(57)【要約】  駆動効率の向上が可能なエアモータ及び静電塗装装置を提供する。そのために、ハウジング（12）、その内側に挿通された主軸（2）、その一部でハウジングの内側に配される部分に主軸と同心に固定され、外周面に複数のタービン羽根（10）が形成された羽根車（4）、主軸及び羽根車を回転自在に支持する軸受（14,16）、羽根車を周方向へ回転させるべく、圧縮空気を各タービン羽根に向けて噴出する管状もしくは孔状の流路を有するノズル部(タービンエアノズル孔（28）及びブレーキエアノズル孔（34）)を備え、ノズル部の流路の水力半径をｒh、流路の路面の粘性摩擦係数をｃf、圧縮空気の比熱比をｋ、流路の入口における圧縮空気の流速をｖe、音速をａ0としてＭ1＝ｖe／ａ0とした場合、ノズル部の流路の長さを所定数式による算出値(Ｌ)以上の寸法に設定する。
2012073475.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジングと、前記ハウジングの内側に挿通された主軸と、前記主軸の一部で前記ハウジングの内側に配される部分に当該主軸と同心に固定され、外周面に複数のタービン羽根が形成された羽根車と、前記主軸及び前記羽根車を前記ハウジングに対して回転自在に支持するための軸受と、前記羽根車を周方向へ回転させるべく、圧縮空気を前記各タービン羽根に向けて噴出するための管状もしくは孔状の流路を有する少なくとも１つのノズル部とを備えたエアモータであって、
前記ノズル部の流路の水力半径をｒh、前記流路の路面の粘性摩擦係数をｃf、前記圧縮空気の比熱比をｋとするとともに、前記流路の入口における前記圧縮空気の流速をｖe、音速をａ0としてＭ1＝ｖe／ａ0とした場合、
【数１】
2012073475.tif 000011
でＬの値を算出し、
前記ノズル部の流路は、その長さが前記Ｌの算出値以上の寸法に設定されていることを特徴とするエアモータ。
【請求項２】
前記ノズル部の流路は、その長さが前記Ｌの算出値の５倍以上の寸法に設定されていることを特徴とする請求項１に記載のエアモータ。
【請求項３】
前記軸受が静圧気体軸受であることを特徴とする請求項１に記載のエアモータ。
【請求項４】
前記軸受のうち、少なくとも一端側の軸受は、セラミック製の転がり軸受として構成されていることを特徴とする請求項１に記載のエアモータ。
【請求項５】
前記転がり軸受は、前記ハウジングに装着させる一方の軌道輪と、一方の軌道輪に対向してスピンドルに装着させる他方の軌道輪と、これら軌道輪間に沿って組み込まれる複数の転動体とを備えており、
双方の軌道輪及び転動体のいずれか、或いは、その全てが、セラミックで形成されていることを特徴とする請求項４に記載のエアモータ。
【請求項６】
双方の軌道輪及び転動体のいずれか、或いは、その全てが非導電性セラミックで形成されていることを特徴とする請求項５に記載のエアモータ。
【請求項７】
双方の軌道輪及び転動体の全てが導電性セラミックで形成されていることを特徴とする請求項５に記載のエアモータ。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかに記載のエアモータを備えたことを特徴とする静電塗装装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、静電塗装工程で使用されるスピンドル装置や、高速回転を必要とする小径工具を用いる工作機械の主軸系の駆動部などに搭載されるエアモータ及び静電塗装装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
かかるエアモータは、主軸が静圧気体軸受により軸支され、圧縮空気などの気体をノズル部(孔や管など)から羽根車(回転翼)へ向けて噴出させることで、上記主軸を回転させる原動機であり、静電塗装機や精密加工機などに広く搭載されている。そして、その回転効率の向上を図るべく、従来から様々な改良が加えられており、それを具現化した各種のモータ構成が知られている(特許文献１及び特許文献２参照)。【０００３】
図１及び図２には、このようなエアモータの構成例として、静電塗装機の静電スプレーガンに搭載されるエアモータ(エアタービン付スピンドル装置)の一構成を例示している。かかるエアモータは、基端部から先端部(図１においては、右端部から左端部)へ向けて略直円管状に延出した中空の主軸２と、上記主軸２の基端部に当該主軸２と同心をなして配設される羽根車４を備えている。羽根車４は、主軸２よりも大径の平板状をなし、主軸２の基端部に締結部材などで位置決め固定される円環部６と、主軸２よりも大径かつ円環部６よりも小径の短円筒状をなし、円環部６の軸方向の一側面(図１においては、右側面)に固設される羽根車本体８とを備えている。羽根車本体８には、その外周面に複数のタービン羽根(ブレード)１０が全周に亘り、周方向に対して等間隔で形成されている。各タービン羽根(ブレード)１０は、同一回転方向に対して同一傾斜(一例として、羽根車４の正転方向(図２における右回転方向Ｃ)に対して前傾)するように、同一形状に構成されている。【０００４】
このような構成をなす主軸２及び羽根車４は、ハウジング１２の内側に所定の軸受(ラジアル静圧気体軸受１４及びアキシアル静圧気体軸受１６)によって回転自在に支持されている。図１に示す構成においては、ラジアル静圧気体軸受１４の軸受本体１８を多孔質材製の円筒状に構成し、ハウジング１２の内側の軸方向中間部位に固定するとともに、その内周面が主軸２の外周面の軸方向中間部位と極僅かな間隙を隔てて対向するように配している。ハウジング１２の内部には、ラジアル静圧気体軸受１４の軸受本体１８の外周面に通じ、当該軸受本体１８を介して上記主軸２の外周面との間隙に圧縮空気を供給するための給気通路２０が設けられている。一方、アキシアル静圧気体軸受１６は、その軸受本体２２を多孔質材製の断面形状が矩形をなす円環状に構成し、ハウジング１２の基端(図１においては、右端)内側に固定するとともに、その軸方向一側面(同、右側面)が羽根車４を構成する円環部６における羽根車本体８の固設面とは反対側の側面(同、左側面)の外周縁部と極僅かな間隙を隔てて対向するように配している。上記給気通路２０は、アキシアル静圧気体軸受１６の軸受本体２２の外周面に通じており、当該軸受本体２２を介することで上記羽根車４の円環部６の側面との間隙にも圧縮空気を供給している。【０００５】
これらラジアル静圧気体軸受１４及びアキシアル静圧気体軸受１６により、主軸２及び羽根車４を回転自在に支持する場合、給気通路２０、そしてラジアル静圧気体軸受１４及びアキシアル静圧気体軸受１６の両軸受本体１８,２２を通じて、これら軸受本体１８,２２と主軸２及び羽根車４(円環部６)との上記間隙に対して圧縮空気を連続して供給する。かかる間隙へ供給された圧縮空気は、上記主軸２の外周面及び上記円環部６の側面に連続して吹き付けられ、上記間隙全体に圧縮空気による膜を形成する。この結果、主軸２及び羽根車４は、上記膜を介して軸受１４,１６とはいずれも非接触状態に保たれつつ、これら軸受１４,１６によって回転自在に支持される。【０００６】
なお、上記間隙へ給気通路２０を通じて連続して供給された圧縮空気は、ラジアル静圧気体軸受１４の軸受本体１８の内部に設けられた排気孔２４、ハウジング１２の内部に設けられた排気通路２６、及び当該ハウジング１２の内部に存在する隙間などを通じて順次、外部空間へ排出される。また、このような構成をなすエアモータ(エアタービン付スピンドル装置)を静電塗装機の静電スプレーガンに実装する場合には、円環部６におけるアキシアル静圧気体軸受１６による支持面とは反対側の側面(つまり、羽根車本体８の固設面(図１においては、右側面))をアキシアル静圧気体軸受１６とは別個のアキシアル静圧軸受(図示しない)によって回転自在に支持することで、羽根車４及び当該羽根車４が固定される主軸２を軸方向に対して位置決めすればよい。【０００７】
また、ハウジング１２には、基端側(図１においては、右端側)の内周面と羽根車本体８の外周部が全周に亘って対向可能となるように、その内部に羽根車４を配している。すなわち、ハウジング１２の基端側内周面は、羽根車本体８の径方向外方に位置付けられている。【０００８】
そして、羽根車本体８の径方向外方に位置付けられるハウジング１２の基端側には、当該羽根車本体８の外周部へ向けて周方向へ所定間隔で開口する複数(図２に示す構成においては、一例として等間隔で６つ)のタービンエアノズル孔２８が形成されている。これらのタービンエアノズル孔２８は、その中心がいずれもハウジング１２の中心軸と直交する仮想平面内に位置付けられるように穿孔されているとともに、当該ハウジング１２の径方向に対して同一角度で傾斜(別の捉え方をすれば、羽根車４の正転方向(図２における右回転方向Ｃ)に対して前傾)するように穿孔されている。また、これらのタービンエアノズル孔２８は、その上流端(圧縮空気(タービンエア)の供給源側)の開口２８ｕをハウジング１２の基端側外周部近傍に全周に亘って形成したタービンエア供給通路３０に連通させるとともに、当該タービンエア供給通路３０は、その周方向の１箇所をハウジング１２の基端面(図１においては、右端面)に開口する状態で設けたタービンエア供給口３２に連通させている。一方、各タービンエアノズル孔２８は、その下流端(タービンエア噴入口)２８ｄをハウジング１２の基端側内周面に開口させている。すなわち、各タービンエアノズル孔２８の下流端(タービンエア噴入口)２８ｄは、いずれも羽根車本体８の外周面に形成された複数のタービン羽根(ブレード)１０と近接対向して開口される。【０００９】
また、ハウジング１２には、その基端側に、上記複数のタービンエアノズル孔２８といずれも重ならないように、羽根車本体８の外周部へ向けて開口するブレーキエアノズル孔３４が形成されている。ブレーキエアノズル孔３４は、その中心がタービンエアノズル孔２８の中心軸と同一の仮想平面内(つまり、タービンエアノズル孔２８と同一のハウジング１２の中心軸と直交する仮想平面内)に位置付けられるように穿孔されているとともに、これらのハウジング１２の径方向に対してタービンエアノズル孔２８とは反対方向へ所定角度(タービンエアノズル孔２８と略同一角度)で傾斜(別の捉え方をすれば、羽根車４の逆転方向(図２における左回転方向Ａ)に対して前傾)するように穿孔されている。また、ブレーキエアノズル孔３４は、その上流端(ブレーキエアの供給源側)の開口３４ｕをハウジング１２の基端面(図１においては、右端面)に開口する状態で設けたブレーキエア供給口３６に連通させるとともに、その下流端(ブレーキエア噴入口)３４ｄをハウジング１２の基端側内周面に開口させている。すなわち、ブレーキエアノズル孔３４の下流端(ブレーキエア噴入口)３４ｄは、羽根車本体８の外周面に形成された複数のタービン羽根(ブレード)１０と近接対向して開口される。【００１０】
なお、ハウジング１２の基端側には、アキシアル静圧気体軸受１６の軸受本体２２の内周部、及び羽根車４の羽根車本体８の軸方向の他側面(図１においては、左側面)といずれも所定間隔を空けて対向可能となるように、円環状の回転検出センサ３８が配設されている。かかる回転検出センサ３８には、上記羽根車本体８の軸方向の他側面と対向可能に検出部(図１においては、右側部)が備えられており、当該羽根車本体８の他側面には、被検出部(エンコーダ)が備えられている。これにより、羽根車４の回転状態(回転速度や回転方向など)を検出するためのセンサ機構が構成されている。かかるセンサ機構においては、上記被検出部(エンコーダ)の位置変動を上記検出部で検知、計測することにより、羽根車４の回転状態(回転速度や回転方向など)を検出している。【００１１】
ここで、図１に示すエアモータにおいては、回転検出センサ３８に、例えば、磁石を採用している。これは、図１に示すように、アキシアル軸受１６が回転運動の出力側にのみ設けられているため、主軸２、羽根車４、及び羽根車本体８が回転運動の反出力側（回転運動の出力側とは反対の向き）に抜ける可能性があるからである。そこで、回転検出センサ３８に磁石を採用することにより、主軸２に対する吸引力を作用させ、主軸２、羽根車４、及び羽根車本体８が回転運動の反出力側に抜ける可能性を抑えることができる。このように、回転検出センサ３８は、上記可能性を抑えることができるものであれば、目的に応じてその設置位置や機能を適宜選択することができる。例えば、アキシアル軸受１６を羽根車４の両端に設置することで、回転検出センサ３８として磁石を採用しない構成とすることができる。【００１２】
以上のような構成をなすエアモータ(エアタービン付スピンドル装置)が搭載された静電塗装機の静電スプレーガンによって塗装を行う際、かかるエアモータは次のように動作する。
上述したように、主軸２及び羽根車４は、ラジアル静圧気体軸受１４及びアキシアル静圧気体軸受１６によって、ハウジング１２に対して回転自在に支持されている。この状態で、複数のタービンエアノズル孔２８に対し、タービンエア供給口３２及びタービンエア供給通路３０を通じて圧縮空気(タービンエア)を供給する。そして、供給した圧縮空気(タービンエア)を各タービンエアノズル孔２８の下流端(タービンエア噴入口)２８ｄから噴出し、羽根車本体８の外周面に形成した複数のタービン羽根(ブレード)１０に吹き付ける。これにより、タービン羽根(ブレード)１０をその傾斜方向、すなわち羽根車４の正転方向(図２における右回転方向Ｃ)へ連続して押圧し、羽根車４そして主軸２を当該正転方向へ所定の回転速度で回転(例えば、分速数万回で高速回転)させる。【００１３】
次いで、この状態で主軸２の内側に挿通した塗料供給管(図示しない)を通じ、所定のカップ(図示しない)内に塗料を供給する。かかるカップは、主軸２の先端部(図１の左端部)のうち、ハウジング１２の外側に突出(露出)した部分に結合固定し、マイナスに帯電させる。これにより、上記カップに供給された塗料は、主軸２とともに高速回転する当該カップ内でイオン微粒子化される。【００１４】
そして、かかるイオン微粒子化させた塗料を、プラスに帯電させた被塗装面へ向けて静電吸引力を利用して飛ばし、当該被塗装面に対して付着させる。なお、各タービン羽根(ブレード)１０に吹き付けられた圧縮空気(タービンエア)は、ハウジング１２の基端側の内周部と羽根車本体８の外周面との間に存在する環状空間４０の基端側(図１においては、右端側)の開口から、当該開口に連通する状態で設けられた排気通路(図示しない)を通じて外部空間に排出される。【００１５】
これに対し、上記被塗装面の塗装作業を停止する場合には、各タービンエアノズル孔２８への圧縮空気(タービンエア)の供給と、上記カップへの塗料の供給をいずれも停止するとともに、ブレーキエア供給口３６を通じてブレーキエアノズル孔３４に対して圧縮空気(ブレーキエア)を供給する。そして、供給した圧縮空気(ブレーキエア)を上記ブレーキエアノズル孔３４の下流端(ブレーキエア噴入口)３４ｄから噴出し、各タービン羽根(ブレード)１０に吹き付ける。これにより、タービン羽根(ブレード)１０をその傾斜方向とは反対方向、すなわち羽根車４の逆転方向(図２における左回転方向Ａ)へ連続して押圧し、羽根車４そして主軸２の正転方向への惰性回転に負荷をかけ、早期の停止を図る。【００１６】
そして、羽根車４及び主軸２の回転速度が落ち、これら羽根車４及び主軸２の回転が完全に停止したことを回転検出センサ３８で検出した時点で、ブレーキエアノズル孔３４への圧縮空気(ブレーキエア)の供給を停止する。なお、この場合も、各タービン羽根(ブレード)１０に吹き付けられた圧縮空気(ブレーキエア)は、上記環状空間４０の基端側開口から、上記排気通路を通じて外部空間に排出される。【００１７】
ところで、かかるエアモータにおいて、その駆動力は、タービン部へ衝突させるノズル部からの噴流の運動量、すなわち、羽根車４(具体的には、羽根車本体８)の外周面に形成した複数のタービン羽根(ブレード)１０に吹き付けるべく、タービンエアノズル孔２８の下流端(タービンエア噴入口)２８ｄから噴出させる圧縮空気(タービンエア)の運動量に依存している。そして、その際に圧縮空気(タービンエア)を吹き付けた羽根車４の駆動力(トルク)は、以下の数式(１)によって算出される(非特許文献１参照)。なお、数式(１)において、Ｔはタービン部(羽根車４)の駆動力(トルク)、Ｆはノズル部からの噴流(タービンエアノズル孔２８からの噴出圧縮空気)の運動量(駆動力)、Ｒは上記噴流が衝突するタービン部(上記噴出圧縮空気が吹き付けられる羽根車４)の半径、ｍは上記噴流(噴出圧縮空気)の質量(ただし、質量流量×Δｔ)、Ｖは上記噴流(上記噴出圧縮空気)の流速、Ｖｔは上記噴流が衝突する部位(上記噴出圧縮空気が吹き付けられる羽根車４の部位)における周速(ただし、Ｖt＝２πＲＮ、Ｎ：モータ回転数)をそれぞれ示す。【００１８】
【数１】
2012073475.tif 000003
【００１９】
そして、ノズル部へ流入した気体の流速(タービンエア供給路３０からタービンエアノズル孔２８の入口である上流端の開口２８ｕを通じ、当該タービンエアノズル孔２８へ供給された直後の圧縮空気(タービンエア)の流速、以下、入口流速という)は、当該ノズル部において、噴流としての最高速が得られるような閉塞した条件下であっても音速とはならず、以下の数式(２)によって算出される値となる。なお、数式(２)において、ｖeはチョーク状態におけるノズル部(タービンエアノズル孔２８)の入口流速、ａ0は音速、ｋは圧縮空気(タービンエア)の比熱比をそれぞれ示す。【００２０】
【数２】
2012073475.tif 000004
【００２１】
また、上記チョーク状態における噴流(噴出圧縮空気)の質量(つまり、質量流量の最大値)は、以下の数式(３)によって算出される。なお、数式(３)において、ｍmaxは、上記チョーク状態における噴流(噴出圧縮空気)の質量、ρ0は上流側の圧縮空気(タービンエア)の密度、Ａeはノズル部(タービンエアノズル孔２８)の入口面積をそれぞれ示す。【００２２】
【数３】
2012073475.tif 000005
【００２３】
ここで、比熱比(ｋ)＝１．４０、定圧比熱をＣp＝１００７[J/kg・K]、及び上流側の圧縮空気(タービンエア)の温度をＴ[K]とすれば、音速(ａ0)は、以下の数式(４)によって表される。【００２４】
【数４】
2012073475.tif 000006
【００２５】
また、上流側の圧縮空気(タービンエア)の密度(ρ0)は、以下に示す数式(５)によって算出される。なお、数式(５)において、ｐ0は上流側の圧縮空気(タービンエア)の圧力を示す。【００２６】
【数５】
2012073475.tif 000007
【００２７】
以上を踏まえれば、エアモータの駆動効率の向上を図るためには、チョーク状態でのノズル部(タービンエアノズル孔２８)における圧縮空気(タービンエア)の入口流速(ｖe)(約３１３[m/s])を、音速(３４０[m/s])まで上昇させればよい。例えば、ノズル部の壁面(タービンエアノズル孔２８の内周面)における摩擦による圧縮空気(タービンエア)の圧損により、当該圧縮空気を膨張させることで、上記入口流速(ｖe)を増大させることが可能となる。ただし、この場合であっても、その上限速度は音速(３４０[m/s])までとなる。【００２８】
このような流速増大による上記入口流速(ｖe)の音速化は、Ｍ1＝ｖe／ａ0とした際に以下に示す数式(６)(非特許文献２参照)によって表されるＬ以上の寸法にノズル部の長さを設定した場合に達成される。なお、数式(６)において、ｒhは水力半径(円孔や円管の場合は内半径、角孔や角管の場合は断面積Ａ、周囲長をＣとした場合に２×Ａ／Ｃにより定義する)、ｃfはノズル部(孔や管)の壁面(タービンエアノズル孔２８の内周面)の粘性摩擦係数をそれぞれ示す。その際、粘性摩擦係数(ｃf)は、圧縮空気の流速をｖ、ノズル部(孔や管)の直径(内直径)をＤ、動粘度をνとした場合において、レイノルズ数(Ｒｅ＝ｖＤ／ν)を用いて、ｃf＝０．０５７６×Ｒｅ−０．２と与えられる。
このように、数式(６)は、ノズル部(タービンエアノズル孔２８)の断面形状が円形状のみならず、角形状であっても成立する。【００２９】
【数６】
2012073475.tif 000008
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３０】
【特許文献１】特開２００６−３０００２４号公報
【特許文献２】特開２００９−２４３４６１号公報
【非特許文献】
【００３１】
【非特許文献１】富田幸雄著  「水力学」  実教出版  1982年  P224
【非特許文献２】森康夫/一色尚次/河田治男共著「熱力学概論」  養賢堂  1989年  P214
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３２】
上述したように、エアモータの駆動効率の向上を図るためには、チョーク状態でのノズル部(孔や管など)における圧縮空気の入口流速(ｖe)を、音速(３４０[m/s])近くまで上昇させればよい。すなわち、エアモータにおいて、そのノズル部(タービンエアノズル孔２８)の設計を行うに当たっては、当該エアモータに要求される最大トルクから計算される上記ノズル部の入口流速(ｖe)、当該ノズル部の径寸法(水力半径)(ｒh)、圧縮空気の供給源の条件(具体的には、供給圧(ｐ0)あるいは供給流量)に従って、数式(６)によって算出される値(すなわち、Ｌ)以上の寸法にノズル部の長さ(ノズル長)を設定することが有効であるものと考えられる。【００３３】
しかしながら、エアモータの駆動効率の向上を図る上で、上記ノズル部における圧縮空気の入口流速(ｖe)、当該ノズル部の径寸法(水力半径)(ｒh)、圧縮空気の供給条件(供給圧(ｐ0)あるいは供給流量)に基づいて、かかるノズル部の最適設計を行う技術は現時点において知られていない。【００３４】
本発明は、このような課題を解決するためになされており、その目的は、羽根車のタービン羽根(ブレード)へ吹き付けるための圧縮空気を供給するノズル部(孔や管など)における圧縮空気の入口流速、当該ノズル部の径寸法(水力半径)、圧縮空気の供給条件(供給圧あるいは供給流量)に基づいて、ノズル部の長さ(ノズル長)を設定することで、駆動効率の向上を図ったエアモータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００３５】
このような目的を達成するために、本発明のある実施形態のエアモータは、ハウジングと、上記ハウジングの内側に挿通された主軸と、上記主軸の一部で上記ハウジングの内側に配される部分に当該主軸と同心に固定され、外周面に複数のタービン羽根が形成された羽根車と、上記主軸及び上記羽根車を上記ハウジングに対して回転自在に支持するための軸受と、上記羽根車を周方向へ回転させるべく、圧縮空気を上記各タービン羽根に向けて噴出するための管状もしくは孔状の流路を有する少なくとも１つのノズル部とを備えている。かかるエアモータにおいて、上記ノズル部の流路の水力半径をｒh、上記流路の路面の粘性摩擦係数をｃf、上記圧縮空気の比熱比をｋとするとともに、上記流路の入口における上記圧縮空気の流速をｖe、音速をａ0としてＭ1＝ｖe／ａ0とした場合、【００３６】
【数７】
2012073475.tif 000009
でＬの値を算出し、上記ノズル部の流路は、その長さを上記Ｌの算出値以上の寸法に設定する。【００３７】
なお、上記ノズル部の流路は、その長さを上記Ｌの算出値以上の寸法に設定すればよいが、その際には、上記Ｌの算出値の５倍以上の所定寸法に設定することが好ましい。
また、上記軸受は、静圧気体軸受であることが好ましい。
また、上記軸受のうち、少なくとも一端側の軸受は、セラミック製の転がり軸受として構成されていることが好ましい。
また、上記転がり軸受は、上記ハウジングに装着させる一方の軌道輪と、一方の軌道輪に対向してスピンドルに装着させる他方の軌道輪と、これら軌道輪間に沿って組み込まれる複数の転動体とを備えており、【００３８】
双方の軌道輪及び転動体のいずれか、或いは、その全てが、セラミックで形成されていることが好ましい。
また、上記双方の軌道輪及び転動体のいずれか、或いは、その全てが非導電性セラミックで形成されていることが好ましい。
また、上記双方の軌道輪及び転動体の全てが導電性セラミックで形成されていることが好ましい。
さらに、本発明の静電塗装装置は、上記のいずれかに記載のエアモータを備える。
【発明の効果】
【００３９】
本発明によれば、羽根車のタービン羽根(ブレード)へ吹き付けるための圧縮空気を供給するノズル部における圧縮空気の入口流速、当該ノズル部の径寸法(水力半径)、圧縮空気の供給条件(供給圧あるいは供給流量)に基づいて、ノズル部の長さ(ノズル長)を設定することで、駆動効率の向上を図ったエアモータ及び静電塗装装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明のある実施形態に係るエアモータの構成を示す断面図である。
【図２】図１に示すエアモータのＦ１−Ｆ１断面図である。
【図３】直径(内直径)寸法が1.1[mm]のノズル部に、流量20[NL/min]で圧縮空気を流動させた場合のノズル長に対する圧縮空気の供給圧と基準供給圧に対する供給圧比を示す図である。
【図４】直径(内直径)寸法が1.1[mm]のノズル部に、流量50[NL/min]で圧縮空気を流動させた場合のノズル長に対する圧縮空気の供給圧と基準供給圧に対する供給圧比を示す図である。
【図５】直径(内直径)寸法が1.8[mm]のノズル部に、流量50[NL/min]で圧縮空気を流動させた場合のノズル長に対する圧縮空気の供給圧と基準供給圧に対する供給圧比を示す図である。
【図６】直径(内直径)寸法が1.8[mm]のノズル部に、流量150[NL/min]で圧縮空気を流動させた場合のノズル長に対する圧縮空気の供給圧と基準供給圧に対する供給圧比を示す図である。
【図７】直径(内直径)寸法が2.5[mm]のノズル部に、流量150[NL/min]で圧縮空気を流動させた場合のノズル長に対する圧縮空気の供給圧と基準供給圧に対する供給圧比を示す図である。
【図８】直径(内直径)寸法が2.5[mm]のノズル部に、流量300[NL/min]で圧縮空気を流動させた場合のノズル長に対する圧縮空気の供給圧と基準供給圧に対する供給圧比を示す図である。
【図９】他の実施形態のエアモータを用いたスピンドル装置の全体構成を概略的に示す断面図である。
【図１０】他の実施形態のエアモータを用いたスピンドル装置の全体構成を概略的に示す断面図である。
【図１１】他の実施形態のエアモータを用いたスピンドル装置のセラミック製玉軸受周りの構成を拡大して示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
以下、本発明のエアモータのある実施形態について、添付図面を参照して説明する。なお、本実施形態のエアモータは、例えば、静電塗装工程で使用されるスピンドル装置や、高速回転を必要とする小径工具を用いる工作機械の主軸系の駆動部などに対して搭載することを想定可能であるが、その搭載機器はこれらに限定されるものではない。
【００４２】
また、本実施形態のエアモータは、かかるエアモータを構成するノズル部の長さ(ノズル長)を所定範囲の寸法に限定するものであり、当該エアモータのノズル部以外の基本的な構成は、既知のエアモータの構成であっても問題ない。したがって、本実施形態においては、上述したような静電塗装機の静電スプレーに搭載されるエアモータ(エアタービン付スピンドル装置)の構成(図１及び図２)をモータ構成の一例として想定し、かかるモータ構成を前提として説明する。
【００４３】
本実施形態に係るエアモータは、ハウジング１２と、上記ハウジング１２の内側に挿通された主軸２と、上記主軸２の一部で上記ハウジング１２の内側に配される部分に当該主軸２と同心に固定され、外周面に複数のタービン羽根(ブレード)１０が形成された羽根車４と、上記主軸２及び上記羽根車４を上記ハウジング１２に対して回転自在に支持するための静圧気体軸受(ラジアル静圧気体軸受１４及びアキシアル静圧気体軸受１６)と、上記羽根車４を周方向へ回転させるべく、圧縮空気を上記各タービン羽根１０に向けて噴出するための管状もしくは孔状の流路を有する少なくとも１つのノズル部２８,３４とを備えている。
【００４４】
上述したように、本実施形態においては、図１及び図２に示すエアモータ(エアタービン付スピンドル装置)の構成を一例として想定しているが、ハウジング１２、主軸２、羽根車４、静圧気体軸受(ラジアル静圧気体軸受１４及びアキシアル静圧気体軸受１６)については、図示構成に特に限定されるものではなく、エアモータの使用目的や使用条件などに応じて適宜、構成変更することが可能である。例えば、ハウジング１２及び主軸２の形状、羽根車４の大きさや配設数、当該羽根車４の羽根車本体８に形成するタービン羽根１０の形状や配設数、ラジアル静圧気体軸受１４及びアキシアル静圧気体軸受１６の配設位置や配設数などは、いずれもエアモータの使用目的や使用条件などに応じてそれぞれ任意に設定すればよい。
【００４５】
図１及び図２に示す構成において、タービンエアノズル孔２８は、その中心がいずれもハウジング１２の中心軸と直交する同一の仮想平面(以下、タービンエアノズル孔形成平面という)内に位置付けられ、ハウジング１２の径方向に対して同一角度で傾斜(羽根車４の正転方向(図２における右回転方向Ｃ)に対して前傾)するように穿孔されている。この場合、タービンエアノズル孔２８は、羽根車４(羽根車本体８)の外周部へ開口する孔として、ハウジング１２の基端側に穿孔されており、羽根車４を周方向(正転方向Ｃ)へ回転させるべく、圧縮空気(タービンエア)を各タービン羽根１０に向けて噴出するための孔状の流路を有している。
【００４６】
また、ブレーキエアノズル孔３４は、その中心が上記タービンエアノズル孔形成平面と同一平面内に位置付けられ、ハウジング１２の径方向に対してタービンエアノズル孔２８とは反対方向へ所定角度(一例として、タービンエアノズル孔２８と略同一角度)で傾斜(羽根車４の逆転方向(図２における左回転方向Ａ)に対して前傾)するように穿孔されている。この場合、ブレーキエアノズル孔３４は、羽根車４(羽根車本体８)の外周部へ開口する孔として、タービンエアノズル孔２８と重ならないようにハウジング１２の基端側へ穿孔されており、羽根車４を周方向(逆転方向Ａ)へ回転させるべく、圧縮空気(ブレーキエア)を各タービン羽根１０に向けて噴出するための孔状の流路を有している。
すなわち、これらのタービンエアノズル孔２８及びブレーキエアノズル孔３４は、いずれも、エアモータにおけるノズル部として構成されている。
【００４７】
なお、ノズル部として構成されるタービンエアノズル孔２８及びブレーキエアノズル孔３４の配設位置や配設数、断面形状などは、任意に設定することが可能である。例えば、図１及び図２には、羽根車４(羽根車本体８)の外周部へ向けてハウジング１２の基端側に等間隔で、その中心が同一の上記タービンエアノズル孔形成平面内に位置付けられて開口するように、６つのタービンエアノズル孔２８を穿孔したエアモータの一構成を例示しているが、複数のタービンエアノズル孔形成平面内にその中心が位置付けられるように、同一もしくは異なる数のタービンエアノズル孔２８を穿孔した構成などとすることも想定可能である。また、図１及び図２には、ブレーキエアノズル孔３４を１つだけ穿孔したエアモータの一構成を例示しているが、複数のブレーキエアノズル孔３４を上述したいずれかのタービンエアノズル孔２８と同様の態様(傾斜方向は除く)で穿孔した構成とすることも想定可能である。加えて、図１及び図２には、断面形状が円形となる円孔として、タービンエアノズル孔２８及びブレーキエアノズル孔３４を穿孔したエアモータの一構成を例示しているが、これらを断面形状が角形(四角形等の多角形)となる角孔として、タービンエアノズル孔２８及びブレーキエアノズル孔３４を穿孔した構成などとすることも想定可能である。
【００４８】
また、図１及び図２には、羽根車４を周方向(正転方向Ｃもしくは逆転方向Ａ)へ回転させるべく、圧縮空気(タービンエアもしくはブレーキエア)を各タービン羽根１０に向けて噴出するための孔状の流路を有するノズル部(タービンエアノズル孔２８及びブレーキエアノズル孔３４)の構成を一例として示しているが、ノズル部は、管状(例えば、断面形状が円形や角形(四角形等の多角形)となる円管状や角管状など)の流路を有する構成であっても構わない。
【００４９】
かかるノズル部(タービンエアノズル孔２８及びブレーキエアノズル孔３４)の流路は、その長さ(上流端の開口２８ｕ,３４ｕから下流端の開口２８ｄ,３４ｄまでの距離(図１に示す距離Ｌｔ,Ｌｂ))が、以下の数式(６)で算出されるＬの値以上の寸法に設定されている。なお、数式(６)において、ｒhはノズル部(タービンエアノズル孔２８及びブレーキエアノズル孔３４)の水力半径(内半径寸法をｒとすれば、２×πｒ2／２πｒ＝ｒ(内半径)となる)、ｃfはノズル部の壁面(タービンエアノズル孔２８及びブレーキエアノズル孔３４の内周面)の粘性摩擦係数をそれぞれ示す。その際、粘性摩擦係数(ｃf)は、圧縮空気(タービンエア及びブレーキエア)の流速をｖ、ノズル部(タービンエアノズル孔２８及びブレーキエアノズル孔３４)の直径(内直径)をＤ、動粘度をνとした場合において、レイノルズ数(Ｒｅ＝ｖＤ／ν)を用いて、ｃf＝０．０５７６×Ｒｅ−０．２と与えられる。
【００５０】
【数８】
2012073475.tif 000010
【００５１】
ノズル部のノズル長(タービンエアノズル孔２８のノズル長Ｌｔ及びブレーキエアノズル孔３４ノズル長Ｌｂ)は、数式(６)によるＬの算出値以上の寸法に設定されていれば、特に限定されず、エアモータの使用目的や使用条件などに応じて任意に設定することが可能である。一例として、本実施形態においては、ノズル部２８,３４のノズル長Ｌｔ,Ｌｂが上記Ｌの算出値の５倍以上(５Ｌ≦Ｌｔ、５Ｌ≦Ｌｂ)の所定寸法に設定されている場合を想定する。
【００５２】
ノズル部２８,３４のノズル長Ｌｔ,Ｌｂをこのような寸法設定(５Ｌ≦Ｌｔ、５Ｌ≦Ｌｂ)とすることで、チョーク状態でのノズル部(タービンエアノズル孔２８及びブレーキエアノズル孔３４)における圧縮空気(タービンエア及びブレーキエア)の入口流速(ｖe)を、音速(３４０[m/s])近くまで上昇させることが可能となる。すなわち、エアモータに要求される最大トルクから計算されるノズル部２８,３４の入口流速(ｖe)、当該ノズル部２８,３４の径寸法(水力半径)(ｒh)、圧縮空気の供給源の条件(具体的には、供給圧(ｐ0)あるいは供給流量)に従って、当該エアモータのノズル部２８,３４の最適設計を行うことができる。
【００５３】
このように、羽根車４のタービン羽根(ブレード)１０へ吹き付けるための圧縮空気(タービンエア及びブレーキエア)を供給するノズル部(タービンエアノズル孔２８及びブレーキエアノズル孔３４)における上記圧縮空気の入口流速(ｖe)、かかるノズル部２８,３４の径寸法(水力半径)(ｒh)、上記圧縮空気の供給条件(供給圧(ｐ0)あるいは供給流量)に基づいてノズル部２８,３４の長さ(ノズル長)を設定することで、エアモータの回転時及び停止時の双方の観点から駆動効率の向上を効果的に図ることが可能となる。
【００５４】
なお、本実施形態においては、タービンエアノズル孔２８及びブレーキエアノズル孔３４をノズル部として、いずれのノズル長Ｌｔ,Ｌｂについても上記Ｌの算出値以上の寸法、一例として、Ｌの算出値の５倍以上(５Ｌ≦Ｌｔ、５Ｌ≦Ｌｂ)の所定寸法に設定することを想定しているが、エアモータの回転効率に特化すれば、タービンエアノズル孔２８のノズル長Ｌｔのみを上記所定寸法(５Ｌ≦Ｌｔ)に設定するだけでも特段問題はなく、必ずしもブレーキエアノズル孔３４のノズル長Ｌｂを上記所定寸法(５Ｌ≦Ｌｂ)に設定しなくともよい。
【００５５】
ここで、直径(内直径)寸法が1.1[mm]、1.8[mm]及び2.5[mm]のノズル部(タービンエアノズル孔２８及びブレーキエアノズル孔３４)に一定流量の圧縮空気(タービンエア及びブレーキエア)を流動させた場合に設定すべきノズル長の具体例を以下に示す(図３から図８)。
【００５６】
図３に示すように、直径(内直径)寸法が1.1[mm]のノズル部に、流量20[NL/min]で圧縮空気を流動させる場合、数式(６)によるＬの算出値は0.34[mm](Ｌ＝0.34)となる。そして、ノズル長Ｌｔ,Ｌｂを上記Ｌの算出値の1.0倍から40.0倍の範囲で所定寸法に設定した場合、20[NL/min]の圧縮空気の流量を確保するために必要な供給圧は、0.18[MPa]から0.24[MPa]の範囲となる。この場合の最低供給圧である0.18[MPa]を基準供給圧(ノズル長Ｌｔ,Ｌｂが5.60[mm](16.5Ｌ)の場合に代表される供給圧)とすれば、当該基準供給圧に対するノズル長Ｌｔ,Ｌｂの各設定寸法時(Ｌ≦Ｌｔ,Ｌｂ≦40Ｌ)における供給圧の比率(供給圧／基準供給圧、以下、供給圧比という)は、ノズル長Ｌｔ,ＬｂがＬ[mm](Ｌ＝0.34)及び4.4Ｌ[mm](Ｌ＝1.50)の場合を除き、1.10よりも小さくなり、対基準供給圧の上昇率を10％未満に抑えることができる。
【００５７】
図４に示すように、直径(内直径)寸法が1.1[mm]のノズル部に、流量50[NL/min]で圧縮空気を流動させる場合、数式(６)によるＬの算出値は0.40[mm](Ｌ＝0.40)となる。そして、ノズル長Ｌｔ,Ｌｂを上記Ｌの算出値の1.0倍から40.0倍の範囲で所定寸法に設定した場合、50[NL/min]の圧縮空気の流量を確保するために必要な供給圧は、0.44[MPa]から0.61[MPa]の範囲となる。この場合の最低供給圧である0.44[MPa]を基準供給圧(ノズル長Ｌｔ,Ｌｂが6.40[mm](16.0Ｌ)の場合に代表される供給圧)とすれば、供給圧比は、ノズル長Ｌｔ,ＬｂがＬ[mm](Ｌ＝0.40)及び4.5Ｌ[mm](Ｌ＝1.80)の場合を除き、1.10よりも小さくなり、対基準供給圧の上昇率を10％未満に抑えることができる。
【００５８】
図５に示すように、直径(内直径)寸法が1.8[mm]のノズル部に、流量50[NL/min]で圧縮空気を流動させる場合、数式(６)によるＬの算出値は0.59[mm](Ｌ＝0.59)となる。そして、ノズル長Ｌｔ,Ｌｂを上記Ｌの算出値の1.0倍から40.0倍の範囲で所定寸法に設定した場合、50[NL/min]の圧縮空気の流量を確保するために必要な供給圧は、0.23[MPa]から0.16[MPa]の範囲となる。この場合の最低供給圧である0.16[MPa]を基準供給圧(ノズル長Ｌｔ,Ｌｂが10.10[mm](17.1Ｌ)の場合に代表される供給圧)とすれば、供給圧比は、ノズル長Ｌｔ,ＬｂがＬ[mm](Ｌ＝0.59)及び4.4Ｌ[mm](Ｌ＝2.60)の場合を除き、1.10よりも小さくなり、対基準供給圧の上昇率を10％未満に抑えることができる。
【００５９】
図６に示すように、直径(内直径)寸法が1.8[mm]のノズル部に、流量150[NL/min]で圧縮空気を流動させる場合、数式(６)によるＬの算出値は0.74[mm](Ｌ＝0.74)となる。そして、ノズル長Ｌｔ,Ｌｂを上記Ｌの算出値の1.0倍から40.0倍の範囲で所定寸法に設定した場合、150[NL/min]の圧縮空気の流量を確保するために必要な供給圧は、0.68[MPa]から0.49[MPa]の範囲となる。この場合の最低供給圧である0.49[MPa]を基準供給圧(ノズル長Ｌｔ,Ｌｂが12.60[mm](17.0Ｌ)の場合に代表される供給圧)とすれば、供給圧比は、ノズル長Ｌｔ,ＬｂがＬ[mm](Ｌ＝0.74)及び4.5Ｌ[mm](Ｌ＝3.30)の場合を除き、1.10よりも小さくなり、対基準供給圧の上昇率を10％未満に抑えることができる。
【００６０】
図７に示すように、直径(内直径)寸法が2.5[mm]のノズル部に、流量150[NL/min]で圧縮空気を流動させる場合、数式(６)によるＬの算出値は1.00[mm](Ｌ＝1.00)となる。そして、ノズル長Ｌｔ,Ｌｂを上記Ｌの算出値の1.0倍から40.0倍の範囲で所定寸法に設定した場合、150[NL/min]の圧縮空気の流量を確保するために必要な供給圧は、0.35[MPa]から0.26[MPa]の範囲となる。この場合の最低供給圧である0.26[MPa]を基準供給圧(ノズル長Ｌｔ,Ｌｂが16.20[mm](16.2Ｌ)の場合に代表される供給圧)とすれば、供給圧比は、ノズル長Ｌｔ,ＬｂがＬ[mm](Ｌ＝1.00)及び4.4Ｌ[mm](Ｌ＝4.40)の場合を除き、1.10よりも小さくなり、対基準供給圧の上昇率を10％未満に抑えることができる。
【００６１】
図８に示すように、直径(内直径)寸法が2.5[mm]のノズル部に、流量300[NL/min]で圧縮空気を流動させる場合、数式(６)によるＬの算出値は1.10[mm](Ｌ＝1.10)となる。そして、ノズル長Ｌｔ,Ｌｂを上記Ｌの算出値の1.0倍から40.0倍の範囲で所定寸法に設定した場合、300[NL/min]の圧縮空気の流量を確保するために必要な供給圧は、0.51[MPa]から0.71[MPa]の範囲となる。この場合の最低供給圧である0.51[MPa]を基準供給圧(ノズル長Ｌｔ,Ｌｂが18.70[mm](17.0Ｌ)の場合に代表される供給圧)とすれば、供給圧比は、ノズル長Ｌｔ,ＬｂがＬ[mm](Ｌ＝1.10)及び4.5Ｌ[mm](Ｌ＝4.90)の場合を除き、1.10よりも小さくなり、対基準供給圧の上昇率を10％未満に抑えることができる。
【００６２】
以上を考慮すれば、ノズル部のノズル長(タービンエアノズル孔２８のノズル長Ｌｔ及びブレーキエアノズル孔３４ノズル長Ｌｂ)は、数式(６)によるＬの算出値の５倍以上(５Ｌ≦Ｌｔ、５Ｌ≦Ｌｂ)の所定寸法に設定することが好ましい。すなわち、このような設定とすることで、圧縮空気の供給圧を特段上昇させることなく、チョーク状態でのノズル部(タービンエアノズル孔２８及びブレーキエアノズル孔３４)における圧縮空気(タービンエア及びブレーキエア)の入口流速(ｖe)を、音速(３４０[m/s])近くまで上昇させることが可能となる。
【００６３】
なお、エアモータに要求される最大トルクから計算される上記ノズル部(タービンエアノズル孔２８及びブレーキエアノズル孔３４)の入口流速(ｖe)、当該ノズル部２８,３４の径寸法(水力半径)(ｒh)、圧縮空気(タービンエア及びブレーキエア)の供給源の条件(具体的には、供給圧(ｐ0)あるいは供給流量)に基づいて、かかるノズル部２８,３４のノズル長Ｌｂ,Ｌｔを設定する場合、当該ノズル長Ｌｂ,Ｌｔの寸法を大きくすると、それに伴って圧縮空気(タービンエア及びブレーキエア)の圧損も増大する。このため、所定の流量を確保するためには、かかる圧縮空気の供給圧も高める必要がある。
【００６４】
一方、上述した各具体例(図３から図８)に示すように、ノズル長Ｌｂ,Ｌｔを数式(６)によるＬの算出値の１６倍から１７倍程度に設定すれば、圧縮空気の供給圧を最低値(上述した各具体例における基準供給圧)程度に抑えることが可能となり、供給圧を過度に上昇させずに済む。
したがって、ノズル長Ｌｂ,Ｌｔは、数式(６)によるＬの算出値の１６倍から１７倍程度を上限値として所定寸法(５Ｌ≦Ｌｔ、５Ｌ≦Ｌｂ)に設定することが好ましい。
【００６５】
以上、本発明のある実施形態について説明してきたが、本発明はこれに限定されずに、種々の変更、改良を行うことができる。例えば、他の実施形態のエアモータとして、使用目的や使用条件などに応じて上記静圧気体軸受の代わりに玉軸受を用いてもよい。以下、玉軸受を採用した本実施形態のエアモータを適用したスピンドル装置の一例について説明する。図９に示すように、本実施形態のエアモータを適用したスピンドル装置は、例えばハウジング１０２に対して回転可能に配置された主軸１０４と、主軸１０４に設けられたタービン駆動部１０６と、ハウジング１０２と主軸１０４との間に設けられ、ハウジング１０２に対して主軸１０４を回転可能に支持する複数の軸受１０８,１１０とを備えている。そして、当該スピンドル装置は、例えば圧縮空気などの流体の運動エネルギをタービン駆動部１０６によって回転運動に変換することで、主軸１０４を所望の速度で回転させることができるようになっている。
【００６６】
このようなスピンドル装置において、主軸１０４は、ハウジング１０２内に収容されており、その先端側がハウジング１０２を越えて当該主軸１０４の回転軸Ｌに沿って延出し、その基端側には、タービン駆動部１０６が構築されている。タービン駆動部１０６は、主軸１０４の回転軸Ｌを直交する方向に延在し、かつ当該回転軸Ｌと同心円状に形成された円板形状のタービン羽根車１０６ａと、タービン羽根車１０６ａの外周に沿って形成された複数の羽根１０６ｂとを備えている。
【００６７】
また、ハウジング１０２には、タービン駆動部１０６の複数の羽根１０６ｂに向けて開口したタービン用気流噴出口１１２が形成されており、タービン用気流噴出口１１２には、ハウジング１０２に形成されたタービン用給気路１１４を介して圧縮空気供給源（図示しない）が接続されている。
この場合、圧縮空気供給源から供給された圧縮空気を、タービン用給気路１１４を介してタービン用気流噴出口１１２から各羽根１０６ｂに吹き付けると、その気流が各羽根１０６ｂを周方向に押す圧力となって作用し、このときの押圧力がタービン羽根車１０６ａを介して回転運動となって主軸１０４に伝達される。これにより、主軸１０４を、その回転軸Ｌを中心に所望の速度で回転させることができる。
【００６８】
また、主軸１０４は、その先端側において、当該主軸１０４とハウジング１０２との間に設けられた複数の軸受１０８,１１０によって回転可能に支持されている。図面では一例として、ハウジング１０２と主軸１０４との間の領域において、その一端側（回転運動の出力側）の軸受１０８と、その他端側（回転運動の入力側）の軸受１１０の２つの軸受によって主軸１０４を支持する構成が示されている。
【００６９】
複数の軸受１０８,１１０は、それぞれ、ハウジング１０２に装着させる一方の軌道輪１０８ａ,１１０ａ（外輪）と、外輪１０８ａ,１１０ａに対向して主軸１０４に装着させる他方の軌道輪１０８ｂ,１１０ｂ（内輪）と、これら外内輪間に沿って組み込まれる複数の転動体１１６,１１８とを備えた転がり軸受として構成されている。この場合、転動体１１６,１１８としては、玉やコロを適用することができるが、ここでは一例として、玉１１６,１１８を想定する。
【００７０】
また、図面では軸受１０８,１１０の一例として、一方の溝肩１０８ｃ,１１０ｃが全部又は部分的に取り除かれた肩おとし内輪１０８ｂ,１１０ｂを適用した転がり軸受１０８,１１０が示されているが、これに限定されることはなく、例えば、外内輪ともに一方の肩おとしがされたもの、或いは、外内輪ともに双方の溝肩を有するもの（例えば、深溝玉軸受）であってもよい。いずれにおいても、以下、複数の軸受１０８,１１０として、外内輪間に複数の転動体（玉）１１６,１１８が組み込まれた２つの玉軸受１０８,１１０を想定する。
【００７１】
なお、これら玉軸受１０８,１１０は、ハウジング１０２と主軸１０４との間において、一端側の玉軸受１０８と他端側の玉軸受１１０とは、肩おとし内輪１０８ｂ,１１０ｂの背面１０８ｄ,１１０ｄ同士が間座１２０を介して対向配置されている。そして、その状態において、主軸１０４の先端側からカバー部材１２２をハウジング１０２に例えばネジ１２４等によって締結すると、そのとき一端側の玉軸受１０８（具体的には、外輪１０８ａ）に作用した力が、当該玉軸受１０８の転動体（玉）１１６及び内輪１０８ｂから間座１２０を介して他端側の玉軸受１１０（具体的には、内輪１１０ｂ）に伝達され、当該玉軸受１１０の転動体（玉）１１８及び外輪１１０ａを押圧する。
【００７２】
このとき、各玉軸受１０８,１１０には、所定の予圧が与えられ、その結果、主軸１０４に作用するラジアル荷重と、両方向のアキシアル荷重とを受けることができる状態に維持される。これにより、主軸１０４は、これら玉軸受１０８,１１０によってラジアル方向及びアキシアル方向に支持されることで、一定の回転軸Ｌを中心に回転することができる。
【００７３】
また、本実施形態では、上記したスピンドル装置において、一端側及び他端側の玉軸受１０８,１１０は、セラミック製の転がり軸受として構成されている。ここで、当該玉軸受１０８,１１０をセラミック化する仕様としては、外輪１０８ａ,１１０ａ、内輪１０８ｂ,１１０ｂ、転動体（玉）１１６,１１８のいずれか、或いは、その全てが、セラミックで形成されている場合がある。この場合、ハウジング１０２と主軸１０４との間の絶縁が必要な場合、及び、ハウジング１０２と主軸１０４との間の導通が必要な場合を想定する必要がある。
【００７４】
［構成例１：ハウジングとスピンドルとの間の絶縁が必要な場合］
ハウジング１０２と主軸１０４との間の絶縁が必要な場合には、外輪１０８ａ,１１０ａ、内輪１０８ｂ,１１０ｂ、転動体（玉）１１６,１１８のいずれか、或いは、その全てを非導電性（絶縁性）セラミックで形成すればよい。ここで、非導電性（絶縁性）セラミックとしては、例えば、アルミナ、ジルコニアなどの酸化物や、窒素珪素などの電気抵抗の高い絶縁材料を適用することができる。
この場合、例えば、各転動体（玉）１１６,１１８を上記したような非導電性（絶縁性）セラミックで形成した場合には、外輪１０８ａ,１１０ａと内輪１０８ｂ,１１０ｂの材質については、特に制限はされず、例えば高炭素クロム軸受鋼や特殊鋼（ステンレス鋼）などを適用することができる。
【００７５】
なお、例えば、外輪１０８ａ,１１０ａを上記したような非導電性（絶縁性）セラミックで形成した場合、内輪１０８ｂ,１１０ｂ及び転動体（玉）１１６,１１８を例えば高炭素クロム軸受鋼や特殊鋼（ステンレス鋼）で形成すればよい。これに対して、例えば、内輪１０８ｂ,１１０ｂを上記したような非導電性（絶縁性）セラミックで形成した場合、外輪１０８ａ,１１０ａ及び転動体（玉）１１６,１１８を例えば高炭素クロム軸受鋼や特殊鋼（ステンレス鋼）で形成すればよい。
また、当該玉軸受１０８,１１０に封入する潤滑剤としては、例えば高速用グリースを適用することが好ましい。なお、高速用グリースとしては、例えばエステル油を基油として添加したものを適用することができる。
【００７６】
［構成例２：ハウジングとスピンドルとの間の導通が必要な場合］
ハウジング１０２と主軸１０４との間の導通が必要な場合には、外輪１０８ａ,１１０ａ、内輪１０８ｂ,１１０ｂ、転動体（玉）１１６,１１８の全てを導電性セラミックで形成すればよい。ここで、導電性セラミックとしては、例えば、酸化アルミニウム（アルミナ）、二酸化ジルコニウム（ジルコニア）などの酸化物に導電性セラミックス粒子を微細に分散した電気抵抗の低いセラミック材料を適用することができる。
【００７７】
この場合、当該玉軸受１０８,１１０に封入する潤滑剤としては、例えば導電性グリースを適用することが好ましい。また、導電性グリースとしては、例えばカーボンブラック、金属粉、金属酸化物などを充填剤として添加したものを適用することができる。なお、導通とは、電流が流れる状態、即ち、通電可能な状態を指す。
【００７８】
以上、本実施形態によれば、上記したセラミック製の玉軸受１０８,１１０は、それ自体の剛性（軸受剛性）が高いため、ハウジング１０２に対して主軸１０４を堅牢に支持することができる。このため、スピンドル装置の稼働中におけるタービン駆動部１０６の旋回負荷の影響を受けることなく、主軸１０４の回転軸Ｌを一定に維持することができ、当該主軸１０４を一定の回転軸Ｌを中心に回転させることができる。この結果、スピンドル装置の稼働中に、例えば主軸１０４が変位してハウジング１０２と接触するようなことはない。
【００７９】
この場合、主軸１０４の回転状態（回転速度）を一定に保つことができるため、主軸１０４の回転速度を常に所望の速度に安定化させることができる。これにより、スピンドル装置が例えば静電塗装機に用いられている場合には、塗装対象物に対する塗装ムラを発生させることなく、当該塗装対象物を均一に塗装することができる。
また、上記した空気軸受では、その軸受サイズ（大きさ）によって剛性や負荷容量が決定されるため、スピンドル装置を大型化する必要があるが、当該空気軸受に代えて、それ自体の剛性（軸受剛性）が高いセラミック製の玉軸受１０８,１１０を適用することにより、スピンドル装置のコンパクト化を実現することができる。
【００８０】
これにより、空気軸受を適用した場合に比べて、スピンドル装置の稼働に要するコストを大幅に低減することができる。また、空気軸受を適用した場合に比べて、玉軸受１０８,１１０の個数を少なくすることができるため、スピンドル装置全体の部品点数を大幅に削減することが可能となり、その結果、スピンドル装置の製造に要するコストを大幅に低減することができる。
【００８１】
更に、セラミック製の玉軸受１０８,１１０は、空気軸受に比べて、その回転性能を高めることができるため、スピンドル装置に要求されている高速回転化（例えば、１分間で６０,０００回転（ｒｐｍ）の高速回転化）への対応を可能にすることができる。
なお、本発明は、上記した実施形態に限定されることはなく、以下の各変形例に係る技術思想も本発明の技術的範囲に含まれる。
【００８２】
例えば図１１に示すように、上記した構成例１,２において、各玉軸受１０８,１１０にシール構造を施すようにしてもよい。図面ではシール構造の一例として、各玉軸受１０８,１１０には、転動体（玉）１１６,１１８の両側に、外輪１０８ａ,１１０ａと内輪１０８ｂ,１１０ｂとの間に区画される軸受内部空間を軸受外部から密封するための密封板１２６が設けられている。
【００８３】
ここで、密封板１２６としては、例えば金属板をプレス加工した環状のシールドや、心金入りのゴム製を成すシールを適用することができる。なお、図面では一例として、基端が外輪１０８ａ,１１０ａの内周に固定され、先端が内輪１０８ｂ,１１０ｂに向けて延出した密封板１２６を適用した構成が示されているが、これとは逆に、基端が内輪１０８ｂ,１１０ｂの外周に固定され、先端が外輪１０８ａ,１１０ａに向けて延出した密封板１２６を適用して構成してもよい。この場合、密封板１２６としてシールを適用した場合には、当該シール１２６の先端を、相手側軌道輪（即ち、外輪１０８ａ,１１０ａ、内輪１０８ｂ,１１０ｂ）に対して接触させてもよいし、或いは、接触させずに狭い隙間が保たれるようにしてもよい。
【００８４】
以上、本変形例によれば、上記した実施形態に係る効果に加えて、更に、各玉軸受１０８,１１０に密封板１２６を適用したことにより、当該玉軸受１０８,１１０の軸受内部空間に封入された潤滑剤（具体的には、上記した構成例１では高速用グリース、上記した構成例２では導電性グリース）が、軸受外部へ漏洩したり、飛散したりすることを確実に防止することができる。これにより、当該玉軸受１０８,１１０の回転性能や潤滑性能を長期に亘って一定に維持することができるため、スピンドル装置の長寿命化を図ることができる。
【００８５】
また、例えば図１０に示すように、少なくとも一端側の玉軸受１０８をセラミック製の転がり軸受として構成するようにしてもよい。なお、図面では一例として、当該玉軸受１０８は、内輪１０８ｂの背面１０８ｄがハウジング１０２に当て付けられるように、ハウジング１０２と主軸１０４との間に設けられているが、これにより、本発明の技術範囲が限定されるものではない。
【００８６】
この場合、他端側の軸受としては、その種類は特に制限されないが、図面では一例として、空気軸受が適用されており、かかる空気軸受は、ハウジング１０２に対して主軸１０４をラジアル方向に支持するラジアル空気軸受１２８と、当該主軸１０４をアキシアル方向に支持するアキシアル空気軸受１３０とを備えて構成されている。
【００８７】
ラジアル空気軸受１２８は、主軸１０４の外周を覆うように回転軸Ｌと同心円状に配置された中空円筒状の多孔質部材１２８ａを備えており、一方、アキシアル空気軸受１３０は、タービン駆動部１０６のタービン羽根車１０６ａの片側（回転軸Ｌに沿った方向の片側）に沿って対向配置された環状の多孔質部材１３０ａを備えている。また、ハウジング１０２には、各多孔質部材１２８ａ,１３０ａに圧縮空気を供給するための圧縮空気給気路１３２が構築されており、当該圧縮空気給気路１３２には、図示しない圧縮空気供給源が接続されている。
【００８８】
このような空気軸受によれば、圧縮空気供給源から圧縮空気給気路１３２に圧縮空気等の気流を供給すると、その気流は、各多孔質部材１２８ａ,１３０ａを通って主軸１０４の外周及びタービン羽根車１０６ａの片側に向けて吹き付けられる。このとき、主軸１０４と多孔質部材１２８ａとの間が非接触状態に保持されると共に、タービン駆動部１０６のタービン羽根車１０６ａの片側と多孔質部材１３０ａとの間が非接触状態に保持される。
【００８９】
ここで、一端側の玉軸受１０８は、それ単体で主軸１０４をラジアル方向及びアキシアル方向に支持することができるため、アキシアル空気軸受１３０の多孔質部材１３０ａは、タービン駆動部１０６のタービン羽根車１０６ａを挟むように両側に設ける必要はなく、片側のみで足りる。これにより、タービン駆動部１０６を含めて主軸１０４の全体が、一端側の玉軸受１０８によってハウジング１０２に対して支持されると共に、他端側の空気軸受１２８,１３０によってハウジング１０２から浮上支持される。
【００９０】
以上、本変形例によれば、上記した実施形態に係る効果に加えて、更に、一端側の玉軸受１０８をセラミック製の転がり軸受とし、他端側の軸受のみを空気軸受１２８,１３０としたことにより、従来のスピンドル装置に比べて、空気軸受１２８,１３０の配置個数を大幅に削減することができる。これにより、空気軸受１２８,１３０に使用する空気流量を大幅に低減することができるため、スピンドル装置の稼働に要するコストを大幅に低減することができる。
【符号の説明】
【００９１】
２    主軸
４    羽根車
１０  タービン羽根
１２  ハウジング
１４  軸受(ラジアル静圧気体軸受)
１６  軸受(アキシアル静圧気体軸受)
２８  ノズル部(タービンエアノズル孔)
３４  ノズル部(ブレーキエアノズル孔)
【図１】
2012073475.tif 000012
【図２】
2012073475.tif 000013
【図３】
2012073475.tif 000014
【図４】
2012073475.tif 000015
【図５】
2012073475.tif 000016
【図６】
2012073475.tif 000017
【図７】
2012073475.tif 000018
【図８】
2012073475.tif 000019
【図９】
2012073475.tif 000020
【図１０】
2012073475.tif 000021
【図１１】
2012073475.tif 000022
【手続補正書】
【提出日】平成25年7月29日(2013.7.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジングと、前記ハウジングの内側に挿通された主軸と、前記主軸の一部で前記ハウジングの内側に配される部分に当該主軸と同心に固定され、複数のタービン羽根が形成された羽根車と、前記主軸及び前記羽根車を前記ハウジングに対して回転自在に支持するための軸受と、前記羽根車を周方向へ回転させるべく、圧縮空気を前記各タービン羽根に向けて噴出するための管状もしくは孔状の流路を有する少なくとも１つのノズル部とを備えたエアモータであって、
前記ノズル部の流路の水力半径をｒh、前記流路の路面の粘性摩擦係数をｃf、前記圧縮空気の比熱比をｋとするとともに、前記流路の入口における前記圧縮空気の流速をｖe、音速をａ0としてＭ1＝ｖe／ａ0とした場合、
【数１】
2012073475.tif 000023
でＬの値を算出し、
前記ノズル部の流路は、その長さが前記Ｌの算出値の５倍以上４０倍以下の寸法に設定されていることを特徴とするエアモータ。
【請求項２】
前記ノズル部の流路は、その長さが前記Ｌの算出値の１６倍以上１７倍以下の寸法に設定されていることを特徴とする請求項１に記載のエアモータ。
【請求項３】
前記ノズル部を前記ハウジングの周方向に等間隔で複数設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載のエアモータ。
【請求項４】
前記ノズル部として、ブレーキエアノズルを有することを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載のエアモータ。
【請求項５】
前記軸受が静圧気体軸受であることを特徴とする請求項１に記載のエアモータ。
【請求項６】
前記軸受のうち、少なくとも一端側の軸受は、セラミック製の転がり軸受として構成されていることを特徴とする請求項１に記載のエアモータ。
【請求項７】
前記転がり軸受は、前記ハウジングに装着させる一方の軌道輪と、一方の軌道輪に対向してスピンドルに装着させる他方の軌道輪と、これら軌道輪間に沿って組み込まれる複数の転動体とを備えており、双方の軌道輪及び転動体のいずれか、或いは、その全てが、セラミックで形成されていることを特徴とする請求項６に記載のエアモータ。
【請求項８】
双方の軌道輪及び転動体のいずれか、或いは、その全てが非導電性セラミックで形成されていることを特徴とする請求項７に記載のエアモータ。
【請求項９】
双方の軌道輪及び転動体の全てが導電性セラミックで形成されていることを特徴とする請求項７に記載のエアモータ。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれかに記載のエアモータを備えたことを特徴とする静電塗装装置。
【請求項１１】
ハウジングと、前記ハウジングの内側に挿通された主軸と、前記主軸の一部で前記ハウジングの内側に配される部分に当該主軸と同心に固定され、複数のタービン羽根が形成された羽根車と、前記主軸及び前記羽根車を前記ハウジングに対して回転自在に支持するための軸受と、前記羽根車を周方向へ回転させるべく、圧縮空気を前記各タービン羽根に向けて噴出するための管状もしくは孔状の流路を有する少なくとも１つのノズル部とを備えたエアモータの設計方法であって、
前記ノズル部の流路の水力半径をｒh、前記流路の路面の粘性摩擦係数をｃf、前記圧縮空気の比熱比をｋとするとともに、前記流路の入口における前記圧縮空気の流速をｖe、音速をａ0としてＭ1＝ｖe／ａ0とした場合、
【数２】
2012073475.tif 000024
でＬの値を算出し、
前記ノズル部の流路の長さを、前記Ｌの算出値の５倍以上４０倍以下の寸法に設定することを特徴とするエアモータの設計方法。
【請求項１２】
ハウジングと、前記ハウジングの内側に挿通された主軸と、前記主軸の一部で前記ハウジングの内側に配される部分に当該主軸と同心に固定され、複数のタービン羽根が形成された羽根車と、前記主軸及び前記羽根車を前記ハウジングに対して回転自在に支持するための軸受と、前記羽根車を周方向へ回転させるべく、圧縮空気を前記各タービン羽根に向けて噴出するための管状もしくは孔状の流路を有する少なくとも１つのノズル部とを備えたエアモータを有する静電塗装装置の設計方法であって、
前記ノズル部の流路の水力半径をｒh、前記流路の路面の粘性摩擦係数をｃf、前記圧縮空気の比熱比をｋとするとともに、前記流路の入口における前記圧縮空気の流速をｖe、音速をａ0としてＭ1＝ｖe／ａ0とした場合、
【数３】
2012073475.tif 000025
でＬの値を算出し、
前記ノズル部の流路の長さを、前記Ｌの算出値の５倍以上４０倍以下の寸法に設定することを特徴とする静電塗装装置の設計方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３６】
【数４】
2012073475.tif 000026
でＬの値を算出し、上記ノズル部の流路は、その長さを上記Ｌの算出値の５倍以上４０倍以下の寸法に設定する。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３７】
なお、上記軸受は、静圧気体軸受であることが好ましい。
また、上記軸受のうち、少なくとも一端側の軸受は、セラミック製の転がり軸受として構成されていることが好ましい。
また、上記転がり軸受は、上記ハウジングに装着させる一方の軌道輪と、一方の軌道輪に対向してスピンドルに装着させる他方の軌道輪と、これら軌道輪間に沿って組み込まれる複数の転動体とを備えており、
【国際調査報告】
2012073475.tif 000027
2012073475.tif 000028
2012073475.tif 000029
2012073475.tif 000030