(57)【要約】【課題】回転停止位置決め時、回転軸の回転方向への運動損失を増大させることにより、回転位置決め剛性を増大させることができる磁気軸受装置を提供する。【解決手段】制御電流により浮上制御されるラジアル，スラスト磁気軸受電磁石２５，２７，２９によって支承され、回転、停止制御される回転体２０を含み、回転体２０の回転停止位置決め時に外部より印加される回転位置決め動作中信号Ｓｇ１および零速度信号Ｓｇ２に基づきスラスト磁気軸受電磁石２９にバイアス電流を印加するバイアス指令発生器１０を備え、回転体２０の回転停止位置決め時に保護部材３３に回転体２０を接触させるようにしたものである。【選択図】    図１
2004150489.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御電流により浮上制御されるラジアル，スラスト磁気軸受電磁石によって支承され、回転、停止制御される回転体を含み、前記回転体の回転停止位置決め時に外部より印加される回転位置決め動作中信号および零速度信号に基づきスラスト磁気軸受電磁石にバイアス電流を印加するバイアス指令発生器を備え、前記回転体の回転停止位置決め時にスラスト保護部材に回転体を接触させるようにしたことを特徴とする磁気軸受装置。
【請求項２】
制御電流により浮上制御されるラジアル，スラスト磁気軸受電磁石および回転駆動用モータが一体化されたスピンドルと、前記回転駆動用モータを任意の回転位置に回転停止可能なモータ駆動装置と、前記磁気軸受電磁石に制御電流を供給する磁気軸受制御装置を備えた磁気軸受装置であって、前記回転駆動用モータの回転停止位置決め時に外部より印加されるモータ回転位置決め動作中信号および零速度信号の受信に基づきスラスト磁気軸受電磁石にバイアス電流を印加するバイアス指令発生器を備え、前記回転体の回転停止位置決め時にスラスト保護部材に回転体を接触させるようにしたことを特徴とする磁気軸受装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は磁気軸受装置、特に、回転体の所定位置への支持および回転停止位置決めを容易にする磁気軸受装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
以下、図面を参照しながら従来の磁気軸受装置について説明する。図３は従来の磁気軸受装置の概略構成を示すブロック図である。
【０００３】
図３において、２０は回転体、２１は、回転体２０に、モータロータ２２、ラジアル磁気軸受ロータ２４，２６、スラスト磁気軸受ロータ２８が取り付けられた主軸である。このラジアル磁気軸受ロータ２４，２６、スラスト磁気軸受ロータ２８から微小間隔の距離を置いてラジアル磁気軸受電磁石２５，２７、スラスト磁気軸受電磁石２９、回転体２０の変位を検出するラジアル変位センサ３０，３１、スラスト変位センサ３２が配置されている。なお、３３は保護ベアリング等よりなる保護部材、３４は工具と係合する可変重量部であり、さらに回転体２０にはエンコーダ３５が取り付けられ、モータ駆動装置３６によりモータステータ２３に電流を流すことにより回転体２０を回転駆動させる。
【０００４】
次に、この装置の磁気軸受を制御する磁気軸受制御装置について説明する。この磁気軸受制御装置１は、ラジアル変位センサ３０，３１、スラスト変位センサ３２からの変位信号と前記変位信号と位置指令値との減算を行う加算器２，５と、これら加算器２，５の出力をもとに回転体２０とラジアル磁気軸受電磁石２５，２７、スラスト磁気軸受電磁石２９間に作用する磁気吸引力を制御する位相補償器３，６およびパワー電力増幅器４，７から構成されている。ここで、加算器２、位相補償器３、パワー電力増幅器４はラジアル磁気軸受を制御するラジアル磁気軸受制御装置８を構成し、また、加算器５、位相補償器６、パワー増幅器７はスラスト磁気軸受を制御するスラスト磁気軸受制御装置９を構成している。
【０００５】
次に、その動作を説明する。まず、回転体２０の変位をラジアル変位センサ３０，３１、スラスト変位センサ３２で検出し、その出力信号を加算器２，５に印加する。加算器２，５では回転体２０を支持する指令位置（目標値）から前記出力信号を減算し、減算された信号は位相補償器３，６に入力され、位相補償器３，６からの出力によってパワー増幅器４，７が動作し、ラジアル電磁石２５，２７、スラスト磁気軸受電磁石２９に電流を流し、ラジアル磁気軸受電磁石２５，２７とラジアル磁気軸受ロータ２４，２６間、スラスト磁気軸受電磁石２９とスラスト磁気軸受ロータ２８間に生じる電磁吸引力によって回転体２０のラジアル方向およびスラスト方向の位置を浮上制御する。スラスト磁気軸受制御装置９で制御していない時、回転体２０は保護部材３３で支持される。回転体２０の回転方向の制御は、エンコーダ３５からの信号をモータ駆動装置３６に入力し、モータ駆動装置３６によりモータステータ２３に流す電流を制御することにより回転駆動および停止位置決めが行われる。
【０００６】
実際の加工、例えば、磁気軸受スピンドルを工作機械に搭載し、複数の種類の工具を交換しながら加工を行う場合は、自動工具交換の一般的な手順として、ツールホルダの角度と回転体の角度を合わせるように、回転体（スピンドル）を決められた回転角で停止させるオリエント動作を行った後、ツール交換を行っている。
【０００７】
特許文献１には、回転装置及び当該回転装置を備えた加工装置の構成について記載されている。
【０００８】
【特許文献１】
特開２０００−３２４７５５号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記のような構成では、モータ駆動装置により回転体を任意の位置に回転停止位置決めする場合、回転体は空中に浮上制御されているため、回転方向への摩擦損失や粘性減衰は転がり軸受と比較して著しく少なく、回転方向へ振動しやすく、回転位置決め剛性を上げることが困難であるという問題点があった。
【００１０】
本発明は、上記従来の問題点を解決するものであり、回転停止位置決め時、回転軸の回転方向への運動損失を増大させることにより、回転位置決め剛性を増大させることができる磁気軸受装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の磁気軸受装置は、制御電流により浮上制御されるラジアル，スラスト磁気軸受電磁石によって支承され、回転、停止制御される回転体を含み、前記回転体の回転停止位置決め時に外部より印加される回転位置決め動作中信号および零速度信号に基づきスラスト磁気軸受電磁石にバイアス電流を印加するバイアス指令発生器を備え、前記回転体の回転停止位置決め時にスラスト保護部材に回転体を接触させるようにしたものである。
【００１２】
本発明によれば、回転停止位置決め時にはスラスト磁気軸受の位置制御を停止し、スラスト電磁石にバイアス電流を印加して回転体を保護部材に接触させるので、回転体の回転方向への摩擦損失や粘性減衰が増大して、回転停止時の回転損失が増大し、回転位置決め剛性を増大させることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、前記従来のものと同一の部分については同一符号を用いるものとする。図１は本発明の磁気軸受装置の一実施の形態における全体構成を示すブロック図、図２は本発明の磁気軸受装置の一実施の形態においてこれを適用した磁気軸受スピンドル装置の具体例を示す断面図である。
【００１４】
まず、図１および図２に示される磁気軸受スピンドル装置部分について説明する。
【００１５】
図１および図２において、２０は回転体、２１は回転体２０に、モータロータ２２、ラジアル磁気軸受ロータ２４，２６、スラスト磁気軸受ロータ２８が取り付けられた主軸である。このラジアル磁気軸受ロータ２４，２６、スラスト磁気軸受ロータ２８から微小間隔の距離をおいたラジアル磁気軸受軸受電磁石２５，２７、スラスト磁気軸受軸受電磁石２９、回転体２０の変位を検出するラジアル変位センサ３０，３１、スラスト変位センサ３２が配置され、回転体２０は所定位置に非接触で支持されている。
【００１６】
ここで、ラジアル磁気軸受電磁石２５，２７は回転体２０の周囲に、例えば９０°の中心角で左右に４個づつ配置され、また、スラスト磁気軸受電磁石は回転体２０を取り巻くリング状に配置されている。また、ラジアル変位センサ３０，３１、スラスト変位センサ３２としては、よく知られた渦電流形センサ、静電容量形センサ、光センサなどが用いられる。３３は保護ベアリング等よりなる保護部材、３４は工具と係合する可変重量部であり、さらに回転体２０にはエンコーダ３５が取り付けられ、モータ駆動装置３６によりモータステータ２３に電流を流すことにより回転体２１を回転駆動させる。なお、３７はケーシングである。
【００１７】
次にこの装置の磁気軸受を制御する磁気軸受制御装置について説明する。この磁気軸受制御装置４０は、ラジアル変位センサ３０，３１、スラスト変位センサ３２からの変位信号と前記変位信号と位置指令値との減算を行う加算器２，５と、これら加算器２，５の出力をもとに回転体２０とラジアル電磁石２５，２７、スラスト電磁石２９間に作用する磁気吸引力を制御する位相補償器３，６およびパワー増幅器４，７と、外部からの回転位置決め動作中を示す信号Ｓｇ１とモータが定められた一定回転数以下であることを示す零速度信号Ｓｇ２の２つの信号を受信した時にスラスト軸受２９にバイアス電流を印加するためのバイアス指令発生器１０から構成されている。ここで、加算器２、位相補償器３、パワー増幅器４はラジアル磁気軸受を制御するラジアル磁気軸受制御装置８を構成し、また、加算器５、位相補償器６、バイアス指令発生器１０、パワー増幅器７はスラスト磁気軸受を制御するスラスト磁気軸受制御装置９を構成している。
【００１８】
次に、その動作を説明する。まず、回転体２０の変位をラジアル変位センサ３０，３１、スラスト変位センサ３２で検出し、その出力信号を加算器２，５に印加する。加算器２，５では回転体２０の指令位置（目標位置）から前記出力信号を減算し、減算された信号が位相補償器３，６に入力され、この位相補償器３，６からの出力によってパワー増幅器４，７が動作し、ラジアル磁気軸受電磁石２５，２７、スラスト磁気軸受電磁石２９に電流を流し、ラジアル磁気軸受電磁石２５，２７とラジアル磁気軸受ロータ２４，２６間、スラスト磁気軸受電磁石２９とスラスト磁気軸受ロータ２８間に生じる電磁吸引力によって回転体２０のラジアル方向およびスラスト方向の位置を浮上制御する。スラスト磁気軸受制御装置１１で位置制御していない時、回転体２０は保護部材３３で支持される。回転体２０の回転方向の制御は、エンコーダ３５からの信号をモータ駆動装置３６に入力し、モータ駆動装置３６によりモータステータ２３の電流を制御することにより回転駆動および停止位置決めが行われる。この基本的な浮上制御動作は従来と同様であるが、磁気スピンドル装置７の回転停止位置決め時には、回転位置決め動作中を示す信号Ｓｇ１とモータが定められた一定回転数以下であることを示す零速度信号Ｓｇ２が磁気軸受制御装置４０に入力され、バイアス指令発生器１０の出力信号がパワー増幅器７に入力され、パワー増幅器７によりスラスト磁気軸受電磁石２９にバイアス電流が印加される。
【００１９】
ここで、通常の浮上制御からバイアス電流を印加する制御に切り換える手段としては、回転位置決め動作中を示す信号Ｓｇ１とモータが定められた一定回転数以下であることを示す零速度信号Ｓｇ２が磁気軸受制御装置４０に入力された時に、パワー増幅器７の入力を位相補償器６の出力からバイアス指令発生器１０の出力に切り換える手段や、あらかじめ位相補償器６の出力とバイアス指令発生器１０の出力をパワー増幅器７に入力しておき、回転位置決め動作中を示す信号ＳＧ１とモータが定められた一定回転数以下であることを示す零速度信号Ｓｇ２が磁気軸受制御装置４０に入力された時に、位相補償器６の出力を零にする手段などが考えられる。この時、ラジアル方向の磁気軸受は従来と同様に位置制御を行う。
【００２０】
このようにスラスト磁気軸受電磁石２９にバイアス電流が印加されると、例えば工具と係合している可変重量部３４側にスラスト方向の吸引力がはたらき、回転体２０が保護部材３３に接触し、押し付けられる。この保護部材３３に回転体２０を接触させることにより、その摩擦損失および粘性減衰が回転方向の運動に損失を与え、この損失により、回転停止位置決め時に回転方向への振動が抑制されて回転停止位置決め剛性を飛躍的に増大させることができる。なお、回転位置決め動作中信号Ｓｇ１および零速度信号Ｓｇ２は、例えば工作機械の場合、加工機に搭載されている制御装置やモータ回転駆動装置より容易に入力できる。
【００２１】
以上のように、本実施の形態によれば、回転停止位置決め時にスラスト電磁石にバイアス電流を印加することにより、回転体を保護部材に接触させて回転停止時の回転損失を増大させることができるので、回転位置決め剛性を飛躍的に増大させることができる。
【００２２】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、回転停止位置決め時に、スラスト電磁石にバイアス電流を印加し、回転体を保護部材に接触させることによって、回転停止時の回転損失を増大させ、回転位置決め剛性を飛躍的に増大させることができるという有利な効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の磁気軸受装置の一実施の形態における全体構成を示すブロック図
【図２】本発明の磁気軸受装置の一実施の形態においてこれを適用した磁気軸受スピンドル装置の具体例を示す断面図
【図３】従来の磁気軸受装置の概略構成を示すブロック図
【符号の説明】
１  磁気軸受制御装置
２，５  加算器
３，６  位相補償器
４，７  パワー増幅器
８  ラジアル磁気軸受制御装置
９  スラスト磁気軸受制御装置
１０  バイアス指令発生器
２０  回転体
２１  主軸
２２  モータロータ
２３  モータステータ
２４，２６  ラジアル磁気軸受ロータ
２５，２７  ラジアル磁気軸受電磁石
２８  スラスト磁気軸受ロータ
２９  スラスト磁気軸受電磁石
３０，３１  ラジアル変位センサ
３２  スラスト変位センサ
３３  保護部材
３４  可変重量部
３５  エンコーダ
３６  モータ駆動装置
３７  ケーシング
Ｓｇ１  回転位置決め動作中信号
Ｓｇ２  零速度信号
【図１】
2004150489.tif 000003
【図２】
2004150489.tif 000004
【図３】
2004150489.tif 000005