(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被浮上体を浮上支持する電磁石と、前記被浮上体の浮上位置を検出するセンサと、該センサの信号に基づいて前記被浮上体を所定位置に浮上支持するように前記センサ及び前記電磁石にケーブルを介してセンサ信号及び励磁電流を供給するコントローラとからなる磁気軸受制御装置において、
前記コントローラは、前記センサに交流信号を供給する信号源と、該信号源に差動接続された２個のセンサ駆動回路と、該２個のセンサ駆動回路の出力端間に直列接続された２個の基準抵抗と、該２個のセンサ駆動回路の出力端にそれぞれ接続されたケーブルと、該ケーブルの出力端間に直列接続された２個のセンサ素子とを含み、前記２個の基準抵抗と２個のセンサ素子とが平衡に配置されたケーブルを介してブリッジ接続され、前記２個のセンサ素子の中点と前記２個の基準抵抗の中点との間に前記２個のセンサ素子の差動電圧を検出するセンサ回路が接続されたことを特徴とする磁気軸受制御装置。
【請求項２】
被浮上体を浮上支持する電磁石と、前記被浮上体の浮上位置を検出するセンサと、該センサの信号に基づいて前記被浮上体を所定位置に浮上支持するように前記センサ及び前記電磁石にケーブルを介してセンサ信号及び励磁電流を供給するコントローラとからなる磁気軸受制御装置において、
前記コントローラは、前記センサに交流信号を供給する信号源と、該信号源の信号を２個の直列接続されたセンサ素子の両端にケーブルを介して供給するセンサ駆動回路と、該センサ駆動回路の出力端に接続された中点を有する基準抵抗と、前記２個の直列接続されたセンサ素子の中点と前記基準抵抗の中点との間の差動電圧を検出するセンサ回路とを含み、前記信号源の交流信号に直流信号を重畳させ、前記コントローラ側で前記ケーブルを介して接続されたセンサ素子を含む該直流信号を計測する回路を備え、これにより前記ケーブルの長さを判別することを特徴とする磁気軸受制御装置。
【請求項３】
前記ケーブルの長さに相当する電圧を、対応する静電容量に起因する電圧に変換して前記センサ回路に加算し、これにより前記ケーブルの長さの変化を補償し、前記ケーブルの長さが変化しても、被浮上体の浮上位置が変化しないことを特徴とする請求項２記載の磁気軸受制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電磁石の磁気吸引力を利用してポンプの回転軸等の被浮上体を非接触で浮上保持する磁気軸受に係り、特に被浮上体の浮上位置を検出するセンサ駆動回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁気軸受は、ポンプの回転軸等を非接触で支持できる軸受であることから、例えばターボ分子ポンプ等に用いて、高回転速度運転が可能となり、軸受の磨耗という問題が生ぜず、又潤滑油等を必要としないのでメンテナンスフリーである、等の種々の特徴を有している。係る磁気軸受には、回転軸を半径方向に浮上位置を能動制御するラジアル能動磁気軸受、又、回転軸を軸方向（ポンプの推力方向）に浮上位置を能動制御するアキシャル能動磁気軸受等がある。これらの磁気軸受においては、浮上位置の制御装置は、被浮上体に磁気吸引力を及ぼすことで浮上支持する電磁石と、被浮上体の浮上位置を例えばインダクタンスの変化により検出するインダクタンス型変位センサと、そのセンサの信号に基づいて被浮上体を目標浮上位置に支持するように電磁石の励磁電流（即ち、磁気吸引力）を制御するコントローラとから構成されている。
【０００３】
このような構成の磁気軸受の制御装置においては、回転軸等の被浮上体を浮上支持する電磁石と、被浮上体の浮上位置を検出するセンサ素子とは、ポンプ装置内に一体的に組み込まれている。しかしながら、電磁石に励磁電流を供給する制御電源、及びセンサ素子で検出された信号を受けて、これから浮上位置を算定するセンサ回路、更にはセンサ回路の出力と目標浮上位置とを比較して制御出力を生成するＰＩＤ（比例積分微分）制御回路等は、通常、ポンプとは別体としての制御装置（コントローラ）として製作されている。このため、ポンプとコントローラとの間は、ケーブルで接続されており、ポンプ側に配設されたセンサ素子の出力はケーブルを介してコントローラ側のセンサ回路に接続されている。
【０００４】
図５は、従来の磁気軸受制御装置のセンサ駆動回路部分の構成を示す。磁気軸受制御装置は、被浮上体を磁気吸引力により浮上支持する電磁石（図示せず）と、この電磁石の近傍に配置されたインダクタンス型センサ等のセンサ素子Ｚ１，Ｚ２と、このセンサ素子Ｚ１，Ｚ２の出力信号を受けて被浮上体を所定の目標浮上位置に浮上支持するような電磁石の励磁電流を供給する制御回路（図示せず）とから構成されていることは上述の通りである。そして磁気軸受とコントローラとの間は上述したようにケーブルＣで接続されている。
【０００５】
センサ駆動回路は、交流信号源１１と、この信号を増幅する増幅器１２と、電流制限抵抗１３と共振用コンデンサ１４等からなる回路等で構成されている。被浮上体の変位の計測回路は、コントローラ側のセンサ駆動回路の出力端に接続された中点Ａを有する基準抵抗ＲａとＲｂと、ケーブルを介して接続された磁気軸受側のセンサ素子Ｚ１，Ｚ２とのブリッジ回路から構成されている。そして直列接続された基準抵抗Ｒａ，Ｒｂとセンサ素子Ｚ１，Ｚ２のそれぞれの中点Ａ，Ｂから電圧を取り出し、これを増幅して変位信号を出力する差動増幅器１５とから構成されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このようなセンサ駆動回路においては、被浮上体の位置の変化をセンサ駆動回路の出力端に接続された基準抵抗Ｒａ，Ｒｂとセンサ素子Ｚ１，Ｚ２とのブリッジ回路により、被浮上体の浮上位置の変化をセンサ素子Ｚ１，Ｚ２のインピーダンスの変化として、その変化点Ｂの電圧を基準抵抗の中点Ａの電圧と比較することにより検出している。しかしながら磁気軸受とコントローラとは上述したようにケーブルによって接続されており、そのケーブルには静電容量Ｃ１，Ｃ２等が存在し、ケーブルＣの長さによりその静電容量Ｃ１，Ｃ２が変化する。従って、あるケーブルの長さでセンサ回路を調整した後、ケーブルの長さが変更されたような場合には、ケーブルの静電容量Ｃ１、Ｃ２等が変化し、ブリッジ回路の基準点Ａに対するセンサ素子Ｚａ，Ｚｂの中点である変位点Ｂの電圧が変化する。このため被浮上体の浮上位置を正しく検出できなくなり、係る誤った浮上位置の計測によりこれに基づいて制御された被浮上体の浮上位置が狂ってしまうという問題が生じる。それ故、ケーブルの長さを変更する場合には、その都度センサ回路の調整が必要であった。
【０００７】
本発明は上述の事情に鑑みて為されたもので、磁気軸受とコントローラとを接続するケーブルの長さが変化しても、安定に目標位置に被浮上体を位置制御することができる磁気軸受制御装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の態様の磁気軸受制御装置は、被浮上体を浮上支持する電磁石と、前記被浮上体の浮上位置を検出するセンサと、該センサの信号に基づいて前記被浮上体を所定位置に浮上支持するように前記センサ及び前記電磁石にケーブルを介してセンサ信号及び励磁電流を供給するコントローラとからなる磁気軸受制御装置において、前記コントローラは、前記センサに交流信号を供給する信号源と、該信号源に差動接続された２個のセンサ駆動回路と、該２個のセンサ駆動回路の出力端に直列接続された２個の基準抵抗と、該２個のセンサ駆動回路の出力端間にそれぞれ接続されたケーブルと、該ケーブルの出力端間に直列接続された２個のセンサ素子とを含み、前記２個の基準抵抗と２個のセンサ素子とが平衡に配置されたケーブルを介してブリッジ接続され、前記２個のセンサ素子の中点と前記２個の基準抵抗の中点との間に前記２個のセンサ素子の差動電圧を検出するセンサ回路が接続されたことを特徴とする。
【０００９】
上述した本発明によれば、交流信号源から増幅器を２台接続し、それぞれから平衡して磁気軸受側のセンサ素子Ｚ１，Ｚ２を差動ドライブさせることにより、基準抵抗Ｒａ，Ｒｂの中点である基準点Ａは仮想的に接地点になり、センサ素子Ｚ１、Ｚ２の中点である変位点Ｂも静電容量に関しては仮想的に接地点になる。このためケーブルの静電容量は基準点Ａ，変位点Ｂからみて対称に存在するため、ケーブルの静電容量の影響は互いにキャンセルすることになる。従って、ケーブルの長さを変化させた場合にも、静電容量Ｃ１，Ｃ２自体は長さに比例して変化するが、これらのブリッジ回路の差動出力から見た影響は互いにキャンセルされるので、基準点Ａ，変位点Ｂ間に生じる差動電圧は変わらない。これによりケーブルの長さが変化しても、これに対応したセンサ回路の調整は不要となる。
【００１０】
又、本発明の第２の態様の磁気軸受装置は、被浮上体を浮上支持する電磁石と、前記被浮上体の浮上位置を検出するセンサと、該センサの信号に基づいて前記被浮上体を所定位置に浮上支持するように前記センサ及び前記電磁石にケーブルを介してセンサ信号及び励磁電流を供給するコントローラとからなる磁気軸受制御装置において、前記コントローラは、前記センサに交流信号を供給する信号源と、該信号源の信号を２個の直列接続されたセンサ素子の両端にケーブルを介して供給するセンサ駆動回路と、該センサ駆動回路の出力端に接続された中点を有する基準抵抗と、前記２個の直列接続されたセンサ素子の中点と前記基準抵抗の中点との間の差動電圧を検出するセンサ回路とを含み、前記信号源の交流信号に直流信号を重畳させ、前記コントローラ側で前記ケーブルを介して接続されたセンサ素子を含む該直流信号の大きさを計測する回路を備え、これにより前記ケーブルの長さを判別するように配置したことを特徴とする。
【００１１】
又、前記ケーブルの長さに相当する電圧を、対応する静電容量に起因する電圧に変換して前記センサ回路に加算し、これにより前記ケーブル長さの変化を補償し、前記ケーブルの長さが変化しても、被浮上体の浮上位置が変化しないことを特徴とする。
【００１２】
上述した本発明によれば、交流信号源に直流を重畳することにより、直流抵抗検出回路により、ケーブル長さ及びセンサ素子を含めた直流成分電圧を抽出する。そして抽出された直流成分電圧を直流抵抗検出回路内の基準電圧と比較する。そしてこの差分をケーブル長さに対応した直流電圧として出力することで、この直流電圧によりケーブルの長さを判別することができる。又、このケーブルの長さに応じた直流電圧の静電容量相当分をセンサ回路に補償電圧として加算することで、ケーブルの長さによる静電容量の影響を補償し、被浮上体の浮上位置を変化させないことができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図１乃至図４を参照して説明する。
【００１４】
図１は、本発明の第１実施形態のセンサ駆動回路の構成を示す。本実施形態のセンサ駆動回路においては、交流信号源１１の出力を分岐し、２台の増幅器１２ａ、１２ｂに差動接続している。増幅器１２ａ，１２ｂの差動出力は、それぞれ電流制限抵抗１３、共振用コンデンサ１４とこれに並列に接続された基準抵抗Ｒａ，Ｒｂの両端及びケーブルＣを介して磁気軸受のセンサ素子Ｚ１，Ｚ２の両端にそれぞれ接続されている。尚、ブリッジ回路を構成する基準抵抗Ｒａ，Ｒｂ間の中点である基準点Ａ及びセンサ素子Ｚ１，Ｚ２の中点である変位点Ｂとから電圧が取り出され、差動増幅器１５に入力される構成は図５に示す従来の技術と同様である。
【００１５】
このようなセンサ駆動回路の構成により、センサ素子Ｚ１，Ｚ２には、平衡した駆動電圧がそれぞれのセンサ駆動回路の増幅器１２ａ，１２ｂから供給される。そしてこのセンサ駆動回路の出力端に配置された基準抵抗器Ｒａ，Ｒｂの中点Ａは、Ｒａ＝Ｒｂとすることにより、仮想的に接地点となる。そしてセンサ回路の増幅器１５の差動入力端子である基準点Ａ，変位点Ｂからみたセンサ素子Ｚ１，Ｚ２のケーブルの静電容量Ｃ１，Ｃ２は共に平衡しているので、この両者はキャンセルされることになる。これにより差動増幅器１５側においては、ケーブルの静電容量Ｃ１，Ｃ２の影響を受けることなく、被浮上体の変位に対応したセンサ素子Ｚ１，Ｚ２のインピーダンスの変化分の出力を取り出すことができる。
【００１６】
図２は、本発明の第２実施形態のセンサ駆動回路の構成を示す。この実施形態においては、交流信号源１１の信号に、直流重畳回路２１を接続し、直流信号を重畳する。そして、センサ駆動回路の出力端即ちケーブルＣの入り口付近に直流抵抗検出回路２２を接続する。この直流抵抗検出回路２２は、ケーブルＣを介してセンサ素子Ｚ１，Ｚ２に供給される電圧成分のうち、直流成分のみを検出する。この直流成分の電圧を、直流抵抗検出回路内の基準電圧と比較し、その差分からケーブル長さに応じた直流電圧成分を算出して出力する。その直流電圧の大きさによりケーブルの長さを判別することができる。
【００１７】
図３は、上述した直流抵抗検出回路等により求められた、ケーブルの長さに対応した静電容量を補償するための回路構成の一例を示す。直流抵抗検出回路２２は、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）を３段縦続接続して構成されたもので、これにより直流成分が重畳された交流信号から直流成分のみを取り出すことができる。そしてこの出力を加算器２６を介してセンサ回路２３の電圧調整部２３ｄに入力する。センサ回路２３は、基準抵抗Ｒａ，Ｒｂ及びセンサ素子Ｚ１，Ｚ２のそれぞれの中点である基準点Ａ及び変位点Ｂの差動出力が入力される。この入力電圧は差動アンプ２３ａで増幅され、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）２３ｂで交流成分のみが通過され、この出力が同期検波器２３ｃにより検波されて交流成分に比例した直流成分が出力される。
【００１８】
この出力は調整部２３ｄに入力され、ここで直流抵抗検出回路２２によるケーブルの長さに対応した静電容量の影響に対する補償分が加算される。従って、このようにケーブルの静電容量の影響を補償することで、ケーブルの長さが変動してもその静電容量分の変動の影響をキャンセルすることが可能である。このようにしてケーブルの長さが変化しても、正確な被浮上体の浮上位置の検出及び制御が可能となる。
【００１９】
上述した第１実施形態のセンサ駆動回路と、第２実施形態のセンサ駆動回路とを併用することも可能で、例えば５軸制御型磁気軸受において、アキシャル磁気軸受にセンサが対向して設置できないような場合に、アキシャル磁気軸受には図３及び図４に示す直流重畳方式を用い、ラジアル磁気軸受には図１に示す差動ドライブ方式を用いるというように、これらの方式を併用するようにしてもよい。尚、図４に示す磁気軸受のセンサ駆動回路は、図２に示すセンサ駆動回路の２個のセンサ素子を１個の場合に置換したものである。
【００２０】
尚、上記実施の形態においては、センサ素子としてインダクタンス型の変位センサの例について述べたが、変位に応じてインピーダンスが変化する他の方式のセンサ素子に共通に適用できることはもちろんである。このように本発明の趣旨を逸脱することなく、種々の変形実施例が可能である
【００２１】
【発明の効果】
以上に説明したように本発明によば、磁気軸受とこれを駆動制御するコントローラとが長いケーブルを介して接続されているような場合においても、ケーブルの長さが変更されても、これにより正確な被浮上体の浮上位置の計測及び制御が可能となる。これにより磁気軸受を装着した機器本体と、その制御のためのコントローラとを、ケーブルを介して分離して設置することができるので、設置面積の低減に寄与することができる。又、設置現場において、レイアウトの変更等に際してケーブル長さが変更されても、被浮上体の浮上位置が変わらず、安定に運転の継続が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態のセンサ駆動回路の回路図。
【図２】本発明の第２実施形態のセンサ駆動回路の回路図。
【図３】直流抵抗検出回路とセンサ回路との詳細を示すブロック図。
【図４】第２実施形態のセンサ駆動回路の変形例を示す回路図。
【図５】従来のセンサ駆動回路の回路図。
【符号の説明】
１１          交流信号源
１２          増幅器
１５          差動増幅器
２１          直流重畳回路
２２          直流抵抗検出回路
２３          センサ回路
Ｒａ，Ｒｂ     基準抵抗
Ｚ１，Ｚ２      センサ素子
Ａ            基準点
Ｂ            変位点
Ｃ            ケーブル
【図１】
0003544843.tif 000002
【図２】
0003544843.tif 000003
【図３】
0003544843.tif 000004
【図４】
0003544843.tif 000005
【図５】
0003544843.tif 000006