JPH1096423A - 静圧空気軸受スピンドル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ダイレクトドライブ型静圧空気軸受スピンド
ルの動特性を改善し、主軸−軸受系の固有振動数で加振
された場合の主軸の振れを低減する。 【解決手段】 静圧空気ジャーナル軸受および静圧空気
スラスト軸受によって、固定部に対して非接触で支持さ
れる主軸に、モータロータを取付けて直接駆動するダイ
レクトドライブ型静圧空気軸受スピンドルにおいて、前
記ジャーナル軸受の軸方向両端近傍に、軸受面に開口す
る複数個の絞り穴を円周方向配置した２列の給気列を設
けるとともに、該２列の給気列に対応する円周溝を主軸
または該軸受の軸受面に設け、かつ、該軸受の軸方向中
央部の圧力が両端部よりも高い圧力分布となるように、
前記２列の給気列の中間部に、軸受面に開口する複数個
の絞り穴を円周方向に配置した１列または複数列の給気
列を設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、精密加工機や精密
検査装置等のワークスピンドルまたは工具スピンドル等
として利用する静圧空気軸受スピンドルに関する。

【０００２】

【従来の技術】静圧空気軸受は主軸を軸受面に対して非
接触で支持するため、回転精度が高く、精密加工機や精
密検査装置のワークスピンドルまたは工具スピンドル等
に使用される。このようなスピンドルでは外乱の侵入を
防ぎ制御性を高めるために、ベルト等を使用せず主軸に
モータのロータを直接取付けて駆動する場合が多い。

【０００３】このようなダイレクトドライブ型静圧空気
軸受スピンドルの従来例を図９に例示している。このダ
イレクトドライブ型静圧空気軸受スピンドルは、ハウジ
ング３に軸受スリーブ４，５，６を固定し、主軸１を軸
受スリーブ４，５に設けたジャーナル軸受７，８および
主軸１に一体に設けたスラスト板２を両面からはさみこ
む形で軸受スリーブ５，６に設けられた一対のスラスト
軸受９，１０によって、微小な軸受隙間を介してハウジ
ング３に対して非接触で支持している。

【０００４】主軸１にはモータロータ１１が一体に取り
付けられ、ハウジング３に取付けられたモータステータ
１２との間の励磁により回転力を発生する。モータは様
々な形式のものを利用できるが、非接触支持という静圧
空気軸受の特色を生かすために、同期型または誘導型の
ＡＣモータ等、ブラシを用いないモータが用いられる場
合が多い。ＡＣサーボモータを使用する場合には主軸１
の回転角を検出するセンサが必要であり、例えば主軸１
を図の右側に延長してロータリーエンコーダを取り付け
る等の方法がとられる。

【０００５】ジャーナル軸受７，８には、軸受スリーブ
５，６の軸方向両端部近傍に、軸受面に開口する複数個
の微細な絞り穴を円周方向に配置した２列の給気列１３
が設けられており、主軸１の外径面の前記２列の給気列
１３に対向する位置に円周溝１８を設けてある。このよ
うな構成により、比較的単純な構造でジャーナル軸受
７，８の静剛性を大きくすることができる。また、スラ
スト軸受９，１０には、円周上１列に、軸受面に開口す
る複数個の微細な絞り穴を配置した給気列１４が設けて
ある。このスラスト軸受９，１０の軸受面にも静剛性を
上げる目的で、給気列１４に対向して円周溝を設ける場
合がある。

【０００６】軸受給気口１５から圧縮空気を供給する
と、圧縮空気はハウジング３に設けた給気通路１６を経
由して給気列１３および１４からジャーナル軸受７，８
およびスラスト軸受９，１０の軸受隙間に流入し、軸受
隙間内の空気の圧力によって主軸１の自重や外部負荷に
釣り合う軸受反力を生じる。ジャーナル軸受７，８およ
びスラスト軸受９，１０から流出される空気は、軸受端
部から直接、または排気通路１７を通ってスピンドルの
外部に排出される。

【０００７】前記静圧空気軸受スピンドルにおいて、主
軸１の振れ回りの原因となる加振力は、主軸１とワーク
または工具等を含む回転体の不釣合いに起因するもので
あり、従って、その周波数は回転数と等しい。通常、主
軸−軸受系の固有振動数は回転数よりもかなり高めに設
計できるので、図９に示す２列給気円周溝付きジャーナ
ル軸受７，８のような形で軸受の静剛性を高めることに
よって主軸１の振れ精度を改善することができた。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】前述したように、静圧
空気軸受スピンドルにおいては、主軸１とワークまたは
工具等を含む回転体の不釣合いによって発生する回転数
と等しい周波数の振れに対しては、ジャーナル軸受７，
８の静剛性の向上と不釣合い修正の精度向上によって対
策がなされてきた。その結果、回転数と等しい周波数の
振れはかなり小さくなったが、さらに振れ精度を改善す
るためには、モータのトルク変動や磁石の着磁むら、駆
動電流波形の乱れ等が原因となって、モータの極数等に
関連する回転数の整倍数の周波数で発生する振動が問題
となっている。このモータに起因する加振力は主軸１の
回転数よりも周波数が高く、主軸−軸受系の固有振動数
に近い成分を含んでおり、固有振動数での主軸１の振動
が問題になる場合が多い。

【０００９】主軸−軸受系の固有振動数での振幅を小さ
くするには軸受の剛性ではなく、減衰係数を大きくする
必要がある。さらに、静圧空気軸受の剛性および減衰係
数は周波数によって変化するので、従来のように静剛性
だけに着目していたのでは、振動低減の効果は上がらな
い。

【００１０】そこで、本発明は、ダイレクトドライブ型
静圧空気軸受スピンドルの動特性を改善し、主軸−軸受
系の固有振動数で加振された場合の主軸１の振れを低減
することを課題とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】前述した目的を達成する
ため、本発明は、静圧空気ジャーナル軸受および静圧空
気スラスト軸受によって、固定部に対して非接触で支持
される主軸に、モータロータを取付けて直接駆動するダ
イレクトドライブ型静圧空気軸受スピンドルにおいて、
前記ジャーナル軸受の軸方向両端近傍に、軸受面に開口
する複数個の絞り穴を円周方向配置した２列の給気列を
設けるとともに、該２列の給気列に対応する円周溝を主
軸または該軸受の軸受面に設け、かつ、該軸受の軸方向
中央部の圧力が両端部よりも高い圧力分布となるよう
に、前記２列の給気列の中間部に、軸受面に開口する複
数個の絞り穴を円周方向に配置した１列または複数列の
給気列を設けた。

【００１２】ジャーナル軸受の軸方向両端部近傍の円周
上に設けた２列の給気列に加えて、前記２列の給気列の
中間部の円周上にも１列または複数列の給気列を設けた
ことにより、ジャーナル軸受の軸方向中央部の圧力が両
端部よりも高い圧力分布となって軸受隙間の平均圧力が
高くなり、ジャーナル軸受の高周波領域での減衰性能が
改善され、主軸−軸受系の固有振動数付近の加振力に対
する静圧軸受スピンドルの振れを低減することができ
る。この結果、ダイレクトドライブ型静圧空気軸受スピ
ンドルの動特性を改善し、更に精度の高いスピンドルを
実現できる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図面に基
づいて説明する。尚、図７に示す従来構成と実質的に同
一の部材ないし部分にはすべての図を通じて同一の参照
符号を付して示すこととし、重複する説明は省略する。

【００１４】図１はこの実施例に係わるダイレクトドラ
イブ型静圧空気軸受スピンドルを示している。この実施
例のダイレクトドライブ型静圧空気軸受スピンドルは、
従来構成と同様、主軸１を２個のジャーナル軸受７，８
および主軸１に一体に設けたスラスト板２の両面に対向
するスラスト軸受９，１０によってハウジング３に対し
て非接触で支持している。主軸１にはモータロータ１１
が一体に取り付けられ、ステータ１２に通電すると主軸
１が回転するようになっている。

【００１５】図２は、この実施例に係わる静圧空気軸受
スピンドルに属するジャーナル軸受７，８の拡大図を示
している。ジャーナル軸受７，８は、軸受スリーブ５，
６の軸方向両端部近傍に、軸受面に開口する複数個の微
細な絞り穴を円周方向に配置した２列の給気列１３ａを
設けるとともに、主軸１の外径面の前記２列の給気列１
３ａに対向する位置に円周溝１８ａを設け、かつ、前記
２列の給気列１３ａの中間部（軸受スリーブ５，６の軸
方向中央部）に、軸受面に開口する複数個の微細な絞り
穴を円周方向に配置した１列の給気列１３ｂを設けると
ともに、主軸１の外径面の前記中央部の給気列１３ｂに
対向する位置に円周溝１８ｂを設けたものである。更
に、前記中間部の給気列１３ｂの絞り出口面積の総和
を、隣接する端部側の給気列１３ａの絞り出口面積の総
和よりも小さくしている。ここで給気列の絞り出口面積
とは、圧縮空気が絞り穴を通過する際に、圧縮空気の流
路断面積がもっとも小さくなり、実際に絞りとして作用
する部分の面積であり、通常は図３に示すように、絞り
穴４１の断面４３の面積（所謂オリフィス絞り）と、絞
り穴４１の外周とそれと対向する軸受面または円周溝の
底面４２で区切られる円筒面４４の面積（所謂自成絞
り）のうち、小さい方の面積である。従って、ジャーナ
ル軸受７，８の軸方向中央部の給気列１３ｂの絞り出口
面積の総和を、隣接する端部側の給気列１３ａの絞り出
口面積の総和よりも小さくするには、給気列１３ｂの絞
り穴の直径を小さくする、給気列１３ｂの絞り穴の数を
減らす、また、自成絞りの場合は、それに対向する円周
溝１８ｂを浅くするか円周溝１８ｂをなくすという３つ
の方法がある。

【００１６】この実施例のジャーナル軸受７，８は、従
来からある軸方向両端部近傍の２列の給気列１３ａに加
えて、軸方向中央部の円周上に給気列１３ｂを設けたこ
とにより、軸受隙間における空気の流れの様子が、図４
（ａ）のようになるので（尚、図４（ｂ）に従来のジャ
ーナル軸受の軸受隙間における空気の流れの様子を比較
として示す。）、図５に示すように、軸方向中央部の圧
力が両端部よりも高い圧力分布となって軸受隙間の平均
圧力が従来のジャーナル軸受よりも高くなり、下記のよ
うな理由でジャーナル軸受７，８の高周波領域での減衰
性能が改善され、主軸−軸受系の固有振動数付近の加振
力に対する静圧空気軸受スピンドルの振れを低減するこ
とができる。

【００１７】即ち、主軸１が振動すると、給気列１３
ａ，１３ｂの絞り穴の作用で軸受隙間の圧力が変化し、
主軸１の変化に応じた軸受反力を発生する。静圧空気軸
受では軸受隙間が小さいので、軸受隙間内の空気は軸受
面とほとんど同じ温度になり、等温変化を行なうので、
圧力と密度は比例関係にある。主軸１の振動に伴う軸受
隙間内の局所的な空気の移動は、軸受隙間の容積の変化
分に対応する部分と、圧力変化に連動した空気の密度の
変化に対応する部分に分けられる。局所的な圧力（空気
の密度）の変化速度は、局所的な空気の質量流量と比例
関係にあるから、体積流量が一定の場合には、軸受隙間
の圧力（空気の密度）が高いほど質量流量が大きく、圧
力の変化が速い。従って、軸受隙間の圧力が高いほど、
ある圧力変化を短時間で終了することができる。これは
軸受反力の軸変位に対する遅れが小さいということであ
り、言い換えれば減衰に対するマイナスの効果が小さい
ということになる。

【００１８】また、軸受隙間の圧力が変化する際に、軸
受隙間内で空気の流動が生じ、この時の空気の粘性抵抗
によって軸の振動に対する減衰力となる。振動の周波数
が高くなると、軸受隙間の変化が速くなり、軸受の中央
付近の空気は追従できず、流動せずにその場で圧縮・膨
張するようになる。従って、空気の流動に伴う粘性力は
小さくなり、減衰係数が小さくなる。特にジャーナル軸
受の軸方向中央部分ではこの傾向が強い。

【００１９】本実施例においては、ジャーナル軸受７，
８の軸方向中央部に給気列１３ｂや円周溝１８ｂを設け
たため、軸受の中央付近の空気が給気列１３ｂの絞り穴
や円周溝１８ｂに出入りすることによって比較的周波数
の高い振動に対しても流動を生じやすくなり、高周波領
域でのジャーナル軸受７，８の減衰係数が大きくなる。
また、給気列１３ａ，１３ｂの数や円周溝１８ａ，１８
ｂの深さによって空気の流動し易さが変化するので、主
軸−軸受系の固有振動数に応じて給気列１３ａ，１３ｂ
の数や円周溝１８ａ，１８ｂの深さを設定することがで
きる。

【００２０】一方、静剛性については、静剛性が最大と
なる最適な給気列１３ａ，１３ｂの絞り穴の出口圧力と
軸受給気圧との圧力比が存在し、給気圧に対して給気列
１３ａ，１３ｂの絞り穴の出口圧力が高すぎると、軸受
隙間全体の圧力が上がり、上記の圧力比を実現すること
ができなくなり、静剛性が低下する。このため、圧力の
上がり易い軸受の軸方向中央部の圧力上昇を必要最低限
に押える必要がある。この点、本発明の実施例において
は、圧力の上がり易い軸受の軸方向中央部の給気列１３
ｂの絞り出口面積の総和を、隣接する端部側の給気列１
３ａよりも小さくしたため、２列給気の場合の給気列間
の圧力の落ち込みを補って、高周波領域での減衰係数を
高めるために最小限度の軸受隙間平均圧力の上昇を実現
することができる。従って、静圧空気軸受スピンドルの
静剛性を維持しながら動特性を改善することができる。

【００２１】以上のように、本発明の実施例に係るダイ
レクトドライブ型静圧空気軸受スピンドルにおいては、
ジャーナル軸受７，８の減衰性能が改善され、モータに
起因する主軸−軸受系の固有振動数に近い比較的高周波
領域での振動が発生しても、十分な主軸の振れ精度を実
現できる。

【００２２】図６は、同一の主軸１を用いた従来のダイ
レクトドライブ型静圧空気軸受スピンドルと本発明の実
施例に係るダイレクトドライブ型静圧空気軸受スピンド
ルのコンプライアンス（剛性の逆数で、加振力の大きさ
に対する主軸１の振れの大きさの比を表す。）を、加振
力の周波数を横軸にとって比較したものである。コンプ
ライアンスが小さいほど、同一の加振力に対して主軸１
の振れが小さく、高精度なスピンドルである。本発明の
実施例に関するスピンドルは、ジャーナル軸受７，８に
３列の給気列１３ａ，１３ｂを設け、中央部の給気列１
３ｂにも円周溝１８ｂを設けたもの（３列給気３列円周
溝）と、中央部の給気列１３ｂには円周溝１８ｂを設け
ないもの（３列給気２列円周溝）のコンプライアンスを
示す。固有振動数は、従来のスピンドルでは９００Ｈｚ
〜１５００Ｈｚ付近、本発明のスピンドルでは１１００
Ｈｚ〜１６００Ｈｚ付近である。本発明のスピンドル
は、０Ｈｚ近傍のコンプライアンス（静剛性の逆数）は
従来のものに比べて十数％小さいだけだが、固有振動数
での最大値を比較すると従来のものの約１／２になって
おり、高周波領域での本発明の効果があらわれている。
また、本発明の２種類を比較すると、中央の給気列１３
ｂに円周溝１８ｂを設けることにより、コンプライアン
スは約１６００Ｈｚを境としてそれ以上の高周波領域で
は小さくなり、低周波領域では大きくなる。つまり、主
要な加振力や固有振動数の周波数に応じて円周溝１８ｂ
の諸元を変更してその周波数でのコンプライアンスを小
さくすることができる。

【００２３】また、本発明ではジャーナル軸受７，８の
軸方向中央部に給気列１３ｂを設けることによって軸受
空気流量が増加する。このため、外部から供給される空
気による軸受部の冷却効果が大きくなり、軸を高速で回
転させた場合でも、軸受部の温度上昇が小さくなる。

【００２４】尚、前記実施例に係る静圧空気軸受スピン
ドルでは、ジャーナル軸受７，８に３列の給気列１３
ａ，１３ｂを設けているが、本発明の静圧空気軸受スピ
ンドルに属するジャーナル軸受７，８の給気列は３列に
限定されるものではなく、３列以上、例えば図７に示す
ように、５列の給気列１３ｃ，１３ｄ，１３ｅを設け、
かつ、主軸１の外径面に５列の給気列１３ｃ，１３ｄ，
１３ｅに対向する５列の円周溝１８ｃ，１８ｄ，１８ｅ
を設けることも可能である。この場合、中央の給気列１
３ｅの絞り出口面積の総和を隣接する端部側の給気列１
３ｄの絞り出口面積の総和よりも小さくするとともに、
給気列１３ｄの絞り出口面積の総和を隣接する端部側の
給気列１３ｃの絞り出口面積の総和よりも小さくする。
但し、給気列の数が奇数の場合、中央の給気列からは軸
方向両側に向かって圧縮空気が流れるので、中央の給気
列の絞り出口面積の総和は、その端部側に隣接する給気
列の絞り出口面積の総和よりも小さくする。

【００２５】図８は、本発明のダイレクトドライブ型静
圧空気軸受スピンドルの他の実施例を示している。この
実施例のダイレクトドライブ型静圧空気軸受スピンドル
は、ハウジング３の両端にスラスト軸受９，１０を設
け、それぞれのスラスト軸受９，１０に対向する２枚の
スラスト板２を主軸１に固定している。また、ジャーナ
ル軸受７，８の円周溝１８ｆは軸方向両端部の２列の給
気列１３ｆにのみ設け、中央部の２列の給気列１３ｇに
は溝を設けていない。この実施例は、主軸−軸受系の固
有振動数が比較的小さい場合に適している。

【００２６】また、以上実施例ではジャーナル軸受７，
８の内径側の軸受面に給気列１３ａ〜１３ｇを設け、か
つ、主軸１の外周面に円周溝１８ａ〜１８ｆを設けてい
るが、給気列を主軸１の外周面に設けたり、或いは、円
周溝をジャーナル軸受７，８の内径側の軸受面に設けて
も良い。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ジャーナル軸受の軸方向両端部近傍の円周上に設けた２
列の給気列に加えて、前記２列の給気列の中間部の円周
上にも１列または複数列の給気列を設けたので、ジャー
ナル軸受の軸方向中央部の圧力が両端部よりも高い圧力
分布となって軸受隙間の平均圧力が高くなり、ジャーナ
ル軸受の高周波領域での減衰性能が改善され、主軸−軸
受系の固有振動数付近の加振力に対する静圧軸受スピン
ドルの振れを低減することができ、これによりダイレク
トドライブ型静圧軸受スピンドルの動特性を改善し、高
い精度のスピンドルを実現できる。また、中間部の各給
気列の絞り出口面積の総和を軸受の中央寄りの給気列ぼ
と小さくしたので、高周波領域での減衰係数を高めるた
めに最小限度の軸受隙間平均圧力の上昇を実現すること
ができ、これによりダイレクトドライブ型静圧軸受スピ
ンドルの静剛性を低下させることなく動特性を改善し、
更に高い精度のスピンドルを実現できる。また、ジャー
ナル軸受の圧縮空気流量が増加し、軸受の冷却効果が高
まる。更に、軸受部の温度上昇を低減できるとともに、
必要な加工技術は従来のものとまったく同じであり、上
記の効果を低コストで実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係わるダイレクトドライブ型
静圧空気軸受スピンドルの縦断面図である。

【図２】本発明の実施例に係わる静圧空気軸受スピンド
ルに属するジャーナル軸受の拡大図である。

【図３】絞り出口面積の説明図である。

【図４】本発明（３列給気）と従来（２列給気）の空気
の流れの様子を示す軸受面（半分）の展開図である。

【図５】本発明（３列給気）と従来（２列給気）の軸受
隙間（半分）における圧力分布を示す線図である。

【図６】本発明（３列給気）と従来（２列給気）のコン
プライアンスを比較する線図である。

【図７】本発明の実施例に係わる静圧空気軸受スピンド
ルに属するジャーナル軸受の他の例の拡大図である。

【図８】本発明の他の実施例の縦断面図である。

【図９】従来のダイレクトドライブ型静圧空気軸受スピ
ンドルの縦断面図である。

【符号の説明】

１ 主軸 ２ スラスト板 ３ ハウジング ４〜６ 軸受スリーブ ７，８ ジャーナル軸受 ９，１０ スラスト軸受 １１ モータロータ １２ モータステータ １３，１３ａ〜１３ｇ ジャーナル軸受の給気列 １４ スラスト軸受の給気列 １５ 軸受給気口 １６ 給気通路 １７ 排気通路 １８，１８ａ〜１８ｆ 円周溝

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 静圧空気ジャーナル軸受および静圧空気
   スラスト軸受によって、固定部に対して非接触で支持さ
   れる主軸に、モータロータを取付けて直接駆動するダイ
   レクトドライブ型静圧空気軸受スピンドルにおいて、前
   記ジャーナル軸受の軸方向両端部近傍の軸受面に開口す
   る複数個の絞り穴を円周方向配置した２列の給気列を設
   けるとともに、該２列の給気列に対応する円周溝を主軸
   または該軸受の軸受面に設け、かつ、該軸受の軸方向中
   央部の圧力が両端部よりも高い圧力分布となるように、
   前記２列の給気列の中間部に、軸受面に開口する複数個
   の絞り穴を円周方向に配置した１列または複数列の給気
   列を設けたことを特徴とする静圧空気軸受スピンドル。
2. 【請求項２】 前記ジャーナル軸受の中間部の給気列に
   対向する円周溝を主軸または該軸受の軸受面に設けたこ
   とを特徴とする請求項１の静圧空気軸受スピンドル。
3. 【請求項３】 前記ジャーナル軸受の中間部の給気列の
   各列毎の絞り出口面積の総和が、軸受の中央寄りの給気
   列ほど小さいことを特徴とする請求項１または２の静圧
   空気軸受スピンドル。
4. 【請求項４】 前記ジャーナル軸受の中央寄りの給気列
   の絞り穴の直径が隣接する端部側の給気列の絞り穴の直
   径より小さいことを特徴とする請求項３の静圧空気軸受
   スピンドル。
5. 【請求項５】 前記ジャーナル軸受の中央寄りの給気列
   の絞り穴の数が隣接する端部側の給気列の絞り穴の数よ
   り少ないことを特徴とする請求項３の静圧空気軸受スピ
   ンドル。
6. 【請求項６】 前記ジャーナル軸受の中央寄りの給気列
   の円周溝の深さが隣接する端部側の給気列の円周溝の深
   さより浅いか、中央寄りの給気列には円周溝を設けない
   ことを特徴とする請求項３の静圧空気軸受スピンドル。