JP2002147454A - 磁気軸受装置を備える回転機械 - Google Patents

磁気軸受装置を備える回転機械

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JP2002147454A
JP2002147454A JP2000347708A JP2000347708A JP2002147454A JP 2002147454 A JP2002147454 A JP 2002147454A JP 2000347708 A JP2000347708 A JP 2000347708A JP 2000347708 A JP2000347708 A JP 2000347708A JP 2002147454 A JP2002147454 A JP 2002147454A
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Japan
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signal
circuit
vibration
magnetic bearing
correction command
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JP2000347708A
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Inventor
Toshiaki Kawashima
敏明 川島
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Seiko Instruments Inc
Original Assignee
Seiko Instruments Inc
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C2360/00—Engines or pumps
    • F16C2360/44—Centrifugal pumps
    • F16C2360/45—Turbo-molecular pumps

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  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)
  • Non-Positive Displacement Air Blowers (AREA)
  • Vibration Prevention Devices (AREA)
  • Magnetic Bearings And Hydrostatic Bearings (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 能動型磁気軸受装置を備える回転機械におい
て、磁気軸受から或る程度離れた場所の振動を低減する
こと。 【解決手段】 能動型磁気軸受装置を備える回転機械に
おいて、利用装置と前記回転機械との接続部に振動セン
サ２７を設置し、この振動センサ２７からの振動信号に
基づいて位置補正指令発生回路２８により位置補正指令
信号を発生させ、この位置補正指令信号を前記能動型磁
気軸受装置の磁気軸受制御回路１０の位相補償回路の入
力側に加えて振動フィードバック制御を行い、前記振動
を打消すように構成した。又は、振動センサ２７からの
振動信号に基づいて力補正指令発生回路２８により力補
正指令信号を発生させ、この力補正指令信号を前記能動
型磁気軸受装置の磁気軸受制御回路１０の位相補償回路
の出力側に加えて振動フィードバック制御を行い、前記
振動を打消すように構成した。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、能動型磁気軸受装
置を備えた真空ポンプ等の回転機械に関し、特に、前記
回転機械の振動レベルを低減する能動型磁気軸受装置の
制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】能動型磁気軸受装置を備える回転機械で
ある磁気軸受式ターボ分子ポンプは、ころがり軸受を備
えたターボ分子ポンプに比べて振動レベルが極めて低い
という特徴を有する。この特徴及びその他の特徴から、
磁気軸受式ターボ分子ポンプは半導体製造装置や電子顕
微鏡に広く採用されている。ところで、近年、半導体製
造装置や電子顕微鏡の性能或いは精度の維持向上に対す
る市場の要求が厳しくなり、これに伴って磁気軸受式タ
ーボ分子ポンプの振動レベルの更なる低減が求められて
きた。即ち、能動型磁気軸受装置を備える回転機械にお
いて、当該回転機械の振動レベルを更に低減するような
能動型磁気軸受装置の制御方法が求められてきた。
【０００３】特開昭６０−２２０２１９号公報には、回
転機械の振動レベルを更に低減するような能動型磁気軸
受装置の制御方法が開示されている。この従来の能動型
磁気軸受装置の制御方法は、少なくとも２個の振動検出
器とそれに付加した狭帯域で高ゲインの選択フィードバ
ックループを用いるものである。ところが、前記振動検
出器は磁気軸受のステータを構成する電磁石の直近に配
置されているため、磁気軸受のステータから或る程度離
れた場所の振動を低減することはできないという問題を
有している。例えば、電子顕微鏡に磁気軸受式ターボ分
子ポンプを利用する場合、その磁気軸受のステータから
離れたポンプのフランジ部の振動を低減することという
要求に、従来の能動型磁気軸受装置の制御方法は応える
ことができないという問題があった。
【０００４】要するに、能動型磁気軸受装置を備える回
転機械と利用装置との接続部には磁気軸受のステータか
ら伝えられた好ましくない振動が存在しているが、従来
の能動型磁気軸受装置の制御方法ではこの振動を抑制す
ることができないという問題があった。なお、この明細
書で利用装置とは、回転機械が利用される電子顕微鏡な
どの装置をいう。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明が解決しようと
する課題は、能動型磁気軸受装置を備える回転機械にお
いて、磁気軸受から或る程度離れた場所、特に利用装置
と前記回転機械との接続部の振動を低減することであ
る。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決する請求
項１の発明を、少なくとも一対の電磁石を備えたステー
タ、前記電磁石の磁気吸引力の平衡によって空中に保持
されるロータ、前記ロータの位置を検出する位置センサ
とからなる磁気軸受と、前記位置センサからの位置信号
に基づいてロータを定位置に戻すように前記電磁石の励
磁電流を制御する磁気軸受制御回路とから構成された磁
気軸受装置を備える回転機械において、利用装置と前記
回転機械との接続部に振動センサを設置し、前記振動セ
ンサからの振動信号に基づいて位置補正指令信号を発生
させ、これを前記磁気軸受制御回路の位相補償回路の入
力側に加えて振動フィードバック回路を形成し、前記振
動を打消すように構成した。そして、前記振動センサは
前記回転機械のフランジ部、又は利用装置のフランジ部
に設置した。
【０００７】また、前記位置補正指令信号は請求項３に
記載する位置補正指令信号発生回路によって発生させら
れるものであって、前記位置補正指令信号発生回路は、
振動／変位変換回路、変位信号から位置信号を演算する
演算回路、パラメータ記憶部、及び前記演算回路が出力
する制御軸毎の位置信号のゲインを調整する制御軸数の
ゲイン調整回路を少なくとも含んで構成されたものであ
って、且つ前記パラメータ記憶部には前記振動／変位変
換回路に与える振動／変位変換用パラメータと前記演算
回路に与える信号演算用パラメータが記憶されている。
【０００８】上記課題を解決する請求項２の発明を、少
なくとも一対の電磁石を備えたステータ、前記電磁石の
磁気吸引力の平衡によって空中に保持されるロータ、前
記ロータの位置を検出する位置センサとからなる磁気軸
受と、前記位置センサからの位置信号に基づいてロータ
を定位置に戻すように前記電磁石の励磁電流を制御する
磁気軸受制御回路とから構成された磁気軸受装置を備え
る回転機械において、利用装置と前記回転機械との接続
部に振動センサを設置し、前記振動センサからの振動信
号に基づいて力補正指令信号を発生させ、これを前記磁
気軸受制御回路の位相補償回路の出力側に加えて振動フ
ィードバック回路を形成し、前記振動を打消すように構
成した。そして、前記振動センサは前記回転機械のフラ
ンジ部、又は利用装置のフランジ部に設置した。
【０００９】また、前記位置補正指令信号は請求項４に
記載する力補正指令信号発生回路によって発生させられ
るものであって、前記力補正指令信号発生回路は、振動
信号から力信号を演算する演算回路、前記演算回路の信
号演算のパラメータが記憶されたパラメータ記憶回路、
前記演算回路が出力する位置信号のゲインを調整するゲ
イン調整回路、及び前記パラメータを決定し前記パラメ
ータ記憶回路に記憶させるパラメータ決定手段とからな
る力補正指令信号発生部を制御軸毎に設けて構成された
ものであって、これら力補正指令信号発生部を制御する
シーケンス回路が付加されている。更に、前記パラメー
タ決定手段は、請求項５に記載する通り、前記力補正指
令信号発生部に振動を加える信号加振器と、前記力補正
指令信号発生部の入力信号と出力信号とに基づいて前記
パラメータを演算する伝達関数演算回路とから構成され
ている。
【００１０】
【発明の実施の形態】図１は、本発明の一実施形態の磁
気軸受装置を備える回転機械の制御部のブロック図であ
る。即ち、図１において１０は磁気軸受制御回路、２１
はスラスト変位センサ、２２は第１ラジアル変位セン
サ、２３は第２ラジアル変位センサ、２４はスラスト変
位センサ２１の検出信号に基づいて垂直位置信号Ｚを発
生する垂直位置信号発生回路、２５は第１ラジアル変位
センサ２２の検出信号に基づいてＸ軸成分信号ＸｈとＹ
軸成分信号Ｙｈを発生する第１位置信号発生回路、２６
は第２ラジアル変位センサ２３の検出信号に基づいてＸ
軸成分信号ＸｂとＹ軸成分信号Ｙｂを発生する第２位置
信号発生回路である。
【００１１】また、２７は振動センサであり、２８は振
動センサ２７が検出した振動信号に基づいて位置補正指
令信号又は力補正指令信号を発生し、これを磁気軸受制
御回路１０に印加する補正指令発生回路である。
【００１２】更に、３１はスラスト軸受用電磁石、３２
Ｘは第１ラジアル軸受のＸ軸用電磁石、３２Ｙは第１ラ
ジアル軸受のＹ軸用電磁石、３３Ｘは第２ラジアル軸受
のＸ軸用電磁石、３３Ｙは第２ラジアル軸受のＹ軸用電
磁石である。
【００１３】図２は、１つの振動信号に基づいて発生さ
せられた補正指令信号が２つの位置補正指令信号である
場合の制御部の一実施形態であり、図１の磁気軸受制御
回路１０の構成をより詳細に示したブロック回路図であ
る。図２に示す如く、５軸制御用の磁気軸受制御回路１
０は、位相補償回路群１１、極性変換器群１２、パワー
アンプ群１３、及び信号変換回路群１４とから構成され
ている。
【００１４】磁気軸受制御回路１０に入力される信号
は、スラスト変位センサ２１の検出信号に基づいて発生
させられた垂直位置信号Ｚ、第１ラジアル変位センサ２
２の検出信号に基づいて発生させられた第１位置信号の
Ｘ軸成分信号ＸｈとＹ軸成分信号Ｙｈ、第２ラジアル変
位センサ２３の検出信号に基づいて発生させられた第２
位置信号のＸ軸成分信号ＸｂとＹ軸成分信号Ｙｂであ
る。更に、磁気軸受制御回路１０には、振動センサ２７
の検出信号に基づいて発生させられた位置補正指令信号
Ｘ10とＸ20が入力されている。
【００１５】磁気軸受制御回路１０の出力信号は、スラ
スト軸受用電磁石３１の駆動信号Ｚ ＋とＺ−、第１ラジ
アル軸受のＸ軸用電磁石の３２Ｘの駆動信号Ｘｈ＋とＸ
ｈ−、第２ラジアル軸受のＸ軸用電磁石の３３Ｘの駆動
信号Ｘｂ＋とＸｂ−、第１ラジアル軸受のＹ軸用電磁石
の３２Ｙの駆動信号Ｙｈ＋とＹｈ−、第２ラジアル軸受
のＹ軸用電磁石の３３Ｙの駆動信号Ｙｂ＋とＹｂ−であ
る。
【００１６】信号変換回路１４ａは、Ｘ軸成分の位置信
号を並行成分信号と傾斜成分信号に変換する回路であ
る。信号変換回路１４ｂは、Ｙ軸成分の位置信号を並行
成分信号と傾斜成分信号に変換する回路である。信号変
換回路１４ｃは、並行成分信号と傾斜成分信号を合成し
てＸ軸成分の位置信号に変換する回路である。更に、信
号変換回路１４ｄは、並行成分信号と傾斜成分信号を合
成してＹ軸成分の位置信号に変換する回路である。
【００１７】位相補償回路１１ａは、位置信号Ｚに位相
補償を施す回路である。位相補償回路１１ｂは、信号補
償回路１４ａからの出力信号の並行成分信号に位相補償
を施し、その出力信号を信号変換回路１４ｃに印加する
回路である。位相補償回路１１ｃは、信号変換回路１４
ａからの出力信号の傾斜成分信号に位相補償を施し、そ
の出力信号を信号加算点１５ｆに印加する回路である。
位相補償回路１１ｄは、信号変換回路１４ａからの出力
信号の傾斜成分信号に位相補償を施し、その出力信号を
信号加算点１５ｇに印加する回路である。位相補償回路
１１ｅは、信号変換回路１４ｂからの出力信号の並行成
分信号に位相補償を施し、その出力信号を信号加算点１
５ｆに印加する回路である。位相補償回路１１ｆは、信
号変換回路１４ｂからの出力信号の傾斜成分信号に位相
補償を施し、その出力信号を信号加算点１５ｇに印加す
る回路である。更に、位相補償回路１１ｇは、信号変換
回路１４ｂからの出力信号の並行成分信号に位相補償を
施し、その出力信号を信号変換回路１４ｄに印加する回
路である。
【００１８】極性変換器１２ａはスラスト軸受のＺ軸用
電磁石駆動信号の極性変換器、極性変換器１２ｂは第１
ラジアル軸受のＸ軸用電磁石駆動信号の極性変換器、極
性変換器１２ｃは第２ラジアル軸受のＸ軸用電磁石駆動
信号の極性変換器、極性変換器１２ｄは第１ラジアル軸
受のＹ軸用電磁石駆動用信号の極性変換器、更に、極性
変換器１２ｅは第２ラジアル軸受のＹ軸用電磁石駆動用
信号の極性変換器である。
【００１９】パワーアンプ１３ａはスラスト軸受のＺ軸
用電磁石駆動信号Ｚ＋を出力する電力増幅器、パワーア
ンプ１３ｂはスラスト軸受のＺ軸用電磁石駆動信号Ｚ−
を出力する電力増幅器である。パワーアンプ１３ｃは第
１ラジアル軸受のＸ軸用電磁石駆動信号Ｘｈ＋を出力す
る電力増幅器、パワーアンプ１３ｄは第１ラジアル軸受
のＸ軸用電磁石駆動信号Ｘｈ−を出力する電力増幅器で
ある。パワーアンプ１３ｅは第２ラジアル軸受のＸ軸用
電磁石駆動信号Ｘｂ＋を出力する電力増幅器、パワーア
ンプ１３ｆは第２ラジアル軸受のＸ軸用電磁石駆動信号
Ｘｂ−を出力する電力増幅器である。パワーアンプ１３
ｇは第１ラジアル軸受のＹ軸用電磁石駆動信号Ｙｈ＋を
出力する電力増幅器、パワーアンプ１３ｈは第１ラジア
ル軸受のＹ軸用電磁石駆動信号Ｙｈ−を出力する電力増
幅器である。更に、パワーアンプ１３ｉは第２ラジアル
軸受のＹ軸用電磁石駆動信号Ｙｂ＋を出力する電力増幅
器、パワーアンプ１３ｊは第２ラジアル軸受のＹ軸用電
磁石駆動信号Ｙｂ−を出力する電力増幅器である。
【００２０】図３は、２つの振動信号に基づいて発生さ
せられた補正指令信号が５つの位置補正指令信号である
場合の制御部の一実施形態であり、図１の磁気軸受制御
回路１０の構成をより詳細に示したブロック回路図であ
る。図３に示す如く、５軸制御用の磁気軸受制御回路１
０は、位相補償回路群１１、極性変換器群１２、パワー
アンプ群１３、及び信号変換回路群１４とから構成され
ている。
【００２１】図２と図３を比較すれば明らかな如く、両
者は基本的には同じである。違いは、位置信号補正指令
信号の磁気軸受制御回路１０への印加の仕方にある。図
２においては、２つの位置信号補正指令信号Ｘ10、Ｘ20
が磁気軸受制御回路１０の位相補償回路群１１の入力側
にある信号加算点１５ｂと１５ｃに夫々印加されてい
る。これに対して、図３においては、５つの位置信号補
正指令信号Ｚ10、Ｘ10、Ｘ20、Ｙ10、Ｙ20が磁気軸受制
御回路１０の位相補償回路群１１の入力側にある信号加
算点１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ、１５ｅに夫々印
加されている。
【００２２】図４は、２つの振動信号に基づいて発生さ
せられた補正指令信号が５つの力補正指令信号である場
合の制御部の一実施形態であり、図１の磁気軸受制御回
路１０の構成をより詳細に示したブロック回路図であ
る。図４に示す如く、５軸制御用の磁気軸受制御回路１
０は、位相補償回路群１１、極性変換器群１２、パワー
アンプ群１３、及び信号変換回路群１４とから構成され
ている。
【００２３】図３と図４を比較すれば明らかな如く、両
者は基本的には同じであるが、磁気軸受制御回路１０へ
補正指令信号を印加する方法が異なる。図３において
は、５つの位置信号補正指令信号Ｚ10、Ｘ10、Ｘ20、Ｙ
10、Ｙ20が磁気軸受制御回路１０の位相補償回路群１１
の入力側にある信号加算点１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１
５ｄ、１５ｅに夫々印加されている。これに対して、図
４においては、５つの力補正指令信号Ｚ20、Ｘ30、
Ｘ40、Ｙ30、Ｙ40が磁気軸受制御回路１０の位相補償回
路群１１の出力側にある信号加算点１５ｈ、１５ｉ、１
５ｊ、１５ｋ、１５ｌに夫々印加されている。
【００２４】図５は、２つの振動信号ＶaとＶbに基づい
て５つの位置補正指令信号Ｚ10、Ｘ 10、Ｘ20、Ｙ10、Ｙ
20を発生する補正指令発生回路２８の一実施例のブロッ
ク回路図である。図５において、５１は振動信号Ｖaと
Ｖbを変位信号に変換する振動／変位変換回路、５２は
振動／変位変換回路５１の出力信号に所定の演算を施し
位置補正指令信号Ｚ10、Ｘ10、Ｙ10、Ｘ20、Ｙ20を出力
する演算回路、５３はゲイン調整回路群である。更に、
５４は振動／変位変換回路５１の振動／変位変換の演算
に用いられるパラメータと、演算回路５２の演算に用い
られるパラメータが記憶されたパラメータ記憶回路であ
る。
【００２５】ゲイン調整回路群５３において、５３ａは
スラスト軸受のＺ軸用電磁石を含むフィードバック回路
に加えられる位置補正指令信号Ｚ10の増幅度を調整し、
フィードバックの強さを設定するゲイン調整回路、５３
ｂは第１ラジアル軸受のＸ軸用電磁石を含むフィードバ
ック回路に加えられる位置補正指令信号Ｘ10の増幅度を
調整し、フィードバックの強さを設定するゲイン調整回
路、５３ｃは第１ラジアル軸受のＹ軸用電磁石を含むフ
ィードバック回路に加えられる位置補正指令信号Ｙ10の
増幅度を調整し、フィードバックの強さを設定するゲイ
ン調整回路、５３ｄは第２ラジアル軸受のＸ軸用電磁石
を含むフィードバック回路に加えられる位置補正指令信
号Ｘ20の増幅度を調整し、フィードバックの強さを設定
するゲイン調整回路、更に、５３ｅは第２ラジアル軸受
のＹ軸用電磁石を含むフィードバック回路に加えられる
位置補正指令信号Ｙ20の増幅度を調整し、フィードバッ
クの強さを設定するゲイン調整回路である。
【００２６】図６は、２つの振動信号ＶaとＶbに基づい
て５つの力補正指令信号Ｚ20、Ｘ30、Ｙ30、Ｘ40、Ｙ40
を発生する補正指令発生回路２８の一実施例のブロック
回路図である。図６の補正指令発生回路は、Ｚ軸用力補
正指令信号Ｚ20を出力する力補正指令発生部６０ａ、Ｘ
ｈ軸用力補正指令信号Ｘ30を出力する力補正指令発生部
６０ｂ、Ｙｈ軸用力補正指令信号Ｙ30を出力する力補正
指令発生部６０ｃ、Ｘ b軸用力補正指令信号Ｘ40を出力
する力補正指令発生部６０ｄ、Ｙb軸用力補正指令信号
Ｙ４0を出力する力補正指令発生部６０ｅ、及びこれら
を駆動する共通のシーケンス回路６７とから構成されて
いる。
【００２７】Ｚ軸用力補正指令信号Ｚ20を出力する力補
正指令発生部６０ａは、２つの振動信号ＶaとＶbに基づ
いて力補正指令信号Ｚ20を演算により求める演算回路６
１ａと、力補正指令信号Ｚ20の増幅度を調整し、フィー
ドバックの強さを設定するゲイン調整回路６２ａ、演算
回路６１ａに演算用パラメータを与えるパラメータ記憶
回路６３ａ、前記パラメータを演算により決定する伝達
関数演算回路６４ａ、及びゲイン調整回路６２ａの出力
側にある信号加算点６６ａにパラメータ決定のための振
動信号を与える振動加振器６５ａとから構成されてい
る。Ｘｈ軸用力補正指令信号Ｘ30を出力する力補正指令
発生部６０ｂ、Ｙｈ軸用力補正指令信号Ｙ 30を出力する
力補正指令発生部６０ｃ、Ｘb軸用力補正指令信号Ｘ40
を出力する力補正指令発生部６０ｄ、Ｙb軸用力補正指
令信号Ｙ４0を出力する力補正指令発生部６０ｅも、Ｚ
軸用力補正指令信号Ｚ20を出力する力補正指令発生部６
０ａと同様に演算回路とゲイン調整回路を含んで構成さ
れている。
【００２８】本発明を磁気軸受式ターボ分子ポンプに適
用した場合に、補正指令発生回路２８がどのようにして
補正指令信号を発生するかについて、位置補正指令信号
と力補正指令信号に分けて、以下に詳細に説明する。
【００２９】図１３に示す磁気軸受式ターボ分子ポンプ
において、３０は磁気軸受、３１はスラスト軸受用電磁
石、３２は第１ラジアル磁気軸受用電磁石、３３は第２
ラジアル磁気軸受用電磁石、３５は直流モータのステー
タコイル、３６はロータである。スラスト軸受用電磁石
３１、第１ラジアル磁気軸受用電磁石３２及び第２ラジ
アル磁気軸受用電磁石３３は磁気軸受３０のステータを
構成する。また、３７はタ−ボ分子ポンプのフランジ
で、３８は利用装置、例えば電子顕微鏡のフランジで、
これらは回転機械と利用装置との接続部を形成してい
る。更に、２１はスラスト変位センサ、２２は第１ラジ
アル変位センサ、２３は第２ラジアル変位センサであ
る。更にまた、２７ａは、タ−ボ分子ポンプのフランジ
３７に取付けられた第１振動センサ、２７ｂは電子顕微
鏡のフランジ３８に取付けられた第２振動センサであ
る。このように、ポンプのフランジ部３７又は利用装置
のフランジ部３８の径方向の振動を低減させたい箇所
に、加速度を検出し加速度信号を出力する振動センサ２
７ａと２７ｂが配置されている。
【００３０】図１３に示す如く設置されたセンサの位置
関係を示せば、図１１及び図１２の通りである。即ち、
第１ラジアル変位センサ２２と第２ラジアル変位センサ
２３の間の距離はＬ1であり、第２ラジアル変位センサ
２３と第１振動センサ２７ａとの間の距離はＬaであ
り、更に第２ラジアル変位センサ２３と第２振動センサ
２７ｂとの間の距離はＬbである。
【００３１】このような配置関係において、図５の位置
補正指令信号を発生する補正指令発生回路２８の動作は
以下の通りである。
【００３２】振動／変位変換回路５１は、加速度センサ
２７の出力信号である加速度信号を２回積分して変位信
号Ｘａにする。図１１に示す如く第１ラジアル変位セン
サ２２と第２ラジアル変位センサ２３の間の距離が
Ｌ1、第２ラジアル変位センサ２３と第１振動センサ２
７ａとの間がＬaである。パラメータ記憶回路５４に
は、これらの距離Ｌ1とＬaが予め演算用パラメータとし
て記憶されている。また図１１において、Ｘ10は第１ラ
ジアル変位センサ２２の位置に換算した振動補正信号成
分即ち第１位置補正指令信号、Ｘ20は第２ラジアル変位
センサ２３の位置に換算した振動補正信号成分即ち第２
位置補正指令信号、Ｘaは振動センサ２７の変位信号で
ある。
【００３３】振動センサが１個の場合は、数式１の関係
が成り立つようにＸ10とＸ20を計算する。
【数１】
【００３４】従って、Ｘ20を用いないでＸ10のみを用い
る場合は、演算回路５１は数式２に従って第１ラジアル
変位センサ２２の位置に換算した振動補正信号成分即ち
第１位置補正指令信号Ｘ10を算出する。
【数２】
【００３５】またＸ10を用いないでＸ20のみを用いる場
合は、演算回路５１は数式３に従って第２ラジアル変位
センサ２３の位置に換算した振動補正信号成分即ち第２
位置補正指令信号Ｘ20を算出する。
【数３】
【００３６】また、図１２に示す如く２個の振動センサ
２７ａと２７ｂが用いられた場合、第１ラジアル変位セ
ンサ２２と第２ラジアル変位センサ２３との間の距離Ｌ
1、第２ラジアル変位センサ２３と振動センサ２７との
間の距離Ｌa、第２ラジアル変位センサ２３と振動セン
サ２７との間の距離Ｌｂは、パラメータ記憶回路５４に
予め演算用パラメータとして記憶されている。また、図
１２において、Ｘ10は第１ラジアル変位センサ２２の位
置に換算した振動補正信号成分即ち第１位置補正指令信
号、Ｘ20は第２ラジアル変位センサ２３の位置に換算し
た振動補正信号成分即ち第２位置補正指令信号、Ｘaは
振動センサ２７ａの変位信号、Ｘｂは振動センサ２７ｂ
の変位信号である。
【００３７】この場合、図８でＸ20、Ｘ10、Ｘa、Ｘbが
一直線上に並ぶように、Ｘ20とＸ10を求めればよい。
【００３８】そこで、演算回路５２は数式４に従って第
１ラジアル変位センサ２２の位置に換算した振動補正信
号成分、即ち第１位置補正指令信号Ｘ10を算出する。
【数４】
【００３９】また、演算回路５２は数式５に従って第２
ラジアル変位センサ２３の位置に換算した振動補正信号
成分、即ち第２位置補正指令信号Ｘ20を算出する。
【数５】
【００４０】図５の位置補正指令発生回路２８の演算回
路５２は、Ｘ軸用の位置補正指令信号Ｘ１0とＸ20と同
様に、Ｙ軸用の位置補正指令信号Ｙ１0とＹ20、並びに
Ｚ軸用の位置補正指令信号Ｚ１0を算出する。
【００４１】また、図１０に示す如く、第１振動センサ
２７ａの振動検出方向が磁気軸受のＸ軸方向とＹ軸方向
のいずれとも一致しない場合、第１ラジアル変位センサ
２２のＸ1Ｙ1平面上でＸ軸方向と振動検出方向とのなす
角度をθとし、振動センサ２７ａの振動信号をＶaとす
ると、Ｘ軸方向成分ＶaxとＹ軸方向成分Ｖayは以下の数
式６と数式７で夫々求められる。
【００４２】
【数６】
【００４３】
【数７】 従って、図５のパラメータ記憶回路５４には、Ｘ軸方向
と振動検出方向とのなす角度θが記憶される。
【００４４】次に、図６の力補正指令信号を発生する補
正指令発生回路２８の動作について以下に説明する。図
６において、力補正指令信号はＺ20、Ｘ30、Ｙ30、
Ｘ40、Ｙ 40として５つの軸毎に示してあるが、説明を複
雑にしないために、以下の説明は入力と出力を一般化し
て数式を表示してある。また、力補正指令発生部のいず
れかを特定した説明ではないので、構成回路の符号は添
え字を省いてある。
【００４５】図６において、シーケンス回路６７によっ
て、磁気軸受起動時に各回路に信号を送り以下のように
動作させる。信号加振器６５から伝達関数を測定したい
周波数の加振信号を発生させる。加振信号は、力補正指
令信号に加算され、磁気軸受を振動させる。この時、力
補正指令信号Ｆ(s)と振動信号Ｘ(s)との間の伝達関数Ｇ
(s)、即ち数式８で表される伝達関数Ｇ(s)を伝達関数演
算回路６４で求める。
【数８】
【００４６】この伝達関数Ｇ(s)の高次の項、例えば３
次以上を切り捨てると、数式９で表される。数式９の演
算が終了した時点で信号加振器を停止させる。
【数９】
【００４７】この時、デジタル信号処理技術を用い、連
続時間系の伝達関数Ｇ(s)を離散時間系の伝達関数Ｇ(z)
に変換しておくと、数式１０の伝達関数Ｇ(z)が求ま
る。
【数１０】
【００４８】パラメータ記憶回路６３には、数式１０の
係数Ｃ2、Ｃ1、Ｃ0、Ｄ2、Ｄ1、Ｄ0が記憶される。従っ
て、演算回路６１はこれらのパラメータを用いて、デジ
タルフィルタ演算を実行し、力補正指令信号ＦCを算出
する。
【００４９】また図示しないが、図６の信号振動器と伝
達関数演算回路を用いないで、力補正指令信号を生成す
る補正指令発生回路２８を構成することもできる。これ
は、構造体のパラメータを予め実測又は計算で求めてお
くことにより、図６の信号加振器と伝達関数演算回路を
不要としたものである。以下、この力補正指令発生回路
２８の動作を一般的に説明する。
【００５０】振動センサ２７の設置部位での変位をＸと
し、外力Ｆと変位Ｘとの関係を一般的な二次式で近似し
たものは数式１１の通りである。即ち、外力Ｆは、振動
センサ２７の設置部位における振動信号の加速度のＭ倍
と振動信号の速度のＤ倍と変位のＫ倍を合計したものと
して表される。
【数１１】
【００５１】数式１１における係数Ｍ、Ｄ、Ｋを実測テ
スト又はシミュレーション計算等で予め求め、パラメー
タ記憶回路に入力しておく。次に、振動センサ２７の振
動信号から対応する加速度信号、速度信号及び変位信号
を生成する。例えば、振動センサが加速度センサである
場合、振動信号は加速度信号であるから、対応する速度
信号は前記加速度信号を１回積分して求め、対応する変
位信号は前記加速度信号を２回積分して求める。また、
振動センサが速度センサである場合、振動信号は速度信
号であるから、対応する加速度信号を前記速度信号を１
回微分して求め、対応する変位信号は前記速度信号を１
回積分して求める。勿論、振動センサ２７を加速度信
号、速度信号及び変位信号を夫々出力するセンサとして
もよい。
【００５２】このようにして求めた加速度信号、速度信
号及び変位信号、及びパラメータ記憶回路に記憶されて
いる係数Ｍ、Ｄ、Ｋに基づいて、演算回路５２は数式１
２の演算を行って力補正指令信号ＦCを算出する。
【数１２】
【００５３】以上、図６の力補正指令信号を発生する補
正指令発生回路２８の動作について入力と出力を一般化
して数式を用いて説明した。実際には、夫々が演算回路
とゲイン調整回路とからなる力補正指令発生部６０ａ、
６０ｂ、６０ｃ、６０ｄ及び６０ｅが、上述の一般化し
て数式を用いて力補正指令信号Ｚ20、Ｘ30、Ｙ30、
Ｘ 40、Ｙ40を夫々算出して出力することになる。
【００５４】ところで、図５及び図６の回路において、
各ゲイン調整回路でゲイン調整された信号をそのまま補
正指令信号として出力している。しかしながら、振動フ
ィードバック回路が発振しにくくなるように信号の位相
を調整するＰＩＤ補償回路と、低減したい周波数成分だ
けを通過させ、不要な信号をカットするバンドパスフィ
ルタ回路を、図５や図６の回路に追加してもよい。この
ようにすることで、振動フィードバック回路がより安定
する。
【００５５】また、振動信号が極端に大きい場合、これ
に基づく大きな補正信号が磁気軸受に入力され、ロータ
を大きく移動させようとする。ところが、ロータが保護
用タッチベアリングに接触しないで動ける距離は通常１
ｍｍ以下で非常に狭い。このため、上述の如く、ロータ
を大きく移動させると回転中のロータが保護用タッチベ
アリングに接触して、保護用タッチベアリングの寿命が
短縮されてしまう。また、このような接触が起こると、
大きな振動が発生してしまう。そこで、本発明において
は、図７に示す振幅リミッタ回路を、補正指令発生回路
の出力側と、磁気軸受制御回路との間に挿入し、上述の
問題を解決した。即ち図７に示す振幅リミッタ回路は、
リミッタ回路７１と、積分回路７２と、整流平滑回路７
３とで構成されている。図７に示す振幅リミッタ回路
は、図８及び図９を参照すれば明らかな如く、大きな振
動を予め定めた上限値に制限するように動作する。
【００５６】以上、本発明の実施形態について詳細に説
明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるもの
ではないことは勿論である。特に、振動センサが設置さ
れる場所を磁気軸受装置を備える回転機械と利用装置と
の接続部とし、具体的には磁気軸受装置を備える回転機
械のフランジ部又は利用装置のフランジ部とした実施形
態を説明したが、前記接続部は夫々のフランジ部に隣接
する回転機械又は利用装置の固定部も当然に含むもので
ある。
【００５７】
【発明の効果】本発明により、磁気軸受から少し離れた
特定の場所、特に磁気軸受装置を備える回転機械と電子
顕微鏡等の利用装置との接続部の振動を、従来より確実
に低減することができるようになった。そのため、電子
顕微鏡や半導体描画装置のように振動が性能悪化の原因
になるような利用装置に、本発明に係る磁気軸受装置を
備える回転機械、例えばターボ分子ポンプを用いた場
合、電子顕微鏡や半導体描画装置の画像の解像度向上が
可能になった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態のブロック構成図である。
【図２】位置補正指令信号が加えられた一実施形態の磁
気軸受制御回路のブロック構成図である。
【図３】位置補正指令信号が加えられた他の一実施形態
の磁気軸受制御回路のブロック構成図である。
【図４】力補正指令信号が加えられた一実施形態の磁気
軸受制御回路のブロック構成図である。
【図５】位置補正指令発生回路の一実施形態のブロック
構成図である。
【図６】力補正指令発生回路の一実施形態のブロック構
成図である。
【図７】振幅リミッタ回路の一実施形態のブロック構成
図である。
【図８】振幅リミッタ回路の入力信号波形と出力信号波
形を示した図である。
【図９】振幅リミッタ回路の入出力特性図である。
【図１０】振動センサの設置位置と振動検出方向との関
係を示した図である。
【図１１】振動センサが１個の場合の変位センサとの配
置関係を示した図である。
【図１２】振動センサが２個の場合の変位センサとの配
置関係を示した図である。
【図１３】本発明が適用されたターボ分子ポンプの一例
の断面図である。
【符号の説明】
１０ 磁気軸受制御回路 １１ 位相補償回路 １２ 極性変換器 １３ パワーアンプ １４ 信号変換回路 １５ 信号加算点 ２１ スラスト変位センサ ２２ 第１ラジアル変位センサ ２３ 第２ラジアル変位センサ ２４ 垂直位置信号発生回路 ２５ 第１位置信号発生回路 ２６ 第２位置信号発生回路 ２７ 振動センサ ２８ 補正指令発生回路 ３０ 磁気軸受 ３１ スラスト軸受用電磁石 ３２ 第１ラジアル軸受用電磁石 ３３ 第２ラジアル軸受用電磁石 ３５ モータのステータコイル ３６ ロータの回転軸 ３７ ターボ分子ポンプのフランジ ３８ 電子顕微鏡のフランジ ５１ 振動／変位変換回路 ５２ 演算回路 ５３ ゲイン調整回路 ５４ パラメータ記憶回路 ６１ 演算回路 ６２ ゲイン調整回路 ６３ パラメータ記憶回路 ６４ 伝達関数演算回路 ６５ 信号加振器 ６６ 信号加算点 ６７ シーケンス回路 ７１ リミッタ回路 ７２ 積分回路 ７３ 整流平滑回路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ１６Ｆ 15/03 Ｆ１６Ｆ 15/03 Ｊ Ｇ０５Ｄ 19/02 Ｇ０５Ｄ 19/02 Ｄ

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 少なくとも一対の電磁石を備えたステー
    タ、前記電磁石の磁気吸引力の平衡によって空中に保持
    されるロータ、前記ロータの位置を検出する位置センサ
    とからなる磁気軸受と、前記位置センサからの位置信号
    に基づいてロータを定位置に戻すように前記電磁石の励
    磁電流を制御する磁気軸受制御回路とから構成された磁
    気軸受装置を備える回転機械において、利用装置と前記
    回転機械との接続部に振動センサを設置し、前記振動セ
    ンサからの振動信号に基づいて位置補正指令信号を発生
    させ、これを前記磁気軸受制御回路の位相補償回路の入
    力側に加えて振動フィードバック回路を形成し、前記振
    動を打消すようにしたことを特徴とする磁気軸受装置を
    備える回転機械。
  2. 【請求項２】 少なくとも一対の電磁石を備えたステー
    タ、前記電磁石の磁気吸引力の平衡によって空中に保持
    されるロータ、前記ロータの位置を検出する位置センサ
    とからなる磁気軸受と、前記位置センサからの位置信号
    に基づいてロータを定位置に戻すように前記電磁石の励
    磁電流を制御する磁気軸受制御回路とから構成された磁
    気軸受装置を備える回転機械において、利用装置と前記
    回転機械との接続部に振動センサを設置し、前記振動セ
    ンサからの振動信号に基づいて力補正指令信号を発生さ
    せ、これを前記磁気軸受制御回路の位相補償回路の出力
    側に加えて振動フィードバック回路を形成し、前記振動
    を打消すようにしたことを特徴とする磁気軸受装置を備
    える回転機械。
  3. 【請求項３】 前記位置補正指令信号は、振動／変位変
    換回路、変位信号から位置信号を演算する演算回路、パ
    ラメータ記憶部、及び前記演算回路が出力する制御軸毎
    の位置信号のゲインを調整する制御軸数のゲイン調整回
    路を少なくとも含んで構成され、且つ前記パラメータ記
    憶部は前記振動／変位変換回路に与える振動／変位変換
    用パラメータと前記演算回路に与える信号演算用パラメ
    ータが記憶されている補正指令信号発生回路によって発
    生させられるものであることを特徴とする請求項１の磁
    気軸受装置を備える回転機械。
  4. 【請求項４】 前記力補正指令信号は、振動信号から力
    信号を演算する演算回路、前記演算回路の信号演算のパ
    ラメータが記憶されたパラメータ記憶回路、前記演算回
    路が出力する位置信号のゲインを調整するゲイン調整回
    路、及び前記パラメータを決定し前記パラメータ記憶回
    路に記憶させるパラメータ決定手段とからなる力補正指
    令信号発生部を制御軸毎に設けて構成され、更に、これ
    ら力補正指令信号発生部を制御するシーケンス回路が付
    加されて構成されたものであることを特徴とする請求項
    ２の磁気軸受装置を備える回転機械。
  5. 【請求項５】 前記パラメータ決定手段は、前記力補正
    指令信号発生部のゲイン調整回路の出力側に振動信号を
    加える信号加振器と、前記力補正指令信号発生部の入力
    信号と出力信号とに基づいて前記パラメータを演算する
    伝達関数演算回路とから構成されていることを特徴とす
    る請求項４の磁気軸受装置を備える回転機械。
  6. 【請求項６】 前記振動センサが、前記回転機械のフラ
    ンジ部に設置されていることを特徴とする請求項１又は
    ２の磁気軸受装置を備える回転機械。
  7. 【請求項７】 前記振動センサが、前記利用装置のフラ
    ンジ部に設置されていることを特徴とする請求項１又は
    ２の磁気軸受装置を備える回転機械。
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