JP4176814B2 - エアタービン駆動スピンドル装置 - Google Patents

Description

本発明は、主軸に圧縮空気を吹き付けて回転動力を与えるエアタービン駆動スピンドル装置に関し、穴加工機、精密加工機、静電塗装機等のスピンドル装置として利用することができる。

図８および図９は、静圧空気軸受を用いた従来の上記スピンドル装置を例示している。このスピンドル装置は、エアータービン駆動方式、すなわち、主軸30に設けられたスラスト板30ｂの外周に複数の凹部110 を設けると共に、凹部110 に対向する位置で接線方向に開口した複数のタービンノズル120 を設け、タービン給気口140 から円周方向のタービン給気通路150 を介して供給した圧縮空気を、タービンノズル120 から凹部110 の半径方向の壁面110bに吹き付けて主軸30を回転させる方式のものである。主軸30に回転動力を与えた空気は、排気口160a、160bからハウジング20外に排出される。

主軸30は、ジャーナル軸受部40およびスラスト軸受部50ａ、50ｂにより、ラジアル方向およびスラスト方向の二方向でハウジング20等の静止側部材に対して回転自在に支持される。ここでの両軸受部40、50ａ・50ｂは、微小なジャーナル軸受すきまおよびスラスト軸受すきまに導入した圧縮空気の静圧で主軸30を非接触支持する静圧空気軸受である。
実公平８−５３７３号公報

図１０は、従来における凹部110 内での空気の流れを模式的に示すもので、タービンノズル120 から凹部110 に吹き付けられた空気は、図中の破線で示すように半径方向の壁面110bにあたり、主軸30に回転力を与えた上で軸方向両側に分かれて排気される。

ところが、このように空気が凹部110 内で左右に分かれて流れるため、分流部付近（図中Ｂ部付近）では空気の流れに乱れを生じやすく、エネルギ損失を生じる要因となる。

そこで、本発明は、圧縮空気の流れをスムーズにしてエネルギ損失の低減を図ることで、より高いタービン効率を有するエアタービン駆動スピンドル装置の提供を目的とする。

上記目的の達成のため、本発明では、主軸と、主軸を回転自在に支持する軸受部と、主軸の外周面に設けられ、円周方向の中心線を挟んで軸方向両側で対称な複数の凹部と、凹部と対向して設けられ、凹部に圧縮空気を吹き付けて主軸に回転動力を与えるタービンノズルとを有するものにおいて、凹部およびタービンノズルを複列に配置し、複列の凹部の中心線を平行とし、各タービンノズルを、軸方向のノズル間隔が内径側で縮小する方向に凹部の中心線に対して傾斜させて配置し、複列のタービンノズルのうち、一方のタービンノズルから、複列の凹部のうち、一方の凹部列に空気流を吹き付け、他方のタービンノズルから、他方の凹部列に空気流を吹き付け、凹部に流入した空気流を軸方向で互いに離反する方向に排出することにした。これにより、凹部内での圧縮空気の流れは単一流れとなるので、従来のような分流に伴う流れの乱れ、およびこれに伴うエネルギ損失を回避することができる。また、一方の凹部列に供給される空気流と他方の凹部列に供給される空気流との相互干渉を回避し、空気流の乱れのさらなる抑制が可能となる。

軸方向一方側と他方側のタービンノズル数を同じにすれば、凹部に吹き付けられた圧縮空気圧により主軸に作用する軸方向の分力を相殺することができ、主軸の軸方向荷重をバランスさせることができる。

上記各構成において、軸受部は、ジャーナル軸受すきまに導入した圧縮空気の静圧により主軸をラジアル方向で非接触支持するジャーナル軸受部と、スラスト軸受すきまに導入した圧縮空気の静圧により主軸をスラスト方向で非接触支持するスラスト軸受部とで構成することができる。

本発明によれば、凹部内での圧縮空気の流れは単一流れとなる。従って、従来のような分流に伴う流れの乱れ、およびこれに伴うエネルギ損失を回避することができ、効率よく主軸に回転動力を与えることが可能となる。

軸受部を、静圧空気軸受からなるジャーナル軸受部およびスラスト軸受部で構成する場合、軸受への給気用に圧縮空気を使用することになる。従って、スピンドルの駆動源としてエアタービンを使用する場合でも、軸受給気用の圧縮空気を利用することによって、エアタービン用の圧縮空気を容易に確保することができる。また、エアタービン側の排気と軸受側の排気を共通の排気口で行うことができ、ハウジング内のスペースを有効利用することができる。エアタービンは発熱がほとんどないため、上記のように軸受部に、軸受すきまが小さく、熱変形の影響を受けやすい静圧空気軸受を使用する場合でも動力源として都合がよい。また、エアタービンは電気モータ等に比べ、回転体に付加される質量が小さいため、軸受損失の小さい静圧空気軸受との組合わせで容易に高速回転を実現することができる。

以下、本発明の実施形態を図１乃至図７に基づいて説明する。

［参考例］
図１に示すように、本発明にかかるエアタービン駆動スピンドル装置１は、ハウジング２の内周部に、軸部3aおよびその先端に設けたスラスト板3bからなる主軸３を挿入し、この主軸３を軸受部、例えば静圧空気軸受からなるジャーナル軸受部４、およびスラスト軸受部5a、5bでラジアル方向およびスラスト方向から回転自在に非接触支持する構造である。軸受部４、5a・5bは、静圧空気軸受以外の他の軸受構造であってもよい。

ハウジング２は、円筒状のハウジング本体2aと、その一端開口部を閉塞する閉塞部材2bとで構成される。ハウジング本体2aは大径部２a1および小径部２a2からなり、小径部２a2の内径側に主軸３の軸部3aが、大径部２a1の内径側に主軸３のスラスト板3bがそれぞれ収容される。閉塞部材2bは、スラスト板3bとの対向位置にあり、この位置でハウジング本体2aの大径部２a1の開口部を閉塞する。

ハウジング本体2aの内周面には軸受スリーブ６が固定される。この軸受スリーブ６の内周面に主軸３の軸部3a外周面と微小なジャーナル軸受すきまを介して対向するジャーナル軸受面４a1が形成される。軸受スリーブ６の一端部には外径側に延びるフランジ部6aが形成され、このフランジ部6aの端面にスラスト板3bの一方の端面と微小なスラスト軸受すきまを介して対向する第一スラスト軸受面５a1が形成される。また、閉塞部材2bのスラスト板3bとの対向部には、軸受部材７が装着され、この軸受部材７の端面にスラスト板3bの他方の端面と微小なスラスト軸受すきまを介して対向する第二スラスト軸受面５b1が形成される。上記ジャーナル軸受面４a1と、第一および第二スラスト軸受面５a1、５b1とには、それぞれの複数箇所に微細な軸受ノズル9a、9bが開口しており、図示しない給気通路を介して給気源（何れも図示省略）から各軸受ノズル9a、9bに圧縮空気を供給すると、ジャーナル軸受すきまおよび両スラスト軸受すきまに圧縮空気が導入され、それぞれの軸受すきまに、主軸３の軸部3aをラジアル方向で非接触支持するジャーナル軸受部４、および主軸３のスラスト板3bをスラスト両方向で非接触支持するスラスト軸受部5a、5bが構成される。

主軸３の駆動方式は、図８および図９に示す従来のスピンドル装置と同様のエアタービン駆動方式であり、図２に示すように、主軸３のスラスト板3bの外周に複数の凹部11を設けると共に、凹部11に対向する位置に複数のタービンノズル12を配し、圧縮空気を各タービンノズル12からスラスト板3bの凹部11に接線方向に吹き付けて主軸３を回転させる。本実施形態において、タービンノズル12は、ハウジング本体2aの大径部２a1内周面に固定した環状のノズル部材13に、スラスト板3bの接線方向へ向けて設けられる。各タービンノズル12への圧縮空気の供給は、図示しない給気源に接続した給気口14から、ノズル部材13と対向させて大径部２a1の内周面に設けた環状溝15を介して行われる。環状溝15は、ノズル部材13の外周面に設けてもよい。

各凹部11は、軸方向両側の側面11ａと、その円周方向一方側に設けられたほぼ半径方向に延びる壁面（受圧面）11ｂとを有し、これらは円周方向の中心線Ｏを挟んで軸方向両側で左右対称に形成される。受圧面11ｂは、断面が凹状の曲面（例えば円弧面）である。凹部11の底、すなわち受圧面11ｂの内径端からスラスト板3bの外周面にかけての部分11ｃは、受圧面11ｂがタービンノズル12と対向した際にタービンノズル12の向きと概ね平行となる平坦面になっている。

図１および図３に示すように、本発明では、タービンノズル12が凹部11に対して軸方向にオフセットした位置に設けられる。このようなオフセットにより、凹部11内での圧縮空気の流れは、図３に破線で示すように、Ｕ字状の単一流れとなる。従って、従来のような分流に伴う流れの乱れ（エネルギ損失）を回避することができ、効率よく主軸３に回転動力を与えることが可能となる。主軸３に回転動力を与えた空気流は、排気口16ａ、16ｂ、特に上記単一流れの下流側にある排気口16ａからハウジング２外へ排出される。

凹部11内での流れの乱れをさらに小さくするため、（１）タービンノズル12の直径Ｄは、凹部11の軸方向幅Ｘの１／２以下とし［Ｄ≦Ｘ／２］、（２）凹部11の中心線Ｏとタービンノズル12のノズル中心線Ｐとのオフセット量Ｌを、ノズル直径Ｄの１／２以上で、かつ凹部11の軸方向幅Ｘとノズル直径Ｄとの差の１／２以下とする［Ｄ／２≦Ｌ≦（Ｘ−Ｄ）／２］のがよい。また、タービンノズル12のオフセット方向は、軸方向の何れの方向でもよく、構造的に可能であれば、図示とは反対の方向にオフセットしてもよい。この他、図４に示すように、各タービンノズル12（破線で示す）のオフセット方向を軸方向の一方側と他方側に異ならせることもでき、この場合、軸方向一方側と他方側でタービンノズル12のオフセット量と数を同じにしておけば、受圧面11ｂに作用する軸方向の分力を相殺することができ、主軸３の軸方向荷重をバランスさせることができる。

図５および図６に本発明の他の実施形態を示す。このエアタービン駆動スピンドル装置1'は、スラスト板3bの外周部に凹部11を軸方向に離隔して複列（本実施形態では二列）形成すると共に、これに対応して凹部11に圧縮空気を供給するタービンノズル12を複列配置したもので、これ以外の構成は図１に示すものと基本的に同様である（共通の部材には同じ参照番号を付し、重複説明を省略する）。この実施形態においても図１および図３と同様に、タービンノズル12の列を対応する凹部11に対してそれぞれ軸方向にオフセットすることにより（オフセット量Ｌは両列で等しくする）、凹部11内での圧縮空気のエネルギ損失を軽減することができる。この時、複列のタービンノズル12をそれぞれ軸方向の接近側にオフセットさせれば、図６に示すように、一方の凹部11を流れる空気流と他方の凹部11を流れる空気流との相互干渉を抑制することができ、空気流の乱れを抑えてより効率的に主軸３に回転動力を付与することができる。この場合、両列のタービンノズル12の数が同じであれば、図４の場合と同様に主軸３の軸方向荷重をバランスさせることもできる。

［実施例］
以上は、タービンノズル12からの圧縮空気の供給方向（ノズル中心Ｐの方向）が凹部11の中心線Ｏと平行である場合のものであるが、図７に示すようにノズル中心Ｐを凹部11の中心線Ｏに対して傾けて配置しても凹部11内で単一の流れを実現することができ、上記と同様の効果が奏される。この構成は図５に示す複列のエアタービン駆動スピンドル装置1'にも適用することができ、その場合、図１１に示すように、二つの空気流の相互干渉を防止するため、タービンノズル12の傾斜方向は、軸方向でのノズル12間の間隔が内径側で縮小するような方向とするのが望ましい。

エアタービン駆動スピンドル装置の断面図である。 図１中のＡ−Ａ線での断面図である。 凹部内での空気流の流れを示す拡大断面図である。 他の実施形態を示す拡大平面図である。 他の実施形態を示す断面図である。 上記実施形態における凹部内での空気流の流れを示す拡大断面図である。 他の実施形態を示す拡大断面図である。 従来のエアタービン駆動スピンドル装置の断面図である。 図７中のＡ−Ａ線での断面図である。 従来装置における凹部内での空気流の流れを示す拡大断面図である。 本発明の実施形態を示す拡大断面図である。

符号の説明

１ エアタービン駆動スピンドル装置
1' エアタービン駆動スピンドル装置
２ ハウジング
３ 主軸
3b スラスト板
４ ジャーナル軸受部
5a スラスト軸受部
5b スラスト軸受部
11 凹部
12 タービンノズル
Ｄ ノズル直径
Ｌ オフセット量
Ｏ 凹部の中心線
Ｐ ノズル中心
Ｘ 凹部の軸方向幅

Claims (2)

1. 主軸と、主軸を回転自在に支持する軸受部と、主軸の外周面に設けられ、円周方向の中心線を挟んで軸方向両側で対称な複数の凹部と、凹部と対向して設けられ、凹部に圧縮空気を吹き付けて主軸に回転動力を与えるタービンノズルとを有するものにおいて、
   上記凹部およびタービンノズルを複列に配置し、複列の凹部の中心線を平行とし、各タービンノズルを、軸方向のノズル間隔が内径側で縮小する方向に凹部の中心線に対して傾斜させて配置し、複列のタービンノズルのうち、一方のタービンノズルから、複列の凹部のうち、一方の凹部列に空気流を吹き付け、他方のタービンノズルから、他方の凹部列に空気流を吹き付け、凹部に流入した空気流が軸方向で互いに離反する方向に排出されることを特徴とするエアタービン駆動スピンドル装置。
2. 上記軸受部が、ジャーナル軸受すきまに導入した圧縮空気の静圧により主軸をラジアル方向で非接触支持するジャーナル軸受部と、スラスト軸受すきまに導入した圧縮空気の静圧により主軸をスラスト方向で非接触支持するスラスト軸受部とからなる請求項１記載のエアタービン駆動スピンドル装置。

Images