JP3901897B2 - 磁気軸受装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は制御対象体である被浮上体を電磁石が発する電磁気力で浮上支持する磁気軸受装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来この種の磁気軸受装置の被浮上体の位置変位を検出する変位センサには、渦電流型センサ、誘導型センサ、静電容量型センサ、レーザ等オプト系のセンサがある。このようなセンサの中で、ターボ分子ポンプの変位センサには、主として渦電流型センサ、誘導型センサが用いられている。
【０００３】
腐食環境下においては、変位センサを含め磁気軸受を保護するためにこれらを何らかの保護材で覆う必要がある。渦電流型センサ、誘導型センサ、静電容量型センサを用いた磁気軸受装置は、テフロン（登録商標）等の樹脂又はセラミック等の保護材で覆う構造も可能である。レーザ等オプト系のセンサは、レーザ等が透過するガラスのようなもので覆う必要がある。金属材で変位センサを保護した場合は、上記渦電流型センサ、静電容量型センサ、レーザ等オプト系センサは使用できない。金属でも非磁性体金属であれば誘導型センサは使用可能である。
【０００４】
このような磁気軸受装置において、変位センサを含め磁気軸受をテフロン（登録商標）、セラミック、ガラス等で保護するには製作、コスト、強度等の問題がある。また、特殊な環境でガスコンタミが問題となる環境では、テフロン（登録商標）、セラミック、ガラス等が使用できない場合もある。
【０００５】
従って、このような場合は、非磁性体金属材で保護する誘導型センサを用いることになるが、従来方式では、誘導型センサ自身のキャリア周波数により発生する磁界により、非磁性体金属隔壁表面で渦電流が発生し、誘導型センサの検出信号の感度が低下（Ｓ／Ｎ比が悪くなる）してしまう。
【０００６】
また、磁気軸受は電磁石に電流を流し、それによって発生する電磁力で制御対象を浮上制御するが、その際、磁気軸受ユニットも非磁性体金属で覆う構造とした場合、電磁石と誘導型センサが同一の非磁性体金属隔壁で覆われてしまう構造になるため、電磁石が発生する電磁ノイズ及び、この電磁ノイズで発生する非磁性体金属隔壁表面の渦電流が非磁性体金属隔壁を通じて誘導型センサに影響を与えてしまう。従って、非磁性体金属隔壁で誘導型センサ及び、磁気軸受を保護する構造を採用すると、誘導型センサに磁気的、電気的ノイズが混入するため、磁気浮上制御が困難になる。
【０００７】
図１は従来の磁気軸受装置の制御装置の回路構成を示す図である。図１において、１は発振器であり、該発振器１の出力は演算増幅器２−１、２−２及び電流制限抵抗器３−１、３−２、ケーブルＣＢを磁気軸受ＭＣの被浮上体５の位置変位（例えばＸ方向の位置変位）を検出する直列に接続された一対の変位センサＺ１、Ｚ２に出力される。変位点である変位センサＺ１とＺ２の接続点の電位（センサ信号）Ｅｇを差動増幅器６の−端子に入力すると共に、基準抵抗器Ｒａ、Ｒｂで設定される基準点電位Ｅｓを＋端子に入力する。該差動増幅器６の出力は同期検波回路７、位相補償回路８を通してドライブ回路９に入力される。
【０００８】
ドライブ回路９は図２に示すように、コントロール部９−１とドライブ部９−２から構成され、コントロール部９−１でドライブ部９−２のＰＷＭ制御をする。ドライブ部９−２の出力は電磁石のコイル１０に供給される。なお、４はコンデンサであり、該コンデンサ４は変位センサＺ１、Ｚ２と並列共振させるためのコンデンサである。
【０００９】
上記構成の制御回路及び電磁石ドライブ部において、変位センサＺ１、Ｚ２と被浮上体５の間に非磁性体金属からなる保護板を配置し、変位センサＺ１、Ｚ２に誘導型センサを用いると上記のような問題、即ち非磁性体金属材からなる保護板で発生する渦電流によるセンサ検出信号の感度の低下、電磁石を駆動する電流により発生する磁気による影響をセンサが受けてしまう。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、少なくとも変位センサを非磁性体金属材で保護した構成の磁気軸受を使用し、該非磁性体金属材で発生する渦電流によりセンサ検出信号の感度が低下（Ｓ／Ｎ比が悪くなる）することなく、更に電磁石を駆動する電流により発生する磁気の影響を変位センサが受けることがなく精度の良い浮上制御ができる磁気軸受装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため請求項１に記載の発明は、電磁気力で被浮上体を浮上させる電磁石と、該被浮上体の浮上位置を検出する誘導型の変位センサと、ケーブルを介して変位センサに信号と、ケーブルを介して電磁石に励磁電流を供給するコントローラとを具備し、変位センサと被浮上体の間に配置された非磁性体金属材からなる保護板を配置した構成の磁気軸受装置において、コントローラは保護板に起因する異常信号が変位センサに作用することを防止するノイズ除去フィルタを有する浮上制御系を備え、変位センサは保護板を貫通するヨークを有することを特徴とする。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、電磁気力で被浮上体を浮上させる電磁石と、該被浮上体の浮上位置を検出する誘導型の変位センサと、ケーブルを介して変位センサに信号と、ケーブルを介して電磁石に励磁電流を供給するコントローラとを具備し、変位センサと被浮上体の間に配置された非磁性体金属材からなる保護板を配置した構成の磁気軸受装置において、
コントローラは保護板に起因する異常信号が変位センサに作用することを防止するノイズ除去フィルタを有する浮上制御系を備え、変位センサはヨークを有し、保護板はその一部が該ヨークと同一又は同質の磁性材料で構成され、該一部の磁性材料は該ヨークに隣接する該保護板内に埋め込まれていることを特徴とする。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、電磁気力で被浮上体を浮上させる電磁石と、該被浮上体の浮上位置を検出する誘導型の変位センサと、ケーブルを介して変位センサに信号と、ケーブルを介して前記電磁石に励磁電流を供給するコントローラとを具備し、変位センサと被浮 上体の間に非磁性体金属材からなる保護板を配置した構成の磁気軸受装置において、コントローラは保護板に起因する異常信号が変位センサに作用することを防止するノイズ除去フィルタを有する浮上制御系と、ＰＷＭドライバを備え、ＰＷＭドライバはその出力端子に接続されたコモンモードコイルを通して前記電磁石を付勢することを特徴とする。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、電磁気力で被浮上体を浮上させる電磁石と、該被浮上体の浮上位置を検出する誘導型の変位センサと、ケーブルを介して変位センサに信号と、ケーブルを介して前記電磁石に電流を供給するコントローラとを具備し、変位センサと被浮上体の間に非磁性体金属材からなる保護板を配置した構成の磁気軸受装置において、コントローラは保護板に起因する異常信号が変位センサに作用することを防止するノイズ除去フィルタを有する浮上制御系と、ＰＷＭドライバを備え、ＰＷＭドライバはその出力端子に接続されたノーマルモードコイルを通して前記電磁石を付勢することを特徴とする。
【００１５】
請求項５に記載の発明は、電磁気力で被浮上体を浮上させる電磁石と、該被浮上体の浮上位置を検出する誘導型の変位センサと、ケーブルを介して変位センサに信号と、ケーブルを介して電磁石に電流を供給するコントローラとを具備し、変位センサと被浮上体の間に非磁性体金属材からなる保護板を配置した構成の磁気軸受装置において、コントローラは保護板に起因する異常信号が前記変位センサに作用することを防止するノイズ除去フィルタを有する浮上制御系と、ＰＷＭドライバを備え、ＰＷＭドライバはその出力端子に接続されたコモンモードコイルとノーマルモードコイルを通して電磁石を付勢することを特徴とする。
【００１６】
請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の磁気軸受装置において、コントローラは変位センサのセンサ素子を付勢するパワードライバを有することを特徴とする。
【００１７】
請求項７に記載の発明は、請求項１又は２に記載の磁気軸受装置において、コントローラはＰＷＭドライバを備え、該ＰＷＭドライバはその出力端子に接続されたコモンモードコイルを通して前記電磁石を付勢することを特徴とする。
【００１８】
請求項８に記載の発明は、請求項１又は２に記載の磁気軸受装置において、コントローラはＰＷＭドライバを備え、該ＰＷＭドライバはその出力端子に接続されたノーマルモードコイルを通して前記電磁石を付勢することを特徴とする。
【００１９】
請求項９に記載の発明は、請求項１又は２に記載の磁気軸受装置において、コントローラはＰＷＭドライバを備え、該ＰＷＭドライバはその出力端子に接続されたコモンモードコイルとノーマルモードコイルを通して電磁石を付勢することを特徴とする。
【００２０】
請求項１０に記載の発明は、請求項３又は４又は５に記載の磁気軸受装置において、ノイズ除去フィルタにフィルタ回路若しくはフィルタ回路と位相補償回路の両方を設けたことを特徴とする。
【００２１】
上記のように、変位センサへの異常信号混入を防止するフィルタ回路又はフィルタ回路と位相補償回路を設けたことにより、変位センサに誘導型変位センサを用い、被浮上体の間に非磁性体金属材からなる保護板を配置しても、変位センサのＳ／Ｎ比を向上させ、変位センサの機能を充分に発揮させることができる。
【００２２】
また、変位センサのヨークが非磁性体金属材からなる保護板を貫通するか又は該保護板のヨークが対向する部位に該ヨークと同一又は同質の磁性体材を埋め込むことにより、ヨークと被浮上体の間隔が保護板の厚さだけ小さくなる。これによりセンサ感度が向上し、被浮上体の変位を精度良く検知できる。
【００２３】
また、変位センサのセンサ素子の駆動をパワードライブで付勢することにより、変位センサの被浮上体の浮上位置変位量に対する検出信号の変化率が向上する。
【００２４】
また、上記のように、電磁石の駆動部にＰＷＭドライバを用い、該ＰＷＭドライバの出力端子にコモンモードコイル又はノーマルモードコイルのいずれか、又はその両方を接続することにより、磁気軸受を構成する電磁石から発生する電磁ノイズを減少させることが可能となる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態例を図面に基づいて説明する。図３は本発明に係る磁気軸受装置を構成する変位センサ及び電磁石の部分の断面構成例を示す図である。図示するように、被浮上体５と該被浮上体５を支持する電磁石１１及び該被浮上体５の変位を検出する誘導型の変位センサ１３の間に非磁性体金属材からなる保護板（キャン）１４を配置し、該非磁性体金属材からなる保護板１４で変位センサ１３と電磁石１１を保護している。なお、変位センサ１３はセンサヨーク（コア）１３ａの外周にセンサコイル１３ｂを装着した構成であり、電磁石１１は電磁石ヨーク１１ａの外周に電磁石コイル１０を装着した構成である。
【００２６】
図４は本発明に係る磁気軸受装置の浮上制御系統の構成を示す図である。発振器１の出力はパワードライブ部１５の演算増幅器１５−１及びパワーブースト回路１５−２、演算増幅器１５−３、パワーブースト回路１５−４及びケーブルＣＢを通して磁気軸受ＭＣの被浮上体５の位置変位を検出する直列に接続された一対の変位センサＺ１、Ｚ２に出力される。変位点である変位センサＺ１とＺ２の接続点の電位（センサ信号）Ｅｇはノイズ除去フィルタ部１６のバンドパスフィルタ１６−１、バンドイリミネートフィルタ１６−２を通して差動増幅器６の−端子に入力され、標準抵抗器Ｒａ、Ｒｂで設定される基準点電位（基準信号）Ｅｓはノイズ除去フィルタ部１６のバンドパスフィルタ１６−３、バンドイリミネートフィルタ１６−４、位相補償部１６−５を通して差動増幅器６の＋端子に入力される。
【００２７】
ドライブ回路９は図５に示すように、コントロール部９−１とドライブ部９−２から構成され、ドライブ部９−２の出力はコモンモードコイル１９及びケーブルＣＢを通して電磁石１１のコイル１０に供給される。また、発振器１の出力は位相補償部１７、比較器（コンパレータ）１８を通して同期検波回路７に入力される。
【００２８】
上記のように被浮上体５と該被浮上体５を支持する電磁石１１及び該被浮上体５の変位を検出する変位センサ１３の間に非磁性体金属材からなる保護板（キャン）１４を配置することにより、変位センサ１３の変位センサ信号の渦電流ロス、電磁石から発生する磁気の影響等でＳ／Ｎ比が悪くなる。これらの影響を減らしＳ／Ｎ比を良くする手法として、変位センサ１３（図１の変位センサＺ１、Ｚ２）を駆動する電流供給部にパワードライブ部１５を用い、センサ信号Ｅｇ、基準信号Ｅｓから十分にノイズを除去するために、バンドパスフィルタ１６−１、バンドイリミネートフィルタ１６−２、バンドパスフィルタ１６−３、バンドイリミネートフィルタ１６−４及び位相補償部１６−５からなるノイズ除去フィルタ部１６を用いたことにより、磁気軸受を構成する電磁石１１を駆動する電流により発生する磁気の影響を少なくし、安定した浮上制御が可能となる。
【００２９】
また、センサ信号Ｅｇをバンドパスフィルタ１６−１及びバンドイリミネートフィルタ１６−２を通し、基準信号Ｅｓをバンドパスフィルタ１６−３及びバンドイリミネートフィルタ１６−４を通すことにより位相ずれが発生し、この位相ずれを補償する為に基準信号Ｅｓ側に位相補償部１６−５を設けている。なお、この位相補償部はセンサ信号Ｅｇ側にも設けても良い。また、同期検波回路７に入力される発振器１からの信号も位相補償部１７を通して位相補償している。上記のように位相補償を行うことにより、変位センサ１３の感度の最適化を行う。
【００３０】
ドライブ回路９はコントロール部９−１及びドライブ部９−２で構成され、コントロール部９−１でドライブ部９−２をＰＷＭ制御している。図５に示すように、ドライブ部９−２の出力をコモンモードコイル１９を通して電磁石１１のコイル１０に供給するように構成することにより、ＰＷＭドライブのスイッチングノイズを減少させ、変位センサへの影響を減少させることができる。
【００３１】
また、ドライブ回路９の出力を図６に示すようにノーマルモードコイル２０を通して電磁石１１のコイル１０に供給するように構成することにより、ＰＷＭドライブに対する電流の過渡的な変化を減少させ、電流の過渡的変化に起因するノイズを減少させ、変位センサ１３等への影響を減少させることができる。
【００３２】
また、ドライブ回路９の出力を図７に示すように、コモンモードコイル１９及びノーマルモードコイル２０を通して電磁石１１のコイル１０に供給するように構成することにより、上記コモンモードコイル１９とノーマルモードコイル２０の両作用により、ＰＷＭドライブに対するノイズを減少させ、変位センサ１３等への影響を減少させることができる。
【００３３】
磁気軸受は、例えば、エキシマレーザのように、腐食環境で且つ、有機系やＳｉ系のガスコンタミを嫌う場合、変位センサや電磁石をキャンで保護するキャン構造が必要となる。キャンの材質としては、例えば、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６等の非磁性体の金属で構成し、腐食やガスコンタミを押さえ、変位センサ１３に誘導型変位センサを使用し、上記対応を施しセンサとしての機能を充分に果たすことができる。
【００３４】
図８は磁気軸受の電磁石のコイルに印加される電圧波形を示す図であり、図８（ａ）は従来の磁気軸受装置の電圧波形、図８（ｂ）は本発明の磁気軸受装置の電圧波形を示す。図から明らかなように、本発明の磁気軸受装置では電磁石コイルに印加される電圧波形に混入するノイズが大幅に減少する。
【００３５】
図９は磁気軸受の位置センサのセンサ信号の波形を示す図で、図９（ａ）は従来の磁気軸受装置のセンサ信号波形、図９（ｂ）は本発明の磁気軸受装置のセンサ信号波形を示す。図から明らかなように、本発明の磁気軸受装置では電磁石からの電磁気ノイズの影響が大幅に減少する。
【００３６】
図１０は本発明に係る磁気軸受装置を構成する変位センサ及び電磁石の部分の他の構成例を示す図で、図１０（ａ）は断面図、図１０（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視図である。図示するように、変位センサ１３のセンサヨーク（センサコア）１３ａは非磁性体金属材からなる保護板１４を貫通して被浮上体５に対向している。また、電磁石１１の電磁石ヨーク（電磁石コア）１１ａも保護板１４を貫通して被浮上体５に対向している。なお、センサヨーク１３ａ及び電磁石ヨーク１１ａの保護板１４の貫通部には溶接等による接合シール部１３ｃ及び１１ｂを設ける。
【００３７】
このようにセンサヨーク１３ａを保護板１４を貫通させることにより、センサヨーク１３ａ及び電磁石ヨーク１１ａと被浮上体の間隔が保護板１４の厚さ分小さくなる。これによりセンサ感度が向上し、被浮上体５の変位を精度良く検知できる。また、電磁石ヨーク１１ａと被浮上体５の間隔も保護板１４の厚さ分小さくなるので、被浮上体５に作用する磁気力が大きくなり、その分電磁石を小型化できる。
【００３８】
なお、上記例では、センサヨーク１３ａ及び電磁石ヨーク１１ａが保護板１４を貫通して被浮上体５に対向する構成としているが、この貫通部分にセンサヨーク１３ａ及び電磁石ヨーク１１ａと同一又は同質の磁性体材を埋め込む構成としても同一の作用効果が得られる。
【００３９】
なお、上記構成の磁気軸受を腐食環境で使用する場合には、センサヨーク１３ａ及び電磁石ヨーク１１ａにはこの腐食環境に耐え得る磁性体材料を選択して用いる。
【００４０】
【発明の効果】
以上、説明したように各請求項に記載の発明によれば、下記のような優れた効果が期待できる。
【００４１】
変位センサと被浮上体の間に非磁性体金属材を配置して該非磁性体金属材で保護した構成の磁気軸受装置において、コントローラの浮上制御系内に非磁性体金属材からなる保護板を配置したことにより発生する異常信号が変位センサに作用しないようにフィルタ回路又はフィルタ回路と位相補償回路を有するノイズ除去フィルタを設けたので、変位センサのＳ／Ｎ比を向上させ、変位センサの機能を充分に発揮させることができ、安定した浮上制御が可能になる。
【００４２】
また、変位センサのヨークが非磁性体金属材からなる保護板を貫通するか又は該保護板のヨークが対向する部位に該ヨークと同一又は同質の磁性体材を埋め込んでいるので、ヨークと被浮上体の間隔が保護板の厚さだけ小さくなり、センサ感度が向上し、被浮上体の変位を精度良く検知できる。
【００４３】
また、変位センサを構成する変位を検出するセンサ素子の駆動をパワードライブで付勢するので、変位センサの被浮上体の浮上位置検出信号の変化率を向上させることができる。
【００４４】
また、電磁石の駆動部にＰＷＭドライバを用い、該ＰＷＭドライバの出力端子にコモンモードコイル又はノーマルモードコイルのいずれか、又はその両方を接続したので、磁気軸受を構成する電磁石から発生する電磁ノイズの発生を減少させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来の磁気軸受装置の制御装置の回路構成を示す図である。
【図２】 従来の磁気軸受装置の電磁石ドライブ部の構成を示す図である。
【図３】 本発明に係る磁気軸受装置を構成する変位センサ及び電磁石の部分の断面構成例を示す図である。
【図４】 本発明に係る磁気軸受装置の浮上制御系統の構成例を示す図である。
【図５】 本発明に係る磁気軸受装置の電磁石ドライブ部の構成例を示す図である。
【図６】 本発明に係る磁気軸受装置の電磁石ドライブ部の構成例を示す図である。
【図７】 本発明に係る磁気軸受装置の電磁石ドライブ部の構成例を示す図である。
【図８】 図８（ａ）は従来例の磁気軸受装置の電磁石コイルに印加される電圧波形、図８（ｂ）は本発明の磁気軸受装置の電磁石コイルに印加される電圧波形を示す図である。
【図９】 図９（ａ）は従来の磁気軸受装置のセンサ信号波形、図９（ｂ）は本発明の磁気軸受装置のセンサ信号波形を示す図である。
【図１０】 本発明に係る軸受装置を構成する変位センサ及び電磁石の部分の構成例を示す図で、図１０（ａ）は断面図、図１０（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視図である。
【符号の説明】
１ 発振器
４ コンデンサ
５ 被浮上体
６ 差動増幅器
７ 同期検波回路
８ 位相補償回路
９ ドライブ回路
１０ 電磁石のコイル
１１ 電磁石
１４ 保護板
１５ パワードライブ部
１６ ノイズ除去フィルタ部
１７ 位相補償部
１８ 比較器
【発明の属する技術分野】
本発明は制御対象体である被浮上体を電磁石が発する電磁気力で浮上支持する磁気軸受装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来この種の磁気軸受装置の被浮上体の位置変位を検出する変位センサには、渦電流型センサ、誘導型センサ、静電容量型センサ、レーザ等オプト系のセンサがある。このようなセンサの中で、ターボ分子ポンプの変位センサには、主として渦電流型センサ、誘導型センサが用いられている。
【０００３】
腐食環境下においては、変位センサを含め磁気軸受を保護するためにこれらを何らかの保護材で覆う必要がある。渦電流型センサ、誘導型センサ、静電容量型センサを用いた磁気軸受装置は、テフロン（登録商標）等の樹脂又はセラミック等の保護材で覆う構造も可能である。レーザ等オプト系のセンサは、レーザ等が透過するガラスのようなもので覆う必要がある。金属材で変位センサを保護した場合は、上記渦電流型センサ、静電容量型センサ、レーザ等オプト系センサは使用できない。金属でも非磁性体金属であれば誘導型センサは使用可能である。
【０００４】
このような磁気軸受装置において、変位センサを含め磁気軸受をテフロン（登録商標）、セラミック、ガラス等で保護するには製作、コスト、強度等の問題がある。また、特殊な環境でガスコンタミが問題となる環境では、テフロン（登録商標）、セラミック、ガラス等が使用できない場合もある。
【０００５】
従って、このような場合は、非磁性体金属材で保護する誘導型センサを用いることになるが、従来方式では、誘導型センサ自身のキャリア周波数により発生する磁界により、非磁性体金属隔壁表面で渦電流が発生し、誘導型センサの検出信号の感度が低下（Ｓ／Ｎ比が悪くなる）してしまう。
【０００６】
また、磁気軸受は電磁石に電流を流し、それによって発生する電磁力で制御対象を浮上制御するが、その際、磁気軸受ユニットも非磁性体金属で覆う構造とした場合、電磁石と誘導型センサが同一の非磁性体金属隔壁で覆われてしまう構造になるため、電磁石が発生する電磁ノイズ及び、この電磁ノイズで発生する非磁性体金属隔壁表面の渦電流が非磁性体金属隔壁を通じて誘導型センサに影響を与えてしまう。従って、非磁性体金属隔壁で誘導型センサ及び、磁気軸受を保護する構造を採用すると、誘導型センサに磁気的、電気的ノイズが混入するため、磁気浮上制御が困難になる。
【０００７】
図１は従来の磁気軸受装置の制御装置の回路構成を示す図である。図１において、１は発振器であり、該発振器１の出力は演算増幅器２−１、２−２及び電流制限抵抗器３−１、３−２、ケーブルＣＢを磁気軸受ＭＣの被浮上体５の位置変位（例えばＸ方向の位置変位）を検出する直列に接続された一対の変位センサＺ１、Ｚ２に出力される。変位点である変位センサＺ１とＺ２の接続点の電位（センサ信号）Ｅｇを差動増幅器６の−端子に入力すると共に、基準抵抗器Ｒａ、Ｒｂで設定される基準点電位Ｅｓを＋端子に入力する。該差動増幅器６の出力は同期検波回路７、位相補償回路８を通してドライブ回路９に入力される。
【０００８】
ドライブ回路９は図２に示すように、コントロール部９−１とドライブ部９−２から構成され、コントロール部９−１でドライブ部９−２のＰＷＭ制御をする。ドライブ部９−２の出力は電磁石のコイル１０に供給される。なお、４はコンデンサであり、該コンデンサ４は変位センサＺ１、Ｚ２と並列共振させるためのコンデンサである。
【０００９】
上記構成の制御回路及び電磁石ドライブ部において、変位センサＺ１、Ｚ２と被浮上体５の間に非磁性体金属からなる保護板を配置し、変位センサＺ１、Ｚ２に誘導型センサを用いると上記のような問題、即ち非磁性体金属材からなる保護板で発生する渦電流によるセンサ検出信号の感度の低下、電磁石を駆動する電流により発生する磁気による影響をセンサが受けてしまう。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、少なくとも変位センサを非磁性体金属材で保護した構成の磁気軸受を使用し、該非磁性体金属材で発生する渦電流によりセンサ検出信号の感度が低下（Ｓ／Ｎ比が悪くなる）することなく、更に電磁石を駆動する電流により発生する磁気の影響を変位センサが受けることがなく精度の良い浮上制御ができる磁気軸受装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため請求項１に記載の発明は、電磁気力で被浮上体を浮上させる電磁石と、該被浮上体の浮上位置を検出する誘導型の変位センサと、ケーブルを介して変位センサに信号と、ケーブルを介して電磁石に励磁電流を供給するコントローラとを具備し、変位センサと被浮上体の間に配置された非磁性体金属材からなる保護板を配置した構成の磁気軸受装置において、コントローラは保護板に起因する異常信号が変位センサに作用することを防止するノイズ除去フィルタを有する浮上制御系を備え、変位センサは保護板を貫通するヨークを有することを特徴とする。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、電磁気力で被浮上体を浮上させる電磁石と、該被浮上体の浮上位置を検出する誘導型の変位センサと、ケーブルを介して変位センサに信号と、ケーブルを介して電磁石に励磁電流を供給するコントローラとを具備し、変位センサと被浮上体の間に配置された非磁性体金属材からなる保護板を配置した構成の磁気軸受装置において、
コントローラは保護板に起因する異常信号が変位センサに作用することを防止するノイズ除去フィルタを有する浮上制御系を備え、変位センサはヨークを有し、保護板はその一部が該ヨークと同一又は同質の磁性材料で構成され、該一部の磁性材料は該ヨークに隣接する該保護板内に埋め込まれていることを特徴とする。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、電磁気力で被浮上体を浮上させる電磁石と、該被浮上体の浮上位置を検出する誘導型の変位センサと、ケーブルを介して変位センサに信号と、ケーブルを介して前記電磁石に励磁電流を供給するコントローラとを具備し、変位センサと被浮 上体の間に非磁性体金属材からなる保護板を配置した構成の磁気軸受装置において、コントローラは保護板に起因する異常信号が変位センサに作用することを防止するノイズ除去フィルタを有する浮上制御系と、ＰＷＭドライバを備え、ＰＷＭドライバはその出力端子に接続されたコモンモードコイルを通して前記電磁石を付勢することを特徴とする。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、電磁気力で被浮上体を浮上させる電磁石と、該被浮上体の浮上位置を検出する誘導型の変位センサと、ケーブルを介して変位センサに信号と、ケーブルを介して前記電磁石に電流を供給するコントローラとを具備し、変位センサと被浮上体の間に非磁性体金属材からなる保護板を配置した構成の磁気軸受装置において、コントローラは保護板に起因する異常信号が変位センサに作用することを防止するノイズ除去フィルタを有する浮上制御系と、ＰＷＭドライバを備え、ＰＷＭドライバはその出力端子に接続されたノーマルモードコイルを通して前記電磁石を付勢することを特徴とする。
【００１５】
請求項５に記載の発明は、電磁気力で被浮上体を浮上させる電磁石と、該被浮上体の浮上位置を検出する誘導型の変位センサと、ケーブルを介して変位センサに信号と、ケーブルを介して電磁石に電流を供給するコントローラとを具備し、変位センサと被浮上体の間に非磁性体金属材からなる保護板を配置した構成の磁気軸受装置において、コントローラは保護板に起因する異常信号が前記変位センサに作用することを防止するノイズ除去フィルタを有する浮上制御系と、ＰＷＭドライバを備え、ＰＷＭドライバはその出力端子に接続されたコモンモードコイルとノーマルモードコイルを通して電磁石を付勢することを特徴とする。
【００１６】
請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の磁気軸受装置において、コントローラは変位センサのセンサ素子を付勢するパワードライバを有することを特徴とする。
【００１７】
請求項７に記載の発明は、請求項１又は２に記載の磁気軸受装置において、コントローラはＰＷＭドライバを備え、該ＰＷＭドライバはその出力端子に接続されたコモンモードコイルを通して前記電磁石を付勢することを特徴とする。
【００１８】
請求項８に記載の発明は、請求項１又は２に記載の磁気軸受装置において、コントローラはＰＷＭドライバを備え、該ＰＷＭドライバはその出力端子に接続されたノーマルモードコイルを通して前記電磁石を付勢することを特徴とする。
【００１９】
請求項９に記載の発明は、請求項１又は２に記載の磁気軸受装置において、コントローラはＰＷＭドライバを備え、該ＰＷＭドライバはその出力端子に接続されたコモンモードコイルとノーマルモードコイルを通して電磁石を付勢することを特徴とする。
【００２０】
請求項１０に記載の発明は、請求項３又は４又は５に記載の磁気軸受装置において、ノイズ除去フィルタにフィルタ回路若しくはフィルタ回路と位相補償回路の両方を設けたことを特徴とする。
【００２１】
上記のように、変位センサへの異常信号混入を防止するフィルタ回路又はフィルタ回路と位相補償回路を設けたことにより、変位センサに誘導型変位センサを用い、被浮上体の間に非磁性体金属材からなる保護板を配置しても、変位センサのＳ／Ｎ比を向上させ、変位センサの機能を充分に発揮させることができる。
【００２２】
また、変位センサのヨークが非磁性体金属材からなる保護板を貫通するか又は該保護板のヨークが対向する部位に該ヨークと同一又は同質の磁性体材を埋め込むことにより、ヨークと被浮上体の間隔が保護板の厚さだけ小さくなる。これによりセンサ感度が向上し、被浮上体の変位を精度良く検知できる。
【００２３】
また、変位センサのセンサ素子の駆動をパワードライブで付勢することにより、変位センサの被浮上体の浮上位置変位量に対する検出信号の変化率が向上する。
【００２４】
また、上記のように、電磁石の駆動部にＰＷＭドライバを用い、該ＰＷＭドライバの出力端子にコモンモードコイル又はノーマルモードコイルのいずれか、又はその両方を接続することにより、磁気軸受を構成する電磁石から発生する電磁ノイズを減少させることが可能となる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態例を図面に基づいて説明する。図３は本発明に係る磁気軸受装置を構成する変位センサ及び電磁石の部分の断面構成例を示す図である。図示するように、被浮上体５と該被浮上体５を支持する電磁石１１及び該被浮上体５の変位を検出する誘導型の変位センサ１３の間に非磁性体金属材からなる保護板（キャン）１４を配置し、該非磁性体金属材からなる保護板１４で変位センサ１３と電磁石１１を保護している。なお、変位センサ１３はセンサヨーク（コア）１３ａの外周にセンサコイル１３ｂを装着した構成であり、電磁石１１は電磁石ヨーク１１ａの外周に電磁石コイル１０を装着した構成である。
【００２６】
図４は本発明に係る磁気軸受装置の浮上制御系統の構成を示す図である。発振器１の出力はパワードライブ部１５の演算増幅器１５−１及びパワーブースト回路１５−２、演算増幅器１５−３、パワーブースト回路１５−４及びケーブルＣＢを通して磁気軸受ＭＣの被浮上体５の位置変位を検出する直列に接続された一対の変位センサＺ１、Ｚ２に出力される。変位点である変位センサＺ１とＺ２の接続点の電位（センサ信号）Ｅｇはノイズ除去フィルタ部１６のバンドパスフィルタ１６−１、バンドイリミネートフィルタ１６−２を通して差動増幅器６の−端子に入力され、標準抵抗器Ｒａ、Ｒｂで設定される基準点電位（基準信号）Ｅｓはノイズ除去フィルタ部１６のバンドパスフィルタ１６−３、バンドイリミネートフィルタ１６−４、位相補償部１６−５を通して差動増幅器６の＋端子に入力される。
【００２７】
ドライブ回路９は図５に示すように、コントロール部９−１とドライブ部９−２から構成され、ドライブ部９−２の出力はコモンモードコイル１９及びケーブルＣＢを通して電磁石１１のコイル１０に供給される。また、発振器１の出力は位相補償部１７、比較器（コンパレータ）１８を通して同期検波回路７に入力される。
【００２８】
上記のように被浮上体５と該被浮上体５を支持する電磁石１１及び該被浮上体５の変位を検出する変位センサ１３の間に非磁性体金属材からなる保護板（キャン）１４を配置することにより、変位センサ１３の変位センサ信号の渦電流ロス、電磁石から発生する磁気の影響等でＳ／Ｎ比が悪くなる。これらの影響を減らしＳ／Ｎ比を良くする手法として、変位センサ１３（図１の変位センサＺ１、Ｚ２）を駆動する電流供給部にパワードライブ部１５を用い、センサ信号Ｅｇ、基準信号Ｅｓから十分にノイズを除去するために、バンドパスフィルタ１６−１、バンドイリミネートフィルタ１６−２、バンドパスフィルタ１６−３、バンドイリミネートフィルタ１６−４及び位相補償部１６−５からなるノイズ除去フィルタ部１６を用いたことにより、磁気軸受を構成する電磁石１１を駆動する電流により発生する磁気の影響を少なくし、安定した浮上制御が可能となる。
【００２９】
また、センサ信号Ｅｇをバンドパスフィルタ１６−１及びバンドイリミネートフィルタ１６−２を通し、基準信号Ｅｓをバンドパスフィルタ１６−３及びバンドイリミネートフィルタ１６−４を通すことにより位相ずれが発生し、この位相ずれを補償する為に基準信号Ｅｓ側に位相補償部１６−５を設けている。なお、この位相補償部はセンサ信号Ｅｇ側にも設けても良い。また、同期検波回路７に入力される発振器１からの信号も位相補償部１７を通して位相補償している。上記のように位相補償を行うことにより、変位センサ１３の感度の最適化を行う。
【００３０】
ドライブ回路９はコントロール部９−１及びドライブ部９−２で構成され、コントロール部９−１でドライブ部９−２をＰＷＭ制御している。図５に示すように、ドライブ部９−２の出力をコモンモードコイル１９を通して電磁石１１のコイル１０に供給するように構成することにより、ＰＷＭドライブのスイッチングノイズを減少させ、変位センサへの影響を減少させることができる。
【００３１】
また、ドライブ回路９の出力を図６に示すようにノーマルモードコイル２０を通して電磁石１１のコイル１０に供給するように構成することにより、ＰＷＭドライブに対する電流の過渡的な変化を減少させ、電流の過渡的変化に起因するノイズを減少させ、変位センサ１３等への影響を減少させることができる。
【００３２】
また、ドライブ回路９の出力を図７に示すように、コモンモードコイル１９及びノーマルモードコイル２０を通して電磁石１１のコイル１０に供給するように構成することにより、上記コモンモードコイル１９とノーマルモードコイル２０の両作用により、ＰＷＭドライブに対するノイズを減少させ、変位センサ１３等への影響を減少させることができる。
【００３３】
磁気軸受は、例えば、エキシマレーザのように、腐食環境で且つ、有機系やＳｉ系のガスコンタミを嫌う場合、変位センサや電磁石をキャンで保護するキャン構造が必要となる。キャンの材質としては、例えば、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６等の非磁性体の金属で構成し、腐食やガスコンタミを押さえ、変位センサ１３に誘導型変位センサを使用し、上記対応を施しセンサとしての機能を充分に果たすことができる。
【００３４】
図８は磁気軸受の電磁石のコイルに印加される電圧波形を示す図であり、図８（ａ）は従来の磁気軸受装置の電圧波形、図８（ｂ）は本発明の磁気軸受装置の電圧波形を示す。図から明らかなように、本発明の磁気軸受装置では電磁石コイルに印加される電圧波形に混入するノイズが大幅に減少する。
【００３５】
図９は磁気軸受の位置センサのセンサ信号の波形を示す図で、図９（ａ）は従来の磁気軸受装置のセンサ信号波形、図９（ｂ）は本発明の磁気軸受装置のセンサ信号波形を示す。図から明らかなように、本発明の磁気軸受装置では電磁石からの電磁気ノイズの影響が大幅に減少する。
【００３６】
図１０は本発明に係る磁気軸受装置を構成する変位センサ及び電磁石の部分の他の構成例を示す図で、図１０（ａ）は断面図、図１０（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視図である。図示するように、変位センサ１３のセンサヨーク（センサコア）１３ａは非磁性体金属材からなる保護板１４を貫通して被浮上体５に対向している。また、電磁石１１の電磁石ヨーク（電磁石コア）１１ａも保護板１４を貫通して被浮上体５に対向している。なお、センサヨーク１３ａ及び電磁石ヨーク１１ａの保護板１４の貫通部には溶接等による接合シール部１３ｃ及び１１ｂを設ける。
【００３７】
このようにセンサヨーク１３ａを保護板１４を貫通させることにより、センサヨーク１３ａ及び電磁石ヨーク１１ａと被浮上体の間隔が保護板１４の厚さ分小さくなる。これによりセンサ感度が向上し、被浮上体５の変位を精度良く検知できる。また、電磁石ヨーク１１ａと被浮上体５の間隔も保護板１４の厚さ分小さくなるので、被浮上体５に作用する磁気力が大きくなり、その分電磁石を小型化できる。
【００３８】
なお、上記例では、センサヨーク１３ａ及び電磁石ヨーク１１ａが保護板１４を貫通して被浮上体５に対向する構成としているが、この貫通部分にセンサヨーク１３ａ及び電磁石ヨーク１１ａと同一又は同質の磁性体材を埋め込む構成としても同一の作用効果が得られる。
【００３９】
なお、上記構成の磁気軸受を腐食環境で使用する場合には、センサヨーク１３ａ及び電磁石ヨーク１１ａにはこの腐食環境に耐え得る磁性体材料を選択して用いる。
【００４０】
【発明の効果】
以上、説明したように各請求項に記載の発明によれば、下記のような優れた効果が期待できる。
【００４１】
変位センサと被浮上体の間に非磁性体金属材を配置して該非磁性体金属材で保護した構成の磁気軸受装置において、コントローラの浮上制御系内に非磁性体金属材からなる保護板を配置したことにより発生する異常信号が変位センサに作用しないようにフィルタ回路又はフィルタ回路と位相補償回路を有するノイズ除去フィルタを設けたので、変位センサのＳ／Ｎ比を向上させ、変位センサの機能を充分に発揮させることができ、安定した浮上制御が可能になる。
【００４２】
また、変位センサのヨークが非磁性体金属材からなる保護板を貫通するか又は該保護板のヨークが対向する部位に該ヨークと同一又は同質の磁性体材を埋め込んでいるので、ヨークと被浮上体の間隔が保護板の厚さだけ小さくなり、センサ感度が向上し、被浮上体の変位を精度良く検知できる。
【００４３】
また、変位センサを構成する変位を検出するセンサ素子の駆動をパワードライブで付勢するので、変位センサの被浮上体の浮上位置検出信号の変化率を向上させることができる。
【００４４】
また、電磁石の駆動部にＰＷＭドライバを用い、該ＰＷＭドライバの出力端子にコモンモードコイル又はノーマルモードコイルのいずれか、又はその両方を接続したので、磁気軸受を構成する電磁石から発生する電磁ノイズの発生を減少させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来の磁気軸受装置の制御装置の回路構成を示す図である。
【図２】 従来の磁気軸受装置の電磁石ドライブ部の構成を示す図である。
【図３】 本発明に係る磁気軸受装置を構成する変位センサ及び電磁石の部分の断面構成例を示す図である。
【図４】 本発明に係る磁気軸受装置の浮上制御系統の構成例を示す図である。
【図５】 本発明に係る磁気軸受装置の電磁石ドライブ部の構成例を示す図である。
【図６】 本発明に係る磁気軸受装置の電磁石ドライブ部の構成例を示す図である。
【図７】 本発明に係る磁気軸受装置の電磁石ドライブ部の構成例を示す図である。
【図８】 図８（ａ）は従来例の磁気軸受装置の電磁石コイルに印加される電圧波形、図８（ｂ）は本発明の磁気軸受装置の電磁石コイルに印加される電圧波形を示す図である。
【図９】 図９（ａ）は従来の磁気軸受装置のセンサ信号波形、図９（ｂ）は本発明の磁気軸受装置のセンサ信号波形を示す図である。
【図１０】 本発明に係る軸受装置を構成する変位センサ及び電磁石の部分の構成例を示す図で、図１０（ａ）は断面図、図１０（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視図である。
【符号の説明】
１ 発振器
４ コンデンサ
５ 被浮上体
６ 差動増幅器
７ 同期検波回路
８ 位相補償回路
９ ドライブ回路
１０ 電磁石のコイル
１１ 電磁石
１４ 保護板
１５ パワードライブ部
１６ ノイズ除去フィルタ部
１７ 位相補償部
１８ 比較器
Claims (10)
- 電磁気力で被浮上体を浮上させる電磁石と、該被浮上体の浮上位置を検出する誘導型の変位センサと、ケーブルを介して前記変位センサに信号と、ケーブルを介して前記電磁石に励磁電流を供給するコントローラとを具備し、前記変位センサと前記被浮上体の間に配置された非磁性体金属材からなる保護板を配置した構成の磁気軸受装置において、
前記コントローラは前記保護板に起因する異常信号が前記変位センサに作用することを防止するノイズ除去フィルタを有する浮上制御系を備え、
前記変位センサは前記保護板を貫通するヨークを有することを特徴とする磁気軸受装置。 - 電磁気力で被浮上体を浮上させる電磁石と、該被浮上体の浮上位置を検出する誘導型の変位センサと、ケーブルを介して前記変位センサに信号と、ケーブルを介して前記電磁石に励磁電流を供給するコントローラとを具備し、前記変位センサと前記被浮上体の間に配置された非磁性体金属材からなる保護板を配置した構成の磁気軸受装置において、
前記コントローラは前記保護板に起因する異常信号が前記変位センサに作用することを防止するノイズ除去フィルタを有する浮上制御系を備え、
前記変位センサはヨークを有し、前記保護板はその一部が該ヨークと同一又は同質の磁性材料で構成され、該一部の磁性材料は該ヨークに隣接する該保護板内に埋め込まれていることを特徴とする磁気軸受装置。 - 電磁気力で被浮上体を浮上させる電磁石と、該被浮上体の浮上位置を検出する誘導型の変位センサと、ケーブルを介して前記変位センサに信号と、ケーブルを介して前記電磁石に励磁電流を供給するコントローラとを具備し、前記変位センサと前記被浮上体の間に非磁性体金属材からなる保護板を配置した構成の磁気軸受装置において、
前記コントローラは前記保護板に起因する異常信号が前記変位センサに作用することを防止するノイズ除去フィルタを有する浮上制御系と、ＰＷＭドライバを備え、
前記ＰＷＭドライバはその出力端子に接続されたコモンモードコイルを通して前記電磁石を付勢することを特徴とする磁気軸受装置。 - 電磁気力で被浮上体を浮上させる電磁石と、該被浮上体の浮上位置を検出する誘導型の変位センサと、ケーブルを介して前記変位センサに信号と、ケーブルを介して前記電磁石に電流を供給するコントローラとを具備し、前記変位センサと前記被浮上体の間に非磁性体金属材からなる保護板を配置した構成の磁気軸受装置において、
前記コントローラは前記保護板に起因する異常信号が前記変位センサに作用することを防止するノイズ除去フィルタを有する浮上制御系と、ＰＷＭドライバを備え、
前記ＰＷＭドライバはその出力端子に接続されたノーマルモードコイルを通して前記電磁石を付勢することを特徴とする磁気軸受装置。 - 電磁気力で被浮上体を浮上させる電磁石と、該被浮上体の浮上位置を検出する誘導型の変位センサと、ケーブルを介して前記変位センサに信号と、ケーブルを介して前記電磁石に電流を供給するコントローラとを具備し、前記変位センサと前記被浮上体の間に非磁性体金属材からなる保護板を配置した構成の磁気軸受装置において、
前記コントローラは前記保護板に起因する異常信号が前記変位センサに作用することを防止するノイズ除去フィルタを有する浮上制御系と、ＰＷＭドライバを備え、
前記ＰＷＭドライバはその出力端子に接続されたコモンモードコイルとノーマルモードコイルを通して前記電磁石を付勢することを特徴とする磁気軸受装置。 - 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の磁気軸受装置において、
前記コントローラは前記変位センサのセンサ素子を付勢するパワードライバを有することを特徴とする磁気軸受装置。 - 請求項１又は２に記載の磁気軸受装置において、
前記コントローラはＰＷＭドライバを備え、該ＰＷＭドライバはその出力端子に接続されたコモンモードコイルを通して前記電磁石を付勢することを特徴とする磁気軸受装置。 - 請求項１又は２に記載の磁気軸受装置において、
前記コントローラはＰＷＭドライバを備え、該ＰＷＭドライバはその出力端子に接続されたノーマルモードコイルを通して前記電磁石を付勢することを特徴とする磁気軸受装置。 - 請求項１又は２に記載の磁気軸受装置において、
前記コントローラはＰＷＭドライバを備え、該ＰＷＭドライバはその出力端子に接続されたコモンモードコイルとノーマルモードコイルを通して前記電磁石を付勢することを特徴とする磁気軸受装置。 - 請求項３又は４又は５に記載の磁気軸受装置において、
前記ノイズ除去フィルタにフィルタ回路若しくはフィルタ回路と位相補償回路の両方を設けたことを特徴とする磁気軸受装置。
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