JPH08280103A

JPH08280103A - 磁気浮上式推進装置

Info

Publication number: JPH08280103A
Application number: JP8212195A
Authority: JP
Inventors: Toshikatsu Akiba; 敏克秋葉
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1995-04-07
Filing date: 1995-04-07
Publication date: 1996-10-22

Abstract

(57)【要約】【目的】高速走査を実現し、駆動制御電流による走査駆
動力特性の劣化がなく、また、消費電力の低減を可能に
し、さらに、電磁力によって移動可能な磁気浮上式推進
装置を提供することを目的とする。【構成】電流の流れる方向がお互いに逆方向であること
を特徴とするコイル１１、１２を固定する磁性体からな
る固定板１３は、移動不可能な支持部材１７を介して静
止体１に固定されている。そして、静止体１と、支持部
材１７とに非接触に設けられ移動可能である可動体３に
永久磁石１４が設けられる構成をした磁気浮上式推進装
置である。この磁気浮上式推進装置は、コイル１１、１
２と永久磁石１４による電磁力によって可動体３を移動
可能である。そして、駆動制御電流によって発生する磁
束の駆動力特性への影響をなくし、大きな駆動力が得ら
れ高速駆動が可能で、消費電力の低減を実現している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、磁気力によって物体を
移動可能とするための磁気浮上式推進装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、地球上で発生する二酸化炭素など
により地球が覆われる、いわゆる温暖化現象が報告され
ている。この様な温暖化現象のメカニズムを解明するた
めには、地球上に停滞する二酸化炭素層の厚みや濃度を
測定することが重要である。

【０００３】そこで、二酸化炭素などのガスの厚みや濃
度を測定する装置として、光干渉装置が使用されてい
る。光干渉装置は、主に集光レンズ、鏡、入射してくる
光の光路長を変える装置と、光検出装置などから構成さ
れている。

【０００４】また、二酸化炭素層の厚みや濃度を測定す
る方法として、まず二酸化炭素に特定の光を照射し、そ
の反射光を光干渉装置内の集光レンズで集光する。集光
された光は、光干渉装置内のレンズで２本の光路に分岐
される。第１光路は、複数のレンズを経て光検出装置に
入射される。また、第２光路は鏡に反射されて、その後
複数のレンズを経て、第１光路が入射する光検出装置に
入射される。そして、第２光路の光路長を鏡を移動させ
ることで、光路長を変化させ、光検出装置の位置で光を
干渉させ、その干渉状態を調べることにより二酸化炭素
などの気体の厚みや濃度の測定を行う必要がある。

【０００５】このように、二酸化炭素層の厚みや濃度を
測定するためには光の干渉を利用する必要があり、その
ためには光の光路長を変化させなければならない。そし
て、光の光路長を変化させる装置として磁気浮上式推進
装置がある。

【０００６】以下、図５の従来の磁気浮上式推進装置の
断面図を参照しながら説明していく。静止体１２０
は、ベース１３４と該ベース１３４に固定された非磁性
体の静止体１３５で構成されている。そして静止体１３
５内には、ほぼ円筒状に形成される可動体１１９が静止
体１３５の軸心線方向に移動自在に配置されている。

【０００７】可動体１１９は、磁性体で形成されてお
り、図中ほぼ右半分が中空に形成されている。また、可
動体１１９の左半分は、中心棒状部１３６と円筒状空洞
部１３７と外側筒状部１３８とを同心的に配列した構造
に形成されている。可動体１１９の図中右端部には走査
鏡支持体１３９が装着されており、この走査鏡支持体１
３９には走査鏡１２１が固定されている。

【０００８】可動体１１９と静止体１３５とは、静止体
１３５で可動体１１９を非接触に支持するための磁気軸
受け装置１２３の主要素１２３ａ、１２３ｂ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。

【０００９】磁気軸受け装置１２３は吸引支持型のもの
で、この主要素１２３ａは静止体１３５の内周面に周方
向へ９０度の間隔を開け、かつ磁極面を軸心線に向けて
固定された磁気力発生装置１０１と、これら磁気力発生
装置１０１に装着されたコイル１０２と、可動体１１９
の外周面に周方向へ９０度の間隔を開け、かつ可動体１
１９のほぼ全長に亘って延びる関係に形成された図示さ
れない凸状磁極と、該凸状磁極間に可動体１１９のほぼ
全長に亘って延びる関係に形成されて半径方向の変位検
出に供される図示されない平坦面と、各磁気力発生装置
１０１間に位置する関係に静止体１３５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半径方向の第
２位置検出装置１０３とで構成されている。

【００１０】各磁気力発生装置１０１は、２つの磁極面
１４０ａ、１４０ｂを備え、これら２つの磁極面１４０
ａ、１４０ｂは、軸方向に配列されるように静止体１３
５の内面に固定されている。各磁気力発生装置１０１に
装着されたコイル１０２は、それぞれバイアスコイル１
４１と制御コイル１４２とで構成されている。可動体１
１９を境にして対向する磁気力発生装置１０１に装着さ
れたバイアスコイル１４１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、また同磁気力発生装置１０
１に装着された制御コイル１４２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。

【００１１】なお各磁気力発生装置１０１の２つの磁極
面１４０ａ、１４０ｂと可動体１１９に設けられた２つ
の凸状磁極の磁極面とは、両者間の磁気抵抗を安定化さ
せるために、可動体１１９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１２３ｂについても主要
素１２３ａと同様に構成されている。

【００１２】可動体１１９の図中左側で、該可動体１１
９と静止体１３５とは、可動体１１９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１２６
が設けられている。この電磁力発生機構１２６は、バイ
アスコイルモーターと同様の構成であり、外側筒状部１
３８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１２７と、全体が筒状に形成されて円
筒状空洞部１３７に非接触に嵌入装着された筒状コイル
１２８とで構成されている。なお、筒状コイル１２８の
基端は、静止体１３５に固定されている。

【００１３】一方、走査鏡支持体１３９の外周面には、
可動体１１９の軸心線に沿って延びる関係に配置された
補助板１２９の一端側が固定されている。この補助板１
２９の図中下面は、可動体１１９の軸心線に対して傾斜
した傾斜面１３０に形成されている。筐体１２０には、
傾斜面１３０との間に距離から可動体１１９の軸方向の
位置を検出する軸方向の第１位置検出装置１０４が固定
されている。そして、軸方向の第１位置検出装置１０４
と、筒状コイル１２８と、前述した磁気軸受け装置１２
３の主要素１２３ａ、１２３ｂを構成しているバイアス
コイル１４１と、制御コイル１４２、および半径方向の
第２位置検出装置１０３とに接続されている。

【００１４】ここで半径方向の位置制御は、半径方向の
第２位置検出装置１０３の信号を所定の位置制御系に入
力し、磁気力発生装置１０１を調整することによって可
動体１１９を静止体１３５と完全に非接触にし、かつ半
径方向の基準位置上に浮上させるようにしている。

【００１５】一方、軸方向の位置制御は、軸方向の第１
位置検出装置１０４と半径方向の第２位置検出装置１０
３の信号を所定の位置制御系に入力し、位置制御系から
の制御電流を筒状コイル１２８に流すようにしている。
この制御によって、可動体１１９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。

【００１６】このような構成で磁気軸受け装置１２３を
動作させると、各バイアスコイル１４１が一定電流で付
勢されると共に各制御コイル１４２が可動体１１９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、磁気力発
生装置１０１の磁極面と凸状磁極の磁極面との間の磁気
ギャップ長が半径方向の第２位置検出装置１０３の出力
に基づいて求められる。そして、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１４２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
１４２が付勢される。このため可動体１１９は静止体１
３５に対して磁気軸受け装置１２３で完全に非接触に支
持される。また、目標位置の信号を与えると、電磁力
発生機構１２６が動作し、ボイスコイルモーターとまっ
たく同じ原理で、可動体１１９に対して非接触に軸方向
への移動力を与え、可動体１１９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１２９に設けられた傾斜面１３０を検出対象とし
た軸方向の第１位置検出装置１０４によって非接触検出
される。

【００１７】このように被支持物を支持する可動体１１
９を静止体１３５に対して磁気軸受け装置１２３で非接
触に支持し、また可動体１１９の軸方向の位置を傾斜面
１３０と軸方向の第１位置検出装置１０４とによって可
動体１１９とは非接触に検出している。さらに可動体１
１９への軸方向への移動力を電磁力発生機構１２６によ
って可動体１１９とは非接触に与えるようにしている。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような従来の磁気浮上式推進装置では、長距離の走査駆
動を実現するためには、装置構成上長い筒状のコイルを
用いる必要がある。そして、高速走査を行うために大き
な駆動制御電流を筒状コイルに流す必要があるが、コイ
ルに流れる電流によって発生する磁束の駆動力特性への
影響が無視できなくなってくる。

【００１９】また、図４の磁気浮上式推進装置における
駆動力と制御電流の特性図に示されるように、制御電流
の正側のある大きさ以上では（制御電流値Ｉ_P以上）、
所望の駆動力に対する制御電流が得られず、制御電流値
Ｉ_Pを境にして制御電流値が減少していく。すると、所
望の駆動力発生方向とは、逆向きの駆動力を発生する状
態になる。

【００２０】また、磁気浮上方式に電磁石のバイアス電
流を用いた場合には、消費電力が増加するという問題も
あった。そこで本発明は、上記のような問題点を解決
し、高速走査を実現し、駆動制御電流による走査駆動力
特性の劣化がなく、消費電力の低減を可能にした磁気浮
上式推進装置を提供することを目的としている。

【００２１】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明に係る磁気浮上式推進装置は、静止体と、
前記静止体に配置される磁気力発生手段と、前記磁気力
発生手段より発生する磁気力により前記静止体と非接触
に支持される可動体と、前記静止体に設けられ、電流の
流れる向きが異なる第１コイルと第２コイルとを１組と
した少なくとも２組以上からなる略筒状の複合コイル
と、前記複合コイルと非接触な関係となるように前記可
動体に設けられ、前記複合コイルを構成する前記第１お
よび第２コイルに共通の磁場を与えることにより、前記
可動体を前記複合コイルとの電磁力によって移動可能と
する永久磁とから構成される磁気浮上式推進装置とし
た。

【００２２】

【作用】以上、述べたような本発明の構成によれば、静
止体に設けられた磁気力発生手段によって、可動体が非
接触に配置される。そして、非接触の状態のままで、複
合コイルと永久磁石による電磁力によって可動体が所定
の方向に移動する。

【００２３】そのとき、コイルは互いに逆向きに電流が
流れるコイルを１組として構成しているため、電流がコ
イルに流れた場合には、その電流によって生じる磁束が
互いのコイルで相殺されるため、電流の大小による駆動
力特性への影響がない構成となる。するとその結果、高
速走査を実現し、電流による駆動力特性の劣化がなく、
消費電力の低減を可能にした磁気浮上式推進装置を提供
する。

【００２４】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照しながら
説明していく。もちろん、本発明は、以下の実施例によ
って何ら限定されるものではない。図１は、本発明の磁
気浮上式推進装置における断面図で、図２は本発明の磁
気浮上式推進装置におけるコイルの構成図で、図３は本
発明の磁気浮上式推進装置における駆動力特性図を示し
ている。ここで、図３の縦軸は、コイル１１、１２に流
れる電流を、横軸は、可動体３の中心棒状部２２に対す
る距離を表している。本発明は、例えば二酸化炭素な
どの濃度や厚みなどガス分布状態を測定する光干渉計に
用いられている。

【００２５】図１において、静止体１内には、ほぼ円筒
形状に形成される可動体３が静止体１の軸心線方向に移
動自在に配置されている。可動体３は、鉄やサマリウム
・コバルトなどの磁性体で形成されており、図中左半分
が中空に形成されている。また、可動体３の右半分は、
中心棒状部２２（棒状部）と円筒状空洞部２３と外側筒
状部２４とを同心的に配列した構造に形成されている。
可動体３の左端部には走査鏡２が固定されている。

【００２６】可動体３と静止体１とは、静止体１で可動
体３を非接触に支持するための磁気軸受け装置２５の主
要素２５ａ、２５ｂ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。

【００２７】磁気軸受け装置２５は吸引支持型のもの
で、この主要素２５ａは静止体１の内周面に周方向へ９
０度の間隔を開け、かつ磁極面を軸心線に向けて固定さ
れた磁気力発生装置１０と、これら磁気力発生装置１０
に装着された磁気力発生用コイル８と、磁気力発生装置
１０に固定されて可動体３との間の距離を検出する光セ
ンサなどの半径方向の第２位置検出装置４とで構成され
ている。

【００２８】各磁気力発生装置１０は、２つの磁極面２
８ａ、２８ｂを備え、これら２つの磁極面２８ａ、２８
ｂの軸方向に配列されるように静止体１の内面に固定さ
れている。各磁気力発生装置１０に装着された磁気力発
生用コイル８は、それぞれバイアスコイル２９と制御コ
イル３０とで構成されている。可動体３を境にして対向
する磁気力発生装置１０に装着されたバイアスコイル２
９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、また同じ磁気力発生装置１０に装着された制御コ
イル３０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。

【００２９】なお、各磁気力発生装置１０の２つの磁極
面２８ａ、２８ｂと可動体３の表面上に設けられた磁極
面とは、両者間の磁気抵抗を安定化させるために、可動
体３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２５ｂについても主要素２５ａと同様に構成
されている。

【００３０】また、静止体１には、静止体１の軸心線上
に可動体３の軸方向の位置を検出する光センサなどの軸
方向の第１位置検出装置５が固定されている。そして、
軸方向の第１位置検出装置５に対向する中心棒状部２２
の位置に、軸方向の第１位置検出ターゲット６を設け
る。

【００３１】可動体３中で、この可動体３と静止体１と
は、可動体３に対して軸方向の移動力を非接触で選択的
に与える駆動力発生手段７が設けられている。駆動力発
生手段７は、可動体３の中心棒状部２２の周囲に固定さ
れたサマリウム・コバルトや鉄などから構成される複数
の永久磁石１４と、銅線などから成るコイルとから構成
されている。

【００３２】また、可動体３の円筒状空洞部２３に非接
触に挿入されている支持部材１７の固定板１３に固定さ
れる略筒状のコイル１１ａ、１１ｂ（または１２ｂ、１
２ａ）は、お互いに逆方向に電流が流れている（図２参
照、図２中矢印は電流が流れている方向を示してい
る）。その２つのコイル１１ａ、１１ｂ（または１２
ｂ、１２ａ）を１組（複合コイル）とし、同様に構成さ
れるコイルをもう１組コイル１２ａ、１２ｂ（または１
１ｂ、１１ａ）として用意する。そして、例えば図２に
示されるように図面左側からコイル１１ａ、１２ａ、１
１ｂ、１２ｂという順序で接続し、組み合わせて走査駆
動コイル２０を構成する。そのコイル１１ａ、１２ａ、
１１ｂ、１２ｂを支持部材１７と固定する固定板１３
は、鉄やサマリウム・コバルトなどの磁性体からなる。
また、支持部材１７は静止体１に固定され、移動不可能
に支持されている。

【００３３】この様な構成の磁気浮上式推進装置の動作
について、以下述べていく。このような構成で磁気力発
生装置１０を動作させると、各バイアスコイル２９が一
定電流で付勢されると共に各制御コイル３０が可動体３
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、磁気
力発生装置１０の磁極面と図示されない凸状磁極の磁極
面との間の磁気ギャップ長が半径方向の第２位置検出装
置４の出力に基づいて求められる。そして、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３０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３０が付勢される。このため可動体３は静止体
１に対して磁気力発生装置１０で完全に非接触に支持さ
れる。

【００３４】また、中心棒状部２２に配置された永久磁
石１４は、可動体３の中心棒状部２２と、固定板１３で
磁気回路を構成し、図１中に示すような走査駆動用磁束
１６を流す。永久磁石１４の磁束は、走査駆動コイル２
０を横切り、固定板１３を経て再び走査駆動コイル２０
を横切り永久磁石１４、中心棒状部２２を通り磁気回路
を閉じる。

【００３５】また、走査駆動コイル２０を横切る磁束と
コイル１１、１２に流れる電流によってローレンツ力
（電磁力）が発生し、共通な磁場が発生し、可動体３を
軸方向に駆動することが可能となる。

【００３６】ここで、一定方向に駆動力を継続的に発生
させるために、コイル１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂ
の幅は、永久磁石１４の幅の半分としてある。つまり、
各々のコイル１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂに流す電
流、つまり制御電流を図３に示すように制御し、軸方向
の第１位置検出装置５から得られる軸方向の位置信号に
基づいて、任意の位置で切り換えていく。例えば、位置
ｘ₀においては、コイル１１には、電流（＋）ｉが流れ
ており、コイル１２には、電流ｉは流れていないことに
なる。また、位置ｘ₁では、コイル１１には、位置ｘ₀と
は逆の向きに電流（−）ｉが流れており、コイル１２に
は、電流ｉは流れていないことを表している。

【００３７】このように動作する本実施例の効果につい
て、以下述べていく。制御電流は、対になったコイル１
１ａ、１１ｂに同時に流れることになり、その制御電流
によって生じる磁束は、互いに逆方向に巻かれるコイル
１１ａ、１１ｂによって打ち消される。また、コイル１
１ａ、１２ａを巻く方向が同一であっても、それらコイ
ルに流す電流の方向が異なれば同様の効果が得られる。
したがって、制御電流の大小による駆動力特性への影響
が排除できる。その結果、駆動力特性の向上が可能とな
る。

【００３８】走査駆動コイル２０を固定している磁性体
である固定板１３は、永久磁石１４から構成される磁気
回路の磁気抵抗を減少させており、固定板１３が無い場
合に比べ、大きな推力を発生させることが可能となって
いる。ただし、推力的に問題がなければ固定板１３を設
置しなくとも駆動力発生には問題がない。また、磁性体
の固定板１３と、中心棒状部２２と永久磁石１４で駆動
力発生手段７の磁気回路（走査駆動力用磁束１６）が閉
じて磁束を遮蔽しているので、外側筒状部２４への磁束
侵入を妨げ、一種の磁気シールドとなっている。それゆ
え、可動体３の磁気浮上を行っている磁気力発生装置１
０の磁気浮上用磁束９には、なんら影響を与えることが
なく、磁気浮上用推進装置の設計が容易となる。

【００３９】また、磁性体からなる固定板１３と可動体
３の永久磁石１４で磁気回路（走査駆動力用磁束１６）
が閉じるため、固定板１３と可動体３間で吸引力が働く
ことになる。しかし、これは、可動体３の浮上位置支持
に対して不安定な力となる。そのため、可動体３を磁気
浮上させる磁気力発生装置１０には、制御性を向上させ
るためのバイアス磁束用として、バイアスコイル２９に
バイアスコイル電流を常時流している。すると、前述し
た磁性体からなる固定板１３による不安定力を，このバ
イアス磁束の作用に置き換えることが可能となり、シス
テムとしての消費電力の低減が可能となる。

【００４０】

【発明の効果】以上説明したような本発明によれば、駆
動制御電流によって発生する磁束の駆動力特性への影響
がなく、大きな駆動力が得られ高速駆動が可能で、消費
電力を低減することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の磁気浮上式推進装置における断面
図。

【図２】本発明の磁気浮上式推進装置におけるコイル
の構成図。

【図３】本発明の磁気浮上式推進装置における駆動力
特性図。

【図４】本発明の磁気浮上式推進装置における駆動力
と制御電流の特性図。

【図５】従来の磁気浮上式推進装置における断面図。

【符号の説明】

１静止体２走査鏡３可動体４半径方向の第２位置検出装置５軸方向の第１位置検出装置６軸方向の位置検出ターゲット７駆動力発生手段８磁気力発生用コイル９磁気浮上用磁束１０磁気力発生装置（磁気力発生手段）１１、１２コイル１３固定板１４永久磁石１６走査駆動用磁束１７支持部材２０走査駆動コイル２１半径方向の位置検出ターゲット２２中心棒状部（棒状部）２３円筒状空洞部２４外側筒状部２５磁気力発生装置の主要素２８磁極面２９バイアスコイル３０制御コイル

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】静止体と、前記静止体に配置される磁気力
発生手段と、前記磁気力発生手段より発生する磁気力に
より前記静止体と非接触に支持される可動体と、前記静
止体に設けられ、電流の流れる向きが異なる第１コイル
と第２コイルとを１組とした少なくとも２組以上からな
る略筒状の複合コイルと、前記複合コイルと非接触な関
係となるように前記可動体に設けられ、前記複合コイル
を構成する前記第１および第２コイルに共通の磁場を与
えることにより、前記可動体を前記複合コイルとの電磁
力によって移動可能とする永久磁石とから構成されるこ
とを特徴とする磁気浮上式推進装置。
【請求項２】前記可動体の移動方向の位置検出を行う位
置検出部を具備したことを特徴とする請求項１記載の磁
気浮上式推進装置。
【請求項３】前記可動体の移動方向と直交する方向の位
置検出を行う位置検出部を具備したことを特徴とする請
求項１記載の磁気浮上式推進装置。
【請求項４】前記可動体は、一端が開口された円筒形状
であり、該開口された部内に前記可動体と同軸となるよ
うに棒状部を備え、該棒状部に前記永久磁石を固定した
ことを特徴とする請求項１記載の磁気浮上式推進装置。
【請求項５】前記永久磁石と、前記棒状部と、前記複合
コイルと、前記複合コイルとともに、前記複合コイルを
固定する磁性体から構成される固定板とによって、磁気
回路を構成してなることを特徴とする請求項４記載の磁
気浮上式推進装置。