(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、前記回転軸と一体に回転し複数のタービン翼を有するタービン羽根車とを備え、前記タービン翼に気体が噴出されることにより回転駆動するスピンドル装置において、
前記複数のタービン翼は、前記回転軸と別体で形成されて、前記回転軸と一体に回転するように固定され、前記タービン羽根車の外周に沿って環状に設けられ、
互いに隣接する前記タービン翼の径方向外側端部間が気体流入口を形成し、互いに隣接する前記タービン翼の径方向内側端部間が気体流出口を形成し、
前記タービン翼は、軸方向から見た形状において、前記タービン羽根車の円周方向における長さが最大となる部分が、前記タービン翼の径方向中間位置より径方向内側にあり、
前記タービン翼は、軸方向から見た形状において、前記タービン翼の径方向中間位置より外側の面積が、径方向中間位置より内側の面積より小さいことを特徴とするスピンドル装置。
【請求項２】
前記タービン翼は、径方向内側に向かって軸方向の厚さが薄くなることを特徴とする請求項１に記載のスピンドル装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スピンドル装置に関し、より詳細には、複数のタービン翼に噴出された気体の運動エネルギにより回転駆動されるスピンドル装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、複数のタービン翼に向けて気体を噴出し、噴流の持つ運動エネルギにより回転軸を回転させるようにしたスピンドル装置が知られている（例えば、特許文献１を参照。）。このようなエアタービン駆動方式のスピンドル装置は、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、前記回転軸と一体に回転するタービン羽根車とを備えている。タービン羽根車には複数のタービン翼が設けられ、これらのタービン翼に気体が噴出されることにより、タービン羽根車に回転駆動力が働き、タービン羽根車と回転軸が一体的に回転する仕組みとなっている。
【０００３】
従来のエアタービン駆動方式のスピンドル装置において、タービン翼の形状は、高いトルクの出力を実現するために、図４（ａ）に示すように、軸方向から見て、タービン翼３１は、タービン羽根車の正回転方向Ｃに凸面３２が形成され、タービン羽根車の逆回転方向に凹面３３が形成されている。そして、タービン羽根車の径方向外側に設けられた不図示のノズルからタービン翼３１の凹面３３に向かって気体が吹き付けられる。上記形状のタービン翼３１は、凹面３３によって噴出された気体を受け付け、気体の持つ運動エネルギをタービン羽根の回転駆動力に変換させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−２４１８３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、従来のタービン翼を有するスピンドル装置では、図４（ｂ）に示すように、タービン羽根車の円周方向における長さが最大となる部分Ｌｍａｘが、タービン翼３１の径方向中間位置ｄより径方向の外側に設けられている。その結果、タービン翼３１の質量が大きい部分が径方向外側寄りになり、タービン羽根車を高速回転させると、大きな遠心力が発生し、タービン翼３１に径方向外側に向かう応力及びタービン翼３１の反対側の軸方向に向かう応力が負荷され、タービン羽根車に変形が生じやすくなってしまう。
【０００６】
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、遠心力によるタービン羽根車の変形を抑制して、高速回転、高トルクを達成することができるスピンドル装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の上記目的は、下記の構成により達成される。
（１）  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、前記回転軸と一体に回転し複数のタービン翼を有するタービン羽根車とを備え、前記タービン翼に気体が噴出されることにより回転駆動するスピンドル装置において、
前記タービン翼は、軸方向から見た形状において、前記タービン羽根車の円周方向における長さが最大となる部分が、前記タービン翼の径方向中間位置より径方向内側にあることを特徴とするスピンドル装置。
（２）  前記タービン翼は、軸方向から見た形状において、前記タービン翼の径方向中間位置より外側の面積が、径方向中間位置より内側の面積より小さいことを特徴とする（１）に記載のスピンドル装置。
（３）  前記タービン翼は、径方向内側に向かって軸方向の厚さが薄くなることを特徴とする（１）に記載のスピンドル装置。
【発明の効果】
【０００８】
本発明のスピンドル装置によれば、タービン羽根車に形成されるタービン翼は、軸方向から見た形状において、タービン羽根車の円周方向における長さが最大となる部分が、タービン翼の径方向中間位置より径方向内側にある構成となる。これにより、高速回転時の遠心力によるタービン羽根車の変形が抑制される。また、隣接するタービン翼間に形成される流路は、径方向中間位置より径方向内側の位置まで徐々に狭められる構成となり、気体による反動力を高効率で利用して、スピンドル装置の高速回転、高トルクを達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態に係るスピンドル装置の断面図である。
【図２】（ａ）は、図１に示すスピンドル装置の軸方向から見たタービン翼の形状を示す図であり、（ｂ）は、（ａ）のタービン翼の拡大図である。
【図３】（ａ）〜（ｃ）は、タービン翼を円周方向から見た形状の例を、後ハウジングと共に示す断面図である。
【図４】従来のスピンドル装置の軸方向からみたタービン翼の形状を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明に係るスピンドル装置の一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。
【００１１】
本実施形態のスピンドル装置１０は、エアタービン駆動方式のスピンドル装置であって、前ハウジング１２、中間ハウジング１３、及び後ハウジング１４を有するハウジング１１と、ハウジング１１に内嵌固定されて回転軸２０を回転自在に支承するラジアル軸受１５及びアキシャル軸受１６と、ラジアル軸受１５及びアキシャル軸受１６により回転自在に支承される回転軸２０と、回転軸２０に一体に形成されたタービン羽根車３０と、を備える。
【００１２】
前ハウジング１２は、一端にフランジ１２ａを備え、略筒状に形成されている。前ハウジング１２には、後ハウジング１４の軸受用空気供給孔４１から中間ハウジング１３の貫通孔５１に連通して軸方向に形成された軸受用空気通路７１と、軸受用空気通路７１と他方のアキシャル軸受１６とを連通させる径方向孔７２と、軸受用空気通路７１とラジアル軸受１５とを連通させる径方向孔７３とが形成されている。また、軸受用空気通路７１及び径方向孔７２，７３と異なる位相には、ラジアル軸受１５と外部とを連通する軸受用排気通路７４が形成されている。
【００１３】
中間ハウジング１３は、フランジ１２ａと略同じ直径を有するリング状に形成されて、内部にタービン羽根車３０を収納可能な空間を備える。また、中間ハウジング１３の後端面には、タービン空気供給溝が形成されており、後ハウジング１４の前端面とともに、タービン空気供給路５７を形成する。タービン空気供給路５７は、不図示のノズルを介して、環状に設けられた複数のタービン翼３１の外周に開口している。
【００１４】
後ハウジング１４には、軸受用空気供給孔４１から径方向内側に分岐して一方のアキシャル軸受１６に連通する径方向孔４５が形成されている。また、後ハウジング１４には、これら複数のタービン翼３１の内周と外部とを連通するタービン空気排出通路４６が形成されている。
【００１５】
ラジアル軸受１５及びアキシャル軸受１６は、空気などの気体が通過可能な多孔質部材から形成された静圧気体軸受である。ラジアル軸受１５は、前ハウジング１２の内周面と回転軸２０の外周面との間に配置され、回転軸２０のラジアル荷重を支持する。一対のアキシャル軸受１６は、後ハウジング１４の軸方向側面とタービン羽根車３０の後側面との間、及び前ハウジング１２の軸方向側面とタービン羽根車３０の前側面との間に配置されて、タービン羽根車３０を軸方向から挟持し、回転軸２０のアキシャル荷重を支持する。
【００１６】
回転軸２０は、中空のパイプ状に形成されており、中間ハウジング１３に対応する外周部には、タービン羽根車３０が一体に形成されている。また、回転軸２０の前端には、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１８が一体に回転可能に取り付けられている。なお、スピンドル装置１０が静電塗装装置用途以外に用いられる場合には、ベルカップ１８は不要であり、また、回転軸２０は中実軸とすることもできる。
【００１７】
さらに、タービン羽根車３０は、回転軸２０と別体で形成されて、焼き嵌めなどによって回転軸２０と一体に回転するように固定されてもよい。この場合、回転軸２０を鋼製とし、タービン羽根車３０をアルミ製とするなど、互いに別々の材料によって構成してもよい。
【００１８】
タービン羽根車３０は、図２（ａ）に示すように、円周方向等間隔に配置される複数のタービン翼３１を備える。そして、複数のタービン翼３１は、互いに同一形状を有し、タービン羽根車３０の外周に沿って環状に並べられている。
【００１９】
複数のタービン翼３１は、タービン羽根車３０の正回転方向Ｃ（円周方向一方）に形成された凸面３２と、タービン羽根車３０の回転方向の逆回転方向（円周方向他方）に形成された凹面３３と、をそれぞれ備える。そして、互いに隣接するタービン翼３１の径方向外側端部間が気体流入口３４を形成し、互いに隣接するタービン翼３１の径方向内側端部間が気体流出口３５を形成する。
【００２０】
また、複数のタービン翼３１は、図２（ｂ）に示すように、軸方向からみて、円周方向における長さが最長となる部分Ｌｍａｘが、タービン翼３１の径方向中間位置ｄより径方向内側にあるような形状を有する。これにより、タービン翼３１の質量の大きい部分が径方向内側寄りになり、タービン羽根車３０を高速回転させたときの遠心力が小さくなり、タービン翼３１に径方向外側に向かう応力及びタービン翼３１の反対側の軸方向に向かう応力による変形を抑制することができる。
【００２１】
また、上記形状により、隣接するタービン翼３１間に形成される流路は、気体流入口３４から径方向中間位置ｄより径方向内側の位置まで徐々に狭められる構成となる。即ち、該流路の円周方向における長さは、少なくともタービン翼３１の円周方向における長さが最長となる部分Ｌｍａｘの径方向位置までは徐々に狭くなっている。
【００２２】
通常、気体流入口３４から流路内に流入した気体は、凹面３３に衝突して一旦流速が低下するが、その後、凸面３２と凹面３３との間の部分を通過する際に流速が高められる。特に、円周方向における長さが最長となる部分Ｌｍａｘが、タービン翼３１の径方向中間位置ｄより径方向内側に位置することで、流路において流速が高められる領域を長くとることができる。
【００２３】
そして、この流速を高められた気体が気体流出口３５から流路外に流出する直前に反動力が生じ、この反動力を凹面３３が受けるため、ノズル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、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、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、高トルクを達成することができる。
なお、本実施形態のタービン翼３１は、互いに隣接するタービン翼３１の径方向内側端部間の距離が径方向外側端部間の距離より小さくなるように形成されている。
また、複数のタービン翼３１は、径方向外側では、凸面３２と凹面３３とが直接連結しており、径方向内側では、凸面３２と凹面３３との間に、曲率中心を回転軸２０の中心とした円弧面が形成されている。
【００２４】
また、本実施形態では、複数のタービン翼３１は、図２（ｂ）に示すように、軸方向から見た形状において、タービン翼３１の径方向中間位置ｄより外側の面積Ｓ１が、径方向中間位置ｄより内側の面積Ｓ２より小さいことが好ましい。これにより、タービン翼３１の質量の大きい部分が径方向内側寄りになり、タービン羽根車３０を高速回転させたときの遠心力をより小さくすることができる。
【００２５】
さらに、各タービン翼３１は、図３（ａ）に示すように、軸方向の厚さが一定のものであれば、各タービン翼３１は、上記形状により、その重心が径方向内側寄りになり、高速回転時の変形を抑制することができる。ただし、各タービン翼３１は、図３（ｂ）、（ｃ）のように、径方向内側に向かって薄くなる、即ち、軸方向外端面が傾斜するように構成してもよい。この場合、後ハウジング１４のタービン翼３１に対向する面の形状は、タービン翼３１の形状に対応して、径方向内側に向かってタービン羽根車３０側に突出する。タービン翼３１の軸方向の厚さが径方向内側に向かって薄くなることで、タービン翼３１の質量が低下し、回転時の遠心力を低減させることができる。
また、タービン翼３１の外径側が厚くなっているため、ノズルから噴出された気体の運動エネルギを凹面３３で十分に受け付けることができ、正回転方向Ｃに大きな回転駆動力を生じさせることができる。さらには、気体が通過する流路は、軸方向においても狭められるので、反動力をさらに高めることができる。
【００２６】
次に、本実施形態のスピンドル装置１０の作用について説明する。
空気供給源から軸受用空気供給孔４１に供給された軸受用空気は、図１に示すように、貫通孔５１、径方向孔４５，７２を介して一対のアキシャル軸受１６に供給される。また同時に、軸受用空気は、軸受用空気通路７１、及び径方向孔７３を介してラジアル軸受１５に供給される。
【００２７】
多孔質部材からなるラジアル軸受１５の外周面側に供給された軸受用空気は、多孔質部材を通過して回転軸２０の外周面に吐出し、静圧気体軸受を構成して回転軸２０のラジアル荷重を支持する。また、アキシャル軸受１６に供給された軸受用空気は、タービン羽根車３０とアキシャル軸受１６との間に吐出し、静圧気体軸受を構成して回転軸２０のアキシャル荷重を支持する。そして、ラジアル軸受１５及びアキシャル軸受１６に供給された軸受用空気は、軸受用排気通路７４を介して外部に排気される。これにより、回転軸２０は、ラジアル軸受１５及びアキシャル軸受１６に接触することなく、小さな回転抵抗で回転自在に支持される。
【００２８】
一方、圧縮空気供給源からタービン空気供給路５７にタービン駆動用の圧縮空気が供給されると、圧縮空気は、タービン羽根車３０の径方向外側に設けられた不図示のノズルを通過して、タービン翼３１に向かって噴出される。ノズルから噴出された気体は、気体流入口３４からいずれかの隣接する２つのタービン翼３１の隙間に入り、タービン翼３１の凹面３３にあたって、上述した回転駆動力によってタービン羽根車３０を正回転方向Ｃに回転させる。その後、気体は気体流出口３５からタービン空気排出通路４６を介して外部に排出される。
【００２９】
なお、本実施形態のスピンドル装置１０を静電塗装用に用いる場合には、回転軸２０の前端にベルカップ１８を固定し、高速回転する回転軸２０の内部に塗料搬送用チューブを配置して、該塗料搬送用チューブからの塗料を遠心力により霧状にしてベルカップ１８から噴霧する。
【００３０】
以上説明したように、本実施形態のスピンドル装置１０によれば、タービン羽根車３０に設けられたタービン翼３１は、軸方向から見た形状において、タービン羽根車３０の円周方向における長さが最大となる部分Ｌｍａｘが、タービン翼３１の径方向中間位置ｄより径方向内側にある構成となる。これにより、高速回転時の遠心力によるタービン羽根車３０の変形が抑制される。また、隣接するタービン翼３１間に形成される流路は、気体流入口３４から径方向中間位置ｄより径方向内側の位置まで徐々に狭められる構成となり、気体による反動力を高効率で利用して、スピンドル装置１０の高速回転、高トルクを達成することができる。
【００３１】
また、タービン翼３１は、軸方向から見た形状において、タービン翼３１の径方向中間位置ｄより外側の面積Ｓ１が、径方向中間位置より内側の面積Ｓ２より小さいので、タービン羽根車３０を回転させたときの遠心力をより小さくすることができる。
【００３２】
さらに、タービン翼３１は、径方向内側に向かって軸方向の厚さが薄くなることで、タービン翼３１のタービン翼３１の質量が低下し、回転時の遠心力を小さくすることができる。
【００３３】
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。
【００３４】
例えば、本発明のスピンドル装置は、上述した略正回転方向Ｃに延設される正転ノズルだけでなく、タービン羽根車３０の外周から略逆回転方向に延設される逆転ノズルを備えてもよい。逆転ノズルから噴出された気体は、正転方向Ｃの逆側にあるタービン翼３１の凸面３２にあたって、正回転方向Ｃの逆側に回転させるモーメント力を発生させる。これにより、回転中の回転軸２０を迅速に停止させることができる。
【符号の説明】
【００３５】
１０    スピンドル装置
１１    ハウジング
１５    ラジアル軸受
１６    アキシャル軸受
２０    回転軸
３０    タービン羽根車
３１    タービン翼
４１    軸受用空気供給孔
５７    タービン空気供給路
Ｃ      正回転方向
【図１】
0006648521.tif 000002
【図２】
0006648521.tif 000003
【図３】
0006648521.tif 000004
【図４】
0006648521.tif 000005