スピンドルシャフトの保護
ハウジング（３）内にエアベアリング（６）を介して回転可能に取り付けられ、片持ち端部に粒子を噴出する塗装ベル（８）が設けられているスピンドルシャフト（４）を備え塗装スピンドルにおいて、前記スピンドルシャフト（４）の前記片持ち端部は、前記ハウジング（３）に接続されるとともに前記スピンドル（４）に向かって開口する少なくとも１つのチャンバ（２２）によって取り囲まれており、該チャンバにはラジアルベアリング（６）のギャップから軸受エアが流入し、前記軸受エアは前記チャンバ（２２）と前記スピンドルシャフト（４）との間に形成されるギャップを介して前記チャンバ（２２）から流出することを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の前段部に記載のタイプの塗装スピンドル(painting spindle)の構成に関する。ここで、塗装スピンドルは、塗装に使用されるすべての塗装スピンドルを意味するが、このことは本発明との関連で使用される塗料以外の媒材を排除するものではない。簡略化のために、本発明の説明は、塗装スピンドルについて言及する。
【背景技術】
【０００２】
今日において、このような塗装スピンドルが最も広く利用されている領域は、自動車ボディの塗装であるが、これに限らず、このスピンドルは適当および可能と考えられる他のすべての場合において使用可能である。塗装スピンドルの構造および機能に関して、スピンドルは、通常はロボットハンドまたはポータル(portal)内の工具としての移動手段(carrier means)に取り付けられる。前記移動手段は、塗装される対象物に対してスピンドルを移動させるのを可能にする。特に、塗装スピンドルは、その名が示すように、その端部に円錐形状に外側に拡張するベル(bell)が取り付けられるスピンドルからなる。スピンドルシャフトおよびベルは、例えば６，０００〜１３０，０００ｒｐｍで回転し、ベルの開口部は２５ないし８０ｍｍの直径を有することができる。塗料は、スピンドルを介してベルの円錐形先端に供給され、遠心力によってベル内面に沿って移動して、その端部から外部に噴出される。これらの塗料滴を例えば自動車ボディなどの対象物に塗布するために、塗料粒子が静電的に帯電され、対象物がアースされる。通常、アース（塗装対象物）に対する静電帯電電位は、３０，０００ないし１３０，０００ボルトの範囲である。ベルから出た塗料粒子は、対象物と塗料粒子との電位差によって塗装対象物に引き付けられる。ベルの回転のためにベルから放射方向に噴出することになる帯電塗料粒子を偏向させるために、高速のエアフローがベルの後方外側に供給される、このエアフローは、ほぼ軸方向に向けられていることから、ベルから対象物に向かって塗料粒子を偏向させるように強制する。静電帯電は、静電的に帯電されたスピンドルによって行われるのが一般的であり、これはスピンドルも帯電状態になることを意味する。あるいは、塗料粒子は、ベルから噴出された後に、塗装対象物までの途中で通過する部分の周囲の円形状に配置されたロッドアンテナ(rod antennas)によって帯電されてもよい。塗料粒子がアースされた塗装対象物に引き付けられるためには、帯電した塗料粒子の近傍にある他のすべての物が帯電塗料粒子と同電位でなければならない。このことは、例えば、スピンドルおよびその付属品やロボットハンドが塗料粒子と同電位であることを意味するとともに、塗装スピンドルと塗装対象物との間の電位差を維持するために、スピンドルおよびその付属品と装置の残りの部分との間に電気的絶縁部材が存在しなければならないことも意味する。
【０００３】
シャフト径、回転速度および清潔さの要求から、今日においてはエアベアリングが優れた軸受け技術である。シャフトとスピンドルハウジング間の電位差を除去するとともにスパーク発生によるベアリング表面の損傷を防止するために、通常はスピンドルの後端部か又は塗装ベルの直後に配置される除電器(electric eliminator)が使用されている。スピンドルシャフトを駆動するために、要求される高速度用のエアタービンが今日において使用されている。これは、電気的絶縁の必要性に影響を及ぼすことなく、圧縮エアの形で必要なエネルギーを電気的帯電されたスピンドルユニットに伝達することを可能にする。能力要求の増加（毎分５００−２０００ｃｃの塗料）に伴って、より大きなエネルギーをタービンに供給する必要が生じ、これは実際にはタービン内の圧力降下によって発生させるのが一般的である。これの１つの効果は、タービン内で空気が膨張することで温度が低下し、その結果としてスピンドルハウジングの温度も低下する。これは、環境空気中の水分が冷たい表面で凝縮する危険につながり、この凝縮は塗装仕上がりに悪影響を及ぼし得る。温度低下は、タービン内またはその近傍で氷結を引き起こすこともあり、その性能および機能を阻害する場合もある。このようなスピンドルの冷却問題を抑制するために、今日においては供給されるエアが予熱されていることが多く、その結果、本質的に所望の温度を得ることができ、氷結や凝縮の問題を回避できる。凝縮や氷結以外の空気使用に関する別の問題は、供給されるエネルギーや塗料が最終的に受容するエネルギーに関して効率が低いことである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
エアタービンによって駆動される塗装スピンドルに関する問題の背景に対して、代替として電気モータによってスピンドルを駆動する試行もなされてきた。ここで言及される塗装スピンドルは、通常はロボットアームの外側端部に配置されるものであるから、塗装時における接触し易さ(access)や便利さを向上させるために、できるだけ小型で軽量に作製されなければならない。さらに、塗装スピンドルは、取り付け、保守、および取り扱いが容易でなければならない。
【０００５】
今日における別の問題は、一方または両方のエアベアリングの位置でスピンドルシャフト上に塗料が蓄積することである。やがて、これは、ラジアルベアリングで作用するエアがベアリングギャップから自由に抜け出るのを妨げることになり、その結果、ベアリングの負荷能力や冷却作用に悪影響を及ぼし、塗装スピンドルの機能および寿命を明らかに低下させることになる。この問題に関する効果的な解決策は未だ見出されておらず、このことはここで言及されているタイプの塗装スピンドルにおいて注目されている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この問題は、特許請求の範囲に記載の特徴を備えた本発明によって解決されるに至った。
【０００７】
明確化のために、塗装スピンドルは、添付図面を参照してより詳細にその全体について後述されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図１は、今日において公知技術であるロボットアームの外側端部に取り付けられた塗装スピンドル２を備えるロボット１を概略的に示す。
【０００９】
図２，３には、回転シャフト４を収容する塗装スピンドルのスピンドルハウジングが示されており、これは非回転管５も収容している。回転シャフト４は、２つのラジアルエアベアリング６と、図示の例では２つのアキシャルエアベアリング７とによってハウジング３内に取り付けられ、塗装ベルとして知られていてシャフト４と共に回転する円錐台状のじょうご(funnel)８を一端部（図中の左端部）で支持している。図示されるように、ダクト５ａを介して塗料をじょうご８に向かって導く静止管５が、回転シャフト４の端部であってベル８の内側で開口している。今日において、シャフト４は、６，０００ないし１３０，０００ｒｐｍで回転するのが一般的である。符号９は、スピンドルハウジング内に配置されたエアダクトを示す。このダクト９は、ベルの回転時にベルから噴出される塗料粒子を塗装される対象物（不図示）に向かって軸方向に沿って偏向させる高速のエアフロー１０を生じさせる。対象物は接地電位を有し、塗料粒子と共にスピンドルは、対象物に対して３０，０００から１３０，０００ボルトの範囲にある電圧電位を有する。これにより、塗装粒子は、塗装対象物に引き付けられることになる。
【００１０】
シャフト４は、ステータ鉄１１、ステータ巻き線１２、およびシャフト４に固定されたロータ１３からなる電気モータによって駆動される。ここまで説明されてきたことは、公知技術に属するものであって、更なる説明を必要としないものである。
【００１１】
異なる電位レベル（３０，０００ないし１３０，０００ボルト）間での必要な電気的分離を創設する安全変圧器とは別に、電気モータのエネルギー源として、塗装対象物から電気的に分離された例えばバッテリ、キャパシタ、燃料電池などの蓄電装置または発電装置を使用することもできる。
【００１２】
＜スピンドルシャフトへの塗装ベルの取り付け＞
図３は、回転シャフト４とその内部に固定された塗料管５とを断面で示す。符号１４は、スピンドルシャフト４の部分円錐状表面を示し、符号１５はシャフトの内部ねじを示す。塗装ベル８もまた、前記部分円錐状表面１４と係合する部分円錐状表面１６を有するとともに、スピンドルシャフトのねじ１５と螺合する外部ねじ１７を有する。
【００１３】
塗装ベル８が高回転速度でスピンドルシャフト４から偶発的に外れるのを防止するために、塗装ベル８のねじ部１７には、本実施形態においては、図示するように６つの部分１９に区画する軸方向溝１８が設けられている。これにより、塗装ベルがシャフト４にきつく締め付けられたとき、ベル１８のねじ付き部分１９がそのねじ部およびシャフト４のねじ部１５のねじ側面に対して径方向内側に曲がることになる。その結果、シャフト４が回転すると、前記部分１９は、遠心力によって押し広げられて、塗装ベル８の部分１９は径方向外側に向かう力を発生させることになる。この力はスピンドルシャフト４とベル８との間のねじ部にも伝達されて、前記部分円錐状表面１４，１６を互いに「固定する」ような軸方向力を生じさせる。
【００１４】
ねじ付き部分１９の遠心力による拡張は、シャフト４に塗装ベル８をより堅固に固定することになり、これにより動作中にベルが外れるのが防止される。また、ねじ付き部分１９の弾力特性は、ねじ１５，１７によってではなく円錐状部１６，１４によって固定位置へと誘導するのを確実にするものであり、これにより塗装ベル８およびスピンドルシャフト４の両方の各円錐状部および各ねじ部の公差要求度を寛容にすることができる。
【００１５】
＜ステータの冷却＞
スピンドルシャフト４の駆動源として電気モータ１１，１２，１３（図２参照）が用いられる場合、摩擦によって生じる熱に加えて、モータのステータ鉄１１、ステータ巻き線１２およびロータ１３に発熱が生じる。例えば過度の発熱やこれによる処理できない膨張によってスピンドルシャフト４の機能を損なわないように、スピンドル４を冷却すべく、生じる熱の大部分を放散させる必要がある。
【００１６】
これは、高速のエアフロー１０を形成するために装置に供給される圧縮エアによって過度の熱が取り去られることにより実行される。この圧縮エアまたはその一部は、図２に示す例では、モータのステータ巻き線１２に通ずるハウジング３の１つ以上のダクト９を介して導入される。そして、図面では、ダクト２０内のステータ巻き線１２を貫通して流れる圧縮エアを矢印で示す。
【００１７】
図４は、図２のステータのＩＶ−ＩＶ線断面を示す。ここでは、ステータの巻き線が符号１２で示される。これらの巻き線には、圧縮エア（高速エア）の通路となる貫通ダクト２０がステータを貫通し、かつ、ロータ１３から離れた側の巻き線１３の表面に隣接して設けられている。ダクト２０は、ステータの巻き線溝内の巻き線内部または巻き線ワイヤの間に配置されてもよい。このようにして、ステータの冷却およびロータの部分的冷却が効果的に実現される。しかし、冷却エアーがロータとステータの間から漏出しないようにするために、ステータは漏出防止ライニング２１（図２，４参照）によって覆われている。
【００１８】
高速エアフロー１０は、図２のステータ巻き線１２の端部での矢印で示すように、巻き線の両端部間でステータ鉄１１内のダクト２０から出る。
【００１９】
＜不確定な径方向負荷を生じさせない、スピンドルハウジングに対するスピンドルシャフトの回転の固定＞
１つの問題は、スピンドルハウジング３内のベアリング６を損傷することなく、スピンドルシャフト４から塗装ベル８（図２，１５−１７参照）を取り外すことである。通常、ベル８はスピンドルシャフト４にねじ込まれているため、ベルの脱着にはトルクを掛ける必要があり、そのためにはスピンドルシャフトに逆トルクを作用させなければならない。この逆トルクは、今日においてはベルから離れた側の端部においてスピンドルシャフト内に設けられているトルクアーム（またはピン）によって提供されているのが一般的である。このピンは、手で使用されてもよいし、または、ステー(stay)としての止め部材(stop)によって使用されてもよい。この場合、脱着のためのトルクを掛けたとき、この作業の際にスピンドルシャフト４は径方向力を受けることになる。これにより、スピンドルシャフト４は制御できない(uncontrolled)軸受負荷を有するベアリング表面に対して制御できない方法で支持され、その結果、ベアリングを損傷してしまうことになる。
【００２０】
図１５−１７は、ベル８を脱着するためのトルクが適用されたときに、ベアリング表面にスピンドルシャフト４によって制御できないような径方向の負荷が掛からないようにした構成を示す。この構成は、スピンドルハウジング３に対するスピンドルシャフト４の回転を防止しながら、径方向平面Ｘ−Ｙ内でのスピンドルシャフト４の自由な移動を可能にすることによってスピンドルハウジング３に逆トルクが伝達される。
【００２１】
前記構成は、スピンドルシャフト４の外径よりも僅かに大きい内径を有するリング形状の固定ワッシャ５３を備える。固定ワッシャ５３には、内側直径方向に対向する一対の第１駆動ピン５４と、互いに外側直径方向に向いた一対の第２駆動ピン５５が駆動ピン５４に対して直角をなす位置に設けられている。スピンドルシャフト４の端部には、幾つかの溝５６（図示する例では８つの溝）が設けられている。溝５６は駆動ピン５４を収容できるような寸法になっており、一方、第２駆動ピン５５はスピンドルハウジング３の溝５７内に収容されるようになっている。固定ワッシャ５３は、駆動ピン５５が溝５７内で移動しながら駆動ピン５４が溝５６に係合および係合解除できるように（図１６，１７参照）、スピンドルシャフト４に対して軸方向に限定的に移動可能になっている。固定ワッシャ５３の外側には、半円形に延伸するヨーク(yoke)が軸方向に配置されている（明瞭化のためにヨーク５８は図１６，１７において断面にしていない）。ヨーク５８も同様に、軸方向に限定的に移動可能である。ヨーク５８の自由端は、固定ワッシャ５３の外側に係合し、図示する例では第２駆動ピン５５の上部に係合する。このヨーク５８の補助を得て、固定ワッシャ５３は、ばね５９によってスピンドルハウジング３内で押圧されて駆動ピン５４がスピンドルシャフトとの係合が解除されるような移動を保持する位置（図１６参照）と、ばね５９の作用に抗して駆動ピン５４，５５がスピンドルシャフトの溝５６およびスピンドルハウジング３の溝５７にそれぞれ係合するように押し下げられて保持される位置とに、軸方向に移動可能になっている。ヨーク５８は、ばね６０に抗して軸方向に移動できる作動手段６１によって作動する。作動手段６１には、ヨーク５８に下に、より適切には図１６，１７に示すヒール部(heel)の下に係合する傾斜面またはくさび状面６２が設けられている。作動手段６１がばね６０によって非案内位置に保持されるとき、固定ワッシャ５３は、ばね５９によって駆動ピンがスピンドルシャフトの溝から自由になる位置に案内される。ばね６０の力に抗して作動手段６１が押されることによって、ヒール部６３は、スピンドルハウジングのステー６４を中心としてヨーク５８が回動すると同時に押し上げられることになる。これは、ステー６４を支点とするレバーとしてヨーク５８を作動させて固定ワッシャ５３を押し下げることになり、これにより駆動ピン５４が溝５６に係合する。その結果、スピンドルシャフトは、スピンドルハウジングに対して回転するのを防止されるが、径方向には自由に移動することができる。作動手段６１が外れる、すなわち押し出されると、ヨークは固定ワッシャと共にばね５９の力によって案内されて前記溝との係合が解除される。作動手段６１の外側に向いての移動が適当な方法で制限されるのは勿論のことである。
【００２２】
＜本発明における塗料による汚染からのラジアルベアリングの出口の保護＞
前部および／または後部のラジアルエアベアリング６の機能を阻害することとなるスピンドルシャフト４上での塗料の蓄積を防止するため、ベアリングの直ぐ外側であってベアリングギャップに隣接してチャンバ２２が配置されている。このチャンバ２２は、全周にわたって延びており、かつ、ギャップ２３を介してスピンドルシャフト４に向かって開口している。陽圧で作用して前記ベアリングギャップから出て前記チャンバ２２に流れる軸受エアは、内部に所定の陽圧を形成して軸受エアとして作用して、その少ない一部が、スピンドルシャフト４と、チャンバ２２および空間２５間でスピンドルシャフト４の周囲に延在するリップ部との間の隙間から流れ出ることで、塗料がチャンバに侵入するのを防止でき、一方で、軸受エアの大部分は従来と同様（不図示）にチャンバから流出することで、ベアリング内に有害な逆圧が生じることを防止する。
【００２３】
図６に示すように、チャンバ２２の外側に追加の第２チャンバ２６を設けることも考えられる。陽圧によってチャンバ２６に保護エアが供給される。この保護エアは、一方ではチャンバ２２に噴出し、他方では空間２５に噴出する（チャンバ２６に保護エアを供給するためのダクトは不図示）。
【００２４】
スピンドルハウジングが延伸して塗装ベルを取り囲むとともに、塗装ベルの外周とスピンドルハウジングとの間に隙間が形成されている実施形態（図６参照）では、空間２５内に所望の圧力を生じさせるのを可能にするために、別の追加のダクト（不図示）が空間２５に連通していてもよい。
【００２５】
＜スピンドルシャフトの表面処理＞
ラジアルエアベアリング６の一方または両方に隣接するスピンドルシャフト４（図２参照）上への塗料の付着または蓄積を防止するための、上述したのとは異なる方法または補完する方法は、スピンドルシャフト４についてその軸方向の範囲の少なくとも一部を表面コーティングで被覆することである。これにより、スピンドルシャフトへの塗料の付着を減少させることができる。そうしないと、ベアリング６からの軸受エアの流出に影響して、ベアリングの負荷能力や冷却効率を低下させることになる。表面コーティングの例として、テフロン（登録商標）が挙げられる。
【００２６】
＜高速エアフローの制御（図７，８，９）＞
上述したように、高速エアフローは、塗装対象物に向けてベルから噴出された塗料粒子を静電力による作用と相俟って偏向させるために、塗装ベル８に向けて略軸方向に高速で供給される。対象物に向けて塗料粒子を偏向させる高速エアフローの機能は、その全てが有効なものではない。高速エアがベル８の外側に流出してベルの周囲の空気を引き込むことで、ベルの８の外側に乱流が発生する。この乱流は、塗料粒子を引き込む傾向があり、これにより塗料粒子が装置の外面に付着する可能性がある。この乱流は、図７において矢印２７で示される。
【００２７】
今日における塗装スピンドルで生じているその不都合を防止するため、ガイド羽根手段２８（図８，９参照）が設けられる。ガイド羽根手段２８は、塗装スピンドル２の外面に沿ってベル８に隣接して延びるとともに、装置からの高速エア１０の出口９（図６も参照）に隣接している。図８の例で示されるガイド羽根手段は、高速エア１０によって引かれる周囲の空気をベル８の上を流れる本質的に層流のエアフローになるようにガイドする。これにより、ベル８の外側近傍での乱流２７（図７参照）が無くなる。ガイド羽根手段２８は、全周にわたるか又は複数の部分に分割された環状に形成されることができる。符号２９はガイド羽根手段２８のための支持フランジを示し、この支持フランジの数は２つ以上であることが好ましい。支持フランジ２９を有するガイド羽根手段２８は、スピンドルハウジング３に対して軸方向に着脱可能であり、支持フランジ２９は、スピンドルの取り付けねじ（不図示）との関連で存在するスピンドルハウジング上の凹部にしっかりとスナップ係合することができる。
【００２８】
図９は、スピンドルハウジング３の一体拡張部としてのフィラ(filler)がベル８の周囲上を延伸して配置されている。このフィラによって、図８に示す実施形態に比べて、ハウジングからベルへの過渡部において、高速エアフローによって引かれる空気の流れをより一様なものにすることができる。図面において、符号３１は塗装スピンドルの取付部品を示す。フィラ３０は、ガイド羽根手段２８の内面に沿った外面形状を有するのが好ましい。
【００２９】
＜アキシャルエアベアリングの構成＞
その使用を容易にするのに非常に重要なことである、できるだけ短くて小型の塗装スピンドルとこれを含む塗装装置を実現するためには、通常は２つのアキシャルエアベアリングの位置決めが大変に重要なことである。
【００３０】
これに関して、最適な解決策は、スピンドルシャフト４上のロータ１３の各側面上であって前記ロータに隣接して２つのアキシャルエアベアリング７を配置することである。アキシャルエアベアリング７の構成はコンパクトであると同時に、ロータがアキシャルエアベアリングに軸方向に関する無理のない支持を提供することになる。スピンドルシャフト４を長くするといったアキシャルエアベアリングのための特別な構成や方法は、必要ではない。
【００３１】
軸方向力が磁界（実施形態では不図示）によって対向方向に生じる単一作動型アキシャルベアリング(single-acting axial bearings)が使用可能である。アキシャルエアベアリングが機能しないときでも、スピンドルシャフトの回転を妨げないように、磁界によってシャフトが押し付けられる表面が摩擦表面として使用可能である。
【００３２】
＜塗装スピンドルのコーディング(cording)＞
正規製品と共に海賊部品を使用する実態が増えてきている。これは、危険性を伴う場合があり、海賊部品が正規製品について要求される（寸法、材料選択等の）品質を満たしていないと、ひどい結果につながる。
【００３３】
例えば本発明に係る構成の正規のスピンドルを交換したような海賊版として製造された塗装スピンドル２（図２参照）の使用を防止するため、製造された塗装スピンドルにコードを付すことが提案されている。このコードは、設備の制御装置によって読み取られて、正しいコードが付された塗装スピンドル２だけを正規構成に使用できるようにすることを可能にする。コードが無いか又はコードが不正な場合、これに応じて制御装置は例えば電気モータの電源を遮断することによって、その装置を使用できなくする。
【００３４】
塗装スピンドルにコードを付すことによって、製品の信頼性や性能を向上させるために、装置の作動時におけるデータの追跡や収集も可能になり、かつ、このデータから基本情報を得ることも可能になる。このことは、構成に含まれる制御装置によって個々の塗装スピンドルを特定して、データを供給者側にあるスピンドル監視システムに送信することによって行うことができ、このようにして個々のスピンドルについての経時的データを収集することができる。
【００３５】
＜スピンドルの速度制御（図１０，１１，１２参照）＞
通常、電気モータで駆動されるタイプの塗装スピンドルは、図１に示すように、塗装ロボットのアームの外側端部に装着されて移動される。ロボットの迅速な動作順序と、それに関連するロボットに関するトルクおよび負荷の観点とから、塗装スピンドル２の重量を最小化する努力がなされている。
【００３６】
図１２において、符号３２は周波数が可変である交流電流の電源を示す。電源３２から供給される交流電流は安全変圧器３３に伝送されて、そこで交流電流は例えば４０ボルトの低電位の直流電流に変換される。そして、前記直流電流は、モータが速度制御されるために用いられる周波数に比例して重畳された(superposed)周波数を含むことになる。この周波数は、塗装スピンドルに組み込まれた制御電子機器３４によって検出され、そこで直流電流は、重畳された交流電圧を用いて、塗装スピンドル（図２参照）の電気モータ（１１，１２，１３）を所望の速度で回転させる所望の供給周波数に変換される。
【００３７】
制御ユニット３４の前に安全変圧器３３を電源に接続する利点は、モータに求められるものよりもかなり高い周波数で作動するのを可能にできることである。これはまた、図１１に示すように、ロボットアーム内に安全変圧器３３を配置するため、望まれるように変圧器をコンパクト、すなわちより小さい体積でより軽量にできることを意味する。所望であれば、単一ユニットを形成するように変圧器３３と制御ユニット３４とを組み合わせてもよい。
【００３８】
加速度、減速度、速度などについて所望の作動特性を得るために、電源とモータ制御部との間での情報交換は、光、音、無線通信によって伝送される情報、伝送されるエネルギーの情報、またはこれらの組み合わせ等を介して変圧器の一次側または二次側に接続されたユニットとの通信によって行われる。回転速度は、例えば、光学的に又は音インパルスによって読み取ることができ、これらは電気的絶縁の要求に影響することなく使用可能である。
【００３９】
安全変圧器３３には交流電圧が供給されるのが好ましく、その周波数は例えば１２ないし９倍というような、スピンドルシャフト３の所望の加速度の倍数である。これにより、変圧器の物理的な大きさおよび重量を最小化することが可能になる。（図１２において符号３４で示す）制御電子機器に受け取られた交流電圧は、所望の速度でスピンドルシャフト４を駆動するために、所望の周波数を設定するように変圧器３３に供給される周波数よりも低いファクタ(factor)である周波数を有する。電源３２から安全変圧器３３に供給される交流電流の周波数を変えることによって、スピンドルシャフト４の速度を変化させることができる。
【００４０】
図１０は、図１２に示すのとは対照的に、ロボットの近傍に配置される制御電子機器３５および電源ユニット３２を有する一方で３つの安全変圧器３３がロボットアーム内に配置されて、本実施形態ではモータの所望の周波数で作動するが、かなり重くなる構成を概略的に示す。
【００４１】
図１２は、制御電子機器３４が塗装スピンドル２の現実のハウジング内に組み込まれている実施形態を示す。図面に示す電源３２と、安全変圧器３３とは、１つのユニットを形成するように組み合わされてもよい。
【００４２】
＜電気接続のための接続手段の使用＞
電気モータで駆動される塗装スピンドルは、その機能のために、モータの作動のための電気的接続（通常は三相であるため３つの接続部、スピンドルに組み込まれた制御電子機器の場合には直流電流用に２つの接続部を必要とする。）と、冷却エアおよび高速エアのための接続とを必要とする。また、塗装スピンドルをロボットアームの端部に取り付けるためのボルトが必要である。３つの取付ボルトの場合、塗装スピンドルの修理や交換のときに、３つの電気的接続部、情報制御のための１つのケーブル、２つのエア接続部、および、３つのボルト接続部を取り扱う必要がある。
【００４３】
これらの８つの手操作による別々の接続部は、ロボットアームについての塗装スピンドルの脱着に不必要な時間浪費の作業を伴うことになる。そのため、本発明では、接続部の数を減らすとともに、取付ボルトを電気的接続部としても機能させるか、エア接続部を電気接続部としても機能させるか、または、その組み合わせとして、取付ボルトおよび空気接続部の両方が電気的接続部として同時に機能するようにした。
【００４４】
図１３は、例えば３つの取付ボルト３６（１つのみ図示）によって、例えばアームに固定された取付フランジ３１を介してロボットアームの端部に取り付けられた塗装スピンドルを概略的に示す。取付フランジ３１には、各ボルト用の凹部が設けられており、これらの凹部内にブロンズ製のナット３８が収容されている。ナット３８は、凹部３７の壁部から電気的に絶縁されており、具体的には、絶縁物３９によって取付フランジ３１から絶縁されている。塗装スピンドルのハウジング３の肩部においてヘッド部４０で支持されている取付ねじ３６は、ハウジング３内を絶縁状態で延伸して、ブロンズ製ナット３８にきつくねじ込まれている。電気ケーブル４１（導電体の１つ）がナット３８に電気的に接続されている。図面において、符号３４は、例えば電気的導電ブリッジ４２によって給電されるモータの制御電子機器を概略的に示す。前記ブリッジ４２は、（図１３において符号４４で示されるものによって）塗装スピンドルのハウジング３から電気的に絶縁される一方、取付ボルト３６のヘッド部４０とねじ４３とに電気的に導通した状態で固定されている。ねじ４３は、例えば、制御電子機器３４を貫通し、ねじ接続部を介してブリッジ４２に電気的に導通した状態で固定されている。
【００４５】
塗装スピンドル２の取付ボルトがここに説明されるように設計されていれば、ボルト３６を緩めて外すだけで取付フランジ３１に対する塗装スピンドルの着脱を簡単に行うことができることが容易に理解され、このときエア接続部（不図示）はスピンドルが取り付けられてときに密封状態に閉じられる平面からなる。
【００４６】
図１４は、エア接続部が塗装スピンドルのモータおよび制御電子機器用の電気的接続部をもどのように構成するかを示す。塗装スピンドル内のエア通路が、符号４５で示される。図１３との関連で説明したように、取付フランジ３１には、この場合も同様に凹部３７が設けられている。凹部３７には、第１ブシュ３９が嵌め込まれている。ブシュ３９は、電気的導電性の第１スリーブ４６を取り囲んで取付フランジから絶縁している。電気ケーブル４７がこのスリーブ４６に電気的に接続されている。
【００４７】
同様に、第２の絶縁ブシュ４８が塗装スピンドルのハウジング３内に配置されており、第２ブシュ４８は、電気ケーブル５０によって塗装スピンドルの制御電子機器３４またはモータに電気的に接続される電気的導電性の第２スリーブ４９を取り囲んでいる。
【００４８】
エア通路４５は、取付フランジ３１に接続されるエア通路５１と同様に、例えば、電気的非導電性のホースからなっており、図１４に見られるように、ブシュ４６，４９を貫通する孔をそれぞれ部分的に通って延びている。ブシュ４６，４９内におけるホース５１，４５の各端部間において、ブシュの貫通孔はホースの内径に一致するより小さい直径を有しており、これによりブシュ自体がエア通路の一部を形成している。ブシュ４６，４９の導電性接触面間であって貫通孔の周りには、エア漏れを防止するためのシールリング５２が配置されている。
【００４９】
このことから、塗装スピンドルが取付フランジ３１に取り付けられると直ちに、塗装スピンドルのエアおよび電気に関する同時接続が自動的に達成されることが理解できる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】ロボットアームの先端に塗装スピンドルを保持するロボットを概略的に示す図。
【図２】本発明に係る塗装スピンドルの概略断面を示す図。
【図３Ａ】シャフトに近接する側から見た塗装ベルの図。
【図３Ｂ】互いに分離された塗装ベルおよびスピンドルシャフトの縦断面を示す図。
【図４】ロータおよびステータだけの図２のＩＶ−ＩＶ線断面を示す図。
【図５】図６と共に、２つの異なる実施形態のうちの一方を示す図。
【図６】図５と共に、２つの異なる実施形態のうちの他方を示す図。
【図７】使用時における塗装スピンドル外側での空気の乱流を概略的に示す図。
【図８】乱流を緩和するための設計を示す図。
【図９】乱流を緩和するための別の設計を示す図。
【図１０】塗装スピンドルへの必要なエネルギーおよび制御情報の伝達を概略的に示す図。
【図１１】安全変圧器の配置例を示す図。
【図１２】塗装スピンドルにエネルギーおよび制御情報を伝達する別の設計を概略的に示す図。
【図１３】組み合わされた取付ボルトと電気接続部とを示す図。
【図１４】組み合わされた空気接続部と電気接続部とを示す図。
【図１５】スピンドルシャフトの一端部の外側近傍での塗装スピンドルの断面を概略的に示す図。
【図１６】図１７と共に、スピンドルシャフトの回転固定手段の２つの異なる位置の一方を示す図。
【図１７】図１６と共に、スピンドルシャフトの回転固定手段の２つの異なる位置の他方を示す図。
【符号の説明】
【００５１】
１…ロボット
２…塗装スピンドル
３…ハウジング
４…回転シャフトまたはスピンドルシャフト
５…非回転管、静止管または塗料管
５ａ…ダクト
６…ラジアルエアベアリング
７…アキシャルエアベアリング
８…じょうご又は塗装ベル
９…エアダクト
１０…エアフロー
１１…ステータ鉄（電気モータ）
１２…ステータ巻き線（電気モータ）
１３…ロータ（電気モータ）
１４…部分円錐状表面
１５…内部ねじ
１６…部分円錐状表面
１７…外部ねじ
１８…軸方向溝
１９…ねじ付き部分
２０…貫通ダクト
２１…漏出防止ライニング
２２…チャンバ
２３…ギャップ
２５…空間
２６…チャンバ
２７…乱流
２８…ガイド羽根手段
２９…支持フランジ
３０…フィラ
３１…取付フランジ
３２…電源
３３…安全変圧器
３４…制御ユニット（制御電子機器）
３６…取付ボルト
３７…凹部
３８…ナット
３９…絶縁物または第１ブシュ
４０…ヘッド部
４１…電気ケーブル
４２…ブリッジ
４３…ねじ
４５…エア通路
４６…第１スリーブ
４８…第２ブシュ
４９…第２スリーブ
５０…電気ケーブル
５１…ホース
５２…シールリング
５３…固定ワッシャ
５４…第１駆動ピン
５５…第２駆動ピン
５６…溝
５７…溝
５８…ヨーク
５９…ばね
６０…ばね
６１…作動手段
６２…傾斜面またはくさび状面
６３…ヒール部
６４…ステー
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の前段部に記載のタイプの塗装スピンドル(painting spindle)の構成に関する。ここで、塗装スピンドルは、塗装に使用されるすべての塗装スピンドルを意味するが、このことは本発明との関連で使用される塗料以外の媒材を排除するものではない。簡略化のために、本発明の説明は、塗装スピンドルについて言及する。
【背景技術】
【０００２】
今日において、このような塗装スピンドルが最も広く利用されている領域は、自動車ボディの塗装であるが、これに限らず、このスピンドルは適当および可能と考えられる他のすべての場合において使用可能である。塗装スピンドルの構造および機能に関して、スピンドルは、通常はロボットハンドまたはポータル(portal)内の工具としての移動手段(carrier means)に取り付けられる。前記移動手段は、塗装される対象物に対してスピンドルを移動させるのを可能にする。特に、塗装スピンドルは、その名が示すように、その端部に円錐形状に外側に拡張するベル(bell)が取り付けられるスピンドルからなる。スピンドルシャフトおよびベルは、例えば６，０００〜１３０，０００ｒｐｍで回転し、ベルの開口部は２５ないし８０ｍｍの直径を有することができる。塗料は、スピンドルを介してベルの円錐形先端に供給され、遠心力によってベル内面に沿って移動して、その端部から外部に噴出される。これらの塗料滴を例えば自動車ボディなどの対象物に塗布するために、塗料粒子が静電的に帯電され、対象物がアースされる。通常、アース（塗装対象物）に対する静電帯電電位は、３０，０００ないし１３０，０００ボルトの範囲である。ベルから出た塗料粒子は、対象物と塗料粒子との電位差によって塗装対象物に引き付けられる。ベルの回転のためにベルから放射方向に噴出することになる帯電塗料粒子を偏向させるために、高速のエアフローがベルの後方外側に供給される、このエアフローは、ほぼ軸方向に向けられていることから、ベルから対象物に向かって塗料粒子を偏向させるように強制する。静電帯電は、静電的に帯電されたスピンドルによって行われるのが一般的であり、これはスピンドルも帯電状態になることを意味する。あるいは、塗料粒子は、ベルから噴出された後に、塗装対象物までの途中で通過する部分の周囲の円形状に配置されたロッドアンテナ(rod antennas)によって帯電されてもよい。塗料粒子がアースされた塗装対象物に引き付けられるためには、帯電した塗料粒子の近傍にある他のすべての物が帯電塗料粒子と同電位でなければならない。このことは、例えば、スピンドルおよびその付属品やロボットハンドが塗料粒子と同電位であることを意味するとともに、塗装スピンドルと塗装対象物との間の電位差を維持するために、スピンドルおよびその付属品と装置の残りの部分との間に電気的絶縁部材が存在しなければならないことも意味する。
【０００３】
シャフト径、回転速度および清潔さの要求から、今日においてはエアベアリングが優れた軸受け技術である。シャフトとスピンドルハウジング間の電位差を除去するとともにスパーク発生によるベアリング表面の損傷を防止するために、通常はスピンドルの後端部か又は塗装ベルの直後に配置される除電器(electric eliminator)が使用されている。スピンドルシャフトを駆動するために、要求される高速度用のエアタービンが今日において使用されている。これは、電気的絶縁の必要性に影響を及ぼすことなく、圧縮エアの形で必要なエネルギーを電気的帯電されたスピンドルユニットに伝達することを可能にする。能力要求の増加（毎分５００−２０００ｃｃの塗料）に伴って、より大きなエネルギーをタービンに供給する必要が生じ、これは実際にはタービン内の圧力降下によって発生させるのが一般的である。これの１つの効果は、タービン内で空気が膨張することで温度が低下し、その結果としてスピンドルハウジングの温度も低下する。これは、環境空気中の水分が冷たい表面で凝縮する危険につながり、この凝縮は塗装仕上がりに悪影響を及ぼし得る。温度低下は、タービン内またはその近傍で氷結を引き起こすこともあり、その性能および機能を阻害する場合もある。このようなスピンドルの冷却問題を抑制するために、今日においては供給されるエアが予熱されていることが多く、その結果、本質的に所望の温度を得ることができ、氷結や凝縮の問題を回避できる。凝縮や氷結以外の空気使用に関する別の問題は、供給されるエネルギーや塗料が最終的に受容するエネルギーに関して効率が低いことである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
エアタービンによって駆動される塗装スピンドルに関する問題の背景に対して、代替として電気モータによってスピンドルを駆動する試行もなされてきた。ここで言及される塗装スピンドルは、通常はロボットアームの外側端部に配置されるものであるから、塗装時における接触し易さ(access)や便利さを向上させるために、できるだけ小型で軽量に作製されなければならない。さらに、塗装スピンドルは、取り付け、保守、および取り扱いが容易でなければならない。
【０００５】
今日における別の問題は、一方または両方のエアベアリングの位置でスピンドルシャフト上に塗料が蓄積することである。やがて、これは、ラジアルベアリングで作用するエアがベアリングギャップから自由に抜け出るのを妨げることになり、その結果、ベアリングの負荷能力や冷却作用に悪影響を及ぼし、塗装スピンドルの機能および寿命を明らかに低下させることになる。この問題に関する効果的な解決策は未だ見出されておらず、このことはここで言及されているタイプの塗装スピンドルにおいて注目されている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この問題は、特許請求の範囲に記載の特徴を備えた本発明によって解決されるに至った。
【０００７】
明確化のために、塗装スピンドルは、添付図面を参照してより詳細にその全体について後述されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図１は、今日において公知技術であるロボットアームの外側端部に取り付けられた塗装スピンドル２を備えるロボット１を概略的に示す。
【０００９】
図２，３には、回転シャフト４を収容する塗装スピンドルのスピンドルハウジングが示されており、これは非回転管５も収容している。回転シャフト４は、２つのラジアルエアベアリング６と、図示の例では２つのアキシャルエアベアリング７とによってハウジング３内に取り付けられ、塗装ベルとして知られていてシャフト４と共に回転する円錐台状のじょうご(funnel)８を一端部（図中の左端部）で支持している。図示されるように、ダクト５ａを介して塗料をじょうご８に向かって導く静止管５が、回転シャフト４の端部であってベル８の内側で開口している。今日において、シャフト４は、６，０００ないし１３０，０００ｒｐｍで回転するのが一般的である。符号９は、スピンドルハウジング内に配置されたエアダクトを示す。このダクト９は、ベルの回転時にベルから噴出される塗料粒子を塗装される対象物（不図示）に向かって軸方向に沿って偏向させる高速のエアフロー１０を生じさせる。対象物は接地電位を有し、塗料粒子と共にスピンドルは、対象物に対して３０，０００から１３０，０００ボルトの範囲にある電圧電位を有する。これにより、塗装粒子は、塗装対象物に引き付けられることになる。
【００１０】
シャフト４は、ステータ鉄１１、ステータ巻き線１２、およびシャフト４に固定されたロータ１３からなる電気モータによって駆動される。ここまで説明されてきたことは、公知技術に属するものであって、更なる説明を必要としないものである。
【００１１】
異なる電位レベル（３０，０００ないし１３０，０００ボルト）間での必要な電気的分離を創設する安全変圧器とは別に、電気モータのエネルギー源として、塗装対象物から電気的に分離された例えばバッテリ、キャパシタ、燃料電池などの蓄電装置または発電装置を使用することもできる。
【００１２】
＜スピンドルシャフトへの塗装ベルの取り付け＞
図３は、回転シャフト４とその内部に固定された塗料管５とを断面で示す。符号１４は、スピンドルシャフト４の部分円錐状表面を示し、符号１５はシャフトの内部ねじを示す。塗装ベル８もまた、前記部分円錐状表面１４と係合する部分円錐状表面１６を有するとともに、スピンドルシャフトのねじ１５と螺合する外部ねじ１７を有する。
【００１３】
塗装ベル８が高回転速度でスピンドルシャフト４から偶発的に外れるのを防止するために、塗装ベル８のねじ部１７には、本実施形態においては、図示するように６つの部分１９に区画する軸方向溝１８が設けられている。これにより、塗装ベルがシャフト４にきつく締め付けられたとき、ベル１８のねじ付き部分１９がそのねじ部およびシャフト４のねじ部１５のねじ側面に対して径方向内側に曲がることになる。その結果、シャフト４が回転すると、前記部分１９は、遠心力によって押し広げられて、塗装ベル８の部分１９は径方向外側に向かう力を発生させることになる。この力はスピンドルシャフト４とベル８との間のねじ部にも伝達されて、前記部分円錐状表面１４，１６を互いに「固定する」ような軸方向力を生じさせる。
【００１４】
ねじ付き部分１９の遠心力による拡張は、シャフト４に塗装ベル８をより堅固に固定することになり、これにより動作中にベルが外れるのが防止される。また、ねじ付き部分１９の弾力特性は、ねじ１５，１７によってではなく円錐状部１６，１４によって固定位置へと誘導するのを確実にするものであり、これにより塗装ベル８およびスピンドルシャフト４の両方の各円錐状部および各ねじ部の公差要求度を寛容にすることができる。
【００１５】
＜ステータの冷却＞
スピンドルシャフト４の駆動源として電気モータ１１，１２，１３（図２参照）が用いられる場合、摩擦によって生じる熱に加えて、モータのステータ鉄１１、ステータ巻き線１２およびロータ１３に発熱が生じる。例えば過度の発熱やこれによる処理できない膨張によってスピンドルシャフト４の機能を損なわないように、スピンドル４を冷却すべく、生じる熱の大部分を放散させる必要がある。
【００１６】
これは、高速のエアフロー１０を形成するために装置に供給される圧縮エアによって過度の熱が取り去られることにより実行される。この圧縮エアまたはその一部は、図２に示す例では、モータのステータ巻き線１２に通ずるハウジング３の１つ以上のダクト９を介して導入される。そして、図面では、ダクト２０内のステータ巻き線１２を貫通して流れる圧縮エアを矢印で示す。
【００１７】
図４は、図２のステータのＩＶ−ＩＶ線断面を示す。ここでは、ステータの巻き線が符号１２で示される。これらの巻き線には、圧縮エア（高速エア）の通路となる貫通ダクト２０がステータを貫通し、かつ、ロータ１３から離れた側の巻き線１３の表面に隣接して設けられている。ダクト２０は、ステータの巻き線溝内の巻き線内部または巻き線ワイヤの間に配置されてもよい。このようにして、ステータの冷却およびロータの部分的冷却が効果的に実現される。しかし、冷却エアーがロータとステータの間から漏出しないようにするために、ステータは漏出防止ライニング２１（図２，４参照）によって覆われている。
【００１８】
高速エアフロー１０は、図２のステータ巻き線１２の端部での矢印で示すように、巻き線の両端部間でステータ鉄１１内のダクト２０から出る。
【００１９】
＜不確定な径方向負荷を生じさせない、スピンドルハウジングに対するスピンドルシャフトの回転の固定＞
１つの問題は、スピンドルハウジング３内のベアリング６を損傷することなく、スピンドルシャフト４から塗装ベル８（図２，１５−１７参照）を取り外すことである。通常、ベル８はスピンドルシャフト４にねじ込まれているため、ベルの脱着にはトルクを掛ける必要があり、そのためにはスピンドルシャフトに逆トルクを作用させなければならない。この逆トルクは、今日においてはベルから離れた側の端部においてスピンドルシャフト内に設けられているトルクアーム（またはピン）によって提供されているのが一般的である。このピンは、手で使用されてもよいし、または、ステー(stay)としての止め部材(stop)によって使用されてもよい。この場合、脱着のためのトルクを掛けたとき、この作業の際にスピンドルシャフト４は径方向力を受けることになる。これにより、スピンドルシャフト４は制御できない(uncontrolled)軸受負荷を有するベアリング表面に対して制御できない方法で支持され、その結果、ベアリングを損傷してしまうことになる。
【００２０】
図１５−１７は、ベル８を脱着するためのトルクが適用されたときに、ベアリング表面にスピンドルシャフト４によって制御できないような径方向の負荷が掛からないようにした構成を示す。この構成は、スピンドルハウジング３に対するスピンドルシャフト４の回転を防止しながら、径方向平面Ｘ−Ｙ内でのスピンドルシャフト４の自由な移動を可能にすることによってスピンドルハウジング３に逆トルクが伝達される。
【００２１】
前記構成は、スピンドルシャフト４の外径よりも僅かに大きい内径を有するリング形状の固定ワッシャ５３を備える。固定ワッシャ５３には、内側直径方向に対向する一対の第１駆動ピン５４と、互いに外側直径方向に向いた一対の第２駆動ピン５５が駆動ピン５４に対して直角をなす位置に設けられている。スピンドルシャフト４の端部には、幾つかの溝５６（図示する例では８つの溝）が設けられている。溝５６は駆動ピン５４を収容できるような寸法になっており、一方、第２駆動ピン５５はスピンドルハウジング３の溝５７内に収容されるようになっている。固定ワッシャ５３は、駆動ピン５５が溝５７内で移動しながら駆動ピン５４が溝５６に係合および係合解除できるように（図１６，１７参照）、スピンドルシャフト４に対して軸方向に限定的に移動可能になっている。固定ワッシャ５３の外側には、半円形に延伸するヨーク(yoke)が軸方向に配置されている（明瞭化のためにヨーク５８は図１６，１７において断面にしていない）。ヨーク５８も同様に、軸方向に限定的に移動可能である。ヨーク５８の自由端は、固定ワッシャ５３の外側に係合し、図示する例では第２駆動ピン５５の上部に係合する。このヨーク５８の補助を得て、固定ワッシャ５３は、ばね５９によってスピンドルハウジング３内で押圧されて駆動ピン５４がスピンドルシャフトとの係合が解除されるような移動を保持する位置（図１６参照）と、ばね５９の作用に抗して駆動ピン５４，５５がスピンドルシャフトの溝５６およびスピンドルハウジング３の溝５７にそれぞれ係合するように押し下げられて保持される位置とに、軸方向に移動可能になっている。ヨーク５８は、ばね６０に抗して軸方向に移動できる作動手段６１によって作動する。作動手段６１には、ヨーク５８に下に、より適切には図１６，１７に示すヒール部(heel)の下に係合する傾斜面またはくさび状面６２が設けられている。作動手段６１がばね６０によって非案内位置に保持されるとき、固定ワッシャ５３は、ばね５９によって駆動ピンがスピンドルシャフトの溝から自由になる位置に案内される。ばね６０の力に抗して作動手段６１が押されることによって、ヒール部６３は、スピンドルハウジングのステー６４を中心としてヨーク５８が回動すると同時に押し上げられることになる。これは、ステー６４を支点とするレバーとしてヨーク５８を作動させて固定ワッシャ５３を押し下げることになり、これにより駆動ピン５４が溝５６に係合する。その結果、スピンドルシャフトは、スピンドルハウジングに対して回転するのを防止されるが、径方向には自由に移動することができる。作動手段６１が外れる、すなわち押し出されると、ヨークは固定ワッシャと共にばね５９の力によって案内されて前記溝との係合が解除される。作動手段６１の外側に向いての移動が適当な方法で制限されるのは勿論のことである。
【００２２】
＜本発明における塗料による汚染からのラジアルベアリングの出口の保護＞
前部および／または後部のラジアルエアベアリング６の機能を阻害することとなるスピンドルシャフト４上での塗料の蓄積を防止するため、ベアリングの直ぐ外側であってベアリングギャップに隣接してチャンバ２２が配置されている。このチャンバ２２は、全周にわたって延びており、かつ、ギャップ２３を介してスピンドルシャフト４に向かって開口している。陽圧で作用して前記ベアリングギャップから出て前記チャンバ２２に流れる軸受エアは、内部に所定の陽圧を形成して軸受エアとして作用して、その少ない一部が、スピンドルシャフト４と、チャンバ２２および空間２５間でスピンドルシャフト４の周囲に延在するリップ部との間の隙間から流れ出ることで、塗料がチャンバに侵入するのを防止でき、一方で、軸受エアの大部分は従来と同様（不図示）にチャンバから流出することで、ベアリング内に有害な逆圧が生じることを防止する。
【００２３】
図６に示すように、チャンバ２２の外側に追加の第２チャンバ２６を設けることも考えられる。陽圧によってチャンバ２６に保護エアが供給される。この保護エアは、一方ではチャンバ２２に噴出し、他方では空間２５に噴出する（チャンバ２６に保護エアを供給するためのダクトは不図示）。
【００２４】
スピンドルハウジングが延伸して塗装ベルを取り囲むとともに、塗装ベルの外周とスピンドルハウジングとの間に隙間が形成されている実施形態（図６参照）では、空間２５内に所望の圧力を生じさせるのを可能にするために、別の追加のダクト（不図示）が空間２５に連通していてもよい。
【００２５】
＜スピンドルシャフトの表面処理＞
ラジアルエアベアリング６の一方または両方に隣接するスピンドルシャフト４（図２参照）上への塗料の付着または蓄積を防止するための、上述したのとは異なる方法または補完する方法は、スピンドルシャフト４についてその軸方向の範囲の少なくとも一部を表面コーティングで被覆することである。これにより、スピンドルシャフトへの塗料の付着を減少させることができる。そうしないと、ベアリング６からの軸受エアの流出に影響して、ベアリングの負荷能力や冷却効率を低下させることになる。表面コーティングの例として、テフロン（登録商標）が挙げられる。
【００２６】
＜高速エアフローの制御（図７，８，９）＞
上述したように、高速エアフローは、塗装対象物に向けてベルから噴出された塗料粒子を静電力による作用と相俟って偏向させるために、塗装ベル８に向けて略軸方向に高速で供給される。対象物に向けて塗料粒子を偏向させる高速エアフローの機能は、その全てが有効なものではない。高速エアがベル８の外側に流出してベルの周囲の空気を引き込むことで、ベルの８の外側に乱流が発生する。この乱流は、塗料粒子を引き込む傾向があり、これにより塗料粒子が装置の外面に付着する可能性がある。この乱流は、図７において矢印２７で示される。
【００２７】
今日における塗装スピンドルで生じているその不都合を防止するため、ガイド羽根手段２８（図８，９参照）が設けられる。ガイド羽根手段２８は、塗装スピンドル２の外面に沿ってベル８に隣接して延びるとともに、装置からの高速エア１０の出口９（図６も参照）に隣接している。図８の例で示されるガイド羽根手段は、高速エア１０によって引かれる周囲の空気をベル８の上を流れる本質的に層流のエアフローになるようにガイドする。これにより、ベル８の外側近傍での乱流２７（図７参照）が無くなる。ガイド羽根手段２８は、全周にわたるか又は複数の部分に分割された環状に形成されることができる。符号２９はガイド羽根手段２８のための支持フランジを示し、この支持フランジの数は２つ以上であることが好ましい。支持フランジ２９を有するガイド羽根手段２８は、スピンドルハウジング３に対して軸方向に着脱可能であり、支持フランジ２９は、スピンドルの取り付けねじ（不図示）との関連で存在するスピンドルハウジング上の凹部にしっかりとスナップ係合することができる。
【００２８】
図９は、スピンドルハウジング３の一体拡張部としてのフィラ(filler)がベル８の周囲上を延伸して配置されている。このフィラによって、図８に示す実施形態に比べて、ハウジングからベルへの過渡部において、高速エアフローによって引かれる空気の流れをより一様なものにすることができる。図面において、符号３１は塗装スピンドルの取付部品を示す。フィラ３０は、ガイド羽根手段２８の内面に沿った外面形状を有するのが好ましい。
【００２９】
＜アキシャルエアベアリングの構成＞
その使用を容易にするのに非常に重要なことである、できるだけ短くて小型の塗装スピンドルとこれを含む塗装装置を実現するためには、通常は２つのアキシャルエアベアリングの位置決めが大変に重要なことである。
【００３０】
これに関して、最適な解決策は、スピンドルシャフト４上のロータ１３の各側面上であって前記ロータに隣接して２つのアキシャルエアベアリング７を配置することである。アキシャルエアベアリング７の構成はコンパクトであると同時に、ロータがアキシャルエアベアリングに軸方向に関する無理のない支持を提供することになる。スピンドルシャフト４を長くするといったアキシャルエアベアリングのための特別な構成や方法は、必要ではない。
【００３１】
軸方向力が磁界（実施形態では不図示）によって対向方向に生じる単一作動型アキシャルベアリング(single-acting axial bearings)が使用可能である。アキシャルエアベアリングが機能しないときでも、スピンドルシャフトの回転を妨げないように、磁界によってシャフトが押し付けられる表面が摩擦表面として使用可能である。
【００３２】
＜塗装スピンドルのコーディング(cording)＞
正規製品と共に海賊部品を使用する実態が増えてきている。これは、危険性を伴う場合があり、海賊部品が正規製品について要求される（寸法、材料選択等の）品質を満たしていないと、ひどい結果につながる。
【００３３】
例えば本発明に係る構成の正規のスピンドルを交換したような海賊版として製造された塗装スピンドル２（図２参照）の使用を防止するため、製造された塗装スピンドルにコードを付すことが提案されている。このコードは、設備の制御装置によって読み取られて、正しいコードが付された塗装スピンドル２だけを正規構成に使用できるようにすることを可能にする。コードが無いか又はコードが不正な場合、これに応じて制御装置は例えば電気モータの電源を遮断することによって、その装置を使用できなくする。
【００３４】
塗装スピンドルにコードを付すことによって、製品の信頼性や性能を向上させるために、装置の作動時におけるデータの追跡や収集も可能になり、かつ、このデータから基本情報を得ることも可能になる。このことは、構成に含まれる制御装置によって個々の塗装スピンドルを特定して、データを供給者側にあるスピンドル監視システムに送信することによって行うことができ、このようにして個々のスピンドルについての経時的データを収集することができる。
【００３５】
＜スピンドルの速度制御（図１０，１１，１２参照）＞
通常、電気モータで駆動されるタイプの塗装スピンドルは、図１に示すように、塗装ロボットのアームの外側端部に装着されて移動される。ロボットの迅速な動作順序と、それに関連するロボットに関するトルクおよび負荷の観点とから、塗装スピンドル２の重量を最小化する努力がなされている。
【００３６】
図１２において、符号３２は周波数が可変である交流電流の電源を示す。電源３２から供給される交流電流は安全変圧器３３に伝送されて、そこで交流電流は例えば４０ボルトの低電位の直流電流に変換される。そして、前記直流電流は、モータが速度制御されるために用いられる周波数に比例して重畳された(superposed)周波数を含むことになる。この周波数は、塗装スピンドルに組み込まれた制御電子機器３４によって検出され、そこで直流電流は、重畳された交流電圧を用いて、塗装スピンドル（図２参照）の電気モータ（１１，１２，１３）を所望の速度で回転させる所望の供給周波数に変換される。
【００３７】
制御ユニット３４の前に安全変圧器３３を電源に接続する利点は、モータに求められるものよりもかなり高い周波数で作動するのを可能にできることである。これはまた、図１１に示すように、ロボットアーム内に安全変圧器３３を配置するため、望まれるように変圧器をコンパクト、すなわちより小さい体積でより軽量にできることを意味する。所望であれば、単一ユニットを形成するように変圧器３３と制御ユニット３４とを組み合わせてもよい。
【００３８】
加速度、減速度、速度などについて所望の作動特性を得るために、電源とモータ制御部との間での情報交換は、光、音、無線通信によって伝送される情報、伝送されるエネルギーの情報、またはこれらの組み合わせ等を介して変圧器の一次側または二次側に接続されたユニットとの通信によって行われる。回転速度は、例えば、光学的に又は音インパルスによって読み取ることができ、これらは電気的絶縁の要求に影響することなく使用可能である。
【００３９】
安全変圧器３３には交流電圧が供給されるのが好ましく、その周波数は例えば１２ないし９倍というような、スピンドルシャフト３の所望の加速度の倍数である。これにより、変圧器の物理的な大きさおよび重量を最小化することが可能になる。（図１２において符号３４で示す）制御電子機器に受け取られた交流電圧は、所望の速度でスピンドルシャフト４を駆動するために、所望の周波数を設定するように変圧器３３に供給される周波数よりも低いファクタ(factor)である周波数を有する。電源３２から安全変圧器３３に供給される交流電流の周波数を変えることによって、スピンドルシャフト４の速度を変化させることができる。
【００４０】
図１０は、図１２に示すのとは対照的に、ロボットの近傍に配置される制御電子機器３５および電源ユニット３２を有する一方で３つの安全変圧器３３がロボットアーム内に配置されて、本実施形態ではモータの所望の周波数で作動するが、かなり重くなる構成を概略的に示す。
【００４１】
図１２は、制御電子機器３４が塗装スピンドル２の現実のハウジング内に組み込まれている実施形態を示す。図面に示す電源３２と、安全変圧器３３とは、１つのユニットを形成するように組み合わされてもよい。
【００４２】
＜電気接続のための接続手段の使用＞
電気モータで駆動される塗装スピンドルは、その機能のために、モータの作動のための電気的接続（通常は三相であるため３つの接続部、スピンドルに組み込まれた制御電子機器の場合には直流電流用に２つの接続部を必要とする。）と、冷却エアおよび高速エアのための接続とを必要とする。また、塗装スピンドルをロボットアームの端部に取り付けるためのボルトが必要である。３つの取付ボルトの場合、塗装スピンドルの修理や交換のときに、３つの電気的接続部、情報制御のための１つのケーブル、２つのエア接続部、および、３つのボルト接続部を取り扱う必要がある。
【００４３】
これらの８つの手操作による別々の接続部は、ロボットアームについての塗装スピンドルの脱着に不必要な時間浪費の作業を伴うことになる。そのため、本発明では、接続部の数を減らすとともに、取付ボルトを電気的接続部としても機能させるか、エア接続部を電気接続部としても機能させるか、または、その組み合わせとして、取付ボルトおよび空気接続部の両方が電気的接続部として同時に機能するようにした。
【００４４】
図１３は、例えば３つの取付ボルト３６（１つのみ図示）によって、例えばアームに固定された取付フランジ３１を介してロボットアームの端部に取り付けられた塗装スピンドルを概略的に示す。取付フランジ３１には、各ボルト用の凹部が設けられており、これらの凹部内にブロンズ製のナット３８が収容されている。ナット３８は、凹部３７の壁部から電気的に絶縁されており、具体的には、絶縁物３９によって取付フランジ３１から絶縁されている。塗装スピンドルのハウジング３の肩部においてヘッド部４０で支持されている取付ねじ３６は、ハウジング３内を絶縁状態で延伸して、ブロンズ製ナット３８にきつくねじ込まれている。電気ケーブル４１（導電体の１つ）がナット３８に電気的に接続されている。図面において、符号３４は、例えば電気的導電ブリッジ４２によって給電されるモータの制御電子機器を概略的に示す。前記ブリッジ４２は、（図１３において符号４４で示されるものによって）塗装スピンドルのハウジング３から電気的に絶縁される一方、取付ボルト３６のヘッド部４０とねじ４３とに電気的に導通した状態で固定されている。ねじ４３は、例えば、制御電子機器３４を貫通し、ねじ接続部を介してブリッジ４２に電気的に導通した状態で固定されている。
【００４５】
塗装スピンドル２の取付ボルトがここに説明されるように設計されていれば、ボルト３６を緩めて外すだけで取付フランジ３１に対する塗装スピンドルの着脱を簡単に行うことができることが容易に理解され、このときエア接続部（不図示）はスピンドルが取り付けられてときに密封状態に閉じられる平面からなる。
【００４６】
図１４は、エア接続部が塗装スピンドルのモータおよび制御電子機器用の電気的接続部をもどのように構成するかを示す。塗装スピンドル内のエア通路が、符号４５で示される。図１３との関連で説明したように、取付フランジ３１には、この場合も同様に凹部３７が設けられている。凹部３７には、第１ブシュ３９が嵌め込まれている。ブシュ３９は、電気的導電性の第１スリーブ４６を取り囲んで取付フランジから絶縁している。電気ケーブル４７がこのスリーブ４６に電気的に接続されている。
【００４７】
同様に、第２の絶縁ブシュ４８が塗装スピンドルのハウジング３内に配置されており、第２ブシュ４８は、電気ケーブル５０によって塗装スピンドルの制御電子機器３４またはモータに電気的に接続される電気的導電性の第２スリーブ４９を取り囲んでいる。
【００４８】
エア通路４５は、取付フランジ３１に接続されるエア通路５１と同様に、例えば、電気的非導電性のホースからなっており、図１４に見られるように、ブシュ４６，４９を貫通する孔をそれぞれ部分的に通って延びている。ブシュ４６，４９内におけるホース５１，４５の各端部間において、ブシュの貫通孔はホースの内径に一致するより小さい直径を有しており、これによりブシュ自体がエア通路の一部を形成している。ブシュ４６，４９の導電性接触面間であって貫通孔の周りには、エア漏れを防止するためのシールリング５２が配置されている。
【００４９】
このことから、塗装スピンドルが取付フランジ３１に取り付けられると直ちに、塗装スピンドルのエアおよび電気に関する同時接続が自動的に達成されることが理解できる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】ロボットアームの先端に塗装スピンドルを保持するロボットを概略的に示す図。
【図２】本発明に係る塗装スピンドルの概略断面を示す図。
【図３Ａ】シャフトに近接する側から見た塗装ベルの図。
【図３Ｂ】互いに分離された塗装ベルおよびスピンドルシャフトの縦断面を示す図。
【図４】ロータおよびステータだけの図２のＩＶ−ＩＶ線断面を示す図。
【図５】図６と共に、２つの異なる実施形態のうちの一方を示す図。
【図６】図５と共に、２つの異なる実施形態のうちの他方を示す図。
【図７】使用時における塗装スピンドル外側での空気の乱流を概略的に示す図。
【図８】乱流を緩和するための設計を示す図。
【図９】乱流を緩和するための別の設計を示す図。
【図１０】塗装スピンドルへの必要なエネルギーおよび制御情報の伝達を概略的に示す図。
【図１１】安全変圧器の配置例を示す図。
【図１２】塗装スピンドルにエネルギーおよび制御情報を伝達する別の設計を概略的に示す図。
【図１３】組み合わされた取付ボルトと電気接続部とを示す図。
【図１４】組み合わされた空気接続部と電気接続部とを示す図。
【図１５】スピンドルシャフトの一端部の外側近傍での塗装スピンドルの断面を概略的に示す図。
【図１６】図１７と共に、スピンドルシャフトの回転固定手段の２つの異なる位置の一方を示す図。
【図１７】図１６と共に、スピンドルシャフトの回転固定手段の２つの異なる位置の他方を示す図。
【符号の説明】
【００５１】
１…ロボット
２…塗装スピンドル
３…ハウジング
４…回転シャフトまたはスピンドルシャフト
５…非回転管、静止管または塗料管
５ａ…ダクト
６…ラジアルエアベアリング
７…アキシャルエアベアリング
８…じょうご又は塗装ベル
９…エアダクト
１０…エアフロー
１１…ステータ鉄（電気モータ）
１２…ステータ巻き線（電気モータ）
１３…ロータ（電気モータ）
１４…部分円錐状表面
１５…内部ねじ
１６…部分円錐状表面
１７…外部ねじ
１８…軸方向溝
１９…ねじ付き部分
２０…貫通ダクト
２１…漏出防止ライニング
２２…チャンバ
２３…ギャップ
２５…空間
２６…チャンバ
２７…乱流
２８…ガイド羽根手段
２９…支持フランジ
３０…フィラ
３１…取付フランジ
３２…電源
３３…安全変圧器
３４…制御ユニット（制御電子機器）
３６…取付ボルト
３７…凹部
３８…ナット
３９…絶縁物または第１ブシュ
４０…ヘッド部
４１…電気ケーブル
４２…ブリッジ
４３…ねじ
４５…エア通路
４６…第１スリーブ
４８…第２ブシュ
４９…第２スリーブ
５０…電気ケーブル
５１…ホース
５２…シールリング
５３…固定ワッシャ
５４…第１駆動ピン
５５…第２駆動ピン
５６…溝
５７…溝
５８…ヨーク
５９…ばね
６０…ばね
６１…作動手段
６２…傾斜面またはくさび状面
６３…ヒール部
６４…ステー
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジング（３）内にエアベアリング（６）を介して回転可能に取り付けられ、片持ち端部に粒子を噴出する塗装ベル（８）が設けられているスピンドルシャフト（４）を備え塗装スピンドルにおいて、
前記スピンドルシャフト（４）の前記片持ち端部は、前記ハウジング（３）に接続されるとともに前記スピンドル（４）に向かって開口する少なくとも１つのチャンバ（２２）によって取り囲まれており、該チャンバにはラジアルベアリング（６）のギャップから軸受エアが流入し、前記エアは前記チャンバ（２２）と前記スピンドルシャフト（４）との間に形成されるギャップを介して前記チャンバ（２２）から流出することを特徴とする塗装スピンドル。
【請求項２】
前記軸受エアは、前記スピンドルシャフト（４）の外側にある空間（２５）に別のダクトを介して流出もすることを特徴とする請求項１に記載の塗装スピンドル。
【請求項３】
軸方向に互いに隣接して配置された２つのチャンバ（２２，２６）を有し、そのうち外側のチャンバ（２６）には保護エアが陽圧で供給され、該保護エアは一方では内側のチャンバ（２２）に流出し、他方では前記空間（２５）に流出することを特徴とする請求項２に記載の塗装スピンドル。
【請求項１】
ハウジング（３）内にエアベアリング（６）を介して回転可能に取り付けられ、片持ち端部に粒子を噴出する塗装ベル（８）が設けられているスピンドルシャフト（４）を備え塗装スピンドルにおいて、
前記スピンドルシャフト（４）の前記片持ち端部は、前記ハウジング（３）に接続されるとともに前記スピンドル（４）に向かって開口する少なくとも１つのチャンバ（２２）によって取り囲まれており、該チャンバにはラジアルベアリング（６）のギャップから軸受エアが流入し、前記エアは前記チャンバ（２２）と前記スピンドルシャフト（４）との間に形成されるギャップを介して前記チャンバ（２２）から流出することを特徴とする塗装スピンドル。
【請求項２】
前記軸受エアは、前記スピンドルシャフト（４）の外側にある空間（２５）に別のダクトを介して流出もすることを特徴とする請求項１に記載の塗装スピンドル。
【請求項３】
軸方向に互いに隣接して配置された２つのチャンバ（２２，２６）を有し、そのうち外側のチャンバ（２６）には保護エアが陽圧で供給され、該保護エアは一方では内側のチャンバ（２２）に流出し、他方では前記空間（２５）に流出することを特徴とする請求項２に記載の塗装スピンドル。
【図１】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公表番号】特表２００７−５３７８６５（Ｐ２００７−５３７８６５Ａ）
【公表日】平成１９年１２月２７日（２００７．１２．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−５２７１２０（Ｐ２００７−５２７１２０）
【出願日】平成１７年５月１８日（２００５．５．１８）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＳＥ２００５／０００７２９
【国際公開番号】ＷＯ２００５／１１０６１５
【国際公開日】平成１７年１１月２４日（２００５．１１．２４）
【出願人】（５０３２６１１４４）リンド ファイナンス アンド ディベラップメント アクチボラゲット (8)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成１９年１２月２７日（２００７．１２．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年５月１８日（２００５．５．１８）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＳＥ２００５／０００７２９
【国際公開番号】ＷＯ２００５／１１０６１５
【国際公開日】平成１７年１１月２４日（２００５．１１．２４）
【出願人】（５０３２６１１４４）リンド ファイナンス アンド ディベラップメント アクチボラゲット (8)
【Ｆターム（参考）】
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