JPH05122894A - 直線動磁気支持装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】可動体を磁気力で完全非接触に支持するもので
あって、外乱による軸回り振動を簡単な構成で減衰させ
得る直線動磁気支持装置を提供する。 【構成】可動体４は、可動体４の外周面に形成された凸
状磁極１３ａ〜１３ｄと、これに対向するように配置さ
れた継鉄１１ａ〜１１ｄおよびこれらに巻装されたコイ
ル１２ａ〜１２ｄからなる電磁石とによって完全非接触
に支持される。可動体４の各凸状磁極１３ａ〜１３ｄ間
位置には半径方向の位置検出に供される平坦面１４ａ〜
１４ｄが設けてあり、これに対向する位置には半径方向
の位置検出器１５ａ〜１５ｄが設けられている。位置検
出器１５ａ〜１５ｄの出力は、一方においては半径方向
位置制御信号に供され、他方においては回転方向の振動
を減衰させる制御信号の生成に供される。生成された制
御信号によって回転制御用の電磁石が付勢される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、可動体を磁気力で一定
位置に完全非接触に浮上させる直線動磁気支持装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】周知のように、光干渉計の走査鏡や精密
直進テーブルを支持する支持装置には、これらを高精度
に位置決めする機能が要求される。このような要求に対
処するために通常は、ガイド機構に案内されて滑らかに
直線動する可動体を設け、この可動体を精密ボールネジ
送り機構で移動させる構造が採用されている。

【０００３】しかし、このような機械式の位置決め方式
を採用した支持装置では構成部品を極めて高い精度で加
工しなければならない問題があった。また、たとえ部品
を高精度に加工したとしてもボールネジのバックラッシ
ュなどの影響を完全に回避することができないので、位
置決め精度には限界がある。さらに、過酷な温度環境や
高真空下のような特殊環境においては、ガイド機構やボ
ールネジの潤滑などの問題で長期間使用することが困難
であった。

【０００４】そこで、このような問題を解消するため
に、可動体を磁気力で、つまり磁気軸受で完全非接触に
浮上させる方式が考えられる。

【０００５】しかしながら、このように磁気軸受を用い
た、いわゆる直線動磁気支持装置にあっては次のような
問題があった。すなわち、磁気軸受を用いた場合、静止
体側の磁極と可動体側の磁極とを凸状構成にしておけ
ば、可動体に軸回りの外乱が加わったときに両磁極間に
生じる磁気的吸引力で軸回り振動を受動的に減衰させる
ことができる。しかし、軸回り振動を受動的に減衰させ
る方式では、減衰効果が小さいため、振動が持続しやす
く、これが原因して磁気軸受の制御系が不安定となる問
題がある。また、可動体を高精度に位置決めしなければ
ならないときにはこの振動によって精度を維持できなく
なる問題がある。

【０００６】一方、流体ダンパを用いる方法や機械的な
摩擦を利用する方法などの新しい要素部品を装置に付加
する方法では、直線動磁気支持装置自体の負荷容量を低
下させる等の問題があった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】このように磁気軸受を
用いていわゆる直線動磁気支持装置を構成してようとし
ても可動体の軸回りの回転抑制が受動的なものであるた
め、外乱などによる軸回り振動の減衰効果が小さく、高
精度な位置決めを実現することが困難であった。

【０００８】そこで本発明は、磁気軸受を構成する電磁
石や位置検出器の数を大幅に増やすことなく、軸回りの
回転変位の検出と効果的な軸回り振動減衰制御とが行え
る直線動磁気支持装置を提供することを目的としてい
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係る直線動磁気支持装置は、静止体と、こ
の静止体の近傍に配置された可動体と、前記静止体の前
記可動体を囲む位置にそれぞれの磁極面を上記可動体に
向けて周方向に固定された複数の継鉄と、これら継鉄に
装着されたコイルと、前記可動体の外周面に前記各継鉄
の磁極面に対向させて突設された複数の凸状磁極と、前
記可動体の外周面で前記凸状磁極の間に位置する部分に
それぞれ設けられた平坦状の複数の位置検出面と、これ
ら位置検出面に対向させて前記静止体に設けられ、上記
各位置検出面との間の距離を非接触で検出する複数の位
置検出器と、これら位置検出器の出力に対応させて前記
各コイルの電流を制御して前記可動体を一定位置に磁気
力で完全非接触に浮上させる浮上制御系と、前記可動体
に設けられた前記凸状磁極のうちの少なくとも１つの凸
状磁極の周方向両端部に磁極面を対向させて設けられた
回転制御用継鉄と、この継鉄に装着された制御コイル
と、前記位置検出器の出力のうちの少なくとも２つの出
力の和の信号から前記可動体の回転変位情報を得る手段
と、この手段によって得られた前記回転変位情報におけ
る回転変位量に基づいて前記制御コイルを付勢して前記
可動体の軸回り振動を減衰させる振動減衰制御系とを備
えている。

【００１０】

【作用】可動体の外周面に平坦状の位置検出面を複数設
けるとともに、これら位置検出面に対向させて、静止体
側に複数の位置検出器を設けているので、各位置検出器
として渦電流式位置検出器などの容積変化検出形のもの
を用いれば、これら位置検出器の出力から可動体の半径
方向変位信号ばかりか後述する手法で可動体の回転方向
変位信号も得ることができる。浮上制御系は半径方向変
位信号に基づいて浮上用のコイル電流を制御し、振動減
衰制御系は回転変位信号に基づいて回転制御用継鉄に装
着された制御コイルの電流を制御している。したがっ
て、可動体の軸回り振動を効果的に減衰させることが可
能となる。

【００１１】

【実施例】以下、図面を参照しながら実施例を説明す
る。

【００１２】図１には本発明の一実施例に係る直線動磁
気支持装置、ここにはガス分布状態測定用光干渉計の走
査鏡を支持するための直線動磁気支持装置が示されてい
る。

【００１３】同図において、１は静止体を示している。
この静止体１は、ベース２と、このベース２に固定され
た非磁性材製の筒体３とで構成されている。そして、筒
体３内には、ほぼ円柱状に形成された可動体４が筒体３
の軸心線方向に移動自在に配置されている。

【００１４】可動体４は、磁性材で形成されており、図
中ほぼ右半分が中空に形成されている。また、可動体４
の図中ほぼ左半分は中心棒状部５と、円筒状空洞部６
と、外側筒状部７とを同心的に配列した構造に形成され
ている。可動体４の図中右端部にはミラー支持体８が装
着されており、このミラー支持体８には走査鏡９が固定
されている。

【００１５】可動体４と筒体３とには、筒体３で可動体
４を非接触に支持するための磁気軸受装置１０の主要素
１０ａ，１０ｂが軸方向の２箇所、つまり図中矢印Ａ，
Ｂで示す位置にそれぞれ設けられている。

【００１６】磁気軸受装置１０は吸引支持型のもので、
その主要素１０ａ，１０ｂのうち、矢印Ａで示す位置に
設けられている主要素１０ａを代表して示すと、図２に
示すように構成されている。すなわち、この主要素１０
ａは筒体３の内周面に周方向へ９０度の間隔をあけ、か
つ磁極面を可動体４の軸心線に向けて固定された継鉄１
１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄと、これら継鉄に装着さ
れたコイル１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄと、可動体
４の外周面に周方向へ９０度の間隔をあけ、かつ可動体
４のほぼ全長に亘って延びる関係に形成された凸状磁極
１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄと、これら凸状磁極間
に可動体４のほぼ全長に亘って延びる関係に固定された
非磁性体、例えばステンレス鋼板によって形成されて半
径方向の変位検出に供される平坦面１４ａ，１４ｂ，１
４ｃ，１４ｄと、各継鉄間に位置する関係に筒体３にそ
れぞれ固定されて各平坦面との間の距離を検出する、た
とえば渦電流式検出器等の容積変化検出形の検出器で構
成された位置検出器１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄと
で構成されている。

【００１７】各継鉄１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ
は、図１に継鉄１１ｃを代表して示すように、２つの磁
極面１６ａ，１６ｂを備え、これら２つの磁極面１６
ａ，１６ｂが軸方向に配列されるように筒体３の内面に
固定されている。各継鉄１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１
ｄに装着されたコイル１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ
は、それぞれバイアスコイル１７と制御コイル１８とで
構成されている。可動体４を境にして対向する継鉄に装
着されたバイアスコイル１７は互いに逆向きの磁束を発
生するように直列に接続され、また同継鉄に装着された
制御コイル１８は互いに同じ向きの磁束を発生するよう
に直列に接続されている。

【００１８】なお、各継鉄１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１
１ｄの２つの磁極面１６ａ，１６ｂと可動体４に設けら
れた４つの凸状磁極１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄの
磁極面とは両者が回転によって接触しないように可動体
４の軸心線を中心とした円筒曲面状に形成されている。
主要素１０ｂについても主要素１０ａと同様に構成され
ている。

【００１９】可動体４の図１中左側で、この可動体４と
筒体３とには、可動体４に対して軸方向の移動力を非接
触で選択的に与える電磁力発生機構２０が設けられてい
る。この電磁力発生機構２０は、公知のボイスコイルモ
ータと同様に、外側筒状部７の開放端側内周面に固定さ
れ、半径方向に着磁された環状の永久磁石２１と、全体
が筒状に形成されて円筒状空洞部６に非接触に嵌入装着
された筒状コイル２２とで構成されている。なお、筒状
コイル２２の基端は、筒体３に固定されている。 主要
素１０ａと１０ｂの間および静止体１の図１中左側には
タッチダウン軸受２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄが設
けられており、可動体４を磁気浮上させていないときに
各継鉄１１ａ〜１１ｄと凸状磁極１３ａ〜１３ｄとが衝
突しないようになっている。

【００２０】ミラー支持体８の外周面には、可動体４の
軸心線に沿って延びる関係に配置された補助板２４の一
端側が固定されている。この補助板２４の図１中下面
は、図３に示すように可動体４の軸心線に対して傾斜し
た傾斜面２５に形成されている。静止体１には、傾斜面
２５との間の距離から可動体４の軸方向の位置を非接触
に検出する軸方向位置検出器２６が固定されている。

【００２１】タッチダウン軸受２３ａと２３ｂとの間に
は回転制御用の電磁石２７が設けられている。この電磁
石２７は、図４に示すように両磁極面２８ａ，２８ｂを
凸状磁極１３ｃの周方向の両端部に対向させて配置され
た継鉄２９と、この継鉄２９に巻装された制御コイル３
０とで構成されている。そして、軸方向位置検出器２
６、筒状コイル２２、前述した磁気軸受装置１０の主要
素１０ａ，１０ｂを構成しているバイアスコイル、制御
コイル、位置検出器および制御コイル３０は、図５に示
す制御装置３１に接続されている。

【００２２】制御装置３１は、磁気軸受制御部３２と、
軸方向位置制御部３３と、振動減衰制御部６０とで構成
されている。なお、この図５には主要素１０ａのコイル
１２ａ〜１２ｄを付勢制御する磁気軸受制御部３２が示
されており、主要素１０ｂの各コイルを付勢制御する制
御部は省略されている。

【００２３】磁気軸受制御部３２は、４つの位置検出器
１５ａ〜１５ｄの出力をそれぞれ処理回路３４に導入
し、半径方向の変位量に変換している。すなわち、可動
体４に対して図７の矢印で示すような位置に位置検出器
１５ａ〜１５ｄが設けられており、それぞれの出力をＳ
１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４とする。同様に矢印Ｂで示す位置
に設けられた位置検出器１５ａ〜１５ｄの出力をＳ５，
Ｓ６，Ｓ７，Ｓ８とする。可動体４の矢印Ａ，Ｂ上での
Ｘ軸、Ｙ軸方向の変位量をそれぞれＸ１、Ｙ１、Ｘ２、
Ｙ２とすると、

【００２４】

【数１】

【００２５】となる。

【００２６】そして、これら変位量を制御回路３５に導
入して基準位置との差から操作量を決定し、これら操作
量を電流増幅器３６で電流に変換し、この電流をコイル
１２ａ〜１２ｄの制御コイル１８に与えるようにしてい
る。なお、電流増幅器３６の入力端は電源３７に接続さ
れている。

【００２７】軸方向位置制御部３３は、軸方向位置検出
器２６の出力と位置検出器１５ａ〜１５ｄの出力とを処
理回路３８に導入し、この処理回路３８で可動体４の半
径方向位置によって軸方向位置検出器２６の出力に現わ
れる誤差分を除去した真の軸方向位置信号を得ている。
そして、得られた軸方向位置信号と目標位置信号Ｈとの
偏差を制御回路３９で求め、この偏差を電流増幅器４０
で電流に変換し、この電流を筒状コイル２２に流すよう
にしている。この制御によって、可動体４を目標位置ま
で移動させ、この目標位置で停止させるようにしてい
る。

【００２８】一方、振動減衰制御部６０は、位置検出器
１５ａ〜１５ｄの出力を処理回路６１に導入し、この処
理回路６１で後述する手法で軸回りの回転変位信号を得
ている。そして、回転変位信号を制御回路６２に導入
し、この制御用回路６２の出力信号を電流増幅器６３で
電流に変換し、この電流を制御コイル３０に流すように
している。

【００２９】制御回路６２は図６に示されるように、比
較回路６４と、回転制御電流設定回路６５と、回転制御
回路６６とから構成されている。比較回路６４は、処理
回路６１の出力をあるしきい値を設けて比較し、回転変
位がしきい値を越えたとき回転制御電流設定回路６５を
動作させる。回転制御電流設定回路６５は制御コイル３
０に印加する電流値を決定し、回転制御回路６６は制御
コイル３０に電流を印加するタイミングを決定してい
る。

【００３０】このような構成であると、磁気軸受装置１
０を動作させると、各バイアスコイル１７が付勢される
とともに各制御コイル１８が可動体４の半径方向におけ
る変位量に応じたレベルで、かつ変位方向に応じた極性
の電流で付勢される。すなわち、継鉄１１ａ〜１１ｄの
磁極面と凸状磁極１３ａ〜１３ｄの磁極面との間の磁気
ギャップ長が位置検出器１５ａ〜１５ｄの出力に基いて
求められる。そして、磁気ギャップ長が広くなった部分
については、その磁気ギャップを通る磁束を増加させる
ように制御コイル１８が付勢される。また磁気ギャップ
長が狭くなった部分については、その磁気ギャップを通
る磁束を減少させるように制御コイル１８が付勢され
る。このため、可動体４は静止体１に対して磁気軸受装
置１０で完全に非接触に支持される。

【００３１】また、目標位置信号Ｈを与えると、電磁力
発生機構２０が動作し、公知のボイスコイルモータと全
く同じ原理で、可動体４に対して非接触に軸方向への移
動力を与え、可動体４を目標位置で停止させる。この場
合、位置制御に必要な軸方向の位置検出は、補助板２４
に設けられた傾斜面２５を検出対象とした軸方向位置検
出器２６によって非接触に検出される。したがって、軸
方向の駆動及び位置決めも完全非接触で行なわれる。

【００３２】ところで、運転中に可動体４に軸回り方向
の外力が加わり、この外力によって可動体４が軸回り振
動しようとしたときには、次のような制御が行われる。
すなわち、可動体４に軸回りに回転力が加わったとき、
位置検出器１５ａ〜１５ｄの出力が振動減衰制御部６０
の処理回路６１において回転変位量に変換される。

【００３３】図８に示すように可動体４に回転力が加わ
り、可動体４が破線位置から実線位置まで軸回りにθ度
回転した場合、位置検出器１５ａ〜１５ｄの出力は変化
する。

【００３４】すなわち、回転していないときの位置検出
器１５ａの出力をｄ０とすると、θ度の回転によって可
動体４の平坦面１４ａが傾き、位置検出器１５ａの検出
エリアにおいて平坦面１４ａの左端が右端よりも大きく
位置検出器１５ａに近づくので、位置検出器１５ａの出
力は小さくなる。この変化をδｄとすると、位置検出器
１５ａの出力ｄ１は、 ｄ１＝ｄ０−δｄ となり、同様に、位置検出器１５ａに対して１８０度異
なる位置に配置された位置検出器１５ｃの出力ｄ３は、 ｄ３＝ｄ０−δｄ となる。それぞれの出力の和をｄ１３とすると、 ｄ１３＝２ｄ０−２δｄ となる。

【００３５】ところで、回転変位θが零のときの位置検
出器１５ａ，１５ｃの出力をｄ０としたが、図示した可
動体４の位置は通常可動体４が磁気浮上するときのノミ
ナルな位置であるから、このｄ０は零に調整される。し
たがって、 ｄ１３＝−２δｄ となり、回転によって生じた値のみが出力されることに
なる。したがって、４個の位置検出器１５ａ〜１５ｄの
出力の和ｄθ１は、 ｄθ１＝−４δｄ となる。同様に矢印Ｂ（図１参照）の位置に設けられた
位置検出器１５ａ〜１５ｄの出力の和ｄθ２は、 ｄθ２＝−４δｄ となる。これらの和をとっても回転によって生じた値の
みが検出される。この和をｄθとすると、 ｄθ＝−８δｄ となる。

【００３６】ｄ１３，ｄθ１，ｄθ２，ｄθの全てが回
転によって生じた値のみである。通常δｄは小さい値な
ので、回転によって生じた値として採用するにはＳ／Ｎ
比の大きいｄθが好ましい。この実施例では、処理回路
６１において、ｄθに基づいて回転変位量を求めてい
る。

【００３７】求められた回転変位信号は、比較回路６４
に導入される。比較回路６４は、入力された回転変位信
号とあるしきい値とを比較し、回転変位信号がしきい値
を越えたときだけ、回転変位信号を回転制御電流設定回
路６５へ与える。回転制御電流設定回路６５は、回転変
位信号に比例した信号を出力する。この信号は回転制御
回路６６に与えられる。回転制御回路６６は、入力信号
の変化を検出し、この実施例では、入力信号の絶対値が
減少方向に変化している期間だけ、上記入力信号に比例
した信号を出力する。この出力信号は電流増幅器６３に
与えられる。

【００３８】図１０に示すように、可動体４に図中右回
りに回転力が加わると、可動体４は破線位置から実線位
置へと回転する。可動体４の回転変位がθ度となったと
き、図に示すように、電磁石２７を構成している継鉄２
９の磁極面２８ａに凸状磁極１３ｃの周方向左端部５４
ａが接近する。回転変位が最大のときに左端部５４ａは
磁極面２８ａに最も接近し、その後離れていく。そし
て、右端部５４ｂが磁極面２８ｂに接近し始める。この
ように可動体４が軸回りに振動しているとき、その回転
変位量は図９に示すようになる。したがって、この例の
場合、図１０において、もし左端部５４ａが磁極面２８
ａに接近する方向に変位しているときに制御コイル３０
を励磁すると、左端部５４ａと磁極面２８ａとの間に変
位量を増加させる向きの磁気的吸引力が作用する。

【００３９】そこで、この実施例では、回転制御回路６
６で判定させ、左端部５４ａが磁極面２８ａから遠ざか
る方向に、つまり、図９のグラフで示すとｔ1〜ｔ2 ，
ｔ3〜ｔ4 ，ｔ5 〜ｔ6 の間のみ制御コイル３０を励磁
し、これによって可動体４が変位量零に向けて戻るとき
のエネルギを吸収するようにしている。したがって、軸
回り振動を急速に減衰させることができる。

【００４０】このように本実施例では軸回り振動の制振
を回転変位量の大きさと時間変化に基づいて電磁石２７
の制御コイル３０へ制御電流を印加することにより行な
っているので、たとえばバイアスコイル１７に制御電流
を重畳したり、新たに要素部品を追加して軸回り振動を
制振する場合よりも効果的に制振することができる。

【００４１】また、振動減衰制御系６０を構成している
比較回路６４、回転制御電流設定回路６５、回転制御回
路６２等は電気回路として複雑ではなく、アナログ回路
で構成する場合でも数個のオペアンプならびに幾つかの
抵抗とコンデンサで構成できる。また、デジタル回路で
構成する場合でもＡ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器、インタ
ーフェイスなどの他に数十ステップのプログラム（言語
によって異なる）があれば良く、構成の複雑化を招くよ
うなことはない。

【００４２】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、回
転制御用の電磁石を１つ付加するだけで効果的に軸回り
振動を制振することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用した直線動磁気支持装置を図２に
おけるＳ−Ｓ線に沿って切断し矢印方向に見た断面図。

【図２】同直線動磁気支持装置を図１におけるＲ−Ｒ線
に沿って切断し矢印方向に見た断面図。

【図３】同直線動磁気支持装置に組み込まれた可動体の
斜視図。

【図４】同直線動磁気支持装置を図１におけるＱ−Ｑ線
に沿って切断し矢印方向に見た断面図。

【図５】同直線動磁気支持装置における制御装置のブロ
ック構成図。

【図６】同制御装置における振動減衰制御部のブロック
構成図。

【図７】同直線動磁気支持装置における可動体に対する
半径方向の位置検出器の位置と座標系を示した図。

【図８】半径方向の位置検出器の出力から回転変位量を
検出する原理を説明するための図。

【図９】可動体の回転変位量と振動減衰制御部の動作と
の関係を説明するための図。

【図１０】振動減衰原理を説明するための図。

【符号の説明】

１…静止体、 ４…可動体、１０…磁
気軸受装置、 １１ａ〜１１ｄ…継鉄、１２ａ
〜１２ｄ…コイル、 １３ａ〜１３ｄ…凸状磁極、
１４ａ〜１４ｄ…平坦面、 １５ａ〜１５ｄ…半径
方向の位置検出器、１７…バイアスコイル、 １
８…制御コイル、２０…電磁力発生機構、２１…永久磁
石、２２…筒状コイル、 ２４…補助板、２
５…傾斜面、 ２６…軸方向位置検出
器、２７…回転制御用の電磁石、 ２９…継鉄、３０
…制御コイル、 ３１…制御装置、３２…磁
気軸受制御部、 ３３…軸方向位置制御部、６０
…振動減衰制御部。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】静止体と、この静止体の近傍に配置された
   可動体と、前記静止体の前記可動体を囲む位置にそれぞ
   れの磁極面を上記可動体に向けて周方向に固定された複
   数の継鉄と、これら継鉄に装着されたコイルと、前記可
   動体の外周面に前記各継鉄の磁極面に対向させて突設さ
   れた複数の凸状磁極と、前記可動体の外周面で前記凸状
   磁極の間に位置する部分にそれぞれ設けられた平坦状の
   複数の位置検出面と、これら位置検出面に対向させて前
   記静止体に設けられ、上記各位置検出面との間の距離を
   非接触で検出する複数の位置検出器と、これら位置検出
   器の出力に対応させて前記各コイルの電流を制御して前
   記可動体を一定位置に磁気力で完全非接触に浮上させる
   浮上制御系と、前記可動体に設けられた前記凸状磁極の
   うちの少なくとも１つの凸状磁極の周方向両端部に磁極
   面を対向させて設けられた回転制御用継鉄と、この継鉄
   に装着された制御コイルと、前記位置検出器の出力のう
   ちの少なくとも２つの出力の和の信号から前記可動体の
   回転変位情報を得る手段と、この手段によって得られた
   前記回転変位情報における回転変位量に基づいて前記制
   御コイルを付勢して前記可動体の軸回り振動を減衰させ
   る振動減衰制御系とを具備してなることを特徴とする直
   線動磁気支持装置。
2. 【請求項２】前記各位置検出器は、容積変化検出形のも
   ので構成されていることを特徴とする請求項１に記載の
   直線動磁気支持装置。