スピンドル装置及び静電塗装装置
【課題】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。
【解決手段】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。
【解決手段】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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はスピンドル装置及び静電塗装装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−３０００２４号公報
【特許文献２】特許第４５４６１０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
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取り付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〜Ｅを満足することを特徴とする。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
このようなスピンドル装置においては、以下の３つの条件Ｆ〜Ｈをさらに満足することが好ましい。
条件Ｆ：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Ｇ：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Ｈ：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。
【０００９】
また、上記のスピンドル装置においては、以下の条件Ｉをさらに満足することが好ましい。
条件Ｉ：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いずれかを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明に係るスピンドル装置の一実施形態の構造を示す断面図である。
【図２】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。
【図３】タービン翼及びノズルを拡大して示した斜視図である。
【図４】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。
【図５】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。
【図６】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。
【図７】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。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
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。図１は、本発明に係るスピンドル装置の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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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）。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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Ｉ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。
【００３０】
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Ｆに相当する）、４０°であることが特に好ましい。
【００３１】
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Ｇ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Ｈ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。
【００３２】
これらの条件Ｆ，Ｇ，Ｈ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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
〔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。
【符号の説明】
【００４１】
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
９ タービン翼
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
【技術分野】
【０００１】
本発明はスピンドル装置及び静電塗装装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−３０００２４号公報
【特許文献２】特許第４５４６１０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
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取り付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〜Ｅを満足することを特徴とする。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
このようなスピンドル装置においては、以下の３つの条件Ｆ〜Ｈをさらに満足することが好ましい。
条件Ｆ：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Ｇ：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Ｈ：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。
【０００９】
また、上記のスピンドル装置においては、以下の条件Ｉをさらに満足することが好ましい。
条件Ｉ：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いずれかを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明に係るスピンドル装置の一実施形態の構造を示す断面図である。
【図２】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。
【図３】タービン翼及びノズルを拡大して示した斜視図である。
【図４】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。
【図５】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。
【図６】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。
【図７】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。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
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。図１は、本発明に係るスピンドル装置の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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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）。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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Ｉ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。
【００３０】
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Ｆに相当する）、４０°であることが特に好ましい。
【００３１】
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Ｇ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Ｈ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。
【００３２】
これらの条件Ｆ，Ｇ，Ｈ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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
〔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。
【符号の説明】
【００４１】
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
９ タービン翼
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
【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、前記回転軸に同心に取り付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〜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。
【請求項２】
以下の３つの条件Ｆ〜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：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Ｇ：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Ｈ：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。
【請求項３】
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１又は請求項２に記載のスピンドル装置。
条件Ｉ：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４】
請求項１〜３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。
【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、前記回転軸に同心に取り付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〜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。
【請求項２】
以下の３つの条件Ｆ〜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：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Ｇ：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Ｈ：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。
【請求項３】
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１又は請求項２に記載のスピンドル装置。
条件Ｉ：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４】
請求項１〜３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。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１３−９６３８０（Ｐ２０１３−９６３８０Ａ）
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２４２７３８（Ｐ２０１１−２４２７３８）
【出願日】平成２３年１１月４日（２０１１．１１．４）
【出願人】（０００００４２０４）日本精工株式会社 (8,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月４日（２０１１．１１．４）
【出願人】（０００００４２０４）日本精工株式会社 (8,378)
【Ｆターム（参考）】
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