JP2000205259A

JP2000205259A - 磁気浮上回転体の回転数検出装置

Info

Publication number: JP2000205259A
Application number: JP11009453A
Authority: JP
Inventors: Hirotomo Kamiyama; 拓知上山; Manabu Taniguchi; 学谷口
Original assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Current assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Priority date: 1999-01-18
Filing date: 1999-01-18
Publication date: 2000-07-25

Abstract

(57)【要約】【課題】回転体の回転状態を正確に把握することので
きる磁気浮上回転体の回転数検出装置を提供する。【解決手段】回転センサ８Ａ及び８Ｒに基づく回転セ
ンサ回路１０の出力信号と、アキシャル変位センサ７Ａ
及びラジアル変位センサ７Ｒに基づく変位センサ回路９
の出力信号との差動増幅を行うことにより、回転体２に
振動が生じた場合に回転センサ回路１０の出力信号に含
まれる振動の影響を取り除く。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、磁気軸受により磁
気浮上状態で支持される回転体の回転数を検出する装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】磁気軸受によって非接触支持された回転
体の回転制御を行うには、回転体の回転数を検出する必
要がある。例えば、特開平２−２８７２６３号公報に記
載された従来の回転数検出装置では、回転体の一端に導
電性材料からなるターゲット部が設けられ、その端面又
は外周面に段差が０．５ｍｍ程度の凹部が回転方向に１
８０度位相差で２個形成されている。そして、当該凹部
を含む端面や外周面に対向して渦電流式の回転センサが
配置されている。この渦電流式の回転センサの出力は導
電性材料との距離に応じて変化する。従って回転センサ
は、凹部を距離の差により検出して、パルス列状の信号
を出力する。そして、この信号における所定時間内のパ
ルス数をカウントすることにより、回転体の回転数が検
出される。なお、回転体が所定の回転数で回転している
定常状態において、回転体は磁気軸受によって正確に位
置制御されている。従って、回転センサと導電性材料と
の距離は、凹部の存在に基づく変化を除けば、略一定で
ある。回転体を停止させるときは、回転制御により回転
体を減速し、回転数が０になったと認められた時点で、
回転体の磁気浮上を停止させる。これにより、回転体
は、タッチダウン軸受に着地して保持される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記のような従来の回
転数検出装置において、回転体の減速動作中に、不測の
原因（位置制御不良又は地震等）により回転体がアキシ
ャル方向又はラジアル方向に振動した場合、回転センサ
と導電性材料との距離が変動する。このことは、凹部の
有無以外に、回転センサの出力に変動を生じさせる要因
となる。この結果、回転体の回転が停止しても、回転体
の振動が原因となって回転センサの出力が引き続き変化
する。磁気軸受の制御部は、この変化を、凹部の有無に
基づく変化と誤認して、回転体はまだ回転中であると判
断する。従って、回転体の磁気浮上状態は解除されな
い。このため、振動がなかなか減衰せず、長時間にわた
って振動が継続するという不都合がある。

【０００４】上記のような従来の問題点に鑑み、本発明
は、回転体の回転状態を正確に把握することのできる磁
気浮上回転体の回転数検出装置を提供することを目的と
する。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の磁気浮上回転体
の回転数検出装置は、磁気軸受により磁気浮上状態で支
持された回転体と対向して配置されたセンサ部を有し、
この回転体の回転数に応じた信号を、この回転体と前記
センサ部との距離に応じた信号に乗せて出力する回転検
出手段と、前記回転体に対向して配置されたセンサ部を
有し、当該回転体の変位に応じた信号を出力する変位検
出手段と、前記変位検出手段の出力信号によって、前記
回転検出手段の出力信号のうちの前記距離に応じた信号
をキャンセルする軸変位キャンセル手段と、前記軸変位
キャンセル手段の出力信号に基づいて前記回転体の回転
数を検出する信号処理手段とを備えたものである（請求
項１）。このように構成された磁気浮上回転体の回転数
検出装置では、回転体が振動した場合、振動による変位
が変位検出手段により検出されるとともに、回転検出手
段の出力信号にも振動の影響が含まれる。しかし、軸変
位キャンセル手段において、前記変位検出手段の出力信
号によって、前記回転検出手段の出力信号のうちの前記
距離に応じた信号をキャンセルすることにより、振動の
影響が取り除かれる。従って、振動が生じても回転数の
信号のみが抽出され、信号処理手段により回転数が検出
される。

【０００６】上記回転数検出装置において、変位検出手
段のセンサ部は、複数個設けられたラジアル変位センサ
のうちの１つであり、回転検出手段のセンサ部は、当該
１つのラジアル変位センサに近接して配置された回転セ
ンサであってもよい（請求項２）。この場合、回転体が
ラジアル方向に振動を生じると、当該１つのラジアル変
位センサと回転センサとに対して同様に振動による変位
の影響が及ぶ。従って、変位検出手段の出力信号によっ
て、回転検出手段の出力信号のうちの前記距離に応じた
信号をキャンセルすることにより、振動の影響が確実に
取り除かれる。

【０００７】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の一実施形態によ
る磁気浮上回転体の回転数検出装置を示すブロック図で
ある。図において、磁気軸受装置１の回転体２は、主軸
部２１と動翼部２２とを備えている。また、主軸部２１
は、上部中央にロータ部２３、下部にディスク部２４及
びターゲット部２５を備えている。ロータ部２３は、ス
テータ３と共に、モータ（高周波モータ）４を構成して
いる。ステータ３の上部側及び下部側の、主軸部２１の
周囲には、回転体２をラジアル方向に非接触支持するラ
ジアル磁気軸受５が配置されている。また、ディスク部
２４をその軸方向から挟むようにして、回転体２をアキ
シャル方向に非接触支持するアキシャル磁気軸受６が配
置されている。なお、図示しないが、主軸部２１の軸方
向上下２箇所には、磁気浮上停止時に回転体２を接触支
持するタッチダウン軸受が設けられている。

【０００８】回転体２のラジアル方向への変位を検出す
る複数個（８個）のラジアル変位センサ７Ｒは、主軸部
２１の軸方向上下２箇所において周方向に９０度ごとに
設けられている。また、回転センサ８Ｒは、主軸部２１
にラジアル方向から対向して１個配置されている。回転
センサ８Ｒは、対向する主軸部２１との距離に応じてそ
の出力が変化するものであり、主軸部２１の外周面に形
成された被検出部（例えば凹部）を距離の差により検出
して、回転体２の回転数に応じた周期でパルス状の信号
を出力する。この回転センサ８Ｒは、回転体２の回転軸
心から見て、複数のラジアル変位センサ７Ｒのうちの１
個と同一のラジアル方向、略同一の距離に配置され、か
つ、軸方向にも互いに近接して配置されている。

【０００９】図２は、主軸部２１と、これに対向して配
置されたラジアル変位センサ７Ｒ及び回転センサ８Ｒと
の位置関係を示す部分拡大図である。図に示すように、
被検出部２１ａを含む外周面に対向しているのは回転セ
ンサ８Ｒのみであり、ラジアル変位センサ７Ｒは被検出
部２１ａを含まない同径の外周面に対向している。従っ
て、ラジアル変位センサ７Ｒが被検出部２１ａの影響を
受けることはないが、主軸部２１がラジアル方向に変位
を生じると、その影響が等しくラジアル変位センサ７Ｒ
及び回転センサ８Ｒに及ぶこととなる。

【００１０】一方、図１において、ターゲット部２５の
軸方向下端面に対向して、回転体２のアキシャル方向へ
の変位を検出する１個のアキシャル変位センサ７Ａが配
置されている。また、回転センサ８Ａは、ターゲット部
２５の下端面外周近傍に対向して１個配置されている。
回転センサ８Ａは、対向するターゲット部２５との距離
に応じてその出力が変化するものであり、ターゲット部
２５の下端面外周近傍に形成された被検出部（例えば凹
部）を距離の差により検出して、回転体２の回転数に応
じた周期でパルス状の信号を出力する。この回転センサ
８Ａは、ターゲット部２５の下端面とのギャップが、ア
キシャル変位センサ７Ａと略同一となるように配置され
ている。

【００１１】図３の（ａ）は、ターゲット部２５と、こ
れに対向して配置されたアキシャル変位センサ７Ａ及び
回転センサ８Ａとの位置関係を示す部分拡大図であり、
（ｂ）はターゲット部２５の底面図である。図に示すよ
うに、被検出部２５ａを含む外周近傍端面に対向してい
るのは回転センサ８Ａのみであり、アキシャル変位セン
サ７Ａは被検出部２５ａを含まない中心部に対向してい
る。従って、アキシャル変位センサ７Ａが被検出部２５
ａの影響を受けることはないが、ターゲット部２５がア
キシャル方向に変位を生じると、その影響が等しくアキ
シャル変位センサ７Ａ及び回転センサ８Ａに及ぶことと
なる。

【００１２】図１に戻り、上記ラジアル変位センサ７Ｒ
及びアキシャル変位センサ７Ａの各出力はＡ／Ｄ変換等
所定の処理を受けた後、ＤＳＰ（Digital Signal Proce
ssor：ソフトウェアプログラムによって動作し、高速実
時間処理が可能なディジタル信号処理装置）１２に送ら
れる（但し、これらの回路接続構成は既知の事項である
ため、図示を省略する。）。また、ラジアル磁気軸受５
及びアキシャル磁気軸受６は、図示しない駆動回路を介
してＤＳＰ１２と接続されている。さらに、モータ４は
図示しないインバータを介してＤＳＰ１２と接続されて
いる。

【００１３】一方、図１に示すように、複数個のラジア
ル変位センサ７Ｒのうち、回転センサ８Ｒに近接して配
置されているラジアル変位センサ７Ｒ、及び、アキシャ
ル変位センサ７Ａは、変位センサ回路９と接続されてい
る。変位センサ回路９は、かかる２つの変位センサ７Ｒ
及び７Ａからの信号を別々に処理する増幅器等を備えて
いる。また、回転センサ８Ｒ及び８Ａは、回転センサ回
路１０と接続されている。回転センサ回路１０は、かか
る２つの回転センサ８Ｒ及び８Ａからの信号を別々に処
理する増幅器等を備えている。ここで、ラジアル変位セ
ンサ７Ｒ、アキシャル変位センサ７Ａ及び変位センサ回
路９は、回転体２の変位に応じた信号を出力する「変位
検出手段」を構成している。また、回転センサ８Ｒ、８
Ａ及び回転センサ回路１０は、後述のように、回転体２
の回転数に応じた信号を回転体２との対向距離に応じた
信号に乗せて出力する「回転検出手段」を構成してい
る。

【００１４】上記変位センサ回路９及び回転センサ回路
１０における各増幅器の増幅率は、例えば回転体２が磁
気浮上静止状態で、かつ、回転センサ８Ｒが被検出部２
１ａに対向していない状態において、回転センサ８Ｒの
出力する信号レベルがラジアル変位センサ７Ｒの出力す
る信号レベルと相等しくなるように、設定される。また
同様に、回転体２が磁気浮上静止状態で、かつ、回転セ
ンサ８Ａが被検出部２５ａに対向していない状態におい
て、回転センサ８Ａの出力する信号レベルがアキシャル
変位センサ７Ａの出力する信号レベルと相等しくなるよ
うに、設定される。上記変位センサ回路９及び回転セン
サ回路１０は、軸変位キャンセル回路１１と接続されて
いる。この軸変位キャンセル回路１１は、差動増幅器、
ＨＰＦ（ハイパスフィルタ）、コンパレータ、Ａ／Ｄコ
ンバータ等を備えている。この軸変位キャンセル回路１
１の出力するディジタル信号は、ＤＳＰ１２に入力され
る。

【００１５】上記のように構成された磁気軸受装置１に
おいては、ラジアル磁気軸受５及びアキシャル磁気軸受
６により磁気浮上状態で支持された回転体２が、モータ
４によって高速で回転させられる。回転中の回転体２の
位置制御は、回転体２のラジアル方向への変位及びアキ
シャル方向への変位を、それぞれラジアル変位センサ７
Ｒ及びアキシャル変位センサ７Ａによって検出し、この
検出結果に基づいて、ＤＳＰ１２がラジアル磁気軸受５
及びアキシャル磁気軸受６の電磁石を制御することによ
り行われる。

【００１６】一方、回転体２の回転制御は、回転体２の
回転数を回転センサ８Ｒ又は８Ａによって検出し、この
検出結果に基づいてＤＳＰ１２が、モータ４に供給され
る電力の周波数を制御することにより行われる。この回
転数の検出動作についてさらに詳しく説明する。なお、
以下の動作説明に関しては、ラジアル方向とアキシャル
方向とで差はないため、ラジアル方向に関してのみ説明
するが、アキシャル方向に関しても、全く同様である。

【００１７】回転体２がラジアル磁気軸受５及びアキシ
ャル磁気軸受６によって非接触支持され、磁気浮上状態
で高速回転している定常状態においては、回転体２は正
確に位置制御されている。このとき、ラジアル変位セン
サ７Ｒに基づく変位センサ回路９の出力は、図４の
（ａ）に示す略一定の出力レベルとなる。一方、回転セ
ンサ８Ｒに基づく回転センサ回路１０の出力（図４の
（ｂ））は、（ａ）の出力レベルをベースに、被検出部
２１ａを検出するごとにパルス状の波形が現れたものと
なる。（ａ）及び（ｂ）の出力は、軸変位キャンセル回
路１１内の差動増幅器により差動増幅される。従って、
差動増幅器の出力は（ｃ）に示す波形となる。また、回
転体２がラジアル方向へ変位を生じた場合、（ａ）に示
す出力レベルが変化（上下方向にシフト）するが、これ
と同一の変化が（ｂ）の波形にも現れる。従って、変化
分が軸変位キャンセル回路１１内の差動増幅器によって
キャンセルされ、（ｃ）の波形は変わらない。

【００１８】一方、例えば回転体２を停止させるための
減速中において、もし、位置制御不良や地震等により回
転体２に振動が発生した場合、ラジアル変位センサ７Ｒ
と、これに対向する主軸部２１との距離が連続的に変動
する。従って、ラジアル変位センサ７Ｒに基づく変位セ
ンサ回路９の出力波形は、例えば図５の（ａ）に示すよ
うになる（点線は、振動発生前の出力である。）。上記
振動の影響は回転センサ８Ｒにも同様に及ぶため、回転
センサ８Ｒに基づく回転センサ回路１０の出力は図５の
（ｂ）に示すように、点線で示すパルス列状の波形が振
動の波形に乗った波形となる。しかし、軸変位キャンセ
ル回路１１の差動増幅器が、（ａ）及び（ｂ）に示す出
力の差動増幅を行うため、振動の影響はキャンセルさ
れ、（ｃ）に示す差動増幅器の出力波形が得られる。こ
れは、図４の（ｃ）の波形と同じである。

【００１９】図４の（ｃ）又は図５の（ｃ）に示す波形
を有する差動増幅器の出力は、次にＨＰＦによってシャ
ープな出力波形とされ（図６の（ａ）参照）、さらにコ
ンパレータを通して矩形のパルス波形とされる（図６の
（ｂ）参照）。矩形のパルス波形は、ＤＳＰ１２に送ら
れ、所定時間内にカウントされたパルス数（又はパルス
周期）から回転体２の回転数が求められる。ＤＳＰ１２
は、このようにして振動発生の有無に関わらず、正確に
パルスをカウントして回転数を求めることができる。従
って、検出した回転数に基づく回転制御を正確に行うこ
とができる。また、振動発生後、回転体２が停止する
と、パルスが出力されなくなり、振動の影響による出力
変動（図５の（ａ））のみが変位センサ回路９及び回転
センサ回路１０から出力される。従って、軸変位キャン
セル回路１１内の差動増幅器の出力は、ほぼ０となり、
軸変位キャンセル回路１１からＤＳＰ１２にパルスが出
力されなくなる。従って、ＤＳＰ１２は、回転体２が停
止したと判断し、磁気浮上を停止して回転体２をタッチ
ダウンさせる。これにより、回転体２の振動は一気に減
衰して消滅する。

【００２０】なお、上記実施形態において、回転体２の
アキシャル方向における浮上位置は、アキシャル磁気軸
受６の磁力を個別に制御することにより上下のアキシャ
ル磁気軸受間のギャップ内で任意に調節することができ
る。従って、アキシャル変位センサ７Ａとターゲット部
２５との対向距離は回転体２の変位や振動とは関わりな
く変化することもある。しかし、この場合でも、回転セ
ンサ８Ａとターゲット部２５との距離が同様に変化する
ため、軸変位キャンセル回路１１における差動増幅によ
り、上記変化分はキャンセルされ、図４の（ｃ）に示す
波形の信号が出力される。従って、回転体２の浮上位置
を任意に選択しつつ、回転体２の回転数を正確に把握す
ることができる。

【００２１】また、上記実施形態においては、回転数の
検出をラジアル方向及びアキシャル方向の双方で行った
が、どちらか一方だけでもよい。さらに、上記実施形態
における軸変位キャンセル回路１１は、アナログで処理
を行いディジタルで出力を行うものであるが、前段の変
位センサ回路９及び回転センサ回路１０においてディジ
タル信号を出力するようにすれば、軸変位キャンセル回
路１１の機能をＤＳＰ１２内で実行させることも可能で
ある。

【００２２】

【発明の効果】以上のように構成された本発明は以下の
効果を奏する。請求項１の磁気浮上回転体の回転数検出
装置によれば、回転体が振動した場合でも、変位検出手
段の出力信号によって、回転検出手段の出力信号のうち
の距離に応じた信号をキャンセルすることにより振動の
影響が取り除かれるので、振動が生じても回転数の信号
のみが抽出される。従って、信号処理手段により、回転
体の回転数や回転停止状態を正確に把握することができ
る。

【００２３】請求項２の磁気浮上回転体の回転数検出装
置によれば、回転体がラジアル方向に振動を生じると、
当該１つのラジアル変位センサと回転センサとに対して
同様に振動による変位の影響が及ぶので、変位検出手段
の出力信号によって、回転検出手段の出力信号のうちの
距離に応じた信号をキャンセルすることにより、振動の
影響が確実に取り除かれる。従って、信号処理手段によ
り、回転体の回転状態を常に正確に把握することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態による磁気浮上回転体の回
転数検出装置を示すブロック図である。

【図２】図１における回転体の主軸部と、これに対向し
て配置されたラジアル変位センサ及び回転センサとの位
置関係を示す部分拡大図である。

【図３】図１における回転体のターゲット部と、これに
対向して配置されたアキシャル変位センサ及び回転セン
サとの位置関係を示す部分拡大図である。

【図４】図１に示す回転数検出装置の定常状態におけ
る、変位センサの出力、回転センサの出力、及び、これ
らの差動増幅出力を示す波形図である。

【図５】図１に示す回転数検出装置の回転体が振動を発
生した場合における、変位センサの出力、回転センサの
出力、及び、これらの差動増幅出力を示す波形図であ
る。

【図６】図４又は図５における差動増幅出力に対するそ
の後の処理を示す波形図である。

【符号の説明】

２回転体５ラジアル磁気軸受６アキシャル磁気軸受７Ａアキシャル変位センサ７Ｒラジアル変位センサ８Ａ回転センサ（アキシャル方向）８Ｒ回転センサ（ラジアル方向）９変位センサ回路１０回転センサ回路１１軸変位キャンセル回路１２ＤＳＰ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 2F069 AA83 BB40 DD09 DD12 EE04 GG04 GG06 GG58 GG59 GG63 HH09 HH30 NN00 NN08 2F077 AA21 AA49 NN03 NN21 PP06 RR02 UU12 3J102 AA01 BA03 BA17 BA18 CA21 CA27 DB05 DB08 DB21 DB22 DB27 DB29 DB32

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】磁気軸受により磁気浮上状態で支持された
回転体と対向して配置されたセンサ部を有し、この回転
体の回転数に応じた信号を、この回転体と前記センサ部
との距離に応じた信号に乗せて出力する回転検出手段
と、前記回転体に対向して配置されたセンサ部を有し、当該
回転体の変位に応じた信号を出力する変位検出手段と、前記変位検出手段の出力信号によって、前記回転検出手
段の出力信号のうちの前記距離に応じた信号をキャンセ
ルする軸変位キャンセル手段と、前記軸変位キャンセル手段の出力信号に基づいて前記回
転体の回転数を検出する信号処理手段とを備えたことを
特徴とする磁気浮上回転体の回転数検出装置。
【請求項２】前記変位検出手段のセンサ部は、複数個設
けられたラジアル変位センサのうちの１つであり、前記
回転検出手段のセンサ部は、当該１つのラジアル変位セ
ンサに近接して配置された回転センサであることを特徴
とする請求項１記載の磁気浮上回転体の回転数検出装
置。