JPS62165019A - 磁気浮上スライド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、分光装置の直線運動系、非接触搬送システム
およびその他の位置決めテーブル等の直線運動軸受部に
使用する磁気浮上スライドに関するものである。

〔従来の技術〕

一般に、空間における剛体の運動は第１５図に示すよう
な柱状モデルに対して、重心の並進運動に関する３自由
度と重心回シの回転運動に関する３自由度とを有してい
る。

すなわち、通常の磁気軸受スピンドルの場合は回転体の
回転軸回りの運動“Ｌ″すなわちローリングを除く５自
由度をなんらかの磁気力で支持するものと言える。本発
明が関連する磁気浮上スライドにおいては、可動体の移
動方向以外の５自由度を制御することにより、目的を達
するようになっている。つまり、第１５図の２軸方向は
制御せず、その代わり“Ｌ”運動と残る自由度を制御す
るのである。

ところで、近年様々な磁気軸受システムの開発が行われ
ており、非接触軸受としての用途も拡大されてきている
。磁気浮上スライドもその１つであり、とくに搬送シス
テム等に上記のシステムの使用が考えられている。

従来の磁気浮上スライドは第１６図および第１７図に示
すように、王字型レールを取り囲むように形成された可
動体テーブル１１の下部に馬蹄型の電磁石Ｍ１　＋　Ｍ
ｔ　＊　ＭＳ　ｒ　Ｍ４がその四隅に配置され、静止系
レール１２側をこの電磁石で吸引することによりその反
作用で可動体１１テーブルを浮上せしめ、非接触支持を
実現する構造となっている。すなわち、四つの電磁石の
近傍に設置された少なくとも三つ（図においては四つ）
のセンナ１４により、レール１２との距離δを検知し、
つねにδの値を一定（通常０．１〜０．４　ｔｍ　）に
保つように外部制御回路あるいは可動体１１に内蔵され
た制御回路によシ、電磁石Ｍ１〜Ｍ４に流れる励磁電流
を制御するようになっている。

たとえば、第１８図に示す可動体テーブル１１のピッチ
ング運動に対しては、定常状態ではテーブル重ｉＭのそ
れぞれ１／４の吸引力を発生する電磁石Ｍ、〜Ｍ４に対
し、電磁石Ｍ！　＋　Ｊに流れる電流工１＋工ｔを増加
させ、その一方電磁石Ｍ３　ｅＭ、に流れるに流れる電
流工８．■、を減少させて定位置を保つようにして、ピ
ッチング運動を減衰させる。

また第１９図に示すローリング運動に対しては、電磁石
Ｍｌ　＋　ＭＳの電流工１．工、を増加させ、電磁石Ｍ
２　＋　Ｍ４の電流工２．■、を減少させることにより
、定常位置に復帰させることができる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、第加図に示すヨーイング運動に対しては
、前記電磁石配置では運動に対する制御が行われず、概
ね電磁石エアギャップでの磁気エネルギポテンシャルが
最小になろうとすることによる（磁気抵抗が最小になる
ように働く）受動的な復元力による以外に方法はない。

この復元力ＦＰは第２１図に示す磁力線（斜線部）によ
るものであり、Ｐｉに対して一般に１／１０　以下の力
しか作用しない。

そのため、ヨーイング運動に対して可動体テーブルの位
置を正確に保つには、第ｎ図のように、電磁石を４個（
Ｍ５〜Ｍｇ）とセンナを少なくとも２個（Ｓ！ｌ　＋　
Ｓ６　）増設しなければならない。

つまり、この方式では、合計８個の電磁石と最低５個（
図においては６個）のセンナが必要である。すなわち、
ピッチング、ローリングに対する少なくとも３人力（図
においては４人力）、４出力系と、ヨーイングに対する
２人力（４人力）、４出力系を必要とする。

また、この方式では、電磁石Ｍ、〜Ｍ４はつねにテーブ
ル自重（テーブルに他の計器、物体等が乗っている場合
にはそれらの重量も含めて）と釣り合うだけの吸引力を
発生せねばならず、また、テーブルの位置決め精度を左
右するセンサ検知面は、レールの左右、上下方向から、
表面粗さを少なく仕上げる平面研削工程を実施すること
が必要となり、各′電磁石の吸引面も精密に仕上げる必
要を生じ、これらの加工精度の良否がピッチング、ロー
リングおよびヨーイングの制御性能に影響し易く、その
ため装置が高価になるという短所を有している。

本発明は、ヨーイング、ピッチングに対する制御性能を
向上させるとともに、製作容易でしかも安価な、分光装
置の直線運動系、非接触搬送システムおよびその他の位
置決めテーブル等の直線運動軸受部に使用する磁気浮上
スライドを提供することを目的としている。

〔問題点を解決するための手段および作用〕本発明によ
れば、制御型磁気スライドにおいて、ガイドレールを円
柱形ガイドレールとし、電磁石をそれぞれ前記円柱形ガ
イドレールと同心のモータ伏電磁石とすることにより、
電磁石の吸引力を調節して可動体テーブルに対するピッ
チングおよびヨーイングを容易に制御することができる
。

また、テーブルのピッチングおよびヨーイング制御用電
磁石を重力方向がその制御軸方向の２等分線になるよう
にすると、磁力をテーブル等の支持力に有効に利用する
ことができる。

また、テーブルに、２つ以上の反発型永久磁石または制
御型磁気軸受を備えることにより、テーブルのローリン
グ運動を容易に制御することができる。

また、可動体テーブルの下面中央に方形の凸部を設ける
ことにより、ローリング運動に対する抵抗を大きくシ、
安定性を改善することができる。

さらに、前記凸部に反発型永久磁石または制御型磁気軸
受を設けることにより、ローリングの制御が有効になる
。

また前記ガイドレールに互いに独立した磁極を設けるこ
とにより、ローリングの制御が一層有効になる。

さらに、前記磁極面に凹凸を設けることによりローリン
グの制御がますます効果的になる。

なお、上記永久磁石として希土類コバルト系永久磁石を
用いると、磁力が強力となり制御に有利である。

〔実施例〕

以下図面を参照して、本発明の詳細な説明する。

第１図にその第１実施例の外観がまた第２図にその移動
方向に垂直な平面で切った断面図が示されている。

この実施例のスライド１において、ベース３に対して平
行に移動する可動体テーブル２の中心部に円柱状のレー
ル４が貫通しており、このレール４に対向する８極コア
と４つの電磁石ＭＸ、　ＭＹ、　ＭＸ’、　Ｍ！’によ
って形成された磁気浮上機構を移動方向に２箇所有して
いる。この電磁石は、それぞれ第２図に破線で示すよう
な磁気閉ループ回路をレール４との間に形成しており、
静止側レール４に対して、吸引力を発生することにより
テーブル２自体がベースから浮き上がることができる。

このとき、これらの８極コアの制御軸Ｘ、　Ｙは、重力
方向に対して２等分されるように配置されている。この
ように電磁石を配置することにより、定常状態で電磁石
Ｍｘ、Ｍｙ　　およびｙｘｌ。

Ｍｘｌに流れる電流がバランスされる。

その理由は、重力方向と各制御軸とのなす角αが、αキ
４５°の場合、ＭｘｌとＭｘｌ、またＭＹとＭＹに流れ
る電流はアンバランスとなり、このため、どちらかのコ
イルおよびコイル駆動回路に大きな負担が掛かり、コイ
ルおよびコイル駆動回路の寿命、信頼性を低下させる原
因となる。したがって磁気浮上スライドのヨーイング、
ピッチング運動制御電磁石においては、α−４５°とす
るのが最善であるからである。

すなわち、特開昭５８−８１２１６号公報に見られる「
横置型磁気軸受用径方向電磁石」において用いられた手
段を応用したものである。

以上の特徴をもつヨーイング、ピッチング運動制御電磁
石はテーブル側に装着されており、レールとの半径方向
エアギャップは通常０．２〜０．５鴫程度とする。

この電磁石は、直流励磁の場合、通常のロータを有する
磁気軸受スピンドルの磁気軸受ステータとは異なり、殆
ど渦電流損、ヒステリシス損が発生しないので、一体金
属製のコアを用いるが、交流励磁の場合には、上記損失
が発生するため、厚さ０．３５〜０．５０　ｔｍ程度の
珪素鋼板の積層構造にして損失を抑えることが必要であ
る。

レール４側の構造も同様であることは言うまでもない。

また、ヨーイング、ピッチング運動制御電磁石は８極、
１２極、１６極等４の倍数の極で構成される。残るテー
ブルの１自由度であるローリング運動は、対向する２対
の永久磁石磁気軸受５，５′をペース３とテーブル２の
下面に配置し、反発力をもって受動的にローリング運動
を制御するようになっている。

このとき、この永久磁石５，５′による反発力はテーブ
ル自体の浮上刃にも寄与するため、磁気浮上スライド全
体の重力方向の負荷容量を増加する利点がある。

またこの永久磁石５，５′は、レール３の中心よシ遠く
設置する程、テーブル２の回転軸に関するローリング運
動を制御する回転モーメントを犬きく取ることができ、
ローリング運動に対して抵抗の強い安定した配置が得ら
れる。

テーブル側の永久磁石５は、テーブル２の自重およびテ
ーブルに加わる荷重条件によって決定されるが、第３図
ａのように移動方向全体にわたｖＮ、Ｓ極を並列に配置
するか、第３図すのように一部例えば四隅に設けること
もできる。

この永久磁石は、原理上ローリング運動を制御するもの
であるため、可動テーブルの側面に近い回転モーメント
を大きく取れる所に設置するならば、目的は達成される
が、前述のように、その反発力は浮上刃にも寄与するた
め、各永久磁石群の対角線の交点にテーブルの重心Ｇが
くるように設置するのがよい。

一方、ベース３側の永久磁石は、第４図のように設置さ
れるが、テーブル２の移動距離によっては設置位置を部
分的にする等、この実施例に限定されるものでない。

またＮ−８−Ｎ−８と二列以上並べてもよく、このよう
な配置も本発明の目的と一致していることは言うまでも
ない。

ただ、第３図すのテーブルと第４図のベースとを組み合
わせて用いる場合、テーブル２の底面を非磁性材料とし
なければ、テーブル２はテーブル２側の永久磁石５に対
向していないペース側永久磁石５′に吸引されてしまう
ので注意を要する。

この実施例では、位置検出センサｓ１〜Ｓ、は第５図の
ように円柱形レール４に対向して円周方向にかつ制御軸
方向に離して配置されている。

すなわち、１個のヨーイング、ピッチング制御用電磁石
の制御には、Ｓ、〜Ｓ４のセンサが必要であり、全体と
してヨーイング、ピッチング運動制御用電磁石が最低２
個必要なため、Ｓ、〜Ｓ、の計８個のセンサが必要とな
る。しかしながら、センナ出力を例えばＸ　−Ｘ’で差
動演算させず、またセンサの温度ドリフトが無視できる
場合には、例えばＳＩ　＋　Ｓ２　ｒ　Ｓ５　＋　Ｓ６
の４個のセンサで十分機能を果たすことができる。以上
は、通常の磁気軸受スピンドルと同様と考えてよい。

このとき、センサ検知面は円柱形レール４表面であるが
、第１図の磁気浮上スライドの三箇所以上の点における
平面研削に比べてレールのセンタ支持による研磨で容易
に精度が出せる利点がある。

またセンサを珪素鋼板の積層に巻線を施したインダクタ
ンス検知式のものもしくは渦電流式のもの（或いはワイ
ヤカッタ、放電加工の一体金属製）等で形成することも
可能である。

つぎに８ｇ６図は別の実施例を示す。

対の電磁石ＭＬ、　ＭＬ’を増設したものであり、この
電磁石の制御用にセンサＳ９を設置しである。

センサＳ、の位置はローリング運動を検知し易いように
、円柱レールより遠い方がよいことは当然である。また
この実施例ではレールの中心から永久磁石５、ＭＬ（Ｍ
Ｉ、’）　、Ｓ、の順に配置しているが、ＭＬ　（ＭＬ
’）　、永久磁石５、Ｓ、の順に配置全に浮上状態のた
め、実際にはローリングが発生したときもＭＬ（ＭＬ’
）の吸引力は相当小さくても定位置に戻るため、このＭ
Ｌ（ＭＬ’）により、ヨーイング、ピッチング制御電磁
石に対し、一般的に過大な負荷とはならない。この場合
、ＭＬのテーブル側吸引面は当然その場所のみ強磁性体
でなる。

第２図、第６図の実施例では、ベースとテーブルの対向
面を、一平面として形成できるため、准磁石吸引面、永
久磁石面、センサ検知面を一度に平面研削で仕上げられ
る利点もある。

負荷が過大となる場合、ＭＬ、　ＭＬ’を第７図のよう
にベース３の立ち上がり部３′に対向して設置すること
もでき、さらに第８図のようにベース３の立ち上がり部
３′にサンドインチ伏に挾むように構成することもでき
る。

第９図は別の実施例を示すもので、可動体テーブル２は
下面にかつ重力方向に方形の凸部２′を備え、これに対
してベース３も凹状部分？を形成している。この場合、
元の可動体テーブル２の重心位置はＧ′からＧに移るこ
とになる。しカシながら、ヨーイング、ピッチング運動
制御電磁石により、可動体テーブル２は電磁石内径中心
位置が、前記した円柱レール中心に一致するように保持
されているため、ローリング運動の中心は、電磁石内径
中心Ｇ′に等しい。

このときテーブル２に外力が加わり、ローリング運動を
発生するとしても、Ｇ′軸の周りの慣性モーメントは明
らかに増大しているので、ローリング運動の角加速度を
小さくすることができる。すなわち、小さい制御出力で
容易にローリング運動を制御することができる。

さらに、第１０図に示すように、可動テーブルの下に凸
部２′を設けることにより重量を増大するとともに、対
向する反発型永久磁石６．６′を凸部下面！とベース３
の凹状部分Ｙに配置し、負荷を軽減する。さらに凸部２
′の側面に対向するベース３の凹状部分ｙ′には、永久
磁石７，７′を設け、ローリング運動を積極的に制御す
るようにしである。

すなわち、重心Ｇ′からの作用距離の遠い凸部２′にロ
ーリング運動制御力を発生するため、一層モーメントの
大きい制御効果が得られる利点を生ずる。これらの永久
磁石６．　６’、７．　７’を第１１図に示すように制
御型電磁石８で形成することも当然可能であり、その効
果は既に述べた通りである。この部分にもセンサＳ１゜
が設けられている。

つぎに、本発明によれば、電磁石の制御効果を一層有効
なものとしローリングに対する安定性を改善するため、
電磁石そのものに対しても改良が施されている。以下、
この点につき説明する。

第１２図において、レール４は可動体テーブル２および
レール４に設けられた８対の電磁石を備えている。すな
わち、テーブル２側には磁極８が、またレール４にも互
に独立した磁極８′が形成されている。

可動体テーブル２が浮上した場合、磁極８．８′の間に
は破線で示すような磁気閉ループが形成される。そこで
、磁気回路に流れる磁束を励磁電流を変化させることに
より制御し、磁束エネルギにより生みだされる磁気吸引
力を変化することによって、テーブル２を所定の位置に
保持する。しかし、テーブル２がＸ−Ｘ’、Ｙ−Ｙ’軸
軸点点りのローリング運動を起こした場合、上記対向磁
極でズレを生ずる。このとき、磁束が変化するが、同時
にズレを元に戻す復元力が働く。この復元力はローリン
グ運動を減少する方向に働くため、受動的にローリング
運動の制御が行われることになる。

第１３図においても同様の効果が生ずる。レール４の磁
極８′相互の間には、非磁性部材９が嵌装されている。

さらに、磁極の端面は凹凸状に形成されており、ローリ
ング運動に対するズレが大きいため、復元力は一層大き
くなる。

なお、第１４図に示すようにヨーイング、ピッチング運
動の制御の場合、制御信号を得るためのセンサの検知面
としてレール面を利用するときは、この非磁性体を、セ
ンナＳ１〜Ｓ４　に対向する４個のものだけとしてもそ
れで十分である。

レール４に磁極を形成するとき、形状が複雑になるので
珪素鋼板の積層構造とするのが有利である。

また、これらの永久磁石をサマリウム、コバルト等のＢ
Ｈ積の大きい希土類コバルト系磁石で形成すると、強い
磁力が得られて有利である。

〔発明の効果〕

上記のように構成されているので、本発明は下記のよう
な効果を奏するものである。すなわち、 Ｌ　従来の磁気浮上スライドが最低５個のセンサを必要
としたのに対し、４個（第５図）のセンサで間に合う（
第６図では５個）。

２　またセンサ検知面、ヨーイング、ピッチング制御電
磁石の吸引面を円柱面で形成したので、製作が容易であ
る。

λ　永久磁石をローリング運動制御用に採用しているた
め、重力方向の負荷容量が増大できる。

表　さらにまた、ただ単に重力との釣り合いで支持する
のではなく、Ｍｘ９ＭＹに定常的に電流を流して使用す
れば、Ｍｘ’、Ｍτ′に流れる定常電流も増加し、よっ
て、ヨーイング、ピッチングに対し、高剛性を実現する
ことができる。

＆　また、レール中心をテーブル重心と同じ位置に選ん
だ場合、テーブルはレール中心に関して自由に回転する
ことができるので、ヨーイング、ピッチング運動を完全
に制御するならげ、ローリング運動のみを分離して制御
でき、このローリング運動は前述のように簡単な構造で
容易に制御できるゆえ、制御系全体を複雑化することな
く構成することができる。

＆　可動体テーブルはその下方に凸部が設けられている
ため、テーブルのヨーイング、ピッチング制御軸中心周
りの慣性モーメントを大きく取ることができ、残りのヨ
ーイング運動に対する制御が容易となる。そして、ヨー
イング運動の制御も僅かの力で制御が可能である。また
センサを凸部の先端に設けることにより、センサの感凝
が高くなジ、ローリング運動の制御の安定性向上の利点
がある。

７、　レール側の磁極を独立のものとすることにより、
復元力を一層増大することができる。

また磁極面に凹凸を設けることにより、その効果は一層
大きいものとなる。

等の著しい効果を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明実施例の斜視図。第２図は同じく横断側
面図。第３図ａ、ｂはローリング制御用永久磁石の配置
を示すテーブル下面図。第４図は同じくベース上面図。 第５図はセンナの配置を示す本発明実施例の横断面図。 第６図〜第８図はローリング制御用の永久磁石または制
御型磁気軸受を備えた本発明実施例の横断面図。 第９図〜第１１図はローリング制御用のテーブル下面の
凸部と前記凸部およびベースに永久磁石または制御型磁
気軸受を備えた実施例の横断面図。第１２図はガイドレ
ールがローリング制御用の構造を備えた実施例の横断面
図。第１３図は磁極の構造をさらに改善したものの部分
拡大図。 第１４図は第１３図の変形を示す横断面図。第１５図は
剛体の運動を説明するための柱状モデルの斜視図。第１
６図は従来装置の横断面図。第１７図は第１５図の装置
の斜視図。第１８図は可動体テーブルのピッチング制御
方法を説明するための縦断面図。第１９図は可動体テー
ブルのローリング制御方法を説明するための横断面図。 第１図は可動体テーブルのヨーイング運動を説明するた
めの平面図。第２１図は電磁石のヨーイング制御作用を
説明する可動体テーブルの部分横断面図。 第２２図は複雑なヨーイング制御装置を備えた可動体テ
ーブルの斜視図。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ガイドレールと、吸引力の調節可能な電磁石を具え
   、前記ガイドレールに沿つて移動する可動体テーブルと
   より成り、前記電磁石の吸引力を調節して前記テーブル
   と前記ガイドレールとの相対位置を制御するようにした
   制御型磁気浮上スライドにおいて、前記ガイドレールが
   前記テーブルの中央部を貫通する円柱形ガイドレールで
   あり、前記吸引力の調節可能な電磁石が、テーブルの移
   動方向に離して設置され、そのピッチングおよびヨーイ
   ングを制御する、２個以上のそれぞれ前記円柱状ガイド
   レールと同心のモータ状電磁石であることを特徴とする
   磁気浮上スライド。 ２、前記ピッチング、ヨーイング制御用電磁石の極配置
   が、重力方向がその制御軸方向の２等分線になるような
   極配置にされた、特許請求の範囲第１項記載の磁気浮上
   スライド。 ３、前記テーブルが、ローリング運動を制御する２つ以
   上の反発型永久磁石磁気軸受を備えた、特許請求の範囲
   第１項記載の磁気浮上スライド。 ４、前記テーブルが、さらに一対以上の能動型ローリン
   グ運動制御用磁気軸受を備えた、特許請求の範囲第３項
   記載の磁気浮上スライド。 ５、可動体テーブルが、その下面中央に方形の凸部を備
   えることにより重心周りの慣性モーメントを増大した、
   特許請求の範囲第１項記載の磁気浮上スライド。 ６、前記方形の凸部が、ローリング運動を制御する反発
   型永久磁石磁気軸受を備えた、特許請求の範囲第５項記
   載の磁気浮上スライド。 ７、前記方形の凸部が、さらに能動型ローリング運動制
   御用磁気軸受を備えた、特許請求の範囲第６項記載の磁
   気浮上スライド。 ８、前記ガイドレールが、前記可動体テーブルの調節可
   能な電磁石と協働する磁極を備えた、特許請求の範囲第
   １項記載の磁気浮上スライド。 ９、前記ガイドレールおよび前記可動テーブルの各磁極
   の対向する面がそれぞれ多数の凹凸を形成された、特許
   請求の範囲第８項記載の磁気浮上スライド。 １０、上記永久磁石が希土類コバルト系永久磁石である
   、特許請求の範囲第３項、第４項、第６項または第７項
   のいずれか１項に記載の磁気浮上スライド。