(57)【要約】【課題】構造の簡素化が図られ、かつ、軸部材の回転方向を除く５自由度において充分な剛性を確保できる１自由度制御型の磁気軸受を提供する。【解決手段】軸部材１０ａの側面に取り付けられた円筒状の磁性材料からなり、該磁性材料の両端面の各々がリング状に成形されたロータ部材１１と、ロータ部材を内包する円筒状の磁性材料からなり、ロータ部材の端面１１ａ，１１ｂに対向配置されるリング状の磁極面１２ａ，１２ｂを有し、磁極面１２ａ，１２ｂの間に定常的な磁場を発生するステータ部材１２と、ステータ部材の磁極面１２ａ側の内面に取り付けられたリング状のコイル部材１３と、ステータ部材の磁極面１２ｂ側の内面に取り付けられたリング状のコイル部材１４と、コイル部材１３，１４の少なくとも一方に励磁電流を供給して、ロータ部材のスラスト方向の位置を制御する制御手段１６とを備える。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸部材の側面に取り付けられた円筒状の磁性材料からなり、該磁性材料の両端面の各々がリング状に成形されたロータ部材と、
前記ロータ部材を内包する円筒状の磁性材料からなり、前記ロータ部材の一方の端面に対向配置されるリング状の第１磁極面を有すると共に、前記ロータ部材の他方の端面に対向配置されるリング状の第２磁極面を有し、前記第１磁極面と前記第２磁極面との間に定常的な磁場を発生するステータ部材と、
前記ステータ部材の前記第１磁極面側の内面に取り付けられ、前記第１磁極面の周方向に沿って巻かれた導線からなるリング状の第１コイル部材と、
前記ステータ部材の前記第２磁極面側の内面に取り付けられ、前記第２磁極面の周方向に沿って巻かれた導線からなるリング状の第２コイル部材と、
前記第１コイル部材と前記第２コイル部材との少なくとも一方に励磁電流を供給して、前記ロータ部材のスラスト方向の位置を制御する制御手段とを備えた
ことを特徴とする磁気軸受。
【請求項２】
請求項１に記載の磁気軸受において、
前記ステータ部材は、リング状の永久磁石を少なくとも１つ含み、該永久磁石によって前記第１磁極面と前記第２磁極面との間に定常的な磁場を発生する
ことを特徴とする磁気軸受。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の磁気軸受において、
前記ステータ部材の前記第１磁極面と前記ロータ部材の前記一方の端面とは、形状および面積が互いに同じであり、
前記ステータ部材の前記第２磁極面と前記ロータ部材の前記他方の端面とは、形状および面積が互いに同じである
ことを特徴とする磁気軸受。
【請求項４】
請求項３に記載の磁気軸受において、
前記ステータ部材の前記第１磁極面と前記ロータ部材の前記一方の端面とは、リング状の溝部によって複数の領域に分割され、
前記ステータ部材の前記第２磁極面と前記ロータ部材の前記他方の端面とは、リング状の溝部によって複数の領域に分割されている
ことを特徴とする磁気軸受。
【請求項５】
請求項１から請求項４の何れか１項に記載の磁気軸受と、
前記ステータ部材の内面のうち前記第１コイル部材と前記第２コイル部材との間に取り付けられた空気動圧軸受とを備えた
ことを特徴とする軸受装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、軸部材の荷重を磁気力によって非接触で支持する磁気軸受およびそれを備えた軸受装置に関し、特に、回転型の磁気軸受およびそれを備えた軸受装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、電磁石を利用した５自由度制御型の磁気軸受が知られている。５自由度とは、図１３に示すように、スラスト方向（Ｘ方向）の１自由度と、ラジアル方向（Ｙ方向，Ｚ方向）の２自由度と、このラジアル方向を中心とした傾き方向（β方向，γ方向）の２自由度とを含めたものであり、スラスト方向を中心とした回転方向（α方向）は除かれている。
【０００３】
５自由度制御型の磁気軸受において、電磁石は、各自由度ごとに２個ずつ設けられ、支持対象の軸部材を挟んで対向配置される。このため、電磁石の全数は１０個となる。そして、各自由度ごとに、２個の電磁石に対する励磁電流を独立制御することにより、２個の電磁石の間に所望の磁気力を発生させ、軸部材の位置決めを行う。この５自由度制御型の磁気軸受によれば、安定したシステムを構築できる。
【０００４】
しかし、５自由度制御型の磁気軸受は、上記のように１０個の電磁石が必要であり、さらに、軸部材の変位を５自由度でそれぞれ検知するために５個のセンサが必要であり、また、各センサの出力に基づいて２個１組の電磁石を５自由度で独立制御するコントローラも必要であり、システム全体が複雑で大型化してしまう。
【０００５】
そこで、１自由度制御型の磁気軸受がいくつか提案されている。１自由度制御型の磁気軸受は、上記した５自由度のうち、スラスト方向（Ｘ方向）の１自由度のみを制御対象とし、他のＹ方向，Ｚ方向，β方向，γ方向の４自由度を永久磁石どうしの反発力（または吸引力）によって支持するように構成したものである。１自由度制御型の磁気軸受には、５自由度制御型と比較して電磁石の数とセンサの数を低減できるという利点がある。
【０００６】
例えば、「清水久二，谷口修；磁気軸受の原理とその応用，機械の研究，２２，１２（１９７０），８−１４」には、永久磁石どうしの反発力を利用する構成例が記載されている。また、「Ｏ．Ｈｏｒｉｋａｗａ，Ｉ．Ｄ．Ｓｉｌｖａ；Ｔｈｅ　Ｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｂｅａｒｉｎｇ　ｆｏｒ　Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｆｏｒ　１ｓｔ　ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ａｎｄ　ｇｅｎｅｒａｌ　ｍｅｅｔｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｕｒｏｐｅａｎ　ｓｏｃｉｅｔｙ　ｆｏｒ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｖｏｌ．１（１９９９），１６３−１６６」には、永久磁石どうしの吸引力を利用する構成例が記載されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した永久磁石どうしの反発力を利用する１自由度制御型の磁気軸受では、永久磁石からの磁束の漏れが大きく、スラスト方向（Ｘ方向）以外のＹ方向，Ｚ方向，β方向，γ方向の軸受剛性が充分ではなかった。
また、上記した永久磁石どうしの吸引力を利用する１自由度制御型の磁気軸受では、永久磁石が多数（６個）必要であり、構造が複雑化してしまうと共に、永久磁石からの磁束の漏れも大きく、Ｙ方向，Ｚ方向，β方向，γ方向の軸受剛性が充分ではなかった。さらに、スラスト方向の制御用電磁石のサイズを大きくしなければならないという問題もあった。
【０００８】
本発明の目的は、構造の簡素化が図られ、かつ、軸部材の回転方向を除く５自由度において充分な剛性を確保できる１自由度制御型の磁気軸受、およびそれを備えた軸受装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の磁気軸受は、軸部材の側面に取り付けられた円筒状の磁性材料からなり、該磁性材料の両端面の各々がリング状に成形されたロータ部材と、前記ロータ部材を内包する円筒状の磁性材料からなり、前記ロータ部材の一方の端面に対向配置されるリング状の第１磁極面を有すると共に、前記ロータ部材の他方の端面に対向配置されるリング状の第２磁極面を有し、前記第１磁極面と前記第２磁極面との間に定常的な磁場を発生するステータ部材と、前記ステータ部材の前記第１磁極面側の内面に取り付けられ、前記第１磁極面の周方向に沿って巻かれた導線からなるリング状の第１コイル部材と、前記ステータ部材の前記第２磁極面側の内面に取り付けられ、前記第２磁極面の周方向に沿って巻かれた導線からなるリング状の第２コイル部材と、前記第１コイル部材と前記第２コイル部材との少なくとも一方に励磁電流を供給して、前記ロータ部材のスラスト方向の位置を制御する制御手段とを備えたものである。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の磁気軸受において、前記ステータ部材が、リング状の永久磁石を少なくとも１つ含み、該永久磁石によって前記第１磁極面と前記第２磁極面との間に定常的な磁場を発生するものである。
請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の磁気軸受において、前記ステータ部材の前記第１磁極面と前記ロータ部材の前記一方の端面とは、形状および面積が互いに同じで、前記ステータ部材の前記第２磁極面と前記ロータ部材の前記他方の端面とは、形状および面積が互いに同じとなるようにしたものである。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の磁気軸受において、前記ステータ部材の前記第１磁極面と前記ロータ部材の前記一方の端面とは、リング状の溝部によって複数の領域に分割され、前記ステータ部材の前記第２磁極面と前記ロータ部材の前記他方の端面とは、リング状の溝部によって複数の領域に分割されたものである。
【００１２】
請求項５に記載の軸受装置は、請求項１から請求項４の何れか１項に記載の磁気軸受と、前記ステータ部材の内面のうち前記第１コイル部材と前記第２コイル部材との間に取り付けられた空気動圧軸受とを備えたものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００１４】
本発明の実施形態は、請求項１〜請求項３に対応する。
本実施形態の磁気軸受１０は、図１（ａ），（ｂ）に示すシャフト１０ａの荷重を磁気力によって非接触で支持する軸受であり、シャフト１０ａのスラスト方向（Ｘ方向）を中心とした回転方向（α方向）を除く５自由度方向の剛性が正となる軸受である。
【００１５】
５自由度とは、スラスト方向（Ｘ方向）の１自由度と、ラジアル方向（Ｙ方向，Ｚ方向）の２自由度と、傾き方向（β方向，γ方向）の２自由度とを含めたものである。スラスト方向はシャフト１０ａの軸方向に対応し、ラジアル方向は軸方向に垂直な方向に対応し、傾き方向はラジアル方向を中心とした微小回転の方向に対応している。
【００１６】
さらに、本実施形態の磁気軸受１０は、１自由度制御型の磁気軸受であり、上記した５自由度のうち、スラスト方向（Ｘ方向）の１自由度のみを制御対象とする。つまり、スラスト方向（Ｘ方向）のみが能動型であり、他のラジアル方向（Ｙ方向，Ｚ方向）と傾き方向（β方向，γ方向）の４自由度に関しては受動型となっている。
【００１７】
なお、磁気軸受１０による支持対象のシャフト１０ａ（軸部材）には、シャフト１０ａにα方向の回転トルクを与えるために、不図示のモータなどが取り付けられている。シャフト１０ａの直径φ１は例えば３ｍｍである。図１（ａ）は磁気軸受１０の全体構成を示す概略図であり、図１（ｂ）はシャフト１０ａのまわりの部品構成を示す断面図である。
【００１８】
次に、本実施形態の磁気軸受１０について具体的に説明する。磁気軸受１０は、図１（ａ），（ｂ）に示すように、ロータ１１と、ステータ１２と、コイル１３，１４と、変位センサ１５と、制御回路１６とで構成され、ステータ１２および変位センサ１５がベース部材１０ｂに固定されている。
ロータ１１（ロータ部材）は、シャフト１０ａの側面に取り付けられた円筒状の磁性部材である。また、ロータ１１は、図２（ａ）に示すように、その両端面１１ａ，１１ｂの各々がリング状に成形されて、外側に向かう突縁部となっている。
【００１９】
両端面１１ａ，１１ｂの外周の直径φ２は、ロータ１１の直径と同じ（例えば８ｍｍ）であり、内周の直径φ３は、外周の直径φ２より小さくシャフト１０ａの直径φ１より大きい（例えば６ｍｍ）。つまり、両端面１１ａ，１１ｂは、幅Δ１が例えば１ｍｍのリング状である。また、両端面１１ａ，１１ｂの高さＨ１は、例えば１ｍｍである。両端面１１ａ，１１ｂの距離Ｄ１は、例えば２４ｍｍである。
【００２０】
ステータ１２（ステータ部材）は、図１（ａ），（ｂ）に示すように、ロータ１１を内包する円筒状の磁性部材であり、５つの部品（２１〜２５）を組み合わせて一体化したものである。５つの部品（２１〜２５）については後述する。
また、ステータ１２には、ロータ１１の一方の端面１１ａに対向配置される磁極面１２ａと、ロータ１１の他方の端面１１ｂに対向配置される磁極面１２ｂとが設けられ、各々の磁極面１２ａ，１２ｂが内側に向かう突縁部となっている。さらに、磁極面１２ａ，１２ｂは、図２（ｂ）に示すように、リング状である。
【００２１】
磁極面１２ａ，１２ｂの外周の直径φ４は、上記した端面１１ａ，１１ｂの外周の直径φ２と同じ（例えば８ｍｍ）であり、磁極面１２ａ，１２ｂの内周の直径φ５は、端面１１ａ，１１ｂの内周の直径φ３と同じ（例えば６ｍｍ）である。すなわち、磁極面１２ａ，１２ｂは、端面１１ａ，１１ｂと形状および面積が互いに同じであり、幅Δ２が例えば１ｍｍのリング状となっている。磁極面１２ａ，１２ｂの高さＨ２は、例えば１ｍｍである。
【００２２】
さらに、磁極面１２ａ，１２ｂの距離Ｄ２は、例えば２４．２ｍｍである。このため、磁極面１２ａ，１２ｂの距離Ｄ２と上記した両端面１１ａ，１１ｂの距離Ｄ１との差（Ｄ２−Ｄ１）は、０．２ｍｍとなる。この差（Ｄ２−Ｄ１）は、一方の磁極面１２ａと端面１１ａのエアギャップδ１（図１（ｂ））と、他方の磁極面１２ｂと端面１１ｂのエアギャップδ２との和（δ１＋δ２）に相当する。換言すると、差（Ｄ２−Ｄ１）は、ステータ１２とロータ１１とのエアギャップの総和に相当する。
【００２３】
また、ステータ１２のうち、ロータ１１とラジアル方向に対向する円筒状の胴部分（後述する部品２３〜２５）は、外周の直径φ６が例えば１９．２ｍｍであり、内周の直径φ７が例えば１５ｍｍである。胴部分（２３〜２５）の内周の直径φ７はロータ１１の直径（φ２）よりも大きいため、ステータ１２の胴部分（２３〜２５）とロータ１１との間には、幅δ３（図１（ｂ））の円筒状の空間１７が確保されることになる。
【００２４】
空間１７の幅δ３の平均値は、胴部分（２３〜２５）の内周の直径φ７とロータ１１の直径（φ２）との差の１／２に相当する（例えば３．５ｍｍ）。なお、空間１７の長さＤ３（図２（ｂ））は例えば２６．２ｍｍであり、ステータ１２の長さＤ４は例えば３０．２ｍｍである。
次に、上記のような外観形状を持つステータ１２の部品構成について説明する。ステータ１２は、既に述べたように、５つの部品（２１〜２５）からなる。具体的に説明すると、シャフト１０ａの通過穴が中心部に設けられた円盤状の部品２１，２２と、リング状の永久磁石２３，２４と、円筒状のヨーク２５とからなる。
【００２５】
これらの部品（２１〜２５）の外周の直径は、全て、上記したステータ１２の外周の直径φ６（図２（ｂ））に相当する。永久磁石２３，２４とヨーク２５の内周の直径は、何れも、上記したステータ１２の内周の直径φ７に相当する。円盤状の部品２１，２２の内周の直径は、上記した磁極面１２ａ，１２ｂの内周の直径φ５に相当する。また、永久磁石２３，２４の長さＤ５は例えば２ｍｍであり、ヨーク２５の長さは例えば２２．２ｍｍである。
【００２６】
これら５つの部品（２１〜２５）は、円盤状の部品２１とヨーク２５の一端との間に永久磁石２３を配置し、ヨーク２５の他端と円盤状の部品２２との間に永久磁石２４を配置して、一体化される。ちなみに、上記した胴部分（２３〜２５）は、ヨーク２５の両端の各々に永久磁石２３，２４を配置した部分である。また、上記した磁極面１２ａ，１２ｂの各々は、円盤状の部品２１，２２に形成されている。
【００２７】
このように構成されたステータ１２では、一方の磁極面１２ａから円盤状の部品２１と永久磁石２３とヨーク２５と永久磁石２４と円盤状の部品２２とを介して他方の磁極面１２ｂに達する磁気回路が形成される。そして、磁極面１２ａと磁極面１２ｂとの間に、永久磁石２３，２４によって定常的な磁場を発生する。
したがって、ステータ１２の内部にロータ１１を組み込んだ場合には、ステータ１２の磁極面１２ａ，１２ｂにロータ１１の端面１１ａ，１１ｂが対向することになり、ステータ１２の永久磁石２３，２４によって発生した定常的な磁場がロータ１１の内部を通過する。すなわち、図３に示すように、ステータ１２とロータ１１とにより、永久磁石２３，２４からの磁束Φ１の通路となる閉じた磁気回路（閉磁路）が形成される。
【００２８】
また、ステータ１２とロータ１１による磁気回路は、エアギャップδ１，δ２（図１（ｂ））以外で連続しているため、永久磁石２３，２４からの磁束Φ１の漏れはほとんどないと言うことができる。つまり、永久磁石２３，２４からの磁束Φ１を効率良く利用できる。
さらに、永久磁石２３，２４からの磁束Φ１のループは、ステータ１２の磁極面１２ａとロータ１１の端面１１ａとのエアギャップδ１を横切り、かつ、ステータ１２の磁極面１２ｂとロータ１１の端面１１ｂとのエアギャップδ２を横切るため、この磁束Φ１のループにより、ステータ１２とロータ１１とは、仮想的なバネによって連結された状態と考えられる。
【００２９】
ここで、仮想的なバネの剛性の符号は、ラジアル方向（Ｙ方向，Ｚ方向）と傾き方向（β方向，γ方向）とを合わせた４自由度に関して「正」になる。すなわち、ラジアル方向の２自由度においてロータ１１が理想的な位置から変位すると（図４（ａ）の状態）、ロータ１１には磁束Φ１のループによる復元力Ｆ１が働く。また、傾き方向の２自由度においてロータ１１が理想的な位置から傾くと（図４（ｂ）の状態）、ロータ１１には磁束Φ１のループによる復元トルクＦ２が働く。
【００３０】
何れの場合にも、ロータ１１は、復元力Ｆ１（または復元トルクＦ２）により、一方の端面１１ａがステータ１２の磁極面１２ａに対向し、かつ、他方の端面１１ｂがステータ１２の磁極面１２ｂに対向する状態、つまり、理想的な位置に整列した状態へ向けて動くことになる。
その結果、ロータ１１は、端面１１ａ，１１ｂが磁極面１２ａ，１２ｂに対向する整列状態に安定して保持される。つまり、ラジアル方向（Ｙ方向，Ｚ方向）と傾き方向（β方向，γ方向）とを合わせた４自由度に関しては、永久磁石２３，２４からの磁束Φ１のループによって、ロータ１１の剛性を充分に確保することができる。
【００３１】
これに対し、スラスト方向（Ｘ方向）の１自由度に関しては、永久磁石２３，２４からの磁束Φ１のループによる仮想的なバネの剛性が「負」になってしまう。このため、本実施形態の磁気軸受１０では、スラスト方向の仮想的なバネの剛性を補正して「正」にする目的で、ステータ１２とロータ１１との間の円筒状の空間１７（図１（ｂ））にリング状のコイル１３，１４を配置し、さらに、変位センサ１５と制御回路１６を設けた。
【００３２】
一方のリング状のコイル１３（第１コイル部材）は、不図示の支持部品を介してステータ１２の磁極面１２ａ側の内面に取り付けられている。コイル１３は、磁極面１２ａの周方向に沿って巻かれた導線からなる。同様に、他方のリング状のコイル１４（第２コイル部材）は、不図示の支持部品を介してステータ１２の磁極面１２ｂ側の内面に取り付けられている。コイル１４は、磁極面１２ｂの周方向に沿って巻かれた導線からなる。
【００３３】
なお、リング状のコイル１３，１４は、外周の直径が例えば１４ｍｍ、内周の直径が例えば９ｍｍであり、長さが例えば５ｍｍである。コイル１３とステータ１２の部品２１との距離、および、コイル１４とステータ１２の部品２２との距離は、例えば０．５ｍｍである。
このように、ステータ１２の磁極面１２ａ側の内面にリング状のコイル１３が配置されるため、このコイル１３に励磁電流を供給することにより、ロータ１１およびステータ１２に、磁束Φ２（図５参照）の通路となる磁気回路を形成できる。この磁束Φ２のループは、ステータ１２の磁極面１２ａとロータ１１の端面１１ａとのエアギャップδ１を横切るものである。つまり、コイル１３とロータ１１，ステータ１２とは、電磁石として機能する。
【００３４】
また、ステータ１２の磁極面１２ｂ側の内面にリング状のコイル１４が配置されるため、このコイル１４に励磁電流を供給することにより、ロータ１１およびステータ１２に、磁束Φ３の通路となる磁気回路を形成できる。この磁束Φ３のループは、ステータ１２の磁極面１２ｂとロータ１１の端面１１ｂとのエアギャップδ２を横切るものである。つまり、コイル１４とロータ１１，ステータ１２も、電磁石として機能する。
【００３５】
さらに、コイル１３による磁束Φ２のループの向きと強さは、コイル１３を流れる励磁電流の向きと強さに応じて決まる。同様に、コイル１４による磁束Φ２のループの向きと強さは、コイル１４を流れる励磁電流の向きと強さに応じて決まる。そして、コイル１３，１４に対する励磁電流は、変位センサ１５からの出力信号に基づいて、制御回路１６が独立に制御する。
【００３６】
変位センサ１５は、シャフト１０ａの一方の端面側に配置され、シャフト１０ａのスラスト方向（Ｘ方向）の変位（初期ギャップからの変位）を検知する。シャフト１０ａの端面には、センサターゲットが取り付けられている。変位センサ１５の出力信号は、センサターゲットとのギャップが初期ギャップに等しいときに零となる。
【００３７】
制御回路１６（制御手段）は、コイル１３，１４に対する励磁電流を独立にフィードバック制御する装置である。この制御回路１６には、変位センサ１５からの出力信号と、シャフト１０ａのスラスト方向の目標位置信号（Ｘｒ）とが入力される。そして、制御回路１６は、変位センサ１５の出力信号が零となるように、コイル１３，１４への励磁電流を制御する。つまり、コイル１３，１４の少なくとも一方に励磁電流を供給する。
【００３８】
コイル１３のみに励磁電流が供給されると、上記したコイル１４による磁束Φ３のループは形成されず、コイル１３による磁束Φ２のループが形成される。逆に、コイル１４のみに励磁電流が供給されると、コイル１３による磁束Φ２のループは形成されず、コイル１４による磁束Φ３のループが形成される。
また、コイル１３，１４の両方に励磁電流が供給されると、磁束Φ２，Φ３の両方のループが形成される。このとき、磁束Φ２のループと磁束Φ３のループとは逆方向となるように形成される（図５の状態）。コイル１３，１４の両方に励磁電流が供給された場合を例に、シャフト１０ａをスラスト方向に移動させるための磁気力Ｆ（吸引力）について説明する。
【００３９】
この磁気力Ｆは、次の式（１）で表されるように、ロータ１１の端面１１ａとステータ１２の磁極面１２ａとの間のエアギャップδ１に発生する磁気力Ｆａ（吸引力）と、ロータ１１の端面１１ｂとステータ１２の磁極面１２ｂとの間のエアギャップδ２に発生する磁気力Ｆｂ（吸引力）との合成力に相当する。
【００４０】
Ｆ＝Ｆａ＋Ｆｂ　…（１）
さらに、エアギャップδ１に発生する磁気力Ｆａは、次の式（２）で表されるように、エアギャップδ１における磁束、つまり、永久磁石２３，２４による磁束Φ１とコイル１３による磁束Φ２との差（Φ１−Φ２）に相当する磁束の２乗に比例する。Ｋは定数である。磁束Φ１，Φ２の符号は、図５中の矢印方向を正にしている。
【００４１】
Ｆａ＝−Ｋ（Φ１−Φ２）２　…（２）
同様に、エアギャップδ２に発生する磁気力Ｆｂは、次の式（３）で表されるように、エアギャップδ２における磁束、つまり、永久磁石２３，２４による磁束Φ１とコイル１４による磁束Φ３との和（Φ１＋Φ３）に相当する磁束の２乗に比例する。磁束Φ１，Φ３の符号も、図５中の矢印方向を正にしている。
【００４２】
Ｆｂ＝Ｋ（Φ１＋Φ３）２　…（３）
これらの式（２），（３）から分かるように、エアギャップδ１の磁気力Ｆａと、エアギャップδ２の磁気力Ｆｂとは、逆方向に発生している。したがって、磁気力Ｆａ，Ｆｂの合成力（式（１）の磁気力Ｆ）は、式（２），（３）を式（１）に代入することにより次の式（４）で表すことができる。磁気力Ｆは、２つの磁気力Ｆａ，Ｆｂの大きさの差に相当する。
【００４３】
Ｆ＝Ｋ｛２（Φ１Φ２＋Φ１Φ３）＋Φ３２−Φ２２｝…（４）
つまり、コイル１３，１４への励磁電流を制御して、コイル１３，１４による磁束Φ２，Φ３の大きさや方向を変えることにより、式（４）に応じた磁気力Ｆをシャフト１０ａのスラスト方向の力として作用させることができる。
特に、コイル１３，１４への励磁電流の大きさを等しくした場合、磁束Φ２，Φ３の大きさも等しくなるため（Φ２＝Φ３）、上記の式（４）は、次の式（５）のようになる。式（５）から分かるように、コイル１３，１４への励磁電流の方向を逆転させて、磁束Φ２，Φ３の方向を逆転させるだけで、磁気力Ｆの方向も逆転させることができる。
【００４４】
Ｆ＝４ＫΦ１Φ２…（５）
また、コイル１３，１４の何れか一方に励磁電流を供給した場合、例えばコイル１３のみに励磁電流を供給した場合には、既に説明したように、コイル１４による磁束Φ３のループは形成されず（Φ３＝０）、コイル１３による磁束Φ２のループが形成される（Φ２≠０）ため、上記の式（４）は、次の式（６）のようになる。
【００４５】
Ｆ＝Ｋ｛２（Φ１Φ２）−Φ２２｝…（６）
さらに、通常、永久磁石２３，２４による磁束Φ１に比較して、コイル１３による磁束Φ２が非常に小さいこと（Φ１≫Φ２）を考慮すると、上記の式（６）は、次の式（７）のようになる。式（７）から分かるように、コイル１３への励磁電流の方向を逆転させて、磁束Φ２の方向を逆転させるだけで、磁気力Ｆの方向も逆転させることができる。
【００４６】
Ｆ＝２Ｋ（Φ１Φ２）…（７）
そして、コイル１４のみに励磁電流を供給する場合も同様であり（Φ３≠０，Φ２＝０）、その励磁電流の方向を逆転させて、コイル１４による磁束Φ３の方向を逆転させるだけで、磁気力Ｆの方向を逆転させることができる。
このように、スラスト方向（Ｘ方向）の１自由度に関しては、変位センサ１５の出力信号が零となるように、コイル１３，１４への励磁電流を制御することで、シャフト１０ａの位置が制御され、変位センサ１５とシャフト１０ａのセンサターゲット（不図示）とのギャップが初期ギャップに等しい状態に安定して保持される。つまり、スラスト方向の仮想的なバネの剛性も「正」になる。
【００４７】
上記した本実施形態の磁気軸受１０では、ラジアル方向（Ｙ方向，Ｚ方向）と傾き方向（β方向，γ方向）とを合わせた４自由度に関しては、ステータ１２に設けた永久磁石２３，２４からの磁束Φ１のループによって、ロータ１１の剛性を充分に確保することができる。また、ステータ１２とロータ１１による磁束Φ１の磁気回路は、エアギャップδ１，δ２以外で連続しているため、磁束Φ１の漏れはほとんどなく、永久磁石２３，２４からの磁束Φ１を効率良く利用できる。
【００４８】
さらに、スラスト方向（Ｘ方向）の１自由度に関しては、ステータ１２とロータ１１との間（円筒状の空間１７）に設けたコイル１３，１４からの磁束Φ２，Φ３のループによって、ロータ１１の剛性を充分に確保することができる。
したがって、本実施形態の１自由度制御型の磁気軸受１０では、不図示のモータなどによるシャフト１０ａの回転運動（α方向）を自由にした状態で、シャフト１０ａの５自由度の荷重を充分な剛性で安定して支持することができる。
【００４９】
さらに、本実施形態の１自由度制御型の磁気軸受１０は、部品点数が非常に少なく、構造が簡素なため（リング状の永久磁石２個，リング状のコイル２個，変位センサ１個）、小型化および低コスト化が実現する。また、簡単に組み立てることができるため、量産用の小型磁気軸受として有望である。
ここで、本実施形態の磁気軸受１０の剛性について測定した結果を説明する。この測定は、図６（ａ）に示すように、ベース部材１０ｂに設置した２つの測定用センサ３１，３２を用いて、シャフト１０ａの理想的な位置からの変位を検知することにより行った。２つの測定用センサ３１，３２は、共に、磁気軸受１０の重心から等距離Ｘ０（例えば２３．５ｍｍ）の地点に設置されている。
【００５０】
そして、測定用センサ３１の出力（変位ｙ１）と測定用センサ３２の出力（変位ｙ２）とに基づいて、図６（ｂ）に示す平均値ｙＳＵＭ（＝（ｙ１＋ｙ２）／２）と、差分値ｙｄｉｆｆ（＝（ｙ２−ｙ１）／２）とを求めた。このうち、平均値ｙＳＵＭは、シャフト１０ａの重心のラジアル方向の並進ずれを表し、差分値ｙｄｉｆｆは、シャフト１０ａの傾きを表している。なお、上記した変位センサ１５による測定も同時に行う。
【００５１】
シャフト１０ａにα方向の回転トルクを与えない状態で、スラスト方向の制御（制御回路１６からコイル１３，１４への励磁電流のフィードバック制御）を開始すると、シャフト１０ａのスラスト方向の変位Ｘと並進ずれ（平均値ｙＳＵＭ）と傾き（差分値ｙｄｉｆｆ）は、各々、図７（ａ）〜（ｃ）に示すようになる。横軸は時間ｔであり、その基準（ｔ＝０）はスラスト方向の制御を開始した時刻に相当する。
【００５２】
図７（ａ）〜（ｃ）に示すように、シャフト１０ａのスラスト方向の変位Ｘと並進ずれ（平均値ｙＳＵＭ）と傾き（差分値ｙｄｉｆｆ）は、何れも、時間ｔの経過と共に一定値に収束していく。そして定常状態では、図８（ａ）〜（ｃ）に示すように、変位Ｘと並進ずれ（平均値ｙＳＵＭ）と傾き（差分値ｙｄｉｆｆ）が何れも、±０．１μｍの範囲内に安定化される。
【００５３】
また、シャフト１０ａに対して外乱を加えたときの並進ずれ（平均値ｙＳＵＭ）と傾き（差分値ｙｄｉｆｆ）は、図９（ａ），（ｂ）に示すように変化する。つまり、振動しつつ減衰していく。この振動減衰性のうち、０．３０≦ｔ≦０．３５の範囲を拡大した図９（ｃ）から分かるように、シャフト１０ａの並進ずれ（平均値ｙＳＵＭ）の固有振動数は２０５Ｈｚであり、傾き（差分値ｙｄｉｆｆ）の固有振動数は１１４Ｈｚである。
【００５４】
したがって、シャフト１０ａの並進ずれ（平均値ｙＳＵＭ）の固有振動数２０５Ｈｚと、シャフト１０ａの質量１１．５×１０−３Ｋｇとに基づいて、シャフト１０ａのラジアル方向の並進剛性を計算すると、１．９１×１０４Ｎ／ｍとなる。
また、シャフト１０ａの傾き（差分値ｙｄｉｆｆ）の固有振動数１１４Ｈｚと、シャフト１０ａの慣性モーメント１．９６×１０−６Ｋｇｍ２とに基づいて、シャフト１０ａの傾き方向の回転剛性を計算すると、１．００Ｎｍ／ｒａｄとなる。
【００５５】
これらの測定結果から、本実施形態の磁気軸受１０では、シャフト１０ａにα方向の回転トルクを与えない状態のときに、シャフト１０ａのラジアル方向と傾き方向との４自由度において、充分な剛性を確保できることが分かる。したがって、シャフト１０ａにα方向の回転トルクを与えた使用状態でも、ラジアル方向と傾き方向との４自由度において、充分な剛性を確保できる。
【００５６】
さらに、シャフト１０ａにα方向の回転トルクを与えて６０００ｒｐｍで回転させ、その回転トルクの供給を停止した後、シャフト１０ａの回転が自然に止まるまでの時間を測定した。図１０から分かるように、シャフト１０ａの回転速度（Ｒｏｔｏｒ　ｓｐｅｅｄ）は、時間と共に徐々に遅くなり、３００ｓｅｃ以上の時間経過の後に停止する。この結果から、本実施形態の磁気軸受１０は非常に低損失な磁気軸受であると分かる。
【００５７】
なお、上記した実施形態では、ロータ１１の端面１１ａ，１１ｂの幅Δ１とステータ１２の磁極面１２ａ，１２ｂの幅Δ２が共に１ｍｍである例を説明したが、本発明はこれに限定されない。
また、上記した実施形態では、ロータ１１の端面１１ａ，１１ｂとステータ１２の磁極面１２ａ，１２ｂが共に１重のリング状である例を説明したが、本発明はこの構成に限定されない。例えば、図１１に示すように、端面１１ａと磁極面１２ａの各々にリング状の溝部３５を設け、この溝部３５によって２つの領域に分割してもよい（請求項４）。図１１の場合には、端面１１ａと磁極面１２ａが共に２重のリング状となる。端面１１ｂと磁極面１２ｂについても同様である。
【００５８】
溝部３５の数は１つに限らず、２つ以上設けてもよい。端面１１ａ，１１ｂと磁極面１２ａ，１２ｂに１つ以上の溝部３５を設け、端面１１ａ，１１ｂと磁極面１２ａ，１２ｂを複数の領域（リング状）に分割することにより、磁気軸受１０の５自由度の剛性をさらに高めることができる。
また、上記した実施形態では、ステータ１２にリング状の永久磁石を２つ設けたが、このリング状の永久磁石は１つでもよい。この場合、１つの永久磁石は、ステータ１２のスラスト方向の中央付近に設けることが好ましい。
【００５９】
さらに、上記した実施形態では、ステータ１２の永久磁石（１つ以上）によって磁極面１２ａ，１２ｂの間に定常的な磁場を発生したが、永久磁石に代えて電磁石を設け、電磁石によって定常的に磁場を発生するように構成してもよい。この場合、電磁石には一定の励磁電流を供給するだけなので、システムが複雑化することはない。
【００６０】
また、上記した実施形態では、スラスト方向の制御用として変位センサ１５を設けたが、変位センサ１５を省略することもできる。この場合には、コイル１３，１４に発生する逆起電圧に基づいてシャフト１０ａの変位を推定することにより、同様の制御が可能となる。
さらに、上記した実施形態では、磁気軸受１０を単体で使用する例を説明したが、図１２に示すように、磁気軸受１０と空気動圧軸受３６とを組み合わせることもできる（請求項５の軸受装置）。この場合、空気動圧軸受３６は、磁気軸受１０のステータ１２の内面のうち、コイル１３，１４の間に取り付けることが好ましい。
【００６１】
磁気軸受１０と空気動圧軸受３６とを組み合わせた軸受装置によれば、シャフト１０ａにα方向の回転トルクを与えない状態のときに、シャフト１０ａの荷重を磁気軸受１０によって支持し、その後、シャフト１０ａが回転を開始すると、その荷重を空気動圧軸受３６によって支持することができる。
空気動圧軸受３６は、シャフト１０ａの回転で生じた空気流の剛性により、シャフト１０ａの荷重を支持する軸受である。空気動圧軸受３６とロータ１１との隙間は、数μｍ〜１０μｍ程度である。
【００６２】
したがって、磁気軸受１０と空気動圧軸受３６とを組み合わせた軸受装置によれば、シャフト１０ａの回転開始・停止時の接触を防止できる（磁気軸受１０）と共に、シャフト１０ａの回転精度を高精度に保つこともできる（空気動圧軸受３６）。また、接触を防止できるため、表面状態を高精度に保つこともできる。このような軸受装置（磁気軸受１０＋空気動圧軸受３６）は、例えばレーザプリンタのミラーを回転させる軸受や、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）などの軸受に用いることが好適である。
【００６３】
なお、磁気軸受１０のステータ１２の内面のうち、コイル１３，１４の間には、空気動圧軸受３６だけでなく、シャフト１０ａに回転トルクを与えるためのモータを組み込むこともできる。
【００６４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、構造の簡素化が図られ、かつ、軸部材の回転方向を除く５自由度において充分な剛性を確保できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】磁気軸受１０の全体構成図である。
【図２】ロータ１１とステータ１２の構成を示す図である。
【図３】永久磁石２３，２４による磁束Φ１のループを説明する図である。
【図４】磁束Φ１のループによる復元力Ｆ１と復元トルクＦ２を説明する図である。
【図５】コイル１３，１４による磁束Φ２，Φ３のループを説明する図である。
【図６】磁気軸受１０の剛性を測定する際の構成を示す図である。
【図７】シャフト１０ａの変位Ｘと並進ずれ（平均値ｙＳＵＭ）と傾き（差分値ｙｄｉｆｆ）の時間変化を示す測定結果である。
【図８】定常状態におけるシャフト１０ａの変位Ｘと並進ずれ（平均値ｙＳＵＭ）と傾き（差分値ｙｄｉｆｆ）を示す測定結果である。
【図９】シャフト１０ａに対して外乱を加えたときの並進ずれ（平均値ｙＳＵＭ）と傾き（差分値ｙｄｉｆｆ）を示す測定結果である。
【図１０】シャフト１０ａの回転速度（Ｒｏｔｏｒ　ｓｐｅｅｄ）の時間変化を示す測定結果である。
【図１１】ロータの端面１１ａとステータの磁極面１２ａとに溝部を設けた構成を示す図である。
【図１２】磁気軸受１０と空気動圧軸受３６を組み合わせた軸受装置の構成図である。
【図１３】軸部材（シャフト）の自由度を説明する図である。
【符号の説明】
１０　磁気軸受
１０ａ　シャフト
１１　ロータ
１２　ステータ
１３，１４　コイル
１５　変位センサ
１６　制御回路
２３，２４　永久磁石
【図１】
2004003572.tif 000003
【図２】
2004003572.tif 000004
【図３】
2004003572.tif 000005
【図４】
2004003572.tif 000006
【図５】
2004003572.tif 000007
【図６】
2004003572.tif 000008
【図７】
2004003572.tif 000009
【図８】
2004003572.tif 000010
【図９】
2004003572.tif 000011
【図１０】
2004003572.tif 000012
【図１１】
2004003572.tif 000013
【図１２】
2004003572.tif 000014
【図１３】
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