JPH0854020A

JPH0854020A - 磁気軸受装置

Info

Publication number: JPH0854020A
Application number: JP18753094A
Authority: JP
Inventors: Hirotomo Kamiyama; 拓知上山; Manabu Taniguchi; 学谷口
Original assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Current assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Priority date: 1994-08-09
Filing date: 1994-08-09
Publication date: 1996-02-27
Anticipated expiration: 2020-08-31
Also published as: JP3689439B2

Abstract

(57)【要約】【構成】磁気軸受装置において、軸２の軸方向変位を検
出するアキシャル変位センサ５ｂ、５ｃと、軸２の径方
向変位を検出するラジアル変位センサ４ｂ、４ｃのそれ
ぞれは、軸２を挟んで一対で構成される。各センサは、
同一円周を共有する状態で交互に等配し、軸２の軸線方
向に互いの一部分同士が重なり合う様にして、センサベ
ース１２に取り付けた。各センサとセンサベース１２を
ユニットとして、軸２の段付き部に面して本体１に固定
した。アキシャル変位センサ５ｃは軸２の変位を検出し
ないようにして、温度補償センサとした。【効果】センサ取付け部分を小型化できる。軸方向の必
要長さを短くできる。よって軸を短くし、軸の固有振動
数を上げて、高速回転に対応できる。また、軸受の吸引
面積を大きくすれば、軸受の負荷容量を大きくできる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、工作機械の主軸等に用
いられる磁気軸受装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、超高速回転する工作機械の主
軸には、図３に示す様な構成の磁気軸受装置が用いられ
ていた。同図において軸５０は回転軸であり、軸端５０
ａに工具（図示せず）等が取り付けられる。本体５１に
は、軸端５０ａ側から、玉軸受５２、軸５０の軸方向変
位を検出するアキシャル変位センサ５３、軸５０の径方
向変位を検出するラジアル変位センサ５４、軸５０を径
方向に非接触で支持するラジアル磁気軸受５５、モータ
５６、ラジアル磁気軸受５５、ラジアル変位センサ５
４、軸５０を軸方向に非接触で支持するアキシャル磁気
軸受５７、玉軸受５２が取り付けられている。

【０００３】通常、ラジアル変位センサとアキシャル変
位センサは、軸５０の軸方向に互いに距離を離して配置
されていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このため、ラジアル変
位センサとアキシャル変位センサのための設置空間が、
軸方向に長くなり、これに伴って、軸５０の軸長が長く
なっていた。その結果、軸の固有振動数を高くできない
ので、超高速回転が不可能であった。一方、軸長の限ら
れた軸５０に対して、磁気軸受の吸引面積を大きくする
ことができないため、軸受の負荷容量を大きくすること
ができなかった。このため、主軸の負荷容量を大きくで
きなかった。

【０００５】そこで、本発明の目的は、上述の技術的課
題を解決し、軸受の負荷容量をより大きくでき、より高
速回転が可能な磁気軸受装置を提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、請求項１に係る磁気軸受装置は、回転軸の半径方向
の変位量を検出するラジアル変位センサの出力に基づき
ラジアル磁気軸受を制御すると共に、回転軸の軸方向の
変位量を検出するアキシャル変位センサの出力に基づき
アキシャル磁気軸受を制御し、回転軸を磁力により半径
方向及び軸方向に非接触で支持する磁気軸受装置におい
て、前記回転軸には、軸線に垂直な第１の面と、軸線を
中心とする円周面からなる第２の面とにより構成される
段付き部が設けられ、前記ラジアル変位センサは、前記
第２の面に対向すると共に、前記アキシャル変位センサ
は、前記第１の面に対抗し、前記ラジアル変位センサと
前記アキシャル変位センサとは、互いの少なくとも一部
分同士が前記回転軸の軸方向に重なり合うように配置さ
れていることを特徴とするものである。

【０００７】また、請求項２に係る磁気軸受装置は、請
求項１記載の磁気軸受装置において、前記ラジアル変位
センサ及び前記アキシャル変位センサは、前記回転軸の
軸線を中心とする同一円周を共有する状態で配置されて
いることを特徴とするものである。

【０００８】また、請求項３に係る磁気軸受装置は、請
求項２記載の磁気軸受装置において、前記ラジアル変位
センサ及び前記アキシャル変位センサは、交互に各４個
が円周等配に配置され、前記４個のアキシャル変位セン
サは、出力に関して同等の温度依存特性を有し、前記４
個のアキシャル変位センサのうちの、軸線を挟んで互い
に対向する一対のアキシャル変位センサは、変位の検出
を回避した状態で取り付けられた温度補償センサを構成
していることを特徴とするものである。

【０００９】

【作用】上記請求項１に係る発明の構成によれば、ラジ
アル変位センサとアキシャル変位センサは互いの少なく
とも一部分同士が前記回転軸の軸方向に重なり合うよう
に配置されていることにより、軸方向に距離を離して配
置される場合に比べて、軸方向に場所を取らない。よっ
て、回転軸の所要長さを短くできる。この結果、回転軸
の固有振動数を高くでき、高速回転に対応できる。ま
た、生じた軸方向の寸法の余裕を磁気軸受の吸引面積に
用いることにより、軸受の負荷容量を増すことができ
る。また、アキシャル変位センサをラジアル磁気軸受に
近づけることができ、回転軸に撓み及び傾きが生じた場
合に、その影響によるアキシャル変位センサの検出信号
の誤差を小さくできる。

【００１０】上記請求項２に係る発明の構成によれば、
請求項１記載の作用に加えて、下記の作用を奏する。す
なわち、上記の様に軸方向に重なり合ったラジアル変位
センサ及びアキシャル変位センサを、同一円周を共有す
る状態で配置したので、センサの取付けスペースを集約
化することができた。この結果、センサの取付けスペー
スをコンパクトにできる。また、センサ及びセンサの取
付け部分を一体的なユニットとして構成することも可能
となる。

【００１１】上記請求項３に係る発明の構成によれば、
請求項２記載の作用に加えて、下記の作用を奏する。す
なわち、一部のアキシャル変位センサを温度補償センサ
として構成していることにより、この温度補償センサも
上記集約化されたスペースの中に配置されることによ
り、センサの取付けスペースのコンパクト化に寄与でき
る。

【００１２】

【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は本発明の磁気軸受装置の一実施例の概略
構成を示す断面図である。図２は図１におけるＡ─Ａ線
に沿う断面図である。ただし、図１は図２のＢ─Ｃ─Ｄ
線に沿う断面を示している。図１において、１は本体で
あり、工作機械の主軸となりその内部を挿通する軸２、
モータ７等の構成部品を収容し、単独で又は工作機械の
ハウジング等の部材と一体に形成されて用いられる機枠
である。

【００１３】軸２は回動可能に設けられ、モータ７によ
り回転駆動される。軸２の一方の軸端２ａには、加工工
具（図示せず）等が取り付けられる。軸２の周囲には軸
端２ａ側より、玉軸受３、センサベース１２、ラジアル
磁気軸受６、モータ７、ラジアル磁気軸受６、ラジアル
変位センサ８、アキシャル磁気軸受９並びに玉軸受３の
各機器が配設され、それぞれ本体１に固定される。セン
サベース１２には、ラジアル変位センサ４ｂ、４ｃ（図
１には４ｂのみ示してある）及びアキシャル変位センサ
５ｂ、５ｃ（図１には５ｂのみ示してある）が、軸２の
軸線方向に略同位置で取り付けられている。

【００１４】軸２は、大径軸２ｅの両端部の同軸上にそ
れぞれ小径軸２ｃ、２ｄを一体に形成した２段軸からな
る。大径軸２ｅと一方の小径軸２ｄとの間には、段付き
部２ｄｅが設けられている。段付き部２ｄｅは、上記小
径軸２ｄの円周面と大径軸２ｅの端面２ｂとにより構成
される。また、大径軸２ｅと他方の小径軸２ｃとの境界
部分には、円板状のフランジ部２ｆが形成されている。
軸２は、アキシャル磁気軸受９及びラジアル磁気軸受６
の磁力により非接触で支持される。

【００１５】図２を参照して、ラジアル変位センサ４
ｂ、４ｃ及びアキシャル変位センサ５ｂ、５ｃは、軸２
の軸線を中心とする同一円周を共有する状態で、軸２の
小径軸２ｄの周囲に交互に等配に配置されている。セン
サベース１２は、金属等の硬質部材からなる環状の板材
であり、その一方の面にラジアル変位センサ４ｂ、４ｃ
及びアキシャル変位センサ５ｂ、５ｃが固定されてい
る。センサベース１２、ラジアル変位センサ４ｂ、４ｃ
及びアキシャル変位センサ５ｂ、５ｃは、１つのユニッ
トとして構成されている。ラジアル変位センサ４ｂ、４
ｃ及びアキシャル変位センサ５ｂ、５ｃが、軸２に対し
て所定の位置関係となるように、センサベース１２は本
体１に固定される。

【００１６】ラジアル変位センサ４ｂ、４ｃは、インダ
クタンス型変位センサからなり、その検出部４ａを、上
記小径軸２ｄの円周面に向けて、同一円周上に４個が等
配に設置されている。軸２を挟んだ一対のラジアル変位
センサ４ｂは、軸２の径方向（図２の矢印Ｘ方向）の変
位を、非接触で測定する。同様に一対のラジアル変位セ
ンサ４ｃは、矢印Ｘ方向と直交する軸２の径方向（図２
の矢印Ｙ方向）の変位を測定する。

【００１７】アキシャル変位センサ５ｂ、５ｃは、渦電
流型フェライトコア変位センサからなる。軸２を挟んだ
一対のアキシャル変位センサ５ｂは、センサの検出部５
ａが軸２の段付き部２ｄｅの端面２ｂに面して設けら
れ、軸２の軸方向の変位を非接触で測定する。また、他
の一対のアキシャル変位センサ５ｃは、その検出面をセ
ンサベース１２に向けて取り付けられ、軸２の変位は検
出しない。アキシャル変位センサ５ｃは、温度補償セン
サとして用いられている。すなわち、変位を検出しない
一対のアキシャル変位センサ５ｃは、アキシャル変位セ
ンサ５ｂと同様に温度変化の影響を受ける。よって、一
対のアキシャル変位センサ５ｂの出力信号から一対のア
キシャル変位センサ５ｃの出力信号を減じることによ
り、一対のアキシャル変位センサ５ｂの出力信号が温度
変化に対して補正される。

【００１８】ラジアル変位センサ８は、ラジアル変位セ
ンサ４ｂ、４ｃと同様に４個が本体に取り付けられ、軸
２の径方向の変位を検出する。玉軸受３は、軸２が停止
するときに軸２を受け止める、いわゆるタッチダウン軸
受である。アキシャル磁気軸受９は、一対の電磁石９ａ
及び９ｂからなり、軸２に設けられたフランジ部２ｆを
所定の間隔を開けて挟み込む様に一対が配置される。

【００１９】アキシャル変位センサ５ｂ、５ｃ、ラジア
ル変位センサ４ｂ、４ｃ及びラジアル変位センサ８の出
力信号は、制御部（図示せず）で所定の信号処理が行な
われ、軸２の径方向及び軸方向の変位が検出される。こ
のとき、温度変化に対してアキシャル変位センサ５ｂの
出力信号を補正する。その結果に基づき、制御部は、軸
２の軸方向及び径方向の位置を所定の状態に保つよう
に、ラジアル磁気軸受６及びアキシャル磁気軸受９を制
御、駆動する。

【００２０】上記実施例においては、アキシャル変位セ
ンサ５ｂ、５ｃとラジアル変位センサ４ｂ、４ｃが、軸
２の軸方向に重なり合うように配置されているので、セ
ンサの設置スペースが軸方向に場所を取らない。これに
より、軸２の軸方向の寸法を短くできた。この結果、軸
２の固有振動数を高くでき、より高速回転が可能とな
る。また、従来と同じ軸長さであっても、短くなった寸
法を磁気軸受の吸引面積の増加の為に用いることで、軸
受の負荷容量を増すことができる。

【００２１】ところで、軸２に撓みや傾きが生ずると、
軸２の各部は、軸方向及び径方向に変位する。アキシャ
ル変位センサ５ｂによる検出変位には、上記傾き等によ
る変位が含まれており、この部分が誤差となっている。
仮に、アキシャル変位センサ５ｂを、支持点であるラジ
アル磁気軸受６から遠ざけて配置した場合には、上記傾
き等による変位が大きくなるので、上記誤差が大きくな
り、測定精度が低下する。

【００２２】これに対して本実施例では、従来と比較し
てアキシャル変位センサ５ｂをラジアル磁気軸受６に近
づけて配置できたので、軸２の傾き等の影響によるアキ
シャル変位センサ５ｂの検出誤差を小さくできる。従っ
て、より高精度な軸方向の制御が可能となる。また、ア
キシャル変位センサ５ｂが検出する変位量がそれだけ少
なくなり、よりダイナミックレンジの低いセンサの使用
が可能となる。

【００２３】また、上記の様に軸方向に重なり合ったラ
ジアル変位センサ４ｂ、４ｃ及びアキシャル変位センサ
５ｂ、５ｃを、同一円周を共有する状態で配置したの
で、センサの取付けスペースを集約化することができ
た。この結果、センサ及びセンサベース１２を、本体１
に対して着脱自在な一体的なユニットとして構成するこ
とができた。従来は、各センサを個別に本体１内の狭い
空間内で作業して、取り付けていたので、取付作業が非
常に面倒であった。これに対して本実施例では、予め組
み立てた上記ユニットを、本体１内に組み込むことによ
り、センサの本体１への取付作業を非常に簡単にするこ
とができる。また本体取付け前に、センサをユニットと
して予め検査することもできる。

【００２４】また、アキシャル変位センサ５ｃを温度補
償センサとして構成し、この温度補償センサも上記集約
化されたスペースの中に配置したので、センサの取付け
スペースのコンパクト化により一層寄与できた。またア
キシャル変位センサ５ｂ、５ｃ及びラジアル変位センサ
４ｂ、４ｃの各センサ間の間隔を等しくしたので、個々
のセンサが他のセンサから受ける影響を等しくできる。
よってセンサの出力に所定の簡単な補正を施すこと、例
えば、一対の同種のセンサの出力信号の差分を取ること
により、上記影響を排除できる。

【００２５】なお、本発明は、上記実施例に限定される
ものではなく、種々の変更を施すことができる。例え
ば、上記の実施例では、アキシャル変位センサ５ｂ、５
ｃを軸２の工具を装着する側の軸端２ａにだけ設けた
が、軸２の両端にそれぞれ設けても良い。また、軸の工
具を装着する側でなく、反対側の軸端のみに設けても良
いし、軸の中間でも構わない。両端に設ければ、本発明
の効果が倍加するものである。また、取付け位置により
本発明の効果が損なわれるものでない。

【００２６】またアキシャル変位センサ５ｂ、アキシャ
ル変位センサ５ｃ、ラジアル変位センサ４ｂ及びラジア
ル変位センサ４ｃは、それぞれ２個一対のセンサから構
成されていたが、この数はより多くとも、また少なくと
も構わない。またラジアル変位センサ８は、４つのセン
サから構成されていたが、この数はより多くとも、また
少なくとも構わない。より多ければ検出精度を向上で
き、より少なければ構造が簡単になり、コストの低減が
図れる。

【００２７】また上記の実施例では、アキシャル変位セ
ンサ５ｂが並ぶ方向と、アキシャル変位センサ５ｃが並
ぶ方向とが直交するように、上記の２対のセンサは配置
されたが、それには限らない。上記の並ぶ方向が９０度
以外の角度で交差するように配置されてもよい。アキシ
ャル変位センサ５ｂと温度補償センサとしてのアキシャ
ル変位センサ５ｃが接近すれば、温度変化もより近い状
態となり、より補償精度が高くできる。

【００２８】また上記の実施例では、ラジアル変位セン
サ４ｂ、４ｃ及びアキシャル変位センサ５ｂ、５ｃは、
同一円周を共有する状態で配置されたが、同一円周を共
有しなくとも構わない。また上記の実施例では、ラジア
ル変位センサ４ｂ、４ｃ及びアキシャル変位センサ５
ｂ、５ｃは、金属等の硬質部材からなるセンサベース１
２に取り付けられ、センサ及びセンサベース１２を一体
的なユニットとして本体１に固定された。この他に、ラ
ジアル変位センサ４ｂ、４ｃ及びアキシャル変位センサ
５ｂ、５ｃが所定の位置関係に配置された状態で樹脂に
より一体にモールドされていてもよい。この場合には、
一体モールドされた樹脂がセンサベース１２に相当す
る。この様にすれば、ユニットとして扱いやすくなる。
また、振動等による、取り付けたセンサの脱落及び取り
付け位置のずれが生じず、磁気軸受装置の信頼性が向上
する。

【００２９】また上記の実施例では、センサベース１２
は環状の板材としたが、扇形の複数の部材に分割され
て、それらを本体１に固定するようにしてもよい。この
場合には、センサとセンサベース１２からなるユニット
の本体１への取り付け、取り外しが容易になり、磁気軸
受装置としての整備性が向上する。また上記の実施例で
は、ラジアル変位センサ４ｂ、４ｃ及び８はインダクタ
ンス型変位センサを、アキシャル変位センサ５ｂ、５ｃ
は渦電流型フェライトコア変位センサを用いたが、安価
で安定して磁気軸受装置に用いられるからであり、他の
方式でも構わない。

【００３０】また上記の実施例では、アキシャル変位セ
ンサ５ｂ、５ｃは同じセンサを用いたが、同様の温度に
対する出力特性を持つものであればアキシャル変位セン
サ５ｂと５ｃは他の種類でも構わない。その他、本発明
の要旨を変更しない範囲で種々の設計変更を施すことが
可能である。

【００３１】

【発明の効果】請求項１に係る発明によれば、ラジアル
変位センサとアキシャル変位センサは、従来に比べて、
軸方向に場所を取らない。よって、回転軸の所要長さを
短くできる。この結果、軸の固有振動数を高くでき、高
速回転が可能になる。また、生じた軸方向の寸法の余裕
を磁気軸受の吸引面積に用いることで、軸受の負荷容量
を増すことができる。また、回転軸の撓み及び傾きの影
響によるアキシャル変位センサの検出信号の誤差を小さ
くでき、高精度な軸方向の制御ができる。

【００３２】請求項２に係る発明によれば、請求項１に
係る発明の効果に加えて、ラジアル変位センサ及びアキ
シャル変位センサの取付けスペースを集約化できた。ま
た、センサ及びセンサの取付け部分を一体的なユニット
として構成することも可能となる。請求項３に係る発明
によれば、請求項２に係る発明の効果に加えて、温度補
償センサも上記集約化されたスペースの中に配置でき、
センサの取付けスペースのコンパクト化に寄与できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る磁気軸受装置の概要を
示す断面側面図である。

【図２】図１の断面Ａにおける矢視断面図である。

【図３】従来の磁気軸受装置の概要を示す断面側面図で
ある。

【符号の説明】

１本体２軸（回転軸）４ｂ、４ｃラジアル変位センサ５ｂアキシャル変位センサ５ｃ温度補償センサとして設けたアキシャ
ル変位センサ６ラジアル磁気軸受９アキシャル磁気軸受１２センサベース

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】回転軸の半径方向の変位量を検出するラジ
アル変位センサの出力に基づきラジアル磁気軸受を制御
すると共に、回転軸の軸方向の変位量を検出するアキシ
ャル変位センサの出力に基づきアキシャル磁気軸受を制
御し、回転軸を磁力により半径方向及び軸方向に非接触
で支持する磁気軸受装置において、前記回転軸には、軸線に垂直な第１の面と、軸線を中心
とする円周面からなる第２の面とにより構成される段付
き部が設けられ、前記ラジアル変位センサは、前記第２の面に対向すると
共に、前記アキシャル変位センサは、前記第１の面に対向し、前記ラジアル変位センサと前記アキシャル変位センサと
は、互いの少なくとも一部分同士が前記回転軸の軸方向
に重なり合うように配置されていることを特徴とする磁
気軸受装置。
【請求項２】請求項１記載の磁気軸受装置において、前記ラジアル変位センサ及び前記アキシャル変位センサ
は、前記回転軸の軸線を中心とする同一円周を共有する
状態で配置されていることを特徴とする磁気軸受装置。
【請求項３】請求項２記載の磁気軸受装置において、前記ラジアル変位センサ及び前記アキシャル変位センサ
は、交互に各４個が円周等配に配置され、前記４個のアキシャル変位センサは、出力に関して同等
の温度依存特性を有し、前記４個のアキシャル変位セン
サのうちの、軸線を挟んで互いに対向する一対のアキシ
ャル変位センサは、変位の検出を回避した状態で取り付
けられた温度補償センサを構成していることを特徴とす
る磁気軸受装置。