特開 2023-135298 工作機械のスピンドルユニット及びそれを用いたシステム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023135298

(43)【公開日】2023-09-28

(54)【発明の名称】工作機械のスピンドルユニット及びそれを用いたシステム

(51)【国際特許分類】

   B23B 19/02 20060101AFI20230921BHJP

   B24B 41/04 20060101ALI20230921BHJP

   B24B 45/00 20060101ALI20230921BHJP

   B24B 49/16 20060101ALI20230921BHJP

   B23Q 17/00 20060101ALI20230921BHJP

   F16C 19/06 20060101ALI20230921BHJP

   F16C 19/10 20060101ALI20230921BHJP

   F16C 35/12 20060101ALI20230921BHJP

【ＦＩ】

B23B19/02 A

B24B41/04

B24B45/00 Z

B24B49/16

B23Q17/00 A

F16C19/06

F16C19/10

F16C35/12

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022040436

(22)【出願日】2022-03-15

(71)【出願人】

【識別番号】000151494

【氏名又は名称】株式会社東京精密

(74)【代理人】

【識別番号】100163533

【弁理士】

【氏名又は名称】金山 義信

(74)【代理人】

【識別番号】100199842

【弁理士】

【氏名又は名称】坂井 祥平

(72)【発明者】

【氏名】津留 太良

【テーマコード（参考）】

3C029

3C034

3C045

3J701

【Ｆターム（参考）】

3C029EE02

3C034AA20

3C034BB02

3C034BB06

3C034BB75

3C034BB92

3C034CA16

3C034DD20

3C045FD03

3C045FD12

3J701AA02

3J701AA42

3J701AA52

3J701AA54

3J701AA62

3J701AA82

3J701AA83

3J701BA77

3J701GA31

(57)【要約】      （修正有）

【課題】スピンドルユニットに掛かる加工応力をダイナミックに計測し、加工精度向上（品質・歩留まり向上）、異常検知、砥石や工具刃の使用寿命が向上してコスト低減等を実現できる工作機械のスピンドルユニット及びそれを用いたシステムを得る。
【解決手段】工作機械のスピンドルユニット１において、主軸の軸方向を長手方向として円周に複数配置された径方向永久磁石１６と、主軸の軸と垂直方向に配置された軸方向永久磁石２１－１、２１－２と、径方向永久磁石１６の変位を検出する径方向応力検知部Ａと、軸方向永久磁石２１－１、２１－２の変位を検出する軸方向応力検知部Ｂと、径方向応力検知部Ａ及び軸方向応力検知部Ｂの出力を無線で送信する無線ユニット２２と、無線ユニット２２への供給電源２３と、を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

先端部に工具ホルダが取り付けられ、径方向がラジアル軸受で支持され、軸方向がスラスト軸受で支持され、他端部がモータの回転軸と結合された主軸を有する工作機械のスピンドルユニットにおいて、
前記主軸の前記軸方向を長手方向として円周に複数配置された径方向永久磁石と、
前記主軸の軸と垂直方向に配置された軸方向永久磁石と、
前記径方向永久磁石の変位を検出する径方向応力検知部と、
前記軸方向永久磁石の変位を検出する軸方向応力検知部と、
前記径方向応力検知部及び前記軸方向応力検知部の出力を無線で送信する無線ユニットと、
前記無線ユニットへの供給電源と、
を備えたことを特徴とする工作機械のスピンドルユニット。

【請求項2】

前記径方向応力検知部は、
前記径方向永久磁石の外周に半径方向に所定の隙間を隔てて、かつ前記径方向永久磁石と対向して設置された径方向電磁石と、
前記径方向電磁石に対向して設置された径方向ひずみセンサと、
を備え、前記径方向ひずみセンサは、前記径方向永久磁石と前記径方向電磁石との同じ極性同士による斥力を検知することを特徴とする請求項１に記載の工作機械のスピンドルユニット。

【請求項3】

前記径方向永久磁石の磁極は半径方向に着磁され、前記径方向電磁石は前記径方向永久磁石と対向して半径方向に通電され、前記径方向永久磁石と前記径方向電磁石とは同極同士が対向していることを特徴とする請求項２に記載の工作機械のスピンドルユニット。

【請求項4】

前記径方向永久磁石の磁極は円周方向に着磁され、前記径方向電磁石は前記径方向永久磁石と対向して半径方向に通電されていることを特徴とする請求項２に記載の工作機械のスピンドルユニット。

【請求項5】

前記軸方向応力検知部は、
前記軸方向永久磁石と前記軸方向に所定の隙間を隔てて、かつ面対向して設置された軸方向電磁石と、
前記軸方向電磁石に対向して設置された軸方向ひずみセンサと、
を備え、前記軸方向ひずみセンサは、前記軸方向永久磁石と前記軸方向電磁石との同じ極性同士による斥力を検知することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の工作機械のスピンドルユニット。

【請求項6】

前記軸方向応力検知部は、
前記軸方向永久磁石と前記軸方向に所定の隙間を隔てて、かつ面対向して設置された軸方向電磁石と、
前記軸方向永久磁石と前記軸方向電磁石との同じ極性同士による斥力を検知する圧電センサと、
を備えたことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の工作機械のスピンドルユニット。

【請求項7】

前記主軸の前記先端部に差し込んで固定された先端永久磁石と、
前記主軸の前記他端部に差し込んで固定された他端永久磁石と、
前記先端永久磁石に対向する位置に半径方向に所定の間隙を隔てて、かつ円周方向に取り付けられた先端コイルと、
前記他端永久磁石に対向する位置に半径方向に所定の間隙を隔てて、かつ円周方向に取り付けられた他端コイルと、
を有し、前記主軸に掛かるねじれ応力を前記先端コイルと前記他端コイルに生じる誘導起電力による電圧の位相差で検知するねじれ応力検知部を備えたことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の工作機械のスピンドルユニット。

【請求項8】

前記径方向応力検知部は、
前記径方向永久磁石の外周に半径方向に所定の隙間を隔てて、かつ前記径方向永久磁石と対向して設置された径方向コイル、を備え、前記径方向コイルに生じる誘導起電力による電圧により、前記径方向永久磁石の変位を検出することを特徴とする請求項１に記載の工作機械のスピンドルユニット。

【請求項9】

前記軸方向応力検知部は、
前記軸方向永久磁石と前記軸方向に所定の隙間を隔てて、かつ面対向して設置された軸方向コイルと、を備え、前記軸方向コイルに生じる誘導起電力による電圧により、前記軸方向永久磁石の変位を検出することを特徴とする請求項８に記載の工作機械のスピンドルユニット。

【請求項10】

先端部に工具ホルダが取り付けられ、径方向がラジアル軸受で支持され、軸方向がスラスト軸受で支持され、他端部がモータの回転軸と結合された主軸を有する工作機械のスピンドルユニットを用いたシステムであって、
前記スピンドルユニットは、
前記主軸の前記軸方向を長手方向として円周に複数配置された径方向永久磁石と、
前記主軸の軸と垂直方向に配置された軸方向永久磁石と、
前記径方向永久磁石の変位を検出する径方向応力検知部と、
前記軸方向永久磁石の変位を検出する軸方向応力検知部と、
前記径方向応力検知部及び前記軸方向応力検知部の出力を無線で送信する無線ユニットと、
前記無線ユニットへの供給電源と、
を備え、前記出力に基づいて加工条件をリアルタイムに前記工作機械の加工制御へフィードバック制御することを特徴とする工作機械のスピンドルユニットを用いたシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、研削等の加工中にスピンドルユニットに掛かる応力を測定し、フィードバック制御可能な工作機械のスピンドルユニット及びそれを用いたシステムに関する。

【背景技術】

【0002】

研削等の加工条件は、工具の回転数や、送り速度によって決められている。しかしながら、工作機械は、切削加工における切り込み量、加工応力の変化等によって振動が発生したり、砥石や工具が劣化したりして加工精度（品質・歩留まり）を悪化することがある。その対策として、切削荷重を検知する技術が知られているが、回転するタイプの工作機械は、工具や回転軸に作用する荷重を検出することが困難であった。そこで、従来は、加工中のびびり振動等の振動抑制を目的して、スピンドルユニットの主軸やワーク回転モータの負荷（電流値等）のモニタリングを行ったり、工具保持装置部に防振機能が備えられていたりしていた。

【0003】

特許文献１は、スピンドルユニットの主軸先端部に軸受型センサを配設し、工作機械の主軸に掛かる荷重を検出することを記載している。この軸受型センサは、ハウジングと主軸間に転がり軸受を配置し、外輪外周に貼付したひずみゲージによって、軸受の転動体がひずみゲージの位置を通過する度に発生するひずみを検出して主軸に加わる荷重の大きさを検出している。

【0004】

また、特許文献２は、加工精度の向上のため、スピンドルユニットの主軸のアキシャル荷重を新たなパラメータとして考慮することを記載している。アキシャル荷重は、一対のアンギュラ玉軸受の外周面に、被検出面の特性が円周方向に交互に変化するエンコーダ、被検出面に対向配置されるセンサを設けて測定している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開平７－１５９２６０号公報

【特許文献2】特開２０１４－２３８４１５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

上記従来技術において、実際に工具やワークに掛かっている力の大きさや方向を知ることは、工具回転軸やワーク回転軸等のモータの負荷（電流値等）からでは困難であり、正確で効果的な加工条件をフィードバック制御することが出来なかった。また、特許文献１に記載のものは、精度よく荷重を検出することが困難であった。さらに、スピンドルユニットの軸長は、長くなるばかりでなく、センサ設置のための専用スペースを必要としていた。

【0007】

特許文献２に記載のものは、アキシャル荷重のみ測定するものであり、工具やワークに掛かっている力の大きさや方向をダイナミックに知ることは出来ず、正確で効果的な加工条件をフィードバック制御することが困難であった。

【0008】

本発明の目的は、上記従来技術の課題を解決し、スピンドルユニットに掛かる加工応力を状況に応じて、柔軟性を持って動的に、つまり、ダイナミックに計測する。そして、逐次、加工条件をフィードバック制御（リアルタイム制御）し、加工精度向上（品質・歩留まり向上）、異常検知、砥石や工具刃の使用寿命が向上してコスト低減等を実現できる工作機械のスピンドルユニット及びそれを用いたシステムを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記目的を達成するため、本発明は、先端部に工具ホルダが取り付けられ、径方向がラジアル軸受で支持され、軸方向がスラスト軸受で支持され、他端部がモータの回転軸と結合された主軸を有する工作機械のスピンドルユニットにおいて、前記主軸の前記軸方向を長手方向として円周に複数配置された径方向永久磁石と、前記主軸の軸と垂直方向に配置された軸方向永久磁石と、前記径方向永久磁石の変位を検出する径方向応力検知部と、前記軸方向永久磁石の変位を検出する軸方向応力検知部と、前記径方向応力検知部及び前記軸方向応力検知部の出力を無線で送信する無線ユニットと、前記無線ユニットへの供給電源と、を備えたものである。

【0010】

また、上記の工作機械のスピンドルユニットにおいて、前記径方向応力検知部は、前記径方向永久磁石の外周に半径方向に所定の隙間を隔てて、かつ前記径方向永久磁石と対向して設置された径方向電磁石と、前記径方向電磁石に対向して設置された径方向ひずみセンサと、を備え、前記径方向ひずみセンサは、前記径方向永久磁石と前記径方向電磁石との同じ極性同士による斥力を検知することが好ましい。

【0011】

さらに、上記の工作機械のスピンドルユニットにおいて、前記径方向永久磁石の磁極は半径方向に着磁され、前記径方向電磁石は前記径方向永久磁石と対向して半径方向に通電され、前記径方向永久磁石と前記径方向電磁石とは同極同士が対向していることが好ましい。

【0012】

さらに、上記の工作機械のスピンドルユニットにおいて、前記径方向永久磁石の磁極は円周方向に着磁され、前記径方向電磁石は前記径方向永久磁石と対向して半径方向に通電されていることが好ましい。

【0013】

さらに、上記の工作機械のスピンドルユニットにおいて、前記軸方向応力検知部は、前記軸方向永久磁石と前記軸方向に所定の隙間を隔てて、かつ面対向して設置された軸方向電磁石と、前記軸方向電磁石に対向して設置された軸方向ひずみセンサと、を備え、前記軸方向ひずみセンサは、前記軸方向永久磁石と前記軸方向電磁石との同じ極性同士による斥力を検知することが好ましい。

【0014】

さらに、上記の工作機械のスピンドルユニットにおいて、前記軸方向応力検知部は、前記軸方向永久磁石と前記軸方向に所定の隙間を隔てて、かつ面対向して設置された軸方向電磁石と、前記軸方向永久磁石と前記軸方向電磁石との同じ極性同士による斥力を検知する圧電センサと、を備えたことが好ましい。

【0015】

さらに、上記の工作機械のスピンドルユニットにおいて、前記主軸の前記先端部に差し込んで固定された先端永久磁石と、前記主軸の前記他端部に差し込んで固定された他端永久磁石と、前記先端永久磁石に対向する位置に半径方向に所定の間隙を隔てて、かつ円周方向に取り付けられた先端コイルと、前記他端永久磁石に対向する位置に半径方向に所定の間隙を隔てて、かつ円周方向に取り付けられた他端コイルと、を有し、前記主軸に掛かるねじれ応力を前記先端コイルと前記他端コイルに生じる誘導起電力による電圧の位相差で検知するねじれ応力検知部を備えたことが好ましい。

【0016】

さらに、上記の工作機械のスピンドルユニットにおいて、前記径方向応力検知部は、前記径方向永久磁石の外周に半径方向に所定の隙間を隔てて、かつ前記径方向永久磁石と対向して設置された径方向コイル、を備え、前記径方向コイルに生じる誘導起電力による電圧により、前記径方向永久磁石の変位を検出することが好ましい。

【0017】

さらに、上記の工作機械のスピンドルユニットにおいて、前記軸方向応力検知部は、前記軸方向永久磁石と前記軸方向に所定の隙間を隔てて、かつ面対向して設置された軸方向コイルと、を備え、前記軸方向コイルに生じる誘導起電力による電圧により、前記軸方向永久磁石の変位を検出することが好ましい。

【0018】

さらに、本発明は、先端部に工具ホルダが取り付けられ、径方向がラジアル軸受で支持され、軸方向がスラスト軸受で支持され、他端部がモータの回転軸と結合された主軸を有する工作機械のスピンドルユニットを用いたシステムであって、前記スピンドルユニットは、前記主軸の軸方向を長手方向として円周に複数配置された径方向永久磁石と、前記主軸の軸と垂直方向に配置された軸方向永久磁石と、前記径方向永久磁石の変位を検出する径方向応力検知部と、前記軸方向永久磁石の変位を検出する軸方向応力検知部と、前記径方向の応力検知部及び前記軸方向応力検知部の出力を無線で送信する無線ユニットと、前記無線ユニットへの供給電源と、を備え、前記出力に基づいて加工条件をリアルタイムに前記工作機械の加工制御へフィードバック制御するものである。

【発明の効果】

【0019】

本発明によれば、スピンドルユニットの主軸の軸方向を長手方向として円周に複数配置された径方向永久磁石と、主軸の軸と垂直方向に配置された軸方向永久磁石と、径方向永久磁石の変位を検出する径方向応力検知部と、軸方向永久磁石の変位を検出する軸方向応力検知部とを備えるので、加工応力をダイナミックに検出できる。そして、その出力に基づいて加工条件をリアルタイムに工作機械の加工制御へフィードバック制御できる。したがって、加工精度向上（品質・歩留まり向上）、異常検知、砥石や工具刃の使用寿命を向上してコスト低減等を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】本発明の一実施形態によるシステム構成を示す概要図

【図2】一実施形態による工作機械のスピンドルユニットの構成を示す断面図

【図3】図２におけるＡ部の断面図

【図4】図２におけるＢ部の断面図

【図5】一実施形態による径方向応力検知部の説明図

【図6】他の実施形態による径方向応力検知部の説明図

【図7】一実施形態による軸方向応力検知部を示す斜視図

【図8】図２で示した実施形態に対してねじれ応力検知部を付加した図

【図9】図８で示した実施形態の誘導起電力検出回路

【図10】図２で示した一実施形態をコイル検出型とした他の実施形態を示すスピンドルユニットの構成を示す断面図

【図11】図１０におけるＡ部の断面図

【図12】図１１における径方向応力検知部におけるＸ方向の誘導起電力検出回路

【図13】図１０のＢ部における軸方向応力検知部の斜視図

【図14】図１０で示した他の実施形態の軸方向応力検知部における誘導起電力検出回路

【図15】図１３で示した軸方向永久磁石側と軸方向永久磁石側とを合わせた誘導起電力検出回路

【図16】図１５で示した実施形態に対して結線と軸方向コイル、軸方向コイルの巻く向きを逆に変えた誘導起電力検出回路

【図17】図１６示した実施形態に対して軸方向永久磁石４２－１、４２－２を重ねた誘導起電力検出回路

【発明を実施するための形態】

【0021】

図１は、本発明の一実施形態によるシステム構成を示す概要図、図２は、一実施形態による工作機械のスピンドルユニット１の構成を示す断面図である。システム構成は、主にスピンドルユニット１と制御部２とで構成される。スピンドルユニット１は、主軸１０の先端部（図２で左端部）がハウジング１１から所定長さ突出し、先端に工具ホルダ１２が取り付けられている。主軸１０は、ラジアル軸受１３、１４で適切な予圧を持って中心線に対し垂直な径方向に掛かる荷重が支持されている。

【0022】

主軸１０の軸方向に掛かる荷重は、スラスト軸受１５で支持されている。主軸１０の他端部（図２で右端部）はモータ側であり、高速回転するモータの回転軸（図示せず）と結合されている。なお、ラジアル軸受１３、１４、スラスト軸受１５は、流体軸受、エアベアリング等を用いても良い。

【0023】

図２のＡ部は、ｘｙ方向における径方向応力検知部、Ｂ部はＺ方向における軸方向応力検知部であり、図３はＡ部の断面図、図４はＢ部の断面図である。Ａ部において、主軸１０の外周は、径方向永久磁石１６が複数（図３では４個）、軸方向を長手方向として円周に等間隔で配置されている。ハウジング１１に取り付けられた円環リング１１－１は、径方向永久磁石１６の外周の周囲に半径方向に所定の隙間を隔てて、かつ径方向永久磁石１６と対向して径方向電磁石１７が複数（図３では４個）設置されている。

【0024】

径方向ひずみセンサ１８は、円環リング１１－１の径方向電磁石１７の外周に面した部分に取り付けられている。なお、円環リング１１－１はハウジング１１の一部として一体化しても良い。また、径方向ひずみセンサ１８は、薄い電気絶縁物のベースの上に格子上の抵抗線又はフォトエッチング加工した抵抗箔が形成された径方向ひずみセンサ、又は圧電効果を利用したピエゾ素子による圧電センサ等を用いる。

【0025】

図３は、径方向応力検知部の径方向永久磁石１６と径方向電磁石１７との配置を示している。径方向永久磁石１６の磁極は、図３では中心から半径方向に向かってＳＮと着磁されている。径方向電磁石１７は、円環リング１１－１に取り付けられ、径方向永久磁石１６と対向して中心から半径方向に向かってＮＳとなるように通電されている。径方向ひずみセンサ１８は、径方向電磁石１７の取り付けられた位置で、その外周の円環リング１１－１に接着して設置されている。

【0026】

なお、径方向ひずみセンサ１８は、径方向永久磁石１６と径方向電磁石１７との同じ極性同士による斥力、つまり反発力による円環リング１１－１、あるいは円環リング１１－１をハウジング１１と一体化した場合は、円環リング１１－１に代わるハウジング１１の一部に加わる応力を検知すれば良い。そして、磁極は反対、つまり図３でＮＳをＳＮとして同極同士を対向させれば良い。また、径方向電磁石１７は永久磁石と異なり、磁力を調整可能なので、磁力が強すぎて主軸１０の回転を阻害しないように調整することができる。

【0027】

図４は、ｚ方向の応力を検知する軸方向永久磁石２１－２と軸方向電磁石１９－２との配置を示している。Ｂ部において、主軸１０に、Ｚ方向用の円環状の軸方向永久磁石２１－２が軸と垂直方向に配置されている。軸方向電磁石１９－２はそれぞれ、軸方向永久磁石２１－２と面対向して複数（図４では４個）設置されている。軸方向応力検知部である軸方向ひずみセンサ２０－２は、軸方向電磁石１９－２のそれぞれハウジング１１に取り付けられた円環リング１１－２のつば状部の外周に軸方向電磁石１９－２と対向して接着して設置されている。なお、上記は、軸方向永久磁石２１－１と軸方向電磁石１９－１との関係においても同様である。

【0028】

なお、軸方向電磁石１９－２の取り付けられる部分は、図２では円環リング１１－２と一体化されている。つまり、円環リング１１－２をハウジング１１の一部とした場合は、ハウジング１１につば状部を設ければ良い。

【0029】

無線ユニット２２は、ｘｙ方向における径方向応力検知部の径方向ひずみセンサ１８及び軸方向応力検知部である軸方向ひずみセンサ２０－１、２０－２の出力を無線等で送信する。無線ユニット２２及び無線ユニット２２への供給電源２３は、主軸１０の他端（図２で右端部）に設けられている。制御部２は、応力計算部２-２、データ出力部（表示部）２-３、制御用電源２－１を有している。

【0030】

図５は、径方向応力検知部の説明図である。図５（ａ）は工具ホルダ１２に取り付けられた工具２４に矢印のような力が加わったことを示し、図５（ｂ）は、その時、主軸１０が偏位した様子を示している。主軸１０は、応力が掛かると変位し、それに取り付けられた径方向永久磁石１６も図５（ｂ）に示す如く変位する。そして、変位がない状態でバランスしていた径方向永久磁石１６と１７との斥力は、変化して円環リング１１－１に応力が発生し、径方向ひずみセンサ１８によって検知される。

【0031】

径方向ひずみセンサ１８による検知は、ブリッジ回路の二辺にひずみゲージが、他の二辺に固定抵抗が接続される２ゲージ法でｘｙ方向と図示された軸方向応力に対応した出力電圧を得る。加工中の主軸１０に掛かる応力の計測は、予め出力電圧と応力の関係を校正して置けば良い。径方向ひずみセンサ１８を接着する母材となる円環リング１１－１の材質は、熱の影響と応力対ひずみ特性を考慮してジュラルミンを選定することが好ましい。

【0032】

また、径方向ひずみセンサ１８の金属抵抗体との線膨張係数とハウジング１１との線膨張係数の差を金属抵抗体の温度抵抗係数で相殺するようにした自己温度補償型の径方向ひずみセンサ１８とすることも良い。さらに、熱によるドリフト対策として積極的な排熱が必要な場合は、ペルチェ素子での冷却、水冷ユニット（銅管）設置等の対策も良く、自己温度補償型の径方向ひずみセンサ１８はブリッジ回路の構成でキャンセルできる。

【0033】

図６は、他の実施形態による径方向応力検知部の説明図であり、応力を検知するＡ部の径方向永久磁石１６と径方向電磁石１７との配置を示している。径方向永久磁石１６の磁極は、図６では円周方向、反時計回りにＳＮと着磁されている。径方向電磁石１７は、径方向永久磁石１６と対向して中心から半径方向に向かってＮＳとなる磁束Ｂを生じるように通電されている。

【0034】

径方向ひずみセンサ１８は、径方向電磁石１７の取り付けられた位置で、その外周のハウジング１１に接着して設置されている。径方向永久磁石１６と径方向電磁石１７との斥力は、図３と同様に生じるので、径方向ひずみセンサ１８は、斥力によるハウジング１１に加わる応力を検知すれば良い。

【0035】

図７（ａ）は、ｚ方向における軸方向応力検知部の軸方向永久磁石２１－１側を示す斜視図である。軸方向電磁石１９－１は軸方向永久磁石２１－１と面対向して複数（図では４個）で円周方向に等分割して設置されている。軸方向ひずみセンサ２０－１は、円環リング１１－２の外周に、軸方向であるｚ方向に抵抗値が変化するように接着されている。軸方向永久磁石２１－２側は同様である。軸方向電磁石１９－１の磁束Ｂの向きが矢印のようにｚ方向の場合は、軸方向電磁石１９－１と軸方向永久磁石２１－１との間で斥力が生じる。

【0036】

主軸１０は、ｚ方向に応力が掛かると変位し、斥力が変化して円環リング１１－２の応力が軸方向ひずみセンサ２０－１によって検知される。軸方向ひずみセンサ２０－１による検知は、ブリッジ回路の一辺にひずみゲージが、他の三辺に固定抵抗が接続される１ゲージ３線法でｚ方向の応力に対応した出力電圧を得る。

【0037】

図７（ｂ）は、軸方向応力検知部の軸方向ひずみセンサ２０－１を圧電センサ２０'－１に代えた実施形態を示す。圧電センサ２０'－１は、図で上側の構造体となる円環リング１１－２と軸方向永久磁石２１－１との間に挟まれる。他は図７（ａ）と同様であり、軸方向永久磁石２１－１と軸方向電磁石１９－１との同じ極性同士による斥力は、圧電センサ２０'－１による圧電効果、つまり圧力に応じて生じる電圧によって検知される。

【0038】

図８は、図２で示した実施形態に対して主軸１０のねじれ応力検知部を付加した図である。図８（ａ）は、スピンドルユニット１の構成を示す断面図であり、図２と同様の部分は、符号及び説明を省略する。先端永久磁石３０は円柱状であり、主軸１０の工具ホルダ１２部側の先端に差し込んで固定されている。誘導起電力を検出する先端コイル３１は、ハウジング１１の先端永久磁石３０に対向する位置に半径方向に所定の間隙を隔てて、かつ円周方向に２箇所取り付けられている。図８（ｂ）は、工具ホルダ１２部の斜視図を示している。

【0039】

他端永久磁石３２は、円柱状であり、主軸１０の他端（図８で右端部）のモータ側に差し込んで固定されている。誘導起電力を検出する他端コイル３３は、ハウジング１１の他端永久磁石３２に対向する位置に半径方向に所定の間隙を隔てて、かつ円周方向に２箇所取り付けられている。図８（ｃ）は、取り付け部の斜視図を示している。

【0040】

図９は、図８で示した実施形態の誘導起電力検出回路を示している。先端コイル３１、同様に他端コイル３３に矢印で示すように電流を流せば、先端永久磁石３０、同様に他端永久磁石３２の回転でレンツの法則により誘電起電力が発生する。したがって、主軸１０に掛かるねじれ応力は、先端コイル３１と他端コイル３３に生じる誘導起電力による電圧の位相差を検出することで検知する。

【0041】

図１０は、図２で示した実施形態がひずみ検出型であるのに対してコイル検出型とした他の実施形態を示すスピンドルユニット１の構成を示す断面図である。図１０（ａ）は、図８に対してＡ部のｘｙ方向の径方向応力検知部、Ｂ部のＺ方向における軸方向応力検知部が異なるので、同様の部分は符号及び説明を省略する。図１０（ｂ）は、径方向応力検知部の斜視図を示している。ただし、図１０（ｂ）は、径方向永久磁石４０を省略して簡易的に図示しており、図２の径方向永久磁石１６と同様で良い。

【0042】

図１１は、Ａ部の断面図であり、径方向永久磁石４０に対する径方向コイル４１－１の配置を示している。径方向永久磁石４０は円柱状であり、主軸１０の径方向に差し込んで固定されている。Ａ部において、主軸１０の外周は、径方向永久磁石４０が複数（図１１では４個）、軸方向を長手方向として円周方向に等間隔で配置されている。径方向永久磁石４０の磁極は、中心から半径方向に向かってＳＮ又はＮＳと着磁されている。ハウジング１１に取り付けられた円環リング１１－１は、径方向永久磁石４０の外周の周囲に半径方向に所定の隙間を隔てて、かつ径方向永久磁石４０と対向して径方向コイル４１－１、４１－２、４１－３、４１－４が複数（図１１では４個）設置されている。

【0043】

誘導起電力を検出する径方向コイル４１－１、４１－２、４１－３、４１－４は、ハウジング１１に取り付けられた円環リング１１－１の径方向永久磁石４０に対向する位置に半径方向に所定の間隙を隔てて、かつ円周方向に４箇所取り付けられる。また、径方向コイル４１－１、４１－２、４１－３、４１－４は、ｙ１、ｙ２、ｘ１、ｘ２と符号されているように、１８０°の対向ペアとなっている。径方向コイル４１－１、４１－２はＹ方向の応力を検知し、径方向コイル４１－３、４１－４はＸ方向の応力を検知する。

【0044】

図１２は、図１１における径方向応力検知部におけるＸ方向の誘導起電力検出回路を示している。径方向コイル４１－１側のＸ１回路は、矢印Ｑで示すように電流を流せば、径方向永久磁石４０の回転で誘電起電力による電圧Ｘ１が生じる。なお、径方向コイル４１－１、４１－２を巻く向きは、Ｘ１回路、及び、Ｘ２回路の双方でで同じである。径方向コイル４１－２側のＸ２回路も同様にＸ２の電圧を生じ、両者の差を検出すればｘ方向の応力を検知することができる。また、径方向コイル４１－１、４１－２を巻く向きは、図１２では反時計回りに図示しているが、時計回りとしても同様である。また、ｙ方向の応力検知は同様であり、電圧Ｙ１とＹ２の差によりｙ方向の応力を検知することができる。

【0045】

図１３（ａ）は、図１０のＢ部のＺ方向における軸方向応力検知部の斜視図を示している。図１３（ｂ）は軸方向永久磁石４２－１、４２－２の着磁例を示している。Ｂ部において、主軸１０にＺ方向用の円環状の軸方向永久磁石４２－１、４２－２が２箇所、軸と垂直方向に配置されている。軸方向コイル４３－１、４３－２、４３－３、４３－４は、それぞれ軸方向永久磁石４２－１と面対向して複数（図１３では４個）ハウジング１１に取り付けられた円環リング１１－２のつば状部に設置されている。

【0046】

軸方向コイル４３－５、４３－６、４３－７、４３－８は、同様にそれぞれ軸方向永久磁石４２－２と面対向して複数（図１３では４個）円環リング１１－２に設置されている。軸方向永久磁石４２－１、４２－２は、図１３（ｂ）に示すように、円周方向に等分割、例えば２分割してＮＳ、又は４分割してＮＳ交互に着磁されている。

【0047】

図１４は、軸方向応力検知部における誘導起電力検出回路（軸方向永久磁石４２－１側）を示している。図１４（ａ）は無加工における空回転時、図１４（ｂ）は加工を行っている応力負荷時である。図１４（ａ）はＸ方向の誘導起電力検出回路であり、軸方向コイル４３－１と軸方向コイル４３－２とがそれぞれＺ_－Ｘ１回路、Ｚ_－Ｘ２回路として交流の誘導起電力が発生して電圧が検知される。軸方向永久磁石４２－１は回転することにより、Ｓ→Ｎ→Ｓと軸方向コイル４３－１、４３－２を周期的に通過する。交流の周期は、加工時に加工応力が主軸１０に掛かると変化する。

【0048】

主軸１０は、加工時に加工応力が掛かると、変位して軸方向永久磁石４２－１が傾く。これにより、軸方向コイル４３－１、４３－２を貫く磁束密度は変化し、この変化を打ち消す向きに誘導起電力が発生する。図１４（ｂ）でＺ_－Ｘ２回路は、Ｓ極が近づくので反対向きに磁束を増加させる向きに誘導起電力が発生する。

【0049】

逆に、Ｚ_－Ｘ１回路は、Ｎ極が離れるのでこの向きに磁束を増加させようと誘導起電力が発生する。したがって、例えば、Ｚ_－Ｘ１回路の電圧とＺ_－Ｘ２回路の電圧の差により、Ｘ方向の傾きを判別は、図１４（ａ）の空回転時と図１４（ｂ）の応力負荷時との電圧の差を検知すれば良い。Ｙ方向は、軸方向コイル４３－３、４３－４とをそれぞれＺ_－Ｙ１回路、Ｚ_－Ｙ２回路とすれば同様である。

【0050】

図１５は、図１３で示した軸方向永久磁石４２－１側と軸方向永久磁石４２－２側とを合わせた誘導起電力検出回路を示している。図１５（ａ）は無加工における空回転時、図１５（ｂ）は加工を行っている応力負荷時である。図１５（ａ）（ｂ）はＸ方向の誘導起電力検出回路であり、軸方向コイル４３－１と軸方向コイル４３－２とがそれぞれＺｕｐ_－Ｘ１回路及びＺｕｐ_－Ｘ２回路、軸方向コイル４３－５と軸方向コイル４３－６とがそれぞれＺｄｎ_－Ｘ１回路及びＺｄｎ_－Ｘ２回路として交流の誘導起電力が発生し、電圧が検知される。

【0051】

図１５による交流の誘導起電力による電圧は、図１４で説明した場合と同様であるが、Ｚｕｐ_－Ｘ１回路とＺｄｎ_－Ｘ１回路とでそれぞれ２倍の出力が得られる。したがって、ノイズは等価的に低減したことになる。Ｙ方向は、軸方向コイル４３－３、４３－４とをそれぞれＺｕｐ_－Ｙ１回路、Ｚｕｐ_－Ｙ２回路、軸方向コイル４３－６、４３－７とをそれぞれＺｄｎ_－Ｙ１回路、Ｚｄｎ_－Ｙ２回路とすれば同様である。

【0052】

図１６は、図１５で示した実施形態に対して結線と軸方向コイル４３－５、軸方向コイル４３－６の巻く向きを逆に変えた誘導起電力検出回路を示している。図１６（ａ）は無加工における空回転時、図１６（ｂ）は加工を行っている応力負荷時である。図１６（ａ）（ｂ）はＸ方向の誘導起電力検出回路であり、軸方向コイル４３－１と軸方向コイル４３－５とを結線してＺ_－Ｘ１回路、軸方向コイル４３－２、軸方向コイル４３－６とを結線してＺ_－Ｘ２回路としている。

【0053】

また、軸方向コイル４３－１と軸方向コイル４３－５との巻く向きは一方を時計回りとしたら他方を反時計方向としている。軸方向コイル４３－２と軸方向コイル４３－６とについても同様である。図１６による交流の誘導起電力による電圧は、図１５で説明した場合と同様であるが、Ｚ_－Ｘ１回路とＺ_－Ｘ２回路とでそれぞれ２倍の出力が得られる。Ｙ方向は、軸方向コイル４３－３、４３－７とを結線してそれぞれＺ_－Ｙ１回路、軸方向コイル４３－４、４３－８とを結線してＺ_－Ｙ２回路とすれば同様である。

【0054】

図１７は、図１６示した実施形態に対して軸方向永久磁石４２－１、４２－２を重ねた誘導起電力検出回路を示している。図１７（ａ）は無加工における空回転時、図１７（ｂ）は加工を行っている応力負荷時である。軸方向永久磁石４２－１は、図１３（ｂ）で示した同様に円周方向に等分割、例えば２分割してＮＳ、又は４分割してＮＳ交互に着磁されている。軸方向永久磁石４２－２は、軸方向永久磁石４２－１のＮＳに対してＳＮとなるように着磁されている。ＮＳは、逆になっても良い。

【0055】

図１７（ａ）（ｂ）はＸ方向の誘導起電力検出回路であり、軸方向コイル４３－１と軸方向コイル４３－５とを結線してＺ_－Ｘ１回路、軸方向コイル４３－２、軸方向コイル４３－６とを結線してＺ_－Ｘ２回路としている。

【0056】

また、軸方向コイル４３－１と軸方向コイル４３－５との巻く向きは一方を時計回りとしたら他方を反時計方向としている。軸方向コイル４３－２と軸方向コイル４３－６とについても同様である。図１７による交流の誘導起電力による電圧は、図１６で説明した場合と同様であるが、Ｚ_－Ｘ１回路とＺ_－Ｘ２回路とでそれぞれ２倍の出力が得られる。

【0057】

以上説明した実施形態は、径方向及び軸方向応力検知部をひずみ検出型あるいはコイル検出型のいずれにした場合であっても、各センサ（ひずみセンサ、圧電センサ、コイル）を主軸１０の円周方向に配置しているので、応力の方向（力の方向）も３次元で検出できる。また、各センサからの出力を周期的に捉えるので主軸１０の回転方向の力及び回転むら等も分析が可能となり、効果的な工作機械の加工制御に適用することができる。

【0058】

上記で説明した各実施形態によれば、径方向応力検知部及び軸方向応力検知部の出力に基づいて加工条件をリアルタイムに工作機械の加工制御へフィードバック制御できるスピンドルユニット１を用いたシステムを構築できる。したがって、このシステムによれば、工作機械は、加工条件として工具２４の回転数や、送り速度、切削加工における切り込み量、等が最適に制御される。

【0059】

それにより、システムによる加工は、加工精度向上（品質・歩留まり向上）、異常検知、砥石や工具刃の使用寿命の向上、コスト低減が可能となる。なお、誘導起電力を検出するコイル検出型は、熱による径方向、圧電センサ２０'－１のドリフト、主軸１０とラジアル軸受１３、１４、スラスト軸受１５の変位による影響に対しては優位である。

【符号の説明】

【0060】

１…スピンドルユニット
２…制御部
２－１…制御用電源
２－２…応力計算部
２－３…データ出力部
１０…主軸
１１…ハウジング
１１－１、１１－２…円環リング
１２…工具ホルダ
１３、１４…ラジアル軸受
１５…スラスト軸受
１６、４０…径方向永久磁石
１７…径方向電磁石
１８…径方向ひずみセンサ
１９－１、１９－２…軸方向電磁石
２０－１…軸方向ひずみセンサ
２０'－１…圧電センサ
２１－１、２１－２、４２－１、４２－２…軸方向永久磁石
２２…無線ユニット
２３…供給電源
２４…工具
３０…先端永久磁石
３１…先端コイル
３２…他端永久磁石
３３…他端コイル
４１－１、４１－２、４１－３、４１－４…径方向コイル
４３－１、４３－２、４３－３、４３－４、４３－５、４３－６、４３－７、４３－８…軸方向コイル

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】