JP3635342B2

JP3635342B2 - 磁気浮上装置

Info

Publication number: JP3635342B2
Application number: JP30839893A
Authority: JP
Inventors: 毅水野; 良一高畑
Original assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Current assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Priority date: 1993-05-11
Filing date: 1993-12-08
Publication date: 2005-04-06
Anticipated expiration: 2020-04-06
Also published as: JPH0727136A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、磁気浮上装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁気浮上装置として、従来、永久磁石と永久磁石との磁気反発力または永久磁石と超伝導体との磁気反発力を利用したものが知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
磁気反発力を利用した磁気浮上装置は、制御を行わなくても安定であるという利点を有するが、一般に、減衰特性が悪いという問題を有する。また、浮上力（反発力）の調整もできないので、単独では微小移動機能を実現することができない。さらに、反発方向（反発力が働く方向すなわち浮上方向）と直角をなす方向には不安定であり、このため、同方向に別の支持機構が必要である。
【０００４】
この発明の目的は、上記の問題を解決し、反発方向の位置と振動の精密制御が可能で、反発方向と直角をなす方向の安定化が可能な磁気浮上装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
第１の発明による磁気浮上装置は、互いに相対移動可能な静止側部材と浮上側部材の一方に永久磁石よりなる第１磁気部材が設けられ、同他方に永久磁石または超伝導体よりなる第２磁気部材が設けられ、上記第１磁気部材と第２磁気部材との磁気反発力により上記静止側部材に対して上記浮上側部材が浮上させられる磁気浮上装置において、上記第１磁気部材とこれが設けられた静止側部材または浮上側部材との間に、上記第１磁気部材に反発方向と同方向の振動を与える直線駆動手段が設けられており、上記第１および第２磁気部材が円柱状またはリング状をなし、上記第１磁気部材と第２磁気部材の外径が異なることを特徴とするものである。
【０００８】
たとえば、上記直線駆動手段が、第１磁気部材に反発方向と同方向の振動を与えるものである。この場合、たとえば、上記直線駆動手段が、微小振動を生じる微小リニアアクチュエータ、および上記微小リニアアクチュエータの微小振動に共振して大振幅の振動を与える共振体よりなる。あるいは、たとえば、上記直線駆動手段が、微小振動を与える微小リニアアクチュエータ、および大振幅の振動を与える大振幅リニアアクチュエータよりなる。
【０００９】
第２の発明による磁気浮上装置は、下方の静止側部材と静止側部材に対して上下方向に相対移動可能な上方の浮上側部材の一方に永久磁石よりなる第１磁気部材が設けられ、同他方に永久磁石または超伝導体よりなる第２磁気部材が設けられ、上記第１磁気部材と第２磁気部材との磁気反発力により上記静止側部材に対して上記浮上側部材が浮上させられる磁気浮上装置において、
上記第１磁気部材とこれが設けられた静止側部材または浮上側部材との間に、上記第１磁気部材を互いに直交する２つの水平方向に振動させるリニアアクチュエータが設けられていることを特徴とするものである。
【００１０】
第３の発明による磁気浮上装置は、互いに相対移動可能な静止側部材と浮上側部材の一方に永久磁石よりなる第１磁気部材が設けられ、同他方に永久磁石または超伝導体よりなる第２磁気部材が設けられ、上記第１磁気部材と第２磁気部材との磁気反発力により上記静止側部材に対して上記浮上側部材が浮上させられる磁気浮上装置において、上記第１磁気部材とこれが設けられた静止側部材または浮上側部材との間に、上記第１磁気部材を反発方向と同方向に振動させるリニアアクチュエータおよび反発方向と直角をなす方向に振動させるリニアアクチュエータが設けられていることを特徴とするものである。
【００１２】
【作用】
第１の発明によれば、第１磁気部材と第２磁気部材の外径を異なるものにして、第１磁気部材を反発方向に所定の振幅で振動させることにより、倒立振子の原理で浮上側部材の反発方向と直角をなす方向の不安定さをなくして、浮上側部材を安定に浮上支持することができる。直線駆動手段が、微小リニアアクチュエータ、および微小リニアアクチュエータの微小振動に共振して大振幅の振動を与える共振体よりなる場合、共振体によって第１磁気部材に所定振幅の振動を与えることができ、しかも浮上側部材を倒立振子の原理で反発方向と直角をなす方向に安定浮上支持するのに必要な振動周波数で共振するように共振体を設計するだけで、制御を行わずに、浮上側部材を安定浮上支持することができる。また、直線駆動手段が、微小リニアアクチュエータ、および大振幅リニアアクチュエータよりなる場合、第１磁気部材を反発方向に微小振動させることにより、浮上側部材の振動を減衰させることができ、第１磁気部材の反発方向の位置を調整することにより、浮上側部材の反発方向の位置の制御ができ、第１磁気部材に大振幅の振動を与えることにより、倒立振子の原理で浮上側部材の反発方向と直角をなす方向の不安定さをなくして、浮上側部材を安定に浮上支持することができ、しかも大振幅アクチュエータにより第１磁気部材に所定振幅の振動を確実に与えることができる。
【００１３】
第２の発明によれば、リニアアクチュエータで第１磁気部材を反発方向である上下方向と直角をなす２つの水平方向に振動させることにより、上下方向および水平方向のあらゆる方向について、不安定さをなくして、浮上側部材を安定に浮上支持することができる。
【００１４】
第３の発明によれば、浮上側部材の振動の減衰および反発方向の位置の制御が可能であり、しかも反発方向と直角をなす方向の不安定さをなくして、浮上側部材をあらゆる方向に安定に浮上支持することができる。
【００１５】
【実施例】
以下、図面を参照して、この発明の実施例について説明する。
【００１６】
図１は、この発明が適用される磁気浮上装置の第１参考例を示している。
【００１７】
図１において、磁気浮上装置は、静止側部材であるベース(10)と、浮上側部材である浮上体(11)とを備えている。ベース(10)の上面に鉛直柱状の微小リニアアクチュエータ(12)の下端面が固定され、リニアアクチュエータ(12)の上端面に第１磁気部材を構成する第１永久磁石(13)が固定されている。浮上体(11)の下面に、第２磁気部材を構成する第２永久磁石(14)が固定されている。第１および第２永久磁石(13)(14)は、軸線が鉛直であるリング状をなす。第１永久磁石(13)は上端がＮ極、下端がＳ極であり、第２永久磁石(14)は上端がＳ極、下端がＮ極であり、第１永久磁石(13)の上端のＮ極と第２永久磁石(14)の下端のＮ極が上下に対向させられている。そして、これら２つの永久磁石(13)(14)の上下方向の磁気反発力により、ベース(10)に対して浮上体(11)が浮上させられている。磁気浮上装置には、必要があれば、浮上体の上下方向（反発方向）の位置を検出する位置検出器(15)が設けられる。また、図示は省略したが、浮上体(11)を水平方向に移動しないように支持する適当な支持部材が設けられている。リニアアクチュエータ(12)は、これに加えられる電圧値または電流値などに対応して微小変形または微小変位し、これにより第１永久磁石(13)に上下方向の微小振動を与えるものである。リニアアクチュエータ(12)により、第１永久磁石(13)を反発方向と同方向に移動させる直線駆動手段が構成されている。リニアアクチュエータ(12)で第１永久磁石(13)を反発方向である上下方向に微小振動させることにより、浮上体(11)の振動を減衰させることができる。また、リニアアクチュエータ(12)で第１永久磁石(13)の上下方向の位置を調整することにより、浮上体(11)の上下方向の位置の制御ができる。
【００１８】
リニアアクチュエータ(12)としては、必要とする可動範囲、応答速度などに応じて、圧電素子、磁歪素子、ボイスコイルモータなどを選択的にあるいは組み合わせて使用することができる。
【００１９】
リニアアクチュエータ(12)の制御装置の要部が、図２に示されている。
【００２０】
図２において、位置検出器(15)の出力が、たとえばＰＤ制御回路、ＰＩＤ制御回路などの適当な制御回路(16)に入力する。制御回路(16)は、位置検出器(15)の出力から、浮上体(11)の目標位置に対する変位を演算し、目標位置信号に変位信号を加算した制御信号を増幅器(17)を介してリニアアクチュエータ(12)に出力する。そして、これにより、リニアアクチュエータ(12)が駆動され、その結果、第１永久磁石(13)の上下方向の位置が制御される。すなわち、浮上体(11)が目標位置より上方に変位したときは、第１永久磁石(13)が下方に移動させられ、これにより、浮上体(11)が下方に移動して、目標位置に戻る。浮上体(11)が目標位置より下方に変位したときは、第１永久磁石(13)が上方に移動させられ、これにより、浮上体(11)が上方に移動して、目標位置に戻る。このように浮上体(11)の変位に応じリニアアクチュエータ(12)を駆動して第１永久磁石(13)を微小振動させることにより、浮上体(11)の振動が減衰させられる。また、リニアアクチュエータ(12)に常時印加している目標位置信号を変えることにより、浮上体(11)の上下方向の位置が変えられる。
【００２１】
また、位置検出器(15)のかわりに、浮上体(11)またはベース(10)に加速度センサ、速度検出コイルなどの速度検出センサを取り付けて、浮上体(11)の移動速度を検出し、これを制御回路(16)にフィードバックしてリニアアクチュエータ(12)を駆動し、第１永久磁石(13)を微小振動させることによっても、浮上体(11)の振動を減衰させることができる。この場合、位置の制御は、上記参考例と同様に常時印加している目標位置信号を変えることにより行うことができる。
【００２２】
第１参考例の磁気浮上装置の基本特性を把握するために試作した実験装置の概略が図３に示されている。図３において、図１と対応する部分には同じ符号を付している。
【００２３】
この実験装置の場合、リニアアクチュエータ(12)として、柱状の磁歪材(12a) と駆動用電磁石のコイル(12b) とからなる磁歪素子が使用されている。ベース(10)は横から見てコ字形をなし、下側水平部分(10a) の上面に固定された板状の下側支持部材(18)の上に、リニアアクチュエータ(12)の磁歪材(12a) が固定されている。磁歪材(12a) の上端面に短柱状の上側支持部材(19)が固定されており、この支持部材(19)の上端のフランジ状の部分の上面に第１永久磁石(13)が固定されている。リニアアクチュエータ(12)のコイル(12b) は、磁歪材(12a) の周囲に配置され、図示しない適当な支持部材によってベース(10)に固定されている。磁歪材(12a) のすぐ上の支持部材(19)およびすぐ下の支持部材(18)の周囲に、磁歪材(12a) にバイアス磁束を与えるためのバイアス用永久磁石(20)(21)が固定されている。ベース(10)の鉛直部分(10b) の上部に、ほぼ水平な上下１対の板ばね(22)(23)の一端部が固定され、これらの板ばね(22)(23)の自由端部に浮上体(11)が固定されている。下側の板ばね(23)は浮上体(11)の下面に固定されており、この板ばね(23)の下面に第２永久磁石(14)が固定されている。ベース(10)の上側水平部分(10c) の下面に、浮上体(11)の上面に対向するように位置検出器(15)が固定されている。位置検出器(15)としては、静電容量形変位計が使用されている。
【００２４】
リニアアクチュエータ(12)の駆動による第１永久磁石(13)の上下方向（ｚ軸方向）の変位をｚ_b、浮上体(11)の上下方向の変位をｚ_aとし、永久磁石(13)(14)間に作用する反発力を減衰のないばねで近似すると、浮上体(11)の運動は次の式(1) のように表わされる。
【００２５】
ｍ・（ｄ²ｚ_a／ｄｔ²）＝ｋ_z・（ｚ_b−ｚ_a）＋ｐ_z(t) …(1)
ｍ：浮上体(11)の質量（０．６１ｋｇ）
ｋ_z：浮上方向のばね定数（２．５×１０⁸Ｎ／ｍ）
ｐ_z：浮上体(11)に作用する外乱力（ｚ成分）
リニアアクチュエータ(12)は、駆動回路への入力信号と変位とがほぼ比例するように駆動されているとする。試作した実験装置では、リニアアクチュエータ(12)の磁歪材(12a) に予めバイアス磁束を与えているので、平衡点の近傍では磁歪材(12a) ののびと駆動用電磁石のコイル(12b) の電流とはほぼ比例する。したがって、駆動回路の励磁用増幅器（電流制御形）への入力をｕ_zとすると、次の式(2) のような関係が成立する。
【００２６】
ｚ_b(t) ＝ｋ_a・ｕ_z(t) …(2)
ｋ_a：駆動機構部の伝達関数〔１．０×１０^-8ｍ／Ａ（定数）〕
この実験においては、浮上特性や減衰特性を調整できることを確認するため、制御則としてＰＤ制御を採用した。この場合には、制御入力ｕ_zを次の式(3) のように定められる。
【００２７】
ｕ_z(t) ＝ｐ_d・ｚ_a(t) ＋ｐ_v・（ｄｚ_a(t) ／ｄｔ） …(3)
式(1) 〜(3) より、次の式(4) が導かれる。
【００２８】
ｍ・（ｄ²ｚ_a／ｄｔ²）＋ｋ_z・ｋ_a・ｐ_v・（ｄｚ_a／ｄｔ）＋ｋ_z・（ｋ_a・ｐ_d＋１）・ｚ_a＝ｐ_z(t) …(4)
式(4) から、変位、速度のフィードバックによって剛性、減衰特性を調整できることがわかる。
【００２９】
図４は、無制御の場合（同図(a) ）と速度フィードバックを施した場合（同図(b) ）のステップ応答を比較したものである（ステップ幅：約０．７μｍ）。図４から、速度フィードバックによって、振動成分の減衰係数を大きくし、過渡応答特性を改善できることが確認できる。
【００３０】
第１参考例では、第１永久磁石(13)と第２永久磁石(14)を１組用いて浮上体(11)を浮上させているが、浮上体の質量が大きい場合など、第１磁気部材と第２磁気部材を複数組用いて浮上体を浮上させることができる。
【００３１】
図５は、そのような場合に適用した第２参考例を示している。
【００３２】
図５において、ベース(24)の上面に４個の微小リニアアクチュエータ(25)が固定され、各リニアアクチュエータ(25)の上面に第１永久磁石(26)がそれぞれ固定されている。ベース(24)の上方に配置された浮上体(27)の下面に、第１永久磁石(26)にそれぞれ対応する４個の第２永久磁石(28)が固定されている。また、浮上体(27)の上方に、各第２永久磁石(28)に対応して４個の位置検出器(29)が配置されている。リニアアクチュエータ(25)、第１永久磁石(26)、第２永久磁石(28)および位置検出器(29)の配置については、第１参考例の場合と同様であり、リニアアクチュエータ(25)により、第１永久磁石(26)を反発方向と同方向に移動させる直線駆動手段が構成されている。
【００３３】
第２参考例の場合、各位置検出器(29)の出力に基づいて、対応するリニアアクチュエータ(25)を個別に制御することができる。また、図５に示す位置検出器(29)または浮上体(27)の上方に適当に配置した位置検出器により、浮上体(27)の上下方向の位置と傾きを検出し、これに基づいて４個のリニアアクチュエータ(25)を総合的に制御することもできる。
【００３４】
図６は、第１実施例を示している。
【００３５】
第１実施例では、第２磁気部材として、第１参考例の第２永久磁石(14)のかわりに超伝導体(30)が用いられている。図示は省略したが、浮上体(11)には、超伝導体(30)を冷却して超伝導状態にするための適当な冷却装置が設けられている。超伝導体(30)が冷却されて超伝導状態になると、その反磁性により、第１永久磁石(13)と超伝導体(30)とが互いに反発し、ベース(10)に対して浮上体(11)が浮上させられる。他は第１参考例の場合と同様であり、同じ部分には同一の符号を付している。
【００３６】
第１実施例において、静止側部材であるベース(10)に第２磁気部材である超伝導体(30)を設け、浮上側部材である浮上体(11)にリニアアクチュエータ(12)および第１磁気部材である第１永久磁石(13)を設けることもできる。このように静止側部材に超伝導体を設ければ、超伝導体の冷却が容易になる。
【００３７】
第１参考例（図１）および第１実施例（図６）の場合は、オープンループ制御で浮上体(11)の位置決めを行うことも可能である。また、クローズドループ制御を行う場合でも、元来安定な系であるので、位置検出器(15)は精度さえ良ければよく、高速応答性は要求されない。
【００３８】
図７は、第２実施例を示している。
【００３９】
図７において、磁気浮上装置は、静止側部材である方形枠状のベース(31)と、ベース(31)の上方に配置された浮上側部材である浮上体(32)とを備えている。ベース(31)の内側に直方体状の中間部材(33)が配置され、中間部材(33)の４つの側面(33a) とそれぞれに対応するベース(31)の４つの側壁(31a) 内面との間に微小リニアアクチュエータ(34)が取り付けられている。各リニアアクチュエータ(34)はその長さ方向すなわち駆動方向が中間部材(33)の側面(33a) と直角をなす方向になるように配置されており、４つのリニアアクチュエータ(34)を適当に駆動することにより、中間部材(33)が水平面内を移動させられる。中間部材(33)の上面に第１磁気部材を構成する第１永久磁石(35)が固定され、浮上体(32)の下面に第２磁気部材を構成する第２永久磁石(36)が固定されている。第１および第２永久磁石(35)(36)の形状および極性は、第１実施例の場合と同様である。浮上体(32)は直方体状をなし、その各側面(32a) が中間部材(33)の対応する側面(33a) とほぼ平行になるように中間部材(33)の真上に配置されている。浮上体(32)の水平方向の位置を検出するための４個の位置検出器(37)が、浮上体(32)の各側面(32a) にそれぞれ対向するように配置されている。
【００４０】
第２実施例の場合、リニアアクチュエータ(34)は反発方向（上下方向）と直角をなす方向（互いに直交する２つの水平方向）に駆動される。そして、位置検出器(37)の出力より求められた浮上体(32)の水平方向の変位に基づきリニアアクチュエータ(34)を駆動して、第１永久磁石(35)の水平方向の位置を制御することにより、浮上体(32)の反発方向と直角をなす水平方向の不安定さをなくして、浮上体(32)を安定に浮上支持することができる。すなわち、浮上体(32)が右方向に変位したときは、第１永久磁石(35)を右方向に移動させる。これにより、浮上体(32)の第２永久磁石(36)は第１永久磁石(35)から左方向の反発力を受け、左方向に移動して、目標位置に戻る。浮上体(32)が左方向に変位したときも、同様である。また、前後方向についても、同様である。このため、浮上体(32)を水平方向に支持する支持部材を別に設ける必要がない。
【００４１】
永久磁石間の反発力を利用した浮上機構では、反発方向と直角をなす方向（横ずれ方向）には不安定な系になるが、第２実施例のように第１永久磁石(35)をリニアアクチュエータ(34)で横ずれ方向に移動させることにより、この方向の運動を安定化することができる。この機構の動作原理は、何もしないと平衡点からずれていってしまう浮上体(32)を、その動きに基づいて第１永久磁石(35)を動かすことによってずれていかないようにするというもので、一種の倒立振子とみなすことができる。
【００４２】
次に、上記の動作原理について、さらに詳しく説明する。
【００４３】
なお、第２実施例では、横ずれ方向の運動は２次元的であるが、ここではそのうちの１方向（ｙ軸方向）の運動について説明する。他の方向の運動も、同じように取り扱うことができる。さらに、簡単のため、横ずれ変位は小さく、横ずれ力は平衡点からの変位に比例し、浮上高さは一定であるとする。また、渦電流ダンパなど特別な機構を設けない限り浮上体(32)に作用する減衰は小さいので、ここでは無視することにする。このとき、平衡点からの浮上体(32)のｙ軸方向の変位をｙa 、第１永久磁石(35)の同方向の変位をｙb とすると、浮上体(32)の横ずれ方向（ｙ軸方向）の運動は次の式(5) のように表わされる。
【００４４】
ｍ・（ｄ²ｙ_a／ｄｔ²）＝−ｋ_y・（ｙ_b−ｙ_a） …(5)
ｋ_y：横ずれ係数
また、リニアアクチュエータ(34)は、次の式(6) で表わされるように駆動回路への入力信号ｕ_yと変位ｙ_bとがほぼ比例するように駆動されているとする。
【００４５】
ｙ_b(t) ＝ｋ_a' ・ｕ_y(t) …(6)
制御則としてＰＤ制御を採用した場合、制御入力ｕ_yは次の式(7) のように表わされる。
【００４６】
ｕ_y(t) ＝ｐ_d・ｙ_a(t) ＋ｐ_v・（ｄｙ_a(t) ／ｄｔ）｝ …(7)
式(5) 〜(7) より、次の式(8) が導かれる。
【００４７】
ｍ・（ｄ²ｙ_a／ｄｔ²）＋ｋ_y・ｋ_a' ・ｐ_v・（ｄｙ_a／ｄｔ）＋ｋ_y・（ｋ_a' ・ｐ_d−１）・ｙ_a＝０ …(8)
式(8) から、変位、速度のフィードバックゲインを適切に選ぶことによって、横ずれ方向の運動を安定化できることが確認できる。
【００５３】
図８は、第３実施例を示している。
【００５４】
図８において、磁気浮上装置は、静止側部材である方形枠状のベース(45)と、ベース(45)の上方に配置された浮上部材である浮上体(46)とを備えている。ベース(45)の内側に直方体状の中間部材(47)が配置され、中間部材(47)の４つの側面(47a)とそれぞれに対応するベース(45)の４つの側壁(45a)内面との間に第１微小リニアアクチュエータ(48)が取り付けられている。中間部材(47)の上面に鉛直柱状の第２微小リニアアクチュエータ(49)の下端面が固定され、第２リニアアクチュエータ(49)の上端面に第１磁気部材を構成する第１永久磁石(50)が固定され、浮上体(46)の下面に第２磁気部材を構成する第２永久磁石(51)が固定されている。第１および第２永久磁石(50)(51)の形状および極性は、第１参考例の場合と同様である。浮上体(46)は直方体状をなし、その各側面(46a)が中間部材(47)の対応する側面(47a)とほぼ平行になるように中間部材(47)の真上に配置されている。浮上体(46)の水平方向の位置を検出するための４個の第１位置検出器(52)が、浮上体(46)の各側面(46a)にそれぞれ対向するように配置され、浮上体(46)の上下方向の位置を検出するための第２位置検出器(53)が浮上体(46)の上面(46b)に対向するように配置されている。
【００５５】
第３実施例の場合、第１リニアアクチュエータ(48)は反発方向（上下方向）と直角をなす方向に駆動され、これにより中間部材(47)および第１永久磁石(50)の水平方向の位置が制御される。第２リニアアクチュエータ(49)は反発方向に駆動され、これにより第１永久磁石(50)の上下方向の位置が制御される。そして、第１位置検出器(52)の出力より求められた浮上体(46)の水平方向の変位に基づき第１リニアアクチュエータ(48)を駆動して、第１永久磁石(50)の水平方向の位置を制御することにより、浮上体(46)の反発方向と直角をなす水平方向の位置が制御され、第２位置検出器(53)の出力より求められた浮上体(46)の上下方向の変位に基づき第２リニアアクチュエータ(49)を駆動して、第１永久磁石(50)の上下方向の位置を制御することにより、浮上体(46)の振動が減衰させられるとともに、上下方向の位置が制御される。
【００５６】
第３実施例では、第２リニアアクチュエータ(49)で第１永久磁石(50)を上下方向に微小振動させるとともに、第１リニアアクチュエータ(48)で第１永久磁石(50)を水平方向に微小振動させることにより、浮上体(46)の振動の減衰および上下方向の位置の制御ができるとともに、浮上体(11)の水平方向の不安定さをなくして安定に浮上支持することができるようになっている。しかしながら、第１永久磁石を反発方向と同方向に移動させる直線駆動手段だけを用いてこのようにすることもできる。
【００５７】
図９は、そのような場合に適用した第４実施例を示している。
【００５８】
第４実施例では、第１永久磁石(13)を反発方向と同方向に振動させる直線駆動手段として、リニアアクチュエータ(12)、および共振体(60)よりなるものが使用されている。共振体(60)とリニアアクチュエータ(12)は、第１永久磁石(13)とベース(10)との間に上下に積み重ねた状態で固定されている。第１永久磁石(13)と第２永久磁石(14)の外径は互いに異なっており、この場合、第１永久磁石(13)の外径は第２永久磁石(14)の内径より少し小さくなっている。共振体(60)は、リニアアクチュエータ(12)の振動に共振して、第１永久磁石(13)に所定の振幅の振動を与えるものである。すなわち、リニアアクチュエータ(12)により高い振動数の振動が与えられ、共振体(60)により大振幅の振動が与えられる。他は第１参考例の場合と同様であり、同じ部分には同一の符号を付している。
【００５９】
第４実施例の場合、リニアアクチュエータ(12)から与えられる高振動数の微小振動と、共振体(60)から与えられる大振幅の振動により、倒立振子の原理で浮上体(11)の水平方向の不安定さをなくして、浮上体(11)を安定に浮上支持することができる。また、第４実施例の場合は、浮上体(11)を倒立振子の原理で反発方向と直角をなす方向に安定浮上支持するのに必要な振動周波数で共振するように共振体(60)を設計するだけで、制御を行わずに、浮上体(11)を安定浮上支持することができる。
【００６０】
次に、第４実施例の動作原理について、図１０を参照して、さらに詳しく説明する。
【００６１】
倒立振子では、支点を上下方向に振動させることによって、動的な安定状態が得られるという現象が報告されている。第２実施例のような永久磁石反発形磁気浮上機構の横ずれ方向の運動の安定化は、倒立振子の安定化と同じ原理に基づいているので、第４実施例のような永久磁石反発形磁気浮上機構においても、第１永久磁石(13)を上下方向に振動させるだけで、安定化できる可能性がある。その原理を以下に説明する。
【００６２】
図１０に示すような倒立振子において、振子(61)の振れ角θは微小であるとすると、支点(62)が上下方向に運動する場合の運動方程式は次の式(9)のように求められる。
【００６３】
（Ｉ＋ｍ・Ｌ²）・（ｄ²θ／ｄｔ²）−ｍ・Ｌ・｛ｇ＋（ｄ²ｓ／ｄｔ²）｝・θ＝０ …(9)
Ｉ：振子(61)の重心(G) まわりの慣性モーメント
ｍ：振子(61)の質量
Ｌ：振子(61)の支点(62)から重心(G) までの距離
ｓ：支点(62)の上下方向の変位
式(9) から、支点(62)の運動の影響は、振子(61)の負のばね定数（正確には重力定数）の変化と等価であることがわかる。ここで、支点(62)の運動を次の式(10)のようであるとすると、その次の式(11)が得られる。
【００６４】
ｓ＝ｅ・sin ωｔ …(10)
ｍ_e・（ｄ²θ／ｄｔ²）−（ｋ_e−Δｋ_e・cos ωｔ）・θ＝０ …(11)
ｍ_e：等価質量（＝Ｉ＋ｍ・Ｌ²）
ｋ_e：等価ばね定数（＝ｍ・Ｌ・ｇ）
Δｋ_e：ばね定数の脈動の振幅（＝ｍ・Ｌ・ｅ・ω₂）
式(11)はMathieu の式として知られ、その厳密解は求められていないが、解の安定性についてはよく調べられている。その中で注目すべきことは、倒立振子のように負のばね定数を持つ系でも、ばね定数に周期的な脈動があるときには、脈動の振幅と振動数がある条件を満たすと解は安定になり、倒立振子が自立するということである。このことは、実験的にも確認されている。
【００６５】
第４実施例のような永久磁石反発形磁気浮上機構において、横ずれ係数は永久磁石(13)(14)の間隔ｄに大きく影響される。したがって、横ずれ方向の運動を記述する方程式は、次の式(12)のように表わされる。
【００６６】
ｍ・（ｄ²ｙ_a／ｄｔ²）＝−ｋ_y(d) ・（ｙ_b−ｙ_a） …(12)
ただし、ｄは、次の式(13)のとおりである。
【００６７】
ｄ＝ｄo ＋（ｚ_a−ｚ_b） …(13)
ｄo ：平衡点における永久磁石間の距離
横ずれ係数ｋ_y(d) を平衡点で線形近似すると、式(12)は次の式(14)のようになる。
【００６８】
ｍ・（ｄ²ｙ_a／ｄｔ²）−｛ｋ^o _y＋ｑ・（ｚ_a−ｚ_b）｝・ｙ_a＝０ …(14)
ｋ^o _y＝ｋ_y（ｄo ）
【数１】

ここで、リニアアクチュエータ(12)(60)によって第１永久磁石(13)を平衡点のまわりで浮上方向に振幅ε、角速度ωで振動させる。振動数を浮上系の固有振動数より十分高くすると、浮上体(11)の平衡点からの変位は非常に小さくなるので、無視できる。このとき、式(14)は次の式(15)のようになる。
【００６９】
ｍ・（ｄ²ｙ_a／ｄｔ²）−（ｋ^o _y−ｑ・ε・cos ωｔ）・ｙ_a＝０ …(15)
式(15)は、支点の調和振動する倒立振子の運動方程式(11)と本質的に同じ式である。したがって、第１永久磁石(13)の振動の振幅と振動数を適切に選べば、横ずれ方向の運動が安定化できることがわかる。
【００７０】
また、第１永久磁石(13)と第２永久磁石(14)の外径を異なるものにする必要がある理由は、次のとおりである。
【００７１】
前記の式(11)に示すように、
ｍ_e・（ｄ²θ／ｄｔ²）−（ｋ_e−Δｋ_e・cos ωｔ）・θ＝０
Δｋ_e＝ｍ・Ｌ・ｅ・ω₂
が成立しているが、振子(61)が自立するときには、ｋ_e＜Δｋ_eが必要となる。このことは、物理的には次のような意味を持つ。すなわち、倒立振子の支点が下降するとき、ばね定数（＝−（ｋ_e−Δｋ_e・cos ωｔ））が正になって、復元力が働く期間が存在する。逆に、倒立振子の支点が上昇するときには、ばね定数は負のまま（復元力は働かない）の期間が存在する。したがって、ばね定数が変化する１周期の間に、（−（ｋ_e−Δｋ_e・cos ωｔ））が正であって静的には安定である復元力が働く状態と、これが負であって静的には不安定である復元力が働かない状態とが交互に現れることにより、自立することが可能となる。ここで、注意すべきことは、Δｋ_eの中にω₂の項があるため、支点の運動の周期を短くすると、すなわち支点が速く動くようにすると、必ず上記のように静的に安定な状態と不安定な状態とが交互に現れる状態になることである。一方、第７実施例のような反発形磁気浮上機構では、前記の式(15)からわかるように、ばね定数は、（−（ｋ^o _y−ｑ・ε・cos ωｔ））で、Δｋ_eに相当する部分にω₂の項が含まれていないので、第１永久磁石(13)と第２永久磁石(14)の外径が等しい場合は、第１永久磁石(13)の振幅（ε）や振動数（ω）をどんなに大きくしても、（−（ｋ^o _y−ｑ・ε・cos ωｔ））の符号はいつも負であり、静的に安定な状態が現れない。このような理由から、第１永久磁石(13)と第２永久磁石(14)の外径が異なるという条件が必要となる。
【００７２】
第４実施例のような機構では、第１永久磁石(13)が上昇すると、横ずれ方向には、反発力によって復元力が働く。これが、倒立振子について前に説明した支点が下降するときの状態に対応する。一方、第１永久磁石(13)が下降すると、上下方向には反発力が働き安定になるので、逆に横ずれ方向には不安定になる。これが、倒立振子について前に説明した支点が上昇するときの状態に対応する。
【００７３】
倒立振子の場合には、支点の運動の振幅と振子の等値長の比が約０．５以下のときには、支点の振動数を増していくと、ある振動数から安定領域に入り、振動数が無限大に大きくなるまで安定のままとなる。ただし、振幅を小さくしすぎると安定領域は急速に狭くなるので、ある程度の大きさの振幅が必要である。このような振動を実現する機構の１例が、第４実施例に示すものである。
【００７４】
図１１は、第５実施例を示している。
【００７５】
第５実施例では、第１永久磁石(13)を反発方向と同方向に移動させる直線駆動手段として、第１実施例と同じ微小リニアアクチュエータ(12)、および大振幅リニアアクチュエータ(63)よりなるものが使用されている。２つのリニアアクチュエータ(63)(12)は、第１永久磁石(13)とベース(10)との間に上下に積み重ねた状態で固定されている。大振幅アクチュエータ(63)は、第１永久磁石(13)に上下方向の大振幅の振動を与えるものである。他は第１参考例の場合と同様であり、同じ部分には同一の符号を付している。
【００７６】
第５実施例の場合、微小リニアアクチュエータ(12)により、第１参考例の場合と同様に、第１永久磁石(13)に上下方向の微小振動が与えられ、大振幅リニアアクチュエータ(63)により、第１永久磁石(13)に上下方向の大振幅の振動が与えられる。第１永久磁石(13)に上下方向の微小振動を与えることにより、第１参考例の場合と同様に、浮上体(11)の振動の減衰および上下方向の位置の制御ができる。同時に、第１永久磁石(13)に上下方向の大振幅の振動を与えることにより、倒立振子の原理で浮上体(11)の水平方向の不安定さをなくして、浮上体(11)を安定に浮上支持することができる。また、大振幅リニアアクチュエータ(63)だけでも、安定浮上は可能である。
【００７７】
なお、上記各参考例および各実施例に使用される永久磁石としては、通常の磁性材で構成されたものの他に、超伝導体を永久磁石化したもので構成されたものを使用してもよい。
【００７９】
【発明の効果】
第１の発明の磁気浮上装置によれば、第１磁気部材を反発方向に所定の振幅で振動させることにより、浮上側部材の反発方向と直角をなす方向の不安定さをなくして安定に浮上支持することができ、したがって、反発方向と直角をなす方向に浮上側部材を支持するための支持部材を別に設ける必要がなくなる。直線駆動手段を微小リニアアクチュエータおよび共振体より構成すれば、共振体によって第１磁気部材に所定振幅の振動を与えることができ、しかも浮上側部材を倒立振子の原理で反発方向と直角をなす方向に安定浮上支持するのに必要な振動周波数で共振するように共振体を設計するだけで、制御を行わずに、浮上側部材を安定浮上支持することができる。また、直線駆動手段を微小リニアアクチュエータおよび大振幅リニアアクチュエータより構成すれば、浮上側部材の振動の減衰および反発方向の位置の制御ができると同時に、浮上側部材の反発方向と直角をなす方向の不安定さををなくして安定に浮上支持することができ、しかも大振幅アクチュエータにより第１磁気部材に大振幅の振動を確実に与えることができる。
【００８０】
第２の発明の磁気浮上装置によれば、リニアアクチュエータで第１磁気部材を反発方向である上下方向と直角をなす２つの水平方向に振動させることにより、上下方向および水平方向のあらゆる方向について、不安定さをなくして、浮上側部材を安定に浮上支持することができ、浮上部材を支持するための支持部材を別に設ける必要がなくなる。
【００８１】
第３の発明の磁気浮上装置によれば、浮上側部材の振動の減衰および反発方向の位置の制御が可能であり、同時に反発方向と直角をなす方向の不安定さをなくして、浮上側部材をあらゆる方向に安定に浮上支持することができ、したがって、浮上側部材を支持するための支持部材を別に設ける必要がなくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、第１参考例を示す磁気浮上装置の概略斜視図である。
【図２】図２は、磁気浮上装置の制御装置の要部の概略構成を示すブロック図である。
【図３】図３は、磁気浮上装置の実験装置を示す垂直断面図である。
【図４】図４は、実験装置のステップ応答を示すグラフである。
【図５】図５は、第２参考例を示す磁気浮上装置の概略斜視図である。
【図６】図６は、この発明の第１実施例を示す磁気浮上装置の概略斜視図である。
【図７】図７は、この発明の第２実施例を示す磁気浮上装置の概略斜視図である。
【図８】図８は、この発明の第３実施例を示す磁気浮上装置の概略斜視図である。
【図９】図９は、この発明の第４実施例を示す磁気浮上装置の概略正面図である。
【図１０】図１０は、倒立振子の原理を説明するための説明図である。
【図１１】図１１は、この発明の第５実施例を示す磁気浮上装置の概略正面図である。
【符号の説明】
(10) ベース（静止側部材）
(11) 浮上体（浮上側部分）
(12) リニアアクチュエータ
(13) 第１永久磁石（第１磁気部材）
(14) 第２永久磁石（第２磁気部材）
(24) ベース（静止側部材）
(25) リニアアクチュエータ
(26) 第１永久磁石（第１磁気部材）
(27) 浮上体（浮上側部分）
(28) 第２永久磁石（第２磁気部材）
(30) 超伝導体（第２磁気部材）
(31) ベース（静止側部材）
(32) 浮上体（浮上側部分）
(34) リニアアクチュエータ
(35) 第１永久磁石（第１磁気部材）
(36) 第２永久磁石（第２磁気部材）
(45) ベース（静止側部材）
(46) 浮上体（浮上側部分）
(48) 第１リニアアクチュエータ
(49) 第２リニアアクチュエータ
(50) 第１永久磁石（第１磁気部材）
(51) 第２永久磁石（第２磁気部材）
(60) 共振体
(63) 大振幅リニアアクチュエータ

Claims

互いに相対移動可能な静止側部材と浮上側部材の一方に永久磁石よりなる第１磁気部材が設けられ、同他方に永久磁石または超伝導体よりなる第２磁気部材が設けられ、上記第１磁気部材と第２磁気部材との磁気反発力により上記静止側部材に対して上記浮上側部材が浮上させられる磁気浮上装置において、
上記第１磁気部材とこれが設けられた静止側部材または浮上側部材との間に、上記第１磁気部材に反発方向と同方向の振動を与える直線駆動手段が設けられており、
上記第１および第２磁気部材が円柱状またはリング状をなし、上記第１磁気部材と第２磁気部材の外径が異なることを特徴とする磁気浮上装置。
上記直線駆動手段が、第１磁気部材に反発方向と同方向の振動を与えるものであることを特徴とする請求項１の磁気浮上装置。
上記直線駆動手段が、微小振動を生じる微小リニアアクチュエータ、および上記微小リニアアクチュエータの微小振動に共振して大振幅の振動を与える共振体よりなることを特徴とする請求項２の磁気浮上装置。
上記直線駆動手段が、微小振動を与える微小リニアアクチュエータ、および大振幅の振動を与える大振幅リニアアクチュエータよりなることを特徴とする請求項３の磁気浮上装置。
下方の静止側部材と静止側部材に対して上下方向に相対移動可能な上方の浮上側部材の一方に永久磁石よりなる第１磁気部材が設けられ、同他方に永久磁石または超伝導体よりなる第２磁気部材が設けられ、上記第１磁気部材と第２磁気部材との磁気反発力により上記静止側部材に対して上記浮上側部材が浮上させられる磁気浮上装置において、
上記第１磁気部材とこれが設けられた静止側部材または浮上側部材との間に、上記第１磁気部材を互いに直交する２つの水平方向に振動させるリニアアクチュエータが設けられていることを特徴とする磁気浮上装置。
互いに相対移動可能な静止側部材と浮上側部材の一方に永久磁石よりなる第１磁気部材が設けられ、同他方に永久磁石または超伝導体よりなる第２磁気部材が設けられ、上記第１磁気部材と第２磁気部材との磁気反発力により上記静止側部材に対して上記浮上側部材が浮上させられる磁気浮上装置において、
上記第１磁気部材とこれが設けられた静止側部材または浮上側部材との間に、上記第１磁気部材を反発方向と同方向に振動させるリニアアクチュエータおよび反発方向と直角をなす方向に振動させるリニアアクチュエータが設けられていることを特徴とする磁気浮上装置。