磁軸承式真空泵的製作方法
2023-05-15 01:10:46 2
本發明涉及一種磁軸承式真空泵。
背景技術：
在控制式磁軸承類型的真空泵中，轉子(rotor)組件不與定子(stator)組件接觸而進行高速旋轉運動。對於此種真空泵來說，即使在間隙最小的部位即保護軸承(touchdownbearing)(備用的機械軸承)處，也具有100μm左右的間隙。因此，與接觸式的滾珠軸承類型相比，有如下特徵：能夠緩和轉子不平衡修正的追隨基準。
而且，若存在轉子不平衡，則會因該轉子不平衡而在徑向(radialdirection)上產生離心旋轉位移，另外，有時會因徑向上的離心旋轉而在軸向(axialdirection)上也產生振動位移。這些位移是旋轉速度的頻率成分(或其諧波成分)的穩態響應，與軸承是非接觸型還是接觸型無關，且會作為與轉子軸位移相對應的反作用力，通過軸承的彈簧剛性而傳遞至定子側，隨之也會產生噪音。
另外，已知除了不平衡以外，會因被稱為機械振擺(mechanicalrunout)、電氣振擺(electricalrunout)的構件的損傷或磁特性的不均而產生同樣的穩態響應。
一般來說，轉子軸位移由伴隨不平衡等的穩態響應成分、與該穩態響應成分以外的成分表示。該穩態響應成分以外的成分主要是由擾動力產生的瞬態位移等自由振動所引起的成分，但即使在瞬態位移已收斂的狀態下，也包含成為定子側的振動的主要原因的伴隨傳感(sensing)的微小噪聲(noise)成分。噪聲成分包含與供應軸承電流的勵磁放大器(excitingamplifier)的pwm開關(switching)相伴的尖峰狀電流的一部分從地線(ground，gnd)回流至傳感電路而重疊的噪聲成分、或經由模擬數字轉換器(ad轉換器)(adconverter)向現場可編程門陣列(fieldprogrammablegatearray，fpga)等數字控制器獲取信號時的解析度所引起的隨機噪聲等。
真空泵在使用於電子顯微鏡等分析測量裝置、或由研究者靠近地進行操作的頻率高的實驗裝置等的情況下，強烈地需要具有低振動性及靜穆性。另外，在製造用途中，製造半導體的描繪曝光裝置自不必說，離子注入裝置、化學氣相沉積(chemicalvapordeposition，cvd)裝置、蝕刻(etching)裝置等大多也需要具有低振動性及靜穆性。
[現有技術文獻]
[專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開2006-71069號公報
技術實現要素：
[發明所要解決的問題]
但是，在離子注入裝置、cvd裝置、蝕刻裝置中，伴隨工序而產生的固相的反應生成物會附著在設置於工序容器內或下遊側的真空泵內部。例如，若反應生成物附著於渦輪分子泵的轉子，則轉子不平衡會隨著時間而增大，額定旋轉過程中的轉子的離心旋轉位移也會逐漸變大。
在專利文獻1所記載的發明中，當對位移信號進行處理時，與以往的低解析度線並列地設置高解析度線，由高解析度線的ad轉換器(adconverter)根據是否出現範圍外(outofrange)的信號來判別溢出(overflow)的有無，對低解析度線與高解析度線進行切換。
但是，在進行如上所述的切換動作的結構的情況下，若離心旋轉位移大，則位移會隔著切換閾值而上下地產生震顫(chattering)。在產生震顫的期間，反覆地使用高解析度區域及以往解析度區域的各個位移信號，因此，容易產生各種頻率，由此，會因受激勵而產生新的振動、噪音。另外，有時為了防止產生震顫而對閾值設置遲滯(hysteresis)，但存在如下問題：若離心旋轉位移大，則遲滯寬度也會增大，高解析度區域中的解析度提高程度受到限制，且低振動性能受到限定。
[解決問題的技術手段]
本發明的優選實施方式的磁軸承式真空泵包括：磁軸承，使轉子磁懸浮；第一位移信號生成部，以k＞1的解析度倍率k對經由所述轉子的從規定位置算起的位移而調製後的位移調製波信號進行放大，基於放大後的所述位移調製波信號，生成包含所述規定位置的第一位移區域中的高解析度位移信號；第二位移信號生成部，基於所述位移調製波信號，生成包含所述第一位移區域的更大的第二位移區域中的低解析度位移信號；選擇部，基於從所述高解析度位移信號或所述低解析度位移信號中除去穩態響應離心旋轉位移的成分所得的非穩態響應信號，選擇所述高解析度位移信號及所述低解析度位移信號中的任一個位移信號；以及軸承控制部，基於所述選擇部所選擇的位移信號來對所述磁軸承進行控制。
在更優選的實施方式中，還包括：穩態響應運算部，基於所述高解析度位移信號或所述低解析度位移信號，計算出穩態響應離心旋轉半徑；以及倍率變更部，將所述解析度倍率k的大小變更為與所述穩態響應離心旋轉半徑的大小相對應的多個值中的任一個值。
在更優選的實施方式中，所述第一位移信號生成部包括：第一帶通濾波器(bandpassfilter)，具有第一q值，對所述位移調製波信號進行濾波；放大部，以所述解析度倍率k對通過所述第一帶通濾波器後的信號進行放大；第一模擬數字轉換部，對放大後的所述信號進行模擬-數字轉換；以及縮小部，以小於「1/(解析度倍率)」的縮小率來使經過模擬-數字轉換後的所述信號縮小，基於縮小後的所述信號，生成所述高解析度位移信號，所述第二位移信號生成部包括：第二帶通濾波器，具有比所述第一q值更小的第二q值，對所述位移調製波信號進行濾波；以及第二模擬數字轉換部，對通過所述第二帶通濾波器後的信號進行模擬-數字轉換，基於所述第二模擬數字轉換部所輸出的信號，生成所述低解析度位移信號。
本發明的優選的其他實施方式的磁軸承式真空泵包括：磁軸承，使轉子磁懸浮；第一位移信號生成部，以k＞1的解析度倍率k對經由所述轉子的從規定位置算起的位移而調製後的位移調製波信號進行放大，基於放大後的所述位移調製波信號，生成包含所述規定位置的第一位移區域中的高解析度位移信號；第二位移信號生成部，基於所述位移調製波信號，生成包含所述第一位移區域的更大的第二位移區域中的低解析度位移信號；選擇部，選擇所述高解析度位移信號及所述低解析度位移信號中的任一個位移信號；軸承控制部，基於所述選擇部所選擇的位移信號來對所述磁軸承進行控制；穩態響應運算部，基於所述高解析度位移信號或所述低解析度位移信號，計算出穩態響應離心旋轉半徑；以及倍率變更部，將所述解析度倍率k的大小變更為與所述穩態響應離心旋轉半徑的大小相對應的多個值中的任一個值。
在更優選的實施方式中，所述第一位移信號生成部包括：第一帶通濾波器，具有第一q值，對所述位移調製波信號進行濾波；放大部，以所述解析度倍率k對通過所述第一帶通濾波器後的信號進行放大；第一模擬數字轉換部，對放大後的所述信號進行模擬-數字轉換；以及縮小部，以小於「1/(解析度倍率)」的縮小率來使經過模擬-數字轉換後的所述信號縮小，基於縮小後的所述信號，生成所述高解析度位移信號，所述第二位移信號生成部包括：第二帶通濾波器，具有比所述第一q值更小的第二q值，對所述位移調製波信號進行濾波；以及第二模擬數字轉換部，對通過所述第二帶通濾波器後的信號進行模擬-數字轉換，基於經過模擬-數字轉換後的所述信號，生成所述低解析度位移信號。
本發明的優選的其他實施方式的磁軸承式真空泵包括：磁軸承，使轉子磁懸浮；第一帶通濾波器，具有第一q值，對經由所述轉子的從規定位置算起的位移而調製後的位移調製波信號進行濾波；放大部，以k＞1的解析度倍率k對通過所述第一帶通濾波器後的信號進行放大；第一模擬數字轉換部，對由所述放大部放大後的所述信號進行模擬-數字轉換；縮小部，以小於「1/(解析度倍率)」的縮小率，使由所述第一模擬數字轉換部進行模擬-數字轉換後的所述信號縮小；第一位移信號生成部，基於由所述縮小部縮小後的所述信號，生成包含所述規定位置的第一位移區域中的高解析度位移信號；第二帶通濾波器，具有比所述第一q值更小的第二q值，對所述位移調製波信號進行濾波；第二模擬數字轉換部，對通過所述第二帶通濾波器後的信號進行模擬-數字轉換；第二位移信號生成部，基於由所述第二模擬數字轉換部進行模擬-數字轉換後的所述信號，生成包含所述第一位移區域的更大的第二位移區域中的低解析度位移信號；選擇部，選擇所述高解析度位移信號及所述低解析度位移信號中的任一個位移信號；以及軸承控制部，基於所述選擇部所選擇的位移信號來對所述磁軸承進行控制。
在更優選的實施方式中，將所述解析度倍率k變更為比第一值更小的第二值時的所述穩態響應離心旋轉半徑，被設定為比從所述第二值變更為所述第一值時的所述穩態響應離心旋轉半徑大規定遲滯寬度。
在更優選的實施方式中，若所述非穩態響應信號的值從第一信號區域的區域外變化至區域內，則所述選擇部將選擇的位移信號從所述低解析度位移信號切換為所述高解析度位移信號，若所述非穩態響應信號的值從包含所述第一信號區域的更大的第二信號區域的區域內變化至區域外，則所述選擇部將選擇的位移信號從所述高解析度位移信號切換為所述低解析度位移信號。
在更優選的實施方式中，當將所述穩態響應離心旋轉半徑與從所述規定位置算起的位移的上限值之比設為α時，以滿足式「1/(3α)＜k＜1/α」的方式設定所述解析度倍率k。
[發明的效果]
根據本發明，能夠提供低振動的磁軸承式真空泵。
附圖說明
圖1是表示本實施方式的真空泵中的泵單元的結構的圖。
圖2是對真空泵的控制系統進行說明的方框圖。
圖3是對本實施方式中的磁軸承控制進行說明的方框圖。
圖4是表示x1軸位移x1(t)及y1軸位移y1(t)的一例的圖。
圖5是對相對於本實施方式的比較例進行說明的圖。
圖6是對比較例的情況下的位移(x1(t)、y1(t))的軌跡d1與閾值之間的關係進行說明的圖。
圖7表示將閾值to、ti設為圓形線的情況。
圖8(a)及圖8(b)是對震顫的產生進行說明的圖。
圖9是對增大遲滯寬度來防止產生震顫的情況進行說明的圖。
圖10(a)及圖10(b)是表示變更內側閾值ti而增大了遲滯寬度時的切換狀況的圖。
圖11是表示包含圖4的坐標(0，0)的附近區域中的軌跡d1、du1的圖。
圖12(a)及圖12(b)是對解析度倍率k的設定方法進行說明的圖。
圖13是表示所述第一實施方式的變形例的圖。
圖14是對本發明的第二實施方式進行說明的圖。
圖15是對相對於離心旋轉半徑rx1的解析度倍率k的設定的一例進行說明的圖。
圖16(a)及圖16(b)是表示解析度倍率k與閾值to、ti之間的關係的一例的圖。
圖17(a)及圖17(b)是表示k設定部510的動作例的圖。
圖18是對本發明的第三實施方式進行說明的圖。
圖19(a)及圖19(b)是表示通常解析度位移信號中的信號的延遲及增益的一例的圖。
圖20(a)及圖20(b)是表示高解析度位移信號中的信號的延遲及增益的一例的圖。
圖21是表示使用了處理系統a時的開環傳遞函數gok(jw)、與使用了處理系統b時的開環傳遞函數go1(jw)的圖。
圖22是根據奈奎斯特線圖對控制穩定性進行說明的圖。
圖23是根據奈奎斯特線圖對控制穩定性進行說明的圖。
圖24是表示第三實施方式的變形例的圖。
圖25是表示通過帶通濾波器前後的位移調製波信號的一例的圖。
圖26(a)及圖26(b)是表示第一實施方式中的切換狀況的圖。
[符號的說明]
1：泵單元2：控制單元
2a：馬達驅動控制部2b：軸承驅動控制部
4：泵轉子4a：旋轉翼
4b：圓筒部5：轉子軸
28：旋轉傳感器40：ac/dc轉換器
41：dc/dc轉換器42：馬達
42a：馬達定子42b：馬達轉子
43：勵磁放大器44：控制部
45：磁軸承電磁鐵46：變頻器
47：dc電源48：傳感器電路
49：位移傳感器50：操作/顯示部
51：輸入輸出/通信部55：轉子盤
60：基座60a：排氣口
61a：吸氣口61b：卡止部
61c：固定凸緣62：固定翼
63：隔離墊圈64：螺杆定子
65：排氣孔66a、66b：備用的機械軸承
67、68、69：磁軸承70：目標懸浮位置
302：信號303：pwm控制信號
304：電磁鐵電流信號305：傳感器載波信號(載波信號)
306：傳感器信號(位移調製波信號)400：差動放大器
401、401a、401b：帶通濾波器402a、402b、404a、404b：放大部
403：ad轉換器405a、405b：解調運算部
406a、406b：增益/偏移調整部407：切換部
408、508：切換控制部409：第一轉換處理部
410：低通濾波器411：第二轉換處理部
412：pid控制部413：pwm運算部
510：k設定部511：數據設定部
a、b：處理系統c：穩態響應提取部
cr1、cr2：圓d1、du1：軌跡
gok(jw)、go1(jw)：開環傳遞函數im：虛部
k、k0、k1、k2：解析度倍率l1、l2：線
r：旋轉體單元r2：離心旋轉半徑的允許上限值
re：實部rx1、ry1：離心旋轉半徑
rx1×re(exp(jwt))、ry1×im(exp(jwt))：穩態響應成分
ti：內側閾值to：外側閾值
ux1：位移ux1(t)、uy1(t)：穩態響應以外的成分
x1、y1：位移x1(t)、y1(t)：通常解析度位移信號
x1k(t)、y1k(t)：高解析度位移信號θ：角度
δr：遲滯
具體實施方式
以下，參照圖來對用以實施本發明的方式進行說明。
-第一實施方式-
圖1是表示本實施方式的真空泵的概略結構的圖。圖1所示的真空泵是磁懸浮式的渦輪分子泵(turbo-molecularpump)，其包括泵單元(pumpunit)1與驅動泵單元1的控制單元(controlunit)2。再者，控制單元2可以與泵單元1分體，也可以設置為一體。控制單元2中包括對馬達42進行驅動控制的馬達驅動控制部2a、與對磁軸承67、68、69進行驅動控制的軸承驅動控制部2b。
泵單元1包括：渦輪泵段，包含旋轉翼4a與固定翼62；以及牽引泵(dragpump)段(螺杆槽泵)，包含圓筒部4b與螺杆定子(screwstator)64。此處，在螺杆定子64側形成有螺杆槽，但也可以在圓筒部4b側形成螺杆槽。
旋轉翼4a及圓筒部4b形成在泵轉子(pumprotor)4上。泵轉子4連接於轉子軸(rotorshaft)5。由泵轉子4與轉子軸5構成旋轉體單元r。多段的固定翼62在軸方向上與旋轉翼4a交替地配置。各固定翼62隔著隔離墊圈(spacerring)63而載置在基座(base)60上。通過螺栓(bolt)將泵殼(pumpcasing)61的固定凸緣(flange)61c固定於基座60後，層疊的隔離墊圈63夾在基座60與泵殼61的卡止部61b之間，固定翼62位置得以確定。
轉子軸5非接觸地由設置於基座60的磁軸承67、68、69支撐。各磁軸承67、68、69包括電磁鐵與位移傳感器。由位移傳感器檢測轉子軸5的懸浮位置。再者，構成軸方向的磁軸承69的電磁鐵是以在軸方向上，包夾設置在轉子軸5下端的轉子盤(rotordisk)55的方式而配置。
轉子軸5由馬達42旋轉驅動。馬達42為同步馬達，在本實施方式中使用了直流無刷馬達(dc(directcurrent)brushlessmotor)。馬達42包括配置於基座60的馬達定子42a、與設置於轉子軸5的馬達轉子42b。馬達轉子42b中設置有永磁鐵。轉子軸5的旋轉由旋轉傳感器28檢測。例如使用電感(inductance)式的傳感器作為旋轉傳感器28。在磁軸承不工作時，轉子軸5由備用的機械軸承66a、66b支撐。
在基座60的排氣口60a設置有排氣孔65，所述排氣孔65連接著增壓泵(backpump)。使旋轉體單元r磁懸浮，並且通過馬達42來高速旋轉驅動所述旋轉體單元r，由此，吸氣口61a側的氣體分子向排氣孔65側排出。
圖2是表示真空泵的控制系統即控制單元2的概略結構的方框圖。來自外部的交流電(altematingcurrent，ac)輸入由設置於控制單元2的ac/dc轉換器(converter)40轉換為dc輸出(dc電壓)。ac/dc轉換器40所輸出的dc電壓輸入至dc/dc轉換器41，由dc/dc轉換器41生成馬達42用的dc電壓與磁軸承用的dc電壓。
馬達42用的dc電壓輸入至變頻器(inverter)46。磁軸承用的dc電壓輸入至磁軸承用的dc電源47。磁軸承67、68、69構成五軸磁軸承，磁軸承67、68各自包括兩對(對應兩根軸)磁軸承電磁鐵45，磁軸承69包括一對(對應一根軸)磁軸承電磁鐵45。電流從分別對於五對磁軸承電磁鐵45即10個磁軸承電磁鐵45設置的10個勵磁放大器43單獨地供應至所述10個磁軸承電磁鐵45。
控制部44是對馬達及磁軸承進行控制的數字運算器，在本實施方式中使用了fpga(fieldprogrammablegatearray)。控制部44將用以對變頻器46中所含的多個開關元件進行開關控制的脈寬調製(pulsewidthmodu1ation，pwm)控制信號301輸出至變頻器46，將用以對各勵磁放大器43中所含的開關元件進行開關控制的pwm控制信號303分別輸出至各勵磁放大器43。
而且，傳感器載波信號(載波信號)305從控制部44輸入至各傳感器電路48。傳感器載波信號經由相位調整用的濾波電路而施加至位移傳感器49，位移傳感器49根據轉子位移來對該傳感器載波信號進行調製。經由轉子位移而調製後的傳感器信號(位移調製波信號)306從各傳感器電路48輸入至控制部44。另外，與關於馬達42的相電壓及相電流相關的信號302、或與磁軸承相關的電磁鐵電流信號304輸入至控制部44。
圖1所示的馬達驅動控制部2a對應於變頻器46及控制部44的馬達控制系統。另外，軸承驅動控制部2b對應於勵磁放大器43、傳感器電路48及控制部44的軸承控制系統。控制部44連接著操作/顯示部50或輸入輸出/通信部51，所述操作/顯示部50用以顯示泵狀態或進行本地操作，所述輸入輸出/通信部51與外部收發遙控信號或進行通信。
圖3是對本實施方式中的磁軸承控制進行說明的功能方框圖。圖3的方框圖表示了x1軸及y1軸這兩根軸(例如與徑向相關的磁軸承67的x軸及y軸)的結構。在圖3中，點劃線的右側所記載的方框的處理(數字處理)是由圖2的控制部(fpga)44進行。由圖2的位移傳感器49調製後的傳感器信號306(位移調製波信號)輸入至差動放大器400，在差動放大器400中生成差分信號。即，生成與x1軸的兩個傳感器信號相關的差分信號、及與y1軸的兩個傳感器信號相關的差分信號。
在帶通濾波器(bandpassfilter)401中，對差分信號實施以傳感器載波頻率為中心頻率的帶通處理之後，該差分信號分支為兩個差分信號。使用基於差分信號的位移信號來控制磁軸承，但在本實施方式中採用如下結構，該結構具備基於分支後的兩個差分信號來生成解析度不同的兩個位移信號的功能，且選擇性地使用兩個位移信號。在由符號a表示的一系列的處理中生成高解析度的位移信號，在由符號b表示的一系列的處理中生成與以往的渦輪分子泵中的位移信號相當的位移信號。以下，將由處理系統a生成的位移信號稱為高解析度位移信號，將由處理系統b生成的位移信號稱為通常解析度位移信號。
再者，在本實施方式中，通過同步採樣來對位移信號進行解調處理。預先以頻率的整數倍來使pwm載波信號與傳感器載波信號成為同步關係，以預先與成為噪聲的原因的尖峰產生定時(timing)錯開的載波峰值位置定時，使該pwm載波信號與傳感器載波信號同步，從ad轉換器獲取該pwm載波信號與傳感器載波信號，並進行解調處理。圖25是表示通過帶通濾波器前後的位移調製波信號的一例的圖。線l1表示通過帶通濾波器之前的位移調製波信號，線l2表示通過帶通濾波器之後的位移調製波信號。另外，圓形記號表示同步採樣值即解調後的位移信號。這樣，本實施方式採用了以數字方式進行解調處理的結構，但本發明也能夠適用於以模擬方式進行解調處理的情況。
在處理系統a中，差分信號由放大部402a放大k倍之後，由ad轉換器403進行ad採樣。k被設定為k＞1，在處理系統a中，僅將以轉子軸5的目標懸浮位置為中心的附近區域放大k倍，由此，生成有效地利用了ad轉換器403的動態範圍(dynamicrange)的高解析度的位移信號。ad轉換器403所獲取的差分信號在放大部404a中，通過數字運算處理被放大(1/k)倍。即，由放大部402a放大k倍後的差分信號的振幅恢復至由放大部402a放大k倍前的振幅。k的值越大，則解析度越高。以下，將k稱為解析度倍率。
在解調運算部405a中，基於放大部404a所輸出的差分信號進行解調運算。在增益/偏移調整部406a中，對解調後的信號進行增益調整及偏移調整。再者，在ad轉換器403中使用x1軸上的兩個通道及y1軸上的兩個2通道，使用兩根軸上的合計四個通道。
另一方面，在處理系統b中，差分信號由放大部402a放大一倍之後，由ad轉換器403進行ad採樣，然後由放大部404b放大(1/1)倍。即，處理系統b所生成的通常解析度位移信號相當於以往的渦輪分子泵中的位移信號，且是覆蓋直至轉子軸5與機械軸承66a、66b接觸為止的位移區域的位移信號。在處理系統b的解調運算部405b及增益/偏移調整部406b中，分別進行與處理系統a的解調運算部405a及增益/偏移調整部406a相同的處理。
再者，在生成通常的位移信號的以往的處理中，利用ad轉換器獲取經過帶通處理後的差分信號且進行解調運算，並未設置如圖3所示的放大部402b、404b。在本實施方式中，為了與處理系統b相對應而設置有放大率為一倍的放大部402b、404b，但也可以像以往的結構那樣，省略放大部402b、404b。
由切換部407選擇使用處理系統a所生成的高解析度位移信號(x1k(t)、y1k(t))與處理系統b所生成的通常解析度位移信號(x1(t)、y1(t))中的哪一個位移信號。由切換部407進行的切換受到切換控制部408控制。切換控制部408基於後述的穩態響應以外的成分的信號(ux1(t)、uy1(t))來控制由切換部407進行的切換。
[關於x1軸位移、y1軸位移]
處理系統a所生成的高解析度位移信號及處理系統b所生成的通常解析度位移信號是與轉子軸5的x1軸的位移x1(t)及y1軸的位移y1(t)相關的信號。一般來說，轉子軸5的位移由伴隨不平衡等的穩態響應成分(離心旋轉位移的成分)與除此以外的成分來表示。x1軸的位移x1(t)由下式(1)表示，y1軸的位移y1(t)由下式(2)表示。在式(1)、式(2)中，右邊第一項為穩態響應成分，右邊第二項為穩態響應以外的成分。j為虛數，re為實部，im為虛部，rx1及ry1為離心旋轉半徑。另外，ω為旋轉角速度，對於n倍諧波使用nω來代替ω。
x1(t)＝rx1×re(exp(jωt))+ux1(t)…(1)
y1(t)＝ry1×im(exp(jωt))+uy1(t)…(2)
再者，如下式(3)～式(5)所示，對於剩餘的三根軸(x2軸、y2軸、z軸)的位移，也同樣地進行表示。φ、φz是相對於x1、y1軸的穩態響應相位的x2、y2軸及z軸的相位偏移。
x2(t)＝rx2×re(exp(j(ωt+φ)))+ux2(t)…(3)
y2(t)＝ry2×im(exp(j(ωt+φ)))+uy2(t)…(4)
z(t)＝rz×re(exp(j(ωt+φz)))+uz(t)…(5)
通常，離心旋轉位移的半徑為rx1＝ry1，rx2＝ry2，但因為具有傳感感度的極小差異等誤差，所以由其他記號表示，以下對等號成立的情況進行說明。另外，通常，大多僅將徑向的四根軸設為對象，但有時軸向的一根軸(z軸)也會受到不平衡的影響而產生穩態響應，因此，新增了式(5)。
如上所述，穩態響應以外的成分ux1(t)～uz(t)主要是由擾動力產生的瞬態位移等自由振動所引起的成分，但即使在瞬態位移已收斂的狀態下，也包含成為定子側的振動的主要原因的伴隨傳感產生的微小的噪聲成分。噪聲成分包含如下尖峰狀電流的一部分從gnd線回流至傳感電路而重疊的噪聲成分、或經由ad轉換器向fpga等數字控制器獲取信號時的解析度所引起的隨機噪聲等，所述尖峰狀電流是伴隨供應軸承電流的勵磁放大器的pwm開關而產生的電流。
圖3的增益/偏移調整部406b所輸出的通常解析度位移信號、及增益/偏移調整部406a所輸出的高解析度位移信號均是與由式(1)、式(2)表示的x1軸位移x1(t)及y1軸位移y1(t)相關的位移信號。此處，利用與位移相同的記號x1(t)、y1(t)來表示通常解析度位移信號，利用記號x1k(t)、y1k(t)來表示高解析度位移信號。
增益/偏移調整部406b所輸出的通常解析度位移信號x1(t)、y1(t)輸入至穩態響應提取部c。穩態響應提取部c提取與所述式(1)、式(2)中的穩態響應成分即rx1×re(exp(jωt))、ry1×im(exp(jωt))相對應的信號。以下，將該提取出的信號稱為穩態響應信號。
穩態響應提取部c首先在第一轉換處理部409中，將通常解析度位移信號x1(t)、y1(t)轉換為從固定坐標系旋轉角度θ的旋轉坐標系的信號。此處，角度θ為轉子軸5的旋轉角度，且其基於圖1的旋轉傳感器28的檢測信號。另外，在不包括旋轉傳感器28的真空泵的情況下，也可以從馬達驅動控制部2a(圖1)取得馬達旋轉信息(例如馬達電角度)，基於該馬達旋轉信息來計算出轉子軸5的旋轉角度。再者，對於旋轉頻率成分，如上所述地使用角度θ，但關於n倍諧波，使用nθ。
其次，在低通濾波器410中，對第一轉換處理部409所輸出的信號進行低通濾波處理，將旋轉成分以外的頻率成分除去。在磁懸浮控制中，因為輸入至第一轉換處理部409的通常解析度位移信號x1(t)、y1(t)還包含旋轉成分以外的信號，所以需要用以在轉換處理後立即將旋轉成分以外的信號除去的低通濾波處理。從固定坐標系轉換為旋轉坐標系的轉換處理是以準穩態響應為前提的一種過採樣(oversampling)信號處理，因此，即使採用將旋轉成分以外的高頻的交流成分除去的低通濾波器410，延遲影響也小。
在第二轉換處理部411中，對經過低通濾波處理後的信號進行從旋轉坐標系轉換為固定坐標系的轉換處理，生成通常解析度位移信號x1(t)、y1(t)內的僅穩態響應成分(即離心旋轉成分)的信號。再者，在第二轉換處理部411中的運算過程中，例如，在需要旋轉一個周期t中的誤差為1deg以內的輸出的情況下，需要t/360以下的短採樣周期。若為兩倍高頻，則所述採樣周期為t/720以下，越是高次高頻，則需要越短的採樣周期。
接著，從通常解析度位移信號x1(t)、y1(t)減去第二轉換處理部411所輸出的僅穩態響應成分的信號，將對穩態響應成分進行抵消補償後的差分信號輸入至切換控制部408。該信號是相當於穩態響應以外的成分ux1(t)、uy1(t)的信號，以下由與穩態響應以外的成分相同的記號ux1(t)、uy1(t)來表示。
雖然詳情後述，但切換控制部408對信號ux1(t)、uy1(t)的值與規定的閾值進行比較，將切換部407切換至高解析度位移信號x1k(t)、y1k(t)側或通常解析度位移信號x1(t)、y1(t)側。這樣，從切換部407輸出通常解析度位移信號x1(t)、y1(t)或高解析度位移信號x1k(t)、y1k(t)作為控制磁軸承的位移信號。接著，從切換部407所輸出的位移信號減去由穩態響應提取部c提取的穩態響應信號rx1×re(exp(jωt))、ry1×im(exp(jωt))。結果是與式(1)、式(2)的穩態響應以外的成分ux1(t)、uy1(t)相當的信號作為用以控制磁軸承的位移信號而輸入至pid控制部412。
pid控制部412基於所輸入的位移信號來進行比例控制、積分控制及微分控制、相位修正以及其他控制補償，生成懸浮控制電流設定。pwm運算部413基於pid控制部412所生成的懸浮控制電流設定來生成pwm控制信號。基於該pwm控制信號來驅動勵磁放大器43，將電磁鐵電流供應至磁軸承電磁鐵45。
[閾值及切換動作的說明]
圖4是表示x1軸位移x1(t)及y1軸位移y1(t)的一例的圖，橫軸表示x1軸位移x1(t)，縱軸表示y1軸位移y1(t)。細線所示的軌跡d1表示位移(x1(t)，y1(t))，粗線所示的軌跡du1表示穩態響應以外的成分(ux1(t)，uy1(t))。圖4中表示了瞬態擾動力施加至以額定旋轉速度穩定地旋轉的轉子軸5的情況。
圖4中表示了額定旋轉速度為500(rps)，離心旋轉僅為旋轉基本成分，且離心旋轉半徑為10(μm)的情況。另外，將旋轉體視為剛體，在主要的自由振動內，特別增加表示了低頻與高頻的歲差運動與章動運動。歲差運動是方向與離心旋轉相反的旋轉，固有振動頻率設為1(hz)，振幅設為100(μm)，章動運動是方向與離心旋轉相同的旋轉，固有振動頻率設為240(hz)，振幅設為2(μm)。
附有符號70的十字標記表示轉子軸5的目標懸浮位置，且坐標為(0，0)。在施加擾動力之前，軌跡d1為在目標懸浮位置(0，0)的周圍描繪出圓的軌跡，但通過施加瞬態擾動力，軌跡d1、du1向箭頭所示的方向發生變化。
在瞬態擾動力施加至轉子軸5的情況下，如圖4的軌跡d1所示，轉子軸5的位置大幅地發生變化。在通常的渦輪分子泵中，備用的機械軸承66a、66b與轉子軸5之間的間隙確保為100(μm)左右。另一方面，轉子軸5的徑向的離心旋轉位移一般為數(μm)左右。再者，在圖4中表示了如下情況，即，不平衡因反應生成物的堆積而增加，離心旋轉半徑為10(μm)，相對較大。
在轉子軸5在目標懸浮位置附近穩定地旋轉的情況下，無需將轉子位移檢測範圍設為間隙的整個區域，只要能夠在比離心旋轉範圍稍大的範圍內檢測轉子位移即可。另一方面，在施加有瞬態擾動力的情況下，如圖4所示，轉子軸5大幅地移位至與機械軸承66a、66b接觸的程度。因此，為了適當地控制磁軸承，必須能夠在間隙的整個區域中檢測轉子位移。
因此，在本實施方式中，如圖3所示，設置取得高解析度位移信號x1k(t)、y1k(t)的處理系統a、與取得通常解析度位移信號x1(t)、y1(t)的處理系統b，只要穩態響應以外的成分(ux1(t)，uy1(t))的大小因施加擾動力而超過規定的閾值，則使用通常解析度位移信號x1(t)、y1(t)來控制磁軸承。另一方面，在成分(ux1(t)，uy1(t))的大小為規定的閾值以內的情況下，例如在轉子軸5在目標懸浮位置附近穩定地旋轉的情況下，使用解析度更高的高解析度位移信號x1k(t)、y1k(t)來控制磁軸承，由此提高低振動性、靜穆性。
圖5是對相對於本實施方式的比較例進行說明的圖。圖5是相當於所述圖3的方框圖，且對相同結構附有相同符號。在比較例中，切換部407的切換方法不同，切換部407基於來自切換控制部508的切換指令進行切換動作。該切換方法是與專利文獻1所記載的以往的方法相同的方法。
本實施方式的切換控制部408將信號ux1(t)、uy1(t)與閾值作比較而進行切換控制，但比較例的切換控制部508使用位移量比信號ux1(t)、uy1(t)的位移量更大的通常解析度位移信號x1(t)、y1(t)進行切換控制。因此，容易產生如下所述的震顫。
圖6是對比較例的情況下的位移(x1(t)，y1(t))的軌跡d1與閾值之間的關係進行說明的圖。圖6的軌跡d1與圖4所示的軌跡d1相同。在變形例中，代替信號ux1(t)、uy1(t)而基於通常解析度位移信號x1(t)、y1(t)來進行切換部407的切換，因此，並未記載表示穩態響應以外的成分(ux1(t)，uy1(t))的軌跡du1。
在圖6中，以目標懸浮位置70為中心的實線的矩形線to及虛線的矩形線ti表示切換控制部508中的相對於位移x1(t)、y1(t)的閾值的一例。以下，將矩形線to稱為外側閾值to，將矩形線ti稱為內側閾值ti。外側閾值to包含表示與x軸位移x1(t)相關的閾值的x1＝±50(μm)的線段、及表示與y軸位移y1(t)相關的閾值的y1＝±50(μm)的線段。內側閾值ti包含表示與x軸位移x1(t)相關的閾值的x1＝±45(μm)的線段、及表示與y軸位移y1(t)相關的閾值的y1＝±45(μm)的線段。
再者，在圖6所示的例子中，對於位移x1(t)、y1(t)分別獨立地設定了閾值，但也可以如圖7所示，對於從目標懸浮位置(0，0)算起的距離r(t)＝√(x1(t)2+y1(t)2)設定由圓形線表示的閾值to、ti。在此情況下，切換控制部508根據所輸入的通常解析度位移信號x1(t)、y1(t)計算出距離r(t)，並對該值與閾值to、ti(圓形線的半徑)進行比較。
切換控制部508對於如圖6或圖7所示的外側閾值to及內側閾值ti進行如下所述的切換控制。當瞬態擾動力不起作用且振動小時，軌跡d1位於表示內側閾值ti的線的內側。在此情況下，選擇高解析度位移信號作為用以控制磁軸承的位移信號。若施加有瞬態擾動力，軌跡d1從表示外側閾值to的線的內側移動至外側，則將位移信號從高解析度位移信號x1k(t)、y1k(t)切換為通常解析度位移信號x1(t)、y1(t)。若軌跡d1暫時離開外側閾值to的外側後，移動至內側閾值ti的內側，則從通常解析度位移信號x1(t)、y1(t)切換為高解析度位移信號x1k(t)、y1k(t)。
在圖6所示的矩形線的閾值to、ti的情況下，當位移x1(t)、y1(t)中的至少一者移動至表示外側閾值to的矩形線的外側時，從高解析度位移信號x1k(t)、y1k(t)切換為通常解析度位移信號x1(t)、y1(t)。接著，在位移x1(t)、y1(t)中的至少一者移動至矩形線to的外側，切換為通常解析度位移信號x1(t)、y1(t)之後，進入至表示內側閾值ti的矩形線的內側的情況下，再次切換為高解析度位移信號x1k(t)、y1k(t)。
以所述方式設置外側閾值to與內側閾值ti來使閾值具有遲滯(hysteresis)的原因在於：防止因位移x1(t)、y1(t)反覆地跨越一個閾值而產生的震顫。在圖6所示的閾值to、ti的設定的情況下，只要離心旋轉半徑小於矩形線to與矩形線ti之間的寬度的1/2，即只要離心旋轉半徑小於5/2(μm)，則能夠防止在軌跡d1通過閾值to、ti的線時產生震顫。
但是，在圖5的比較例的情況下，使用通常解析度位移信號x1(t)、y1(t)進行切換控制，因此，在如圖6所示的例子那樣，離心旋轉半徑大於5/2(μm)的情況下，軌跡d1反覆地進行由內而外、由外而內地通過閾值to、ti的線的動作，從而產生震顫。
圖8(a)及圖8(b)是對位移(x1(t)，y1(t))如圖6所示地發生變化時的震顫的產生進行說明的圖。圖8(a)表示x軸位移x1(t)及y軸位移y1(t)的時間變化，圖8(b)表示切換部407的切換狀態的時間變化。在圖8(b)中，狀態(+1)表示切換部407選擇了通常解析度位移信號x1(t)、y1(t)的狀態，狀態(-1)表示切換部407選擇了高解析度位移信號x1k(t)、y1k(t)的狀態。
如圖6所示，軌跡d1描繪出螺旋狀的軌跡，該螺旋狀的軌跡合成了由式(1)、式(2)的rx1×re(exp(jωt))、ry1×im(exp(jωt))表示的離心旋轉所產生的半徑10(μm)的圓周運動、與由ux1(t)、uy1(t)表示的擾動力所產生的位移。圓周運動的中心從目標懸浮位置70變化至x1＝-100(μm)、y1＝100(μm)的位置為止。圖8(a)表示此時的位移x1(t)、y1(t)的時間變化。x軸位移x1(t)伴隨由離心旋轉產生的細微的振動，從0(μm)變化至-100(μm)為止。y軸位移y1(t)同樣伴隨由離心旋轉產生的細微的振動，從0(μm)變化至100(μm)為止。位移x1、y1的細微的振動幅度大致為離心旋轉半徑的兩倍即20(μm)。
在符號e1所示的範圍中，位移x1(t)、y1(t)這兩者均進入至外側閾值to(＝±50μm)的內側，因此，切換部407維持於狀態(-1)，成為選擇了高解析度位移信號x1k(t)、y1k(t)的狀態。在符號e2所示的範圍中，產生了y軸位移y1(t)在外側閾值to的外側與內側閾值ti的內側之間往返的狀態，從而產生了反覆成為狀態(-1)與狀態(+1)的震顫。即，從切換部407交替地反覆輸出高解析度位移信號x1k(t)、y1k(t)與通常解析度位移信號x1(t)、y1(t)。在符號e3所示的範圍中，暫時超過外側閾值to的y軸位移y1(t)不在內側閾值ti以下，切換部407維持於狀態(+1)，成為選擇了通常解析度位移信號x1(t)、y1(t)的狀態。
這樣，在比較例的情況下，離心旋轉大於閾值to、ti的遲滯寬度，軌跡d1跨越具有遲滯的兩個閾值to、ti，由此產生震顫。在渦輪分子泵的情況下，轉子軸5的旋轉速度高且離心旋轉位移的頻率高，因此，以短周期反覆地切換通常解析度位移信號與高解析度位移信號。
在離心旋轉半徑大的比較例的情況下，為了防止產生如上所述的震顫，如圖9所示，需要增大閾值to、ti的遲滯寬度。在圖9中，不變更外側閾值to，將內側閾值ti變更為y1＝±25(μm)，將閾值to、ti的遲滯寬度設為25(μm)。在此情況下，遲滯寬度為離心旋轉半徑的兩倍(20μm)以上，因此，能夠防止產生震顫。
圖10(a)及圖10(b)是表示如圖9所示地變更了內側閾值ti時的切換狀況的圖。圖10(a)是表示位移x1(t)、y1(t)的時間變化的圖，其與圖8(a)相同。圖10(b)是表示切換狀態的圖，已知震顫已消除。這樣，在離心旋轉半徑大的情況下，需要將外側閾值to與內側閾值ti之間的遲滯寬度設定得更大。
另一方面，在本實施方式的切換控制部408中，代替位移x1(t)、y1(t)，對穩態響應以外的成分ux1(t)、uy1(t)與閾值進行比較而進行切換控制，因此，能夠使遲滯寬度小於比較例的情況下的遲滯寬度。
再者，在所述圖4所示的軌跡du1的情況下，作為穩態響應以外的成分，在主要的自由振動內，特別增加表示了低頻與高頻的歲差運動與章動運動。歲差運動是方向與離心旋轉相反的旋轉，固有振動頻率為1(hz)，振幅為100(μm)。章動運動是方向與離心旋轉相同的旋轉，固有振動頻率為240(hz)，振幅為2(μm)。
再者，震顫的產生與將內側閾值設定為何種值無關，此處，與解決了震顫的所述比較例(圖9)同等地，以下述方式設定本實施方式中的內側閾值。在圖9的比較例中，將內側閾值設為25(μm)，但此為如下情況，即，將作為穩態響應的離心旋轉振幅為10(μm)，穩態響應以外的章動振幅為2(μm)，且由所述振幅100(μm)的歲差運動產生的位移為13(μm)時的位移設為內側閾值。即，內側閾值設定為25(μm)＝{10+2+13}(μm)。相對於此，在本實施方式中，只要考慮穩態響應以外的成分即可，因此，若使用同等的章動振幅2(μm)及歲差振幅13(μm)，則內側閾值為這兩個振幅之和即15(μm)。
外側閾值是將遲滯值與內側閾值相加所得的值。在圖9所示的比較例的情況下，採用25(μm)作為遲滯值，外側閾值為50(μm)。25(μm)是進一步將1(μm)作為餘裕(margin)而與頻率高的離心旋轉運動(穩態響應)及章動(穩態響應以外)的各振幅之和的兩倍的值相加所得。即，25(μm)＝{(10+2)×2+1}(μm)。在本實施方式的情況下，只要考慮穩態響應以外的成分即可，因此，5(μm)成為遲滯值，該5(μm)是將同樣的餘裕1(μm)與穩態響應以外的章動振幅即2(μm)的兩倍的值相加所得的值。外側閾值是將遲滯值5(μm)與內側閾值15(μm)相加而成為20(μm)。
這樣，與圖9的內側閾值25(μm)、外側閾值50(μm)同等的條件下的本實施方式的內側閾值及外側閾值分別為15(μm)及20(μm)。圖11將圖4中的內側閾值ti及外側閾值to更換為15(μm)及20(μm)，且表示了包含坐標(0，0)的附近區域中的軌跡d1、du1。
在本實施方式中，外側閾值to及內側閾值ti被應用於軌跡du1，因此，如所述說明所述，將餘裕1與章動運動的振幅的兩倍相加而設定遲滯寬度。表示閾值to、ti的矩形線的上邊部分所記載的圓cr1、cr2是表示將歲差運動視為零時的章動運動的軌跡及離心旋轉運動的軌跡。位移x1、y1的軌跡d1是合成了歲差運動及章動運動與離心旋轉運動時的軌跡。
章動運動的振幅為2(μm)，因此，圓cr1的直徑為4(μm)。離心旋轉半徑為10(μm)，因此，圓cr2的直徑為20(μm)。在如圖11所示地設定了閾值ti、to的情況下，當施加瞬態擾動力，圓cr1從表示內側閾值ti的矩形線的內側移動至表示外側閾值to的矩形線的外側時，能夠防止產生震顫。圖26(a)及圖26(b)是表示本實施方式的情況下的切換狀況的圖。圖26(a)是表示ux1(t)、uy1(t)的歷時變化的圖，與圖8(a)及圖8(b)或圖10(a)及圖10(b)所示的x1(t)、y1(t)相比，細微的振動幅度減小。結果是如圖26(b)所示，未產生震顫。
這樣，通過將ux1(t)、uy1(t)用於切換判定，例如即使在反應生成物堆積於轉子4而導致離心旋轉半徑變大的情況下，也能夠將閾值ti、to的遲滯寬度抑制得較小，從而能夠將外側閾值to抑制為比離心旋轉半徑稍大的程度。另外，因為將ux1(t)、uy1(t)用於切換判定，所以在ux1(t)、uy1(t)為非常小的泵的情況下，即使不對閾值設置遲滯，也能夠在短時間內抑制震顫。
在圖9所示的比較例中，若位移x1(t)、y1(t)超過±50(μm)，則切換為通常解析度位移信號。即，在位移x1(t)、y1(t)達到±50(μm)之前，使用解析度倍率k的高解析度位移信號。另一方面，在圖11所示的本實施方式中，若ux1(t)、uy1(t)超過±20(μm)，則切換為通常解析度位移信號。在此情況下，離心旋轉半徑為10(μm)，因此，在位移x1(t)、y1(t)達到±30(μm)之前，使用解析度倍率k的高解析度位移信號。即，在圖11的雙點劃線所示的矩形範圍內使用高解析度位移信號。因此，能夠將解析度倍率k設定為比較例的約1.7(≒50/30)倍，通過將高解析度位移信號設為更高的解析度，能夠實現低振動化。
另外，因為能夠減小遲滯寬度，所以在遲滯寬度的設定方面，餘裕度相應地增大。因此，即使在通常解析度位移信號與高解析度位移信號之間稍微存在目標懸浮位置的偏移誤差的情況下，對於圖11的圓cr1，將遲滯寬度設定得稍大，由此，也能夠容易地避免產生由偏移誤差引起的震顫。
(關於解析度倍率k的設定方法)
其次，參照圖12(a)及圖12(b)來對解析度倍率k的設定方法進行說明。圖12(a)表示比較例的情況，圖12(b)表示本實施方式的情況。
在通常解析度位移信號的處理系統b中，對輸入至圖3的ad轉換器403的信號進行設定，使得在轉子軸5與機械軸承66a、66b接觸時，由放大部402b放大了(+1)倍的信號的大小與ad轉換器403的滿刻度(fullscale)相同。另外，在高解析度位移信號的處理系統a中進行設定，使得在離心旋轉位移x1(t)、y1(t)與外側閾值to相等時，由放大部402a放大了(+k)倍的信號的大小與ad轉換器403的滿刻度相同。再者，備用的機械軸承存在鬆動等成為誤差的間隙變動，因此，較理想的是也考慮該誤差量來設定滿刻度。
在設定所述外側閾值to時，能夠以某種程度任意地進行設定，但為了儘可能增大解析度倍率k而實現低振動化，優選將外側閾值to設定為小值。在比較例的情況下，為了不產生震顫，需要以下式(6)、式(7)的方式來設定閾值ti、to(參照圖12(a))。
ti≧(離心旋轉半徑)…(6)
to≧(離心旋轉半徑)×3…(7)
再者，在此處的說明中，將章動運動的振幅視為能夠忽視的小振幅。章動運動的振幅與離心旋轉位移無關，因此，在因反應生成物的堆積等而導致離心旋轉位移大的情況下，即使以所述方式進行考慮，也無問題。
假設在將轉子軸5與機械軸承66a、66b之間的標稱間隙設為100(μm)的情況下，離心旋轉半徑(＝10μm)為標稱間隙的1/10。此時，以式「(1/10)×3×k≦1」的方式設定解析度倍率k，使得外側閾值to的範圍的k倍與標稱間隙相同，或小於標稱間隙。由此，以下式(8)的方式設定解析度倍率k。
k≦10/3…(8)
在本實施方式的情況下，若將章動運動的位移ux1、uy1視為零，則以下式(9)的方式設定不產生震顫的閾值ti、to(參照圖12(b))。與比較例的情況同樣地，設定解析度倍率k，使得外側閾值to的範圍的k倍與標稱間隙相同，或小於標稱間隙。若將離心旋轉半徑設為標稱間隙的(1/10)，則以下式(10)的方式設定解析度倍率k。
to≧ti≧(離心旋轉半徑)…(9)
k≦10/1…(10)
由此，通過以下式(11)的方式設定解析度倍率k，與比較例的情況相比，能夠將解析度倍率k設定得更大，從而能夠實現低振動化。若進行一般化，將離心旋轉半徑設為標稱間隙的α倍，則能夠以式(12)的方式對式(11)進行變形。
10/3＜k≦10/1…(11)
1/(3α)＜k≦1/α…(12)
(變形例)
圖13是表示所述第一實施方式的變形例的圖。在圖3所示的第一實施方式的結構中，使用處理系統b的通常解析度位移信號x1(t)、y1(t)來進行穩態響應提取，使用該經過穩態響應提取後的信號，進行對於通常解析度位移信號x1(t)、y1(t)及高解析度位移信號x1k(t)、y1k(t)的穩態響應成分的抵消補償。
另一方面，在圖13所示的變形例中採用了如下結構，即，在處理系統a及處理系統b各自的線上設置穩態響應提取部c，利用切換部407來對抵消補償了穩態響應成分後的通常解析度位移信號及高解析度位移信號進行切換。切換控制部408與所述實施方式的情況同樣地，對根據通常解析度位移信號獲得的穩態響應以外的成分ux1(t)、uy1(t)與閾值進行比較而進行切換控制。
在變形例中，在對於高解析度位移信號的穩態響應抵消補償中，使用了從高解析度位移信號提取的穩態響應成分，因此，在選擇了高解析度位移信號的情況下，也可減少對於穩態響應的誤差。即，在振動頻譜中，旋轉成分或其諧波成分的振動峰值減少。
如上所述，在本實施方式中，如圖3所示，包括：作為第一位移信號生成部的處理系統a，基於在放大部402a中以解析度倍率k(其中，k＞1)對位移調製波信號的差分信號進行放大所得的信號，生成與包含規定位置的第一位移區域相當的由外側閾值to規定的區域中的高解析度位移信號x1k(t)、y1k(t)，所述位移調製波信號是經由轉子的從規定位置算起的位移而調製後的信號；以及作為第二位移信號生成部的處理系統b，基於位移調製波信號的差分信號，生成與包含所述第一位移區域的更大的第二位移區域相當的間隙區域中的通常解析度位移信號x1(t)、y1(t)。接著，切換控制部408基於從通常解析度位移信號x1(t)、y1(t)中除去穩態響應離心旋轉位移的成分rx1×re(exp(jωt))、ry1×im(exp(jωt))所得的非穩態響應的信號ux1(t)、uy1(t)，選擇高解析度位移信號x1k(t)、y1k(t)及低解析度位移信號x1(t)、y1(t)中的任一個位移信號，對切換部407進行控制。
再者，成為各軸的位移原點的規定位置通常被定為各備用的機械軸承的中心。在本發明中，懸浮目標位置未必需要與規定位置一致，但在實施方式中，對懸浮目標位置與規定位置一致的情況進行說明。
信號ux1(t)、uy1(t)與離心旋轉位移無關，例如即使在因反應生成物的堆積而導致離心旋轉位移變大的情況下，信號ux1(t)、uy1(t)也不會受其影響。因此，即使允許大離心旋轉位移，與使用離心旋轉位移來進行切換控制的情況相比，能夠將解析度倍率k設定得較大，從而能夠提高泵的低振動性。
再者，在圖3所示的結構中，通過從低解析度位移信號x1(t)、y1(t)中除去穩態響應離心旋轉位移的成分來計算出非穩態響應的信號ux1(t)、uy1(t)，但也可以使用高解析度位移信號x1k(t)、y1k(t)來代替低解析度位移信號x1(t)、y1(t)。
另外，在本實施方式中，以如下情況為例進行了說明，該情況是指使用位移傳感器49作為對從規定位置算起的位移進行檢測的位移檢測部，但本發明也能夠適用於採用了所謂的無傳感器(也稱為自傳感類型)方式的磁軸承的真空泵。在無傳感器方式的情況下，傳感器載波信號重疊於電磁鐵電流，根據轉子軸5的位移來對重疊的傳感器載波信號進行位移調製。通過對該位移調製波信號進行解調處理來生成位移信號。
再者，若將圖3所示的結構應用於其他的三根軸(x2軸、y2軸、z軸)，從而應用於全部的五根軸，則能夠發揮最大限度的效果，但例如也可以應用於通常實施不平衡補償的徑向的四根軸，或根據真空泵的各用途的個別特殊性來減少軸數。
另外，在圖3所示的結構中，使用從位移信號x1(t)、y1(t)或x1k(t)、y1k(t)中除去穩態響應成分rx1×re(exp(jωt))、ry1×im(exp(jωt))所得的穩態響應以外的成分ux1(t)、uy1(t)來控制磁軸承，但也可以採用如下結構，即，使用位移信號x1(t)、y1(t)或x1k(t)、y1k(t)來控制磁軸承。
-第二實施方式-
圖14是對本發明的第二實施方式進行說明的圖，對圖13所示的結構新增了k設定部510。在所述第一實施方式中，在生成高解析度位移信號的處理系統a的線中，放大部402a、404a中的解析度倍率k是根據轉子軸5的離心旋轉而被設定為規定的固定值。但是，由於反應生成物堆積於轉子4，轉子不平衡會隨著時間而變大，額定旋轉過程中的離心旋轉位移逐漸變大。
例如，如圖11所示，考慮外側閾值to被設定為20(μm)，內側閾值ti被設定為15(μm)的情況。若離心旋轉半徑因反應生成物的堆積而變得大於10(μm)，位移x1(t)、y1(t)在外側閾值to的20(μm)附近變得大於30(μm)，則即使在轉子軸5的離心旋轉中心為目標懸浮位置70的情況下，仍會導致從生成高解析度位移信號的處理系統a的放大部402a輸入至ad轉換器403的信號的範圍超過ad轉換器403的滿刻度。結果是有可能無法適當地控制磁軸承。
因此，在第二實施方式中，根據離心旋轉半徑的大小來使放大部402a、404a中的解析度倍率k發生變化，使得即使在轉子軸5的離心旋轉位移發生了變化的情況下，也能夠適當地控制磁軸承。在圖14所示的例子中採用如下結構，即，能夠通過k設定部510將k變更為多個值。k設定部510基於從低通濾波器410輸入的穩態響應離心旋轉的半徑rx1、ry1(參照式(1)、式(2))來設定解析度倍率k的值。另外，切換控制部408根據與k設定部510所設定的k的值相對應的外側閾值to及內側閾值ti進行切換控制。其他結構與所述圖13的結構相同。
圖15是對相對於離心旋轉半徑rx1的解析度倍率k的設定方法的一例進行說明的圖。再者，對於rx1以外的離心旋轉半徑也相同。在圖15中，橫軸為離心旋轉半徑rx1，縱軸為1/k。此處，以成為k0、k1、k2的方式，分為三個階段地變更解析度倍率k。設定為k0＞k1＞k2。
在反應生成物的堆積少，且離心旋轉半徑rx1小至rx1＜r0的狀態下，解析度倍率k被設定為k0。在離心旋轉半徑rx1稍微變大，r0≦rx1＜r1的情況下，k設定部510將放大部402a、404a的解析度倍率k從k0切換為k1。在離心旋轉半徑rx1進一步變大，r1≦rx1＜r2的情況下，解析度倍率k從k1切換為k2。再者，由反應生成物堆積引起的離心旋轉半徑的變化僅在增加方向上，但有可能會在解析度倍率k的切換過程中產生震顫，因此，為了防止產生震顫而設定了遲滯δr。
再者，r2是離心旋轉半徑的允許上限值，在rx1＞r2的情況下判斷為離心旋轉異常，從通常控制過渡為異常時控制。
圖16(a)是表示解析度倍率k與閾值to、ti之間的關係的一例的圖。與外側閾值to相對應地設定解析度倍率k。此處，解析度倍率k0設為外側閾值to為10(μm)時的解析度倍率。同樣地，k1是外側閾值to為25(μm)時的解析度倍率，k2是外側閾值to為60(μm)時的解析度倍率。在圖14所示的結構中，與第一實施方式的情況同樣地，基於ux1(t1)、uy1(t)來對高解析度位移信號與通常解析度位移信號進行切換，因此，切換時的用以防止震顫的遲滯寬度依賴於ux1(t1)、uy1(t)。但是，ux1(t1)、uy1(t)與離心旋轉位移無關，因此，在圖16(a)的例子中，在固定的遲滯寬度內設定內側閾值ti。
圖17(a)及圖17(b)是表示k設定部510的動作例的圖。圖17(a)表示離心旋轉半徑rx1的歷時變化，圖17(b)表示位移ux1、閾值ti、to的變化。在期間(a)中，從靜止狀態開始進行加速運轉而處於低轉速狀態，離心旋轉半徑rx1大至中等程度。因此，解析度倍率k被設定為k1，外側閾值to被設定為±25(μm)。位移ux1處於外側閾值to＝±25(μm)的範圍內，因此，由切換部407選擇高解析度位移信號x1k(t)、y1k(t)。
在期間(b)中，達到危險速度通過的轉速，離心旋轉半徑rx1因瞬態離心旋轉增大而超過25(μm)之後，解析度倍率k從k1切換為k2。解析度倍率k切換為k2之後，外側閾值to據此也變更為±60(μm)。
在期間(c)中，達到危險速度通過後的加速度運轉，隨著轉速接近額定轉速，離心旋轉半徑rx1逐漸降低。若離心旋轉半徑rx1變為「25(μm)－δr」以下，則解析度倍率k從k2切換為k1，外側閾值to變更為±25(μm)。
在期間(d)中，泵達到額定旋轉運轉。在該時間點，反應生成物的堆積非常少，擾動力也變為較小的水平，因此，離心旋轉半徑rx1小至數(μm)水平，解析度倍率k從k1切換為k0。另外，外側閾值to從±25(μm)變更為±10(μm)。
期間(e)為額定旋轉狀態，但產生了由擾動力引起的瞬態過大位移。結果是位移ux1大於外側閾值to，由切換部407從高解析度位移信號x1k(t)、y1k(t)切換為通常解析度位移信號x1(t)、y1(t)。另外，相對於離心旋轉位移的閾值ti、to的設定被解除。
在期間(f)中，擾動力消失，增大的位移ux1再次變小而處於內側閾值ti的範圍內。結果從通常解析度位移信號x1(t)、y1(t)切換為高解析度位移信號x1k(t)、y1k(t)。另外，因為離心旋轉半徑rx1小，所以外側閾值to設為±10(μm)。
期間(g)是從期間(f)經過長時間後的時間點的期間，雖維持了額定轉速，但反應生成物逐漸增加，離心旋轉半徑rx1也逐漸增加。但是，在該時間點，離心旋轉半徑rx1處於外側閾值to＝±10(μm)的範圍內，因此，解析度倍率k維持為k0。
期間(h)是從期間(g)經過更長時間後的時間點的期間，由於反應生成物的體積增加，離心旋轉半徑rx1處於外側閾值to＝±10(μm)的範圍外。結果是解析度倍率k從k0切換為k1，外側閾值to也從±10(μm)變更為±25(μm)。因此，位移ux1短暫地超過10(μm)，但處於外側閾值to＝±25(μm)的範圍內，因此，維持切換部407對於高解析度位移信號x1k(t)、y1k(t)的選擇狀態。
這樣，在第二實施方式中，如圖14所示，包括：穩態響應提取部c的第一轉換處理部409及低通濾波器410，基於在處理系統a的放大部402a中以解析度倍率k(其中，k＞1)對位移調製波信號進行放大所得的信號，生成高解析度位移信號，且基於高解析度位移信號或低解析度位移信號，計算出穩態響應離心旋轉位移的離心旋轉半徑rx1、ry1；以及k設定部510，將解析度倍率k的大小變更為與離心旋轉半徑rx1、ry1的大小相對應的多個值中的任一個值。
即，根據離心旋轉半徑rx1來設定解析度倍率k，因此，即使在離心旋轉半徑增加的環境中，也能夠以與離心旋轉半徑的大小相對應的最佳解析度來控制磁軸承，從而能夠提高振動性能。例如，即使在轉子軸5的離心旋轉半徑rx1因反應生成物的堆積等而變大的情況下，也能夠防止輸入至ad轉換器403的信號的大小超過ad轉換器403的滿刻度，從而能夠根據位移信號來適當地控制磁軸承。另外，在反應生成物的堆積非常少、對於離心旋轉半徑的影響小至能夠忽視的情況下，通過將解析度倍率k設定得大，能夠通過提高解析度來實現低振動化。
再者，通過k設定部510來變更解析度倍率k的大小的結構並不限於如圖14所示，基於ux1(t1)、uy1(t)來對高解析度位移信號與通常解析度位移信號進行切換的結構，也能夠適用於如下結構，該結構如圖5所示的比較例那樣，使用包含離心旋轉位移的位移信號x1(t)、y1(t)進行切換。例如，將離心旋轉半徑rx1變為10(μm)、25(μm)、60(μm)時，設為對解析度倍率k進行切換的時機。
圖16(b)是表示閾值ti、to的圖。在rx1＝10(μm)的情況下，如上所述，為了防止震顫，需要至少將外側閾值to設為30(μm)，將遲滯寬度設為20(μm)。以k＜10/3的方式，與外側閾值to＝30(μm)相對應地設定解析度倍率k。同樣地，在rx1＝25(μm)的情況下，to＝75(μm)及遲滯寬度＝50(μm)，在rx1＝60(μm)的情況下，to＝180(μm)及遲滯寬度＝120(μm)。但是，若備用的機械軸承的標稱間隙為100(μm)，則在rx1＝60(μm)的情況下，已超出範圍，因此，在此情況下，設定直至rx1＝25(μm)為止的閾值。
-第三實施方式-
圖18是對本發明的第三實施方式進行說明的圖。在本實施方式中，從圖5所示的結構中刪除了穩態響應提取部c，並且在處理系統a與處理系統b中，使帶通濾波器401a、401b的性能不同，而且將放大部404a的增益設為(1/k1)。其他結構與圖5所示的方框圖相同。在本實施方式中，在位移小的狀況下，使用由處理系統a產生的高解析度位移信號來代替由處理系統b產生的通常解析度位移信號，由此，改善位移信號的信噪(signalnoise，sn)比，並且特別減少可成為噪音的主要原因的高頻噪聲成分。
如圖18所示，當利用ad轉換器403來獲取位移調製波信號的差分信號時，利用帶通濾波器401a、401b除去多餘的噪聲成分之後，由ad轉換器403獲取該差分信號。此時，越使帶通濾波器401a、401b的q值(＝q1、q0)升高來使頻帶向中心頻率(在此情況下為載波fc)變窄，則越能夠除去解調後的位移信號的高頻成分。
但是，作為q值提高的折衷，信號延遲變大，磁軸承控制的穩定性降低。另外，根據情況，以轉子的高次彈性固有振動頻率引起振蕩，會產生如下問題，即，不僅產生噪音、振動，而且懸浮控制變得困難。
首先，在生成通常解析度位移信號的處理系統b中，帶通濾波器401b的q0設為不會因信號延遲而導致磁軸承控制的穩定性降低的程度的q值。接著，在生成高解析度位移信號的處理系統a中，以q1＞q0的方式來設定帶通濾波器401a的q值q1，使頻帶更窄，並且將放大部404a中的放大率(用以使放大後的信號的振幅再次縮小的縮小率)設為(1/k1)。接著，以(1/k1)＜(1/k)的方式，即，以k×(1/k1)＜1的方式來設定k1，由此，將放大率(1/k1)設為小於放大率(1/k)的放大率。
這樣，對於高解析度位移信號，通過以q1＞q0的方式實現窄頻帶化來除去解調後的位移信號的高頻成分，通過設為(1/k1)＜(1/k)來使增益降低至1以下。即，通過降低增益來增加增益餘裕，從而抵消因設為q1＞q0而導致相位餘裕降低所產生的影響，由此，能夠確保與以往解析度位移信號線相同程度的穩定性(即，能夠將作為穩定性指標的感度函數的最大值設為同等值)。
再者，作為採用如上所述的結構的折衷，幹擾響應性能比應用以往解析度位移信號時變差，但只有在不會產生需要幹擾響應性的瞬態大位移的狀態下，才應用高解析度位移信號，因此不會產生副作用。
圖19(a)及圖19(b)是表示生成通常解析度位移信號的處理系統b的帶通濾波器401b中的信號的延遲及增益的一例的圖。此處，傳感器載波頻率＝10(khz)，q0＝1。位移信號通過帶通濾波器之後，解調信號必然會從位移信號起延遲。位移信號的頻率越高，則此時的相位延遲量越大。在圖19(a)中，相對於頻率＝100(hz)、1000(hz)、2500(hz)，相位延遲量大致為0(deg)、10(deg)、20(deg)。
雖也依賴於泵的轉子尺寸，但通常需要進行控制直至1(khz)頻帶為止，對於成為噪音的主要原因的4(khz)附近的諧波，無需進行控制。1(khz)下的相位延遲量為10(deg)，因此，轉子軸5的彈性振動固有振動頻率下的振蕩風險小。再者，處理系統b中的帶通濾波器401b的q值低，因此，如圖19(b)所示，4(khz)附近的振幅減少量少。
圖20(a)及圖20(b)是表示生成高解析度位移信號的處理系統a的帶通濾波器401a中的信號的延遲及增益的一例的圖。傳感器載波頻率為10(khz)，q值為q1＝5。如圖20(a)所示，頻率＝100(hz)、1000(hz)、2500(hz)時的相位延遲量為10(deg)、40(deg)、60(deg)。另外，如圖20(a)所示，作為噪音的一個原因的4(khz)附近的高頻率成分大幅減少。因此，當選擇了高解析度位移信號時，可減少噪音。
參照圖21～圖23來對放大率(1/k1)中的k1的設定方法進行說明。圖21是表示使用了處理系統a時的開環傳遞函數(open-looptransferfunction)gok(jw)、與使用了處理系統b時的開環傳遞函數go1(jw)的圖。再者，圖21中表示了使用電感方式的位移傳感器49來取得位移調製波信號時的結構。
一般來說，在對開環傳遞函數go進行掃頻(frequencysweep)，並如圖22所示，在複平面(complexplane)上繪製出所謂的奈奎斯特線圖(nyquistdiagram)的情況下，穩定性按照goa＜gob＜goc的順序遞增。即，複平面上的軌跡離(-1)越遠，則穩定性越高。若以感度函數(1/(1+go))來表現，則感度函數的大小的最大值越小，則穩定性越高，所述感度函數定義為從(-1)算起的距離(∣1+go∣)的倒數。
此處，如圖23所示，以使gok(jw)的軌跡與go1(jw)的軌跡在相同的圓上(以-1為中心的圓)相切或通過圓的外側的方式，預先決定k1的值，使處理系統a的線的穩定性為與處理系統b的線同等的水平。
但是，將k1的值的範圍縮小至最佳值實際上是作為產品開發時或產品上市時的調整(試錯)的結果而決定，因此，至少將滿足使增益比處理系統b的線更低的k×(1/k1)＜1的k1＞k定為條件。換句話說，在處理系統a的線中，提高帶通濾波器401a的q值，因此在圖23中，與處理系統b的線相比，相位餘裕必然降低，使得φk＜φ1。因此，以k×(1/k1)＜1的方式，使處理系統a的線的增益低於處理系統b的線的增益，以圖23的g1＜gk的方式利用增益餘裕進行補償，從而確實地提高穩定性。
再者，與第一實施方式的情況同樣地，也可以對圖18的結構新增圖3的穩態響應提取部c，並且利用切換控制部408來替換切換控制部508，基於穩態響應以外的成分ux1(t)、uy1(t)，控制切換部407對於通常解析度位移信號與高解析度位移信號的切換。另外，如圖24所示，除了穩態響應提取部c及切換控制部408之外，還可以進一步設置對(k、k1、q1)的值進行設定的數據設定部511。數據設定部511預先準備多個(k、k1、q1)的數據集，基於離心旋轉半徑rx1、ry1來選擇數據集，變更帶通濾波器401a及放大部402a、404a中的q1、k及k1的設定。
這樣，在第三實施方式中，在生成高解析度位移信號的處理系統a中，帶通濾波器401a的q值q1設為比處理系統b的帶通濾波器401b的q值q0更大的值，由此，除去成為噪音的主要原因的高頻噪聲成分，並且以使放大部402a的放大率(即解析度倍率)k與放大部404a的放大率(1/k1)之積小於1的方式來設定放大率(1/k1)，由此，確保與處理系統b同等的穩定性。
通過採用如上所述的結構，不僅通過提高位移信號的解析度來改善sn比，而且積極地減少可成為噪音的主要原因的高頻(包含4khz)成分，由此，與以往相比，可進一步減少振動、噪音，另一方面，能夠確保懸浮控制的穩定性，進行可靠性高的運轉。
在所述內容中，對各種實施方式及變形例進行了說明，但本發明並不限定於這些內容。可在本發明的技術思想的範圍內考慮到的其他方式也包含在本發明的範圍內。例如，雖以渦輪分子泵為例進行了說明，但只要是磁軸承式，則也能夠適用於其他真空泵。