WO2013065216A1

WO2013065216A1 - スピンドル装置及び静電塗装装置

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Publication number: WO2013065216A1
Application number: PCT/JP2012/005048
Authority: WO
Inventors: 小林　直也; 中村　剛; 高橋　淳
Original assignee: 日本精工株式会社
Priority date: 2011-11-04
Filing date: 2012-08-08
Publication date: 2013-05-10
Also published as: US20140246524A1; EP2774686A4; US9216428B2; CN103796762B; EP2774686B1; EP2774686A1; CN103796762A

Abstract

　スピンドル装置のタービン翼（９）は、回転方向の前方に向く前方面（２１）と後方に向き気体を受ける後方面（２２）とを備えている。後方面（２２）は、曲率半径Ｒ１を有する凹状円柱面であり、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る。前方面（２１）を構成する３面のうち凸状円柱面（２１ａ）が凸状円柱面（２１ｂ）を挟んで流路の流入口側に配され、平面（２１ｃ）が流路の流出口側に配される。隣接するタービン翼（９）の対向する前方面（２１）と後方面（２２）とに挟まれた空間が、気体の流路を構成し、ノズル（１０）から噴出された気体が流路の流入口（３１）から流入し、凹状円柱面の円弧状湾曲に沿う方向に流れて流出口（３２）から流出する。

Description

スピンドル装置及び静電塗装装置

　本発明はスピンドル装置及び静電塗装装置に関する。

　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。

ＪＰ２００６－３０００２４ＡＪＰ４５４６１０３ＢＪＰ２００８－５１１４３２Ａ

　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。
　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。

　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設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５つの条件Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅを満足することを特徴とする。

　　条件Ａ：前記複数のタービン翼は、前記タービン羽根車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同士の間隔は等間隔とされている。
　　条件Ｂ：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Ｃ：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Ｄ：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Ｅ：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。

　このスピンドル装置において、以下の３つの条件Ｆ，Ｇ，Ｈをさらに満足する構成としてもよい。
　　条件Ｆ：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Ｇ：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いる。
　　条件Ｈ：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。

　そして、前記条件Ｆ，Ｇ，Ｈに加えて、以下の条件Ｉをさらに満足する構成としてもよい。
　　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。
　あるいは、前記５つの条件Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅを満足するスピンドル装置において、以下の条件Ｊをさらに満足する構成としてもよい。
　　条件Ｊ：前記各タービン翼は、前記タービン羽根車の表面から突出して形成されており、前記タービン羽根車の表面からの突出長さが一定でない形状をなしている。

　この６つの条件Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｊを満足するスピンドル装置においては、前記タービン翼のうち前記タービン羽根車との境界部分が、前記タービン羽根車の表面からの突出長さが一定でない形状をなしていることが好ましい。前記タービン翼の突出方向に沿う平面で切断した前記境界部分の外面の断面形状は、曲線であることがより好ましい。そして、前記曲線は円弧であることがさらに好ましく、前記円弧の曲率半径は０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下であることが好ましい。

　これらのスピンドル装置においては、以下の３つの条件Ｋ，Ｌ，Ｍをさらに満足することが好ましい。
　　条件Ｋ：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Ｌ：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Ｍ：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。

　また、これらのスピンドル装置においては、以下の条件Ｎをさらに満足することが好ましい。
　　条件Ｎ：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うちいずれかを備えることを特徴とする。

　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。

本発明に係るスピンドル装置の第一実施形態の構造を示す断面図である。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。第一実施形態のスピンドル装置のタービン翼及びノズルを拡大して示した斜視図である。第一実施形態のスピンドル装置の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。タービンエアの流量とスピンドル装置の回転軸の回転速度との関係を示すグラフである。タービンエアの流量とスピンドル装置の回転軸の回転トルクとの関係を示すグラフである。比較例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。本発明に係るスピンドル装置の第二実施形態の構造を示す断面図である。図８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。図８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。本発明に係るスピンドル装置の第三実施形態の構造を説明する図であり、タービン羽根車との境界部分の形状を示すタービン翼の斜視図である。第三実施形態のスピンドル装置のタービン翼の断面図である。

　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。
　〔第一実施形態〕
　図１は、本発明に係るスピンドル装置の第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。

　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、を備えている。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。

　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。

　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ていればよく、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。
　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。

　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。なお、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を挟んで両側に多孔質部材を配し、フランジ部６の両平面６ａ，６ｂに気体を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の両平面６ａ，６ｂ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。

　また、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。

　さらに、フランジ部６の両平面６ａ，６ｂのうち多孔質部材５と対向する側の平面６ａとは反対側の平面６ｂ（すなわち、後端側の平面６ｂ）には、複数のタービン翼９が設けられている。すなわち、フランジ部６は、タービンのタービン羽根車を構成している。
　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。円板状のフランジ部６の平面６ｂの径方向外方部分に、複数のタービン翼９が、フランジ部６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Ａに相当する）。

　なお、本実施形態においては、タービン翼９は、平面６ｂから軸方向後端側に突出するように設けられているが、フランジ部６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、フランジ部６の外周面から径方向外方に突出するように設けてもよい。あるいは、フランジ部６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。

　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６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個でもよいし複数でもよい。

　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、軸受への給気を一定に保ちつつ、タービン羽根車６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。

　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、フランジ部６の平面６ｂ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。

　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６の回転方向の前方に向く前方面２１と、タービン羽根車６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Ｂ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。

　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Ｃ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Ｅ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。

　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。

　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Ｄ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。

　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Ｎ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。

　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Ｋ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Ｌに相当する）。

　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Ｍ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。

　これらの条件Ｋ，Ｌ，Ｍ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。

　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。

　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。

　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。

　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６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６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６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。

　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。

　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６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。

　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。
　また、タービン羽根車６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。

　〔第一実施形態の実施例〕
　前述した本実施形態のスピンドル装置（実施例）と、図７に示すような従来のスピンドル装置（比較例）とを、それぞれ回転駆動させ、タービン羽根車に吹き付けた気体の流量と、回転軸の回転速度及びトルクを測定した。なお、従来のスピンドル装置は、ノズルから噴出された気体を受けるタービン翼がタービン羽根車の外周面に形成されており、噴出された気体の衝撃力のみを回転駆動力に変換する衝動式のタービン羽根車を備えるスピンドル装置である。

　結果を図５，６のグラフに示す。グラフから分かるように、実施例のスピンドル装置は、比較例のスピンドル装置よりも４０～５０％少ない流量で同一の回転速度を得ることができた。また、比較例のスピンドル装置よりも３０～４０％少ない流量で同一のトルクを得ることができた。

　〔第二実施形態〕
　前述したように、従来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、前述したように、従来は、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タービン翼に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、第二実施形態は、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。

　図８は、本発明に係るスピンドル装置の第二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９は、図８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１０は、図８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。

　なお、第二実施形態のスピンドル装置と第一実施形態のスピンドル装置は、その構成において同様の部分を有しているので、図８，９，１０とともに第一実施形態のスピンドル装置の図３，４を参照しながら、第二実施形態のスピンドル装置を説明する。また、図８，９，１０においては、図１，２，３，４と同一又は相当する部分には、図１，２，３，４と同一の符号を付してある。

　第二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５６（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。

　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８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、第二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、第二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８においては左側）の端部を先端、反対側（図８においては右側）の端部を後端と記す。

　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。

　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５６を有している。そして、このフランジ部５６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５６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８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５６の平面５６ａ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５６の平面５６ａに磁気力が作用して、フランジ部５６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。
　また、ハウジング１の後端側端面には、フランジ部５６の平面５６ａ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５６の平面５６ａに吹き付けられるようになっている。よって、フランジ部５６には反力が作用して、フランジ部５６は軸方向の後端側に押圧される。

　そして、多孔質部材５からフランジ部５６の平面５６ａ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５６の平面５６ａ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。

　さらに、フランジ部５６の後端側には、フランジ部５６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５６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３，８，９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Ａに相当する）。

　なお、第二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。

　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９の例では３個）でもよい。

　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。

　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。

　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Ｂ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。

　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９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。

　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９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Ｄ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。

　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、第二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。

　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（第二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（第二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１０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、第二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５６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５６が設けられている。

　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５６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５６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。

　なお、第二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５６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５６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。

　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）。

　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５６の平面５６ａに吹き付けられる。

　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５６の平面５６ａ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５６の平面５６ａ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。

　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。

　このような第二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。

　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。

　なお、第二実施形態は本発明の一例を示したものであって、本発明は第二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。
　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、第二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５６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５６の平面５６ａ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５６の平面５６ａ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。

　さらに、第二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。

　〔第三実施形態〕
　前述したように、従来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、前述したように、従来は、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タービン翼に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、第三実施形態は、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。

　図１は、本発明に係るスピンドル装置の第三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１１は、タービン羽根車との境界部分の形状を示すタービン翼の斜視図である。さらに、図１２は、タービン羽根車との境界部分の形状を説明するタービン翼の断面図であり、図４のＩ－Ｉ断面図である。

　なお、第三実施形態のスピンドル装置と第一実施形態のスピンドル装置は、その構成において同様の部分を有しているので、図１１，１２とともに第一実施形態のスピンドル装置の図１，２，３，４を参照しながら、第三実施形態のスピンドル装置を説明する。また、図１１，１２においては、図１，２，３，４と同一又は相当する部分には、図１，２，３，４と同一の符号を付してある。

　第三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、を備えている。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、第三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、第三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。

　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）。

　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。なお、第三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を挟んで両側に多孔質部材を配し、フランジ部６の両平面６ａ，６ｂに気体を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の両平面６ａ，６ｂ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。

　また、第三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。

　さらに、フランジ部６の両平面６ａ，６ｂのうち多孔質部材５と対向する側の平面６ａとは反対側の平面６ｂ（すなわち、後端側の平面６ｂ）には、複数のタービン翼９が設けられている。すなわち、フランジ部６は、タービンのタービン羽根車を構成している。

　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１，２，３を参照しながらさらに詳細に説明する。円板状のフランジ部６の平面６ｂの径方向外方部分に、複数のタービン翼９が、フランジ部６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Ａに相当する）。

　なお、第三実施形態においては、タービン翼９は、平面６ｂから軸方向後端側に突出するように設けられているが、フランジ部６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、フランジ部６の外周面から径方向外方に突出するように設けてもよい。あるいは、フランジ部６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。

　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６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。

　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６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。

　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、フランジ部６の平面６ｂ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（平面６ｂからの突出長さ）は、タービン羽根車６との境界部分９ａを除くタービン翼９の大部分においては、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。

　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、第三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。

　一方、スピンドル装置が高速回転すると大きな遠心力が発生するため、タービン翼９には径方向外方に向かう応力及び軸方向に向かう応力（第三実施形態においては、タービン翼９がタービン羽根車６の後端側の平面６ｂに形成されているので、軸方向先端側に向かう応力）が負荷されることとなる。その結果、タービン翼９に変形が生じやすくなる。特に、タービン翼９は、タービン羽根車６の平面６ｂから突出して形成されているため、タービン翼９のうちタービン羽根車６との境界部分９ａに応力が集中しやすい。

　仮に、タービン羽根車６の平面６ｂとタービン翼９の側面９ｂ（タービン翼９の外面のうち突出方向に沿う面であり、例えば前方面２１や後方面２２）とが直角に交差し、該交差により形成される隅部が角形であると、この角形の隅部に応力が集中するため、タービン翼９に変形が生じやすく、さらに、タービン翼９に繰り返し負荷される応力の大きさが、タービン翼９を構成する材料の疲労限度以上になると、タービン翼９が繰り返し運転により破損するおそれがある。

　しかしながら、第三実施形態のスピンドル装置においては、タービン翼９の突出方向に沿う平面で切断した境界部分９ａの側面の断面形状を曲線とすることにより、タービン翼９のうち境界部分９ａが、図１１，１２に示すように、タービン羽根車６の平面６ｂからの突出長さが一定でない形状をなしている。すなわち、タービン翼９のうち境界部分９ａは、図１２から分かるように、タービン羽根車６の平面６ｂからの突出長さが、タービン翼９の外端部から内側に向かって徐々に長くなる形状をなしている。前記曲線の種類は特に限定されるものではないが、図１１，１２に示すように、円弧が好ましい。

　よって、タービン羽根車６の平面６ｂとタービン翼９の側面９ｂとは直角に交差しておらず、境界部分９ａによって滑らかに連続しており、前記交差により形成される隅部が丸形となっている。言い換えれば、前記交差により形成される隅部に、丸み付け（日本工業規格ＪＩＳ　Ｂ０７０１に規定のもの）が施されている。その結果、境界部分９ａへの応力集中が緩和されるので、スピンドル装置が高速回転条件で使用されて遠心力によって大きな応力がタービン翼９に負荷されたとしても、タービン翼９の変形が防止される。これにより、タービン翼９に繰り返し負荷される応力の大きさが、タービン翼９を構成する材料の疲労限度以上になりにくくなるので、タービン翼９が繰り返し運転により破損するおそれはほとんどない。

　なお、タービン翼９を切削加工で作製する場合の加工性、及び、流路内の気体の流れやすさを考慮すると、境界部分９ａの前記円弧の曲率半径は０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下とすることが好ましい。
　また、図１１，１２に示すように、境界部分９ａの全て（すなわち、タービン翼９の全周）を、タービン羽根車６の平面６ｂからの突出長さが一定でない形状とすることが好ましく、そうすれば応力集中を緩和する効果が最も高いが、境界部分９ａの一部を、タービン羽根車６の平面６ｂからの突出長さが一定でない形状としてもよい。

　さらに、第三実施形態においては、前記交差により形成される隅部に丸み付けを施したが、面取りを施してもよい。すなわち、タービン翼９の突出方向に沿う平面で切断した境界部分９ａの側面の断面形状を、タービン羽根車６の平面６ｂに対して傾斜する直線とすることにより、タービン翼９のうち境界部分９ａが、タービン羽根車６の平面６ｂからの突出長さが一定でない形状をなしていてもよい。境界部分９ａの前記直線の傾斜角度は４５°が好ましいが、他の角度でもよい。

　このような第三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。

　なお、第三実施形態は本発明の一例を示したものであって、本発明は第三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。
　また、タービン羽根車６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。

　　　　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　　　タービン羽根車
　　　　６ａ　　平面
　　　　６ｂ　　平面
　　　　７　　　磁石
　　　　８　　　タービン羽根車
　　　　８ａ　　板面
　　　　９　　　タービン翼
　　　　９ａ　　境界部分
　　　　９ｂ　　側面
　　　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
　　　５６　　　フランジ部
　　　５６ａ　　平面

Claims

　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設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５つの条件Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅを満足することを特徴とするスピンドル装置。
　　条件Ａ：前記複数のタービン翼は、前記タービン羽根車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同士の間隔は等間隔とされている。
　　条件Ｂ：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Ｃ：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Ｄ：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Ｅ：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。
　以下の３つの条件Ｆ，Ｇ，Ｈをさらに満足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。
　　条件Ｆ：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Ｇ：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いる。
　　条件Ｈ：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。
　以下の条件Ｉをさらに満足することを特徴とする請求項２に記載のスピンドル装置。
　　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。
　以下の条件Ｊをさらに満足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。
　　条件Ｊ：前記各タービン翼は、前記タービン羽根車の表面から突出して形成されており、前記タービン羽根車の表面からの突出長さが一定でない形状をなしている。
　前記タービン翼のうち前記タービン羽根車との境界部分が、前記タービン羽根車の表面からの突出長さが一定でない形状をなしていることを特徴とする請求項４に記載のスピンドル装置。
　前記タービン翼の突出方向に沿う平面で切断した前記境界部分の外面の断面形状が曲線であることを特徴とする請求項５に記載のスピンドル装置。
　前記曲線が円弧であることを特徴とする請求項６に記載のスピンドル装置。
　前記円弧の曲率半径が０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項７に記載のスピンドル装置。
　以下の３つの条件Ｋ，Ｌ，Ｍをさらに満足することを特徴とする請求項１～８のいずれか一項に記載のスピンドル装置。
　　条件Ｋ：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Ｌ：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Ｍ：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。
　以下の条件Ｎをさらに満足することを特徴とする請求項１～９のいずれか一項に記載のスピンドル装置。
　　条件Ｎ：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。
　請求項１～１０のいずれか一項に記載のスピンドル装置を備えることを特徴とする静電塗装装置。