JPH06201743A - 回転体位置検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ノイズの影響を排除して回転体の位置検出精
度を高める。 【構成】 回転体１の位置を検出する渦電流センサ４
ａ，４ｂを配置し、渦電流センサ４ａ，４ｂ端子間電圧
をハイパスフィルタ７ａ，７ｂを介して検波器８ａ，８
ｂに供給する。

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非接触で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
を交互に励磁して回転体に対する吸引力を発生させ、吸
引力が発生している電磁石の側に回転体を移動させるも
のである。そして、各対の電磁石を交互に励磁する周期
を可能な限り短くすることにより、等価的に各対の両電
磁石による吸引力が回転体に作用している状態を得て、
十分に強い回転体保持力を達成している。

【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、各対の電磁石の一方のみを励磁し続けることに
より上記変位を解消させることができる。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。

【０００４】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。具
体的には、例えば、インダクタンス式センサを採用する
場合には、各対のコイルに抵抗等を介して高周波電圧を
印加し、コイルの両端の電圧を検波することにより回転
体の位置変位信号を得、この位置変位信号に基づいて回
転体の位置検出を行なうことが提案されている（特開昭
６３−２１４５１９号公報参照）。

【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、検波により得られた位置変位信号には洩
れ磁束等に起因するノイズが含まれており、しかも、位
置変位信号の周波数とノイズの周波数とが余り大きくは
異なっていないので、高精度の位置変位信号を得ること
ができない。また、ノイズ信号を除去するために、検波
回路の後段にローパスフィルタ等を介在させることが考
えられるが、検波後の位置検出信号周波数とノイズ周波
数とは余り差がないのであるからノイズを十分には低減
できず、ひいては回転体の位置検出精度を余り高めるこ
とができない。

【０００６】また、コイルに印加される高周波電圧とし
て振幅変調が施されたものを採用しているので、外部ノ
イズの影響を受けやすく、しかも、洩れ磁束等に起因す
るノイズと同様に位置変位信号の周波数と余り大きくは
異なっていないので、ローパスフィルタ等を介在させて
もノイズを十分には低減できず、ひいては回転体の位置
検出精度を余り高めることができない。

【０００７】以上のように回転体の位置検出精度を余り
高めることができないのであるから、ターボ分子ポンプ
等のように超高速で回転される回転体の位置を余り正確
には制御できないことになり、ターボ分子ポンプ等の回
転体が限界量以上の位置ずれを生じ、ひいてはターボ分
子ポンプ等が破損してしまう危険性がある。

【０００８】

【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、ノイズの影響を大幅に低減して回転体の
位置検出精度を高めることが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。

【０００９】

【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、検波手段の前
段側に少なくとも低周波成分を除去するフィルタ手段を
設けてある。請求項２の回転体位置検出装置は、センサ
の励振周波数が、ノイズ成分のレベルが変位検出信号に
影響を与えないよう高く設定されている。

【００１０】請求項３の回転体位置検出装置は、回転体
を回転駆動するインバータをさらに有しているととも
に、インバータのキャリア周波数が、ノイズ成分のレベ
ルが変位検出信号に影響を与えないよう高く設定されて
いる。請求項４の回転体位置検出装置は、回転体を回転
駆動するインバータをさらに有しているとともに、イン
バータのスイッチング速度が、ノイズ成分のレベルが変
位検出信号に影響を与えないよう遅く設定されている。

【００１１】

【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、センサからの出力信号を
検波手段により検波して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を得、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、検波手段の前段側に設けられたフィ
ルタ手段により少なくとも低周波成分を除去するのであ
るから、検波出力にノイズ成分が含まれることを大幅に
低減でき、この結果、回転体の位置検出精度を高めるこ
とができる。具体的には、洩れ磁束等に起因するノイズ
成分の周波数は上記所定の励振周波数と比較して著しく
低いのであるから、検波手段の前段側にフィルタ手段を
介在させることにより簡単にノイズ成分を除去でき、こ
の結果、回転体の位置検出精度を高めることができる。

【００１２】請求項２の回転体位置検出装置であれば、
所定の励振周波数が高く設定されているのであるから、
フィルタ手段によるノイズ成分除去効果を高めることが
でき、ひいては回転体の位置検出精度を一層高めること
ができる。請求項３の回転体位置検出装置であれば、イ
ンバータのキャリア周波数が、ノイズ成分のレベルが変
位検出信号に影響を与えないよう高く設定されているの
であるから、請求項１の作用に加え、所定の励振周波数
を、例えば、ノイズ信号の影響を余り受けることなく、
検出感度が高くなる周波数に設定することが可能にな
る。

【００１３】請求項４の回転体位置検出装置であれば、
インバータのスイッチング速度が、ノイズ成分のレベル
が変位検出信号に影響を与えないよう遅く設定されてい
るのであるから、ノイズ成分自体のレベルを十分に減衰
させることができ、この結果、回転体の位置検出精度を
高めることができる。

【００１４】

【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子１を基準として２対の電磁石
（図示せず）が配置されているとともに、各対の電磁石
に対して選択的に励磁信号を与える電磁石制御回路（図
示せず）が設けられている。また、回転軸１に近接する
所定位置に２対の渦電流センサ４ａ，４ｂ（但し、図１
には１対のみを示している）が設けられているととも
に、共通の高周波電源５の端子間に、それぞれ抵抗４
ｃ，４ｄと直列接続された状態で渦電流センサ４ａ，４
ｂが接続されている。尚、図１中、６ａ，６ｂ，６ｃは
固定子巻線であり、６は固定子巻線６ａ，６ｂ，６ｃに
対して所定の電気角ずつ位相がずれた多相交流電源を供
給するためのインバータである。

【００１５】そして、渦電流センサ４ａ，４ｂと抵抗４
ｃ，４ｄとの接続点における分圧電圧をハイパスフィル
タ７ａ，７ｂを介して検波器８ａ，８ｂに供給し、高周
波電源５の電源周波数の近傍の周波数成分の信号を位置
検出信号として電磁石制御回路に供給している。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。

【００１６】回転子１が回転している状態において高周
波電源５により渦電流センサ４ａ，４ｂを励振すること
により回転軸１の表面に渦電流が生じ、渦電流に対応し
て渦電流センサ４ａ，４ｂのインピーダンスが変化す
る。したがって、発生した渦電流に起因する渦電流セン
サ４ａ，４ｂのインピーダンスを分圧電圧として検出
し、検波器８ａ，８ｂにより検波することにより、渦電
流センサ４ａ，４ｂ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に供給し、電磁石制御回路により各
対の電磁石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。

【００１７】以上の説明は、洩れ磁束等に起因する低周
波ノイズが存在しないことを前提としているが、一般的
にはこのような低周波ノイズが皆無であることはない。
したがって、例えば、図２（Ａ）に示すノイズ信号の影
響を受けた場合には、渦転流センサ４ａの端子間信号が
図２（Ｂ）に示すようにノイズ信号の影響を受けてしま
い、この端子間信号を検波器８ａにより検波すれば、図
２（Ｃ）に示すようにノイズ信号の影響を大きく受けた
位置検出信号を得ることができる。また、この位置検出
信号に基づいて電磁石制御回路により電磁石を制御して
も、回転子１を正確には位置決めできない。しかし、こ
の実施例においては、各検波器８ａ，８ｂの前段にハイ
パスフィルタ７ａ，７ｂが設けられているので、洩れ磁
束等に起因する低周波ノイズ信号を除去した後に検波器
８ａ，８ｂにより検波されることになり、高精度の位置
検出を達成できる。さらに詳細に説明すれば、洩れ磁束
等に起因するノイズ信号と渦電流センサ４ａ，４ｂによ
り検出される位置検出信号との周波数スペクトラムは図
３に示すとおりであり、検波前においては十分に周波数
の差があるので、ハイパスフィルタ７ａ，７ｂによりか
なり高精度にノイズ信号を除去でき、ノイズ信号の影響
を殆ど受けていない位置検出信号を検波器８ａ，８ｂに
より得ることができる。

【００１８】図４はハイパスフィルタ７ａ，７ｂにより
ノイズ信号を除去した状態を示す周波数スペクトラムで
あり、中間周波数帯にかなりノイズ信号が残留している
が、この残留しているノイズ信号は、検波後にローパス
フィルタを通すことによりほぼ完全に除去できる。ま
た、以上の説明から明らかなように、高周波電源５の電
源周波数をより高く設定することにより、ハイパスフィ
ルタ７ａ，７ｂによるノイズ信号除去効果を著しく高め
ることができ、位置検出精度を著しく高めることができ
る。

【００１９】尚、以上の実施例においては、低周波のノ
イズ信号を除去するためにハイパスフィルタ７ａ，７ｂ
を採用しているが、高周波電源５の電源周波数の近傍の
周波数成分のみを選択するバンドパスフィルタを採用し
てもよいことはもちろんである。さらに、以上の説明に
おいては、インバータ６等に起因するノイズ信号を全く
考慮していないが、インバータ等に起因するノイズ信号
は、図５（Ａ）に示すように、周波数が高くなるにつれ
て信号レベルが減衰するのであるから、高周波電源５の
電源周波数を高く設定することにより同様にノイズ信号
除去効果を高めることができる。逆に、インバータ６等
のスイッチング回路をノイズ発生源として見た場合に
は、スイッチング速度を遅くすることにより波形を鈍ら
せれば、図５（Ｂ）に示すように、ノイズ信号の信号レ
ベルの減衰が顕著になるので、高周波電源５の電源周波
数を高く設定した場合とほぼ等価になり、ノイズ除去効
果を高めることができる。また、インバータ６のキャリ
ア周波数を高く設定した場合にも同様の作用を達成でき
る。この場合には、キャリア周波数の設定によりノイズ
信号除去を達成しているのであるから、高周波電源５の
電源周波数を適宜設定することが可能になり、例えば、
検出感度が高くなる周波数に設定することにより位置検
出感度を高めることができる。さらに、インバータ６か
ら発生する高周波成分を一層低減するために、例えば、
スイッチング素子のゲートドライブ抵抗を大きくし、ス
イッチング素子のドレイン・ソース端子間にスナバ回路
を付加し、または１対のスイッチング素子の接続点に洩
れインピーダンスの数倍のインピーダンスを接続するこ
と等が考えられる。

【００２０】さらにまた、ノイズ信号源となる電磁石、
電磁石制御回路、渦電流センサ４ａ，４ｂ、渦電流セン
サ用の検出回路、インバータ回路、各種電源回路等に起
因するノイズ信号の周波数成分を予め検出しておいて、
これらノイズ信号の影響を受けることなく位置変位信号
を検出し得る周波数帯に対応するバンドパスフィルタを
設けることにより、ノイズ信号源毎にフィルタを設ける
ことによる回路構成の複雑化を防止できる。もちろん、
上記各種ノイズ信号源の周波数を位置変位信号の周波数
帯と大きくかけ離れた周波数に設定してもよく、この場
合には、高周波電源５の電源周波数を検出感度が高くな
る周波数に設定することが可能になり、位置検出感度を
高めることができる。

【００２１】図６はこの発明のさらに他の構成例の要部
を示す電気回路図であり、トランジスタ１０のベース・
エミッタ端子間にインダクタンス１１を、ベース・コレ
クタ端子間にコンデンサ１２を、コレクタ・エミッタ端
子間に渦電流センサ４ａを接続してハートレ発振回路を
構成している。ここで、インダクタンス１１、渦電流セ
ンサ４ａのインダクタンスをそれぞれＬ２，Ｌ１とし、
コンデンサ１２の静電容量をＣ１とすれば、発振周波数
Ｆは、 Ｆ＝１／［２π｛（Ｌ１＋Ｌ２）Ｃ１｝^1/2］ となる。そして、Ｌ２，Ｃ１は定数であるから、発振周
波数ＦはインダクタンスＬ１の関数となり、図７に示す
ように、発振周波数ＦとインダクタンスＬ１とは１対１
の対応をとることになる。

【００２２】したがって、上記発振回路により得られる
発振周波数を、従来公知のＦＭ受信器と同様の変換回路
を用いて振幅成分に変換することにより位置検出信号を
得ることができる。この場合には、渦電流センサ４ａの
インダクタンス変化により周波数変調を施した状態にな
るため、耐ノイズ性が高く、高精度の位置検出信号を得
ることができる。

【００２３】尚、この実施例は渦電流センサのインピー
ダンス変化により発振周波数を変化させるようにしてい
るが、静電容量式のセンサのインダクタンス変化により
発振周波数を変化させ得ることはもちろんである。

【００２４】

【発明の効果】以上のように請求項１の発明は、検波手
段の前段側に設けられたフィルタ手段により少なくとも
低周波成分を除去するのであるから、検波出力にノイズ
成分が含まれることを大幅に低減でき、この結果、回転
体の位置検出精度を高めることができるという特有の効
果を奏する。

【００２５】請求項２の発明は、フィルタ手段によるノ
イズ成分除去効果を高めることができ、ひいては回転体
の位置検出精度を一層高めることができるという特有の
効果を奏する。請求項３の発明は、請求項１の効果に加
え、所定の励振周波数を、ノイズ信号の影響を余り受け
ることなく、検出感度が高くなる周波数に設定すること
が可能になるという特有の効果を奏する。

【００２６】請求項４の発明は、ノイズ成分自体のレベ
ルを十分に減衰させることができ、ひいては、回転体の
位置検出精度を高めることが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】検波後の位置変位信号に対するノイズ信号の影
響を説明する図である。

【図３】位置変位信号と洩れ磁束等に起因するノイズ信
号との周波数スペクトラムを示す図である。

【図４】検波器の前段における周波数スペクトラムを示
す図である。

【図５】位置変位信号とインバータ等等に起因するノイ
ズ信号との周波数スペクトラムを示す図である。

【図６】この発明のさらに他の構成例の要部を示す電気
回路図である。

【図７】図６の構成例における発振周波数と渦電流セン
サのインピーダンスとの関係を示す図である。

【符号の説明】

１ 回転体としての回転子 ４ 渦電流センサ ５ 高周波電源 ６ インバータ ７ａ，７ｂ ハイパスフィルタ ８ａ，８ｂ 検波器

フロントページの続き (72)発明者 木村 文孝 滋賀県草津市岡本町字大谷1000番地の２ ダイキン工業株式会社滋賀製作所内 (72)発明者 大山 和伸 滋賀県草津市岡本町字大谷1000番地の２ ダイキン工業株式会社滋賀製作所内

Claims (4)

【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
   の励振周波数の電源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
   （４ａ）（４ｂ）を配置し、センサ（４ａ）（４ｂ）か
   らの出力信号を検波手段（８ａ）（８ｂ）により検波し
   てセンサ（４ａ）（４ｂ）のインピーダンス変化または
   インダクタンス変化を得、得られた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、検
   波手段（８ａ）（８ｂ）の前段側に少なくとも低周波成
   分を除去するフィルタ手段（７ａ）（７ｂ）を設けたこ
   とを特徴とする回転体位置検出装置。
2. 【請求項２】 上記所定の励振周波数が、ノイズ成分の
   レベルが変位検出信号に影響を与えないよう高く設定さ
   れている請求項１に記載の回転体位置検出装置。
3. 【請求項３】 回転体（１）を回転駆動するインバータ
   （６）をさらに有しているとともに、インバータ（６）
   のキャリア周波数が、ノイズ成分のレベルが変位検出信
   号に影響を与えないよう高く設定されている請求項１に
   記載の回転体位置検出装置。
4. 【請求項４】 回転体（１）を回転駆動するインバータ
   （６）をさらに有しているとともに、インバータ（６）
   のスイッチング速度が、ノイズ成分のレベルが変位検出
   信号に影響を与えないよう遅く設定されていることを特
   徴とする回転体位置検出装置。