JPH1043909A - 回転体駆動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 軸受の焼付き及び予圧抜けを低コストで防止
する。 【解決手段】 ハウジング６に挿通されたスピンドル１
と、ハウジング６とスピンドル１との間に該スピンドル
１の軸方向に四列介在されて該スピンドル１を回転可能
に支持する背面型多列組合せアンギュラ玉軸受３ａ〜３
ｄと、ハウジング６に内蔵されてスピンドル１を回転駆
動させる駆動モータＭとを備えたスピンドル装置におい
て、四列のアンギュラ玉軸受３ａ〜３ｄの内で駆動モー
タＭに最も近い位置に配置された軸受３ｄの玉１５及び
該軸受３ｄと接触角の方向が同一の軸受３ｃの玉１５を
共にセラミックス製とし、その他の軸受３ａ，３ｂの玉
１５を軸受鋼製とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、多列組合せ転がり
軸受が組み込まれた回転体駆動装置、例えば工作機械用
スピンドル装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】工作機械用のスピンドル装置に組み込ま
れる多列組合せ玉軸受は、工作精度の向上のため、高剛
性、高い回転精度及び低発熱などの特性が要求される。
また、近年においては、ワークの加工効率の向上のた
め、高速回転性（高回転速度で長時間安定して使用でき
ること）が要求されている。

【０００３】そして、このような特性、例えば高剛性や
高い回転精度を確保するため、玉軸受の内部すきまは軸
受組立時に“０ ”以下（軸受内部で玉（転動体）と軌
道輪が弾性変形して予圧が付与された状態）となるよう
に製作調整される。一般の産業機械用玉軸受では、はく
り寿命の延長や外乱による軸受機能低下の抑制という観
点から運転時に軸受の内部すきまが残るように使用され
ることが多いことを考えると、このような軸受組立時の
内部すきまが“０ ”以下での使用は、軸受にとってみ
ると内部の部品摩耗や焼付きなどが発生しやすい過酷な
条件であるといえる。

【０００４】また、予圧の付与方法としては、ばねによ
って軸方向に荷重が作用するようにしたいわゆる定圧予
圧と、予め軸受軌道輪の寸法を調整した複数の軸受を軸
方向に固定して軸受内部（軌道輪と玉の接触部）が弾性
変形するようにしたいわゆる定位置予圧とがあるが、工
作機械用スピンドル装置に組み込まれる玉軸受について
は、定位置予圧が用いられることが多い。これは、定位
置予圧だと軸受の剛性をより向上できるという理由によ
るものだが、予圧の程度が大きく且つ高速であると運転
時に異常昇温や焼付きが発生しやすいという欠点も併せ
持っている。

【０００５】さらに、スピンドル装置においては、剛性
をより高めるために軸受の列数を三列以上にしたり、ス
ピンドルの曲げ剛性を高めるために軸受の組合せ方法を
背面型としたり、軸受間に間座を挿入して作用点間距離
を大きくしたりすることもある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、スピンドル
の回転駆動は外部駆動源の動力をベルト、歯車、カップ
リングなどの伝達機構を介してスピンドルに伝達するこ
とによりなされていたが、これだと伝達機構における損
失や回転精度の低下による悪影響が問題になって高速運
転を実現しにくいという理由から、最近では、駆動モー
タをスピンドル装置のハウジング内に組み込んだいわゆ
る駆動モータ内蔵型スピンドル装置が増加しつつある。

【０００７】しかしながら、かかる駆動モータ内蔵型ス
ピンドル装置においては、外部駆動源の動力をベルトな
どの伝達機構を介してスピンドルに伝達するタイプのス
ピンドル装置（以下、「外部駆動型スピンドル装置」と
いう。）では問題が生じなかった最高回転数あるいは予
圧の程度（予圧荷重）で使用した場合に、軸受の焼付き
が比較的高い確率で発生するという不都合があった。

【０００８】ここで、本発明者等が鋭意検討してかかる
焼付きの発生メカニズムを解析したところ、特に高速・
高負荷での運転時に駆動モータの発熱が予想よりも大き
くなり、スピンドルの軸方向の温度分布が不均一となっ
て、駆動モータの近傍は高温で、軸端側は比較的低温に
て温度的平衡状態になりやすくなることが判明し、この
現象が軸受の焼付き発生確率に大きな影響を及ぼしてい
ることを知見した。

【０００９】すなわち、スピンドルの軸方向の温度勾配
により軸受各列の内外輪温度差（外輪温度に対する内輪
温度の差：通常は内輪側の温度の方が高い）にも駆動モ
ータ近傍側の軸受（以下、「内側軸受」という。）と軸
端側の軸受（以下、「外側軸受」という。）とで相互差
が発生しやすくなり、該相互差も上述した外部駆動型ス
ピンドル装置よりも大きくなる。

【００１０】この結果、 熱膨張により内側軸受の接触角が小さくなり、内側軸
受のアキシアル負荷容量が外側軸受より減少する。 運転時の予圧荷重増大により内側軸受の接触面圧が大
きくなりやすくなる。 高速運転のために玉に遠心力が作用し、内側軸受の接
触面圧がさらに増加しやすくなる。 接触面圧の増加により内側軸受に潤滑油膜が形成され
にくくなる。

【００１１】上記〜により、ついには内側軸受が焼
き付いてしまう。なお、すべての軸受列の玉をセラミッ
クス製とし、これにより、運転時の温度や遠心力の影響
を受けにくくして超高速でも安定して運転できるように
したものが知られているが、このようにすべての軸受列
の玉をセラミックス製とすると、運転時の予圧増大量が
小さくなりすぎて運転中に外部アキシアル荷重が負荷さ
れた場合に予圧抜けが発生しやすくなり、この結果、ス
ピンドルの剛性及び工作精度の低下を招く原因になるば
かりでなく、異常振動、異常音を招く原因にもなり、さ
らには、セラミックス製の玉は軸受鋼製の玉に比べて高
価なため、装置コストの高騰を招く原因にもなる。

【００１２】本発明はかかる不都合を解消するためにな
されたものであり、軸受の焼付き及び予圧抜けを低コス
トで防止することができる回転体駆動装置を提供するこ
とを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】かかる目的を達成するた
めに、本発明に係る回転体駆動装置は、ハウジングに挿
通された回転体と、前記ハウジングと前記回転体との間
に該回転体の軸方向に複数列介在されて該回転体を回転
可能に支持する背面型多列組合せ転がり軸受と、前記ハ
ウジングに内蔵されて前記回転体を回転駆動させる駆動
モータとを備えた回転体駆動装置において、前記背面型
多列組合せ転がり軸受を構成する複数の転がり軸受の内
で前記駆動モータに最も近い位置に配置された転がり軸
受の転動体及び該転がり軸受と接触角の方向が同一の転
がり軸受の転動体をセラミックス製とし、その他の転が
り軸受の転動体を軸受鋼製としたことを特徴とする。

【００１４】ここで、多列組合せ転がり軸受を構成する
複数の転がり軸受の内で前記駆動モータに最も近い位置
に配置された転がり軸受及び該転がり軸受と接触角の方
向が同一の転がり軸受を内側軸受とし、その他の転がり
軸受を外側軸受とする。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態の一例
を図を参照して説明する。図１は本発明の実施の形態の
一例である駆動モータ内蔵型スピンドル装置を説明する
ための説明的断面図である。

【００１６】まず、駆動モータ内蔵型スピンドル装置の
構成を説明すると、該スピンドル装置のスピンドル（回
転体）１は、ハウジング２内に挿通配置されて、その前
端部（左端部）が軸方向に複数列（図では四列）配置さ
れたアンギュラ玉軸受３ａ〜３ｄに、後端部（右端部）
が一列の円筒ころ軸受４によって回転自在に水平支承さ
れている。ハウジング２は、外筒５ａ及び内筒５ｂから
なるハウジング本体６と、該ハウジング本体６の前端部
に固定された前蓋７と、ハウジング本体６の後端部に軸
受支持部材８ａ及び外輪押え部材８ｂを介して固定され
た後蓋９とを備えている。なお、図において符号２ａは
外筒５ａと内筒５ｂとの間に形成された冷却液通路であ
る。

【００１７】スピンドル１の中央部外周面にはビルトイ
ンモータＭのロータ１０が締まりばめにて固定されてお
り、該ロータ１０に周面対向させて同軸に配設されたス
テータ１１はハウジング本体６の内周面に固定されてい
る。スピンドル１の前端面には後端側に向けて次第に縮
径する工具取付け用のテーパ孔１２と、このテーパ孔１
２の奥からスピンドル１の後端に抜ける軸孔１３とがス
ピンドル１の軸心に沿って形成されている。テーパ孔１
２には、工具を保持する工具ホルダのテーパシャンク部
（図示せず。）が嵌合されるようになっている。

【００１８】スピンドル１の前端部を支承する四列のア
ンギュラ玉軸受３ａ〜３ｄの内の前側の二列のアンギュ
ラ玉軸受３ａ，３ｂとモータＭに近い後側の二列のアン
ギュラ玉軸受３ｃ，３ｄとの間には外・内間座１４ａ，
１４ｂが介在されており、また、アンギュラ玉軸受３
ａ，３ｂとアンギュラ玉軸受３ｃ，３ｄとは背面組合せ
とされている。

【００１９】そして、この実施の形態では、モータＭに
近い後側の二列のアンギュラ玉軸受３ｄ（駆動モータに
最も近い位置に配置された転がり軸受），３ｃ（該転が
り軸受と接触角の方向が同一の転がり軸受）の各玉（転
動体）１５を軸受鋼より熱膨張係数が小さく且つ密度が
小さい例えば窒化珪素系セラミックスＳｉ₃ Ｎ₄ を主剤
とした素材で形成し、前側の二列のアンギュラ玉軸受３
ａ，３ｂ（その他の転がり軸受）の各玉１５を通常の軸
受鋼で形成している。

【００２０】ここで、モータＭに近い後側の二列のアン
ギュラ玉軸受３ｃ，３ｄを内側軸受Ａとし、前側の二列
のアンギュラ玉軸受３ａ，３ｂを外側軸受Ｂとする。な
お、最も前側のアンギュラ玉軸受３ａの外内輪１６ａ，
１６ｂはそれぞれ内筒５ｂの内周部に設けられた外輪押
さえ部材１７及びスピンドル１の外周部に螺合されたナ
ット１８によって押さえられ、最も後側のアンギュラ玉
軸受３ｄの外内輪１６ａ，１６ｂはそれぞれ内筒５ｂの
内周部に形成された段差部２１及びスピンドル１の外周
部に形成された段差部２２によって受け止められてい
る。

【００２１】一方、スピンドル１の後端部を支承する円
筒ころ軸受４の外輪２３ａは前側面が軸受支持部材８ａ
の段差部１９によって受け止められると共に、後側面が
外輪押え部材８ｂによって押さえられている。円筒ころ
軸受４の内輪２３ｂは前側面がスピンドル１の外周部に
形成された段差部２０によって受け止められると共に、
後側面がスピンドル１の外周部に螺合されたナット２５
によって押さえられている。なお、図において符号２６
は前蓋７とナット１８との間、及び後蓋９とナット２５
との間にそれぞれ設けられたシール部材である。

【００２２】次に、かかる駆動モータ内蔵型スピンドル
装置の作用効果を表１及び表２を参照して説明する。な
お、本発明例として上記実施の形態の内側軸受Ａの各玉
１５を軸受鋼より熱膨張係数が小さく且つ密度が小さい
窒化珪素系セラミックスＳｉ ₃ Ｎ₄ を主剤とした素材で
形成したものを用い、従来例１として上記実施の形態の
内側軸受Ａの各玉１５を通常の軸受鋼で形成したものを
用いた。表１は本発明例の外側軸受Ｂ、内側軸受Ａの運
転時予圧荷重及び従来例１の外側軸受Ｂ、内側軸受Ａの
運転時予圧荷重をそれぞれ試算した結果を示す。試算条
件は本発明例及び従来例１共に次の通りである。表２に
セラミックスＳｉ₃ Ｎ₄ と軸受鋼の材料物性値を示す。

【００２３】軸受ＪＩＳ呼び番：７０１４Ｃ 回転速度：ｄｍ・ｎ（玉のピッチ円径（ｍｍ）と回転速
度（１／ｍｉｎ）の積）＝８０００００（ｍｍ／ｍｉ
ｎ）相当 外輪温度：常温から２０°Ｃ上昇 内外輪温度差：外側軸受Ｂ…３°Ｃ、内側軸受Ａ…１０
°Ｃ 予圧方式：定位置予圧 予圧荷重（組立時）：１５ｋｇｆ…微予圧相当 潤滑方法：グリース潤滑

【００２４】

【表１】

【００２５】

【表２】

【００２６】表１から明らかなように、内側軸受Ａの各
玉１５を軸受鋼より熱膨張係数が小さく且つ密度が小さ
いセラミックス製とした本発明例では、運転時の予圧荷
重が従来例１より大幅に小さくなり、この結果、高速運
転時に内蔵駆動モータの発熱による熱影響で内側軸受Ａ
の内外輪温度差が外側軸受Ｂより大きくなっても、内側
軸受Ａの接触角の減少を良好に抑制して該内側軸受Ａの
アキシアル負荷容量の低下及び玉と軌道面の間の接触面
圧の増大を抑制し、焼付きの可能性を少なくできること
が分かる。

【００２７】また、軸受鋼より密度が小さいセラミック
ス製の玉を内側軸受Ａに用いることにより、該内側軸受
Ａの玉が従来例１より軽量化されて高速運転時に該玉に
作用する遠心力の影響を受けにくくなり、この結果、接
触面圧の増大をさらに抑制することができる。

【００２８】但し、上記の速度条件よりも更に高速にな
ってくると、玉に作用する遠心力の影響が大きくなり、
特に外側軸受Ｂ（軸受鋼製の玉を使用）の運転条件が過
酷になってくる。したがって、上記実施の形態では、最
高回転速度としてｄｍ・ｎ（玉のピッチ円径と回転速度
の積）５０００００〜１００００００（ｍｍ／ｍｉｎ）
程度が好適であり、６５００００〜８０００００（ｍｍ
／ｍｉｎ）がさらに好適である。

【００２９】ところで、超高速スピンドル装置として、
すべての軸受列（内側軸受Ａ及び外側軸受Ｂ）の玉をセ
ラミックス製としたものが知られている。これは、本発
明のスピンドル装置よりも更に高速で使用されるもので
あり、従来例１及び本発明例よりも運転時の温度や遠心
力の影響を受けにくく、超高速でも安定して運転でき
る。

【００３０】しかし、表１から明らかなように、セラミ
ックス製の玉を使用した軸受は軸受鋼製の玉を使用した
ものに比べ、運転時の予圧増大量が小さい。このことは
過度な予圧増加による焼付きの防止には効果的だが、運
転中に外部アキシアル荷重が負荷された場合、予圧抜け
が発生しやすい特性とも言える。運転時に予圧抜けが発
生すると、スピンドルの剛性が著しく低下して工作精度
の低下を招くだけでなく、異常振動、異常音の原因とも
なる。

【００３１】玉材質による予圧抜けが発生する外部荷重
を試算した結果を表３に示す。表３は本発明例の内外側
軸受Ａ，Ｂの運転時予圧荷重と予圧抜け発生荷重及び従
来例２の内外側軸受Ａ，Ｂの運転時予圧荷重と予圧抜け
発生荷重をそれぞれ試算した結果を示す。試算条件は本
発明例及び従来例２共に表１の場合と同様である。な
お、従来例２としては、上記実施の形態の内側軸受Ａ及
び外側軸受Ｂの各玉１５を共に軸受鋼より熱膨張係数が
小さく且つ密度が小さい窒化珪素系セラミックスＳｉ₃
Ｎ₄ を主剤とした素材で形成したものを用いた。

【００３２】

【表３】

【００３３】表３から明らかなように、上述した程度の
最高回転速度で使用される本発明例は、運転時に適度な
予圧荷重が作用するため、運転時の予圧抜け発生荷重が
従来例２に比べて大きく、したがって、運転中に外部ア
キシアル荷重が負荷された場合に予圧抜けが発生しにく
くなり、また、焼付きの可能性が大きくなるほど過度な
予圧荷重にもならない。さらに、セラミックス製の玉は
軸受鋼製の玉よりもかなり高価であるが、本発明例では
内側軸受Ａのみにセラミックス製の玉を用いているた
め、従来例２に比べて装置コストの低減を図ることがで
きる。

【００３４】なお、上記試算条件では、軸受仕様は玉材
質以外は同じとしているが、使用条件に応じて外側軸受
Ｂと内側軸受Ａとで接触角、玉寸法、玉数などを異なら
せることは自由であり、また、使用時に外部より作用す
る荷重の大きさに応じて外側軸受Ｂ及び内側軸受Ａの列
数をそれぞれ任意に増減してもよい。

【００３５】また、この実施の形態では、背面型４列組
合せアンギュラ玉軸受とし、内側軸受Ａと外側軸受Ｂの
間に軸受間座１４ａ，１４ｂを配置してスピンドル１の
曲げ剛性を高めるようにしている。また、これらの軸受
Ａ，Ｂの内部にはグリースが適量塗布され、玉と軌道輪
の接触面に潤滑油膜が形成されている。このような構造
とするとき、内側軸受Ａと外側軸受Ｂの温度差は大きく
なりやすく、本発明による効果が顕著に現れる。

【００３６】なお、上述のアンギュラ玉軸受は玉、軌道
輪の他に、玉を周方向に均等に配置する図示しない保持
器が使用される。この保持器は、通常はガラス繊維等が
適量（１０〜３０重量％）添加されたポリアミド樹脂等
の熱可塑性樹脂で射出成形されるか、或いは綿布等を母
剤としたフェノール樹脂等の熱硬化性樹脂を切削加工す
ることで製作される。また、上記樹脂系材料以外に、銅
合金を切削加工して製作することもある。これらの保持
器は軌道輪あるいは玉によって回転案内される。

【００３７】

【発明の効果】上記の説明から明らかなように、本発明
によれば、高速運転時に内蔵駆動モータの発熱による熱
影響によって内側軸受に焼付きが生じるのを防止できる
と共に、運転中に外部アキシアル荷重が負荷された場合
の予圧抜けの発生を防止でき、しかも、内側軸受のみに
高価なセラミックス製の転動体を使用するため、全ての
軸受の転動体をセラミックス製とする場合に比べて装置
のコスト低減を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の一例である駆動モータ内
蔵型スピンドル装置を説明するための説明的断面図であ
る。

【符号の説明】

１…スピンドル（回転体） ３ａ〜３ｄ…アンギュラ玉軸受（背面型多列組合せ転が
り軸受） ３ｃ…アンギュラ玉軸受（転がり軸受3dと接触角の方向
が同一の転がり軸受） ３ｄ…アンギュラ玉軸受（モータに最も近い位置に配置
された転がり軸受） ３ａ，３ｂ…アンギュラ玉軸受（その他の転がり軸受） ６…ハウジング １５…玉（転動体） Ｍ…駆動モータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中村 和人 広島県広島市安佐南区祇園三丁目２番１号 三菱重工業株式会社広島工機工場内 (72)発明者 沖友 啓成 広島県広島市安佐南区祇園三丁目２番１号 三菱重工業株式会社広島工機工場内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ハウジングに挿通された回転体と、前記
   ハウジングと前記回転体との間に該回転体の軸方向に複
   数列介在されて該回転体を回転可能に支持する背面型多
   列組合せ転がり軸受と、前記ハウジングに内蔵されて前
   記回転体を回転駆動させる駆動モータとを備えた回転体
   駆動装置において、 前記背面型多列組合せ転がり軸受を構成する複数の転が
   り軸受の内で前記駆動モータに最も近い位置に配置され
   た転がり軸受の転動体及び該転がり軸受と接触角の方向
   が同一の転がり軸受の転動体をセラミックス製とし、そ
   の他の転がり軸受の転動体を軸受鋼製としたことを特徴
   とする回転体駆動装置。