JPH03103086A - 磁気浮上装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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． （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。

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きている． 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
ることはできながった．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， く発明の目的） この発明は、以上の通りの事情をｉ，ｔ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．｛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衡を交互
に超電導体に対向させ、磁石の磁化強さを浮上力とその
距離に対応させて磁石配置してなることを特徴とする磁
気浮上装置を提供する． またその具体的態様として、超電導体のＸＹステージと
複数の磁石を配投したステージベースとからなるＸＹス
テージ浮上装置、またはその逆に、複数の磁石を配設し
たＸＹステージと超電導体のステージベースとからなる
ＸＹステージ浮上装置を提供する． さらに、超電導体の軸と複数の磁石を配設した軸受とか
らなる軸受装置、またはその逆に、複数の磁石を配設し
た軸と超電導体の軸受とからなる軸受装置をも具体的に
提供する。

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． 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． 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）を構或する超電導体の種類には特に＃Ｊ
限はなく、Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−酸素系、Ｂｉ−Ｃａ−Ｓｒ
−Ｃｕ一酸素系、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。

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の直方体からなってい
る。そしてＮ極と３４１ｉ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Ｘ
Ｙ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Ｈｚの位置に浮上するようにしている． 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段
すると、Ｎ極から出た磁力線は隣のＳｔｉＪｉＡ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． 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。

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． 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，ｌｉｄ（
すなわち軸受（４）の中心（０４）に対しての角度θ）
、厚さｔの磁石がらなり、ＮｉとＳ極を交互に軸（３）
に対向するように配置している．また、軸（３）は半径
Ｒ，、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。

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極がら出た磁カ線は隣のＳ極に入る。磁石表面で大
きな反発浮上力Ｆが得られる。

この発明においては、このような複数の磁石を配設して
形或する反発浮上力Ｆが、第５図〜第１１図に例示した
ように浮上距Ｍｚ、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。

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５１ＩＩＩで、磁化の強さＩが０．２７匈ｂ／Ｉ２の
ものを想定し、ＸＹステージ（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ｉ１ｆｔｚ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（２Ｎ　　（第１
図中点線で図示）が形或されるとモデル化する．そして
、ステージベース（２）を楕或する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． 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）を楕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）を複数の磁石で梢戒し、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。

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（κｇｆ
／ｒａ”　）と浮上距離ｚ（Ｉｍｌ）との関係を、磁石
の幅ｄを２〜１６１１１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２が１１程度以上では反
発浮上力Ｆは浮上距ｔｌｆｉｚ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＠ｄが２ｌｌの場合に最も顕著なことがわかる．一
方、磁石（７）幅ｄカ１　６ｎ＋ｎ＋の場合には浮上距
ｉｔｔ　２１ｍｌ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　）　（ｌｉ’）ｍ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Ｈｚが
小さい１Ｉｌｆｆｉ程度で特に大きく、磁石の幅ｄを２
１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１６ｌＩＢ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。

第６図は、支持剛性Ｋ（κｇｆ／ｌ２／■）と浮上距離
ｚ　（ｎｎ）との関係を、磁石の幅ｄを２〜１６ｎｎ＋
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Ｈｚ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ＵＺが１ｌＩｌ程度より小さい範囲では、磁石
の幅ｄを１６１Ｉｌｌとした場合の支持剛性Ｋは磁石の
幅ｄを２〜５■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ｉ１ｔｉｚを１
１より小さい範囲とする場合に磁石の幅ｄを１６ｉｎ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。

第７図は、支持剛性Ｋ　（ｈｆ／ｌ’　／■）と磁石の
幅ｄ　（Ｉｌ）との関係を、浮上距離ｚを０．５〜３■
とした場合について示したものである。浮上距Ｍｚを０
．５１または１．Ｏｌとした場合に磁石の幅ｄが３ｌｌ
または５■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２ｎｎ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。

第８図は、反発浮上力Ｆ　（Ｋｇｆ／ｍ”　）と磁石の
厚さｔ　（Ｉｎ）との関係を、磁石の幅ｄを２〜８■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ｉ１ｚを１１として求めたものである．磁石の幅
ｄを２〜５ｌｌとした場合には磁石の厚さｔを約５１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８１とした場合には磁石
の厚さｔを７１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。

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／ＩＩ）と軸変位ｘ　（ＩＩ１）
　（軸受《４）の中心０４からの軸（３）の中心Ｏｓの
ずれの距離〉との関係を、磁石配置角度θを３〜３０ｄ
ｅｇ．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Ｒ，を１４．　！ｏｎｎ、軸
受（４）の内側半径Ｒ４を１５１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）が磁石で楕成した軸受（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。

第１０図は、軸受剛性Ｋ　（Ｋｇｆ／　ｎｎ）と磁石配
置角度θとの関係を、軸変位Ｘを０．１〜０．　５ｌｎ
＋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０．１〜０．４■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。

第１１図は、反発浮上力Ｆ　（ｈｆ）と磁石配置角度θ
との関係を、軸受（４）の内開半径Ｒ４を１５ｌ旧こ固
定し、軸（３）の半径Ｒ，を１４．５〜１４．９ｎｌ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５０１１１１、軸変位Ｘを０．０５１
として算出したものである．反発浮上力Ｆは、軸の半径
Ｒ，が大きいほど大きい。また、軸の半径Ｒ３を１４．
９ｕとした場合を除いて、それぞれの軸の半径Ｒ，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Ｒ，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Ｒ，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。これにより、軸の半径Ｒ
，と軸受の内開半径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。

以上のように、使用する磁石の磁化の強さ■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′Ｍ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
と磁化の強さ工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。

このように！！！遺した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． また、軸受については、さらに第１２図（ａ）（ｂ）に
示したように、超電導体の軸（１１》と磁石の軸受（１
２）の構威や、第１３図（ａ）（ｂ）に示したように、
磁石軸（１３）と超電導体軸受（１４）の構成のように
してもよい。あるいは、第１４図のような磁石構成や、
さらには軸と軸受を多角形状としたものであってもよい
。

以下、この発明を実施例に基づいて具体的に説明する。

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Ｒ，が３．５■、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Ｒ，が６ｕものを使？ずることとした
。そして、磁石配置角度θは、４５ｄｅ（＋．とした． 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なところ、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． 実施例２ 軸（３）の半径Ｒ，を４．　７５ｎ＋１、重量を３，５
ｑ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ｉ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。

（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．

【図面の簡単な説明】

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Ｈｚ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
ＭＺ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、磁石軸受の他の例を示
した斜視図である。 第１３図（ａ）（ｂ）は、各々、超電導体軸受の例を示
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

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （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極を交互に超電導体に対向させ、磁石の磁化
   強さを浮上力とその距離に対応させて磁石配置してなる
   ことを特徴とする磁気浮上装置。
2. （２）超電導体のＸＹステージと複数の磁石を配設した
   ステージベースとからなる請求項（１）記載のＸＹステ
   ージ浮上装置。
3. （３）複数の磁石を配設したＸＹステージと超電導体の
   ステージベースとからなる請求項（１）記載のＸＹステ
   ージ浮上装置。
4. （４）超電導体の軸と複数の磁石を配設した軸受とから
   なる請求項（１）記載の軸受装置。
5. （５）複数の磁石を配設した軸と超電導体の軸受とから
   なる請求項（１）記載の軸受装置。