JP6728821B2 - 磁気軸受式真空ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、磁気軸受式真空ポンプに関する。

制御形磁気軸受タイプの真空ポンプにおいては、ロータ部品がステータ部品と非接触にて高速回転運動される。そのような真空ポンプでは、最小隙間となる部位であるタッチダウンベアリング（非常用のメカニカルベアリング）においても、１００μｍ程度の隙間を有している。そのため、接触式のボールベアリングタイプに比べて、ロータアンバランス修正の追いこみ基準を緩和できるという特徴がある。

ところで、ロータアンバランスがあると、そのロータアンバランスによってラジアル方向に振れ回り変位が発生し、また、ラジアル方向に振れ回りに起因してアキシャル方向においても振動変位が発生することがある。これらは回転速度の周波数成分（あるいは、その高調波成分）の定常応答であり、軸受が非接触型か接触型かに関係なく、軸受のバネ剛性を介してステータ側にロータ軸変位に応じた反力として伝達され、それに伴い騒音も発生する。

また、アンバランス以外にも、メカニカルラインアウト、エレクトリカルラインアウトと呼ばれる部材の傷や磁気特性のむらによって、同様の定常応答が生じることが知られている。

一般に、ロータ軸変位は、アンバランス等に伴う定常応答成分と、それ以外の成分とで表される。それ以外の成分としては、主に外乱力による一過性の変位などの自由振動に起因するものであるが、一過性の変位が収束した状態においてもステータ側の振動の要因となるセンシングに伴う微小なノイズ成分が含まれている。ノイズ成分としては、軸受電流を供給する励磁アンプのＰＷＭスイッチングに伴うスパイク状電流の一部が、ＧＮＤラインからセンシング回路へ回り込んで重畳するものや、ＦＰＧＡ等のデジタル制御器へＡＤコンバータを介して信号を取り込む際の分解能に起因する、ランダムノイズ等を含んでいる。

真空ポンプは、電子顕微鏡等の分析計測装置や、近接して研究者が取り扱う頻度の高い実験装置等に用いられる場合、低振動性および静粛性が強く求められる。また、製造用途では、半導体製造の描画露光装置は言うまでもなく、イオン注入装置、ＣＶＤ装置、エッチング装置等においても、低振動性および静粛性が求められることが多くなってきている。

特開２００６−７１０６９号公報

ところで、イオン注入装置、ＣＶＤ装置、エッチング装置では、プロセスに伴う固相の反応生成物が、プロセス容器内や下流側に設けられた真空ポンプ内部に付着する。例えば、ターボ分子ポンプのロータに反応生成物が付着すると、経時的にロータアンバランスが大きくなり、定格回転中のロータの振れ回り変位もだんだんと大きくなる。

特許文献１に記載の発明では、変位信号を処理する際に、従来の低分解能ラインと並列して高分解能ラインとを設け、高分解能ラインのＡＤコンバータがアウトオブレンジ信号を出しているか否かでオーバーフローの有無を判別し、低分解能ラインと高分解能ラインとを切り替えるようにしている。

しかしながら、上記のような切替動作を行う構成の場合、振れ回り変位が大きいと、切り替えの閾値を挟んで変位が上下してチャタリングを発生する。チャタリング発生期間では、高分解能領域および従来分解能領域の各々の変位信号を繰り返し使用することになるので、いろいろな周波数が発生しやすく、これにより加振されることで新たな振動・騒音が発生することになる。また、チャタリング発生を防止するために閾値にヒステリシスを設けることがあるが、振れ回り変位が大きいとヒステリシスの幅も大きくなり、高分解能領域における分解能向上が制限され、低振動性能が限定的になるという課題がある。

本発明の好ましい実施形態による磁気軸受式真空ポンプは、ロータを磁気浮上させる磁気軸受と、前記ロータの所定位置からの変位により変調された変位変調波信号をＫ＞１の分解能倍率Ｋで増幅し、増幅された前記変位変調波信号に基づいて、前記所定位置を含む第１変位領域における高分解能変位信号を生成する第１変位信号生成部と、前記変位変調波信号に基づいて、前記第１変位領域を含むより大きな第２変位領域における低分解能変位信号を生成する第２変位信号生成部と、前記高分解能変位信号または前記低分解能変位信号から定常応答振れ回り変位の成分を除いた非定常応答信号に基づいて、前記高分解能変位信号および前記低分解能変位信号のいずれか一方を選択する選択部と、前記選択部で選択された変位信号に基づいて前記磁気軸受を制御する軸受制御部と、を備える。
さらに好ましい実施形態では、前記高分解能変位信号または前記低分解能変位信号に基づいて、定常応答振れ回り半径を算出する定常応答演算部と、前記分解能倍率Ｋの大きさを、前記定常応答振れ回り半径の大きさに応じた複数の値のいずれか一つに変更する倍率変更部とをさらに備え、前記倍率変更部は、定常応答振れ回り半径が大きい時には分解能倍率Ｋを小さくし、定常応答振れ回り半径が小さい時には分解能倍率Ｋを大きくするように、前記分解能倍率Ｋの大きさを前記複数の値のいずれか一つに変更する。
さらに好ましい実施形態では、前記第１変位信号生成部は、第１のＱ値を有して前記変位変調波信号をフィルタリングする第１バンドパスフィルタ、前記第１バンドパスフィルタを通過した信号を前記分解能倍率Ｋで増幅する第１増幅部、前記第１増幅部で増幅された前記信号をアナログ−デジタル変換する第１ＡＤ変換部、およびアナログ−デジタル変換された前記信号を「１／（前記分解能倍率Ｋ）」よりも小さな値で増幅する第２増幅部を備え、前記第２増幅部で増幅された前記信号に基づいて前記高分解能変位信号を生成し、前記第２変位信号生成部は、前記第１のＱ値よりも小さな第２のＱ値を有して前記変位変調波信号をフィルタリングする第２バンドパスフィルタ、および前記第２バンドパスフィルタを通過した信号をアナログ−デジタル変換する第２ＡＤ変換部を備え、前記第２ＡＤ変換部から出力された信号に基づいて前記低分解能変位信号を生成する。
本発明の好ましい他の実施形態による磁気軸受式真空ポンプは、ロータを磁気浮上させる磁気軸受と、前記ロータの所定位置からの変位により変調された変位変調波信号をＫ＞１の分解能倍率Ｋで増幅し、増幅された前記変位変調波信号に基づいて、前記所定位置を含む第１変位領域における高分解能変位信号を生成する第１変位信号生成部と、前記変位変調波信号に基づいて、前記第１変位領域を含むより大きな第２変位領域における低分解能変位信号を生成する第２変位信号生成部と、前記高分解能変位信号および前記低分解能変位信号のいずれか一方を選択する選択部と、前記選択部で選択された変位信号に基づいて前記磁気軸受を制御する軸受制御部と、前記高分解能変位信号または前記低分解能変位信号に基づいて定常応答振れ回り半径を算出する定常応答演算部と、前記分解能倍率Ｋの大きさを、前記定常応答振れ回り半径の大きさに応じた複数の値のいずれか一つに変更する倍率変更部と、を備え、前記倍率変更部は、定常応答振れ回り半径が大きい時には分解能倍率Ｋを小さくし、定常応答振れ回り半径が小さい時には分解能倍率Ｋを大きくするように、前記分解能倍率Ｋの大きさを前記複数の値のいずれか一つに変更する。
さらに好ましい実施形態では、前記第１変位信号生成部は、第１のＱ値を有して前記変位変調波信号をフィルタリングする第１バンドパスフィルタ、前記第１バンドパスフィルタを通過した信号を前記分解能倍率Ｋで増幅する第１増幅部、前記第１増幅部で増幅された前記信号をアナログ−デジタル変換する第１ＡＤ変換部、およびアナログ−デジタル変換された前記信号を「１／（前記分解能倍率Ｋ）」よりも小さな値で増幅する第２増幅部を備え、前記第２増幅部で増幅された前記信号に基づいて前記高分解能変位信号を生成し、前記第２変位信号生成部は、前記第１のＱ値よりも小さな第２のＱ値を有して前記変位変調波信号をフィルタリングする第２バンドパスフィルタ、および前記第２バンドパスフィルタを通過した信号をアナログ−デジタル変換する第２ＡＤ変換部を備え、アナログ−デジタル変換された前記信号に基づいて前記低分解能変位信号を生成する。
本発明の好ましい他の実施形態による磁気軸受式真空ポンプは、ロータを磁気浮上させる磁気軸受と、第１のＱ値を有し、前記ロータの所定位置からの変位により変調された変位変調波信号をフィルタリングする第１バンドパスフィルタと、前記第１バンドパスフィルタを通過した信号をＫ＞１の分解能倍率Ｋで増幅する第１増幅部と、前記第１増幅部で増幅された前記信号をアナログ−デジタル変換する第１ＡＤ変換部と、前記第１ＡＤ変換部でアナログ−デジタル変換された前記信号を、「１／（前記分解能倍率Ｋ）」よりも小さな値で増幅する第２増幅部と、前記第２増幅部で増幅された前記信号に基づいて、前記所定位置を含む第１変位領域における高分解能変位信号を生成する第１変位信号生成部と、前記第１のＱ値よりも小さな第２のＱ値を有し、前記変位変調波信号をフィルタリングする第２バンドパスフィルタと、前記第２バンドパスフィルタを通過した信号をアナログ−デジタル変換力する第２ＡＤ変換部と、前記第２ＡＤ変換部でアナログ−デジタル変換された前記信号に基づいて、前記第１変位領域を含むより大きな第２変位領域における低分解能変位信号を生成する第２変位信号生成部と、前記高分解能変位信号および前記低分解能変位信号のいずれか一方を選択する選択部と、前記選択部で選択された変位信号に基づいて前記磁気軸受を制御する軸受制御部とを備える。
さらに好ましい実施形態では、前記分解能倍率Ｋを第１の値からそれよりも小さな第２の値に変更するときの前記定常応答振れ回り半径は、前記第２の値から前記第１の値に変更するときの前記定常応答振れ回り半径よりも所定ヒステリス幅だけ大きく設定されている。
さらに好ましい実施形態では、前記選択部は、前記非定常応答信号の値が第１の信号領域の領域外から領域内に変化すると、選択される変位信号を前記低分解能変位信号から前記高分解能変位信号に切り替え、前記非定常応答信号の値が前記第１の信号領域を含むより大きな第２の信号領域の領域内から領域外に変化すると、選択される変位信号を前記高分解能変位信号から前記低分解能変位信号に切り替える。
さらに好ましい実施形態では、前記定常応答振れ回り半径と前記所定位置からの変位の上限値との比をαとしたとき、前記分解能倍率Ｋは式「１／（３α）＜Ｋ＜１／α」を満たすように設定されている。

本発明によれば、低振動な磁気軸受式真空ポンプが可能となる。

図１は、本実施の形態の真空ポンプにおけるポンプユニットの構成を示す図である。 図２は、真空ポンプの制御系を説明するブロック図である。 図３は、本実施の形態における磁気軸受制御を説明するブロック図である。 図４は、ｘ1軸変位Ｘ1(t)およびｙ1軸変位Ｙ1(t)の一例を示す図である。 図５は、本実施の形態に対する比較例を説明する図である。 図６は、比較例の場合の変位（Ｘ1(t)，Ｙ1(t)）の軌跡Ｄ1と閾値との関係を説明する図である。 図７は、閾値Ｔo，Ｔiを円形ラインとした場合を示す。 図８は、チャタリング発生を説明する図である。 図９は、ヒステリシスの幅を大きくしてチャタリング発生を防止する場合を説明する図である。 図１０は、内側閾値Ｔiを変更してヒステリシスの幅大きくした場合の切り替え状況を示す図である。 図１１は、図４の座標（０，０）を含む近傍領域における軌跡Ｄ1，ｄu1を示す図である。 図１２は、分解能倍率Ｋの設定方法を説明する図である。 図１３は、上述した第１の実施の形態の変形例を示す図である。 図１４は、本発明の第２の実施の形態を説明する図である。 図１５は、振れ回り半径ｒx1に対する分解能倍率Ｋの設定の一例を説明する図である。 図１６は、分解能倍率Ｋと閾値Ｔo，Ｔiとの関係の一例を示す図である。 図１７は、Ｋ設定部５１０の動作例を示す図である。 図１８は、本発明の第３の実施の形態を説明する図である。 図１９は、通常分解能変位信号における信号の遅延およびゲインの一例を示す図である。 図２０は、高分解能変位信号における信号の遅延およびゲインの一例を示す図である。 図２１は、処理系Ａを用いた場合の開ループ伝達関数Ｇok(jw)と、処理系Ｂを用いた場合の開ループ伝達関数Ｇo1(jw)とを示す図である。 図２２は、ナイキスト線図による制御安定性を説明する図である。 図２３は、ナイキスト線図による制御安定性を説明する図である。 図２４は、第３の実施の形態の変形例を示す図である。 図２５は、バンドパスフィルタを通過する前後の変位変調波信号の一例を示す図である。 図２６は、第１の実施の形態における切替状況を示す図である。

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、本実施の形態の真空ポンプの概略構成を示す図である。図１に示す真空ポンプは磁気浮上式のターボ分子ポンプであり、ポンプユニット１と、ポンプユニット１を駆動するコントロールユニット２とを備えている。なお、コントロールユニット２はポンプユニット１と別体でも良いし、一体に設けられていても良い。コントロールユニット２には、モータ４２を駆動制御するモータ駆動制御部２ａと、磁気軸受６７，６８，６９を駆動制御する軸受駆動制御部２ｂを備えている。

ポンプユニット１は、回転翼４ａと固定翼６２とで構成されるターボポンプ段と、円筒部４ｂとネジステータ６４とで構成されるドラッグポンプ段（ネジ溝ポンプ）とを有している。ここではネジステータ６４側にネジ溝が形成されているが、円筒部４ｂ側にネジ溝を形成しても構わない。

回転翼４ａおよび円筒部４ｂはポンプロータ４に形成されている。ポンプロータ４はロータシャフト５に締結されている。ポンプロータ４とロータシャフト５とによって回転体ユニットＲが構成される。複数段の固定翼６２は、軸方向に対して回転翼４ａと交互に配置されている。各固定翼６２は、スペーサリング６３を介してベース６０上に載置される。ポンプケーシング６１の固定フランジ６１ｃをボルトによりベース６０に固定すると、積層されたスペーサリング６３がベース６０とポンプケーシング６１の係止部６１ｂとの間に挟持され、固定翼６２が位置決めされる。

ロータシャフト５は、ベース６０に設けられた磁気軸受６７，６８，６９によって非接触支持される。各磁気軸受６７，６８，６９は電磁石と変位センサとを備えている。変位センサによりロータシャフト５の浮上位置が検出される。なお、軸方向の磁気軸受６９を構成する電磁石は、ロータシャフト５の下端に設けられたロータディスク５５を軸方向に挟むように配置されている。

ロータシャフト５はモータ４２により回転駆動される。モータ４２は同期モータであり、本実施の形態では、ＤＣブラシレスモータが用いられている。モータ４２は、ベース６０に配置されるモータステータ４２ａと、ロータシャフト５に設けられるモータロータ４２ｂとを有している。モータロータ４２ｂには、永久磁石が設けられている。ロータシャフト５の回転は、回転センサ２８によって検出される。回転センサ２８には、例えば、インダクタンス式のセンサが用いられる。磁気軸受が作動していない時には、ロータシャフト５は非常用のメカニカルベアリング６６ａ，６６ｂによって支持される。

ベース６０の排気口６０ａには排気ポート６５が設けられ、この排気ポート６５にバックポンプが接続される。回転体ユニットＲ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６１ａ側の気体分子は排気ポート６５側へと排気される。

図２は、真空ポンプの制御系、すなわちコントロールユニット２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２に設けられたＡＣ／ＤＣコンバータ４０によってＤＣ出力（ＤＣ電圧）に変換される。ＡＣ／ＤＣコンバータ４０から出力されたＤＣ電圧はＤＣ／ＤＣコンバータ４１に入力され、ＤＣ／ＤＣコンバータ４１によって、モータ４２用のＤＣ電圧と磁気軸受用のＤＣ電圧とが生成される。

モータ４２用のＤＣ電圧はインバータ４６に入力される。磁気軸受用のＤＣ電圧は磁気軸受用のＤＣ電源４７に入力される。磁気軸受６７，６８，６９は５軸磁気軸受を構成しており、磁気軸受６７，６８は各々２対（２軸分）の磁気軸受電磁石４５を有し、磁気軸受６９は１対（１軸分）の磁気軸受電磁石４５を有している。５対の磁気軸受電磁石４５、すなわち１０個の磁気軸受電磁石４５には、それぞれに対して設けられた１０個の励磁アンプ４３から個別に電流が供給される。

制御部４４はモータおよび磁気軸受の制御を行うデジタル演算器であり、本実施形態ではＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）が用いられている。制御部４４は、インバータ４６に対しては、インバータ４６に含まれ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３０１を出力し、各励磁アンプ４３に対しては、各励磁アンプ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制御信号３０３をそれぞれ出力する。

さらに、制御部４４から各センサ回路４８には、センサキャリア信号（搬送波信号）３０５が入力される。センサキャリア信号は位相調整用のフィルタ回路を通して変位センサ４９に印加され、ロータ変位に応じて変位センサ４９で変調される。ロータ変位により変調されたセンサ信号（変位変調波信号）３０６は、各センサ回路４８から制御部４４に入力される。また、制御部４４には、モータ４２に関する相電圧および相電流に関する信号３０２や、磁気軸受に関する電磁石電流信号３０４が入力される。

図１に示したモータ駆動制御部２ａは、インバータ４６および制御部４４のモータ制御系が対応する。また、軸受駆動制御部２ｂは、励磁アンプ４３、センサ回路４８および制御部４４の軸受制御系が対応する。制御部４４には、ポンプ状態を表示したりローカルに操作をしたりするための操作・表示部５０や、外部とリモート信号の授受をしたり通信を行ったりするための入出力・通信部５１が接続されている。

図３は、本実施の形態における磁気軸受制御を説明する機能ブロック図である。図３のブロック図は、ｘ1軸およびｙ1軸の２軸分（例えば、ラジアル方向に関する磁気軸受６７のｘ軸およびｙ軸）の構成について示したものである。図３において、二点鎖線の右側に記載のブロックの処理（デジタル処理）は図２の制御部（ＦＰＧＡ）４４によって行われる。図２の変位センサ４９で変調されたセンサ信号３０６（変位変調波信号）は差動アンプ４００に入力され、差動アンプ４００において差分信号が生成される。すなわち、ｘ1軸の２つのセンサ信号に関する差分信号と、ｙ1軸の２つのセンサ信号に関する差分信号とが生成される。

差分信号は、バンドパスフィルタ４０１においてセンサキャリア周波数を中心周波数とするバンドパス処理が施された後、２つに分岐される。磁気軸受制御には差分信号に基づく変位信号が利用されるが、本実施の形態では、分岐された２つの差分信号に基づいて分解能の異なる２つの変位信号を生成する機能を備え、２つの変位信号を選択的に用いる構成とした。符号Ａで示す一連の処理では高分解能な変位信号が生成され、符号Ｂで示す一連の処理では従来のターボ分子ポンプにおける変位信号に相当する変位信号が生成される。以下では、処理系Ａによる変位信号を高分解能変位信号と呼び、処理系Ｂによる変位信号を通常分解能変位信号と呼ぶことにする。

なお、本実施の形態では、同期サンプリングにより変位信号の復調処理が行われる。予めＰＷＭキャリア信号とセンサキャリア信号を周波数整数倍で同期関係とし、ノイズの原因となるスパイク発生タイミングから予めずらした搬送波のピーク位置タイミングで同期させてＡＤコンバータから取り込み、復調処理を行う。図２５は、バンドパスフィルタを通過する前後の変位変調波信号の一例を示す図である。ラインＬ１はバンドパスフィルタを通過する前の変位変調波信号を示し、ラインＬ２はバンドパスフィルタを通過した変位変調波信号を示す。また、丸印は同期サンプリング値、すなわち復調された変位信号を示す。このように、本実施の形態はデジタルで復調処理を行う構成としたが、本発明はアナログで復調処理を行う場合にも適用できる。

処理系Ａでは、差分信号は、増幅部４０２ＡによりＫ倍に増幅されてからＡＤコンバータ４０３によりＡＤサンプリングされる。ＫはＫ＞１に設定されており、処理系Ａでは、ロータシャフト５の目標浮上位置を中心とする近傍領域のみをＫ倍拡大することで、ＡＤコンバータ４０３のダイナミックレンジを有効に使用した高分解能な変位信号が生成される。ＡＤコンバータ４０３により取り込まれた差分信号は、増幅部４０４Ａにおいてデジタル演算処理により（１／Ｋ）倍に増幅される。すなわち、増幅部４０２ＡによりＫ倍された差分信号の振幅は、増幅部４０４ＡによってＫ倍される前の振幅に戻される。Ｋの値が大きいほど分解能がより高くなる。以下では、Ｋのことを分解能倍率と呼ぶことにする。

復調演算部４０５Ａでは、増幅部４０４Ａから出力された差分信号に基づいて復調演算が行われる。ゲイン・オフセット調整部４０６Ａでは、復調された信号に対してゲイン調整およびオフセット調整が行われる。なお、ＡＤコンバータ４０３においては、ｘ1軸で２チャンネルおよびｙ1軸で２チャンネル、２軸で合計４チャンネルを使用する。

一方、処理系Ｂでは、差分信号は、増幅部４０２Ａにより１倍増幅されてからＡＤコンバータ４０３によりＡＤサンプリングされ、その後、増幅部４０４Ｂにより（１／１）倍増幅される。すなわち、処理系Ｂで生成される通常分解能変位信号は従来のターボ分子ポンプにおける変位信号に相当するものであり、ロータシャフト５がメカニカルベアリング６６ａ，６６ｂに接触するまでの変位領域をカバーする変位信号である。処理系Ｂの復調演算部４０５Ｂおよびゲイン・オフセット調整部４０６Ｂでは、それぞれ処理系Ａの復調演算部４０５Ａおよびゲイン・オフセット調整部４０６Ａと同様の処理が行われる。

なお、通常の変位信号を生成する従来の処理では、バンドパス処理された差分信号をＡＤコンバータで取り込んで復調演算が行われ、図３に示すような増幅部４０２Ｂ，４０４Ｂは設けられていない。本実施の形態では、処理系Ｂとの対応させるために増幅率１倍の増幅部４０２Ｂ，４０４Ｂは設けているが、従来の構成のように増幅部４０２Ｂ，４０４Ｂを省略しても構わない。

処理系Ａで生成された高分解能変位信号（Ｘ1k(t)，Ｙ1k(t)）と処理系Ｂで生成された通常分解能変位信号（Ｘ1(t)，Ｙ1(t)）のいずれを使用するかは、切替部４０７によって選択される。切替部４０７による切り替えは、切替制御部４０８により制御される。切替制御部４０８は、後述する定常応答以外の成分の信号（ｕx1(t)，ｕy1(t)）に基づいて切替部４０７による切り替えを制御する。

［ｘ1軸変位、ｙ1軸変位について］
処理系Ａで生成される高分解能変位信号および処理系Ｂで生成される通常分解能変位信号は、ロータシャフト５のｘ1軸の変位Ｘ1(t)およびｙ1軸の変位Ｙ1(t)に関する信号である。一般に、ロータシャフト５の変位は、アンバランス等に伴う定常応答成分（振れ回り変位の成分）と、それ以外の成分とで表される。ｘ1軸の変位Ｘ1(t)は次式（１）で表され、ｙ1軸の変位Ｙ1(t)は次式（２）で表される。式（１），（２）において、右辺第１項は定常応答成分であり、右辺第２項は定常応答以外の成分である。ｊは虚数、Ｒeは実部、Ｉmは虚部、ｒx1およびｒy1は振れ回り半径である。また、ωは回転角速度であり、ｎ倍高調波に対してはωの代わりにｎωを用いる。
Ｘ1(t)＝ｒx1×Ｒe(exp(jωt))＋ｕx1(t) …（１）
Ｙ1(t)＝ｒy1×Ｉm(exp(jωt))＋ｕy1(t) …（２）

なお、次式（３）〜（５）に示すように、残りの３軸（ｘ2軸、ｙ2軸、ｚ軸）の変位も対しても同様に表せる。φ，φzは、ｘ1，ｙ1軸の定常応答位相に対するｘ2，ｙ2軸およびｚ軸の位相ずれである。
Ｘ2(t)＝ｒx2×Ｒe(exp(j(ωt＋φ)))＋ｕx2(t) …（３）
Ｙ2(t)＝ｒy2×Ｉm(exp(j(ωt＋φ)))＋ｕy2(t) …（４）
Ｚ(t)＝ｒz×Ｒe(exp(j(ωt＋φz)))＋ｕz(t) …（５）

通常、振れ回り変位の半径は、ｒx1＝ｒy1、ｒx2＝ｒy2であるが、センシング感度の僅かな違いなど、誤差を有するため別記号で示すが、以下では等号が成立しているものとして説明する。また、通常、ラジアル方向の４軸だけが対象とされることが多いが、アキシャル方向の１軸（ｚ軸）もアンバランスの影響を受けて定常応答が発生することがあるので、式（５）を加えている。

前述したように、定常応答以外の成分ｕx1(t)〜ｕz(t)は、主に外乱力による一過性の変位などの自由振動に起因するものであるが、一過性の変位が収束した状態においてもステータ側の振動の要因となるセンシングに伴う微小なノイズ成分が含まれている。ノイズ成分としては、軸受電流を供給する励磁アンプのＰＷＭスイッチングに伴うスパイク状電流の一部が、ＧＮＤラインからセンシング回路へ回り込んで重畳するものや、ＦＰＧＡ等のデジタル制御器へＡＤコンバータを介して信号を取り込む際の分解能に起因する、ランダムノイズ等を含んでいる。

図３のゲイン・オフセット調整部４０６Ｂから出力される通常分解能変位信号も、ゲイン・オフセット調整部４０６Ａから出力される高分解能変位信号も、式（１）、（２）で表されるｘ1軸変位Ｘ1(t)およびｙ1軸変位Ｙ1(t)に関する変位信号である。ここでは、通常分解能変位信号を変位と同一の記号Ｘ1(t)，Ｙ1(t)で表し、高分解能変位信号を記号Ｘ1k(t)，Ｙ1k(t)で表すことにする。

ゲイン・オフセット調整部４０６Ｂから出力された通常分解能変位信号Ｘ1(t)，Ｙ1(t)は、定常応答抽出部Ｃに入力される。定常応答抽出部Ｃは、上述した式（１）、（２）における定常応答成分であるｒx1×Ｒe(exp(jωt))，ｒy1×Ｉm(exp(jωt))に対応する信号を抽出する。以下では、この抽出された信号を定常応答信号と呼ぶことにする。

定常応答抽出部Ｃは、まず、第１変換処理部４０９において、通常分解能変位信号Ｘ1(t)，Ｙ1(t)を固定座標系から角度θで回転する回転座標系の信号へと変換する。ここで、角度θはロータシャフト５の回転角度であり、図１の回転センサ２８の検出信号に基づく。また、回転センサ２８を備えていない真空ポンプの場合には、モータ駆動制御部２ａ（図１）からモータ回転情報（例えば、モータ電気角）を取得して、そのモータ回転情報に基づいてロータシャフト５の回転角度を算出しても良い。なお、回転周波数成分に対しては上述のように角度θを用いるが、ｎ倍高調波についてはｎθを用いる。

次いで、第１変換処理部４０９から出力された信号に対してローパスフィルタ４１０においてローパスフィルタ処理を行い、回転成分以外の周波数成分を除去する。磁気浮上制御では、第１変換処理部４０９に入力される通常分解能変位信号Ｘ1(t)，Ｙ1(t)は回転成分以外の信号も含まれるので、変換処理直後に回転成分以外の信号を除去するためのローパスフィルタ処理を必要とする。固定座標系から回転座標系への変換処理は、準定常応答を前提にした一種のオーバーサンプリング信号処理なので、回転成分以外の高い周波数の交流成分を除去するローパスフィルタ４１０を入れても、遅延影響は少ない。

第２変換処理部４１１では、ローパスフィルタ処理された信号に対して回転座標系から固定座標系への変換処理を行い、通常分解能変位信号Ｘ1(t)，Ｙ1(t)の内の定常応答成分（すなわち、振れ回り成分）だけの信号を生成する。なお、第２変換処理部４１１における演算において、例えば、回転１周期Ｔで誤差１deg以内の出力が求められる場合、Ｔ／３６０以下の短いサンプリング周期が必要である。２倍高周波ならば、Ｔ／７２０以下となり、高次高周波になるほど短いサンプリング周期が必要になる。

そして、通常分解能変位信号Ｘ1(t)，Ｙ1(t)から、第２変換処理部４１１から出力された定常応答成分だけの信号が減算され、定常応答成分をキャンセル補償した差分信号が切替制御部４０８に入力される。この信号は定常応答以外の成分ｕx1(t)，ｕy1(t)に相当する信号であり、以下では、定常応答以外の成分と同一の記号ｕx1(t)，ｕy1(t)で表すことにする。

詳細は後述するが、切替制御部４０８は、信号ｕx1(t)，ｕy1(t)の値と所定の閾値とを比較して、切替部４０７を高分解能変位信号Ｘ1k(t)，Ｙ1k(t)の側または通常分解能変位信号Ｘ1(t)，Ｙ1(t)の側に切り替える。このように、切替部４０７からは、磁気軸受制御の変位信号として通常分解能変位信号Ｘ1(t)，Ｙ1(t)または高分解能変位信号Ｘ1k(t)，Ｙ1k(t)が出力される。そして、切替部４０７から出力された変位信号から、定常応答抽出部Ｃで抽出された定常応答信号ｒx1×Ｒe(exp(jωt))，ｒy1×Ｉm(exp(jωt))が減算される。その結果、ＰＩＤ制御部４１２には、式（１）、（２）の定常応答以外の成分ｕx1(t)，ｕy1(t)に相当する信号が、磁気軸受制御に用いる変位信号として入力される。

ＰＩＤ制御部４１２では、入力された変位信号に基づいて比例制御、積分制御および微分制御、位相補正、その他の制御補償を行い、浮上制御電流設定を生成する。ＰＷＭ演算部４１３は、ＰＩＤ制御部４１２で生成された浮上制御電流設定に基づいてＰＷＭ制御信号を生成する。そのＰＷＭ制御信号に基づいて励磁アンプ４３が駆動され、磁気軸受電磁石４５に電磁石電流が供給される。

［閾値および切替動作の説明］
図４は、ｘ1軸変位Ｘ1(t)およびｙ1軸変位Ｙ1(t)の一例を示す図であり、横軸はｘ1軸変位Ｘ1(t)を表し、縦軸はｙ1軸変位Ｙ1(t)を表す。細線で示した軌跡Ｄ1は変位（Ｘ1(t)，Ｙ1(t)）を示しており、太線で示した軌跡ｄu1は定常応答以外の成分（ｕx1(t)，ｕy1(t)）を示している。図４では、定格回転速度で安定して回転しているロータシャフト５に一過性の外乱力が印加された場合を示している。

図４では、定格回転速度は５００（rps）、振れ回りは回転基本成分のみで、振れ回り半径が１０（μｍ）である場合を示した。また、回転体を剛体とみなし、主要な自由振動の内、特に低い周波数と高い周波数になる歳差運動と章動運動を加味して示した。歳差運動は振れ回りと逆方向回転で固有振動数１（Ｈｚ）、振幅１００（μｍ）とし、章動運動は振れ回りと同方向回転で固有振動数２４０（Ｈｚ）、振幅２（μｍ）とした。

符号７０を付したクロスマークはロータシャフト５の目標浮上位置を示しており、座標（０，０）である。外乱力が印加される前は、軌跡Ｄ1は目標浮上位置（０，０）の周囲を円を描くような軌跡となるが、一過性の外乱力が印加されたことにより、矢印で示す方向に軌跡Ｄ1，ｄu1が変化している。

ロータシャフト５に一過性の外乱力が印加された場合には、図４の軌跡Ｄ1で示すようにロータシャフト５の位置は大きく変化する。通常のターボ分子ポンプでは、非常用のメカニカルベアリング６６ａ，６６ｂとロータシャフト５とのクリアランスは１００（μｍ）程度確保されている。一方、ロータシャフト５のラジアル方向の振れ回り変位は、一般的に数（μｍ）程度である。なお、図４では、反応生成物の堆積によりアンバランスが増加して、振れ回り半径が１０（μｍ）と比較的大きい場合を示している。

ロータシャフト５が目標浮上位置近傍で安定的に回転している場合には、ロータ変位検出範囲をクリアランスの全領域とする必要はなく、振れ回り範囲よりも若干大きめの範囲においてロータ変位が検出できれば良い。一方、一過性の外乱力が印加された場合には、図４に示すようにロータシャフト５は、メカニカルベアリング６６ａ，６６ｂと接触する程度まで大きく変位する。そのため、磁気軸受制御が適切に行われるためには、クリアランスの全領域にわたってロータ変位が検出可能でなければならない。

そこで、本実施の形態では、図３に示したように高分解能変位信号Ｘ1k(t)，Ｙ1k(t)を取得する処理系Ａと、通常分解能変位信号Ｘ1(t)，Ｙ1(t)を取得する処理系Ｂとを設け、外乱力の印加により定常応答以外の成分（ｕx1(t)，ｕy1(t)）の大きさが所定の閾値を超えたならば、通常分解能変位信号Ｘ1(t)，Ｙ1(t)を使用して磁気軸受制御を行う。一方、成分（ｕx1(t)，ｕy1(t)）の大きさが所定の閾値以内である場合には、例えば、ロータシャフト５が目標浮上位置の近傍で安定的に回転している場合には、より分解能の高い高分解能変位信号Ｘ1k(t)，Ｙ1k(t)を磁気軸受制御に用いることにより、低振動・静粛性の向上を図るようにした。

図５は、本実施の形態に対する比較例を説明する図である。図５は、上述した図３に相当するブロック図であり、同一構成には同一符号を付した。比較例では、切替部４０７の切替方法が異なり、切替部４０７は切替制御部５０８からの切換指令に基づいて切替動作を行う。この切り替え方法は、特許文献１に記載の従来の方法と同様の方法である。

本実施の形態の切替制御部４０８では信号ｕx1(t)，ｕy1(t)を閾値と比較して切替制御を行うが、比較例の切替制御部５０８では、信号ｕx1(t)，ｕy1(t)よりも変位量の大きな通常分解能変位信号Ｘ1(t)，Ｙ1(t)を使用して切替制御を行っている。そのため、後述するようなチャタリングが発生しやすい。

図６は、比較例の場合の変位（Ｘ1(t)，Ｙ1(t)）の軌跡Ｄ1と閾値との関係を説明する図である。図６の軌跡Ｄ1は図４に示した軌跡Ｄ1と同じものである。変形例では信号ｕx1(t)，ｕy1(t)に代えて通常分解能変位信号Ｘ1(t)，Ｙ1(t)に基づいて切替部４０７の切り替えを行っているので、定常応答以外の成分（ｕx1(t)，ｕy1(t)）を示す軌跡ｄu1の記載は省略している。

図６において、目標浮上位置７０を中心とする実線の矩形ラインＴoおよび破線の矩形ラインＴiは、切替制御部５０８における変位Ｘ1(t)，Ｙ1(t)に対する閾値の一例を示している。以下では、矩形ラインＴoを外側閾値Ｔoと呼び、矩形ラインＴiを内側閾値Ｔiと呼ぶことにする。外側閾値Ｔoは、ｘ軸変位Ｘ1(t)に関する閾値を示すＸ1＝±５０（μｍ）の線分と、ｙ軸変位Ｙ1(t)に関する閾値を示すＹ1＝±５０（μｍ）の線分とにより構成される。内側閾値Ｔiは、ｘ軸変位Ｘ1(t)に関する閾値を示すＸ1＝±４５（μｍ）の線分と、ｙ軸変位Ｙ1(t)に関する閾値を示すＹ1＝±４５（μｍ）により構成されている。

なお、図６に示す例では、変位Ｘ1(t)，Ｙ1(t)の各々に対して個別に閾値を設定したが、図７に示すように目標浮上位置（０，０）からの距離ｒ(t)＝√（Ｘ1(t)^２＋Ｙ1(t) ^２）に対して、円形ラインで示す閾値Ｔo，Ｔiを設定してもよい。この場合、切替制御部５０８は、入力された通常分解能変位信号Ｘ1(t)，Ｙ1(t)から距離ｒ(t)を算出し、その値と閾値Ｔo，Ｔi（円形ラインの半径）とを比較する。

切替制御部５０８は、図６や図７に示すような外側閾値Ｔoおよび内側閾値Ｔiに対して、次のような切替制御を行う。一過性の外乱力が作用せず振動が小さいときには、軌跡Ｄ1は内側閾値Ｔiを示すラインの内側に位置する。この場合、磁気軸受制御に用いられる変位信号として高分解能変位信号が選択されている。一過性の外乱力が印加されて軌跡Ｄ1が外側閾値Ｔoを示すラインの内側から外側に移動すると、変位信号は高分解能変位信号Ｘ1k(t)，Ｙ1k(t)から通常分解能変位信号Ｘ1(t)，Ｙ1(t)に切り替えられる。いったん軌跡Ｄ1が外側閾値Ｔoの外側に出た後に内側閾値Ｔiの内側に移動すると、通常分解能変位信号Ｘ1(t)，Ｙ1(t)から高分解能変位信号Ｘ1k(t)，Ｙ1k(t)に切り替えられる。

図６に示す矩形ラインの閾値Ｔo，Ｔiの場合には、変位Ｘ1(t)，Ｙ1(t)の少なくとも一方が外側閾値Ｔoを示す矩形ラインの外側に移動した場合には、高分解能変位信号Ｘ1k(t)，Ｙ1k(t)から通常分解能変位信号Ｘ1(t)，Ｙ1(t)に切り替えられる。そして、変位Ｘ1(t)，Ｙ1(t)の少なくとも一方が矩形ラインＴoの外側に移動して通常分解能変位信号Ｘ1(t)，Ｙ1(t)に切り変わった後に、内側閾値Ｔiを示す矩形ラインの内側に入った場合には、再び高分解能変位信号Ｘ1k(t)，Ｙ1k(t)に切り替えられる。

このように外側閾値Ｔoと内側閾値Ｔiとを設けて閾値にヒステリシスを持たせているのは、変位Ｘ1(t)，Ｙ1(t)が一つの閾値を繰り返し跨ぐことにより発生するチャタリングを防止するためである。図６に示す閾値Ｔo，Ｔiの設定の場合、振れ回り半径が矩形ラインＴoと矩形ラインＴiとの間の幅の１／２よりも小さければ、すなわち振れ回り半径が５／２（μｍ）よりも小さければ、軌跡Ｄ1が閾値Ｔo，Ｔiのラインを通過する際のチャタリング発生を防止することができる。

しかし、図５の比較例の場合には、通常分解能変位信号Ｘ1(t)，Ｙ1(t)を用いて切換制御を行うので、図６に示す例のように振れ回り半径が５／２（μｍ）よりも大きい場合には、軌跡Ｄ1が閾値Ｔo，Ｔiのラインを内→外、外→内と通過する動作を繰り返し、チャタリングが発生する。

図８は、図６に示すように変位（Ｘ1(t)，Ｙ1(t)）が変化したときの、チャタリングの発生を説明する図である。図８（ａ）はｘ軸変位Ｘ1(t)およびｙ軸変位Ｙ1(t)の時間変化を示したものであり、図８（ｂ）は切替部４０７の切替状態の時間的な変化を示したものである。図８（ｂ）において、状態（＋１）は切替部４０７が通常分解能変位信号Ｘ1(t)，Ｙ1(t)を選択している状態を示し、状態（−１）は切替部４０７が高分解能変位信号Ｘ1k(t)，Ｙ1k(t)を選択している状態を示す。

図６に示すように、軌跡Ｄ1は、式（１），（２）のｒx1×Ｒe(exp(jωt))，ｒy1×Ｉm(exp(jωt))で表される振れ回りによる半径１０（μｍ）の円運動と、ｕx1(t)，ｕy1(t) で表される外乱力による変位とを合成した、螺旋状の軌跡を描いている。円運動の中心は目標浮上位置７０から、Ｘ1＝−１００（μｍ），Ｙ1＝−１００（μｍ）の位置まで変化している。図８（ａ）は、そのときの変位Ｘ1(t)，Ｙ1(t)の時間的変化とを示したものである。ｘ軸変位Ｘ1(t)は、振れ回りによる細かな振動を伴いながら、０（μｍ）から−１００（μｍ）まで変化している。ｙ軸変位Ｙ1(t)は、同様に振れ回りによる細かな振動を伴いながら、０（μｍ）から１００（μｍ）まで変化している。変位Ｘ1，Ｙ1の細かな振動の幅は、ほぼ振れ回り半径の２倍の２０（μｍ）になっている。

符号Ｅ１で示す範囲では変位Ｘ1(t)，Ｙ1(t)の両方が外側閾値Ｔo（＝±５０μｍ）の内側に入っているので、切替部４０７は状態（−１）に維持され、高分解能変位信号Ｘ1k(t)，Ｙ1k(t)が選択された状態となる。符号Ｅ２で示す範囲では、ｙ軸変位Ｙ1(t)が外側閾値Ｔoの外側と内側閾値Ｔiの内側とを行き来する状態が発生し、状態（−１）と状態（＋１）とを繰り返すチャタリングが生じる。すなわち、切替部４０７からは、高分解能変位信号Ｘ1k(t)，Ｙ1k(t)と通常分解能変位信号Ｘ1(t)，Ｙ1(t)とが交互に繰り返し出力されることになる。符号Ｅ３で示す範囲では、いったん外側閾値Ｔoを超えたｙ軸変位Ｙ1(t)が内側閾値Ｔi以下にならなくなって、切替部４０７は状態（＋１）に維持され、通常分解能変位信号Ｘ1(t)，Ｙ1(t)が選択された状態となる。

このように、比較例の場合には、閾値Ｔo，Ｔiのヒステリシス幅に比べて振れ回りが大きく、軌跡Ｄ1がヒステリシスを有する２つの閾値Ｔo，Ｔiを跨ぐことにより、チャタリングが発生する。ターボ分子ポンプの場合には、ロータシャフト５の回転速度が高く振れ回り変位の周波数が高いため、短い周期で通常分解能変位信号と高分解能変位信号との切り替えが繰り返される。

振れ回り半径が大きな比較例の場合、上述のようなチャタリングの発生を防止するためには、図９に示すように閾値Ｔo，Ｔiのヒステリシスの幅を大きくする必要がある。図９では、外側閾値Ｔoは変更せず内側閾値ＴiをＹ1＝±２５（μｍ）に変更し、閾値Ｔo，Ｔiのヒステリシスの幅を２５（μｍ）とした。この場合、ヒステリシスの幅が振れ回り半径の２倍（２０μｍ）以上となっているので、チャタリングの発生を防止することができる。

図１０は、図９のように内側閾値Ｔiを変更した場合の切替状況を示す図である。図１０（ａ）は変位Ｘ1(t)，Ｙ1(t)の時間的変化を示す図であり、図８（ａ）と同一である。図１０（ｂ）は切替の状態を示す図であり、チャタリングが解消されていることが分かる。このように、振れ回り半径が大きい場合には、外側閾値Ｔoと内側閾値Ｔiとの間のヒステリシス幅をより大きく設定する必要がある。

一方、本実施の形態の切替制御部４０８では、変位Ｘ1(t)，Ｙ1(t)に代えて定常応答以外の成分ｕx1(t)，ｕy1(t)と閾値とを比較して切換制御を行っているので、ヒステリシス幅を比較例の場合よりも小さくすることができる。

なお、前述した図４に示す軌跡ｄu1の場合、定常応答以外の成分として、主要な自由振動の内、特に低い周波数と高い周波数になる歳差運動と章動運動を加味して示した。歳差運動は振れ回りと逆方向回転で、固有振動数は１（Ｈｚ）、振幅は１００（μｍ）である。章動運動は振れ回りと同方向回転で、固有振動数は２４０（Ｈｚ）、振幅は２（μｍ）である。

なお、チャタリングの発生に関して内側閾値をどのような値に設定するかは関係なく、ここでは、チャタリングが解決された上記比較例（図９）と同等となるように、本実施形態における内側閾値を下記の通り設定する。図９の比較例では内側閾値を２５（μｍ）としているが、これは、定常応答である振れ回り振幅が１０（μｍ）、定常応答以外の章動振幅が２（μｍ）であって、上述した振幅１００（μｍ）の歳差運動による変位が１３（μｍ）となったときの変位を内側閾値とした場合である。すなわち、内側閾値は、２５(μｍ)＝｛１０＋２＋１３｝(μｍ)のように設定されている。これに対して、本実施の形態では定常応答以外の成分のみを考えれば良いので、同等の章動振幅２（μｍ）及び歳差振幅１３（μｍ）を用いると、内側閾値はそれらの和である１５（μｍ）となる。

外側閾値は、内側閾値にヒステリシス値を加算した値である。図９に示す比較例の場合には、ヒステリシス値として２５（μｍ）が採用され、外側閾値は５０（μｍ）となる。２５（μｍ）の内訳は、周波数の高い振れ回り運動（定常応答）および章動（定常応答以外）の各振幅の和を２倍した値に、さらにマージンとして１（μｍ）を加えたものである。すなわち、２５（μｍ）＝｛（１０＋２）×２＋１｝(μｍ)である。本実施の形態の場合には、定常応答以外の成分のみを考えれば良いので、定常応答以外の章動振幅の２(μｍ)を２倍した値に、同様のマージン１（μｍ）を加算した値である５（μｍ）がヒステリシス値となる。外側閾値は、内側閾値１５（μｍ）にヒステリシス値５（μｍ）を加えて、２０（μｍ）となる。

このように、図９の内側閾値２５（μｍ）、外側閾値５０（μｍ）と同等条件における本実施の形態の内側閾値および外側閾値、それぞれ１５（μｍ）および２０（μｍ）となる。図１１は、図４における内側閾値Ｔiおよび外側閾値Ｔoを１５（μｍ）および２０（μｍ）と置き換え、座標（０，０）を含む近傍領域における軌跡Ｄ1，ｄu1を示したものである。

本実施形態では、外側閾値Ｔoおよび内側閾値Ｔiは軌跡ｄu1に対して適用されるので、上記の説明の通りヒステリス幅を章動運動の振幅の２倍にマージン１を加算して設定した。閾値Ｔo，Ｔiを示す矩形ラインの上辺の部分に記載した円ＣR1，ＣR2は歳差運動をゼロとみなした場合の章動運動の軌跡および振れ回り運動の軌跡を示したものである。変位Ｘ1、Ｙ1の軌跡Ｄ1は、歳差運動および章動運動と振れ回り運動とを合成した場合の軌跡である。

章動運動の振幅は２（μｍ）なので、円ＣR1の直径は４（μｍ）となる。振れ回り半径は１０（μｍ）なので、円ＣR2の直径は２０（μｍ）となる。図１１に示すように閾値Ｔi，Ｔoが設定されている場合には、一過性の外乱力が印加されて円ＣR1が内側閾値Ｔiを示す矩形ラインの内側から外側閾値Ｔoを示す矩形ラインの外側に移動した際に、チャタリングの発生を防止することができる。図２６は、本実施の形態の場合の切替状況を示す図である。図２６（ａ）はｕx1(t)，ｕy1(t)の経時的な変化を示す図であり、図８や図１０に示したＸ1(t)，Ｙ1(t)に比べて細かい振動の幅が小さくなっている。その結果、図２６（ｂ）に示すようにチャタリングが発生していない。

このように、切替判定にｕx1(t)，ｕy1(t)を用いることで、例えば、ロータ４に反応生成物が堆積して振れ回り半径が大きくなった場合でも、閾値Ｔi，Ｔoのヒステリス幅を小さく抑えることができ、外側閾値Ｔoを振れ回り半径よりも若干大きい程度に抑えることができる。また、切替判定にｕx1(t)，ｕy1(t)を用いているので、ｕx1(t)，ｕy1(t)が非常に小さなポンプの場合には、閾値にヒステリシスを設けなくてもチャタリングを短時間に抑制することができる。

図９に示す比較例では、変位Ｘ1(t)，Ｙ1(t)が±５０（μｍ）を超えると通常分解能変位信号に切り替わる。すなわち、変位Ｘ1(t)，Ｙ1(t)が±５０（μｍ）までは、分解能倍率Ｋの高分解能変位信号が使用される。一方、図１１に示す本実施の形態では、ｕx1(t)，ｕy1(t)が±２０（μｍ）を超えると通常分解能変位信号に切り替わる。この場合、振れ回り半径が１０（μｍ）なので、変位Ｘ1(t)，Ｙ1(t)が±３０（μｍ）までは、分解能倍率Ｋの高分解能変位信号が使用される。すなわち、図１１の二点差線で示す矩形範囲内においては高分解能変位信号が使用される。そのため、分解能倍率Ｋを比較例の約１．７（≒５０／３０）倍に設定することができ、高分解能変位信号をより高分解能とすることで低振動化を図ることができる。

また、ヒステリシス幅を小さくできるので、その分だけヒステリシス幅の設定に余裕度が大きくなる。そのため、通常分解能変位信号と高分解能変位信号との間に、目標浮上位置のオフセット誤差が多少あった場合でも、図１１の円ＣR1に対してヒステリシス幅をやや大きめに設定することで、オフセット誤差によるチャタリングの発生を容易に避けることができる。

（分解能倍率Ｋの設定方法について）
次に、分解能倍率Ｋの設定方法について図１２を参照して説明する。図１２（ａ）は比較例の場合を示し、図１２（ｂ）は本実施の形態の場合を示す。

図３のＡＤコンバータ４０３に入力される信号は、通常分解能変位信号の処理系Ｂでは、ロータシャフト５がメカニカルベアリング６６ａ，６６ｂと接触したときに、増幅部４０２Ｂで（＋１）倍された信号の大きさがＡＤコンバータ４０３のフルスケールと同じになるように設定される。また、高分解能変位信号の処理系Ａでは、振れ回り変位Ｘ1(t)，Ｙ1(t)が外側閾値Ｔoと等しくなったときに、増幅部４０２Ａで（＋Ｋ）倍された信号の大きさがＡＤコンバータ４０３のフルスケールと同じになるように設定される。なお、非常用のメカニカルベアリングにはガタなど誤差となるクリアランス変動があるのでその誤差分も考慮してフルスケールを設定するのが望ましい。

上述した外側閾値Ｔoの設定にはある程度任意に設定することができるが、分解能倍率Ｋをできるだけ大きくして低振動化を図るためには、外側閾値Ｔoを小さな値に設定するのが好ましい。比較例の場合、チャタリングが生じないためには、閾値Ｔi，Ｔoを次式（６），（７）のように設定する必要がある（図１２（ａ）を参照）。
Ｔi≧（振れ回り半径） …（６）
Ｔo≧（振れ回り半径）×３ …（７）

なお、ここの説明では、章動運動の振幅は無視できるほど小さいとみなす。章動運動の振幅は、振れ回り変位には無関係であるため、反応生成物の堆積等により振れ回り変位が大きい場合には、このように考えても問題ない。

仮に、ロータシャフト５とメカニカルベアリング６６ａ，６６ｂとの間の公称クリアランスを１００（μｍ）とした場合、振れ回り半径（＝１０μｍ）は公称クリアランスの１／１０となる。このとき、分解能倍率Ｋは、式「（１／１０）×３×Ｋ≦１」のように、外側閾値Ｔoの範囲のＫ倍が公称クリアランスと同じ、または公称クリアランスよりも小さくになるように設定される。よって、分解能倍率Ｋは次式（８）のように設定される。
Ｋ≦１０／３ …（８）

本実施の形態の場合、章動運動の変位ｕx1，ｕy1をゼロとみなすと、チャタリングが発生しない閾値Ｔi，Ｔoの設定は次式（９）のようになる（図１２（ｂ）を参照）。比較例の場合と同様に、分解能倍率Ｋは、外側閾値Ｔoの範囲のＫ倍が公称クリアランスと同じ、または公称クリアランスよりも小さくになるように設定される。振れ回り半径を公称クリアランスの（１／１０）とすると、分解能倍率Ｋは次式（１０）のように設定される。
Ｔo≧Ｔi≧（振れ回り半径） …（９）
Ｋ≦１０／１ …（１０）

よって、分解能倍率Ｋを次式（１１）のように設定することで、比較例の場合よりも分解能倍率Ｋを大きく設定することができ、低振動化を図ることができる。一般化して、振れ回り半径を公称クリアランスのα倍とすると、式（１１）は式（１２）のように変形することができる。
１０／３＜Ｋ≦１０／１ …（１１）
１／（３α）＜Ｋ≦１／α …（１２）

（変形例）
図１３は、上述した第１の実施の形態の変形例を示す図である。図３に示した第１の実施の形態の構成では、処理系Ｂの通常分解能変位信号Ｘ1(t)，Ｙ1(t)を用いて定常応答抽出を行い、その定常応答抽出された信号を用いて通常分解能変位信号Ｘ1(t)，Ｙ1(t)および高分解能変位信号Ｘ1k(t)，Ｙ1k(t)に対する定常応答成分のキャンセル補償を行うようにした。

一方、図１３に示す変形例では、処理系Ａおよび処理系Ｂの各々のラインに定常応答抽出部Ｃを設け、定常応答成分がキャンセル補償された通常分解能変位信号および高分解能変位信号を切替部４０７で切り替えるような構成とした。切替制御部４０８は、上述した実施形態の場合と同様に、通常分解能変位信号から得られる定常応答以外の成分ｕx1(t)，ｕy1(t)と閾値とを比較して切換制御を行う。

変形例では、高分解能変位信号に対する定常応答キャンセル補償に、高分解能変位信号から抽出される定常応答成分を用いているので、高分解能変位信号を選択した場合において、定常応答に対する誤差も低減される。すなわち、振動スペクトルにおいて回転成分あるいはその高調波成分の振動ピークが低減される。

上述のように、本実施の形態では、図３に示すように、ロータの所定位置からの変位により変調された変位変調波信号の差分信号を増幅部４０２Ａにおいて分解能倍率Ｋ（ただし、Ｋ＞１）で増幅した信号に基づいて、所定位置を含む第１変位領域に相当する外側閾値Ｔoで規定される領域における高分解能変位信号Ｘ1k(t)，Ｙ1k(t)を生成する第１変位信号生成部としての処理系Ａと、変位変調波信号の差分信号に基づいて、前記第１変位領域を含むより大きな第２変位領域に相当するクリアランス領域における通常分解能変位信号Ｘ1(t)，Ｙ1(t)を生成する第２変位信号生成部としての処理系Ｂと、を備える。そして、切替制御部４０８は、通常分解能変位信号Ｘ1(t)，Ｙ1(t)から定常応答振れ回り変位の成分ｒx1×Ｒe(exp(jωt))、ｒy1×Ｉm(exp(jωt))を除いた非定常応答の信号ｕx1(t)、ｕy1(t)に基づいて、高分解能変位信号Ｘ1k(t)，Ｙ1k(t)および低分解能変位信号Ｘ1(t)，Ｙ1(t)のいずれか一方を選択し、切替部４０７を制御する。

なお、各軸の変位の原点となる所定位置は、通常、各非常用のメカニカルベアリングの中心に定められる。本発明において、浮上目標位置は必ずしも所定位置と一致させる必要はないが、実施形態では、浮上目標位置が所定位置と一致する場合に関して説明する。

信号ｕx1(t)、ｕy1(t)は振れ回り変位とは関係がなく、例えば反応生成物の堆積により振れ回り変位が大きくなった場合でも、信号ｕx1(t)、ｕy1(t)はその影響を受けることがない。そのため、大きな振れ回り変位を許容しても、振れ回り変位を用いて切替制御する場合に比べて分解能倍率Ｋを大きく設定することができ、ポンプの低振動性の向上を図ることができる。

なお、図３に示す構成では、低分解能変位信号Ｘ1(t)，Ｙ1(t)から定常応答振れ回り変位の成分を除くことで非定常応答の信号ｕx1(t)、ｕy1(t)を算出しているが、低分解能変位信号Ｘ1(t)，Ｙ1(t)に代えて高分解能変位信号Ｘ1k(t)，Ｙ1k(t)を使用しても良い。

また、本実施の形態では、所定位置からの変位を検出する変位検出部として、変位センサ４９を使用する場合を例に説明したが、本発明は、いわゆるセンサレス（セルフセンシングタイプとも称される)方式の磁気軸受を採用した真空ポンプに対しても適用することができる。センサレス方式の場合には、電磁石電流にセンサキャリア信号が重畳され、ロータシャフト５の変位によって重畳されたセンサキャリア信号は変位変調される。その変位変調波信号を復調処理することにより変位信号が生成される。

なお、図３に示した構成を、他の３軸（ｘ2軸、ｙ2軸、ｚ軸）へも適用して５軸全てに適用すると最大限効果が発揮できるが、例えば、アンバランス補償が通常実施されるラジアル４軸に適用したり、真空ポンプの用途毎の個別特殊性に従って軸数を減らしたりしても良い。

また、図３に示す構成では、変位信号Ｘ1(t)，Ｙ1(t)またはＸ1k(t)，Ｙ1k(t)から定常応答成分ｒx1×Ｒe(exp(jωt))，ｒy1×Ｉm(exp(jωt))を除いた定常応答以外の成分ｕx1(t)，ｕy1(t)を用いて磁気軸受制御を行うようにしているが、変位信号Ｘ1(t)，Ｙ1(t)またはＸ1k(t)，Ｙ1k(t)を用いて磁気軸受制御を行うような構成としても良い。

−第２の実施の形態−
図１４は、本発明の第２の実施の形態を説明する図であり、図１３に示す構成にＫ設定部５１０を追加したものである。上述した第１の実施の形態では、高分解能変位信号を生成する処理系Ａのラインにおいて、増幅部４０２Ａ，４０４Ａにおける分解能倍率Ｋは、ロータシャフト５の振れ回りに応じて所定の一定値に設定されている。しかしながら、ロータ４への反応生成物堆積によってロータアンバランスが経時的に大きくなり、定格回転中の振れ回り変位が徐々に大きくなる。

例えば、図１１に示すように外側閾値Ｔoが２０（μｍ）、内側閾値Ｔiが１５（μｍ）に設定されている場合を考える。反応生成物の堆積によって振れ回り半径が１０（μｍ）よりも大きくなって、変位Ｘ1(t)，Ｙ1(t)が外側閾値Ｔoの２０（μｍ）近傍において３０（μｍ）よりも大きくなると、ロータシャフト５の振れ回り中心が目標浮上位置７０であった場合でも、高分解能変位信号を生成する処理系Ａの増幅部４０２ＡからＡＤコンバータ４０３に入力される信号の範囲が、ＡＤコンバータ４０３のフルスケールをオーバーしてしまうことになる。その結果、適切な磁気軸受制御ができないおそれがある。

そこで、第２の実施の形態では、ロータシャフト５の振れ回り変位が変化した場合でも適切に磁気軸受制御ができるように、振れ回り半径の大きさに応じて増幅部４０２Ａ，４０４Ａにおける分解能倍率Ｋを変化させるようにした。図１４に示す例では、Ｋ設定部５１０によってＫを複数の値に変更できるように構成した。Ｋ設定部５１０は、ローパスフィルタ４１０から入力された定常応答振れ回りの半径ｒx1，ｒy1（式（１），（２）を参照）に基づいて、分解能倍率Ｋの値を設定する。また、切替制御部４０８は、Ｋ設定部５１０で設定されたＫの値に応じた外側閾値Ｔoおよび内側閾値Ｔiにより切換制御を行う。その他の構成については、上述した図１３の構成と同様である。

図１５は、振れ回り半径ｒx1に対する分解能倍率Ｋの設定方法の一例を説明する図である。なお、ｒx1以外の振れ回り半径についても同様である。図１５において、横軸は振れ回り半径ｒx1であり、縦軸は１／Ｋである。ここでは、分解能倍率ＫをＫ０，Ｋ１，Ｋ２のように３段階に変更するようにした。Ｋ０＞Ｋ１＞Ｋ２のように設定される。

反応生成物の堆積が少なく、振れ回り半径ｒx1がｒx1＜Ｒ０のように小さい状態においては、分解能倍率ＫはＫ０に設定される。振れ回り半径ｒx1がやや大きくなってＲ０≦ｒx1＜Ｒ１となった場合には、Ｋ設定部５１０は増幅部４０２Ａ，４０４Ａの分解能倍率ＫをＫ０からＫ１に切り替える。振れ回り半径ｒx1がさらに大きくなってＲ１≦ｒx1＜Ｒ２となった場合には、分解能倍率ＫはＫ１からＫ２に切り替えられる。なお、反応生成物の堆積による振れ回り半径の変化は増加方向だけであるが、分解能倍率Ｋの切り替わりにおいてチャタリングが発生するおそれがあるので、それを防止するためにヒステリシスΔｒを設定した。

なお、Ｒ２は振れ回り半径の許容上限値であって、ｒx1＞Ｒ２となった場合には、振れ回り異常と判断して通常制御から異常時制御に移行する。

図１６（ａ）は、分解能倍率Ｋと閾値Ｔo，Ｔiとの関係の一例を示す図である。分解能倍率Ｋは、外側閾値Ｔoに対応付けて設定される。ここでは、分解能倍率Ｋ０は、外側閾値Ｔoが１０（μｍ）の場合の分解能倍率とした。同様に、Ｋ１は外側閾値Ｔoが２５（μｍ）の場合の分解能倍率であり、Ｋ２は外側閾値Ｔoが６０（μｍ）の場合の分解能倍率である。図１４に示す構成では、高分解能変位信号と通常分解能変位信号との切り替えは、第１の実施の形態の場合と同様にｕx1(t1)，ｕy1(t)に基づいて行われるので、切り替え時のチャタリング防止のためのヒステリシスの幅はｕx1(t1)，ｕy1(t)に依存する。しかし、ｕx1(t1)，ｕy1(t)は振れ回り変位とは関係ないので、図１５（ａ）の例では一定のヒステリシス幅で内側閾値Ｔiを設定している。

図１７は、Ｋ設定部５１０の動作例を示す図である。図１７（ａ）は振れ回り半径ｒx1の経時変化を示し、図１７（ｂ）は変位ｕx1、閾値Ｔi，Ｔoの変化を示す。期間（Ａ）では、静止状態から加速運転を開始して低回転数の状態にあり、振れ回り半径ｒx1は中程度に大きい。そのため、分解能倍率ＫはＫ１に設定され、外側閾値Ｔoは±２５（μｍ）に設定されている。変位ｕx1は外側閾値Ｔo＝±２５（μｍ）の範囲内となっているので、切替部４０７によって高分解能変位信号Ｘ1k(t)，Ｙ1k(t)が選択されている。

期間（Ｂ）では、危険速度通過の回転数となり、一過性の振れ回り増大により振れ回り半径ｒx1が２５（μｍ）を上回ると、分解能倍率ＫがＫ１からＫ２に切り替えられる。分解能倍率ＫがＫ２に切り替えられると、それに応じて外側閾値Ｔoも±６０（μｍ）に変更される。

期間（Ｃ）では、危険速度通過後の加速度運転となり、回転数が定格回転数に近づくにつれて振れ回り半径ｒx1は徐々に低下する。振れ回り半径ｒx1が「２５（μｍ）−Δｒ」以下となると、分解能倍率ＫがＫ２からＫ１に切り替えられ、外側閾値Ｔoが±２５（μｍ）に変更される。

期間（Ｄ）では、ポンプは定格回転運転となる。この時点では反応生成物の堆積が非常に少なく外乱力も比較的小さいレベルとなっているので、振れ回り半径ｒx1は数（μｍ）レベルと小さく、分解能倍率ＫがＫ１からＫ０に切り替えられる。また、外側閾値Ｔoは、±２５（μｍ）から±１０（μｍ）に変更される。

期間（Ｅ）は定格回転状態であるが、外乱力による一過性の過大変位が発生している。その結果、変位ｕx1が外側閾値Ｔoよりも大きくなり、切替部４０７によって高分解能変位信号Ｘ1k(t)，Ｙ1k(t)から通常分解能変位信号Ｘ1(t)，Ｙ1(t)に切り替えられる。また、振れ回り変位に対する閾値Ｔi，Ｔoの設定は解除される。

期間（Ｆ）では、外乱力が消滅して増大した変位ｕx1が再び小さくなって、内側閾値Ｔiの範囲内となる。その結果、通常分解能変位信号Ｘ1(t)，Ｙ1(t)から高分解能変位信号Ｘ1k(t)，Ｙ1k(t)に切り替えられる。また、振れ回り半径ｒx1は小さいので、外側閾値Ｔoは±１０（μｍ）とされている。

期間（Ｇ）は期間（Ｆ）から長時間経過した時点の期間であり、定格回転数は維持されているが、反応生成物が徐々に増加し、振れ回り半径ｒx1も徐々に増加している。しかし、この時点では、振れ回り半径rx1は外側閾値Ｔo＝±１０（μｍ）の範囲内となっているので、分解能倍率ＫはＫ０に維持されている。

期間（Ｈ）は期間（Ｇ）からさらに長時間経過した時点の期間であり、反応生成物の体積が増加したことにより振れ回り半径ｒx1が外側閾値Ｔo＝±１０（μｍ）の範囲外となっている。その結果、分解能倍率ＫはＫ０からＫＩに切り替えられ、外側閾値Ｔoも±１０（μｍ）から±２５（μｍ）に変更される。そのため、変位ｕx1が一時的に１０（μｍ）を超えるが、外側閾値Ｔo＝±２５（μｍ）の範囲内なので、切替部４０７による高分解能変位信号Ｘ1k(t)，Ｙ1k(t)の選択状態は維持される。

このように、第２の実施の形態では、図１４に示すように、処理系Ａの増幅部４０２Ａにおいて変位変調波信号を分解能倍率Ｋ（ただし、Ｋ＞１）で増幅した信号に基づいて高分解能変位信号を生成し、高分解能変位信号または低分解能変位信号に基づいて、定常応答振れ回り変位の振れ回り半径ｒx1，ｒy1を算出する定常応答抽出部Ｃの第１変換処理部４０９およびローパスフィルタ４１０と、分解能倍率Ｋの大きさを、振れ回り半径ｒx1，ｒy1の大きさに応じた複数の値のいずれか一つに変更するＫ設定部５１０とを備える。

すなわち、振れ回り半径ｒx1に応じて分解能倍率Ｋを設定するようにしているので、振れ回り半径が増加する環境でも、振れ回り半径の大きさに応じた最適な分解能で磁気軸受制御ができ、振動性能の向上をはかることができる。例えば、反応生成物の堆積等によってロータシャフト５の振れ回り半径ｒx1が大きくなった場合でも、ＡＤコンバータ４０３に入力される信号の大きさがＡＤコンバータ４０３のフルスケールをオーバーするのを防止でき、変位信号による磁気軸受制御を適切に行うことができる。また、反応生成物の堆積が非常に少なく振れ回り半径への影響が無視できるほど小さい場合には、分解能倍率Ｋを大きく設定することで、分解能向上による低振動化を図ることができる。

なお、Ｋ設定部５１０により分解能倍率Ｋの大きさを変更する構成は、図１４のようにｕx1(t1)，ｕy1(t)に基づいて高分解能変位信号と通常分解能変位信号とを切り替える構成に限らず、図５に示す比較例のように振れ回り変位を含む変位信号Ｘ1(t)，Ｙ1(t)を用いて切り替えを行う構成にも適用することができる。例えば、分解能倍率Ｋの切り替えを行うタイミングとして、振れ回り半径ｒx1が１０（μｍ），２５（μｍ），６０（μｍ）になったときとする。

図１６（ｂ）は閾値Ｔi，Ｔoを示す図である。ｒx1＝１０（μｍ）の場合、前述したようにチャタリング防止のために少なくとも外側閾値Ｔoを３０（μｍ）とし、ヒステリシス幅を２０（μｍ）にする必要がある。分解能倍率Ｋは、外側閾値Ｔo＝３０（μｍ）に対応付けてＫ＜１０／３のように設定される。同様に、ｒx1＝２５（μｍ）の場合にはＴo＝７５（μｍ）およびヒステリシス幅＝５０（μｍ）、ｒx1＝６０（μｍ）の場合にはＴo＝１８０（μｍ）およびヒステリシス幅＝１２０（μｍ）となる。ただし、非常のメカニカルベアリングの公称クリアランスが１００（μｍ）ならば、ｒx1＝６０（μｍ）の場合はオーバーするので、その場合は、ｒx1＝２５（μｍ）までの閾値設定となる。

−第３の実施の形態−
図１８は、本発明の第３の実施の形態を説明する図である。本実施の形態では、図５に示す構成から定常応答抽出部Ｃを削除すると共に、処理系Ａと処理系Ｂとで、バンドパスフィルタ４０１Ａ，４０１Ｂの性能を異ならせ、さらに、増幅部４０４Ａのゲインを（１／Ｋ1）としたことである。その他の構成は、図５に示すブロック図と同様である。本実施の形態では、変位が小さい状況では処理系Ｂによる通常分解能変位信号に代えて処理系Ａによる高分解能変位信号を用いることで変位信号のＳＮ比の改善を図ると共に、特に騒音の主要因となり得る高い周波数のノイズ成分を低減するようにした。

図１８に示すように、変位変調波信号の差分信号をＡＤコンバータ４０３で取り込む際には、バンドパスフィルタ４０１Ａ，４０１Ｂで不要ノイズ成分をカットしてからＡＤコンバータ４０３で取り込むようにしている。このとき、バンドパスフィルタ４０１Ａ，４０１ＢのＱ値（＝Ｑ１，Ｑ０）を高くして中心周波数（この場合、搬送波ｆｃ）へ狭帯域化する程、復調後変位信号の高周波成分を除去できる。

ただし、Ｑ値を高くすることのトレードオフとして、信号遅延が大きくなり、磁気軸受制御の安定性が低くなる。また、場合によっては、ロータの高次弾性固有振動数で発振を起こし、騒音、振動を発生するだけでなく、浮上制御が困難になる問題が生じる。

まず、通常分解能変位信号を生成する処理系Ｂでは、バンドパスフィルタ４０１ＢのＱ０は信号遅延による磁気軸受制御の安定性の低下が生じない程度のＱ値とする。そして、高分解能変位信号を生成する処理系Ａでは、バンドパスフィルタ４０１ＡのＱ値Ｑ１をＱ１＞Ｑ０のように設定してより狭帯域化を図ると共に、増幅部４０４Ａにおける増幅率（増幅した信号の振幅を再度縮小するための縮小率）を（１／Ｋ1）とする。そして、（１／Ｋ1）＜（１／Ｋ）となるように、すなわち、Ｋ×(１／Ｋ1)＜１となるようにＫ1を設定することで、増幅率（１／Ｋ1）を増幅率（１／Ｋ）よりも小さな増幅率とした。

このように、高分解能変位信号においては、Ｑ１＞Ｑ０と狭帯域化することで復調後変位信号の高周波成分を除去し、（１／Ｋ1）＜（１／Ｋ）とすることでゲインを１以下に低下させるようにした。すなわち、Ｑ１＞Ｑ０としたことによって位相余裕が低下した影響を、ゲインを下げることでゲイン余裕を増加させて相殺することで、従来分解能変位信号ラインと同程度の安定性を確保すること（すなわち、安定性指標である感度関数の最大値を同等値とすること）ができる。

なお、このような構成とすることに伴うトレードオフとして、外乱応答性能が従来分解能変位信号適用時よりも劣化するが、外乱応答性が必要とされる一過性の大きな変位が生じることが無い状態のみでしか高分解能変位信号を適用しないため、副作用を生じることはない。

図１９は、通常分解能変位信号を生成する処理系Ｂの、バンドパスフィルタ４０１Ｂにおける信号の遅延およびゲインの一例を示す図である。ここでは、センサキャリア周波数＝１０（ｋＨｚ）、Ｑ０＝１とした。変位信号がバンドパスフィルタを通過すると、復調信号は変位信号から必ず遅延する。そのときの位相遅延量は、変位信号の周波数が高いほど大きい。図１９（ａ）では、周波数＝１００（Ｈｚ）、１０００（Ｈｚ）、２５００（Ｈｚ）に対して、位相遅延量はほぼ０（deg）、１０（deg）、２０（deg）となる。

ポンプのロータサイズにも依存するが、通常は１（ｋＨｚ）帯まで制御が必要であり、騒音の主要因となる４（ｋＨｚ）付近の高調波については、制御は不要である。１（ｋＨｚ）での位相遅延量は１０（deg）なので、ロータシャフト５の弾性振動固有振動数での発振リスクは小さい。なお、処理系Ｂにおけるバンドパスフィルタ４０１ＢのＱ値は低いので、図１９（ｂ）に示すように４（ｋＨｚ）付近の振幅低減は少ない。

図２０は、高分解能変位信号を生成する処理系Ａの、バンドパスフィルタ４０１Ａにおける信号の遅延およびゲインの一例を示す図である。センサキャリア周波数は１０（ｋＨｚ）で、Ｑ値はＱ１＝５である。図２０（ａ）に示すように、周波数＝１００（Ｈｚ）、１０００（Ｈｚ）、２５００（Ｈｚ）における位相遅延量は、１０（deg）、４０（deg）、６０（deg）となっている。また、図２０（ａ）のように、騒音の一因である４（ｋＨｚ）付近の高周波数成分が大幅に低減されている。そのため、高分解能変位信号が選択されているときには、騒音の低減が図られる。

増幅率（１／Ｋ1）におけるＫ1の設定方法について、図２１〜２３を参照して説明する。図２１は、処理系Ａを用いた場合の開ループ伝達関数Ｇok(jw)と、処理系Ｂを用いた場合の開ループ伝達関数Ｇo1(jw)とを示す図である。なお、図２１では、インダクタンス方式の変位センサ４９を用いて変位変調波信号を取得する場合の構成を示した。

一般に、開ループ伝達関数Ｇoを周波数スイープして、図２２のように複素平面上に所謂ナイキスト線図をプロットした場合、安定性はＧoa＜Ｇob＜Ｇocの順に高い。すなわち、複素平面上の軌跡が（−１）から離れている程安定性が高い。（−１）からの距離(|1+Ｇo|)の逆数で定義される感度関数（1/(1+Ｇo)）で表現すると、感度関数の大きさの最大値が小さい程安定性が高い。

ここで、図２２に示すようにＧok(jw)の軌跡がＧo1(jw)の軌跡と同じ円上（−１を中心とする円）で接するか、あるいは、円の外側を通過するようにＫ1の値を予め決めておき、処理系Ａのラインの安定性が処理系Ｂのラインと同等レベルになるようにする。

ただし、Ｋ1の値の最適値への絞り込みは、現実には、製品開発時あるいは、製品出荷時の調整（試行錯誤）の結果として定まるため、少なくとも、処理系Ｂのラインよりもゲインが低くなるＫ×(１／Ｋ1)＜１を満たすＫ１＞Ｋを条件として定める。言い換えると、処理系Ａのラインではバンドパスフィルタ４０１ＡのＱ値を高くするので、図２３においてφK＜φ1となっているように、処理系Ｂのラインよりも必ず位相余裕が低下する。そのため、Ｋ×(１／Ｋ1)＜１のように処理系Ａのラインのゲインを処理系Ｂのラインのゲインよりも下げて、図２３のｇ1＜ｇkのようにゲイン余裕で補い、確実に安定性を高める。

なお、第１の実施の形態の場合と同様に、図１８の構成に、図３の定常応答抽出部Ｃを追加すると共に切替制御部５０８を切替制御部４０８で置き換え、定常応答以外の成分ｕx1(t)，ｕy1(t)に基づいて切替部４０７による通常分解能変位信号と高分解能変位信号との切り替えを制御するようにしても良い。また、図２４のように、定常応答抽出部Ｃおよび切替制御部４０８に加えて（Ｋ，Ｋ1，Ｑ1）の値を設定するデータ設定部５１１をさらに設けるようにしても良い。データ設定部５１１は、予め（Ｋ，Ｋ1，Ｑ1）のデータセットを複数セット用意しておき、振れ回り半径ｒx1，ｒy1に基づいてデータセットを選択し、バンドパスフィルタ４０１Ａおよび増幅部４０２Ａ，４０４ＡにおけるＱ1，ＫおよびＫ1の設定を変更する。

このように、第３の実施の形態では、高分解能変位信号を生成する処理系Ａにおいては、バンドパスフィルタ４０１ＡのＱ値Ｑ１は処理系Ｂのバンドパスフィルタ４０１ＢのＱ値Ｑ０よりも大きな値とすることで、騒音の主要因となる高い周波数のノイズ成分を除去すると共に、増幅部４０２Ａの増幅率（すなわち分解能倍率）Ｋと増幅部４０４Ａの増幅率（１／Ｋ1）との積が１よりも小さくなるように増幅率（１／Ｋ1）を設定することで、処理系Ｂと同等の安定性を確保するようにした。

このような構成とすることで、変位信号の分解能向上によるＳＮ比改善だけでなく、騒音の主要因となり得る高周波（４ｋＨｚ含む）成分を積極的に低減することで、従来よりもさらに振動、騒音の低減を可能にし、一方で浮上制御の安定性を確保し信頼性が高い運転ができる。

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。例えば、ターボ分子ポンプを例に説明したが、磁気軸受式であれば他の真空ポンプにも適用することができる。

１…ポンプユニット、２…コントロールユニット、２ａ…モータ駆動制御部、２ｂ…軸受駆動制御部、５…ロータシャフト、２８…回転センサ、４３…励磁アンプ、４４…制御部、４５…磁気軸受電磁石、４８…センサ回路、４９…変位センサ、６６ａ，６６ｂ…非常用のメカニカルベアリング、６７，６８，６９…磁気軸受、４０１，４０１Ａ，４０１Ｂ…バンドパスフィルタ、４０２Ａ，４０２Ｂ，４０４Ａ，４０４Ｂ…増幅部、４０５Ａ，４０５Ｂ…復調演算部、４０６Ａ，４０６Ｂ…ゲイン・オフセット調整部、４０７…切替部、４０８，５０８…切替制御部、４１２…ＰＩＤ制御部、４１３…ＰＷＭ演算部、５１０…Ｋ設定部、５１１…データ設定部、Ａ，Ｂ…処理系、Ｃ…定常応答抽出部、Ｔi…内側閾値、Ｔo…外側閾値

Claims (9)

1. ロータを磁気浮上させる磁気軸受と、
   前記ロータの所定位置からの変位により変調された変位変調波信号をＫ＞１の分解能倍率Ｋで増幅し、増幅された前記変位変調波信号に基づいて、前記所定位置を含む第１変位領域における高分解能変位信号を生成する第１変位信号生成部と、
   前記変位変調波信号に基づいて、前記第１変位領域を含むより大きな第２変位領域における低分解能変位信号を生成する第２変位信号生成部と、
   前記高分解能変位信号または前記低分解能変位信号から定常応答振れ回り変位の成分を除いた非定常応答信号に基づいて、前記高分解能変位信号および前記低分解能変位信号のいずれか一方を選択する選択部と、
   前記選択部で選択された変位信号に基づいて前記磁気軸受を制御する軸受制御部と、を備える磁気軸受式真空ポンプ。
2. 請求項１に記載の磁気軸受式真空ポンプにおいて、
   前記高分解能変位信号または前記低分解能変位信号に基づいて、定常応答振れ回り半径を算出する定常応答演算部と、
   前記分解能倍率Ｋの大きさを、前記定常応答振れ回り半径の大きさに応じた複数の値のいずれか一つに変更する倍率変更部とをさらに備え、
   前記倍率変更部は、定常応答振れ回り半径が大きい時には分解能倍率Ｋを小さくし、定常応答振れ回り半径が小さい時には分解能倍率Ｋを大きくするように、前記分解能倍率Ｋの大きさを前記複数の値のいずれか一つに変更する、磁気軸受式真空ポンプ。
3. 請求項１または２に記載の磁気軸受式真空ポンプにおいて、
   前記第１変位信号生成部は、第１のＱ値を有して前記変位変調波信号をフィルタリングする第１バンドパスフィルタ、前記第１バンドパスフィルタを通過した信号を前記分解能倍率Ｋで増幅する第１増幅部、前記第１増幅部で増幅された前記信号をアナログ−デジタル変換する第１ＡＤ変換部、およびアナログ−デジタル変換された前記信号を「１／（前記分解能倍率Ｋ）」よりも小さな値で増幅する第２増幅部を備え、前記第２増幅部で増幅された前記信号に基づいて前記高分解能変位信号を生成し、
   前記第２変位信号生成部は、前記第１のＱ値よりも小さな第２のＱ値を有して前記変位変調波信号をフィルタリングする第２バンドパスフィルタ、および前記第２バンドパスフィルタを通過した信号をアナログ−デジタル変換する第２ＡＤ変換部を備え、前記第２ＡＤ変換部から出力された信号に基づいて前記低分解能変位信号を生成する、磁気軸受式真空ポンプ。
4. ロータを磁気浮上させる磁気軸受と、
   前記ロータの所定位置からの変位により変調された変位変調波信号をＫ＞１の分解能倍率Ｋで増幅し、増幅された前記変位変調波信号に基づいて、前記所定位置を含む第１変位領域における高分解能変位信号を生成する第１変位信号生成部と、
   前記変位変調波信号に基づいて、前記第１変位領域を含むより大きな第２変位領域における低分解能変位信号を生成する第２変位信号生成部と、
   前記高分解能変位信号および前記低分解能変位信号のいずれか一方を選択する選択部と、
   前記選択部で選択された変位信号に基づいて前記磁気軸受を制御する軸受制御部と、
   前記高分解能変位信号または前記低分解能変位信号に基づいて定常応答振れ回り半径を算出する定常応答演算部と、
   前記分解能倍率Ｋの大きさを、前記定常応答振れ回り半径の大きさに応じた複数の値のいずれか一つに変更する倍率変更部と、を備え、
   前記倍率変更部は、定常応答振れ回り半径が大きい時には分解能倍率Ｋを小さくし、定常応答振れ回り半径が小さい時には分解能倍率Ｋを大きくするように、前記分解能倍率Ｋの大きさを前記複数の値のいずれか一つに変更する、磁気軸受式真空ポンプ。
5. 請求項４に記載の磁気軸受式真空ポンプにおいて、
   前記第１変位信号生成部は、第１のＱ値を有して前記変位変調波信号をフィルタリングする第１バンドパスフィルタ、前記第１バンドパスフィルタを通過した信号を前記分解能倍率Ｋで増幅する第１増幅部、前記第１増幅部で増幅された前記信号をアナログ−デジタル変換する第１ＡＤ変換部、およびアナログ−デジタル変換された前記信号を「１／（前記分解能倍率Ｋ）」よりも小さな値で増幅する第２増幅部を備え、前記第２増幅部で増幅された前記信号に基づいて前記高分解能変位信号を生成し、
   前記第２変位信号生成部は、前記第１のＱ値よりも小さな第２のＱ値を有して前記変位変調波信号をフィルタリングする第２バンドパスフィルタ、および前記第２バンドパスフィルタを通過した信号をアナログ−デジタル変換する第２ＡＤ変換部を備え、アナログ−デジタル変換された前記信号に基づいて前記低分解能変位信号を生成する、磁気軸受式真空ポンプ。
6. ロータを磁気浮上させる磁気軸受と、
   第１のＱ値を有し、前記ロータの所定位置からの変位により変調された変位変調波信号をフィルタリングする第１バンドパスフィルタと、
   前記第１バンドパスフィルタを通過した信号をＫ＞１の分解能倍率Ｋで増幅する第１増幅部と、
   前記第１増幅部で増幅された前記信号をアナログ−デジタル変換する第１ＡＤ変換部と、
   前記第１ＡＤ変換部でアナログ−デジタル変換された前記信号を、「１／（前記分解能倍率Ｋ）」よりも小さな値で増幅する第２増幅部と、
   前記第２増幅部で増幅された前記信号に基づいて、前記所定位置を含む第１変位領域における高分解能変位信号を生成する第１変位信号生成部と、
   前記第１のＱ値よりも小さな第２のＱ値を有し、前記変位変調波信号をフィルタリングする第２バンドパスフィルタと、
   前記第２バンドパスフィルタを通過した信号をアナログ−デジタル変換力する第２ＡＤ変換部と、
   前記第２ＡＤ変換部でアナログ−デジタル変換された前記信号に基づいて、前記第１変位領域を含むより大きな第２変位領域における低分解能変位信号を生成する第２変位信号生成部と、
   前記高分解能変位信号および前記低分解能変位信号のいずれか一方を選択する選択部と、
   前記選択部で選択された変位信号に基づいて前記磁気軸受を制御する軸受制御部とを備える磁気軸受式真空ポンプ。
7. 請求項２，４および５のいずれか一項に記載の磁気軸受式真空ポンプにおいて、
   前記分解能倍率Ｋを第１の値からそれよりも小さな第２の値に変更するときの前記定常応答振れ回り半径は、前記第２の値から前記第１の値に変更するときの前記定常応答振れ回り半径よりも所定ヒステリス幅だけ大きく設定されている、磁気軸受式真空ポンプ。
8. 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式真空ポンプにおいて、
   前記選択部は、前記非定常応答信号の値が第１の信号領域の領域外から領域内に変化すると、選択される変位信号を前記低分解能変位信号から前記高分解能変位信号に切り替え、前記非定常応答信号の値が前記第１の信号領域を含むより大きな第２の信号領域の領域内から領域外に変化すると、選択される変位信号を前記高分解能変位信号から前記低分解能変位信号に切り替える、磁気軸受式真空ポンプ。
9. 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式真空ポンプにおいて、
   前記定常応答振れ回り半径と前記所定位置からの変位の上限値との比をαとしたとき、前記分解能倍率Ｋは式「１／（３α）＜Ｋ＜１／α」を満たすように設定されている、磁気軸受式真空ポンプ。

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