ハイブリッド軸受を備える電動機
【課題】始動の際にも定常運転状態においても最小限の摩擦しか引き起こさず、しかも、特に、ミニディスクドライブ装置用スピンドルモータに好適に用いることができるハイブリッド軸受を備える電動機を提供する。
【解決手段】流体軸受として形成されたラジアル軸受（２８）及び磁性素子によって形成されたアキシャル磁気軸受（３０）を備え、ロータをステータ（２０）に相対的に軸支するハイブリッド軸受を具備する電動機であって、該磁性素子が、半径方向において互いに対向するよう配設された少なくとも１個の永久磁石（３４）及び１個の磁束導体（３２）を含む電動機。
【解決手段】流体軸受として形成されたラジアル軸受（２８）及び磁性素子によって形成されたアキシャル磁気軸受（３０）を備え、ロータをステータ（２０）に相対的に軸支するハイブリッド軸受を具備する電動機であって、該磁性素子が、半径方向において互いに対向するよう配設された少なくとも１個の永久磁石（３４）及び１個の磁束導体（３２）を含む電動機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は請求項１による上位概念による、ハイブリッド軸受を備える電動機に関する。そのような電動機は下記の特許文献１に記載されている。
【０００２】
本発明は、ディスク径が２.５インチ、１インチ又はそれ以下であるハードディスクドライブ装置に組み込まれるスピンドルモータ及び他種の小型永久磁石式モータの分野で好適に利用できる。
【背景技術】
【０００３】
上記したような用途では、ブラシレスの電気整流式直流モータが用いられる。ここで述べるような構造を有するスピンドルモータでは、モータ軸が、１枚又は複数枚のハードディスクを担持するハブに連結されている。又、ロータマグネットがハブに結合された上、ステータと同軸に配設される。
【０００４】
例えば、下記の特許文献１では、ハードディスクを担持し、ロータに連結されたロータハブに結合された軸を有するハードディスクドライブ装置が記載されている。その軸は軸受スリーブを貫通し、その軸受スリーブと軸の間にはラジアル動圧軸受及び軸方向のスラスト軸受が形成されている。その、軸方向のスラスト軸受には、磁性素子を介して予圧が付与されて、始動トルクを下げるようになっている。
【０００５】
尚、磁気軸受の用途、理論及び計算例については、文献に広く論述されている。磁気軸受が、特に、軸受摩擦を減少させることにおいて特に有効であることは疑う余地がない。受動形磁気軸受における主たる問題は、少なくとも一つの自由度に対して安定化装置が必要とされることである。それは、磁石だけでは軸受を安定した平衡状態に保つことができないからである。したがって、永久磁石のみを用いて安定的な軸受を作ることは不可能である。ゆえに、いわゆる「磁気浮上（浮遊状態）」のため、別の安定化装置を追加する必要がある。このために、従来の技術では多くの解決策が提案された。
【０００６】
例えば、非特許文献１の中で、アール・エフ・ポスト（R.F.Post）は、浮遊（浮上）素子と安定化素子を特殊に組み合わせて使用する磁気軸受装置について記載している。その中でポストは、アーンショーの定理（Earnshaw-Theorem）を満たす軸受を作るのに加重的に必要とされる３つの主たる構成要素について述べている。その第１の構成要素は一対のリングマグネットである。その一方のリングを静止させ、他方のリングを回転させることで浮遊力（浮上力）が生じる。安定化の働きをするもう一つの要素をポストは「ハルバッハ（Ｈａｌｂａｃｈ）安定装置」と称する。その、ハルバッハ安定装置では、リングマグネットはハルバッハ磁界分布に従って配列され、割り当てられた導体と対向する、各々が単独である複数個の永久磁石が用いられている。第３の要素は機械的な軸受装置である。但し、その軸受装置は回転数が低い場合に稼動させ、回転数が高い場合はできる限り切り離されることが望ましい。ポストは、更に、渦電流に基づく緩衝装置の使用についても論じている。ポストによって開示された装置は、比較的大掛かりであり、大量生産される電動機、特に、ディスク径が２.５インチ、１インチ又はそれ以下であるハードディスクドライブ装置（ミニディスクドライブ装置）に用いられるスピンドルモータには不適である。
【０００７】
特許文献２には、受動形アキシャル磁気軸受、並びに動圧軸受若しくは玉軸受として実現されてよいピボット軸受を備えるスピンドルモータが記載されている。上述した、受動形アキシャル磁気軸受は軸方向に引力を発生させ、ピボット軸受は先に述べた構造体を、半径方向にも安定した軸受装置が形成されるよう、安定化させる。類似する先行技術が特許文献３及び特許文献４にも記載されている。
【０００８】
特許文献５には、浮遊素子及び安定化素子を備える水平軸に使用される受動形磁気軸受が記載されている。その浮遊素子は、一対の静止した、湾曲した強磁性セグメントから成る。それらの強磁性セグメントは半径方向に作用する環状（リング状）の磁石配列の内側に位置する。その磁石配列は中空の軸の内周に配設されている。上述した、湾曲した複数個のセグメントと磁石配列の間で作用する吸引力は、垂直方向に作用して軸を浮上させるとともに、水平方向にも作用して軸の調心をする。上記安定化素子は、磁石の環状のハルバッハ配列と、そのハルバッハ配列の内側に配設された、静止した環状の磁気回路から成る。そのハルバッハ配列は上述した中空の軸の内周に位置する。上記ハルバッハ配列と磁気回路の間で作用する反発力は、上記ハルバッハ配列と上記磁気回路の間隔と反比例して増大し、それによって、軸が平衡を失った場合、その軸を平衡状態に戻す復元力として作用する。上述の軸受は、磁性部材と強磁性部材の間で、相応の交流電流損を生じさせる交流電流が流れるよう構成されている。
【０００９】
特許文献６には、スピンドルモータ用磁気軸受であって、ベースプレートとモータスピンドルの間に取り付けられた磁性部材を備えたものが記載されている。その磁性部材は、同軸に配設された内側及び外側の磁性部分を備える。その、内側及び外側の磁性部分は互いに反発するようになっており、それによってスピンドルが浮遊して機械的摩擦が最小限に抑えられる。その磁気軸受は、回転するスピンドルを軸支する静止した軸の中に配設され、上記スピンドルの先端部は先のベースプレートの相手部材対応部材に支持される。
【００１０】
特許文献７には、軸方向の受動形（軸方向）磁気スラスト軸受及びラジアルすべり軸受又は玉軸受を備える、ロータモータ用磁気軸受構造が記載されている。
【００１１】
要約すると、先行技術では、玉軸受をベースとする、スチール・スラスト軸受又はダイアモンド・スラスト軸受、磁性流体軸受、渦電流素子、軸方向スラスト軸受としてのすべり軸受を含む安定化装置を備える磁気軸受及び動圧軸受、乃至流体軸受又は空気軸受と組み合わされたハイブリッド受動形磁気軸受が開示されている。
【特許文献１】米国特許第６,１７２,８４７号明細書
【特許文献２】米国特許第５,５４１,４６０号明細書
【特許文献３】米国特許第５,５６１,３３５号明細書
【特許文献４】米国特許第５,５４５,９３７号明細書
【特許文献５】米国公開特許第２００３／００４２８１２号明細書
【特許文献６】米国公開特許第２００３／０１１７０３１号明細書
【特許文献７】米国公開特許第２００４／００４６４６７号明細書
【特許文献８】独国特許出願第１０２００５０４２５１９.４号公開公報
【非特許文献１】２０００年２月１７日発行の「周囲温度下にある受動形磁気軸受の安定性に係わる問題点（”Stability Issues in Ambient-Temperature Passive Magnetic Bearing Systems”）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の課題は、始動の際にも定常運転状態においても最小限の摩擦しか引き起こさず、しかも、特に、ミニディスクドライブ装置用スピンドルモータに好適に用いることができるハイブリッド軸受を備える電動機を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この課題は請求項１に記載の特徴を有する電動機によって解決される。
【００１４】
本発明では、ロータをステータに相対的に軸支するハイブリッド軸受を備える電動機が提供され、そのハイブリッド軸受はラジアル軸受及びアキシャル軸受を含む。本発明の好適な実施態様では、ラジアル軸受は流体軸受である。又、アキシャル軸受は磁性素子、特に、半径方向において互いに対向するよう配設された少なくとも１個の永久磁石と磁束導体を備える。そのような磁性素子から形成されたアキシャル軸受は完全に無接触であって、軸と軸受スリーブの間に軸方向に安定した浮遊状態をもたらす。上記の流体軸受はアキシャル磁気軸受を半径方向に安定させる。本発明による軸受は、磁性素子が半径方向において互いに引き合い、それによって、軸方向において互いの位置を合わせあって所望の浮遊状態を保つという原理を基とする。
【００１５】
それによって、軸方向のスラスト軸受やピボット軸受や玉軸受といった通常のアキシャル軸受を全く必要としない。軸端部と軸受スリーブ底部の間に介在する空隙（空気隙間）は比較的大きくしてよく、しかも、電動機が停止している間も介在させてよい。そうすることで、電動機の始動時にも、定常運転時にも、摩擦は最小限で済む。それによって、電動機の消費電力も従来の技術と比べて減らすことができる。
【００１６】
本発明の一つの実施態様では、ハイブリッド軸受は、軸が収容された軸受スリーブを含む。その軸は、例えば、ハードディスクドライブ装置に属するディスクを担持するハブに連結され、上記の磁性素子の一方が上記軸受スリーブの外周面に配設される一方で、他方の磁性素子は上記ハブに連結される。好適には、そのハブが上記軸受スリーブを包み込むように設けられ、上記軸受スリーブと上記ハブの内周面の間に上述した磁性素子の収容スペースが形成されるようにする。このような構成では、他方の磁性素子が、好適には、ハブの内周面に配設される。
【００１７】
本発明の他の一つの実施態様では、アキシャル磁気軸受は軸受スリーブと軸の問に配設されている。
【００１８】
本発明の好適な実施態様では、各々の磁性素子は軸方向寸法がほぼ同一であって、
半径方向に整列している。それらの磁性素子は、好適にはリング状に形成され、互いに同心に配設されている。それによって、それらの磁性素子は互いに軸方向に最適に整列し（最適な位置関係となり）、軸方向における安定した浮遊状態が確保される。
【００１９】
本発明の第１の実施態様では、磁束導体が、薄板積層体により形成される。それらの薄板は半径方向に配向されている。本実施態様では、永久磁石は、軸方向若しくは半径方向に磁化されたリングマグネットを含む。この実施態様では、主に、上記磁束導体の端部が磁気的作用性を有することから、その磁束導体と永久磁石の間に形成される磁束乃至磁力線は、主に、その磁束導体と永久磁石の端部のところに形成される。
【００２０】
磁束導体を成す薄板積層体は電気薄綱板を積層して形成される。磁束導体として薄板積層体を用いることで渦電流の発生を完全に回避できるので、渦電流による電力損も生じない。
【００２１】
本発明の第２の実施態様（その実施態様においても磁束導体は薄板積層体により形成される）では、永久磁石は、ハルバッハ配列にしたがって磁化された１個若しくは複数個のリングマグネットを含む。互いに隣接し、軸方向において互いに反対の極性に磁化された２個のリングマグネットを用いることでそのようなハルバッハ型磁化の最も簡単な形態が実現できる。但し、本発明は上記した最も簡単な形態に限定されない。
【００２２】
上述した、本発明の第２の実施形態では、永久磁石と磁束導体の間を流れる磁束は、先に述べた磁性素子配列の軸方向における中心部に殆どすべて集中するので、上記磁束導体は、端部よりも中心部においてより多くの磁束を受け入れることができるよう軸方向の全長にわたって変化する（軸方向の異なる位置で異なる寸法を有する）ように形成されている）。その目的で、例えば、先の薄板積層体を成す各薄板を、その薄板積層体の中心部の厚さが端部よりも狭い幅となるよう構成してよい。尚、積層体を成す薄板の形態としては上記以外の形状も考えられる。
【００２３】
本発明の第３の実施態様では、磁束導体及び永久磁石は、各々、半径方向においてハルバッハ配列に従って磁化された１個又は複数個のリングマグネットを含む。本実施態様を最も簡単な方法で実現するには、ロータ側とステータ側に、各々２個のリングマグネットを配設し、それらのマグネットを、半径方向において互いに逆の極性に磁化する。そのような構成によってアキシャル磁気軸受は特に大きな軸方向力に耐えることができる。その、大きな軸方向力は、設計にもよるが、１０から４０ニュートン若しくはそれを上回る力である。
【００２４】
本発明の色々な態様によるハイブリッド軸受は、アキシャル磁気軸受が、軸方向には安定化されるものの半径方向では安定しない点で共通している。故に、この軸受を半径方向に安定化させることが必要である。そのために、本発明では、好適には、流体軸受を用いる。その流体軸受の駆動隙間、すなわち、軸と軸受スリーブの間に介在する隙間は、各々の磁性素子の間に介在する空隙より小さいことが望ましい。それは、軸が傾斜した際にマグネットが損傷するのを防ぐためである。更には、オイルが満たされた軸受を用いることが望ましい。それは、発生しうる軸の傾斜を抑制するためである。
【００２５】
上述したような態様による様々な軸受では、軸方向変位に対する軸方向の復元力特性が各々異なる。このことについては、後に、図を参照しながら詳しく説明する。
【００２６】
本発明の好適な実施態様では、軸受スリーブおよび軸は、非磁性材料若しくは磁性材料から作られる。その場合、磁束導体の透磁率を、軸受スリーブおよび軸の透磁率より十分に大きくする必要がある。ハブは、強磁性の材料から作られることが望ましい。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、始動時と定常運転時の何れにおいても最小限の摩擦しか引き起こさず、しかも、渦電流の発生を完全に回避できるので消費電力を低減させることができ、特に、ミニディスクドライブ装置用スピンドルモータに好適に用いることができるハイブリッド軸受を備える電動機を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
次に、本発明を、好適な実施態様を基に、図面を参照しながら詳しく説明する。
図１は、本発明の第１の実施態様による電動機の部分概略断面図である。本発明の好適な実施態様では、その電動機は、スピンドルモータ、特に、ブラシレス直流モータとして形成されている。その電動機は軸受スリーブ１２が保持されるベースプレート１０を含む。軸受スリーブ１２は、ハブ１６に連結された軸１４を収容する。図１の実施態様では、軸１４は中心空洞（センター孔）を備える軸として示され、ハブ１６と結合されている。ハブ１６は、ステータ２０と同軸に配設されたロータマグネット１８を担持している。ステータ２０は、図１では、ステータの薄板積層体２２及び巻線２４の一部分をもって概略的に図示されている。図１のように構成された電動機の基本的構造は、例えば、特許文献８に説明されている。
【００２９】
軸受スリーブ１２および軸１４は、磁性材料と非磁性材料の何れから作ってもよく、ハブ１６は強磁性材料から作ることが望ましい。図示された実施態様では、ハブ１６は、ハードディスクドライブ装置に属する１枚若しくは複数枚のメモリーディスクを搭載できるよう構成されている。
【００３０】
軸受スリーブ１２と軸１４の間には、流体軸受の形態をとる２つのラジアル軸受が形成されている。そのため、軸受スリーブ１２と軸１４の間に介在する隙間には、好適には、軸受オイルが満たされ、軸受スリーブ１２の内周面若しくは軸１４の外周面には圧力生成用の溝が形成されている。このことは従来の技術から公知である。
【００３１】
アキシャル磁気軸受３０は、図示された実施態様では、ステータの薄板積層体と同じく電気薄綱板を積層して成ってよい薄板積層体３２と永久磁石３４との組み合わせで形成される。薄板積層体３２及び永久磁石３４は、各々環状（リング状）に形成され、互いに同心に配設されている。図１に示されるとおり、薄板積層体３２及び永久磁石３４は、軸方向における寸法が同一であって、半径方向に互いに整列している。薄板積層体３２に属する各薄板が半径方向に配向されているので、薄板積層体３２における渦電流の発生を回避することができる。図示された実施態様では、永久磁石３４は、軸方向に磁化されている。しかし、電動機の設計によっては、永久磁石３４を半径方向に磁化することも考えられる。
【００３２】
図１に示されているように、本発明の第１の実施態様では、薄板積層体３２の端部が特に有効であるため、永久磁石３４と薄板積層体３２の間を流れる磁束の大半は外側にある薄板の領域を通る。ロータマグネット１８及びハブ１６が、軸受スリーブ１２及びベースプレート１０と相対的に、可動範囲を軸方向に動くと、薄板積層体３２と永久磁石３４の協働により復元力が発生し、ロータマグネット及びハブを、ベースプレート及び軸受スリーブと相対的に、軸方向に安定的に浮遊させる。更に、永久磁石３４は薄板積層体３２を半径方向に引きつけるが、この場合、半径方向における安定性をより向上させるのがラジアル軸受２６、２８である。
【００３３】
軸受スリーブ１２および軸１４は、好適には、磁性の材料若しくは非磁性の材料から成るが、その場合、軸受スリーブ１２および軸１４の透磁率は薄板積層体３２の透磁率より大幅に、すなわち、少なくとも一桁小さいことが望ましい。
【００３４】
本発明の構造によって、軸受内の摩擦を大幅に減らすことができる。それは、本発明の構造では軸方向のスラスト軸受を全く必要とせず、そのため軸方向の空隙（空気隙間)を大きくとることができるからである。電動機が運転されていないときも受動形磁気軸受の作用があるため、電動機を始動させるときでさえ、摩擦トルクはほとんど生じない（無視できないほどの摩擦トルクが発生しない）。
【００３５】
図１に示されるように、本発明では、ロータマグネット１８とステータ２０の間でも、ある程度の軸方向の中心に向かう力が発生する。しかしながら、そのような中心に向かう力はアキシャル磁気軸受３０（薄板積層体３２、永久磁石３４）の復元力と比べれば無視できるものであって、軸受として機能させるには不可欠ではない。
【００３６】
図２は、アキシャル磁気軸受の軸方向復元力特性を、その磁気軸受を、安定状態（平衡状態）からの軸方向の変位との関係において示す。図２に示されるように、本実施態様では、４から６ニュートンの範囲の復元力を達成できる。尚、その復元力は電動機の設計及び寸法に応じて変化する可能性があり、図２に示された値はあくまでも一例である。図２からもわかるように、軸方向の復元力特性はある程度の非対称性を示す。これは、強磁性材料から作られるハブ１６の影響によるものである。
【００３７】
図３（ａ）は、本発明の第２の実施態様による電動機の部分概略断面図である。図１と同一の構成部材には図１と同一の符号を付してある。図３（ａ）に示す実施態様が図１に示す実施態様と異なるのはアキシャル磁気軸受３０の構造である。アキシャル磁気軸受３０は、第１の実施態様と同様に受動形磁気軸受として形成され、半径方向に配向された薄板から成る薄板積層体３８を含む。その薄板積層体は、好適には、電気薄鋼板を積層してなる。本実施態様では永久磁石３４に代えて、ハルバッハ配列された２枚若しくはそれ以上の枚数のリングマグネットが含まれる。図３（ａ）では最も簡単なハルバッハ配列が示されている。そのハルバッハ配列では、軸方向に互いに反対の極性に磁化された２個の永久磁石４０、４２が設けられている。図３（ｂ）、図３（ｃ）、図３（ｄ）は、第２の実施態様の変形例を示し、これらの変形例はハルバッハ配列により良く近似したものである。
図３（ａ）に示された実施態様では、磁束は薄板積層体３８の中心部に集中し、端部のところよりも磁束密度が高い。このことから、本発明の第２の実施態様では、薄板積層体３８を、その形状が軸方向長さにわたって変化する（軸方向の異なる位置で異なる形状を有する）よう形成することも考えられる。例えば、薄板積層体３８の中心部の薄板を、端部より細く（狭い幅で）形成してもよい。又、薄板積層体３８の中心部及び外側の端部を、他の部分より広く（広幅に）して、突出させて磁束の集中を助けるようにしてもよい。それによって、アキシャル磁気軸受における最も大きい復元力がその磁気軸受の中心部で得られるようにすることができる。
【００３８】
一方、図４は、本発明の第２の実施態様における、軸方向変位に対する軸方向の復元力特性を示す。図３（ａ）及び図４に示す実施態様においては、強磁性材料から作られるハブ１６がより大きな影響を与えることが分かる。その結果軸方向の復元力特性にそれに応じた非対称性が与えられる。
【００３９】
図５は、本発明の第３の実施態様による電動機の部分概略断面図である。これまでに説明した実施態様に対応する構成部品には、これまでに用いたのと同一の符号を付してある。
【００４０】
本発明の第３の実施態様がこれまでの実施態様と異なる点は、アキシャル磁気軸受３０が、互いに対向する２個のリングマグネット４４、４６から形成される点である。それらのリングマグネットは半径方向に磁化され、ハルバッハ配列を成す。図５の実施態様では、最も簡単なハルバッハ配列の形態が示されている。この形態は、半径方向に、互いに逆極性に磁化された永久磁石４４’、４４”及び４６’、４６”から成る。永久磁石４４’、４４”及び４６’、４６”は互いに半径方向に引き合い、それによって、ロータマグネット１８及びハブ１６を、軸受スリーブ１２及びベースプレート１０に対して、浮遊状態に保つ。尚、半径方向における安定性の向上は、これまでに述べた実施態様と同様に、ラジアル軸受２６、２８によってもたらされる。
【００４１】
図６に示す特性から見出されるとおり、本発明の第３の実施態様では、先の２つの実施態様より遥かに大きな復元力が発生する。その復元力は、設計によっては１０ニュートンより明らかに大きく、例えば、４０ニュートン若しくはそれを上回る可能性がある。更に、この実施態様における軸方向変位に対する軸方向の復元力特性は、実質的に直線状である。
【００４２】
本発明の第１の実施態様に係る更なる詳細な説明は、本発明の第２の実施態様及び第３の実施態様にも当てはまる。更に、本発明のいずれの実施態様においても、軸の傾斜を大幅に抑制する目的でアキシャル磁気軸受３０を軸方向において、可能な限り軸受スリーブ１２の中心に配設するのが望ましい。更に、軸受スリーブ１２と軸１４の間の空隙、すなわち、流体軸受の空隙は、できる限り、各磁石の間の隙間より小さいことが望ましい。それは、軸が傾斜したとき、マグネットが損傷するのを避けるためである。流体軸受にオイルを充填することで、上述した軸の傾斜を更に抑制することができる。
【００４３】
図５に示す実施態様では、軸受スリーブ１２の閉塞端部がカウンタープレート４８によって閉塞され、相応する軸１４の端部に、軸１４が軸受スリーブ１２から脱落するのを防ぐ別体のリングが取り付けられている点を符号５０で示す。但し、本発明では重要ではない。
【００４４】
図７、図８、及び図９は、各々、本発明の第１、第２及び第３の実施態様を変形した実施態様を示す。それらの実施態様は、ステータとロータの相対的配置及び磁気軸受の配置方法において上記のそれぞれの実施態様と異なる。
【００４５】
図７から図９に示す実施態様による電動機は、それぞれ、複数個の部材から成る軸受スリーブ５４が収容されたベースプレート５２を含む。軸受スリーブ５４は、内側のスリーブ５４’と外側のスリーブ５４”を含む。この、内側のスリーブ５４’と外側のスリーブ５４”の端部はカウンタープレート５４’”によって閉塞されている。又、軸受スリーブ５４には軸５６が収容され、ハブ５８に連結されている。そのハブはロータマグネット６０を担持している。又、薄板積層体６４及び巻線６６を備えるステータ６２が外側のスリーブ５４”の外側にあり、外側のスリーブ５４”を介してベースプレート５２に結合されている。内側のスリーブ５４’と軸５６の間には、実質的には、第１から第３の実施態様（図１、図３（ａ）及び図５）に具備されるラジアル軸受２６、２８と同じように作用する２個のラジアル軸受６８、７０が形成されている。図７に示すアキシャル磁気軸受７２は、第１の実施態様とは異なり、薄板積層体７４と、それに対向して設けられた、半径方向若しくは軸方向に磁化された永久磁石７６によって形成される。ここでは、上記薄板積層体を成す各薄板はその薄板積層体の中心部に向かって半径方向の寸法が次第に小さくなる。それによって、薄板７４と永久磁石７６の間隔は、上記薄板積層体の２つの外側端部のところで最も狭くなる。又、磁束がこの場所に最も集中することから、この実施態様では復元力が特に大きい。図７に示す電動機の作動の仕方は、図１に関して説明した作動の仕方と同一であることから、図７に示す電動機の作動の仕方については図１に関する説明を参照されたい。
【００４６】
図８及び９に示す実施態様は、基本的には図７に示す実施態様と同一である。したがって、それらの図において同一の部材には同一の符号を付し、繰り返して説明しない。上記実施態様が互いに異なるのはアキシャル磁気軸受の構造のみであって、図８に示すアキシャル磁気軸受は図３（ａ）に示すアキシャル磁気軸受に相応し、図９に示すアキシャル磁気軸受は図５に示すアキシャル磁気軸受に相応する。それゆえに、詳細については図３（ａ）及び図５の説明を参照されたい。
【００４７】
図８では、アキシャル磁気軸受は薄板積層体７８と、それに対向して設けられた、軸方向において互いに逆の極性で磁化された２個のリングマグネット８０、８２によって形成される。そのアキシャル磁気軸受の作用の仕方は図３（ａ）に関して説明されているのと同様である。図８に示す実施態様でも各薄板の幅は軸方向に変化するが、この実施態様では、各薄板は、薄板積層体の中心部から発して外側端部に向かって半径方向の寸法が次第に小さくなる。それによって、薄板積層体とマグネットの間隔は、中心部のところで最も狭くなり、その間隔が最も狭いところに磁束が最も集中する。この構成によっても特に大きな復元力がもたらされる。
【００４８】
図９に示す実施態様では、アキシャル磁気軸受は、図５の実施態様と同様に、互いに対向し、半径方向に磁化されたリングマグネットの対８４、８６によって形成される。そのアキシャル磁気軸受の作用の仕方は図５に関して説明されているのと同様である。
【００４９】
図８及び９においても、リングマグネット８０、８２乃至リングマグネットの対８４、８６は、ハルバッハ配列に近似したものの簡単な形態を構成し、例えば、図３（ｂ）及び図３（ｃ）に示すような、ハルバッハ配列により近似した磁石配列を代わりに用いても良い。
【００５０】
これまでの説明で、用いられる材料、ラジアル軸受及びアキシャル軸受における絶対的若しくは相対的寸法及び機能について述べたが、
それらの事項は、基本的には、本発明の全ての実施態様に適用可能である。尚、それらの事項は、設計によっては変更されることもあり得る。
【００５１】
本発明による電動機は、ハブの外周寸法においてその直径がおよそ７から８ｍｍ又はそれ以下、例えば、４.５ｍｍであるミニディスクドライブ装置用スピンドルモータとして特に好適である。リングマグネット及び薄板積層体の厚さは０.５ｍｍから１ｍｍ程度であって、薄板積層体を構成する各薄板は、例えば、電気鋼から作られ、永久磁石は焼結ネオジウムから成ってよい。但し、本発明はこのような構成に限定されるものではない。
【００５２】
これまでの説明、図面及び特許請求の範囲に開示された特徴は、単独で又は任意の組み合わせで、その様々な実施形態において本発明の実現に寄与する。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の第１の実施態様による電動機の部分概略断面図である。
【図２】本発明の第１の実施態様による電動機において磁気軸受から発生する軸方向力特性を示す。
【図３】（ａ）は、本発明の第２の実施態様による電動機の部分概略断面図であり、（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）は、永久磁石の他の構成例を示す概略図である。
【図４】本発明の第２の実施態様による電動機において磁気軸受から発生する軸方向力特性を示す。
【図５】本発明の第３の実施態様による電動機の部分概略断面図である。
【図６】本発明の第３の実施態様による電動機において磁気軸受から発生する軸方向力特性を示す。
【図７】本発明の第１の実施態様の変形例の電動機の概略断面図である。
【図８】本発明の第２の実施態様の変形例の電動機の概略断面図である。
【図９】本発明の第３の実施態様の変形例の電動機の概略断面図である。
【符号の説明】
【００５４】
１０ ベースプレート、 １２ 軸受スリーブ、 １４ 軸、 １６ ハブ、 １８ ロータマグネット、 ２０ ステータ、 ２２ ステータの薄板積層体、 ２４ 巻線、 ２６、２８ ラジアル軸受、 ３０ アキシャル磁気軸受、 ３２ 薄板積層体、 ３４ 永久磁石、 ３８ 薄板積層体、 ４０、４２ リングマグネット、 ４４、４６ リングマグネット、 ４４’、４４” リングマグネット、 ４６’、４６” リングマグネット、 ４８ カウンタープレート、 ５０ リング、 ５２ ベースプレート、 ５４ 軸受スリーブ、 ５４’ 内側のスリーブ、 ５４” 外側のスリーブ、 ５４’” カウンタープレート、 ５６ 軸、 ５８ ハブ、 ６０ ロータマグネット、 ６２ ステータ、 ６４ ステータの薄板積層体、 ６６ 巻線、 ６８、７０ ラジアル軸受、 ７２ アキシャル磁気軸受、 ７４ 薄板積層体、 ７６ 永久磁石、 ７８ 薄板積層体、 ８０、８２ リングマグネット、 ８４、８６ リングマグネットの対。
【技術分野】
【０００１】
本発明は請求項１による上位概念による、ハイブリッド軸受を備える電動機に関する。そのような電動機は下記の特許文献１に記載されている。
【０００２】
本発明は、ディスク径が２.５インチ、１インチ又はそれ以下であるハードディスクドライブ装置に組み込まれるスピンドルモータ及び他種の小型永久磁石式モータの分野で好適に利用できる。
【背景技術】
【０００３】
上記したような用途では、ブラシレスの電気整流式直流モータが用いられる。ここで述べるような構造を有するスピンドルモータでは、モータ軸が、１枚又は複数枚のハードディスクを担持するハブに連結されている。又、ロータマグネットがハブに結合された上、ステータと同軸に配設される。
【０００４】
例えば、下記の特許文献１では、ハードディスクを担持し、ロータに連結されたロータハブに結合された軸を有するハードディスクドライブ装置が記載されている。その軸は軸受スリーブを貫通し、その軸受スリーブと軸の間にはラジアル動圧軸受及び軸方向のスラスト軸受が形成されている。その、軸方向のスラスト軸受には、磁性素子を介して予圧が付与されて、始動トルクを下げるようになっている。
【０００５】
尚、磁気軸受の用途、理論及び計算例については、文献に広く論述されている。磁気軸受が、特に、軸受摩擦を減少させることにおいて特に有効であることは疑う余地がない。受動形磁気軸受における主たる問題は、少なくとも一つの自由度に対して安定化装置が必要とされることである。それは、磁石だけでは軸受を安定した平衡状態に保つことができないからである。したがって、永久磁石のみを用いて安定的な軸受を作ることは不可能である。ゆえに、いわゆる「磁気浮上（浮遊状態）」のため、別の安定化装置を追加する必要がある。このために、従来の技術では多くの解決策が提案された。
【０００６】
例えば、非特許文献１の中で、アール・エフ・ポスト（R.F.Post）は、浮遊（浮上）素子と安定化素子を特殊に組み合わせて使用する磁気軸受装置について記載している。その中でポストは、アーンショーの定理（Earnshaw-Theorem）を満たす軸受を作るのに加重的に必要とされる３つの主たる構成要素について述べている。その第１の構成要素は一対のリングマグネットである。その一方のリングを静止させ、他方のリングを回転させることで浮遊力（浮上力）が生じる。安定化の働きをするもう一つの要素をポストは「ハルバッハ（Ｈａｌｂａｃｈ）安定装置」と称する。その、ハルバッハ安定装置では、リングマグネットはハルバッハ磁界分布に従って配列され、割り当てられた導体と対向する、各々が単独である複数個の永久磁石が用いられている。第３の要素は機械的な軸受装置である。但し、その軸受装置は回転数が低い場合に稼動させ、回転数が高い場合はできる限り切り離されることが望ましい。ポストは、更に、渦電流に基づく緩衝装置の使用についても論じている。ポストによって開示された装置は、比較的大掛かりであり、大量生産される電動機、特に、ディスク径が２.５インチ、１インチ又はそれ以下であるハードディスクドライブ装置（ミニディスクドライブ装置）に用いられるスピンドルモータには不適である。
【０００７】
特許文献２には、受動形アキシャル磁気軸受、並びに動圧軸受若しくは玉軸受として実現されてよいピボット軸受を備えるスピンドルモータが記載されている。上述した、受動形アキシャル磁気軸受は軸方向に引力を発生させ、ピボット軸受は先に述べた構造体を、半径方向にも安定した軸受装置が形成されるよう、安定化させる。類似する先行技術が特許文献３及び特許文献４にも記載されている。
【０００８】
特許文献５には、浮遊素子及び安定化素子を備える水平軸に使用される受動形磁気軸受が記載されている。その浮遊素子は、一対の静止した、湾曲した強磁性セグメントから成る。それらの強磁性セグメントは半径方向に作用する環状（リング状）の磁石配列の内側に位置する。その磁石配列は中空の軸の内周に配設されている。上述した、湾曲した複数個のセグメントと磁石配列の間で作用する吸引力は、垂直方向に作用して軸を浮上させるとともに、水平方向にも作用して軸の調心をする。上記安定化素子は、磁石の環状のハルバッハ配列と、そのハルバッハ配列の内側に配設された、静止した環状の磁気回路から成る。そのハルバッハ配列は上述した中空の軸の内周に位置する。上記ハルバッハ配列と磁気回路の間で作用する反発力は、上記ハルバッハ配列と上記磁気回路の間隔と反比例して増大し、それによって、軸が平衡を失った場合、その軸を平衡状態に戻す復元力として作用する。上述の軸受は、磁性部材と強磁性部材の間で、相応の交流電流損を生じさせる交流電流が流れるよう構成されている。
【０００９】
特許文献６には、スピンドルモータ用磁気軸受であって、ベースプレートとモータスピンドルの間に取り付けられた磁性部材を備えたものが記載されている。その磁性部材は、同軸に配設された内側及び外側の磁性部分を備える。その、内側及び外側の磁性部分は互いに反発するようになっており、それによってスピンドルが浮遊して機械的摩擦が最小限に抑えられる。その磁気軸受は、回転するスピンドルを軸支する静止した軸の中に配設され、上記スピンドルの先端部は先のベースプレートの相手部材対応部材に支持される。
【００１０】
特許文献７には、軸方向の受動形（軸方向）磁気スラスト軸受及びラジアルすべり軸受又は玉軸受を備える、ロータモータ用磁気軸受構造が記載されている。
【００１１】
要約すると、先行技術では、玉軸受をベースとする、スチール・スラスト軸受又はダイアモンド・スラスト軸受、磁性流体軸受、渦電流素子、軸方向スラスト軸受としてのすべり軸受を含む安定化装置を備える磁気軸受及び動圧軸受、乃至流体軸受又は空気軸受と組み合わされたハイブリッド受動形磁気軸受が開示されている。
【特許文献１】米国特許第６,１７２,８４７号明細書
【特許文献２】米国特許第５,５４１,４６０号明細書
【特許文献３】米国特許第５,５６１,３３５号明細書
【特許文献４】米国特許第５,５４５,９３７号明細書
【特許文献５】米国公開特許第２００３／００４２８１２号明細書
【特許文献６】米国公開特許第２００３／０１１７０３１号明細書
【特許文献７】米国公開特許第２００４／００４６４６７号明細書
【特許文献８】独国特許出願第１０２００５０４２５１９.４号公開公報
【非特許文献１】２０００年２月１７日発行の「周囲温度下にある受動形磁気軸受の安定性に係わる問題点（”Stability Issues in Ambient-Temperature Passive Magnetic Bearing Systems”）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の課題は、始動の際にも定常運転状態においても最小限の摩擦しか引き起こさず、しかも、特に、ミニディスクドライブ装置用スピンドルモータに好適に用いることができるハイブリッド軸受を備える電動機を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この課題は請求項１に記載の特徴を有する電動機によって解決される。
【００１４】
本発明では、ロータをステータに相対的に軸支するハイブリッド軸受を備える電動機が提供され、そのハイブリッド軸受はラジアル軸受及びアキシャル軸受を含む。本発明の好適な実施態様では、ラジアル軸受は流体軸受である。又、アキシャル軸受は磁性素子、特に、半径方向において互いに対向するよう配設された少なくとも１個の永久磁石と磁束導体を備える。そのような磁性素子から形成されたアキシャル軸受は完全に無接触であって、軸と軸受スリーブの間に軸方向に安定した浮遊状態をもたらす。上記の流体軸受はアキシャル磁気軸受を半径方向に安定させる。本発明による軸受は、磁性素子が半径方向において互いに引き合い、それによって、軸方向において互いの位置を合わせあって所望の浮遊状態を保つという原理を基とする。
【００１５】
それによって、軸方向のスラスト軸受やピボット軸受や玉軸受といった通常のアキシャル軸受を全く必要としない。軸端部と軸受スリーブ底部の間に介在する空隙（空気隙間）は比較的大きくしてよく、しかも、電動機が停止している間も介在させてよい。そうすることで、電動機の始動時にも、定常運転時にも、摩擦は最小限で済む。それによって、電動機の消費電力も従来の技術と比べて減らすことができる。
【００１６】
本発明の一つの実施態様では、ハイブリッド軸受は、軸が収容された軸受スリーブを含む。その軸は、例えば、ハードディスクドライブ装置に属するディスクを担持するハブに連結され、上記の磁性素子の一方が上記軸受スリーブの外周面に配設される一方で、他方の磁性素子は上記ハブに連結される。好適には、そのハブが上記軸受スリーブを包み込むように設けられ、上記軸受スリーブと上記ハブの内周面の間に上述した磁性素子の収容スペースが形成されるようにする。このような構成では、他方の磁性素子が、好適には、ハブの内周面に配設される。
【００１７】
本発明の他の一つの実施態様では、アキシャル磁気軸受は軸受スリーブと軸の問に配設されている。
【００１８】
本発明の好適な実施態様では、各々の磁性素子は軸方向寸法がほぼ同一であって、
半径方向に整列している。それらの磁性素子は、好適にはリング状に形成され、互いに同心に配設されている。それによって、それらの磁性素子は互いに軸方向に最適に整列し（最適な位置関係となり）、軸方向における安定した浮遊状態が確保される。
【００１９】
本発明の第１の実施態様では、磁束導体が、薄板積層体により形成される。それらの薄板は半径方向に配向されている。本実施態様では、永久磁石は、軸方向若しくは半径方向に磁化されたリングマグネットを含む。この実施態様では、主に、上記磁束導体の端部が磁気的作用性を有することから、その磁束導体と永久磁石の間に形成される磁束乃至磁力線は、主に、その磁束導体と永久磁石の端部のところに形成される。
【００２０】
磁束導体を成す薄板積層体は電気薄綱板を積層して形成される。磁束導体として薄板積層体を用いることで渦電流の発生を完全に回避できるので、渦電流による電力損も生じない。
【００２１】
本発明の第２の実施態様（その実施態様においても磁束導体は薄板積層体により形成される）では、永久磁石は、ハルバッハ配列にしたがって磁化された１個若しくは複数個のリングマグネットを含む。互いに隣接し、軸方向において互いに反対の極性に磁化された２個のリングマグネットを用いることでそのようなハルバッハ型磁化の最も簡単な形態が実現できる。但し、本発明は上記した最も簡単な形態に限定されない。
【００２２】
上述した、本発明の第２の実施形態では、永久磁石と磁束導体の間を流れる磁束は、先に述べた磁性素子配列の軸方向における中心部に殆どすべて集中するので、上記磁束導体は、端部よりも中心部においてより多くの磁束を受け入れることができるよう軸方向の全長にわたって変化する（軸方向の異なる位置で異なる寸法を有する）ように形成されている）。その目的で、例えば、先の薄板積層体を成す各薄板を、その薄板積層体の中心部の厚さが端部よりも狭い幅となるよう構成してよい。尚、積層体を成す薄板の形態としては上記以外の形状も考えられる。
【００２３】
本発明の第３の実施態様では、磁束導体及び永久磁石は、各々、半径方向においてハルバッハ配列に従って磁化された１個又は複数個のリングマグネットを含む。本実施態様を最も簡単な方法で実現するには、ロータ側とステータ側に、各々２個のリングマグネットを配設し、それらのマグネットを、半径方向において互いに逆の極性に磁化する。そのような構成によってアキシャル磁気軸受は特に大きな軸方向力に耐えることができる。その、大きな軸方向力は、設計にもよるが、１０から４０ニュートン若しくはそれを上回る力である。
【００２４】
本発明の色々な態様によるハイブリッド軸受は、アキシャル磁気軸受が、軸方向には安定化されるものの半径方向では安定しない点で共通している。故に、この軸受を半径方向に安定化させることが必要である。そのために、本発明では、好適には、流体軸受を用いる。その流体軸受の駆動隙間、すなわち、軸と軸受スリーブの間に介在する隙間は、各々の磁性素子の間に介在する空隙より小さいことが望ましい。それは、軸が傾斜した際にマグネットが損傷するのを防ぐためである。更には、オイルが満たされた軸受を用いることが望ましい。それは、発生しうる軸の傾斜を抑制するためである。
【００２５】
上述したような態様による様々な軸受では、軸方向変位に対する軸方向の復元力特性が各々異なる。このことについては、後に、図を参照しながら詳しく説明する。
【００２６】
本発明の好適な実施態様では、軸受スリーブおよび軸は、非磁性材料若しくは磁性材料から作られる。その場合、磁束導体の透磁率を、軸受スリーブおよび軸の透磁率より十分に大きくする必要がある。ハブは、強磁性の材料から作られることが望ましい。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、始動時と定常運転時の何れにおいても最小限の摩擦しか引き起こさず、しかも、渦電流の発生を完全に回避できるので消費電力を低減させることができ、特に、ミニディスクドライブ装置用スピンドルモータに好適に用いることができるハイブリッド軸受を備える電動機を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
次に、本発明を、好適な実施態様を基に、図面を参照しながら詳しく説明する。
図１は、本発明の第１の実施態様による電動機の部分概略断面図である。本発明の好適な実施態様では、その電動機は、スピンドルモータ、特に、ブラシレス直流モータとして形成されている。その電動機は軸受スリーブ１２が保持されるベースプレート１０を含む。軸受スリーブ１２は、ハブ１６に連結された軸１４を収容する。図１の実施態様では、軸１４は中心空洞（センター孔）を備える軸として示され、ハブ１６と結合されている。ハブ１６は、ステータ２０と同軸に配設されたロータマグネット１８を担持している。ステータ２０は、図１では、ステータの薄板積層体２２及び巻線２４の一部分をもって概略的に図示されている。図１のように構成された電動機の基本的構造は、例えば、特許文献８に説明されている。
【００２９】
軸受スリーブ１２および軸１４は、磁性材料と非磁性材料の何れから作ってもよく、ハブ１６は強磁性材料から作ることが望ましい。図示された実施態様では、ハブ１６は、ハードディスクドライブ装置に属する１枚若しくは複数枚のメモリーディスクを搭載できるよう構成されている。
【００３０】
軸受スリーブ１２と軸１４の間には、流体軸受の形態をとる２つのラジアル軸受が形成されている。そのため、軸受スリーブ１２と軸１４の間に介在する隙間には、好適には、軸受オイルが満たされ、軸受スリーブ１２の内周面若しくは軸１４の外周面には圧力生成用の溝が形成されている。このことは従来の技術から公知である。
【００３１】
アキシャル磁気軸受３０は、図示された実施態様では、ステータの薄板積層体と同じく電気薄綱板を積層して成ってよい薄板積層体３２と永久磁石３４との組み合わせで形成される。薄板積層体３２及び永久磁石３４は、各々環状（リング状）に形成され、互いに同心に配設されている。図１に示されるとおり、薄板積層体３２及び永久磁石３４は、軸方向における寸法が同一であって、半径方向に互いに整列している。薄板積層体３２に属する各薄板が半径方向に配向されているので、薄板積層体３２における渦電流の発生を回避することができる。図示された実施態様では、永久磁石３４は、軸方向に磁化されている。しかし、電動機の設計によっては、永久磁石３４を半径方向に磁化することも考えられる。
【００３２】
図１に示されているように、本発明の第１の実施態様では、薄板積層体３２の端部が特に有効であるため、永久磁石３４と薄板積層体３２の間を流れる磁束の大半は外側にある薄板の領域を通る。ロータマグネット１８及びハブ１６が、軸受スリーブ１２及びベースプレート１０と相対的に、可動範囲を軸方向に動くと、薄板積層体３２と永久磁石３４の協働により復元力が発生し、ロータマグネット及びハブを、ベースプレート及び軸受スリーブと相対的に、軸方向に安定的に浮遊させる。更に、永久磁石３４は薄板積層体３２を半径方向に引きつけるが、この場合、半径方向における安定性をより向上させるのがラジアル軸受２６、２８である。
【００３３】
軸受スリーブ１２および軸１４は、好適には、磁性の材料若しくは非磁性の材料から成るが、その場合、軸受スリーブ１２および軸１４の透磁率は薄板積層体３２の透磁率より大幅に、すなわち、少なくとも一桁小さいことが望ましい。
【００３４】
本発明の構造によって、軸受内の摩擦を大幅に減らすことができる。それは、本発明の構造では軸方向のスラスト軸受を全く必要とせず、そのため軸方向の空隙（空気隙間)を大きくとることができるからである。電動機が運転されていないときも受動形磁気軸受の作用があるため、電動機を始動させるときでさえ、摩擦トルクはほとんど生じない（無視できないほどの摩擦トルクが発生しない）。
【００３５】
図１に示されるように、本発明では、ロータマグネット１８とステータ２０の間でも、ある程度の軸方向の中心に向かう力が発生する。しかしながら、そのような中心に向かう力はアキシャル磁気軸受３０（薄板積層体３２、永久磁石３４）の復元力と比べれば無視できるものであって、軸受として機能させるには不可欠ではない。
【００３６】
図２は、アキシャル磁気軸受の軸方向復元力特性を、その磁気軸受を、安定状態（平衡状態）からの軸方向の変位との関係において示す。図２に示されるように、本実施態様では、４から６ニュートンの範囲の復元力を達成できる。尚、その復元力は電動機の設計及び寸法に応じて変化する可能性があり、図２に示された値はあくまでも一例である。図２からもわかるように、軸方向の復元力特性はある程度の非対称性を示す。これは、強磁性材料から作られるハブ１６の影響によるものである。
【００３７】
図３（ａ）は、本発明の第２の実施態様による電動機の部分概略断面図である。図１と同一の構成部材には図１と同一の符号を付してある。図３（ａ）に示す実施態様が図１に示す実施態様と異なるのはアキシャル磁気軸受３０の構造である。アキシャル磁気軸受３０は、第１の実施態様と同様に受動形磁気軸受として形成され、半径方向に配向された薄板から成る薄板積層体３８を含む。その薄板積層体は、好適には、電気薄鋼板を積層してなる。本実施態様では永久磁石３４に代えて、ハルバッハ配列された２枚若しくはそれ以上の枚数のリングマグネットが含まれる。図３（ａ）では最も簡単なハルバッハ配列が示されている。そのハルバッハ配列では、軸方向に互いに反対の極性に磁化された２個の永久磁石４０、４２が設けられている。図３（ｂ）、図３（ｃ）、図３（ｄ）は、第２の実施態様の変形例を示し、これらの変形例はハルバッハ配列により良く近似したものである。
図３（ａ）に示された実施態様では、磁束は薄板積層体３８の中心部に集中し、端部のところよりも磁束密度が高い。このことから、本発明の第２の実施態様では、薄板積層体３８を、その形状が軸方向長さにわたって変化する（軸方向の異なる位置で異なる形状を有する）よう形成することも考えられる。例えば、薄板積層体３８の中心部の薄板を、端部より細く（狭い幅で）形成してもよい。又、薄板積層体３８の中心部及び外側の端部を、他の部分より広く（広幅に）して、突出させて磁束の集中を助けるようにしてもよい。それによって、アキシャル磁気軸受における最も大きい復元力がその磁気軸受の中心部で得られるようにすることができる。
【００３８】
一方、図４は、本発明の第２の実施態様における、軸方向変位に対する軸方向の復元力特性を示す。図３（ａ）及び図４に示す実施態様においては、強磁性材料から作られるハブ１６がより大きな影響を与えることが分かる。その結果軸方向の復元力特性にそれに応じた非対称性が与えられる。
【００３９】
図５は、本発明の第３の実施態様による電動機の部分概略断面図である。これまでに説明した実施態様に対応する構成部品には、これまでに用いたのと同一の符号を付してある。
【００４０】
本発明の第３の実施態様がこれまでの実施態様と異なる点は、アキシャル磁気軸受３０が、互いに対向する２個のリングマグネット４４、４６から形成される点である。それらのリングマグネットは半径方向に磁化され、ハルバッハ配列を成す。図５の実施態様では、最も簡単なハルバッハ配列の形態が示されている。この形態は、半径方向に、互いに逆極性に磁化された永久磁石４４’、４４”及び４６’、４６”から成る。永久磁石４４’、４４”及び４６’、４６”は互いに半径方向に引き合い、それによって、ロータマグネット１８及びハブ１６を、軸受スリーブ１２及びベースプレート１０に対して、浮遊状態に保つ。尚、半径方向における安定性の向上は、これまでに述べた実施態様と同様に、ラジアル軸受２６、２８によってもたらされる。
【００４１】
図６に示す特性から見出されるとおり、本発明の第３の実施態様では、先の２つの実施態様より遥かに大きな復元力が発生する。その復元力は、設計によっては１０ニュートンより明らかに大きく、例えば、４０ニュートン若しくはそれを上回る可能性がある。更に、この実施態様における軸方向変位に対する軸方向の復元力特性は、実質的に直線状である。
【００４２】
本発明の第１の実施態様に係る更なる詳細な説明は、本発明の第２の実施態様及び第３の実施態様にも当てはまる。更に、本発明のいずれの実施態様においても、軸の傾斜を大幅に抑制する目的でアキシャル磁気軸受３０を軸方向において、可能な限り軸受スリーブ１２の中心に配設するのが望ましい。更に、軸受スリーブ１２と軸１４の間の空隙、すなわち、流体軸受の空隙は、できる限り、各磁石の間の隙間より小さいことが望ましい。それは、軸が傾斜したとき、マグネットが損傷するのを避けるためである。流体軸受にオイルを充填することで、上述した軸の傾斜を更に抑制することができる。
【００４３】
図５に示す実施態様では、軸受スリーブ１２の閉塞端部がカウンタープレート４８によって閉塞され、相応する軸１４の端部に、軸１４が軸受スリーブ１２から脱落するのを防ぐ別体のリングが取り付けられている点を符号５０で示す。但し、本発明では重要ではない。
【００４４】
図７、図８、及び図９は、各々、本発明の第１、第２及び第３の実施態様を変形した実施態様を示す。それらの実施態様は、ステータとロータの相対的配置及び磁気軸受の配置方法において上記のそれぞれの実施態様と異なる。
【００４５】
図７から図９に示す実施態様による電動機は、それぞれ、複数個の部材から成る軸受スリーブ５４が収容されたベースプレート５２を含む。軸受スリーブ５４は、内側のスリーブ５４’と外側のスリーブ５４”を含む。この、内側のスリーブ５４’と外側のスリーブ５４”の端部はカウンタープレート５４’”によって閉塞されている。又、軸受スリーブ５４には軸５６が収容され、ハブ５８に連結されている。そのハブはロータマグネット６０を担持している。又、薄板積層体６４及び巻線６６を備えるステータ６２が外側のスリーブ５４”の外側にあり、外側のスリーブ５４”を介してベースプレート５２に結合されている。内側のスリーブ５４’と軸５６の間には、実質的には、第１から第３の実施態様（図１、図３（ａ）及び図５）に具備されるラジアル軸受２６、２８と同じように作用する２個のラジアル軸受６８、７０が形成されている。図７に示すアキシャル磁気軸受７２は、第１の実施態様とは異なり、薄板積層体７４と、それに対向して設けられた、半径方向若しくは軸方向に磁化された永久磁石７６によって形成される。ここでは、上記薄板積層体を成す各薄板はその薄板積層体の中心部に向かって半径方向の寸法が次第に小さくなる。それによって、薄板７４と永久磁石７６の間隔は、上記薄板積層体の２つの外側端部のところで最も狭くなる。又、磁束がこの場所に最も集中することから、この実施態様では復元力が特に大きい。図７に示す電動機の作動の仕方は、図１に関して説明した作動の仕方と同一であることから、図７に示す電動機の作動の仕方については図１に関する説明を参照されたい。
【００４６】
図８及び９に示す実施態様は、基本的には図７に示す実施態様と同一である。したがって、それらの図において同一の部材には同一の符号を付し、繰り返して説明しない。上記実施態様が互いに異なるのはアキシャル磁気軸受の構造のみであって、図８に示すアキシャル磁気軸受は図３（ａ）に示すアキシャル磁気軸受に相応し、図９に示すアキシャル磁気軸受は図５に示すアキシャル磁気軸受に相応する。それゆえに、詳細については図３（ａ）及び図５の説明を参照されたい。
【００４７】
図８では、アキシャル磁気軸受は薄板積層体７８と、それに対向して設けられた、軸方向において互いに逆の極性で磁化された２個のリングマグネット８０、８２によって形成される。そのアキシャル磁気軸受の作用の仕方は図３（ａ）に関して説明されているのと同様である。図８に示す実施態様でも各薄板の幅は軸方向に変化するが、この実施態様では、各薄板は、薄板積層体の中心部から発して外側端部に向かって半径方向の寸法が次第に小さくなる。それによって、薄板積層体とマグネットの間隔は、中心部のところで最も狭くなり、その間隔が最も狭いところに磁束が最も集中する。この構成によっても特に大きな復元力がもたらされる。
【００４８】
図９に示す実施態様では、アキシャル磁気軸受は、図５の実施態様と同様に、互いに対向し、半径方向に磁化されたリングマグネットの対８４、８６によって形成される。そのアキシャル磁気軸受の作用の仕方は図５に関して説明されているのと同様である。
【００４９】
図８及び９においても、リングマグネット８０、８２乃至リングマグネットの対８４、８６は、ハルバッハ配列に近似したものの簡単な形態を構成し、例えば、図３（ｂ）及び図３（ｃ）に示すような、ハルバッハ配列により近似した磁石配列を代わりに用いても良い。
【００５０】
これまでの説明で、用いられる材料、ラジアル軸受及びアキシャル軸受における絶対的若しくは相対的寸法及び機能について述べたが、
それらの事項は、基本的には、本発明の全ての実施態様に適用可能である。尚、それらの事項は、設計によっては変更されることもあり得る。
【００５１】
本発明による電動機は、ハブの外周寸法においてその直径がおよそ７から８ｍｍ又はそれ以下、例えば、４.５ｍｍであるミニディスクドライブ装置用スピンドルモータとして特に好適である。リングマグネット及び薄板積層体の厚さは０.５ｍｍから１ｍｍ程度であって、薄板積層体を構成する各薄板は、例えば、電気鋼から作られ、永久磁石は焼結ネオジウムから成ってよい。但し、本発明はこのような構成に限定されるものではない。
【００５２】
これまでの説明、図面及び特許請求の範囲に開示された特徴は、単独で又は任意の組み合わせで、その様々な実施形態において本発明の実現に寄与する。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の第１の実施態様による電動機の部分概略断面図である。
【図２】本発明の第１の実施態様による電動機において磁気軸受から発生する軸方向力特性を示す。
【図３】（ａ）は、本発明の第２の実施態様による電動機の部分概略断面図であり、（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）は、永久磁石の他の構成例を示す概略図である。
【図４】本発明の第２の実施態様による電動機において磁気軸受から発生する軸方向力特性を示す。
【図５】本発明の第３の実施態様による電動機の部分概略断面図である。
【図６】本発明の第３の実施態様による電動機において磁気軸受から発生する軸方向力特性を示す。
【図７】本発明の第１の実施態様の変形例の電動機の概略断面図である。
【図８】本発明の第２の実施態様の変形例の電動機の概略断面図である。
【図９】本発明の第３の実施態様の変形例の電動機の概略断面図である。
【符号の説明】
【００５４】
１０ ベースプレート、 １２ 軸受スリーブ、 １４ 軸、 １６ ハブ、 １８ ロータマグネット、 ２０ ステータ、 ２２ ステータの薄板積層体、 ２４ 巻線、 ２６、２８ ラジアル軸受、 ３０ アキシャル磁気軸受、 ３２ 薄板積層体、 ３４ 永久磁石、 ３８ 薄板積層体、 ４０、４２ リングマグネット、 ４４、４６ リングマグネット、 ４４’、４４” リングマグネット、 ４６’、４６” リングマグネット、 ４８ カウンタープレート、 ５０ リング、 ５２ ベースプレート、 ５４ 軸受スリーブ、 ５４’ 内側のスリーブ、 ５４” 外側のスリーブ、 ５４’” カウンタープレート、 ５６ 軸、 ５８ ハブ、 ６０ ロータマグネット、 ６２ ステータ、 ６４ ステータの薄板積層体、 ６６ 巻線、 ６８、７０ ラジアル軸受、 ７２ アキシャル磁気軸受、 ７４ 薄板積層体、 ７６ 永久磁石、 ７８ 薄板積層体、 ８０、８２ リングマグネット、 ８４、８６ リングマグネットの対。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体軸受として形成されたラジアル軸受（２６，２８）及び磁性素子によって形成されたアキシャル軸受（３０）を備え、
ロータをステータに軸支するハイブリッド軸受を具備する電動機であって、
該磁性素子が、半径方向において互いに対向するよう配設されたことを特徴とする電動機。
【請求項２】
前記磁性素子が、少なくとも１個の永久磁石（３４；４０，４２；７６）及び１個の磁束導体(３２；３８、７６）を含むことを特徴とする請求項１に記載の電動機。
【請求項３】
前記ハイブリッド軸受は、軸（５６）が収容された軸受スリーブ（５４）を備え、
前記磁性素子の一方（７６；８０；８６）が該軸受スリーブ（５４）の周囲に配設され、
前記磁性素子の他方（７４；７８、８４）が該軸（５６）に結合されていることを特徴とする請求項１に記載の電動機。
【請求項４】
前記ハイブリッド軸受は、軸（１４）が収容された軸受スリーブ（１２）を備え、
前記軸がハブ（１６）に連結され、且つ前記磁性素子の一方（３２；３８、７４）の一方が前記軸受スリーブ（１２）の周囲に配設され、前記磁性素子の他方（３４；４０，４２;７６）の一方が該軸がハブ（１６）に結合されている
ことを特徴とする請求項１に記載の電動機。
【請求項５】
前記ハブは前記軸受スリーブ（１２）を包むように形成され、
前記軸受スリーブ（１２）と前記ハブ（１６）の内周面の間に前記磁性素子の収容スペースが形成され、
前記磁性素子の前記他方（３４；４０，４２；７６）が前記ハブ（１６）の内周面に配設されている
ことを特徴とする請求項４に記載の電動機。
【請求項６】
前記磁性素子は、半径方向に実質的に整列していることを特徴とする請求項２乃至５の何れか一項に記載の電動機。
【請求項７】
前記磁性素子がリング状に形成され、互いに同心に構成されることを特徴とする請求項２乃至６の何れか一項に記載の電動機。
【請求項８】
前記磁性素子の軸方向寸法がほぼ同一であることを特徴とする請求項７に記載の電動機。
【請求項９】
前記磁束導体は、各薄板が半径方向に配向された薄板積層体（３２；３８；７４；７８）によって形成されたことを特徴とする請求項７又は８に記載の電動機。
【請求項１０】
前記永久磁石は、軸方向又は半径方向に磁化されたリングマグネット（３４；４０、４２；７６；８０、８２）を含むことを特徴とする請求項７又は８に記載の電動機。
【請求項１１】
前記永久磁石は、軸方向において互いに逆の極性に磁化された２個のリングマグネット（４０、４２；８０、８２）を含むことを特徴とする請求項７又は８に記載の電動機。
【請求項１２】
前記永久磁石は、軸方向においてハルバッハ配列にしたがって磁化された１個若しくは複数個のリングマグネットを含むことを特徴とする請求項８に記載の電動機。
【請求項１３】
前記磁束導体に属する薄板積層体（３８、７４、７８）の各薄板が該薄板積層体の軸方向長さにわたって異なる寸法を有することを特徴とする請求項１１又は１２に記載の電動機。
【請求項１４】
前記薄板積層体の薄板は、前記薄板積層体（３８、７４）の中心部において、該薄板積層体の端部よりも幅が狭いことを特徴とする請求項１３に記載の電動機。
【請求項１５】
前記薄板積層体の薄板は、前記薄板積層体（３８、７８）の中心部において、該薄板積層体の外側端部よりも幅が広いことを特徴とする請求項１３に記載の電動機。
【請求項１６】
前記磁束導体に属する前記薄板積層体（３２；３８；７４；７８）の前記薄板は、電気鋼から作られていることを特徴とする請求項９乃至１５の何れか一項に記載の電動機。
【請求項１７】
前記磁性素子は、それぞれ半径方向において互いに逆の極性に磁化された２個のリングマグネット（４４、４６；８４、８６）を備えることを特徴とする請求項７又は８に記載の電動機。
【請求項１８】
前記磁性素子は、各々半径方向においてハルバッハ配列に従って磁化された１個又は複数個のリングマグネットを含むことを特徴とする請求項７又は８に記載の電動機。
【請求項１９】
前記磁束導体（３２；３８；７４）の透磁率は、前記軸受スリーブ（１２）及び前記軸（１４）の透磁率より大きいことを特徴とする請求項２乃至１８のいずれか一項に記載の電動機。
【請求項２０】
前記ハブ（１６）が、強磁性の材料から作られていることを特徴とする請求項４又は５に記載の電動機。
【請求項１】
流体軸受として形成されたラジアル軸受（２６，２８）及び磁性素子によって形成されたアキシャル軸受（３０）を備え、
ロータをステータに軸支するハイブリッド軸受を具備する電動機であって、
該磁性素子が、半径方向において互いに対向するよう配設されたことを特徴とする電動機。
【請求項２】
前記磁性素子が、少なくとも１個の永久磁石（３４；４０，４２；７６）及び１個の磁束導体(３２；３８、７６）を含むことを特徴とする請求項１に記載の電動機。
【請求項３】
前記ハイブリッド軸受は、軸（５６）が収容された軸受スリーブ（５４）を備え、
前記磁性素子の一方（７６；８０；８６）が該軸受スリーブ（５４）の周囲に配設され、
前記磁性素子の他方（７４；７８、８４）が該軸（５６）に結合されていることを特徴とする請求項１に記載の電動機。
【請求項４】
前記ハイブリッド軸受は、軸（１４）が収容された軸受スリーブ（１２）を備え、
前記軸がハブ（１６）に連結され、且つ前記磁性素子の一方（３２；３８、７４）の一方が前記軸受スリーブ（１２）の周囲に配設され、前記磁性素子の他方（３４；４０，４２;７６）の一方が該軸がハブ（１６）に結合されている
ことを特徴とする請求項１に記載の電動機。
【請求項５】
前記ハブは前記軸受スリーブ（１２）を包むように形成され、
前記軸受スリーブ（１２）と前記ハブ（１６）の内周面の間に前記磁性素子の収容スペースが形成され、
前記磁性素子の前記他方（３４；４０，４２；７６）が前記ハブ（１６）の内周面に配設されている
ことを特徴とする請求項４に記載の電動機。
【請求項６】
前記磁性素子は、半径方向に実質的に整列していることを特徴とする請求項２乃至５の何れか一項に記載の電動機。
【請求項７】
前記磁性素子がリング状に形成され、互いに同心に構成されることを特徴とする請求項２乃至６の何れか一項に記載の電動機。
【請求項８】
前記磁性素子の軸方向寸法がほぼ同一であることを特徴とする請求項７に記載の電動機。
【請求項９】
前記磁束導体は、各薄板が半径方向に配向された薄板積層体（３２；３８；７４；７８）によって形成されたことを特徴とする請求項７又は８に記載の電動機。
【請求項１０】
前記永久磁石は、軸方向又は半径方向に磁化されたリングマグネット（３４；４０、４２；７６；８０、８２）を含むことを特徴とする請求項７又は８に記載の電動機。
【請求項１１】
前記永久磁石は、軸方向において互いに逆の極性に磁化された２個のリングマグネット（４０、４２；８０、８２）を含むことを特徴とする請求項７又は８に記載の電動機。
【請求項１２】
前記永久磁石は、軸方向においてハルバッハ配列にしたがって磁化された１個若しくは複数個のリングマグネットを含むことを特徴とする請求項８に記載の電動機。
【請求項１３】
前記磁束導体に属する薄板積層体（３８、７４、７８）の各薄板が該薄板積層体の軸方向長さにわたって異なる寸法を有することを特徴とする請求項１１又は１２に記載の電動機。
【請求項１４】
前記薄板積層体の薄板は、前記薄板積層体（３８、７４）の中心部において、該薄板積層体の端部よりも幅が狭いことを特徴とする請求項１３に記載の電動機。
【請求項１５】
前記薄板積層体の薄板は、前記薄板積層体（３８、７８）の中心部において、該薄板積層体の外側端部よりも幅が広いことを特徴とする請求項１３に記載の電動機。
【請求項１６】
前記磁束導体に属する前記薄板積層体（３２；３８；７４；７８）の前記薄板は、電気鋼から作られていることを特徴とする請求項９乃至１５の何れか一項に記載の電動機。
【請求項１７】
前記磁性素子は、それぞれ半径方向において互いに逆の極性に磁化された２個のリングマグネット（４４、４６；８４、８６）を備えることを特徴とする請求項７又は８に記載の電動機。
【請求項１８】
前記磁性素子は、各々半径方向においてハルバッハ配列に従って磁化された１個又は複数個のリングマグネットを含むことを特徴とする請求項７又は８に記載の電動機。
【請求項１９】
前記磁束導体（３２；３８；７４）の透磁率は、前記軸受スリーブ（１２）及び前記軸（１４）の透磁率より大きいことを特徴とする請求項２乃至１８のいずれか一項に記載の電動機。
【請求項２０】
前記ハブ（１６）が、強磁性の材料から作られていることを特徴とする請求項４又は５に記載の電動機。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００８−１５４４５１（Ｐ２００８−１５４４５１Ａ）
【公開日】平成２０年７月３日（２００８．７．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３２３１９４（Ｐ２００７−３２３１９４）
【出願日】平成１９年１２月１４日（２００７．１２．１４）
【出願人】（０００１１４２１５）ミネベア株式会社 (846)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年７月３日（２００８．７．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１２月１４日（２００７．１２．１４）
【出願人】（０００１１４２１５）ミネベア株式会社 (846)
【Ｆターム（参考）】
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