JP2008256084A - 磁気軸受装置及び磁気軸受スピンドル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】製品コストを抑制しつつ軸受負荷を好適に求めることができる磁気軸受装置及び磁気軸受スピンドル装置を提供する。
【解決手段】制御装置は、一対のアキシャル電磁石及び一対のラジアル電磁石２４ａへ供給される励磁電流値（励磁電圧値）の差を求めるとともに、これら求められた差を係数倍してアキシャル方向及びラジアル方向における軸受負荷として出力する差動増幅回路４３を備えてなる。励磁電流は、アキシャル電磁石及びラジアル電磁石２４ａに供給される定常電流と主軸の変位により変化する制御電流とからなる。アキシャル電磁石及びラジアル電磁石２４ａに対して定常電流を供給することにより非線形性をもつアキシャル電磁石及びラジアル電磁石２４ａの磁気吸引力が線形近似される。このため、一対の電磁石へ供給される励磁電流（励磁電圧）の値の差を求めて係数倍することにより、軸受負荷に対応する値が得られる。
【選択図】図６

Description

本発明は、例えば工作機械の主軸を非接触状態で支持する磁気軸受装置及び磁気軸受スピンドル装置に関するものである。

従来、研削装置、切削装置及びマシニングセンタ等の工作機械において、主軸の高速回転化などを目的として、主軸（スピンドル）を磁気軸受により非接触支持する磁気軸受スピンドル装置が多く使用されるようになってきている。このような磁気軸受スピンドル装置としては、例えば特許文献１に示されるように、スピンドルを１組のアキシャル磁気軸受と２組のラジアル磁気軸受とにより非接触支持するようにしたものが一般的である。
特開平１０−２９１０１号公報

前述したような磁気軸受スピンドル装置においては、異常診断等を行うために磁気軸受の軸受負荷を検出することが求められる。この軸受負荷を検出する方法としては、例えば圧電式の力センサを使用する方法がある。すなわち、図７に示すように、ワーク５１を例えば圧電式の力センサが内蔵されたシュー（受け治具）５２により受けた状態で支持する。力センサは、加工工具５３によりワーク５１が加工される際に当該ワーク５１を通じてシュー５２に作用する力を電気信号に変換し、当該変換した電気信号をワーク５１の受ける力の検出信号として出力する。そして、マイクロコンピュータ等の制御装置は、力センサからの検出信号に基づきワーク５１の受ける力を軸受負荷として求める。なお、当該手法は、主軸の支持手段として玉軸受等の転がり軸受を採用した転がりスピンドル装置にも多く採用されている。しかし、前述した圧電式の力センサは一般に高価であるため、製品コストの点で力センサを使用することなく磁気軸受の軸受負荷を求めることが望まれていた。

そこで、前述した力センサを使用することなく軸受負荷を検出する方法として、磁気軸受を構成する電磁石への供給電流に基づき磁気軸受に作用する負荷を求めることが考えられる。しかしこの場合には、電磁石への供給電流と当該電磁石の吸引力との関係は非線形であることから、電磁石への供給電流に基づき磁気軸受の軸受負荷を求めるためには複雑な演算が必要になる。このため、図８に示されるように、磁気軸受の制御装置６１は、電磁石６４への通電制御を通じて主軸６２の浮上位置制御を行うＰＬＣ（プログラマブル・ロジック・コントローラ）６３に加え、増幅器６５を通じて電磁石６４へ供給される電流に基づき磁気軸受の軸受負荷を演算するボードコンピュータ６６を備えて構成される。製品コストの観点からボードコンピュータ６６の採用は好ましくないものの、ＰＬＣ６３では軸受負荷を求めるための前述した複雑な演算を行うことは困難であることからボードコンピュータ６６を採用せざるを得ないという実状がある。このため、制御装置６１の構成が複雑化するとともに、製品コストの低減化を阻害する一因となっていた。

本発明は上記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、製品コストを抑制しつつ軸受負荷を好適に求めることができる磁気軸受装置及び磁気軸受スピンドル装置を提供することにある。

請求項１に記載の発明は、回転体を磁気吸引力によってラジアル方向における中立位置に非接触状態で支持すべく当該回転体を間に挟んで対向配置される一対のラジアル電磁石を含むラジアル磁気軸受と、前記回転体を磁気吸引力によってアキシャル方向における中立位置に非接触状態で支持すべく当該回転体に設けられた回転部材を間に挟んで対向配置される一対のアキシャル電磁石を含むアキシャル磁気軸受と、前記回転体の中立位置に対するラジアル方向及びアキシャル方向への変位を検出して当該検出結果を当該回転体の変位情報として出力する変位検出手段と、前記変位検出手段を通じて取得される前記回転体の変位情報に基づき当該回転体をラジアル方向及びアキシャル方向における前記中立位置に保持すべく前記ラジアル電磁石及びアキシャル電磁石に一定の定常電流と前記回転体の変位によって変化する制御電流とからなる励磁電流を供給する制御手段とを備えてなる磁気軸受装置において、前記制御手段は、ラジアル方向において対向する一対のラジアル電磁石へ供給する励磁電流の値の差及びアキシャル方向において対向する一対のアキシャル電磁石へ供給する励磁電流の値の差を求めるとともに当該求めた差を係数倍した値をラジアル方向及びアキシャル方向における軸受負荷として求める演算手段を備えてなることをその要旨とする。

本発明によれば、一対のラジアル電磁石及び一対のアキシャル電磁石に対してそれぞれ定常電流を供給することにより、強い非線形性をもつラジアル電磁石及びアキシャル電磁石の吸引力が線形近似（１次関数に近似）される。この結果、磁気軸受系を線形システムとして扱うことができるとともに、線形制御理論による制御が可能になる。そして、この定常電流によるラジアル電磁石及びアキシャル電磁石の線形制御を利用して軸受負荷が求められる。すなわち、対向する一対のラジアル電磁石及び対向する一対のアキシャル電磁石へ供給される励磁電流の値の差をとり、係数倍すれば軸受負荷となる。このため、軸受負荷を求めるにあたって、制御手段の演算負荷が軽減される。したがって、複雑な演算を行うために高価なボードコンピュータを採用する必要がない。そして、ボードコンピュータに比べて一般に安価であるＰＬＣ（プログラマブル・ロジック・コントローラ）のみでの軸受制御が可能となる。また、例えば一般に高価である圧電式の力センサを通じて軸受負荷を計測する場合と異なり当該力センサを設ける必要もない。したがって、製品コストを抑制しつつ簡素な演算により軸受負荷を好適に求めることができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の磁気軸受装置において、前記演算手段は、前記一対のラジアル電磁石及び前記一対のアキシャル電磁石にそれぞれ対応して設けられる差動増幅回路を含み、これら差動増幅回路の反転入力端子及び非反転入力端子には、対応する前記一対のラジアル電磁石又は前記一対のアキシャル電磁石へ供給される励磁電流を入力する構成としたことをその要旨とする。

本発明によれば、一対のラジアル電磁石又は一対のアキシャル電磁石へ供給される励磁電流は差動増幅回路の反転入力端子及び非反転入力端子に入力される。これら反転入力端子及び非反転入力端子に入力された２つの電流の値の差は定められた増幅率で増幅されて軸受負荷として出力端子から出力される。このように、差動増幅回路といった簡素な構成により軸受負荷を簡単に求めることができる。

請求項３に記載の発明は、磁気軸受スピンドル装置において、工具又はワークが装着される回転体としての主軸が請求項１又は請求項２に記載の磁気軸受装置により非接触状態で支持されてなることをその要旨とする。

本発明によれば、製品コストを抑制しつつ簡素な演算により軸受負荷を好適に求めることができる磁気軸受装置を採用することにより、磁気軸受スピンドル装置の製品コストの低減化が図られる。

本発明によれば、製品コストを抑制しつつ軸受負荷を好適に求めることができる。

以下、本発明を、工作機械に搭載される磁気軸受スピンドル装置に具体化した一実施の形態を図１〜図６に基づいて説明する。
図１に示されるように、磁気軸受スピンドル装置１１は図示しない工作機械の架台１２の上面に配設されている。磁気軸受スピンドル装置１１は制御装置１３により制御される。磁気軸受スピンドル装置１１のケーシング２１の内部には、主軸（スピンドル）２２が架台１２の上面に対して水平に配設されている。この主軸２２の中間部位における外周面には円環板状の鍔部材２２ａが外嵌固定されている。また、主軸２２の外端部（図１における右端部）には、図示しない加工工具又はワークが取り付けられる。

ケーシング２１の内部には、主軸２２をアキシャル方向（軸方向）において非接触支持する１組のアキシャル磁気軸受２３、及び主軸２２をラジアル方向（半径方向）において非接触支持する左右２組のラジアル磁気軸受２４，２４が配設されている。アキシャル磁気軸受２３は、２組のラジアル磁気軸受２４，２４の間に設けられている。なお、アキシャル方向は、ＸＹＺ座標系におけるＺ軸方向に、同じくラジアル方向はＸ軸方向及びＹ軸方向に対応する。

アキシャル磁気軸受２３は、ケーシング２１の内周面に固定された２つの円環状のアキシャル電磁石２３ａ，２３ａ、及びケーシング２１の内底面に主軸２２の内端部（図１における左端部）に対向して固定されたアキシャル変位センサ２３ｂを備えてなる。

２つのアキシャル電磁石２３ａ，２３ａは、アキシャル方向において鍔部材２２ａを間に挟んで互いに対向するように配設されている。それらアキシャル電磁石２３ａ，２３ａの鍔部材２２ａ側の側面と主軸２２の軸方向において鍔部材２２ａの互いに反対側に位置する２つの環状面との間には、所定の間隙（アキシャルギャップ）Ｇａｘが形成されている。そして、アキシャル変位センサ２３ｂによりアキシャル方向（Ｚ軸方向）への変位を検出するとともに、当該検出結果に基づいて２つのアキシャル電磁石２３ａ，２３ａの吸引力の調節が行われることにより、主軸２２はアキシャル方向において浮上し、当該アキシャル方向における所定の中立位置に非接触状態で且つ安定して支持される。

図２に示されるように、１組のラジアル磁気軸受２４は、ケーシング２１の内周面に固定された４つのラジアル電磁石２４ａ、及びこれらラジアル電磁石２４ａに対応して配設される４つのラジアル変位センサ２４ｂを備えてなる。２対のラジアル電磁石２４ａは、互いに直交する２つのラジアル方向（ＸＹＺ座標系におけるＸ軸方向及びＹ軸方向）において主軸２２を間に挟んで互いに対向するように設けられている。すなわち、４つのラジアル電磁石２４ａは、主軸２２の回転方向において９０度毎に配設されている。４つのラジアル電磁石２４ａの先端面には、主軸２２の外周面の曲率に対応した円弧面２４ｃが凹設されている。これら円弧面２４ｃと主軸２２の外周面との間には、所定の間隙（ラジアルギャップ）Ｇｒｄが形成されている。そして、４つのラジアル変位センサ２４ｂにより主軸２２の互いに直交する２つのラジアル方向への変位を検出するとともに、これら検出結果に基づいて４つのラジアル電磁石２４ａの吸引力の調節が行われることにより、主軸２２はラジアル方向において浮上し、当該ラジアル方向における所定の中立位置に非接触状態で且つ安定して支持される。

さらに、図１に示されるように、ケーシング２１の内部において、ケーシング２１の奥側に配設されたアキシャル電磁石２３ａと、同じく奥側に配設されたラジアル電磁石２４ａとの間には、主軸２２を回転させる駆動源としてモータ２５が組み込まれている。モータ２５は、ケーシングの内周面に固定されるとともにコイルが巻回されたステータ、及び主軸２２の外周面における当該ステータに対応する部位に設けられた図示しないマグネットロータを備えてなる公知の構成とされている。

＜電気的構成＞
次に、磁気軸受スピンドル装置１１の電気的な構成について説明する。
図３に示すように、磁気軸受スピンドル装置１１の制御装置１３は、ＣＰＵ（中央処理装置）３１、ＲＯＭ３２（読み取り専用メモリ）及びＲＡＭ（読み取り書き込みメモリ）３３を備えてなる。これらＣＰＵ３１、ＲＯＭ３２及びＲＡＭ３３は図示しないバスを介して相互に接続されている。ＲＯＭ３２には磁気軸受スピンドル装置１１の各部を制御するための各種の制御プログラム等が格納されている。当該制御プログラムとしては、例えばアキシャル電磁石２３ａ及びラジアル電磁石２４ａの通電制御を行う電磁石制御プログラムがあり、モータ２５の駆動制御を行うモータ制御プログラムが含まれる場合もある。ＲＡＭ３３はＲＯＭ３２に格納された制御プログラムを展開してＣＰＵ３１が各種の処理を実行するためのデータ記憶領域、すなわち作業領域である。そしてＣＰＵ３１は、ＲＯＭ３２に格納された各種の制御プログラムに基づき磁気軸受スピンドル装置１１を統括的に制御する。

ＣＰＵ３１には、１組のアキシャル磁気軸受２３を構成する２つのアキシャル電磁石２３ａ及び２組のラジアル磁気軸受２４を構成する合計８つのラジアル電磁石２４ａが接続されている。また、ＣＰＵ３１には、１組のアキシャル磁気軸受２３を構成するアキシャル変位センサ２３ｂ及び２組のラジアル磁気軸受２４を構成する合計８つのラジアル変位センサ２４ｂが接続されている。さらに、ＣＰＵ３１には、モータ２５が図示しないモータ駆動回路を介して接続されている。なお、図３では、便宜上、アキシャル電磁石２３ａ及びアキシャル変位センサ２３ｂ並びにラジアル電磁石２４ａ及びラジアル変位センサ２４ｂは、それぞれ１つだけ図示する。

アキシャル変位センサ２３ｂは、主軸２２のアキシャル方向における変位を検出し、その検出信号を主軸２２のアキシャル方向における変位情報としてＣＰＵ３１へ出力する。ラジアル変位センサ２４ｂは、主軸２２のラジアル方向における変位を検出し、その検出信号を主軸２２のラジアル方向における変位情報としてＣＰＵ３１へ出力する。これらアキシャル変位センサ２３ｂ及びラジアル変位センサ２４ｂは、本発明の変位検出手段を構成する。

ＣＰＵ３１は、アキシャル変位センサ２３ｂ及びラジアル変位センサ２４ｂを通じて取得した主軸２２の変位情報に基づきアキシャル電磁石２３ａ及びラジアル電磁石２４ａへの通電を制御し、これによりアキシャル電磁石２３ａ及びラジアル電磁石２４ａの吸引力の調節を行う。

詳述すると、ＣＰＵ３１は、各アキシャル電磁石２３ａ及び各ラジアル電磁石２４ａ、正確にはそれらを構成する励磁コイルに対して、一定の定常電流と主軸２２の変位に基づき値が変更される制御電流とからなる励磁電流を供給する。アキシャル方向において互いに対向する一対のアキシャル電磁石２３ａ、及び互いに直交する２つのラジアル方向において互いに対向する一対のラジアル電磁石２４ａに供給される定常電流は、互いに等しく且つ主軸２２の変位の有無にかかわらず一定の値とされる。

ＣＰＵ３１は、アキシャル変位センサ２３ｂ及びラジアル変位センサ２４ｂを通じて取得した主軸２２の変位情報に基づきアキシャル電磁石２３ａ及びラジアル電磁石２４ａへ供給する制御電流を変化させる。互いに対向する一対のアキシャル電磁石２３ａ及び互いに対向する一対のラジアル電磁石２４ａに供給される制御電流は、絶対値が等しく且つ符号（＋、−）が反対とされる。すなわち、一方のアキシャル電磁石２３ａ及びラジアル電磁石２４ａに供給される制御電流が正の値であるとき、他方のアキシャル電磁石２３ａ及びラジアル電磁石２４ａに供給される制御電流は前述した一方のアキシャル電磁石２３ａ及びラジアル電磁石２４ａに供給される制御電流と絶対値の等しい負の値とされる。

なお、アキシャル電磁石２３ａ及びラジアル電磁石２４ａに対してバイアス電流として常に一定の定常電流が供給されることにより、アキシャル電磁石２３ａ及びラジアル電磁石２４ａに供給される制御電流と磁気吸引力との関係が線形化される。

＜制御電流と磁気吸引力との関係＞
ここで、一対のアキシャル電磁石２３ａ及びＸ軸方向において対向する一対のラジアル電磁石２４ａへ供給される制御電流と磁気吸引力との関係について説明する。なお、当該供給される制御電流と磁気吸引力との関係において、一対のアキシャル電磁石２３ａ及びＸ軸方向において対向する一対のラジアル電磁石２４ａは、同様の関係を示す。このため、ここではＸ軸方向（図２における左右方向）において対向配置された一対のラジアル電磁石２４ａ，２４ａへ供給される制御電流と磁気吸引力との関係について代表的に説明する。

＜Ｘ軸方向及びＺ軸方向＞
図４に示されるグラフにおいて、横軸は、Ｘ軸正側（図２における右側）のラジアル電磁石２４ａへ供給される制御電流Ｉ１及びＸ軸負側（図２における左側）のラジアル電磁石２４ａへ供給される制御電流Ｉ２を示す。制御電流Ｉ１は、当該グラフの原点０を基準として右側が正、同じく左側が負とされている。制御電流Ｉ２は制御電流Ｉ１と絶対値が等しくて符号（正負）が逆であることから、当該制御電流Ｉ２は、同グラフの原点０を基準として左側が正、右側が負となる。また、当該グラフにおいて、縦軸は磁気吸引力Ｆを示す。磁気吸引力Ｆは原点０を基準として上側が正、同じく下側が負とされている。

磁気吸引力ＦについてＸ軸正側を正、Ｘ軸負側を負としたとき、磁気吸引力Ｆ１は正、磁気吸引力Ｆ２は負となる。そして、Ｘ軸正側のラジアル電磁石２４ａにおいては、制御電流Ｉ１が定常電流Ｉ０と絶対値の等しい負の値のときに磁気吸引力Ｆ1がゼロとなる。そして、制御電流Ｉ１が増加するにつれて磁気吸引力Ｆ1は二次関数的に増加する。

また、Ｘ軸負側のラジアル電磁石２４ａにおいては、制御電流Ｉ２が定常電流Ｉ０と絶対値の等しい負の値のときに、すなわち制御電流Ｉ１が定常電流Ｉ０と絶対値の等しい正の値のときに、磁気吸引力Ｆ２がゼロとなる。そして、制御電流Ｉ２が増加するにつれて、すなわち制御電流Ｉ１が減少するにつれて磁気吸引力Ｆ２の絶対値は二次関数的に増加する。

また、制御電流Ｉ１，Ｉ２がゼロのとき、励磁電流は定常電流Ｉ０に等しくなる。そして、Ｘ軸正側のラジアル電磁石２４ａの磁気吸引力Ｆ１はＦ０に、またＸ軸負側のラジアル電磁石２４ａの磁気吸引力Ｆ２は−Ｆ０になり、これら対向する一対のラジアル電磁石２４ａの全体の磁気吸引力Ｆｔはゼロになる。そして、当該全体の磁気吸引力Ｆｔは、原点０を通りＸ軸正側のラジアル電磁石２４ａの制御電流Ｉ１の増加に伴い増加する直線となる。すなわち、当該制御電流Ｉ１と全体の磁気吸引力Ｆｔとは比例する。

ＣＰＵ３１は、図示しない公知のＰＩＤ制御等を通じて、主軸２２のＸ軸方向における変位に対応する一対のラジアル電磁石２４ａ全体の磁気吸引力Ｆｔを求め、この求めた磁気吸引力Ｆｔに対応するＸ軸正側のラジアル電磁石２４ａの制御電流Ｉ１を求める。そして、ＣＰＵ３１は、当該制御電流Ｉ１に対応する制御電流信号Ｖｏ１をＸ軸正側のラジアル電磁石２４ａに、また当該制御電流Ｉ１と絶対値の等しい負の値となる制御電流−Ｉ１に対応する制御電流信号Ｖｏ２をＸ軸負側のラジアル電磁石２４ａに出力する。前述したように、Ｘ軸正側のラジアル電磁石２４ａの制御電流Ｉ１と、Ｘ軸正側及びＸ軸負側の一対のラジアル電磁石２４ａの全体の磁気吸引力Ｆｔとは比例するので、当該全体の磁気吸引力Ｆｔが求まれば、図４のグラフに示される前述した比例関係から簡単にＸ軸正側のラジアル電磁石２４ａの制御電流Ｉ１を求めることができる。

例えば、主軸２２がＸ軸方向における中立位置からＸ軸負側へ微小変位した場合、これがラジアル変位センサ２４ｂを通じて検出され、この検出結果に基づき主軸２２を前記の中立位置に戻すようにＸ軸正側及びＸ軸負側の一対のラジアル電磁石２４ａに励磁電流が供給される。

すなわち、図４のグラフに示されるように、Ｘ軸正側のラジアル電磁石２４ａには、定常電流Ｉ０と正の値の制御電流Ｉａとを合わせた励磁電流（＝Ｉ０＋Ｉａ）が供給される。この結果、当該励磁電流に対応するＸ軸正側へ向く磁気吸引力Ｆ１ａがＸ軸正側のラジアル電磁石２４ａに発生する。また、Ｘ軸負側のラジアル電磁石２４ａには、定常電流Ｉ０と負の値の制御電流−Ｉａとを合わせた励磁電流（＝Ｉ０−Ｉａ）が供給される。この結果、当該励磁電流に対応するＸ軸負側へ向く磁気吸引力−Ｆ２ａがＸ軸負側のラジアル電磁石２４ａに発生する。

ここで、Ｘ軸正側のラジアル電磁石２４ａの磁気吸引力Ｆ１ａの絶対値は、Ｘ軸負側のラジアル電磁石２４ａの磁気吸引力−Ｆ２ａの絶対値より大きいので、両者を合わせたＸ軸正側及びＸ軸負側の一対のラジアル電磁石２４ａの全体の磁気吸引力Ｆｔ＝Ｆａは正の値となる。このため、主軸２２はＸ軸の正側へ、すなわち変位が小さくなる側へ吸引される。

主軸２２が中立位置からＸ軸正側へ微小変位した場合は、前述の場合とは逆に、Ｘ軸正側及びＸ軸負側の一対のラジアル電磁石２４ａの全体の磁気吸引力Ｆｔは負の値となる。そして、Ｘ軸正側のラジアル電磁石２４ａには当該全体の磁気吸引力Ｆｔに比例する負の値の制御電流が供給され、Ｘ軸負側のラジアル電磁石２４ａにはＸ軸正側のラジアル電磁石２４ａに供給される制御電流と絶対値が等しい正の値の制御電流が供給される。

このようにＸ軸正側及びＸ軸負側の一対のラジアル電磁石２４ａ，２４ａの制御電流が制御されることにより、主軸２２はＸ軸方向における中立位置に保持される。なお、一対のアキシャル電磁石２３ａ，２３ａへ供給される制御電流と磁気吸引力との関係についても、前述と同様である。

＜Ｙ軸方向＞
次に、Ｙ軸方向（図１における上下方向）において対向する一対のラジアル電磁石２４ａ，２４ａに供給される制御電流と磁気吸引力との関係について説明する。

図５に示されるグラフにおいて、横軸はＹ軸正側（図１における上側）のラジアル電磁石２４ａへ供給される制御電流Ｉ１を示し、同グラフの原点０を基準として右側が正、左側が負である。Ｙ軸負側（図１における下側）のラジアル電磁石２４ａへ供給される制御電流Ｉ２は正の値であって、Ｙ軸正側のラジアル電磁石２４ａへ供給される負の値の制御電流Ｉ１と絶対値が等しい。このため、同グラフの横軸の原点０より左側の部分は、Ｙ軸負側のラジアル電磁石２４ａの制御電流Ｉ２をも示している。そして、当該制御電流Ｉ２については、同グラフの原点０を基準として左側が正、右側が負である。

また、同グラフにおいて、縦軸は磁気吸引力Ｆを示し、原点０を基準として上側が正、下側が負である。Ｙ軸正側のラジアル電磁石２４ａに供給される制御電流Ｉ１が定常電流Ｉ０と絶対値の等しい負の値−Ｉ０のときにＹ軸正側のラジアル電磁石２４ａの磁気吸引力Ｆ１はゼロとなる。この磁気吸引力Ｆ１は、制御電流Ｉ１の増加に伴って二次関数的に増加し、制御電流Ｉ１がゼロのときＦ０となる。Ｙ軸正側のラジアル電磁石２４ａの制御電流Ｉ１が正である領域において、Ｙ軸負側のラジアル電磁石２４ａの制御電流Ｉ２はゼロ、すなわちＹ軸負側のラジアル電磁石２４ａの磁気吸引力Ｆ２はゼロとなる。したがって、Ｙ軸正側のラジアル電磁石２４ａの磁気吸引力Ｆ１がそのままＹ軸正側及びＹ軸負側の一対のラジアル電磁石２４ａ，２４ａ全体の磁気吸引力Ｆｔとなる。

Ｙ軸正側のラジアル電磁石２４ａの制御電流Ｉ１がゼロのとき、Ｙ軸負側のラジアル電磁石２４ａの制御電流Ｉ２はゼロ、すなわちＹ軸負側のラジアル電磁石２４ａの磁気吸引力Ｆ２はゼロとなる。そして、Ｙ軸正側のラジアル電磁石２４ａの制御電流Ｉ１が負である領域において、制御電流Ｉ１の減少（制御電流Ｉ２の増加）に伴って、Ｙ軸負側のラジアル電磁石２４ａの磁気吸引力Ｆ２の絶対値は二次関数的に増加する。したがって、Ｙ軸正側及びＹ軸負側の一対のラジアル電磁石２４ａ，２４ａ全体の磁気吸引力Ｆｔは、制御電流Ｉ１がゼロで磁気吸引力Ｆ１がＦ０の点を通り制御電流Ｉ１の減少に伴って減少する直線となる。すなわち、当該制御電流Ｉ１と全体の磁気吸引力Ｆｔとは比例する。

次に、主軸２２のＹ軸方向への変位がゼロのとき、ＣＰＵ３１により求められる磁気吸引力Ｆ１の値はゼロ、すなわちこれに対応する制御電流Ｉ１，Ｉ２は共にゼロとなる。このため、ＣＰＵ３１からＹ軸正側のラジアル電磁石２４ａに供給される励磁電流は定常電流Ｉ０に等しくなるとともに、同じくＹ軸負側のラジアル電磁石２４ａに供給される励磁電流はゼロとなり、Ｙ軸正側及びＹ軸負側の一対のラジアル電磁石２４ａ，２４ａ全体の磁気吸引力ＦｔはＦ０となる。そして、この磁気吸引力Ｆ０が主軸２２に作用する重力と釣り合うことにより、主軸２２はＹ軸方向における中立位置に保持される。

主軸２２がＹ軸負側に変位した場合、ＣＰＵ３１で演算される磁気吸引力Ｆｔの値は正の値となる。すなわち、全体の磁気吸引力Ｆｔは、前述した磁気吸引力Ｆ０に増分ａを加えた値Ｆａとなる。そして、ＣＰＵ３１は、Ｙ軸負側のラジアル電磁石２４ａの制御電流Ｉ２の値をゼロとする。また、ＣＰＵ３１は、記憶している全体の磁気吸引力Ｆｔと制御電流Ｉ１との関係から、磁気吸引力Ｆａに対応するＹ軸正側のラジアル電磁石２４ａの制御電流Ｉａを求めて、当該Ｙ軸正側のラジアル電磁石２４ａに供給する。これにより、Ｙ軸正側のラジアル電磁石２４ａの励磁電流は（Ｉ０＋Ｉａ）となる。すなわち、当該Ｙ軸正側のラジアル電磁石２４ａによる上向きの磁気吸引力Ｆａ（＝Ｆ０＋ａ）が主軸２２に作用する重力（＝Ｆo）より大きくなるので、主軸２２は全体として上向きの力を受ける。

主軸２２がＹ軸正側に変位した場合、ＣＰＵ３１で演算される磁気吸引力の値は負の値となる。すなわち、全体の磁気吸引力Ｆｔは、前述した磁気吸引力Ｆ０から減分ｂを引いた値Ｆｂとなる。ＣＰＵ３１は、記憶している磁気吸引力Ｆｔと制御電流Ｉ１との関係から、磁気吸引力Ｆｂに対応する負の制御電流−Ｉｂを求めて、当該Ｙ軸負側のラジアル電磁石２４ａに供給する。また、ＣＰＵ３１は、当該制御電流Ｉｂと絶対値の等しい正の制御電流ＩｂをＹ軸負側のラジアル電磁石２４ａに供給する。これにより、Ｙ軸正側のラジアル電磁石２４ａの励磁電流は（Ｉ０−Ｉｂ）、Ｙ軸負側のラジアル電磁石２４ａの励磁電流はＩｂとなる。すなわち、Ｙ軸正側及びＹ軸負側の一対のラジアル電磁石２４ａ，２４ａによる上向きの磁気吸引力Ｆｂ（＝Ｆ０−ｂ）が主軸２２作用する重力より小さくなり、主軸２２は全体として下向きの力を受ける。

このようにＹ軸正側及びＹ軸負側の一対のラジアル電磁石２４ａ，２４ａの制御電流が制御されることにより、主軸２２はＹ軸方向における中立位置に保持される。
＜軸受負荷の検出回路＞
非接触型の軸受である磁気軸受の負荷容量は、例えば転がり軸受けに比べて一般に小さい。このため、何らかの原因で主軸２２に大きな荷重がかかると、当該主軸２２が磁気軸受に接触する等のおそれがある。このため、磁気軸受が搭載される工作機械等においては、当該軸受負荷に応じて磁気軸受及び当該軸受に支持される主軸等を好適に制御するために、当該軸受負荷を監視することが求められる。したがって、前述のように構成した磁気軸受スピンドル装置１１の制御装置１３には、前述した軸受負荷を求めるための演算手段が設けられている。当該演算手段は前述した定常電流（バイアス電流）によるアキシャル電磁石２３ａ及びラジアル電磁石２４ａの線形制御を利用して軸受負荷を求めるべく構成されている。

すなわち、図６に示すように、ＣＰＵ３１と各アキシャル電磁石２３ａ及び各ラジアル電磁石２４ａとの間には、それぞれ反転増幅回路が設けられている。同図では、説明の便宜上、一対のラジアル電磁石２４ａ，２４ａに対応する一対の反転増幅回路４１，４２のみ図示する。これら反転増幅回路４１，４２の出力端子は、対応するラジアル電磁石２４ａ，２４ａの励磁コイルＣ，Ｃを介して差動増幅回路４３に接続されている。この差動増幅回路４３が本発明の演算手段に相当する。

反転増幅回路４１を構成する増幅器４４の反転入力端子（−）は入力抵抗Ｒｓを介してＣＰＵ３１に、同じく非反転入力端子（＋）はグランドに接続されている。さらに、入力抵抗Ｒｓと増幅器４４の反転入力端子（−）との接続点Ｐ１と、増幅器４４の出力端子と励磁コイルＣとの間の接続点Ｐ２との間には、帰還抵抗Ｒｆが接続されている。反転増幅回路４２は、前述した反転増幅回路４１と同様の構成とされていることから、同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。

したがって、ラジアル電磁石２４ａの吸引力を制御すべくＣＰＵ３１から出力される制御指令信号Ｖｉｎ１，Ｖｉｎ２は、入力抵抗Ｒｓの抵抗値及び帰還抵抗Ｒｆの抵抗値との比に基づく増幅率（＝Ｒｆ／Ｒｓ）で増幅されることにより制御電流信号Ｖｏ１，Ｖｏ２とされる。そしてこれら制御電流信号Ｖｏ１，Ｖｏ２は増幅器４４，４４の出力端子を通じて励磁コイルＣ，Ｃに供給される（Ｖｏ１＝−（Ｒｆ／Ｒｓ）Ｖｉｎ１、Ｖｏ２＝−（Ｒｆ／Ｒｓ）Ｖｉｎ２）。この結果、当該励磁コイルＣには制御電流Ｉ１，Ｉ２が生じる。

差動増幅回路４３を構成する増幅器４５の反転入力端子（−）は入力抵抗Ｒ１を介して、対をなす２つのラジアル電磁石２４ａ，２４ａのうち一方のラジアル電磁石２４ａを構成する励磁コイルＣの増幅器４４と反対側の端部に接続されている。同じく増幅器４５の非反転入力端子（＋）は入力抵抗Ｒ２を介して、対をなす他方のラジアル電磁石２４ａを構成する励磁コイルＣの増幅器４４と反対側の端部に接続されている。入力抵抗Ｒ１と増幅器４５の反転入力端子（−）との間の接続点Ｐ３と増幅器４５の出力端子との間には、帰還抵抗Ｒ３が接続されている。また、入力抵抗Ｒ２と増幅器４５の非反転入力端子（＋）との間の接続点Ｐ４とグランドとの間には抵抗Ｒ４が接続されている。なお、２つの入力抵抗Ｒ１，Ｒ２の抵抗値は同じ値とされている（Ｒ１＝Ｒ２）。また、帰還抵抗Ｒ３及び抵抗Ｒ４の抵抗値は同じ値とされている（Ｒ３＝Ｒ４）。

ここで、一方の反転増幅回路４１に対応するラジアル電磁石２４ａの励磁コイルＣと差動増幅回路４３の入力抵抗Ｒ１との接続点Ｐ５とグランドとの間には、抵抗Ｒ５が接続されている。他方の反転増幅回路４２に対応するラジアル電磁石２４ａの励磁コイルＣと差動増幅回路４３の入力抵抗Ｒ２との接続点Ｐ６とグランドとの間には、抵抗Ｒ６が接続されている。このため、対をなす２つのラジアル電磁石２４ａ，２４ａの励磁コイルＣに供給された制御電流は、抵抗Ｒ５，Ｒ６を通じて電圧に変換されて増幅器４５の反転流力端子（−）及び非反転入力端子（＋）に入力される。

したがって、対をなす２つのラジアル電磁石２４ａ，２４ａの励磁コイルＣ，Ｃに生じる励磁電流は、抵抗Ｒ５，Ｒ６の抵抗値に基づき所定の電圧値Ｖ１，Ｖ２に変換されて差動増幅回路４３を構成する増幅器４５の反転入力端子（−）及び非反転入力端子（＋）に入力される。増幅器４５は、これら電圧値Ｖ１，Ｖ２の差（Ｖ１−Ｖ２）を、帰還抵抗Ｒ３と入力抵抗Ｒ１との比に基づく増幅率（＝Ｒ３／Ｒ１）で増幅して軸受負荷信号Ｖｌとし、この軸受負荷信号Ｖｌを、出力端子を通じてＣＰＵ３１に出力する。

前述したように、対をなすラジアル電磁石２４ａ，２４ａの磁気吸引力Ｆと制御電流Ｉ１，Ｉ２とは比例関係にあることから、対をなす２つのラジアル電磁石２４ａ，２４ａへ供給される励磁電流（定常電流＋制御電流）の値の差をとり、係数倍すれば磁気吸引力Ｆで示される軸受負荷に対応した結果（電流値）が得られる。本実施の形態では、対をなす２つのラジアル電磁石２４ａ，２４ａへ供給される励磁電流に対応する電圧値（励磁電圧の値）Ｖ１，Ｖ２の差を求め、当該差（＝Ｖ１−Ｖ２）を係数倍（ここでは、「Ｒ３／Ｒ１」倍）することにより軸受負荷の検出結果として当該軸受負荷に対応した値となる軸受負荷信号ＶｌがＣＰＵ３１に出力される。これは、一対のアキシャル電磁石２３ａ，２３ａ並びに二対を一組とする二組のラジアル電磁石２４ａ，２４ａの各対のすべてにおいて同様である。

そして、ＣＰＵ３１は、一対のアキシャル電磁石２３ａ，２３ａ並びに複数対（本実施の形態では、八対）のラジアル電磁石２４ａ，２４ａにそれぞれ対応して設けられた差動増幅回路４３からの出力に基づき、一組のアキシャル磁気軸受２３及び二組のラジアル磁気軸受２４の負荷状態を判定する。そして、ＣＰＵ３１は当該負荷状態に応じて各アキシャル電磁石２３ａ及びラジアル電磁石２４ａの磁気吸引力の制御、並びに主軸２２の回転数制御等を行う。

＜実施の形態の効果＞
従って、本実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
（１）制御装置１３は、対をなす一対のアキシャル電磁石２３ａ及び対をなす一対のラジアル電磁石２４ａへ供給される励磁電流に対応する電圧値Ｖ１，Ｖ２の差を求め、当該差（＝Ｖ１−Ｖ２）を係数倍（「Ｒ３／Ｒ１」倍）することによりラジアル方向及びアキシャル方向における軸受負荷を求める演算手段として差動増幅回路４３を備えてなる。なお、対をなす一対のアキシャル電磁石２３ａ及び対をなす一対のラジアル電磁石２４ａへ供給される励磁電流に対応する電圧値の差を求めて当該差を係数倍することは、対をなす一対のアキシャル電磁石２３ａ及び対をなす一対のラジアル電磁石２４ａへ供給される励磁電流の値の差を求めて当該差を係数倍することと同義である。

この構成によれば、一対のラジアル電磁石２４ａ，２４ａ及び一対のアキシャル電磁石２３ａ，２３ａに対してそれぞれ定常電流を供給することにより、強い非線形性をもつアキシャル電磁石２３ａ及びラジアル電磁石２４ａの磁気吸引力が線形近似（１次関数に近似）される。この結果、磁気軸受系を線形システムとして扱うことができるとともに、線形制御理論による制御が可能になる。そして、この定常電流によるラジアル電磁石２４ａ及びアキシャル電磁石２３ａの線形制御を利用して軸受負荷が求められる。すなわち、対向する一対のラジアル電磁石２４ａ，２４ａ及び対向する一対のアキシャル電磁石２３ａ，２３ａへ供給される励磁電流の値の差をとり、係数倍すれば軸受負荷（正確には、軸受負荷に対応する値）となる。

このため、軸受負荷を求めるにあたって、制御装置１３、正確にはＣＰＵ３１の演算負荷が軽減される。したがって、複雑な演算を行うために高価なボードコンピュータを採用する必要がない。そして、ボードコンピュータに比べて一般に安価であるＰＬＣ（プログラマブル・ロジック・コントローラ）のみでの軸受制御も可能となる。また、例えば一般に高価である圧電式の力センサを通じて軸受負荷を計測する場合と異なり当該力センサを設ける必要もない。したがって、磁気軸受スピンドル装置１１の製品コストを抑制しつつ簡素な演算により軸受負荷を好適に求めることができる。また、ボードコンピュータを搭載する必要がないので、その分、磁気軸受スピンドル装置１１の省スペース化が図られる。

（２）差動増幅回路４３の反転入力端子（−）及び非反転入力端子（＋）には、対応する一対のラジアル電磁石２４ａ，２４ａ及び一対のアキシャル電磁石２３ａ，２３ａへ供給される励磁電流が電圧値に変換されて入力される。これら反転入力端子（−）及び非反転入力端子（＋）に入力された２つの電圧値の差は定められた増幅率で増幅されて差動増幅回路４３の出力端子から出力される。制御装置１３、正確にはＣＰＵ３１は、この出力端子から出力される電圧値を軸受負荷として異常判定等を行う。このように、差動増幅回路４３といった簡素な構成により軸受負荷（正確には、軸受負荷に対応する値）を簡単に求めることができる。

（３）磁気軸受スピンドル装置１１において、工具又はワークが装着される回転体としての主軸２２を一組のアキシャル磁気軸受２３及び二組のラジアル磁気軸受２４からなる磁気軸受装置により非接触状態で支持するようにした。

この構成によれば、製品コストを抑制しつつ簡素な演算により軸受負荷を好適に求めることができる磁気軸受装置を採用することにより、磁気軸受スピンドル装置１１の製品コストの低減化が図られる。

＜他の実施の形態＞
尚、前記実施の形態は、次のように変更して実施してもよい。
・本実施の形態では、一対のアキシャル電磁石２３ａ，２３ａ及び一対のラジアル電磁石２４ａ，２４ａに対して単一の差動増幅回路４３を設けるようにしたが、複数個の差動増幅回路４３を一体的に組み込んだ複数チャンネル（本例では、５チャンネル）を有する差動増幅装置を使用することも可能である。このようにしても、主軸２２の両端部の互いに直交する２つのラジアル方向（Ｘ軸方向及びＹ軸方向）及びアキシャル方向（Ｚ軸方向）への変位による軸受負荷を好適に求めることができる。

・本実施の形態では、一対のアキシャル電磁石２３ａの双方及び一対のラジアル電磁石２４ａの双方に定常電流（バイアス電流）を常時供給することによりアキシャル電磁石２３ａ及びラジアル電磁石２４ａの磁気吸引力を線形近似して主軸２２の空間位置制御を行うようにしたが、次のようにすることも可能である。すなわち、アキシャル電磁石２３ａ及びラジアル電磁石２４ａに定常電流を供給する代わりに、永久磁石を使用してバイアスを与える線形制御方式を採用することも可能である。この構成によれば、アキシャル電磁石２３ａ及びラジアル電磁石２４ａに定常電流を供給することなく、これら電磁石の線形制御を実現可能となる。また、アキシャル電磁石２３ａ及びラジアル電磁石２４ａによる消費電力も抑制可能になる。

＜他の技術的思想＞
次に前記各実施形態及び別例から把握できる技術的思想を以下に追記する。
・回転体を磁気吸引力によってラジアル方向における中立位置に非接触状態で支持すべく当該回転体を間に挟んで対向配置される一対のラジアル電磁石を含むラジアル磁気軸受と、前記回転体を磁気吸引力によってアキシャル方向における中立位置に非接触状態で支持すべく当該回転体に設けられた回転部材を間に挟んで対向配置される一対のアキシャル電磁石を含むアキシャル磁気軸受と、前記回転体の中立位置に対するラジアル方向及びアキシャル方向への変位を検出して当該検出結果を当該回転体の変位情報として出力する変位検出手段と、前記変位検出手段を通じて取得される前記回転体の変位情報に基づき当該回転体をラジアル方向及びアキシャル方向における前記中立位置に保持すべく前記ラジアル電磁石及びアキシャル電磁石に一定の定常電流と前記回転体の変位によって変化する制御電流とからなる励磁電流を供給する制御手段とを備えてなる磁気軸受装置の軸受負荷検出方法において、ラジアル方向において対向する一対のラジアル電磁石へ供給する励磁電流値の差及びアキシャル方向において対向する一対のアキシャル電磁石へ供給する励磁電流値の差を求め、当該求められた差を係数倍することによりラジアル方向及びアキシャル方向における軸受負荷として求める磁気軸受装置の軸受負荷検出方法。本発明によれば、請求項１と同様の作用効果を得ることができる。

本実施の形態の磁気軸受スピンドル装置の概略構成を示す縦断面図。 図１の１−１線断面図。 同じく磁気軸受スピンドル装置の電気的な構成を示すブロック図。 同じくＸ軸方向において対向する一対のラジアル電磁石に供給される制御電流と電磁石の吸引力との関係を示すグラフ。 同じくＹ軸方向において対向する一対のラジアル電磁石に供給される制御電流と電磁石の吸引力との関係を示すグラフ。 同じく軸受負荷を検出する差動増幅回路の接続状態を示す回路ブロック図。 従来の軸受負荷を求めるための構成を示す工作機械の要部正面図。 従来の軸受負荷を求めるための電気的な構成をしめすブロック図。

符号の説明

１１…磁気軸受スピンドル装置、１３…制御装置（制御手段）、２２…主軸（回転体）、２３…磁気軸受装置を構成するアキシャル磁気軸受、２３ａ…アキシャル電磁石、２３ｂ…変位検出手段を構成するアキシャル変位センサ、２４…磁気軸受装置を構成するラジアル磁気軸受、２４ａ…ラジアル電磁石、２４ｂ…変位検出手段を構成するラジアル変位センサ、４３…差動増幅回路（演算手段）、Ｆ１，Ｆ２，Ｆｔ…磁気吸引力、Ｉ１，Ｉ２…制御電流。

Claims (3)

1. 回転体を磁気吸引力によってラジアル方向における中立位置に非接触状態で支持すべく当該回転体を間に挟んで対向配置される一対のラジアル電磁石を含むラジアル磁気軸受と、
   前記回転体を磁気吸引力によってアキシャル方向における中立位置に非接触状態で支持すべく当該回転体に設けられた回転部材を間に挟んで対向配置される一対のアキシャル電磁石を含むアキシャル磁気軸受と、
   前記回転体の中立位置に対するラジアル方向及びアキシャル方向への変位を検出して当該検出結果を当該回転体の変位情報として出力する変位検出手段と、
   前記変位検出手段を通じて取得される前記回転体の変位情報に基づき当該回転体をラジアル方向及びアキシャル方向における前記中立位置に保持すべく前記ラジアル電磁石及びアキシャル電磁石に一定の定常電流と前記回転体の変位によって変化する制御電流とからなる励磁電流を供給する制御手段とを備えてなる磁気軸受装置において、
   前記制御手段は、ラジアル方向において対向する一対のラジアル電磁石へ供給する励磁電流の値の差及びアキシャル方向において対向する一対のアキシャル電磁石へ供給する励磁電流の値の差を求めるとともに当該求めた差を係数倍した値をラジアル方向及びアキシャル方向における軸受負荷として求める演算手段を備えてなる磁気軸受装置。
2. 請求項１に記載の磁気軸受装置において、
   前記演算手段は、前記一対のラジアル電磁石及び前記一対のアキシャル電磁石にそれぞれ対応して設けられる差動増幅回路を含み、これら差動増幅回路の反転入力端子及び非反転入力端子には、対応する前記一対のラジアル電磁石又は前記一対のアキシャル電磁石へ供給される励磁電流を入力する構成とした磁気軸受装置。
3. 工具又はワークが装着される回転体としての主軸が請求項１又は請求項２に記載の磁気軸受装置により非接触状態で支持されてなる磁気軸受スピンドル装置。

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