JP5454074B2 - 軸受装置 - Google Patents

Description

本発明は、主軸を非接触で支承する軸受装置及びその製造方法に関する。

例えば、マシニングセンタや旋盤等の超精密加工機には、主軸を非接触で支承する静圧気体軸受や磁気軸受等を有する軸受装置が用いられる。この軸受装置によれば主軸を高精度に回転させることができるので、被加工物の加工精度を向上させることができる。しかし、主軸を非接触で支承する軸受装置では、主軸のアキシャル（スラスト）方向及びラジアル方向の位置がずれる可能性が高い。例えば、特許文献１には、小径部材及び該小径部材のアキシャル方向両端に設けられた２つの大径部材を有する主軸（主軸部）と、ラジアル静圧気体軸受（ラジアル軸受部）及びアキシャル静圧気体軸受（主スラスト軸受部）とを備えた軸受装置が開示されている。

この主軸は、小径部材の外周面が２つのラジアル静圧気体軸受で支承され、２つの大径部材の対向面が２つのアキシャル静圧気体軸受で夫々支承され、さらに、主軸の後部端面が調整アキシャル静圧気体軸受（調整スラスト軸受部）で支承されている。そして、調整アキシャル静圧気体軸受を介して主軸に対しアキシャル方向の力を発生し、主軸のアキシャル方向の位置ずれを調整する変位調整力発生手段（変位検出手段、制御部、駆動部）を備えている。この軸受装置によれば、主軸のアキシャル方向の位置を高精度に位置決めすることができ、また主軸のラジアル方向の位置ずれは２つのラジアル静圧気体軸受で抑えることができるので、被加工物の加工精度を向上させることができる。

特開２００８−２７５１０２号公報（段落０００７〜００１８、図２）

特許文献１に記載の軸受装置では、２つのラジアル静圧気体軸受が主軸の小径部材を支承しているため、軸受面積が小さくなって静剛性が低くなる傾向にある。また、２つのラジアル静圧気体軸受は主軸の小径部材において近接して配置されていることから主軸の支持力が低いため、主軸の前部に回転工具や被加工物等を取り付ける際に発生する主軸のラジアル方向のモーメント負荷によって主軸が大きく変位するおそれがある。また、主軸を非接触で支承する静圧気体軸受や磁気軸受等は、軸受クリアランスが数μｍから数十μｍと小さいため、軸受装置の構成部品には高い面精度が求められる。ところが、構成部品を研削加工で加工した場合、サブミクロンの精度を得ることが非常に困難であり、そのため軸受装置の組付けによる誤差が大きくなる傾向にある。

本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、本発明の目的は、支承している主軸の静剛性が高く、主軸のラジアル方向及びアキシャル方向の変位を抑え、高精度な組付けが可能な軸受装置及びその製造方法を提供することである。

上記課題を解決するために、請求項１に係る発明の構成上の特徴は、
小径部材及び該小径部材のアキシャル方向両端に設けられた２つの大径部材を有する主軸と、
２つの前記大径部材の外周面を夫々支承する２つのラジアル静圧気体軸受と、
２つの前記大径部材の対向面を夫々支承する２つのアキシャル静圧気体軸受と、
２つの前記ラジアル静圧気体軸受を夫々支持する第１、第２軸受ハウジングと、
２つの前記アキシャル静圧気体軸受を支持する第３軸受ハウジングと、
前記主軸の変位調整部材の端面を支承する調整アキシャル静圧気体軸受と、
該調整アキシャル静圧気体軸受を介して前記主軸に対しアキシャル方向の力を発生し、前記主軸のアキシャル方向の変位を調整する変位調整力発生手段と、
前記調整アキシャル静圧気体軸受を支持する第４軸受ハウジングと、を備え、
前記主軸の変位調整部材の端面及び前記調整アキシャル静圧気体軸受における前記主軸の変位調整部材の端面と対向する面が鏡面仕上げされていることである。

請求項２に記載の発明の構成上の特徴は、請求項１において、
前記大径部材の外周面が鏡面仕上げされ、
前記ラジアル静圧気体軸受における前記大径部材の外周面と対向する面と、前記第１、第２軸受ハウジングの外周面とが、同軸に鏡面仕上げされていることである。

請求項３に記載の発明の構成上の特徴は、請求項１又は２において、
前記第４軸受ハウジングにおける前記調整アキシャル静圧気体軸受を支承する面が、該調整アキシャル静圧気体軸受から離間していることである。

請求項４に記載の発明の構成上の特徴は、請求項１〜３の何れか一項において、
前記主軸の変位測定部材に当接して該主軸のアキシャル方向の変位を検出する変位検出手段を備え、
前記変位検出手段が当接する前記変位測定部材の当接部が、該変位測定部材と一体の球面加工されていることである。

請求項５に記載の発明の構成上の特徴は、
請求項２に記載の軸受装置であって、前記第１軸受ハウジングと前記第２軸受ハウジングとが第３軸受ハウジングを挟んで別体である軸受装置の製造方法において、
前記第１軸受ハウジングに前記第３軸受ハウジングを挟んで前記第２軸受ハウジングを組付ける際に、前記第１、第２軸受ハウジングの外周を基準にして同軸に組付けることである。

請求項６に記載の発明の構成上の特徴は、
請求項２に記載の軸受装置の製造方法において、
前記主軸と前記第１、第２軸受ハウジングとを組付ける際に、前記主軸の外周と前記各軸受ハウジングの外周とを基準にして同軸に組付けることである。

請求項１に係る発明によれば、ラジアル静圧気体軸受が主軸の大径部材を支承しているため、このラジアル静圧気体軸受の軸受面積は小径部材を支承するラジアル静圧気体軸受の軸受面積よりも大きくなり主軸の静剛性を高めることができる。また、２つのラジアル静圧気体軸受は主軸の小径部材を挟んで設けられている２つの大径部材に夫々配置されていることから、このラジアル静圧気体軸受間の距離は小径部材を支承するラジアル静圧気体軸受間の距離よりも長くなる。よって、大径部材を支承するラジアル静圧気体軸受による主軸の支持力は、小径部材を支承するラジアル静圧気体軸受による主軸の支持力よりも高くなるため、主軸の前部に回転工具や被加工物等を取り付ける際に発生する主軸のラジアル方向のモーメント負荷による主軸の変位を低減することができる。そして、主軸の変位調整部材と調整アキシャル静圧気体軸受との互いの対向面が鏡面仕上げされているので、主軸と調整アキシャル静圧気体軸受との軸受クリアランスをサブミクロンの精度で得ることができる。よって、アキシャル静圧気体軸受を使用したことによる主軸のアキシャル方向の位置ずれを高精度に調整することができる。

請求項２に係る発明によれば、ラジアル静圧気体軸受と大径部材との互いの対向面が鏡面仕上げされているので、軸受クリアランスとしてサブミクロンの精度を容易に得ることができる。また、ラジアル静圧気体軸受における大径部材の外周面と対向する面と、第１、第２軸受ハウジングの外周面とが、同軸に鏡面仕上げされているので、軸受装置として組付ける際の誤差を小さくすることができる。

請求項３に係る発明によれば、第４軸受ハウジングと調整アキシャル静圧気体軸受との互いの対向面間にクリアランスが設けられているので、調整アキシャル静圧気体軸受の運動性能を損なうことはなく、主軸のアキシャル方向の位置ずれを高精度に調整することができる。また、第４軸受ハウジングから調整アキシャル静圧気体軸受に供給される気体が、上記クリアランスから流出して変位調整力発生手段付近を循環するので、変位調整力発生手段の発熱を低減することができる。

請求項４に係る発明によれば、主軸の変位測定部材の当接部が一体で球面加工されているので、軸中心を精度良くセンシングすることが可能となり、主軸のアキシャル方向の位置ずれを高精度に調整することができる。特に、従来はボールを介して軸中心をセンシングしていたが、ボールが不用となるため低コスト化を図ることができる。

請求項５に係る発明によれば、ラジアル静圧気体軸受における大径部材の外周面と対向する面と、第１、第２軸受ハウジングの外周面とが、同軸に鏡面仕上げされているので、第１軸受ハウジングに第３軸受ハウジングを挟んで第２軸受ハウジングを組付ける際に、第１、第２軸受ハウジングの外周を基準にして同軸度を確認しながら組付けることで、ラジアル静圧気体軸受における大径部材の外周面と対向する面の同軸度を出すことができ、組付誤差が低減され、高精度な軸受装置ができる。

請求項６に係る発明によれば、ラジアル静圧気体軸受における大径部材の外周面と対向する面と、第１、第２軸受ハウジングの外周面とが、同軸に鏡面仕上げされているので、主軸と第１、第２軸受ハウジングとを組付ける際に、主軸の外周と各軸受ハウジングの外周とを基準にして同軸度を確認しながら組付けることで、ラジアル静圧気体軸受における大径部材の外周面と対向する面と、主軸の外周面との同軸度を出すことができ、組付誤差が低減され、高精度な軸受装置ができる。

本発明の実施の形態の軸受装置の全体構成を示す図である。 図１の制御部を除く軸受装置を軸方向に切断した断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の実施の形態の軸受装置の全体構成を示す図、図２は、図１の制御部を除く軸受装置を軸方向に切断した断面図である。尚、図１，２において、左右方向が軸線方向であり、左方を前方とする。まず、本実施形態の軸受装置の概略について図１を参照して説明する。本実施形態の軸受装置は、主軸１と、第１、第２ラジアル軸受部２，３と、アキシャル軸受部４と、モータ部５と、変位調整部６と、制御部７とを備えている。

主軸１は、鋼により略円筒状に形成されており、前端側に図略の被加工物もしくは回転工具が取り付けられる。そして、主軸１は、前部側が第１、第２ラジアル軸受部２，３及びそれらの軸受部２，３間に配置されるアキシャル軸受部４で支承され、後部側がモータ部５を挟んで変位調整部６で支承される。第１、第２ラジアル軸受部２，３、アキシャル軸受部４及び変位調整部６は、後述する静圧気体軸受２２，３２，４２，４３，６２を備えており、主軸１を非接触に回転可能に支承している。モータ部５は、主軸１の軸中心を中心に主軸１を高速回転させる。変位調整部６は、主軸１のアキシャル方向の位置ずれを検出して調整する。制御部７は、マイクロコンピュータ等の演算処理装置であり、変位調整部６等を制御する。

次に、本実施形態の軸受装置の詳細な構造について図２を参照して説明する。主軸１は、第１大径部材１１と、小径部材１２と、第２大径部材１３と、段付大径ロータ部材１４と、小径ロータ部材１５と、変位調整部材１６と、変位測定部材１７とからなっている。各部材１１〜１７は、個別に加工されてボルト等により締結固定され、もしくは任意の複数の部材が一体加工されてボルト等により締結固定されている。

第１、第２大径部材１１，１３は、同一外径の円筒状に形成され、小径部材１２は、第１、第２大径部材１１，１３の外径より小さい外径の円筒状に形成されている。第１大径部材１１の後方側の端面１１ｂの中央に小径部材１２の前方側の端面１２ａが取り付けられ、第２大径部材１３の前方側の端面１３ａの中央に小径部材１２の後方側の端面１２ｂが取り付けられている。

段付大径ロータ部材１４は、第１、第２大径部材１１，１３の外径より僅かに小さい外径の円筒状の部分とさらに小さい外径の円筒状の部分が一体に形成され、前方側の端面１４ａが第２大径部材１３の後方側の端面１３ｂの中央に取り付けられている。小径ロータ部材１５は、段付大径ロータ部材１４の後方側の部分の外径と略同一の外径の円筒状に形成され、前方側の端面１５ａが段付大径ロータ部材１４の後方側の端面１４ｂの中央に取り付けられている。

変位調整部材１６は、小径ロータ部材１５の外径と略同一の外径の円筒状に形成され、前方側の端面１６ａが小径ロータ部材１５の後方側の端面１５ｂの中央に取り付けられている。変位測定部材１７は、変位調整部材１６の外径より小さい外径の円筒状に形成され、前方側の端面１７ａが変位調整部材１６の後方側の端面１６ｂの中央に取り付けられている。この変位測定部材１７の後端は、詳細は後述するが、ロータ１７ｂとして球面加工されている。以上のように、主軸１の各部１１〜１７は、軸中心が一致するように一体的に取り付けられている。

第１、第２ラジアル軸受部２，３は、第１、第２軸受ハウジング２１，３１と、第１、第２ラジアル静圧気体軸受２２，３２とを備えている。第１、第２軸受ハウジング２１，３１は、鋼により同一外径の円筒状に形成されている。この第１、第２軸受ハウジング２１，３１には、図略の気体ポンプ等から供給される気体の供給路となる管状の主流路２１ａ，３１ａが設けられている。この主流路２１ａ，３１ａは、第１、第２軸受ハウジング２１，３１のラジアル方向、すなわち第１、第２軸受ハウジング２１，３１の外周面中央２１ｂ，３１ｂから内周面中央にかけて形成されている。

第１、第２ラジアル静圧気体軸受２２，３２は、円筒状の所謂メタル（砲金）からなり、外径が第１、第２軸受ハウジング２１，３１の内径よりも僅かに大きく、内径が主軸１の第１、第２大径部材１１，１３の外径よりも僅かに大きくなるように形成されている。第１、第２ラジアル静圧気体軸受２２，３２は、第１、第２軸受ハウジング２１，３１の内周面２１ｃ，３１ｃに焼き嵌め固定されている。第１、第２ラジアル静圧気体軸受２２，３２の内周面２２ａ，３２ａは、第１、第２大径部材１１，１３の外周面１１ｃ，１３ｃに全周に亘って非接触に対向配置されている。つまり、図示しないが、第１、第２ラジアル静圧気体軸受２２，３２の内周面２２ａ，３２ａと第１、第２大径部材１１，１３の外周面１１ｃ，１３ｃとの間には、全周に亘って、数μｍの軸受クリアランスがある。

第１、第２ラジアル静圧気体軸受２２，３２には、第１、第２軸受ハウジング２１，３１の主流路２１ａ，３１ａから流入される気体の供給路となる周状流路２２ｂ，３２ｂと、管状の第１、第２分流路２２ｃ，３２ｃ、２２ｄ，３２ｄとが設けられている。周状流路２２ｂ，３２ｂは、主流路２１ａ，３１ａの径方向内方端に連通するように、第１、第２ラジアル静圧気体軸受２２，３２の外周面中央に外周に沿って全周、すなわち環状に形成されている。

第１分流路２２ｃ，３２ｃ及び第２分流路２２ｄ，３２ｄは、周状流路２２ｂ，３２ｂから第１、第２ラジアル静圧気体軸受２２，３２のアキシャル方向の前方及び後方に向かって分岐して前方側及び後方側の端面近傍まで延在し、その端面近傍位置から第１、第２ラジアル静圧気体軸受２２，３２のラジアル方向、すなわちラジアル静圧気体軸受２２，３２の外周から中心に向かうように形成されている。第１、第２分流路２２ｃ，３２ｃ、２２ｄ，３２ｄは、周状流路２２ｂ，３２ｂにおいて所定角度間隔で複数形成されている。そして、第１、第２分流路２２ｃ，３２ｃ、２２ｄ，３２ｄの先端には、縮径して気体を噴出する絞り流路２２ｅ，３２ｅ、２２ｆ，３２ｆが設けられている。

第１、第２ラジアル軸受部２，３では、気体ポンプ等から主流路２１ａ，３１ａ、周状流路２２ｂ，３２ｂ及び第１、第２分流路２２ｃ，３２ｃ、２２ｄ，３２ｄを介して、第１、第２ラジアル静圧気体軸受２２，３２の内周面２２ａ，３２ａと主軸１の第１、第２大径部材１１，１３の外周面１１ｃ，１３ｃとの軸受クリアランスに気体が供給される。これにより、第１、第２ラジアル軸受部２，３は、主軸１の第１、第２大径部材１１，１３の外周面１１ｃ，１３ｃに対して気体によりラジアル方向の力を発生させる。よって、主軸１は、第１、第２ラジアル軸受部２，３に対してラジアル方向に位置決めされる。

アキシャル軸受部４は、第３軸受ハウジング４１と、第１、第２アキシャル静圧気体軸受４２，４３と、を備えている。第３軸受ハウジング４１は、外径が第１、第２軸受ハウジング２１，３１の外径と同一径であり、内径が主軸１の小径部材１２の外径よりも僅かに大きい円筒状に鋼により形成されている。第３軸受ハウジング４１は、前方の端面４１ａの径方向内方部分に円筒状に陥没した第１陥没部４１ｃが形成され、後方の端面４１ｂの径方向内方部分に円筒状に陥没した第２陥没部４１ｄが形成されている。第１、第２陥没部４１ｃ，４１ｄは、内径が主軸１の第１、第２大径部材１１，１３の外径と同一径となるように形成されている。

この第３軸受ハウジング４１には、気体ポンプ等から供給される気体の供給路となる管状の主流路４１ｅと、第１、第２周状流路４１ｆ，４１ｇと、が設けられている。主流路４１ｅは、第３軸受ハウジング４１のラジアル方向、すなわち第３軸受ハウジング４１の外周面４１ｈ中央から中心に一旦向かい、途中位置から第３軸受ハウジング４１のアキシャル方向の前方及び後方に向かって分岐して第１、第２陥没部４１ｃ，４１ｄに連通するように形成されている。第１、第２周状流路４１ｆ，４１ｇは、第１、第２陥没部４１ｃ，４１ｄにおいて主流路４１ｅと連通するように、第１、第２陥没部４１ｃ，４１ｄの底面に沿って全周、すなわち環状に形成されている。

第１、第２アキシャル静圧気体軸受４２，４３は、円筒状のメタルからなり、外径が第１、第２陥没部４１ｃ，４１ｄの内径よりも僅かに小さく、内径が主軸１の小径部材１２の外径よりも僅かに大きくなるように形成されている。第１、第２アキシャル静圧気体軸受４２，４３は、第３軸受ハウジング４１の第１、第２陥没部４１ｃ，４１ｄに接着固定されている。第１アキシャル静圧気体軸受４２の前方側の端面４２ａは、第１大径部材１１の後方側の端面１１ｂに全面に亘って非接触に対向配置され、第２アキシャル静圧気体軸受４３の後方側の端面４３ａは、第２大径部材１３の前方側の端面１３ａに全面に亘って非接触に対向配置されている。つまり、図示しないが、第１、第２アキシャル静圧気体軸受４２，４３の端面４２ａ，４３ａと第１、第２大径部材１１，１３の端面１１ｂ，１３ａとの間には、全面に亘って、数μｍの軸受クリアランスがある。

第１、第２アキシャル静圧気体軸受４２，４３には、第３軸受ハウジング４１の主流路４１ｅ及び第１、第２周状流路４１ｆ，４１ｇから流入される気体の供給路となる管状の流路４２ｂ，４３ｂが設けられている。流路４２ｂ，４３ｂは、第１、第２周状流路４１ｆ，４１ｇと連通するように、第１、第２アキシャル静圧気体軸受４２，４３の後方側の端面及び前方側の端面から第１、第２アキシャル静圧気体軸受４２，４３のアキシャル方向の前方及び後方に向かって前方側の端面４２ａ及び後方側の端面４３ａまで延在するように形成されている。流路４２ｂ，４３ｂは、所定角度間隔で複数形成されている。そして、流路４２ｂ，４３ｂの先端には、縮径して気体を噴出する絞り流路４２ｃ，４３ｃが設けられている。

アキシャル軸受部４では、気体ポンプ等から主流路４１ｅ、第１、第２周状流路４１ｆ，４１ｇ及び流路４２ｂ，４３ｂを介して、第１、第２アキシャル静圧気体軸受４２，４３の端面４２ａ，４３ａと主軸１の第１、第２大径部材１１，１３の端面１１ｂ，１３ａとの軸受クリアランスに気体が供給される。これにより、第１アキシャル静圧気体軸受４２は、主軸１の第１大径部材１１の端面１１ｂに対して気体により前方のアキシャル方向の力を発生させる。一方、第２アキシャル静圧気体軸受４３は、主軸１の第２大径部材１３の端面１３ｂに対して気体により後方のアキシャル方向の力を発生させる。よって、これらのアキシャル方向の力と、後述する変位調整部６で発生するアキシャル方向の調整力との釣り合いにより、主軸１は、アキシャル軸受部４に対してアキシャル方向に位置決めされる。

モータ部５は、ステータ５１と、ロータ５２と、モータハウジング５３とを有している。ステータ５１は、主軸１の小径ロータ部材１５のラジアル方向の外方に位置し、モータハウジング５３の内周面に固定されている。ロータ５２は、小径ロータ部材１５の外周面に固定されている。

変位調整部６は、第４軸受ハウジング６１と、調整アキシャル静圧気体軸受６２と、駆動部（本発明の「変位調整力発生手段」に相当する）６３と、変位検出部（本発明の「変位検出手段」に相当する）６４と、を備えている。第４軸受ハウジング６１は、鋼により円筒状に形成されており、気体ポンプ等から供給される気体の供給路となる主流路６１ａと、周状流路６１ｂとが設けられている。主流路６１ａは、第４軸受ハウジング６１のラジアル方向、すなわち第４軸受ハウジング６１の外周面６１ｃ中央から内周面６１ｄ中央にかけて形成されている。周状流路６１ｂは、第４軸受ハウジング６１の内周面６１ｄにおいて主流路６１ａと連通するように、第４軸受ハウジング６１の内周面６１ｄに沿って全周、すなわち環状に形成されている。

調整アキシャル静圧気体軸受６２は、円筒状のアルミニウムからなり、外径が第４軸受ハウジング６１の内径よりも小さく、内径が後述する変位検出部６４のガイド部材６４ａの外径よりも大きくなるように形成されている。調整アキシャル静圧気体軸受６２をアルミニウムにより形成することにより、加工性が良好なため複雑な形状であっても対応可能であり、また軽量な材料であるため慣性力を抑制することができる。特に、後述する駆動部６３のピエゾ６３ａは引っ張りに弱い圧電セラミック材料でなるため、慣性力を抑制することでピエゾ６３ａを保護することができる。

調整アキシャル静圧気体軸受６２の外周面６２ａは、第４軸受ハウジング６１の内周面６１ｄから離間している。このように第４軸受ハウジング６１と調整アキシャル静圧気体軸受６２の互いの対向面間にクリアランスが設けられているので、駆動部６３のピエゾ６３ａによる調整アキシャル静圧気体軸受６２のアキシャル方向の運動性能を損なうことはなく、主軸１のアキシャル方向の位置ずれを高精度に調整することができる。また、第４軸受ハウジング６１から調整アキシャル静圧気体軸受６２に供給される気体が、上記クリアランスから流出して駆動部６３のピエゾ６３ａ付近を循環するので、駆動部６３のピエゾ６３ａの発熱を抑制することができる。また、第４軸受ハウジング６１と調整アキシャル静圧気体軸受６２の間にシール部材を設ける必要がないので、組付けが容易となり、部品点数を減らして低コスト化を図ることができる。調整アキシャル静圧気体軸受６２の前方側の端面６２ｂは、主軸１の変位調整部材１６の後方側の端面１６ｂに全面に亘って非接触に対向配置されている。つまり、図示しないが、調整アキシャル静圧気体軸受６２の端面６２ｂと変位調整部材１６の端面１６ｂとの間には、全面に亘って、数〜十数μｍの軸受クリアランスがある。

調整アキシャル静圧気体軸受６２には、第４軸受ハウジング６１の主流路６１ａ及び周状流路６１ｂから流入される気体の供給路となる管状の流路６２ｃが設けられている。流路６２ｃは、周状流路６１ｂと連通するように、調整アキシャル静圧気体軸受６２の外周面から中心に一旦向かい、途中位置から調整アキシャル静圧気体軸受６２のアキシャル方向の前方に向かって前方側の端面６２ｂまで延在するように形成されている。流路６２ｃは、所定角度間隔で複数形成されている。そして、流路６２ｃの先端には、縮径して気体を噴出する絞り流路６２ｄが設けられている。

変位調整部６では、気体ポンプ等から主流路６１ａ、周状流路６１ｂ及び流路６２ｃを介して、調整アキシャル静圧気体軸受６２の端面６２ｂと主軸１の変位調整部材１６の端面１６ｂとの軸受クリアランスに気体が供給される。これにより、調整アキシャル静圧気体軸受６２は、主軸１の変位調整部材１６の端面１６ｂに対して気体により前方のアキシャル方向の調整力を発生させる。

駆動部６３は、ピエゾ６３ａと、ピエゾハウジング６３ｂと、からなっている。ピエゾ６３ａは、円筒状の圧電セラミック素子であり、前方側の端面が調整アキシャル静圧気体軸受６２の内面全周に亘って突設されている円筒状の凸部６２ｅの後方側の端面に接着固定されている。ピエゾハウジング６３ｂは、略円筒状に形成されており、前方側の端面の外周部が第４軸受ハウジング６１の後方側の端面に当接されてボルトにより締結固定され、前方側の端面の内周部がピエゾ６３ａの後方側の端面に接着固定されている。ピエゾ６３ａは、制御部７の制御により、アキシャル方向に伸縮してアキシャル方向の調整力を高精度に変更することができる。ここで、ピエゾ６３ａを例えば角柱状に形成して複数配置した構成とした場合、各ピエゾの個体差により伸縮精度が低下する。この伸縮精度の低下を防止するには各ピエゾを駆動する駆動源が必要となるためコスト高となる。本実施形態のピエゾ６３ａは円筒状に形成されているため、１つのピエゾ６３ａで対応可能であり、伸縮精度を高めることができると共に、１つの駆動源を用意すれば良いので低コスト化を図ることができる。

変位検出部６４は、ガイド部材６４ａと、検出部材６４ｂとを有している。ガイド部材６４ａは、主軸１の変位測定部材１７の外周に螺設されたオネジに螺合可能なメネジが内周に螺設された円筒状に形成されている。ガイド部材６４ａの軸長は、主軸１の変位測定部材１７の軸長よりも長尺に形成されている。検出部材６４ｂは、略円筒状に形成されており、前方側の先端は円錐台形状に突設されている。ガイド部材６４ａは、内周に主軸１の変位測定部材１７が挿入されてネジ固定される。

検出部材６４ｂは、ガイド部材６４ａの内周に後方側から挿入されて検出部材６４ｂの先端が主軸１の変位測定部材１７の後端の軸中心に当接され、後部がピエゾハウジング６３ｂの後方に配置されたエンコーダ８を覆うカバー９に固定される。ここで、主軸１の変位測定部材１７の後端は球面加工されたロータ１７ｂとなっているので、軸中心を精度良くセンシングすることが可能である。従来はボールを介して軸中心をセンシングしていたが、ボールが不用となるため低コスト化を図ることができる。これにより、制御部７は、主軸１のアキシャル軸受部４に対するアキシャル方向の変位を検出部材６４ｂを介して検出することができ、駆動部６３のピエゾ６３ａを駆動制御して主軸１の外乱による位置ずれを調整することができる。

以上のような構成の軸受装置によれば、第１、第２ラジアル静圧気体軸受２２，３２が主軸１の第１、第２大径部材１１，１３を支承しているため、第１、第２ラジアル静圧気体軸受２２，３２の軸受面積は従来の小径部材を支承するラジアル静圧気体軸受の軸受面積よりも大きくなり主軸１の静剛性を高めることができる。また、第１、第２ラジアル静圧気体軸受２２，３２は主軸１の小径部材１２を挟んで設けられている第１、第２大径部材１１，１３に夫々配置されていることから、第１、第２ラジアル静圧気体軸受２２，３２間の距離は小径部材１２を支承するラジアル静圧気体軸受間の距離よりも長くなる。よって、第１、第２大径部材１１，１３を支承する第１、第２ラジアル静圧気体軸受２２，３２による主軸１の支持力は、小径部材を支承するラジアル静圧気体軸受による主軸の支持力よりも高くなるため、主軸１の前部に回転工具や被加工物等を取り付ける際に発生する主軸１のラジアル方向のモーメント負荷による主軸１の変位を低減することができる。

本実施形態の軸受装置は、組付け精度を高めるため各構成部品は全面が鏡面仕上げされている。ここで、鏡面仕上げとは、例えば面粗度が５ｎｍＲａ以下に加工することである。この鏡面仕上げは、例えばダイヤモンドバイトによる超精密加工により得ることができる。ただし、構成部品が炭素を含まないメタルやアルミニウム等でなるラジアル静圧気体軸受２２，３２、アキシャル静圧気体軸受４２、調整アキシャル静圧気体軸受６２の場合は、そのままダイヤモンドバイトによる超精密加工により鏡面仕上げ加工が可能であるが、構成部品が炭素を含む鋼等でなる主軸１や各ハウジング２１等の場合は、構成部品の表面を一旦無電解ニッケルリン（Ｎｉ−Ｐ）メッキを施してからダイヤモンドバイトによる超精密加工により鏡面仕上げ加工が可能となる。鏡面仕上げ加工は各構成部品の全面に施すことが望ましいが、特に以下の構成部品に鏡面仕上げ加工を施すことにより各効果を得ることができる。

第１、第２大径部材１１，１３の外周面１１ｃ，１３ｃ及び対向面１１ｂ，１３ａ、並びに第１、第２ラジアル静圧気体軸受２２，３２における第１、第２大径部材１１，１３の外周面１１ｃ，１３ｃと対向する面２２ａ，３２ａ及び第１、第２アキシャル静圧気体軸受４２，４３における第１、第２大径部材１１，１３の対向面１１ｂ，１３ａと対向する面４２ａ，４３ａを、鏡面仕上げ加工する。これにより、第１、第２ラジアル静圧気体軸受２２，３２及び第１、第２アキシャル静圧気体軸受４２，４３の軸受クリアランスとしてサブミクロンの精度を容易に得ることができる。また、第１、第２ラジアル静圧気体軸受２２，３２における第１、第２大径部材１１，１３の外周面１１ｃ，１３ｃと対向する面２２ａ，３２ａと、第１、第２軸受ハウジング２１，３１の外周面２１ｂ，３１ｂとが、同軸に鏡面仕上げされているので、軸受装置として組付ける際の誤差を小さくすることができる。

また、第１、第２アキシャル静圧気体軸受４２，４３が接着された第３軸受ハウジング４１の両端面４１ａ，４１ｂ、及び第１、第２ラジアル静圧気体軸受２２，３２が焼き嵌めされた第１、第２軸受ハウジング２１，３１における第３軸受ハウジング４１の両端面４１ａ，４１ｂに対向する面１１ｂ，１３ａを、鏡面仕上げ加工する。これにより、第１、第２軸受ハウジング２１，３１と第３軸受ハウジング４１との平行度をサブミクロンの精度で得ることができる。さらに、第１、第２ラジアル静圧気体軸受２２，３２の内周面２２ａ，３２ａと第１、第２アキシャル静圧気体軸受４２，４３を含む第１、第２軸受ハウジング２１，３１の端面１１ｂ，１３ａとの直角度を高精度にすることができる。

また、第１、第２、第３軸受ハウジング２１，３１，４１の外周面２１ｂ，３１ｂ，４１ｈを、鏡面仕上げ加工する。これにより、軸受装置として組付ける際の誤差を小さくすることができる。

また、主軸１の変位調整部材１６の端面１６ｂ及び調整アキシャル静圧気体軸受６２における主軸１の変位調整部材１６の端面１６ｂと対向する面６２ｂを鏡面仕上げ加工する。これにより、主軸１と調整アキシャル静圧気体軸受６２との軸受クリアランスをサブミクロンの精度で得ることができる。よって、第１、第２アキシャル静圧気体軸受４２，４３を使用したことによる主軸１のアキシャル方向の位置ずれを高精度に調整することができる。

以上のような構成の軸受装置の製造方法（加工及び組付け手順）について説明する。先ず、軸受装置の加工においては、第１、第２ラジアル静圧気体軸受２２，３２を第１、第２軸受ハウジング２１，３１に焼き嵌めしてメッキを施し、第１、第２アキシャル静圧気体軸受４２，４３を第３軸受ハウジング３１に接着してメッキを施し、調整アキシャル静圧気体軸受６２を第４軸受ハウジング６１に接着してメッキを施す。そして、第１〜第４軸受ハウジング２１，３１，４１，６１の各内周面２２ａ，３２ａ等を鏡面加工した後、第１〜第４軸受ハウジング２１，３１，４１，６１の各外周面２１ｂ，３１ｂ，４１ｈ，６１ｃを各内周面２２ａ，３２ａ等に対して同軸に鏡面加工し、さらに各端面４２ａ，４３ａ等も各内周面２２ａ，３２ａ等に対して直角に鏡面加工し、第１、第２ラジアル軸受部２，３、アキシャル軸受部４及び調整アキシャル静圧気体軸受６２とする。

次に、軸受装置の組付けにおいては、組付け用テーブル上に設置された組付け用気体軸受及びダイアルゲージでなる組付け装置が使用される。ここで、第１大径部材１１と小径部材１２は一体加工され、段付大径ロータ部材１４と小径ロータ部材１５と変位調整部材１６と変位測定部材１７も一体加工されているとする。また、ステータ５１とロータ５２とモータハウジング５３は組み立てられてモータ部５とされ、第４軸受ハウジング６１と調整アキシャル静圧気体軸受６２と駆動部６３と変位検出部６４、さらにエンコーダ８とカバー９もボルト締結等により組み立てられて変位調整部６とされているとする。

先ず、組付け用テーブル上に設置された組付け用気体軸受上にアキシャル軸受部４及び第１ラジアル軸受部２を載置して回転し、ダイアルゲージのプローブを第３軸受ハウジング４１及び第１軸受ハウジング２１の外周面４１ｈ，２１ｂに当接させる。そして、ダイアルゲージの振れを見ながら同軸となるように位置決めし、ボルトにより両ハウジング４１，２１を締結固定する。次に、小径部材１２側を下方に向けて小径部材１２及び第１大径部材１１をアキシャル軸受部４及び第１ラジアル軸受部２の内周に挿入し、その組み立て品を組付け用気体軸受上にて上下逆に反転して載置する。

次に、第２大径部材１３を小径部材１２上に載置して回転し、ダイアルゲージのプローブを第２大径部材１３及び第３軸受ハウジング４１の外周面１３ｃ，４１ｈに当接させる。そして、ダイアルゲージの振れを見ながら同軸となるように位置決めし、ボルトにより第２大径部材１３と小径部材１２を締結固定する。そして、アキシャル軸受部４及び第１ラジアル軸受部２に気体を供給して芯出しし、第２ラジアル軸受部３の内周を第２大径部材１３の外周に嵌め込む。そして、その組み立て品を回転し、ダイアルゲージのプローブを第２軸受ハウジング３１及び第３軸受ハウジング４１の外周面３１ｂ，４１ｈに当接させてダイアルゲージの振れを見ながら同軸となるように位置決めし、ボルトにより両ハウジング３１，４１を締結固定する。

次に、段付大径ロータ部材１４、小径ロータ部材１５、変位調整部材１６及び変位測定部材１７を第２大径部材１３上に載置して回転し、ダイアルゲージのプローブを変位調整部材１６及び第２軸受ハウジング３１の外周面３１ｂに当接させる。そして、ダイアルゲージの振れを見ながら同軸となるように位置決めし、ボルトにより段付大径ロータ部材１４と第２大径部材１３を締結固定する。そして、第２ラジアル軸受部３上にモータ部５を載置して回転し、ダイアルゲージのプローブをモータハウジング５３及び第２軸受ハウジング３１の外周面５３ａ，３１ｂに当接させる。そして、ダイアルゲージの振れを見ながら同軸となるように位置決めし、ボルトにより両ハウジング５３，３１を締結固定する。最後に、モータ部５上に変位調整部６を載置して回転し、ダイアルゲージのプローブを第４軸受ハウジング６１及びモータハウジング５３の外周面６１ｃ，５３ａに当接させる。そして、ダイアルゲージの振れを見ながら同軸となるように位置決めし、ボルトにより両ハウジング６１，５３を締結固定する。以上により軸受装置の高精度な組付けが完了する。

従来は、第１、第２軸受ハウジング２１，３１の各内周面２２ａ，３２ａの同軸度を確認しながら第１、第２軸受ハウジング２１，３１を組付けることができなかったが、本実施形態では、第１、第２ラジアル静圧気体軸受２２，３２における第１、第２大径部材１１，１３の外周面１１ｃ，１３ｃと対向する面２２ａ，３２ａと、第１、第２軸受ハウジング２１，３１の外周面２１ｂ，３１ｂとが、同軸に鏡面仕上げされている。よって、第１軸受ハウジング２１に第３軸受ハウジング４１を挟んで第２軸受ハウジング３１を組付ける際に、第１、第２軸受ハウジング２１，３１の外周を基準にして同軸度を確認しながら組付けることで、第１、第２ラジアル静圧気体軸受２２，３２における第１、第２大径部材１１，１３の外周面１１ｃ，１３ｃと対向する面２２ａ，３２ａの同軸度を出すことができ、組付誤差が低減され、高精度な軸受装置ができる。

また、従来は、第１、第２軸受ハウジング２１，３１の各内周面２２ａ，３２ａと第１、第２大径部材１１，１３の外周面１１ｃ，１３ｃとの同軸度を確認しながら第１、第２軸受ハウジング２１，３１と第１、第２大径部材１１，１３を組付けることができなかったが、本実施形態では、第１、第２ラジアル静圧気体軸受２２，３２における第１、第２大径部材１１，１３の外周面１１ｃ，１３ｃと対向する面２２ａ，３２ａと、第１、第２軸受ハウジング２１，３１の外周面２１ｂ，３１ｂとが、同軸に鏡面仕上げされている。よって、第１、第２軸受ハウジング２１，３１と第１、第２大径部材１１，１３とを組付ける際に、第１、第２大径部材１１，１３の外周と第１、第２軸受ハウジング２１，３１の各外周とを基準にして同軸度を確認しながら組付けることで、第１、第２ラジアル静圧気体軸受２２，３２における第１、第２大径部材１１，１３の外周面１１ｃ，１３ｃと対向する面２２ａ，３２ａと、第１、第２軸受ハウジング２１，３１の外周面２１ｂ，３１ｂとの同軸度を出すことができ、組付誤差が低減され、高精度な軸受装置ができる。

なお、上述した実施形態では、主軸１を非接触で支承する軸受として静圧気体軸受を用いたが、磁気軸受を用いても同様の効果を奏する。また、軸受装置の各構成部品に無電解ニッケルリン（Ｎｉ−Ｐ）メッキを施したが、メッキであれば特に限定されるものではない。

１：主軸、 ２：第１ラジアル軸受部、 ３：第２ラジアル軸受部、 ４：アキシャル軸受部、 ５：モータ部、 ６：変位調整部、 ７：制御部、１１：第１大径部材、 １２：小径部材、 １３：第２大径部材、 １６：変位調整部材、 １７：変位測定部材、 ２１：第１軸受ハウジング、 ３１：第２軸受ハウジング、 ２２：第１ラジアル静圧気体軸受、 ３２：第２ラジアル静圧気体軸受、 ４１：第３軸受ハウジング、 ４２：第１アキシャル静圧気体軸受、 ４３：第２アキシャル静圧気体軸受、 ６１：第４軸受ハウジング６１、 ６２：調整アキシャル静圧気体軸受、 ６３：駆動部（変位調整力発生手段）、 ６４：変位検出部（変位検出手段）。

Claims (6)

1. 小径部材及び該小径部材のアキシャル方向両端に設けられた２つの大径部材を有する主軸と、
   ２つの前記大径部材の外周面を夫々支承する２つのラジアル静圧気体軸受と、
   ２つの前記大径部材の対向面を夫々支承する２つのアキシャル静圧気体軸受と、
   ２つの前記ラジアル静圧気体軸受を夫々支持する第１、第２軸受ハウジングと、
   ２つの前記アキシャル静圧気体軸受を支持する第３軸受ハウジングと、
   前記主軸の変位調整部材の端面を支承する調整アキシャル静圧気体軸受と、
   該調整アキシャル静圧気体軸受を介して前記主軸に対しアキシャル方向の力を発生し、前記主軸のアキシャル方向の変位を調整する変位調整力発生手段と、
   前記調整アキシャル静圧気体軸受を支持する第４軸受ハウジングと、を備え、
   前記主軸の変位調整部材の端面及び前記調整アキシャル静圧気体軸受における前記主軸の変位調整部材の端面と対向する面が鏡面仕上げされていることを特徴とする軸受装置。
2. 請求項１において、
   前記大径部材の外周面が鏡面仕上げされ、
   前記ラジアル静圧気体軸受における前記大径部材の外周面と対向する面と、前記第１、第２軸受ハウジングの外周面とが、同軸に鏡面仕上げされていることを特徴とする軸受装置。
3. 請求項１又は２において、
   前記第４軸受ハウジングにおける前記調整アキシャル静圧気体軸受を支承する面が、該調整アキシャル静圧気体軸受から離間していることを特徴とする軸受装置。
4. 請求項１〜３の何れか一項において、
   前記主軸の変位測定部材に当接して該主軸のアキシャル方向の変位を検出する変位検出手段を備え、
   前記変位検出手段が当接する前記変位測定部材の当接部が、該変位測定部材と一体の球面加工されていることを特徴とする軸受装置。
5. 請求項２に記載の軸受装置であって、前記第１軸受ハウジングと前記第２軸受ハウジングとが第３軸受ハウジングを挟んで別体である軸受装置の製造方法において、
   前記第１軸受ハウジングに前記第３軸受ハウジングを挟んで前記第２軸受ハウジングを組付ける際に、前記第１、第２軸受ハウジングの外周を基準にして同軸に組付けることを特徴とする軸受装置の製造方法。
6. 請求項２に記載の軸受装置の製造方法において、
   前記主軸と前記第１、第２軸受ハウジングとを組付ける際に、前記主軸の外周と前記各軸受ハウジングの外周とを基準にして同軸に組付けることを特徴とする軸受装置の製造方法。

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