(57)【要約】【課題】  ステータ部に対するロータ部の微小な軸偏位を制御検出し、精密に軸の偏位を制御する。【解決手段】  ハウジング２に対し回転自在に支持されたロータ部は、電磁コイル１３に通電することにより、ロータ部に取り付けたマグネット１１との磁気作用により回転する。偏芯や不平衡による遠心力が発生すると、ロータ部の振れが大きくなり、位置センサ１７ａ、１７ｂによりこの偏位を検出し、偏位をなくすように電磁コイル２３に電流を流しロータ部に対して半径方向の力を作用させる。  位置センサ１７ａ、１７ｂが検出する回転中心部４の計測面４ａの表面形状は、事前に精密に形状が計測、記録されているので、軸受の熱膨張による形状変化が検出され、その出力とその部分の形状成分から、精密に回転中心部４の偏位である振れ量を検出することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータ部を回転自在に支持するステータ部と、前記ロータ部の半径方向の偏位を検出する偏位検出部と、前記ロータ部に対し半径方向に力を付与する力発生手段と、前記偏位検出部の出力を基に前記力発生手段により前記ロータ部の半径方向の偏位をなくすように制御することを特徴とする軸受装置。
【請求項２】
前記偏位検出部は前記ロータ部の精密加工面に対し位置センサを対向的に設け、該位置センサにより偏位を検出することを特徴とする請求項１に記載の軸受装置。
【請求項３】
前記精密加工面はその表面形状を予め計測・記録しておき、その表面状態を基に微細な偏位を検出するようにしたことを特徴とする請求項２に記載の軸受装置。
【請求項４】
前記偏位検出部は、前記ロータ部に配設し回転方向の位置を記録したチャートと、前記ロータ部の回転中心に対して前記ステータ部の少なくとも１対の位置で前記チャートの位置検出をするエンコーダヘッドとを有し、これらのエンコーダヘッド同士を結ぶ直線と直交方向の前記ロータ部の偏位を前記一対のエンコーダヘッドの差動出力により検出することを特徴とする請求項１に記載の軸受装置。
【請求項５】
前記力発生手段は、前記ロータ部の周囲で軸方向に一様に磁界を形成するように空隙を伴ったリング状のマグネットをそのバックヨークと共に前記ロータ部に一体的に配設し、前記空隙中に前記ステータ部に設けた電磁コイルの巻線の一部を挿入し、前記電磁コイルへの通電により前記力を発生することを特徴とする請求項１に記載の軸受装置。
【請求項６】
前記力発生手段は、前記ロータ部の周囲で半径方向に着磁したリング状のマグネットをそのバックヨークと共に前記ロータ部に一体的に配設し、前記マグネットの周囲に半径方向に一様の磁界を形成する空隙を介して対向するヨークを前記ステータ部に配設し、前記ヨークの一部に巻線を巻回した電磁コイルを設け、該電磁コイルに通電することにより前記力を発生することを特徴とする請求項１に記載の軸受装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般産業機械の流体軸受等において、軸振れを低減する機能を有する軸受装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来例として、非特許文献１に見られるようなエアスピンドルモータの空気流体軸受部の剛性を強化するように磁気軸受が併設され、より軸受剛性の高いスピンドルモータが知られている。
【０００３】
また、特許文献１に提示されているように、磁気軸受を構成しながら、精密にロータ位置を検出し、その姿勢を制御する方策が提案されている。
【０００４】
【非特許文献１】ＮＴＮ株式会社のTECHNICAL REVIEW NO.69  磁気／エアハイブリッドスピンドルの開発
【特許文献１】特開平１１−３１１５１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
エアハイブリッドスピンドルの開発で提案されている上記の非特許文献１による従来技術では、高精度に機械加工された軸表面の偏位を位置センサで検出し、軸の偏位を少なくするように制御するが、軸の表面粗さ以下のごく微小な軸の偏位を問題にした場合には誤差範囲となり、微小な軸偏位には対応できないという問題がある。
【０００６】
また、特許文献１で提示されている磁気軸受では、軸芯位置を軸の両端に設置した走査型プローブ顕微鏡により直接検出し、かつ軸受自体を磁気結合だけで構成しており、装置自体は大掛かりなものになるという問題がある。
【０００７】
本発明の目的は、上述の課題を解消し、微小な軸偏位を検出し、精密に軸の偏位を制御する軸受装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するための本発明に係る軸受装置は、ロータ部を回転自在に支持するステータ部と、前記ロータ部の半径方向の偏位を検出する偏位検出部と、前記ロータ部に対し半径方向に力を付与する力発生手段と、前記偏位検出部の出力を基に前記力発生手段により前記ロータ部の半径方向の偏位をなくすように制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る軸受装置では、ロータ部の微小な軸偏位を制御検出し、より精密に軸の偏位をアクテイブに制御できる。
【００１０】
また、予め軸側面の計測面の精密な形状を計測、記録しておけば、実動作時の表面粗さ以下の微細な軸の半径方向の偏位を検出でき、精密な制御ができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明に係る軸受装置において、前記偏位検出部は前記ロータ部の精密加工面に対し位置センサを対向的に設け、該位置センサにより偏位を検出することを特徴とする。
【００１２】
本発明に係る軸受装置において、前記精密加工面はその表面形状を予め計測・記録しておき、その表面状態を基に微細な偏位を検出するようにしたことを特徴とする。
【００１３】
本発明に係る軸受装置において、前記偏位検出部は、前記ロータ部に配設し回転方向の位置を記録したチャートと、前記ロータ部の回転中心に対して前記ステータ部の少なくとも１対の位置で前記チャートの位置検出をするエンコーダヘッドとを有し、これらのエンコーダヘッド同士を結ぶ直線と直交方向の前記ロータ部の偏位を前記一対のエンコーダヘッドの差動出力により検出することを特徴とする。
【００１４】
本発明に係る軸受装置において、前記力発生手段は、前記ロータ部の周囲で軸方向に一様に磁界を形成するように空隙を伴ったリング状のマグネットをそのバックヨークと共に前記ロータ部に一体的に配設し、前記空隙中に前記ステータ部に設けた電磁コイルの巻線の一部を挿入し、前記電磁コイルへの通電により前記力を発生することを特徴とする。
【００１５】
本発明に係る軸受装置において、前記力発生手段は、前記ロータ部の周囲で半径方向に着磁したリング状のマグネットをそのバックヨークと共に前記ロータ部に一体的に配設し、前記マグネットの周囲に半径方向に一様の磁界を形成する空隙を介して対向するヨークを前記ステータ部に配設し、前記ヨークの一部に巻線を巻回した電磁コイルを設け、該電磁コイルに通電することにより前記力を発生することを特徴とする。
【実施例１】
【００１６】
図１は例えばＨＤＤ用のサーボライタ用に流体軸受を使用したスピンドルモータによる実施例１の断面図、図２は図１のＡ−Ａ’線に沿った断面図である。取付板１に固定されたステータ部であるハウジング２内にはロータ部が収容され、ロータ部は下方から回転駆動部３、回転中心部４、ハブ５が複数のねじにより一体化され、回転中心部４がハウジング２に固定された円環状の支持部６に支持されている。ハブ５には、ハードデイスク用のディスク７ａ、７ｂ、７ｃが、ねじ８によりキャップ９及びスペーサ１０ａ、１０ｂを用いて一体的に固定されている。
【００１７】
回転駆動部３にはトルク発生用マグネット１１が周設され、ハウジング２の内側に、ステータコア１２を介して設けられた電磁コイル１３が対向して配置されており、電磁コイル１３に電流を流すことにより、ステータ部に対しロータ部が回転し、モータとしての役割を果たすことになる。
【００１８】
更に、回転駆動部３の下端には位置信号が記録されたチャート１４が回転角検出のために取り付けられ、その周囲にチャート１４の位置信号を検出するエンコーダヘッド１５が回路基板１６を介してハウジング２に固定されている。
【００１９】
一方、回転中心部４の周囲には計測面４ａが設けられ、この計測面４ａは例えば表面粗さ、半径方向の振れ、真円度が何れも１μｍ程度に機械加工されている。この計測面４ａに対して、軸中心に１８０度の対向する位置に、棒状の位置センサ１７ａ、１７ｂの検出端が対向して配置され、これらの位置センサ１７ａ、１７ｂはハウジング２上に設けられた固定部１８ａ、１８ｂに固定されている。
【００２０】
またハブ５の基部の外周には、空隙を介して軸方向の上下方向で向き合い、全面に渡ってＮ、Ｓ極になるように着磁された円環状のマグネット１９、２０が、それぞれバックヨーク２１、２２に支持されて一体的に固定され、マグネット１９、２０間の空隙に軸方向に一様の磁界が形成されている。更に、マグネット１９、２０間の空隙内に、巻線の約半分が挿入された空芯の電磁コイル２３が、固定部１８ａの上部に固定されている。
【００２１】
ハウジング２、支持部６、固定部１８ａ、１８ｂに対し回転自在に支持されたロータ部は、電磁コイル１３に電流を流すことにより、マグネット１１との磁気作用によりステータ部に対して回転する。ここで、ディスク７ａ、７ｂ、７ｃの偏芯や、それ以外の部分の不平衡による遠心力が発生すると、ロータ部に振れによる偏位が生ずる。この偏位を位置センサ１７ａ、１７ｂにより検出し、偏位をなくすように電磁コイル２３に電流を流すことにより、マグネット１９、２０間の磁界を巻線が横切ることによって半径方向の力が作用し、この力が平衡するようにマグネット１９、２０と電磁コイル２３の相対的位置が変化する。
【００２２】
本実施例１によれば、回転中心部４の計測面４ａの表面形状は、事前に精密に形状が計測、記録され、かつ１８０度の対向位置に位置センサ１７ａ、１７ｂが配置されているので、軸受の熱膨張による形状変化が検出され、その出力とその部分の形状成分から、精密に回転中心部４の位置センサ１７ａ、１７ｂに対する振れ量を検出することができる。
【００２３】
これにより、偏位を抑えるように電磁コイル２３の電流の大きさ、方向を変えてフィードバック制御することにより、位置センサ１７ａ、１７ｂが検出した偏位を補償し、アクテイブに剛性を向上させることができる。
【００２４】
図３は制御部における電気的構成図を示し、ロータ部に対する位置センサ１７ａ、１７ｂの出力とエンコーダヘッド１５の出力は、演算部３１に接続され、演算部３１の出力は駆動部３２を介して電磁コイル２３に接続され、電磁コイル２３に通電する電流の大きさ、方向を制御するようにされている。また、演算部３１は形状成分記憶部３３の出力が接続されている。
【００２５】
位置センサ１７ａ、１７ｂの出力とエンコーダヘッド１５の信号は演算部３１に入力され、予め厳密に計測・記録された形状成分記憶部３３により、エンコーダヘッド１５から得られる刻々のロータ部位置に対応する形状成分が分かるので、位置センサ１７ａ、１７ｂの出力から形状成分を差し引いた真のロータ部の半径方向の移動量が算出される。これにより、この偏差信号を補償し駆動部３２に入力する。
【００２６】
例えば、使用する位置センサ１７ａ、１７ｂとは、１Ｖのアナログ電圧出力で２．５μｍの変位を出力するような精密なセンサであり、静電容量タイプ或いはレーザ干渉タイプが採用され、演算部３１の入力部のＡ／Ｄ変換部は±０．５Ｖの入力に対して１２ビット、つまり２．５μｍ÷４０９６＝０．６ｎｍ程度の分解能を処理できる。実際の計測面４ａの表面粗度も同様の値であり、その補償すべき周波数帯域内において真の軸振れを検出し、補償することができる。
【００２７】
図４は図３の構成図上の各信号の概念図である。図４（ａ）の位置センサ１７ａ、１７ｂの出力は、非制御時の出力を示し、実際の計測面４ａの角度に対する振れ波形である。図４（ｂ）の角度に対する計測面４ａの記憶形状であり、この情報は図３の形状成分記憶部３３に記憶されている。図４（ｃ）は非制御時の演算部３１内部の偏差波形であり、これを補償するように駆動部３２に出力し制御することにより、この偏差信号は零に近付くことになる。
【００２８】
また、一方のマグネット２０を省略し、同様の形状をそのバックヨーク２２で形成することも可能であり、その場合はマグネット厚が半分になった場合と等価となる。
【実施例２】
【００２９】
図５は実施例２の断面図、図６は図５のＢ−Ｂ’線に沿った断面図である。実施例１に対し、Ｘ、Ｙ軸方向に２個ずつ、計４個の位置センサ１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄがそれぞれ固定部１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄ上に取り付けられ、これらの方向の偏位を検出するようにされている。また固定部１８ｃ上には、電磁コイル２３’がＸ軸上の電磁コイル２３と直交するＹ軸上に配置されている。
【００３０】
従って、この実施例２においては、電磁コイル２３、２３’を用いて、Ｘ、Ｙ軸方向に別個に半径方向の偏位調整が可能となる。
【実施例３】
【００３１】
図７は実施例３の断面図、図８は図７のＣ−Ｃ’線に沿った断面図を示し、実施例１において力発生手段の電磁コイル２３での温度上昇により、電磁コイル２３近傍の微小な熱膨張による変位を考慮し、電磁コイル２３と左右対称位置の固定部１８ｂ上に、他の電磁コイル２３’が配置されている。
【００３２】
このときの両電磁コイル２３、２３’への入力はプッシュプルの関係となり、熱的にも力学的にも左右対称となり、熱膨張による微小変形は相殺され、より精密に真の軸移動量を検出し、その偏位を低減できる。
【実施例４】
【００３３】
図９は実施例４の断面図、図１０は図７のＤ−Ｄ’線に沿った断面図を示し、実施例１に対し別の形式の力発生手段を使用している。実施例１〜３の力発生手段においては、軸方向に磁界が形成されている空隙に電磁コイル２３を挿入し、力を発生させているが、本実施例４では半径方向に空隙を設けて、この空隙内に半径方向の磁界が形成されている。
【００３４】
即ち、ハブ５には、周囲全周がＮ極に着磁されている円環状のマグネット４１と、その下方に周囲全周がＳ極に着磁されている周形状のマグネット４２が離隔的に固定されており、その周囲にマグネット４１、４２と共に全周に渡り磁路を形成するヨーク４３、４４が固定部１８ａと共に一体にハウジング２に配設されている。また、ヨーク４３には、マグネット４１、４２の外周にそれぞれ空隙を介して対向する一対の円弧状のヨーク４３ａ、４３ｂが形成されており、ヨーク４３ａ、４３ｂ間のコア４３に電磁コイル４５の巻線が巻回されている。
【００３５】
この実施例４では、位置センサ１７ａは固定部１８ａに固定され、また一方の位置センサ１７ｂはヨーク４４に固定されている。これにより、電磁コイル４５に電流を流すと半径方向に力を発生し、巻線の間隔を変化させることによって、良好な半径方向の偏位制御を行うことができる。
【００３６】
この実施例４においても、同様にマグネット４２を省略し、ハブ５、又はヨーク４３ｂを同様の形状にして空隙を設けることにより、マグネットの全厚を約半分とすることができる。
【実施例５】
【００３７】
図１１は実施例５の断面図、図１２は図１１のＥ−Ｅ’線に沿った断面図を示している。実施例４におけるヨーク４３、電磁コイル４５と同様の構成のヨーク４３’、電磁コイル４５’から成る力発生手段が、半径方向の反対側に構成されている。また、マグネット４１、４２の磁路を閉じるように、全周に渡って一体の固定部１８が配設され、ヨークの機能も果たしている。
【００３８】
この実施例５では、電磁コイル４５、４５’をプッシュプル構成にしたので、実施例３と同様の効果を有する。
【実施例６】
【００３９】
図１３は実施例６の断面図、図１４は図１３のＦ−Ｆ’線に沿った断面図である。実施例１における１対の位置センサ１７ａ、１７ｂの代りに、１対のエンコーダヘッド４６ａ、４６ｂが使用されている。
【００４０】
即ち、回転駆動部３の下端にはチャート１４が固定され、その位置信号を検出する２個のエンコーダヘッド４６ａ、４６ｂが、回路基板１６を介してハウジング２に１８０゜の間隔をあけて固定されている。両ヘッド４６ａ、４６ｂ間を結ぶ直線は、電磁コイル２３による力付与方向に対して直交方向とされている。
【００４１】
これにより、各エンコーダヘッド４６ａ、４６ｂにより読み取られる位置信号の差動成分は、回転駆動部３の軸芯の動きのうち、両ヘッド４６ａ、４６ｂを結ぶ直線と直角方向の動き、即ち力発生手段の力付与方向と一致する。従って、両ヘッド４６ａ、４６ｂの出力の差動成分によって偏位を制御することができる。
【実施例７】
【００４２】
図１５は実施例７の断面図、図１６は図１５のＧ−Ｇ’線に沿った断面図を示し、実施例６においては一方向にのみ設けられていたエンコーダヘッド４６が、Ｘ、Ｙ軸方向に互いに向かい合う２個ずつの計４個のエンコーダヘッド４６ａ〜４６ｄとして用いられ、更に４方向に電磁コイル２３ａ〜２３ｄが配置されている。
【００４３】
これにより、更に正確にＸ、Ｙ軸方向の偏位を検出し、良好に制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】実施例１の断面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ’線に沿った断面図である。
【図３】制御部の電気的構成図である。
【図４】各信号の概念図である。
【図５】実施例２の断面図である。
【図６】図５のＢ−Ｂ’線に沿った断面図である。
【図７】実施例３の断面図である。
【図８】図７のＣ−Ｃ’線に沿った断面図である
【図９】実施例４の断面図である。
【図１０】図９のＤ−Ｄ’線に沿った断面図である。
【図１１】実施例５の断面図である。
【図１２】図１１のＥ−Ｅ’線に沿った断面図である
【図１３】実施例６の断面図である。
【図１４】図１３のＦ−Ｆ’線に沿った断面図である。
【図１５】実施例７の断面図である。
【図１６】図１５のＧ−Ｇ’線に沿った断面図である。
【符号の説明】
【００４５】
１  取付板
２  ハウジング
３  回転駆動部
４  回転中心部
４ａ  計測面
５  ハブ
６  支持部
７  ディスク
１３、２３、４５  電磁コイル
１４  チャート
１５、４６  エンコーダヘッド
１７  位置センサ
１８  固定部
１９、２０、４１、４２  マグネット
２１、２２  バックヨーク
３１  演算部
３３  形状成分記憶部
４３、４４  ヨーク
【図１】
2005133737.tif 000003
【図２】
2005133737.tif 000004
【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】
2005133737.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
2005133737.tif 000014
【図１３】
2005133737.tif 000015
【図１４】
2005133737.tif 000016
【図１５】
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【図１６】
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