JPH03153918A - 磁気制御軸受ユニット - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、ローラ支持又は工作機械の主軸等を支える汎
用軸受ユニットに関する。

（従来の技術） 回転軸ないし中空のロールといった回転体を回転又は揺
動可能に支持する軸受ユニットとしては、ビローブロッ
クが従来より知られている。

また、第１５図に示すような、モータの回転軸を磁気的
に支える磁気軸受も公知である（例えばアメリカ特許Ｎ
ｏ、４，１１４，９６０）、これは、回転軸の位置をラ
ジアルセンサとアキシャルセンサで検出し、その信号で
対応するラジアル電磁極、アキシャル電磁極に流れる電
流を制御し各電磁極の吸引力を制御して、回転軸を所定
の位置に非接触状態で回転自在に支持するものである。

しかしながら、上記ビローブロックの場合、回転体に大
きな不釣合があるとそれによって回転中に大きな遠心力
が発生し、ビローブロックを取付けた台座を振動させる
という不都合がある。また、上述の磁気軸受は、回転体
を完全非接触状態で浮上させ回転させる構造であるが、
長く、大きなロールを両端で支持しなければならない場
合の様に、取り付は誤差が大きくなると、回転体平衡を
制御するための電流が多くなり、不経済である課題があ
った。

そこで本願出願人は上述のような課題を解決すべく、以
下のような磁気制御軸受ユニットを提案している（特願
昭６３−９８１８２号）。即ち、軸受を軸受保持体によ
って保持し、該保持体を外側ハウジングに固定された板
バネによって弾性的に支持する構造としく第１６図参照
）、更に、外側ハウジングに複数の電磁極と、前記軸受
保持体の位置を検出する複数のセンサとを設け、該セン
サの検出出力に応じて電磁極の吸引力の強さを制御する
ようにした磁気制御軸受ユニットである。

（ｇ＠明が解決しようとする課題） 上記提案に係る磁気制御軸受ユニットは、第１６図に示
すようなＷ形の板バネによって軸受保持体を弾性的に支
持する上下左右対称の構造を有するが、軸受保持体等の
自重によって常に重力方向のツノを受けるため、板バネ
が定常的に変形した状態で静的バランスが保たれる。そ
のため、板バネの重力方向の支持力が不足する、あるい
は全ての板バネを同一に作ることが難しいといったこと
から、静的バランスをとりにくいという課題が残されて
いた。

本発明は上述の点に鑑みてなされたものであり、種々の
回転軸の運動状態、振動状態を積極的に制御できるとと
もに、重力方向にも安定した支持力を有し、静的バラン
スを容易にとることができる磁気制御軸受ユニットを提
供することを目的とする。

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するため本発明は、回転軸と、該回転軸
を支持する軸受と、該軸受を保持する軸受保持体と、該
軸受保持体を弾性的懸架手段で懸架して支持する外側ハ
ウジングと、該軸受保持体の外壁面に間隔をおいて対向
配置され該外側ハウジングに固定されている複数個の電
磁極と、該外側ハウジングまたは該軸受保持体に取付け
られて軸受保持体の動きを検出する複数個のセンサと、
該センサの検出出力に応じて該電磁極の吸引力の強さを
制御する制御回路とを備えた磁気制御軸受ユニットにお
いて、前記弾性的懸架手段は、重力方向に変形する第１
の弾性支持部材と、水平方向に変形する第２の弾性支持
部材とを有するようにしたものである。

また、前記弾性的懸架手段は、前記軸受保持体をその自
重とつり合うように付勢する弾性部材を含むことが望ま
しい。

（作用） 回転軸が軸受及び軸受保持体を介して重力方向と水平方
向とに独立して弾性的に支持されるとともに、軸受保持
体の動きが検出され、その検出結果に応じて軸受保持体
の位置が制御される。

更に、軸受保持体がその自重とつり合う力で弾性的に懸
架される。

（実施例） 以下本発明の一実施例を添付図面に基づいて詳述する。

第１図は本発明に係る磁気制御軸受ユニットの正面図、
第２図は第１図の■−ｎ線断面図である。

第１図、第２図において、回転軸ｌは軸方向の２カ所に
配置された軸受２によって支持されており、軸受２は軸
受保持体３に固定されている。第３図は、軸受保持体３
を弾性的に懸架する重層弾性支持構造の一方の斜視図で
あり、同図を合わせて参照すると、軸受保持体３の上下
面にはそれぞれ上下方向磁極３１（合計４個）が固定さ
れ、左右の側面にはそれぞれ横方内磁１１３２（合計８
個）が固定されている。上下方向磁極３１は軸受保持体
３との間に上下方向板バネ４Ｉの略中央部を挟着し、そ
れによって上下方向板バネ４１を軸受保持体３に固定し
ている。上下方向板バネの両端は枠体４３に固定されて
いる。枠体４３には横方向板バネ４２の一端が固定され
ており、該板バネ４２の他端は連結部材８１を介して外
側ハウジング８に固定されている。

第２図に示すように重層弾性支持構造は、軸方向の２カ
所に前記軸受に対応して設けられ、各重層弾性支持構造
は、第３図に示すように４枚の上下方向板バネ４１と、
８枚の横方向板バネ４２とを有する。

また、軸受保持体３の上面の略中央部には、上部にフラ
ンジ４５ａが固着されたロッド４５が固定されており、
フランジ４５ａと外側ハウジング８との間にコイルバネ
４４が縮設されている。コイルバネ４４は、軸受保持体
３を上方に付勢し、該保持体３の自重と釣合うように軸
受保持体３を弾性的に懸架する。軸受保持体３には、更
に回転軸ｌの回転数を検出するロータリーエンコーダ７
が取付けられている。

前記４ｗＪの上下方向磁極３１に対向する位置に上下方
向電磁１１５１　　（５１−１〜５１−４）　カ設けら
れ、また前記８個の横方向磁極３２に対向する位置に横
方向電磁極５２（５２−１〜５２−８）が設けられ、そ
れぞれ外側ハウジング８に固定されている（第４図参照
）。これらの電磁極５１．５２は、巻線５１ａ、５２ａ
を有し、軸受保持体３の位置を検出するセンサ６の検出
信号に応じて該巻線５１ａ、５２ａを流れる電流を後述
するように制御することにより、電磁極の吸引力を制御
し、軸受保持体３の位置制御を行う。

第５図〜第７図は、電磁極５１．５２及びセンサ６（６
−１〜６−５）の配置を示す図であり、第６図、第７図
はそれぞれ第５図の■、■の方向から見た配置図、第５
図は第６図のＶの方向から見た配置図である。

図示のように、電磁極５１．５２は、垂直方向、水平方
向、に対向して設置してあり、外側ハウジング８に固定
しである。垂直方向には、電磁極（５１−１，５ｌ−２
）と（５１−３，５ｌ−４）の対が、水平方向には、（
５２−１，５２−７）、（５２−２，５２−８）、　（
５２−３，５２−５）、（５２−４，５２−６）の各対
がある。センサ６は、垂直方向に６−１．６−３、水平
方向に６−２．６−４．６−５と設置しである。センサ
６−１．６−３で軸受保持体３の垂直方向の変位と傾き
を検出でき、センサ６−１．６−２．６−４．６−５に
よって軸受保持体３の水平方向の変位と傾きとねじれ（
回転）を検出する。

回転軸ｌに垂直方向に荷重が作用すると軸受２を介して
板バネ４１．４２に支持された軸受保持体３が荷重方向
に変位しようとする。その変位量をセンサ６−１．６−
３が検出しセンサ出力に応じて図示していない制御回路
を通して制ｔｅｘ流が電磁極５１−１．５１−２の対と
５１−３．５１−４の対に供給されて回転軸ｌを垂直力
向の目標位置に位置決めする。

回転軸１に水平方向の荷重が作用した場合はセンサ６−
２．６−４．６−５の出力に応じて電磁極５２−１．５
２−７の対、５２−２．５２−８の対、５２−３．５２
−５の対、５２−４．５２−６の対が作動して水平方向
の目標位置に位置決めする。

回転軸ｌが回転すると軸受２を介して軸受保持体３を回
転方向に回そうとするトルクが作用する。

それに対して板バネ４１．４２は踏ばり力を生じないが
、軸受保持体３の外側面に対向して配置されている電磁
極５２−１．５２−７の対、５２−２．５２−８の対、
５２−３．５２−５の対、５２−４．５２−６の対の動
作によって軸受保持体３が回転するのを防ぐ。

なお、板バネのかわりに、ねじり棒バネ、ゴム、空気バ
ネ等の弾性体を用いることができることはもちろんであ
る。

以上の構成により、後述する制御回路の特性に応じた軸
受の運動状態、振動状態の積極的な制御が可能となる。

また、重層弾性支持構造を採用したことにより、板バネ
４１．４２の形状を簡単化することができ、静的バラン
スをとり易くすることができる。更に、コイルバネ４４
により軸受保持体３等の自重がキャンセルされるので、
板バネ４１．４２のばね定数はすべて同一とすることが
でき、バネの設計が容易となるとともに、バネの互換性
の面でも有利となる。

尚、本実施例の磁気制御軸受ユニットは、第８図に示す
ように片持ちであるいは第９図に示す両持ちで使用され
る。

第１０図、第１１図は、本発明の実施例の制御回路に関
する、［磁気制御軸受ユニット」の要部を示すもので、
第１０図は制御回路全体を示すブロック図であり、第ｉ
ｔ図は第１Ｏ図のＰＩＤ調節器の回路図である。

図において、５１ａ−１，５１ａ−２は前記外側ハウジ
ング８に固定された電磁５１−１．５１−２の巻線であ
り、６−１は軸受保持体３の垂直方向の位置を検出する
センサである。

可動体（この場合軸受保持体３）の変位状況をセンサ６
−１で検出し、その出力信号はノイズ除去用のローパス
フィルタを通って減算ｊ１３１０に送られる。減算器ｌ
Ｏのもう一つの入力は可動体の垂直力向の目標位置を示
す目標位置基準電圧Ｖ。

（この場合Ｖｖ）である。前記減算器１０の出力はＰＩ
Ｄ調節器１１に送られる。ＰＩＤ調節器１１の出力は２
つに分けられ、その一方は加算器１２でバイアス電圧ｖ
１と加算され、もう一方は減算器１３でバイアス電圧ｖ
２との差をとられてそれぞれパワーアンプ１４．１５に
送られ、さらに電磁１１５１−１．５１−２の巻線５１
ａ−１，５１ａ−２に送られる。可動体は、減算器１０
の出力がＯになるまで、すなわち、可動体が基準位置に
なるまで制御される。ここでバイアス電圧ｖ１とｖ２に
ついて述べると、ＶｌとＶ２の差だけ巻線５１ａ−１と
５１ａ−２に流れる電流の差を生じ、それが電磁極５１
−１．５１−２の吸引力の差を生む。

それが可動体の自重分の差が生じた場合に補正できるよ
うに選ばれる。

この実施例の制御回路では、可動体の動きに減衰力を与
えるように位相を進める回路要素である微分回路要素を
ＰＩＤ調節器のＤ部に持っている。

第１０図のＰＩＤ調節器の例を第１１図に示す。

第１１図のＲｒｌ、　ＲＰ２．　　ｒ、　ＯＰＩで比例
部分（Ｐ部）を構成し、Ｒ＋、ＣＩ、ｒ、ＯＩ’２で積
分部分（１部）を構成し、Ｇｏ、Ｒｏ、ｒ、ＯＦ２で微
分部分（Ｄ部）を構成し、ＲＡＩ、ＲＡ２．ｒ、ＯＦ４
でＰ部、１部、Ｄ部の合算が行われて入力に対してＰＩ
Ｄ制御された出力が得られる。電磁極の池の対について
も同様に構成されている。

ここで、可動体の質量または軸の回転数に応じて可動体
の動きに対する減衰力やバネ定数を変えたいときには、
第１０図、第１１図の制御回路の回路定数（Ｖｌ、　Ｖ
２．　ＲＰＩ、　Ｒｒｌ、　Ｒ＋、　Ｃ１，Ｇｏ。

Ｒｅ、　ＲＡＩ、　Ｒ＾２）などの中のいくつかを手動
または自動で可変にすればよい。これによって可動体の
動きの動剛性の周波数特性（振動特性）を変えることが
できる。ここで、制御系の利得は、制御回路の回路常数
の定め方によって決まるが、利得が小さいときは軸受保
持体の回転数に対する振幅特性は第１４図の０１の様に
なり、利得が大きいときはＣ２の様になる。

即ち、ＣＩ、Ｃ２は制御系の常数を変更することによっ
て、軸受のバネ定数が変化したときの軸又は軸受保持体
の振動特性を表す。

回路常数を変えなければ、曲線ＣＩ或はＣ２に沿った振
幅特性を示す。曲線Ｃ１に沿った場合、危険速度での振
幅は小さいが高回転数のとき振幅が大きくなる。−力曲
線Ｃ２に沿った場合には高回転数のとき振幅は小さくな
るが危険速度での振幅が大きくなる。いずれの場合も振
幅が大きくなるときには基台の振動も大きくなる。

しかし、回転数がＮ＋以下或はＮ２以上で曲線Ｃ２にな
る回路常数とし、回転数がＮ１〜Ｎ２の範囲の時は曲線
Ｃ１になる回路常数とすれば、回転数全域にわたって振
幅を比較的小さくでき、特に回転数Ｎｏにおけるような
共振状態を避けることができる。

この動作を実現するのが第１２図に示す制御回路で、第
１図の回転軸ｌに取付けたロータリーエンコーダ７によ
り回転数ｎを検出し、ＦＶコンバータＩ８によってそれ
をアナログ電圧出力ｖＮに変換し、危険速度Ｎｏの近傍
の回転数Ｎｌ、Ｎ２　（Ｎ＋＜Ｎｏ＜Ｎ２）に対応する
ＦＶコンバータ出力相当分ＶＮＩ、ＶＮ２と比較し、回
転数ｎが危険速度近傍のとき、すなわちＶＮＩ＜ＶＮ＜
ＶＮ２なるときと、危険速度近傍でないとき、すなわち
ＶＮ＜ＶＮＩまたはＶＮ＞ＶＮ２のときとでアナログス
イッチ１６−Ａ、１６−Ｂ、＋６−Ｃ：を切換え、ＰＩ
Ｄ調節器の回路定数を変える構成になっている。

比較器１７は、第１３図の構成となっている。

即ち、ＦＶコンバータ１８からの入力ｖＮは、ＶＮＩ、
　ＶＨ２１！ｌニオペア’／ブＯＰ５とＯＲ６によって
比較され、抵抗ｒｌ、ｒ２を通りダイオードとトランジ
スタより構成されるインターフェースを通ってインバー
タとＮＯＲ素子を通ってＶｓｔ（ＶＨ＜ＶＨ２のときに
はｈ　ｉ　ｇ　ｈの信号がそれ以外のときにはｌｏｗの
信号が出力され、それに応じてアナログスイッチ１６−
Ａ、１６−Ｂ、１６−（；はＩＩ、Ｌと切換えられ、回
路１８′数が変更される。これにより、軸の回転数ｎが
Ｎ１以下、Ｎ２以上のときは曲線Ｃ２の特性が得られ、
回転数ｎがＮｌないしＮ２のときは曲線Ｃ１の特性が得
られる。

なお、第１３図のダイオードは、オペアンプの電源電圧
が」５ｖ、トランジスタの電源電圧５ｖの場合のレベル
変換のためのものである。

また、制御回路の構成、作用については２つの対となっ
た電磁極（５１−１，５ｌ−２）についてのみ説明した
が、池の複数組の電磁極（５１−３，５１−４）、（５
２−１，５２−７）、（５２−２，５２−８）、（５２
−３，５２−５）、（５２−４，５２−６）についても
同様の制御を行うことはいうまでもない。

（発明の効果） 以上詳述したように、請求項１の磁気制御軸受ユニット
によれば、回転軸が軸受及び軸受保持体を介して重力方
向と水平力向とに独立して弾性的に支持されるとともに
、軸受保持体の動きが検出されその検出結果に応じて軸
受保持体の位置が制御されるので、回転軸の運動状態、
振動状態を積極的に制御することができる。また、重力
方向と水平方向とに独立の弾性支持部材で軸受保持体を
支持するようにしたので、弾性支持部材の形状を簡単化
することができるとともに、静的バランスを容易にとる
ことができる。

Ｉ＃請求項の磁気軸受制御ユニットによれば、軸受保持
体がその自重とつり合う力で弾性的に懸架されるので、
重力方向の安定な支持力を得ることができる。また、上
記弾性支持部材は、軸受保持体の自重分を支持する必要
がないので、設計、製作が容易となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る磁気制御軸受ユニットの正面図、
第２図は第１図の■−ｎ線断面図、第３図は軸受ユニッ
ト内部の重層弾性支持構造の斜視図、第４図は電磁極（
５１，５２）の位置関係を示す斜視図、第５図、第６図
、第７図は電磁棒及びセンサ（６）の配置を示す図、第
８図、第９図は軸受ユニットの使用例を示す側面図、第
１０図は軸受ユニットの制御回路のブロック図、第１１
図は第１Ｏ図のＰＩＤ調節器の回路図、第１２図は第１
０図の制御回路の変形例のブロック図、第１３図は第１
２図の比較器（１７）の回路図、第１４図は回転軸の回
転数と軸受保持体の振動振幅との関係を示す図、第１５
図、第１６図は従来例の概念図である。 センサ、８・・・外側ハウジング、１１・・・Ｐ　Ｉ　
Ｄ調節器、３１・・・上下方向磁極、３２・・・横方向
磁極、４１・・・上下方向板バネ、４２・・・慣方向板
バネ、４３・・・枠体、４４・・・コイルバネ、５１・
・・上下方向電磁極、５２・・・横方向電磁極。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、回転軸と、該回転軸を支持する軸受と、該軸受を保
   持する軸受保持体と、該軸受保持体を弾性的懸架手段で
   懸架して支持する外側ハウジングと、該軸受保持体の外
   壁面に間隔をおいて対向配置され該外側ハウジングに固
   定されている複数個の電磁極と、該外側ハウジングまた
   は該軸受保持体に取付けられて軸受保持体の動きを検出
   する複数個のセンサと、該センサの検出出力に応じて該
   電磁極の吸引力の強さを制御する制御回路とを備えた磁
   気制御軸受ユニットにおいて、前記弾性的懸架手段は、
   重力方向に変形する第１の弾性支持部材と、水平方向に
   変形する第２の弾性支持部材とを有することを特徴とす
   る磁気制御軸受ユニット。 ２、前記弾性的懸架手段は、前記軸受保持体をその自重
   とつり合うように付勢する弾性部材を含むことを特徴と
   する請求項１記載の磁気制御軸受ユニット。