(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気浮上体と、前記磁気浮上体の近傍に配置されて前記磁気浮上体を浮上保持する一対の電磁石と、前記磁気浮上体の浮上位置を検出する位置センサと、前記位置センサからの検出信号に基づいて前記一対の電磁石への励磁電流を調整して前記磁気浮上体を目標位置に浮上保持させる制御部とからなる磁気浮上体の制御装置において、前記制御部は前記磁気浮上体を可動範囲の限界位置の略中心に浮上させる手段と、この状態において最低ゲインを検出する手段と、最低ゲインに倍数を乗算して設定ゲインを求める手段と、乗算すべき前記倍数を最低ゲインを決定したときに前記一対の電磁石に流れている前記励磁電流の比率に基づいて選定する手段とを備え、これらの手段を磁気浮上体の初めての浮上開始時に働かせることによって設定ゲインを決定するものであることを特徴とする磁気浮上体の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、工作機械の磁気軸受型スピンドルモータのロータ、ターボ分子ポンプのロータ、磁気浮上搬送装置の搬送浮上体の如く、磁力により浮上保持される能動型の磁気浮上体を制御する磁気浮上体の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特開平２−１０７８１５号公報には、電磁石により浮上保持される磁気浮上体と、前記磁気浮上体の浮上位置を検出する位置センサと、前記位置センサからの検出信号を入力し前記電磁石へ励磁電流を出力する制御部とからなり、前記制御部により前記電磁石の励磁電流を調整して前記磁気浮上体を目標位置に浮上保持させるようにした磁気浮上体の制御装置において、前記制御部には前記磁気浮上体の可動範囲の限界位置を検出する検出手段が設けられているとともに、前記検出手段により検出された限界位置から中心浮上位置を演算し前記磁気浮上体の目標浮上位置を補正する補正手段が設けられていることを特徴とする磁気浮上体の制御装置が開示されている。
【０００３】
ところで、磁気浮上体には製作上、必然的に寸法のばらつきが生じる。このため、従来の能動型の磁気浮上体においては、例えば上記特開平２−１０７８１５号公報に開示されている如く、はじめての浮上開始時にオフセット及びゲイン調整回路を用いて浮上体の位置を移動し、浮上体が固定部と接触する位置を検出し、その結果から浮上体の適正な目標位置を演算し設定することでばらつきを吸収していた。
【０００４】
制御装置で磁気浮上体を目標位置に安定して保持しておくためには、制御装置のゲインを適正にする必要がある。ゲインが低すぎると磁気浮上体がふらふら振動してしまう。逆にゲインが高すぎると磁気浮上体は発振して振動してしまう。そのため、上述の従来の磁気浮上体の制御装置においては、磁気浮上体の製作上のばらつきがあってもふらふらせずに浮上するようにゲインを高めに設定していた。
【０００５】
このように制御装置のゲインを高めに設定することで、磁気浮上体の製作上のばらつきがあっても、磁気浮上体のふらつきと振動を確実に抑制することができたが、問題が残されていた。即ち、従来の磁気浮上体の制御装置では、発振に対するゲインの余裕が少なく、磁気浮上体の構造体としてのばらつきを小さくしなければならないという問題があり、これは磁気浮上体の製造コスト高という実用上の問題である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明が解決しようとする課題は、磁気浮上体の構造体としての製造上のばらつきが大きくても、磁気浮上体を安定して浮上させ、且つ発振させ難くする磁気浮上体の制御装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、制御装置の最低ゲインが磁気浮上体の傾き角に応じて変化すること、及び磁気浮上体の傾き角は磁気浮上体の左右に配置された一対の電磁石の励磁電流の比率と一定の関係があることに着目し、制御装置の設定ゲインを従来の一律に高めの一定値より低い値にすることに成功した。
【０００８】
即ち、上記課題を解決するために、電磁石により浮上保持される磁気浮上体と、前記磁気浮上体の浮上位置を検出する位置センサと、前記位置センサからの検出信号に基づいて前記電磁石への励磁電流を調整して前記磁気浮上体を目標位置に浮上保持させる制御部とからなる磁気浮上体の制御装置において、前記制御部に前記磁気浮上体を左右の可動範囲の限界位置の中心に浮上させる手段と、この状態において最低ゲインを検出する手段と、最低ゲインに倍数を乗算して設定ゲインを求める手段と、乗算すべき倍数を前記励磁電流の比率に基づいて選定する手段とを備え、これらの手段を磁気浮上体の初めての浮上開始時に働かせることによって設定ゲインを決定するようにした。
【０００９】
そして、前記制御部を、前記位置センサによって検出された位置信号に基づいて前記磁気浮上体の半径方向の位置を検出する位置検出回路と、目標位置を決定する基準信号と検出された位置信号の偏差に所定の演算を施して補償信号を発生する補償回路と、前記補償信号にオフセットとゲイン調整を行って補正するオフセット及びゲイン調整回路と、補正された補償信号に基づいて励磁電流の大きさと極性を調整するパワーアンプ回路と、補正等のための演算を行う演算回路と、演算結果等のデータを記憶する記憶回路と、励磁電流を検出する電流検出回路とで構成した。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態のブロック回路図である図１において、磁気浮上体１は、例えば磁気軸受型スピンドルモータやターボ分子ポンプの磁性体ロータである。磁気浮上体１は、その左右に近接して配置された一対の電磁石２ａと２ｂが発生する磁界との間の電磁相互作用によって浮上され且つ所定の位置に保持されるようになっている。磁気浮上体１の左右の位置は、一対の位置センサ３ａと３ｂによって検出される。
【００１１】
制御部４は、一対の位置センサ３ａと３ｂによって検出された位置信号に基づいて目標位置との偏差を求め、この偏差に所定の演算を施し、補償信号を発生する。制御部４において、この補償信号は補正手段により補正され、励磁電流制御回路に加えられる。励磁電流調整回路は、補正された補償信号に基づいて調整された大きさと極性の励磁電流ＩａとＩｂを一対の電磁石２ａと２ｂに夫々供給し、磁気浮上体１を所定の目標位置に戻すようにする。要するに、制御部４は、磁気浮上体１が目標位置に保持されるようにフィードバック制御するものである。
【００１２】
制御部４は、位置センサ３ａと３ｂによって検出された位置信号に基づいて磁気浮上体１の半径方向の位置を検出する位置検出回路４１、目標位置を決定する基準信号と検出された位置信号の偏差にＰＩＤ演算を施して補償信号を発生する補償回路４２、前記補償信号にオフセットとゲイン調整を行って補正するオフセット及びゲイン調整回路４３、補正された補償信号に基づいて励磁電流の大きさと極性を調整するパワーアンプ回路４４を含む。制御部４は、更に、演算回路４５と、記憶回路４６と、電流検出回路４７を含む。
【００１３】
ところで、本発明の課題を解決する手段の基礎となった技術的事項、即ち図２のフローチャートが成立する技術的事項は、磁気浮上体１の傾き角θが変化すると、電磁石２ａと２ｂに供給される励磁電流ＩａとＩｂの比率Ｉａ／Ｉｂと制御装置の最低ゲインＧ１が変化するということである。磁気浮上体１の傾き角θは、図３に示す如く、磁気浮上体１の移動方向と重力方向との間の角度であり、従って磁気浮上体１が垂直のときは０゜と１８０゜、水平のときは９０゜である。
【００１４】
電磁石に供給される励磁電流の比率Ｉａ／Ｉｂは、例えば図４の特性曲線図に示す如く、傾き角０゜のときの最大比率Ｋ１から傾き角θが９０゜のときの比率１まで徐々に降下し、それから傾き角１８０゜のときの最小比率Ｋ２まで更に徐々に降下している。０゜と９０゜の間の傾き角θ１のときは比率２であり、９０゜と１８０゜の間の傾き角θ２のときは比率０．２である。
【００１５】
図４は対数目盛りの縦軸に比率Ｉａ／Ｉｂを等間隔目盛りの横軸に傾き角θをとって示した特性曲線図であるが、励磁電流の比率Ｉａ／Ｉｂを検出すれば磁気浮上体の傾き角θが分かることを示している。
【００１６】
また、制御装置の最低ゲインＧ１は、例えば図５の特性曲線図に示す如く、下側に緩やかに突出した左右対称の曲線を描く。即ち、傾き角０゜のときから傾き角９０゜のときまでは、最低ゲインＧ１は最大値から最小値まで緩やかに下降し、そこから傾き角１８０゜のときまで緩やかに上昇する。
【００１７】
このような技術的事項を踏まえて、図１の本発明に係る制御装置の設定ゲインをどのようにして決定するかについて、図２のフローチャートに従って詳細に説明する。
【００１８】
磁気浮上体の初めての浮上の際に、動作開始指令が図示しないプログラマブルコントローラから制御部４に与えられると、パワーアンプ４４から所定の大きさと極性の励磁電流ＩａとＩｂが電磁石２ａと２ｂに供給されて磁気浮上体１は浮上保持されるとともに、演算回路４５からはオフセット及びゲイン調整回路４３に磁気浮上体１を右に徐々に移動させるようなオフセット指令が与えられる。このオフセット指令により、オフセット及びゲイン調整回路４３の出力信号は変化し、これに伴なってパワーアンプ４４からの励磁電流ＩａとＩｂも変化して磁気浮上体１を右に徐々に移動させる（１０１）。
【００１９】
位置検出回路４１は、位置センサ３ａと３ｂによって検出された位置信号に基づいて磁気浮上体１の半径方向の位置を検出している。演算回路４５は、位置検出回路４１からの位置検出信号に基づいて、磁気浮上体１が右側の固定部に接触したか否かを調べている（１０２）。ステップ１０２で、演算回路４５が磁気浮上体１が右側の固定部と接触したと判断した場合には、記憶回路４６に接触した位置Ａを記憶させる（１０３）。
【００２０】
次に演算回路４５からはオフセット及びゲイン調整回路４３に磁気浮上体１を左に徐々に移動させるようなオフセット指令が与えられる。このオフセット指令により、オフセット及びゲイン調整回路４３の出力信号は変化し、これに伴なってパワーアンプ４４からの励磁電流ＩａとＩｂも変化して磁気浮上体１を左に徐々に移動させる（１０４）。
【００２１】
演算回路４５は、位置検出回路４１からの位置検出信号に基づいて、磁気浮上体１が左側の固定部に接触したか否かを調べている（１０５）。ステップ１０５で、演算回路４５が磁気浮上体１が左側の固定部と接触したと判断した場合には、記憶回路４６に接触した位置Ｂを記憶させる（１０６）。
【００２２】
上記固定部は、磁気軸受型スピンドルモータやターボ分子ポンプの場合、ロータを同軸に且つ回転自在に収容しているステータの円筒部である。
【００２３】
ステップ１０６に続いて、演算回路４５はＣ＝（Ａ＋Ｂ）／２の演算を行い、中心位置Ｃに磁気浮上体１を移動させるようなオフセット指令をオフセット及びゲイン調整回路４３に与え、これによって制御部４は磁気浮上体１を中心位置Ｃに移動させる（１０７）。
【００２４】
ステップ１０７に続いて、演算回路４５はゲインを０から徐々に上昇するようなゲイン調整指令をオフセット及びゲイン調整回路４３に与え、これによって制御装置のゲインは０から徐々に上昇する（１０８）。
【００２５】
磁気浮上体１は、制御装置のゲインが０又はそれに近い低いゲインのときには、振動し続けている。演算回路４５は、位置検出回路４１からの位置検出信号に基づいて、磁気浮上体１が振動しているか否かを調べている（１０９）。ステップ１０９で、演算回路４５が磁気浮上体１の振動が収束したと判断したときには、記憶回路４６に最低ゲインＧ１を記憶させる（１１０）。
【００２６】
パワーアンプ４４から左右一対の電磁石２ａと２ｂに供給されている励磁電流ＩａとＩｂは、電流検出回路４７によって常時検出されている。ステップ１１０で最低ゲインＧ１が決定され、記憶回路４６に記憶された場合には、演算回路４５は電流検出回路４７から入力された励磁電流ＩａとＩｂに基づいて、比率Ｉａ／Ｉｂを演算する（１１１）。
【００２７】
続いて演算回路４５は、励磁電流の比率Ｉａ／Ｉｂが２を超えているか否かを調べる（１１２）。励磁電流の比率Ｉａ／Ｉｂが２を超えていると判断したときには、演算回路４５はＧ２＝Ｇ１×２の演算を行い（１１３）、このゲインＧ２で磁気浮上体１を浮上させる（１１７）。
【００２８】
ステップ１１２で、励磁電流の比率Ｉａ／Ｉｂが２を超えていないと判断した場合、即ち励磁電流の比率Ｉａ／Ｉｂが２以下であると判断した場合、演算回路４５は励磁電流の比率Ｉａ／Ｉｂが０．２以上で且つ２以下か否かを調べる（１１４）。励磁電流の比率Ｉａ／Ｉｂが０．２以上で且つ２以下であると判断した場合には、演算回路４５はＧ２＝Ｇ１×３の演算を行い（１１５）、このゲインＧ２で磁気浮上体１を浮上させる（１１７）。
【００２９】
ステップ１１４で、励磁電流の比率Ｉａ／Ｉｂが０．２以上で且つ２以下ではないと判断した場合、即ち励磁電流の比率Ｉａ／Ｉｂが０．２未満であると判断した場合には、演算回路４５はＧ２＝Ｇ１×１．５の演算を行い（１１６）、このゲインＧ２で磁気浮上体１を浮上させる（１１７）。
【００３０】
以上詳細に説明した如く、本発明は制御部に、磁気浮上体１を左右の可動範囲の限界位置の中心に浮上させる手段と、前記状態において最低ゲインを検出する手段と、最低ゲインに倍数を乗算して設定ゲインを求める手段と、乗算すべき倍数を励磁電流の比率に基づいて選定する手段とを備えさせ、これらの手段を磁気浮上体の初めての浮上開始時に働かせることによって設定ゲインを決定するようにしたことを特徴とするものである。
【００３１】
そして、図１の一実施形態の制御装置において、磁気浮上体１を左右の可動範囲の限界位置の中心に浮上させる手段は位置検出回路４１、補償回路４２、オフセット及びゲイン調整回路４３、パワーアンプ４４、演算回路４５及び記憶回路４６の機能の組合せで、前記状態において最低ゲインを検出する手段は位置検出回路４１、オフセット及びゲイン調整回路４３、演算回路４５及び記憶回路４６の機能の組合せで、最低ゲインに倍数を乗算して設定ゲインを求める手段は演算回路４５及び記憶回路４６の機能の組合せで、更に乗算すべき倍数を励磁電流の比率に基づいて選定する手段は演算回路４５、記憶回路４６及び電流検出回路４７の機能の組合せで、夫々実現されている。
【００３２】
なお、図４の等間隔目盛りの横軸に磁気浮上体の傾き角θを、対数目盛りの縦軸に励磁電流の比率をとって示した特性曲線図も、図５の等間隔目盛りの横軸に磁気浮上体の傾き角θを、等間隔目盛りの縦軸に制御装置のゲインをとって示した特性曲線図も、或る磁気浮上体に関するものであって、磁気浮上体が異なれば別の特性曲線となることは当然である。
【００３３】
また、これら図４と図５を対象にし、図２のフローチャートを示して、設定ゲインの決定の仕方を説明したが、これは代表的ではあるが一例にすぎない。例えば、乗算すべき倍数を励磁電流の比率に基づいて選定する手段において、励磁電流の比率を２と０．２の２つをしきい値としているが、他の数値をしきい値としてもよい。また、しきい値を２つでなく、４つや６つにすれば、設定ゲインＧ２は直線に近づくことになる。
【００３４】
以上、磁気浮上体を左右の可動範囲の中心に浮上させる実施の形態を説明したが、本発明では固定部と浮上体が接触しない範囲で浮上位置を中心以外にすることも可能である。例えば、磁気浮上体が一方向からの外力によって押し動かされることがあるような場合、磁気浮上体を外力により動かされる方向の反対方向に中心からずらして浮上させることにより、外力が加わっても固定部と磁気浮上体が接触することを防止できる。
【００３５】
【発明の効果】
本発明により制御装置の設定ゲインを従来の高めの一定値でなく、これよりはかなり低く且つ最低ゲインよりはかなり大きな値にすることができたので、構造体としての磁気浮上体の製造上のばらつきが大きくても、磁気浮上体を安定して目標位置に浮上させられ、且つ磁気浮上体の発振（振動）が発生し難くなった。
【００３６】
また、構造体としての磁気浮上体の製造上のばらつきが大きくてもいいので、部品の精度を落して磁気浮上体を有する装置、即ち工作機械の磁気軸受型スピンドルモータ、ターボ分子ポンプ、磁気浮上搬送装置等の製造コストを低くできるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る磁気浮上体の制御装置の一実施形態のブロック構成図である。
【図２】本発明に係る磁気浮上体の制御装置の設定ゲインを決定するための動作の流れを示す一実施形態のフローチャートである。
【図３】磁気浮上体の傾き角θを示した図である。
【図４】等間隔目盛りの横軸に磁気浮上体の傾き角θを、対数目盛りの縦軸に励磁電流の比率をとって示した特性曲線図である。
【図５】等間隔目盛りの横軸に磁気浮上体の傾き角θを、等間隔目盛りの縦軸に制御装置のゲインをとって示した特性曲線図である。但し、Ｇ１は最低ゲイン、Ｇ２は本発明の制御装置に係る設定ゲイン、Ｇ３は従来の制御装置に係るゲインである。
【符号の説明】
１  磁気浮上体
２ａ、２ｂ  電磁石
３ａ、３ｂ  位置センサ
４  制御部
４１  位置検出回路
４２  補償回路
４３  オフセット及びゲイン調整回路
４４  パワーアンプ回路
４５  演算回路
４６  記憶回路
４７  電流検出回路
【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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