JPH06160007A - 回転体位置検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 渦電流等に起因する温度変化に拘らず回転体
の位置検出感度を一定に保持する。 【構成】 回転体１の位置を検出する渦電流センサ４お
よび温度を検出する温度センサ５を配置し、温度センサ
５の出力に対応して励振周波数制御回路６により励振周
波数指令信号を得、励振周波数指令信号に対応する励振
周波数を励振回路７に供給することにより、渦電流セン
サ４の励振周波数を変化させ、位置検出感度を一定に保
持する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は回転体位置検出装置に
関し、さらに詳細にいえば、モータに代表される回転体
を磁気軸受等により支持している場合に好適に適用され
る回転体位置検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から超高速回転するモータ等を支持
するために、回転体と軸受との間に摩擦抵抗が生じるこ
とを防止できるという利点に着目して磁気軸受が採用さ
れている。ここで、磁気軸受は、例えば、磁性体からな
る回転体を挟んで対象位置に少なくとも１対の電磁石、
一般的には２対の電磁石を配置しておき、各対の電磁石
を励磁して回転体に対する吸引力を発生させるものであ
り、各対の電磁石を交互に例示する場合には、励磁周期
を短縮することにより、等価的に各対の電磁石が同時に
回転体に対して吸引力を作用させている状態を得、回転
体を強固に支持することができる。また、各対の電磁石
を直流で励磁する場合には、励磁する直流レベルを変化
させることにより所望方向への吸引力を生じさせること
ができる。

【０００３】また、回転体が各対の電磁石の中心近傍に
位置している状態においては、上述のような電磁石の励
磁を行なうことにより回転体を高精度に位置決め支持で
きるのであるが、中心近傍からある程度以上変位した場
合には、回転体の位置ずれの方向および量に対応させて
各対の電磁石の一方の吸引力を他方の吸引力よりも大き
くなるように電磁石を制御すればよく、上記変位を解消
させることができる。

【０００４】以上の説明から明らかなように、磁気軸受
を採用する場合には、回転体の位置を非接触でかなり高
精度に検出することが必要になり、この要請に応えるた
めに、渦電流センサまたはインダクタンス式センサが提
案されている。渦電流センサは、回転体を高周波で励振
した場合に回転体の表面に発生する渦電流に起因するイ
ンピーダンスの変化を検出するものであり、インダクタ
ンス式センサは、回転体との間に形成されるインダクタ
ンスの変化を検出するものであり、何れのセンサも非接
触で、かつかなり高精度に回転体の位置を検出できる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記何れのセンサを用
いた場合にも、回転体の温度が測定時に変化するのであ
るから、検出感度が必然的に変動し、ひいては回転体の
位置検出精度が低下してしまうという不都合がある。さ
らに詳細に説明する。渦電流センサを用いた場合には、
回転体のうち、位置検出対象となる部分の表面に渦電流
が流れる関係上、渦電流損に起因する発熱が生じ、回転
体の温度が上昇する。もちろん、モータ等の回転子とし
て機能する部分にも渦電流が発生し、この部分における
渦電流損によっても回転体の温度が上昇する。また、回
転体を例えば積層鋼板で構成することにより主として後
者に起因する渦電流を少なくでき、励振周波数の上昇に
応じて積層鋼板の厚みを薄くすることにより渦電流の増
加を抑制できるが、渦電流を皆無にすることは不可能で
ある。さらに、回転体は外部環境の影響をも受けるので
あるから、回転体の温度を一定に保持することは不可能
である。これらの原因により回転体の温度が上昇すれ
ば、回転体の抵抗率が低下するので、渦電流センサによ
る検出感度が低下してしまう。逆に、インダクタンス式
センサを用いた場合には、内部抵抗の増加が磁気抵抗の
減少を招いてしまい、逆に検出感度が向上してしまう。

【０００６】そして、検出感度の変化は、回転体の変位
に対応する変位検出信号のレベルを変化させることにな
ってしまうので、センサからの出力信号に基づいて位置
検出を行なう制御回路に悪影響を及ぼし、ひいては位置
検出精度が低下してしまうことになる。また、磁気軸受
においては、温度変化に起因して回転体とセンサとの距
離が変化すると思われるかもしれないが、回転体および
センサの膨張をキャンセルするように設計されているの
であるから、上述した検出感度の変化が回転体とセンサ
との距離変化により低減されることは期待できず、検出
感度の変化に起因して位置検出精度が低下してしまうこ
とになる。

【０００７】

【発明の目的】この発明は上記の問題点に鑑みてなされ
たものであり、回転体の温度変化に拘らず位置検出精度
を高く維持できる回転体位置検出装置を提供することを
目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの、請求項１の回転体位置検出装置は、回転体の温度
を検出する温度検出手段と、検出温度に基づいて励振周
波数を制御する励振周波数制御手段とを含んでいる。請
求項２の回転体検出装置は、センサとして、励振周波数
が与えられた一次コイル、一次コイルと同心状に配置さ
れた二次コイルおよび二次コイルの端子間に接続され、
かつ回転体の温度に依存して抵抗値が変化する可変抵抗
手段を含むものを採用している。

【０００９】

【作用】請求項１の回転体位置検出装置であれば、回転
体に対して所定位置に、所定の励振周波数が与えられる
ことにより所定のインピーダンスまたはインダクタンス
を生じさせるセンサを配置し、センサのインピーダンス
変化またはインダクタンス変化に基づいて回転体の相対
位置変位を検出する場合に、回転体の温度を温度検出手
段により検出し、検出温度に基づいて励振周波数制御手
段により励振周波数を制御するのであるから、回転体の
温度変化に起因する感度変化を補償すべく励振周波数を
変化させることができ、この結果、回転体の位置検出精
度を高く維持できる。

【００１０】請求項２の回転体検出装置であれば、セン
サが、励振周波数が与えられた一次コイル、一次コイル
と同心状に配置された二次コイルおよび二次コイルの端
子間に接続され、かつ回転体の温度に依存して抵抗値が
変化する可変抵抗手段を含んでいるのであるから、二次
コイルの端子間の状態を適宜設定することにより（具体
的には、短絡状態から開放状態の範囲内において所望の
状態に設定することにより）、渦電流方式のセンサと同
じ特性を示す状態からインダクタンス式のセンサと同じ
特性を示す状態までの範囲内における所望の状態を簡単
に得ることができ、しかも、二次コイルの端子間に抵抗
の温度依存性が高い可変抵抗手段を接続しているので、
抵抗の温度依存性に基づいて上記状態を変化させること
ができ、励振周波数を特に変化させなくても、温度変化
に起因する検出感度の変動を補償でき、回転体の位置を
高精度に検出できる。

【００１１】

【実施例】以下、実施例を示す添付図面によって詳細に
説明する。図１はこの発明の回転体位置検出装置の一実
施例を組込んだ回転体位置決め装置を概略的に示すブロ
ック図であり、回転体の一例としての磁性体製の回転軸
１を基準として２対の電磁石（但し、図１には１対のみ
を示している）２ａ，２ｂが配置されているとともに、
各対の電磁石２ａ，２ｂに対して選択的に励磁信号を与
える電磁石制御回路３が設けられている。また、回転軸
１に近接する所定位置に渦電流センサ４が設けられてい
るとともに、赤外線温度センサ等からなる温度センサ５
が設けられている。上記渦電流センサ４は図１には１個
しか示していないが、少なくとも１対、好ましくは２対
設けることになる。

【００１２】そして、温度センサ５から出力される温度
検出信号を入力として励振周波数指令信号を出力する励
振周波数制御回路６と、励振周波数指令信号に基づいて
定まる周波数の励振信号を出力し、渦電流センサ４に供
給する励振回路７とを有している。また、渦電流センサ
４から出力される位置検出信号が電磁石制御回路３に供
給されている。図１には特には図示していないが、渦電
流センサ４から出力される位置検出信号を検波器に導く
ことにより励振周波数成分を除去し、励振周波数成分が
除去された位置検出信号を電磁石制御回路３に供給して
いる。

【００１３】上記の構成の回転体位置決め装置の作用は
次のとおりである。回転軸１が回転している状態におい
て励振回路７により渦電流センサ４を励振することによ
り回転軸１の表面に渦電流が生じる。したがって、発生
した渦電流を渦電流センサ４により検出することによ
り、渦電流センサ４と回転軸１との相対位置を検出でき
る。そして、渦電流センサ４から出力される位置検出信
号を電磁石制御回路３に供給し、電磁石制御回路３によ
り各対の電磁石２ａ，２ｂを選択的に励磁することによ
り、位置変位を補正する方向に回転軸１を移動させるこ
とができ、回転軸１を高精度に位置決めできる。

【００１４】以上の説明は、渦電流センサ４の感度が変
化しないことを前提としているが、一般的には回転軸１
の温度が一定に保持され続けることはない（例えば、渦
電流に起因する渦電流損によって回転軸１の温度が上昇
する）。したがって、例えば、回転軸１の温度が上昇し
た場合には回転軸１の内部抵抗率が低下し、渦電流に起
因するインピーダンスの減少を検出する渦電流センサ４
の感度低下を招くことになる。ここで、感度とは、回転
軸１の変位に対する渦電流センサ４の出力信号レベルの
比である。しかし、この実施例においては、温度センサ
５により回転軸１の温度を常時監視し、温度が上昇した
場合に、励振周波数制御回路６により低い励振周波数を
指示する励振周波数指令信号を出力するので、渦電流セ
ンサ４の感度低下を補償して一定の位置検出感度を保持
させ続けることができる。具体的には、図２に示すよう
に、励振周波数に依存して出力が増加する渦電流センサ
４の出力信号（図２中Ａ参照）が、回転軸１の温度上昇
に起因して図２中Ｂで示すように下降した場合に、励振
周波数を高くすることにより渦電流センサ４の出力信号
を同じレベルに維持することができる。即ち、検出感度
を一定に保持できる（図２中の破線参照）。

【００１５】以上の説明から明らかなように、渦電流等
に起因して回転軸１の温度が変化した場合に、温度変化
に起因する渦電流センサ４の感度変化を補償すべく励振
周波数を変化させるので、回転軸１の位置を高精度に検
出でき、ひいては回転軸１を高精度に位置決めできる。
尚、以上には渦電流センサ４を用いて回転軸１の位置検
出を行なう場合について説明したが、渦電流センサ４に
代えてインダクタンス式センサを用いても非接触で回転
軸１の位置を検出できる。但し、インタクタンス式セン
サの場合には、磁気抵抗変化に起因するインピーダンス
の増加を検出することになるので、回転軸１の温度上昇
に対応してセンサの出力信号のレベルが増加する。した
がって、励振周波数を低くすることにより回転軸１の温
度上昇を補償して回転軸１の位置検出を高精度に達成で
きる。

【００１６】また、以上の説明から明らかなように、渦
電流の発生を特に抑制する必要がなくなるので、必要以
上に高品質な積層鋼板を使用する必要がなくなり、回転
体を安価にできる。さらに、この実施例においては、励
振周波数制御回路６と励振回路７とを互に別回路として
構成しているが、例えば、励振周波数制御回路６として
直列抵抗および並列抵抗が接続されたサーミスタ等の温
度依存可変抵抗を用い、クワドラチャ発振回路等に組み
込むことにより両者を一体化することが可能である。

【００１７】

【実施例２】図３はこの発明の回転体位置検出装置の他
の実施例の要部を示す概略図であり、磁性体製のコア８
ｅに一次コイル８ａおよび二次コイル８ｂを設けてい
る。そして、一次コイル８ａの端子間に励振回路７が接
続されているとともに、二次コイル８ｂの端子間に開閉
スイッチ８ｃおよび温度特性補償用の抵抗８ｄが直列接
続されている。尚、上記一次コイル８ａ、二次コイル８
ｂ、開閉スイッチ８ｃおよび抵抗８ｄは回転体の位置を
検出するセンサを構成している。また、他の構成部分は
上記実施例と同様であるから、図示および説明を省略す
る。

【００１８】したがって、この実施例の場合には、励振
回路７の出力信号が一次コイル８ａに供給され、検出温
度に対応する磁束が発生されるので、コア８ｅを通して
二次コイル８ｂに導入される。ここで、開閉スイッチ８
ｃが閉成されている場合には、二次コイル８ｂに一次コ
イル８ａによる発生磁束を妨げるように電流が流れ、し
かもこの電流は抵抗８ｄにより制限されるのであるか
ら、渦電流センサとインダクタンス式センサとの中間的
な変位インピーダンス特性を示すセンサとして作用す
る。逆に、開閉スイッチ８ｃが開成されている場合に
は、二次コイル８ｂの存在を無視できるので、インダク
タンス式センサと同様の変位インピーダンス特性を示す
センサとして作用する（図４（Ａ）参照）。上記変位イ
ンピーダンス特性についてさらに詳細に説明する。開閉
スイッチ８ｃが閉成されているとともに、抵抗８ｄが接
続されていない場合には、一次コイル８ａによる発生磁
束を妨げるように二次コイル８ｂに流れる電流が殆ど制
約を受けないので、渦電流センサと同様の変位インピー
ダンス特性を示すセンサとして作用する（図４（Ｂ）参
照）。しかし、この実施例においては、開閉スイッチ８
ｃの閉成時に二次コイル８ｂの端子間に抵抗８ｄが接続
されて電流を制限しているのであるから、図４（Ｃ）に
示すように、インダクタンス式センサの変位インピーダ
ンス特性と渦電流センサの変位インピーダンス特性とを
重ね合せた変位インピーダンス特性を得ることができ
る。尚、重ね合せて変位インピーダンス特性は、元にな
るそれぞれの変位インピーダンス特性が非直線性を示し
ているにも拘らず、かなり高い直線性を示すことにな
る。したがって、センサ出力に基づく回転体の位置決め
処理を簡単化できる。

【００１９】

【実施例３】図５はこの発明の回転体位置検出装置のさ
らに他の実施例の要部を示す概略図であり、図３の実施
例と異なる点は、抵抗８ｄに変えて、直列抵抗８ｇおよ
び並列抵抗８ｈが接続されたサーミスタ８ｆを採用した
点および励振周波数制御回路６を省略した点のみであ
る。

【００２０】この実施例の場合には、サーミスタ８ｆの
非直線的な抵抗温度特性を、直列抵抗８ｇおよび並列抵
抗８ｈによりほぼ直線的な抵抗温度特性を示すように変
換できる。したがって、温度変化が生じた場合に、サー
ミスタ８ｆ、直列抵抗８ｇおよび並列抵抗８ｈで構成さ
れる回路の抵抗値が直線的に変化する。この結果、回転
体の位置を検出するセンサの変位インピーダンス特性も
変化するので（図６中実線および破線参照）、この特性
変化により温度変化に起因する検出感度の変化を補償で
き、ひいては高精度の位置検出を達成できる。

【００２１】

【発明の効果】以上のように請求項１の発明は、センサ
のインピーダンス変化またはインダクタンス変化に基づ
いて回転体の相対位置変位を検出する場合に、回転体の
温度を温度検出手段により検出し、検出温度に基づいて
励振周波数制御手段により励振周波数を制御するのであ
るから、回転体の温度変化に起因する感度変化を補償す
べく励振周波数を変化させることができ、ひいては回転
体の位置検出精度を高く維持できるという特有の効果を
奏する。

【００２２】請求項２の発明は、二次コイルの端子間
に、回転体の温度に依存して抵抗値が変化する可変抵抗
手段を接続しているので、回転体の位置を検出するセン
サの特性の温度依存性を可変抵抗手段の抵抗値変化によ
り補償でき、ひいては回転体の位置検出精度を高く維持
できるという特有の効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の回転位置検出装置の一実施例を組込
んだ回転体位置決め装置を概略的に示すブロック図であ
る。

【図２】温度変化に起因する感度変化を補償する動作を
説明する概略図である。

【図３】この発明の回転体位置検出装置の他の実施例の
要部を示す概略図である。

【図４】図３の実施例におけるセンサの変位インピーダ
ンス特性を説明する図である。

【図５】この発明の回転体位置検出装置のさらに他の実
施例の要部を示す概略図である。

【図６】温度変化に起因する変位インピーダンス特性の
変化を説明する図である。

【符号の説明】

１ 回転体としての回転軸 ４ 渦電流センサ ５ 温度センサ ６ 励振周波数制御回路 ８ａ 一次コイル ８ｂ 二次コイル ８ｆ サーミスタ ８ｇ 直列抵抗 ８ｈ 並列抵抗

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転体（１）に対して所定位置に、所定
   の励振周波数が与えられることにより所定のインピーダ
   ンスまたはインダクタンスを生じさせるセンサ（４）を
   配置し、センサ（４）のインピーダンス変化またはイン
   ダクタンス変化に基づいて回転体（１）の相対位置変位
   を検出する回転体位置検出装置において、回転体（１）
   の温度を検出する温度検出手段（５）と、検出温度に基
   づいて励振周波数を制御する励振周波数制御手段（６）
   とを含むことを特徴とする回転体検出装置。
2. 【請求項２】 回転体（１）に対して所定位置に、所定
   の励振周波数が与えられることにより所定のインピーダ
   ンスまたはインダクタンスを生じさせるセンサ（４）を
   配置し、センサ（４）のインピーダンス変化またはイン
   ダクタンス変化に基づいて回転体（１）の相対位置変位
   を検出する回転体位置検出装置において、センサ（４）
   が、励振周波数が与えられた一次コイル（８ａ）、一次
   コイル（８ａ）と同心状に配置された二次コイル（８
   ｂ）および二次コイル（８ｂ）の端子間に接続され、か
   つ回転体の温度に依存して抵抗値が変化する可変抵抗手
   段（８ｆ）（８ｇ）（８ｈ）を含むことを特徴とする回
   転体検出装置。