CN104373372A - 磁性轴承装置及真空泵 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可谋求提高移位信息的S/N比的磁性轴承装置以及真空泵。在本发明的磁性轴承装置中，以相对于施加至X1轴的传感器(71x)的第一载波信号相位存在(π/2+θ)弧度的差异的方式设定施加至Y1轴的传感器(71y)的第二载波信号，且在从第一载波信号成为波峰的时点偏移相位θ后的取样时点，对从第一传感器(71x)输出的第一调制信号进行取样，并且在从第二载波信号成为波峰的时点偏移相位(-θ)后的取样时点，对从第二传感器(71y)输出的第二调制信号进行取样。其结果为，可去除因邻接轴的干涉而产生的噪声成分。

Description

磁性轴承装置及真空泵

技术领域

本发明涉及一种磁性轴承装置、及具备磁性轴承装置的真空泵(pump)。

背景技术

在如磁性轴承型涡轮(turbo)分子泵那样利用磁性轴承装置非接触支持旋转体(转子(rotor))的装置中，为了将转子悬浮维持在规定的目标位置，而基于转子的悬浮位置与目标位置的偏差(移位)实时(real time)地对电磁铁的磁吸引力(电磁铁电流)进行反馈控制(feedback control)。关于移位的检测，利用专用的移位传感器(sensor)进行检测的方式占主流，但近年来，为了实现小型(compact)化、低价化及提高可靠性，无传感器类型(sensor less type)(也称为自传感类型(self-sensing type))的装置正不断被实用化，所述无传感器类型的装置省略专用传感器，并且使产生悬浮控制力的电磁铁不仅具备现有的致动器(actuator)功能，而且也兼具传感(sensing)功能(电感(inductance)方式)。

电感方式是对专用传感器或电磁铁线圈(coil)施加高频载波(传感器载波(sensor carrier))，利用悬浮间隙(gap)所引起的电感变化对传感器载波进行振幅调制，并对其进行解调，由此获得悬浮间隙信号(移位信号)。在解调处理时，多考虑应用数字(digital)技术并利用模数(Analog to Digital，AD)转换器(converter)对调制波信号进行同步取样来获取的方式、即无需导致产生延迟的平滑处理的直接(direct)方式。

[背景技术文献]

[专利文献]

[专利文献1]日本专利特开2006-308074号公报

[专利文献2]日本专利特开2000-60169号公报

[专利文献3]日本专利特开2001-177919号公报

专利文献1所记载的技术为具备专用传感器的构成，将对调制波信号进行取样时的传感器载波频率fc与取样频率fs的关系设为fs＝2fc或fs＝fc/n(n为自然数)。由于对专用传感器只施加传感器载波信号电压，因此，通常信号的信噪比(Signal to Noise ratio，S/N)良好。然而，例如，在如为了使搭载着磁性轴承的装置小型化而将电磁铁与专用传感器配置得极为接近等那样、因对电磁铁进行激磁的控制电流而产生的磁通对专用传感器线圈的信号产生影响的情况下，担心因磁通的影响而导致在利用转子移位而经调制的信号成分中混入控制电流成分(噪声(noise)成分)。因此，通常利用设置在AD转换器正前方的带通滤波器(band-pass filter)(以传感器载波频率fc为中心的带通滤波器)过滤(filtering)大部分噪声成分，但为了完全去除噪声成分，必须进一步增大带通滤波器的Q值而窄频带化。然而，如果使带通滤波器窄频带化，那么经解调的移位信号会自本来的信号大幅延迟，而使磁性轴承控制本身恶化，所以应用存在限度。因此，噪声成分会残留在AD转换器的输入信号中，从而也对解调信号产生噪声的影响。因此，在经解调的转子移位信号中会混入实际上未移位(振动)的振动成分，其移位信息直接被反馈而进行悬浮控制。其结果为，存在如下情况：因噪声成分导致转子强制振动，其反作用力被传递到定子(stator)侧而导致装置产生振动。

专利文献2所记载的技术涉及专用传感器及无传感器这两种类型。关于包含专用传感器的类型，利用数字处理产生在fs＝2fc的条件下的每个取样时间使符号反转所得的方波信号并从数模(Digital to Analog，DA)转换器输出，将该方波信号设为传感器载波信号而利用传感器以移位信号(转子移位)进行调制，使其调制波以相同频率fs(＝2fc)与波峰时点(peaktiming)同步地获取。在解调处理中，由于将利用AD转换器获取的信号数据在每次取样时使符号反转(在传感器载波的最小波峰时符号反转)而进行处理，因此与专利文献1所记载的发明的情况相同，存在产生振动的问题。

另外，在无传感器类型的情况下，将传感器载波信号与电磁铁驱动电流信号重叠后从DA转换器输出，且经由功率放大器(power amp lifier)对电磁铁进行激磁。在电磁铁线圈中对经重叠的传感器载波信号进行振幅调制。因此，提取包含移位信号成分的振幅调制信号，与有专用传感器的情况同样地进行与传感器载波同步的解调处理。然而，在无传感器类型的情况下，由于代替专用传感器而利用电磁铁传感移位信号，因此不仅以同等以上的信号电平(level)混合着要重叠的传感器载波信号的调制信号，而且也以同等以上的信号电平混合着控制电流信号。因此，混入到振幅调制信号的控制电流成分(噪声成分)变得比专用传感器类型的情况更多。

专利文献3所记载的技术涉及无传感器类型，使用于传感的传感器载波成分重叠于对电磁铁进行激磁的驱动电流。基本信号处理与专利文献2所记载的处理相同，但在以下方面不同。即，以反相位关系对以隔着转子的方式对向而相对的一对电磁铁分别施加重叠的传感器载波(载波)。由此，可高效率地从控制电流成分中分离并提取包含移位信号成分的振幅调制信号。然而，所述一对电磁铁各自的特性及周边环境不可能始终完全相同，即便存在一定程度的差，因与专利文献2的无传感器类型的情况相同的原因，也存在噪声混入到移位调制信号的问题。

发明内容

本发明的优选实施方式的磁性轴承装置包括：第一径向电磁铁，在第一径向方向上非接触支持旋转轴；第二径向电磁铁，在第二径向方向上非接触支持旋转轴；第一载波产生部，产生第一载波信号；第二载波产生部，产生相对于第一载波信号相位存在(π/2+θ)弧度的差异的第二载波信号；第一移位传感器，根据第一径向方向的旋转轴位置移位对第一载波信号进行调制，且输出第一调制信号；第二移位传感器，根据第二径向方向的旋转轴位置移位对第二载波信号进行调制，且输出第二调制信号；第一解调部，在从第一载波信号成为波峰的时点偏移相位θ后的取样时点，对第一调制信号进行取样而进行解调；第二解调部，在从第二载波信号成为波峰的时点偏移相位(-θ)后的取样时点，对第二调制信号进行取样而进行解调；及控制部，基于第一解调部及第二解调部的解调结果控制第一径向电磁铁及第二径向电磁铁的电流。

本发明的优选实施方式的磁性轴承装置包括：第一径向电磁铁，在第一径向方向上非接触支持旋转轴；第二径向电磁铁，在第二径向方向上非接触支持旋转轴；第一激磁放大器，将第一电磁铁电流供给到第一径向电磁铁，所述第一电磁铁电流重叠着用来检测第一径向方向的旋转轴位置移位的第一载波信号；第二激磁放大器，将第二电磁铁电流供给到第二径向电磁铁，所述第二电磁铁电流重叠着用来检测第二径向方向的旋转轴位置移位的第二载波信号；第一电流传感器，检测第一电磁铁电流；第二电流传感器，检测第二电磁铁电流；第一解调部，对第一电流传感器的检测信号进行取样而提取旋转轴位置移位信息；第二解调部，对第二电流传感器的检测信号进行取样而提取旋转轴位置移位信息；及控制部，基于第一解调部及第二解调部的解调结果，控制第一激磁放大器及第二激磁放大器；且第二载波信号相对于第一载波信号相位存在(π/2+θ)弧度的差异，第一解调部在从第一载波信号成为波峰的时点偏移相位θ后的取样时点，对第一电流传感器的检测信号进行取样，第二解调部在从第二载波信号成为波峰的时点偏移相位(-θ)后的取样时点，对第二电流传感器的检测信号进行取样。

在更优选的实施方式中，第一解调部以相对于第一载波信号的频率fc满足fc＝(m+1/2)×fs1(其中，m为0以上的整数)的频率fs1进行取样，且将根据数据d11、及数据d12算出的值d13＝(d11-d12)/2作为解调结果而输出，所述数据d11是在从第一载波信号成为最大波峰的时点偏移相位θ后的时点对第一调制信号进行取样而获得，所述数据d12是在从第一载波信号成为最小波峰位置附近的时点偏移相位θ后的时点对第一调制信号进行取样而获得；第二解调部以相对于第二载波信号的频率fc满足fc＝(n+1/2)×fs2(其中，n为0以上的整数)的频率fs2进行取样，且将根据数据d21、及数据d22算出的值d23＝(d21-d22)/2作为解调结果而输出，所述数据d21是在从第二载波信号成为最大波峰的时点偏移相位(-θ)后的时点对第二调制信号进行取样而获得，所述数据d22是在从第二载波信号成为最小波峰位置附近的时点偏移相位(-θ)后的时点对第二调制信号进行取样而获得。

在更优选的实施方式中，相位θ设定为-π/4≤θ≤π/4的范围。

本发明的优选实施方式的真空泵包括：泵转子；电动机，旋转驱动泵转子；及根据本发明的第1至4项中任一项所述的磁性轴承装置，磁悬浮支持泵转子。

[发明的效果]

根据本发明，可谋求提高磁性轴承控制中的移位信息的S/N比。

附图说明

图1是表示具备移位传感器方式的磁性轴承装置的磁性轴承型涡轮分子泵的概略构成的图。

图2是表示控制单元(control unit)的概略构成的框图(blockdiagram)。

图3是表示五轴控制型磁性轴承的构成的框图。

图4是表示与径向传感器71的Y1轴传感器71y相关的控制区块的图。

图5是表示径向传感器71的外观的图。

图6(a)、图6(b)是定性地表示用来去除第一噪声成分的取样及解调处理的图。

图7(a)、图7(b)是表示用来去除第一噪声成分的取样及解调处理的另一例的图。

图8(a)、图8(b)是表示用来去除第一噪声成分的取样及解调处理的另一例的图。

图9(a)、图9(b)是表示无干涉的情况下的差分信号Δixs、差分信号Δiys的曲线图(graph)。

图10是表示受到Y轴干涉的差分信号Δixs的图。

图11是表示受到X轴干涉的差分信号Δiys的图。

图12(a)、图12(b)是表示无邻接轴的干涉的情况下的差分信号Δixs、差分信号Δiys的图。

图13是表示有邻接轴的干涉的情况下的差分信号Δixs的图。

图14是表示有邻接轴的干涉的情况下的差分信号Δiys的图。

图15是表示无传感器方式的磁性轴承型涡轮分子泵的控制单元的概略构成的框图。

图16是控制部44中的磁性轴承控制的功能框图。

图17是表示激磁放大器36的构成的图。

图18(a)、图18(b)是分别表示实施了噪声对策的情况及未实施噪声对策的情况下的X轴移位、Y轴移位、X轴移位解调输出及Y轴移位解调输出的图。

图19是表示无传感器方式的情况下的另一构成的图。

【主要元件符号说明】

1：泵单元                         3：转子

3a：旋转翼                        3b：圆筒部

4：转子轴                         4a：推力盘

12：齿                            13a～13h：传感器线圈

14：磁芯                          20：基座

21：泵外壳                        21a：进气口

21c：固定法兰                     22：固定翼

23：垫圈                          24：螺纹定子

25：排气埠                        26a、26b：机械轴承

27：电动机                        28：旋转传感器

29：传感器靶                      30：数字控制电路

31、35、413p、413m：DA转换器

32、205：滤波器

33、33a～33e：传感器电路

34、400、400p、400m：AD转换器

36、36p、36m：激磁放大器

37A～37D：相位偏移滤波器

40：DC电源                       41：反相器

44：控制部                       51～53：磁性轴承

51x：X1轴电磁铁                  51y：Y1轴电磁铁

52x：X2轴电磁铁                  52y：Y2轴电磁铁

53z：电磁铁

71、71xm、71xp、71ym、71yp、72：径向传感器

71x：X1轴传感器                 71y：Y1轴传感器

72x：X2轴传感器                 72y：Y2轴传感器

73：轴向传感器                  101A、101B：电流传感器

203：差动放大器                 301：PWM控制信号

302：电流信号                   303：PWM栅驱动信号

304：电磁铁电流信号             305：传感器载波信号

306：传感器信号                 310、406：解调运算部

311：控制运算部                 312：相位偏移运算部

313：正弦波离散值产生部         401p、401m：闸极信号产生部

403p、403m：低通滤波器          405：带通滤波器

406：解调运算部                 407：磁悬浮控制器

409p、409m：信号处理运算部      410p、410m：放大器控制器

411：传感器载波产生电路         412p、412m：PWM运算部

414：加法运算部                 500：磁性轴承电磁铁

ch1～ch5：输入部                X、X1、X2、Y、Y1、Y2：轴

d：固定值                       d1、d2：取样数据值

d3：运算结果                    fc：载波频率

fs：取样频率                    ib：偏压电流

r：噪声成分                     D10、D11：二极管

Im、Ip：电流信号                L1～L14、L21～L24：线

S11、S12、S13、S14：最大波峰时点

S21、S22、S23、S24：最小波峰时点

S31、S32、S33、S34、S35、S36、S37、S38：输出时点

SW10、SW11：开关元件           R：电阻

W：振动波形                    θ：相位偏移

具体实施方式

以下，参照附图对用来实施本发明的方式进行说明。

-第一实施方式-

图1是表示具备移位传感器方式的磁性轴承装置的磁性轴承型涡轮分子泵的概略构成的图。涡轮分子泵包括泵单元1、及驱动控制泵单元1的控制单元。此外，在图1中，省略了控制单元的图示。

设置在转子3的转子轴(rotor shaft)4由径向方向的磁性轴承51、磁性轴承52轴向(axial)方向的磁性轴承53非接触支持。磁性轴承53是以在轴方向上夹着固定在转子轴4的下部的推力盘(thrust disc)4a的方式配置。转子轴4的悬浮位置的移位由作为移位传感器的径向传感器71、径向传感器72及轴向传感器73检测。对于传感器71～传感器73使用在传感器磁芯(sensor core)上卷绕着线圈的构成的电感式移位传感器。

利用磁性轴承而旋转自如地磁悬浮的转子3由电动机27高速旋转驱动。对于电动机27使用无刷直流电动机(brushless direct current motor)等。此外，在图1中，示意性地记载为电动机27，但更详细来说，以符号27表示的部分构成电动机定子，且在转子轴4侧设置着电动机转子。

转子3的旋转由旋转传感器28检测。在由电动机27旋转驱动的转子轴4的下端设置着传感器靶(sensor target)29。传感器靶29与转子轴4一体地旋转。所述轴向传感器73及旋转传感器28配置在与传感器靶29的下表面对向的位置。当磁性轴承未进行动作时，转子轴4由紧急用机械轴承(mechanical bearing)26a、紧急用机械轴承26b支持。

在转子3形成着构成旋转侧排气功能部的多段旋转翼3a与圆筒部3b。另一方面，在固定侧设置着作为固定侧排气功能部的固定翼22与螺纹定子(thread stator)24。多段固定翼22在轴方向上与旋转翼3a交替地配置。螺纹定子24隔开规定的间隙而设置在圆筒部3b的外周侧。

各固定翼22隔着垫圈(spacer ring)23而载置在基座(base)20上。当利用螺钉(bolt)将泵外壳(pump casing)21的固定法兰(flange)21c固定在基座20时，积层的垫圈23被夹持在基座20与泵外壳21之间，固定翼22便被定位。在基座20设置着排气埠(port)25，在该排气埠25连接增压泵(back pump)。通过使转子3一边磁悬浮一边由电动机27高速旋转驱动，而将进气口21a侧的气体分子向排气埠25侧排出。

图2是表示控制单元的概略构成的框图。来自外部的交流电(Alternating Current，AC)输入通过设置在控制单元的直流电(DirectCurrent，DC)电源40而由交流转换为直流。DC电源40分别产生反相器(inverter)41用电源、激磁放大器36用电源、及控制部44用电源。

对电动机27供给电流的反相器41中包括多个开关(switching)元件。通过利用控制部44控制这些开关元件的接通断开(on/off)，而驱动电动机27。

图2所示的十个磁性轴承电磁铁500表示设置在各磁性轴承51、磁性轴承52、磁性轴承53的磁性轴承电磁铁。图1所示的涡轮分子泵中所使用的磁性轴承为五轴控制型磁性轴承，径向方向的磁性轴承51、磁性轴承52分别为双轴磁性轴承，且分别包括两对(四个)磁性轴承电磁铁500。另外，轴向方向的磁性轴承53为单轴磁性轴承，且包括一对(两个)磁性轴承电磁铁500。对磁性轴承电磁铁500供给电流的激磁放大器36分别设置在十个磁性轴承电磁铁500，控制单元中合计包括十个激磁放大器36。

控制电动机27的驱动及磁性轴承的驱动的控制部44例如包含现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)等数字运算器及其周边电路。关于电动机控制，从控制部44向反相器41输入用来对设置在反相器41的多个开关元件进行接通断开控制的脉冲宽度调制(Pulse WidthModulation，PWM)控制信号301，从旋转传感器28向控制部44输入与旋转速度相关的信号302。关于磁性轴承控制，从控制部44向各激磁放大器36输入用来对激磁放大器36中包含的开关元件进行接通断开控制的PWM控制信号303，从各激磁放大器36对控制部44输入与各磁性轴承电磁铁500相关的电磁铁电流信号304。另外，从控制部44对各传感器电路33输入传感器载波信号(载波信号)305，从各传感器电路33对控制部44输入通过移位而调制的传感器信号306。

图3是表示五轴控制型磁性轴承的构成的框图。在图3中，数字控制电路30、DA转换器31、滤波器(filter)32、AD转换器34、DA转换器35及相位偏移滤波器(phase shift filter)37A～相位偏移滤波器37D与图2的控制部44对应。图1的径向磁性轴承51包括X1轴电磁铁51x与Y1轴电磁铁51y，径向磁性轴承52包括X2轴电磁铁52x与Y2轴电磁铁52y。各电磁铁51x、电磁铁51y、电磁铁52x、电磁铁52y包含夹着转子轴4而对向的一对磁性轴承电磁铁500(参照图2)。轴向磁性轴承53的电磁铁53z也包含一对磁性轴承电磁铁500。另一方面，图1的径向传感器71与X1轴电磁铁51x及Y1轴电磁铁51y相对应地包括X1轴传感器71x及Y1轴传感器71y。同样地，径向传感器72与X2轴电磁铁52x及Y2轴电磁铁52y相对应地包括X2轴传感器72x及Y2轴传感器72y。

如上所述，径向传感器71(71x、71y)、径向传感器72(72x、72y)及轴向传感器73为电感式的移位传感器，利用因间隙移位的变化所致的传感器部阻抗(impedance)的变化，将间隙移位转换为电信号。数字控制电路30中所产生的频率fc的传感器载波信号由DA转换器31转换为模拟信号，并经由滤波器32及相位偏移滤波器37A～相位偏移滤波器37D而施加至各传感器71x、传感器71y、传感器72x、传感器72y及传感器73。

施加至各传感器71x、传感器71y、传感器72x、传感器72y及传感器73的传感器载波信号(载波信号)根据因间隙移位而产生的传感器部阻抗变化而被振幅调制。该经振幅调制的传感器载波信号(以下称为移位调制波信号)经由各传感器电路33a～传感器电路33e而输入至AD转换器34。来自各传感器电路33a～传感器电路33e的模拟信号通过AD转换器34而依序被转换为数字值，并输入至数字控制电路30。此外，AD转换器34中的取样的详细情况将在下文叙述。

在数字控制电路30中，基于预先存储的磁悬浮控制常数与已转换为数字值的位置信息，算出应流到各电磁铁51x、电磁铁51y、电磁铁52x、电磁铁52y、电磁铁53的电磁铁电流，并输出电磁铁电流控制信号。电磁铁电流控制信号在通过DA转换器35而被转换为模拟值后输入至激磁放大器36。此外，在图3中只记载了一个激磁放大器36，但实际上如图2所示那样设置着与磁性轴承电磁铁500的数量(十个)相当数量的激磁放大器36，从各激磁放大器36对各磁性轴承电磁铁500供给电磁铁电流。

图4表示与径向传感器71的Y1轴传感器71y(参照图3)相关的控制区块的一例。Y1轴传感器71y包含夹着转子轴4而对向配置的一对传感器71yp、传感器71ym。由数字控制电路30的正弦波离散值产生部313产生的正弦波离散值通过DA转换器31而被转换为模拟信号，该模拟信号被输出至滤波器32。输出的传感器载波信号包含高次谐波而变为阶梯状，因此通过利用包含低通滤波器(low-pass filter)或带通滤波器等的滤波器32进行滤波而获得平滑的传感器载波信号。

从滤波器32输出的传感器载波信号在相位偏移滤波器37A中进行使传感器载波信号的相位偏移的处理。从相位偏移滤波器37A输出的传感器载波信号被施加至与电阻R串联连接的传感器71yp、传感器71ym。由各传感器71yp、传感器71ym进行振幅调制后的传感器载波信号(移位调制波信号)被输入至差动放大器203。从差动放大器203输出这些移位调制波信号的差分信号。从差动放大器203输出的差分信号在滤波器205中被实施以载波频率fc为中心频率的带通处理。

从滤波器205输出的信号通过同步取样而从AD转换器34被数字控制电路30获取。此时，基于由正弦波离散值产生部313产生的正弦波离散值进行取样，但在本实施方式中，利用相位偏移部312使正弦波离散值相位偏移规定量，基于该相位偏移后的正弦波离散值进行取样。其后，基于取样的数据，利用解调运算部310进行解调运算。该运算结果被输入至控制运算部311，在控制运算部311中进行电磁铁电流控制量的运算。

此外，在图3中，从DA转换器31输出与AD转换器34同步地输出的传感器载波信号，但并不限定于此。例如，也能够以数字的形式对传感器载波正弦波信号暂时进行PWM调制而以高/低(High/Low)信号的形式进行数字输出，并利用模拟低通滤波器去除PWM成分而获得传感器载波信号。

另外，传感器71～传感器73中所使用的电感式移位传感器是通过检测互连于传感器线圈的磁通的变化而检测移位。因此，会受到电磁铁所形成的磁通或邻接的移位传感器所形成的磁通的影响，他们作为移位检测的噪声而造成不良影响。

图5是表示径向传感器71的外观的图。图5的径向传感器71是沿着z轴方向观察的俯视图，构成两轴大小(图3的71x、71y)的径向传感器。径向传感器71包括在内周突设着多个齿(teeth)12的由电磁钢板制造的环(ring)状磁芯(core)14、及卷绕在规定的齿12的传感器线圈13a～传感器线圈13h。

一对传感器线圈13a、传感器线圈13b构成径向传感器71xp的传感器线圈。一对线圈13e、线圈13f构成径向传感器71xm的传感器线圈。一对线圈13c、线圈13d构成径向传感器71ym的传感器线圈。一对线圈13g、线圈13h构成径向传感器71yp的传感器线圈。

例如，从传感器线圈13a的齿发出的磁力线进入成对的线圈13b的齿12，并通过磁芯而返回到传感器线圈13a的齿12。然而，由于是环状的磁芯，因此磁力线的一部分也会泄漏到邻接的径向传感器、在该情况下为径向传感器71yp、径向传感器71ym的齿，并与这些传感器线圈互连。其他径向传感器71xm、径向传感器71yp、径向传感器71ym的情况也相同。这样一来，由于将传感器线圈13a～传感器线圈13h设置在一个环状磁芯，所以径向传感器71xp～径向传感器71ym受到邻接的径向传感器的泄漏磁通(即传感器电流)的影响。即，该泄漏磁通的影响对于受到影响的径向传感器的传感器载波信号而言，作为噪声发挥作用。

如上所述，作为移位传感器中的噪声，有电磁铁电流等所引起的第一噪声成分、及与邻接的移位传感器的干涉所引起的第二噪声成分。第二噪声成分为传感器载波频率范围内的噪声，第一噪声成分的频率范围低于第二噪声成分，为1/10左右的频率。

(第一噪声成分的去除)

如图5所示，径向传感器71的X1轴传感器71x包含夹着转子轴4而对向配置的一对传感器71xp、传感器71xm。如果转子轴4与传感器71xp、传感器71xm的齿12之间的间隙(gap)大，那么传感器线圈的电感值变小，如果间隙小，那么传感器线圈的电感值变大。因此，如果对向的传感器71xp、传感器71xm中的一个的电感值变大，那么另一个的电感值变小。也就是说，可根据对向的传感器71xp、传感器71xm的电感变化来获得间隙变化、即转子轴4的移位信息。

在将对向的传感器71xp、传感器71xm的线圈的电感分别设为Lsp、Lsm的情况下，下式(1)近似成立。此外，Ds为转子轴4位于悬浮中心轴(悬浮目标位置)的情况下的与传感器71xp、传感器71xm的间隙，式(1)中的ds表示从悬浮目标位置的移位。As为常数。

1/Lsp＝As×(Ds-ds)

1/Lsm＝As×(Ds+ds)…(1)

此处，如果近似地忽略线圈电阻，那么施加至传感器线圈的电压vsp、电压vsm与在传感器线圈中流通的电流isp、电流ism的关系可由下式(2)表示。此外，d(isp)/dt表示isp的时间微分。

vsp＝Lsp×d(isp)/dt

vsm＝Lsm×d(ism)/dt…(2)

如果将施加至传感器线圈的电压vsp、电压vsm表示为“-vsin(ωc×t)”(其中，ωc＝2π×fc)，那么根据所述式(1)、式(2)，在传感器线圈中流通的电流isp、电流ism如下式(3)所示。此外，Bs＝v×As/ωc。这样一来，利用移位ds的时间变化对电流isp、电流ism进行振幅调制。在径向传感器的情况下，将这些差分信号用作移位调制波信号，因此差分信号成为如式(4)所示。

isp＝-v×sin(ωc×t-π/2)/(ωc×Lsp)

＝-Bs(Ds-ds)×sin(ωc×t-π/2)

ism＝-v×sin(ωc×t-π/2)/(ωc×Lsm)

＝-Bs(Ds+ds)×sin(ωc×t-π/2)…(3)

Δis＝isp-ism

＝2Bsds×sin(ωc×t-π/2)…(4)

图6(a)、图6(b)是定性地表示用来去除第一噪声成分的取样及解调处理的图。图6(a)表示本实施方式中的处理，图6(b)表示现有的处理。在图6(a)、图6(b)中，振动波形W表示输入至AD转换器34的移位调制波信号，r为噪声成分。

例如，在电磁铁电流所引起的噪声的情况下，成为频率比取样频率fs低的噪声成分，此处，为了观察定性的影响而近似地设为直流噪声。另外，移位调制波信号也单纯地考虑只以直流移位进行调制的情况。因此，噪声成分r固定，且输入信号W的振幅2Bsds也成为固定值。如果表示为2Bsds＝d，那么输入至AD转换器34的信号可表示为(直流调制)+(直流噪声)＝d×sin(2πfc×t)+r。

在本实施方式的情况下，当利用同步取样进行获取时，利用fc＝(n+1/2)×fs的关系，与传感器载波信号的最大波峰时点(S11、S12、S13、S14、…)及最小波峰时点(S21、S22、S23、S24、…)同步地进行获取。此外，fc为载波频率，fs为取样频率。图6(a)所示的例子表示fc＝(n+1/2)×fs中n＝0情况(fs＝2fc)。即，在载波频率fc的情况下的一半的周期1/(2×fc)(即两倍的频率2fc)的波峰时点进行取样。此处，将在最大波峰时点(S11、S12、S13、S14、…)获取的数据值设为d1(＝d+r)，将在最小波峰时点(S21、S22、S23、S24、…)获取的数据值设为d2(＝-d+r)。

图4的解调运算部310基于在最大波峰时点S11获取的取样数据值d1与在最小波峰时点S21获取的取样数据值d2，进行下式(5)所示的运算。图6的箭头S31～箭头S34表示运算结果的输出时点，在图6所示的例子中，输出时点S31～输出时点S34与最小波峰时点S21～最小波峰时点S24设定为同一时点。基于最大波峰时点S11及最小波峰时点S21的数据值d1、数据值d2所得的运算结果d3在输出时点S31(与最小波峰时点S21为同一时点)作为解调运算输出被输出。

d3＝(d1-d2)/2…(5)

同样地，在输出时点S32(与最小波峰时点S22为同一时点)，将基于最大波峰时点S12的取样数据值d1与最小波峰时点S22的取样数据值d2所得的值d3作为解调运算输出而输出。如上所述，在输出时点(S33、S34、…)，也输出相同的运算结果。输出时点(S31、S32、S33、S34…)分别与最小波峰时点(S21、S22、S23、S24、…)设定为相同时点。根据式(5)也可知，在直流噪声的情况下，噪声成分r被完全消除(cancel)。在图6(a)所示的例子中，传感器载波信号是由直流移位产生的信号，因此解调运算输出d3与振幅值d相等。

即，解调运算输出d3在载波频率fc(即周期1/fc)的信号波形的最小波峰时点(S21、S22、S23、S24、…)输出。此外，也可以将解调运算输出d3的输出时点(S31、S32、S33、S34…)设定为与最大波峰时点(S11、S12、S13、S14、…)为同一时点。例如，在最大波峰时点S12输出解调运算输出d3的情况下，基于最小波峰时点S21的数据值d2与最大波峰时点S12的数据值d1算出解调运算输出d3。

另一方面，在图6(b)中，与本实施方式不同，表示以fs＝fc在最小波峰时点获取、且在最小波峰时点输出解调运算输出d3的情况。在该情况下，将取样的数据值d2(＝-d+r)正负反转后所得的值-d2(＝d-r)作为解调运算输出d3而输出。即，解调运算输出d3中包含由噪声引起的值r作为误差。这样一来，电磁铁电流所引起的低频率的混合噪声也作为解调信号被获取。其结果为，成为在经解调的转子移位信号(移位信息)中混入了实际上未移位(振动)的振动成分的状态，该转子移位信号被反馈而进行磁悬浮控制。因此，转子因噪声成分而强制振动，其反作用力传递到泵外壳21，而导致泵单元1振动。

然而，在本实施方式中，如上所述，在算出d3＝(d1-d2)/2时噪声成分r几乎被消除，因此可降低经解调的转子移位信号中所包含的噪声(第一噪声成分)，从而可防止泵振动。

在图6(a)所示的例子中，表示了以fs＝2×fc的取样频率fs对波峰值(最大波峰值及最小波峰值)进行取样，且在周期1/fc的波峰时点输出解调运算输出d3的情况，但取样时点及输出时点并不限定于此。图7(a)、7(b)表示取样周期与解调运算输出d3的输出周期相等的情况。此外，在7(a)、7(b)中，设为噪声成分r＝0而表示输入信号W，输入信号W表示为d×sin(2πfc×t)。

图7(a)表示以fs＝2×fc对波峰值进行取样，且在与取样周期相同的周期1/(2×fc)的波峰时点输出解调运算输出d3的情况。通过以fs＝2×fc进行波峰值的取样，而获取传感器载波的最大波峰时点(S11、S12、S13、S14、…)的数据值d1及最小波峰时点(S21、S22、S23、S24、…)的数据值d2。然后，在输出时点(S31、S32、S33、S34、S35…)输出解调运算输出d3(＝(d1-d2)/2)。第奇数个输出时点(S31、S33、S35、S37、…)与最大波峰时点(S11、S12、S13、S14、…)为同一时点，第偶数个输出时点(S32、S34、S36、S38…)与最小波峰时点(S21、S22、S23、S24、…)为同一时点。

例如，在与最小波峰时点S21为同一时点的输出时点S32输出解调运算输出d3的情况下，基于最大波峰时点S11的数据值d1与最小波峰时点S21的数据值d2算出解调运算输出d3。另一方面，在与最大波峰时点S12为同一时点的输出时点S33输出解调运算输出d3的情况下，基于最大波峰时点S12的数据值d1与最小波峰时点S21的数据值d2算出解调运算输出d3。即，基于最近获取的两个数据值d1、数据值d2算出解调运算输出d3。

图7(b)表示fc＝(n+1/2)×fs中n＝1的情况。在图7(b)中，以fs＝(2/3)×fc对波峰值进行取样，且在与取样周期相同的周期1/((2/3)×fc)的波峰时点输出解调运算输出d3。即，在载波频率fc的三个周期中以两次的频度进行取样，获取最大波峰时点的数据值d1与最小波峰时点的数据值d2。然后，在取得数据值d1、数据值d2后的时点输出解调运算输出d3。

例如，在与最小波峰时点S21为同一时点的输出时点S32，基于最大波峰时点S11的数据值d1与最小波峰时点S21的数据值d2输出解调运算输出d3。另外，在与最大波峰时点S12为同一时点的输出时点S33，基于最大波峰时点S12的数据值d1与最小波峰时点S21的数据值d2输出解调运算输出d3。

在图8(a)所示的例子中，以fs＝2×fc对波峰值进行取样，且在周期1/fc的最小波峰时点输出解调运算输出d3。解调运算输出d3是基于最近获取的两个数据值d1、数据值d2而算出。如果与图7(a)所示的例子相比，那么解调运算输出d3的输出频度变为1/2。因此，在图8(a)所示的情况下，可谋求减轻运算负荷。另一方面，在图7(a)的情况下，可去除传感器信号中所包含的更高频成分的噪声。

在图8(b)所示的例子中，以fs＝(2/3)×fc对波峰值进行取样，且在取样周期的两倍的周期1/(fc/3)的最小波峰时点输出解调运算输出d3。如果与图7(b)所示的例子相比，那么解调运算输出d3的输出频度变为1/2。因此，图8(b)所示的情况下更能谋求运算负荷的减轻。

如图6(a)、图6(b)、图7(a)、图7(b)、图8(a)、图8(b)所示，在本实施方式中，通过利用fc＝(n+1/2)×fs的关系进行取样，而交替地获取传感器载波的最大波峰时点的数据值d1与最小波峰时点的数据值d2。然后，藉由基于输出时点的最近所获取的数据值d1、数据值d2输出解调运算输出d3，而大致消除噪声成分r。通过基于该运算结果d3控制电磁铁电流，可防止噪声所引起的泵振动。

(第二噪声成分的去除)

由所述式(4)表示的差分信号Δis为与邻接的移位传感器之间不存在干涉的情况，在存在干涉的情况下，会受到邻接的移位传感器的电流的影响。此处，将受到干涉的轴设为X轴(Xp侧、Xm侧)，将赋予干涉的轴设为Y轴(Yp侧、Ym侧)而进行说明。将X轴的差分信号设为Δixs，将Y轴的差分信号设为Δiys，简单地如下式(6)、下式(7)的第二项那样考虑干涉的影响。式(7)中的φ表示Y轴传感器的传感器载波信号相对于x轴传感器的传感器载波信号的相位偏移。

Δixs＝2Bsdxs×sin(ωc×t-π/2)+α×Δiys...(6)

Δiys＝2Bsdys×sin(ωc×t-π/2+φ)+α×Δixs...(7)

将式(7)代入到式(6)中，由于α《1，所以如果忽略α²这一项，那么差分信号Δixs如下式(8)所示。同样地，Δiys如下式(9)所示。即，使信号dxs与Y轴的干涉所致的噪声αdys相加，使信号dys与X轴的干涉所致的噪声αdxs相加。

Δixs＝2Bsdxs×sin(ωc×t-π/2)

+2Bsαdys×sin(ωc×t-π/2+φ)…(8)

Δiys＝2Bsdys×sin(ωc×t-π/2+φ)

+2Bsαdxs×sin(ωc×t-π/2)…(9)

在本实施方式中，将Y轴侧的传感器载波信号的相位的偏移φ设为φ＝90°+θ，在取样时使相位从X轴侧及Y轴侧的传感器载波信号的最大波峰、最小波峰偏移θ而分别进行数据d1、数据d2的取样。通过在这种时点进行取样，可使式(8)、式(9)的第二项成为零，从而去除邻接轴的干涉的影响。此外，θ设为-45°≤θ≤45°。

例如，对于设为θ＝0而在最大波峰、最小波峰处对数据d1、数据d2进行取样的情况，以径向传感器71为例进行说明。以使式(8)、式(9)的相位偏移φ成为90°的方式，使相位偏移90°而产生Y1轴用传感器载波信号。即，利用图3、图4的相位偏移滤波器37A，使Y1轴用传感器载波信号的相位偏移90°。在该情况下，所述式(8)、式(9)如下式(10)、下式(11)所示。

Δixs＝2Bsdxs×sin(ωc×t-π/2)+2Bsαdys×sin(ωc×t)…(10)

Δiys＝2Bsdys×sin(ωc×t)+2Bsαdxs×sin(ωc×t-π/2)…(11)

首先，对不存在干涉的情况(α＝0)进行说明。图9是表示不存在干涉的情况下的差分信号Δixs、差分信号Δiys的曲线图。即，图9(a)表示式(10)中设为α＝0的差分信号Δixs＝2Bsdxs×sin(ωc×t-π/2)，图9(b)表示式(11)中设为α＝0的差分信号Δiys＝2Bsdys×sin(ωc×t)。此外，此处设为2Bsdxs＝2Bsdys＝1而进行图示。可知差分信号Δixs与差分信号Δiys的相位偏移90°(＝π/2弧度)。在图9的情况下，差分信号Δiys成为前进90°的相位。这是因为Y轴用传感器载波信号相对于X轴用载波信号相位前进了90°。

而且，在从AD转换器34获取数据d1、数据d2的情况下，分别与载波信号的最大波峰、最小波峰同步地获取。由于Y轴用传感器载波信号相对于X轴用载波信号相位前进了90°，因此根据图9也可知，获取差分信号Δiys的数据d1、数据d2的时刻相对于获取差分信号Δixs的数据d1、数据d2的时刻相位早90°。

其结果为，在差分信号Δixs、差分信号Δiys的任一个中均在最大波峰处对数据d1进行取样，在最小波峰处对数据d2进行取样。在差分信号Δixs的情况下成为d1＝2Bsdxs、d2＝-2Bsdxs，因此通过运算d3＝d1-d2/4Bs，可获得X轴直流移位dxs。关于差分信号Δiys也同样。

图10、图11表示存在干涉的情况，此处设为α＝0.15而进行图示。图10是表示受到Y轴干涉的差分信号Δixs的图，与表示差分信号Δixs的线L1一同也图示了表示2Bsdxs×sin(ωc×t-π/2)的线L2及表示2Bsdys×sin(ωc×t)的线L3。图11是表示受到X轴干涉的差分信号Δiys的图，与表示差分信号Δiys的线L4一同也图示了表示2Bsdys×sin(ωc×t)的线L5及表示2Bsdxs×sin(ωc×t-π/2)的线L6。

在图10中，数据d1的取样时点是式(10)的第一项(线L2)成为最大波峰的时点(t＝(n+1/2)/fc，n为整数)，数据d2的取样时点是线L2成为最小波峰的时点(t＝n/fc，n为整数)。如上所述，由于Y轴用传感器载波信号相对于X轴用传感器载波信号相位偏移了90°，因此式(10)的第一项与第二项的相位偏移了90°。因此，在t＝(n+1/2)/fc及t＝n/fc中，Y轴干涉所致的噪声成分即式(10)的第二项(即线L3)成为零。其结果为，可知解调运算结果d3＝(d1一d2/4Bs)准确地对X轴直流移位dxs进行了解调。

同样地，在图11所示的差分信号Δiys的情况下，也是在表示式(11)的第一项的线L5的最大波峰处对数据d1进行取样，在线L5的最小波峰处对数据d2进行取样。如上所述，由于Y轴用载波信号相对于X轴用载波信号相位前进了90°，因此差分信号Δiys中的数据d1、数据d2的取样时刻与差分信号Δixs的情况相比，早相当于相位90°的时间。

在该取样时点，式(11)的第二项成为零，因此取样的数据d1、数据d2中不含Y轴干涉所致的噪声成分。其结果为，解调运算结果d3＝(d1-d2/4Bs)准确地对Y轴直流移位dys进行了解调。

在图10、图11中，在式(10)、式(11)的第一项成为最大波峰、最小波峰的时点进行取样，但以下对在相位从第一项的最大波峰、最小波峰偏移θ后的时点进行取样的情况进行说明。通常的控制型磁性轴承如图3所示那样包含五轴。这样一来，在控制轴的轴数多的情况下，就方便利用AD转换器34进行获取来说，多应用使相位从最大波峰、最小波峰偏移而进行获取的情况。

将Y轴用传感器载波信号相对于X轴用传感器载波信号的相位差φ设为φ＝90°+θ。θ表示从最大波峰、最小波峰的相位偏移。此外，θ设为-45°≤θ≤45°。而且，对于X轴侧的差分信号Δixs，在相位从X轴用传感器载波信号的最大波峰、最小波峰偏移θ后的时点同步地对数据d1、数据d2进行取样。另一方面，对于Y轴侧的差分信号Δiys，在相位从Y轴用传感器载波信号的最大波峰、最小波峰偏移θ后的时点同步地对数据d1、数据d2进行取样。此处，差分信号Δixs、差分信号Δiys如下式(12)、下式(13)所示。

Δixs＝2Bsdxs×sin(ωc×t-π/2)+2Bsαdys×sin(ωc×t+θ)…(12)

Δiys＝2Bsdys×sin(ωc×t+θ)+2Bsαdxs×sin(ωc×t-π/2)…(13)

相位从式(12)的第一项的最大波峰偏移(前进)θ后的时点的时刻成为t＝(n+1/2)/fc-θ/(2πfc)。另外，相位从最小波峰偏移(前进)θ后的时点的时刻成为t＝n/fc-θ/(2πfc)。其中，n为整数。通过以这种方式设定差分信号Δixs的取样时点，而使式(12)的Y轴噪声成分即第二项成为零。

另一方面，在式(13)中，相位从第一项的最大波峰偏移(延迟)θ后的时点的时刻成为t＝(n+1/4)/fc。另外，相位从第一项的最小波峰偏移(延迟)θ后的时点的时刻成为t＝(n-1/4)/fc。通过以这种方式设定差分信号Δiys的取样时点，而使式(12)的Y轴噪声成分即第二项成为零。

图12(a)是表示不存在邻接轴的干涉的情况(α＝0，θ＝45°)下的差分信号Δixs(＝2Bsdxs×sin(ωc×t-π/2))的图。同样地，图12(b)是表示不存在邻接轴的干涉的情况(α＝0，θ＝45°)下的差分信号Δiys(＝2Bsdys×sin(ωc×t+θ))的图。在差分信号Δixs的情况下，以圆形记号表示的数据d1、数据d2的取样时点从表示Δixs的第一项的线的最大波峰、最小波峰向负(minus)方向偏移了相当于相位θ的时刻Δt＝θ/2πfc。另一方面，在差分信号Δiys的情况下，数据d1、数据d2的取样时点从表示Δiys的第一项的线的最大波峰、最小波峰向正(plus)方向偏移了相当于相位θ的时刻Δt＝θ/2πfc。这样一来，由于取样时点从最大波峰、最小波峰发生偏移，因此所获得的值变得略小于X轴直流移位。

图13、图14是表示α＝0.15、θ＝45°的情况下的差分信号Δixs、差分信号Δiys、数据d1、数据d2的取样时点、及数据d3的输出时点的图。在图13中，线L7表示差分信号Δixs，线L8表示式(12)的第一项，线L9表示式(12)的第二项(除α以外)。以圆形记号表示的数据d1、数据d2的取样时点从与X轴用传感器载波信号对应的线L7的最大波峰、最小波峰向相位前进θ侧(+θ)偏移。在该取样时点，式(12)的第二项、即Y轴干涉所致的噪声成分成为零。

在图14中，线L10表示差分信号Δiys，线L11表示式(13)的第一项，线L12表示式(13)的第二项(除α以外)。以圆形记号表示的数据d1、数据d2的取样时点从与Y轴用传感器载波信号对应的线L11的最大波峰、最小波峰向相位延迟θ侧(-θ)偏移。在该取样时点，式(13)的第二项、即X轴干涉所致的噪声成分成为零。

在如图3所示的五轴控制型磁性轴承的情况下，在X1轴、Y1轴、X2轴、Y2轴及Z轴分别设置着移位传感器。在利用一个AD转换器34对这些传感器输出信号进行AD转换的情况下，将这些传感器输出信号分别输入至输入部ch1～输入部ch5，而依序获取。因此，在获取时点产生时间偏差，而使五个传感器载波信号的相位一致的情况下，无法在各个传感器载波信号的最大波峰、最小波峰处获取所述数据d1、数据d2。因此，通过使用相位偏移滤波器37A～相位偏移滤波器37D使传感器载波信号的相位分别错开，而能够在传感器载波信号的最大波峰、最小波峰处获取数据d1、数据d2。

即，以如θa、θb、θc、θd般互不重叠的方式设定相位偏移滤波器37A～相位偏移滤波器37D的相位偏移量θ。此时，Y1轴传感器71y的传感器载波信号相对于X1轴传感器71x的传感器载波信号的相位偏移θ1＝θa、Y2轴传感器72y的传感器载波信号相对于X2轴传感器72x的传感器载波信号的相位偏移θ2＝θc-θb设定为大于等于-45°且小于等于45°的范围。通过以这种方式设定各传感器载波信号的相位，可在X1轴传感器71x与Y1轴传感器71y之间、及X2轴传感器72x与Y2轴传感器72y之间应用所述内容。

此外，在去除所述第二噪声成分的说明中，通过取得最大波峰或其附近的数据d1与最小波峰或其附近的数据d2的差，也进行第一噪声成分的去除。然而，如图6(b)所示，在只使用数据d1或数据d2进行解调的情况下，也能去除第二噪声成分。即，可与第一噪声的去除分开进行第二噪声的去除。另一方面，上文中，对应用依序获取信号的方式的AD转换器的情况进行了说明，但在应用与其为不同方式的在同一时点总括地获取ch1～ch5的信号的方式的AD转换器的情况下，只要在邻接的X、Y间将载波相位差设为90°、即设为θ＝0°便可。

-第二实施方式-

在所述第一实施方式中，对具备移位传感器方式的磁性轴承装置的磁性轴承型涡轮分子泵进行了说明。在第二实施方式中，对具备除具有本来的轴支持功能以外还具有位置传感功能的磁性轴承装置的磁性轴承型涡轮分子泵进行说明。此处，将具备位置传感功能的自传感方式的磁性轴承装置称为无传感器方式的磁性轴承装置。以下，对在无传感器方式的磁性轴承装置中应用第一实施方式中所说明的噪声去除方法的情况进行说明。此外，在具备无传感器方式的磁性轴承装置的磁性轴承型涡轮分子泵中，省略图1所示的径向传感器71、径向传感器72及轴向传感器73。

图15是表示无传感器方式的磁性轴承型涡轮分子泵的控制单元的概略构成的框图，且是与第一实施方式的图2对应的图。在具备无传感器方式的磁性轴承装置的磁性轴承型涡轮分子泵的情况下，省略移位传感器用传感器电路，取而代之将重叠着传感用电流成分的电磁铁电流供给到各磁性轴承电磁铁500。

图16是控制部44中的磁性轴承控制的功能框图，且表示控制轴五轴中的一个轴(例如X1轴)。如上所述，在控制轴的一个轴设置着一对(P侧及M侧)磁性轴承电磁铁500，对各磁性轴承电磁铁500分别设置着激磁放大器36(36p、36m)。

图17是表示与各磁性轴承电磁铁500相对应地设置的激磁放大器36的构成的图。激磁放大器36是将串联连接开关元件与二极管(diode)而成者进而并联连接两个而成的放大器。磁性轴承电磁铁500连接在开关元件SW10及二极管D10的中间、与开关元件SW11及二极管D11的中间之间。

开关元件SW10、开关元件SW11基于来自控制部44的PWM栅(gate)驱动信号303而被接通断开(导通、切断)控制。使开关元件SW10、开关元件SW11同时接通断开，在两者均接通的情况下，电磁铁电流如实线箭头所示那样流动，在两者均断开的情况下，电磁铁电流如虚线箭头所示那样流动。接通时的电流值由电流传感器101A计测，断开时的电流值由电流传感器101B计测。对于电流传感器101A、电流传感器101B例如使用分路电阻(shunt resistance)，将分路电阻的电压用作电流检测信号。

回到图16，栅信号产生部401p基于PWM运算部412p中所产生的PWM控制信号，产生用来驱动P侧的激磁放大器36p的开关元件的栅驱动电压(栅信号)。同样地，栅信号产生部401m基于PWM运算部412m中所产生的PWM控制信号，产生用来驱动M侧的激磁放大器36m的开关元件的栅信号。

当基于栅信号对各激磁放大器36(36p、36m)的开关元件进行接通断开控制时，对磁性轴承电磁铁500的电磁铁线圈施加电压，而使电流Ip、电流Im流通。从P侧的激磁放大器36p的电流传感器101A、电流传感器101B输出流到P侧的磁性轴承电磁铁500的电流Ip的电流检测信号(以与电流相同的符号Ip表示)。另一方面，从M侧的激磁放大器36m的电流传感器101A、电流传感器101B输出流到M侧的磁性轴承电磁铁500的电流Im的电流检测信号(以与电流相同的符号Im表示)。

流到各磁性轴承电磁铁500的电磁铁电流如果按功能来划分成分，那么包含偏压(bias)电流ib、悬浮控制电流ic及位置检测用传感器载波成分的电流is(p侧的isp、M侧的ism)。此处，就磁悬浮控制的必要性及良好地检测出位置信号(移位信号)的必要性来说，流到对向的磁性轴承电磁铁500的电磁铁电流的各成分是以偏压电流成为相同符号、悬浮控制电流及传感器载波成分成为相反符号的方式构成。因此，电流Ip及电流Im如下式(14)所示。其中，式(14)中isp与ism的振幅成为相反符号，因此isp及ism的系数为正。

Ip＝ib+ic+isp

Im＝ib-ic+ism…(14)

偏压电流ib为直流或极低的频带，用作与作用于旋转体的重力均衡的力、悬浮力的直线性改善、用来进行移位传感的偏压用。

悬浮控制电流ic是用作使转子轴4悬浮在规定位置的控制力用的电流。悬浮控制电流ic根据悬浮位置的变动而变化，因此其频带成为直流至1kHz级(order)。

传感器载波成分is是用来检测转子轴4的悬浮位置移位的电流成分。为了尽量抑制悬浮控制力的影响，传感器载波成分is通常使用数kHz～数十kHz(1kHz《fc《100kHz)的频带中的频率。

一般来说，工业用途的磁性轴承中，应用利用反馈的电流信号与目标电流值的偏差量进行电压控制的PWM放大器作为激磁放大器36(36p、36m)。即，通过控制施加至磁性轴承电磁铁500的电磁铁线圈的电压，而进行电磁铁电流的控制。因此，偏压电流、悬浮控制电流及传感器载波成分的符号的决定是利用电压施加前的电压控制信号来产生符号关系。

施加至电磁铁线圈的电压Vp、电压Vm中的传感器载波成分vsp、传感器载波成分vsm是分别以反相位施加，因此如下式(15)所示。其中，ωc＝2πfc，fc为传感器载波频率。另外，t为时间，v为固定振幅值。

vsp＝-v×sin(ωc×t)

vsm＝v×sin(ωc×t)…(15)

如果转子轴4与磁性轴承电磁铁500之间的间隙(gap)大，那么电磁铁线圈的电感值变小，如果间隙小，那么电感值变大。因此，如果对向的电磁铁线圈中的一个的电感值变大，那么另一个电磁铁线圈的电感值变小。也就是说，可利用对向的电磁铁线圈的电感变化而获得间隙变化、即转子轴4的移位信息。

关于对向的P侧电磁铁线圈及M侧电磁铁线圈的电感Lp、电感Lm，与第一实施方式的移位传感器的情况相同的式(16)成立。此外，D为转子轴4位于悬浮中心轴(悬浮目标位置)的情况下的间隙，式(16)中的d表示从悬浮目标位置的移位。A为常数。

1/Lp＝A×(D-d)

1/Lm＝A×(D+d)…(16)

此处，如果近似地忽略线圈电阻，那么关于传感器载波成分，施加至电磁铁线圈的电压与在电磁铁线圈中流通的电流的关系可由下式(17)表示。

vsp＝Lp×d(isp)/dt

vsm＝Lm×d(ism)/dt…(17)

根据所述式(15)、式(16)、式(17)，在电磁铁线圈中流通的电流的传感器载波成分isp、传感器载波成分ism如下式(18)所示。此外，B＝v×A/ωc。这样一来，传感器载波成分isp、传感器载波成分ism是通过移位d的时间变化被振幅调制，因此只要对该载波成分进行检波便可获得移位信息。

isp＝-v×sin(ωc×t-π/2)/(ωc×Lp)

＝-B(D-d)×sin(ωc×t-π/2)

ism＝v×sin(ωc×t-π/2)/(ωc×Lm)

＝B(D+d)×sin(ωc×t-π/2)…(18)

在P侧的磁性轴承电磁铁500及M侧的磁性轴承电磁铁500中流通的合计(total)电流Ip、电流Im如下式(19)所示。

Ip＝ib+ic-B(D-d)×sin(ωc×t-π/2)

Im＝ib-ic+B(D+d)×sin(ωc×t-π/2)…(19)

如图15所示，在激磁放大器36p、激磁放大器36m中检测到的电流信号Ip、电流信号Im经由低通滤波器403p、低通滤波器403m而由分别对应的AD转换器400p、AD转换器400m获取。另外，通过低通滤波器403p、低通滤波器403m的电流信号Ip、电流信号Im由加法运算部414进行加法运算，并从加法运算部414输出和信号(Ip+Im)。其后，和信号(Ip+Im)经由以传感器载波频率fc为中心频率的带通滤波器405而输入至AD转换器400，由AD转换器400获取。

(第一噪声成分的去除)

AD转换器400基于传感器载波产生电路411中所产生的传感器载波信号(传感器载波成分)，利用同步取样而获取数据。然后，以与第一实施方式的情况相同的方式，以对于传感器载波信号的频率fc满足fc＝(n+1/2)fs的取样频率fs在最大波峰位置及最小波峰位置(或最大波峰位置附近及最小波峰位置附近)进行取样。

由AD转换器400获取的和信号(Ip+Im)被输入至解调运算部406。然后，解调运算部406基于通过取样而获取的最大波峰位置的数据值d1与最小波峰位置的数据值d2，运算解调运算输出d3＝(d1-d2)/2。在磁悬浮控制器407中，基于来自解调运算部406的移位信息，通过比例控制、积分控制及微分控制、相位修正等产生悬浮控制电流设定。然后，在P侧的控制中，使用从偏压电流设定量减去悬浮控制电流设定所得的值，在M侧的控制中，使用使偏压电流设定量加上悬浮控制电流设定所得的值。

另一方面，由AD转换器400p、AD转换器400m获取的电流检测信号Ip、电流检测信号Im被输入至分别对应的信号处理运算部409p、信号处理运算部409m。信号处理运算部409p、信号处理运算部409m基于取样数据，对与有助于悬浮控制力的电流成分(偏压电流ib、悬浮控制电流ic)相关的信息进行运算。例如，在AD转换器400p、AD转换器400m中以fs＝fc进行获取，将该获取的信号数据在信号处理运算部409p、信号处理运算部409m中以频率fs进行移动平均处理。

信号处理运算部409p的运算结果在通过放大器控制器410p后，对从偏压电流设定量减去悬浮控制电流设定所得的结果进行减法运算处理。进而，对该减法运算处理结果减去来自传感器载波产生电路411的传感器载波成分(v×sin(ωc×t))，基于该减法运算结果，在PWM运算部412p中产生PWM控制信号。栅信号产生部401p基于PWM运算部412p中所产生的PWM控制信号而产生栅驱动电压(PWM栅信号)。

另外，信号处理运算部409m的运算结果在通过放大器控制器410m后，对使偏压电流设定量与悬浮控制电流设定相加所得的结果进行减法运算处理。进而，对该减法运算处理结果加上来自传感器载波产生电路411的传感器载波成分(v×sin(ωc×t))，基于该加法运算结果在PWM运算部412m中产生PWM控制信号。栅信号产生部401m基于PWM运算部412m中所产生的PWM控制信号而产生栅驱动电压。

另外，由于在各轴的对向的磁性轴承电磁铁500中存在特性差异或在直角方向轴(例如相对于X1轴的Y1轴)间存在磁通的干涉，因此悬浮控制电流ic不可能完全相同。尤其是，认为随着频率变得越高不一致会变得越大。考虑到这种情况，如果以将P侧的悬浮控制电流表示为icp、将M侧的悬浮控制电流表示为icm的方式单独表示，那么所述式(19)如下式(20)所示。

Ip＝ib+icp-B(D-d)×sin(ωc×t-π/2)

Im＝ib-icm+B(D+d)×sin(ωc×t-π/2)…(20)

通过电流信号Ip、电流信号Im的和运算而获得的和信号(Ip+Im)可由下式(21)表示。此外，式(21)中的Δicpm为Δicpm＝icp-icm。

ID+Im＝2×ib+Δicpm+2×B×d×sin(ωc×t-π/2)…(21)

如上所述，和信号(Ip+Im)是经由以传感器载波频率fc为中心频率的带通滤波器405被输入。然而，如果考虑到滤波器所致的信号延迟的影响，那么带通滤波器405的窄频带化也自然存在界限。因此，即便使和信号(Ip+Im)通过带通滤波器405，由重叠的控制电流成分引起的噪声也会残留在AD转换器400的输入信号中。

因此，AD转换器400以与第一实施方式中的AD转换器34相同的方式构成，进行与图6(a)、图6(b)、图7(a)、图7(b)、图8(a)、图8(b)所示的处理相同的取样处理。然后，解调运算部406基于通过取样而获取的最大波峰位置的数据值d1与最小波峰位置的数据值d2，运算解调运算输出d3＝(d1-d2)/2。

AD转换器400的输入信号为使式(21)所示的信号(Ip+Im)通过带通滤波器405所得的信号，理想的是除调制波信号以外均应被截止(cut)，但如上所述，因与悬浮控制中必不可少的防止信号延迟的折中(trade off)而导致无法充分地过滤。因此，此处，方便起见将式(21)的信号设为AD转换器400的输入信号。

在式(21)中，可认为偏压电流ib固定(直流)，在磁性轴承型涡轮分子泵的情况下，通常，悬浮控制电流ic是对移位信号进行比例积分微分(Proportion Integration Differentiation，PID)运算所得的信号，因此，Δicpm的频带为直流至与控制响应相关的2kHz左右的宽频带。另外，转子移位(转子轴4的移位)也取决于转子尺寸，但在普通的磁性轴承型涡轮分子泵中，通常为直流～1kHz左右，成为与悬浮控制电流ic的频带同等或比悬浮控制电流ic的频带窄的频带。与这些相比，传感器载波频率fc高达10kHz左右。因此，相对于传感器载波频率fc，悬浮控制电流ic及移位d的频率低至传感器载波频率fc的1/10左右，相对于传感器载波信号的变化，悬浮控制电流ic及移位缓慢地变化。

另一方面，由AD转换器400获取时的取样频率fs相对于悬浮控制电流ic或移位d频率足够高，因此在相邻的取样时点，移位d及Δicpm的值的变化量小，另外，偏压电流ib固定。因此，最大波峰位置上的数据值d1及最小波峰位置上的数据值d2可如下式(22)所示。其结果为，与第一实施方式的情况同样地，当根据这些数据值d1、数据值d2算出解调运算输出d3＝(d1-d2)/2时，成为d3＝d，因此通过使用解调运算输出d3，也可包含直流以外的交流成分在内消除悬浮控制电流成分。

(第二噪声成分的去除)

接下来，对邻接轴间的干涉所引起的噪声成分的去除进行说明。在无传感器类型的磁性轴承装置的情况下，关于X轴用电磁铁电流及Y轴用电磁铁电流，也与所述径向传感器的情况同样地，与邻接轴的干涉所引起的噪声成分成为问题。此处，将受到干涉影响的轴设为X轴(Xp侧、Xm侧线圈)，将赋予干涉影响的轴设为Y轴(Yp侧、Ym侧)。根据对称性，自然认为X轴为p侧、m侧的两线圈均从Y轴的p侧、m侧的两线圈受到同等的干涉。由此，通过将使在各线圈中流通的激磁电流乘以干涉度α所得的项与式(20)相加，而能简单地表现干涉的影响。

如果以X轴侧的电流Ixp、电流Ixm的方式表现式(20)，那么电流Ixp、电流Ixm如下式(23)所示。X轴移位信号包含在对X轴电流彼此进行和运算所得的信号(Ixp+Ixm)中。和信号(Ixp+Ixm)如下式(24)所示。此外，Δicxpm＝icxp-icxm。

Ixp＝ibx+icxp-B(D-dx)×sin(ωc×t-π/2)+α(Iyp+Iym)

Ixm＝ibx-icxm+B(D+dx)×sin(ωc×t-π/2)+α(Iyp+Iym)…(23)

Ixp+Ixm＝2ibx+Δicxpm+2Bdx×sin(ωc×t-π/2)+2α(Iyp+Iym)…(24)

关于Y轴也相同，与所述式(23)、式(24)对应的式(25)、式(26)成立。此外，Δicypm＝icyp-icym。另外，φ与第一实施方式的情况同样地，为XY轴间的传感器载波信号的相位偏移。

Iyp＝iby+icyp-B(D-d)×sin(ωc×t-π/2+φ)+α(Ixp+Ixm)

Iym＝iby-icym+B(D+d)×sin(ωc×t-π/2+φ)+α(Ixp+Ixm)…(25)

Iyp+Iym＝2iby+Δicypm

+2Bdx×sin(ωc×t-π/2+φ)+2α(Ixp+Ixm)…(26)

将式(26)代入到式(24)中，由于α《1，所以如果忽略α²这一项，那么式(26)可如下式(27)所示。

Ixp+Ixm＝{2ibx+2iby}+{Δicxpm+2αΔicypm}+{2B(dx×sin(ωc×t-π/2)+2αdy×sin(ωc×t-π/2+φ))}…(27)

式(27)的右边包含第一项的偏压电流项、第二项的控制电流项、及第三项的移位调制波项。第一项及第二项的噪声成分利用所述第一噪声成分的去除方法而被去除。

另一方面，第三项与所述第一实施方式的式(8)对应。第二个包含α的项为邻接的两轴间干涉所引起的噪声成分，对信号dx加上2αdy的噪声。根据式(8)与式(27)的第三项的对应关系也可知，该噪声成分可通过应用第一实施方式中所说明的第二噪声成分的去除方法而同样地去除。

去除方法的说明因重复而省略，但只要以与第一实施方式的情况相同的方式，将X轴侧与Y轴侧的传感器载波信号的相位的偏移φ设为φ＝90°+θ，当取样时，在X轴侧及Y轴侧的任一侧，均使相位从传感器载波信号的最大波峰、最小波峰偏移θ而进行数据d1、数据d2的取样便可。此外，θ设为-45°≤θ≤45°。从图16的传感器载波产生电路411对各轴输出如上所述的传感器载波信号。然后，AD转换器400与传感器载波产生电路411的传感器载波信号同步地，使相位偏移θ而对数据d1、数据d2进行取样。其结果为，也能去除邻接轴的干涉的影响所致的噪声成分。此外，在第一实施方式中也有记载，即便在对数据d1、数据d2中的其中一个进行取样的情况下，也能去除第二噪声成分。

图18(a)是分别表示已去除XY轴间的干涉所引起的噪声成分的情况下的X轴移位(线L11)、Y轴移位(线L12)、X轴移位解调输出(线L13)及Y轴移位解调输出(线L14)的图。另一方面，图18(b)表示未去除XY轴间的干涉所引起的噪声成分的情况、即将X轴用传感器载波信号与Y轴用传感器载波信号的相位设为同相位的情况。线L21～线L24与图18(a)的线L11～线L14对应。此处，简单地设为转子轴4在X轴方向上只以500Hz进行振动、在Y轴方向上只以300Hz进行振动的情况。另外，设为α＝0.15，θ＝45°。

如果对图18(a)与图18(b)进行比较，那么可确认在未实施噪声去除对策的图18(b)中应变多，但在实施了噪声去除对策的图18(a)的情况下应变少。

在图16所示的例子中，设为在针对激磁放大器36p、激磁放大器36m产生PWM控制信号之前进行数字处理的构成，但也可以如图19所示那样，设为从DA转换器413p、DA转换器413m输出控制电流的构成，该控制电流包含重叠着传感器载波的偏压电流。

在图16的构成中，由于在PWM控制信号产生之前进行数字处理，因此成为栅信号的PWM信号输出为高电平/低电平(High level/Low level，H/L)的二进制信号。因此，不限定于现有的DA转换器输出，多进行数字输出。此外，在图16的说明中，设为以fs＝fc获取电流信号Ip、电流信号Im，并以频率fs对获取信号数据进行移动平均处理的构成，但关于电流信号Ip、电流信号Im的获取方法，并不限定于此。

在所述第二实施方式中，设为由AD转换器400获取和信号(Ip+Im)的构成，但并不限定于此，例如，将式(15)所示的vsp、vsm的符号变更为相同符号(两者均为+v)而获取差信号(Ip-Im)的构成也可同样地应用本发明。

如以上所说明那样，以使施加至图3的Y1轴的传感器71y的第二载波信号相对于施加至X1轴的传感器71x的第一载波信号，相位存在(π/2+θ)弧度的差异的方式进行设定，且在从第一载波信号成为波峰的时点偏移相位θ后的取样时点，对从第一传感器71x输出的移位调制波信号(第一调制信号)进行取样，并且在从第二载波信号成为波峰的时点偏移相位(-θ)后的取样时点，对从第二传感器71y输出的第二调制信号进行取样。另外，在无传感器类型的情况下，在所述取样时点对检测电磁铁电流的电流传感器101A、电流传感器101B的检测信号进行取样。其结果为，可去除邻接轴的干涉所引起的噪声成分，从而可谋求提高磁性轴承控制中的移位信息的S/N比。另外，可抑制因噪声成分混入而产生振动。

进而，以相对于第一载波信号的频率fc满足fc＝(m+1/2)×fs1(其中，m为0以上的整数)的频率fs1进行取样，且将根据数据d11、及数据d12算出的值d13＝(d11-d12)/2作为解调结果而输出，该数据d11是在从第一载波信号成为最大波峰的时点偏移相位θ后的时点对移位调制波信号(第一调制信号)进行取样而获得，该数据d12是在从第一载波信号成为最小波峰位置附近的时点偏移相位θ后的时点对第一调制信号进行取样而获得。同样地，以相对于第二载波信号的频率fc满足fc＝(n+1/2)×fs2(其中，n为0以上的整数)的频率fs2进行取样，且将根据数据d21、及数据d22算出的值d23＝(d21一d22)/2作为解调结果而输出，该数据d21是在从第二载波信号成为最大波峰的时点偏移相位(-θ)后的时点对第二调制信号进行取样而获得，该数据d22是在从第二载波信号成为最小波峰位置附近的时点偏移相位(-θ)后的时点对第二调制信号进行取样而获得。

通过进行这种取样及解调运算，除了可去除所述邻接轴的干涉所引起的噪声成分以外，还能够防止电磁铁电流控制的振动成分(噪声成分)混入到移位信息中，从而可谋求S/N比的进一步提高，并且可抑制噪声成分所引起的振动。

另外，通过将相位偏移θ设定为-π/4≤θ≤π/4的范围，而在利用一个AD转换器获取多轴的信号的情况下，也能尽量抑制S/N比下降。

此外，在所述实施方式中以包含涡轮泵段与牵引泵(drag pump)段的涡轮分子泵为例进行了说明，但只要是利用磁性轴承装置支持旋转体的构成的真空泵，便可同样地应用本发明。

此外，以上的说明只是一例，只要不损及本发明的特征，本发明便不受所述实施方式任何限定。

Claims (6)

1.一种磁性轴承装置，其特征在于包括：

第一径向电磁铁，在第一径向方向上非接触支持旋转轴；

第二径向电磁铁，在第二径向方向上非接触支持所述旋转轴；

第一载波产生部，产生第一载波信号；

第二载波产生部，产生相对于所述第一载波信号相位存在π/2+θ弧度的差异的第二载波信号；

第一移位传感器，根据所述第一径向方向的旋转轴位置移位而调制所述第一载波信号，且输出第一调制信号；

第二移位传感器，根据所述第二径向方向的旋转轴位置移位而调制所述第二载波信号，且输出第二调制信号；

第一解调部，在从所述第一载波信号成为波峰的时点偏移相位θ后的取样时点，对所述第一调制信号进行取样并进行解调；

第二解调部，在从所述第二载波信号成为波峰的时点偏移相位-θ后的取样时点，对所述第二调制信号进行取样并进行解调；及

控制部，基于所述第一解调部及所述第二解调部的解调结果控制所述第一径向电磁铁及所述第二径向电磁铁的电流。

2.根据权利要求1所述的磁性轴承装置，其特征在于：

所述第一解调部以相对于所述第一载波信号的频率fc满足fc＝(m+1/2)×fs1的频率fs1进行取样，其中，m为0以上的整数，并将根据数据d11、及数据d12算出的值d13＝(d11-d12)/2作为解调结果而输出，所述数据d11是在从所述第一载波信号成为最大波峰的时点偏移相位θ后的时点对所述第一调制信号进行取样而获得，所述数据d12是在从所述第一载波信号成为最小波峰位置附近的时点偏移相位θ后的时点对所述第一调制信号进行取样而获得；且

所述第二解调部以相对于所述第二载波信号的频率fc满足fc＝(n+1/2)×fs2的频率fs2进行取样，其中，n为0以上的整数，并将根据数据d21、及数据d22算出的值d23＝(d21-d22)/2作为解调结果而输出，所述数据d21是在从所述第二载波信号成为最大波峰的时点偏移相位-θ后的时点对所述第二调制信号进行取样而获得，所述数据d22是在从所述第二载波信号成为最小波峰位置附近的时点偏移相位-θ后的时点对所述第二调制信号进行取样而获得。

3.一种磁性轴承装置，其特征在于包括：

第一径向电磁铁，在第一径向方向上非接触支持旋转轴；

第二径向电磁铁，在第二径向方向上非接触支持所述旋转轴；

第一激磁放大器，将第一电磁铁电流供给到所述第一径向电磁铁，所述第一电磁铁电流重叠着用来检测所述第一径向方向的旋转轴位置移位的第一载波信号；

第二激磁放大器，将第二电磁铁电流供给到所述第二径向电磁铁，所述第二电磁铁电流重叠着用来检测所述第二径向方向的旋转轴位置移位的第二载波信号；

第一电流传感器，检测所述第一电磁铁电流；

第二电流传感器，检测所述第二电磁铁电流；

第一解调部，对所述第一电流传感器的检测信号进行取样而提取旋转轴位置移位信息；

第二解调部，对所述第二电流传感器的检测信号进行取样而提取旋转轴位置移位信息；及

控制部，基于所述第一解调部及所述第二解调部的解调结果，控制所述第一激磁放大器及所述第二激磁放大器；且

所述第二载波信号相对于所述第一载波信号相位存在π/2+θ弧度的差异；

所述第一解调部在从所述第一载波信号成为波峰的时点偏移相位θ后的取样时点，对所述第一电流传感器的检测信号进行取样；

所述第二解调部在从所述第二载波信号成为波峰的时点偏移相位-θ后的取样时点，对所述第二电流传感器的检测信号进行取样。

4.根据权利要求3所述的磁性轴承装置，其特征在于：

所述第一解调部以相对于所述第一载波信号的频率fc满足fc＝(m+1/2)×fs1的频率fs1进行取样，其中，m为0以上的整数，并将根据数据d11、及数据d12算出的值d13＝(d11-d12)/2作为解调结果而输出，所述数据d11是在从所述第一载波信号成为最大波峰的时点偏移相位θ后的时点对所述第一电流传感器的检测信号进行取样而获得，所述数据d12是在从所述第一载波信号成为最小波峰位置附近的时点偏移相位θ后的时点对所述第一电流传感器的检测信号进行取样而获得；且

所述第二解调部以相对于所述第二载波信号的频率fc满足fc＝(n+1/2)×fs2的频率fs2进行取样，其中，n为0以上的整数，并将根据数据d21、及数据d22算出的值d23＝(d21-d22)/2作为解调结果而输出，所述数据d21是在从所述第二载波信号成为最大波峰的时点偏移相位-θ后的时点对所述第二电流传感器的检测信号进行取样而获得，所述数据d22是在从所述第二载波信号成为最小波峰位置附近的时点偏移相位-θ后的时点对所述第二电流传感器的检测信号进行取样而获得。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的磁性轴承装置，其特征在于：

所述相位θ设定为-π/4≤θ≤π/4的范围。

6.一种真空泵，其特征在于包括：

泵转子；

电动机，旋转驱动所述泵转子；及

根据权利要求1至5中任一项所述的磁性轴承装置，磁悬浮支持所述泵转子。