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磁軸承式真空泵的制作方法

文檔序號:11273314閱讀:221來源:國知局
磁軸承式真空泵的制造方法與工藝

本發(fā)明涉及一種磁軸承式真空泵。



背景技術(shù):

在控制式磁軸承類型的真空泵中,轉(zhuǎn)子(rotor)組件不與定子(stator)組件接觸而進行高速旋轉(zhuǎn)運動。對于此種真空泵來說,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,有如下特征:能夠緩和轉(zhuǎn)子不平衡修正的追隨基準。

而且,若存在轉(zhuǎn)子不平衡,則會因該轉(zhuǎn)子不平衡而在徑向(radialdirection)上產(chǎn)生離心旋轉(zhuǎn)位移,另外,有時會因徑向上的離心旋轉(zhuǎn)而在軸向(axialdirection)上也產(chǎn)生振動位移。這些位移是旋轉(zhuǎn)速度的頻率成分(或其諧波成分)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng),與軸承是非接觸型還是接觸型無關(guān),且會作為與轉(zhuǎn)子軸位移相對應(yīng)的反作用力,通過軸承的彈簧剛性而傳遞至定子側(cè),隨之也會產(chǎn)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(gòu)件的損傷或磁特性的不均而產(chǎn)生同樣的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。

一般來說,轉(zhuǎn)子軸位移由伴隨不平衡等的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)成分、與該穩(wěn)態(tài)響應(yīng)成分以外的成分表示。該穩(wěn)態(tài)響應(yīng)成分以外的成分主要是由擾動力產(chǎn)生的瞬態(tài)位移等自由振動所引起的成分,但即使在瞬態(tài)位移已收斂的狀態(tài)下,也包含成為定子側(cè)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(yīng)軸承電流的勵磁放大器(excitingamplifier)的pwm開關(guān)(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(jīng)由模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ad轉(zhuǎn)換器)(adconverter)向現(xiàn)場可編程門陣列(fieldprogrammablegatearray,fpga)等數(shù)字控制器獲取信號時的分辨率所引起的隨機噪聲等。

真空泵在使用于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,在制造用途中,制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(xiàn)有技術(shù)文獻]

[專利文獻]

[專利文獻1]日本專利特開2006-71069號公報



技術(shù)實現(xiàn)要素:

[發(fā)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(chǎn)生的固相的反應(yīng)生成物會附著在設(shè)置于工序容器內(nèi)或下游側(cè)的真空泵內(nèi)部。例如,若反應(yīng)生成物附著于渦輪分子泵的轉(zhuǎn)子,則轉(zhuǎn)子不平衡會隨著時間而增大,額定旋轉(zhuǎn)過程中的轉(zhuǎn)子的離心旋轉(zhuǎn)位移也會逐漸變大。

在專利文獻1所記載的發(fā)明中,當對位移信號進行處理時,與以往的低分辨率線并列地設(shè)置高分辨率線,由高分辨率線的ad轉(zhuǎn)換器(adconverter)根據(jù)是否出現(xiàn)范圍外(outofrange)的信號來判別溢出(overflow)的有無,對低分辨率線與高分辨率線進行切換。

但是,在進行如上所述的切換動作的結(jié)構(gòu)的情況下,若離心旋轉(zhuǎn)位移大,則位移會隔著切換閾值而上下地產(chǎn)生震顫(chattering)。在產(chǎn)生震顫的期間,反復地使用高分辨率區(qū)域及以往分辨率區(qū)域的各個位移信號,因此,容易產(chǎn)生各種頻率,由此,會因受激勵而產(chǎn)生新的振動、噪音。另外,有時為了防止產(chǎn)生震顫而對閾值設(shè)置遲滯(hysteresis),但存在如下問題:若離心旋轉(zhuǎn)位移大,則遲滯寬度也會增大,高分辨率區(qū)域中的分辨率提高程度受到限制,且低振動性能受到限定。

[解決問題的技術(shù)手段]

本發(fā)明的優(yōu)選實施方式的磁軸承式真空泵包括:磁軸承,使轉(zhuǎn)子磁懸浮;第一位移信號生成部,以k>1的分辨率倍率k對經(jīng)由所述轉(zhuǎn)子的從規(guī)定位置算起的位移而調(diào)制后的位移調(diào)制波信號進行放大,基于放大后的所述位移調(diào)制波信號,生成包含所述規(guī)定位置的第一位移區(qū)域中的高分辨率位移信號;第二位移信號生成部,基于所述位移調(diào)制波信號,生成包含所述第一位移區(qū)域的更大的第二位移區(qū)域中的低分辨率位移信號;選擇部,基于從所述高分辨率位移信號或所述低分辨率位移信號中除去穩(wěn)態(tài)響應(yīng)離心旋轉(zhuǎn)位移的成分所得的非穩(wěn)態(tài)響應(yīng)信號,選擇所述高分辨率位移信號及所述低分辨率位移信號中的任一個位移信號;以及軸承控制部,基于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(yōu)選的實施方式中,還包括:穩(wěn)態(tài)響應(yīng)運算部,基于所述高分辨率位移信號或所述低分辨率位移信號,計算出穩(wěn)態(tài)響應(yīng)離心旋轉(zhuǎn)半徑;以及倍率變更部,將所述分辨率倍率k的大小變更為與所述穩(wěn)態(tài)響應(yīng)離心旋轉(zhuǎn)半徑的大小相對應(yīng)的多個值中的任一個值。

在更優(yōu)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(diào)制波信號進行濾波;放大部,以所述分辨率倍率k對通過所述第一帶通濾波器后的信號進行放大;第一模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換部,對放大后的所述信號進行模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換;以及縮小部,以小于“1/(分辨率倍率)”的縮小率來使經(jīng)過模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換后的所述信號縮小,基于縮小后的所述信號,生成所述高分辨率位移信號,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(diào)制波信號進行濾波;以及第二模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換部,對通過所述第二帶通濾波器后的信號進行模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換,基于所述第二模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換部所輸出的信號,生成所述低分辨率位移信號。

本發(fā)明的優(yōu)選的其他實施方式的磁軸承式真空泵包括:磁軸承,使轉(zhuǎn)子磁懸?。坏谝晃灰菩盘柹刹?,以k>1的分辨率倍率k對經(jīng)由所述轉(zhuǎn)子的從規(guī)定位置算起的位移而調(diào)制后的位移調(diào)制波信號進行放大,基于放大后的所述位移調(diào)制波信號,生成包含所述規(guī)定位置的第一位移區(qū)域中的高分辨率位移信號;第二位移信號生成部,基于所述位移調(diào)制波信號,生成包含所述第一位移區(qū)域的更大的第二位移區(qū)域中的低分辨率位移信號;選擇部,選擇所述高分辨率位移信號及所述低分辨率位移信號中的任一個位移信號;軸承控制部,基于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(wěn)態(tài)響應(yīng)運算部,基于所述高分辨率位移信號或所述低分辨率位移信號,計算出穩(wěn)態(tài)響應(yīng)離心旋轉(zhuǎn)半徑;以及倍率變更部,將所述分辨率倍率k的大小變更為與所述穩(wěn)態(tài)響應(yīng)離心旋轉(zhuǎn)半徑的大小相對應(yīng)的多個值中的任一個值。

在更優(yōu)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(diào)制波信號進行濾波;放大部,以所述分辨率倍率k對通過所述第一帶通濾波器后的信號進行放大;第一模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換部,對放大后的所述信號進行模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換;以及縮小部,以小于“1/(分辨率倍率)”的縮小率來使經(jīng)過模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換后的所述信號縮小,基于縮小后的所述信號,生成所述高分辨率位移信號,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(diào)制波信號進行濾波;以及第二模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換部,對通過所述第二帶通濾波器后的信號進行模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換,基于經(jīng)過模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換后的所述信號,生成所述低分辨率位移信號。

本發(fā)明的優(yōu)選的其他實施方式的磁軸承式真空泵包括:磁軸承,使轉(zhuǎn)子磁懸??;第一帶通濾波器,具有第一q值,對經(jīng)由所述轉(zhuǎn)子的從規(guī)定位置算起的位移而調(diào)制后的位移調(diào)制波信號進行濾波;放大部,以k>1的分辨率倍率k對通過所述第一帶通濾波器后的信號進行放大;第一模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換部,對由所述放大部放大后的所述信號進行模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換;縮小部,以小于“1/(分辨率倍率)”的縮小率,使由所述第一模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換部進行模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換后的所述信號縮小;第一位移信號生成部,基于由所述縮小部縮小后的所述信號,生成包含所述規(guī)定位置的第一位移區(qū)域中的高分辨率位移信號;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(diào)制波信號進行濾波;第二模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換部,對通過所述第二帶通濾波器后的信號進行模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換;第二位移信號生成部,基于由所述第二模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換部進行模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換后的所述信號,生成包含所述第一位移區(qū)域的更大的第二位移區(qū)域中的低分辨率位移信號;選擇部,選擇所述高分辨率位移信號及所述低分辨率位移信號中的任一個位移信號;以及軸承控制部,基于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(yōu)選的實施方式中,將所述分辨率倍率k變更為比第一值更小的第二值時的所述穩(wěn)態(tài)響應(yīng)離心旋轉(zhuǎn)半徑,被設(shè)定為比從所述第二值變更為所述第一值時的所述穩(wěn)態(tài)響應(yīng)離心旋轉(zhuǎn)半徑大規(guī)定遲滯寬度。

在更優(yōu)選的實施方式中,若所述非穩(wěn)態(tài)響應(yīng)信號的值從第一信號區(qū)域的區(qū)域外變化至區(qū)域內(nèi),則所述選擇部將選擇的位移信號從所述低分辨率位移信號切換為所述高分辨率位移信號,若所述非穩(wěn)態(tài)響應(yīng)信號的值從包含所述第一信號區(qū)域的更大的第二信號區(qū)域的區(qū)域內(nèi)變化至區(qū)域外,則所述選擇部將選擇的位移信號從所述高分辨率位移信號切換為所述低分辨率位移信號。

在更優(yōu)選的實施方式中,當將所述穩(wěn)態(tài)響應(yīng)離心旋轉(zhuǎn)半徑與從所述規(guī)定位置算起的位移的上限值之比設(shè)為α時,以滿足式“1/(3α)<k<1/α”的方式設(shè)定所述分辨率倍率k。

[發(fā)明的效果]

根據(jù)本發(fā)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(jié)構(gòu)的圖。

圖2是對真空泵的控制系統(tǒng)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是對相對于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(guān)系進行說明的圖。

圖7表示將閾值to、ti設(shè)為圓形線的情況。

圖8(a)及圖8(b)是對震顫的產(chǎn)生進行說明的圖。

圖9是對增大遲滯寬度來防止產(chǎn)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(nèi)側(cè)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(qū)域中的軌跡d1、du1的圖。

圖12(a)及圖12(b)是對分辨率倍率k的設(shè)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(fā)明的第二實施方式進行說明的圖。

圖15是對相對于離心旋轉(zhuǎn)半徑rx1的分辨率倍率k的設(shè)定的一例進行說明的圖。

圖16(a)及圖16(b)是表示分辨率倍率k與閾值to、ti之間的關(guān)系的一例的圖。

圖17(a)及圖17(b)是表示k設(shè)定部510的動作例的圖。

圖18是對本發(fā)明的第三實施方式進行說明的圖。

圖19(a)及圖19(b)是表示通常分辨率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)是表示高分辨率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(tǒng)a時的開環(huán)傳遞函數(shù)gok(jw)、與使用了處理系統(tǒng)b時的開環(huán)傳遞函數(shù)go1(jw)的圖。

圖22是根據(jù)奈奎斯特線圖對控制穩(wěn)定性進行說明的圖。

圖23是根據(jù)奈奎斯特線圖對控制穩(wěn)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后的位移調(diào)制波信號的一例的圖。

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(qū)動控制部2b:軸承驅(qū)動控制部

4:泵轉(zhuǎn)子4a:旋轉(zhuǎn)翼

4b:圓筒部5:轉(zhuǎn)子軸

28:旋轉(zhuǎn)傳感器40:ac/dc轉(zhuǎn)換器

41:dc/dc轉(zhuǎn)換器42:馬達

42a:馬達定子42b:馬達轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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:螺桿定子

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(diào)制波信號)400:差動放大器

401、401a、401b:帶通濾波器402a、402b、404a、404b:放大部

403:ad轉(zhuǎn)換器405a、405b:解調(diào)運算部

406a、406b:增益/偏移調(diào)整部407:切換部

408、508:切換控制部409:第一轉(zhuǎn)換處理部

410:低通濾波器411:第二轉(zhuǎn)換處理部

412:pid控制部413:pwm運算部

510:k設(shè)定部511:數(shù)據(jù)設(shè)定部

a、b:處理系統(tǒng)c:穩(wěn)態(tài)響應(yīng)提取部

cr1、cr2:圓d1、du1:軌跡

gok(jw)、go1(jw):開環(huán)傳遞函數(shù)im:虛部

k、k0、k1、k2:分辨率倍率l1、l2:線

r:旋轉(zhuǎn)體單元r2:離心旋轉(zhuǎn)半徑的允許上限值

re:實部rx1、ry1:離心旋轉(zhuǎn)半徑

rx1×re(exp(jwt))、ry1×im(exp(jwt)):穩(wěn)態(tài)響應(yīng)成分

ti:內(nèi)側(cè)閾值to:外側(cè)閾值

ux1:位移ux1(t)、uy1(t):穩(wěn)態(tài)響應(yīng)以外的成分

x1、y1:位移x1(t)、y1(t):通常分辨率位移信號

x1k(t)、y1k(t):高分辨率位移信號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(fā)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(jié)構(gòu)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(qū)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(shè)置為一體??刂茊卧?中包括對馬達42進行驅(qū)動控制的馬達驅(qū)動控制部2a、與對磁軸承67、68、69進行驅(qū)動控制的軸承驅(qū)動控制部2b。

泵單元1包括:渦輪泵段,包含旋轉(zhuǎn)翼4a與固定翼62;以及牽引泵(dragpump)段(螺桿槽泵),包含圓筒部4b與螺桿定子(screwstator)64。此處,在螺桿定子64側(cè)形成有螺桿槽,但也可以在圓筒部4b側(cè)形成螺桿槽。

旋轉(zhuǎn)翼4a及圓筒部4b形成在泵轉(zhuǎn)子(pumprotor)4上。泵轉(zhuǎn)子4連接于轉(zhuǎn)子軸(rotorshaft)5。由泵轉(zhuǎn)子4與轉(zhuǎn)子軸5構(gòu)成旋轉(zhuǎn)體單元r。多段的固定翼62在軸方向上與旋轉(zhuǎn)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固定于基座60后,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(zhuǎn)子軸5非接觸地由設(shè)置于基座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(zhuǎn)子軸5的懸浮位置。再者,構(gòu)成軸方向的磁軸承69的電磁鐵是以在軸方向上,包夾設(shè)置在轉(zhuǎn)子軸5下端的轉(zhuǎn)子盤(rotordisk)55的方式而配置。

轉(zhuǎn)子軸5由馬達42旋轉(zhuǎn)驅(qū)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包括配置于基座60的馬達定子42a、與設(shè)置于轉(zhuǎn)子軸5的馬達轉(zhuǎn)子42b。馬達轉(zhuǎn)子42b中設(shè)置有永磁鐵。轉(zhuǎn)子軸5的旋轉(zhuǎn)由旋轉(zhuǎn)傳感器28檢測。例如使用電感(inductance)式的傳感器作為旋轉(zhuǎn)傳感器28。在磁軸承不工作時,轉(zhuǎn)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(shè)置有排氣孔65,所述排氣孔65連接著增壓泵(backpump)。使旋轉(zhuǎn)體單元r磁懸浮,并且通過馬達42來高速旋轉(zhuǎn)驅(qū)動所述旋轉(zhuǎn)體單元r,由此,吸氣口61a側(cè)的氣體分子向排氣孔65側(cè)排出。

圖2是表示真空泵的控制系統(tǒng)即控制單元2的概略結(jié)構(gòu)的方框圖。來自外部的交流電(altematingcurrent,ac)輸入由設(shè)置于控制單元2的ac/dc轉(zhuǎn)換器(converter)40轉(zhuǎn)換為dc輸出(dc電壓)。ac/dc轉(zhuǎn)換器40所輸出的dc電壓輸入至dc/dc轉(zhuǎn)換器41,由dc/dc轉(zhuǎn)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(gòu)成五軸磁軸承,磁軸承67、68各自包括兩對(對應(yīng)兩根軸)磁軸承電磁鐵45,磁軸承69包括一對(對應(yīng)一根軸)磁軸承電磁鐵45。電流從分別對于五對磁軸承電磁鐵45即10個磁軸承電磁鐵45設(shè)置的10個勵磁放大器43單獨地供應(yīng)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(shù)字運算器,在本實施方式中使用了fpga(fieldprogrammablegatearray)??刂撇?4將用以對變頻器46中所含的多個開關(guān)元件進行開關(guān)控制的脈寬調(diào)制(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(guān)元件進行開關(guān)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(jīng)由相位調(diào)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(jù)轉(zhuǎn)子位移來對該傳感器載波信號進行調(diào)制。經(jīng)由轉(zhuǎn)子位移而調(diào)制后的傳感器信號(位移調(diào)制波信號)306從各傳感器電路48輸入至控制部44。另外,與關(guān)于馬達42的相電壓及相電流相關(guān)的信號302、或與磁軸承相關(guān)的電磁鐵電流信號304輸入至控制部44。

圖1所示的馬達驅(qū)動控制部2a對應(yīng)于變頻器46及控制部44的馬達控制系統(tǒng)。另外,軸承驅(qū)動控制部2b對應(yīng)于勵磁放大器43、傳感器電路48及控制部44的軸承控制系統(tǒng)。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(tài)或進行本地操作,所述輸入輸出/通信部51與外部收發(fā)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(guān)的磁軸承67的x軸及y軸)的結(jié)構(gòu)。在圖3中,點劃線的右側(cè)所記載的方框的處理(數(shù)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(diào)制后的傳感器信號306(位移調(diào)制波信號)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(guān)的差分信號、及與y1軸的兩個傳感器信號相關(guān)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后,該差分信號分支為兩個差分信號。使用基于差分信號的位移信號來控制磁軸承,但在本實施方式中采用如下結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)具備基于分支后的兩個差分信號來生成分辨率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分辨率的位移信號,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?shù)奈灰菩盘?。以下,將由處理系統(tǒng)a生成的位移信號稱為高分辨率位移信號,將由處理系統(tǒng)b生成的位移信號稱為通常分辨率位移信號。

再者,在本實施方式中,通過同步采樣來對位移信號進行解調(diào)處理。預先以頻率的整數(shù)倍來使pwm載波信號與傳感器載波信號成為同步關(guān)系,以預先與成為噪聲的原因的尖峰產(chǎn)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(zhuǎn)換器獲取該pwm載波信號與傳感器載波信號,并進行解調(diào)處理。圖25是表示通過帶通濾波器前后的位移調(diào)制波信號的一例的圖。線l1表示通過帶通濾波器之前的位移調(diào)制波信號,線l2表示通過帶通濾波器之后的位移調(diào)制波信號。另外,圓形記號表示同步采樣值即解調(diào)后的位移信號。這樣,本實施方式采用了以數(shù)字方式進行解調(diào)處理的結(jié)構(gòu),但本發(fā)明也能夠適用于以模擬方式進行解調(diào)處理的情況。

在處理系統(tǒng)a中,差分信號由放大部402a放大k倍之后,由ad轉(zhuǎn)換器403進行ad采樣。k被設(shè)定為k>1,在處理系統(tǒng)a中,僅將以轉(zhuǎn)子軸5的目標懸浮位置為中心的附近區(qū)域放大k倍,由此,生成有效地利用了ad轉(zhuǎn)換器403的動態(tài)范圍(dynamicrange)的高分辨率的位移信號。ad轉(zhuǎn)換器403所獲取的差分信號在放大部404a中,通過數(shù)字運算處理被放大(1/k)倍。即,由放大部402a放大k倍后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,則分辨率越高。以下,將k稱為分辨率倍率。

在解調(diào)運算部405a中,基于放大部404a所輸出的差分信號進行解調(diào)運算。在增益/偏移調(diào)整部406a中,對解調(diào)后的信號進行增益調(diào)整及偏移調(diào)整。再者,在ad轉(zhuǎn)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(tǒng)b中,差分信號由放大部402a放大一倍之后,由ad轉(zhuǎn)換器403進行ad采樣,然后由放大部404b放大(1/1)倍。即,處理系統(tǒng)b所生成的通常分辨率位移信號相當于以往的渦輪分子泵中的位移信號,且是覆蓋直至轉(zhuǎn)子軸5與機械軸承66a、66b接觸為止的位移區(qū)域的位移信號。在處理系統(tǒng)b的解調(diào)運算部405b及增益/偏移調(diào)整部406b中,分別進行與處理系統(tǒng)a的解調(diào)運算部405a及增益/偏移調(diào)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(zhuǎn)換器獲取經(jīng)過帶通處理后的差分信號且進行解調(diào)運算,并未設(shè)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(tǒng)b相對應(yīng)而設(shè)置有放大率為一倍的放大部402b、404b,但也可以像以往的結(jié)構(gòu)那樣,省略放大部402b、404b。

由切換部407選擇使用處理系統(tǒng)a所生成的高分辨率位移信號(x1k(t)、y1k(t))與處理系統(tǒng)b所生成的通常分辨率位移信號(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基于后述的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)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(guān)于x1軸位移、y1軸位移]

處理系統(tǒng)a所生成的高分辨率位移信號及處理系統(tǒng)b所生成的通常分辨率位移信號是與轉(zhuǎn)子軸5的x1軸的位移x1(t)及y1軸的位移y1(t)相關(guān)的信號。一般來說,轉(zhuǎn)子軸5的位移由伴隨不平衡等的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)成分(離心旋轉(zhuǎn)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(wěn)態(tài)響應(yīng)成分,右邊第二項為穩(wěn)態(tài)響應(yīng)以外的成分。j為虛數(shù),re為實部,im為虛部,rx1及ry1為離心旋轉(zhuǎn)半徑。另外,ω為旋轉(zhuǎn)角速度,對于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,對于剩余的三根軸(x2軸、y2軸、z軸)的位移,也同樣地進行表示。φ、φz是相對于x1、y1軸的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)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(zhuǎn)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(shè)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(chǎn)生穩(wěn)態(tài)響應(yīng),因此,新增了式(5)。

如上所述,穩(wěn)態(tài)響應(yīng)以外的成分ux1(t)~uz(t)主要是由擾動力產(chǎn)生的瞬態(tài)位移等自由振動所引起的成分,但即使在瞬態(tài)位移已收斂的狀態(tài)下,也包含成為定子側(cè)的振動的主要原因的伴隨傳感產(chǎn)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(jīng)由ad轉(zhuǎn)換器向fpga等數(shù)字控制器獲取信號時的分辨率所引起的隨機噪聲等,所述尖峰狀電流是伴隨供應(yīng)軸承電流的勵磁放大器的pwm開關(guān)而產(chǎn)生的電流。

圖3的增益/偏移調(diào)整部406b所輸出的通常分辨率位移信號、及增益/偏移調(diào)整部406a所輸出的高分辨率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(guān)的位移信號。此處,利用與位移相同的記號x1(t)、y1(t)來表示通常分辨率位移信號,利用記號x1k(t)、y1k(t)來表示高分辨率位移信號。

增益/偏移調(diào)整部406b所輸出的通常分辨率位移信號x1(t)、y1(t)輸入至穩(wěn)態(tài)響應(yīng)提取部c。穩(wěn)態(tài)響應(yīng)提取部c提取與所述式(1)、式(2)中的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)成分即rx1×re(exp(jωt))、ry1×im(exp(jωt))相對應(yīng)的信號。以下,將該提取出的信號稱為穩(wěn)態(tài)響應(yīng)信號。

穩(wěn)態(tài)響應(yīng)提取部c首先在第一轉(zhuǎn)換處理部409中,將通常分辨率位移信號x1(t)、y1(t)轉(zhuǎn)換為從固定坐標系旋轉(zhuǎn)角度θ的旋轉(zhuǎn)坐標系的信號。此處,角度θ為轉(zhuǎn)子軸5的旋轉(zhuǎn)角度,且其基于圖1的旋轉(zhuǎn)傳感器28的檢測信號。另外,在不包括旋轉(zhuǎn)傳感器28的真空泵的情況下,也可以從馬達驅(qū)動控制部2a(圖1)取得馬達旋轉(zhuǎn)信息(例如馬達電角度),基于該馬達旋轉(zhuǎn)信息來計算出轉(zhuǎn)子軸5的旋轉(zhuǎn)角度。再者,對于旋轉(zhuǎn)頻率成分,如上所述地使用角度θ,但關(guān)于n倍諧波,使用nθ。

其次,在低通濾波器410中,對第一轉(zhuǎn)換處理部409所輸出的信號進行低通濾波處理,將旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換處理部409的通常分辨率位移信號x1(t)、y1(t)還包含旋轉(zhuǎn)成分以外的信號,所以需要用以在轉(zhuǎn)換處理后立即將旋轉(zhuǎn)成分以外的信號除去的低通濾波處理。從固定坐標系轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)坐標系的轉(zhuǎn)換處理是以準穩(wěn)態(tài)響應(yīng)為前提的一種過采樣(oversampling)信號處理,因此,即使采用將旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換處理部411中,對經(jīng)過低通濾波處理后的信號進行從旋轉(zhuǎn)坐標系轉(zhuǎn)換為固定坐標系的轉(zhuǎn)換處理,生成通常分辨率位移信號x1(t)、y1(t)內(nèi)的僅穩(wěn)態(tài)響應(yīng)成分(即離心旋轉(zhuǎn)成分)的信號。再者,在第二轉(zhuǎn)換處理部411中的運算過程中,例如,在需要旋轉(zhuǎn)一個周期t中的誤差為1deg以內(nèi)的輸出的情況下,需要t/360以下的短采樣周期。若為兩倍高頻,則所述采樣周期為t/720以下,越是高次高頻,則需要越短的采樣周期。

接著,從通常分辨率位移信號x1(t)、y1(t)減去第二轉(zhuǎn)換處理部411所輸出的僅穩(wěn)態(tài)響應(yīng)成分的信號,將對穩(wěn)態(tài)響應(yīng)成分進行抵消補償后的差分信號輸入至切換控制部408。該信號是相當于穩(wěn)態(tài)響應(yīng)以外的成分ux1(t)、uy1(t)的信號,以下由與穩(wěn)態(tài)響應(yīng)以外的成分相同的記號ux1(t)、uy1(t)來表示。

雖然詳情后述,但切換控制部408對信號ux1(t)、uy1(t)的值與規(guī)定的閾值進行比較,將切換部407切換至高分辨率位移信號x1k(t)、y1k(t)側(cè)或通常分辨率位移信號x1(t)、y1(t)側(cè)。這樣,從切換部407輸出通常分辨率位移信號x1(t)、y1(t)或高分辨率位移信號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(wěn)態(tài)響應(yīng)提取部c提取的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)信號rx1×re(exp(jωt))、ry1×im(exp(jωt))。結(jié)果是與式(1)、式(2)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)以外的成分ux1(t)、uy1(t)相當?shù)男盘栕鳛橛靡钥刂拼泡S承的位移信號而輸入至pid控制部412。

pid控制部412基于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(shè)定。pwm運算部413基于pid控制部412所生成的懸浮控制電流設(shè)定來生成pwm控制信號。基于該pwm控制信號來驅(qū)動勵磁放大器43,將電磁鐵電流供應(yīng)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(wěn)態(tài)響應(yīng)以外的成分(ux1(t),uy1(t))。圖4中表示了瞬態(tài)擾動力施加至以額定旋轉(zhuǎn)速度穩(wěn)定地旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子軸5的情況。

圖4中表示了額定旋轉(zhuǎn)速度為500(rps),離心旋轉(zhuǎn)僅為旋轉(zhuǎn)基本成分,且離心旋轉(zhuǎn)半徑為10(μm)的情況。另外,將旋轉(zhuǎn)體視為剛體,在主要的自由振動內(nèi),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(zhuǎn)相反的旋轉(zhuǎn),固有振動頻率設(shè)為1(hz),振幅設(shè)為100(μm),章動運動是方向與離心旋轉(zhuǎn)相同的旋轉(zhuǎn),固有振動頻率設(shè)為240(hz),振幅設(shè)為2(μm)。

附有符號70的十字標記表示轉(zhuǎn)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(tài)擾動力,軌跡d1、du1向箭頭所示的方向發(fā)生變化。

在瞬態(tài)擾動力施加至轉(zhuǎn)子軸5的情況下,如圖4的軌跡d1所示,轉(zhuǎn)子軸5的位置大幅地發(fā)生變化。在通常的渦輪分子泵中,備用的機械軸承66a、66b與轉(zhuǎn)子軸5之間的間隙確保為100(μm)左右。另一方面,轉(zhuǎn)子軸5的徑向的離心旋轉(zhuǎn)位移一般為數(shù)(μm)左右。再者,在圖4中表示了如下情況,即,不平衡因反應(yīng)生成物的堆積而增加,離心旋轉(zhuǎn)半徑為10(μm),相對較大。

在轉(zhuǎn)子軸5在目標懸浮位置附近穩(wěn)定地旋轉(zhuǎn)的情況下,無需將轉(zhuǎn)子位移檢測范圍設(shè)為間隙的整個區(qū)域,只要能夠在比離心旋轉(zhuǎn)范圍稍大的范圍內(nèi)檢測轉(zhuǎn)子位移即可。另一方面,在施加有瞬態(tài)擾動力的情況下,如圖4所示,轉(zhuǎn)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?shù)乜刂拼泡S承,必須能夠在間隙的整個區(qū)域中檢測轉(zhuǎn)子位移。

因此,在本實施方式中,如圖3所示,設(shè)置取得高分辨率位移信號x1k(t)、y1k(t)的處理系統(tǒng)a、與取得通常分辨率位移信號x1(t)、y1(t)的處理系統(tǒng)b,只要穩(wěn)態(tài)響應(yīng)以外的成分(ux1(t),uy1(t))的大小因施加擾動力而超過規(guī)定的閾值,則使用通常分辨率位移信號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(guī)定的閾值以內(nèi)的情況下,例如在轉(zhuǎn)子軸5在目標懸浮位置附近穩(wěn)定地旋轉(zhuǎn)的情況下,使用分辨率更高的高分辨率位移信號x1k(t)、y1k(t)來控制磁軸承,由此提高低振動性、靜穆性。

圖5是對相對于本實施方式的比較例進行說明的圖。圖5是相當于所述圖3的方框圖,且對相同結(jié)構(gòu)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基于來自切換控制部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分辨率位移信號x1(t)、y1(t)進行切換控制。因此,容易產(chǎn)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(guān)系進行說明的圖。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)而基于通常分辨率位移信號x1(t)、y1(t)來進行切換部407的切換,因此,并未記載表示穩(wěn)態(tài)響應(yīng)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中的相對于位移x1(t)、y1(t)的閾值的一例。以下,將矩形線to稱為外側(cè)閾值to,將矩形線ti稱為內(nèi)側(cè)閾值ti。外側(cè)閾值to包含表示與x軸位移x1(t)相關(guān)的閾值的x1=±50(μm)的線段、及表示與y軸位移y1(t)相關(guān)的閾值的y1=±50(μm)的線段。內(nèi)側(cè)閾值ti包含表示與x軸位移x1(t)相關(guān)的閾值的x1=±45(μm)的線段、及表示與y軸位移y1(t)相關(guān)的閾值的y1=±45(μm)的線段。

再者,在圖6所示的例子中,對于位移x1(t)、y1(t)分別獨立地設(shè)定了閾值,但也可以如圖7所示,對于從目標懸浮位置(0,0)算起的距離r(t)=√(x1(t)2+y1(t)2)設(shè)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(jù)所輸入的通常分辨率位移信號x1(t)、y1(t)計算出距離r(t),并對該值與閾值to、ti(圓形線的半徑)進行比較。

切換控制部508對于如圖6或圖7所示的外側(cè)閾值to及內(nèi)側(cè)閾值ti進行如下所述的切換控制。當瞬態(tài)擾動力不起作用且振動小時,軌跡d1位于表示內(nèi)側(cè)閾值ti的線的內(nèi)側(cè)。在此情況下,選擇高分辨率位移信號作為用以控制磁軸承的位移信號。若施加有瞬態(tài)擾動力,軌跡d1從表示外側(cè)閾值to的線的內(nèi)側(cè)移動至外側(cè),則將位移信號從高分辨率位移信號x1k(t)、y1k(t)切換為通常分辨率位移信號x1(t)、y1(t)。若軌跡d1暫時離開外側(cè)閾值to的外側(cè)后,移動至內(nèi)側(cè)閾值ti的內(nèi)側(cè),則從通常分辨率位移信號x1(t)、y1(t)切換為高分辨率位移信號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(cè)閾值to的矩形線的外側(cè)時,從高分辨率位移信號x1k(t)、y1k(t)切換為通常分辨率位移信號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(cè),切換為通常分辨率位移信號x1(t)、y1(t)之后,進入至表示內(nèi)側(cè)閾值ti的矩形線的內(nèi)側(cè)的情況下,再次切換為高分辨率位移信號x1k(t)、y1k(t)。

以所述方式設(shè)置外側(cè)閾值to與內(nèi)側(cè)閾值ti來使閾值具有遲滯(hysteresis)的原因在于:防止因位移x1(t)、y1(t)反復地跨越一個閾值而產(chǎn)生的震顫。在圖6所示的閾值to、ti的設(shè)定的情況下,只要離心旋轉(zhuǎn)半徑小于矩形線to與矩形線ti之間的寬度的1/2,即只要離心旋轉(zhuǎn)半徑小于5/2(μm),則能夠防止在軌跡d1通過閾值to、ti的線時產(chǎn)生震顫。

但是,在圖5的比較例的情況下,使用通常分辨率位移信號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(zhuǎn)半徑大于5/2(μm)的情況下,軌跡d1反復地進行由內(nèi)而外、由外而內(nèi)地通過閾值to、ti的線的動作,從而產(chǎn)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(fā)生變化時的震顫的產(chǎn)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(tài)的時間變化。在圖8(b)中,狀態(tài)(+1)表示切換部407選擇了通常分辨率位移信號x1(t)、y1(t)的狀態(tài),狀態(tài)(-1)表示切換部407選擇了高分辨率位移信號x1k(t)、y1k(t)的狀態(tài)。

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(zhuǎn)所產(chǎn)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(chǎn)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(zhuǎn)產(chǎn)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(zhuǎn)產(chǎn)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(zhuǎn)半徑的兩倍即20(μm)。

在符號e1所示的范圍中,位移x1(t)、y1(t)這兩者均進入至外側(cè)閾值to(=±50μm)的內(nèi)側(cè),因此,切換部407維持于狀態(tài)(-1),成為選擇了高分辨率位移信號x1k(t)、y1k(t)的狀態(tài)。在符號e2所示的范圍中,產(chǎn)生了y軸位移y1(t)在外側(cè)閾值to的外側(cè)與內(nèi)側(cè)閾值ti的內(nèi)側(cè)之間往返的狀態(tài),從而產(chǎn)生了反復成為狀態(tài)(-1)與狀態(tài)(+1)的震顫。即,從切換部407交替地反復輸出高分辨率位移信號x1k(t)、y1k(t)與通常分辨率位移信號x1(t)、y1(t)。在符號e3所示的范圍中,暫時超過外側(cè)閾值to的y軸位移y1(t)不在內(nèi)側(cè)閾值ti以下,切換部407維持于狀態(tài)(+1),成為選擇了通常分辨率位移信號x1(t)、y1(t)的狀態(tài)。

這樣,在比較例的情況下,離心旋轉(zhuǎn)大于閾值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(chǎn)生震顫。在渦輪分子泵的情況下,轉(zhuǎn)子軸5的旋轉(zhuǎn)速度高且離心旋轉(zhuǎn)位移的頻率高,因此,以短周期反復地切換通常分辨率位移信號與高分辨率位移信號。

在離心旋轉(zhuǎn)半徑大的比較例的情況下,為了防止產(chǎn)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(cè)閾值to,將內(nèi)側(cè)閾值ti變更為y1=±25(μm),將閾值to、ti的遲滯寬度設(shè)為25(μm)。在此情況下,遲滯寬度為離心旋轉(zhuǎn)半徑的兩倍(20μm)以上,因此,能夠防止產(chǎn)生震顫。

圖10(a)及圖10(b)是表示如圖9所示地變更了內(nèi)側(cè)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(tài)的圖,已知震顫已消除。這樣,在離心旋轉(zhuǎn)半徑大的情況下,需要將外側(cè)閾值to與內(nèi)側(cè)閾值ti之間的遲滯寬度設(shè)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(wěn)態(tài)響應(yīng)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,能夠使遲滯寬度小于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(wěn)態(tài)響應(yīng)以外的成分,在主要的自由振動內(nèi),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(zhuǎn)相反的旋轉(zhuǎn),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(zhuǎn)相同的旋轉(zhuǎn),固有振動頻率為240(hz),振幅為2(μm)。

再者,震顫的產(chǎn)生與將內(nèi)側(cè)閾值設(shè)定為何種值無關(guān),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(shè)定本實施方式中的內(nèi)側(cè)閾值。在圖9的比較例中,將內(nèi)側(cè)閾值設(shè)為25(μm),但此為如下情況,即,將作為穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的離心旋轉(zhuǎn)振幅為10(μm),穩(wěn)態(tài)響應(yīng)以外的章動振幅為2(μm),且由所述振幅100(μm)的歲差運動產(chǎn)生的位移為13(μm)時的位移設(shè)為內(nèi)側(cè)閾值。即,內(nèi)側(cè)閾值設(shè)定為25(μm)={10+2+13}(μm)。相對于此,在本實施方式中,只要考慮穩(wěn)態(tài)響應(yīng)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(nèi)側(cè)閾值為這兩個振幅之和即15(μm)。

外側(cè)閾值是將遲滯值與內(nèi)側(cè)閾值相加所得的值。在圖9所示的比較例的情況下,采用25(μm)作為遲滯值,外側(cè)閾值為50(μm)。25(μm)是進一步將1(μm)作為余裕(margin)而與頻率高的離心旋轉(zhuǎn)運動(穩(wěn)態(tài)響應(yīng))及章動(穩(wěn)態(tài)響應(yīng)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(wěn)態(tài)響應(yīng)以外的成分即可,因此,5(μm)成為遲滯值,該5(μm)是將同樣的余裕1(μm)與穩(wěn)態(tài)響應(yīng)以外的章動振幅即2(μm)的兩倍的值相加所得的值。外側(cè)閾值是將遲滯值5(μm)與內(nèi)側(cè)閾值15(μm)相加而成為20(μm)。

這樣,與圖9的內(nèi)側(cè)閾值25(μm)、外側(cè)閾值50(μm)同等的條件下的本實施方式的內(nèi)側(cè)閾值及外側(cè)閾值分別為15(μm)及20(μm)。圖11將圖4中的內(nèi)側(cè)閾值ti及外側(cè)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(qū)域中的軌跡d1、du1。

在本實施方式中,外側(cè)閾值to及內(nèi)側(cè)閾值ti被應(yīng)用于軌跡du1,因此,如所述說明所述,將余裕1與章動運動的振幅的兩倍相加而設(shè)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)半徑為10(μm),因此,圓cr2的直徑為20(μm)。在如圖11所示地設(shè)定了閾值ti、to的情況下,當施加瞬態(tài)擾動力,圓cr1從表示內(nèi)側(cè)閾值ti的矩形線的內(nèi)側(cè)移動至表示外側(cè)閾值to的矩形線的外側(cè)時,能夠防止產(chǎn)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(jié)果是如圖26(b)所示,未產(chǎn)生震顫。

這樣,通過將ux1(t)、uy1(t)用于切換判定,例如即使在反應(yīng)生成物堆積于轉(zhuǎn)子4而導致離心旋轉(zhuǎn)半徑變大的情況下,也能夠?qū)㈤撝祎i、to的遲滯寬度抑制得較小,從而能夠?qū)⑼鈧?cè)閾值to抑制為比離心旋轉(zhuǎn)半徑稍大的程度。另外,因為將ux1(t)、uy1(t)用于切換判定,所以在ux1(t)、uy1(t)為非常小的泵的情況下,即使不對閾值設(shè)置遲滯,也能夠在短時間內(nèi)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),則切換為通常分辨率位移信號。即,在位移x1(t)、y1(t)達到±50(μm)之前,使用分辨率倍率k的高分辨率位移信號。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),則切換為通常分辨率位移信號。在此情況下,離心旋轉(zhuǎn)半徑為10(μm),因此,在位移x1(t)、y1(t)達到±30(μm)之前,使用分辨率倍率k的高分辨率位移信號。即,在圖11的雙點劃線所示的矩形范圍內(nèi)使用高分辨率位移信號。因此,能夠?qū)⒎直媛时堵蔾設(shè)定為比較例的約1.7(≒50/30)倍,通過將高分辨率位移信號設(shè)為更高的分辨率,能夠?qū)崿F(xiàn)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(shè)定方面,余裕度相應(yīng)地增大。因此,即使在通常分辨率位移信號與高分辨率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,對于圖11的圓cr1,將遲滯寬度設(shè)定得稍大,由此,也能夠容易地避免產(chǎn)生由偏移誤差引起的震顫。

(關(guān)于分辨率倍率k的設(shè)定方法)

其次,參照圖12(a)及圖12(b)來對分辨率倍率k的設(shè)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。

在通常分辨率位移信號的處理系統(tǒng)b中,對輸入至圖3的ad轉(zhuǎn)換器403的信號進行設(shè)定,使得在轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器403的滿刻度(fullscale)相同。另外,在高分辨率位移信號的處理系統(tǒng)a中進行設(shè)定,使得在離心旋轉(zhuǎn)位移x1(t)、y1(t)與外側(cè)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(zhuǎn)換器403的滿刻度相同。再者,備用的機械軸承存在松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(shè)定滿刻度。

在設(shè)定所述外側(cè)閾值to時,能夠以某種程度任意地進行設(shè)定,但為了盡可能增大分辨率倍率k而實現(xiàn)低振動化,優(yōu)選將外側(cè)閾值to設(shè)定為小值。在比較例的情況下,為了不產(chǎn)生震顫,需要以下式(6)、式(7)的方式來設(shè)定閾值ti、to(參照圖12(a))。

ti≧(離心旋轉(zhuǎn)半徑)…(6)

to≧(離心旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)位移無關(guān),因此,在因反應(yīng)生成物的堆積等而導致離心旋轉(zhuǎn)位移大的情況下,即使以所述方式進行考慮,也無問題。

假設(shè)在將轉(zhuǎn)子軸5與機械軸承66a、66b之間的標稱間隙設(shè)為100(μm)的情況下,離心旋轉(zhuǎn)半徑(=10μm)為標稱間隙的1/10。此時,以式“(1/10)×3×k≦1”的方式設(shè)定分辨率倍率k,使得外側(cè)閾值to的范圍的k倍與標稱間隙相同,或小于標稱間隙。由此,以下式(8)的方式設(shè)定分辨率倍率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(shè)定不產(chǎn)生震顫的閾值ti、to(參照圖12(b))。與比較例的情況同樣地,設(shè)定分辨率倍率k,使得外側(cè)閾值to的范圍的k倍與標稱間隙相同,或小于標稱間隙。若將離心旋轉(zhuǎn)半徑設(shè)為標稱間隙的(1/10),則以下式(10)的方式設(shè)定分辨率倍率k。

to≧ti≧(離心旋轉(zhuǎn)半徑)…(9)

k≦10/1…(10)

由此,通過以下式(11)的方式設(shè)定分辨率倍率k,與比較例的情況相比,能夠?qū)⒎直媛时堵蔾設(shè)定得更大,從而能夠?qū)崿F(xiàn)低振動化。若進行一般化,將離心旋轉(zhuǎn)半徑設(shè)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(jié)構(gòu)中,使用處理系統(tǒng)b的通常分辨率位移信號x1(t)、y1(t)來進行穩(wěn)態(tài)響應(yīng)提取,使用該經(jīng)過穩(wěn)態(tài)響應(yīng)提取后的信號,進行對于通常分辨率位移信號x1(t)、y1(t)及高分辨率位移信號x1k(t)、y1k(t)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)成分的抵消補償。

另一方面,在圖13所示的變形例中采用了如下結(jié)構(gòu),即,在處理系統(tǒng)a及處理系統(tǒng)b各自的線上設(shè)置穩(wěn)態(tài)響應(yīng)提取部c,利用切換部407來對抵消補償了穩(wěn)態(tài)響應(yīng)成分后的通常分辨率位移信號及高分辨率位移信號進行切換。切換控制部408與所述實施方式的情況同樣地,對根據(jù)通常分辨率位移信號獲得的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)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,在對于高分辨率位移信號的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)抵消補償中,使用了從高分辨率位移信號提取的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)成分,因此,在選擇了高分辨率位移信號的情況下,也可減少對于穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的誤差。即,在振動頻譜中,旋轉(zhuǎn)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(tǒng)a,基于在放大部402a中以分辨率倍率k(其中,k>1)對位移調(diào)制波信號的差分信號進行放大所得的信號,生成與包含規(guī)定位置的第一位移區(qū)域相當?shù)挠赏鈧?cè)閾值to規(guī)定的區(qū)域中的高分辨率位移信號x1k(t)、y1k(t),所述位移調(diào)制波信號是經(jīng)由轉(zhuǎn)子的從規(guī)定位置算起的位移而調(diào)制后的信號;以及作為第二位移信號生成部的處理系統(tǒng)b,基于位移調(diào)制波信號的差分信號,生成與包含所述第一位移區(qū)域的更大的第二位移區(qū)域相當?shù)拈g隙區(qū)域中的通常分辨率位移信號x1(t)、y1(t)。接著,切換控制部408基于從通常分辨率位移信號x1(t)、y1(t)中除去穩(wěn)態(tài)響應(yīng)離心旋轉(zhuǎn)位移的成分rx1×re(exp(jωt))、ry1×im(exp(jωt))所得的非穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的信號ux1(t)、uy1(t),選擇高分辨率位移信號x1k(t)、y1k(t)及低分辨率位移信號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(guī)定位置通常被定為各備用的機械軸承的中心。在本發(fā)明中,懸浮目標位置未必需要與規(guī)定位置一致,但在實施方式中,對懸浮目標位置與規(guī)定位置一致的情況進行說明。

信號ux1(t)、uy1(t)與離心旋轉(zhuǎn)位移無關(guān),例如即使在因反應(yīng)生成物的堆積而導致離心旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)位移,與使用離心旋轉(zhuǎn)位移來進行切換控制的情況相比,能夠?qū)⒎直媛时堵蔾設(shè)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(jié)構(gòu)中,通過從低分辨率位移信號x1(t)、y1(t)中除去穩(wěn)態(tài)響應(yīng)離心旋轉(zhuǎn)位移的成分來計算出非穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的信號ux1(t)、uy1(t),但也可以使用高分辨率位移信號x1k(t)、y1k(t)來代替低分辨率位移信號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(guī)定位置算起的位移進行檢測的位移檢測部,但本發(fā)明也能夠適用于采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于電磁鐵電流,根據(jù)轉(zhuǎn)子軸5的位移來對重疊的傳感器載波信號進行位移調(diào)制。通過對該位移調(diào)制波信號進行解調(diào)處理來生成位移信號。

再者,若將圖3所示的結(jié)構(gòu)應(yīng)用于其他的三根軸(x2軸、y2軸、z軸),從而應(yīng)用于全部的五根軸,則能夠發(fā)揮最大限度的效果,但例如也可以應(yīng)用于通常實施不平衡補償?shù)膹较虻乃母S,或根據(jù)真空泵的各用途的個別特殊性來減少軸數(shù)。

另外,在圖3所示的結(jié)構(gòu)中,使用從位移信號x1(t)、y1(t)或x1k(t)、y1k(t)中除去穩(wěn)態(tài)響應(yīng)成分rx1×re(exp(jωt))、ry1×im(exp(jωt))所得的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)以外的成分ux1(t)、uy1(t)來控制磁軸承,但也可以采用如下結(jié)構(gòu),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(fā)明的第二實施方式進行說明的圖,對圖13所示的結(jié)構(gòu)新增了k設(shè)定部510。在所述第一實施方式中,在生成高分辨率位移信號的處理系統(tǒng)a的線中,放大部402a、404a中的分辨率倍率k是根據(jù)轉(zhuǎn)子軸5的離心旋轉(zhuǎn)而被設(shè)定為規(guī)定的固定值。但是,由于反應(yīng)生成物堆積于轉(zhuǎn)子4,轉(zhuǎn)子不平衡會隨著時間而變大,額定旋轉(zhuǎn)過程中的離心旋轉(zhuǎn)位移逐漸變大。

例如,如圖11所示,考慮外側(cè)閾值to被設(shè)定為20(μm),內(nèi)側(cè)閾值ti被設(shè)定為15(μm)的情況。若離心旋轉(zhuǎn)半徑因反應(yīng)生成物的堆積而變得大于10(μm),位移x1(t)、y1(t)在外側(cè)閾值to的20(μm)附近變得大于30(μm),則即使在轉(zhuǎn)子軸5的離心旋轉(zhuǎn)中心為目標懸浮位置70的情況下,仍會導致從生成高分辨率位移信號的處理系統(tǒng)a的放大部402a輸入至ad轉(zhuǎn)換器403的信號的范圍超過ad轉(zhuǎn)換器403的滿刻度。結(jié)果是有可能無法適當?shù)乜刂拼泡S承。

因此,在第二實施方式中,根據(jù)離心旋轉(zhuǎn)半徑的大小來使放大部402a、404a中的分辨率倍率k發(fā)生變化,使得即使在轉(zhuǎn)子軸5的離心旋轉(zhuǎn)位移發(fā)生了變化的情況下,也能夠適當?shù)乜刂拼泡S承。在圖14所示的例子中采用如下結(jié)構(gòu),即,能夠通過k設(shè)定部510將k變更為多個值。k設(shè)定部510基于從低通濾波器410輸入的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)離心旋轉(zhuǎn)的半徑rx1、ry1(參照式(1)、式(2))來設(shè)定分辨率倍率k的值。另外,切換控制部408根據(jù)與k設(shè)定部510所設(shè)定的k的值相對應(yīng)的外側(cè)閾值to及內(nèi)側(cè)閾值ti進行切換控制。其他結(jié)構(gòu)與所述圖13的結(jié)構(gòu)相同。

圖15是對相對于離心旋轉(zhuǎn)半徑rx1的分辨率倍率k的設(shè)定方法的一例進行說明的圖。再者,對于rx1以外的離心旋轉(zhuǎn)半徑也相同。在圖15中,橫軸為離心旋轉(zhuǎn)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分辨率倍率k。設(shè)定為k0>k1>k2。

在反應(yīng)生成物的堆積少,且離心旋轉(zhuǎn)半徑rx1小至rx1<r0的狀態(tài)下,分辨率倍率k被設(shè)定為k0。在離心旋轉(zhuǎn)半徑rx1稍微變大,r0≦rx1<r1的情況下,k設(shè)定部510將放大部402a、404a的分辨率倍率k從k0切換為k1。在離心旋轉(zhuǎn)半徑rx1進一步變大,r1≦rx1<r2的情況下,分辨率倍率k從k1切換為k2。再者,由反應(yīng)生成物堆積引起的離心旋轉(zhuǎn)半徑的變化僅在增加方向上,但有可能會在分辨率倍率k的切換過程中產(chǎn)生震顫,因此,為了防止產(chǎn)生震顫而設(shè)定了遲滯δr。

再者,r2是離心旋轉(zhuǎn)半徑的允許上限值,在rx1>r2的情況下判斷為離心旋轉(zhuǎn)異常,從通常控制過渡為異常時控制。

圖16(a)是表示分辨率倍率k與閾值to、ti之間的關(guān)系的一例的圖。與外側(cè)閾值to相對應(yīng)地設(shè)定分辨率倍率k。此處,分辨率倍率k0設(shè)為外側(cè)閾值to為10(μm)時的分辨率倍率。同樣地,k1是外側(cè)閾值to為25(μm)時的分辨率倍率,k2是外側(cè)閾值to為60(μm)時的分辨率倍率。在圖14所示的結(jié)構(gòu)中,與第一實施方式的情況同樣地,基于ux1(t1)、uy1(t)來對高分辨率位移信號與通常分辨率位移信號進行切換,因此,切換時的用以防止震顫的遲滯寬度依賴于ux1(t1)、uy1(t)。但是,ux1(t1)、uy1(t)與離心旋轉(zhuǎn)位移無關(guān),因此,在圖16(a)的例子中,在固定的遲滯寬度內(nèi)設(shè)定內(nèi)側(cè)閾值ti。

圖17(a)及圖17(b)是表示k設(shè)定部510的動作例的圖。圖17(a)表示離心旋轉(zhuǎn)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(tài)開始進行加速運轉(zhuǎn)而處于低轉(zhuǎn)速狀態(tài),離心旋轉(zhuǎn)半徑rx1大至中等程度。因此,分辨率倍率k被設(shè)定為k1,外側(cè)閾值to被設(shè)定為±25(μm)。位移ux1處于外側(cè)閾值to=±25(μm)的范圍內(nèi),因此,由切換部407選擇高分辨率位移信號x1k(t)、y1k(t)。

在期間(b)中,達到危險速度通過的轉(zhuǎn)速,離心旋轉(zhuǎn)半徑rx1因瞬態(tài)離心旋轉(zhuǎn)增大而超過25(μm)之后,分辨率倍率k從k1切換為k2。分辨率倍率k切換為k2之后,外側(cè)閾值to據(jù)此也變更為±60(μm)。

在期間(c)中,達到危險速度通過后的加速度運轉(zhuǎn),隨著轉(zhuǎn)速接近額定轉(zhuǎn)速,離心旋轉(zhuǎn)半徑rx1逐漸降低。若離心旋轉(zhuǎn)半徑rx1變?yōu)椤?5(μm)-δr”以下,則分辨率倍率k從k2切換為k1,外側(cè)閾值to變更為±25(μm)。

在期間(d)中,泵達到額定旋轉(zhuǎn)運轉(zhuǎn)。在該時間點,反應(yīng)生成物的堆積非常少,擾動力也變?yōu)檩^小的水平,因此,離心旋轉(zhuǎn)半徑rx1小至數(shù)(μm)水平,分辨率倍率k從k1切換為k0。另外,外側(cè)閾值to從±25(μm)變更為±10(μm)。

期間(e)為額定旋轉(zhuǎn)狀態(tài),但產(chǎn)生了由擾動力引起的瞬態(tài)過大位移。結(jié)果是位移ux1大于外側(cè)閾值to,由切換部407從高分辨率位移信號x1k(t)、y1k(t)切換為通常分辨率位移信號x1(t)、y1(t)。另外,相對于離心旋轉(zhuǎn)位移的閾值ti、to的設(shè)定被解除。

在期間(f)中,擾動力消失,增大的位移ux1再次變小而處于內(nèi)側(cè)閾值ti的范圍內(nèi)。結(jié)果從通常分辨率位移信號x1(t)、y1(t)切換為高分辨率位移信號x1k(t)、y1k(t)。另外,因為離心旋轉(zhuǎn)半徑rx1小,所以外側(cè)閾值to設(shè)為±10(μm)。

期間(g)是從期間(f)經(jīng)過長時間后的時間點的期間,雖維持了額定轉(zhuǎn)速,但反應(yīng)生成物逐漸增加,離心旋轉(zhuǎn)半徑rx1也逐漸增加。但是,在該時間點,離心旋轉(zhuǎn)半徑rx1處于外側(cè)閾值to=±10(μm)的范圍內(nèi),因此,分辨率倍率k維持為k0。

期間(h)是從期間(g)經(jīng)過更長時間后的時間點的期間,由于反應(yīng)生成物的體積增加,離心旋轉(zhuǎn)半徑rx1處于外側(cè)閾值to=±10(μm)的范圍外。結(jié)果是分辨率倍率k從k0切換為k1,外側(cè)閾值to也從±10(μm)變更為±25(μm)。因此,位移ux1短暫地超過10(μm),但處于外側(cè)閾值to=±25(μm)的范圍內(nèi),因此,維持切換部407對于高分辨率位移信號x1k(t)、y1k(t)的選擇狀態(tài)。

這樣,在第二實施方式中,如圖14所示,包括:穩(wěn)態(tài)響應(yīng)提取部c的第一轉(zhuǎn)換處理部409及低通濾波器410,基于在處理系統(tǒng)a的放大部402a中以分辨率倍率k(其中,k>1)對位移調(diào)制波信號進行放大所得的信號,生成高分辨率位移信號,且基于高分辨率位移信號或低分辨率位移信號,計算出穩(wěn)態(tài)響應(yīng)離心旋轉(zhuǎn)位移的離心旋轉(zhuǎn)半徑rx1、ry1;以及k設(shè)定部510,將分辨率倍率k的大小變更為與離心旋轉(zhuǎn)半徑rx1、ry1的大小相對應(yīng)的多個值中的任一個值。

即,根據(jù)離心旋轉(zhuǎn)半徑rx1來設(shè)定分辨率倍率k,因此,即使在離心旋轉(zhuǎn)半徑增加的環(huán)境中,也能夠以與離心旋轉(zhuǎn)半徑的大小相對應(yīng)的最佳分辨率來控制磁軸承,從而能夠提高振動性能。例如,即使在轉(zhuǎn)子軸5的離心旋轉(zhuǎn)半徑rx1因反應(yīng)生成物的堆積等而變大的情況下,也能夠防止輸入至ad轉(zhuǎn)換器403的信號的大小超過ad轉(zhuǎn)換器403的滿刻度,從而能夠根據(jù)位移信號來適當?shù)乜刂拼泡S承。另外,在反應(yīng)生成物的堆積非常少、對于離心旋轉(zhuǎn)半徑的影響小至能夠忽視的情況下,通過將分辨率倍率k設(shè)定得大,能夠通過提高分辨率來實現(xiàn)低振動化。

再者,通過k設(shè)定部510來變更分辨率倍率k的大小的結(jié)構(gòu)并不限于如圖14所示,基于ux1(t1)、uy1(t)來對高分辨率位移信號與通常分辨率位移信號進行切換的結(jié)構(gòu),也能夠適用于如下結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)如圖5所示的比較例那樣,使用包含離心旋轉(zhuǎn)位移的位移信號x1(t)、y1(t)進行切換。例如,將離心旋轉(zhuǎn)半徑rx1變?yōu)?0(μm)、25(μm)、60(μm)時,設(shè)為對分辨率倍率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(cè)閾值to設(shè)為30(μm),將遲滯寬度設(shè)為20(μm)。以k<10/3的方式,與外側(cè)閾值to=30(μm)相對應(yīng)地設(shè)定分辨率倍率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,已超出范圍,因此,在此情況下,設(shè)定直至rx1=25(μm)為止的閾值。

-第三實施方式-

圖18是對本發(fā)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(jié)構(gòu)中刪除了穩(wěn)態(tài)響應(yīng)提取部c,并且在處理系統(tǒng)a與處理系統(tǒng)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(shè)為(1/k1)。其他結(jié)構(gòu)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(tǒng)a產(chǎn)生的高分辨率位移信號來代替由處理系統(tǒng)b產(chǎn)生的通常分辨率位移信號,由此,改善位移信號的信噪(signalnoise,sn)比,并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(zhuǎn)換器403來獲取位移調(diào)制波信號的差分信號時,利用帶通濾波器401a、401b除去多余的噪聲成分之后,由ad轉(zhuǎn)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(diào)后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(wěn)定性降低。另外,根據(jù)情況,以轉(zhuǎn)子的高次彈性固有振動頻率引起振蕩,會產(chǎn)生如下問題,即,不僅產(chǎn)生噪音、振動,而且懸浮控制變得困難。

首先,在生成通常分辨率位移信號的處理系統(tǒng)b中,帶通濾波器401b的q0設(shè)為不會因信號延遲而導致磁軸承控制的穩(wěn)定性降低的程度的q值。接著,在生成高分辨率位移信號的處理系統(tǒng)a中,以q1>q0的方式來設(shè)定帶通濾波器401a的q值q1,使頻帶更窄,并且將放大部404a中的放大率(用以使放大后的信號的振幅再次縮小的縮小率)設(shè)為(1/k1)。接著,以(1/k1)<(1/k)的方式,即,以k×(1/k1)<1的方式來設(shè)定k1,由此,將放大率(1/k1)設(shè)為小于放大率(1/k)的放大率。

這樣,對于高分辨率位移信號,通過以q1>q0的方式實現(xiàn)窄頻帶化來除去解調(diào)后的位移信號的高頻成分,通過設(shè)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余裕,從而抵消因設(shè)為q1>q0而導致相位余裕降低所產(chǎn)生的影響,由此,能夠確保與以往分辨率位移信號線相同程度的穩(wěn)定性(即,能夠?qū)⒆鳛榉€(wěn)定性指標的感度函數(shù)的最大值設(shè)為同等值)。

再者,作為采用如上所述的結(jié)構(gòu)的折衷,干擾響應(yīng)性能比應(yīng)用以往分辨率位移信號時變差,但只有在不會產(chǎn)生需要干擾響應(yīng)性的瞬態(tài)大位移的狀態(tài)下,才應(yīng)用高分辨率位移信號,因此不會產(chǎn)生副作用。

圖19(a)及圖19(b)是表示生成通常分辨率位移信號的處理系統(tǒng)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后,解調(diào)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,相對于頻率=100(hz)、1000(hz)、2500(hz),相位延遲量大致為0(deg)、10(deg)、20(deg)。

雖也依賴于泵的轉(zhuǎn)子尺寸,但通常需要進行控制直至1(khz)頻帶為止,對于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(zhuǎn)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(tǒng)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)是表示生成高分辨率位移信號的處理系統(tǒng)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,當選擇了高分辨率位移信號時,可減少噪音。

參照圖21~圖23來對放大率(1/k1)中的k1的設(shè)定方法進行說明。圖21是表示使用了處理系統(tǒng)a時的開環(huán)傳遞函數(shù)(open-looptransferfunction)gok(jw)、與使用了處理系統(tǒng)b時的開環(huán)傳遞函數(shù)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(diào)制波信號時的結(jié)構(gòu)。

一般來說,在對開環(huán)傳遞函數(shù)go進行掃頻(frequencysweep),并如圖22所示,在復平面(complexplane)上繪制出所謂的奈奎斯特線圖(nyquistdiagram)的情況下,穩(wěn)定性按照goa<gob<goc的順序遞增。即,復平面上的軌跡離(-1)越遠,則穩(wěn)定性越高。若以感度函數(shù)(1/(1+go))來表現(xiàn),則感度函數(shù)的大小的最大值越小,則穩(wěn)定性越高,所述感度函數(shù)定義為從(-1)算起的距離(∣1+go∣)的倒數(shù)。

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(cè)的方式,預先決定k1的值,使處理系統(tǒng)a的線的穩(wěn)定性為與處理系統(tǒng)b的線同等的水平。

但是,將k1的值的范圍縮小至最佳值實際上是作為產(chǎn)品開發(fā)時或產(chǎn)品上市時的調(diào)整(試錯)的結(jié)果而決定,因此,至少將滿足使增益比處理系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)b的線相比,相位余裕必然降低,使得φk<φ1。因此,以k×(1/k1)<1的方式,使處理系統(tǒng)a的線的增益低于處理系統(tǒng)b的線的增益,以圖23的g1<gk的方式利用增益余裕進行補償,從而確實地提高穩(wěn)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(jié)構(gòu)新增圖3的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)提取部c,并且利用切換控制部408來替換切換控制部508,基于穩(wěn)態(tài)響應(yīng)以外的成分ux1(t)、uy1(t),控制切換部407對于通常分辨率位移信號與高分辨率位移信號的切換。另外,如圖24所示,除了穩(wěn)態(tài)響應(yīng)提取部c及切換控制部408之外,還可以進一步設(shè)置對(k、k1、q1)的值進行設(shè)定的數(shù)據(jù)設(shè)定部511。數(shù)據(jù)設(shè)定部511預先準備多個(k、k1、q1)的數(shù)據(jù)集,基于離心旋轉(zhuǎn)半徑rx1、ry1來選擇數(shù)據(jù)集,變更帶通濾波器401a及放大部402a、404a中的q1、k及k1的設(shè)定。

這樣,在第三實施方式中,在生成高分辨率位移信號的處理系統(tǒng)a中,帶通濾波器401a的q值q1設(shè)為比處理系統(tǒng)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,并且以使放大部402a的放大率(即分辨率倍率)k與放大部404a的放大率(1/k1)之積小于1的方式來設(shè)定放大率(1/k1),由此,確保與處理系統(tǒng)b同等的穩(wěn)定性。

通過采用如上所述的結(jié)構(gòu),不僅通過提高位移信號的分辨率來改善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(wěn)定性,進行可靠性高的運轉(zhuǎn)。

在所述內(nèi)容中,對各種實施方式及變形例進行了說明,但本發(fā)明并不限定于這些內(nèi)容??稍诒景l(fā)明的技術(shù)思想的范圍內(nèi)考慮到的其他方式也包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)。例如,雖以渦輪分子泵為例進行了說明,但只要是磁軸承式,則也能夠適用于其他真空泵。

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