(57)【要約】  浮上モータ固定子を、連結して使用できるユニットとし、連結数を変えることによってユーザーがストロークを任意に選択できる磁気浮上システムを提供する。  制御対象に取り付けられて前記制御対象に浮上力を発生させるための浮上アクチュエータ可動子(12)と、前記制御対象の動作時の反力を受ける固定または可動構造体に取り付けられる浮上アクチュエータ固定子(13)とを備え、前記浮上アクチュエータ固定子(13)は、推進方向に連結できる浮上アクチュエータ固定子ユニット(20)〜(23)から構成され、前記浮上アクチュエータ固定子ユニット(20)〜(23)は、前記浮上アクチュエータ可動子(12)との間に浮上力を発生するためのコイル(302)と鉄心(301)とを備え、複数の前記浮上アクチュエータ固定子ユニット(20)〜(23)を前記推進方向に連結した際、前記鉄心(301)が隙間無く連続するように、前記鉄心(301)の先端部の長さを前記コイル(302)の両端の長さよりも長いかまたは同じ長さとするものである。
2009031371.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御対象に取り付けられて前記制御対象に浮上力を発生させるための浮上アクチュエータ可動子と、前記制御対象の動作時の反力を受ける固定または可動構造体に取り付けられる浮上アクチュエータ固定子とを備え、前記浮上アクチュエータ固定子は、推進方向に連結できる浮上アクチュエータ固定子ユニットから構成され、前記浮上アクチュエータ固定子ユニットは、前記浮上アクチュエータ可動子との間に浮上力を発生するためのコイルと鉄心とを備え、複数の前記浮上アクチュエータ固定子ユニットを前記推進方向に連結した際、前記鉄心が隙間無く連続するように、前記鉄心の先端部の長さを前記コイルの両端の長さよりも長いかまたは同じ長さとしたことを特徴とする磁気浮上システム。
【請求項２】
前記浮上アクチュエータ固定子ユニットは、前記鉄心の上面の形状が平行四辺形であることを特徴とする請求項１記載の磁気浮上システム。
【請求項３】
前記浮上アクチュエータ固定子ユニットは、前記鉄心の上面の形状が台形であることを特徴とする請求項１記載の磁気浮上システム。
【請求項４】
前記浮上アクチュエータ固定子ユニットは、前記鉄心の連結部の面をＶ字型の面または曲面としたことを特徴とする請求項１記載の磁気浮上システム。
【請求項５】
前記浮上アクチュエータ固定子ユニットは、前記鉄心の上面の連結部となる両端の幅を中央部の幅より広くしたことを特徴とする請求項１記載の磁気浮上システム。
【請求項６】
制御対象に取り付けられて前記制御対象に浮上力を発生させるための浮上アクチュエータ可動子と、前記制御対象の動作時の反力を受ける固定または可動構造体に取り付けられる浮上アクチュエータ固定子と、前記浮上アクチュエータ固定子に流れる電流を制御する電流制御装置と、前記制御対象の位置および姿勢を検出する位置センサと、前記位置センサにより検出された位置および姿勢の情報を用いて前記制御対象が磁気浮上支持されるように前記電流制御器への電流指令を決定するコントローラとを備え、前記浮上アクチュエータ固定子のうちの少なくとも１つは、前記浮上アクチュエータ固定子ユニットを連結したものであることを特徴とする磁気浮上システム。
【請求項７】
前記コントローラは前記浮上アクチュエータ固定子ユニットの数および位置と、前記浮上アクチュエータ可動子位置を入力する入力装置を備え、入力された情報を用いて前記浮上アクチュエータ固定子ユニットそれぞれへの電流指令を生成することを特徴とする請求項６記載の磁気浮上システム。
【請求項８】
前記電流制御器は、連結された複数の前記浮上アクチュエータ固定子ユニットそれぞれに流す電流を独立して制御可能とし、前記位置センサは前記推進方向の位置を検出する前記推進方向位置センサを備え、前記コントローラは、前記推進方向位置をもとに前記浮上アクチュエータ可動子１つにつき１つまたは２つの前記浮上アクチュエータ固定子ユニットを選択し、選択された前記浮上アクチュエータ固定子ユニットのみで制御対象を浮上させるように電流指令を与え、その他の前記浮上アクチュエータ固定子ユニットに対しては電流指令を０とすることを特徴とする請求項６記載の磁気浮上システム。
【請求項９】
制御対象に取り付けられて前記制御対象に浮上力を発生させるための浮上アクチュエータ可動子と、前記制御対象の動作時の反力を受ける固定または可動構造体に取り付けられる浮上アクチュエータ固定子と、前記浮上アクチュエータ固定子に流れる電流を制御する電流制御装置と、前記制御対象の位置および姿勢を検出する位置センサと、前記位置センサにより検出された位置および姿勢の情報を用いて前記制御対象が磁気浮上支持されるように前記電流制御器への電流指令を決定するコントローラとを備え、前記浮上アクチュエータ固定子ユニットは、端効果により前記浮上アクチュエータ固定子ユニット中央部に比べて磁束が小さくなる第１の端効果領域と第２の端効果領域とを備え、前記浮上アクチュエータ固定子ユニットの推進方向長さは、その前記浮上アクチュエータ固定子ユニットとの間に浮上力を発生する複数の前記浮上アクチュエータ可動子の推進方向距離から第１の端効果領域の長さおよび第２の端効果領域の長さを差し引いた長さよりも短いことを特徴とする磁気浮上システム。
【請求項１０】
前記浮上アクチュエータ固定子ユニットは、端効果により前記浮上アクチュエータ固定子ユニット中央部に比べて磁束が小さくなる第１の端効果領域と第２の端効果領域とを備え、前記コントローラは、前記浮上アクチュエータ固定子ユニットの第１の端効果領域の上に前記浮上アクチュエータ可動子がある場合、その前記浮上アクチュエータ固定子ユニットと、その前記浮上アクチュエータ固定子ユニットの第１の端効果領域の側に連結された前記浮上アクチュエータ固定子ユニットとの２つを選択し、前記浮上アクチュエータ固定子ユニットの第２の端効果領域の上に前記浮上アクチュエータ可動子がある場合、その前記浮上アクチュエータ固定子ユニットと、その前記浮上アクチュエータ固定子ユニットの第２の端効果領域の側に連結された前記浮上アクチュエータ固定子ユニットとの２つを選択し、前記浮上アクチュエータ固定子ユニットの第１の端効果領域と第２の端効果領域を除く中央部分の上に前記浮上アクチュエータ可動子がある場合、その前記浮上アクチュエータ固定子ユニットのみを選択し、選択された前記浮上アクチュエータ固定子ユニットのみで制御対象を浮上させるように電流指令を与えることを特徴とする請求項９記載の磁気浮上システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、組み合わせ自在な磁気浮上支持を構成できる磁気浮上システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の磁気浮上システムは、汎用に使えるようにつくられたコントローラやモータがなかったため、制御対象のセンサ構成やアクチュエータ構成に応じて、専用のコントローラやモータを開発していた。
図９において、１１０は制御対象となる多自由度ステージであり、ステージの位置および姿勢を駆動するためのアクチュエータと、位置および姿勢を検出するためのセンサを備えており、センサ信号を出力する。１００は多自由度ステージ制御装置であり、多自由度ステージ１１０のセンサ信号を基にアクチュエータに流す電流を変化させ、多自由度ステージ１１０の位置および姿勢を制御する。多自由度ステージ制御装置は、指令生成器１４０、制御演算器１５０、推力変換演算器１６０、電流指令器１７０、位置演算器１８０、センサ信号変換器１９０よりなる。１４０は指令生成器であり、多自由度ステージの位置および姿勢の指令を与える。位置指令は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の位置と、ロール、ピッチ、ヨーの姿勢とを合わせた６自由度で与える。それぞれ使用者が与える位置決めコマンドを元に制御周期ごとに補完して生成するか、あらかじめ決められた動作を制御周期ごとの位置指令として与える。１９０はセンサ信号変換器であり、センサ信号を受け取り、絶対座標で表したセンサ位置を算出する。１８０は位置演算器であり、センサ信号変換器１９０により算出されたセンサ位置情報を用いて、多自由度ステージ１１０の位置および姿勢を演算する。１５０は制御演算器であり、位置演算器１８０により算出された位置および姿勢を、指令生成器１４０が生成した指令に追従させるように操作量を決定する。操作量とは、具体的には重心位置の並進推力と重心まわりのモーメントなどとする。Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸、ロール、ピッチ、ヨーの６自由度でそれぞれ位置ＰＩＤ制御や、位置ＰＩ制御・速度Ｐ制御のカスケード制御、位置Ｐ制御・速度ＰＩ制御のカスケード制御などとし、フィードフォワード制御や一次遅れフィルタ、ノッチフィルタなどの技術を用いる。指令生成器１４０の生成する指令を速度指令とし、制御演算器１５０は、位置および姿勢の微分に相当する量を算出して、位置および姿勢の微分相当量を指令に追従させるように操作量を決定する速度制御系としてもよい。１６０は推力変換演算器であり、制御演算器１５０が算出した操作量を実現するために各アクチュエータが出すべき推力を算出する。１７０は電流指令器であり、推力変換演算器１６０から受け取った推力指令通りの推力を発生するように多自由度ステージ１１０のアクチュエータ電流を制御する。
位置演算器１８０での演算の内容は、多自由度ステージ１１０のセンサ構成によって異なる。各種センサ構成に対応した多自由度ステージの位置姿勢算出方法が考案されている。（例えば、特許文献１参照）。
次に、図１１のようなアクチュエータ構成の場合について、各アクチュエータの推力指令を算出する方法を以下に説明する。
図１１において、３１乃至３３は推進モータ可動子、３４乃至３６は浮上モータ可動子であり、Ｘ軸方向の力を発生するアクチュエータを１つ、Ｙ軸方向の力を発生するアクチュエータを２つ、Ｚ軸方向の力を発生するアクチュエータを３つ備えたアクチュエータ構成となっている。制御する自由度とアクチュエータの数が一致しているため、この場合の推力変換演算式は以下のように求められる。
重心位置を（ｘＧ、ｙＧ、ｚＧ）、Ｘ軸アクチュエータの位置を（ｘｘ１、ｙｘ１、ｚｘ１）、２つのＹ軸アクチュエータの位置をそれぞれ（ｘｙ１、ｙｙ１、ｚｙ１）、（ｘｙ２、ｙｙ２、ｚｙ２）、３つのＺ軸アクチュエータの位置をそれぞれ（ｘｚ１、ｙｚ１、ｚｚ１）、（ｘｚ２、ｙｚ２、ｚｚ２）、（ｘｚ３、ｙｚ３、ｚｚ３）とする。Ｘ軸アクチュエータの推力をＦｘ１、２つのＹ軸アクチュエータの推力をそれぞれＦｙ１、Ｆｙ２、３つのＺ軸アクチュエータの推力をそれぞれＦｚ１、Ｆｚ２、Ｆｚ３とする。重心位置の並進推力のＸ軸成分、Ｙ軸成分、Ｚ軸成分をそれぞれＦｘ、Ｆｙ、Ｆｚとし、重心まわりのモーメントのＸ軸成分、Ｙ軸成分、Ｚ軸成分をそれぞれＴｘ、Ｔｙ、Ｔｚする。このとき（１）式が成り立つ。【０００３】
2009031371.tif 000003
（１）式は正方行列となっており逆行列を求めることができるため、それをＧとおけば（２）式が得られる。【０００４】
2009031371.tif 000004
【０００５】
推力変換演算器１６０で、（２）式の演算をすることにより多自由度ステージの操作量から各アクチュエータの推力指令を算出できる。
冗長なアクチュエータを持つ図１２のようなアクチュエータ構成の場合についても、推力指令を分配する方法が考案されている（例えば、特許文献２参照）。図１２において、３１乃至３３は推進モータ可動子、３４乃至３７は浮上モータ可動子であり、Ｘ軸方向の力を発生するアクチュエータを１つ、Ｙ軸方向の力を発生するアクチュエータを２つ、Ｚ軸方向の力を発生するアクチュエータを４つ備えたアクチュエータ構成となっている。制御する自由度が６であるのに対し、アクチュエータの数が７つあるため、この場合の推力変換演算式は何らかの拘束条件を与えて求める。例えば特許文献２では、無理な力が作用しないようにする拘束条件を与えている。この他に、疑似逆行列を用いる方法も知られている。
図１０は、図１１や図１２に示す従来のアクチュエータ構成のステージの側面図である。図１０において、７１および７２は浮上モータ固定子であり、浮上モータ可動子２４および２５とそれぞれ対をなして多自由度ステージ１０を浮上させる浮上力を発生する。このように浮上モータ固定子と浮上モータ可動子を１対１で対応させる構成とした場合、推進方向のストロークは、浮上モータ固定子７１および７２の長さによって決定される。
また、磁気浮上支持の制御では、浮上モータ可動子または浮上モータ固定子のいずれかあるいは両方に永久磁石を備えることによって、制御中心点付近で制御対象の重量とちょうど釣り合うような吸引力または反発力を発生させるゼロパワー制御がよく用いられる。これにより消費電力を抑えることができる。図１０は、浮上モータ可動子と浮上モータ固定子との反発力により浮上するような図となっているが、上下を反転した吊り下げ型として吸引力によって浮上支持する構成にすることもでき、浮上モータ可動子または浮上モータ固定子のいずれかをコの字型とすれば制御対象の下にモータがあって吸引力によって浮上支持する構成や、制御対象の上にモータがあって反発力によって浮上支持する構成とすることもできる。
【特許文献１】特開２００６−２０１０９２号公報（第２３頁乃至第２４頁、図１乃至図８）
【特許文献２】特開２００６−７２３９８号公報（第９頁、図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
制御対象を直線的に動かすための機構として、回転型のサーボモータとボールねじを組み合わせた構成が従来からよく使われてきた。しかし、ボールねじは、位置によってねじれ剛性が変わるため制御しにくく、慣性モーメントも大きいため高速な動作が難しかった。また、ロストモーションの問題や、摩擦による発熱・振動・騒音・摩耗などの問題もあった。このような問題点に対して、リニアモータとリニアガイドを組み合わせた構成もよく用いられるようになった。この構成とすることにより問題は大きく改善されるが、リニアガイド部ではやはり接触があるため、ロストモーションの問題や、摩擦による発熱・振動・騒音・摩耗などの問題を完全には解決できない。そこで、上記のような構成では精度や動作速度の要求を満足できないような高性能用途においては、磁気浮上支持の制御が用いられる。磁気浮上支持することにより、リニアガイドやボールねじ駆動に比べて振動・騒音・摩耗がなく、精度やメンテナンス性がよく、高速動作が可能となる。ところが、従来の磁気浮上システムは、汎用性がなく、センサ構成やアクチュエータ構成が異なる制御対象に対しては新たに専用のコントローラやモータを開発しなければならないという問題があった。新たに専用のコントローラやモータを開発する場合には、開発に多くの時間やコストが必要となる。また、ソフトの不具合も生じやすく信頼性が低くなるというような問題もあった。また、従来技術では、浮上モータ固定子と浮上モータ可動子を１対１で対応させる構成となっているため、ストロークを長くするためには固定子を長くする必要があり、あまり長くすると、加工範囲の広い加工装置が必要であったり、巻き線作業など制作が困難になったりする。また、コイルが長くなるため、実際には可動子の付近のみに磁束を生じさせれば充分であるのに、部分的に電流を流すということができないので長いコイル全体に電流を流す必要があり、銅損による消費電力が大きいなどの問題があった。また、図１２のように浮上モータ可動子を４隅に配置する構成とすると、浮上モータ固定子同士が干渉するためにストロークが長くできないという問題があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、浮上モータ固定子を、連結して使用できるユニットとし、連結数を変えることによってユーザーがストロークを任意に選択できる磁気浮上システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１に記載の発明は、制御対象に取り付けられて前記制御対象に浮上力を発生させるための浮上アクチュエータ可動子と、前記制御対象の動作時の反力を受ける固定または可動構造体に取り付けられる浮上アクチュエータ固定子とを備え、前記浮上アクチュエータ固定子は、推進方向に連結できる浮上アクチュエータ固定子ユニットから構成され、前記浮上アクチュエータ固定子ユニットは、前記浮上アクチュエータ可動子との間に浮上力を発生するためのコイルと鉄心とを備え、複数の前記浮上アクチュエータ固定子ユニットを前記推進方向に連結した際、前記鉄心が隙間無く連続するように、前記鉄心の先端部の長さを前記コイルの両端の長さよりも長いかまたは同じ長さとするものである。
また、請求項２に記載の発明は、前記浮上アクチュエータ固定子ユニットは、前記鉄心の上面の形状が平行四辺形であるとするものである。
また、請求項３に記載の発明は、前記浮上アクチュエータ固定子ユニットは、前記鉄心の上面の形状が台形であるとするものである。
また、請求項４に記載の発明は、前記浮上アクチュエータ固定子ユニットは、前記鉄心の連結部の面をＶ字型の面または曲面とするものである。
また、請求項５に記載の発明は、前記浮上アクチュエータ固定子ユニットは、前記鉄心の上面の連結部となる両端の幅を中央部の幅より広くしたとするものである。
また、請求項６に記載の発明は、制御対象に取り付けられて前記制御対象に浮上力を発生させるための浮上アクチュエータ可動子と、前記制御対象の動作時の反力を受ける固定または可動構造体に取り付けられる浮上アクチュエータ固定子と、前記浮上アクチュエータ固定子に流れる電流を制御する電流制御装置と、前記制御対象の位置および姿勢を検出する位置センサと、前記位置センサにより検出された位置および姿勢の情報を用いて前記制御対象が磁気浮上支持されるように前記電流制御器への電流指令を決定するコントローラとを備え、前記浮上アクチュエータ固定子のうちの少なくとも１つは、前記浮上アクチュエータ固定子ユニットを連結したものであるとするものである。
また、請求項７に記載の発明は、前記コントローラは前記浮上アクチュエータ固定子ユニットの数および位置と、前記浮上アクチュエータ可動子位置を入力する入力装置を備え、入力された情報を用いて前記浮上アクチュエータ固定子ユニットそれぞれへの電流指令を生成するとするものである。
また、請求項８に記載の発明は、前記電流制御器は、連結された複数の前記浮上アクチュエータ固定子ユニットそれぞれに流す電流を独立して制御可能とし、前記位置センサは前記推進方向の位置を検出する前記推進方向位置センサを備え、前記コントローラは、前記推進方向位置をもとに前記浮上アクチュエータ可動子１つにつき１つまたは２つの前記浮上アクチュエータ固定子ユニットを選択し、選択された前記浮上アクチュエータ固定子ユニットのみで制御対象を浮上させるように電流指令を与え、その他の前記浮上アクチュエータ固定子ユニットに対しては電流指令を０とするものである。
また、請求項９に記載の発明は、制御対象に取り付けられて前記制御対象に浮上力を発生させるための浮上アクチュエータ可動子と、前記制御対象の動作時の反力を受ける固定または可動構造体に取り付けられる浮上アクチュエータ固定子と、前記浮上アクチュエータ固定子に流れる電流を制御する電流制御装置と、前記制御対象の位置および姿勢を検出する位置センサと、前記位置センサにより検出された位置および姿勢の情報を用いて前記制御対象が磁気浮上支持されるように前記電流制御器への電流指令を決定するコントローラとを備え、前記浮上アクチュエータ固定子ユニットは、端効果により前記浮上アクチュエータ固定子ユニット中央部に比べて磁束が小さくなる第１の端効果領域と第２の端効果領域とを備え、前記浮上アクチュエータ固定子ユニットの推進方向長さは、その前記浮上アクチュエータ固定子ユニットとの間に浮上力を発生する複数の前記浮上アクチュエータ可動子の推進方向距離から第１の端効果領域の長さおよび第２の端効果領域の長さを差し引いた長さよりも短くするものである。
また、請求項１０に記載の発明は、前記浮上アクチュエータ固定子ユニットは、端効果により前記浮上アクチュエータ固定子ユニット中央部に比べて磁束が小さくなる第１の端効果領域と第２の端効果領域とを備え、前記コントローラは、前記浮上アクチュエータ固定子ユニットの第１の端効果領域の上に前記浮上アクチュエータ可動子がある場合、その前記浮上アクチュエータ固定子ユニットと、その前記浮上アクチュエータ固定子ユニットの第１の端効果領域の側に連結された前記浮上アクチュエータ固定子ユニットとの２つを選択し、前記浮上アクチュエータ固定子ユニットの第２の端効果領域の上に前記浮上アクチュエータ可動子がある場合、その前記浮上アクチュエータ固定子ユニットと、その前記浮上アクチュエータ固定子ユニットの第２の端効果領域の側に連結された前記浮上アクチュエータ固定子ユニットとの２つを選択し、前記浮上アクチュエータ固定子ユニットの第１の端効果領域と第２の端効果領域を除く中央部分の上に前記浮上アクチュエータ可動子がある場合、その前記浮上アクチュエータ固定子ユニットのみを選択し、選択された前記浮上アクチュエータ固定子ユニットのみで制御対象を浮上させるように電流指令を与えるものである。
【発明の効果】
【０００８】
請求項１に記載の発明によると、アクチュエータ固定子ユニットの連結部でも一様な浮上力を発生させることができ、浮上制御精度が向上する。
また、請求項２乃至４に記載の発明によると、隣接するアクチュエータ固定子ユニットを２つ同時に励磁した際にアクチュエータ固定子ユニットの連結部で滑らかに連続する磁場を発生させることができ、浮上制御精度が向上する。
また、請求項５に記載の発明によると、 アクチュエータ固定子ユニットを単独で励磁した際にアクチュエータ固定子ユニットの両端部付近でも端効果の影響を小さくでき、一様な浮上力を発生させることができ、浮上制御精度が向上する。
また、請求項６に記載の発明によると、アクチュエータ固定子が複数個に分割されたユニットとなっているため、ユーザーが所望のストロークに合わせて自由に連結して使用することができる。
また、請求項７に記載の発明によると、 それぞれのアプリケーションごとに専用のコントローラを開発する必要が無く、アクチュエータ固定子ユニットの数などを入力して用いることができ、コントローラの汎用性を高めることができる。
また、請求項８乃至請求項１０に記載の発明によると、使用する浮上アクチュエータ固定子ユニットを減らして消費電力や発熱を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１実施例を示す磁気浮上システムの全体構成図
【図２】本発明の第１実施例を示す磁気浮上システムの側面図
【図３】本発明の第２実施例の浮上モータ固定子ユニットの形状を示す側面図
【図４】本発明の第２実施例の浮上モータ固定子ユニットの形状を示す上面図
【図５】本発明の第１実施例の浮上モータ固定子ユニットの連結部の定義を示す側面図
【図６】本発明の浮上モータ固定子ユニットによりつくられる磁場を表す説明図
【図７】本発明の浮上モータ固定子ユニットによりつくられる磁場を表す説明図
【図８】本発明の浮上モータ固定子ユニットによりつくられる磁場を表す説明図
【図９】従来の多自由度ステージ制御装置の演算内容を示すブロック図
【図１０】従来の多自由度ステージの構成を示す側面図
【図１１】従来の多自由度ステージのアクチュエータ構成図１
【図１２】従来の多自由度ステージのアクチュエータ構成図２
【符号の説明】
【００１０】
１０  多自由度ステージ
１１  推進モータ可動子
１２  浮上モータ可動子
１３  浮上モータ固定子ユニット
１４  コントローラ
１５  電流制御装置
２０  浮上モータ固定子ユニット
２１  浮上モータ固定子ユニット
２２  浮上モータ固定子ユニット
２３  浮上モータ固定子ユニット
２４  浮上モータ可動子
２５  浮上モータ可動子
２６  連結固定機構
２７  固定構造体
２８  第１の端効果領域
２９  第２の端効果領域
４０  浮上モータ固定子ユニット中央部
４１  連結部
３０１  鉄心
３０２  コイル
１００  多自由度ステージ制御装置
１１０  多自由度ステージ
１４０  指令生成器
１５０  制御演算器
１６０  推力変換演算器
１７０  電流指令器
１８０  位置演算器
１９０  センサ信号変換器
３１  推進モータ可動子
３２  推進モータ可動子
３３  推進モータ可動子
３４  浮上モータ可動子
３５  浮上モータ可動子
３６  浮上モータ可動子
３７  浮上モータ可動子
７１  浮上モータ固定子
７２  浮上モータ固定子
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【実施例１】
【００１２】
図１は、本発明の第１実施例を示す磁気浮上システムの全体構成図である。図において、１０は鉛直方向を磁気浮上支持され、推進方向に移動する制御対象であり、本実施例では、ユーザーが設計した多自由度ステージである。１１は推進モータ可動子であり、図示しない推進モータ固定子との間に推進方向の推力を発生する。図は、推進方向左右にモータを１つずつ配置した例である。１２は浮上モータ可動子であり、図は、制御対象１０の四隅に配置した例である。１３は浮上モータ固定子ユニットであり、推進方向に複数個連結することでユーザーがストロークを自由に設計できる。本実施例では、浮上アクチュエータとして、ボイスコイルモータを用いた場合を想定して記述するが、他にもリラクタンス型のモータや静電モータなど一般に知られている様々なアクチュエータが使用できる。左右方向についても同様に連結し、タイル状に敷き詰めることで水平２方向に移動可能としてもよい。図は、推進方向左右に４個ずつのモータ固定子ユニットを配置した例である。１４はコントローラであり、図示しない位置センサによって検出された制御対象の位置および姿勢の情報を用いてフィードバック制御し、制御対象が磁気浮上支持されるように電流指令を決定する。この制御をするためには各アクチュエータの位置情報が必要であるが、本発明ではモータをユニット化し、ユーザーが自由に配置できるようにしているため、コントローラ１４はそれらの位置情報を入力するための入力装置を備えている。特に、本発明では浮上モータ固定子ユニット１３を推進方向に連結して用いるため、ユニットそれぞれの位置情報を入力しておく。あるいは、１つのモータ固定子ユニットの長さＬをあらかじめコントローラのメモリ上に保持しておけば、左右の浮上モータ可動子１つずつの位置（ｘ１、ｙ１）、（ｘ２、ｙ２）と連結数を入力するだけで、例えば１つ前方のユニットの位置は（ｘ１、ｙ１＋Ｌ）、（ｘ２、ｙ２＋Ｌ）として得ることができる。コントローラは、３つ以上の浮上モータ可動子を配置することにより、浮上方向の位置や、ロール角、ピッチ角を制御できるため、常に一定のギャップで水平の状態を保っておくだけでなく、位置や姿勢それぞれの指令を与え、浮上位置やロール角、ピッチ角の姿勢を指令に追従させるように制御をしてもよい。１５は電流制御装置であり、コントローラ１４から電流指令を受け取って各浮上モータ固定子ユニット１３に流れる電流を制御する。図示していないが、浮上方向と推進方向の両方に直交する左右方向位置についても、永久磁石の反発力を利用して非接触支持するか、他のアクチュエータを用意して制御するか、浮上モータ固定子ユニット１３を縦置きにした列を追加で配置して制御してもよい。あるいは、浮上方向のモータは、浮上力を発生させる際に左右方向の位置のずれを戻す作用もあるため、この作用を用いれば、左右方向位置を支持または制御するアクチュエータや永久磁石を配置しなくてもよい。
次に、図２を用いて各浮上モータ固定子ユニットへの電流指令の与え方を説明する。図は、図１と同じ構成の浮上制御システムを側面から見た図である。２０乃至２３は連結された浮上モータ固定子ユニットである。２４および２５は浮上モータ可動子である。手前のもののみ図示しているが、これらは左右に２列あり、同様の動作をする。２７は固定構造体であり、多自由度ステージ１０が動いたときの反力を受ける構造体である。床面に固定しておくか、あるいは反力を床面に伝えないよう、受けた反力で移動するカウンタマスとしても良い。２６は連結固定機構であり、浮上モータ固定子ユニットを連結して固定できるようにするための機械的な機構である。本実施例では、単に固定構造体２７に対してボルトで固定するための穴である。固定構造体２７のタップの間隔は浮上モータ固定子ユニットが隙間無く連結されるように決定する。連結固定機構は、浮上モータ固定子ユニット同士を固定するような機構を持たせてもよい。今、図のように多自由度ステージ１０の浮上モータ可動子２５が浮上モータ固定子ユニット２３の上にあり、浮上モータ可動子２４が浮上モータ固定子ユニット２１と浮上モータ固定子ユニット２２との連結部の上にあるとする。このとき、浮上モータ固定子ユニット２０に電流を流しても多自由度ステージ１０にはほとんど影響しないため、電流指令は０としておく。浮上モータ可動子２５に発生する浮上力は浮上モータ固定子ユニット２３のコイルに流れる電流によって制御できる。一方、浮上モータ可動子２４は固定子ユニットの連結部の上にいるので、浮上モータ固定子ユニット２１および２２の２つを用いて浮上力を制御する。浮上モータ固定子ユニット１つのコイルによって発生する磁束は、中央付近では一様になるように設計するが、両端では端効果により磁場が弱まるため、このように２つのユニットを用いることによって連結部でも連続した一様な磁場を得ることができる。このときどの程度一様な磁場が得られるかは、浮上モータ固定子ユニットの形状によって異なる。この形状については実施例２で述べる。ここで、図５を用いて連結部の一例を説明する。図５は図２の中央付近を抜き出した図である。図のように、端効果により浮上モータ固定子ユニット中央部４０に比べて磁束が小さくなる両端部分のうちの一方を第１の端効果領域２８、他方を第２の端効果領域２９と定義する。浮上モータ固定子ユニット２１、２２が推進方向について対称形であれば第１の端効果領域２８と第２の端効果領域２９の長さは同じになる。浮上モータ固定子ユニット２１と浮上モータ固定子ユニット２２が図のように連結されているとき、浮上モータ固定子ユニット２１の第２の端効果領域２９と浮上モータ固定子ユニット２２の第１の端効果領域２８を合わせた領域を浮上モータ固定子ユニット２１と浮上モータ固定子ユニット２２との連結部４１と定義する。図では、浮上モータ可動子２４の中央が連結部４１の上にいるので、浮上モータ固定子ユニット２１および２２の２つを用いて浮上力を制御する。ここで、図６から図８を用いて浮上モータ固定子ユニットのつくる磁場について説明する。浮上モータ固定子ユニット２１と浮上モータ固定子ユニット２２は同じ構造で、左右対称であるとする。また、これらとの間に力を発生する浮上モータ可動子は、下面をＮ極とする永久磁石を持っているものとする。この場合、浮上モータ固定子ユニットの上面にＮ極を生じるように電流を流せば反発力が発生し、逆にＳ極を生じるように電流を流せば吸引力が発生する。この力をマグネット力と呼ぶ。また、浮上モータ可動子が透磁率の高い鉄心を含む場合は、固定子ユニットに流す電流の向きにかかわらず吸引力が発生する。この力をリラクタンス力と呼ぶ。マグネット力とリラクタンス力との和が実際の浮上力となる。これらの力の大きさは、浮上モータ固定子ユニットがつくる磁場の垂直方向成分によって決まる。図６の点線は、浮上モータ固定子ユニット２１のみに電流を流した場合に、浮上モータ固定子ユニット２１の上部に発生する磁場の垂直方向成分を示したものである。浮上モータ固定子ユニット２１によって発生する磁束は、中央付近では遠方までほぼまっすぐ上方に伸びるが、両端部では磁束が左右に広がるような経路を通る。そのため、磁場の垂直方向成分は、中央付近では均一になるが、第１の端効果領域２８および第２の端効果領域２９の上部では弱まる。そのため、端効果領域では所望の浮上力を得ることができない。図７の点線は、浮上モータ固定子ユニット２２のみに同じ電流を流した場合に、浮上モータ固定子ユニット２２の上部に発生する磁場の垂直方向成分を示したものである。図６と同様に、両端では磁場が弱まる。図８の点線は浮上モータ固定子ユニット２１と浮上モータ固定子ユニット２２の両方に同じ電流を流した場合に、浮上モータ固定子ユニット２１の上部に発生する磁場の垂直方向成分を示したものである。図のように、浮上モータ固定子ユニット２１の第２の端効果領域２９と浮上モータ固定子ユニット２２の第１の端効果領域２８で発生する磁場は、互いに補い合い、ほぼ均一になる。その結果、浮上力も所望の通りに発生させることができる。図２に戻り、多自由度ステージ１０が推進方向（図の左方向）へ移動していく場合、浮上モータ可動子２４がある程度浮上モータ固定子ユニット２１の中央に近づけば、端効果の影響が小さくなり、モータ固定子ユニット２１の発生する浮上力のみで一様な磁場が得られ、所望の浮上力を発生できるため、浮上モータ固定子ユニット２２への電流指令を０とする。さらに多自由度ステージが推進方向に進み、浮上モータ可動子２５が浮上モータ固定子ユニット２２と浮上モータ固定子ユニット２３との連結部に近づいたら、浮上モータ固定子ユニット２２および２３の２つを用いて浮上モータ可動子２５に発生する浮上力を制御する。さらに多自由度ステージが推進方向に進み、浮上モータ可動子２５が浮上モータ固定子ユニット２２の中央に近づけば、浮上モータ固定子ユニット２３への電流指令を０とする。さらに多自由度ステージが推進方向に進み、浮上モータ可動子２４が浮上モータ固定子ユニット２０と浮上モータ固定子ユニット２１との連結部に近づいたら、浮上モータ固定子ユニット２０および２１の２つを用いて浮上モータ可動子２４に発生する浮上力を制御する。このように、多自由度ステージの位置に応じて電流を流す浮上モータ固定子ユニットを選択し、浮上モータ可動子１つにつき１つまたは２つの浮上モータ固定子ユニットを選択し、選択された浮上モータ固定子ユニットのみで制御対象を浮上させるように電流指令を与え、その他の浮上モータ固定子ユニットに対しては電流指令を０とすることによって、消費電力を抑えることができる。このような制御を行うためには、図のように浮上モータ可動子間の距離よりも浮上モータ固定子ユニット１つの長さが短くなっている必要がある。仮に同じ長さであるとすると、浮上モータ可動子が同時に連結部にさしかかり、浮上モータ可動子２４と浮上モータ可動子２５に働く浮上力を独立して制御することが難しくなる。また、端効果の影響を受けないように連結部では２つの浮上モータ固定子ユニットを用い、浮上モータ固定子ユニットの中央部では１つの浮上モータ固定子ユニットを用いるような制御をするためには、モータ固定子ユニットの推進方向長さは、浮上モータ可動子２４と浮上モータ可動子２５との距離から第１の端効果領域２８の長さおよび第２の端効果領域２９の長さを差し引いた長さよりも短くなければならない。さもないと、浮上モータ可動子２４が浮上モータ固定子ユニット２１の第２の端効果領域２９を通り過ぎて中央部に入る前に浮上モータ可動子２５が浮上モータ固定子ユニット２３の第１の端効果領域２８に入ってしまい、浮上モータ固定子ユニット２２は、浮上モータ可動子２４と浮上モータ可動子２５を同時に制御することはできないため、上述の制御が実現できない。
本発明が従来技術と異なる部分は、浮上モータ固定子を分割されたユニットとし、ユーザーが所望のストロークに合わせて自由に連結して使用できるようにした部分と、コントローラにモータ固定子ユニットの数および位置とモータ可動子位置を入力する入力装置を備えた部分と、モータ可動子１つにつき１つまたは２つのモータ固定子ユニットを選択し、選択されたユニットのみで浮上させるように電流指令を与え、その他のユニットに対しては電流指令を０とするようにした部分である。
【実施例２】
【００１３】
次に、図３を用いて浮上モータ固定子ユニットの形状について説明する。図３で、３０２はコイルであり、電流を流すと浮上方向の磁束を発生する。３０１は鉄心であり、コイル３０２の発生した磁束の漏れを減らし、強い浮上力を発生させるためのものであり、鉄損を少なくするために珪素鋼板を積層したものなどが用いられる。通常の浮上モータ固定子は、ほぼ直方体の形状であり、連結して用いようとしても周囲に巻かれたコイルが干渉し、隣接する鉄心間に隙間ができてしまう。隙間部分では磁気抵抗が大きく、磁束が通過しにくいため、連結部で磁束が弱まり、所望の浮上力を得ることが難しくなる。本発明では、図のように鉄心３０２の先端部の長さをコイル３０２の両端の長さよりも長いかまたは同じ長さとする。これにより、モータ固定子ユニットを連結させたとき、鉄心部の上面を接触させることができ、連結部でも中央付近とほぼ同程度の磁気抵抗となるため、連結部までほぼ均等な密度で磁束が分布するようになる。その結果、隣接するモータ固定子ユニットを同時に励磁した際、連結部でもほぼ一様な磁場が得られ、浮上力が低下することなく固定子を連結することができる。
図３は側面から見た図であるが、さらに、それと直角な別の側面から見た場合も同様に鉄心先端部の長さがコイルの両端の長さより長いか同じ長さとしてもよく、そのような形状の浮上モータ固定子ユニットをタイル状に敷き詰めることにより、平面上の磁気浮上支持をすることも可能である。
また、図４は連結された浮上モータ固定子ユニットを上面から見た形状の例を示す図である。前述のように、図３のような構造とすることにより連結部でも磁場は大幅に均一化されるが、それでも多少磁場が弱まる場合がある。上面から見た鉄心の形状は、図４(a)に示すような長方形である必要はなく、(b)のような平行四辺形や(c)のような台形としてもよい。このような形状とすることにより、連結部の磁場の変化が分散され、隣接するモータ固定子ユニットを同時に励磁した際、連結部でもほぼ一様な磁場が得られ、浮上力が低下することなく固定子を連結することができる。また、凹凸のある(d)のようなＶ字型の面や(e)のような曲面としてもよい。このような形状とすることにより、上述した効果の他に、連結されたユニットを固定する際に位置決めが容易になり、また、構造上も特に横からの力に強くなるという利点もある。また、(f)のように、両端の幅を広くしてもよい。このような形状とすることにより、磁束密度が弱まった分、磁路の面積を増やして中央付近と同等の磁束を発生させることができる。この効果により、特に浮上モータ固定子ユニット１つのみ励磁した場合の端効果の影響を減らすことができる。また、これと(b)から(e)を組み合わせ、両端の幅を広くし、連結面を(b)から(e)のような形状としてもよい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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