(57)【要約】  磁気軸受装置および係る装置の操作方法を提供する。該装置は電磁アクチュエータ（４１１、４１２、４１３、４１４）のグループ（４１０）からなる。各アクチュエータは増幅ユニット（７０１）に電気的に接続される。第一のサブグループのアクチュエータは第一の共通ノード（６０８）に接続され、第二のサブグループのアクチュエータは第二の共通ノード（６０９）に接続される。該共通ノード（６０８、６０９）は直接または追加アクチュエータのような手段により接続される。該共通ノード（６０８、６０９）は増幅ユニットとの追加電気接続を行わないのが好ましい。本発明の特別実施形態によれば、アクチュエータの各サブグループは１つの単一アクチュエータのみからなり、共通ノードは増幅器との電気接続が行われる。このように、該装置は直列構成でＨ−ブリッジに接続された２つのアクチュエータからなる。共通ノードは２種類の電圧のどちらに接続してもよい。本発明により、ワイヤーの負荷要求を増やすことなく簡易配線が可能となる。【選択図】図７
2008501909.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
増幅ユニット（６０１、７０１、１００１、１２０１、１６０１、１７０１、１８０１）と、物体（１０１、１１０１）の多自由度を制御する電磁アクチュエータの少なくとも１つのグループ（４１０、８１０、１１１０）とからなり、前記グループ（４１０、８１０、１１１０）におけるアクチュエータの数は少なくとも３つであり、アクチュエータの前記グループにおける各アクチュエータは電流を前記アクチュエータに供給するための第１と第２のポートとを有し、アクチュエータの前記グループにおける各アクチュエータの該第１のポートは前記増幅ユニットに接続される、物体を磁気的に支持する磁気軸受装置（１００、１１００）において、
−  アクチュエータの前記グループはアクチュエータの第１のサブグループと第２のサブグループに分けられ、該第１のサブグループにおける各アクチュエータの該第２のポートは第１の共通ノード（６０８）に接続され、そして該第２のサブグループにおける各アクチュエータの該第２のポートは第２の共通ノード（６０９）に接続され、
−  前記第１の共通ノード（６０８）と前記第２の共通ノード（６０９）とはノード接続手段により電気的に接続され、
−  前記共通ノードのいずれかと前記増幅ユニット間には追加電気接続がないか、または１つ以上の追加電気接続（６０６）が前記第１および／または前記第２の共通ノードと前記増幅ユニット（６０１、７０１、１００１、１２０１、１６０１、１７０１）との間に存在する場合には、前記増幅ユニット（６０１、７０１、１００１、１２０１、１６０１、１７０１）は、前記追加電気接続（６０６）を流れる全電流の絶対値の合計が必ずアクチュエータの前記グループにおける全アクチュエータを流れる全電流の絶対値の合計より低くなるように前記アクチュエータを流れる前記電流を制御する手段からなることを特徴とする、磁気軸受装置。
【請求項２】
前記第１と第２の共通ノードが互いに直接接続されるか、または前記ノード接続手段がコイルまたはそれ以上の電磁アクチュエータからなることを特徴とする、請求項１に記載の磁気軸受装置。
【請求項３】
前記増幅ユニット（６０１、７０１、１００１、１２０１、１６０１、１７０１）は、前記ノード接続手段を流れる電流がいずれも所定の方向にのみ流れるように前記アクチュエータを流れる前記電流を制御する手段からなることを特徴とする、請求項１または２に記載の磁気軸受装置。
【請求項４】
アクチュエータの前記グループの各アクチュエータは磁気抵抗型アクチュエータ（２０１、２０２、２０３）であることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の磁気軸受装置。
【請求項５】
前記第１のサブグループにおける各アクチュエータの前記第１のポートは第１の極性で前記増幅ユニットに接続され、前記第２のサブグループにおける各アクチュエータの前記第１のポートは該第１の極性とは反対の第２の極性で前記増幅ユニットに接続されることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の磁気軸受装置。
【請求項６】
前記増幅ユニット（６０１、７０１、１００１、１２０１）は、前記第１のサブグループの前記各アクチュエータの各第１のポートを第１の電位レベル（Ｖ０）に選択的に接続し、前記第２のサブグループの前記各アクチュエータの各第１のポートを前記第１の電位レベル（Ｖ０）より低い第２の電位レベル（ＧＮＤ）に選択的に接続するように操作可能な能動スイッチ手段（３０３）からなることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の磁気軸受装置。
【請求項７】
前記増幅ユニット（６０１、７０１、１００１、１２０１）は、一方向電流が前記第２の電位レベル（ＧＮＤ）から前記第１のサブグループにおける前記各アクチュエータの各第１のポートに流れることができるようにする複数の第１のダイオードと、電流が前記第２のサブグループにおける各アクチュエータの各第１のポートから前記第１の電位レベル（Ｖ０）に流れることができるようにする複数の第２のダイオードとからなることを特徴とする、請求項６に記載の磁気軸受装置。
【請求項８】
アクチュエータの前記グループ（４１０）は、第１の方向（＋ｘ）に力を生成する第１のアクチュエータ（４１１）と、該第１の方向とは反対の第２の方向（−ｘ）に力を生成する第２のアクチュエータ（４１２）と、該第１と第２の方向とは異なる第３の方向（＋ｙ）に力を生成する第３のアクチュエータ（４１３）と、該第３の方向とは反対の第４の方向（−ｙ）に力を生成する第４のアクチュエータ（４１４）とからなり、前記第１のサブグループは、前記第１と前記第２のアクチュエータ（４１１、４１２）とからなり、そして前記第２のサブグループは、前記第３と前記第４のアクチュエータ（４１３、４１２）とからなることを特徴とする、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の磁気軸受装置。
【請求項９】
物体（１０１、１１０１）を磁気的に支持する磁気軸受装置（１００、１１００）の操作方法において、前記磁気軸受装置は増幅ユニット（６０１、７０１、１００１、１２０１、１６０１、１７０１）と、該物体（１０１、１１０１）の多自由度を制御する電磁アクチュエータの少なくとも１つのグループ（４１０、８１０、１１１０）とからなり、前記グループ（４１０、８１０、１１１０）におけるアクチュエータの数は少なくとも３つであり、アクチュエータの前記グループにおける各アクチュエータは電流を前記アクチュエータに供給するための第１と第２のポートとを有し、アクチュエータの前記グループにおける各アクチュエータの該第１のポートは前記増幅ユニットに接続され、アクチュエータの前記グループはアクチュエータの第１のサブグループと第２のサブグループに分けられ、該第１のサブグループにおける各アクチュエータの該第２のポートは第１の共通ノードに接続され、該第２のサブグループにおける各アクチュエータの該第２のポートは第２の共通ノードに接続され、前記第一の共通ノードと前記第二の共通ノードとはノード接続手段により電気的に接続され、前記共通ノードと前記増幅ユニット間の追加電気接続（６０６）を流れる全電流の絶対値の合計がゼロまたはアクチュエータの前記グループにおける全アクチュエータを流れる全電流の絶対値の合計より必ず低くなるように前記アクチュエータに電流が供給されることを特徴とする、操作方法。
【請求項１０】
前記増幅ユニット（６０１、７０１、１００１、１２０１、１６０１、１７０１、１８０１）からアクチュエータの前記第１のサブグループを経て前記第１の共通ノードに流れる電流の合計がその符号を変えないように前記電流が前記アクチュエータに供給されることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記磁気軸受装置は、ｐ≧１であり、ｍ多自由度を制御する合計ｎ多アクチュエータを有するアクチュエータのｐ多グループからなり、アクチュエータの各グループのアクチュエータは共通ノードに接続される方法において、前記方法は、
・  複数のセンサ信号を供給するステップと、
・  前記センサ信号に基づいて一連のｍ制御信号を導出するステップと、
・  前記制御信号から一連のｎ一般化力値を導き出して前記アクチュエータを駆動するステップとからなり、
一連のｎ一般化力値を導き出す前記ステップは、
・  その行列要素がアクチュエータの幾何学的配置および物理的特性を記述する幾何行列
【数１】
2008501909.tif 000093
を求めるステップと、
・  その行列要素がアクチュエータと前記各共通ノードとの接続を記述するノード行列
【数２】
2008501909.tif 000094
を求めるステップと、
・  その行列要素が追加境界条件を記述するバイアス行列
【数３】
2008501909.tif 000095
を求めるステップと、
・  幾何行列
【数４】
2008501909.tif 000096
、バイアス行列
【数５】
2008501909.tif 000097
、およびノード行列
【数６】
2008501909.tif 000098
から二次可逆システム行列
【数７】
2008501909.tif 000099
を形成するステップと、
・  前記システム行列
【数８】
2008501909.tif 000100
を反転させて逆システム行列
【数９】
2008501909.tif 000101
を求めるステップと、
・  前記逆システム行列
【数１０】
2008501909.tif 000102
に、前記ｍ制御信号、前記共通ノードからの電流を記述するｐ追加番号、および前記追加境界条件に属する（ｎ−ｍ−ｐ）多追加番号の値を含む列ベクトルを乗算して、前記一般化力値を含むｎ行を有する列ベクトルを求めるステップとからなることを特徴とする、請求項９または１０に記載の方法。
【請求項１２】
増幅ユニット（１９０１）とペアの電磁アクチュエータ（１９１１、１９１２）とからなり、前記各アクチュエータは電流を前記アクチュエータに供給するための第一と第二のポートを有する、物体（１０１、１１０１）を支持する磁気軸受装置（１００、１１００）において、前記第一のアクチュエータの前記第二のポートと前記第二のアクチュエータの前記第一のポートとは共通ノード（１９１０）に接続され、前記第一のアクチュエータ（１９１１）の前記第一のポート、前記第二のアクチュエータ（１９１２）の前記第二のポート、および前記共通ノード（１９１０）のそれぞれは前記増幅ユニット（１９０１）に接続され、そして前記増幅ユニットは電流を第一の所定の方向の前記第一のアクチュエータ（１９１１）の前記第一のポート、前記第一の所定の方向とは反対の第二の所定の方向の前記第二のアクチュエータ（１９１２）の前記第二のポート、および前記方向のいずれかの前記共通ノード（１９１０）に供給するようになっていることを特徴とする、磁気軸受装置。
【請求項１３】
前記増幅ユニットは第一と第二の電位レベル間に供給されるＨ−ブリッジ回路からなり、前記第一のアクチュエータの前記第一のポートは前記Ｈ−ブリッジ回路の第一の分岐に接続され、前記第二のアクチュエータの前記第二のポートは前記Ｈ−ブリッジ回路の第二の分岐に接続され、そして前記共通ノードは前記共通ノードと前記第一または前記第二の電位レベルとを交互に接続する働きをするスイッチ手段に接続されることを特徴とする、請求項１２に記載の磁気軸受装置。
【請求項１４】
・  前記第一のアクチュエータの前記第一のポートから流れる所定のバイアス電流を前記第二のアクチュエータの前記第二のポートに供給するステップと、
・  所望の位置から前記物体の一部の変位を求めるステップと、
・  前記増幅ユニットと前記共通ノード間を流れる電流を変更して、前記所望の位置を復元する働きをする力を生成するステップとからなることを特徴とする、請求項１２または１３に記載の磁気軸受装置の操作方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気軸受装置および係る装置の操作方法に関する。特に、本発明は、請求項１または請求項１２のプリアンブルの特徴を有する磁気軸受装置および請求項９または請求項１４のプリアンブルの特徴を有する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気軸受装置において、物体は電磁的、非接触的に支持される。１自由度以上の物体は、位置または変位センサーを供給し、センサ信号をコントローラに送り込み、該センサ信号を基に制御電流または制御電圧を導出し、これらの電流または電圧を電力増幅器の助けを得て電磁アクチュエータに印加することにより、能動制御される。このようにして、支持対象物体の安定浮揚を実現する。
【０００３】
重要な例として、回転子は磁気軸受装置内で吊るされ、回転子軸を中心に回転する。シャフトの長軸はｚで表され、シャフト軸に垂直に互いに直交する２方向はｘおよびｙで表される。通常、５自由度（自由度が３の並進運動および２の回転運動）が制御される。原理上は、この目的には５つのセンサと同じ数のアクチュエータがあれば十分である。しかしながら、数多くのアクチュエータが用いられることが多く、通常は１０個のアクチュエータを５つのペアにまとめたものが用いられる。
【０００４】
視線運動を制御するには（ｘおよびｙ方向に向かう並進運動および傾斜運動）、通常ｚ軸沿いに上部および下部位置に２つのラジアル軸受ユニットが設けられる。各ラジアル軸受ユニットには、２つのペアのアクチュエータが存在し、±ｘ方向および±ｙ方向におけるシャフトセクションの変位をそれぞれ制御する。同様に、１つのペアのアクチュエータを有する片軸受またはスラスト軸受ユニットが通常存在し、±ｚ方向の変位を制御する。各アクチュエータにバイアス電流を供給して動作基点を設定することができる。
【０００５】
通常、各アクチュエータは２本のワイヤーによって個々の電力増幅器に接続される。この電力増幅器は通常、アクチュエータから除去しやすい別個の増幅ユニットに収容される。上記の例の１０個のアクチュエータの場合、これによって増幅ユニットからかなりの距離を超えたアクチュエータまで合計２０本のワイヤーが必要となる。このように多数のワイヤーを要するため、ケーブルとコネクターに費用がかかり、信頼性にも影響を及ぼしかねない。
【０００６】
従来技術では、配線数を減らすためにさまざまな対策が提案されてきた。
【０００７】
１つの方法として、バイアス電流を供給するのではなく、永久磁石で磁気抵抗型アクチュエータにバイアスをかけることである。永久磁石により、バイアス磁界が得られる。（Ｕｌｂｒｉｃｈ，Ｈ．；Ｗａｎｇ，Ｙ．−Ｘ．；機械工学用途向け磁気アクチュエータの設計。第４回磁気軸受国際シンポジウム会報、チューリッヒ  １９９４、３７７〜３８２頁。）そうすると、各軸受ユニット内の各ペアのアクチュエータを直列で逆極性で接続することが可能となる。アクチュエータを流れる電流により、該ペアの第１のアクチュエータの磁界が増加し、第２のアクチュエータの磁界が減少する。その結果、アクチュエータと増幅ユニット間の所要のワイヤー数を削減することが可能となる。
【０００８】
ワイヤー数を削減する他の方法は、いくつかのアクチュエータ、通常は接地接続に１本の共通帰線を使用することである。１０個のアクチュエータを用いるシステムでは、ワイヤー数をこのように１２本から１１本に削減することができる。しかし、この方法では、共通帰線の負荷要求が他のワイヤーの場合よりずっと高く、従来の配線に比べて配線全体の電力処理能力が高くなることさえある。
【発明の概要】
【０００９】
本発明の目的は、簡易な配線を有する磁気軸受装置を提供することである。特に、本発明の目的は、所定の数のアクチュエータに対するアクチュエータと電力増幅器間の配線をより安価に行うことができる磁気軸受装置を提供することである。
【００１０】
この目的を実現するには、請求項１または請求項１２の特徴を有する磁気軸受装置によって行う。
【００１１】
本発明の更なる目的は、係る磁気軸受装置の改良された操作方法を提供することである。
【００１２】
この目的を実現するには、請求項８または請求項１４の特徴を有する磁気軸受装置の操作方法によって行う。
【００１３】
本発明の第１の側面によれば、物体を磁気的に支持する磁気軸受装置を提供する。該装置は増幅ユニットと物体のｍ多自由度を制御する電磁アクチュエータの少なくとも１つのグループからなる。前記グループにおけるアクチュエータ数は少なくとも３つであり、好ましくは少なくとも４つである。各アクチュエータには電流をアクチュエータに流すための第１と第２のポートがある。各アクチュエータの第１のポートは増幅ユニットに電気的に接続される。アクチュエータのグループは、アクチュエータの第１のサブグループと第２のサブグループに分けられる。該第１のサブグループにおける各アクチュエータの該第２のポートは第１の共通ノードに接続され、該第２のサブグループにおける各アクチュエータの該第２のポートは第２の共通ノード（共通接合、共通接続）に接続される。各共通ノードは各サブグループ内のすべてのアクチュエータに共通のものである。該第１の共通ノードと該第２の共通ノードとはノード接続手段により電気的に接続される。これらの共通ノードには増幅ユニットとの追加電気接続はない（すなわち、アクチュエータを除き、共通ノードと増幅ユニット間を電流が流れることができない）。もう１つの方法として、共通ノードと前記増幅ユニット間には１つまたはそれ以上の追加電気接続（共通帰線と呼ばれる）が存在する。さらにまた、増幅ユニットは追加電気接続を流れるすべての電流の絶対値の合計がアクチュエータのグループ内のすべてのアクチュエータを流れる電流の絶対値の合計よりも必ず低くなるように、好ましくは後者の合計の半分よりも低くなるように、より好ましくはアクチュエータのいずれか１つを流れる電流の最大値（時系列）よりも低くなるように、アクチュエータに電流を供給する手段からなる。
【００１４】
これにより、すべてのアクチュエータを流れる電流の絶対値の合計より常に低い電流を運ぶために追加電気接続を有利に必要な大きさにすることが可能となる。従来技術の配線方式ではこうした設計や操作モードを行うことはできない。
【００１５】
本発明が基盤とすることは、ワイヤーの数を削減し、過度の負荷を運ぶことが可能な帰線を設ける必要のない磁気軸受装置を操作可能とすることを実現することである。係る追加電気接続（共通帰線）が存在する場合は、この接続を好ましくは、アクチュエータのグループ内のアクチュエータのいずれかを流れる最大電流に対応する最大電流を運ぶのに必要な大きさにすることである。このように、共通帰線の仕様は増幅ユニットとアクチュエータ間を結ぶ他のすべてのワイヤーと全く変わらない。その結果、配線がより簡単に、そしてより安価になる。最も好ましくは、共通ノードと増幅ユニット間に追加電気接続がまったく存在しないことである。
【００１６】
一般に、増幅ユニットは、第１のサブグループ内のアクチュエータを流れる（符号付き）電流値の合計の符号が必ず、第２のサブグループ内のアクチュエータを流れる（符号付き）電流値の合計の符号と逆になるようにする手段からなる。したがって、共通帰線における合計電流は少なくとも部分的にキャンセルされる。
【００１７】
「共通ノード」という用語をサブグループ内のすべてのアクチュエータが接続される物理的ポイントとしてではなく、概念として理解することである。アクチュエータのサブグループの第２のポートは、プリント回路基板上の共通ワイヤーや共通導体または何か他の導体のような低オームおよび低インダクタンス接続による接続時には必ず、共通ノードに接続されると理解することである。
【００１８】
第１と第２の共通ノードは互いに直接接続される、すなわち、適正な導電体で接続されるのが好ましい。この場合、概念的には第１と第２の共通ノードからなる１つの単一共通ノードがあるのみである。もう１つの方法として、ノード接続手段をバイアス磁界、またはそれ以上の電磁アクチュエータを生成するコイル、特に、バイアスコイルのような追加負荷で構成してもよい。
【００１９】
増幅ユニットは、ノード接続手段を流れる電流がいずれも所定の方向、すなわち、アクチュエータの各サブグループを流れる電流合計が所定の方向（これらの方向は第１と第２のサブグループとは逆方向である）にのみ流れるように、アクチュエータを流れる電流を制御する手段からなるのが有利である。これにより、例えば、バイアスを効率的にかけることが可能となる。言い換えれば、増幅ユニットは、前記磁気軸受装置の操作中に増幅ユニットからアクチュエータの第１のサブグループを経て第１の共通ノードに流れる電流の合計がその符号を変えないような方法でアクチュエータの前記グループに複数の電流を供給するように操作可能であるのが好ましい。
【００２０】
有利な実施形態では、アクチュエータの前記グループの各アクチュエータは磁気抵抗型アクチュエータである。これらは磁気軸受装置に最も一般的に用いられる型のアクチュエータである。
【００２１】
特定の１実施形態では、前記第１のサブグループにおける各アクチュエータの該第１のポートは第１の極性で増幅ユニットに接続され、該第２のサブグループにおける各アクチュエータの該第１のポートは、該第１の極性とは反対の第２の極性で増幅ユニットに接続される。このような場合、各アクチュエータを流れる電流の方向は固定している。これにより、特に単極性、すなわち、各アクチュエータを流れる電流の方向を変えることができない増幅ユニットを簡単に設計することが可能となる。言い換えれば、増幅ユニットは、増幅ユニットから該第１のサブグループにおける各アクチュエータの該第１のポートまでの各電流が必ず第１の所定方向に流れ、増幅ユニットから該第２のサブグループにおける各アクチュエータの該第１のポートまでの各電流が必ず該第１の所定方向とは反対の第２の所定の方向に、可能であれば小さな残留電流とは別に流れるような方法でアクチュエータの前記グループに複数の電流を供給するように操作可能であるのが好ましい。
【００２２】
本発明の文脈の中で、極性については次のように定義している。接続によって増幅ユニットとアクチュエータ間の接続を流れる電流が特定の所定の方向にだけ生じた場合には、アクチュエータは特定の極性で増幅ユニットに接続されると解釈する。アクチュエータの第１のポートが増幅ユニットに正の極性で接続されるということは、電流が増幅器からアクチュエータを経て共通ノードにこのように特定した方向に流れるということを意味する。それに対応して、負の極性とは、電流が共通ノードからアクチュエータを経て増幅ユニットにこのように特定した方向に流れるということを意味する。
【００２３】
アクチュエータと増幅器および共通ノードとの接続についてこのように定義した極性は、アクチュエータによって生成された磁界の極性（すなわち、方向）とは無関係である。磁界方向は第１または第２のポートのどちらを増幅ユニットに接続するかを選択するか、またはアクチュエータのコイルの巻き方向によって決まる。
【００２４】
増幅ユニットは、該第１のサブグループの各アクチュエータを第１の電位レベルに選択的に接続し、該第２のサブグループの各アクチュエータを該第１の電位レベルより低い第２の電位レベルに選択的に接続するように操作可能な能動スイッチ手段で有利に構成することができる。他の能動スイッチ手段が不要になる。これは、単極性増幅ユニットの具体的な１実施例である。
【００２５】
そうすると、増幅ユニットは、一方向電流が該第２の電位レベルから該第１のサブグループにおける前記各アクチュエータの各第１のポートに流れ、一方向電流が該第２のサブグループにおける各アクチュエータの各第１のポートから該第１の電位レベルに流れることを可能とする複数の第２のダイオードで更に有利に構成される。上記の能動スイッチ手段（例えば、トランジスタ）とは別のスイッチ手段が不要になるが、ダイオードは必要である。
【００２６】
具体的な例は、２つの異なる正と負の方向に力を生成する２つのペアのアクチュエータを有する軸受ユニットからなる磁気軸受装置である。このようなアクチュエータのグループは、第１の方向に力を生成する第１のアクチュエータ、該第１の方向とは反対の第２の方向に力を生成する第２のアクチュエータ、該第１と該第２の方向とは異なる第３の方向に力を生成する第３のアクチュエータ、そして第３の方向とは反対の第４の方向に力を生成する第４のアクチュエータで構成される。さらにまた、該第１のサブグループが該第１と該第２のアクチュエータで有利に構成され、該第２のサブグループが該第３と該第４のアクチュエータで有利に構成される。特に、この接続方式により両方のサブグループに対して簡単にバイアスをかけることが可能となる。
【００２７】
他の有利な配置は、３つのアクチュエータの第１のサブグループと３つのアクチュエータの第２のサブグループ、６つのアクチュエータからなる完全なアクチュエータのグループで構成されるものである。更なる有利な配置は、４つのアクチュエータの第１のサブグループ、４つのアクチュエータの第２のサブグループ、８つのアクチュエータからなる完全なアクチュエータのグループで構成されるものである。
【００２８】
アクチュエータのグループに、反対方向に力を生成するように操作可能な少なくとも１つのペアのアクチュエータが含まれている場合に、このようなペアのそれぞれが同じサブグループに属しているのなら有利である。該ペアを所定のバイアス電流で操作すると、各ペアを流れる電流の合計をもっと簡単に所定の値に保つことができる。
【００２９】
本発明の磁気軸受装置は、更にコントローラと物体の変位を検出する複数のセンサで構成されることが多い。センサはセンサ信号を供給するコントローラに操作可能に接続され、コントローラはセンサ信号に基づいて生成された力信号を増幅ユニットに供給する増幅ユニットに操作可能に接続される。
【００３０】
発明の方法は、物体を磁気的に支持する磁気軸受装置の操作方法である。磁気軸受装置は増幅ユニットと、物体の多自由度を制御する電磁アクチュエータの少なくとも１つのグループとからなり、前記グループにおけるアクチュエータの数は少なくとも３つ、好ましくは少なくとも４つであり、アクチュエータの前記グループにおける各アクチュエータは前記アクチュエータに電流を供給する第１と第２のポートを有し、アクチュエータの前記グループにおける各アクチュエータの該第１のポートは前記増幅ユニットに接続され、アクチュエータの前記グループはアクチュエータの第１のサブグループと第２のサブグループに分けられ、該第１のサブグループにおける各アクチュエータの該第２のポートは第１の共通ノードに接続され、該第２のサブグループにおける各アクチュエータの該第２のポートは第２の共通ノードに接続され、前記第１の共通ノードと前記第２の共通ノードとはノード接続手段により電気的に接続される。この方法では、前記共通ノードと前記増幅ユニット間の追加電気接続を流れる全電流の絶対値の合計がゼロになるように、またはアクチュエータのグループ内の全アクチュエータを流れる全電流の絶対値の合計より必ず低くなるよに、電流がアクチュエータに供給される。
【００３１】
アクチュエータへの電流は、ノード接続手段を流れる電流がいずれも所定の方向にのみ流れるように供給されるのが有利である。言い換えれば、増幅ユニットからアクチュエータの該第１のサブグループを経て第１の共通ノードに流れる電流の合計はその符号を変えないのが好ましい。
【００３２】
有利な１実施形態では、該第１のサブグループにおける全アクチュエータを流れる全電流の絶対値の合計は、所定のバイアス値に等しい。このバイアス値は時間固定することも時間変動することもできるが、個々のアクチュエータの電流よりゆっくりと変動するのが有利である。
【００３３】
本発明の文脈の中で、磁気軸受装置は全体としてｍ多自由度を制御する合計ｎ多アクチュエータを有するアクチュエータのｐ多グループからなる。アクチュエータの１グループにおける各サブグループのアクチュエータは共通ノードに接続される。こうしたことから、本発明の方法は以下のようにすっきりしたやり方で実現することができる。
該方法は、
・  複数のセンサ信号を供給するステップと、
・  前記センサ信号に基づいて一連のｍ制御信号を導出するステップと、
・  前記制御信号から、一連のｎ一般化力値を導出してアクチュエータを駆動するステップと、からなる。
最も簡単な場合は、一般化力値をアクチュエータに供給する電流値としてもよい。一連のｎ一般化力値を導き出すステップは多数の数学ステップからなり、
・  その行列要素がアクチュエータの幾何学配置および物理的特性を記述する幾何行列
【数１】
2008501909.tif 000003
を求めるステップと、
・  その行列要素がアクチュエータと前記共通ノードとの接続を記述するノード行列
【数２】
2008501909.tif 000004
を求めるステップと、
・  その行列要素が追加境界条件を記述するバイアス行列
【数３】
2008501909.tif 000005
を求めるステップと、
・  幾何行列
【数４】
2008501909.tif 000006
、バイアス行列
【数５】
2008501909.tif 000007
、およびノード行列
【数６】
2008501909.tif 000008
から、二次可逆システム行列
【数７】
2008501909.tif 000009
を形成するステップと、
・  前記システム行列
【数８】
2008501909.tif 000010
を反転させて逆システム行列
【数９】
2008501909.tif 000011
を求めるステップと、そして
・  前記逆システム行列
【数１０】
2008501909.tif 000012
に、前記ｍ制御信号、共通ノードからの電流を記述するｐ多追加番号、および前記追加境界条件に属する（ｎ−ｍ−ｐ）多追加番号の値を含む列ベクトルを乗算して、前記一般化力値を含むｎ行を有する列ベクトルを求めるステップとからなるものである。
【００３４】
本発明の第２の側面によれば、物体を磁気的に支持する磁気軸受装置において、増幅ユニットと第１と第２のアクチュエータとからなり、各アクチュエータは第１と第２のポートを有する磁気軸受装置を提供する。該第１のアクチュエータの該第２のポートは該第２のアクチュエータの該第１のポートに接続される。このように、これらのアクチュエータは直列で接続され、共通ノードを共有している。該第１のアクチュエータの該第１のポートと該第２のアクチュエータの該第２のポートと該共通ノードとは増幅ユニットに接続される。該増幅ユニットは電流を第１の所定の方向の該第１のアクチュエータの該第１のポートと、該第１の所定の方向とは反対の第２の所定の方向の該第２のアクチュエータの該第２のポートに供給するようになっている。該共通ノードには双方向電流を供給することができる。つまるところ、これはアクチュエータの各サブグループが１つのアクチュエータのみからなるシステムに相当するものである。
【００３５】
好適な実施形態では、アクチュエータはＨブリッジ回路の２つの出力間を直列構成で接続され、次には、第１と第２の電位レベル（電圧）間を接続され、そして共通ノードは共通ノードを二者択一的に第１の電位レベルまたは第２の電位レベルに接続する働きをするスイッチ手段に接続される。言い換えれば、磁気軸受装置は該第１のアクチュエータの該第１のポートを第１の電位レベルに選択的に接続する第１のスイッチ手段と、該第２のアクチュエータの該第２のポートを該第１の電位レベルより低い第２の電位レベルに選択的に接続する第２のスイッチ手段と、該第１のアクチュエータの該第１のポートを該第２の電位レベルに選択的に接続する第３のスイッチ手段と、該第２のアクチュエータの該第２のポートを該第１の電位レベルに選択的に接続する第４のスイッチ手段と、該共通ノードを該第１の電位レベルに選択的に接続する第５のスイッチ手段と、そして該共通ノードを該第２の電位レベルに選択的に接続する第６のスイッチ手段とからなるということである。
【００３６】
該第１と第２と第５と第６のスイッチ手段は有利には能動電流スイッチからなり、好ましくはトランジスタからなる。
【００３７】
該第３と第４のスイッチ手段は有利には電流を所定の方向にのみ、好ましくはダイオードにのみ電流を流す受動電流スイッチからなる。ダイオードは陽極と陰極間の電圧が負の場合には、非伝導状態を切り換える働きをし、この電圧が正であり、装置依存閾値を超える場合には伝導状態を切り換える働きをする。したがって、該第３のスイッチ手段は好ましくはその陽極が該第２の電位レベルに接続され、その陰極が該第１のアクチュエータの該第１のポートに接続されるダイオードからなる。同様に、該第４のスイッチ手段は好ましくはその陽極が該第２のアクチュエータの該第２のポートに接続され、その陰極が該第１の電位レベルに接続されるダイオードからなる。この構成により、電流は必ず所望の方向にのみ自動的に流れることが可能となる。
【００３８】
もう１つの方法として、該第１と該第２のスイッチ手段のそれぞれをトランジスタで構成してもよい。トランジスタのスイッチ状態は制御電圧（例えば、ＭＯＳＦＥＴの場合は、ゲート電圧）または制御電流（例えば、バイポーラトランジスタの場合は、バイアス電流）に依存するので、増幅ユニットは、電流が必ず所望の方向に流れるようにスイッチ手段を能動的に制御する手段で構成される。
【００３９】
係る磁気軸受装置の方法は、
−  該第１のアクチュエータの該第１のポートから流れる所定のバイアス電流を該第２のアクチュエータの該第２のポートに供給するステップと、
−  所望の位置から前記物体の一部の変位を求めるステップと、
−  該増幅ユニットと該共通ノード間に制御電流を供給して該物体の一部の所望の位置を復元する働きをする力を生成するステップとからなる。
【００４０】
該第１のアクチュエータの該第１のポートと該第２のアクチュエータの該第１のポート間に所定のバイアス電流を供給するステップは、好ましくは、
−  所定のバイアス電流に達するまで、該第１のアクチュエータの該第１のポートを第１の電位レベルに、該第２のアクチュエータの該第２のポートを該第１の電位レベルより低い第２の電位レベルに選択的に接続するステップと、
−  該第１と該第２のアクチュエータを流れる電流を閉電流路を設けて再循環させるステップとからなる。
【００４１】
該増幅ユニットと該共通ノード間に制御電流を供給するステップは、好ましくは交番順序による以下のステップからなり、
−  該共通ノードを第１の電位レベルに選択的に接続するステップと、
−  該共通ノードを該第１の電位レベルより低い第２の電位レベルに選択的に接続するステップとからなるものである。
【００４２】
本発明は磁気軸受装置のどのような応用にも適用可能である。特に、ターボ分子ポンプに本発明に係る磁気軸受装置を備えることが得策である。
【００４３】
以下に、図面に示す実施例に関連して本発明について詳細に説明する。
【発明の詳細な説明】
【００４４】
図１に、ｚ方向を中心に回転する磁気軸受装置１００に吊るされ回転子シャフト１０１を非常に模式化した形で示す。該軸受装置は、シャフト１０１に取り付けられたディスク１０２と協働する第１（上部）のラジアル軸受ユニット１１０と第２（下部）のラジアル軸受ユニット１２０と片（スラスト）軸受ユニット１３０とからなる。該上部ラジアル軸受ユニット１１０は、シャフト１０１の上部領域に対して＋ｘ、＋ｙ、−ｘ、および−ｙの各方向に力を出す４つのアクチュエータ１１１と１１２と１１３と１１４とからなり、ｘとｙ方向は互いに直交し、ｚ方向に垂直である。同様に、該下部ラジアル軸受ユニット１２０は、シャフト１０１の下部領域に対して＋ｘ、＋ｙ、−ｘ、および−ｙの各方向に力を出す４つのアクチュエータ１２１と１２２と１２３と１２４とからなる。ラジアル軸受ユニットの各アクチュエータは磁極片または磁極ヨーク上の巻線からなる電磁石で構成される。また、該片軸受ユニットは、図１の巻線により簡素化した形で表した２つの電磁アクチュエータ１３１と１３２とからなる。
【００４５】
磁気軸受装置１００に吊るされたシャフト１０１の付いた回転子は、第１の近似値に対して６自由度（ＤＯＦ）の頑丈な回転子として扱われる。１ＤＯＦはｚ軸を中心に回転するものである。一般に、このＤＯＦは簡単にするために図１に示していない電気モーターで動く。他の５ＤＯＦはｘ、ｙ、およびｚ方向には並進運動として、そしてｘとｙ方向には傾斜運動として分類することができる（ｘ−ｚおよびｙ−ｚ平面）。これらは以下のように制御される。センサ１３１、１３２はそれぞれ、±ｘと±ｙ方向におけるシャフト１０１の上部領域の変位を測定する。同様に、センサ１４１、１４２はそれぞれ、±ｘと±ｙ方向におけるシャフト１０１の下部領域の変位を測定する。センサ１５１は、±ｚ方向における変位を測定する。これらセンサからの信号はコントローラに送られ、このコントローラが周知の手段によりこのセンサ信号からアクチュエータの駆動信号を導出する。センサが５つを超える場合の状況にこれと同じ方式を当て嵌めることができる。このような制御方式は従来技術においては周知のものである。各駆動信号は電力増幅器に送られ、ここで一般化力値に対応する特定の分力を起こすのに必要な電流を供給して個々のアクチュエータを動かすのである。
【００４６】
磁気軸受装置では、磁気抵抗型電磁アクチュエータを用いることが多い。このようなアクチュエータの原理を図２に示す。コイル２０２には電流ｊが供給される。この電流により、ヨーク２０１と強磁性体装置２０３、例えば、ヨークと装置の間に幅ｄの空隙がある回転子シャフトまたはこのシャフト上のパッドを介して磁束が発生する。この磁束により装置２０３に磁化が誘導される。その結果、ヨークと装置の間に、第１の近似およびヒステリシスの無視に対して電流ｊの２乗に比例し、空隙の幅ｄの２乗に反比例する力Ｆが生じる：
【数１１】
2008501909.tif 000013
このギャップは空気に限定されるものではなく、ウォーターギャップ、真空ギャップ、ＣＯ２ギャップ、または他の元素で充填されたギャップもまた使用可能である。この力は常に引力であるが故に、磁気抵抗型軸受では斥力を生成することができない。
【００４７】
そのため、通常、所定の方向（ｘ、ｙ、またはｚ）に磁気抵抗型アクチュエータを使用する場合、正と負の両方向における変位を完全制御するのに２つ以上のアクチュエータが必要になる。更に磁気抵抗型アクチュエータの特徴は、これらのアクチュエータにより生成された力のほぼ二次電流依存であることである。この性質は好ましくないことがある。バイアス電流がない場合に所定の力を変更するには、大電流の変更を必要とするからである。このため、磁気抵抗型アクチュエータにはバイアス電流を印加することが多い。電流への力の二次依存に関する更なる結果として、この力は、アクチュエータを流れる電流の方向とは無関係であり、一般に単極電流源しか必要としない。
【００４８】
バイアス電流を使用する代わりとなるのは、バイアスをかける分離手段を使用することである。このようなバイアス磁場は永久磁石または超コイルを用いて生成することができる。
【数１２】
2008501909.tif 000014
上式では：
【数１３】
2008501909.tif 000015
である。
その場合、すべての力は依然として引力である。しかし、ゼロ力に達するためには、電流を負に設定しなければならないが、このためには二極電流源が必要となる。
【００４９】
磁気抵抗型アクチュエータの駆動方法に関する例として、図３に再び非常に模式化した形で軸受ユニット３１０内の磁気抵抗型アクチュエータ３１１に接続された電力増幅器３０１を示す。該電力増幅器はいわゆるＨブリッジ設計である。第１の電流スイッチ３０３と第１のダイオード３０４は（正）電圧Ｖ０と接地との間に直列で接続されている。該ダイオードはその伝導方向とは逆に挿入されている。第２の分岐では、第２のダイオード３０４'と第２の電流スイッチ３０３が同じように、しかし逆の順序で直列に接続されている。アクチュエータ３１０は、各ダイオードと各電流間の接続ポイントにつながる２本のワイヤーでＨ−ブリッジ増幅器に接続されている。電気用語では、アクチュエータを実質的な意味で大インダクタンスとして表すことがある。操作時に、初めに両方のスイッチを閉じると、アクチュエータ３１０のインダクタンスに電流ｊが蓄積する。所要の電流に達するとすぐに、これらのスイッチの１つが開く。次に、閉じたままのスイッチと１つのダイオードを介して閉ループ内に電流が流れる。電流は、両方のスイッチを再度閉じるか（増やす場合）、または両方のスイッチを開いて（減らす場合）変更すると、電流センサ３０５により検出することができる。切り替え動作および／または伝導ロスを最適化するためには、各ダイオードを能動電流スイッチに置き換えるとよい。通常、各能動電流スイッチ３０３は、各スイッチを通じて時間平均電流を制御するために、パルス幅変調方式（ＰＷＭ）のような変調技術によって駆動されるＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜／半導体電界効果形トランジスタ）、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）、サイリスタなどの半導体材料から製造された固体スイッチング素子からなる。
【００５０】
当然、他のタイプの増幅器設計を行うことも可能であるから、本発明は上記のＨ−ブリッジ型増幅器設計に限定されない。本発明に対して適用可能な他の設計については、例えば、（Ｗａｓｓｅｒｍａｎｎ，Ｊ．；Ｓｐｒｉｎｇｅｒ，Ｈ：磁気軸受用電流注入付線形電力増幅器（Ａ  Ｌｉｎｅａｒ  Ｐｏｗｅｒ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ  ｗｉｔｈ  Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ  ｆｏｒ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｂｅａｒｉｎｇｓ））第４回磁気軸受国際シンポジウム会報、チューリッヒ  １９９４、３７１〜３７６頁）（Ｓｃｈｒｏｄｅｒ、Ｕ：磁気軸受用電力増幅器、‘９６ＭＡＧ会報、磁気軸受、磁気駆動および乾性ガスシール、バージニア  １９９５、２８５〜３０１頁）、または（Ｚｈａｎｇ，Ｊ．；Ｓｃｈｕｌｚｅ，Ｊ．Ｏ．；Ｂａｒｌｅｔｔａ，Ｎ：アクティブ磁気軸受用三準位ＰＷＭ電力増幅器、第５回磁気軸受国際シンポジウム会報、金沢  １９９６、２７７〜２８２頁）に記載されている。
【００５１】
従来技術では、他にも数多くの誘導負荷を駆動するパワーエレクトロニクスの設計が知られている。これらには、電流型変換器、マトリックスコンバータ、Ｃ−ダンプコンバータ、共振コンバータ、または線形増幅器などが挙げられる。これらは通常、ステッピングモーター、誘導電動機、反作用電動機、変圧器またはソレノイドを駆動するときに用いられる。
【００５２】
図３の配線計画では、各アクチュエータをその電力増幅器のそれぞれに接続するには２本のワイヤーが必要である。これについては図４に図示するが、非常に模式化した形で４つのアクチュエータ４１１、４１２、４１３および４１４からなるラジアル軸受ユニット４１０の配線を示している。該アクチュエータは、図３と同じ型の４つの個別増幅器からなる増幅ユニット４０１に接続されている。簡単にするため、アクチュエータ４１１はシャフト部に対して＋ｘ方向に、アクチュエータ４１２は−ｘ方向に、アクチュエータ４１３は＋ｙ方向に、そしてアクチュエータ４１４は−ｙ方向に力を生成するものとする。４つのアクチュエータを駆動するには８本のワイヤーが必要である。比較するためには、増幅ユニット４０１と軸受ユニット４１０間のワイヤー毎および増幅ユニットの電源スイッチ毎に所要の電圧と定格電流を計算することが有用である。アクチュエータはそれぞれ、電流ｊ１，ｊ２，ｊ３およびｊ４をそれぞれ最大ｊｍａｘで運ぶ。電圧Ｖ０の場合、各ワイヤー並びに各スイッチの定格電圧はＶ０およびｊｍａｘである。示した構成では、ワイヤーの合計電力処理能力は８Ｖ０ｊｍａｘである。４つのアクチュエータのそれぞれの最大出力電力はＶ０ｊｍａｘであるため、ケーブルの電力処理要求と合計出力電力との比率は２．０である。
【００５３】
増幅ユニット４０１と軸受ユニット４１０間の距離がかなりあり、しかも各ワイヤー端部では一般にコネクターを必要とするので、配線には比較的費用がかかることから少ないワイヤーで配線を安くする方法が望ましい。
【００５４】
したがって、従来技術ではすべてのアクチュエータに１本の単一共通帰線を設けることが示唆された。図５に、各種配線の個別ニーズに適合する各種増幅ユニット５０１に接続されたラジアル軸受ユニット４１０の配線を非常に模式化した形で示す。アクチュエータはすべて単一帰線５０６によりスイッチ５０３とダイオード５０４を有する増幅分岐に接続されるようになる。一見すると、軸受ユニット４１０を増幅ユニット５０１に接続するには５本のワイヤーしか必要としないので、この設計は図４の設計よりも著しく簡単のように思われる。しかしながら、この設計はワイヤーとスイッチの合計電力処理能力が図４の設計と比較して、むしろ向上していることが分かる。これは以下のように理論的に説明することが可能である。４つのすべてのアクチュエータを単独操作できるようにするには、ポイント５０７（ワイヤー５０６と増幅ユニットとの接続ポイント）における電位レベルを平均で最大電圧Ｖ０の５０％に保持するように増幅器を駆動する必要がある。このため、各アクチュエータの両端の最大平均電位差異（電圧）は、図４の最大電圧の５０％に過ぎない。個々のアクチュエータを流れる個々の電流ｊ１、ｊ２、ｊ３およびｊ４と同じ最大電圧ｊｍａｘについて、各アクチュエータの平均出力電力は図４と比較して半分であり、１／２Ｖ０ｊｍａｘとなるにすぎない。しかしながら、個々のアクチュエータに導く各ワイヤーの定格は依然として最大（ピーク）電圧Ｖ０と電流ｊｍａｘであるのに対して、共通帰線はＶ０の最大（ピーク）電圧が最大４ｊｍａｘのときに合計反流ｊＮ＝ｊ１＋ｊ２＋ｊ３＋ｊ４を運ぶ。同じことがスイッチにも当てはまる。また、ケーブルとスイッチの電力処理能力と出力電力との比率は４．０となる。この数は、各時点においてアクチュエータを流れる電流の瞬間合計を制限するのに好適な制御方式を実装することで減らすことができる。しかしながら、いずれの場合も、共通帰線を必要な大きさにして他の接続よりも強くする必要があるが、これは配線と増幅器の双方の設計を複雑にする。
【００５５】
要約すれば、例え費用のかかるワイヤーのコストであっても、図５の設計は概念的な配線の簡素化を示すものである。
【００５６】
対照的に、本発明ではワイヤーの電力処理能力の向上を必要とせずに、簡素な配線が可能である。図６に、適合増幅ユニット６０１に接続された本発明の第１の実施形態によるラジアル軸受ユニット４１０の配線を非常に模式化した形で示す。２つのアクチュエータ４１１および４１２は第１のサブグループを形成しており、ここでは各アクチュエータは第１の共通ノード６０８への１つのポートと接続されている。同様に他の２つのアクチュエータが第２のサブグループを形成し、ここでは各アクチュエータは第２の共通ノード６０９への１つのポートと接続されている。共通ノード６０８と６０９の双方は直接接続されており、すなわち、概念的にはこれら２つの共通ノードが１つの単一共通ノード６１０を形成しているとみなすこともできる。このノード６１０は単一共通帰線６０６により増幅ユニット６０１に接続されているが、図５とは異なり、該第２のサブグループを形成する２つのアクチュエータ４１３と４１４は、該第１のサブグループを形成する他のアクチュエータ４１１と４１２とは反対の極性で増幅器に接続されている。これがアクチュエータの機能性に影響を及ぼさないのは、各アクチュエータに増幅ユニットに接続されているポートと共通ノードに接続されているポートを自由に選択して、アクチュエータコイルを通る電流方向が図５と同一のものとなるようにすることができるからである。この配線により、共通帰線６０６を通る電流ｊＮを最小化する形でアクチュエータを駆動することができるようになる。いずれの場合にも、電流ｊＮはユニット４１０の全アクチュエータを流れる電流の絶対値の合計よりも必ず低くなる。したがって、共通帰線６０６の負荷要求が図５の共通帰線５０６に比べ削減される。実際に、反流ｊＮが必ず、アクチュエータのグループ内のいずれかを流れる最大電流よりも高くならないようにすることは可能なので、それに応じて帰線をアクチュエータと増幅ユニット４０１間を結ぶ他のワイヤーと同じ要求を満たす大きさにすることも可能である。反流ｊＮを永久にゼロにしておくことも可能である。図６の構成ではこれを以下のように合理化することができる。制御電流がない場合、バイアス電流ｊＢが各アクチュエータを流れる。制御を得るためには、（異なる）制御電流Δｊｉを各アクチュエータｉのバイアス電流に加える。よって：：ｊｉ＝ｊＢ＋Δｊｉ（ｉ＝１，．．．，４）となる。ｘ−軸沿いの変位を制御するためには、アクチュエータ４１１の電流ｊ１をアクチュエータ４１２の電流ｊ２を減らしたのと同じ量だけ増やすか、その逆を行えばよい：Δｊ２＝−Δｊ１。よって、電流ｊ１とｊ２の合計を各アクチュエータのバイアス電流ｊＢの２倍である所定の値に保持することが可能となる：ｊ１＋ｊ２＝（ｊＢ＋Δｊ１）＋（ｊＢ＋Δｊ２）＝２ｊＢ。アクチュエータ４１３および４１４を流れる電流ｊ３およびｊ４についても同じことが言える：ｊ３＋ｊ４＝（ｊＢ＋Δｊ３）＋（ｊＢ＋Δｊ４）＝２ｊＢ。第２のサブグループにおけるこれら２つのアクチュエータの極性は、第１のサブグループにおけるアクチュエータ４１１と４１２の極性とは正反対なので、ノード６０８に流入する電流の絶対値の合計はノード６０９から流出する電流の絶対値の��計と等しく、またバイアス電流の２倍に等しい：ｊ１＋ｊ２＝ｊ３＋ｊ４＝２ｊＢ。
【００５７】
制御の質または自由を何ら損失することなく、この結果を得ることができる。この理由は４つの電流が２自由度を制御するために供給されることである。したがって、制御を得るには電流の値に関する２つの条件しか必要としないが、更に２つの条件を自由に選択することができる。第１の条件は、バイアス電流を供給することである。このバイアス電流は一定でなくてもよく、実際のシステム状況に動的に適合可能である。一例として、バイアス電流は、最小電流が常にゼロ（もしくは他のいくつかの固定値）となるように選択することができる。別の例としては、バイアス電流は、電力損失が最小限となるように動的に適合可能である。
【００５８】
第２の条件は、ノード６０８に流入する電流の合計をノード６０９から流出する電流と同一にすることである、すなわち、電流が共通帰線を流れないということである（ｊＮ＝０）。この例では、２つのアクチュエータの極性が他のアクチュエータの極性とは正反対であり、また極性を上記のように定義しているため、第２の条件を満足させることができる。すべてのアクチュエータが同じ極性を有し、すべての電流が同じようにゼロの場合、共通ノードポイントにおける合計電流はゼロしかあり得ない。これは全く図５の状況と同様であり、ワイヤー５０６を通る電流をゼロに保持すると、操作ができなくなる。
【００５９】
図６において、軸受ユニット４１０は、電流が共通帰線６０６を流れないように駆動可能なので、このワイヤーを完全に除外しても差し支えない。これについては図７に図示する。図７では図６と同じ軸受ユニットを示しているが、共通ノード６１０と増幅ユニット６０１との間に追加接続を必要としない、すなわち、共通帰線を必要としない。共通ノード６１０の共通電位を設定するための制御回路が不要となるため、増幅ユニット７０１を簡素化することが可能となる。更に、発明の設計には電流センサ３０５は３つしか必要としない。３つの電流について知識があれば、４つ目についてもすぐに計算できるからである。
【００６０】
再び、図７の配置におけるワイヤーの所要の電力処理能力を計算することは有益である。ノード６０８と６０９の電位は平均Ｖ０／２であることが分かる。電流ｊ１〜ｊ４のいずれかが最大ｊｍａｘであろう。各アクチュエータの最大電力は１／２Ｖ０ｊｍａｘであるのに対し、各ワイヤーとスイッチの定格はＶ０とｊｍａｘである。したがって、ワイヤーとスイッチの合計電力処理能力とアクチュエータの出力電力との比率は２．０となり、図４の従来技術における配線方式と同じである。
【００６１】
このように、本発明に係る磁気軸受装置は数多くの有用な特性を有するが、これらの特性は図７の特定の実施形態とは無関係である。すなわち、
・  従来技術に比べ、増幅ユニットと軸受ユニット間のワイヤー数が少なく、簡素な配線を可能としている。
・  従来技術に比べ、所定の数のアクチュエータを駆動するためのスイッチ数が少なく、簡素な増幅器の設計を可能としている。
・  従来技術に比べ、ワイヤーとスイッチの電流と電圧の合計要求が増加していない。
総合すれば、高価なワイヤーおよび／または駆動回路のコストを必要とせずに、簡素な配線および簡素な増幅器設計を実現することができるのである。
【００６２】
本発明は、所定の数のアクチュエータに必要なワイヤーや増幅器スイッチの数を削減するのではなく、所定の数のワイヤーや増幅器スイッチに必要なアクチュエータの数を増やすのに使用することも当然可能である。このように、例えば、アクチュエータまたは増幅器コンポーネントの誤作動や誤較正を修正するための制御の冗長性を達成することができる。
【００６３】
本発明は、上記に述べたものとは別のアクチュエータの配置にも適用可能である。別の例として、図８に６つのアクチュエータ８１１、８１２、８１３、８１４、８１５および８１６を有するラジアル軸受ユニット８１０を非常に模式化した形で示す。従来技術による配線方式では、これらのアクチュエータは、例えば、図９に示すように、共通帰線を介して増幅ユニット９０１に接続される。また、この方式では帰線は他のワイヤーと比べ、定格電流が多量に増加する。対照的に、図１０は本発明に係る増幅ユニット１００１に接続された軸受ユニット８１０の概略配線図を示している。第１のサブグループを形成する３つのアクチュエータ８１１、８１３、８１５が第１の極性で第１の共通ノードに接続されているのに対し、第２のサブグループを形成するアクチュエータ８１２、８１４、８１６は第１の極性とは反対の第２の極性で第２の共通ノードに接続されている。再び、これらのノードは直接接続されているので、単一の共通ノードとしてみなすことができる。アクチュエータを流れる電流はノード条件Ｊ１＋Ｊ３＋ｊ５＝Ｊ２＋Ｊ４＋ｊ６を満足させる。アクチュエータまたは電流の数が制御する自由度数を超えるため、この条件を満足させることは容易である。
【００６４】
アクチュエータ８１１、８１３、および８１５の第１のサブグループが３つのアクチュエータを有する第１（例えば、上部）のラジアル軸受ユニットを形成し、アクチュエータ８１２、８１４、および８１６の第２のサブグループが３つのアクチュエータを有する第２（例えば、下部）のラジアル軸受ユニットを形成する場合には、図１０と同じ制御方式を適用することもできる。それでも尚、４自由度（２の並進運動、２の回転／傾斜運動）のラジアル完全制御を達成することが可能である。すなわち、６つの制御変数（電流）、４自由度、そして所定のバイアス電流（言い換えると、各グループにおける所定の３つの電流の合計）およびノード条件ｊ１＋ｊ２＋ｊ３＝ｊ４＋ｊ５＋ｊ６という２つの境界条件がある。これらの条件は同時に満足させることができる。
【００６５】
更なる例として、図１１に線形軸受装置１１００を非常に模式化した形で示す。物体１１０１は、矢印１１０２が示すｚ方向沿いに線形移動するように、上部軸受ユニット１１１０および下部軸受ユニット１１２０に支持される。上部軸受ユニット１１１０は４つのアクチュエータ１１１１、１１１２、１１１３および１１１４からなり、下部軸受ユニット１１１０は他の４つのアクチュエータ１１２１、１１２２、１１２３および１１２４からなる。簡単にするため、図１１には電磁アクチュエータの巻線は描かれていない。５自由度は制御可能なものである。すなわち、ｚ方向とは垂直方向に並進運動（ｘとｙ）および３つの方向に回転運動（傾斜運動）するように制御する。図１２、１３および１４に、このような線形軸受装置について本発明による３種類の配線方式を示す。図１２では、４つのアクチュエータの２つのグループがそれぞれ形成されている。第１のグループは２つのサブグループからなる。すなわち、正の極性で増幅ユニット１２０１に接続された第１の軸受ユニットの±ｘ方向における変位を制御するためのアクチュエータ１１１１と１１１３の第１のサブグループと、負の極性で増幅ユニット１２０１に接続された第２の軸受ユニットの±ｘ方向における変位を制御するためのアクチュエータ１１２１と１１２３の第２のサブグループとからなる。この２つのサブグループは共通ノードで接続されている。サブグループ内の電流は、共通ノードが存在するためｊ１＋ｊ３＝ｊ５＋ｊ７の関係を満足させる。同様に、第２のグループは、第１のグループと同じやり方で共通ノードを介して接続されたアクチュエータ１１１２と１１１４の第１のサブグループと、アクチュエータ１１２２と１１２４の第２のサブグループからなる。これにより、電流に２つの制約条件（境界条件）が置かれるようになる。制御すべき５自由度および８つのアクチュエータが存在するので、例えば、（一定または動的に適合可能な）バイアス電流の設定に追加境界条件を１つ適宜選択することができる。
【００６６】
図１３では、両方の軸受ユニットにおけるすべてのアクチュエータで１つのグループを形成している。上部軸受ユニットのアクチュエータ１１１１、１１１２、１１１３および１１１４が正の極性で増幅ユニット１２０１に接続された第１のサブグループを形成し、下部軸受ユニットのアクチュエータ１１２１、１１２２、１１２３および１１２４が負の極性で増幅ユニット１２０１に接続された第２のサブグループを形成している。この２つのサブグループは共通ノードで接続され、その結果、ｊ１＋ｊ２＋ｊ３＋ｊ４＝ｊ５＋ｊ６＋ｊ７＋ｊ８という条件になる。（一定または動的に適合可能な）バイアス電流の設定に更に２つの制約条件を適宜選択することができる。
【００６７】
また、図１４では、すべてのアクチュエータが１つのグループを形成している。アクチュエータ１１１１、１１１３、１１２２および１１２４が第１のサブグループ（正の極性）を形成し、アクチュエータ１１１２、１１１４、１１２１および１１２３が第２のサブグループ（負の極性）を形成している。サブグループ間に共通ノードが存在することから、ｊ１＋ｊ３＋ｊ６＋ｊ８＝ｊ２＋ｊ４＋ｊ５＋ｊ７となる。また、更に２つの制約条件を自由に選択することができる。
【００６８】
図１５は、第１と第２の共通ノードは直接接続する必要がないことを図示している。言い換えれば、これらのノードは１つの共通ノードを形成する必要がないということである。この例では、図７と同じ配置が選択されている。しかしながら、図７とは対照的に、追加アクチュエータ１５０１が第１と第２の共通ノード間に接続されている。この追加アクチュエータを流れる電流はアクチュエータ４１１と４１２のペアを流れる電流の合計である。言い換えると、アクチュエータ４１３と４１４のペアを流れる電流でもある。したがって、アクチュエータ１５０１はこの合計を変えることで、すなわち、バイアス電流ｊＢを変えることで制御可能となる。
【００６９】
上記の例では、各アクチュエータは固定極性で増幅ユニットに接続されている、すなわち、特定の方向に向かう電流のみが各アクチュエータを流れることができるとされている。これは、適切な増幅ユニットの設計により、すなわち、ダイオード３０４により確実なものとなった。しかしながら、個々のアクチュエータの電流が、少なくともある時点でアクチュエータの各サブグループ内において異なる方向に流れることが可能なことは本発明の範囲内である。これについては、図１６に示す。ここで、抵抗器１６０１が各ダイオード３０４に並列で設けられている。各抵抗器により、小さな電流が各ダイオードの阻止方向に流れることが可能となる。
【００７０】
図１７に示すように、ダイオードを設ける代わりに、追加の能動スイッチを設けてもよい。これらのスイッチを適切に制御すれば、ノード条件を自動的に満たしつつ、各アクチュエータにおける所望の方向で所望の電流を得ることが可能となる。適切にプログラムされたコントローラにより制御が可能となる。
【００７１】
図１６と図１７の実施形態では共に、特定の追加境界条件を満たすような方法で、例えば、２つの共通ノード６０８と６０９間の電流は必ず所定の方向に流れるように増幅ユニットを駆動することができる。
【００７２】
ノード６０８または６０９のどちらかと増幅ユニット間に共通帰線が存在する場合（この帰線を流れる電流を制御する適切な増幅器コンポーネントと共に）、適切な制御プログラムを用いたコントローラにより、共通帰線を流れる電流は所定の最大値を超えなくなる。また、制御プログラムにより、他の境界条件を満足させることも可能となる。
【００７３】
図１９に本発明の第２の側面による配線方式を示す。２つのアクチュエータ１９１１、１９１２および増幅ユニット１２０１が設けられている。通常、該アクチュエータは磁気軸受装置に吊るされる物体の反対側に配置された磁気軸受装置内においてペアとなるアクチュエータである。一例として、該アクチュエータは、図１における装置のユニット１３０内にあるアクチュエータ１３１、１３２のような片軸受ユニットのペアのアクチュエータの場合もあれば、ラジアル軸受ユニット内の対向するペアのアクチュエータの場合もある。これら２つのアクチュエータは単極性Ｈ−ブリッジ型の２つの増幅回路の間を直列構成で接続されている。これら２つのアクチュエータ間の接続ポイント（共通ノード１９１０）は共通ノードと電源電圧Ｖ０または接地ＧＮＤとを交互に接続する働きをする増幅ユニット内の回路に接続されている。
【００７４】
該Ｈ−ブリッジ回路は２つの分岐からなる。第１の分岐は第１の電流スイッチ１９０３と第１のダイオード１９０４とからなり、電圧Ｖ０と接地ＧＮＤ間を直列で接続されている。ダイオードはその導通方向に逆挿入されている。第２の分岐においては、第２のダイオード１９０４’と第２の電流スイッチ１９０３’が同じように、但し逆の順序で直列に接続されている。ダイオードと電流スイッチ間の各接続ポイントはアクチュエータ１９１１または１９１２のポートにそれぞれ接続されている。
【００７５】
アクチュエータ１９１１と１９１２の双方を流れる所定のバイアス電流ｊＢを確立するには、スイッチ１９０３と１９０３’の双方を閉じる。これらのアクチュエータは大きなインダクタンスとなる。すなわち、アクチュエータ内に電流が次第に蓄積される。所望のバイアス電流ｊ１＝ｊ２＝ｊＢに達すると、スイッチ１９０３または１９０３’のうちの１つが開く。すると、アクチュエータ、１つの分岐内の閉スイッチ、そしてその他の分岐ダイオードを介して電流が閉ループ内を再循環する。回避不能な損失（例えば、アクチュエータの抵抗損）およびダイオードの順電圧により、アクチュエータを流れる電流がゆっくりと減少していく。このため、バイアス電流を保持するには、時々、開スイッチを閉じる必要がある。バイアス電流が減少すると、スイッチが両方とも開き、電流がアクチュエータと、アクチュエータ内の電流を減少させる働きをする電圧Ｖ０の動作に逆らうダイオードを循環するようになる。しかし、図１９において矢印で示すように、電流は必ず同じ方向に流れるので、回路設計の故にその方向を逆にすることは絶対にない（小さな漏れ電流は別として）。
【００７６】
スイッチの開閉順序を制御するための周知の方式はいずれも適用可能であり、記載された方式の一般的な精神から離脱するものではないことは当然である。特に、バイアス電流の制御には標準のＰＷＭ方式を用いるのがよい（Ｚｈａｎｇ，Ｊ．；Ｓｃｈｕｌｚｅ，Ｊ．Ｏ．；Ｂａｒｌｅｔｔａ，Ｎ：アクティブ磁気軸受用同期３レベルＰＷＭ電力増幅器。第５回磁気軸受国際シンポジウム会報、金沢１９９６、２７７〜２８２頁）。
【００７７】
他の実施例では、ダイオードを能動スイッチに置き換えることもできる。電圧Ｖ０とＧＮＤ間の望ましくない短絡を回避するため、また上述と同じ精神でバイアス電流を制御するためには、すべてのスイッチを能動制御する必要がある。この能動制御を行うために制御ユニットが設けられている。制御はハードウェア、ソフトウェアのいずれでも実現することができる。
【００７８】
磁気軸受装置により磁気的に吊るされている物体の位置を制御するには、アクチュエータ１９１１を流れる電流ｊ１をアクチュエータ１９１２を流れる電流ｊ２とは別のものにすることができる。このため、制御電流（ノード電流）ｊＮが接続１９０６を介して共通ノード１９１０に設けられている。制御電流を増やすには、スイッチ１９２３を閉じるのに対し、制御電流を減らすには、スイッチ１９２４を閉じる。電源電圧Ｖ０と接地との短絡を回避するためには、両方のスイッチが同時に閉じることは当然ない。もう一度繰り返すが、これを確実に行うために好適な制御ユニットが設けられる。また、制御はハードウェア、ソフトウェアのいずれでも実現可能である。当然、制御電流を変えながら、バイアス電流を変えることもできる。
【００７９】
このような磁気軸受装置の顕著な利点は、高速制御能力である。バイアス電流の変化は比較的緩慢ではあるが、バイアス電流を変えると、最大電圧Ｖ０がアクチュエータ双方の合計インダクタンスにかかるので、制御電流をもっと高速に変えるとよい。これは、制御電流を変えると、最大電圧Ｖ０が１つのインダクタンスのみにかかるからである。
【００８０】
各アクチュエータを単極性Ｈ−ブリッジ独立回路に接続する従来の配線方式に関するその他の利点として、以下のものが挙げられる。
・  完全回路にはダイオードは４つではなく、２つ必要とするだけである。
・  アクチュエータと増幅ユニット間の接続は、４つではなく３つ必要とするだけである。
・  各アクチュエータは負電圧−Ｖ０〜正電圧Ｖ０の全帯域において駆動可能である。
・  所要能動スイッチの最大出力電力と数と電力定格との比率が好ましい。
・  接続ケーブルの最大出力電力と定格電流との比率が好ましい。
【００８１】
この配線方式は共通ノードとの接続を必要とするが、いくつかの用途では最も有利な構成とすることができる。
【００８２】
図３の回路について述べたように、いろいろ異なる能動電流スイッチ手段、例えば、トランジスタ（例えば、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴなど）やサイリスタその他を使用することができる。
【００８３】
上述した回路は所望のペアのアクチュエータに用いると、磁気軸受装置に吊るされている１自由度の物体を制御することができる。特に、回転子を吊るす磁気軸受装置では、こうした回路は片軸受（＋ｚ、−ｚアクチュエータ）にも、どのようなラジアル軸受（例えば、上部もしくは下部＋ｘ、−ｘアクチュエータまたは上部もしくは下部＋ｙ、−ｙアクチュエータのそれぞれ）にも使用可能である。このような装置のすべての軸受に回路を使用する場合、増幅ユニットと軸受間において５自由度を完全能動制御するには５つの回路が必要になり、合計で２０個の能動スイッチと１０個のダイオードと１５本の接続線が必要となる。これにより、従来の配線方式より大幅に節約することが可能となる。
【００８４】
前述の例から、本発明に係るアクチュエータのグループを配線する可能性が複数存在することは明らかである。以下では、配線方式を一般的な数学的枠組みで説明するものとする。この枠組みは、アクチュエータを固定極性で増幅ユニットに接続するすべての場合に適用可能である。
【００８５】
ｎアクチュエータのグループはｍ自由度の制御に用いるものとする。並進運動の自由度は、アクチュエータで生成されたトルクによる力、回転自由度で制御され、ｎ＞ｍとする。更に、電流とアクチュエータにより生成された力および／またはトルクとの間には、一般性を失うことなく線形関係があるものとする。
【数１４】
2008501909.tif 000016
上式では、
【数１５】
2008501909.tif 000017
は、ｍ力および／またはトルク値のｍ−コンポーネント列ベクトルであり、各力および／またはトルクは所定の１自由度を制御するように働き、
【数１６】
2008501909.tif 000018
は、ｎ個のアクチュエータに対し、ｎ電流値のｎ−コンポーネント列ベクトルであり、
【数１７】
2008501909.tif 000019
はｍ行とｎ列を有する（ｍ×ｎ）行列であり、そのコンポーネントはアクチュエータの幾何学的配置および物理的特性に依存する。この行列は「幾何行列」と呼ばれる。シンボルＴは行列転置を示す。前提としているように、線形関係が存在しない場合には、例えば、テイラー展開により、所定の動作基点付近で真（非線形）の関係を必ず線形近似させることができる。したがって、電流値は、（小さな）電流変化の値として理解すべきである。
【００８６】
すべての力および／またはトルクを別々に制御可能とするためには、ランク
【数１８】
2008501909.tif 000020
とｍを等価にする必要がある（すなわち、
【数１９】
2008501909.tif 000021
のすべてのｍ行を線形独立にする必要がある）。
【００８７】
該動作基点は通常、バイアス電流とされる。バイアス電流は、アクチュエータを流れる電流から誘導され、定義値に保持されるある種の電流値とされる。さまざまな一連のアクチュエータに応じてさまざまなバイアス電流を持つことが望ましく、またバイアス電流は時間変動することができる。各バイアス電流要求には一連の電流値に対する制約が加えられている（境界条件）。ｋバイアス電流要求の場合（ｋ≦ｎ−ｍ）、これらの境界条件は方程式で表すことができる。
【数２０】
2008501909.tif 000022
ここで、
【数２１】
2008501909.tif 000023
とはｋ−コンポーネント列ベクトルのことであり、
【数２２】
2008501909.tif 000024
とはバイアス電流と個々の電流値との関係を記述するｋ行とｎ列を有する（ｋ×ｎ）行列のことである。この行列は「バイアス行列」と呼ばれる。１例として、バイアス電流が全アクチュエータを流れる全電流の合計である場合は、
【数２３】
2008501909.tif 000025
であり、すなわち、ｎ−コンポーネント列ベクトルである。
【００８８】
線形近似を適用し、電流を実際に（小さな）電流変化と解する場合、
【数２４】
2008501909.tif 000026
はバイアス電流変化のベクトルであると理解すべきである。バイアス電流が時間一定の場合は、ベクトル
【数２５】
2008501909.tif 000027
にはゼロしか含まれず、所定の一連のアクチュエータを流れる電流変化の合計がゼロとなることを意味する。
【００８９】
力の方程式およびバイアス電流要求は単一方程式で書くことができる。
【数２６】
2008501909.tif 000028
ここで、
【数２７】
2008501909.tif 000029
は、ｍ＋ｋ行とｎ列を有する行列である。
【数２８】
2008501909.tif 000030
のランクはｍ＋ｋとなる。そうでないと、所定のバイアス電流でシステムを操作することができなくなる。
【００９０】
１例として、ｎ＝４のアクチュエータとｍ＝２の自由度を有する図４〜７のラジアル軸受ユニット４１０（ｘとｙの置き換え）が考えられる。この方程式は以下のように解釈できる。
【数２９】
2008501909.tif 000031
【数３０】
2008501909.tif 000032
【数３１】
2008501909.tif 000033
及び
【数３２】
2008501909.tif 000034
【数３３】
2008501909.tif 000035
の定義は、＋ｘ方向への力は＋ｘアクチュエータの電流と−ｘアクチュエータの負の電流に比例し、したがって＋ｙ方向への力場合も同じように比例することを意味する。
【数３４】
2008501909.tif 000036
の定義は、すべての電流の合計が得られるので１つのバイアス電流要求を定義するということを意味する。所定の１つのバイアス電流による２自由度の独立制御の必要に応じて、行列
【数３５】
2008501909.tif 000037
および
【数３６】
2008501909.tif 000038
により形成される
【数３７】
2008501909.tif 000039
のランクは３であるということが容易に検証できる。
【００９１】
この例では、
【数３８】
2008501909.tif 000040
は二次方程式（ｎ＞ｍ＋ｋ）ではない。この場合、
【数３９】
2008501909.tif 000041
と
【数４０】
2008501909.tif 000042
における一意の関係を定義するため、すなわち、
【数４１】
2008501909.tif 000043
を二次および可逆にするため、さらに条件を追加することができる。その後、所望の一連の力および／またはトルクを得るため、行列
【数４２】
2008501909.tif 000044
を反転させれば一意の一連の電流を誘導することができる。従来の方法（図４、５）では、この目的を達成するため、更に多くのバイアス電流要求を定義して境界条件を追加することができる。上記の例では、バイアス電流要求は、例えば、
【数４３】
2008501909.tif 000045
【数４４】
2008501909.tif 000046
＋ｘおよび−ｘアクチュエータを流れる電流の合計は、＋ｙおよび−ｙアクチュエータを流れる電流の合計とは別個に与えられることを意味する。したがって、
【数４５】
2008501909.tif 000047
この行列のランクは４なので可逆であることが容易に検証できる。
【００９２】
本発明の方法では、アクチュエータのグループは一緒に共通ノードに接続される。こうした接続が存在する場合には、各グループのアクチュエータ間を流れる電流の符号付きの値と関連する共通ノードとの合計から、共通ノードと増幅ユニット間の接続を流れる電流が分かる。接続が存在しない場合は、この合計はゼロとなる。このようにして他の境界条件を加える。共通ノードを流れる電流の要件は方程式で表すことができる。
【数４６】
2008501909.tif 000048
ここで、
【数４７】
2008501909.tif 000049
とは、対応する接続を介して各共通ノードから増幅ユニットへと流れる電流のｐ値の列ベクトルのことであり、そしてｐは共通ノードを有するグループの数である。接続が存在しない場合、この列ベクトルに含まれるのはゼロだけである。
【数４８】
2008501909.tif 000050
とは、ｐ行（共通ノードを示す）および０、＋１、および−１の数のみが含まれるｎ列（アクチュエータを示す）とを有する行列のことであり、アクチュエータと共通ノードとの接続方法について記述するものである。この行列は「ノード行列」と呼ばれる。所定の行および列における＋１という行列要素は、正の極性で所定の行の共通ノードに接続されている所定の列のアクチュエータに対応し、−１の値は負の極性で共通ノードに接続されているアクチュエータに対応し、そしてゼロの値はアクチュエータと共通ノードとの接続が存在しないことを意味する。アクチュエータのｐ個別グループと１共通ノードとの電気的に可能な配線方式を持つためには、行列
【数４９】
2008501909.tif 000051
の各列にはせいぜい１つの要素＝１および１つの要素＝−１程度を含めるとよい。同一列内に要素１と要素−１が両方とも存在する場合、アクチュエータは、増幅ユニットに直接接続されるのではなく、２つの共通ノード間において接続されることを意味する。この文書の文脈では、このようなアクチュエータはどちらのグループにも属さないとみなされる。
【００９３】
このような状況の例を図１８に示す。第１のグループ１８１０は４つのアクチュエータ、１８１１と１８１２と１８１３と１８１４とからなる。これらは、例えば、図１の上部軸受ユニット１１０の＋ｘ、＋ｙ、−ｘ、−ｙアクチュエータとすることができる。アクチュエータ１８１１と１８１３は正の極性で接続された第１のサブグループを形成し、アクチュエータ１８１２と１８１４は負の極性で接続された第２のサブグループを形成し、そして双方のグループは同じ共通ノードに接続されている。アクチュエータのこのグループの共通ノードは、行列
【数５０】
2008501909.tif 000052
の第１の行に対応し、第１のサブグループの各アクチュエータは１つの要素に値＋１を付与し、第２のサブグループの各アクチュエータは１つの要素に値−１を付与する。同様に、第２のグループ１８２０は、反対の極性を有する２つのサブグループの４つのアクチュエータ、１８２１と１８２２と１８２３と１８２４とからなる。これらは、下部軸受ユニット１１０の＋ｘ、＋ｙ、−ｘ、および−ｙアクチュエータとすることができる。このグループの共通ノードは
【数５１】
2008501909.tif 000053
の第２の行に対応している。これらのグループの共通ノード間に接続されるのは追加のアクチュエータ１８３０である。これは、例えば、ｚ方向への力を生成するアクチュエータとすることができる。このアクチュエータによって第１の行の要素＋１および第２の行の要素−１が生成される。したがって、全体としてノード行列は２つの行と９つの列を有する行列である。
【００９４】
線形近似を適用し、電流を実際に（小さな）電流変化とみなす場合、
【数５２】
2008501909.tif 000054
は共通ノードから増幅ユニットに流れる電流の変化のベクトルであると解すべきである。
【００９５】
この方程式は力と電流との関係の方程式およびバイアス要求に算入することができる。
【数５３】
2008501909.tif 000055
上式では、
【数５４】
2008501909.tif 000056
は、（ｍ＋ｋ＋ｐ）行およびｎ列を有する行列である。この行列は「システム行列」と呼ばれる。
【００９６】
【数５５】
2008501909.tif 000057
を可逆にするためには、行列は二次式でなければならない。すなわち、制御すべき多自由度、バイアス電流要求の数、そしてノードポイントの数の合計がアクチュエータの合計と等しくなければならない。更に、行列のランクはｎと等しくなければならない。すなわち、すべての行と列が線形に独立していなければならない。そうすれば、行列を反転させて逆システム行列
【数５６】
2008501909.tif 000058
を生成し、任意の所望の一連の力および／またはトルクごとに一意の一連の電流値を計算することが可能となる。
【数５７】
2008501909.tif 000059
図６の例では、数はｎ＝４、ｍ＝２、ｋ＝１、およびｐ＝１である。方程式は以下のように読む。
【数５８】
2008501909.tif 000060
【数５９】
2008501909.tif 000061
【数６０】
2008501909.tif 000062
【数６１】
2008501909.tif 000063
【数６２】
2008501909.tif 000064
【数６３】
2008501909.tif 000065
及び
【数６４】
2008501909.tif 000066
【００９７】
電流ｊＮは共通ノード６１０から増幅ユニットへと流れる共通帰線６０６を経る電流である。この電流は任意の固定値を持つことできる。図７に示すように、ｊＮ＝０の場合、この共通帰線は除外しても差し支えない。したがって、図７はｊＮ＝０の上記方程式で正しく記述されていることになる。行列（実際には、行ベクトル）
【数６５】
2008501909.tif 000067
は、ラジアル軸受ユニットの４つのアクチュエータのすべてが１つのグループとなり、１つの共通ノードに接続されることを意味する。＋ｘおよび−ｘアクチュエータは正の極性で接続され、＋ｙおよび−ｙアクチュエータは負の極性で接続されている。これにより、行列
【数６６】
2008501909.tif 000068
を反転させると、任意の所要の力に対するアクチュエータの電流値を計算することが可能となる。
【００９８】
バイアス条件を除外すると、共通ノードを介してアクチュエータを接続する自由が多くなる。すなわち、１つの選択肢が、
【数６７】
2008501909.tif 000069
図５の従来技術の解決法に相当し、かつ１つの追加境界条件のために自由を残しておくことになる。もう１つの選択肢は、
【数６８】
2008501909.tif 000070
＋ｘおよび−ｘアクチュエータ並びに＋ｙおよび−ｙアクチュエータを反対の極性で直列にペアのように接続する、バイアス電流を供給する可能性のない従来技術の解決法に相当する。このことから本数理処理が多種多様なアクチュエータトポロジーに適用できることが極めて一般的であることが分かる。
【００９９】
所定の数のアクチュエータ（ｎ）および自由度（ｍ）について可能なすべての行列
【数６９】
2008501909.tif 000071
を少ない計算量で評価することができる。何故なら、
【数７０】
2008501909.tif 000072
には０、１、または−１の数しか含まれず、いずれの列にも１つの数１および／または−１しか含まれないからである。この結果、非常に限られた数の可能な行列となる。
【０１００】
一例として、少なくとも１つのバイアス電流要求を満たす追加条件（ｋ≧１）で、図１１〜１４のｎ＝８、ｍ＝５の線形軸受システムに系統的な検索を適用した。この検索から得られた３つの妥当で技術的に理非分別のある接続方式が図１２〜１４の方式であり、
図１２の
【数７１】
2008501909.tif 000073
図１３の
【数７２】
2008501909.tif 000074
そして図１４の
【数７３】
2008501909.tif 000075
に対応している。
最後の２つの方式では、ｐ＝１であり、追加条件をまだ１つ自由に選ぶことができるということである。
【０１０１】
別の例として、図１９の実施形態に対応する方程式、すなわち、直列で接続され、制御電流を供給する共通ノードを有する単一ペアの磁石が導出される。第１の磁石の力方向は第２の磁石の力方向の逆である。
【数７４】
2008501909.tif 000076
バイアス条件を追加することができる。
【数７５】
2008501909.tif 000077
ところで、
【数７６】
2008501909.tif 000078
は二次式である。共通ノードｊＮ上の電流は、追加境界条件
【数７７】
2008501909.tif 000079
を必要とせずに所望の力に基づいて計算することができる。このことから、図１９のように、共通ノードはｊＮを制御する必要のある増幅器との接続を必要とする。
【０１０２】
上記の一般数理モデルは、電流
【数７８】
2008501909.tif 000080
と所望の力／トルク
【数７９】
2008501909.tif 000081
との線形関係、あるいは少なくともこのような線形関係の線形近似を前提としている。既に述べたように、このような線形近似を常に所定の動作基点を中心とした小さな領域に確立するには、周知のテイラー展開のように、「真」の電流−力関係を線形近似に置き換えることである。そして、電流値を（小さな）電流変化として理解すべきである。もっと一般的方法では、電流値を一般化力値として理解することもできる。一般化力値はそれぞれ、個々のアクチュエータにより生成される所望の力を表す。アクチュエータの物理的特性が分かっている場合は、一般化力値をこの力を生成するのに必要なアクチュエータの実電流に変換することができる。この目的には追加システム状態情報を用いるとよい。一般化力値から電流を計算するには、例えば、各アクチュエータの物理的特性を反映するアクチュエータ別のルックアップテーブルを使用することである。これはアクチュエータごとに独立して行うことができる。一般化力値と電流との関係は線形でなくともよい。制御の過程で上記の数理モデルの（線形）方程式を満たす一般化力値が計算される。特に、共通ノードを流れる電流に関する条件は、行列
【数８０】
2008501909.tif 000082
およびベクトル
【数８１】
2008501909.tif 000083
で記述されるように、一般化力値の条件となる。一般化力値は一般的に非線形関係を介したアクチュエータの駆動電流に変換される。計算した電流が共通ノードの条件をまだ満たしているかどうかを確認するには、元の
【数８２】
2008501909.tif 000084
ではなく、変換された行列
【数８３】
2008501909.tif 000085
を使用することができる。これは一般化力値が満たさなければならない条件として、共通ノードにおける電流条件を示すものである。電流−力関係が作用点を中心に線形に近似している場合には、行列
【数８４】
2008501909.tif 000086
を簡単に計算することができる。必要に応じて、
【数８５】
2008501909.tif 000087
はアクチュエータの実作用点までサンプリング時間ごとに再計算することができる。実用化する上でこの方法を簡素化すると、通常満足な結果が得られるものである。
【数８６】
2008501909.tif 000088
を一定に保持したり、元の行列
【数８７】
2008501909.tif 000089
を用いたりすると、計算された電流が共通ノードの条件を満たさなくなる恐れがあるが、Ｋｉｒｃｈｈｏｆｆの第１法則により、これらの条件は演繹的に満たされる。これにより、ノード条件（Ｋｉｒｃｈｈｏｆｆの第１法則）が再び満たされるように計算電流とは異なる実電流を増幅器が生成させる。
【０１０３】
もう１つの方法として、逆システム行列
【数８８】
2008501909.tif 000090
による変換前に追加された追加手段により、非線形性を補正することができる。アクチュエータの物理的特性が分かっている場合は、修正した力／トルク値を元の所望の力／トルク
【数８９】
2008501909.tif 000091
値を基に計算して変換すれば、非線形性を相殺したアクチュエータの電流を得ることができる。
【０１０４】
このような計算を行うには、例えば、各アクチュエータの物理的特性を反映し、システム状態情報（例えば、バイアス電流、回転子位置、センサ情報）を使用するルックアップテーブルを用いて、アクチュエータの非線形性を相殺することである。
【０１０５】
好適な電流を計算するための別の自由は、バイアス電流を動的に変更して、伝導損失または線形性のようなシステムパフォーマンスを最適化することである。
【０１０６】
本発明に関連して使用する制御方式はいずれもソフトウェアでもハードウェアでも実現可能である。特に、制御を行うために必要な計算にデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）を用いる場合に有利である。このようなＤＳＰは増幅ユニットの一部であると解釈することができる。さらにまた、適切にプログラムされたＤＳＰはアクチュエータの電流を制御する手段とみなされる。計算にはＡ／Ｄ変換器（ＡＤＣ）で適切にデジタル化された後のセンサ信号の評価や制御ステップにおけるこれら信号の所要の力／トルク（または、一般に制御信号）の計算、適切な一般化力値の計算、そして一般化力値の電流値への変換などが挙げられるが、これらは例えば、Ｄ／Ａ変換器（ＤＡＣ）またはパルス幅モジュレータ（ＰＷＭ）を介して電力増幅器やアクチュエータに設けられる。より一般的な用語では、この計算にはセンサ信号から一般化力値を導き出すプロセスにおける計算ステップなどが挙げられる（変位センサまたは等価のセンサ情報から）。
【０１０７】
特に、制御ステップは、当該技術において周知の比例（Ｐ）、比例積分（ＰＩ）、比例積分微分（ＰＩＤ）、比例微分（ＰＤ）制御方式、または非線形制御、適応制御もしくは
【数９０】
2008501909.tif 000092
制御のようなより高度な制御方法により、センサ信号から制御信号が有利に導出するものである。また、制御ステップは変換、周波数フィルタリング、またはその他安定制御を行うための有利な手段を含むものである。
【０１０８】
好適な実施形態を参照して本発明について述べてきたが、本発明がこれらの実施形態に限定されるべきものではなく、また本発明の範囲から逸脱することなく多くの変更が可能であることは明らかである。
【０１０９】
多くの例のうちの１つとして、本発明は回転子を支持するいわゆる円錐ころ軸受にも適用可能であり、少なくとも１つのアクチュエータが軸方向だけでなく半径方向にも力を出す。
【図面の簡単な説明】
【０１１０】
【図１】磁気軸受に吊るされた回転子の非常に模式化された斜視図を示す。
【図２】磁気抵抗型電磁アクチュエータの原理の図を示す。
【図３】従来技術による増幅ユニットと単一アクチュエータとを接続するためのケーブル方式の略図を示す。
【図４】増幅ユニットと４つのアクチュエータを備えた軸受ユニットとを接続するための第１のケーブル方式の略図を示す。
【図５】増幅ユニットと４つのアクチュエータを備えた軸受ユニットとを接続するための従来技術による第２のケーブル方式の略図を示す。
【図６】増幅ユニットと４つのアクチュエータを備えた軸受ユニットとを接続するための本発明の第１の実施形態に係るケーブル方式の略図を示す。
【図７】増幅ユニットと４つのアクチュエータを備えた軸受ユニットとを接続するための本発明の第２の実施形態に係るケーブル方式の略図を示す。
【図８】６つのアクチュエータを備えた磁気軸受装置の非常に模式化された平面図を示す。
【図９】増幅ユニットと６つのアクチュエータを備えた軸受ユニットとを接続するための従来技術によるケーブル方式の略図を示す。
【図１０】増幅ユニットと６つのアクチュエータを備えた軸受ユニットとを接続するための本発明の第３の実施形態に係るケーブル方式の略図を示す。
【図１１】８つのアクチュエータを備えた線形磁気軸受装置の非常に模式化された斜視図を示す。
【図１２】増幅ユニットと図１１のアクチュエータとを接続するための本発明の第４の実施形態に係るケーブル方式の略図を示す。
【図１３】増幅ユニットと図１１のアクチュエータとを接続するための本発明の第５の実施形態に係るケーブル方式の略図を示す。
【図１４】増幅ユニットと図１１のアクチュエータとを接続するための本発明の第６の実施形態に係るケーブル方式の略図を示す。
【図１５】増幅ユニットと４つのアクチュエータを備えた軸受ユニットとを接続するための本発明の第７の実施形態に係るケーブル方式の略図を示す。
【図１６】増幅ユニットと４つのアクチュエータを備えた軸受ユニットとを接続するための本発明の第８の実施形態に係るケーブル方式の略図を示す。
【図１７】増幅ユニットと４つのアクチュエータを備えた軸受ユニットとを接続するための本発明の第９の実施形態に係るケーブル方式の略図を示す。
【図１８】本発明の第１０の実施形態に係るケーブル方式の略図を示す。
【図１９】本発明の第１１の実施形態に係るケーブル方式の略図を示す。
【図１】
2008501909.tif 000103
【図２】
2008501909.tif 000104
【図３】
2008501909.tif 000105
【図４】
2008501909.tif 000106
【図５】
2008501909.tif 000107
【図６】
2008501909.tif 000108
【図７】
2008501909.tif 000109
【図８】
2008501909.tif 000110
【図９】
2008501909.tif 000111
【図１０】
2008501909.tif 000112
【図１１】
2008501909.tif 000113
【図１２】
2008501909.tif 000114
【図１３】
2008501909.tif 000115
【図１４】
2008501909.tif 000116
【図１５】
2008501909.tif 000117
【図１６】
2008501909.tif 000118
【図１７】
2008501909.tif 000119
【図１８】
2008501909.tif 000120
【図１９】
2008501909.tif 000121
【手続補正書】
【提出日】平成19年2月8日(2007.2.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
増幅ユニット（６０１、７０１、１００１、１２０１、１６０１、１７０１、１８０１）と、物体（１０１、１１０１）の多自由度を制御する電磁アクチュエータの少なくとも１つのグループ（４１０、８１０、１１１０）とからなり、前記グループ（４１０、８１０、１１１０）におけるアクチュエータの数は少なくとも３つであり、アクチュエータの前記グループにおける各アクチュエータは電流を前記アクチュエータに供給するための第１と第２のポートとを有し、アクチュエータの前記グループにおける各アクチュエータの該第１のポートは前記増幅ユニットに接続される、物体を磁気的に支持する磁気軸受装置（１００、１１００）において、
−  アクチュエータの前記グループはアクチュエータの第１のサブグループと第２のサブグループに分けられ、該第１のサブグループにおける各アクチュエータの該第２のポートは第１の共通ノード（６０８）に接続され、そして該第２のサブグループにおける各アクチュエータの該第２のポートは第２の共通ノード（６０９）に接続され、
−  前記第１の共通ノード（６０８）と前記第２の共通ノード（６０９）とはノード接続手段により電気的に接続され、
−  前記共通ノードのいずれかと前記増幅ユニット間には追加電気接続がないか、または１つ以上の追加電気接続（６０６）が前記第１および／または前記第２の共通ノードと前記増幅ユニット（６０１、７０１、１００１、１２０１、１６０１、１７０１）との間に存在する場合には、前記増幅ユニット（６０１、７０１、１００１、１２０１、１６０１、１７０１）は、前記追加電気接続（６０６）を流れる全電流の絶対値の合計が必ずアクチュエータの前記グループにおける全アクチュエータを流れる全電流の絶対値の合計より低くなるように前記アクチュエータを流れる前記電流を制御する手段からなることを特徴とする、磁気軸受装置。
【請求項２】
前記第１と第２の共通ノードが互いに直接接続されるか、または前記ノード接続手段がコイルまたはそれ以上の電磁アクチュエータからなることを特徴とする、請求項１に記載の磁気軸受装置。
【請求項３】
アクチュエータの前記グループの各アクチュエータは磁気抵抗型アクチュエータ（２０１、２０２、２０３）であることを特徴とする、請求項１または２に記載の磁気軸受装置。
【請求項４】
前記第１のサブグループにおける各アクチュエータの前記第１のポートは第１の極性で前記増幅ユニットに接続され、前記第２のサブグループにおける各アクチュエータの前記第１のポートは該第１の極性とは反対の第２の極性で前記増幅ユニットに接続されることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の磁気軸受装置。
【請求項５】
前記増幅ユニット（６０１、７０１、１００１、１２０１）は、前記第１のサブグループの前記各アクチュエータの各第１のポートを第１の電位レベル（Ｖ０）に選択的に接続し、前記第２のサブグループの前記各アクチュエータの各第１のポートを前記第１の電位レベル（Ｖ０）より低い第２の電位レベル（ＧＮＤ）に選択的に接続するように操作可能な能動スイッチ手段（３０３）からなることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の磁気軸受装置。
【請求項６】
前記増幅ユニット（６０１、７０１、１００１、１２０１）は、一方向電流が前記第２の電位レベル（ＧＮＤ）から前記第１のサブグループにおける前記各アクチュエータの各第１のポートに流れることができるようにする複数の第１のダイオードと、電流が前記第２のサブグループにおける各アクチュエータの各第１のポートから前記第１の電位レベル（Ｖ０）に流れることができるようにする複数の第２のダイオードとからなることを特徴とする、請求項５に記載の磁気軸受装置。
【請求項７】
アクチュエータの前記グループ（４１０）は、第１の方向（＋ｘ）に力を生成する第１のアクチュエータ（４１１）と、該第１の方向とは反対の第２の方向（−ｘ）に力を生成する第２のアクチュエータ（４１２）と、該第１と第２の方向とは異なる第３の方向（＋ｙ）に力を生成する第３のアクチュエータ（４１３）と、該第３の方向とは反対の第４の方向（−ｙ）に力を生成する第４のアクチュエータ（４１４）とからなり、前記第１のサブグループは、前記第１と前記第２のアクチュエータ（４１１、４１２）とからなり、そして前記第２のサブグループは、前記第３と前記第４のアクチュエータ（４１３、４１２）とからなることを特徴とする、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の磁気軸受装置。
【請求項８】
物体（１０１、１１０１）を磁気的に支持する磁気軸受装置（１００、１１００）の操作方法において、前記磁気軸受装置は増幅ユニット（６０１、７０１、１００１、１２０１、１６０１、１７０１）と、該物体（１０１、１１０１）の多自由度を制御する電磁アクチュエータの少なくとも１つのグループ（４１０、８１０、１１１０）とからなり、前記グループ（４１０、８１０、１１１０）におけるアクチュエータの数は少なくとも３つであり、アクチュエータの前記グループにおける各アクチュエータは電流を前記アクチュエータに供給するための第１と第２のポートとを有し、アクチュエータの前記グループにおける各アクチュエータの該第１のポートは前記増幅ユニットに接続され、アクチュエータの前記グループはアクチュエータの第１のサブグループと第２のサブグループに分けられ、該第１のサブグループにおける各アクチュエータの該第２のポートは第１の共通ノードに接続され、該第２のサブグループにおける各アクチュエータの該第２のポートは第２の共通ノードに接続され、前記第一の共通ノードと前記第二の共通ノードとはノード接続手段により電気的に接続され、前記共通ノードと前記増幅ユニット間には追加電気接続（６０６）が設けられておらず、そして各サブグループを流れる電流の合計が必ず同じ方向に流れるように電流が前記アクチュエータに供給される、操作方法。
【請求項９】
前記磁気軸受装置は、ｐ≧１であり、ｍ多自由度を制御する合計ｎ多アクチュエータを有するアクチュエータのｐ多グループからなり、アクチュエータの各グループのアクチュエータは共通ノードに接続される方法において、前記方法は、
・  複数のセンサ信号を供給するステップと、
・  前記センサ信号に基づいて一連のｍ制御信号を導出するステップと、
・  前記制御信号から一連のｎ一般化力値を導き出して前記アクチュエータを駆動するステップとからなり、
一連のｎ一般化力値を導き出す前記ステップは、
・  その行列要素がアクチュエータの幾何学的配置および物理的特性を記述する幾何行列
【数１】
2008501909.tif 000122
を求めるステップと、
・  その行列要素がアクチュエータと前記各共通ノードとの接続を記述するノード行列
【数２】
2008501909.tif 000123
を求めるステップと、
・  その行列要素が追加境界条件を記述するバイアス行列
【数３】
2008501909.tif 000124
を求めるステップと、
・  幾何行列
【数４】
2008501909.tif 000125
、バイアス行列
【数５】
2008501909.tif 000126
、およびノード行列
【数６】
2008501909.tif 000127
から二次可逆システム行列
【数７】
2008501909.tif 000128
を形成するステップと、
・  前記システム行列
【数８】
2008501909.tif 000129
を反転させて逆システム行列
【数９】
2008501909.tif 000130
を求めるステップと、
・  前記逆システム行列
【数１０】
2008501909.tif 000131
に、前記ｍ制御信号、前記共通ノードからの電流を記述するｐ追加番号、および前記追加境界条件に属する（ｎ−ｍ−ｐ）多追加番号の値を含む列ベクトルを乗算して、前記一般化力値を含むｎ行を有する列ベクトルを求めるステップとからなることを特徴とする、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
増幅ユニット（１９０１）とペアの電磁アクチュエータ（１９１１、１９１２）とからなり、前記各アクチュエータは電流を前記アクチュエータに供給するための第一と第二のポートを有する、物体（１０１、１１０１）を支持する磁気軸受装置（１００、１１００）において、前記第一のアクチュエータの前記第二のポートと前記第二のアクチュエータの前記第一のポートとは共通ノード（１９１０）に接続され、前記第一のアクチュエータ（１９１１）の前記第一のポート、前記第二のアクチュエータ（１９１２）の前記第二のポート、および前記共通ノード（１９１０）のそれぞれは前記増幅ユニット（１９０１）に接続され、そして前記増幅ユニットは電流を第一の所定の方向の前記第一のアクチュエータ（１９１１）の前記第一のポート、前記第一の所定の方向とは反対の第二の所定の方向の前記第二のアクチュエータ（１９１２）の前記第二のポート、および前記方向のいずれかの前記共通ノード（１９１０）に供給するようになっていることを特徴とする、磁気軸受装置。
【請求項１１】
前記増幅ユニットは第一と第二の電位レベル間に供給されるＨ−ブリッジ回路からなり、前記第一のアクチュエータの前記第一のポートは前記Ｈ−ブリッジ回路の第一の分岐に接続され、前記第二のアクチュエータの前記第二のポートは前記Ｈ−ブリッジ回路の第二の分岐に接続され、そして前記共通ノードは前記共通ノードと前記第一または前記第二の電位レベルとを交互に接続する働きをするスイッチ手段に接続されることを特徴とする、請求項１０に記載の磁気軸受装置。
【請求項１２】
・  前記第一のアクチュエータの前記第一のポートから流れる所定のバイアス電流を前記第二のアクチュエータの前記第二のポートに供給するステップと、
・  所望の位置から前記物体の一部の変位を求めるステップと、
・  前記増幅ユニットと前記共通ノード間を流れる電流を変更して、前記所望の位置を復元する働きをする力を生成するステップとからなることを特徴とする、請求項１０または１１に記載の磁気軸受装置の操作方法。
【国際調査報告】
2008501909.tif 000132
2008501909.tif 000133
2008501909.tif 000134