JP4264853B2 - 磁気カップリング装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気カップリング装置に係わるもので、非磁性と磁性部を有する複合材を使用する磁気カップリング装置に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
磁気カップリング装置は、磁気力を利用して一方から他方に機械力を非接触で伝達する機能を持つものであるが、典型的な機械式カップリング（継ぎ手）であるユニバーサルカップリングに比較して、構成部品が少なくでき摩耗、騒音を発生しない等の長所があるため、特殊な用途に用いられることが多い。また、本来の機能である機械力の伝達ばかりでなく、ガスあるいは水道メータの流量測定の信号伝達にも応用されている。しかし、伝達する機械力の大きさは機械式カップリングに劣るため、大型機器あるいは装置への適用例は少ない。
【０００３】
また、非磁性の隔壁を中間に配して駆動側と負荷側を隔離した磁気カップリング装置がよく使用される。この場合、負荷に対してモータ等を配置する駆動側を完全に分離できるため、製造条件を容易に制御管理できるメリットがある。同時に、装置自体の小型あるいは簡略化を図ることも可能である。さらに、隔壁に気密シール性を付与すれば、薄膜形成に使用されるスパッタリング装置や真空排気に用いられるケミカルポンプ等の真空機器にも適用できる。また、食品加工あるいはその搬送機器、医療用関係機器等は清浄な環境において使用が予定され、衛生管理等が特に必要であるが、最近このような用途分野に対する潜在的なニーズが増加しつつある。
【０００４】
以上述べたように、磁気カップリング装置の適用分野は現状でも広いが、今後ともその用途が拡大されるポテンシャルの高いものである。ところで、磁気カップリング装置の構成は種々様々のものがあるが、基本的にはギャップを介して非接触で機械力を伝達する機能を持たせている。以後の説明を明確にするため、本明細書中では回転力を伝達する構成に絞って記述することにする。しかしながら、これに限定されることはなく、磁気力を利用して機械力を伝達する機能を持つ装置一般にも共通する技術思想であることは言うまでもない。さて、回転力を伝える磁気カップリング装置は、構成上円筒形と円板形に大別される。ギャップに磁束を通過維持させるために、励磁方法として電磁石、永久磁石あるいはそれらを組み合わせたハイブリット方式が考えられるが、部品数が少なく構造が簡単であること、並びに磁石の飛躍的な性能向上が行われ小型化に適していることなどにより、現在では磁石を適用した磁気カップリング装置が主流であるため、これを中心に説明することにする。
【０００５】
円板形の磁気カップリング装置の概略構成を図７に示す。図示するように円板形は駆動側と被駆動側にそれぞれ円板状の磁石１８を対向配置するものであり、磁石１８間に発生する磁気力によって図中の矢印の向きに駆動シャフト１３を回転させると、負荷シャフト１１も同一方向に回転し、駆動シャフト１３から回転力が非接触で負荷シャフト１１に伝達されることになる。この方式は扁平に構成できるため、回転軸方向が短い省スペース構成を可能としている。円板形はコンパクトな設計に適しているため適用例が多いが、伝達すべき回転力と同程度の回転軸方向の磁気吸引力を伴うため、大形になればなる程この磁気吸引力が増しスラスト軸受けの負担が大きくなり、機構上の対策が必要である。しかしながら、次に述べる円筒形ではこの回転軸方向の磁気吸引力は生じない。
【０００６】
図８は円筒形の概略構造である。一組の円筒磁石１５を同一回転軸上に配置し、磁石１５はそれぞれカップ形ヨーク１９とリング形ヨーク１７に固着されると共に、駆動または負荷シャフト１３、１１が取り付けられる。磁石１５はそれぞれ同極数に着磁してあるため、異極同士の磁気吸引力が発生し、駆動シャフト１３と負荷シャフト１１は同期して回ることになる。隔壁１２は負荷側と駆動側を分離する目的で設けられるが、通過する磁束に影響を与えないように可能な限り薄い非磁性板が使用される。しかし、如何に薄い隔壁１２であっても、磁気カップリング装置の大型化の原因の一つである。隔壁１２は使用条件あるいは目的によって、材質あるいは形状寸法は適宜選定される。
【０００７】
構成上、円筒形では回転軸方向の磁気吸引力は生じないが、径方向の磁気吸引力が生じるため、径方向の支承手段を必要とする。また、円板形に比べると扁平構成には不向きであり、ある程度の設置スペースが必要である。しかし、磁気的な結合力は円筒形の方が大きくできるため、回転力を必要とする用途に多く適用される。以上述べたように、円板形および円筒形の磁気カップリング装置にはそれぞれ一長一短があり、用途、使用条件あるいは目的に応じてその構成が決まり、それらに見合った設計と製造が行われる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
図７または８に示す磁気カップリング装置を特定の用途に使用する場合には、次のような問題がある。例えば、スパッタ装置内でターゲットあるいは基板を回転させるために、高真空槽内に磁気カップリング装置を設置した場合、アウトガスの問題が常に付きまとうことになる。
【０００９】
詳述すると、磁石をヨークに固着するために、高分子を縮合重合した樹脂を主成分とする接着剤が一般的に用いられているが、接着剤はアウトガス発生の原因となり、高真空機器に適用できないという問題がある。
【００１０】
そこで樹脂等の接着剤を使わないで磁石を固着するために、非磁性材による機械的な固定手段が考えられるが、磁気カップリング装置の小型化を阻害するという問題がある。すなわち、この固定手段は磁石と交差するか重複するため、磁気ギャップ長を増加させ、より大きな断面積と長さを持つ磁石が必要となり、また磁石が固定されるヨークは磁性材であるため、ヨークに磁石を固定する機能を持たせることは漏れ磁束を増加させることになり、磁気力の低下を招くという別の問題を生ずる。
【００１３】
半導体製造業、医療関係あるいは食品加工業等の分野に磁気カップリング装置を使用する場合、接着剤で磁石をヨーク側に固定するだけで密封構造をとっていないため、発塵の原因となること、また残留物の洗浄に不都合な構造であること等従来技術では解決が相当困難な内容であった。しかし、磁石あるいはヨークを非磁性のカバーを設ける方法が考えられるが、既に言及したように装置または機器の大型化を招くという問題がある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
従来技術の課題を解決するために、本発明者は、同一化学組成を持ちながら、非磁性領域と磁性領域とを形成することができる複合材（特開平９−９３８８５号公報にこの複合材を回転子に適用したレラクタンスモータが開示されている）に注目した。この特異な複合材は磁性部と非磁性部を適宜形成することが可能であり、磁気回路と機能材の働きを同時に持たせることは可能である。特に、磁気カップリング装置における磁石の固着手段として必要な条件を全て備えていることを見出した。この複合材を用いることによって従来技術の課題を解決できることがわかり、本発明を想到するに至った。本発明は、磁石の表面に複合材を設けること、あるいは負荷側磁石を複合材で置換することを要点とするものである。
【００１５】
同一化学成分を有しながら、結晶構造を変えることによって磁性材あるいは非磁性材に制御できる複合材は、ステンレス鋼あるいは高マンガン鋼等がある。例えば、ステンレス鋼では次のような処理を行えば、磁性材を非磁性材に制御できる。即ち、フェライト相もしくはマルテンサイト相を持つ強磁性組織の素材を、オーステナイト変態温度以上に加熱しその後で冷却するか、融点以上に加熱溶融させて冷却凝固させると、非磁性材が得られる。また、その逆にオーステナイト相をフェライト相に変えることができ、非磁性材を磁性材に変更できる。この処理法を導入すれば、所望の箇所を加熱冷却することによって磁性材中に非磁性を示す領域部分を、あるいはその逆に非磁性材中に磁性を示す領域部分を形成できる。
【００１６】
磁性から非磁性への変換例を挙げると、Cr：0.6wt、C：0.6wt、Fe：balのフェライト相を有する厚さ1mmのステンレス鋼板材をレーザ照射によって加熱冷却すると、レーザ照射した部分は非磁性に制御できた。因みに、レーザ照射前は比透磁率565、飽和磁束密度12.3〜13.6kG、保持力10.5 Oeの磁性材料が、比透磁率2以下の非磁性材料に変えることができた。同一化学成分を持ちながら、熱処理によって磁性部と非磁性部に制御変更された複合材が得られる。これは非磁性材と磁性材を溶接等で接合する煩雑で信頼性に乏しい方法を適用する必要はなく、製造プロセス上非常に有利である。また、結合の欠陥が発生しないことから材料強度面から見ても、極めて有用である。材料欠陥が無いため強度を必要とする高速回転部品、あるいは薄板等にもこの複合材は適している。
【００１７】
以下、本発明の実施例について詳しく説明することにする。図１は本発明による一実施例である。磁石１５を複合材３０によってヨーク１７および１９に固定する構造を示す図であり、隔壁１２の両側を拡大して示す。図中複合材３０のＡ部は磁性部分であり、この部分以外は非磁性としてあるため、磁束はＡ部に集中し隔壁１２を通過する。非磁性材を使用する従来技術と比較すると、複合材３０の厚さ２ｔの分だけ磁気的にはギャップが狭まることになる。即ち、磁気的なギャップが短くなる。この結果、磁石を小型にすることができる。以上の説明からわかるように、Ａ部は磁束を導くための磁気回路を形成するものである。一方、複合材３０のＡ部以外は非磁性であるため、磁束を不要な箇所に導くことがなく漏れ磁束の増加による磁気吸引力の低下は起こらない。また、複合材３０は磁石１５を機械的にヨーク１７、１９に係止するための固定機能を持っている。さらに、必要に応じて複合材３０とヨーク１９または１７を溶接もしくはカシメによって磁石１５を密封することにすれば、外部に磁石の破片や発塵性の粉を出さないことに加えて、腐食性物質等の侵入を阻むことができ、腐食による磁石の性能劣化を抑制できる。
【００１８】
図２は本発明による他の実施例で、円筒形磁気カップリング装置の断面を示す。隔壁１２の内と外側に円筒状の複合材３０を配したもので、８個のアーク状の磁石１５をそれぞれのヨーク１７，１９に係止させた状態を示す。磁石１５が接する部分は磁性部３４に、また極間部分は非磁性部３２としてあるため、図１と同様な効果が得られる。この場合、磁石１５は複合材３０のバネ力等で係止するものであるが、さらに高精度な位置決めを確保するために、ヨーク表面に磁石の形状寸法に合致した浅い溝を設ける方法も実施可能である。このように磁石は複合材３０で固定できるため、樹脂接着剤等の他の固着手段は不要となる。
また、薄い複合材３０を図示するように円筒状に配置することによって、磁石１５の極間に異物が侵入したり残留することがなくなり、洗浄が容易になると共に衛生管理が可能である。これは食品加工や医療用に最適な構成であると言える。
【００１９】
磁気カップリング装置を小型で且つ簡単化する構成の一方法として、磁石の一方を複合材に埋め込み保持する実施例を図３に示す。複合材３０は磁石１５の両側を非磁性部３２、背部を磁性部３４となるように形成する。このように磁性および非磁性部分を適宜配置あるいは設定できるため、磁気カップリング装置の設計自由度が大幅に広がる。複合材を使うことにより磁気回路の形成と同時に、磁石固定機能を持たせることが容易にできることはこの実施例から明らかである。
【００２０】
次に、一方の磁石を複合材で置換する場合の実施例を図４に示す。負荷シャフト１１に取り付けられた複合材３０は、図示するように磁性部３４と非磁性部３２を３個の円筒形磁石１５に対応して配置するものである。図には示してないが、磁性部３４の円周方向は磁石１５の着磁極数に等しく非磁性領域で区切られている。これにより磁石から出る磁束は磁性部３４入り再度磁石に戻ることになり、レラクタンス変化によるトルクが発生する。磁束の経路は図１または２のものとかなり似通っている。しかし、磁気力によるカップリング力は図１および２の実施例より劣る。カップリング力を犠牲にして構成の簡単化を目的にした用途には最適である。さらに、この構成では駆動側シャフトが軸方向に熱膨張等で伸びた場合でも、負荷側シャフトはそれに追従できる軸方向力を生じるため、伝達する回転力は減少せず、最適な特性を維持できる特長を持つ。また、負荷側の磁石を複合材３０で置き換えているため、高い遠心力あるいは高精度のダイナミックバランスを必要とする高速回転機に適した構成である。
【００２１】
以上説明した複合材の具体的な製造方法例を図５および６に示す。まず、図５はフェライト相を持つステンレス鋼の薄肉円筒リング５０にレーザー溶接機５１を照射することによって、図２に示す複合材を作製する方法を示すものである。オーステナイト変態温度以上に加熱し冷却した部分は非磁性部３２に変成され、所期の目的を果たすことができる。また、図６は高周波加熱機を適用した場合である。これらの実施例からわかるように局部的に加熱ができる方法ならば、上記した方法に本発明は制限されることはない。また、複合材の形状に囚われることがなく、加熱箇所を限定できる形状であるならば、本発明を実施できることは容易に理解されるところである。
【００２２】
【発明の効果】
以上本発明の詳細な説明から容易にわかるように、永久磁石を磁性あるいは非磁性領域に制御された複合材料からなる固着手段で固定することによって、磁気式カップリング装置を小型化できると共に、樹脂などで固定する必要がないため、樹脂の使用で制限されていた用途にも使える磁気カップリング装置を提供できる。さらに、永久磁石とヨークを一体的に構成できるため、従来ない構成の磁気カップリング装置も可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による一実施例である。
【図２】本発明による他の実施例である。
【図３】本発明を実施した磁石の固定方法の一例である。
【図４】本発明による簡略化したカップリング装置の概略断面である。
【図５】本発明を実施した製造方法である。
【図６】本発明による他の製造方法である。
【図７】従来の円板形磁気カップリング装置の概略構成である。
【図８】従来の円筒形磁気カップリング装置である。
【符号の説明】
１１ 負荷シャフト、１２ 隔壁、１３ 駆動シャフト、１５ 磁石、
１７，１８，１９ ヨーク、３０ 複合材、３２ 非磁性部、３４ 磁性部、
５０ 円筒リング

Claims (3)

1. ヨークに支持された駆動側磁石とヨークに支持された負荷側磁石とを備え、隔壁を介して前記駆動側磁石の磁極面と前記負荷側磁石の磁極面が対向し、前記駆動側磁石の回転力を非接触で前記負荷側磁石に伝達する磁気カップリング装置において、前記駆動側磁石と前記ヨーク及び前記負荷側磁石と前記ヨークにまたがって各々鋼製複合材が設けられ、かつ、前記鋼製複合部材の端部側が前記ヨークに機械的に固定されるとともに、前記鋼製複合材は、前記隔壁と対向する側の磁極面に接する磁性領域を有し、磁石表面のうち磁極が形成されていない表面及び前記ヨークに接する面に非磁性領域を有することを特徴とする磁気カップリング装置。
2. 円筒状ヨークに固定された複数のアーク状磁石を有する駆動側磁石部材と所定間隔をおいて円筒状ヨークに固定された複数のアーク状磁石を有する負荷側磁石部材とを備え、隔壁を介して磁極面が対向するように前記駆動側磁石部材と前記負荷側磁石部材とが同心状に配置され、前記駆動側磁石部材の回転力を非接触で前記負荷側磁石部材に伝達する磁気カップリング装置において、前記駆動側磁石部材及び前記負荷側磁石部材は前記隔壁を介して対向する側の表面に鋼製複合材が設けられるとともに、前記鋼製複合材は、磁極面に接する磁性領域を有し、前記磁石間に対向する非磁性領域を有することを特徴とする磁気カップリング装置。
3. 所定間隔をおいて円筒状ヨークに固定された複数の円筒状磁石からなる駆動側磁石部材と、隔壁を介して前記駆動側磁石部材と対向する負荷側磁性部材とを備え、前記駆動側磁石部材の回転力を非接触で前記負荷側磁性部材に伝達する磁気カップリング装置において、前記負荷側磁性部材は、前記円筒状磁石の磁極面に対向する磁性領域と前記磁石間に対向する非磁性領域を有する鋼製複合材からなることを特徴とする磁気カップリング装置。

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