JPWO2006098500A1

JPWO2006098500A1 - 磁気装置

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Publication number: JPWO2006098500A1
Application number: JP2007508255A
Authority: JP
Inventors: 正明山片; 皖史秋山
Original assignee: Rigaku Corp
Current assignee: Rigaku Corp
Priority date: 2005-03-18
Filing date: 2006-03-16
Publication date: 2008-08-28
Anticipated expiration: 2026-03-16
Also published as: US7719152B2; US20090033165A1; JP4942114B2; WO2006098500A1

Abstract

ケース（１）に回転軸（２）を収納する。回転軸（２）には強磁性体部（２０）を形成し、ケース（１）に電磁石（１０）を設ける。電磁石（１０）の磁極面には、回転軸（２）の移動を規制したい方向に多数の凸部（１３）を並べて形成する。また、強磁性体部（２０）にも同様に多数の凸部（２１）を形成する。この構成により、電磁石（１０）で発生した磁束が凸部（１３）に集中し、その結果、強磁性体部（２０）に対する径方向への吸引力の減少を抑えつつ、軸方向における復元力が発生する。このため、回転軸（２）の軸方向への移動を規制することが可能となる。

Description

本発明は、電磁石と、この電磁石の磁極面と非接触にて対向して設けられた強磁性体とを備えた磁気装置に関し、詳しくは電磁石の磁力を利用した磁気軸受やリニアモータ等に好適な磁気装置に関する。

従来から磁気装置に関する発明は、多数提案されている。例えば、特開２００１−２６３３５１号公報には、回転子を電磁石の吸引力を利用して回転自在に支持する磁気軸受構造が開示されている。

本発明者らは、従来の磁気装置の構造を踏まえ、磁束を発生させる電磁石の磁極面の形状に着目して鋭意研究を重ねてきた。そして、電磁石の磁極面および電磁石によって制御される強磁性体の各対向面に多数の凸部を形成することにより、従来にない特有の効果が得られることを発見した。
すなわち、本発明は、電磁石と、この電磁石の磁極面と非接触にて対向して設けられた強磁性体とを備えた磁気装置において、電磁石の磁極面および強磁性体の各対向面に、多数の凸部を形成したことを特徴とする。
具体的には、電磁石と強磁性体とにより、被駆動体を非接触にて支持する上記磁気装置において、強磁性体を被駆動体に設けるとともに、上記多数の凸部を被駆動体の移動を規制したい方向へ並べて配置した構成とすることができる。
かかる構成によれば、電磁石で発生する磁束が多数の凸部に集中するため、対向する強磁性体に対する吸引力または反発力の位置分解能が高まり、強磁性体を高精度に移動規制することが可能となる。
上記の構成において、各凸部は、先端に向かって横断面積が小さくなる形状とすることが好ましい。
また、本発明は、電磁石と強磁性体とにより、被駆動体を非接触にて駆動する上記磁気装置において、次の第１乃至第３の要件を満たす構成とすることもできる。
第１に、電磁石を複数備え、各電磁石は被駆動体を駆動させたい方向へ並べて配置する。
第２に、強磁性体を、被駆動体に設ける。
第３に、複数の電磁石の磁極面は、各磁極面に形成された上記凸部の位相が、任意の周期でもとにもどるようにずらしてある
かかる構成によれば、各電磁石を所定のタイミングで制御して、磁場を移動させることにより、強磁性体に対する磁力による吸引力または反発力の方向が移動していくため、強磁性体とともに被駆動体を移動させることが可能となる。この場合にも、電磁石で発生する磁束が多数の凸部に集中するため、対向する強磁性体に対する吸引力または反発力の位置分解能が高まり、強磁性体の移動制御を高精度に行うことが可能となる。
上記の構成においては、各凸部を、矩形状の縦断面を有する形状とすることが好ましい。
また、駆動体がケースの内部に収納された上記磁気装置において、
電磁石が、ケースの外部に装着された鉄心と当該鉄心に巻回された磁気コイルとを含み、
鉄心の端面が磁極面を構成するとともに、当該鉄心の端面を非積層強磁性体で形成し、かつ当該非積層強磁性体をケースの内壁の一部となるように当該ケースの内面に露出させた構成とすることができる。
例えば、真空モータ等の磁気装置にあっては、ケースの内部を高真空雰囲気とする必要がある。しかし、従来の真空モータは、このケースの内部に、磁気軸受が配設されており（例えば、特開平１０−２８８１９１号公報参照）、しかもモータを構成する電磁石の鉄心に積層鋼板が用いられていたので、この積層鋼板にサンドイッチされた樹脂製接着剤から放出されるガスの影響により、ケース内を高真空雰囲気とすることが困難であった。
さらに、真空モータを高温下で運転する必要のある場合は、積層鋼板にサンドイッチされた樹脂製接着剤から多量のガスが放出されるため、いっそう高真空雰囲気を形成することが困難であった。
これに対し、上記構成によれば、電磁石をケースの外部に配設することで、電磁石を構成する鉄心が積層鋼板で形成されていても、積層鋼板からの放出ガスの影響を受けることなく、ケース内を高真空雰囲気とすることができる。
しかし、ステータをケースの外部に配設しただけでは、被駆動体に設けられた強磁性体との間隔が広がってしまい、被駆動体を駆動するために必要な磁力が弱まり、充分なトルクが得られないおそれがある。
上記構成によれば、磁極を構成する鉄心の少なくとも端面を非積層強磁性体で形成し、さらにこの鉄心の端面をケースの内面に露出させることで、被駆動体に設けられた強磁性体との間隔を狭めている。これにより、強力な磁力を得ることができ、充分に大きなトルクをもって被駆動体を駆動することが可能となる。鉄心の端面は、非積層強磁性体で形成してあるので、ケースの内面に露出させても当該部位からガスが放出されることはない。しかも非積層強磁性体で形成した鉄心は、高温下や温度変化の激しい環境下においても高い耐久性，耐食性を保持することができる。
以上説明したように、本発明によれば、電磁石の磁極面および強磁性体の各対向面に多数の凸部を形成したので、電磁石で発生する磁束が多数の凸部に集中するため、対向する強磁性体に対する吸引力または反発力の位置分解能が高まり、強磁性体の移動規制や移動制御を高精度に行うことが可能となる。

図１は、本発明の磁気装置を磁気軸受に適用した第１の実施形態を示す正面断面図である。
図２は、図１のＡ−Ａ線断面図である。なお、ケースの断面は省略してある。
図３は、図１のＢ−Ｂ線断面図である。なお、ケースの断面は省略してある。
図４は、ケースの正面断面図である。
図５は、回転軸の正面図である。
図６Ａ，図６Ｂ，図６Ｃは、磁気軸受の凸部形状と作動原理を説明するための図である。
図７は、本発明の磁気装置をリニアモータに適用した第２の実施形態を示す正面断面図である。
図８Ａ，図８Ｂ，図８Ｃ，図８Ｄは、磁気駆動部の凸部形状と形成ピッチ、および作動原理を説明するための図である。
図９は、第１の実施形態に係る磁気軸受の変形例を示す図である。
図１０は、第１の実施形態に係る磁気軸受の他の変形例を示す図である。
図１１は、磁気軸受について好適な凸部形状を求めるために行った実験データを示す図である。
図１２は、リニアモータについて好適な凸部形状を求めるために行った実験データを示す図である。

本発明に係る好ましい実施の形態について図面を参照しながら説明する。
〔第１の実施形態〕
図１乃至図６Ｃは、本発明の磁気装置を磁気軸受に適用した第１の実施形態を示している。
図１に示す装置は回転式のモータ装置であり、ケース１と、回転軸２（被駆動体）と、磁気軸受３と、回転駆動部４とで主要部が構成されている。
ケース１は内部が中空となっており（図４参照）、このケース１の中空部内に丸棒状の回転軸２（被駆動体）が収納されている。
磁気軸受３は、回転軸２を非接触にて回転自在に支持するもので、ケース１の両端部付近にそれぞれ設けた複数の電磁石１０と、回転軸２に形成した強磁性体部２０とで構成してある。複数の電磁石１０は、ケース１の両端部付近でそれぞれ周方向に一定の間隔をおいて設けてある。本実施形態では、図２に示すように、４個の電磁石１０を９０°間隔で設けてある。また、本実施形態では、回転軸２を強磁性体で形成し、その一部を磁気軸受３の構成要素である強磁性体部２０として加工してある。
電磁石１０は、コ字状の鉄心１１にコイル１２を巻回して形成してある。鉄心１１の端面は磁極面１１ａ，１１ｂを構成しており（図４参照）、コイル１２を通電したとき発生する磁束が、一方の磁極面１１ａから放出され他方の磁極面１１ｂにもどる磁気回路を形成する。電磁石１０は、ケース１の外部に設けてあり、磁極面１１ａ，１１ｂのみがケース１の内周面に露出している。各磁極面１１ａ，１１ｂには、多数の細かな凸部１３が一定の間隔で、回転軸２の軸方向に沿って並べて形成してある（図１，図４参照）。各凸部１３はケース１の内周方向に延びている。
回転軸２に形成した強磁性体部２０は、電磁石１０の磁極面１１ａ，１１ｂと僅かな隙間を隔てて対向しており、その表面には多数の細かな凸部２１が一定の間隔で、回転軸２の軸方向に沿って並べて形成してある（図１，図５参照）。各凸部２１は、回転軸２の周方向に延びている。
回転駆動部４は、ケース１の両端部付近に設けられた磁気軸受３に挟まれた中間部に設けてある。この回転駆動部４は、ケース１に設けた複数の電磁石３０と、回転軸２に形成したロータ部４０とで構成してある。複数の電磁石３０は、図３に示すように、ケース１の周方向に一定の間隔をおいて設けてある。本実施形態では、ロータ部４０は、強磁性体から成る回転軸２の一部を加工して形成してある。
電磁石３０は、磁気軸受３と同様、コ字状の鉄心３１にコイル３２を巻回して形成してある。鉄心３１の端面は磁極面３１ａ，３１ｂを構成しており（図４参照）、コイル３２を通電したとき発生する磁束が、一方の磁極面３１ａから放出され他方の磁極面３１ｂにもどる磁気回路を形成する。電磁石３０は、ケース１の外部に設けてあり、磁極面３１ａ，３１ｂのみがケース１の内周面に露出している。各磁極面３１ａ，３１ｂには、多数の細かな凸部３３が一定の間隔で、回転軸２の周方向に沿って並べて形成してある（図３参照）。各凸部３３はケース１の長手方向に延びている。
回転軸２に形成したロータ部４０は、電磁石３０の磁極面３１ａ，３１ｂと僅かな隙間を隔てて対向しており、その表面には多数の細かな凸部４１が一定の間隔で、回転軸２の周方向に沿って並べて形成してある（図１，図５参照）。各凸部４１は、回転軸２の軸方向に延びている。
また、ケース１の周壁には、適所に回転軸２の外周面との間の間隔（径方向の間隔）を検出するための非接触センサ５０が設けてある。これら非接触センサ５０としては、例えば、渦電流センサ、静電容量センサ、光学式センサなどを適用することができる。
図６Ａ乃至図６Ｃは、上述した磁気軸受の凸部形状と作動原理を説明するための図である。
図６Ａに示すように、磁気軸受３を構成する電磁石１０の磁極面に形成した凸部１３、および回転軸２の強磁性体部２０に形成した凸部２１は、それぞれ同じ形状で且つ等しい間隔をもって形成されている。これらの凸部１３，２１は、先端に向かって横断面積が小さくなる形状（すなわち、台形状）としてある。かかる凸部１３，２１の形状は、本発明者らが実施した後述の実施例に基づいて設定したものである。
電磁石１０に発生した磁束は、図６Ｂに示すように、一方の磁極面１１ａに形成した各凸部１３の先端から、対向する強磁性体部２０における各凸部２１の先端に向かって流れる。なお、図示してはいないが、強磁性体部２０の各凸部２１に入った磁束は、強磁性体部２０を経由して他方の磁極面１１ｂと対向する強磁性体部２０の各凸部２１先端から他方の磁極面１１ｂに形成した各凸部１３に帰還して磁気回路を形成する。かかる磁気回路において、磁極面１１ａ，１１ｂに形成した各凸部１３とこれらに対向する強磁性体部２０の各凸部２１との間に、磁束による径方向の吸引力が作用する。磁気軸受３は、周方向に一定の間隔（本実施形態では９０°の間隔）をおいて複数の電磁石１０を備えており、各電磁石１０が図示しない制御回路により制御されて、回転軸２を磁気浮上させた状態に支持する。ここで、制御回路は、非接触センサ５０からの検出信号に基づいてコイル１２に流す電流値が計算し、その計算された電流値をもって各磁気軸受を制御している。
また、回転軸２が軸方向に移動しようとすると、図６Ｃに示すように、電磁石１０の磁極面１１ａ，１１ｂに形成した凸部１３と回転軸２の強磁性体部２０に形成した凸部２１との間の相対位置にずれが生じ、これら凸部１３，２１の隙間が開く。これに対して、電磁石１０から発生した磁束は、各凸部１３，２１の間隔を縮める方向、すなわち回転軸２をもとの位置に戻そうとする方向（軸方向）の吸引力として、回転軸２の強磁性体部２０に作用する。
ここで、電磁石１０で発生する磁束は多数の凸部１３に集中しているので、強磁性体部２０に対する径方向への吸引力の減少を抑えつつ、軸方向における復元力が発生する。このため、回転軸２を高精度に移動規制することが可能となる。すなわち、本実施形態の磁気軸受３によれば、被駆動体である回転軸２を径方向のみならず軸方向にも支持することが可能となる。したがって、回転軸２の軸方向への移動を規制するためのスラスト軸受を別途設ける必要がなくなり、小形化、低価格化、および制御の容易化を図ることができる。
回転駆動部４は、いわゆるステッピングモータを構成しており、複数の電磁石３０に対する適切な電流制御を実行することで、磁束により回転軸２を回転駆動する。
〔第２の実施形態〕
図７は本発明の磁気装置をリニアモータに適用した第２の実施形態を示している。
図７に示すリニアモータは、ケース１と、被駆動体２と、この被駆動体２を軸方向へ移動させる磁気駆動部５とで主要部が構成されている。なお、図７では、被駆動体２を磁気浮上させる磁気軸受は省略してある。
ケース１は内部が中空となっており、このケース１の中空部内に被駆動体が収納されている。被駆動体２は、ケース１内で長手方向に移動自在となっている。
磁気駆動部５は、ケース１の周壁に設けた電磁石６０と、被駆動体２に形成した強磁性体部２０とで構成してある。また、本実施形態では、被駆動体２を強磁性体で形成して、そのほぼ全体が強磁性体部２０を形成している。
電磁石６０は、被駆動体２の移動方向、すなわちケース１の長手方向に一定の間隔で複数列（図７では３列）設けられている。電磁石６０は、図では明確でないが、コ字状の鉄心６１にコイル（図示せず）を巻回して形成してある。鉄心６１の各端面は磁極面を構成しており、それら磁極面がケース１の周方向に並ぶように配置してある。コイルを通電すると、鉄心６１の内部に磁束が発生し、一方の磁極面から放出され他方の磁極面にもどる磁気回路が形成される。電磁石６０は、ケース１の外部に設けてあり、磁極面のみがケース１の内周面に露出している。各磁極面には、多数の細かな凸部６２が一定の間隔で、被駆動体２の移動方向（すなわち、長手方向）に沿って並べて形成してある。各凸部６２はケース１の内周方向に延びている。
被駆動体２に形成した強磁性体部２０は、電磁石６０の磁極面と僅かな隙間を隔てて対向しており、その表面には多数の細かな凸部２１が一定の間隔で、被駆動体２の移動方向に沿って並べて形成してある。各凸部２１は、被駆動体２の周方向に延びている。
図８Ａ乃至図８Ｄは、上述した磁気駆動部の凸部形状と形成ピッチ、および作動原理を説明するための図である。
図８Ａに示すように、磁気駆動部５を構成する電磁石６０の磁極面に形成した凸部６２、および被駆動体２の強磁性体部２０に形成した凸部２１は、それぞれ同じ形状で形成されている。これらの凸部６２，２１は、矩形状の縦断面を有する形状となっている。かかる凸部６２，２１の形状は、本発明者らが実施した後述の実施例に基づいて設定したものである。
また、被駆動体２に形成された多数の凸部２１は、一定の間隔で並べて形成してある。一方、複数の電磁石６０の磁極面は、各磁極面に形成された凸部６２の位相が、任意の周期でもとにもどるようにずらしてある。本実施形態では、図８Ａに示すように、３列の電磁石６０の各々に形成した多数の凸部６２ａ，６２ｂ，６２ｃが、被駆動体２に形成された凸部２１に対し、電磁石毎に１／３ずつ位相をずらして構成してある。なお、同一の磁極面に形成した各凸部６２は、等しい間隔で並んでいる。
３列の電磁石６０は、例えば図８Ｂ乃至図８Ｄのようにコイルへの通電が制御される。まず、第１列目の電磁石６０を通電すると、当該電磁石６０における鉄心６１の磁極面に形成された凸部６２ａから磁束が放出され、もっとも近くにある強磁性体部２０の凸部２１に流れる。これら凸部６２ａ，２１の間には磁束による吸引力が作用し、その吸引力をもって強磁性体部２０の凸部２１が電磁石６０における鉄心６１の磁極面に形成された凸部６２ａと対向する位置に移動する（図８Ｂ）。次に、第１列目の電磁石６０に対する通電を停止し、第２列目の電磁石６０を通電すると、当該電磁石６０における鉄心６１の磁極面に形成された凸部６２ｂから磁束が放出され、もっとも近くにある強磁性体部２０の凸部２１に流れる。これら凸部６２ｂ，２１の間には磁束による吸引力が作用し、その吸引力をもって強磁性体部２０の凸部２１が電磁石６０における鉄心６１の磁極面に形成された凸部６２ｂと対向する位置に移動する（図８Ｃ）。続いて、第２列目の電磁石６０に対する通電を停止し、第３列目の電磁石６０を通電すると、当該電磁石６０における鉄心６１の磁極面に形成された凸部６２ｃから磁束が放出され、もっとも近くにある強磁性体部２０の凸部２１に流れる。これら凸部６２ｃ，２１の間には磁束による吸引力が作用し、その吸引力をもって強磁性体部２０の凸部２１が電磁石６０における鉄心６１の磁極面に形成された凸部６２ｃと対向する位置に移動する（図８Ｄ）。このようにして、被駆動体２を浮上状態で移動させることができる。
ここで、電磁石６０に発生する磁束は多数の凸部６２に集中しているので、強磁性体部２０に対する吸引力の位置分解能が増強される。このため、被駆動体２を高精度に移動制御することが可能となる。
〔変形例〕
図９は、第１の実施形態に係る磁気装置の変形例を示す図である。
本実施形態では、磁気軸受３を構成する電磁石１０の鉄心１１と、回転駆動部４を構成する電磁石３０の鉄心３１とが、積層鋼板によって形成されている。この種の電磁石を用いる場合は、当該電磁石における鉄心１１，３１の端面（磁極面）に、非積層強磁性体７０，７１で形成した薄板を貼り付け、かかる非積層強磁性体７０，７１をケース１の内周面に露出される構成とすることがこのましい。
特に、本実施形態の磁気装置を真空モータに適用する場合には、ケース１内を真空雰囲気にする必要がある。上記構成によれば、電磁石をケース１の外部に配設することで、電磁石１０，３０を構成する鉄心１１，３１が積層鋼板で形成されていても、積層鋼板からの放出ガスの影響を受けることなく、ケース１内を高真空雰囲気とすることができる。
上記構成は、第２の実施形態に係るリニアモータにも適用できることは勿論である。
鉄心１１，３１の端面に貼り付けた薄板を形成する非積層強磁性体７０，７１としては、ＪＩＳ規格で４００番台が付されたステンレス（電磁ステンレス）が好適である。この他にも、純鉄、鋼、パーメンジュール（Ｆｅ５０／Ｃｏ５０）等の合金、フェライトなどを適用することも可能である。ただし、透磁率が高く、耐食性に優れ、渦電流特性が良好で、ガス吸着性が低いという点において、上記電磁ステンレスがもっとも好ましい。
図１０は、第１の実施形態に係る磁気装置の別の変形例を示す図である。
図１０に示すように、回転軸２（被駆動体）を非磁性体で形成するとともに、強磁性体で形成した環状部材８０，８１を回転軸２に嵌め込む構成としてある。環状部材８０，８１には、既述した凸部２１，４１が形成してある。このように、回転軸２を非磁性体で形成することで、環状部材８０，８１（強磁性体）を磁気的に遮断することができる。よって、磁束のもれを抑制して磁力の増強を図ることが可能となる。
なお、本発明は上述した実施形態や変形例に限定されるものではない。
例えば、強磁性体を高透磁率のものから、高保持力のもの即ち永久磁石に変更すれば、電磁石で発生した磁力が、反発力や強い引力として永久磁石に作用する。この力を利用して、被駆動体の移動規制や移動制御を行うことも可能である。
本明細書において、「強磁性体」には電磁石の励起状態にて強磁性を示す物質、例えば、鉄や電磁ステンレスを含んでいる。
〔実験例〕
図１１は、磁気軸受について好適な凸部形状を求めるために行った実験データを示す図である。実験は、深さ１ｍｍ程度の凸部を形成し、その両側面の傾斜角度θを適宜変えて、対向する凸部間に生じる吸引力を測定する方法で実施した。実験の結果、両側面の傾斜角度θを２０°程度に設定したとき、もっとも大きな吸引力が発生した。この実験結果から、磁気軸受等の移動規制を行う構成については、凸部を傾斜角度が２０°程度の台形状に形成することが好ましい。
図１２は、リニアモータについて好適な凸部形状を求めるために行った実験データを示す図である。実験は、深さ１．２ｍｍ程度の凸部を形成し、その両側面の傾斜角度θを適宜変えて、対向する凸部間に生じるトルクを測定する方法で実施した。実験の結果、両側面の傾斜角度θを０°、すなわち矩形断面としたとき、もっとも大きなトルクが発生した。この実験結果から、リニアモータ等の駆動制御を行う構成については、凸部を矩形断面に形成することが好ましい。

以上説明したように、本発明によれば、電磁石の磁極面および強磁性体の各対向面に多数の凸部を形成したので、電磁石で発生する磁束が多数の凸部に集中するため、対向する強磁性体に対する吸引力または反発力の位置分解能が高まり、強磁性体の移動規制や移動制御を高精度に行うことが可能となる。

Claims

電磁石と、この電磁石の磁極面と非接触にて対向して設けられた強磁性体とを備え、前記電磁石の磁極面および前記強磁性体の各対向面に、多数の凸部を形成した磁気装置。
前記強磁性体を、前記被駆動体に設けるとともに
前記多数の凸部を、前記被駆動体の移動を規制したい方向へ並べて配置し、
前記電磁石と前記強磁性体とにより、被駆動体を非接触にて支持する請求項１の磁気装置。
前記各凸部は、先端に向かって横断面積が小さくなる形状としてある請求項２の磁気装置。
前記電磁石と前記強磁性体とにより、被駆動体を非接触にて駆動する請求項１の磁気装置において、さらに、次の第１乃至第３の要件を満たす磁気装置。
第１に、前記電磁石を複数備え、各電磁石は前記被駆動体を駆動させたい方向へ並べて配置する。
第２に、前記強磁性体を、前記被駆動体に設ける。
第３に、前記複数の電磁石の磁極面は、各磁極面に形成された凸部の位相が、任意の周期でもとにもどるようにずらしてある。
前記各凸部は、矩形状の縦断面を有する請求項４の磁気装置。
前記被駆動体がケースの内部に収納され、
前記電磁石は、前記ケースの外部に装着された鉄心と当該鉄心に巻回された磁気コイルとを含み、
前記鉄心の端面が磁極面を構成するとともに、当該鉄心の端面を非積層強磁性体で形成し、かつ当該非積層強磁性体を前記ケースの内壁の一部となるように当該ケースの内面に露出させた請求項１の磁気装置。