(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転機械の回転シャフト（１０）の軸方向の位置を検出するための装置であって、前記装置は、前記回転シャフト（１０）の端部に設置された強磁性材料のターゲット（１２）と、エアギャップ（６０）を残しつつ回転機械の構造に固定され、前記ターゲット（１２）と対向配置された固定磁気回路（３２）に接続された誘導コイル（３１）と、前記誘導コイル（３１）に給電するための給電回路とを含むものであり、前記誘導コイル（３１）に給電するための回路が、前記誘導コイル（３１）の第１端部（７）と基準電圧（０Ｖ）に位置する領域（６）との間に接続されたＡＣ電源（１）と、前記誘導コイル（３１）の第１端部（７）と前記誘導コイル（３１）の第２端部（８）との間に接続された少なくとも１つのコンデンサ（２）と、前記誘導コイル（３１）の第２端部（８）と前記基準電圧（０Ｖ）に位置する領域（６）との間に挿入された検出器デバイス（４）とを、前記誘導コイル（３１）の第２端部（８）と前記基準電圧（０Ｖ）に位置する領域（６）との間を流れる電流の大きさについての情報（ｉL）をライン（５）上に供給するために有し、前記情報（ｉL）は、所定の公称値ｅ0を有するエアギャップ（６０）の幅の変更値ｘを表すことを特徴する装置。
【請求項２】
前記コンデンサ（２）の静電容量Ｃが、以下の式（ωは、前記ＡＣ電源（１）によって供給される信号の角周波数を表す）により、公称値ｅ0を有するエアギャップ（６０）に対して、前記誘導コイル（３１）のインダクタンスＬ0によって定まることを特徴とする
請求項１に記載の装置。
Ｃ＝１／（ω2Ｌ0）
【請求項３】
前記ターゲット（１２）が、フェライト製であることを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
前記ターゲット（１２）が、強磁性体ラミネートまたは強磁性ラミネートの積層物で構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
【請求項５】
前記固定磁気回路（３２）が、フェライト製であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項６】
前記固定磁気回路（３２）が、強磁性ラミネートの積層物で構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項７】
前記誘導コイル（３１）に接続された接続ワイヤ（５２）が、エポキシ樹脂で充填された空間（５０）内に配置されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項８】
前記ＡＣ電源（１）が、変圧器のないシンプルオシレータであることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の装置。
【請求項９】
前記基準電圧が、０ボルトであることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１０】
能動型磁気軸受を有するターボ分子真空ポンプであって、前記ポンプが径方向磁気軸受（２０１，２０２）および軸方向磁気軸受（２０３）に備え付けられたロータ（２２０）を有し、前記ポンプが、請求項１〜９のいずれか１項に記載のロータの軸方向の位置を検出するための検出装置を含むことを特徴とするポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転機械の回転シャフトの軸方向の位置を検出するための装置であって、当該回転シャフトの端部に設置された強磁性材料のターゲットと、エアギャップを残しつつ回転機械の固定子に固定されてターゲットと対向配置された固定磁気回路に接続された誘導コイルと、当該誘導コイルに給電するための給電回路とを含む装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
能動型磁気軸受を有し、径方向磁気軸受と、軸方向検出器が接続された軸方向磁気軸受とが取り付けられたターボ分子真空ポンプは、特に、国際公開第２００５／０３８２６３号、欧州特許公開第０４７０６３７号明細書、仏国特許公開第２９３６２８７号明細書によって公知である。
【０００３】
ターボ分子ポンプに適した可変誘導型誘導軸方向検出器の中でも、特に知られているタイプの軸方向検出器は、「補償」誘導コイルを有しており、以下、これを図５〜７を参照して説明する。
【０００４】
図５は、回転シャフト１１０の一方の端部１１１に配置されたフェライトターゲット１１２を備える先行技術の軸方向検出器を示す。シャフトの端部に備え付けられたターゲット１１２は、軸方向磁気軸受の電機子として用いられるラジアルディスクを固定するためのナットに備え付けられていてもよい。
【０００５】
検出器の固定子部分１２０は、機械の固定子に固定されたハウジング１２１に備え付けられた（例えば、１４ミリメートル（ｍｍ）の直径を有する）フェライトポットにより構成されていてもよい固定磁気回路１３２に接続された誘導コイル１３１を有する。固定磁気回路１３２の自由端は、通常、０．５ｍｍの公称値ｅ0を有し得るエアギャップ１６０が残るように、ターゲット１１２と対向配置される。
【０００６】
検出器の固定子部分１２０はまた、磁気回路１３２と同じ寸法を有するフェイライトポットによって同様に構成されていてもよい固定磁気回路１４２に組み込まれた補償誘導コイル１４１を含む。磁気回路１４２、補償誘導コイル１４１、および公称値ｅ0の固定エアギャップ１７０を残して磁気回路１４２に面して配置されているフェライトペレット１４３は、シャフト１１０の軸に沿って配置され、磁気回路１３２、誘導コイル１３１、およびターゲット１１２（公称値ｅ0を規定する場合）に対して、ロータ１１０の軸に垂直な軸に対して対称となっている。
【０００７】
コイル１３１および１４１に接続されたワイヤ１５２が、エポキシ樹脂１５１で充填されていてもよい空間１５０内に配置されている。
【０００８】
ステンレス製の着脱可能なスペーサ１２２が、検出器の固定子部分１２０のハウジング１２１に備え付けられており、シャフト１１０の軸を中心にした環状ディスクの形態をとっている。着脱可能なスペーサ１２２は、シャフト１１０に接続された緊急用回転軸受内で検出器を「センタリング」するために、機械的調整を行うよう作用する。
【０００９】
図６に示すように、誘導コイル１３１および１４１は、エレクトロニックカードと分離されており、これらは、例えば１０ボルト（Ｖ）２５キロヘルツ（ｋＨｚ）で給電可能な２つの交流（ＡＣ）電源１０１および１０２からブリッジ回路により給電される。
【００１０】
励振電源１０１および１０２の両方に共通のポイント１０６は、接地されており、励振電源１０１、１０２のそれぞれの他方の出力端子は、それぞれコイルの１３１および１４１の一方の端部に接続されている。コイル１３１および１４１の他方の端部は、共にポイント１０８に接続されており、ポイント１０８からワイヤ１０５は出力電圧Ｖsenseを取得可能であり、この電圧は、ロータ１１０の位置の変化の関数として、可変軸方向エアギャップ１６０の値ｅ0＋ｘの値における変位ｘを代表するものであり、一方で、リファレンス軸方向エアギャップ１７０の値ｅ0は、一定値を保つ。
【００１１】
検出コイル１３１のインダクタンスをＬs、補償コイル１４１のインダクタンスをＬc、公称インダクタンスをＬ0、コイル１３１および１４１のそれぞれの漏れインダクタンスをＬσとした場合、次の式が適用される。
Ｌc＝Ｌ0＋Ｌσ                       （１）
Ｌs＝Ｌ0／（１＋ｘ／ｅ0）＋Ｌσ      （２）
【００１２】
電源１０１および１０２のそれぞれから供給される電圧をｕ、シャフト１１０の運動の値ｘの関数として変更される電圧をｕLとした場合、当該シャフト１１０の運動が、上記式（２）により与えられるインダクタンスＬsの値を変更するのであるが、以下の関係が、出力ワイヤ１０５での測定電圧に適用される。
【００１３】
【数１】
0005952622.tif 000002
【００１４】
漏れインダクタンスＬσが無視できると考えられるとき、すなわちＬσ／Ｌ0＜＜１のとき、次の関係が適用される。
【００１５】
【数２】
0005952622.tif 000003
【００１６】
図７は、漏れインダクタンスの３つのレベルについて運動ｘ／ｅ0の関数として出力信号の値を与える曲線をプロットしたものである(式（３））。
【００１７】
これらの曲線が、漏れが無視できるとき（Ｌσ／Ｌ0＜＜１）でさえ、それほど線形にはならないことがわかる。
【００１８】
運動が大きいと、非線形の程度は、非常に大きくなる。
【００１９】
上述の図５〜７に示す軸方向検出器は、多くの欠点を有している。
【００２０】
線形性の悪さが第１の欠点であり、「電気的」センタリングの試行をすべて疑わしいものとし、着脱可能なスペーサの使用した機械的センタリングの試行を不可欠なものとしている。
【００２１】
補償コイル１４１の使用は、軸方向の寸法、すなわち装置の結合部の大きさを増大させる。
【００２２】
組立てのための機械部品の数が多いものとなり、これにより調整が複雑になり、コストが上昇する。
【００２３】
欧州特許出願公開１５８０８８９号明細書および欧州特許出願公開０３１１１２８号明細書は、渦電流を用いた誘導型近接検出器を開示しており、当該検出器は、「空気中の（in the air）」、すなわち磁性体を有しない固定子コイルを含み、また、当該検出器は、例えば、アルミニウムまたはスチール製の、非磁性導電体であるロータ上のターゲットを用いている。これらのタイプの検出器では、コイルは、ターゲット内で渦電流を誘発し、吸収されるエネルギー量は、コイルとターゲットとの間の距離の関数として変化する。よって、ターゲット内の渦電流により吸収される電力を測定することにより、ターゲットの位置を見積もることができる。このような渦電流システムでは、オフセットと感度を調整する必要がある。加えて、これらのシステムでは、エネルギー消費を減少させるためにスイッチング装置を利用するものであり、これが、実施を複雑なものにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２４】
【特許文献１】国際公開第２００５／０３８２６３号
【特許文献２】欧州特許公開第０４７０６３７号明細書
【特許文献３】仏国特許公開第２９３６２８７号明細書
【特許文献４】欧州特許出願公開１５８０８８９号明細書
【特許文献５】欧州特許出願公開０３１１１２８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２５】
本発明の目的は、公知の軸方向検出器の上記の欠点を改善することにある。
【００２６】
本発明は、特に、検出の向上した線形性を得るとともに実施を簡易にし、それにより回転シャフトの軸方向の位置を検出するための検出器の製造コストを減少させようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００２７】
本発明によれば、これらの目的は、回転機械の回転シャフトの軸方向の位置を検出するための装置であって、前記装置は、前記回転シャフトの端部に設置された強磁性材料のターゲットと、エアギャップを残しつつ回転機械の構造に固定され、ターゲットと対向配置された固定磁気回路に接続された誘導コイルと、前記誘導コイルに給電するための給電回路とを含むものであり、前記誘導コイルに給電するための回路が、前記誘導コイルの第１端部と基準電圧に位置する領域との間に接続されたＡＣ電源と、前記誘導コイルの第１端部と前記誘導コイルの第２端部との間に接続された少なくとも１つのコンデンサと、前記誘導コイルの第２端部と前記基準電圧に位置する領域との間に挿入された検出器デバイスとを、前記誘導コイルの第２端部と前記基準電圧に位置する領域との間を流れる電流の大きさについての情報をライン上に供給するために有し、前記情報は、所定の公称値ｅ0を有するエアギャップの幅の変更値ｘを表すことを特徴する装置によって達成される。
【００２８】
コンデンサの静電容量Ｃは、以下の式（ωは、ＡＣ電源によって供給される信号の角周波数を表す）により、公称値ｅ0を有するエアギャップに対して、誘導コイルのインダクタンスＬ0によって定まる。
Ｃ＝１／（ω2Ｌ0）
【００２９】
ターゲットは、フェライト製であってよいし、強磁性体ラミネートまたは強磁性ラミネートの積層物で構成されていてもよい。
【００３０】
固定磁気回路も同様に、フェライト製であってよいし、強磁性ラミネートの積層物で構成されていてもよい。
【００３１】
ＡＣ電源は、変圧器のないシンプルオシレータであってよい。
【００３２】
本発明は、電気的センタリングを実施可能にするものであり、もはや（例えば、着脱可能な調整スペーサを用いて）機械的センタリングを行う必要がないものである。
【００３３】
補償コイルとこれに関連する磁気回路を取り除くことにより、実施が容易となる。これは、カード上に位置するコンデンサを他の電子部品と共に使用する方がはるかに簡便であるためである。
【００３４】
本発明はまた、能動型磁気軸受を有するターボ分子真空ポンプであって、前記ポンプが径方向磁気軸受および軸方向磁気軸受に備え付けられたロータを有し、前記ポンプが、上述のロータの軸方向の位置を検出するための検出装置を含むことを特徴とするポンプを提供する。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
本発明の他の特徴および利点は、添付図面を参照しながら、特定の実施態様を非限定的な例として示す以下の記載により明らかにされる。
【００３６】
【図１】本発明の軸方向検出器の一例の軸方向の断面図である。
【図２】図１の検出装置に接続された電源と測定回路の電気回路図である。
【図３】本発明の検出装置の一例において測定される、運動の関数として変化する出力信号の変化を示すグラフである。
【図４】第１に本発明の装置９について、第２に補償コイル有する先行技術のデバイス１０９についての図３に類似する曲線を示すグラフである。
【図５】補償コイルを実施する先行技術の軸方向検出器の一例の軸方向の断面図である。
【図６】図５の先行技術の軸方向検出器に接続された電源と測定回路の電気回路図である。
【図７】図５および６に示した例となる先行技術の検出装置に対して測定される、運動の関数としての出力信号の変化をプロットしたグラフである。
【図８】本発明を適用可能な磁気軸受を有するターボ分子真空ポンプの一例の軸方向の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
はじめに、先行技術のターボ分子真空ポンプの一例を示す図８を参照して説明する。当該先行技術のターボ分子真空ポンプは、本発明に従って変更可能なものであるが、本発明は、軸方向検出器を取り付ける必要がある他の種類の回転機械にも当然適用することができる。
【００３８】
前記ターボ分子真空ポンプは、主真空チャンバ２１６を画定する筐体２１０、ロータ２２０、電気モータ２０７、軸方向磁気軸受２０３、径方向磁気軸受２０１，２０２、軸方向検出器２０６、および径方向検出器２０４，２０５を有する。
【００３９】
径方向磁気軸受２０１，２０２の固定子と、電気モータ２０７の固定子はそれぞれ、巻線２１１，２２１および２７１を有する。ロータ２２０に垂直なディスクの形態のロータ電機子の両側に位置し固定されている軸方向アバットメント２０３の固定子は、巻線２３１ａと２３１ｂを有する。
【００４０】
誘導型の径方向検出器２０４，２０５は、それぞれ巻線２４１と２５１を有する。
【００４１】
支持体２１５に固定され、ロータ２２０の端部に対向配置された巻線で表される図８の軸方向検出器２０６は、先行技術では、多くの場合、図５〜７を参照して上記で説明した方法で補償コイルと共に作製されている。
【００４２】
本発明においては、検出器２０６は、具体的には、図１〜３を参照して以下に説明する実施態様に従い作製される。
【００４３】
例示する図８の用途においては、軸方向検出器２０６および径方向検出器２０４，２０５により伝送される信号に基づいて軸方向磁気軸受２０３および径方向磁気軸受２０１，２０２を制御するための制御回路２９４が見られ、前記の検出器は、樹脂中に埋設され、主真空チャンバ２１６内の筐体２１０の内側に配置され、気密電気コネクタ２８０と電気ケーブルによって、外部回路２９３，２９０に接続されている。しかしながら、本発明は、制御回路の作製形態に依ることはなく、よってこの例示する用途に限定されるものではない。
【００４４】
図１を参照すると、強磁性材料製のターゲット１２が、軸方向の位置を測定すべき回転シャフト１０の端部１１に配置された本発明の実施態様が見られる。ターゲット１２は、フェライト製または強磁性体ラミネート製であってよく、実際は、強磁性体ラミネートの積層物で構成されていてもよい。
【００４５】
検出器固定子２０は、固定されてターゲット１２と対向配置されており、例えば、約０．５ｍｍであってよい公称値ｅ0を有し、かつシャフト１０の位置の変化の関数として値ｘの変化を有する真値ｅ0＋ｘを有するエアギャップ６０を残している。
【００４６】
軸方向検出器固定子２０は、シャフト１０が取り付けられた回転機械の構造体に固定されたハウジング２１に設置された磁気回路３２に接続された誘導コイル３１を有する。
【００４７】
磁気回路３２は、要求に応じた寸法であるが、典型的な値（例、直径１４ｍｍ）であってよいフェライトポットにより構成されていてもよい。磁気回路３２は、磁化ラミネートの積層物により構成されていてもよい。図５〜７を参照して上記で説明した先行技術の実施態様と異なり、コイル３１に接続された補償コイルはない。
【００４８】
コイル３１の接続ワイヤは、エポキシ樹脂５１で充填されていてもよい空間５０を通過してもよい。
【００４９】
図２は、誘導コイル３１に給電する回路の一例を示す。
【００５０】
変圧器のないシンプルオシレータにより構成されていてもよいＡＣ電源１が、コイル３１の第１端部７と接地等の基準電圧のポイント６との間に接続されている。コンデンサ２が、第１端部７と第２端部８の間にコイル３１に平行に接続されている。
【００５１】
電流検出器デバイス（シャント）が、コイル３１の第２端部８と前記接地等の基準電圧のポイント６との間に配置されている。当該検出器デバイスは、ライン上に、コイル３１の第２端部８と接地電位（０Ｖ）のポイント６との間を流れる電流の値についての情報ｉLを供給する。この電流情報ｉLは、エアギャップ６０の幅の変更値ｘを表す。
【００５２】
コンデンサの静電容量Ｃは、以下の式（ωは、オシレータ１によって供給される信号の角周波数を表す）を応用して、公称値ｅ0のエアギャップ６０に対し検出器コイル３１のインダクタンスＬ0により定まる。
Ｃ＝１／（ω2Ｌ0）      （５）
【００５３】
シャフト１０の軸方向の運動ｘについての検出器コイル３１のインダクタンスＬsは、以下の式（Ｌσは、漏れインダクタンスを表す）より定まる。
Ｌs＝Ｌ0／（１＋ｘ／ｅ0）＋Ｌσ      （６）
【００５４】
よって、図２の回路のライン５において測定される検出電流ｉL（またはＩsense）の値は、シャフト１０の軸方向の運動ｘの関数として次の式で表すことができる。
【００５５】
【数３】
0005952622.tif 000004
【００５６】
漏れインダクタンスＬσが無視できる（Ｌσ／Ｌ0＜＜１）と考えられるとき、次の関係が適用される。
【００５７】
【数４】
0005952622.tif 000005
【００５８】
上記式（８）から、位置ｘに関する情報が、図２に示された回路において、電流ｉL（ライン５からの電流Ｉsense）に比例することがわかる。
【００５９】
図５および６を参照して説明した先行技術の装置と比べると、検出されるのは電圧というよりも電流であり、〔公称値ｅ0を有するエアギャップ６０についてのコイル３１のインダクタンスＬ0の関数として（式（５）参照）〕求めるのが容易な静電容量を有するコンデンサを使用しており、先行技術とは異なり、調整が必要なことを意味しておらず、また、補償コイル１４１が必要なことも意味していない。
【００６０】
図３は、３つの異なる漏れインダクタンスの値について、相対運動ｘ／ｅ0の関数として、ライン５における出力信号の値を与える曲線をプロットしたものである。
【００６１】
図３の曲線の線形性は、対応する補償コイルを有する先行技術の装置に相当する図７の曲線の線形性よりもはるかに顕著である。
【００６２】
図４は、軸方向の運動（マイクロメートル）の関数として、本発明（図１および２）と補償コイルを有する先行技術（図５および６）の検出装置のそれぞれから、位置信号（ボルト）を有する曲線９および１０９について観測された線形性の違いを示す。
【００６３】
残存する漏れインダクタンスのために曲線９の線形性は、完全ではないが、本発明の装置により十分に向上しており、補償コイルが無いために、構造が簡潔で複雑な調整を必要とせず、コストが削減された図１および２に示すタイプの装置を用いることによって、機械的センタリングを不要とすることができることがわかる。
【図１】
0005952622.tif 000006
【図２】
0005952622.tif 000007
【図３】
0005952622.tif 000008
【図４】
0005952622.tif 000009
【図５】
0005952622.tif 000010
【図６】
0005952622.tif 000011
【図７】
0005952622.tif 000012
【図８】
0005952622.tif 000013