(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転体に備えたスラストディスクを電磁石の磁気力により浮上位置制御する磁気浮上回転機械において、
前記スラストディスクの両面の平面に形成した一対の凹部と、
前記凹部に対面するように固定側に設置された、前記凹部を含めた平面の変位を検出する一対の軸方向変位センサと、
前記一対の変位センサのうち、一方の変位センサの出力信号が入力され、交流成分を抽出出力する交流成分抽出部と、他方の変位センサの出力信号が入力され、前記交流成分抽出部から出力された交流成分を加算することで回転数に対応したパルス信号成分を相殺し、変位信号成分のみを出力する変位信号形成部と、前記交流成分抽出部から出力されたパルス信号成分から回転数信号を検出する回転センサ信号処理部とを備え、前記一対の変位センサ出力から前記回転体の変位を検出すると共に、前記回転体の回転数を検出する検出機構を備えたことを特徴とする磁気浮上回転機械。
【請求項２】
前記凹部は、前記平面の回転中心に対して、前記変位センサが配置された位置に対応して配置されたことを特徴とする請求項１に記載の磁気浮上回転機械。
【請求項３】
前記一対の変位センサは、前記スラストディスクの両面に対面する軸方向浮上位置制御用電磁石の内部に配置されたことを特徴とする請求項１に記載の磁気浮上回転機械。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、制御対象となる磁性材料を備えた回転体を、電磁石又は永久磁石により発生する磁気吸引力或いは磁気反発力を利用し、任意の位置に非接触で浮上支持制御する磁気浮上回転機械に係り、特にその回転体の軸方向変位及び回転数を検出する検出機構に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１０は従来の磁気軸受機構部の一般的な構成例を示す図であり、図１１はその磁気軸受の浮上支持制御を行なう制御装置の構成例を示す図である。磁気浮上回転機械は、回転体Ｒがモータにより非接触で回転駆動されると共に、ラジアル磁気軸受及びスラスト磁気軸受により浮上支持される。回転体Ｒには、磁性材料のターゲット部材２１を備え、半径方向支持用電磁石２０から発生する磁気吸引力を制御することにより半径方向目標浮上位置に浮上支持される。電磁石２０の近傍には、半径方向変位センサ１１を備え、回転体Ｒに備えられたターゲット磁性材１９の半径方向変位（位置）を該変位センサ１１により計測する。又、回転体Ｒには、磁性材料からなるスラストディスク１８を備え、そのディスクを挟むように回転体Ｒの軸方向浮上支持用電磁石１５が配置されており、軸方向浮上支持用電磁石１５から発生する磁気吸引力を制御することにより、スラストディスク１８を備えた回転体Ｒは軸方向目標浮上位置に浮上支持される。
【０００３】
又、回転体Ｒの軸端部には、磁性材からなる位置センサ用ターゲット１６を備え、固定側には回転体Ｒの軸方向変位センサ１３を備え、回転体Ｒの軸方向変位を計測する。又、回転体Ｒには回転数検出用ディスク１７を備え、その近傍の固定側に回転数検出センサ１４を備えている。ここで変位センサ１１，１２，１３はいずれも渦電流センサ又はインダクタンスセンサ等のターゲット（磁性）材の変位に対応して磁気的特性が変化することを利用したセンサである。回転数検出用ディスク１７には、凹部又は凸部を備え、上述と同様な磁気的性質を利用した変位センサを用いて、凹部又は凸部の通過を検出することで回転数の検出を行っている。尚、図示の例では半径方向の変位を検出するセンサ１１，１２が２箇所図示されているが、実際には紙面の垂直方向にも２箇所配置され、これにより回転体の回転軸に垂直な面内の座標位置を検出することができる。
【０００４】
従来技術では、図１１に示すように磁気軸受機構部固定側は、回転体Ｒの軸方向に沿って階層構造的に、軸方向変位センサ１３、回転数検出センサ１４、軸方向浮上支持用電磁石１５が配置されている。軸方向変位センサ１３により得られた回転体Ｒの軸方向位置（変位）信号を、図１１に示すように、制御装置内にあるセンサ信号処理部２３、補償回路部２４を経て、励磁電流出力アンプ部２５により励磁電流が出力され、軸方向浮上支持用電磁石１５に供給されて励磁されることにより、回転体Ｒが軸方向の所定の位置に浮上支持制御される。同様に回転数検出センサ１４の出力は、制御装置内の回転センサ信号処理部２６に入力され、回転数が演算処理される。得られた回転数は、回転数制御部２７で目標回転数と比較され、所定の回転数となるようにインバータ部２８よりモータの駆動電流がモータ（図１０では図示しない）に供給される。
【０００５】
前記のような一連の磁気浮上制御により回転体が浮上支持される磁気浮上回転機械は、回転体がいずれの箇所においても非接触で浮上支持され、回転することが大きな特徴である。このため、誘導機あるいは同期機によって回転力が加えられた際の回転数検出手段も非接触の回転数検出方式が用いられる必要がある。
【０００６】
すなわち、回転体の浮上支持制御を行うための浮上位置検出用変位センサ素子の他にも、回転数検出センサ素子を設置する必要があるが、これまでの技術では一般的に磁気浮上制御用の位置検出用変位センサと同様、電磁気学的な検出手法である渦電流型や誘導型、インダクタンス型の各方式を用いた回転数検出センサが使われてきた。しかしながら、従来方式の電磁気的なセンサを用いた場合、各センサの機械的配置によっては、お互いに電磁気学的な干渉現象が発生するため、回転数検出センサ素子と位置検出用変位センサ素子はお互いの間隔を開けて設置する必要があった。
【０００７】
即ち、このような構造を電磁気学的に支障無く動作させるため、図１０中の軸方向変位センサ１３と回転数検出センサ１４の間、及び回転数検出センサ１４と軸方向浮上支持用電磁石１５の間は有る程度の間隔をあけて設置する必要があり、磁気軸受機構部の軸端部を小型化するためには限界があった。
【０００８】
さらに従来方式の場合、図１０に示すように、回転数検出は回転体の軸端に一部切り欠きを設けた回転数検出ディスク１７を設置し、前記ディスクが回転体とともに回転し切り欠き部が回転数検出センサの前を通過することで回転数に同期したパルス信号を生成する方法が用いられてきた。しかしながらこの方法であると、前記回転数検出ディスク１７に対して磁気浮上用電磁石の漏洩磁束が回り込み、回転数検出センサ信号のＳ／Ｎ比を悪化させるため、構造上回転数検出ディスク１７、軸方向変位センサターゲット１６、スラストディスク１８は一定の間隔を持って配置することを余儀なくされてきた。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、回転体を浮上支持する磁気軸受機構の内部に設置される非接触型の電磁気学的原理による回転数検出センサは、前述の制約事項から磁気軸受機構を構成する電磁石や位置検出用変位センサなどとは一定の間隔を開けて設置する必要があり、磁気軸受機構全体の形状を小型化する障害となっていた。
【００１０】
さらに前記制約事項の幾つかを回避するため、回転数検出センサの回転数検出方式を光学式などの半導体センサを利用した電磁気学的手段ではない方式に変更することも考えられる。しかしながら、半導体センサは、コスト面で高価になること、熱に弱いという問題があること、組込みの構造が複雑になることなどの問題があり磁気浮上回転機械の用途には好適ではない。
【００１１】
本発明は上述した事情に鑑みて為されたもので、安定した回転体の変位検出及び回転数検出が行えると共に、装置全体を小型コンパクト化することができる磁気浮上回転機械を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の磁気浮上回転機械は、回転体に備えたスラストディスクを電磁石の磁気力により浮上位置制御する磁気浮上回転機械において、前記スラストディスクの両面の平面に形成した一対の凹部と、前記凹部に対面するように固定側に設置された、前記凹部を含めた平面の変位を検出する一対の軸方向変位センサと、前記一対の変位センサのうち、一方の変位センサの出力信号が入力され、交流成分を抽出出力する交流成分抽出部と、他方の変位センサの出力信号が入力され、前記交流成分抽出部から出力された交流成分を加算することで回転数に対応したパルス信号成分を相殺し、変位信号成分のみを出力する変位信号形成部と、前記交流成分抽出部から出力されたパルス信号成分から回転数信号を検出する回転センサ信号処理部とを備え、前記一対の変位センサ出力から前記回転体の変位を検出すると共に、前記回転体の回転数を検出する検出機構を備えたことを特徴とする。
【００１３】
これにより、回転体の変位の検出と回転数の検出とを一個のターゲット部材で行える。従って、磁気軸受部の構造が簡素化され該当部位を小型化できると共に、部品点数が削減され、コスト低減につながる。
【００１６】
これにより、軸方向位置制御用電磁石の制御対象であるスラストディスクの平面に凹部を設けることで、回転体の軸方向変位と回転数とを相互に干渉することなく分離して検出することが可能となる。これにより、回転数検出のための回転体に固定するディスクが不要となり、機械全体の長さを短縮でき、小型化が図れる。
【００１８】
総じて本発明によれば、従来、小型化の支障となっていた回転数検出センサの簡略化が図れ、磁気軸受機溝部の小型化と構成部品削減によるコスト低減が可能になる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照しながら説明する。
図１は本発明の参考実施形態による磁気軸受機構部の軸端部構造を示す図であり、図２は検出ディスクの構成を示す図であり、図３は制御装置の構成を示すブロック図である。
【００２０】
この実施形態によれば、回転体Ｒの軸方向変位と回転数検出を行うために回転体Ｒ軸端に変位検出兼回転数検出ディスク３０を設置している。そして、この検出ディスク３０に対面するように磁気軸受機構部固定側に軸方向検出用変位センサ３１，３２を配置している。回転体Ｒ軸端に設置された変位検出兼回転数検出用ディスク３０には、図２に示すように平板状の検出用平面３３と、その検出用平面にディスク中心に対して半径方向で対称に凸部３４及び凹部３５が配置されている。固定側に設置された軸方向検出用変位センサ３１，３２は同じく軸中心に対して径方向に対称な位置に設置されている。その他の構成、即ち、固定側に半径方向支持用電磁石２０、半径方向位置検出用変位センサ１１、軸方向支持用電磁石１５を備え、回転体側に磁性材のターゲット部材２１，１９及びスラストディスク１８を備えた点は、図１０に示す従来技術と同様である。
【００２１】
図３は、磁気浮上回転機械の制御装置を示すブロック図である。軸方向検出用変位センサ３１，３２の出力信号は、それぞれ位置変位信号抽出部４１と回転数信号抽出部４２とに入力される。ここで位置変位信号抽出部４１は加算回路であり、回転数信号抽出部４２は減算回路であり、センサ３１，３２の信号出力を各々加算又は減算する。
【００２２】
そして、図３に示す制御装置内の位置変位信号抽出部４１、回転数信号抽出部４２により回転数検出信号と、位置変位検出信号に分割される。回転体Ｒが軸方向に一定の位置で浮上して回転している場合に、軸方向変位センサ３１，３２で検出される信号は、図４（ａ）（ｂ）に示すように時間軸上逆位相で、検出ディスク３０に設置された凹凸部３４，３５の円周方向幅及び厚み方向深さを示すパルス信号が発生する。各々の信号の直流成分は、回転数検出ディスク３０の平板状の検出用平面３３と軸方向検出用変位センサ間の間隔（隙間長さ）を示す信号が出力されている。
【００２３】
図３に示す制御装置内部では、軸方向検出用変位センサ３１、３２から出力される信号は、それぞれ加算回路である位置変位信号抽出部４１と、減算回路である回転数信号抽出部４２とに入力される。位置変位信号抽出部４１では、図４（ｃ）に示すようにセンサ３１，３２の両出力が加算され、これにより図４（ａ）（ｂ）に示す凹凸部に対応したパルス状の信号が相殺される。従って、位置変位信号抽出部４１からは検出ディスク３０の平面３３の変位センサ３１，３２からの距離（変位）に対応した信号が出力される。
【００２４】
回転数信号抽出部４２では、変位センサ３１，３２の両信号出力が減算処理される。従って、図４（ｄ）に示すように、それぞれの変位センサ３１，３２から平面３３に対応した距離が減算処理されて０となり、パルス状の出力はそれぞれ凹凸部の信号が減算処理されるので、図４（ｄ）に示すように２倍のパルス状出力が得られる。これにより、回転数信号抽出部４２からの出力信号は、変位信号成分が０となった回転数信号成分のみがパルス状信号として取り出される。
【００２５】
位置変位信号抽出部４１で抽出された変位信号は、上述した図１１の従来の信号処理回路と同様な変位センサ信号処理回路部２３、補償回路部２４、励磁電流アンプ部２５を介して軸方向電磁石１５の励磁電流を調整して回転体の軸方向浮上位置制御に用いられる。又、回転数信号抽出部で抽出された回転数信号も従来技術と同様に回転センサ信号処理部２６、回転数制御部２７、インバータ部２８を介してモータの回転数制御に用いられる。
【００２６】
位置変位信号抽出部４１から出力される変位信号と、回転数信号抽出部４２から出力される回転数信号について、以後の信号処理過程は従来方式と同様である。即ち、変位信号は変位センサ信号処理部２３、補償回路部２４、励磁電流アンプ部２５を経て軸方向電磁石１５に出力され、回転体を軸方向に浮上支持制御する。即ち、位置変位信号抽出部で検出された信号は、制御装置内の変位センサ信号処理回路部２３により所定の信号処理が施され、その信号は位相補償回路部２４に入力され磁気軸受装置全体の制御系を安定せしめるような位相補償が行われ、励磁電流出力アンプ部２５に入力される。そして、励磁電流出力アンプ部は回転体を浮上支持するための電磁力を発生させるように電磁石に励磁電流を供給する。回転数信号については、回転センサ信号処理部２６、回転数制御部２７を経て、インバータ部２８によってモータを励磁することで回転体の回転数制御に利用される。
【００２７】
上記により、回転数検出と回転体の浮上位置（変位）を検出するための検出機構を２つの軸方向検出用変位センサ３１，３２と変位検出兼回転数検出ディスク３０と信号処理回路４１，４２に集約した。このため、磁気軸受機構固定側において従来方式のように階層構造的に軸方向位置検出用変位センサと回転数検出センサとこれらに対応したそれぞれのターゲット材を設置する必要が無くなり、これらの機能を検出ディスク３０と変位センサ３１，３２に集約できる。従って、磁気軸受機構部固定側の軸方向長さが短くなり、且つ回転体についても、回転数検出ディスクと軸方向位置変位センサターゲット部の両方を設置する必要が無くなるため、回転体自体の軸方向長さも短くすることが可能となる。
【００２８】
上記方法を用いることにより、検出ディスク３０に設けた凹部及び凸部は、凹凸の組合わせではなく、凹又は凸構造の一方で構成された場合にも、信号処理回路の構成を変更することで変位信号及び回転数信号を演算処理することが同様に可能である。
【００２９】
図５は、本発明の一実施形態の磁気軸受機構部を示す。図６は、図５の要部であるスラストディスク４０の拡大図である。この実施形態においては、軸方向変位を検出する平面３３を、磁性材からなるスラストディスク４２に持たせている。そして、回転数検出用のパルス状出力を形成するための凹部３５を同様にスラストディスク４０の平面３３に形成している。そして、軸方向検出用変位センサ４１，４２を上述した凹部３５に対応する半径方向位置に対称に配置している。尚、図示の例は凹部であるが、凸部であってもよい。この実施形態では、変位センサ４１，４２は軸方向電磁石１５の内部に配置される。
【００３０】
図７は、図５に対応した磁気軸受機構部の制御装置の構成例を示す。例えば一方の軸方向変位センサ３６の出力信号が、交流成分抽出部４５に入力される。交流成分抽出部４５は例えば直流成分をカットするフィルタである。従って、変位センサ出力信号のうちの交流成分を交流成分抽出部４５にて抽出する。そして、もう一方の軸方向変位センサ３７の信号出力に加算することで、回転数に対応したパルス信号成分を相殺し、変位信号成分のみを変位信号成形部４６で抽出する。この信号により軸方向の回転体浮上位置制御を行うことは上述の各実施形態と同様である。同様に交流成分抽出部４５で抽出された回転数に対応するパルス状信号は、回転センサ信号処理部２６，回転数制御部２７，インバータ部２８を介してモータの回転数制御に利用される。
【００３１】
図８は、上記の実施形態の磁気軸受機構部の変形例を示し、図９はその要部の拡大図である。この実施形態では、軸方向変位を検出する平面３３をスラストディスク４２に配置することは同様であるが、回転数を検出するための切欠部（凹部）３５をスラストディスクの周辺部に配置している。これに対応して、軸方向変位センサ３８，３９を軸方向電磁石１５の巻線部の外部に配置している。又、変位センサ３８，３９の出力を受ける制御装置の構成も、図７に示したものと同一である。尚、図示の例は凹部を設けた例を示しているが、凸部にしてもよい。これにより、変位センサ３８，３９の出力を用いて平面３３の検出位置から回転体の軸方向変位を検出し、凹部３５から回転数に対応したパルス状信号を抽出できることは上述の各実施形態と同様である。
【００３２】
この実施形態によれば、磁気軸受機構部の軸端側固定部に設置した軸方向変位センサ３８，３９と、スラストディスク４０に設置した平面３３と凹部３５とにより、変位センサ３８，３９が回転体の浮上位置（変位）と回転数を同時に検出した信号を出力し、制御装置内部に設置された各々の信号処理回路部によって信号処理することにより、回転体の位置変位信号と回転数信号を抽出することができる。これらの信号を磁気軸受装置の制御に使用することで、位置検出用ディスクが不要となるので、磁気軸受機構部の軸方向長さを短くすることと、この構造変更により磁気軸受機構部を構成する部品を削減することが可能となる。
【００３３】
又、上記実施形態は、本発明についての実施例を示したものであり、同一平面上に設置した軸方向位置検出用変位センサの個数と回転体の軸端側に設置した検出用平面に設ける凹凸部の本数については、各種の組合わせが存在し、数量を変えた場合においても上述と同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、固定側に位置検出用変位センサと、回転側にこのセンサに対面する検出用平面と、この平面に設けられた凹部及び又は凸部とを配置することで、変位センサから対面する平面までの変位と、回転体の回転数とを両方同時に計測することが可能になる。従って、磁気軸受機構部の特に軸端部の構造を簡素なものとすることができ、これにより部品点数の削減及び形状の小型化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の参考実施形態の磁気軸受機構部を示す断面図である。
【図２】  図１における検出ディスクの平面図、立面図、側面図である。
【図３】  図１の磁気軸受機構部における軸方向変位及び回転数の制御装置のブロック図である。
【図４】  （ａ）（ｂ）はそれぞれ変位センサ出力信号を示す図であり、（ｃ）は２個の変位センサの加算信号出力を示し、（ｄ）は減算出力信号を示す図である。
【図５】  本発明の一実施形態の磁気軸受機構部を示す断面図である。
【図６】  図５におけるスラストディスクの平面図、立面図、側面図である。
【図７】  図５の磁気軸受機構部における軸方向変位及び回転数の制御装置のブロック図である。
【図８】  図５に示す磁気軸受機構部の変形例を示す図である。
【図９】  図８のスラストディスクの要部を示す図である。
【図１０】  従来の磁気軸受機構部を示す断面図である。
【図１１】  図１０の磁気軸受機構部における軸方向変位及び回転数の制御装置のブロック図である。
【符号の説明】
１１        半径方向変位センサ
１３        回転数センサ
１４，３１，３２，３８，３９  軸方向変位センサ
１５        軸方向電磁石
１７        回転数検出ディスク
１８        スラストディスク
１９        半径方向変位センサターゲット
２０        半径方向電磁石
２１        半径方向電磁石ターゲット
２３        変位センサ信号処理部
２４        補償回路部
２５        励磁電流アンプ部
２６        回転センサ信号処理部
２７        回転数制御部
２８        インバータ部
３０        変位検出兼回転数検出ディスク
３３        検出用平面
３４        凸部
３５        凹部
４１        位置変位信号抽出部
４２        回転数信号抽出部
４５        交流成分抽出部
４６        変位信号成形部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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