浮上体のセンシング方法
【課題】センサ不使用による低コスト化と省スペース化が図れると共に、浮上体位置の検知精度を向上できる浮上体のセンシング方法を提供する。
【解決手段】磁気浮上している浮上体１０の周囲に配置され、それぞれコア１１、１２とコア１１、１２に巻回されたコイル１３、１４とを有する複数の電磁石１５、１６を用いて浮上体１０をセンシングする方法であって、各コイル１３、１４に共振回路１７、１８を形成するコンデンサ１９、２０をそれぞれ直列又は並列に設け、各コイル１３、１４間の電圧から浮上体１０の位置を検出する。
【解決手段】磁気浮上している浮上体１０の周囲に配置され、それぞれコア１１、１２とコア１１、１２に巻回されたコイル１３、１４とを有する複数の電磁石１５、１６を用いて浮上体１０をセンシングする方法であって、各コイル１３、１４に共振回路１７、１８を形成するコンデンサ１９、２０をそれぞれ直列又は並列に設け、各コイル１３、１４間の電圧から浮上体１０の位置を検出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気浮上している浮上体の周囲に配置された複数の電磁石を形成するコイル又は別に設けられたコイル（センシングコイル）を用いて浮上体をセンシングする方法に関する。なお、ここで浮上体には、磁気軸受によって磁気浮上し、別に設けられたモータ等によって回転駆動されるロータを含む。
【背景技術】
【０００２】
電磁石を用いた磁気浮上制御は、非接触や潤滑油不要などという利点から、様々な分野に応用されている。特に、完全に非接触で回転体（ロータ）を支持できる磁気軸受には、様々な方式が提案されており、実用化されている。
また、近年、水素自動車や宇宙空間などの極低温状態におけるアクチュエータの研究が盛んに行われている。このような極低温下においては、対象物を非接触で駆動させるアクチュエータがあれば、メンテナンスフリーで、半永久的に使用できるという大きな利点がある。
【０００３】
このような極低温下において、上記した磁気軸受を駆動させるに際しては、この磁気軸受を制御することが必要不可欠であり、フィードバック制御によってのみ、磁気軸受を安定に駆動させることができる。
この制御方法には、制御自由度に見合った数のセンサを必要とするが、低温中では、センサ感度の変化や、コイル抵抗値の変化のため、誤差が生じてしまう。また、信頼性の高いセンサは高価であり、装置全体に占めるセンサのコストが大きくなってしまうことや、センサを使用するとしても装置が大きく複雑になり、限られたスペースでの使用が困難になるという欠点があった。
【０００４】
また、センサ使用時のその他の重要な問題として、センサとアクチュエータの配置の問題もある。剛性ロータの場合は、一般にあまり問題にならないが、弾性ロータの場合は、極めて重要な問題となる。
最も理想とされるのは、センサとアクチュエータを同じ場所に配置することである。これをコロケーションというが、このような場合、閉ループ伝達関数の極とゼロ点が対となって虚軸上に並び、制御系が安定し易い。
しかし、センサとアクチュエータ間の干渉の問題や構造的な制約により、これらを同じ場所に配置できないことが多い。これをノンコロケーションという。この場合は、極とゼロ点が対とならず、制御系が不安定化し易くなる。
【０００５】
これらの問題を解決する方法として、セルフセンシング法がある。この方法は、アクチュエータにセンサの機能も兼ね備えさせる方法である。
この方法で、磁気軸受に変位センサを組み込むことが可能であれば、コロケーションの実現や、センサ不使用による低コスト化、更には省スペース化と、以上に示した問題全てを解決できる。
このようなセンシング方法には、これまでにいくつかの方法が提案されてきた（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−１７７９１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来のセルフセンシング方法は、一対の電磁石の電流信号からその加算信号と減算信号を生成し、位置検出のための高周波電流と位置制御のための制御電流を分離しているのみであるので、この方法によるロータ位置の検知感度の向上には限界があり、ロータ位置の検知精度を向上できなかった。
【０００８】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、センサ不使用による低コスト化と省スペース化が図れると共に、浮上体(ロータも含む)位置の検知精度を向上できる浮上体のセンシング方法（場合によっては、セルフセンシング方法となる）を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記目的に沿う本発明に係る浮上体のセンシング方法は、磁気浮上している浮上体の周囲に配置され、それぞれコアと該コアに巻回されたコイルとを有する複数の電磁石を用いて前記浮上体の位置をセンシングする方法であって、
前記各コイルに共振回路を形成するコンデンサを直列又は並列に設け、前記各コイルに交流又は交流分を含む電流を流して、前記各コイル間の電圧から前記浮上体の位置を検出する。
【００１０】
ここで、コイルとコンデンサによって形成される共振回路の共振周波数は、コイルに流す交流(交流分を含む電流を含む)の周波数の０．８〜１．２倍（更に好ましくは、０．９〜１．１倍）の範囲で、コンデンサ（又はリアクタンス）の値を選定するのがよい。なお、コイルのリアクタンスは浮上体が複数のコイルの中心にある場合の値を使用するのがよい。
【００１１】
また、本発明に係る浮上体のセンシング方法において、前記コイルは電磁石を形成するコイルと位置検出を行うコイル(センシングコイル)とを同一のコイルで兼用する場合と、別々のコイルを用いる場合とがある。また、浮上体には、回転駆動されるロータを含む他、非回転駆動の物も含む。
【００１２】
本発明に係る浮上体のセンシング方法において、前記複数の電磁石は、前記浮上体を挟んで対向配置されていることが好ましく、更に、浮上体の周囲を当角度(３６０／ｎ；ｎは３以上）で囲んで配置されるのがよい。なお、実質的には、対向配置された前記電磁石は、前記浮上体の上下及び左右にそれぞれ配置されている(即ち、ｎ＝４)場合が最も好ましい。
【００１３】
本発明に係る浮上体のセンシング方法において、前記コイル間の電圧から前記浮上体の位置を検知すると共に、それぞれの前記電磁石に別に巻回した第２のコイルに流れる電流(通常、一方向電流、直流)を変えて、前記浮上体の位置を制御することもできる。
【００１４】
本発明に係る浮上体のセンシング方法において、前記コアに巻かれているコイルには、前記浮上体の位置を検知して前記共振回路を流れる交流電流が流れていると共に、前記浮上体の位置を制御する電流（直流電流）が流れている場合もあり、この場合は、コイルの数を減少する。
【００１５】
本発明に係る浮上体のセンシング方法において、前記電磁石の他に前記浮上体を浮上させる又は前記浮上体の浮上を助ける第２の電磁石が前記浮上体の周りに設けられている場合もある。
【００１６】
本発明に係る浮上体のセンシング方法において、前記電磁石のコアを移動させて共振インピーダンスを変化させることが好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係る浮上体のセンシング方法は、各コイルに共振回路を形成するコンデンサを設け、各コイル間の電圧から浮上体の位置を検出するので、浮上体位置の変位量に伴って変化する電圧を、従来よりも大きくできる。これにより、センシング精度の向上が図れ、例えば、センシング機能を備えた磁気軸受装置の実用化が可能となる。従って、高価な変位センサ等を用いる必要がなくなり、装置構成のコンパクト化、また製造コストの低減が図れる。
【００１８】
また、複数の電磁石を、浮上体を挟んで対向配置する場合は、浮上体に対する電磁石の位置決めを簡単にできると共に、浮上体の位置調整も容易にできる。
【００１９】
そして、コイル間の電圧から浮上体の位置を検知すると共に、電磁石に別に巻回した第２のコイルに流れる電流を変えて、浮上体の位置を制御する場合は、装置構成のコンパクト化が図れる。
なお、コアに巻かれている（電磁石の）コイルに、浮上体の位置を検知して共振回路を流れる交流電流が流れていると共に、浮上体の位置を制御する電流が流れている場合は、装置構成の更なるコンパクト化が図れる。
【００２０】
また、電磁石の他に浮上体を浮上させる又は浮上体の浮上を助ける第２の電磁石が浮上体の周りに設けられている場合は、浮上体位置の制御精度を、更に高めることができる。
【００２１】
更に、電磁石のコアを移動させて共振インピーダンスを変化させる場合は、簡単な操作で、浮上体の位置の検出精度を、更に高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る浮上体のセンシング方法を使用する磁気軸受装置の説明図である。
【図２】（Ａ）は同浮上体のセンシング方法に用いる共振回路方式の原理の説明図、（Ｂ）はインダクタンス方式の原理の説明図である。
【図３】共振回路方式を使用した場合の電圧−周波数特性を示す説明図である。
【図４】電磁石の接続方法の説明図である。
【図５】インダクタンスの測定結果の説明図である。
【図６】（Ａ）はインダクタンス方式による中点電圧と変位の関係を示す説明図、（Ｂ）は共振回路方式による中点電圧と変位の関係を示す説明図である。
【図７】（Ａ）はインダクタンス方式の実験装置の説明図、（Ｂ）は共振回路方式の実験装置の説明図である。
【図８】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれインダクタンス方式による空気中でのインパルス応答の説明図、液体窒素中でのインパルス応答の説明図である。
【図９】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ共振回路方式による空気中でのインパルス応答の説明図、液体窒素中でのインパルス応答の説明図である。
【図１０】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ２軸制御の実験装置の部分側断面図、電磁石部分での正断面図である。
【図１１】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ２軸制御によるインパルス応答結果の説明図、ステップ応答結果の説明図である。
【図１２】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ本発明の第２の実施の形態に係る浮上体のセンシング方法を適用した回転装置の正断面図、及び側断面図である。
【図１３】本発明の第３の実施の形態に係る浮上体のセンシング方法を使用した極低温ポンプの説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
図１、図２（Ａ）に示すように、本発明の第１の実施の形態に係る浮上体のセンシング方法は、磁気浮上している磁性体からなる浮上体（例えば、ロータ）１０の周囲に配置され、それぞれ磁性材料からなるコア１１、１２とコア１１、１２に巻回されたコイル（以下、センシング用コイルともいう）１３、１４とを有する複数（ここでは、２個）の電磁石１５、１６を用いて浮上体１０をセンシングする方法であり、各コイル（センシングコイル）１３、１４に共振回路１７、１８を形成するコンデンサ１９、２０をそれぞれ並列に設け、各コイル１３、１４間の電圧（以下、中点電圧ともいう）から浮上体１０の位置を検出する方法（共振回路方式を用いた方法）である。以下、この共振回路方式を用いた浮上体のセンシング方法を、インダクタンス型誘導方式（以下、単にインダクタンス方式ともいう）を用いた浮上体のセンシング方法と比較しながら、詳しく説明する。
【００２４】
まず、浮上体のセンシング方法による浮上体の変位推定の原理について説明する。
図２（Ｂ）に、インダクタンス方式を用いた浮上体のセンシング方法の変位推定の原理図を示す。
図２（Ｂ）に示すように、インダクタンス方式では、上下に向かい合うセンシングに用いる上側コイル２１と下側コイル２２を、直列に接続する。ここで、直列に接続した上側コイル２１と下側コイル２２の中点電圧が、浮上体の変位に比例して表れる。これを式で表す。
【００２５】
上側コイル２１と下側コイル２２の自己インダクタンスを、それぞれＬＵ、ＬＤとすると、それぞれの自己インダクタンス値は、浮上体の変位ｄによって変化するので、定数項をＬｃｏｎ、浮上体の変位ｄに対する偏微分値をＬ´とすると、次の式（１）と式（２）で表される。
ＬＵ＝Ｌｃｏｎ／２＋Ｌ´ｄ ・・・（１）
ＬＤ＝Ｌｃｏｎ／２−Ｌ´ｄ ・・・（２）
【００２６】
このときの中点電圧ｖ１は、上側コイル２１と下側コイル２２の自己インダクタンスによる電圧降下であり、式（３）で表される。
ｖ１＝ＬＤ・ｄｉ０／ｄｔ＝（１−Ｌ´ｄ／Ｌｃｏｎ）ｖｉｎ／２ ・・・（３）
式（３）中のｉ０は、上側コイル２１と下側コイル２２を流れるバイアス電流である。従って、式（３）より、中点電圧ｖ１には、変位ｄが振幅変調されたセンシング電圧ｖｉｎ成分が現れることが分かる。
よって、中点電圧ｖ１を検出し、センシング電圧ｖｉｎ成分を復調することにより、浮上体の変位推定が、原理的には可能であるといえる。
【００２７】
次に、図２（Ａ）に、共振回路を用いた浮上体のセンシング方法の変位推定の原理図を示す。
図２（Ａ）に示すように、共振回路方式では、上下に配置されたコイル１３、１４と、この各コイル１３、１４にそれぞれ並列に接続されたコンデンサ１９、２０により、２つのＬＣ共振回路１７、１８を作り、それを直列に接続している。
このとき、各コイル１３、１４の中点電圧Ｖ２は、周波数に対して、図３に示すように変化する。
【００２８】
図３から、浮上体の変位に応じて、電圧値が変化する２つの周波数帯があることが分かる。
１つは７ｋＨｚ以下の範囲であり、このとき浮上体が下側（◆）から上側（▲）へ動くと、電圧は下がっていく。もう１つは１５ｋＨｚ以上の範囲であり、このとき浮上体が下側（◆）から上側（▲）へ動くと、電圧は上がっていく。
この２つの範囲を利用して、中点電圧ｖ２から浮上体の変位を推定することができると考えられる。
【００２９】
続いて、上記したインダクタンス方式と共振回路方式の各浮上体のセンシング方法を使用する磁気軸受装置２３とその制御方法について、図１を参照しながら説明する。
図１に示すように、浮上体のセンシング方法を使用する磁気軸受装置２３は、２個の電磁石１５、１６が、浮上体１０を挟んで上下方向に対向配置されている。この各電磁石１５、１６のコア１１、１２には、各電磁石１５、１６に対する浮上体１０の変位を検知するセンシング用コイル１３、１４が巻回されている。また、この電磁石１５、１６には、浮上体１０を磁気浮上させると共に、検知した浮上体１０の変位に基づいて浮上体１０の位置を制御する制御コイル（第２のコイルの一例）２４、２５が、それぞれ別に巻回されている。なお、共振回路方式の場合、各コイル１３、１４には、図２（Ａ）に示すように、前記した共振回路１７、１８を形成するコンデンサ１９、２０が並列に設けられている。また、センシング用コイル１３、１４と制御コイル２４、２５は、それぞれ１つのコア１１、１２に２つに分かれて巻かれ、それらが直列に接続されて１つのコイルを形成している。
【００３０】
まず、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ：パルス幅変調、交流分を含む電流の一例）回路２６より、デューティ比５０％の矩形波にＤＣ電圧を加算させた電圧信号を、センシング用コイル１３、１４に印加する。このようにして、センシング用コイル１３、１４にバイアス電流を持たせることができる。
このとき、浮上体１０が変位すると、同方向に直列接続した上下のインダクタンスが変化することにより、中点電圧が変化する。なお、この中点電圧は、浮上体１０の変位に比例することが分かっているため、センシング用コイル１３とセンシング用コイル１４との間の電圧から、浮上体１０の位置を検知できる。
【００３１】
そこで、この中点電圧を、ＢＰＦ（バンドパスフィルタ）２７に通して搬送波成分のみを抽出し、整流器２８で整流して、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）２９に通す。その信号を、Ａ／Ｄコンバータ３０を介してコンピュータ３１内のデジタルコントローラに取り込むことで、制御信号とする。この制御信号は、Ｄ／Ａコンバータ３２を介してパワーアンプ３３で増幅され、制御コイル２４、２５を駆動して、上下の電磁石１５、１６の吸引力の差を利用し、浮上体１０の位置制御を行っている。
このように、制御コイル２４、２５に流れる直流電流を変えて、浮上体１０の位置を制御できる。なお、共振回路方式では、電磁石１５、１６のセンシング用コイル１３、１４に、浮上体１０の位置を検知して共振回路を流れる交流電流を流すと共に、浮上体１０の位置を制御する直流電流を流してもよい。
【００３２】
次に、電磁石１５、１６の吸引力の線形化について説明する。
図４に、電磁石１５、１６の接続方法と磁束の方向を示す。
図４に示すように、上下に配置されたセンシング用コイル１３、１４同士と、制御コイル２４、２５同士を、それぞれ直列に接続する。このとき、センシング用コイル１３、１４は、上下同じ向きに、また制御コイル２４、２５は、上下逆向きになるように接続する。
これにより、上下の電磁石１５、１６の吸引力に、差を生じさせることができる。
また、図４中の実線の矢印は、センシング用コイル１３、１４による磁束を示しており、上下同じ向きとなる。一方、破線の矢印は、制御コイル２４、２５による磁束を示しており、上下逆向きとなる。
【００３３】
このように結線することにより、吸引力の線形化が可能となる。
上下の電磁石１５、１６を一つの集中磁気回路として考えると、上下のそれぞれの磁束は、次の式（４）と式（５）のように表される。ただし、上の電磁石１５の磁束をＢ１、下の電磁石１６の磁束をＢ２とする。
Ｂ１＝Ｂｂ＋Ｂｃ ・・・（４）
Ｂ２＝Ｂｂ−Ｂｃ ・・・（５）
ここで、Ｂｂはバイアス電流によって形成される磁束密度であり、Ｂｃは制御電流によって形成される磁束密度である。
【００３４】
従って、制御電流の大きさと向きを変えることにより、制御磁束の向きを変え、浮上体１０に加わる力を制御することができる。
一般に、電磁石の吸引力ｆは、式（６）のように表せる。
ｆ＝ＳＢ２／μ０ ・・・（６）
ここで、Ｓは面積、μ０は真空の透磁率、Ｂは磁束密度である。
従って、電磁石全体の吸引力Ｆは、式（７）となる。
Ｆ＝（Ｂ１２−Ｂ２２）Ｓ／μ０ ・・・（７）
【００３５】
この式（７）に、式（４）と式（５）を代入すると、式（８）となる。
Ｆ＝４ＳＢｃＢｂ／μ０ ・・・（８）
ここで、バイアス磁束密度Ｂｂは一定であるので、式（８）は、式（９）及び式（１０）と表すことができる。
Ｆ＝αＢｃ ・・・（９）
α＝４ＳＢｂ／μ０ ・・・（１０）
これにより、電磁石１５、１６の吸引力を、制御磁束に対して線形化して考えることができる。
【００３６】
続いて、センシングの検証実験について説明する。
浮上体１０の浮上実験を行う前に、センシングの機能を検証するため、インダクタンスの測定を行っている。
まず、上下に配置された各コイル１３、１４の位置を固定し、このコイル１３、１４に、それぞれインダクタンス検出器を接続する。ここで、浮上体１０がないときの上下のインダクタンスが等しいことを確認する。このとき、上下のインダクタンスが異なるようであれば、正確な測定ができないので、各コイル１３、１４の巻数を調節する必要がある。
【００３７】
そして、上下のインダクタンスが等しいことを確認できたら、浮上体１０が上下のコイル１３、１４の中心位置になるように配置する。
なお、上下のインダクタンスは、ギャップを±０．２ｍｍ変位させたときに測定している。このインダクタンスの測定結果を、図５に示す。
図５から明らかなように、上下の電磁石１５、１６はともに、浮上体１０の変位に比例してインダクタンスが変化していることを確認できた。
【００３８】
次に、中点電圧の測定を行った。
まず、浮上体１０が、上下のコイル１３、１４の中心位置になるようにセッティングする。次に、バイアス電流を０．７Ａ流し、制御電流を−０．５Ａから０．５Ａ流した状態において、中心を０ｍｍとして、浮上体１０の変位を−０．３ｍｍから０．３ｍｍに変化させたとき、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）２９を通過した直後の中点電圧を測定した。
この測定は、インダクタンス方式と共振回路方式の２つについて行った。
【００３９】
図６（Ａ）にインダクタンス方式による中点電圧の測定結果を示す。
図６（Ａ）から分かるように、浮上体の変位に比例して、中点電圧が変化していることを確認できる。このときの電圧の変化幅は約２Ｖ（＝３．６Ｖ−１．６Ｖ）であった。
また、図６（Ｂ）に共振回路方式による中点電圧の測定結果を示す。
図６（Ｂ）から分かるように、この方式でも、浮上体の変位に比例して、中点電圧が変化していることが分かる。このときの電圧の変化幅は約４Ｖ（＝９Ｖ−５Ｖ）であった。
このように、２つの方式の結果を比較すると、共振回路方式の電圧変化幅の方が大きいことが分かった。
従って、共振回路方式の方が、センシング精度が高いと言える。
【００４０】
次に、浮上体の浮上実験について説明する。
ここでは、図７（Ａ）、（Ｂ）に示す１軸制御の実験装置４０、４１を使用した。この図７（Ａ）にはインダクタンス方式で用いた実験装置４０を、また（Ｂ）には共振回路方式で用いた実験装置４１を、それぞれ示している。
なお、各実験装置４０、４１は、同じ実験装置であり、固定台４２、４３の向きを変えただけである。このため、インダクタンス方式では、浮上体４４が左右方向のみに、また共振回路方式では、浮上体４４が上下方向のみに、移動可能となっている。このようにした理由は、共振回路方式でのみ、浮上体４４を横向きで浮上できたからである。なお、電磁石４５、４６のコア（鉄心部分）４７、４８と浮上体４４は、それぞれ積層した電磁鋼板で構成し、各コア４７、４８には、センシング用コイルと制御コイルをそれぞれ巻いた。
【００４１】
まず、図７（Ａ）の実験装置４０を用いて、インダクタンス方式による浮上実験を行った結果について説明する。
図８（Ａ）に、空気中でのインパルス応答を示す。この図８（Ａ）から、インパルスを与えて約０．５秒で、浮上体４４の変位が収束していることが分かる。
また、図８（Ｂ）に、液体窒素中でのインパルス応答を示す。この図８（Ｂ）から、液体窒素中では、浮上体４４の変位が約０．２秒で収束していることが分かる。これは、液体窒素の粘性の影響と考えられる。
【００４２】
次に、図７（Ｂ）の実験装置４１を用いて、共振回路方式による浮上実験を行った結果について説明する。
図９（Ａ）に、空気中でのインパルス応答を示す。この図９（Ａ）から、インパルスを与えて約０．２秒で、浮上体４４の変位が収束していることが分かる。
また、図９（Ｂ）に、液体窒素中でのインパルス応答を示す。この図９（Ｂ）から、液体窒素中では、浮上体４４の変位が約０．２秒で収束していることが分かる。
以上の結果から、インダクタンス方式と共振回路方式を比較すると、共振回路では浮上体４４を横向きで浮上させたにも関わらず、浮上体４４の変位の収束が速いことから、剛性が強化されたことが分かる。
【００４３】
続いて、浮上体の２軸浮上実験について説明する。
ここでは、図１０（Ａ）、（Ｂ）に示す２軸制御の実験装置５０を使用した。
この実験装置５０は、浮上体５１の上下方向に電磁石５２、５３が、左右方向に電磁石５４、５５が、それぞれ対向配置されている（合計４個の電磁石５２〜５５）。この浮上体５１は、固定台５６にゴムチューブ５７で接続されており、浮上体５１が上下方向及び左右方向に、自由に動く構成となっている。なお、各電磁石５２〜５５と浮上体５１は、前記した実験装置４１で使用した電磁石と浮上体の構成と同様である。そして、電磁石５２〜５５には図示しない共振回路を形成するコンデンサが並列に接続されている。
【００４４】
図１１（Ａ）に２軸制御によるインパルス応答結果を、図１１（Ｂ）にステップ応答結果を、それぞれ示す。
図１１（Ａ）、（Ｂ）から明らかなように、浮上体５１の変位は、いずれも約０．２秒で収束していることが確認できる。
この結果より、共振回路を用いることにより、２軸制御を行うことが可能であり、安定した浮上を行えることが分かった。
なお、隣り合う電磁石の干渉等を防止できれば、浮上体の多軸浮上（例えば、４軸以上の浮上）も可能になるものと考えられる。
【００４５】
次に、図１２（Ａ）、（Ｂ）に示す本発明の第２の実施の形態に係る浮上体のセンシング方法を適用した回転装置６０について説明する。６１は磁気浮上している浮上体の一例であるロータであり、左右の磁気軸受装置６２、６３によって支持されている。磁気軸受装置６２、６３は、図１２（Ｂ）に示すように、上下、左右に電磁石６４〜６７をそれぞれ有している。対となる電磁石６４、６５及び電磁石６６、６７の構造は、図１に示す電磁石１５、１６と同一である。従って、電磁石６４、６５のコイル（センシングコイル）６８、６９には図示しない共振回路を構成するコンデンサがそれぞれ並列に接続され、別に制御コイル７０、７１を備えている。また、電磁石６６、６７のコイル（センシングコイル）７２、７３には図示しない共振回路を構成するコンデンサがそれぞれ並列に接続され、別に制御コイル７４、７５を備えている。
【００４６】
なお、７７、７８は電磁石６４、６５のコアであり、７９、８０は電磁石６６、６７のコアを示す。ロータ６１の中央には、周知の誘導電動機８１が設けられ、ロータ６１を回転駆動している。この実施の形態ではモータは誘導電動機であったが、その他の原理で回転するモータであっても本発明は適用される。
また、この実施の形態においては、ロータ６１はラジアル方向に磁気軸受装置６２、６３で支持されていたが、更に、ロータ６１をスラスト方向に支持する磁気軸受装置（以下に説明する実施の形態を参照）を設けることが好ましい。
【００４７】
続いて、図１３に示す本発明の第３の実施の形態に係る浮上体のセンシング方法を適用した極低温中でも駆動可能なポンプ８４について説明する。
図１３に示すように、ポンプ８４は、中央に浮上体の一例であるロータ８５を有し、このロータ８５はその左右を磁気軸受装置８６、８７によって、この浮上体のセンシング方法を用いて非接触状態で支持されている。ロータ８５の一端部にはインペラ８８を、他端部にはスラスト磁気軸受装置８９が設けられている。
【００４８】
スラスト磁気軸受装置８９は、円板状のコア９０とその両側に設けられた電磁石９１、９２を有し、対となる電磁石９１、９２との間にコア９０が軸方向に浮上、即ち隙間を有して配置されている。電磁石９１、９２にはそれぞれコアとコイルを有し、コイルには共振用のコンデンサが並列に接続されている。コイルに流す電流によってコア９０を浮上させ、それぞれのコイルに流す交流電圧によってコア９０の位置を検知し、コア９０が所定の位置に配置されるようコイルに電流を流して制御している。なお、それぞれの電磁石９１、９２のコイルはセンシング用のコイルと制御用のコイルとを分けてもよいし、一つで共用してもよい。
【００４９】
磁気軸受装置８６、８７の間には周知の誘導電動機９３が設けられ、ロータ８５に回転力を与えている。９４は誘導電動機９３のステータを示す。このロータ８５を回転することによって、インペラ８８が回転し、液体窒素が矢印で示す方向に流れていく仕組みとなっている。
【００５０】
なお、ロータ８５は、磁気軸受装置８６、８７、スラスト磁気軸受装置８９に対して非接触であり、この隙間に液体窒素が流れ込むため、極低温下の振動制御を行う必要がある。このため、振動制御は、垂直方向と水平方向についてそれぞれ行う。
本発明の浮上体のセンシング方法を使用した磁気軸受装置を、このような構造のポンプ８４に適用することにより、センシング方式による磁気軸受装置をフルに活かすことができるようになると考えられる。
【００５１】
以上、本発明を、実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。例えば、前記したそれぞれの実施の形態や変形例の一部又は全部を組合せて本発明の浮上体のセンシング方法を構成する場合も本発明の権利範囲に含まれる。
また、前記実施の形態においては、複数の電磁石を、ロータを挟んで対向配置した場合について説明したが、ロータの周囲に奇数個（例えば、３個又は５個）の電磁石を配置してもよい。この場合、各電磁石は、ロータを中心として等角度に配置するのが、計算を簡略化できて好ましいが、異なる角度で配置してもよい。
そして、前記実施の形態においては、各電磁石（コイル）に共振回路を形成するコンデンサを並列に設けた場合について説明したが、直列に設けてもよい。
【００５２】
更に、前記実施の形態においては、ロータを挟んで対向配置された複数の電磁石により、ロータの位置の検知と、ロータの位置の制御を行った場合について説明したが、この電磁石の他に、ロータを浮上させる又はロータの浮上を助ける他の電磁石（第２の電磁石）を、ロータの周りに設けてもよい。例えば、ロータの周方向に隣り合うロータの位置検知及び位置制御を行う電磁石の間に、他の電磁石をそれぞれ配置してもよい。
なお、電磁石のコアを移動させて、共振インピーダンスを変化させてもよい。
以上に示した本発明の浮上体のセンシング方法を使用する磁気軸受装置の規模は、かかる負荷の大きさに応じて適宜選択できる。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明に係る浮上体のセンシング方法は、通常使用されている軸受や案内（例えば、ブッシュなど）を適用できないところ、例えば、高速回転するモータのロータの支持や案内、宇宙機器の回転部の支持や案内、化学薬品工業などのポンプ等にも適用できる。
【符号の説明】
【００５４】
１０：浮上体、１１、１２：コア、１３、１４：コイル、１５、１６：電磁石、１７、１８：共振回路、１９、２０：コンデンサ、２１：上側コイル、２２：下側コイル、２３：磁気軸受装置、２４、２５：制御コイル、２６：ＰＷＭ回路、２７：ＢＰＦ、２８：整流器、２９：ＬＰＦ、３０：Ａ／Ｄコンバータ、３１：コンピュータ、３２：Ｄ／Ａコンバータ、３３：パワーアンプ、４０、４１：実験装置、４２、４３：固定台、４４：浮上体、４５、４６：電磁石、４７、４８：コア、５０：実験装置、５１：浮上体、５２〜５５：電磁石、５６：固定台、５７：ゴムチューブ、６０：回転装置、６１：ロータ、６２、６３：磁気軸受装置、６４〜６７電磁石、６８、６９：コイル、７０、７１：制御コイル、７２、７３：コイル、７４、７５：制御コイル、７７〜８０：コア、８１：誘導電動機、８４：ポンプ、８５：ロータ、８６、８７：磁気軸受装置、８８：インペラ、８９：スラスト磁気軸受装置、９０：コア、９１、９２：電磁石、９３：誘導電動機、９４：ステータ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気浮上している浮上体の周囲に配置された複数の電磁石を形成するコイル又は別に設けられたコイル（センシングコイル）を用いて浮上体をセンシングする方法に関する。なお、ここで浮上体には、磁気軸受によって磁気浮上し、別に設けられたモータ等によって回転駆動されるロータを含む。
【背景技術】
【０００２】
電磁石を用いた磁気浮上制御は、非接触や潤滑油不要などという利点から、様々な分野に応用されている。特に、完全に非接触で回転体（ロータ）を支持できる磁気軸受には、様々な方式が提案されており、実用化されている。
また、近年、水素自動車や宇宙空間などの極低温状態におけるアクチュエータの研究が盛んに行われている。このような極低温下においては、対象物を非接触で駆動させるアクチュエータがあれば、メンテナンスフリーで、半永久的に使用できるという大きな利点がある。
【０００３】
このような極低温下において、上記した磁気軸受を駆動させるに際しては、この磁気軸受を制御することが必要不可欠であり、フィードバック制御によってのみ、磁気軸受を安定に駆動させることができる。
この制御方法には、制御自由度に見合った数のセンサを必要とするが、低温中では、センサ感度の変化や、コイル抵抗値の変化のため、誤差が生じてしまう。また、信頼性の高いセンサは高価であり、装置全体に占めるセンサのコストが大きくなってしまうことや、センサを使用するとしても装置が大きく複雑になり、限られたスペースでの使用が困難になるという欠点があった。
【０００４】
また、センサ使用時のその他の重要な問題として、センサとアクチュエータの配置の問題もある。剛性ロータの場合は、一般にあまり問題にならないが、弾性ロータの場合は、極めて重要な問題となる。
最も理想とされるのは、センサとアクチュエータを同じ場所に配置することである。これをコロケーションというが、このような場合、閉ループ伝達関数の極とゼロ点が対となって虚軸上に並び、制御系が安定し易い。
しかし、センサとアクチュエータ間の干渉の問題や構造的な制約により、これらを同じ場所に配置できないことが多い。これをノンコロケーションという。この場合は、極とゼロ点が対とならず、制御系が不安定化し易くなる。
【０００５】
これらの問題を解決する方法として、セルフセンシング法がある。この方法は、アクチュエータにセンサの機能も兼ね備えさせる方法である。
この方法で、磁気軸受に変位センサを組み込むことが可能であれば、コロケーションの実現や、センサ不使用による低コスト化、更には省スペース化と、以上に示した問題全てを解決できる。
このようなセンシング方法には、これまでにいくつかの方法が提案されてきた（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−１７７９１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来のセルフセンシング方法は、一対の電磁石の電流信号からその加算信号と減算信号を生成し、位置検出のための高周波電流と位置制御のための制御電流を分離しているのみであるので、この方法によるロータ位置の検知感度の向上には限界があり、ロータ位置の検知精度を向上できなかった。
【０００８】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、センサ不使用による低コスト化と省スペース化が図れると共に、浮上体(ロータも含む)位置の検知精度を向上できる浮上体のセンシング方法（場合によっては、セルフセンシング方法となる）を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記目的に沿う本発明に係る浮上体のセンシング方法は、磁気浮上している浮上体の周囲に配置され、それぞれコアと該コアに巻回されたコイルとを有する複数の電磁石を用いて前記浮上体の位置をセンシングする方法であって、
前記各コイルに共振回路を形成するコンデンサを直列又は並列に設け、前記各コイルに交流又は交流分を含む電流を流して、前記各コイル間の電圧から前記浮上体の位置を検出する。
【００１０】
ここで、コイルとコンデンサによって形成される共振回路の共振周波数は、コイルに流す交流(交流分を含む電流を含む)の周波数の０．８〜１．２倍（更に好ましくは、０．９〜１．１倍）の範囲で、コンデンサ（又はリアクタンス）の値を選定するのがよい。なお、コイルのリアクタンスは浮上体が複数のコイルの中心にある場合の値を使用するのがよい。
【００１１】
また、本発明に係る浮上体のセンシング方法において、前記コイルは電磁石を形成するコイルと位置検出を行うコイル(センシングコイル)とを同一のコイルで兼用する場合と、別々のコイルを用いる場合とがある。また、浮上体には、回転駆動されるロータを含む他、非回転駆動の物も含む。
【００１２】
本発明に係る浮上体のセンシング方法において、前記複数の電磁石は、前記浮上体を挟んで対向配置されていることが好ましく、更に、浮上体の周囲を当角度(３６０／ｎ；ｎは３以上）で囲んで配置されるのがよい。なお、実質的には、対向配置された前記電磁石は、前記浮上体の上下及び左右にそれぞれ配置されている(即ち、ｎ＝４)場合が最も好ましい。
【００１３】
本発明に係る浮上体のセンシング方法において、前記コイル間の電圧から前記浮上体の位置を検知すると共に、それぞれの前記電磁石に別に巻回した第２のコイルに流れる電流(通常、一方向電流、直流)を変えて、前記浮上体の位置を制御することもできる。
【００１４】
本発明に係る浮上体のセンシング方法において、前記コアに巻かれているコイルには、前記浮上体の位置を検知して前記共振回路を流れる交流電流が流れていると共に、前記浮上体の位置を制御する電流（直流電流）が流れている場合もあり、この場合は、コイルの数を減少する。
【００１５】
本発明に係る浮上体のセンシング方法において、前記電磁石の他に前記浮上体を浮上させる又は前記浮上体の浮上を助ける第２の電磁石が前記浮上体の周りに設けられている場合もある。
【００１６】
本発明に係る浮上体のセンシング方法において、前記電磁石のコアを移動させて共振インピーダンスを変化させることが好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係る浮上体のセンシング方法は、各コイルに共振回路を形成するコンデンサを設け、各コイル間の電圧から浮上体の位置を検出するので、浮上体位置の変位量に伴って変化する電圧を、従来よりも大きくできる。これにより、センシング精度の向上が図れ、例えば、センシング機能を備えた磁気軸受装置の実用化が可能となる。従って、高価な変位センサ等を用いる必要がなくなり、装置構成のコンパクト化、また製造コストの低減が図れる。
【００１８】
また、複数の電磁石を、浮上体を挟んで対向配置する場合は、浮上体に対する電磁石の位置決めを簡単にできると共に、浮上体の位置調整も容易にできる。
【００１９】
そして、コイル間の電圧から浮上体の位置を検知すると共に、電磁石に別に巻回した第２のコイルに流れる電流を変えて、浮上体の位置を制御する場合は、装置構成のコンパクト化が図れる。
なお、コアに巻かれている（電磁石の）コイルに、浮上体の位置を検知して共振回路を流れる交流電流が流れていると共に、浮上体の位置を制御する電流が流れている場合は、装置構成の更なるコンパクト化が図れる。
【００２０】
また、電磁石の他に浮上体を浮上させる又は浮上体の浮上を助ける第２の電磁石が浮上体の周りに設けられている場合は、浮上体位置の制御精度を、更に高めることができる。
【００２１】
更に、電磁石のコアを移動させて共振インピーダンスを変化させる場合は、簡単な操作で、浮上体の位置の検出精度を、更に高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る浮上体のセンシング方法を使用する磁気軸受装置の説明図である。
【図２】（Ａ）は同浮上体のセンシング方法に用いる共振回路方式の原理の説明図、（Ｂ）はインダクタンス方式の原理の説明図である。
【図３】共振回路方式を使用した場合の電圧−周波数特性を示す説明図である。
【図４】電磁石の接続方法の説明図である。
【図５】インダクタンスの測定結果の説明図である。
【図６】（Ａ）はインダクタンス方式による中点電圧と変位の関係を示す説明図、（Ｂ）は共振回路方式による中点電圧と変位の関係を示す説明図である。
【図７】（Ａ）はインダクタンス方式の実験装置の説明図、（Ｂ）は共振回路方式の実験装置の説明図である。
【図８】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれインダクタンス方式による空気中でのインパルス応答の説明図、液体窒素中でのインパルス応答の説明図である。
【図９】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ共振回路方式による空気中でのインパルス応答の説明図、液体窒素中でのインパルス応答の説明図である。
【図１０】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ２軸制御の実験装置の部分側断面図、電磁石部分での正断面図である。
【図１１】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ２軸制御によるインパルス応答結果の説明図、ステップ応答結果の説明図である。
【図１２】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ本発明の第２の実施の形態に係る浮上体のセンシング方法を適用した回転装置の正断面図、及び側断面図である。
【図１３】本発明の第３の実施の形態に係る浮上体のセンシング方法を使用した極低温ポンプの説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
図１、図２（Ａ）に示すように、本発明の第１の実施の形態に係る浮上体のセンシング方法は、磁気浮上している磁性体からなる浮上体（例えば、ロータ）１０の周囲に配置され、それぞれ磁性材料からなるコア１１、１２とコア１１、１２に巻回されたコイル（以下、センシング用コイルともいう）１３、１４とを有する複数（ここでは、２個）の電磁石１５、１６を用いて浮上体１０をセンシングする方法であり、各コイル（センシングコイル）１３、１４に共振回路１７、１８を形成するコンデンサ１９、２０をそれぞれ並列に設け、各コイル１３、１４間の電圧（以下、中点電圧ともいう）から浮上体１０の位置を検出する方法（共振回路方式を用いた方法）である。以下、この共振回路方式を用いた浮上体のセンシング方法を、インダクタンス型誘導方式（以下、単にインダクタンス方式ともいう）を用いた浮上体のセンシング方法と比較しながら、詳しく説明する。
【００２４】
まず、浮上体のセンシング方法による浮上体の変位推定の原理について説明する。
図２（Ｂ）に、インダクタンス方式を用いた浮上体のセンシング方法の変位推定の原理図を示す。
図２（Ｂ）に示すように、インダクタンス方式では、上下に向かい合うセンシングに用いる上側コイル２１と下側コイル２２を、直列に接続する。ここで、直列に接続した上側コイル２１と下側コイル２２の中点電圧が、浮上体の変位に比例して表れる。これを式で表す。
【００２５】
上側コイル２１と下側コイル２２の自己インダクタンスを、それぞれＬＵ、ＬＤとすると、それぞれの自己インダクタンス値は、浮上体の変位ｄによって変化するので、定数項をＬｃｏｎ、浮上体の変位ｄに対する偏微分値をＬ´とすると、次の式（１）と式（２）で表される。
ＬＵ＝Ｌｃｏｎ／２＋Ｌ´ｄ ・・・（１）
ＬＤ＝Ｌｃｏｎ／２−Ｌ´ｄ ・・・（２）
【００２６】
このときの中点電圧ｖ１は、上側コイル２１と下側コイル２２の自己インダクタンスによる電圧降下であり、式（３）で表される。
ｖ１＝ＬＤ・ｄｉ０／ｄｔ＝（１−Ｌ´ｄ／Ｌｃｏｎ）ｖｉｎ／２ ・・・（３）
式（３）中のｉ０は、上側コイル２１と下側コイル２２を流れるバイアス電流である。従って、式（３）より、中点電圧ｖ１には、変位ｄが振幅変調されたセンシング電圧ｖｉｎ成分が現れることが分かる。
よって、中点電圧ｖ１を検出し、センシング電圧ｖｉｎ成分を復調することにより、浮上体の変位推定が、原理的には可能であるといえる。
【００２７】
次に、図２（Ａ）に、共振回路を用いた浮上体のセンシング方法の変位推定の原理図を示す。
図２（Ａ）に示すように、共振回路方式では、上下に配置されたコイル１３、１４と、この各コイル１３、１４にそれぞれ並列に接続されたコンデンサ１９、２０により、２つのＬＣ共振回路１７、１８を作り、それを直列に接続している。
このとき、各コイル１３、１４の中点電圧Ｖ２は、周波数に対して、図３に示すように変化する。
【００２８】
図３から、浮上体の変位に応じて、電圧値が変化する２つの周波数帯があることが分かる。
１つは７ｋＨｚ以下の範囲であり、このとき浮上体が下側（◆）から上側（▲）へ動くと、電圧は下がっていく。もう１つは１５ｋＨｚ以上の範囲であり、このとき浮上体が下側（◆）から上側（▲）へ動くと、電圧は上がっていく。
この２つの範囲を利用して、中点電圧ｖ２から浮上体の変位を推定することができると考えられる。
【００２９】
続いて、上記したインダクタンス方式と共振回路方式の各浮上体のセンシング方法を使用する磁気軸受装置２３とその制御方法について、図１を参照しながら説明する。
図１に示すように、浮上体のセンシング方法を使用する磁気軸受装置２３は、２個の電磁石１５、１６が、浮上体１０を挟んで上下方向に対向配置されている。この各電磁石１５、１６のコア１１、１２には、各電磁石１５、１６に対する浮上体１０の変位を検知するセンシング用コイル１３、１４が巻回されている。また、この電磁石１５、１６には、浮上体１０を磁気浮上させると共に、検知した浮上体１０の変位に基づいて浮上体１０の位置を制御する制御コイル（第２のコイルの一例）２４、２５が、それぞれ別に巻回されている。なお、共振回路方式の場合、各コイル１３、１４には、図２（Ａ）に示すように、前記した共振回路１７、１８を形成するコンデンサ１９、２０が並列に設けられている。また、センシング用コイル１３、１４と制御コイル２４、２５は、それぞれ１つのコア１１、１２に２つに分かれて巻かれ、それらが直列に接続されて１つのコイルを形成している。
【００３０】
まず、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ：パルス幅変調、交流分を含む電流の一例）回路２６より、デューティ比５０％の矩形波にＤＣ電圧を加算させた電圧信号を、センシング用コイル１３、１４に印加する。このようにして、センシング用コイル１３、１４にバイアス電流を持たせることができる。
このとき、浮上体１０が変位すると、同方向に直列接続した上下のインダクタンスが変化することにより、中点電圧が変化する。なお、この中点電圧は、浮上体１０の変位に比例することが分かっているため、センシング用コイル１３とセンシング用コイル１４との間の電圧から、浮上体１０の位置を検知できる。
【００３１】
そこで、この中点電圧を、ＢＰＦ（バンドパスフィルタ）２７に通して搬送波成分のみを抽出し、整流器２８で整流して、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）２９に通す。その信号を、Ａ／Ｄコンバータ３０を介してコンピュータ３１内のデジタルコントローラに取り込むことで、制御信号とする。この制御信号は、Ｄ／Ａコンバータ３２を介してパワーアンプ３３で増幅され、制御コイル２４、２５を駆動して、上下の電磁石１５、１６の吸引力の差を利用し、浮上体１０の位置制御を行っている。
このように、制御コイル２４、２５に流れる直流電流を変えて、浮上体１０の位置を制御できる。なお、共振回路方式では、電磁石１５、１６のセンシング用コイル１３、１４に、浮上体１０の位置を検知して共振回路を流れる交流電流を流すと共に、浮上体１０の位置を制御する直流電流を流してもよい。
【００３２】
次に、電磁石１５、１６の吸引力の線形化について説明する。
図４に、電磁石１５、１６の接続方法と磁束の方向を示す。
図４に示すように、上下に配置されたセンシング用コイル１３、１４同士と、制御コイル２４、２５同士を、それぞれ直列に接続する。このとき、センシング用コイル１３、１４は、上下同じ向きに、また制御コイル２４、２５は、上下逆向きになるように接続する。
これにより、上下の電磁石１５、１６の吸引力に、差を生じさせることができる。
また、図４中の実線の矢印は、センシング用コイル１３、１４による磁束を示しており、上下同じ向きとなる。一方、破線の矢印は、制御コイル２４、２５による磁束を示しており、上下逆向きとなる。
【００３３】
このように結線することにより、吸引力の線形化が可能となる。
上下の電磁石１５、１６を一つの集中磁気回路として考えると、上下のそれぞれの磁束は、次の式（４）と式（５）のように表される。ただし、上の電磁石１５の磁束をＢ１、下の電磁石１６の磁束をＢ２とする。
Ｂ１＝Ｂｂ＋Ｂｃ ・・・（４）
Ｂ２＝Ｂｂ−Ｂｃ ・・・（５）
ここで、Ｂｂはバイアス電流によって形成される磁束密度であり、Ｂｃは制御電流によって形成される磁束密度である。
【００３４】
従って、制御電流の大きさと向きを変えることにより、制御磁束の向きを変え、浮上体１０に加わる力を制御することができる。
一般に、電磁石の吸引力ｆは、式（６）のように表せる。
ｆ＝ＳＢ２／μ０ ・・・（６）
ここで、Ｓは面積、μ０は真空の透磁率、Ｂは磁束密度である。
従って、電磁石全体の吸引力Ｆは、式（７）となる。
Ｆ＝（Ｂ１２−Ｂ２２）Ｓ／μ０ ・・・（７）
【００３５】
この式（７）に、式（４）と式（５）を代入すると、式（８）となる。
Ｆ＝４ＳＢｃＢｂ／μ０ ・・・（８）
ここで、バイアス磁束密度Ｂｂは一定であるので、式（８）は、式（９）及び式（１０）と表すことができる。
Ｆ＝αＢｃ ・・・（９）
α＝４ＳＢｂ／μ０ ・・・（１０）
これにより、電磁石１５、１６の吸引力を、制御磁束に対して線形化して考えることができる。
【００３６】
続いて、センシングの検証実験について説明する。
浮上体１０の浮上実験を行う前に、センシングの機能を検証するため、インダクタンスの測定を行っている。
まず、上下に配置された各コイル１３、１４の位置を固定し、このコイル１３、１４に、それぞれインダクタンス検出器を接続する。ここで、浮上体１０がないときの上下のインダクタンスが等しいことを確認する。このとき、上下のインダクタンスが異なるようであれば、正確な測定ができないので、各コイル１３、１４の巻数を調節する必要がある。
【００３７】
そして、上下のインダクタンスが等しいことを確認できたら、浮上体１０が上下のコイル１３、１４の中心位置になるように配置する。
なお、上下のインダクタンスは、ギャップを±０．２ｍｍ変位させたときに測定している。このインダクタンスの測定結果を、図５に示す。
図５から明らかなように、上下の電磁石１５、１６はともに、浮上体１０の変位に比例してインダクタンスが変化していることを確認できた。
【００３８】
次に、中点電圧の測定を行った。
まず、浮上体１０が、上下のコイル１３、１４の中心位置になるようにセッティングする。次に、バイアス電流を０．７Ａ流し、制御電流を−０．５Ａから０．５Ａ流した状態において、中心を０ｍｍとして、浮上体１０の変位を−０．３ｍｍから０．３ｍｍに変化させたとき、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）２９を通過した直後の中点電圧を測定した。
この測定は、インダクタンス方式と共振回路方式の２つについて行った。
【００３９】
図６（Ａ）にインダクタンス方式による中点電圧の測定結果を示す。
図６（Ａ）から分かるように、浮上体の変位に比例して、中点電圧が変化していることを確認できる。このときの電圧の変化幅は約２Ｖ（＝３．６Ｖ−１．６Ｖ）であった。
また、図６（Ｂ）に共振回路方式による中点電圧の測定結果を示す。
図６（Ｂ）から分かるように、この方式でも、浮上体の変位に比例して、中点電圧が変化していることが分かる。このときの電圧の変化幅は約４Ｖ（＝９Ｖ−５Ｖ）であった。
このように、２つの方式の結果を比較すると、共振回路方式の電圧変化幅の方が大きいことが分かった。
従って、共振回路方式の方が、センシング精度が高いと言える。
【００４０】
次に、浮上体の浮上実験について説明する。
ここでは、図７（Ａ）、（Ｂ）に示す１軸制御の実験装置４０、４１を使用した。この図７（Ａ）にはインダクタンス方式で用いた実験装置４０を、また（Ｂ）には共振回路方式で用いた実験装置４１を、それぞれ示している。
なお、各実験装置４０、４１は、同じ実験装置であり、固定台４２、４３の向きを変えただけである。このため、インダクタンス方式では、浮上体４４が左右方向のみに、また共振回路方式では、浮上体４４が上下方向のみに、移動可能となっている。このようにした理由は、共振回路方式でのみ、浮上体４４を横向きで浮上できたからである。なお、電磁石４５、４６のコア（鉄心部分）４７、４８と浮上体４４は、それぞれ積層した電磁鋼板で構成し、各コア４７、４８には、センシング用コイルと制御コイルをそれぞれ巻いた。
【００４１】
まず、図７（Ａ）の実験装置４０を用いて、インダクタンス方式による浮上実験を行った結果について説明する。
図８（Ａ）に、空気中でのインパルス応答を示す。この図８（Ａ）から、インパルスを与えて約０．５秒で、浮上体４４の変位が収束していることが分かる。
また、図８（Ｂ）に、液体窒素中でのインパルス応答を示す。この図８（Ｂ）から、液体窒素中では、浮上体４４の変位が約０．２秒で収束していることが分かる。これは、液体窒素の粘性の影響と考えられる。
【００４２】
次に、図７（Ｂ）の実験装置４１を用いて、共振回路方式による浮上実験を行った結果について説明する。
図９（Ａ）に、空気中でのインパルス応答を示す。この図９（Ａ）から、インパルスを与えて約０．２秒で、浮上体４４の変位が収束していることが分かる。
また、図９（Ｂ）に、液体窒素中でのインパルス応答を示す。この図９（Ｂ）から、液体窒素中では、浮上体４４の変位が約０．２秒で収束していることが分かる。
以上の結果から、インダクタンス方式と共振回路方式を比較すると、共振回路では浮上体４４を横向きで浮上させたにも関わらず、浮上体４４の変位の収束が速いことから、剛性が強化されたことが分かる。
【００４３】
続いて、浮上体の２軸浮上実験について説明する。
ここでは、図１０（Ａ）、（Ｂ）に示す２軸制御の実験装置５０を使用した。
この実験装置５０は、浮上体５１の上下方向に電磁石５２、５３が、左右方向に電磁石５４、５５が、それぞれ対向配置されている（合計４個の電磁石５２〜５５）。この浮上体５１は、固定台５６にゴムチューブ５７で接続されており、浮上体５１が上下方向及び左右方向に、自由に動く構成となっている。なお、各電磁石５２〜５５と浮上体５１は、前記した実験装置４１で使用した電磁石と浮上体の構成と同様である。そして、電磁石５２〜５５には図示しない共振回路を形成するコンデンサが並列に接続されている。
【００４４】
図１１（Ａ）に２軸制御によるインパルス応答結果を、図１１（Ｂ）にステップ応答結果を、それぞれ示す。
図１１（Ａ）、（Ｂ）から明らかなように、浮上体５１の変位は、いずれも約０．２秒で収束していることが確認できる。
この結果より、共振回路を用いることにより、２軸制御を行うことが可能であり、安定した浮上を行えることが分かった。
なお、隣り合う電磁石の干渉等を防止できれば、浮上体の多軸浮上（例えば、４軸以上の浮上）も可能になるものと考えられる。
【００４５】
次に、図１２（Ａ）、（Ｂ）に示す本発明の第２の実施の形態に係る浮上体のセンシング方法を適用した回転装置６０について説明する。６１は磁気浮上している浮上体の一例であるロータであり、左右の磁気軸受装置６２、６３によって支持されている。磁気軸受装置６２、６３は、図１２（Ｂ）に示すように、上下、左右に電磁石６４〜６７をそれぞれ有している。対となる電磁石６４、６５及び電磁石６６、６７の構造は、図１に示す電磁石１５、１６と同一である。従って、電磁石６４、６５のコイル（センシングコイル）６８、６９には図示しない共振回路を構成するコンデンサがそれぞれ並列に接続され、別に制御コイル７０、７１を備えている。また、電磁石６６、６７のコイル（センシングコイル）７２、７３には図示しない共振回路を構成するコンデンサがそれぞれ並列に接続され、別に制御コイル７４、７５を備えている。
【００４６】
なお、７７、７８は電磁石６４、６５のコアであり、７９、８０は電磁石６６、６７のコアを示す。ロータ６１の中央には、周知の誘導電動機８１が設けられ、ロータ６１を回転駆動している。この実施の形態ではモータは誘導電動機であったが、その他の原理で回転するモータであっても本発明は適用される。
また、この実施の形態においては、ロータ６１はラジアル方向に磁気軸受装置６２、６３で支持されていたが、更に、ロータ６１をスラスト方向に支持する磁気軸受装置（以下に説明する実施の形態を参照）を設けることが好ましい。
【００４７】
続いて、図１３に示す本発明の第３の実施の形態に係る浮上体のセンシング方法を適用した極低温中でも駆動可能なポンプ８４について説明する。
図１３に示すように、ポンプ８４は、中央に浮上体の一例であるロータ８５を有し、このロータ８５はその左右を磁気軸受装置８６、８７によって、この浮上体のセンシング方法を用いて非接触状態で支持されている。ロータ８５の一端部にはインペラ８８を、他端部にはスラスト磁気軸受装置８９が設けられている。
【００４８】
スラスト磁気軸受装置８９は、円板状のコア９０とその両側に設けられた電磁石９１、９２を有し、対となる電磁石９１、９２との間にコア９０が軸方向に浮上、即ち隙間を有して配置されている。電磁石９１、９２にはそれぞれコアとコイルを有し、コイルには共振用のコンデンサが並列に接続されている。コイルに流す電流によってコア９０を浮上させ、それぞれのコイルに流す交流電圧によってコア９０の位置を検知し、コア９０が所定の位置に配置されるようコイルに電流を流して制御している。なお、それぞれの電磁石９１、９２のコイルはセンシング用のコイルと制御用のコイルとを分けてもよいし、一つで共用してもよい。
【００４９】
磁気軸受装置８６、８７の間には周知の誘導電動機９３が設けられ、ロータ８５に回転力を与えている。９４は誘導電動機９３のステータを示す。このロータ８５を回転することによって、インペラ８８が回転し、液体窒素が矢印で示す方向に流れていく仕組みとなっている。
【００５０】
なお、ロータ８５は、磁気軸受装置８６、８７、スラスト磁気軸受装置８９に対して非接触であり、この隙間に液体窒素が流れ込むため、極低温下の振動制御を行う必要がある。このため、振動制御は、垂直方向と水平方向についてそれぞれ行う。
本発明の浮上体のセンシング方法を使用した磁気軸受装置を、このような構造のポンプ８４に適用することにより、センシング方式による磁気軸受装置をフルに活かすことができるようになると考えられる。
【００５１】
以上、本発明を、実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。例えば、前記したそれぞれの実施の形態や変形例の一部又は全部を組合せて本発明の浮上体のセンシング方法を構成する場合も本発明の権利範囲に含まれる。
また、前記実施の形態においては、複数の電磁石を、ロータを挟んで対向配置した場合について説明したが、ロータの周囲に奇数個（例えば、３個又は５個）の電磁石を配置してもよい。この場合、各電磁石は、ロータを中心として等角度に配置するのが、計算を簡略化できて好ましいが、異なる角度で配置してもよい。
そして、前記実施の形態においては、各電磁石（コイル）に共振回路を形成するコンデンサを並列に設けた場合について説明したが、直列に設けてもよい。
【００５２】
更に、前記実施の形態においては、ロータを挟んで対向配置された複数の電磁石により、ロータの位置の検知と、ロータの位置の制御を行った場合について説明したが、この電磁石の他に、ロータを浮上させる又はロータの浮上を助ける他の電磁石（第２の電磁石）を、ロータの周りに設けてもよい。例えば、ロータの周方向に隣り合うロータの位置検知及び位置制御を行う電磁石の間に、他の電磁石をそれぞれ配置してもよい。
なお、電磁石のコアを移動させて、共振インピーダンスを変化させてもよい。
以上に示した本発明の浮上体のセンシング方法を使用する磁気軸受装置の規模は、かかる負荷の大きさに応じて適宜選択できる。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明に係る浮上体のセンシング方法は、通常使用されている軸受や案内（例えば、ブッシュなど）を適用できないところ、例えば、高速回転するモータのロータの支持や案内、宇宙機器の回転部の支持や案内、化学薬品工業などのポンプ等にも適用できる。
【符号の説明】
【００５４】
１０：浮上体、１１、１２：コア、１３、１４：コイル、１５、１６：電磁石、１７、１８：共振回路、１９、２０：コンデンサ、２１：上側コイル、２２：下側コイル、２３：磁気軸受装置、２４、２５：制御コイル、２６：ＰＷＭ回路、２７：ＢＰＦ、２８：整流器、２９：ＬＰＦ、３０：Ａ／Ｄコンバータ、３１：コンピュータ、３２：Ｄ／Ａコンバータ、３３：パワーアンプ、４０、４１：実験装置、４２、４３：固定台、４４：浮上体、４５、４６：電磁石、４７、４８：コア、５０：実験装置、５１：浮上体、５２〜５５：電磁石、５６：固定台、５７：ゴムチューブ、６０：回転装置、６１：ロータ、６２、６３：磁気軸受装置、６４〜６７電磁石、６８、６９：コイル、７０、７１：制御コイル、７２、７３：コイル、７４、７５：制御コイル、７７〜８０：コア、８１：誘導電動機、８４：ポンプ、８５：ロータ、８６、８７：磁気軸受装置、８８：インペラ、８９：スラスト磁気軸受装置、９０：コア、９１、９２：電磁石、９３：誘導電動機、９４：ステータ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気浮上している浮上体の周囲に配置され、それぞれコアと該コアに巻回されたコイルとを有する複数の電磁石を用いて前記浮上体の位置をセンシングする方法であって、
前記各コイルに共振回路を形成するコンデンサを直列又は並列に設け、前記各コイルに交流又は交流分を含む電流を流して、前記各コイル間の電圧から前記浮上体の位置を検出することを特徴とする浮上体のセンシング方法。
【請求項２】
請求項１記載の浮上体のセンシング方法において、前記複数の電磁石は、前記浮上体を挟んで対向配置されていることを特徴とする浮上体のセンシング方法。
【請求項３】
請求項２記載の浮上体のセンシング方法において、対向配置された前記電磁石は、前記浮上体の上下及び左右にそれぞれ配置されていることを特徴とする浮上体のセンシング方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の浮上体のセンシング方法において、前記コイル間の電圧から前記浮上体の位置を検知すると共に、それぞれの前記電磁石に別に巻回した第２のコイルに流れる電流を変えて、前記浮上体の位置を制御することを特徴とする浮上体のセンシング方法。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の浮上体のセンシング方法において、前記コアに巻かれているコイルには、前記浮上体の位置を検知して前記共振回路を流れる交流電流が流れていると共に、前記浮上体の位置を制御する電流が流れていることを特徴とする浮上体のセンシング方法。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の浮上体のセンシング方法において、前記電磁石の他に前記浮上体を浮上させる又は前記浮上体の浮上を助ける第２の電磁石が前記浮上体の周りに設けられていることを特徴とする浮上体のセンシング方法。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の浮上体のセンシング方法において、前記電磁石のコアを移動させて共振インピーダンスを変化させることを特徴とする浮上体のセンシング方法。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の浮上体のセンシング方法において、前記浮上体は回転駆動されているロータであることを特徴とする浮上体のセンシング方法。
【請求項１】
磁気浮上している浮上体の周囲に配置され、それぞれコアと該コアに巻回されたコイルとを有する複数の電磁石を用いて前記浮上体の位置をセンシングする方法であって、
前記各コイルに共振回路を形成するコンデンサを直列又は並列に設け、前記各コイルに交流又は交流分を含む電流を流して、前記各コイル間の電圧から前記浮上体の位置を検出することを特徴とする浮上体のセンシング方法。
【請求項２】
請求項１記載の浮上体のセンシング方法において、前記複数の電磁石は、前記浮上体を挟んで対向配置されていることを特徴とする浮上体のセンシング方法。
【請求項３】
請求項２記載の浮上体のセンシング方法において、対向配置された前記電磁石は、前記浮上体の上下及び左右にそれぞれ配置されていることを特徴とする浮上体のセンシング方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の浮上体のセンシング方法において、前記コイル間の電圧から前記浮上体の位置を検知すると共に、それぞれの前記電磁石に別に巻回した第２のコイルに流れる電流を変えて、前記浮上体の位置を制御することを特徴とする浮上体のセンシング方法。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の浮上体のセンシング方法において、前記コアに巻かれているコイルには、前記浮上体の位置を検知して前記共振回路を流れる交流電流が流れていると共に、前記浮上体の位置を制御する電流が流れていることを特徴とする浮上体のセンシング方法。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の浮上体のセンシング方法において、前記電磁石の他に前記浮上体を浮上させる又は前記浮上体の浮上を助ける第２の電磁石が前記浮上体の周りに設けられていることを特徴とする浮上体のセンシング方法。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の浮上体のセンシング方法において、前記電磁石のコアを移動させて共振インピーダンスを変化させることを特徴とする浮上体のセンシング方法。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の浮上体のセンシング方法において、前記浮上体は回転駆動されているロータであることを特徴とする浮上体のセンシング方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１０−１８５７８８（Ｐ２０１０−１８５７８８Ａ）
【公開日】平成２２年８月２６日（２０１０．８．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−３０２４８（Ｐ２００９−３０２４８）
【出願日】平成２１年２月１２日（２００９．２．１２）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成２０年８月２６日 野波健蔵、水野毅、小森望充発行の「ＩＳＭＢ １１ Ｔｈｅ Ｅｌｅｖｅｎｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｂｅａｒｉｎｇｓ」（ＣＤ）に発表
【出願人】（５０４１７４１３５）国立大学法人九州工業大学 (489)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年８月２６日（２０１０．８．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年２月１２日（２００９．２．１２）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成２０年８月２６日 野波健蔵、水野毅、小森望充発行の「ＩＳＭＢ １１ Ｔｈｅ Ｅｌｅｖｅｎｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｂｅａｒｉｎｇｓ」（ＣＤ）に発表
【出願人】（５０４１７４１３５）国立大学法人九州工業大学 (489)
【Ｆターム（参考）】
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