JP2003232601A - 回転体の変位検出センサの取付構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 センサ自体でＳ／Ｎ比を上げることができる
とともに、センサターゲットの透磁率を極端に大きくす
ることなく安定して変位を検出することができる回転体
の変位検出センサの取付構造を提供すること。 【解決手段】 回転体１４のラジアル方向変位により変
化するインダクタンスから検出する回転体の変位検出セ
ンサ１１のセンサコア１２を回転体１４の端面１５と対
向させて回転体１４のラジアル方向変位により磁気回路
の断面積が変化するようにセンサコア１２を回転体１４
の端面１５の外周縁と交差させて直交する対角位置に４
個配置する。これにより、回転体１４のラジアル方向の
変位量を磁気回路の断面積に関係させて検出でき、セン
サ自体で感度を上げることができ、Ｓ／Ｎ比を改善でき
るとともに、センサターゲットの透磁率を極端に高める
こと無く高速回転する場合にも安定して検知できるよう
になる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、回転体の変位検
出センサの取付構造に関し、センサ自体でＳ／Ｎ比を上
げることができ、回転体の透磁率が低い材料でも安定し
て検出できるようにしたもので、特に磁気軸受の変位検
出に好適なものである。

【０００２】

【従来の技術】回転体のラジアル方向等の変位を検出す
る必要がある場合も多く、種々のセンサによる検出が行
われている。

【０００３】例えばターボ圧縮機を直接駆動する誘導電
動機や小型のガスタービンで駆動される誘導発電機など
の回転電機の中には、１０万ｒｐｍ以上の高速回転で運
転されるものがあり、磁気軸受などによって支持される
ロータの変位を検出して磁気軸受を制御することが行わ
れている。

【０００４】このような回転体の変位を検出するセンサ
の一つにインダクタンス形変位センサがあり、例えば図
４に示すように、インダクタンス形変位センサ１がセン
サコア２とセンサコイル３とで構成され、回転体４の外
周面と対向するように周方向に配置し、インダクタンス
の変化量から回転体４のラジアル方向の変位を検出する
ようにしている。

【０００５】すなわち、このインダクタンス形変位セン
サ１による検出原理は、図５に拡大して示すように、各
部の透磁率μ、磁路長ｌ、断面積Ｓ、ギャップ、変位ｘ
等の各値をそれぞれ定めると、磁気抵抗Ｒm を数式１の
ように表すことができる。

【０００６】

【数式１】

【０００７】ここで、インダクタンスＬは、磁気抵抗Ｒ
m の逆数に比例するので、インダクタンスの変化量を検
出することで、回転体４の変位量Δｘを検知することが
できる。

【０００８】この数式１から、回転体４の変位量Δｘを
除く、全ての係数が、図５から明らかなように、インダ
クタンス形変位センサ１によって変化しない一定の値を
とることになる。

【０００９】したがって、インダクタンスＲm の変化量
から回転体４の変位量Δｘを検出することができる。

【００１０】また、通常、センサコア２とセンサターゲ
ット５として電磁鋼板等の透磁率が極端に高い材料を用
いるようにして、空気（真空）の透磁率μ0 より十分に
大きな値とすることで、上記数式１の第１項および第３
項は小さくなり、第２項のみ大きくなるようにして磁気
抵抗Ｒm の変化が回転体４の変位による影響を最も大き
く受けるようにしている。

【００１１】そして、回転体４の対角位置Ｘ，Ｘ´、
Ｙ，Ｙ´に同一の変位センサ１，１，１，１を配置して
２つのセンサＸ，Ｘ´とＹ，Ｙ´の検出値の差分をとる
ことで、直交する方向（Ｙ方向）変位の影響などをキャ
ンセルするようにしており、通常はＸ方向およびＹ方向
の対角位置にそれぞれ２個ずつの変位センサを配置する
ようにして差分をとるようにしている。

【００１２】このような差分をとった場合の回転体４の
変位に対する各変位センサで検出された変位量の一例を
示すと、図６に示す実線のようになる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、このような
インダクタンス形変位センサ１では、検出性能を上げよ
うとしても、数式１から明らかなように、センサ自体で
定まる値のみで検出性能が決まり、センサ自体で改善す
ることが出来ず、センサ自体ではＳ／Ｎ比が低下するこ
とがあり、特に回転体４に取り付けるセンサターゲット
５の材料の透磁率を極端に高くできない場合には、数式
１の第３項の値が大きくなって全体的に磁気抵抗が大き
くなるため回転体４の変位に関係する第２項は全体に埋
もれてしまい、図６中に破線で示すように、差分をとっ
たとしても一層Ｓ／Ｎ比が低下するという問題がある。

【００１４】一方、センサターゲット５の透磁率を大き
くするため、電磁鋼板等のリングを回転体４に取り付け
るようにすると、遠心応力による周速の制限が生じた
り、焼き嵌め部分の浮き上がりなどの問題が生じ、これ
らを考慮した設計をしなければならない。

【００１５】したがって、高価な材料が必要となった
り、組み立て作業の工数が増大するとともに、コスト増
大を招いてしまうという問題がある。

【００１６】この発明は、上記従来技術の有する課題に
鑑みてなされたもので、センサ自体でＳ／Ｎ比を上げる
ことができるとともに、センサターゲットの透磁率を極
端に大きくすることなく安定して変位を検出することが
できる回転体の変位検出センサの取付構造を提供しよう
とするものである。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
この発明の請求項１記載の回転体の変位検出センサの取
付構造は、回転体の変位により変化するインダクタンス
から検出する回転体の変位検出センサの取付構造であっ
て、この変位検出センサのセンサ部分を前記回転体の端
部と対向させて当該回転体の変位により磁気回路の断面
積が変化するように配置したことを特徴とするものであ
る。

【００１８】この回転体の変位検出センサの取付構造に
よれば、回転体の変位により変化するインダクタンスか
ら検出する回転体の変位検出センサの取付構造で、この
変位検出センサのセンサ部分を前記回転体の端部と対向
させて当該回転体の変位により磁気回路の断面積が変化
するように配置しており、センサ部分を回転体の端部と
対向させて回転体の半径方向や軸方向の変位量を磁気回
路の断面積に関係させて検出でき、センサ自体で感度を
上げることができ、Ｓ／Ｎ比を改善できるとともに、セ
ンサターゲットの透磁率を極端に高めること無く高速回
転する場合にも安定して検知できるようにしている。

【００１９】また、この発明の請求項２記載の回転体の
変位検出センサの取付構造は、請求項１記載の構成に加
え、前記回転体の変位をラジアル方向の変位とし、前記
センサ部分を当該回転体の軸方向端面と対向させるとと
もに、この端面の外周縁と交差させて配置したことを特
徴とするものである。

【００２０】この回転体の変位検出センサの取付構造に
よれば、前記回転体の変位をラジアル方向の変位とし、
前記センサ部分を当該回転体の軸方向端面と対向させる
とともに、この端面の外周縁と交差させて配置するよう
にしており、回転体のラジアル方向の変位量を検知する
場合には、回転体の軸方向端面と対向させ、端面の外周
縁と交差させて配置することで、回転体のラジアル方向
の変位を断面積の変化に関係させて検出できるようにな
り、センサ自体で感度を上げることができ、Ｓ／Ｎ比を
改善できるとともに、センサターゲットの透磁率を極端
に高めること無く高速回転する場合にも安定して検知で
きるようにしている。

【００２１】さらに、この発明の請求項３記載の回転体
の変位検出センサの取付構造は、請求項１または２記載
の構成に加え、前記変位検出センサを、前記回転体の端
部の直交する対角位置に４個配置したことを特徴とする
ものである。

【００２２】この回転体の変位検出センサの取付構造に
よれば、前記変位検出センサを前記回転体の端部の直交
する対角位置に４個配置するようにしており、回転体の
直交する対角位置のそれぞれ２個の変位検出センサで差
分をとるとともに、直交する方向の変位をキャンセルす
ることで一層高精度に変位を検出できるようにしてい
る。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、この発明の一実施の形態に
ついて図面に基づき詳細に説明する。図１〜図３はこの
発明の回転体の変位検出センサの取付構造をラジアル方
向の変位を検出する場合に適用した一実施の形態にかか
り、図１は部分正面図および左側面図、検出原理を説明
する部分左側面図および平面図、図３は回転体の変位と
ともに示す検出結果の説明図である。

【００２４】この回転体の変位検出センサの取付構造１
０では、変位検出センサとしてインダクタンス形変位セ
ンサ１１が用いられ、このインダクタンス形変位センサ
１１は、例えばコ字状のセンサコア１２と、このセンサ
コア１２の両端部に巻かれたセンサコイル１３を備えて
構成される。

【００２５】このようなインダクタンス形変位センサ１
１の回転体１４への取り付けは、回転体１４のセンサタ
ーゲット１５となる端部として回転体１４の軸方向端面
または、これと同等の端面を形成し、この端面と対向さ
せてセンサコア１２を配置するとともに、端面の外周縁
が回転体１４の変位によってセンサコア１２と対向する
面積（断面積）が変化するよう端面と交差して配置す
る。

【００２６】このようなセンサターゲット１５として
は、例えば図１に示すように、回転体１４に段差部を形
成して回転体１４の外周側に大径の環状部分を形成し、
その軸方向端面を用いたり、回転体１４の軸方向端面を
そのまま用いたり、回転体１４に別部材として環状のセ
ンサターゲットを焼き嵌め等で取り付けてその軸方向端
面を用いるようにするが、高速回転する回転体１４の変
位量を検出する場合には、一体構造の方が高速回転にと
もなう遠心応力などを抑える上で好ましい。

【００２７】そして、このような回転体１４のラジアル
方向の変位量を検出するため回転体１４の軸方向端面を
センサターゲット１５とし、しかも端面の外周縁がセン
サコア１２と交差するように配置されるインダクタンス
形変位センサ１１は、例えば図１（ｂ）に示すように、
Ｘ方向の対角位置Ｘ，Ｘ´に２個配置するとともに、こ
れと直交するＹ方向の対角位置Ｙ，Ｙ´に２個配置して
あり、対角位置のセンサ１１からの検出値の差分をとる
ことで、Ｘ方向の変位量に対すＹ方向変位の影響をキャ
ンセルしたり、同様にＹ方向の変位量に対すＸ方向変位
の影響をキャンセルして回転体１４の変位を高精度に検
出できるようにする。

【００２８】このような回転体の変位検出センサの取付
構造１０による変位の検出原理は、図２（ａ），（ｂ）
に示す各部の透磁率μ、磁路長ｌ、断面積Ｓ、ギャッ
プ、変位ｘ等の各値をそれぞれ定めるとともに、センサ
コア１２の幅ａを定めておき、図２（ｂ）中、点線で示
す磁気回路の磁気抵抗Ｒm をこれらの値を用いて表す
と、数式２のように求めることができる。

【００２９】

【数式２】

【００３０】ここで、インダクタンスＬは、磁気抵抗Ｒ
m の逆数に比例するので、インダクタンスの変化量を検
出することで、回転体１４の変位量Δｘを検知すること
ができる。

【００３１】そして、この数式２から明らかなように、
回転体１４のラジアル方向の変位量Δｘを磁気回路の断
面積に関係させることができ、センサコア１２の幅ａが
変位量Δｘと掛け合わされた値と関係するため、センサ
自体で変位量の検出感度を上げることができ、Ｓ／Ｎ比
の改善を図ることができる。

【００３２】また、回転体１４の変位量Δｘが、数式２
中の第２項と第３項に含まれることから、従来の場合
（数式１の場合）に比較してセンサターゲットの透磁率
が極端に大きくない材料、例えば通常の鉄材等を使用し
ても、数式２の第３項が大きくなり、全体的に磁気抵抗
が大きくなっても、第３項自体に変位量Δｘの影響が含
まれているため、変位による影響が極端に小さくなるこ
とがなく、安定してラジアル方向の変位を検出すること
ができる。

【００３３】このような回転体の変位検出センサの取付
構造１０による回転体のラジアル方向の変位に対してＸ
方向の２つのセンサＸ，Ｘ´による検出結果およびこれ
らの差分を求めた検出結果の一例が図３に示す実線であ
り、センサターゲット１５として電磁鋼板等の透磁率が
極端に高い材料を用いず、通常の鉄材を用いた場合の検
出結果を示したものが破線である。

【００３４】このような回転体の変位検出センサの取付
構造１０によれば、従来の変位センサの取付構造で問題
となっていたＳ／Ｎ比の改善を図ることができ、特に電
磁鋼板などの透磁率が極端に高い材料でセンサターゲッ
ト１５を構成する必要がなく、高速回転する回転体１４
でも安定してラジアル方向の変位を検出することができ
る。

【００３５】なお、上記実施の形態では、回転体のラジ
アル方向の変位を検出する場合を例に説明したが、アキ
シャル方向の変位の検出に適用することもでき、回転体
の端部にアキシャル方向の変位によって変位検出センサ
の磁気回路の断面積が変化するように取り付けるように
すれば良い。

【００３６】

【発明の効果】以上、一実施の形態とともに具体的に説
明したようにこの発明の請求項１記載の回転体の変位検
出センサの取付構造によれば、回転体の変位により変化
するインダクタンスから検出する回転体の変位検出セン
サの取付構造で、この変位検出センサのセンサ部分を前
記回転体の端部と対向させて当該回転体の変位により磁
気回路の断面積が変化するように配置したので、センサ
部分を回転体の端部と対向させて回転体の半径方向や軸
方向の変位量を磁気回路の断面積に関係させて検出で
き、センサ自体で感度を上げることができ、Ｓ／Ｎ比を
改善できるとともに、センサターゲットの透磁率を極端
に高めること無く高速回転する場合にも安定して変位を
検知することができる。

【００３７】また、この発明の請求項２記載の回転体の
変位検出センサの取付構造によれば、前記回転体の変位
をラジアル方向の変位とし、前記センサ部分を当該回転
体の軸方向端面と対向させるとともに、この端面の外周
縁と交差させて配置するようにしたので、回転体のラジ
アル方向の変位量を検知する場合には、回転体の軸方向
端面と対向させ、端面の外周縁と交差させて配置するこ
とで、回転体のラジアル方向の変位を断面積の変化に関
係させて検出することができ、センサ自体で感度を上げ
ることができ、Ｓ／Ｎ比を改善できるとともに、センサ
ターゲットの透磁率を極端に高めること無く高速回転す
る場合にも安定してラジアル方向の変位を検知すること
ができる。

【００３８】さらに、この発明の請求項３記載の回転体
の変位検出センサの取付構造によれば、前記変位検出セ
ンサを前記回転体の端部の直交する対角位置に４個配置
するようにしたので、回転体の直交する対角位置のそれ
ぞれ２個の変位検出センサで差分をとるとともに、直交
する方向の変位をキャンセルすることで一層高精度にラ
ジアル方向やアキシャル方向の変位を検出することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の回転体の変位検出センサの取付構造
をラジアル方向の変位を検出する場合に適用した一実施
の形態にかかる部分正面図および左側面図である。

【図２】この発明の回転体の変位検出センサの取付構造
をラジアル方向の変位を検出する場合に適用した一実施
の形態にかかる検出原理を説明する部分左側面図および
平面図である。

【図３】この発明の回転体の変位検出センサの取付構造
をラジアル方向の変位を検出する場合に適用した一実施
の形態にかかる回転体の変位とともに示す検出結果の説
明図である。

【図４】従来の回転体の変位検出センサでラジアル方向
の変位を検出する場合の取付構造の部分正面図および左
側面図である。

【図５】従来の回転体の変位検出センサでラジアル方向
の変位を検出する場合の検出原理を説明する部分左側面
図である。

【図６】従来の回転体の変位検出センサでラジアル方向
の変位を検出する場合の回転体の変位とともに示す検出
結果の説明図である。

【符号の説明】

１０ 回転体の変位検出センサの取付構造 １１ インダクタンス形変位検出センサ １２ センサコア １３ センサコイル １４ 回転体 １５ センサターゲット μ 透磁率 ｌ 磁路長 Ｓ 断面積 Δｘ 変位 ａ センサコアの幅 Ｒm 磁気抵抗Ｒm 添字s センサコア 添字R ターゲット 添字0 空気 添字a,g ギャップ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高橋 俊雄 東京都江東区豊洲二丁目１番１号 石川島 播磨重工業株式会社東京第一工場内 (72)発明者 桑田 厳 東京都江東区豊洲二丁目１番１号 石川島 播磨重工業株式会社東京第一工場内 (72)発明者 杉谷 宗寧 東京都江東区豊洲二丁目１番１号 石川島 播磨重工業株式会社東京第一工場内 Ｆターム(参考） 2F063 AA02 BA03 CA08 DA01 DD05 GA03 KA01 3J102 AA01 BA03 CA11 CA27 DB05 DB10 DB38

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】回転体の変位により変化するインダクタン
   スから検出する回転体の変位検出センサの取付構造であ
   って、この変位検出センサのセンサ部分を前記回転体の
   端部と対向させて当該回転体の変位により磁気回路の断
   面積が変化するように配置したことを特徴とする回転体
   の変位検出センサの取付構造。
2. 【請求項２】前記回転体の変位をラジアル方向の変位と
   し、前記センサ部分を当該回転体の軸方向端面と対向さ
   せるとともに、この端面の外周縁と交差させて配置した
   ことを特徴とする請求項１記載の回転体の変位検出セン
   サの取付構造。
3. 【請求項３】前記変位検出センサを、前記回転体の端部
   の直交する対角位置に４個配置したことを特徴とする請
   求項１または２記載の回転体の変位検出センサの取付構
   造。