JPH0612827U

JPH0612827U - 磁気軸受装置

Info

Publication number: JPH0612827U
Application number: JP5118992U
Authority: JP
Inventors: 美也子籠谷
Original assignee: セイコー精機株式会社
Priority date: 1992-07-21
Filing date: 1992-07-21
Publication date: 1994-02-18

Abstract

(57)【要約】【目的】装置温度の変化に対してもロータ軸の発振を
抑制することが可能な磁気軸受け装置を提供する。【構成】装置の温度を温度センサー５０で検出する。
そして、その装置温度におけるロータ軸１８の発振周波
数を、ＲＯＭに格納されたデータから決定し、対応する
周波数成分を補正回路（ＰＩＤ）８２に配置したノッチ
フィルタでカットする。このノッチフィルタの抵抗部
に、コンデンサのスイッチングによって等価的に可変抵
抗として機能するスイッチング素子を配置する。そし
て、このスイッチング素子のスイッチング周波数を、温
度センサー５０で検出する装置温度に応じて変更するこ
とによって、カットする周波数帯域を変更する。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は磁気軸受装置に係り、詳細には、ロータ軸の発振を抑制するようにした磁気軸受装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】

例えば半導体製造におけるエッチング工程やＣＶＤ工程において、真空状態を確保すると共にプロセスガスの排出を行うために、真空ポンプが使用されている。この場合、潤滑油を使用した接触型の真空ポンプを使用すると、ＳｉＨ₄、ＰＨ₃、Ｂ₂Ｈ₆、Ａ_SＨ₃等のプロセスガスに潤滑油が影響する虞れがあることから、非接触軸受を使用した磁気軸受装置が使用されることが多い。

【０００３】磁気軸受装置は、ロータ軸を電磁石により軸方向および半径方向に磁気浮上させながら高周波モータでロータ軸を回転することによって、ロータ軸に取付けられたロータ翼で真空状態を確保するようになっている。そして、磁気軸受装置では、ロータ軸を電磁石により軸方向および半径方向に磁気浮上させる場合、ロータ軸を所定位置に保持するために、ロータ軸の半径方向および軸方向の位置を検出するセンサーが配置されている。この半径方向および軸方向のセンサーでロータ軸の位置を検出すると共に、検出した位置検出信号からロータ軸の補正値を算出し、軸心等の所定位置に保持するように、フィードバック制御によって位置を制御している。

【０００４】ところで、一般にフィードバック制御系は開ループゲインｇが０ｄＢ以上で、位相遅れが１８０°以上の場合に、その制御系は不安定となる。磁気軸受装置の制御系では、開ループ伝達関数がロータの固有振動数ωにおいて、ゲインｇ＞０ｄＢ、位相遅れ１８０°以上となってしまう場合もある。このような場合制御系が不安定となり、固有振動数と一致する周波数ωで発振を生じることとなる。

【０００５】そこで、従来の磁気軸受装置の制御系には、ロータ軸の固有振動数ωに対応する周波数をカットするノッチフィルタを位置補正回路に設け、周波数ωでのゲインを下げることでロータ軸の発振を抑制するようにしている。

【０００６】

【考案が解決しようとする課題】

ところで、物質の固有振動数ωは、次の式（１）に示すように、ｋを定数とした場合にヤング率Ｅの平方根に比例する。 ω＝ｋ√Ｅ …（１）このヤング率Ｅは温度変化に対応して変化するので、ロータおよびシャフト等のポンプ本体を構成する機器部品の温度が変化すると、これらの固有振動数も変動する。また、温度変化によってロータ等が熱膨張し、これによっても固有振動数が変動する。このように物質の固有振動数ωは、温度変化に伴う熱膨張やヤング率Ｅの変化によって変動を生じる。例えば、半導体接続装置に接続する磁気浮上型真空ポンプとして、この磁気軸受装置が使用される場合、装置の立上げ時や、半導体接続装置のチャンバ内が真空状態になっている無負荷時等では、プロセスガスの排出を行う通常運転時よりも温度が低くなっている。

【０００７】ところが、従来の磁気軸受装置の位置補正回路に使用されている、フィルタでは、カットする所定の周波数帯域が固定されているため、温度変化によって、常に適切な周波数をカットしてはいなかった。そこで、本考案の目的は、装置温度の変化に対してもロータ軸の発振を抑制することが可能な磁気軸受装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】

本考案では、磁性を有するロータ軸と、このロータ軸を回転させる高周波モータと、前記ロータ軸の位置を検出する複数の位置検出センサと、この位置検出センサからの検出信号に基づいて、前記ロータ軸を所定位置に保持するための制御信号を出力する制御信号出力手段と、この制御信号出力手段で出力される制御信号に応じた磁界を発生して前記ロータ軸を非接触となる所定位置に磁気浮上させる磁気浮上用電磁石と、装置内所定位置の温度を検出する温度検出手段と、前記制御信号出力手段から出力される制御信号から所定周波数帯域の制御信号をカットする周波数カット手段と、この周波数カット手段でカットする所定周波数帯域を前記温度検出手段で検出された温度に応じて変更する変更手段とを、磁気軸受装置に具備させて前記目的を達成する。

【０００９】

【作用】

本考案の磁気軸受装置では、装置温度をサーミスタ等の温度検出手段で検出し、その装置温度におけるロータ軸の発振周波数となる帯域の制御信号を周波数カット手段、例えばノッチフィルタでカットする。そして、装置温度の変化に応じてノッチフィルタでカットする周波数帯域も変更する。

【００１０】

【実施例】

以下本考案の磁気軸受装置における好適な実施例を、磁気浮上型真空ポンプに使用された場合について、図１から図６を参照して詳細に説明する。図１は磁気軸受装置の全体構成を表したものである。

【００１１】この磁気軸受装置は、例えば半導体製造装置等内に設置され、チャンバ等からプロセスガスの排出を行うものである。この例では、円筒状に形成された外装体１０の上端部にフランジ１１が形成され、ボルト等によって半導体製造装置に接続されるようになっている。

【００１２】外装体１０の内側に複数のステータ翼１２が配置され、このそれぞれのステータ翼１２間に複数のロータ翼１４が配置されている。このロータ翼１４はロータ１５の外周囲壁に設けられ、ロータ１５は磁性体のロータ軸１８に連動して回転するように、ボルト１９でロータ軸１８に固定されている。

【００１３】ロータ１５はいわゆる磁気軸受を利用しており、ロータ軸１８の上部には、２対の半径方向電磁石２０がロータ軸１８を挟んで対向配置されており、２対の半径方向電磁石は互いに直交するように配置されている。この半径方向電磁石２０に隣接して、ロータ軸１８を挟んで対向する２対の半径方向センサー２２が２対設けられている。

【００１４】さらに、ロータ軸１８の下部には、同様に２対の半径方向電磁石２４が配置され、この半径方向電磁石２４にも、隣接して半径方向センサー２６が２対設けられている。これら半径方向電磁石２０、２４に励磁電流が供給されることによって、ロータ軸１８が磁気浮上される。この励磁電流は、磁気浮上時に、半径方向センサー２２、２６からの位置検知信号応じて制御され、これによってロータ軸１８が半径方向の所定位置に保持されるようになっている。

【００１５】また、外装体１０の内側の半径方向センサー２２と半径方向センサー２６との間には高周波モータ３０が配置されている。この高周波モータ３０に通電されることによって、ロータ軸１８および、これに固定されたロータ翼１４が回転するようになっている。

【００１６】ロータ軸１８の下部には、磁性体で形成された円盤状の金属ディスク３１が固定されており、この金属ディスク３１を挟み、且つ対向した一対づづの軸方向電磁石３２、３４が配置されている。さらにロータ軸１８の切断端部に対向して軸方向センサー３６が配置されている。

【００１７】この軸方向電磁石３２、３４の励磁電流は、軸方向センサー３６からの位置検知信号に応じて制御され、これによりロータ軸１８が軸方向の所定位置に保持されるようになっている。また、このロータ軸１８の下端部には、ロータ軸の回転数を検出するための回転センサー３８が配置されている。

【００１８】磁気軸受装置の外装体１０の下部には、半導体製造装置からのプロセスガス等を排出する排気口５２が配置されている。この排気口５２の近傍には、サーミスタ等の温度センサー５０が配置されており、スペーサ（固定部）の温度を測定するようになっている。

【００１９】これらの各部は、軸方向電磁石３２、３４の近傍に設けられたコネクタ４４を通じて、磁気軸受コントローラやメインコントローラ等を備えた信号処理系にケーブルで接続されている。図２は磁気軸受装置の電気的構成を表したものである。

【００２０】磁気軸受装置は、主としてマイクロプロセッサユニット（ＭＰＵ）等を用いたシステムコントローラ７０と、磁気浮上用コントローラ８０により概略構成されている。システムコントローラ７０は、磁気軸受装置の全体制御を行うと共に本実施例による判断動作等の各種制御を行うＣＰＵ（中央処理装置）７０ａ、このＣＰＵ７０ａにおいて各種制御を実行するためのプログラムやデータが格納されたＲＯＭ（リード・オンリ・メモリ）７０ｂ、ワーキングメモリとして使用されるＲＡＭ（ランダム・アクセス・メモリ）７０ｃ、キーボードインタフェ−ス（Ｉ／Ｆ）７０ｄ、表示器Ｉ／Ｆ７０ｅ、Ｉ／Ｏ７０ｆ、７０ｇ、７０ｈ、７０ｉを備えており、これらの各部はデータバス等のバスライン７０ｊに接続されている。

【００２１】キーボ−ドＩ／Ｆ７０ｄには、各種の動作指示等の操作を行うキーボード７４が接続されている。また表示器Ｉ／Ｆ７０ｅには、キーボード７４からの操作状態や、ロータ軸１８の浮上状態、さらに磁気軸受装置の動作状態を表示するためのＣＲＴ、ＬＣＤ等の表示器７６が接続されている。

【００２２】Ｉ／Ｏ７０ｆには磁気浮上用コントローラ８０が接続されている。この磁気浮上用コントローラ８０は、半径方向センサー２２、２６と軸方向センサー３６からの位置検知信号が各々入力されるＰＩＤ（補正回路）８２ａ〜８２ｅを備えている。これらＰＩＤ８２ａ〜８２ｅのそれぞれには、後述の周波数可変のノッチフィルタおよび、このノッチフィルタでカットする中心周波数を変更するためのクロック信号を出力するクロック発生回路を備えている。クロック発生回路は、ＣＰＵ７０ａから供給される信号に対応する出力周波数のクロックを発生し、ノッチフィルタに供給するようになっている。

【００２３】これらＰＩＤ８２ａ〜８２ｅの各出力端子には、増幅器８４ａ〜８４ｅがそれぞれ接続されている。増幅器８４ａ〜８４ｄの出力端子には、一対のコイルで構成される半径方向電磁石２０、２４が接続されている。また、増幅部８４ｅの出力端子には、一対づつのコイルで構成される軸方向電磁石３２、３４が接続されている。

【００２４】この磁気浮上用コントローラ８０は、半径方向電磁石２０、２４に励磁電流を供給することによってロータ軸１８を半径方向に磁気浮上させると共に、半径方向センサー２２、２６からの位置検知信号に応じてロータ軸１８を半径方向所定位置に保持するように増幅器８４ａ〜８４ｄの増幅率を変化させて、供給する励磁電流を変化させる制御を行う。

【００２５】同時に、磁気浮上用コントローラ８０は、軸方向電磁石３２、３４に励磁電流を供給することによってロータ軸１８を軸方向に磁気浮上させると共に、軸方向センサー３６からの位置検知信号に応じてロータ軸１８を軸方向所定位置に保持するように増幅器８４ｅの増幅率を変化させて、供給する励磁電流を変化させる制御を行う。

【００２６】Ｉ／Ｏ７０ｇには回転センサー３８が接続されており、この回転センサー３８からのパルス信号がＣＰＵ７０ａで読み取られ、ロータ軸１８の回転数が検出される。また、Ｉ／Ｏ７０ｈには、高周波モータ３０を回転駆動させるモータドライバー７７が接続されている。モータドライバ７７は、図示しないＡＣ電源をコンバータで直流に変換した後、再びインバータにより３相交流とし、負荷に応じた電流を高周波モータ３０に供給するようになっている。

【００２７】図３は、補正回路（ＰＩＤ）８２ａ〜８２ｅに配置される、周波数可変のノッチフィルタの構成を表したものである。このノッチフィルタは、非反転端子がアースされた、４つのオペアンプ１０１、１０３、１０５、１０７を備えている。

【００２８】オペアンプ１０１の反転入力端子には、抵抗１２１の一端および抵抗１１１の一端が接続され、抵抗１１１の他端はノッチフィルタの入力端子ｅｉに接続されている。また、オペアンプ１０１の出力端子は、抵抗１１３および抵抗１１５の一端と接続されており、抵抗１１３の他端はオペアンプ１０１の反転入力端子に接続されている。

【００２９】抵抗１１５の他端、抵抗１２５の一端、および抵抗１１７の一端が、オペアンプ１０３の反転入力端子に接続され、オペアンプ１０３の出力端子は抵抗１１７の他端および可変抵抗Ｒｆの一方の端子ａに接続されている。可変抵抗Ｒｆの他方の端子ｂは、オペアンプ１０５の反転入力端子および、容量Ｃのコンデンサ１１９の一端と接続されている。オペアンプ１０５の出力端子は、コンデンサ１１９の他端、抵抗１２１の他端、および、可変抵抗Ｒｆの一方の端子ａと接続されている。可変抵抗Ｒｆの他方の端子ｂはオペアンプ１０７の反転入力端子および、容量Ｃのコンデンサ１２３の一端と接続されている。オペアンプ１０７の出力端子はコンデンサ１２３の他端、および抵抗１２５の他端と接続されている。

【００３０】図４はこのノッチフィルタの特性について表したものである。この図４に示すように、ノッチフィルタは、中心周波数ｆ０の周波数成分をカットするようになっている。この中心周波数ｆ０は、図３に示すノッチフィルタの可変抵抗ＲF の抵抗をＲとし、コンデンサ１１９、１２３の容量をＣとすると、次の式（２）で示される。

【００３１】ｆ０＝１／（２πＣＲ） …… （２）従って、中心周波数ｆ０は、可変抵抗ＲF の抵抗値で可変となる。図５は、本実施例で可変抵抗ＲF と等価的に使用されるスイッチング素子を表したものである。

【００３２】この図５に示すように、スイッチング素子は、２つのスイッチを備えており、両スイッチ間に容量Ｃ１のコンデンサが接続されている。両スイッチは、外部クロックｆｃによってスイッチング動作を行い、図５のように、入力端子ａ、コンデンサ、アース間を直列に接続すると共に、スイッチングによって、アース、コンデンサＣ１、出力端子ｂ間を直列に接続するようになっている。

【００３３】このスイッチング素子の等価的な抵抗値Ｒeqは、次の式（３）で表される。Ｒeq＝１／（Ｃ１・ｆｃ） …… （３）従って、式（２）および式（３）から、外部クロックｆｃによるスイッチング周波数を変えることにより、ノッチフィルタでカットする中心周波数ｆ０を変更することが可能となる。

【００３４】図６は、図１に示す磁気軸受装置の温度と、ロータ軸１８の固有振動数ω０との関係の一例を表したものである。この図６に示すように、ロータ１８の固有振動数ω０は温度ｔの上昇と共に減少する。この温度ｔと固有振動数ω０の関係を示すデータは、図２に示すＲＯＭ７０ｂに格納されている。

【００３５】次に、このように構成された磁気軸受装置の温度変化に対する動作について説明する。磁気軸受装置の動作を開始する指示がキーボード７４から入力されると、開始指示の信号がキーボードＩ／Ｆ７０ｄを介してＣＰＵ７０ａに供給され、ＣＰＵ７０ａからＩ／Ｏ７０ｆを介して磁気浮上用コントローラ８０にロータ軸１８の磁気浮上が指示される。

【００３６】磁気浮上用コントローラ８０は、ＣＰＵ７０ａからの指示を受けると、半径方向電磁石２０、２４および軸方向電磁石３２、３４に励磁電流を供給してロータ軸１８を磁気浮上させる。この場合、磁気浮上用コントローラ８０では、半径方向センサ２２、２６および軸方向センサ３６からの位置検知信号に基づいて、ＰＩＤ８２ａ〜８２ｅおよび増幅部８４ａ〜８４ｅによって励磁電流を制御することにより、ロータ軸１８が軸中心に保持される。

【００３７】また、ＣＰＵ７０ａは、Ｉ／Ｏ７０ｈを介してモータドライバー７７に高周波モータ３０の回転開始を指示する。高周波モータ３０はこの指示を受けると、変換した３相交流が出力され、これによって高周波モータ３０が高速回転を開始する。これにともなって、ロータ軸１８、およびロータ翼１４も高速回転を開始する。

【００３８】ここで、ＣＰＵ７０ａは、温度センサー５０からＩ／Ｏ７０ｉを介して供給される信号に基づいて、磁気軸受装置の装置温度ｔを測定する。そして、ＲＯＭ７０ｂに格納された、温度−固有振動数曲線（図６）に関するデータから、測定温度ｔにおける固有振動数ω０の値を読み取る。

【００３９】ＣＰＵ７０ａは、前記式（２）、式（３）から、ノッチフィルタでカットする中心周波数ｆ０がこの固有周波数ω０と等しくなる外部クロックの周波数ｆｃを決定し、対応する制御信号をＩ／Ｏ７０ｆを介して磁気浮上用コントローラ８０の各ＰＩＤ８２ａ〜８２ｅに供給する。各ＰＩＤ８２では、図示しないクロック回路において、周知の分周手段で分周した所定の周波数ｆｃのクロック信号を出力して、図５に示すスイッチング素子に外部クロックとして供給する。

【００４０】スイッチング素子では、供給される外部クロックの周波数ｆｃで、スイッチング動作を繰り返すことにより、前記式（３）で示す抵抗値Ｒeqの抵抗素子と等価的に機能する。ここで、外部クロックの周波数ｆｃは、式（２）で求まるｆ０の値がロータ軸の発振周波数ω０と一致する値が選択されることから、各ＰＩＤに配置されたノッチフィルタ（図３）によって、装置温度に対応した最適な周波数成分がカットされることとなる。

【００４１】以上説明した実施例では、周波数カット手段として図３および図４に示すノッチフィルタおよびスイッチング素子を使用したが、本考案はこの構成に限られるものではなく、他の構成の可変抵抗ＲF を使用してもよい。また、ノッチフィルタの構成も図３のノッチフィルタに限定されるものではなく、特定周波数をカットすることが可能なフィルタであればよい。例えば、特定周波数帯域のみ通過するバンドパスフィルタを組み合わせることにより周波数カット手段を構成するようにしてもよい。ようするに、特定周波数をカットするフィルタであり、かつ、カットする周波数帯域を変更することができる構成であればよい。

【００４２】また、以上説明した実施例では、温度センサーを排気口５２の近傍に配置したが、スペーサ（固定部）の温度を測定できる位置であれば他の箇所でもよい。例えば、コネクタ４４のとロータ翼１２との間に配置し、また、外装体１０とステータ翼１２との間隔がある形式のものであれば、この間隔部でステータ翼側に温度センサーを配置するようにしてもよい。

【００４３】そして、温度センサーとしてサーミスタ等の接触型温度計を使用したが、非接触型の温度計、例えば放射温度計のセンサー部を前記各位置に取り付け、温度計本体をコネクタ４４に接続されている信号処理系内に配置するようにしてもよい。

【００４４】さらに、以上説明した実施例では、磁気軸受け装置として、磁気浮上型真空ポンプに適用した場合について説明したが、本考案では、他に、砥石台等に使用される磁気軸受けスピンドル等に使用することも可能である。

【００４５】

【考案の効果】

本考案の磁気軸受け装置では、装置温度を温度検出手段で検出し、その装置温度における所定周波数帯域の制御信号を周波数カット手段でカットすると共に、装置温度の変化に応じて周波数カット手段でカットする周波数帯域を変更するので、装置温度が変化しても適切な周波数成分をカットすることができる。

【００４６】従って、装置温度が変化してもロータ軸の発振を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の磁気軸受け装置における一実施例の構
成図である。

【図２】同上、実施例の電気的構成を示すブロック線図
である。

【図３】同上、実施例のノッチフィルタの構成図であ
る。

【図４】同上、実施例のノッチフィルタの特性を示す説
明図である。

【図５】同上、実施例の可変抵抗ＲF と等価的に使用さ
れるスイッチング素子の構成図である。

【図６】同上、実施例の装置温度と、固有振動数ω０と
の関係を示す説明図である。

【符号の説明】

１０外装体１２ステータ翼１３ロータ翼１５ロータ１８ロータ軸２０、２４半径方向電磁石２２、２６半径方向センサー３０高周波モータ３２、３４軸方向電磁石３６軸方向センサー５０温度センサー５２排気口７０システムコントローラ７０ａＣＰＵ７０ｂＲＯＭ７４キーボード７７モータドライバー８０磁気浮上用コントローラ８２ＰＩＤ

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

【請求項１】磁性を有するロータ軸と、このロータ軸を回転させる高周波モータと、前記ロータ軸の位置を検出する複数の位置検出センサ
と、この位置検出センサからの検出信号に基づいて、前記ロ
ータ軸を所定位置に保持するための制御信号を出力する
制御信号出力手段と、この制御信号出力手段で出力される制御信号に応じた磁
界を発生して前記ロータ軸を非接触となる所定位置に磁
気浮上させる磁気浮上用電磁石と、装置内所定位置の温度を検出する温度検出手段と、前記制御信号出力手段から出力される制御信号から所定
周波数帯域の制御信号をカットする周波数カット手段
と、この周波数カット手段でカットする所定周波数帯域を前
記温度検出手段で検出された温度に応じて変更する変更
手段とを具備することを特徴とする磁気軸受装置。