TW202319660A - 磁性軸承裝置及真空泵 - Google Patents

Abstract

本發明之課題在於提供一種於使用磁性軸承之懸浮系統中，可高感度測定旋轉體之固有振動模式之磁性軸承裝置及真空泵。 於步驟1中開始第2運轉模式之運轉。於步驟3中控制器7之增益較第1運轉模式時之增益增大。於步驟5中於該狀態下測定固有振動數。成為測定對象之固有振動為旋轉體103之彎曲模式、旋轉葉片102之固有振動模式、起因於定子之振動模式、旋轉體103之剛體模式。於控制裝置之中央運算處理裝置(CPU)進行運算處理，但亦可於外部進行運算處理。於步驟5之固有振動數之測定後，於步驟7中使控制器7之增益恢復為第1運轉模式時之增益。於步驟9中第2運轉模式之運轉結束。因此，可高感度檢測固有振動模式。

Description

磁性軸承裝置及真空泵

本發明係關於一種磁性軸承裝置及真空泵，尤其係於使用磁性軸承之懸浮系統中，可高感度測定旋轉體之固有振動模式之磁性軸承裝置及真空泵。

隨著近年電子技術之發展，記憶體或積體電路等半導體之需求急劇增大。 該等半導體於純度極高之半導體基板摻雜雜質賦予電性性質，或藉由蝕刻於半導體基板上形成細微之電路等而製造。 且，為避免空氣中之塵埃等之影響，該等作業需於高真空狀態之腔室內進行。對於該腔室之排氣，一般使用真空泵，但尤其基於殘留氣體較少，容易保養等之點，大多使用真空泵中之一者即渦輪分子泵。

又，於半導體之製造步驟中，有大量使各種製程氣體作用於半導體基板之步驟，渦輪分子泵不僅使用於將腔室內設為真空，亦使用於自腔室內排出該等製程氣體。 再者，渦輪分子泵亦使用於電子顯微鏡等設備中，為防止因粉塵等之存在引起之電子束之折射等，而將電子顯微鏡等之腔室內之環境設為高度真空狀態。 該渦輪分子泵為對旋轉體進行磁性懸浮控制而具備磁性軸承裝置。且，於該磁性軸承裝置中，於旋轉體之加速運轉期間通過諧振點時或恆速運轉期間產生干擾時等，需高速且強力進行旋轉體之位置控制。

以反饋控制進行該旋轉體之位置控制。於反饋控制中，當於旋轉體產生振動，則欲藉由與振動同步之磁力抑制振動。因此，有時於反饋控制之設計不適切時，會引起振盪現象。為防止該振盪現象，需事先掌握固有振動模式，例如設定切斷與旋轉體之固有振動數對應之頻帶之信號等之適切之濾波器(參照專利文獻1)。於該濾波器之設定不適切之情形時，有產生振動增加、或旋轉體故障之可能性，或需再調整濾波器之虞。 [先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本專利特開平8-121477號公報

[發明所欲解決之問題]

然而，該固有振動模式之數量較多。數量尤多之例為轉子軸之彎曲模式、或渦輪分子泵之旋轉葉片之固有振動模式。因此，難以事先掌握所有固有振動模式。因此，因事先無法掌握之固有振動模式，而於旋轉體之溫度變化或形狀變化、經時變化等系統狀態變化時，旋轉體出現振盪。因此，需在儘可能高感度測定固有振動模式上花功夫。

又，於測定固有振動模式之後，需提高信號之S/N(Signal/Noise：信號/雜訊)比。尤其，於固有振動模式之振動成分之信號小於感測器解析度之情形時，無法檢測固有振動模式。 以下基於圖式說明該現象。此處，圖12顯示基於磁性軸承之控制系統之模型區塊之閉環傳遞函數增益特性。自圖12可知，例如於感測器解析度為虛線之情形時，因表示固有振動之增益之峰值點A超過感測器解析度而可觀測到，但因峰值點B之峰值小於感測器解析度而無法觀測到。 因此，於系統狀態如上所述般變化之情形時，於某狀態下影響較小之峰值點B處之固有模式亦可能成為振盪之原因。

本發明係鑑於此種先前之問題而完成者，其目的在於提供一種於使用磁性軸承之懸浮系統中，可高感度測定旋轉體之固有振動模式之磁性軸承裝置及真空泵。 [解決問題之技術手段]

因此，本發明(技術方案1)係一種磁性軸承裝置，其特徵在於具備旋轉體、以磁力將該旋轉力懸浮支持於空中之磁性軸承、及控制該磁性軸承之磁性軸承控制器，上述磁性軸承控制器之磁性軸承控制具有：第1運轉模式，其以第1磁性軸承控制增益進行上述旋轉體之一般運轉；及第2運轉模式，其以第2磁性軸承控制增益進行上述旋轉體之暫時運轉且測定上述磁性軸承裝置之固有振動數；上述第2磁性軸承控制增益大於上述第1磁性軸承控制增益。

第2運轉模式時之磁性軸承控制增益大於第1運轉模式時。因此，磁性軸承裝置之輸出中包含之固有振動模式所對應之信號變大，信號之S/N比改善，可高感度檢測固有振動模式。

又，本發明(技術方案2)係一種磁性軸承裝置之發明，其特徵在於，於上述旋轉體之旋轉期間進行上述第2運轉模式之固有振動數之測定。

第2運轉模式之磁性軸承控制增益之增加亦可於旋轉體之旋轉期間進行。於該情形時，可高感度測定包含陀螺儀效應等之影響之旋轉體之旋轉時之固有振動模式。

再者，本發明(技術方案3)係一種磁性軸承裝置之發明，其特徵在於，於上述旋轉體之旋轉之停止期間進行上述第2旋轉模式之固有振動數之測定。

第2運轉模式之固有振動數之測定可於旋轉體之停止期間進行。且，此種於旋轉體之停止期間進行磁性軸承控制增益之增加之情形時，萬一因磁性軸承控制增益之增加，控制不穩定化而觸界之情形時，對旋轉體或觸界軸承之衝擊與旋轉時相比較小，安全性較高。

再者，本發明(技術方案4)係一種磁性軸承裝置之發明，其特徵在於，基於由上述第2運轉模式測定出之固有振動數，進行上述第1運轉模式中控制上述磁性軸承之至少一個控制參數之調整。

藉此，可實現更佳之濾波器設計，磁性軸承控制更穩定。

再者，本發明(技術方案5)係一種磁性軸承裝置之發明，其特徵在於上述控制參數之調整於上述旋轉體之旋轉期間進行。

藉由於旋轉體之旋轉期間進行參數之調整，而可效率較佳地進行系統之運用。不浪費為調整參數而停止之時間，縮短達到旋轉體之額定旋轉之時間。

再者，本發明(技術方案6)係一種磁性軸承裝置之發明，上述第2運轉模式構成為具備：第1步驟，其使上述磁性軸承控制之增益自上述第1磁性軸承控制增益增大至上述第2磁性軸承控制增益；第2步驟，其以上述第2磁性軸承控制增益測定上述固有振動數；及第3步驟，其於該第2步驟之測定完成時，自上述第2磁性軸承控制增益恢復為上述第1磁性軸承控制增益。

可效率較佳地進行第2運轉模式之磁性軸承控制增益之增大、磁性軸承控制增益較大之階段之固有振動數之測定、及向第1運轉模式之復原。

再者，本發明(技術方案7)係一種磁性軸承裝置之發明，其特徵在於重複進行自上述第1運轉模式向上述第2運轉模式之遷變、與自上述第2運轉模式向上述第1運轉模式之遷變。

藉由重複進行第1運轉模式向第2運轉模式之遷變、與自第2運轉模式向第1運轉模式之遷變，而可進行複數個狀態下之固有振動模式之測定，可使控制逐漸穩定化。

再者，本發明(技術方案8)係一種磁性軸承裝置之發明，其特徵在於根據上述旋轉體之轉速，進行自上述第1運轉模式向上述第2運轉模式之遷變。

根據旋轉體之轉速可使控制逐漸穩定化。尤其對於伴隨陀螺儀效應等之轉速之變化之固有振動數之變化，可實現更穩定之控制。

再者，本發明(技術方案9)係一種磁性軸承裝置之發明，其特徵在於，於上述第2運轉模式中，增大上述第1運轉模式中為使上述磁性軸承控制之相位前進而配設之濾波器之相位前進量。

磁性軸承控制需用於使相位前進之濾波器。利用該濾波器，使相位之前進量大於第1運轉模式，藉此增大磁性軸承控制增益。藉此，可不增加多餘之濾波器之個數而提高測定感度。因此，可將中央運算處理裝置(CPU：Central Processing Unit)輕量化。

再者，本發明(技術方案10)係一種磁性軸承裝置之發明，其特徵在於，於上述第2運轉模式中，以減弱上述第1運轉模式中為降低上述磁性軸承控制之增益而配設之濾波器之增益之降低量之方式調整上述濾波器之控制參數、或屏除上述濾波器。

磁性軸承控制需用於降低磁性軸承控制增益之濾波器。藉由於第2運轉模式時以減弱增益之降低量之方式調整該濾波器，或者解除濾波器，放大磁性軸承控制增益。藉由對濾波器進行解除等，增大磁性軸承控制增益，於第2運轉模式中容易觀測固有振動模式。尤其容易觀測藉由該濾波器抑制之固有振動模式之頻率變化。

再者，本發明(技術方案11)係一種磁性軸承裝置之發明，其特徵在於，於上述第2運轉模式之固有振動數測定時，將上述磁性軸承控制器之內部產生之起振信號施加於上述磁性軸承控制。

起振信號可藉由CPU等於磁性軸承控制器之內部簡單產生。藉由施加該起振信號，於第2運轉模式中可高感度測定固有振動模式，故容易觀測固有振動模式。又，因無需外部之起振信號發生器或A/D(Analog/Digital：類比/數位)轉換裝置，故謀求小型化、低成本化。

再者，本發明(技術方案12)係一種磁性軸承裝置之發明，其特徵在於，於上述第2運轉模式之固有振動數測定時，不對上述磁性軸承控制施加起振信號。

藉由增大磁性軸承控制增益而容易產生自激振動。藉由測定該自激振而可測定固有振動模式。於該構成中，因無需外部之起振信號發生器或A/D轉換裝置、CPU之起振信號之運算，故謀求小型化、低成本化。

再者，本發明(技術方案13)係一種磁性軸承裝置之發明，其特徵在於，於上述第2運轉模式中，花費特定時間使上述第2磁性軸承控制增益逐漸增大，於檢測出因該第2磁性軸承控制增益之增大而產生之振盪時，或確認到該第2磁性軸承控制增益達到特定之控制增益量時，停止增大該第2磁性軸承控制增益。

花費時間使第2磁性軸承控制增益逐漸增大。且，於檢測出因該第2磁性軸承控制增益之增大而產生之振盪時，或確認到該第2磁性軸承控制增益達到特定之控制增益量時，停止該第2磁性軸承控制增益之增大。藉此，可防止振盪急劇增大而進行更安全之磁性軸承控制。

再者，本發明(技術方案14)係一種真空泵之發明，其特徵在於搭載有如技術方案1至13中任一項記載之磁性軸承裝置。

由於於真空泵中具備旋轉體等，故固有振動模式之數量較多，容易產生該固有振動之振盪，但因可精度較佳地測定固有振動數，故有效地抑制振盪。 [發明之效果]

如以上說明般，根據本發明，因構成為磁性軸承控制具有：第1運轉模式，其以第1磁性軸承控制增益進行旋轉體之一般運轉；及第2運轉模式，其以第2磁性軸承控制增益進行旋轉體之暫時運轉且測定磁性軸承裝置之固有振動數；第2磁性軸承控制增益大於第1磁性軸承控制增益，故可高感度檢測固有振動模式。其結果，可實現更佳之濾波器設計，有助於控制之穩定化。

以下，對本發明之實施形態進行說明。圖1顯示本發明之實施形態中使用之渦輪分子泵之構成圖。於圖1中，渦輪分子泵100於圓筒狀之外筒127之上端形成有吸氣口101。且，於外筒127之內側，具備用於吸引排出氣體之輪機葉片即複數張旋轉葉片102(102a、102b、102c……)。旋轉體103係與旋轉葉片102一起旋轉之構件之總稱，由旋轉葉片102、或安裝於其中心之轉子軸113、及安裝於轉子軸113之金屬盤111等構成。轉子軸113藉由例如5軸控制之磁性軸承懸浮支持於空中且受位置控制。

上側徑向電磁鐵104將4個電磁鐵成對配置於X軸與Y軸。接近該上側徑向電磁鐵104，且與上側徑向電磁鐵104各者對應備置4個上側徑向感測器107。上側徑向感測器107使用例如具有傳導撓阻之電感感測器或渦電流感測器等，基於根據轉子軸113之位置變化之該傳導撓阻之電感變化檢測轉子軸113之位置。該上側徑向感測器107構成為檢測轉子軸113，即固定於此而成為一體之旋轉體103之徑向移位，並發送至未圖示之控制裝置之中央運算處理裝置(CPU)。

於該中央運算處理裝置中，搭載有磁性軸承控制器之功能，例如具有PID(Proportion Integration Differentiation：比例積分微分)調節功能之補償電路基於藉由上側徑向感測器107檢測出之位置信號，產生上側徑向電磁鐵104之激磁控制指令信號，未圖示之磁性軸承用逆變器基於該激磁控制指令信號，對上側徑向電磁鐵104進行激磁控制，藉此調整轉子軸113之上側之徑向位置。

且，該轉子軸113藉由高導磁率材料(鐵、不鏽鋼等)等形成，藉由上側徑向電磁鐵104之磁力吸引。該調整於X軸方向與Y方向上分別獨立進行。又，下側徑向電磁鐵105及下側徑向感測器108與上側徑向電磁鐵104及上側徑向感測器107同樣配置，與上側之徑向位置同樣地調整轉子軸113之下側之徑向位置。

再者，軸向電磁體106A、106B將備置於轉子軸113之下部之圓板狀之金屬盤111上下夾著而配置。金屬盤111由鐵等高導磁率材料構成。為檢測轉子軸113之軸向移位而備置軸向感測器109，且構成為將其之軸向位置信號發送至未圖示之控制裝置之中央運算處理裝置(CPU)。

且，於搭載於中央運算處理裝置之磁性軸承控制器中，例如具有PID調節功能之補償電路基於由軸向感測器109檢測出之軸向位置信號，產生軸向電磁鐵106A與軸向電磁鐵106B各者之激磁控制指令信號，未圖示之磁性軸承用逆變器基於該等激磁控制指令信號，對軸向電磁鐵106A與軸向電磁鐵106B分別進行激磁控制，藉此軸向電磁鐵106A藉由磁力將金屬盤111朝上方吸引，軸向電磁鐵106B將金屬盤111朝下方吸引，從而調整轉子軸113之軸向位置。

如此，控制裝置適當調節該等軸向電磁鐵106A、106B施加於金屬盤111之磁力，使轉子軸113磁性懸浮於軸向上，而空間上非接觸地予以保持。

另一方面，馬達121具備以包圍轉子軸113之方式周狀配置之複數個磁極。各磁極以經由作用於與轉子軸113之間之電磁力旋轉驅動轉子軸113之方式，由控制裝置控制。又，於馬達121組入有未圖示之例如霍爾元件、解析器、編碼器等旋轉速度感測器，藉由該旋轉速度感測器之檢測信號，檢測轉子軸113之旋轉速度。

再者，於例如下側徑向感測器108附近，安裝有未圖示之相位感測器，檢測轉子軸113之旋轉相位。於控制裝置200中，一起使用該相位感測器與旋轉速度感測器之檢測信號檢測磁極之位置。 與旋轉葉片102(102a、102b、102c……)隔開微小空隙配設有複數張固定葉片123(123a、123b、123c……)。旋轉葉片102(102a、102b、102c……)為藉由碰撞分別將排出氣體之分子移送至下方向，自與轉子軸113之軸線垂直之平面傾斜特定之角度而形成。固定葉片123(123a、123b、123c……)由例如鋁、鐵、不鏽鋼、銅等金屬、或包含該等金屬作為成分之合金等金屬構成。

又，固定葉片123亦同樣自與轉子軸113之軸線垂直之平面傾斜特定角度而形成，且朝外筒127之內側與旋轉葉片102之段相互交替配設。且，固定葉片123之外周端以嵌挿於堆積複數段之固定葉片間隔件125(125a、125b、125c……)之間之狀態受支持。 固定葉片間隔件125為環狀之構件，由例如鋁、鐵、不鏽鋼、銅等金屬、或包含該等金屬作為成分之合金等金屬構成。於固定葉片間隔件125之外周，隔開微小空隙固定有外筒127。於外筒127之底部配設有基座部129。於基座部129形成排氣口133，連通於外部。自腔室(真空腔室)側進入吸氣口101並移送至基座部129之排出氣體輸送至排氣口133。

再者，根據渦輪分子泵100之用途，於固定葉片間隔件125之下部與基座部129之間，配設附螺紋間隔件131。附螺紋間隔件131為由鋁、銅、不鏽鋼、鐵、或以該等金屬為成分之合金等金屬構成之圓筒狀之構件，於其內周面刻設有複數條螺旋狀之螺紋槽131a。螺紋槽131a之螺旋方向係於排出氣體之分子朝旋轉體103之旋轉方向移動時，將該分子移送至排氣口133之方向。圓筒部102d下垂至接續旋轉體103之旋轉葉片102(102a、102b、102c……)之最下部。該圓筒部102d之外周面為圓筒狀，且朝附螺紋間隔件131之內周面伸出，與該附螺紋間隔件131之內周面隔開特定間隙接近。將藉由旋轉葉片102及固定葉片123移送至螺紋槽131a之排出氣體引導至螺紋槽131a且輸送至基座部129。

基座部129為構成渦輪分子泵100之基底部之圓盤狀之構件，一般而言藉由鐵、鋁、不鏽鋼等金屬構成。因基座部129物理性保持渦輪分子泵100，且亦兼備熱傳導路之功能，故期望使用鐵、鋁或銅等有剛性且熱傳導率亦較高之金屬。 又，於上側徑向感測器107與旋轉體103之間之定子柱122之上端部，配設有觸界軸承141。另一方面，於下側徑向感測器108之下方，配設有觸界軸承143。

觸界軸承141及觸界軸承143皆由滾珠軸承構成。觸界軸承141及觸界軸承143設置為如於旋轉體103旋轉異常時或停電時等，旋轉體103因某種原因無法磁性懸浮時，使旋轉體103可安全移行為非懸浮狀態。

於該構成中，當旋轉葉片102與轉子軸113一起藉由馬達121旋轉驅動時，藉由旋轉葉片102與固定葉片123之作用，自未圖示之腔室通過吸氣口101吸氣排出氣體。旋轉葉片102之旋轉速度一般為20,000 rpm～90,000 rpm，旋轉葉片102前端之周速度達到200 m/s～400 m/s。自吸氣口101吸氣之排出氣體通過旋轉葉片102與固定葉片123之間，移送至基座部129。

此處，圖2顯示磁性軸承之控制系統之模型區塊圖。設備1為例如渦輪分子泵之上側徑向電磁鐵104、下側徑向電磁鐵105、軸向電磁鐵106A、106B、及旋轉體103。且，例如由感測器3擷取設備1之輸出信號即旋轉體103之位置之移位X，以減法器5算出與移位指令值X*之偏差信號。感測器3係例如上側徑向感測器107、下側徑向感測器108、軸向感測器109。偏差信號於由控制器7調整信號之後，作為位置調整用之控制信號輸入至設備1，調整旋轉體之位置。

圖3顯示該模型之閉環傳遞函數增益特性。於圖3中，第1運轉模式為進行渦輪分子泵100之一般運轉時之磁性軸承系統之閉環傳遞函數增益特性。此時之表示固有振動之增益之峰值點A與峰值點B皆富有餘裕地超過感測器解析能。因此，暫時提高控制器7之磁性軸承控制增益。藉此，第1運轉模式之閉環傳遞函數增益特性之增益上升至第2運轉模式之閉環傳遞函數增益特性為止。

圖4顯示第2運轉模式之運轉流程。於圖4中，於步驟1(圖中省略為S1。以下亦同)中開始第2運轉模式之運轉。於步驟3中控制器7之磁性軸承控制增益較第1運轉模式時之磁性軸承控制增益增大。於步驟5中，於該狀態下測定固有振動數。此時之固有振動數之測定方法較佳為高速傅立葉轉換，亦可為離散傅立葉轉換。成為測定對象之固有振動為旋轉體103之彎曲模式、旋轉葉片102之固有振動模式、起因於定子之振動模式、及旋轉體103之剛體模式。雖以控制裝置之中央運算處理裝置(CPU)進行運算處理，但亦可於外部進行運算處理。於步驟5之測定固有振動數後，於步驟7中控制器7之磁性軸承控制增益恢復為第1運轉模式時之磁性軸承控制增益。且，於步驟9中第2運轉模式之運轉結束。

第2運轉模式時之磁性軸承控制增益大於第1運轉模式時。因此，磁性軸承裝置之輸出中包含之固有振動模式所對應之信號變大，信號之S/N比改善，可高感度檢測固有振動模式。其結果，可實現更佳之濾波器設計，有助於控制之穩定化。另，作為該信號之種類，有移位信號、電流信號等。 渦輪分子泵具備旋轉葉片102，雖容易產生該固有振動之振盪，但可精度較佳地測定旋轉葉片102之固有振動數。

圖5顯示各模式間遷變之運轉流程。於圖5中，步驟11所示之第1運轉模式係進行一般運轉之模式。步驟13所示之第2運轉模式係進行固有振動數之測定之模式。 自第1運轉模式遷變至第2運轉模式時之條件為例如剛出貨後或初期設定時、接入電源時、經過一定時間時、自錯誤狀態復原時、使用者操作時、安裝或卸除泵時、纜線更換時、溫度變化時等。

另一方面，自第2運轉模式轉變為第1運轉模式時之條件為例如固有振動之測定完成時，若於第2運轉模式中未發現固有振動模式，則直接恢復為第1運轉模式。另一方面，若於第2運轉模式中發現固有振動模式，則於恢復為第1運轉模式後設計濾波器。 又，於第2運轉模式中發現固有振動模式之情形時，亦可於自第2運轉模式恢復為第1運轉模式之前，更新第1運轉模式之濾波器。 再者，亦可於檢測出特定值以上之移位或振動譜時自第2運轉模式遷變為第1運轉模式。即，於振動較大之危險之情形等時，中斷測定立即恢復為第1運轉模式。

再者，亦可於第1運轉模式下進行一般運轉，之後於需要時，以例如1秒以下之程度瞬時進行第2運轉模式之運轉，測定固有振動數，之後立即恢復為第1運轉模式。於該情形時，因第2運轉模式之磁性軸承控制增益之增大為瞬時性者，故即使瞬時成為不穩定之控制條件，只要於振盪變大之前恢復為第1運轉模式即安全。只要取得瞬間波形資料，即使恢復為第1運轉模式亦可進行頻譜解析。

接著，對固有振動模式測定後之第1運轉模式之控制參數之調整方法進行說明。對於該調整，除稍後詳細敘述者外，還列舉例如以下之方法。 1、基於測定出之固有振動模式製作新的濾波器。 2、變更現有之濾波器之中心頻率、線寬、大小等參數。 3、取得與轉速、溫度等資訊之相關性，配合該等變更濾波器之參數。 4、變更控制參數之比例增益或積分增益。 5、於認為固有振動之影響非常小之情形時，亦可不進行特別變更。

接著，對增大磁性軸承控制增益之方法進行說明。首先，基於圖6對藉由增加相位前進量而增大磁性軸承控制增益之方法進行說明。圖6係就圖2所示之磁性軸承之控制系統之模型區塊圖之自移位指令值X ^*至移位X之開環傳遞函數特性，比較第1運轉模式與第2運轉模式之控制系統之增益與相位者。 作為磁性軸承控制，控制器7中需作為一般PID控制之微分增益或相位前進濾波器。微分增益由完全微分或不完全微分之濾波器構成。於第2運轉模式中，藉由使該微分增益或相位前進濾波器之相位之前進量大於第1運轉模式而增大磁性軸承控制增益。

根據如圖6之開環傳遞函數之相位特性所示使相位大幅前進，結果，如增益特性所示，隨著該相位前進，高頻側之增益提高。如圖7之相位前進濾波器之板線圖例所示，可知若使相位前進，則越前進，高頻側之增益越大。另，該圖7所示之相位前進濾波器係以次數為2次，中心頻率為100 Hz構成之例。相位前進為所謂PID控制之「D」之功能，為磁性軸承控制所需，故不增加多餘之濾波器之個數提高測定感度。因此，可將中央運算處理裝置(CPU)輕量化。

接著，基於圖8、圖9對藉由暫時解除凹口波濾波器或低通濾波器而使磁性軸承控制增益增大之方法進行說明。 作為磁性軸承控制，控制器7中配設有一般凹口波濾波器或低通濾波器。藉由於第2運轉模式時解除該凹口波濾波器或低通濾波器而增大磁性軸承控制增益。例如，圖8顯示中心頻率1000 Hz之凹口波濾波器之板線圖之例。藉由於第2運轉模式時解除該凹口波濾波器而增大磁性軸承控制增益。

圖9係就圖2所示之磁性軸承之控制系統之模型區塊圖之自移位指令值X ^*至移位X之閉環傳遞函數特性，比較第1運轉模式與第2運轉模式之控制系統之增益者。如圖9所示，藉由解除凹口波濾波器放大增益，而容易於第2運轉模式中觀測固有振動模式。尤其容易觀測由該濾波器抑制之固有振動模式之頻率變化。 另，亦可以於第2運轉模式中減弱第1運轉模式中為降低磁性軸承控制增益而配設之濾波器之增益之降低量之方式，調整濾波器之控制參數。於該情形時，亦可發揮同樣之效果。

接著，對將磁性軸承控制器之內部產生之起振信號施加於磁性軸承控制之方法進行說明。 於第2運轉模式中，於控制器7中，將中央運算處理裝置(CPU)產生之起振信號施加於磁性軸承控制系統，於移位X處觀測對該起振信號之應答。起振信號為例如階躍信號、脈衝信號、白色雜訊、單一頻率之正弦波、掃頻之正弦波、掃頻正弦信號(swept sine signal)。如此於第2運轉模式下暫時施加起振信號，藉此移位X處之固有振動模式之應答變大，可高感度測定固有振動模式，故容易觀測固有振動模式。因無需外部起振信號發生器或A/D轉換裝置，故可謀求小型化、低成本化。 另，使用外部之起振信號發生器，亦可同樣高感度測定固有振動模式。

接著，針對不對磁性軸承控制施加起振信號之構成進行說明。於第2運轉模式中，因磁性軸承控制增益較大，故容易產生因磁性軸承之電流高諧波或來自馬達121或外部之衝擊等引起之干擾、以信號雜訊等為起源之自激振動。藉由測定該自激振動可測定固有振動模式。於該構成中，因無需外部之起振信號發生器或A/D轉換裝置、CPU之起振信號之運算，故可謀求小型化、低成本化。

接著，對逐漸提高控制器7之磁性軸承控制增益之方法進行說明。於第2運轉模式中，逐漸提高控制器7之磁性軸承控制增益。且，於檢測出振盪時，或控制器7之磁性軸承控制增益增加達到特定增益值時，停止增大第2磁性軸承控制增益。 藉此，可防止磁性軸承控制變得更不穩定，可防止振盪急劇增大而進行更安全之磁性軸承控制。另，於檢測出振盪之情形時，期望於停止增大第2磁性軸承控制增益後，立即自第2運轉模式轉變為第1運轉模式，減小磁性軸承控制增益。

接著，對藉由追加濾波器而增大磁性軸承控制增益之方法進行說明。期望此時追加的是微分器、相位前進濾波器、高通濾波器、低通濾波器、帶通濾波器等。為使磁性軸承控制增益增大，而將微分器、相位前進濾波器、高通濾波器等濾波器串聯連接於PID控制器。又，亦可將微分器、相位前進濾波器、高通濾波器、低通濾波器、帶通濾波器等濾波器並聯連接於PID控制器。

另，上述各態樣之第2運轉模式之磁性軸承控制增益之增加可於旋轉體103之停止期間進行。且，此種於旋轉體103之停止期間進行磁性軸承控制增益之增加之情形時，萬一因磁性軸承控制增益之增加，控制不穩定化而觸界之情形時，對旋轉體103或觸界軸承141、143之衝擊與旋轉時相比較小，安全性較高。

又，上述各態樣之第2運轉模式之磁性軸承控制增益之增加可於旋轉體103之旋轉期間進行。於該情形時，可高感度測定包含陀螺儀效應等之影響之旋轉體之旋轉期間之固有振動模式。尤其於以複數個轉速進行使用第2運轉模式之固有振動模式之測定之情形時，可高感度追蹤設想陀螺儀效應等時之因轉速變化引起之固有振動模式之變化。圖10顯示伴隨陀螺儀效應之因轉速引起之固有振動模式頻率之變化。於有陀螺儀效應之情形時，如圖10所示，伴隨轉速之變化，固有振動數變化。於旋轉體103之旋轉期間確認該變化，於各轉速中適切設定濾波器之參數。例如，藉由使凹口波濾波器之中心頻率配合測定值變化，而實現更佳之濾波器設計，控制更穩定。該參數之設定可於旋轉體103旋轉期間時進行，或者，亦可於旋轉體103未旋轉之狀態時進行。

接著，以進行剛出貨後之初期設定之情形為例對濾波器之調整方法進行說明。圖11顯示以將不使旋轉體103旋轉之狀態下之固有振動模式之觀測、與使旋轉體103旋轉之狀態下之固有振動模式之觀測組合之形式，適當地調整濾波器之順序。首先，於步驟15中開始剛出貨後之初期設定。於步驟17中使磁性軸承以第1運轉模式動作，但旋轉體103不旋轉。於步驟19中於不使旋轉體103旋轉之狀態下實施第2運轉模式。即，於該時點濾波器之調整大致完成。

接著於步驟21中恢復為第1運轉模式，於步驟23中以轉速ω1實施第2運轉模式。同樣地以轉速ω2、轉速ω3……進行同樣之處理。作為轉速之設定例，將ω=0～額定轉速為止分割為5～10個區域左右。例如對於額定30,000 rpm，以0、6,000、12,000、18,000、24,000、30,000 rpm實施第1運轉模式與第2運轉模式。期望各第2運轉模式之時間為1秒以下左右。這是因為欲縮短磁性軸承控制增益大幅不穩定之時間，且欲將傅立葉轉換之頻率解析度(=1/(測定時間))縮小至某種程度。例如，於測定時間1秒之資料之情形時，傅立葉轉換頻譜之頻率解析度為1 Hz。

之後，於步驟29中恢復為第1運轉模式，於步驟31中以額定轉速實施第2運轉模式。如此逐漸調整濾波器。於步驟33中完成濾波器之調整恢復為第1運轉模式。且，於步驟35中剛出貨後之初期設定完成。濾波器之調整可於第2運轉模式時進行，但亦可於第2運轉模式中僅進行資料之收集，於下一個第1運轉模式中進行資料之解析與濾波器之調整。圖11之處理亦可於工廠內製造時等進行，但藉由於出貨交付後進行，可進行考慮到製造偏差或使用環境之濾波器調整，故可進行更穩定之控制。

另，雖於第2運轉模式中容易產生振盪，但於該振盪並不危險之情形時，亦可不停止運轉而再調整參數，另一方面，於危險之情形時立即停止運轉。 本發明只要不脫離本發明之精神則可進行各種改變，且，當然本發明亦包含該等改變者。又，上述之各實施形態亦可進行各種組合。

1:設備 3:感測器 5:減法器 7:控制器 100:渦輪分子泵 101:吸氣口 102a:旋轉葉片 102b:旋轉葉片 102c:旋轉葉片 102d:旋轉葉片 103:旋轉體 104:上側徑向電磁鐵 105:下側徑向電磁鐵 106A:軸向電磁體 106B:軸向電磁體 107:上側徑向感測器 108:下側徑向感測器 109:軸向感測器 111:金屬盤 113:轉子軸 121:馬達 122:定子柱 123a:固定葉片 123b:固定葉片 123c:固定葉片 125a:固定葉片間隔件 125b:固定葉片間隔件 125c:固定葉片間隔件 127:外筒 129:基座部 131:附螺紋間隔件 131a:螺紋槽 133:排氣口 141:觸界軸承 143:觸界軸承 A:峰值點 B:峰值點 S1:步驟 S3:步驟 S5:步驟 S7:步驟 S9:步驟 S11:步驟 S13:步驟 S15:步驟 S17:步驟 S19:步驟 S21:步驟 S23:步驟 S25:步驟 S27:步驟 S29:步驟 S31:步驟 S33:步驟 S35:步驟

圖1係本發明之實施形態中使用之渦輪分子泵之構成圖。 圖2係磁性軸承之控制系統之模型區塊圖。 圖3係閉環傳遞函數增益特性。 圖4係第2運轉模式之運轉流程。 圖5係各模式間轉變之運轉流程。 圖6係就開環傳遞函數特性，比較第1運轉模式與第2運轉模式之控制系統之增益與相位之圖(使相位前進時)。 圖7係相位前進濾波器之板線圖例。 圖8係凹口波濾波器之板線圖之例。 圖9係就閉環傳遞函數特性，比較第1運轉模式與第2運轉模式之控制系統之增益與相位之圖(解除凹口波濾波器時)。 圖10係顯示有陀螺儀效應時，固有振動數伴隨轉速之變化而變化之狀況之圖。 圖11係顯示調整濾波器之順序之圖。 圖12係基於先前之磁性軸承之控制系統之模型區塊之閉環傳遞函數增益特性。

S1:步驟

S3:步驟

S5:步驟

S7:步驟

S9:步驟

Claims (14)

1. 一種磁性軸承裝置，其特徵在於具備： 旋轉體； 磁性軸承，其以磁力將該旋轉力懸浮支持於空中；及 磁性軸承控制器，其控制該磁性軸承；且 上述磁性軸承控制器之磁性軸承控制具有：第1運轉模式，其以第1磁性軸承控制增益進行上述旋轉體之一般運轉；及第2運轉模式，其以第2磁性軸承控制增益進行上述旋轉體之暫時運轉且測定上述磁性軸承裝置之固有振動數； 上述第2磁性軸承控制增益大於上述第1磁性軸承控制增益。
2. 如請求項1之磁性軸承裝置，其中於上述旋轉體之旋轉期間進行上述第2運轉模式之固有振動數之測定。
3. 如請求項1或2之磁性軸承裝置，其中於上述旋轉體之旋轉停止期間，進行上述第2運轉模式之固有振動數之測定。
4. 如請求項1至3中任一項之磁性軸承裝置，其中基於由上述第2運轉模式測定出之固有振動數，進行上述第1運轉模式中控制上述磁性軸承之至少一個控制參數之調整。
5. 如請求項4之磁性軸承裝置，其中上述控制參數之調整於上述旋轉體之旋轉期間進行。
6. 如請求項1至5中任一項之磁性軸承裝置，其中上述第2運轉模式具備：第1步驟，其使上述磁性軸承控制之增益自上述第1磁性軸承控制增益增大至上述第2磁性軸承控制增益；第2步驟，其以上述第2磁性軸承控制增益測定上述固有振動數；及第3步驟，其於該第2步驟之測定完成時，自上述第2磁性軸承控制增益恢復為上述第1磁性軸承控制增益。
7. 如請求項1至6中任一項之磁性軸承裝置，其中重複進行自上述第1運轉模式向上述第2運轉模式之遷變、及自上述第2運轉模式向上述第1運轉模式之遷變。
8. 如請求項7之磁性軸承裝置，其中根據上述旋轉體之轉速，進行自上述第1運轉模式向上述第2運轉模式之遷變。
9. 如請求項1至8中任一項之磁性軸承裝置，其中於上述第2運轉模式中，增大上述第1運轉模式下為使上述磁性軸承控制之相位前進而配設之濾波器之相位前進量。
10. 如請求項1至8中任一項之磁性軸承裝置，其中於上述第2運轉模式中，以減弱上述第1運轉模式下為降低上述磁性軸承控制之增益而配設之濾波器之增益之降低量之方式調整上述濾波器之控制參數、或屏除上述濾波器。
11. 如請求項1至10中任一項之磁性軸承裝置，其中於上述第2運轉模式之固有振動數測定時，將上述磁性軸承控制器之內部產生之起振信號施加於上述磁性軸承控制。
12. 如請求項1至10中任一項之磁性軸承裝置，其中於上述第2運轉模式之固有振動數測定時，不對上述磁性軸承控制施加起振信號。
13. 如請求項1至12中任一項之磁性軸承裝置，其中於上述第2運轉模式中，花費特定時間使上述第2磁性軸承控制增益逐漸增大，於檢測出因該第2磁性軸承控制增益之增大而產生之振盪時，或確認到該第2磁性軸承控制增益達到特定之控制增益量時，停止該第2磁性軸承控制增益之增大。
14. 一種真空泵，其搭載有如請求項1至13中任一項之磁性軸承裝置。

Images