特許 6321949 磁気軸受装置、及び真空ポンプ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6321949

(24)【登録日】2018年4月13日

(45)【発行日】2018年5月9日

(54)【発明の名称】磁気軸受装置、及び真空ポンプ

(51)【国際特許分類】

   F16C 32/04 20060101AFI20180423BHJP

   F04D 19/04 20060101ALI20180423BHJP

【ＦＩ】

   F16C32/04 A

   F04D19/04 A

【請求項の数】15

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2013-246961(P2013-246961)

(22)【出願日】2013年11月29日

(65)【公開番号】特開2015-105680(P2015-105680A)

(43)【公開日】2015年6月8日

【審査請求日】2016年10月31日

(73)【特許権者】

【識別番号】508275939

【氏名又は名称】エドワーズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100169960

【弁理士】

【氏名又は名称】清水 貴光

(74)【代理人】

【識別番号】100060575

【弁理士】

【氏名又は名称】林 孝吉

(72)【発明者】

【氏名】川島 敏明

【審査官】 西藤 直人

(56)【参考文献】

【文献】 特開昭６４−０８３９１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開平０４−０８４９１５（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開２００６−０８３９２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０２−１３４４１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−０４２２９０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ１６Ｃ ３２／０４

Ｆ０４Ｄ １９／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電磁石の電磁力によってロータ軸を非接触で支持する磁気軸受と、該磁気軸受を制御する制御機器と、を備えた磁気軸受装置であって、
前記制御機器は、
前記磁気軸受の前記ロータ軸を反対方向に引き合う一対の前記電磁石の各々に流れる電流定常値を取得する電流取得手段と、
前記電流定常値から、前記磁気軸受の取付姿勢に起因して生じる一対の前記電磁石の吸引力による不安定ばね定数を補償する補正ゲイン指令値を求める補正係数演算手段と、
前記補正ゲイン指令値と前記磁気軸受の取付姿勢によらず一義的に決まる基本ゲインとを加算してゲイン指令値を求める第１の加算手段と、
前記ゲイン指令値に基づいて生成された電流指令値により、一対の前記電磁石の各々に流れる電流を制御する電流制御手段と、
を備えていることを特徴とする磁気軸受装置。

【請求項2】

前記電流取得手段は、一対の前記電磁石の各々に流れる電流の電流検出値、又は、前記電流指令値に基づいて、前記電流定常値を取得することを特徴とする請求項１記載の磁気軸受装置。

【請求項3】

前記電流制御手段は、前記ロータ軸の位置情報を有する力指令中間信号を前記ゲイン指令値によって制御し、前記ゲイン指令値によって制御された前記力指令中間信号とバイアス電流設定値とを加算して前記電流指令値を生成することを特徴とする請求項１又は２記載の磁気軸受装置。

【請求項4】

前記電流指令値は、一対の前記電磁石に対して、前記不安定ばね定数を打ち消し、前記ロータ軸を前記磁気軸受の中心に引き戻す力のみを作用させることを特徴とする請求項１又は２記載の磁気軸受装置。

【請求項5】

前記電流指令値は、一対の前記電磁石に対して、前記不安定ばね定数を打ち消し、前記ロータ軸を前記磁気軸受の中心に引き戻す力のみを作用させることを特徴とする請求項３記載の磁気軸受装置。

【請求項6】

前記電流取得手段は、
一対の前記電磁石の各々に流れる前記電流定常値を個別に二乗化する一対の二乗化手段と、
一対の前記二乗化手段が個別に二乗化した各々の電流定常値を加算する第２の加算手段と、
を備えていることを特徴とする請求項１、２又は４記載の磁気軸受装置。

【請求項7】

前記電流取得手段は、
一対の前記電磁石の各々に流れる前記電流定常値を個別に二乗化する一対の二乗化手段と、
一対の前記二乗化手段が個別に二乗化した各々の電流定常値を加算する第２の加算手段と、
を備えていることを特徴とする請求項３又は５記載の磁気軸受装置。

【請求項8】

一対の前記二乗化手段と前記第２の加算手段とにより二乗・加算された電流定常値を平均化処理して前記補正係数演算手段に引き渡すローパスフィルタをさらに備えていることを特徴とする請求項６記載の磁気軸受装置。

【請求項9】

一対の前記二乗化手段と前記第２の加算手段とにより二乗・加算された電流定常値を平均化処理して前記補正係数演算手段に引き渡すローパスフィルタをさらに備えていることを特徴とする請求項７記載の磁気軸受装置。

【請求項10】

前記ローパスフィルタは、共振周波数が略１Ｈｚであることを特徴とする請求項８記載の磁気軸受装置。

【請求項11】

前記ローパスフィルタは、共振周波数が略１Ｈｚであることを特徴とする請求項９記載の磁気軸受装置。

【請求項12】

前記電流制御手段が生成した電流指令値と前記電磁石の吸引力との関係を示す非線形特性を前記バイアス電流設定値により線形化する線形化手段をさらに備えていることを特徴とする請求項３、５、７、９又は１１記載の磁気軸受装置。

【請求項13】

前記電流制御手段は、前記ロータ軸の位置情報を有する力指令中間信号を前記ゲイン指令値によって制御し、前記ゲイン指令値によって制御された前記力指令中間信号とバイアス電流設定値とを加算して前記電流指令値を生成し、
前記電流制御手段が生成した電流指令値と前記電磁石の吸引力との関係を示す非線形特性を前記バイアス電流設定値により線形化する線形化手段をさらに備えていることを特徴とする請求項４、６、８又は１０記載の磁気軸受装置。

【請求項14】

前記線形化手段は、一対の前記電磁石の両方に電流が流れていないときのみ機能することを特徴とする請求項１２又は１３記載の磁気軸受装置。

【請求項15】

請求項１乃至１４の何れか１項記載の磁気軸受装置を備えていることを特徴とする真空ポンプ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電磁石の電磁力によって回転体を非接触で支持する磁気軸受と該磁気軸受を制御する制御機器とを備えた磁気軸受装置、及びその磁気軸受装置を用いた真空ポンプに関する。

【背景技術】

【0002】

従来より、回転体（剛体）が持つ６自由度のうちの５自由度を電磁石の電磁力（吸引力）で支持する磁気軸受（５軸制御磁気軸受）が広く知られている。このような磁気軸受は、軸受部分が非接触であるために磨耗がなく長寿命であり、軸受損失が微小であるために超高速回転機器に適用が可能であり、かつ、軸受の剛性・減衰特性を任意に調整できて、低振動・低騒音回転が可能であるなど、優れた性能を備えている。従って、このような磁気軸受は、例えば、半導体製造装置などに用いられる真空ポンプ、ターボ分子ポンプ、及びタービン発電機、工作機械などに用いられている。

【0003】

ところが、このような磁気軸受においては、ロータ軸を回転すると、磁気軸受を構成する電磁石の磁束によってロータ軸に渦電流による鉄損が生じ、該ロータ軸の温度が上昇するおそれがある。そのため、磁気軸受を備えた真空ポンプの許容流量が低下するなどの不具合が生じる。このとき、真空ポンプを垂直に設置した場合は、磁気軸受を構成する電磁石の電流（励磁電流）を低くすることで、ロータ軸の温度上昇を抑制することができる。しかし、電磁石の電流を低くした場合は、真空ポンプを垂直に設置して安定的に回転していても、その真空ポンプを水平に設置し直すと、ロータ軸の自重がラジアル方向に電磁石側に加わるため、磁気軸受の剛性（浮揚反発力）が低下してロータ軸が安定的に回転しなくなることがある。逆に、真空ポンプを水平に設置してロータ軸が安定的に回転していた場合は、その真空ポンプを垂直に設置し直すと、磁気軸受の剛性（軸心への反発力）が上がり過ぎて、軸心ずれ等による発振や振動が起こりやすくなる。

【0004】

すなわち、半導体製造装置などの設置状態に応じて、真空ポンプは、垂直方向、傾斜方向、水平方向、倒立方向など、いずれの姿勢でも自由に取り付けることができる。このとき、真空ポンプの取付姿勢に応じて、磁気軸受の電磁石へ最適な電流を流すことができるように、制御機器から電磁石へ流れる電流を最適に制御しなければならない。そこで、真空ポンプ（すなわち、磁気軸受のロータ軸）の設置方向に応じて、常に最適な電流を流すように電流補償回路の制御定数を選択的に切り替える磁気軸受装置の技術が開示されている。このとき、選択的に切り替える制御定数は、真空ポンプの設置方向に応じて実験等によってあらかじめ求めておいた定数を使用している（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開平９−４２２９０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、前記特許文献１に開示された技術は、あらかじめ求めておいた複数の制御定数を真空ポンプ（磁気軸受の回転軸）の設置方向に応じて切り替えているため、制御回路内に多くの制御定数を記憶させておく必要がある。そのため、制御機器のメモリ容量が大きくなってしまうおそれがある。また、真空ポンプの設置姿勢と電流の制御定数との関係の初期調整に多くの時間がかかるおそれもある。さらには、真空ポンプの設置方向が動的に変化するような用途においては、制御定数の切り替えの瞬間に電流が過度的に変動するために、磁気軸受に振動が生じるおそれがある。

【0007】

そこで、初期調整が簡単であり、制御機器のメモリ容量を増やすことなく、簡単なアルゴリズムで最適な軸受制御を行うために解決すべき技術的課題が生じてくるのであり、本発明は、この課題を解決することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明は上記目的を達成するために提案されたものであり、請求項１記載の発明は、電磁石の電磁力によってロータ軸を非接触で支持する磁気軸受と、該磁気軸受を制御する制御機器と、を備えた磁気軸受装置であって、前記制御機器は、前記磁気軸受の前記ロータ軸を反対方向に引き合う一対の前記電磁石の各々に流れる電流定常値を取得する電流取得手段と、前記電流定常値から、前記磁気軸受の取付姿勢に起因して生じる一対の前記電磁石の吸引力による不安定ばね定数を補償する補正ゲイン指令値を求める補正係数演算手段と、前記補正ゲイン指令値と前記磁気軸受の取付姿勢によらず一義的に決まる基本ゲインとを加算してゲイン指令値を求める第１の加算手段と、前記ゲイン指令値に基づいて生成された電流指令値により、一対の前記電磁石の各々に流れる電流を制御する電流制御手段とを備える磁気軸受装置を提供する。

【0009】

この構成によれば、電流取得手段が、磁気軸受のロータ軸をラジアル方向に反対方向に引き合う一対の電磁石の各電流定常値を取得する。これにより、補正係数演算手段が、各電流定常値から、磁気軸受の取付姿勢に起因して生じる一対の電磁石の吸引力による不安定ばね定数を補償するための補正ゲイン指令値を算出する。そして、第１の加算手段が、補正ゲイン指令値と磁気軸受の取付姿勢によらず一義的に決まる基本ゲインとを加算してゲイン指令値を求める。これによって、電流制御手段は、ゲイン指令値に基づいて電流指令値を生成し、その電流指令値に基づいて、一対の電磁石の各々に流れる電流を制御する。従って、磁気軸受の取付姿勢が変化しても、常に最適な状態で磁気軸受を制御することができる。

【0010】

また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の磁気軸受装置の構成に加えて、前記電流取得手段は、一対の前記電磁石の各々に流れる電流の電流検出値、又は、前記電流指令値に基づいて、前記電流定常値を取得する磁気軸受装置を提供する。

【0011】

この構成によれば、電流取得手段は、一対の前記電磁石の各々に流れる電流の電流検出値から電流定常値を取得してもよいし、電流制御手段が生成した電流指令値から電流定常値を取得してもよい。前者の場合はフィーバック制御された結果の電流検出値を取得して補正ゲイン指令値を生成しているが、後者の場合はフィーバック制御される前の電流指令値を取得して補正ゲイン指令値を生成しているので、後者の方が制御の応答性が速い。

【0012】

また、請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の磁気軸受装置の構成に加えて、前記電流制御手段は、前記ロータ軸の位置情報を有する力指令中間信号を前記ゲイン指令値によって制御し、前記ゲイン指令値によって制御された前記力指令中間信号とバイアス電流設定値とを加算して前記電流指令値を生成する磁気軸受装置を提供する。

【0013】

この構成によれば、電流制御手段は、ロータ軸の位置情報を有する力指令中間信号とバイアス電流設定値とを加算して電流指令値を生成しているので、ロータ軸の変心状態に対応して適正に軸受制御を行うことができる。

【0014】

また、請求項４記載の発明は、請求項１又は２記載の磁気軸受装置の構成に加えて、前記電流指令値は、一対の前記電磁石に対して、前記不安定ばね定数を打ち消し、前記ロータ軸を前記磁気軸受の中心に引き戻す力のみを作用させる磁気軸受装置を提供する。
また、請求項５記載の発明は、請求項３記載の磁気軸受装置の構成に加えて、前記電流指令値は、一対の前記電磁石に対して、前記不安定ばね定数を打ち消し、前記ロータ軸を前記磁気軸受の中心に引き戻す力のみを作用させる磁気軸受装置を提供する。

【0015】

この構成によれば、補正ゲイン指令値と基本ゲインとを加算することにより、対向する一対の電磁石の一瞬後における合計吸引力は、一対の電磁石の現在の合計吸引力に対して、ロータ軸を磁気軸受の中心に引き戻すばね力のみが加わる状態となり、磁気軸受の不安定なばね定数による吸引力は打ち消されてしまう。すなわち、対向する一対の電磁石は、ロータ軸を磁気軸受の中心に引き戻す力のみが作用することになる。

【0016】

また、請求項６記載の発明は、請求項１、２又は４記載の磁気軸受装置の構成に加えて、前記電流取得手段は、一対の前記電磁石の各々に流れる前記電流定常値を個別に二乗化する一対の二乗化手段と、一対の前記二乗化手段が個別に二乗化した各々の電流定常値を加算する第２の加算手段と、を備えている磁気軸受装置を提供する。
また、請求項７記載の発明は、請求項３又は５記載の磁気軸受装置の構成に加えて、前記電流取得手段は、一対の前記電磁石の各々に流れる前記電流定常値を個別に二乗化する一対の二乗化手段と、一対の前記二乗化手段が個別に二乗化した各々の電流定常値を加算する第２の加算手段と、を備えている磁気軸受装置を提供する。

【0017】

この構成によれば、電流取得手段において、一対の二乗化手段が各電磁石から取得した電流定常値を個別に二乗化し、さらに、第２の加算手段が二乗化された２つの電流定常値を加算してから、補正係数演算手段へ入力しているので、補正係数演算手段は、より高精度な補正ゲイン指令値を求めることができる。

【0018】

また、請求項８記載の発明は、請求項６記載の磁気軸受装置の構成に加えて、一対の前記二乗化手段と前記第２の加算手段とにより二乗・加算された電流定常値を平均化処理して前記補正係数演算手段に引き渡すローパスフィルタをさらに備えている磁気軸受装置を提供する。
また、請求項９記載の発明は、請求項７記載の磁気軸受装置の構成に加えて、一対の前記二乗化手段と前記第２の加算手段とにより二乗・加算された電流定常値を平均化処理して前記補正係数演算手段に引き渡すローパスフィルタをさらに備えている磁気軸受装置を提供する。

【0019】

この構成によれば、電流取得手段（一対の二乗化手段と第２の加算手段）は、二乗・加算された電流定常値をローパスフィルタに通過させてから補正係数演算手段へ送信しているので、磁気軸受の回転周波数に起因するノイズやリップルを除去することができる。これにより、補正係数演算手段はノイズやリップルを含まない補正ゲイン指令値を実現することができる。

【0020】

また、請求項１０記載の発明は、請求項８記載の磁気軸受装置の構成に加えて、前記ローパスフィルタは、共振周波数が略１Ｈｚである磁気軸受装置を提供する。
また、請求項１１記載の発明は、請求項９記載の磁気軸受装置の構成に加えて、前記ローパスフィルタは、共振周波数が略１Ｈｚである磁気軸受装置を提供する。

【0021】

この構成によれば、ローパスフィルタは、共振周波数が１Ｈｚ程度に設定されているので、磁気軸受の制御の応答性を低下させることはない。

【0022】

また、請求項１２記載の発明は、請求項３、５、７、９、又は１１記載の磁気軸受装置の構成に加えて、前記電流制御手段が生成した電流指令値と前記電磁石の吸引力との関係を示す非線形特性を前記バイアス電流設定値により線形化する線形化手段をさらに備えている磁気軸受装置を提供する。
また、請求項１３記載の発明は、請求項４、６、８又は１０記載の磁気軸受装置の構成に加えて、前記電流制御手段は、前記ロータ軸の位置情報を有する力指令中間信号を前記ゲイン指令値によって制御し、前記ゲイン指令値によって制御された前記力指令中間信号とバイアス電流設定値とを加算して前記電流指令値を生成し、前記電流制御手段が生成した電流指令値と前記電磁石の吸引力との関係を示す非線形特性を前記バイアス電流設定値により線形化する線形化手段をさらに備えている磁気軸受装置を提供する。

【0023】

この構成によれば、電磁石の吸引力は電流の二乗に比例するために力−電流特性は非線形性を有するので、そのままでは電流制御手段による電流の制御が不安定になりやすい。そこで、バイアス電流設定値により力−電流特性を線形化することにより、電流の制御を安定化させている。

【0024】

また、請求項１４記載の発明は、請求項１２又は１３記載の磁気軸受装置の構成に加えて、前記線形化手段は、一対の前記電磁石の両方に電流が流れていないときのみ機能する磁気軸受装置を提供する。

【0025】

この構成によれば、線形化手段は、バイアス電流設定値を用いて力−電流特性を線形化しているので、一対の電磁石の両方に電流が流れているときは線形化手段の機能を停止させておく必要がある。

【0026】

尚、前記制御機器は、１軸制御磁気軸受装置や３軸制御磁気軸受装置の制御にも適用できるが、前記ロータ軸が持つ６自由度のうちの５自由度を前記電磁石の吸引力で支持する５軸制御磁気軸受装置の制御にも適用可能である。

【0027】

例えば、前記制御機器を５軸制御磁気軸受装置に適用すれば、真空ポンプ、ターボ分子ポンプ、発電機用水車、精密工作機械など用いられる磁気軸受を高精度に制御することができる。

【0028】

請求項１５記載の発明は、請求項１乃至１４の何れか１項記載の磁気軸受装置を備えている真空ポンプを提供する。

【発明の効果】

【0029】

本発明によれば、磁気軸受を構成する電磁石の電流を低く設定した状態で磁気軸受の設置方向を変更しても、制御機器は、基本ゲインと不安定補償ゲイン（補正ゲイン指令値）とを加算したゲイン指令値に基づいて生成された電流指令値で、磁気軸受を制御している。そのため、磁気軸受の設置方向が変化しても該磁気軸受の剛性が変化しないため、設置方向の変更に起因する磁気軸受の振動を抑制することができる。また、比較的簡単なアルゴリズムで制御機器の機能を実現することができるため、該制御機器のメモリ容量を小さくすることができ、かつ、真空ポンプの設置姿勢に対応した電流の初期調整を簡便に行うことができる。さらに、磁気軸受の設置方向が動的に変化する用途においても、該磁気軸受の制御ゲインが連続的に変化するので、磁気軸受の振動を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0030】

【図1】本発明の一実施例に適用される５軸制御型磁気軸受の概略構成図である。

【図2】本発明の一実施例に適用される磁気軸受を備えた真空ポンプの構成を示す断面図である。

【図3】本発明の一実施例に適用される真空ポンプを半導体製造措置に取り付けたときの取付姿勢を示す概念図である。

【図4】本発明の一実施例に適用される磁気軸受と制御機器とからなる磁気軸受装置の構成を示す概念図である。

【図5】本発明の一実施例に適用される磁気軸受の制御機器の制御系統を示すブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0031】

本発明は、初期調整が簡単であり、制御機器のメモリ容量を増やすことなく、簡単なアルゴリズムで最適な軸受制御を行うという目的を達成するために、電磁石の電磁力によってロータ軸を非接触で支持する磁気軸受と、磁気軸受を制御する制御機器と、を備えた磁気軸受装置であって、制御機器は、磁気軸受のロータ軸を反対方向に引き合う一対の電磁石の各々に流れる電流定常値を取得する電流取得手段と、電流定常値から、磁気軸受の取付姿勢に起因して生じる一対の電磁石の吸引力による不安定ばね定数を補償する補正ゲイン指令値を求める補正係数演算手段と、補正ゲイン指令値と磁気軸受の取付姿勢によらず一義的に決まる基本ゲインとを加算してゲイン指令値を求める第１の加算手段と、ゲイン指令値に基づいて生成された電流指令値により、一対の前記電磁石の各々に流れる電流を制御する電流制御手段と、を備えていることによって実現される。

【0032】

すなわち、本発明の実施形態に係る磁気軸受装置は、磁気軸受のロータ軸をラジアル方向に反対方向に引き合う一対の電磁石の各電流定常値（Ｉp、Ｉm）を取得する。そして、磁気軸受の取付姿勢に応じて各電流を最適に変化させるために、取得した各電流定常値（Ｉp、Ｉm）から電磁石に働く不安定補償ゲイン（補正ゲイン指令値）Ｋcompを計算する。次に、電磁石の制御回路の基本ゲインＫctrlに補正ゲイン指令値Ｋcompを加算してゲイン指令値を生成する。そして、このゲイン指令値によって補正された電流指令値で磁気軸受を制御する。これにより、磁気軸受の取付姿勢が変化しても、常に最適な状態で磁気軸受を制御することができる。

【実施例】

【0033】

以下、本発明に係る磁気軸受装置の好適な実施例について、図１乃至図５を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の一実施例に適用される５軸制御型磁気軸受の概略構成図である。この５軸制御型磁気軸受は、ラジアル４軸に制御用電磁石と変位センサを配置し、アキシャル１軸に制御用電磁石と変位センサを配置した構成を示している。すなわち、この５軸制御型磁気軸受は、回転軸回りの自由度を除く５自由度（重心の並進運動について３つの自由度、重心周りの回転運動について２つの自由度）の運動を能動的に制御するように構成されている。

【0034】

この５軸制御型磁気軸受は、ＤＣモータ１により回転駆動されるロータ軸（回転軸）２の上方側の半径方向（ラジアル方向）に、４個のラジアル電磁石３ｘｐ、３ｘｍ、３ｙｐ、３ｙｍが、それぞれ、Ｘ軸、Ｙ軸ごとにペア（一対）で配置されている。また、各ラジアル電磁石３ｘｐ、３ｘｍ、３ｙｐ、３ｙｍの位置に対応して、それぞれラジアルセンサ４ｘｐ、４ｘｍ、４ｙｐ、４ｙｍが配置されている。同様にして、ＤＣモータ１の下方側におけるロータ軸２の半径方向（ラジアル方向）に４個のラジアル電磁石５ｘｐ、５ｘｍ、５ｙｐ、５ｙｍが、それぞれ、Ｘ軸、Ｙ軸ごとにペアで配置されている。また、各ラジアル電磁石５ｘｐ、５ｘｍ、５ｙｐ、５ｙｍの位置に対応して、それぞれラジアルセンサ６ｘｐ、６ｘｍ、６ｙｐ、６ｙｍが配置されている。これらの８個のラジアル電磁石３ｘｐ、３ｘｍ、３ｙｐ、３ｙｍ、５ｘｐ、５ｘｍ、５ｙｐ、５ｙｍによってラジアル磁気軸受を構成している。

【0035】

さらに、ロータ軸２の軸方向（アキシャル方向）には、２個のアキシャル電磁石７ｚｍ、７ｚｐが上下ペアで配置され、アキシャル磁気軸受を構成している。尚、ロータ軸２の下端部にはアキシャルセンサ８ｚが配置されている。

【0036】

これらのラジアル電磁石３ｘｐ、３ｘｍ、３ｙｐ、３ｙｍ、５ｘｐ、５ｘｍ、５ｙｐ、５ｙｍとラジアルセンサ４ｘｐ、４ｘｍ、４ｙｐ、４ｙｍ、６ｘｐ、６ｘｍ、６ｙｐ、６ｙｍは、Ｘ軸、Ｙ軸方向がそれぞれペアで独立してフィードバック制御系を構成し、電流（励磁電流）を制御して各ラジアル電磁石の吸引力を調節している。これによって、ロータ軸２は、回転軸が中心位置となるように制御されながらＤＣモータ１によって回転駆動される。尚、アキシャル電磁石７ｚｍ、７ｚｐとアキシャルセンサ８ｚもフィードバック制御系を構成している。尚、上述したＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向を詳細に説明すると次のようになる。図１の上部軸受側のＸ軸はＸh軸、上部軸受側のY軸はYh軸となる。また、図１の下部軸受側のＸ軸はＸb軸、下部軸受側のY軸はYb軸となる。さらに、ロータ軸２の軸方向はZ軸となる。

【0037】

図２は、本発明の一実施例に適用される磁気軸受を備えた真空ポンプの構成を示す断面図である。この真空ポンプは複合翼を備えたターボ分子ポンプを構成している。図２に示すように、真空ポンプ２１の中央部分にロータ軸２が回転自在に配置され、そのロータ軸２の中央部には該ロータ軸２を回転駆動させるためのＤＣモータ１が取り付けられている。また、ＤＣモータ１の上部に位置するロータ軸２のラジアル方向にはラジアル電磁石３が配置されて、ロータ軸２の一方の磁気軸受を構成している。尚、ラジアル電磁石３の近傍には、ロータ軸２の変位を検出するためのラジアルセンサ４が配置されている。

【0038】

また、ＤＣモータ１の下部に位置するロータ軸２のラジアル方向にはラジアル電磁石５が配置されて、ロータ軸２の他方の磁気軸受を構成している。尚、ラジアル電磁石５の近傍には、ロータ軸２の変位を検出するためのラジアルセンサ６が配置されている。

【0039】

さらに、ロータ軸２の下端部近傍にはアキシャル方向にアキシャル電磁石７が配置され、ロータ軸２のアキシャル方向の磁気軸受を構成している。また、ロータ軸２の下端部にはロータ軸２のアキシャル方向の変位を検出するためのアキシャルセンサ８が配置されている。尚、ロータ軸２の上端部及び下端部には、それぞれ、保護用ドライベアリング１１，１２が配置され、ラジアル磁気軸受４，５の発振などによってロータ軸２が異常に変位するのを抑制している。

【0040】

また、真空ポンプ２１の固定側にはステータ翼１３が配置され、そのステータ翼１３に対向してロータ翼１４が回転自在に配置されている。このような構成により、ＤＣモータ１の回転駆動によってロータ軸２が回転すると、ロータ翼１４がステータ翼１３に対して相対的に回転するので、図示しない容器からの空気は吸気口フランジ１５から吸引されて排気口フランジ１６より外部へ排出される。このような真空ポンプ２１は、例えば、８００Ｈｚ（１．２５ｍｓｅｃ／１回転）の回転速度で高速回転するため、所望の容器内を極めて高い真空状態に維持することができる。

【0041】

図３は、本発明の一実施例に適用される真空ポンプを半導体製造措置に取り付けたときの取付姿勢を示す概念図である。図３に示すように、真空ポンプ２１は、半導体製造装置２２に対して最適な姿勢で取り付けられる。例えば、図の下方を重力の方向とすると、真空ポンプ２１ａのように垂直方向に取り付けたり、真空ポンプ２１ｂのように傾斜方向に取り付けたり、真空ポンプ２１ｃのように水平方向に取り付けたり、或いは、真空ポンプ２１ｄのように倒立方向に取り付けたりすることができる。

【0042】

図３に示すように、真空ポンプ２１ａのように半導体製造装置２２に対して垂直方向に取り付けた場合は、磁気軸受のロータ軸の自重はラジアル方向の電磁石側には全く加わらないが、真空ポンプ２１ｃのように半導体製造装置２２に対して水平方向に取り付けた場合は、磁気軸受のロータ軸の全自重がラジアル方向の電磁石側に加わる。すなわち、真空ポンプ２１は様々な姿勢で半導体製造装置２２に取り付けられるため、該真空ポンプ２１に構成される磁気軸受の電磁力には、重力のベクトル方向に起因して、ロータ軸の自重が変動的に加算（減算）される。そのため、真空ポンプ２１の取付姿勢に関わらず磁気軸受の剛性を安定的に維持するためには、比較的簡単なアルゴリズムで磁気軸受の電流を適正に制御する必要がある。そこで、本発明の実施例では、磁気軸受の取付姿勢によって変動する電磁石の不安定ばね定数の力（不安定要素）を抽出し、この不安定要素を不安定補償ゲインとしている。そして、磁気軸受の取付姿勢によらず一義的に決まっている基本ゲインに不安定補償ゲインを加算してゲイン指令値を生成している。さらに、このゲイン指令値に基づいて、それぞれの取付姿勢に最適な電流指令値を生成し、生成された電流指令値によって、一対の電磁石を適正に制御している。以下、これについて詳細に説明する。

【0043】

図４は、本発明の一実施例に適用される磁気軸受と制御機器とからなる磁気軸受装置の構成を示す概念図である。図４に示すように、磁気軸受装置２０は、磁気軸受２３と制御機器２４とを備えて構成されている。ラジアル方向の磁気軸受２３は、ロータ軸２のｘ方向（＋ｘ〜−ｘの方向）において、一対のラジアル電磁石（＋ｘ電磁石３ｘｐと−ｘ電磁石３ｘｍ）が対向して配置されている。また、それぞれのラジアル電磁石（＋ｘ電磁石３ｘｐと−ｘ電磁石３ｘｍ）の近傍には、それぞれ、ｘ方向のロータ軸変位を検出するラジアルセンサ（＋ｘセンサ４ｘｐと−ｘセンサ４ｘｍ）が配置されている。そして、各ラジアルセンサ（＋ｘセンサ４ｘｐと−ｘセンサ４ｘｍ）からの変位信号Ｓxp、Ｓxmが制御機器２４へフィードバックされている。また、制御機器２４からの制御信号（電流）Ｉxp、Ｉxmが、ｘ軸の一対のラジアル電磁石（＋ｘ電磁石３ｘｐと−ｘ電磁石３ｘｍ）へ供給されている。従って、変位信号Ｓxp、Ｓxmのフィードバックによって制御された電流Ｉxp、Ｉxmにより、＋ｘ電磁石３ｘｐと−ｘ電磁石３ｘｍの吸引力が制御され、その結果、ロータ軸２は基準位置（中心位置）へ復帰するように働く。

【0044】

さらに、ラジアル方向の磁気軸受２３は、ロータ軸２のｙ方向において、一対のラジアル電磁石（＋ｙ電磁石３ｙｐと−ｙ電磁石３ｙｍ）が対向して配置されている。また、それぞれのラジアル電磁石（＋ｙ電磁石３ｙｐと−ｙ電磁石３ｙｍ）の近傍には、それぞれ、ｙ方向のロータ軸変位を検出するラジアルセンサ（＋ｙセンサ４ｙｐと−ｙセンサ４ｙｍ）が配置されている。尚、図４は、ｘ軸方向の電流を説明する図であるため、ｙ方向のラジアル電磁石（＋ｙ電磁石３ｙｐと−ｙ電磁石３ｙｍ）及びｙ方向のラジアルセンサ（＋ｙセンサ４ｙｐと−ｙセンサ４ｙｍ）については信号系統が省略されている。また、図４では、ｘ軸、ｙ軸のそれぞれのラジアルセンサ４ｘｐ、４ｘｍ、４ｙｐ、４ｙｍは、それぞれのラジアル電磁石３ｘｐ、３ｘｍ、３ｙｐ、３ｙｍに固定されているように見えるが、それぞれのラジアルセンサ４ｘｐ、４ｘｍ、４ｙｐ、４ｙｍとそれぞれのラジアル電磁石３ｘｐ、３ｘｍ、３ｙｐ、３ｙｍは取付け高さの位置が異なるため、実際には両者は固定されていない。尚、ロータ軸２が異常変位したときは、その両端付近で保護用ドライベアリング１１、１２で支持されるように構成されている（図２参照）。

【0045】

このような構成により、変位センサであるラジアルセンサ（＋ｘセンサ４ｘｐ、−ｘセンサ４ｘｍ）がロータ軸２の位置を検出して制御機器２４へ変位信号Ｓxp、Ｓxmをフィードバックする。すると、制御機器２４は、あらかじめ記憶されている基準位置との差に基づいて信号処理を行い、ラジアル電磁石（＋ｘ電磁石３ｘｐ、−ｘ電磁石３ｘｍ）に流す電流を適正に決定する。そして、制御機器２４内の電流制御アンプ(図示せず)からラジアル電磁石（＋ｘ電磁石３ｘｐ、−ｘ電磁石３ｘｍ）へ所望の電流（Ｉxp、Ｉxm）を供給する。これによって、ラジアル電磁石（＋ｘ電磁石３ｘｐ、−ｘ電磁石３ｘｍ）は所望の吸引力によってロータ軸２を基準位置（ラジアル方向ｘ軸の中心位置）へ復帰させるように働く。ラジアル方向のｙ軸についても同様の動作を行い、ロータ軸２を基準位置（ラジアル方向ｙ軸の中心位置）へ復帰させるように働く。

【0046】

図５は、本発明の一実施例に適用される磁気軸受の制御機器の制御系統を示すブロック図である。この図は、磁気軸受のロータ軸におけるラジアル方向のＸｈ軸に介在する一対の電磁石（ラジアル電磁石）の電流を制御する制御機器の制御系統についてのみ表示している。

【0047】

先ず、図５に示す磁気軸受の制御機器の構成、及びそれぞれの要素の機能について説明する。制御機器２４は、ラジアル方向に対向している一対の電磁石の電流の制御を個別に行う電流制御アンプ３１ｘｐ、３１ｘｍと、電流制御アンプ３１ｘｐ、３１ｘｍからの電流検出値をそれぞれ二乗化する二乗器３２ｘｐ、３２ｘｍと、それぞれ二乗化された電流検出値を加算する加算器３３と、電流検出値の二乗・加算値を平均化するローパスフィルタ３４と、ローパスフィルタ３４から出力された電流検出値の二乗・加算値に補正係数を乗算して補正ゲイン指令値の平均値を求める補正係数乗算器３５と、補正係数乗算器３５から出力された補正ゲイン指令値と基本ゲイン設定値とを加算してゲイン指令値Ｇを求める加算器３６と、ロータ軸のラジアル方向の４軸とスラスト方向の１軸の位置情報を有する力指令中間信号を処理して出力する補償器３７と、補償器３７から出力されたＸh軸の力指令中間信号をゲイン指令値Ｇに基づいて増幅処理するゲインアンプ３８と、ゲインアンプ３８から出力された非線形な力−電流指令中間信号の特性を線形化する力一電流リニアライザ３９と、線形化された電流指令中間信号を分岐して一方の信号を反転させる反転器４０と、反転しない方の電流指令中間信号とバイアス電流設定値とを加算して電流指令値を求め電流制御アンプ３１ｘｐへ出力する加算器４１ｘｐと、反転器４０で反転された電流指令中間信号とバイアス電流設定値とを加算して電流指令値を求めて電流制御アンプ３１ｘｍへ出力する加算器４１ｘｍとを備えて構成されている。

【0048】

次に、図５に示す各要素の機能について詳細に説明する。電流制御アンプ３１ｘｐは、ロータ軸のラジアル方向に対向している一方の＋ｘ電磁石３ｘｐ（図４参照）へ適正な電流（励磁電流）を流すための機能を備えている。電流制御アンプ３１ｘｍは、ロータ軸のラジアル方向に対向している他方の−ｘ電磁石３ｘｍ（図４参照）へ適正な電流（励磁電流）を流すための機能を備えている。

【0049】

二乗器３２ｘｐ及び二乗器３２ｘｍは、それぞれ、電流制御アンプ３１ｘｐ及び電流制御アンプ３１ｘｍから、磁気軸受のロータ軸（図示せず）をそれぞれｘ軸の反対方向に引き合う電磁石ペア（＋ｘ電磁石３ｘｐと−ｘ電磁石３ｘｍ）の電流検出値（Ixhp、Ixhm）を取得して、これらの電流検出値（Ixhp、Ixhm）をそれぞれ二乗化する機能を備えている。加算器３３は、二乗器３２ｘｐ、３２ｘｍでそれぞれ二乗化された電流検出値を加算して（Ixhp^２＋Ixhm^２）を求める機能を備えている。ローパスフィルタ３４は、ノイズ等を除去するために、加算器３３から出力された電流の二乗・加算値（Ixhp^２＋Ixhm^２）を平均化する機能を備えている。

【0050】

補正係数乗算器３５は、加算器３３からローパスフィルタ３４を介して出力された電流の二乗・加算値（Ixhp^２＋Ixhm^２）に対して、ロータ軸の変位を補正するための補正係数Kcdを乗算し、磁気軸受の不安定ばね定数を補正するための補正ゲイン指令値Kcomp＝Kcd（Ixhp^２＋Ixhm^２）の平均値を計算する機能を備えている。加算器３６は、補正係数乗算器３５から出力された補正ゲイン指令値Kcompと磁気軸受の配置姿勢によらずあらかじめ設定されている基本ゲイン設定値Kctrlとを加算してゲイン指令値Ｇ（Kctrl＋Kcomp）を求める機能を備えている。

【0051】

補償器３７は、ロータ軸のラジアル方向の４軸Pxh、Pyh、Pxb、Pybとスラスト方向の１軸Pｚからの位置信号を処理して、ロータ軸の位置情報を有する力指令中間信号を出力する機能を備えている。尚、位置信号Ｐxhは、図１に示す５軸制御型磁気軸受における上部のＸ軸（Ｘh軸）方向の一対の電磁石３ｘｐ、３ｘｍの相対的位置ずれを検出する一対のラジアルセンサ４ｘｐ、４ｘｍの信号である。また、位置信号Ｐyhは、図１に示す５軸制御型磁気軸受における上部のＹ軸（Ｙh軸）方向の一対の電磁石３ｙｐ、３ｙｍの相対的位置ずれを検出する一対のラジアルセンサ４ｙｐ、４ｙｍの信号である。同様にして、位置信号Ｐxbは、図１に示す５軸制御型磁気軸受における下部のＸ軸（Ｘb軸）方向の一対の電磁石５ｘｐ、５ｘｍの相対的位置ずれを検出する一対のラジアルセンサ６ｘｐ、６ｘｍの信号であり、位置信号Pybは、下部のＹ軸（Ｙｂ軸）方向の一対の電磁石５yｐ、５yｍの相対的位置ずれを検出する一対のラジアルセンサ６yｐ、６yｍの信号である。また、位置信号Ｐｚは、上下ペアでＺ軸方向に配置されているアキシャル電磁石７ｚｍ、７ｚｐの相対的位置ずれ（スラスト方向の位置ずれ）を検出するアキシャルセンサ８ｚの信号である。このような５軸全ての位置信号の処理系統を表示すると、信号処理系統の図が複雑になるので、図５では代表的に位置信号Ｐxhのみの信号処理系統が表示されている。ゲインアンプ３８は、補償器３７で生成されて出力されたＸh軸の力指令中間信号を入力し、加算器３６から出力されて設定されたゲイン指令値Ｇ（Kctrl＋Kcomp）に基づいて、Ｘh軸の力指令中間信号を増幅処理する機能を備えている。

【0052】

力一電流リニアライザ３９は、ゲインアンプ３８から出力された非直線性を有する電流指令中間信号（力−電流特性の信号）を、バイアス電流設定値に基づいて線形化する機能を備えている。尚、力一電流リニアライザ３９は、バイアス電流設定値を検出して、一対の電磁石５ｘｐ、５ｘｍの両方に電流が存在しないときのみ回路の切り替えを行って線形化機能を有効化している。反転器４０は、力一電流リニアライザ３９から出力された線形の電流指令中間信号が分岐された一方の信号を反転させる機能を備えている。加算器４１ｘｐは、反転しない方の電流指令中間信号とバイアス電流設定値OCｈとを加算して電流指令値Cxhpを求め、この電流指令値Cxhpを電流制御アンプ３１ｘｐへ出力する機能を備えている。加算器４１ｘｍは、反転器４０で反転された電流指令中間信号とバイアス電流設定値OCｈとを加算して電流指令値Cxhｍを求め、この電流指令値Cxhｍを電流制御アンプ３１ｘｍへ出力する機能を備えている。

【0053】

次に、図５に示す磁気軸受の制御機器の動作について図４を参照しながら説明する。ここでは、ロータ軸のラジアル方向のＸh軸に対向する一対の電磁石（＋ｘ電磁石３ｘｐと−ｘ電磁石３ｘｍ：図４参照）のバイアス電流を制御する場合を例に挙げて説明する。

【0054】

先ず、ロータ軸をそれぞれ反対方向に引き合う一対の電磁石ペア（＋ｘ電磁石３ｘｐと−ｘ電磁石３ｘｍ）の電流検出値（Ixhp、Ixhm）を、それぞれ、電流制御アンプ３１ｘｐ、３１ｘｍから取得し、二乗器３２ｘｐ、３２ｘｍと加算器３３とを用いて電流検出値の二乗の和（Ixhp^２＋Ixhm^２）を計算する。そして、ローパスフィルタ３４を通して（Ixhp^２＋Ixhm^２）を平均化した後、補正係数演算器３５で平均化した（Ixhp^２＋Ixhm^２）に補正係数Kcdを乗算し、磁気軸受の不安定性（不安定ばね定数）を補正する補正ゲイン指令値Kcomp＝Kcd（Ixhp^２＋Ixhm^２）の平均値を計算する。尚、二乗器３２ｘｐ、３２ｘｍへ入力するのは、電流検出値（Ixhp、Ixhm）ではなく、バイアス電流指令値（Cxhp、Cxhm）であってもよい。また、ローパスフィルタ３４を用いなくても基本的な動作には支障はないが、磁気軸受のロータ軸の回転によって生じるノイズ障害などを防止するためにローパスフィルタ３４を用いることが望ましい。

【0055】

次に、加算器３６が、補正係数演算器３５で求めた補正ゲイン指令値Kcompと、磁気軸受の配置姿勢によらず一義的に決まる基本ゲインKctrlとを加算してゲイン指令値Ｇ（Kctrl＋Kcomp）を求め、このゲイン指令値Ｇ（Kctrl＋Kcomp）をゲインアンプ３８に設定する。

【0056】

一方、補償器３７は、ラジアル方向４軸のPxh、Pyh、Pxb、Pybからのロータ軸の位置信号をそれぞれ処理して、各軸の力指令中間信号を生成する。ここでは、補償器３７がＸh軸の力指令中間信号を生成する場合について説明する。補償器３７で生成されたＸh軸の力指令中間信号は、ゲイン指令値Ｇ（Kctrl＋Kcomp）の設定されたゲインアンプ３８に入力される。これによって、ゲインアンプ３８は、磁気軸受の配置姿勢に基づく基本ゲインKctrlに対して不安定ばね定数が補正されたゲイン指令値Ｇ（Kctrl＋Kcomp）に基づいて、Ｘh軸の力指令中間信号を増幅処理して出力する。

【0057】

次に、電磁石の吸引力は電流の二乗に比例するために力一電流特性は非直線性を有するので、ゲインアンプ３８からの出力信号（力指令中間信号）は、力一電流リニアライザ３９に入力されてバイアス電流設定値OCｈにより線形化される。従って、力一電流リニアライザ３９は、バイアス電流設定値OCｈを検出して、電流が存在するときのみ回路の切り替えを行って線形化機能を有効化している。尚、力一電流リニアライザ３９は用いなくてもよいが、その場合は電流補正の制御性能が劣化する。

【0058】

次に、力一電流リニアライザ３９の出力の力指令中間信号を分岐し、一方の信号はそのままの極性として、他方の信号を反転器４０で反転させる。これは、ロータ軸のラジアル方向におけるＸh軸の両側に対向して介在する一対のラジアル電磁石（＋ｘ電磁石３ｘｐと−ｘ電磁石３ｘｍ）に対して反対極性の電流を流すためである。

【0059】

すなわち、力一電流リニアライザ３９から出力された分岐信号の一方の力指令中間信号は、そのまま加算器４１ｘｐでバイアス電流設定値OCｈが加算されて電流指令値Cxhpとして生成され、分岐信号の他方の力指令中間信号は、反転器４０によって反転されてから加算器４１ｘｍでバイアス電流設定値OCｈが加算されて電流指令値Cxhｍとして生成させる。言い換えると、ラジアル方向において反対方向に引き合う電磁石ペア（＋ｘ電磁石３ｘｐと−ｘ電磁石３ｘｍ）のそれぞれの電流指令値（Cxhp、Cxhm）が生成され、これらの電流指令値（Cxhp、Cxhm）がそれぞれ電流制御アンプ３１ｘｐ、３１ｘｍに入力される。

【0060】

これによって、電流制御アンプ３１ｘｐから、磁気軸受の配置姿勢に基づく不安定ばね定数が補正された電流が、ラジアル方向におけるＸh軸の一方に配置されたラジアル電磁石（＋ｘ電磁石３ｘｐ）に流れ、電流制御アンプ３１ｘｍから、磁気軸受の配置姿勢に基づく不安定ばね定数が補正された電流が、ラジアル方向におけるＸh軸の他方に配置されたラジアル電磁石（−ｘ電磁石３ｘｍ）に流れる。

【0061】

すなわち、磁気軸受のロータ軸が重力に対して垂直に設置された場合はＸh軸には重力がかからないので、電磁石にはバイアス電流設定値OCｈに応じた小さな電流しか流れない。そのため、ゲインアンプ３８に設定されるゲイン指令値Ｇ（Kctrl＋Kcomp）は小さい値になり、低いゲインで磁気軸受の電流が制御される。

【0062】

ここで、ロータ軸の姿勢が水平に変更されると、Ｘh軸には重力に対抗してロータ軸を浮上させるために大きな電流が電磁石に流れる。大きな電流が流れると、磁気軸受の不安定ばね定数Kdが増大し、そのままでは磁気軸受の剛性が低下してしまう。そこで、本発明における実施例の構成では、ゲインアンプ３８に設定されるゲイン指令値Ｇ（Kctrl＋Kcomp）が大きな値となり、高いゲインで増幅された電流指令値によって磁気軸受が制御されるため、磁気軸受の剛性が低下することなく、磁気軸受は適正な剛性を確保することができる。

【0063】

尚、図５に示す制御機器における電流補正機能は、磁気軸受装置の調整時などおいて、任意に解除させることができる。その場合は、図４で述べたように、ラジアルセンサ（＋ｘセンサ４ｘｐ、−ｘセンサ４ｘｍ）による変位信号Ｓxp、Ｓxmのフィードバックのみの制御機能となる。

【0064】

次に、制御機器による磁気軸受の不安定ばね定数の補償機能について、数式を用いて説明する。尚、以下の数式に用いる各符号については、それぞれ次のように定義する。
Ｆo：現在の、対向する両側の電磁石が発生している合計の吸引力（力） 単位〔Ｎ〕
δo：現在の、電磁石のエアギャップ 単位〔ｍ〕
Ｉpluso：現在の、＋側電磁石（＋ｘ電磁石３ｘｐ）の電流 単位〔Ａ〕
Ｉminuso：現在の、−側電磁石（−ｘ電磁石３ｘｍ）の電流 単位〔Ａ〕
ΔＦ：現在と一瞬後の間に変化する吸引力（力） 単位〔Ｎ〕
Δδ：現在と一瞬後の間に変化するエアギャップ 単位〔ｍ〕
Ｆ：一瞬後の、対向する両側の電磁石が発生している合計の吸引力（力） 単位〔Ｎ〕
Ａ：力と電流の二乗の比例定数（Ａ＝Ｆ/Ｉ^２） 単位〔Ｎ/Ａ^２〕
Ｇctrl：磁気軸受のばね定数（補正なしの制御回路の基本の値） 単位〔Ｎ/ｍ〕
Ｋctrl：補正ゲイン加算用ゲインアンプの基本ゲイン 単位〔無次元〕
Ｋrem：磁気軸受のばね定数Ｇctrlから基本ゲインＫctrlを除いた残りの係数 単位〔Ｎ/ｍ〕 従って、Ｇctrl＝Ｋctrl×Ｋremとなる。

【0065】

以上のように各符号を定義すると、一瞬後の、対向する両側の電磁石（＋ｘ電磁石３ｘｐと−ｘ電磁石３ｘｍ）が発生している合計の吸引力（力）は、次の式（１）で表わされる。

【0066】

ここで、補正パラメータＫcdと補正ゲインKcompを導入する。なお、Ｋcd＝２Ａ/δoであり、エアギャップδoの変化量は少ないので、ここでは、補正パラメータＫcdは固定定数として扱う。

【0067】

従って、補正ゲインＫcompは、次の式（２）で表わされる。

【0068】

ここで、補正ゲインＫcompを回路の基本ゲイン設定値に加算すると、一瞬後の、対向する両側の電磁石が発生している合計の吸引力Ｆは、次の式（３）で表わされる。

【0069】

尚、一瞬後の電磁石の力“Ｆ”を表わす式（３）において、第１項は現在の電磁石の力、第２項は磁気軸受がロータ軸を中心に引き戻すばねの力であり、第３項は磁気軸受の不安定ばね定数の力であり、第４項はロータ軸の変位を補正する力である。

【0070】

前述の式（３）は、式（４）のように表わされる。

【0071】

従って、前述の式（４）から分かるように、補正ゲイン指令値を基本ゲインに加算することにより、対向する一対の電磁石の一瞬後における合計吸引力（Ｆ）は、一対の電磁石の現在の合計吸引力（Ｆ０）に対して、ロータ軸を磁気軸受の中心に引き戻すばね力（Ｇctrl×Δδ）のみが加わる状態となり、磁気軸受の不安定なばね定数による吸引力は打ち消されてしまう。すなわち、対向する一対の電磁石は、ロータ軸を磁気軸受の中心に引き戻す力のみが働くことになる。

【0072】

尚、前述の各式で示された（Ｉplusｏ^２＋Ｉminuso^２）には磁気軸受の回転周波数に起因するリップルやノイズが含まれるので、式（２）で示した補正ゲインＫcomp＝Ｋcd×（Ｉpluso^２＋Ｉminuso^２）の計算は、この信号を約１Ｈｚ程度のローパスフィルタを通過させてから実行する必要がある。

【0073】

ここで、特許請求の範囲における請求項で述べる各手段と図５に示す各要素との対応関係について説明する。電流取得手段は、２つの二乗器３２ｘｐ、３２ｘｍ、及び加算器３３に対応する。補正係数演算手段は補正係数演算器３５に対応する。第１の加算手段は加算器３６に対応する。電流制御手段は、ゲインアンプ３８、反転器４０、加算器４１ｘｐ、４１ｘｍ、及び電流制御アンプ３１ｘｐ、３１ｘｍに対応する。二乗化手段は二乗器３２ｘｐ、３２ｘｍに対応する。第２の加算手段は加算器３３に対応する。線形手段は力−電流リニアライザ３９に対応する。尚、本制御機能２４は、オペアンプ等を用いた電子部品（ディスクリート）で実現してもよいし、マイクロコンピュータやＤＳＰ(Digital Signal Processor)等を用いてソフトウエアで実現してもよい。

【0074】

以上、本発明の具体的な実施例を説明したが、本発明はこの実施例に限定されるものではなく、本発明の精神を逸脱しない限り種々の改変を為すことができ、そして、本発明が該改変されたものに及ぶことは当然である。

【産業上の利用可能性】

【0075】

本発明の磁気軸受装置は、非接触支持、無潤滑、かつ低振動で超高速回転が可能であるので、真空ポンプに限らず、遠心圧縮機、タービン発電機、ターボ膨張機、研削スピンドル、血流ポンプ、半導体製造装置、計測・分析機器などにも有効に利用することができる。

【符号の説明】

【0076】

１ ＤＣモータ
２ ロータ軸
３、３ｘｐ、３ｘｍ、３ｙｐ、３ｙｍ、５、５ｘｐ、５ｘｍ、５ｙｐ、５ｙｍ ラジアル電磁石
４、４ｘｐ、４ｘｍ、４ｙｐ、４ｙｍ、６、６ｘｐ、６ｘｍ、６ｙｐ、６ｙｍ ラジアルセンサ
７、７ｚｐ、７ｚｍ アキシャル電磁石
８、８ｚ アキシャルセンサ
１１、１２ 保護用ドライベアリング
１３ ステータ翼
１４ ロータ翼
１５ 吸気口フランジ
１６ 排気口フランジ
２０ 磁気軸受装置
２１、２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ 真空ポンプ
２２ 半導体製造装置
２３ 磁気軸受
２４ 制御機器
３１ｘｐ、３１ｘｍ 電流制御アンプ（電流制御手段）
３２ｘｐ、３２ｚｍ 二乗器（電流取得手段、二乗化手段）
３３ 加算器（電流取得手段、第２の加算手段）
３４ ローパスフィルタ
３５ 補正係数演算器（補正係数演算手段）
３６ 加算器（第１の加算手段）
３７ 補償器
３８ ゲインアンプ（電流制御手段）
３９ 力−電流リニアライザ（線形化手段）
４０ 反転器
４１ｘｐ、４１ｘｍ 加算器（電流制御手段）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】