(57)【要約】【課題】位置センサの信号の和成分を利用して磁気浮上制御を行う磁気浮上装置の提供。【解決手段】位置センサ３Ａ，３Ｂは被支持体１を挟んで対向して配置され、被支持体１の浮上制御方向の位置を検出する。センサ回路４Ａ，４Ｂから出力された信号は、それぞれ差分器５および加算器６に入力される。差分器５では各信号の差である変位成分が生成され、加算器６では各信号の和成分が生成される。利得設定部８では、被支持体１が浮上目標位置に浮上しているときに、和成分に基づいて磁気浮上系に適するような磁気浮上制御系７の利得を算出し、磁気浮上制御系７の利得を算出された利得に設定する。そのため、熱膨張等によりギャップ寸法が変化しても、安定した磁気浮上制御を維持することができる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被支持体を磁気浮上させる電磁石と、
前記被支持体を挟んで対向して配置されるとともに、前記被支持体の浮上制御方向の位置を検出する一対の位置検出センサと、
前記位置検出センサの検出結果に基づいて前記電磁石の励磁電流を制御する磁気浮上制御系と、
前記一対の位置検出センサから出力されるセンサ信号の和を演算する演算部と、
前記被支持体が浮上目標位置に浮上しているときに、前記演算部の演算結果に基づいて前記磁気浮上制御系の制御パラメータを設定する設定部とを備え、
前記磁気浮上制御系は設定された前記制御パラメータに基づいて前記電磁石の励磁電流を制御することを特徴とする磁気浮上装置。
【請求項２】
被支持体を磁気浮上させる電磁石と、
前記被支持体を挟んで対向して配置された一対の電磁石の励磁電流に重畳されたセンサ信号を検出して、前記被支持体の浮上位置を検出する浮上位置検出手段と、
前記浮上位置検出手段の検出結果に基づいて前記電磁石の励磁電流を制御する磁気浮上制御系と、
前記浮上位置検出手段によって検出された一対のセンサ信号の和を演算する演算部と、
前記被支持体が浮上目標位置に浮上しているときに、前記演算部の演算結果に基づいて前記磁気浮上制御系の制御パラメータを設定する設定部とを備え、
前記磁気浮上制御系は設定された前記制御パラメータに基づいて前記電磁石の励磁電流を制御することを特徴とする磁気浮上装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の磁気浮上装置において、
前記制御パラメータは、前記磁気浮上制御系の利得であることを特徴とする磁気浮上装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気軸受装置や磁気搬送装置等の磁気浮上装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁気軸受装置や磁気搬送装置等の磁気浮上装置においては、電磁石により非接触支持される被支持体の位置（移動量）を位置センサで検出し、位置センサからの信号に基づいて電磁石コイルの電流を制御することにより、被支持体を最適位置に浮上させるようにしている。位置センサとしては、例えば、インダクタンスの変化を利用した電磁誘導型センサが用いられており、電磁石の近傍に検出用のコイルを設けて検出用の信号を印加するものである。
【０００３】
また、位置センサを必要としない磁気浮上装置として、被支持体と電磁石とのギャップを検出するための交流信号を電磁石電流に重畳させる「重畳方式」の磁気軸受装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。いずれの磁気浮上装置の場合でも、対向する位置センサまたは電磁石のセンサ信号（重畳信号）の差成分を用いて、被支持体が、対向する電磁石間の浮上目標位置に浮上するように制御している。
【０００４】
上述したような磁気浮上装置では、磁気浮上系に機械的な誤差があるため、例えば、電磁石と被支持体とのギャップ寸法にばらつきがあるため、磁気浮上系の利得も装置ごとにばらついている。そのため、磁気浮上系と制御系とを結合した際に、磁気浮上系の利得と制御系の利得とをマッチングさせるチューニング作業が行われる。
【０００５】
【特許文献１】
特開平５−１１８３２９号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、チューニング作業を磁気浮上系と制御系とを結合した際に行った場合でも、被支持体や電磁石の温度変化等により、ギャップ寸法が変化することがある。ギャップ寸法が変化すると磁気浮上系の利得も変化するため、制御系の利得とのマッチングがくずれて、磁気浮上制御が不安定となるおそれがあった。
【０００７】
本発明は、被支持体の浮上位置を検出するための位置センサの信号の和成分を利用して磁気浮上制御を行う磁気浮上装置を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、被支持体を磁気浮上させる電磁石と、被支持体を挟んで対向して配置されるとともに、被支持体の浮上制御方向の位置を検出する一対の位置検出センサと、位置検出センサの検出結果に基づいて電磁石の励磁電流を制御する磁気浮上制御系と、一対の位置検出センサから出力されるセンサ信号の和を演算する演算部と、被支持体が浮上目標位置に浮上しているときに、演算部の演算結果に基づいて磁気浮上制御系の制御パラメータを設定する設定部とを有する。そして、磁気浮上制御系は設定された制御パラメータに基づいて電磁石の励磁電流を制御する。
また、浮上位置検出手段は、被支持体を挟んで対向して配置された一対の電磁石の励磁電流に重畳されたセンサ信号を検出して前記浮上位置を検出するものであっても良い。その場合、演算部は、浮上位置検出手段によって検出された一対のセンサ信号の和を演算する。
制御パラメータとしては、例えば、磁気浮上制御系の利得がある。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明による磁気浮上装置の一実施の形態を示すブロック図である。図１において、磁気浮上装置の被支持体１は電磁石２Ａ、２Ｂの吸引力により非接触支持される。例えば、５軸型磁気軸受であれば、被支持体１はロータに、電磁石２Ａ、２Ｂはロータを支持する４対のラジアル電磁石の内の１対にそれぞれ対応している。
【００１０】
電磁石２Ａ，２Ｂの近傍には位置センサ３Ａ，３Ｂが配設されている。電磁石２Ａ，２Ｂおよび位置センサ３Ａ，３Ｂは、各々が被支持体１を挟んで配置されている。電磁石２Ａ，２Ｂと被支持体１とのギャップ寸法はそれぞれｄ２Ａ，ｄ２Ｂであり、位置センサ３Ａ，３Ｂと被支持体１とのギャップ寸法はそれぞれｄ３Ａ，ｄ３Ｂである。被支持体１が電磁石２Ａ，２Ｂの中心に浮上しているときには、ｄ２Ａ＝ｄ２Ｂ、ｄ３Ａ＝ｄ３Ｂである。なお、以下では、電磁石２Ａ，２Ｂおよび位置センサ３Ａ，３Ｂのギャップ寸法は等しく、ｄ２Ａ＝ｄ３Ａ、ｄ２Ｂ＝ｄ３Ｂの関係にあるとして説明する。
【００１１】
位置センサ２Ａ，２Ｂとして、例えば、インダクタンスの変化を利用した電磁誘導型センサを用いた場合、被支持体１が位置センサ３Ａ側に偏心するとｄ３Ａ＜ｄ３Ｂとなって、位置センサ３Ａ側のインダクタンスは大きくなりセンサ信号も大きくなる。逆に、位置センサ３Ｂ側のインダクタンスは小さくなり、センサ信号も小さくなる。
【００１２】
位置センサ３Ａのセンサ信号はセンサ回路４Ａに入力され、センサ回路４Ａで増幅された後に差分器５および加算器６の両方にそれぞれ入力される。一方、位置センサ３Ｂのセンサ信号はセンサ回路４Ｂに入力され、センサ回路４Ｂで増幅された後に差分器５および加算器６の両方にそれぞれ入力される。例えば、センサ回路４Ａ，４Ｂからの信号をそれぞれＳａ，Ｓｂとすれば、差分器５からは差分（Ｓａ−Ｓｂ）が出力され、加算器６からは和（Ｓａ＋Ｓｂ）が出力される。
【００１３】
差分（Ｓａ−Ｓｂ）は被支持体１と電磁石２Ａ，２Ｂとの間のギャップｄ３Ａ，ｄ３Ｂの差に相当し、以下では変位成分と呼ぶことにする。すなわち、被支持体１が位置センサ３Ａ，３Ｂの中心に浮上しているときには変位成分（Ｓａ−Ｓｂ）はゼロとなり、被支持体１が中心からずれると変位成分は（Ｓａ−Ｓｂ）≠０となる。一方、和（Ｓａ＋Ｓｂ）はギャップｄ３Ａ，ｄ３Ｂの和に相当し、以下では和成分と呼ぶことにする。
【００１４】
変位成分（Ｓａ−Ｓｂ）は磁気浮上制御系７に入力され、和成分（Ｓａ＋Ｓｂ）は利得設定部８に入力される。利得設定部８は、和成分（Ｓａ＋Ｓｂ）に基づいて磁気浮上制御系７の利得を設定する。磁気浮上制御系７は、差分器５からの変位成分（Ｓａ−Ｓｂ）と利得設定部８により設定された利得とに基づいて、電磁石駆動回路９Ａ，９Ｂを制御する。磁気浮上制御系７では、変位成分（Ｓａ−Ｓｂ）から算出される被支持体１の浮上位置と予め設定された浮上目標位置とを比較して、ＰＩＤ制御等により電磁石電流制御量を算出する。各電磁石駆動回路９Ａ，９Ｂは、電磁石電流制御量に基づく電磁石電流を電磁石２Ａ，２Ｂにそれぞれ供給する。
【００１５】
ところで、被支持体１や電磁石２Ａ，２Ｂは電磁石２Ａ，２Ｂ等の発熱による温度変化によって熱膨張し、被支持体１が中心位置に浮上していてもギャップ寸法ｄ２Ａ，ｄ２Ｂ，ｄ３Ａ，ｄ３Ｂが変化することがある。そのような場合、センサ回路４Ａ，４Ｂから出力される信号Ｓａ，Ｓｂも変化することになる。そのため、磁気浮上系の利得が変化し、被支持体１が中心位置から変位したときに、電磁石２Ａ，２Ｂが被支持体１を中心方向に戻そうとする力も変化する。
【００１６】
例えば、電磁石２Ａ，２Ｂの力がギャップ寸法ｄ２Ａ，ｄ２Ｂの２乗に反比例し、位置センサ３Ａ，３Ｂの感度がギャップ寸法に反比例する場合について考える。ギャップ寸法ｄ２Ａ，ｄ２Ｂが熱膨張によって１／２に減少した場合、電磁石２Ａ，２Ｂの力は２×２＝４倍に増大する。そのため、被支持体１を中心方向に戻すための電磁石電流変化が同一であっても、中心位置に戻そうとする力は４倍になる。さらに、位置センサ３Ａ，３Ｂの感度も２倍になるので、同一変位に対して信号Ｓａ，Ｓｂの大きさは２倍になる。すなわち、実際の変位がαであっても、２倍の２αだけ変位したと認識されることになる。その結果、磁気浮上系としては利得が８倍になったとみなすことができる。
【００１７】
このような装置運転中における磁気浮上系の利得の変化に対応して、従来の装置では制御系の利得を変えることはなかったので、磁気浮上系と制御系とのマッチングがくずれて磁気浮上状態が不安定となるおそれがあった。一方、図１に示した本実施の形態の磁気浮上装置では、加算器６および利得設定部８を設けることによって、磁気浮上系の利得の変化に対応して磁気浮上制御系７の利得を変えるようにして、磁気軸受制御が常に安定するようにした。
【００１８】
上述したように、ギャップ寸法ｄ２Ａ，ｄ２Ｂ，ｄ３Ａ，ｄ３Ｂが小さくなると磁気浮上系の利得が大きくなって、被支持体１の変位に対して元に戻そうとする力が本来よりも強くなってしまうことになる。逆に、なんらかの原因でギャップ寸法ｄ２Ａ，ｄ２Ｂ，ｄ３Ａ，ｄ３Ｂが大きくなるような場合には、磁気浮上系の利得が小さくなって、被支持体１の変位に対して元に戻そうとする力が本来よりも弱くなってしまうことになる。
【００１９】
本実施の形態では、磁気浮上系の利得が変化した場合には、その変化を打ち消すように磁気浮上制御系７の利得を変化させるようにした。例えば、熱膨張によってギャップ寸法ｄ２Ａ，ｄ２Ｂ，ｄ３Ａ，ｄ３Ｂが小さくなった場合には、磁気浮上制御系７の利得を下げて本来の制御状態とほぼ等しい制御状態に保って安定的な磁気浮上制御を維持するようにした。特に、磁気軸受式ターボ分子ポンプでは、被支持体１であるロータは真空中に浮上しているために放熱し難く、熱膨張による不安定状態が発生しやすい。
【００２０】
図１において、差分器５から出力される変位成分（Ｓａ−Ｓｂ）は、上述したように被支持体１の変位を表している。被支持体１が中心位置に浮上している場合にはＳａ＝Ｓｂであるから変位成分＝０となり、中心位置から変位すると変位成分≠０となる。すなわち、被支持体１が中心位置からずれているか否かを変位成分（Ｓａ−Ｓｂ）で検出し、磁気浮上制御装置７は電磁石駆動回路９Ａ，９Ｂを制御する。そのときの利得については利得設定部８で設定する。
【００２１】
ところで、変位成分（Ｓａ−Ｓｂ）では被支持体１が中心位置からずれているか否かは検出できるが、ギャップ寸法ｄ２Ａ，ｄ２Ｂ，ｄ３Ａ，ｄ３Ｂが変化したか否かを検出できない。すなわち、被支持体１が中心位置に浮上しているときには、ギャップ寸法変化による信号Ｓａ、Ｓｂの変化量ΔＳは互いに等しく、差分をとると変化量同士が打ち消し合って変化が検出できなくなる。
【００２２】
一方、加算器６から出力される和成分（Ｓａ＋Ｓｂ）の場合には、ギャップ寸法変化によって２ΔＳだけ変化する。よって、被支持体１が中心位置に浮上しているときの和成分（Ｓａ＋Ｓｂ）を利用することにより、熱膨張等によるギャップ変化を検出することができる。ギャップ変化前にセンサ回路４Ａ，４Ｂから出力される信号をＳａ，Ｓｂ、ギャップ変化後の信号をＳａ’，Ｓｂ’とすれば、和成分は（Ｓａ＋Ｓｂ）から（Ｓａ’＋Ｓｂ’）に変化する。これらの比β＝（Ｓａ’＋Ｓｂ’）／（Ｓａ＋Ｓｂ）はギャップ寸法変化の程度を表しており、ギャップ寸法変化＝０の場合にはβ＝１、ギャップ寸法が大きくなった場合にはβ＞１、ギャップ寸法が小さくなった場合にはβ＜１となる。
【００２３】
利得設定部８には予め磁気浮上制御系７の利得Ｇが記憶されており、その利得Ｇは上述したβを含むＧ（β）のように表しておく。そして、被支持体１が中心位置に浮上しているときのセンサ信号Ｓａ’，Ｓｂ’を検出し、加算器６で和成分（Ｓａ＋Ｓｂ）を求める。利得設定部８には基準となる和成分（Ｓａ＋Ｓｂ）が記憶されており、これらからβ’＝（Ｓａ’＋Ｓｂ’）／（Ｓａ＋Ｓｂ）を算出する。そして、算出されたβ’を利得Ｇ（β）のβに代入する。利得設定部８は、磁気浮上制御系７の利得Ｇを、算出された利得Ｇ（β’）に置き換える。磁気浮上制御系７は、新たな利得Ｇ（β’）に基づいて電磁石駆動回路９Ａ，９Ｂを制御する。
【００２４】
磁気浮上制御系７の利得Ｇの設定タイミングとしては、例えば、装置起動時に行ったり、起動後に所定時間間隔で行ったり、起動後に算出されたβ’が所定値以上となった場合等に行うようにすれば良い。一般的に、電磁石２Ａ，２Ｂや位置センサ３Ａ，３Ｂには寸法誤差や組立誤差等があるので、装置起動時に利得Ｇの設定を行うことにより、これらの機械的誤差による磁気浮上系の利得の変動を打ち消すように利得のマッチングを図ることができる。
【００２５】
また、起動後に利得Ｇの設定を行うことにより、熱膨張等に起因するギャップ変化によって磁気浮上系の利得が変化した場合でも、磁気浮上制御系７の利得をＧ（β’）に設定することにより、安定的な磁気浮上制御を維持することができる。さらに、ギャップ寸法ｄ２Ａ，ｄ２Ｂ，ｄ３Ａ，ｄ３Ｂの変化した場合だけでなく、位置センサ３Ａ，３Ｂとセンサ回路４Ａ，４Ｂとを結んでいるケーブルを変えた場合にも信号Ｓａ，Ｓｂは変化する。このような場合にも磁気浮上系の利得は変化するが、本実施の形態では、このような場合にも磁気浮上制御系の利得をＧ（β’）に設定することにより、磁気浮上制御系７の利得を磁気浮上系の利得にマッチングさせることができる。
【００２６】
従来、利得調整を行う場合には、被支持体１を変位可能範囲内で移動させ、その移動量から電磁石２Ａ，２Ｂと被支持体１とのギャップ寸法ｄ３Ａ，ｄ３Ｂを推定していた。例えば、磁気軸受装置においては、ロータをタッチダウンベアリングに接触させてギャップ寸法ｄ３Ａ，ｄ３Ｂを間接的に求めていた。しかし、タッチダウンベアリングに取付誤差があるため、それがギャップ寸法測定誤差となってしまう。一方、本実施の形態では、位置センサ信号の和成分を用いて中心位置浮上時のギャップ寸法を直接的に求めているため、ギャップ寸法測定誤差が小さくなり、従来よりも利得調整の精度が向上する。
【００２７】
−第２の実施の形態−
図２は、本発明による磁気浮上装置の第２の実施の形態を示すブロック図である。なお、図１と同一部分には同一の符号を付した。以下では、図１と異なる部分を中心に説明する。図２に示す磁気浮上装置は、「重畳方式」の磁気浮上装置である。重畳信号発生回路１３で生成された重畳信号は、電磁石駆動回路９Ａ，９Ｂおよび同期検波回路１２Ａ，１２Ｂに入力される。この重畳信号は、磁気浮上制御の周波数帯域から十分離れた周波数を有するものであり、電磁石２Ａ，２Ｂの駆動信号に重畳される。
【００２８】
電磁石２Ａ，２Ｂに流れる励磁電流の電流値はそれぞれ電流検出部１０Ａ，１０Ｂにより検出される。電流検出部１０Ａ，１０Ｂは、例えば抵抗などを用いて電流値を電圧信号として出力する。電流検出部１０Ａから出力された電流検出信号は、電磁石駆動回路９Ａおよび重畳成分抽出部１１Ａに入力される。一方、電流検出部１０Ｂから出力された電流検出信号は、電磁石駆動回路９Ｂおよび重畳成分抽出部１１Ｂに入力される。
【００２９】
重畳成分抽出部１１Ａ，１１Ｂでは、電流検出信号に含まれる重畳信号成分をそれぞれ抽出する。差分器５では、電磁石２Ａに関する重畳信号成分と電磁石２Ｂに関する重畳信号成分との差が演算される。加算器６では、重畳信号成分と重畳信号成分との和が演算される。
【００３０】
差分器５から出力された差分信号は同期検波回路１２Ｂに入力される。同期検波回路１２Ｂでは、重畳信号発生回路１３からの重畳信号を参照信号として、差分信号の同期検波が行われる。この同期検波により得られる信号は第１の実施の形態における差分信号（変位成分）と同様のものであり、第１の実施の形態と同様に変位成分と呼ぶことにする。
【００３１】
一方、加算器６から出力された和信号は同期検波回路１２Ａに入力されて、差分信号の場合と同様の同期検波が行われる。同期検波により得られる信号は第１の実施の形態の和成分と同様のものであり、これも和成分と呼ぶことにする。この和成分は利得設定部８に入力され、第１の実施の形態と同様に和成分に基づいて磁気浮上制御系７の利得が設定される。
【００３２】
磁気浮上制御系７は、同期検波回路１２Ｂからの変位成分と利得設定部８により設定された利得に基づいて、電磁石駆動回路９Ａ，９Ｂを制御する。磁気浮上制御系７では、変位成分から算出される被支持体１の浮上位置と予め設定された浮上目標位置とを比較して、利得設定部８により設定された利得に基づいて電磁石電流制御量を算出する。そして、この電磁石電流制御量に基づいて、各電磁石駆動回路９Ａ，９Ｂは電磁石２Ａ，２Ｂを駆動する。
【００３３】
本実施の形態においても、例えば、熱膨張等に起因する磁気浮上系の利得の変化があった場合、和成分を用いることによって磁気浮上系の利得変化を打ち消すように磁気浮上制御系７の利得を設定することができる。その結果、常に安定的な磁気浮上制御を行うことができる。
【００３４】
ところで、上述した第１の実施の形態の装置では、位置センサ３Ａ，３Ｂと電磁石２Ａ，２Ｂとの間の相対位置誤差がギャップ寸法測定誤差に影響する。このギャップ寸法誤差は、位置センサ３Ａ，３Ｂや電磁石２Ａ，２Ｂの組付誤差に起因することもあるし、両者の間の熱膨張差に起因したりする。
【００３５】
一方、本実施の形態は、電磁石電流に重畳された重畳信号に基づいて被支持体１の位置を検出する「重畳方式」の磁気浮上装置であるため、本来必要な電磁石２Ａ，２Ｂと被支持体１とのギャップｄ２Ａ，ｄ２Ｂに基づいて磁気浮上制御を行うことができる。そのため、磁気浮上制御の安定性がより向上する。
【００３６】
なお、上述した実施の形態では、和成分に基づいて磁気浮上制御系７の制御パラメータである利得の設定を変えたが、設定変更する制御パラメータとしては利得だけでなく周波数特性であっても良い。
【００３７】
また、図１，２では、制御系をハードウェア的に構成しているが、重畳信号発生回路１３，重畳成分抽出部１１Ａ，１１Ｂ，差分器５，加算器６，同期検波回路１２Ａ，１２Ｂ，利得設定部８および磁気浮上制御系７はソフトウェア的に構成することもできる。本実施の形態の磁気浮上装置は、例えば、ターボ分子ポンプの磁気軸受や磁気搬送装置などに適用することができる。なお、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。
【００３８】
以上説明した実施の形態と特許請求の範囲の要素との対応において、第１の実施の形態の位置センサ３Ａ，３Ｂおよびセンサ回路４Ａ，４Ｂ、第２の実施の形態の重畳信号発生回路１３，電流検出部１０Ａ，１０Ｂおよび重畳成分抽出部１１Ａ，１１Ｂは浮上位置検出手段を、加算器６は演算部をそれぞれ構成する。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、熱膨張などにより磁気浮上系の利得が変化した場合でも、その変化を打ち消すように磁気浮上系の利得を設定することによって、被支持体や電磁石の温度変化などにより磁気浮上制御が不安定になるのを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による磁気浮上装置の一実施の形態を示すブロック図である。
【図２】本発明による磁気浮上装置の第２の実施の形態を示すブロック図である。
【符号の説明】
１  被支持体
２Ａ，２Ｂ  電磁石
３Ａ，３Ｂ  位置センサ
４Ａ，４Ｂ  センサ回路
５  差分器
６  加算器
７  磁気浮上制御系
８  利得設定部
９Ａ，９Ｂ  電磁石駆動回路
１０Ａ，１０Ｂ  電流検出部
１１Ａ，１１Ｂ  重畳成分抽出部
１２Ａ，１２Ｂ  同期検波回路
１３  重畳信号発生回路
【図１】
2004251311.tif 000003
【図２】
2004251311.tif 000004