(57)【要約】      （修正有）【課題】ジャイロセンサとして使用するときの精度を高めることができ、しかも、回転体を安定良く支持できる磁気軸受装置を提供する。【解決手段】回転体２の軸方向の変位および傾きを検出するために円板状部分８の軸方向の片面に対向する複数のアキシアル変位センサ１２、円板状部分８に両面側から対向する複数対のアキシアル電磁石１３、円板状部分８の外周面に対向する複数のラジアル変位センサ１４、円板状部分８の外周面に対向する複数のラジアル電磁石１５、および回転体２を回転駆動するために円板状部分８の外周部に面する複数の回転駆動用電磁石１６が、円板状部分８の周囲のケーシング１に周方向に等間隔をおいて配置されており、回転体１を機械的に支持するためのタッチダウン軸受が、軸部に対応するケーシング１に設けられている。【選択図】図１
2009079611.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円板状部分の中心に軸部が形成された回転体が、固定部分に設けられた複数の電磁石により軸方向および径方向に非接触支持されて回転させられる磁気軸受装置であって、
回転体の軸方向の変位および傾きを検出するために円板状部分の少なくとも軸方向の片面に対向する複数のアキシアル変位センサ、回転体を軸方向に非接触支持するために円板状部分に両面側から対向する複数対のアキシアル電磁石、回転体の径方向の変位を検出するために円板状部分の外周面に対向する複数のラジアル変位センサ、回転体を径方向に非接触支持するために円板状部分の外周面に対向する複数のラジアル電磁石、および回転体を回転駆動するために円板状部分の外周部に面する複数の回転駆動用電磁石が、円板状部分の周囲の固定部分に周方向に等間隔をおいて配置されており、回転体を機械的に支持するためのタッチダウン軸受が、軸部に対応する固定部分に設けられていることを特徴とする磁気軸受装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ジャイロセンサなどに使用される磁気軸受装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の磁気軸受装置として、従来、回転体が、１組の制御型アキシアル磁気軸受と２組の制御型ラジアル磁気軸受により非接触支持されて電動モータにより回転させられるものが知られている。磁気軸受装置には、磁気軸受およびモータの他に、アキシアル変位センサ、それぞれ複数のラジアル変位センサを有する２組のラジアル変位センサユニット、２組のタッチダウン軸受などが設けられている。モータは、回転体の軸方向の１箇所に設けられた内蔵型のもので、回転体に設けられたモータロータと、ケーシングなどの固定部分側に設けられたモータステータとから構成されている。アキシアル磁気軸受は、回転体の軸方向の１箇所に形成された１つのフランジ部をアキシアル方向の両側から挟むように配置された１対のアキシアル電磁石を備えている。各ラジアル磁気軸受は、回転体を互いに直交する２つのラジアル方向の両側から挟むように配置された２対のラジアル磁気軸受を備えている。そして、回転体のアキシアル方向およびラジアル方向の変位に基づいてアキシアル電磁石およびラジアル磁気軸受に供給する励磁電流を制御することにより、回転体がアキシアル方向およびラジアル方向の浮上目標位置に非接触支持され、モータにより回転させられる。
【０００３】
このような磁気軸受装置において、回転体の回転中に磁気軸受装置全体の姿勢が変化すると、ジャイロ効果が発生して、回転体に外力が作用し、ラジアル電磁石の励磁電流を制御するための制御信号が変化する。このため、ラジアル電磁石の制御信号により角速度が検出できる。
【０００４】
回転体の主慣性モーメントをＩp、回転軸回り以外の慣性モーメントをＩrとしたとき、Ｉp／Ｉrが大きいほどジャイロ効果が増し、ジャイロセンサとして使用したときの精度が向上する。
【０００５】
ところが、上記のような従来の磁気軸受装置では、回転体が軸状の長いものであるから、Ｉp／Ｉrが小さく、ジャイロセンサとして使用したときの精度が低いという問題がある。
【０００６】
Ｉp／Ｉrを大きくする形状として、円板が挙げられ、円板状の回転体を電磁石で非接触支持して回転させる磁気浮上回転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】特開平０９−２４７８９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
回転体を電磁石で非接触支持して回転させる場合、回転体を電磁石で支持できないときに、転がり軸受などを用いて回転体を機械的に支持できるようにしなければならないが、円板状の回転体を転がり軸受などで機械的に支持することは困難である。
【０００８】
この発明の目的は、上記の問題を解決し、回転体のＩp／Ｉrを大きくして、ジャイロセンサとして使用するときの精度を高めることができ、しかも、回転体を電磁石で支持できないときに機械的に確実に支持できる磁気軸受装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明による磁気軸受装置は、円板状部分の中心に軸部が形成された回転体が、固定部分に設けられた複数の電磁石により軸方向および径方向に非接触支持されて回転させられる磁気軸受装置であって、回転体の軸方向の変位および傾きを検出するために円板状部分の少なくとも軸方向の片面に対向する複数のアキシアル変位センサ、回転体を軸方向に非接触支持するために円板状部分に両面側から対向する複数対のアキシアル電磁石、回転体の径方向の変位を検出するために円板状部分の外周面に対向する複数のラジアル変位センサ、回転体を径方向に非接触支持するために円板状部分の外周面に対向する複数のラジアル電磁石、および回転体を回転駆動するために円板状部分の外周部に面する複数の回転駆動用電磁石が、円板状部分の周囲の固定部分に周方向に等間隔をおいて配置されており、回転体を機械的に支持するためのタッチダウン軸受が、軸部に対応する固定部分に設けられていることを特徴とするものである。
【００１０】
アキシアル変位センサは、少なくとも３個設けられる。３個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ことにより、回転体の軸方向の変位および傾きが検出できる。アキシアル変位センサは、好ましくは、４個設けられる。４個のアキシアル変位センサを周方向に等間隔を置いて配置することにより、回転体の軸方向の変位および傾きを簡単に検出できる。
【００１１】
アキシアル電磁石は、少なくとも３対設けられる。周方向に等間隔をおいて配置された３対のアキシアル電磁石により、回転体の傾きをなくして、回転体を軸方向に非接触支持することができる。アキシアル電磁石は、好ましくは、４対設けられる。周方向に等間隔をおいて配置された４対のアキシアル電磁石により、回転体の傾きをなくして、回転体を軸方向に非接触支持することができ、アキシアル電磁石の制御も簡単である。
【００１２】
ラジアル変位センサは、少なくとも３個設けられる。３個のラジアル変位センサを周方向に等間隔をおいて配置することにより、回転体の径方向の変位が検出できる。ラジアル変位センサは、好ましくは、４個（２対）設けられる。４個のラジアル変位センサを周方向に等間隔を置いて配置することにより、回転体の径方向の変位を簡単に検出できる。
【００１３】
ラジアル電磁石は、少なくとも３個設けられる。周方向に等間隔をおいて配置された３個のラジアル電磁石により、回転体を径方向に非接触支持することができる。ラジアル電磁石は、好ましくは、４個（２対）設けられる。周方向に等間隔をおいて配置された４個のラジアル電磁石により、回転体を径方向に非接触支持することができ、ラジアル電磁石の制御も簡単である。
【００１４】
回転駆動用電磁石は、少なくとも３個設けられる。周方向に等間隔をおいて配置された少なくとも３個の電磁石に互いに位相の異なる正弦波状の駆動電流を供給することにより、回転体を回転駆動することができる。
【００１５】
ラジアル変位センサ、ラジアル電磁石および回転駆動用電磁石は、好ましくは、回転体の軸方向の１箇所に配置される。これらの個数、形状などを適宜選択することにより、これらを軸方向の１箇所に配置して、回転体の円板状部分をさらに短くすることができる。
【００１６】
回転体をアキシアル電磁石およびラジアル電磁石で支持できないときは、タッチダウン軸受により回転体の軸部が機械的に確実に支持される。
【００１７】
タッチダウン軸受は、好ましくは、２組設けられる。
【００１８】
回転体の軸部は、少なくとも円板状部分の片面側に設けられる。
【００１９】
好ましくは、円板状部分の両面側に軸部が設けられ、各軸部にタッチダウン軸受が１組ずつ設けられる。このようにすれば、回転体を機械的により確実に支持することができる。
【００２０】
回転体は、円板状部分の周囲に配置されたされたアキシアル変位センサおよびラジアル変位センサの出力から検出された回転体のアキシアル方向およびラジアル方向の変位に基づいて、アキシアル電磁石およびラジアル電磁石を制御することにより、傾きのない一定の姿勢でアキシアル方向およびラジアル方向に非接触支持され、回転駆動用電磁石により回転駆動させられる。そして、アキシアル電磁石および／またはラジアル電磁石の制御信号より、回転体の角速度が検出できる。ラジアル電磁石上記のように、回転体が円板状部分の中心に軸部が形成されたものであって、アキシアル変位センサ、アキシアル電磁石、ラジアル変位センサ、ラジアル電磁石および回転駆動用電磁石が、回転体の円板状部分の周囲に配置され、軸部に対応する部分にはタッチダウン軸受だけが設けられるので、回転体全体を短くして、前記のＩp／Ｉrを大きくすることができ、ジャイロセンサとして使用するときの精度を高めることができる。
【発明の効果】
【００２１】
この発明の磁気軸受装置によれば、上述のように、Ｉp／Ｉrを大きくして、ジャイロセンサとして使用するときの精度を高めることができ、しかも、回転体を電磁石で支持できないときに機械的に確実に支持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、図面を参照して、この発明を磁気軸受型ジャイロセンサに使用される磁気軸受装置に適用した実施形態について説明する。
【００２３】
図１は磁気軸受装置の機械的構成を示す水平断面図（図２のＩ−Ｉ線の断面図）、図２は図１のII−II線の断面図、図３は図１のIII−III線の断面図、図４は図１のIV−IV線の断面図である。
【００２４】
磁気軸受装置は、上下の中心部だけが開口した鉛直短円筒状のケーシング(1)の内側で軸心が鉛直な略円板状の回転体(2)が回転する縦型のものである。以下の説明において、回転体(2)の軸方向（アキシアル方向）すなわち上下方向の制御軸（アキシアル制御軸）をＺ軸、Ｚ軸と直交するとともに互いに直交する２つの径方向（ラジアル方向）の制御軸（ラジアル制御軸）のうち、図１の左右方向の制御軸をＸ軸、同図の上下方向の制御軸をＹ軸とする。
【００２５】
ケーシング(1)は、水平穴あき円板状の頂壁(3)および底壁(4)の外周縁が鉛直短円筒状の周壁(5)で連結されたものであり、固定部分を構成している。頂壁(3)の中心の開口の周縁部に、内向き（下向き）にのびる短円筒部(6)が設けられている。底壁(4)の中心の開口の周縁部に、内向き（上向き）にのびる短円筒部(7)が設けられている。
【００２６】
回転体(2)は、水平円板状部分(8)の中心に上下にのびる軸部(10)(11)が一体に形成されたものである。各軸部(10)(11)は、円板状部分(8)の長さ（厚さ）と同程度の短いものであり、それぞれ、円板状部分(8)側の非常に短い大径部(10a)(11a)と、大径部(10a)(11a)から円板状部分(8)の反対側にのびる小径部(10b)(11b)とからなる。
【００２７】
ケーシング(1)内の回転体(2)の円板状部分(8)の周囲に、少なくとも３個（この例では４個）のアキシアル変位センサ(12)、少なくとも３対（この例では４対）のアキシアル電磁石(13)、少なくとも３個（この例では４個）のラジアル変位センサ(14)、少なくとも３個（この例では４個）のラジアル電磁石(15)および少なくとも３個（この例では８個）の回転駆動用電磁石(16)が、それぞれ、周方向に等間隔をおいて配置され、ケーシング(1)内の上下の軸部(11)(12)の周囲に、それぞれ、タッチダウン軸受(17)(18)が配置されている。
【００２８】
アキシアル電磁石(13)は、回転体(2)を軸方向に非接触支持するためのものであり、各対のアキシアル電磁石(13)は、円板状部分(8)に上下両面側から対向するように、ケーシング頂壁(3)および底壁(4)の内面の同一円周上に固定されいる。４個のアキシアル電磁石(13)のうち、２個はＸＺ面上に、残りの２個はＹＺ面上に配置されている。
【００２９】
アキシアル変位センサ(12)は、回転体(2)の軸方向の変位および傾きを検出するためのものであり、各アキシアル変位センサ(12)は、円板状部分(8)に下側から対向するようにケーシング底壁(4)の内面の同一円周上に固定されている。アキシアル変位センサ(12)は、Ｚ軸を含みＸ軸およびＹ軸と４５度をなす２つの面内に配置され、その結果、アキシアル変位センサ(12)とアキシアル電磁石(13)は、周方向に等間隔をおいて交互に配置されている。各アキシアル変位センサ(12)は、円板状部分(8)の下面との距離（空隙）に比例する信号を出力する。
【００３０】
４個のアキシアル変位センサ(12)の出力より、回転体(2)の重心のＺ軸方向の変位、ならびに回転体(2)のＹ軸回りの傾き（ＸＺ平面における傾き）およびＸ軸回りの傾き（ＹＺ平面による傾き）が検出され、これらに基づいて、各アキシアル電磁石(13)に供給する励磁電流を制御することにより、回転体(2)が、傾きのない一定の姿勢で、Ｚ軸方向の所定の浮上目標位置に非接触支持される。
【００３１】
ラジアル電磁石(15)は、回転体(2)を径方向に非接触支持するためのものであり、各ラジアル電磁石(15)は、円板状部分(8)の外周面に対向するように、ケーシング周壁(5)の内面の同一軸方向位置に固定されている。４個のラジアル電磁石(15)のうち、２個（１対）は、円板状部分(8)をＸ軸方向の両側から挟むように、ＸＺ面内に配置され、残りの２個（１対）は、円板状部分(8)をＹ軸方向の両側から挟むように、ＹＺ面内に配置されている。
【００３２】
ラジアル変位センサ(14)は、回転体(2)の径方向の変位を検出するためのものであり、各ラジアル変位センサ(14)は、円板状部分(8)の外周面に対向するように、ケーシング周壁(5)の内面の同一軸方向位置に固定されている。ラジアル変位センサ(14)は、Ｚ軸を含みＸ軸およびＹ軸と４５度をなす２つの面内に配置され、その結果、ラジアル変位センサ(14)とラジアル電磁石(15)は、周方向に等間隔をおいて交互に配置されている。各ラジアル変位センサ(14)は、円板状部分(8)の外周面との距離（空隙）に比例する信号を出力する。
【００３３】
４個のラジアル変位センサ(14)の出力より、回転体(2)のＸ軸方向およびＹ軸方向の変位が検出され、これらに基づいて、各ラジアル電磁石(15)に供給する励磁電流を制御することにより、回転体(2)がＸ軸方向およびＹ軸方向の所定の浮上目標位置に非接触支持される。
【００３４】
回転駆動用電磁石(16)は、回転体(2)を回転駆動するためのものであり、隣接するラジアル変位センサ(14)とラジアル電磁石(15)の中間に両者から同じ角度をあけて配置されている。各回転駆動用電磁石(16)は、上下両面がケーシング頂壁(3)および底壁(4)の内面に固定されたＣ型の磁極(16a)にコイル(16b)が巻かれたものであり、磁極(16a)の両端が、円板状部分(8)の外周よりの部分に上下両側から対向している。
【００３５】
８個の回転駆動用電磁石(16)に互いに位相の異なる正弦波状の駆動電流が供給されることにより、回転体(2)が回転駆動される。
【００３６】
各タッチダウン軸受(17)(18)は、回転体(2)の軸方向および径方向の可動範囲を規制して、回転体(2)をアキシアル電磁石(13)およびラジアル電磁石(14)で支持できないときに回転体(2)を機械的に支持するものである。この例では、各タッチダウン軸受(17)(18)は、２個のアンギュラ玉軸受を組み合わせたものである。各軸受(17)(18)の外輪はケーシング(1)の短円筒部(6)(7)の内周に固定され、内輪は回転体(2)の軸部(10)(11)の小径部(10b)(11b)の外周と大径部(10a)(10b)の環状端面に臨ませられている。２組のタッチダウン軸受(17)(18)は、いずれも、径方向および軸方向の支持が可能なものである。
【００３７】
上記のように回転体(2)が浮上目標位置に非接触支持されて回転しているときに、磁気軸受装置全体の姿勢が変化すると、ジャイロ効果が発生して、回転体(2)に径方向の外力が作用し、アキシアル電磁石(13)およびラジアル電磁石(15)の励磁電流を制御するための制御信号が変化する。このため、アキシアル電磁石(13)および／またはラジアル電磁石(15の制御信号より各速度が検出できる。
【００３８】
上記の磁気軸受装置において、ラジアル変位センサ(14)、ラジアル電磁石(15)および回転駆動用電磁石(16)が円板状部分(8)の軸方向の１箇所に配置され、これらが軸方向に広がりを持たないので、円板状部分(8)を短くすることができる。また、軸部(10)(11)に対応する部分にはタッチダウン軸受(17)(18)だけが設けられるので、軸部(10)(11)も短くすることができる。このため、回転体(2)全体を短くして、前記のＩp／Ｉrを大きくすることができ、ジャイロセンサとして使用するときの検出精度を高めることができる。
【００３９】
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。
【００４０】
たとえば、回転体の軸部は、円板状部分の上側だけ、あるいは下側だけに設けられてもよい。
【００４１】
アキシアル変位センサは、円板状部分の上側の面に対向するものであってもよい。また、周方向の各位置において、１対のアキシアル変位センサを円板状部分に上下両側から対向するように配置してもよい。
【００４２】
たとえば、磁気軸受装置は、回転体が水平に配置された横型のものでもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】図１は、この発明の実施形態の実施形態を示す磁気軸受装置の水平断面図（図２のＩ−Ｉ線の断面図）である。
【図２】図２は、図１のII−II線の断面図である。
【図３】図３は、図１のIII−III線の断面図である。
【図４】図４は、図１のVI−VI線の断面図である。
【符号の説明】
【００４４】
(1)     ケーシング
(2)     回転体
(8)     円板状部分
(10)(11)    軸部
(12)    アキシアル変位センサ
(13)    アキシアル電磁石
(14)    ラジアル変位センサ
(15)    ラジアル電磁石
(16)    回転駆動用電磁石
(17)(18)    タッチダウン軸受
【図１】
2009079611.tif 000003
【図２】
2009079611.tif 000004
【図３】
2009079611.tif 000005
【図４】
2009079611.tif 000006