JPH06273285A

JPH06273285A - 超電導磁気浮上特性試験装置

Info

Publication number: JPH06273285A
Application number: JP5027690A
Authority: JP
Inventors: Toshiro Higuchi; 俊郎樋口
Original assignee: Kanagawa Academy of Science and Technology
Current assignee: Kanagawa Academy of Science and Technology
Priority date: 1993-02-17
Filing date: 1993-02-17
Publication date: 1994-09-30

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】迅速で正確な超電導磁気浮上特性が測定可能
な超電導磁気浮上特性試験装置を提供する。【構成】略正８面体形状の磁気浮上体３０を非接触状
態で浮上させる複数の制御用電磁装置４０，５０，６０
…と、磁気浮上体３０の位置と姿勢を検出するキャップ
センサＳ₁…Ｓ_nと、該検出装置からの情報を読み取る
浮上制御装置８０と、磁気浮上体３０の過渡応答記憶部
８２，８３と、過渡応答特性を求める過渡応答解析装置
８５と、浮上制御装置８０に接続されるパワーアンプ８
１と、該パワーアンプ８１からの電流により制御用電磁
装置４０，５０，６０…を駆動し、前記磁気浮上体３０
の位置と姿勢を制御する制御系と、前記磁気浮上体３０
の下端に設けられる永久磁石３９と、該永久磁石３９に
対応してセットされる超電導材料７１とを具備する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超電導材料のマイスナ
ー効果、ピンどめ効果等による磁気浮上特性を測定評価
する装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】超電導材料は、永久磁石等と組み合わせ
た形で、制御を必要としない磁気浮上システムを構成で
きることは良く知られている。この磁気浮上特性につい
て、試験が行われているが、殆どのものは、１自由度の
復原力を求めるものである。

【０００３】従来の復原力の特性試験法において、支持
特性で最も重要なものとして復原力の特性がある。これ
は、支持の剛性（静的剛性）のことである。支持されて
いる位置から、支持対象物を動かした時に対象物に働く
力である。一般に、磁気浮上系で安定に支持されている
場合は、復原力となる。このような超電導材料の支持剛
性を調べる装置の、代表的な従来例として、F.C.Moon,
M.M.Yanoviak, and R Ware: Hysteretic levitation fo
rces in superconducting ceramics. Appl. Phys. Let
t. 52(18), 2 May 1988, American Institute of Physi
cs を挙げることができる。

【０００４】図２１はかかる従来の磁気浮上特性の測定
装置の概略構成図である。この図に示すように、かかる
従来例においては、永久磁石１を弾性棒２の先に取り付
け、臨界温度以下に保持された被測定物としての超電導
材料（ＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_x）５を永久磁石１と対向さ
せ、弾性棒２の歪を歪ゲージ３で得て、歪み計４で計測
することにより、永久磁石１に働く力を検出するように
している。

【０００５】超電導材料（ＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_x）５と永
久磁石１の間の間隔は変化できるようになっており、超
電導材料５と永久磁石１との距離と復原力（発生する
力）との関係を調べている。この従来例のように、弾性
棒２や、ロードセルのように弾性体の歪を検出すること
による力測定器を用いている。なお、６は容器、７は超
電導材料（ＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_x）を支持するＡｌ、８は
冷媒としての液体チッソである。また、９はＸ−Ｙプロ
ッタ、１０は光学式位置検出器、Ａは移動ステージであ
る。

【０００６】更に、特開平４−１７２２８０号公報に、
超電導体の電磁力特性測定法及びその装置が開示されて
いるが、上記した従来例と、基本的な構成は同じであ
り、単に一軸の復原力（反発力の場合と吸引力の場合が
ある）を、静的に測定する方法を提案しているものであ
る。これらの場合の一軸は、主浮上方向に関するものが
普通であるが、横方向の復原力を測定することにも、同
様な方法がとられている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来の超電導材料の磁気浮上の特性試験では、単に復
原力の特性を測定するだけであり、同時に複数の自由度
について測定できるものではない。実際に、超電導材料
を用いて磁気浮上系を構成するとき、単に復原力の特性
を知るだけでは、正確な浮上系を設計することはできな
い。

【０００８】特に、通常の電磁石あるいは永久磁石によ
る磁気浮上要素と組み合わせた形で浮上系を構成する場
合には、多自由度の復原力の特性と、ダンピング特性の
両方を把握する必要がある。一方、本発明の発明者は、
既に、非接触形の磁気浮上機構を、特公平２−３５５４
９号公報、特公平４−３５２９３号公報、特公平４−３
５２９４号公報、日本ロボット学会誌Ｖｏｌ．９，Ｎ
ｏ．４，Ｐ．７４〜７８（４７４〜４７８）「ロボット
と磁気浮上技術」、第９回日本ロボット学会学術講演会
（平成３年１１月２７日〜２９日）、Ｐ．４０３〜４０
４、「６軸制御形磁気浮上インテリジェントハンドの小
型軽量化」、日本機械学会第６９期通常総会講演会講演
論文集（Ｖｏｌ．Ｃ）、１９９２年４月１日〜３日、
「６軸制御形磁気浮上インテリジェントハンドの応用」
等に提案している。

【０００９】本発明は、このような状況に鑑みて、非接
触形磁気浮上システムを構成することにより、超電導材
料を用いて磁気浮上系を構成する時、単に復原力の特性
を測定するだけではなく、同時に複数の自由度について
測定できる、例えば、最大６自由度の復原力を一回のセ
ットで測定できる、迅速で正確な超電導磁気浮上特性が
測定可能な超電導磁気浮上特性試験装置を提供すること
を目的とするものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、超電導体の浮上特性を測定する超電導磁
気浮上特性試験装置において、磁気浮上体を非接触状態
で浮上させる複数の制御用電磁装置と、前記磁気浮上体
の位置と姿勢を検出する検出装置と、該検出装置からの
情報を読み取る浮上制御装置と、該浮上制御装置に接続
される前記磁気浮上体の過渡応答記憶部と、該過渡応答
記憶部の過渡応答データに基づいて過渡応答特性を求め
る過渡応答解析装置と、前記浮上制御装置に接続される
パワーアンプと、該パワーアンプからの電流により前記
制御用電磁装置を駆動し、前記磁気浮上体の位置と姿勢
を制御する制御系と、前記磁気浮上体の下端に設けられ
る応答用電磁装置と、該応答用電磁装置に対応してセッ
トされる超電導体とを設けるようにしたものである。

【００１１】

【作用】本発明によれば、上記したように、非接触形磁
気浮上機構で支持した磁気浮上体に、永久磁石を固定
し、該永久磁石に測定対象物としての超電導体を対応さ
せて、その過渡応答状態を測定する。したがって、超電
導体の静的及び動的な磁気浮上特性を測定することがで
きる。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
ながら詳細に説明する。本発明を構成する非接触形磁気
浮上機構は、制御された電磁力によって浮上対象物とし
ての磁気浮上体を安定に非接触状態で支持する機構であ
る。電磁力の発生機構としては、電磁石の吸引力、磁界
と電流の間に発生するローレンツ力などが利用できる。

【００１３】安定保持を行うためには、まず、ギャップ
センサ等で、磁気浮上体の位置と姿勢を検出し、目標位
置との偏差を小さくするようにフィードバック系を構成
する。さらに、単に位置の情報のフィードバックを行う
だけでなく、位相進み補償、あるいは磁気浮上体の速度
を検出し（位置の検出信号を微分しても良い）、これを
フィードバックする速度補償を加える必要がある。これ
は、自動制御の基本的な事項であり、自明のことであ
る。

【００１４】次に、１自由度で磁気浮上機構と静的剛性
（復原力の特性）とダンピングを検出する方法の原理
を、図１１を参照しながら説明する。何らかの方法で、
浮上対象物としての磁気浮上体１１が、Ｘ方向の１自由
度の運動のみが許されるように案内されているものとす
る。磁気浮上体１１の上下を、電磁石１２，１４で引き
合う場合〔あるいはローレンツ力（ボイスコイルモータ
がその代表例）を利用する場合も同様〕、電磁石１２，
１４のコイル１３，１５に流れる電流Ｉによって、Ｘ方
向の力Ｆ₁，Ｆ₂を制御することができる。ここで、１
７はキャップセンサであり、電磁石１２，１４と吸引対
象物としての磁気浮上体１１とのキャップｇを計測す
る。また、１６は磁気吸引浮上コントローラである。

【００１５】電磁石の吸引力は、Ｆｍ＝Ｆｍ（Ｉ，ｇ）
≒ｋＩ²／ｇ²で近似できる。ここで、電磁石で引き合
うようにしたり、重力との釣合いを取るように、何らか
のバイアス力を与えることにより、支持の平衡状態の近
傍において、微小変化に対する線形化を行い、吸引力の
変化（磁気浮上体への作用力）ΔＦｍが電流の変化ΔＩ
に比例するようにできる。また、ＦｍとＩの関係式か
ら、作用力を得るために必要な電流Ｉをルート演算のア
ナログ演算素子を用いたり、マイクロプロセッサ等のデ
ィジタル演算素子によって求めることにより、バイアス
電流を必要としない制御法も利用できる。

【００１６】ローレンツ力（Ｆ＝Ｂ×Ｉ、電磁力＝磁束
密度×電流）の場合は、コイルに流れる電流に比例する
作用力を直接物体に与えることができる。何れにしろ、
釣合位置の近傍において、磁気浮上体に作用させる力Ｆ
をコイルに流す電流Ｉ、あるいはΔＩによって線形に制
御することができる。磁気浮上体１１を、ある目標の位
置Ｘ０に保持するためには、磁気浮上体１１の変位Ｘを
ギャップセンサ１７などで検出し、目標位置からのずれ
Ｘ（偏差Ｘ＝Ｘ０−Ｘ）を零にするように、Ｆあるいは
ΔＦを与える。通常、

【００１７】

【数１】

【００１８】となるように与える。磁気浮上体１１の質
量をｍとすると、こうして構成した能動形磁気浮上系の
運動方程式は、

【００１９】

【数２】

【００２０】となる。この式から分かるように、磁気浮
上体１１の位置検出信号と目標位置との差を減じるよう
にフィードバック系を構成することにより、また、Ｋ
ｆ、Ｄｆを適正に設定することにより、磁気浮上体１１
を安定に支持することができる。ここで明らかなよう
に、Ｋｆは静的な復原力の特性を定め、Ｄｆはダンピン
グ特性を定めることができる。

【００２１】なお、電磁石を用いて支持する場合には、
線形化のため等に、バイアス電流を流す時に、これによ
って、負のバネ特性を有する不平衡力を生じる。この負
のバネ定数をＫｂとすると、実際に作用する力Ｆは、

【００２２】

【数３】

【００２３】となる。次に、本発明の基本となる、超電
導材料の磁気浮上特性の検出方法について、説明する。
超電導材料と永久磁石とで構成される磁気浮上特性を把
握するには、これを、あたかも能動的に浮上しているシ
ステムとみなし、等価システムのＫｅとＤｅとを求める
ことに相当する。

【００２４】このＫｅとＤｅとを求める方法としては、
代表的なものとして、次の２通りがある。

【００２５】

【数４】

【００２６】で記述される系に外乱を与えた時、その過
渡応答の減衰振動の、振動周波数と減衰率とＫ，Ｄとに
は、一義的に定まる周知の関係がある。そこで、第１の
方法は、磁気浮上体に外乱を与えて過渡応答を調べ、超
電導体を付加しない場合のＫとＤのそれぞれの値Ｋ０と
Ｄ０と、超電導浮上システムを付加した場合のＫａ，Ｄ
ａの差をとれば良い。

【００２７】つまり、Ｋｅ，ＤｅとＫ０，Ｄ０，Ｋａ，
Ｄａの間には、線形制御系の重ね合せの理論から、Ｋａ
＝Ｋ０＋Ｋｅ，Ｄａ＝Ｄ０＋Ｄｅの関係が成り立ち、こ
れからＫｅ，Ｄｅを求めることができる。もう１つの方
法は、フィードバックゲインを可変にしておき、超電導
体を付加した場合の過渡特性を、付加しない場合の過渡
特性と一致するように、能動形磁気浮上系のフィードバ
ックゲインを調整し、フィードバックゲインの差から、
Ｋｅ，Ｄｅを求める方法である。

【００２８】ここで、過渡特性を調べるための外乱の与
え方の例を挙げる。図１２に示すように、位置の目標値
をｘ（１）にしておき、時間０で急に目標値をｘ（２）
と変化させる。あるいは、外部から何らかのショック
（打撃）を磁気浮上体に与える。すると、図１２に示す
ように、過渡応答が観察される。この周波数と減衰特性
と磁気浮上体の質量からＫとＤを求める作業を自動的に
行うことができる。

【００２９】このように構成することにより、１自由度
の特性を調べるだけでなく、多自由度の特性を調べるこ
とができる。そこで、剛体を非接触浮上させる磁気浮上
系を構成する場合には、並進運動の３自由度と回転運動
の３自由度の併せて６自由度を非接触支持する必要があ
る。このとき、１個の磁気浮上要素は、浮上対象物の運
動の１自由度に対してのみに働くのではなく、他の運動
の自由度に対しても影響を与え、その方向の支持の安定
性を強化したり、逆に、不安定性を同時に与えることに
なる。

【００３０】例えば、図１３に示すように、円形状の溝
にコイル２２が巻回される円環状磁性体を具備する円環
状電磁石２１が固定部２０に固定され、この円環状電磁
石２１の中心部にはギャップセンサ２３が配置され、こ
の円環状電磁石２１に対向するように磁気浮上体２４が
配置される磁気浮上要素の場合、Ｚ方向だけではなく、
Ｘ方向及びＹ方向にも復原力が形成されることが知られ
ている。

【００３１】このように、磁気浮上のために用いられる
磁気浮上要素は、単純に特定の１自由度だけに作用する
ものではない。超電導体と永久磁石による浮上について
も同様である。一般に、剛体を磁気浮上させる時は、永
久磁石の反発、吸引力、電磁石の制御された吸引力を組
み合わせた形で、自由度の浮上系を構成する。

【００３２】一般的な式で表すと、磁気浮上体の重心の
位置と、重心回りの回転を、ベクトルｘ（ｘ，ｙ，ｚ，
θ₁，θ₂，θ₃）で表すと、磁気浮上体についての運
動方程式は、次のように表せる。

【００３３】

【数５】

【００３４】磁気浮上体の浮上特性をトータルに把握す
るためには、６×６のマトリックスであるＭ，Ｋ，Ｄの
すべての要素を知る必要がある。実際に、浮上系の特性
を完全な形で把握し、浮上系の設計を行うためには、磁
気浮上系を構成するそれぞれの支持要素について、慣性
マトリックスＭｉ，復元マトリックスＫｉのすべての要
素、及びダンピングマトリックスＤｉのすべての要素を
知ることが肝要である。

【００３５】そうすることにより、ある磁気浮上体を、
１からｎの磁気浮上要素で浮上系を構成する時、全体の
浮上特性は、それぞれの磁気浮上要素について、座標系
を統一して表したマトリックスの総和となる。式のＭ，
Ｋ，Ｄは、Ｍ＝Ｍ１＋Ｍ２＋Ｍ３＋…Ｍｉ＋ＭｎＫ＝Ｋ１＋Ｋ２＋Ｋ３＋…Ｋｉ＋ＫｎＤ＝Ｄ１＋Ｄ２＋Ｄ３＋…Ｄｉ＋Ｄｎ上記したことから分かるように、超電導体の浮上を含
む、浮上系の構成要素の浮上特性は、６自由度について
把握することが肝要であることが理解できよう。

【００３６】しかるに、従来の超電導磁気浮上特性試験
方法は、単に１自由度の復原力の特性を測定することが
できるのみであった。つまり、６×６の復原力マトリッ
クスＫである

【００３７】

【数６】

【００３８】の内、ただ１つの要素、ｋ₁₁、あるいは試
料の取り付け位置を変えてｋ₂₂だけを求めているにすぎ
ない。これに対して、本発明による超電導磁気浮上特性
試験装置は、本来６自由度の完全浮上をさせた状態での
浮上性能の特性の差から、付加した浮上要素の６自由度
についての復原マトリックスＫ、さらにはダンピングマ
トリックスＤのすべての要素を、超電導体と永久磁石の
取り付け位置と姿勢を変更しなくても、一括して把握で
きる特徴がある。

【００３９】以下、本発明の実施例について図を参照し
ながら説明する。本発明の第１実施例を示す超電導磁気
浮上特性試験装置を図１乃至図１０を用いて説明する。
この図に示すように、この超電導磁気浮上特性試験装置
では、４角錐が上下に結合された略正８面体形状の磁気
浮上体（以下、単に磁気浮上体）３０を浮上させるため
に、ｎ個の電磁装置が配置される。

【００４０】まず、第１の電磁装置（ボイスコイル形電
磁装置）４０が磁気浮上体３０の頭部に配置される。こ
の第１の電磁装置４０は、図２乃至図６に示す構成を有
している。すなわち、中央に円柱４２が形成された円筒
体４３からなる固定磁極４１を固定部２５に設け、図３
に示すような磁気回路によって、放射状の一様な磁界を
得る。その磁界中に、磁気浮上体３０の頭部に固定され
る筒状に巻いた空芯コイル４４を、図５に示すように、
装着すると、そのコイル４４を流れる電流ｉ₁に比例す
る電磁力Ｆを発生させることができる。ここで、一様な
磁界の磁束密度Ｂ，コイルの巻数ｎ，電流ｉとすると、Ｆ＝ｋ・ｎ・Ｂ・ｉここで、ｋはコイルの寸法によって決まる定数となり、
図５に示すように、空芯コイル４４に直流電流が流れる
と、フレミング左手の法則により、電磁力Ｆ′が発生す
る。したがって、磁気浮上体３０を下方に移動させる力
として作用する。また、直流電流の向きを逆にすると、
電磁力は、逆向きになり、磁気浮上体３０を上方に移動
させることができる。

【００４１】次に、磁気浮上体３０の略正８面体の錐面
３１には第２の電磁装置（電磁石）５０が設けられる。
この第２の電磁装置５０は、図１に示す構成を有してい
る。すなわち、凹形状の磁性体５１にコイル５２を巻回
して、磁気浮上体３０の前記錐面３１に対向させる。そ
こで、コイル５２に電流ｉ₂を流すことにより、磁気浮
上体３０の略８面体の錐面３１を電磁力により、吸着し
たり、反発させることができる。

【００４２】次に、磁気浮上体３０の側部には、第３の
電磁装置６０が配置される。この第３の電磁装置（リニ
ア直流アクチュエータ形電磁装置）６０は、図７乃至図
１０に示す構成を有している。すなわち、図７に示すよ
うに、互いに向かい合った一対の固定磁極６１と６２を
所定距離隔てて固定部（図示なし）に配置し、その一様
な磁界中に、図８に示すような、矩形状のコイル６３を
配設する。ここで、矩形状のコイル６３は、図１におけ
る磁気浮上体３０の側部に固定される。

【００４３】そこで、例えば、その矩形状のコイル６３
に、図９に示すような直流電流ｉ₃を流すと、フレミン
グ左手の法則により、電磁力Ｆが矢印の方向へ発生す
る。したがって、磁気浮上体３０を右方向へ移動させる
力として作用する。また、これと逆の方向に直流電流を
流すと、電磁力Ｆと逆の方向に電磁力を発生させ、磁気
浮上体３０を左方向へ移動させることができる。

【００４４】なお、上記電磁装置は、３個のみが示され
ているが、第２の電磁装置５０は各錐面３１〜３８にそ
れぞれ設けるようにしてもよいし、前記錐面の対向面、
例えば、３１と３３、３５と３７のみに設けるようにし
てもよい。また、第３の電磁装置６０も磁気浮上体３０
の側部に適宜増設することができる。

【００４５】更に、磁気浮上体３０とのギャップを検出
するために、ｎ個の電磁装置に対応してｎ個のギャップ
センサＳ₁…Ｓ_nが配置される。また、磁気浮上体３０
の下部には永久磁石３９が固定される。この永久磁石３
９に対向するように冷却用の液体ガス（Ｎ₂又はＨｅ）
槽７０内に試料としての超電導材料７１がセットされ
る。

【００４６】一方、制御系としては、浮上制御装置８０
には上記ギャップセンサＳ₁…Ｓ_nからの出力信号が読
み込まれるとともに、該浮上制御装置８０からの出力信
号により、上記ｎ個の電磁装置４０，５０，６０…ｎに
電力を供給するパワーアンプ８１が制御される。また、
浮上制御装置８０には第１の過渡応答記憶部８２、第２
の過渡応答記憶部８３、力・トルク演算部８４、過渡応
答解析装置８５等が接続される。

【００４７】このように、電磁石の吸引力、ボイスコイ
ル形電磁装置のようなローレンツ力等により、非接触状
態で、磁気浮上体に作用し、この磁気浮上体を制御でき
る電磁装置と、磁気浮上体の位置と姿勢を検出するため
の制御系、及び付加した新たな超電導材料による浮上特
性を検出するための、第１の過渡応答記憶部、第２の過
渡応答記憶部、力・トルク演算部、過渡応答解析装置を
有する。

【００４８】まず、超電導材料７１がセットされていな
い状態での磁気浮上体３０の位置と姿勢を、ギャップセ
ンサＳ₁…Ｓ_nからの信号により検出し、力・トルク演
算部８４にて演算して、その演算値に基づいて調整のた
めの電流ｉ₁〜ｉ_nを流して、磁気浮上体３０を基準位
置に設定する。そこで、所定の外乱を加えて、その時の
過渡応答状態をギャップセンサＳ₁…Ｓ_nにより検出
し、第１の過渡応答記憶部８２に記憶する。

【００４９】次に、超電導材料７１がセットされた場合
の磁気浮上体３０の位置と姿勢をギャップセンサＳ₁…
Ｓ_nにより検出し、第２の過渡応答記憶部８３に記憶す
る。そこで、第１の過渡応答記憶部８２と第２の過渡応
答記憶部８３からのデータに基づいて、過渡応答解析装
置８５において、復原特性及びダンピング特性を解析
し、表示することができる。

【００５０】次いで、本発明の第２実施例の超電導磁気
浮上特性試験装置について図１４を参照しながら説明す
る。ここでは、５軸制御形磁気浮上機構について説明す
る。これは、軸の回転の自由度については、能動的な制
御はできないが、例えば、軸対象の超電導体の浮上系
（具体的には、円柱形の超電導体と永久磁石を同軸上に
位置させた場合）での、特性を調べることに目的を限定
すれば、６自由度のすべてを知る必要もない場合に適し
ている。

【００５１】図１４において、１０１は冷却用の液体ガ
ス（Ｎ₂又はＨｅ）槽であり、この冷却用の液体ガス槽
１０１内に円柱形の超電導体１０２がセットされ、これ
に対向して、円柱状の磁気浮上体（以下、単に磁気浮上
体という）１４０の下端に永久磁石１１０が設けられ
る。１２０は５軸制御形磁気浮上機構を内蔵する外枠、
１２１は磁気浮上体１４０のＺ軸方向の位置を検出する
第１のギャップセンサ、１２２乃至１２５は磁気浮上体
１４０の上側に対向する同一平面の固定側に設けられる
二対の第２乃至第５のギャップセンサ、１２６乃至１２
９は磁気浮上体１４０の下側に対向する同一平面の固定
側に設けられる二対の第６乃至第９のギャップセンサ、
１３１は磁気浮上体１４０のＺ軸方向の位置を制御する
電磁石、１３２乃至１３９は磁気浮上体１４０の半径方
向の位置と回転軸の傾きとを制御する８個（４対）の電
磁石、１５０は５軸制御形磁気浮上機構の制御装置、１
５１はＣＰＵ（中央処理装置）、１５２は過渡応答解析
装置、１５３は入出力インターフェース、１５４はディ
スプレイ付入出力装置、１５５は電源、１５６は電源１
５５に接続され、入出力インターフェース１５３に接続
されるパワー制御部であり、電磁石１３１乃至１３９に
接続される。

【００５２】このように、この５軸制御形磁気浮上機構
は、ギャップセンサ１２１乃至１２９からの出力信号Ｓ
₁〜Ｓ₉により、磁気浮上体１４０の位置と姿勢を検知
し、磁気浮上体１４０の中心軸の回転運動を除く５自由
度を全て能動的に制御することができる。この５軸制御
形磁気浮上機構の下端に永久磁石１１０が固定され、超
電導体１０２の浮上特性、特に、復原力及びダンピング
の特性を測定することができる。

【００５３】すなわち、まず、超電導体１０２がセット
されていない状態での磁気浮上体１４０の位置と姿勢を
ギャップセンサ１２１乃至１２９により検出し、力・ト
ルク演算部１５９にて演算して、その演算値に基づいて
調整のための電流ｉ₁〜ｉ₉を流して、磁気浮上体１４
０を基準位置に設定する。そこで、所定の外乱を加え
て、その時の過渡応答状態をギャップセンサＳ₁…Ｓ₉
により検出し、第１の過渡応答記憶部１５７に記憶す
る。

【００５４】次に、超電導体１０２がセットされた場合
の磁気浮上体１４０の位置と姿勢をギャップセンサ１２
１乃至１２９により検出し、第２の過渡応答記憶部１５
８に記憶する。そこで、第１の過渡応答記憶部１５７
と、第２の過渡応答記憶部１５８からのデータを、過渡
応答解析装置１５２において比較・分析し、超電導体１
０２の浮上特性を測定し、ディスプレイ付入出力装置１
５４に表示する。

【００５５】次に、本発明の第３実施例の超電導磁気浮
上特性試験装置について図１５乃至図１８を用いて説明
する。この超電導磁気浮上特性試験装置は、上部の電磁
石の電磁力で支持されるＺ軸方向浮上要素２１０と、ロ
ーレンツ力で支持するＸ，Ｙ，θ_X，θ_Y，θ_Zの５軸
方向浮上要素２２０からなる６軸制御形磁気浮上機構２
００を用いている。

【００５６】図１５及び図１６において、上部固定板２
０１と中間固定板２０３間には固定ロッド２０２によっ
て、Ｚ軸方向浮上要素２１０が配置されている。このＺ
軸方向浮上要素２１０は、上部電磁石２１１と下部電磁
石２１２間に配置される磁性体の円板２１３からなる。
すなわち、上部電磁石２１１には円形の溝が形成され、
その溝にコイル２１１ｂが巻回される円環状磁極２１１
ａを有している。また、下部電磁石２１２には、円形の
溝が形成され、その溝にコイル２１２ｂが巻回される円
環状磁極２１２ａを有しており、所定空間を隔てて互い
に対向して配置され、その空間に磁性体からなる円板２
１３が配置されている。

【００５７】また、軸状の磁気浮上体（以下、単に磁気
浮上体という）２４０がその円板２１３に固定されると
ともに、軸方向に延び、その磁気浮上体２４０の上部を
センサターゲット２４１とするＺ軸方向のギャップを検
出する第１のギャップセンサ２３１が上部固定板２０１
に固定されている。その下方には、前記した５軸方向浮
上要素２２０が配置される。すなわち、中間固定板２０
３の下部には永久磁石の支持板２０４が設けられ、この
支持板２０４には第１の永久磁石群２２１、中間に第２
の永久磁石群２２２、下方に第３の永久磁石群２２３が
設けられている。すなわち、支持板２０４の四隅には永
久磁石２２１ａ〜２２１ｄが固定されている。その下方
に所定間隔を置いて永久磁石２２１ａ〜２２１ｄに対向
するように、永久磁石２２２ａ〜２２２ｄが、更に、下
方にはその永久磁石２２２ａ〜２２２ｄに対向するよう
に、永久磁石２２３ａ〜２２３ｄが永久磁石の支持板２
０７上に配置される。

【００５８】これらの永久磁石２２１ａ〜２２１ｄと永
久磁石２２２ａ〜２２２ｄの間に一部が位置するよう
に、二対の可動コイル２２５，２２６が設けられる。す
なわち、一対の上部の可動コイル２２５は、水平方向に
所定幅を有するＵ字状部２２５−１と上方に所定幅を有
する橋絡部２２５−２を有する第１の可動コイル２２５
ａと、水平方向に所定幅を有するＵ字状部２２５−３と
上方に所定幅を有する橋絡部２２５−４を有する第２の
可動コイル２２５ｂとからなり、橋絡部２２５−２と橋
絡部２２５−４を添設し、その中心部、つまり軸芯部
は、Ｚ軸方向に延びる磁気浮上体２４０に固定する。そ
して、橋絡部２２５−４をセンサターゲット２４２とし
て、Ｘ軸及びθ_Yのギャップを検出する第２のギャップ
センサ２３２が固定板２０５に固定される。

【００５９】また、上記一対の上部の可動コイル２２５
の下方にはその可動コイル２２５とは９０度回転した状
態で中心を一致させた一対の下部の可動コイル２２６が
配置される。すなわち、一対の下部の可動コイル２２６
は、水平方向に所定幅を有するＵ字状部２２６−１と下
方に所定幅を有する橋絡部２２６−２を有する第１の可
動コイル２２６ａと、水平方向に所定幅を有するＵ字状
部２２６−３と下方に所定幅を有する橋絡部２２６−４
を有する第２の可動コイル２２６ｂとからなり、橋絡部
２２６−２と橋絡部２２６−４を添設し、その中心部、
つまり軸芯部は、Ｚ軸方向に延びる磁気浮上体２４０に
固定する。そして、橋絡部２２６−２をセンサターゲッ
ト２４３として、Ｙ軸及びθ_Xのギャップを検出する第
３のギャップセンサ２３３が固定板２０６に固定され
る。

【００６０】この下方に更にもう一段の同様の機構が配
置される。すなわち、永久磁石２２２ａ〜２２２ｄと永
久磁石２２３ａ〜２２３ｄの間に一部が位置するよう
に、二対の可動コイル２２７，２２８が設けられる。す
なわち、一対の上部の可動コイル２２７は、水平方向に
所定幅を有するＵ字状部２２７−１と上方に所定幅を有
する橋絡部２２７−２を有する第１の可動コイル２２７
ａと、水平方向に所定幅を有するＵ字状部２２７−３と
上方に所定幅を有する橋絡部２２７−４を有する第２の
可動コイル２２７ｂとからなり、橋絡部２２７−２と橋
絡部２２７−４を添設し、その中心部、つまり軸芯部
は、Ｚ軸方向に延びる磁気浮上体２４０に固定する。そ
して、橋絡部２２７−４をセンサターゲット２４４とし
て、Ｘ軸及びθ_Yのギャップを検出する第４のギャップ
センサ２３４が固定板２０５に固定される。

【００６１】また、上記一対の上部の可動コイル２２７
の下方にはその可動コイル２２７とは９０度回転した状
態で中心を一致させた一対の下部の可動コイル２２８が
配置される。すなわち、一対の下部の可動コイル２２８
は、水平方向に所定幅を有するＵ字状部２２８−１と下
方に所定幅を有する橋絡部２２８−２を有する第１の可
動コイル２２８ａと、水平方向に所定幅を有するＵ字状
部２２８−３と下方に所定幅を有する橋絡部２２８−４
を有する第２の可動コイル２２８ｂとからなり、橋絡部
２２８−２と橋絡部２２８−４を添設し、その中心部、
つまり軸芯部は、Ｚ軸方向に延びる磁気浮上体２４０に
固定する。そして、橋絡部２２８−２をセンサーターゲ
ット２４５として、Ｙ軸及びθ_Xのギャップを検出する
第５のギャップセンサ２３５が固定板２０６に固定され
る。

【００６２】磁気浮上体２４０の下端にはグリッパ２４
７を固定し、そのグリッパ２４７にはセンサーターゲッ
ト２４６を設け、そのセンサーターゲット２４６に対向
し、θ_Zを検出する第６のギャップセンサ２３６が固定
板２０８に固定される。このグリッパ２４７には永久磁
石２５０を取り付け、この永久磁石２５０には超電導体
２６１を対応させ、超電導体２６１の浮上特性を測定す
る。

【００６３】ここで、超電導体２６１は冷却槽２６０内
にセットされ、この冷却槽２６０は可動テーブル２７０
上に固定して、可動テーブル２７０をＸ，Ｙ，Ｚ，θ軸
方向に駆動可能にし、超電導体２６１の移動を伴う試験
も行うことができるようにすることができる。なお、こ
の可動テーブルの駆動をこの試験の外乱の一態様として
用いることができることは言うまでもない。

【００６４】図１９はこのように構成される６軸制御形
磁気浮上機構２００に接続される制御部のブロック図で
ある。この図に示すように、浮上制御装置３０１にはパ
ワーアンプ３０２が接続され、このパワーアンプ３０２
より、Ｚ軸方向浮上要素２１０と、５軸方向浮上要素２
２０に電流が供給される。また、第１のギャップセンサ
２３１〜第６のギャップセンサ２３６からの信号Ｓ₁〜
Ｓ₆は浮上制御装置３０１に読み込まれ、磁気浮上体２
４０の位置がフィードバック制御可能である。

【００６５】すなわち、ここでは、６個のセンサ信号Ｓ
（Ｓ₁，Ｓ₂，Ｓ₃，Ｓ₄，Ｓ₅，Ｓ₆）を処理し、磁
気浮上体２４０の重心の位置ｘ，ｙ，ｚ及び重心回りの
磁気浮上体２４０の姿勢θ₁，θ₂，θ₃を検出する。
これらと、目標の位置と姿勢の偏差を求め、この偏差が
零になるように、各自由度についての操作力を求める。
この操作力を、実際の６個の電磁装置、つまり、電磁石
と可動コイルの電流の指令値に変換する。

【００６６】電磁装置の磁気浮上体に働く力の方向と作
用点が磁気浮上体の重心とその周りに関する操作力のそ
れに一致していない場合の方がむしろ普通である。その
場合には、ギャップセンサの位置と感度によって決定で
きるセンサ信号変換マトリックス（Ｓ）を用いて、
（Ｓ）をギャップセンサ信号Ｓに掛けることにより、ｘ
（ｘ，ｙ，ｚ，θ₁，θ₂，θ₃）を得ることができ
る。

【００６７】ｘ＝（Ｓ）・Ｓ先に述べたＫ，Ｄの計測に必要なｘを、実際のギャップ
センサ信号から得るための変換にもこの式を利用する。
一方、磁気浮上体に作用させる力、トルクに関しても、
（ｘ，ｙ，ｚ，θ₁，θ₂，θ₃）のそれぞれの基本成
分のベクトルの方向で表した作用力（重心に関する）の
ベクトルｆ（ｆｘ，ｆｙ，ｆｚ，τ₁，τ₂，τ₃）と
電磁石、可動コイルに作用する力ベクトルの方向は、む
しろ一致しないことのほうが普通多い。これに関して
は、力変換マトリックス（Ｐ）によって、実際の各作用
要素へ電磁力変換し、制御系では、各電磁力作用要素の
電流指令値ベクトルＩ（ｉ₁，ｉ₂，ｉ₃，ｉ₄，…ｉ
_n-1，ｉ_n）が決まる。電磁力の作用要素である電磁装
置は、最低でも６個必要であり、電磁石の吸引力を利用
し、１自由度を向かい合う１対（２個）の要素で制御す
る場合には、７個以上となる。

【００６８】そこで、永久磁石２５０に超電導体２６１
が対応していない場合の磁気浮上体２４０の位置と姿勢
をギャップセンサＳ₁…Ｓ₆からの信号により検出し、
力・トルク演算部３０７にて演算して、その演算値に基
づいて調整のための電流ｉ₁〜ｉ₆を流して、磁気浮上
体２４０を基準位置・姿勢に設定する。その時の基準デ
ータを基準データ記憶部３０３に記憶する。

【００６９】そこで、所定の外乱を加えて、その時の過
渡応答状態をギャップセンサＳ₁…Ｓ₆により検出し、
第１の過渡応答記憶部３０４に記憶する。次に、超電導
体２６１がセットされた場合の磁気浮上体２４０の位置
と姿勢をギャップセンサＳ₁…Ｓ₆により検出し、第２
の過渡応答記憶部３０５に記憶する。

【００７０】そこで、第１の過渡応答記憶部３０４と第
２の過渡応答記憶部３０５からのデータに基づいて、過
渡応答解析装置３０６において、復原特性及びダンピン
グ特性を解析することができる。更に、超電導体モード
切換部３０８（例えば、超電導体の超電導状態、超電導
体の非超電導状態、或いは超電導体の走行状態、停止状
態の切り換えを行うスイッチ）を設け、超電導体を種々
の状態に変化させ、その状態に応じて測定を行うように
することができる。

【００７１】図２０は上記の６軸制御形磁気浮上機構に
よる過渡応答を測定した例を示し、図２０（ａ）は超電
導体がセットされていない時の過渡応答を示す波形図、
図２０（ｂ）は超電導体がセットされた時の過渡応答を
示す波形図である。これらの図から明らかなように、超
電導体と永久磁石による浮上特性が付加されるために、
復原剛性の増加による振動周期の減少、ダンピングの増
加による減衰の増加が顕著に把握される。

【００７２】なお、上記超電導体２６１の状態は、種々
に変化させることができ、その変化に伴う種々の試験を
実施することができる。例えば、超電導コイルの超電導
状態から非超電導状態への過渡状態や、超電導コイルが
移動する状態での過渡特性の試験等を実施することがで
きる。更に、上記磁気浮上体の下端に取り付けられ、超
電導体と対応する永久磁石に代えて、電磁石を設けるよ
うにしてもよい。

【００７３】なお、超電導材料で、回転体を支持すると
き、回転運動に対して回転を妨げる方向にトルク（ドラ
ック力）が発生する場合がある。これを、見積もること
は、実際に磁気軸受で支持された回転体を駆動するモー
タの負荷となるために重要である。このために、超電導
体を回転させる機構を下部に取り付けることによって、
超電導体を所定の回転速度で回転させることにより、回
転速度と、ドラック力の関係を調べることができる。超
電導体は、液体窒素を入れた皿ごと回転させるようにし
ている。

【００７４】更に、本発明は、通常の磁気浮上要素の特
性、あるいは静電気を利用した浮上要素、静圧軸受要
素、動圧軸受要素等、非接触軸受及び支持機構の浮上・
支持特性の測定に利用することも可能である。また、本
発明は、超電導材料による浮上特性だけでなく、浮上特
性の未知の浮上要素の特性を測定するのに利用できる。

【００７５】更に、本来、不安定な支持要素では、どの
程度安定範囲から離れているかを知ることができる。つ
まり、どの程度の復原特性及びダンピングを付加してや
れば安定に支持できるかを知ることができる。なお、本
発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の
趣旨に基づき種々の変形が可能であり、それらを本発明
の範囲から排除するものではない。

【００７６】

【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
よれば、非接触形磁気浮上システムを構成することによ
り、超電導体を用いて磁気浮上系を構成する時、単に復
原力の特性を測定するだけではなく、同時に複数の自由
度について測定できる、例えば、最大６自由度の復原力
を一回のセットで測定でき、迅速で正確な超電導磁気浮
上特性を測定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示す超電導磁気浮上特性
試験装置の構成図である。

【図２】本発明の第１実施例を示す超電導磁気浮上特性
試験装置のリニア直流アクチュエータ形電磁装置の断面
図である。

【図３】本発明の第１実施例を示す超電導磁気浮上特性
試験装置のボイスコイル形電磁装置の固定磁極の断面図
である。

【図４】図３のＡ−Ａ線断面図である。

【図５】本発明の第１実施例を示す超電導磁気浮上特性
試験装置のボイスコイル形電磁装置の固定磁極へ筒状に
巻回された空芯コイルを組み合わせた状態の断面図であ
る。

【図６】本発明の第１実施例を示す超電導磁気浮上特性
試験装置のボイスコイル形電磁装置の固定磁極へ筒状に
巻回された空芯コイルの断面図である。

【図７】本発明の第１実施例を示す超電導磁気浮上特性
試験装置のリニア直流アクチュエータ形電磁装置の固定
磁極の斜視図である。

【図８】本発明の第１実施例を示す超電導磁気浮上特性
試験装置のリニア直流アクチュエータ形電磁装置のコイ
ルの斜視図である。

【図９】本発明の第１実施例を示す超電導磁気浮上特性
試験装置のリニア直流アクチュエータ形電磁装置の断面
図である。

【図１０】図９のＢ−Ｂ線矢視図である。

【図１１】本発明の原理を示す磁気浮上機構の説明図で
ある。

【図１２】本発明の原理を示す磁気浮上機構に外乱を加
えた場合の波形図である。

【図１３】本発明の原理を示す磁気浮上機構としての円
環状電磁石の断面図である。

【図１４】本発明の第２実施例を示す超電導磁気浮上特
性試験装置の構成図である。

【図１５】本発明の第３実施例を示す超電導磁気浮上特
性試験装置の一部破断斜視図である。

【図１６】本発明の第３実施例を示す超電導磁気浮上特
性試験装置の斜視図である。

【図１７】本発明の第３実施例を示す超電導磁気浮上特
性試験装置の５軸制御機構の分解斜視図である。

【図１８】本発明の第３実施例を示す超電導磁気浮上特
性試験装置の５軸制御機構の平面断面図である。

【図１９】本発明の第３実施例を示す超電導磁気浮上特
性試験装置の制御部のブロック図である。

【図２０】本発明の第３実施例を示す超電導磁気浮上特
性試験装置による過渡応答の測定例を示す図である。

【図２１】従来の超電導磁気浮上特性試験装置の構成図
である。

【符号の説明】

２５固定部３０略正８面体形状の磁気浮上体３１〜３８略正８面体の錐面３９，１１０，２２１ａ〜２２１ｄ，２２２ａ〜２２２
ｄ，２２３ａ〜２２３ｄ，２５０永久磁石４０第１の電磁装置（ボイスコイル形電磁装置）４１，６１，６２固定磁極４２円柱４３円筒体４４空芯コイル５０第２の電磁装置（電磁石）５１凹形状の磁性体５２，２１１ｂ，２１２ｂコイル６０第３の電磁装置（リニア直流アクチュエータ形
電磁装置）６３矩形状のコイルＳ₁…Ｓ_n ギャップセンサ７０，１０１冷却用の液体ガス（Ｎ₂又はＨｅ）槽７１超電導材料８０，３０１浮上制御装置８１，３０２パワーアンプ８２，１５７，３０４第１の過渡応答記憶部８３，１５８，３０５第２の過渡応答記憶部８４，１５９，３０７力・トルク演算部８５，３０６過渡応答解析装置１０２，２６１超電導体１２０外枠１２１第１のギャップセンサ１２２〜１２５第２〜第５のギャップセンサ１２６〜１２９第６〜第９のギャップセンサ１３１Ｚ軸方向の位置を制御する電磁石１３２〜１３９８個（４対）の電磁石１４０円柱状の磁気浮上体１５０制御装置１５１ＣＰＵ（中央処理装置）１５２過渡応答記録解析装置１５３入出力インターフェース１５４ディスプレイ付入出力装置１５５電源１５６パワー制御部２００６軸制御形磁気浮上機構２０１上部固定板２０２固定ロッド２０３中間固定板２０４，２０７永久磁石の支持板２０５，２０６，２０８固定板２１０Ｚ軸方向浮上要素２１１上部電磁石２１１ａ，２１２ａ円環状磁極２１２下部電磁石２１３円板２２０５軸方向浮上要素２２１第１の永久磁石群２２２第２の永久磁石群２２３第３の永久磁石群２２５，２２６，２２７，２２８可動コイル２２５−１，２２５−３，２２６−１，２２６−３，２
２７−１，２２７−３，２２８−１，２２８−３Ｕ
字状部２２５−２，２２５−４，２２６−２，２２６−４，２
２７−２，２２７−４，２２８−２，２２８−４橋
絡部２２５ａ，２２６ａ，２２７ａ，２２８ａ第１の可
動コイル２２５ｂ，２２６ｂ，２２７ｂ，２２８ｂ第２の可
動コイル２３１第１のギャップセンサ２３２第２のギャップセンサ２３３第３のギャップセンサ２３４第４のギャップセンサ２３５第５のギャップセンサ２３６第６のギャップセンサ２４０軸状の磁気浮上体２４１，２４２，２４３，２４４，２４５，２４６
センサターゲット２４７グリッパ２６０冷却槽２７０可動テーブル３０３基準データ記憶部３０８超電導体のモードの切換部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】超電導体の浮上特性を測定する超電導磁
気浮上特性試験装置において、（ａ）磁気浮上体を非接
触状態で浮上させる複数の制御用電磁装置と、（ｂ）前
記磁気浮上体の位置と姿勢を検出する検出装置と、
（ｃ）該検出装置からの情報を読み取る浮上制御装置
と、（ｄ）該浮上制御装置に接続される前記磁気浮上体
の過渡応答記憶部と、（ｅ）該過渡応答記憶部の過渡応
答データに基づいて過渡応答特性を求める過渡応答解析
装置と、（ｆ）前記浮上制御装置に接続されるパワーア
ンプと、（ｇ）該パワーアンプからの電流により前記制
御用電磁装置を駆動し、前記磁気浮上体の位置と姿勢を
制御する制御系と、（ｈ）前記磁気浮上体の下端に設け
られる応答用電磁装置と、（ｉ）該応答用電磁装置に対
応してセットされる超電導体とを具備することを特徴と
する超電導磁気浮上特性試験装置。
【請求項２】前記磁気浮上体は６軸制御形磁気浮上機
構を具備する請求項１記載の超電導磁気浮上特性試験装
置。
【請求項３】前記制御用電磁装置は略正８面体形状の
磁気浮上体の上部にボイスコイル形電磁装置を、側部に
リニア直流アクチュエータ形電磁装置を、その他の部分
に電磁石を配置してなる請求項１記載の超電導磁気浮上
特性試験装置。
【請求項４】前記制御用電磁装置は円柱状の磁気浮上
体の上部及び側部に電磁石を配置してなる請求項１記載
の超電導磁気浮上特性試験装置。
【請求項５】前記制御用電磁装置は軸状の磁気浮上体
の上部に電磁石を、下方に固定永久磁石と可動コイルか
らなる電磁装置を配置してなる請求項１記載の超電導磁
気浮上特性試験装置。
【請求項６】前記超電導体は超電導材料である請求項
１記載の超電導磁気浮上特性試験装置。
【請求項７】前記超電導体は超電導電コイルからなる
請求項１記載の超電導磁気浮上特性試験装置。
【請求項８】前記応答用電磁装置は永久磁石である請
求項１記載の超電導磁気浮上特性試験装置。
【請求項９】前記超電導体をテーブルに載置し、該テ
ーブルを移動可能にしてなる請求項１記載の超電導磁気
浮上特性試験装置。