JP4502750B2 - 磁気軸受装置及び該磁気軸受装置が搭載されたターボ分子ポンプ - Google Patents

Description

本発明は磁気軸受装置及び該磁気軸受装置が搭載されたターボ分子ポンプに係わり、特に低コストで制御精度が高く低振動の磁気軸受装置及び該磁気軸受装置が搭載されたターボ分子ポンプに関する。

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、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。

このターボ分子ポンプは、プロセスガスを吸引排気する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６に示す。

図６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個の電磁石からなる上側径方向センサ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、その値をＡ／Ｄコンバータでデジタル変換して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。

さらに、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。

このとき、排気ガスは、場合により高温の状態でチャンバに導入される。そして、この排気ガスは、ターボ分子ポンプ本体１００内で低温となると固体状になる場合があり、ターボ分子ポンプ本体１００内部に付着して堆積し、その性能を低下させるおそれがあった。そこで、近年のターボ分子ポンプにおいては、Temperature Management System制御（以下、ＴＭＳ制御という。）を行っている場合が多い。

ＴＭＳ制御とは、ベース部１２９等に、図示しないヒータや環状の水冷管１４９、及び図示しないＴＭＳ温度センサ等を配設し、このＴＭＳ温度センサの検知信号を制御装置で処理することで、ベース部１２９の温度を一定に保ち、ターボ分子ポンプ本体１００内に堆積物が付着しないようにするものである。

また、ターボ分子ポンプ本体１００は、個々に調整された固有のパラメータ（例えば、機種の特定、機種に対応する諸特性）に基づいた制御を要する。この制御パラメータを格納するために、ターボ分子ポンプ本体１００は、その本体内に電子回路部１４１を備えている。

電子回路部１４１は、ターボ分子ポンプ本体１００の機種を特定するためのＩＤ抵抗や、その機種に対応する諸特性を保存するＥＥＰ−ＲＯＭ等の不揮発性の半導体メモリや、それらのアクセスのための半導体素子等の電子部品、それら実装用の基板１４３等から構成されている。

電子回路部１４１内のＥＥＰ−ＲＯＭやＩＤ抵抗が持つ各パラメータは、制御装置において処理されるとともに、その処理データは、個々のターボ分子ポンプ本体１００の動作を制御するために、再び電子回路部１４１に戻される。
この電子回路部１４１は、ターボ分子ポンプ本体１００の下部を構成するベース部１２９の中央付近の軸方向センサ１０９の下部に収容され、機密性の底蓋１４５によって閉じられている。

ところで、前述のＡ／Ｄコンバータは、運転開始時や外乱の入力時のロータ軸１１３の変位をも検出可能とするために、従来アナログセンサからのロータ軸１１３の可動範囲全域の変位信号に全量子化ビットが均等に割り当てられていた。このため、可動範囲全域においてデジタルセンサの感度が一定であり、磁気軸受制御の精度もロータ軸１１３の可動範囲全域において一定であった。

このようなターボ分子ポンプにおいて、磁気軸受の制御精度を向上させ振動を低減させるには、ロータの変位や電磁石電流などのアナログセンサ信号の分解能を高くする必要がある。かかる信号の分解能を高くするには、分解能の高い多ビットのＡ／Ｄコンバータを使用する必要がある。しかしながら、このようにロータの可動範囲全域を高い分解能でデジタル信号に変換するには、分解能の高い多ビットの高価なＡ／Ｄコンバータを使用する必要があり、コストが上昇してしまう（特に、１６ビットを超える高速Ａ／Ｄコンバータは高価である）。また、分解能を高めても、回路内のノイズレベルに対して、信号のレベルが小さいと分解能は実質的に高くならない。

なお、この課題を解決するために、あらかじめ設定したアルゴリズムでＡ／Ｄコンバータにオフセットを与えたり（特許文献１参照）、ダイナミックレンジを切り替えたりする方法（特許文献２参照）が、提案されている。しかしながら、アルゴリズムが煩雑であったり、設定切換時に振動発生の可能性がある等の問題点がある。
特開平８−３３０９６２号公報 特開２０００−７４０６１号公報

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、低コストで制御精度が高く低振動の磁気軸受装置及び該磁気軸受装置が搭載されたターボ分子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、回転体と、該回転体を位置調整しつつ磁気浮上させる軸受手段と、前記回転体の状態若しくは前記軸受手段の状態を検出してセンサ信号として出力するセンサと、該センサ信号が入力され、入力に対する出力の感度が高感度に設定された入出力特性を有する高感度センサ信号変換手段と、該高感度センサ信号変換手段で感度変換されたアナログ信号をディジタル化する第１のアナログ／ディジタル変換手段と、該第１のアナログ／ディジタル変換手段でディジタル化された信号が入力され、前記高感度センサ信号変換手段での入出力特性とｘｙ座標軸上でｙ＝ｘを境に対称とされた入出力特性を有する低感度再変換手段と、前記センサ信号が入力され、入力に対する出力の感度が低感度に設定された入出力特性を有する低感度センサ信号変換手段と、該低感度センサ信号変換手段で感度変換されたアナログ信号をディジタル化する第２のアナログ／ディジタル変換手段と、該第２のアナログ／ディジタル変換手段でディジタル化された信号が入力され、前記低感度センサ信号変換手段での入出力特性とｘｙ座標軸上でｙ＝ｘを境に対称とされた入出力特性を有する高感度再変換手段と、該高感度再変換手段と前記低感度再変換手段のいずれかの出力信号を選択する選択手段とを備えて構成した。

特定の範囲のセンサ信号については、専用の回路により増幅することで、高感度な増幅が行える。このため、特定の範囲について高精度な制御を行うことができる。一方、この特定の範囲以外についてはそれほど高精度な制御を行う必要がないので、低感度な増幅で足りる。このため、アナログ信号をディジタル化するのに必要な第１、第２のアナログ／ディジタル変換手段の分解能は共に低くてすむ。

また、本発明（請求項２）は、回転体と、該回転体を位置調整しつつ磁気浮上させる軸受手段と、前記回転体の状態若しくは前記軸受手段の状態を検出してセンサ信号として出力するセンサと、該センサ信号が入力され、入力に対する出力の感度が高感度に設定された入出力特性を有する高感度センサ信号変換手段と、前記センサ信号が入力され、入力に対する出力の感度が低感度に設定された入出力特性を有する低感度センサ信号変換手段と、該低感度センサ信号変換手段と前記高感度センサ信号変換手段のいずれかの出力信号を選択する選択手段と、該選択手段で信号選択されたアナログ信号をディジタル化する第１のアナログ／ディジタル変換手段とを備えて構成した。

特定の範囲のセンサ信号とこの特定の範囲以外のセンサ信号について、第１のアナログ／ディジタル変換手段が共用されているため安価に構成できる。また、特定の範囲のセンサ信号については、専用の回路により増幅することで、高感度な増幅が行える。このため、特定の範囲について高精度な制御を行うことができる。

更に、本発明（請求項３）は、前記選択手段における選択は、前記第１のアナログ／ディジタル変換手段での変換データが所定の値以内若しくは桁あふれしていないとき前記高感度センサ信号変換手段側の出力信号が選択され、かつ前記第１のアナログ／ディジタル変換手段での変換データが所定の値を超えた若しくは桁あふれしたときに前記高感度センサ信号変換手段側から前記低感度センサ信号変換手段側に自動切換されることを特徴とする。

磁気軸受装置の回転体が安定した運転をしている状態では、高感度センサ信号変換手段側の出力信号が選択される。このため、高精度な制御を行うことができ、回転体は安定状態を維持できる。一方、回転体が運転開始状態のときや外乱の加わった状態等では、低感度センサ信号変換手段側に自動切換され可動範囲全体に渡る制御が行われる。

更に、本発明（請求項４）は、前記選択手段における選択の自動切換にはヒステリシス特性が設定されたことを特徴とする。

ヒステリシス特性を設定したことで、自動切換時に安定した切換が行える。

更に、本発明（請求項５）は、前記センサ信号に対する前記選択手段での一方の入力信号と前記選択手段での他方の入力信号間の偏差及び／又はオフセット電圧を基に双方の入力信号間の感度を補正する係数が算出若しくは予め設定される偏差補正手段と、前記選択手段における選択が自動切換されたとき該偏差補正手段で算出若しくは設定された係数を基に切換後に選択された信号の感度を調整する感度調整手段とを備えて構成した。

選択の自動切換の際に、急激な感度の相違が生ずることを避けることができる。このため、安定した制御が行える。

更に、本発明（請求項６）は、前記係数は記憶回路に保存され、停電時であってもデータ消滅しないことを特徴とする。

係数を記憶回路に保存することで、常に参照可能となり、逐次演算によりこの係数を算出する必要はなくなる。このため、選択の自動切換のタイミングに左右されることはなくなり、安定した制御が行えるようになる。

更に、本発明（請求項７）は、請求項１〜６のいずれか１項に記載の磁気軸受装置が搭載されたターボ分子ポンプであって、前記高感度に設定された入出力特性範囲には定格運転状態が含まれることを特徴とする。

ターボ分子ポンプの定格運転付近における制御が高精度に行える。

以上説明したように本発明によれば、一定範囲内の入力に対する出力の感度を高感度に設定し、この範囲以外の感度を低感度に設定したので、運転開始時や外乱の入力時等には低感度の入出力特性部分が選択され、一方、通常運転時には高感度の入出力特性部分が選択されるようになる。このため、運転の状態に応じた最適な制御が行え、定格運転時には高感度特性を利用した高精度な制御を行うことができる。アナログ／ディジタル変換手段は高感度特性部分と低感度特性部分とに共通に使用されるため、安価に構成できる。
また、回路内のノイズレベルに対して、特定の範囲のセンサ信号の感度を高くしているので、その部分のＳ／Ｎ比が向上し、ノイズの少ない高感度のディジタルセンサ信号を得られる。

以下、本発明の第１実施形態について説明する。図１は本発明の第１実施形態であるターボ分子ポンプの磁気軸受制御装置のブロック図を示す。図１において、変位センサ１０は、ロータ軸１１３の変位を検出するために配設されている。ここで変位センサ１０は、例えば、上側径方向センサ１０７、下側径方向センサ１０８、軸方向センサ１０９などである。この変位センサ１０はロータ軸１１３の変位を検出してアナログ変位信号５０を出力するようになっている。

そして、このアナログ変位信号５０は感度変換回路１２に入力されるようになっている。ここで感度変換回路１２は本ターボ分子ポンプの定常運転時のロータ軸の位置を基準として、ロータ軸１１３の変位が±５０μｍ以内の場合には高感度アナログ−デジタル信号変換用のアナログ中間信号５２を出力するようになっている。また、ロータ軸１１３の変位が＋５０μｍから＋２５０μｍまたは−５０μｍから−２５０μｍの場合は低感度アナログ−デジタル信号変換用のアナログ中間信号５２を出力するようになっている。

なお、本実施形態では変位センサ１０の測定範囲は±２５０μｍであったが、これは実際に使用されるロータ軸の可動範囲によって適宜変更されてもよいものとする。
アナログ中間信号５２は分解能１２ｂｉｔのＡ／Ｄコンバータ２０に入力されるようになっている。ここでアナログ中間信号５２はデジタル中間信号５４に変換され、出力されるようになっている。このデジタル中間信号５４はDigital Signal Processor（以下、ＤＳＰという）に入力され、ソフトウェアの感度再変換処理部１４に入力され、上述した感度変換回路１２でアナログ変位信号５０が変換される際に高感度モードであるか低感度モードであるかの態様に応じて、Ａ／Ｄコンバータ２０によって量子化されていたデジタル中間信号５４を線形に復元し、デジタル変位信号５６を出力するようになっている。

なお、本実施形態の感度変換回路１２及び感度再変換処理部１４では、それぞれ例えば図２及び図３に示すようにセンサの解像度が折線にて切り替わる折線近似特性を設定する。図２と図３の関係は、センサ信号の感度を線形に復元させるため、ｘｙ座標軸上でｙ＝ｘの直線を境に対称とされた関係を有する。折れ点の場所はロータ軸１１３の変位に換算してそれぞれ−５０μｍと＋５０μｍに相当する。そして、折れ点近傍ではデジタル中間信号５４が滑らかに繋がるようにＤＳＰのソフトウェアで補間されるのが望ましい。

また、この折れ点近傍では例えば回路のバラツキ等により図２中に点線α、βで示すように特性が移動することがあるが、点線αのように特性が移動した場合には、感度再変換処理部１４でそのまま再変換されると磁気軸受が発振するおそれがある。そこで、かかる発振を防ぐため、再変換の特性を図３の点線γで示したように、理想特性よりゲインが劣化する方向に予め移動させておく。劣化させる大きさは、考えられる図２の特性のバラツキの最大値を考慮して決められるのが望ましい。なお、再変換の特性を図３の点線γで示したように設定した状態で、かつ図２の特性のバラツキが点線βの方向に存在した場合には、軸受制御はふらつきを有するようになるが、発振することはない。

なお、本実施形態では、簡単のため変位センサの感度を変換する特性として折れ線近似を例として説明したが、この方法以外に変換時にＹａ＝√（Ｘａ）（添え字ａはアナログを意味する。以下同様）、それに対し再変換時にＸｄ＝Ｙｄ²（添え字ｄはディジタルを意味する。以下同様）となる関数を用いたりされてもよい。また、変換時にＹａ＝Ｌｏｇ（Ｘａ）、そして再変換時にＸｄ＝１０^Ydのような特性が設定されてもよい。更に、変換時にＹａ＝１／（Ｘａ＋Ａ）、そして再変換時にＸｄ＝１／Ｙｄ−Ａのような特性が設定されてもよい。更に、変換する際の入出力特性とＸＹ座標軸上でｙ＝ｘを境に対称とされた入出力特性を有するように再変換可能な任意の関数を設定してもよいものとする。

デジタル変位信号５６は磁気軸受制御処理部４０に入力される。そして、磁気軸受制御処理部４０では、このデジタル変位信号５６に基づいてロータ軸１１３の変位を調節する電磁石をＰＩＤ制御するようになっている。
以上により、ロータ軸１１３の変位が±５０μｍの範囲にあるときに高感度になるように制御され、この範囲を超えた変位の場合には低感度に制御される。従って、Ａ／Ｄコンバータ２０で必要とされる分解能は低くて済み安価に構成できる。

次に、本発明の第２実施形態について説明する。本発明の第２実施形態であるターボ分子ポンプの磁気軸受制御装置のブロック図を図４に示す。なお、図１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。

第２実施形態では第１実施形態とは異なり、特定の範囲のみを検出可能な高感度回路と可動範囲全体を検出可能な低感度回路とにそれぞれ予め回路を用意し、ロータ軸１１３の変位が特定の範囲内にあるときは高感度回路の方を選択するというものである。

図４において、変位センサ１０から出力されたアナログ変位信号５０は、高ゲインセンサ復調回路１２Ａと低ゲインセンサ復調回路１２Ｂに入力されるようになっている。高ゲインセンサ復調回路１２Ａの特性は、例えば、図２のロータ軸１１３の変位が±５０μｍ以内の場合における感度が±５０μｍ以外においても延長設定されている。一方、低ゲインセンサ復調回路１２Ｂの特性は、例えば、図２のロータ軸１１３の変位が±５０μｍを超えた場合における感度が適用されており、±５０μｍの領域以内においてもこの感度が同様に設定されている。

高ゲインセンサ復調回路１２Ａから出力された高感度アナログ中間信号５２ａは１２ｂｉｔのＡ／Ｄコンバータ２０Ａに、低ゲインセンサ復調回路１２Ｂから出力された低感度アナログ中間信号５２ｂは１２ｂｉｔのＡ／Ｄコンバータ２０Ｂにそれぞれ入力されるようになっている。

入力された高感度アナログ中間信号５２ａに応じてＡ／Ｄコンバータ２０Ａから、高感度デジタル中間信号５４ａが出力されるようになっている。一方、Ａ／Ｄコンバータ２０Ｂからは入力された低感度アナログ中間信号５２ｂに応じて、低感度デジタル中間信号５４ｂが出力されるようになっている。

その後、高感度デジタル中間信号５４ａには低ゲイン１４Ａが乗算され、高感度デジタル信号５５ａを出力するようになっている。一方、低感度デジタル中間信号５４ｂには高ゲイン１４Ｂが乗算され、低感度デジタル信号５５ｂを出力するようになっている。そして、高感度デジタル信号５５ａと低感度デジタル信号５５ｂは共にセレクタ６０に入力されるようになっている。

そして、セレクタ６０で抽出されたデジタル変位信号５６は磁気軸受制御処理部４０に入力されるようになっている。磁気軸受制御処理部４０では、このデジタル変位信号５６に基づいてロータ軸１１３の変位を調節する電磁石をたとえばＰＩＤ制御などの方法で制御するようになっている。

ここで、磁気軸受制御処理部４０はＡ／Ｄコンバータ２０ＡがオーバーフローしているかどうかをＡ／Ｄコンバータ２０Ａがアウトオブレンジ信号をだしているかどうかで判別する。Ａ／Ｄコンバータ２０Ａがオーバーフローしているということはロータ軸１１３の変位が±５０μｍの範囲外にあるということを示しているので、磁気軸受制御処理部４０は低感度デジタル信号５５ｂに基づいたデジタル変位信号５６を出力するようにセレクタ６０に指令を出す。また、Ａ／Ｄコンバータ２０Ａがオーバーフローしていないときは、ロータ軸１１３の変位が±５０μｍの範囲内にあるということを示しているので、ＤＳＰはセレクタ６０に高感度デジタル信号５５ａに基づいたデジタル変位信号５６を出力するようにセレクタ６０に指令を出す。

このように、Ａ／Ｄコンバータ２０Ａがオーバーフローしているか否かにより適宜セレクタ６０での切換が行われるが、この切換がノイズ等により頻繁に切換られないようにするため、センサの感度切換の際にはヒステリシス特性を設けるのが望ましい。

なお、セレクタ６０によりセンサの感度を切り替えた際には、高ゲインセンサ復調回路１２Ａと低ゲインセンサ復調回路１２Ｂのそれぞれの特性のずれや回路特有のオフセット電圧等の影響から切り換えられた信号の間に誤差を生じる可能性がある。以下に、この誤差の影響を低減し、この誤差がもとで磁気軸受が発振するのを防止する方法について説明する。

高ゲインセンサ復調回路１２Ａと低ゲインセンサ復調回路１２Ｂのそれぞれの特性のずれや回路特有のオフセット電圧等の影響については、磁気軸受の起動時及び運転時にまず一度、ＤＳＰがその回路特性を検出し記憶する。そして、それぞれの特性のずれ等を基にセンサ感度切り替わり時のゲイン補正係数とオフセット補正係数を求める。そして、このゲイン補正係数とオフセット補正係数をメモリに保持しておき、二度目以降のターボ分子ポンプ作動時からはこれらのゲイン補正係数とオフセット補正係数を使用して、切り替えに際しては補正換算された後のデータを利用する。

補正換算は、一応、高ゲインセンサ復調回路１２Ａ側のデータが真値であると仮定して、低ゲインセンサ復調回路１２Ｂ側のデータを補正する。なお、かかる補正を行う補正調節部は、例えばセレクタ６０の後段に配設する。以上により、高ゲインセンサ復調回路１２Ａ側のデータに揃えられた、より精度の高い制御を行うことができる。現地調整を随時行うことで、随時補正換算を更新できるので、特性の経年変化に対しても対処可能である。

但し、それぞれの特性のずれ等は予め工場にて実験的に算出して補正係数を求めておき、この補正係数がメモリに保持されるようにしてもよい。メモリはＲＯＭや無停電対策されたものであることが望ましい。

次に、本発明の第３実施形態について説明する。本発明の第３実施形態であるターボ分子ポンプの磁気軸受制御装置のブロック図を図５に示す。なお、図１、図４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。第３実施形態では第２実施形態とは異なり、高感度用と低感度用のアナログ信号を切り換え可能とすると共にＡ／Ｄコンバータを共用するというものである。

図５において、変位センサ１０から出力されたアナログ変位信号５０は、高ゲインセンサ復調回路１２Ａと低ゲインセンサ復調回路１２Ｂに入力されるようになっている。更に、高ゲインセンサ復調回路１２Ａから出力された高感度アナログ中間信号５２ａと低ゲインセンサ復調回路１２Ｂから出力された低感度アナログ中間信号５２ｂがセレクタ６０に入力されるようになっている。入力された高感度アナログ中間信号５２ａと低感度アナログ中間信号５２ｂはＤＳＰからの指令によりセレクタ６０で適当な方を選択され、アナログ中間信号５３として出力されるようになっている。

アナログ中間信号５３はＡ／Ｄコンバータ２０に入力され、アナログ、ディジタル変換された後にデジタル中間信号５４として出力されるようになっている。出力されたデジタル中間信号５４は感度再変換処理部１４に入力され、線形変換された後、デジタル変位信号５６として出力され、磁気軸受制御処理部４０に入力されるようになっている。

感度再変換処理部１４では、図４の低ゲイン１４Ａ、高ゲイン１４Ｂと同様のゲインを乗算するようになっており、ＤＳＰからの指令により適宜切り換えられるようになっている。ＤＳＰは、このデジタル変位信号５６に基づいてロータ軸１１３の変位を調節する電磁石をＰＩＤ制御するようになっている。

ここで、ＤＳＰはＡ／Ｄコンバータ２０がオーバーフローしているかどうかをＡ／Ｄコンバータ２０がアウトオブレンジ信号をだしているかどうかで判別する。セレクタ６０が高ゲインセンサ復調回路１２Ａ側で、かつＡ／Ｄコンバータ２０がオーバーフローしているということはロータ軸１１３の変位が±５０μｍの範囲外に変わったということを示しているので、ＤＳＰは低ゲインセンサ復調回路１２Ｂから出力された低感度アナログ中間信号５２ｂ側に切り替わるようにセレクタ６０に指令を出す。

一方、セレクタ６０が高ゲインセンサ復調回路１２Ａ側で、かつＡ／Ｄコンバータ２０がオーバーフローしていないときは、ロータ軸１１３の変位が±５０μｍの範囲内にあるということを示しているので、磁気軸受制御処理部４０は高ゲインセンサ復調回路１２Ａ側が維持されるようにセレクタ６０に維持指令を出す。

このように、Ａ／Ｄコンバータ２０がオーバーフローしているか否かにより適宜セレクタ６０での切換が行われるが、この切換がノイズ等により頻繁に切換られないようにするため、センサの感度切換の際にはヒステリシス特性を設けるのが望ましい。

なお、前述した補正換算を精度よく本実施形態で行う場合には、数１０ｋＨ_zのタイミングでセレクタ６０を切り換えてこの補正換算を各タイミング毎に行う必要がある。この際には、切換の際にノイズが乗るおそれがある。しかしながら、算出した補正係数をメモリに保持し、常にこのメモリの値を参照するようにすれば、セレクタ６０を頻繁に切り換える必要が無くなり、かかるノイズを防止することができる。

以上の各実施形態ではロータ軸１１３の変位を測定するセンサを例に説明したが、この他にもターボ分子ポンプのモータ１２１の電圧や電流、電磁石電流、電磁石磁束、装置温度、振動などのアナログ量として検出可能なものに対して本発明を適用することができる。

本発明の第１実施形態であるターボ分子ポンプの磁気軸受制御装置のブロック図 感度変換回路の特性例 感度再変換回路の特性例 本発明の第２実施形態であるターボ分子ポンプの磁気軸受制御装置のブロック図 本発明の第３実施形態であるターボ分子ポンプの磁気軸受制御装置のブロック図 ターボ分子ポンプ本体の縦断面図

符号の説明

１０ 変位センサ
１２ 感度変換回路
１２Ａ 高ゲインセンサ復調回路
１２Ｂ 低ゲインセンサ復調回路
１４ 感度再変換処理部
１４Ａ 低ゲイン
１４Ｂ 高ゲイン
２０、２０Ａ 、２０Ｂ Ａ／Ｄ コンバータ
５０ アナログ変位信号
５２ アナログ中間信号
５２ａ 高感度アナログ中間信号
５２ｂ 低感度アナログ中間信号
５３ アナログ中間信号
５４ デジタル中間信号
５４ａ 高感度デジタル中間信号
５４ｂ 低感度デジタル中間信号
５５ａ 高感度デジタル信号
５５ｂ 低感度デジタル信号
５６ デジタル変位信号
６０ セレクタ
１０７ 上側径方向センサ
１０８ 下側径方向センサ
１０９ 軸方向センサ
１１３ ロータ軸
１２１ モータ

Claims (7)

1. 回転体と、
   該回転体を位置調整しつつ磁気浮上させる軸受手段と、
   前記回転体の状態若しくは前記軸受手段の状態を検出してセンサ信号として出力するセンサと、
   該センサ信号が入力され、入力に対する出力の感度が高感度に設定された入出力特性を有する高感度センサ信号変換手段と、
   該高感度センサ信号変換手段で感度変換されたアナログ信号をディジタル化する第１のアナログ／ディジタル変換手段と、
   該第１のアナログ／ディジタル変換手段でディジタル化された信号が入力され、前記高感度センサ信号変換手段での入出力特性とｘｙ座標軸上でｙ＝ｘを境に対称とされた入出力特性を有する低感度再変換手段と、
   前記センサ信号が入力され、入力に対する出力の感度が低感度に設定された入出力特性を有する低感度センサ信号変換手段と、
   該低感度センサ信号変換手段で感度変換されたアナログ信号をディジタル化する第２のアナログ／ディジタル変換手段と、
   該第２のアナログ／ディジタル変換手段でディジタル化された信号が入力され、前記低感度センサ信号変換手段での入出力特性とｘｙ座標軸上でｙ＝ｘを境に対称とされた入出力特性を有する高感度再変換手段と、
   該高感度再変換手段と前記低感度再変換手段のいずれかの出力信号を選択する選択手段とを備えたことを特徴とする磁気軸受装置。
2. 回転体と、
   該回転体を位置調整しつつ磁気浮上させる軸受手段と、
   前記回転体の状態若しくは前記軸受手段の状態を検出してセンサ信号として出力するセンサと、
   該センサ信号が入力され、入力に対する出力の感度が高感度に設定された入出力特性を有する高感度センサ信号変換手段と、
   前記センサ信号が入力され、入力に対する出力の感度が低感度に設定された入出力特性を有する低感度センサ信号変換手段と、
   該低感度センサ信号変換手段と前記高感度センサ信号変換手段のいずれかの出力信号を選択する選択手段と、
   該選択手段で信号選択されたアナログ信号をディジタル化する第１のアナログ／ディジタル変換手段とを備えたことを特徴とする磁気軸受装置。
3. 前記選択手段における選択は、前記第１のアナログ／ディジタル変換手段での変換データが所定の値以内若しくは桁あふれしていないとき前記高感度センサ信号変換手段側の出力信号が選択され、かつ前記第１のアナログ／ディジタル変換手段での変換データが所定の値を超えた若しくは桁あふれしたときに前記高感度センサ信号変換手段側から前記低感度センサ信号変換手段側に自動切換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. 前記選択手段における選択の自動切換にはヒステリシス特性が設定されたことを特徴とする請求項３記載の磁気軸受装置。
5. 前記センサ信号に対する前記選択手段での一方の入力信号と前記選択手段での他方の入力信号間の偏差及び／又はオフセット電圧を基に双方の入力信号間の感度を補正する係数が算出若しくは予め設定される偏差補正手段と、
   前記選択手段における選択が自動切換されたとき該偏差補正手段で算出若しくは設定された係数を基に切換後に選択された信号の感度を調整する感度調整手段とを備えたことを特徴とする請求項１、２、３又は４記載の磁気軸受装置。
6. 前記係数は記憶回路に保存され、停電時であってもデータ消滅しないことを特徴とする請求項５記載の磁気軸受装置。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の磁気軸受装置が搭載され、前記高感度に設定された入出力特性範囲には定格運転状態が含まれることを特徴とするターボ分子ポンプ。

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