JPH09295238A - エアースピンドル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】簡易な構造で、冷却効率が高いエアースピンド
ルを提供すること。 【解決手段】エアースピンドル１は、ローター２と、ハ
ウジング６とを有している。ローター２は、タービン３
と、中空の回転軸４と、連結部材５１と、工具５とで構
成されている。ハウジング６は、タービン室７１を画成
するハウジング本体７と、静圧パッド９を介して回転軸
４を回転可能に支持する支持部材８とで構成されてい
る。ハウジング本体７には、タービン室７１に連通する
空気供給口７２および空気排出口７３が形成されてい
る。回転軸４の中空部４１は、その基端が、タービン３
に形成された貫通孔３２を介してタービン室７１に連通
し、その先端が、連結部材５１の内腔５２および工具５
に形成された貫通孔５３を介して、大気に開放してい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、冷却機能を備えた
エアースピンドルに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】加圧空気を噴射してタービンを回転さ
せ、これによりローターおよびその端部に設置された切
削工具を回転させる構造のエアースピンドルが知られて
いる。

【０００３】この従来のエアースピンドルの構造を図３
に示す。同図に示すように、従来のエアースピンドル１
００は、タービン室１０１内に収納されたタービン１０
３と、該タービン１０３に一端が連結された回転軸１０
４と、該回転軸１０４の他端に連結された工具（切削・
研削工具）１０５とからなるローター１０２と、該ロー
ター１０２のタービン１０３および回転軸１０４の部分
を収納するハウジング１０６とを有し、ハウジング１０
６に形成された空気供給口１０７から供給された加圧空
気（圧縮空気）をタービン１０３の羽根に高速で衝突さ
せることによりタービン１０３を回転駆動し、これによ
りローター１０２を回転させるものである。

【０００４】この場合、回転軸１０４の外周には、静圧
パッド１０９が設置されており、回転軸１０４と静圧パ
ッド１０９とのわずかな間隙に空気を供給して薄い空気
層１１０を形成し、この空気層１１０が空気軸受けの作
用を生じるようになっている。

【０００５】このようなエアースピンドル１００では、
ローター１０２の高速回転により回転軸１０４と静圧パ
ッド１０９との間に摩擦熱（空気の剪断熱）が発生す
る。この摩擦熱により回転軸１０４の温度が上昇する
と、回転軸１０４が膨張し、工具１０５による加工位置
がずれて加工精度が低下したり、場合によっては、回転
軸１０４の熱膨張によりローター１０２の回転が阻害さ
れたりすることがある。そのため、回転軸１０４を冷却
する機構が設けられている。

【０００６】この回転軸冷却機構は、主に、静圧パッド
１０９およびそれを支持する支持部材１０８の外周部の
全周を囲むように設置された外筒（エアージャケット）
１１１で構成され、この外筒１１１に形成された冷却用
空気供給口１１２から空気を外筒内に供給し、支持部材
１０８等を冷却した後、同じく外筒１１１に形成された
冷却用空気排出口１１３から排出するように構成されて
いる。

【０００７】しかしながら、このような回転軸冷却機構
には、次のような欠点がある。まず第１に、タービン１
０３を回転するための空気の供給系とは別個に、回転軸
冷却用の空気の供給系を設置しなければならず、構造の
複雑化、装置の大型化を招く。

【０００８】第２に、この回転軸冷却機構は、回転軸１
０４をその外側から冷却するものであるが、回転軸１０
４に冷却用空気を直接接触させて冷却するのではなく、
支持部材１０８および静圧パッド１０９を介して冷却す
るため、冷却効率が低い。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、簡易
な構造で、冷却効率が高いエアースピンドルを提供する
ことにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】このような目的は、下記
（１）〜（７）の本発明により達成される。

【００１１】（１） タービンと該タービンに連結され
た回転軸とを有するローターと、前記タービンを収納す
るタービン室を画成し、該タービン室に連通する空気供
給口および空気排出口が形成されたハウジングとを有
し、前記空気供給口より前記タービン室に供給される空
気により前記タービンを回転駆動し、前記ローターを回
転するエアースピンドルであって、タービン回転用の空
気の一部を利用して前記回転軸を冷却する冷却機構を備
えたことを特徴とするエアースピンドル。

【００１２】（２） タービンと該タービンに連結され
た中空の回転軸とを有するローターと、前記タービンを
収納するタービン室を画成し、該タービン室に連通する
空気供給口および空気排出口が形成されたハウジングと
を有し、前記空気供給口より前記タービン室に供給され
る空気により前記タービンを回転駆動し、前記ローター
を回転するエアースピンドルであって、タービン回転用
の空気の一部を前記回転軸の中空部に供給して前記回転
軸をその内側から冷却するよう構成した冷却機構を備え
たことを特徴とするエアースピンドル。

【００１３】（３） 前記回転軸の中空部の空気流入側
は、前記タービン室に連通している上記（２）に記載の
エアースピンドル。

【００１４】（４） 前記回転軸の中空部の空気流出側
は、大気に開放している上記（２）または（３）に記載
のエアースピンドル。

【００１５】（５） 前記回転軸の中空部の空気流入側
は、前記タービン室に連通し、前記回転軸の中空部の空
気流出側は、大気に開放し、前記タービン室と大気との
圧力差により前記中空部に空気が流通する上記（２）に
記載のエアースピンドル。

【００１６】（６） 前記回転軸の中空部は、軸方向に
沿ってその内径が連続的または段階的に変化する部分を
有する上記（２）ないし（５）のいずれかに記載のエア
ースピンドル。

【００１７】（７） 前記ローターの前記タービンと反
対側の端部に工具が設置されている上記（１）ないし
（６）のいずれかに記載のエアースピンドル。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明のエアースピンドル
を添付図面に示す好適実施例について詳細に説明する。

【００１９】図１は、本発明のエアースピンドルの第１
実施例を示す縦断面図である。なお、図１中の上側を
「基端」、下側を「先端」として説明する。

【００２０】図１に示すように、本発明のエアースピン
ドル１は、ローター２と、ハウジング６と、ローター２
の少なくとも回転軸４を冷却する冷却機構とを有してい
る。以下、これらの構成について詳述する。

【００２１】ローター２は、外周部に複数の羽根（翼）
３１が放射状に形成されたタービン３と、このタービン
３の先端側に連結された中空の回転軸４と、回転軸４の
先端側に連結部材５１を介して連結された工具（付属
物）５とで構成されている。

【００２２】タービン３の中心部には、タービン３の先
端から基端まで貫通する貫通孔３２が形成されており、
この貫通孔３２は、回転軸４の中空部４１と連通してい
る。従って、回転軸４の中空部４１の基端（空気流入
側）は、貫通孔３２を介して、後述するタービン室７１
に連通している。

【００２３】連結部材５１は、リング状をなしており、
また、工具５の中心部には、工具５の先端から基端まで
貫通する貫通孔５３が形成されている。従って、中空部
４１の先端（空気流出側）は、連結部材５１の内腔５２
および貫通孔５３を介して、大気に開放している。

【００２４】以上のような貫通孔３２、中空部４１、内
腔５２および貫通孔５３により、回転軸４を冷却するた
めの空気の流路（冷却機構）が構成される。

【００２５】図１に示すように、回転軸４の中空部４１
は、軸方向に沿ってその内径が連続的または段階的に変
化している。すなわち、少なくとも１つの段差部４２を
有している。これにより、中空部４１を流れる冷却用空
気との接触面積（冷却面積）が増大するとともに、空気
の流れ（特に、流れの状態や流速）に変化が生じ、より
高い冷却効率が得られる。

【００２６】なお、工具５は、切削、研削、研磨加工を
行うための工具であって、その先端部には、切削を行う
ためのバイト、切削を行うための砥石、研磨加工を行う
ための研磨パッドが装着されておりこの実施例では砥石
５４が装着されている。

【００２７】ハウジング６は、ハウジング本体７と、こ
のハウジング本体７の先端側に連結された筒状の支持部
材８とで構成されている。

【００２８】ハウジング本体７は、タービン７を収納す
るタービン室７１を画成するもので、その先端側外周部
には、タービン室７１に連通する空気供給口７２が形成
されている。また、ハウジング本体７の基端部は、その
外径および内径が漸減するテーパ管状をなしており、こ
の部分の基端（頂部）には、タービン室７１に連通する
空気排出口７３が形成されている。

【００２９】空気供給口７２は、その途中でハウジング
本体７の基端方向へ向けて屈曲し、タービン３の羽根
（翼）３１の位置に臨んでいる。この空気供給口７２に
は、空気供給源から加圧空気を移送するチューブ（いず
れも図示せず）が接続される。

【００３０】支持部材８は、静圧パッド９を介してロー
ター２の回転軸４を回転可能に支持する部材である。支
持部材８の内側には、筒状の静圧パッド９が固定的に支
持されており、静圧パッド９の内側には、回転軸４が挿
入されている。

【００３１】この場合、回転軸４の外周面と静圧パッド
９の内周面との間には、わずかな間隙が形成され、支持
部材８および静圧パッド９を貫通して形成された管８１
より空気を供給することにより、この間隙に薄い空気層
９１が形成される。この空気層９１が空気軸受けの作用
を生じ、回転軸４の円滑な回転が確保される。なお、回
転軸４の外周面と静圧パッド９の内周面との間に供給さ
れた空気は、支持部材８に形成された排気口８２より排
気される。

【００３２】次に、エアースピンドル１の作用について
説明する。図１中の空気の流れを示す矢印で示すよう
に、空気供給口７２より加圧空気（圧縮空気）を供給す
ると、この空気は、タービン３の羽根３１に衝突してタ
ービン３を回転させ、これにより、ローター２が例えば
１００００〜２００００rpmで高速回転する。そして、
ローター２の先端部に設置された砥石５４の回転によ
り、所定の被加工物に対し、切削、研削または研磨加工
がなされる。

【００３３】タービン３の羽根３１に衝突した空気は、
タービン室７１に導入された後、空気排出口７３より排
出される。

【００３４】一方、管８１を介して、回転軸４の外周面
と静圧パッド９の内周面との間の間隙に空気が供給さ
れ、この間隙に薄い空気層９１が形成される。この空気
層９１が空気軸受けの作用を生じ、回転軸４は、円滑に
回転する。この間隙には、回転軸４の高速回転により空
気層９１の摩擦熱（剪断熱）が生じ、回転軸４の温度が
上昇する。そのため、後述するようにして回転軸４を冷
却する。

【００３５】タービン室７１内では、空気供給口７２よ
り供給される空気により、その圧力が大気圧を超える圧
力（例えば、２〜６気圧程度）となる。このタービン室
７１内の圧力と大気圧との圧力差により、タービン室７
１内に導入された空気の一部は、図１中の矢印で示すよ
うに、タービン３の中心部に形成された貫通孔３２内に
流入し、さらに回転軸４の中空部４１を先端方向へ向か
って流れ、その後、内腔５２および貫通孔５３を通過し
て大気へ放出される。

【００３６】このような空気の流通により、回転軸４
は、その内側から直接冷却される。このように、回転軸
４を直接冷却すること、さらには、回転軸４は中空管状
をなし、熱容量の低い薄肉の壁部を有していることか
ら、図３に示す従来のエアースピンドル１００に比べ、
冷却効率が高い。特に、タービン室７１では、断熱膨張
が生じ、空気の温度が低下している（例えば、大気に比
べ５〜１０℃程度低い）ため、中空部４１を流れる空気
も同様に低温であり、よって、極めて高い冷却効果が得
られる。

【００３７】また、エアースピンドル１では、従来のエ
アースピンドル１００のように、タービン３の回転駆動
用の空気供給系の他に、回転軸４の冷却のための空気供
給系を別途設ける必要がなく、よって、その構成が簡素
であり、装置を小型化することができる。

【００３８】図２は、本発明のエアースピンドルの第２
実施例を示す縦断面図である。以下、この第２実施例に
ついて、前記第１実施例との相違点を中心に説明する。
なお、図２中の上側を「基端」、下側を「先端」として
説明する。

【００３９】図２に示すエアースピンドル１０は、ロー
ター１２と、ハウジング１６と、ローター１２の少なく
とも回転軸４を冷却する冷却機構とを有している。

【００４０】ローター１２を構成するタービン３、回転
軸４、連結部材５１および工具（付属物）５は、それぞ
れ、中実であること、すなわち、貫通孔３２、中空部４
１、内腔５２および貫通孔５３を有さない以外は、前記
第１実施例と同様である。

【００４１】ハウジング１６を構成するハウジング本体
７には、空気供給口７２の途中から分岐した分岐路７５
が形成されている。この分岐路７５は、後述する冷却室
１８に連通している。

【００４２】また、支持部材８の外周には、冷却機構と
して、支持部材８の外周部の全周を囲むように外筒（エ
アージャケット）１７が形成されている。この外筒１７
の内側には、支持部材８との間に冷却室１８が形成され
ている。また、外筒１７には、冷却室１８に連通する冷
却用空気排出口１９が形成されている。

【００４３】次に、エアースピンドル１０の作用につい
て説明する。前述したように、空気軸受けを形成しつ
つ、空気供給口７２より加圧空気（圧縮空気）を供給す
ると、この空気は、タービン３の羽根３１に衝突してタ
ービン３を回転させ、前述したように、ローター１２を
高速回転し、さらに、タービン室７１を経て空気排出口
７３より排出される。

【００４４】一方、空気供給口７２より供給された加圧
空気（圧縮空気）の一部は、図２中の矢印で示すよう
に、分岐路７５を経て冷却室１８に供給され、冷却室１
８を流れる間に、支持部材８および静圧パッド９を介し
て回転軸４をその外側から冷却する。冷却に供された空
気は、冷却用空気排出口１９から排出される。

【００４５】このエアースピンドル１０では、従来のエ
アースピンドル１００のように、タービン３の回転駆動
用の空気供給系の他に、回転軸４の冷却のための空気供
給系を別途設ける必要がなく、よって、その構成が簡素
であり、装置を小型化することができる。

【００４６】以上、本発明のエアースピンドルを図示の
各実施例に基づいて説明したが、本発明は、これらに限
定されるものではなく、本発明の各構成要素は、それぞ
れ、同様の機能を生じる他の構成に置換することができ
る。

【００４７】

【発明の効果】以上述べたように、本発明のエアースピ
ンドルによれば、冷却のための空気供給系を別途設ける
必要がなく、よって、構造が簡易であり、装置の小型化
にも寄与する。

【００４８】また、本発明のエアースピンドルによれ
ば、冷却効率が高く、よって、回転軸の熱膨張による、
加工位置のずれやローターの回転の阻害等の悪影響を有
効に防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のエアースピンドルの第１実施例を示す
縦断面図である。

【図２】本発明のエアースピンドルの第２実施例を示す
縦断面図である。

【図３】従来のエアースピンドルの構成を示す縦断面図
である。

【符号の説明】

１ エアースピンドル ２ ローター ２０ 中心軸 ３ タービン ３１ 羽根 ３２ 貫通孔 ４ 回転軸 ４１ 中空部 ４２ 段差部 ５ 工具 ５１ 連結部材 ５２ 内腔 ５３ 貫通孔 ５４ 砥石 ６ ハウジング ７ ハウジング本体 ７１ タービン室 ７２ 空気供給口 ７３ 空気排出口 ７５ 分岐路 ８ 支持部材 ８１ 管 ８２ 排気口 ９ 静圧パッド ９１ 空気層 １０ エアースピンドル １２ ローター １６ ハウジング １７ 外筒 １８ 冷却室 １９ 冷却用空気排出口 １００ エアースピンドル １０１ タービン室 １０２ ローター １０３ タービン １０４ 回転軸 １０５ 工具 １０６ ハウジング １０７ 空気供給口 １０８ 支持部材 １０９ 静圧パッド １１０ 空気層 １１１ 外筒 １１２ 冷却用空気供給口 １１３ 冷却用空気排出口

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 タービンと該タービンに連結された回転
   軸とを有するローターと、前記タービンを収納するター
   ビン室を画成し、該タービン室に連通する空気供給口お
   よび空気排出口が形成されたハウジングとを有し、前記
   空気供給口より前記タービン室に供給される空気により
   前記タービンを回転駆動し、前記ローターを回転するエ
   アースピンドルであって、 タービン回転用の空気の一部を利用して前記回転軸を冷
   却する冷却機構を備えたことを特徴とするエアースピン
   ドル。
2. 【請求項２】 タービンと該タービンに連結された中空
   の回転軸とを有するローターと、前記タービンを収納す
   るタービン室を画成し、該タービン室に連通する空気供
   給口および空気排出口が形成されたハウジングとを有
   し、前記空気供給口より前記タービン室に供給される空
   気により前記タービンを回転駆動し、前記ローターを回
   転するエアースピンドルであって、 タービン回転用の空気の一部を前記回転軸の中空部に供
   給して前記回転軸をその内側から冷却するよう構成した
   冷却機構を備えたことを特徴とするエアースピンドル。
3. 【請求項３】 前記回転軸の中空部の空気流入側は、前
   記タービン室に連通している請求項２に記載のエアース
   ピンドル。
4. 【請求項４】 前記回転軸の中空部の空気流出側は、大
   気に開放している請求項２または３に記載のエアースピ
   ンドル。
5. 【請求項５】 前記回転軸の中空部の空気流入側は、前
   記タービン室に連通し、前記回転軸の中空部の空気流出
   側は、大気に開放し、前記タービン室と大気との圧力差
   により前記中空部に空気が流通する請求項２に記載のエ
   アースピンドル。
6. 【請求項６】 前記回転軸の中空部は、軸方向に沿って
   その内径が連続的または段階的に変化する部分を有する
   請求項２ないし５のいずれかに記載のエアースピンド
   ル。
7. 【請求項７】 前記ローターの前記タービンと反対側の
   端部に工具が設置されている請求項１ないし６のいずれ
   かに記載のエアースピンドル。