(57)【要約】【課題】軸方向へ摺動しない回転軸には勿論のこと、軸方向へ摺動する回転軸に対してもその回転軸の回転を誤動作なく、精度よく検出できる回転検出装置を提供する。【解決手段】回転軸方向に摺動する回転体１ａに連結されて回転し、複数の磁極５が円周表面に沿って形成される磁性材料の円筒形状体２と、円筒形状体２と所定間隙を介して対向する磁気検出手段３，４を備え、磁気検出手段３，４と磁極５で形成される磁場領域が回転体１ａの回転軸方向摺動量以上の磁場領域を形成する。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸方向に摺動する回転体の回転を非接触で検出する回転検出装置であって、上記回転体に連結されて回転し、複数の磁極が円周表面に沿って形成される磁性材料の円筒形状体と、上記円筒形状体と所定間隙を介して対向する磁気検出手段と、を備え、
上記磁気検出手段と上記磁極で形成される磁場領域が上記回転体の回転軸方向摺動量以上の磁場領域であることを特徴とする回転検出装置。
【請求項２】
上記磁極を帯状磁極とし、上記円筒形状体の回転軸方向長さを上記回転体の回転軸方向摺動量以上の長さに構成すると共に、上記帯状磁極の長さを上記回転体の回転軸方向摺動量以上の長さに構成したことを特徴とする請求項１に記載の回転検出装置。
【請求項３】
上記帯状磁極は、上記円筒形状体の回転軸方向に互いに平行に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の回転検出装置。
【請求項４】
上記帯状磁極は、上記円筒形状体の回転軸方向に対して傾斜して形成されると共に、上記磁極相互は互いに平行に形成されることを特徴とする請求項２に記載の回転検出装置。
【請求項５】
上記磁気検出手段の上記円筒形状体の回転軸方向長さを上記回転体の回転軸方向摺動量以上の長さに構成したことを特徴とする請求項１に記載の回転検出装置。
【請求項６】
上記磁気検出手段を、上記円筒形状体を介して対向する第１及び第２の磁気検出手段から構成すると共に、上記第１の磁気検出手段の検出信号と上記第２の磁気検出手段の検出信号の合成信号を生成する合成信号生成手段と、上記合成信号生成手段の出力信号からパルス信号を生成する信号処理手段と、を備えたことを特徴とする請求項１〜請求項５の何れかに記載の回転検出装置。
【請求項７】
上記第１の磁気検出手段の検出信号と上記第２の磁気検出手段の検出信号に基づき上記回転検出装置の検出結果を監視する監視手段を備えたことを特徴とする請求項６に記載の回転検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は回転軸の回転を検出する回転検出装置に係り、特に軸方向の摺動量の多い回転軸の回転検出に用いられる回転検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
回転検出装置は、検出原理から光学式、磁気式、誘導式、機械式があり、また、信号分類からパルス発信形、レゾルバ形などがあって、用途あるいは目的に合わせた回転検出装置が開発され使用されている。これらの回転検出装置としてラジアル方向の軸振れの大きい回転軸を検出する回転検出装置、あるいは回転軸の軸方向の摺動に感応しない回転検出装置が種々提案されており、次の提案例を挙げることができる。
【０００３】
即ち、回転軸の回転位置検出器として、円形の磁石を外周上に着磁し、シャフトを中心に回転する回転子の磁束がおよぶ位置にホール素子を置き、その出力のアナログ的変化で回転位置を出力する回転位置検出器が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、回転軸の端部平坦面に形成された磁気異方性を有する軟磁性体と、この軟磁性体に対向して固定されたコイルを有し、磁気異方性を有する軟磁性体の回転に伴う透磁率の変化をコイルにより検出する回転数センサが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
更に、強磁性体磁気センサを用いた回転角度検出装置において、小型で、かつ分解能を向上することができ、しかもアブソリュートの回転角度を検出できる回転角度検出装置が提案されている（例えば、特許文献３参照）。
【０００６】
また、ラジアル方向の軸振れが大きい回転軸の回転情報を非接触で検出する回転検出装置として、回転検出器と回転体の軸振れを検出する軸振れ検出器を具備し、回転検出器からの回転検出信号と軸振れ検出器からの軸振検出信号とを処理し、回転検出信号の信号成分から軸振れ成分を除去する信号処理手段を設けた回転検出装置が提案されている（例えば、特許文献４参照）。
【０００７】
更に、回転軸のラジアル方向の軸振れを許容し、超高速で回転する機械、特殊機械、工業用回転機械に使用できる回転角センサが提案されている（例えば、特許文献５参照）。
【０００８】
【特許文献１】特開昭５８−１６２８１３号公報（特許請求の範囲の欄、第４図）
【特許文献２】特開平５−３３３０３２号公報（要約の欄、図１）
【特許文献３】特開昭６１−２９２５０３号公報（第２頁右上欄１２行〜１５行、第１図）
【特許文献４】特開２００１−２０１３６２号公報（要約の欄、図１）
【特許文献５】特開平４−３６６７１６号公報（段落０００１、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記のように、回転軸の回転を検出する回転検出装置については従来から多くの提案がなされているが、大型の電動機や回転機械等のように、回転軸方向の摺動量の多い回転軸の回転検出に適用できる回転検出装置についての提案もしくは開示がなされていない状況にある。
【００１０】
ところで、一般の産業用回転電機、例えば電動機の軸受には転がり軸受が採用されているが、大型電動機のように大型回転機械になると軸受にはすべり軸受が採用されている。これは、転がり軸受がすべり面の周速条件、荷重条件、振動条件などにより適用制限されるためであって、特に容量が大きい大型回転機械になると必然的にすべり軸受が採用されることになる。しかし、このすべり軸受が採用される大型回転機械における回転軸の回転を検出する場合に問題となるのは、すべり軸受の構造上から生じる回転軸の軸方向への摺動量である。
【００１１】
即ち、転がり軸受（特にボール軸受）は軸方向への摺動を抑える構造となっており、回転軸の摺動は温度上昇に伴う熱伸び程度であるのに対し、大型回転機械はすべり軸受が採用されることから、回転軸に軸方向の摺動量が生じる。その摺動量をエンドプレーと言い、両端の摺動量の総和をエンドフロートと言うが、このエンドプレーは大型回転機械で５ｍｍ、エンドフロートは２倍の１０ｍｍにもなる。
【００１２】
通常、電動機等の回転機械の場合、起動による電磁力で回転軸はエンドフロートの中心（マグネットのセンター位置）に引き寄せられるが、負荷の軽重や駆動される機械装置の機械軸からのスラスト力を受けて回転軸が摺動する。一般に、機械軸のエンドプレー値は回転軸のエンドプレー値よりも小さく設定されており、機械装置側から制限されるので、実際に回転軸が摺動する距離は回転軸のエンドフロートの半分以下となることが多いが、それでも回転軸には数ｍｍ程度の摺動が発生することになる。
【００１３】
この大型回転機械においても、監視あるいは保護用、または可変速制御用などの目的で、実際の回転を検出し目的を達成するように回転検出装置が用いられるが、上記のような回転軸の軸方向摺動により、検出精度を満足できる回転検出装置を得るに至っていない現状にある。
【００１４】
この発明は、従来における上記実情に鑑みてなされたもので、軸方向へ摺動しない回転軸には勿論のこと、軸方向へ摺動する回転軸に対してもその回転軸の回転を誤動作なく、精度よく検出できる回転検出装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
この発明に係る回転検出装置は、回転軸方向に摺動する回転体の回転を非接触で検出する回転検出装置であって、上記回転体に連結されて回転し、複数の磁極が円周表面に沿って形成される磁性材料の円筒形状体と、上記円筒形状体と所定間隙を介して対向する磁気検出手段と、を備え、上記磁気検出手段と上記磁極で形成される磁場領域が上記回転体の回転軸方向摺動量以上の磁場領域であることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１６】
この発明に係る回転検出装置によれば、軸方向へ摺動しない回転軸には勿論、軸方向へ摺動する回転軸に対してもその回転軸の回転位置を誤動作なく、精度よく検出できる効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下に添付図面を参照して、この発明に係る回転軸検出装置について好適な実施の形態を説明する。なお、説明の便宜上、回転機械として電動機を一例に挙げ、その回転軸の回転を検出する回転検出装置について説明するが、この発明はこれに限定されるものではなく、発電機などその他の回転機械における回転軸の回転検出に適用できるものである。
【００１８】
実施の形態１．
図１は実施の形態１に係る回転検出装置の構成図である。この図１において、電動機１の回転軸１ａに同芯状態となるように円筒形状体、例えば円筒形円板２が機械的に取り付けられて連結されている。円筒形円板２の外周面より一定のギャップを介して磁気検出手段であるＭＲ検出器（磁気抵抗効果型検出器で、以下、単に検出器と称する。）３が固定設置され、この検出器３と円筒形円板２を介して検出器４が対向して固定設置されている。なお、電動機１は大容量の大型電動機であって、その回転軸１ａは前述のように数ｍｍ程度のエンドフロートが発生するものである。
【００１９】
一方、円筒形円板２の外周面には電動機１の回転軸１ａの軸方向に偶数個の細長帯状の磁極５が互いに平行に、かつ均一に形成されている。この磁極５は、例えば円筒形円板２の外周面に磁性体を塗布して磁性体層を形成させ、その磁性体層を着磁することにより構成されている。この磁極５と検出器３により第１の非接触検出手段６が構成され、磁極５と検出器４により第２の非接触検出手段７が構成されている。そして、検出器３及び検出器４の検出信号である出力電圧は、合成信号生成手段の補正回路８に出力され、補正回路８から信号処理手段の信号処理回路９に出力されるように構成されている。また、円筒形円板２の軸方向長さ、即ち厚みは、電動機１の回転軸１ａの摺動量Ｌｍｍ以上に構成されており、磁極５も同様に電動機１の回転軸１ａの摺動量Ｌｍｍ以上に構成されて配置されている。なお、補正回路８及び信号処理回路９の動作並びに作用については後述する。
【００２０】
図２は、図１に示した回転検出装置に、その検出結果を監視する監視手段である検出信号監視回路を設けた回転検出装置の構成図である。この図において、回転検出装置の検出結果を監視する監視手段、即ち、検出信号監視回路２０は、ロジック回路２１を含む演算処理回路２２、及び表示手段２３から構成されている。検出器３の出力電圧は波形振幅平均値演算器２４、最大及び最小振幅演算器２５に入力され、検出器４の出力電圧は波形振幅平均値演算器２６、最大及び最小振幅演算器２７に入力されて各々振幅が演算される。波形振幅平均値演算器２４，２６、最大及び最小振幅演算器２５，２７の演算結果はロジック回路２１に出力されると共に、表示手段２３に出力される。
【００２１】
実施の形態１に係る回転検出装置は上記のように構成されており、次にその動作並びに作用について説明する。
電動機１の回転軸１ａが回転することにより、機械的に取り付けられて連結された円筒形円板２が回転され、外周に形成された磁極５が回転する。この回転により検出器３，４が磁束の変化を感知し、磁束の変化に伴った電圧を出力する。そして、回転軸１ａが軸方向に摺動しても検出器３，４は磁場領域を逸脱することなく、連続した出力電圧が得られる。なお、電動機軸などの回転検出に用いられる従来の回転検出装置は、回転軸１ａがその軸方向に摺動しないもの、或いは摺動するとしても熱による伸縮程度で、摺動を吸収するためにフレキシブルカップリングにより回転軸１ａと回転検出器の軸が結合されたものを検出対象としており、いずれも円筒形円板２と回転検出器の位置がずれないことを前提としたものであって、回転軸１ａが摺動する用途には適用が困難であった。
【００２２】
電動機１の回転軸１ａが回転することにより円筒形円板２が回転されると、検出器３，４から図３に示す出力電圧を発生する。図３は横軸に時間、縦軸に検出器３あるいは検出器４の出力電圧を示す図で、図３ａは回転円筒円板２の取り付けが軸振れしない取り付け状態の場合（理想の場合）を示しており、図３ｂは回転円筒円板２の取り付けが軸振れを生じている場合（偏角でも図形は同様）を示している。
【００２３】
図３ａでは、検出器３，４の検出信号波形は同形であり、位相も同じである。図３ｂは軸振れ最大時点を示し、検出器３と磁極５の距離が最も接近している位置では検出器３の出力電圧が最大値になるが、検出器４側では磁極５と最も離れていることになり出力電圧は最小値となる。これらの出力電圧は補正回路８に入力され、この補正回路８で電圧加算され、検出器３，４の合成電圧となるが、合成されることにより図４に示す軸振れを含まない電圧に補正される。図４は補正回路８の出力電圧（合成電圧）を示すもので、横軸に時間、縦軸に検出器３，４の出力電圧の合成電圧を示している。
【００２４】
また、図５は信号処理回路９の出力電圧波形を示し、この信号処理回路９は補正回路８から出力される合成電圧を所定のレベルでスレッショルドし、短形波の出力電圧を得る。この出力電圧はパルス波形になる。電動機１の回転軸１ａの摺動量がＬｍｍ以内であれば、磁極５からうける磁束量は変わらず、つまり、摺動量Ｌｍｍ以内であれば、どの摺動位置においても検出器３，４の受ける磁束量は変わらず、出力電圧は均一となる。
【００２５】
図６はロジック回路２１の動作フローを示す図で、ロジック回路２１は次のように動作する。即ち、波形振幅平均値演算器２４，２６からの平均振幅値、及び最大及び最小振幅演算器２５，２７からの最大及び最小振幅値を入力すると（ＳＴ１）、先ず、波形振幅平均値演算器２４の平均振幅値と波形振幅平均値演算器２６の平均振幅値を比較する（ＳＴ２）。その結果、波形振幅平均値演算器２４の平均振幅値が大きければ、検出器３と円筒形円板２が接近しすぎであり、検出器３の取り付け位置を修正し（ＳＴ３）、波形振幅平均値演算器２４の平均振幅値が小さければ（ＳＴ４）、検出器４と円筒形円板２が接近しすぎであり、検出器４の取り付け位置を修正する（ＳＴ５）。
【００２６】
その後、最大及び最小振幅演算器２５或いは２７の最大振幅値及び最小振幅値が大きく離れているか確認し（ＳＴ６）、大きく離れていれば円筒形円板２が軸振れ又は偏芯しており、円筒形円板２の取り付け位置を修正する（ＳＴ７）。
【００２７】
なお、波形振幅平均値演算器２４，２６、最大及び最小振幅演算器２５，２７の演算結果は、それぞれ表示手段２３の各表示器２３ａ〜２３ｄに図７に示す表示例のように表示される。
【００２８】
以上のように、実施の形態１による回転検出装置によれば、回転軸１ａのラジアル方向の軸振れに対応した上で、軸方向へ摺動する回転軸１ａに対してその回転軸１ａの回転を誤動作なく、精度よく検出でき、その検出状態を監視できる効果がある。
【００２９】
実施の形態２．
次に実施の形態２について説明する。実施の形態１では、円筒形円板２の外周面に電動機１の回転軸１ａの軸方向に偶数個の細長帯状の磁極５が互いに平行に、かつ均一に形成されていることを前提としているが、実際の製作では磁極５を均一な形状に形成することが困難な場合がある。これを図８により説明すると、図８ａは回転軸１ａの摺動時における一つの磁極８０と検出器３の関係を拡大した模式図で、磁極の形状（境目）が正確に形成されず、磁極不均一部８１が生じている場合を示している。なお、破線は回転軸１ａの軸方向移動時における磁極８０の位置を示している。
【００３０】
図８ｂは図８ａにおける検出器３の出力電圧を示し、便宜上、回転停止の状態で模擬したものである。磁束により検出器３の出力電圧が発せられているが、回転軸１ａの軸方向移動が始まって回転部（磁極）８０が移動し、検出器３は磁束の不均一部８１の通過を捕らえて出力電圧が変化する。検出器３は磁束の不均一部８１を通過し、ｔ秒後には磁束の均一な磁極部位に位置する。検出器３の出力電圧は磁束の不均一部８１の通過前後では磁束均一時に比べて電圧が乱れ、一種の「すだれ」状態となり、場合により補正回路８、信号処理回路９で誤パルスの発生となる。
【００３１】
このように、特に停止中に回転軸１ａに何らかの軸方向移動が生じ、誤パルス発生に至ると完全停止等のインターロックを設けているシステムでは起動条件が成立せず起動不能となる。実施の形態２は、磁極の形状を工夫することで、磁極の不均一による摺動中の誤パルス発生を防止する回転検出装置を得るものである。
【００３２】
即ち、図９は実施の形態２に係る回転検出装置を示す構成図で、帯状磁極９１の形状を軸方向に若干の角度（軸水平に対し数度以下）を設けて形成したものである。即ち、帯状磁極９１はスキューしたパターンで形成されている。なお、その他の構成については実施の形態１と同様であるので、同一符号を付すことにより、説明を省略する。
【００３３】
次に実施の形態２による改善効果について図１０を用いて説明する。即ち、図１０ａは回転軸１ａの軸方向への摺動時の一つの磁極９１と検出器３の関係を拡大して示す模式図で、磁極の形状（境目）が正確に形成されず、磁極不均一部８１が生じている場合を示している。なお、破線は回転軸１ａの軸方向移動時における磁極９１の位置をしている。
【００３４】
図１０ｂは図１０ａにおける検出器３，４の出力電圧と、補正回路８の出力電圧を示し、便宜上、回転停止の状態で模擬したものである。磁束により検出器３，４の出力が発せられているが、回転軸１ａの軸方向移動が始まって回転部（磁極）９１が移動する。図１０ｂでは、回転軸１ａの軸方向移動の際、磁極９１にスキューの方向と、回転軸１ａの移動方向の関係より、検出器３は磁極９１に接近する方向、つまり磁束が増加する領域に移動することとなり、対向して取り付けた検出器４は逆に磁極９１から離れる方向、つまり磁束が減少する領域に移動することとなる。検出器３は磁束の不均一部８１の通過を捕らえ出力電圧が変化する。検出器３，４の出力電圧は補正回路８により合成されるが、合成波形（電圧）には短形波状の「すだれ」状態は生じず、波形の立ち上がり（立下り）時間の遅れとなって発生する。
【００３５】
以上のように、実施の形態２によれば、回転軸１ａの軸方向移動による誤パルスの発生を防止し、特に停止中の回転軸１ａの軸方向移動には威力を発揮する。尚、スキューの角度を大きく設定すると回転軸１ａの摺動前と摺動後では検出信号は回転角がずれることになり、回転角制御の場合には制御に支障のない範囲にスキュー角を設定する必要がある。
【００３６】
実施の形態３．
次に実施の形態３について説明する。実施の形態１では、円筒形円板２の外周面に電動機１の回転軸１ａの軸方向に偶数個の細長帯状の磁極５が互いに平行に、かつ均一に形成されていることを前提としているが、均一で細長い磁極の形成が困難な場合がある。実施の形態３では、磁極は円形等の均一な磁束を形成しやすい形状（構造）とし、逆に互いに対向するそれぞれの検出器は軸方向に細長い形状として取り付ける。検出器が細長く製作することが困難な場合には軸方向に複数個並設する等の応用により実現する。
【００３７】
このように実施の形態３では、磁極の形状を円形等の形状とし、検出器側で検出幅を広げる構造とすることにより、磁極の不均一な形成（磁束の不均一）を防止し、摺動中の誤パルス発生を防止する回転検出装置を得るものである。
【００３８】
即ち、図１１は実施の形態３に係る回転検出装置を示す構成図で、実施の形態１あるいは実施の形態２の帯状磁極５，９１に変わり円形形状の磁極１１０を、実施の形態１あるいは実施の形態２の円筒形円板２より厚さ寸法の小さい円筒形円板１１１の円周表面に偶数個配置し、検出器３，４の代わりに検出器１１２，１１３を取り付ける。検出器１１２は回転軸１ａの摺動距離Ｌ以上の軸方向における検出が可能な構造で、検出器１１２と円筒形円板１１１を介して対向する検出器１１３も同様である。なお、その他の構成については実施の形態１あるいは実施の形態２と同様であるので、同一符号を付すことにより、説明を省略する。
【００３９】
実施の形態３は上記の構成であるので、均一で細長い磁極を形成し難い場合であっても、磁極は円形等均一な磁極の形成が容易な形状とし、この磁極が回転軸１ａの移動と共に回転円板１１１が移動しても、固定取り付けの検出器１１２，１１３の検出領域を外れることなく摺動領域全域にわたり検出器１１２，１１３による検出が可能となり、電動機１の摺動する回転軸１ａの回転検出に適した回転検出装置を得ることができる。
【００４０】
なお、上記各実施の形態では非接触検出手段として、円筒形状体の外周面より一定のギャップを介して対向するＭＲ検出器を用いた場合について説明したが、この発明はこれに限定されるものではなく、諸種の設計的変更を包含するものである。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
この発明による回転検出装置は、大型の電動機や回転機械、特に軸方向の摺動量の多い回転機械の回転軸の回転検出に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】この発明の実施の形態１に係る回転検出装置の構成図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る回転検出装置にその検出結果を監視する検出信号監視回路を設けた回転検出装置の構成図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係る回転検出装置の検出信号を示し、横軸に時間、縦軸に検出信号を示す図である。
【図４】この発明の実施の形態１に係る回転検出装置の補正回路の出力電圧（合成信号）を示し、横軸に時間、縦軸に出力電圧（合成電圧）を示す図である。
【図５】この発明の実施の形態１に係る回転検出装置の信号処理回路の出力信号波形を示す図である。
【図６】この発明の実施の形態１に係る回転検出装置のロジック回路の動作フローを示す図である。
【図７】この発明の実施の形態１に係る回転検出装置の表示器に表示される表示例を示す図である。
【図８】この発明の実施の形態２に係る回転検出装置の動作背景を説明する模式図である。
【図９】この発明の実施の形態２に係る回転検出装置の構成図である。
【図１０】この発明の実施の形態２に係る回転検出装置の動作を説明する模式図である。
【図１１】この発明の実施の形態３に係る回転検出装置の構成図である。
【符号の説明】
【００４３】
１  電動機
１ａ  回転軸
２，１１１  円筒形円板
３，４，１１２，１１３  ＭＲ検出器
５，８０，９１，１１０  磁極
６  第１の検出手段
７  第２の検出手段
８  補正回路
９  信号処理回路
２０  検出信号監視回路
２１  ロジック回路
２２  演算処理回路
２３  表示手段
２３ａ〜２３ｄ  表示器
２４，２６  波形振幅平均値演算器
２５，２７  最大及び最小振幅演算器
８１  磁極不均一部
【図１】
2008215944.tif 000003
【図２】
2008215944.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2008215944.tif 000008
【図７】
2008215944.tif 000009
【図８】
2008215944.tif 000010
【図９】
2008215944.tif 000011
【図１０】
2008215944.tif 000012
【図１１】
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