JP2905508B2 - Magnetic levitation device - Google Patents

Magnetic levitation device

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JP2905508B2
JP2905508B2 JP1240422A JP24042289A JP2905508B2 JP 2905508 B2 JP2905508 B2 JP 2905508B2 JP 1240422 A JP1240422 A JP 1240422A JP 24042289 A JP24042289 A JP 24042289A JP 2905508 B2 JP2905508 B2 JP 2905508B2
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    • F16CSHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
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    • F16C32/0408Passive magnetic bearings
    • F16C32/0436Passive magnetic bearings with a conductor on one part movable with respect to a magnetic field, e.g. a body of copper on one part and a permanent magnet on the other part
    • F16C32/0438Passive magnetic bearings with a conductor on one part movable with respect to a magnetic field, e.g. a body of copper on one part and a permanent magnet on the other part with a superconducting body, e.g. a body made of high temperature superconducting material such as YBaCuO

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Description

【発明の詳細な説明】 (技術分野) この発明は、XYステージ浮上装置や軸受装置等の磁気
浮上装置に関するものである。さらに詳しくは、この発
明は、良好で安定な磁気浮上を可能とする、超電導体と
複数の磁石からなる磁気浮上装置に関するものである。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a magnetic levitation device such as an XY stage levitation device and a bearing device. More specifically, the present invention relates to a magnetic levitation device comprising a superconductor and a plurality of magnets, which enables good and stable magnetic levitation.

(背景技術) 近年の精密加工技術の発展に伴い、精密な位置決め装
置のためのガイド手段や高精度で剛性の大きな軸受の必
要性が高まっており、このための技術として、マイスナ
ー効果を利用した磁気浮上型XYステージ装置や磁気浮上
型軸受装置等の非接触の磁気浮上装置が考えられてきて
もいる。
(Background Art) With the development of precision machining technology in recent years, the necessity of guide means for precise positioning devices and high-precision, highly rigid bearings has been increasing. As a technology for this purpose, the Meissner effect has been used. Non-contact magnetic levitation devices such as magnetic levitation XY stage devices and magnetic levitation bearing devices have been considered.

また、近年、高温超電導体が発見され、安価な液体窒
素を用いた冷却条件下でのマイスナー効果によってこの
磁気浮上を実現することができるようになったことか
ら、高温超電導体と永久磁石や電磁石とを組合わせて磁
気浮上装置を構成することが種々提案されている。
In recent years, high-temperature superconductors have been discovered and this magnetic levitation can be realized by the Meissner effect under cooling conditions using inexpensive liquid nitrogen. Various proposals have been made to configure a magnetic levitation device by combining the above.

しかしながら、これまでに考えられている磁気浮上支
持装置では実用に供することのできる安定な浮上性能を
得ることはできなかった。また、使用する超電導体や磁
石について、それらの磁気的特性、形状、大きさ等を具
体的にどのような手段と方法によって設計構成するのか
の点についても明確ではなかった。
However, the magnetic levitation support devices considered so far have not been able to obtain a stable levitation performance that can be put to practical use. In addition, it was not clear how to design and configure the magnetic properties, shapes, sizes, etc. of the superconductors and magnets to be used by specific means and methods.

(発明の目的) この発明は、以上の通りの事情を踏まえてなされたも
のであり、従来技術の欠点を解消し、XYステージ浮上装
置や磁気軸受装置等に良好で安定な磁気浮上特性を与え
ることができ、しかもその設計、製造が容易な新しい磁
気浮上装置とその製造方法を提供することを目的として
いる。
(Object of the Invention) The present invention has been made in view of the above circumstances, and solves the drawbacks of the prior art to provide a good and stable magnetic levitation characteristic to an XY stage levitation device or a magnetic bearing device. It is an object of the present invention to provide a new magnetic levitation device which can be easily designed and manufactured, and a method of manufacturing the same.

(発明の開示) この発明は、上記の目的を実現するため、超電導体と
複数の磁石からなり、その複数の磁石のN極とS極が交
互に超電導体に対向して磁石配置されている磁気浮上装
置であって、磁石は、互いに接して配設されており、且
つ、所定の磁化の強さと、所定の反発浮上力および浮上
距離に応じて支持剛性が最大値となる幅を有しているこ
とを特徴とする磁気浮上装置を提供する。
(Disclosure of the Invention) In order to achieve the above object, the present invention comprises a superconductor and a plurality of magnets, and N poles and S poles of the plurality of magnets are alternately arranged to face the superconductor. A magnetic levitation device, wherein the magnets are arranged in contact with each other, and have a width at which the supporting rigidity has a maximum value according to a predetermined magnetization strength and a predetermined repulsive levitation force and levitation distance. A magnetic levitation device is provided.

またその具体的態様として、超電導体および複数の磁
石の一方がXYステージを構成し、他方がステージベース
を構成してなることを特徴とするXYステージ浮上装置を
提供する。
Further, as a specific embodiment, there is provided an XY stage levitation apparatus characterized in that one of the superconductor and the plurality of magnets forms an XY stage, and the other forms a stage base.

さらに、超電導体および複数の磁石の一方が軸を構成
し、他方が軸受を構成してなることを特徴とする軸受装
置をも具体的に提供する。
Further, the present invention specifically provides a bearing device in which one of a superconductor and a plurality of magnets forms a shaft, and the other forms a bearing.

さらにまた、上記のXYステージにおいて、各磁石は減
磁しない程度の厚さを有していること(請求項3)をそ
の態様として提供し、また、上記の軸受装置において、
各磁石が周方向に沿って互いに接して配設されており、
隣合う磁石のN極とS極が周方向に沿って交互に超電導
体に対向して磁石配置されていること(請求項5)や、
各磁石が軸方向に沿って互いに接して配設されており、
隣合う磁石のN極とS極が軸方向に沿って交互に超電導
体に対向して磁石配置されていること(請求項6)や、
各磁石が周方向に沿って互いに接して配設されており、
隣合う磁石それぞれのN極またはS極の同極が対面して
磁石配置されていること(請求項7)や、各磁石は、減
磁しない程度の厚さを有していること(請求項8)や、
各磁石は、所望の軸変位の大きさ並びに所定の軸の半径
および軸受の内側半径の大きさに応じて軸受剛性が最大
値となる磁石配置角度を有していること(請求項9)な
どをもその態様として提供する。
Furthermore, in the above-mentioned XY stage, it is provided as a mode that each magnet has a thickness that does not cause demagnetization (claim 3).
Each magnet is arranged in contact with each other along the circumferential direction,
N-poles and S-poles of adjacent magnets are alternately magnetized along the circumferential direction so as to face the superconductor (Claim 5),
Each magnet is disposed in contact with each other along the axial direction,
N poles and S poles of adjacent magnets are alternately arranged along the axial direction so as to face the superconductor (claim 6),
Each magnet is arranged in contact with each other along the circumferential direction,
The same polarity of the N pole or the S pole of each adjacent magnet is arranged facing the magnet (Claim 7), and each magnet has a thickness that does not cause demagnetization (Claim 7). 8)
Each magnet has a magnet arrangement angle at which the bearing stiffness has a maximum value according to a desired magnitude of shaft displacement, a predetermined shaft radius and a bearing inner radius (claim 9). Is also provided as an embodiment thereof.

すなわち、この発明は、複数の磁石のN極とS極とを
交互に超電導体に対向するように配設した場合には、超
電導体と磁石との反発浮上力が浮上距離と相互に関連
し、さらに磁石の幅、磁石の厚さ、磁化の強さとも特定
の関係にあるということを見出して完成されたものであ
る。必要とされる所定の反発浮上力あるいは浮上距離に
応じて磁石の幅、磁石の厚さ、磁化の強さを定めること
ができるという知見に基づいている。
That is, according to the present invention, when the N pole and the S pole of a plurality of magnets are alternately arranged so as to face the superconductor, the repulsive levitation force between the superconductor and the magnet is related to the flying distance. Further, the present invention has been completed by finding that the width of the magnet, the thickness of the magnet, and the strength of the magnetization have a specific relationship. It is based on the knowledge that the width of the magnet, the thickness of the magnet, and the strength of the magnetization can be determined according to the required predetermined repulsive levitation force or levitation distance.

第1図は、この発明の磁気浮上装置をXYステージ浮上
装置として具体化した場合の一実施例を示した模式図で
ある。
FIG. 1 is a schematic view showing an embodiment in which the magnetic levitation device of the present invention is embodied as an XY stage levitation device.

この第1図に示したXYステージ浮上装置は、超電導体
からなるXYステージ(1)と複数の磁石を配設したステ
ージベース(2)とからなっている。この場合、XYステ
ージ(1)を構成する超電導体の種類には特に制限はな
く、Y−Ba−Cu−酸素系、Bi−Ca−Sr−Cu−酸素系、そ
の他種々の高温超電導体を使用することができる。複数
の磁石についてもその種類には特に制限はなく、たとえ
ば希土類磁石等を使用することができる。
The XY stage levitation apparatus shown in FIG. 1 includes an XY stage (1) made of a superconductor and a stage base (2) provided with a plurality of magnets. In this case, the type of the superconductor constituting the XY stage (1) is not particularly limited, and a Y-Ba-Cu-oxygen system, a Bi-Ca-Sr-Cu-oxygen system, and various other high-temperature superconductors are used. can do. The type of the plurality of magnets is not particularly limited, and for example, a rare earth magnet or the like can be used.

この第1図の例においては、複数の磁石のそれぞれは
磁化の強さIを有し、幅d、厚さtの直方体からなり、
互いに接して配設されている。そしてN極とS極を交互
に超電導体XYステージ(1)に対向するように配置して
いる。ステージベース(2)の奥行き(Y軸方向)は、
この例においてはXYステージ(1)の奥行きに比べて十
分に長くしてある。もちろん、このことは形状によって
は必要ではない。また、XYステージ(1)はステージベ
ース(2)の表面から浮上距離zの位置に浮上するよう
にしている。
In the example of FIG. 1, each of the plurality of magnets has a magnetization intensity I, and is formed of a rectangular parallelepiped having a width d and a thickness t.
They are arranged in contact with each other. The N pole and the S pole are alternately arranged so as to face the superconductor XY stage (1). The depth (Y-axis direction) of the stage base (2) is
In this example, the length is sufficiently longer than the depth of the XY stage (1). Of course, this is not necessary depending on the shape. Further, the XY stage (1) is designed to float at a position at a floating distance z from the surface of the stage base (2).

このXYステージ浮上装置における生成磁界を例示した
ものが第2図である。この第2図に示したように、ステ
ージベース(2)の複数の磁石をそのN極とS極が交互
にXYステージ(1)の超電導体に対向するように配設す
ると、N極から出た磁力線は隣のS極に入る。これによ
って強力な磁界を容易に形成でき、磁力線を磁石の表面
のみに存在させ、かつ磁界勾配を大きくすることができ
る。磁石表面では大きな反発浮上力Fが得られる。
FIG. 2 illustrates a generated magnetic field in the XY stage levitation apparatus. As shown in FIG. 2, when a plurality of magnets of the stage base (2) are arranged so that their N poles and S poles are alternately opposed to the superconductor of the XY stage (1), the magnets emerge from the N pole. The line of magnetic force enters the adjacent south pole. As a result, a strong magnetic field can be easily formed, the lines of magnetic force exist only on the surface of the magnet, and the magnetic field gradient can be increased. A large repulsive levitation force F is obtained on the magnet surface.

なお、磁石は各々に配置するようにしてもよいし、一
枚のゴム磁石として交番磁界によって書込むことで製造
配置してもよい。
The magnets may be arranged individually, or may be manufactured and arranged by writing as a single rubber magnet with an alternating magnetic field.

第3図は、この発明の磁気浮上装置を軸受装置として
具体化した場合の一実施例を示した模式図である。
FIG. 3 is a schematic view showing an embodiment in which the magnetic levitation device of the present invention is embodied as a bearing device.

この軸受装置の例では、超電導体からなる軸(3)と
複数の磁石を配設した軸受(4)とを有している。この
場合、複数の磁石のそれぞれは、磁化の強さI、幅d
(すなわち軸受(4)の中心(O4)に対しての角度
θ)、厚さtの磁石からなり、互いに接して配設されて
いるとともに、N極とS極を交互に軸(3)に対向する
ように配置している。図3に示した例では、より具体的
には、各磁石は周方向に沿って互いに接して配設されて
おり、唱利上う磁石のN極とS極が周方向に沿って交互
に超電導体の軸(3)に対向して磁石配置されている。
また、軸(3)は半径R3、軸受(4)は半径R4を有し、
軸(3)が軸受(4)内に浮上するようにしている。な
お、軸(3)としては円筒形のものを示したが、円柱形
のものであってもよい。
This example of a bearing device has a shaft (3) made of a superconductor and a bearing (4) provided with a plurality of magnets. In this case, each of the plurality of magnets has a magnetization intensity I and a width d.
(I.e. the angle θ with respect to the center (O 4) of the bearing (4)), consists magnet thickness t, along with being provided in contact with each other, the axis of the N and S poles alternately (3) Are arranged so as to oppose to each other. In the example shown in FIG. 3, more specifically, the respective magnets are disposed in contact with each other along the circumferential direction, and the north pole and the south pole of the singing magnets are alternately arranged along the circumferential direction. Magnets are arranged facing the superconductor axis (3).
The shaft (3) has a radius R 3 , the bearing (4) has a radius R 4 ,
The shaft (3) floats in the bearing (4). Although the shaft (3) has a cylindrical shape, it may have a cylindrical shape.

この軸受装置の磁界を例示したものが第4図である。
第2図に示したXYステージ浮上装置の磁界分布と同様
に、N極から出た磁力線は隣のS極に入る。磁石表面で
大きな反発浮上力Fが得られる。
FIG. 4 illustrates the magnetic field of the bearing device.
Similar to the magnetic field distribution of the XY stage levitation device shown in FIG. 2, the magnetic field lines coming out of the N pole enter the adjacent S pole. A large repulsive levitation force F is obtained on the magnet surface.

この発明においては、このような複数の磁石を互いに
接するように配設して形成する反発浮上力Fが、第5図
〜第11図に例示したように浮上距離z、磁石の幅d、磁
石の厚さt、磁化の強さIと特定の関係にあることに基
づき、これらを好ましい範囲に決定することを特徴とし
てもいる。具体的には、この発明では、互いに接して配
設されている各磁石は、所定の磁化の強さと、所定の反
発浮上力および浮上距離に応じて支持剛性が最大値とな
る幅とを有するものとされている。また、減磁しない程
度の厚さを各磁石が有していることも好ましい態様であ
る。
In the present invention, the repulsive levitation force F formed by arranging a plurality of such magnets so as to be in contact with each other has a levitation distance z, a magnet width d, and a magnet width d as illustrated in FIGS. Are determined in a preferable range based on the specific relationship with the thickness t and the magnetization intensity I. Specifically, in the present invention, each magnet disposed in contact with each other has a predetermined magnetization strength and a width at which the supporting rigidity has a maximum value in accordance with a predetermined repulsive levitation force and a levitation distance. It is assumed. It is also a preferable embodiment that each magnet has a thickness that does not cause demagnetization.

なお、これらの関係は次のようにして算出することが
できる。すなわち、たとえば第1図のXYステージ浮上装
置については、一例として個々の直方体の磁石の厚さt
が5mmで、磁化の強さIが0.27Wb/m2のものを想定し、XY
スデージ(1)の超電導体の厚さに関係することなく、
ステージベース(2)の表面から浮上距離zの2倍の距
離にステージベース(2)の磁石と等価的な鏡像のステ
ージベース(2′)(第1図中点線で図示)が形成され
るとモデル化する。そして、ステージベース(2)を構
成する1つの磁石が任意の点につくる磁界の強さを算出
し、それに基づいてステージベース(2)を構成する全
ての磁石がこの任意の点に及ぼす磁界の強さを求め、さ
らに鏡像のステージベース(2′)の磁石がつくる磁界
の強さを考慮してXYステージ(1)の微少体積が受ける
反発浮上力を算出する。そしてこの値をXYステージ
(1)の全面積について積分し、全体としての反発浮上
力Fを求める。なお、このような反発浮上力Fの算出
は、XYステージ(1)を複数の磁石で構成し、ステージ
ベース(2)を超電導体で構成したXYステージ浮上装置
についても同様に行うことができる。
Note that these relationships can be calculated as follows. That is, for example, for the XY stage levitation apparatus shown in FIG. 1, as an example, the thickness t of each rectangular solid magnet
Is assumed to be 5 mm and the magnetization intensity I is 0.27 Wb / m 2 ,
Regardless of the thickness of the superconductor of the stage (1),
When a stage base (2 ') (shown by a dotted line in FIG. 1) having a mirror image equivalent to a magnet of the stage base (2) is formed at a distance twice the flying distance z from the surface of the stage base (2). Model. Then, the strength of the magnetic field generated by one magnet forming the stage base (2) at an arbitrary point is calculated, and based on the calculated strength, the strength of the magnetic field exerted by all the magnets forming the stage base (2) on the arbitrary point is calculated. The strength is determined, and the repulsive levitation force applied to the minute volume of the XY stage (1) is calculated in consideration of the strength of the magnetic field generated by the magnet of the mirror-based stage base (2 '). Then, this value is integrated over the entire area of the XY stage (1) to obtain the repulsive levitation force F as a whole. The calculation of the repulsive levitation force F can be similarly performed for an XY stage levitation apparatus in which the XY stage (1) is configured by a plurality of magnets and the stage base (2) is configured by a superconductor.

また、第3図の軸受装置についても同様に、軸受
(4)の磁石と等価的な鏡像の磁石が形成されると考
え、軸受(4)を構成する全ての磁石と鏡像の磁石とに
よる反発浮上力Fを算出することができる。なお、この
反発浮上力Fの算出も、軸(3)を複数の磁石で構成
し、軸受(4)を超電導体で構成した軸受装置について
も同様に行うことができる。
Similarly, in the bearing device of FIG. 3, it is considered that a mirror image equivalent to the magnet of the bearing (4) is formed, and the repulsion by all the magnets constituting the bearing (4) and the mirror image magnet is performed. The floating force F can be calculated. The calculation of the repulsive levitation force F can be similarly performed for a bearing device in which the shaft (3) is composed of a plurality of magnets and the bearing (4) is composed of a superconductor.

第5図〜第8図は、第1図のXYステージ浮上装置につ
いて、上記のように算出して求めた種々の関係を示した
ものである。このうち第5図は、反発浮上力F(Kgf/
m2)と浮上距離z(mm)との関係を、磁石の幅dを2〜
16mmとした場合について示したものである。これによ
り、浮上距離zが1mm程度以上では反発浮上力Fは浮上
距離zが大きくなると急激に減少するが、この傾向は磁
石の幅dが小さい程著しく、磁石の幅dが2mmの場合に
最も顕著なことがわかる。一方、磁石の幅dが16mmの場
合には浮上距離2mm以上でも比較的大きな反発浮上力F
を維持できることがわかる。これは、反発浮上力Fはス
テージベース(2)の磁石の漏れ磁界の磁界勾配の大き
さに依存し、この磁界勾配は浮上距離zが小さい1mm程
度で特に大きく、磁石の幅dを2mmとした場合には磁界
勾配が急であるためと考えられる。また、磁石の幅dを
16mmとした場合に反発浮上力Fの減少が比較的緩やかな
のは、漏れ磁界の磁界勾配が浮上距離zの相当範囲にわ
たって緩やかであるためと考えられる。
5 to 8 show various relationships calculated and obtained as described above for the XY stage levitation apparatus in FIG. Fig. 5 shows the repulsive levitation force F (Kgf /
m 2 ) and the flying distance z (mm),
This is for the case of 16 mm. As a result, when the flying distance z is about 1 mm or more, the repulsive levitation force F sharply decreases as the flying distance z increases, but this tendency is more remarkable as the magnet width d is smaller, and is most significant when the magnet width d is 2 mm. It turns out to be remarkable. On the other hand, when the width d of the magnet is 16 mm, a relatively large repulsive levitation force F is obtained even when the flying distance is 2 mm or more.
It can be seen that can be maintained. This is because the repulsive levitation force F depends on the magnitude of the magnetic field gradient of the leakage magnetic field of the magnet of the stage base (2). This magnetic field gradient is particularly large when the flying distance z is small, about 1 mm, and the magnet width d is 2 mm. If so, it is considered that the magnetic field gradient is steep. Also, the width d of the magnet is
It is considered that the reason why the repulsion levitation force F decreases relatively slowly when the length is 16 mm is that the magnetic field gradient of the leakage magnetic field is gradual over a considerable range of the levitation distance z.

第6図は、支持剛性K(Kgf/m2/mm)と浮上距離z(m
m)との関係を、磁石の幅dを2〜16mmとした場合につ
いて示したものである。なお、支持剛性Kは上記第5図
の反発浮上力Fを浮上距離zで微分することにより求め
たものである。この第6図より、支持剛性Kは浮上距離
zが大きくなるにしたがって減少するが、この傾向は磁
石の幅dが小さいほど著しいこと、また、浮上距離zが
1mm程度より小さい範囲では、磁石の幅dを16mmとした
場合の支持剛性Kは磁石の幅dを2〜5mmとした場合の
支持剛性Kよりも著しく小さいことがわかる。これによ
り、浮上距離zを1mmより小さい範囲とする場合に磁石
の幅dを16mmとするとXYステージ(1)に復元力が働き
にくくなることがわかる。
FIG. 6 shows the support rigidity K (Kgf / m 2 / mm) and the flying distance z (m
(m) is shown for the case where the width d of the magnet is 2 to 16 mm. The support stiffness K is obtained by differentiating the repulsive levitation force F in FIG. 5 with the levitation distance z. According to FIG. 6, the supporting rigidity K decreases as the flying distance z increases, but this tendency becomes more significant as the magnet width d is smaller.
It can be seen that in a range smaller than about 1 mm, the support rigidity K when the magnet width d is 16 mm is significantly smaller than the support rigidity K when the magnet width d is 2 to 5 mm. This indicates that when the flying distance z is smaller than 1 mm and the magnet width d is 16 mm, the restoring force is less likely to act on the XY stage (1).

第7図は、支持剛性K(Kgf/m2/mm)と磁石の幅d(m
m)との関係を、浮上距離zを0.5〜3mmとした場合につ
いて示したものである。浮上距離zを0.5mmまたは1.0mm
とした場合に磁石の幅dが3mmまたは5mmのところで支持
剛性Kに明確な最大値が現れることがわかる。これによ
り、磁石の幅dは、必要とされる所定の浮上距離zに応
じて支持剛性Kが最大値を示すように設定するのが好し
いことがわかる。また、磁石の幅dを2mmより小さくす
ると支持剛性Kが急激に小さくなるので好ましくないこ
とがわかる。これは、磁石の幅が小さいと磁石からの漏
れ磁界の及ぶ範囲が小さくなるためと考えられる。
FIG. 7 shows the supporting rigidity K (Kgf / m 2 / mm) and the magnet width d (m
(m) is shown in the case where the flying distance z is 0.5 to 3 mm. Flying distance z is 0.5mm or 1.0mm
It can be seen that when the width d of the magnet is 3 mm or 5 mm, a clear maximum value appears in the support rigidity K. Thus, it is understood that it is preferable to set the width d of the magnet so that the support rigidity K shows the maximum value in accordance with the required predetermined flying distance z. Further, it is found that if the width d of the magnet is smaller than 2 mm, the supporting rigidity K rapidly decreases, which is not preferable. This is considered to be because the range of the leakage magnetic field from the magnet is reduced when the width of the magnet is small.

第8図は、反発浮上力F(Kgf/m2)と磁石の厚さt
(mm)との関係を、磁石の幅dを2〜8mmとした場合に
ついて示したものである。なおこの関係は、浮上距離z
を1mmとして求めたものである。磁石の幅dを2〜5mmと
した場合には磁石の厚さtを約5mmより大きくすること
により反発浮上力Fはほぼ一定値を示すようになるが、
磁石の幅dを8mmとした場合には磁石の厚さtを7mmより
大きくしても反発浮上力Fは一定とならない。これによ
り、安定した反発浮上力Fを得るためには、磁石の幅d
に対して磁石の厚さtを十分大きくするのが好ましいこ
とがわかる。これは、磁石の厚さtを十分大きくするこ
とにより磁石の両方の磁極からの影響が及びにくくな
り、反発浮上力Fの飽和が生じるためと考えられる。つ
まり、磁石の厚さtは、減磁しない程度の大きさとする
ことが好ましい。
FIG. 8 shows the repulsive levitation force F (Kgf / m 2 ) and the thickness t of the magnet.
(Mm) when the width d of the magnet is 2 to 8 mm. This relationship is based on the flying distance z
Is set to 1 mm. When the width d of the magnet is 2 to 5 mm, the repulsion levitation force F shows a substantially constant value by making the thickness t of the magnet larger than about 5 mm.
When the width d of the magnet is 8 mm, the repulsive levitation force F is not constant even if the thickness t of the magnet is larger than 7 mm. Thereby, in order to obtain a stable repulsive levitation force F, the width d of the magnet is required.
It is understood that it is preferable to make the thickness t of the magnet sufficiently large. This is considered to be because the effect from both magnetic poles of the magnet is less likely to be exerted by sufficiently increasing the thickness t of the magnet, and the repulsive levitation force F is saturated. That is, the thickness t of the magnet is preferably set to a size that does not cause demagnetization.

上述したように、図1に例示したこの発明のXYステー
ジ浮上装置では、互いに接するように配設されている各
磁石は、所定の磁化の強さIと、所定の反発浮上力Fお
よび浮上距離zに応じて支持剛性Kが最大値となる幅d
とを有しているものが用いられ、また、各磁石は減磁し
ない程度の厚さtを有することが好ましい。
As described above, in the XY stage levitation apparatus of the present invention illustrated in FIG. 1, each magnet disposed so as to be in contact with each other has a predetermined magnetization strength I, a predetermined repulsive levitation force F, and a levitation distance. The width d at which the support rigidity K has a maximum value according to z
It is preferable that each magnet has a thickness t that does not cause demagnetization.

第9図〜第11図は、第3図の軸受装置について算出し
た種々の関係を示したものである。このうち第9図は、
軸受剛性K(Kgf/mm)と軸変位x(mm)(軸受(4)の
中心O4からの軸(3)の中心O3のずれの距離)との関係
を、磁石配置角度θを3〜30deg.とした場合について示
したものである。なお、この関係は、軸(3)の半径R3
を14.5mm、軸受(4)の内側半径R4を15mmとして算出し
ている。磁石配置角度θの3〜30deg.のいずれについて
も軸変位xの増加にしたがって軸受剛性Kが増加してい
る。これは、軸変位xが大きくなると超電導体で構成し
た軸(3)が磁石で構成した軸受(4)に近付くので反
発浮上力が大きくなるためと考えられる。また、磁石配
置角度θが小さいほど軸変位xを大きくした場合の軸受
剛性Kの増加傾向が著しい。これにより磁石配置角度θ
を小さくすると軸(3)を軸受(4)に近付けた場合に
強い反発浮上力を受けることがわかる。
9 to 11 show various relationships calculated for the bearing device of FIG. Fig. 9 shows
The relationship between the bearing stiffness K (Kgf / mm) and the axial displacement x (mm) (bearing (shift distance of the center O 3 of the shaft (3) from the center O 4 of 4)), a magnet arrangement angle theta 3 This is shown for the case of up to 30 deg. Note that this relationship is based on the radius R 3 of the axis (3).
The 14.5 mm, and calculates the inner radius R 4 of the bearing (4) as 15 mm. For any of the magnet arrangement angles θ of 3 to 30 deg., The bearing rigidity K increases as the axial displacement x increases. This is considered to be because when the axial displacement x increases, the shaft (3) formed of the superconductor approaches the bearing (4) formed of the magnet, and the repulsive levitation force increases. Also, the smaller the magnet arrangement angle θ is, the more the bearing rigidity K tends to increase when the axial displacement x is increased. As a result, the magnet arrangement angle θ
It can be understood that when the value of is reduced, a strong repulsive levitation force is applied when the shaft (3) is brought closer to the bearing (4).

第10図は、軸受剛性K(Kgf/mm)と磁石配置角度θと
の関係を、軸変位xを0.1〜0.5mmとした場合について示
したものである。軸変位xが大きくなるにしたがって軸
受剛性Kは大きくなっている。これは軸変位xが大きい
と軸(3)と軸受(4)との間隙が小さくなり、磁界勾
配が大きくなるためと考えられる。また、軸変位xを0.
1〜0.4mmとした場合には軸受剛性Kに最大値が現れ、こ
の最大値を与える磁石配置角度θは軸変位xが大きくな
るにしたがって小さくなっている。これにより、磁石配
置角度θは、必要とされる所定の軸変位xの大きさに応
じて、軸受剛性Kに最大値を与えるように設定するのが
好ましいことがわかる。ここで、磁石配置角度θは磁石
幅dに、軸変位xは浮上距離zに、軸受剛性Kは支持剛
性Kにそれぞれ対応している。なお、軸受剛性とは、軸
と支持軸受の相互作用による支持剛性のことをいう。
FIG. 10 shows the relationship between the bearing stiffness K (Kgf / mm) and the magnet arrangement angle θ when the axial displacement x is 0.1 to 0.5 mm. As the axial displacement x increases, the bearing rigidity K increases. This is considered to be because if the axial displacement x is large, the gap between the shaft (3) and the bearing (4) becomes small, and the magnetic field gradient becomes large. Also, set the axial displacement x to 0.
When it is 1 to 0.4 mm, a maximum value appears in the bearing rigidity K, and the magnet arrangement angle θ that gives this maximum value decreases as the axial displacement x increases. Thus, it is understood that the magnet arrangement angle θ is preferably set so as to give the maximum value to the bearing rigidity K in accordance with the required predetermined axial displacement x. Here, the magnet arrangement angle θ corresponds to the magnet width d, the axial displacement x corresponds to the flying distance z, and the bearing rigidity K corresponds to the support rigidity K. Note that the bearing rigidity refers to the support rigidity due to the interaction between the shaft and the support bearing.

第11図は、反発浮上力F(Kgf)と磁石配置角度θと
の関係を、軸受(4)の内側半径R4を15mmに固定し、軸
(3)の半径R3を14.5〜14.9mmに変化させた場合につい
て示したものである。なおこの関係は、軸受長さを50m
m、軸変位xを0.05mmとして算出したものである。反発
浮上力Fは、軸の半径R3が大きいほど大きい。また、軸
の半径R3を14.9mmとした場合を除いて、それぞれの軸の
半径R3には反発浮上力Fに最大値を与える磁石配置角度
θが存在し、この角度θは軸の半径R3が大きくなるにし
たがって小さくなっている。これは、軸の半径R3が大き
いと軸(3)と軸受(4)との間隙が小さくなり、磁界
勾配が大きくなるため考えられる。これにより、軸の半
径R3と軸受の内側半径R4が定まれば、磁石配置角度θ
は、これら半径の大きさに応じて、軸受剛性Kに最大値
を与えるように設定するのが好ましいことがわかる。
FIG. 11, the repulsive levitation force F and (Kgf) the relationship between the magnet arrangement angle theta, the inner radius R 4 of the bearing (4) is fixed to 15 mm, the radius R 3 of the shaft (3) 14.5~14.9Mm FIG. This relationship is based on a bearing length of 50m.
m, and the axial displacement x was calculated as 0.05 mm. Repulsive levitation force F is greater the larger the radius R 3 of the shaft. Further, except when the radius R 3 of the shaft and 14.9 mm, the radius R 3 of each axis there is a magnet arrangement angle θ which gives the maximum value for the resilience levitation force F, the radius of this angle θ is axial It decreases as R 3 increases. This gap between the radius R 3 of the shaft is greater and the shaft (3) and bearing (4) is reduced, is considered because the field gradient increases. Thus, if the radius R 3 of the shaft and the inner radius R 4 of the bearing are determined, the magnet arrangement angle θ
It is understood that it is preferable to set the maximum value of the bearing rigidity K in accordance with the magnitude of the radius.

上述したように、図3および図4に例示したこの発明
の軸受装置では、周方向に沿って互いに接するように配
設されている各磁石は、所望の軸変位xの大きさ並びに
所定の軸の半径R3および軸受の内側半径R4の大きさに応
じて軸受剛性Kが最大値となる磁石配置角度θを有して
いることが好ましい。また、各磁石は減磁しない程度の
厚さtを有していることも、前述のXYステージ浮上装置
の場合と同様に、安定した反発浮上力Fを得るために好
ましい設定である。
As described above, in the bearing device of the present invention illustrated in FIGS. 3 and 4, each magnet disposed so as to be in contact with each other along the circumferential direction has a desired axial displacement x and a predetermined axial displacement. It is preferable to have a magnet arrangement angle θ at which the bearing rigidity K has a maximum value according to the size of the radius R 3 and the inner radius R 4 of the bearing. It is also preferable that each magnet has a thickness t that does not cause demagnetization, as in the case of the XY stage levitation apparatus described above, in order to obtain a stable repulsive levitation force F.

以上のように、使用する磁石の磁化の強さIを設定
し、反発浮上力Fと浮上距離z、磁石の幅d、厚さt等
の関係を算出することで、それに基づいて磁石の幅d
(または角度θ)、厚さtを定めることができる。たと
えば、XYステージ浮上装置を製造する場合には、XYステ
ージに対する負荷重量に応じて必要とされる反発浮上力
Fが定まるので、この反発浮上力Fに応じて磁石の幅d
と磁化の強さIを決めることができる。また、磁石の厚
さtは磁石の幅dに対して十分大きな値とする。一方、
軸受装置を製造する場合には、設計上軸の半径と軸受の
内側半径とに許容される範囲内で上述のように算出した
関係に基づいて双方の半径を好適な大きさに定め、ま
た、磁石配置角度θや磁化の強さIを決めることができ
る。
As described above, the magnetism intensity I of the magnet to be used is set, and the relation between the repulsive levitation force F and the levitation distance z, the width d of the magnet, the thickness t, etc. is calculated, and the width of the magnet is determined based on the calculated value. d
(Or angle θ) and thickness t. For example, in the case of manufacturing an XY stage levitation device, a required repulsive levitation force F is determined according to the load weight on the XY stage.
And the magnetization intensity I can be determined. The thickness t of the magnet is set to a value sufficiently larger than the width d of the magnet. on the other hand,
In the case of manufacturing a bearing device, both radii are determined to be suitable sizes based on the relationship calculated as described above within a range allowed by design in terms of the radius of the shaft and the inner radius of the bearing, and The magnet arrangement angle θ and the magnetization intensity I can be determined.

このように製造したXYステージ浮上装置や軸受装置に
おいては、浮上距離zまたは軸変位xを1μm以下に維
持する精密な磁気浮上も可能となる。
In the XY stage levitation device and bearing device manufactured in this manner, precise magnetic levitation that maintains the levitation distance z or the axial displacement x at 1 μm or less is also possible.

また、軸受装置については、第12図(a)および
(b)に例示したような構成や、第13図(a)および
(b)に例示したような構成としてもよい。
Further, the bearing device may be configured as illustrated in FIGS. 12 (a) and (b) or configured as illustrated in FIGS. 13 (a) and (b).

第12図(a)に例示した軸受装置では、軸受(12)
は、前述の第3図および第4図に例示した軸受装置にお
ける軸受(12)と同じ構成、つまり各磁石が周方向に沿
って互いに接して配設されており、隣合う磁石のN極と
S極が周方向に沿って交互に超電導体の軸(11)に対向
して磁石配置されてなる構成であるが、超電導体の軸
(11)は、軸受(12)よりも長くなっている。この場
合、軸(11)は長手方向の動作が良く、スムーズなもの
となる。
In the bearing device illustrated in FIG. 12 (a), the bearing (12)
Has the same configuration as the bearing (12) in the bearing device exemplified in FIGS. 3 and 4 described above, that is, each magnet is disposed in contact with each other along the circumferential direction, and the N pole of the adjacent magnet is The structure is such that the S poles are arranged magnets alternately along the circumferential direction so as to face the superconductor axis (11), but the superconductor axis (11) is longer than the bearing (12). . In this case, the shaft (11) moves smoothly in the longitudinal direction and becomes smooth.

第12図(b)に例示した軸受装置では、軸受(12)
は、各磁石が軸方向に沿って互いに接して配設されてお
り、隣合う磁石のN極とS極が軸方向に沿って交互に超
電導体の軸(11)に対向して配設されて構成されてい
る。この場合では、軸(11)は回転方向の動きが良く、
スムーズとなる。
In the bearing device illustrated in FIG. 12 (b), the bearing (12)
Are arranged such that the respective magnets are in contact with each other along the axial direction, and the north and south poles of adjacent magnets are alternately arranged along the axial direction so as to face the axis (11) of the superconductor. It is configured. In this case, the shaft (11) moves well in the rotational direction,
Become smooth.

第13図(a)および(b)に例示した軸受装置では、
軸受(12)が超電導体、軸(11)が複数の磁石により構
成されており、それぞれの場合の軸(11)は、第12図
(a)および(b)の軸受装置における軸受(12)の磁
石構成と同じ構成を有している。
In the bearing device illustrated in FIGS. 13 (a) and (b),
The bearing (12) is composed of a superconductor and the shaft (11) is composed of a plurality of magnets. In each case, the shaft (11) is a bearing (12) in the bearing device of FIGS. 12 (a) and (b). Has the same configuration as the magnet configuration.

すなわち、第13図(a)においては、軸(11)は、各
磁石が周方向に沿って互いに接して配設されており、隣
合う磁石のN極とS極が周方向に沿って交互に超電導体
に対向して磁石配置されて構成されている。第13図
(b)の例では、軸(11)は、各磁石が軸方向に沿って
互いに接して配設されており、隣合う磁石のN極とS極
が軸方向に沿って互いに超電導体に対向して磁石配置さ
れて構成されている。
In other words, in FIG. 13 (a), the shaft (11) is such that the magnets are disposed in contact with each other along the circumferential direction, and the N pole and S pole of the adjacent magnet alternate in the circumferential direction. The magnet is arranged to face the superconductor. In the example of FIG. 13 (b), the axis (11) is such that the magnets are disposed in contact with each other along the axial direction, and the north pole and the south pole of the adjacent magnets are superconductive with each other along the axial direction. The magnet is arranged to face the body.

なお、複数磁石が第12図(b)および第13図(b)に
示した構成である場合において、各磁石の幅および厚さ
とは、それぞれ、軸方向の幅および半径方向の厚さをい
う。つまり、各磁石において、軸方向の幅は、所定の反
発浮上力および浮上距離に応じて支持剛性が最大値とな
る大きさであるとし、また半径方向の厚さは減磁しない
程度の大きさとなっていることが好ましい。
In the case where the plurality of magnets have the configuration shown in FIG. 12 (b) and FIG. 13 (b), the width and thickness of each magnet refer to the width in the axial direction and the thickness in the radial direction, respectively. . In other words, in each magnet, the axial width is assumed to be a size at which the supporting rigidity becomes the maximum value in accordance with the predetermined repulsive levitation force and the levitation distance, and the radial thickness is set to a size that does not demagnetize. It is preferred that it is.

上述した磁石構成の他にも、軸(11)または軸受(1
2)を構成する複数磁石は第14図に例示したような構成
とすることもできる。すなわち、各磁石は、周方向に沿
って互いに接して配設されており、隣合う磁石それぞれ
のN極またはS極の同極が対面して磁石配置されてい
る。そして、各磁石は、所望の軸変位の大きさ並びに所
定の軸の半径および軸受の内側半径の大きさに応じて軸
受剛性が最大値となる磁石配置角度を有していることが
好ましい。
In addition to the magnet configuration described above, the shaft (11) or bearing (1
The plurality of magnets constituting 2) may have a structure as exemplified in FIG. That is, the magnets are arranged in contact with each other along the circumferential direction, and the same polarity of the N pole or the S pole of each adjacent magnet is arranged to face each other. It is preferable that each magnet has a magnet arrangement angle at which the bearing rigidity has a maximum value in accordance with the desired magnitude of the axial displacement, the radius of the predetermined shaft, and the magnitude of the inner radius of the bearing.

以上の各例の軸受装置では、軸と軸受はともに円柱形
となっているが、軸と軸受を多角形状としたものであっ
てもよい。
In the bearing device of each of the above examples, the shaft and the bearing are both cylindrical, but the shaft and the bearing may be polygonal.

以下、この発明を実施例に基づいて具体的に説明す
る。
Hereinafter, the present invention will be specifically described based on examples.

実施例1 第3図のような軸受装置において、軸(3)としてYB
CO系高温超電導体を半径R3が3.5mm、重量が2.5gの円柱
状に成形したものを使用し、また軸受(4)としては内
側半径R4が6mmものを使用することとした。そして、磁
石配置角度θは、45deg.とした。
Embodiment 1 In a bearing device as shown in FIG. 3, YB is used as the shaft (3).
The CO-based high temperature superconductors radius R 3 is used which 3.5 mm, the weight is formed into a cylindrical 2.5g, also as a bearing (4) inside radius R 4 has decided to use a 6 mm. The magnet arrangement angle θ was 45 deg.

この軸受装置を液体窒素(温度77K)の入ったガラス
デュワーの中に入れ、高温超電導体の臨界温度以下に冷
却し、その後この装置の作用を観察したところ、高温超
電導体の軸(3)が軸受(4)の中に安定に存在し、軸
受(4)を回転したり移動したりしても軸(3)は軸受
(4)の中心に安定に浮上することが確認できた。
This bearing device was placed in a glass dewar containing liquid nitrogen (temperature 77 K), cooled to below the critical temperature of the high-temperature superconductor, and then the operation of this device was observed. It was confirmed that the bearing (4) was stably present in the bearing (4), and the shaft (3) stably floated at the center of the bearing (4) even when the bearing (4) was rotated or moved.

実施例2 軸(3)の半径R3を4.75mm、重量を3.5gとした場合に
ついても実施例1と同様に磁石配置角度θの好適な値を
求め、軸受装置の作用を観察したところ、軸(3)が軸
受(4)の中心に安定に存在することが確認できた。
Example 2 When the radius R 3 of the shaft (3) was 4.75 mm and the weight was 3.5 g, a suitable value of the magnet arrangement angle θ was obtained in the same manner as in Example 1, and the operation of the bearing device was observed. It was confirmed that the shaft (3) was stably present at the center of the bearing (4).

(発明の効果) この発明によれば、安定な磁気浮上性能を有するXYス
テージ浮上装置や軸受装置等の磁気浮上装置を効率よく
製造することが可能となる。
(Effects of the Invention) According to the present invention, it is possible to efficiently manufacture magnetic levitation devices such as XY stage levitation devices and bearing devices having stable magnetic levitation performance.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図は、この発明のXYステージ浮上装置の模式的斜視
図である。 第2図は、第1図に示したXYステージ浮上装置の磁界分
布図である。 第3図は、この発明の軸受装置の模式的斜視図である。 第4図は、第3図に示した軸受装置の磁界分布図であ
る。 第5図は、XYステージ浮上装置の反発浮上力Fと浮上距
離zとの相関図である。 第6図は、XYステージ浮上装置の支持剛性Kと浮上距離
zとの相関図である。 第7図は、XYステージ浮上装置の支持剛性Kと磁石の幅
dとの相関図である。 第8図は、XYステージ浮上装置の反発浮上力Fと磁石の
厚さtとの相関図である。 第9図は、軸受装置の軸受剛性Kと軸変位xとの相関図
である。 第10図は、軸受装置の軸受剛性Kと磁石配置角度θとの
相関図である。 第11図は、軸受装置の反発浮上力Fと磁石配置角度θと
の相関図である。 第12図(a)(b)は、各々、軸受装置の他の例を示し
た斜視図である。 第13図(a)(b)は、各々、軸受装置の例を示した斜
視図である。 第14図は、さらに別の磁石配置を例示した正面図であ
る。 (1)XYステージ (2)ステージベース (3)軸 (4)軸受
FIG. 1 is a schematic perspective view of an XY stage levitation apparatus of the present invention. FIG. 2 is a magnetic field distribution diagram of the XY stage levitation apparatus shown in FIG. FIG. 3 is a schematic perspective view of the bearing device of the present invention. FIG. 4 is a magnetic field distribution diagram of the bearing device shown in FIG. FIG. 5 is a correlation diagram between the repulsive levitation force F of the XY stage levitation device and the levitation distance z. FIG. 6 is a correlation diagram between the support rigidity K of the XY stage levitation device and the levitation distance z. FIG. 7 is a correlation diagram between the support rigidity K of the XY stage levitation device and the magnet width d. FIG. 8 is a correlation diagram between the repulsive levitation force F of the XY stage levitation device and the thickness t of the magnet. FIG. 9 is a correlation diagram between the bearing rigidity K of the bearing device and the axial displacement x. FIG. 10 is a correlation diagram between the bearing rigidity K of the bearing device and the magnet arrangement angle θ. FIG. 11 is a correlation diagram between the repulsive levitation force F of the bearing device and the magnet arrangement angle θ. 12 (a) and 12 (b) are perspective views each showing another example of the bearing device. 13 (a) and 13 (b) are perspective views each showing an example of a bearing device. FIG. 14 is a front view illustrating still another magnet arrangement. (1) XY stage (2) Stage base (3) Shaft (4) Bearing

Claims (9)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】超電導体と複数の磁石からなり、その複数
の磁石のN極とS極が交互に超電導体に対向して磁石配
置されている磁気浮上装置であって、各磁石は、互いに
接して配設されており、且つ、所定の磁化の強さと、所
定の反発浮上力および浮上距離に応じて支持剛性が最大
値となる幅とを有していることを特徴とする磁気浮上装
置。
1. A magnetic levitation device comprising a superconductor and a plurality of magnets, wherein N and S poles of the plurality of magnets are alternately arranged to face the superconductor with magnets. A magnetic levitation device, which is disposed in contact with and has a predetermined magnetization strength and a width at which the supporting rigidity has a maximum value according to a predetermined repulsive levitation force and a levitation distance. .
【請求項2】請求項(1)記載の磁気浮上装置におい
て、超電導体および複数の磁石の一方がXYステージを構
成し、他方がステージベースを構成してなることを特徴
とするXYステージ浮上装置。
2. The levitation apparatus according to claim 1, wherein one of the superconductor and the plurality of magnets forms an XY stage, and the other forms a stage base. .
【請求項3】各磁石は、減磁しない程度の厚さを有して
いる請求項(2)記載のXYステージ浮上装置。
3. The XY stage levitation apparatus according to claim 2, wherein each magnet has a thickness that does not cause demagnetization.
【請求項4】請求項(1)記載の磁気浮上装置におい
て、超電導体および複数の磁石の一方が軸を構成し、他
方が軸受を構成してなることを特徴とする軸受装置。
4. The magnetic levitation device according to claim 1, wherein one of the superconductor and the plurality of magnets forms a shaft, and the other forms a bearing.
【請求項5】各磁石が周方向に沿って互いに接して配設
されており、隣合う磁石のN極とS極が周方向に沿って
交互に超電導体に対向して磁石配置されている請求項
(4)記載の軸受装置。
5. The magnets are arranged in contact with each other along the circumferential direction, and N poles and S poles of adjacent magnets are alternately arranged along the circumferential direction so as to face the superconductor. The bearing device according to claim 4.
【請求項6】各磁石が軸方向に沿って互いに接して配設
されており、隣合う磁石のN極とS極が軸方向に沿って
交互に超電導体に対向して磁石配置されている請求項
(4)記載の軸受装置。
6. The magnets are arranged in contact with each other along the axial direction, and N poles and S poles of adjacent magnets are alternately arranged along the axial direction so as to face the superconductor. The bearing device according to claim 4.
【請求項7】各磁石が周方向に沿って互いに接して配置
されており、隣合う磁石それぞれのN極またはS極の同
極が対面して磁石配置されている請求項(4)記載の軸
受装置。
7. The magnet according to claim 4, wherein the magnets are arranged so as to be in contact with each other along the circumferential direction, and the same polarity of the N pole or S pole of each adjacent magnet is arranged facing each other. Bearing device.
【請求項8】各磁石は、減磁しない程度の厚さを有して
いる請求項(5)または(6)に記載の軸受装置。
8. The bearing device according to claim 5, wherein each magnet has a thickness that does not cause demagnetization.
【請求項9】各磁石は、所望の軸変位の大きさ並びに所
定の軸の半径および軸受の内側半径の大きさに応じて軸
受剛性または軸剛性が最大値となる磁石配置角度を有し
ている請求項(5)または(7)に記載の軸受装置。
9. Each magnet has a magnet arrangement angle at which a bearing rigidity or a shaft rigidity has a maximum value in accordance with a desired magnitude of a shaft displacement and a predetermined shaft radius and a bearing inner radius. The bearing device according to (5) or (7).
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