(57)【要約】【課題】主軸径を高精度に検出し、主軸伸び補正機能を正確に動作させ高精度な加工が可能な磁気軸受主軸を実現する。【解決手段】装置取付部４５に取り付けられる取付フランジ５０ａから、スラスト変位センサ３０および参照センサ（ラジアル変位センサ２８，４０）が取り付けられるセンサ取付部５０までの各部材を、低熱膨張材料にて形成することにより、主軸３１が発熱したときに主軸３１の膨張分のみを検出する構造にし、主軸径を高精度に検出することができるようにする。【選択図】図１
2007107584.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主軸を、ラジアル磁気軸受手段とスラスト磁気軸受手段とにより磁気浮上させると共に、前記主軸を回転駆動する磁気軸受装置において、
前記主軸をスラスト方向に駆動するスラスト電磁石と、前記主軸のスラスト方向の位置を検出するスラスト変位センサと、前記スラスト変位センサの検出値と規定値の差に基づいて前記スラスト電磁石を励磁するスラスト制御手段と、前記主軸の先端近傍位置の径を検出する参照センサとを備え、前記スラスト変位センサおよび前記参照センサを熱膨張係数が小さい材料にて取り付けたことを特徴とする磁気軸受装置。
【請求項２】
主軸を、ラジアル磁気軸受手段とスラスト磁気軸受手段とにより磁気浮上させると共に、前記主軸を回転駆動する磁気軸受装置において、
前記主軸をスラスト方向に駆動するスラスト電磁石と、前記主軸のスラスト方向の位置を検出するスラスト変位センサと、前記スラスト変位センサの検出値と規定値の差に基づいて前記スラスト電磁石を励磁するスラスト制御手段と、前記主軸の先端近傍位置の径を検出する参照センサと、前記主軸を保持するケーシングと、前記スラスト変位センサおよび前記参照センサを取り付けるセンサホルダと、前記ケーシングと前記センサホルダを結合する結合部材とを備え、前記センサホルダと前記結合部材とを熱膨張係数が小さい材料により形成したことを特徴とする磁気軸受装置。
【請求項３】
前記熱膨張係数を５×１０−６／Ｋ以下に設定したことを特徴とする請求項１または２記載の磁気軸受装置。
【請求項４】
前記参照センサの出力より前記主軸の径を演算する主軸径検出処理部と、前記主軸径検出処理部の出力より、前記主軸の伸び補正値を演算する伸び補正演算部と、前記伸び補正演算部の出力を前記スラスト変位センサの検出に基づく前記スラスト制御手段によるスラスト方向の位置制御指令に加算してスラスト制御補正を行うスラスト制御補正部とを備えたことを特徴とする請求項１〜３いずれか１項記載の磁気軸受装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主軸をラジアル磁気軸受手段とスラスト磁気軸受手段とにより磁気浮上させて支持する磁気軸受装置に係り、特に、主軸の熱膨張を補正する必要のある磁気軸受装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の磁気軸受装置として、主軸におけるスラスト位置ターゲット面近傍の主軸径を検出する参照センサと、この参照センサの検出情報に基づく主軸の温度情報から加工ツール取付部位置を補正する手段を設けることにより、熱膨張による加工ツールの先端位置のズレを補正するものがある（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
図６は特許文献１に記載された従来の磁気軸受装置の概略構成図である。
【０００４】
図６において、工作機械用の磁気軸受装置は、主軸３１をラジアル磁気軸受手段Ａとスラスト磁気軸受手段Ｂとにより固定側から磁気浮上させると共に、主軸３１をモータロータ３５とモータステータ３６からなる駆動手段により回転駆動し、主軸３１の端部にツールホルダー３７を介して取り付けられた加工ツールである工具３２を、図示しないワークの表面に押し付けて加工を行うように構成されている。
【０００５】
ラジアル磁気軸受手段Ａは、主軸３１の軸方向に所定間隔で配置されたラジアル磁気軸受電磁石であるラジアルマグネットステータ２２，２４と、主軸３１のラジアル位置を検出するラジアル変位センサ２８，２９，４０，４１とからなる。スラスト磁気軸受手段Ｂは、主軸３１に配置されたスラスト板３９と、その両側に配置されたスラスト磁気軸受電磁石であるスラストマグネットステータ２６，２７と、主軸３１のスラスト位置を検出するスラスト変位センサ３０と、スラスト制御手段１１１とからなる。
【０００６】
また、図中の１０は位相補償器、１１はパワー（電流）増幅器、１１５は補正演算器、１１７は加工ツール取付部位置補正手段であり、これらよりスラスト制御手段１１１を構成している。
【０００７】
前記構成の磁気軸受装置において、参照センサとしてラジアル変位センサ４０を使用し、このラジアル変位センサ４０の出力を補正演算器１１５に入力する。通常、工作機械用の磁気軸受装置では、スラスト方向はスラスト変位センサ３０とスラスト位置ターゲット面３１ｃとのギャップｇを規定値に近づけるように制御している。
【０００８】
しかし、主軸３１の温度が上昇すると、それに伴って主軸３１のスラスト位置ターゲット面３１ｃから主軸端面３１ｂまでの加工ツール取付部３１ａにスラスト方向の伸びが発生して加工ツール取付部３１ａの長さｍが長くなり、ツールホルダー３７を介して取り付けられた工具３２の軸先端の位置がずれてしまい、上記のようなスラスト制御手段による自動制御だけでは加工ツール取り付け部３１ａの熱膨張によるスラスト方向の伸びΔｍが補正されないため、十分な加工精度が得られない。
【０００９】
そこで、スラスト磁気軸受手段Ｂのスラスト変位センサ３０の出力信号と位置指令との加算点に加工ツール取り付け部３１ａの熱膨張による伸びΔｍに基づく補正量を加算して主軸３１の位置補正を行えるように、加工ツール取付部位置補正手段１１７には演算部としての補正演算器１１５が設けられている。補正演算器１１５は、ラジアル変位センサ４０から送られる主軸径ｄによる関数ｆ（Ｎ，ｄ）から加工ツール取り付け部３１ａの長さｍの伸びΔｍを算出するような演算処理構成になっている。
【００１０】
主軸３１の伸びが発生すると、ラジアル変位センサ４０からの出力信号が補正演算器１１５に入力され、主軸径ｄの膨張から主軸３1の温度情報が検出される。また、さらに精度良く補正を行うために、主軸３１の回転数Ｎが補正演算器１１５に入力され、補正量が算出される。この補正量が位置指令に加算され、加工ツール取付部３１ａの熱膨張による伸びΔｍが考慮されてスラスト制御が補正され、加工ツール３２の先端位置のズレを自動的に補正することにより、ワークに対する高精度の加工処理が行える磁気軸受装置となっていた。
【特許文献１】特開２００１−２６９８２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、従来の磁気軸受装置では、主軸の温度が上昇したとき、参照センサ（ラジアル変位センサ）の取付部材における膨張分と、主軸の半径方向における膨張分とが混在した信号が、参照センサから出力されるため、精度良く主軸径が検出できないという課題があった。
【００１２】
また、主軸の軸方向の位置に対しては、スラスト変位センサと主軸側のターゲットの距離を一定に保つようにスラスト制御が行われているため、スラスト変位センサの取付部材が軸方向に膨張すると、主軸もこの膨張分移動してしまう。
【００１３】
これに対して、特許文献１に記載の磁気軸受装置は、図６のケーシング３８の温度を測定し、その温度によりケーシング３８の伸び量を算出して、スラスト方向の主軸３１の伸び補正機能を行う構成になっている。
【００１４】
しかし、特許文献１に記載の磁気軸受装置では、ケーシング３８の温度から算出したケーシング３８の伸び量と、磁気軸受装置内部に設置されているスラスト変位センサ３０部分における、装置取付部４５に取り付けられる取付フランジ３８ａからの熱膨張による変位とに誤差があり、高精度にスラスト方向の主軸伸び補正機能が動作しないという課題を有していた。
【００１５】
本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、主軸の温度が上昇したとき、高精度に主軸径を検出し、スラスト方向の主軸の伸び補正機能を精度良く行い、高精度に加工が行える磁気軸受装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
前記目的を達成するために、本発明の磁気軸受装置は、主軸を、ラジアル磁気軸受手段とスラスト磁気軸受手段とにより磁気浮上させると共に、前記主軸を回転駆動する磁気軸受装置において、前記主軸をスラスト方向に駆動するスラスト電磁石と、前記主軸のスラスト方向の位置を検出するスラスト変位センサと、前記スラスト変位センサの検出値と規定値の差に基づいて前記スラスト電磁石を励磁するスラスト制御手段と、前記主軸の先端近傍位置の径を検出する参照センサとを備え、前記スラスト変位センサおよび前記参照センサを熱膨張係数が小さい材料にて取り付けたことを特徴とする。
【００１７】
また、主軸を、ラジアル磁気軸受手段とスラスト磁気軸受手段とにより磁気浮上させると共に、前記主軸を回転駆動する磁気軸受装置において、前記主軸をスラスト方向に駆動するスラスト電磁石と、前記主軸のスラスト方向の位置を検出するスラスト変位センサと、前記スラスト変位センサの検出値と規定値の差に基づいて前記スラスト電磁石を励磁するスラスト制御手段と、前記主軸の先端近傍位置の径を検出する参照センサと、前記主軸を保持するケーシングと、前記スラスト変位センサおよび前記参照センサを取り付けるセンサホルダと、前記ケーシングと前記センサホルダを結合する結合部材とを備え、前記センサホルダと前記結合部材とを熱膨張係数が小さい材料により形成したことを特徴とする。
【００１８】
前記構成によって、主軸の温度が上昇したとき、スラスト変位センサおよび参照センサの取付部分の熱膨張を主軸の熱膨張に対して無視できる程度に小さくすることができるため、参照センサの信号は主軸の膨張分のみの信号を検出することができ、よって、正確に主軸径を演算することが可能になる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、主軸が温度上昇したときに、各センサの取付部位における熱膨張を主軸の熱膨張に対して無視できる程度に小さくすることができるため、参照センサの信号としては主軸の膨張分のみの信号を検出することができ、このため、センサ検出信号を得て正確に主軸径を演算することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について、図１〜図５を参照しながら説明する。なお、従来例を示す図６と同様な部材については同一の符号を付けた。
【００２１】
（実施形態１）
図１は本発明の実施形態１における磁気軸受装置の全体を示す概略構成図、図２は図１の実施形態１における要部拡大図である。
【００２２】
図１，図２において、工作機械用の磁気軸受装置として、主軸３１をラジアル磁気軸受手段Ａとスラスト磁気軸受手段Ｂとにより固定側から磁気浮上させると共に、主軸３１を後述するように回転駆動し、主軸３１の端部に取り付けされたツールとしての工具３２をワーク４４の表面に押し付けて加工を行うように構成されている。
【００２３】
また主軸３１には、モータロータ３５、ラジアル磁気軸受ロータ３３，３４、スラスト磁気軸受ロータ３９、工具３２およびツール取付部材であるツールホルダー３７が取り付けられている。このラジアル磁気軸受ロータ３３，３４、スラスト磁気軸受ロータ３９から微小間隔の距離をおいてラジアル磁気軸受電磁石２２，２３，２４，２５、スラスト磁気軸受電磁石２６，２７、主軸３１の変位を検出するラジアル変位センサ２８，２９，４０，４１、スラスト変位センサ３０が配置され、主軸３１は所定位置に非接触で支持されている。
【００２４】
ここで、ラジアル磁気軸受電磁石２２，２３，２４，２５は、主軸３１の周囲に、例えば９０°の中心角で左右に４個ずつ配置され、また、スラスト電磁石であるスラスト磁気軸受電磁石２６，２７は、主軸３１を取り巻くリング状に配置されている。また、ラジアルセンサであるラジアル変位センサ２８，２９，４０，４１、スラスト変位センサ３０としては、公知の渦電流形センサ、静電容量形センサ、光センサなどが用いられる。２０は保護ベアリングなどによりなる保護軸受であり、例えば玉軸受を使用し、ラジアル方向、スラスト方向兼用となっている。
【００２５】
図１においてケーシング３８の左側の変位センサ取付部５０は、低熱膨張材料により構成され、ラジアル変位センサ２８，４０、スラスト変位センサ３０が取付けられている。変位センサ取付部５０に使用する低熱膨張材料としては、例えば熱膨張係数５×１０−６／Ｋ以下のものを使用する。変位センサ取付部５０は、その取付フランジ５０ａが装置が取り付けられる取付部４５に固定されている。
【００２６】
主軸３１には、モータロータ３５が取り付けられ、モータ駆動装置４２によりモータステータ３６に電流を流すことにより主軸３１を回転駆動させ、主軸３１の端部に取り付けられた工具３２を、図２に矢印Ｙで示すように、ラジアル方向にワーク４４の表面に押付けて加工を行うよう構成されている。
【００２７】
次に、スラスト制御手段であるスラスト磁気時軸受制御装置１について説明する。主軸３１の径を検出する参照センサとして、本例では回転駆動する主軸３１の周囲に複数配置されたラジアル変位センサ２８，２９，４０，４１のうちから、スラスト位置ターゲット面３１ｃの近傍に対向して配置されたラジアル変位センサ２８，４０を用いた。
【００２８】
ところで、図６に示すような従来例にあっては、主軸３１が熱膨張すると、その径が大きくなるため、このラジアル変位センサ２８，４０により主軸３１の径の変化から主軸３１の温度を検出することができる。しかし、主軸３１のみならず、ラジアル変位センサ２８，４０を固定する変位センサホルダ（図６には図示せず）、および変位センサホルダが取り付けられる部材であるケーシング３８が熱膨張するため、ラジアル変位センサ２８，４０には主軸３１の膨張分とラジアル変位センサ取り付け側の膨張分とが混在した信号、すなわち、どちらが膨張しているのか分からない信号が出力され、図３に示すように、実際の主軸３１からの熱膨張分よりも膨張量が少ない値となる。このため、主軸３１の径を正確に検出することができない。
【００２９】
そこで本実施形態では、変位センサ取付部５０に低熱膨張材料を使用し、変位センサ取り付け側の膨張を無視できるようにして、主軸径を正確に検出するようにしている。そして、このラジアル変位センサ２８，４０の信号を加算器２により加算し、主軸径を検出する処理を主軸径検出処理部３にて行う。
【００３０】
変位センサ取付部５０において、変位センサホルダ５０ｂとケーシング３８とが分離され、この変位センサホルダ５０ｂとケーシング３８とを結合して一体化するような構成にしている。この場合にも、変位センサホルダ５０ｂとケーシング３８とに低熱膨張材料を使用する。
【００３１】
主軸径検出処理部３の出力は主軸径ｄに相当する。この主軸径ｄ信号と主軸回転数信号を伸び補正演算部４に入力する。伸び補正演算部４は関数ｆ（Ｎ，ｄ）から加工ツール取付部３１ａの長さｍの伸びΔｍｔを算出するように構成されている。ここでＮは主軸３１の遠心膨張も考慮したためで、簡易的には関数ｆ（ｄ）で説明できる。
【００３２】
具体的には、主軸径検出処理部３の出力である主軸径ｄから主軸３１の温度変化ΔＴは、（数１）の式にて求められる。
【００３３】
【数１】
2007107584.tif 000003
ここで、αは主軸熱膨張係数、ｄは主軸径、ｄ０は停止状態の主軸径、ｄＮは遠心膨張時の主軸径であり、遠心膨張時の主軸径ｄＮは、あらかじめ構造解析により主軸３１の回転数Ｎと主軸径ｄとから求められる。また、伸び補正演算部４に速度到達信号を入力し、速度到達信号をトリガに設定回転数到達直後の主軸径を求め、主軸径ｄＮとしてもよい。
【００３４】
スラスト位置ターゲット面３１ｃから主軸端面３１ｂまでの長さｍのスラスト方向への熱膨張による伸びΔｍ１は、（数２）の式にて表される。
【００３５】
【数２】
2007107584.tif 000004
また実際の回転によって、主軸３１はスラスト方向にも膨張しており、伸び演算部４の中では、その分を考慮して出力信号に前記式に加えて、（数３）の式が出力されるように構成されている。
【００３６】
【数３】
2007107584.tif 000005
スラスト方向の遠心膨張分ΔｍＮは、あらかじめ構造解析により回転数Ｎと主軸径ｄとから求められる。
【００３７】
スラスト磁気軸受の制御は、通常は、位置指令により入力させたギャップｇの規定値に近づくようにスラスト変位センサ３０、加算器９、位相補償器１０、パワー増幅器１１からなるスラスト制御補正部により制御が行われる。しかし、スラスト変位センサ３０の取り付け位置が取り付け部材の熱膨張により変位した場合、この変位によって、主軸３１がスラスト方向に変位することになる。
【００３８】
従来の方法では、装置取付部４５からのケーシング３８の長さＬ（図６参照）の伸びΔＬをケーシング３８に取り付けた温度センサにより温度情報から算出していたが、スラスト変位センサ３０は磁気軸受装置の内部にあり、ケーシング３８の表面温度から求めた膨張量と、スラスト変位センサ３０の取付部材付近の膨張量が異なるため、算出したスラスト方向の膨張量と実際の膨張量に誤差が生じる。
【００３９】
そこで本実施形態では、変位センサ取付部５０に低熱膨張材料を使用して構成することにより、装置取付部４５からスラスト変位センサ３０の取付部までのスラスト方向の膨張分を無視でき、前記スラスト方向の膨張による補正分は考慮する必要が無くなる。
【００４０】
主軸３１の伸びが発生すると、ラジアル変位センサ２８、４０からの出力信号が主軸径検出処理部３に入力され、主軸径検出処理部３の出力、主軸回転数信号を伸び補正演算部４に入力し、（数３）の式より補正量が算出される。
【００４１】
スラスト制御の補正量−Δｍｔは（数４）の式にて表される。
【００４２】
【数４】
2007107584.tif 000006
この補正量が加算器９に入力され位置指令に加算されて、加工ツール取付部３１ａの熱膨張による伸びΔｍｔが考慮されてスラスト制御が補正され、工具３２の先端位置のズレを自動的に精度良く補正でき、ワーク４４に高精度の加工処理を行うことができる。
【００４３】
（実施形態２）
図４は本発明の実施形態２における磁気軸受装置の要部の拡大図である。
【００４４】
実施形態２は、変位センサホルダ５２とケーシング３８を結合する変位センサホルダ結合部５１に低熱膨張材を使用し、変位センサホルダ結合部５１にてケーシングの膨張による力を吸収する構成にした点が異なるが、それ以外の構成は実施形態１と同様である。
【００４５】
変位センサホルダ５２は、ラジアル変位センサ２８，４０およびスラスト変位センサ３０を固定する部材であって低熱膨張材料で構成されている。また、ケーシング３８は低熱膨張材料を使用せず、水路５３を設けて磁気軸受装置の発熱を抑えている。取付フランジ３８ａ付近に着目すると、取付フランジ３８ａ付近の熱膨張を抑えるように、変位センサホルダ結合部５１付近まで、水路５３が設けられている。
【００４６】
変位センサホルダ結合部５１は、変位センサホルダ５２とケーシング３８を結合する部材であって低熱膨張材料を使用している。ケーシング３８側の水路５３による水冷では抑制できないケーシング３８の熱膨張分に対して、締結部が受ける半径方向の力を吸収するために、図５に示すように、変位センサホルダ結合部５１に、機械的強度の弱い部分５１ａを複数個所設けている。また、５４，５５は、ネジなどの締結部材であり、変位センサホルダ結合部５１とケーシング３８、および変位センサホルダ５２と変位センサホルダ結合部５１をそれぞれ締結している。
【００４７】
その他の構成は実施形態１と同様であり、実施形態１に示す制御方法により、スラスト制御が補正され、工具３２の先端位置のズレを自動的に精度良く補正でき、実施形態１と同様にワーク４４に高精度の加工処理を行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明の磁気軸受装置は、工作機械用の磁気軸受装置において有効であり、また主軸の熱膨張に対して補正をかけ、主軸先端位置を高精度に保つことができるため、ＣＤやＤＶＤなどの原盤の製作に使用されるカッティングマシーンにおける軸受装置の用途にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の実施形態１における磁気軸受装置の全体を示す概略構成図
【図２】実施形態１における要部拡大図
【図３】従来の磁気軸受装置で検出される熱膨張分を表すグラフ
【図４】本発明の実施形態２における要部の拡大図
【図５】本発明の実施形態２における変位センサホルダ結合部の側面図
【図６】従来の磁気軸受装置の全体を示す概略構成図
【符号の説明】
【００５０】
Ａ  ラジアル磁気軸受手段
Ｂ  スラスト磁気軸受手段
１  スラスト磁気軸受制御装置
２  加算器
３  主軸径検出処理部
４  伸び補正演算部
９  加算器
１０  位相補償器
１１  パワー増幅器
２０  保護軸受
２２，２３，２４，２５  ラジアル磁気軸受電磁石
２６，２７  スラスト磁気軸受電磁石
２８，２９，４０，４１  ラジアル変位センサ
３０  スラスト変位センサ
３１  主軸
３１ａ  加工ツール取付部
３１ｂ  主軸端面
３１ｃ  スラスト位置ターゲット面
３２  工具
３３，３４  ラジアル磁気軸受ロータ
３５  モータロータ
３６  モータステータ
３７  ツールホルダー
３８  ケーシング
３９  スラスト磁気軸受ロータ
４２  モータ駆動装置
４４  ワーク
４５  装置取付部
５０  変位センサ取付部
３８ａ，５０ａ  取付フランジ
５０ｂ  変位センサホルダ
５１  変位センサホルダ結合部
５１ａ  変位センサホルダ結合部における機械的強度の弱い部分
５２  変位センサホルダ
５３  水路
５４，５５  締結部材
【図１】
2007107584.tif 000007
【図２】
2007107584.tif 000008
【図３】
2007107584.tif 000009
【図４】
2007107584.tif 000010
【図５】
2007107584.tif 000011
【図６】
2007107584.tif 000012