特許 7003418 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】

(24)【登録日】2022-01-06

(45)【発行日】2022-01-20

(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 20060101AFI20220113BHJP

   F04D 19/04 20060101ALI20220113BHJP

【ＦＩ】

F16C32/04 A

F04D19/04 H

F04D19/04 A

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2017027994

(22)【出願日】2017-02-17

(65)【公開番号】P2018132166

(43)【公開日】2018-08-23

【審査請求日】2019-06-03

(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】100121382

【弁理士】

【氏名又は名称】山下 託嗣

(72)【発明者】

【氏名】小崎 純一郎

【審査官】倉田 和博

(56)【参考文献】

【文献】特開２００５－０７６７９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０４－００００１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０７－０１９２４４（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】

ロータ軸を径方向に磁気浮上支持するラジアル磁気軸受と、
電磁石コイルを有し、前記ロータ軸と一体に回転するロータディスクを軸方向に磁気浮上支持するアキシャル磁気軸受と、
前記アキシャル磁気軸受の電磁石コアの前記ロータディスクに対向する面に配置され、前記ロータディスクの軸方向の変位を検出するアキシャル変位センサと、を備え、
前記アキシャル変位センサは、高周波電圧が印加されるコイルと、前記コイルのロータディスク側を除く周囲に配置される第１フェライトコア部材と、を有し、
前記アキシャル変位センサは、所定の厚みを有するリング形状を有し、
前記電磁石コアは、前記電磁石コイルが配置されるコイル配置部と、前記アキシャル変位センサが配置されるセンサ配置部とを有し、
前記センサ配置部は、前記アキシャル変位センサのリング形状と対応するリング形状を有し、かつ、前記アキシャル変位センサの前記所定の厚みと同じ深さを有する凹部であり、
前記アキシャル変位センサが前記センサ配置部の凹部に嵌合することにより、前記アキシャル変位センサの前記ロータディスクに対向する側の面と前記電磁石コアの前記ロータディスクに対向する側の面とが同一面となる、
磁気軸受装置。

【請求項2】

ロータ軸を径方向に磁気浮上支持するラジアル磁気軸受と、
前記ロータ軸と一体に回転するロータディスクを軸方向に磁気浮上支持するアキシャル磁気軸受と、
前記アキシャル磁気軸受の電磁石コアの前記ロータディスクに対向する面に配置され、前記ロータディスクの軸方向の変位を検出するアキシャル変位センサと、を備え、
前記アキシャル変位センサは、高周波電圧が印加されるコイルと、前記コイルのロータディスク側を除く周囲に配置される第１フェライトコア部材とを備え、
前記アキシャル変位センサは、外周側から順番に、外側緩衝リング、前記第１フェライトコア部材としての外側フェライトリング、前記コイル、前記第１フェライトコア部材としての内側フェライトリング、および、内側緩衝リングを、同心状に配置したものである、磁気軸受装置。

【請求項3】

ロータ軸を径方向に磁気浮上支持するラジアル磁気軸受と、
前記ロータ軸と一体に回転するロータディスクを軸方向に磁気浮上支持するアキシャル磁気軸受と、
前記アキシャル磁気軸受の電磁石コアの前記ロータディスクに対向する面に配置され、前記ロータディスクの軸方向の変位を検出するアキシャル変位センサと、を備え、
前記アキシャル変位センサは、高周波電圧が印加されるコイルと、前記コイルのロータディスク側を除く周囲に配置される第１フェライトコア部材と、を備え、
前記ロータディスクには、前記アキシャル変位センサが対向する領域に第２フェライトコア部材が設けられている、磁気軸受装置。

【請求項4】

ロータ軸を径方向に磁気浮上支持するラジアル磁気軸受と、
前記ロータ軸と一体に回転するロータディスクを軸方向に磁気浮上支持するアキシャル磁気軸受と、
前記アキシャル磁気軸受の電磁石コアの前記ロータディスクに対向する面に配置され、前記ロータディスクの軸方向の変位を検出するアキシャル変位センサと、を備え、
前記アキシャル磁気軸受は、前記ロータディスクの表面側に対向配置された第１アキシャル電磁石と、前記ロータディスクの裏面側に対向配置された第２アキシャル電磁石とを有し、
前記第1および第２アキシャル電磁石は、それぞれ前記アキシャル変位センサを備え、
前記アキシャル磁気軸受の励磁電流は、第１アキシャル電磁石のアキシャル変位センサからの信号と第２アキシャル電磁石のアキシャル変位センサからの信号との差動信号に基づいて制御される、磁気軸受装置。

【請求項5】

ロータ軸を径方向に磁気浮上支持するラジアル磁気軸受と、
前記ロータ軸と一体に回転するロータディスクを軸方向に磁気浮上支持するアキシャル磁気軸受と、
前記アキシャル磁気軸受の電磁石コアの前記ロータディスクに対向する面に配置され、前記ロータディスクの軸方向の変位を検出するアキシャル変位センサと、を備え、
前記アキシャル変位センサは、高周波電圧が印加されるコイルと、前記コイルのロータディスク側を除く周囲に配置される第１フェライトコア部材と、を備え、
前記アキシャル変位センサの磁路領域と前記アキシャル磁気軸受の磁路領域との間における前記ロータディスクおよび前記電磁石コアの互いに対向する面の少なくとも一方の面に、溝が形成されている、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、
前記ロータ軸の下部と摺動可能に配置され、前記アキシャル磁気軸受の非動作時において前記ロータ軸を支持するメカニカルベアリングと、
前記ロータ軸の下部の前記メカニカルベアリングよりも下方に前記ロータディスクを固定するナットと、
前記ナットにより前記ロータディスクと共締めされて前記メカニカルベアリングの下側端面と上端で当接可能であり、前記ロータディスクと前記メカニカルベアリングの間に配置され、軸方向厚さにより、前記非動作時における前記ロータディスクと前記電磁石コアとの間のクリアランスを調整する調整部材と、
を備える、磁気軸受装置。

【請求項7】

ロータ軸を径方向に磁気浮上支持するラジアル磁気軸受と、
前記ロータ軸と一体に回転するロータディスクを軸方向に磁気浮上支持するアキシャル磁気軸受と、
前記アキシャル磁気軸受の電磁石コアの前記ロータディスクに対向する面に配置され、前記ロータディスクの軸方向の変位を検出するアキシャル変位センサと、
前記アキシャル変位センサは高周波電圧が印加されるコイルとを備え、
前記アキシャル変位センサの磁路領域と前記アキシャル磁気軸受の磁路領域との間における前記ロータディスクおよび前記電磁石コアの互いに対向する面の少なくとも一方の面に、溝が形成されている、磁気軸受装置。

【請求項8】

請求項７に記載の磁気軸受装置において、
前記アキシャル磁気軸受は、前記ロータディスクの表面側に対向配置された第１アキシャル電磁石と、前記ロータディスクの裏面側に対向配置された第２アキシャル電磁石とを有し、
前記アキシャル変位センサは、前記第１アキシャル電磁石の電磁石コアの前記ロータディスクに対向する面に配置される第１のセンサと、前記第２アキシャル電磁石の電磁石コアの前記ロータディスクに対向する面に配置される第２のセンサとを有し、
前記アキシャル磁気軸受の励磁電流は第１のセンサからの信号と第２のセンサからの信号との差動信号に基づいて制御される、磁気軸受装置。

【請求項9】

請求項４に記載の磁気軸受装置において、
前記アキシャル変位センサは、高周波電圧が印加されるコイルと、前記コイルのロータディスク側を除く周囲に配置される第１フェライトコア部材とを備えている、磁気軸受装置。

【請求項10】

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９までのいずれか一項に記載の磁気軸受装置と、
前記ポンプロータを回転駆動するモータと、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】

ターボ分子ポンプにおいては、オイルフリー化のためにロータ支持用軸受として磁気軸受が採用される。ターボ分子ポンプには、一般に５軸制御型の磁気軸受が用いられる（例えば、特許文献１参照）。ターボ分子ポンプに用いられる５軸制御型磁気軸受では、構造の複雑化を避ける等の理由から、１個のアキシャル変位センサによりロータの軸方向変位を検出している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１７－２０５２０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、特許文献１に記載の磁気軸受装置では、アキシャル磁気軸受の構成部品であるロータディスクをロータ軸に固定するためのナットをセンサターゲットとし、アキシャル電磁石に固定される基板上のセンサターゲット対向面にインダクタンス方式のアキシャル変位センサを搭載するようにしている。そのため、アキシャル変位センサの積層配置する際の積層誤差が生じやすく、また、ナットの締め具合によってナットと基板との距離が変化するため、機台毎にアキシャル変位センサとセンサターゲットとの間のギャップ寸法が異なっていた。その結果、アキシャル変位センサの感度に関する電気的なオフセット調整を機台毎に行う必要があり、調整作業に手間がかかるという問題があった。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明の好ましい実施形態による磁気軸受装置は、ロータ軸を径方向に磁気浮上支持するラジアル磁気軸受と、電磁石コイルを有し、前記ロータ軸と一体に回転するロータディスクを軸方向に磁気浮上支持するアキシャル磁気軸受と、前記アキシャル磁気軸受の電磁石コアの前記ロータディスクに対向する面に配置され、前記ロータディスクの軸方向の変位を検出するアキシャル変位センサと、を備え、前記電磁石コアが、前記電磁石コイルが配置されるコイル配置部と、前記アキシャル変位センサが配置されるセンサ配置部とを有し、且つ前記センサ配置部はリング状の凹部であることにより、前記ロータディスクに対する前記アキシャル変位センサの位置関係を、前記ロータディスクに対する前記電磁石コアの位置関係と同一とする。
本発明の好ましい実施形態による磁気軸受装置は、ロータ軸を径方向に磁気浮上支持するラジアル磁気軸受と、前記ロータ軸と一体に回転するロータディスクを軸方向に磁気浮上支持するアキシャル磁気軸受と、前記アキシャル磁気軸受の電磁石コアの前記ロータディスクに対向する面に配置され、前記ロータディスクの軸方向の変位を検出するアキシャル変位センサと、を備え、前記アキシャル変位センサは、高周波電圧が印加されるコイルと、前記コイルのロータディスク側を除く周囲に配置される第１フェライトコア部材とを備え、前記アキシャル変位センサは、外周側から順番に、外側緩衝リング、前記第１フェライトコア部材としての外側フェライトリング、前記コイル、前記第１フェライトコア部材としての内側フェライトリング、および、内側緩衝リングを、同心状に配置したものである。
本発明の好ましい実施形態による磁気軸受装置は、ロータ軸を径方向に磁気浮上支持するラジアル磁気軸受と、前記ロータ軸と一体に回転するロータディスクを軸方向に磁気浮上支持するアキシャル磁気軸受と、前記アキシャル磁気軸受の電磁石コアの前記ロータディスクに対向する面に配置され、前記ロータディスクの軸方向の変位を検出するアキシャル変位センサと、を備え、前記ロータディスクには、前記アキシャル変位センサが対向する領域に第２フェライトコア部材が設けられている。
本発明の好ましい実施形態による磁気軸受装置は、ロータ軸を径方向に磁気浮上支持するラジアル磁気軸受と、前記ロータ軸と一体に回転するロータディスクを軸方向に磁気浮上支持するアキシャル磁気軸受と、前記アキシャル磁気軸受の電磁石コアの前記ロータディスクに対向する面に配置され、前記ロータディスクの軸方向の変位を検出するアキシャル変位センサと、を備え、前記アキシャル磁気軸受は、前記ロータディスクの表面側に対向配置された第１アキシャル電磁石と、前記ロータディスクの裏面側に対向配置された第２アキシャル電磁石とを有し、前記第1および第２アキシャル電磁石は、それぞれ前記アキシャル変位センサを備え、前記アキシャル磁気軸受の励磁電流は、第１アキシャル電磁石のアキシャル変位センサからの信号と第２アキシャル電磁石のアキシャル変位センサからの信号との差動信号に基づいて制御される。
本発明の好ましい実施形態による磁気軸受装置は、ロータ軸を径方向に磁気浮上支持するラジアル磁気軸受と、前記ロータ軸と一体に回転するロータディスクを軸方向に磁気浮上支持するアキシャル磁気軸受と、前記アキシャル磁気軸受の電磁石コアの前記ロータディスクに対向する面に配置され、前記ロータディスクの軸方向の変位を検出するアキシャル変位センサと、を備え、前記アキシャル変位センサの磁路領域と前記アキシャル磁気軸受の磁路領域との間における前記ロータディスクおよび前記電磁石コアの互いに対向する面の少なくとも一方の面に、溝が形成されている。
さらに好ましい実施形態では、前記アキシャル磁気軸受の非動作時において前記ロータディスクを支持するメカニカルベアリングと、前記ロータ軸に装着され、前記メカニカルベアリングの軸方向端面に当接することで、前記ロータ軸のアキシャル方向の可動範囲を規定する制限部材と、前記ロータディスクを前記制限部材との間に挟持するように、前記ロータディスクをロータ軸に固定するナットと、を備え、前記制限部材の軸方向厚さにより、前記ロータ軸における前記ロータディスクの軸方向位置が設定される。
本発明の好ましい実施形態による磁気軸受装置は、ロータ軸を径方向に磁気浮上支持するラジアル磁気軸受と、前記ロータ軸と一体に回転するロータディスクを軸方向に磁気浮上支持するアキシャル磁気軸受と、前記アキシャル磁気軸受の電磁石コアの前記ロータディスクに対向する面に配置され、前記ロータディスクの軸方向の変位を検出するアキシャル変位センサと、前記アキシャル変位センサは高周波電圧が印加されるコイルとを備え、前記アキシャル変位センサの磁路領域と前記アキシャル磁気軸受の磁路領域との間における前記ロータディスクおよび前記電磁石コアの互いに対向する面の少なくとも一方の面に、溝が形成されている。
さらに好ましい実施形態では、前記アキシャル磁気軸受は、前記ロータディスクの表面側に対向配置された第１アキシャル電磁石と、前記ロータディスクの裏面側に対向配置された第２アキシャル電磁石とを有し、前記アキシャル変位センサは、前記第１アキシャル電磁石の電磁石コアの前記ロータディスクに対向する面に配置される第１のセンサと、前記第２アキシャル電磁石の電磁石コアの前記ロータディスクに対向する面に配置される第２のセンサとを有し、前記アキシャル磁気軸受の励磁電流は第１のセンサからの信号と第２のセンサからの信号との差動信号に基づいて制御される。
さらに好ましい実施形態では、前記アキシャル変位センサは、高周波電圧が印加されるコイルと、前記コイルのロータディスク側を除く周囲に配置される第１フェライトコア部材とを備えている。
本発明の好ましい実施形態による真空ポンプは、ポンプロータのロータ軸を磁気浮上支持する前記磁気軸受装置と、前記ポンプロータを回転駆動するモータと、を備える。

【発明の効果】

【0006】

本発明によれば、アキシャル変位センサのセンサ特性の機台ばらつきを低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】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。

【図2】図２は、アキシャル電磁石のコアの形状を示す図である。

【図3】図３は、アキシャル変位センサの構成を示す図である。

【図4】図４は、実施形態におけるアキシャル電磁石の制御ブロック図である。

【図5】図５は、従来の磁気軸受装置におけるアキシャル変位センサの構成の一例を示す図である。

【図6】図６は、図５に示すアキシャル変位センサの制御ブロック図である。

【図7】図７は、図５の構成の場合のアキシャル変位信号を説明する図である。

【図8】図８は、実施形態におけるアキシャル変位信号を説明する図である。

【図9】図９は、変形例を示す図である。

【図10】図１０は、図５に示す構成における機械的な調整機構の一例を示す図である。

【図11】図１１は、本実施の形態における機械的な調整機構の一例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

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。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。ターボ分子ポンプは、ポンプ本体１と、ポンプ本体１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。

【0009】

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つのラジアル電磁石を備えている。アキシャル磁気軸受４Ｃは、ロータ軸５の下部に固定されたロータディスク１０を軸方向に挟むように配置された一対のアキシャル電磁石４Ｃ１，４Ｃ２を備えている。ロータディスク１０はナット１１によってロータ軸５に固定されている。

【0010】

ロータ軸５の変位は、ラジアル変位センサ５０ｘ１，５０ｙ１，５０ｘ２，５０ｙ２，とアキシャル変位センサ６ｚ１，６ｚ２によって検出される。変位センサ５０ｘ１，５０ｙ１，５０ｘ２，５０ｙ２，６ｚ１，６ｚ２には、インダクタンス式変位センサが用いられている。

【0011】

図示上側のアキシャル電磁石４Ｃ１は電磁石コイル４０およびコア４１，４２を備え、図示下側のアキシャル電磁石４Ｃ２は電磁石コイル４３およびコア４４，４５を備える。アキシャル変位センサ６ｚ１，６ｚ２はロータディスク１０を挟んで対向するように配置され、アキシャル変位センサ６ｚ１はコア４１の下端面に設けられ、アキシャル変位センサ６ｚ２はコア４４の上端面に設けられている。

【0012】

磁気軸受４Ａ，４Ｂ，４Ｃ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。なお、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。

【0013】

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。

【0014】

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。

【0015】

図２はアキシャル電磁石４Ｃ２のコア４４の形状を示す図であり、図２（ａ）は平面図、図２（ｂ）は断面図である。コア４４には、電磁石コイル４３が配置されるコイル配置部４４０と、アキシャル変位センサ６ｚ２が配置されるセンサ配置部４４１とが形成されている。センサ配置部４４１はリング状の凹部であって、この凹部内にリング状のアキシャル変位センサ６ｚ２が配置される。図示は省略するが、アキシャル電磁石４Ｃ１のコア４１に関しても、コア４１の下端面にリング状の凹部から成るセンサ配置部が同様に形成されており、その凹部内にリング状のアキシャル変位センサ６ｚ１が配置される。なお、図２（ｂ）に示す例では、センサ配置部４４１を構成する凹部をザグリ加工により形成したが、リング状の溝としても良い。

【0016】

図３はアキシャル変位センサ６ｚ２の構成を示す図であり、図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）断面図である。なお、アキシャル変位センサ６ｚ１についても、図３のアキシャル変位センサ６ｚ２と同一構成とされる。アキシャル変位センサ６ｚ２は、外側緩衝リング６１、外側フェライトリング６２、リング状の空芯コイル６３、内側緩衝リング６５および内側フェライトリング６４を、同心状に配置したものである。フェライトリング６２，６４には、ニッケル亜鉛系フェライトが適している。

【0017】

これらの部材をコア４４のロータディスク側端面のセンサ配置部４４１に配置し、エポキシ樹脂等の接着剤により固定する。その際に、アキシャル変位センサ６ｚ２を構成する複数の部材の全体を、エポキシ樹脂等でモールドするようにしても良い。なお、アキシャル変位センサ６ｚ２を構成部品の全体を樹脂モールドする場合には、フェライトリング６２，６４を衝撃等から保護するための保護部材である外側緩衝リング６１および内側緩衝リング６５を省略しても良い。ここで、センサ配置部４４１の溝深さは、アキシャル変位センサ６ｚ２の上端面とコア４４の上端面（ロータディスク側端面）とがほぼ同一面となるように設定されている。すなわち、ロータディスク１０に対するコア端面および変位センサ端面の軸方向位置は、ほぼ同一になっている。

【0018】

図４は、アキシャル変位センサ６ｚ１，６ｚ２の信号に基づくアキシャル電磁石４Ｃ１の制御を説明するブロック図である。アキシャル変位センサ６ｚ１，６ｚ２には、抵抗Ｒを介して高い周波数（通常は１０ｋＨｚオーダー）のセンサキャリア電圧（センサキャリア信号）が印加される。抵抗Ｒは、アキシャル変位センサ６ｚ１，６ｚ２のインダクタンスＬに対して、Ｒ＞Ｌωのように設定される。ωは、センサキャリア信号の角振動数である。

【0019】

アキシャル変位センサ６ｚ１，６ｚ２のインピーダンスの大きさ（ωＬ）は、アキシャル変位センサ６ｚ１，６ｚ２とセンサターゲットであるロータディスク１０との間のギャップ寸法に対して反比例関係にある。そのため、ロータ軸５と一体に回転するロータディスク１０が軸方向に変位して上記ギャップが変化すると、そのときのインピーダンス変化によってセンサキャリア信号が振幅変調されることになる。以下では、振幅変調されたセンサキャリア信号を変位変調波信号と呼ぶことにする。

【0020】

アキシャル変位センサ６ｚ１から出力される変位変調波信号、およびアキシャル変位センサ６ｚ１から出力される変位変調波信号は、差動アンプ１００に入力される。差動アンプ１００からは、それらの変位変調波信号の差分信号が出力される。差動アンプ１００から出力された差分信号は、フィルタ１０１において角振動数ωを中心とするバンドパス処理が施される。

【0021】

フィルタ１０１から出力された信号は復調部１０２に入力され、復調部１０２において復調演算が行われる。復調部１０２の演算結果は浮上制御部１０３に入力され、浮上制御部１０３は、復調部１０２の演算結果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。そして、浮上制御電流設定に基づいて励磁アンプ１０４を駆動することで、アキシャル電磁石４Ｃ１に供給される励磁電流の制御が行われる。

【0022】

ところで、従来の磁気軸受装置におけるアキシャル変位センサ６ｚは、例えば、図５に示すようにロータ軸の端面（下端面）に締結されたナット１２に対向するように配置される。アキシャル変位センサ６ｚは、ナット１２との間のギャップ変化を、変位信号として検出する。センサターゲットであるナット１２はロータディスク１０をロータ軸に固定する締結具としても機能するものであり、組み立て時の締め付け具合によって軸方向位置が若干変化する。

【0023】

また、アキシャル変位センサ６ｚは、アキシャル電磁石４Ｃ２のコア４４の下端面に取り付けられる基板１３上に搭載されている。そのため、積層誤差や組み付け誤差等によってアキシャル変位センサ６ｚの軸方向位置に機台ばらつきが生じる。すなわち、アキシャル変位センサ６ｚとナット１２のターゲット面との間のギャップ寸法が、機台ごとに異なることになり、それに起因するセンサ感度のばらつきが問題となる。そのため、従来は、センサ感度のばらつきを解消するために機械的な調整構成を設けたり、電気的な調整構成（例えば、トリマ抵抗等を用いる調整機構）を設けたりしている。

【0024】

図１０は、図５に示す従来構成の場合の機械的な調整機構の一例を示す図である。図１０に示す例では、機械的な調整機構は、タッチダウンベアリングとして機能するメカニカルベアリング２６ｂ付近に設けられている。機械的な調整では、アキシャル変位センサ６ｚとターゲット（ナット１２）間のクリアランスＣＬ１、および、アキシャル電磁石間のロータディスク位置ＣＬ２の調整が必要である。ＣＬ１，ＣＬ２の調整に伴い、ロータ軸５のアキシャル方向のクリアランスＣＬ３も加えて、各々適切になるように、２つのリング状調整部材５１，５２の高さ寸法を選択することでシム調整をしている。そのため、調整に手間がかかるという問題があった。

【0025】

（Ｃ１）一方、本実施の形態では、図１に示すように、アキシャル変位センサ６ｚ１，６ｚ２を、アキシャル磁気軸受４Ｃを構成するアキシャル電磁石４Ｃ１，４Ｃ２のコア４１，４４のロータディスク１０に対向する面に配置しているので、ロータディスク１０に対するアキシャル変位センサ６ｚ１，６ｚ２の位置関係を、ロータディスク１０に対するコア４１，４４の位置関係とほぼ同一とすることができる。その結果、図５，１０に示すような従来の構成の場合に必須であったアキシャル変位センサ６ｚに関する調整作業を、省略することが可能となる。

【0026】

例えば、図１１（ａ）に示すように、アキシャル変位センサ６ｚ２とターゲットであるロータディスク１０との間のクリアランスは、アキシャル電磁石間のロータディスク１０の位置に関するクリアランスＣＬ２と同じであって、両方のクリアランスの調整を同時に行うことができる。すなわち、一つのリング状調整部材５３によってそれぞれのクリアランスＣＬ２，ＣＬ３の調整を行うことができ、それによって、後述する非線形性の改善を図ることができる。

【0027】

また、クリアランスＣＬ２には冗長性が許容され、さらにロータ軸５のアキシャル方向ストロークのクリアランスＣＬ３についてもばらつきが小さいので、機械的な調整を不要とすることができる。従って、高さ寸法が固定されたリング状調整部材５３とロータディスク１０とをナット１１で共締めすることで、クリアランスＣＬ２，ＣＬ３を設定することも可能となる。なお、リング状調整部材５３は、タッチダウンベアリングとして機能するメカニカルベアリング２６ｂの内輪の図示下側端面に当接することで、ロータ軸５のアキシャル方向の可動範囲（ポンプ吸気口側への可動範囲）を規定する部材としても用いられる。

【0028】

また、図５に示す従来構成のナット１２はセンサターゲットとして用いられているが、本実施の形態のナット１１は単にロータディスク１０を固定するだけであるため、複雑な構造を必要とせず、一般的なナットを使用することができる。さらに、ナット１２をセンサターゲットとした場合、ナット１２をセンサターゲットとして構成すると共に、ナット１２に対向するようにアキシャル変位センサ６ｚを配置する必要があるが、本実施の形態では、コア４１，４４にアキシャル変位センサ６ｚ１，６ｚ２を配置しているので、ポンプ本体１の軸方向寸法をより小さくすることができる。

【0029】

なお、図１に示す実施形態では、ロータディスク１０を挟むように一対のアキシャル変位センサ６ｚ１，６ｚ２を設けて差動構成としたが、いずれか一方のみを配置するようにしても良い。その場合も、上述の場合と同様に積層誤差の低減、およびセンサ調整作業の簡略化を図ることができる。図１１（ｂ）は、アキシャル変位センサ６ｚ２のみをコア４４に設ける場合のロータディスク１０の取り付け構成を示す図である。この場合も、図１１（ａ）の場合と同様に、一つのリング状調整部材５３それぞれのクリアランスＣＬ２，ＣＬ３の調整を行うことができる。

【0030】

（Ｃ２）さらに、本実施の形態では、ロータディスク１０の表裏面に対向するように配置された２つのアキシャル電磁石４Ｃ１，４Ｃ２のコア４１，４４のロータディスク対向面にアキシャル変位センサ６ｚ１，６ｚ２を配置し、アキシャル変位センサ６ｚ１のセンサ信号とアキシャル変位センサ６ｚ２のセンサ信号との差分である差動信号に基づいて、アキシャル磁気軸受４Ｃの励磁電流が制御される。そのため、後述するようにアキシャル変位信号の非線形性を改善することができ、外乱応答性、安定性、浮上制御性が向上する。

【0031】

一方、図５に示す従来の構成の場合には、一つのアキシャル変位センサ６ｚしか設けられていないため、図６に示すように、オフセット除去のためのダミー信号Ｓ１を差動アンプ１００に入力することで、変位変調波信号を擬似的に差動化している。そのため、実際の変位と変位信号である電圧値との関係が線形でなく非線形性が強いという欠点を有している。

【0032】

図６は、図５に示すアキシャル変位センサ６ｚの場合の制御ブロック図を示す図である。ダミー信号Ｓ１は、センサキャリア信号をゲイン調整部２０２にてゲイン調整し、さらに位相シフト回路２０４において変位変調波信号と同位相となるように位相調整することによって形成される。

【0033】

ロータディスク１０の所定の基準浮上位置をＤ０とし、基準浮上位置Ｄ０からの変位増分をΔｄとすると、アキシャル変位センサ６ｚとセンサターゲットとのギャップ寸法はＤ０＋Δｄとなる。すなわち、インピーダンスの大きさωＬとギャップ寸法Ｄ０＋Δｄとは、次式（１）のような反比例の関係にある。この場合、インピーダンスは、Δｄが負の値でその大きさが大きいほど増加し、Δｄが正の値でその大きさが大きいほど減少する、図７に示すような双曲線関係の非線形性を示す。
ωＬ∝１／（Ｄ０＋Δｄ） …（１）

【0034】

通常、Ｒ＞ωＬを満たすようにＲが選ばれており、ロータ運動によるギャップ変化から生じるインピーダンス変化にほぼ比例した振幅となる電圧が生成される。この電圧はセンサキャリア信号がギャップ変化により振幅変調された電圧信号であり、ロータ位置が上述の基準浮上位置Ｄ０において復調後のアキシャル変位信号が０となるように、ダミー信号Ｓ１が生成される。復調後にも基準浮上位置Ｄ０での値が０となるようにさらに微調整されるが、浮上制御に用いられるアキシャル変位信号の非線形性は図７（ａ）と同様に改善されないままである（図７（ｂ））。

【0035】

一方、本実施の形態では、ロータディスク１０の表裏面に対向する２つのアキシャル変位センサ６ｚ１，６ｚ２を設け、図４に示すように、アキシャル変位センサ６ｚ１，６ｚ２のそれぞれから出力される変位変調波信号の差分信号を復調し、浮上制御に用いるようにした。図８の曲線Ｌ１はアキシャル変位センサ６ｚ１から出力される変位変調波信号の振幅を表し、曲線Ｌ２はアキシャル変位センサ６ｚ２から出力される変位変調波信号の振幅を表したものである。図８の縦軸は信号の振幅であり、例えば電圧値である。

【0036】

本実施の形態では、図１のような構成とすることで、アキシャル電磁石４Ｃ１，４Ｃ２の中間位置と、アキシャル変位センサ６ｚ１，６ｚ２の中間位置とをほぼ一致させることができる。そのため、アキシャル変位センサ６ｚ１側のギャップ変化をΔｄとすると、アキシャル変位センサ６ｚ２側のギャップ変化は－Δｄとなり、曲線Ｌ１と曲線Ｌ２とは、Ｄ軸上のＤ０点に関してほぼ点対称になっていると考えて良い。その結果、２つの変位変調波信号の差分信号を表す曲線Ｌ１２はほぼ直線となり、復調後の微調整は不要で、非線形性もほぼ解消される。

【0037】

図９は、変形例を示す図である。変形例では、アキシャル変位センサ６ｚ１が配置されるコア４１の溝底部にフェライトリング３０２を設け、アキシャル変位センサ６ｚ２が配置されるコア４４の溝底部にフェライトリング３０４を設ける。さらに、ロータディスク１０側には、アキシャル変位センサ６ｚ１が対向する面にフェライトリング３０１を配置し、アキシャル変位センサ６ｚ２が対向する面にフェライトリング３０３を配置する。破線ｂ１はアキシャル変位センサ６ｚ１に関する磁路を模式的に示したものであり、破線ｂ２はアキシャル変位センサ６ｚ１に関する磁路を模式的に示したものである。

【0038】

（Ｃ３）このように、アキシャル変位センサ６ｚ１，６ｚ２の背面側（溝底部側）にフェライトリング３０２，３０４を配置することで、コア４１，４４側における漏れ磁束の低減を図ることができる。

【0039】

（Ｃ４）また、前記ロータディスク１０のアキシャル変位センサ６ｚ１，６ｚ２が対向する領域にフェライトコア部材であるフェライトリング３０１，３０３を設けることで、ロータディスク１０における漏れ磁束を低減し、アキシャル変位センサ６ｚ１とフェライトリング３０１との間、およびアキシャル変位センサ６ｚ２とフェライトリング３０３との間に空芯コイル６３の形成する磁束を集中させることができる。

【0040】

（Ｃ５，Ｃ６）さらに、図９に示すように、アキシャル変位センサ６ｚ１の磁路ｂ１が通る領域（磁路領域）とアキシャル電磁石４Ｃ１の磁路Ｃ１が通る領域（磁路領域）との間におけるロータディスク１０およびコア４１の互いに対向する面の少なくとも一方の面に溝ｇ１を形成し、アキシャル変位センサ６ｚ２の磁路ｂ２が通る領域（磁路領域）とアキシャル電磁石４Ｃ２の磁路Ｃ２が通る領域（磁路領域）との間におけるロータディスク１０およびコア４４の互いに対向する面の少なくとも一方の面に溝ｇ２を形成するようにしても良い。図９に示す例では、ロータディスク１０およびコア４１の互いに対向する面の両方に溝ｇ１を形成し、ロータディスク１０およびコア４４の互いに対向する面の両方に溝ｇ２を形成している。

【0041】

このような溝ｇ１，ｇ２を形成することで、磁路ｂ１，ｂ２と磁路Ｃ１，Ｃ２とが分離されやすくなり、アキシャル変位信号への電磁石磁束の影響を低減することができる。なお、ロータディスク１０側およびコア４１，４４側のいずれか一方に溝ｇ１，ｇ２を形成する場合には、磁路Ｃ１，Ｃ２を生成する側であるコア４１，４４側が優先される。

【0042】

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。例えば、上述した実施の形態ではターボ分子ポンプに用いられる磁気軸受装置を例に説明したが、これに限らず種々の磁気軸受装置に適用することができる。また、上述した実施形態ではラジアル磁気軸受に関してもアキシャル磁気軸受と同様に変位センサからの信号に基づいて軸受制御を行う構成としたが、変位センサを用いないセルフセンシングタイプのラジアル磁気軸受としても良いし、永久磁石を用いた受動型のラジアル磁気軸受としても良い。

【符号の説明】

【0043】

１…ポンプ本体、４Ａ，４Ｂ…ラジアル磁気軸受、４Ｃ…アキシャル磁気軸受、４Ｃ１，４Ｃ２…アキシャル電磁石、５…ロータ軸、６ｚ，６ｚ１，６ｚ２…アキシャル変位センサ、１０…ロータディスク、１１，１２…ナット、１３…基板、４０，４３…電磁石コイル、４１，４２，４４，４５…コア、５０ｘ１，５０ｙ１，５０ｘ２，５０ｙ２…ラジアル変位センサ、５３…リング状調整部材、６１…外側緩衝リング、６２…外側フェライトリング、６３…空芯コイル、６４…内側フェライトリング、６５…内側緩衝リング、１００…差動アンプ、１０２…復調部、１０３…浮上制御部、１０４…励磁アンプ、３０１～３０４…フェライトリング、４４１…センサ配置部、ｇ１，ｇ２…溝

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】