JP2021011836A - スピンドル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】軽量化及び小型化が可能で、かつ、アンバランスによりモーメントが発生した場合でも、気体軸受の隙間を無くすことなく、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】搭載物１の重心Ｇからラジアル軸受２０の軸方向中心Ｃまでの距離Ｌ１は、スラスト軸受２１の最外径Ｌ２より小さい。【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、静電塗装機のスプレイガン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ラジアル軸受と、回転軸をスラスト方向に支持するスラスト軸受と、回転軸をラジア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、を備えるものが開示されている。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、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、Ｏリングの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、静電塗装機用のスピンドル装置は、ロボットアーム等の先端に搭載された状態で使用される。近年、省エネルギー、省資源の観点からロボットの軽量化や小型化が強く求められていることから、高速回転（１，０００〜１５０，０００ｍｉｎ^−１）で運転されるスピンドル装置に対しても軽量化や小型化が要求される。さらに、環境問題や塗装コスト削減のために、塗装色の色換え時などにおける塗料廃棄量の削減が求められている。

しかしながら、特許文献１に記載のスピンドル装置では、振動を吸収してスピンドルの動作を安定させることは記載されているものの、スピンドル装置の軽量化や小型化に対する対策について記載されていない。また、静電塗装機用のスピンドル装置では、ベルカップ部の汚れ、傷等により発生する回転軸の重心と回転中心軸とのズレ（以降はアンバランスと記すこともある）により発生するモーメントに耐え得る構造が求められている。

また、特許文献１に記載のスピンドル装置では、ハウジングをＯリングによって支持する構造であるため、Ｏリングによるコストアップだけでなく、Ｏリングの寿命を考慮する必要がある。

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、軽量化及び小型化が可能で、かつ、アンバランスによりモーメントが発生した場合でも、気体軸受の隙間を無くすことなく、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、前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非接触で支持するスラスト軸受と、
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、
前記搭載物の重心から前記ラジアル軸受の軸方向中心までの距離は、前記スラスト軸受の最外径より小さい、スピンドル装置。
（２） 前記回転軸は、該回転軸の後端部に前記回転軸から径方向外方に延設されたフランジ部を備え、
前記スラスト軸受は、前記フランジ部の一方の側面に対向して前記フランジ部に軸方向の吸引力を作用させる磁石、及び前記フランジ部の前記一方の側面に対向するように前記ハウジングに取り付けられ、気体の供給により前記フランジ部に向けて圧縮空気を吹き付ける気体軸受を備える、（１）に記載のスピンドル装置。
（３） 前記ラジアル軸受は、多孔質絞り方式の気体軸受である、（１）又は（２）に記載のスピンドル装置。
（４） 前記ラジアル軸受は、軸方向寸法（Ｌ）と内径（Ｄ）との比が、０．５≦Ｌ／Ｄ≦１．５となるように構成される、（１）〜（３）のいずれかに記載のスピンドル装置。
（５） 前記スラスト軸受を構成する気体軸受は、自成絞り方式である、（１）〜（４）のいずれかに記載のスピンドル装置。
（６） 前記ハウジングは、比重が４．０以下であり、前記ラジアル軸受及び前記スラスト軸受を構成する気体軸受を締め代を持って嵌合させる、（１）〜（５）のいずれかに記載のスピンドル装置。
なお、ラジアル軸受の軸方向中心とは、ラジアル軸受として機能（ラジアル方向の荷重を支持）している範囲の出力側端面と反出力側端面の軸方向中心を意味する。

本発明のスピンドル装置によれば、搭載物の重心からラジアル軸受の軸方向中心までの距離は、スラスト軸受の最外径より小さいので、回転軸、即ち、スピンドル装置の軸方向長さが短くなり、スピンドル装置が小型、軽量化される。これにより、スピンドル装置が搭載されるロボットを小型化することができる。また、アンバランスによりモーメントが発生した場合でも、該モーメントを最外径が比較的大きなスラスト軸受で受けることができ、気体軸受の隙間が無くなることはなく、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。

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に示す出力側である左側を前側と称し、反出力側である右側を後側と称する。

図１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、気体軸受２１Ａと磁気軸受２１Ｂとの複合軸受であるスラスト軸受２１と、回転軸１２を収容するハウジング３０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が前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フランジ部１６と、を備え、中空円筒状に形成されている。ベルカップ１が取り付けられる円筒部１５の前端側は、前端に向かって次第に細くなるテーパー状に形成されており、ベルカップ１のテーパー孔１ａと嵌合することで円筒部１５の前端側にベルカップ１が取り付けられる。また、複数のタービン羽根１１は、フランジ部１６の外周面を加工することで形成されている。

回転軸１２は、高速回転するため、回転時のアンバランスを抑えることが重要である。このため、回転軸１２は、中空部１５ａを加工してバランス修正することで、回転時の抵抗を低減する。

ハウジング３０は、ハウジング本体３１と、ハウジング本体３１の前部に固定される略円盤状の前蓋部３２と、ハウジング本体３１の後部に固定される後ハウジング３３と、を有する。

本実施形態では、ハウジング本体３１、前蓋部３２、及び後ハウジング３３の素材には、アルミニウム（比重２．７）が使用されているが、これらの素材は、アルミニウムに限定されず、例えば、セラミックなどの比重が４．０以下（比重が７．８５である鉄の約半分以下）の素材が好ましい。さらに樹脂やＣＦＲＰなどの比重が３．０以下の素材がより好ましい。また、これらの素材を組み合わせてハウジング３０を構成してもよい。これにより、スピンドル装置１０の軽量化が図られるので、スピンドル装置１０を搭載するロボットの軽量化やエネルギー消費を抑制（省エネルギー）することができる。

ハウジング本体３１は、回転軸１２の円筒部１５の周囲に設けられ、内周面３４ａにラジアル軸受２０が取り付けられる小径の円筒部分３４と、回転軸１２のフランジ部１６の前方に設けられ、円筒部分３４の後端部から径方向外方に延出する大径の円板部３５とを備え、中空、且つ段付き形状に形成されている。円板部３５には、スラスト軸受２１の気体軸受２１Ａを収容するように、後方に開口する、断面矩形状の環状溝３６が形成されている。また、円板部３５には、磁石５０を収容するように、後方に開口する磁石取付部３７が、環状溝３６の内径側に形成されている。

後ハウジング３３は、中空円筒状に形成され、ハウジング本体３１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。また、ハウジング本体３１には、円筒部分３４の外周面３４ｂから内周面３４ａに向けて径方向に貫通形成された軸受気体供給路４０が形成されている。軸受気体供給路４０は、内周面３４ａに配置されたラジアル軸受２０に、不図示の圧縮空気供給源から圧縮空気を供給する。

また、ハウジング本体３１及び後ハウジング３３には、後ハウジング３３の後端面から軸方向に形成され、さらに円板部３５で径方向内方に屈曲形成された軸受気体供給路４１が設けられている。軸受気体供給路４１は、環状溝３６に配置された気体軸受２１Ａに、不図示の圧縮空気供給源から圧縮空気を供給する。
なお、前蓋部３２も、ハウジング本体３１の前端面に不図示のボルトによって締結固定される。

ラジアル軸受２０は、グラファイトからなる円筒状の多孔質部材であり、ハウジング本体３１の内周面３４ａに締め代を持って嵌合固定されている。ラジアル軸受２０の内周面は、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、軸受気体供給路４０から供給される圧縮空気を、回転軸１２の円筒部１５の外周面に向けて吹き付ける。

これにより、ラジアル軸受２０は、回転軸１２とラジアル軸受２０との隙間に発生する圧力差により回転軸１２をハウジング３０に対して非接触で浮上支持する。
なお、ラジアル軸受２０は、グラファイトで形成される多孔質絞り方式の気体軸受によって構成されている。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。
また、ラジアル軸受２０は、単一の部材に限定されず、必要に応じて複数個に分割して配置されていてもよい。

スラスト軸受２１を構成する気体軸受２１Ａは、グラファイトからなる略円筒状の多孔質部材であり、気体軸受２１Ａの軸方向後端面２２が、回転軸１２のフランジ部１６の前側面１６ａに対向するようにして、環状溝３６に締め代を持って嵌合固定されている。気体軸受２１Ａは、自成絞り方式によって構成されており、気体軸受２１Ａの軸方向後端面２２には、軸受気体供給路４１に連通する不図示の複数の小径孔が開口している。気体軸受２１Ａは、軸受気体供給路４１から供給される圧縮空気を、複数の小径孔からフランジ部１６の前側面１６ａに向けて吹き付け、フランジ部１６の前側面１６ａと気体軸受２１Ａとの隙間に発生する圧力差により回転軸１２をハウジング３０に対して後方に引き離す。

また、スラスト軸受２１を構成する磁気軸受２１Ｂは、磁石ヨーク５１によって保持される磁石５０を有する。磁石ヨーク５１は、ハウジング３０の円板部３５の後端面３５ａに形成された磁石取付部３７に螺合して取り付けられる。この状態で、永久磁石である磁石５０は、フランジ部１６の前側面１６ａに近接対向している。従って、フランジ部１６は、磁石５０の磁力により前方に引き寄せられる。

これにより、本実施形態のスラスト軸受２１では、磁気軸受２１Ｂによって、磁石５０の引きつける力（磁気力）と、気体軸受２１Ａによって、フランジ部１６の前側面１６ａに向けて圧縮空気を吹き付けることで生じる反力とによって、回転軸１２がハウジング３０に対して非接触でスラスト方向に支持される、また、磁石５０によって、回転軸１２の後方への抜け（ハウジング３０から回転軸１２が分離すること）が防止される。

このような複合軸受からなるスラスト軸受２１で回転軸１２をスラスト方向に支持することは、気体軸受のみで回転軸１２を支持する場合と比べて、軸受損失が小さい。
また、気体軸受のみで回転軸１２を支持する場合は、フランジ部１６の両側から気体を吹き付ける必要があるため、スピンドル装置１０の軸方向長さが長くなるが、磁石５０を用いた場合は、フランジ部１６の２つの側面のうち一方の側面に気体の吹き付けと磁石５０による引きつけとを行うので、スピンドル装置１０の軸方向長さを短くできる。

なお、気体の吹き付けと磁石５０による引きつけは、フランジ部１６の２つの側面のうち前側面１６ａに対して行う方が好ましい。これにより、気体軸受２１Ａ（気体の噴出部）及び磁気軸受２１Ｂが、フランジ部１６の前端側に配置されるので、フランジ部１６の後端側に配置するよりも、スピンドル装置１０の軸方向長さを短くできる。また、ラジアル軸受２０とスラスト軸受２１の気体軸受２１Ａを別々に構成する場合には、磁石５０を気体軸受２１Ａに対して内径側に配置することで、気体軸受２１Ａの軸受気体供給路４１のレイアウトを容易に構成することができる。

後ハウジング３３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不図示のタービンエア供給経路が、軸受気体供給路４０，４１とは別位相で形成される。さらに、後ハウジング３３には、タービンエア供給経路と連通する不図示の複数のノズルが、タービン羽根１１に対向して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の気体軸受２１Ａに気体（圧縮空気）を供給することで、回転軸１２がハウジング３０に非接触で回転自在に支持された状態となる。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ーを回転軸１２の回転駆動力に変換して、回転軸１２が回転駆動される。

本実施形態のスピンドル装置１０が、静電塗装用に使用される場合、スピンドル装置１０は、ロボットアームの先端に取り付けられる。そして、回転軸１２の中空部１５ａに塗料吐出のチューブが挿入され、タービンエア供給経路を介して複数のノズルからタービン羽根１１に向けて圧縮空気を噴出することで回転軸１２を高速回転させて、塗料を霧状にして塗装を行う。

また、本実施形態のスピンドル装置１０では、搭載物１の重心Ｇからラジアル軸受２０の軸方向中心Ｃまでの軸方向距離Ｌ１は、スラスト軸受２１の最外径Ｌ２より小さく設定されている。本実施形態の場合、スラスト軸受２１の最外径Ｌ２は、フランジ部１６の最外径と同一寸法である。
このような設定は、回転軸１２の軸方向長さを短くすることで与えられ、スピンドル装置１０が小型、軽量化される。従って、スピンドル装置１０が搭載されるロボットを軽量化することができ、省エネルギー、省電力に寄与する。さらに、回転軸１２の軸方向長さが短くなることで、塗装経路が短縮され、塗装色の色換え時などにおける塗料廃棄量が削減されて省資源と共に、環境問題に寄与する。

また、ラジアル軸受２０は、軸方向寸法（Ｌ）と内径（Ｄ）との比が、０．５≦Ｌ／Ｄ≦１．５となるように構成されている。これは、Ｌ／Ｄが０．５よりも小さいと、ラジアル軸受２０の負荷能力が不足して、回転軸１２のアンバランス等により、ラジアル軸受２０と回転軸１２とが接触する可能性がある。また、Ｌ／Ｄが１．５よりも大きいと、スピンドル装置１０の小型化・軽量化（省エネルギー）の効果が小さい。

ここで、ラジアル軸受２０の軸方向中心Ｃとは、ラジアル軸受２０として機能している範囲の出力側端面２０ａと反出力側端面２０ｂの軸方向中心を意味する。従って、ラジアル軸受２０が複数個に分割されている場合も、ラジアル軸受２０の軸方向中心Ｃは、ラジアル軸受２０として機能している範囲の出力側端面と反出力側端面の軸方向中心を意味する。

また、搭載物１が取り付けられていない状態の回転軸１２のアンバランスは、中空部１５ａを加工することでバランス修正が可能ではあるが、回転軸１２の前端部に搭載物１が取り付けられることで、搭載物１の重心Ｇが前端側に位置する。搭載物１にアンバランスがあると、回転軸１２には、回転に伴ってアンバランスによるモーメントが発生する。

本実施形態では、スラスト軸受２１の最外径Ｌ２が比較的大きく設定されているので、搭載物１のアンバランスにより比較的大きなモーメントが発生した場合でも、スラスト軸受２１で受けることができ、気体軸受の隙間が無くなることはなく、回転軸を安定して回転維持することができる。

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１０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、気体軸受２１Ａと磁気軸受２１Ｂでスラスト軸受２１を構成して回転軸１２をスラスト方向に支持する構成としたが、本発明はこれに限らず、複数の気体軸受を用いて、気体の供給により、回転軸１２をスラスト方向に支持する構成であってもよい。

さらに、本発明のラジアル軸受２０は、多孔質絞り方式に限定されず、また、本発明のスラスト軸受２１の気体軸受２１Ａも、自成絞り方式に限定されず、いずれも、他の方式の気体軸受が適用されてもよい。

また、ラジアル軸受２０とスラスト軸受２１の気体軸受２１Ａは、それぞれ別体で形成されてハウジング３０に締め代を持って嵌合されるとして説明したが、ラジアル軸受２０とスラスト軸受２１の気体軸受２１Ａとが一体成形されてハウジング３０に締め代を持って嵌合されてもよい。

１ ベルカップ（搭載物）
１０ スピンドル装置
１１ タービン羽根
１２ 回転軸
１６ フランジ部
１６ａ 前側面（フランジ部の一方の側面）
２０ ラジアル軸受
２１ スラスト軸受
２１Ａ 気体軸受
２１Ｂ 磁気軸受
３０ ハウジング
５０ 磁石
Ｃ ラジアル軸受の軸方向中心
Ｄ ラジアル軸受の内径
Ｇ 搭載物の重心
Ｌ ラジアル軸受の軸方向寸法
Ｌ１ 搭載物の重心からラジアル軸受の軸方向中心までの距離
Ｌ２ スラスト軸受の最外径

Claims (6)

1. 複数のタービン羽根が円周方向に亙って設けられ、前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非接触で支持するスラスト軸受と、
   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、
   前記搭載物の重心から前記ラジアル軸受の軸方向中心までの距離は、前記スラスト軸受の最外径より小さい、スピンドル装置。
2. 前記回転軸は、該回転軸の後端部に前記回転軸から径方向外方に延設されたフランジ部を備え、
   前記スラスト軸受は、前記フランジ部の一方の側面に対向して前記フランジ部に軸方向の吸引力を作用させる磁石、及び前記フランジ部の前記一方の側面に対向するように前記ハウジングに取り付けられ、気体の供給により前記フランジ部に向けて圧縮空気を吹き付ける気体軸受を備える、請求項１に記載のスピンドル装置。
3. 前記ラジアル軸受は、多孔質絞り方式の気体軸受である、請求項１又は２に記載のスピンドル装置。
4. 前記ラジアル軸受は、軸方向寸法（Ｌ）と内径（Ｄ）との比が、０．５≦Ｌ／Ｄ≦１．５となるように構成される、請求項１〜３のいずれか１項に記載のスピンドル装置。
5. 前記スラスト軸受を構成する気体軸受は、自成絞り方式である、請求項１〜４のいずれか１項に記載のスピンドル装置。
6. 前記ハウジングは、比重が４．０以下であり、前記ラジアル軸受及び前記スラスト軸受を構成する気体軸受を締め代を持って嵌合させる、請求項１〜５のいずれか１項に記載のスピンドル装置。

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