JP5929495B2 - Spindle device and electrostatic coating device - Google Patents
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Description
本発明はスピンドル装置及び静電塗装装置に関する。 The present invention relates to a spindle apparatus and an electrostatic coating apparatus.
例えば特許文献1,2には、スピンドル装置や塗料噴霧装置に使用される衝動式のタービン羽根車が開示されている。このタービン羽根車は、ノズルから噴出された気体を受ける複数のタービン翼を備えているが、このタービン翼の形状の工夫によって、噴出された気体の衝撃力をタービン羽根車の回転駆動力に変換する効率を高めている。
具体的には、タービン翼は、タービン羽根車の回転方向の後方に向き気体を受ける後方曲面と、タービン羽根車の回転方向の前方を向き隣のタービン翼の後方曲面に対向する前方曲面とを備えているが、両曲面の曲率を規定することにより、タービン羽根車からの気体の排気効率を向上させている。その結果、低流量の気体で高速回転、高トルクを実現している。
For example,
Specifically, the turbine blade has a rear curved surface that receives the gas directed rearward in the rotational direction of the turbine impeller, and a front curved surface that faces the rear curved surface of the adjacent turbine blade facing forward in the rotational direction of the turbine impeller. Although it is provided, the exhaust efficiency of gas from the turbine impeller is improved by defining the curvature of both curved surfaces. As a result, high speed rotation and high torque are realized with a low flow rate gas.
特許文献1,2のタービン羽根車は、噴出された気体の衝撃力を効率的にタービン羽根車の回転駆動力に変換しているが、気体の運動エネルギーをさらに高効率で回転駆動力に変換することが望まれていた。
また、タービン羽根車を高速回転させると、遠心力の作用により変形や損傷が生じるおそれがあるので、それらを防止することが求められていた。
そこで、本発明は上記のような従来技術が有する問題点を解決し、気体の運動エネルギーを高効率で回転駆動力に変換するとともに、高速回転させても変形や損傷が生じにくいスピンドル装置及び静電塗装装置を提供することを課題とする。
The turbine impellers of
Moreover, since there exists a possibility that a deformation | transformation and damage may arise by the effect | action of a centrifugal force when a turbine impeller is rotated at high speed, it was calculated | required to prevent them.
Accordingly, the present invention solves the above-mentioned problems of the prior art, converts the kinetic energy of the gas into a rotational driving force with high efficiency, and is free from deformation and damage even when rotated at high speed. It is an object to provide an electropainting device.
前記課題を解決するため、本発明の態様は、次のような構成からなる。すなわち、本発明の一態様に係るスピンドル装置は、略筒状のハウジングと、前記ハウジングに挿通され軸受を介して回転自在に支持された回転軸と、前記回転軸に同心に取り付けられ前記回転軸と一体に回転するタービン羽根車と、前記タービン羽根車を回転させるための気体を噴出するノズルと、前記タービン羽根車に形成され前記ノズルから噴出された気体を受ける複数のタービン翼と、を備え、以下の8つの条件A〜Hを満足することを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, an aspect of the present invention has the following configuration. That is, a spindle device according to an aspect of the present invention includes a substantially cylindrical housing, a rotary shaft that is inserted through the housing and is rotatably supported via a bearing, and the rotary shaft that is concentrically attached to the rotary shaft. A turbine impeller that rotates integrally with the turbine impeller, a nozzle that ejects gas for rotating the turbine impeller, and a plurality of turbine blades that are formed in the turbine impeller and receive the gas ejected from the nozzle. The following eight conditions A to H are satisfied.
条件A:前記タービン羽根車は、前記回転軸とは別体の円板状部材であり、その中心に貫通孔が形成されていて、該貫通孔に挿通された前記回転軸に前記タービン羽根車が取り付けられている。
条件B:前記複数のタービン翼は、前記タービン羽根車の2つの板面のうち一方の板面側に形成されており、前記タービン羽根車の外周に沿って環状に並べられている。
条件C:前記タービン羽根車を支持して前記タービン羽根車の軸方向の変形を抑制する変形抑制部が、前記タービン羽根車の2つの板面のうち前記タービン翼が形成されていない板面に隣接して、前記回転軸に設けられている。
条件D:隣接するタービン翼同士の間隔は等間隔とされている。
条件E:前記各タービン翼は、前記タービン羽根車の回転方向の前方に向く前方面と、前記タービン羽根車の回転方向の後方に向き前記気体を受ける後方面と、を備えている。
Condition A: The turbine impeller is a disc-like member separate from the rotating shaft, and a through hole is formed at the center thereof, and the turbine impeller is inserted into the rotating shaft inserted through the through hole. Is attached.
Condition B: The plurality of turbine blades are formed on one of the two plate surfaces of the turbine impeller, and are arranged in an annular shape along the outer periphery of the turbine impeller.
Condition C: The deformation suppression unit that supports the turbine impeller and suppresses deformation in the axial direction of the turbine impeller is a plate surface on which the turbine blade is not formed, of the two plate surfaces of the turbine impeller. Adjacent to the rotating shaft.
Condition D: The intervals between adjacent turbine blades are equal.
Condition E: Each turbine blade includes a front surface facing forward in the rotational direction of the turbine impeller, and a rear surface facing rearward in the rotational direction of the turbine impeller and receiving the gas.
条件F:前記後方面は、曲率半径R1を有する凹状円柱面であり、前記前方面は、R1よりも大きい曲率半径R2を有する凸状円柱面と平面との間に、R1よりも小さい曲率半径R3を有する凸状円柱面を配して、滑らかに連続させた面である。
条件G:隣接する2つのタービン翼の対向する前方面と後方面とに挟まれた空間が、前記凹状円柱面の円弧状湾曲に沿う方向に前記気体が流れる流路を構成し、前記ノズルから噴出された気体が、前記流路の一端側の開口から流入し、前記凹状円柱面の円弧状湾曲に沿う方向に流れて他端側の開口から流出するようになっている。
Condition F: The rear surface is a concave cylindrical surface having a radius of curvature R1, and the front surface has a radius of curvature smaller than R1 between a convex cylindrical surface having a radius of curvature R2 larger than R1 and a plane. It is the surface which provided the convex cylindrical surface which has R3, and was made to continue smoothly.
Condition G: a space sandwiched between the opposed front and rear surfaces of two adjacent turbine blades constitutes a flow path for the gas to flow in a direction along the arcuate curve of the concave cylindrical surface, and from the nozzle The ejected gas flows from the opening on one end side of the flow path, flows in a direction along the arcuate curve of the concave cylindrical surface, and flows out from the opening on the other end side.
条件H:前方面を構成する3つの面のうち曲率半径R2を有する凸状円柱面が、曲率半径R3を有する凸状円柱面を挟んで前記流路の流入口側に配され、平面が前記流路の流出口側に配されている。
上記のスピンドル装置においては、以下の条件Iをさらに満足することが好ましい。
条件I:前記変形抑制部を構成する材料は、前記タービン羽根車を構成する材料よりも引張強度が高い。
Condition H: A convex cylindrical surface having a radius of curvature R2 among the three surfaces constituting the front surface is disposed on the inlet side of the flow path across the convex cylindrical surface having a radius of curvature R3. It is arranged on the outlet side of the channel.
In the above spindle apparatus, it is preferable that the following condition I is further satisfied.
Condition I: The material constituting the deformation suppressing part has higher tensile strength than the material constituting the turbine impeller.
また、上記のスピンドル装置においては、以下の3つの条件J〜Lをさらに満足することが好ましい。
条件J:後方面の前記流出口側端部における接平面と、この後方面の前記流出口側端部の回転軌跡の前記流出口側端部における接平面とのなす角度が、20°以上50°以下である。
条件K:前方面の平面は、隣接するタービン翼の後方面と対向しているが、この対向する後方面の前記流出口側端部における接平面と平行をなしている。
条件L:曲率半径R2を有する凸状円柱面のうち前記流路の流入口から最も遠い部分と、この凸状円柱面に対向する隣接するタービン翼の後方面のうち前記流入口側端部との間の距離をAとし、前方面の平面と、この平面に対向する隣接するタービン翼の後方面の前記流出口側端部における接平面との間の距離をBとして、距離Bは距離A未満である。
In the above spindle apparatus, it is preferable that the following three conditions J to L are further satisfied.
Condition J: An angle formed between a tangential plane at the outlet side end portion of the rear surface and a tangential plane at the outlet side end portion of the rotation locus of the outlet side end portion of the rear surface is 20 ° or more and 50 ° or less.
Condition K: The plane of the front surface is opposed to the rear surface of the adjacent turbine blade, but is parallel to the tangential plane of the opposite rear surface at the end on the outlet side.
Condition L: A portion of the convex cylindrical surface having the radius of curvature R2 farthest from the inlet of the flow path, and the inlet side end of the rear surface of the adjacent turbine blade facing the convex cylindrical surface. And the distance between the plane of the front surface and the tangent plane at the outlet side end of the rear surface of the adjacent turbine blade facing the plane is B, and the distance B is the distance A Is less than.
さらに、上記のスピンドル装置においては、以下の条件Mをさらに満足することが好ましい。
条件M:前記ノズルから噴出される前記気体の噴出方向と、前記気体を受ける後方面を構成する凹状円柱面のうち前記流入口側端部と、のなす角度が75°以上105°以下である。
さらに、本発明の他の態様に係る静電塗装装置は、上記のスピンドル装置のいずれかを備えることを特徴とする。
Further, in the above spindle apparatus, it is preferable that the following condition M is further satisfied.
Condition M: The angle formed by the gas jet direction from the nozzle and the inlet side end portion of the concave cylindrical surface constituting the rear surface that receives the gas is 75 ° or more and 105 ° or less. .
Furthermore, an electrostatic coating apparatus according to another aspect of the present invention includes any one of the above spindle apparatuses.
本発明のスピンドル装置及び静電塗装装置は、タービン羽根車のタービン翼が、噴出された気体を受けてその衝撃力をタービン羽根車の回転駆動力に変換するとともに、タービン羽根車からの気体の排出による反動力も受けるので、気体の運動エネルギーを高効率で回転駆動力に変換することができる。
また、本発明のスピンドル装置及び静電塗装装置は、タービン羽根車の軸方向の変形を抑制する変形抑制部を備えているので、高速回転させても変形や損傷が生じにくい。
In the spindle device and the electrostatic coating device of the present invention, the turbine blade of the turbine impeller receives the ejected gas and converts the impact force into the rotational driving force of the turbine impeller. Since the reaction force due to the discharge is also received, the kinetic energy of the gas can be converted into a rotational driving force with high efficiency.
In addition, since the spindle device and the electrostatic coating device of the present invention are provided with a deformation suppressing portion that suppresses deformation in the axial direction of the turbine impeller, deformation and damage are unlikely to occur even when rotated at high speed.
本発明に係るスピンドル装置及び静電塗装装置の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
図1は、本発明に係るスピンドル装置の一実施形態の構造を示す断面図(回転軸の軸線を含む平面で切断した断面図)である。また、図2は、図1のスピンドル装置のタービン羽根車及びその周辺部分の構造を説明する図である。さらに、図3は、タービン翼及びノズルを拡大して示した斜視図である。さらに、図4は、タービン羽根車のタービン翼を拡大して示した正面図である。さらに、図5は、図1のスピンドル装置のフランジ部、タービン羽根車、及びその周辺部分の構造を説明する図である。
Embodiments of a spindle apparatus and an electrostatic coating apparatus according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a sectional view showing a structure of an embodiment of a spindle apparatus according to the present invention (a sectional view cut along a plane including an axis of a rotation axis). FIG. 2 is a view for explaining the structure of the turbine impeller and its peripheral portion of the spindle device of FIG. FIG. 3 is an enlarged perspective view showing the turbine blade and the nozzle. Further, FIG. 4 is an enlarged front view showing the turbine blades of the turbine impeller. Further, FIG. 5 is a view for explaining the structure of the flange portion, the turbine impeller, and the peripheral portion of the spindle device of FIG.
本実施形態のスピンドル装置は、静電塗装装置、歯科用ハンドピース等に好適に用いることができるエアタービン駆動方式のスピンドル装置であって、略筒状のハウジング1と、このハウジング1に同軸に連結された略筒状の給気用部品3と、ハウジング1及び給気用部品3に挿通された回転軸2と、回転軸2に同心に取り付けられ回転軸2と一体に回転する略円板状のタービン羽根車8と、タービン羽根車8を支持してタービン羽根車8の軸方向の変形を抑制するフランジ部6(本発明の構成要件である変形抑制部に相当する)と、を備えている。
The spindle device according to the present embodiment is an air turbine drive type spindle device that can be suitably used for an electrostatic coating device, a dental handpiece, and the like. The spindle device is coaxial with the substantially cylindrical housing 1. A substantially cylindrical
そして、この回転軸2は、ハウジング1に設けられたラジアル軸受とアキシアル軸受とによって、ハウジング1及び給気用部品3の内側に回転自在に支持されている。図1においては回転軸2は中空状であるが、中実軸を用いてもよい。
なお、本実施形態のスピンドル装置を例えば静電塗装装置用途に用いた場合には、塗料を飛散霧化するための塗装用治具であるベルカップが一体回転可能に回転軸2に取り付けられるが、本実施形態においては、回転軸2の両端のうちベルカップが取り付けられる側(図1においては左側)の端部を先端、反対側(図1においては右側)の端部を後端と記す。
The
When the spindle device of the present embodiment is used for, for example, an electrostatic coating device, a bell cup, which is a coating jig for spraying paint, is attached to the
ここで、ラジアル軸受について説明する。ハウジング1の内周面には円筒状の多孔質部材4が取り付けられており、この多孔質部材4の内周面が回転軸2の外周面に対向している。また、ハウジング1の後端部に取り付けられた給気用部品3の外面に開口する軸受用給気口11と多孔質部材4とを連通する軸受用給気路12が、ハウジング1及び給気用部品3の内部に形成されている。
そして、軸受用給気路12を介して導入した気体(例えば空気)を多孔質部材4の内周面から回転軸2の外周面に吹き付けることにより気体軸受が形成され、回転軸2のラジアル方向の動きはこの気体軸受により規制されるので、回転軸2は外周面が多孔質部材4の内周面に接触することなく回転自在に支持される。
Here, the radial bearing will be described. A cylindrical
A gas bearing is formed by blowing gas (for example, air) introduced through the bearing
次に、アキシアル軸受について説明する。回転軸2は、その後端近傍部分に、軸方向に対して直角をなす方向に突出するフランジ部6を有しており、このフランジ部6はハウジング1の後端側端面と給気用部品3との間に配されている。フランジ部6は、軸方向に対して直角をなす平面を有し、例えば、回転軸2の外周面から突出する円板部でもよいし、回転軸2よりも大径な円筒部でもよい(図1には、円板部の場合を示してある)。
ハウジング1の後端側端面には、フランジ部6の平面6aに対向するように磁石7(永久磁石でもよいし、電磁石でもよい)が取り付けられている。そして、この磁石7によりフランジ部6の平面6aに磁気力が作用して、フランジ部6がハウジング1の方(軸方向の先端側)に引きつけられている。
Next, the axial bearing will be described. The
A magnet 7 (a permanent magnet or an electromagnet) may be attached to the rear end side end surface of the housing 1 so as to face the
また、ハウジング1の後端側端面には、フランジ部6の平面6aに対向するように多孔質部材5が取り付けられている。そして、軸受用給気路12を介して導入した気体(例えば空気)を多孔質部材5からフランジ部6の平面6aに吹き付けられるようになっている。よって、フランジ部6には反力が作用して、フランジ部6は軸方向の後端側に押圧される。
Further, a
そして、多孔質部材5からフランジ部6の平面6aに気体が吹き付けられることにより生じる反力と、磁石7により生じ前記反力に釣り合う磁気力(引力)とにより、複合軸受が形成され、回転軸2のアキシアル方向の動きはこの複合軸受により規制される。よって、フランジ部6の平面6aが多孔質部材5の後端側端面に接触することなく回転軸2が回転自在に支持される。このように、ラジアル軸受及びアキシアル軸受によって、ハウジング1及び給気用部品3に接触することなく回転軸2がハウジング1に回転自在に支持されている。
A composite bearing is formed by the reaction force generated by blowing gas from the
さらに、フランジ部6の後端側には、フランジ部6に隣接してタービン羽根車8が配されている。すなわち、タービン羽根車8は、回転軸2とは別体の円板状部材であり、その中心に貫通孔が形成されていて、該貫通孔に挿通された回転軸2にタービン羽根車8が圧入、溶接等の慣用の手段により取り付けられている。そして、タービン羽根車8の両板面のうちフランジ部6と対向する側の板面とは反対側の板面8a(すなわち、後端側の板面8a)には、複数のタービン翼9が設けられている。
ここで、タービン翼9及びその周辺部分の構造について、図1〜3を参照しながらさらに詳細に説明する。略円板状のタービン羽根車8の板面8aの径方向外方部分に、複数のタービン翼9が、タービン羽根車8の外周に沿って環状に並べられており、隣接するタービン翼9同士の間隔は等間隔とされている(本発明の構成要件である条件Dに相当する)。
Further, on the rear end side of the
Here, the structure of the
なお、本実施形態においては、タービン翼9は、板面8aから軸方向後端側に突出するように形成されているが、タービン羽根車8の外周に沿って環状に並べられ且つ気体が適切に吹き付けられるならば、タービン羽根車8の径方向外方部分から軸方向後端側に突出するように円筒部を設け、この円筒部の内周面から径方向内方に突出するようにタービン翼を設けてもよい。
In the present embodiment, the
一方、給気用部品3の内周面のタービン翼9と対向する部分には、タービン羽根車8を回転させるための気体を噴出するノズル10が設けられている。ノズル10は、タービン翼9の回転軌跡の接線方向に沿う方向に向けられ、気体を同方向に噴出する。ノズル10の数は特に限定されるものではなく、1個でもよいし複数個(図2の例では3個)でもよい。
On the other hand, a
また、給気用部品3内には、給気用部品3の外面に開口するタービン用給気口14とノズル10とを連通するタービン用給気路15が、周方向に連続して形成されている。よって、タービン用給気口14から供給された気体がタービン用給気路15を通ってノズル10に至り、ノズル10から噴出され、径方向外方側からタービン翼9に吹き付けられるようになっている。タービン用給気路15は、軸受用給気路12とは別系統の給気路となっているので、軸受への給気圧を一定に保ちつつ、タービン羽根車8へ供給する気体の給気圧及び流量を正確に制御することができる。その結果、回転軸2の回転速度を正確に制御することができる。
In addition, a turbine
次に、ノズル10から噴出された気体を受けるタービン翼9の形状について、主に図4を参照しながらさらに詳細に説明する。
タービン翼9は、タービン羽根車8の板面8aから軸方向後端側に突出するように設けられている。この突出量は、ノズル10の開口径とほぼ同じ大きさとしてある。これにより、ノズル10から噴出された気体をタービン翼9で効率良く受けることができる。
Next, the shape of the
The
また、各タービン翼9は、全て同形状であり、タービン羽根車8の回転方向の前方に向く前方面21と、タービン羽根車8の回転方向の後方に向き気体を受ける後方面22と、を備えている(本発明の構成要件である条件Eに相当する)。この後方面22は、曲率半径R1を有する凹状円柱面であり、凹状円柱面の軸がタービン翼9の突出方向と同方向となるように、凹状円柱面が形成されている。
Further, each
一方、前方面21は、R1よりも大きい曲率半径R2を有する凸状円柱面21aと平面21cとの間に、R1よりも小さい曲率半径R3を有する凸状円柱面21bを配して、滑らかに連続させた面であり、全体として湾曲した略凸状面となっている(本発明の構成要件である条件Fに相当する)。このとき、前方面21を構成する3つの面21a,21b,21cの配置については、曲率半径R3を有する凸状円柱面21bを挟んで径方向外方側に、曲率半径R2を有する凸状円柱面21aが配され、径方向内方側に平面21cが配されている(本発明の構成要件である条件Hに相当する)。そして、後方面22と同様に、2つの凸状円柱面21a,21bの軸がいずれもタービン翼9の突出方向と同方向となるように、2つの凸状円柱面21a,21bが形成されているとともに、タービン翼9の突出方向と平行に平面21cが形成されている。
On the other hand, the
隣接する2つのタービン翼9,9の対向する前方面21と後方面22とに挟まれた空間に、ノズル10から気体が吹き込まれるが、該空間が気体の流路を構成する。すなわち、ノズル10から噴出された気体は、図2において矢印で示すように空間の径方向外方側端部の開口31から流入し(以下、この開口31を「流入口31」と記すこともある)、後方面22に衝突する。よって、凸状円柱面21aの曲率半径R2は、ノズル10から噴出された気体が流入口31に流入することを妨げないような大きさであることが好ましい。すなわち、湾曲度が小さく平面状に近い円柱面であることが好ましい。
Gas is blown from the
そして、気体は、後方面22を構成する凹状円柱面の円弧状湾曲に沿う方向に流れて、図2において矢印で示すように空間の径方向内方側端部の開口32(以下、この開口32を「流出口32」と記すこともある)から流出し(本発明の構成要件である条件Gに相当する)、給気用部品3の外面に開口するタービン用排気口17からスピンドル装置の外部に排気される。
Then, the gas flows in a direction along the arcuate curve of the concave cylindrical surface constituting the
また、後方面22は、以下の条件を満たしていることが好ましい。すなわち、ノズル10から噴出される気体の噴出方向と、噴出された気体を受けるタービン翼9の後方面22を構成する凹状円柱面のうち流入口側端部と、のなす角度は、75°以上105°以下であることが好ましい(本発明の構成要件である条件Mに相当する)。このような構成であれば、ノズル10から噴出される気体の衝撃力を効率良く回転駆動力に変換することができる。ノズル10から噴出される気体の衝撃力を最も高効率で回転駆動力に変換するためには、ノズル10から噴出される気体の噴出方向と、噴出された気体を受けるタービン翼9の後方面22を構成する凹状円柱面のうち流入口側端部と、のなす角度を、90°とすることが最も好ましい。
Moreover, it is preferable that the
さらに、タービン翼9に備えられた後方面22は、以下の条件を満たしていることが好ましい。すなわち、後方面22の流出口側端部における接平面41と、この後方面22の流出口側端部の回転軌跡の流出口側端部における接平面43とのなす角度θは、20°以上50°以下であることが好ましく(本発明の構成要件である条件Jに相当する)、40°であることが特に好ましい。
さらに、前方面21の平面21cは、以下の条件を満たしていることが好ましい。すなわち、前方面21の平面21cは、隣のタービン翼9の後方面22と対向しているが、この対向する後方面22の流出口側端部における接平面42と平面21cとは、平行をなしていることが好ましい(本発明の構成要件である条件Kに相当する)。
Furthermore, it is preferable that the
Furthermore, it is preferable that the
さらに、曲率半径R2を有する凸状円柱面21aのうち流路の流入口31から最も遠い部分と、この凸状円柱面21aに対向する隣のタービン翼9の後方面22のうち流入口側端部との間の距離をAとし、前方面21の平面21cと、この平面21cに対向する隣のタービン翼9の後方面22の流出口側端部における接平面42との間の距離をB(すなわち、互いに平行なこれら平面21cと接平面42とに直交する直線の両平面21c,42間の長さがBである)とした場合に、距離Bは距離A未満とすることが好ましい(本発明の構成要件である条件Lに相当する)。すなわち、流路の流出口32の幅は、流入口31の幅未満とすることが好ましい。
Further, a portion of the convex
これらの条件J,K,Lを満たしているため、流入口31から流路内に流入した気体は、後方面22への衝突により一旦流速が低下するが、その後に前方面21の平面21cと後方面22との間の部分を通過する際に流速が高められる。この流速が高められた気体が流出口32から流路外に流出する直前に反動力が生じ、この反動力を後方面22が受けるため、ノズル10から噴出される気体の衝撃力とともに該反動力も回転駆動力に変換される。よって、衝撃力のみを利用した一般的なエアタービン駆動方式のスピンドル装置と比べて、気体の運動エネルギーを極めて高効率で回転駆動力に変換することができる。その結果、比較的低流量の気体を用いても、スピンドル装置の高速回転、高トルクを達成可能である。
Since these conditions J, K, and L are satisfied, the flow rate of the gas that has flowed into the flow path from the
また、特許文献1,2に開示の技術では、気体の流路の断面積(流路内を流れる気体の流れ方向に直交する平面による断面積)が大きいので、タービン翼を切削加工で作製する場合には加工量が多くなり加工コストが高くなるが、本実施形態の技術であれば気体の流路の断面積が小さいので、タービン翼9を切削加工で作製する場合の加工量が少なく、加工コストが低い。
Further, in the techniques disclosed in
一方、スピンドル装置が高速回転すると、回転により発生する遠心力が大きくなる。すると、回転するタービン羽根車8には径方向外方に向かう遠心力が作用するが、タービン羽根車8の軸方向一方の板面8a(本実施形態においては軸方向後端側の板面)にタービン翼9が形成されているため、タービン羽根車8には軸方向他方側に向かうモーメント力(本実施形態においては軸方向先端側に向かうモーメント力であり、図5の矢印方向のモーメント力)が負荷されることとなる。その結果、タービン羽根車8に軸方向の変形が生じやすくなる。
しかしながら、本実施形態のスピンドル装置は、タービン羽根車8を支持してタービン羽根車8の軸方向の変形を抑制するフランジ部6が回転軸2に設けられている。詳述すると、タービン羽根車8の2つの板面のうちタービン翼9が形成されていない板面に隣接してフランジ部6が設けられている。
On the other hand, when the spindle device rotates at a high speed, the centrifugal force generated by the rotation increases. Then, a centrifugal force directed radially outward acts on the
However, in the spindle device of the present embodiment, the
よって、軸方向先端側に向かうモーメント力がタービン羽根車8に負荷されても、タービン羽根車8の軸方向先端側に配されたフランジ部6がタービン羽根車8を支持し、タービン羽根車8の軸方向の変形を抑制するので、スピンドル装置が高速回転条件で使用されたとしても、タービン羽根車8の軸方向の変形が防止される。また、タービン羽根車8に負荷されるモーメント力の大きさが、タービン羽根車8を構成する材料の強度以上になったとしても、フランジ部6がタービン羽根車8を支持し、タービン羽根車8の軸方向の変形を抑制するので、タービン羽根車8が破損するおそれはほとんどない。
Therefore, even if a moment force toward the axial front end is applied to the
なお、本実施形態においては、回転軸2に一体的に形成されたフランジ部6を変形抑制部としたが、回転軸2とは別体の部材を変形抑制部としても差し支えない。例えば、略円板状の部材の中心に形成された貫通孔に回転軸2を挿通して固定することにより、変形抑制部を構成してもよい。
また、変形抑制部を構成する材料は、タービン羽根車8を構成する材料よりも引張強度が高いことが好ましい。すなわち、変形抑制部が、回転軸2と一体的に形成されたフランジ部6である場合は、回転軸2を構成する材料が、タービン羽根車8を構成する材料よりも引張強度が高いことが好ましい。また、変形抑制部が、回転軸2とは別体の部材である場合は、その別体の部材を構成する材料が、タービン羽根車8を構成する材料よりも引張強度が高いことが好ましい。このような構成であれば、タービン羽根車8の軸方向の変形が変形抑制部によって抑制されやすい。
In the present embodiment, the
Moreover, it is preferable that the material which comprises a deformation | transformation suppression part has higher tensile strength than the material which comprises the
さらに、複雑形状のタービン翼9を有するタービン羽根車8は難加工性であるが、タービン羽根車8を構成する材料が回転軸2を構成する材料よりも引張強度が低ければ、加工性が向上する。そのため、切削工具の摩耗が生じにくい、加工時間が短縮されるなどのメリットが生じ、コストダウンにも繋がる。
さらに、スピンドル装置に求められる性能としては、高速回転、高加速性、高減速性が主流であるが、高加速性、高減速性を実現するためには回転軸2の軽量化が重要である。そこで、タービン羽根車8と回転軸2を別体の部材とし、回転軸2を構成する材料よりもタービン羽根車8を構成する材料を低比重とすることが好ましい。そうすれば、タービン羽根車8を軽量化することができるので、一体に回転する回転軸2及びタービン羽根車8の全体のイナーシャを低減することができ、加速時間や減速時間を短縮することができる(すなわち、高加速性、高減速性を実現することができる)。
Further, the
Further, as the performance required for the spindle device, high-speed rotation, high acceleration, and high deceleration are the mainstreams, but weight reduction of the
次に、このスピンドル装置の動作について説明する。ハウジング1の後端部に取り付けられた給気用部品3の外面に開口する軸受用給気口11に圧縮空気等による気体を供給すると、この気体は軸受用給気路12を通って多孔質部材4の外周面側に達する。そして、気体は多孔質部材4中を通って、多孔質部材4の内周面から噴出し、回転軸2の外周面に吹き付けられるとともに、多孔質部材5の後端側端面から噴出し、フランジ部6の平面6aに吹き付けられる。
Next, the operation of this spindle device will be described. When a gas such as compressed air is supplied to a bearing
これにより、回転軸2の外周面と多孔質部材4の内周面とが非接触状態となり、回転軸2が浮上支持される。さらに、フランジ部6の平面6aに作用した反力により、回転軸2が軸方向後端側に移動し、フランジ部6の平面6aと多孔質部材5の後端側端面は非接触状態となる。そして、磁石7により生じた磁気力(引力)と前記反力とが釣り合う位置で、回転軸2が浮上支持される。
Thereby, the outer peripheral surface of the
このような気体軸受への気体の供給と同時に又は遅れて、給気用部品3内に形成されたタービン用給気路15に圧縮空気等による気体を供給すると、タービン用給気路15を流れた気体はノズル10へと至り、回転軸2の後端側端部に同心に設けられたタービン羽根車8のタービン翼9に気体が吹き付けられるため、回転軸2がタービン羽根車8と一体に高速で回転駆動される。このとき、タービン翼9に吹き付けられた気体の衝撃力とともに、気体がタービン羽根車8の外に流出する直前に生じる反動力も回転駆動力に変換されるので、気体の運動エネルギーが極めて高効率で回転駆動力に変換される。
When gas such as compressed air is supplied to the turbine
このような本実施形態のスピンドル装置は、静電塗装装置に適用することができる。静電塗装装置は、スピンドル装置と、塗料を飛散霧化するための塗装用治具であるベルカップ(図示せず)と、例えば塗料,シンナーをベルカップに供給する各供給管(図示せず)と、塗料に電荷を印加する高電圧発生器(図示せず)と、を備えている。塗料供給管及びシンナー供給管は、中空の回転軸2の内部に挿通されており、ベルカップは回転軸2の先端に一体回転可能に取り付けられている。
Such a spindle apparatus of the present embodiment can be applied to an electrostatic coating apparatus. The electrostatic coating device includes a spindle device, a bell cup (not shown) which is a coating jig for spraying paint, and each supply pipe (not shown) for supplying paint and thinner to the bell cup. ) And a high voltage generator (not shown) for applying an electric charge to the paint. The paint supply pipe and the thinner supply pipe are inserted into the hollow
高電圧発生器によって回転軸2の内部を高電圧の静電場に置くとともに、気体をタービン羽根車8のタービン翼9に吹き付けて回転軸2を高速回転させた状態で、回転軸2の内部を通る塗料供給管及びシンナー供給管を介して塗料及びシンナーをベルカップに供給する。すると、回転軸2の先端で高速回転しているベルカップから、帯電霧化した塗料が被塗装物に噴霧される。これにより、被塗装物の塗装を行うことができる。ベルカップのサイズ、形状等を変更すれば、様々な被塗装物への塗装が可能である。
The inside of the
なお、本実施形態は本発明の一例を示したものであって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。例えば、遠心力による破損や繰り返し応力による破損が生じなければ、タービン翼9の材質は特に限定されるものではない。よって、密度の小さい材質でタービン翼9を構成すれば、回転開始から所定の回転速度に到達するまでの時間が短くなるので、例えば、スピンドル装置を静電塗装装置に適用した場合には、塗装作業時間の短縮を図ることができる。
In addition, this embodiment shows an example of this invention and this invention is not limited to this embodiment. For example, the material of the
また、タービン羽根車8のタービン翼9に吹き付ける気体の種類は、特に限定されるものではなく、圧縮空気等の空気の他、窒素、水蒸気等の他種の気体を用いることも可能である。
さらに、本実施形態においては、アキシアル軸受を気体及び磁石による複合軸受としたが、気体軸受としてもよい。すなわち、フランジ部6及びタービン羽根車8を挟んで両側に多孔質部材を配し、フランジ部6の平面6a及びタービン羽根車8の板面8aに気体をそれぞれ吹き付けて気体軸受を形成すれば、回転軸2のアキシアル方向の動きはこの気体軸受により規制されるので、フランジ部6の平面6a及びタービン羽根車8の板面8aが両多孔質部材に接触することなく回転自在に支持される。
In addition, the type of gas blown to the
Furthermore, in the present embodiment, the axial bearing is a composite bearing made of gas and magnet, but it may be a gas bearing. That is, if a porous member is arranged on both sides of the
さらに、本実施形態においては、ラジアル軸受を気体軸受とし、この気体軸受によって回転軸2をハウジング1に回転自在に支持したが、気体軸受の代わりに転がり軸受(例えば、高速回転に適したアンギュラ玉軸受)を用いても差し支えない。すなわち、ハウジング1の内周面と回転軸2との間に転がり軸受を配すれば、この転がり軸受によって回転軸2をハウジング1に回転自在に支持することができる。
Further, in this embodiment, the radial bearing is a gas bearing, and the
1 ハウジング
2 回転軸
3 給気用部品
4 多孔質部材
5 多孔質部材
6 フランジ部
6a 平面
8 タービン羽根車
8a 板面
7 磁石
9 タービン翼
10 ノズル
21 前方面
21a 曲率半径R2を有する凸状円柱面
21b 曲率半径R3を有する凸状円柱面
21c 平面
22 後方面
31 流入口
32 流出口
41 接平面
42 接平面
43 接平面
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (5)
条件A:前記タービン羽根車は、前記回転軸とは別体の円板状部材であり、その中心に貫通孔が形成されていて、該貫通孔に挿通された前記回転軸に前記タービン羽根車が取り付けられている。
条件B:前記複数のタービン翼は、前記タービン羽根車の2つの板面のうち一方の板面側に形成されており、前記タービン羽根車の外周に沿って環状に並べられている。
条件C:前記タービン羽根車を支持して前記タービン羽根車の軸方向の変形を抑制する変形抑制部が、前記タービン羽根車の2つの板面のうち前記タービン翼が形成されていない板面に隣接して、前記回転軸に設けられている。
条件D:隣接するタービン翼同士の間隔は等間隔とされている。
条件E:前記各タービン翼は、前記タービン羽根車の回転方向の前方に向く前方面と、前記タービン羽根車の回転方向の後方に向き前記気体を受ける後方面と、を備えている。
条件F:前記後方面は、曲率半径R1を有する凹状円柱面であり、前記前方面は、R1よりも大きい曲率半径R2を有する凸状円柱面と平面との間に、R1よりも小さい曲率半径R3を有する凸状円柱面を配して、滑らかに連続させた面である。
条件G:隣接する2つのタービン翼の対向する前方面と後方面とに挟まれた空間が、前記凹状円柱面の円弧状湾曲に沿う方向に前記気体が流れる流路を構成し、前記ノズルから噴出された気体が、前記流路の一端側の開口から流入し、前記凹状円柱面の円弧状湾曲に沿う方向に流れて他端側の開口から流出するようになっている。
条件H:前方面を構成する3つの面のうち曲率半径R2を有する凸状円柱面が、曲率半径R3を有する凸状円柱面を挟んで前記流路の流入口側に配され、平面が前記流路の流出口側に配されている。 A substantially cylindrical housing; a rotating shaft that is inserted into the housing and rotatably supported via a bearing; a turbine impeller that is concentrically attached to the rotating shaft and rotates integrally with the rotating shaft; and the turbine blade A nozzle for ejecting a gas for rotating the vehicle, and a plurality of turbine blades that are formed in the turbine impeller and receive the gas ejected from the nozzle, and satisfy the following eight conditions A to H: A spindle device characterized by
Condition A: The turbine impeller is a disc-like member separate from the rotating shaft, and a through hole is formed at the center thereof, and the turbine impeller is inserted into the rotating shaft inserted through the through hole. Is attached.
Condition B: The plurality of turbine blades are formed on one of the two plate surfaces of the turbine impeller, and are arranged in an annular shape along the outer periphery of the turbine impeller.
Condition C: The deformation suppression unit that supports the turbine impeller and suppresses deformation in the axial direction of the turbine impeller is a plate surface on which the turbine blade is not formed, of the two plate surfaces of the turbine impeller. Adjacent to the rotating shaft.
Condition D: The intervals between adjacent turbine blades are equal.
Condition E: Each turbine blade includes a front surface facing forward in the rotational direction of the turbine impeller, and a rear surface facing rearward in the rotational direction of the turbine impeller and receiving the gas.
Condition F: The rear surface is a concave cylindrical surface having a radius of curvature R1, and the front surface has a radius of curvature smaller than R1 between a convex cylindrical surface having a radius of curvature R2 larger than R1 and a plane. It is the surface which provided the convex cylindrical surface which has R3, and was made to continue smoothly.
Condition G: a space sandwiched between the opposed front and rear surfaces of two adjacent turbine blades constitutes a flow path for the gas to flow in a direction along the arcuate curve of the concave cylindrical surface, and from the nozzle The ejected gas flows from the opening on one end side of the flow path, flows in a direction along the arcuate curve of the concave cylindrical surface, and flows out from the opening on the other end side.
Condition H: A convex cylindrical surface having a radius of curvature R2 among the three surfaces constituting the front surface is disposed on the inlet side of the flow path across the convex cylindrical surface having a radius of curvature R3. It is arranged on the outlet side of the channel.
条件I:前記変形抑制部を構成する材料は、前記タービン羽根車を構成する材料よりも引張強度が高い。 The spindle apparatus according to claim 1, further satisfying the following condition I:
Condition I: The material constituting the deformation suppressing part has higher tensile strength than the material constituting the turbine impeller.
条件J:後方面の前記流出口側端部における接平面と、この後方面の前記流出口側端部の回転軌跡の前記流出口側端部における接平面とのなす角度が、20°以上50°以下である。
条件K:前方面の平面は、隣接するタービン翼の後方面と対向しているが、この対向する後方面の前記流出口側端部における接平面と平行をなしている。
条件L:曲率半径R2を有する凸状円柱面のうち前記流路の流入口から最も遠い部分と、この凸状円柱面に対向する隣接するタービン翼の後方面のうち前記流入口側端部との間の距離をAとし、前方面の平面と、この平面に対向する隣接するタービン翼の後方面の前記流出口側端部における接平面との間の距離をBとして、距離Bは距離A未満である。 The spindle apparatus according to claim 1 or 2, further satisfying the following three conditions J to L.
Condition J: An angle formed between a tangential plane at the outlet side end portion of the rear surface and a tangential plane at the outlet side end portion of the rotation locus of the outlet side end portion of the rear surface is 20 ° or more and 50 ° or less.
Condition K: The plane of the front surface is opposed to the rear surface of the adjacent turbine blade, but is parallel to the tangential plane of the opposite rear surface at the end on the outlet side.
Condition L: A portion of the convex cylindrical surface having the radius of curvature R2 farthest from the inlet of the flow path, and the inlet side end of the rear surface of the adjacent turbine blade facing the convex cylindrical surface. And the distance between the plane of the front surface and the tangent plane at the outlet side end of the rear surface of the adjacent turbine blade facing the plane is B, and the distance B is the distance A Is less than.
条件M:前記ノズルから噴出される前記気体の噴出方向と、前記気体を受ける後方面を構成する凹状円柱面のうち前記流入口側端部と、のなす角度が75°以上105°以下である。 The spindle apparatus according to claim 1, further satisfying the following condition M.
Condition M: The angle formed by the gas jet direction from the nozzle and the inlet side end portion of the concave cylindrical surface constituting the rear surface that receives the gas is 75 ° or more and 105 ° or less. .
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