JP2005117705A

JP2005117705A - 磁気浮上装置

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Publication number: JP2005117705A
Application number: JP2003344670A
Authority: JP
Inventors: Akihira Morishita; 明平森下
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2003-10-02
Filing date: 2003-10-02
Publication date: 2005-04-28
Anticipated expiration: 2023-10-02
Also published as: JP4216683B2

Abstract

【課題】簡素化や小型化、コストの低減化、信頼性の向上が図れる磁気浮上装置の提供。
【解決手段】浮上開始時から実際の値に近い空隙長情報を推定するとともに抵抗測定値に基づいて姿勢推定手段３３のパラメータを変更し、磁石ユニット７の温度変動に依存しない空隙推定精度を維持することでギャップセンサとセンサターゲットを省略する。
【選択図】図２

Description

本発明は、吸引式磁気浮上により浮上体を非接触で支持する磁気浮上装置に関する。

常電導吸引式磁気浮上は、電磁石を強磁性部材に対向させ、電磁石の励磁によって強磁性部材との間に生じる吸引力を利用して浮上体を浮上させるものであり、騒音や発塵がなく、ＨＳＳＴやトランスラピッド等の鉄道や半導体工場でのクリーンルーム内搬送システムですでに実用化が図られている。また、常電導吸引式磁気浮上はエレベータの非接触案内への適用が試みられ（特許文献１参照）、またドアへの常電導吸引式磁気浮上装置の適用が試みられている。

かかる常電導吸引式磁気浮上においては、磁気浮上系が本来的に不安定であり、これを安定化するために浮上ギャップ長、その速度さらには加速度や電磁石励磁電圧、同励磁電流を検出し、これらを吸引力制御手段にフィードバックして吸引力制御が行われている。

このため、システムの安定性を確保するに、従来の技術では、浮上ギャップ長の検出が必要であり、ギャップセンサの使用が避けられなかった。

また、強磁性部材と電磁石間のギャップ長をギャップセンサで検出するには、使用するギャップセンサに適したセンサターゲットが必要であり、強磁性部材に付随してセンサターゲットを敷設しなければならなかった。

このように、浮上ギャップ長を磁気浮上系の安定化に用いる場合、ギャップセンサやセンサターゲットが必要であり、装置のコストを上昇させていた。また、ギャップセンサの取付けスペースやセンサターゲット用のスペースを確保しなければならず装置の小型化の障害となっていた。特に、鉄道や搬送システムにおいては強磁性ガイドで構成される軌道に分岐個所が設けられるため、センサターゲットとガイドが交差してギャップ長の検出を妨げないような仕組みが必要であり、システムの複雑化を招いていた。

上述した問題を解決するため、例えば、電磁石励磁電流からオブザーバ（状態観測器）によりギャップ長を推定する方法（非特許文献１）や交流磁気浮上により生じる電磁石励磁電圧と励磁電流の位相差にギャップ情報を陰に含ませ、これを電磁石励磁電圧にフィードバックして安定化する方法（非特許文献２）、また、電磁石励磁電流値をヒステリシスコンパレータで励磁電流基準値と比較し、励磁電流が基準値より大きい場合には電磁石励磁電圧を負に、小さい場合は正に切替えてやることでスイッチング周波数を浮上ギャップ長に比例させ浮上系を安定化する（非特許文献３）等の方法が、ギャップセンサをなくすセンサレス化手法として提案されている。

しかし、こうした解決策であっても、オブザーバを使用する場合にあっては、オブザーバが浮上状態における磁気浮上系の線型モデルから導出されるため、浮上状態にないときの浮上ギャップ長の推定ができず浮上開始が困難であったり、一旦浮上体が他の構造物に接触すると再び浮上状態に復帰できない等の問題があった。

また、オブザーバ以外のギャップ情報を含む物理量で電磁石励磁電圧を制御する場合では、浮上制御系が非線型系になるため、安定判別が困難であったり、浮上体の質量変化や励磁による温度上昇で電磁石コイルに電気抵抗の変動があると浮上状態の維持が困難になるという問題もあった。

かかる問題に対処するため、特許文献２に見られるように、電磁石励磁電流からオブザーバによりギャップ長を推定するセンサレス化方法において、浮上体が浮上状態にない場合に浮上体の接触を検出してオブザーバの積分器を初期化するとともに、浮上体の接触状態から幾何学的に接触時のギャップ長を推定し、このギャップ長推定値に基づいてオブザーバの積分器に初期値を与えることで浮上状態への復帰を確実にした手法が提案されている。

しかるに、この手法を特許文献３で示す、いわゆるゼロパワー制御に適用する場合、浮上体が定常浮上状態にある時は前記電磁石の励磁電流がゼロに収束しているためなんらの問題も生じないが、浮上体に大きな変動外力が長時間加えられると電磁石コイルに過渡的な制御電流が流れ続け、電磁石コイルの温度が上昇することになる。電磁石の温度が上昇すると電磁石コイルの電気抵抗が大きくなり、電磁石励磁電流から浮上ギャップ長を推定するオブザーバの出力誤差が大きくなる。こうなると、次第に浮上状態の維持が困難になり、ついには浮上体が接触する。浮上体が接触すると浮上状態への復帰制御が試みられるが、浮上状態に復帰しても浮上時の浮上ギャップ長推定値の誤差が大きいため、再び浮上体は接触し、接触状態と浮上状態が交互に繰返されることになる。このようになると電磁石には大きな制御電流が流れつづけるため、ますます電磁石コイルの電気抵抗値が上昇し、ついには浮上体が接触したままで励磁電流が流れ続けるということになる。このために、浮上状態の信頼性が損なわれるばかりでなく、電磁石から発火するという可能性が増大するという問題もあった。
特開２００１−０１９２８６号公報水野，他：「変位センサレス磁気軸受の実用化に関する研究」，電気学会論文集Ｄ分冊，１１６，Ｎｏ．１，３５（１９９６）森山：「差動帰還形パワーアンプを用いたＡＣ磁気浮上」１９９７年電気学会全国大会予稿集，Ｎｏ．１２１５水野，他：「ヒステリシスアンプを利用したセルフセンシング磁気浮上」，計測自動制御学会論文集，３２，Ｎｏ．７，１０４３（１９９６）特開２００３−２０４６０９号公報特開昭６１−１０２１０５号公報

このように、従来の磁気浮上装置にあっては、浮上体の安定な磁気浮上状態を浮上ギャップ長を吸引力制御手段にフィードバックして実現しており、ギャップセンサおよびセンサターゲットが不可欠となる。このため、装置が大型化して複雑になりコストアップを招くという問題があった。しかも、こうした問題を避けるためにギャップ長の情報をギャップセンサを用いずに吸引力制御手段にフィードバックしても浮上系の安定性が電磁石の電気抵抗値に依存するため、変動外力が予想される場合には浮上状態の信頼性が著しく損なわれるため、結局はギャップセンサを使わざるを得ず、装置の複雑化や大形化、コスト高の問題を回避することができなかった。

本発明の目的は、装置の簡素化や小型化、コストの低減化、信頼性の向上が図れる磁気浮上装置を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、電磁石を備えた磁石ユニットと、前記磁石ユニットで支持される浮上体と、前記磁石ユニットの磁極が空隙を介して対向し前記磁石ユニットの作用する吸引力で前記浮上体を非接触で支持するための強磁性部材と、前記電磁石の励磁電流を検出するセンサ部と、前記電磁石に励磁電流を流すための励磁手段と、前記励磁手段から前記電磁石に励磁電流を供給するための導電体を備えた配電手段と、前記配電手段および前記電磁石の電気抵抗を測定する抵抗測定手段と、前記センサ部および前記抵抗測定手段の出力に基づいて前記強磁性部材に対する前記浮上体の姿勢を推定する姿勢推定手段と、前記姿勢推定手段の出力に基づいて前記磁石ユニットが前記空隙および前記強磁性部材とで形成する磁気回路を安定化させる吸引力制御手段とを備えていることを特徴とする。

本発明の磁気浮上装置によれば、磁石ユニットの励磁電流からｓギャップ長とその速度に関する情報を推定でき、ギャップセンサを省略した磁気浮上が可能となる。このため、ギャップセンサのコストが削減されるばかりでなくセンサターゲットが不要となり、装置の簡素化によるシステム全体のコストダウンが可能となる。また、線型制御理論が適用できるため、従来のセンサレス磁気浮上に比べ、浮上状態のロバスト安定性を確保でき、装置の信頼性を向上させることができる。

実施形態の説明に先立ち、先ず、本発明の原理について説明する。

図１には本発明の磁気浮上装置の原理を説明するための一質点系の磁気浮上装置が全体として符号１で示されている。

図１において、磁気浮上装置１は、永久磁石３および電磁石５で構成される磁石ユニット７と、磁石ユニット７と負荷荷重９からなる浮上体１１と、磁石ユニット７が対向するとともに磁石ユニット７の作用する磁気的吸引力で浮上体１１を非接触で支持するための強磁性部材で構成されるガイド１３と、磁石ユニット７の吸引力を制御して浮上体１１を安定に非接触支持するための吸引力制御手段１５と、吸引力制御手段１５の出力に基づいて電磁石５を励磁するための励磁手段としてのドライバ１６とで構成されている。

電磁石５は継鉄１７ａ、１７ｂにコイル１９，１９’を巻装して構成され、永久磁石３の両磁極端部にそれぞれ継鉄１７ａ、１７ｂが配置されている。コイル１９，１９’は電磁石５の励磁によってガイド１３〜継鉄１７ａ〜永久磁石３〜継鉄１７ｂ〜ガイド１３で形成される磁路の磁束が強まる（弱まる）ように直列に接続されている。

また、吸引力制御手段１５はギャップセンサ２１で得られる浮上ギャップ長および電流センサ２３で得られる励磁電流から電磁石５を励磁する電圧を演算する励磁電圧演算部２５を備えている。

そして、ドライバ１６は配電手段としてのリード線２８を介してその出力電流をコイル１９，１９’に供給している。

このとき、磁気浮上装置１の磁気浮上系は、磁石ユニット７の吸引力が浮上体１１の重量と等しくなるときの浮上ギャップ長ｚ０の近傍で線型近似し、以下の微分方程式で記述される。

数１式中、Ｆｚは磁石ユニット７の吸引力、ｍは浮上体１１の質量、Ｒはコイル１９，１９’とリード線２８を直列に接続したときの電気抵抗、ｚは浮上ギャップ長、ｉｚは電磁石５の励磁電流、φは磁石ユニット７の主磁束、ｅzは電磁石５の励磁電圧、Δは定常浮上状態（ｚ＝ｚ０，ｉｚ＝ｉｚ０）からの偏差、記号“・”はｄ／ｄｔ、偏微分∂／∂ｈ（ｈ＝ｚ，ｉ）は定常浮上状態（ｚ＝ｚ０，ｉｚ＝ｉｚ０）における被偏微分関数のそれぞれの偏微分値、Ｌｚ０は、

を表す。

数１の浮上系モデルは次の状態方程式となる。

ただし、状態ベクトルｘ、システム行列Ａ、制御行列ｂおよび外乱行列ｄは、

であり、ｕｓは外力、

となる。式３中、状態ベクトルｘの各要素が浮上系の状態量であり、Ｃは出力行列で、ｅｚの計算に用いる状態量の検出方法により決定される。磁気浮上装置１ではギャップセンサ２１と電流センサ２３を使用しており、ギャップセンサ２１の信号を微分して速度を得る場合にはＣは単位行列となる。ここで、Ｆを状態ベクトルｘの比例ゲイン補償器、Ｋｉを積分ゲインとして励磁電圧ｅｚを例えば、

で与えれば、磁気浮上装置１は特開昭６２−７３０４号公報に見られるゼロパワー制御で浮上する。ここで、励磁電圧演算部２５において式６が演算されることは言うまでもない。

式１の磁気浮上装置１においてギャップセンサ１５を使用せずに、励磁電流Δｉｚから浮上ギャップ長偏差Δｚおよびその速度ｄ（Δｚ）／ｄｔを推定するための推定手段として、例えば同一次元状態観測器（以下オブザーバという）を適用する場合を考える。このとき、線型制御理論によれば、オブザーバは

で与えられる。このとき、励磁電圧演算部２５においては例えば、

ここで、推定当初の誤差が大きいと、式９で異常な励磁電圧が演算されるため、浮上状態の安定化ができなくなる。

したがって、図２に示す本発明に係わる磁気浮上装置１′にあってはギャップセンサ２１が省略され、替りに浮上体１１およびその近傍に非接触状態から接触状態になったことを例えば圧電ゴム２９で検出する接触検出手段３０と接触時の浮上体の姿勢を維持する補助支持手段３１が備えられている。また、吸引力制御手段１５には、前記接触検出手段３０に加えて、励磁電流Δｉｚから浮上ギャップ長偏差Δｚおよびその速度ｄ（Δｚ）／ｄｔを推定する例えばオブザーバで構成される姿勢推定手段３３と、補助支持手段３１で維持された姿勢から浮上状態へ移行する場合のオブザーバの初期値となるべきｘ０を演算する姿勢演算手段３５と、接触によりオブザーバの出力値を初期状態に戻すための推定初期化手段３７と、初期化されたオブザーバに姿勢演算手段で計算されたｘ０を初期値として設定するための初期値設定手段３９が備えられている。そして、推定された励磁電流Δｉｚ、浮上ギャップ長偏差Δｚおよびその速度ｄ（Δｚ）／ｄｔが励磁電圧演算部２５に入力され、ドライバ１６を介して電磁石５が励磁される。このように、オブザーバを初期化するとともに所定の初期値を与えてやることにより、停止状態から浮上する場合や外力やその他の理由によりに浮上状態から接触状態になった場合でも励磁電流Δｉｚから浮上ギャップ長偏差Δｚおよびその速度ｄ（Δｚ）／ｄｔを推定当初から誤差を抑えて推定でき、浮上体１１を確実に浮上状態へ移行するとともにその浮上状態が維持される。

浮上状態にある浮上体１１に過渡的な外力が持続的に加えられると外力に対して浮上状態を保つための吸引力制御がなされるため、コイル１９，１９’とリード線２８には励磁電流が持続的に流れることになる。こうなるとコイル１９，１９’およびリード線２８の温度が上昇し、電気抵抗Ｒが増加する。すると、式４中のａ３３が増大するが、吸引力制御手段１５中の式７のオブザーバではａ３３は設定時のままとなる。このため、実際の磁気浮上系とオブザーバの間に差異が生じ、励磁電流Δｉｚ、浮上ギャップ長偏差Δｚおよびその速度ｄ（Δｚ）／ｄｔの実際の値と推定値が乖離する。本来不安定な常電導吸引式磁気浮上系では実際の値と推定値の乖離はフィードバック制御による浮上状態の安定化を非常に困難なものにする。

しかし、磁気浮上装置１′には直列に接続されているコイル１９，１９’およびリード線２８の電気抵抗Ｒを測定するための抵抗測定手段４０が備えられている。抵抗測定手段４０は、例えば、励磁電圧ｅｚの電圧方程式から下式に基づいて電気抵抗Ｒを測定する。

しかるに、本発明にあってはゼロパワー制御で浮上体１１が浮上するため、過渡的かつ持続的な外力に起因する励磁電流Δｉｚがゼロ点をクロスする。励磁電流Δｉｚがゼロになると式１０の除算を不可能にするため、式１０を次のように書きなおす。

ただし、εはε＜＜１で、式１１で得られらる値のノイズの大きさや必要な測定測定精度に基づいて適当な値に設定される。

そして、式１１の出力に、例えば低域通過フィルターや平均値演算等の適当なノイズ除去処理を施せば電気抵抗Ｒの値を測定することができる。

こうして測定で得られた電気抵抗Ｒを抵抗測定手段４０から出力し、前記姿勢推定手段３３に導入して式７中のａ３３を変更すれば、温度上昇により増大した式４中のａ３３の値と式７のａ３３を値が一致するため、実際の磁気浮上系とオブザーバの間に構造上の差異が生じることがなく、励磁電流Δｉｚ、浮上ギャップ長偏差Δｚおよびその速度ｄ（Δｚ）／ｄｔの実際の値と推定値が乖離することもない。

したがって、上述した原理に従うことで、長時間持続的に外力が浮上体１１に加えられても浮上状態の安定性を維持することが可能になる。このように浮上状態の安定性が維持できれば、信頼性の向上が図れ、ギャップセンサの省略による装置の簡素化や小型化、コストの低減化が実現できる。

以上の詳述した本発明の原理に従う、磁気浮上装置実施形態を図に基づいて詳説する。

（第１実施形態）
図３乃至図６には磁気浮上装置の第１実施形態における装置４１の主要部が示されている。図４は実施の形態における全体的な構成を示す平面図、図５（ａ）は同立面図、図５（ｂ）は同正面図である。

図３に示すように、この装置輪４１は、建物の天井を構成する天板４２の下面に所定の取付方法で敷設された強磁性部材としてのガイドレール４４と、ガイドレール４４を天井４２に敷設することにより生じた凹凸を天井４２の所定の範囲において平面に修正する非磁性体の平面補正部材４５とで構成される上部支持部材４６と、床４８に所定の形状に溝５０を掘って構成される下部支持部材５２、この上部支持部材４６と下部支持部材５２との間に介在し、上部支持部材４６と下部支持部材５２の間隔によって幾何学的に転倒することが妨げられている仕切体５４、ガイドレール４４の下面所定位置に穿たれ断面が逆Ｕ字形状で仕切体５４の上部を案内するための上部ガイド溝５６で構成されている。

仕切体５４は、仕切体５４に取り付けられ、仕切体５４をガイドレール４４に対して非接触で支持する２つの磁石ユニット６０ａ，６０ｂと、仕切体５４を非接触で支持するために磁石ユニット６０（６０ａ，６０ｂ）の吸引力を制御する制御装置７０と、磁石ユニット６０ａ，６０ｂおよび制御装置７０に必要な電力を供給する電源装置７２と、磁石ユニット６０ａ，６０ｂが台板６２を介して取り付けられているフレーム部８０と，フレーム部８０にはめ込まれ、たとえばガラスやアルミ、木材や紙等で構成された仕切板８２とで構成されている。

磁石ユニット６０は、永久磁石６４と電磁石６６，６６’で構成されており、電磁石６６，６６’の先端がガイドレール４４の下面と対向するように全体としてＵ字形状に組み立てられている。電磁石６６，６６’は角柱状の鉄心６８（６８′）をコイル６９（６９′）に挿入して構成され、コイル６９，６９’は励磁時に互いの磁束を強め合うように直列に結線されている。電磁石６６，６６’の先端部には、電磁石６６，６６’が励磁されていない時に永久磁石６４の吸引力で磁石ユニット６０ａ、６０ｂ’がガイドレール４４に吸着して固着することを防止し、かつ吸着状態でも仕切体５４の移動に支障が出ないよう個体潤滑部材で表面処理した圧電ゴム７３ａ、７３ｂが取付けられている。ここで圧電ゴム７３ａ、７３ｂは磁石ユニット６０ａ，６０ｂのそれぞれのガイドレール４４への接触時に吸引力により電気抵抗がゼロに近くなる性質を有しており、仕切体５４の接触を検出するには好適である。

フレーム部８０は、断面が逆Ｕ字形状でフレーム部８０の上部に取付けられた固定台８３と，固定台８３に固着された支持棒８４と，支持棒８４の先端部に回転可能に取り付けられ上部ガイド溝５６に嵌入して仕切体５４の上部をガイドレール４４に沿って案内する案内シュー８６と、溝５０に嵌入し仕切体５４の下部を溝５０に沿って案内する２つの案内車輪８８，８８’と、仕切体５４が壁面に沿って移動する際に挟まれ事故を防止するために柔軟な材料たとえば軟質ゴム等で構成されるガード部材８９と、断面がＵ字形状でその凹部で左右から仕切板８２を挟み込むための側面フレーム９１と、左右の側面フレーム９１の下側端面に所定の方法で固定され下面両端所定位置に案内車輪８８，８８’の車軸９３を有する底面フレーム９５と、硬質の圧電ゴムで構成され底面フレーム９５の下面に貼付られて磁石ユニット６０の吸引力喪失時等の場合に底面フレーム９５が直接床４８の上面に当たるのを防ぐとともに浮上体としての仕切体５４の接触を検出する緩衝部材９７と、上部基台１０１、下部基台１０３および側板１０４で箱状に構成されその内部にそれぞれ２分割された前記制御装置７０および前記電源装置７２を備えるとともに上部基台１０１上面に磁石ユニット６０が取り付けられ下部基台１０３下面に左右の側面フレーム９１の上側端面が所定の方法で固定された上部フレーム１０５とで構成されている。前記上部フレーム１０５の上部には側面に沿って磁石ユニット６０ａ，６０ｂを視界から遮るカバー１０７が取り付けられており、磁気浮上装置４１の意匠性を高めている。

磁石ユニット６０ａ，６０ｂの各吸引力は制御装置７０により制御され、仕切体５４がガイドレール４４に対して非接触に支持される。

制御装置７０は図５（ａ）に示すように分割されてはいるが、たとえば、図７に示すように、全体として１つに構成されている。なお、以下のブロック図において、矢印線は信号経路を、また棒線はコイル６９周辺の電力経路を示している。さらに、磁石ユニット６０ａにおいて２つの直列に接続されたコイル６９，６９’をまとめてコイル６９ａとし、同様に磁石ユニット６０ｂの２つのコイル６９，６９’をコイル６９ｂとする。

図４及び図５に示すように、制御装置７０は、フレーム部８０に取付けられて磁石ユニット６０ａ，６０ｂの励磁電流を検出するセンサ部１１１と、磁石ユニット６０ａ，６０ｂに仕切体５４を非接触支持させるべく各コイル６９ａ，６９ｂへの印加電圧ｅａ，ｅｂをセンサ部１１１からの信号に基づいて演算する吸引力制御手段としての演算回路１１２と、演算回路１１２の出力に基づいて各コイル６９ａ，６９ｂに電力を供給する励磁手段としてのパワーアンプ１１３ａ，１１３ｂと、パワーアンプ１１３ａ，１１３ｂの出力電流をコイル６９ａ，６９ｂに供給するための配電手段としてのリード線１１４ａ，１１４ｂとで構成されており、これらで２つの磁石ユニット６０ａ，６０ｂの吸引力をｚ軸方向およびｙ軸周りについて独立に制御している。なお、パワーアンプ１１３ａ，１１３ｂは冷却のため上部基台１０１上面に取り付けられた冷却フィン１１５に装着されている。

電源装置７２はパワーアンプ１１３ａ，１１３ｂに電力を供給すると同時に、演算回路１１２に一定電圧で電力を供給する定電圧発生装置１１８にも電力を供給している。この電源装置７２はパワーアンプに電力を供給するため、図示しない電源線で仕切体５４の外部から供給される交流をパワーアンプへの電力供給に適した直流に変換する機能を有している。

図７に示す定電圧発生装置１１８は、パワーアンプ１１３への大電流の供給などにより電源装置７２の電圧が変動しても常に一定の電圧で演算回路１１２に電力を供給する。このため、演算回路１１２は常に正常に動作する。

センサ部１１１は各コイル６９の電流値を検出する電流検出器１２１ａ，１２１ｂで構成されている。

演算回路１１２は、図３に示される運動座標系ごとに仕切体５４の磁気浮上制御を行っている。すなわち、仕切体５４の重心のｚ座標に沿った上下動を表すｚモ−ド（上下動モード）、仕切体５４の重心回りのピッチングを表すξモ−ド（ピッチモード）である。この２つのモードに対し、上述の発明の原理にもとづいて磁石ユニット６０ａ，６０ｂのコイル励磁電流が検出され、磁気浮上制御が行われる。

演算回路１１２は次のように構成されている。電流検出器１２１ａ，１２１ｂからの励磁電流検出信号ｉａ，ｉｂよりそれぞれの電流設定値ｉａ０，ｉｂ０を減算して得られる電流偏差信号Δｉａ，Δｉｂを演算する減算器１２３ａ，１２３ｂと、ｚ方向の運動に関わる電流偏差Δｉｚ、同重心のまわりのピッチングに関わる電流偏差Δｉξを演算するモード励磁電流演算部としての励磁電流偏差座標変換回路１２５と、電流検出器１２１ａ，１２１ｂからの励磁電流検出信号ｉａ，ｉｂおよび当該演算回路１１２の出力ｅａ，ｅｂよりコイル６９ａおよびリード線１１４ａとの直列抵抗とコイル６９ｂおよびリード線１１４ｂとの直列抵抗を測定しこれらの平均値を出力する抵抗測定手段１２６と、抵抗測定手段１２６の出力Ｒと励磁電流偏差座標変換回路１２５の出力Δｉｚ，Δｉξよりｚ，ξの各モ−ドにおいて仕切体５４の重心の所定位置からの上下偏差Δｚおよびその速度ｄ（Δｚ）／ｄｔを推定する上下動モード姿勢推定手段１２７ａ、仕切体５４のピッチ偏差Δξおよびその速度ｄ（Δξ）／ｄｔを推定するピッチモード姿勢推定手段１２７ｂ、圧電ゴム７３ａ，７３ｂおよび緩衝部材９７の電気抵抗値から仕切体５４の上部支持部材４６または下部支持部材５２への接触を検出する接触検出手段１２９、接触検出手段１２９からの接触信号に基づいて接触時の仕切体５４の姿勢からｚモ−ドにおける上下偏差Δｚ０を計算する姿勢演算手段１３１ａと、同ξモ−ドにおけるピッチ偏差Δξ０を計算する姿勢演算手段１３１ｂと、姿勢演算手段１３１ａの出力Δｚ０を姿勢推定の初期値として上下動モード姿勢推定手段１２７ａに与える上下動モード初期値設定手段１３３ａと、姿勢演算手段１３１ｂの出力Δξ０を姿勢推定の初期値としてピッチモード姿勢推定手段１２７ｂに与える初期値設定手段１３３ｂと、接触直前までの上下動モード姿勢推定手段１２７ａが推定していた上下偏差Δｚ、その速度ｄ（Δｚ）／ｄｔおよび励磁電流偏差Δｉｚの推定値をリセットする上下動モード推定初期化手段１３５ａと、接触直前までのピッチモード姿勢推定手段１２７ｂが推定していたピッチ偏差Δξ、その速度ｄ（Δξ）／ｄｔおよび励磁電流偏差Δｉξの推定値をリセットするピッチモード推定初期化手段１３５ｂと、仕切体５４を安定に磁気浮上させるモ−ド別電磁石制御電圧ｅｚ，ｅξをそれぞれ上下動モード姿勢推定手段１２７ａおよびピッチモード姿勢推定手段１２７ｂの出力に基づいて演算する励磁電圧演算部１３６としての上下動モ−ド制御電圧演算回路１３７ａおよび同ピッチモ−ド制御電圧演算回路１３７ｂと、各モードの制御電圧演算回路１３７ａ、１３７ｂの出力ｅｚ，ｅξより前記磁石ユニット６０ａ，６０ｂのそれぞれの電磁石励磁電圧ｅａ，ｅｂを演算する励磁電圧演算部１３６としての制御電圧座標逆変換回路１３９とで構成されている。そして、制御電圧座標逆変換回路１３９の演算結果、つまり上述したｅａ，ｅｂがパワ−アンプ１１３ａ，１１３ｂに与えられる。

ここで、仕切体５４の接触時において上部支持部材４６と下部支持部材５２で仕切体５４の姿勢が維持されるので、本実施例においては上部支持部材４６と下部支持部材５２が補助支持手段となっている。

また、仕切体５４の接触時の姿勢には、
１．磁石ユニット６０ａ，６０ｂが圧電ゴム７３ａ，７３ｂを介して上部支持部材４６に接触している姿勢（磁石ユニット６０ａのギャップ長がｚａ１、磁石ユニット６０ａのギャップ長がｚｂ１）
２．底面フレーム９５が緩衝部材９７を介して下部支持部材５２に接触している姿勢（磁石ユニット６０ａのギャップ長がｚａ２、磁石ユニット６０ａのギャップ長がｚｂ２）、
３．磁石ユニット６０ａが圧電ゴム７３ａを介して上部支持部材４６に接触するとともに底面フレーム９５が緩衝部材９７を介して下部支持部材５２に接触している姿勢（磁石ユニット６０ａのギャップ長がｚａ３、磁石ユニット６０ａのギャップ長がｚｂ３）、
４．磁石ユニット６０ｂが圧電ゴム７３ｂを介して上部支持部材４６に接触するとともに底面フレーム９５が緩衝部材９７を介して下部支持部材５２に接触している姿勢（磁石ユニット６０ａのギャップ長がｚａ４、磁石ユニット６０ａのギャップ長がｚｂ４）
の４つのパターンが存在する。

接触検出手段１２９ではこれらの接触姿勢パターンに対応して例えば、６、１、５、３が出力される。これ以外のパターンは浮上状態とみなすため接触検出手段１２９が０を出力することは言うまでもない。

上下動モード姿勢演算手段１３１ａでは接触検出手段１２９の出力に応じて、

が計算される。つまり、接触検出手段１２９の出力が６の場合にはｚａにｚａ１、ｚｂにｚｂ１が代入される。ここで、ｚ０は所定の浮上状態にあるときの磁石ユニット６０ａ、６０ｂの浮上ギャップ長の平均値である。接触検出手段１２９の出力が１の場合にはｚａにｚａ２、ｚｂにｚｂ２が代入され、５の場合にはｚａにｚａ３、ｚｂにｚｂ３が代入される。そして、接触検出手段１２９の出力が３の場合にはｚａにｚａ４、ｚｂにｚｂ４が代入されて接触検出手段１２９の出力に基づいた接触時の上下偏差（ｚ０が計算される。同様にして、ピッチモード姿勢演算手段１３１ｂでは、ｌξを磁石ユニット６０ａ，６０ｂの中心間距離として

により接触検出手段１２９の出力に基づいて接触時のピッチ偏差Δξ０が計算される。

上下動モード姿勢推定手段１２７ａは上下動モード初期値設定手段１３３ａおよび上下動モード推定初期化手段１３５ａとともに図８のように構成されている。すなわち、上下モードにおけるオブザーバを実現するために、上下動モード姿勢推定手段１２７ａは励磁電流偏差座標変換回路１２５の出力Δｉｚを入力とするゲイン補償器１４１，１４３，１４５と、積分器１４７，１４９，１５１と、積分器１４７の出力を入力するゲイン補償器１５３と，積分器１４９の出力を入力するゲイン補償器１５５，１５７と、積分器１５１の出力を入力するゲイン補償器１５９，１６１，１６３と、上下動モ−ド制御電圧演算回路１３７ａの出力ｅｚを入力とするゲイン補償器１６５と、ゲイン補償器１４１，１５５，１５９の出力を加算して積分器１４７への入力を出力する加算器１６７と、ゲイン補償器１４３，１５３，１６１の出力を加算して積分器１４９への入力を出力する加算器１６９と、ゲイン補償器１４５，１５７，１６３，１６５の出力を加算して積分器１５１への入力を出力する加算器１７１と、各積分器１４７，１４９，１５１のそれぞれに付随する初期値設定手段１７３，１７５，１７７と，同じく各積分器１４７，１４９，１５１のそれぞれに付随する推定初期化手段１７９，１８１，１８３と、ゲイン補償器１５３への分岐後の積分器１４７の出力を所定値の範囲内に制限する推定出力制限手段としてのリミッタ１８４とを備えている。各積分器１４７，１４９，１５１は同一構成であり、例えば積分器１４７とこれに付随する初期値設定手段１７３および推定初期化手段１７９は図１０のように構成されている。すなわち、加算器１６７の出力が入力される抵抗１８５とコンデンサ１８７とオペアンプ１８９で構成される積分器１４７はコンデンサ１８７を短絡するリレー部１９１を備えている。接触検出手段１２９の出力が接触の検出によりゼロでなくなるとリレー部１９１が動作してコンデンサ１８７が短絡し、積分器１４７の積分結果はゼロにリセットされる。本実施例では接触検出手段１２９の接触検出により短絡するリレー部１９１が上下動モードの推定初期化手段１３５’を構成している。一方、積分器１４７の出力は抵抗１９３に接続されている。この抵抗１９３と、接触検出手段１２９の接触検出により上下動モード姿勢演算手段１３１ａの出力するΔｚ０を入力しΔｚ０に対応する電圧を発生する初期値電圧発生装置１９５と、初期値電圧発生装置１９５につながれた抵抗１９７と、抵抗１９９，２０１と、オペアンプ２０３とが上下動モードの初期値設定手段１３３’を構成している。他の積分器１４９、１５１も同一構成であるが、これらに付随する初期値電圧発生装置１９５は積分器１４９、１５１に対応する初期値としてゼロを出力するようになっている。これら三つの積分器１４７，１４９，１５１に付随する推定初期化手段１３５’および初期値設定手段１３３’が全体として上下動モード推定初期化手段１３５ａおよび上下動モード初期値設定手段１３３ａを構成しており、差動構成されるオペアンプ２０３の出力が各積分器１４７，１４９，１５１の出力となる。つまり、上下動モード姿勢推定手段１２７ａの推定結果である上下偏差Δｚ、その速度ｄ（Δｚ）／ｄｔおよび励磁電流偏差Δｉｚのそれぞれの推定値が出力される。

ピッチモード姿勢推定手段１２７ｂ、ピッチモード初期値設定手段１３３ｂおよび上下動モード推定初期化手段１３５ｂも同様に図９、図１０のように構成されている。簡単のため、対応する入出力信号を信号名で示し説明は省略する。ただし、ピッチモードでは積分器１４７に付随する初期値電圧発生装置１９５はピッチモード姿勢演算手段１２７ｂの出力するΔξ０を入力しΔξ０に対応する電圧を発生するものとなっている。ピッチモードの各積分器１４７，１４９，１５１からはピッチモード姿勢推定手段１２７ｂの推定結果であるピッチ偏差Δξ、その速度ｄ（Δξ）／ｄｔおよび励磁電流偏差Δｉξの推定値が出力される。

上下動モ−ド制御電圧演算回路１３７ａは例えば図１１のように構成されている。すなわち、上下偏差Δｚ、その速度ｄ（Δｚ）／ｄｔおよびΔｉｚの推定値に適当なフィ−ドバックゲインを乗じるゲイン補償器２０５と、電流偏差目標値発生器２０７と、Δｉｚを電流偏差目標値発生器２０７の目標値より減じる減算器２０９と、減算器２０９の出力値を積分し適当なフィ−ドバックゲインを乗じる積分補償器２１１と、ゲイン補償器２０５の出力値の総和を演算する加算器２１３と、積分補償器２１１の出力を入力として所定の範囲内で入力と等しい値を出力するとともに入力が同範囲の上限値を越える場合には上限値を下限値を下回る場合には下限値を出力する積分出力制限手段２１５と、加算器２１３の出力値を出力制限手段２１５の出力値より減じてｚモ−ドの電磁石励磁電圧ｅｚを出力する減算器２１７と、減算器２１７の出力を所定値の範囲内に制限する電圧出力制限手段としてのリミッタ２１８とで構成されている。なお、積分出力制限手段２１５の動作については特願平１２−０７３４０６号広報にも詳しく述べられており、詳説は省略する。

ピッチモ−ド制御電圧演算回路１３７ｂもまた上下動モ−ド制御電圧演算回路１３７ａと同様に構成されており、対応する入出力信号を信号名で示し、説明は省略する。

抵抗測定手段１２６は図１２のように構成されている。すなわち、電流検出器１２１ａからの励磁電流検出信号ｉａを導入しｉａの時間微分を計算する微分器２２０と、微分器２２０の出力に仕切体５４が浮上状態に有るときの所定の浮上ギャップ長におけるコイル６０ａの自己インダクタンスＬｚ０に略等しいゲインを乗じるゲイン補償器２２２と、励磁電流検出信号ｉａを導入してその励磁電流検出値の二乗を演算する乗算器２２４と、当該演算回路１１２の出力ｅａを導入しこの値から前記ゲイン補償器２２２の出力を減算する減算器２２６と、励磁電流検出信号ｉａを導入してその励磁電流検出値に前記減算器２２６の出力を乗じる乗算器２２８と、前記乗算器２２４の出力に所定の値εを加算する加算器２３０と、前記乗算器２２８の出力を前記加算器２３０の出力で除算する除算器２３２と、除算器２３２の出力をフィルタリングしＳ／Ｎ比の良好な信号を出力するフィルタ２３４とを備えた第１の抵抗測定器２３６と、抵抗測定器２３６と同一構成で電流検出器１２１ｂからの励磁電流検出信号ｉｂおよび当該演算回路１１２の出力ｅｂを導入する第２の抵抗測定器２３６’と、抵抗測定器２３６および抵抗測定器２３６’の出力の平均値を演算する平均値演算器２３８とで構成されている。そして、抵抗測定器２３６ではコイル６０ａおよびリード線１１４ａの直列接続抵抗値が、抵抗測定器２３６’では、コイル６０ｂおよびリード線１１４ｂの直列接続抵抗値が、それぞれ式１１に基づいて測定されることはいうまでもない。

抵抗測定手段１２６の出力は上下動モード姿勢推定手段１２７ａおよびピッチモード姿勢推定手段１２７ｂに導入され、抵抗測定値Ｒの値に基づいて両モードの姿勢推定手段１２７（ａ，ｂ）中のゲイン補償器１６３の値が変更される。

次に、以上のように構成された第１実施形態に係る仕切体支持装置の動作について説明する。

装置が停止状態にあるときは、磁石ユニット６０ａ，６０ｂの鉄心６８（６８’）の先端が、圧電ゴム７３を介してガイドレール４４の下面に吸着している。この状態で装置を起動させると、制御装置７０では圧電ゴム７３の働きにより接触検出手段１２９は仕切体５４の上部支持部材４６への接触を検出して６を出力し、姿勢演算手段１２７ａ、１２７ｂでは磁石ユニット６０ａのギャップ長がｚａ１、磁石ユニット６０ａのギャップ長がｚｂ１であるに基づいて式１２、式１３によりｚモード上下偏差の推定初期値Δｚ０とξモードピッチ偏差の推定初期値Δξ０が演算される。各モードの姿勢推定手段１２７ａ，１２７ｂでは初期値設定手段１３３ａ，１３３ｂにより推定初期値が設定される。このとき、推定初期化手段１３５ａ、１３５ｂでは接触検出手段１２９の出力がゼロでないため、リレー部１９１がＯＮとなり、積分器１４７，１４９，１５１が短絡されて積分結果がクリアされ、姿勢推定手段１２７ａ、１２７ｂが初期化される。すると、初期値設定手段１３３ａの働きにより姿勢推定手段１２７ａから出力される上下偏差Δｚ、その速度ｄ（Δｚ）／ｄｔおよびΔｉｚの推定値はそれぞれΔｚ０，０，０、初期値設定手段１３３ｂの働きにより姿勢推定手段１２７ｂから出力されるピッチ偏差Δξ、その速度ｄ（Δξ）／ｄｔおよび励磁電流偏差Δｉξの推定値はそれぞれΔξ０，０，０となる。

各モードの制御電圧演算回路１３７ａ，１３７ｂは、姿勢推定手段１２７ａ，１２７ｂの推定結果が入力されると上下偏差Δｚ０，ピッチ偏差Δ０をゼロにするよな励磁電圧ｅｚ，ｅξを計算する。制御電圧座標逆変換回路１３９では制御電圧演算回路１３７ａ，１３７ｂの励磁電圧計算結果を受けてコイル６９ａ，６９ｂの励磁電圧ｅａ，ｅｂが計算され、パワーアンプ１１３ａ，１１３ｂを介して磁石ユニット６０ａ，６０ｂの吸引力が制御される。この状態で、制御装置７０は永久磁石６４が発生する磁束と逆向きの磁束を各電磁石６６，６６′に発生させ、磁石ユニット６０ａ，６０ｂとガイドレール４４との間に所定の空隙長を維持させるべく各コイル６９ａ，６９ｂに流す電流を制御する。これによって、仕切体５４はガイドレール４４の下面から離れて浮上状態に移行する。仕切体５４が浮上状態に移行すると、接触検出手段１２９は０を出力し、これによりに推定初期化手段１３５ａ、１３５ｂではリレー部１９１がＯＦＦとなり、積分器１４７，１４９，１５１が積分を開始する。このとき、初期値設定手段１３３ａ，１３３ｂでは接触検出手段１２９が０を出力しているので直前の接触時の出力値が維持される。これにより、浮上開始状態では、姿勢推定手段１２７ａでは初期値を（Δｚ０，０，０）、姿勢推定手段１２７ｂでは初期値を（Δ０，０，０）として推定が開始される。姿勢推定手段１２７ａ，１２７ｂの推定誤差は式８によれば初期値の誤差が少ないほど時間の経過とともに急速に減少する。本実施例では、浮上開始時の上下偏差とピッチ偏差が推定初期値と一致しているため推定開始時の誤差が小さくなり、推定値が実際の値に急速に収束する。また、仕切体５４の姿勢は上部支持部材４６と下部支持部材５２により制限されるがリミッタ１８４には上下偏差とピッチ偏差の上下限値が飽和範囲として設定されており、推定値が実際の値に収束するまでの過渡期において姿勢推定手段１２７ａ，１２７ｂが異常な値を出力することもない。したがって、制御電圧演算回路１３７ａ，１３７ｂで演算される各モードの励磁電圧ｅｚ，ｅξも異常な値となることがなく、制御電圧座標逆変換回路１３９では制御電圧演算回路１３７ａ，１３７ｂの励磁電圧計算結果を受けてコイル６９ａ，６９ｂの励磁電圧ｅａ，ｅｂが計算され、パワーアンプ１１３ａ，１１３ｂを介して磁石ユニット６０ａ，６０ｂの吸引力が異常なく制御される。このように浮上開始時において異常なく吸引力制御が行われると、図７に示すように、永久磁石６４〜鉄心６８〜空隙Ｇ〜ガイドレール４４〜空隙Ｇ′〜鉄心６８’〜永久磁石６４の経路からなる磁気回路Ｍｃが安定化され、空隙Ｇ，Ｇ′におけるギャップ長は、永久磁石３４の起磁力による各磁石ユニット６０ａ，６０ｂの磁気的吸引力が仕切体５４の重心に作用するｚ軸方向重力、同ｙ軸回りのトルクと丁度釣合うような長さになる。制御装置７０はこの釣合いを維持すべく仕切体５４に外力が作用すると電磁石６６ａ，６６ｂの励磁電圧制御を行い、いわゆるゼロパワー制御がなされることになる。

ここで、本実施例に係わる磁気浮上装置１０をして図１３に示す引き戸を構成した場合について説明する。この引き戸は壁面２４０の開口部に取り付けられた磁気浮上装置１０で構成されており、ガイドレール４４は開口部左端かつ壁面２４０側に向かって（ｘ方向および−ｙ方向に向かって）僅かに傾斜して取り付けられており、ゼロパワー制御で非接触支持されている仕切体５４は外部から力を加えない状態で扉が閉じた状態を形成する。この状態において、磁石ユニット６０ａ，６０ｂが対向するガイドレール４４の対向面は磁性体が張り出している部位Ａ、Ｂ，Ｃがあり、磁石ユニット６０ａ，６０ｂにはこの部位への吸引力が係留力として作用する。このため、風や建物の僅かな揺れで仕切体５４が開くことはない。今、この扉を開ける場合、仕切体５４に−ｘ方向の力を印加すると、案内車輪８８，８８’が溝５０の直線部に沿って、案内シュー８６が上部案内溝５６に沿って移動可能なため、非接触支持されている仕切体５４は軽くかつ滑らかに移動して扉が開くことになる。開いた扉はガイドレール４４の傾斜に沿って滑走し、再び扉が閉じた状態を形成する。一方、閉じている扉をｙ方向に押す場合には案内車輪８８が溝５０の曲線部に沿って移動するため、仕切体５４は案内車輪８８’の車軸９３および案内シュー８６の支持棒８４を中心として回転を開始する。このとき車軸９３および支持棒８４のそれそれの軸中心が一致していることは言うまでもない。回転を開始した仕切体５４は二つの車軸９３間に引いた直線Ｌ１〜Ｌ７で表される姿勢に順次移行しながら−ｘ方向に移動する。つまり、本実施例に係わる磁気浮上装置では、仕切体の重量を非接触支持することにより扉の操作力や開閉時の騒音を著しく軽減しているばかりか、仕切体に滑らかな二次元的移動を付与することを可能にしており、車椅子から引き戸を開けるような場合でも、扉を押すことで容易に引き戸を開けることができ、操作性並びに操作感を著しく向上させている。

また、仕切体５４が非接触支持されている際には案内車輪８８，８８’および案内シュー８６がそれぞれ溝５０および上部ガイド溝５６に嵌入しているため、過大な水平方向の外力に対して仕切体５４が転倒することがない。

一方、過大な外乱により仕切体５４が上部支持部材４６もしくは下部支持部材５２との間に接触を生じても、本発明の磁気浮上装置にあっては、上述の仕切体５４の接触時の姿勢１〜４が接触検出手段１２９により検出され、姿勢演算手段１３１、初期値設定手段１３３、推定初期化手段１３５の作用により、姿勢推定手段１２７は正常な推定値を出力する。このため、仕切体５４は支障なく浮上状態に復帰する。

ここで、さらに過大な外乱により仕切体５４が上部支持部材４６もしくは下部支持部材５２との間に衝突を生じたような場合には、姿勢推定手段１２７の推定値が急激に変化する。こうした急激な変化では上下偏差の速度推定値およびピッチ偏差の速度推定値も急激に変化する。すると、各モードの制御電圧演算回路１３７ａ，１３７ｂからは電源装置７２の能力以上の励磁電圧が出力される。こうなると姿勢推定手段１２７ａ，１２７ｂに入力される励磁電圧ｅｚ，ｅξが実際にｅａ，ｅｂから得られるモード別励磁電圧の値と異なることになる。すると、姿勢推定手段１２７ａ，１２７ｂにおいて正常な姿勢推定が行えなくなり、浮上状態の安定化が困難となる。しかし、本実施の形態にかかわる磁気浮上装置１０にあっては、励磁電圧演算部１３６の上下動モ−ド制御電圧演算回路１３７ａおよびピッチモ−ド制御電圧演算回路１３７ｂがそれぞれの電圧出力制限手段としてリミッタ２１８を備えている。リミッタ２１８には電源装置７２の能力限界に係わる各モードにおける電圧値が飽和値として設定されており、姿勢推定手段１２７ａ，１２７ｂに入力される励磁電圧ｅｚ，ｅξが実際にｅａ，ｅｂから得られるモード別励磁電圧の値と異なることがない。このため、さらに過大な外乱により仕切体５４が上部支持部材４６もしくは下部支持部材５２に衝突しても姿勢推定手段１２７ａ，１２７ｂは支障なく動作し、仕切体５４は再び浮上状態にもどることになる。

また、こうした過大な外乱が繰返し加えられたり、小さな周期的外力が長時間持続して作用した場合には、制御装置７０により仕切体５４の浮上状態を持続させるべく電磁石６０ａ，６０ｂが長時間励磁されるため、コイル６９ａ，６９ｂおよびリード線１１４ａ，１１４ｂの温度が上昇する。こうなるとコイル６９ａ（６９ｂ）およびリード線１１４ａ（１１４ｂ）の直列抵抗値が上昇し、姿勢推定手段１２７ａ，１２７ｂの推定誤差が拡大して浮上状態の安定化が困難となる。しかし、本実施の形態にかかわる磁気浮上装置１０にあっては、抵抗測定手段１２６によりコイル６９ａ（６９ｂ）およびリード線１１４ａ（１１４ｂ）の直列抵抗値が測定され、その測定値に基づいてゲイン補償器１６３のゲインが変更されるため、コイル６９ａ（６９ｂ）およびリード線１１４ａ（１１４ｂ）の直列抵抗値に拘らず姿勢推定手段１２７ａ，１２７ｂは常に正常な姿勢推定値を出力する。このため、コイル６９ａ（６９ｂ）およびリード線１１４ａ（１１４ｂ）に外乱による温度上昇が発生しても姿勢推定手段１２７ａ，１２７ｂは支障なく動作し、仕切体５４の浮上状態が維持されることになる。このように、本発明による磁気浮上装置にあっては浮上状態の信頼性が非常に高くなっている。

また、図４および図１２に示すようにガイドレール４４に分岐個所が存在する場合、従来のギャップセンサを有する磁気浮上装置では、ギャップセンサの軌跡に沿ってセンサの検出原理に適合した材質のセンサターゲットが必要であったが、本発明の磁気浮上装置にあってはギャップセンサが不要なため、センサターゲットを省略することができ、装置の簡素化、低コスト化を図ることができる。

かくして、安定な浮上状態を維持していた磁気浮上装置１０を停止させる場合は、例えば、ｚモードの電流目標値発生器２０７の電流目標値をゼロから負の所定の値に変化させれば良く、これにより仕切体５４は上部支持部材４６に吸着する。ここで電源装置７２の図示しないスイッチをＯＦＦすることにより装置の動作は停止する。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態を図１４に基づいて説明する。第１実施形態では、磁石ユニットが浮上体側に取付けられていたが、これは磁石ユニットの取付け位置をなんら限定するものでなく、図１３に示したように磁石ユニットを地上側に配置しても良い。なお、説明の簡単化のために、以下、第１実施形態と共通する部分には同一の符号を用いて説明する。

磁気浮上装置３００は、断面がコ字形状で非磁性体例えばアルミ部材で形成され、地上に設置された補助支持手段３０２と、補助支持手段３０２の上部下面に下向きに取付けられた磁石ユニット６０と、磁石ユニット６０に対向する断面がコ字形状の強磁性部材たとえば鉄で形成されたガイド３０４と、ガイド３０４を底部上面に備え全体としてコ字形状に形成された防振台テーブル３０６と、防振台テーブル３０６の側面に取付けられ地上に対して垂直方向にのみ動きの自由度を防振台テーブル３０６に付与するリニアガイド３０８と、磁石ユニット６０の吸引力を制御して防振テーブルを非接触支持するための吸引力制御手段１５と、前記吸引力制御手段１５の出力に基づいて前記磁石ユニット６０を励磁するための図示していない電源に接続されたパワーアンプ１１３と、磁石ユニット６０の励磁電流を検出する電流センサ２３とを備えている。

吸引力制御手段１５は、磁石ユニット６０への励磁電流および励磁電圧からリード線２８およびコイル１９および１９’の直列抵抗値を測定するための抵抗測定手段４０と、補助支持手段３０２の底部上面に取付けられたマイクロスイッチ３１０と磁石ユニット６０の磁極面に張られた圧電ゴム３１２を備えた接触検出手段３１４と、接触検出手段３１４の接触検出信号から防振テーブル３０６の補助支持手段３０２もしくは磁石ユニット６０への接触時の浮上ギャップ長を計算する姿勢演算手段３１６と、前記抵抗測定手段４０の出力および磁石ユニット６０への励磁電流，励磁電圧から防振テーブル３０６の浮上姿勢を推定する姿勢推定手段３１８と、姿勢演算手段３１６の出力に基づいて姿勢推定手段３１８に推定初期値を設定する初期値設定手段３２０と、接触検出手段３１４の出力に基づいて姿勢推定手段２５を初期化する推定初期化手段３２２と、姿勢推定手段２５の出力に基づいて防振テーブル３０６を磁気浮上させるための磁石ユニット６０への励磁電圧を演算する励磁電圧演算部３２４とを備えている。

磁石ユニットをこのように配置すると防振テーブルの重量を磁石ユニットの分だけ軽減できるという利点がある。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態を図１５に基づいて説明する。

上記の第１、第２実施形態では、姿勢推定手段として同一次元状態観測器が用いられていたが、これは姿勢推定手段の構成をなんら限定するものでなく特許請求の範囲内であればいかなる推定手段であっても差し支えない。たとえば、図１４に示す最小次元オブザーバを用いた場合の構成であっても良い。

たとえば、図１３の磁気浮上装置３００にあっては次式の最小次元オブザーバで構成された姿勢推定手段４００を用いることができる。すなわち、

姿勢推定手段４００は、Δｉｚを入力とするゲイン補償器４０２，４０４，４０６，４０７と、積分器４０８，４１０と、積分器４０８の出力を入力するゲイン補償器４１２と，積分器４１０の出力を入力するゲイン補償器４１４，４１６と、励磁電圧演算部３２４の出力ｅｚを入力とするゲイン補償器４１８，４２０と、ゲイン補償器４０４，４０６，４１４の出力を加算して積分器４０８への入力を出力する加算器４２２と、ゲイン補償器４１２，４１６，４１８，４２０の出力を加算して積分器４１０への入力を出力する加算器４２４と、ゲイン補償器４０２と積分器４０８の出力を加算する加算器４２６と、ゲイン補償器４０７と積分器４１０の出力を加算し、速度ｄ（Δｚ）／ｄｔの推定値を出力する加算器４２８と、加算器４２６の出力を所定値の範囲内に制限する推定出力制限手段としてのリミッタ４３０とを備えている。ここでリミッタ４３０の出力が上下偏差Δｚの推定値となることは言うまでもない。さらに、当該姿勢演算手段４００にはΔｉｚの入力端に切替え手段４３２が備えられている。当該切替え装置４３２では接触検出手段３１４が接触を検出している間はそれまで入力されていたΔｉｚをゼロに切替え、接触が検出されなくなるとゼロをΔｉｚに切替える機能を有している。姿勢推定手段として最小次元オブザーバを用いる場合、Δｉｚがゲイン補償器４０２〜加算器４２６〜リミッタ４３０を介して直接上下偏差Δｚの推定値として出力されるので、接触時において設定された積分器４０８の接触時の防振テーブル３０６の姿勢情報にα１Δｉｚが加算されることになる。すると、姿勢演算手段４００の上下偏差Δｚの推定値が実際と異なることになり、防振テーブル３０６の浮上状態への移行に支障を来すこととなる。この場合では切替え手段４３２の作用により接触時に防振テーブル３０６の姿勢情報にα１Δｉｚが加算されることはなく、姿勢演算手段４００の出力は実際の値に近いものとなる。また、本実施の形態においては抵抗測定手段４０の抵抗測定結果に基づいて式１４中のａ３３を含むゲイン補償器４０４およびゲイン補償器４１８の値が変更される。こうなると防振テーブル３０６の浮上状態への移行に支障を来すことがなくなるばかりでなく、地上側の持続的な振動でコイル１９，１９’の温度が上昇しても浮上状態が維持されて信頼性が向上する。本実施例ではΔｉｚの入力端に切替え手段４３２が備えられたが、これは姿勢推定手段の接触時の推定値を実際の値に近づけるための手段であり、姿勢推定手段の構成によってはｅｚの入力端に切替え手段４３２を設けてもなんら差し支えない。本実施の形態では姿勢演算手段に最小次元オブザーバを適用しているが、この場合、積分器を減らせるという利点がある。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態を図１６に基づいて説明する。上記の第１実施形態では、抵抗測定手段に入力される電磁石励磁電流としてコイル６９ａ，６９ｂの励磁電流値ｉａ，ｉｂを、電磁石励磁電圧として制御電圧座標逆変換回路の出力値ｅａ，ｅｂを入力しているが、これは抵抗測定手段の構成をなんら限定するものでなく特許請求の範囲内であればいかなる推定手段であっても差し支えない。たとえば、図１６に示すように励磁電流座標変換回路１２５と同一の演算を行う励磁電流座標変換回路１２５’を介してｉａ，ｉｂから上下動モードにおける励磁電流ｉｚおよびピッチモードにおける励磁電流ｉξを求め、電磁石励磁電流としてｉｚおよびｉξを、電磁石励磁電圧として各モードの制御電圧演算回路出力ｅｚおよびｅξを用いても良い。また、複数の抵抗測定値を平均演算手段２３８で平均しているがどちらか一方の抵抗測定器２３６（２３６’）の出力を抵抗測定手段の出力として何ら差し支えない。

加えて、上記各実施の形態では、磁気浮上制御を行う制御装置はアナログ制御的に説明されているがこれは、アナログ、デジタルの制御方式を何ら限定するものではなくデジタル制御を演算回路に適用してもよい。

また、上記各実施の形態では、パワーアンプに電圧形のものを用いているが、これはパワーアンプの方式を何ら限定するものではなくたとえばＰＷＭ形のものであって何ら差し支えない。

さらに、上記各実施の形態では、磁石ユニットにＵ字形状のものを用いているがこれは磁石ユニットの形状を何ら限定するものでなく、たとえば特願平１１−１９２２２４に見られるようにＥ字形状のものであってなんら差し支えない。

加えて、上記各実施の形態では、磁石ユニットに永久磁石を用いているが、これは磁石ユニットの構成をなんら限定するものでなく、永久磁石を持たない通常の電磁石で磁石ユニットを構成してなんら差し支えない。

なお、本願発明は、上記各実施形態に限定されるものでなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、各実施形態は可能な限り適宜組み合わせて実施してもよく、その場合、組み合わされた効果が得られる。さらに、上記各実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が省略されることで発明が抽出された場合には、その抽出された発明を実施する場合には省略部分が周知慣用技術で適宜補われるものである。

本発明の原理を説明するための構成図。本発明の原理を説明するための他の構成図。本発明の第１実施形態の全体的な構成を示す斜視図。同実施の形態における全体的な構成を示す平面図。同実施の形態における全体的な構成を示す立面図及び正面図。同実施の形態における磁石ユニットの構成を示す立面図。同実施の形態における制御装置内の構成を示すブロック図。同実施の形態における制御装置内の姿勢推定手段の構成を示すブロック図。同実施の形態における姿勢推定手段の積分器周辺の構成を示す回路図。同実施の形態における制御装置内の制御電圧演算回路の構成を示す回路図。同実施の形態における制御装置内の抵抗測定手段の構成を示すブロック図。同実施の形態における仕切体の動作を説明するための平面図。本発明の第２実施形態の全体的な構成を示すブロック構成図。本発明の第３実施形態における姿勢推定手段の構成を示すブロック図。本発明の第４実施形態における制御装置内の構成を示すブロック図。

符号の説明

１，１′，４１，３００…磁気浮上装置、３，６４…永久磁石、５，６６，６６′…電磁石、７，６０，６０ａ，６０ｂ…磁石ユニット、９…負荷重量、１１…浮上体、１３，３０４…ガイド、１５…吸引力制御手段、１７ａ，１７ｂ…継鉄、１９ａ，１９ｂ，６９，６９′，６９ａ，６９ｂ…コイル、２１…ギャップセンサ、２３…電流センサ、２５，３２４…励磁電圧演算部、２７…ドライバ、２８，１１４ａ，１１４ｂ…リード線、２９，７３ａ，７３ｂ，３１２…圧電ゴム、３０，１２９，３１４…接触検出手段、３１，３０２…補助支持手段、３３，１２７ａ，１２７ｂ，３１８，４００…姿勢推定手段、３５，１３１ａ，１３１ｂ，３１６…姿勢演算手段、３７，１３５ａ，１３５ｂ，１７３，１７５，１７７，３２２…推定初期化手段、３９，１３３ａ，１３３ｂ，１７９，１８１，１８３，３２０…初期値設定手段、４０，１２６…抵抗測定手段、４２…天井、４４…ガイドレール、４５…平面補正部材、４６…上部支持部材、４８…床、５０…溝、５２…下部支持部材、５４…仕切体、５６…上部ガイド溝、６２，６２′…台座、６８，６８′…鉄心、７０…制御装置、７２…電源装置、８０…フレーム部、８２…仕切板、８３…固定台、８４…支持棒、８６…案内シュー、８８，８８′…案内車輪、８９…ガード部材、９１…側面フレーム、９３…車軸、９５…底面フレーム、９７…緩衝部材、１０１…上部基台、１０３…下部基台、１０４…側板、１０５…上部フレーム、１０７…カバー、１１１…センサ部、１１２…演算回路、１１３，１１３ａ，１１３ｂ…パワーアンプ、１１５…冷却フィン、１１８…定電圧発生装置、１２１ａ，１２１ｂ…電流検出器、１２３ａ，１２３ｂ，２０９，２１７…減算器、１２５…励磁電流偏差座標変換回路、１２７ａ…上下動モ−ド姿勢推定手段、１２７ｂ…ピッチモ−ド姿勢推定手段、１３６…制御電圧演算部、１３７ａ…上下動モード制御電圧演算回路、１３７ｂ…ピッチモード制御電圧演算回路、１３９…制御電圧座標逆変換回路、１４１，１４３，１４５，１５３，１５５，１５７，１５９，１６１，１６３，２０５，２２２，４０２，４０４，４０６，４０７，４１２…ゲイン補償器、１４７，１４９，１５１，４０８，４１０…積分補償器、１６７，１６９，１７１，２１３，２３０，４２２，４２４，４２６，４２８…加算器、１８４，２１８，４３０…リミッタ、１８５，１９３，１９７，１９９，２０１…抵抗、１８７…コンデンサ、１８９，２０３…オペアンプ、１９１…リレー部、１９５…初期値電圧発生装置、２０７…電流目標値発生器、２１５…出力制限手段、２２０…微分器、２２６…減算器、２２８…乗算器、２３２…除算器、２３４…フィルター、２３６，２３６’…抵抗測定器、２４０…壁面、３０６…防振テーブル、３０８…リニアガイド、３１０…マイクロスイッチ。

Claims

電磁石を備えた磁石ユニットと、
この磁石ユニットで支持される浮上体と、
前記磁石ユニットの磁極が空隙を介して対向し前記磁石ユニットの作用する吸引力で前記浮上体を非接触で支持するための強磁性部材と、
前記電磁石の励磁電流を検出するセンサ部と、
前記電磁石に励磁電流を流すための励磁手段と、
前記励磁手段から前記電磁石に励磁電流を供給するための導電体を備えた配電手段と、
前記配電手段および前記電磁石の電気抵抗を測定する抵抗測定手段と、
前記センサ部および前記抵抗測定手段の出力に基づいて前記強磁性部材に対する前記浮上体の姿勢を推定する姿勢推定手段と、
前記姿勢推定手段の出力に基づいて前記磁石ユニットが前記空隙および前記強磁性部材とで形成する磁気回路を安定化させる吸引力制御手段と
を具備することを特徴とする磁気浮上装置。
前記磁石ユニットは、前記空隙において前記電磁石の磁束と磁路を共有するように配置される永久磁石を備えていることを特徴とする請求項１に記載の磁気浮上装置。
前記吸引力制御手段は、前記センサ部の出力に基づいて前記電磁石の励磁電流をゼロへ収束させながら前記磁気回路を安定化させるゼロパワー制御手段を備えていることを特徴とする請求項２記載の磁気浮上装置。
前記ゼロパワー制御手段は、前記姿勢推定手段であることを特徴とする請求項３記載の磁気浮上装置。
前記姿勢推定手段は、前記電磁石の励磁電流および当該励磁電流を発生させている励磁電圧に基づいて前記浮上体の前記強磁性部材に対する姿勢および当該姿勢の時間変化を推定することを特徴とする請求項１記載の磁気浮上装置。
前記抵抗測定手段は、前記電磁石の励磁電流および当該励磁電流を発生させている励磁電圧に基づいて前記配電手段および前記電磁石の直列電気抵抗を測定することを特徴とする請求項１記載の磁気浮上装置。
前記吸引力制御手段は、前記姿勢推定手段の出力に基づいて前記電磁石の励磁電圧を演算する励磁電圧演算部を備えていることを特徴とする請求項１記載の磁気浮上装置。
前記励磁電圧演算部は、前記推定出力制限手段の出力に基づいて、前記浮上体の運動の自由度に寄与する吸引力を発生させるべく前記電磁石励磁電圧の線形結合であらわされるモード別励磁電圧を演算するモード励磁電圧演算部を備えていることを特徴とする請求項７記載の磁気浮上装置。
前記吸引力制御手段は、前記浮上体の運動の自由度に寄与する吸引力を発生させる前記電磁石励磁電流の線形結合であらわされるモード別電流を演算するモード励磁電流演算部を備えていることを特徴とする請求項７記載の磁気浮上装置。
前記姿勢推定手段は、前記電磁石の前記モード別励磁電流演算部の出力および前記モード励磁電圧演算部の出力に基づいて前記浮上体の前記強磁性部材に対する姿勢および当該姿勢の時間変化を推定することを特徴とする請求項９記載の磁気浮上装置。
前記抵抗測定手段は、前記電磁石の前記モード別励磁電流演算部の出力および前記モード励磁電圧演算部の出力に基づいて前記配電手段および前記電磁石の直列電気抵抗を測定することを特徴とする請求項９記載の磁気浮上装置。
前記抵抗測定手段は、前記電磁石の励磁電流を微分する微分手段を備えていることを特徴とする請求項６記載の磁気浮上装置。
前記抵抗測定手段は、前記電磁石の前記モード別励磁電流演算部の出力を微分する微分手段を備えていることを特徴とする請求項１１記載の磁気浮上装置。
前記浮上体は、前記磁石ユニットを備えていることを特徴とする請求項１記載の磁気浮上装置。
前記浮上体は、浮上状態にないとき前記浮上体と前記ガイドの位置関係を所定の状態に維持する補助支持手段を備え、
前記吸引力制御手段は、前記浮上体と前記ガイドとの接触を検出する接触検出手段と、前記接触検出手段の出力に基づき接触時の前記ガイドに対する前記浮上体の姿勢を出力する姿勢演算手段と、前記接触検出手段の出力に基づき接触時に前記姿勢推定手段を初期化する推定初期化手段と、前記姿勢推定手段が初期化される際に前記姿勢演算手段の出力値を前記姿勢推定手段の初期値として設定する初期値設定手段とを備えることを特徴とする請求項１記載の磁気浮上装置。
前記吸引力制御手段は、前記姿勢推定手段の出力を入力し当該入力が所定の飽和範囲内にあるときは入力値を所定の飽和範囲外であるときは飽和値を出力する推定出力制限手段を備えていることを特徴とする請求項１５記載の磁気浮上装置。