JPH07250452A - モータ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】耐久性がよく、高速回転が可能で、特殊雰囲気
中でも使用可能な小型モータ装置を提供する。 【構成】モータ装置３００は駆動部３２０により固定子
３１２に励磁される磁界により回転軸２００に設けられ
た回転子３１１を回転させる。回転軸２００には円筒状
磁石２７１が設けられ、回転軸２００の先端部側にわず
かに間隔をおいて、同極面を対向させて円環状磁石２７
２が設けられる。円環状磁石２７２の内径は円筒状磁石
２７１の外径よりわずかに大きい。この円環状磁石２７
２と円筒状磁石２７１の磁気相互作用により、回転軸２
００は円環状磁石２７２の中心でラジアル方向に支持さ
れ、さらにスラスト方向の回転軸２００の先端部向きに
負荷が加えられる。回転軸２００の先端部はステージ２
１０に当接してスラスト方向の前記負荷を支える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、回転軸を回転させるモ
ータ装置に関し、特に、磁気的な力により非接触でその
回転軸を支持する磁気軸受を用いたモータ装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】小型で高性能なモータ装置が求められて
いる。特に、半導体や情報機器の高性能化にともない、
それら半導体や情報機器の冷却用として、小型で、高速
回転が可能で、寿命が長く、騒音・振動が少ないモータ
装置が求められている。そのモータ装置の回転軸を支持
する軸受装置は、性能に直接関わる構成品として非常に
重要であり、この軸受装置の性能向上が求められてい
る。

【０００３】従来、モータのシャフトなどの回転軸を支
持する軸受装置としては、滑り軸受あるいは転がり軸受
が主に用いられている。転がり軸受には、玉軸受ところ
軸受があり、精密で安価なため最もよく用いられている
軸受装置である。また、転がり軸受はラジアル、スラス
ト荷重を同時に支持することが可能で、静止摩擦係数も
小さいという特徴も有する。滑り軸受としては、油膜圧
力で荷重を支える油潤滑の滑り軸受がよく使用される。
大荷重を支持することができ、衝撃・振動などにも強
い。また近年、回転軸を磁気的な力により非接触で支持
する磁気軸受も注目されている。磁気軸受は、摩擦・磨
耗の問題が無い、耐久性がよい、振動・騒音が小さい、
高速回転が可能、潤滑油を使用しないため特殊雰囲気中
（高温、低温、真空、クリーンルームなど）での使用が
可能という特徴を有する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前記モータ装
置に頻繁に用いられる転がり軸受および滑り軸受は、機
械的に接触して回転軸を支持する軸受装置であるため、
程度の差はあるものの、基本的に摩擦に起因する課題を
除去することはできない。すなわち、磨耗が生じ、した
がって耐久性に限界があり、振動・騒音も生じる。ま
た、潤滑油が必要なため使用環境も制限される。さら
に、回転速度について、前記転がり軸受および滑り軸受
は、回転軸の回転数が高速になり偏心が大きくなると、
回転軸が軸受装置から抗力を受け、回転を妨げ、高速回
転が不可能になるという問題を生じる。特に、その回転
系に固有の回転数で回転軸が共振すると、偏心が大きく
なり、回転速度の限界となる。最近の製造技術の発達や
材料の進歩により、前記滑り軸受および転がり軸受の性
能は向上しているものの、前記問題を十分に解決するも
のではない。

【０００５】一方、前記接触軸受の摩擦による問題を一
気に解決できる非接触軸受である磁気軸受においては、
複雑な制御装置が必要であるという問題がある。一般に
剛体は、並進３方向、回転３方向の計６つの自由度を有
する。回転軸においては、１方向の回転は軸の回転方向
となるので、残りの５つの自由度を拘束し、回転軸を支
持する必要がある。磁気軸受装置において静磁気力だけ
では安定に釣合いを保つことはできないので、少なくと
も１軸について、最大５軸についてフィードバック制御
をする必要がある。すなわち、回転軸の各方向への位置
を検出するセンサと、該検出結果より回転軸の位置ズレ
を検出する偏差検出手段と、該偏差に基づき操作量を求
める操作量決定手段と、その操作量に基づいて電磁石に
流す電流の量を制御する制御手段を、各制御方向ごとに
設けなければならない。この制御は種々の方法で可能で
あるが、一般に複雑で高速な計算を必要とする。したが
って、そのような高性能な制御手段を必要とするため、
装置の価格が高くなり、汎用的な軸受装置として用いる
ことはできなかった。また、制御手段により軸受装置が
大きくなるという問題も生じた。

【０００６】このように、前記従来の各軸受装置におい
ては、各々種々の問題があり、大きさ、応答周波数、耐
久性、騒音・振動などのあらゆる面で満足のいく軸受装
置は実現できなかった。したがって、それら軸受装置を
用いるモータ装置においても、前記軸受装置と同様の問
題を有した。すなわち、接触軸受を用いたモータ装置に
おいては軸受の抗力により、応答周波数が限界となり、
磨耗により耐久性が短くなり、振動・騒音が生じ、クリ
ーンルームなどの特殊雰囲気中では使用不可能であっ
た。また、非接触磁気軸受を用いたモータ装置において
は、制御が複雑で、装置が大型となり、装置が高価にな
るという問題があった。

【０００７】したがって本発明の目的は、摩擦・磨耗が
少なく、耐久性があり、振動・騒音が小さく、最大応答
周波数が高く、さらにクリーンルームなどの特殊雰囲気
中でも使用可能であり、しかも、制御手段を必要としな
いモータ装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記問題を解決するた
め、本件出願の発明者は、モータ装置を構成する軸受装
置について、滑り軸受、転がり軸受などの機械的軸受、
および、磁気軸受の利点・欠点を十分解析した。そし
て、磁気軸受において、回転軸を一部機械的に支持する
ことにより、磁気軸受の利点を保持しつつ、制御系が必
要であるという磁気軸受の最大の課題を解決した。そし
て、その新たな軸受装置を用いたモータ装置を発明し
た。すなわち、モータ装置を構成する軸受装置におい
て、回転軸のラジアル方向に対しては、摩擦の影響が大
きいため磁気的に支持し、スラスト方向についてのみ機
械的に支持するようにした。

【０００９】したがって本発明のモータ装置は、回転軸
と、前記回転軸を回転させるモータ手段と、前記回転軸
を支持する軸受手段とを有する。前記軸受手段は、前記
回転軸方向に沿って対向して磁化された円筒状磁石と、
前記回転軸の周囲に前記円筒状磁石と所定の小間隔を隔
てて設けられた円環状磁石と、前記回転軸の先端に当接
する係止手段とを有する。また、前記円筒状磁石と円環
状磁石とは、同極面を対向させて設けられる。好適に
は、前記円環状磁石は、前記回転軸の前記円筒状磁石よ
り前記係止手段側に設けらる。特定的には、前記係止手
段と前記回転軸の先端とは所定の摩擦係数を有して当接
し、前記回転軸の回転数を検出する検出手段と、前記検
出された回転数に基づいて前記円環状磁石の磁力を制御
する磁力制御手段とをさらに有する。また、好適には回
転軸の回転数に応じ、前記円環状磁石の磁力を制御する
磁力制御手段をさらに有する。

【００１０】

【作用】本発明のモータ装置に適用される軸受装置は、
回転軸に設けられた円筒状磁石と、固定部に設けられた
円環状磁石と、回転軸を当接させ支持する係止手段とを
有する。そして、前記円環状磁石は、円筒状磁石と所定
の小間隔を隔てて、円筒状磁石と同極面を対向させて設
けられている。このような構成の円環状磁石と円筒状磁
石の間には、円筒状磁石を円環状磁石の内部、すなわち
環内に引き込もうとする磁力が作用する。その円筒状磁
石を円環状磁石の環内に引き込もうとする磁力とは、す
なわち、ラジアル方向については前記回転軸を前記円環
状磁石の中心で保持しようとする力である。したがっ
て、前述した構成により、前記回転軸を非接触で前記円
環状磁石の中心に保持できる。また、スラスト方向につ
いては、磁力や重力や外部負荷によりスラスト方向の所
定の向きに回転軸に負荷を与え、該負荷を前記係止手段
により支持すれば、スラスト方向についても安定して回
転軸を支持できる。このように、前記構成により、ラジ
アル方向については非接触で回転軸を支持でき、またス
ラスト方向についても回転軸を係止手段に当接させて、
回転軸を支持できる。

【００１１】

【実施例】本発明のモータ装置の第１実施例を図１〜図
３を参照して説明する。図１は第１実施例のモータ装置
３００の構成を示す概略図である。モータ装置３００
は、回転軸２００、軸受装置１１０、回転部３１０およ
び駆動部３２０より構成される。回転部３１０は回転子
３１１および固定子３１２よりなる。軸受装置１１０
は、ステージ２１０、および磁力作用部２２０よりな
る。さらに、磁力作用部２２０は円筒状磁石２２１と円
環状磁石２２２よりなる。図２は第１実施例のモータ装
置３００に適用された軸受装置１１０の作用を説明する
図である。磁力線４１０は円環状磁石２２２により作ら
れる磁界を示し、この磁界により円筒状磁石２２１に作
用する磁力を磁力４２０および磁力４３０で示す。図３
はステージ２１０の変形例を示す図である。

【００１２】まず、モータ装置３００の回転部３１０お
よび駆動部３２０について説明する。なお、本実施例の
モータ装置３００は永久磁石で作られた回転子を、固定
子巻線で作られる電磁力で引きつけて回転するＰＭ型ス
テッピングモータである。回転部３１０の回転子３１１
は回転軸２００に設けられた永久磁石であり、１２極に
多極励磁されている。また、固定子３１２は図示しない
固定部に設けられた２４の極歯を有し、２相に励磁され
る固定子である。駆動部３２０は、固定子３１２の励磁
巻線に直流電源を順次切り換え接続する駆動回路であ
る。このモータ装置３００の回転速度は、駆動部３２０
内のパルス発生回路のパルス周波数により制御される。

【００１３】次に、図１および図２を参照して回転軸２
００および軸受装置１１０の構成および作用について説
明する。回転軸２００の先端部は、先細な円錐形状に加
工され、その頂点部分がステージ２１０に当接されてい
る。磁力作用部２２０は回転軸２００に設けられた円筒
状磁石２２１と、図示しない固定部に設けられた円環状
磁石２２２とよりなる。円環状磁石２２２は、円筒状磁
石２２１のステージ２１０側に、円筒状磁石２２１とわ
ずかに間隔を隔てて設けられている。また、円環状磁石
２２２の内径は円筒状磁石２２１の外径よりもわずかに
大きく、この円筒状磁石２２１と円環状磁石２２２は同
極面（本実施例ではＳ極）を対向させて設けられてい
る。なお、第１実施例において円筒状磁石２２１および
円環状磁石２２２はともに永久磁石で構成されている。
ステージ２１０は回転軸２００の先端部と当接する平面
を有するように、硬質材により形成された支持部材であ
る。

【００１４】このような構成の軸受装置１１０において
は、円環状磁石２２２により磁力線４１０で示すような
磁界が生じる。この磁界中に円環状磁石２２２と同極の
Ｓ極の面を対向させて円筒状磁石２２１を設けると、円
筒状磁石２２１のＳ面には磁力線４１０に沿って円環状
磁石２２２の環内に引き込む方向に磁力４２０が作用す
る。また、円筒状磁石２２１のＮ面には磁力線４１０に
沿って円環状磁石２２２より離れる方向の磁力４３０が
作用する。磁界は円環状磁石２２２の環内を最大として
外部に離れるにしたがって弱くなるため、磁力４３０に
比して磁力４２０が円筒状磁石２２１に対してより強く
作用する。その結果、円筒状磁石２２１には円環状磁石
２２２の内部に引き込まれる方向に力が働く。つまり、
回転軸２００には、円環状磁石２２２の中心で保持され
ようとする力と、スラスト方向のステージ２１０の向き
へ押す力とが働く。前記スラスト方向の力はステージ２
１０により支持されるので、結局、回転軸２００は非制
御でありながら、ラジアル方向、スラスト方向の双方に
ついて安定に支持される。

【００１５】したがって、このような軸受装置１１０を
用いたモータ３００によれば、回転軸２００はラジアル
方向については非接触で支持されているので、回転軸が
その偏心によりベアリングから抗力を受けることが無
い。したがって、その抗力が原因で回転速度が限界とな
ることがなく、より高速回転が可能となる。すなわち、
最大応答周波数が大きく応答性のよいモータが実現可能
となる。また、回転軸２００の先端部はステージ２１０
に当接され、機械的に支持されているため摩擦が生じる
が、該当接部は回転軸先端の円錐形状に加工された非常
に小さい面積の頂点部分なので、たとえば従来の機械軸
受などで生じた摩擦に比べて無視できる程度に非常に小
さい摩擦である。したがって、磨耗が非常に少なく、故
に耐久性がよく、さらに、機械音がほとんど発生せず、
騒音の少なく静かなモータが実現できる。

【００１６】図１に示したモータ装置３００の動特性の
実験結果を示す。表１はモータ装置３００の寸法を示す
表であり、表２はこのモータ装置３００を駆動したとき
の実験結果を示す表である。

【００１７】

【表１】

【００１８】

【表２】

【００１９】このように、軸受装置１１０を用いたモー
タ装置３００においては、同様の形状、駆動回路で、ボ
ール軸受を用いたモータに比べて、最大応答周波数が大
幅に大きくなっている。また、駆動音も、機械音はほと
んど聞こえず、電磁音がわずかに聞こえるのみの静かな
モータを実現することができた。

【００２０】なお、モータ装置３００において、回転部
３１０に給電が停止している場合は、回転軸２００は固
定子３１２よりも回転軸２００近傍に設けられた図示し
ない保護軸受により機械的に支えられる。また、前記停
電時は、前記方法の他に、たとえば図３に示すようなス
テージ２１１を用いる方法でもよい。ステージ２１１の
平面２１２は回転軸２００を当接させるための凹平面で
ある。このようなステージ２１１によれば、給電が停止
して回転軸２００がモータ装置３００の中心で保持でき
なくなっても、段差２１３が保護軸受として機械的に回
転軸２００をモータ装置３００の中心付近で支持するこ
とが可能である。

【００２１】本発明のモータ装置の第２実施例を図４を
参照して説明する。図４は第２実施例のモータ装置５０
０の構成を示す概略図である。モータ装置５００は、回
転軸２９０、軸受装置１６０、回転部３１０、駆動部３
２０、回転数検出部５１０、および、電流制御部５２０
より構成される。回転部３１０は回転子３１１および固
定子３１２よりなる。軸受装置１６０は、ステージ２１
０、および磁力作用部２７０よりなる。さらに、磁力作
用部２７０は円筒状磁石２７１と円環状磁石２７２より
なる。回転部３１０、駆動部３２０の構成および動作は
第１実施例のモータ装置３００と同一である。回転軸２
９０は、先端部がやや細くなり、所定の摩擦係数を有し
てステージ２１０に当接する。

【００２２】軸受装置１６０の磁力作用部２７０は、第
１実施例の磁力作用部２２０と同様の構成である。すな
わち、磁力作用部２７０は円筒状磁石２７１と円環状磁
石２７２よりなる。円環状磁石２７２は回転軸２９０上
の円筒状磁石２７１のステージ２１０側に、円筒状磁石
２７１と所定の小間隔を隔てて設けられる。その円環状
磁石２７２の内径は、円筒状磁石２７１の外径よりもわ
ずかに大きい。また、この円筒状磁石２７１と円環状磁
石２８１は同極面を対向させて設けられている。なお、
第２実施例の磁力作用部においては、円環状磁石２７２
が電磁石により構成されている点が第１実施例と異な
る。軸受装置１６０のステージ２１０は第１実施例と同
一の構成である。回転数検出部５１０は回転軸２９０の
回転数を検出して、電流制御部５２０に出力する。

【００２３】電流制御部５２０は、回転数検出部５１０
から入力された回転軸２９０の回転数に基づいて、円環
状磁石２７２に流す電流量を制御する。すなわち、前記
検出結果の回転数を予め定めた回転数と比較し、検出結
果の回転数が予め定めた回転数より小さい場合には円環
状磁石２７２に流す電流量を少なくし、検出結果の回転
数が予め定めた回転数よりも大きい場合には、前記電流
量を多くする。これにより、電流量が少なくなると、円
環状磁石２７２に励磁される磁界が弱くなり、回転軸２
９０をステージ２１０に押しつける力が弱くなり、その
結果、回転軸２９０とステージ２１０との当接部の摩擦
が小さくなるため、回転軸２９０の負荷が少なくなり回
転数が上がる。また、前記電流量が多くなると、円環状
磁石２７２に励磁される磁界が強くなり、回転軸２９０
をステージ２１０に押しつける力が強くなり、その結
果、回転軸２９０とステージ２１０との当接部の摩擦が
大きくなるため、回転軸２９０の負荷が大きくなり回転
数が下がる。

【００２４】このように、第２実施例のモータ装置５０
０によれば、回転軸の負荷を変化させることにより回転
数を制御することができる。回転軸に加わる外部負荷の
影響を考慮して制御する場合や、回転数の微調整を行う
場合に有効である。

【００２５】本発明のモータ装置の第３実施例を図５を
参照して説明する。図５は第３実施例のモータ装置６０
０の構成を示す概略図である。モータ装置６００は、回
転軸２００、軸受装置１６０、回転部３１０、駆動部６
１０、および、電流制御部６２０より構成される。回転
部３１０は回転子３１１および固定子３１２よりなる。
軸受装置１６０は、ステージ２１０、および磁力作用部
２７０よりなる。さらに、磁力作用部２７０は円筒状磁
石２７１と円環状磁石２７２よりなる。回転部３１０の
構成および動作は第１実施例のモータ装置３００と同一
である。回転軸２００の形状も第１実施例と同一であ
り、先端部が先細な円錐形状に加工され、その頂点部分
がステージ２１０に当接されている。軸受装置１６０
は、ステージ２１０、磁力作用部２７０ともに、その構
成および動作は第２実施例のモータ装置５００と同一で
ある。

【００２６】駆動部６１０は、固定子３１２の励磁巻線
に直流電源を順次切り換え接続する駆動回路である。こ
のモータ装置６００の回転速度は、駆動部６１０内のパ
ルス発生回路のパルス周波数により制御される。第３実
施例のモータ装置６００の駆動部６１０においては、前
記回転軸の回転速度を示すパルス周波数を電流制御部６
２０に出力する。電流制御部６２０においては、駆動部
６１０から入力された回転軸２００の回転速度を示すパ
ルス周波数に基づいて、円環状磁石２７２に流す電流量
を制御する。すなわち、回転軸の回転数に応じて、回転
軸２００に対して適切なラジアル剛性となるような磁界
を円環状磁石２７２が作るように円環状磁石２７２に流
れる電流を制御する。

【００２７】このような第３実施例のモータ装置６００
によれば、回転軸の回転数に応じて適切なラジアル剛性
をもたせることができる。磁気軸受においては、一般に
剛性が弱くなると回転軸が共振する危険速度が小さくな
るが、第３実施例のモータ装置６００によれば、固有振
動数以下の任意の回転速度において、ラジアル剛性が維
持され安定して回転軸が支持される。また、回転軸の固
有振動数近くで回転軸が回転をしている時は、最大の剛
性をもたせるように円環状磁石の磁力を制御することが
可能となる。したがって、回転ムラが少なく信頼性の高
いモータ装置を実現できる。

【００２８】

【発明の効果】以上述べたように、本発明のモータ装置
においては、回転軸を、ラジアル方向については磁気的
に非接触で支持し、またスラスト方向についても簡単な
機械的手段により支持する構成とした。したがって、摩
擦・磨耗が非常に少なく、したがって耐久性があり、騒
音・振動が非常に少ないモータ装置が実現できる。ま
た、偏心が生じても軸受装置からの抗力を受けないの
で、回転が妨げられることなく、高速回転が可能であ
る。さらに、潤滑油が不必要なので、クリーンルームな
どの特殊雰囲気中でも使用可能である。また、完全非接
触な磁気軸受装置を用いたモータ装置に比べ、性能はほ
ぼ同等でありながら、制御装置が不要で、構造が簡単な
ので、安価で小型なモータ装置が実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施例のモータ装置の構成を示す概略図で
ある。

【図２】第１実施例のモータ装置に適用された軸受装置
の作用を説明する図である。

【図３】ステージの変形例を示す図である。

【図４】第２実施例のモータ装置の構成を示す概略図で
ある。

【図５】第３実施例のモータ装置の構成を示す概略図で
ある。

【符号の説明】

３００，５００，６００ モータ装置 ２００，２９０ 回転軸 １１０，１６０ 軸受装置 ２１０，２１１ ステージ ２１２ 平面部 ２１３ 段差 ２２０，２７０ 磁力作用部 ２２１，２７１ 円筒状磁石 ２２２，２７２ 円環状磁石 ４１０ 磁力線 ４２０，４３０ 磁力 ３１０ 回転部 ３１１ 回転子 ３１２ 固定子 ３２０，６１０ 駆動部 ５１０ 回転数検出部 ５２０，６２０ 電流制御部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中村 講夫 埼玉県大宮市北袋町１−297 三菱マテリ アル株式会社メカトロ・生産システム開発 センター内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】回転軸と、 前記回転軸に設けられ、該回転軸方向に沿って対向して
   磁化された円筒状磁石と、 前記回転軸の周囲に前記円筒状磁石と所定の間隔を隔て
   て設けられ、前記円筒状磁石と協働してラジアル方向に
   前記回転軸を支持するように磁化されている円環状磁石
   と、 該回転軸のスラスト方向の移動を停止させるため回転軸
   の先端に当接させて設けられた係止手段と、 前記回転軸を回転させるモータ手段と、 を有するモータ装置。
2. 【請求項２】前記円環状磁石は、前記円筒状磁石の前記
   係止手段側に設けられ、該円環状磁石および円筒状磁石
   は協働して、前記スラスト方向の前記係止手段の向きに
   該回転軸を指向させる、請求項１記載のモータ装置。
3. 【請求項３】前記係止手段は、前記回転軸の先端と所定
   の摩擦係数を有して当接し該回転軸をスラスト方向に支
   え、前記回転軸の回転数を検出する回転数検出手段と、
   前記検出された回転数に基づいて、前記円環状磁石の磁
   力を制御する磁力制御手段とをさらに有し、前記回転軸
   のスラスト方向に加える負荷を制御し、該回転軸の回転
   数を制御する請求項２記載のモータ装置。
4. 【請求項４】前記モータ手段より回転軸の回転数を入力
   し、該入力結果に基づき当該回転数に適切なラジアル剛
   性を持たせるように前記円環状磁石の磁力を制御する磁
   力制御手段をさらに有する請求項１または２記載のモー
   タ装置。