特許 6446039 磁気浮上装置とその制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6446039

(24)【登録日】2018年12月7日

(45)【発行日】2018年12月26日

(54)【発明の名称】磁気浮上装置とその制御方法

(51)【国際特許分類】

   H02N 15/00 20060101AFI20181217BHJP

【ＦＩ】

   H02N15/00

【請求項の数】11

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2016-520954(P2016-520954)

(86)(22)【出願日】2015年2月23日

(86)【国際出願番号】JP2015055039

(87)【国際公開番号】WO2015178052

(87)【国際公開日】20151126

【審査請求日】2018年2月9日

(31)【優先権主張番号】特願2014-103797(P2014-103797)

(32)【優先日】2014年5月19日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】504190548

【氏名又は名称】国立大学法人埼玉大学

(74)【代理人】

【識別番号】100100918

【弁理士】

【氏名又は名称】大橋 公治

(72)【発明者】

【氏名】水野 毅

【審査官】 津久井 道夫

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１１−１９０８３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−２１８１３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６１−２０２４０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開平４−１２００６（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開昭６２−２０１７１３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｎ１５／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

磁気力を利用して浮上対象物を非接触支持する磁気浮上装置であって、
浮上対象物の非接触支持のための磁力を発生する一対の磁石と、
前記一対の磁石の配列方向と直交する横ずれ方向への前記浮上対象物の変位を検出する変位検出手段と、
前記浮上対象物の前記横ずれ方向の振動を抑制する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記振動の中心から離れる方向に変位する前記浮上対象物に対し、前記振動の中心に戻る方向に変位するときよりも強い磁力が作用するように前記一対の磁石を制御する、
ことを特徴とする磁気浮上装置。

【請求項2】

請求項１に記載の磁気浮上装置であって、前記一対の磁石が上下方向に配列された電磁石であり、前記浮上対象物が前記電磁石の各々に吸引されて前記一対の電磁石の間に非接触支持される強磁性体を含み、前記制御手段は、前記浮上対象物が前記振動の中心から離れる方向に変位するとき、前記一対の電磁石に印加する電流を強め、前記浮上対象物が前記振動の中心に戻る方向に変位するとき、前記一対の電磁石に印加する電流を弱める、ことを特徴とする磁気浮上装置。

【請求項3】

請求項２に記載の磁気浮上装置であって、前記横ずれ方向に振動する前記浮上対象物の変位をｘ、前記浮上対象物の移動速度をｘ’とするとき、前記制御手段は、前記一対の電磁石に印加するバイアス電流を、ｘ・ｘ’≧０の状態と、ｘ・ｘ’＜０の状態とで切り替え、ｘ・ｘ’≧０のときの前記バイアス電流が、ｘ・ｘ’＜０のときの前記バイアス電流より大きくなるように設定する、ことを特徴とする磁気浮上装置。

【請求項4】

請求項３に記載の磁気浮上装置であって、前記制御手段は、ｘ・ｘ’の値が所定値より小さいとき、前記一対の電磁石に印加する前記バイアス電流をｘ・ｘ’の値に応じて減少させる、ことを特徴とする磁気浮上装置。

【請求項5】

請求項１から４のいずれかに記載の磁気浮上装置であって、前記変位検出手段が、前記浮上対象物の横ずれ方向に配置された、前記浮上対象物までの距離を測定する測定手段である、ことを特徴とする磁気浮上装置。

【請求項6】

請求項２から４のいずれかに記載の磁気浮上装置であって、前記変位検出手段が、前記電磁石の前記浮上対象物に対向する側に配置された、通過磁束の変化を検出するセンシングコイルである、ことを特徴とする磁気浮上装置。

【請求項7】

請求項２から４のいずれかに記載の磁気浮上装置であって、前記変位検出手段が、前記電磁石を支持し、該電磁石に作用する力を検出する力センサである、ことを特徴とする磁気浮上装置。

【請求項8】

請求項１に記載の磁気浮上装置であって、前記浮上対象物が、前記一対の磁石に対して相反する方向に反発する磁石を含み、前記一対の磁石と前記浮上対象物の磁石との反発力により前記浮上対象物が非接触支持され、前記制御手段は、前記浮上対象物が前記振動の中心から離れる方向に変位するとき、前記反発力が強まる位置に前記一対の磁石を移動し、前記浮上対象物が前記振動の中心に戻る方向に変位するとき、前記反発力が弱まる位置に前記一対の磁石を移動する、ことを特徴とする磁気浮上装置。

【請求項9】

磁気力を利用して浮上対象物を非接触支持する磁気浮上装置の制御方法であって、
上下方向に配列する一対の電磁石の間に、強磁性体を含む浮上対象物を非接触支持し、
前記一対の電磁石に対して、前記電磁石の配列方向への前記浮上対象物の変位を抑える電流ｉと、前記配列方向と直交する横ずれ方向への前記浮上対象物の振動を抑制するバイアス電流Δｉとを重畳して印加し、
前記横ずれ方向に振動する前記浮上対象物の変位をｘ、前記浮上対象物の移動速度をｘ’とするとき、前記一対の電磁石に印加する前記バイアス電流Δｉを、ｘ・ｘ’≧０の状態と、ｘ・ｘ’＜０の状態とで切り替え、ｘ・ｘ’≧０のときの前記バイアス電流を、ｘ・ｘ’＜０のときの前記バイアス電流より大きくする、
ことを特徴とする磁気浮上装置の制御方法。

【請求項10】

請求項９に記載の磁気浮上装置の制御方法であって、ｘ・ｘ’の値が所定値より小さいとき、前記バイアス電流Δｉを、ｘ・ｘ’の値に応じて減少させる、ことを特徴とする磁気浮上装置の制御方法。

【請求項11】

請求項１０に記載の磁気浮上装置の制御方法であって、前記バイアス電流Δｉを、次の条件１〜条件５を満たす関数ｆ（ｘ・ｘ’）に従って変化させる、ことを特徴とする磁気浮上装置の制御方法。
前記バイアス電流Δｉが連続的に変化する範囲を調整するパラメータをＸ₀として、
条件１：ｘ・ｘ’＜−Ｘ₀のとき ｆ（ｘ・ｘ’）＝−ΔＩ
条件２：−Ｘ₀＜ｘ・ｘ’＜０のとき −ΔＩから０へ単調に増加する
条件３：ｆ（０）＝０、
条件４：０＜ｘ・ｘ’＜Ｘ₀のとき ０からΔＩへ単調に増加する
条件５：Ｘ₀＜ｘ・ｘ’のとき ｆ（ｘ・ｘ’）＝＋ΔＩ

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、磁気力を利用して浮上対象物を非接触支持する磁気浮上装置とその制御方法に関し、浮上対象物の安定的な非接触支持を低コストで実現するものである。

【背景技術】

【0002】

磁気浮上系は、非接触で物体を支持することが可能であり、機械的摩擦がないため振動や騒音が少なく、また、潤滑を必要としないため、潤滑油の蒸発を嫌う真空中やクリーンルームなどの特殊環境下でも使用できる。
磁気浮上の方式には、磁石同士の反発力を利用する反発型や、磁石と強磁性体の吸引力を利用する吸引型などがある。
図１７（ａ）は、一対の電磁石１０の間に在る強磁性体１１が、上下の電磁石１０の磁力により吸引され、電磁石間に非接触支持されている様子を示している。この強磁性体１１の上下方向の位置は、上下の電磁石１０に印加する電流を制御し、それらの電磁石１０から発生する磁力を調整することにより安定的に保つことができる。

【0003】

この強磁性体１１に対し、図１７（ｂ）に示すように、一対の電磁石１０の配列方向と直交する方向の外力が加わると、非接触支持されている強磁性体１１は、押された方向に移動（横ずれ）する。このとき、電磁石１０から外れた強磁性体１１の端部には、図１８に示すように、吸引力Ｂの成分とともに、横ずれを元に戻そうとする復元力Ａの成分を含む力が働く。これは“端効果”として知られている。
復元力Ａを受けた強磁性体１１は横ずれ方向の反対側に横ずれし、再び端効果による復元力を受ける。その結果、強磁性体１１は横ずれ方向への振動を繰り返す。
この横ずれ方向の振動は、下記特許文献１に記載されているように、非接触支持された強磁性体１１に減衰作用が働かないため、収束し難い。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００１−２６８９８１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

こうした横ずれ方向の振動は、図１９に示すように、強磁性体１１の上下方向だけでなく、前後・左右方向にも電磁石１２の対を配置して、上下の電磁石１０と同様に、対を成す電磁石１２への印加電流を制御し、電磁石１２から発生する磁力を調整すれば、抑えることができる。
しかし、このように構成した場合、電磁石やそれに電流を供給する増幅器等の台数が増加し、装置の大型化や高コスト化が避けられない。

【0006】

本発明は、こうした事情を考慮して創案したものであり、横ずれ方向の振動の制振機能を有し、小型、且つ、低コストで構成できる磁気浮上装置と、その制御方法を提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明は、磁気力を利用して浮上対象物を非接触支持する磁気浮上装置であって、浮上対象物の非接触支持のための磁力を発生する一対の磁石と、一対の磁石の配列方向と直交する横ずれ方向への浮上対象物の変位を検出する変位検出手段と、浮上対象物の横ずれ方向の振動を抑制する制御手段と、を備え、制御手段が、振動の中心から離れる方向に変位する浮上対象物に対し、振動の中心に戻る方向に変位するときよりも強い磁力が作用するように一対の磁石を制御する、ことを特徴とする。
このように、浮上対象物が振動の中心から離れる際の磁気力の剛性を強め、浮上対象物が振動の中心に戻る際の磁気力の剛性を弱めることにより、浮上対象物の振動は急速に減衰する。

【0008】

また、本発明の磁気浮上装置では、一対の磁石が、上下方向に配列された電磁石から成り、浮上対象物が、電磁石の各々に吸引されて一対の電磁石の間に非接触支持される強磁性体を含んでいる。制御手段は、浮上対象物が振動の中心から離れる方向に変位するとき、一対の電磁石に印加する電流を強め、浮上対象物が振動の中心に戻る方向に変位するとき、一対の電磁石に印加する電流を弱める。
こうした構成により、吸引型磁気浮上装置の横ずれ方向の振動を効果的に減衰させることができる。

【0009】

また、本発明の磁気浮上装置では、横ずれ方向に振動する浮上対象物の変位をｘ、浮上対象物の移動速度をｘ’とするとき、制御手段は、一対の電磁石に印加するバイアス電流を、ｘ×ｘ’（以下、ｘ・ｘ’と表記する。）≧０の状態と、ｘ・ｘ’＜０の状態とで切り替え、ｘ・ｘ’≧０のときのバイアス電流が、ｘ・ｘ’＜０のときのバイアス電流より大きくなるように設定する。
横ずれ方向の振動の中心を原点とするｘ座標において、ｘ・ｘ’≧０は、ｘ及びｘ’が共に正の場合、または、共に負の場合であり、浮上対象物が振動の中心から離れる方向に変位している状態である。また、ｘ・ｘ’＜０は、ｘが正でｘ’が負の場合、または、ｘが負でｘ’が正の場合であり、浮上対象物が振動の中心に戻る方向に変位している状態である。そのため、ｘ・ｘ’≧０のときに一対の電磁石に印加するバイアス電流を増やして磁気力の剛性を高め、ｘ・ｘ’＜０のときのバイアス電流を減らして磁気力の剛性を弱めることにより、浮上対象物の横ずれ方向の振動を効果的に減衰させることができる。

【0010】

また、本発明の磁気浮上装置では、ｘ・ｘ’の値が所定値より小さいとき、制御手段が、一対の電磁石に印加するバイアス電流をｘ・ｘ’の値に応じて減少させるようにしてもよい。
ｘ・ｘ’の値が小さいときのバイアス電流値が大きいと、浮上対象物の行き過ぎ量が大きくなり、振動の収束までの時間が長くなる恐れがある。ｘ・ｘ’の値に応じてバイアス電流を減らすことで、そうした恐れが解消できる。

【0011】

また、本発明の磁気浮上装置では、変位検出手段は、浮上対象物の横ずれ方向に配置した、浮上対象物までの距離を測定する測定手段で構成することができる。
測定手段が検出した浮上対象物までの距離の変化からｘ・ｘ’の正負やｘ・ｘ’の値を求めることができる。

【0012】

また、本発明の磁気浮上装置では、変位検出手段を、電磁石の浮上対象物に対向する側に配置した、通過磁束の変化を検出するセンシングコイルで構成することもできる。
センシングコイルの通過磁束が減少傾向にあるときは、浮上対象物が振動の中心から離れる方向に変位しているときであり、センシングコイルの通過磁束が増加傾向にあるときは、浮上対象物が振動の中心に戻る方向に変位しているときである。その変位の状態は、センシングコイルの誘導起電力や誘導電流の変化から検出できる。

【0013】

また、本発明の磁気浮上装置では、変位検出手段を、電磁石を支持して、電磁石に作用する力を検出する力センサで構成しても良い。
力センサの検出値が減少傾向にあるときは、浮上対象物が振動の中心から離れる方向に変位しているときであり、力センサの検出値が増加傾向にあるときは、浮上対象物が振動の中心に戻る方向に変位しているときである。

【0014】

また、本発明の磁気浮上装置では、浮上対象物が、一対の磁石に対して相反する方向に反発する磁石を含み、一対の磁石と浮上対象物の磁石との反発力により浮上対象物が非接触支持される。制御手段は、浮上対象物が振動の中心から離れる方向に変位するとき、反発力が強まる位置に一対の磁石を移動し、浮上対象物が振動の中心に戻る方向に変位するとき、反発力が弱まる位置に一対の磁石を移動する。
こうした構成により、反発型磁気浮上装置の横ずれ方向の振動を効果的に減衰させることができる。

【0015】

本発明は、磁気力を利用して浮上対象物を非接触支持する磁気浮上装置の制御方法であって、上下方向に配列する一対の電磁石の間に、強磁性体を含む浮上対象物を非接触支持し、一対の電磁石に対して、電磁石の配列方向への浮上対象物の変位を抑える電流ｉと、配列方向と直交する横ずれ方向への浮上対象物の振動を抑制するバイアス電流Δｉとを重畳して印加する。そして、横ずれ方向に振動する浮上対象物の変位をｘ、浮上対象物の移動速度をｘ’とするとき、一対の電磁石に印加するバイアス電流Δｉを、ｘ・ｘ’≧０の状態と、ｘ・ｘ’＜０の状態とで切り替え、ｘ・ｘ’≧０のときのバイアス電流を、ｘ・ｘ’＜０のときのバイアス電流より大きくする。
こうした制御方法により、一対の電磁石を用いて、浮上対象物を安定的に非接触支持することができる。

【0016】

また、本発明の磁気浮上装置の制御方法では、ｘ・ｘ’の値が所定値より小さいとき、印加するバイアス電流Δｉを、ｘ・ｘ’の値に応じて減少させるようにしても良い。
こうすることで、浮上対象物の行き過ぎ量が大きくなるのを防ぐことができ、振動の収束までの時間を短縮できる。

【0017】

また、本発明の磁気浮上装置の制御方法では、バイアス電流Δｉを、次の条件１〜条件５を満たす関数ｆ（ｘ・ｘ’）に従って変化させるようにしても良い。
バイアス電流Δｉが連続的に変化する範囲を調整するパラメータをＸ₀として、
条件１：ｘ・ｘ’＜−Ｘ₀のとき ｆ（ｘ・ｘ’）＝−ΔＩ
条件２：−Ｘ₀＜ｘ・ｘ’＜０のとき −ΔＩから０へ単調に増加する
条件３：ｆ（０）＝０、
条件４：０＜ｘ・ｘ’＜Ｘ₀のとき ０からΔＩへ単調に増加する
条件５：Ｘ₀＜ｘ・ｘ’のとき ｆ（ｘ・ｘ’）＝＋ΔＩ
この条件１〜条件５を満たす関数ｆに従ってバイアス電流Δｉを変化させれば、ｘ・ｘ’の値が小さいとき、バイアス電流Δｉも小さいため、浮上対象物の行き過ぎ量が大きくなるのを防止できる。

【発明の効果】

【0018】

本発明により、浮上対象物の安定的な非接触支持が可能な磁気浮上装置を、小型に、且つ、低コストで構成することができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本発明の第１の実施形態に係る吸引型磁気浮上装置を示す図

【図2】図１の浮上対象物のｘ・ｘ’が正または負になる状態を示す図

【図3】図１の浮上対象物が横ずれ方向に振動する時のｘ及びｘ’の軌跡を示す図

【図4】実験装置を示す図

【図5】外乱波形を示す図

【図6】バイアス電流０（ａ）及び１Ａ（ｂ）のときの横ずれ振動波形を示す図

【図7】バイアス電流を切替制御したときの横ずれ振動波形を示す図

【図8】ｘ・ｘ’の変化（ａ）と切替制御したバイアス電流（ｂ）を示す図

【図9】収束する横ずれ振動のｘ及びｘ’の軌跡を示す図

【図10】バイアス電流の値を変えて切替制御したときの横ずれ振動波形を示す図

【図11】ｘ・ｘ’の小さい範囲でバイアス電流を減少させる関数を示す図

【図12】図１１の関数でバイアス電流を制御したときの横ずれ振動波形を示す図

【図13】浮上対象物の変位をセンシングコイルで検出するときの構成を示す図

【図14】浮上対象物の変位を力センサで検出するときの構成を示す図

【図15】本発明の第２の実施形態に係る反発型磁気浮上装置を示す図

【図16】図１５の装置において横ずれ振動の剛性を切り替えるときの形態を示す図

【図17】吸引型磁気浮上装置での浮上対象物の変位を説明する図

【図18】磁気浮上装置の端効果を説明する図

【図19】従来の横ずれ振動の抑止構造を示す図

【発明を実施するための形態】

【0020】

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る吸引型の磁気浮上装置を示している。
この装置は、上下方向（ｚ方向）に配置された一対の電磁石１０と、一対の電磁石１０の間に非接触支持された浮上対象物である強磁性体１１と、強磁性体１１の横ずれ方向（ｘ方向）の変位量を検出する変位センサ２０と、電磁石１０に印加する電流を制御する制御機構４０とを備えている。

【0021】

制御機構４０は、強磁性体１１のｚ方向の変位を検出する変位センサ（不図示）から変位信号（ｚ）が入力すると、ＰＩＤ制御によりｚ方向の変位を解消するためのｚ方向バイアス電流を生成するＰＩＤ制御部４１と、強磁性体１１のｘ方向の変位を検出する変位センサ２０から変位信号（ｘ）が入力すると、ｘと（ｄｘ／ｄｔ）との積に応じてｘ方向バイアス電流を切り替えるバイアス電流切替部４７と、ＰＩＤ制御部４１から出力されたｚ方向バイアス電流の符号を反転する反転部４２と、ＰＩＤ制御部４１から出力されたｚ方向バイアス電流とバイアス電流切替部４７から出力されたｘ方向バイアス電流とを基準電流Ｉ₀に加算する加算部４３と、反転部４２から出力された反転されたｚ方向バイアス電流とバイアス電流切替部４７から出力されたｘ方向バイアス電流とを基準電流Ｉ₀に加算する加算部４４と、加算部４３から出力された電流を増幅して上側の電磁石１０に印加する増幅器４５と、加算部４４から出力された電流を増幅して下側の電磁石１０に印加する増幅器４６と、を有している。

【0022】

なお、ｚ方向の変位を解消する制御は、従来から良く知られている。この制御機構４０では、浮上対象物をｚ方向に安定的に保持するために電磁石１０に印加される電流Ｉに対して、さらにｘ方向バイアス電流が重畳される点に特色がある。ｘ方向バイアス電流は、上下の電磁石１０に同じ量だけ追加される。そのため、ｘ方向バイアス電流が加わっても、強磁性体１１のｚ方向のバランスが乱れることは無い。

【0023】

この明細書では、（ｄｘ／ｄｔ）をｘ’と表記することにする。
バイアス電流切替部４７の符号関数ｓｇｎ（ｎ）は、ｎ＞０のとき１、ｎ＝０のとき０、ｎ＜０のとき−１を出力する。そのため、バイアス電流切替部４７は、ｘ・ｘ’＞０のとき、ｘ方向バイアス電流としてΔＩを出力し、ｘ・ｘ’＜０のとき、ｘ方向バイアス電流として−ΔＩを出力する。ｘ・ｘ’＝０のときは０を出力する。
図２は、ｘ及びｘ’を軸とする直交座標系において、ｘ・ｘ’＞０となる範囲、及び、ｘ・ｘ’＜０となる範囲を示している。ｘ・ｘ’＞０となるのは座標系の第１象限及び第３象限であり、図２（ａ）（ｃ）に示すように、浮上対象物が電磁石１０の中心位置（振動の中心）から横ずれ方向に離れるときの状態である。また、ｘ・ｘ’＜０となるのは第２象限及び第４象限であり、図２（ｂ）（ｄ）に示すように、横ずれした浮上対象物が電磁石１０の中心位置（振動の中心）に戻るときの状態である。

【0024】

強磁性体１１のｚ方向のバランスを保つために電磁石１０に供給される電流をＩ₀とすると、ｘ・ｘ’＞０のときには、電磁石１０に電流（Ｉ₀＋ΔＩ）が印加され、ｘ・ｘ’＜０のときには、電磁石１０に電流（Ｉ₀−ΔＩ）が印加される。
電磁石１０に印加される電流が増加すれば、電磁石１０から発生する磁力が増強され、強磁性体１１に対する横ずれ方向の復元力が強まり、浮上対象物の横ずれに対する剛性が高まる。
電磁石１０に電流（Ｉ₀＋ΔＩ）が印加されたときの横ずれに対する剛性をｋ＋Δｋとすると、電磁石１０に電流（Ｉ₀−ΔＩ）が印加されたときの剛性はｋ−Δｋに低下する。

【0025】

図３は、横ずれ方向に振動するときの変位及び速度の軌跡をｘ−ｘ’直交座標系上で示している。この軌跡は、横ずれに対する剛性が異なると変わってくる。図３（ａ）は、横ずれに対する剛性が高い場合の軌跡であり、速度（ｘ’）方向に長い軌跡を描く。図３（ｂ）は、剛性が低い場合の軌跡であり、変位（ｘ）方向に長い軌跡を描く。
図３（ｃ）は、図１の制御機構により、ｘ・ｘ’の正負に応じて横ずれに対する剛性を切り替えたときの軌跡を示している。この場合、第２、４象限では、剛性が低いときの軌跡を辿り、第１、３象限では、剛性が高いときの軌跡を辿って振動が減衰する。
このように、ｘ・ｘ’＞０のときに横ずれに対する剛性を高め、ｘ・ｘ’＜０のときにその剛性を低めた場合には、浮上対象物の横ずれ方向の振動が、急速に収束する。

【0026】

この磁気浮上装置の特性を実験により確認した。
図４は、その実験装置の平面図を示している。この装置は、浮上対象物５０の上下に配置された電磁石５１、５２と、浮上対象物５０の横ずれ方向の変位を検出するレーザ変位計５４と、浮上対象物５０の変位方向を横ずれ方向のみに拘束する板バネ５５と、浮上対象物５０に横ずれ方向の外乱を与えるボイスコイルモータ５３とを備えている。
この装置では、板バネ５５を用いて、浮上対象物５０の運動を横ずれ方向の並進１自由度に拘束しているため、電磁石５１、５２には、横ずれ方向の振動を抑制するバイアス電流だけを印加している。

【0027】

図５は、ボイスコイルモータ５３で発生させた外乱を示している。
図６（ａ）は、比較のため、電磁石５１、５２へのバイアス電流ＩをＩ＝０に設定して浮上対象物５０に外乱を与えたときの浮上対象物５０の横ずれ方向の振動を示している。この振動の周波数は３．５Ｈｚであり、振幅が初期の５％となるまでの整定時間を測定したところ、６４．０秒であった。
また、図６（ｂ）は、比較のため、バイアス電流ＩをＩ＝１Ａに設定して浮上対象物５０に外乱を与えたときの浮上対象物５０の横ずれ方向の振動を示している。この振動の周波数は４．３Ｈｚであり、振幅が初期の５％となるまでの整定時間は５９．５秒であった。
図６（ａ）（ｂ）の振動数の比較から、電磁石５１、５２にバイアス電流を流すことで横ずれに対する剛性が４４％増加したことが分かる。しかし、剛性を高めるだけでは、横ずれ方向の振動を短時間で収束させることはできない。

【0028】

図７は、電磁石５１、５２へのバイアス電流Ｉを、ｘ・ｘ’の値が正のときは１Ａ、ｘ・ｘ’の値が負のときは０Ａに切り替えた場合の浮上対象物５０の横ずれ方向の振動を示している。また、図８は、このとき、レーザ変位計５４の測定値から求めたｘ・ｘ’の変化（ａ）と、ｘ・ｘ’の正負に応じて切り替えた電磁石５１、５２へのバイアス電流（ｂ）とを示している。
この振動の振幅が初期の５％となるまでの整定時間は２．５秒であった。これは、図６（ａ）に示す振動の整定時間の１／２５である。
図９は、図８のｘ・ｘ’算出の基礎となったｘ及びｘ’の軌跡をｘ−ｘ’直交座標上に表している。図９から、電磁石５１、５２へのバイアス電流を切り替えて、横ずれに対する剛性を制御することにより、変位と速度が座標上で螺旋を描くように０に収束していることが分かる。

【0029】

図１０は、ｘ・ｘ’の値が正のときに電磁石５１、５２に印加するバイアス電流Ｉの大きさを変えて剛性制御を行ったときの横ずれ方向の振動を示している。
図１０（ａ）は、Ｉ₀＝ΔＩ＝０．２５Ａとした場合であり、整定時間は４．９秒であった。
図１０（ｂ）は、Ｉ₀＝ΔＩ＝０．５Ａとした場合であり、整定時間は２．４秒であった。
図１０（ｃ）は、Ｉ₀＝ΔＩ＝０．７５Ａとした場合であり、整定時間は０．９秒であった。
図１０（ｄ）は、Ｉ₀＝ΔＩ＝１．０Ａとした場合であり、整定時間は１．０秒であった。
このように、バイアス電流を大きくすることで、ある程度まで整定時間を短縮できる。しかし、注目すべきは、Ｉ₀＝ΔＩ＝１．０Ａの場合、Ｉ₀＝ΔＩ＝０．７５Ａのときより整定時間が長くなっている点である。
これは、Ｉ₀＝ΔＩ＝１．０Ａの場合、剛性の変化が大きく、そのため、変位が小さい状態で行き過ぎ量が大きくなり、それが振動の収束を遅らせていると考えられる。
この点は、ｘ・ｘ’の値が所定値より小さいとき、ｘ・ｘ’＞０の状態で印加するバイアス電流を、ｘ・ｘ’の値に応じて減少させれば回避できる。

【0030】

図１１には、バイアス電流切替部４７（図１）が符号関数ｓｇｎを用いて生成したバイアス電流（ａ）と、符号関数ｓｇｎに代えて、アークタンジェント（２／π）ｔａｎ^-1（αｘ・ｘ’）関数を用いて生成したバイアス電流（ｂ）とを示している。アークタンジェント関数を用いた場合、バイアス電流は、ｘ・ｘ’の小さい範囲において、ｘ・ｘ’の値に応じて減少している。これによって、ｘ・ｘ’の小さい範囲においてチャタリングが起きることを防止している。また、バイアス電流が連続的に変化する範囲は、パラメータαによって調整できる。αが小さい場合には、バイアス電流が連続的に変化する範囲が広く、αが大きい場合には、バイアス電流が連続的に変化する範囲を狭くすることができる。特にαが無限大の極限では、符号関数ｓｇｎと一致するようになる。
図１２は、電磁石５１、５２に印加するバイアス電流Ｉを、α＝８０、Ｉ₀＝ΔＩ＝１．０Ａとして、アークタンジェント（２／π）ｔａｎ^-1（αｘ・ｘ’）関数を用いて生成した場合の横ずれ方向の振動を示している。
この振動の整定時間は０．９５秒であり、図１０（ｄ）に示す振動の整定時間より短縮している。

【0031】

また、符号関数ｓｇｎに代える関数は、アークタンジェントに限定されるものではなく、つぎの条件を満たす関数ｆであれば、用いることができる。
（１）ｘ・ｘ’＜−Ｘ₀のとき ｆ（ｘ・ｘ’）＝−ΔＩ
（２）−Ｘ₀＜ｘ・ｘ’＜０のとき −ΔＩから０へ単調に増加する
（３）ｆ（０）＝０
（４）０＜ｘ・ｘ’＜Ｘ₀のとき ０からΔＩへ単調に増加する
（５）Ｘ₀＜ｘ・ｘ’のとき ｆ（ｘ・ｘ’）＝＋ΔＩ
ここで、Ｘ₀は、バイアス電流が連続的に変化する範囲を調整するパラメータである。

【0032】

次に、浮上対象物の横ずれ方向の変位量を検出する変位センサの変形例について説明する。
図１に示すように、浮上対象物１１の横方向に配置された変位センサ２０が邪魔になる場合がある。
図１３には、電磁石の浮上対象物に対向する側にセンシングコイル２０１を配置して浮上対象物の横ずれ方向の振動を検出する構成を示している。
センシングコイル２０１は、コイルを通過する磁束が変化すると、誘導起電力が発生して誘導電流が流れる。浮上対象物が振動の中心から離れる方向に変位する場合は、コイルの通過磁束が減少し、浮上対象物が振動の中心に戻る方向に変位する場合は、コイルの通過磁束が増加する。そのため、ｘ・ｘ’＞０の状態とｘ・ｘ’＜０の状態とで誘導起電力の向きが逆になり、誘導電流の方向からｘ・ｘ’＞０かｘ・ｘ’＜０かを識別することができる。

【0033】

また、図１４には、電磁石を力センサ２０２で支持し、力センサ２０２の検出信号から浮上対象物の横ずれ方向の振動を検出する構成を示している。
浮上対象物が振動の中心から離れる方向に変位する場合は、力センサ２０２の検出信号が減少傾向を示し、浮上対象物が振動の中心に戻る方向に変位する場合は、力センサ２０２の検出信号が増加傾向を示す。そのため、力センサ２０２の検出信号からｘ・ｘ’＞０の状態かｘ・ｘ’＜０の状態かを識別することができる。
このように、図１３や図１４の構成を採用することにより、磁気浮上装置の側方の変位センサを取り除くことができる。

【0034】

（第２の実施形態）
図１５は、本発明の第２の実施形態に係る反発型の磁気浮上装置を示している。
この装置は、横方向（ｚ方向）に対向して配置された一対の永久磁石１５０、１６０と、永久磁石１５０を保持した状態でｚ方向に移動が可能な磁石保持部１５１と、永久磁石１６０を保持した状態でｚ方向に移動が可能な磁石保持部１６１と、永久磁石１５０に反発する永久磁石７１１、７１２と、永久磁石１６０に反発する永久磁石７２１、７２２と、内壁に永久磁石７１１、７１２及び永久磁石７２１、７２２が固定された浮上対象物１７０と、磁石保持部１５１及び磁石保持部１６１のｚ方向の移動位置を制御する制御機構８０とを備えている。
永久磁石１５０は、磁石保持部１５１の軸５１２に固定された円筒状の１つの永久磁石として示しているが、軸５１２を中心に上下に対称に配置された複数の永久磁石で構成しても良い。永久磁石１６０も同様である。
永久磁石７１１、７１２は、浮上対象物１７０の円筒状の内壁に固定された円筒状の１つの永久磁石であっても良いし、浮上対象物１７０の内壁に、上下に対称に配置された複数の永久磁石であっても良い。永久磁石７２１、７２２も同様である。
いずれにしろ、浮上対象物１７０の永久磁石の７１１の部分と７１２の部分が永久磁石１５０に対して相反する方向に反発し、また、浮上対象物１７０の永久磁石の７２１の部分と７２２の部分が永久磁石１６０に対して相反する方向に反発し、それにより、浮上対象物１７０が永久磁石１５０、１６０に非接触支持されれば良い。

【0035】

制御機構８０は、浮上対象物１７０のｚ方向の変位を検出する変位センサ（不図示）から変位信号（ｚ）が入力すると、ＰＩＤ制御によりｚ方向の変位を解消するための磁石保持部１５１及び磁石保持部１５２のｚ方向移動量を算出するＰＩＤ制御部８１と、浮上対象物１７０のｘ方向の振動に伴うｘ方向変位を検出する変位センサ（不図示）から変位信号（ｘ）が入力すると、ｘ・ｘ’＞０の場合にｚ方向移動量としてΔｚを出力し、ｘ・ｘ’＜０の場合にｚ方向移動量として−Δｚを出力する振動抑制移動量切替部８７と、振動抑制移動量切替部８７から出力されたｚ方向移動量の符号を反転する反転部８２と、ＰＩＤ制御部８１及び振動抑制移動量切替部８７から出力されたｚ方向移動量を加算する加算部８３と、ＰＩＤ制御部８１及び反転部８２から出力されたｚ方向移動量を加算する加算部８４と、加算部８３から出力されたｚ方向移動量だけ磁石保持部１５１をｚ方向に移動する駆動部８５と、加算部８４から出力されたｚ方向移動量だけ磁石保持部１６１をｚ方向に移動する駆動部８６と、を備えている。

【0036】

この装置では、浮上対象物１７０がｚ方向に変位すると、その変位を打ち消すように、磁石保持部１５１及び永久磁石１５０と、磁石保持部１５２及び永久磁石１６０とがｚ方向を同じ向きに同一距離だけ移動する。浮上対象物１７０は、このフィードバック制御により、ｚ方向には安定的に非接触支持される。
しかし、一対の永久磁石１５０、１６０の配列方向に直交するｘ方向には、能動的な制御が働かないため、ｘ方向の振動（横ずれ方向の振動）は減衰し難い。

【0037】

この横ずれ方向の振動を減衰するため、ｘ・ｘ’の正負に応じたｚ方向移動量が振動抑制移動量切替部８７及び反転部８２から出力される。振動抑制移動量切替部８７及び反転部８２から出力されるｚ方向移動量は、磁石保持部１５１と磁石保持部１５２との対称的な移動を規定するものであるから、一対の永久磁石１５０、１６０は、ｚ方向を反対向きに同一距離だけ移動する。この永久磁石１５０、１６０の対称的な動きは、浮上対象物１７０のｚ方向のバランスを乱さない。

【0038】

図１６（ａ）は、ｘ・ｘ’＞０の場合の永久磁石１５０、１６０と浮上対象物１７０との位置関係を示し、図１６（ｂ）は、ｘ・ｘ’＜０の場合の永久磁石１５０、１６０と浮上対象物１７０との位置関係を示している。
図１６（ａ）の状態では、永久磁石１５０、１６０と、浮上対象物１７０の永久磁石とが正対しており、それらの間に強い反発力が働いている。そのため、ｘ方向の変位（横ずれ）に対する剛性が高い。一方、図１６（ｂ）の状態では、永久磁石１５０、１６０と、浮上対象物１７０の永久磁石とが正対しておらず、それらの間の反発力は弱い。そのため、横ずれに対する剛性が低い。
このように、ｘ・ｘ’＞０の状態のとき、剛性を強く設定し、ｘ・ｘ’＜０の状態のとき、剛性を弱く設定することにより、第１の実施形態と同様に、横ずれ方向の振動は、急速に収束する。

【産業上の利用可能性】

【0039】

本発明の磁気浮上装置は、浮上対象物の安定的な非接触支持が可能であって、小型に、且つ、低コストで構成できる、と言う利点を有しており、ターボ分子ポンプやクリーンルームでの搬送装置、ジャイロセンサなど、吸引型や反発型の磁気浮上系を備える装置に広く利用することができる。

【符号の説明】

【0040】

１０ 電磁石
１１ 強磁性体
１２ 電磁石
２０ 変位センサ
４０ 制御機構
４１ ＰＩＤ制御部
４２ 反転部
４３ 加算部
４４ 加算部
４５ 増幅器
４６ 増幅器
４７ バイアス電流切替部
５０ 浮上対象物
５１ 電磁石
５２ 電磁石
５３ ボイスコイルモータ
５４ レーザ変位計
５５ 板バネ
８０ 制御機構
８１ ＰＩＤ制御部
８２ 反転部
８３ 加算部
８４ 加算部
８５ 駆動部
８６ 駆動部
８７ 振動抑制移動量切替部
１５０ 永久磁石
１５１ 磁石保持部
１６０ 永久磁石
１６１ 磁石保持部
１７０ 浮上対象物
２０１ センシングコイル
２０２ 力センサ
７１１ 永久磁石
７１２ 永久磁石

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】