JP2006344466A

JP2006344466A - 電磁石の位置調整装置

Info

Publication number: JP2006344466A
Application number: JP2005168207A
Authority: JP
Inventors: Shizuo Imaoka; 静男今岡
Original assignee: Hitachi Plant Technologies Ltd
Current assignee: Hitachi Plant Technologies Ltd
Priority date: 2005-06-08
Filing date: 2005-06-08
Publication date: 2006-12-21

Abstract

【課題】電磁石を高精度に位置合わせ可能な位置調整装置を提供する。
【解決手段】建屋の基準位置に配置して、加速装置のビーム搬送ラインに配置した電磁石１２の位置情報を測定する測定手段と、前記電磁石１２の配置位置を鉛直方向、垂直方向に移動させるアクチュエータ１８と、前記測定手段からの計測値と、予め設定してある設定位置とに基づいて前記電磁石１２の移動量を算出し、前記アクチュエータ１８によって前記電磁石１２を調整制御させる制御手段２０と、を備えたことを特徴としている。
【選択図】図１

Description

本発明は、特に加速装置に用いる複数の電磁石を高精度に位置調整することができる電磁石の位置調整装置に関する。

電子を加速し大きな運動エネルギーを与える加速装置は、工業用あるいはがん治療などの医療用に利用されている。加速装置は目的に応じて高周波電場を用いるものがあり、その形状には粒子を直線上に走らせて加速する線型加速器と、磁場を用いて軌道を曲げ周回させる円形加速器がある。

図５に加速装置の構成概略を示す。図示のように加速装置１は、陽子発生装置２からシンクロトロン３を経て、複数のビーム搬送ライン４を通り、各部屋５に供給されている。シンクロトロン３およびビーム搬送ライン４上には、六極電磁石６、四極電磁石７、偏向電磁石８などの電磁石が複数配置されている。この電磁石の数は高エネルギー加速装置の仕様あるいは規模により様々であるが、例えば１装置に１００台以上の電磁石を配置してある。そして加速装置１の周回軌道は設定位置に対して僅かなずれが生じると高精度なエネルギーが得られないため、電子ビームの周回軌道を設計軌道に合致させる必要がある。そこで各電磁石には水平方向あるいは垂直方向の位置調整する複数の調整ボルトが形成してあり、この調整ボルトの微調整によって軌道修正を行っている。

従来の電磁石の位置調整方法は、建屋に設置された基準点から高エネルギーのビーム搬送ラインに置かれた電磁石の位置、姿勢を計測し、規定の範囲に機器が設定されていなければ、前記調整ボルトを作業員の勘で選定し、さらに調整ボルトは計測器を見ながら調整していた。しかしながら電磁石の仕様、大きさ、配置の状況により調整ボルトの数や配置が複雑になるに伴って、一箇所の調整ボルトが電磁石の姿勢に大きく影響したり、全く影響しないという状況が生じていた。そのため形状や重量が様々でさらに複雑な配置の調整ボルトではその調整は試行錯誤の繰り返しで膨大な労力と時間を費やしていた。

例えば特許文献１〜３にはこのような位置合わせの調整作業を簡略化するアライメント調整装置が開示されている。
特開平１１−２１４１９８号公報特許第３１９０９２３号公報特開２０００−２０８３００号公報

高エネルギー加速装置を構成する偏向電磁石あるいは四極電磁石などの電磁石は、高エネルギーの種類、機関、その電磁石の形状、質量、電磁石に複数形成して位置調整を行う調整ボルトの配置、サイズ、数量によってそれぞれ異なった複数の形状・大きさがある。

従来のアライメント作業は、建屋に予め設置してある基準点から高エネルギーのビーム搬送ラインに置かれた電磁石のずれを計測し、規定の範囲に機器が設定されていなければ、そのずれを計測しながら作業者の勘に頼った調整作業を行ってきた。この調整作業は電磁石の形状が同一であれば２台目以降の作業は慣れて作業効率の向上は望める。しかし電磁石の形状が異なった場合は、また試行錯誤の作業であり、電磁石のアライメント作業は非常に効率の悪い作業であった。

また従来の計測は電磁石の据付精度を向上させる目的で様々な計測手段が採用されていた。各調整ボルトの調整量は作業者の勘に頼っていたため、定量的な計測情報入手手段は不要であった。さらにアライメント作業の効率向上を図るためには様々な計測手段からデータを入力し、定量的に複数の調整ボルトをアライメント値に展開する必要があった。

さらに特許文献１〜３による位置調整方法は、いずれも電磁石に導入する照射ビームの光軸をもとに、光軸が開口部などの中心に来るように電磁石の位置合わせを行うものである。このため照射ビームを出力した状態でなければ位置調整を行うことができない。また光軸が開口部から大きくずれている場合には位置調整が極めて困難であるという問題がある。

そこで本発明は上記従来技術の問題点を改善するため、電磁石を容易に位置合わせできる位置調整装置を提供することを目的としている。
また本発明は高エネルギー加速器の電磁石の形状や大きさに関係なく、いかなる計測手段からの計測情報であってもアライメント値に展開することができる電磁石の位置調整装置を提供することを目的としている。

本発明の電磁石の位置調整装置は、建屋の基準位置に配置して、加速装置のビーム搬送ラインに配置した電磁石の位置情報を測定する測定手段と、前記電磁石を鉛直方向、垂直方向に移動させるアクチュエータと、前記測定手段からの測定値と、予め設定してある設定位置とに基づいて前記電磁石の移動量を算出し、前記アクチュエータによって前記電磁石を調整制御させる制御手段と、を備えたことを特徴としている。

この場合において、前記制御手段は、複数の前記アクチュエータの変動が前記電磁石に与える挙動特性を演算する演算部と、前記設定位置への移動調整量を算出する算出部とを備えたことを特徴としている。また前記アクチュエータは、前記電磁石を支持する躯体部の側面と底面に複数配置してあることを特徴としている。さらに前記制御手段は、前記測定位置と前記設定位置との間で生じた変化量に基づいて自動位置調整するように構成してあることを特徴としている。

本発明の電磁石の位置調整装置によれば、建屋の基準点に置かれている測定手段によって電磁石の計測点を測定することで正規の位置（設定位置）までの移動目標値が定量的に求まる。さらにその目標値に対して最短距離で電磁石を移動させるためアクチュエータの移動量を求めることができる。このため位置調整作業の効率が大幅に向上する。

このアクチュエータによれば、作業者の勘に頼ったアライメント調整作業が必要なく定量的に作業ができる。また電磁石の位置調整は設定位置に基づいて行っているためビームを照射していなくても容易に調整することができる。放射線環境下においてはアライメント作業に人が介在することなく建屋側の変形による電磁石の遠隔位置修正が可能となる。

制御手段に施工時の設定状態など多種多様の装置特性を記録データとしてそれぞれ記憶させておくことで再位置調整の際、短時間で調整が可能となり、装置全体の稼働率が大幅に向上する。

加速装置に設置した複数の電磁石を支える躯体部にアクチュエータを設置しているので、調整装置の設置が容易であり、既存の設備であっても容易に付設することができる。電磁石の調整を遠隔操作できるとともに電磁石の外部からの調整を容易に行うことができる。
測定手段の測定値は接続する制御手段に直接取り込む構成としているので、作業者による測定値の読み取り誤差を解消することが可能となる。

本発明に係る電磁石の位置調整装置の実施形態を添付の図面を参照しながら以下詳細に説明する。図１は実施形態に係る電磁石の位置調整装置の構成概略を示す図である。図２は電磁石１２の測定位置の説明図である。
図１に示すように位置調整装置１０は、ビーム搬送ラインに設置した電磁石１２上の計測点１４ａ、１４ｂ、１４ｃの３次元位置情報を測定する測定手段と、前記電磁石１２の位置を移動調整するアクチュエータ１８と、前記測定手段からの測定値と、予め設定してある設定位置に基づいて３次元の移動量を算出する制御手段２０とを基本的な構成としている。

電磁石１２は加速装置のビーム搬送ラインに複数設置してある。この電磁石１２は偏向電磁石、六極電磁石、四極電磁石などを用いることができる。電磁石１２の下部には、電磁石１２を支持する４本の支柱からなる架台部２２を形成してある。また架台部２２の下方にはこの架台部２２を載置する躯体部２４が形成してある。図２に示すように電磁石１２の上面には後述する測定手段が位置情報を測定する計測点１４ａ、１４ｂ、１４ｃを予め３点設定してある。また躯体部２４はビーム搬送ラインに形成した設置枠２５に収まるように配置してある。電磁石１２は施工時に配置した設定位置あるいは装置全体の設計上の設定位置（３次元座標情報）が予め決めてある。

測定手段となる計測器１６には例えば光学式計測装置などを用いることができる。光学式計測装置は角度センサを備え、測定位置に配置した反射板にレーザ光を照射する。このとき角度センサによってレーザ光照射の照射角を測定する。また反射板に照射したレーザ光の反射光により照射距離を測定する。これにより前記電磁石１２の設置位置の３次元座標を測定し、後述する制御手段２０に測定値を送る構成としている。計測器１６は電磁石１２の上面の任意に設定した３つの計測点１４ａ、１４ｂ、１４ｃの位置を測定する。ここで３次元測定により得られる計測点１４ａ、１４ｂ、１４ｃの座標から３点のなす三角形の重心点を仮基準点Ｇと定義し、この仮基準点Ｇの各座標軸を（ｘ、ｙ、ｚ）と、各軸回りの回転をそれぞれ（θｘ、θｙ、θｚ）と定義する。

図３はアクチュエータの配置構成を示す概略図である。同図（１）は側面図を示し、同図（２）は（１）におけるＡ−Ａ断面図を示す。図示のようにアクチュエータ１８は電磁石１２の躯体部２４に複数設置している。本実施形態では躯体部２４の底面の４隅に４つのアクチュエータ１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄを配置してある。また躯体部２４の４つの側面と設置枠２５との間にはそれぞれアクチュエータ１８ｅ、１８ｆ、１８ｇ、１８ｈが配置してある。これらのアクチュエータ１８ａ〜１８ｈは設置対象となる電磁石１２の大きさに応じて、電動式あるいは油圧式など種々の駆動原を用いることができ、例えば０．１ｍｍ単位など僅かな調整ができる応答性を備えていることが望ましい。また側面に配置するアクチュエータ１８ｅ〜１８ｈは対面する一対のアクチュエータ（１８ｅと１８ｈあるいは１８ｆと１８ｇ）どうしで突出量及び引込量が同期するように構成するとよい。さらに例えば一台のアクチュエータ１８ｅを稼動する際には他のアクチュエータ１８ｆ〜１８ｈは無負荷の状態とし、アクチュエータ１８ｅが他のアクチュエータ１８ｆ〜１８ｇの影響を受けずに伸縮自在に稼動して電磁石を移動させるように構成するとよい。一方底面に配置するアクチュエータ１８ａ〜１８ｄは、それぞれ単体で稼動させても他のアクチュエータ１８に影響することなく電磁石を移動させることができる。

なお躯体部２４の側面及び底面に設置するアクチュエータ１８は本実施形態では８つ配置した構成としている。アクチュエータ１８の設置台数はこれに限定されるものではなく、この他にも例えばアクチュエータ１８を一つの側面に複数配置し、トータルで４つ以上配置する構成とすることもでき、電磁石の大きさ・形状など設置対象によって任意に設定変更可能である。

躯体部２４の底面の４隅に配置したアクチュエータ１８ａ〜１８ｄによって、電磁石１２を上下方向（ｚ方向）に移動でき、ｘ軸およびｙ軸周りに回転（θｘ、θｙ）することができる。また躯体部２４の４つの側面に配置したアクチュエータ１８ｅ〜１８ｈにより電磁石１２を前後移動（ｘ方向）または左右移動（ｙ方向）に移動でき、ｚ軸周りに回転（θｚ）可能な構成としている。これにより電磁石１２はアクチュエータ１８によってあらゆる角度に３次元移動することができる。

制御手段２０は計測器１６およびアクチュエータ１８に接続している。複数のアクチュエータ１８の変動が電磁石１２に与える挙動特性を演算する演算部と、電磁石１２の測定位置から設定位置への移動調整量を算出する算出部とを備えている。制御手段２０は計測器１６からの位置情報と予め設定してある電磁石１２の設定位置に基づいて移動目標値を算出する。そして移動目標値に基づいてアクチュエータ１８によって電磁石１２を設定位置に位置合わせを成す構成としている。

制御手段２０は仮基準点Ｇにおける三角形の位置（座標）、姿勢（回転）を制御することによって計測点１４ａ〜１４ｃを設定位置に合わせる位置調整を行うことができる。各アクチュエータ１８ａ〜１８ｈを操作したときの仮基準点Ｇの位置と姿勢の変動を定量的に取得することができる。アクチュエータ１８の一部を一定量移動させることで電磁石１２本体の姿勢は一様の変化を生じる。このことから発明者は各々のアクチュエータ１８ａ〜１８ｈの変動に対する電磁石１２本体の姿勢変動には一定の再現性があり行列式として表すことができるという知見を得ている。この知見に基づいて上記行列の一般化逆行列を求めることによって電磁石１２の移動目標値に対して最短で電磁石１２を移動させるため各アクチュエータ１８ａ〜１８ｈのアライメント値を求めることができる。

そこで位置調整は鉛直方向及び垂直方向の２段階のアライメント作業を行うようにしている。まず鉛直方向における各アクチュエータ１８ａ〜１８ｄのアライメント値の算出方法はアクチュエータ１８ａ〜１８ｄの一定量の移動による計測点１４ａ〜１４ｃの３次元座標を求める。

例えばアクチュエータ１８ａを一定量上昇させてそのときの計測点１４ａ〜１４ｃの３次元座標を計測器１６で測定し、その姿勢の変化を計測点１４ａ：Ｐ_１１（ｘ_１１、ｙ_１１、ｚ_１１）、計測点１４ｂ：Ｐ_２１（ｘ_２１、ｙ_２１、ｚ_２１）、計測点１４ｃ：Ｐ_３１（ｘ_３１、ｙ_３１、ｚ_３１）として取り込む。次ぎに得られた計測点１４ａ〜１４ｃの３次元座標に基づいて制御手段２０により仮基準点Ｇの姿勢変化量Ｇ’ａ（ｘ_ｇ１、ｙ_ｇ１、ｚ_ｇ１、θｘ_ｇ１、θｙ_ｇ１、θｚ_ｇ１）を演算する。なおアクチュエータ１８ｂ〜１８ｄについても同様に求めることとする。

そしてアクチュエータ１８ａ〜１８ｄをＬ_１〜Ｌ_４と一定量で移動させたときの移動量は仮基準点Ｇ’ａ（ｘ_ｇ１、ｙ_ｇ１、ｚ_ｇ１、θｘ_ｇ１、θｙ_ｇ１、θｚ_ｇ１）〜Ｇ’ｄ（ｘ_ｇ４、ｙ_ｇ４、ｚ_ｇ４、θｘ_ｇ４、θｙ_ｇ４、θｚ_ｇ４）であり、上記関係より３方向、３回転方向のヤコビアン関係Ｊ（ｘ_１）は次式の関係が成立する。

ここで各アクチュエータ１８ａ〜１８ｄの移動量のアライメント値は数式１のヤコビアン行列の一般化逆行列を算出することにより求めることができる。すなわち設定位置に対するアクチュエータ１８ａ〜１８ｄのアライメント値（移動調整量）は、

の関係式から求めることができる。

水平方向のアクチュエータ１８ｅ〜１８ｈについても同様に一定量の移動による計測点１４ａ〜１４ｃの３次元座標を測定し、この３次元座標に基づいて仮基準点Ｇの姿勢変化量を演算する。そして水平方向のアライメント値（移動調整量）を求める。得られた鉛直方向及び水平方向のアライメント値によって最短距離で電磁石を移動させることができる。

つぎに上記構成による電磁石の位置調整方法を図４に示す処理フローを用いて説明する。まず建屋の基準位置に配置した計測器１６からビーム搬送ラインに仮置きしてある電磁石１２の計測点１４ａ〜１４ｃの３次元座標（初期位置）を測定する（ステップ１００）。この測定値は制御手段２０に送られ、仮基準点Ｇの位置情報を演算する。

そして各アクチュエータ１８の挙動特性を求めるため、制御手段２０から電磁石１２の躯体部２４に配置した各アクチュエータ１８ａ〜１８ｈへ一定量移動させる移動信号を出力する。一定量移動後、計測器１６により各電磁石１２の計測点１４ａ〜１４ｃの３次元座標を測定する（ステップ１１０）。この一定移動量に対する測定値は制御手段２０に送られる。

制御手段２０では得られた各アクチュエータ１８ａ〜１８ｈの一定移動量に対する３次元座標に基づいて、ヤコビアン行列の一般化逆行列を計算する。そして電磁石１２の設定位置とステップ１００で求めた仮置き位置とのアクチュエータ１８ａ〜１８ｈの移動調整量を算出する（ステップ１２０）。

アクチュエータ１８の移動調整量に基づいて、制御手段２０から各アクチュエータ１８ａ〜１８ｈへ制御信号を出力し電磁石１２の自動位置調整を行う（ステップ１３０）。
アクチュエータ１８ａ〜１８ｈによる電磁石１２の位置調整後、計測器１６によって電磁石１２の測定点１４ａ〜１４ｃの３次元位置座標を自動計算する（ステップ１４０）。

電磁石１２の測定位置と設定位置との差が０．１ｍｍ以上で拡大する場合には、再度移動調整量を設定し直す必要がある。このためステップ１２０に戻りアクチュエータ操作量の計算を行う。

一方、０．１ｍｍ以上で収束する場合には、ステップ１２０で求めた移動調整量の基づいてステップ１３０に戻り微調整のため再度自動アライメント作業を行う。この操作を前記差が０．１ｍｍ以内に収まるまで行い、電磁石１２の位置調整を終了する（ステップ１５０）。

このように制御手段２０は、電磁石１２を仮置き位置から設定位置に位置決めするために必要な各アクチュエータ１８ａ〜１８ｈの移動調整量を算出すると、各アクチュエータ１８ａ〜１８ｈに制御信号を出力してこの変化量分だけ電磁石１２の位置を移動させる。これにより、電磁石１２は、仮置き位置から設定位置に無駄な動作をすることなく移動させることができる。よって従来のように作業者が試行錯誤で電磁石の調整ボルトを調整しなくても容易に短時間で高精度に電磁石１２を基準位置に位置決めすることができる。

また計測器１６は定期的に自動測定して測定値を制御手段２０に自動出力させるように構成するとよい。そして制御手段２０では電磁石１２の計測位置と設定位置との間で生じた変化量に基づいて変化量が減少するように移動調整量を算出する。制御手段２０からアクチュエータ１８へ移動指令して電磁石１２の自動位置調整を行うことができる。

実施形態に係る電磁石の位置調整装置の構成概略を示す図である。電磁石の測定位置の説明図である。アクチュエータの配置構成を示す概略図である。電磁石の位置調整方法の処理フローである。加速装置の構成概略を示す図である。

符号の説明

１………加速装置、２………陽子発生装置、３………シンクロトロン、４………ビーム搬送ライン、５………部屋、６………六極電磁石、７………四極電磁石、８………偏向電磁石、１０………位置調整装置、１２………電磁石、１４………計測点、１６………計測器、１８………アクチュエータ、２０………制御手段、２２………架台部、２４………躯体部。

Claims

建屋の基準位置に配置して、加速装置のビーム搬送ラインに配置した電磁石の位置情報を測定する測定手段と、
前記電磁石を鉛直方向、垂直方向に移動させるアクチュエータと、
前記測定手段からの測定値と、予め設定してある設定位置とに基づいて前記電磁石の移動量を算出し、前記アクチュエータによって前記電磁石を調整制御させる制御手段と、
を備えたことを特徴とする電磁石の位置調整装置。
前記制御手段は、複数の前記アクチュエータの変動が前記電磁石に与える挙動特性を演算する演算部と、
前記電磁石の測定位置から前記設定位置への移動調整量を算出する算出部と、
を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電磁石の位置調整装置。
前記アクチュエータは、前記電磁石を支持する躯体部の側面と底面に複数配置してあることを特徴とする請求項１または２に記載の電磁石の位置調整装置。
前記制御手段は、前記測定位置と前記設定位置との間で生じた変化量に基づいて自動位置調整するように構成してあることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１に記載の電磁石の位置調整装置。