JP2013007393A - 空気静圧軸受スピンドル装置、これを用いた回転霧化装置および塗装装置 - Google Patents

Abstract

【課題】環境温度が低温になっても、スピンドルが回転不能に陥るのを防止できる空気静圧軸受スピンドル装置、これを用いた回転霧化装置および塗装装置を提供する。
【解決手段】軸部２２およびフランジ部２３を有するスピンドル２１、軸受本体３１、軸部２２との間にラジアル隙間４３を有するラジアル軸受部材４１Ａ，４２Ａ、および、フランジ部２３との間にスラスト隙間４５を有するスラスト軸受部材４１Ｂ，４２Ｂを備えた空気静圧軸受スピンドル装置２０において、環境温度が２０℃の状態においてスラスト隙間が４０μｍ以下に形成され、環境温度が０℃の状態においてスラスト隙間が１０μｍ以上確保されるように、軸受本体３１およびスラスト軸受部材４１Ｂ，４２Ｂに用いる材料の線膨張係数が選択されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、空気静圧軸受スピンドル装置、これを用いた回転霧化装置および塗装装置に関する。

例えば、自動車のボディなどを塗装する塗装装置として、回転霧化装置を用いた塗装装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
これは、有底筒状で内周面が開口縁に向かって拡径された回転霧化ヘッドと、この回転霧化ヘッドを先端に有するスピンドルと、このスピンドルを回転させる回転駆動機構と、回転霧化ヘッド内に塗料を供給する塗料供給装置とを備える。
このような構成において、回転駆動機構によりスピンドルを回転させた状態において、塗料供給装置から回転霧化ヘッド内に塗料を供給すると、回転霧化ヘッド内に供給された塗料は遠心力により回転霧化ヘッドの開口縁から飛散して霧化される。

従来、このような回転霧化装置において、スピンドルを空気静圧軸受で高速回転可能に支持した空気静圧軸受スピンドル装置が知られている。
これは、軸部およびこの軸部よりも径大なフランジ部を有するスピンドルと、このスピンドルを収納する収納孔を有する軸受本体と、この軸受本体の収納孔内に固定され軸部の外周面との間に所定のラジアル隙間を有する内径およびラジアル隙間にエアーを噴出するエアー噴出孔を有するラジアル軸受部材と、軸受本体の収納孔内に固定されフランジ部の端面との間に所定のスラスト隙間およびスラスト隙間にエアーを噴出するエアー噴出孔を有するスラスト軸受部材と、ラジアル軸受部材およびスラスト軸受部材のエアー噴出孔にエアーを供給するエアー供給手段と、スピンドルを回転させる回転駆動機構とを備える構造である。

特開２０１１−４１８９３号公報

従来、上述した構造の空気静圧軸受スピンドル装置では、冬期、環境温度が約７℃以下になると、スピンドルがロックされ、回転不能に陥る不具合が発生していた。
そこで、従来では、スピンドルがロックされた際、ドライヤなどの加熱手段でスピンドルや、これを支持する軸受本体を加熱することにより、スピンドルを正常回転に復旧させるようにしていたが、これでは、作業初期の準備作業に時間と手間がかかるため、作業効率が著しく低いという課題があった。
また、塗装装置の場合、塗装作業を行っていない夜間も常時圧縮空気を供給して、温度低下を避ける方法もとられているが、エネルギーが無駄に消費されるという課題があった。

本発明の目的は、上記課題を解消し、環境温度が低温になっても、手間と時間をかけず、かつ、無駄なエネルギー消費を抑えつつ、スピンドルが回転不能に陥るのを防止できる空気静圧軸受スピンドル装置、これを用いた回転霧化装置および塗装装置を提供することにある。

本発明者は、従来の空気静圧軸受スピンドル装置において、冬期になるとスピンドルがロックされ、回転不能に陥る不具合が発生する原因を調査したところ、温度低下によりスラスト隙間が減少したことが原因であることが判明した。
従来の空気静圧軸受スピンドル装置では、軸受本体が線膨張係数２３．９×１０^−６／℃のアルミニウム、軸受部材が線膨張係数４．０×１０^−６／℃のカーボンであったため、図５に示すような変形が生じるものと考えられる。なお、スピンドルは線膨張係数：９．７×１０^−６／℃のステンレスである。
つまり、実際に測定した結果や有限要素法で計算した結果によると、図５に示すように、線膨張係数が大きい軸受本体３１の内部に線膨張係数が小さい軸受部材４１，４２が嵌合された構造では、温度低下に伴って、スピンドルを収納する収納孔３２の開口端が外側に反るように拡径変形し、それに伴って、スピンドルのフランジ部を収納するスラスト軸受のスラスト隙間４５が減少することが原因であることが判明した。

そこで、本発明の空気静圧軸受スピンドル装置は、冬季においても、スピンドルの回転がロックされないスラスト隙間が確保されるように、軸受本体およびスラスト軸受部材に用いる材料の線膨張係数を選択したことを特徴とする。

具体的には、軸部およびこの軸部よりも径大なフランジ部を有するスピンドルと、このスピンドルを収納する収納孔を有する軸受本体と、この軸受本体の収納孔内に固定され前記軸部の外周面との間に所定のラジアル隙間を有する内径および前記ラジアル隙間にエアーを噴出するエアー噴出孔を有するラジアル軸受部材と、前記軸受本体の収納孔内に固定され前記フランジ部の端面との間に所定のスラスト隙間および前記スラスト隙間にエアーを噴出するエアー噴出孔を有するスラスト軸受部材と、前記ラジアル軸受部材およびスラスト軸受部材のエアー噴出孔にエアーを供給するエアー供給手段と、前記スピンドルを回転させる回転駆動機構とを備えた空気静圧軸受スピンドル装置において、環境温度が２０℃の状態において前記スラスト隙間が４０μｍ以下に形成され、環境温度が０℃の状態において前記スラスト隙間が１０μｍ以上確保されるように、前記軸受本体および前記スラスト軸受部材に用いる材料の線膨張係数が選択されている、ことを特徴とする。

このような構成によれば、環境温度が０℃の状態において、スラスト隙間が１０μｍ以上確保されるように、軸受本体およびスラスト軸受部材に用いる材料の線膨張係数が選択されているから、少なくとも０℃の環境温度においては、スピンドルが回転不能に陥ることを防止できる。
いま、軸受本体を線膨張係数２３．９×１０^−６／℃の材質、軸受部材を線膨張係数１５×１０^−６／℃の材質を用いて、環境温度低下に伴ってスラスト隙間の変化を調べると、図４に示すようなる。

環境温度が２１℃の状態では、スラスト隙間（フランジ部の両側の隙間）が３６μｍ確保されている。環境温度が低下（１０℃→５℃→０℃）するに従って、スラスト隙間（フランジ部の両側の隙間）が３０μｍ→２２μｍ→１４μｍと変化したが、スピンドル２１は回転状態が維持されている。
しかし、環境温度が−１．２℃に低下すると、スピンドルは回転しない。このときのスラスト隙間を測定すると、８μｍであったことから、環境温度が０℃の状態において、スラスト隙間が１０μｍ確保されていれば、少なくとも０℃の環境温度においては、スピンドル２１が回転不能に陥ることを防止できることが判る。
従って、環境温度が低温になっても、手間と時間をかけず、かつ、無駄なエネルギー消費を抑えつつ、スピンドルが回転不能に陥るのを防止できる。

また、環境温度が２０℃の状態において、スラスト隙間が４０μｍ以下に形成されているから、空気静圧軸受の剛性を高めることができる。
従って、スピンドルに負荷が掛かっても、スピンドルの安定した回転を維持できるから、スピンドルの先端に工具などを取り付けて加工する工作機械にも適用しても、高精度な加工が期待できる。

本発明の空気静圧軸受スピンドル装置において、前記軸受本体は、アルミニウムによって構成され、前記スラスト軸受部材は、前記アルミニウムの線膨張係数に対して１／２以上の線膨張係数を有する材料によって構成されている、ことが好ましい。
このような構成によれば、軸受本体とスラスト軸受部材との線膨張係数が近いから、環境温度低下に伴う変形を極力少なくできるうえ、軸受本体が軽量なアルミニウムによって構成されているから、例えば、塗装装置などの回転霧化装置に適用しても、姿勢を安定して制御することができる。

本発明の空気静圧軸受スピンドル装置において、前記回転駆動機構は、前記スピンドルに固定されたエアータービンと、前記エアー供給手段からのエアーを前記エアータービンに供給するエアー供給路とを含んで構成されている、ことが好ましい。
このような構成によれば、スピンドルを支持する空気静圧軸受のエアーを利用して、エアータービンを回転させ、これにより、スピンドルを回転させるようにしたので、スピンドルを回転させるための電動モータなどを付加しなくてもよい。従って、軽量かつ経済的に構成できる利点がある。

本発明の回転霧化装置は、上述した空気静圧軸受スピンドル装置と、この空気静圧軸受スピンドル装置のスピンドルの先端に液体を供給する液体供給手段と、前記スピンドルの先端に設けられ前記スピンドルの先端に供給された液体を霧化する回転霧化ヘッドとを備えた、ことを特徴とする。
本発明の塗装装置は、上述した回転霧化装置を備え、前記液体供給手段は、塗料を前記スピンドルの先端に供給する、ことを特徴とする。
このような構成によれば、液体供給手段によって液体がスピンドルの先端に供給されると、供給された液体は回転霧化ヘッドの回転に伴う遠心力により、回転霧化ヘッドの開口端縁に飛散、霧化されるから、液体を効率的に霧化させることができる。
液体が塗料の場合、塗料を効率的に霧化させることができるから、効率的でかつ高品質な塗装が行える。

本発明の実施形態に係る回転霧化式塗装装置を示す図。 前記実施形態の回転霧化装置を示す外観図。 前記実施形態の回転霧化装置を示す断面図。 前記実施形態の回転霧化装置において、環境温度変化によるスピンドルの挙動を説明するための図。 従来の空気静圧軸受スピンドル装置において、軸受本体と軸受部材との温度低下に伴う変形を示す図。

本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態では、回転霧化式塗装装置に適用した例である。
本回転霧化式塗装装置は、図１に示すように、ロボット１と、このロボット１の先端に取り付けられた回転霧化装置１０とから構成されている。

ロボット１は、ベースプレート２と、このベースプレート２の上に旋回ユニット３を介して垂直軸を中心に旋回可能に設けられたコラム４と、このコラム４に沿って上下方向へ移動可能に設けられたサドル５と、このサドル５に水平方向へ移動可能に設けられたアーム６と、このアーム６の先端に水平でかつアーム６に対して直交する軸７を中心に上下方向へ起伏可能に設けられた手首部８とから構成されている。手首部８に回転霧化装置１０が取り付けられている。

回転霧化装置１０は、図２に示すように、回転霧化ヘッド１１と、この回転霧化ヘッド１１を高速で回転駆動させる空気静圧軸受スピンドル装置２０と、回転霧化ヘッド１１へ液体としての塗料を供給する液体供給手段としての塗料供給手段１５とを備える。
回転霧化ヘッド１１は、供給された塗料を霧化するもので、有底筒状で内周面が開口縁に向かって拡径された形状に形成されているとともに、中心に塗料噴出口１２が形成されている。従って、回転霧化ヘッド１１が回転されている状態において、塗料が回転霧化ヘッド１１内に供給されると、塗料は遠心力により回転霧化ヘッド１１の塗料噴出口１２から開口縁に向かってから飛散して霧化される。
塗料供給手段１５は、塗料を収容した塗料収容容器１６と、この塗料収容容器１６内の塗料を空気静圧軸受スピンドル装置２０の内部（スピンドル２１内）を通じて回転霧化ヘッド１１内に供給するポンプ１７とから構成されている。

空気静圧軸受スピンドル装置２０は、図３に示すように、先端に回転霧化ヘッド１１を取り付けたスピンドル２１と、このスピンドル２１を収納する収納孔３２を有する軸受本体３１と、この軸受本体３１の収納孔３２内に固定されスピンドル２１を空気層を介して回転可能に支持する軸受部材４１，４２と、この軸受部材４１，４２にエアーを供給するエアー供給手段５１と、スピンドル２１を回転させる回転駆動機構６１とを備える。

スピンドル２１は、所定長さの軸部２２と、この軸部２２の途中に設けられ軸部２２の径よりも径大なフランジ部２３とを有し、内部軸方向に沿って塗料供給孔２４が形成されている。また、スピンドル２１の基端側には、エアータービン６２が取り付けられている。

軸受部材４１，４２は、軸部２２の外周面との間に所定のラジアル隙間４３を有する内径およびラジアル隙間４３にエアーを噴出するエアー噴出孔４４を有するラジアル軸受部材４１Ａ，４２Ａと、これらラジアル軸受部材４１Ａ，４２Ａと一体的に形成されフランジ部２３の端面との間に所定のスラスト隙間４５およびスラスト隙間４５にエアーを噴出するエアー噴出孔４６を有するスラスト軸受部材４１Ｂ，４２Ｂとから構成されている。

軸受本体３１には、中心軸方向にスピンドル２１を収納する収納孔３２が形成されているとともに、外部に２つのエアー供給口３３，３４が形成されている。また、内部には、エアー供給口３３から各軸受部材４１，４２のエアー噴出孔４４，４６に連通するエアー供給路４７およびエアー供給口３４からエアータービン６２の外周に臨むエアー供給路としてのエアーノズル４８が形成されている。

エアー供給手段５１は、エアー供給源としてのコンプレッサ５２と、このコンプレッサ５２とエアー供給口３３との間に設けられた圧力レギュレータ５４と、コンプレッサ５２とエアー供給口３４との間に設けられた圧力レギュレータ５５とから構成されている。

回転駆動機構６１は、スピンドル２１の基端側に固定されたエアータービン６２と、軸受本体３１に形成されたエアーノズル４８とによって構成されている。これにより、エアー供給手段５１からのエアーがエアーノズル４８を通じてエアータービン６２に供給されると、エアータービン６２が回転され、これと一緒にスピンドル２１が回転される。

このような構成において、本実施形態では、スピンドル２１、軸受本体３１、軸受部材４１，４２の材質を次のような材質を採用している。
スピンドル：線膨張係数９．７×１０^−６／℃のステンレス（ＳＵＳ）
軸受本体 ：線膨張係数２３．９×１０^−６／℃のアルミニウム、
軸受部材 ：線膨張係数１５×１０^−６／℃のカーボン
つまり、軸受部材４１，４２の線膨張係数（１５×１０^−６／℃）が、従来の空気静圧軸受スピンドル装置の軸受部材線膨張係数（４．０×１０^−６／℃）に比べて、約４倍弱で、軸受本体３１の線膨張係数（２３．９×１０^−６／℃）に比べて約１／２以上になっている点で異なる。

このような線膨張係数を有する材料を用いて構成した空気静圧軸受スピンドル装置２０を運転させたところ、温度変化に伴って、図４に示すような挙動を示した。
環境温度が２１℃の状態では、スラスト隙間４５（フランジ部２３の両側の隙間）が３６μｍ確保されている。環境温度が低下（１０℃→５℃→０℃）するに従って、スラスト隙間４５（フランジ部２３の両側の隙間）が３０μｍ→２２μｍ→１４μｍと変化したが、スピンドル２１は回転状態が維持されている。
しかし、環境温度が−１．２℃に低下すると、スピンドル２１は回転しない。このときのスラスト隙間４５を測定すると、８μｍであったことから、環境温度が０℃の状態において、スラスト隙間４５が１０μｍ確保されていれば、少なくとも０℃の環境温度においては、スピンドル２１が回転不能に陥ることを防止できる。
従って、環境温度が低温になっても、手間と時間をかけず、かつ、無駄なエネルギー消費を抑えつつ、スピンドル２１が回転不能に陥るのを防止できる

＜変形例＞
なお、本発明は、前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれる。
前記実施形態では、本実施形態では、軸受本体３１を線膨張係数２３．９×１０^−６／℃を有するアルミニウム、軸受部材４１，４２を線膨張係数１５×１０^−６／℃を有するカーボンを用いたが、これに限られない。要は、環境温度が２０℃の状態においてスラスト隙間４５が４０μｍ以下に形成され、環境温度が０℃の状態においてスラスト隙間４５が１０μｍ以上確保されるような、線膨張係数を有する材料であれば、軸受本体３１およびスラスト軸受部材４１Ｂ，４２Ｂの材料は他の材料であってもよい。

前記実施形態では、ラジアル軸受部材４１Ａとスラスト軸受部材４１Ｂとを同じ材料で一体的に構成し、また、ラジアル軸受部材４２Ａとスラスト軸受部材４２Ｂとを同じ材料で一体的に構成したが、これらは別部材で構成してもよい。つまり、ラジアル軸受部材４１Ａとスラスト軸受部材４１Ｂとを別の材料で別体として構成し、また、ラジアル軸受部材４２Ａとスラスト軸受部材４２Ｂとを別の材料で別体として構成するようにしてもよい。

前記実施形態では、スピンドル２１の回転駆動機構６１として、エアータービン６２を用いたが、これに限らず、例えば、電動モータなどであってもよい。
前記実施形態では、回転霧化装置１０をロボット１で姿勢変更可能に支持したが、ロボット１の構成は、前記実施形態の構成でなくてよく、回転霧化装置１０の向きを任意に変更できる構造であればよい。また、ロボット１を用いなくてもよい。

前記実施形態では、回転霧化装置１０を有する塗装装置に利用した例について説明したが、これに限られない。
例えば、塗料を霧化して塗装する塗装装置に限らず、単に液体を霧化する回転霧化装置１０として利用することもできる。
また、回転霧化装置１０を構成する空気静圧軸受スピンドル装置２０については、工作機械などの加工装置の主軸装置に利用することもできる。つまり、空気静圧軸受スピンドル装置２０とワークを載置するテーブルとを移動可能（例えば、三次元方向へ移動可能）に構成するとともに、空気静圧軸受スピンドル装置２０のスピンドル２１の先端に加工工具を取り付けられるように構成すれば、工作機械などの加工装置に利用することもできる。

本発明は、工作機械、霧化装置、塗装装置などの空気静圧軸受スピンドル装置として、利用することができる。

１０…回転霧化装置、
１１…回転霧化ヘッド、
１５…塗料供給手段（液体供給手段）、
２０…空気静圧軸受スピンドル装置、
２１…スピンドル、
２２…軸部、
２３…フランジ部、
３１…軸受本体、
３２…収納孔、
４１，４２…軸受部材、
４１Ａ，４２Ａ…ラジアル軸受部材、
４１Ｂ，４２Ｂ…スラスト軸受部材、
４３…ラジアル隙間、
４４…エアー噴出孔、
４５…スラスト隙間、
４６…エアー噴出孔、
４８…エアーノズル（エアー供給路）、
５１…エアー供給手段、
６１…回転駆動機構、
６２…エアータービン。

Claims (5)

1. 軸部およびこの軸部よりも径大なフランジ部を有するスピンドルと、このスピンドルを収納する収納孔を有する軸受本体と、この軸受本体の収納孔内に固定され前記軸部の外周面との間に所定のラジアル隙間を有する内径および前記ラジアル隙間にエアーを噴出するエアー噴出孔を有するラジアル軸受部材と、前記軸受本体の収納孔内に固定され前記フランジ部の端面との間に所定のスラスト隙間および前記スラスト隙間にエアーを噴出するエアー噴出孔を有するスラスト軸受部材と、前記ラジアル軸受部材およびスラスト軸受部材のエアー噴出孔にエアーを供給するエアー供給手段と、前記スピンドルを回転させる回転駆動機構とを備えた空気静圧軸受スピンドル装置において、
   環境温度が２０℃の状態において前記スラスト隙間が４０μｍ以下に形成され、環境温度が０℃の状態において前記スラスト隙間が１０μｍ以上確保されるように、前記軸受本体および前記スラスト軸受部材に用いる材料の線膨張係数が選択されている、
   ことを特徴とする空気静圧軸受スピンドル装置。
2. 請求項１に記載の空気静圧軸受スピンドル装置において、
   前記軸受本体は、アルミニウムによって構成され、
   前記スラスト軸受部材は、前記アルミニウムの線膨張係数に対して１／２以上の線膨張係数を有する材料によって構成されている、
   ことを特徴とする空気静圧軸受スピンドル装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の空気静圧軸受スピンドル装置において、
   前記回転駆動機構は、前記スピンドルに固定されたエアータービンと、前記エアー供給手段からのエアーを前記エアータービンに供給するエアー供給路とを含んで構成されている、
   ことを特徴とする空気静圧軸受スピンドル装置。
4. 請求項１〜請求項３のいずれかに記載の空気静圧軸受スピンドル装置と、
   この空気静圧軸受スピンドル装置のスピンドルの先端に液体を供給する液体供給手段と、
   前記スピンドルの先端に設けられ前記スピンドルの先端に供給された液体を霧化する回転霧化ヘッドとを備えた、
   ことを特徴とする回転霧化装置。
5. 請求項４に記載に回転霧化装置を備え、
   前記液体供給手段は、塗料を前記スピンドルの先端に供給する、
   ことを特徴とする塗装装置。

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