静圧空気軸受スピンドル装置およびこれを用いた工作機械
【課題】高精度な加工を安定して実現できる静圧空気軸受スピンドル装置およびこれを用いた工作機械を提供する
【解決手段】スピンドル１０と、このスピンドル１０を空気層を介して回転可能に支持したエアーベアリング機構と、増圧装置(５１，５２)および圧力レギュレータ５４を含み、圧力レギュレータ５４からの空気をエアーベアリング機構に供給するエアー供給手段５０と、スピンドルを回転させる回転駆動機構とを備えた静圧空気軸受スピンドル装置。増圧装置と圧力レギュレータとの間に、増圧装置からの空気の温度を制御して圧力レギュレータに供給する温度調整装置５３が設けられている。
【解決手段】スピンドル１０と、このスピンドル１０を空気層を介して回転可能に支持したエアーベアリング機構と、増圧装置(５１，５２)および圧力レギュレータ５４を含み、圧力レギュレータ５４からの空気をエアーベアリング機構に供給するエアー供給手段５０と、スピンドルを回転させる回転駆動機構とを備えた静圧空気軸受スピンドル装置。増圧装置と圧力レギュレータとの間に、増圧装置からの空気の温度を制御して圧力レギュレータに供給する温度調整装置５３が設けられている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静圧空気軸受スピンドル装置およびこれを用いた工作機械に関する。詳しくは、スピンドルを静圧空気軸受で回転可能に支持した静圧空気軸受スピンドル装置およびこれを用いた工作機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
超精密非球面加工機などの超精密加工機械において、高精度、高速対応、更には、低摩擦、低振動などの優れた特性を有する静圧空気軸受が広く利用されている。とくに、高速回転で、しかも、軽負荷の小径工具の駆動には、スピンドルの外周にエアータービンを設け、これに静圧空気軸受に供給される圧縮空気を供給することによって、スピンドルを高速回転させるエアータービンスピンドル装置が用いられている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
エアータービンスピンドル装置は、先端に加工工具を着脱可能に取り付けたスピンドルと、このスピンドルを軸受部材との間に空気層を介して回転可能に支持したエアーベアリング機構と、圧縮空気をエアーベアリング機構に供給するエアー供給手段と、スピンドルを回転させるエアータービン機構とを備える。エアータービン機構は、スピンドルに一体的に設けられたエアータービンと、このエアータービンに空気を供給するノズルとから構成されている。
【０００４】
従って、圧縮空気をエアーベアリング機構およびエアータービン機構に供給すると、スピンドルが回転される。このとき、スピンドルは軸受部材に対して空気層を介して回転可能に支持されているから、スピンドルが回転する際の摩擦抵抗を低減でき、かつ、低振動に抑えることができるとともに、高速対応できる。
しかも、エアーベアリング機構に供給する空気の量や圧力を制御することによって、軸受部材に対するスピンドルの位置、具体的には、スピンドルの芯出し位置を精密に決定することができるから、高精度な工作機械を提供できる。つまり、高精度、高速対応、更には、低摩擦、低振動などの優れた特性を有する工作機械を提供できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−３４９５２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
静圧空気軸受やエアータービンスピンドル装置においては、供給空気の高圧化、圧力の安定化が要求される。
つまり、供給空気を高圧にすれば、静圧空気軸受の剛性を向上させることができ、また、供給空気の圧力を安定化することによって、加工精度に与える影響を少なくして、高精度な加工を実現できる。これには、例えば、静圧空気軸受直前で、供給空気ライン圧を増圧機で増圧したのち、増圧機による供給空気圧の変動を抑制するために、増圧機と静圧空気軸受との間に圧力レギュレータを組み込む方法が考えられる。
【０００７】
しかし、このように構成しても、供給空気の温度が変動すると、静圧空気軸受を構成する部材に熱変形が生じやすい。例えば、静圧空気軸受を構成する部材については、異なる線膨張係数の材料で構成される場合があるため、供給空気の温度が変動すると、線膨張係数の違いによって、熱膨張あるいは熱収縮の度合いが異なり、結果的には、静圧空気軸受部材がスピンドルの軸に対して湾曲するなど変形するため、高精度な加工が実現できない事態を招く。
【０００８】
本発明の目的は、このような従来の課題に対して、高精度な加工を安定して実現できる静圧空気軸受スピンドル装置およびこれを用いた工作機械を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の静圧空気軸受スピンドル装置は、スピンドルと、このスピンドルを空気層を介して回転可能に支持したエアーベアリング機構と、増圧装置および圧力レギュレータを含み、前記圧力レギュレータからの空気を前記エアーベアリング機構に供給するエアー供給手段と、前記スピンドルを回転させる回転駆動機構とを備えた静圧空気軸受スピンドル装置において、前記増圧装置と前記圧力レギュレータとの間に、前記増圧装置からの空気の温度を制御して前記圧力レギュレータに供給する温度調整装置が設けられている、ことを特徴とする。
【００１０】
このような構成によれば、空気を増圧装置で増圧したのち、圧力レギュレータを介してスピンドルを回転可能に支持したエアーベアリング機構へ供給するようにしたので、つまり、空気を増圧装置で増圧してエアーベアリング機構に供給するようにしたので、エアーベアリング機構の剛性を向上させることができる。このとき、増圧装置によって供給空気圧の変動が生じても、圧力レギュレータによって、供給空気圧の変動を抑制できるので、加工精度に与える影響を少なくして、高精度な加工を実現できる。
また、増圧装置と圧力レギュレータとの間に、増圧装置からの空気の温度を制御して圧力レギュレータに供給する温度調整装置が設けられているから、供給空気の温度が変動しても、エアーベアリング機構を構成する部材に対して熱変形を生じさせる虞を少なくできる。従って、高精度な加工を安定して実現することができる。
【００１１】
本発明の静圧空気軸受スピンドル装置において、前記温度調整装置は、前記増圧装置からの空気を加熱するヒータと、前記増圧装置からの空気を冷却するクーラと、前記ヒータで加熱された加熱空気と前記クーラで冷却された冷却空気を所定の割合で混合させる混合手段とを有する、ことが好ましい。
このような構成によれば、増圧装置からの空気を分岐して、一方をヒータにより加熱するとともに、他方をクーラにより冷却し、これらの加熱空気と冷却空気とを所定の割合で混合させて圧力レギュレータに供給するようにしたので、供給空気を即座に温度制御することができる。
【００１２】
本発明の静圧空気軸受スピンドル装置において、前記温度調整装置は、前記増圧装置の下流側に直列に接続され前記増圧装置からの空気を加熱するヒータおよび前記増圧装置からの空気を冷却するクーラと、これらヒータおよびクーラの駆動を制御する駆動制御手段とを有する、ことが好ましい。
このような構成によれば、増圧装置からの空気を加熱するヒータと冷却するクーラとを直列に接続し、これらの駆動を駆動制御手段によって制御するようにしたので、簡単に構成することができるとともに、設置スペースも省スペース化できる。
【００１３】
本発明の静圧空気軸受スピンドル装置において、前記混合手段または駆動制御手段は、前記エアーベアリング機構からの排気温度と設定温度とを基に、前記加熱空気と冷却空気との混合割合または前記クーラとヒータの駆動を制御する、ことが好ましい。
このような構成によれば、混合手段は、エアーベアリング機構からの排気温度と設定温度とを基に加熱空気と冷却空気との混合割合を制御し、または、駆動制御手段は、エアーベアリング機構からの排気温度と設定温度とを基にクーラとヒータの駆動を制御するようにしたので、エアーベアリング機構に供給される供給空気の温度を常に設定温度に迅速かつ高精度に制御することができる。
【００１４】
本発明の静圧空気軸受スピンドル装置において、前記回転駆動機構は、前記スピンドルに固定されたエアータービンと、前記エアー供給手段からのエアーを前記エアータービンに供給するエアー供給路とを含んで構成され、前記エアー供給手段は、前記温度調整装置からの空気を前記エアータービンに向けて供給するエアータービン用圧力レギュレータを含んで構成され、前記エアータービンの回転数を検出する回転数検出手段からの信号と目標回転数との差に相当する信号をエアータービン用圧力レギュレータに与える回転数コントローラを備える、ことが好ましい。
【００１５】
このような構成によれば、スピンドルを回転可能に支持するエアーベアリング機構への供給空気を利用してエアータービンを回転させ、これにより、スピンドルを回転させるようにしたので、スピンドルを回転させるための電動モータなどを付加しなくてもよい。従って、軽量かつ経済的に構成できる。
また、回転数検出手段によってエアータービンの回転数を検出し、回転数コントローラにおいて、回転数検出手段によって検出された信号と目標回転数との差に相当する信号をエアータービン用圧力レギュレータに与えるようにしたので、スピンドルの回転数を高速で目標回転数に制御することができる。従って、加工効率のよい制御を実現できる。
【００１６】
本発明の工作機械は、上述した静圧空気軸受スピンドル装置を備えたことを特徴とする。
このような構成によれば、上述した静圧空気軸受スピンドル装置を備えているから、上述した静圧空気軸受スピンドル装置の特徴を持った工作機械が提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態に係る工作機械を示す図。
【図２】前記実施形態において、静圧空気軸受スピンドル装置を示す断面図。
【図３】前記実施形態において、静圧空気軸受スピンドル装置を示すブロック図。
【図４】前記実施形態において、ヒータの構造を示す図。
【図５】前記実施形態において、クーラの構造を示す図。
【図６】前記実施形態において、圧力レギュレータの一例を示すブロック図。
【図７】前記実施形態において、回転数フィードバック制御有無による回転数とエアータービン駆動圧の変化を示す図。
【図８】前記実施形態において、静圧空気軸受スピンドル装置の他の例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態は、静圧空気軸受スピンドル装置を有する工作機械に適用した例である。
（工作機械の説明）
本工作機械は、図１に示すように、ベース１と、このベース１に三次元駆動機構２を介して三次元方向（Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向）へ移動可能に設けられ上面にワークを載置するテーブル３と、ベース１に立設されたコラム４と、このコラム４に支持アーム５を介してテーブル３の真上に設置された静圧空気軸受スピンドル装置６とから構成されている。
【００１９】
（静圧空気軸受スピンドル装置の説明）
静圧空気軸受スピンドル装置６は、図２に示すように、先端にエンドミルなどの回転工具７を取り付けたスピンドル１０と、このスピンドル１０を空気層（空気隙間）を介して回転可能に支持したエアーベアリング機構２０と、スピンドル１０を回転させる回転駆動機構４０と、後述する増圧装置および圧力レギュレータ５４，５５を含み、これら圧力レギュレータ５４，５５からの空気をエアーベアリング機構２０に供給するエアー供給手段５０とを備える。
【００２０】
（スピンドルの説明）
スピンドル１０は、図２に示すように、所定長さの軸部１１と、この軸部１１の途中に設けられ軸部１１の径よりも径大なフランジ部１２とを有する。
【００２１】
（エアーベアリング機構の説明）
エアーベアリング機構２０は、図２に示すように、スピンドル１０を収納する収納孔２２を有する軸受本体２１と、この軸受本体２１の収納孔２２内に固定されスピンドル１０を空気隙間を介して回転可能に支持する軸受部材３１，３２とを有する。
軸受部材３１，３２は、軸部１１の外周面との間に所定のラジアル隙間３３を有する内径およびラジアル隙間３３に空気を噴出するエアー噴出孔３４を有するラジアル軸受部材３１Ａ，３２Ａと、これらラジアル軸受部材３１Ａ，３２Ａと一体的に形成されフランジ部１２の端面との間に所定のスラスト隙間３５およびスラスト隙間３５に空気を噴出するエアー噴出孔３６を有するスラスト軸受部材３１Ｂ，３２Ｂとから構成されている。
軸受本体２１には、中心軸方向にスピンドル１０を収納する収納孔２２が形成されているとともに、外部にエアーベアリング用エアー供給口２３およびエアータービン用エアー供給口２４が形成されている。また、内部には、エアーベアリング用エアー供給口２３から各軸受部材３１，３２のエアー噴出孔３４，３６に連通するエアー供給路２５と、エアータービン用エアー供給口２４からエアータービン４１の外周に臨むエアー供給路２６が形成されている。
【００２２】
（回転駆動機構の説明）
回転駆動機構４０は、図２に示すように、スピンドル１０の基端側（回転工具７を取り付けた端部とは反対側）に固定されたエアータービン４１と、軸受本体２１に形成されエアータービン４１に向けて圧縮空気を噴射する空気噴射ノズルとしてのエアー供給路２６とによって構成されている。これにより、エアー供給手段５０からの空気がエアー供給路２６を通じてエアータービン４１に供給されると、エアータービン４１が回転され、これと一緒にスピンドル１０が回転される。
【００２３】
（エアー供給手段の説明）
エアー供給手段５０は、図３に示すように、空気供給源としてのコンプレッサ５１と、このコンプレッサ５１からの圧縮空気を増圧する増圧機５２と、この増圧機５２の下流に設けられた温度調整装置５３と、この温度調整装置５３の出口とエアーベアリング用エアー供給口２３との間に設けられ空気を所定圧に制御するエアーベアリング用圧力レギュレータ５４と、温度調整装置５３の出口とエアータービン用エアー供給口２４との間に設けられたエアータービン用圧力レギュレータ５５と、スピンドル１０の回転数を検出する回転数検出センサ５７からの信号と設定回転数との差に相当する信号をエアータービン用圧力レギュレータ５５に与える回転数コントローラ５６とから構成されている。
【００２４】
（コンプレッサおよび増圧機）
コンプレッサ５１は、空気を圧縮するもので、遠心圧縮機、軸流圧縮機、容積圧縮機などが用いられる。増圧機５２は、コンプレッサ５１からの圧縮空気を増圧する増圧弁と、この増圧された空気を蓄える増圧タンクとを備えて構成される。ここでは、コンプレッサ５１と増圧機５２とから、本発明の増圧装置が構成されている。
【００２５】
（温度調整装置の説明）
温度調整装置５３は、増圧機５２の出口側に並列に接続されたヒータ６１およびクーラ６２と、これらヒータ６１およびクーラ６２の出口側と圧力レギュレータ５４，５５の入口側との間に接続された切換弁６３，６４と、これら切換弁６３，６４を開閉制御する温度コントローラ６５とから構成されている。温度コントローラ６５は、エアーベアリング機構２０の排気温度を検出する排気温度検出センサ６６からの信号を基に切換弁６３，６４を制御し、ヒータ６１を通って加熱された空気とクーラ６２を通って冷却された空気を混合させて所定温度の空気を圧力レギュレータ５４，５５へ送るように制御を行う。ここでは、切換弁６３，６４と温度コントローラ６５とから、本発明の混合手段が構成されている。
【００２６】
（ヒータおよびクーラの説明）
ヒータ６１は、図４に示すように、増圧機５２から切換弁６３へ向かう配管６１１の外周に取り付けられたフィン６１２と、このフィン６１２を囲むように配管６１１の外周の設けられた保護ケース６１３と、この保護ケース６１３内に配置された加熱コイル６１４，６１５とから構成されている。従って、加熱コイル６１４，６１５を加熱すると、加熱コイル６１４，６１５からの熱がフィン６１２を介して配管６１１内を流れる空気に伝わり、空気が加熱される。
クーラ６２は、図５に示すように、増圧機５２から切換弁６４へ向かう配管６２１の外周に取り付けられたフィン６２２と、このフィン６２２を囲むように配管６２１の外周の設けられた保護ケース６２３と、この保護ケース６２３に形成され保護ケース６２３内に温度調節された冷却流体を流通させる流体供給口６２４および流体排出口６２５とから構成されている。従って、冷却流体を流体供給口６２４から保護ケース６２３を通して流体排出口６２５から排出させると、冷却流体によってフィン６２２が冷却されるため、配管６２１内を流れる空気が冷却される。
【００２７】
（圧力レギュレータの説明）
圧力レギュレータ５４，５５は、圧力を高速かつ精密に目標圧力に保持するもので、例えば、特開２００９−１１００３３号に開示された圧力レギュレータを用いることができる。
これは、図６に示すように、温度調整装置５３から供給される空気の流入流量を規制するサーボ弁７１と、このサーボ弁７１を通った空気を流入し等温状態に保持する等温化圧力容器７２と、この等温化圧力容器７２内へ流入する空気の流入流量を計測する流量計７３と、等温化圧力容器７２内の空気の圧力を検出する圧力計７４と、等温化圧力容器７２内の空気の圧力微分値を検出する圧力微分計７５と、流量計７３、圧力計７４および圧力微分計７５で検出された信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器７６と、このＡ／Ｄ変換器７６を通じて与えられる信号を基に制御電圧を算出し、その制御電圧をＤ／Ａ変換器７８を介してサーボ弁７１へ与える圧力制御手段７７とを備える。
【００２８】
いま、圧力レギュレータ５４，５５が起動され、等温化圧力容器７２内の空気の圧力Ｐが所定の目標値に整定された状態にあるとする。このとき、サーボ弁７１は、等温化圧力容器７２の流出口から流出する流出流量と、流入口から流入する流入流量とがバランスする開度に調整されている。
ここで、温度調整装置５３からの空気の圧力Ｐs、または、等温化圧力容器７２から流出する空気の流出流量Ｇoutに変動が生じ、等温化圧力容器７２内の圧力Ｐが目標値Ｐrefから変化すると、圧力レギュレータ５４，５５は空気の圧力の変動を補償するために、圧力制御手段７７によって、流量計７３で計測された流入流量Ｇin、圧力計７４で計測された圧力Ｐおよび圧力微分計７５で計測された圧力微分値ｄＰ／ｄｔをＡ／Ｄ変換器７６を介して受信し、これらの受信した計測データに基づいてサーボ弁７１に対する制御電圧Ｅiを算出し、この算出した制御電圧ＥiをＤ／Ａ変換器７８を介してサーボ弁７１に与える。
すると、サーボ弁７１は、圧力制御手段７７によって算出された制御電圧Ｅiに応じた開度にサーボ弁７１を制御し、その開度に応じた流入流量Ｇinで等温化圧力容器７２に空気を流入する。これによって、等温化圧力容器７２内の空気の圧力Ｐが目標値Ｐrefに整定されるように制御される。
【００２９】
＜実施形態の作用、効果＞
このような構成の工作機械において、ワークを加工するには、ワークをテーブル３上にセットしたのち、三次元駆動機構２を三次元方向へ移動させながら、回転工具７によってワークを加工する。
本実施形態の静圧空気軸受スピンドル装置６においては、空気をコンプレッサ５１で圧縮し、続いて、増圧機５２で増圧したのち、圧力レギュレータ５４を介してスピンドル１０を回転可能に支持したエアーベアリング機構２０へ供給するようにしたので、エアーベアリング機構２０の剛性を向上させることができる。このとき、増圧機５２によって供給空気圧の変動が生じても、圧力レギュレータ５４によって、供給空気圧の変動を抑制できるので、加工精度に与える影響を少なくして、高精度な加工を実現できる。
【００３０】
また、増圧機５２と圧力レギュレータ５４との間に、増圧機５２からの空気の温度を制御して圧力レギュレータ５４に供給する温度調整装置５３が設けられているから、供給空気の温度が変動しても、エアーベアリング機構２０を構成する部材に対して熱変形を生じさせる虞を少なくできる。従って、高精度な加工を安定して実現することができる。
【００３１】
また、温度調整装置５３は、増圧機５２からの空気を加熱するヒータ６１と、増圧機５２からの空気を冷却するクーラ６２と、ヒータ６１で加熱された空気とクーラ６２で冷却された空気を所定の割合で混合させて、圧力レギュレータ５４，５５に供給するようにしたので、供給空気を即座に温度制御することができる。
【００３２】
また、スピンドル１０を回転可能に支持するエアーベアリング機構２０への供給空気を利用してエアータービン４１を回転させ、これにより、スピンドル１０を回転させるようにしたので、スピンドル１０を回転させるための電動モータなどを付加しなくてもよい。従って、軽量かつ経済的に構成できる。
【００３３】
また、回転数検出センサ５７によってエアータービン４１の回転数、つまり、スピンドル１０の回転数を検出し、回転数コントローラ５６において、回転数検出センサ５７によって検出された信号と目標回転数との差に相当する信号をエアータービン用圧力レギュレータ５５に与えるようにしたので、スピンドル１０の回転数を高速で目標回転数に制御することができる。従って、加工効率のよい制御を実現できる。
【００３４】
例えば、図７（Ａ）は、スピンドル１０の回転数目標値（一点鎖線）を３０００［ｒｐｍ］〜４０００［ｒｐｍ］に変化させたとき、本実施形態方法（本実施形態の圧力レギュレータを使用、回転数フィードバック制御有）の回転数（実線）と、従来方法（本実施形態の圧力レギュレータを使用、回転数フィードバック制御無）の回転数（破線）の変化を示している。図７（Ｂ）は、同上実験時におけるタービン駆動圧Ｐt（エアータービン４１に向けて噴射するエアー圧）の変化を示している。
これらの図に示すように、スピンドル１０の回転数Ｎの整定に要する時定数が、本実施形態方法の方が従来方法に比べ大幅に短縮できることが確認できる。この傾向は、サイズの大きい（慣性モーメントの大きい）エアータービンスピンドルほど顕著であると考えられる。
従って、本実施形態では、スピンドル１０の回転数のフィードバック制御を行っているので、回転数制御の時定数を大幅（約１／１０程度）に減少させることができ、その結果、生産性の向上が期待できる。
【００３５】
＜変形例＞
なお、本発明は、前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれる。
前記実施形態の温度調整装置５３では、増圧機５２からの空気を分岐して、一方をヒータ６１により加熱するとともに、他方をクーラ６２により冷却し、これらの加熱空気と冷却空気とを所定の割合で混合させて圧力レギュレータ５４，５５に供給するようにしたが、これに限られない。
【００３６】
例えば、図８に示すように、増圧機５２の下流側に直列に接続され増圧機５２からの空気を加熱するヒータ６１および増圧機５２からの空気を冷却するクーラ６２と、これらヒータ６１およびクーラ６２の駆動を制御する駆動制御手段としての温度コントローラ６５とを有する構成、つまり、増圧機５２からの空気を加熱するヒータ６１と冷却するクーラ６２とを直列に接続し、これらの駆動を駆動制御手段としての温度コントローラ６５によって制御するようにしてもよい。このようにすれば、簡単に構成することができるとともに、設置スペースも省スペース化できる。
【００３７】
また、ヒータ６１やクーラ６２についても、必ずしも、両方を必要としない。例えば、ヒータ６１のみであってもよい。また、ヒータ６１やクーラ６２の構成についても、前記実施形態の構成に限らず、他の構成であってもよい。要するに、増圧機５２からの空気を所定温度に制御できる構造であれば、他の構造であってもよい。
【００３８】
また、圧力レギュレータ５４，５５の構造についても、図６に示す構造に限らず、エアーベアリング機構２０や回転駆動機構４０に供給する供給空気の圧力を高速にかつ高精度に制御できる構造であれば、他の構成であってもよい。
【００３９】
前記実施形態では、スピンドル１０の回転駆動機構４０として、エアータービン４１を用いたが、これに限らず、例えば、電動モータなどであってもよい。
【００４０】
前記実施形態では、工作機械として、テーブルが三次元方向へ移動可能で、静圧空気軸受スピンドルが回転可能な構造であったが、これに限られない。要は、テーブルとスピンドルが二次元（２軸方向）あるいは三次元（３軸方向）へ相対移動可能な構造であれば、いずれが移動する構造であってもよい。
【００４１】
前記実施形態では、静圧空気軸受スピンドル装置を有する工作機械について説明したが、静圧空気軸受スピンドル装置を備えるものであれば、工作機械に限られない。例えば、静圧空気軸受スピンドル装置を回転霧化装置として用いた塗装装置などでもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明は、静圧空気軸受スピンドル装置やエアータービンスピンドル装置を用いた塗装装置や、超精密非球面加工機などの超精密工作機械などに利用できる。
【符号の説明】
【００４３】
６…静圧空気軸受スピンドル装置、
１０…スピンドル、
２０…エアーベアリング機構、
２６…エアー供給路、
４０…回転駆動機構、
４１…エアータービン、
５０…エアー供給手段、
５１…コンプレッサ（増圧装置の構成要素）、
５２…増圧機（増圧装置の構成要素）、
５３…温度調整装置、
５４…エアーベアリング用圧力レギュレータ、
５５…エアータービン用圧力レギュレータ、
５６…回転数コントローラ、
５７…回転数検出センサ（回転数検出手段）、
６１…ヒータ、
６２…クーラ、
６３，６４…切換弁（混合手段の構成要素）、
６５…温度コントローラ（混合手段の構成要素）、
６６…排気温度検出センサ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静圧空気軸受スピンドル装置およびこれを用いた工作機械に関する。詳しくは、スピンドルを静圧空気軸受で回転可能に支持した静圧空気軸受スピンドル装置およびこれを用いた工作機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
超精密非球面加工機などの超精密加工機械において、高精度、高速対応、更には、低摩擦、低振動などの優れた特性を有する静圧空気軸受が広く利用されている。とくに、高速回転で、しかも、軽負荷の小径工具の駆動には、スピンドルの外周にエアータービンを設け、これに静圧空気軸受に供給される圧縮空気を供給することによって、スピンドルを高速回転させるエアータービンスピンドル装置が用いられている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
エアータービンスピンドル装置は、先端に加工工具を着脱可能に取り付けたスピンドルと、このスピンドルを軸受部材との間に空気層を介して回転可能に支持したエアーベアリング機構と、圧縮空気をエアーベアリング機構に供給するエアー供給手段と、スピンドルを回転させるエアータービン機構とを備える。エアータービン機構は、スピンドルに一体的に設けられたエアータービンと、このエアータービンに空気を供給するノズルとから構成されている。
【０００４】
従って、圧縮空気をエアーベアリング機構およびエアータービン機構に供給すると、スピンドルが回転される。このとき、スピンドルは軸受部材に対して空気層を介して回転可能に支持されているから、スピンドルが回転する際の摩擦抵抗を低減でき、かつ、低振動に抑えることができるとともに、高速対応できる。
しかも、エアーベアリング機構に供給する空気の量や圧力を制御することによって、軸受部材に対するスピンドルの位置、具体的には、スピンドルの芯出し位置を精密に決定することができるから、高精度な工作機械を提供できる。つまり、高精度、高速対応、更には、低摩擦、低振動などの優れた特性を有する工作機械を提供できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−３４９５２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
静圧空気軸受やエアータービンスピンドル装置においては、供給空気の高圧化、圧力の安定化が要求される。
つまり、供給空気を高圧にすれば、静圧空気軸受の剛性を向上させることができ、また、供給空気の圧力を安定化することによって、加工精度に与える影響を少なくして、高精度な加工を実現できる。これには、例えば、静圧空気軸受直前で、供給空気ライン圧を増圧機で増圧したのち、増圧機による供給空気圧の変動を抑制するために、増圧機と静圧空気軸受との間に圧力レギュレータを組み込む方法が考えられる。
【０００７】
しかし、このように構成しても、供給空気の温度が変動すると、静圧空気軸受を構成する部材に熱変形が生じやすい。例えば、静圧空気軸受を構成する部材については、異なる線膨張係数の材料で構成される場合があるため、供給空気の温度が変動すると、線膨張係数の違いによって、熱膨張あるいは熱収縮の度合いが異なり、結果的には、静圧空気軸受部材がスピンドルの軸に対して湾曲するなど変形するため、高精度な加工が実現できない事態を招く。
【０００８】
本発明の目的は、このような従来の課題に対して、高精度な加工を安定して実現できる静圧空気軸受スピンドル装置およびこれを用いた工作機械を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の静圧空気軸受スピンドル装置は、スピンドルと、このスピンドルを空気層を介して回転可能に支持したエアーベアリング機構と、増圧装置および圧力レギュレータを含み、前記圧力レギュレータからの空気を前記エアーベアリング機構に供給するエアー供給手段と、前記スピンドルを回転させる回転駆動機構とを備えた静圧空気軸受スピンドル装置において、前記増圧装置と前記圧力レギュレータとの間に、前記増圧装置からの空気の温度を制御して前記圧力レギュレータに供給する温度調整装置が設けられている、ことを特徴とする。
【００１０】
このような構成によれば、空気を増圧装置で増圧したのち、圧力レギュレータを介してスピンドルを回転可能に支持したエアーベアリング機構へ供給するようにしたので、つまり、空気を増圧装置で増圧してエアーベアリング機構に供給するようにしたので、エアーベアリング機構の剛性を向上させることができる。このとき、増圧装置によって供給空気圧の変動が生じても、圧力レギュレータによって、供給空気圧の変動を抑制できるので、加工精度に与える影響を少なくして、高精度な加工を実現できる。
また、増圧装置と圧力レギュレータとの間に、増圧装置からの空気の温度を制御して圧力レギュレータに供給する温度調整装置が設けられているから、供給空気の温度が変動しても、エアーベアリング機構を構成する部材に対して熱変形を生じさせる虞を少なくできる。従って、高精度な加工を安定して実現することができる。
【００１１】
本発明の静圧空気軸受スピンドル装置において、前記温度調整装置は、前記増圧装置からの空気を加熱するヒータと、前記増圧装置からの空気を冷却するクーラと、前記ヒータで加熱された加熱空気と前記クーラで冷却された冷却空気を所定の割合で混合させる混合手段とを有する、ことが好ましい。
このような構成によれば、増圧装置からの空気を分岐して、一方をヒータにより加熱するとともに、他方をクーラにより冷却し、これらの加熱空気と冷却空気とを所定の割合で混合させて圧力レギュレータに供給するようにしたので、供給空気を即座に温度制御することができる。
【００１２】
本発明の静圧空気軸受スピンドル装置において、前記温度調整装置は、前記増圧装置の下流側に直列に接続され前記増圧装置からの空気を加熱するヒータおよび前記増圧装置からの空気を冷却するクーラと、これらヒータおよびクーラの駆動を制御する駆動制御手段とを有する、ことが好ましい。
このような構成によれば、増圧装置からの空気を加熱するヒータと冷却するクーラとを直列に接続し、これらの駆動を駆動制御手段によって制御するようにしたので、簡単に構成することができるとともに、設置スペースも省スペース化できる。
【００１３】
本発明の静圧空気軸受スピンドル装置において、前記混合手段または駆動制御手段は、前記エアーベアリング機構からの排気温度と設定温度とを基に、前記加熱空気と冷却空気との混合割合または前記クーラとヒータの駆動を制御する、ことが好ましい。
このような構成によれば、混合手段は、エアーベアリング機構からの排気温度と設定温度とを基に加熱空気と冷却空気との混合割合を制御し、または、駆動制御手段は、エアーベアリング機構からの排気温度と設定温度とを基にクーラとヒータの駆動を制御するようにしたので、エアーベアリング機構に供給される供給空気の温度を常に設定温度に迅速かつ高精度に制御することができる。
【００１４】
本発明の静圧空気軸受スピンドル装置において、前記回転駆動機構は、前記スピンドルに固定されたエアータービンと、前記エアー供給手段からのエアーを前記エアータービンに供給するエアー供給路とを含んで構成され、前記エアー供給手段は、前記温度調整装置からの空気を前記エアータービンに向けて供給するエアータービン用圧力レギュレータを含んで構成され、前記エアータービンの回転数を検出する回転数検出手段からの信号と目標回転数との差に相当する信号をエアータービン用圧力レギュレータに与える回転数コントローラを備える、ことが好ましい。
【００１５】
このような構成によれば、スピンドルを回転可能に支持するエアーベアリング機構への供給空気を利用してエアータービンを回転させ、これにより、スピンドルを回転させるようにしたので、スピンドルを回転させるための電動モータなどを付加しなくてもよい。従って、軽量かつ経済的に構成できる。
また、回転数検出手段によってエアータービンの回転数を検出し、回転数コントローラにおいて、回転数検出手段によって検出された信号と目標回転数との差に相当する信号をエアータービン用圧力レギュレータに与えるようにしたので、スピンドルの回転数を高速で目標回転数に制御することができる。従って、加工効率のよい制御を実現できる。
【００１６】
本発明の工作機械は、上述した静圧空気軸受スピンドル装置を備えたことを特徴とする。
このような構成によれば、上述した静圧空気軸受スピンドル装置を備えているから、上述した静圧空気軸受スピンドル装置の特徴を持った工作機械が提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態に係る工作機械を示す図。
【図２】前記実施形態において、静圧空気軸受スピンドル装置を示す断面図。
【図３】前記実施形態において、静圧空気軸受スピンドル装置を示すブロック図。
【図４】前記実施形態において、ヒータの構造を示す図。
【図５】前記実施形態において、クーラの構造を示す図。
【図６】前記実施形態において、圧力レギュレータの一例を示すブロック図。
【図７】前記実施形態において、回転数フィードバック制御有無による回転数とエアータービン駆動圧の変化を示す図。
【図８】前記実施形態において、静圧空気軸受スピンドル装置の他の例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態は、静圧空気軸受スピンドル装置を有する工作機械に適用した例である。
（工作機械の説明）
本工作機械は、図１に示すように、ベース１と、このベース１に三次元駆動機構２を介して三次元方向（Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向）へ移動可能に設けられ上面にワークを載置するテーブル３と、ベース１に立設されたコラム４と、このコラム４に支持アーム５を介してテーブル３の真上に設置された静圧空気軸受スピンドル装置６とから構成されている。
【００１９】
（静圧空気軸受スピンドル装置の説明）
静圧空気軸受スピンドル装置６は、図２に示すように、先端にエンドミルなどの回転工具７を取り付けたスピンドル１０と、このスピンドル１０を空気層（空気隙間）を介して回転可能に支持したエアーベアリング機構２０と、スピンドル１０を回転させる回転駆動機構４０と、後述する増圧装置および圧力レギュレータ５４，５５を含み、これら圧力レギュレータ５４，５５からの空気をエアーベアリング機構２０に供給するエアー供給手段５０とを備える。
【００２０】
（スピンドルの説明）
スピンドル１０は、図２に示すように、所定長さの軸部１１と、この軸部１１の途中に設けられ軸部１１の径よりも径大なフランジ部１２とを有する。
【００２１】
（エアーベアリング機構の説明）
エアーベアリング機構２０は、図２に示すように、スピンドル１０を収納する収納孔２２を有する軸受本体２１と、この軸受本体２１の収納孔２２内に固定されスピンドル１０を空気隙間を介して回転可能に支持する軸受部材３１，３２とを有する。
軸受部材３１，３２は、軸部１１の外周面との間に所定のラジアル隙間３３を有する内径およびラジアル隙間３３に空気を噴出するエアー噴出孔３４を有するラジアル軸受部材３１Ａ，３２Ａと、これらラジアル軸受部材３１Ａ，３２Ａと一体的に形成されフランジ部１２の端面との間に所定のスラスト隙間３５およびスラスト隙間３５に空気を噴出するエアー噴出孔３６を有するスラスト軸受部材３１Ｂ，３２Ｂとから構成されている。
軸受本体２１には、中心軸方向にスピンドル１０を収納する収納孔２２が形成されているとともに、外部にエアーベアリング用エアー供給口２３およびエアータービン用エアー供給口２４が形成されている。また、内部には、エアーベアリング用エアー供給口２３から各軸受部材３１，３２のエアー噴出孔３４，３６に連通するエアー供給路２５と、エアータービン用エアー供給口２４からエアータービン４１の外周に臨むエアー供給路２６が形成されている。
【００２２】
（回転駆動機構の説明）
回転駆動機構４０は、図２に示すように、スピンドル１０の基端側（回転工具７を取り付けた端部とは反対側）に固定されたエアータービン４１と、軸受本体２１に形成されエアータービン４１に向けて圧縮空気を噴射する空気噴射ノズルとしてのエアー供給路２６とによって構成されている。これにより、エアー供給手段５０からの空気がエアー供給路２６を通じてエアータービン４１に供給されると、エアータービン４１が回転され、これと一緒にスピンドル１０が回転される。
【００２３】
（エアー供給手段の説明）
エアー供給手段５０は、図３に示すように、空気供給源としてのコンプレッサ５１と、このコンプレッサ５１からの圧縮空気を増圧する増圧機５２と、この増圧機５２の下流に設けられた温度調整装置５３と、この温度調整装置５３の出口とエアーベアリング用エアー供給口２３との間に設けられ空気を所定圧に制御するエアーベアリング用圧力レギュレータ５４と、温度調整装置５３の出口とエアータービン用エアー供給口２４との間に設けられたエアータービン用圧力レギュレータ５５と、スピンドル１０の回転数を検出する回転数検出センサ５７からの信号と設定回転数との差に相当する信号をエアータービン用圧力レギュレータ５５に与える回転数コントローラ５６とから構成されている。
【００２４】
（コンプレッサおよび増圧機）
コンプレッサ５１は、空気を圧縮するもので、遠心圧縮機、軸流圧縮機、容積圧縮機などが用いられる。増圧機５２は、コンプレッサ５１からの圧縮空気を増圧する増圧弁と、この増圧された空気を蓄える増圧タンクとを備えて構成される。ここでは、コンプレッサ５１と増圧機５２とから、本発明の増圧装置が構成されている。
【００２５】
（温度調整装置の説明）
温度調整装置５３は、増圧機５２の出口側に並列に接続されたヒータ６１およびクーラ６２と、これらヒータ６１およびクーラ６２の出口側と圧力レギュレータ５４，５５の入口側との間に接続された切換弁６３，６４と、これら切換弁６３，６４を開閉制御する温度コントローラ６５とから構成されている。温度コントローラ６５は、エアーベアリング機構２０の排気温度を検出する排気温度検出センサ６６からの信号を基に切換弁６３，６４を制御し、ヒータ６１を通って加熱された空気とクーラ６２を通って冷却された空気を混合させて所定温度の空気を圧力レギュレータ５４，５５へ送るように制御を行う。ここでは、切換弁６３，６４と温度コントローラ６５とから、本発明の混合手段が構成されている。
【００２６】
（ヒータおよびクーラの説明）
ヒータ６１は、図４に示すように、増圧機５２から切換弁６３へ向かう配管６１１の外周に取り付けられたフィン６１２と、このフィン６１２を囲むように配管６１１の外周の設けられた保護ケース６１３と、この保護ケース６１３内に配置された加熱コイル６１４，６１５とから構成されている。従って、加熱コイル６１４，６１５を加熱すると、加熱コイル６１４，６１５からの熱がフィン６１２を介して配管６１１内を流れる空気に伝わり、空気が加熱される。
クーラ６２は、図５に示すように、増圧機５２から切換弁６４へ向かう配管６２１の外周に取り付けられたフィン６２２と、このフィン６２２を囲むように配管６２１の外周の設けられた保護ケース６２３と、この保護ケース６２３に形成され保護ケース６２３内に温度調節された冷却流体を流通させる流体供給口６２４および流体排出口６２５とから構成されている。従って、冷却流体を流体供給口６２４から保護ケース６２３を通して流体排出口６２５から排出させると、冷却流体によってフィン６２２が冷却されるため、配管６２１内を流れる空気が冷却される。
【００２７】
（圧力レギュレータの説明）
圧力レギュレータ５４，５５は、圧力を高速かつ精密に目標圧力に保持するもので、例えば、特開２００９−１１００３３号に開示された圧力レギュレータを用いることができる。
これは、図６に示すように、温度調整装置５３から供給される空気の流入流量を規制するサーボ弁７１と、このサーボ弁７１を通った空気を流入し等温状態に保持する等温化圧力容器７２と、この等温化圧力容器７２内へ流入する空気の流入流量を計測する流量計７３と、等温化圧力容器７２内の空気の圧力を検出する圧力計７４と、等温化圧力容器７２内の空気の圧力微分値を検出する圧力微分計７５と、流量計７３、圧力計７４および圧力微分計７５で検出された信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器７６と、このＡ／Ｄ変換器７６を通じて与えられる信号を基に制御電圧を算出し、その制御電圧をＤ／Ａ変換器７８を介してサーボ弁７１へ与える圧力制御手段７７とを備える。
【００２８】
いま、圧力レギュレータ５４，５５が起動され、等温化圧力容器７２内の空気の圧力Ｐが所定の目標値に整定された状態にあるとする。このとき、サーボ弁７１は、等温化圧力容器７２の流出口から流出する流出流量と、流入口から流入する流入流量とがバランスする開度に調整されている。
ここで、温度調整装置５３からの空気の圧力Ｐs、または、等温化圧力容器７２から流出する空気の流出流量Ｇoutに変動が生じ、等温化圧力容器７２内の圧力Ｐが目標値Ｐrefから変化すると、圧力レギュレータ５４，５５は空気の圧力の変動を補償するために、圧力制御手段７７によって、流量計７３で計測された流入流量Ｇin、圧力計７４で計測された圧力Ｐおよび圧力微分計７５で計測された圧力微分値ｄＰ／ｄｔをＡ／Ｄ変換器７６を介して受信し、これらの受信した計測データに基づいてサーボ弁７１に対する制御電圧Ｅiを算出し、この算出した制御電圧ＥiをＤ／Ａ変換器７８を介してサーボ弁７１に与える。
すると、サーボ弁７１は、圧力制御手段７７によって算出された制御電圧Ｅiに応じた開度にサーボ弁７１を制御し、その開度に応じた流入流量Ｇinで等温化圧力容器７２に空気を流入する。これによって、等温化圧力容器７２内の空気の圧力Ｐが目標値Ｐrefに整定されるように制御される。
【００２９】
＜実施形態の作用、効果＞
このような構成の工作機械において、ワークを加工するには、ワークをテーブル３上にセットしたのち、三次元駆動機構２を三次元方向へ移動させながら、回転工具７によってワークを加工する。
本実施形態の静圧空気軸受スピンドル装置６においては、空気をコンプレッサ５１で圧縮し、続いて、増圧機５２で増圧したのち、圧力レギュレータ５４を介してスピンドル１０を回転可能に支持したエアーベアリング機構２０へ供給するようにしたので、エアーベアリング機構２０の剛性を向上させることができる。このとき、増圧機５２によって供給空気圧の変動が生じても、圧力レギュレータ５４によって、供給空気圧の変動を抑制できるので、加工精度に与える影響を少なくして、高精度な加工を実現できる。
【００３０】
また、増圧機５２と圧力レギュレータ５４との間に、増圧機５２からの空気の温度を制御して圧力レギュレータ５４に供給する温度調整装置５３が設けられているから、供給空気の温度が変動しても、エアーベアリング機構２０を構成する部材に対して熱変形を生じさせる虞を少なくできる。従って、高精度な加工を安定して実現することができる。
【００３１】
また、温度調整装置５３は、増圧機５２からの空気を加熱するヒータ６１と、増圧機５２からの空気を冷却するクーラ６２と、ヒータ６１で加熱された空気とクーラ６２で冷却された空気を所定の割合で混合させて、圧力レギュレータ５４，５５に供給するようにしたので、供給空気を即座に温度制御することができる。
【００３２】
また、スピンドル１０を回転可能に支持するエアーベアリング機構２０への供給空気を利用してエアータービン４１を回転させ、これにより、スピンドル１０を回転させるようにしたので、スピンドル１０を回転させるための電動モータなどを付加しなくてもよい。従って、軽量かつ経済的に構成できる。
【００３３】
また、回転数検出センサ５７によってエアータービン４１の回転数、つまり、スピンドル１０の回転数を検出し、回転数コントローラ５６において、回転数検出センサ５７によって検出された信号と目標回転数との差に相当する信号をエアータービン用圧力レギュレータ５５に与えるようにしたので、スピンドル１０の回転数を高速で目標回転数に制御することができる。従って、加工効率のよい制御を実現できる。
【００３４】
例えば、図７（Ａ）は、スピンドル１０の回転数目標値（一点鎖線）を３０００［ｒｐｍ］〜４０００［ｒｐｍ］に変化させたとき、本実施形態方法（本実施形態の圧力レギュレータを使用、回転数フィードバック制御有）の回転数（実線）と、従来方法（本実施形態の圧力レギュレータを使用、回転数フィードバック制御無）の回転数（破線）の変化を示している。図７（Ｂ）は、同上実験時におけるタービン駆動圧Ｐt（エアータービン４１に向けて噴射するエアー圧）の変化を示している。
これらの図に示すように、スピンドル１０の回転数Ｎの整定に要する時定数が、本実施形態方法の方が従来方法に比べ大幅に短縮できることが確認できる。この傾向は、サイズの大きい（慣性モーメントの大きい）エアータービンスピンドルほど顕著であると考えられる。
従って、本実施形態では、スピンドル１０の回転数のフィードバック制御を行っているので、回転数制御の時定数を大幅（約１／１０程度）に減少させることができ、その結果、生産性の向上が期待できる。
【００３５】
＜変形例＞
なお、本発明は、前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれる。
前記実施形態の温度調整装置５３では、増圧機５２からの空気を分岐して、一方をヒータ６１により加熱するとともに、他方をクーラ６２により冷却し、これらの加熱空気と冷却空気とを所定の割合で混合させて圧力レギュレータ５４，５５に供給するようにしたが、これに限られない。
【００３６】
例えば、図８に示すように、増圧機５２の下流側に直列に接続され増圧機５２からの空気を加熱するヒータ６１および増圧機５２からの空気を冷却するクーラ６２と、これらヒータ６１およびクーラ６２の駆動を制御する駆動制御手段としての温度コントローラ６５とを有する構成、つまり、増圧機５２からの空気を加熱するヒータ６１と冷却するクーラ６２とを直列に接続し、これらの駆動を駆動制御手段としての温度コントローラ６５によって制御するようにしてもよい。このようにすれば、簡単に構成することができるとともに、設置スペースも省スペース化できる。
【００３７】
また、ヒータ６１やクーラ６２についても、必ずしも、両方を必要としない。例えば、ヒータ６１のみであってもよい。また、ヒータ６１やクーラ６２の構成についても、前記実施形態の構成に限らず、他の構成であってもよい。要するに、増圧機５２からの空気を所定温度に制御できる構造であれば、他の構造であってもよい。
【００３８】
また、圧力レギュレータ５４，５５の構造についても、図６に示す構造に限らず、エアーベアリング機構２０や回転駆動機構４０に供給する供給空気の圧力を高速にかつ高精度に制御できる構造であれば、他の構成であってもよい。
【００３９】
前記実施形態では、スピンドル１０の回転駆動機構４０として、エアータービン４１を用いたが、これに限らず、例えば、電動モータなどであってもよい。
【００４０】
前記実施形態では、工作機械として、テーブルが三次元方向へ移動可能で、静圧空気軸受スピンドルが回転可能な構造であったが、これに限られない。要は、テーブルとスピンドルが二次元（２軸方向）あるいは三次元（３軸方向）へ相対移動可能な構造であれば、いずれが移動する構造であってもよい。
【００４１】
前記実施形態では、静圧空気軸受スピンドル装置を有する工作機械について説明したが、静圧空気軸受スピンドル装置を備えるものであれば、工作機械に限られない。例えば、静圧空気軸受スピンドル装置を回転霧化装置として用いた塗装装置などでもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明は、静圧空気軸受スピンドル装置やエアータービンスピンドル装置を用いた塗装装置や、超精密非球面加工機などの超精密工作機械などに利用できる。
【符号の説明】
【００４３】
６…静圧空気軸受スピンドル装置、
１０…スピンドル、
２０…エアーベアリング機構、
２６…エアー供給路、
４０…回転駆動機構、
４１…エアータービン、
５０…エアー供給手段、
５１…コンプレッサ（増圧装置の構成要素）、
５２…増圧機（増圧装置の構成要素）、
５３…温度調整装置、
５４…エアーベアリング用圧力レギュレータ、
５５…エアータービン用圧力レギュレータ、
５６…回転数コントローラ、
５７…回転数検出センサ（回転数検出手段）、
６１…ヒータ、
６２…クーラ、
６３，６４…切換弁（混合手段の構成要素）、
６５…温度コントローラ（混合手段の構成要素）、
６６…排気温度検出センサ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スピンドルと、このスピンドルを空気層を介して回転可能に支持したエアーベアリング機構と、増圧装置および圧力レギュレータを含み、前記圧力レギュレータからの空気を前記エアーベアリング機構に供給するエアー供給手段と、前記スピンドルを回転させる回転駆動機構とを備えた静圧空気軸受スピンドル装置において、
前記増圧装置と前記圧力レギュレータとの間に、前記増圧装置からの空気の温度を制御して前記圧力レギュレータに供給する温度調整装置が設けられている、
ことを特徴とする静圧空気軸受スピンドル装置。
【請求項２】
請求項１に記載の静圧空気軸受スピンドル装置において、
前記温度調整装置は、前記増圧装置からの空気を加熱するヒータと、前記増圧装置からの空気を冷却するクーラと、前記ヒータで加熱された加熱空気と前記クーラで冷却された冷却空気を所定の割合で混合させる混合手段とを有する、
ことを特徴とする静圧空気軸受スピンドル装置。
【請求項３】
請求項１に記載の静圧空気軸受スピンドル装置において、
前記温度調整装置は、前記増圧装置の下流側に直列に接続され前記増圧装置からの空気を加熱するヒータおよび前記増圧装置からの空気を冷却するクーラと、これらヒータおよびクーラの駆動を制御する駆動制御手段とを有する、
ことを特徴とする静圧空気軸受スピンドル装置。
【請求項４】
請求項２または請求項３に記載の静圧空気軸受スピンドル装置において、
前記混合手段または駆動制御手段は、前記エアーベアリング機構からの排気温度と設定温度とを基に、前記加熱空気と冷却空気との混合割合または前記クーラとヒータの駆動を制御する、
ことを特徴とする静圧空気軸受スピンドル装置。
【請求項５】
請求項１〜請求項４のいずれかに記載の静圧空気軸受スピンドル装置において、
前記回転駆動機構は、前記スピンドルに固定されたエアータービンと、前記エアー供給手段からのエアーを前記エアータービンに向けて供給するエアー供給路とを含んで構成され、
前記エアー供給手段は、前記温度調整装置からの空気を前記エアータービンに供給するエアータービン用圧力レギュレータを含んで構成され、
前記エアータービンの回転数を検出する回転数検出手段からの信号と目標回転数との差に相当する信号をエアータービン用圧力レギュレータに与える回転数コントローラを備える、
ことを特徴とする静圧空気軸受スピンドル装置。
【請求項６】
請求項１〜請求項５のいずれかに記載の静圧空気軸受スピンドル装置を備えた工作機械。
【請求項１】
スピンドルと、このスピンドルを空気層を介して回転可能に支持したエアーベアリング機構と、増圧装置および圧力レギュレータを含み、前記圧力レギュレータからの空気を前記エアーベアリング機構に供給するエアー供給手段と、前記スピンドルを回転させる回転駆動機構とを備えた静圧空気軸受スピンドル装置において、
前記増圧装置と前記圧力レギュレータとの間に、前記増圧装置からの空気の温度を制御して前記圧力レギュレータに供給する温度調整装置が設けられている、
ことを特徴とする静圧空気軸受スピンドル装置。
【請求項２】
請求項１に記載の静圧空気軸受スピンドル装置において、
前記温度調整装置は、前記増圧装置からの空気を加熱するヒータと、前記増圧装置からの空気を冷却するクーラと、前記ヒータで加熱された加熱空気と前記クーラで冷却された冷却空気を所定の割合で混合させる混合手段とを有する、
ことを特徴とする静圧空気軸受スピンドル装置。
【請求項３】
請求項１に記載の静圧空気軸受スピンドル装置において、
前記温度調整装置は、前記増圧装置の下流側に直列に接続され前記増圧装置からの空気を加熱するヒータおよび前記増圧装置からの空気を冷却するクーラと、これらヒータおよびクーラの駆動を制御する駆動制御手段とを有する、
ことを特徴とする静圧空気軸受スピンドル装置。
【請求項４】
請求項２または請求項３に記載の静圧空気軸受スピンドル装置において、
前記混合手段または駆動制御手段は、前記エアーベアリング機構からの排気温度と設定温度とを基に、前記加熱空気と冷却空気との混合割合または前記クーラとヒータの駆動を制御する、
ことを特徴とする静圧空気軸受スピンドル装置。
【請求項５】
請求項１〜請求項４のいずれかに記載の静圧空気軸受スピンドル装置において、
前記回転駆動機構は、前記スピンドルに固定されたエアータービンと、前記エアー供給手段からのエアーを前記エアータービンに向けて供給するエアー供給路とを含んで構成され、
前記エアー供給手段は、前記温度調整装置からの空気を前記エアータービンに供給するエアータービン用圧力レギュレータを含んで構成され、
前記エアータービンの回転数を検出する回転数検出手段からの信号と目標回転数との差に相当する信号をエアータービン用圧力レギュレータに与える回転数コントローラを備える、
ことを特徴とする静圧空気軸受スピンドル装置。
【請求項６】
請求項１〜請求項５のいずれかに記載の静圧空気軸受スピンドル装置を備えた工作機械。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１３−１０４４４９（Ｐ２０１３−１０４４４９Ａ）
【公開日】平成２５年５月３０日（２０１３．５．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２４６７３４（Ｐ２０１１−２４６７３４）
【出願日】平成２３年１１月１０日（２０１１．１１．１０）
【出願人】（０００００３４５８）東芝機械株式会社 (843)
【出願人】（５００３７２７１７）学校法人福岡工業大学 (32)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月３０日（２０１３．５．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月１０日（２０１１．１１．１０）
【出願人】（０００００３４５８）東芝機械株式会社 (843)
【出願人】（５００３７２７１７）学校法人福岡工業大学 (32)
【Ｆターム（参考）】
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