JP2008106909A - 磁気軸受の制御装置およびターボ分子ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】運転コストが小さくて、かつ、回転軸の振れが大きい状態であっても、磁気軸受に回転軸を安定に支持させることができる磁気軸受の制御装置を提供すること。
【解決手段】バイアス電流生成部２３が一定の第１バイアス電流を生成している第１状態の制御電流に基づいて、バイアス電流が第１バイアス電流と異なる一定の第２バイアス電流である第１状態の次の第２状態における上記第２バイアス電流を選択するバイアス電流選択部２５を備える。バイアス電流選択部２５は、第２バイアス電流を表す信号をバイアス電流生成部２３に出力する。
【選択図】図５

Description

本発明は、磁気軸受の制御装置に関し、特に、ターボ分子ポンプ、真空ポンプ、コンプレッサ、または、複数のターボ分子ポンプを有する半導体製造装置に使用されれば好適な磁気軸受の制御装置に関する。また、本発明は、ターボ分子ポンプに関する。

従来、磁気軸受の制御装置としては、ターボ分子ポンプの回転軸を非接触に支持する磁気軸受を制御しているものがある。

従来の磁気軸受の制御装置は、回転軸の振れ（変位）の大きさに無関係に常時一定の値をとるバイアス電流に、回転軸の振れ（変位）の値の大きさに基づいて適切に変動させた指令電流を加えて制御電流を生成して、この制御電流に基づいて磁気軸受の制御を行っている。

このような背景において、ターボ分子ポンプに設置されている磁気軸受の制御装置の運転コストを小さくすることが所望されている。また、回転軸の振れが大きい状態であっても、磁気軸受に回転軸を安定に支持させることができる磁気軸受の制御装置が所望されている。
特開平１１−２２７３０号公報

そこで、本発明の課題は、運転コストが小さくて、かつ、回転軸の振れが大きい状態であっても、磁気軸受に回転軸を安定に支持させることができる磁気軸受の制御装置を提供することにある。また、本発明の課題は、運転コストが小さくて、かつ、回転軸の振れが大きい状態であっても、磁気軸受に回転軸を安定に支持させることができるターボ分子ポンプを提供することにある。

上記課題を解決するため、この発明の磁気軸受の制御装置は、
少なくとも第１バイアス電流および第２バイアス電流を生成するバイアス電流生成部と、
上記第１バイアス電流または上記第２バイアス電流と、指令電流とに基づいて制御電流を生成する制御電流生成部と、
上記制御電流生成部からの上記制御電流と、所定の閾値との比較結果に基づいて、上記第１バイアス電流または上記第２バイアス電流を選択して、上記制御電流生成部に出力するバイアス電流選択部と
を備えることを特徴としている。

上記「上記制御電流生成部からの上記制御電流」という文言における「上記制御電流」には、磁気軸受の制御に用いる制御電流が含まれるのは勿論のこと、磁気軸受の制御に用いる制御電流に何らかの演算が施された制御電流の情報を含んだ値が含まれるものとする。このことから、例えば、上記「上記制御電流生成部からの上記制御電流」という文言における「上記制御電流」には、磁気軸受の制御に用いる制御電流を２倍した値等が含まれる。

また、上記「上記制御電流生成部に出力する」という文言には、上記バイアス電流選択部からの信号を受けた上記バイアス電流生成部が、上記制御電流生成部に上記第１バイアス電流または上記第２バイアス電流を出力する場合と、
上記バイアス電流生成部からの信号と、上記制御電流生成部からの信号とを受けた上記バイアス電流選択部が、上記制御電流生成部に上記第１バイアス電流または上記第２バイアス電流を出力する場合
の両方が含まれるものとする。

本発明によれば、バイアス電流選択部が、制御電流生成部からの制御電流と、所定の閾値との比較結果に基づいて、第１バイアス電流または第２バイアス電流を選択して、上記制御電流生成部に出力するから、バイアス電流を、適宜適切な値に切り換えることができる。すなわち、バイアス電流が、回転軸の振れ（変位）の大きさに無関係に常時一定の値に設定されることがなく、バイアス電流を、例えば、回転軸の振れが小さくて、回転軸が安定に回転している状態において、小さく設定することができるから、回転軸が安定に回転している状態おいて、消費電流を低減することができる。

また、本発明によれば、例えば、回転軸の振れが大きい状態において、バイアス電流を大きく設定することができるから、回転軸の振れが大きい場合であっても、磁気軸受で回転軸を安定に支持することができる。

また、一実施形態の磁気軸受の制御装置は、
磁気軸受が支持する回転軸の位置を検出するセンサからの出力に基づいて、上記指令電流を生成して、上記制御電流生成部に出力する指令電流生成部を備え、
上記第２バイアス電流は、上記第１バイアス電流よりも大きく、
上記バイアス電流選択部は、上記制御電流の値が上記閾値より小さい値であるとき、上記第１バイアス電流を選択する一方、上記制御電流の値が上記閾値以上の値になったとき、上記第２バイアス電流を選択する。

この明細書では、回転軸の位置を検出するセンサを、回転軸の位置、回転軸の振れ、または、回転軸の変位等、回転軸の位置を特定できる物理量を検出するセンサとして定義する。

上記実施形態によれば、上記バイアス電流選択部が、上記制御電流生成部からの制御電流と、上記閾値とを比較して、上記制御電流の値が上記閾値以上の値になったとき、第１バイアス電流よりも大きい第２バイアス電流を選択するから、回転軸の振れが大きい状態において、バイアス電流を容易に大きく設定することができて、回転軸を安定に支持することができる。

また、一実施形態の磁気軸受の制御装置は、
磁気軸受が支持する回転軸の位置を検出するセンサからの出力に基づいて、上記指令電流を生成して、上記制御電流生成部に出力する指令電流生成部を備え、
上記第２バイアス電流は、上記第１バイアス電流よりも小さく、
上記バイアス電流選択部は、上記制御電流の値が所定時間の間持続して上記閾値を下まわらないとき、上記第１バイアス電流を選択する一方、上記制御電流の値が所定時間の間持続して上記閾値を下まわったとき、上記第２バイアス電流を選択する。

上記実施形態によれば、上記バイアス電流選択部が、制御電流生成部からの制御電流と、上記閾値とを比較して、上記制御電流の値が所定時間の間持続して上記閾値を下まわったとき、第１バイアス電流よりも小さい第２バイアス電流を選択するから、回転軸が安定に回転している状態において、バイアス電流を容易に小さく設定することができて、磁気軸受制御装置の運転コストを低減できる。

また、一実施形態の磁気軸受の制御装置は、
上記制御電流生成部は、磁気軸受が支持する回転軸の位置を検出するセンサからの出力に基づいて、上記制御電流を生成し、
上記第２バイアス電流は、上記第１バイアス電流よりも大きく、
上記バイアス電流選択部は、上記制御電流の値が上記閾値より小さい値であるとき、上記第１バイアス電流を選択する一方、上記制御電流の値が上記閾値以上の値になったとき、上記第２バイアス電流を選択する。

上記実施形態によれば、上記バイアス電流選択部が、上記制御電流生成部からの制御電流と、上記閾値とを比較して、上記制御電流の値が上記閾値以上の値になったとき、第１バイアス電流よりも大きい第２バイアス電流を選択するから、回転軸の振れが大きい状態において、バイアス電流を容易に大きく設定することができて、回転軸を安定に支持することができる。

また、一実施形態の磁気軸受の制御装置は、
上記制御電流生成部は、磁気軸受が支持する回転軸の位置を検出するセンサからの出力に基づいて、上記制御電流を生成し、
上記第２バイアス電流は、上記第１バイアス電流よりも小さく、
上記バイアス電流選択部は、上記制御電流の値が所定時間の間持続して上記閾値を下まわらないとき、上記第１バイアス電流を選択する一方、上記制御電流の値が所定時間の間持続して上記閾値を下まわったとき、上記第２バイアス電流を選択する。

上記実施形態によれば、上記バイアス電流選択部が、制御電流生成部からの制御電流と、上記閾値とを比較して、上記制御電流の値が所定時間の間持続して上記閾値を下まわったとき、第１バイアス電流よりも小さい第２バイアス電流を選択するから、回転軸が安定に回転している状態において、バイアス電流を容易に小さく設定することができて、磁気軸受制御装置の運転コストを低減できる。

また、一実施形態の磁気軸受の制御装置は、
上記バイアス電流選択部は、上記制御電流の大きさに対応するバイアス電流を予め規定しているバイアス電流テーブルに基づいて上記第１バイアス電流または上記第２バイアス電流を選択する。

上記実施形態によれば、上記バイアス電流選択部が、上記制御電流の大きさに対応するバイアス電流を予め規定しているバイアス電流テーブルに基づいて上記バイアス電流を選択するから、磁気軸受の制御装置が設置される装置の仕様、すなわち、装置の大きさや装置の構成等によって、バイアス電流を容易に変更設定することができて、適切なバイアス電流を容易に生成することができる。

また、本発明のターボ分子ポンプは、
回転軸と、
上記回転軸を駆動するモータと、
上記回転軸を、ラジアル方向およびアキシアル方向のうちの少なくとも一方の方向に磁気的に非接触に支持する磁気軸受と、
上記磁気軸受を制御する磁気軸受の制御装置と
を備え、
上記磁気軸受の制御装置は、
少なくとも第１バイアス電流および第２バイアス電流を生成するバイアス電流生成部と、
上記第１バイアス電流または上記第２バイアス電流と、指令電流とに基づいて制御電流を生成する制御電流生成部と、
上記制御電流生成部からの上記制御電流と、所定の閾値との比較結果に基づいて、上記第１バイアス電流または上記第２バイアス電流を選択して、上記制御電流生成部に出力するバイアス電流選択部と
を有し、
上記磁気軸受を、上記制御電流に基づいて制御することを特徴としている。

ターボ分子ポンプは、運転中の殆どの時間において、回転軸が定格回転速度付近で回転するようになっている。したがって、回転軸が、定格回転速度付近で回転しているときの運転コストを低減することができれば、ターボ分子ポンプの運転コストを格段に低減することができることになる。

本発明によれば、磁気軸受の制御装置は、バイアス電流を、適宜変更させることができるから、回転軸が定格回転速度付近で回転していて回転軸が安定に回転している状態において、バイアス電流を小さく設定することができ、かつ、回転軸の振れが大きい状態において、バイアス電流を大きく設定することができる。したがって、ターボ分子ポンプの運転コストを格段に低減できると共に、回転軸の振れが大きい場合において、回転軸を安定に制御することができる。

また、この発明に含まれる磁気軸受の制御装置と、この発明に含まれるターボ分子ポンプとを、次のように表現することができる。

すなわち、一実施形態の磁気軸受の制御装置は、
回転軸を非接触に支持する磁気軸受を、バイアス電流に指令電流を加えてなる制御電流を用いて制御する磁気軸受の制御装置において、
複数の一定のバイアス電流を生成するバイアス電流生成部と、
上記バイアス電流生成部が一定の第１バイアス電流を生成している第１状態の上記制御電流に基づいて、上記バイアス電流が上記第１バイアス電流と異なる一定の第２バイアス電流である上記第１状態の次の第２状態における上記第２バイアス電流を選択し、上記第２バイアス電流を表す信号を上記バイアス電流生成部に出力するバイアス電流選択部と
を備える。

上記実施形態によれば、バイアス電流選択部によって、上記バイアス電流生成部が一定の第１バイアス電流を生成している第１状態の制御電流に基づいて、上記バイアス電流が上記第１バイアス電流と異なる一定の第２バイアス電流である上記第１状態の次の第２状態における上記第２バイアス電流を選択することができて、バイアス電流を、適宜適切な値に切り換えることができる。すなわち、バイアス電流が、回転軸の振れ（変位）の大きさに無関係に常時一定の値に設定されることがなく、バイアス電流を、例えば、回転軸の振れが小さくて、回転軸が安定に回転している状態において、小さく設定することができるから、回転軸が安定に回転している状態おいて、消費電流を低減することができる。

また、上記実施形態によれば、例えば、回転軸の振れが大きい状態において、バイアス電流を大きく設定することができるから、回転軸の振れが大きい場合であっても、磁気軸受で回転軸を安定に支持することができる。

また、一実施形態の磁気軸受の制御装置は、
上記回転軸の位置を検出するセンサからの出力に基づいて、上記指令電流を生成する指令電流生成部と、
上記バイアス電流生成部からの出力および上記指令電流生成部からの出力に基づいて上記制御電流を生成する制御電流生成部と
を備え、
上記バイアス電流選択部は、上記制御電流生成部から入力された上記第１状態の制御電流の値と、第１閾値とを比較して、上記第１状態の制御電流の値が上記第１閾値以上の値になったとき、上記第２バイアス電流として、上記第１状態の上記第１バイアス電流よりも一段階値が大きい一定のバイアス電流を選択する一方、上記制御電流生成部からの上記第１状態の制御電流の値と、上記第１閾値よりも低い第２閾値とを比較して、上記第１状態の制御電流の値が所定時間持続して上記第２閾値よりも小さい状態になったとき、上記第２バイアス電流として、上記第１状態の上記第１バイアス電流よりも一段階値が小さい一定のバイアス電流を選択する。

上記実施形態によれば、上記バイアス電流選択部が、上記制御電流生成部から入力された上記第１状態の制御電流の値と、閾値とを比較することにより、第２状態の第２バイアス電流を選択するようになっているから、回転軸が安定に回転している状態において、バイアス電流を容易に小さく設定することができ、かつ、回転軸の振れが大きい状態において、バイアス電流を容易に大きく設定することができる。

また、一実施形態の磁気軸受の制御装置は、
上記回転軸の位置を検出するセンサからの出力に基づいて、上記制御電流を生成する制御電流生成部を備え、
上記バイアス電流選択部は、上記制御電流生成部から入力された上記第１状態の制御電流の値と、第１閾値とを比較して、上記第１状態の制御電流の値が上記第１閾値以上の値になったとき、上記第２バイアス電流として、上記第１状態の上記第１バイアス電流よりも一段階値が大きい一定のバイアス電流を選択する一方、上記制御電流生成部からの上記第１状態の制御電流の値と、上記第１閾値よりも低い第２閾値とを比較して、上記第１状態の制御電流の値が所定時間持続して上記第２閾値よりも小さい状態になったとき、上記第２バイアス電流として、上記第１状態の第１バイアス電流よりも一段階値が小さい一定のバイアス電流を選択する。

上記実施形態によれば、上記バイアス電流選択部が、上記制御電流生成部から入力された上記第１状態の制御電流の値と、閾値とを比較することにより、第２状態の第２バイアス電流を選択するようになっているから、回転軸が安定に回転している状態において、バイアス電流を容易に小さく設定することができ、かつ、回転軸の振れが大きい状態において、バイアス電流を容易に大きく設定することができる。

また、一実施形態の磁気軸受の制御装置は、上記バイアス電流選択部が、上記制御電流の大きさに対応するバイアス電流を予め規定しているバイアス電流テーブルに基づいて上記バイアス電流を選択する。

上記実施形態によれば、上記バイアス電流選択部が、上記制御電流の大きさに対応するバイアス電流を予め規定しているバイアス電流テーブルに基づいて上記バイアス電流を選択するから、磁気軸受の制御装置が設置される装置の仕様、すなわち、装置の大きさや装置の構成等によって、バイアス電流を容易に変更設定することができて、適切なバイアス電流を容易に生成することができる。

また、一実施形態のターボ分子ポンプは、
回転軸と、
上記回転軸を駆動するモータと、
上記回転軸を、ラジアル方向およびアキシアル方向のうちの少なくとも一方の方向に磁気的に非接触に支持する磁気軸受と、
上記磁気軸受を、バイアス電流に指令電流を加えてなる制御電流を用いて制御する磁気軸受の制御装置と
を備え、
上記磁気軸受の制御装置は、
複数の一定のバイアス電流を生成するバイアス電流生成部と、
上記バイアス電流生成部が一定の第１バイアス電流を生成している第１状態の上記制御電流に基づいて、上記バイアス電流が上記第１バイアス電流と異なる一定の第２バイアス電流である上記第１状態の次の第２状態における上記第２バイアス電流を選択するバイアス電流選択部と
を有している。

上記実施形態によれば、磁気軸受の制御装置は、バイアス電流を、適宜変更させることができるから、回転軸が定格回転速度付近で回転していて回転軸が安定に回転している状態において、バイアス電流を小さく設定することができ、かつ、回転軸の振れが大きい状態において、バイアス電流を大きく設定することができる。したがって、ターボ分子ポンプの運転コストを格段に低減できると共に、回転軸の振れが大きい場合において、回転軸を安定に制御することができる。

本発明の磁気軸受の制御装置によれば、バイアス電流選択部によって、バイアス電流を、適宜適切な値に切り換えることができる。すなわち、バイアス電流が、回転軸の振れ（変位）の大きさに無関係に常時一定の値に設定されることがなく、バイアス電流を、例えば、回転軸の振れが小さくて、回転軸が安定に回転している状態において、小さく設定することができるから、回転軸が安定に回転している状態おいて、消費電流を低減することができる。また、例えば、回転軸の振れが大きい状態において、バイアス電流を大きく設定することができるから、回転軸の振れが大きい場合であっても、磁気軸受で回転軸を安定に支持することができる。

また、本発明のターボ分子ポンプによれば、磁気軸受の制御装置が、バイアス電流を、適宜変更させることができるから、回転軸が安定に回転している状態において、バイアス電流を小さく設定することができ、かつ、回転軸の振れが大きい状態において、バイアス電流を大きく設定することができる。したがって、運転コストを低減できると共に、回転軸の振れが大きい場合において、磁気軸受で回転軸を安定に制御することができる。

以下、本発明を図示の形態により詳細に説明する。

図１は、本発明の第１実施形態のターボ分子ポンプの模式構成図である。

このターボ分子ポンプは、ターボ分子ポンプ本体１と、コントローラ２とを備える。

上記ターボ分子ポンプ本体１は、回転軸４と、回転軸４を駆動するモータ１３のステータ７と、回転軸４を磁気的に非接触支持する磁気軸受６と、磁気軸受６が制御不能になったときに回転軸４を機械的に支持する転がり軸受であるタッチダウン軸受２０と、回転軸４の回転速度を検出する回転速度センサ８と、回転軸４のラジアル位置およびアキシアル位置を検出する位置検出センサ５とを有する。上記回転軸４は、モータ１３のロータとしての役割も兼用している。

上記モータ１３は、電源異常や停電等により電源側からの電力の供給が停止されて電源電圧が低下すると、発電機として電力を出力するようになっている。すなわち、電源側からモータ１３に電力が供給されなくなっても、回転軸４は、慣性力でしばらくの間回転し続ける。モータ１３は、この慣性力による回転軸４の回転を利用して、電力を供給するようになっている。

上記位置検出センサ５、磁気軸受駆動回路１０およびモータドライバ１１は、電源電圧が低下すると、電源に代わって発電機としてのモータ１３から回生電力を供給されるようになっている。そして、上記モータ１３から供給される回生電力が磁気軸受６を駆動できる間、この回生電力によって磁気軸受６の磁気浮上制御を行うようになっている。

上記位置検出センサ５は、図示は省略したが、アキシアル変位検出部とラジアル変位検出部とを有している。アキシアル変位検出部は、回転軸４のアキシアル方向の変位を検出する１つのアキシアル変位センサを備えている。また、ラジアル変位検出部は、回転軸４のラジアル方向の変位を検出するラジアル変位センサを、２つ備えている。

上記磁気軸受６は、図示は省略したが、回転軸４を磁気的に非接触支持する１個のアキシアル磁気軸受と、回転軸４を磁気的に非接触支持する２個のラジアル磁気軸受とを有する。上記アキシアル磁気軸受は、回転軸４のアキシアル方向の両端面を、アキシアル方向の両側から挟むように配置された１対の電磁石（数は２個）を備えている。また、上記各ラジアル磁気軸受は、回転軸４をラジアル方向の両側から挟むように配置された互いに直交する２対の電磁石（各ラジアル磁気軸受において、電磁石の数は４個）を備えている。一方のラジアル磁気軸受は、他方のラジアル磁気軸受に対して回転軸４の軸方向に所定距離離間されて配置されている。

上記回転速度センサ８は、回転軸４の回転速度を検出するためのものであり、例えば、回転軸４の１回転当り一定数（例えば１つ）のパルス信号を出力するようになっている。

電源異常時や停電時等に、ロータとしての役割を果たす回転軸４の回転速度が下がり、モータ１３からの回生電力が磁気軸受６の駆動に必要な電力よりも低下すると、磁気軸受６の磁気浮上制御が停止するようになっている。上記磁気軸受６の磁気浮上制御が停止すると、タッチダウン軸受２０が、磁気軸受６の替わりに回転軸４を機械的に支持するようになっている。上記タッチダウン軸受２０は、磁気軸受６が制御不能になったときに、回転軸４を支持することによって、磁気軸受６と回転軸４との接触や、回転軸４とステータ７との接触等を防止している。

上記コントローラ２は、変位演算回路９と、Ａ／Ｄ変換器１７と、ＤＳＰ制御装置１４と、停電検出回路２６と、Ｄ／Ａ回路１８と、磁気軸受駆動回路１０と、モータドライバ１１と、発熱制動用回路２７とを備える。

上記位置検出センサ５、変位演算回路９およびＡ／Ｄ変換器１７は、センサ部を構成し、Ｄ／Ａ変換器１８および磁気軸受駆動回路１０は、磁気軸受駆動部を構成し、センサ部、ＤＳＰ制御装置１４、磁気軸受駆動部は、本発明の第１実施形態の磁気軸受の制御装置を構成している。尚、上記ＤＳＰ制御装置１４、Ａ／Ｄ変換器１７およびＤ／Ａ変換器１８は、ＤＳＰボード１２を構成している。

上記変位演算回路９は、上記アキシアル変位センサの出力に基づいて回転軸４のアキシアル方向の変位を演算するとともに、２つのラジアル変位センサの出力に基づいて回転軸４のラジアル方向の変位を演算し、これらの変位演算値に対応する変位信号をＡ／Ｄ変換器１７を介してＤＳＰ制御装置１４に出力するようになっている。センサ部は、回転軸４のラジアル位置およびアキシアル位置を検出し、回転軸４の変位（振れ）を検出するようになっている。

上記停電検出回路２６は、図示しないモータ駆動用電源（磁気軸受制御用電源でも良い）からの電圧を常時検出し、電源電圧が低下していない場合に、停電が起こっていないことを示す停電無信号を、ＤＳＰ制御装置１４に出力する一方、電源電圧が所定の電圧以下に低下した場合に、停電を表す停電信号をＤＳＰ制御装置１４に出力するようになっている。

上記ＤＳＰ制御装置１４は、指令電流生成部２２と、バイアス電流生成部２３と、制御電流生成部２４と、バイアス電流選択部２５とを有する。上記指令電流生成部２２は、変位演算回路９からの信号をＡ／Ｄ変換器１７を介して受けて、上記アキシアル軸受の各電磁石に流す制御電流の一部をなす指令電流を演算すると共に、上記２つのラジアル軸受の各電磁石に流す制御電流の一部をなす指令電流を演算するようになっている。上記バイアス電流生成部２３は、複数の一定のバイアス電流を生成するようになっている。上記バイアス電流生成部２３は、ターボ分子ポンプの始動時においては、上記複数の一定のバイアス電流のうちで予め定められている一つのバイアス電流を生成するようになっている。

上記制御電流生成部２４は、指令電流生成部２２から入力される指令電流と、バイアス電流生成部２３から入力されるバイアス電流とを足して制御電流を生成するようになっている。上記バイアス電流選択部２５は、制御電流生成部２４からの信号に基づいて、複数のバイアス電流のうちから一つのバイアス電流を選択し、その一つのバイアス電流を表す信号を、バイアス電流生成部２３に出力するようになっている。

上記ＤＳＰ制御装置１４は、制御電流生成部２４が生成した制御電流を表す制御電流信号を、Ｄ／Ａ変換器１８を介して磁気軸受駆動回路１０に出力するようになっている。上記磁気軸受駆動回路１０は、磁気軸受６の各電磁石に対応する複数の電力増幅器を備えており、Ｄ／Ａ変換器１８から出力される制御電流信号に基づく制御電流を磁気軸受６の各電磁石に供給するようになっている。これにより、回転軸４が所定の目標位置に位置決めされるようになっている。

また、上記ＤＳＰ制御装置１４は、回転速度演算部３０を有している。回転速度演算部３０は、回転速度センサ８のパルス信号から回転軸４の回転速度を演算し、これに基づいて、モータ１３の回転速度を制御するための回転速度指令信号をモータドライバ１１に出力するようになっている。上記モータドライバ１１は、インバータ駆動式であり、回転速度演算部３０からの回転速度指令信号に基づいて、モータ１３の回転速度を制御するようになっている。これにより、定常運転状態において、回転軸４の回転速度が略一定に保たれるようになっている。

上記発熱制動用回路２７は、回転軸４がタッチダウン軸受２０にタッチダウンすると、モータ１３からの回生電力の全てを受けるようになっている。詳細には、上記発熱制動用回路２７は、回転軸４がタッチダウン軸受２０にタッチダウンすると、モータ１３からの回生電力を発熱制動用回路２７の抵抗に流すことによって、発熱制動を行うようになっている。

図２は、第１実施形態の磁気軸受の制御装置のバイアス電流選択部２５におけるバイアス電流の選択方法を説明する図である。具体的には、図２は、制御電流生成部２４からの制御電流信号４０の一例のある時間帯の波形と、その時間帯の制御電流信号４０に対応するバイアス電流信号４１を示す図である。尚、図２において、○は、その点を含まないことを示し、●は、その点を含むことを示している。

図２に示す例においては、回転軸４の回転中において（時間経過とともに）、制御電流信号４０が変化している。

詳しくは、図２において、時間ｔ１からｔ２まで（ｔ１を含む一方、ｔ２を含まない）の間において、制御電流信号４０は、予め定められた第１閾値Ａ１（Ａ）（図示しない）と、第１閾値Ａ１よりも大きく、かつ、予め定められた第２閾値Ａ２（Ａ）との間に位置していて、バイアス電流選択部２５が、バイアス電流として、値が下から２番目のＢ２（Ａ）であるレベル２のバイアス電流を選択し、バイアス電流選択部２５からの信号を受けたバイアス電流生成部２３が、レベル２のバイアス電流を生成する。

次に、時間ｔ２において、制御電流信号４０の値は、第２閾値Ａ２の値と同一になり、この時、バイアス電流選択部２５が、バイアス電流を、値が下から３番目のＢ３（Ａ）であるレベル３のバイアス電流値に選択し、レベル３のバイアス電流を生成することを示す信号を、バイアス電流生成部２３に出力する。すると、バイアス電流生成部２３が、レベル３のバイアス電流を生成する。

このように、バイアス電流選択部２５は、制御電流生成部２４からの制御電流と、所定の閾値との比較結果に基づいて、第１バイアス電流としてのレベル２のバイアス電流または第２バイアス電流としてのレベル３のバイアス電流を選択するようになっている。また、レベル３のバイアス電流は、レベル２のバイアス電流よりも大きく、バイアス電流選択部２５は、制御電流の値が所定の閾値より小さい値であるとき、レベル２のバイアス電流を選択する一方、制御電流の値が所定の閾値以上の値になったとき、レベル３のバイアス電流を選択するようになっている。

時間ｔ２からｔ３まで（ｔ２を含む一方、ｔ３を含まない）の間において、制御電流信号４０は、予め定められた第２閾値Ａ２と、第２閾値Ａ２よりも大きく、かつ、第３閾値Ａ３（Ａ）との間に位置していて、バイアス電流選択部２５が、バイアス電流として、レベル３のバイアス電流値を選択し、バイアス電流生成部２３が、レベル３のバイアス電流を生成する。

次に、時間ｔ３において、制御電流信号４０の値は、第３閾値Ａ３（Ａ）の値と同一になり、この時、バイアス電流選択部２５が、バイアス電流を、値が下から４番目のＢ４（Ａ）であるレベル４のバイアス電流値に選択し、レベル４のバイアス電流を生成することを示す信号を、バイアス電流生成部２３に出力する。すると、バイアス電流生成部２３が、レベル４のバイアス電流を生成する。

図２に示す時間がｔ３以上の領域において、制御電流信号４０は、第３閾値Ａ３と、第３閾値Ａ３よりも値が大きくて、かつ、予め定められた最大の閾値である第４閾値Ａ４（図示せず）との間に位置していて、バイアス電流選択部２５が、バイアス電流として、レベル４のバイアス電流値を選択し、バイアス電流生成部２３が、レベル４のバイアス電流を生成するようになっている。

第１実施形態の磁気軸受の制御装置では、バイアス電流選択部２５は、制御電流信号（この場合、制御電流信号は、制御電流そのものになっている）の大きさに対応するバイアス電流を予め規定している次のバイアス電流テーブルに基づいてバイアス電流を選択するようになっている。

すなわち、第１実施形態でバイアス電流選択部２５が使用しているバイアス電流テーブルでは、制御電流（制御電流信号）が第１閾値よりも小さいときが、レベル１のバイアス電流（最小のバイアス電流）に対応し、制御電流が第１閾値以上第２閾値未満のときが、レベル２のバイアス電流に対応し、制御電流が第２閾値以上第３閾値未満のときが、レベル３のバイアス電流に対応し、制御電流が第３閾値以上第４閾値未満のときが、レベル４のバイアス電流に対応し、制御電流が第４閾値以上のときが、レベル５のバイアス電流（最大のバイアス電流）に対応する。

図２の例では、制御電流（制御電流信号）が、時間と共に、増大する例を示したが、制御電流が、時間と共に、減少することがあるのは、言うまでもない。この場合は、閾値を所定時間（例えば、１０秒）の間、継続的に下回ったときに、バイアス電流のレベルを一つ下げるようにする。

別の言葉でいうと、バイアス電流選択部２５は、制御電流生成部２４からの制御電流の値が所定時間の間持続して所定の閾値を下まわらないとき、その所定の閾値よりも大きくて、かつ、上記所定の閾値にもっとも近いバイアス電流（第１バイアス電流に相当）を選択する一方、制御電流の値が所定時間の間持続して上記所定の閾値を下まわったとき、上記所定の閾値よりも小さくて、かつ、上記所定の閾値にもっとも近いバイアス電流（第２バイアス電流に相当）を選択するようになっている。

すなわち、第１実施形態では、バイアス電流があるレベルのバイアス電流であるカレント（current：現在の、今の）状態を第１状態とするとき、バイアス電流が異なるレベルの値である、第１状態の次の第２状態のバイアス電流を選択する方法として、制御電流の値が、カレント状態の制御電流の値よりも大きくて、かつ、そのカレント状態の制御電流の値に最も近い閾値と同一になった瞬間に、バイアス電流の値を、第１状態のバイアス電流の値よりも１段階大きいバイアス電流に設定する一方、制御電流の値が、カレント状態の制御電流の値よりも小さくて、かつ、そのカレント状態の制御電流の値に最も近い閾値を、所定時間（例えば、１０秒）の間、継続的に下回ったときに、バイアス電流の値を、第１状態のバイアス電流の値よりも１段階小さいバイアス電流に設定するようになっている。

図３は、第１実施形態の磁気軸受の制御装置において、制御電流が、一定の振幅かつ同一周期である場合に、制御電流と、バイアス電流値との関係を示す図である。

図３に示す例では、制御電流（制御電流信号）５０は、レベル１のバイアス電流が選択され、制御電流５１および５２は、レベル２のバイアス電流が選択され、制御電流５３は、レベル３のバイアス電流が選択され、制御電流５４は、レベル４のバイアス電流が選択されている。

図４は、回転軸４の振れと、バイアス電流との関係の一例を示す図である。詳しくは、回転軸４の軸方向の断面（ｘ軸とｙ軸とからなる２次元平面）における回転軸４の中心軸の位置と、バイアス電流値との関係を示す図である。尚、図４において、原点Ｐ_０は、振れがゼロの点を示している。また、図４において、バイアス電流の大きさの尺度としては、原点からの距離が、バイアス電流の大きさに対応している。回転軸４の振れが大きくなると、制御電流大きさが大きくなり、それに伴って、バイアス電流の大きさが大きくなる。

図４において、振れが、レベル１のバイアス電流のサークル（レベル１の円は含まない）におさまっているときには、レベル１のバイア電流が選択され、振れが、レベル１のバイアス電流のサークル（レベル１の円を含む）を最初に超えた地点からレベル２のバイアス電流のサークル（レベル２の円は含まない）におさまっているときには、レベル２のバイア電流が選択されるようになっている。振れが、レベル２のバイアス電流のサークル（レベル２の円を含む）を最初に超えた地点からレベル３のバイアス電流のサークル（レベル３の円は含まない）におさまっているときには、レベル３のバイアス電流が選択されるようになっている。振れが、レベル３のバイアス電流のサークル（レベル３の円を含む）を最初に超えた地点からレベル４のバイアス電流のサークル（レベル４の円は含まない）におさまっているときには、レベル４のバイアス電流が選択されるようになっている。振れが、レベル４のバイアス電流のサークル（レベル４の円を含む）を最初に超えた地点からレベル５のバイアス電流が選択されるようになっている。

図５は、第１実施形態の磁気軸受の制御装置の制御系の一部を示すブロック図である。

図５において、指令電流生成部２２は、センサ部６０からの信号を受けて指令電流を生成するようになっている。また、制御電流生成部２４は、指令電流生成部２２からの指令電流と、バイアス電流生成部からのバイアス電流を重ね合わせて（足して）、制御電流を、生成するようになっている。バイアス電流選択部２５は、制御電流生成部２４から入力された制御電流値と、閾値とを比較して、選択すべきバイアス電流を選択し、選択したバイアス電流を示す信号を、バイアス電流生成部２３に出力するようになっている。このように、制御電流によって、バイアス電流が選択され、その選択されたバイアス電流に基づいて、制御電流が生成されるようになっている。磁気軸受駆動部６１は、制御電流生成部２４からの信号を受けて、磁気軸受６に制御信号を出力するようになっている。

一般的に、ターボ分子ポンプは、運転中の殆どの時間において、回転軸が定格回転速度付近で回転するようになっている。したがって、回転軸が、定格回転速度付近で回転しているときの運転コストを低減することができれば、ターボ分子ポンプの運転コストを格段に低減することができることになる。

上記第１実施形態のターボ分子ポンプによれば、磁気軸受の制御装置が、バイアス電流を、適宜変更させることができるから、回転軸４が定格回転速度付近で回転していて回転軸４が安定に回転している状態において、バイアス電流を小さく設定することができ、かつ、回転軸４の振れ回りが大きい状態において、バイアス電流を大きく設定することができる。したがって、ターボ分子ポンプの運転コストを格段に低減できると共に、回転軸４の振れが大きい場合において、回転軸４を安定的に制御することができる。

また、上記第１実施形態の磁気軸受の制御装置によれば、バイアス電流選択部２５によって、バイアス電流生成部２３が一定の第１バイアス電流を生成している第１状態の制御電流に基づいて、バイアス電流が上記第１バイアス電流と異なる一定の第２バイアス電流である上記第１状態の次の第２状態における上記第２バイアス電流を選択することができて、バイアス電流が、回転軸４の振れ（変位）の大きさに無関係に常時一定の値に設定されずに、バイアス電流を、適宜適切な値に切り換えることができる。したがって、例えば、回転軸４の振れ回りが小さくて、回転軸４が安定に回転している状態において、バイアス電流を小さく設定することができるから、回転軸４が安定に回転している状態おいて、消費電流を低減することができる。また、回転軸４の振れ回りが大きい状態において、バイアス電流を大きく設定することができるから、回転軸４の振れ回りが大きい場合であっても、磁気軸受６で回転軸４を安定に支持することができる。

また、上記第１実施形態の磁気軸受の制御装置によれば、バイアス電流選択部２５が、制御電流生成部２４からの信号と、閾値とを比較することにより、上記第２状態の上記第２バイアス電流を選択するようになっているから、回転軸４が安定に回転している状態において、バイアス電流を容易に小さく設定することができ、かつ、回転軸４の振れ回りが大きい状態において、バイアス電流を容易に大きく設定することができる。

また、上記第１実施形態の磁気軸受の制御装置によれば、バイアス電流選択部２５が、制御電流の大きさに対応するバイアス電流を予め規定しているバイアス電流テーブルに基づいてバイアス電流を選択するから、磁気軸受の制御装置が設置される装置の仕様、すなわち、装置の大きさや装置の構成等によって、バイアス電流を容易に変更設定することができて、適切なバイアス電流を容易に生成することができる。

尚、上記第１実施形態のターボ分子ポンプでは、回転軸４が、モータ１３のロータとしての役割を兼ねていた。しかしながら、この発明では、回転軸４が、モータのロータの役割を担っていなくても良く、例えば、リング状のロータを、回転軸に固定する形式であっても良い。

図６は、本発明の第２実施形態の磁気軸受の制御装置の制御系の一部を示すブロック図であり、第２実施形態の磁気軸受の制御装置における図５に対応する図である。

第２実施形態の磁気軸受の制御装置は、指令電流制御部が、存在せず、センサ部１２１が、信号を制御電流生成部１２４に出力し、制御電流生成部１２４は、センサ部１２１からの信号に基づいて、制御信号を生成するようになっている。バイアス電流選択部１２５は、制御電流生成部１２４から入力された制御電流と、閾値とを比較して、選択すべきバイアス電流を設定し、選択したバイアス電流を示す信号を、バイアス電流生成部１２３に出力するようになっている。このように、制御電流によって、制御電流のうちの一定電流成分であるバイアス電流が選択されるようになっている。磁気軸受駆動部１２７は、制御電流生成部１２４からの信号を受けて、磁気軸受１０６に制御信号を出力するようになっている。

第２実施形態の磁気軸受の制御装置によれば、第１実施形態と同様に、運転コストを低減できると共に、回転軸１０４の振れが大きい場合であっても、磁気軸受１０６によって、回転軸１０４を安定に制御することができる。

尚、図５および図６に制御系の一部のブロック図が示されている上記第１実施形態および第２実施形態では、バイアス電流生成部２３,１２３が、バイアス電流選択部２５,１２５からの信号を受けて、バイアス電流選択部２５,１２５が選択したバイアス電流を表す信号を、制御電流生成部２４,１２４に出力するようになっていたが、この発明では、バイアス電流選択部が、バイアス電流生成部からの信号と、制御電流生成部からの信号とを受けて、選択したバイアス電流を表す信号を制御電流生成部に出力するようになっていても良い。

本発明の第１実施形態のターボ分子ポンプの模式構成図である。 上記第１実施形態の磁気軸受の制御装置のバイアス電流の選択方法を説明する図である。 第１実施形態の磁気軸受の制御装置において、制御電流が、一定の振幅かつ同一周期である場合に、制御電流と、バイアス電流値との関係を示す図である。 回転軸の振れと、バイアス電流との関係を示す図である。詳しくは、回転軸の軸方向の断面における回転軸の中心軸の位置と、バイアス電流値との関係を示す図である。 第１実施形態の磁気軸受の制御装置の制御系の一部を示すブロック図である。 第２実施形態の磁気軸受の制御装置における図５に対応する図である。

符号の説明

１ ターボ分子ポンプ本体
２ コントローラ
４,１０４ 回転軸
５ 位置検出センサ
６,１０６ 磁気軸受
１３ モータ
１４ ＤＳＰ制御装置
２２ 指令電流生成部
２３,１２３ バイアス電流生成部
２４,１２４ 制御電流生成部
２５,１２５ バイアス電流選択部
６０,１２１ センサ部
６１,１２７ 磁気軸受駆動部

Claims (7)

1. 少なくとも第１バイアス電流および第２バイアス電流を生成するバイアス電流生成部と、
   上記第１バイアス電流または上記第２バイアス電流と、指令電流とに基づいて制御電流を生成する制御電流生成部と、
   上記制御電流生成部からの上記制御電流と、所定の閾値との比較結果に基づいて、上記第１バイアス電流または上記第２バイアス電流を選択して、上記制御電流生成部に出力するバイアス電流選択部と
   を備えることを特徴とする磁気軸受の制御装置。
2. 請求項１に記載の磁気軸受の制御装置において、
   磁気軸受が支持する回転軸の位置を検出するセンサからの出力に基づいて、上記指令電流を生成して、上記制御電流生成部に出力する指令電流生成部を備え、
   上記第２バイアス電流は、上記第１バイアス電流よりも大きく、
   上記バイアス電流選択部は、上記制御電流の値が上記閾値より小さい値であるとき、上記第１バイアス電流を選択する一方、上記制御電流の値が上記閾値以上の値になったとき、上記第２バイアス電流を選択することを特徴とする磁気軸受の制御装置。
3. 請求項１に記載の磁気軸受の制御装置において、
   磁気軸受が支持する回転軸の位置を検出するセンサからの出力に基づいて、上記指令電流を生成して、上記制御電流生成部に出力する指令電流生成部を備え、
   上記第２バイアス電流は、上記第１バイアス電流よりも小さく、
   上記バイアス電流選択部は、上記制御電流の値が所定時間の間持続して上記閾値を下まわらないとき、上記第１バイアス電流を選択する一方、上記制御電流の値が所定時間の間持続して上記閾値を下まわったとき、上記第２バイアス電流を選択することを特徴とする磁気軸受の制御装置。
4. 請求項１に記載の磁気軸受の制御装置において、
   上記制御電流生成部は、磁気軸受が支持する回転軸の位置を検出するセンサからの出力に基づいて、上記制御電流を生成し、
   上記第２バイアス電流は、上記第１バイアス電流よりも大きく、
   上記バイアス電流選択部は、上記制御電流の値が上記閾値より小さい値であるとき、上記第１バイアス電流を選択する一方、上記制御電流の値が上記閾値以上の値になったとき、上記第２バイアス電流を選択することを特徴とする磁気軸受の制御装置。
5. 請求項１に記載の磁気軸受の制御装置において、
   上記制御電流生成部は、磁気軸受が支持する回転軸の位置を検出するセンサからの出力に基づいて、上記制御電流を生成し、
   上記第２バイアス電流は、上記第１バイアス電流よりも小さく、
   上記バイアス電流選択部は、上記制御電流の値が所定時間の間持続して上記閾値を下まわらないとき、上記第１バイアス電流を選択する一方、上記制御電流の値が所定時間の間持続して上記閾値を下まわったとき、上記第２バイアス電流を選択することを特徴とする磁気軸受の制御装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか１つに記載の磁気軸受の制御装置において、
   上記バイアス電流選択部は、上記制御電流の大きさに対応するバイアス電流を予め規定しているバイアス電流テーブルに基づいて上記第１バイアス電流または上記第２バイアス電流を選択することを特徴とする磁気軸受の制御装置。
7. 回転軸と、
   上記回転軸を駆動するモータと、
   上記回転軸を、ラジアル方向およびアキシアル方向のうちの少なくとも一方の方向に磁気的に非接触に支持する磁気軸受と、
   上記磁気軸受を制御する磁気軸受の制御装置と
   を備え、
   上記磁気軸受の制御装置は、
   少なくとも第１バイアス電流および第２バイアス電流を生成するバイアス電流生成部と、
   上記第１バイアス電流または上記第２バイアス電流と、指令電流とに基づいて制御電流を生成する制御電流生成部と、
   上記制御電流生成部からの上記制御電流と、所定の閾値との比較結果に基づいて、上記第１バイアス電流または上記第２バイアス電流を選択して、上記制御電流生成部に出力するバイアス電流選択部と
   を有し、
   上記磁気軸受を、上記制御電流に基づいて制御することを特徴とするターボ分子ポンプ。

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