JP3084469B2 - 浮上体の移動装置 - Google Patents
浮上体の移動装置Info
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- electrodes
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
- F16C32/00—Bearings not otherwise provided for
- F16C32/04—Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means
- F16C32/0404—Electrostatic bearings
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- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Non-Mechanical Conveyors (AREA)
- Magnetic Bearings And Hydrostatic Bearings (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、浮上体の移動装置に係
り、詳細には、浮上体を挟んで対向する位置に配置した
複数の電極に静電力を発生させるために印加する電圧の
強弱を制御することにより浮上体を移動させると共に、
浮上体の電極からの位置を検出することにより前記浮上
体の電極からの位置を一定に維持制御する浮上体の移動
装置に関する。
り、詳細には、浮上体を挟んで対向する位置に配置した
複数の電極に静電力を発生させるために印加する電圧の
強弱を制御することにより浮上体を移動させると共に、
浮上体の電極からの位置を検出することにより前記浮上
体の電極からの位置を一定に維持制御する浮上体の移動
装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、ＩＣ製造装置のように高度のクリ
ーン環境が要求される場所の搬送装置として、非接触的
に搬送する装置が使用されている。このような非接触状
態で搬送する装置として、浮上体としての浮上体を電磁
石の磁力によって浮上させると共に、浮上体の浮上位置
を検出することにより浮上体の浮上位置を一定に保つよ
うに制御する磁気軸受が一般に用いられている。
ーン環境が要求される場所の搬送装置として、非接触的
に搬送する装置が使用されている。このような非接触状
態で搬送する装置として、浮上体としての浮上体を電磁
石の磁力によって浮上させると共に、浮上体の浮上位置
を検出することにより浮上体の浮上位置を一定に保つよ
うに制御する磁気軸受が一般に用いられている。
【０００３】この磁気浮上装置では、浮上体が電磁石の
磁力によって浮上保持されると共に、その位置が一対の
位置センサによって検出される。この位置センサの出力
信号が、基準信号と比較されて、浮上体の基準位置との
差に応じた信号が得られる。この基準位置との差に応じ
た励磁電流が、電磁石に供給されることで、浮上体は、
所定の基準位置に浮上保持されるようになっている。
磁力によって浮上保持されると共に、その位置が一対の
位置センサによって検出される。この位置センサの出力
信号が、基準信号と比較されて、浮上体の基準位置との
差に応じた信号が得られる。この基準位置との差に応じ
た励磁電流が、電磁石に供給されることで、浮上体は、
所定の基準位置に浮上保持されるようになっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ところで、従来の磁気
軸受では、電磁石に大きな電流を供給する必要があり、
また電磁石に供給する電流の周波数を高くできなかっ
た。また、電磁石を使用するので、コイルおよびコアが
必要となり、全体のサイズが大きくなっていた。
軸受では、電磁石に大きな電流を供給する必要があり、
また電磁石に供給する電流の周波数を高くできなかっ
た。また、電磁石を使用するので、コイルおよびコアが
必要となり、全体のサイズが大きくなっていた。
【０００５】そこで本発明の目的は、少ない電流で浮上
体の電極からの位置を高精度に制御することができ、よ
りサイズの小さい浮上体の移動装置を提供することにあ
る。
体の電極からの位置を高精度に制御することができ、よ
りサイズの小さい浮上体の移動装置を提供することにあ
る。
【０００６】
【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明で
は、浮上体を挟んで対向する位置に配置した複数の電極
と、この電極に静電力を発生させるための電圧を供給す
る電圧供給手段と、前記浮上体の前記電極からの位置に
応じた周波数の信号を出力するセンサと、このセンサか
らの出力信号の位相に応じて、前記電圧供給手段から前
記電極に供給する静電力を発生させるための電圧を制御
して、前記浮上体の前記電極からの位置を制御する位置
制御手段とを、浮上体の移動装置に具備させて、前記目
的を達成する。
は、浮上体を挟んで対向する位置に配置した複数の電極
と、この電極に静電力を発生させるための電圧を供給す
る電圧供給手段と、前記浮上体の前記電極からの位置に
応じた周波数の信号を出力するセンサと、このセンサか
らの出力信号の位相に応じて、前記電圧供給手段から前
記電極に供給する静電力を発生させるための電圧を制御
して、前記浮上体の前記電極からの位置を制御する位置
制御手段とを、浮上体の移動装置に具備させて、前記目
的を達成する。
【０００７】請求項２記載の発明では、浮上体を挟んで
対向する位置に配置した複数の電極と、前記電極に静電
力を発生させるための電圧を供給するヒステリシスアン
プと、前記ヒステリシスアンプにおけるスイッチングの
位相に応じて前記ヒステリシスアンプから出力される静
電力を発生させるための電圧を制御して前記ヒステリシ
スアンプにおけるスイッチングの周波数を制御するフェ
イズロックトループを用いて、上記浮上体の前記電極か
らの位置を制御する位置制御手段とを、浮上体の移動装
置に具備させて前記目的を達成する。
対向する位置に配置した複数の電極と、前記電極に静電
力を発生させるための電圧を供給するヒステリシスアン
プと、前記ヒステリシスアンプにおけるスイッチングの
位相に応じて前記ヒステリシスアンプから出力される静
電力を発生させるための電圧を制御して前記ヒステリシ
スアンプにおけるスイッチングの周波数を制御するフェ
イズロックトループを用いて、上記浮上体の前記電極か
らの位置を制御する位置制御手段とを、浮上体の移動装
置に具備させて前記目的を達成する。
【０００８】請求項３記載の発明では、浮上体を挟んで
対向する位置に配置した複数の電極と、二つのレベルの
静電力を発生させるための電圧をスイッチングにより切
り換えて前記電極に与えることにより前記電極に静電力
を発生させるための電圧を供給するヒステリシスアンプ
と、前記ヒステリシスアンプにおけるスイッチングの位
相に応じて前記ヒステリシスアンプから出力される静電
力を発生させるための電圧を制御して前記ヒステリシス
アンプにおけるスイッチングの周波数を制御するフェイ
ズロックトループを用いて、上記浮上体の前記電極から
の位置を制御する位置制御手段とを、浮上体の移動装置
に具備させて前記目的を達成する。
対向する位置に配置した複数の電極と、二つのレベルの
静電力を発生させるための電圧をスイッチングにより切
り換えて前記電極に与えることにより前記電極に静電力
を発生させるための電圧を供給するヒステリシスアンプ
と、前記ヒステリシスアンプにおけるスイッチングの位
相に応じて前記ヒステリシスアンプから出力される静電
力を発生させるための電圧を制御して前記ヒステリシス
アンプにおけるスイッチングの周波数を制御するフェイ
ズロックトループを用いて、上記浮上体の前記電極から
の位置を制御する位置制御手段とを、浮上体の移動装置
に具備させて前記目的を達成する。
【０００９】
【作用】請求項１記載の発明では、センサが、浮上体の
電極からの位置に応じて出力周波数の変化する信号を出
力することで、浮上体の電極からの位置を検出する。位
置制御手段は、このセンサの出力信号の位相に応じて、
電圧供給手段から電極に供給する静電力を発生させるた
めの電圧を制御することで、浮上体の電極からの位置を
制御する。
電極からの位置に応じて出力周波数の変化する信号を出
力することで、浮上体の電極からの位置を検出する。位
置制御手段は、このセンサの出力信号の位相に応じて、
電圧供給手段から電極に供給する静電力を発生させるた
めの電圧を制御することで、浮上体の電極からの位置を
制御する。
【００１０】請求項２および請求項３記載の発明では、
電極に静電力を発生させるための電圧を印加するアンプ
として、スイッチング周波数がキャパシタンスによって
変化するヒステリシスアンプを使用する。ヒステリシス
アンプは、電極と浮上体間のギャップ変化に応じてキャ
パシタンスが変化し、これに伴ってスイッチング周波数
も変化する。本発明の静電浮上装置では、このようなヒ
ステリシスアンプを利用して、位置センサを用いること
なく浮上体の電極からの位置を検出できるようにしてい
る。そして、フェイズロックトループを用いてスイッチ
ング周波数が一定になるように制御することによって浮
上体の電極からの位置を一定に保持している。
電極に静電力を発生させるための電圧を印加するアンプ
として、スイッチング周波数がキャパシタンスによって
変化するヒステリシスアンプを使用する。ヒステリシス
アンプは、電極と浮上体間のギャップ変化に応じてキャ
パシタンスが変化し、これに伴ってスイッチング周波数
も変化する。本発明の静電浮上装置では、このようなヒ
ステリシスアンプを利用して、位置センサを用いること
なく浮上体の電極からの位置を検出できるようにしてい
る。そして、フェイズロックトループを用いてスイッチ
ング周波数が一定になるように制御することによって浮
上体の電極からの位置を一定に保持している。
【００１１】以下、本発明の浮上体の移動装置における
好適な実施例について、図１から図７を参照して詳細に
説明する。
好適な実施例について、図１から図７を参照して詳細に
説明する。
【００１２】この図１に示すように本実施例の浮上体の
移動装置は、浮上体１０を備えている。この浮上体１０
を挟んで対向する位置には、浮上体１０の電極からの位
置を検出するセンサ１１ａ、１１ｂおよび、２対の電極
１２aa，１２ab、１２ba，１２bbが配置されており、電
極１２aa，１２ab、１２ba，１２bbには、その各々に静
電力を発生させるための電圧を印加する電圧増幅器１３
ａ、１３ｂが接続されている。
移動装置は、浮上体１０を備えている。この浮上体１０
を挟んで対向する位置には、浮上体１０の電極からの位
置を検出するセンサ１１ａ、１１ｂおよび、２対の電極
１２aa，１２ab、１２ba，１２bbが配置されており、電
極１２aa，１２ab、１２ba，１２bbには、その各々に静
電力を発生させるための電圧を印加する電圧増幅器１３
ａ、１３ｂが接続されている。
【００１３】ここで、浮上体１０は、浮上体心１０ａ
と、その表面を被っている絶縁材１０ｂで構成されてい
る。絶縁材１０ｂは、電極１２aa，１２ab及び電極１２
ba，１２bbが浮上体心１０ａによって電気的に短絡され
ることを避けるために配置される。一方、センサ１１
（センサ１１ａ、１１ｂを代表する。）は、浮上体１０
とセンサ１１との変位に比例した周波数の信号を出力す
るようになっている。両センサ１１ａ、１１ｂは、浮上
体１０が両者の中心位置にある場合、等しい周波数とな
るようになっている。このセンサ１１としては、インダ
クタンスまたはキャパシタンスを有し、変位に対応して
周波数が変化する発振器が使用される。
と、その表面を被っている絶縁材１０ｂで構成されてい
る。絶縁材１０ｂは、電極１２aa，１２ab及び電極１２
ba，１２bbが浮上体心１０ａによって電気的に短絡され
ることを避けるために配置される。一方、センサ１１
（センサ１１ａ、１１ｂを代表する。）は、浮上体１０
とセンサ１１との変位に比例した周波数の信号を出力す
るようになっている。両センサ１１ａ、１１ｂは、浮上
体１０が両者の中心位置にある場合、等しい周波数とな
るようになっている。このセンサ１１としては、インダ
クタンスまたはキャパシタンスを有し、変位に対応して
周波数が変化する発振器が使用される。
【００１４】浮上体の移動装置は、また、位相比較器１
４を備えている。この位相比較器１４は、センサ１１
ａ、１１ｂから供給される両出力信号の位相差を検出
し、位相差に応じた電圧を出力するようになっている。
なお、本実施例の位相比較器１４では、両センサ１１
ａ、１１ｂからの出力信号の位相比較を行うが、１つの
センサと基準発信器を配置し、この基準発信器から出力
される基準信号の位相と、センサからの出力信号の位相
とを比較するようにしてもよい。
４を備えている。この位相比較器１４は、センサ１１
ａ、１１ｂから供給される両出力信号の位相差を検出
し、位相差に応じた電圧を出力するようになっている。
なお、本実施例の位相比較器１４では、両センサ１１
ａ、１１ｂからの出力信号の位相比較を行うが、１つの
センサと基準発信器を配置し、この基準発信器から出力
される基準信号の位相と、センサからの出力信号の位相
とを比較するようにしてもよい。
【００１５】浮上体の移動装置は、さらに、位相比較器
１４の位相差に応じた出力電圧を調整して装置全体の閉
ループを安定化させるためのループフィルタ１５を備え
ており、このループフィルタ１５は、電圧増幅器１３
ａ、１３ｂに接続されてる。このように、浮上体の移動
装置は、電圧増幅器１３ａ、１３ｂ、位相比較器１４お
よびループフィルタ１５によってフェイズロックトルー
プ（ＰＬＬ）が形成される。
１４の位相差に応じた出力電圧を調整して装置全体の閉
ループを安定化させるためのループフィルタ１５を備え
ており、このループフィルタ１５は、電圧増幅器１３
ａ、１３ｂに接続されてる。このように、浮上体の移動
装置は、電圧増幅器１３ａ、１３ｂ、位相比較器１４お
よびループフィルタ１５によってフェイズロックトルー
プ（ＰＬＬ）が形成される。
【００１６】次に、図２を用いて、静電力によって浮上
体１０が移動する原理について説明する。図２では、図
１の電極１２aa，１２ab、１２ba，１２bbと、浮上体１
０とが示されている。また、電極１２aa，１２ab間には
静電力を発生させるための電圧Ｖ1 が、電極１２ba，１
２bb間には静電力を発生させるための電圧Ｖ2 がそれぞ
れ印加されている。電極１２aa，１２ab、１２ba，１２
bbはそれぞれ一定の面積Ａを有している。また、浮上体
１０が変位Ｘだけ移動すると、浮上体１０と電極１２a
a，１２abとの間にギャップｇ1 （＝Ｘ0−Ｘ）が生じ、
浮上体１０と電極１２ba，１２bbとの間にギャップｇ2
（＝Ｘ0＋Ｘ）が生じるものとする。この浮上体１０
は、質量がｍであり、電極１２aa，１２ab及び電極１２
ba，１２bbにより静電力Ｆ1 及びＦ2 を受けているもの
とする。
体１０が移動する原理について説明する。図２では、図
１の電極１２aa，１２ab、１２ba，１２bbと、浮上体１
０とが示されている。また、電極１２aa，１２ab間には
静電力を発生させるための電圧Ｖ1 が、電極１２ba，１
２bb間には静電力を発生させるための電圧Ｖ2 がそれぞ
れ印加されている。電極１２aa，１２ab、１２ba，１２
bbはそれぞれ一定の面積Ａを有している。また、浮上体
１０が変位Ｘだけ移動すると、浮上体１０と電極１２a
a，１２abとの間にギャップｇ1 （＝Ｘ0−Ｘ）が生じ、
浮上体１０と電極１２ba，１２bbとの間にギャップｇ2
（＝Ｘ0＋Ｘ）が生じるものとする。この浮上体１０
は、質量がｍであり、電極１２aa，１２ab及び電極１２
ba，１２bbにより静電力Ｆ1 及びＦ2 を受けているもの
とする。
【００１７】以下、浮上体１０は、水平方向にのみ移動
するものとして説明する。このような基本的な浮上体の
移動装置において、静電力を発生させるための電圧Ｖ1
は電圧増幅器１３ａから、静電力を発生させるための電
圧Ｖ2 は電圧増幅器１３ｂからそれぞれ供給される。変
位Ｘは、の２回微分αは加速度であるから、浮上体の運
動方程式は、次の数式１で与えられる。
するものとして説明する。このような基本的な浮上体の
移動装置において、静電力を発生させるための電圧Ｖ1
は電圧増幅器１３ａから、静電力を発生させるための電
圧Ｖ2 は電圧増幅器１３ｂからそれぞれ供給される。変
位Ｘは、の２回微分αは加速度であるから、浮上体の運
動方程式は、次の数式１で与えられる。
【００１８】（数１）ｍα＝Ｆ1 −Ｆ2 また、電極１２aa，１２ab、１２ba，１２bbは、図２に
示すように、面積Ａを有し、かつ浮上体１０と電極１２
aa，１２abの間、浮上体１０と電極１２ba，１２bbの間
にギャップｇ1 、ｇ2 を有しているとき、静電力は、数
式２及び数式３で与えられる。
示すように、面積Ａを有し、かつ浮上体１０と電極１２
aa，１２abの間、浮上体１０と電極１２ba，１２bbの間
にギャップｇ1 、ｇ2 を有しているとき、静電力は、数
式２及び数式３で与えられる。
【００１９】（数２） Ｆ1 ＝（Ｖ12／４）・（εＡ／（Ｘ0 −Ｘ）2 ） （数３） Ｆ2 ＝（Ｖ22／４）・（εＡ／（Ｘ0 ＋Ｘ）2 ） ここで、Ｖ1 は電極１２aa，１２abの印加電圧を、Ｖ2
は電極１２ba，１２bbの印加電圧、Ｘ0 はロータ１０が
中心位置にあるときのギャップの値、Ａは電極１２aa，
１２ab、１２ba，１２bbの面積、εはギャップ内の比誘
電率を、それぞれ表す。
は電極１２ba，１２bbの印加電圧、Ｘ0 はロータ１０が
中心位置にあるときのギャップの値、Ａは電極１２aa，
１２ab、１２ba，１２bbの面積、εはギャップ内の比誘
電率を、それぞれ表す。
【００２０】また、浮上電圧Ｖ1 、Ｖ2 は、バイアス電
圧をＶ0 、制御電圧をｖ1 、ｖ2 とすると、Ｖn ＝Ｖ0
＋ｖn （n ＝1 、2 ）で表される。各制御電圧ｖ1 、制
御電圧ｖ2 は、ｖ1 ＝−ｖ2 （＝ｖ）を満たすように定
める。
圧をＶ0 、制御電圧をｖ1 、ｖ2 とすると、Ｖn ＝Ｖ0
＋ｖn （n ＝1 、2 ）で表される。各制御電圧ｖ1 、制
御電圧ｖ2 は、ｖ1 ＝−ｖ2 （＝ｖ）を満たすように定
める。
【００２１】ここで、静止状態近傍の小さな動きである
と、静電力は、数式４に示す一次式で得られる。 （数４） Ｆ1 −Ｆ2 ＝Ｖ02εＡＸ／ (Ｘ0)3 ＋Ｖ0 εＡｖ／ (Ｘ0)2 この、数式４を数式１に代入すると、ｍα＝ＫS ・Ｘ＋
Ｋv ・ｖとなる。
と、静電力は、数式４に示す一次式で得られる。 （数４） Ｆ1 −Ｆ2 ＝Ｖ02εＡＸ／ (Ｘ0)3 ＋Ｖ0 εＡｖ／ (Ｘ0)2 この、数式４を数式１に代入すると、ｍα＝ＫS ・Ｘ＋
Ｋv ・ｖとなる。
【００２２】ここで、ＫS ＝ (Ｖ0)2 εＡ／ (Ｘ0)3 で
あり、Ｋv ＝Ｖ0 εＡ／ (Ｘ0)2 である。また、オープ
ンループの伝達関数は、ａ＝Ｋs ／ｍ、ｂ＝Ｋv ／ｍと
した場合、次の数式５で与えられる。
あり、Ｋv ＝Ｖ0 εＡ／ (Ｘ0)2 である。また、オープ
ンループの伝達関数は、ａ＝Ｋs ／ｍ、ｂ＝Ｋv ／ｍと
した場合、次の数式５で与えられる。
【００２３】（数５） ＧP (s) ＝Ｘ(s) ／ｖ(s) ＝ｂ／（ｓ2 −ａ） ここで、ｓはラプラス演算子である。センサ１１ａ、１
１ｂの検出信号の出力周波数ωn は浮上体１０の位置に
より変化するので、この出力周波数ωn は、ωn ＝ωn
（Ｘ）（n ＝1 、2 ）となる。これを線形化すると、次
の数式６になる。
１ｂの検出信号の出力周波数ωn は浮上体１０の位置に
より変化するので、この出力周波数ωn は、ωn ＝ωn
（Ｘ）（n ＝1 、2 ）となる。これを線形化すると、次
の数式６になる。
【００２４】（数６） ωn （Ｘ）＝ωr ＋ Δωn （Ｘ） （n＝1 、2
） （数７） Δω1＝−Δω2＝Ｋｆ・Ｘ 数式６において、ωｒは浮上体１０の電極からの位置を
保持しようとする目標位置（Ｘ＝０）に対応した周波数
である。周波数ｆは、位相角の時間微分値なので、Δω
n は次の数式８で表わされる。
） （数７） Δω1＝−Δω2＝Ｋｆ・Ｘ 数式６において、ωｒは浮上体１０の電極からの位置を
保持しようとする目標位置（Ｘ＝０）に対応した周波数
である。周波数ｆは、位相角の時間微分値なので、Δω
n は次の数式８で表わされる。
【００２５】（数８） Δωn＝ｄθn／ｄｔ （n＝1 、2 ） ここで、θn は、センサ１１ａ、１１ｂからの検出信号
の位相角である。位相比較器１４は、前記センサ１１
ａ、１１ｂからの信号の差に比例した静電力を発生させ
るための電圧を出力する。その出力信号ｖｄは、センサ
１１ａ、１１ｂから出力される信号の位相をθ1 、θ2
とし、位相比較器１４のゲインをＫｄとすると、次の数
式９で与えられる。
の位相角である。位相比較器１４は、前記センサ１１
ａ、１１ｂからの信号の差に比例した静電力を発生させ
るための電圧を出力する。その出力信号ｖｄは、センサ
１１ａ、１１ｂから出力される信号の位相をθ1 、θ2
とし、位相比較器１４のゲインをＫｄとすると、次の数
式９で与えられる。
【００２６】（数９）ｖｄ＝Ｋｄ（θ1 −θ2 ） また、理論的には、数式１４で規定される基準信号の位
相角θr を想定する方が理解し易いことになる。
相角θr を想定する方が理解し易いことになる。
【００２７】（数１０） θr ＝（θ1 ＋θ2 ）／２ （ωr ＝ｄθr ／ｄｔ） そして、数式９は、数式１１に変形することができる。 （数１１） ｖｄ ＝２Ｋｄ（θ1 −θr ）＝２Ｋｄ（θ2 −θr ） ループフィルタ１５は、閉ループを安定化させ、かつ効
率を最も良くするように選択される。Ｆ(s) をループフ
ィルタ１５の伝達関数とすると、ローパスフィルターの
出力電圧ｖc は、数式１２となる。
率を最も良くするように選択される。Ｆ(s) をループフ
ィルタ１５の伝達関数とすると、ローパスフィルターの
出力電圧ｖc は、数式１２となる。
【００２８】（数１２）ｖc (s) ＝Ｆ(s) ・ｖｄ(s) 従って、電圧増幅器１３ａ、１３ｂは、数式１３に示す
ように、その入力電圧に比例して制御電圧ｖ1 、ｖ2 を
変える。
ように、その入力電圧に比例して制御電圧ｖ1 、ｖ2 を
変える。
【００２９】（数１３） ｖ（ｔ）＝Ｋa・ｖc（ｔ） 以上の関係から、図１に示す浮上体の移動装置は、図３
に示すブロック線図で表すことができる。θr からθ1
、θ2 への伝達関数Ｔ(s) は、数式５、６、７、８、
１１、１２、１３によって、次の数式１４として表すこ
とができる。
に示すブロック線図で表すことができる。θr からθ1
、θ2 への伝達関数Ｔ(s) は、数式５、６、７、８、
１１、１２、１３によって、次の数式１４として表すこ
とができる。
【００３０】（数１４） Ｔ(s) ＝θn (s) ／θr (s) ＝Ｇ(s) ／｛１＋Ｇ(s) ｝ ここで、Ｇ(s) ＝２ＫａＫｄＫｆＧP(s)Ｆ(s) ／ｓであ
り、Ｋａは電圧増幅器１３ａ、１３ｂのゲインである。
り、Ｋａは電圧増幅器１３ａ、１３ｂのゲインである。
【００３１】次に、このように構成された実施例の動作
について説明する。浮上体の移動装置では、電圧増幅器
１３ａ、１３ｂから電極１２aa，１２ab、１２ba，１２
bbに静電力を発生させるための電圧が印加され、電極１
２aa，１２ab、１２ba，１２bbと浮上体１０の間に働く
静電吸引力Ｆ1 、Ｆ2 と、図示しない外力との釣り合い
によって浮上体１０が保持される。
について説明する。浮上体の移動装置では、電圧増幅器
１３ａ、１３ｂから電極１２aa，１２ab、１２ba，１２
bbに静電力を発生させるための電圧が印加され、電極１
２aa，１２ab、１２ba，１２bbと浮上体１０の間に働く
静電吸引力Ｆ1 、Ｆ2 と、図示しない外力との釣り合い
によって浮上体１０が保持される。
【００３２】そして、浮上体１０の変位が両センサ１１
ａ、１１ｂで検出される。外力の変化により浮上体１０
の電極からの位置Ｘが変化すると、両センサ１１ａ、１
１ｂの出力周波数は、位置Ｘに応じてそれぞれ互いに逆
方向に変化する。すなわち、センサ１１ａの出力周波数
が増加すると、他方のセンサ１１ｂの出力周波数が減少
する。
ａ、１１ｂで検出される。外力の変化により浮上体１０
の電極からの位置Ｘが変化すると、両センサ１１ａ、１
１ｂの出力周波数は、位置Ｘに応じてそれぞれ互いに逆
方向に変化する。すなわち、センサ１１ａの出力周波数
が増加すると、他方のセンサ１１ｂの出力周波数が減少
する。
【００３３】各センサ１１ａ、１１ｂの出力周波数の変
化は、位相比較器１４によって位相差として検出され、
その位相差に比例した電圧がループフィルタ１５に供給
される。ループフィルタ１５では、供給された電圧を、
この浮上体の移動装置の制御系を安定させるように調整
して電圧増幅器１３ａ、１３ｂに供給する。電圧増幅器
１３ａ、１３ｂでは、この位相差に比例した電圧を増幅
し、静電力を発生させるための電圧として再び電極１２
aa，１２ab、１２ba，１２bbに供給する。
化は、位相比較器１４によって位相差として検出され、
その位相差に比例した電圧がループフィルタ１５に供給
される。ループフィルタ１５では、供給された電圧を、
この浮上体の移動装置の制御系を安定させるように調整
して電圧増幅器１３ａ、１３ｂに供給する。電圧増幅器
１３ａ、１３ｂでは、この位相差に比例した電圧を増幅
し、静電力を発生させるための電圧として再び電極１２
aa，１２ab、１２ba，１２bbに供給する。
【００３４】このように、各電極１２aa，１２ab、１２
ba，１２bbに印加される静電力を発生させるための電圧
を変化させることで、浮上体１０の間に作用する静電吸
引力Ｆ１、Ｆ２が変化され、再び浮上体１０の電極から
の位置Ｘを元の位置に戻すように制御系が働く。浮上体
１０の電極からの位置が元の位置に戻ると、両センサ１
１ａ、１１ｂの出力周波数も再び等しくなる。
ba，１２bbに印加される静電力を発生させるための電圧
を変化させることで、浮上体１０の間に作用する静電吸
引力Ｆ１、Ｆ２が変化され、再び浮上体１０の電極から
の位置Ｘを元の位置に戻すように制御系が働く。浮上体
１０の電極からの位置が元の位置に戻ると、両センサ１
１ａ、１１ｂの出力周波数も再び等しくなる。
【００３５】このように、浮上体１０には電極１２aa，
１２ab、１２ba，１２bb、センサ１１ａ、１１ｂ、位相
比較器１４、ループフィルタ１５、電圧増幅器１３ａ、
１３ｂによってＰＬＬが形成され、浮上体１０の電極か
らの位置Ｘが所定の位置に維持されるように制御され
る。
１２ab、１２ba，１２bb、センサ１１ａ、１１ｂ、位相
比較器１４、ループフィルタ１５、電圧増幅器１３ａ、
１３ｂによってＰＬＬが形成され、浮上体１０の電極か
らの位置Ｘが所定の位置に維持されるように制御され
る。
【００３６】この実施例によれば、浮上体１０の電極か
らの位置を、センサ１１から出力される位相のレベルで
検出し、ＰＬＬ制御を行っている。そして、ＰＬＬ制御
における積分要素は、位相が角周波数を積分したもので
あるという、数学的関係に基づいた理想的なものなの
で、例えば、ステップ状の外乱に対しても本質的に誤差
を生じず、高精度な制御を行うことができる。
らの位置を、センサ１１から出力される位相のレベルで
検出し、ＰＬＬ制御を行っている。そして、ＰＬＬ制御
における積分要素は、位相が角周波数を積分したもので
あるという、数学的関係に基づいた理想的なものなの
で、例えば、ステップ状の外乱に対しても本質的に誤差
を生じず、高精度な制御を行うことができる。
【００３７】次に第２の実施例について説明する。図４
は、この第２の実施例における浮上体の移動装置を示す
ブロック図である。なお、説明の簡単のため、図１に示
す第１の実施例と同一の部分には同一の符号を付して、
適宜その説明を省略することとする。
は、この第２の実施例における浮上体の移動装置を示す
ブロック図である。なお、説明の簡単のため、図１に示
す第１の実施例と同一の部分には同一の符号を付して、
適宜その説明を省略することとする。
【００３８】図４に示すように、この第２の実施例で
は、電極１２aa，１２ab、１２ba，２bbに静電力を発生
させるための電圧を供給する電圧増幅器１３ａ、１３ｂ
の代わりに、スイッチング周波数がキャパシタンスによ
って変化する性質を持つヒステリシスアンプ７３（７３
ａ、７３ｂを代表する。）が配置されている。そして、
このヒステリシスアンプ７３（７３ａ、７３ｂを代表す
る。）のスイッチング周波数が電極１２と浮上体１０と
の変位、すなわち浮上体１０の電極からの位置Ｘに応じ
て変化することを利用して、変化するスイッチング周波
数から浮上体１０の電極からの位置を求めている。従っ
て、この第２の実施例によれば、位置センサが不要にな
り、ヒステリシスアンプ７３のスイッチング周波数が位
相比較器１４に供給される。
は、電極１２aa，１２ab、１２ba，２bbに静電力を発生
させるための電圧を供給する電圧増幅器１３ａ、１３ｂ
の代わりに、スイッチング周波数がキャパシタンスによ
って変化する性質を持つヒステリシスアンプ７３（７３
ａ、７３ｂを代表する。）が配置されている。そして、
このヒステリシスアンプ７３（７３ａ、７３ｂを代表す
る。）のスイッチング周波数が電極１２と浮上体１０と
の変位、すなわち浮上体１０の電極からの位置Ｘに応じ
て変化することを利用して、変化するスイッチング周波
数から浮上体１０の電極からの位置を求めている。従っ
て、この第２の実施例によれば、位置センサが不要にな
り、ヒステリシスアンプ７３のスイッチング周波数が位
相比較器１４に供給される。
【００３９】図５は、このヒステリシスアンプ７３の原
理的な回路構成を表したものである。この図５に示すよ
うに、ヒステリシスアンプ７３は、自励式電圧チョッパ
を構成している。ヒステリシスアンプ７３は、電圧指令
値Ｖref と、電極１２ba、１２bbに印加される電圧Ｖｃ
（浮上体１０と電極１２によるキャパシタの電圧）と、
が供給されるヒステリシスコンパレータＨＣを備えてお
り、このヒステリシスコンパレータＨＣの出力電圧ＶHC
を出力するようになっている。
理的な回路構成を表したものである。この図５に示すよ
うに、ヒステリシスアンプ７３は、自励式電圧チョッパ
を構成している。ヒステリシスアンプ７３は、電圧指令
値Ｖref と、電極１２ba、１２bbに印加される電圧Ｖｃ
（浮上体１０と電極１２によるキャパシタの電圧）と、
が供給されるヒステリシスコンパレータＨＣを備えてお
り、このヒステリシスコンパレータＨＣの出力電圧ＶHC
を出力するようになっている。
【００４０】また、ヒステリシスアンプ７３は、ヒステ
リシスコンパレータ２２の出力電圧ＶHCが入力され、電
源Ｅから供給される電圧Ｖｈを異なる２レベルの電圧に
切り換えて出力するスイッチング回路ＳＷと、抵抗Ｒを
備えている。ヒステリシスコンパレータＨＣに供給され
る電圧指令値Ｖref は、電極１２に印加したい電圧で、
バイアス電圧Ｖ0 と制御電圧ｖn (n＝1,2)の和である。
この電圧指令値Ｖref は、図１のループフィルタ１５か
ら供給される。ヒステリシスコンパレータＨＣは、この
電圧指令値Ｖref と、電圧Ｖｃとの電圧差ΔＶを求める
ようになっている。
リシスコンパレータ２２の出力電圧ＶHCが入力され、電
源Ｅから供給される電圧Ｖｈを異なる２レベルの電圧に
切り換えて出力するスイッチング回路ＳＷと、抵抗Ｒを
備えている。ヒステリシスコンパレータＨＣに供給され
る電圧指令値Ｖref は、電極１２に印加したい電圧で、
バイアス電圧Ｖ0 と制御電圧ｖn (n＝1,2)の和である。
この電圧指令値Ｖref は、図１のループフィルタ１５か
ら供給される。ヒステリシスコンパレータＨＣは、この
電圧指令値Ｖref と、電圧Ｖｃとの電圧差ΔＶを求める
ようになっている。
【００４１】ヒステリシスコンパレータＨＣは、この電
圧差ΔＶの履歴によってしきい値が変化するコンパレー
タである。例えば図６に示すような特性を持ち、電圧差
ΔＶがΔＶp になると、高レベル側の出力電圧ＶHC＝Ｖ
onを出力し、電圧差ΔＶが−ΔＶm になると、低レベル
側の出力電圧ＶHC＝−Ｖoff を出力する。すなわち、ヒ
ステリシスコンパレータＨＣは、電極１２ba，１２bbに
印加される電圧ＶｃがＶref −ΔＶm 、またはＶref ＋
ΔＶp の各々に到達すると、Ｖonまたは−Ｖoff を出力
する。
圧差ΔＶの履歴によってしきい値が変化するコンパレー
タである。例えば図６に示すような特性を持ち、電圧差
ΔＶがΔＶp になると、高レベル側の出力電圧ＶHC＝Ｖ
onを出力し、電圧差ΔＶが−ΔＶm になると、低レベル
側の出力電圧ＶHC＝−Ｖoff を出力する。すなわち、ヒ
ステリシスコンパレータＨＣは、電極１２ba，１２bbに
印加される電圧ＶｃがＶref −ΔＶm 、またはＶref ＋
ΔＶp の各々に到達すると、Ｖonまたは−Ｖoff を出力
する。
【００４２】一方、スイッチング回路ＳＷは、ヒステリ
シスコンパレータＨＣからの入力信号のレベル（Ｖon、
−Ｖoff ）に応じて、抵抗Ｒを介して電極１２ba, １２
bbに印加する電圧Ｖｃを高電圧（ＶH ）から負の電圧
（−Ｖm ）あるいは十分に小さい低電圧（ＶL ）に切り
換える回路でトランジスタ、ＦＥＴ、サイリスタ等によ
り構成される。
シスコンパレータＨＣからの入力信号のレベル（Ｖon、
−Ｖoff ）に応じて、抵抗Ｒを介して電極１２ba, １２
bbに印加する電圧Ｖｃを高電圧（ＶH ）から負の電圧
（−Ｖm ）あるいは十分に小さい低電圧（ＶL ）に切り
換える回路でトランジスタ、ＦＥＴ、サイリスタ等によ
り構成される。
【００４３】なお、このように構成されたヒステリシス
アンプ７３において、図１の位相比較器１４に供給する
スイッチングの波形は、ヒステリシスコンパレータ２２
の出力波形、またはスイッチング回路ＳＷの出力波形の
いずれかが使用される。次に、ヒステリシスアンプ７３
の動作について説明する。
アンプ７３において、図１の位相比較器１４に供給する
スイッチングの波形は、ヒステリシスコンパレータ２２
の出力波形、またはスイッチング回路ＳＷの出力波形の
いずれかが使用される。次に、ヒステリシスアンプ７３
の動作について説明する。
【００４４】図７に示すように、電極１２に印加される
電圧Ｖｃは、図１のループフィルタ１５から供給される
電圧指令値Ｖref を目標値とし、これを中心に、三角波
状に変動する。その理由を、以下で説明する。ある時点
で、電極１２に印加される電圧Ｖｃが、（Ｖref −ΔＶ
m ＜Ｖｃ＜Ｖref ＋ΔＶp ）で、ヒステリシスコンパレ
ータＨＣの出力ＶHCがＶonであったとする。
電圧Ｖｃは、図１のループフィルタ１５から供給される
電圧指令値Ｖref を目標値とし、これを中心に、三角波
状に変動する。その理由を、以下で説明する。ある時点
で、電極１２に印加される電圧Ｖｃが、（Ｖref −ΔＶ
m ＜Ｖｃ＜Ｖref ＋ΔＶp ）で、ヒステリシスコンパレ
ータＨＣの出力ＶHCがＶonであったとする。
【００４５】ここで、抵抗Ｒと、電極１２によるキャパ
シタンスＣとによる時定数ＲＣの回路を考えると、この
キャパシタンスＣにより電極１２に印加される電圧Ｖｃ
は除々に上昇していき、やがてＶref に等しくなる。同
時に、ヒステリシスコンパレータＨＣにおける電圧差Δ
Ｖ（Ｖref −Ｖｃ）も符号が変化する（例えば、正から
負へ）。しかし、ヒステリシスコンパレータＨＣは、図
６に示したヒステリシス特性を有するため、その出力電
圧ＶHCはしばらく（時間Ｔ１）はＶonのままである。
シタンスＣとによる時定数ＲＣの回路を考えると、この
キャパシタンスＣにより電極１２に印加される電圧Ｖｃ
は除々に上昇していき、やがてＶref に等しくなる。同
時に、ヒステリシスコンパレータＨＣにおける電圧差Δ
Ｖ（Ｖref −Ｖｃ）も符号が変化する（例えば、正から
負へ）。しかし、ヒステリシスコンパレータＨＣは、図
６に示したヒステリシス特性を有するため、その出力電
圧ＶHCはしばらく（時間Ｔ１）はＶonのままである。
【００４６】従って、スイッチング回路ＳＷは、図７に
示すように、Ｔ１の間、入力電圧Ｖonに対応する高電圧
Ｖｐ（図ではＶｈ）を出力し続ける。従って、電極１２
に印加される電圧ＶｃはＶref を越えてさらに上昇して
いく。更に電圧Ｖｃが上昇し、電圧差ΔＶ＝Ｖref −Ｖ
ｃが−ΔＶm より小さくなると、ヒステリシスコンパレ
ータＨＣの出力ＶHCが−Ｖoff に切り換わり（図６）、
スイッチング回路ＳＷから出力される電圧もＶH から低
電圧ＶL ＝０に切り換わる。この時点で、電極１２に印
加される電圧Ｖｃも減少する。そして、電圧ＶｃはＶre
f まで低下するが、やはりヒステリシスコンパレータＨ
Ｃのヒステリシス特性のために、すぐにはＶonに切り換
わらず、時間Ｔ２の間、スイッチング回路ＳＷの出力は
低電圧ＶL ＝０であり、電圧Ｖｃはさらに低下する。
示すように、Ｔ１の間、入力電圧Ｖonに対応する高電圧
Ｖｐ（図ではＶｈ）を出力し続ける。従って、電極１２
に印加される電圧ＶｃはＶref を越えてさらに上昇して
いく。更に電圧Ｖｃが上昇し、電圧差ΔＶ＝Ｖref −Ｖ
ｃが−ΔＶm より小さくなると、ヒステリシスコンパレ
ータＨＣの出力ＶHCが−Ｖoff に切り換わり（図６）、
スイッチング回路ＳＷから出力される電圧もＶH から低
電圧ＶL ＝０に切り換わる。この時点で、電極１２に印
加される電圧Ｖｃも減少する。そして、電圧ＶｃはＶre
f まで低下するが、やはりヒステリシスコンパレータＨ
Ｃのヒステリシス特性のために、すぐにはＶonに切り換
わらず、時間Ｔ２の間、スイッチング回路ＳＷの出力は
低電圧ＶL ＝０であり、電圧Ｖｃはさらに低下する。
【００４７】やがて、電圧差ΔＶ＝Ｖref −Ｖｃが−Δ
Ｖm より小さくなると、ヒステリシスコンパレータＨＣ
の出力は、再びＶonに切り換わる。そして、スイッチン
グ回路ＳＷの出力電圧もＶH ＝Ｖｈにスイッチングさ
れ、電極１２に印加される電圧Ｖｃも再び増加する。
Ｖm より小さくなると、ヒステリシスコンパレータＨＣ
の出力は、再びＶonに切り換わる。そして、スイッチン
グ回路ＳＷの出力電圧もＶH ＝Ｖｈにスイッチングさ
れ、電極１２に印加される電圧Ｖｃも再び増加する。
【００４８】以上説明したように、この第２の実施例に
よれば、センサを使用することなく浮上体１０を両電極
の中心位置に保持することができる。
よれば、センサを使用することなく浮上体１０を両電極
の中心位置に保持することができる。
【００４９】
【発明の効果】以上説明したように、請求項１記載の発
明によれば、センサが、浮上体の電極からの位置に応じ
て出力周波数の変化する信号を出力し、位置制御手段
が、このセンサの出力信号の位相に応じて、電圧供給手
段から電極に供給する静電力を発生させるための電圧を
制御することで、浮上体の電極からの位置を制御してい
るので、少ない電力で浮上体の電極からの位置を高精度
に制御すると共に、浮上体の移動装置を小型化すること
ができる。
明によれば、センサが、浮上体の電極からの位置に応じ
て出力周波数の変化する信号を出力し、位置制御手段
が、このセンサの出力信号の位相に応じて、電圧供給手
段から電極に供給する静電力を発生させるための電圧を
制御することで、浮上体の電極からの位置を制御してい
るので、少ない電力で浮上体の電極からの位置を高精度
に制御すると共に、浮上体の移動装置を小型化すること
ができる。
【００５０】また請求項２および請求項３記載の発明で
は、電極に静電力を発生させるための電圧を印加するア
ンプとして、スイッチング周波数がキャパシタンスによ
って変化する性質のヒステリシスアンプを使用ているの
で、センサが不要となり、少ない電力で浮上体の電極か
らの位置を高精度に制御すると共に、浮上体の移動装置
をより小型化することができる。
は、電極に静電力を発生させるための電圧を印加するア
ンプとして、スイッチング周波数がキャパシタンスによ
って変化する性質のヒステリシスアンプを使用ているの
で、センサが不要となり、少ない電力で浮上体の電極か
らの位置を高精度に制御すると共に、浮上体の移動装置
をより小型化することができる。
【図１】本発明の浮上体の移動装置における一実施例の
構成図である。
構成図である。
【図２】同上、浮上体の移動装置において、静電力によ
って浮上体が移動する原理の説明図である。
って浮上体が移動する原理の説明図である。
【図３】同上、浮上体の移動装置のブロック線図であ
る。
る。
【図４】同上、浮上体の移動装置の第２の実施例の構成
図である。
図である。
【図５】同上、第２の実施例におけるヒステリシスアン
プの原理を示す回路図である。
プの原理を示す回路図である。
【図６】同上、ヒステリシスアンプにおけるヒステリシ
スコンパレータの特性図である。
スコンパレータの特性図である。
【図７】図５に示すヒステリシスコンパレータの電圧波
形を示す説明図である。
形を示す説明図である。
１０ 浮上体 １１ａ、１１ｂ センサ １２aa、１２ab、１２ba、１２bb 電極 １３ａ、１３ｂ 電圧増幅器 １４ 相位相比較器 １５ ループフィルタ ７３ａ、７３ｂ ヒステリシスアンプ ＨＣ ヒステリシスコンパレータ ＳＷ スイッチング回路 Ｒ 抵抗 Ｅ 電源
Claims (3)
- 【請求項１】 浮上体を挟んで対向する位置に配置した
複数の電極と、 この電極に静電力を発生させるための電圧を供給する電
圧供給手段と、 前記浮上体の前記電極からの位置に応じた周波数の信号
を出力するセンサと、 このセンサからの出力信号の位相に応じて、前記電圧供
給手段から前記電極に供給する静電力を発生させるため
の電圧を制御して、前記浮上体の前記電極からの位置を
制御する位置制御手段とを具備することを特徴とする浮
上体の移動装置。 - 【請求項２】 浮上体を挟んで対向する位置に配置した
複数の電極と、 前記電極に静電力を発生させるための電圧を供給するヒ
ステリシスアンプと、 前記ヒステリシスアンプにおけるスイッチングの位相に
応じて前記ヒステリシスアンプから出力される静電力を
発生させるための電圧を制御して前記ヒステリシスアン
プにおけるスイッチングの周波数を制御するフェイズロ
ックトループを用いて、上記浮上体の前記電極からの位
置を制御する位置制御手段とを具備することを特徴とす
る浮上体の移動装置。 - 【請求項３】 浮上体を挟んで対向する位置に配置した
複数の電極と、 二つのレベルの静電力を発生させるための電圧をスイッ
チングにより切り換えて前記電極に与えることにより前
記電極に静電力を発生させるための電圧を供給するヒス
テリシスアンプと、 前記ヒステリシスアンプにおけるスイッチングの位相に
応じて前記ヒステリシスアンプから出力される静電力を
発生させるための電圧を制御して前記ヒステリシスアン
プにおけるスイッチングの周波数を制御するフェイズロ
ックトループを用いて、上記浮上体の前記電極からの位
置を制御する位置制御手段とを具備することを特徴とす
る浮上体の移動装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP05192596A JP3084469B2 (ja) | 1993-08-03 | 1993-08-03 | 浮上体の移動装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP05192596A JP3084469B2 (ja) | 1993-08-03 | 1993-08-03 | 浮上体の移動装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0746869A JPH0746869A (ja) | 1995-02-14 |
| JP3084469B2 true JP3084469B2 (ja) | 2000-09-04 |
Family
ID=16293901
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP05192596A Expired - Fee Related JP3084469B2 (ja) | 1993-08-03 | 1993-08-03 | 浮上体の移動装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3084469B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5236571B2 (ja) * | 2009-05-13 | 2013-07-17 | 国立大学法人埼玉大学 | 磁気浮上装置 |
| CN105351357B (zh) * | 2015-11-18 | 2017-11-14 | 珠海格力节能环保制冷技术研究中心有限公司 | 混合式磁悬浮轴承的控制方法、装置及系统 |
-
1993
- 1993-08-03 JP JP05192596A patent/JP3084469B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0746869A (ja) | 1995-02-14 |
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