JP4655794B2

JP4655794B2 - エアタービン付スピンドル装置

Info

Publication number: JP4655794B2
Application number: JP2005202683A
Authority: JP
Inventors: 淳高橋
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2005-07-12
Filing date: 2005-07-12
Publication date: 2011-03-23
Anticipated expiration: 2025-07-12
Also published as: JP2007023783A

Description

本発明は、例えば、静電塗装機や精密加工機等を構成する為に使用するエアタービン付スピンドル装置の改良に関する。

図４〜５は、静電塗装機の静電スプレーガンを構成する為に使用される、エアタービン付スピンドル装置の従来構造の第１例を示している。このエアタービン付スピンドル装置は、中空の主軸１の基端部（図４の右端部）に羽根車２を、この主軸１と同心に固定している。この羽根車２は、円輪部３と、この円輪部３の片側面（図４の右側面）の径方向中間部に固設した短円筒状の羽根車本体４とを備えたもので、上記円輪部３を上記主軸１の基端面に、ねじ止め等により結合固定している。又、上記羽根車本体４の外周面には複数のタービン羽根５、５を、全周に亙り形成している。

又、上記主軸１及び羽根車２は、ハウジング６の内側に、ラジアル静圧気体軸受７及びアキシアル静圧気体軸受８により、回転自在に支持している。図示の例では、このうちのラジアル静圧気体軸受７を構成する為、上記ハウジング６の中間部内側に、多孔質材により全体を円筒状に形成したラジアル軸受部材９を固定すると共に、このラジアル軸受部材９の内周面を上記主軸１の中間部外周面に微小隙間を介して対向させ、更に上記ハウジング６の内部に上記ラジアル軸受部材９に通じる給気通路１０、１０を設けている。又、上記アキシアル静圧気体軸受８を構成する為、上記ハウジング６の基端（図４の右端）寄り部内側に、多孔質材により断面矩形で全体を円環状に形成したアキシアル軸受部材１１を固定すると共に、このアキシアル軸受部材１１の側面（図４の右側面）を、上記羽根車２を構成する円輪部３の他側面（図４の左側面）の外径側部分に微小隙間を介して対向させ、更に上記アキシアル軸受部材１１にも上記各給気通路１０、１０を通じさせている。

上述の様なラジアル、アキシアル各静圧気体軸受７、８により、上記主軸１及び羽根車２を回転自在に支持する場合には、上記各給気通路１０、１０と、上記ラジアル、アキシアル各軸受部材９、１１の内部に存在する多数の孔とを通じて、上記各微小隙間に、それぞれ圧縮空気を連続供給する。これにより、これら各微小隙間の全体に圧縮空気の膜を形成する事で、上記主軸１及び羽根車２を、上記ラジアル、アキシアル各軸受部材９、１１に対し、非接触状態で回転自在に支持する。尚、上記各微小隙間に連続供給した圧縮空気は、上記ラジアル軸受部材９の内部に設けた排気孔１２、１２、上記ハウジング６の内部に設けた排気通路１３、このハウジング６の内部に存在する隙間等を通じて、順次、外部空間に排出する。又、図示は省略するが、本例のエアタービン付スピンドル装置を使用して静電スプレーガンを完成させた状態では、上記羽根車２の片側面を別のアキシアル静圧気体軸受により支持する事で、上記主軸１及び羽根車２の軸方向の位置決めを図る。

又、上記ハウジング６の基端部で、上記羽根車本体４の径方向外方に位置する部分の内周面は、この羽根車本体４の外周面に対し、全周に亙り近接対向させている。又、上記ハウジング６の基端部で、上記羽根車本体４の径方向外方に位置する部分の内部の円周方向複数個所（図示の例では、円周方向等間隔の６個所）には、タービンエアノズル孔１４、１４を形成している。これらタービンエアノズル孔１４、１４の中心軸は、それぞれ上記ハウジング６の中心軸と直交する仮想平面内に配置しており、且つ、このハウジング６の径方向に対し、同方向に所定角度傾斜させている。そして、この様な各タービンエアノズル孔１４、１４の上流端開口を、それぞれ上記ハウジング６の基端部外周寄り部分に全周に亙り形成したタービンエア供給通路１５に連通させると共に、このタービンエア供給通路１５の円周方向１個所を、上記ハウジング６の基端面に開口する状態で設けたタービンエア供給口１６に連通させている。又、上記各タービンエアノズル孔１４、１４の下流端開口（タービンエア噴出口）を、それぞれ上記ハウジング６の基端部内周面に開口させている。これにより、上記各タービンエアノズル孔１４、１４の下流端開口を、それぞれ上記羽根車本体４の外周面に設けた複数のタービン羽根５、５に近接対向させている。

又、上記各タービンエアノズル孔１４、１４を形成した上記ハウジング６の基端部の内部で、円周方向に関してこれら各タービンエアノズル孔１４、１４から外れた部分には、ブレーキエアノズル孔１７を形成している。このブレーキエアノズル孔１７の中心軸は、上記各タービンエアノズル孔１４、１４の中心軸と同じ仮想平面内に配置しており、且つ、上記ハウジング６の径方向に対し、上記各タービンエアノズル孔１４、１４の中心軸と反対方向に所定角度傾斜させている。そして、この様なブレーキエアノズル孔１７の上流端開口を、上記ハウジング６の基端面に開口する状態で設けたブレーキエア供給口１８に連通させると共に、上記ブレーキエアノズル孔１７の下流端開口（ブレーキエア噴出口）を、上記ハウジング６の基端部内周面に開口させている。これにより、上記ブレーキエアノズル孔１７の下流端開口を、上記羽根車本体４の外周面に設けた複数のタービン羽根５、５に近接対向させている。

又、上記ハウジング６の基端寄り部分で、前記アキシアル軸受部材１１の径方向内方に位置する部分に、円環状の回転検出センサ１９を支持固定している。そして、この回転検出センサ１９の検出面（図４の右側面）を、前記羽根車２の他側面（図４の左側面）に設けたエンコーダ（図示せず）に近接対向させる事により、この羽根車２の回転速度等の回転情報を検出する為の回転検出装置を構成している。

上述の様に構成するエアタービン付スピンドル装置を使用して、静電スプレーガンを完成させた状態で、被塗装面の塗装を行なう際には、前述の様にして、ハウジング６に対し主軸１及び羽根車２を、ラジアル、アキシアル各静圧気体軸受７、８により回転自在に支持する。そして、この状態で、タービンエア供給口１６及びタービンエア供給通路１５を通じて複数のタービンエアノズル孔１４、１４に、圧縮空気を送り込む。そして、この圧縮空気を、これら各タービンエアノズル孔１４、１４の下流端開口から噴出し、羽根車本体４の外周面に形成した複数のタービン羽根５、５に吹き付ける。これにより、上記羽根車２及び主軸１を、正転方向（図５の矢印イ方向）に、数万min^-1 程度の回転速度で高速回転させる。そして、この状態で、上記主軸１の内側に挿通した塗料供給管（図示せず）を通じて、上記主軸１の先端部（図４の左端部）のうち上記ハウジング６の外側に突出した部分に結合固定すると共に負の電極を通じさせたカップ（図示せず）内に、塗料を送り込む。そして、上記主軸１と共に高速回転するこのカップ内で、上記塗料をイオン微粒子化する。そして、このイオン微粒子化した塗料を、正の電極を通じさせた上記被塗装面に向け静電吸引力を利用して飛ばし、この被塗装面に付着させる。尚、上記各タービン羽根５、５に吹き付けられた空気は、上記ハウジング６の基端部内周面と上記羽根車本体４の外周面との間に存在する円環状空間２０の基端（図４の右端）開口から、この基端開口に連通する状態で設けられた排気通路（図示せず）を通じて、外部空間に排出する。

又、上記被塗装面の塗装作業を停止する場合には、上記各タービンノズル孔１４、１４への圧縮空気の供給と、上記カップ内への塗料の供給とを、それぞれ停止すると共に、ブレーキエア供給口１８を通じてブレーキエアノズル孔１７に、圧縮空気を送り込む。そして、この圧縮空気を、このブレーキエアノズル孔１７の下流端開口から噴出し、上記各タービン羽根５、５に吹き付ける。これにより、上記羽根車２に、正転（回転）を停止させる方向（図５の矢印ロ方向）の力を付与する事で、この羽根車２及び上記主軸１の回転を早期に停止させる。そして、これら主軸１及び羽根車２の回転が停止した事を、前記回転検出センサ１９により確認した時点で、上記ブレーキエアノズル孔１７への圧縮空気の供給を停止する。尚、上述の様に各タービン羽根５、５に吹き付けられた空気も、上記円環状空間２０の基端開口から上記排気通路を通じて、外部空間に排出する。

上述した様な従来構造の第１例の場合には、上記タービンエアノズル孔１４、１４及び上記ブレーキエアノズル孔１７の各下流端開口を、それぞれ上記羽根車本体４の外周面に近接対向させるべく、この羽根車本体４の外周面に上記ハウジング６の基端部内周面を、全周に亙り近接対向させている。この為、これら両周面同士の間に存在する円環状空間２０の径方向の幅寸法が、全周に亙り小さくなっている。ところが、この様に円環状空間２０の径方向の幅寸法が全周に亙り小さくなっていると、上記各下流端開口から上記円環状空間２０に噴出した圧縮空気が、この円環状空間２０から上記排気通路に排出されにくくなる為、この円環状空間２０の圧力が高くなり易い。この様に円環状空間２０の圧力が高くなると、上記各下流端開口からこの円環状空間２０に圧縮空気が噴出される際に、この圧縮空気が十分に膨張できなくなる（背圧が高くなり、上記各エアノズル孔１４、１７部分での運動エネルギが低くなる）。この結果、上記羽根車２の駆動効率及び停止効率を十分に確保できなくなる為、好ましくない。

これに対し、特許文献１には、図６に示す様に、ハウジング６ａの基端部内周面のうち、円周方向に関して上記各下流端開口から外れた複数個所に、それぞれ凹部２１、２１を形成する発明が記載されている。この様な従来構造の第２例の場合には、上記各凹部２１、２１を形成した部分で円環状空間２０ａの径方向の幅寸法を大きくできる為、その分だけ各エアノズル孔１４、１７の下流端開口から上記円環状空間２０ａに噴出した圧縮空気を、この円環状空間２０ａから上記排気通路に排出し易くできる。従って、この円環状空間２０ａの圧力を下げる事ができ、上記下流端開口からこの円環状空間２０ａに圧縮空気を噴出する際に、この圧縮空気をより多く膨張させる事ができる。この結果、上記各エアノズル孔１４、１７の背圧を低く抑えて、羽根車２の駆動効率及び停止効率を向上させる事ができる。

ところが、上述した従来構造の第２例の場合には、上記円環状空間２０ａのうち、上記各下流端開口の周辺部分（円周方向に関して上記各凹部２１、２１から外れた部分）の幅寸法が、依然として小さくなっている。これに対し、上記羽根車２の駆動効率及び停止効率の更なる向上を図る為には、上記円環状空間２０ａの径方向の幅寸法を、上記各下流端開口の周辺部分を含めた全周に亙り、大きくできる様にする事が望まれる。

特開平６−３１３４２８号公報

本発明のエアタービン付スピンドル装置は、上述の様な事情に鑑み、ハウジングの内周面と羽根車の外周面との間に存在する円環状空間の径方向の幅寸法を、タービンエア噴出孔（及びブレーキエア噴出孔）の周辺部分を含めた全周に亙り大きくできる構造を実現すべく発明したものである。

本発明のエアタービン付スピンドル装置は、ハウジングと、このハウジングの内側に挿通した主軸と、この主軸の一部でこのハウジングの内側に配置される部分にこの主軸と同心に固定（結合固定又は一体形成）した、外周面に複数のタービン羽根を形成した羽根車と、上記ハウジングの内側に上記主軸及びこの羽根車を回転自在に支持する為の静圧気体軸受と、それぞれが上記羽根車の外周面の一部に近接対向する部分に設けられ、上記各タービン羽根に向け、上記羽根車を正転させる方向の圧縮空気を噴出する１乃至複数のタービンエア噴出口とを備える。
特に、本発明のエアタービン付スピンドル装置に於いては、上記ハウジングの内周面から１乃至複数本のタービンエアノズルを突出させ、これら各タービンエアノズルの先端開口を上記各タービンエア噴出口としている。

上述の様に、本発明のタービン付スピンドル装置の場合には、ハウジングの内周面から突出させたタービンエアノズルの先端開口をタービンエア噴出口とし、このタービンエア噴出口を羽根車の外周面に近接対向させている構成を採用している。この為、この羽根車の外周面と上記ハウジングの内周面との間に存在する円環状空間の径方向の幅寸法を、全周に亙り大きくする事ができる。従って、上記タービンエア噴出口から上記円環状空間に噴出した圧縮空気を、この円環状空間から外部空間に通じる排気通路に排出し易くできる為、この円環状空間内の圧力を上昇しにくくできる。従って、上記タービンエア噴出口から上記円環状空間に圧縮空気を噴出する際に、この圧縮空気を十分に膨張させる事ができる。この結果、上記タービンエア噴出口の背圧を低く抑え、このタービンエア噴出口から噴出する空気の運動エネルギを大きくして、上記羽根車の駆動効率を十分に向上させる事ができる。

本発明のエアタービン付スピンドル装置を実施する場合であって、それぞれが羽根車の外周面の円周方向一部（上記タービンエア噴出口を対向させた部分と同一の部分でも異なる部分でも良い。）に近接対向する部分に、この羽根車の外周面に形成した複数のタービン羽根に向け、この羽根車の正転を停止させる方向の圧縮空気を噴出する１乃至複数のブレーキエア噴出口を設ける場合に、好ましくは、請求項２に記載した様に、ハウジングの内周面のうちタービンエアノズルを突出させた部分以外の部分から１乃至複数のブレーキエアノズルを突出させ、これら各ブレーキエアノズルの先端開口を上記各ブレーキエア噴出口とする。
この様な構成を採用すれば、上記羽根車の停止効率を十分に向上させる事ができる。

又、請求項２に記載した発明を実施する場合に、好ましくは、請求項３に記載した様に、ブレーキエアノズルの先端開口縁部の形状を、羽根車の中心軸をその中心軸とする仮想円筒面又はこの仮想円筒面に対する接平面に沿った形状とする。
この様な構成を採用すれば、上記ブレーキエアノズルの先端開口周縁部を、全周に亙り、上記羽根車の外周面に対し実質的に均一な距離で近接対向させる事ができる。この為、上記ブレーキエアノズルの先端開口から噴出した圧縮空気を、上記羽根車の外周面に形成した複数のタービン羽根に効率良く吹き付ける事ができる。従って、上記羽根車の停止効率を十分に向上させる事ができる。

又、請求項１〜３の何れか１項に記載した発明を実施する場合に、好ましくは、請求項４に記載した様に、タービンエアノズルの先端開口縁部の形状を、羽根車の中心軸をその中心軸とする仮想円筒面又はこの仮想円筒面に対する接平面に沿った形状とする。
この様な構成を採用すれば、上記タービンエアノズルの先端開口周縁部を、全周に亙り、上記羽根車の外周面に対し実質的に均一な距離で近接対向させる事ができる。この為、上記タービンエアノズルの先端開口から噴出した圧縮空気を、上記羽根車の外周面に形成した複数のタービン羽根に効率良く吹き付ける事ができる。従って、上記羽根車の駆動効率を十分に向上させる事ができる。

図１〜２は、請求項１〜２に対応する、本発明の実施例１を示している。尚、本実施例の特徴は、羽根車本体４の外周面と対向する、ハウジング６ｂの基端部内周面部分の構造にある。その他の部分の構造及び作用は、前述の図４〜５に示した従来構造の第１例の場合と同様であるから、同等部分には同一符号を付して重複する説明を省略若しくは簡略にし、以下、本実施例の特徴部分を中心に説明する。

本実施例の場合、上記羽根車本体４の外周面と対向する、上記ハウジング６ｂの基端部内周面の直径を、この羽根車本体４の外周面の直径よりも十分に大きくしている。これにより、これら両周面同士の間に存在する円環状空間２０ｂの径方向の幅寸法を、全周に亙り十分に大きくしている。

又、本実施例の場合には、各タービンエアノズル孔１４、１４の下流端部にそれぞれ円管状のタービンエアノズル２２、２２の基端部を、ブレーキエアノズル孔１７に円管状のブレーキエアノズル２３の基端部を、それぞれ圧入固定（締り嵌めで内嵌固定）している。これにより、それぞれが上記ハウジング６ｂの基端部内周面から突出した、上記各タービンエアノズル２２、２２の先端開口をタービンエアノズル噴出孔とし、上記ブレーキエアノズル２３の先端開口をブレーキエアノズル噴出孔としている。そして、これら各タービンエアノズル２２、２２の先端開口及びブレーキエアノズル２３の先端開口を、それぞれ上記羽根車本体４の外周面に近接対向させている。尚、本実施例の場合、上記各タービンエアノズル２２、２２の先端開口周縁部の形状、及び、上記ブレーキエアノズル２３の先端開口周縁部の形状は、それぞれ当該ノズル２２、２３の中心軸に直交する仮想平面に沿う形状としている。又、本発明を実施する場合、上記各ノズル２２、２３の基端部は、上記各ノズル孔１４、１７に、接着固定や螺合固定する事もできる。

上述の様に、本実施例のタービン付スピンドル装置の場合には、羽根車本体４の外周面とハウジング６ｂの基端部内周面との間に存在する円環状空間２０ｂの径方向の幅寸法を、全周に亙り大きくできる。この為、上記各タービンエアノズル２２、２２の先端開口及び上記ブレーキエアノズル２３の先端開口から上記円環状空間２０ｂに噴出した圧縮空気を、この円環状空間２０ｂの基端（図１の右端）開口から、この基端開口に連通する状態で設けられた排気通路（図示せず）に排出し易くできる。従って、上記円環状空間２０ｂ内の圧力を上昇しにくくできる。この為、上記各タービンエアノズル２２、２２の先端開口及び上記ブレーキエアノズル２３の先端開口から上記円環状空間２０ｂに圧縮空気を噴出する際に、この圧縮空気を十分に膨張させる事ができる。この結果、上記各ノズル２２、２３に関する背圧を小さく抑え、これら各ノズル２２、２３の先端開口から噴出される圧縮空気の運動エネルギを確保して、羽根車２の駆動効率及び停止効率を十分に向上させる事ができる。

次に、図３は、請求項１〜４に対応する、本発明の実施例２を示している。本実施例の場合には、各タービンエアノズル２２ａ、２２ａの先端開口周縁部の形状、及び、ブレーキエアノズル２３ａの先端開口周縁部の形状を、それぞれ羽根車本体４の中心軸をその中心軸とする仮想円筒面αに沿った形状としている。この様に構成する本実施例の場合には、上記各タービンエアノズル２２ａ、２２ａの先端開口周縁部、及び、上記ブレーキエアノズル２３ａの先端開口周縁部を、それぞれ全周に亙り、上記羽根車本体４の外周面に対し均一な距離で近接対向させる事ができる。この為、本実施例の場合には、上記各先端開口から噴出した圧縮空気を、上記羽根車本体４の外周面に設けた複数のタービン羽根５、５に効率良く吹き付ける事ができる。従って、本実施例の場合には、羽根車２の駆動効率及び停止効率を、より十分に向上させる事ができる。その他の構成及び作用は、上述した実施例１の場合と同様である。

本発明の実施例１を示す断面図。図１のＡ−Ａ断面図。本発明の実施例２を示す、図２と同様の図。従来構造の第１例を示す断面図。図４のＢ−Ｂ断面図。従来構造の第２例を示す、図５と同様の図。

符号の説明

１主軸
２羽根車
３円輪部
４羽根車本体
５タービン羽根
６、６ａ、６ｂハウジング
７ラジアル静圧気体軸受
８アキシアル静圧気体軸受
９ラジアル軸受部材
１０給気通路
１１アキシアル軸受部材
１２排気孔
１３排気通路
１４タービンエアノズル孔
１５タービンエア供給通路
１６タービンエア供給口
１７ブレーキエアノズル孔
１８ブレーキエア供給口
１９回転検出センサ
２０、２０ａ、２０ｂ円環状空間
２１凹部
２２、２２ａタービンエアノズル
２３、２３ａブレーキエアノズル

Claims

ハウジングと、このハウジングの内側に挿通した主軸と、この主軸の一部でこのハウジングの内側に配置される部分にこの主軸と同心に固定した、外周面に複数のタービン羽根を形成した羽根車と、上記ハウジングの内側に上記主軸及びこの羽根車を回転自在に支持する為の静圧気体軸受と、それぞれが上記羽根車の外周面の一部に近接対向する部分に設けられ、上記各タービン羽根に向け、上記羽根車を正転させる方向の圧縮空気を噴出する１乃至複数のタービンエア噴出口とを備えたエアタービン付スピンドル装置に於いて、上記ハウジングの内周面から１乃至複数本のタービンエアノズルを突出させ、これら各タービンエアノズルの先端開口を上記各タービンエア噴出口としている、エアタービン付スピンドル装置。
それぞれが羽根車の外周面の円周方向一部に近接対向する部分に、この羽根車の外周面に形成した複数のタービン羽根に向け、この羽根車の正転を停止させる方向の圧縮空気を噴出する１乃至複数のブレーキエア噴出口を設けており、ハウジングの内周面のうちタービンエアノズルを突出させた部分以外の部分から１乃至複数のブレーキエアノズルを突出させ、これら各ブレーキエアノズルの先端開口を上記各ブレーキエア噴出口としている、請求項１に記載したエアタービン付スピンドル装置。
ブレーキエアノズルの先端開口縁部の形状を、羽根車の中心軸をその中心軸とする仮想円筒面又はこの仮想円筒面に対する接平面に沿った形状としている、請求項２に記載したエアタービン付スピンドル装置。
タービンエアノズルの先端開口縁部の形状を、羽根車の中心軸をその中心軸とする仮想円筒面又はこの仮想円筒面に対する接平面に沿った形状としている、請求項１〜３の何れか１項に記載したエアタービン付スピンドル装置。