JP2019138439A - スピンドル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化を図りつつ、振動減衰効果を高め、回転軸を安定して回転させることができるスピンドル装置を提供する。【解決手段】回転軸１２の径方向から見たラジアル軸受２０の投影面積Ｎは、回転軸１２の軸方向から見たスラスト軸受２１の面積Ｍより小さく、回転軸１２の軸方向において、ラジアル軸受２０の中心Ｃ１と回転軸１２の重心Ｇとの間には、少なくとも１つのＯリング６１が配置される。【選択図】図１

Description

本発明は、エアタービン駆動方式を用いたスピンドル装置に関し、より詳細には、静電塗装機に好適に使用可能なスピンドル装置に関する。

従来、静電塗装機に使用されるスピンドル装置として、特許文献１では、回転軸をラジアル方向に支持するジャーナル軸受と、回転軸をスラスト方向に支持するスラスト軸受と、回転軸をジャーナル軸受及びスラスト軸受を介して支持するハウジングと、該ハウジングの外周側に位置するカバーと、を備え、また、高速回転による振動を吸収し、スピンドルの動作を安定させるため、ハウジングとカバーとの間にＯリングを配置することが記載されている。

特に、特許文献１では、回転軸の前側が大きく振れ回るように、ハウジングの軸方向中心を起点にＯリングの位置を規定し、Ｏリングに高強度の材料を用いた場合でも、変形量を大きくして、振動の減衰効果を十分大きくすることが記載されている。

特開２０１６−２２３５５３号公報

ところで、特許文献１に記載のスピンドル装置では、Ｏリングに高強度の材料を用いた場合の振動の減衰効果を狙ったもので、一般に、振動により回転軸の振れ回りが大きくなると、ジャーナル軸受（ラジアル軸受）ないしスラスト軸受と回転軸とが接触し、回転速度低下に繋がる。

また、実際の振動減衰には、ハウジングの中央ではなく、ラジアル軸受の位置に対するＯリングの配置が重要になるため、さらなる改善が求められる。

さらに、近年、スピンドル装置の軽量化や省エネの観点から、小型化の要求も厳しく、ラジアル軸受の投影面積を増やすことができない場合もあり、用途に応じて様々な構造を選択する必要がある。

本発明は、前述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、小型化を図りつつ、振動減衰効果を高め、回転軸を安定して回転させることができるスピンドル装置を提供することにある。

本発明の上記目的は、下記の構成により達成される。
（１） 複数のタービン羽根が円周方向に亙って設けられ、先端部に搭載物を取り付け可能な回転軸と、
該回転軸を収容するハウジングと、
該ハウジングに取り付けられ、気体の供給により、前記ハウジングに対して前記回転軸を非接触で浮上支持するラジアル軸受と、
前記ハウジングに取り付けられ、気体の供給により、前記ハウジングに対して前記回転軸をスラスト方向に支持するスラスト軸受と、
前記ハウジングの外周面を囲うように配置されたケースと、
前記ハウジングと前記ケースとの間に配置され、前記ケースに対して前記ハウジングを支持する複数のＯリングと、
を備え、前記複数のタービン羽根に気体が噴出されることにより前記回転軸を回転駆動するスピンドル装置であって、
前記回転軸の径方向から見た前記ラジアル軸受の投影面積は、前記回転軸の軸方向から見た前記スラスト軸受の面積より小さく、
前記回転軸の軸方向において、前記ラジアル軸受の中心と前記回転軸の重心との間には、少なくとも１つの前記Ｏリングが配置されることを特徴とするスピンドル装置。
（２） 前記ラジアル軸受及び前記スラスト軸受は、円筒状の多孔質部材であることを特徴とする（１）に記載のスピンドル装置。

本発明のスピンドル装置によれば、小型化を図りつつ、Ｏリングの許容モーメントが大きくなり、振動減衰効果を高め、回転軸を安定して回転させることができる。

本発明の一実施形態に係るスピンドル装置の断面図である。 （ａ）は、回転軸の径方向から見たラジアル軸受の投影面積を示す図であり、（ｂ）は、回転軸の軸方向から見たスラスト軸受の面積を示す図である。 図１のスピンドル装置の半断面図である。

以下、本発明の一実施形態に係るスピンドル装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の説明においては、図１に示す左側を前側と称し、右側を後側と称する。

図１及び図２に示すように、本実施形態のスピンドル装置１０は、静電塗装機用に利用されるエアタービン駆動方式のスピンドル装置である。スピンドル装置１０は、複数のタービン羽根１１が円周方向に亙って設けられる回転軸１２と、回転軸１２をラジアル方向に支持する静圧気体軸受であるラジアル軸受２０と、回転軸１２をスラスト方向に支持する静圧気体軸受であるスラスト軸受２１と、回転軸１２をスラスト方向に吸引する磁石５０と、回転軸１２を収容するハウジング３０と、ハウジング３０の外周面を囲うように配置されたケース４０と、を主に備える。

回転軸１２は、塗料を霧状にして噴霧するためのベルカップ（搭載物）１が先端部側に取り付けられる円筒部１５と、この円筒部１５の後端部から径方向外方に延出する円板部１６と、を有する。
複数のタービン羽根１１は、円板部１６の外周面を加工することで形成されている。

ハウジング３０は、回転軸１２の円筒部１５の周囲に設けられ、内周面にラジアル軸受２０が取り付けられる円筒部分３１と、回転軸１２の円板部１６の前方に設けられ、円筒部分３１の後端部から径方向外方に延出する円板部分３２と、を備える。円板部分３２には、スラスト軸受２１を収容するように、後方に開口する、断面コの字状の環状溝３３が形成されている。

ケース４０は、前ケース４１及び後ケース４２を有する。前ケース４１は、ハウジング３０の円筒部分３１の周囲に設けられた小径部４１ａと、ハウジング３０の円板部分３２の周囲に設けられた大径部４１ｂとを備え、中空、且つ段付き形状に形成されている。後ケース４２も、中空状に形成され、前ケース４１の後端面に不図示のボルトによって締結固定されている。

ラジアル軸受２０は、円筒状の多孔質部材であり、回転軸１２の円筒部１５の外周面に対向している。ラジアル軸受２０は、後ケース４２の後端面から送られ、ケース４０及びハウジング３０に形成された、不図示の軸受エア供給経路を通過した気体の供給により、回転軸１２の円筒部１５の外周面に向けて圧縮空気を吹き付け、ハウジング３０に対して回転軸１２を非接触で浮上支持する。これにより、回転軸１２は、ラジアル軸受２０によってハウジング３０に対してラジアル方向に支持される。

スラスト軸受２１は、円筒状の多孔質部材であり、その軸方向後端面が回転軸１２の円板部１６の前側面に対向している。スラスト軸受２１は、上記軸受エア供給経路から分岐した経路からの気体の供給により、回転軸１２の円板部１６の前側面に向けて圧縮空気を吹き付ける。

磁石５０は、磁石ヨーク５１によって保持され、磁石ヨーク５１は、ハウジング３０の円板部分３２の内側に形成された磁石取付部３４に螺合して取り付けられる。この状態で、磁石５０は、円板部１６の前側面に近接対向している。
したがって、磁石５０の磁力により、円板部１６が前方に引き寄せられる。一方、スラスト軸受２１は、円板部１６の前側面に向けて圧縮空気を吹き付けることで反力を生じ、磁石５０の引きつける力と、スラスト軸受２１の反力とによって、回転軸１２がハウジング３０に対してスラスト方向に支持される。

図２に示すように、回転軸１２の径方向から見たラジアル軸受２０の投影面積（外径φｄ×軸方向長さＬ）Ｎは、回転軸１２の軸方向から見たスラスト軸受２１の面積Ｍより小さく設定されており、スピンドル装置１０の軸方向の短縮を図っている。この場合、ラジアル軸受２０が短くなる一方、スラスト軸受２１の面積Ｍを大きくすることで、モーメント負荷容量を大きくとることができる。
なお、スピンドル装置１０の軸方向の短縮のため、ハウジング３０の先端面３０ａは、ラジアル軸受２０の先端面２０ａと略面一に形成されている。

後ケース４２には、タービン羽根１１に作動用の圧縮空気を供給するためのタービンエア供給経路が、軸受エア供給経路と別位相で形成される。さらに、後ケース４２には、タービンエア供給経路と連通する複数のノズルが、内周面に開口して形成されている。したがって、タービンエア供給経路に供給されるエアの流量をコントロールすることで、回転軸１２は、所定の回転速度を得ることができる。

このように構成されたスピンドル装置１０では、ラジアル軸受２０及びスラスト軸受２１に気体を供給することで、回転軸１２がハウジング３０に回転自在に支持された状態となり、また、複数のノズルから複数のタービン羽根１１に向けて気体を噴出することで、噴流のもつ運動エネルギを回転軸１２の回転駆動力に変換して、回転軸１２が回転駆動される。

また、ハウジング３０の円筒部分３１の外周面には、リング溝３５が少なくとも３箇所（本実施形態では、３箇所）設けられており、これらリング溝３５には、少なくとも３つのＯリング（本実施形態では、３つ）６１，６２，６３がそれぞれ配置される。３つのＯリング６１，６２，６３は、弾性変形して、これらの一部がケース４０の内周面とそれぞれ接触しており、ハウジング３０とケース４０とは、互いに径方向に隙間を持って配置される。

回転軸形状の都合から、回転軸１２の径方向から見たラジアル軸受２０の投影面積Ｎは、回転軸１２の軸方向から見たスラスト軸受２１の面積Ｍより小さい場合、３つのＯリング６１，６２，６３は、アンバランス負荷もしくは共振による加振力がラジアル軸受２０やスラスト軸受２１にダイレクトに伝達されないように、これらの負荷や振動を減衰させている。

特に、回転軸１２の軸方向において、ラジアル軸受２０の中心Ｃ１と回転軸１２の重心Ｇとの間には、少なくとも１つのＯリング６１が配置される。これにより、回転軸１２が振れ回った場合、ラジアル軸受２０の中心Ｃ１及びスラスト軸受２１の面積中心Ｃ２（スラスト軸受２１の内周面と外周面の径方向中間位置）で負荷を受けることになるが、より回転軸１２の重心Ｇに近い位置にＯリング６１を配置することで、振動を減衰させ易くなり、大きな振動を受けても回転軸１２を安定して回転させることができる。
なお、ラジアル軸受２０の軸方向配置は、１つないし複数であってもよい。複数のラジアル軸受２０を有する場合には、ラジアル軸受２０の中心Ｃ１とは、複数のラジアル軸受２０全体における中心をさす。
また、Ｏリング６１は、回転軸１２の軸方向において、ラジアル軸受２０の中心Ｃ１とオーバーラップしないことが好ましい。

さらに、図３に示すように、軸方向両端に位置する２つのＯリング６１，６３の支点間距離Ｌ１は、ラジアル軸受２０の支点間距離Ｌ２よりも大きく設計されている。即ち、振動減衰作用の大きいＯリング６１，６２，６３のスパンが広く形成されているので、Ｏリング６１，６２，６３の締付け具合にも応じて、より振動を減衰させるための効果が得られる。
なお、ラジアル軸受２０の支点とは、ラジアル軸受の両端も示す場合もあれば、ラジアル軸受の軸方向中央でばね要素として実際に剛性支持に作用している支点を示す場合もある。

また、本実施形態において、回転軸１２の重心Ｇは、ベルカップ１が取り付けられた状態で、ラジアル軸受２０の中心Ｃ１よりも先端部側に位置する場合を前提としている。一方、ベルカップ１が取り付けられていない状態において、回転軸１２の重心Ｇがラジアル軸受２０の中心Ｃ１よりも先端部側に位置する場合には、ベルカップ１が取り付けられた状態でも、ラジアル軸受２０の中心Ｃ１よりも先端部側に位置するので、本発明の構成により、同様の効果が得られる。

また、２つのＯリング６２、６３は、回転軸１２の軸方向において、任意の位置に配置されればよい。さらに、２つのＯリング６１，６２間、または、２つのＯリング６２，６３間において、ケース４０の内周面からハウジング３０の外周面へ軸受エア供給経路が通過する場合に、２つのＯリング６１，６２、または、２つのＯリング６２，６３は、軸受給気のシールを兼ねることができる。

また、本実施形態では、図１に示すように、スラスト軸受２１の面積中心Ｃ２の直径Ａに対し、スラスト軸受２１の後端面から回転軸１２の重心Ｇまでの距離Ｂが小さい構成としている。ただし、回転軸１２の軸方向において、ラジアル軸受２０の中心Ｃと回転軸１２の重心Ｇとの間には、少なくとも１つのＯリング６１が配置される構成であれば、スラスト軸受２１の面積中心Ｃ２の直径Ａに対し、スラスト軸受２１の後端面から回転軸１２の重心Ｇまでの距離Ｂが大きい構成としてもよく、振動を緩和することができる。

尚、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。
例えば、本実施形態では、本発明のスピンドル装置を静電塗装機に利用されるものとして説明したが、これに限定されず、半導体製造装置（ウェーハ外周部面取機）や、機械加工物のエッジバリ取り機にも適用することができる。

また、本実施形態では、スラスト軸受２１と磁石５０とを用いてスラスト方向に回転軸１２を支持する構成としたが、複数の気体軸受を用いてスラスト方向に回転軸１２を支持する構成であってもよい。

さらに、本発明の気体軸受は、多孔質部材によって構成されるものに限定されず、自成絞り等、他の静圧形のものであってもよい。ただし、多孔質部材を用いた気体軸受は、剛性を確保しやすく、したがって、気体の流量が少ない場合であっても十分な剛性を確保することができる。
特に、本実施形態は、高速回転でアンバランス振動が大きい状態での用途となるため、振動減衰効果が大きくないと、非接触であるはずの気体軸受がかじる可能性がある。そのため、多孔質部材を用いた気体軸受は、かじりを防止する上で効果的である。

また、ラジアル軸受２０は、軸方向に複数分割されて、並べて配置されてもよく、その場合、複数のラジアル軸受は、１つのハウジング３０に保持されることが好ましい。

さらに、回転軸１２の軸方向において、ラジアル軸受２０の中心Ｃ１と回転軸１２の重心Ｇとの間には、少なくとも１つのＯリング６１が配置される構成であれば、他のＯリングは、Ｏリング６１に対して前後の任意の位置に配置されればよい。

１０ スピンドル装置
１１ タービン羽根
１２ 回転軸
２０ ラジアル軸受
２１ スラスト軸受
３０ ハウジング
４０ ケース
５０ 磁石
６１，６２，６３ Ｏリング

Claims (2)

1. 複数のタービン羽根が円周方向に亙って設けられ、先端部に搭載物を取り付け可能な回転軸と、
   該回転軸を収容するハウジングと、
   該ハウジングに取り付けられ、気体の供給により、前記ハウジングに対して前記回転軸を非接触で浮上支持するラジアル軸受と、
   前記ハウジングに取り付けられ、気体の供給により、前記ハウジングに対して前記回転軸をスラスト方向に支持するスラスト軸受と、
   前記ハウジングの外周面を囲うように配置されたケースと、
   前記ハウジングと前記ケースとの間に配置され、前記ケースに対して前記ハウジングを支持する複数のＯリングと、
   を備え、前記複数のタービン羽根に気体が噴出されることにより前記回転軸を回転駆動するスピンドル装置であって、
   前記回転軸の径方向から見た前記ラジアル軸受の投影面積は、前記回転軸の軸方向から見た前記スラスト軸受の面積より小さく、
   前記回転軸の軸方向において、前記ラジアル軸受の中心と前記回転軸の重心との間には、少なくとも１つの前記Ｏリングが配置されることを特徴とするスピンドル装置。
2. 前記ラジアル軸受及び前記スラスト軸受は、円筒状の多孔質部材であることを特徴とする請求項１に記載のスピンドル装置。

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