(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＮＭＲサンプルのスピンのためのロータ駆動装置であって、
回転軸に沿って配置されているロータ本体と、前記ロータ本体の軸方向端部に配置されているロータ端部材とを含み、前記ロータ端部材が、ロータ端面と、前記ロータ端面に形成されている複数の駆動翼板とを備え、前記ロータ端面が、前記回転軸に配置されているロータ先端で終端するロータテーパ面を含む、ロータと、
ステータ本体と、ステータテーパ面とを含み、前記ステータテーパ面が、前記ロータテーパ面から軸方向に間隔を隔てられていて、前記回転軸と同軸のテーパ状輪郭を有する軸受隙間を形成するステータであって、前記ステータが、前記ステータ本体を貫いて形成されて、軸方向気体噴出オリフィスで終端する気体通路をさらに備えており、前記軸方向気体噴出オリフィスが、前記ステータテーパ面に配置されて前記回転軸と同軸上にある、ステータとを備えており、
前記ロータ端部材と前記ステータとが、前記軸方向気体噴出オリフィスから半径方向外側に、前記回転軸に対して角度をなして前記軸受隙間を通る気体流路を、共働して形成しており、
スピン中に前記ロータを軸方向に前記軸受隙間に押し込む手段をさらに備えている、ロータ駆動装置。
【請求項２】
前記押し込む手段は、前記ステータ本体に形成されている複数の駆動用気体噴出オリフィスと、前記複数の駆動翼板とを備えており、前記複数の駆動翼板のそれぞれは、前記ロータのスピン方向に対して前記ロータ先端側へ傾斜している、請求項１に記載のロータ駆動装置。
【請求項３】
前記ロータテーパ面が円錐形である、請求項１または２に記載のロータ駆動装置。
【請求項４】
前記ロータテーパ面が曲面状である、請求項１または２に記載のロータ駆動装置。
【請求項５】
前記ロータ端面は、前記ロータテーパ面につながっているロータ側面をさらに備え、前記駆動翼板の全部が前記ロータ側面に形成されている、請求項１ないし４のいずれか１項に記載のロータ駆動装置。
【請求項６】
前記ロータ端面が、前記ロータテーパ面につながっているロータ側面をさらに備え、前記駆動翼板の一部が前記ロータ側面に、前記駆動翼板の一部が前記ロータテーパ面に形成されている、請求項１ないし４のいずれか１項に記載のロータ駆動装置。
【請求項７】
前記ロータ端面が、前記ロータテーパ面につながっているロータ側面をさらに備え、前記駆動翼板の全部が前記ロータテーパ面に形成されている、請求項１ないし４のいずれか１項に記載のロータ駆動装置。
【請求項８】
前記ステータ本体は、前記駆動翼板に近接した複数の駆動用気体噴出オリフィスを備えている、請求項１ないし７のいずれか１項に記載のロータ駆動装置。
【請求項９】
各駆動用気体噴出オリフィスは、前記回転軸に対して角度をなして、大略的に前記ロータ先端に向かって下側に向いている、請求項８に記載のロータ駆動装置。
【請求項１０】
前記ステータ本体は、前記駆動用気体噴出オリフィスおよび前記軸受隙間に連通する排気通路をさらに備え、前記軸方向気体噴出オリフィスから前記軸受隙間を通る前記気体流路は、さらに前記軸受隙間から半径方向外側へと前記排気通路に向かう軸受用気体流路であり、前記ロータ端部材および前記ステータは、さらに前記駆動用気体噴出オリフィスから半径方向内側に前記駆動翼板に向かうとともに、前記駆動翼板から半径方向外側に前記排気通路に向かう駆動用気体流路を、共働して形成している、請求項８に記載のロータ駆動装置。
【請求項１１】
前記ステータを配置しているハウジングをさらに備え、前記ハウジングは、前記駆動用気体噴出オリフィスに連通している駆動用気体供給プレナムと、前記気体通路を介して前記軸方向気体噴出オリフィスに連通している軸受用気体供給プレナムとを含む、請求項８ないし１０のいずれか１項に記載のロータ駆動装置。
【請求項１２】
前記ステータ本体は、前記軸受隙間に連通している排気通路をさらに備えている、請求項１ないし９のいずれか１項に記載のロータ駆動装置。
【請求項１３】
前記ステータを配置しているハウジングと、前記ロータ本体に隣接して配置されている側方気体軸受と、前記ハウジング内に形成されている軸受用気体供給プレナムとをさらに含み、前記軸受用気体供給プレナムは、前記気体通路を介して前記軸方向気体噴出オリフィスと、前記側方気体軸受とに連通している、請求項１ないし１０のいずれか１項に記載のロータ駆動装置。
【請求項１４】
前記ロータ端面の前記テーパ部分と、前記ステータテーパ面とは、前記軸受隙間が前記軸方向気体噴出オリフィスから離れた位置で減少するように別々の形状にされている、請求項１ないし１３のいずれか１項に記載のロータ駆動装置。
【請求項１５】
前記ロータ本体は、前記回転軸に対して最外部の径を有しており、前記ロータ端部材は、前記ロータ本体の前記最外部の径に実質的に等しいか、またはそれ未満の最外部の径を有している、請求項１ないし１４のいずれか１項に記載のロータ駆動装置。
【請求項１６】
ＮＭＲサンプルのスピンのためのロータ駆動装置であって、
回転軸に沿って配置されているロータ本体と、前記ロータ本体の軸方向端部に配置されているロータ端部材とを含んでおり、前記ロータ端部材は、ロータ端面と、前記ロータ端面に形成されている複数の駆動溝とを備え、前記ロータ端面が、前記回転軸に配置されているロータ先端で終端しているロータテーパ面を含む、ロータと、
ステータ本体と、ステータテーパ面とを備えており、前記ステータテーパ面が、前記ロータテーパ面から軸方向に間隔を隔てられていて、前記回転軸と同軸のテーパ状輪郭を有する軸受隙間を形成している、ステータと、
気体を、前記回転軸から、半径方向外側に前記回転軸から遠ざかるように、前記軸受隙間を通るように方向づけて、スピン中に前記ロータを支持する気体軸受を形成する手段と、
スピン中に前記ロータを軸方向に前記軸受隙間に押し込む手段と、を備えたロータ駆動装置。
【請求項１７】
前記押し込む手段は、前記ステータ本体に形成されている複数の駆動用気体噴出オリフィスと、前記ロータ端面の駆動面とを備えており、前記駆動溝は、少なくとも一部が、前記駆動用気体噴出オリフィスに近接した前記駆動面に形成されていて、前記ロータのスピン方向に対して前記ロータ先端側へ傾斜している、請求項１６に記載のロータ駆動装置。
【請求項１８】
前記気体を方向づける手段は、前記ステータ本体を貫いて形成されている気体通路と、前記気体通路が終端する軸方向気体噴出オリフィスとを備えており、前記軸方向気体噴出オリフィスは、前記ステータテーパ面に配置され、前記回転軸と同軸である、請求項１６または１７に記載のロータ駆動装置。
【請求項１９】
前記ステータ本体は、複数の駆動用気体噴出オリフィスをさらに備えており、前記ロータ端面は駆動面をさらに含み、前記駆動溝は、少なくとも一部が、前記駆動用気体噴出オリフィスに近接した前記駆動面に形成されている、請求項１６ないし１８のいずれか１項に記載のロータ駆動装置。
【請求項２０】
回転軸を中心に、ＮＭＲサンプルスピン装置のロータをスピンさせる方法であって、前記ロータは前記回転軸に沿って配置されており、
気体を、前記回転軸から、前記回転軸に対して角度をなして半径方向外側に、前記ロータのロータ端部材とステータの軸受面との間のテーパ状軸受隙間に流すステップと、
前記ロータをスピンさせるステップであって、前記軸受隙間を通る気体によって、前記軸受隙間に形成される気体軸受上で、前記ロータ端部材をスピンさせるステップと、
スピン中に前記ロータを軸方向に前記軸受隙間に押し込むステップとを含む、方法。
【請求項２１】
前記ロータをスピンさせるステップは、第２気体を前記ロータ端部材の複数の駆動溝に当てるように流すステップを含んでおり、前記第２気体は、前記テーパ状軸受隙間を通る気体から分離している、請求項２０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に気体軸受によって支持する、および／または気体によって駆動する種類のロータに関する。ある具体的な実施例では、本発明は核磁気共鳴（ＮＭＲ）技術で利用されるサンプルスピナに関する。
【背景技術】
【０００２】
ロータアセンブリは、一般にステータとロータとを含む。空気、窒素または他の気体を利用して、ロータをステータに対して軸を中心にスピンするよう駆動してもよい。スピン中、動的な摩擦をほぼ無視できる値に減らしながら、ロータを軸方向および半径方向に支持する気体軸受を形成するために気体を利用することもできる。気体軸受は、スピン中のロータの位置および動きの安定化を助ける役割も果たしてもよい。このようなロータは、典型的には中央スピン軸に沿って細長い円筒形の本体を有する。ステータは、ロータと同軸上に配置されて、ロータの外側境界とステータの内側境界との間に軸方向に細長い環状隙間を設けられていることが多い。ステータの気体軸受オリフィスは、気体をロータの外面に向かって半径方向内側に向けて、環状隙間内に半径方向気体軸受を形成し、それによって回転中にロータをスピン軸を中心に維持するのを助けるとともに、ステータとの接触を防ぐ。気体軸受オリフィスは、気体をロータの軸方向の一端または両端に向かって半径方向内側に向けて、軸方向スラスト気体軸受として機能させてもよい。ロータの軸方向の一端または両端にタービンブレード、カップまたは溝を形成してもよい。気体駆動オリフィスは、気体をこれらタービン要素に当たるように向けて、スピン軸を中心とするロータの回転を駆動してもよい。
【０００３】
いくつかのロータ設計は、ロータの軸方向の両端にタービン駆動の機能性を提供する。これらのロータ設計のいくつかにおいて、ロータは軸方向エンドキャップを含み、エンドキャップの外側円柱壁の周りに円周方向に間隔を隔ててタービンブレードまたは溝が設けられている。多数の気体ジェットはインペラのようにブレードまたは溝に向かって半径方向内側に気体を方向づける。これらの設計のいくつかのロータは、円筒形のエンドキャップの代わりに円錐形の軸方向エンドキャップを採用して、溝が円錐面に形成されている。ステータは、ロータの円錐形の軸方向エンドキャップから間隔を隔てた円錐形の内面を含んでもよく、それによって軸方向端部に円錐形の隙間または中空部が設けられるので、回転の安定性を改善するとともにロータとステータとの隙間を維持する。
【０００４】
別のロータ設計では、ロータの軸方向の一端は、タービンとして機能し、軸方向の他端は、軸方向スラスト気体軸受または半径方向（側方または横断方向）端部気体軸受を支持する。タービンの端部は典型的には円筒形であり、円周方向に間隔を隔ててブレードまたは溝が設けられている。あるいは、この設計のロータのタービンの端部は、溝または翼板が設けられている円錐形でもよく、ステータは、ロータのタービンの端部とともに円錐形中空部を形成する円錐面を有していてもよい。円錐形のタービンの端部は、空気軸受としての機能を果たしてもよく、スピン中、円錐形のタービンの端部を円錐形中空部に引き込みやすくするベルヌーイ効果を生んでもよい。ロータの反対端に軸方向スラストまたは半径方向端部気体軸受を採用する代わりに、ロータの反対端は、ステータ（または外側ハウジングまたは定置構造）からこのロータの反対端の軸方向中心に接触するまで延びている固体点軸受上でスピンさせてもよい。
【０００５】
上記の概説したロータは、核磁気共鳴（ＮＭＲ）分光法で利用されている。ＮＭＲ分光計は、典型的には、無線周波数（ＲＦ）送受信用電子機器と、サンプルプローブと、超電導磁石などのサンプルプローブをさらす強力な磁界の発生源とを含む。サンプルプローブには、液体または固体のサンプルと、ＲＦ電子機器とサンプルとの間の電磁結合として機能する１つまたは複数のＲＦコイルとを入れる。ＲＦ電子機器は、ＲＦエネルギでサンプルを照射して、ＲＦ入力に応答してサンプルから発せられるＲＦ信号を受信するように動作する。応答信号を利用して、サンプルに関する情報を抽出する。多くの種類の液相サンプルには定置（非スピン）サンプルプローブで十分であるが、固相のサンプルおよび異種の液体サンプルなどの一定の種類の液相のサンプルには十分な分解能を通常出せない。したがって、ＮＭＲ技術での分解能を改善するために、固体および液体サンプルを入れてスピンさせるロータが利用されている。回転速度は、約１０６回転／分（ＲＰＭ）であってもよい。マジック角スピニング(magic-angle spinning)（ＭＡＳ）技術では、外部から印加される静磁場の方向に対して５４．７°の「マジック角度」でスピンするようにロータを配置して、分解能を一層改善している。
【０００６】
ＮＭＲなどのアプリケーションで採用されるロータは、高いレベルの精度と安定性とをもって動作しなければならない。ここでいう安定性とは、ロータの回転軸に沿った動きおよび当該回転軸に対して半径方向または横断方向の動きを抑制することをいう。たとえば、ＭＡＳ勾配システムの場合、勾配リフォーカスされた実験中のロータの約１／１０，０００インチから１／１００，０００インチの軸方向の動きは、検出されるＮＭＲスペクトルにおいては人為的なものになる。従来のロータ・ステータシステムは、一般に、かかるＮＭＲアプリケーションに望ましいレベルの精度および安定性を提供していない。従来のロータ・ステータシステムは、所望の速度でロータをスピンするのに必要な回転力を提供するには、タービンのブレードまたは溝に当てる多数の駆動ジェットが必要である。これらの種類のロータ・ステータシステムは、ロータに、少なくとも２つの望ましくない不安定化力を与える。まず、軸まわりの回転する正味の力は、ロータの振れ回りおよび旋回運動を駆動して、ロータを軸ずれさせる。２つ目の力は、ブレードまたは溝が駆動ジェットを通過するたびに発生するコギング力である。コギングは振れ回りにも寄与して、ロータの動きに脈動加速を加え、やはり動きを不安定にさせている。ある割合の駆動溝の数に対する駆動ジェットの数を選択することによって、不安定化力を減少または均衡させてもよいが、典型的なロータ駆動システムの空間的および形状的な制約を考えれば、多くの場合理想的な割合は現実的ではない。
【０００７】
図１は理想的なロータ１００を模式的に示している。ロータ軸１０４を中心にスピンすると、理想的なロータ１００は理想的なロータ１００の全長にわたって完全にロータ軸１０４を中心に維持する。スピンするよう駆動されている間、理想的なロータ１００はロータ軸１０４に沿って軸方向に並進することも、ロータ軸１０４に対して半径方向に並進することもない。比較のために、実際の従来のロータ１０８も図１に図示している。意図するロータ軸１０４を中心にスピンするよう駆動することに応答して、実際のロータ１０８は、図１に矢印で全体を示す回転運動に応じて、ロータ軸１０４に対する振れ回りが観察される。実際のロータ１０８は理想的なロータ１００で表す意図された位置に対して軸方向にも並進する。実際のロータ１０８の理想的なロータ１００からの偏差は、例示のために誇張していることは理解されたい。
【０００８】
図２は、矢印で全体を示す旋回運動に応じて、意図するロータ軸２０４に対して角度をなして旋回、動揺または歳差運動している実際のロータ２０８の模式的な立面図である。実際のロータ２０８は別の時点２１２でも描かれている。これらの偏差もやはり例示のために誇張している。スピン中、同じロータ２０８が図１に描かれる振れ回り運動と図２に描かれる旋回運動との両方をすることがある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
したがって、ロータを駆動および支持する気体駆動ロータおよび関連システム、ならびに方法の技術改良に継続的な必要性が認められる。特に、かかるロータの安定性を改善する、より具体的には、かかるロータの動作中の不安定化力の発生を排除するまたは少なくとも実質的に減らすことを含め、被駆動回転中の軸方向の安定性を改善する必要性がある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前述の諸問題の全部もしくは一部、および／または当業者が気づいているかもしれない他の問題に対処するために、本開示は例として以下に記載の実施態様で説明する比例弁に関わる装置、デバイス、システムおよび／または方法を提供する。
ある実施態様によると、ＮＭＲサンプルのスピンのためのロータ駆動装置は、ロータと、ステータとを含む。ロータは、回転軸に沿って配置されているロータ本体と、ロータ本体の軸方向端部に配置されているロータ端部材とを含む。ロータ端部材は、ロータ端面と、ロータ端面に形成されている複数の駆動翼板とを含む。ロータ端面は、回転軸に配置されているロータ先端で終端するロータテーパ面を含む。ステータは、ステータ本体と、ステータテーパ面とを含む。ステータテーパ面は、ロータテーパ面から軸方向に間隔を隔てられていて、回転軸と同軸のテーパ状輪郭を有する軸受隙間を形成している。ステータは、ステータ本体を貫いて形成され、軸方向気体噴出オリフィスで終端している気体通路をさらに含む。軸方向気体噴出オリフィスは、ステータテーパ面に配置されて、回転軸と同軸上にある。ロータ端部材およびステータは、軸方向気体噴出オリフィスから半径方向外側に、回転軸に対して角度をなして軸受隙間を流れるように向けられた気体流路を、共働して形成している。ロータ駆動装置は、スピン中にロータを軸方向に軸受隙間に押し込む手段をさらに備えている。
【００１１】
別の実施態様によると、ＮＭＲサンプルのスピンのためのロータ駆動装置は、ロータと、ステータとを含む。ロータは回転軸に沿って配置されているロータ本体と、ロータ本体の軸方向端部に配置されているロータ端部材とを含む。ロータ端部材は、ロータ端面と、ロータ端面に形成されている複数の駆動溝とを含む。ロータ端面は、回転軸に配置されているロータ先端で終端しているロータテーパ面を含む。ステータは、ステータ本体と、ステータテーパ面とを含む。ステータテーパ面は、ロータテーパ面から軸方向に間隔を隔てられていて、回転軸と同軸にテーパ状輪郭を有する軸受隙間を形成している。ロータ駆動装置は、気体を回転軸から、半径方向外側に回転軸から遠ざかるように、軸受隙間を通るように方向づけて、スピン中にロータを支持する気体軸受を形成する手段をさらに含む。ロータ駆動装置は、スピン中にロータを軸方向に軸受隙間に押し込む手段をさらに備えている。
【００１２】
別の実施態様によると、回転軸を中心に、ＮＭＲサンプルスピン装置のロータをスピンする方法を提供する。ロータは、回転軸に沿って配置されている。気体を、回転軸から、回転軸に対して角度をなして半径方向外側に、ロータのロータ端部材とステータの軸受面との間のテーパ状の軸受隙間に流す。軸受隙間を通って流れる気体によって軸受隙間に形成される気体軸受上で、ロータ端部材がスピンし、ロータをスピンさせる。さらに、スピン中にロータを軸方向に軸受隙間に押し込む。
【００１３】
本発明は以下の図面を参照するとよりよく理解できる。図中のコンポーネントは必ずしも正確な縮尺ではなく、代わりに本発明の原理を例示することに重点を置いている。図において、同様の参照番号はさまざまな図を通じて対応する部分を表す。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】理想的なロータ、ならびに振れ回りおよび軸方向の並進運動を受ける実際のロータの模式図である。
【図２】旋回運動を受ける実際のロータの模式的な立面図である。
【図３】本発明の実施態様によるロータ駆動装置の一実施例の断面立面図である。
【図４】図３に示すロータ駆動装置に装備してもよいロータの一実施例の斜視図である。
【図５】図３に示すロータ駆動装置の駆動端断面の上平面図である。
【図６】図３に示すロータ駆動装置に装備してもよいステータの一実施例の立面図である。
【図７】図４に示すロータに装備してもよい駆動要素の一実施例の斜視図である。
【図８】図３に示すロータ駆動装置を破断して示す斜視図である。
【図９】図３に示すロータ駆動装置の下部の断面立面図である。
【図１０】本発明の別の実施態様によるロータ駆動装置の下部の断面立面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
一般に、「連絡（通信、連通）する」という用語（例えば、第１コンポーネントが第２コンポーネントと「連絡（通信、連通）する」または「連絡（通信、連通）している」）は、本明細書において、２以上のコンポーネントまたは要素の間の構造的、機能的、機械的、電気的、光学的、磁気的、イオンの、または流体的な関係を示すために使用している。これ自体では、あるコンポーネントが別のコンポーネントと連通すると述べることは、かかる第１および第２のコンポーネントの間に追加のコンポーネントが存在する、かつ／または追加コンポーネントがかかる第１および第２のコンポーネントと作動的（操作的）に関連または係合するという可能性を排除するものではない。
【００１６】
本明細書に開示する主題は、一般に、例えばＮＭＲサンプルなどの材料をスピンするために利用してもよい気体駆動式のロータに関わるシステム、装置、デバイス、計器、プロセスおよび方法に関する。本発明に関する実施態様の実施例を、図３〜図１０を参照しながら以下より詳細に説明する。これらの実施例はＮＭＲ分光法の状況において提供されているが、本発明の幅広い諸局面は気体駆動ロータの使用を必要とする他の種類の技術に適用してもよいことは認識されるであろう。
【００１７】
図３は、たとえば磁気共鳴手順に関連してサンプルスピナとして利用してもよいロータアセンブリ３００の断面立面図である。ロータアセンブリ３００は、ロータ３０４と、駆動端ステータ３０８と、ロータ３０４およびステータ３０８を収容しているハウジング３１２とを含む。ロータ３０４は、回転軸（または自転軸、またはロータ軸）を中心に回転するように駆動される。ロータアセンブリ３００は、１つまたは複数の環状軸受部材３２４および３２８を、ロータ３０４と軸受スリーブ３２０との間に半径方向に支持する円筒形軸受スリーブ３２０を含んでもよい。軸受部材３２４および３２８は、ロータ３０４がロータ軸３１６を中心にスピンしているときに、ロータ３０４に側方の安定性を提供する。ロータ３０４が図３に示す動作位置にあるとき、ロータ３０４、軸受スリーブ３２０、ならびに軸受部材３２４および３２８はロータ軸３１６は、同軸上にある。
【００１８】
ロータ３０４はロータ軸３１６に沿った長さを有するロータ本体またはスリーブ３３２を含む。ロータ本体３３２は円筒形でもよい。ロータ本体３３２の少なくとも一部は中空になっており、スピンするサンプルを収納する。ロータ３０４はロータ端軸受・駆動部材３３６も含む。ロータ端部材３３６は、ロータ本体３３２の中空部にしっかりと嵌り込むような寸法にしてもよい断片３４０を含む。ロータ端部材３３６は、大略的に、ロータ本体３３２の外側（図３で見てロータ本体３３２の下）に外面が位置づけられている。この実施例では、外面は、円筒形でロータ軸３１６に略平行であってもよい側面３４４と、ロータ軸３１６に対して角度をなすロータテーパ面３４８とを含む。ロータテーパ面３４８は、その半径（ロータ軸３１６に対して直交）がロータ軸３１６の方向に沿って変化し、最終的にロータ軸３１６上にある尖端またはロータ先端３５２で終端するという意味で「テーパがついている」。ロータテーパ面３４８の半径は、ロータテーパ面３４８がロータ側面３４４に接する高さで最大になり、尖端３５２に対応する位置で最小になるように変化する。ロータテーパ面３４８のテーパ状輪郭は図３に示すように円錐形（つまり、ロータ軸３１６に対して角度をなす直線を有する）でもよく、あるいは曲線状にしてもよい。多数の駆動溝（または翼板、溝、チャンネル、くぼみ等）３５６がロータ端部材３３６の外面上に形成されている。この実施例では、駆動溝３５６はロータ端部材３３６の側面（または駆動面）３４４に排他的に（全体として）形成されている。別の実施形態では、駆動溝３５６は、一部をロータテーパ面３４８に形成してもよい。駆動溝３５６は、ロータ３０４をロータ軸３１６を中心に所望の右回りまたは左回り方向に回転（スピン）させるように衝突する駆動用気体の力に反応するような形状になっている。理想的には、スピン中、尖端３５２は、半径方向の並進運動、軸方向の並進運動、またはロータ軸３１６に対する歳差運動をせずにロータ軸３１６にとどまる。
【００１９】
ハウジング３１２は、ロータ３０４をロータアセンブリ３００に装填し、その後取り外してもよいアクセス開口部３６０を含む。ロータ３０４の一実施例の斜視図である図４も参照すると、ロータ端部材３３６の最外部の径はロータ本体３３２の最外部の径を越えていない（または実質的に越えていない）。この構成は運転と運転との間にロータ３０４をロータアセンブリ３００に装填しおよびこれから取り外ししやすくする。ロータ３０４は、ロータアセンブリ３００を分解する必要なく装填または取り外してもよい。
【００２０】
再び図３を参照すると、ハウジング３１２は、適切な駆動用気体供給源（図示せず）から適切な駆動用気体（酸素、窒素、空気等）を受ける駆動用気体供給入口３６４も含む。駆動用気体供給入口３６４は、１つまたは複数の駆動用気体供給通路３６８に連通しており、それによって駆動用気体は、ハウジング３１２とステータ３０８との間に形成されている環状駆動用気体供給プレナムまたはマニフォルド３７２に供給される。ハウジング３１２は、適切な軸受用気体供給源（図示せず）から適切な軸受用気体（酸素、窒素、空気等）を受ける軸受用気体供給入口３７６も含む。軸受用気体供給入口３７６は、１つまたは複数の軸受用気体供給通路３８０に連通しており、それによって軸受用気体はハウジング３１２とステータ３０８との間に形成されている環状軸受用気体供給プレナムまたはマニフォルド３８４に供給される。ハウジング３１２は、環状軸受部材３２４および３２８、または側方気体軸受を形成するために利用されるロータ駆動装置３００の他の要素に、軸受用気体を供給するために、軸受用気体供給入口３７６に連通する１つまたは複数の通路、ダクト、プレナム、マニフォルドまたはその他同様なもの３８８も含んでもよい。たとえば、軸受部材３２４および３２８は、軸受部材３２４および３２８とロータ本体３３２との間の環状隙間に気体を導くオリフィス（図示せず）を含んでもよい。
【００２１】
ステータ３０８は、大略的にロータ端部材３３６の軸方向下（図１で見て）でロータ軸３１６に位置づけられている。ステータ３０８は、ステータ本体３９２と、ステータ本体３９２に形成されているステータテーパ面３９６とを含む。ステータテーパ面３９６は、ロータ軸３１６に中心がある。すなわち、ステータテーパ面３９６の尖端は、ロータ軸３１６上にある。ただし、ステータテーパ面３９６の尖端は、軸方向の気体通路４０２がステータ本体３９２を貫いて形成されており、ステータテーパ面３９６に配設されて、かつロータ軸３１６に中心がある軸方向気体噴出オリフィス（出口）４０６で終端（開放）するという意味で、仮想上のものである。すなわち、軸方向気体噴出オリフィス４０６の軸は、ロータ軸３１６に一致する（同軸上にある）。軸方向気体噴出オリフィス４０６に繋がる軸方向気体通路４０２の一部もロータ軸３１６に一致してもよい。ステータテーパ面３９６は、ロータテーパ面３４８から軸方向に間隔が隔てられており、ステータテーパ面３９６とロータテーパ面３４８との間に中間の環状軸受隙間または中空部が形成されている。その結果、軸受隙間自体がテーパ状になっており、ロータ軸３１６と同軸上にある。
【００２２】
軸受隙間の入口は、大略的にロータ端部材３３６の尖端３５２またはその付近に画定されており、ここで軸方向気体通路４０２が、軸方向気体噴出オリフィス４０６として機能する開口部でステータテーパ面３９６に接している。軸受隙間の出口は大略的に、ステータテーパ面３９６がロータ端部材３３６の駆動面３４４に接する境界もしくは縁またはその付近に画定されており、ここに駆動溝３５６が形成されている。そのため、軸受隙間は軸受用気体の半径方向流出路をロータ軸３１６に対して角度をなす方向に、図３で見て上方に確立する。図示する実施例では、ロータ軸３１６に対するロータテーパ面３４８の角度は、ロータ軸３１６に対するステータテーパ面３９６の角度とは異なる。このように、軸受隙間の断面積は、軸受隙間入口から軸受隙間出口に向かう方向に狭くなっている。ロータテーパ面３４８およびステータテーパ面３９６の一方または両方の輪郭が曲線状になっている別の実施例では、軸受隙間の最小断面積は、軸受隙間の入口と出口との間のある地点にあってもよい。
【００２３】
軸受用気体供給プレナム３８４は、１つまたは複数の追加ステータ気体通路４１０（例、側方、横断方向、または半径方向の通路）を介して軸方向気体通路４０２に連通する。ステータ３０８はさらに、ステータ本体３９２を貫いて形成されて、駆動用気体供給プレナム３７２から、対応する駆動用気体噴出オリフィス４１４まで通じている複数の駆動用気体通路を含む。ロータ端部材３３６が配置されている中空部を画定するステータ本体３９２の内面上の駆動溝３５６に近接して、駆動用気体噴出オリフィス４１４が配設されている。ステータ３０８はさらに１つまたは複数の排気孔、ポートまたは通路４１８を含む。排気通路４１８の入口は軸受隙間および駆動溝３５６の出口付近に配置してもよい。
【００２４】
図３に詳しく示すように、ハウジング３１２の一部はエンドキャップ構造４２２の形態で提供してもよい。エンドキャップ構造４２２は、ステータ３０８が配説される中央中空部を有する。駆動用気体および軸受用気体の経路に必要なら、エンドキャップ構造４２２にいくつかの通路、プレナム、ダクト、通気孔および同様な他のものを形成してもよい。
図５は、ステータ３０８は取り付けられているが、ロータ３０４のないエンドキャップ構造の上平面図（図３で見て下向きに見て）である。環状駆動用気体供給プレナム３７２に繋がる駆動用気体供給通路３６８（図示する実施例では、５つの駆動用気体供給通路３６８が設けられている）の少なくとも一部が、エンドキャップ構造４２２、および軸受用気体供給通路３８０を貫いて形成されている。排気孔４１８（図示する実施例では６つ設けられている）は、ステータ３０８を貫いて形成されており、エンドキャップ構造４２２を通って半径方向外側に、エンドキャップ構造４２２のこの部分を囲むハウジング３１２（図３）の一部（図示せず）まで続いている。同じく例として、３つの軸受用気体通路４１０は、軸受用気体供給プレナム３８４（図３）から中央軸受用気体通路４０２および軸方向軸受用気体噴出オリフィス４０６まで繋がっている。ステータ３０８を貫いて形成されている複数の駆動用気体注入通路５０２は、駆動用気体供給プレナム３７２に連通する各駆動用気体入口５０６から、ロータ３０４が配置されているステータ３０８の中央ボアに連通する各駆動用気体噴出オリフィス４１４まで繋がっている。駆動用気体注入通路５０２および対応する駆動用気体噴出オリフィス４１４は、ロータ軸３１６から直交して延びているどの半径方向の線に対しても角度をなした向きになっているので、ステータ３０８の中央ボアに注入される駆動用気体は、ロータ端部材３３６の駆動溝３５６（図３）に、ロータ３０４の回転を生じさせる角度で左回りの方向（図５で見て）に衝突する。
【００２５】
図６はステータ３０８の立面図であり、この図でもロータ３０４（図３および図４）は取り付けられていない。駆動用気体注入通路５０２は、どの水平基準面に対しても角度をなした向きになっている（図５で見て）。さらに、これらの角度は、図５で見て下向きになっている。すなわち、各駆動用気体注入通路５０２は、その駆動用気体入口５０６からその駆動用気体噴出オリフィス４１４まで下向きの角度に配されている。したがって、駆動用気体は、駆動溝３５６に向かって下向きの方向に噴出される。使用時、駆動溝３５６に当たるまで流れる駆動用気体の下向きの流れは、ロータ３０４のスピン運動を駆動するだけでなく、スピンするロータ３０４をステータテーパ面３９６とロータテーパ面３４８との間の軸受隙間に下向きに押し込む。この構成はスピン中のロータ３０４の安定性を改善する。
【００２６】
図７は、ロータ端部材３３６の斜視図である。図示する実施例では、各駆動溝３５６には、ロータ端部材３３６の駆動面３４４に食い込んでいる側面７０２が形成されており、そのため、側面７０２と駆動面３４４との間の寸法が変化する内側肩部７０６が形成されている。より一般的には、駆動溝３５６は上記説明したように、駆動用気体の下向きに角度をなすジェットに反応するのに適したどのような形状でもよい。
【００２７】
図８は、図３に図示しているロータアセンブリ３００を破断して示す斜視図であり、同じ横断面を採用している。図８は例示目的で提供している。
図９はロータアセンブリ３００の下部の断面立面図である。ここで、ロータアセンブリ３００の構成によって確立した駆動用気体および軸受用気体の流路を、図９と、流路の十分な理解にも役立つ他の図面とを併せて参照しながら説明する。軸受用気体は軸受用気体供給源（図示せず）から軸受用気体供給入口３７６に供給される。矢印９０２で示すように、軸受用気体は、軸受用気体供給入口３７６から半径方向内側（かつ、この実施例では下側）へ軸受用気体供給通路３８０を通って、軸受用気体供給プレナム３８４に流れる。それから矢印９０６で示すように、軸受用気体は、軸受用気体供給プレナム３８４から半径方向内側へ軸受用気体供給通路４１０を通って、軸方向気体通路４０２に流れる。ロータ軸３１６と一致する矢印９１０で示すように、軸受用気体は、ロータ軸３１６に大略的に沿って軸方向気体通路４０２を上側へ流れて、ロータ軸３１６の軸方向気体噴出オリフィス４０６から出る。軸方向気体噴出オリフィス４０６から、矢印９１４で示すように、軸受用気体は、半径方向外側かつ上側へ、ロータテーパ面３４８とステータテーパ面３９６（図３）との間に画定されている軸受隙間を流れる。
【００２８】
矢印９１４で表す軸受用気体流路の部分は、ロータテーパ面３４８の尖端３５２（図３）が位置するロータ軸３１６が直接の起点である。尖端３５２にぶつかるとすぐに、軸受用気体は尖端３５２から半径方向外側のすべての方向に流れ、それによってロータテーパ面３４８およびロータ３０４の他のすべての部分の動きを安定させる。軸受用気体が軸受隙間を流れるとき、ロータ軸３１６に対する軸受用気体流路の半径は、軸受用気体がロータテーパ面３４８の最外周面に到達するまで増え続け、この地点で軸受用気体は軸受隙間から出て、排気口４１８に流れ込む。軸受隙間を流れる軸受用気体は、スピンするロータ３０４の軸方向端部またはスラスト軸受として機能する中央に供給され径方向外側に流れる気体の軸受を形成する。軸受用気体はロータ軸３１６から、ロータテーパ面３４８の尖端３５２から最外部の径（この例では、ロータ側面３４４との合流点に相当する）まで全体に沿って流れるため、軸受用気体の流れは先行技術の手法および構成では達成されない態様でスピンするロータ３０４の軸方向の安定性および回転の安定性を著しく改善する。
【００２９】
流れベクトル９１０に沿う向きの気体の高圧パルスを利用すれば、ハウジング３１２（図３）の開口部３６０からロータ３０４を容易に取り外せる点にも注目されるであろう。
図９に示されている例を引き続き述べると、駆動用気体は駆動用気体供給源（図示せず）から駆動用気体供給入口３６４に供給される。矢印９１８で示すように、駆動用気体は駆動用気体供給入口３６４から、半径方向内側に（かつ、この例では上側に）駆動用気体供給通路３６８を通って、駆動用気体供給プレナム３７２へと流れる。それから、矢印９２２で示すように、駆動用気体は駆動用気体供給プレナム３７２から半径方向内側に、駆動用気体噴出通路５０２（図５および図６）を通って、ステータ３０８の中央コアへと流れて、駆動溝３５６に向かう。さらに駆動用気体は駆動溝３５６から偏向して、排気孔４１８に流れ込む。排気孔４１８を通る駆動用気体および軸受用気体を合わせた半径方向外側の流れを、矢印９２６で示す。
【００３０】
この実施例では、駆動用気体は下向きの角度で駆動溝３５６に当たるまで噴出される。これまでにも指摘したように、この構成は、駆動用気体が、軸受用気体の半径方向外側かつ上側への流れによって与えられる上向きの力に抗してロータ３０４を軸受隙間に向かって偏向できるようにし、それによってスピンするロータ３０４の安定性の改善に寄与する。加えて、ロータ駆動装置３００の特徴は、軸受隙間を流れる軸受用気体がベルヌーイ型の気体軸受を形成するように構成してもよく、それによって、ロータテーパ面３４８にかかる平均流体圧力がロータ３０４の反対端にかかる周囲圧力（典型的には、大気圧またはほぼ大気圧）と等しくなる釣り合い状態または平衡状態に達するまで、軸受隙間の圧力低下がロータ３０４を軸受隙間に引き込む効果をもつ（ただし、ロータ３０４をステータ３０８に接触させることはない）。
【００３１】
図１０は別の実施態様によるロータアセンブリ１０００の下部の断面立面図である。図３〜図９で上記説明および図示したロータアセンブリ３００によって提供されるものと同様の特徴または要素は、図１０で同様な参照番号で示す。ロータアセンブリ３００と同様に、図１０に示すロータアセンブリ１０００は中央に供給され径方向側に流れる気体の軸受を提供する。ロータアセンブリ１０００は、ロータ１００４と、ステータ１００８と、ロータ１００４およびステータ１００８を収容するハウジング１０１２とを含む。ロータ１００４は、ロータ１００４がスピンするロータ軸１０１６に沿って細長いロータ本体１０３２と、ロータ本体１０３２に固定されているロータ端部材またはドライブ先端１０３６とを含む。ロータ端部材１０３６の外面は、側面１０４４と、ロータ軸１０１６の直上に位置している尖端１０５２までテーパがついているロータテーパ面１０４８とを含む。駆動溝１０５６は、一部が側面１０４４に、一部がロータテーパ面１０４８に形成されている。あるいは、駆動溝１０５６は全部をロータテーパ面１０４８に形成してもよい。テーパ状軸受隙間は、ロータテーパ面１０４８と、ロータテーパ面１０４８の軸方向に間隔を隔てて下にあるステータテーパ面１０９６との間に画定されている。
【００３２】
前に説明したロータアセンブリ３００とは異なり、図１０に示すロータアセンブリ１０００が提供する、中央に供給され径方向外側に流れる気体は、前に説明した軸受隙間の中央に供給され径方向外側に流れる気体の軸受を生じさせるためだけでなく、駆動用気体としても利用する。そのため、この実施態様では、円周方向に間隔を隔てた個々の駆動用気体ジェットの必要性がなくなる。軸受・駆動用気体が、適切な気体供給源（図示せず）から軸受・駆動用気体供給入口１０６４に供給されて、軸受・駆動用気体供給通路１０８０を通って軸受・駆動用気体供給プレナム１０８４に流れる。そして、軸受・駆動用気体は、軸受・駆動用気体供給プレナム１０８４から、ステータ１００８に形成されている１つまたは複数の軸受・駆動用気体通路１１１０を通って、同じくステータ１００８に形成されている軸方向軸受・駆動用気体通路１００２へと流れる。軸方向軸受・駆動用気体通路１００２は、ロータ軸１０１６に中心がある軸方向軸受・駆動用気体噴出オリフィス１１０６で終端する。矢印１１１４で示すように、軸受・駆動用気体は、軸方向軸受・駆動用気体噴出オリフィス１１０６から出て、半径方向外側かつ上方へ、ロータテーパ面１０４８とステータテーパ面１０９６との間に画定されているテーパ状軸受隙間を流れる。この実施態様におけるテーパ状軸受隙間を流れる軸受・駆動用気体は、駆動溝１０５６にも当たり、それによってロータ軸１０１６を中心とするロータ１００４のスピン運動を駆動する。軸受用気体を、側方気体軸受（例、軸受部材１０２４）に供給するために、軸受用気体供給入口１０７６を通る軸受用気体の別の流れを確立して、ロータ本体１０３２を支持するために利用してもよい。
【００３３】
図１０に示すロータアセンブリ１０００が形成する、中央に供給され径方向外側に流れる気体の軸受は、ロータアセンブリ３００に関連して前に説明したものと同じまたは同様な利点、特にロータ軸１０１６を中心とする被駆動回転中のロータ１００４の軸方向の偏位を抑制する機能を果たすベルヌーイ型の気体軸受の形成を提供する。加えて、図１０に示す実施態様は、単一の気体入口（図示される軸受・駆動用気体噴出オリフィス１１０６）が駆動溝１０５６に駆動用気体の連続的な半径方向の流出流を供給するために、複数の個々の駆動ジェットを使用しなくてもよい。駆動用気体の供給源が個々の駆動ジェットに区切られていないため、典型的には複数の駆動ジェットを使用して複数の駆動溝１０５６を駆動することに関連したコギング力を発生させないようにしてもよい。
【００３４】
上記例として説明した実施態様などのロータ・ステータ駆動装置またはシステムは、ロータの軸方向の動きを最小限に抑えるという点で著しい改善をみせている。軸受用気体圧力、駆動用気体圧力および回転速度を高度に最適化した状態で運転する従来より周知のシステムは、ロータの軸方向の動きを、約０．００１インチを上限に制限することを成し遂げている。本開示で教示する実施態様は、本開示の時点でもなお調査中であるが、光学コンパレータを使って観察した予備評価では、ロータの軸方向の動きの上限が、以前に達成されている上限の約１／１０から１／１００に減少することが示されている。すなわち、予備評価では、約０．０００１インチから０．００００１インチを越えない軸方向の動きを示した。
【００３５】
上記例示するようなロータ・ステータ駆動装置またはシステムは、サンプルスピニングに適応したＮＭＲプローブを採用するあらゆる種類の技術で実施してもよい。例として、マジック角スピニング(magic-angle spinning)（ＭＡＳ）、二重配向回転（double orientation rotation）（ＤＯＲ）、スイッチド角スピニング（switched angle spinning）（ＳＡＳ）、可変温度（ＶＴ）アプリケーション、極低温アプリケーション等に関連した技術、およびその変形が含まれるが、これらだけに限定されるわけではない。
【００３６】
上記に挙げた例は、ＮＭＲ関連技術において、ロータ・ステータ駆動装置またはシステムをサンプルスピナとして実施する。しかし、本発明を、ロータの使用を必要とする他の技術へ応用することが見出されるかもしれないことは理解されるであろう。さらに、例として、遠心分離機、ドリルまたはオーガなどのスピンするコンポーネントを含む他の種類のツールおよび計器、気体駆動タービンを含む他の種類のツールおよび計器、電力を生成するための磁気ロータを含むタービン発電機等を含むが、これらだけに限定されるわけではない。
【００３７】
また、本発明の範囲を逸脱することなく、本発明の様々な局面または詳細を変更してもよいことも理解されるであろう。さらに、前述の説明は単なる例示を目的としており、限定を目的としているわけではなく、したがって本発明は特許請求の範囲によって定義される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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