特許 6695554 磁気軸受装置および真空ポンプ

(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】6695554

(24)【登録日】2020年4月24日

(45)【発行日】2020年5月20日

(54)【発明の名称】磁気軸受装置および真空ポンプ

(51)【国際特許分類】

   F16C 32/04 20060101AFI20200511BHJP

   F04D 19/04 20060101ALN20200511BHJP

【ＦＩ】

   F16C32/04 A

   !F04D19/04 A

   !F04D19/04 F

【請求項の数】9

【全頁数】21

(21)【出願番号】特願2017-27995(P2017-27995)

(22)【出願日】2017年2月17日

(65)【公開番号】特開2018-132167(P2018-132167A)

(43)【公開日】2018年8月23日

【審査請求日】2019年6月3日

(73)【特許権者】

【識別番号】000001993

【氏名又は名称】株式会社島津製作所

(74)【代理人】

【識別番号】100084412

【弁理士】

【氏名又は名称】永井 冬紀

(72)【発明者】

【氏名】小崎 純一郎

【審査官】 横山 幸弘

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１４−１８００８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０３−１８２９１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−８２４１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−２８１１５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０５−１４１４２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平７−２２４８３９（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】

回転センサレス方式のモータにより一定の設定回転速度で回転駆動されるロータと、
前記ロータを磁気浮上支持する磁気軸受と、
前記ロータの浮上目標位置からの変位を検出して変位信号を出力する変位センサと、
前記モータの推定回転速度および推定電気角が入力され、前記磁気軸受の電磁石力に含まれるロータ回転に起因する振動成分を低減するように前記変位信号を処理する信号処理部と、
前記信号処理部で処理された処理後変位信号に基づいて前記磁気軸受の電流を制御する軸受電流制御部と、
前記推定回転速度が前記設定回転速度を含む所定回転速度範囲の範囲内か否かを判定する判定部と、を備え、
前記信号処理部は、前記判定部により範囲内と判定されると前記設定回転速度から演算生成される設定電気角に基づいて前記変位信号の処理を行い、前記判定部により範囲外と判定されると前記推定電気角に基づいて前記変位信号の処理を行う、磁気軸受装置。

【請求項2】

請求項１に記載の磁気軸受装置において、
前記信号処理部は前記変位信号から前記変位信号の回転成分を除去した第１信号成分を生成し、
前記軸受電流制御部は、前記第１信号成分に基づいて前記磁気軸受の電流を制御する、磁気軸受装置。

【請求項3】

請求項２に記載の磁気軸受装置において、
前記信号処理部は、前記第１信号成分に加えて、前記変位の回転成分に起因する電磁石力を打ち消す電磁石力を発生させる第２信号成分を生成し、
前記軸受電流制御部は、前記第１信号成分と前記第２信号成分とに基づいて前記磁気軸受の電流を制御する、磁気軸受装置。

【請求項4】

請求項３に記載の磁気軸受装置において、
前記変位センサにより検出されたセンサ位置変位を、前記磁気軸受の位置における軸受位置変位に変換する変位変換部を備え、
前記信号処理部は、前記軸受位置変位の回転成分に起因する電磁石力を打ち消す電磁石力を発生させる第２信号成分を生成する、磁気軸受装置。

【請求項5】

請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の磁気軸受装置において、
前記設定回転速度から設定電気角を演算生成する際に、前記推定電気角に基づいて前記変位信号の処理を行う期間においては、前記推定電気角のπから−πへの切り替わりに同期して前記設定電気角を−πへと位相補正する、磁気軸受装置。

【請求項6】

請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の磁気軸受装置において、
前記設定電気角を前記軸受電流制御部における制御周期よりも短い周期で生成し、生成された設定電気角の内の前記制御周期に対応する設定電気角を前記変位信号の処理を行う際の設定電気角として用いる、磁気軸受装置。

【請求項7】

請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の磁気軸受装置において、
値πから前記設定電気角を減算した結果が前記軸受電流制御部の制御周期における設定電気角の増分よりも小さい場合には、前記設定電気角に前記増分を加算しかつ値πを減算した結果を、前記設定電気角の生成から制御周期経過後の設定電気角とする、磁気軸受装置。

【請求項8】

請求項１から請求項７までのいずれか一項に記載の磁気軸受装置において、
前記モータの相電圧および相電流に基づいて前記推定回転速度および前記推定電気角を推定し、前記推定回転速度および前記推定電気角に基づいて前記モータを制御するモータ制御部をさらに備え、
前記モータ制御部は速度制御処理部および位置制御処理部を有し、前記判定部により範囲内と判定されると前記速度制御処理部および前記位置制御処理部による各処理を適用して前記モータを制御し、前記判定部により範囲外と判定されると前記速度制御処理部による処理のみを適用して前記モータを制御する、磁気軸受装置。

【請求項9】

ポンプロータと、
前記ポンプロータを回転駆動するモータと、
前記ポンプロータのロータ軸を磁気浮上支持する請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の磁気軸受装置と、を備える真空ポンプ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、磁気軸受装置および真空ポンプに関する。

【背景技術】

【0002】

磁気懸垂式ロータでは、ロータアンバランスがあると、そのロータアンバランスに起因する回転周波数成分の振動が発生し、電磁石力の反作用によりその振動がステータ側に伝達される。特許文献１には、このようなステータ側で発生する望ましくない振動を低減補償する磁気軸受制御装置が記載されている。

【0003】

特許文献１に記載の技術では、演算の基になる回転角度の生成については、回転数変換回路を設けている。一般的に、回転角度を生成する装置としては、例えば、磁気位置検出器（レゾルバ）等がある。そして、これらの装置で検出した磁極位置のパルス信号やサイン波信号から回転角度が生成される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開昭５２−９３８５２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、レゾルバ等は回転速度、位置情報の精度が高いが、高コストであるという課題があった。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の好ましい実施形態による磁気軸受装置は、回転センサレス方式のモータにより一定の設定回転速度で回転駆動されるロータと、前記ロータを磁気浮上支持する磁気軸受と、前記ロータの浮上目標位置からの変位を検出して変位信号を出力する変位センサと、前記モータの推定回転速度および推定電気角が入力され、前記磁気軸受の電磁石力に含まれるロータ回転に起因する振動成分を低減するように前記変位信号を処理する信号処理部と、前記信号処理部で処理された処理後変位信号に基づいて前記磁気軸受の電流を制御する軸受電流制御部と、前記推定回転速度が前記設定回転速度を含む所定回転速度範囲の範囲内か否かを判定する判定部と、を備え、前記信号処理部は、前記判定部により範囲内と判定されると前記設定回転速度から演算生成される設定電気角に基づいて前記変位信号の処理を行い、前記判定部により範囲外と判定されると前記推定電気角に基づいて前記変位信号の処理を行う。
さらに好ましい実施形態では、前記信号処理部は前記変位信号から前記変位信号の回転成分を除去した第１信号成分を生成し、前記軸受電流制御部は、前記第１信号成分に基づいて前記磁気軸受の電流を制御する。
さらに好ましい実施形態では、前記信号処理部は、前記第１信号成分に加えて、前記変位の回転成分に起因する電磁石力を打ち消す電磁石力を発生させる第２信号成分を生成し、前記軸受電流制御部は、前記第１信号成分と前記第２信号成分とに基づいて前記磁気軸受の電流を制御する。
さらに好ましい実施形態では、前記変位センサにより検出されたセンサ位置変位を、前記磁気軸受の位置における軸受位置変位に変換する変位変換部を備え、前記信号処理部は、前記軸受位置変位の回転成分に起因する電磁石力を打ち消す電磁石力を発生させる第２信号成分を生成する。
さらに好ましい実施形態では、前記設定回転速度から設定電気角を演算生成する際に、前記推定電気角に基づいて前記変位信号の処理を行う期間においては、前記推定電気角のπから−πへの切り替わりに同期して前記設定電気角を−πへと位相補正する。
さらに好ましい実施形態では、前記設定電気角を前記軸受電流制御部における制御周期よりも短い周期で生成し、生成された設定電気角の内の前記制御周期に対応する設定電気角を前記変位信号の処理を行う際の設定電気角として用いる。
さらに好ましい実施形態では、値πから前記設定電気角を減算した結果が前記軸受電流制御部の制御周期における設定電気角の増分よりも小さい場合には、前記設定電気角に前記増分を加算しかつ値πを減算した結果を、前記設定電気角の生成から制御周期経過後の設定電気角とする。
さらに好ましい実施形態では、前記モータの相電圧および相電流に基づいて前記推定回転速度および前記推定電気角を推定し、前記推定回転速度および前記推定電気角に基づいて前記モータを制御するモータ制御部をさらに備え、前記モータ制御部は速度制御処理部および位置制御処理部を有し、前記判定部により範囲内と判定されると前記速度制御処理部および前記位置制御処理部による各処理を適用して前記モータを制御し、前記判定部により範囲外と判定されると前記速度制御処理部による処理のみを適用して前記モータを制御する。
本発明の好ましい実施形態による真空ポンプは、ポンプロータと、前記ポンプロータを回転駆動するモータと、前記ポンプロータのロータ軸を磁気浮上支持する上述の磁気軸受装置と、を備える。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、より低振動な磁気軸受装置を低コストで提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】図１は、磁気軸受式ターボ分子ポンプの概略構成を示す図である。

【図2】図２は、コントロールユニットの概略構成を示すブロック図である。

【図3】図３は、磁気軸受制御系の機能ブロック図である。

【図4】図４は、制御軸１軸分の磁気軸受の概略構成を示す模式図である。

【図5】図５は、回転成分振動の低減補償制御を説明するブロック図である。

【図6】図６は、センサレスモータ制御に関する主要構成を示すブロック図である。

【図7】図７は、電気角を説明する図である。

【図8】図８は、第１の実施の形態の変形例を示す図である。

【図9】図９は、第２の実施の形態を説明する図である。

【図10】図１０は、第３の実施の形態を説明する図である。

【図11】図１１は、変位変換処理を説明する図である。

【図12】図１２は、設定部の変形例を示す図である。

【図13】図１３は、推定電気角θeから設定電気角θsへの切り替えタイミングを説明する図である。

【図14】図１４は、デジタル処理における離散時間誤差への対処を説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。
−第１の実施の形態−
図１は、磁気軸受装置を備えた磁気軸受式ターボ分子ポンプの概略構成を示す図である。ターボ分子ポンプ１は、図１に示すポンプ本体と、ポンプ本体を駆動制御するコントロールユニットとにより構成されている。なお、図１では、コントロールユニットの図示を省略した。

【0010】

ポンプロータ３に設けられたロータ軸５は、ラジアル磁気軸受４Ａ，４Ｂおよびアキシャル磁気軸受４Ｃによって非接触支持される。ラジアル磁気軸受４Ａ，４Ｂの各々は、ロータ軸５の径方向に配置された４つの磁気軸受電磁石を備えている。アキシャル磁気軸受４Ｃの磁気軸受電磁石は、ロータ軸５の下部に固定されたスラストディスク１０を軸方向に挟むように配置されている。

【0011】

ロータ軸５の変位は、ラジアル方向の変位センサ５０ｘ１，５０ｙ１，５０ｘ２，５０ｙ２，とアキシャル方向の変位センサ５１によって検出される。変位センサ５０ｘ１，５０ｙ１，５０ｘ２，５０ｙ２，５１には、センサコアにコイルを巻き回した構成のインダクタンス式変位センサが用いられている。

【0012】

磁気軸受によって回転自在に磁気浮上されたポンプロータ３は、モータ４２により高速回転駆動される。モータ４２にはブラシレスＤＣモータ等が用いられる。なお、図１では、模式的にモータ４２と記載しているが、より詳細には、符号４２で示した部分はモータステータを構成し、ロータ軸５側にモータロータが設けられている。

【0013】

モータ４２によって回転駆動されるロータ軸５の下端には、センサターゲット２９が設けられている。上述したアキシャル方向の変位センサ５１は、センサターゲット２９の下面と対向する位置に配置されている。磁気軸受が動作していないときには、ロータ軸５は非常用のメカニカルベアリング２６ａ，２６ｂによって支持される。

【0014】

ポンプロータ３には、回転側排気機能部を構成する複数段の回転翼３ａと円筒部３ｂとが形成されている。一方、固定側には、固定側排気機能部である固定翼２２とネジステータ２４とが設けられている。複数段の固定翼２２は、軸方向に対して回転翼３ａと交互に配置されている。ネジステータ２４は、円筒部３ｂの外周側に所定のギャップを隔てて設けられている。

【0015】

各固定翼２２は、スペーサリング２３を介してベース２０上に載置される。ポンプケーシング２１の固定フランジ２１ｃをボルトによりベース２０に固定すると、積層されたスペーサリング２３がベース２０とポンプケーシング２１との間に挟持され、固定翼２２が位置決めされる。ベース２０には排気ポート２５が設けられ、この排気ポート２５にバックポンプが接続される。ポンプロータ３を磁気浮上させつつモータ４２により高速回転駆動することにより、吸気口２１ａ側の気体分子は排気ポート２５側へと排気される。

【0016】

図２は、コントロールユニットの概略構成を示すブロック図である。外部からのＡＣ入力は、コントロールユニットに設けられたＤＣ電源４０によって交流から直流に変換される。ＤＣ電源４０は、インバータ４１用の電源、励磁アンプ４３用の電源、制御部４４用の電源をそれぞれ生成する。

【0017】

モータ４２に電力を供給するインバータ４１には、複数のスイッチング素子が備えられている。これらのスイッチング素子のオンオフを制御部４４によって制御することにより、モータ４２が駆動される。

【0018】

上述したように、ロータ軸５を磁気浮上支持する磁気軸受は、ラジアル方向に４軸、アキシャル方向に１軸を備える５軸制御型磁気軸受である。各軸毎に一対の磁気軸受電磁石が設けられているので、図２に示すように１０個の磁気軸受電磁石４５が設けられている。磁気軸受電磁石４５に電力を供給する励磁アンプ４３は、１０個の磁気軸受電磁石４５のそれぞれに設けられている。

【0019】

モータ４２の駆動および磁気軸受の駆動を制御する制御部４４は、例えば、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のデジタル演算器とその周辺回路により構成される。モータ制御に関しては、インバータ４１に設けられている複数のスイッチング素子をオンオフ制御するためのＰＷＭ制御信号４１ａが、制御部４４からインバータ４１へ入力される。また、インバータ４１から制御部４４へは、モータ４２に関する相電圧および相電流に関する信号４１ｂが入力される。

【0020】

磁気軸受制御に関しては、励磁アンプ４３に設けられたスイッチング素子をオンオフ制御するためのＰＷＭゲート駆動信号４３ａが、制御部４４から各励磁アンプ４３へ入力される。また、各励磁アンプ４３から制御部４４へは、各磁気軸受電磁石４５の電流値に関する電流検出信号４３ｂが入力される。

【0021】

各変位センサ５０ｘ１，５０ｙ１，５０ｘ２，５０ｙ２，５１には、センサ回路３３がそれぞれ設けられている。制御部４４から各センサ回路３３には、センサキャリア信号（搬送波信号）３０５が入力される。各センサ回路３３から制御部４４には、ロータ軸の変位により変調されたセンサ信号３０６が入力される。

【0022】

図３は、図１に示したラジアル磁気軸受４Ａ，４Ｂに関する磁気軸受制御系の概略構成を示すブロック図である。図３において、磁気軸受電磁石４５はラジアル４軸分の８個の磁気軸受電磁石を表しており、同様に、変位センサ５０、センサ回路３３、励磁アンプ４３についても８個の磁気軸受電磁石に対応して各々設けられた８個の変位センサ、センサ回路、励磁アンプを表している。励磁アンプ４３から磁気軸受電磁石４５に供給される励磁電流は電流センサ４６によって検出される。

【0023】

制御部４４は、モータ４２を制御するモータ制御部４１０と、磁気軸受電磁石４５の励磁電流を制御する磁気軸受制御部４２０とを備えている。磁気軸受制御部４２０は、復調部４２１，振動補償部４２２および浮上制御部４２３を備えている。

【0024】

変位センサ５０で変調されたセンサ信号は、センサ回路３３に入力される。センサ回路３３では、ロータ軸５を挟んで対向配置された一対の変位センサ（後述する図４を参照）からのセンサ信号に関して差分が取られ、その差分信号はバンドパスフィルタ（不図示）によりフィルタ処理される。センサ回路３３から出力された差分信号は、制御部４４のＡＤコンバータ（不図示）によりＡＤサンプリングされ、磁気軸受制御部４２０の復調部４２１に入力されて復調処理が行われる。復調部４２１からは、変位センサ信号に基づく変位信号、すなわち、図１の変位センサ５０ｘ１，５０ｙ１の位置における変位を表す変位信号ｘs1，ｙs1および変位センサ５０ｘ２，５０ｙ２の位置における変位を表す変位信号ｘs2，ｙs2が出力される。なお、ＡＤサンプリング処理にて復調される、所謂ダイレクト検波方式の場合は、ＡＤコンバータ自体が復調部となる。

【0025】

振動補償部４２２は、復調部４２１から出力された変位信号に対して、ロータ振れ回りに起因する振動に関する補償制御を行う。振動補償部４２２にはモータ制御部４１０からロータ回転に関する電気角θが入力され、振動補償部４２２は電気角θに基づいて振動補償制御を行う。なお、振動補償部４２２における振動補償制御の詳細については後述する。

【0026】

浮上制御部４２３では、振動補償部４２２から出力された信号に基づいて比例制御、積分制御および微分制御、位相補正、その他の制御補償を行い、浮上制御電流設定を生成する。励磁アンプ４３に設けられたスイッチング素子は、浮上制御電流設定に基づいてオンオフ制御される。その結果、オンオフ制御のスイッチングパターンに応じた電圧が磁気軸受電磁石４５のコイルに印加され、それにより磁気軸受電磁石４５の励磁電流が制御される。励磁電流は電流センサ４６により検出され、検出結果は浮上制御部４２３にフィードバックされる。

【0027】

（振動補償について）
次に、振動補償部４２２における振動補償処理について説明する。図４は、磁気軸受電磁石４５の制御軸１軸分に関係する構成を示す模式図である。図４においては、図１のラジアル磁気軸受４Ａのｘ方向の一軸に関する構成を示した。ロータ軸５を挟むように、ラジアル方向の磁気浮上支持を行う一対の磁気軸受電磁石４５ｍ，４５ｐが対向配置されている。Ｊはロータ軸５を磁気浮上させる際の浮上目標位置である。各磁気軸受電磁石４５ｍ，４５ｐには、励磁アンプ４３ｍ，４３ｐが設けられている。磁気軸受電磁石４５ｍを流れる励磁電流は電流センサ４６ｍにより検出され、検出結果は浮上制御部４２３に入力される。磁気軸受電磁石４５ｐを流れる励磁電流は電流センサ４６ｐにより検出され、検出結果は浮上制御部４２３に入力される。また、磁気軸受電磁石４５ｍ，４５ｐに対応付けてラジアル方向の変位センサ５０ｘ１ｍ，５０ｘ１ｐが設けられている。

【0028】

図４に示すようにロータ軸５が変位Δｄrだけ磁気軸受電磁石４５ｐに近づいて、磁気軸受電磁石４５ｍ，４５ｐとロータ軸５とのギャップが変化すると、そのギャップ変化は一対の変位センサ５０ｘ１ｍ、５０ｘ１ｐによって検出される。磁気軸受電磁石４５ｐの励磁電流を減少させるとともに、反対側の磁気軸受電磁石４５ｍの励磁電流を増加させると、磁気軸受電磁石４５ｍの方向に引き寄せられる。その結果、浮上目標位置Ｊに対するロータ軸５の浮上位置のずれが小さくなるように制御される。

【0029】

磁気軸受電磁石４５ｍ、４５ｐを流れる励磁電流には、所定の軸受剛性を確保するためのバイアス電流（ＤＣ電流成分）と、ロータ軸５の浮上位置を制御するための制御電流とが含まれている。すなわち、ロータ軸５の浮上位置に応じて制御電流が変化する。制御電流＝０のときのロータ軸５の浮上位置が浮上目標位置Ｊであったとした場合、図３に示すようにロータ軸５を磁気軸受電磁石４５ｐの側に変位させる場合には、磁気軸受電磁石４５ｐの制御電流を＋Δｉとし、反対側の磁気軸受電磁石４５ｍの制御電流を−Δｉとする。ここで、＋Δｉおよび−Δｉは励磁電流の電流変動分に相当する。

【0030】

図４に示すような変位Δｄrおよび制御電流の変化（±Δｉ）に対して、磁気軸受電磁石４５ｐによる図示右方向の力Ｆp、および磁気軸受電磁石４５ｍによる図示左方向の力Ｆmは比例係数ｋを用いて次式（１），（２）のように表される。式（１），（２）において、Ｄはロータ軸５が浮上目標位置Ｊに磁気浮上されているときのギャップ寸法であり、Ｉは励磁電流に含まれるバイアス電流（ＤＣ電流成分）である。
Ｆp＝ｋ((Ｉ＋Δｉ)/(Ｄ−Δｄr))^２ …（１）
Ｆm＝ｋ((Ｉ−Δｉ)/(Ｄ＋Δｄr))^２ …（２）

【0031】

力Ｆp、Ｆmの変化分ΔＦp、ΔＦmを式（１）、（２）の線形近似により求めると、式（３）、（４）のようになる。よって、ロータ軸５に作用する電磁石力ΔＦ（＝Ｆp−Ｆm）は、次式（５）のように表される。
ΔＦp＝(２ｋＩ/Ｄ^２)Δｉ＋(２ｋＩ^２/Ｄ^３)Δｄr …（３）
ΔＦm＝(−２ｋＩ/Ｄ^２)Δｉ＋(−２ｋＩ^２/Ｄ^３)Δｄr …（４）
ΔＦ＝ΔＦp−ΔＦm
＝(４ｋＩ/Ｄ^２)Δｉ＋(４ｋＩ^２/Ｄ^３)Δｄr …（５）

【0032】

式（５）に示すように、制御電流Δｉ（励磁電流の電流変動分）および変位Δｄrによる電磁石力ΔＦは、制御電流Δｉに依存する力(４ｋＩ/Ｄ^２)Δｉと変位Δｄrに依存する力(４ｋＩ^２/Ｄ^３)Δｄrとの和として表される。これらの力の大きさは、式（６）のように励磁電流に起因する力のほうが大きい。
(４ｋＩ/Ｄ^２)|Δｉ|＞(４ｋＩ^２/Ｄ^３)|Δｄr| …（６）

【0033】

ロータアンバランスによるロータ振れ回りが発生すると、ロータ振れ回りを抑えるように制御電流Δｉが流れるので、変位Δｄrに起因する電磁力（式（５）の第２項）に加えて、制御電流Δｉに起因する電磁石力（式（５）の第１項）が発生する。そして、その電磁石力の反作用により固定側であるポンプ本体が振動することになる。

【0034】

ところで、制御電流Δｉは、変位センサの検出結果である変位信号Δｄsに基づいて生成される。磁気浮上制御系の伝達関数Ｇcontを用いると、入力である変位信号Δｄsと出力である制御電流Δｉとの関係は式（７）のように表される。式（７）を用いると、式（５）は式（８）のように表される。
Δｉ＝−Ｇcont・Δｄs …（７）
ΔＦ＝(４ｋＩ/Ｄ^２)（−Ｇcont）Δｄs＋(４ｋＩ^２/Ｄ^３)Δｄr …（８）

【0035】

なお、変位信号Δｄsは、バンドパスフィルタ等のフィルタ処理によって変位センサ５０から出力された検出信号に対して位相ずれしている。そのため、変位信号Δｄsによって表される変位の位相は、一般的に実際の変位Δｄrとは異なることになる。

【0036】

式（７）、（８）から分かるように、制御電流Δｉを適当な値とすることによって、ΔＦ（＝ΔＦp−ΔＦm）を低減することができる。そこで、本実施形態では、以下に説明する振動補償制御により、ロータ振れ回りに起因する回転成分（回転周波数成分）の振動を低減するようにした。なお、これまで回転周波数成分について説明してきたが、回転周波数成分の整数倍の高調波成分に対しても同様に適用できる。また、以下の説明においても同様である。

【0037】

図５は、回転成分振動の低減補償制御を説明するブロック図である。なお、図５は、図３の変位信号ｘs1，ｙs1，ｘs2，ｙs2に対応する４軸分の内の２軸分、すなわち、（変位信号ｘs1，ｙs1または変位信号ｘs2，ｙs2に関する構成を示したものである。上述した伝達関数Ｇcontは、図５に示す浮上制御部４２３と励磁アンプ４３とを合わせたものの伝達関数を表している。

【0038】

振動補償部４２２は、第１変換処理部６００、ローパスフィルタ６０１、第２変換処理部６０２および高調波電気角生成部６１０を備えている。モータ制御部４１０から入力された電気角θの信号は２つに分岐され、一つは高調波電気角生成部６１０に入力される。高調波電気角生成部６１０は、入力された電気角θから高調波の電気角ｎθを生成する。

【0039】

上述の式（８）で示した電磁石力ΔＦの内、ロータ振れ回りに関する電磁石力の回転成分ΔＦ(θ)は、Δｄs、Δｄrの回転成分に関する部分をΔｄs(θ)、Δｄr(θ)のように表すと、次式（９）のように表される。符号(θ)は、電気角θのｎ倍高調波の場合には電気角ｎθを表すものとする。
ΔＦ(θ)＝(４ｋＩ/Ｄ^２)（−Ｇcont(θ)）Δｄs(θ)
＋(４ｋＩ^２/Ｄ^３)Δｄr(θ) …（９）

【0040】

振動補償部４２２における振動補償処理は、上述した各回転成分に対して行われる。すなわち、電気角θの回転成分に関する振動補償処理を行う場合には、モータ制御部４１０からの電気角θが第１および第２変換処理部６００，６０２の変換処理に用いられ、高調波の電気角ｎθの回転成分に関する振動補償処理を行う場合には、高調波電気角生成部６１０からの電気角ｎθが第１および第２変換処理部６００，６０２の変換処理に用いられる。さらに、回転成分およびそのｎ倍高調波成分の両方の機能を並列に設けて、回転成分およびそのｎ倍高調波成分の両方に対して振動低減することも可能である。

【0041】

図５に示すように、復調部４２１から振動補償部４２２に入力された変位信号ｘs，ｙs（ｘs1，ｙs1またはｘs2，ｙs2）は、振動補償部４２２において２つに分岐される。分岐された変位信号ｘs，ｙsの一方は第１変換処理部６００に入力される。第１変換処理部６００は、固定座標系における変位信号ｘs，ｙsを、電気角θ（または、ｎθ）で回転する回転座標系の信号へと変換する。上述したように、電気角θはモータロータの磁極位置を表す角度であり、モータ制御部４１０から入力される。なお、モータ制御部４１０における電気角生成の詳細は後述する。

【0042】

次いで、第１変換処理部６００から出力された信号に対してローパスフィルタ６０１においてローパスフィルタ処理を行い、回転成分以外の周波数成分を除去する。磁気浮上制御では、第１変換処理部６００に入力される変位信号ｘs，ｙsは回転成分以外の信号も含まれるので、変換処理直後に回転成分以外の信号を除去するためのローパスフィルタ処理を必要とする。

【0043】

第２変換処理部６０２では、ローパスフィルタ処理された信号に対して回転座標系から固定座標系への変換処理を行い、変位信号ｘs，ｙsの内の回転成分だけの信号（Δｄs(θ)）を生成する。そして、変位信号ｘs，ｙsから、第２変換処理部６０２から出力された回転成分だけの信号が減算される。この処理によって、変位信号ｘs，ｙsに含まれる回転成分（Δｄs(θ)）がキャンセルされることになる。ここで、変位信号ｘs，ｙsに含まれる回転成分は互いに９０°位相が異なる信号になるが、以下においても説明をシンプルにするため、ｘs，ｙsで区別せずにΔｄs(θ)で表す。

【0044】

振れ回り成分が除去された変位信号ｘs−Δｄs(θ)，ｙs−Δｄs(θ)は浮上制御部４２３に入力され、変位信号ｘs−Δｄs(θ)，ｙs−Δｄs(θ)に基づいて励磁アンプ４３のスイッチング動作が行われる。その結果、ロータ軸５が振れ回っていても、その振れ回りを抑えるための制御電流に起因する電磁石力（式（９）の右辺第１項の電磁石力）が除去され、ポンプ本体側へ伝達される振動が低減されることになる。

【0045】

（電気角θの生成について）
次に、モータ制御部４１０における電気角θの生成について説明する。図６は、センサレスモータ制御に関する主要構成を示すブロック図である。モータ４２は、インバータ４６によって駆動される。インバータ４６は、モータ制御部４１０からの制御信号により制御される。

【0046】

モータ４２に流れる３相電流は電流検知部６０により検出され、検出された電流検知信号はローパスフィルタ４０８に入力される。一方、モータ４２の３相電圧は電圧検知部６１により検出され、検出された電圧検知信号はローパスフィルタ４０９に入力される。ローパスフィルタ４０８を通過した電流検知信号およびローパスフィルタ４０９を通過した電圧検知信号は、それぞれモータ制御部４１０の回転速度・電気角推定部４１７に入力される。回転速度・電気角推定部４１７は、電流検知信号および電圧検知信号に基づいて、モータ４２の推定回転速度ωeおよび磁極位置である推定電気角θeを演算する。

【0047】

なお、回転速度・電気角推定部４１７における推定電気角θeおよび推定回転速度ωeの演算方法については、例えば、特開２０１４−１４７１７０号公報等に開示されている公知の方法が用いられる。推定回転速度ωeは速度制御部４１１、等価回路電圧変換部４１３および切替指令部４１８に入力される。また、推定電気角θeはdq−２相電圧変換部４１４、位置制御部４１９および切替部４３４に入力される。

【0048】

モータ制御部４１０は、設定部４３２にて予め設定された目標回転速度（以下では、設定回転速度と呼ぶ）ωsにモータ４２を制御する。設定部４３２では、θs＝∫ωsｄtで算出される目標電気角（以下では、設定電気角と呼ぶ）θsが設定される。また、本実施の形態では、後述する所定の条件の下においては、設定電気角θsに基づく位置制御出力も考慮してモータ４２の制御が行われる。設定電気角θsは位置制御部４１９および切替部４３４に入力される。設定回転速度ωsは、切替指令部４１８および速度制御部４１１に入力される。

【0049】

ところで、回転速度ωからθ＝∫ωｄtにより算出される電気角θは、回転速度ωとの間に図７（ａ）に示すような関係がある。図７（ｂ）は、設定回転速度ωsに基づく設定電気角θsと、回転速度・電気角推定部４１７で算出される推定電気角θeと実際の電気角θrealとの関係を模式的に示したものである。設定電気角θsおよび設定回転速度ωsは実際の電気角θrealおよび回転速度ωrealからずれており、演算される推定電気角θeおよび推定回転速度ωeも実際の電気角θrealおよび回転速度ωrealからずれている。さらに、推定電気角θeおよび推定回転速度ωeは、実際の電気角θrealおよび回転速度ωrealに対してオフセット誤差以外にリップル誤差も含んでいる。図７（ｂ）では、斜めの一点鎖線に対する上下への変化がリップル誤差を表している。

【0050】

回転センサレス方式でモータ駆動制御を行う場合には、回転速度の１０倍程度以上速い制御周期にて推定電気角θeおよび推定回転速度ωeの推定演算を行っているので、図７（ｂ）のように、推定電気角θeおよび推定回転速度ωeはオフセット誤差および回転周波数よりも高い周波数成分のリップル誤差を含んでいる。そして、実際の回転速度ωrealおよび電気角θrealの変化が緩慢な場合には、すなわち、推定回転速度ωeが設定回転速度ωsに近い場合には、推定値（θe、ωe）の変動誤差が相対的にきわだつことになる。

【0051】

そのため、推定電気角θeを上述した振れ回りの回転成分を除去する軸受制御の電気角θに適用する場合、制御電流に起因する電磁石力を上述した磁気軸受制御で数分の１の振動レベルに低減することは可能であるが、（Ａ）制御電流起因の電磁石力（式（９）の右辺第１項）をより改善して０に近づける際には精度および安定性の確保という課題がでてくる。また、さらに要求が厳しい（Ｂ）低振動環境で使用される際には、制御電流起因の電磁石力の１／１０以下のレベルである変位起因の電磁石力（式（９）の右辺第２項）への配慮も課題となる。なお、課題（Ｂ）への対策は後述する第２の実施の形態において説明する。

【0052】

第１の実施の形態では、上述した課題（Ａ）の制御電流起因の電磁石力を０に近づける際の精度および安定性を確保するために、推定回転速度ωeが設定回転速度ωsの近傍にある場合（|ωe−ωs|＜ε：εは所定の閾値）には、振動補償部４２２の処理における電気角θとして、リップル誤差を含む推定電気角θeではなく設定電気角θsを適用するようにした。すなわち、推定角速度ωeが定格回転に相当する設定回転速度ωsの近傍に安定して留まっている場合には、設定電気角θsを適用して精度および安定性を確保する。一方、推定回転速度ωeが設定回転速度ωsの近傍外の場合（|ωe−ωs|≧ε）には、例えば、設定回転速度ωsへ加速・減速を行っている場合や、外乱等により推定回転速度ωeが設定回転速度ωsから乖離した場合には、推定電気角θeを適用する。

【0053】

図６の切替指令部４１８，切替部４３３，４３４は、そのような推定電気角θeと設定電気角θsとの切り替えのために設けたものである。切替部４３４には、設定電気角θsと、回転速度・電気角推定部４１７で算出された推定電気角θeとが入力される。切替指令部４１８には、設定回転速度ωsと回転速度・電気角推定部４１７で算出された推定回転速度ωeとが入力される。位置制御部４１９は、設定電気角θsと推定電気角θeとの差分＝θs−θeに基づくＰＩ制御により位置制御出力値を出力する。

【0054】

（|ωe−ωs|≧εの場合）
回転速度・電気角推定部４１７で算出される推定電気角θeが|ωe−ωs|≧εを満たす場合には、切替指令部４１８は切替部４３３をオフすると共に切替部４３４を推定電気角θe側へ切り替える。その結果、推定電気角θeが振動補償部４２２に入力される。また、速度制御部４１１には、推定回転速度ωeと目標回転速度である設定回転速度ωsとが入力され、位置制御部４１９からの位置制御出力値は入力されない。

【0055】

速度制御部４１１は、入力された設定回転速度ωsと推定回転速度ωeとの差＝ωs−ωeに基づいて、ＰＩ制御（比例制御および積分制御）あるいはＰ制御（比例制御）を行い、電流指令Ｉを出力する。Ｉd・Ｉq設定部４１２は、電流指令Ｉに基づき、回転座標dq系における電流指令Ｉd，Ｉqを設定する。

【0056】

等価回路電圧変換部４１３は、回転速度・電気角推定部４１７で算出された推定回転速度ωeおよびモータ４２の電気等価回路定数に基づく次式（１０）を用いて、電流指令Ｉd，Ｉqを回転座標dq系における電圧指令Ｖd，Ｖqに変換する。ここに、Ｌ、ｒはモータ巻き線のインダクタンスと抵抗、Ｋｅはモータ自体が誘起する逆起電圧の定数である。

【数1】

【0057】

dq-２相電圧変換部４１４は、変換後の電圧指令Ｖd，Ｖqと回転速度・電気角推定部４１７から入力された推定電気角θeとに基づいて、回転座標dq系における電圧指令Ｖd，Ｖqを固定座標αβ系の電圧指令Ｖα，Ｖβに変換する。２相-３相電圧変換部４１５は、２相の電圧指令Ｖα，Ｖβを３相電圧指令Ｖu，Ｖv，Ｖwに変換する。ＰＷＭ信号生成部４１６は、３相電圧指令Ｖu，Ｖv，Ｖwに基づいて、インバータ４６に設けられたスイッチング素子をオンオフ（導通または遮断）するためのＰＷＭ制御信号を生成する。インバータ４６は、ＰＷＭ信号生成部４１６から入力されたＰＷＭ制御信号に基づいてスイッチング素子をオンオフし、モータ４２に駆動電圧を印加する。

【0058】

（|ωe−ωs|＜εの場合）
一方、推定回転速度ωeが|ωe−ωs|＜εを満たす場合には、切替指令部４１８は、切替部４３３をオンすると共に切替部４３４を設定電気角θs側へ切り替える。その結果、設定電気角θsが振動補償部４２２に入力されると共に、位置制御部４１９からの位置制御出力値が速度制御部４１１に入力される。すなわち、|ωe−ωs|＜εの場合には、速度制御部４１１は、設定回転速度ωs、位置制御出力値および推定回転速度ωeに基づいて電流指令Ｉを演算する。なお、Ｉd・Ｉq設定部４１２以降のブロックにおける処理は上述した|ωe−ωs|≧εの場合と同様であり、ここでは説明を省略する。

【0059】

さて、設定電気角θsと推定電気角θeを切り替え選択して使用することを説明したが、より良い精度、安定性を確保する観点で設定電気角θsの信号生成について２点説明する。

【0060】

まず１点目は、推定電気角θeから設定電気角θsへの切り替えタイミングにおいて、両電気角間で位相ずれが大きい場合である。例えば、図１３（ａ）のような場合であり、θe適用期間からθs適用期間に切り替わる際に、電気角の位相が急激に大きく変化する。なお、図１３（ａ），（ｂ）においては、破線で示すラインが切替前後の電気角の推移を示している。電気角としてこのような信号が速度制御器４１１が入力されると、位相ずれの影響で設定回転速度ωsに対する推定回転速度ωeのズレが大きくなって、再び|ωe−ωs|＜εを満たせなくなる可能性がある。

【0061】

このような状況を防ぐためには、設定電気角θsへの切り替えタイミングにおいて、予め両電気角の位相を確実にそろえておく必要がある。そのために、図１２に示すように、設定部４３２へ切替司令部４１８からの切替信号および推定電気角θeをさらに入力して対処する。

【0062】

例えば、図１３（ｂ）に示すように、|ωe−ωs|≧ε状態（θe適用期間）において予め設定電気角θsの信号生成にあたり、推定電気角θeと位相を一致させる処理を設ける。図１３（ｂ）では、推定電気角θeが＋πから−πへ立ち下がるタイミングにて毎周期位相をそろえる、すなわち−πへ強制的に合わせ込む。つまり、予め定めたタイミングにおける推定電気角θeと∫ωｓｄtの位相差をΔψとすると、毎周期ごとにΔψを∫ωｓｄtに加算して設定電気角θsを生成する。これに対して、|ωe−ωs|<εの状態（θs適用期間）では毎周期の位相を強制的にそろえる処理をストップする。つまり、切替直前の周期（|ωe−ωs|≧εの最後の周期）で決まったΔψをその後一定のまま加算する。そうすることで切り替え時の電気角の不連続を低減できる。

【0063】

次いで、２点目としては、信号生成がデジタル処理のために生じる離散時間誤差へ対処すると、より精度、安定性を確保できる。図１４（ａ）は、離散時間誤差への対処を行わない場合の一例を示す。制御周期Ｔの離散時間で演算処理するため電気角の値も当然ながら離散値となり、＋πから−πへ立ち下がる時に誤差が生じる。この離散時間誤差に対しては、図１４（ｂ）に示すように、一旦制御周期の１０倍程度速い周期（すなわち、１／１０程度の短い周期）で設定電気角θsを生成演算し、その高サンプリングの設定電気角θsデータ（小さな黒丸）から、もとの制御周期Ｔで間引いたデータ（大きな黒丸）を抽出することで周期誤差を低減できる。その際、演算処理も少ないため処理負荷は比較的小さくできる。なお、図１４（ｂ）に示す例ではＴ／１０の周期で高サンプリングをしている。

【0064】

ただし、処理負荷が無視できず、もとの制御周期で処理する場合には、例えば、図１４（ｃ）に示すような処理を行う。予め制御周期Ｔにおける位相角増分Δθ＝ωs＊Ｔを求めておき、現在の制御周期ｋのデータθs_kに対して＋π−θs_k＜Δθの場合は、次回周期ｋ＋１に−πからでなく、−π＋(θs_k＋Δθ−π)から開始するようにする。

【0065】

（変形例）
図８は、上述した第１の実施の形態の変形例を示す図である。変形例では、フィードバックラインで回転成分Δｄs(θ)を抽出して、それとゲイン定数Ｂとの積を変位信号ｘs、ｙsから差し引くような構成とした。この構成の場合、振動補償部４２２から浮上制御部４２３へは、Ｂ／（１＋Ｂ）・Δｄs(θ)がキャンセルされた変位信号ｘs−Ｂ／（１＋Ｂ）・Δｄs(θ)、ｙs−Ｂ／（１＋Ｂ）・Δｄs(θ)が入力されることになる。ゲイン定数Ｂの値を大きく設定することで、回転成分（振れ回り成分）が図５に示す構成の場合と同程度キャンセルされる。

【0066】

（Ｃ１）以上のように、本実施の形態では、回転センサレス方式のモータ４２により一定の設定回転速度ωsで回転駆動されるロータ軸５を備える磁気軸受装置において、モータ４２の推定回転速度ωeおよび推定電気角θeが入力され、磁気軸受の電磁石力に含まれるロータ回転に起因する振動成分を低減するように変位センサ５０からの変位信号を処理する振動補償部４２２と、振動補償部４２２で処理された処理後変位信号（例えば、図５に示す信号ｘs−Δｄs(θ)，ｙs−Δｄs(θ)）に基づいて磁気軸受の電流を制御する浮上制御部４２３と、推定回転速度ωeが設定回転速度ωsを含む所定回転速度範囲の範囲内か否か、すなわち、|ωe−ωs|＜εか否かを判定する切替指令部４１８と、を備え、振動補償部４２２は、切替指令部４１８により|ωe−ωs|＜εと判定されると設定回転速度ωsから演算生成される設定電気角θsに基づいて変位信号の処理を行い、切替指令部４１８により|ωe−ωs|≧εと判定されると推定電気角θeに基づいて変位信号の処理を行う。

【0067】

変位センサからの変位信号にはロータ軸５の振れ回りに起因する振動成分（回転成分）が含まれているが、上述のように磁気軸受の電磁石力に含まれる推定回転速度ωeに関する振動成分を低減するように変位センサ５０からの変位信号を処理することで、ポンプ振動の低減を低コストで達成することができる。特に、|ωe−ωs|＜εの場合に、すなわち、定格回転数付近で安定的に回転している場合に、オフセット誤差や回転周波数よりも高い周波数成分のリップル誤差を含む推定電気角θeに代えて設定電気角θsに基づいて変位信号の処理を行うことで、制御電流に起因する振動をより低減することができる。

【0068】

（Ｃ２）振動補償部４２２における補償制御としては、図５に示すように、変位信号ｘs，ｙsから変位信号の回転成分Δｄs(θ)を除去した信号ｘs−Δｄs(θ)，ｙs−Δｄs(θ)を生成し、信号ｘs−Δｄs(θ)，ｙs−Δｄs(θ)に基づいて磁気軸受の電流を生成するようにしても良い。その結果、変位信号ｘs、ｙsに含まれる回転成分に起因する電磁石力を除去することができ、ポンプ振動の低減を図ることができる。

【0069】

−第２の実施の形態−
図９は、本発明の第２の実施の形態を説明する図であり、振動補償制御に関係する構成を示すブロック図である。上述した第１の実施の形態では、制御電流起因の電磁石力から回転成分を除去したが、第２の実施の形態では変位に起因する電磁石力についても考慮することで、前述した課題（Ｂ）を解決してポンプ本体の振動低減をさらに図るようにした。

【0070】

図９に示す振動補償部４２２は、図５に示した第１変換処理部６００，ローパスフィルタ６０１，第２変換処理部６０２および高調波電気角生成部６１０に加えて、第３変換処理部６０３，補正部６０４および位相補正部６１１を備えている。

【0071】

（位相補正部６１１について）
振動補償部４２２には、モータ制御部４１０から回転速度ωおよび電気角θが入力される。入力される回転速度ωおよび電気角θについては、|ωe−ωs|≧εの場合には推定回転速度ωeおよび推定電気角θeが入力され、|ωe−ωs|＜εの場合には設定回転速度ωsおよび設定電気角θsが入力される。位相補正部６１１には回転速度ω、電気角θおよび高調波電気角生成部６１０からの高調波電気角ｎθが入力される。

【0072】

上述したように、振動補償部２２２に入力される変位信号ｘs、ｙsは、センサ回路３３におけるバンドパスフィルタの影響により位相ずれが発生しており、さらに、伝達関数Ｇcontによっても位相ずれが発生する。位相補正部６１１ではこの位相ずれを補正し、補正された補正電気角θ１を出力する。例えば、位相ずれが位相遅延であれば、入力された電気角θと位相ずれに基づく進み位相φ(ω)を用いて次式（１１）のように算出される。なお、振動補償部４２２おいて高調波成分について処理する場合には、位相補正部６１１は、高調波電気角生成部から入力された高調波電気角ｎθに基づいて補正電気角θ１を生成する。
θ１＝θ＋φ(ω) …（１１）

【0073】

本実施の形態における振動補償部４２２では、第１の実施の形態で説明した式（９）のΔＦ(θ)をΔＦ(θ)＝０とする目的で、制御電流Δｉを決定するΔｄs(θ)の部分が、Δｄs(θ)→「Δｄs(θ)−Δｄs(θ)＋ＡΔｄs’(θ)」となるように、変位信号ｘs，ｙsに対する補償処理を行う。ここで、式「Δｄs(θ)−Δｄs(θ)＋ＡΔｄs’(θ)」において、−Δｄs(θ)の部分は、第１変換処理部６００，ローパスフィルタ６０１および第２変換処理部６０２が設けられたラインの補償処理（第１補償処理と呼ぶ）が対応する。一方、＋ＡΔｄs’(θ)の部分は、第１変換処理部６００，ローパスフィルタ６０１，第３変換処理部６０３および補正部６０４が設けられたラインの補償処理（第２補償処理と呼ぶ）が対応している。

【0074】

このとき、振動補償部４２２から出力された信号に基づいて生成される補償後の電磁石力の変動ΔＦ’(θ)は、次式（１２）のように表される。第２補償処理によるＡΔｄs’(θ)は、式（１２）の第１項「(４ｋＩ/Ｄ^２)（−Ｇcont(θ)）{ＡΔｄs’(θ)}」と第２項「(４ｋＩ^２/Ｄ^３)Δｄr(θ)」とが打ち消し合うように設定される。
ΔＦ’(θ)＝(４ｋＩ/Ｄ^２)（−Ｇcont(θ)）{Δｄs(θ)−Δｄs(θ)＋ＡΔｄs’(θ)}
＋(４ｋＩ^２/Ｄ^３)Δｄr(θ)
＝(４ｋＩ/Ｄ^２)（−Ｇcont(θ)）{ＡΔｄs’(θ)}
＋(４ｋＩ^２/Ｄ^３)Δｄr(θ) …（１２）

【0075】

一方、第２補償処理は、上述したように振れ回りによる実際の変位Δｄrに依存する電磁石力の変動、すなわち式（９）の右辺第２項をキャンセルするために設けられた補償処理である。図９の第３変換処理部６０３では、ローパスフィルタ６０１から入力された変位信号ｘs(θ)，ｙs(θ)に対して回転座標系から固定座標系への変換処理を行う。

【0076】

ところで、変位信号ｘs，ｙsは、上述したようにバンドパスフィルタ等の影響で位相ずれが生じており、また、浮上制御部４２３および励磁アンプ４３の処理においても、伝達関数Ｇcontに応じたゲインおよび位相のずれが発生する。そのため、変位Δｄrによる電磁石力の変動を第２補償処理によりキャンセルするために、第３変換処理部６０３の変換の際に補正された電気角θ１を用いて位相ずれを補正し、補正部６０４でゲイン補正を行う。

【0077】

上述したΔｄs’(θ)は、補正後の変位信号である。この変位信号Δｄs’(θ)はバンドパスフィルタや伝達関数Ｇcontによる位相ずれが補正されているので、変位信号Δｄs’(θ)により生成される制御電流Δｉは、実際の変位Δｄrと逆位相になる。そのために、第３変換処理部６０３の変換処理においては、モータ制御部４１０から出力される電気角θを上記位相ずれの分だけ補正した補正電気角θ1を用いて、変換処理を行う。

【0078】

補正部６０４では、補正係数Ａにより信号ｘs(θ)，ｙs(θ)の振幅補正を行う。補正係数Ａは、伝達関数Ｇcont(θ)によるゲインのずれを補正し、変位信号ＡΔｄs’(θ)による電磁石力の大きさを変位Δｄrによる電磁石力と同じ大きさに補正するものである。理論的には、Ａ＝（Ｉ/Ｄ）/｜Ｇcont(θ)｜と表される。第３変換処理部６０３で補正電気角θ１を用いて変換を行っているので、変位信号Δｄs’(θ)により生成される制御電流Δｉは変位Δｄrと逆位相になっている。そのため、変位Δｄrによる電磁石力は変位信号ＡΔｄs’(θ)による電磁石力により相殺される。

【0079】

なお、上述のようにバンドパスフィルタおよび伝達関数Ｇcont(θ)の位相ずれは周波数によって異なるので、高周波電気角ｎθを補正する際の位相ずれには、周波数に対応した位相ずれが採用される。また、補正係数Ａは伝達関数Ｇcont(θ)のゲインに依存するが、伝達関数Ｇcont(θ)のゲインも周波数によって異なるので、補正係数Ａは周波数に応じて設定されている。

【0080】

（Ｃ３）上述した第２の実施の形態では、信号ｘs−Δｄs(θ)，ｙs−Δｄs(θ)に加えて、ロータ軸５の変位Δｄrの回転成分Δｄr(θ)に起因する電磁石力を打ち消す電磁石力を発生させる信号ＡΔｄs’(θ)を生成し、信号ｘs−Δｄs(θ)，ｙs−Δｄs(θ)と信号ＡΔｄs’(θ)とに基づいて磁気軸受の電流を制御するようにした。その結果、変位Δｄrの回転成分Δｄr(θ)に起因する電磁石力による本体振動も除去され、より低振動な磁気軸受装置を提供することができる。

【0081】

なお、上述した第１および第２の実施形態は、ラジアル磁気軸受を対象に説明したが、軸方向１軸のみのアキシャル磁気軸受に対しても同様に適応可能である。

【0082】

−第３の実施の形態−
図１０は、本発明の第３の実施の形態を説明する図である。第２の実施の形態の図９に示す振動補償制御では、第２補償処理において変位Δｄｒに起因する電磁石力を除去する補償処理を行っている。この場合、変位Δｄｒは電磁石位置における変位を表している。そのため、図４における変位センサ５０ｘ１ｐ，５０ｘ１ｍの軸方向位置と磁気軸受電磁石４５ｐ、４５ｍの軸方向位置とが一致しない場合には、第２補償処理に関する部分の構成を図１０に示すような構成とするのが好ましい。すなわち、変位センサ位置における変位を表している変位信号ｘs，ｙsを、変位変換部６１２で電磁石位置における変位信号ｘr，ｙrに変換し、電磁石位置における変位信号ｘr，ｙrに関して第２補償処理を行う。

【0083】

変位変換部６１２から出力された電磁石位置における変位信号ｘr，ｙrは、第４変換処理部６１３において、固定座標系から補正電気角θ２で回転する回転座標系の信号へと変換される。その後、ローパスフィルタ６１４においてフィルタ処理が行われ、第３変換処理部６０３により固定座標系の信号に変換される。なお、位相補正部６１１は、センサ回路３３のバンドパスフィルタの影響による位相ずれ、浮上制御部４２３の伝達関数Ｇｃおよび励磁アンプ４３の伝達関数Ｇmによる位相ずれを補正し、補正された補正電気角θ２を出力する。上述した、第４変換処理部６１３および第３変換処理部６０３においては、位相補正部６１１から出力された補正電気角θ２を用いて変換処理が行われる。

【0084】

第３変換処理部６０３から出力された信号は補正部６０４においてゲイン補正され、補正部６０４から信号ＡΔｄr’(θ)が出力される。補正部６０４から出力された信号ＡΔｄr’(θ)は、浮上制御部４２３から出力された信号に対して減算処理される。よって、補償後の電磁石力の回転成分ΔＦ’(θ)は、次式（１３）のように表される。
ΔＦ’(θ)
＝(４ｋＩ/Ｄ^２)(−Ｇc(θ)Ｇm(θ)）{Δｄs(θ)−Δｄs(θ)}
−(４ｋＩ/Ｄ^２)Ｇm(θ)ＡΔｄr’(θ)
＋(４ｋＩ^２/Ｄ^３)Δｄr(θ)
＝(４ｋＩ/Ｄ^２)(−Ｇm(θ)){ＡΔｄr’(θ)}＋(４ｋＩ^２/Ｄ^３)Δｄr(θ)…（１３）

【0085】

図１１は、変位変換部６１２における変位変換処理を説明する図である。図１１はｘ軸方向の変位に関して示したものであり、ロータ軸５の浮上目標位置Ｊをｚ軸に一致させて図示した。ｚ軸方向に関して、上側の変位センサ位置をｚs1、下側の変位センサ位置をｚs2とし、上側の電磁石位置をｚm1、下側の電磁石位置をｚm2とする。ロータ軸５は剛体とみなし、ロータ軸５の中心軸Ｊ１の各位置ｚs1，ｚs2，ｚm1，ｚm2におけるｘ座標をｘs1，ｘs2，ｘm1，ｘm2とする。

【0086】

また、ロータ軸５が浮上目標位置Ｊに浮上している場合（ただし、垂直状態の場合）のポンプロータ３（図１参照）の重心位置をＣＧとする。重心位置ＣＧから変位センサ位置ｚs1，ｚs2までの距離をＬ1，Ｌ2とし、重心位置ＣＧから電磁石位置ｚm1，ｚm2までの距離をｌ１，ｌ２とする。

【0087】

図１１では、浮上目標位置Ｊをｚ軸と一致させているので、変位センサ位置ｚs1，ｚs2におけるｘ座標ｘs1，ｘs2は、変位センサにより検出されるセンサ位置変位を表している。同様に、電磁石位置ｚm1，ｚm2におけるｘ座標ｘm1，ｘm2は、電磁石位置ｚm1，ｚm2における磁石位置変位を表している。

【0088】

このとき、磁石位置変位ｘm1，ｘm2は、センサ位置変位ｘs1，ｘs2を用いて次式（１４）、（１５）のように表される。なお、式（１４）、（１５）では、変位ｘs1，ｘs2，ｘm1，ｘm2を時間ｔの関数として記載した。同様に、ｙ軸方向の磁石位置変位ｙm1(t)，ｙm2(t)は、変位センサ位置におけるｙ軸方向のセンサ位置変位ｙs1(t)，ｙs2(t)を用いて次式（１６）（１７）のように表される。
ｘm1(t)＝(ｌ１−Ｌ１)/(Ｌ１＋Ｌ２)×{ｘs1(t)−ｘs2(t)}＋ｘs1(t)…（１４）
ｘm2(t)＝(−ｌ２−Ｌ１)/(Ｌ１＋Ｌ２)×{ｘs1(t)−ｘs2(t)}＋ｘs1(t)…（１５）
ｙm1(t)＝(ｌ１−Ｌ１)/(Ｌ１＋Ｌ２)×{ｙs1(t)−ｙs2(t)}＋ｙs1(t)…（１６）
ｙm2(t)＝(−ｌ２−Ｌ１)/(Ｌ１＋Ｌ２)×{ｙs1(t)−ｙs2(t)}＋ｙs1(t)…（１７）

【0089】

（Ｃ４）本実施の形態では、図１０に示すように、変位センサにより検出されたセンサ位置変位を、磁気軸受の位置における軸受位置変位に変換する変位変換部６１２を備え、振動補償部４２２は、軸受位置変位の回転成分に起因する電磁石力を打ち消す電磁石力を発生させる信号ＡΔｄr’(θ)を生成する。そして、信号ｘs−Δｄs(θ)，ｙs−Δｄs(θ)と信号ＡΔｄr’(θ)とに基づいて磁気軸受の電流を制御するようにした。これにより磁気軸受位置とセンサ位置との不一致による誤差を低減でき、回転成分に関する振動をより低減することができる。

【0090】

（Ｃ８）さらに、図６に示すように、モータ制御部４１０は、モータ４２の相電圧および相電流に基づいてロータ軸５の推定回転速度ωeおよび推定電気角θeを推定する回転速度・電気角推定部４１７、速度制御部４１１および位置制御部４１９を備え、|ωe−ωs|＜εと判定されると速度制御部４１１および位置制御部４１９による各処理を適用してモータ４２を制御し、|ωe−ωs|≧εと判定されると速度制御部４１１による処理のみを適用してモータ４２を制御するのが好ましい。これにより、設定回転速度ωs近傍におけるモータ制御をより精度良く行うことができる。

【0091】

なお、上述した実施の形態では、回転翼３ａおよび固定翼２２とで構成されるターボポンプ部と、円筒部３ｂとネジステータ２４とで構成されるドラッグポンプ部とを有するターボ分子ポンプを例に説明したが、ポンプロータを磁気軸受装置で磁気浮上支持する構成の真空ポンプであれば、本発明を同様に適用することができる。さらに、本発明に係る磁気軸受装置は、真空ポンプに限らずブロアなどの種々の回転装置の軸受機構に適用することができる。

【0092】

上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。

【符号の説明】

【0093】

１…ターボ分子ポンプ、３…ポンプロータ、４Ａ，４Ｂ…ラジアル磁気軸受、４Ｃ…アキシャル磁気軸受、５…ロータ軸、３３…センサ回路、４２…モータ、４３，４３ｍ，４３ｐ…励磁アンプ、４４…制御部、４５，４５ｍ，４５ｐ…磁気軸受電磁石、５０，５０ｘ１，５０ｙ１，５０ｘ２，５０ｙ２，５１…変位センサ、４１０…モータ制御部、４１７…回転速度・電気角推定部、４１８…切替指令部、４１９…位置制御部、４２０…磁気軸受制御部、４２２…振動補償部、４２３…浮上制御部、４３２…設定部、４３３，４３４…切替部、６１２…変位変換部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】