JPH11311260A

JPH11311260A - 磁気カップリング装置

Info

Publication number: JPH11311260A
Application number: JP11827198A
Authority: JP
Inventors: Koichi Hashimoto; 浩一橋本; Shogo Tanaka; 省吾田中
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1998-04-28
Filing date: 1998-04-28
Publication date: 1999-11-09
Anticipated expiration: 2018-04-28
Also published as: JP4264853B2

Abstract

(57)【要約】【課題】樹脂による永久磁石のヨークへの固着をなく
し、磁気回路に影響しない固着手段を適用して磁気式カ
ップリング装置の小型化を図る。【解決手段】磁気回路に交差あるいは重複する部分に
磁性領域をまたそれ以外を非磁性領域に制御した複合材
料からなる固着手段によって、永久磁石をヨークに固定
する。樹脂の使用によるアウトガスの問題あるいは使用
温度の制限等が解決でき、性能も向上することが可能で
ある。

Description

【発明の詳細な説明】

【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１
２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】さて、従前から知られ
ている図７または８に示す磁気カップリング装置には、
以下に説明するような技術課題を持つことがわかった。
即ち、以前にも増して磁気カップリング装置を使用する
環境あるいは条件が厳しくなり、現状の構成ではこのよ
うな要請に対して対応が困難もしくは不可能になってき
たことである。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、成膜の品質を高める製造方法の
導入が増えていることである。高真空槽内で磁気カップ
リング装置を設置した場合、アウトガスあるいは洗浄の
問題が常に付きまとうことになる。磁石の材質は硬く脆
いため、高精度で複雑な加工が困難であり、また磁石を
直接ヨークの所定位置に固定できる機構を設けることが
難しい。このため、補助的な手段が必要となり、この付
加手段により複雑化してしまう。

【０００９】また、従来技術による磁石の固着方法とし
て、高分子を縮合重合した樹脂接着剤が一般的に用いら
れてきた。接着剤は周知のようにアウトガスの原因とな
り、高真空機器に適用できない。また、樹脂接着剤は軟
化温度以上に加熱できないこと、組成の一部が溶出し易
いこと等の問題があり、使用環境あるいは条件を考慮す
るとかなりの範囲でその使用が制約される。さらに、真
空中や高温等の雰囲気中での使用制限は、今後の市場ト
レンドにそぐわないものである。

【００１０】加えて、磁気カップリング装置に対して高
性能化と共に小型化の要請が強いことである。この要請
に対する従来技術における大きな障害は、磁石とヨーク
の固着の方法である。樹脂等の接着剤を使わないで磁石
を固着する方法として、非磁性材による機械的な固定手
段を設けられた。しかし、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ってしまい、小
型化に対する高いハードルとなっていた。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を意味し、磁気
力の低下を招き実用上不可能であった。一方、保護もし
くはその他の目的で永久磁石を覆うか密封構造を採用し
た場合、非磁性材のカバー等が用いられるため、磁気ギ
ャップが長くなってしまう。これは前述した理由により
磁気カップリング装置の大型化を招く。

【００１１】また、ヨークをなくし負荷側の作動機構に
磁石を直接設置する一体的組み込み構造にするか、もし
くは磁石の代わりにヨークにその機能を持たせる構造を
採用すれば、磁気カップリングの大幅な小型化に繋がる
ことは自明である。しかし、従来の磁気カップリング装
置ではこのような構成がとれなった。磁気的な絶縁をし
て磁石を収納するスペース確保することが困難である
上、適切な磁石の固定手段がなく上記した構成をとろう
とすると、徒に構造が複雑化し性能の低下を招いてしま
う。磁気カップリング装置では磁気回路が機械構成部品
に近接して共存する場合、両者を絶縁する必要がある
が、非磁性と磁性の両方を兼ね備える良好で且つ実用性
のある複合材がなく、小型化と高性能化が設計上の隘路
となっていた。

【００１２】また、磁石の製作上からくる制約もある。
例えば、現在最も高性能な磁石はSm,Nd等を用いた希土
類磁石であるが、粉末焼結工程を経て製造されるため、
大形の磁石の製造が難しく安定した特性が得られにくい
点である。一体化した大形磁石はコスト高ではあるが、
組立工数を低減でき、性能のバラツキを少なくなる。し
かし、現実的にはコストが重要視され、実際は製造し易
い大きさの磁石を複数組み合わせることが行われてい
る。このため、前述したような固着手段の問題が浮上し
てくる。

【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に対する新たなニー
ズが増えてきているが、従来構造ではこのニーズに対応
困難か不可能であった。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
大型化の要因になり、なんら解決する糸口を見いだせな
い。

【００１４】

【課題を解決するための手段】次に、従来技術の課題を
解決する手段について詳説することにする。本発明者は
長年磁気カップリング装置の開発に携わってきた。最
近、同一化学組成を持ちながら、非磁性と磁性領域に形
成制御できる複合材が開発され、特開平９−９３８８５
号公報に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。この特異な複合材は磁性と非磁性部
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発見した。この複合材を用い
ることによって従来技術の課題を一挙に解決できること
がわかり、本発明を想到するに至った。

【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、C
r：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】

【発明の実施の形態】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に固定する方法であり、隔壁１２の両側の拡大し
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は磁石を機械的に係止する固
定手段機能を持っている。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上、逆に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

【特許請求の範囲】

【請求項１】ギャップを介して非接触で磁気力によっ
て機械力を一方から他方に伝達する磁気カップリング装
置において、前記磁気カップリング装置の磁気回路もし
くは機械構成部品の少なくとも一部に磁性および非磁性
部分を有する複合材を使用していることを特徴とする磁
気カップリング装置。
【請求項２】請求項１において、前記複合材は少なく
とも磁気回路の一部を形成することを特徴とする磁気カ
ップリング装置。
【請求項３】請求項１または２のいずれかにおいて、
少なくとも磁気回路を固着する手段を前記複合材で構成
することを特徴とする磁気カップリング装置。
【請求項４】対となる磁石をギャップを介して対向さ
せ、トルクあるいは力を伝達する磁気カップリング装置
において、前記磁石の少なくとも一方は、非磁性もしく
は磁性部分に変換された複合材からなる固着手段によっ
て係止されていることを特徴とする磁気カップリング装
置。
【請求項５】請求項４において、前記複合材からなる
固着手段は前記磁石の少なくとも一方を覆うかもしくは
密封する機能を併せ持つことを特徴とする磁気カップリ
ング装置。
【請求項６】請求項４または５のいずれかにおいて、
前記複合材からなる固着手段が磁気回路と交差もしくは
接する部分は磁性体部分であることを特徴とする磁気カ
ップリング装置。
【請求項７】請求項６において、前記磁性部分は漏れ
磁束を増加させないように配置されることを特徴とする
磁気カップリング装置。
【請求項８】請求項４において、前記固着手段は磁石
の少なくとも一方を埋め込む構成にし、漏洩磁束を増加
させないように適宜磁性部と非磁性部を配設することを
特徴とする磁気カップリング装置。
【請求項９】請求項４〜８のいずれかにおいて、前記
係止された磁石は接着剤等の他の固着手段が併設されて
いないことを特徴とする磁気カップリング装置。
【請求項１０】少なくとも一方に磁石を組み込み、ギ
ャップを介してトルクあるいは力を伝える磁気カップリ
ング装置において、前記磁石からの磁束が入射する部材
は、磁性部および非磁性部を有する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。
【請求項１１】請求項１０において、前記複合材によ
る部材は非磁性領域もしくは磁性領域を複数有すること
を特徴とする磁気カップリング装置。
【請求項１２】請求項１０または１１のいずれかにお
いて、前記複合材のよる部材は非磁性領域と磁性領域が
交互に存在することを特徴とする磁気カップリング装
置。
【請求項１３】請求項１０〜１２のいずれかにおい
て、前記複合材のよる部材の非磁性部および磁性部の領
域は、前記磁石の着磁極数に等しいことを特徴とする磁
気カップリング装置。
【請求項１４】請求項１０〜１３のいずれかにおい
て、少なくとも前記磁石は前記複合材による固着手段で
機械的に係止され、接着剤等の他の固着手段で係止され
ていないことを特徴とする磁気カップリング装置。
【請求項１５】請求項３〜１４のいずれかにおいて、
前記ギャップ中に非磁性の隔壁を有することを特徴とす
る磁気カップリング装置。
【請求項１６】請求項１〜１５のいずれかにおいて、
前記複合材は結晶構造が異なる同一素材からなることを
特徴とする磁気カップリング装置。
【請求項１７】請求項１６において、加熱変成されて
非磁性部を形成した前記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。
【請求項１８】請求項１６または１７のいずれかにお
いて、前記複合材はステンレス鋼もしくは高マンガン鋼
からなることを特徴とする磁気カップリング装置。
【請求項１９】請求項３，９，１４〜１８のいずれか
において、食品加工関係機器あるいは食品搬送装置等に
組み込まれることを特徴とする磁気カップリング装置。
【請求項２０】請求項１５〜１８のいずれかにおい
て、成膜装置もしくは真空機器等に組み込まれることを
特徴とする磁気カップリング装置。
【請求項２１】請求項３，９，１４〜１８のいずれか
において、医療関係の機器または装置に組み込まれるこ
とを特徴とする磁気カップリング装置。
【請求項２２】請求項３，９，１４〜１８いずれかに
おいて、前記磁石のキュリー点まで高温動作ができるこ
とを特徴とする磁気カップリング装置。