JP2002349566A - 磁気軸受制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 回転体の回転数や温度によることなく、安定
した磁気支持制御が可能となる磁気軸受制御装置を提供
する。 【解決手段】 磁気軸受制御装置１のＤＳＰ部１９は、
回転体１０３の回転数の変化および温度の変化に応じて
対応するパラメータωをメモリ部２５から読み出す。パ
ラメータωは、回転体１０３の固有振動数を測定した結
果に基づいて共振を抑えるようにあらかじめ設定した伝
達関数の係数を算出するためのものである。このパラメ
ータωによって定まる係数により伝達関数が確定し、Ｄ
ＳＰ部１９は、新たな回転数および温度に適した補償を
行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は磁気軸受制御装置に
係わり、特に回転体の回転数や温度によることなく、安
定した磁気支持制御が可能となる磁気軸受制御装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】ターボ分子ポンプ１０１は、例えば図５
の断面図に示すように、ガスを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、１０
２ｃ…を多段に備えた回転体１０３を備える。

【０００３】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、図示せぬ磁気軸受制御装置に送るように構成
されている。

【０００４】磁気軸受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
機能を有する補償回路を介して上側径方向電磁石１０４
の励磁を制御し、回転体１０３の上側の径方向位置を調
整する。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。

【０００５】また、下側径方向電磁石１０５および下側
径方向センサ１０８が、上側径方向電磁石１０４および
上側径方向センサ１０７と同様に配置され、回転体１０
３の下側の径方向位置を調整している。

【０００６】さらに、軸方向電磁石１０６が、回転体１
０３に備えた金属ディスク１１１を挟んで配置されてい
る。回転体１０３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磁気軸
受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１０６は、この軸方向変位信号に基づき磁
気軸受制御装置によって励磁制御され、回転体１０３を
軸方向に磁気浮上させている。

【０００７】ターボ分子ポンプ１０１においては、回転
体１０３の各回転翼１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ…に
基づく固有振動数が存在し、回転体が回転したときに生
じる不釣合い振動や、変位信号に含まれるノイズなどの
外乱によって固有振動周波数での不安定な振動が励起さ
れる。

【０００８】そして、この回転体１０３の固有振動数
は、図６の実線による線図Ｌ１、Ｌ２のように、静止時
から回転数の増加とともに、遠心力等の影響を受けて２
方向に変化する。

【０００９】この不安定な振動を減衰させるために、従
来は、磁気軸受制御装置のフィードバックループ内に磁
気軸受制御用補償器を設けている。この補償器により、
位相進み特性を持たせた、または、ノッチフィルタなど
で固有振動数付近の利得を下げることにより補償を行っ
ている。

【００１０】そして、回転数変化に伴う固有振動数の変
化に対処するため、位相進み特性による補償器の場合に
は、図８のように広い周波数範囲で位相を進めたり、あ
るいは図７のように局所的な位相調節を行う。図７では
伝達関数の係数をパラメータωによって表わし、このパ
ラメータωを回転センサなどで検出した回転数に応じて
変化させることにより、回転数に合わせて局所的な位相
特性を変化させている。

【００１１】またノッチフィルタを用いる場合はノッチ
フィルタの中心周波数などを回転センサなどで検出した
回転数に応じて変化させる。このような補償を行うこと
により、固有振動数が回転体１０３の回転数によって変
動する場合について、その不安定な振動が発生しないよ
うにしていた。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、固有振
動数は、回転数の変化のほかに、ガス負荷の変動等によ
る温度変化によっても影響を受ける。

【００１３】例えば、半導体製造装置などでは、近年、
ターボ分子ポンプによって大量のガスを連続して排気す
るようなプロセスを持つものが多くある。この場合、タ
ーボ分子ポンプの回転翼は、材料強度が急激に低下する
限界点（アルミ合金では１５０℃付近）まで温度が上昇
する場合がある。

【００１４】回転翼の温度が上昇すると材料（通常はア
ルミ合金）の剛性が低下することにより、図６の破線に
よる線図Ｈ１、Ｈ２のように固有振動数が低くなるよう
に変化する。

【００１５】このように温度が変化する場合において、
図７のように局所的に位相を進めるようにした補償器
は、高周波数領域の利得はあまり上昇しないという点で
は優れている。しかしながら、回転翼温度の上昇に合わ
せて位相の進み領域を回転翼の固有振動数変化に常に追
従させないかぎり、位相進み範囲を外れて不安定な振動
を起こす場合があった。

【００１６】また、図８のような広い周波数範囲で位相
を進めるようにした補償器は、高周波数領域での利得が
上昇し、高い周波数領域に存在する他の固有振動数で不
安定となる。したがって、ターボ分子ポンプの磁気軸受
制御装置は、従来の位相進み補償やノッチフィルタによ
る補償では温度変化による不安定な振動を十分に減衰さ
せることができない場合があった。

【００１７】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、回転体の回転数や温度によることなく、
安定した磁気支持制御が可能となる磁気軸受制御装置を
提供することを目的とする。

【００１８】

【課題を解決するための手段】このため本発明（請求項
１）は、回転体の半径方向または軸方向の浮上位置を調
整し、かつ、回転体の共振を抑えるように補償する磁気
軸受制御補償手段と、前記回転体の回転数を検出する回
転数検出手段と、前記回転体の温度を検出する温度検出
手段と、前記回転体の共振を抑えるようにあらかじめ取
得されている前記磁気軸受制御補償手段の伝達関数の係
数を定めるためのパラメータ、演算式、または特性図等
から、前記回転数検出手段が検出した回転数および前記
温度検出手段が検出した温度に対応するデータを取り出
して前記伝達関数の係数として設定する調整手段とを備
えたことを特徴とする。

【００１９】回転体の固有振動数と回転数および温度と
の関係を予め実測し、この実測結果に基づき、共振補償
可能な伝達関数の係数を定めるためのパラメータ、演算
式、特性図等のデータを取得し、保存する。検出された
回転数と温度に応じてこの保存されたデータより伝達関
数の係数が取得され、磁気軸受制御補償手段の制御特性
が調整されることから、常に固有振動数による不安定振
動を減衰させることが可能となる。

【００２０】また、本発明（請求項２）は、前記調整手
段が、前記回転体の回転数と温度とによって定まる前記
伝達関数の係数を表わすテーブルと、該テーブルから前
記回転数検出手段が検出した回転数および前記温度検出
手段が検出した温度に対応するデータを取り出して前記
伝達関数の係数として設定する係数設定手段とからなる
ことを特徴とする。

【００２１】本発明の磁気軸受制御装置は、簡易な伝達
関数係数のテーブルにより、複雑な制御特性を確実に設
定することができる。

【００２２】さらに、本発明（請求項３）は、前記磁気
軸受制御補償手段が、前記回転体の半径方向または軸方
向の位置信号を補償する第１の補償手段と、該第１の補
償手段の出力について前記回転体の共振を抑えるように
補償する第２の補償手段とに分離して構成され、前記調
整手段が該第２の補償手段の伝達関数の係数を設定する
ことを特徴とする。

【００２３】本発明の磁気軸受制御装置は、それぞれの
補償手段ごとに、目的に応じた特性の伝達関数を容易に
設定することができる。したがって、その設計も容易と
なる。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
説明する。本発明の実施形態に係るターボ分子ポンプの
磁気軸受制御装置の機能構成図を図１に示す。なお、図
５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。

【００２５】ターボ分子ポンプには、回転体１０３の回
転数を検出するように回転センサ７が備えられる。この
回転センサ７により検出された回転体１０３の回転数信
号がＡ／Ｄ変換器２３に送られるように回転数検出回路
１３が設けられている。

【００２６】同様に、回転体１０３の温度信号を検出す
る温度センサ９と、この温度センサ９から検出された温
度信号がＡ／Ｄ変換器２３に送られるように温度検出回
路１５とが設けられている。温度センサ９は、非接触式
の赤外線センサ等により構成される。

【００２７】また、変位検出回路１１は、上側径方向セ
ンサ１０７で検出された変位信号がＡ／Ｄ変換器２３に
送られるように構成されている。ＤＳＰ（ディジタルシ
グナルプロセッサ）部１９は、Ａ／Ｄ変換器２３を介し
て受けた変位、回転数、温度の信号に基づいて磁気軸受
制御補償を行い、増幅部１７、１７にＰＷＭ信号を送る
ように構成されている。

【００２８】磁気軸受制御補償は、回転体１０３の半径
方向または軸方向の支持位置を補償するとともに、回転
体１０３の共振を抑えるために回転数と温度に応じて伝
達関数の係数を設定できるように構成されている。メモ
リ部２５には、伝達関数の係数を算出するための係数パ
ラメータが、回転数および温度を条件として読み出し可
能にあらかじめ格納されている。

【００２９】つぎに、メモリ部２５について詳細に説明
する。メモリ内のデータ構成例を図２に示す。図２にお
いて、メモリ部２５のデータは、回転体１０３の回転数
と温度に応じてＤＳＰ部１９の伝達関数の係数を決定す
るためのパラメータωである。このパラメータωは、回
転体１０３の固有振動数を回転数と温度の組み合わた条
件について測定することによって求めることができる。

【００３０】すなわち、回転数と温度の組み合わせ条件
によって回転体１０３の固有振動数がどのように変化す
るかをあらかじめ測定しておく。この測定結果から、各
条件において不安定な振動が十分減衰するようにあらか
じめ補償器の伝達関数を設定する。

【００３１】この伝達関数の係数を定めるための変数と
してのパラメータωのデータを算出する。このパラメー
タωのデータは、この例では、横軸を温度、縦軸を回転
数として、配列形式の一覧表として格納されている。こ
の一覧表をメモリなどに格納しておくことにより、回転
数と温度に対応したパラメータωが回転数と温度に応じ
て決定されるようになっている。

【００３２】本発明の磁気軸受制御装置は、図５の磁気
軸受の５軸構成のすべてに同様に構成される。すなわ
ち、上側径方向電磁石１０４、下側径方向電磁石１０
５、および軸方向磁気軸受の軸方向電磁石１０６につい
て、それぞれ磁気軸受制御装置が構成される。

【００３３】つぎに、本発明のターボ分子ポンプの磁気
軸受制御装置の動作について説明する。ターボ分子ポン
プが起動されると、上側径方向における回転体１０３の
変位データが上側径方向センサ１０７により検出され
る。同様にして下側径方向の変位データが下側径方向セ
ンサ１０８により、また、軸方向の変位データが軸方向
方向センサ１０９によりそれぞれ検出される。

【００３４】各変位データは、変位検出回路１１、Ａ／
Ｄ変換器２３を介してＤＳＰ部１９に送られる。ＤＳＰ
部１９では、変位修正するべくＰＩＤ制御を行ない、増
幅部１７にＰＷＭ信号を送る。

【００３５】このとき、ＤＳＰ部１９は、回転体１０３
の回転数の変化および温度の変化に応じて新たな条件に
対応するパラメータωをメモリ部２５から読み出す。こ
のパラメータωは、回転体１０３の固有振動数を測定し
た結果に基づいて共振を抑えるようにあらかじめ設定し
た伝達関数の係数を算出するためのものである。

【００３６】このパラメータωによって伝達関数の係数
が更新されることで伝達関数が確定し、共振補償され
る。したがって、どのような条件においても、回転数と
温度に応じて補償器の利得、位相が変化され、最適な共
振補償がなされるので、常に固有振動数による不安定振
動を減衰させることが可能となる。

【００３７】つぎに、ＤＳＰ部１９の詳細な構成につい
て説明する。制御処理部の第１の構成例の機能構成図を
図３に、また、第２の構成例の機能構成図を図４に示
す。図３において、ＰＩＤ補償器３１は、変位信号を受
けてＰＩＤ制御により回転体１０３の半径方向または軸
方向の支持位置を補償制御する。共振補償器３３は、共
振補償のための応答特性を有し、ＰＩＤ補償器３１の出
力信号を受けて共振回避の補償を行ない、信号出力する
ように構成されている。

【００３８】係数設定部３５は、検出された回転数と温
度に基づいてメモリ部２５から対応するデータを取り出
し、このデータをパラメータとして共振補償器３３の伝
達関数の係数を設定するように構成されている。共振補
償器３３の制御信号をＰＷＭ信号に変換するＰＷＭ変換
部３７が備えられ、ＰＷＭ信号がＤＳＰ部１９から増幅
部１７に出力されるように構成されている。

【００３９】つぎに動作を説明する。回転数と温度の条
件に対応してメモリ部２５からパラメータωが読み出さ
れる。このパラメータωにより共振補償器３３の伝達関
数の係数が設定される。そして、この共振補償器３３に
よって共振を抑えるようにＰＩＤ補償器３１の出力信号
が補償される。この補償された信号は、ＰＷＭ変換部３
７によりＰＷＭ信号に変換されて増幅部１７に送られ、
回転体１０３の共振が抑えられるように励磁制御され
る。

【００４０】このＤＳＰ部１９は、ＰＩＤ補償器３１と
共振補償器３３が機能別に構成されていることから、そ
れぞれの伝達関数は、目的の機能に応じて容易に設計す
ることができる。なお、ＰＩＤ補償器３１と共振補償器
３３は一体的に構成されても良い。

【００４１】図４は、ＤＳＰ部１９の共振補償器３３か
ら出力信号を受けるＤ／Ａ変換器３９を備えて構成した
例である。係数設定部３５は、前記同様にして回転数と
温度の条件に応じたパラメータを介して共振補償器３３
の伝達関数の係数を設定する。この伝達関数による共振
補償器３３の出力信号はＤ／Ａ変換器３９を介してアナ
ログの電流指令信号として、上側径方向電磁石１０４、
下側径方向電磁石１０５、または軸方向電磁石１０６を
励磁制御することができる。

【００４２】なお、メモリ部２５の格納データは、伝達
関数の係数を算出するための係数パラメータに限らず、
伝達関数の係数そのものでもよい。また、格納データ
は、上述の配列形式に限らず、伝達関数の係数を回転数
と温度による関係式あるいは、特性図等により算出する
ようにしてもよい。関係式によって係数を算出する場
合、テーブルによる多数のデータを要しないので構成を
簡易化することが可能である。

【００４３】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、回
転数および温度の条件に応じて磁気軸受制御補償手段の
伝達関数の係数を設定する調整手段を磁気軸受制御装置
に備えたので、回転数および温度が広い範囲で変動する
場合でも、常に固有振動数による不安定振動を減衰させ
ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施形態に係るターボ分子ポンプの
磁気軸受制御装置の機能構成図

【図２】 図１のメモリ内のデータ構成例

【図３】 本発明に係るＤＳＰ部の第１の構成例の機能
構成図

【図４】 本発明に係るＤＳＰ部の第２の構成例の機能
構成図

【図５】 ターボ分子ポンプの断面図

【図６】 回転数と温度によるターボ分子ポンプの回転
体の固有振動数特性図

【図７】 局所的に位相を進めるようにした伝達関数の
特性図

【図８】 広い周波数範囲で位相を進めるようにした伝
達関数の特性図

【符号の説明】

１ 磁気軸受制御装置 ７ 回転センサ（回転数検出手段） ９ 温度センサ（温度検出手段） １９ ＤＳＰ部（磁気軸受制御補償手段） ２５ メモリ部（調整手段） ３１ ＰＩＤ補償器（第１の補償部） ３３ 共振補償器（第２の補償部） ３５ 係数設定部（調整手段） １０３ 回転体 １０４ 上側径方向電磁石（磁気軸受） １０５ 下側径方向電磁石（磁気軸受） １０６ 軸方向電磁石（磁気軸受） １０７ 上側径方向センサ（変位検出手段） １０８ 下側径方向センサ（変位検出手段） １０９ 軸方向センサ（変位検出手段） ω パラメータ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転体の半径方向または軸方向の浮上位
   置を調整し、かつ、回転体の共振を抑えるように補償す
   る磁気軸受制御補償手段と、前記回転体の回転数を検出
   する回転数検出手段と、前記回転体の温度を検出する温
   度検出手段と、前記回転体の共振を抑えるようにあらか
   じめ取得されている前記磁気軸受制御補償手段の伝達関
   数の係数を定めるためのパラメータ、演算式、または特
   性図等から、前記回転数検出手段が検出した回転数およ
   び前記温度検出手段が検出した温度に対応するデータを
   取り出して前記伝達関数の係数として設定する調整手段
   とを備えたことを特徴とする磁気軸受制御装置。
2. 【請求項２】 前記調整手段が、前記回転体の回転数と
   温度とによって定まる前記伝達関数の係数を表わすテー
   ブルと、該テーブルから前記回転数検出手段が検出した
   回転数および前記温度検出手段が検出した温度に対応す
   るデータを取り出して前記伝達関数の係数として設定す
   る係数設定手段とからなることを特徴とする請求項１記
   載の磁気軸受制御装置。
3. 【請求項３】 前記磁気軸受制御補償手段が、前記回転
   体の半径方向または軸方向の位置信号を補償する第１の
   補償手段と、該第１の補償手段の出力について前記回転
   体の共振を抑えるように補償する第２の補償手段とに分
   離して構成され、前記調整手段が該第２の補償手段の伝
   達関数の係数を設定することを特徴とする請求項１又は
   請求項２記載の磁気軸受制御装置。