CN111295528B

CN111295528B - 磁性轴承控制装置和真空泵

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Publication number: CN111295528B
Application number: CN201880073133.8A
Authority: CN
Inventors: 山本雅之
Original assignee: Edwards Japan Ltd
Current assignee: Edwards Japan Ltd
Priority date: 2017-11-22
Filing date: 2018-11-05
Publication date: 2022-01-14
Anticipated expiration: 2038-11-05
Also published as: US11767851B2; US20200386234A1; CN111295528A; WO2019102835A1; EP3715652A1; KR20200085279A; KR102655982B1; EP3715652A4; JP6937671B2; JP2019094985A

Abstract

提供了不需要位移传感器且能够实现高精度的控制并且小型且低成本的磁性轴承控制装置和真空泵。在电磁石5中流动的电流值I_m的时间微分即变化率（di/dt）根据目标构件1与电磁石5之间的间隙3的位移的大小而变化。在此，变化率（di/dt）能够通过检测在感应性元件9的两端产生的电压值V_s来求取。因此，只要检测到电压值V_s，就能够通过运算来估计间隙3的位移的大小。相对于电磁石5串联地连接感应性元件9，通过差动输入放大器21检测感应性元件9间的电压V_s。PWM开关放大器11的开关的一个周期期间由电磁石5的电流控制期间和用于检测变化率（di/dt）的位移检测期间构成。然后，位移检测期间进而由一定时间的电流增加期间和电流减少期间构成。电流增加期间和电流减少期间相等。

Description

磁性轴承控制装置和真空泵

技术领域

本发明涉及磁性轴承控制装置和真空泵，特别地涉及不需要位移传感器且能够实现高精度的控制并且小型且低成本的磁性轴承控制装置和真空泵。

背景技术

伴随着近年的电子器件的发展，存储器、集成电路这样的半导体的需要急剧地增加。

对纯度极高的半导体基板掺杂杂质而赋予电气性质或通过蚀刻在半导体基板上形成微细的电路等来制造这些半导体。

然后，为了避免空气中的尘土等所造成的影响，这些作业需要在高真空状态的腔内进行。在该腔的排气中一般使用真空泵，但是，特别地，由于残留气体较少、保养容易等方面，多使用作为真空泵中的一种的涡轮分子泵。

此外，在半导体的制造工序中，存在使各种工艺气体作用于半导体的基板的许多工序，涡轮分子泵不仅使腔内变为真空，还用于使这些工艺气体从腔内排气。

进而，在电子显微镜等设备中，为了防止由于粉尘等的存在所造成的电子波束的折射等，涡轮分子泵还用于使电子显微镜等的腔内的环境变为高度的真空状态。

为了对旋转体进行磁性悬浮控制，该涡轮分子泵具备磁性轴承装置。然后，在该磁性轴承装置中，为了对旋转体的位置位移进行检测而具备位移传感器，但是，以往，公开了不设置该位移传感器而估计旋转体的位置位移的技术（参照专利文献1、专利文献2）。

专利文献1、专利文献2均是使用PWM（Pulse Width Modulation，脉宽调制）方式的开关放大器来控制电磁石电流的磁性轴承。

在专利文献1中，通过用微分电路对电磁石电流的检测值进行微分来求取电流的变化率（di/dt）。然后，基于位移来进行磁性轴承控制，所述位移是利用该电流的变化率（di/dt）根据磁性轴承的电磁石和转子轴之间的间隙长发生变化而估计的。

另一方面，在专利文献2中，在一定时间内检测开关ON（开）或OFF（关）期间的电流的变化量，从变化量和检测时间运算电流的变化率（di/dt）。然后，基于位移来进行磁性轴承控制，所述位移是利用该电流的变化率（di/dt）根据磁性轴承的电磁石和转子轴之间的间隙长发生变化而估计的。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平11-82511号公报

专利文献2：日本特开平7-71456号公报。

发明内容

发明要解决的课题

然而，在使用开关放大器的情况下，电流检测值包括许多高频噪声分量。因此，存在当如专利文献1那样用微分电路对电磁石电流的检测值进行微分时噪声分量进一步放大而难以求取电流的变化率（di/dt）的可能性。

此外，相对于磁性轴承控制用的电磁石电流值，纹波电流的变化量是微小的。因此，在专利文献2的情况下，存在难以从以大振幅变化的电磁石电流仅分离而检测出纹波电流分量的可能性。

本发明鉴于这样的以往的课题而完成，其目的在于提供不需要位移传感器且能够实现高精度的控制并且小型且低成本的磁性轴承控制装置和真空泵。

用于解决课题的方案

因此，本发明（权利要求1）是磁性轴承控制装置的发明，其特征在于，具备：电磁石，将控制对象物悬浮支承于空中；感应性元件，相对于该电磁石的线圈串联连接；开关放大器，对所述电磁石供给电流；电压提取单元，在规定的定时提取施加到所述感应性元件的电压；采样保持单元，生成所述定时并且保持在所述定时提取的电压；电流变化率计算单元，基于由该采样保持单元保持的电压来计算与在所述电磁石的所述线圈中流动的电流的时间微分成比例的信号；以及位移估计单元，基于由该电流变化率计算单元计算的信号来估计所述控制对象物与所述电磁石之间的位移，在所述电磁石中流动的电流基于由所述位移估计单元估计的位移来控制。

电磁石的线圈和感应性元件串联连接，因此，流动相同的电流。通过在规定的定时提取施加到感应性元件的电压，从而根据该电压来检测与电流的时间微分即变化率成比例的信号。然后，使用该信号来估计控制对象物与电磁石之间的位移。然后，基于该位移来控制在电磁石中流动的电流。

由此，不管电磁石的控制电流的大小，都能够直接检测由于开关放大器的ON/OFF产生的电流纹波的时间微分。因此，能够检测为了以高精度且广范围估计位移而需要的S/N比很大的信号。

因此，能够以与另外设置了位移传感器的情况同等以上的精度实现磁性轴承的控制，从而能够实现磁性轴承的小型化、低成本化。

此外，本发明（权利要求2）是磁性轴承控制装置的发明，其特征在于，在所述感应性元件中应用电感器，通过所述电压提取单元提取在所述电感器中产生的电压。

通过配设电感器，从而能够以小型且简单的结构实现没有位置传感器的磁性轴承控制装置。

电磁石电流由于磁性轴承的控制而较大地变动，相对于此，电流纹波的时间微分能够作为在电感为电磁石的例如1/100以下的小型电感器的两端产生的电压而稳定地取得，因此，能够以小空间检测S/N比很大的信号。

进而，本发明（权利要求3）是磁性轴承控制装置的发明，其特征在于，在所述感应性元件中应用变压器，通过所述电压提取单元提取所述变压器的二次侧的电压。

通过在感应性元件中应用变压器，从而能够忽视变压器的一次侧电阻值和电流所造成的电压变动。然后，由开关放大器发生的共模电压变动的影响不会出现在变压器二次侧。因此，作为在电压提取单元中使用的放大器，不需要使用应对较大的共模电压变动的低速的差动放大器，而能够使用高速的差动放大器。此外，差动放大器输出的建立时间变短，能够改善控制的响应性。

进而，本发明（权利要求4）是磁性轴承控制装置的发明，其特征在于，所述电磁石被构成为夹持所述控制对象物而相向，在所述感应性元件中应用具备与每一个电磁石串联连接的一次绕组、和具有与该一次绕组相同的铁心的二次绕组的变压器，每一个所述一次绕组以使得在每一个所述一次绕组中产生的磁束为相抵的方向的方式卷绕，通过所述电压提取单元提取在所述变压器的所述二次绕组中产生的电压。

由于在与每一个电磁石串联连接的变压器一次侧的绕组中流动的电流所产生的磁束的差而在二次侧的绕组感应出电压。即，在变压器二次侧的绕组感应出与在每一个电磁石中流动的电流的电流变化率的差成比例的电压。因此，采样保持单元的规定的定时处所提取的电压值为与位移成比例的值。

进而，本发明（权利要求5）是磁性轴承控制装置的发明，其特征在于，在所述开关放大器的控制循环中设定用于提取施加到所述感应性元件的电压的位移检测期间，通过所述电压提取单元在所述位移检测期间内在规定的定时提取施加到所述感应性元件的电压至少一次。

与电磁石电流的电流控制期间分离地配设位移检测期间。通过对控制循环设定位移检测期间，从而能够高精度地检测施加到感应性元件的电压。通过采样保持单元，能够总是在相同的定时提取并保持稳定的阶段的没有变动的电压。因此，能够得到精度高的位移。

进而，本发明（权利要求6）是磁性轴承控制装置的发明，其特征在于，在所述位移检测期间中形成电流增加的电流增加期间和电流减少的电流减少期间。

由此，能够可靠地提取施加到感应性元件的电压。

进而，本发明（权利要求7）是磁性轴承控制装置的发明，其特征在于，通过所述电压提取单元在所述电流增加期间和所述电流减少期间内分别在规定的定时提取施加到所述感应性元件的电压，具备将所提取的2个电压相减的减法单元，通过所述位移估计单元基于由所述减法单元相减的电压来估计所述控制对象物与所述电磁石之间的位移。

感应性元件的电感器具有少许电阻分量，因此，在电流值的低频分量较大的情况下，产生电压降，这成为偏移而重叠于在感应性元件的两端产生的电压值。通过从位移检测期间的前半的电流增加期间的施加到感应性元件的电压的采样值减去位移检测期间的后半的电流减少期间的施加到感应性元件的电压的采样值，从而能够除去该偏移分量。因此，能够得到精度高的位移信号。

进而，本发明（权利要求8）是磁性轴承控制装置的发明，其特征在于，具备将所述提取的2个电压相加的加法单元，基于由该加法单元相加的电压来估计在所述电磁石中流动的电流。

通过将位移检测期间的前半的电流增加期间的施加到感应性元件的电压的采样值与位移检测期间的后半的电流减少期间的施加到感应性元件的电压的采样值相加，从而得到与电流值成比例的信号。因此，能够省略电流检测专用的电路或电阻。

进而，本发明（权利要求9）是磁性轴承控制装置的发明，其特征在于，所述位移检测期间的所述电流增加期间和所述电流减少期间以占空比50%形成。

位移检测期间内的电流增加期间和电流减少期间的时间相等，因此，位移检测期间内的电流变动为0，对电磁石电流的平均值没有影响。

进而，本发明（权利要求10）是磁性轴承控制装置的发明，其特征在于，在所述位移检测期间内，所述电流增加期间被设定在所述电流减少期间之前。

开关放大器只能在一个方向上流动电流。在位移检测期间内的电磁石电流的平均值为0附近的情况下，为了避免在电流减少期间内电流值变为0，因此，在位移检测期间内，将电流增加期间设置在电流减少期间之前。

进而，本发明（权利要求11）是真空泵的发明，其装载有磁性轴承控制装置，所述磁性轴承控制装置具备：电磁石，将控制对象物悬浮支承于空中；感应性元件，相对于该电磁石的线圈串联连接；开关放大器，对所述电磁石供给电流；电压提取单元，在规定的定时提取施加到所述感应性元件的电压；采样保持单元，生成所述定时并且保持在所述定时提取的电压；电流变化率计算单元，基于由该采样保持单元保持的电压来计算与在所述电磁石的所述线圈中流动的电流的时间微分成比例的信号；以及位移估计单元，基于由该电流变化率计算单元计算的信号来估计所述控制对象物与所述电磁石之间的位移，在所述电磁石中流动的电流基于由所述位移估计单元估计的位移来控制，所述真空泵的特征在于，所述控制对象物是转子轴，具备将该转子轴悬浮支承于径方向和/或轴方向的多个所述电磁石。

进而，本发明（权利要求12）是真空泵的发明，其特征在于，具备相对于所述各电磁石的所述线圈分别串联连接的所述感应性元件，通过所述采样保持单元基于在全部的电磁石的所述开关放大器的控制循环中取得同步的信号来取得施加到所述感应性元件的电压。

在使转子轴非接触悬浮的情况下使用多个电磁石。当各电磁石在任意的定时进行位移检测时，由于开关放大器的开关而产生的噪声对其他的电磁石的采样值造成影响。为了避免此，全部的电磁石的位移检测和采样保持的工作同步地进行。

此外，可以预先通过实测把握所述噪声的影响较少的定时并在该定时实施所述采样保持的工作。

进而，本发明（权利要求13）是真空泵的发明，其特征在于，具备：电流提取单元，提取通过所述开关放大器在所述电磁石的所述线圈中流动的电流；以及电流采样保持单元，在规定的定时保持在该电流提取单元中流动的电流，该电流采样保持单元中的所述规定的定时是在所述控制循环中取得同步的信号。

通过对在电磁石的线圈中流动的电流的提取的定时也取得同步，从而能够进行精度高的控制。

发明效果

如以上说明的那样，根据本发明，构成为具备在规定的定时提取施加到感应性元件的电压的电压提取单元、基于由采样保持单元保持的电压来计算与在电磁石的线圈中流动的电流的时间微分成比例的信号的电流变化率计算单元、以及基于由电流变化率计算单元计算的信号来估计控制对象物与电磁石之间的位移的位移估计单元，因此，不管电磁石的控制电流的大小，都能够直接检测由于开关放大器的ON/OFF而产生的电流纹波的时间微分。

因此，能够检测为了以高精度且广范围估计位移而需要的S/N比很大的信号。

附图说明

图1是涡轮分子泵的结构图；

图2是估计电磁石与转子轴之间的间隙长的方法的框图；

图3是示出PWM的一个周期中的电磁石电压、电磁石电流、感应性元件的电压和采样信号的关系的图；

图4是实施例1的电路图；

图5是实施例2的电路图；

图6是实施例3的电路图；

图7是示出实施例3中的一个周期期间的采样信号和电磁石电流、感应性元件的电压的关系的图；

图8是实施例4的电路图；

图9是示出实施例4中的一个周期期间的采样信号和电磁石电流、感应性元件的电压的关系的图；

图10是实施例5的电路图；以及

图11是示出受到涡电流或滞后的影响时的电流的样子的图。

具体实施方式

以下，对本发明的实施方式进行说明。在图1中示出涡轮分子泵的结构图。

在图1中，在泵主体100的圆筒状的外筒127的上端形成吸气口101。在外筒127的内侧具备旋转体103，所述旋转体103在周部呈放射状且多级地形成有用于对气体进行吸引排气的涡轮叶片所形成的多个旋翼102a、102b、102c…。

在该旋转体103的中心安装有转子轴113，该转子轴113例如通过所谓的5轴控制的磁性轴承在空中悬浮支承且位置控制。

关于上侧径方向电磁石104，4个电磁石成对地配置在转子轴113的径方向的坐标轴即彼此正交的X轴和Y轴。

转子轴113由高磁导率材料（铁等）等形成，被上侧径方向电磁石104的磁力所吸引。这样的调整在X轴方向和Y轴方向上分别独立进行。

此外，下侧径方向电磁石105与上侧径方向电磁石104同样地配置，与上侧的径方向位置同样地调整转子轴113的下侧的径方向位置。

进而，轴方向电磁石106A、106B被配置为上下地夹持在转子轴113的下部具备的圆板状的金属盘111。金属盘111由铁等高磁导率材料构成。

轴方向电磁石106A和轴方向电磁石106B通过磁力分别在上方和下方吸引金属盘111。

像这样，控制装置200适当地调节该轴方向电磁石106A、106B施加于金属盘111的磁力，使转子轴113磁性悬浮于轴方向上，非接触地保持于空间中。

电机121具备以包围转子轴113的方式呈周状地配置的多个磁极。各磁极被控制装置200控制为使得经由作用于与转子轴113之间的电磁力对转子轴113进行旋转驱动。

多个固定翼123a、123b、123c…以与旋翼102a、102b、102c…隔开少许空隙的方式配设。旋翼102a、102b、102c…分别被形成为从与转子轴113的轴线垂直的平面倾斜规定的角度，以便通过碰撞向下方向移送排气气体的分子。

此外，固定翼123也同样地形成为从与转子轴113的轴线垂直的平面倾斜规定的角度，并且朝向外筒127的内侧与旋翼102的级彼此错开地配设。

然后，固定翼123的一端以嵌插于多个堆叠的固定翼垫片125a、125b、125c…之间的状态被支承。

固定翼垫片125是环状的构件，例如由铝、铁、不锈钢、铜等金属、或作为分量包括这些金属的合金等金属构成。

在固定翼垫片125的外周隔开少许空隙而固定有外筒127。在外筒127的底部配设有基部129，在固定翼垫片125的下部和基部129之间配设有带螺钉垫片131。然后，在基部129中的带螺钉垫片131的下部形成排气口133，连通到外部。

带螺钉垫片131是由铝、铜、不锈钢、铁、或将这些金属作为分量的合金等金属构成的圆筒状的构件，在其内周面刻设螺旋状的多个螺钉槽131a。

螺钉槽131a的螺旋的方向是当排气气体的分子沿旋转体103的旋转方向移动时该分子向排气口133的方向移送的方向。

在与旋转体103的旋翼102a、102b、102c…接连的最下部，下垂有圆筒部102d。该圆筒部102d的外周面是圆筒状并且朝向带螺钉垫片131的内周面突出，隔开规定的间隙而接近该带螺钉垫片131的内周面。

基部129是构成涡轮分子泵10的基底部的圆盘状的构件，一般由铁、铝、不锈钢等金属构成。

基部129物理地保持涡轮分子泵10，并且也兼备热的传导路的功能，因此，优选的是，使用铁、铝或铜等具有刚性且热传导率也高的金属。

在这样的结构中，当旋翼102由电机121驱动而与转子轴113一起旋转时，利用旋翼102和固定翼123的作用，通过吸气口101吸气来自腔的排气气体。

从吸气口101吸气的排气气体通过旋翼102和固定翼123之间，向基部129移送。

移送来到带螺钉垫片131的排气气体被引导到螺钉槽131a并送向排气口133。

接着，对估计电磁石和转子轴之间的间隙长的方法进行说明。首先，基于图2的框图来说明其结构。在转子轴113的周围固定有相当于控制对象物的圆筒状且磁束容易通过的目标构件1。但是，也能够省略目标构件1。在该情况下，相当于控制对象物的是转子轴113。然后，与该目标构件1隔开规定的间隙3配设上侧径方向电磁石104的电磁石5。该上侧径方向电磁石104以在X轴方向和Y轴方向上分别成对的方式由合计4个电磁石5构成。

线圈7卷绕于电磁石5。感应性元件9与该线圈7串联连接。从PWM开关放大器11向电磁石5和感应性元件9供给电流。此外，对该PWM开关放大器11输入由PID控制电路13进行PID调整的信号。通过电流检测电路15从PWM开关放大器11检测电流I_m，通过采样保持17基于规定的采样信号取得该定时处的电流值I_m。在此取得的电流值I_m由A/D变换器19变换为数字值，该数字值输入到PID控制电路13。

此外，差动输入放大器21连接到感应性元件9的两端子，感应性元件9的两端子间的电压V_s被检测，通过采样保持23基于规定的采样信号取得该定时处的电压值V_s。在此取得的电压值V_s由A/D变换器19变换为数字值，该数字值输入到PID控制电路13。A/D变换器19和PID控制电路13由DSP（Digital Signal Processor，数字信号处理器）构成。

接着，基于图3来说明本发明的实施方式的作用。在图3中示出了PWM的一个周期中的电磁石5的电压V_m、电磁石电流I_m、感应性元件9的电压V_s和采样信号的关系。

在电磁石5中流动的电流值I_m的时间微分即变化率（di/dt）根据目标构件1和电磁石5之间的间隙3的位移的大小而变化。在此，变化率（di/dt）能够通过检测在感应性元件9的两端产生的电压值V_s来求取。因此，只要检测电压值V_s，就能够通过运算估计间隙3的位移的大小。

即，在图3中，电流值I_m在电磁石5中流动，并且在感应性元件9中也流动相同的电流。因此，检测当电流由于PWM开关放大器11的ON/OFF而变化时在感应性元件9的两端产生的电压值V_s，由此，从该电压值V_s检测与电流值I_m的时间微分即变化率（di/dt）成比例的信号。然后，使用该信号来估计目标构件1和电磁石5之间的间隙3的位移，基于该位移来控制磁性轴承。

在从变化率（di/dt）得到的电感中还包括与位移没有关系的感应性元件9的电感（Ls），但是，通过相对于电磁石5的电感（Lm）设定微小的值，从而能够忽视影响。当使PWM开关放大器11的电源电压为E时，电流变化时的感应性元件电压大概为E×Ls/（Lm+Ls），在Ls/Lm＜1/100的情况下也能够检测到可充分进行信号处理的电压。例如，在电磁石5的电感（Lm）为20mH时，将感应性元件9的电感（Ls）设定为0.1mH左右。

相对于电磁石5串联连接感应性元件9，通过差动输入放大器21检测感应性元件9间的电压V_s。如图3所示，PWM开关放大器11的开关的一个周期期间由电磁石5的电流控制期间和用于检测变化率（di/dt）的位移检测期间构成。然后，位移检测期间进而由一定时间的电流增加期间和电流减少期间构成。优选的是，使电流增加期间和电流减少期间为相等的时间（占空比50%）。

像这样，在等时间的情况下，电流增加期间中的电流的增加值和电流减少期间中的电流的减少值相等，因此，能够使由于设置位移检测期间而对PWM电流控制造成的影响很少。此外，优选的是，在建立期间经过后的电压值V_s稳定的期间设定该位移检测期间。

通过采样保持23在电流增加期间或电流减少期间或这两个期间内取得电压值V_s。通过采样保持23取得的电压值V_s在由A/D变换器19数字信号化之后由DSP等信号处理电路变换为位移的估计值，并用于磁性轴承控制。通过PID控制电路13在此处估计的位移的值和未图示的位置的指令值之间取得偏差，根据该偏差的大小来决定电流指令值。然后，以使得由电流检测电路15提取的电流值I_m变为该电流指令值的方式调整PWM信号。

根据以上，不管电磁石5的控制电流的大小，都能够直接检测由于PWM的ON/OFF而产生的电流纹波的变化率（di/dt）。因此，能够检测为了以高精度且广范围估计位移而需要的S/N比很大的信号。

以下，对各实施例进行说明。

［实施例1］

在图4中示出实施例1的电路图。再有，对与图2相同的要素标注相同的符号并省略说明。

图4是PWM开关放大器11、差动输入放大器21、采样保持23的具体的电路结构例。在图4中，电源30是+20～60V的直流电源。二极管31的阴极连接到该电源30，FET33的漏极端子连接到二极管31的阳极。电阻Rs连接在FET33的源极端子和接地之间。此外，FET35的漏极端子连接到电源30。二极管37的阴极连接到FET35的源极端子，二极管37的阳极连接到接地。电磁石5的线圈7和感应性元件9串联连接在FET35的源极端子和FET33的漏极端子之间。

在此，在感应性元件9中使用电感器（Ls），使用电阻Rs来检测电流值I_m。再有，电阻Rd是用于使电磁石5的电感（Lm）的寄生电容与感应性元件9的电感的谐振进行衰减的阻尼电阻。

在这样的结构中，向FET33和FET35中的每一个的栅极端子输入位移检测期间和电流控制期间被设定的PWM信号。

此时，如图3所示，一个周期期间的电磁石5的电压V_m和感应性元件9的两端所产生的电压值V_s均在正电位和负电位较大地变动。

当使目标构件1和电磁石5之间的间隙3的间隙长为g=g0+Δg时，在电磁石5中流动的电流值I_m的时间微分即变化率（di/dt）与间隙长g成比例。预先通过实验等测定稳定时的间隙长g0时的变化率（di/dt），由此，能够估计从稳定时的间隙长g0的位移Δg。

在感应性元件9中流动的电流由于磁性轴承的控制而较大地变动，相对于此，电流值Im的时间微分即变化率（di/dt）能够作为在感应性元件9的两端产生的电压V_s而稳定地取得，因此，能够检测S/N比很大的信号。

［实施例2］

在图5中示出实施例2的电路图。再有，对与图4相同的要素标注相同的符号并省略说明。

在图5中，在感应性元件9中使用变压器Ts。再有，电阻Rd是用于使电磁石5的电感（Lm）的寄生电容与变压器Ts的电感（Ls）的谐振进行衰减的阻尼电阻。

在这样的结构中，通过使用变压器Ts，存在以下的优点。

即，能够忽视变压器Ts的一次侧电阻值和电流值I_m所造成的电压变动。然后，由PWM开关放大器11发生的共模电压变动的影响不会出现在变压器二次侧。因此，作为差动输入放大器21，不需要使用应对较大的共模电压变动的低速的差动放大器，而能够使用高速的差动放大器。此外，由于差动放大器输出的建立时间变短，所以能够缩短位移检测期间。由此，能够较长地取一个周期期间的电流控制期间，从而能够改善控制的响应性。

［实施例3］

在图6中示出实施例3的电路图。此外，在图7中示出一个周期期间的采样信号和电流值I_m、感应性元件9的两端所产生的电压值V_s的关系。再有，对与图4相同的要素标注相同的符号并省略说明。

感应性元件9的电感器具有少许电阻分量Rs，因此，在电流值I_m的低频分量较大的情况下，产生电压降RsIm，这成为偏移而重叠于在感应性元件9的两端产生的电压值V_s。即，在位移检测期间的前半中通过采样保持23的采样信号SH1检测到的电压值V_s是+di/dt+RsIm，在位移检测期间的后半中通过采样保持24的采样信号SH2检测到的电压值V_s是-di/dt+RsIm。

因此，通过减法器41从位移检测期间的前半的电流增加期间的采样值减去位移检测期间的后半的电流减少期间的采样值，由此，能够除去该偏移分量。因此，能够得到精度高的位移信号。

在此，考虑差动输入放大器21的建立时间，将采样的定时设定在电压变动被抑制的电压稳定的区域内。

［实施例4］

在图8中示出实施例4的电路图。此外，在图9中示出一个周期期间的采样信号和电流值I_m、感应性元件9的两端所产生的电压值V_s的关系。再有，对与图4相同的要素标注相同的符号并省略说明。

与实施例3的情况同样地，感应性元件9的电感器具有少许电阻分量Rs，因此，在电流值I_m的低频分量较大的情况下，产生电压降RsIm，这成为偏移而重叠于在感应性元件9的两端产生的电压值V_s。即，在位移检测期间的前半中通过采样保持23的采样信号SH1检测到的电压值V_s是+di/dt+RsIm，在位移检测期间的后半中通过采样保持24的采样信号SH2检测到的电压值V_s是-di/dt+RsIm。

因此，通过减法器41从位移检测期间的前半的电流增加期间的采样值减去位移检测期间的后半的电流减少期间的采样值，由此，能够除去该偏移分量。另一方面，通过加法器43将电流增加期间的采样值和电流减少期间的采样值相加，由此，得到与电流值I_m成比例的信号。因此，能够得到精度高的位移信号，并且通过追加加法器43，从而能够省略电流检测专用的电路（图2、图4的电流检测电路15、图4的电阻Rs）。

［实施例5］

在图10中示出实施例5的电路图。再有，对与图2相同的要素标注相同的符号并省略说明。上侧径方向电磁石104以在X轴方向和Y轴方向上分别成对的方式由合计4个电磁石5构成。在此，例如，如图10所示，电磁石5A和电磁石5B相向地配置在X轴方向上。此时，目标构件1和电磁石5A之间的一个间隙3A由g0+Δg表示，相对于此，目标构件1和电磁石5B之间的另一个间隙3B由g0-Δg表示。

作为感应性元件9，由3个绕组53、55、57相对于同一芯铁心51卷绕的变压器构成。一次侧的绕组53与电磁石5B的线圈7B串联连接，通过PWM开关放大器11A供给电流。此外，一次侧的绕组55与电磁石5A的线圈7A串联连接，通过PWM开关放大器11B供给电流。

变压器的一次侧的绕组53和绕组55以图那样的极性布线，由此，使每一个所发生的磁束彼此相消。

然后，针对电磁石5A和电磁石5B在相同的定时施加电流增加、电流减少用的电压。

因此，由于在变压器一次侧的绕组53和绕组55中流动的电流所产生的磁束的差而在二次侧的绕组57感应出电压。即，在变压器二次侧的绕组57中感应出与在电磁石5A和电磁石5B中流动的电流的电流变化率的差成比例的电压。因此，通过采样保持23的采样信号SH1检测到的电压值V_s为与位移Δg成比例的值。由此，不需要从在仅测定单侧的电磁石的情况下得到的g0+Δg中估计Δg。

再有，在上述的各实施例中，为了简单化，线性地记载在感应性元件9中流动的电流值I_m。然而，如图11所示，由于在电磁石5的磁性材料中产生的涡电流或滞后的影响，实际的电流值I_m并不会以一定的变化率（di/dt）增减。di/dt依照通过开关对放大器输出电压进行切换的时点起的经过时间而变化，逐渐靠近一定值。优选的是，采样信号SH在到达该一定值的时点处生成。然后，通过总是使位移检测期间中的开关到采样为止的时间为一定，从而能够避免涡电流、滞后等的影响。

位移检测期间与电磁石电流的电流控制期间分离，位移检测期间中的电流增加期间和电流减少期间的时间相等，因此，位移检测期间内的电流变动为0，不会对电磁石电流的平均值产生影响。当位移检测期间较长时，在PWM控制的一个周期内可增减的电磁石电流的平均值减少，电磁石电流的控制响应性降低。因此，至少位移检测期间的长度需要为电流控制期间的长度以下，优选为1/4以下。

此外，前述的PWM开关放大器11只能在一个方向上流动电流。在位移检测期间内的电磁石电流的平均值为0附近的情况下，为了避免在电流减少期间内电流值变为0，优选的是，在位移检测期间中将电流增加期间设置在电流减少期间之前。

进而，在使旋转体103非接触悬浮的情况下，使用上侧径方向电磁石104、下侧径方向电磁石105、轴方向电磁石106A、106B的多个电磁石。当在任意的定时对各电磁石进行位移检测时，由于PWM开关放大器11的开关而产生的噪声对其他电磁石5的采样值造成影响。为了避免此，同步地进行全部的电磁石5的位移检测和采样保持的工作。

再有，关于本发明，只要不脱离本发明的精神，就能够做出各种改变，而且，本发明当然涉及该改变的发明。

附图标记的说明

1目标构件

3，3A，3B间隙

5，5A，5B电磁石

7，7A，7B线圈

9感应性元件

10涡轮分子泵

11，11A，11B PWM开关放大器

13 PID控制电路

15电流检测电路

17，23，24采样保持

19 A/D变换器

21差动输入放大器

30电源

31，37二极管

41减法器

43加法器

53，55变压器的一次绕组

57变压器的二次绕组

100泵主体

103旋转体

104上侧径方向电磁石

105下侧径方向电磁石

106A轴方向电磁石

106B轴方向电磁石

113转子轴

Rd电阻

Rs电阻

Ts变压器。

Claims

1.一种磁性轴承控制装置，其特征在于，具备：

电磁石，将控制对象物悬浮支承于空中；

感应性元件，相对于该电磁石的线圈串联连接；

开关放大器，对所述电磁石供给电流；

电压提取单元，在规定的定时提取施加到所述感应性元件的电压；

采样保持单元，生成所述定时并且保持在所述定时提取的电压；

电流变化率取得单元，基于由该采样保持单元保持的电压来取得与在所述电磁石的所述线圈中流动的电流的时间微分成比例的信号；以及

位移估计单元，基于由该电流变化率取得单元取得的信号来估计所述控制对象物与所述电磁石之间的位移，

在所述电磁石中流动的电流基于由所述位移估计单元估计的位移来控制。

2.根据权利要求1所述的磁性轴承控制装置，其特征在于，在所述感应性元件中应用电感器，通过所述电压提取单元提取在所述电感器中产生的电压。

3.根据权利要求1所述的磁性轴承控制装置，其特征在于，在所述感应性元件中应用变压器，通过所述电压提取单元提取所述变压器的二次侧的电压。

4.根据权利要求1所述的磁性轴承控制装置，其特征在于，

所述电磁石被构成为夹持所述控制对象物而相向，

在所述感应性元件中应用具备与每一个电磁石串联连接的一次绕组、和具有与该一次绕组相同的铁心的二次绕组的变压器，

每一个所述一次绕组以使得在每一个所述一次绕组中产生的磁束为相抵的方向的方式卷绕，

通过所述电压提取单元提取在所述变压器的所述二次绕组中产生的电压。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的磁性轴承控制装置，其特征在于，

在所述开关放大器的控制循环中设定用于提取施加到所述感应性元件的电压的位移检测期间，

通过所述电压提取单元在所述位移检测期间内在规定的定时提取施加到所述感应性元件的电压至少一次。

6.根据权利要求5所述的磁性轴承控制装置，其特征在于，在所述位移检测期间中形成电流增加的电流增加期间和电流减少的电流减少期间。

7.根据权利要求6所述的磁性轴承控制装置，其特征在于，

通过所述电压提取单元在所述电流增加期间和所述电流减少期间内分别在规定的定时提取施加到所述感应性元件的电压，

具备将所提取的2个电压相减的减法单元，

通过所述位移估计单元基于由所述减法单元相减的电压来估计所述控制对象物与所述电磁石之间的位移。

8.根据权利要求7所述的磁性轴承控制装置，其特征在于，

具备将所述提取的2个电压相加的加法单元，

基于由该加法单元相加的电压来估计在所述电磁石中流动的电流。

9.根据权利要求6～8中任一项所述的磁性轴承控制装置，其特征在于，所述位移检测期间的所述电流增加期间和所述电流减少期间以占空比50%形成。

10.根据权利要求6～8中任一项所述的磁性轴承控制装置，其特征在于，在所述位移检测期间内，所述电流增加期间被设定在所述电流减少期间之前。

11.一种真空泵，装载有磁性轴承控制装置，所述磁性轴承控制装置具备：

电磁石，将控制对象物悬浮支承于空中；

感应性元件，相对于该电磁石的线圈串联连接；

开关放大器，对所述电磁石供给电流；

在所述电磁石中流动的电流基于由所述位移估计单元估计的位移来控制，

所述真空泵的特征在于，

所述控制对象物是转子轴，

具备将该转子轴悬浮支承于径方向和/或轴方向的多个所述电磁石。

12.根据权利要求11所述的真空泵，其特征在于，

具备相对于所述各电磁石的所述线圈分别串联连接的所述感应性元件，

通过所述采样保持单元基于在全部的电磁石的所述开关放大器的控制循环中取得同步的信号来取得施加到所述感应性元件的电压。

13.根据权利要求12所述的真空泵，其特征在于，具备：

电流提取单元，提取通过所述开关放大器在所述电磁石的所述线圈中流动的电流；以及

电流采样保持单元，在规定的定时保持在该电流提取单元中流动的电流，

该电流采样保持单元中的所述规定的定时是在所述控制循环中取得同步的信号。