JPH05122893A - 直線動磁気支持装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】可動体の全軸方向移動範囲に亘って、可動体を
安定して磁気支持できる直線動磁気支持装置を提供す
る。 【構成】軸方向に移動自在な可動体を複数の電磁石群で
非接触に磁気支持する直線動磁気支持装置において、可
動体の全軸方向範囲に亘って力の平衡条件および重心運
動と軸回りの回転運動との非干渉化条件を満たすように
可動体の軸方向移動量に応じてパラメータ調整器４２で
制御パラメータを調整している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光干渉計の走査鏡や精
密直進テーブル等のように高精度な位置決めの要求され
る要素を支持するのに適した直線動磁気支持装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】周知のように、光干渉計の走査鏡や精密
直進テーブルを支持する支持装置には、これらを高精度
に位置決めする機能が要求される。このような要求に対
処するために通常は、ガイド機構に案内されて滑らかに
直線動する可動体を設け、この可動体を精密ボールネジ
送り機構で移動させる構造が採用されている。

【０００３】しかし、このような機械式の位置決め方式
を採用した支持装置では構成部品を極めて高い精度で加
工しなければならない問題があった。また、たとえ部品
を高精度に加工したとしてもボールネジのバックラッシ
ュなどの影響を完全に回避することができないので、位
置決め精度には限界がある。さらに、過酷な温度環境や
高真空下のような特殊環境においては、ガイド機構やボ
ールネジの潤滑などの問題で長期間使用することが困難
であった。

【０００４】そこで、このような問題を解消するため
に、可動体を磁気力で、つまり磁気軸受で完全非接触に
浮上させる方式が考えられる。

【０００５】しかしながら、このように磁気軸受を用い
た、いわゆる直線動磁気支持装置にあっても次のような
問題がある。すなわち、この直線動磁気支持装置では可
動体の軸方向への移動に伴って磁気軸受に対する可動体
の重心位置も移動する。このため磁気支持制御系が不安
定になるという問題がある。さらに、外部からの振動に
よって可動体を支える静止体が励振されたとき、可動体
がその重心運動と重心まわりの回転運動との干渉により
連成運動を起こし、位置決めの精度を維持できなくなる
問題がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このように、単に磁気
軸受を用いて直線動磁気支持装置を構成しても、可動体
が軸方向に大きく移動したときに磁気支持制御系が不安
定になったり、外部から加えられた振動により可動体に
連成運動が発生し、高精度な位置決めを行うのが困難で
あった。

【０００７】そこで本発明は、可動体の軸方向全移動距
離に亘っての安定した支持特性の実現と外乱に対する安
定性とを実現できる直線動磁気支持装置を提供すること
を目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係る直線動磁気支持装置では、静止体と、
この静止体の近傍に軸方向へ移動自在に配置された可動
体と、前記静止体の前記可動体を囲む位置で、かつ軸方
向の２箇所以上の位置に設けられた複数の電磁石群と、
前記可動体の半径方向の位置を検出する半径方向位置検
出手段と、この位置検出手段の情報に基づいて前記複数
の電磁石群の磁気力を調整して前記可動体を非接触に支
持する磁気支持制御系と、前記可動体の軸方向移動量を
検出する軸方向移動量検出手段と、前記可動体に軸方向
の移動力を与える駆動手段と、前記軸方向移動量検出手
段で得られた情報に応じて前記磁気支持制御系の制御パ
ラメータを間欠的または連続的に調整する制御パラメー
タ調整手段とを備えている。 制御パラメータ調整手段
は、具体的には前記電磁石群に流す定常励磁電流のレベ
ルを制御パラメータとし、前記電磁石群による力を加え
た力の平衡条件および前記可動体の重心運動と重心まわ
りの回転運動相互の非干渉化条件を満たすようなレベル
を選択する。また、これに加えて前記軸方向移動量検出
手段で得られた情報に応じて磁気支持系のモデルを更新
するとともに、この制御モデルの更新手段の結果から磁
気支持系の安定化のための補償パラメータを更新するこ
とも有効である。

【０００９】

【作用】可動体の軸方向移動距離に基づいて、磁気支持
制御系の制御パラメータを更新するようにしているの
で、可動体の軸方向移動範囲に亘って安定な支持系を実
現できる。さらに、非干渉化条件を満足するように制御
パラメータを調整すると、制御系の設計を重心運動およ
び回転運動に対して独立に行なうことができるので、制
御系設計を簡素化できるばかりか、外部振動に対して
も、その対策が比較的容易になる。すなわち、重心方向
外乱による回転運動への影響が理論的にはない状態にあ
るので、可動体の回転運動の精密位置決めを行なう場
合、回転運動系の固有振動数を十分高く、重心運動系の
固有振動数を低下させることにより、伝達される振動を
低減でき、位置決め精度を十分確保できる。一方、重心
運動の精密位置決めを行なう場合には、支持系の共振を
抑制し、振動の速やかな防止を図ることで対処できる。
非干渉化支持の調整は定常励磁電流で、支持特性の調整
は補償パラメータで行なうと、重心運動と回転運動の制
御系設計を個別に計算でき、しかも、計算が繁雑になら
ないので、容易に、かつ、正確に実施可能である。

【００１０】

【実施例】以下、図面を参照しながら実施例を説明す
る。

【００１１】図１には本発明の一実施例に係る直線動磁
気支持装置、ここにはガス分布状態測定用光干渉計の走
査鏡を支持するための直線動磁気支持装置が示されてい
る。

【００１２】同図において、１は静止体を示している。
この静止体１は、ベース２と、このベース２に固定され
た非磁性材製の筒体３とで構成されている。そして、筒
体３内には、ほぼ円柱状に形成された可動体４が筒体３
の軸心線方向に移動自在に配置されている。

【００１３】可動体４は、磁性材で形成されており、図
中ほぼ右半分が中空に形成されている。また、可動体４
の図中ほぼ左半分は中心棒状部５と、円筒状空洞部６
と、外側筒状部７とを同心的に配列した構造に形成され
ている。可動体４の図中右端部にはミラー支持体８が装
着されており、このミラー支持体８には走査鏡９が固定
されている。

【００１４】可動体４と筒体３とには、筒体３で可動体
４を非接触に支持するための磁気支持装置１０の主要素
１０ａ，１０ｂが軸方向の２箇所、つまり図中矢印Ａ，
Ｂで示す位置にそれぞれ設けられている。

【００１５】磁気支持装置１０は磁気軸受を応用した吸
引支持型のもので、その主要素１０ａ，１０ｂのうち、
矢印Ａで示す位置に設けられている主要素１０ａを代表
して示すと、図２に示すように構成されている。すなわ
ち、この主要素１０ａは筒体３の内周面に周方向へ９０
度の間隔をあけ、かつ磁極面を可動体４の軸心線に向け
て固定された継鉄１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄと、
これら継鉄に装着されて電磁石を構成するコイル１２
ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄと、可動体４の外周面に周
方向へ９０度の間隔をあけ、かつ可動体４のほぼ全長に
亘って延びる関係に形成された凸状磁極１３ａ，１３
ｂ，１３ｃ，１３ｄと、これら凸状磁極間に可動体４の
ほぼ全長に亘って延びる関係に固定された非磁性体、例
えばステンレス鋼の薄板によって形成されて半径方向の
変位検出に供される平坦面１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１
４ｄと、各継鉄間に位置する関係に筒体３にそれぞれ固
定されて各平坦面との間の距離を検出する、たとえば渦
電流式検出器等の容積変化検出形の検出器で構成された
位置検出器１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄとで構成さ
れている。

【００１６】各継鉄１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ
は、図１に継鉄１１ｃを代表して示すように、２つの磁
極面１６ａ，１６ｂを備え、これら２つの磁極面１６
ａ，１６ｂが軸方向に配列されるように筒体３の内面に
固定されている。各継鉄１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１
ｄに装着されたコイル１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ
は、それぞれバイアスコイル１７と制御コイル１８とで
構成されている。可動体４を境にして対向する継鉄に装
着された制御コイル１８は互いに同じ向きの磁束を発生
するように直列に接続されている。

【００１７】なお、各継鉄１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１
１ｄの２つの磁極面１６ａ，１６ｂと可動体４に設けら
れた４つの凸状磁極１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄの
磁極面とは両者が回転によって接触しないように可動体
４の軸心線を中心とした円筒曲面状に形成されている。
主要素１０ｂについても主要素１０ａと同様に構成され
ている。

【００１８】可動体４の図１中左側で、この可動体４と
筒体３とには、可動体４に対して軸方向の移動力を非接
触で選択的に与える電磁力発生機構２０が設けられてい
る。この電磁力発生機構２０は、公知のボイスコイルモ
ータと同様に、外側筒状部７の開放端側内周面に固定さ
れ、半径方向に着磁された環状の永久磁石２１と、全体
が筒状に形成されて円筒状空洞部６に非接触に嵌入装着
された筒状コイル２２とで構成されている。なお、筒状
コイル２２の基端は、筒体３に固定されている。 ま
た、主要素１０ａと１０ｂの間および静止体１の図１中
左側にはタッチダウン軸受２３ａ，２３ｂ，２３ｃが設
けられており、可動体４を磁気浮上させていないときに
各継鉄１１ａ〜１１ｄと凸状磁極１３ａ〜１３ｄとが衝
突しないようになっている。

【００１９】一方、ミラー支持体８の外周面には、可動
体４の軸心線に沿って延びる関係に配置された補助板２
４の一端側が固定されている。この補助板２４の図１中
下面は、可動体４の軸心線に対して傾斜した傾斜面２５
に形成されている。静止体１には、傾斜面２５との間の
距離から可動体４の軸方向の移動量を非接触に検出する
軸方向移動量検出器２６が固定されている。そして、軸
方向移動量検出器２６、筒状コイル２２、前述した磁気
支持装置１０の主要素１０ａ，１０ｂを構成しているバ
イアスコイル、制御コイルおよび位置検出器は、図３に
示す制御装置３１に接続されている。

【００２０】制御装置３１は、磁気支持制御部３２と、
軸方向移動量制御部３３とで構成されている。なお、こ
の図３には主要素１０ａのコイル１２ａ〜１２ｄを付勢
制御する磁気支持制御部３２が示されており、主要素１
０ｂの各コイルを付勢制御する制御部は省略されてい
る。

【００２１】磁気支持制御部３２は、４つの移動量検出
器１５ａ〜１５ｄの出力をそれぞれ処理回路３５に導入
し、半径方向の変位量に変換している。そして、これら
変位量を制御回路３６に導入して基準位置との差から操
作量を決定し、これら操作量を電流増幅器３７で電流に
変換し、この電流をコイル１２ａ〜１２ｄの制御コイル
１８に与えるようにしている。なお、電流増幅器３７の
入力端は電源３８に接続されている。一方、後述する軸
方向位置制御部３３の処理回路３９から出力された軸方
向移動量信号をパラメータ調整器４２に導入し、力の平
衡条件および可動体の重心運動と重心まわりの回転運動
との非干渉化条件を満たすような操作量を決定してい
る。

【００２２】すなわち、図４を用いて説明すれば、平衡
状態に支持された可動体４に対し、初期位置における可
動体４の重心Ｇを原点ｏとする可動体４の軸とｚ軸が一
致するように空間に固定された座標系ｏ−ｘｙｚにおい
て、可動体４の重心運動およびｘｚ平面内およびｙｚ平
面内の回転運動は、平衡状態からの変動が微少であると
して近似したとき、次のように記述できる。まず、重心
運動は、

【００２３】

【数１】

【００２４】ここで、¨は時間ｔによる微分ｄ／ｄｔを
表わし、Ｍは可動体４の質量、Ｍ₀ はＭの電磁石吸引力
方向成分で、

【００２５】

【数２】

【００２６】であり、Ｆ₁ 〜Ｆ₈ は各継鉄１１ａ〜１１
ｄを介して可動体４に働く各電磁石の吸引力、ｇは重力
加速度である。回転運動は、

【００２７】

【数３】

【００２８】である。なお、Ｉは可動体４の半径方向の
慣性モーメント、Ｌ₁ は可動体４の重心Ｇからｚ軸の正
方向にＦ₁ 〜Ｆ₄ が作用するまでの距離、Ｌ₂ は可動体
４の重心Ｇからｚ軸の負方向にＦ₅ 〜Ｆ₈ が作用するま
での距離を示す。

【００２９】ここで、パラメータ調整器４２は、各電磁
石の特性が全て同じであると仮定して、以下の平衡条件 Ｆ₃ ＝Ｆ₁ ＋Ｌ₂ ／（Ｌ₁ ＋Ｌ₂ ）・Ｍ₀ ・ｇ …（５） Ｆ₄ ＝Ｆ₂ ＋Ｌ₂ ／（Ｌ₁ ＋Ｌ₂ ）・Ｍ₀ ・ｇ …（６） Ｆ₇ ＝Ｆ₅ ＋Ｌ₁ ／（Ｌ₁ ＋Ｌ₂ ）・Ｍ₀ ・ｇ …（７） Ｆ₈ ＝Ｆ₆ ＋Ｌ₁ ／（Ｌ₁ ＋Ｌ₂ ）・Ｍ₀ ・ｇ …（８） と、非干渉化条件 （Ｆ₁ −Ｆ₃ ）・Ｌ₁ −（Ｆ₅ −Ｆ₇ ）・Ｌ₂ ＝０ …（９） （Ｆ₂ −Ｆ₄ ）・Ｌ₁ −（Ｆ₆ −Ｆ₈ ）・Ｌ₂ ＝０ …（１０） とを満足するように制御パラメータを調整している。具
体的には、各バイアスコイル１７に定常的に流す励磁電
流のレベルをパラメータとし、可動体４の移動量に対応
させて定常励磁電流のレベルを決定している。そして、
パラメータ調整器４２の出力は電流増幅器４４で電流に
変換され、この電流がコイル１２ａ〜１２ｄの各バイア
スコイル１７に与えられる。

【００３０】軸方向移動量制御部３３は軸方向移動量検
出器２６の出力と位置検出器１５ａ〜１５ｄの出力とを
処理回路３９に導入し、この処理回路３９で可動体４の
半径方向移動量によって軸方向移動量検出器２６の出力
に現われる誤差分を除去した真の軸方向移動量信号を得
ている。そして、得られた軸方向移動量信号と目標位置
信号Ｈとの偏差を制御回路４０で求め、この偏差を電流
増幅器４１で電流に変換し、この電流を筒状コイル２２
に流すようにしている。この制御によって、可動体４を
目標位置まで移動させ、この目標位置で停止させるよう
にしている。

【００３１】このような構成であると、磁気支持装置１
０を動作させると、各バイアスコイル１７が付勢される
とともに各制御コイル１８が可動体４の半径方向におけ
る変位量に応じたレベルで、かつ変位方向に応じた極性
の電流で付勢される。すなわち、継鉄１１ａ〜１１ｄの
磁極面と凸状磁極１３ａ〜１３ｄの磁極面との間の磁気
ギャップ長が位置検出器１５ａ〜１５ｄの出力に基いて
求められる。そして、磁気ギャップ長が広くなった部分
については、その磁気ギャップを通る磁束を増加させる
ように制御コイル１８が付勢される。また磁気ギャップ
長が狭くなった部分については、その磁気ギャップを通
る磁束を減少させるように制御コイル１８が付勢され
る。このため、可動体４は静止体１に対して磁気支持装
置１０で完全に非接触に支持される。

【００３２】また、目標位置信号Ｈを与えると、電磁力
発生機構２０が動作し、公知のボイスコイルモータと全
く同じ原理で、可動体４に対して非接触に軸方向への移
動力を与え、可動体４を目標位置で停止させる。この場
合、位置制御に必要な軸方向の位置検出は、補助板２４
に設けられた傾斜面２５を検出対象とした軸方向移動量
検出器２６によって非接触に検出される。したがって、
軸方向の駆動及び位置決めも完全非接触で行なわれる。

【００３３】ところで、この装置においては、可動体４
の軸方向の移動量に応じてバイアスコイル１７に磁気支
持装置１０による力を含む力の平衡条件および可動体の
重心運動と回転運動との非干渉化条件を満たす定常励磁
電流が供給される。したがって、ベース２からの重心方
向の外乱による回転運動への影響が理論的にない状態が
形成されているので、可動体４の回転運動方向の精密な
位置決めを行う場合、回転運動系の固有振動数を高く、
重心運動系の固有振動数を低下させることにより、伝達
される振動を低減でき、位置決め精度を十分確保でき
る。一方、重心運動の精密位置決めを行う場合には、支
持系の共振を抑制し、振動の速やかな停止を図ることで
対処できる。

【００３４】図５には上述した力の平衡条件および非干
渉化条件を満たすようにバイアスコイル１７に定常電流
Ｉ₁ 〜Ｉ₈ を与えた一例が示されている。この図におい
て定常励磁電流Ｉ₅ 〜Ｉ₈ が移動量Ｌ_G の位置で零にな
るのは、可動体４の重心Ｇの位置が矢印Ａ線上（図１、
図４参照）に設けられている継鉄１１ａ〜１１ｂの位置
と一致するためである。したがって、この移動量Ｌ_G の
位置では、可動体４の回転運動は無制御になる。このた
め、回転運動の制御を重視する場合には、最大移動量が
Ｌ_G を越えないようにするか、少なくともＬ_G の位置に
おいては定常励磁電流の更新を見送るようにすればよ
い。図５ではＩ₁およびＩ₂ を一定値としているが、こ
れに限られるものではない。

【００３５】なお、本発明は上述した実施例に限定され
るものではない。すなわち、上述した条件を満たしてい
る直線動磁気支持装置において、パラメータ調整器に磁
気支持系の制御モデルおよび補償パラメータの更新機能
を追加してもよい。力の平衡条件および非干渉化条件を
満足している系では、制御系の設計を重心運動および回
転運動について独立に行なうことができるので、パラメ
ータ調整器４２に制御モデル更新機能と安定化支持のた
めの補償パラメータ更新機能を付加すれば、可動体４の
移動量に関係なく磁気支持系の特性を一定に保持するこ
とが可能となる。

【００３６】ここで、制御モデルの一般式を例に説明す
る。ｘ方向の運動方程式は次のように記述できる。

【００３７】

【数４】

【００３８】ここで、ｆは外力、ｋ_D （Ｌ₁ ）は移動量
Ｌ₁ における負平衡剛性、ｋ_U （Ｌ₁ ）・Ｕ_X は安定化
のための制御力で移動量Ｌ₁ の関数となっており、とく
にＵ_X は変位ｘ、ｘの一階微分の速度、二階微分の加速
度などの観測値をもとに系の安定化を実現する帰還操作
量である。

【００３９】この一般式に示されるｋ_D （Ｌ₁ ）および
ｋ_U （Ｌ₁ ）の各パラメータを可動体４の移動量に応じ
て更新する。また、これらｋ_D （Ｌ₁ ）およびｋ_U （Ｌ
₁ ）と所望の支持特性条件から、帰還操作量Ｕ_X を決定
する補償パラメータを更新する。この更新に応じて制御
回路３６の制御定数が調整される。

【００４０】このような構成であると、可動体４の軸方
向の全移動量に対して常に同じ磁気支持特性が得られ
る。

【００４１】また、上述した実施例ではバイアスコイル
を設けているが制御コイルだけで制御するようにしても
よい。また、上述した実施例では、磁気支持に必要な電
磁石群を軸方向に２組設けているが、３組以上設けても
よい。さらに、上述した実施例では制御パラメータを連
続的に調整しているが間欠的に調整するようにしてもよ
い。

【００４２】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、可
動体の軸方向の移動量に応じて磁気支持制御系の制御パ
ラメータを調整するようにしているので、可動体の重心
運動と重心まわりの回転運動との非干渉化支持が可能と
なる。また、重心運動と回転運動の制御系を独立して設
計できるので、設計が簡素化できる。さらに、位置決め
の精度に関わるベースからの重心方向外乱による回転運
動への影響および回転方向外乱による重心運動への影響
を極小化できる対策が容易に実施可能となり、全移動量
において所望の支持特性を安定に確保できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る直線動磁気支持装置を
図２におけるＳ−Ｓ線に沿って切断し矢印方向に見た断
面図。

【図２】同装置を図１におけるＲ−Ｒ線に沿って切断し
矢印方向に見た断面図。

【図３】同装置における制御装置のブロック構成図。

【図４】力の平衡条件および非干渉化条件を説明するた
めの図。

【図５】可動体の移動量と定常励磁電流との関係の一例
を示す図。

【符号の説明】

１…静止体、 ４…可動体、１０…磁
気支持装置、 １１ａ〜１１ｄ…継鉄、１２ａ
〜１２ｄ…コイル、 １３ａ〜１３ｄ…凸状磁極、
１４ａ〜１４ｄ…平坦面、 １５ａ〜１５ｄ…半径
方向の位置検出器、１７…バイアスコイル、 １
８…制御コイル、２０…電磁力発生機構、２１…永久磁
石、２２…筒状コイル、 ２４…補助板、２
５…傾斜面、 ２６…軸方向移動量検出
器、３１…制御装置、 ３２…磁気支持制御
部、３３…軸方向移動量制御部。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】静止体と、この静止体の近傍に軸方向へ移
   動自在に配置された可動体と、前記静止体の前記可動体
   を囲む位置で、かつ軸方向の２箇所以上の位置に設けら
   れた複数の電磁石群と、前記可動体の半径方向の位置を
   検出する半径方向位置検出手段と、この位置検出手段の
   情報に基づいて前記複数の電磁石群の磁気力を調整して
   前記可動体を非接触に支持する磁気支持制御系と、前記
   可動体の軸方向移動量を検出する軸方向移動量検出手段
   と、前記可動体に軸方向の移動力を与える駆動手段と、
   前記軸方向移動量検出手段で得られた情報に応じて前記
   磁気支持制御系の制御パラメータを間欠的または連続的
   に調整する制御パラメータ調整手段とを具備しているこ
   とを特徴とする直線動磁気支持装置。
2. 【請求項２】前記制御パラメータ調整手段によって調整
   される制御パラメータは、前記電磁石群に流す定常励磁
   電流のレベルであることを特徴とする請求項１に記載の
   直線動磁気支持装置。
3. 【請求項３】前記制御パラメータ調整手段によって調整
   される前記定常励磁電流のレベルは、前記電磁石群によ
   る力を加えた力の平衡条件および前記可動体の重心運動
   と重心まわりの回転運動相互の非干渉化条件を満たすよ
   うに調整されることを特徴とする請求項２に記載の直線
   動磁気支持装置。
4. 【請求項４】前記制御パラメータ調整手段は、前記軸方
   向移動量検出手段で得られた情報に応じて磁気支持系の
   モデルを更新する制御モデル更新手段と、この制御モデ
   ル更新手段の結果から磁気支持系の安定化のための補償
   パラメータを更新する補償パラメータ更新手段とを具備
   してなることを特徴とする請求項１または３に記載の直
   線動磁気支持装置。