JP2018129882A - 磁気軸受装置および真空ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】低振動な磁気軸受装置の提供。
【解決手段】ロータ軸５をラジアル方向に磁気浮上支持する磁気軸受電磁石４５と、ロータ軸５のラジアル方向の変位を検出する変位センサ５０と、変位センサ５０により検出されたセンサ位置変位Ｄxs1，Ｄys1，Ｄxs2，Ｄys2を、磁気軸受電磁石４５の位置における磁石位置変位Ｄxm1，Ｄym1，Ｄxm2，Ｄym2に変換する変位変換部４４２と、磁石位置変位Ｄxm1，Ｄym1，Ｄxm2，Ｄym2に基づいて磁気軸受電磁石４５の励磁電流を制御して、ロータ軸５の浮上位置を所定位置に制御する電流制御部４４３と、を備える。
【選択図】図５

Description

本発明は、磁気軸受装置および真空ポンプに関する。

磁気軸受型ターボ分子ポンプのように回転体（ロータ）を磁気軸受装置で非接触支持する装置においては、ロータを所定の目標位置に浮上維持すべく、ロータの浮上位置と目標位置との偏差（変位）に基づいて電磁石の磁気吸引力（電磁石電流）をリアルタイムでフィードバック制御している。特許文献１に記載の発明では、電磁石の近傍に配置された変位センサを用いてロータの変位を検出し、検出された変位に基づいて電磁石電流の制御を行っている。

特開２００６−３０８０７４号公報

ところで、配置スペースの関係で、一般的に、ラジアル磁気軸受の場合、変位センサは、電磁石位置に対してロータの軸方向にずれた位置に配置されている。そのため、浮上目標位置とされる中心軸に対してロータが平行に変位した場合であれば、変位センサで検出された変位と電磁石位置における変位とが一致するが、ロータが中心軸に対して傾いている場合には、変位センサで検出された変位と電磁石位置における変位とが一致しない。

本来、ロータに加えられる電磁石力は電磁石位置における変位に基づいて行われるのが好ましい。しかし、上述のように変位検出位置が電磁石位置と一致していない場合には、所定位置へ復帰するために必要な時間は多少長くなったり、外乱が小さい環境下においてノイズに起因するポンプ振動が顕著になったりするという欠点があった。

本発明の好ましい実施形態による磁気軸受装置は、ロータ軸をラジアル方向に磁気浮上支持するラジアル磁気軸受電磁石と、前記ロータ軸のラジアル方向の変位を検出する変位センサと、前記変位センサにより検出されたセンサ位置変位を、前記ラジアル磁気軸受電磁石の位置における磁石位置変位に変換する変位変換部と、前記磁石位置変位に基づいて前記ラジアル磁気軸受電磁石の励磁電流を制御して、前記ロータ軸の浮上位置を所定位置に制御する電流制御部と、を備える。
さらに好ましい実施形態では、前記センサ位置変位の値が所定範囲に含まれる場合には、前記磁石位置変位に基づいて前記ラジアル磁気軸受電磁石の励磁電流を制御し、前記センサ位置変位の値が前記所定範囲に含まれない場合には、前記センサ位置変位に基づいて前記ラジアル磁気軸受電磁石の励磁電流を制御する。
さらに好ましい実施形態では、前記センサ位置変位の値が所定範囲に含まれる場合における前記電流制御部のゲインを、前記センサ位置変位の値が前記所定範囲に含まれない場合における前記電流制御部のゲインよりも小さく設定する。本発明の好ましい実施形態による真空ポンプは、ポンプロータと、前記ポンプロータを回転駆動するモータと、前記ポンプロータのロータ軸を磁気浮上支持する上記磁気軸受装置と、を備える。

本発明によれば、磁気軸受装置の低振動化を図ることができる。

図１は、磁気軸受装置を備えた磁気軸受式ターボ分子ポンプの概略構成を示す図である。 図２は、コントロールユニットの概略構成を示すブロック図である。 図３は、制御軸１軸分の磁気軸受電磁石に関係する構成を示す模式図である。 図４は、磁気軸受システムの特性を説明する図である。 図５は、ラジアル磁気軸受制御系の概略構成を示すブロック図である。 図６は、変位に関する変換処理を説明する図である。 図７は、ランダムノイズが重畳した場合の電流振幅および変位振幅の周波数分布を示す図である。 図８は、第２の実施の形態における磁気軸受制御系の概略構成を示すブロック図である。 図９は、電流設定信号に基づく磁気軸受制御に関する伝達関数ブロック図である。

以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。
−第１の実施の形態−
図１は、磁気軸受装置を備えた磁気軸受式ターボ分子ポンプの概略構成を示す図である。ターボ分子ポンプは、ポンプ本体１と、ポンプ本体１を駆動制御するコントロールユニットとにより構成されている。なお、図１では、コントロールユニットの図示を省略した。

ポンプロータ３に設けられたロータ軸５は、ラジアル磁気軸受４Ａ，４Ｂおよびアキシャル磁気軸受４Ｃによって非接触支持される。ラジアル磁気軸受４Ａ，４Ｂの各々は、ロータ軸５の径方向に配置された４つの磁気軸受電磁石を備えている。アキシャル磁気軸受４Ｃの磁気軸受電磁石は、ロータ軸５の下部に固定されたスラストディスク１０を軸方向に挟むように配置されている。

ロータ軸５の変位は、ラジアル方向の変位センサ５０ｘ１，５０ｙ１，５０ｘ２，５０ｙ２，とアキシャル方向の変位センサ５１によって検出される。変位センサ５０ｘ１，５０ｙ１，５０ｘ２，５０ｙ２，５１には、センサコアにコイルを巻き回した構成のインダクタンス式変位センサが用いられている。

磁気軸受によって回転自在に磁気浮上されたポンプロータ３は、モータ４２により高速回転駆動される。モータ４２にはブラシレスＤＣモータ等が用いられる。なお、図１では、模式的にモータ４２と記載しているが、より詳細には、符号４２で示した部分はモータステータを構成し、ロータ軸５側にモータロータが設けられている。

モータ４２によって回転駆動されるロータ軸５の下端には、センサターゲット２９が設けられている。上述したアキシャル方向の変位センサ５１は、センサターゲット２９の下面と対向する位置に配置されている。磁気軸受が動作していないときには、ロータ軸５は非常用のメカニカルベアリング２６ａ，２６ｂによって支持される。

ポンプロータ３には、回転側排気機能部を構成する複数段の回転翼３ａと円筒部３ｂとが形成されている。一方、固定側には、固定側排気機能部である固定翼２２とネジステータ２４とが設けられている。複数段の固定翼２２は、軸方向に対して回転翼３ａと交互に配置されている。ネジステータ２４は、円筒部３ｂの外周側に所定のギャップを隔てて設けられている。

各固定翼２２は、スペーサリング２３を介してベース２０上に載置される。ポンプケーシング２１の固定フランジ２１ｃをボルトによりベース２０に固定すると、積層されたスペーサリング２３がベース２０とポンプケーシング２１との間に挟持され、固定翼２２が位置決めされる。ベース２０には排気ポート２５が設けられ、この排気ポート２５にバックポンプが接続される。ポンプロータ３を磁気浮上させつつモータ４２により高速回転駆動することにより、吸気口２１ａ側の気体分子は排気ポート２５側へと排気される。

図２は、コントロールユニットの概略構成を示すブロック図である。外部からのＡＣ入力は、コントロールユニットに設けられたＤＣ電源４０によって交流から直流に変換される。ＤＣ電源４０は、インバータ４１用の電源、励磁アンプ４３用の電源、制御部４４用の電源をそれぞれ生成する。

モータ４２に電力を供給するインバータ４１には、複数のスイッチング素子が備えられている。これらのスイッチング素子のオンオフを制御部４４によって制御することにより、モータ４２が駆動される。

上述したように、ロータ軸５を磁気浮上支持する磁気軸受は、ラジアル方向に４軸、アキシャル方向に１軸の５軸制御型磁気軸受である。各軸毎に一対の磁気軸受電磁石が設けられているので、図２に示すように１０個の磁気軸受電磁石４５が設けられている。磁気軸受電磁石４５に電力を供給する励磁アンプ４３は、１０個の磁気軸受電磁石４５のそれぞれに設けられている。

モータ４２の駆動および磁気軸受の駆動を制御する制御部４４は、例えば、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のデジタル演算器とその周辺回路により構成される。モータ制御に関しては、インバータ４１に設けられている複数のスイッチング素子をオンオフ制御するためのＰＷＭ制御信号４１１が、制御部４４からインバータ４１へ入力される。また、インバータ４１から制御部４４へは、モータ４２に関する相電圧および相電流に関する信号４１２が入力される。

磁気軸受制御に関しては、励磁アンプ４３に含まれるスイッチング素子をオンオフ制御するためのＰＷＭゲート駆動信号４３１が、制御部４４から各励磁アンプ４３へ入力される。また、各励磁アンプ４３から制御部４４へは、各磁気軸受電磁石４５の電流値に関する電流検出信号４３２が入力される。

各変位センサ５０ｘ１，５０ｙ１，５０ｘ２，５０ｙ２，５１には、センサ回路３３がそれぞれ設けられている。制御部４４から各センサ回路３３には、センサキャリア信号（搬送波信号）３０５が入力される。各センサ回路３３から制御部４４には、ロータ軸の変位により変調されたセンサ信号３０６が入力される。

図３は、制御軸１軸分の磁気軸受電磁石４５に関係する構成を示す模式図である。図３においては、図１のラジアル磁気軸受４Ａのｘ方向の一軸に関する構成を示した。ロータ軸５を挟むように、ラジアル方向の磁気浮上支持を行う一対の磁気軸受電磁石４５ｍ，４５ｐが対向配置されている。Ｊはロータ軸５を磁気浮上させる際の浮上目標位置である。各磁気軸受電磁石４５ｍ，４５ｐには、励磁アンプ４３ｍ，４３ｐが設けられている。磁気軸受電磁石４５ｍを流れる励磁電流は電流センサ４６ｍにより検出され、磁気軸受電磁石４５ｐを流れる励磁電流は電流センサ４６ｐにより検出される。また、磁気軸受電磁石４５ｍ，４５ｐに対応付けてラジアル方向の変位センサ５０ｘ１ｍ，５０ｘ１ｐが設けられている。

図３のようにロータ軸５が変位Δｄrだけ磁気軸受電磁石４５ｐに近づいて、磁気軸受電磁石４５ｐとロータ軸５とのギャップが変化すると、そのギャップ変化は一対の変位センサ５０ｘ１ｍ、５０ｘ１ｐによって検出される。磁気軸受電磁石４５ｐの励磁電流を減少させるとともに、反対側の磁気軸受電磁石４５ｍの励磁電流を増加させると、磁気軸受電磁石４５ｍの方向に引き寄せられる。その結果、は、浮上目標位置Ｊに対するロータ軸５の浮上位置のズレが小さくなるように制御される。

磁気軸受電磁石４５ｍ、４５ｐを流れる励磁電流には、所定の軸受剛性を確保するためのバイアス電流（ＤＣ電流成分）と、ロータ軸５の浮上位置を制御するための制御電流とが含まれている。すなわち、ロータ軸５の浮上位置に応じて変化するのは制御電流である。制御電流＝０のときのロータ軸５の浮上位置が浮上目標位置Ｊであったとした場合、図３に示すようにロータ軸５を磁気軸受電磁石４５ｐの側に変位させる場合には、磁気軸受電磁石４５ｐの制御電流を＋Δｉとし、反対側の磁気軸受電磁石４５ｍの制御電流を−Δｉとする。ここで、＋Δｉおよび−Δｉは励磁電流の電流変動分に相当する

このときの磁気軸受電磁石４５ｐ方向への浮上位置ズレを変位Δｄrとすると、磁気軸受電磁石４５ｐとロータ軸５とのギャップはＤ−Δｄrとなり、磁気軸受電磁石４５ｍとロータ軸５とのギャップはＤ＋Δｄrとなる。この場合、磁気軸受電磁石４５ｐによる図示右方向の力Ｆp、および磁気軸受電磁石４５ｍによる図示左方向の力Ｆmは次式（１），（２）のように表される。式（１），（２）において、Ｄはロータ軸５が浮上目標位置Ｊに磁気浮上されているときのギャップ寸法であり、Ｉは励磁電流に含まれるバイアス電流（ＤＣ電流成分）である。
Ｆp＝ｋ((Ｉ＋Δｉ)/(Ｄ−Δｄr))^２ …（１）
Ｆm＝ｋ((Ｉ−Δｉ)/(Ｄ＋Δｄr))^２ …（２）

力Ｆp、Ｆmの変化分ΔＦp、ΔＦmを式（１）、（２）の線形近似により求めると、近似的に式（３）、（４）のようになる。よって、ロータ軸５に作用する電磁石力ΔＦ（＝Ｆp−Ｆm）は、次式（５）のように表される。
ΔＦp＝(２ｋＩ/Ｄ^２)Δｉ＋(２ｋＩ^２/Ｄ^３)Δｄr …（３）
ΔＦm＝(−２ｋＩ/Ｄ^２)Δｉ＋(−２ｋＩ^２/Ｄ^３)Δｄr …（４）
ΔＦ＝ΔＦp−ΔＦm
＝(４ｋＩ/Ｄ^２)Δｉ＋(４ｋＩ^２/Ｄ^３)Δｄr …（５）

式（５）に示すように、電磁石力ΔＦは、浮上制御における制御電流Δｉ（励磁電流の電流変動分）に依存する力(４ｋＩ/Ｄ^２)Δｉと、変位Δｄrに依存する力(４ｋＩ^２/Ｄ^３)Δｄrとで表される。これらの力の大きさは、式（６）のように励磁電流の電流変動に起因する力のほうが大きい。
(４ｋＩ/Ｄ^２)|Δｉ|＞(４ｋＩ^２/Ｄ^３)|Δｄr| …（６）

例えば、真空ポンプに外乱が作用すると、外乱により真空ポンプ本体が振動することで上記変位Δｄrが発生する。制御部４４は、変位Δｄrを解消するように制御電流Δｉ、−Δｉを磁気軸受電磁石４５ｍ、４５ｐに流し、ロータ軸５を浮上目標位置Ｊへと戻すように制御する。このとき、式（６）の関係より、力ΔＦがロータ軸５に作用し、その反作用がポンプ本体側に作用することになる。そのため、ロータ軸５が何らかの原因で振動すると、そのロータ変位が新たに起因してポンプ本体も振動することになる。

図３に示すようなラジアル磁気軸受においては、電磁石位置におけるロータ軸５のラジアル変位に基づいて磁気軸受電磁石４５ｍ、４５ｐの励磁電流を制御するのが好ましい。しかしながら、磁気軸受装置において、変位センサ５０ｘ１，５０ｙ１および５０ｘ２，５０ｙ２を磁気軸受電磁石と同一位置に配置するのは物理的に難しく、図３に示すように、変位センサ５０ｘ１，５０ｙ１を磁気軸受電磁石４５ｍ、４５ｐに対して軸方向にずれた位置に配置するのが一般的である。

そのため、ロータ軸５が浮上目標位置Ｊに対して平行に変位した場合には、電磁石位置における変位と変位センサ５０ｘ１ｐ，５０ｘ１ｐにより検出される変位とが一致するが、浮上目標位置Ｊに対して傾いている場合には、電磁石位置における変位と変位センサ５０ｘ１ｐ，５０ｘ１ｐにより検出される変位とが一致しない。変位が一致しない場合には最適な軸受制御ができないので、ロータ軸５の位置を浮上目標位置Ｊへ復帰させるための時間が長くなり、その分だけ復帰に要する仕事量も多くなる。

さらに、実際の変位（電磁石位置における変位）と変位センサ５０ｘ１ｐ，５０ｘ１ｐにより検出された変位とが一致していない場合には、一致している場合に比べて軸受制御時の励磁電流の変動量が大きくなり、電磁石力ΔＦの反作用によるポンプ本体の振動がより大きくなる。

上述した電磁石力ΔＦの説明では、外部環境からの一過性の外乱が作用した場合の過渡応答を例に説明したが、磁気軸受システムに起因するノイズが、変位センサの変位信号センシング時や励磁アンプ制御に必要な電流信号センシング時に混入した場合にも同様の問題が生じる。通常、微弱なポンプ振動が問題となるような用途、例えば電子顕微鏡に使用する場合には、外乱の影響よりも磁気軸受システムに起因する振動発生が問題となる。

磁気軸受式ターボ分子ポンプの磁気軸受システムでは、低周波帯域での動的な剛性が低く（コンプライアンスが高く）、重畳されたノイズ（ランダムノイズ）により、磁気軸受式ターボ分子ポンプにおける歳差モード固有振動数などを含む低周波数域（数十Ｈｚ以下）において変位変動および電流変動が大きくなる（図４参照）。なお、図４は従来の磁気軸受システムにおいて、ランダムノイズが重畳した場合の、電流振幅および変位振幅の周波数分布を示す図である。

そのため、従来、変位センサで検出された変位（以下ではセンサ位置変位と呼ぶ）に基づいて磁気軸受電磁石の励磁電流を制御していたものを、本実施の形態では、電磁石位置における変位（以下では磁石位置変位と呼ぶ）に基づいて励磁電流の制御を行うようにした。

図５は、図１に示したラジアル磁気軸受４Ａ，４Ｂに関する磁気軸受制御系の概略構成を示すブロック図である。図５において、磁気軸受電磁石４５はラジアル４軸分の８個の磁気軸受電磁石を表しており、同様に、変位センサ５０、センサ回路３３、励磁アンプ４３についても８個の磁気軸受電磁石に対応して各々設けられた８個の変位センサ、センサ回路、励磁アンプを表している。励磁アンプ４３から磁気軸受電磁石４５に供給される励磁電流は電流センサ４６によって検出される。

センサ回路３３から出力された変位センサ信号は制御部４４の復調部４４１に入力され、そこで復調処理が行われる。復調部４４１からは、変位センサ信号に基づく変位、すなわち、図１の軸方向上側の変位センサ位置における変位であるセンサ位置変位Ｄxs1，Ｄys1および軸方向下側の変位センサ位置におけるセンサ位置変位Ｄxs2，Ｄys2が出力される。変位変換部４４２は、入力されたセンサ位置変位Ｄxs1，Ｄys1，Ｄxs2，Ｄys2に基づいて、上側の電磁石位置におけるロータ軸５の変位である磁石位置変位Ｄxm1，Ｄym1および下側の電磁石位置における磁石位置変位Ｄxm2，Ｄym2を算出する。

電流制御部４４３は、磁石位置変位Ｄxm1，Ｄym1，Ｄxm2，Ｄym2に基づいて比例制御、積分制御および微分制御等を行い、励磁アンプ４３のスイッチング制御に関する電流設定信号を生成する。例えば、図３に示すラジアル磁気軸受４Ａの一軸分（ｘ軸方向）に関しては、磁気軸受電磁石４５ｍ、４５ｐに対する電流設定信号をそれぞれ生成する。そして、電流設定信号から電流センサからの電流検出信号を減算した電流偏差信号に基づいて、励磁アンプ４３をＰＷＭ制御するための電圧相当信号を生成する。

ＰＷＭ演算部４４４は、電流制御部４４３からの電圧相当信号に基づいてＰＷＭ制御指令を生成する。アンプ駆動部４７は、ＰＷＭ演算部４４４で生成されたＰＷＭ制御信号に基づいて、励磁アンプ４３にＰＷＭゲート駆動信号を出力する。励磁アンプ４３に設けられたスイッチング素子はＰＷＭゲート駆動信号によりオンオフされ、そのスイッチングパターンに応じた電圧が磁気軸受電磁石４５のコイルに印加され、それにより磁気軸受電磁石４５の励磁電流が制御される。

図６は、変位変換部４４２における変換処理を説明する図である。図６はｘ軸方向の変位に関して示したものであり、図３の浮上目標位置Ｊをｚ軸に一致させて図示した。ここでは、上側の変位センサ位置をｚs1とし、下側の変位センサ位置をｚs2とする。また、上側の電磁石位置をｚm1とし、下側の電磁石位置をｚm2とする。ロータ軸５は剛体とみなし、ロータ軸５の中心軸Ａの各位置ｚs1，ｚs2，ｚm1，ｚm2におけるｘ座標をｘs1，ｘs2，ｘm1，ｘm2とする。

また、ロータ軸５が浮上目標位置Ｊに浮上している場合のポンプロータ３（図１参照）の重心位置をＣＧとする。重心位置ＣＧから変位センサ位置ｚs1，ｚs2までの距離をＬ1，Ｌ2とし、重心位置ＣＧから電磁石位置ｚm1，ｚm2までの距離をｌ１，ｌ２とする。

図６では、浮上目標位置Ｊをｚ軸と一致させているので、変位センサ位置ｚs1，ｚs2におけるｘ座標ｘs1，ｘs2は、変位センサにより検出されるセンサ位置変位Ｄxs1，Ｄxs2を表している。同様に、電磁石位置ｚm1，ｚm2におけるｘ座標ｘm1，ｘm2は、電磁石位置ｚm1，ｚm2における磁石位置変位Ｄxm1，Ｄxm2を表している。

このとき、磁石位置変位Ｄxm1，Ｄxm2は、センサ位置変位Ｄxs1，Ｄxs2を用いて次式（７）、（８）のように表される。なお、式（７）、（８）では、変位Ｄxs1，Ｄxs2，Ｄxm1，Ｄxm2を時間ｔの関数として記載した。同様に、ｙ軸方向の磁石位置変位Ｄym1(t)，Ｄym2(t)は、変位センサ位置におけるｙ軸方向のセンサ位置変位Ｄys1(t)，Ｄys2(t)を用いて次式（９）（１０）のように表される。
Ｄxm1(t)＝(ｌ１−Ｌ１)/(Ｌ１＋Ｌ２)×{Ｄxs1(t)−Ｄxs2(t)}＋Ｄxs1(t)…(7)
Ｄxm2(t)＝(−ｌ２−Ｌ１)/(Ｌ１＋Ｌ２)×{Ｄxs1(t)−Ｄxs2(t)}＋Ｄxs1(t)…(8)
Ｄym1(t)＝(ｌ１−Ｌ１)/(Ｌ１＋Ｌ２)×{Ｄys1(t)−Ｄys2(t)}＋Ｄys1(t)…(9)
Ｄym2(t)＝(−ｌ２−Ｌ１)/(Ｌ１＋Ｌ２)×{Ｄys1(t)−Ｄys2(t)}＋Ｄys1(t)…(10)

図７は、本実施の形態においてランダムノイズが重畳した場合の電流振幅および変位振幅の周波数分布を示す図である。ラインＢ１は図４（ｂ）に示した従来の磁気軸受しステもの場合の周波数分布を示し、ラインＢ２は本実施の形態の場合の周波数分布を示す。本実施の形態では、軸受制御に用いる変位として、磁気軸受電磁石４５の位置における磁石位置変位Ｄxm1(t)，Ｄym1(t)，Ｄxm2(t)，Ｄym2(t)を用いているので、低周波数域でのノイズの影響による振動を低減することができる。

（Ｃ１）以上説明したように、第１の実施の形態では、図５に示すように、ロータ軸５をラジアル方向に磁気浮上支持する磁気軸受電磁石４５と、ロータ軸５のラジアル方向の変位を検出する変位センサ５０と、変位センサ５０により検出されたセンサ位置変位Ｄxs1(t)，Ｄys1(t)，Ｄxs2(t)，Ｄys2(t)を、磁気軸受電磁石４５の位置における磁石位置変位Ｄxm1(t)，Ｄym1(t)，Ｄxm2(t)，Ｄym2(t)に変換する変位変換部４４２と、磁石位置変位Ｄxm1(t)，Ｄym1(t)，Ｄxm2(t)，Ｄym2(t)に基づいて磁気軸受電磁石４５の励磁電流を制御して、ロータ軸５の浮上位置を所定位置に制御する電流制御部４４３と、を備える。

このように磁石位置変位Ｄxm1(t)，Ｄym1(t)，Ｄxm2(t)，Ｄym2(t)を用いることで、ノイズ重畳の影響によるポンプ振動の発生を抑えることができる。例えば、振動を嫌う電子顕微鏡のような装置においては、真空ポンプからの振動を低減するための除振装置を装置と真空ポンプとの間に設ける場合が多いが、本実施の形態では外乱の無い環境下において低振動化を図ることができるので、除振装置を省略することが可能となる。また、磁石位置の変位を用いることにより、ロータ軸５の位置を浮上目標位置Ｊへ復帰させるための時間や仕事量を低減することができる。

−第２の実施の形態−
図８は、第２の実施の形態における磁気軸受制御系の概略構成を示すブロック図である。図８に示す構成では、図５に示すブロック図の構成に信号選択部４４５をさらに設けた。以下では、図５の構成と異なる部分を中心に説明する。

復調部４４１から出力されたセンサ位置変位Ｄxs1，Ｄys1(t)，Ｄxs2，Ｄys2(t)は変位変換部４４２に入力されると共に、信号選択部４４５にも入力される。信号選択部４４５には、復調部４４１からのセンサ位置変位Ｄxs1(t)，Ｄys1(t)，Ｄxs2(t)，Ｄys2(t)と、変位変換部４４２からの磁石位置変位Ｄxm1(t)，Ｄym1(t)，Ｄxm2(t)，Ｄym2(t)とが入力される。信号選択部４４５は、センサ位置変位Ｄxs1，Ｄys1(t)，Ｄxs2，Ｄys2(t)の大きさ（すなわち絶対値）がそれぞれ所定の閾値Ｄth以下の場合には、磁石位置変位Ｄxm1(t)，Ｄym1(t)，Ｄxm2(t)，Ｄym2(t)を電流制御部４４３へ出力する。一方、センサ位置変位Ｄxs1(t)，Ｄys1(t)，Ｄxs2(t)，Ｄys2(t)の内のいずれか一つの大きさが閾値Ｄthを超過している場合には、信号選択部４４５はセンサ位置変位Ｄxs1(t)，Ｄys1(t)，Ｄxs2(t)，Ｄys2(t)を電流制御部４４３へ出力する。

ターボ分子ポンプに加わる外乱が非常に小さな環境下においては、上述したように磁気軸受システムのノイズに起因するポンプ振動が問題となる。一方で、地震等の大きな外乱がターボ分子ポンプに加わった場合には、外乱に起因するポンプ振動が問題となる。信号選択部４４５における閾値Ｄthの大きさとしては、例えば、ロータ軸５が非常用のメカニカルベアリング２６ａ，２６ｂにほぼ接触する場合のセンサ位置変位Ｄxs1(t)，Ｄys1(t)，Ｄxs2(t)，Ｄys2(t)の１／１０倍程度とする。

このように、変位センサで検出される変位の大きさに応じて電流制御に用いられる変位を切り替えるようにしたのは、以下のような理由からである。大きな外乱が加えられてロータ軸５がメカニカルベアリング２６ａ，２６ｂに接触した場合には、ロータ軸５の曲げ変形が誘起される。そのような曲げ変形が大きな状態において、上述のようにロータ軸５を剛体とみなして磁石位置変位Ｄxm1(t)，Ｄym1(t)，Ｄxm2(t)，Ｄym2(t)を算出すると、算出された変位と実際の変位との間に大きな誤差が生じる。そのため、軸受制御の安定性が損なわれるおそれがある。特に、曲げの固有振動数への制振など、高い周波数域に対する浮上安定性が大きく損なわれる危険性がある。

そのような場合には、ロバスト性の観点から、実際に検出されたセンサ位置変位Ｄxs1(t)，Ｄys1(t)，Ｄxs2(t)，Ｄys2(t)を用いる方が信頼性を高められる。そのため、第２の実施の形態では、センサ位置変位Ｄxs1(t)，Ｄys1(t)，Ｄxs2(t)，Ｄys2(t)のいずれか一つが閾値Ｄthを超過したならば、磁石位置変位Ｄxm1(t)，Ｄym1(t)，Ｄxm2(t)，Ｄym2(t)ではなく、実際に検出されたセンサ位置変位Ｄxs1(t)，Ｄys1(t)，Ｄxs2(t)，Ｄys2(t)に基づいて励磁電流の制御を行うようにした。

（Ｃ２）以上のように、第２の実施の形態では、図８に示すように、センサ位置変位Ｄxs1(t)，Ｄys1(t)，Ｄxs2(t)，Ｄys2(t)の値が所定範囲（値の大きさが閾値Ｄth以下の範囲）に含まれる場合には、磁石位置変位Ｄxm1(t)，Ｄym1(t)，Ｄxm2(t)，Ｄym2(t)に基づいて磁気軸受電磁石４５の励磁電流を制御する。そのため、低外乱環境下においてノイズに起因する振動を低減することができる。

一方、センサ位置変位Ｄxs1(t)，Ｄys1(t)，Ｄxs2(t)，Ｄys2(t)の値が所定範囲に含まれない場合（値の大きさが閾値Ｄthを超過する場合）には、センサ位置変位Ｄxs1(t)，Ｄys1(t)，Ｄxs2(t)，Ｄys2(t)に基づいて磁気軸受電磁石４５の励磁電流を制御する。そのため、大外乱が加わって変位の大きさが閾値Ｄthを超過した場合に、磁気浮上制御の安定性が損なわれるのを防止することができる。

（Ｃ３）なお、センサ位置変位Ｄxs1(t)，Ｄys1(t)，Ｄxs2(t)，Ｄys2(t)の値が所定範囲（値の大きさが閾値Ｄth以下の範囲）に含まれる場合における電流制御部４４３のゲインを、センサ位置変位の値が所定範囲に含まれない場合における電流制御部４４３のゲインよりも小さく設定するようにしても良い。

図８において説明したように、電流制御部４４３は入力される変位（センサ位置変位または磁石位置変位）に基づいて励磁アンプ４３のスイッチング制御に関する電流設定信号ｉsetを生成する。そして、電流設定信号ｉsetから電流センサからの電流検出信号を減算した電流偏差信号Δｉに基づいて、励磁アンプ４３をＰＷＭ制御するための電圧相当信号ｖを生成する。

図９は、電流設定信号ｉsetに基づく磁気軸受制御に関する伝達関数ブロック図である。電流制御部４４３は、電流設定信号ｉsetとの定常偏差を極力低減するようにＰＩ制御、すなわち比例（Ｐ）要素および積分（Ｉ）要素から構成される。１／（ＬＳ＋Ｒ）は磁気軸受電磁石４５に関する伝達関数であり、Ｌは磁気軸受電磁石のインダクタンス、Ｒは磁気軸受電磁石の抵抗である。なお、入力の電流設定信号ｉsetが概ねそのまま出力に相当するように、１／ｋを相殺するｋゲインが入力部に設けられる。

電流制御部全体のゲイン（Ｇ）は、フィードバックラインのゲイン（Ｋ）に比べて大きく設定されている（Ｇ≫ｋ）。通常、Ｇはｋの１０００倍以上、場合によっては１０万倍程度まで大きく設定される。これにより、励磁アンプの閉ループゲインがフィードバックゲインの逆数値（１／ｋ）になる、一定ゲインのリニアアンプとみなすことができる。

上述のように、閾値Ｄthを境界としてセンサ位置変位が大きい領域と小さい領域とに分けた場合に、センサ位置変位が大きい領域ではゲインＧを通常の値に設定し、センサ位置変位が小さい領域において電流制御部４４３のゲインＧを小さくすることで、センサ位置変位が小さい領域では外乱応答性は低下するが電流変動を小さくできるので、ロータ軸５からポンプ本体側に伝達される振動をより低減することができる。

なお、上述した実施の形態では、回転翼３ａおよび固定翼２２とで構成されるターボポンプ部と、円筒部３ｂとネジステータ２４とで構成されるドラッグポンプ部とを有するターボ分子ポンプを例に説明したが、ポンプロータを磁気軸受装置で磁気浮上支持する構成の真空ポンプであれば、本発明を同様に適用することができる。さらに、本発明に係る磁気軸受装置は、真空ポンプに限らず種々の装置の軸受機構に適用することができる。

上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。

１…ポンプ本体、３…ポンプロータ、４Ａ，４Ｂ…ラジアル磁気軸受、５…ロータ軸、３３…センサ回路、４２…モータ、４３…励磁アンプ、４４…制御部、４５，４５ｍ，４５ｐ…磁気軸受電磁石、４６，４６ｍ，４６ｐ…電流センサ、５０，５０ｘ１，５０ｙ１，５０ｘ２，５０ｙ２，５０ｘ１ｐ，５０ｘ１ｐ，５１…変位センサ、４４２…変位変換部、４４３…電流制御部、４４５…信号選択部、Ｊ…浮上目標位置

Claims (4)

1. ロータ軸をラジアル方向に磁気浮上支持するラジアル磁気軸受電磁石と、
   前記ロータ軸のラジアル方向の変位を検出する変位センサと、
   前記変位センサにより検出されたセンサ位置変位を、前記ラジアル磁気軸受電磁石の位置における磁石位置変位に変換する変位変換部と、
   前記磁石位置変位に基づいて前記ラジアル磁気軸受電磁石の励磁電流を制御して、前記ロータ軸の浮上位置を所定位置に制御する電流制御部と、を備える磁気軸受装置。
2. 請求項１に記載の磁気軸受装置において、
   前記センサ位置変位の値が所定範囲に含まれる場合には、前記磁石位置変位に基づいて前記ラジアル磁気軸受電磁石の励磁電流を制御し、
   前記センサ位置変位の値が前記所定範囲に含まれない場合には、前記センサ位置変位に基づいて前記ラジアル磁気軸受電磁石の励磁電流を制御する、磁気軸受装置。
3. 請求項２に記載の磁気軸受装置において、
   前記センサ位置変位の値が所定範囲に含まれる場合における前記電流制御部のゲインを、前記センサ位置変位の値が前記所定範囲に含まれない場合における前記電流制御部のゲインよりも小さく設定する、磁気軸受装置。
4. ポンプロータと、
   前記ポンプロータを回転駆動するモータと、
   前記ポンプロータのロータ軸を磁気浮上支持する請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の磁気軸受装置と、を備える真空ポンプ。

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