(57)【要約】【課題】磁気軸受変位測定装置において、渦電流に伴う検出精度の低下及び熱的問題を解決する。【解決手段】磁気軸受４に非接触支持される回転体２１の主軸１の両端に対向して永久磁石１５を備え、回転体２１の両端付近の側面に離間して位置検出センサ３を備える。そして、位置検出センサ３が、永久磁石１５の静止磁場を検出することにより、回転体２１の変位を検出する回転子位置検出方法である。永久磁石１５及び位置検出センサ３を回転体２１の主軸１の両端付近に主軸１を介して対称に備えることにより、回転体２１のアキシャル方向の変位も検出できる。静止磁場を利用しているため、キャン７上又はターゲット５上での渦電流の発生を抑制する。特に、金属製のキャン７を備える場合においては、渦電流による位置検出精度の低下及び発熱の問題を解消する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気軸受に非接触支持される回転体の軸の両端に対向して第１の永久磁石を備え、
前記回転体の軸の両端付近の側面に離間して位置検出センサを備え、
前記センサが、前記第１の永久磁石の静止磁場を検出することにより、
前記回転体の変位を検出する
ことを特徴とする磁気軸受変位検出方法。
【請求項２】
前記第１の永久磁石及び前記センサが、前記回転体の軸を介して対称に備えられ、
前記軸のラジアル方向及びアキシャル方向の変位を検出する
ことを特徴とする請求項１に記載の磁気軸受変位検出方法。
【請求項３】
前記第１の永久磁石と同じ磁極が対向するように、前記回転体の軸の端部にそれぞれ第２の永久磁石を備え、
前記センサが、前記第２の永久磁石の静止磁場を検出することにより、
前記回転体の変位を検出する
ことを特徴とする請求項１に記載の磁気軸受変位検出方法。
【請求項４】
磁気軸受に非接触支持される回転体の軸の両端に対向して第１の永久磁石を備え、
前記回転体の軸の両端付近の側面に離間して位置検出センサを設け、
前記センサが、前記第１の永久磁石の静止磁場を検出することにより、
前記回転体の変位を検出する
ことを特徴とする磁気軸受変位検出装置。
【請求項５】
前記第１の永久磁石及び前記センサが、前記回転体の軸を介して対称に備えられ、
前記軸のラジアル方向及びアキシャル方向の変位を検出する
ことを特徴とする請求項４に記載の磁気軸受変位検出装置。
【請求項６】
前記第１の永久磁石と同じ磁極が対向するように、前記回転体の軸の端部にそれぞれ第２の永久磁石を備え、
前記センサが、前記第２の永久磁石の静止磁場を検出することにより、
前記回転体の変位を検出する
ことを特徴とする請求項４に記載の磁気軸受変位検出装置。
【請求項７】
前記回転体は、金属製の密閉容器内に備えられる
ことを特徴とする請求項４から請求項６のうちいずれか１項に記載の磁気軸受変位検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、磁気により非接触的に回転体を支持する磁気軸受において、前記回転体の軸の位置を検出する位置検出方法及び検出装置に係る。詳しくは、前記回転体が密閉金属容器内に備えられる磁気軸受装置（キャンドモーター）において、電磁石と回転体のギャップを検出する変位測定方法及び軸の位置検出装置に係る。
【背景技術】
【０００２】
電磁石を用いて回転体の位置を能動的に制御する制御式磁気軸受装置は、非接触で回転軸を制御するので、潤滑剤が必要なく、低トルク、低騒音での高速回転に適している。（特許文献１、特許文献２）
通常、制御式磁気軸受装置において、回転体の位置を検出する場合、特許文献３に示すようなホール素子を用いる検出方法や、特許文献４で示すような渦電流式や差動変圧器を用いた誘導式による検出方法がある。
【０００３】
図６は従来技術に係るキャン構造を有する磁気軸受装置１２の要部断面図である。図６において、回転子９を備えた主軸１の側面に対向するように電磁石２と位置検出センサ１３とが離間して配置されており、これらの電磁石２と位置検出センサ１３とによって磁気軸受２４が構成されている。主軸１には電磁石２に対応したターゲット１８及び、位置検出センサ１３に対応したターゲット５が取り付けられている（以降、回転子９を備えた主軸１に、ターゲット５、１３が備えられたものを回転体２１という）。
【０００４】
そして、位置検出センサ１３はターゲット５と位置検出センサ１３とのギャップ６を検出し、その検出出力信号に基づいて図示省略のコントローラにより電磁石２の磁気力が制御され、この制御された磁気力により回転体２１が磁気浮上し、非接触で回転体２１が支持される。また、回転体２１と電磁石２及び位置検出センサ１３との間には、キャン７が配置される。すなわち、回転体２１がキャン７内に備えられている。そして、固定子８が回転子９に回転駆動力を付与するので、回転体２１が回転する。ここで、回転体２１をアキシャル方向（ｚ軸方向）に制御する浮上用電磁石と、位置検出センサ１３の出力によりギャップ６の変位を検出する変位検出器とは、図示省略している。
【０００５】
このように、図６で示すような、固定子８と回転体２１の間に金属密閉容器（すなわち、キャン７）を有するキャンドモータ等では、回転体２１が前記容器に接触しないように、ラジアル方向（ｘ軸方向またはｙ軸方向）、アキシャル方向（ｚ軸方向）に軸制御を行う。位置検出センサ３としては、安価な渦電流式変位検出器又は、密閉容器の影響を受けにくい差動変圧器を用いた誘導式が採用されている。
【０００６】
差動変圧器式では、図７に示すように一次コイルと二次コイルの電磁誘導作用を利用し、二次コイルの差分電圧ｅ3を位置に換算することにより位置検出を行う。
【０００７】
すなわち、誘導型センサはセンサコアにセンサコイルが巻回され構成を有する。ここで、図６で示した制御式軸受装置１２を参照して位置検出センサ１３に誘導型センサを用いた場合の位置検出方法について説明する。
【０００８】
位置検出センサ１３のセンサコイルに発振器から数十ｋＨｚ以下の励磁電圧が与えられると、センサコア内に発生した磁束（すなわち位置検出センサ１３より発生した磁束）がキャン７、ギャップ６を貫通し、ターゲット５内の磁性材料を通り、センサコア（すなわち位置検出センサ１３）に戻る磁気ループが形成される。位置検出センサ１３とターゲット５間の距離はセンサコイルのインダクタンス変化によって検出できる（特許文献４）。
【０００９】
一方、渦電流センサはセンサコアとして非金属材料又は空芯コアが用いられ、このセンサコアにセンサコイルを巻回して渦電流センサが構成される。ここで、図６で示した制御式軸受装置１２を参照して、位置検出センサ１３に渦電流式センサを用いた場合の位置検出方法について説明する。
【００１０】
位置検出センサ１３のセンサコアには発振器から数ＭＨｚ程度の励磁電圧が供給され、この励磁電圧によりセンサコア内に磁束が発生し（すなわち位置検出センサ１３より磁束が発生し）、この磁束がキャン７、センサターゲット５に到達する。このとき、センサターゲット５表面で生じる渦電流により磁束が発生する。この磁束はセンサコアで発生する磁束と逆向きになっている。渦電流によって発生した磁束により、センサコイルのインダクタンスが変化する。このインダクタンス変化量によって位置検出センサ１３とセンサターゲット５との間の距離を検出できる（特許文献４）。
【特許文献１】特開昭５８−６１３２４号公報
【特許文献２】特開平２−２９７０１２号公報
【特許文献３】特開平７−９８０１５号公報
【特許文献４】特開２００３−１０６３３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上記従来技術に係るキャンドモータにおいて、一次コイルの交流電圧により、コア及び金属製キャンに渦電流が発生する。このため、交流電圧の増加に伴う検出誤差や回転体の回転速度増加に伴う発熱、回転損失等が問題となる。特に、キャンドモータは密閉されているので、発熱は少ないことが好ましい。
【００１２】
なお、図８に示すように、渦電流式では、キャン７に渦電流１４が流れるので、位置検出センサ１３がキャン７自体を検出してしまい、回転体の変位を正確に検出することは困難である。
【００１３】
また、特許文献３のような磁気軸受装置がキャンを備えると、回転体の回転と同期してターゲットである永久磁石が回転するので、キャン上に渦電流が生じ検出精度が低下するおそれがある。すなわち、図６に示すキャンドモータ１２の位置検出センサ１３に、ホール素子を用いた場合においても、キャンを備えると渦電流の影響により検出精度が低下するおそれがある。
【００１４】
したがって、本発明は、回転体のラジアル（ｘ軸方向またはｙ軸方向）及びアキシャル軸（ｚ軸方向）制御を行う磁気軸受装置において、キャンやターゲット上での渦電流の発生を抑えた回転体の軸位置測定方法及び測定装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
そこで、請求項１に記載の磁気軸受変位検出方法は、磁気軸受に非接触支持される回転体の軸の両端に対向して第１の永久磁石を備え、前記回転体の軸の両端付近の側面に離間して位置検出センサを備え、前記センサが、前記第１の永久磁石の静止磁場を検出することにより、前記回転体の変位を検出することを特徴とする。
【００１６】
請求項２に記載の磁気軸受変位検出方法は、請求項１に記載の磁気軸受変位検出方法において、前記第１の永久磁石及び前記センサが、前記回転体の軸を介して対称に備えられ、前記軸のラジアル方向及びアキシャル方向の変位を検出することを特徴とする。
【００１７】
請求項３に記載の磁気軸受変位検出方法は、請求項１に記載の磁気軸受変位検出方法において、前記第１の永久磁石と同じ磁極が対向するように、前記回転体の軸の端部にそれぞれ第２の永久磁石を備え、前記センサが、前記第２の永久磁石の静止磁場を検出することにより、前記回転体の変位を検出することを特徴とする。
【００１８】
請求項４に記載の磁気軸受変位検出装置は、磁気軸受に非接触支持される回転体の軸の両端に対向して第１の永久磁石を備え、前記回転体の軸の両端付近の側面に離間して位置検出センサを設け、前記センサが、前記第１の永久磁石の静止磁場を検出することにより、前記回転体の変位を検出することを特徴とする。
【００１９】
請求項５に記載の磁気軸受変位検出装置は、請求項４に記載の磁気軸受変位検出装置において、前記第１の永久磁石及び前記センサが、前記回転体の軸を介して対称に備えられ、前記軸のラジアル方向及びアキシャル方向の変位を検出することを特徴とする。
【００２０】
請求項６に記載の磁気軸受変位検出装置は、請求項４に記載の磁気軸受変位検出装置において、前記第１の永久磁石と同じ磁極が対向するように、前記回転体の軸の端部にそれぞれ第２の永久磁石を備え、前記センサが、前記第２の永久磁石の静止磁場を検出することにより、前記回転体の変位を検出することを特徴とする。
【００２１】
請求項７に記載の磁気軸受変位検出装置は、請求項４から請求項６に記載の磁気軸受変位検出装置において、前記回転子は、金属製の密閉容器内に備えられることを特徴とする。
【００２２】
請求項１から請求項３に記載された磁気軸受変位検出方法及び請求項４から請求項７に記載された磁気軸受変位検出装置によれば、渦電流の発生を抑制できる。
【００２３】
特に、請求項２に記載の磁気軸受変位検出方法によれば、請求項１の効果に加え、回転子のアキシャル方向（ｚ軸方向）の変位を検出することができるので、新たにアキシャル方向（ｚ軸方向）の変位を検出する位置検出センサを設ける必要がない。
【００２４】
そして、請求項３に記載の磁気軸受変位検出方法によれば、請求項１の効果に加え、回転子のアキシャル方向（ｚ軸方向）の変位を抑制することができる。
【００２５】
また、請求項４に記載の磁気軸受変位検出装置により、請求項１に記載の磁気軸受変位検出方法が実現できる。
【００２６】
さらに、請求項５に記載の磁気軸受変位検出装置により、請求項２に記載の磁気軸受変位検出方法が実現できる。
【００２７】
そして、請求項６に記載の磁気軸受変位検出装置により、請求項３に記載の磁気軸受変位検出方法が実現できる。
【００２８】
特に請求項７に記載の磁気軸受変位検出装置においては、磁気軸受が金属製の密閉容器（キャン）を備えた場合、前記密閉容器上での渦電流の発生を抑制することができる。
【発明の効果】
【００２９】
したがって、以上の発明によれば、渦電流による検出精度の低下及び熱的問題を解決できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
（実施形態１）
本発明の第１実施形態に係る軸位置測定装置について図１を参照して詳細に説明する。なお、図６に示された装置類と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
【００３１】
図１は、本発明の第１の実施形態に係るキャンドモータ１０の要部断面図である。キャンドモータ１０は、回転体２１を備えている。回転体２１は、固定子９、主軸１、電磁石２に対応したターゲット１８及び、位置検出センサ３に対応したターゲット５からなる。
【００３２】
図１に示すように、回転子９を備えた主軸１に対向するように電磁石２と位置検出センサ３とが配置されており、これらの電磁石２と位置検出センサ３とによって磁気軸受４が構成されている。そして、主軸１には電磁石２に対応したターゲット１８及び、位置検出センサ３に対応したターゲット５が取り付けられている。
【００３３】
また、回転体２１と磁気軸受４との間には、キャン７が挿入されている。すなわち、回転体２１がキャン７内に備えられている。そして、固定子８が、回転子９に回転駆動力を与えることにより、回転体２１が回転する。回転体２１の軸心上の両端には、回転体２１から離間して電磁鋼部材１６が備えられている。電磁鋼部材１６の端部付近には、位置検出センサ３が備えられ、電磁鋼部材１６の中央部には、永久磁石１５が備えられている。このとき、永久磁石１５は、回転体２１の軸心の延長線上に位置するように配置する。そして、位置検出センサ３が永久磁石１５の静止磁場を検出する。位置検出センサ３としては、ホール素子が例示される。
【００３４】
図１の破線で示したように、永久磁石１５による磁束は、回転体２１の主軸１を中心として放射状に、キャン７、ターゲット５、キャン７、位置検出センサ３、電磁鋼部材１６を通る。この磁束は静止磁場であるため、ギャップ６が平衡している状態では、キャン７やターゲット５などに磁束の変化が生じない。すなわち、ターゲット２１が高速回転しても回転による磁束の変化がない。ゆえに、回転体２１が回転してもキャン７等に渦電流が生じることがない。
【００３５】
もし、何らかの要因で回転体２１の位置が中心の位置からずれると、ギャップ６が増減する。すると、ギャップ６の変位の逆数に比例して磁束が変化するので、回転体２１のラジアル方向（ｘ軸方向またはｙ軸方向）及びアキシャル方向（ｚ軸方向）の変位を位置検出センサ３で検出することができる。
【００３６】
この場合、ギャップ６の不均一により磁束が変化するが、微小であるために渦電流式、インダクタンス式に比べギャップ検出精度の低下は問題とならない。
【００３７】
次に、図２及び図３を参照して、位置検出センサ３による磁気軸受４と回転体２１とのギャップ検出例を示す。図２（ａ）は、図１に示される第１実施形態に係る軸位置測定装置のＡ−Ａ断面、図２（ｂ）は、図１に示される第１実施形態に係る軸位置測定装置のＢ−Ｂ断面、図３は検出制御の流れを示した流れ図である。
【００３８】
図２（ａ）、図２（ｂ）に示すように、ターゲット５を中心として対称に配置された２つの位置検出センサ３がターゲット５の位置を検出する。これらの検出値の差が主軸１のラジアル方向（ｘ軸方向またはｙ軸方向）の変位として検出できる。
【００３９】
また、ターゲット５を中心として対称に配置されたｘ軸上の２つの位置検出センサ３において、その検出磁束が共に増加（または、共に減少）した場合には、アキシャル方向（ｚ軸方向）への変位があったと判断できる。同様に、ｙ軸上に備えられた位置検出センサ３についても同様にアキシャル方向（ｚ軸方向）への変位を検出できる。そして、主軸１の両端に設けられたそれぞれの位置検出センサ３の情報よりアキシャル方向（ｚ軸方向）への変位検出精度を向上させることができる。
【００４０】
すなわち、図２（ａ）に示すように、主軸１を介してｘ軸対称（または、ｙ軸対称）に位置検出センサ３を配置することによりアキシャル方向（ｚ軸方向）の位置検出を別途具備しなくても、アキシャル軸（ｚ軸方向）変位を検出することができる。
【００４１】
さらに、図３を参照して検出制御の流れを説明する。位置検出センサ３としてホール素子を用いた例で説明する。位置検出センサ３には、位置検出センサ３に対して電源を供給し、これによって位置検出センサ３から出力された電気信号を受信する制御部１９が備えられている。そして、制御部１９には、受信した電気信号より回転体２１の位置検出を行う演算処理部２０が備えられている。
【００４２】
まず、制御部１９の電源がＯＮとなり、位置検出センサ３（ホール素子）の駆動端子に定電流又は定電圧が供給される。位置検出センサ３は、出力端子より位置検出センサ３にかかる磁場に応じた信号を制御部１９に出力する。制御部１９は、その出力信号をゲイン調整、オフセット調整し、フィルタを介して演算処理部２０に出力する。演算処理部２０は、制御部１９からの信号をもとに位置補正し、回転体２１の位置検出が行われる。
【００４３】
以上の流れにより、位置検出センサ３が永久磁石１５の磁場を検出し、この磁場の変化により回転体２１の位置変化を検出することができる。なお、位置検出センサ３としては、ホール素子に限らず、静止磁場を検出できるものを適宜用いればよい。
【００４４】
（実施形態２）
図４は、本発明の第２実施形態に係る軸位置測定装置について図４を参照して詳細に説明する。
【００４５】
第１実施形態では、ギャップ６検出用の位置検出センサ３として、ｘ軸方向の変位を検出するセンサ及びｙ軸方向の変位を検出するセンサをそれぞれ１対設けている。これに対して、第２実施形態では、図４に示すように、ギャップ６検出用の位置検出センサ３として、ｘ軸方向の変位を検出するセンサ及びｙ軸方向の変位を検出するセンサそれぞれ１つずつ設けている。このように、位置検出センサ３の数を減らすことによりコスト削減が可能となる。
【００４６】
以上のように、第１実施形態と比較して第２実施形態では位置検出センサ３の数が異なる。したがって、詳細な構成については図１と同じであり、その詳しい説明は省略する。そして、制御の流れについても、図３と同じ方法により行うこととし、その詳細な説明は省略する。
【００４７】
（実施形態３）
本発明の第３実施形態に係る軸位置測定装置１１について図５を参照して詳細に説明する。なお、図１に示された装置類と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
【００４８】
図５は、本発明の第３の実施形態に係るキャンドモータ１１の要部断面図である。キャンドモータ１１は、回転体２２を備えている。回転体２２は、固定子９、主軸１、位置検出センサ３に対応するターゲット５、電磁石２に対応するターゲット１８、及び主軸１に備えられる永久磁石１７からなる。
【００４９】
図５に示すように、本発明の第３実施形態に係る軸位置測定装置１１では、主軸１の両端に離間して備えられる永久磁石１５と同じ磁極が対向するように、永久磁石１７が主軸１の両端に備えるられている。すなわち、永久磁石１７が主軸１の両端に備られることにより、永久磁石１７と永久磁石１５との間に磁気的な反発力が働き、回転体２２のアキシャル方向（ｚ軸方向）の変位を抑制することができる。
【００５０】
そして、位置検出センサ３は、永久磁石１７の静止磁場を検出して回転体２２の位置検出を行う。なお、図５では、位置検出センサ３の配置は、第２実施形態と同じであるが、第１実施形態のようにｘ軸方向及びｙ軸方向それぞれに１対ずつ設けてもよい。
【００５１】
以上のように、第３の実施形態のような構成を持つ軸位置測定装置１１によれば、第１の実施形態の渦電流を抑制する効果に加えて、回転体２２のアキシャル方向（ｚ軸方向）の変位を抑制することができる。そして、アキシャル方向（ｚ軸方向）の変位を抑制するために備えられる永久磁石１７の静止磁場を位置検出センサ３で検出することにより、主軸１のラジアル方向（ｘ軸方向またはｙ軸方向）の変位を検出することができる。
【００５２】
以上のように、本発明に係る第１実施形態から第３実施形態の軸位置測定方法及び測定装置によれば、永久磁石の静止磁場を利用して、回転体の変位を検出することができる。そして、回転体の変位を検出するために静止磁場を利用するので、キャンやターゲット上に渦電流が発生することを抑制することができる。
【００５３】
すなわち、渦電流の発生が抑制されることにより、発熱が少なくなるとともに渦電流による軸位置検出精度の低下を防ぐことができる。特に、金属製のキャンを備えるキャンドモータにおいては、渦電流の発生を抑えることにより、発熱の問題を解消し、回転体の位置を精度良く検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の第１実施形態に係るキャンドモータの要部断面図。
【図２】（ａ）第１実施形態に係るキャンドモータのＡ−Ａ断面図、（ｂ）第１実施形態に係るキャンドモータのＢ−Ｂ断面図。
【図３】本発明の第１実施形態に係るキャンドモータの位置検出制御流れ図。
【図４】（ａ）本発明の第２実施形態に係るキャンドモータの位置検出センサ部（左側）断面図、（ｂ）本発明の第２実施形態に係るキャンドモータの位置検出センサ部（右側）断面図。
【図５】本発明の第３実施形態に係るキャンドモータの要部断面図。
【図６】従来技術に係るキャンドモータの要部断面図。
【図７】渦電流式変位検出例。
【図８】位置検出センサにより生じる渦電流例。
【符号の説明】
【００５５】
１…主軸
３、１３…位置検出センサ
５…ターゲット
６…ギャップ
７…キャン
９…回転子
１０、１１、１２…軸位置測定装置
１４…渦電流
１５、１７…永久磁石
１６…電磁鋼部材
１９…制御部
２０…演算処理部
２１、２２…回転体
【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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