(57)【要約】【課題】  回転体の軸方向の変位を正確に検出することができ、しかも、アキシアル変位センサユニットの構造が簡単で、部品点数が少なくてすみ、製作が容易で、コストダウンが可能な磁気軸受装置の変位検出装置を提供する。【解決手段】  ２組のラジアル変位センサユニット6,7のそれぞれが、回転体1の外周部のターゲット部15,17に対向するように周方向に等間隔をおいて配置された４個のラジアル変位センサ16a,16b,18a,18bを備え、１組のアキシアル変位ユニット8が、回転体1の外周部のターゲット部17の軸方向両縁部に対向するように軸方向に間隔をおいて配置された１対のアキシアル変位センサ19a,19bを備えている。変位演算手段が、ラジアル変位センサの出力より回転体1の径方向の変位を演算し、アキシアル変位センサの出力より演算した値をラジアル変位センサの出力に基づいて補正することにより回転体1の軸方向の変位を演算する。【選択図】  図１
2006207761.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２組のラジアル変位センサユニットと、１組のアキシアル変位センサユニットと、ラジアル変位センサユニットを構成するラジアル変位センサの出力およびアキシアル変位センサユニットを構成するアキシアル変位センサの出力から回転体のラジアル制御軸方向およびアキシアル制御軸方向の変位を演算する変位演算手段とを備えている磁気軸受装置の変位検出装置において、
各ラジアル変位センサユニットが、それぞれ、回転体の外周部に設けられたターゲット部に対向するように周方向に等間隔をおいて配置された４個のラジアル変位センサを備え、アキシアル変位センサユニットが、回転体の外周部に設けられたターゲット部の軸方向両縁部に対向するように軸方向に間隔をおいて配置された１対のアキシアル変位センサを備えており、変位演算手段が、ラジアル変位センサの出力より回転体のラジアル制御軸方向の変位を演算し、アキシアル変位センサの出力より演算した値をラジアル変位センサの出力に基づいて補正することにより回転体のアキシアル制御軸方向の変位を演算するものであることを特徴とする磁気軸受装置の変位検出装置。
【請求項２】
アキシアル変位センサユニットが、いずれか一方のラジアル変位センサユニットとターゲット部を共有することを特徴とする請求項１の磁気軸受装置の変位検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、磁気軸受装置の変位検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気軸受装置として、回転体と、回転体をラジアル制御軸方向（径方向）に非接触支持する２組の制御型ラジアル磁気軸受と、回転体をアキシアル制御軸方向（軸方向）に非接触支持する１組の制御型アキシアル磁気軸受と、回転体を高速回転させる内蔵電動モータと、回転体のラジアル制御軸方向およびアキシアル制御軸方向の変位を検出する変位検出装置と、変位検出装置の出力に基づいてラジアル磁気軸受およびアキシアル磁気軸受の電磁石を制御する電磁石制御装置とを備えたいわゆる５軸制御型磁気軸受装置が知られている。
【０００３】
変位検出装置は、２組のラジアル変位センサユニットと、１組のアキシアル変位センサユニットと、ラジアル変位センサユニットを構成するラジアル変位センサおよびアキシアル変位センサユニットを構成するアキシアル変位センサの出力から回転体のラジアル制御軸方向およびアキシアル制御軸方向の変位を演算する変位演算手段とを備えている。
【０００４】
各ラジアル変位センサユニットは、それぞれ、回転体の外周部に設けられたターゲット部に対向するように配置された４個のラジアル変位センサから構成されている。また、アキシアル変位センサユニットは、従来は、回転体の端面に対向するように配置された１個のアキシアル変位センサから構成されていた。
【０００５】
ところが、このようなアキシアル変位センサユニットの構成では、回転体の端面に他の部品を取り付けることが困難であり、また、磁気軸受装置の長さが長くなるという問題があった。
【０００６】
そこで、アキシアル変位センサユニットが、回転体の外周部に設けられたターゲット部の軸方向両縁部に対向するように配置された１対のアキシアル変位センサを備え、かつ、アキシアル変位センサユニットが、いずれか一方のラジアル変位センサユニットとターゲット部を共有するようにした変位検出装置が提案されている（たとえば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００１−２４１４４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記のような１対のアキシアル変位センサを備えたアキシアル変位センサユニットでは、回転体に傾きが生じない場合は、回転体の軸方向の変位を正確に検出することができるが、回転体に傾きが生じた場合は、回転体の軸方向の変位を正確に検出することができない。
【０００８】
回転体の傾きの影響をなくすためには、ターゲット部の周囲に４対のアキシアル変位センサを周方向に等間隔をおいて配置する必要がある。
【０００９】
しかし、このようにすると、アキシアル変位センサユニットの構成が複雑で、部品点数が増加し、変位検出装置の製作が難しく、コストアップの原因となる。
【００１０】
この発明の目的は、上記の問題を解決し、回転体のアキシアル制御軸方向の変位を正確に検出することができ、しかも、アキシアル変位センサユニットの構造が簡単で、部品点数が少なくてすみ、製作が容易で、コストダウンが可能な磁気軸受装置の変位検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明による磁気軸受装置の変位検出装置は、２組のラジアル変位センサユニットと、１組のアキシアル変位センサユニットと、ラジアル変位センサユニットを構成するラジアル変位センサの出力およびアキシアル変位センサユニットを構成するアキシアル変位センサの出力から回転体のラジアル制御軸方向およびアキシアル制御軸方向の変位を演算する変位演算手段とを備えている磁気軸受装置の変位検出装置において、各ラジアル変位センサユニットが、それぞれ、回転体の外周部に設けられたターゲット部に対向するように周方向に等間隔をおいて配置された４個のラジアル変位センサを備え、アキシアル変位センサユニットが、回転体の外周部に設けられたターゲット部の軸方向両縁部に対向するように軸方向に間隔をおいて配置された１対のアキシアル変位センサを備えており、変位演算手段が、ラジアル変位センサの出力より回転体のラジアル制御軸方向の変位を演算し、アキシアル変位センサの出力より演算した値をラジアル変位センサの出力に基づいて補正することにより回転体のアキシアル制御軸方向の変位を演算するものであることを特徴とするものである。
【００１２】
ターゲット部は磁性材料よりなり、これに軸方向に隣接する部分は非磁性材料よりなる。
【００１３】
ラジアル変位センサは、ターゲット部の軸方向の略中央に対向するように配置される。
【００１４】
たとえば、変位演算手段は、ラジアル変位センサの出力から、回転体の軸心を通ってアキシアル変位センサを含む面内における回転体の傾斜角度を求め、この傾斜角度に基づいて、１対のアキシアル変位センサの出力から求めた回転体のアキシアル制御軸方向の変位を補正する。
【００１５】
変位演算手段が、アキシアル変位センサの出力より演算した値をラジアル変位センサの出力に基づいて補正するものであるから、アキシアル変位センサユニットに１対のアキシアル変位センサを設けるだけで、回転体の傾きの影響を取り除いて、回転体のアキシアル制御軸方向の変位を正確に検出することができる。しかも、アキシアル変位センサユニットが１対のアキシアル変位センサだけで構成されているので、アキシアル変位センサユニットの構成が簡単で、部品点数が少なくてすむ。このため、変位検出装置の製造工程が削減でき、コストダウンが可能である。
【００１６】
好ましくは、アキシアル変位センサユニットが、いずれか一方のラジアル変位センサユニットとターゲット部を共有する。
【００１７】
この場合、１対のアキシアル変位センサは、周方向に隣接するいずれか２個のラジアル変位センサの中間に配置される。
【００１８】
このようにすれば、アキシアル変位センサユニットを設けるために回転体の長さが長くなることがなく、磁気軸受装置の小型化が可能である。
【発明の効果】
【００１９】
この発明の磁気軸受装置の変位検出装置によれば、上述のように、回転体の傾きにかかわらず回転体のアキシアル制御軸方向の変位を正確に検出することができ、しかも、アキシアル変位センサユニットの構造が簡単で、部品点数が少なくてすみ、製作が容易で、コストダウンが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、図面を参照して、この発明を５軸制御型磁気軸受装置に適用した実施形態について説明する。
【００２１】
図１は磁気軸受装置の主要部を概略的に示す縦断面図（図２および図３のＡ−Ａ線に沿う断面図）、図２および図３は図１の２箇所における水平断面図、図４は磁気軸受装置の電気的構成を示すブロック図である。
【００２２】
磁気軸受装置は、図示しない鉛直な筒状のハウジングの内側で鉛直な回転体(1)が回転する縦型のものであり、回転体(1)の周囲のハウジングの部分に、回転体(1)をラジアル制御軸方向に非接触支持する２組の制御型ラジアル磁気軸受(2)(3)、回転体(1)をアキシアル制御軸方向に非接触支持する１組の制御型アキシアル磁気軸受(4)、変位検出装置(5)を構成する２組のラジアル変位センサユニット(6)(7)および１組のアキシアル変位センサユニット(8)、ならびに回転体(1)を回転させる内蔵電動モータのステータ(9)、回転体(1)の回転数を検出するための回転センサ（図示略）、タッチダウン用の保護軸受（図示略）などが配置されている。
【００２３】
この明細書において、アキシアル制御軸（軸方向の制御軸）をＺ軸、Ｚ軸に直交するとともに互いに直交する２つのラジアル制御軸（径方向の制御軸）をＸ軸およびＹ軸とする。
【００２４】
各ラジアル磁気軸受(2)(3)は、それぞれ、回転体(1)の外周部に設けられたターゲット部(10)(11)に対向し、かつ回転体(1)をＸ軸方向およびＹ軸方向の両側から挟むように周方向に等間隔をおいて配置された４個（２対）の電磁石（ラジアル電磁石）(12)(13)を備えている。
【００２５】
アキシアル磁気軸受(4)は、回転体(1)に形成されたフランジ部(1a)をＺ軸方向の両側から挟むように配置された１対の環状の電磁石（アキシアル電磁石)(14)を備えている。
【００２６】
上側ラジアル変位センサユニット(6)は、回転体(1)の外周部に設けられたターゲット部(15)の軸方向略中央に対向し、かつ回転体(1)をＸ軸方向およびＹ軸方向の両側から挟むように周方向に等間隔をおいて配置された４個（２対）のラジアル変位センサ(16a)(16b)(16c)(16d)を備えている。これらのセンサは符号(16)で総称し、区別する必要があるときは、それぞれ、Ｘ軸正側のものを上側第１ラジアル変位センサ(16a)、Ｘ軸負側のものを上側第２ラジアル変位センサ(16b)、Ｙ軸正側のものを上側第３ラジアル変位センサ(16c)、Ｙ軸負側のものを上側第４ラジアル変位センサ(16d)と呼ぶことにする。
【００２７】
下側ラジアル変位センサユニット(7)は、回転体(1)の外周部に設けられたターゲット部(17)の軸方向略中央に対向し、かつ回転体(1)をＸ軸方向およびＹ軸方向の両側から挟むように周方向に等間隔をおいて配置された４個（２対）のラジアル変位センサ(18a)(18b)(18c)(18d)を備えている。これらのセンサは符号(18)で総称し、区別する必要があるときは、それぞれ、Ｘ軸正側のものを下側第１ラジアル変位センサ(18a)、Ｘ軸負側のものを下側第２ラジアル変位センサ(18b)、Ｙ軸正側のものを下側第３ラジアル変位センサ(18c)、Ｙ軸負側のものを下側第４ラジアル変位センサ(18d)と呼ぶことにする。
【００２８】
各ラジアル変位センサ(16)(18)は、インダクタンス型変位センサである。
【００２９】
アキシアル変位センサユニット(8)は、下側ラジアル変位センサ(18)が対向するターゲット部(17)の軸方向両縁部に対向するように軸方向に間隔をおいて配置された１対のアキシアル変位センサ(19a)(19b)を備えている。アキシアル変位センサは符号(19)で総称し、区別する必要があるときは、それぞれ、Ｚ軸正側のものを第１アキシアル変位センサ(19a)、Ｚ軸負側のものを第２アキシアル変位センサ(19b)と呼ぶことにする。アキシアル変位センサ(19)は、周方向に隣接するいずれか２個の下側ラジアル変位センサ(18)の中間に配置されている。この例では、下側第１ラジアル変位センサ(18a)と下側第３ラジアル変位センサ(18c)の中間に配置されている。
【００３０】
各アキシアル変位センサ(19)は、ラジアル変位センサ(16)(18)と同様のインダクタンス型変位センサである。
【００３１】
各ターゲット部(10)(11)(15)(17)は、磁性材料である環状の珪素鋼板が積層されたものであり、各ターゲット部(10)(11)(15)(17)に隣接する回転体(1)の外周部は非磁性材料で構成されている。
【００３２】
変位検出装置(5)は、上記の変位センサユニット(6)(7)(8)と、ラジアル変位センサ(16)(18)およびアキシアル変位センサ(19)の出力から回転体(1)のＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の変位を演算する変位演算手段(20)と、ラジアル変位センサ(16)(18)およびアキシアル変位センサ(19)を個別に駆動して変位センサ(16)(18)(19)からの信号を出力する１０個のセンサ駆動回路(21)と、センサ駆動回路(21)からの変位センサ(16)(18)(19)の出力をＡＤ変換して変位演算手段(20)に出力する１０個のＡＤ変換器(22)とを備えている。
【００３３】
磁気軸受装置には、変位検出装置(5)で検出された回転体(1)のＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の変位に基づいて各磁気軸受(2)(3)(4)の電磁石(12)(13)(14)を制御する電磁石制御手段(23)が設けられている。
【００３４】
電磁石制御手段(23)からの電磁石制御信号は、ＤＡ変換器(24)を介して電力増幅器(25)に入力し、電力増幅器(25)から電磁石(12)(13)(14)に励磁電流が供給される。
【００３５】
変位演算手段(20)および電磁石制御手段(23)は、ソフトウェアプログラムが可能なディジタル処理手段によって構成されている。この例では、ＤＳＰによって構成されている。
【００３６】
変位演算手段(20)において、上側第１ラジアル変位センサ(16a)の出力Ｘ1aと上側第２ラジアル変位センサ(16b)の出力Ｘ1bの差から上側ラジアル変位センサユニット(6)の部分における回転体(1)のＸ軸方向の変位ΔＸ1が、上側第３ラジアル変位センサ(16c)の出力Ｙ1cと上側第４ラジアル変位センサ(16d)の出力Ｙ1dの差から上側ラジアル変位センサユニット(6)の部分における回転体(1)のＹ軸方向の変位ΔＹ1が、下側第１ラジアル変位センサ(18a)の出力2Ｘaと下側第２ラジアル変位センサ(18b)の出力Ｘ2bの差から下側ラジアル変位センサユニット(7)の部分における回転体(1)のＸ軸方向の変位ΔＸ2が、下側第３ラジアル変位センサ(18c)の出力Ｙ2cと下側第４ラジアル変位センサ(18d)の出力Ｙ2dの差から下側ラジアル変位センサユニット(7)の部分における回転体(1)のＹ軸方向の変位ΔＹ2がそれぞれ求められる。
【００３７】
また、回転体(1)のＸ軸方向の変位ΔＸ1、ΔＸ2およびＹ軸方向の変位ΔＹ1、ΔＹ2より、次の式により、回転体(1)の軸心すなわちＺ軸を通ってアキシアル変位センサ(18)を通る平面Ｓ内における回転体(1)の傾斜角度θが求められる。
【００３８】
ｔａｎθ＝Ｌ／（Ａ−Ｂ）
上記の式において、Ｌは上下のラジアル変位センサユニット(6)(7)の距離であり、ＡおよびＢは次の式で表わされる。
【００３９】
Ａ＝（ΔＸ1・ｃｏｓ２λ＋ΔＹ1・ｓｉｎ２λ）１／２
Ｂ＝（ΔＸ2・ｃｏｓ２λ＋ΔＹ2・ｓｉｎ２λ）１／２
上記の式において、λは平面ＳとＸ軸とのなす角度（この例では４５度）である。
【００４０】
そして、第１アキシアル変位センサ(19a)の出力Ｚaと第２アキシアル変位センサ(19b)の出力Ｚbの差（Ｚa−Ｚb）が求められ、次に説明するように、回転体(1)の傾斜角度に基づいてこの差（Ｚa−Ｚb）を補正することにより、回転体(1)のＺ軸方向の変位ΔＺが求められる。第１アキシアル変位センサ(19a)の出力Ｚaと第２アキシアル変位センサ(19b)の出力Ｚbの差（Ｚa−Ｚb）を求めることにより、回転体(1)の径方向の変位の影響が取り除かれ、回転体(1)の傾斜角度に基づいてこの差（Ｚa−Ｚb）を補正することにより、回転体(1)の傾きの影響を取り除かれる。
【００４１】
図５は、回転体(1)の傾きの影響を取り除いて回転体(1)のＺ軸方向の変位ΔＺを求める方法を説明する図である。
【００４２】
同図において、Ｅは１対のアキシアル変位センサ(19)のＺ軸方向の距離、θは回転体(1)の傾斜角度、Ｇは各アキシアル変位センサ(19)から回転体(1)の外周面までの距離の差である。
【００４３】
差Ｇは、次の式で求められる。
【００４４】
Ｇ＝Ｅ／ｔａｎθ
そして、回転体(1)のＺ軸方向の変位ΔＺは、次の式により求められる。
【００４５】
ΔＺ＝（Ｚa−Ｚb）−Ｇ
上記実施形態では、アキシアル変位センサユニット(8)が下側ラジアル変位センサユニット(7)とターゲット部(17)を共有しているが、上側ラジアル変位センサユニット(6)とターゲット部(15)を共有するようにしてもよい。
【００４６】
また、回転体(1)の外周面に、ラジアル変位センサユニット(6)(7)とは別にターゲット部を設け、このターゲット部に対向するようにアキシアル変位センサユニットのアキシアル変位センサを配置するようにしてもよい。その場合、アキシアル変位センサを、周方向に関して、Ｘ軸方向のラジアル変位センサ(16a)(16b)(18a)(18b)あるいはＹ軸方向のラジアル変位センサ(16c)(16d)(18c)(18d)と合致する位置に配置すれば、回転体(1)のＸ軸方向の変位ΔＸ1、ΔＸ2あるいはＹ軸方向の変位ΔＹ1、ΔＹ2から、Ｚ軸を通ってアキシアル変位センサを含む面内における回転体(1)の傾斜角度を簡単に求めることができる。
【００４７】
上下のラジアル変位センサユニット(6)(7)の距離をＬとすると、アキシアル変位センサの周方向の位置がＸ軸方向のラジアル変位センサ(16a)(16b)(18a)(18b)のそれと合致する場合、次の式により、傾斜角度θが求められる。
【００４８】
ｔａｎθ＝Ｌ／（ΔＸ1−ΔＸ2）
また、アキシアル変位センサの周方向の位置がＹ軸方向のラジアル変位センサ(16c)(16d)(18c)(18d)のそれと合致する場合、次の式により、傾斜角度θが求められる。
【００４９】
ｔａｎθ＝Ｌ／（ΔＹ1−ΔＹ2）
磁気軸受装置の全体構成および各部の構成は、上記実施形態のものに限らず、適宜変更可能である。
【００５０】
また、この発明による変位検出装置は、回転体が水平に配置される横型の磁気軸受装置にも適用される。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】図１は、この発明の実施形態を示す磁気軸受装置の主要部の概略縦断面図（図２および図３のＡ−Ａ線に沿う断面図）である。
【図２】図２は、図１の水平断面図である。
【図３】図３は、図２とは異なる位置における図１の水平断面図である。
【図４】図４は、図１の磁気軸受装置の電気的構成を示すブロック図である。
【図５】図５は、回転体の傾斜角度を求める方法を示す説明図である。
【符号の説明】
【００５２】
(1)     回転体
(5)     変位検出装置
(6)(7)    ラジアル変位センサユニット
(8)     アキシアル変位センサユニット
(15)(17)    ターゲット部
(16a)(16b)(16c)(16d)(18a)(18b)(18c)(18d)    ラジアル変位センサ
(19a)(19b)    アキシアル変位センサユニット
(20)    変位演算手段
【図１】
2006207761.tif 000003
【図２】
2006207761.tif 000004
【図３】
2006207761.tif 000005
【図４】
2006207761.tif 000006
【図５】
2006207761.tif 000007