(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転装置のステータフレームとロータとの間に介設する２つのラジアル磁気軸受と、ロータに作用するアキシャル方向力を受ける２つのピボット軸受とからなり、このピボット軸受によってアキシャル方向にバランスする中性点の近傍にロータを準非接触状態で回転支持する回転体の磁気支持構造において、
上記ロータはその回転軸線と同心のスリーブ体を備え、このスリーブ体の両端に上記ラジアル磁気軸受を配置するとともに、同スリーブ体の中空部にピボット部材を設け、このピボット部材をアキシャル方向に両側から挟むように支える２つの保持軸をステータフレームに設けることにより上記ピボット軸受を構成してなることを特徴とする回転体の磁気支持構造。
【請求項２】
前記ピボット部材は、スリーブ体の両端のラジアル磁気軸受から等距離に配置してなることを特徴とする請求項１記載の回転体の磁気支持構造。
【請求項３】
前記ピボット部材は、一定半径の単一の球体からなることを特徴とする請求項１記載の回転体の磁気支持構造。
【請求項４】
前記ロータの重心位置は、ピボット部材の中心に配置してなることを特徴とする請求項１記載の回転体の磁気支持構造。
【請求項５】
前記ステータフレームは、部材間の熱膨張差によるピボット軸受のピボットギャップ寸法の変動を抑える温度補償部材を備えることを特徴とする請求項１記載の回転体の磁気支持構造。
【請求項６】
前記保持軸は、ステータフレームに外周面を拘束したカラー状のリングと、このリングの外周面を押圧する押圧部材とを備えることを特徴とする請求項１記載の回転体の磁気支持構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高速回転体を支える回転体の磁気支持構造に関し、特に、回転速度等の駆動条件によることなく、ピボット圧を抑えて耐久性を確保することができる回転体の磁気支持構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５は、一般的な回転体の磁気支持構造の構成概念図である。
ラジアル磁気軸受による一般的な回転体の支持構造１０１は、ステータフレーム１０２に回転可能にロータを支持するべく構成する。ロータは、図示せぬ負荷を回転軸線Ｌについて支持する回転軸１０３の両端位置にアキシャル構成のラジアル磁気軸受１０４、１０４と、アキシャル方向力を一点で受けるピボット軸受を備える。このピボット軸受は、剛球１０５、１０５と、ステータフレーム１０２に設けた受け板１０５ａ，１０５ａとから構成する。また、上記ステータフレーム１０２に温度補償部材１０６を介設するほか、駆動コイル１０７とこれに対向するマグネット１０８等による駆動系を設ける。
上記剛球１０５、１０５とその受け板１０５ａ，１０５ａとからなる２つのピボット軸受は、ロータが受けるアキシャル方向力の総和がゼロとなる中性点の近傍位置に回転軸１０３を保持することにより、回転軸１０３を準非接触状態で支持することができる。
部材相互の熱膨張率が相違する場合は、上記温度補償部材１０６の寸法と材質を選ぶことにより、環境温度変化による部材寸法の相互変化をキャンセルしてピボットギャップの変動を抑えることができる。
駆動コイル１０７の励磁等に伴う機器内部の発熱がある場合は、ピボット軸受のピボットギャップ、および、その点接触の支点によって熱移動が妨げられることから、ステータフレームとロータとの間で温度差を生じるので、この温度差と対応する両者間の寸法変化を抑える温度補償部材を設けることにより、ピボットギャップの寸法変動を抑えることができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、駆動コイル１０７の励磁に伴う発熱量は、回転速度等の駆動条件に応じて変化するので、予定温度において所定の補償精度を有する温度補償部材によっては、多様な駆動条件の全範囲に及ぶ補償精度を確保することができないという問題がある。
特に、ロータの回転抵抗を抑えるために機器内を排気減圧して構成したものは、対流による熱移動が減少するので、ステータフレームとロータとの間の温度差はさらに大きくなる。
その結果、ピボット軸受は、そのギャップがなくなると過大な接触圧を生じ、また、ギャップ寸法が大きすぎると回転軸１０３が上記中性点位置から外れて大きなピボット圧を生じることにより耐久性の低下を招く。
その他、ロータは、２つのラジアル磁気軸受によって浮上支持されていることから、複雑な振動モードの組合わせによって不安定な回転振動を招く場合があり、さらに、回転軸線Ｌを傾斜させるようなモーメントを受けた時はピボット支点の偏心による摩耗を避けることができないという問題点をも内包している。
【０００４】
本発明の目的は、駆動条件によることなく、ピボット圧を抑えて耐久性を確保することができる回転体の磁気支持構造を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、回転装置のステータフレームとロータとの間に介設する２つのラジアル磁気軸受と、ロータに作用するアキシャル方向力を受ける２つのピボット軸受とからなり、このピボット軸受によってアキシャル方向にバランスする中性点の近傍にロータを準非接触状態で回転支持する回転体の磁気支持構造において、上記ロータはその回転軸線と同心のスリーブ体を備え、このスリーブ体の両端に上記ラジアル磁気軸受を配置するとともに、同スリーブ体の中空部にピボット部材を設け、このピボット部材をアキシャル方向に両側から挟むように支える２つの保持軸をステータフレームに設けることにより上記ピボット軸受を構成する。
【０００６】
上記構成により、ピボットギャップに影響を与えるものはピボット部材のみとなり、スリーブ体がアキシャル方向に長い場合であっても、２つの保持軸の間でピボット部材のアキシャル方向長さを小さく構成することができる。
したがって、ステータフレームとロータとの間に温度差を生じても、ピボットギャップは大きな変動を受けることがないので、駆動条件に応じた機器内の発熱量の変化によってもピボットギャップが略一定に保たれてピボット圧の変動を回避することができる。
【０００７】
前記ピボット部材は、スリーブ体の両端のラジアル磁気軸受から等距離に配置することにより、ステータフレームとロータとの間に温度差が生じても、両磁気ギャップのバランスが保たれるのでロータの中性点の変動が抑えられる。
前記ピボット部材は、一定半径の単一の球体から構成することにより、高精度のピボット軸受を簡易に構成することができる。
前記ロータの重心位置は、ピボット部材の中心に配置することにより、ロータの動的挙動を規定する共振モードがその重心点を固定節とする特定の振動パターンに限定されることから、ロータ回転の安定化が容易となる。また、ロータが回転軸線を傾斜するようなモーメントを受けた場合でも、ピボット支点がピボット部材の近傍に位置してその偏心量が僅少なので、摺動摩耗を小さく抑えることができる。
前記ステータフレームは、部材間の熱膨張差によるピボットギャップの寸法変動を抑える温度補償部材を備えることにより、部材の選択の自由度が確保されるので、最適な材料によってピボット軸受を構成することができる。
前記保持軸は、ステータフレームに外周面を拘束したカラー状のリングと、このリングの外周面を押圧する押圧部材とを備えることにより、保持軸をアキシャル方向移動なしに固定することができるので、ピボット軸受はアキシャル方向に高精度の位置決めが可能となる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
上記発明の実施の形態について以下に図面を参照しつつ説明する。
図１は、本発明の基本構成を示す構成概念図、図２は、図１の要部拡大図である。
磁気支持構造１は、ステータフレーム２にロータ３ａを回転可能に支えるべく構成する。このロータ３ａは、図示せぬ負荷を支持するスリーブ体３の両端にアキシャル構成のラジアル磁気軸受４、４を備え、また、スリーブ体３の中央に球体等のピボット部材５を固定する。このピボット部材５をアキシャル方向に支えるべく、スリーブ体３の中空部にその両端からそれぞれ進入する保持軸６、６をステータフレーム２から突設する。
【０００９】
上記両保持軸６、６の端部にピボット部材５を受ける受け板５ａ，５ａ等を設けることによりピボット軸受を構成する。そのピボット部材５は、ピボット支点をなすとともに、ロータ３ａをアキシャル方向に支えるものである。
また、上記ステータフレーム２にアキシャル方向に作用する温度補償部材７を介設し、さらに、駆動コイル８とこれに対向するマグネット９等による駆動系を設ける。
【００１０】
上記ラジアル磁気軸受４、４は、回転軸線Ｌの方向に磁化した２つのリング状磁石を互いに吸引するようにアキシャル方向に磁極を対向して回転軸線Ｌと同心に配置する。このラジアル磁気軸受４、４による吸引力、自重その他のロータ３ａのアキシャル方向の作用力の総和がゼロとなる中性点にロータ３ａを位置決めし、かつ、ピボット部材５と受け板５ａ，５ａとの間に最適なピボットギャップＧを確保して２つのピボット軸受を配置する。
【００１１】
上記構成の磁気支持構造は、ピボット部材５がロータ３ａをアキシャル方向に支える。上記ピボット部材５は、スリーブ体３がアキシャル方向に長い場合でも、２つの保持軸６、６の間でアキシャル方向長さを小さく構成することができる。
【００１２】
したがって、駆動コイル８の発熱等によってロータ３ａとステータフレーム２との間に温度差を生じても、ピボットギャップＧの寸法が略一定に保たれることにより過大なピボット圧を回避することができる。
上記ピボット軸受の構成は、球体や円錐体等のピボット支点形状にかかわらず、公知のピボット軸受を構成することにより、同様の作用効果が得られる。
【００１３】
ピボット部材５の配設位置は、スリーブ体３の両端のラジアル磁気軸受４、４から等距離に配置することにより、ステータフレーム２とロータ３ａとの間に温度差が生じても、両磁気ギャップＣ１、Ｃ２のバランスが保たれるのでロータ３ａの中性点の変動が抑えられる。
また、ステータフレーム２は、部材相互の熱膨張量の差によるピボットギャップＧの寸法変動を抑える寸法と温度係数を有する温度補償部材を備えることにより、ピボット部材は材質や形状寸法の制約を受けることなく自由度が確保されるので、加工性や耐摩耗性等の面から最適な材料によってピボット軸受を構成することができる。
【００１４】
図３は、本発明の磁気支持構造を適用した回転ミラー装置の一部切欠きによる断面図、図４は、図３のＡ矢視図である。
回転ミラー装置１１は、略矩形状のステータフレーム１２に回転体をなすロータ１０を回転可能に支持して構成する。ロータ１０は、多面鏡１３ａと、この多面鏡１３ａを回転軸線Ｌ上に支えるスリーブ体１３、その他から構成する。
スリーブ体１３の両端にアキシャル構成のラジアル磁気軸受１４、１４を構成するとともに、両ラジアル磁気軸受１４、１４から等距離をなすスリーブ体１３の中央に、ロータ１０側の重心位置を合せるとともに、一定半径を有する単一の球体によるピボット部材１５を圧入等により固定する。このピボット部材１５をアキシャル方向に受けるべく、スリーブ体１３の中空部にその両端からそれぞれ進入する保持軸１６、１６をステータフレーム１２から突設する。
【００１５】
上記ステータフレーム１２にアキシャル方向に作用する温度補償部材１７を介設するほか、駆動コイル１８とこれに対向するマグネット１９、および、多面鏡１３ａを固定する保持部材１３ｂ，１３ｃに取付けたヨーク１９ａからなる駆動系を設ける。
【００１６】
上記保持軸１６、１６の端部に、ピボット部材１５をアキシャル方向に受ける耐摩耗性のセラミック等による受け板１５ａ，１５ａを設ける。この保持軸１６、１６を所定位置に固定するためのカラー状をなすリング２０、２０とそれぞれの外周面を押圧する押圧部材をなす図４の止めねじ２１を設ける。リング２０、２０は、圧入等によりステータフレーム１２によってその外周面を密接拘束し、それぞれの止めねじ２１は、リング２０、２０のそれぞれの側面を押圧するように回転軸線Ｌと直交してステータフレーム１２に螺合する。
【００１７】
上記構成の磁気支持構造の作用効果について以下に説明する。
ピボット部材１５は、球体によってそのアキシャル方向長さを小さく、かつ、簡易に高精度のピボット軸受を構成することができる。したがって、機器内部の発熱によってロータ１０とステータフレーム１２との間に温度差が生じた場合でも、アキシャル方向の熱膨張量が小さいことから、ピボットギャップＧの変動を小さく抑えることができる。
【００１８】
具体的には、軸受鋼による直径２ｍｍの球体のアキシャル方向の寸法変化は、５℃の温度差で０．１３μｍに抑えられる。この寸法変化は、長さが２０ｍｍのアルミニウム軸の熱膨張変化量の２．４μｍと対比すると、寸法効果と温度係数効果とにより、略１／２０となり、所定のピボットギャップを実質的に維持することができる。
【００１９】
ロータ１０の動的挙動を規定する共振モードは、ピボット部材である球体１５の中心にロータ１０の重心位置を合せることにより、重心点を固定節とする特定の振動パターンに限定されることから、ロータ回転の安定化が容易となる。
さらに、ロータ１０がモーメントを受けることによってロータ１０の回転軸線Ｌが傾斜した場合においても、ピボット支点の偏心量が僅少なので、偏心負荷と摺動摩耗を小さく抑えることができる。
【００２０】
上記ピボット部材１５と２つの保持軸１６、１６の端部に設けた受け板１５ａ，１５ａとによりピボット軸受を形成することにより、高精度のピボット軸受を簡易に構成することができる。
【００２１】
リング２０、２０はその外周面をステータフレーム１２によって拘束されていることから、保持軸１６、１６を所定の位置に定めた後に止めねじ２１、２１で外周面を押圧することにより、リング２０、２０はその内周方向にひずみを受け、このひずみによって保持軸１６、１６のアキシャル方向の移動を招くことなく、同保持軸１６、１６を固定することができる。したがって、ロータ１０をその中性点の近傍に保持するべく、最適な隙間を高精度で確保することができる。
【００２２】
このように、上述の回転ミラー装置は、その磁気支持構造により、回転速度等の駆動条件の変化によることなく、準非接触状態で安定した高速回転と耐久性とを確保することができる。
【００２３】
【発明の効果】
本発明の回転体の磁気支持構造は以下の効果を奏する。
上記構成の回転体の磁気支持構造により、ピボットギャップに影響を与えるものはピボット部材のみとなり、スリーブ体がアキシャル方向に長い場合であっても、２つの保持軸の間でピボット部材のアキシャル方向長さを小さく構成することができる。
【００２４】
したがって、ステータフレームとロータとの間に温度差を生じても、ピボットギャップは大きな変動を受けることがないので、駆動条件に応じた機器内の発熱量の変化によってもピボットギャップが略一定に保たれてピボット圧の変動を回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基本構成を示す構成概念図
【図２】図１の要部拡大図
【図３】本発明の磁気支持構造を適用した回転ミラー装置の一部切欠きによる断面図
【図４】図３のＡ矢視図
【図５】一般的な回転体の磁気支持構造の構成概念図
【符号の説明】
１    磁気支持構造
２    ステータフレーム
３    スリーブ体
３ａ  ロータ
４    ラジアル磁気軸受
５    ピボット部材
５ａ  受け板
６    保持軸
７    温度補償部材
８    駆動コイル
１０    ロータ
１１    回転ミラー装置
１２    ステータフレーム
１３    スリーブ体
１４    磁気軸受
１５    ピボット部材
１６    保持軸
１７    温度補償部材
２０    リング
２１    止めねじ（押圧部材）
Ｃ１、Ｃ２    磁気ギャップ
Ｇ    ピボットギャップ
Ｌ    回転軸線
【図１】
0004331369.tif 000002
【図２】
0004331369.tif 000003
【図３】
0004331369.tif 000004
【図４】
0004331369.tif 000005
【図５】
0004331369.tif 000006