JP4287213B2 - 振動抑制機能を有する磁気軸受装置、振動推定機能を有する磁気軸受装置及び該磁気軸受装置を搭載したポンプ装置 - Google Patents
振動抑制機能を有する磁気軸受装置、振動推定機能を有する磁気軸受装置及び該磁気軸受装置を搭載したポンプ装置 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は振動抑制機能を有する磁気軸受装置、振動推定機能を有する磁気軸受装置及び該磁気軸受装置を搭載したポンプ装置に係わり、特に新たな振動センサを配設することなく、真空ポンプの被対象設備を含めた装置システム全体の低振動化を実現することが可能な振動抑制機能を有する磁気軸受装置、振動推定機能を有する磁気軸受装置及び該磁気軸受装置を搭載したポンプ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年のエレクトロニクスの発展に伴い、メモリや集積回路といった半導体の需要が急激に増大している。
これらの半導体は、極めて純度の高い半導体基板に不純物をドープして電気的性質を与えたり、半導体基板上に微細な回路パターンを形成し、これを積層するなどして製造される。
【０００３】
そして、これらの作業は空気中の塵等による影響を避けるため高真空状態のチャンバ内で行われる必要がある。このチャンバの排気には、一般に真空ポンプが用いられているが、特に残留ガスが少なく、保守が容易である等の点から真空ポンプの中の一つであるターボ分子ポンプが多用されている。
【０００４】
また、半導体の製造工程では、さまざまなプロセスガスを半導体の基板に作用させる工程が数多くあり、ターボ分子ポンプはチャンバ内を真空にするのみならず、これらのプロセスガスをチャンバ内から排気するのにも使用される。
【０００５】
さらに、ターボ分子ポンプは、電子顕微鏡等の設備において、粉塵等の存在による電子ビームの屈折等を防止するため、電子顕微鏡等のチャンバ内の環境を高度の真空状態にするのにも用いられている。
【０００６】
このようなターボ分子ポンプは、半導体製造装置や電子顕微鏡等のチャンバからガスを吸引排気するためのターボ分子ポンプ本体と、このターボ分子ポンプ本体を制御する制御装置とから構成されている。
【０００７】
ここで、ターボ分子ポンプ本体の縦断面図を図１０に、このターボ分子ポンプ本体をチャンバ内の真空引き等に用いた場合の装置システム全体の構成図を図１１に示す。
図１０において、ターボ分子ポンプ本体１００は、円筒状の外筒１２７の上端に吸気口１０１が形成されている。外筒１２７の内方には、ガスを吸引排気するためのタービンブレードとしての複数の回転翼１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ・・・を周部に放射状かつ多段に形成した回転体１０３を備える。
【０００８】
この回転体１０３の中心にはロータ軸１１３が取り付けられており、このロータ軸１１３は、例えば、いわゆる５軸制御の磁気軸受により浮上支持かつ位置制御されている。
【０００９】
上側径方向電磁石１０４は、４個の電磁石が互いに直行するＸ軸とＹ軸とに対をなしロータ軸１１３を挟んで対向配置されている。このＸ軸とＹ軸は、ロータ軸１１３が磁気軸受の制御目標位置にあるときのロータ軸１１３の軸芯に対して直角な平面上に想定されている。また、この上側径方向電磁石１０４に近接かつ対応されコアに巻かれた４個のコイルからなる上側径方向センサ１０７が備えられている。この上側径方向センサ１０７は回転体１０３の径方向変位を検出し、その信号を図１１に示す制御装置２００に送るように構成されている。
【００１０】
制御装置２００は、補償器２０１とアンプ２０２等から構成された磁気軸受フィードバック制御手段を備えており、この制御装置２００においては、上側径方向センサ１０７が検出した変位信号に基づき、ＰＩＤ調節機能を有する補償器２０１を介したアンプ２０２の出力により、上側径方向電磁石１０４の励磁を制御し、ロータ軸１１３の上側の径方向位置を調整する。
ロータ軸１１３は、高透磁率材（鉄など）などにより形成され、上側径方向電磁石１０４の磁力により吸引されるようになっている。かかる調整は、Ｘ軸方向とＹ軸方向とにそれぞれ独立して行われる。
【００１１】
また、下側径方向電磁石１０５及び下側径方向センサ１０８が、上側径方向電磁石１０４及び上側径方向センサ１０７と同様に配置され、ロータ軸１１３の下側の径方向位置が、上側の径方向位置と同様に、制御装置２００において、磁気軸受フィードバック制御手段により調整されている。
【００１２】
さらに、軸方向電磁石１０６Ａ，１０６Ｂが、ロータ軸１１３の下部に備えた円板状の金属ディスク１１１を上下に挟んで配置されている。金属ディスク１１１は、鉄などの高透磁率材で構成されている。回転体１０３の軸方向変位を検出するために軸方向センサ１０９が備えられ、その軸方向変位信号が制御装置２００に送られるように構成されている。
【００１３】
そして、軸方向電磁石１０６Ａ，１０６Ｂは、この軸方向変位信号に基づき制御装置２００のＰＩＤ調節機能を有する補償器２０１を介したアンプ２０２の出力により、励磁制御されるようになっている。軸方向電磁石１０６Ａは、磁力により金属ディスク１１１を上方に吸引し、軸方向電磁石１０６Ｂは、金属ディスク１１１を下方に吸引する。
【００１４】
このように、制御装置２００では、磁気軸受フィードバック制御手段により、軸方向電磁石１０６Ａ，１０６Ｂが金属ディスク１１１に及ぼす磁力を適当に調節し、ロータ軸１１３を軸方向に磁気浮上させ、空間に非接触で保持する。
【００１５】
モータ１２１は、その回転子側にロータ軸１１３を取り囲むように周状に配置された複数の永久磁石の磁極を備えている。そして、これらの永久磁石の磁極には、モータ１２１の固定子側である電磁石から、ロータ軸１１３を回転させるトルク成分が加えられるようになっており、回転体１０３が回転駆動されるようになっている。
また、モータ１２１には、図示しない回転数センサ及びモータ温度センサが取り付けられており、これらの回転数センサ及びモータ温度センサの検出信号を受けて、制御装置２００においてロータ軸１１３の回転が制御されている。
【００１６】
回転翼１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ・・・とわずかの空隙を隔てて複数枚の固定翼１２３ａ，１２３ｂ，１２３ｃ・・・が配設されている。回転翼１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ・・・は、それぞれ排気ガスの分子を衝突により下方向に移送するため、ロータ軸１１３の軸線に垂直な平面から所定の角度だけ傾斜して形成されている。
【００１７】
また、固定翼１２３も、同様にロータ軸１１３の軸線に垂直な平面から所定の角度だけ傾斜して形成され、かつ外筒１２７の内方に向けて回転翼１０２の段と互い違いに配設されている。
そして、固定翼１２３の一端は、複数の段積みされた固定翼スペーサ１２５ａ，１２５ｂ，１２５ｃ・・・の間に嵌挿された状態で支持されている。
【００１８】
固定翼スペーサ１２５はリング状の部材であり、例えばアルミニウム、鉄、ステンレス、銅などの金属、又はこれらの金属を成分として含む合金などの金属によって構成されている。
固定翼スペーサ１２５の外周には、わずかの空隙を隔てて外筒１２７が固定されている。外筒１２７の底部にはベース部１２９が配設され、固定翼スペーサ１２５の下部とベース部１２９の間にはネジ付きスペーサ１３１が配設されている。
【００１９】
このベース部１２９中のネジ付きスペーサ１３１の下部には排気口１３３が形成されている。そして、排気口１３３には、図示しないドライポンプ通路が接続されており、排気口１３３は、このドライポンプ通路を介して、図示しないドライポンプと接続されている。
【００２０】
ネジ付きスペーサ１３１は、アルミニウム、銅、ステンレス、鉄、又はこれらの金属を成分とする合金などの金属によって構成された円筒状の部材であり、その内周面に螺旋状のネジ溝１３１ａが複数条刻設されている。
ネジ溝１３１ａの螺旋の方向は、回転体１０３の回転方向に排気ガスの分子が移動したときに、この分子が排気口１３３の方へ移送される方向である。
【００２１】
回転体１０３の回転翼１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ・・・に続く最下部には円筒部１０２ｄが垂下されている。この円筒部１０２ｄの外周面は、ネジ付きスペーサ１３１の内周面に向かって張り出されており、このネジ付きスペーサ１３１の内周面と所定の隙間を隔てて近接されている。
【００２２】
ベース部１２９は、ターボ分子ポンプ本体１００の基底部を構成する円盤状の部材であり、一般には鉄、アルミニウム、ステンレスなどの金属によって構成されている。ベース部１２９はターボ分子ポンプ本体１００を物理的に保持すると共に、熱の伝導路の機能も兼ね備えているので、鉄、アルミニウムや銅などの剛性があり、熱伝導率も高い金属が使用されるのが望ましい。
【００２３】
また、ベース部１２９には、コネクタ１６０が配設されており、このコネクタ１６０には、ターボ分子ポンプ本体１００と制御装置２００との間の信号線が接続されている。
【００２４】
かかる構成において、回転翼１０２がロータ軸１１３と共にモータ１２１により駆動されて回転すると、回転翼１０２と固定翼１２３の作用により、吸気口１０１を通じて、図１１に示すチャンバ３００から排気ガスが吸気される。
【００２５】
吸気口１０１から吸気された排気ガスは、回転翼１０２と固定翼１２３の間を通り、ベース部１２９へ移送される。そして、ベース部１２９に移送されてきた排気ガスは、ネジ付きスペーサ１３１のネジ溝１３１ａに案内されつつ排気口１３３へと送られる。
【００２６】
また、吸気口１０１から吸気された排気ガスが、モータ１２１、上側径方向電磁石１０４、上側径方向センサ１０７、下側径方向電磁石１０５、下側径方向センサ１０８などで構成される電装部側に侵入することのないよう、電装部は周囲をステータコラム１２２で覆われ、この電装部内はパージガスにて所定圧に保たれている。
【００２７】
このため、ベース部１２９には図示しない配管が配設され、この配管を通じてパージガスが導入される。導入されたパージガスは、保護ベアリング１２０とロータ軸１１３間、モータ１２１のロータとステータ間、ステータコラム１２２と回転翼１０２間の隙間を通じて排気口１３３へ送出される。
【００２８】
ここに、ターボ分子ポンプ本体１００は、機種の特定と、個々に調整された固有のパラメータ（例えば、機種に対応する諸特性）に基づいた制御を要する。この制御パラメータを格納するために、ターボ分子ポンプ本体１００は、その内部に電子回路部１４１を備えている。電子回路部１４１は、ＥＥＰ−ＲＯＭ等の半導体メモリ及びそのアクセスのための半導体素子等の電子部品、その実装用の基板１４３等から構成される。
【００２９】
この電子回路部１４１は、ターボ分子ポンプ本体１００の下部を構成するベース部１２９の中央付近の図示しない回転数センサの下部に収容され、気密性の底蓋１４５によって閉じられている。
【００３０】
ところで、ターボ分子ポンプ本体１００は、半導体製造装置や電子顕微鏡等のチャンバ３００に用いられる性質上、その低振動化が望まれている。
すなわち、半導体製造装置のチャンバ３００において、回路パターンの露光を行っている最中に振動が発生してしまうと、下層の回路パターンとの合わせずれが生じてしまい、正常な回路動作ができなくなるおそれがあった。
また、電子顕微鏡のチャンバ３００においても、対象物を観察しているときに振動が発生してしまうと、その焦点が合わなくなり、画像が乱れてしまうおそれがあった。
【００３１】
そのため、図１１に示すように、ターボ分子ポンプ本体１００は、チャンバ３００との間にポンプ用ダンパ３０１を介設されつつ、宙吊りにされている。
図１１に示すポンプ用ダンパ３０１は、蛇腹状のベローズ３０２を備えており、このベローズ３０２の外周には、ゴム部材３０６が巻かれている。そして、ターボ分子ポンプ本体１００とチャンバ３００との間で、回転体１０３の回転に伴う振動を吸収するようになっている。このとき、ベローズ３０２の一端は、図示しないフランジを介してチャンバ３００に締結固定され、その他端は、フランジ３０３を介してターボ分子ポンプ本体１００の吸気口１０１と締結固定されている。
【００３２】
また、チャンバ３００は、床４００に配設されたフレーム４０２によって支持されており、チャンバ３００とフレーム４０２との間には、装置用ダンパ４０１が介設されている。
この装置用ダンパ４０１も、ポンプ用ダンパ３０１と同様に、フレーム４０２とチャンバ３００との間で振動を吸収するようになっている。
【００３３】
かかる構成において、ターボ分子ポンプ本体１００から振動が発生しても、その振動は、ポンプ用ダンパ３０１に吸収されるため、チャンバ３００に伝わり難くなる。
また、床４００から発生される振動に対しても同様で、その振動は、装置用ダンパ４０１に吸収され、チャンバ３００に伝わり難くなる。
以上により、チャンバ３００は、その低振動化が図られていた。
【００３４】
しかしながら、このようなメカニカルなダンパによる除振の場合、その構造上、特にターボ分子ポンプ本体１００やフレーム４０２を介して伝わる振動に対して、特に低周波数帯域において良好な除振効果が得られ難いという問題点があった。
【００３５】
そのため、チャンバ３００とターボ分子ポンプ本体１００やフレーム４０２の間に、ポンプ用ダンパ３０１や装置用ダンパ４０１をそれぞれ複数個直列に介設するなどして、チャンバ３００への除振効果の向上を図っているが、近年の半導体製造プロセスの微細化や電子顕微鏡の高分解能化等に対応するため、低周波数帯域でのさらなる低振動化が望まれていた。
【００３６】
また、近年の半導体製造装置等のチャンバ３００の容積拡大に伴い、ターボ分子ポンプ本体１００には大排気速度化の要望が強く、これに対応するため、ターボ分子ポンプ本体１００は大型化が進み、ポンプ用ダンパ３０１の大型化が進んでいる。
【００３７】
このようなポンプ用ダンパ３０１の大型化は、その除振効果を一定以上に保つとすれば、そのコストの上昇に直結するおそれがあった。
【００３８】
さらに、ターボ分子ポンプ本体１００には、図示しないドライポンプが接続されているが、このドライポンプの発生する振動は、わずかではあるが、ドライポンプ通路を介して、ターボ分子ポンプ本体１００等に伝わり、チャンバ３００を振動させてしまう。また、床４００には、このドライポンプや、他の半導体製造装置等が発生する振動、人が歩く際に発生される振動等も伝わってくるため、この振動が、チャンバ３００を振動させてしまう場合もある。
【００３９】
このようなチャンバ３００の振動は、ターボ分子ポンプ本体１００自体の低振動化を進めても避けることができず、ターボ分子ポンプ本体１００だけでなく、チャンバ３００を含めた装置システム全体としての低振動化が望まれていた。
【００４０】
かかる問題点を解決するため、特許文献１には、磁気軸受からある程度離れた場所の振動を低減することが可能な磁気軸受装置を備える回転機械が開示されている。すなわち、この磁気軸受装置を備える回転機械は、ポンプ用ダンパ３０１のフランジ３０３や、チャンバ３００側の図示しないフランジ等に振動検出センサを配設し、この振動検出センサが検知した検知信号に基づいて、逆位相の振動を回転体１０３に与え、装置システム全体の振動を打ち消すようにするものである。
【特許文献１】
特開２００２−１４７４５４号公報
【００４１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１の場合、ターボ分子ポンプ本体１００として、新たな振動検出センサを用意する必要があり、その分、部品コストが上昇してしまうおそれがあった。
【００４２】
また、この振動検出センサは、ポンプ用ダンパ３０１やチャンバ３００側に配設されるため、予めポンプ用ダンパ３０１やチャンバ３００等の周辺に配置スペースを確保することが必要であり、かつ、振動検出センサと制御装置２００との間を交信するために、ポンプ用ダンパ３０１やチャンバ３００等との間に新たな信号線が必要であった。
【００４３】
本発明はこのような従来の課題に鑑みてなされたもので、特に新たな振動センサを配設することなく、真空ポンプの被対象設備を含めた装置システム全体の低振動化を実現することが可能な振動抑制機能を有する磁気軸受装置、振動推定機能を有する磁気軸受装置及び該磁気軸受装置を搭載したポンプ装置を提供することを目的とする。
【００４４】
【課題を解決するための手段】
このため本発明は、振動抑制機能を有する磁気軸受装置に関し、回転体と、該回転体に浮上力を作用させる電磁石と、該電磁石が固設されたステータ部と、前記回転体の前記ステータ部に対する径方向及び／又は軸方向の相対変位を検出する変位検出手段と、該変位検出手段が検出した相対変位に基づいて前記浮上力の調整量を算出する磁気軸受制御補償器と、該磁気軸受制御補償器による前記浮上力の調整量の算出結果に応じて前記浮上力を調整する電磁石制御手段と、前記ステータ部に対する相対位置が固定された装置固定部の所定の物理量を検出する振動検出手段と、該振動検出手段の出力を、該出力の極性を反転し、少なくとも前記変位検出手段と前記磁気軸受制御補償器と前記電磁石制御手段によって構成される磁気軸受フィードバック制御手段の伝達信号に加算する加算手段とを備え、前記所定の物理量は、前記装置固定部及び／又は前記ステータ部の加速度、該加速度を所要回数だけ微分又は積分した変位、速度及び加加速度等のうちの少なくとも一つであり、前記加速度は、前記変位検出手段で検出された前記回転体の相対変位のラプラス変換と所定の伝達関数とを乗算した第１の乗算結果を時間領域に変換した変換結果であることを特徴とする。
【００４５】
振動検出手段は、装置固定部及び／又はステータ部の所定の物理量を検出し、これを加算手段に出力する。また、加算手段は、振動検出手段から出力された信号に対し、その極性を反転して磁気軸受フィードバック制御手段の出力と加算させる。
このことにより、磁気軸受装置に振動抑制機能を備えることができる。
なお、回転体の変位のラプラス変換とは、数５中のＹ（ｓ）をいう。
【００４６】
また、本発明は、振動抑制機能を有する磁気軸受装置に関し、前記回転体に作用する不釣り合い力を検出又は推定する不釣り合い力検出手段を備え、前記加速度は、前記第１の乗算結果と、前記不釣り合い力検出手段で検出又は推定された前記回転体に作用する不釣り合い力の変動分のラプラス変換と前記回転体の質量の逆数とを乗算した第２の乗算結果とを加算した加算結果を時間領域に変換した変換結果であることを特徴とする。
【００４７】
このことにより、磁気軸受装置は、さらに回転体に作用する不釣り合い力に起因して装置固定部及び／又はステータ部に生じる振動を抑制する振動抑制機能を備えることができる。
なお、不釣り合い力の変動分のラプラス変換とは、数４中のＵb（ｓ）をいう。
【００４８】
さらに、本発明は、振動抑制機能を有する磁気軸受装置に関し、前記所定の伝達関数は、前記回転体の相対変位と該相対変位により前記電磁石と前記回転体との間に作用する力との関係である磁気軸受フィードバック制御手段固有の伝達関数と、前記回転体の質量により表されたことを特徴とする。
【００４９】
所定の伝達関数は、回転体の質量と、磁気軸受フィードバック制御手段固有の伝達関数とにより定義付けられた関数である。ここで、磁気軸受フィードバック制御手段固有の伝達関数は、磁気軸受の設計段階で決まる関数である。
このことにより、新たな振動センサを配設することなく、磁気軸受装置内のパラメータのみで、所定の伝達関数を算出することができる。
なお、磁気軸受フィードバック制御手段固有の伝達関数とは、数４、数５中のＦ（ｓ）をいう。
【００５０】
さらに、本発明は、振動抑制機能を有する磁気軸受装置に関し、回転体と、該回転体に浮上力を作用させる電磁石と、該電磁石が固設されたステータ部と、前記回転体の前記ステータ部に対する径方向及び／又は軸方向の相対変位を検出する変位検出手段と、該変位検出手段が検出した相対変位に基づいて前記浮上力の調整量を算出する磁気軸受制御補償器と、該磁気軸受制御補償器による前記浮上力の調整量の算出結果に対応して前記浮上力を調整する電磁石制御手段と、前記ステータ部に対する相対位置が固定された装置固定部の所定の物理量を検出する振動検出手段と、該振動検出手段の出力を、該出力の極性を反転し、少なくとも前記変位検出手段と前記磁気軸受制御補償器と前記電磁石制御手段によって構成される磁気軸受フィードバック制御手段の伝達信号に加算する加算手段とを備え、前記所定の物理量は、前記装置固定部及び／又は前記ステータ部の加速度、該加速度を所要回数だけ微分又は積分した変位、速度及び加加速度等のうちの少なくとも一つであり、前記加速度は、前記磁気軸受制御補償器による前記浮上力の調整量の算出結果又は前記加算手段による加算結果と、前記回転体の質量の逆数とを乗算した第３の乗算結果から、前記変位検出手段で検出された前記回転体の相対変位を２階微分した結果を減算した減算結果であることを特徴とする。
【００５１】
前記加算手段が、前記磁気軸受制御補償器による前記浮上力の調整量の算出結果に、前記振動検出手段の出力を、その極性を反転して加算する場合には、前記加速度は、前記加算手段による加算結果と、前記回転体の質量の逆数とを乗算した第３の乗算結果から、前記変位検出手段で検出された前記回転体の相対変位を２階微分した結果を減算した減算結果となる。
【００５２】
請求項１と異なり、装置固定部及び／又はステータ部の加速度等を検出するに際し伝達関数の演算が行われない。この代わりに、電磁石が回転体に作用させる浮上力そのものが用いられる。そして、この浮上力として磁気軸受制御補償器による浮上力の調整量の算出結果又は加算手段で加算された加算結果が用いられる。
このことにより、装置固定部及び／又はステータ部の加速度等の検出にあたり既知である磁気軸受制御補償器による浮上力の調整量の算出結果又は加算手段による加算結果を用いているので、安価な演算装置を用いても高精度に装置固定部及び／又はステータ部の加速度等を算出することが可能である。
【００５３】
さらに、本発明は、振動抑制機能を有する磁気軸受装置に関し、前記電磁石と前記回転体の間に発生する磁束の変動量を検出する磁束検出手段を備え、前記第３の乗算結果として、前記磁気軸受制御補償器による前記浮上力の調整量の算出結果の代わりに、前記磁束検出手段で検出された磁束の変動量に比例する値を用いた乗算結果を用いることを特徴とする。
【００５４】
電磁石が回転体に作用させる浮上力の調整量として、磁束検出手段で検出された磁束の変動量に比例する値が用いられる。
このことにより、伝達関数の演算が行われないので、安価な演算装置を用いても高精度に装置固定部及び／又はステータ部の加速度等を算出することが可能である。
【００５５】
さらに、本発明は、振動抑制機能を有する磁気軸受装置に関し、前記回転体を回転駆動する誘導モータと、該誘導モータの通電状態を制御するモータ制御手段とを備え、前記振動検出手段で前記所定の物理量を検出するとき、前記モータ制御手段は前記誘導モータを無通電とすることを特徴とする。
【００５６】
一般に、モータが界磁手段として永久磁石を使用する場合には、永久磁石の減磁現象などの不確定な特性変化により、回転体に及ぼす力を正確に把握することは困難である。
しかしながら、モータとして永久磁石を有しない誘導モータを使用することで、振動検出手段で所定の物理量を検出するときに、誘導モータを無通電にして誘導モータが回転体に及ぼす力の影響をゼロにすることができる。
このことにより、所定の物理量を精度良く検出することができる。
【００５７】
さらに、本発明は、振動抑制機能を有する磁気軸受装置に関し、前記回転体の回転周波数に追従して、該周波数成分を除去する回転周波数追従型ノッチフィルタを備え、前記加速度等は、前記減算結果が前記回転周波数追従型ノッチフィルタを通過した結果であることを特徴とする。
【００５８】
回転体に作用する不釣り合い力は、周波数を回転体の回転周波数とする正弦波に近似される。そこで、回転体の回転周波数に追従して、この周波数成分を除去する回転周波数追従型ノッチフィルタを設けることにより、回転体の回転周波数付近の結果を考慮せずに、装置固定部及び／又はステータ部の加速度等を検出することができる。
このことにより、回転体の回転周波数付近に不感帯が生じるものの、その他の周波数帯域では、不釣り合い力の影響を取り除いて装置固定部及び／又はステータ部の加速度等を精度良く算出することができる。
なお、回転周波数とは、１秒間の回転回数をいう。
【００５９】
さらに、本発明は、振動抑制機能を有する磁気軸受装置に関し、前記加速度等が通過するローパスフィルタを備えて構成した。
【００６０】
加速度等が通過するローパスフィルタを備えることで、ラプラス領域においては厳密にプロパーな式で演算することが可能となる。
このことにより、演算の過程において微分器を必要としないため、装置固定部及び／又はステータ部の加速度等に基づいて振動抑制制御を行うフィードバック制御系の安定性を向上させることができ、かつノイズを低減することができる。
【００６１】
さらに、本発明は、振動抑制機能を有する磁気軸受装置に関し、前記振動検出手段の出力にゲイン調整及び／又は位相補償と、ＰＩＤ制御と、その他の制御補償のいずれか少なくとも一つの制御補償を施す振動抑制制御補償手段を備えて構成した。
【００６２】
振動抑制制御補償手段は、振動検出手段の出力信号にゲイン調整及び／又は位相補償を施す補償器であっても良いし、ＰＩＤ制御補償器、又は、最適制御補償器、Ｈ∞制御補償器、スライディングモード制御補償器等のその他の方式の制御補償器であっても良い。また、これらの補償器のうちのいずれか少なくとも二つを組み合わせて構成しても良い。
このことにより、装置固定部及び／又はステータ部の振動を発散させることなく、効果的に抑制することができる。
【００６３】
さらに、本発明は、振動推定機能を有する磁気軸受装置に関し、回転体と、該回転体に浮上力を作用させる電磁石と、該電磁石が固設されたステータ部と、前記回転体の前記ステータ部に対する径方向及び／又は軸方向の相対変位を検出する変位検出手段と、該変位検出手段が検出した変位に基づいて前記浮上力の調整量を算出する磁気軸受制御補償器と、該磁気軸受制御補償器による前記浮上力の調整量の算出結果に対応して前記浮上力を調整する電磁石制御手段と、前記ステータ部に対する相対位置が固定された装置固定部の所定の物理量を検出する振動検出手段とを備え、前記所定の物理量は、前記装置固定部及び／又は前記ステータ部の加速度、該加速度を所要回数だけ微分又は積分した変位、速度及び加加速度等のうちの少なくとも一つであり、前記加速度は、前記変位検出手段で検出された前記回転体の相対変位のラプラス変換と所定の伝達関数とを乗算した第１の乗算結果を時間領域に変換した変換結果であることを特徴とする。
【００６４】
さらに、本発明は、振動推定機能を有する磁気軸受装置に関し、回転体と、該回転体に浮上力を作用させる電磁石と、該電磁石が固設されたステータ部と、前記回転体の前記ステータ部に対する径方向及び／又は軸方向の相対変位を検出する変位検出手段と、該変位検出手段が検出した変位に基づいて前記浮上力の調整量を算出する磁気軸受制御補償器と、該磁気軸受制御補償器による前記浮上力の調整量の算出結果に対応して前記浮上力を調整する電磁石制御手段と、前記ステータ部に対する相対位置が固定された装置固定部の所定の物理量を検出する振動検出手段とを備え、前記所定の物理量は、前記装置固定部及び／又は前記ステータ部の加速度、該加速度を所要回数だけ微分又は積分した変位、速度及び加加速度等のうちの少なくとも一つであり、前記加速度は、前記磁気軸受制御補償器による前記浮上力の調整量の算出結果と、前記回転体の質量の逆数とを乗算した第３の乗算結果から、前記変位検出手段で検出された前記回転体の相対変位を２階微分した結果を減算した減算結果であることを特徴とする。
【００６５】
さらに、本発明は、振動推定機能を有する磁気軸受装置に関し、前記電磁石と前記回転体の間に発生する磁束の変動量を検出する磁束検出手段を備え、前記第３の乗算結果として、前記磁気軸受制御補償器による前記浮上力の調整量の算出結果の代わりに、前記磁束検出手段で検出された磁束の変動量に比例する値を用いた乗算結果を用いることを特徴とする。
【００６６】
さらに、本発明は、振動抑制機能を有するポンプ装置に関し、磁気軸受装置が搭載された真空ポンプであって、該真空ポンプは、被対象設備に設置され、該被対象設備から所定のガスを吸引することを特徴とする。
【００６７】
真空ポンプは、被対象設備に設置されており、かつ、振動抑制機能を有する磁気軸受装置を搭載している。
このことにより、新たな振動センサを配設することなく、ポンプ装置の低振動化を実現することが可能である。
【００６８】
さらに、本発明は、振動推定機能を有するポンプ装置に関し、磁気軸受装置が搭載された真空ポンプであって、該真空ポンプは、被対象設備に設置され、該被対象設備から所定のガスを吸引することを特徴とする。
【００６９】
このことにより、新たな振動センサを配設することなく、ポンプ装置の振動推定を実現することが可能である。
【００７０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１実施形態について説明する。図１に、本発明の第１実施形態である装置システム全体の構成図を示す。なお、図１１と同一要素のものについては同一符号を付して説明は省略する。
図１に示す制御装置５００は、磁気軸受フィードバック制御手段を備えた従来の制御装置２００に加えて、振動検出手段としての振動検出器５０３、振動抑制制御補償手段としての振動抑制制御補償器５０４及び加算手段としての加算器５０５を備えている。
【００７１】
振動検出器５０３は、ターボ分子ポンプ本体１００の各回転体位置センサ１０７，１０８，１０９から出力された変位信号を入力としている。
また、振動検出器５０３では、回転体１０３の変位のラプラス変換と所定の伝達関数とを乗算した第１の乗算結果と、回転体１０３に作用する不釣り合い力の変動分のラプラス変換と回転体１０３の質量の逆数とを乗算した第２の乗算結果とを加算した結果を時間領域に変換し、この変換結果を、装置固定部６００の加速度信号として出力するようになっている。
【００７２】
また、振動検出器５０３内には、伝達関数の算出のために必要なパラメータが予め決められており（あるいは予め測定されており）、図示しない記憶装置等に保存されている。そして、振動検出器５０３の出力信号は、装置固定部６００の加速度として、振動抑制制御補償器５０４へ出力されている。
なお、装置固定部６００とは、チャンバ３００及びターボ分子ポンプ本体１００のうち回転体１０３を除いた部分のことをいう。
【００７３】
振動抑制制御補償器５０４は、振動検出器５０３から出力された加速度信号に、所定の周波数特性を持つ増幅率を掛け合わせてゲインを調節し、装置固定部６００の発散又は発振を防止するために、位相補償を行うようになっている。
【００７４】
加算器５０５には、補償器２０１の出力信号である位置制御力指令信号と、振動抑制制御補償器５０４の出力信号である加速度調節信号とが入力されている。そして、加算器５０５は、装置固定部６００の振動を抑制できるように、加速度調節信号の正負（＋−）の極性を反転させ、位置制御力指令信号に加算するようになっている。
【００７５】
そして、加算器５０５の加算結果である制御力指令値は、電磁石制御手段としてのアンプ２０２に出力されるようになっている。この結果、アンプ２０２からは、電磁石１０４，１０５，１０６Ａ，１０６Ｂを介して、回転体１０３に浮上支持力が作用されるようになっている。このとき、電磁石１０４，１０５，１０６Ａ，１０６Ｂ（すなわち、装置固定部６００）は浮上支持力の反力を受けるが、その反力には装置固定部６００の振動を抑制する力が含まれているため、この力によって装置固定部６００の振動が抑制されるようになっている。
【００７６】
また、図１に示す装置システムは、図１１に示す装置システムと異なり、ターボ分子ポンプ本体１００とチャンバ３００との間には、ポンプ固定部３０４が介設されている。
【００７７】
このポンプ固定部３０４は、円筒状の固定柱３０５を備えており、ターボ分子ポンプ本体１００をチャンバ３００に固定するものである。
このとき、固定柱３０５は、その一端が、図示しないフランジを介してチャンバ３００に締結固定され、その他端は、フランジ３０３を介してターボ分子ポンプ本体１００の吸気口１０１と締結固定されている。
【００７８】
次に、第１実施形態である装置システムの作用について説明する。
まず、装置固定部６００の加速度を導出する方法について説明する。この加速度の導出方法を説明するにあたり、装置システム全体のブロック図を図２に示す。なお、図１と同一要素のものについては同一符号を付して説明は省略する。
【００７９】
図２に示す装置用ダンパ４０１は、その機能を、ばね定数ｋsを有する弾性体４０１ａと、粘性係数ｃsを有する粘性抵抗４０１ｂとでモデル化することができる。
また、ターボ分子ポンプ本体１００の回転体１０３は、各電磁石１０４，１０５，１０６Ａ，１０６Ｂにより浮上支持されている。
【００８０】
この浮上支持の剛性は、ラプラス領域においては、径方向では、回転体１０３の装置固定部６００に対する径方向変位のラプラス変換を入力とし、電磁石１０４，１０５から回転体１０３に作用する力の変動分のラプラス変換を出力とする伝達関数Ｆr（ｓ）で表される。
【００８１】
また、軸方向では、回転体１０３の装置固定部６００に対する軸方向変位のラプラス変換を入力とし、電磁石１０６Ａ，１０６Ｂから回転体１０３に作用する力の和の変動分のラプラス変換を出力とする伝達関数Ｆa（ｓ）で表される。
従って、これらの伝達関数Ｆr（ｓ），Ｆa（ｓ）は、制御装置５００の補償器２０１やアンプ２０２等から構成される磁気軸受フィードバック制御手段固有の伝達関数であるといえる。
【００８２】
さらに、ターボ分子ポンプ本体１００は、従来と異なり、チャンバ３００に固定されているので、装置固定部６００すなわちチャンバ３００及びターボ分子ポンプ本体１００のうち回転体１０３を除いた部分は一体として考えることができる。
以上により、床４００と、装置固定部６００と、回転体１０３との間の運動モデルは、径方向、軸方向ともに図３に示すようなモデルで表現することができる。
【００８３】
図３において、変位ｘb（ｔ）は、床４００の絶対変位を表している。そして、変位ｘs（ｔ）は、装置固定部６００の絶対変位を示し、変位ｘr（ｔ）は、回転体１０３の絶対変位を示している。
また、質量ｍsは、装置固定部６００の質量を表し、質量ｍrは、回転体１０３の質量を表している。
【００８４】
さらに、外乱力ｂp（ｔ）は、装置固定部６００に作用する外乱力を示している。外乱力ｂp（ｔ）としては、例えば、ターボ分子ポンプ本体１００に接続されたドライポンプから伝わる振動等が考えられる。
【００８５】
また、不釣り合い力ｕb（ｔ）は、回転体１０３の形状中心軸と慣性中心軸の位置ずれに起因して発生する不釣り合い力を示す。
【００８６】
ここで、装置固定部６００に対する回転体１０３の相対変位を相対変位ｙ（ｔ）とおくと、この相対変位ｙ（ｔ）は、数１のように定義される。
【００８７】
【数１】
【００８８】
さらに、図２において、回転体１０３が、装置固定部６００から浮上支持されていることを、相対変位ｙ（ｔ）と、電磁石１０４，１０５又は電磁石１０６Ａ，１０６Ｂが回転体１０３に作用する力との関係として、関数ｆを定義すると、回転体１０３の運動方程式は数２のように表現される。
【００８９】
【数２】
【００９０】
また、数２は数１を導入することにより数３のように表される。
【００９１】
【数３】
【００９２】
ここで、ｆ（ｙ（ｔ））はｙ（ｔ）の線形方程式で表されるので、初期値を０として数３をラプラス変換すると、数４が得られる。なおｓはラプラス演算子である。
【００９３】
【数４】
【００９４】
数４の左辺はラプラス領域における装置固定部６００の加速度を表し、数４の両辺を時間領域に変換することで、装置固定部６００の加速度を求めることができる。
【００９５】
ここで、相対変位ｙ（ｔ）は、各回転体位置センサ１０７，１０８，１０９によって検出され、不釣り合い力ｕb（ｔ）は、例えば「不釣り合い補償機能を備えた磁気軸受制御系の構成」（水野・樋口 計測自動制御学会論文集，２０，１２，ｐ１０９５）や「弾性ロータのフィードフォワード形不釣り合い力相殺制御」（日本機械学会論文集（Ｃ編），５６，５２８（１９９０）ｐｐ．２０５６−２０６４）に開示されているように、オブザーバを構成することにより、磁気軸受が回転体１０３を浮上支持する制御力と各回転体位置センサ１０７，１０８，１０９によって検出された回転体１０３の変位から推定することができる。
【００９６】
なお、これらの例は、オブザーバにより回転体１０３に作用する不釣り合い力を推定し、フィードフォワード制御により回転体１０３に作用する不釣り合い力を相殺することで、回転体１０３の振動を抑制しようとするものであるが、本発明は、数４又は後述する数５を時間領域に変換した結果に基づく計算により、装置固定部６００の加速度を求め、この加速度を抑制するように制御するものであって、これらの例とは制御対象と制御方法が異なる。また、これらの例は回転体１０３の振動を抑制するのに対し、本発明は、敢えて回転体１０３を振動させ、その振動によって装置固定部６００に作用する力を利用して、装置固定部６００の振動を抑制するものである。
【００９７】
また、数４又は数５から明らかなように、装置固定部６００の加速度は、装置固定部６００側の状態にはよらず、ターボ分子ポンプ本体１００側に存在するパラメータと、各回転体位置センサ１０７，１０８，１０９の検出した変位信号から求められる。
【００９８】
次に、算出した装置固定部６００の加速度に基づいて、装置固定部６００の振動を抑制するための動作を説明する。
制御装置５００の振動検出器５０３は、数４の両辺を時間領域に変換した結果の計算を行うことにより、装置固定部６００の加速度を求め、この加速度の信号を出力する。
【００９９】
この信号は、振動抑制制御補償器５０４に入力され、ここで補償器２０１の出力へ加算する際のゲインが調節される。また、振動抑制制御補償器５０４では、制御装置５００と振動抑制制御補償器５０４とターボ分子ポンプ本体１００とがフィードバック制御系を構成しているため、装置固定部６００が発散又は発振しないように、加速度信号に対して、位相補償等の対策を取る。
【０１００】
そして、振動抑制制御補償器５０４から出力された加速度調節信号は、加算器５０５に送られ、ここで装置固定部６００の振動を抑制するように正負（＋−）の極性を反転して、補償器２０１の出力である位置制御力指令信号へ加算される。
【０１０１】
この加算結果である制御力指令値は、アンプ２０２に出力され、アンプ２０２は、加算器５０５からの制御力指令値に基づいて、電磁石１０４，１０５，１０６Ａ，１０６Ｂを励磁し回転体１０３を浮上支持する。このとき、電磁石１０４，１０５，１０６Ａ，１０６Ｂ（すなわち、装置固定部６００）は、回転体１０３に作用させる浮上支持力の反力を受けるが、この反力には装置固定部６００の振動を抑制する力が含まれているため、この力によって装置固定部６００の振動が抑制される。
このように、装置固定部６００の加速度に対して、この加速度を抑制する力を、電磁石１０４，１０５，１０６Ａ，１０６Ｂに作用する浮上支持力の反力に発生させることで、装置固定部６００の振動を抑制することができる。
【０１０２】
以上により、ターボ分子ポンプ本体１００及び制御装置５００は、装置システム全体の振動を抑制することが可能である。
【０１０３】
そして、この振動抑制は、チャンバ３００に新たな振動検出センサ等を設置することなく、各回転体位置センサ１０７，１０８，１０９の変位信号とターボ分子ポンプ本体１００側のパラメータのみを利用して達成することができる。
よって、新たなセンサを配設することなく、真空ポンプの被対象設備を含めた装置システム全体の低振動化を実現することが可能である。
【０１０４】
なお、本実施形態においては、振動検出器５０３は、数４を時間領域に変換した結果の計算を行うことにより装置固定部６００の加速度を求めるとして説明してきたが、これに限られるものではない。
すなわち、回転体１０３に作用する不釣り合い力ｕb（ｔ）が装置固定部６００の加速度に及ぼす影響を無視する場合には、回転体１０３の変位のラプラス変換と所定の伝達関数とを乗算した乗算結果を時間領域に変換した変換結果、例えば、以下に示す数５の両辺を時間領域に変換した結果の計算を行うことにより装置固定部６００の加速度を求めても良い。
【０１０５】
【数５】
【０１０６】
また、本実施形態においては、振動抑制制御補償器５０４は、振動検出器５０３の出力信号にゲイン調整と位相補償を施すように構成したが、これに限られるものではなく、ＰＩＤ制御補償器、又は、最適制御補償器、Ｈ∞制御補償器、スライディングモード制御補償器等のその他の方式の補償器であっても良いし、これらの補償器のいずれか少なくとも二つを組み合わせて構成しても良い。また、補償器２０１の制御対象である回転体１０３の変位と、振動抑制制御補償器５０４の制御対象である装置固定部６００の加速度が発散又は発振しなければ、振動抑制制御補償器５０４を備えなくても良い。
【０１０７】
さらに、本実施形態において、加算器５０５は、補償器２０１の出力信号に振動抑制制御補償器５０４が出力する加速度調節信号を正負（＋−）の極性を反転して加算し、その加算結果である制御力指令値をアンプ２０２に出力するとして説明してきたが、これに限られるものではない。加算器５０５は、制御装置５００のフィードバック制御ループ上の伝達信号であれば、どの信号に加算しても良い。
【０１０８】
例えば、加算器５０５は、各回転体位置センサ１０７，１０８，１０９と補償器２０１との間に接続されて、各回転体位置センサ１０７，１０８，１０９の変位信号に、振動抑制制御補償器５０４が出力する加速度調整信号を正負（＋−）の極性を反転して加算し、その加算結果を補償器２０１に出力しても良い。このとき、振動抑制制御補償器５０４は、加算器５０５によって加速度調整信号が正負（＋−）の極性を反転して加算されるフィードバック制御ループ上の伝達信号に応じた制御補償を行う。
【０１０９】
また、上述のように、加算器５０５を各回転体位置センサ１０７，１０８，１０９と補償器２０１との間に接続した場合、通常、補償器２０１は、信号のゲイン調整やその位相補償、ＰＩＤ制御補償、又は、最適制御補償、Ｈ∞制御補償、スライディングモード制御補償等のその他の制御補償を行うための機能を備えている。このため、振動抑制制御補償器５０４が行っていた機能を補償器２０１内に容易に組み込むことができる。
【０１１０】
さらに、本実施形態は、いわゆる５軸制御の磁気軸受に用いられる場合に限られず、３軸、１軸制御の磁気軸受に対して用いても良い。例えば１軸制御の場合、制御機能を有する電磁石も１軸分しか存在しないので、装置固定部６００が振動したときに、その振動を抑制する力を作用させることができる方向が、その電磁石で制御できる１方向となる。
【０１１１】
また、本実施形態では、装置固定部６００の加速度を算出することで、装置固定部６００の振動を抑制していたが、これを装置固定部６００の加加速度、速度、位置等のように加速度を所要回数だけ微分又は積分した結果に相当する物理量を算出することで達成しても良い。
【０１１２】
次に、本発明の第２実施形態について説明する。
第１実施形態である装置システムでは、電磁石１０４，１０５又は電磁石１０６Ａ，１０６Ｂが回転体１０３に作用する力を求めるに際し、伝達関数Ｆr（ｓ），Ｆa（ｓ）を計算していたが、本実施形態である装置システムでは、伝達関数Ｆr（ｓ），Ｆa（ｓ）の計算を行う代わりに、加算器５０５から出力された制御力指令値等を用いるものである。
【０１１３】
図４に、本発明の第２実施形態である装置システム全体の構成図を示す。なお、図１と同一要素のものについては同一符号を付して説明は省略する。
図４に示す制御装置５５０は、第１実施形態の振動検出器５０３に代えて、振動検出手段及びモータ制御手段としての振動検出／モータ制御器５５３を備えている。
【０１１４】
この振動検出／モータ制御器５５３には、加算器５０５の出力である制御力指令値が入力されるようになっている。そして、振動検出／モータ制御器５５３では、装置固定部６００の加速度を求める際に、この制御力指令値を使用するようになっている。
【０１１５】
また、本実施形態のターボ分子ポンプ本体１５０では、第１実施形態で用いられていた永久磁石を有するモータ１２１の代わりに、誘導モータ１７１が使用されている。そして、この誘導モータ１７１には、振動検出／モータ制御器５５３から無通電信号が出力されており、誘導モータ１７１は、振動検出／モータ制御器５５３で装置固定部６００の加速度の算出が行われる期間中、無通電状態（フリーラン）とされるようになっている。
【０１１６】
さらに、振動検出／モータ制御器５５３には、回転体１０３に作用する不釣り合い力ｕb（ｔ）による誤差を低減するための回転周波数追従型ノッチフィルタ８０６が設けられている（詳細は後述する）。
【０１１７】
なお、本実施形態の振動検出／モータ制御器５５３には、加算器５０５から出力される制御力指令値の代わりに、回転体１０３と、電磁石１０４，１０５又は電磁石１０６Ａ，１０６Ｂとの間に発生する磁束の変動量を示す磁束検出信号が入力されても良い。そして、この磁束の変動量に基づいて、装置固定部６００の加速度を求めても良い。
【０１１８】
この場合には図５に示すように、ターボ分子ポンプ本体１５０に、回転体１０３と電磁石１０４，１０５又は電磁石１０６Ａ，１０６Ｂとの間に発生する磁束の変動量を検出する磁束検出器１８１を設け、この検出結果を振動検出／モータ制御器５５３に出力するようにすれば良い。
【０１１９】
次に、第２実施形態である装置システムの作用について説明する。
まず、装置固定部６００の加速度を導出する方法について説明する。
この加速度の導出方法を説明するにあたり、装置システム全体のブロック図は、第１実施形態で説明した図２と同様である。そして、このブロック図に基づいて運動モデルを構成すると、図６のようになる。
【０１２０】
このとき、図６において、第１実施形態である運動モデル（図３）との対比を行うと以下のようになる。
まず、第１実施形態である運動モデルでは、相対変位ｙ（ｔ）と、電磁石１０４，１０５又は電磁石１０６Ａ，１０６Ｂが回転体１０３に作用させる力との関係として関数ｆr，ｆaを定義していたが、本実施形態ではこれらの関数ｆr，ｆaは定義されていない。その代わりに、本実施形態では電磁石１０４，１０５又は電磁石１０６Ａ，１０６Ｂが回転体１０３に及ぼす力として、磁気軸受の浮上力の調整量ｆmb（ｔ）そのものが定義されている。
【０１２１】
また、第１実施形態である運動モデルでは考慮されていなかったが、本実施形態の運動モデルでは、誘導モータ１７１が回転体１０３に及ぼす力としてモータ力ｆmt（ｔ）が考慮されている。
【０１２２】
通常、第１実施形態のターボ分子ポンプ本体１００であっても、モータ１２１の回転子側である永久磁石のＳ極とＮ極がロータ軸１１３の軸心を挟んで対向配置され、かつ固定子側である電磁石がロータ軸１１３の軸心を挟んで対向配置されていれば、回転体１０３には回転させるトルク成分のみが生じて、永久磁石の磁極とモータ１２１の電磁石との間に作用する力は、全て相殺されて０になる。従って、この場合にはモータ力ｆmt（ｔ）を考慮する必要はない。
【０１２３】
しかしながら、実際には永久磁石の磁束の誤差や、固定子側の電磁石に対するロータ軸１１３の偏心等が起こり得る。そのため、これらの原因によりモータ力ｆmt（ｔ）はゼロにならない。従って、装置固定部６００の加速度の算出における誤差を小さくするためには、このモータ力ｆmt（ｔ）の影響を考慮することが望ましい。
【０１２４】
さらに、本実施形態の運動モデルでは、不釣り合い力ｕb（ｔ）は角速度が回転体１０３の回転角速度ωと等しい正弦波に近似される（以下、不釣り合い力ｕb（ωｔ）と示す）。この不釣り合い力ｕb（ωｔ）は、上述したように回転体１０３の形状中心軸と慣性中心軸の位置ずれに起因して発生する不釣り合い力であるため、このように角速度ωの正弦波に近似することが可能となっている。
【０１２５】
そこで、回転体１０３が装置固定部６００から浮上支持されていることについて、回転体１０３の運動方程式を求めると数６のようになる。
【０１２６】
【数６】
【０１２７】
また、数６は、数１で定義した相対変位ｙ（ｔ）を導入することにより数７のように表される。
【０１２８】
【数７】
【０１２９】
さらに、数７は若干の変形を加えることで数８のように表される。
【０１３０】
【数８】
【０１３１】
ここで、数８に示された磁気軸受の浮上力の調整量ｆmb（ｔ）、モータ力ｆmt（ｔ）、不釣り合い力ｕb（ωｔ）について考察する。
まず、磁気軸受の浮上力の調整量ｆmb（ｔ）について考察する。
上述したように、第１実施形態では相対変位ｙ（ｔ）と、電磁石１０４，１０５又は電磁石１０６Ａ，１０６Ｂが回転体１０３に作用させる力との関係として、関数ｆr，ｆaを定義していた。そして、この関数ｆr，ｆaをラプラス領域に変換し、伝達関数Ｆr（ｓ），Ｆa（ｓ）等からラプラス領域における装置固定部６００の加速度を求め、さらにこれを時間領域に変換することで、装置固定部６００の加速度を求めていた。
【０１３２】
しかしながら、伝達関数Ｆr（ｓ），Ｆa（ｓ）の算出のために必要なパラメータは予め決められるか、測定される必要があり、かつこれらを振動検出器５０３内に記憶しておく必要があった。また、伝達関数Ｆr（ｓ），Ｆa（ｓ）の演算はそれ自体複雑であるため、高速な演算器が必要であった。
【０１３３】
これに対し、本実施形態では、伝達関数Ｆr（ｓ），Ｆa（ｓ）の計算を行う代わりに、磁気軸受の浮上力の調整量ｆmb（ｔ）そのものを定義し、この浮上力の調整量ｆmb（ｔ）として加算器５０５から出力された制御力指令値を使用している。そのため、装置固定部６００の加速度の算出にあたり、既知となる制御力指令値を用いているので、安価な演算器でも十分に使用に耐えられる。
【０１３４】
ところで、このように制御力指令値を磁気軸受の浮上力の調整量ｆmb（ｔ）とみなして演算を行う場合、この制御力指令値と実際の浮上力の調整量ｆmb（ｔ）との間の誤差が問題となり得る。しかしながら、ロータ軸１１３に対して直角な平面上において、電磁石を回転体１０３を挟んで対向配置し、制御装置５５０として、電磁石１０４，１０５又は電磁石１０６Ａ，１０６Ｂから発生される磁束の変動量が加算器５０５から出力される制御力指令値に高速に追従するような高ゲイン磁束フィードバック制御器を使用することで、かかる問題は解消される。
【０１３５】
この高ゲイン磁束フィードバック制御器のブロック線図を図７に示す。図７において、Ｆr（ｓ）は、制御力指令値ｆr（ｔ）の変動分のラプラス変換である。また、Ｖm（ｓ）は、磁束指令値ｖm（ｔ）の変動分のラプラス変換であり、Ｉm（ｓ）は、電磁石電流値Ｉm（ｔ）の変動分のラプラス変換であり、φm（ｓ）は、電磁石の磁束φm（ｔ）の変動分のラプラス変換である。さらに、Ｆmb（ｓ）は、電磁石の制御力ｆmb（ｔ）の変動分のラプラス変換であり、Ｘ（ｓ）は、電磁石と回転体の隙間の変動分のラプラス変換である。また、Ｒは、電磁石のコイルの抵抗であり、Ｌは、電磁石のインダクタンスである。
【０１３６】
ここに、ゲインＫ2を“Ｌ・ｓ+Ｒ”と比較して非常に大きくすることで、磁束指令値ｖm（ｔ）と、電磁石１０４，１０５又は電磁石１０６Ａ，１０６Ｂから発生される制御磁束φm（ｔ）は、一対一に対応するようになる。また、磁束φm（ｔ）の変動分は、浮上力の調整量ｆmb（ｔ）と比例関係を保ち、比例ゲインＫ1をこの比例定数Ｋ4の逆数とすれば、制御力指令値ｆr（ｔ）は浮上力の調整量ｆmb（ｔ）と一対一に対応するようになる。
以上により、制御力指令値と実際の浮上力の調整量ｆmb（ｔ）との間の誤差を低減することが可能である。
【０１３７】
次に、モータ力ｆmt（ｔ）について考察する。
上述したように、本実施形態においては装置固定部６００の加速度の算出に際し、モータ力ｆmt（ｔ）を考慮している。
しかしながら、このモータ力ｆmt（ｔ）を正確に把握することは困難である。
【０１３８】
そこで、本実施形態では、永久磁石からなるモータ１２１の代わりに、誘導モータ１７１を使用している。そして、回転体位置センサ１０７,１０８，１０９が回転体１０３の位置を検出し、装置固定部６００の加速度の算出を行う期間中は誘導モータ１７１を無通電状態とすることで、モータ力ｆmt（ｔ）の影響をゼロにしている。この点、第１実施形態のように永久磁石からなるモータ１２１を用いた場合には、この永久磁石による磁束の影響をゼロにできないので、モータ力ｆmt（ｔ）の影響を常に考慮する必要がある。
【０１３９】
なお、誘導モータ１７１を無通電状態とする期間は、以下のように決めることが望ましい。例えば、ターボ分子ポンプ本体１５０が電子顕微鏡等の設備に用いられる場合、電子顕微鏡により撮像が行われる時間、すなわち振動の抑制が最も望まれる期間は、数秒程度である。従って、誘導モータ１７１を無通電状態とする期間としては、数十秒〜１分程度の時間があれば十分である。
【０１４０】
一方、この期間中、回転体１０３に対しては誘導モータ１７１から回転力が与えられないため、回転体１０３の失速が問題となり得る。しかしながら、回転体１０３は慣性モーメントが大きいので、数十秒〜１分程度の時間では回転速度が大きく失速することはない。また、撮像を行うまでに十分にチャンバ３００内のガス吸引が行われていると考えれば、この期間中のガス負荷による回転速度の低下もほとんど起こり得ない。従って、回転体１０３の位置を検出し、装置固定部６００の加速度の算出を行う期間中に、誘導モータ１７１を無通電状態とすることによる不都合は考えられない。
【０１４１】
そこで、装置システムの振動抑制を行う期間中に誘導モータ１７１を無通電状態とすることで、数８中のモータ力ｆmt（ｔ）をゼロとした式により、装置固定部６００の加速度の算出が行われる。
【０１４２】
続いて、不釣り合い力ｕb（ωｔ）について考察する。
上述したように、不釣り合い力ｕb（ωｔ）は、オブザーバを構成することで、磁気軸受の浮上力の調整量と回転体位置センサが出力する回転体の変位の情報から推定することが可能である。
しかしながら、このようなオブザーバ理論に基づく計算は、複雑になるおそれがある。
【０１４３】
一方、不釣り合い力ｕb（ωｔ）は、回転体１０３の回転角速度ωを角速度とする正弦波に近似される。そのため、この不釣り合い力ｕb（ωｔ）をゼロと仮定して装置固定部６００の加速度を算出しても、これによる演算誤差は、回転体１０３の回転角速度ωの周波数に限定され、その他の周波数帯域では装置固定部６００の加速度を精度良く算出することができる。また、この不釣り合い力ｕb（ωｔ）による回転体１０３の振れも、回転角速度ωの周波数に限定されたものとなる。
【０１４４】
従って、上述したような誘導モータ１７１を無通電状態とした状態での装置固定部６００の加速度の演算結果を、回転周波数追従型ノッチフィルタ８０６に通すことで、回転体１０３の回転角速度ωの周波数付近の演算結果を考慮しないようにすることができる。これにより、回転体１０３の回転角速度ωの周波数付近に不感帯が生じるものの、その他の周波数帯域では装置固定部６００の加速度を精度良く算出することができる。
【０１４５】
ここで、回転周波数追従型ノッチフィルタ８０６の原理について詳細に説明する。
まず、回転体１０３の装置固定部６００に対する振れｘdは、フーリエ級数展開することで、数９のように表される。
【０１４６】
【数９】
【０１４７】
但し、Ｒr（ωｔ）は回転体１０３の振れの回転体１０３の回転周波数成分（不釣り合い力ｕbにより生じる）、ωは回転体１０３の回転角速度、ｔは時間、Ｅrは回転体１０３の振れの回転体１０３の回転周波数以外の周波数成分、Ｒs（ωｔ）は装置固定部６００の変位の回転体１０３の回転周波数成分、Ｅsは装置固定部６００の変位の回転体１０３の回転周波数以外の周波数成分、ＡrはＲr（ωｔ）の振幅、ψrはＲr（ωｔ）の位相、ＡsはＲs（ωｔ）の振幅、ψsはＲs（ωｔ）の位相を表す。
【０１４８】
このとき、回転体１０３の装置固定部６００に対する振れｘdは、各回転体位置センサ１０７，１０８，１０９によって検出される。また、回転体１０３の回転角速度ωは、モータ１２１等に設けられた回転数センサ等によって検出される。
【０１４９】
そして、この回転体位置センサ１０７，１０８，１０９により検出された回転体１０３の検出信号ｘdに対し、以下のような演算処理を行う。
まず、検出信号ｘdに対し、ｓｉｎ（ωｔ），ｃｏｓ（ωｔ）を乗算することで、数１０、数１１を得る。
【０１５０】
【数１０】
【０１５１】
【数１１】
【０１５２】
また、数１０、数１１に対し三角関数の加法定理を導入することで、数１２、数１３を得る。
【０１５３】
【数１２】
【０１５４】
【数１３】
【０１５５】
そして、数１２、数１３をカットオフ周波数の低いローパスフィルタに通すとＡＣ成分が除去されて、数１４、数１５を得る。
【０１５６】
【数１４】
【０１５７】
【数１５】
【０１５８】
さらに、数１４、数１５のａr，ｂrのそれぞれにｓｉｎ（ωｔ），ｃｏｓ（ωｔ）を乗算して加算し、かつ２倍に増幅することで、数１６のように回転体１０３の装置固定部６００に対する振れの回転体１０３の回転周波数成分Ｒr（ωｔ）−Ｒs（ωｔ）が得られる。
【０１５９】
【数１６】
【０１６０】
さらに、回転体位置センサ１０７，１０８，１０９による回転体１０３の検出信号ｘdから、数１６の回転周波数成分Ｒr（ωｔ）−Ｒs（ωｔ）を減算することで、数１７のように結果信号ｘoを得る。
【０１６１】
【数１７】
【０１６２】
そして、数１７の結果信号ｘoを制御装置５５０の補償器２０１に出力することで、補償器２０１では、回転体１０３の装置固定部６００に対する振れの回転体１０３の回転周波数以外の周波数成分Ｅr−Ｅsのみが認識される。
【０１６３】
ここで、以上で説明した回転周波数追従型ノッチフィルタ８０６の原理を表したブロック図を図８に示す。
図８において、入力７０１が数１０、数１１中の検出信号ｘdに対応する。また、サイン波７０２、コサイン波７０３が数１０、数１１で乗算されたｓｉｎ（ωｔ），ｃｏｓ（ωｔ）に対応する。そして、ローパスフィルタ７０４、７０５が数１２、数１３を通すローパスフィルタに対応する。その結果、図８の出力７０６は数１６で計算される回転体１０３の装置固定部６００に対する変位の回転周波数成分Ｒr（ωｔ）−Ｒs（ωｔ）に対応するようになる。そして、入力７０１からこの出力７０６を減算することで（図示略）、数１７の結果信号ｘoが得られる。
【０１６４】
そこで、以上のような磁気軸受の浮上力の調整量ｆmb（ｔ）、モータ力ｆmt（ｔ）、不釣り合い力ｕb（ωｔ）についての考察結果に基づき、装置固定部６００の加速度の算出を行う数８は、数１８のように簡略化される。
【０１６５】
【数１８】
【０１６６】
一方、数１８は、初期値が０であるとすれば、ラプラス領域では数１９のように表される。
【０１６７】
【数１９】
【０１６８】
ここで、数１９の右辺第２項のＹ（ｓ）にはラプラス演算子ｓの二乗の係数が掛かっている。そのため、数１９はプロパーな式ではなく（すなわち、分子のラプラス演算子ｓの次数が分母のラプラス演算子ｓの次数よりも大きく）、数１８からも明らかなように、この計算には相対変位ｙ（ｔ）を２階微分するための２次の微分器が必要となる。
【０１６９】
そして、演算の過程において微分器を必要とすると、周波数が高くなるに連れて高ゲインとなり、この演算結果を振動抑制制御補償器にフィードバック入力し、装置固定部６００の振動を抑制しようとすれば、そのフィードバック制御系の安定性が損なわれるおそれがある。また、一般にノイズは高周波数帯域に生じる場合が多く、この微分器によりノイズが増幅される傾向にもある。
そのため、数１９を厳密にプロパーな式（すなわち、分子のラプラス演算子ｓの次数が分母のラプラス演算子ｓの次数よりも小さい式）にすることが望ましい。そこで、数１９の演算結果を２次のローパスフィルタに通すと、数２０が得られる。なおζ，ωcは所定の定数である。
【０１７０】
【数２０】
【０１７１】
さらに、数２０に変形を加えると数２１が得られる。
【０１７２】
【数２１】
【０１７３】
数２１の右辺は全ての項について厳密にプロパーな式であり、この数２１を、装置固定部６００の加速度の算出に用いることで、振動抑制のためのフィードバック制御系の安定性を向上させることができ、かつノイズを低減することができる。
【０１７４】
なお、以上のような装置固定部６００の加速度の算出方法を表したブロック図を図９に示す。
図９において、入力８０１が数２１中の相対変位ｙ（ｔ）のラプラス変換Ｙ（ｓ）に対応する。また、入力８０２が数２１中の磁気軸受の浮上力の調整量ｆmb（ｔ）のラプラス変換Ｆmb（ｓ）に対応する。そして、ローパスフィルタ８０３は数２１中の右辺第３、４項に掛かる係数であり、ローパスフィルタ８０４は右辺第１、２項に掛かる係数に対応する。従って、中間出力８０５が数２１中の装置固定部６００の加速度のラプラス変換ｓ2Ｘs（ｓ）に対応する。
さらに、この中間出力８０５を、上述で説明した回転周波数追従型ノッチフィルタ８０６に通すことで、図９の出力８０７は、数１８で計算される装置固定部６００の加速度のラプラス変換に対応するようになる。
【０１７５】
次に、算出した装置固定部６００の加速度に基づいて、装置固定部６００の振動を抑制するための動作を説明する。
本実施形態における振動抑制動作は、第１実施形態と同様であるが、振動検出／モータ制御器５５３から、誘導モータ１７１に対し無通電信号による制御が行われる点が異なっている。
【０１７６】
例えば、チャンバ３００側から自動あるいは手動により、チャンバ３００で電子顕微鏡による撮像等が行われる旨の信号が振動検出／モータ制御器５５３に入力されると（図示略）、この信号に基づき振動検出／モータ制御器５５３は誘導モータ１７１を無通電状態とする。
【０１７７】
そして、この誘導モータ１７１を無通電状態としている期間中、振動検出／モータ制御器５５３では装置固定部６００の加速度の算出が行われ、加速度信号が振動抑制制御補償器５０４に出力される（以降は第１実施形態と同様である）。
これにより、装置固定部６００の加速度に対して、この加速度を抑制する力を、電磁石１０４，１０５，１０６Ａ，１０６Ｂに作用する浮上支持力の反力に発生させることができるので、装置固定部６００の振動を抑制することができる。
【０１７８】
一方、チャンバ３００側から、電子顕微鏡による撮像等が終了した旨の信号が振動検出／モータ制御器５５３に入力されると（図示略）、この信号に基づき振動検出／モータ制御器５５３は誘導モータ１７１を通電させる。
これにより、誘導モータ１７１から回転体１０３に回転力が与えられ、磁気軸受は、回転体１０３に対して、例えば従来と同様の位置制御を行う。
【０１７９】
以上により、伝達関数Ｆr（ｓ），Ｆa（ｓ）の計算を行う代わりに、磁気軸受の制御力指令値等を用いて装置固定部６００の加速度の算出を行っているので、安価な演算器を用いても高精度に算出することが可能となる。
【０１８０】
また、数２１のような厳密にプロパーな式に基づいて、装置固定部６００の加速度を求めているので、振動抑制のフィードバック制御系の安定性を向上させることができ、かつノイズを低減することができる。
【０１８１】
なお、本実施形態においては、数２１等において、装置固定部６００の加速度を求めるとして説明してきたが、これに限られず、第１実施形態と同様に、装置固定部６００の加加速度、速度、位置等のように加速度を所要回数だけ微分又は積分した結果に相当する物理量を算出するようにしても良い。
【０１８２】
また、本実施形態においては、ターボ分子ポンプ本体１５０がチャンバ３００に固定されるものとして説明してきたが、これに限られるものではない。もちろん、装置固定部６００側が完全な剛体であれば、以上で説明した通りの効果が得られるので最も望ましいが、チャンバ３００等は完全な剛体であるとは限らないからである。
【０１８３】
チャンバ３００の剛性が低い場合や、従来のようにターボ分子ポンプ本体１５０がポンプ用ダンパ３０１を介してチャンバ３００に固定される構成であっても、各実施形態ではターボ分子ポンプ本体１００，１５０を中心とした系の低振動化が行われるので、十分に装置システム全体の低振動化に寄与することが可能である。
【０１８４】
さらに、本実施形態においては、回転体位置センサ１０７，１０８，１０９の変位信号に基づいて、それぞれに対応する装置固定部６００の加速度等を求め、各電磁石１０４，１０５，１０６Ａ，１０６Ｂを制御するとして説明してきたが、これに限られない。
【０１８５】
一般に、回転体１０３の運動は、並進成分の運動と回転成分の運動とが複雑に混在し合っている。そして、従来から行われているように、上側径方向センサ１０７及び下側径方向センサ１０８等の検出結果から、回転体１０３の運動は、並進成分と回転成分とに分離することができる。従って、回転体１０３の並進成分と回転成分のそれぞれに対応して装置固定部６００の加速度等を求めれば、装置固定部６００の加速度等の並進成分と回転成分を求めることができる。
【０１８６】
具体的には、以下のような計算を行う。まず、並進成分に対応した装置固定部６００の加速度等を求める場合には、回転体１０３の変位の並進成分を、数８の相対変位ｙ（ｔ）に代入して計算を行う。一方、回転成分に対応した装置固定部６００の加速度等を求める場合には、回転体１０３の変位の回転成分を、数８の相対変位ｙ（ｔ）に代入し、回転体１０３のその回転中心軸まわりの慣性モーメントを、数８の質量ｍrに代入して計算を行う。
そして、これらの算出結果である並進成分と回転成分に対応した装置固定部６００の加速度等から、再び上側径方向電磁石１０４及び下側径方向電磁石１０５に対する制御力指令値等を求めることで、電磁石１０４，１０５を制御すれば良い。
【０１８７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、磁気軸受装置は、振動検出手段と加算手段と振動抑制制御手段とを備えて構成したことから、新たな振動センサを配設することなく、真空ポンプの被対象設備を含めた装置システム全体の低振動化を実現することが可能である。
また、磁気軸受装置は、振動検出手段を備えて構成したことから、新たな振動センサを配設することなく、真空ポンプの被対象設備を含めた装置システム全体の振動検出を実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施形態である装置システム全体の構成図
【図２】 装置システム全体のブロック図
【図３】 装置システム全体の運動モデルを示した図
【図４】 本発明の第２実施形態である装置システム全体の構成図
【図５】 同上（別例）
【図６】 装置システム全体の運動モデルを示した図
【図７】 高ゲイン磁束フィードバック制御器のブロック線図
【図８】 回転周波数追従型ノッチフィルタの原理を表したブロック図
【図９】 装置固定部の加速度の算出方法を表したブロック図
【図１０】 従来のターボ分子ポンプの縦断面図
【図１１】 従来の装置システム全体の構成図
【符号の説明】
１００，１５０ ターボ分子ポンプ本体
１０３ 回転体
１０４ 上側径方向電磁石
１０５ 下側径方向電磁石
１０６Ａ，１０６Ｂ 軸方向電磁石
１０７ 上側径方向センサ
１０８ 下側径方向センサ
１０９ 軸方向センサ
１７１ 誘導モータ
１８１ 磁束検出器
２００，５００，５５０ 制御装置
２０１ 補償器
２０２ アンプ
３００ チャンバ
３０１ ポンプ用ダンパ
４００ 床
４０１ 装置用ダンパ
５０３ 振動検出器
５０４ 振動抑制制御補償器
５０５ 加算器
５５３ 振動検出／モータ制御器
６００ 装置固定部
８０６ 回転周波数追従型ノッチフィルタ
【発明の属する技術分野】
本発明は振動抑制機能を有する磁気軸受装置、振動推定機能を有する磁気軸受装置及び該磁気軸受装置を搭載したポンプ装置に係わり、特に新たな振動センサを配設することなく、真空ポンプの被対象設備を含めた装置システム全体の低振動化を実現することが可能な振動抑制機能を有する磁気軸受装置、振動推定機能を有する磁気軸受装置及び該磁気軸受装置を搭載したポンプ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年のエレクトロニクスの発展に伴い、メモリや集積回路といった半導体の需要が急激に増大している。
これらの半導体は、極めて純度の高い半導体基板に不純物をドープして電気的性質を与えたり、半導体基板上に微細な回路パターンを形成し、これを積層するなどして製造される。
【０００３】
そして、これらの作業は空気中の塵等による影響を避けるため高真空状態のチャンバ内で行われる必要がある。このチャンバの排気には、一般に真空ポンプが用いられているが、特に残留ガスが少なく、保守が容易である等の点から真空ポンプの中の一つであるターボ分子ポンプが多用されている。
【０００４】
また、半導体の製造工程では、さまざまなプロセスガスを半導体の基板に作用させる工程が数多くあり、ターボ分子ポンプはチャンバ内を真空にするのみならず、これらのプロセスガスをチャンバ内から排気するのにも使用される。
【０００５】
さらに、ターボ分子ポンプは、電子顕微鏡等の設備において、粉塵等の存在による電子ビームの屈折等を防止するため、電子顕微鏡等のチャンバ内の環境を高度の真空状態にするのにも用いられている。
【０００６】
このようなターボ分子ポンプは、半導体製造装置や電子顕微鏡等のチャンバからガスを吸引排気するためのターボ分子ポンプ本体と、このターボ分子ポンプ本体を制御する制御装置とから構成されている。
【０００７】
ここで、ターボ分子ポンプ本体の縦断面図を図１０に、このターボ分子ポンプ本体をチャンバ内の真空引き等に用いた場合の装置システム全体の構成図を図１１に示す。
図１０において、ターボ分子ポンプ本体１００は、円筒状の外筒１２７の上端に吸気口１０１が形成されている。外筒１２７の内方には、ガスを吸引排気するためのタービンブレードとしての複数の回転翼１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ・・・を周部に放射状かつ多段に形成した回転体１０３を備える。
【０００８】
この回転体１０３の中心にはロータ軸１１３が取り付けられており、このロータ軸１１３は、例えば、いわゆる５軸制御の磁気軸受により浮上支持かつ位置制御されている。
【０００９】
上側径方向電磁石１０４は、４個の電磁石が互いに直行するＸ軸とＹ軸とに対をなしロータ軸１１３を挟んで対向配置されている。このＸ軸とＹ軸は、ロータ軸１１３が磁気軸受の制御目標位置にあるときのロータ軸１１３の軸芯に対して直角な平面上に想定されている。また、この上側径方向電磁石１０４に近接かつ対応されコアに巻かれた４個のコイルからなる上側径方向センサ１０７が備えられている。この上側径方向センサ１０７は回転体１０３の径方向変位を検出し、その信号を図１１に示す制御装置２００に送るように構成されている。
【００１０】
制御装置２００は、補償器２０１とアンプ２０２等から構成された磁気軸受フィードバック制御手段を備えており、この制御装置２００においては、上側径方向センサ１０７が検出した変位信号に基づき、ＰＩＤ調節機能を有する補償器２０１を介したアンプ２０２の出力により、上側径方向電磁石１０４の励磁を制御し、ロータ軸１１３の上側の径方向位置を調整する。
ロータ軸１１３は、高透磁率材（鉄など）などにより形成され、上側径方向電磁石１０４の磁力により吸引されるようになっている。かかる調整は、Ｘ軸方向とＹ軸方向とにそれぞれ独立して行われる。
【００１１】
また、下側径方向電磁石１０５及び下側径方向センサ１０８が、上側径方向電磁石１０４及び上側径方向センサ１０７と同様に配置され、ロータ軸１１３の下側の径方向位置が、上側の径方向位置と同様に、制御装置２００において、磁気軸受フィードバック制御手段により調整されている。
【００１２】
さらに、軸方向電磁石１０６Ａ，１０６Ｂが、ロータ軸１１３の下部に備えた円板状の金属ディスク１１１を上下に挟んで配置されている。金属ディスク１１１は、鉄などの高透磁率材で構成されている。回転体１０３の軸方向変位を検出するために軸方向センサ１０９が備えられ、その軸方向変位信号が制御装置２００に送られるように構成されている。
【００１３】
そして、軸方向電磁石１０６Ａ，１０６Ｂは、この軸方向変位信号に基づき制御装置２００のＰＩＤ調節機能を有する補償器２０１を介したアンプ２０２の出力により、励磁制御されるようになっている。軸方向電磁石１０６Ａは、磁力により金属ディスク１１１を上方に吸引し、軸方向電磁石１０６Ｂは、金属ディスク１１１を下方に吸引する。
【００１４】
このように、制御装置２００では、磁気軸受フィードバック制御手段により、軸方向電磁石１０６Ａ，１０６Ｂが金属ディスク１１１に及ぼす磁力を適当に調節し、ロータ軸１１３を軸方向に磁気浮上させ、空間に非接触で保持する。
【００１５】
モータ１２１は、その回転子側にロータ軸１１３を取り囲むように周状に配置された複数の永久磁石の磁極を備えている。そして、これらの永久磁石の磁極には、モータ１２１の固定子側である電磁石から、ロータ軸１１３を回転させるトルク成分が加えられるようになっており、回転体１０３が回転駆動されるようになっている。
また、モータ１２１には、図示しない回転数センサ及びモータ温度センサが取り付けられており、これらの回転数センサ及びモータ温度センサの検出信号を受けて、制御装置２００においてロータ軸１１３の回転が制御されている。
【００１６】
回転翼１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ・・・とわずかの空隙を隔てて複数枚の固定翼１２３ａ，１２３ｂ，１２３ｃ・・・が配設されている。回転翼１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ・・・は、それぞれ排気ガスの分子を衝突により下方向に移送するため、ロータ軸１１３の軸線に垂直な平面から所定の角度だけ傾斜して形成されている。
【００１７】
また、固定翼１２３も、同様にロータ軸１１３の軸線に垂直な平面から所定の角度だけ傾斜して形成され、かつ外筒１２７の内方に向けて回転翼１０２の段と互い違いに配設されている。
そして、固定翼１２３の一端は、複数の段積みされた固定翼スペーサ１２５ａ，１２５ｂ，１２５ｃ・・・の間に嵌挿された状態で支持されている。
【００１８】
固定翼スペーサ１２５はリング状の部材であり、例えばアルミニウム、鉄、ステンレス、銅などの金属、又はこれらの金属を成分として含む合金などの金属によって構成されている。
固定翼スペーサ１２５の外周には、わずかの空隙を隔てて外筒１２７が固定されている。外筒１２７の底部にはベース部１２９が配設され、固定翼スペーサ１２５の下部とベース部１２９の間にはネジ付きスペーサ１３１が配設されている。
【００１９】
このベース部１２９中のネジ付きスペーサ１３１の下部には排気口１３３が形成されている。そして、排気口１３３には、図示しないドライポンプ通路が接続されており、排気口１３３は、このドライポンプ通路を介して、図示しないドライポンプと接続されている。
【００２０】
ネジ付きスペーサ１３１は、アルミニウム、銅、ステンレス、鉄、又はこれらの金属を成分とする合金などの金属によって構成された円筒状の部材であり、その内周面に螺旋状のネジ溝１３１ａが複数条刻設されている。
ネジ溝１３１ａの螺旋の方向は、回転体１０３の回転方向に排気ガスの分子が移動したときに、この分子が排気口１３３の方へ移送される方向である。
【００２１】
回転体１０３の回転翼１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ・・・に続く最下部には円筒部１０２ｄが垂下されている。この円筒部１０２ｄの外周面は、ネジ付きスペーサ１３１の内周面に向かって張り出されており、このネジ付きスペーサ１３１の内周面と所定の隙間を隔てて近接されている。
【００２２】
ベース部１２９は、ターボ分子ポンプ本体１００の基底部を構成する円盤状の部材であり、一般には鉄、アルミニウム、ステンレスなどの金属によって構成されている。ベース部１２９はターボ分子ポンプ本体１００を物理的に保持すると共に、熱の伝導路の機能も兼ね備えているので、鉄、アルミニウムや銅などの剛性があり、熱伝導率も高い金属が使用されるのが望ましい。
【００２３】
また、ベース部１２９には、コネクタ１６０が配設されており、このコネクタ１６０には、ターボ分子ポンプ本体１００と制御装置２００との間の信号線が接続されている。
【００２４】
かかる構成において、回転翼１０２がロータ軸１１３と共にモータ１２１により駆動されて回転すると、回転翼１０２と固定翼１２３の作用により、吸気口１０１を通じて、図１１に示すチャンバ３００から排気ガスが吸気される。
【００２５】
吸気口１０１から吸気された排気ガスは、回転翼１０２と固定翼１２３の間を通り、ベース部１２９へ移送される。そして、ベース部１２９に移送されてきた排気ガスは、ネジ付きスペーサ１３１のネジ溝１３１ａに案内されつつ排気口１３３へと送られる。
【００２６】
また、吸気口１０１から吸気された排気ガスが、モータ１２１、上側径方向電磁石１０４、上側径方向センサ１０７、下側径方向電磁石１０５、下側径方向センサ１０８などで構成される電装部側に侵入することのないよう、電装部は周囲をステータコラム１２２で覆われ、この電装部内はパージガスにて所定圧に保たれている。
【００２７】
このため、ベース部１２９には図示しない配管が配設され、この配管を通じてパージガスが導入される。導入されたパージガスは、保護ベアリング１２０とロータ軸１１３間、モータ１２１のロータとステータ間、ステータコラム１２２と回転翼１０２間の隙間を通じて排気口１３３へ送出される。
【００２８】
ここに、ターボ分子ポンプ本体１００は、機種の特定と、個々に調整された固有のパラメータ（例えば、機種に対応する諸特性）に基づいた制御を要する。この制御パラメータを格納するために、ターボ分子ポンプ本体１００は、その内部に電子回路部１４１を備えている。電子回路部１４１は、ＥＥＰ−ＲＯＭ等の半導体メモリ及びそのアクセスのための半導体素子等の電子部品、その実装用の基板１４３等から構成される。
【００２９】
この電子回路部１４１は、ターボ分子ポンプ本体１００の下部を構成するベース部１２９の中央付近の図示しない回転数センサの下部に収容され、気密性の底蓋１４５によって閉じられている。
【００３０】
ところで、ターボ分子ポンプ本体１００は、半導体製造装置や電子顕微鏡等のチャンバ３００に用いられる性質上、その低振動化が望まれている。
すなわち、半導体製造装置のチャンバ３００において、回路パターンの露光を行っている最中に振動が発生してしまうと、下層の回路パターンとの合わせずれが生じてしまい、正常な回路動作ができなくなるおそれがあった。
また、電子顕微鏡のチャンバ３００においても、対象物を観察しているときに振動が発生してしまうと、その焦点が合わなくなり、画像が乱れてしまうおそれがあった。
【００３１】
そのため、図１１に示すように、ターボ分子ポンプ本体１００は、チャンバ３００との間にポンプ用ダンパ３０１を介設されつつ、宙吊りにされている。
図１１に示すポンプ用ダンパ３０１は、蛇腹状のベローズ３０２を備えており、このベローズ３０２の外周には、ゴム部材３０６が巻かれている。そして、ターボ分子ポンプ本体１００とチャンバ３００との間で、回転体１０３の回転に伴う振動を吸収するようになっている。このとき、ベローズ３０２の一端は、図示しないフランジを介してチャンバ３００に締結固定され、その他端は、フランジ３０３を介してターボ分子ポンプ本体１００の吸気口１０１と締結固定されている。
【００３２】
また、チャンバ３００は、床４００に配設されたフレーム４０２によって支持されており、チャンバ３００とフレーム４０２との間には、装置用ダンパ４０１が介設されている。
この装置用ダンパ４０１も、ポンプ用ダンパ３０１と同様に、フレーム４０２とチャンバ３００との間で振動を吸収するようになっている。
【００３３】
かかる構成において、ターボ分子ポンプ本体１００から振動が発生しても、その振動は、ポンプ用ダンパ３０１に吸収されるため、チャンバ３００に伝わり難くなる。
また、床４００から発生される振動に対しても同様で、その振動は、装置用ダンパ４０１に吸収され、チャンバ３００に伝わり難くなる。
以上により、チャンバ３００は、その低振動化が図られていた。
【００３４】
しかしながら、このようなメカニカルなダンパによる除振の場合、その構造上、特にターボ分子ポンプ本体１００やフレーム４０２を介して伝わる振動に対して、特に低周波数帯域において良好な除振効果が得られ難いという問題点があった。
【００３５】
そのため、チャンバ３００とターボ分子ポンプ本体１００やフレーム４０２の間に、ポンプ用ダンパ３０１や装置用ダンパ４０１をそれぞれ複数個直列に介設するなどして、チャンバ３００への除振効果の向上を図っているが、近年の半導体製造プロセスの微細化や電子顕微鏡の高分解能化等に対応するため、低周波数帯域でのさらなる低振動化が望まれていた。
【００３６】
また、近年の半導体製造装置等のチャンバ３００の容積拡大に伴い、ターボ分子ポンプ本体１００には大排気速度化の要望が強く、これに対応するため、ターボ分子ポンプ本体１００は大型化が進み、ポンプ用ダンパ３０１の大型化が進んでいる。
【００３７】
このようなポンプ用ダンパ３０１の大型化は、その除振効果を一定以上に保つとすれば、そのコストの上昇に直結するおそれがあった。
【００３８】
さらに、ターボ分子ポンプ本体１００には、図示しないドライポンプが接続されているが、このドライポンプの発生する振動は、わずかではあるが、ドライポンプ通路を介して、ターボ分子ポンプ本体１００等に伝わり、チャンバ３００を振動させてしまう。また、床４００には、このドライポンプや、他の半導体製造装置等が発生する振動、人が歩く際に発生される振動等も伝わってくるため、この振動が、チャンバ３００を振動させてしまう場合もある。
【００３９】
このようなチャンバ３００の振動は、ターボ分子ポンプ本体１００自体の低振動化を進めても避けることができず、ターボ分子ポンプ本体１００だけでなく、チャンバ３００を含めた装置システム全体としての低振動化が望まれていた。
【００４０】
かかる問題点を解決するため、特許文献１には、磁気軸受からある程度離れた場所の振動を低減することが可能な磁気軸受装置を備える回転機械が開示されている。すなわち、この磁気軸受装置を備える回転機械は、ポンプ用ダンパ３０１のフランジ３０３や、チャンバ３００側の図示しないフランジ等に振動検出センサを配設し、この振動検出センサが検知した検知信号に基づいて、逆位相の振動を回転体１０３に与え、装置システム全体の振動を打ち消すようにするものである。
【特許文献１】
特開２００２−１４７４５４号公報
【００４１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１の場合、ターボ分子ポンプ本体１００として、新たな振動検出センサを用意する必要があり、その分、部品コストが上昇してしまうおそれがあった。
【００４２】
また、この振動検出センサは、ポンプ用ダンパ３０１やチャンバ３００側に配設されるため、予めポンプ用ダンパ３０１やチャンバ３００等の周辺に配置スペースを確保することが必要であり、かつ、振動検出センサと制御装置２００との間を交信するために、ポンプ用ダンパ３０１やチャンバ３００等との間に新たな信号線が必要であった。
【００４３】
本発明はこのような従来の課題に鑑みてなされたもので、特に新たな振動センサを配設することなく、真空ポンプの被対象設備を含めた装置システム全体の低振動化を実現することが可能な振動抑制機能を有する磁気軸受装置、振動推定機能を有する磁気軸受装置及び該磁気軸受装置を搭載したポンプ装置を提供することを目的とする。
【００４４】
【課題を解決するための手段】
このため本発明は、振動抑制機能を有する磁気軸受装置に関し、回転体と、該回転体に浮上力を作用させる電磁石と、該電磁石が固設されたステータ部と、前記回転体の前記ステータ部に対する径方向及び／又は軸方向の相対変位を検出する変位検出手段と、該変位検出手段が検出した相対変位に基づいて前記浮上力の調整量を算出する磁気軸受制御補償器と、該磁気軸受制御補償器による前記浮上力の調整量の算出結果に応じて前記浮上力を調整する電磁石制御手段と、前記ステータ部に対する相対位置が固定された装置固定部の所定の物理量を検出する振動検出手段と、該振動検出手段の出力を、該出力の極性を反転し、少なくとも前記変位検出手段と前記磁気軸受制御補償器と前記電磁石制御手段によって構成される磁気軸受フィードバック制御手段の伝達信号に加算する加算手段とを備え、前記所定の物理量は、前記装置固定部及び／又は前記ステータ部の加速度、該加速度を所要回数だけ微分又は積分した変位、速度及び加加速度等のうちの少なくとも一つであり、前記加速度は、前記変位検出手段で検出された前記回転体の相対変位のラプラス変換と所定の伝達関数とを乗算した第１の乗算結果を時間領域に変換した変換結果であることを特徴とする。
【００４５】
振動検出手段は、装置固定部及び／又はステータ部の所定の物理量を検出し、これを加算手段に出力する。また、加算手段は、振動検出手段から出力された信号に対し、その極性を反転して磁気軸受フィードバック制御手段の出力と加算させる。
このことにより、磁気軸受装置に振動抑制機能を備えることができる。
なお、回転体の変位のラプラス変換とは、数５中のＹ（ｓ）をいう。
【００４６】
また、本発明は、振動抑制機能を有する磁気軸受装置に関し、前記回転体に作用する不釣り合い力を検出又は推定する不釣り合い力検出手段を備え、前記加速度は、前記第１の乗算結果と、前記不釣り合い力検出手段で検出又は推定された前記回転体に作用する不釣り合い力の変動分のラプラス変換と前記回転体の質量の逆数とを乗算した第２の乗算結果とを加算した加算結果を時間領域に変換した変換結果であることを特徴とする。
【００４７】
このことにより、磁気軸受装置は、さらに回転体に作用する不釣り合い力に起因して装置固定部及び／又はステータ部に生じる振動を抑制する振動抑制機能を備えることができる。
なお、不釣り合い力の変動分のラプラス変換とは、数４中のＵb（ｓ）をいう。
【００４８】
さらに、本発明は、振動抑制機能を有する磁気軸受装置に関し、前記所定の伝達関数は、前記回転体の相対変位と該相対変位により前記電磁石と前記回転体との間に作用する力との関係である磁気軸受フィードバック制御手段固有の伝達関数と、前記回転体の質量により表されたことを特徴とする。
【００４９】
所定の伝達関数は、回転体の質量と、磁気軸受フィードバック制御手段固有の伝達関数とにより定義付けられた関数である。ここで、磁気軸受フィードバック制御手段固有の伝達関数は、磁気軸受の設計段階で決まる関数である。
このことにより、新たな振動センサを配設することなく、磁気軸受装置内のパラメータのみで、所定の伝達関数を算出することができる。
なお、磁気軸受フィードバック制御手段固有の伝達関数とは、数４、数５中のＦ（ｓ）をいう。
【００５０】
さらに、本発明は、振動抑制機能を有する磁気軸受装置に関し、回転体と、該回転体に浮上力を作用させる電磁石と、該電磁石が固設されたステータ部と、前記回転体の前記ステータ部に対する径方向及び／又は軸方向の相対変位を検出する変位検出手段と、該変位検出手段が検出した相対変位に基づいて前記浮上力の調整量を算出する磁気軸受制御補償器と、該磁気軸受制御補償器による前記浮上力の調整量の算出結果に対応して前記浮上力を調整する電磁石制御手段と、前記ステータ部に対する相対位置が固定された装置固定部の所定の物理量を検出する振動検出手段と、該振動検出手段の出力を、該出力の極性を反転し、少なくとも前記変位検出手段と前記磁気軸受制御補償器と前記電磁石制御手段によって構成される磁気軸受フィードバック制御手段の伝達信号に加算する加算手段とを備え、前記所定の物理量は、前記装置固定部及び／又は前記ステータ部の加速度、該加速度を所要回数だけ微分又は積分した変位、速度及び加加速度等のうちの少なくとも一つであり、前記加速度は、前記磁気軸受制御補償器による前記浮上力の調整量の算出結果又は前記加算手段による加算結果と、前記回転体の質量の逆数とを乗算した第３の乗算結果から、前記変位検出手段で検出された前記回転体の相対変位を２階微分した結果を減算した減算結果であることを特徴とする。
【００５１】
前記加算手段が、前記磁気軸受制御補償器による前記浮上力の調整量の算出結果に、前記振動検出手段の出力を、その極性を反転して加算する場合には、前記加速度は、前記加算手段による加算結果と、前記回転体の質量の逆数とを乗算した第３の乗算結果から、前記変位検出手段で検出された前記回転体の相対変位を２階微分した結果を減算した減算結果となる。
【００５２】
請求項１と異なり、装置固定部及び／又はステータ部の加速度等を検出するに際し伝達関数の演算が行われない。この代わりに、電磁石が回転体に作用させる浮上力そのものが用いられる。そして、この浮上力として磁気軸受制御補償器による浮上力の調整量の算出結果又は加算手段で加算された加算結果が用いられる。
このことにより、装置固定部及び／又はステータ部の加速度等の検出にあたり既知である磁気軸受制御補償器による浮上力の調整量の算出結果又は加算手段による加算結果を用いているので、安価な演算装置を用いても高精度に装置固定部及び／又はステータ部の加速度等を算出することが可能である。
【００５３】
さらに、本発明は、振動抑制機能を有する磁気軸受装置に関し、前記電磁石と前記回転体の間に発生する磁束の変動量を検出する磁束検出手段を備え、前記第３の乗算結果として、前記磁気軸受制御補償器による前記浮上力の調整量の算出結果の代わりに、前記磁束検出手段で検出された磁束の変動量に比例する値を用いた乗算結果を用いることを特徴とする。
【００５４】
電磁石が回転体に作用させる浮上力の調整量として、磁束検出手段で検出された磁束の変動量に比例する値が用いられる。
このことにより、伝達関数の演算が行われないので、安価な演算装置を用いても高精度に装置固定部及び／又はステータ部の加速度等を算出することが可能である。
【００５５】
さらに、本発明は、振動抑制機能を有する磁気軸受装置に関し、前記回転体を回転駆動する誘導モータと、該誘導モータの通電状態を制御するモータ制御手段とを備え、前記振動検出手段で前記所定の物理量を検出するとき、前記モータ制御手段は前記誘導モータを無通電とすることを特徴とする。
【００５６】
一般に、モータが界磁手段として永久磁石を使用する場合には、永久磁石の減磁現象などの不確定な特性変化により、回転体に及ぼす力を正確に把握することは困難である。
しかしながら、モータとして永久磁石を有しない誘導モータを使用することで、振動検出手段で所定の物理量を検出するときに、誘導モータを無通電にして誘導モータが回転体に及ぼす力の影響をゼロにすることができる。
このことにより、所定の物理量を精度良く検出することができる。
【００５７】
さらに、本発明は、振動抑制機能を有する磁気軸受装置に関し、前記回転体の回転周波数に追従して、該周波数成分を除去する回転周波数追従型ノッチフィルタを備え、前記加速度等は、前記減算結果が前記回転周波数追従型ノッチフィルタを通過した結果であることを特徴とする。
【００５８】
回転体に作用する不釣り合い力は、周波数を回転体の回転周波数とする正弦波に近似される。そこで、回転体の回転周波数に追従して、この周波数成分を除去する回転周波数追従型ノッチフィルタを設けることにより、回転体の回転周波数付近の結果を考慮せずに、装置固定部及び／又はステータ部の加速度等を検出することができる。
このことにより、回転体の回転周波数付近に不感帯が生じるものの、その他の周波数帯域では、不釣り合い力の影響を取り除いて装置固定部及び／又はステータ部の加速度等を精度良く算出することができる。
なお、回転周波数とは、１秒間の回転回数をいう。
【００５９】
さらに、本発明は、振動抑制機能を有する磁気軸受装置に関し、前記加速度等が通過するローパスフィルタを備えて構成した。
【００６０】
加速度等が通過するローパスフィルタを備えることで、ラプラス領域においては厳密にプロパーな式で演算することが可能となる。
このことにより、演算の過程において微分器を必要としないため、装置固定部及び／又はステータ部の加速度等に基づいて振動抑制制御を行うフィードバック制御系の安定性を向上させることができ、かつノイズを低減することができる。
【００６１】
さらに、本発明は、振動抑制機能を有する磁気軸受装置に関し、前記振動検出手段の出力にゲイン調整及び／又は位相補償と、ＰＩＤ制御と、その他の制御補償のいずれか少なくとも一つの制御補償を施す振動抑制制御補償手段を備えて構成した。
【００６２】
振動抑制制御補償手段は、振動検出手段の出力信号にゲイン調整及び／又は位相補償を施す補償器であっても良いし、ＰＩＤ制御補償器、又は、最適制御補償器、Ｈ∞制御補償器、スライディングモード制御補償器等のその他の方式の制御補償器であっても良い。また、これらの補償器のうちのいずれか少なくとも二つを組み合わせて構成しても良い。
このことにより、装置固定部及び／又はステータ部の振動を発散させることなく、効果的に抑制することができる。
【００６３】
さらに、本発明は、振動推定機能を有する磁気軸受装置に関し、回転体と、該回転体に浮上力を作用させる電磁石と、該電磁石が固設されたステータ部と、前記回転体の前記ステータ部に対する径方向及び／又は軸方向の相対変位を検出する変位検出手段と、該変位検出手段が検出した変位に基づいて前記浮上力の調整量を算出する磁気軸受制御補償器と、該磁気軸受制御補償器による前記浮上力の調整量の算出結果に対応して前記浮上力を調整する電磁石制御手段と、前記ステータ部に対する相対位置が固定された装置固定部の所定の物理量を検出する振動検出手段とを備え、前記所定の物理量は、前記装置固定部及び／又は前記ステータ部の加速度、該加速度を所要回数だけ微分又は積分した変位、速度及び加加速度等のうちの少なくとも一つであり、前記加速度は、前記変位検出手段で検出された前記回転体の相対変位のラプラス変換と所定の伝達関数とを乗算した第１の乗算結果を時間領域に変換した変換結果であることを特徴とする。
【００６４】
さらに、本発明は、振動推定機能を有する磁気軸受装置に関し、回転体と、該回転体に浮上力を作用させる電磁石と、該電磁石が固設されたステータ部と、前記回転体の前記ステータ部に対する径方向及び／又は軸方向の相対変位を検出する変位検出手段と、該変位検出手段が検出した変位に基づいて前記浮上力の調整量を算出する磁気軸受制御補償器と、該磁気軸受制御補償器による前記浮上力の調整量の算出結果に対応して前記浮上力を調整する電磁石制御手段と、前記ステータ部に対する相対位置が固定された装置固定部の所定の物理量を検出する振動検出手段とを備え、前記所定の物理量は、前記装置固定部及び／又は前記ステータ部の加速度、該加速度を所要回数だけ微分又は積分した変位、速度及び加加速度等のうちの少なくとも一つであり、前記加速度は、前記磁気軸受制御補償器による前記浮上力の調整量の算出結果と、前記回転体の質量の逆数とを乗算した第３の乗算結果から、前記変位検出手段で検出された前記回転体の相対変位を２階微分した結果を減算した減算結果であることを特徴とする。
【００６５】
さらに、本発明は、振動推定機能を有する磁気軸受装置に関し、前記電磁石と前記回転体の間に発生する磁束の変動量を検出する磁束検出手段を備え、前記第３の乗算結果として、前記磁気軸受制御補償器による前記浮上力の調整量の算出結果の代わりに、前記磁束検出手段で検出された磁束の変動量に比例する値を用いた乗算結果を用いることを特徴とする。
【００６６】
さらに、本発明は、振動抑制機能を有するポンプ装置に関し、磁気軸受装置が搭載された真空ポンプであって、該真空ポンプは、被対象設備に設置され、該被対象設備から所定のガスを吸引することを特徴とする。
【００６７】
真空ポンプは、被対象設備に設置されており、かつ、振動抑制機能を有する磁気軸受装置を搭載している。
このことにより、新たな振動センサを配設することなく、ポンプ装置の低振動化を実現することが可能である。
【００６８】
さらに、本発明は、振動推定機能を有するポンプ装置に関し、磁気軸受装置が搭載された真空ポンプであって、該真空ポンプは、被対象設備に設置され、該被対象設備から所定のガスを吸引することを特徴とする。
【００６９】
このことにより、新たな振動センサを配設することなく、ポンプ装置の振動推定を実現することが可能である。
【００７０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１実施形態について説明する。図１に、本発明の第１実施形態である装置システム全体の構成図を示す。なお、図１１と同一要素のものについては同一符号を付して説明は省略する。
図１に示す制御装置５００は、磁気軸受フィードバック制御手段を備えた従来の制御装置２００に加えて、振動検出手段としての振動検出器５０３、振動抑制制御補償手段としての振動抑制制御補償器５０４及び加算手段としての加算器５０５を備えている。
【００７１】
振動検出器５０３は、ターボ分子ポンプ本体１００の各回転体位置センサ１０７，１０８，１０９から出力された変位信号を入力としている。
また、振動検出器５０３では、回転体１０３の変位のラプラス変換と所定の伝達関数とを乗算した第１の乗算結果と、回転体１０３に作用する不釣り合い力の変動分のラプラス変換と回転体１０３の質量の逆数とを乗算した第２の乗算結果とを加算した結果を時間領域に変換し、この変換結果を、装置固定部６００の加速度信号として出力するようになっている。
【００７２】
また、振動検出器５０３内には、伝達関数の算出のために必要なパラメータが予め決められており（あるいは予め測定されており）、図示しない記憶装置等に保存されている。そして、振動検出器５０３の出力信号は、装置固定部６００の加速度として、振動抑制制御補償器５０４へ出力されている。
なお、装置固定部６００とは、チャンバ３００及びターボ分子ポンプ本体１００のうち回転体１０３を除いた部分のことをいう。
【００７３】
振動抑制制御補償器５０４は、振動検出器５０３から出力された加速度信号に、所定の周波数特性を持つ増幅率を掛け合わせてゲインを調節し、装置固定部６００の発散又は発振を防止するために、位相補償を行うようになっている。
【００７４】
加算器５０５には、補償器２０１の出力信号である位置制御力指令信号と、振動抑制制御補償器５０４の出力信号である加速度調節信号とが入力されている。そして、加算器５０５は、装置固定部６００の振動を抑制できるように、加速度調節信号の正負（＋−）の極性を反転させ、位置制御力指令信号に加算するようになっている。
【００７５】
そして、加算器５０５の加算結果である制御力指令値は、電磁石制御手段としてのアンプ２０２に出力されるようになっている。この結果、アンプ２０２からは、電磁石１０４，１０５，１０６Ａ，１０６Ｂを介して、回転体１０３に浮上支持力が作用されるようになっている。このとき、電磁石１０４，１０５，１０６Ａ，１０６Ｂ（すなわち、装置固定部６００）は浮上支持力の反力を受けるが、その反力には装置固定部６００の振動を抑制する力が含まれているため、この力によって装置固定部６００の振動が抑制されるようになっている。
【００７６】
また、図１に示す装置システムは、図１１に示す装置システムと異なり、ターボ分子ポンプ本体１００とチャンバ３００との間には、ポンプ固定部３０４が介設されている。
【００７７】
このポンプ固定部３０４は、円筒状の固定柱３０５を備えており、ターボ分子ポンプ本体１００をチャンバ３００に固定するものである。
このとき、固定柱３０５は、その一端が、図示しないフランジを介してチャンバ３００に締結固定され、その他端は、フランジ３０３を介してターボ分子ポンプ本体１００の吸気口１０１と締結固定されている。
【００７８】
次に、第１実施形態である装置システムの作用について説明する。
まず、装置固定部６００の加速度を導出する方法について説明する。この加速度の導出方法を説明するにあたり、装置システム全体のブロック図を図２に示す。なお、図１と同一要素のものについては同一符号を付して説明は省略する。
【００７９】
図２に示す装置用ダンパ４０１は、その機能を、ばね定数ｋsを有する弾性体４０１ａと、粘性係数ｃsを有する粘性抵抗４０１ｂとでモデル化することができる。
また、ターボ分子ポンプ本体１００の回転体１０３は、各電磁石１０４，１０５，１０６Ａ，１０６Ｂにより浮上支持されている。
【００８０】
この浮上支持の剛性は、ラプラス領域においては、径方向では、回転体１０３の装置固定部６００に対する径方向変位のラプラス変換を入力とし、電磁石１０４，１０５から回転体１０３に作用する力の変動分のラプラス変換を出力とする伝達関数Ｆr（ｓ）で表される。
【００８１】
また、軸方向では、回転体１０３の装置固定部６００に対する軸方向変位のラプラス変換を入力とし、電磁石１０６Ａ，１０６Ｂから回転体１０３に作用する力の和の変動分のラプラス変換を出力とする伝達関数Ｆa（ｓ）で表される。
従って、これらの伝達関数Ｆr（ｓ），Ｆa（ｓ）は、制御装置５００の補償器２０１やアンプ２０２等から構成される磁気軸受フィードバック制御手段固有の伝達関数であるといえる。
【００８２】
さらに、ターボ分子ポンプ本体１００は、従来と異なり、チャンバ３００に固定されているので、装置固定部６００すなわちチャンバ３００及びターボ分子ポンプ本体１００のうち回転体１０３を除いた部分は一体として考えることができる。
以上により、床４００と、装置固定部６００と、回転体１０３との間の運動モデルは、径方向、軸方向ともに図３に示すようなモデルで表現することができる。
【００８３】
図３において、変位ｘb（ｔ）は、床４００の絶対変位を表している。そして、変位ｘs（ｔ）は、装置固定部６００の絶対変位を示し、変位ｘr（ｔ）は、回転体１０３の絶対変位を示している。
また、質量ｍsは、装置固定部６００の質量を表し、質量ｍrは、回転体１０３の質量を表している。
【００８４】
さらに、外乱力ｂp（ｔ）は、装置固定部６００に作用する外乱力を示している。外乱力ｂp（ｔ）としては、例えば、ターボ分子ポンプ本体１００に接続されたドライポンプから伝わる振動等が考えられる。
【００８５】
また、不釣り合い力ｕb（ｔ）は、回転体１０３の形状中心軸と慣性中心軸の位置ずれに起因して発生する不釣り合い力を示す。
【００８６】
ここで、装置固定部６００に対する回転体１０３の相対変位を相対変位ｙ（ｔ）とおくと、この相対変位ｙ（ｔ）は、数１のように定義される。
【００８７】
【数１】
さらに、図２において、回転体１０３が、装置固定部６００から浮上支持されていることを、相対変位ｙ（ｔ）と、電磁石１０４，１０５又は電磁石１０６Ａ，１０６Ｂが回転体１０３に作用する力との関係として、関数ｆを定義すると、回転体１０３の運動方程式は数２のように表現される。
【００８９】
【数２】
また、数２は数１を導入することにより数３のように表される。
【００９１】
【数３】
ここで、ｆ（ｙ（ｔ））はｙ（ｔ）の線形方程式で表されるので、初期値を０として数３をラプラス変換すると、数４が得られる。なおｓはラプラス演算子である。
【００９３】
【数４】
数４の左辺はラプラス領域における装置固定部６００の加速度を表し、数４の両辺を時間領域に変換することで、装置固定部６００の加速度を求めることができる。
【００９５】
ここで、相対変位ｙ（ｔ）は、各回転体位置センサ１０７，１０８，１０９によって検出され、不釣り合い力ｕb（ｔ）は、例えば「不釣り合い補償機能を備えた磁気軸受制御系の構成」（水野・樋口 計測自動制御学会論文集，２０，１２，ｐ１０９５）や「弾性ロータのフィードフォワード形不釣り合い力相殺制御」（日本機械学会論文集（Ｃ編），５６，５２８（１９９０）ｐｐ．２０５６−２０６４）に開示されているように、オブザーバを構成することにより、磁気軸受が回転体１０３を浮上支持する制御力と各回転体位置センサ１０７，１０８，１０９によって検出された回転体１０３の変位から推定することができる。
【００９６】
なお、これらの例は、オブザーバにより回転体１０３に作用する不釣り合い力を推定し、フィードフォワード制御により回転体１０３に作用する不釣り合い力を相殺することで、回転体１０３の振動を抑制しようとするものであるが、本発明は、数４又は後述する数５を時間領域に変換した結果に基づく計算により、装置固定部６００の加速度を求め、この加速度を抑制するように制御するものであって、これらの例とは制御対象と制御方法が異なる。また、これらの例は回転体１０３の振動を抑制するのに対し、本発明は、敢えて回転体１０３を振動させ、その振動によって装置固定部６００に作用する力を利用して、装置固定部６００の振動を抑制するものである。
【００９７】
また、数４又は数５から明らかなように、装置固定部６００の加速度は、装置固定部６００側の状態にはよらず、ターボ分子ポンプ本体１００側に存在するパラメータと、各回転体位置センサ１０７，１０８，１０９の検出した変位信号から求められる。
【００９８】
次に、算出した装置固定部６００の加速度に基づいて、装置固定部６００の振動を抑制するための動作を説明する。
制御装置５００の振動検出器５０３は、数４の両辺を時間領域に変換した結果の計算を行うことにより、装置固定部６００の加速度を求め、この加速度の信号を出力する。
【００９９】
この信号は、振動抑制制御補償器５０４に入力され、ここで補償器２０１の出力へ加算する際のゲインが調節される。また、振動抑制制御補償器５０４では、制御装置５００と振動抑制制御補償器５０４とターボ分子ポンプ本体１００とがフィードバック制御系を構成しているため、装置固定部６００が発散又は発振しないように、加速度信号に対して、位相補償等の対策を取る。
【０１００】
そして、振動抑制制御補償器５０４から出力された加速度調節信号は、加算器５０５に送られ、ここで装置固定部６００の振動を抑制するように正負（＋−）の極性を反転して、補償器２０１の出力である位置制御力指令信号へ加算される。
【０１０１】
この加算結果である制御力指令値は、アンプ２０２に出力され、アンプ２０２は、加算器５０５からの制御力指令値に基づいて、電磁石１０４，１０５，１０６Ａ，１０６Ｂを励磁し回転体１０３を浮上支持する。このとき、電磁石１０４，１０５，１０６Ａ，１０６Ｂ（すなわち、装置固定部６００）は、回転体１０３に作用させる浮上支持力の反力を受けるが、この反力には装置固定部６００の振動を抑制する力が含まれているため、この力によって装置固定部６００の振動が抑制される。
このように、装置固定部６００の加速度に対して、この加速度を抑制する力を、電磁石１０４，１０５，１０６Ａ，１０６Ｂに作用する浮上支持力の反力に発生させることで、装置固定部６００の振動を抑制することができる。
【０１０２】
以上により、ターボ分子ポンプ本体１００及び制御装置５００は、装置システム全体の振動を抑制することが可能である。
【０１０３】
そして、この振動抑制は、チャンバ３００に新たな振動検出センサ等を設置することなく、各回転体位置センサ１０７，１０８，１０９の変位信号とターボ分子ポンプ本体１００側のパラメータのみを利用して達成することができる。
よって、新たなセンサを配設することなく、真空ポンプの被対象設備を含めた装置システム全体の低振動化を実現することが可能である。
【０１０４】
なお、本実施形態においては、振動検出器５０３は、数４を時間領域に変換した結果の計算を行うことにより装置固定部６００の加速度を求めるとして説明してきたが、これに限られるものではない。
すなわち、回転体１０３に作用する不釣り合い力ｕb（ｔ）が装置固定部６００の加速度に及ぼす影響を無視する場合には、回転体１０３の変位のラプラス変換と所定の伝達関数とを乗算した乗算結果を時間領域に変換した変換結果、例えば、以下に示す数５の両辺を時間領域に変換した結果の計算を行うことにより装置固定部６００の加速度を求めても良い。
【０１０５】
【数５】
また、本実施形態においては、振動抑制制御補償器５０４は、振動検出器５０３の出力信号にゲイン調整と位相補償を施すように構成したが、これに限られるものではなく、ＰＩＤ制御補償器、又は、最適制御補償器、Ｈ∞制御補償器、スライディングモード制御補償器等のその他の方式の補償器であっても良いし、これらの補償器のいずれか少なくとも二つを組み合わせて構成しても良い。また、補償器２０１の制御対象である回転体１０３の変位と、振動抑制制御補償器５０４の制御対象である装置固定部６００の加速度が発散又は発振しなければ、振動抑制制御補償器５０４を備えなくても良い。
【０１０７】
さらに、本実施形態において、加算器５０５は、補償器２０１の出力信号に振動抑制制御補償器５０４が出力する加速度調節信号を正負（＋−）の極性を反転して加算し、その加算結果である制御力指令値をアンプ２０２に出力するとして説明してきたが、これに限られるものではない。加算器５０５は、制御装置５００のフィードバック制御ループ上の伝達信号であれば、どの信号に加算しても良い。
【０１０８】
例えば、加算器５０５は、各回転体位置センサ１０７，１０８，１０９と補償器２０１との間に接続されて、各回転体位置センサ１０７，１０８，１０９の変位信号に、振動抑制制御補償器５０４が出力する加速度調整信号を正負（＋−）の極性を反転して加算し、その加算結果を補償器２０１に出力しても良い。このとき、振動抑制制御補償器５０４は、加算器５０５によって加速度調整信号が正負（＋−）の極性を反転して加算されるフィードバック制御ループ上の伝達信号に応じた制御補償を行う。
【０１０９】
また、上述のように、加算器５０５を各回転体位置センサ１０７，１０８，１０９と補償器２０１との間に接続した場合、通常、補償器２０１は、信号のゲイン調整やその位相補償、ＰＩＤ制御補償、又は、最適制御補償、Ｈ∞制御補償、スライディングモード制御補償等のその他の制御補償を行うための機能を備えている。このため、振動抑制制御補償器５０４が行っていた機能を補償器２０１内に容易に組み込むことができる。
【０１１０】
さらに、本実施形態は、いわゆる５軸制御の磁気軸受に用いられる場合に限られず、３軸、１軸制御の磁気軸受に対して用いても良い。例えば１軸制御の場合、制御機能を有する電磁石も１軸分しか存在しないので、装置固定部６００が振動したときに、その振動を抑制する力を作用させることができる方向が、その電磁石で制御できる１方向となる。
【０１１１】
また、本実施形態では、装置固定部６００の加速度を算出することで、装置固定部６００の振動を抑制していたが、これを装置固定部６００の加加速度、速度、位置等のように加速度を所要回数だけ微分又は積分した結果に相当する物理量を算出することで達成しても良い。
【０１１２】
次に、本発明の第２実施形態について説明する。
第１実施形態である装置システムでは、電磁石１０４，１０５又は電磁石１０６Ａ，１０６Ｂが回転体１０３に作用する力を求めるに際し、伝達関数Ｆr（ｓ），Ｆa（ｓ）を計算していたが、本実施形態である装置システムでは、伝達関数Ｆr（ｓ），Ｆa（ｓ）の計算を行う代わりに、加算器５０５から出力された制御力指令値等を用いるものである。
【０１１３】
図４に、本発明の第２実施形態である装置システム全体の構成図を示す。なお、図１と同一要素のものについては同一符号を付して説明は省略する。
図４に示す制御装置５５０は、第１実施形態の振動検出器５０３に代えて、振動検出手段及びモータ制御手段としての振動検出／モータ制御器５５３を備えている。
【０１１４】
この振動検出／モータ制御器５５３には、加算器５０５の出力である制御力指令値が入力されるようになっている。そして、振動検出／モータ制御器５５３では、装置固定部６００の加速度を求める際に、この制御力指令値を使用するようになっている。
【０１１５】
また、本実施形態のターボ分子ポンプ本体１５０では、第１実施形態で用いられていた永久磁石を有するモータ１２１の代わりに、誘導モータ１７１が使用されている。そして、この誘導モータ１７１には、振動検出／モータ制御器５５３から無通電信号が出力されており、誘導モータ１７１は、振動検出／モータ制御器５５３で装置固定部６００の加速度の算出が行われる期間中、無通電状態（フリーラン）とされるようになっている。
【０１１６】
さらに、振動検出／モータ制御器５５３には、回転体１０３に作用する不釣り合い力ｕb（ｔ）による誤差を低減するための回転周波数追従型ノッチフィルタ８０６が設けられている（詳細は後述する）。
【０１１７】
なお、本実施形態の振動検出／モータ制御器５５３には、加算器５０５から出力される制御力指令値の代わりに、回転体１０３と、電磁石１０４，１０５又は電磁石１０６Ａ，１０６Ｂとの間に発生する磁束の変動量を示す磁束検出信号が入力されても良い。そして、この磁束の変動量に基づいて、装置固定部６００の加速度を求めても良い。
【０１１８】
この場合には図５に示すように、ターボ分子ポンプ本体１５０に、回転体１０３と電磁石１０４，１０５又は電磁石１０６Ａ，１０６Ｂとの間に発生する磁束の変動量を検出する磁束検出器１８１を設け、この検出結果を振動検出／モータ制御器５５３に出力するようにすれば良い。
【０１１９】
次に、第２実施形態である装置システムの作用について説明する。
まず、装置固定部６００の加速度を導出する方法について説明する。
この加速度の導出方法を説明するにあたり、装置システム全体のブロック図は、第１実施形態で説明した図２と同様である。そして、このブロック図に基づいて運動モデルを構成すると、図６のようになる。
【０１２０】
このとき、図６において、第１実施形態である運動モデル（図３）との対比を行うと以下のようになる。
まず、第１実施形態である運動モデルでは、相対変位ｙ（ｔ）と、電磁石１０４，１０５又は電磁石１０６Ａ，１０６Ｂが回転体１０３に作用させる力との関係として関数ｆr，ｆaを定義していたが、本実施形態ではこれらの関数ｆr，ｆaは定義されていない。その代わりに、本実施形態では電磁石１０４，１０５又は電磁石１０６Ａ，１０６Ｂが回転体１０３に及ぼす力として、磁気軸受の浮上力の調整量ｆmb（ｔ）そのものが定義されている。
【０１２１】
また、第１実施形態である運動モデルでは考慮されていなかったが、本実施形態の運動モデルでは、誘導モータ１７１が回転体１０３に及ぼす力としてモータ力ｆmt（ｔ）が考慮されている。
【０１２２】
通常、第１実施形態のターボ分子ポンプ本体１００であっても、モータ１２１の回転子側である永久磁石のＳ極とＮ極がロータ軸１１３の軸心を挟んで対向配置され、かつ固定子側である電磁石がロータ軸１１３の軸心を挟んで対向配置されていれば、回転体１０３には回転させるトルク成分のみが生じて、永久磁石の磁極とモータ１２１の電磁石との間に作用する力は、全て相殺されて０になる。従って、この場合にはモータ力ｆmt（ｔ）を考慮する必要はない。
【０１２３】
しかしながら、実際には永久磁石の磁束の誤差や、固定子側の電磁石に対するロータ軸１１３の偏心等が起こり得る。そのため、これらの原因によりモータ力ｆmt（ｔ）はゼロにならない。従って、装置固定部６００の加速度の算出における誤差を小さくするためには、このモータ力ｆmt（ｔ）の影響を考慮することが望ましい。
【０１２４】
さらに、本実施形態の運動モデルでは、不釣り合い力ｕb（ｔ）は角速度が回転体１０３の回転角速度ωと等しい正弦波に近似される（以下、不釣り合い力ｕb（ωｔ）と示す）。この不釣り合い力ｕb（ωｔ）は、上述したように回転体１０３の形状中心軸と慣性中心軸の位置ずれに起因して発生する不釣り合い力であるため、このように角速度ωの正弦波に近似することが可能となっている。
【０１２５】
そこで、回転体１０３が装置固定部６００から浮上支持されていることについて、回転体１０３の運動方程式を求めると数６のようになる。
【０１２６】
【数６】
また、数６は、数１で定義した相対変位ｙ（ｔ）を導入することにより数７のように表される。
【０１２８】
【数７】
さらに、数７は若干の変形を加えることで数８のように表される。
【０１３０】
【数８】
ここで、数８に示された磁気軸受の浮上力の調整量ｆmb（ｔ）、モータ力ｆmt（ｔ）、不釣り合い力ｕb（ωｔ）について考察する。
まず、磁気軸受の浮上力の調整量ｆmb（ｔ）について考察する。
上述したように、第１実施形態では相対変位ｙ（ｔ）と、電磁石１０４，１０５又は電磁石１０６Ａ，１０６Ｂが回転体１０３に作用させる力との関係として、関数ｆr，ｆaを定義していた。そして、この関数ｆr，ｆaをラプラス領域に変換し、伝達関数Ｆr（ｓ），Ｆa（ｓ）等からラプラス領域における装置固定部６００の加速度を求め、さらにこれを時間領域に変換することで、装置固定部６００の加速度を求めていた。
【０１３２】
しかしながら、伝達関数Ｆr（ｓ），Ｆa（ｓ）の算出のために必要なパラメータは予め決められるか、測定される必要があり、かつこれらを振動検出器５０３内に記憶しておく必要があった。また、伝達関数Ｆr（ｓ），Ｆa（ｓ）の演算はそれ自体複雑であるため、高速な演算器が必要であった。
【０１３３】
これに対し、本実施形態では、伝達関数Ｆr（ｓ），Ｆa（ｓ）の計算を行う代わりに、磁気軸受の浮上力の調整量ｆmb（ｔ）そのものを定義し、この浮上力の調整量ｆmb（ｔ）として加算器５０５から出力された制御力指令値を使用している。そのため、装置固定部６００の加速度の算出にあたり、既知となる制御力指令値を用いているので、安価な演算器でも十分に使用に耐えられる。
【０１３４】
ところで、このように制御力指令値を磁気軸受の浮上力の調整量ｆmb（ｔ）とみなして演算を行う場合、この制御力指令値と実際の浮上力の調整量ｆmb（ｔ）との間の誤差が問題となり得る。しかしながら、ロータ軸１１３に対して直角な平面上において、電磁石を回転体１０３を挟んで対向配置し、制御装置５５０として、電磁石１０４，１０５又は電磁石１０６Ａ，１０６Ｂから発生される磁束の変動量が加算器５０５から出力される制御力指令値に高速に追従するような高ゲイン磁束フィードバック制御器を使用することで、かかる問題は解消される。
【０１３５】
この高ゲイン磁束フィードバック制御器のブロック線図を図７に示す。図７において、Ｆr（ｓ）は、制御力指令値ｆr（ｔ）の変動分のラプラス変換である。また、Ｖm（ｓ）は、磁束指令値ｖm（ｔ）の変動分のラプラス変換であり、Ｉm（ｓ）は、電磁石電流値Ｉm（ｔ）の変動分のラプラス変換であり、φm（ｓ）は、電磁石の磁束φm（ｔ）の変動分のラプラス変換である。さらに、Ｆmb（ｓ）は、電磁石の制御力ｆmb（ｔ）の変動分のラプラス変換であり、Ｘ（ｓ）は、電磁石と回転体の隙間の変動分のラプラス変換である。また、Ｒは、電磁石のコイルの抵抗であり、Ｌは、電磁石のインダクタンスである。
【０１３６】
ここに、ゲインＫ2を“Ｌ・ｓ+Ｒ”と比較して非常に大きくすることで、磁束指令値ｖm（ｔ）と、電磁石１０４，１０５又は電磁石１０６Ａ，１０６Ｂから発生される制御磁束φm（ｔ）は、一対一に対応するようになる。また、磁束φm（ｔ）の変動分は、浮上力の調整量ｆmb（ｔ）と比例関係を保ち、比例ゲインＫ1をこの比例定数Ｋ4の逆数とすれば、制御力指令値ｆr（ｔ）は浮上力の調整量ｆmb（ｔ）と一対一に対応するようになる。
以上により、制御力指令値と実際の浮上力の調整量ｆmb（ｔ）との間の誤差を低減することが可能である。
【０１３７】
次に、モータ力ｆmt（ｔ）について考察する。
上述したように、本実施形態においては装置固定部６００の加速度の算出に際し、モータ力ｆmt（ｔ）を考慮している。
しかしながら、このモータ力ｆmt（ｔ）を正確に把握することは困難である。
【０１３８】
そこで、本実施形態では、永久磁石からなるモータ１２１の代わりに、誘導モータ１７１を使用している。そして、回転体位置センサ１０７,１０８，１０９が回転体１０３の位置を検出し、装置固定部６００の加速度の算出を行う期間中は誘導モータ１７１を無通電状態とすることで、モータ力ｆmt（ｔ）の影響をゼロにしている。この点、第１実施形態のように永久磁石からなるモータ１２１を用いた場合には、この永久磁石による磁束の影響をゼロにできないので、モータ力ｆmt（ｔ）の影響を常に考慮する必要がある。
【０１３９】
なお、誘導モータ１７１を無通電状態とする期間は、以下のように決めることが望ましい。例えば、ターボ分子ポンプ本体１５０が電子顕微鏡等の設備に用いられる場合、電子顕微鏡により撮像が行われる時間、すなわち振動の抑制が最も望まれる期間は、数秒程度である。従って、誘導モータ１７１を無通電状態とする期間としては、数十秒〜１分程度の時間があれば十分である。
【０１４０】
一方、この期間中、回転体１０３に対しては誘導モータ１７１から回転力が与えられないため、回転体１０３の失速が問題となり得る。しかしながら、回転体１０３は慣性モーメントが大きいので、数十秒〜１分程度の時間では回転速度が大きく失速することはない。また、撮像を行うまでに十分にチャンバ３００内のガス吸引が行われていると考えれば、この期間中のガス負荷による回転速度の低下もほとんど起こり得ない。従って、回転体１０３の位置を検出し、装置固定部６００の加速度の算出を行う期間中に、誘導モータ１７１を無通電状態とすることによる不都合は考えられない。
【０１４１】
そこで、装置システムの振動抑制を行う期間中に誘導モータ１７１を無通電状態とすることで、数８中のモータ力ｆmt（ｔ）をゼロとした式により、装置固定部６００の加速度の算出が行われる。
【０１４２】
続いて、不釣り合い力ｕb（ωｔ）について考察する。
上述したように、不釣り合い力ｕb（ωｔ）は、オブザーバを構成することで、磁気軸受の浮上力の調整量と回転体位置センサが出力する回転体の変位の情報から推定することが可能である。
しかしながら、このようなオブザーバ理論に基づく計算は、複雑になるおそれがある。
【０１４３】
一方、不釣り合い力ｕb（ωｔ）は、回転体１０３の回転角速度ωを角速度とする正弦波に近似される。そのため、この不釣り合い力ｕb（ωｔ）をゼロと仮定して装置固定部６００の加速度を算出しても、これによる演算誤差は、回転体１０３の回転角速度ωの周波数に限定され、その他の周波数帯域では装置固定部６００の加速度を精度良く算出することができる。また、この不釣り合い力ｕb（ωｔ）による回転体１０３の振れも、回転角速度ωの周波数に限定されたものとなる。
【０１４４】
従って、上述したような誘導モータ１７１を無通電状態とした状態での装置固定部６００の加速度の演算結果を、回転周波数追従型ノッチフィルタ８０６に通すことで、回転体１０３の回転角速度ωの周波数付近の演算結果を考慮しないようにすることができる。これにより、回転体１０３の回転角速度ωの周波数付近に不感帯が生じるものの、その他の周波数帯域では装置固定部６００の加速度を精度良く算出することができる。
【０１４５】
ここで、回転周波数追従型ノッチフィルタ８０６の原理について詳細に説明する。
まず、回転体１０３の装置固定部６００に対する振れｘdは、フーリエ級数展開することで、数９のように表される。
【０１４６】
【数９】
但し、Ｒr（ωｔ）は回転体１０３の振れの回転体１０３の回転周波数成分（不釣り合い力ｕbにより生じる）、ωは回転体１０３の回転角速度、ｔは時間、Ｅrは回転体１０３の振れの回転体１０３の回転周波数以外の周波数成分、Ｒs（ωｔ）は装置固定部６００の変位の回転体１０３の回転周波数成分、Ｅsは装置固定部６００の変位の回転体１０３の回転周波数以外の周波数成分、ＡrはＲr（ωｔ）の振幅、ψrはＲr（ωｔ）の位相、ＡsはＲs（ωｔ）の振幅、ψsはＲs（ωｔ）の位相を表す。
【０１４８】
このとき、回転体１０３の装置固定部６００に対する振れｘdは、各回転体位置センサ１０７，１０８，１０９によって検出される。また、回転体１０３の回転角速度ωは、モータ１２１等に設けられた回転数センサ等によって検出される。
【０１４９】
そして、この回転体位置センサ１０７，１０８，１０９により検出された回転体１０３の検出信号ｘdに対し、以下のような演算処理を行う。
まず、検出信号ｘdに対し、ｓｉｎ（ωｔ），ｃｏｓ（ωｔ）を乗算することで、数１０、数１１を得る。
【０１５０】
【数１０】
【数１１】
また、数１０、数１１に対し三角関数の加法定理を導入することで、数１２、数１３を得る。
【０１５３】
【数１２】
【数１３】
そして、数１２、数１３をカットオフ周波数の低いローパスフィルタに通すとＡＣ成分が除去されて、数１４、数１５を得る。
【０１５６】
【数１４】
【数１５】
さらに、数１４、数１５のａr，ｂrのそれぞれにｓｉｎ（ωｔ），ｃｏｓ（ωｔ）を乗算して加算し、かつ２倍に増幅することで、数１６のように回転体１０３の装置固定部６００に対する振れの回転体１０３の回転周波数成分Ｒr（ωｔ）−Ｒs（ωｔ）が得られる。
【０１５９】
【数１６】
さらに、回転体位置センサ１０７，１０８，１０９による回転体１０３の検出信号ｘdから、数１６の回転周波数成分Ｒr（ωｔ）−Ｒs（ωｔ）を減算することで、数１７のように結果信号ｘoを得る。
【０１６１】
【数１７】
そして、数１７の結果信号ｘoを制御装置５５０の補償器２０１に出力することで、補償器２０１では、回転体１０３の装置固定部６００に対する振れの回転体１０３の回転周波数以外の周波数成分Ｅr−Ｅsのみが認識される。
【０１６３】
ここで、以上で説明した回転周波数追従型ノッチフィルタ８０６の原理を表したブロック図を図８に示す。
図８において、入力７０１が数１０、数１１中の検出信号ｘdに対応する。また、サイン波７０２、コサイン波７０３が数１０、数１１で乗算されたｓｉｎ（ωｔ），ｃｏｓ（ωｔ）に対応する。そして、ローパスフィルタ７０４、７０５が数１２、数１３を通すローパスフィルタに対応する。その結果、図８の出力７０６は数１６で計算される回転体１０３の装置固定部６００に対する変位の回転周波数成分Ｒr（ωｔ）−Ｒs（ωｔ）に対応するようになる。そして、入力７０１からこの出力７０６を減算することで（図示略）、数１７の結果信号ｘoが得られる。
【０１６４】
そこで、以上のような磁気軸受の浮上力の調整量ｆmb（ｔ）、モータ力ｆmt（ｔ）、不釣り合い力ｕb（ωｔ）についての考察結果に基づき、装置固定部６００の加速度の算出を行う数８は、数１８のように簡略化される。
【０１６５】
【数１８】
一方、数１８は、初期値が０であるとすれば、ラプラス領域では数１９のように表される。
【０１６７】
【数１９】
ここで、数１９の右辺第２項のＹ（ｓ）にはラプラス演算子ｓの二乗の係数が掛かっている。そのため、数１９はプロパーな式ではなく（すなわち、分子のラプラス演算子ｓの次数が分母のラプラス演算子ｓの次数よりも大きく）、数１８からも明らかなように、この計算には相対変位ｙ（ｔ）を２階微分するための２次の微分器が必要となる。
【０１６９】
そして、演算の過程において微分器を必要とすると、周波数が高くなるに連れて高ゲインとなり、この演算結果を振動抑制制御補償器にフィードバック入力し、装置固定部６００の振動を抑制しようとすれば、そのフィードバック制御系の安定性が損なわれるおそれがある。また、一般にノイズは高周波数帯域に生じる場合が多く、この微分器によりノイズが増幅される傾向にもある。
そのため、数１９を厳密にプロパーな式（すなわち、分子のラプラス演算子ｓの次数が分母のラプラス演算子ｓの次数よりも小さい式）にすることが望ましい。そこで、数１９の演算結果を２次のローパスフィルタに通すと、数２０が得られる。なおζ，ωcは所定の定数である。
【０１７０】
【数２０】
さらに、数２０に変形を加えると数２１が得られる。
【０１７２】
【数２１】
数２１の右辺は全ての項について厳密にプロパーな式であり、この数２１を、装置固定部６００の加速度の算出に用いることで、振動抑制のためのフィードバック制御系の安定性を向上させることができ、かつノイズを低減することができる。
【０１７４】
なお、以上のような装置固定部６００の加速度の算出方法を表したブロック図を図９に示す。
図９において、入力８０１が数２１中の相対変位ｙ（ｔ）のラプラス変換Ｙ（ｓ）に対応する。また、入力８０２が数２１中の磁気軸受の浮上力の調整量ｆmb（ｔ）のラプラス変換Ｆmb（ｓ）に対応する。そして、ローパスフィルタ８０３は数２１中の右辺第３、４項に掛かる係数であり、ローパスフィルタ８０４は右辺第１、２項に掛かる係数に対応する。従って、中間出力８０５が数２１中の装置固定部６００の加速度のラプラス変換ｓ2Ｘs（ｓ）に対応する。
さらに、この中間出力８０５を、上述で説明した回転周波数追従型ノッチフィルタ８０６に通すことで、図９の出力８０７は、数１８で計算される装置固定部６００の加速度のラプラス変換に対応するようになる。
【０１７５】
次に、算出した装置固定部６００の加速度に基づいて、装置固定部６００の振動を抑制するための動作を説明する。
本実施形態における振動抑制動作は、第１実施形態と同様であるが、振動検出／モータ制御器５５３から、誘導モータ１７１に対し無通電信号による制御が行われる点が異なっている。
【０１７６】
例えば、チャンバ３００側から自動あるいは手動により、チャンバ３００で電子顕微鏡による撮像等が行われる旨の信号が振動検出／モータ制御器５５３に入力されると（図示略）、この信号に基づき振動検出／モータ制御器５５３は誘導モータ１７１を無通電状態とする。
【０１７７】
そして、この誘導モータ１７１を無通電状態としている期間中、振動検出／モータ制御器５５３では装置固定部６００の加速度の算出が行われ、加速度信号が振動抑制制御補償器５０４に出力される（以降は第１実施形態と同様である）。
これにより、装置固定部６００の加速度に対して、この加速度を抑制する力を、電磁石１０４，１０５，１０６Ａ，１０６Ｂに作用する浮上支持力の反力に発生させることができるので、装置固定部６００の振動を抑制することができる。
【０１７８】
一方、チャンバ３００側から、電子顕微鏡による撮像等が終了した旨の信号が振動検出／モータ制御器５５３に入力されると（図示略）、この信号に基づき振動検出／モータ制御器５５３は誘導モータ１７１を通電させる。
これにより、誘導モータ１７１から回転体１０３に回転力が与えられ、磁気軸受は、回転体１０３に対して、例えば従来と同様の位置制御を行う。
【０１７９】
以上により、伝達関数Ｆr（ｓ），Ｆa（ｓ）の計算を行う代わりに、磁気軸受の制御力指令値等を用いて装置固定部６００の加速度の算出を行っているので、安価な演算器を用いても高精度に算出することが可能となる。
【０１８０】
また、数２１のような厳密にプロパーな式に基づいて、装置固定部６００の加速度を求めているので、振動抑制のフィードバック制御系の安定性を向上させることができ、かつノイズを低減することができる。
【０１８１】
なお、本実施形態においては、数２１等において、装置固定部６００の加速度を求めるとして説明してきたが、これに限られず、第１実施形態と同様に、装置固定部６００の加加速度、速度、位置等のように加速度を所要回数だけ微分又は積分した結果に相当する物理量を算出するようにしても良い。
【０１８２】
また、本実施形態においては、ターボ分子ポンプ本体１５０がチャンバ３００に固定されるものとして説明してきたが、これに限られるものではない。もちろん、装置固定部６００側が完全な剛体であれば、以上で説明した通りの効果が得られるので最も望ましいが、チャンバ３００等は完全な剛体であるとは限らないからである。
【０１８３】
チャンバ３００の剛性が低い場合や、従来のようにターボ分子ポンプ本体１５０がポンプ用ダンパ３０１を介してチャンバ３００に固定される構成であっても、各実施形態ではターボ分子ポンプ本体１００，１５０を中心とした系の低振動化が行われるので、十分に装置システム全体の低振動化に寄与することが可能である。
【０１８４】
さらに、本実施形態においては、回転体位置センサ１０７，１０８，１０９の変位信号に基づいて、それぞれに対応する装置固定部６００の加速度等を求め、各電磁石１０４，１０５，１０６Ａ，１０６Ｂを制御するとして説明してきたが、これに限られない。
【０１８５】
一般に、回転体１０３の運動は、並進成分の運動と回転成分の運動とが複雑に混在し合っている。そして、従来から行われているように、上側径方向センサ１０７及び下側径方向センサ１０８等の検出結果から、回転体１０３の運動は、並進成分と回転成分とに分離することができる。従って、回転体１０３の並進成分と回転成分のそれぞれに対応して装置固定部６００の加速度等を求めれば、装置固定部６００の加速度等の並進成分と回転成分を求めることができる。
【０１８６】
具体的には、以下のような計算を行う。まず、並進成分に対応した装置固定部６００の加速度等を求める場合には、回転体１０３の変位の並進成分を、数８の相対変位ｙ（ｔ）に代入して計算を行う。一方、回転成分に対応した装置固定部６００の加速度等を求める場合には、回転体１０３の変位の回転成分を、数８の相対変位ｙ（ｔ）に代入し、回転体１０３のその回転中心軸まわりの慣性モーメントを、数８の質量ｍrに代入して計算を行う。
そして、これらの算出結果である並進成分と回転成分に対応した装置固定部６００の加速度等から、再び上側径方向電磁石１０４及び下側径方向電磁石１０５に対する制御力指令値等を求めることで、電磁石１０４，１０５を制御すれば良い。
【０１８７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、磁気軸受装置は、振動検出手段と加算手段と振動抑制制御手段とを備えて構成したことから、新たな振動センサを配設することなく、真空ポンプの被対象設備を含めた装置システム全体の低振動化を実現することが可能である。
また、磁気軸受装置は、振動検出手段を備えて構成したことから、新たな振動センサを配設することなく、真空ポンプの被対象設備を含めた装置システム全体の振動検出を実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施形態である装置システム全体の構成図
【図２】 装置システム全体のブロック図
【図３】 装置システム全体の運動モデルを示した図
【図４】 本発明の第２実施形態である装置システム全体の構成図
【図５】 同上（別例）
【図６】 装置システム全体の運動モデルを示した図
【図７】 高ゲイン磁束フィードバック制御器のブロック線図
【図８】 回転周波数追従型ノッチフィルタの原理を表したブロック図
【図９】 装置固定部の加速度の算出方法を表したブロック図
【図１０】 従来のターボ分子ポンプの縦断面図
【図１１】 従来の装置システム全体の構成図
【符号の説明】
１００，１５０ ターボ分子ポンプ本体
１０３ 回転体
１０４ 上側径方向電磁石
１０５ 下側径方向電磁石
１０６Ａ，１０６Ｂ 軸方向電磁石
１０７ 上側径方向センサ
１０８ 下側径方向センサ
１０９ 軸方向センサ
１７１ 誘導モータ
１８１ 磁束検出器
２００，５００，５５０ 制御装置
２０１ 補償器
２０２ アンプ
３００ チャンバ
３０１ ポンプ用ダンパ
４００ 床
４０１ 装置用ダンパ
５０３ 振動検出器
５０４ 振動抑制制御補償器
５０５ 加算器
５５３ 振動検出／モータ制御器
６００ 装置固定部
８０６ 回転周波数追従型ノッチフィルタ
Claims (17)
- 回転体と、
該回転体に浮上力を作用させる電磁石と、
該電磁石が固設されたステータ部と、
前記回転体の前記ステータ部に対する径方向及び／又は軸方向の相対変位を検出する変位検出手段と、
該変位検出手段が検出した相対変位に基づいて前記浮上力の調整量を算出する磁気軸受制御補償器と、
該磁気軸受制御補償器による前記浮上力の調整量の算出結果に応じて前記浮上力を調整する電磁石制御手段と、
前記ステータ部に対する相対位置が固定された装置固定部の所定の物理量を検出する振動検出手段と、
該振動検出手段の出力を、該出力の極性を反転し、少なくとも前記変位検出手段と前記磁気軸受制御補償器と前記電磁石制御手段によって構成される磁気軸受フィードバック制御手段の伝達信号に加算する加算手段とを備え、
前記所定の物理量は、
前記装置固定部及び／又は前記ステータ部の加速度、該加速度を所要回数だけ微分又は積分した変位、速度及び加加速度等のうちの少なくとも一つであり、
前記加速度は、
前記変位検出手段で検出された前記回転体の相対変位のラプラス変換と所定の伝達関数とを乗算した第１の乗算結果を時間領域に変換した変換結果であることを特徴とする振動抑制機能を有する磁気軸受装置。 - 前記回転体に作用する不釣り合い力を検出又は推定する不釣り合い力検出手段を備え、
前記加速度は、
前記第１の乗算結果と、前記不釣り合い力検出手段で検出又は推定された前記回転体に作用する不釣り合い力の変動分のラプラス変換と前記回転体の質量の逆数とを乗算した第２の乗算結果とを加算した加算結果を時間領域に変換した変換結果であることを特徴とする請求項１記載の振動抑制機能を有する磁気軸受装置。 - 前記所定の伝達関数は、
前記回転体の相対変位と該相対変位により前記電磁石と前記回転体との間に作用する力との関係である磁気軸受フィードバック制御手段固有の伝達関数と、前記回転体の質量により表されたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の振動抑制機能を有する磁気軸受装置。 - 回転体と、
該回転体に浮上力を作用させる電磁石と、
該電磁石が固設されたステータ部と、
前記回転体の前記ステータ部に対する径方向及び／又は軸方向の相対変位を検出する変位検出手段と、
該変位検出手段が検出した相対変位に基づいて前記浮上力の調整量を算出する磁気軸受制御補償器と、
該磁気軸受制御補償器による前記浮上力の調整量の算出結果に対応して前記浮上力を調整する電磁石制御手段と、
前記ステータ部に対する相対位置が固定された装置固定部の所定の物理量を検出する振動検出手段と、
該振動検出手段の出力を、該出力の極性を反転し、少なくとも前記変位検出手段と前記磁気軸受制御補償器と前記電磁石制御手段によって構成される磁気軸受フィードバック制御手段の伝達信号に加算する加算手段とを備え、
前記所定の物理量は、
前記装置固定部及び／又は前記ステータ部の加速度、該加速度を所要回数だけ微分又は積分した変位、速度及び加加速度等のうちの少なくとも一つであり、
前記加速度は、
前記磁気軸受制御補償器による前記浮上力の調整量の算出結果又は前記加算手段による加算結果と、前記回転体の質量の逆数とを乗算した第３の乗算結果から、前記変位検出手段で検出された前記回転体の相対変位を２階微分した結果を減算した減算結果であることを特徴とする振動抑制機能を有する磁気軸受装置。 - 前記電磁石と前記回転体の間に発生する磁束の変動量を検出する磁束検出手段を備え、
前記第３の乗算結果として、
前記磁気軸受制御補償器による前記浮上力の調整量の算出結果の代わりに、前記磁束検出手段で検出された磁束の変動量に比例する値を用いた乗算結果を用いることを特徴とする請求項４記載の振動抑制機能を有する磁気軸受装置。 - 前記回転体を回転駆動する誘導モータと、
該誘導モータの通電状態を制御するモータ制御手段とを備え、
前記振動検出手段で前記所定の物理量を検出するとき、前記モータ制御手段は前記誘導モータを無通電とすることを特徴とする請求項４又は請求項５記載の振動抑制機能を有する磁気軸受装置。 - 前記回転体の回転周波数に追従して、該周波数成分を除去する回転周波数追従型ノッチフィルタを備え、
前記加速度等は、
前記減算結果が前記回転周波数追従型ノッチフィルタを通過した結果であることを特徴とする請求項４、５又は６記載の振動抑制機能を有する磁気軸受装置。 - 前記加速度等が通過するローパスフィルタを備えたことを特徴とする請求項４〜７のいずれか１項に記載の振動抑制機能を有する磁気軸受装置。
- 前記振動検出手段の出力にゲイン調整及び／又は位相補償と、ＰＩＤ制御と、その他の制御補償のいずれか少なくとも一つの制御補償を施す振動抑制制御補償手段を備えたことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の振動抑制機能を有する磁気軸受装置。
- 回転体と、
該回転体に浮上力を作用させる電磁石と、
該電磁石が固設されたステータ部と、
前記回転体の前記ステータ部に対する径方向及び／又は軸方向の相対変位を検出する変位検出手段と、
該変位検出手段が検出した変位に基づいて前記浮上力の調整量を算出する磁気軸受制御補償器と、
該磁気軸受制御補償器による前記浮上力の調整量の算出結果に対応して前記浮上力を調整する電磁石制御手段と、
前記ステータ部に対する相対位置が固定された装置固定部の所定の物理量を検出する振動検出手段とを備え、
前記所定の物理量は、
前記装置固定部及び／又は前記ステータ部の加速度、該加速度を所要回数だけ微分又は積分した変位、速度及び加加速度等のうちの少なくとも一つであり、
前記加速度は、
前記変位検出手段で検出された前記回転体の相対変位のラプラス変換と所定の伝達関数とを乗算した第１の乗算結果を時間領域に変換した変換結果であることを特徴とする振動推定機能を有する磁気軸受装置。 - 回転体と、
該回転体に浮上力を作用させる電磁石と、
該電磁石が固設されたステータ部と、
前記回転体の前記ステータ部に対する径方向及び／又は軸方向の相対変位を検出する変位検出手段と、
該変位検出手段が検出した変位に基づいて前記浮上力の調整量を算出する磁気軸受制御補償器と、
該磁気軸受制御補償器による前記浮上力の調整量の算出結果に対応して前記浮上力を調整する電磁石制御手段と、
前記ステータ部に対する相対位置が固定された装置固定部の所定の物理量を検出する振動検出手段とを備え、
前記所定の物理量は、
前記装置固定部及び／又は前記ステータ部の加速度、該加速度を所要回数だけ微分又は積分した変位、速度及び加加速度等のうちの少なくとも一つであり、
前記加速度は、
前記磁気軸受制御補償器による前記浮上力の調整量の算出結果と、前記回転体の質量の逆数とを乗算した第３の乗算結果から、前記変位検出手段で検出された前記回転体の相対変位を２階微分した結果を減算した減算結果であることを特徴とする振動推定機能を有する磁気軸受装置。 - 前記電磁石と前記回転体の間に発生する磁束の変動量を検出する磁束検出手段を備え、
前記第３の乗算結果として、
前記磁気軸受制御補償器による前記浮上力の調整量の算出結果の代わりに、前記磁束検出手段で検出された磁束の変動量に比例する値を用いた乗算結果を用いることを特徴とする請求項１１記載の振動推定機能を有する磁気軸受装置。 - 前記回転体を回転駆動する誘導モータと、
該誘導モータの通電状態を制御するモータ制御手段とを備え、
前記振動検出手段で前記所定の物理量を検出するとき、前記モータ制御手段は前記誘導モータを無通電とすることを特徴とする請求項１１又は請求項１２記載の振動推定機能を有する磁気軸受装置。 - 前記回転体の回転周波数に追従して、該周波数成分を除去する回転周波数追従型ノッチフィルタを備え、
前記加速度等は、
前記減算結果が前記回転周波数追従型ノッチフィルタを通過した結果であることを特徴とする請求項１１、１２又は１３記載の振動推定機能を有する磁気軸受装置。 - 前記加速度等が通過するローパスフィルタを備えたことを特徴とする請求項１１〜１４のいずれか１項に記載の振動推定機能を有する磁気軸受装置。
- 請求項１〜９のいずれか１項に記載の磁気軸受装置が搭載された真空ポンプであって、
該真空ポンプは、
被対象設備に設置され、該被対象設備から所定のガスを吸引することを特徴とする振動抑制機能を有するポンプ装置。 - 請求項１０〜１５のいずれか１項に記載の磁気軸受装置が搭載された真空ポンプであって、
該真空ポンプは、
被対象設備に設置され、該被対象設備から所定のガスを吸引することを特徴とする振動推定機能を有するポンプ装置。
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