JP4023475B2 - 動圧空気軸受モータ - Google Patents

Description

本発明はポリゴンミラー回転駆動する動圧空気軸受モータに関するものである。

従来、動圧空気軸受モータとしては、例えば、特許文献１に記載されているようなものがあった。図１０は前記特許文献１に記載された従来の動圧空気軸受モータを示している。図１０において、固定軸１１２の自由端部に永久磁石からなる磁石部材１１８が取り付けられる一方、スリーブ１１３の上端部に形成した段差１１９及び段差１１９に隣接するスリーブ１１３の大径面１１３ａに他の磁石部材１２０を取り付け、両磁石部材１１８、１２０が非接触に対向して吸引してスラスト磁気軸受Ｓを構成し、スリーブ１１３は、このスラスト磁気軸受Ｓの磁気回路に悪影響を及ぼさないように非磁性体材料としていた。

しかし、軸方向の剛性が低下し、外部振動により回転部が上下に振動しやすくなる。これを対策するためスリーブ１１３の下端部とハウジング１１１との間にエアダンパ１２２を設けることにより、空気の流出入を抑制して軸方向の動きを抑制している。（例えば、特許文献１の第６−６頁、図１−図４参照）
また、スラスト磁気軸受とエアダンパとの複合したスラスト軸受ではなく、磁気吸引型での構成例として特許文献２に記載されているようなものがある。図１１は、前記特許文献２に記載された従来の動圧空気軸受モータを示している。図１１において、回転スリーブ４０３の下端には第一の磁気手段である永久磁石４２９ａが固着され、永久磁石４２９ａの磁気側面である外周面がモータハウジング４０６に固定された第２の磁気手段である永久磁石４２９ｂの磁気側面である内周面に対向してスラスト軸受が構成される。ロータマグネット４２４とステータコイル４２８のそれぞれの磁気的中心位置が互いに一致する状態で両永久磁石４２９ａ、４２９ｂのそれぞれの磁気的中心位置が上下にずれるように構成することでスラスト軸受に与圧を与えて軸受剛性を強化できる。（例えば、特許文献２の第４−５頁、図１−図４参照）
更に、動圧空気軸受として、別な方法でスラスト軸受を構成しているものもある。例えば、特許文献３に記載されているものであり、図１２は前記特許文献３に記載された従来の動圧空気軸受モータを示している。図１２において、５０３は回転側リング５０３ａ及び固定側リング５０３ｂにより構成されるスラスト軸受である。スラスト磁気軸受５０３は、固定軸５１１に対して垂直な同一平面内にラジアル空気軸受と共に設けられている。このため、モータの高さを低くすることができ、十分な小型化を実現することができる。また、スラスト磁気軸受５０３が回転体を支持する中心点は、ラジアル空気軸受が固定軸５１１に垂直な方向に発生させている圧力の均一な部分に配置されているため、振動の発生を防止することができる。（例えば、特許文献３の第５−５頁、図１−図６参照）
特許第３２４０６３７号公報 特許第３３１３９４１号公報 特開平８−１７０６４２号公報

しかしながら、特許文献１では、固定軸１１２の自由端部に取り付けられている磁石部材１１８とスリーブ１１３に取り付けられている磁石部材１２０の吸引によるスラスト磁気軸受Ｓがラジアル方向に吸引している。この状態でステータコアとロータマグネット１６１のスラスト方向中心部が一致しているため、スラスト方向の剛性が低く、スラスト方向の振動が大きいという課題がある。

また、特許文献２では、ロータマグネット４２４とステータコイル４２８の磁気的中心位置が互いに一致する状態で両永久磁石４２９ａ、４２９ｂのそれぞれの磁気的中心位置が上下にずれるように構成することでスラスト軸受の剛性を確保している。共にラジアル方向の吸引力を利用しているのが特徴である。ラジアル方向の吸引力は、片側の永久磁石をスラスト方向へ移動していくと磁気的中心位置近辺はスラスト方向の剛性が弱い、永久磁石のグレードやクリアランスにもよるが、スラスト方向に対し1mm程度弱くなる部分が発生し、スラスト方向の剛性を得るためには、両永久磁石の磁気的中心位置のズレ量を大きくしなければならず、スラスト方向のスペースが必要となり、小型化には向かないという課題がある。

更に、特許文献３では、回転側リング５０３ａ及び固定側リング５０３ｂにより構成される磁気スラスト軸受であるが、特許文献１同様にスラスト方向の剛性が低く、スラスト方向の振動が大きいという課題がある。

このように、上記従来の構成では、スラスト軸受の剛性が低く、回転体の振動や騒音が大きいという課題がある。また部品単価や組立工数の増加、小型化や寿命の課題があった
。

本発明は、このような従来の課題を解決するもので、低騒音低振動であり、小型化を追及するとともに長寿命及び低コストを提供した動圧空気軸受モータを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明の動圧空気軸受モータは、巻線と、ロータフレームに取り付けられ、多極着磁されたロータマグネットと、互いに嵌合して動圧流体軸受機構を
構成しロータフレームを軸支するシャフトとスリーブと、スラスト方向に支持するスラスト軸受手段を有し、前記スリーブは前記ロータフレームに取り付けられ、スラスト軸受手段は、磁気スラスト軸受第一手段と磁気スラスト軸受第二手段からなり、シャフトの上部に第一の永久磁石を設け、対応して着磁方向が吸引するようにスリーブ上部に第二の永久磁石を設けけて前記ロータフレームを軸方向上方向に持ち上げる磁気スラスト軸受第一手段と、モータの取り付けでもある鉄基板にロータマグネットが吸引される磁気スラスト軸受第二手段を備え、前記磁気スラスト軸受第一手段と前記磁気スラスト軸受第二手段の吸引力は反対方向であって、前記磁気スラスト軸受第一手段の吸引力をＦ１とし、前記磁気スラスト軸受第二手段の吸引力をＦ２としたとき、Ｆ１＞Ｆ２であるものであり、鉄基板にロータマグネットが吸引されるスラスト方向の吸引力を採用することを特徴とする。

本構成によって、ラジアル方向の吸引力で支持している磁気スラスト軸受第一手段とスラスト方向の吸引力で支持している磁気スラスト軸受第二手段を採用することからラジアル方向の吸引力のみで支持するより、剛性の向上と維持がしやすくなる。更に、ステータコアのスラスト方向中心とロータマグネットのスラスト方向中心をずらし、吸引される磁気スラスト軸受を追加することにより、スラスト軸受剛性は更に高まる。

請求項１記載の発明によれば、第一の磁気スラスト軸受手段でロータを浮上させ、第二の磁気スラスト軸受であるロータマグネットと基板の反対方向の吸引力でスラスト軸受の剛性を高め、ロータマグネットの径は、シャフトに対し、数倍大きいのでスラスト軸受が安定するという有利な効果が得られる。

磁気スラスト軸受第一手段の吸引力Ｆ１とし、磁気スラスト軸受第二手段の吸引力をＦ２としたとき、Ｆ１＞Ｆ２であるため、第一の磁気スラスト軸受で浮上を確保して回転体とステータの接触を防止し、第二の磁気スラスト軸受で剛性を高める効果が得られる。

また、請求項２記載の発明によれば、上記の請求項１が有する効果に加えて、更に第三の磁気スラスト軸受を設けることによって更にスラスト剛性の安定性を確保し、スラスト変動を小さくすることができる。スラスト変動が小さくなるように第三の磁気スラスト軸受の吸引力を設定することで騒音や振動を低減することができる。

このように本発明は、スラスト方向の剛性を高め、また、ラジアル方向も剛性の高い動圧最大圧力部に重心を配置することで、振動・騒音の低減し信頼性の高い動圧空気軸受モータが得られる。よって、モータサイズの最小化や軸径を小さくすることができ、低コストの動圧空気軸受モータが得られる。

以下本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は本発明の実施例１に係る動圧空気軸受モータの構造断面図である。

図１において、多面鏡であるポリゴンミラー５を有し、その回転支持をするためシャフト１の周囲を囲み回転するスリーブ２を嵌合し、シャフト１又はスリーブ２のいずれかに動圧発生溝が形成されている。回転することによって動圧発生溝で圧力が発生し、スリーブ２を非接触状態で支持する。スリーブ２には、モータを駆動するためのロータマグネット７がロータフレーム６を介して固定されており、対向した位置に巻線９を有するステータコア８を配置し、ハウジング３を介して取り付け基準となる基板４にかしめ工法にて取り付けられている。更に、スリーブ２には、ポリゴンミラー５を精度良く取り付け、ミラー押さえバネ１０にて固定される。ハウジング３にはシャフト１が固定ネジ１４にて取り付けられている。シャフト１の先端には、磁気スラスト軸受の第一手段である固定側磁気スラストマグネット１１と固定側磁気スラストマグネット１１の外周に吸引方向で着磁されている回転側磁気スラストマグネット１２が配置され、吸引力Ｆ１で吸引されている。吸引力Ｆ１の大きさは、固定側磁気スラストマグネット１１と回転側磁気スラストマグネット１２のラジアル方向のクリアランスを変化させたり、マグネット材のグレードによりコントロールすることができる。例えば、固定側磁気スラストマグネット１１および回転側磁気スラストマグネット１２は、ネオジボンドマグネットにすることで強力な吸引力を得ることができ、スリーブ２を吸引力によって浮上させている。回転側磁気スラストマグネット１２の上部には、スラストカバー１３が配置され、軸受内部を密封空間にすることにより、密封された空気の圧力により、シャフト１がスリーブ２から抜けなくなり、抜け止めを廃止することができる。更に、磁気スラスト軸受の第二手段は、ロータマグネット７と、鉄からなる基板４との吸引力Ｆ２で構成されている。基板４は、鉄基板で説明しているが、鉄基板とアルミ板を合わせた複合品やアルミ基板と鉄板を合わせた複合品でも構わない。磁気スラスト軸受第一手段と磁気スラスト軸受第二手段の吸引力は反対方向であり、スラスト軸受第一手段の吸引力で上方向に回転体を持ち上げ、ロータマグネットの吸引力で下方向引っ張ることで外乱や、振動に対し優れるという作用を有する。また、Ｆ１＞Ｆ２であり、スラスト軸受第一手段の吸引力で回転体を浮上させ、スラスト軸受第二手段の吸引力を小さくしたことにより、回転体とステータの接触を防止することができる。

なお、実施例１では、シャフト１は固定軸で説明しているが、回転軸でも良い。また、ステータコアに巻線を巻装した形態で説明しているが、ステータコアのないコアレスでも構わない。

図２は本発明の実施例１による動圧空気軸受モータのロータ部断面図である。

図３は本発明の実施例１による動圧空気軸受モータのスリーブ断面図である。

図２において、スリーブ２の内周面には、動圧が発生する動圧溝が形成されている。この動圧溝には、上下２ヶ所にラジアル方向の圧力が高くなるように上側動圧最大圧力部１６と下側動圧最大圧力部１７が形成されている。上側動圧最大圧力部１６とポリゴンミラー５のスラスト方向重心位置１８とをスラスト方向で一致させ、下側動圧最大圧力部１７とロータマグネット７のスラスト方向中心位置１９を一致させる。したがって、負荷として大きいポリゴンミラー５に対し、仮にポリゴンミラー５の締結が緩み、バランスを悪化させても、上側動圧最大圧力部１６の動圧による剛性でクリアランスを確保できる。下側も同様にロータマグネット７とステータコア８間で発生する磁気変動に対し、下側動圧最大圧力部１７の動圧で十分クリアランスを確保できる。したがって、モータのバランスや変動の大きい部分に意図的に動圧発生部の最大部を配置することで、信頼性の高い動圧空気軸受モータが得られる。

さらに、シャフト１とスリーブ２は、アルミニウム合金とし、同じ材質を使用することで、環境温度に対するシャフト１とスリーブ２のクリアランス変化を無くし、クリアランスの確保ができる。シャフト１の円筒部表面には、ダイヤモンドライクカーボンのコーティングがなされ、スリーブ２にはニッケル−リン無電解メッキをコーティングすることで起動停止時に発生するシャフト１とスリーブ２の接触に対する耐磨耗性向上、摩擦係数の低下することができ、信頼性の高い動圧空気軸受モータを得ることができる。

磁気スラスト軸受の第一手段の吸引力Ｆ１は、磁気スラスト軸受の第二手段の吸引力Ｆ２より、大きくすることで磁気ダンピングの変動を小さくした。

次に動作について説明する。

図４は本発明の実施例１による動圧空気軸受モータのロータ一回転分のスラスト吸引力を表したグラフである。

定常回転時、Ｆ１とＦ２の関係をロータ一回転分を示したものである。本発明のモータは一回転しても、Ｆ１及びＦ２の変化はなく、合成した吸引力Ｆ１＋Ｆ２も変化が無い状態であり、安定した吸引力が得られる。

図５は、本発明の実施例１による動圧空気軸受モータのスラスト浮上チャート図である。磁気スラスト軸受の第一手段の吸引力Ｆ１と磁気スラスト軸受の第二手段の吸引力Ｆ２の合成であるが、磁気スラスト軸受の第二手段の吸引力は、巻線に電流を流さなくても流しても吸引力は変化がない。したがってこの図のように、停止時からモータ電源をＯＮして起動〜定常回転時〜停止とも、スラスト方向の変位はほとんど無いスラスト軸受が得られる。

図６は本発明の実施例２に係る動圧空気軸受モータの構造断面図である。

図６において図１〜図５と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。

図６においてステータコア８のスラスト方向センターとロータマグネット７のスラスト方向センターを意図的にズレ量ｅずらすことによって磁気スラスト軸受の第三手段を形成し、下側方向にＦ３の吸引力が働く。

図７は、本発明の実施例２による動圧空気軸受モータのロータ一回転分のスラスト吸引
力を表したグラフである。

定常回転時、Ｆ１、Ｆ２及びＦ３の関係をロータ一回転分を示したものである。本発明のモータは一回転しても、Ｆ１及びＦ２の変化はない、しかし、ステータコア８のスラスト方向センターとロータマグネット７のスラスト方向センターをずらしているため、巻線に通電することでスラスト方向に吸引力Ｆ３が働き、このＦ３は通電することでリップルを持つ。そのため、合成した吸引力Ｆ１＋（Ｆ２＋Ｆ３）もＦ３で発生したリップルのため、リップルを持ち合わせた合成の吸引力となる。この様にすることでスラスト方向の剛性を高め、大きなポリゴンミラー５でも対応できる。

図８は本発明の実施例２による動圧空気軸受モータのスラスト浮上のチャート図である。

停止中は、実施例１と同様にロータが浮上した状態であり、電源をＯＮし、巻線９に電流を流すことでロータが下方向へ移動し、定常回転になった時に移動が止まる。電源ＯＮから定常回転までの移動量がスラスト変動量δ２になる。よって、吸引力Ｆ３は電源をＯＮ/ＯＦＦすることで変化し、スラスト方向の剛性をいっそう高めることができる。定常回転時は、モータのスラスト方向のリップルつまり、スラスト変動量δ１が発生し、このスラスト変動量は、図８のリップルに相当する。また、このスラスト変動量δ１は、ステータコア８のスラスト方向センターとロータマグネット７のスラスト方向センターのズレ量ｅに比例する。

図９は本発明の動圧空気軸受モータのスラスト方向負荷に対してのスラスト変位量を表すグラフである。

従来例は、スラスト方向負荷が増加するにつれスラスト変化量も増加していくが、本発明の実施の形態１は、Ｔ１のようなカーブになり、従来と同じスラスト方向負荷でもスラスト変位量が小さくなる。つまり、従来品と比較し、スラスト剛性が向上する。更に、実施例２の様に磁気スラスト軸受第三手段により、Ｔ２のようなカーブになり、更にスラスト剛性が向上する。

本発明の動圧空気軸受モータは、軸受剛性を高めることが出来るとともに、低騒音・低振動が得られ、信頼性の高いモータが得られ、高速回転として用いられる動圧空気軸受モータの用途に有用である。

本発明の実施例１による動圧空気軸受モータを示す構造断面図 本発明の実施例１による動圧空気軸受モータのロータ部断面図 本発明の実施例１による動圧空気軸受モータのスリーブ断面図 本発明の実施例１による動圧空気軸受モータのロータ一回転分のスラスト吸引力を表した図 本発明の実施例１による動圧空気軸受モータのスラスト浮上チャート 本発明の実施例２による動圧空気軸受モータを示す構造断面図 本発明の実施例２による動圧空気軸受モータのロータ一回転分のスラスト吸引力を表した図 本発明の実施例２による動圧空気軸受モータのスラスト浮上チャート 本発明の動圧空気軸受モータのスラスト方向負荷に対してのスラスト変位量を表す図 特許文献１に記載された従来の動圧空気軸受モータを示す構造断面図 特許文献２に記載された従来の動圧空気軸受モータを示す構造断面図 特許文献３に記載された従来の動圧空気軸受モータを示す構造断面図 特許文献５に記載された従来の動圧空気軸受モータを示す構造断面図

符号の説明

１、１１２、５１１、６０２ シャフト（固定軸）
２、１１３、４０３ スリーブ（回転スリーブ）
３、１０３、１１１、４０６、６０３ ハウジング（モータハウジング）
４ 基板
５ ポリゴンミラー
６ ロータフレーム
７、１６１、４２４ ロータマグネット
８ ステータコア
９、４２８ 巻線（ステータコイル）
１０ ミラー押さえバネ
１１、１１８、４２９ｂ、６０９ 固定側磁気スラストマグネット（永久磁石、磁性材料）
１２、１２０、４２９ａ、６０８ 回転側磁気スラストマグネット（永久磁石、磁性材料）
１３ スラストカバー
１４ 固定ネジ
１５ バランスパテ
１６ 上側動圧最大圧力部
１７ 下側動圧最大圧力部
１８ スラスト方向重心位置
１９ スラスト方向中心位置
２０ 動圧発生溝
１１３ａ 大径面
１１９ 段差
１２２ エアダンパ
Ｆ１ 磁気スラスト軸受の第一手段による吸引力
Ｆ２ 磁気スラスト軸受の第二手段による吸引力
Ｆ３ 磁気スラスト軸受の第三手段による吸引力
δ１ スラスト変動量
δ２ スラスト移動量
ｅ ステータコアとロータマグネットのスラスト方向センターズレ
Ｓ、５０３ スラスト磁気軸受
５０３ａ 回転側リング
５０３ｂ 固定側リング
６０４ 中空回転体
Ｐ 平衡点
Ｔ１、Ｔ２ スラスト変化量

Claims (3)

1. 巻線と、ロータフレームに取り付けられ、多極着磁されたロータマグネットと、互いに嵌合して動圧流体軸受機構を構成するシャフトとスリーブと、スラスト方向に支持するスラスト軸受手段を有し、前記スリーブは前記ロータフレームに取り付けられ、前記スラスト軸受手段は、磁気スラスト軸受第一手段と磁気スラスト軸受第二手段からなり、前記シャフトの上部に第一の永久磁石を設け、対応して着磁方向が吸引するように前記スリーブ上部に第二の永久磁石を設けて前記ロータフレームを軸方向上方向に持ち上げる磁気スラスト軸受第一手段と、モータの取り付けでもある鉄基板に前記ロータマグネットが吸引される磁気スラスト軸受第二手段を備え、前記磁気スラスト軸受第一手段と前記磁気スラスト軸受第二手段の吸引力は反対方向であって、前記磁気スラスト軸受第一手段の吸引力をＦ１とし、前記磁気スラスト軸受第二手段の吸引力をＦ２としたとき、Ｆ１＞Ｆ２である動圧空気軸受モータ。
2. 巻線を巻装したステータコアと、前記ステータコアに対向配置してロータフレームに取り付けられ、多極着磁されたロータマグネットと、互いに嵌合して動圧流体軸受機構を構成するシャフトとスリーブと、スラスト方向に支持するスラスト軸受手段を有し、前記スリーブは前記ロータフレームに取り付けられ、前記スラスト軸受手段は、磁気スラスト軸受第一手段・磁気スラスト軸受第二手段と磁気スラスト軸受第三手段からなり、前記シャフトの上部に第一の永久磁石を設け、対応して着磁方向が吸引するように前記スリーブ上部に第二の永久磁石を設けて前記ロータフレームを軸方向上方向に持ち上げる磁気スラスト軸受第一手段と、モータの取り付けでもある鉄基板に前記ロータマグネットが吸引される磁気スラスト軸受第二手段と、前記ステータコアのスラスト方向中心と前記ロータマグネットのスラスト方向中心をずらし、吸引される磁気スラスト軸受第三手段を備え、前記磁気スラスト軸受第一手段に対し、前記磁気スラスト軸受第二手段の吸引力と前記磁気スラスト軸受第三手段の吸引力は反対方向であって、前記磁気スラスト軸受第一手段の吸引力をＦ１とし、前記磁気スラスト軸受第二手段の吸引力をＦ２とし、前記磁気スラスト軸受第三手段の吸引力をＦ３としたとき、Ｆ１＞Ｆ２＋Ｆ３である動圧空気軸受モータ。
3. 前記第一の永久磁石と前記第二の永久磁石が希土類磁石である請求項１又は、請求項２記載の動圧空気軸受モータ。