JP2012067813A - スピンドル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高い軸受剛性や負荷容量を維持することで常に一定の回転軸回りでの安定した回転状態を保ちつつ、高速回転化への対応を可能にするコンパクトで低コストのスピンドル装置を提供する。
【解決手段】固定部２に対して回転可能に配置されたスピンドル４と、スピンドルに設けられたタービン駆動部６と、固定部とスピンドルとの間に設けられ、固定部に対してスピンドルを回転可能に支持する複数の軸受８,１０とを備え、気流をタービン駆動部に作用させて回転運動に変換することで、スピンドルを所望の速度で回転させるスピンドル装置であって、複数の軸受のうち、少なくとも一端側の軸受は、セラミック製の転がり軸受として構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば圧縮空気などの流体の運動エネルギを回転運動に変換して出力するスピンドル装置に関する。

従来、例えば静電塗装機をはじめ各種の加工機には、種々の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）。なお、特に図示しないが、スピンドル装置は、例えばハウジング等の固定部に対して回転可能に配置されたスピンドルと、スピンドルに設けられたタービン駆動部と、固定部とスピンドルとの間に介装され、固定部に対してスピンドルを回転可能に支持する軸受とを備えている。そして、例えば圧縮空気などの流体の運動エネルギをタービン駆動部によって回転運動に変換することで、スピンドルを所望の速度で回転させることができるようになっている。

ところで、上記したような従来のスピンドル装置では、軸受として空気軸受（エアスピンドル）が用いられている。空気軸受は、すべり軸受の一種で、潤滑剤（グリース、油）の代りに空気（エア）を利用しており、圧縮空気を軸受内部に吹き込んで、その圧力によってスピンドルを浮かせることで、当該スピンドルを固定部に対して回転可能に支持している。

しかしながら、空気軸受は、それ自体の剛性（軸受剛性）が低いため、スピンドル装置の稼働中におけるタービン駆動部の旋回負荷の程度によっては、スピンドルの回転軸が一定しないで、大きく変位する場合がある。そして、回転軸の変位の程度によっては、スピンドルと固定部とが接触する場合がある。

この場合、スピンドルの回転状態（回転速度）を一定に保つことができなくなり、スピンドルの回転速度が低下したり、或いは、変動したりする。そうなると、スピンドル装置が例えば静電塗装機に用いられている場合には、塗装中の回転速度の低下や変動により、例えば塗装対象物に対する塗装ムラが発生するといった問題が生じる。

また、空気軸受では、その軸受サイズ（大きさ）によって剛性や負荷容量が決定されるため、上記した問題を解決するためには、スピンドル装置を大型化する必要がある。しかしながら、スピンドル装置を大型化すると、その分だけ空気軸受自体を大型化したり、或いは、空気軸受の個数を増加する必要がある。

そうなると、空気軸受自体の大型化では、当該空気軸受に使用する空気流量が増加するため、スピンドル装置の稼働に要するコストが上昇してしまう。また、空気軸受の個数の増加では、これに応じてスピンドル装置全体の部品点数が増加するため、スピンドル装置の製造に要するコストが上昇してしまう。

更に、空気軸受自体を大型化したり、空気軸受の個数を増加すると、その分だけ、例えば空気軸受とスピンドルとの間の摩擦抵抗が大きくなる場合があり、当該スピンドル装置に要求されている高速回転化（例えば、１分間で６０,０００回転（ｒｐｍ）の高速回転化）への対応が困難になってしまう虞がある。

特開平１１−２７０５６０号公報

本発明は、このような問題を解決するためになされており、その目的は、高い軸受剛性や負荷容量を維持することで常に一定の回転軸回りでの安定した回転状態を保ちつつ、高速回転化への対応を可能にするコンパクトで低コストのスピンドル装置を提供することにある。

このような目的を達成するために、本発明は、固定部に対して回転可能に配置されたスピンドルと、スピンドルに設けられたタービン駆動部と、固定部とスピンドルとの間に設けられ、固定部に対してスピンドルを回転可能に支持する複数の軸受とを備え、気流をタービン駆動部に作用させて回転運動に変換することで、スピンドルを所望の速度で回転させるスピンドル装置であって、複数の軸受のうち、少なくとも一端側の軸受は、セラミック製の転がり軸受として構成されている。
本発明において、転がり軸受は、固定部に装着させる一方の軌道輪と、一方の軌道輪に対向してスピンドルに装着させる他方の軌道輪と、これら軌道輪間に沿って組み込まれる複数の転動体とを備えており、双方の軌道輪及び転動体のいずれか、或いは、その全てが、セラミックで形成されている。
本発明において、固定部とスピンドルとの間の絶縁が必要な場合には、双方の軌道輪及び転動体のいずれか、或いは、その全てを非導電性セラミックで形成する。また、固定部とスピンドルとの間の導通が必要な場合には、双方の軌道輪及び転動体の全てを導電性セラミックで形成する。

本発明によれば、高い軸受剛性や負荷容量を維持することで常に一定の回転軸回りでの安定した回転状態を保ちつつ、高速回転化への対応を可能にするコンパクトで低コストのスピンドル装置を実現することができる。

本発明の一実施形態に係るスピンドル装置の全体構成を概略的に示す断面図。 本発明の変形例に係るスピンドル装置の全体構成を概略的に示す断面図。 本発明の変形例に係るスピンドル装置のセラミック製玉軸受周りの構成を拡大して示す断面図。

以下、本発明の一実施形態に係るスピンドル装置について、添付図面を参照して説明する。
図１に示すように、本実施形態のスピンドル装置は、例えばハウジング等の固定部２に対して回転可能に配置されたスピンドル４と、スピンドル４に設けられたタービン駆動部６と、固定部２とスピンドル４との間に設けられ、固定部２に対してスピンドル４を回転可能に支持する複数の軸受８,１０とを備えている。そして、当該スピンドル装置は、例えば圧縮空気などの流体の運動エネルギをタービン駆動部６によって回転運動に変換することで、スピンドル４を所望の速度で回転させることができるようになっている。

このようなスピンドル装置において、スピンドル４は、固定部２内に収容されており、その先端側が固定部２を越えて当該スピンドル４の回転軸Ｌに沿って延出し、その基端側には、タービン駆動部６が構築されている。タービン駆動部６は、スピンドル４の回転軸Ｌを直交する方向に延在し、かつ当該回転軸Ｌと同心円状に形成された円板形状のタービン羽根車６ａと、タービン羽根車６ａの外周に沿って形成された複数の羽根６ｂとを備えている。

また、固定部２には、タービン駆動部６の複数の羽根６ｂに向けて開口したタービン用気流噴出口１２が形成されており、タービン用気流噴出口１２には、固定部２に形成されたタービン用給気路１４を介して圧縮空気供給源（図示しない）が接続されている。

この場合、圧縮空気供給源から供給された圧縮空気を、タービン用給気路１４を介してタービン用気流噴出口１２から各羽根６ｂに吹き付けると、その気流が各羽根６ｂを周方向に押す圧力となって作用し、このときの押圧力がタービン羽根車６ａを介して回転運動となってスピンドル４に伝達される。これにより、スピンドル４を、その回転軸Ｌを中心に所望の速度で回転させることができる。

また、スピンドル４は、その先端側において、当該スピンドル４と固定部２との間に設けられた複数の軸受８,１０によって回転可能に支持されている。図面では一例として、固定部２とスピンドル４との間の領域において、その一端側（回転運動の出力側）の軸受８と、その他端側（回転運動の入力側）の軸受１０の２つの軸受によってスピンドル４を支持する構成が示されている。

ここで、複数の軸受８,１０は、それぞれ、固定部２に装着させる一方の軌道輪８ａ,１０ａ（外輪）と、外輪８ａ,１０ａに対向してスピンドル４に装着させる他方の軌道輪８ｂ,１０ｂ（内輪）と、これら外内輪間に沿って組み込まれる複数の転動体１６,１８とを備えた転がり軸受として構成されている。この場合、転動体１６,１８としては、玉やコロを適用することができるが、ここでは一例として、玉１６,１８を想定する。

また、図面では軸受８,１０の一例として、一方の溝肩８ｃ,１０ｃが全部又は部分的に取り除かれた肩おとし内輪８ｂ,１０ｂを適用した転がり軸受８,１０が示されているが、これに限定されることはなく、例えば、外内輪ともに一方の肩おとしがされたもの、或いは、外内輪ともに双方の溝肩を有するもの（例えば、深溝玉軸受）であってもよい。いずれにおいても、以下、複数の軸受８,１０として、外内輪間に複数の転動体（玉）１６,１８が組み込まれた２つの玉軸受８,１０を想定する。

なお、これら玉軸受８,１０は、固定部２とスピンドル４との間において、一端側の玉軸受８と他端側の玉軸受１０とは、肩おとし内輪８ｂ,１０ｂの背面８ｄ,１０ｄ同士が間座２０を介して対向配置されている。そして、その状態において、スピンドル４の先端側からカバー部材２２を固定部２に例えばネジ２４等によって締結すると、そのとき一端側の玉軸受８（具体的には、外輪８ａ）に作用した力が、当該玉軸受８の転動体（玉）１６及び内輪８ｂから間座２０を介して他端側の玉軸受１０（具体的には、内輪１０ｂ）に伝達され、当該玉軸受１０の転動体（玉）１８及び外輪１０ａを押圧する。

このとき、各玉軸受８,１０には、所定の予圧が与えられ、その結果、スピンドル４に作用するラジアル荷重と、両方向のアキシアル荷重とを受けることができる状態に維持される。これにより、スピンドル４は、これら玉軸受８,１０によってラジアル方向及びアキシアル方向に支持されることで、一定の回転軸Ｌを中心に回転することができる。

また、本実施形態では、上記したスピンドル装置において、一端側及び他端側の玉軸受８,１０は、セラミック製の転がり軸受として構成されている。ここで、当該玉軸受８,１０をセラミック化する仕様としては、外輪８ａ,１０ａ、内輪８ｂ,１０ｂ、転動体（玉）１６,１８のいずれか、或いは、その全てが、セラミックで形成されている場合がある。この場合、固定部２とスピンドル４との間の絶縁が必要な場合、及び、固定部２とスピンドル４との間の導通が必要な場合を想定する必要がある。

「構成例１：固定部２とスピンドル４との間の絶縁が必要な場合」
固定部２とスピンドル４との間の絶縁が必要な場合には、外輪８ａ,１０ａ、内輪８ｂ,１０ｂ、転動体（玉）１６,１８のいずれか、或いは、その全てを非導電性（絶縁性）セラミックで形成すればよい。ここで、非導電性（絶縁性）セラミックとしては、例えば、アルミナ、ジルコニアなどの酸化物や、窒素珪素などの電気抵抗の高い絶縁材料を適用することができる。

この場合、例えば、各転動体（玉）１６,１８を上記したような非導電性（絶縁性）セラミックで形成した場合には、外輪８ａ,１０ａと内輪８ｂ,１０ｂの材質については、特に制限はされず、例えば高炭素クロム軸受鋼や特殊鋼（ステンレス鋼）などを適用することができる。

なお、例えば、外輪８ａ,１０ａを上記したような非導電性（絶縁性）セラミックで形成した場合、内輪８ｂ,１０ｂ及び転動体（玉）１６,１８を例えば高炭素クロム軸受鋼や特殊鋼（ステンレス鋼）で形成すればよい。これに対して、例えば、内輪８ｂ,１０ｂを上記したような非導電性（絶縁性）セラミックで形成した場合、外輪８ａ,１０ａ及び転動体（玉）１６,１８を例えば高炭素クロム軸受鋼や特殊鋼（ステンレス鋼）で形成すればよい。

また、当該玉軸受８,１０に封入する潤滑剤としては、例えば高速用グリースを適用することが好ましい。なお、高速用グリースとしては、例えばエステル油を基油として添加したものを適用することができる。

「構成例２：固定部２とスピンドル４との間の導通が必要な場合」
固定部２とスピンドル４との間の導通が必要な場合には、外輪８ａ,１０ａ、内輪８ｂ,１０ｂ、転動体（玉）１６,１８の全てを導電性セラミックで形成すればよい。ここで、導電性セラミックとしては、例えば、酸化アルミニウム（アルミナ）、二酸化ジルコニウム（ジルコニア）などの酸化物に導電性セラミックス粒子を微細に分散した電気抵抗の低いセラミック材料を適用することができる。

この場合、当該玉軸受８,１０に封入する潤滑剤としては、例えば導電性グリースを適用することが好ましい。また、導電性グリースとしては、例えばカーボンブラック、金属粉、金属酸化物などを充填剤として添加したものを適用することができる。なお、導通とは、電流が流れる状態、即ち、通電可能な状態を指す。

以上、本実施形態によれば、上記したセラミック製の玉軸受８,１０は、それ自体の剛性（軸受剛性）が高いため、固定部２に対してスピンドル４を堅牢に支持することができる。このため、スピンドル装置の稼働中におけるタービン駆動部６の旋回負荷の影響を受けることなく、スピンドル４の回転軸Ｌを一定に維持することができ、当該スピンドル４を一定の回転軸Ｌを中心に回転させることができる。この結果、スピンドル装置の稼働中に、例えばスピンドル４が変位して固定部２と接触するようなことはない。

この場合、スピンドル４の回転状態（回転速度）を一定に保つことができるため、スピンドル４の回転速度を常に所望の速度に安定化させることができる。これにより、スピンドル装置が例えば静電塗装機に用いられている場合には、塗装対象物に対する塗装ムラを発生させることなく、当該塗装対象物を均一に塗装することができる。

また、上記した空気軸受では、その軸受サイズ（大きさ）によって剛性や負荷容量が決定されるため、スピンドル装置を大型化する必要があるが、当該空気軸受に代えて、それ自体の剛性（軸受剛性）が高いセラミック製の玉軸受８,１０を適用することにより、スピンドル装置のコンパクト化を実現することができる。

これにより、空気軸受を適用した場合に比べて、スピンドル装置の稼働に要するコストを大幅に低減することができる。また、空気軸受を適用した場合に比べて、玉軸受８,１０の個数を少なくすることができるため、スピンドル装置全体の部品点数を大幅に削減することが可能となり、その結果、スピンドル装置の製造に要するコストを大幅に低減することができる。

更に、セラミック製の玉軸受８,１０は、空気軸受に比べて、その回転性能を高めることができるため、スピンドル装置に要求されている高速回転化（例えば、１分間で６０,０００回転（ｒｐｍ）の高速回転化）への対応を可能にすることができる。

なお、本発明は、上記した実施形態に限定されることはなく、以下の各変形例に係る技術思想も本発明の技術的範囲に含まれる。
例えば図３に示すように、上記した構成例１,２において、各玉軸受８,１０にシール構造を施すようにしてもよい。図面ではシール構造の一例として、各玉軸受８,１０には、転動体（玉）１６,１８の両側に、外輪８ａ,１０ａと内輪８ｂ,１０ｂとの間に区画される軸受内部空間を軸受外部から密封するための密封板２６が設けられている。

ここで、密封板２６としては、例えば金属板をプレス加工した環状のシールドや、心金入りのゴム製を成すシールを適用することができる。なお、図面では一例として、基端が外輪８ａ,１０ａの内周に固定され、先端が内輪８ｂ,１０ｂに向けて延出した密封板２６を適用した構成が示されているが、これとは逆に、基端が内輪８ｂ,１０ｂの外周に固定され、先端が外輪８ａ,１０ａに向けて延出した密封板２６を適用して構成してもよい。この場合、密封板２６としてシールを適用した場合には、当該シール２６の先端を、相手側軌道輪（即ち、外輪８ａ,１０ａ、内輪８ｂ,１０ｂ）に対して接触させてもよいし、或いは、接触させずに狭い隙間が保たれるようにしてもよい。

以上、本変形例によれば、上記した実施形態に係る効果に加えて、更に、各玉軸受８,１０に密封板２６を適用したことにより、当該玉軸受８,１０の軸受内部空間に封入された潤滑剤（具体的には、上記した構成例１では高速用グリース、上記した構成例２では導電性グリース）が、軸受外部へ漏洩したり、飛散したりすることを確実に防止することができる。これにより、当該玉軸受８,１０の回転性能や潤滑性能を長期に亘って一定に維持することができるため、スピンドル装置の長寿命化を図ることができる。

また、例えば図２に示すように、少なくとも一端側の玉軸受８をセラミック製の転がり軸受として構成するようにしてもよい。なお、図面では一例として、当該玉軸受８は、内輪８ｂの背面８ｄが固定部２に当て付けられるように、固定部２とスピンドル４との間に設けられているが、これにより、本発明の技術範囲が限定されるものではない。

この場合、他端側の軸受としては、その種類は特に制限されないが、図面では一例として、空気軸受が適用されており、かかる空気軸受は、固定部２に対してスピンドル４をラジアル方向に支持するラジアル空気軸受２８と、当該スピンドル４をアキシアル方向に支持するアキシアル空気軸受３０とを備えて構成されている。

ラジアル空気軸受２８は、スピンドル４の外周を覆うように回転軸Ｌと同心円状に配置された中空円筒状の多孔質部材２８ａを備えており、一方、アキシアル空気軸受３０は、タービン駆動部６のタービン羽根車６ａの片側（回転軸Ｌに沿った方向の片側）に沿って対向配置された環状の多孔質部材３０ａを備えている。また、固定部２には、各多孔質部材２８ａ,３０ａに圧縮空気を供給するための圧縮空気給気路３２が構築されており、当該圧縮空気給気路３２には、図示しない圧縮空気供給源が接続されている。

このような空気軸受によれば、圧縮空気供給源から圧縮空気給気路３２に圧縮空気等の気流を供給すると、その気流は、各多孔質部材２８ａ,３０ａを通ってスピンドル４の外周及びタービン羽根車６ａの片側に向けて吹き付けられる。このとき、スピンドル４と多孔質部材２８ａとの間が非接触状態に保持されると共に、タービン駆動部６のタービン羽根車６ａの片側と多孔質部材３０ａとの間が非接触状態に保持される。

ここで、一端側の玉軸受８は、それ単体でスピンドル４をラジアル方向及びアキシアル方向に支持することができるため、アキシアル空気軸受３０の多孔質部材３０ａは、タービン駆動部６のタービン羽根車６ａを挟むように両側に設ける必要はなく、片側のみで足りる。これにより、タービン駆動部６を含めてスピンドル４の全体が、一端側の玉軸受８によって固定部２に対して支持されると共に、他端側の空気軸受２８,３０によって固定部２から浮上支持される。

以上、本変形例によれば、上記した実施形態に係る効果に加えて、更に、一端側の玉軸受８をセラミック製の転がり軸受とし、他端側の軸受のみを空気軸受２８,３０としたことにより、従来のスピンドル装置に比べて、空気軸受２８,３０の配置個数を大幅に削減することができる。これにより、空気軸受２８,３０に使用する空気流量を大幅に低減することができるため、スピンドル装置の稼働に要するコストを大幅に低減することができる。

２ 固定部
４ スピンドル
６ タービン駆動部
８,１０ 軸受

Claims (4)

1. 固定部に対して回転可能に配置されたスピンドルと、スピンドルに設けられたタービン駆動部と、固定部とスピンドルとの間に設けられ、固定部に対してスピンドルを回転可能に支持する複数の軸受とを備え、気流をタービン駆動部に作用させて回転運動に変換することで、スピンドルを所望の速度で回転させるスピンドル装置であって、
   複数の軸受のうち、少なくとも一端側の軸受は、セラミック製の転がり軸受として構成されていることを特徴とするスピンドル装置。
2. 転がり軸受は、固定部に装着させる一方の軌道輪と、一方の軌道輪に対向してスピンドルに装着させる他方の軌道輪と、これら軌道輪間に沿って組み込まれる複数の転動体とを備えており、
   双方の軌道輪及び転動体のいずれか、或いは、その全てが、セラミックで形成されていることを特徴とする請求項１に記載のスピンドル装置。
3. 固定部とスピンドルとの間の絶縁が必要な場合には、双方の軌道輪及び転動体のいずれか、或いは、その全てを非導電性セラミックで形成することを特徴とする請求項２に記載のスピンドル装置。
4. 固定部とスピンドルとの間の導通が必要な場合には、双方の軌道輪及び転動体の全てを導電性セラミックで形成することを特徴とする請求項２に記載のスピンドル装置。

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