JP5891743B2 - 静圧気体軸受スピンドル及び静電塗装装置 - Google Patents

Description

本発明は、ハウジング内の気体軸受に高圧気体を供給して主軸を回転自在に支持すると共に、タービン羽根に高圧気体を供給して主軸を高速回転する静圧気体軸受スピンドル及びこの静圧気体軸受スピンドルを使用した静電塗装装置に関する。

静圧気体軸受スピンドルは、主軸を高圧気体の圧力により非接触状態で支持するため、他の軸受形式に比べて摩擦損失が小さく、高速スピンドルに適しており、従来、静電塗装装置、研削盤、小径穴明機などのスピンドルに使用されている。
図５及び図６は、静電塗装装置のスピンドルに適用した従来の静圧気体軸受スピンドルを示すものである。

この静圧気体軸受スピンドルは、中空形状の主軸２と、この主軸２の一部を外部に突出させて収納しているハウジング３とを備えている。
主軸２は、円筒形状の主軸本体４と、主軸本体４の一端部に形成したワーク固定部５と、主軸本体４の他端部に形成したフランジ６とで構成されている。
ハウジング３は、主軸本体４を収納するハウジング本体７と、ハウジング本体７と締結ボルト（不図示）を介して一体化されてフランジ６を収納するプレート部８とで構成されている。

主軸本体４及びフランジ６は、ラジアル軸受９及びアキシアル軸受１０により非接触状態で支持されている。
ラジアル軸受９及びアキシアル軸受１０は、ハウジング３に設けた気体供給路１１と連通する給気ノズル９ａ，９ｂ，９ｃ，１０ａが設けられており、プレート部８に形成した軸受エア供給口８ａから供給された高圧気体が、気体供給路１１、給気ノズル９ａ，９ｂ，９ｃ，１０ａを介してラジアル軸受９及びアキシアル軸受１０の軸受隙間に供給される。なお、アキシアル軸受１０には磁石（不図示）が組み込まれており、空気の反発と磁石の吸引力とがバランスして適正な軸受隙間が保たれている。

主軸２のフランジ６の外周面には、円周方向に所定間隔で多数のタービン羽根１２が形成されている。
ハウジング３のプレート部８は、多数のタービン羽根１２を外周及び高さ方向から囲むタービン収納凹部１３と、プレート部８の軸方向に形成されて外部からタービン用エアが供給されるタービンエア吸気口１４と、プレート部８の内面外周側に形成されてタービンエア吸気口１４に連通する円周溝１５と、円周溝１５及びタービン収納凹部１３の間を連通するようにプレート部８の内面に形成した複数のタービン用ノズル１６とを備えている。

また、主軸２のワーク固定部５には、塗料拡散用のカップ１７が着脱自在に装着されている。
そして、軸受エア供給口８ａから供給した高圧気体がラジアル軸受９及びアキシアル軸受１０の軸受隙間に供給されることで、主軸２が非接触状態で支持される。そして、タービン用ノズル１６からタービン羽根１２に向かって高圧気体が噴出することで、主軸２に回転力が与えられてカップ１７が高速回転する。これにより、カップ１７に塗料供給管（不図示）を通して塗料を供給すると、カップ１７の遠心力によって塗料が微細化されて塗装が行われる。

ところで、フランジ６に形成されている多数のタービン羽根１２は、羽根外径側から羽根内径側までの高さが同一寸法に設定されており、これらタービン羽根１２を囲っているプレート部８のタービン収納凹部１３の高さは、タービン羽根１２より僅かに高い寸法に設定されている。
そして、タービン羽根１２は、図６に示すように、各タービン羽根１２の厚みを増大させることで、隣接するタービン羽根の羽根外径側の羽根間距離Ｃに対して、隣接するタービン羽根の羽根内径側の羽根間距離Ｄを小さくしている（Ｄ＜Ｃ）。このようなタービン羽根１２の配列にすることで、タービン用ノズル１６の開口部に近接しているタービン羽根１２の羽根外径側を、タービン用ノズル１６から噴出する気体のエネルギを受けて回転力を発生する衝動部としている。また、羽根外径側の羽根間距離Ｃに対して羽根内径側の羽根間距離Ｄを小さくすることで隣接するタービン羽根１２，１２の間の流路断面積を徐々に減少させ、タービン羽根１２，１２の間を通過する気体の流速を増大させているタービン羽根１２の羽根内径側（タービン用ノズル１６の開口部から離間した側）は、主軸２の回転方向の後方に気体を噴出させて回転力を発生させる反動部とされている。

ところで、上述したように隣接するタービン羽根の羽根外径側の羽根間距離Ｃと羽根内径側の羽根間距離Ｄとの関係をＤ＜Ｃにすると、タービン羽根の厚みが厚くなって主軸２の質量が増大し、質量が増大した主軸２は、慣性モーメントの増大により加減速時間が長くなるので回転効率が悪くなるという問題がある。また、タービン羽根の質量増により遠心力による応力が高くなり、回転数を抑えなければならなくなる。

そこで、例えば特許文献１に記載されているように、各タービン羽根（特許文献１では回転翼と称している）の厚みを増大させず（反動部を設けず）、タービン羽根の回転方向の前方を向く第１の面の外周部（羽根外径側）に前方平面部を設け、第１の面の内周部（羽根内径側）に前方局面部を設け、前述した前方平面部と、タービン用ノズルから供給される気体の噴出方向とが実質的に平行となるように構成することで、気体の流れに乱れを生じさせず、エネルギ損失を抑制して高効率で主軸を回転させる技術が知られている。

特開２００６−３０００２４号公報

しかし、特許文献１は、多数のタービン羽根の第１の面に、気体の噴出方向と実質的に平行となる前方平面部を高精度に形成しなければならず、タービン羽根の形成に複雑な工程が必要となるので、製造コストが高騰するおそれがある。また、図６で示した隣接するタービン羽根の羽根外径側の羽根間距離Ｃに対して隣接するタービン羽根の羽根内径側の羽根間距離Ｄを小さくして反動部を設ける構造と比較すると、主軸の回転効率が低下する。

そこで、本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、高効率に主軸を回転させるとともに、製造コストの低減化を図ることができる静圧気体軸受スピンドル及び静電塗装装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明に係る請求項１記載の静圧気体軸受スピンドルは、主軸と、前記主軸を収納するハウジングと、高圧気体の供給により、前記ハウジングに対して前記主軸を非接触で回転自在に支持する気体軸受と、前記主軸の一部の円周方向に配列した複数のタービン羽根と、前記複数のタービン羽根を囲っている前記ハウジングの内部に設けられ、前記複数のタービン羽根に向かって高圧気体を噴出して前記主軸を回転させるタービン用ノズルと、を備えた静圧気体軸受スピンドルにおいて、前記複数のタービン羽根は、前記タービン用ノズルから供給された前記高圧流体が流れる方向に向かって羽根高さが徐々に低くなり、かつ羽根外径側の高さに対して羽根内径側の高さが小さくなるように、前記羽根外径側の一端から前記羽根内径側に向かって伸びる背高外径部と、前記羽根内径側の一端から前記羽根外径側に向かって伸びる背低内径部と、前記背高外径部から前記背低内径部に亘って傾斜する傾斜部とを備え、前記複数のタービン羽根に高さ方向から対向している前記ハウジングの内壁は、羽根高さが徐々に変化している前記タービン羽根の頂部に近接して対向するように構成されている。

また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の静圧気体軸受スピンドルにおいて、周方向に隣接する一対のタービン羽根の前記高圧流体の入側の羽根間距離と、前記一対のタービン羽根の前記高圧流体の出側の羽根間距離とを同一寸法に設定した。
また、請求項３記載の静電塗装装置は、請求項１又は２記載の静圧気体軸受スピンドルを備えている。

本発明に係る静圧気体軸受スピンドル及び静電塗装装置によれば、複数のタービン羽根を、タービン用ノズルから供給された高圧流体が流れる方向に向かって羽根高さが徐々に低くなるように形成し、前記複数のタービン羽根に高さ方向から対向しているハウジングの内壁を、羽根高さが徐々に変化しているタービン羽根の頂部に近接して対向するように形成したことで、高圧流体が流れる方向に向かって流路断面積が徐々に小さくなるので、タービン用ノズルから供給された気体が多数のタービン羽根の間を通過する際に、主軸に大きな回転力を発生することができ、高効率に主軸を回転させることができる。

本発明に係る静圧気体軸受スピンドルを示す断面図である。 図１のＩ−Ｉ線矢視図である。 本発明に係るタービン羽根の形状及びタービン羽根を高さ方向から覆っているハウジングの内壁を示す図である。 本発明に係るタービン羽根の形状を示す斜視図である。 従来の静圧気体軸受スピンドルを示す断面図である。 図５のＩＩ−ＩＩ線矢視図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下、実施形態という。）を、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１から図４は、回転霧化型静電塗装機のスピンドルに適用した本発明に係る静圧気体軸受スピンドルを示すものである。なお、図５及び図６で示した構成と同一構成部分には、同一符号を付してその説明は省略する。

本実施形態の主軸２のフランジ６の外周面には、円周方向に所定間隔で多数のタービン羽根２０が形成されている。
各タービン羽根２０は、図３及び図４に示すように、羽根外径側の高さｈ１に対して羽根内径側の高さｈ２が小さくなるように、背高外径部２０ａ、背低内径部２０ｂ及びそれらの間に傾斜部２０ｃが形成されている。そして、各タービン羽根２０の厚さは、図６で示したタービン羽根１２と比較して厚みを薄くして形成されており、隣接するタービン羽根２０，２０の羽根外径側の羽根間距離Ａと羽根内径側の羽根間距離Ｂとは、同一寸法に設定されている（Ａ＝Ｂ）。

ハウジング本体７と一体化されてフランジ６を収納するプレート部８には、多数のタービン羽根２０を外周及び高さ方向から囲むタービン収納凹部２１が形成されている。
そして、多数のタービン羽根２０に対して高さ方向から対向しているタービン収納凹部２１の内壁は、図３に示すように、タービン羽根２０の背高外径部２０ａに近接して対向している環状の背高外径側内壁２１ａと、タービン羽根２０の背低内径部２０ｂに近接して対向している円形状の背低内径側内壁２１ｂと、背高外径側内壁２１ａ及び背低内径側内壁２１ｂの間でタービン羽根２０の傾斜部２０ａに近接して対向している環状の傾斜側内壁２１ｃとを備えている。

本実施形態の静圧気体軸受スピンドルは、軸受エア供給口８ａから供給した高圧気体がラジアル軸受９及びアキシアル軸受１０の軸受隙間に供給されることで、主軸２が非接触状態で支持されるとともに、タービン用ノズル１６から多数のタービン羽根２０の羽根外形側に向けて高圧気体が噴出することで、主軸２に回転力が与えられてカップ１７が高速回転する。これにより、カップ１７に塗料供給管（不図示）を通して塗料を供給すると、カップ１７の遠心力によって塗料が微細化されて塗装が行われるようになっている。

ここで、本発明の複数のタービン羽根をタービン用ノズルから供給された高圧流体が流れる方向に向かって羽根高さが徐々に低くなるように形成するという構成は、背高外径部２０ａ、背低内径部２０ｂ及び傾斜部２０ｃに対応し、本発明のタービン羽根に高さ方向から対向しているハウジングの内壁が、背高外径側内壁２１ａ、背低内径側内壁２１ｂ及び傾斜側内壁２１ｃに対応している。

次に、本実施形態において、タービン用ノズル１６からタービン羽根２０に向けて高圧気体が噴出する際の作用について説明する。
多数のタービン羽根２０は、羽根外径側から羽根内径側に向けて背高外径部２０ａ、傾斜部２０ｃ及び背低内径部２０ｂを形成し、タービン用ノズル１６から供給された気体が流れる方向に向かって羽根高さを徐々に低く設定した構造としているとともに、多数のタービン羽根２０に対して高さ方向から対向しているタービン収納凹部２１の内壁は、背高外径部２０ａに近接して対向している背高外径側内壁２１ａと、傾斜部２０ｃに近接して対向している傾斜側内壁２１ｃと、背低内径部２０ｂに近接して対向している背低内径側内壁２１ｂとを備えている。これにより、隣接するタービン羽根２０，２０と、フランジ６の外周面、タービン収納凹部２１とで囲まれてなる流路断面積は、羽根外径側から羽根内径側に向かうに従い徐々に小さく設定されている。

そして、多数のタービン羽根２０の羽根外径側（背高外径部２０ａ）は、衝動部としてタービン用ノズル１６から供給された高圧気体のエネルギを受けて主軸２に対して回転力を発生する。
また、隣接するタービン羽根２０，２０と、フランジ６の外周面と、タービン収納凹部２１とで囲まれて形成された流路断面積が、羽根外径側から羽根内径側に向かうに従い徐々に小さくなるように設定されているので、多数のタービン羽根２０の間を通過して羽根内径側に向かう気体は再度流速が増大していく。これにより、多数のタービン羽根２０の羽根内径側（背低内径側内壁２１ｂ）は、主軸２の回転方向の後方に流速が増大した気体を噴出させ、反動部として主軸２に大きな回転力を発生する。

本実施形態の効果について説明する。
本実施形態の静圧気体軸受スピンドルによると、隣接するタービン羽根２０，２０と、フランジ６の外周面と、タービン収納凹部２１とで囲まれて形成された流路断面積が、羽根外径側から羽根内径側に向かうに従い徐々に小さくなるように設定されているので、タービン用ノズル１６から供給された気体が多数のタービン羽根２０の間を通過すると、主軸２に大きな回転力を発生する。また、隣接するタービン羽根２０，２０の羽根外径側の羽根間距離Ａと羽根内径側の羽根間距離Ｂとを同一寸法に設定し、各タービン羽根２０の厚みを薄く設定したことから主軸２の質量が減少し、主軸２の慣性モーメントは低減する。したがって、タービン用ノズル１６から供給された気体が多数のタービン羽根２０の間を通過することで、多数のタービン羽根２０の衝動部及び反動部から主軸２に大きな回転力が付与され、慣性モーメントが低減した主軸２が回転するので、高効率に主軸２を回転させることができる。

また、本実施形態の多数のタービン羽根２０は、エネルギ損失を抑制するための特殊加工を施しておらず、隣接するタービン羽根２０，２０の羽根外径側の羽根間距離Ａと羽根内径側の羽根間距離Ｂとを同一寸法に設定した簡便な構造としているので、タービン羽根２０を形成する際に複雑な工程を必要とせず、製造コストの低減化を図ることができる。

２…主軸、３…ハウジング、４…主軸本体、５…ワーク固定部、６…フランジ、７…ハウジング本体、８…プレート部、８ａ…軸受エア供給口、９…ラジアル軸受、９ａ，９ｂ，９ｃ，１０ａ…給気ノズル、１０…アキシアル軸受、１１…気体供給路、１４…タービンエア吸気口、１５…円周溝、１６…タービン用ノズル、１７…カップ、２０…タービン羽根、２０ａ…背高外径部、２０ｂ…背低内径部、２０ｃ…傾斜部、２１…タービン収納凹部、２１ａ…背高外径側内壁、２１ｂ…背低い内径側内壁、２１ｃ…傾斜側内壁、Ａ，Ｂ…羽根間距離

Claims (3)

1. 主軸と、前記主軸を収納するハウジングと、高圧気体の供給により、前記ハウジングに対して前記主軸を非接触で回転自在に支持する気体軸受と、前記主軸の一部の円周方向に配列した複数のタービン羽根と、前記複数のタービン羽根を囲っている前記ハウジングの内部に設けられ、前記複数のタービン羽根に向かって高圧気体を噴出して前記主軸を回転させるタービン用ノズルと、を備えた静圧気体軸受スピンドルにおいて、
   前記複数のタービン羽根は、前記タービン用ノズルから供給された前記高圧流体が流れる方向に向かって羽根高さが徐々に低くなり、かつ羽根外径側の高さに対して羽根内径側の高さが小さくなるように、前記羽根外径側の端から前記羽根内径側に向かって伸びる背高外径部と、前記羽根内径側の端から前記羽根外径側に向かって伸びる背低外径部と、前記背高外径部から前記背低外径部に亘って傾斜する傾斜部とを備え、
   前記複数のタービン羽根に高さ方向から対向している前記ハウジングの内壁は、羽根高さが徐々に変化している前記タービン羽根の頂部に近接して対向するように構成されていることを特徴とする静圧気体軸受スピンドル。
2. 周方向に隣接する一対のタービン羽根の前記高圧流体の入側の羽根間距離と、前記一対のタービン羽根の前記高圧流体の出側の羽根間距離とを同一寸法に設定したことを特徴とする請求項１記載の静圧気体軸受スピンドル。
3. 請求項１又は２記載の静圧気体軸受スピンドルを備えていることを特徴とする静電塗装装置。

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