WO2012070278A1 - 磁気軸受の制御装置と該装置を備えた排気ポンプ - Google Patents

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大森　秀樹
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    • F16C2360/44—Centrifugal pumps
    • F16C2360/45—Turbo-molecular pumps

Definitions

  • the present invention relates to a control device for a magnetic bearing and an exhaust pump equipped with the device, and in particular, specifies a movable range and a center of an eddy current type gap sensor constituting the magnetic bearing and floats the rotor shaft with the magnetic bearing.
  • the controlled shaft is floated to the center position of the protective bearing.
  • Patent Document 1 is a bearing means for levitating and supporting a rotor shaft (113) of a turbo molecular pump (100) known as an exhaust pump, and an eddy current type gap sensor (on the X axis of an XY coordinate system).
  • an eddy current gap sensor and an electromagnet are also provided on the Y axis of the XY coordinate system.
  • the turbo molecular pump (100) of Patent Document 1 is provided with a protective bearing (120) as an auxiliary device for the magnetic bearing.
  • the protective bearing (120) functions as a means for receiving and stopping the rotation of the rotor shaft (104) when the rotor shaft (104) is abnormally rotated, such as when the floating support control of the rotor shaft (113) by the control device (200) becomes impossible. To do.
  • the initial adjustment is performed so that the rotor shaft (113) rotates around the center of the protective bearing (120) when the turbo molecular pump (100) is shipped from the factory.
  • the initial adjustment is performed according to the flowchart shown in FIG.
  • the initial adjustment method will be described below with reference to the flowchart of FIG.
  • control device (200) turns on the excitation currents of the X-axis upper electromagnets (104X +, 104X-) and the Y-axis upper electromagnet (not shown), and the excitation currents of these electromagnets. Control is started (step 201).
  • the rotor shaft (113) is pulled in the + X direction by the electromagnet (104X +) in the + X direction (step 202).
  • the pulled rotor shaft (113) comes into contact with the inner ring of the protective bearing (120), the eddy current type gap sensor (107A) in the + X axis direction and the eddy current type gap sensor (107B) in the -X axis direction.
  • the + X axis direction movable limit position of the rotor shaft (113) is specified based on the read detection value (step 203).
  • the -X-axis direction movable limit position of the rotor shaft (113) is specified (steps 204 and 205).
  • the midpoint between the + X-axis direction movable limit position and the -X-axis direction movable limit position specified as described above is set to the center of the movable range on the X-axis of the eddy current type gap sensor, that is, X It is calculated and specified as the on-axis protective bearing center (step 206). If the X-axis protective bearing center cannot be calculated and specified, the process returns to step 202 to retry the calculation and specification of the X-axis protective bearing center (No in step 207).
  • the excitation current of the X-axis electromagnet (104X +, 104X-) is adjusted so that the rotor shaft (113) rotates around the specified X-axis protective bearing center. (Yes at step 208 and step 207).
  • control device (200) calculates and specifies the Y-axis protective bearing center (the Y-axis center of the magnetic bearing) based on the same principle as the calculation and specification method for the X-axis protective bearing center described above (Stes 209 to 214), the exciting current of the Y-axis upper electromagnet (not shown) is adjusted so that the rotor shaft (113) rotates around the specified Y-axis protective bearing center (step 215).
  • FIG. 5A of the present application shows the X axis of the eddy current type gap sensor on the X axis and the center (the geometrical / mechanical center) of the protective bearing 120 during the conventional initial adjustment according to the flowchart of FIG.
  • the center of the upper movable range (electrical center) is coincident
  • the center of the protective bearing (120) is coincident with the center of the movable range on the Y axis of the Y-axis eddy current type gap sensor. Show. In this state, the initial adjustment ends normally.
  • FIG. 5A of the present application shows the X axis of the eddy current type gap sensor on the X axis and the center (the geometrical / mechanical center) of the protective bearing 120 during the conventional initial adjustment according to the flowchart of FIG.
  • the center of the upper movable range (electrical center) is coincident
  • the center of the protective bearing (120) is coincident with the center of the movable range on the Y axi
  • the above-described eddy current type on-axis gap sensor (107B) is described as “+ X sensor, ⁇ X sensor”, and an eddy current type on-axis gap sensor (not shown).
  • eddy current type on-axis gap sensor (not shown).
  • the center of the protective bearing (120) and the eddy current on the X axis does not match as shown in FIG.
  • the conventional initial adjustment according to the flowchart of FIG. 4 described above when the rotor shaft (130) is pulled in the + X direction in step 202, the rotor shaft (130) is moved to the inner ring of the protective bearing (120). There is a problem that a so-called oscillation phenomenon occurs that reciprocates along the circular arc surface.
  • This oscillation phenomenon is caused by the force component in the tangential direction of the arc of the inner ring of the protective bearing (120) among the components of the force pulling the rotor shaft (130) in the + X direction.
  • the position of the rotor shaft (130) in the Y-axis direction changes as a result of the movement, and an excitation current for returning this change acts on an electromagnet in the Y-axis direction (not shown). It is because.
  • the same oscillation phenomenon occurs when the rotor shaft (130) is pulled in the -X direction in step 204, or when the rotor shaft (130) is pulled in the + Y direction or -Y direction in step 209 or 211. There is a problem that it occurs.
  • the present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and its purpose is to identify the movable range and the center of the eddy current gap sensor constituting the magnetic bearing, and to lift the rotor shaft and other components that are levitated by the magnetic bearing. It is an object of the present invention to provide a magnetic bearing control device capable of levitating a controlled shaft to the center position of a protective bearing, and an exhaust pump including the device.
  • a control apparatus for a magnetic bearing provides a gap between an eddy current gap sensor provided on the X axis and the Y axis of an XY coordinate system and a controlled shaft levitated by the magnetic bearing. Is detected by the eddy current type gap sensor, and the electromagnet on the X-axis and the electromagnet on the Y-axis are excited based on the detected value, thereby controlling the magnetic bearing that levitates and supports the controlled shaft by the magnetic force of these electromagnets.
  • the apparatus for controlling a magnetic bearing is based on a first function for detecting an X axis direction movable limit position of the controlled shaft and an X axis direction movable limit position detected by the first function.
  • a second function for specifying the center of the movable range on the X axis of the eddy current type gap sensor on the X axis a third function for detecting a movable limit position in the Y-axis direction of the controlled axis, and the third function On the Y axis based on the Y axis direction movable limit position detected by the function
  • the fourth function of specifying the center of the movable range on the Y axis of the current type gap sensor, the detection of the movable limit position in the X axis direction by the first function, and the center of the movable range on the X axis by the second function When specifying, the excitation current of the Y-axis electromagnet is turned off, and when the Y-axis
  • the exhaust pump according to the present invention is an exhaust pump having a shaft supported by the magnetic bearing, wherein the exhaust pump includes a control device for the magnetic bearing.
  • the X-axis direction movable limit position is detected by the first function and the second function.
  • the center of the movable range on the X-axis by turning off the excitation current of the electromagnet on the Y-axis
  • the function to turn off the exciting current of the electromagnet on the X axis was adopted.
  • the conventional oscillation phenomenon is effectively suppressed, and the movable range on the X axis and its center and the movable range on the Y axis and its center of the eddy current type gap sensor can be specified.
  • the exhaust pump having the controlled shaft to be controlled cannot specify the center of the movable range on the X and Y axes, and the controlled shaft cannot be lifted to the center position of the protective bearing, resulting in the initial adjustment failure and the shipment stoppage. Can be effectively avoided.
  • 5A shows that the center of the protective bearing (geometric and mechanical center) coincides with the center of the movable range on the X axis (electrical center) of the eddy current type gap sensor on the X axis, and Explanatory drawing of the state where the center of the protective bearing (geometric and mechanical center) and the center of the movable range on the Y-axis of the eddy current type gap sensor on the Y-axis (electrical center) coincide. (B) is explanatory drawing of the state which does not correspond.
  • FIG. 1 is a sectional view of an exhaust pump to which a magnetic bearing control device according to the present invention is applied.
  • the exhaust pump P shown in the figure is used as, for example, a gas exhaust means for a process chamber or other sealed chamber in a semiconductor manufacturing apparatus, a flat panel display manufacturing apparatus, or a solar panel manufacturing apparatus.
  • This exhaust pump includes a blade exhaust part Pt that exhausts gas by the rotary blade 13 and the fixed blade 14, a screw groove exhaust part Ps that exhausts gas by using the screw groove 19, and a drive thereof in the outer case 1.
  • This exhaust pump includes a blade exhaust part Pt that exhausts gas by the rotary blade 13 and the fixed blade 14, a screw groove exhaust part Ps that exhausts gas by using the screw groove 19, and a drive thereof in the outer case 1. System.
  • the outer case 1 has a bottomed cylindrical shape in which a cylindrical pump case 1A and a bottomed cylindrical pump base 1B are integrally connected with bolts in the cylinder axis direction.
  • the upper end portion side of the pump case 1A is opened as a gas intake port 2, and a gas exhaust port 3 is provided on the side surface of the lower end portion of the pump base 1B.
  • the gas inlet 2 is connected to a sealed chamber (not shown), which is a high vacuum, such as a process chamber of a semiconductor manufacturing apparatus, by a bolt (not shown) provided on the flange 1C on the upper edge of the pump case 1A.
  • the gas exhaust port 3 is connected so as to communicate with an auxiliary pump (not shown).
  • a cylindrical stator column 4 containing various electrical components is provided in the center of the pump case 1A, and the stator column 4 is erected in such a manner that its lower end is screwed and fixed onto the pump base 1B. is there.
  • a rotor shaft 5 (controlled shaft) that is levitated by a radial magnetic bearing and an axial magnetic bearing described later is provided inside the stator column 4, and the rotor shaft 5 has an upper end facing the direction of the gas inlet 2.
  • the lower end of the pump base 1B faces the pump base 1B.
  • the upper end portion of the rotor shaft 5 is provided so as to protrude upward from the cylindrical upper end surface of the stator column 4.
  • the rotor shaft 5 is levitated and supported by the magnetic force of the radial magnetic bearing 10 and the axial magnetic bearing 11 so that the radial direction and the axial direction can rotate, and is driven to rotate by the drive motor 12. Further, protective bearings B1 and B2 are provided on the upper and lower ends of the rotor shaft 5.
  • the drive motor 12 has a structure including a stator 12 ⁇ / b> A and a rotor 12 ⁇ / b> B, and is provided near the center of the rotor shaft 5.
  • the stator 12 ⁇ / b> A of the drive motor 12 is installed inside the stator column 4, and the rotor 12 ⁇ / b> B of the drive motor 12 is integrally mounted on the outer peripheral surface side of the rotor shaft 5.
  • the protective bearing B1 on the upper end side of the rotor shaft 5 is the diameter of the rotor shaft 5 when the rotor shaft 5 is abnormally rotated, such as when the floating position control of the rotor shaft 5 by the radial magnetic bearing 10 or the axial magnetic bearing 11 becomes impossible. It functions as a means for receiving and stopping the rotation of the rotor shaft 5 from the direction.
  • the outer ring of the protective bearing B1 is attached and fixed to the inner peripheral surface side of the stator column 4, and the inner ring of the protective bearing B1 is separated from the upper outer peripheral surface of the rotor shaft 5 by a predetermined gap. It is provided so as to face each other.
  • the protective bearing B2 on the lower end side of the rotor shaft 5 is such that the lower end shoulder of the rotor shaft 5 contacts the inner ring end surface of the protective bearing B2 when the rotation of the rotor shaft 5 is abnormal, or the outer peripheral surface of the lower end of the rotor shaft 5 is the same protected.
  • the rotor shaft 5 functions as a means for mechanically supporting the rotor shaft 5 in the radial direction and the axial direction by contacting the inner peripheral surface of the inner ring of the bearing B2.
  • the outer ring of the protective bearing B2 is attached and fixed to the inner peripheral surface side of the stator column 4 via an axial electromagnet 11B described later, and the inner ring of the protective bearing B2 is the lower end of the rotor shaft 5 It is provided so as to face the shoulder and the outer peripheral surface with a predetermined gap.
  • Two sets of radial magnetic bearings 10 are arranged one by one above and below the drive motor 12, and one set of axial magnetic bearings 11 is arranged on the lower end side of the rotor shaft 5.
  • an XY coordinate system having an axis center of the rotor shaft 5 as an origin, an X axis in the radial direction of the rotor shaft 5 from the origin, and a Y axis perpendicular thereto is provided. explain.
  • the two sets of radial magnetic bearings 10 and 10 are respectively a radial electromagnet target 10A attached to the outer peripheral surface of the rotor shaft 5, a radial electromagnet 10B installed on the inner side surface of the stator column 4 facing this, and an eddy current gap sensor 10C. It is configured with.
  • the radial electromagnet target 10A is formed of a laminated steel plate in which steel plates of a high permeability material are laminated.
  • a total of four radial electromagnets 10B are arranged in each of + X direction, -X direction, + Y direction, and -Y direction, and are controlled by the magnetic bearing control device 20 shown in FIG. Excited by the excited current, the rotor shaft 5 is attracted by a magnetic force in the radial direction through the radial electromagnet target 10A.
  • a radial electromagnet on the X axis specifically, a radial electromagnet positioned in the + X direction is referred to as a “+ X electromagnet”, and in the ⁇ X direction.
  • the radial electromagnet located is called “ ⁇ X electromagnet”.
  • a radial electromagnet on the Y axis, specifically, a radial electromagnet positioned in the + Y direction is referred to as a “+ Y electromagnet”, and a radial electromagnet positioned in the ⁇ Y direction is referred to as a “ ⁇ Y electromagnet”.
  • the eddy current type gap sensor 10C is arranged in a total of four sets, one each in the + X direction, the -X direction, the + Y direction, and the -Y direction, and detects a gap from the arrangement position to the rotor shaft 5. The detected value is output to the magnetic bearing control device 20 shown in FIG.
  • an eddy current type gap sensor on the X axis specifically, an eddy current type gap sensor positioned in the + X direction is referred to as “+ X.
  • the eddy current type gap sensor located in the ⁇ X-axis direction is called “ ⁇ X sensor”.
  • An eddy current type gap sensor positioned in the + Y direction is referred to as a “+ Y sensor”, and an eddy current type gap sensor positioned in the ⁇ Y direction is referred to as a “ ⁇ Y sensor”.
  • the axial magnetic bearing 11 includes a disk-shaped armature disk 11A attached to the outer periphery of the lower end portion of the rotor shaft 5, an axial electromagnet 11B facing up and down across the armature disk 11A, and a position slightly away from the lower end surface of the rotor shaft 5. And an axial direction displacement sensor 11C installed in The armature disk 11A is made of a material having high magnetic permeability, and the upper and lower axial electromagnets 11B attract the armature disk 11A from the upper and lower directions with a magnetic force.
  • the axial direction displacement sensor 11 ⁇ / b> C detects the axial displacement of the rotor shaft 5.
  • the rotor shaft 5 is levitated and supported at a predetermined position in the axial direction by controlling the excitation current of the upper and lower axial electromagnets 11B based on the detection value (axial displacement of the rotor shaft 5) detected by the axial direction displacement sensor 11C.
  • a rotor 6 is provided outside the stator column 4.
  • the rotor 6 has a cylindrical shape surrounding the outer periphery of the stator column 4 and is integrated with the rotor shaft 5.
  • a boss hole 7 is provided at the center of the end surface of the rotor 6, and a stepped shoulder (hereinafter referred to as “rotor shaft” on the outer periphery of the upper end of the rotor shaft 5. Shoulder 9 ”). Then, by inserting the tip of the rotor shaft 5 above the rotor shaft shoulder 9 into the boss hole 7 of the end surface of the rotor shaft 5 and fixing the end surface of the rotor shaft 5 and the rotor shaft shoulder 9 with a bolt. The rotor 6 and the rotor shaft 5 are integrated.
  • the rotor 6 is levitated and supported by the radial magnetic bearings 10 and 10 and the axial magnetic bearing 11 through the rotor shaft 5 so as to be rotatable around its axis (rotor shaft 5). Therefore, in the exhaust pump P of FIG. 1, the rotor shaft 5, the radial magnetic bearings 10, 10, and the axial magnetic bearing 11 function as support means for rotatably supporting the rotor 6 about its axis. Further, since the rotor 6 rotates integrally with the rotor shaft 5, the drive motor 12 that rotationally drives the rotor shaft 5 functions as a drive unit that rotationally drives the rotor 6.
  • the magnetic bearing control device 20 calculates a difference between two gap values in the + X direction and the ⁇ X direction by the + X sensor and the ⁇ X sensor of the rotor shaft 5 to be controlled and the magnetic bearing, and corrects the difference and the X direction gap correction.
  • the excitation current of the + X electromagnet and the ⁇ X electromagnet is controlled based on the value, and the difference between the detected values of the + Y sensor and the ⁇ Y sensor and the corresponding gap values in the + Y direction and the ⁇ Y direction is calculated.
  • the rotor shaft 5 is controlled to be levitated and supported by a magnetic force.
  • the initial levitation position is controlled so that the X direction gap correction value and the Y direction gap correction value are 0, and the levitation support is performed.
  • the initial adjustment is performed so that the rotor shaft 5 rotates around the center of the protective bearings B1 and B2 before the exhaust pump P is actually incorporated in a user device and used at the time of factory shipment. Is going.
  • this initial adjustment will be described.
  • the magnetic bearing control device 20 described above is composed of a numerical processing device such as a microcomputer, and is configured to exhibit the following first to fifth functions by executing the initial adjustment flowchart shown in FIG. It is.
  • the first function is a function of detecting the X axis direction movable limit position of the rotor shaft 5.
  • the second function is based on the X-axis direction movable limit position detected by the first function, and the X-axis movable range on the X-axis and the center thereof (the X-axis movable range of the radial magnetic bearing). This is the function that identifies the center.
  • the third function is a function of detecting the movable limit position of the rotor shaft 5 in the Y-axis direction.
  • the fourth function is based on the movable limit position in the Y-axis direction detected by the third function and the Y-axis eddy current type gap sensor 10C on the Y-axis movable range and its center (the radial magnetic bearing on the Y-axis movable range). This is the function that identifies the center.
  • the fifth function is to turn off the excitation current of the Y-axis electromagnet 10B (+ Y electromagnet and -Y electromagnet) during detection by the first function and at the time of specification by the second function, and at the time of detection by the third function And at the time of specifying by the fourth function, it is a function for turning off the exciting current of the X-axis upper electromagnet 10B (+ X electromagnet and -X electromagnet).
  • control device 20 first sets the excitation current of the + X electromagnet and the ⁇ X electromagnet (radial electromagnet on the X axis) to ON (energization), and controls the excitation current of the + X electromagnet and the ⁇ X electromagnet.
  • the floating position control of the rotor shaft 5 in the X-axis direction in the radial magnetic bearing 10 is performed (step 101).
  • control device 20 turns off the excitation current of the + Y electromagnet and the ⁇ Y electromagnet (Y-axis radial electromagnet) and stops the control of the excitation current of the + Y electromagnet and the ⁇ Y electromagnet.
  • the floating position control of the rotor shaft 5 in the Y-axis direction in the radial magnetic bearing 10 is not performed (step 102).
  • control device 20 increases the excitation current flowing through the + X electromagnet from the position of the initial gap correction value 0, and decreases the excitation current flowing through the ⁇ X electromagnet, thereby moving the rotor shaft 5 in the + X direction with the + X electromagnet 10B. Pull (step 103).
  • the detected values of the + X and ⁇ X sensors are read, and the + X of the rotor shaft 5 is read based on the read detected values.
  • An axial movement limit position is specified (step 104). In this case, the detected value of the + X and ⁇ X sensors does not change (becomes saturated) after the rotor shaft 5 contacts the inner circumferential arc surface of the inner ring of the protective bearings B1 and B2.
  • the + X-axis direction movable limit position of the rotor shaft 5 is specified based on the detected values of the + X and ⁇ X sensors when it is determined to be in contact. May be.
  • control device 20 increases the current value flowing through the ⁇ X electromagnet and decreases the current value flowing through the + X electromagnet, thereby pulling the rotor shaft 5 in the ⁇ X direction by the ⁇ X electromagnet 10B (step 105).
  • the X axis direction movable limit position is specified (step 106).
  • the -X axis direction movable limit position may be identified by the same method as the + X axis direction movable limit position described above.
  • the control device 20 then proceeds from the + X-axis direction movable limit position to the ⁇ X-axis direction movable limit position.
  • the range is specified as the movable range on the X axis, and the midpoint of these movable limit positions is the center of the movable range on the X axis of the eddy current type gap sensor 10C on the X axis (the center of the movable range on the X axis of the radial magnetic bearing).
  • the X direction gap correction value is stored in a storage memory (not shown) of the control device 20 (step 107).
  • step 108 it is determined whether or not the center of the movable range on the X axis has been specified in step 107. If not, the process returns to step 103 to specify the calculation of the center of the movable range on the X axis. Is retried (No in step 108). On the other hand, if the center of the movable range on the X axis can be specified in step 107, the rotor shaft 5 rotates to the center of the movable range on the X axis with the X direction gap correction value in the storage memory stored in step 107. Thus, the exciting current of the X-axis electromagnet 10B is controlled. Thereby, the rotor shaft 5 is levitated and supported at the center of the specified movable range on the X axis (the center on the X axis of the radial magnetic bearing) (Yes in Step 108, Step 109).
  • control device 20 turns on the excitation current of the + Y electromagnet and the ⁇ Y electromagnet (radial electromagnet on the Y axis) and starts control of the excitation current of the + Y electromagnet and the ⁇ Y electromagnet, thereby starting the radial magnetism.
  • the floating position control of the rotor shaft 5 in the bearing 10 in the Y-axis direction is performed (step 110).
  • control device 20 turns off the excitation current of the + X electromagnet and the ⁇ X electromagnet (radial electromagnet on the X axis) and stops the control of the excitation current of the + X electromagnet and the ⁇ X electromagnet, thereby causing the radial magnetic
  • the floating position control of the rotor shaft 5 in the bearing 10 in the X-axis direction is not performed (step 111).
  • control device 20 increases the excitation current flowing in the + Y electromagnet 10B from the position of the initial gap correction value 0, and decreases the excitation current flowing in the ⁇ Y electromagnet 10B, whereby the + Y electromagnet 10B causes the rotor shaft 5 to be + Y. Pull in the direction (step 112).
  • the + Y-axis direction movable limit position can be specified in the same manner as the + X-axis direction movable limit position described above.
  • control device 20 increases the excitation current flowing through the ⁇ Y electromagnet 10B and decreases the excitation current flowing through the + Y electromagnet 10B, thereby pulling the rotor shaft 5 in the ⁇ Y direction by the ⁇ Y electromagnet 10B (step 114). .
  • the Y axis direction movable limit position is specified (step 115).
  • the specification of the ⁇ Y-axis direction movable limit position can be specified in the same manner as the + X-axis direction movable limit position described above.
  • the control device 20 then proceeds from the + Y-axis direction movable limit position to the ⁇ Y-axis direction movable limit position.
  • the range is specified as the movable range on the Y axis, and the midpoint of these movable limit positions is the center of the movable range on the Y axis of the eddy current type gap sensor 10C on the Y axis (the center of the movable range on the Y axis of the radial magnetic bearing).
  • the Y direction gap correction value is stored in a storage memory (not shown) of the control device 20 (step 116).
  • step 117 it is determined whether or not the center of the movable range on the Y-axis has been specified in the step 116. If not, the process returns to step 112 and the center of the movable range on the Y-axis is determined. The calculation specification is retried (No in step 117). On the other hand, if the center of the movable range on the Y-axis can be specified in step 117, the rotor shaft 5 rotates to the center of the movable range on the Y-axis with the Y-direction gap correction value in the storage memory stored in step 116. In this way, the excitation current of the Y-axis electromagnet 10B is controlled. As a result, the rotor shaft 5 is levitated and supported at the center of the specified movable range on the Y-axis (the center on the Y-axis of the radial magnetic bearing) (Yes in Step 117, Step 118).
  • the excitation currents of the + X electromagnet and the ⁇ X electromagnet are maintained while the excitation currents of the + Y electromagnet and ⁇ Y electromagnet (radial electromagnet on the Y axis) are maintained ON (energized).
  • the X-axis electromagnet 10B is turned on (energized) so that the rotor shaft 5 rotates about the X-axis movable range at the X-direction gap correction value in the storage memory (not shown) stored in step 107. Control the excitation current.
  • the rotor shaft 5 is levitated and supported so as to rotate at the center of the movable range on the X axis and the center of the movable range on the Y axis. If there is no abnormality in the rotation of the rotor shaft 5 at this time, the initial adjustment according to this flowchart is completed, and the exhaust pump P is ready for shipment or can be shifted to another initial adjustment work.
  • a plurality of rotor blades 13 are integrally provided on the outer peripheral surface of the rotor 6 on the upstream side of the middle of the rotor 6.
  • the plurality of rotor blades 13 are arranged radially about the rotation axis of the rotor 6 (rotor shaft 5) or the axis of the outer case 1 (hereinafter referred to as “pump axis”).
  • a plurality of fixed wings 14 are provided on the inner peripheral surface side of the pump case 1A, and these fixed wings 14 are arranged radially around the pump axis.
  • the rotor blades 13 and the stationary blades 14 are alternately arranged in multiple stages along the pump axis, thereby forming the blade exhaust part Pt.
  • Each of the rotor blades 13 is a blade-like cut product that is cut and formed integrally with the outer diameter processed portion of the rotor 6 and is inclined at an angle that is optimal for exhausting gas molecules. All the fixed blades 14 are also inclined at an angle optimal for exhaust of gas molecules.
  • the outer peripheral surface of the rotor 6 on the downstream side from the substantially middle of the rotor 6 is a portion that rotates as a rotating member of the thread groove exhaust portion Ps, and is inserted into the cylindrical thread groove exhaust portion stator 18 via a predetermined gap. Contained.
  • the thread groove exhaust portion stator 18 is a cylindrical fixing member of the thread groove exhaust portion Ps and has a shape that surrounds the outer periphery of the rotor 6 (portion downstream from substantially the middle of the rotor 6).
  • a thread groove 19 is formed which changes into a tapered cone shape whose depth is reduced in diameter downward.
  • the thread groove 19 is spirally engraved from the upper end to the lower end of the thread groove exhaust portion stator 18, and the screw groove 19 and the outer peripheral surface of the rotor 6 allow the rotor 6, the thread groove exhaust portion stator 18, and Between them, a spiral thread groove exhaust passage S is provided.
  • the lower end portion of the thread groove exhaust portion stator 18 is supported by the pump base 1B.
  • the above-described thread groove exhaust passage S may be provided by forming the thread groove 19 described above on the inner peripheral surface of the rotor 6.
  • the depth of the screw groove 19 is set at the upstream inlet side of the screw groove exhaust passage S (gas intake side). It is set so that it is deepest at the passage opening end closer to the port 2 and shallowest at the downstream outlet side (passage opening end closer to the gas exhaust port 3).
  • the upstream inlet of the thread groove exhaust passage S opens toward the lowermost rotary blade 13 or the fixed blade 14 (the lowermost fixed blade 14 in the example of FIG. 1 ) of the rotor blades 13 arranged in multiple stages .
  • the downstream outlet of the passage S is configured to communicate with the gas exhaust port 3 side.
  • the excitation current of the + Y electromagnet and the -Y electromagnet (Y-axis upper electromagnet 10B) is turned OFF, the Y-axis direction movable limit position is detected by the third function, and the Y-axis by the fourth function.
  • the function of turning off the excitation current of the + X electromagnet and the ⁇ X electromagnet (X-axis upper electromagnet 10B) was adopted.
  • the conventional oscillation phenomenon is effectively suppressed, and the X-axis movable range and its center and the Y-axis movable range and its center can be specified, and the X-axis movable range and the Y-axis movable range can be specified. Since the rotor shaft cannot be lifted to the center position of the protective bearing, the exhaust pump P can be avoided from being shipped due to poor initial adjustment.

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Abstract

【課題】磁気軸受を構成する渦電流式ギャップセンサの可動範囲やその中心を特定し、磁気軸受で浮上させるロータ軸その他の被制御軸を保護ベアリングの中心位置に制御しやすくできる磁気軸受の制御装置を提供する。 【解決手段】磁気軸受の制御装置２０は、ロータ軸５のＸ軸方向可動限界位置を検出する第１の機能と、第１の機能で検出したＸ軸方向可動限界位置を基にＸ軸上渦電流式ギャップセンサ１０Ｃ（－Ｘセンサ、＋Ｘセンサ）のＸ軸上可動範囲の中心を特定する第２の機能と、ロータ軸５のＹ軸方向可動限界位置を検出する第３の機能と、第３の機能で検出したＹ軸方向可動限界位置を基にＹ軸上渦電流式ギャップセンサ１０Ｃ（＋Ｙセンサ、－Ｙセンサ）のＹ軸上可動範囲の中心を特定する第４の機能と、第１の機能によるＸ軸方向可動限界位置の検出時及び第２の機能によるＸ軸上可動範囲の中心の特定時は、Ｙ軸上電磁石（＋Ｙ電磁石、－Ｙ電磁石）の励磁電流をＯＦＦにし、第３の機能によるＹ軸方向可動限界位置の検出時及び第４の機能によるＹ軸上可動範囲の中心の特定時は、Ｘ軸上電磁石（＋Ｘ電磁石、－Ｘ電磁石）の励磁電流をＯＦＦにする第５の機能と、を備えるものとする。

Description

磁気軸受の制御装置と該装置を備えた排気ポンプ
　本発明は、磁気軸受の制御装置と該装置を備えた排気ポンプに関し、特に、その磁気軸受を構成する渦電流式ギャップセンサの可動範囲やその中心を特定し、磁気軸受で浮上させるロータ軸その他の被制御軸を保護ベアリングの中心位置に浮上するようにしたものである。
　従来、半導体製造装置、フラット・パネル・ディスプレイ製造装置、ソーラー・パネル製造装置におけるプロセスチャンバやその他の密閉チャンバのガス排気手段等として利用される排気ポンプにおいては、ガス排気時に回転させるロータの回転軸（以下「ロータ軸という）を浮上支持する手段として、磁気軸受を採用したものがある。この種の磁気軸受については、例えば、特許文献１に開示されている。
　同特許文献１の磁気軸受は、排気ポンプとして公知のターボ分子ポンプ（１００）のロータ軸（１１３）を浮上支持する軸受手段であって、ＸＹ座標系のＸ軸上に渦電流式ギャップセンサ（１０７Ａ、１０７Ｂ）と電磁石（１０４Ｘ＋、１０４Ｘ－）とを備えるとともに、このＸ軸上電磁石（１０４Ｘ＋、１０４Ｘ－）の励磁電流を制御する制御装置（２００）を備えている。また、図示は省略されているが、同ＸＹ座標系のＹ軸上にも渦電流式ギャップセンサと電磁石を備えている。
　特許文献１のターボ分子ポンプ（１００）には、磁気軸受の補助装置として保護ベアリング（１２０）を設けている。保護ベアリング（１２０）は、制御装置（２００）によるロータ軸（１１３）の浮上支持制御が不能になった時など、ロータ軸（１０４）の回転異常時に、その回転を受け止めて停止させる手段として機能する。
　ところで、前記保護ベアリング（１２０）の中心とロータ軸（１１３）の回転中心とがずれていると、ロータ軸（１１３）の正常回転時でも、ロータ軸（１１３）と保護ベアリング（１２０）とが接触し易くなるので、従来は、ターボ分子ポンプ（１００）の工場出荷時に、ロータ軸（１１３）が保護ベアリング（１２０）の中心で回転するように初期調整を行っている。
　前記初期調整は、本願の図４に示すフローチャートに従って行われる。以下、この図４のフローチャートに従って初期調整の方式を説明する。
　図４のフローチャートは、例えば制御装置（２００）の図示しない初期調整開始ボタンの押下等により開始される。フローチャートの開始により、磁気軸受の制御装置（２００）では、Ｘ軸上電磁石（１０４Ｘ＋、１０４Ｘ－）および図示しないＹ軸上電磁石の励磁電流をＯＮ（通電）の状態にし、これらの電磁石の励磁電流制御を開始する（ステップ２０１）。
　次に、制御装置（２００）では、＋Ｘ方向の電磁石（１０４Ｘ＋）でロータ軸（１１３）を＋Ｘ方向に引っ張る（ステップ２０２）。そして、引っ張られたロータ軸（１１３）が保護ベアリング（１２０）の内輪に接触した時点で、＋Ｘ軸方向の渦電流式ギャップセンサ（１０７Ａ）と－Ｘ軸方向の渦電流式ギャップセンサ（１０７Ｂ）の検出値を読み取り、読み取った検出値に基づいてロータ軸（１１３）の＋Ｘ軸方向可動限界位置を特定する（ステップ２０３）。これと同様の原理で、同制御装置（２００）においては、ロータ軸（１１３）の－Ｘ軸方向可動限界位置を特定する（ステップ２０４、２０５）。
　その後、制御装置（２００）では、前記のように特定した＋Ｘ軸方向可動限界位置と－Ｘ軸方向可動限界位置との中点を、渦電流式ギャップセンサのＸ軸上可動範囲の中心すなわちＸ軸上保護ベアリング中心として算出特定する（ステップ２０６）。ここで、Ｘ軸上保護ベアリング中心を算出特定できなかった場合には、ステップ２０２に戻り、Ｘ軸上保護ベアリング中心の算出特定を再試行する（ステップ２０７のＮｏ）。一方、Ｘ軸上保護ベアリング中心を算出特定できた場合は、特定したＸ軸上保護ベアリング中心でロータ軸（１１３）が回転するようにＸ軸上電磁石（１０４Ｘ＋、１０４Ｘ－）の励磁電流を調整する（ステップ２０８、ステップ２０７のＹｅｓ）。
　次に、制御装置（２００）では、先に説明したＸ軸上保護ベアリング中心の算出特定方式と同様の原理で、Ｙ軸上保護ベアリング中心（磁気軸受のＹ軸上中心）を算出特定し（ステップ２０９から２１４）、特定したＹ軸上保護ベアリング中心でロータ軸（１１３）が回転するように図示しないＹ軸上電磁石の励磁電流を調整する（ステップ２１５）。
　本願の図５（ａ）は、図４のフローチャートによる従来の初期調整時において、保護ベアリング（１２０）の中心（幾何学的・機械的な中心）とＸ軸上渦電流式ギャップセンサのＸ軸上可動範囲の中心（電気的な中心）とが一致し、かつ、保護ベアリング（１２０）の中心とＹ軸上渦電流式ギャップセンサのＹ軸上可動範囲の中心とが一致している状態を示している。この状態であれば初期調整は正常に終了する。尚、本願の図５（ａ）においては、先に説明したＸ軸上渦電流式ギャップセンサ（１０７Ｂ）を“＋Ｘセンサ、－Ｘセンサ”として記載し、図示しないＹ軸上渦電流式ギャップセンサを“＋Ｙセンサ、－Ｙセンサ”として記載してある。
　しかしながら、渦電流式ギャップセンサ（＋Ｘセンサ、－Ｘセンサ）の取付け位置誤差、あるいは保護ベアリング（１２０）の取付け位置誤差や寸法公差などのため、保護ベアリング（１２０）の中心とＸ軸上渦電流式ギャップセンサのＸ軸上可動範囲の中心とが本願の図５（ｂ）のように一致していない場合もある。この場合、先に説明した図４のフローチャートによる従来の初期調整によると、ステップ２０２においてロータ軸（１３０）を＋Ｘ方向へ引っ張った際に、ロータ軸（１３０）が保護ベアリング（１２０）の内輪の円弧面に沿って小刻みに往復運動する、いわゆる発振現象が発生するという問題点がある。
　この発振現象は、ロータ軸（１３０）を＋Ｘ方向に引っ張る力の成分のうち、保護ベアリング（１２０）の内輪の円弧面接線方向の力成分によってロータ軸（１３０）が、その内輪の円弧面に沿って移動すること、及び、その移動によりロータ軸（１３０）のＹ軸方向位置が変化するので、この変化を元に戻そうとするための励磁電流が図示しないＹ軸方向の電磁石に作用することによるものである。なお、前記ステップ２０４においてロータ軸（１３０）を－Ｘ方向に引っ張ったときや、前記ステップ２０９又は２１１においてロータ軸（１３０）を＋Ｙ方向又は－Ｙ方向に引っ張ったときも、同様の発振現象が生じるという問題点がある。
　以上説明したロータ軸（１３０）の発振現象が発生すると、Ｘ軸上の可動範囲やその中心を特定できず、ロータ軸を保護ベアリングの中心位置に浮上出来なくなることから、排気ポンプは初期調整不良として出荷停止とならざるを得ない。
特開２００６－８３９２４号公報
　本発明は前記問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、磁気軸受を構成する渦電流式ギャップセンサの可動範囲やその中心を特定し、磁気軸受で浮上させるロータ軸その他の被制御軸を保護ベアリングの中心位置に浮上できる磁気軸受の制御装置と該装置を備えた排気ポンプを提供することにある。
　前記目的を達成するために、本発明に係る磁気軸受の制御装置は、ＸＹ座標系のＸ軸上とＹ軸上に設けた渦電流式ギャップセンサと磁気軸受で浮上させる被制御軸とのギャップを該渦電流式ギャップセンサで検出し、その検出値を基にＸ軸上電磁石とＹ軸上電磁石を励磁することにより、これらの電磁石の磁力で前記被制御軸を浮上支持する磁気軸受の制御装置であって、前記磁気軸受の制御装置は、前記被制御軸のＸ軸方向可動限界位置を検出する第１の機能と、前記第１の機能で検出したＸ軸方向可動限界位置を基に前記Ｘ軸上渦電流式ギャップセンサのＸ軸上可動範囲の中心を特定する第２の機能と、前記被制御軸のＹ軸方向可動限界位置を検出する第３の機能と、前記第３の機能で検出したＹ軸方向可動限界位置を基に前記Ｙ軸上渦電流式ギャップセンサのＹ軸上可動範囲の中心を特定する第４の機能と、前記第１の機能によるＸ軸方向可動限界位置の検出時及び第２の機能によるＸ軸上可動範囲の中心の特定時は、前記Ｙ軸上電磁石の励磁電流をＯＦＦにし、前記第３の機能によるＹ軸方向可動限界位置の検出時及び第４の機能によるＹ軸上可動範囲の中心の特定時は、前記Ｘ軸上電磁石の励磁電流をＯＦＦにする第５の機能と、を備えることを特徴とする。
　また、本発明に係る排気ポンプは、前記磁気軸受で支持された軸を有する排気ポンプにおいて、前記磁気軸受の制御装置を備えてなることを特徴とする。
　本発明に係る磁気軸受の制御装置とこれを備えた排気ポンプにあっては、その制御装置の具体的な構成として、第１の機能によるＸ軸方向可動限界位置の検出時及び第２の機能によるＸ軸上可動範囲の中心の特定時は、Ｙ軸上電磁石の励磁電流をＯＦＦにし、第３の機能によるＹ軸方向可動限界位置の検出時及び第４の機能によるＹ軸上可動範囲の中心の特定時は、Ｘ軸上電磁石の励磁電流をＯＦＦにする機能を採用した。このため、例えば被制御軸の外周に設けられている保護ベアリングの内輪の内周円弧面に向って該被制御軸を引っ張って接触させることにより該軸のＸ軸方向可動限界位置を検出する際に、Ｙ軸上渦電流式ギャップセンサのＹ軸上可動範囲の中心と保護ベアリングの中心とが一致していない場合でも、Ｙ軸上電磁石の励磁電流がＯＦＦとされることによって被制御軸のＹ軸方向浮上位置制御は行われない。従って、従来のような発振現象は効果的に抑制され、渦電流式ギャップセンサのＸ軸上可動範囲やその中心、及びＹ軸上可動範囲やその中心を特定することができ、磁気軸受で浮上させる被制御軸を有する排気ポンプがＸ軸上、Ｙ軸上可動範囲の中心を特定できず被制御軸を保護ベアリングの中心位置に浮上出来ないことにより初期調整不良として出荷停止となるような事態を効果的に回避できる。
本発明に係る磁気軸受の制御装置を適用した排気ポンプの断面図。 磁気軸受の制御装置とラジアル磁気軸受の説明図。 図２に示した磁気軸受の制御装置で実行される初期調整の流れを示すフローチャート図。 従来の磁気軸受の制御装置で実行される初期調整の流れを示すフローチャート図。 図５（ａ）は、保護ベアリングの中心（幾何学的・機械的な中心）とＸ軸上渦電流式ギャップセンサのＸ軸上可動範囲の中心（電気的な中心）とが一致し、かつ保護ベアリングの中心（幾何学的・機械的な中心）とＹ軸上渦電流式ギャップセンサのＹ軸上可動範囲の中心（電気的な中心）とが一致している状態の説明図、同図（ｂ）は、それらが一致していない状態の説明図。
　以下、本発明の実施形態について、願書に添付した図面を参照しながら説明する。
　図１は本発明に係る磁気軸受の制御装置を適用した排気ポンプの断面図である。同図の排気ポンプＰは、例えば半導体製造装置、フラット・パネル・ディスプレイ製造装置、ソーラー・パネル製造装置におけるプロセスチャンバやその他の密閉チャンバのガス排気手段等として利用される。この排気ポンプは、外装ケース１内に、回転翼１３と固定翼１４により気体を排気する翼排気部Ｐｔと、ネジ溝１９を利用して気体を排気するネジ溝排気部Ｐｓと、これらの駆動系とを有している。
　外装ケース１は、筒状のポンプケース１Ａと有底筒状のポンプベース１Ｂとをその筒軸方向にボルトで一体に連結した有底円筒形になっている。ポンプケース１Ａの上端部側はガス吸気口２として開口しており、ポンプベース１Ｂの下端部側面にはガス排気口３を設けてある。
　ガス吸気口２は、ポンプケース１Ａ上縁のフランジ１Ｃに設けた図示しないボルトにより、例えば半導体製造装置のプロセスチャンバ等、高真空となる図示しない密閉チャンバに接続される。ガス排気口３は、図示しない補助ポンプに連通するように接続される。
　ポンプケース１Ａ内の中央部には各種電装品を内蔵する円筒状のステータコラム４が設けられており、ステータコラム４はその下端側がポンプベース１Ｂ上にネジ止め固定される形態で立設してある。
　ステータコラム４の内側には後述のラジアル磁気軸受、アキシャル磁気軸受で浮上させるロータ軸５（被制御軸）が設けられており、ロータ軸５は、その上端部がガス吸気口２の方向を向き、その下端部がポンプベース１Ｂの方向を向くように配置してある。また、ロータ軸５の上端部はステータコラム４の円筒上端面から上方に突出するように設けてある。
　ロータ軸５は、ラジアル磁気軸受１０とアキシャル磁気軸受１１の磁力で径方向と軸方向が回転可能に浮上支持され、駆動モータ１２により回転駆動される。また、このロータ軸５の上下端側には保護ベアリングＢ１、Ｂ２を設けている。
《駆動モータの詳細構成》
　駆動モータ１２は、固定子１２Ａと回転子１２Ｂとからなる構造であって、ロータ軸５の略中央付近に設けられている。かかる駆動モータ１２の固定子１２Ａはステータコラム４の内側に設置しており、同駆動モータ１２の回転子１２Ｂはロータ軸５の外周面側に一体に装着してある。
《保護ベアリングＢの詳細構成》
　ロータ軸５上端側の保護ベアリングＢ１は、例えばラジアル磁気軸受１０やアキシャル磁気軸受１１によるロータ軸５の浮上位置制御が不能となった時など、ロータ軸５の回転異常時に、ロータ軸５の径方向から該ロータ軸５の回転を受け止めて停止させる手段として機能する。かかる機能を実現するために、同保護ベアリングＢ１の外輪は、ステータコラム４の内周面側に取り付け固定し、同保護ベアリングＢ１の内輪は、ロータ軸５上端外周面と所定の隙間を隔てて対向するように設けている。
　ロータ軸５下端側の保護ベアリングＢ２は、前記ロータ軸５の回転異常時に、ロータ軸５の下端肩部が同保護ベアリングＢ２の内輪端面に接触したり、ロータ軸５の下端外周面が同保護ベアリングＢ２の内輪内周面に接触したりすることで、当該ロータ軸５を径方向及び軸方向に機械的に支持する手段として機能する。かかる機能を実現するために、同保護ベアリングＢ２の外輪は、後述するアキシャル電磁石１１Ｂを介してステータコラム４の内周面側に取り付け固定し、同保護ベアリングＢ２の内輪は、ロータ軸５の下端肩部及び外周面と所定の隙間を隔てて対向するように設けている。
《ラジアル磁気軸受の詳細構成》
　ラジアル磁気軸受１０は、駆動モータ１２の上下に１組ずつ合計２組配置され、アキシャル磁気軸受１１はロータ軸５の下端部側に１組配置されている。以下の説明では、説明の便宜上、図２のように、ロータ軸５の軸心を原点とし、原点からロータ軸５の径方向にＸ軸とこれに直角のＹ軸を備えたＸＹ座標系で説明する。
　２組のラジアル磁気軸受１０、１０は、それぞれ、ロータ軸５の外周面に取り付けたラジアル電磁石ターゲット１０Ａ、これに対向するステータコラム４内側面に設置したラジアル電磁石１０Ｂ、および渦電流式ギャップセンサ１０Ｃを備えて構成される。
　ラジアル電磁石ターゲット１０Ａは、高透磁率材料の鋼板を積層した積層鋼板で形成してある。
　ラジアル電磁石１０Ｂは、図２のように、＋Ｘ方向、－Ｘ方向、＋Ｙ方向、及び－Ｙ方向にそれぞれ一つずつ計４組配置されていて、図２に示す磁気軸受の制御装置２０で制御された励磁電流により励磁され、ラジアル電磁石ターゲット１０Ａを通じてロータ軸５を径方向に磁力で吸引する。
　なお、以下の説明では、説明の便宜上、前記４組のラジアル電磁石１０Ｂのうち、Ｘ軸上ラジアル電磁石、具体的には＋Ｘ方向に位置するラジアル電磁石を「＋Ｘ電磁石」といい、－Ｘ方向に位置するラジアル電磁石を「－Ｘ電磁石」という。また、Ｙ軸上ラジアル電磁石、具体的には＋Ｙ方向に位置するラジアル電磁石を「＋Ｙ電磁石」といい、－Ｙ方向に位置するラジアル電磁石を「－Ｙ電磁石」という。
　渦電流式ギャップセンサ１０Ｃは、＋Ｘ方向、－Ｘ方向、＋Ｙ方向、及び－Ｙ方向にそれぞれ一つずつ計４組配置されていて、その配置位置からロータ軸５までのギャップを検出する。検出値は図２に示す磁気軸受の制御装置２０に出力される。
　なお、以下の説明では、説明の便宜上、前記４組の渦電流式ギャップセンサ１０Ｃのうち、Ｘ軸上渦電流式ギャップセンサ、具体的には＋Ｘ方向に位置する渦電流式ギャップセンサを「＋Ｘセンサ」といい、－Ｘ軸方向に位置する渦電流式ギャップセンサを「－Ｘセンサ」という。また、＋Ｙ方向に位置する渦電流式ギャップセンサを「＋Ｙセンサ」といい、－Ｙ方向に位置する渦電流式ギャップセンサを「－Ｙセンサ」という。
《アキシャル磁気軸受の詳細構成》
　アキシャル磁気軸受１１は、ロータ軸５の下端部外周に取り付けた円盤形状のアーマチュアディスク１１Ａと、アーマチュアディスク１１Ａを挟んで上下に対向するアキシャル電磁石１１Ｂと、ロータ軸５の下端面から少し離れた位置に設置したアキシャル方向変位センサ１１Ｃとを備えて構成される。アーマチュアディスク１１Ａは透磁率の高い材料からなり、上下のアキシャル電磁石１１Ｂはアーマチュアディスク１１Ａをその上下方向から磁力で吸引するようになっている。アキシャル方向変位センサ１１Ｃはロータ軸５の軸方向変位を検出する。そして、アキシャル方向変位センサ１１Ｃでの検出値（ロータ軸５の軸方向変位）に基づき上下のアキシャル電磁石１１Ｂの励磁電流を制御することによって、ロータ軸５は軸方向所定位置に磁力で浮上支持される。
　ステータコラム４の外側にはロータ６が設けられている。このロータ６は、ステータコラム４の外周を囲む円筒形状であって、ロータ軸５に一体化されている。このような一体化の構造例として、図１の排気ポンプＰでは、ロータ６の端面部中心にボス孔７を設けるとともに、ロータ軸５の上端部外周に段状の肩部（以下「ロータ軸肩部９」という）を形成している。そして、ロータ軸肩部９より上のロータ軸５先端部を前記ロータ軸５端面部のボス孔７に嵌め込み、かつ、ロータ軸５端面部とロータ軸肩部９とをボルトで固定することにより、ロータ６とロータ軸５は一体化している。
　前記ロータ６は、ロータ軸５を介してラジアル磁気軸受１０、１０及びアキシャル磁気軸受１１で、その軸心（ロータ軸５）周りに回転可能に浮上支持される。従って、図１の排気ポンプＰでは、ロータ軸５、ラジアル磁気軸受１０、１０、及びアキシャル磁気軸受１１が、ロータ６をその軸心周りに回転可能に支持する支持手段として機能する。またロータ６はロータ軸５と一体に回転するので、ロータ軸５を回転駆動する駆動モータ１２がロータ６を回転駆動する駆動手段として機能する。
《磁気軸受の制御装置の詳細構成》
　磁気軸受の制御装置２０は、制御対象であるロータ軸５と磁気軸受の＋Ｘセンサ及び－Ｘセンサによる＋Ｘ方向と－Ｘ方向の２つのギャップ値の差分を演算し、その差分とＸ方向ギャップ補正値を基準とし＋Ｘ電磁石と－Ｘ電磁石の励磁電流を制御すること、及び、＋Ｙセンサと－Ｙセンサの検出値とこれらに対応する＋Ｙ方向、－Ｙ方向のギャップ値の差分を演算し、その差分とＹ方向ギャップ補正値を基準とし＋Ｙ電磁石と－Ｙ電磁石の励磁電流を制御することにより、ロータ軸５を磁力で浮上支持するように制御している。通常、初期浮上位置は、Ｘ方向ギャップ補正値とＹ方向ギャップ補正値は０として、浮上支持するように電磁石は制御される。
　本実施形態の排気ポンプＰでも、その工場出荷時等、実際に排気ポンプＰをユーザー装置に組み込んで使用する以前に、ロータ軸５が保護ベアリングＢ１、Ｂ２の中心で回転するように初期調整を行っている。以下、この初期調整について説明する。
　前述した磁気軸受の制御装置２０は、マイクロコンピュータ等の数値処理装置で構成されていて、図３に示す初期調整のフローチャートの実行により、下記第１から第５の機能を発揮するように構成してある。
　第１の機能：
　第１の機能は、ロータ軸５のＸ軸方向可動限界位置を検出する機能である。
　第２の機能：
　第２の機能は、第１の機能で検出したＸ軸方向可動限界位置を基にＸ軸上渦電流式ギャップセンサ１０ＣのＸ軸上可動範囲とその中心（ラジアル磁気軸受のＸ軸上可動範囲中心）を特定する機能である。
　第３の機能：
　第３の機能は、ロータ軸５のＹ軸方向可動限界位置を検出する機能である。
　第４の機能：
　第４の機能は、第３の機能で検出したＹ軸方向可動限界位置を基にＹ軸上渦電流式ギャップセンサ１０ＣのＹ軸上可動範囲とその中心（ラジアル磁気軸受のＹ軸上可動範囲中心）を特定する機能である。
　第５の機能：
　第５の機能は、第１の機能による検出時及び第２の機能による特定時は、Ｙ軸上電磁石１０Ｂ（＋Ｙ電磁石と－Ｙ電磁石）の励磁電流をＯＦＦにし、第３の機能による検出時及び第４の機能による特定時は、Ｘ軸上電磁石１０Ｂ（＋Ｘ電磁石と－Ｘ電磁石）の励磁電流をＯＦＦにする機能である。
　次に、図３に示す初期調整のフローチャートを説明する。
　図３に示す初期調整のフローチャートは、本制御装置２０の図示しない初期調整開始ボタンの押下等により開始される。フローチャートの開始により、最初に、制御装置２０では、＋Ｘ電磁石と－Ｘ電磁石（Ｘ軸上ラジアル電磁石）の励磁電流をＯＮ（通電）の状態とし、＋Ｘ電磁石と－Ｘ電磁石の励磁電流の制御を開始することにより、ラジアル磁気軸受１０におけるロータ軸５のＸ軸方向浮上位置制御が行われるようにする（ステップ１０１）。この一方で、制御装置２０は、＋Ｙ電磁石と－Ｙ電磁石（Ｙ軸上ラジアル電磁石）の励磁電流をＯＦＦ（非通電）の状態とし、＋Ｙ電磁石と－Ｙ電磁石の励磁電流の制御を停止することにより、ラジアル磁気軸受１０におけるロータ軸５のＹ軸方向浮上位置制御は行われないようにする（ステップ１０２）。
　次に、制御装置２０では、初期ギャップ補正値０の位置から、＋Ｘ電磁石に流れる励磁電流を増やし、－Ｘの電磁石に流れる励磁電流を減らすことにより、＋Ｘ電磁石１０Ｂでロータ軸５を＋Ｘ方向に引っ張る（ステップ１０３）。
　そして、引っ張られたロータ軸５が保護ベアリングＢ１、Ｂ２の内輪の内周円弧面に接触した時点で、＋Ｘと－Ｘセンサの検出値を読み取り、読み取った検出値に基づいてロータ軸５の＋Ｘ軸方向可動限界位置を特定する（ステップ１０４）。この場合、ロータ軸５が保護ベアリングＢ１、Ｂ２の内輪の内周円弧面に接触した後は＋Ｘと－Ｘセンサの検出値が変化しなくなる（飽和状態になる）ので、かかる検出値の変化量を監視することにより、ロータ軸５が接触したか否かを判定し、接触と判定したときの＋Ｘと－Ｘセンサの検出値に基づいて当該ロータ軸５の＋Ｘ軸方向可動限界位置を特定してもよい。
　その後、制御装置２０では、－Ｘ電磁石に流れる電流値を増やし、＋Ｘの電磁石に流れる電流値を減らすことにより、－Ｘ電磁石１０Ｂでロータ軸５を－Ｘ方向に引っ張る（ステップ１０５）。
　そして、引っ張られたロータ軸５が保護ベアリングＢ１、Ｂ２の内輪の内周円弧面に接触した時点で、＋Ｘと－Ｘセンサの検出値を読み取り、読み取った検出値に基づいてロータ軸５の－Ｘ軸方向可動限界位置を特定する（ステップ１０６）。この－Ｘ軸方向可動限界位置の特定は先に説明した＋Ｘ軸方向可動限界位置と同様の方式で特定してよい。
　以上のようにして＋Ｘ軸方向可動限界位置と－Ｘ軸方向可動限界位置の特定が完了したら、次に、制御装置２０では、その＋Ｘ軸方向可動限界位置から－Ｘ軸方向可動限界位置までの範囲をＸ軸上可動範囲として特定し、かつ、これら可動限界位置の中点をＸ軸上渦電流式ギャップセンサ１０ＣのＸ軸上可動範囲の中心（ラジアル磁気軸受のＸ軸上可動範囲の中心）としてＸ方向ギャップ補正値を算出特定する。Ｘ方向ギャップ補正値は、制御装置２０の記憶メモリ（図示省略）に格納される（ステップ１０７）。
　次のステップ１０８では、前記ステップ１０７でＸ軸上可動範囲の中心を特定できたか否かを判定し、特定できなかった場合は、ステップ１０３に戻って、Ｘ軸上可動範囲の中心の算出特定を再試行する（ステップ１０８のＮｏ）。一方、前記ステップ１０７でＸ軸上可動範囲の中心を特定できた場合には、前記ステップ１０７で格納した記憶メモリ内のＸ方向ギャップ補正値でＸ軸上可動範囲の中心にロータ軸５が回転するようにＸ軸上電磁石１０Ｂの励磁電流を制御する。これにより、ロータ軸５はその特定したＸ軸上可動範囲の中心（ラジアル磁気軸受のＸ軸上中心）に浮上支持される（ステップ１０８のＹｅｓ、ステップ１０９）。
　更に続けて、制御装置２０では、＋Ｙ電磁石と－Ｙ電磁石（Ｙ軸上ラジアル電磁石）の励磁電流をＯＮの状態とし、＋Ｙ電磁石と－Ｙ電磁石の励磁電流の制御を開始することにより、ラジアル磁気軸受１０におけるロータ軸５のＹ軸方向浮上位置制御が行われるようにする（ステップ１１０）。この一方で、制御装置２０は、＋Ｘ電磁石と－Ｘ電磁石（Ｘ軸上ラジアル電磁石）の励磁電流をＯＦＦの状態とし、＋Ｘ電磁石と－Ｘ電磁石の励磁電流の制御を停止することにより、ラジアル磁気軸受１０におけるロータ軸５のＸ軸方向浮上位置制御は行われないようにする（ステップ１１１）。
　次に、制御装置２０では、初期ギャップ補正値０の位置から、＋Ｙ電磁石１０Ｂに流れる励磁電流を増やし、－Ｙの電磁石１０Ｂに流れる励磁電流を減らすことにより、＋Ｙ電磁石１０Ｂでロータ軸５を＋Ｙ方向に引っ張る（ステップ１１２）。
　そして、引っ張られたロータ軸５が保護ベアリングＢ１、Ｂ２の内輪の内周円弧面に接触した時点で、＋Ｙと－Ｙセンサの検出値を読み取り、読み取った検出値に基づいてロータ軸５の＋Ｙ軸方向可動限界位置を特定する（ステップ１１３）。この＋Ｙ軸方向可動限界位置の特定は先に説明した＋Ｘ軸方向可動限界位置と同様の方式で特定できる。
　次に、制御装置２０では、－Ｙ電磁石１０Ｂに流れる励磁電流を増やし、＋Ｙの電磁石１０Ｂに流れる励磁電流を減らすことにより、－Ｙ電磁石１０Ｂでロータ軸５を－Ｙ方向に引っ張る（ステップ１１４）。
　そして、引っ張られたロータ軸５が保護ベアリングＢ１、Ｂ２の内輪の内周円弧面に接触した時点で、＋Ｙと－Ｙセンサの検出値を読み取り、読み取った検出値に基づいてロータ軸５の－Ｙ軸方向可動限界位置を特定する（ステップ１１５）。この－Ｙ軸方向可動限界位置の特定は先に説明した＋Ｘ軸方向可動限界位置と同様の方式で特定できる。
　以上のようにして＋Ｙ軸方向可動限界位置と－Ｙ軸方向可動限界位置の特定が完了したら、次に、制御装置２０では、その＋Ｙ軸方向可動限界位置から－Ｙ軸方向可動限界位置までの範囲をＹ軸上可動範囲として特定し、かつ、これら可動限界位置の中点をＹ軸上渦電流式ギャップセンサ１０ＣのＹ軸上可動範囲の中心（ラジアル磁気軸受のＹ軸上可動範囲の中心）としてＹ方向ギャップ補正値を算出特定する。Ｙ方向ギャップ補正値は制御装置２０の記憶メモリ（図示省略）に格納される（ステップ１１６）。
　そして、次のステップ１１７では、前記ステップ１１６でＹ軸上可動範囲の中心を特定できたか否かを判定し、特定できなかった場合は、ステップ１１２に戻って、Ｙ軸上可動範囲の中心の算出特定を再試行する（ステップ１１７のＮｏ）。一方、前記ステップ１１７でＹ軸上可動範囲の中心を特定できた場合には、前記ステップ１１６で格納した記憶メモリ内のＹ方向ギャップ補正値でＹ軸上可動範囲の中心にロータ軸５が回転するようにＹ軸上電磁石１０Ｂの励磁電流を制御する。これにより、ロータ軸５はその特定したＹ軸上可動範囲の中心（ラジアル磁気軸受のＹ軸上中心）に浮上支持される（ステップ１１７のＹｅｓ、ステップ１１８）。
　その後のステップ１１９では、＋Ｙ電磁石と－Ｙ電磁石（Ｙ軸上ラジアル電磁石）の励磁電流のＯＮ（通電）状態を維持したまま、＋Ｘ電磁石と－Ｘ電磁石（Ｘ軸上ラジアル電磁石）の励磁電流をＯＮ（通電）の状態とし、前記ステップ１０７で格納した記憶メモリ(図示省略)内のＸ方向ギャップ補正値でＸ軸上可動範囲の中心にロータ軸５が回転するようにＸ軸上電磁石１０Ｂの励磁電流を制御する。これにより、ロータ軸５はＸ軸上可動範囲の中心とＹ軸上可動範囲の中心で回転するように浮上支持される。この時点でロータ軸５の回転に異常がないなら本フローチャートによる初期調整が完了し、排気ポンプＰは出荷待ちになる、又は、他の初期調整作業に移行できる。
《翼排気部Ｐｔの詳細構成》
　図１の排気ポンプＰでは、ロータ６の略中間より上流（ロータ６の略中間からロータ６のガス吸気口２側端部までの範囲）が翼排気部Ｐｔとして機能する。以下この翼排気部Ｐｔを詳細に説明する。
　ロータ６の略中間より上流側のロータ６外周面には回転翼１３が一体に複数設けられている。これら複数の回転翼１３は、ロータ６の回転軸心（ロータ軸５）若しくは外装ケース１の軸心（以下「ポンプ軸心」という）を中心として放射状に並んでいる。一方、ポンプケース１Ａの内周面側には固定翼１４が複数設けられており、これらの固定翼１４は、ポンプ軸心を中心として放射状に並んで配置されている。そして、上記回転翼１３と固定翼１４とがポンプ軸心に沿って交互に多段に配置されることによって翼排気部Ｐｔを形成している。
　いずれの回転翼１３も、ロータ６の外径加工部と一体的に切削加工で切り出し形成したブレード状の切削加工品であって、気体分子の排気に最適な角度で傾斜している。いずれの固定翼１４もまた、気体分子の排気に最適な角度で傾斜している。
《翼排気部Ｐｔによる排気動作説明》
　以上の構成からなる翼排気部Ｐｔでは、駆動モータ１２の起動により、ロータ軸５、ロータ６および複数の回転翼１３が一体に高速回転し、最上段の回転翼１３がガス吸気口２から入射した気体分子に下向き方向の運動量を付与する。この下向き方向の運動量を有する気体分子が固定翼１４によって次段の回転翼１３側へ送り込まれる。以上のような気体分子への運動量の付与と送り込み動作とが繰り返し多段に行われることにより、ガス吸気口２側の気体分子はロータ６の下流に向かって順次移行するように排気される。
《ネジ溝排気部Ｐｓの詳細構成》
　図１の排気ポンプＰでは、ロータ６の略中間より下流（ロータ６の略中間からロータ６のガス排気口３側端部までの範囲）がネジ溝排気部Ｐｓとして機能する。以下このネジ溝排気部Ｐｓを詳細に説明する。
　ロータ６の略中間より下流側のロータ６外周面は、ネジ溝排気部Ｐｓの回転部材として回転する部分であって、円筒形のネジ溝排気部ステータ１８内に所定のギャップを介して挿入・収容されている。
　ネジ溝排気部ステータ１８は、ネジ溝排気部Ｐｓの筒形固定部材として、ロータ６の外周（ロータ６の略中間より下流の部分）を囲む形状になっており、その内周部には、深さが下方に向けて小径化したテーパコーン形状に変化するネジ溝１９を形成してある。ネジ溝１９は、ネジ溝排気部ステータ１８の上端から下端にかけて螺旋状に刻設してあり、このようなネジ溝１９とロータ６の外周面とにより、ロータ６とネジ溝排気部ステータ１８との間には、螺旋状のネジ溝排気通路Ｓが設けられる。尚、ネジ溝排気部ステータ１８はその下端部がポンプベース１Ｂで支持されるようになっている。
　図示は省略するが、先に説明したネジ溝１９をロータ６の内周面に形成することで、前記のようなネジ溝排気通路Ｓが設けられるように構成してもよい。
　ネジ溝排気部Ｐｓでは、ネジ溝１９とロータ６の外周面でのドラッグ効果により気体を圧縮しながら移送するため、ネジ溝１９の深さは、ネジ溝排気通路Ｓの上流入口側（ガス吸気口２に近い方の通路開口端）で最も深く、その下流出口側（ガス排気口３に近い方の通路開口端）で最も浅くなるように設定してある。
　ネジ溝排気通路Ｓの上流入口は、多段に配置されている回転翼１３のうち最下段の回転翼１３若しくは固定翼１４（図１の例では最下段の固定翼１４）に向って開口しており、同通路Ｓの下流出口は、ガス排気口３側に連通するように構成してある。
《ネジ溝排気部Ｐｓにおける排気動作説明》
　先に説明した翼排気部Ｐｔの排気動作による移送で最下段の回転翼１３若しくは固定翼１４に到達した気体分子は、それらに向かって開口しているネジ溝排気通路Ｓの上流入口から同ネジ溝排気通路Ｓに移行する。移行した気体分子は、ロータ６の回転によって生じる効果、すなわち、ロータ６の外周面とネジ溝１９でのドラッグ効果によって、遷移流から粘性流に圧縮されながらガス排気口３に向って移行し、最終的に図示しない補助ポンプを通じて外部へ排気される。
　以上説明した本実施形態の排気ポンプＰにあっては、磁気軸受の制御装置２０の具体的な構成として、第１の機能によるＸ軸方向可動限界位置の検出時及び第２の機能によるＸ軸上可動範囲の特定時は、＋Ｙ電磁石と－Ｙ電磁石（Ｙ軸上電磁石１０Ｂ）の励磁電流をＯＦＦにし、第３の機能によるＹ軸方向可動限界位置の検出時及び第４の機能によるＹ軸上可動範囲の特定時は、＋Ｘ電磁石と－Ｘ電磁石（Ｘ軸上電磁石１０Ｂ）の励磁電流をＯＦＦにする機能を採用した。このため、例えば、保護ベアリングＢ１、Ｂ２の内輪の内周円弧面に向ってロータ軸５を引っ張って接触させることによりロータ軸５のＸ軸方向可動限界値を検出する際に、Ｙ軸上渦電流式ギャップセンサ１０ＣのＹ軸上可動範囲の中心と保護ベアリングＢ１、Ｂ２の中心とが一致していない場合でも、＋Ｙ電磁石と－Ｙ電磁石の励磁電流がＯＦＦとされることによってロータ軸５のＹ軸方向浮上位置制御は行われない。従って、従来のような発振現象は効果的に抑制され、Ｘ軸上可動範囲やその中心、及びＹ軸上可動範囲やその中心を特定でき、Ｘ軸上可動範囲やＹ軸上可動範囲を特定できずロータ軸を保護ベアリングの中心位置に浮上出来ないために初期調整不良として排気ポンプＰが出荷停止となるような事態も回避できる。
１　外装ケース
１Ａ　ポンプケース
１Ｂ　ポンプベース
１Ｃ　フランジ
２　ガス吸気口
３　ガス排気口
４　ステータコラム
５　ロータ軸
６　ロータ
７　ボス孔
９　肩部
１０　ラジアル磁気軸受
１０Ａ　ラジアル電磁石ターゲット
１０Ｂ　Ｘ軸上電磁石
１０Ｃ　Ｘ軸上渦電流式ギャップセンサ
１１　アキシャル磁気軸受
１１Ａ　アーマチュアディスク
１１Ｂ　アキシャル電磁石
１１Ｃ　アキシャル方向変位センサ
１２　駆動モータ
１２Ａ　固定子
１２Ｂ　回転子
１３　回転翼
１４　固定翼
１８　ネジ溝排気部ステータ
１９　ネジ溝
２０　磁気軸受の制御装置
Ｂ１、Ｂ２　保護ベアリング
Ｐ　排気ポンプ
Ｐｔ　翼排気部
Ｐｓ　ネジ溝排気部
Ｓ　ネジ溝排気通路

Claims (2)

  1. 　ＸＹ座標系のＸ軸上とＹ軸上に設けた渦電流式ギャップセンサと磁気軸受で浮上させる被制御軸とのギャップを該渦電流式ギャップセンサで検出し、その検出値を基にＸ軸上電磁石とＹ軸上電磁石を励磁することにより、これらの電磁石の磁力で前記被制御軸を浮上支持する磁気軸受の制御装置であって、
    　前記磁気軸受の制御装置は、
    　前記被制御軸のＸ軸方向可動限界位置を検出する第１の機能と、
    　前記第１の機能で検出したＸ軸方向可動限界位置を基に前記Ｘ軸上渦電流式ギャップセンサのＸ軸上可動範囲の中心を特定する第２の機能と、
    　前記被制御軸のＹ軸方向可動限界位置を検出する第３の機能と、
    　前記第３の機能で検出したＹ軸方向可動限界位置を基に前記Ｙ軸上渦電流式ギャップセンサのＹ軸上可動範囲の中心を特定する第４の機能と、
    　前記第１の機能によるＸ軸方向可動限界位置の検出時及び第２の機能によるＸ軸上可動範囲の中心の特定時は、前記Ｙ軸上電磁石の励磁電流をＯＦＦにし、前記第３の機能によるＹ軸方向可動限界位置の検出時及び第４の機能によるＹ軸上可動範囲の中心の特定時は、前記Ｘ軸上電磁石の励磁電流をＯＦＦにする第５の機能と、
    　を備えることを特徴とする磁気軸受の制御装置。
  2. 　前記磁気軸受で支持された前記被制御軸を有する排気ポンプにおいて、請求項１に記載の磁気軸受の制御装置を備えてなることを特徴とする排気ポンプ。
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