JP6613847B2 - スピンドル装置 - Google Patents

Description

本発明は、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は、図５に示すようなものが知られている（例えば、特許文献１参照。）このスピンドル装置１００は、軸方向一端部にベルカップ１０１が取り付けられ、軸方向他端部に複数のタービン羽根１０２が設けられた回転軸１０３と、回転軸１０３が挿通されるハウジング１０４と、ハウジング１０４を収容する装置ケース１０５と、を備え、複数のタービン羽根１０２に気体を噴出することで、回転軸１０３を回転させている。また、静電塗装機の多くは、多関節ロボットに搭載されて使用されている。

また、この回転軸１０３は、ハウジング１０４に取り付けられた気体軸受１０６によって、ラジアル方向に回転自在に支持されている。さらに、回転軸１０３は、ハウジング１０４に取り付けられた磁石１０７によってフランジ部１０８を引き付ける磁力と、気体軸受１０６によってフランジ部１０８に気体を吹き付ける際の反力との釣り合いで、スラスト方向に支持されている。

特開２００６−７７７９７号公報

ところで、図５に示すようなスピンドル装置１００では、ベルカップ１０１が取り付けられる回転軸１０３の軸方向一端部がフランジ部１０８から軸方向に長く延出している。このため、回転軸１０３が高速回転すると、回転軸１０３の振れ回りが大きくなり、また、回転軸１０３の共振周波数が低いことから、危険速度に対する対策が必要となる。

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、回転軸の振れ回りを抑え、回転軸の共振周波数を上げ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る回転軸と、
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気体軸受と、
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、
前記回転軸には、ワークが取り付けられるワーク取付部が設けられ、
前記ワーク取付部は、該気体軸受と軸方向においてオーバーラップすることを特徴とするスピンドル装置。
（２） 前記回転軸は、前記複数のタービン羽根が形成される大径円筒部と、前記ワーク取付部を構成する小径円筒部と、前記大径円筒部と前記小径円筒部とを連結して径方向に延出するフランジ部と、を備え、
前記大径円筒部及び前記小径円筒部は、前記フランジ部に対してそれぞれ軸方向一方側に延出することを特徴とする（１）に記載のスピンドル装置。
（３） 前記ワーク取付部は、前記小径円筒部の内周面に形成されるテーパ面及び取付用ねじを有することを特徴とする（２）に記載のスピンドル装置。
（４） 前記複数のタービン羽根は、前記気体軸受に対して径方向外側に配置され、該気体軸受と軸方向においてオーバーラップすることを特徴とする（１）〜（３）のいずれかに記載のスピンドル装置。
（５） 前記回転軸に設けられたフランジ部を軸方向に引き付ける磁石をさらに備え、
前記気体軸受は、前記回転軸の内周面、及び前記フランジ部の軸方向側面に向けて気体を吹き付け、
前記回転軸は、前記磁石及び前記気体軸受によって、前記ハウジングに対してラジアル方向及びスラスト方向に支持されることを特徴とする（４）に記載のスピンドル装置。
（６） 前記複数のタービン羽根は、前記気体軸受に対して径方向内側に配置され、該気体軸受と軸方向においてオーバーラップすることを特徴とする（１）〜（３）のいずれかに記載のスピンドル装置。
（７） 前記回転軸に設けられたフランジ部を軸方向に引き付ける磁石をさらに備え、
前記気体軸受は、前記回転軸の外周面、及び前記フランジ部の軸方向側面に向けて気体を吹き付け、
前記回転軸は、前記磁石及び前記気体軸受によって、前記ハウジングに対してラジアル方向及びスラスト方向に支持されることを特徴とする（６）に記載のスピンドル装置。
（８） 前記気体軸受には、軸方向における複数の位置で気体が供給されることを特徴とする（１）〜（７）のいずれか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、ワーク取付部は、該気体軸受と軸方向においてオーバーラップすることで、回転軸の軸方向長さを短くすることができる。これにより、回転軸の振れ回りを小さくすることができ、また、回転軸の共振周波数を上げることができる。

本発明の第１実施形態に係るスピンドル装置の断面図である。 図１のタービン羽根及びノズルを説明するためのハウジングと回転軸の概略断面図である。 本発明の第２実施形態に係るスピンドル装置の断面図である。 図３のタービン羽根及びノズルを説明するためのハウジングと回転軸の概略断面図である。 従来のスピンドル装置の断面図である。

以下、本発明に係るスピンドル装置の各実施形態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。

（第１実施形態）
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を収容するハウジング２０と、気体軸受４０及び磁石５０によって構成され、回転軸１２をハウジング２０に対してラジアル方向及びスラスト方向に支持するラジアル軸受及びスラスト軸受と、を備える。

回転軸１２は、複数のタービン羽根１１が形成される大径円筒部１７と、塗料を霧状にして噴霧するための塗装用治具であるベルカップ（ワーク）１が取り付けられるワーク取付部１５を構成する小径円筒部１８と、大径円筒部１７と小径円筒部１８とを連結して径方向に延出するフランジ部１６と、を有し、中空状に形成されている。
また、大径円筒部１７及び小径円筒部１８は、フランジ部１６に対してそれぞれ軸方向一方側（後方）に延出しており、回転軸１２は、断面略Ｕ字形状に形成される。
複数のタービン羽根１１は、大径円筒部１７の外周面を加工することで形成されている。

ワーク取付部１５を構成する小径円筒部１８には、内周面にテーパ面１４及び取付用ねじ１３を有し、小径円筒部１８の前方から後方にかけてこの順に形成されている。

ハウジング２０は、前ハウジング２１及び後ハウジング２２を有する。前ハウジング２１は、回転軸１２のフランジ部１６の前側面及び大径円筒部１７の外周面を覆うようにして中空状に形成されている。後ハウジング２２も、中空状に形成され、前ハウジング２１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、後ハウジング２２は、回転軸１２の大径円筒部１７の内側を、フランジ部１６の後側面に向かって延出する軸方向延出部２３を備え、断面略Ｌ字形に形成されている。

気体軸受４０は、円筒状の多孔質部材であり、後ハウジング２２の軸方向延出部２３の外周面に取り付けられる。そして、気体軸受４０は、後ハウジング２２に形成された軸受エア供給経路２４からの気体の供給により、回転軸１２の大径円筒部１７の内周面に向けて圧縮空気を吹き付け、ハウジング２０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、気体軸受４０によってハウジング２０に対してラジアル方向に支持される。

また、気体軸受４０は、その軸方向前端面が回転軸１２のフランジ部１６の後側面に対向しており、フランジ部１６の後側面に向けて圧縮空気が吹き出される。

なお、本実施形態では、気体軸受４０は、軸方向において２箇所の位置で、２つに分岐した軸受エア供給経路２４の開口から気体が供給されると共に、軸方向中間部に径方向に貫通する排気孔４１を設け、後ハウジング２２に形成された軸受エア排出経路３２が連通して、外部に気体を排出している。これにより、気体軸受４０の軸方向寸法を長くして、スピンドル装置１０のモーメント剛性を高めている。

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、後ハウジング２２の軸方向延出部２３の内側に形成された磁石取付部２５に螺合して取り付けられる。この状態で、磁石５０は、フランジ部１６の後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、フランジ部１６が後方に引き寄せられる。一方、気体軸受４０は、フランジ部１６の後側面（軸方向側面）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、気体軸受４０の反力とによって、回転軸１２がハウジング２０に対してスラスト方向に支持される。

前ハウジング２１と後ハウジング２２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２６が形成され、さらに、前ハウジング２１には、タービンエア供給経路２６と連通し、径方向に対して円周方向一方側に傾斜して直線状に延びる複数（本実施形態では、円周方向に等間隔に６本）の正転ノズル２７が形成されている（図２参照）。
また、前ハウジング２１と後ハウジング２２には、タービン羽根１１にブレーキ用の圧縮空気を供給するための他のタービンエア供給経路２８が形成され、さらに、前ハウジング２１には、他のタービンエア供給経路２８と連通し、径方向に対して円周方向他方側に傾斜して直線状に延びる逆転ノズル２９が形成されている。

なお、後ハウジング２２には、タービンエアを排出するためのタービンエア排気孔３０及び回転センサを挿入するための検出用孔３１が軸方向に貫通してそれぞれ形成されている。

したがって、このように構成されたスピンドル装置１０では、気体軸受４０に気体を供給することで、回転軸１２がハウジング２０に回転自在に支持された状態で、複数の正転ノズル２７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。

ここで、本実施形態のスピンドル装置１０では、小径円筒部１８の内周面に形成されるワーク取付部１５のテーパ面１４及び取付用ねじ１３は、該気体軸受４０と軸方向においてオーバーラップすることで、回転軸１２の軸方向長さを短くすることができる。これにより、回転軸１２の振れ回りを小さくすることができ、また、回転軸１２の共振周波数を上げることができる。
したがって、スピンドル装置１０の危険速度が、使用時の回転速度領域よりも高くなるため、従来、回転軸１２とハウジング２０との間に設けられていたＯリングを配置しない構成とすることができる。

また、スピンドル装置１０では、複数のタービン羽根１１が、気体軸受４０と軸方向においてオーバーラップするように構成されている。これにより、スピンドル装置１０を扁平化することができ、小型化による狭い空間での塗装や、軽量化により、ロボットの小型化を実現することができる。また、この構成により、複数のタービン羽根１１と気体軸受４０とが軸方向に離間している構成に比べて、タービン羽根１１の回転による気体軸受４０にかかるモーメント負荷を軽減することができ、さらに、軸受エア供給経路２４やタービンエア供給経路２６，２８が短くなり、配管抵抗が小さくなることで、経路内での圧力損失を抑制することができる。

また、複数のタービン羽根１１は、気体軸受４０に対して径方向外側に配置されるので、タービン外径を大きくすることができ、タービントルクが増加して塗装スピードを上げることができる。

さらに、上記の構成を採用することにより、軸受エア供給経路２４は径方向外側に向けてエアを噴出し、タービンノズルである正転ノズル２７及び逆転ノズル２９は、径方向内側に向けてエアを噴出する構成となる。したがって、軸受エア供給経路２４は、タービンエア排気孔３０よりも径方向内側を通って、後ハウジング２２の後端面に開口し、タービンエア供給経路２６、２８は、タービンエア排気孔３０の径方向外側を通って、後ハウジング２２の後端面に開口し、これら経路２４，２６，２８のレイアウトの自由度がアップする。

また、回転軸１２に設けられたフランジ部１６を軸方向に引き付ける磁石５０をさらに備え、気体軸受４０は、回転軸１２の内周面、及びフランジ部１６の軸方向側面に向けて気体を吹き付け、回転軸１２は、気体軸受４０及び磁石５０によって、ハウジング２０に対してラジアル方向及びスラスト方向に支持されるので、回転軸１２をハウジング２０に対してコンパクトに支持することができる。

さらに、気体軸受４０は、軸方向における複数の位置で気体を供給しており、気体軸受４０の軸方向寸法を長くすることができ、スピンドル装置１０のモーメント剛性を大きくすることができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態のスピンドル装置１０ａについて、図３及び図４を参照して説明する。
本実施形態のスピンドル装置１０ａも、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。このスピンドル装置１０ａも、回転軸１２ａと、ハウジング２０ａと、気体軸受４０及び磁石５０によって構成されるラジアル軸受及びスラスト軸受と、を備える点においては、第１実施形態のものと共通であるが、複数のタービン羽根１１が、気体軸受４０に対して径方向内側に配置される点において、第１実施形態のものと異なる。

回転軸１２ａは、複数のタービン羽根１１が形成される大径円筒部１７と、塗料を霧状にして噴霧するための塗装用治具であるベルカップ（ワーク）１が取り付けられるワーク取付部１５を構成する小径円筒部１８と、大径円筒部１７と小径円筒部１８とを連結して径方向に延出するフランジ部１６と、を有し、中空状に形成されている。
また、大径円筒部１７及び小径円筒部１８は、フランジ部１６に対してそれぞれ軸方向一方側（後方）に延出している。なお、本実施形態では、フランジ部１６は、大径円筒部１７よりも径方向外側まで延出している。
複数のタービン羽根１１は、大径円筒部１７の内周面を加工することで形成されている。

ハウジング２０ａは、前ハウジング２１、後ハウジング２２、及び前蓋３５を有し、それぞれ中空状に形成されている。前ハウジング２１は、回転軸１２ａの大径円筒部１７の外径側に位置し、前蓋３５は、フランジ部１６の前側面と近接対向するようにして形成されている。前蓋３５、前ハウジング２１、後ハウジング２２は、不図示のボルトによって締結固定されている。また、後ハウジング２２は、回転軸１２ａの大径円筒部１７の内側を、フランジ部１６の後側面に向かって延出する軸方向延出部２３を備え、断面略Ｌ字形に形成されている。

気体軸受４０は、円筒状の多孔質部材であり、前ハウジング２１の内周面に取り付けられる。そして、気体軸受４０は、前ハウジング２１及び後ハウジング２２に形成された軸受エア供給経路２４からの気体の供給により、回転軸１２ａの大径円筒部１７の外周面に向けて圧縮空気を吹き付け、ハウジング２０ａに対して回転軸１２ａを非接触で浮上支持する。これにより、回転軸１２ａは、気体軸受４０によってハウジング２０ａに対してラジアル方向に支持される。

また、気体軸受４０は、その軸方向前端面が回転軸１２ａのフランジ部１６の後側面に対向しており、フランジ部１６の後側面に向けて圧縮空気が吹き出される。

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、後ハウジング２２の軸方向延出部２３の内側に形成された磁石取付部２５に螺合して取り付けられる。この状態で、磁石５０は、フランジ部１６の後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、フランジ部１６が後方に引き寄せられる。一方、気体軸受４０は、フランジ部１６の後側面（軸方向側面）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、気体軸受４０の反力とによって、回転軸１２ａがハウジング２０ａに対してスラスト方向に支持される。

後ハウジング２２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２６と、タービン羽根１１にブレーキ用の圧縮空気を供給するための他のタービンエア供給経路２８と、が形成され、さらに、後ハウジング２２の軸方向延出部２３の外周面には、内部に複数のノズル２７が形成されるノズルリング３６が取り付けられている。図４に示すように、ノズルリング３６には、タービンエア供給経路２６と連通し、径方向に対して円周方向一方側に傾斜して直線状に延びる複数（本実施形態では、円周方向に等間隔に６本）の正転ノズル２７と、他のタービンエア供給経路２８と連通し、径方向に対して円周方向他方側に傾斜して直線状に延びる逆転ノズル２９が形成されている。

なお、後ハウジング２２には、タービンエアを排出するためのタービンエア排気孔３０及び回転センサを挿入するための検出用孔３１が軸方向に貫通してそれぞれ形成されている。

したがって、このように構成されたスピンドル装置１０では、気体軸受４０に気体を供給することで、回転軸１２ａがハウジング２０ａに回転自在に支持された状態で、複数の正転ノズル２７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１２ａの回転駆動力に変換して、回転軸１２ａが回転駆動される。

ここで、本実施形態のスピンドル装置１０ａにおいても、小径円筒部１８の内周面に形成されるワーク取付部１５のテーパ面１４及び取付用ねじ１３は、該気体軸受４０と軸方向においてオーバーラップすることで、回転軸１２ａの軸方向長さを短くすることができる。これにより、回転軸１２ａの振れ回りを小さくすることができ、また、回転軸１２ａの共振周波数を上げることができる。
したがって、スピンドル装置１０の危険速度が、使用時の回転速度領域よりも高くなるため、従来、回転軸１２ａとハウジング２０ａとの間に設けられていたＯリングを配置しない構成とすることができる。

また、スピンドル装置１０ａでも、複数のタービン羽根１１が、気体軸受４０と軸方向においてオーバーラップするように構成されている。これにより、スピンドル装置１０を扁平化することができ、小型化による狭い空間での塗装や、軽量化により、ロボットの小型化を実現することができる。また、この構成により、複数のタービン羽根１１と気体軸受４０とが軸方向に離間している構成に比べて、タービン羽根１１の回転による気体軸受４０にかかるモーメント負荷を軽減することができ、さらに、軸受エア供給経路２４やタービンエア供給経路２６，２８が短くなり、配管抵抗が小さくなることで、経路内での圧力損失を抑制することができる。

また、複数のタービン羽根１１は、気体軸受４０に対して径方向内側に配置されるので、回転軸１２ａの回転時の慣性モーメントが小さくなり、加減速する際の時間を減少することができる。

さらに、上記の構成を採用することにより、軸受エア供給経路２４は径方向内側に向けてエアを噴出し、タービンノズルである正転ノズル２７及び逆転ノズル２９は、径方向外側に向けてエアを噴出する構成となる。したがって、軸受エア供給経路２４は、タービンエア排気孔３０よりも径方向外側を通って、後ハウジング２２の後端面に開口し、タービンエア供給経路２６、２８は、タービンエア排気孔３０の径方向内側を通って、後ハウジング２２の後端面に開口し、これら経路２４，２６、２８のレイアウトの自由度がアップする。
なお、その他の構成及び作用については、第１実施形態のものと同様である。

尚、本発明は、前述した各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、本発明の複数のタービン羽根が、気体軸受と軸方向においてオーバーラップするとは、複数のタービン羽根の少なくとも一部が軸方向においてオーバーラップする構成を含む。即ち、本実施形態のように、複数のタービン羽根の軸方向両端部が気体軸受と軸方向においてオーバーラップする構成であってもよいし、複数のタービン羽根の軸方向の少なくとも一部が軸方向においてオーバーラップする構成であってもよい。

また、本実施形態では、気体軸受と磁石とを用いてラジアル方向及びスラスト方向に回転軸１２，１２ａを支持する構成としたが、複数の気体軸受を用いてラジアル方向及びスラスト方向に回転軸１２，１２ａ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。

１０ スピンドル装置
１１ タービン羽根
１２，１２ａ 回転軸
１３ 取付用ねじ
１４ テーパ面
１５ ワーク取付部
１６ フランジ部
２０，２０ａ ハウジング
４０ 気体軸受
５０ 磁石

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る回転軸と、
   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気体軸受と、
   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、
   前記回転軸には、ワークが取り付けられるワーク取付部が設けられ、
   前記ワーク取付部は、該気体軸受と軸方向においてオーバーラップし、
   前記回転軸は、前記複数のタービン羽根が形成される大径円筒部と、前記ワーク取付部を構成する小径円筒部と、前記大径円筒部と前記小径円筒部とを連結して径方向に延出するフランジ部と、を備え、
   前記大径円筒部及び前記小径円筒部は、前記フランジ部に対してそれぞれ軸方向一方側に延出することを特徴とするスピンドル装置。
2. 前記ワーク取付部は、前記小径円筒部の内周面に形成されるテーパ面及び取付用ねじを有することを特徴とする請求項１に記載のスピンドル装置。
3. 前記複数のタービン羽根は、前記気体軸受に対して径方向外側に配置され、該気体軸受と軸方向においてオーバーラップすることを特徴とする請求項１又は２に記載のスピンドル装置。
4. 前記回転軸に設けられたフランジ部を軸方向に引き付ける磁石をさらに備え、
   前記気体軸受は、前記回転軸の内周面、及び前記フランジ部の軸方向側面に向けて気体を吹き付け、
   前記回転軸は、前記磁石及び前記気体軸受によって、前記ハウジングに対してラジアル方向及びスラスト方向に支持されることを特徴とする請求項３に記載のスピンドル装置。
5. 複数のタービン羽根が円周方向に亙って設けられる回転軸と、
   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気体軸受と、
   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、
   前記回転軸には、ワークが取り付けられるワーク取付部が設けられ、
   前記ワーク取付部は、該気体軸受と軸方向においてオーバーラップし、
   前記複数のタービン羽根は、前記気体軸受に対して径方向内側に配置され、該気体軸受と軸方向においてオーバーラップし、
   前記回転軸に設けられたフランジ部を軸方向に引き付ける磁石をさらに備え、
   前記気体軸受は、前記回転軸の外周面、及び前記フランジ部の軸方向側面に向けて気体を吹き付け、
   前記回転軸は、前記磁石及び前記気体軸受によって、前記ハウジングに対してラジアル方向及びスラスト方向に支持されることを特徴とするスピンドル装置。
6. 前記気体軸受には、軸方向における複数の位置で気体が供給されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のスピンドル装置。

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