JP2006112490A - 磁気軸受装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 桁数の少ないＡ／Ｄコンバータであっても高精度な制御が行え、かつ外乱を受けた際にも安全に動作できる磁気軸受装置を提供する。
【解決手段】 回転体１０３が、あらかじめ設定した回転数に達したなどのタイミングで、ゲイン信号設定部１１より高分解能モードとして高感度のゲイン信号１３を指定する。外乱の加えられたときには、Ａ／Ｄコンバータ１０がオーバーフローし、Ａ／Ｄコンバータ１０の状態信号２５がセットされる。このとき、ゲイン信号設定部１１では、通常モードとするため低感度のゲイン信号１３を指定する。このことにより、外乱の加えられたときでも測定不能とはならず、安定した位置検出が可能となる。
【選択図】 図１

Description

本発明は磁気軸受装置に係わり、特に桁数の少ないＡ／Ｄコンバータであっても高精度な制御が行え、かつ外乱を受けた際にも安全に動作できる磁気軸受装置に関する。

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、エッチングにより半導体基板上に微細な回路を形成したり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、保守が容易等の点から真空ポンプの中の一つであるターボ分子ポンプが多用されている。

また、半導体の製造工程では、様々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にするのにも用いられている。
そして、このようなターボ分子ポンプは、半導体製造装置や電子顕微鏡等のチャンバからガスを吸引排気するためのターボ分子ポンプ本体と、このターボ分子ポンプ本体を制御する制御装置とから構成されている。

このターボ分子ポンプ本体の縦断面図を図５に示す。
図５において、ターボ分子ポンプ本体１００は、円筒状の外筒１２７の上端に吸気口１０１が形成されている。外筒１２７の内方には、ガスを吸引排気するためのタービンブレード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を備える。
この回転体１０３の中心にはロータ軸１１３が取り付けられており、このロータ軸１１３は、例えば、いわゆる５軸制御の磁気軸受により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軸とに対をなして配置されている。この上側径方向電磁石１０４に近接かつ対応されて４個の上側径方向センサ１０７が備えられている。この上側径方向センサ１０７は回転体１０３の径方向変位を検出し、その信号を図示せぬ制御装置に送るように構成されている。

制御装置においては、上側径方向センサ１０７が検出した変位信号に基づき、ＰＩＤ調節機能を有する磁気軸受制御回路を介したアンプの出力により、上側径方向電磁石１０４の励磁を制御し、ロータ軸１１３の上側の径方向位置を調整する。ここで、磁気軸受制御回路は、上側径方向センサ１０７が検出したロータ軸１１３の変位のアナログセンサ信号をＡ／Ｄコンバータでデジタル信号に変換し、その信号を処理し、上側径方向電磁石１０４に流す電流を調整し、ロータ軸１１３を浮上させている。

また、上側径方向電磁石１０４に流す電流を微調整するため、上側径方向電磁石１０４に流した電流を測定し、磁気軸受制御回路にフィードバックしている。
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る。
また、下側径方向電磁石１０５及び下側径方向センサ１０８が、上側径方向電磁石１０４及び上側径方向センサ１０７と同様に配置され、ロータ軸１１３の下側の径方向位置が、上側の径方向位置と同様に、制御装置において調整されている。

更に、軸方向電磁石１０６Ａ、１０６Ｂが、ロータ軸１１３の下部に備えた円板状の金属ディスク１１１を上下に挟んで配置されている。金属ディスク１１１は、鉄などの高透磁率材で構成されている。ロータ軸１１３の軸方向変位を検出するために軸方向センサ１０９が備えられ、その軸方向変位信号が制御装置に送られるように構成されている。

そして、軸方向電磁石１０６Ａ、１０６Ｂは、この軸方向変位信号に基づき制御装置のＰＩＤ調節機能を有する磁気軸受制御回路を介したアンプの出力により、励磁制御されるようになっている。軸方向電磁石１０６Ａは、磁力により金属ディスク１１１を上方に吸引し、軸方向電磁石１０６Ｂは、金属ディスク１１１を下方に吸引する。
このように、制御装置では、この軸方向電磁石１０６Ａ、１０６Ｂが金属ディスク１１１に及ぼす磁力を適当に調節し、ロータ軸１１３を軸方向に磁気浮上させ、空間に非接触で保持する。

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。これら各磁極は、制御装置のＰＷＭ制御機能を有するモータ制御回路を介した駆動回路から出力された動力信号により、モータ１２１を回転駆動するよう制御されている。
また、モータ１２１には、図示しない回転数センサ及びモータ温度センサが取り付けられており、これらの回転数センサ及びモータ温度センサの検出信号を受けて、制御装置においてロータ軸１１３の回転が制御されている。

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。外筒１２７の底部にはベース部１２９が配設され、固定翼スペーサ１２５の下部とベース部１２９の間にはネジ付きスペーサ１３１が配設されている。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１３１ａが複数条刻設されている。
ネジ溝１３１ａの螺旋の方向は、回転体１０３の回転方向に排気ガスの分子が移動したときに、この分子が排気口１３３の方へ移送される方向である。
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、ターボ分子ポンプ本体１００の基底部を構成する円盤状の部材であり、一般には鉄、アルミニウム、ステンレスなどの金属によって構成されている。
ベース部１２９はターボ分子ポンプ本体１００を物理的に保持すると共に、熱の伝導路の機能も兼ね備えているので、鉄、アルミニウムや銅などの剛性があり、熱伝導率も高い金属が使用されるのが望ましい。
また、ベース部１２９には、コネクタ１６０が配設されており、このコネクタ１６０は、ターボ分子ポンプ本体１００と制御装置との間の信号線の出口になっている。

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と共に回転すると、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。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。
なお、上記では、ネジ付きスペーサ１３１は回転翼１０２ｄの外周に配設し、ネジ付きスペーサ１３１の内周面にネジ溝１３１ａが刻設されているとして説明した。しかしながら、これとは逆に回転翼１０２ｄの外周面にネジ溝が刻設され、その周囲に円筒状の内周面を有するスペーサが配置される場合もある。

また、吸気口１０１から吸引されたガスがモータ１２１、下側径方向電磁石１０５、下側径方向センサ１０８、上側径方向電磁石１０４、上側径方向センサ１０７などで構成される電装部側に侵入することのないよう、パージガスにて所定圧に保たれている。
このため、ベース部１２９には図示しない配管が配設され、この配管を通じてパージガスが導入される。導入されたパージガスは、保護ベアリング１２０とロータ軸１１３間、モータ１２１のロータとステータ間、ステータコラム１２２と回転翼１０２間の隙間を通じて排気口１３３へ送出される。

保護ベアリング１２０は、磁気軸受が装置異常や何らかの外乱によって回転体１０３の浮上を維持できなくなった場合に、ロータ軸１１３が各センサや各電磁石と接触しないようにするため備えられている。保護ベアリング１２０とロータ軸１１３間の隙間は、回転体１０３が加減速時の共振点通過時に一時的に振れが大きくなったり、あるいは微小な外乱でただちに保護ベアリング１２０とロータ軸１１３とが接触すると不都合であるから、回転体１０３の保持精度よりも、かなり大きくとってある。

例えば、数μｍの軸保持精度に対して、保護ベアリング１２０とロータ軸１１３間の隙間は１ｍｍ程度に設定する、などである。ここで、磁気浮上していない状態において、ロータ軸１１３は保護ベアリング１２０によって支持されている。このため、磁気軸受を動作させるには、保護ベアリング１２０とロータ軸１１３間の隙間（例えば１ｍｍ）と、軸保持精度（例えば数μｍ）の両方を検出できる変位センサが望まれる。

しかしながら、一般に大きなフルスケールと高い分解能を両立するセンサは高価かつ大型である。また、デジタル制御回路にセンサ信号を取り込むＡ／Ｄコンバータにも大きなｂｉｔ数が必要になり、高価になる。
例えば、センサ出力が−１０〜１０Ｖ（このときの対応する測定距離範囲は、−１ｍｍ〜１ｍｍ）に対して８ｂｉｔのＡ／Ｄコンバータ（−１０〜１０Ｖフルスケールのもの）を使ったとする。この場合の測定分解能を計算（２０Ｖ／２５６）すると、ほぼ０．０８Ｖとなり、これは０．００８ｍｍ（８μｍ）に相当する。

このため、８μｍ以下の変位は検出できない。なお、８ｂｉｔをすべて使用せず、その内の１〜２ｂｉｔを符号ｂｉｔや状態ｂｉｔとして使うことにすると、使用可能なビット数はその分減り分解能はもっと悪くなる。
そこで、この問題に対処するため、例えば、センサ出力信号に応じてシフト信号を加算し、Ａ／Ｄコンバータの入カレンジ内に収まる０近傍の疑似信号とすることで、高分解能を得るようにした技術がある（特許文献１）。シフト信号は時間の関数としている。
特許第３３６２９９６号公報

ところで、特許文献１では磁気軸受起動時（浮上開始時）や加減速時など、事前に挙動の予測できる過渡応答に対しては適用可能と考えられるが、予測困難な外乱（例えば地震や人為的な接触による振動等）を受けた場合には、センサ出力信号がＡ／Ｄコンバータの入カレンジを超えることが十分に起こり得る。そして、その場合には、ロータ軸１１３は高速回転状態から一瞬にして制御不能な状態になるおそれがあった。

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、桁数の少ないＡ／Ｄコンバータであっても高精度な制御が行え、かつ外乱を受けた際にも安全に動作できる磁気軸受装置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、センサと、該センサから出力された信号を入力信号とし、該入力信号に対しバイアス分に相当する第１のシフト信号を調整可能な第１の演算部と、該第１の演算部の出力信号を増幅し、かつ増幅度を変更可能な第１の増幅部と、該第１の増幅部で増幅された信号が入力され、アナログ／デジタル変換される変換部と、該変換部で変換された信号を増幅し、かつ増幅度を変更可能な第２の増幅部と、該第２の増幅部で増幅された信号に対しバイアス分に相当する第２のシフト信号を調整可能な第２の演算部と、前記第１の増幅部の増幅度及び前記第２の増幅部の各増幅度を設定するゲイン信号設定部と、前記第１の演算部及び前記第２の演算部の各シフト信号を設定するシフト信号設定部と、前記変換部より得られた高精度なデータを基に制御信号が生成され、該制御信号により制御が行われる電磁石と、該電磁石により浮上支持されるロータ軸とを備えて構成した。

入力信号に対しバイアス分に相当する第１のシフト信号を調整する。そして、調整された信号を増幅した後に変換部に入力する。このことにより、変換部のアナログ／デジタル変換の性能に制約のある場合であっても高い分解能で検出可能となり精度を上げることができる。
ゲイン信号設定部で増幅部の増幅度を設定可能としたので、検出精度の変更が自由に行える。このため、外乱等により入力信号が変動する場合と入力信号が安定して推移する場合等の各状況の変化に応じて随時、増幅部の増幅度を変えることができ、制御が不能となることはなく安定して行える。

また、本発明（請求項２）は、前記入力信号の変化の最大値と最小値を検出する検出手段を備え、前記シフト信号設定部の各シフト信号が該検出手段で検出された最大値と最小値を基に設定されることを特徴とする。

このことにより、最大値と最小値の間に推移するデータを効率よく取得できる。

更に、本発明（請求項３）は、前記入力信号の変化の最大値と最小値を検出する検出手段を備え、前記ゲイン信号設定部の前記第１の増幅部の増幅度及び前記第２の増幅部の各増幅度の設定が該検出手段で検出された最大値と最小値及び前記変換部の性能を基に設定されることを特徴とする。

このことにより、最大値と最小値の間に推移するデータに対する増幅率を的確に判断し設定できる。

更に、本発明（請求項４）は、前記第１の増幅部の増幅度が前記第２の増幅部の増幅度の逆数であり、かつ前記第１のシフト信号及び前記第２のシフト信号が共通であることを特徴とする。

このことにより、制御を単純化できる。

更に、本発明（請求項５）は、前記ゲイン信号設定部による前記第１の増幅部の増幅度及び前記第２の増幅部の増幅度が前記変換部の状態信号を基に切り換えられることを特徴とする。

変換部の状態信号は、例えばアナログ／デジタル変換の際のオーバーフロー状態を検出した信号であったり、あらかじめ設定された設定値を超えたときの信号等である。このことにより、例えば外乱等により変換部への入力信号がオーバーフローしたような場合であっても増幅部の増幅度を切り換えることで外乱等に影響されずに安全に制御できる。

以上説明したように本発明によれば、入力信号に対しバイアス分に相当する第１のシフト信号を調整し、この調整された信号を増幅した後に変換部に入力するように構成したので、変換部のアナログ／デジタル変換の性能に制約のある場合であっても高い分解能で検出可能となり精度を上げることができる。
また、ゲイン信号設定部で増幅部の増幅度を設定可能としたので、検出精度の変更が自由に行える。

以下、本発明の実施形態について説明する。本発明の実施形態のブロック図を図１に示す。図１において、減算器１では、下側径方向センサ１０８、上側径方向センサ１０７などの各位置センサで検出された信号が入力信号３として入力されるようになっている。一方、この減算器１には、シフト信号設定部５で演算されたシフト信号７がＤ／Ａコンバータ６によりデジタル／アナログ変換された後に入力され、入力信号３との間で減算処理がされるようになっている。そして、このシフト信号７により、入力信号３は適当なバイアスがかけられるようになっている。

減算器１でバイアスのかけられた信号は増幅器９でＫ倍の増幅がされるようになっている。増幅器９は、例えば次段のＡ／Ｄコンバータ１０の入カフルスケール一杯（あるいは任意の増幅倍）まで増幅したり、増幅度を戻したりするようにゲイン信号設定部１１がゲイン信号１３を更新するようになっている。そして、このゲイン信号１３が増幅器９の増幅度Ｋを指定するようになっている。増幅器９の簡略回路図としては、例えば図２のように構成できる。このとき、ゲイン信号１３によりスイッチ１２を切り換えることで増幅度が変えられるようになっている。

減算器１でバイアス調整され、かつ増幅器９で増幅された信号１５はＡ／Ｄコンバータ１０に入力され、アナログ／デジタル変換されるようになっている。そして、このアナログ／デジタル変換された信号を元に高分解能に評価された後、この信号が元の増幅されない状態に戻されるようになっている。このため、増幅器１７では、増幅器９で増幅された増幅度Ｋに対する増幅度１／Ｋを設定することにより信号を増幅前の状態に戻すようになっている。

増幅度１／Ｋは、ゲイン信号設定部１１により指定される。但し、ゲイン信号設定部１１からは増幅度Ｋが指定され、増幅器１７（デジタルにて構成されている）内部で増幅度１／Ｋに読み変えられてもよい。そして、この増幅器１７を通った信号１９は加算器２１でシフト信号７（デジタル値）が加算され、バイアスのかけられる前に戻されるようになっている。

加算器２１で加算された信号２３は、シフト信号設定部５及びゲイン信号設定部１１に入力され、それぞれシフト信号の設定値、ゲイン信号の設定値が判断されるようになっている。そして、この判断のために、Ａ／Ｄコンバータ１０の状態信号２５がシフト信号設定部５及びゲイン信号設定部１１に入力されるようになっている。Ａ／Ｄコンバータ１０の状態信号２５は、例えばＡ／Ｄコンバータ１０がオーバーフローしたり、ある設定値を超えたりしたようなときに出力される信号である。また、このシフト信号設定部５及びゲイン信号設定部１１には、更に外部よりターボ分子ポンプ本体１００の運転状態を示す運転状態信号２７が入力されるようになっている。

運転状態信号２７は、例えば回転体１０３が剛体モードの共振周波数を超えるときに出力されたり、ポンプ始動から定常運転に到達したときに出力されたりする。そして、この運転状態信号２７を基にゲイン信号設定部１１でゲイン信号１３が指定若しくは切り換えられるようになっている。そして、信号２３若しくはＡ／Ｄコンバータ１０で高精度に読み込まれたデジタル値は制御処理部２４へと伝えられ、以降の制御に使用されるようになっている。

次に、本実施形態の作用について説明する。
以降の説明では、簡単のため、ゲイン信号設定部１１での感度の切り換えは低感度と高感度の２モードとする。但し、この切り換えは複数段に細かく感度設定されてもよい。Ａ／Ｄコンバータ１０の有効桁数は例えば８ビットである。
図３に運転のフロー（イ欄）と共に運転時間とセンサ出力の関係図（ロ欄）及びこのときの運転モード（ハ欄）を示す。図３の運転フローにおいて、ステップ１（図中Ｓ１と略す）で電源投入され、ステップ２で磁気浮上が開始される。例えば、ステップ１の際の運転時間とセンサ出力の関係図は図（ａ）となるが、理解し易いようにステップ１の右隣に対応するように記載している（以下同様）。
回転体１０３の浮上開始時には、ゲイン信号設定部１１より通常モードとして低感度のゲイン信号１３が指定される。ここに、通常モードとは、ロータ軸１１３の可動範囲の全域に渡り、Ａ／Ｄコンバータ１０のフルスケールが対応した状態をいう。

また、回転体１０３の加速時も浮上開始時と同様にゲイン信号設定部１１より通常モードとして低感度のゲイン信号１３が指定される。低感度とするのは、浮上途中においては、剛体モードの共振点等を通過することもあり、最初から安定した状態にロータ軸１１３を保持するのは困難だからである（ステップ３を参照）。即ち、この間の制御では、ロータ軸１１３の浮上位置が相当広範囲に振れるおそれがあるため、この広範囲をカバーして位置検出する必要があり、増幅器９の感度は低感度とする。このとき逆に高感度に設定していると測定不能となることがある。Ａ／Ｄコンバータ１０では、フルスケールに対し入力された信号が低い分解能で検出される。

次に、ステップ４では、回転体１０３が、あらかじめ設定した回転数（例えば、共振点通過の回転数や定格回転数）に達した、あるいは電子顕微鏡で測定を開始する、などのタイミングで、ゲイン信号設定部１１より高分解能モードとして高感度のゲイン信号１３を指定する（図（ｅ）を参照）。これらは、自動的に信号を取り合うことで行われることが望ましい。

このときの通常モードと高分解能モードの間におけるモード変更及び中心合わせの概念を図４を基に説明する。中心合わせは、モード変更を効果的なものとするため、センサ出力から判断される中心位置と構造上の中心位置である０をまず一致させた上でモード変更しようとするものである。
例えば、センサ出力が−５〜５Ｖ（このときの対応する測定距離範囲は、−５ｍｍ〜５ｍｍ）のセンサと、入力フルスケールが−５〜５ＶのＡ／Ｄコンバータを仮想する。なお、ここでの仕様はあくまで概念を分かりやすく説明するためにのみ利用しており、実際の制御に利用されているセンサ等の仕様とは異なる。

上側径方向センサ１０７や下側径方向センサ１０８等の対向差分式センサを利用した場合、センサ出力から判断される中心位置は構造上の中心位置である０に一致するのが理想だが、実際には電磁気的あるいは機械的な中心ずれがあるので、構造上の中心位置は０から少しずれるのが普通である。図４（ａ）では、このずれの存在のため、定格運転時のロータ軸１１３の変位がセンサ出力から判断される中心位置である０ではなく、少しずれたセンサ出力が２〜３Ｖ（変位では２〜３ｍｍの位置）の範囲の所でロータ軸１１３が回転している。このようにセンサ出力から見た仮想中心と真の構造上の中心位置のずれが大きい場合は、シフト信号設定部５でこのずれ分を判断し、減算器１で入力信号３に対してシフト信号７をもってバイアスをかけて調整することとする。図４（ａ）において、このバイアスは２．５Ｖ程度であり、この２．５Ｖを入力信号３に対して調整することで、減算器１の出力信号は図４（ｂ）に示すように−０．５〜０．５Ｖとなる。

このずれ分を判断する方法として、シフト信号設定部５では、入力された信号２３の最大値及び最小値を観測する。そして、この最大値と最小値の中心位置を求めてずれ分を判断する。そして、シフト信号７には、このずれ分を指定する。 ゲイン信号設定部１１では、この減算器１の出力信号に対し、Ａ／Ｄコンバータ１０の入力フルスケールである例えば−５〜５Ｖとなるように増幅器９の増幅度Ｋを１０倍に設定する。定格運転で安定した状態においては、図４（ａ）の場合、２〜３ｍｍの範囲で運転されており、この範囲を観測すれば十分だからである。このため、この範囲を拡大して観測することとする。この増幅器９からの信号をＡ／Ｄコンバータ１０に取り込めば、図４（ｃ）に示すように、−５〜５Ｖの入力フルスケールに対して全域を利用可能である。このことにより、Ａ／Ｄコンバータ１０のビット数を有効に使うことができ、センサとしての分解能も高くできる。

ゲイン信号１３の倍率は、本実施形態の説明では低感度から一気に高感度に設定するとして説明したが、徐々に倍率を上げていくようにしてもよい。基本的には、分解能が上がるほど、保持精度も向上する。
なお、前述したシフト信号７によるバイアス調整と、ゲイン信号１３による感度調整とはＡ／Ｄコンバータ１０の入力フルスケールに対してなるべく全域を無駄なく利用し精度良く位置検出しようとするため、仮想的に信号を操作したものである。このため、現実の変位信号に復元して制御するため、増幅器１７で倍率を増幅器９による増幅前の状態に戻し、かつ加算器２１で減算器１によるバイアスのかけられる前に戻す。

図３のステップ５で外乱の加えられたときには、Ａ／Ｄコンバータ１０がオーバーフローし、Ａ／Ｄコンバータ１０の状態信号２５がセットされる。このとき、ゲイン信号設定部１１では、通常モードとするため低感度のゲイン信号１３を指定する（図（ｆ）及び図（ｇ）を参照。感度の切り換えにより図（ｆ）から図（ｇ）に移行する）。このことにより、外乱の加えられたときでも測定不能とはならず、安定した位置検出が可能となる。

なお、本実施形態ではＡ／Ｄコンバータ１０がオーバーフローしたとして説明したが、Ａ／Ｄコンバータ１０が所定の設定値を超えたら低感度のゲイン信号１３を指定するようにしてもよい。この際には、一気に通常モードに移行させてもよいが、徐々に通常モードに向けて倍率を下げるようにしてもよい。
また、Ａ／Ｄコンバータ１０がオーバーレンジでなくなれば、通常の磁気浮上動作が可能なので、外乱によって一時的にロータ軸１１３の振れが大きくなったのであれば、じきに収束する。この振れが収束するまでには少し時間がかかるので、例えば数秒間は高分解能モードにならないようにしてもよいし、前述のように徐々に分解能を高めていってもよい。

次に、ステップ６で外乱による過渡状態から定常状態に復帰したら、ゲイン信号設定部１１より高分解能モードとして高感度のゲイン信号１３を再び指定する（図（ｈ）を参照）。
その後、ステップ７で電子頼微鏡による測定が終了したり、ターボ分子ポンプ本体１００の減速を開始したりするような場合にはゲイン信号設定部１１では、通常モードとするため低感度のゲイン信号１３を指定する（感度の切り換えにより図（ｈ）から図（ｉ）に移行する）。
以上により、Ａ／Ｄコンバータ１０のｂｉｔ数を有効に使え、ｂｉｔ数の小さい経済的なＡ／Ｄコンバータで高い分解能が得られる。外乱などによっても安定した動作が確保できる。

なお、本発明の磁気軸受装置は、ターボ分子ポンプ以外にも磁気浮上式の除振台やスピンドル等にも適用可能である。
また、本実施形態中、デジタルにて構成するとして説明した部分について、ノイズや精度が問題になる場合や、Ｄ／Ａコンバータ６を使用したくない場合等には、アナログ回路にて構成されてもよい。

本発明の実施形態のブロック図 増幅器の簡略回路図 運転のフロー（イ欄）、運転時間とセンサ出力の関係図（ロ欄）及びこのときの運転モード（ハ欄） モード変更及び中心合わせの概念を示す図 ターボ分子ポンプ本体の縦断面図

符号の説明

１ 減算器
３ 入力信号
５ シフト信号設定部
６ Ｄ／Ａコンバータ
７ シフト信号
９、１７ 増幅器
１０ Ａ／Ｄコンバータ
１１ ゲイン信号設定部
１３ ゲイン信号
２１ 加算器
２４ 制御処理部
２５ 状態信号
２７ 運転状態信号
１００ ターボ分子ポンプ本体

Claims (5)

1. センサと、
   該センサから出力された信号を入力信号とし、該入力信号に対しバイアス分に相当する第１のシフト信号を調整可能な第１の演算部と、
   該第１の演算部の出力信号を増幅し、かつ増幅度を変更可能な第１の増幅部と、該第１の増幅部で増幅された信号が入力され、アナログ／デジタル変換される変換部と、
   該変換部で変換された信号を増幅し、かつ増幅度を変更可能な第２の増幅部と、該第２の増幅部で増幅された信号に対しバイアス分に相当する第２のシフト信号を調整可能な第２の演算部と、
   前記第１の増幅部の増幅度及び前記第２の増幅部の各増幅度を設定するゲイン信号設定部と、
   前記第１の演算部及び前記第２の演算部の各シフト信号を設定するシフト信号設定部と、
   前記変換部より得られた高精度なデータを基に制御信号が生成され、該制御信号により制御が行われる電磁石と、
   該電磁石により浮上支持されるロータ軸とを備えたことを特徴とする磁気軸受装置。
2. 前記入力信号の変化の最大値と最小値を検出する検出手段を備え、
   前記シフト信号設定部の各シフト信号が該検出手段で検出された最大値と最小値を基に設定されることを特徴とする請求項１記載の磁気軸受装置。
3. 前記入力信号の変化の最大値と最小値を検出する検出手段を備え、
   前記ゲイン信号設定部の前記第１の増幅部の増幅度及び前記第２の増幅部の各増幅度の設定が該検出手段で検出された最大値と最小値及び前記変換部の性能を基に設定されることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の磁気軸受装置。
4. 前記第１の増幅部の増幅度が前記第２の増幅部の増幅度の逆数であり、かつ前記第１のシフト信号及び前記第２のシフト信号が共通であることを特徴とする請求項１、２又は３記載の磁気軸受装置。
5. 前記ゲイン信号設定部による前記第１の増幅部の増幅度及び前記第２の増幅部の増幅度が前記変換部の状態信号を基に切り換えられることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の磁気軸受装置。

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