JPH10205537A

JPH10205537A - 回転型静圧軸受装置

Info

Publication number: JPH10205537A
Application number: JP2311897A
Authority: JP
Inventors: Takao Yokomatsu; 孝夫横松
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1997-01-23
Filing date: 1997-01-23
Publication date: 1998-08-04
Anticipated expiration: 2017-01-23
Also published as: JP3100916B2

Abstract

(57)【要約】【課題】ハウジングの温度調節を行う場合でも、軸受
隙間の変動を適切に抑制することができるようにする。【解決手段】ハウジング２と、このハウジングに固定
されたラジアル方向の静圧軸受４と、この静圧軸受によ
り支持された回転軸１とを備え、ハウジングの材料より
も回転軸の材料の線熱膨張係数が小さい回転型静圧軸受
け装置において、ハウジングの他の装置への接触部分２
１の温度が、停止時と回転時とにおいて変化しないよう
にハウジングの温度を制御する温度制御手段１６、２２
〜２７を備えるとともに、ハウジングの材料と回転軸の
材料における線熱膨張係数の差が、停止時と回転時とに
おいて軸受隙間８をほぼ一定とするような材料によりハ
ウジングと回転軸を構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、精密工作機械の主
軸に使用される静圧軸受装置に関し、特に、精密工作機
械に装備した際、工作機械本体に熱変形等の悪影響を与
えることがなく、また、停止時と回転時に軸受け隙間が
変化しないため、軸受けと軸との接触事故や、剛性変動
による加工精度劣化を防止できるようにした回転型の静
圧軸受装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、高い加工精度が要求される工作機
械の主軸には、摩擦がほとんどなく回転精度が高い静圧
軸受けが使用される。特に、軸受けに多孔質材を用いる
多孔質絞り方式の静圧軸受けは軸受け剛性が高く、ナノ
メータオーダの表面粗さを目指すような工作機械の主軸
に利用される。

【０００３】しかしながら、多孔質軸受けにおいて高い
剛性をえるためには、軸受け隙間を数μｍと狭くしなく
てはならない。このため、主軸回転時には狭い軸受け隙
間の加圧流体がセン断され、他の絞り方式の軸受けより
発熱が多くなる。これを冷却するため、主軸ハウジング
内には冷却流路を設けるが、回転軸には冷却手段がない
ため、回転軸が熱膨張して軸受け隙間が減少し、焼き付
きを起こす危険がある。

【０００４】これを回避するため、特願平３−２７６７
７３号では、回転軸を窒化珪素または炭化珪素で製作す
ることを提案している。すなわちハウジングの材料とし
て一般的な炭素鋼を使用し、回転軸にはハウジングより
も線熱膨張係数の小さい材料を用いて、軸受け隙間の減
少を抑制しようとするものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、主軸回転によ
る発熱が工作機械の他の部分に伝導し熱変形を起こさな
いようにする場合、すなわち主軸ハウジングの他のユニ
ットとの接触部分の温度を主軸停止時と同じ温度にする
という条件でハウジングを冷却すると、上記のようにハ
ウジング材料より回転軸材料の線熱膨張係数を小さくす
るというだけの条件では、軸受け隙間変動をサブミクロ
ンレベルで厳密に制御することはできないという問題が
ある。例えば上記の従来例ではハウジングを炭素鋼、回
転軸を窒化珪素としているが、この構成では、回転時に
１〜２μｍ程度軸受け隙間が変化する。多孔質静圧軸受
けでは１μｍの隙間変化で軸受け剛性と発熱量が約２０
％も変動し、安定した表面粗さ、形状精度が得られな
い。

【０００６】本発明の目的は、このような従来技術の問
題点に鑑み、回転型静圧軸受装置において、ハウジング
の温度調節を行う場合でも、軸受隙間の変動を適切に抑
制することができるようにすることにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
本発明では、ハウジングと、このハウジングに固定され
たラジアル方向の静圧軸受と、この静圧軸受により支持
された回転軸とを備え、前記ハウジングの材料よりも前
記回転軸の材料の線熱膨張係数が小さい回転型静圧軸受
け装置において、前記ハウジングの他の装置への接触部
分の温度が、停止時と回転時とにおいて変化しないよう
に前記ハウジングの温度を制御する温度制御手段を備え
るとともに、前記ハウジングの材料と前記回転軸の材料
における線熱膨張係数の差が、停止時と回転時とにおい
て軸受隙間をほぼ一定とするような材料により前記ハウ
ジングと前記回転軸を構成したことを特徴とする。

【０００８】この構成によれば、例えば回転型静圧軸受
装置を工作機械の主軸に適用した場合、主軸回転時の発
熱が工作機械の他の部分に伝導しないように、ハウジン
グのその部分への接触部分の温度を一定に制御するとと
もに、主軸ハウジングの材料と回転軸材料の線熱膨張係
数を上述のようにして適切に選定することによって、軸
受隙間の変動が抑制され、安定した加工精度が得られ
る。

【０００９】

【発明の実施の形態】より具体的な態様においては、例
えば、前記線熱膨張係数の差を３．７〜５．８×１０^-6
（１／℃）とすることにより、軸受隙間の変動を抑制す
ることができる。

【００１０】このような線熱膨張係数の差は、例えば、
ハウジングの材料をアルミナセラミックスとし、回転軸
の材料を窒化珪素とすることにより得ることができる。
静圧軸受の材料としては多孔質材を用いることができ
る。

【００１１】温度制御手段としては、例えば、ハウジン
グの他の装置への接触部分の温度を検出するセンサと、
前記ハウジング内を冷却するための冷却液循環装置と、
その冷却液の温度あるいは流量を前記センサの出力に基
いて制御することにより前記ハウジングの温度制御を行
なう制御装置とを備えたものを用いることができる。こ
の場合、例えば、本発明の軸受装置が適用された多孔質
絞り方式の高剛性主軸において、他のユニットへの接触
部分の温度が回転時にも停止時と同じ温度になるよう
に、接触部の温度をセンサにより検出しながら、ハウジ
ング冷却用の冷却液の温度あるいは流量を制御する。さ
らに、ハウジングおよび回転軸の材料として、上述のよ
うに、アルミナセラミックスおよび窒化珪素を使用する
ことにより、軸受隙間の変動をサブミクロンレベルにす
ることができる。このため、主軸そのものの剛性変化と
発熱量変化を抑制できるとともに、主軸の発熱による工
作機械の他の部分の熱変形も防止でき、工作機械全体と
して、高い加工精度を安定的に得ることができる。

【００１２】

【実施例】図１は本発明の一実施例に係る、工作機械の
主軸に用いられている回転型静圧軸受装置の構成を示
す。軸受装置部分は断面図で示してある。図中、１は円
盤状の回転軸であり、線熱膨張係数が２．６×１０
^-6（１／℃）程度の窒化珪素で作られている。２および
３は線熱膨張係数７．１×１０^-6（１／℃）前後のアル
ミナセラミックスからなるラジアルハウジングおよびス
ラストハウジングである。４と５はカーボン系の自己潤
滑性の多孔質材料からなるラジアル軸受けとスラスト軸
受けであり、それぞれラジアルハウジング２およびスラ
ストハウジング３に固定され、給気孔６と７から供給さ
れる圧縮空気を多孔質内で絞って、軸受け表面から空気
を噴出している。これにより、回転軸１とラジアルハウ
ジング２およびスラストハウジング３との間の約５μｍ
の軸受け隙間８と９に高い剛性をもつ圧縮空気層が形成
され、回転軸１を非接触で浮上支持することができる。

【００１３】１０は回転軸１に固定されたリング状の炭
素鋼であり、スラストハウジング３に対向して固定され
たリング状の磁石１１により、軸方向に吸引されてい
る。この吸引力と、スラスト軸受け５との反発力とが釣
り合ってスラスト隙間９が一定に保たれている。

【００１４】１２はスラストハウジング３に固定された
モータコイル、１３は回転軸１と一体になったモータマ
グネットであり、両者によりダイレクトドライブモータ
を形成している。このモータは、接触部がないため、高
い回転精度と耐久性が得られる。１４は主軸回転数（回
転軸１の回転数）を検出するためのエンコーダのエンコ
ーダディスクであり、１５はエンコーダの信号検出部で
ある。主軸回転数の制御は図示しないモータドライバが
エンコーダの出力を受け取って、モータの出力を制御す
ることにより行なう。１６は主にラジアル軸受け４の発
熱を抑えるためのラジアル冷却水路であり、１７は主に
スラスト軸受け５の発熱とモータコイル１２の発熱を吸
収するためのスラスト冷却水路である。

【００１５】以上のような主軸が工作機械に搭載される
場合、１８のようなスライダに固定される。高精度な工
作機械ではスライダ１８も、１９のような多孔質静圧軸
受けを使用しているため、多孔質静圧軸受け１９とその
ガイド２０との軸受け隙間も５μｍ程度と微小である。
このため、主軸が発熱しその熱が僅かでもスライダ１８
に伝わると、スライダ１８の軸受け隙間が変化し、剛性
低下あるいは真直度劣化等が起き、加工精度が損なわれ
る。

【００１６】そこで、主軸のスライダ１８との接触部２
１の温度を一定に保つ必要がある。この部分に温度検出
用センサとして、分解能０．０１℃レベルのサーミスタ
２２を埋め込み接着する。２３はサーミスタ２２に接続
された温度計、２４は温度計２３の出力に基づいて温度
制御を行う温度制御装置、２５はラジアル冷却水路１６
およびスラスト冷却水路１７に恒温水を循環させるため
の恒温水循環装置、２６と２７はそれぞれ温度制御装置
２４により前記恒温水の循環を制御するためのラジアル
ハウジング２およびスラストハウジング３冷却用の流量
制御バルブである。

【００１７】例えば、回転軸の直径がφ２４０ｍｍ、ラ
ジアル軸受け４の幅が４５ｍｍ、スラスト軸受けの幅が
３５ｍｍのとき、ラジアル剛性は８００Ｎ／μｍ、スラ
スト剛性は１０００Ｎ／μｍと非常に大きな剛性が得ら
れる。しかし、軸受け隙間を５μｍとし３０００ｒｐｍ
で回転した場合、ラジアル軸受け４部の発熱量は１５６
Ｗ、スラスト軸受け５部の発熱量は８８Ｗ、さらにモー
タコイル１２の発熱量は２６Ｗであり、全く冷却しない
とハウジング部の温度上昇は１０数℃になり、スライダ
１８に大きな熱変形をもたらす。

【００１８】これを防止するため、主軸のスライダ１８
との接触部温度を計測し、停止時の温度を初期値とし、
初期値と現在値の差が生じると温度制御装置２４がこれ
を認識し、差をゼロにするよう流量制御バルブ２６、２
７に指令し、流量を増減させる。ラジアルハウジング２
とスラストハウジング３に流す流量は常にそれらの発熱
量の比率、すなわち１５６：（８８＋２６）とする。こ
の比率で冷却すると、ハウジング全体がほぼ均一に熱変
形する。この場合、恒温水循環装置２４の設定温度は一
定とする。恒温水循環装置２５で冷却水の温度制御をす
るよりも、流量制御バルブ２６、２７で流量を制御する
方が、時間遅れの少ない制御ができるためである。３０
００ｒｐｍ回転時に、主軸のスライダ１８との接触部２
１の温度を初期温度に保つための冷却水は、初期温度を
２３℃、冷却水の温度を２１．５℃とすると、ラジアル
ハウジング２に約３［ｌ／ｍｉｎ］、スラストハウジン
グ３に約２．２［ｌ／ｍｉｎ］である。

【００１９】以上の冷却法により、主軸回転による発熱
がスライダ１８に悪影響を与えることはない。しかし、
主軸の軸受け隙間は構成材料により変化する。図２に、
３０００ｒｐｍ回転時に上記の冷却をした場合、ラジア
ル軸受け隙間８が回転軸１の材料により変化する様子を
示す。横軸は、ラジアル軸受け４の軸方向の位置、縦軸
は設定隙間５μｍからの変化量である。また、ハウジン
グ２、３の材料は比剛性が高く、比較的加工性のよい、
線熱膨張係数α＝７．１×１０^-6（１／℃）のアルミナ
セラミックスである。図２において、ａは線熱膨張係数
α＝１０．７×１０^-6（１／℃）の炭素鋼、ｂはアルミ
ナセラミックス、ｃは線熱膨張係数α＝４．０×１０^-6
（１／℃）の炭化珪素：、ｄは線熱膨張係数α＝２．６
×１０^-6（１／℃）の窒化珪素を回転軸１の材料とした
場合の計算値である。

【００２０】線熱膨張係数が大きいと、回転軸１の熱膨
張も当然大きく、軸受け隙間８が減少することがわか
る。線熱膨張係数と軸受け隙間８の減少量が完全に比例
しないのは、材料の熱伝導率の影響が多少でているため
である。窒化珪素以外の材料では、隙間が１μｍ以上も
減少し、軸受け剛性は増加するが、空気膜のセン断熱に
よる発熱が大きくなる。軸受け隙間８と発熱量は比例関
係にあるため、軸受け隙間８が１μｍ減少すると、発熱
量が２０％増加する。このため、主軸ハウジングのスラ
イダとの接触部２１が一定温度となるように冷却してい
ると、回転軸１が主に膨張し、最終的には隙間８がなく
なり、焼き付いてしまう。

【００２１】回転軸１の材料が窒化珪素の場合は、軸受
け位置により多少の増減はあるが、トータルでは軸受け
隙間８の変動はない。したがって、剛性変化や焼き付き
の危険もなく、主軸の発熱が工作機械の他の部分に熱変
形をおよぼすこともない。

【００２２】構造体として使用できる緻密質のアルミナ
セラミックスおよび窒化珪素の線熱膨張係数は純度によ
り多少異なるが、それぞれα＝６．５〜７．７×１０^-6
（１／℃）、α＝１．９〜２．８×１０^-6（１／℃）で
あり、この範囲の材料であれば上記の冷却条件において
軸受け隙間変動をサブミクロン以下に抑えることができ
る。すなわちハウジングの材料より回転軸１の材料の線
熱膨張係数が小さく、その差が３．７〜５．８×１０^-6
（１／℃）であるような材料の組み合わせならば、上記
の効果が期待できる。ただし、回転軸１の材料の熱伝導
係数がハウジング２の材料の２倍以上もある場合はこの
限りではない。例えば、ハウジング２の材料として炭素
鋼を使用する場合は、回転軸１の材料として線熱膨張係
数α＝７×１０^-6（１／℃）程度の低熱膨張鋳鉄あるい
はアルミナセラミックス等が使用できる。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、ハ
ウジングの他の装置への接触部分の温度が、停止時と回
転時とにおいて変化しないようにハウジングの温度を制
御するとともに、ハウジングの材料と回転軸の材料にお
ける線熱膨張係数の差が、停止時と回転時とにおいて軸
受隙間をほぼ一定とするような材料によりハウジングと
回転軸を構成するようにしたため、軸受隙間を減少を抑
制することができる。したがって、本発明が適用される
工作機械の主軸の発熱が工作機械の他の部分を熱変形さ
せるのを防止すると同時に、主軸の軸受隙間の変動を抑
制することができるため、軸受の剛性変化や焼き付きを
防止し、工作機械全体として安定した加工精度を得るこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る、工作機械の主軸に
用いられている回転型静圧軸受装置の構成を示す図であ
る。

【図２】主軸の軸受け隙間が回転軸の構成材料により
変化する様子を示すグラフである。

【符号の説明】

１：回転軸、２：ラジアルハウジング、３：スラストハ
ウジング、４：ラジアル軸受け、５：スラスト軸受け、
１６：ラジアル冷却水路、１７：スラスト冷却水路、２
２：温度センサ、２３：温度計、２４：温度制御装置、
２５：恒温水循環装置、２６：ラジアル流量制御バル
ブ、２７：スラスト流量制御バルブ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ハウジングと、このハウジングに固定さ
れたラジアル方向の静圧軸受と、この静圧軸受により支
持された回転軸とを備え、前記ハウジングの材料よりも
前記回転軸の材料の線熱膨張係数が小さい回転型静圧軸
受け装置において、前記ハウジングの他の装置への接触
部分の温度が、停止時と回転時とにおいて変化しないよ
うに前記ハウジングの温度を制御する温度制御手段を備
えるとともに、前記ハウジングの材料と前記回転軸の材
料における線熱膨張係数の差が、停止時と回転時とにお
いて軸受隙間をほぼ一定とするような材料により前記ハ
ウジングと前記回転軸を構成したことを特徴とする回転
型静圧軸受装置。
【請求項２】前記線熱膨張係数の差が、３．７〜５．
８×１０^-6（１／℃）であることを特徴とする請求項１
記載の回転型静圧軸受装置。
【請求項３】前記ハウジング材料がアルミナセラミッ
クスであり、前記回転軸の材料が窒化珪素であり、前記
静圧軸受の材料が多孔質材であることを特徴とする請求
項１または２に記載の回転型静圧軸受装置。
【請求項４】前記温度制御手段は、前記ハウジングの
他の装置への接触部分の温度を検出するセンサと、前記
ハウジング内を冷却するための冷却液循環装置と、その
冷却液の温度あるいは流量を前記センサの出力に基いて
制御することにより前記ハウジングの温度制御を行なう
制御装置とを備えたことを特徴とする請求項１〜３のい
ずれかに記載の回転型静圧軸受装置。