JP7486323B2

JP7486323B2 - 高調波除去回路、位置検出装置、磁気軸受装置、及び真空ポンプ

Info

Publication number: JP7486323B2
Application number: JP2020024767A
Authority: JP
Inventors: 敏明川島
Original assignee: Edwards Japan Ltd
Current assignee: Edwards Japan Ltd
Priority date: 2020-02-17
Filing date: 2020-02-17
Publication date: 2024-05-17
Anticipated expiration: 2040-02-17
Also published as: JP2021128133A; CN114946121A; KR20220140713A; EP4108945A1; WO2021166778A1; US20230332625A1; EP4108945A4

Description

本発明は高調波除去回路、位置検出装置、磁気軸受装置、及び真空ポンプに係わり、特に同期検波回路で発生する高調波を高価な部品を使用することなく除去することで低振動や低騒音を実現した高調波除去回路、位置検出装置、磁気軸受装置、及び真空ポンプに関する。

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。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、一般にポンプ装置として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１つであるターボ分子ポンプが多用されている。

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。更に、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とするのにも用いられている。このターボ分子ポンプの縦断面図を図１０に示す。

図１０において、ターボ分子ポンプ１００には、円筒状の外筒１２７の上端に吸気口１０１が形成されている。そして、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による複数の回転翼１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ、…を周部に放射状かつ多段に形成した回転体１０３が備えられている。この回転体１０３の中心にはロータ軸１１３が設けられており、このロータ軸１１３は、例えば５軸制御の磁気軸受により空中に浮上支持かつ位置制御されている。

上側径方向電磁石１０４は、４個の電磁石がＸ軸とＹ軸にかつ＋方向と－方向に、それぞれの対をなして配置されている（図示しないが＋側の電磁石を上側径方向電磁石１０４＋とし、－側の電磁石を上側径方向電磁石１０４－とする）。また、この上側径方向電磁石１０４に近接かつ対応されて、４個の電磁石からなる上側径方向センサ１０７が備えられている。

上側径方向センサ１０７は、ロータ軸１１３のＸ軸方向及びＹ軸方向位置をそれぞれ＋方向及び－方向の２方向から検出するいわゆる差動型のインダクタンス式センサであり、ロータ軸１１３の径方向位置に応じたセンサ信号を制御装置等の磁気軸受制御部（図示略）に出力するようになっている。磁気軸受制御部では、上側径方向センサ１０７からのセンサ信号に基づき上側径方向電磁石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ようになっている。

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ている。

また、下側径方向電磁石１０５も、４個の電磁石がＸ軸とＹ軸にかつ＋方向と－方向に、それぞれの対をなして配置されている（図示しないが＋側の電磁石を下側径方向電磁石１０５＋とし、－側の電磁石を下側径方向電磁石１０５－とする）。更に、この下側径方向電磁石１０５に近接かつ対応されて、４個の電磁石からなる下側径方向センサ１０８が備えられている。

この下側径方向センサ１０８も差動型のインダクタンス式センサであり、制御装置等の磁気軸受制御部（図示略）により、ロータ軸１１３の下側の径方向位置が調整されるようになっている。

更に、軸方向電磁石１０６は、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（図１０中上側の電磁石を－側の軸方向電磁石１０６Ａとし、下側の電磁石を＋側の軸方向電磁石１０６Ｂとする）。－側の軸方向電磁石１０６Ａは磁力により金属ディスク１１１を吸気口１０１側に吸引し、＋側の軸方向電磁石１０６Ｂは金属ディスク１１１をベース部１２９側に吸引するようになっている。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。

また、外筒１２７の底部に設けられたベース部１２９には、ロータ軸１１３の軸方向位置Ｚを検出するための図示しない軸方向センサが備えられている。この軸方向センサは、ロータ軸１１３の下端部に埋め込まれた図示しないセンサターゲットの位置を検出することでロータ軸１１３の軸方向位置Ｚを検出し、この軸方向位置Ｚに応じたセンサ信号を制御装置等の磁気軸受制御部に出力するようになっている。

そして、磁気軸受制御部は、軸方向センサからのセンサ信号に基づいて軸方向電磁石１０６の励磁を制御し、軸方向電磁石１０６が金属ディスク１１１に及ぼす磁力を適当に調節してロータ軸１１３を磁気浮上させ、空間に非接触で保持するようになっている。

一方、モータ１２１は、ロータ軸１１３を取り囲むように周状に配置された複数の磁極を備えている。各磁極は、ロータ軸１１３との間に作用する電磁力を介してロータ軸１１３を回転駆動するように、制御装置によって制御されている。また、モータ１２１には図示しない回転数センサが組み込まれており、この回転数センサの検出信号によりロータ軸１１３の回転数が検出されるようになっている。更に、下側径方向センサ１０８近傍には、図示しない位相センサが取り付けられており、ロータ軸１１３の回転の位相を検出するようになっている。

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。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。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。また、固定翼スペーサ１２５の下部と、外筒１２７の底部に設けられたベース部１２９との間にはネジ付きスペーサ１３１が配設されている。そして、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、外部に連通されている。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１３２が複数条刻設されている。ネジ溝１３２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。

回転体１０３の回転翼１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ、…に続く最下部には回転翼１０２ｄが垂下されている。この回転翼１０２ｄの外周面は、円筒状で、かつネジ付きスペーサ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。
ベース部１２９は、ターボ分子ポンプ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。

かかる構成において、回転翼１０２がモータ１２１により駆動されてロータ軸１１３とともに回転すると、回転翼１０２と固定翼１２３の作用により、吸気口１０１を通じてチャンバからの排気ガスが吸気される。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。このとき、排気ガスが回転翼１０２に接触する際に生ずる摩擦熱や、モータ１２１で発生した熱の伝導などにより、回転翼１０２の温度は上昇するが、この熱は、輻射又は排気ガスの気体分子等による伝導により固定翼１２３側に伝達される。

固定翼スペーサ１２５は、外周部で互いに接合しており、固定翼１２３が回転翼１０２から受け取った熱や排気ガスが固定翼１２３に接触する際に生ずる摩擦熱などを外部へと伝達する。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。

次に、上述のように構成される上側径方向センサ１０７と下側径方向センサ１０８による位置検出回路について説明する。
図１１において、上側径方向センサ１０７と下側径方向センサ１０８には、インダクタンスセンサが使用されている。＋方向のコイル及び－方向のコイルのそれぞれの一端には発振器１、３が取り付けられている。発振器１、３からはコイルに対し一定周波数のキャリア周波数が印加され、変位に対応したＡＣ信号が生成する。

そして、コイルの他端は中点５で接続されており、この中点５にて抽出された差動電圧はバンドパスフィルタ７を介して反転増幅器９と非反転増幅器１１とに入力されるようになっている。バンドパスフィルタ７は、発振器１、３の基本周波数を含む帯域以外の高周波領域の信号を除去するために配設されている。反転増幅器９の出力には反転スイッチ１３が配設され、非反転増幅器１１の出力には非反転スイッチ１５が配設されている。

反転スイッチ１３には、キャリア周波数に同期して０～１８０度の間だけＯＮさせる操作信号１７が入力されている。従って、０～１８０度の間だけ反転増幅器９で反転されたＡＣ信号が通過する。
一方、非反転スイッチ１５には、キャリア周波数に同期して１８０度～３６０度の間だけＯＮさせる操作信号１９が入力されている。従って、１８０度～３６０度の間だけ非反転増幅器１１で出力されたＡＣ信号が通過する。

接続点２１で、反転スイッチ１３を通過した信号と非反転スイッチ１５を通過した信号とが加算され直流信号となる。この直流信号は平滑回路２３で平滑化される。この同期検波回路により平滑化された信号は、磁気軸受制御部に位置信号として出力され前述したように位置制御に使用される（特許文献１を参照）。

特開２００６－３１７４１９号公報

ところで、磁気軸受の動作中は、上側径方向電磁石１０４、下側径方向電磁石１０５、軸方向電磁石１０６を駆動する各パワーアンプやモータ１２１の駆動用のインバータが電力をＰＷＭ制御するために、多くのスイッチングノイズが発生している。
このノイズは変位センサ信号に混入し、同期検波回路の出力に本来の変位以外のノイズ成分として現れ、望ましくない振動や騒音の原因になっている。

上述した１８０度ずつ交互にＯＮ／ＯＦＦするスイッチを使用した同期検波方式では、キャリア周波数の基本波成分に含まれる変位信号の他に、キャリア周波数の奇数次高調波のノイズ成分も変位信号に変換されてしまう特徴がある。
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、同期検波回路で発生する高調波を高価な部品を使用することなく除去することで低振動や低騒音を実現した高調波除去回路、位置検出装置、磁気軸受装置、及び真空ポンプを提供することを目的とする。

このため本発明（請求項１）は、高調波信号の重畳した交流波形信号より前記高調波信号を除去する高調波除去回路であって、前記交流波形信号に同期したパルスのデューティが、前記高調波信号のプラス側面積とマイナス側面積とが等しくなるように設定され、前記パルスが、５次の高調波を除去するため、前記交流波形信号の半周期中に４π／５[rad]の合計デューティ（π[rad]が１００％に相当）を有する１つのパルスで生成されたことを特徴とする。

交流波形信号にパルスを掛け合わせると奇数次の高調波が生成されてしまう。しかし、交流波形信号に同期したパルスのデューティが、高調波信号のプラス側面積とマイナス側面積とが等しくなるように設定することで、奇数次高調波のプラス側信号とマイナス側信号とが相殺されることになる。このため、奇数次高調波の成分は消える。
交流波形信号の半周期中に４π／５[rad]の合計デューティを１つのパルスで生成することで、簡単な構成で５次の高調波を除去できる。

また、本発明（請求項２）は、高調波信号の重畳した交流波形信号より前記高調波信号を除去する高調波除去回路であって、前記交流波形信号に同期したパルスのデューティが、前記高調波信号のプラス側面積とマイナス側面積とが等しくなるように設定され、前記パルスが、７次の高調波を除去するため、前記交流波形信号の半周期中に６π／７[rad]の合計デューティ（π[rad]が１００％に相当）を有する１つのパルスで生成されたことを特徴とする。
交流波形信号の半周期中に６π／７[rad]の合計デューティを１つのパルスで生成することで、簡単な構成で７次の高調波を除去できる。
更に、本発明（請求項３）は、高調波信号の重畳した交流波形信号より前記高調波信号を除去する高調波除去回路であって、前記交流波形信号に同期したパルスのデューティが、前記高調波信号のプラス側面積とマイナス側面積とが等しくなるように設定され、前記パルスが、３次と５次の高調波を同時に除去するため、前記交流波形信号の半周期中に２π／３[rad]の合計デューティ（π[rad]が１００％に相当）を有する３つのパルスで生成されたことを特徴とする。
交流波形信号の半周期中に２π／３[rad]の合計デューティを３つのパルスで生成することで、簡単な構成で３次と５次の高調波を除去できる。
更に、本発明（請求項４）は、高調波信号の重畳した交流波形信号より前記高調波信号を除去する高調波除去回路であって、前記交流波形信号に同期したパルスのデューティが、前記高調波信号のプラス側面積とマイナス側面積とが等しくなるように設定され、前記パルスが、３次と７次の高調波を同時に除去するため、前記交流波形信号の半周期中に２π／３[rad]の合計デューティ（π[rad]が１００％に相当）を有する３つのパルスで生成されたことを特徴とする。
交流波形信号の半周期中に２π／３[rad]の合計デューティを３つのパルスで生成することで、簡単な構成で３次と７次の高調波を除去できる。
更に、本発明（請求項５）は、高調波信号の重畳した交流波形信号より前記高調波信号を除去する高調波除去回路であって、前記交流波形信号に同期したパルスのデューティが、前記高調波信号のプラス側面積とマイナス側面積とが等しくなるように設定され、前記パルスが、３次と５次と７次の高調波を同時に除去するため、前記交流波形信号の半周期中に２π／３[rad]の合計デューティ（π[rad]が１００％に相当）を有する７つのパルスで生成されたことを特徴とする。
交流波形信号の半周期中に２π／３[rad]の合計デューティを７つのパルスで生成することで、簡単な構成で３次と５次と７次の高調波を除去できる。
更に、本発明（請求項６）は高調波除去回路の発明であって、前記パルスの前記デューティに、正弦波ＰＷＭを生成するデューティを用いることを特徴とする。
これにより、簡単な構成でパルスのデューティが生成され、高調波ノイズの除去が可能である。
更に、本発明（請求項７）は高調波除去回路の発明であって、前記パルスの前記デューティが、反転増幅による出力、非反転増幅による出力、ゼロ出力の内のいずれかで切り替えて生成されたことを特徴とする。

ゼロ出力を加えたことで、高調波信号のプラス側面積とマイナス側面積とが等しくなるような調整がし易くなる。従って、高価な部品の追加が必要無く、コストアップすること無しに低振動や低騒音の磁気軸受装置が実現できる。

更に、本発明（請求項８）は高調波除去回路の発明であって、前記パルスは前記交流波形信号の半周期中に少なくとも一つで構成され、該パルスの前記デューティが、位相の進行方向に向けて前記交流波形信号のピーク値を中心として対称に生成されたことを特徴とする。

パルスのデューティが、位相の進行方向に向けて前記交流波形信号のピーク値を中心として対称に生成されたことで、信号波形が最大限に効率良く抽出できると共に、高調波が精度良く除去できる。また、パルスの生成が容易にできる。

更に、本発明（請求項９）は高調波除去回路の発明であって、前記ゼロ出力のタイミングに合わせて電力を断接するスイッチが制御されることを特徴とする。

本発明では、信号を出力に伝えないゼロ出力（入力無し）のモードが存在する。このため、ゼロ出力の時間に電力を断接するスイッチのＯＮ／ＯＦＦを実行するように制御することで、スパイクノイズの信号への混入を抑制させることができる。

更に、本発明（請求項１０）は、被対象物の位置を非接触に検出する位置検出部と、前記被対象物の前記位置を電磁石により制御する磁気軸受部と、前記位置検出部に対し搬送波信号を供給する搬送波信号供給部と、前記位置検出部で検出された位置信号を前記搬送波信号と同期したスイッチで切り替えることで検波する検波部とを備えた磁気軸受装置であって、請求項１～９のいずれか一項に記載の高調波除去回路を備えたことを特徴とする。

更に、本発明（請求項１１）は、回転体と、該回転体の位置を非接触に検出する位置検出部と、前記回転体の前記位置を電磁石により制御する磁気軸受部と、前記位置検出部に対し搬送波信号を供給する搬送波信号供給部と、前記位置検出部で検出された位置信号を前記搬送波信号と同期したスイッチで切り替えることで検波する検波部とを備えた真空ポンプであって、請求項１～９のいずれか一項に記載の高調波除去回路を備えたことを特徴とする。

以上説明したように本発明によれば、交流波形信号に同期したパルスのデューティが、高調波信号のプラス側面積とマイナス側面積とが等しくなるように構成したので、奇数次高調波のプラス側信号とマイナス側信号とが相殺されることになる。このため、奇数次高調波の成分は消える。

本発明の実施形態である位置検出回路図基本波と３次高調波成分との関係を示す図奇数次高調波を除去するための代表的なパルス幅の設定値例図３の設定値例でパルスを設定したときの基本波とパルスデューティの関係を示す波形図センサ直流信号の波形例と高調波が除去された度合いを示す図１周期（０～２π）分における、反転スイッチ、ゼロ出力スイッチ、非反転スイッチの各スイッチのパルス波形例キャリア周波数の偶数次高調波のノイズ成分パルスのデューティの一生成方法を示す図高周波のスイッチングスパイクノイズの除去方法を示す図ターボ分子ポンプの縦断面図従来の位置検出回路図

以下、本発明の実施形態について説明する。本発明の実施形態である位置検出回路図を図１に示す。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。
従来の位置検出回路図である図１１と比較すると分かるように、本発明の実施形態では、接地２５に対し一端を接続されたゼロスイッチ２７を設け、このゼロスイッチ２７の他端を反転スイッチ１３と非反転スイッチ１５の接続点２１に対し接続した点で相違する。そして、ゼロスイッチ２７に対しては操作信号２９が入力されている。

次に、本発明の実施形態の作用について説明する。
同期検波のスイッチ動作は、入力信号と矩形波を乗算しているのと等価であるため、同期検波出力には、本来必要な基本波成分の他に、数１に示す矩形波のフーリエ変換f(x)と奇数次高調波のノイズの乗算結果が直流信号として現れる。

例えば入力信号に数２で示すようなセンサキャリア周波数の３次高調波のノイズ

が混入した場合、出力信号には数３で示すようなノイズ成分が混入する。

これは、図２の基本波と３次高調波成分との関係図に示すように、図１１に示す同期検波の反転スイッチ１３と非反転スイッチ１５が基本波の半波１８０度の間ＯＮしているために、３次高調波成分が１８０度×３＝５４０度即ち１．５周期積分されて直流分が発生することにより起こる。

この弊害に対し、本発明では、同期検波のスイッチを操作するためのパルスのデューティと、そのパルスの数及びパルスの位相を調整することで出力に高調波成分が出ないようにする。
そのため、同期検波のスイッチの入力を従来の図１１のように非反転信号と反転信号の２モード動作から、図１に示すように、非反転信号と反転信号とゼロ出力（入力無し）の３モード動作に変更する。そして、それぞれのパルスのデューティを特定の値に設定する。ここに、ゼロ出力は回路で０ボルトを構成してもよいが、平滑回路２３の入力としてゼロ出力モード時には信号を受け付けないとしてソフトウェアで処理してもよい。

センサキャリア周波数の奇数次高調波は、同期検波回路のスイッチのデューティを特定の値にすることで検波後の変位信号から除去できる。
パルスの生成方法の条件は基本的には、１８０度＋３６０度×ｎ（ｎは０を含む正の整数）の位相角で生じさせるように調整する。そして、同期検波のスイッチのパルスのデューティが、高調波波形のプラス側面積とマイナス側面積が等しくなるように設定する。

また、センサ信号の感度が最も大きい位相角が中心となるようにパルスのデューティを調整する。即ち、センサ信号が３６０度の正弦波であれば９０度、２７０度の位相角を中心にパルスのデューティを調整することが望ましい。
図３は、この条件に基づき算出した、奇数次高調波を除去するための代表的なパルス幅の設定値例である。基本波のサイン半波の角度（０からπ）に対する反転スイッチ１３をＯＮ／ＯＦＦするタイミングを示している。

また、図４には、この図３の設定値例でパルスを設定したときの基本波とパルスデューティの関係を波形図で示す。
各モードのデューティは、例えば３次高調波を除去したい場合、キャリア周波数の全波の位相０度～３６０度の内、０度～３０度はゼロ出力、３０度～１５０度は非反転、１５０度～２１０度はゼロ出力、２１０度～３３０度は反転、３３０度～３６０度はゼロ出力とする。

それにより、非反転動作中の１２０度（＝１５０度－３０度）は、３次高調波では３６０度（１２０度×３）に相当し３次高調波はちょうど１周期分サンプリングされるので、同期検波回路の出力に正や負のノイズとして現れない。
図４の（ｃ）には、このような３次高調波を除去するために同期検波のスイッチのパルスのデューティを１２０度の１パルスにした例を示している。
ここに、反転スイッチ１３は基本波の角度がπから２πまではＯＦＦにする。

一方、非反転スイッチ１５は基本波の角度が０からπまではＯＦＦにする。非反転スイッチ１５の基本波の角度がπから２πまでのＯＮ／ＯＦＦのタイミングは、図３で示す設定値例の角度に（π）を加算した値にする。
なお、ゼロ出力は非反転スイッチ１５と反転スイッチ１３がともにＯＦＦの間にＯＮにする。

また、図３の設定値例及び図４の波形図に示すように、各モードのスイッチのタイミングとパルス数を適正に制御することで、３次高調波、５次高調波、７次高調波を単独で除去するだけでなく、例えば、３次と５次の高調波、３次と７次の高調波、３次と５次と７次の高調波を同時に除去することも可能である。

図５には、上記のように設定をした同期検波のパルスについて、接続点２１における直流信号の波形例を示すと共に、高次の高調波が除去された度合いを計算した結果を付記する。即ち、本来検出したい基本波と、高調波ノイズの混入した波形に対して、検波デューティを変更した場合の波形と直流信号の成分の値の例を示す。

図５（ａ）に示す通り、従来の制御はデューティ１８０度の単パルスである。このときの基本波の直流成分は０．６３６に対して高調波ノイズ混入時の直流成分は０．６９９であり、ノイズ成分は９．９％含まれている。これに対し、本実施形態では、図５（ｂ）に示す通り、３次高調波除去のためにデューティ１２０度の単パルスとした。その結果、基本波の直流成分は０．５５０に対して高調波ノイズ混入時の直流成分は０．５３７であり、ノイズ成分は２．５％となる。従って、従来例に比べて高調波ノイズを１／４程度にまで減らすことができた。

また、図５（ｃ）では、３次高調波と５次高調波とを除去するために図示の通りデューティ１２０度の３パルスとした。このときの１周期（０～２π）分における、反転スイッチ、ゼロ出力スイッチ、非反転スイッチの各スイッチのパルス波形を図６に示す。

その結果、基本波の直流成分は０．５２６に対して高調波ノイズ混入時の直流成分は０．５３０であり、ノイズ成分は０．７％となり従来例の７％程度にまで飛躍的に減らすことができた。更に、図５（ｄ）では、３次高調波と５次高調波と７次高調波とを除去するために図示の通りデューティ１２０度の７パルスとした。その結果、基本波の直流成分は０．５１０に対して高調波ノイズ混入時の直流成分は０．５１０であり、ノイズ成分は０．０％にまで減らすことができた。
以上のように、同期検波のパルスのデューティを適正に設定することで、高調波ノイズが効率良く除去できることが分かる。

なお、３次高調波を除去すると、３次高調波に対する奇数次高調波も同時に除去される。即ち、３次×３＝９次、３次×５＝１５次．．．等も同時に除去される。同様に５次高調波を除去すると、５次高調波に対する奇数次高調波も同時に除去される。また、同様に３次と５次と７次の高調波を同時に除去すると、３次、５次、７次、９次が除去され、すべての一桁の高調波が除去できることになる。

なお、キャリア周波数の偶数次高調波のノイズ成分は図７に示す通り、例えば３次高調波を除去する際には、反転信号と非反転信号の積分された直流分が逆極性になり、パルスのデューティに重なった部分のプラス側面積とマイナス側面積が等しくなって相殺されるので出力に現れない。

パルスのデューティの生成方法については、マイコン等により図３の設定例に示した通りの設定を行えば図５で説明したような高精度な高調波の除去が可能である。しかしながら、高調波除去の精度は多少落ちるが、以下のように生成することも可能である。
即ち、前記パルスのデューティに、正弦波ＰＷＭを生成するデューティを用いることが可能である。正弦波ＰＷＭを生成するデューティは、正弦波の１周期を複数の時間に分割し、分割された時間ごとに正弦波の平均振幅と平均振幅が略等しい矩形波のデューティを求めることで得られる。例えば、図８に示すように、発振器の正弦波とＰＷＭ周波数の三角波の振幅を比較し、正弦波の方が大きい期間スイッチをＯＮにする。これにより、簡単な処理でパルスのデューティが生成され、高調波ノイズの除去が可能である。

以上により、同期検波回路のスイッチのデューティを特定の値にすることで、変位センサ信号に混入するセンサキャリア周波数の奇数次高調波成分のスイッチングノイズを、検波後の変位信号から除去できる。このため、高価な部品の追加が必要無く、コストアップすること無しに低振動や低騒音の磁気軸受装置が実現できる。

次に、電磁石パワーアンプやモータ１２１の駆動用のインバータで発生する高周波のスイッチングスパイクノイズの除去方法について説明する。
ターボ分子ポンプ１００では、電磁石パワーアンプやモータ１２１の駆動用のインバータが電力をＰＷＭ制御している。そして、電力スイッチング動作時のスイッチのＯＮ／ＯＦＦの瞬間、電磁石やモータ１２１に急峻な電圧の変化が生じるため、非常に高周波のスイッチングスパイクノイズが発生するおそれがある。

このスパイクノイズは変位センサの１周期に比べ、非常に短時間で、周波数が高いノイズである。このため、このスパイクノイズもセンサ信号に混入した場合、変位センサの直流信号に現れる場合がある。
本発明では、センサ信号を出力に伝えないゼロ出力（入力無し）のモードが存在するので、ゼロ出力の時間に電力スイッチのＯＮ／ＯＦＦを実行するように電力スイッチ回路を制御することで、スパイクノイズのセンサ信号への混入を抑制させる。

具体的には、電磁石パワーアンプやモータ１２１の駆動用のインバータの電力スイッチング周波数を変位センサのキャリア周波数の偶数次に同期させ、電力スイッチのＯＮ／ＯＦＦのタイミングをセンサのサイン基本波の０度と１８０度付近に実行させる。
なお、電力スイッチング周波数を変位センサのキャリア周波数の奇数次に同期させることは、キャリア周波数の奇数次がセンサ出力に出易いので避けた方が望ましい。

電力スイッチのＯＮ／ＯＦＦのタイミングはＰＷＭ制御のために中心値の前後にばらつくが、全体としてはサイン基本波の０度と１８０度付近に集中する。
図９（ａ）には、従来例である、本来検出したい基本波と、３次＋５次＋７次の高調波ノイズと、スパイクノイズの混入した波形（全高調波）とを示す。このときのパルスは単パルスで検波デューティは１８０度である。

これに対して、図９（ｂ）には、３次高調波除去のために単パルスで検波デューティを１２０度に変更した場合の波形を示す。また、直流成分の値を縦軸に示している。図９（ａ）と図９（ｂ）とを対比して分かる通り、０度と１８０度付近に従来あったスパイクノイズは消えている。

即ち、通常運転時の電磁石パワーアンプパワースイッチ等のＯＮ／ＯＦＦタイミングを変位センサのセンサキャリアの０度と１８０度付近に集中させ、この付近のセンサのスイッチをゼロ出力にしておけば、センサ信号に電磁石パワーアンプ等のノイズを混入しにくくできる。
なお、本発明は、本発明の精神を逸脱しない限り種々の改変をなすことができ、上述した実施形態及び各変形例は、種々組み合わせることができる。

１、３発振器
７バンドパスフィルタ
９反転増幅器
１１非反転増幅器
１３反転スイッチ
１５非反転スイッチ
１７、１９、２９操作信号
２１接続点
２３平滑回路
２５接地
２７ゼロスイッチ
１００ターボ分子ポンプ
１０４上側径方向電磁石
１０５下側径方向電磁石
１０７上側径方向センサ
１０８下側径方向センサ
１１３ロータ軸
１２１モータ

Claims

高調波信号の重畳した交流波形信号より前記高調波信号を除去する高調波除去回路であって、
前記交流波形信号に同期したパルスのデューティが、前記高調波信号のプラス側面積とマイナス側面積とが等しくなるように設定され、
前記パルスが、５次の高調波を除去するため、
前記交流波形信号の半周期中に４π／５[rad]の合計デューティ（π[rad]が１００％に相当）を有する１つのパルスで生成されたことを特徴とする高調波除去回路。
高調波信号の重畳した交流波形信号より前記高調波信号を除去する高調波除去回路であって、
前記交流波形信号に同期したパルスのデューティが、前記高調波信号のプラス側面積とマイナス側面積とが等しくなるように設定され、
前記パルスが、７次の高調波を除去するため、
前記交流波形信号の半周期中に６π／７[rad]の合計デューティ（π[rad]が１００％に相当）を有する１つのパルスで生成されたことを特徴とする高調波除去回路。
高調波信号の重畳した交流波形信号より前記高調波信号を除去する高調波除去回路であって、
前記交流波形信号に同期したパルスのデューティが、前記高調波信号のプラス側面積とマイナス側面積とが等しくなるように設定され、
前記パルスが、３次と５次の高調波を同時に除去するため、
前記交流波形信号の半周期中に２π／３[rad]の合計デューティ（π[rad]が１００％に相当）を有する３つのパルスで生成されたことを特徴とする高調波除去回路。
高調波信号の重畳した交流波形信号より前記高調波信号を除去する高調波除去回路であって、
前記交流波形信号に同期したパルスのデューティが、前記高調波信号のプラス側面積とマイナス側面積とが等しくなるように設定され、
前記パルスが、３次と７次の高調波を同時に除去するため、
前記交流波形信号の半周期中に２π／３[rad]の合計デューティ（π[rad]が１００％に相当）を有する３つのパルスで生成されたことを特徴とする高調波除去回路。
高調波信号の重畳した交流波形信号より前記高調波信号を除去する高調波除去回路であって、
前記交流波形信号に同期したパルスのデューティが、前記高調波信号のプラス側面積とマイナス側面積とが等しくなるように設定され、
前記パルスが、３次と５次と７次の高調波を同時に除去するため、
前記交流波形信号の半周期中に２π／３[rad]の合計デューティ（π[rad]が１００％に相当）を有する７つのパルスで生成されたことを特徴とする高調波除去回路。
前記パルスの前記デューティに、正弦波ＰＷＭを生成するデューティを用いることを特徴とする請求項１～５のいずれか一項に記載の高調波除去回路。
前記パルスの前記デューティが、反転増幅による出力、非反転増幅による出力、ゼロ出力の内のいずれかで切り替えて生成されたことを特徴とする請求項１～６のいずれか一項に記載の高調波除去回路。
前記パルスは前記交流波形信号の半周期中に少なくとも一つで構成され、
該パルスの前記デューティが、位相の進行方向に向けて前記交流波形信号のピーク値を中心として対称に生成されたことを特徴とする請求項１～７のいずれか一項に記載の高調波除去回路。
前記ゼロ出力のタイミングに合わせて電力を断接するスイッチが制御されることを特徴とする請求項７に記載の高調波除去回路。
被対象物の位置を非接触に検出する位置検出部と、
前記被対象物の前記位置を電磁石により制御する磁気軸受部と、
前記位置検出部に対し搬送波信号を供給する搬送波信号供給部と、
前記位置検出部で検出された位置信号を前記搬送波信号と同期したスイッチで切り替えることで検波する検波部とを備えた磁気軸受装置であって、
請求項１～９のいずれか一項に記載の高調波除去回路を備えたことを特徴とする磁気軸受装置。
回転体と、
該回転体の位置を非接触に検出する位置検出部と、
前記回転体の前記位置を電磁石により制御する磁気軸受部と、
前記位置検出部に対し搬送波信号を供給する搬送波信号供給部と、
前記位置検出部で検出された位置信号を前記搬送波信号と同期したスイッチで切り替えることで検波する検波部とを備えた真空ポンプであって、
請求項１～９のいずれか一項に記載の高調波除去回路を備えたことを特徴とする真空ポンプ。