JP2004116580A

JP2004116580A - 軸受装置及び工作装置

Info

Publication number: JP2004116580A
Application number: JP2002277734A
Authority: JP
Inventors: Kazutaka Hara; 原　一敬; Akira Isobe; 磯部　章; Yoshiyuki Tomita; 冨田　良幸; Shinichiro Tsukahara; 塚原　真一郎
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2002-09-24
Filing date: 2002-09-24
Publication date: 2004-04-15

Abstract

【課題】軸受用液体の温度管理用の冷却装置を備える軸受装置（工作装置）に関して、冷却装置に関するコストを抑制すること。
【解決手段】軸部材と、軸受部材とを備え、前記軸部材を前記軸受部材が軸受用液体を媒介として軸受する軸受装置において、前記軸部材を回転させるモータと、前記軸受用液体を冷却する冷却手段であって、前記軸受用液体の温度に応じて運転状態を変化させて使用するための冷却手段である第１冷却手段と、前記軸受用液体を冷却する冷却手段であって、前記モータの回転数に応じて運転状態を変化させて使用するための冷却手段である第２冷却手段とを備えることを特徴とする軸受装置。
【選択図】　　図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、軸受装置及び工作装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
軸部材を軸受部材が軸受する「軸受構造」は、多くの機械において採用されている。例えば、金属や半導体等の研削加工等（半導体ウエハの両頭研削加工等）に使用される工作機械の多くは、スピンドルである軸部材を軸受部材が軸受する「軸受構造」を具備している。
【０００３】
軸部材を軸受部材が軸受する際の具体的態様として、軸受用液体を媒介として軸受する液体軸受、軸受用エアを媒介として軸受するエア軸受、などの流体軸受が知られている。例えば、金属や半導体等の研削加工等に使用される工作機械の多くは、スピンドルである軸部材を軸受部材が軸受用液体を媒介として軸受（液体軸受）している。なお、エア軸受ではなく液体軸受が採用されるのは、ダンピング特性においてエア軸受より液体軸受の方が勝っているため、高精度加工を目的とする場合にはエア軸受より液体軸受の方が適しているからである。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−３３９０６号公報
【特許文献２】
特開２００１−５９５２１号公報。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、金属や半導体等の研削加工等に使用される工作機械の多くは、高精度加工を目的として液体軸受を採用する。このように高精度加工を目的とするからには、軸受用液体の温度を厳密に管理しなければならない。
【０００６】
高精度加工を目的として液体軸受を採用する工作機械において、軸受用液体の温度は、通常、加工精度に応じて±０．１℃程度から±０．５℃程度の温度範囲内に管理される。例えば、図１のようにスラスト部から２００ｍｍ突出した主軸を有するスピンドルにおいては、主軸が鉄により形成されている場合、±０．１℃程度の温度範囲内に管理されるときには軸方向に±０．２μｍ程度の誤差が発生して、±０．５℃程度の温度範囲内に管理されるときには軸方向に±１．０μｍ程度の誤差が発生する。
【０００７】
軸受用液体の温度は、冷却装置や加熱装置などを使用して管理する。例えば、軸受用液体の温度を検出する温度センサを設けて、各冷却装置や各加熱装置の運転状態を温度センサにより検出された温度に応じて変化させて、軸受用液体の温度を管理する。このような温度センサは、例えば、軸受用液体を収容するタンク内に設けてもよいし、タンク内外の温度差や温度変化から温度検出までのタイムラグ等を考慮するならば、特開２００１−５９５２１号公報に記載の発明のように、軸受用液体の循環経路の戻り部に設けてもよい。
【０００８】
ここで、液体軸受に伴う発熱量を評価してみる。図２の関係式（１）はスラスト軸受に係る摩擦トルクＴの計算式であり、図２の関係式（２）は摩擦トルクＴによる動力Ｎの計算式である。液体軸受に伴う発熱の発熱源は主に動力Ｎであるから、液体軸受に伴う発熱量は動力Ｎにより評価することができる。図２の関係式（２）によると、ＮはＤの４乗に比例することがわかる。このことは、スピンドルの大型化に伴い発熱量は飛躍的に増大することを意味する。なお、図２の関係式はスラスト部とラジアル部のうち、スラスト部のみを考慮して計算しているが、ラジアル部を考慮して計算しても同様である。
【０００９】
スピンドルの大型化に伴う発熱量の増大に対しては、軸受用液体の温度管理用の冷却装置の大型化により対応することができる。しかし、上述のようにスピンドルの大型化に伴い発熱量は飛躍的に増大するため、スピンドルの大型化の割合以上に冷却装置が大型化してしまう。これにより、冷却装置に関するコストが増大するという結果となる。
【００１０】
したがって、本発明は、軸受用液体の温度管理用の冷却装置を備える軸受装置（工作装置）に関して、冷却装置に関するコストを抑制することを課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明（軸受装置）は、軸部材と、軸受部材とを備え、前記軸部材を前記軸受部材が軸受用液体を媒介として軸受する軸受装置において、前記軸部材を回転させるモータと、前記軸受用液体を冷却する冷却手段であって、前記軸受用液体の温度に応じて運転状態を変化させて使用するための冷却手段である第１冷却手段と、前記軸受用液体を冷却する冷却手段であって、前記モータの回転数に応じて運転状態を変化させて使用するための冷却手段である第２冷却手段とを備える。
【００１２】
請求項２に記載の発明（軸受装置）は、請求項１に記載の発明（軸受装置）に関して、前記軸受用液体の温度を検出するセンサを備え、前記第１冷却手段は、前記センサにより検出された温度に応じて運転状態が自動制御される。
【００１３】
請求項３に記載の発明（軸受装置）は、請求項１に記載の発明（軸受装置）に関して、前記第２冷却手段は、前記モータの回転数に応じて運転状態が自動制御される。
【００１４】
請求項４に記載の発明（軸受装置）は、請求項３に記載の発明（軸受装置）に関して、前記モータの回転数を設定するコントローラを備え、前記第２冷却手段は、前記コントローラにより設定された回転数に応じて運転状態が自動制御される。
【００１５】
請求項５に記載の発明（軸受装置）は、請求項３に記載の発明（軸受装置）に関して、前記モータの回転数を検出するセンサを備え、前記第２冷却手段は、前記センサにより検出された回転数に応じて運転状態が自動制御される。
【００１６】
請求項６に記載の発明（軸受装置）は、請求項１に記載の発明（軸受装置）に関して、前記第２冷却手段は、前記モータの回転数に応じて運転状態を手動で切り替えることができる。
【００１７】
請求項７に記載の発明（軸受装置）は、請求項６に記載の発明（軸受装置）に関して、前記モータの回転数を設定するコントローラを備え、前記第２冷却手段は、前記コントローラにより設定された回転数に応じて運転状態を手動で切り替えることができる。
【００１８】
請求項８に記載の発明（軸受装置）は、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の発明（軸受装置）に関して、前記第２冷却手段は、前記モータの回転数に応じて運転状態をＯＮ／ＯＦＦ変化させて使用するための冷却手段である。
【００１９】
請求項９に記載の発明（軸受装置）は、軸部材と、軸受部材とを備え、前記軸部材を前記軸受部材が軸受用液体を媒介として軸受する軸受装置において、前記軸部材を回転させるモータと、前記軸受用液体を冷却する冷却手段であって、前記軸受用液体の温度に応じて運転状態を変化させて使用するための冷却手段である第１冷却手段と、前記軸受用液体を冷却する冷却手段であって、前記モータの動力により発生する熱エネルギをキャンセルするために運転状態を変化させて使用するための冷却手段である第２冷却手段とを備える。
【００２０】
請求項１０に記載の発明（工作装置）は、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の軸受装置を備え、前記軸部材をスピンドルとする。
【００２１】
請求項１１に記載の発明（工作装置）は、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の軸受装置を備え、前記軸部材を研削加工用のスピンドルとする。
【００２２】
請求項１２に記載の発明（工作装置）は、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の軸受装置を備え、前記軸部材を両頭研削加工用のスピンドルとする。
【００２３】
請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の発明（軸受装置又は工作装置）においては、軸受用液体の温度管理用の冷却装置を、比較的精密であるが小型・高価な第１冷却手段と、比較的精密でないが大型・安価な第２冷却手段とにより構成するなどして、軸受用液体の温度管理用の冷却装置に関するコストを抑制することが可能である。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について説明する。
【００２５】
図３は、本発明の実施の形態の例である軸受装置３０１を表す。図３の軸受装置３０１は、軸部材１０１と、軸受部材１０２と、モータ１０３と、液体供給ポンプ２０１と、温度センサ２０２と、冷却頭２０３と、精密冷却装置２０４と、大型冷却装置２０５とを備える。
【００２６】
軸受装置３０１は、軸部材１０１を軸受部材１０２が軸受用液体３０２を媒介として軸受（液体軸受）する装置である。軸受装置３０１の用途としては、例えば、軸受装置３０１を搭載して軸部材１０１をスピンドルとする工作装置が考えられる。このような工作装置は、高精度加工を目的とする金属や半導体等の研削加工等（半導体ウエハの両頭研削加工等）に使用することができる。当該スピンドルを研削加工用等（両頭研削加工用等）のスピンドルとして、当該工作装置を研削加工用等（両頭研削加工用等）の工作装置とするのである。
【００２７】
軸部材１０１は、軸先端１０４を有する。軸部材１０１をスピンドルとするとき、軸先端１０４が主軸となる。軸受部材１０２は、軸受メタル１０５と液体供給口１０６とを有する。軸受用液体３０２は、液体供給口１０６を通じて、軸部材１０１と軸受部材１０２との間に供給される。モータ１０３は、軸部材１０１を回転させる。モータ１０３は、軸部材１０１を直接的に回転させてもよいし、軸部材１０１をベルト部材等を介して間接的に回転させてもよい。
【００２８】
液体供給ポンプ２０１は、図３のように、軸受用液体３０２を循環経路に沿って循環させる。温度センサ２０２は、軸受用液体３０２の温度を循環経路の途中にて検出する。精密冷却装置２０４は、ここでは１台の冷却機からなり、比較的精密であるが小型・高価な冷却装置であり、軸受用液体３０２を循環経路の途中にて冷却する。大型冷却装置２０５は、ここでは２台の冷却機からなり、比較的精密でないが大型・安価な冷却装置であり、軸受用液体３０２を循環経路の途中にて冷却する。精密冷却装置２０４は、軸受用液体３０２の温度に応じて運転状態を変化させて使用するための冷却装置であり、大型冷却装置２０５は、モータ１０３の回転数に応じて運転状態を変化させて使用するための冷却装置である。
【００２９】
以下、工作装置を例にして軸受装置３０１の動作について説明する。
【００３０】
図４は、モータ１０３の動力に係るグラフである。動力１は、液体軸受（静圧軸受）に係る軸部材１０１を４０００ｒｐｍで回転させたときのグラフであり、動力２は、液体軸受（静圧軸受）に係る軸部材１０１を６０００ｒｐｍで回転させたときのグラフである。定期的に現れる１ｋＷ程度の増分が加工のために必要となる動力である。図１のようなスピンドルを使用する場合は、４０００ｒｐｍでは５ｋＷがオフセットとして必要となり、６０００ｒｐｍでは１０ｋＷがオフセットとして必要となる。このオフセットの値はほぼ設計の段階で求めることができ、モータ１０３の回転数が決定されればほぼその値となる。
【００３１】
モータ１０３の動力は熱エネルギに転化されて、その一部が軸部材１０１や軸受部材１０２の温度上昇のために消費されるほか、その大部分が軸受用液体３０２の温度上昇のために消費される。そこで、軸受用液体３０２の温度を、精密冷却装置２０４や大型冷却装置２０５などを使用して管理する。
【００３２】
工作装置の起動時における動作について説明する。
【００３３】
工作装置の電源をＯＮにすると、液体供給ポンプ２０１の運転が開始され、軸受用液体３０２が軸部材１０１と軸受部材１０２との間に供給される。軸部材１０１を軸受部材１０２が軸受用液体３０２を媒介として軸受（液体軸受）することになる。
【００３４】
これと同時に又はこれと前後して、精密冷却装置２０４の運転も開始される。精密冷却装置２０４は、循環経路に沿って戻ってきた軸受用液体３０２を冷却頭２０３を通じて冷却する。ここで、循環経路に沿って戻ってきた軸受用液体３０２の温度が、温度センサ２０２により検出される。精密冷却装置２０４の運転状態は、温度センサ２０２により検出された温度に応じて自動制御される。こうして、軸受用液体３０２の温度が管理される。
【００３５】
なお、軸受用液体３０２の温度は、設定温度に対して±０．１℃程度から±０．５℃程度の温度範囲内に管理される。精密冷却装置２０４の容量としては、加工動力による温度上昇を制御できるだけの容量が必要である。例えば、図４のような動力であれば１ｋＷ程度の加工動力が必要なので、想定される加工動力の２倍である２ｋＷ程度の容量が必要である。
【００３６】
工作装置の加工時における動作について説明する。
【００３７】
工作装置を使用して加工を行う際には、モータ１０３を回転させてスピンドルを回転させる。ここで、モータ１０３の動力により新たに発生する熱エネルギをキャンセルするために、精密冷却装置２０４に加えて大型冷却装置２０５の運転も開始させる。循環経路に沿って戻ってきた軸受用液体３０２は、まず大型冷却装置２０５により冷却され、続いて精密冷却装置２０４により冷却される。こうして、軸受用液体３０２の温度が管理される。このようにして、比較的精密でないが安価な大型冷却装置２０５を使用して、比較的精密であるが高価な精密冷却装置２０４を大型化しないようにすれば、軸受用液体３０２の温度管理用の冷却装置に関するコストを抑制することができる。なお、このような温度管理は、例えば、主軸が２本あって運転中の発熱量の変化が少ない「両頭研削加工用の工作装置」のような工作装置に特に適していると考えられる。
【００３８】
工作装置を使用して加工を行う際には、モータ１０３の回転数（スピンドルの回転数）をコントローラにより設定する。所望の回転数を実現するために必要なモータ１０３の動力は一定しており、計算又は計測により得ることができる。よって、モータ１０３の動力により新たに発生する熱エネルギをキャンセルするためには、大型冷却装置２０５の運転状態を、モータ１０３の回転数に応じて変化させればよい。そこで、大型冷却装置２０５の運転状態は、コントローラにより設定された回転数に応じて自動制御されるようにする。または、大型冷却装置２０５の運転状態は、コントローラにより設定された回転数に応じて手動で切り替えることができるようにしてもよい。または、モータ１０３の回転数（スピンドルの回転数）を検出する回転数センサを設けて、大型冷却装置２０５の運転状態は、回転数センサにより検出された回転数に応じて自動制御されるようにしてもよい。
【００３９】
なお、大型冷却装置２０５の運転状態の変化態様としては、ＯＮ／ＯＦＦ変化が考えられる。この場合、大型冷却装置２０５は、ＯＮ／ＯＦＦ変化のみが可能なものでもＯＮ／ＯＦＦ変化以外も可能なものでもよいが、軸受用液体３０２の温度管理用の冷却装置に関するコストを抑制するという観点からは、前者の方が優れていると言える。
【００４０】
特に、図３のように、大型冷却装置２０５が複数台（図３では２台）の冷却機からなる場合には、各冷却機ごとのＯＮ／ＯＦＦ変化が考えられる。ＯＮにする冷却機とＯＦＦにする冷却機の組み合わせを変化させることにより、大型冷却装置２０５の運転状態のバリエーションが豊富になるからである。この場合、各冷凍機は、ＯＮ／ＯＦＦ変化のみが可能なものでもＯＮ／ＯＦＦ変化以外も可能なものでもよいが、軸受用液体３０２の温度管理用の冷却装置に関するコストを抑制するという観点からは、前者の方が優れていると言える。
【００４１】
以上、静圧軸受に係る軸受装置について説明したが、動圧軸受に係る軸受装置であってもよい。
【００４２】
以上、軸受用液体を冷却する冷却システムについて説明したが、その他の液体を冷却する冷却システムであってもよい。例えば、当初から熱量が判明している切削液を冷却するシステムであってもよい。
【００４３】
【発明の効果】
このように、本発明は、軸受用液体の温度管理用の冷却装置を備える軸受装置（工作装置）に関して、冷却装置に関するコストを抑制することを可能とする。
【図面の簡単な説明】
【図１】工作機械に係るスピンドルを表す。
【図２】液体軸受に伴う発熱量を評価するための関係式である。
【図３】本発明の実施の形態の例である軸受装置を表す。
【図４】モータの動力に係るグラフである。
【符号の説明】
１０１　軸部材
１０２　軸受部材
１０３　モータ
１０４　軸先端
１０５　軸受メタル
１０６　液体供給口
２０１　液体供給ポンプ
２０２　温度センサ
２０３　冷却頭
２０４　精密冷却装置
２０５　大型冷却装置
３０１　軸受装置
３０２　軸受用液体

Claims

軸部材と、軸受部材とを備え、前記軸部材を前記軸受部材が軸受用液体を媒介として軸受する軸受装置において、前記軸部材を回転させるモータと、前記軸受用液体を冷却する冷却手段であって、前記軸受用液体の温度に応じて運転状態を変化させて使用するための冷却手段である第１冷却手段と、前記軸受用液体を冷却する冷却手段であって、前記モータの回転数に応じて運転状態を変化させて使用するための冷却手段である第２冷却手段とを備えることを特徴とする軸受装置。
前記軸受用液体の温度を検出するセンサを備え、前記第１冷却手段は、前記センサにより検出された温度に応じて運転状態が自動制御されることを特徴とする請求項１に記載の軸受装置。
前記第２冷却手段は、前記モータの回転数に応じて運転状態が自動制御されることを特徴とする請求項１に記載の軸受装置。
前記モータの回転数を設定するコントローラを備え、前記第２冷却手段は、前記コントローラにより設定された回転数に応じて運転状態が自動制御されることを特徴とする請求項３に記載の軸受装置。
前記モータの回転数を検出するセンサを備え、前記第２冷却手段は、前記センサにより検出された回転数に応じて運転状態が自動制御されることを特徴とする請求項３に記載の軸受装置。
前記第２冷却手段は、前記モータの回転数に応じて運転状態を手動で切り替えることができること特徴とする請求項１に記載の軸受装置。
前記モータの回転数を設定するコントローラを備え、前記第２冷却手段は、前記コントローラにより設定された回転数に応じて運転状態を手動で切り替えることができることを特徴とする請求項６に記載の軸受装置。
前記第２冷却手段は、前記モータの回転数に応じて運転状態をＯＮ／ＯＦＦ変化させて使用するための冷却手段であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の軸受装置。
軸部材と、軸受部材とを備え、前記軸部材を前記軸受部材が軸受用液体を媒介として軸受する軸受装置において、前記軸部材を回転させるモータと、前記軸受用液体を冷却する冷却手段であって、前記軸受用液体の温度に応じて運転状態を変化させて使用するための冷却手段である第１冷却手段と、前記軸受用液体を冷却する冷却手段であって、前記モータの動力により発生する熱エネルギをキャンセルするために運転状態を変化させて使用するための冷却手段である第２冷却手段とを備えることを特徴とする軸受装置。
請求項１乃至９のいずれか１項に記載の軸受装置を備え、前記軸部材をスピンドルとすることを特徴とする工作装置。
請求項１乃至９のいずれか１項に記載の軸受装置を備え、前記軸部材を研削加工用のスピンドルとすることを特徴とする工作装置。
請求項１乃至９のいずれか１項に記載の軸受装置を備え、前記軸部材を両頭研削加工用のスピンドルとすることを特徴とする工作装置。