最も離れた位置となるように配置がされている。

ただし、ブレーキシャフト４０内にあっては、冷却媒体導入路αと冷却媒体排出路βとが非常に近い位置を通過せざるを得ないという構造上の問題を抱えている。そこで、本実施形態では、熱を受ける前の冷却媒体がブレーキシャフト４０の中央部を通過するように構成し、一方、熱を受けた後の冷却媒体がブレーキシャフト４０の外周側を通過するように構成した。これにより、熱を受けた後の冷却媒体が外気に近い場所に位置することになるので、ブレーキシャフト４０内への熱の蓄積を極力低減させることが可能となった。なお、ブレーキシャフト４０内における熱対策としては、冷却媒体導入路αと冷却媒体排出路βとの位置関係を工夫するだけでなく、例えば、冷却媒体導入路αと冷却媒体排出路βとを構成するインナーパイプの外周面に断熱材を巻き、冷却媒体導入路αおよび冷却媒体排出路β自体の断熱性を向上させる手法を採用することもできる。

次に、回転ローラベアリング３０の外輪３１側を冷却するための構造について説明する。図２に示すように、本実施形態に係る回転ローラベアリング３０の外輪３１の上方側の周面には、ヒートシンク３６が設置されている。このヒートシンク３６は、図３に示されるように、外輪３１の周面上方の全周にわたって設置されたものである。なお、回転ローラベアリング３０における発熱原因には、ローラ３３と転走面との接触によって発生する摩擦熱、およびローラ３３がグリス等の潤滑剤を掻き回したときの攪拌抵抗により発生する熱の存在が考えられ、これらの熱がローラ３３を介して内外輪３２，３１に伝わることとなる。このような熱のうち、外輪３１に伝わる熱を効果的に放熱するために、上記ヒートシンク３６は設置されているのである。なお、ヒートシンク３６を構成する材料としては、熱が伝導し易いアルミや銅などの金属材料を用いることが好適である。

一方、テーブル２０の下方側の裏面には、送風羽根２６が設置されている。この送風羽根２６は、上述したヒートシンク３６と対向する位置に配置されており、テーブル２０が回転運動する際に送風羽根２６の作用によって冷却風を発生させ、強制的に空気の移動量を増やすことでヒートシンク３６の冷却能力を拡大させることができるようになっている。

なお、本実施形態に係る送風羽根２６は、図４において詳細に示されるように、テーブル２０が左右いずれの方向で回転したとしても同様の冷却風を発生させることができるように、送風羽根２６の形状が両側の回転方向で同一の形状となっている。また、送風羽根２６は、ヒートシンク３６の周方向の全長とほぼ重なる長さで形成されており、ヒートシンク３６の全面に対して冷却風を送ることが可能なように構成されている。なお、図４にて示される本実施形態のテーブル２０には、送風羽根２６が６枚形成された場合の形態が示されているが、送風羽根２６の枚数や形状などについては図示のものに限定されるものではなく、使用条件や要求仕様等に応じて任意の変形形態を採用することが可能である。

さらに、上述したヒートシンク３６と送風羽根２６については、ラビリンス構造２２を含む遮蔽部材２０（２１），６１によって外部と区画された空間２４内に設置されているという特徴を有している。具体的には、図２に示すように、テーブル２０には、全外周側に延びる延在部２１が形成されており、その先端側の裏面には、縦断面が凹凸形状となるような構造が採用されている。一方、回転ローラベアリング３０の外輪３１には、上述したように、工作機械などの設置基準側に対して固定されることとなる固定部材６１が設置されており、この固定部材６１にも、縦断面が凹凸形状となるような構造が採用されている。そして、延在部２１裏面の縦断面凹凸形状と固定部材６１上方の縦断面凹凸形状とが協働してラビリンス構造２２を形成することによって、外部と区画された空間２４を形成している。

上記空間２４は、外部から回転ローラベアリング３０等への異物の侵入を防止する作用効果を発揮するものであり、本実施形態に係る回転テーブル装置５にとって非常に好適な効果をもたらすものである。すなわち、比較的大きな外部からの異物については、ラビリンス構造２２自体の効果によって異物の侵入を防止することができる。また、テーブル２０が回転運動をして送風羽根２６による冷却風が発生しているときには、空間２４内の内圧が高まり、その結果生じる外部と空間２４との圧の差によって、非常に微細な異物の侵入をも防止することが可能となっている。

なお、工作機械の分野では、テーブル２０を固定状態にして加工を行う場合も考えられ、このような場合には、上述した外部と空間２４との圧の差を発生させることができず、微細な異物がラビリンス構造２２を通過して回転ローラベアリング３０側に侵入してしまう虞がある。このような事態を防止する対策としては、例えば、空間２４内に対してエアーを送り込み、空間２４内の内圧を高めることによって外部からの異物の侵入を防止させることが可能である。なお、一般的な回転ローラベアリング３０では、ミスト状にした潤滑油をエアーによって送り込むことが行われているので、このような機構を利用し、テーブル２０停止時には、潤滑油の供給を停止してエアーのみを回転ローラベアリング３０側（すなわち、空間２４内）に導入することによって、空間２４の内圧を高めることが可能となる。このような機構の採用によって、新たな設計変更をすることなく、外部からの非常に微細な異物の侵入を防止させるという作用効果を得ることができる。

以上、本実施形態に係る冷却構造を備える回転ローラベアリング３０および冷却構造を備える回転テーブル装置５についての好適な実施形態について説明を行った。しかしながら、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。上記実施形態には、多様な変更又は改良を加えることが可能である。

例えば、上述した冷却媒体導入路αでは、符号α₃で示される回転ローラベアリング３０の外周面に沿って一周する箇所が、回転ローラベアリング３０が有する内輪３２の上面側のみを沿うように形成された場合を例示して説明した。しかしながら、本発明の冷却媒体導入路は、上述した形態に限られるものではなく、回転駆動側となる内輪又は外輪が有する周面の少なくとも一部を沿うように形成すれば良い。また、構造上可能であれば、内輪３２の内面側や下面側、あるいは外輪３１側が回転駆動側となる構造の場合には、外輪３１側を沿うように冷却媒体経路を形成することもできる。

上記変形形態については、上述したヒートシンク３６と送風羽根２６についても同様であり、これらヒートシンク３６と送風羽根２６の設置位置は、外輪３１の上方側だけではなく、構造上可能であれば、外輪３１のその他の箇所や内輪３２側に設けることとしても良い。

また、本発明の回転ベアリングは、上述した回転ローラベアリング３０に限られず、適切にテーブル２０の回転運動を支承できるものであれば、転動体にボールを用いたもの等、あらゆる型式の回転ベアリングを用いることができる。

さらに、上述した実施形態では、本発明の中空モータを、内方側に回転体であるロータが設置され、外方側に固定体であるステータが設置されるインナーロータ形式の中空モータ１０として構成した場合を例示して説明を行った。しかしながら、本発明の中空モータには、外方側に回転体であるロータを設置し、内方側に固定体であるステータを設置したアウターロータ形式の中空モータを採用することができる。

その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

Claims

駆動源である中空モータと、
前記中空モータによって回転可能とされるテーブルと、
前記テーブルの回転運動を支承する回転ベアリングと、
を備え、
前記回転ベアリングが、
内周面に転走面が設けられた外輪と、
外周面に前記転走面と対向する転走面が設けられた内輪と、
前記外輪の転走面と前記内輪の転走面とで形成される転走路に装填される複数の転動体と、
によって構成され、
前記内輪又は前記外輪のいずれか一方にヒートシンクが設置され、
前記テーブルに送風羽根が設置されていることを特徴とする冷却構造を備える回転テーブル装置。
請求項１に記載の冷却構造を備える回転テーブル装置において、
前記送風羽根は、前記ヒートシンクと対向する位置に配置されていることを特徴とする冷却構造を備える回転テーブル装置。
請求項１又は２に記載の冷却構造を備える回転テーブル装置において、
前記ヒートシンクは、前記内輪又は前記外輪の周面の全周にわたって設置されていることを特徴とする冷却構造を備える回転テーブル装置。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の冷却構造を備える回転テーブル装置において、
前記送風羽根と前記ヒートシンクは、ラビリンス構造を含む遮蔽部材によって外部と区画された空間内に設置されていることを特徴とする冷却構造を備える回転テーブル装置。