(57)【要約】【課題】  ロータ軸の軸方向位置バラツキに伴うロータ軸の制御性の悪化を防ぎ、特定の設置姿勢において最適な磁力でロータ軸の位置制御を行うことで、振動を低減させることのできる磁気軸受装置及び該磁気軸受装置を搭載したターボ分子ポンプを提供する。【解決手段】  感度記憶部２８１には、感度調整用のセンサ感度が記憶されている。感度記憶部２８１では記憶されたセンサ感度を感度切替部２８３に出力するようになっており、感度切替部２８３ではこの出力に応じて切り替えを行いセンサ信号アンプ部２５２に出力するようになっている。センサ信号アンプ部２５２では、センサ信号に対して感度記憶部２８１に記憶されたセンサ感度に応じたセンサ感度調整を行って、感度調整後のセンサ出力電圧Ｖを有するセンサ出力信号１５３をＡ／Ｄ変換器１５４に出力するようになっている。【選択図】        図１
2005273802.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁石により浮上支持される回転体と、
該回転体の軸方向位置を検出する軸方向位置センサと、
該軸方向位置センサのセンサ出力電圧及び前記回転体の軸方向位置の関係を表す特性曲線が調整可能な特性曲線調整手段と、
前記センサ出力電圧の上限値を規定し、前記特性曲線調整手段の出力をデジタル変換するデジタル変換手段と、
該デジタル変換手段の出力に基づき前記電磁石を制御する軸方向制御手段と、
前記回転体の径方向位置を検出する径方向位置センサと、
該径方向位置センサの出力に基づき前記電磁石を制御する径方向制御手段と、
前記回転体の重力方向に対する姿勢を検出する姿勢検出手段と、
前記軸方向制御手段及び前記径方向制御手段での前記制御に必要な定数を保存する定数保存手段と、
前記姿勢検出手段で検出された回転体の姿勢に応じて前記定数保存手段で保存された定数を設定する定数設定手段とを備え、
前記特性曲線調整手段では、前記回転体に設けられたターゲットが前記軸方向位置センサに最も近づいたときの該回転体の最近接位置Ｚｂ１が、前記特性曲線の上限値から決められる前記回転体の軸方向位置の最小値Ｚｍｉｎよりも大きく、かつ該回転体の最近接位置Ｚｂ１及び該軸方向位置の最小値Ｚｍｉｎ間が最も狭くなるように前記特性曲線が調整されることを特徴とする磁気軸受装置。
【請求項２】
電磁石により浮上支持される回転体と、
該回転体の軸方向位置を検出する軸方向位置センサと、
該軸方向位置センサのセンサ出力電圧及び前記回転体の軸方向位置の関係を表す特性曲線が調整可能な特性曲線調整手段と、
前記センサ出力電圧の上限値を規定し、前記特性曲線調整手段の出力をデジタル変換するデジタル変換手段と、
該デジタル変換手段の出力に基づき前記電磁石を制御する軸方向制御手段とを備え、
前記特性曲線調整手段では、前記回転体に設けられたターゲットが前記軸方向位置センサに最も近づいたときの該回転体の最近接位置Ｚｂ１が、前記特性曲線の上限値から決められる前記回転体の軸方向位置の最小値Ｚｍｉｎよりも大きく、かつ該回転体の最近接位置Ｚｂ１及び該軸方向位置の最小値Ｚｍｉｎ間が最も狭くなるように前記特性曲線が調整されることを特徴とする磁気軸受装置。
【請求項３】
電磁石により浮上支持される回転体と、
該回転体の軸方向位置を検出する軸方向位置センサと、
該軸方向位置センサに基づき前記電磁石を制御する軸方向制御手段と、
前記回転体の径方向位置を検出する径方向位置センサと、
該径方向位置センサの出力に基づき前記電磁石を制御する径方向制御手段と、
前記回転体の重力方向に対する姿勢を検出する姿勢検出手段と、
前記軸方向制御手段及び前記径方向制御手段での前記制御に必要な定数を保存する定数保存手段と、
前記姿勢検出手段で検出された回転体の姿勢に応じて前記定数保存手段で保存された定数を設定する定数設定手段とを備えたことを特徴とする磁気軸受装置。
【請求項４】
前記特性曲線調整手段は変更可能な一の特性曲線を有し、該一の特性曲線が変更されることで前記特性曲線の調整が行われることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の磁気軸受装置。
【請求項５】
前記特性曲線調整手段は変更不可能な複数の特性曲線を有し、該複数の特性曲線のうち一の特性曲線が選択されることで前記特性曲線の調整が行われることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の磁気軸受装置。
【請求項６】
前記特性曲線調整手段は、それぞれ異なる感度毎に前記センサ出力電圧及び前記軸方向位置の関係を表す特性曲線を複数有し、
該感度を変更又は切り替えることで、前記回転体の最近接位置Ｚｂ１での前記センサ出力電圧が前記上限値を下回る感度が設定されることを特徴とする請求項１、２又は４記載の磁気軸受装置。
【請求項７】
前記姿勢検出手段では、前記軸方向制御手段により制御される電磁石及び前記径方向制御手段により制御される電磁石のそれぞれに流れる電流に基づき、前記回転体の姿勢を検出することを特徴とする請求項１又は請求項３記載の磁気軸受装置。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の磁気軸受装置を搭載したターボ分子ポンプであって、
前記回転体は、回転翼及び該回転翼の中央に配設されたロータ軸を有し、
前記各電磁石は、該ロータ軸を空中に磁気浮上させることを特徴とするターボ分子ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は磁気軸受装置及び該磁気軸受装置を搭載したターボ分子ポンプに係わり、特に、ロータ軸の軸方向位置バラツキに伴うロータ軸の制御性の悪化を防ぎ、特定の設置姿勢において最適な磁力でロータ軸の位置制御を行うことで、振動を低減させることのできる磁気軸受装置及び該磁気軸受装置を搭載したターボ分子ポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年のエレクトロニクスの発展に伴い、メモリや集積回路といった半導体の需要が急激に増大している。これらの半導体は、極めて純度の高い半導体基板に不純物をドープして電気的性質を与えたり、半導体基板上に微細な回路パターンを形成し、これを積層するなどして製造される。そして、これらの作業は空気中の塵等による影響を避けるため高真空状態のチャンバ内で行われる必要がある。このチャンバの排気には、一般にポンプ装置として真空ポンプが用いられているが、特に残留ガスが少なく、保守が容易である等の点から真空ポンプの中の１つであるターボ分子ポンプが多用されている。
【０００３】
また、半導体の製造工程では、さまざまなプロセスガスを半導体の基板に作用させる工程が数多くあり、ターボ分子ポンプはチャンバ内を真空にするのみならず、これらのプロセスガスをチャンバ内から排気するのにも使用される。さらに、ターボ分子ポンプは、電子顕微鏡等の設備において、粉塵等の存在による電子ビームの屈折等を防止するため、電子顕微鏡等のチャンバ内の環境を高度の真空状態とするのにも用いられている。このターボ分子ポンプの縦断面図を図１０に示す。
【０００４】
図１０において、ターボ分子ポンプ１００には、円筒状の外筒１２７の上端に吸気口１０１が形成されている。そして、外筒１２７の内方には、ガスを吸引排気するためのタービンブレードによる複数の回転翼１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ、…を周部に放射状かつ多段に形成した回転体１０３が備えられている。この回転体１０３の中心にはロータ軸１１３が設けられており、このロータ軸１１３は、例えば５軸制御の磁気軸受により空中に浮上支持かつ位置制御されている。
【０００５】
上側径方向電磁石１０４は、４個の電磁石がＸ軸とＹ軸にかつ＋方向と−方向に、それぞれの対をなして配置されている（図示しないが＋側の電磁石を上側径方向電磁石１０４＋とし、−側の電磁石を上側径方向電磁石１０４−とする）。また、この上側径方向電磁石１０４に近接かつ対応されて、４個の電磁石からなる上側径方向センサ１０７が備えられている。
【０００６】
上側径方向センサ１０７は、ロータ軸１１３のＸ軸方向及びＹ軸方向位置をそれぞれ＋方向及び−方向の２方向から検出するいわゆる差動型のインダクタンス式センサであり、ロータ軸１１３の径方向位置に応じたセンサ信号を制御装置等の磁気軸受制御部（図示略）に出力するようになっている。磁気軸受制御部では、上側径方向センサ１０７からのセンサ信号に基づき上側径方向電磁石１０４の励磁を制御し、ロータ軸１１３の上側の径方向位置を調整するようになっている。
【０００７】
ロータ軸１１３は、高透磁率材（鉄など）などにより形成され、上側径方向電磁石１０４の磁力により吸引されるようになっている。かかる調整は、Ｘ軸方向とＹ軸方向とにそれぞれ独立して行われている。
【０００８】
また、下側径方向電磁石１０５も、４個の電磁石がＸ軸とＹ軸にかつ＋方向と−方向に、それぞれの対をなして配置されている（図示しないが＋側の電磁石を下側径方向電磁石１０５＋とし、−側の電磁石を下側径方向電磁石１０５−とする）。さらに、この下側径方向電磁石１０５に近接かつ対応されて、４個の電磁石からなる下側径方向センサ１０８が備えられている。
この下側径方向センサ１０８も差動型のインダクタンス式センサであり、制御装置等の磁気軸受制御部（図示略）により、ロータ軸１１３の下側の径方向位置が調整されるようになっている。
【０００９】
さらに、軸方向電磁石１０６は、ロータ軸１１３の下部に備えた円板状の金属ディスク１１１を上下に挟んで配置されている（図１０中上側の電磁石を−側の軸方向電磁石１０６−とし、下側の電磁石を＋側の軸方向電磁石１０６＋とする）。−側の軸方向電磁石１０６−は磁力により金属ディスク１１１を吸気口１０１側に吸引し、＋側の軸方向電磁石１０６＋は金属ディスク１１１をベース部１２９側に吸引するようになっている。金属ディスク１１１は、鉄などの高透磁率材で構成されている。
【００１０】
また、外筒１２７の底部に設けられたベース部１２９には、ロータ軸１１３の軸方向位置Ｚを検出するための軸方向センサ１０９が備えられている。この軸方向センサ１０９は、ロータ軸１１３の下端部に埋め込まれたセンサターゲット１１０の位置を検出することでロータ軸１１３の軸方向位置Ｚを検出し、この軸方向位置Ｚに応じたセンサ信号を制御装置等の磁気軸受制御部１５０（後述する図１１にて説明する）に出力するようになっている。
【００１１】
このとき、軸方向センサ１０９は、上側径方向センサ１０７及び下側径方向センサ１０８と同様にインダクタンス式センサであるが、ロータ軸１１３の上方への取り付けの困難性や取り付けた場合の構造の複雑性の観点から、ロータ軸１１３の下端側のみに設けられロータ軸１１３の軸方向位置Ｚを１方向のみから検出するようになっている。また、このインダクタンス式センサは、流量重視で利用されるターボ分子ポンプ１００で十分な振動品質を実現している。従って、既存のターボ分子ポンプ１００では、部品点数が増えて、コスト増となる観点から差動型を採用していない。そのため、軸方向センサ１０９は、上述した上側径方向センサ１０７及び下側径方向センサ１０８と異なり、いわゆる単動型のインダクタンス式センサとなっている。
【００１２】
そして、磁気軸受制御部１５０は、軸方向センサ１０９からのセンサ信号に基づいて軸方向電磁石１０６の励磁を制御し、軸方向電磁石１０６が金属ディスク１１１に及ぼす磁力を適当に調節してロータ軸１１３を磁気浮上させ、空間に非接触で保持するようになっている。
【００１３】
一方、モータ１２１は、ロータ軸１１３を取り囲むように周状に配置された複数の磁極を備えている。各磁極は、ロータ軸１１３との間に作用する電磁力を介してロータ軸１１３を回転駆動するように、制御装置によって制御されている。また、モータ１２１には図示しない回転数センサが組み込まれており、この回転数センサの検出信号によりロータ軸１１３の回転数が検出されるようになっている。さらに、下側径方向センサ１０８近傍には、図示しない位相センサが取り付けられており、ロータ軸１１３の回転の位相を検出するようになっている。
【００１４】
回転翼１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ、…とわずかの空隙を隔てて複数枚の固定翼１２３ａ、１２３ｂ、１２３ｃ、…が配設されている。回転翼１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ、…は、それぞれ排気ガスの分子を衝突により下方向に移送するため、ロータ軸１１３の軸線に垂直な平面から所定の角度だけ傾斜して形成されている。また、固定翼１２３も、同様にロータ軸１１３の軸線に垂直な平面から所定の角度だけ傾斜して形成され、かつ外筒１２７の内方に向けて回転翼１０２の段と互い違いに配設されている。
【００１５】
そして、固定翼１２３の一端は、複数の段積みされた固定翼スペーサ１２５ａ、１２５ｂ、１２５ｃ、…の間に嵌挿された状態で支持されている。固定翼スペーサ１２５はリング状の部材であり、例えばアルミニウム、鉄、ステンレス、銅などの金属、又はこれらの金属を成分として含む合金などの金属によって構成されている。
【００１６】
固定翼スペーサ１２５の外周には、わずかの空隙を隔てて外筒１２７が固定されている。また、固定翼スペーサ１２５の下部と、外筒１２７の底部に設けられたベース部１２９との間にはネジ付きスペーサ１３１が配設されている。そして、ベース部１２９中のネジ付きスペーサ１３１の下部には排気口１３３が形成され、外部に連通されている。ネジ付きスペーサ１３１は、アルミニウム、銅、ステンレス、鉄、又はこれらの金属を成分とする合金などの金属によって構成された円筒状の部材であり、その内周面に螺旋状のネジ溝１３１ａが複数条刻設されている。ネジ溝１３１ａの螺旋の方向は、回転体１０３の回転方向に排気ガスの分子が移動したときに、この分子が排気口１３３の方へ移送される方向である。
【００１７】
回転体１０３の回転翼１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ、…に続く最下部には回転翼１０２ｄが垂下されている。この回転翼１０２ｄの外周面は、円筒状で、かつネジ付きスペーサ１３１の内周面に向かって張り出されており、このネジ付きスペーサ１３１の内周面と所定の隙間を隔てて近接されている。
【００１８】
ベース部１２９は、ターボ分子ポンプ１００の基底部を構成する円盤状の部材であり、一般には鉄、アルミニウム、ステンレスなどの金属によって構成されている。ベース部１２９はターボ分子ポンプ１００を物理的に保持するとともに、熱の伝導路の機能も兼ね備えているので、鉄、アルミニウムや銅などの剛性があり、熱伝導率も高い金属が使用されるのが望ましい。
【００１９】
かかる構成において、回転翼１０２がモータ１２１により駆動されてロータ軸１１３とともに回転すると、回転翼１０２と固定翼１２３の作用により、吸気口１０１を通じてチャンバからの排気ガスが吸気される。吸気口１０１から吸気された排気ガスは、回転翼１０２と固定翼１２３の間を通り、ベース部１２９へ移送される。このとき、排気ガスが回転翼１０２に接触する際に生ずる摩擦熱や、モータ１２１で発生した熱の伝導などにより、回転翼１０２の温度は上昇するが、この熱は、輻射又は排気ガスの気体分子などによる伝導により固定翼１２３側に伝達される。
【００２０】
固定翼スペーサ１２５は、外周部で互いに接合しており、固定翼１２３が回転翼１０２から受け取った熱や排気ガスが固定翼１２３に接触する際に生ずる摩擦熱などを外部へと伝達する。そして、ベース部１２９に移送されてきた排気ガスは、ネジ付きスペーサ１３１のネジ溝１３１ａに案内されつつ排気口１３３へと送られる。
【００２１】
ここに、ターボ分子ポンプは、個々に調整された固有のパラメータ（例えば、機種の特定、機種に対応する諸特性）に基づいた制御を要する。この制御パラメータを格納するために、上記ターボ分子ポンプ１００は、その本体内に電子回路部１４１を備えている。電子回路部１４１は、ＥＥＰ−ＲＯＭ等の半導体メモリ及びそのアクセスのための半導体素子等の電子部品、その実装用の基板１４３等から構成される。この電子回路部１４１は、ベース部１２９の中央下部に収容され、気密性の底蓋１４５によって閉じられている。
【００２２】
次に、このように構成されるターボ分子ポンプ１００に対し、軸方向電磁石１０６の励磁を制御する磁気軸受制御部１５０について詳細に説明する。
従来の磁気軸受制御部１５０のブロック図を図１１に示す。なお、ここでは軸方向電磁石１０６を制御する磁気軸受制御部１５０について説明するが、特記がない限り他の上側径方向電磁石１０４や下側径方向電磁石１０５を制御する磁気軸受制御部も同様の構成を有している。
【００２３】
図１１において、磁気軸受制御部１５０のセンサ信号アンプ部１５２には、軸方向センサ１０９から出力されたセンサ信号が入力されている。このセンサ信号は、ロータ軸１１３の軸方向位置Ｚに応じた信号となっている。そして、センサ信号アンプ部１５２では、センサ信号に一定のセンサ感度調整を行って、感度調整後のセンサ出力信号１５３をＡ／Ｄ変換器１５４に出力するようになっている。ここでセンサ感度調整とは、センサ信号アンプ部１５２のゲイン値の調整等を行うことをいう。また、センサ信号アンプ部１５２から出力されるセンサ出力信号１５３は、このセンサ感度調整により所定の電圧値（以下センサ出力電圧Ｖという）を有するようになっている。
【００２４】
Ａ／Ｄ変換器１５４では、センサ出力信号１５３のセンサ出力電圧Ｖをデジタル変換し、変換後のデジタルセンサ信号１５５を浮上制御部１５６に出力するようになっている。浮上制御部１５６では、デジタルセンサ信号１５５等に基づいてＰＩＤ調節を行い、電磁石励磁信号１５７を電磁石励磁部１５８に出力するようになっている。電磁石励磁部１５８は、例えば２個のトランジスタと２個ダイオードとからなるブリッジ回路で構成されており、電磁石励磁信号１５７に応じて軸方向電磁石１０６との間に流す電磁石電流の増減等を行うようになっている。
【００２５】
このとき、浮上制御部１５６には、浮上定数設定部１６１から各電磁石１０４、１０５、１０６の制御等に必要な浮上定数Ｆを示す浮上定数信号１６２が入力されている。この浮上定数Ｆは、浮上定数設定部１６１に予め設定されており、例えば浮上制御部１５６でのＰＩＤ調節のＰ値を決める定数や、電磁石励磁部１５８を介して軸方向電磁石１０６等に流す電磁石電流の定常電流値を決める定数など、軸方向電磁石１０６等で発生させる磁力を調整する定数が含まれている。
【００２６】
かかる構成において、ロータ軸１１３の軸方向位置Ｚが変化すると、軸方向電磁石１０６を制御する磁気軸受制御部１５０に入力されるセンサ信号が変化してセンサ出力信号１５３のセンサ出力電圧Ｖが変化する。この軸方向位置Ｚとセンサ出力電圧Ｖの関係を図１２に示す。
【００２７】
図１２において、横軸は軸方向位置Ｚ、縦軸はセンサ出力電圧Ｖである。このとき、軸方向センサ１０９は、上側径方向センサ１０７及び下側径方向センサ１０８と異なり、部品点数の増加等の観点から単動型のインダクタンス式センサが採用されている。センサ出力電圧Ｖは軸方向位置Ｚの二乗に反比例する（Ｖ∝１／Ｚ2）。従って、軸方向位置Ｚとセンサ出力電圧Ｖの関係は曲線１９６に乗る。なお、上側径方向センサ１０７及び下側径方向センサ１０８の場合、両センサ１０７、１０８は差動型のインダクタンス式センサであるため、センサ出力電圧Ｖと径方向位置の関係は線型になる（図示略）。
【００２８】
そして、センサ出力電圧Ｖに対しては、センサ出力信号１５３が入力されるＡ／Ｄ変換器１５４の特性から決まる上限値１９７及び下限値１９８が存在する。そのため、これに対応する軸方向位置Ｚでは、上限値１９７に対して最小値Ｚｍｉｎ、及び下限値１９８に対して最大値Ｚｍａｘが存在する。すなわち、軸方向位置Ｚが最小値Ｚｍｉｎ未満の場合もしくは最大値Ｚｍａｘを超えた場合には、軸方向位置Ｚの変化をＡ／Ｄ変換器１５４で検知できなくなる。なお、製造工程等で軸方向位置Ｚがこの最小値Ｚｍｉｎ〜最大値Ｚｍａｘの範囲を外れたターボ分子ポンプ１００は廃棄若しくは再組立等される。
【００２９】
ここで、図１２に示すように、例えば軸方向位置Ｚが遠くなる方向に変位ΔＺだけずれると、この変位ΔＺに応じてセンサ出力電圧Ｖが電圧変化量ΔＶだけ低下する。そして、この電圧変化量ΔＶがＡ／Ｄ変換器１５４で検出されると、デジタルセンサ信号１５５が変化する。そのため、このデジタルセンサ信号１５５の変化に基づき浮上制御部１５６及び電磁石励磁部１５８で軸方向電磁石１０６の励磁を制御することで、ロータ軸１１３の位置調整を行うことができる。これは軸方向位置Ｚが近くなる方向に変位した場合でも同様である。
【００３０】
ところで、ロータ軸１１３の軸方向位置Ｚは、軸方向センサ１０９に対して通常μｍオーダで設定される。そのため、複数のターボ分子ポンプ１００、１００、…間でロータ軸１１３の軸方向位置Ｚに製造バラツキを発生する場合があった。
【００３１】
この軸方向位置バラツキの様子を図１３に示す。なお、図１３（ａ）は、ロータ軸１１３の軸方向位置Ｚが上述した最小値Ｚｍｉｎ〜最大値Ｚｍａｘにあるターボ分子ポンプ１００のうち、軸方向センサ１０９及びセンサターゲット１１０間の隙間が最も狭いもの（以下ターボ分子ポンプ１００Ａという）であり、図１３（ｂ）は上記範囲で軸方向センサ１０９及びセンサターゲット１１０間の隙間が最も広いもの（以下ターボ分子ポンプ１００Ｂという）である。また、これら２種類のターボ分子ポンプ１００Ａ、１００Ｂについての軸方向位置Ｚとセンサ出力電圧Ｖの関係を図１４に示す。
【００３２】
図１３、図１４において、軸方向の隙間が最も狭いターボ分子ポンプ１００Ａでは、ロータ軸１１３が軸方向センサ１０９に対して最も近いときの最近接位置Ｚａ１が、Ａ／Ｄ変換器１５４の特性から決まる軸方向位置Ｚの最小値Ｚｍｉｎと余裕Ｚｔ１を残して略一致する。そして、このターボ分子ポンプ１００Ａでは、ロータ軸１１３の最近接位置Ｚａ１から可動ストロークＬａの範囲で可動し、最遠隔位置Ｚａ２まで動き得る。これにより、センサ出力電圧Ｖは電圧変化量ΔＶａだけ変化し得る。
【００３３】
このとき、ロータ軸１１３の最近接位置Ｚａ１及び最遠隔位置Ｚａ２は、ロータ軸１１３、金属ディスク１１１及びベアリング１２０等の配置で決まる位置であり、図１０に示すように、最近接位置Ｚａ１はロータ軸１１３及びベアリング１２０間の隙間１３７が無くなった状態であり、最遠隔位置Ｚａ２はベアリング１２０及び金属ディスク１１１の隙間１３８が無くなった状態である。
【００３４】
一方、軸方向の隙間が最も広いターボ分子ポンプ１００Ｂでは、ロータ軸１１３が軸方向センサ１０９に対して最も遠いときの最遠隔位置Ｚｂ２が、Ａ／Ｄ変換器１５４の特性から決まる軸方向位置Ｚの最大値Ｚｍａｘと若干の余裕Ｚｔ２を残して略一致する。そして、このターボ分子ポンプ１００Ｂでは、ロータ軸１１３の最遠隔位置Ｚｂ２から可動ストロークＬｂの範囲で可動し、最近接位置Ｚｂ１まで動き得る。これにより、センサ出力電圧Ｖは電圧変化量ΔＶｂだけ変化し得る。このターボ分子ポンプ１００Ｂの最近接位置Ｚｂ１、最遠隔位置Ｚｂ２も、ロータ軸１１３、金属ディスク１１１及びベアリング１２０等の配置で決まる。
【００３５】
なお、ロータ軸１１３の可動ストロークＬａ、Ｌｂも、ロータ軸１１３、金属ディスク１１１及びベアリング１２０等の配置により複数のターボ分子ポンプ１００、１００、…間でバラツキ得るが、図１４では簡単のためＬａ＝Ｌｂとしている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３６】
ところで、軸方向の隙間が狭いターボ分子ポンプ１００Ａにおいて、可動ストロークＬａあたりのセンサ出力電圧Ｖの電圧変化量ΔＶａを分解能Ｒａと定義すると、Ｒａ＝ΔＶａ／Ｌａとなる。一方、軸方向の隙間が広いターボ分子ポンプ１００Ｂで分解能Ｒｂを定義すると、Ｒｂ＝ΔＶｂ／Ｌｂとなる。この分解能Ｒａ、Ｒｂは、センサ出力電圧Ｖの微分値ｄＶ／ｄＺの可動ストロークＬａ、Ｌｂにおける平均値を示している。
【００３７】
このとき、センサ出力電圧Ｖは、ロータ軸１１３の軸方向位置Ｚが最小値Ｚｍｉｎ〜最大値Ｚｍａｘにあるときに、ロータ軸１１３の軸方向位置Ｚの二乗に反比例する（Ｖ∝１／Ｚ2）ため、ロータ軸１１３の軸方向位置Ｚが最小値Ｚｍｉｎに近い方がセンサ出力電圧Ｖの微分値ｄＶ／ｄＺは大きくなり、軸方向位置Ｚが最小値Ｚｍｉｎから離れると微分値ｄＶ／ｄＺは小さくなってしまう。
【００３８】
従って、軸方向の隙間が広いターボ分子ポンプ１００Ｂの分解能Ｒｂは、軸方向の隙間が狭いターボ分子ポンプ１００Ａの分解能Ｒａよりも低くなるおそれがあった。このため、ロータ軸１１３に同じ変位ΔＺが発生したとしてもターボ分子ポンプ１００Ｂの電圧変化量ΔＶｂはターボ分子ポンプ１００Ａの電圧変化量ΔＶａよりも小さくなり、ターボ分子ポンプ１００Ｂでは微小なロータ軸１１３の変位ΔＺを検出し難くなって、ロータ軸１１３の制御性が悪かった。
【００３９】
従って、軸方向の隙間が広いターボ分子ポンプ１００Ｂでは、軸方向の隙間が狭いターボ分子ポンプ１００Ａに比べ、ロータ軸１１３が大きく振動するおそれがあった。また、これによりターボ分子ポンプ１００Ｂ全体が振動し、チャンバ内の作業に支障を来すおそれがあった。さらに、回転体１０３が大きく振動するので、回転体１０３自身や軸方向電磁石１０６からの発熱が多くなって、無駄なエネルギーを消費するおそれがあった。また、回転体１０３の振動により回転翼１０２等が破損するおそれがあった。
【００４０】
さらに、軸方向の隙間が狭いターボ分子ポンプ１００Ａでは、さらに低振動となるように磁気軸受制御部１５０の調整等ができるにもかかわらず、制御性の低い軸方向の隙間が広いターボ分子ポンプ１００Ｂとの双方に適用できるように磁気軸受制御部１５０の調整等を行っていた。そのため、ターボ分子ポンプ１００Ａにとっては、最適な調整とはいえなかった。
【００４１】
これに対し、軸方向の隙間が広いターボ分子ポンプ１００Ｂ等にロータ軸１１３の軸方向位置Ｚを機械的に調整する機構（図示略）等を別途設けてロータ軸１１３の軸方向位置バラツキを低減させることも考えられるが、この場合調整機構には高精度かつ複雑な機構が必要となるため部品コストが上昇するおそれがあった。また、製造工程でロータ軸１１３の軸方向位置調整を行う工程を追加する必要があるため製造コストが増加するおそれがあった。
【００４２】
加えて、通常ターボ分子ポンプ１００は、垂直（吸気口１０１を重力方向逆側に向けた状態）、倒立（吸気口１０１を重力方向に向けた状態）及び水平（吸気口１０１を重力方向に対して垂直に向けた状態）等の任意の設置姿勢で動作可能なように設計する必要がある。
【００４３】
このとき、ターボ分子ポンプ１００が垂直姿勢で設置された場合、上側径方向電磁石１０４＋、１０４−、下側径方向電磁石１０５＋、１０５−及び軸方向電磁石１０６＋、１０６−のうち最も強い磁力が必要な電磁石は、ロータ軸１１３への所定の外乱に耐えつつロータ軸１１３を重力方向逆側に吸引する軸方向電磁石１０６−である。これに対し、他の電磁石１０４＋、１０４−、１０５＋、１０５−、１０６＋では、外乱に耐え得る程度の磁力だけ発生できれば良いため、軸方向電磁石１０６−ほどの強い磁力は必要ではない。
【００４４】
また、これと同様に、ターボ分子ポンプ１００が倒立姿勢で設置された場合には、ロータ軸１１３を重力方向逆側に吸引する軸方向電磁石１０６＋で強い磁力を必要とするが、他の電磁石１０４＋、１０４−、１０５＋、１０５−、１０６−では強い磁力は必要でない。さらに、ターボ分子ポンプ１００が水平姿勢で設置された場合にも、径方向電磁石１０４＋、１０４−、１０５＋、１０５−で強い磁力を必要とするが、他の軸方向電磁石１０６＋、１０６−では強い磁力は必要でない。
【００４５】
このように、ターボ分子ポンプ１００の設置姿勢に応じて、電磁石１０４＋、１０４−、１０５＋、１０５−、１０６＋、１０６−のうち強い磁力を必要とする電磁石と、強い磁力を必要としない電磁石とに分けることができる。
しかしながら、従来のターボ分子ポンプ１００では任意の設置姿勢でロータ軸１１３を浮上可能にするため、各電磁石１０４＋、１０４−、１０５＋、１０５−、１０６＋、１０６−に対して常に強い磁力を発生し得る浮上定数Ｆ（図１１の浮上定数設定部１６１で設定される）が設定されていた。
【００４６】
そのため、ターボ分子ポンプ１００の設置姿勢が特定されている場合（例えば垂直姿勢で設置されることが明らかな場合）でも、ロータ軸１１３を重力方向逆側に吸引しない電磁石（例えば電磁石１０４＋、１０４−、１０５＋、１０５−、１０６＋）で必要以上に強い磁力が発生され、ロータ軸１１３が振動するおそれがあった。このため、ターボ分子ポンプ１００全体が振動しチャンバ内の作業に支障を来すおそれがあった。また、回転体１０３が大きく振動するので、回転体１０３自身や軸方向電磁石１０６からの発熱が多く、無駄なエネルギーを消費するおそれがあった。
【００４７】
本発明はこのような従来の課題に鑑みてなされたもので、ロータ軸の軸方向位置バラツキに伴うロータ軸の制御性の悪化を防ぎ、特定の設置姿勢において最適な磁力でロータ軸の位置制御を行うことで、振動を低減させることのできる磁気軸受装置及び該磁気軸受装置を搭載したターボ分子ポンプを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００４８】
このため本発明は、磁気軸受装置に関し、電磁石により浮上支持される回転体と、該回転体の軸方向位置を検出する軸方向位置センサと、該軸方向位置センサのセンサ出力電圧及び前記回転体の軸方向位置の関係を表す特性曲線が調整可能な特性曲線調整手段と、前記センサ出力電圧の上限値を規定し、前記特性曲線調整手段の出力をデジタル変換するデジタル変換手段と、該デジタル変換手段の出力に基づき前記電磁石を制御する軸方向制御手段と、前記回転体の径方向位置を検出する径方向位置センサと、該径方向位置センサの出力に基づき前記電磁石を制御する径方向制御手段と、前記回転体の重力方向に対する姿勢を検出する姿勢検出手段と、前記軸方向制御手段及び前記径方向制御手段での前記制御に必要な定数を保存する定数保存手段と、前記姿勢検出手段で検出された回転体の姿勢に応じて前記定数保存手段で保存された定数を設定する定数設定手段とを備え、前記特性曲線調整手段では、前記回転体に設けられたターゲットが前記軸方向位置センサに最も近づいたときの該回転体の最近接位置Ｚｂ１が、前記特性曲線の上限値から決められる前記回転体の軸方向位置の最小値Ｚｍｉｎよりも大きく、かつ該回転体の最近接位置Ｚｂ１及び該軸方向位置の最小値Ｚｍｉｎ間が最も狭くなるように前記特性曲線が調整されることを特徴とする。
【００４９】
複数の磁気軸受装置においては、回転体の軸方向位置に製造バラツキを有する場合がある。そのため、特性曲線調整手段により、回転体の最近接位置Ｚｂ１が特性曲線の上限値から決められる回転体の軸方向位置の最小値Ｚｍｉｎよりも大きく、かつ回転体の最近接位置Ｚｂ１及び軸方向位置の最小値Ｚｍｉｎ間が最も狭くなるように特性曲線の調整を行うことで、最適な特性曲線とすることができるので、軸方向の隙間が広い磁気軸受装置においても分解能を高めることができる。
このことにより、磁気軸受装置による回転体の制御性を改善できるので、回転体の振動を低減できる。また、回転体の振動を減らせるので、回転体自身や電磁石等からの発熱を減らし、エネルギーロスを少なくできる。
【００５０】
一方、磁気軸受装置は、回転体がどのような姿勢でも浮上支持可能とする必要がある。しかしながら、回転体の姿勢が特定されている場合には、強い磁力を必要とする電磁石と、強い磁力を必要としない電磁石とに分けることができる。そのため、姿勢検出手段で検出された回転体の姿勢に応じて、軸方向制御手段及び径方向制御手段の制御に必要な定数を変更することで、強い磁力を必要とする電磁石から発生される磁力は強くして、強い磁力を必要としない電磁石から発生される磁力を弱めることができる。
これにより、回転体の姿勢が特定されている場合の回転体の振動を低減できる。また、回転体の振動を減らせるので、回転体自身や磁石等からの発熱を減らし、エネルギーロスを少なくできる。
【００５１】
以上により、回転体の軸方向位置バラツキに伴う回転体の制御性の悪化を防ぎ、かつ特定の姿勢において最適な磁力で回転体の浮上を行うことで、回転体に生じる振動を低減させることができる。
【００５２】
また、本発明は、磁気軸受装置に関し、電磁石により浮上支持される回転体と、該回転体の軸方向位置を検出する軸方向位置センサと、該軸方向位置センサのセンサ出力電圧及び前記回転体の軸方向位置の関係を表す特性曲線が調整可能な特性曲線調整手段と、前記センサ出力電圧の上限値を規定し、前記特性曲線調整手段の出力をデジタル変換するデジタル変換手段と、該デジタル変換手段の出力に基づき前記電磁石を制御する軸方向制御手段とを備え、前記特性曲線調整手段では、前記回転体に設けられたターゲットが前記軸方向位置センサに最も近づいたときの該回転体の最近接位置Ｚｂ１が、前記特性曲線の上限値から決められる前記回転体の軸方向位置の最小値Ｚｍｉｎよりも大きく、かつ該回転体の最近接位置Ｚｂ１及び該軸方向位置の最小値Ｚｍｉｎ間が最も狭くなるように前記特性曲線が調整されることを特徴とする。
【００５３】
特性曲線調整手段により、最適な特性曲線とすることができるので、軸方向の隙間が広い磁気軸受装置においても分解能を高めることができる。従って、回転体の軸方向位置バラツキに伴う回転体の制御性の悪化を防ぐことができ、回転体に発生する振動を低減させることができる。
【００５４】
さらに、本発明は、磁気軸受装置に関し、電磁石により浮上支持される回転体と、該回転体の軸方向位置を検出する軸方向位置センサと、該軸方向位置センサに基づき前記電磁石を制御する軸方向制御手段と、前記回転体の径方向位置を検出する径方向位置センサと、該径方向位置センサの出力に基づき前記電磁石を制御する径方向制御手段と、前記回転体の重力方向に対する姿勢を検出する姿勢検出手段と、前記軸方向制御手段及び前記径方向制御手段での前記制御に必要な定数を保存する定数保存手段と、前記姿勢検出手段で検出された回転体の姿勢に応じて前記定数保存手段で保存された定数を設定する定数設定手段とを備えて構成した。
【００５５】
姿勢検出手段で検出された回転体の姿勢に応じて定数を変更することで、強い磁力を必要とする電磁石から発生される磁力は強くして、強い磁力を必要としない電磁石から発生される磁力を弱めることができる。従って、回転体の姿勢が特定されている場合の回転体の振動を低減できる。
【００５６】
さらに、本発明は、磁気軸受装置に関し、前記特性曲線調整手段は変更可能な一の特性曲線を有し、該一の特性曲線が変更されることで前記特性曲線の調整が行われることを特徴とする。
【００５７】
特性曲線調整手段では、軸方向の隙間が広い磁気軸受装置においても分解能を高めることができるようにその特性曲線が変更される。従って、回転体の制御性を改善できる。
【００５８】
さらに、本発明は、磁気軸受装置に関し、前記特性曲線調整手段は変更不可能な複数の特性曲線を有し、該複数の特性曲線のうち一の特性曲線が選択されることで前記特性曲線の調整が行われることを特徴とする。
【００５９】
特性曲線調整手段では、軸方向の隙間が広い磁気軸受装置においても分解能を高めることができるように複数の特性曲線から一の特性曲線が選択される。従って、回転体の制御性を改善できる。
【００６０】
さらに、本発明は、磁気軸受装置に関し、前記特性曲線調整手段は、それぞれ異なる感度毎に前記センサ出力電圧及び前記軸方向位置の関係を表す特性曲線を複数有し、該感度を変更又は切り替えることで、前記回転体の最近接位置Ｚｂ１での前記センサ出力電圧が前記上限値を下回る感度が設定されることを特徴とする。
【００６１】
上記により感度を設定することで、回転体の最近接位置Ｚｂ１が特性曲線の上限値から決められる回転体の軸方向位置の最小値Ｚｍｉｎよりも大きく、かつ回転体の最近接位置Ｚｂ１及び軸方向位置の最小値Ｚｍｉｎ間が最も狭くなる。従って、軸方向の隙間が広い磁気軸受装置においても分解能を高めることができ、回転体の制御性を改善できる。
【００６２】
さらに、本発明は、磁気軸受装置に関し、前記姿勢検出手段では、前記軸方向制御手段により制御される電磁石及び前記径方向制御手段により制御される電磁石のそれぞれに流れる電流に基づき、前記回転体の姿勢を検出することを特徴とする。
【００６３】
ある電磁石に規定値以上の電流が流れているか否かを判断することで、その電磁石が回転体を重力方向逆側に吸引しているか否かが判断できる。従って、この電磁石が回転体に及ぼす吸引力の向きが、重力方向逆側であると判断できる。このことにより、回転体の重力方向に対する姿勢を検出することができる。
【００６４】
さらに、本発明は、磁気軸受装置を搭載したターボ分子ポンプであって、前記回転体は、回転翼及び該回転翼の中央に配設されたロータ軸を有し、前記各電磁石は、該ロータ軸を空中に磁気浮上させることを特徴とする。
【００６５】
上記磁気軸受装置により、回転体の低振動化が可能である。従って、この磁気軸受装置を搭載した低振動なターボ分子ポンプを提供できる。
【発明の効果】
【００６６】
以上説明したように本発明によれば、回転体の最近接位置Ｚｂ１が特性曲線の上限値から決められる回転体の軸方向位置の最小値Ｚｍｉｎよりも大きく、かつ回転体の最近接位置Ｚｂ１及び軸方向位置の最小値Ｚｍｉｎ間が最も狭くなるように特性曲線の調整を行う特性曲線調整手段を備えて構成したので、軸方向の隙間が広い磁気軸受装置においても分解能を高めることができる。従って、回転体の軸方向位置バラツキに伴う回転体の制御性の悪化を防ぐことができ、回転体に発生する振動を低減させることができる。
【００６７】
また、回転体の姿勢を検出する姿勢検出手段と、この回転体の姿勢に応じて電磁石の制御に必要な定数を設定する定数設定手段とを備えて構成したので、強い磁力を必要とする電磁石から発生される磁力は強くして、強い磁力を必要としない電磁石から発生される磁力を弱めることができる。従って、回転体の姿勢が特定されている場合の回転体の振動を低減できる。
【００６８】
さらに、特性曲線調整手段や定数設定手段等を有する磁気軸受装置を搭載したターボ分子ポンプを構成したので、ターボ分子ポンプの低振動化が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６９】
以下、本発明の第１実施形態について説明する。
本発明の第１実施形態である磁気軸受制御部のブロック図を図１に示す。なお、図１１と同一要素のものについては同一符号を付して説明は省略する。
図１において、軸方向電磁石１０６を制御する磁気軸受制御部２５０は、感度記憶部２８１を有している。この感度記憶部２８１には、センサ信号アンプ部２５２で行うセンサ感度調整用のセンサ感度が記憶されており、このセンサ感度は後述するセンサ感度の自動設定（感度設定動作）を行うことで感度記憶部２８１に保存されるようになっている。ここでセンサ信号アンプ部２５２で行うセンサ感度調整とは、センサ信号アンプ部２５２のゲイン値等を調整することをいう。
【００７０】
そして、感度記憶部２８１では記憶されたセンサ感度を感度切替部２８３に出力するようになっており、感度切替部２８３ではこの出力に応じて切り替えを行いセンサ信号アンプ部２５２に出力するようになっている。センサ信号アンプ部２５２では、センサ信号に対して感度記憶部２８１に記憶されたセンサ感度に応じたセンサ感度調整を行って、感度調整後のセンサ出力電圧Ｖを有するセンサ出力信号１５３をＡ／Ｄ変換器１５４に出力するようになっている。
【００７１】
かかる構成において、軸方向の隙間が狭いターボ分子ポンプ１００Ａ（図１３（ａ））の場合、感度記憶部２８１では、後述するセンサ感度の自動設定により、従来のセンサ信号アンプ部１５２と同じセンサ感度が記憶される。これにより、ターボ分子ポンプ１００Ａにおける軸方向位置Ｚとセンサ出力電圧Ｖの関係は従来（図１４）と同様になる。
【００７２】
一方、軸方向の隙間が広いターボ分子ポンプ１００Ｂ（図１３（ｂ））の場合、このターボ分子ポンプ１００Ｂにおけるセンサ感度は次のように設定される。ターボ分子ポンプ１００Ｂにおける軸方向位置Ｚとセンサ出力電圧Ｖの関係を図２に示す。
【００７３】
図２において、感度記憶部２８１のセンサ感度を従来のセンサ信号アンプ部１５２のセンサ感度よりも高くすると、図１４に示した曲線１９６のセンサ出力電圧Ｖが増幅される。そのため、軸方向位置Ｚとセンサ出力電圧Ｖの関係は曲線１９６を増幅した曲線２９６に乗る。
【００７４】
一方、この増幅されたセンサ出力電圧Ｖに対しては、Ａ／Ｄ変換器１５４の特性から決まる上限値１９７等が存在するため、ロータ軸１１３の軸方向位置Ｚには最小値Ｚｍｉｎが存在する。ただし、この最小値Ｚｍｉｎは、曲線１９６のセンサ出力電圧Ｖが増幅されるため、図１４に示した最小値Ｚｍｉｎよりも大きな値となる。
【００７５】
加えて、センサ出力電圧Ｖはロータ軸１１３の軸方向位置Ｚの二乗に反比例する（Ｖ∝１／Ｚ2）ため、ロータ軸１１３の軸方向位置Ｚが最小値Ｚｍｉｎに近い方が、センサ出力電圧Ｖの微分値ｄＶ／ｄＺは大きくなり分解能Ｒｂ（Ｒｂ＝ΔＶｂ／Ｌｂ）が高くなる。
【００７６】
以上を考慮すれば、軸方向の隙間が広いターボ分子ポンプ１００Ｂに対しては、その最近接位置Ｚｂ１が上記Ａ／Ｄ変換器１５４の上限値１９７から決まる最小値Ｚｍｉｎと略一致するように、センサ信号アンプ部２５２のセンサ感度を設定すれば、図２に示すようにその分解能Ｒｂ（Ｒｂ＝ΔＶｂ／Ｌｂ）を従来よりも高めることができる。
【００７７】
これにより、ターボ分子ポンプ１００Ｂにおけるロータ軸１１３の制御性を改善できるので、ターボ分子ポンプ１００Ｂでのロータ軸１１３の振動を低減できる。また、ターボ分子ポンプ１００Ｂ全体の振動も低減させることができる。さらに、回転体１０３の振動を減らせるので、回転体１０３自身や軸方向電磁石１０６からの発熱を減らし、エネルギーロスを少なくできる。また、回転体１０３の振動による回転翼１０２等の破損のおそれもなくなる。
【００７８】
ここで、上述したセンサ感度の自動設定（感度設定動作）について説明する。この感度設定動作は、例えばターボ分子ポンプ１００の本体側と制御装置側とが組み合わされたときに通常行われるロータ軸１１３の浮上調整時等に行われる。この感度設定動作に必要な磁気軸受制御部２５０の回路ブロックを図３に示す。
【００７９】
図３において、磁気軸受制御部２５０は、感度設定部２８５を有している。この感度設定部２８５ではセンサ感度を示す信号を感度切替部２８３に出力するようになっており、感度切替部２８３ではこの出力に応じて切り替えを行いセンサ信号アンプ部２５２に出力するようになっている。この感度設定部２８５から出力される信号は、センサ信号アンプ部２５２のセンサ感度を強制的に変更可能な信号であり、感度設定部２８５からは複数のセンサ感度に対応する信号が出力されている。
【００８０】
また、この感度設定部２８５では、異なるセンサ感度を有する信号を出力する毎にＡ／Ｄ変換器１５４から出力されたデジタルセンサ信号１５５を確認するようになっており、このデジタルセンサ信号１５５に基づいて、センサ出力信号１５３（センサ出力電圧Ｖ）を調整するようになっている。この際には、センサ出力信号１５３（センサ出力電圧Ｖ）が図２等に示した上限値１９７を超えて飽和しているか否かを判断するようになっている。そして、このセンサ出力電圧Ｖが飽和しているか否かの判断に基づき、感度設定部２８５はそのとき出力しているセンサ感度を感度記憶部２８１に保存するようになっている。
【００８１】
かかる構成において、感度設定動作の作業フローについて説明する。感度設定動作の作業フローを示したフローチャートを図４に示す。
図４において、ステップ１０１（図中Ｓ１０１と示す、以下同旨）では、軸方向位置Ｚが最近接位置となるように、ロータ軸１１３が移動される。例えば、図１３に示した軸方向の隙間が狭いターボ分子ポンプ１００Ａでは最近接位置Ｚａ１に、軸方向の隙間が広いターボ分子ポンプ１００Ｂでは最近接位置Ｚｂ１に移動される。
【００８２】
そして、ステップ１０３では、感度設定部２８５から出力するセンサ感度が、感度設定部２８５の有する最大のセンサ感度とされる。このとき、センサ信号アンプ部２５２では、軸方向センサ１０９からのセンサ信号に対して最大のセンサ感度により感度調整を行って、感度調整後のセンサ出力電圧ＶをＡ／Ｄ変換器１５４に出力する。そして、Ａ／Ｄ変換器１５４は、このセンサ出力電圧Ｖをデジタル変換してデジタルセンサ信号１５５を出力する。なお、センサ感度が最大の感度とされた場合には、軸方向位置Ｚとセンサ出力電圧Ｖの関係は図２に示すように曲線３９６に乗る（上述した曲線２９６よりもさらにセンサ出力電圧Ｖが増幅される）。
【００８３】
ステップ１０５では、デジタルセンサ信号１５５を感度設定部２８５で確認することで、Ａ／Ｄ変換器１５４に入力されるセンサ出力電圧Ｖが上限値１９７を超えて飽和しているか否かが判断される。すなわち、図２に示すようにロータ軸１１３の最近接位置Ｚｂ１と曲線３９６との交点３９９が、上限値１９７を超えているか否かが判断される。なお、ステップ１０３でセンサ感度が最大とされた状態では、センサ出力電圧Ｖは通常飽和する。
【００８４】
そして、ステップ１０５でセンサ出力電圧Ｖが飽和していると判断された場合には、ステップ１０７において、感度設定部２８５で次に低いセンサ感度（曲線３９６を曲線２９６に近づけるような感度）を出力する。その後、もう一度ステップ１０５を行う。このステップ１０５、１０７を繰り返すことで感度設定部２８５からのセンサ感度が低くなる。
【００８５】
そして、センサ感度が低くなって、ステップ１０５でセンサ出力電圧Ｖが飽和していないと判断された場合には、ステップ１０９において、そのときのセンサ感度を感度記憶部２８１に保存する。
ここで、ステップ１０９で保存されるセンサ感度は、ターボ分子ポンプ１００が最近接位置Ｚａ１、Ｚｂ１にあるとき（ステップ１０１）の、センサ出力電圧Ｖが飽和しなくなった直後のセンサ感度である。そのため、ターボ分子ポンプ１００の最近接位置Ｚａ１、Ｚｂ１は、上記Ａ／Ｄ変換器１５４の上限値１９７から決まる軸方向位置Ｚの最小値Ｚｍｉｎと略一致するようになる。
【００８６】
従って、軸方向の隙間が広いターボ分子ポンプ１００Ｂでも、その分解能Ｒｂを従来よりも高めることができる。このことから、上記の感度設定動作を行うことで、ターボ分子ポンプ１００Ａ、１００Ｂ間のロータ軸１１３の軸方向位置Ｚの製造バラツキに伴う分解能Ｒａ、Ｒｂの差を減らすことができるので、ターボ分子ポンプ１００Ｂでのロータ軸１１３の制御性を改善できる。
【００８７】
なお、本実施形態においては、感度記憶部２８１等により、センサ信号アンプ部２５２で行う感度調整に用いるセンサ感度を変更するとして説明してきたが、これに限られず、センサ信号アンプ部を複数個用意して、これを切り替えても良い。
【００８８】
この場合、図５に示すように、センサ信号アンプ部１９０Ａ、１９０Ｂ、１９０Ｃ、…には、それぞれに異なりかつ固定されたセンサ感度が設定されている。このセンサ信号アンプ部１９０Ａ、１９０Ｂ、１９０Ｃ、…からは、異なるセンサ出力電圧Ｖを有するセンサ出力信号１９１Ａ、１９１Ｂ、１９１Ｃ、…がスイッチ部１９２に入力されている。そして、スイッチ部１９２では、感度記憶部２８１等からの制御に基づいてセンサ出力信号１９１Ａ、１９１Ｂ、１９１Ｃ、…のうち一の信号を選択し、これをスイッチ出力信号１９３としてＡ／Ｄ変換器１５４に出力するようになっている。このとき、スイッチ部１９２では、上述したように軸方向の隙間が広いターボ分子ポンプ１００Ｂでも分解能Ｒｂを高めることができるようなセンサ感度を有するセンサ出力信号１９１を選択する。
【００８９】
一方、センサ出力信号１９１を選択するための感度設定動作（回路ブロックを図６に示す）では、図４のステップ１０３及びステップ１０７において、センサ感度の最も高いセンサ信号アンプ部１９０Ａ、１９０Ｂ、１９０Ｃ、…から段々に低いセンサ信号アンプ部１９０Ａ、１９０Ｂ、１９０Ｃ、…に切り替えられる。また、ステップ１０５において、デジタルセンサ信号１５５の確認を行うことで、スイッチ部１９２で選択したセンサ出力信号１９１のセンサ出力電圧Ｖが飽和しているか否かが判断される。そして、ステップ１０９において、センサ出力電圧Ｖが飽和しなくなったときのセンサ出力信号１９１（センサ出力信号１９１Ａ、１９１Ｂ、１９１Ｃ、…のうちのいずれか）の情報等を感度記憶部２８１に保存する。
【００９０】
これにより、図１、図３と異なる磁気軸受制御部を用いても、感度設定動作を行い軸方向の隙間が広いターボ分子ポンプ１００Ｂの分解能Ｒｂを高めることができる。従って、ロータ軸１１３の制御性を高めて、ターボ分子ポンプ１００の振動を低減できる。
【００９１】
次に、本発明の第２実施形態について説明する。
第１実施形態である磁気軸受制御部２５０はロータ軸１１３の軸方向位置バラツキに伴うロータ軸１１３の制御性の悪化を防ぐことで、ターボ分子ポンプ１００の振動を低減させるものであったが、本実施形態である磁気軸受制御部は特定の設置姿勢において最適な磁力でロータ軸１１３の位置制御を行うことでターボ分子ポンプ１００の振動を低減させるものである。
【００９２】
本発明の第２実施形態である磁気軸受制御部のブロック図を図７に示す。なお、図１と同一要素のものについては同一符号を付して説明は省略する。
図７において、磁気軸受制御部３５０の浮上制御部１５６には、浮上定数切替部３６１から浮上定数信号３６２が出力されている。
【００９３】
そして、この浮上定数切替部３６１には、ターボ分子ポンプ１００がどのような姿勢で設置された場合でもロータ軸１１３を浮上可能な浮上定数Ｆが設定された任意姿勢浮上定数設定部３６３、垂直姿勢で最適な浮上定数Ｆが設定された垂直姿勢浮上定数設定部３６４、倒立姿勢で最適な浮上定数Ｆが設定された倒立姿勢浮上定数設定部３６５、及び水平姿勢で最適な浮上定数Ｆが設定された水平姿勢浮上定数設定部３６６のそれぞれから、各浮上定数Ｆを示す浮上定数信号３６８、３６９、３７０、３７１が入力されている。
【００９４】
このとき、任意姿勢浮上定数設定部３６３では、従来の浮上定数設定部１６１で設定されていた浮上定数Ｆと同様に、各電磁石１０４＋、１０４−、１０５＋、１０５−、１０６＋、１０６−に対して常に強い磁力を発生し得る浮上定数Ｆ（以下浮上定数Ｆｓという）が設定されている。
【００９５】
これに対し、垂直姿勢浮上定数設定部３６４では、垂直姿勢で強い磁力を必要とする軸方向電磁石１０６−に対しては強い磁力を発生し得る浮上定数Ｆｓが設定され、他の電磁石１０４＋、１０４−、１０５＋、１０５−、１０６＋に対しては所定の外乱に耐え得る程度の弱い磁力のみを発生し得る浮上定数Ｆ（以下浮上定数Ｆｗという）が設定されている。このとき、浮上定数Ｆｗは、強い磁力を発生し得る浮上定数Ｆｓに対して、例えば浮上制御部１５６でのＰＩＤ調節のＰ値を小さくした定数や、電磁石励磁部１５８を介して軸方向電磁石１０６等に流す電磁石電流の定常電流値を小さくするようにゲイン等のパラメータを変えた定数等となっている。
【００９６】
さらに、倒立姿勢浮上定数設定部３６５では、倒立姿勢で強い磁力を必要とする軸方向電磁石１０６＋に対して浮上定数Ｆｓが設定され、他の電磁石１０４＋、１０４−、１０５＋、１０５−、１０６−に対しては浮上定数Ｆｗが設定されている。また、水平姿勢浮上定数設定部３６６では、水平姿勢で強い磁力を必要とする径方向電磁石１０４＋、１０４−、１０５＋、１０５−に対して浮上定数Ｆｓが設定され、他の軸方向電磁石１０６＋、１０６−に対しては浮上定数Ｆｗが設定されている。
【００９７】
そして、各浮上定数信号３６８、３６９、３７０、３７１が入力された浮上定数切替部３６１に対しては、さらに設置姿勢記憶部３７３からターボ分子ポンプ１００の設置姿勢を示す設置姿勢信号３７４が入力されている。この設置姿勢信号３７４では、ターボ分子ポンプ１００が垂直姿勢である旨、倒立姿勢である旨、水平姿勢である旨及びこれら以外で設置姿勢が特定不能である旨のいずれかが設定されている。この設置姿勢は、後述するターボ分子ポンプ１００の設置姿勢の自動検出（設置姿勢検出動作）を行うことで設置姿勢記憶部３７３に記憶されるようになっている。そして、浮上定数切替部３６１ではこの設置姿勢信号３７４に基づいて、浮上定数信号３６８、３６９、３７０、３７１のうちの一の信号を選択し、この選択した信号を浮上定数信号３６２として出力するようになっている。
なお、この浮上制御部１５６、浮上定数切替部３６１及び浮上定数設定部３６３、…３６６等はハードウェアで構成される場合に限られず、ソフトウェアで構成されても良い。
【００９８】
さらに、浮上定数切替部３６１には、切替抑制部３７５から抑制信号３７６が入力されている。この抑制信号３７６は、ターボ分子ポンプ１００の利用状況に応じて耐外乱性を重視する場合を想定し、浮上定数切替部３６１での浮上定数信号３６８、３６９、３７０、３７１の切り替えを非活性化し、任意姿勢浮上定数設定部３６３からの浮上定数信号３６８を選択するように設定されている。
【００９９】
かかる構成において、設置姿勢記憶部３７３から出力された設置姿勢信号３７４が垂直姿勢である旨の場合には、浮上定数切替部３６１では垂直姿勢浮上定数設定部３６４からの浮上定数信号３６９を選択し、これを浮上定数信号３６２として浮上制御部１５６に出力する。これにより、ターボ分子ポンプ１００が垂直姿勢であるときに最適な浮上定数Ｆでロータ軸１１３が浮上制御される。
【０１００】
また、設置姿勢信号３７４が倒立姿勢である旨の場合には、浮上定数切替部３６１では倒立姿勢浮上定数設定部３６５からの浮上定数信号３７０を選択し、これを浮上制御部１５６に出力する。これにより、倒立姿勢であるときに最適な浮上定数Ｆでロータ軸１１３が浮上制御される。
【０１０１】
さらに、設置姿勢信号３７４が水平姿勢である旨の場合には、浮上定数切替部３６１では水平姿勢浮上定数設定部３６６からの浮上定数信号３７１を選択し、これを浮上制御部１５６に出力する。これにより、水平姿勢であるときに最適な浮上定数Ｆでロータ軸１１３が浮上制御される。
なお、設置姿勢記憶部３７３に、設置姿勢信号３７４が上記以外で特定不能である旨が記憶されている場合には、任意姿勢浮上定数設定部３６３からの浮上定数信号３６８を選択して、従来と同様の浮上定数Ｆによりロータ軸１１３を浮上制御する。
【０１０２】
このように、ターボ分子ポンプ１００が垂直姿勢、倒立姿勢及び水平姿勢のいずれかの設置姿勢の場合には、浮上制御部１５６に各設置姿勢で最適な浮上定数Ｆが入力されるため、ロータ軸１１３を重力方向逆側に吸引する電磁石にのみ（例えば垂直姿勢の場合には電磁石１０６−）強い磁力が発生され、ロータ軸１１３を重力方向逆側に吸引しない電磁石（例えば垂直姿勢の場合には電磁石１０４＋、１０４−、１０５＋、１０５−、１０６＋）で必要以上に強い磁力が発生されることはない。
【０１０３】
従って、ターボ分子ポンプ１００の設置姿勢が特定されている場合のロータ軸１１３の振動を低減できる。また、これによりターボ分子ポンプ１００Ｂ全体の振動を低減させることができる。さらに、回転体１０３の振動を減らせるので、回転体１０３自身や軸方向電磁石１０６からの発熱を減らし、エネルギーロスを少なくできる。また、回転体１０３の振動による回転翼１０２等の破損のおそれもなくなる。
【０１０４】
ここで、上述したターボ分子ポンプ１００の設置姿勢の自動検出（設置姿勢検出動作）について説明する。この設置姿勢検出動作に必要な磁気軸受制御部３５０の回路ブロックを図８に示す。
図８において、磁気軸受制御部３５０は、設置姿勢検出部３７７を有している。この設置姿勢検出部３７７は、電磁石励磁部１５８及び各電磁石１０４、１０５、１０６間に流れる電磁石電流の大きさを検出するようになっている。そして、設置姿勢検出部３７７は、この電磁石電流からターボ分子ポンプ１００の設置姿勢を検出し、検出後のターボ分子ポンプ１００の設置姿勢を設置姿勢記憶部３７３に保存するようになっている。このとき、浮上定数切替部３６１では、浮上定数信号３６８、３６９、３７０、３７１の切り替えが非活性化され、任意姿勢浮上定数設定部３６３からの浮上定数信号３６８が浮上定数切替部３６１を介して浮上制御部１５６に出力されるようになっている。
【０１０５】
かかる構成において、設置姿勢検出動作の作業フローについて説明する。設置姿勢検出動作の作業フローを示したフローチャートを図９に示す。
図９において、ステップ２０１では、浮上定数切替部３６１で任意姿勢浮上定数設定部３６３からの浮上定数信号３６８が選択され、これが浮上制御部１５６に出力される。これにより、ターボ分子ポンプ１００がどのような姿勢で設置された場合でも、ロータ軸１１３を浮上させて設置姿勢検出動作を行うことが可能となる。
【０１０６】
次に、ステップ２０３では、設置姿勢検出部３７７において上側径方向電磁石１０４及び下側径方向電磁石１０５に流れる電磁石電流が浮上時規定値未満であるか否かが判断される。このステップ２０３での電磁石電流の浮上時規定値は、およそターボ分子ポンプ１００が水平姿勢にあるときに、いずれかの径方向電磁石１０４＋、１０４−、１０５＋、１０５−でロータ軸１１３を浮上させるのに必要最低限の電磁石電流の大きさを示している。
【０１０７】
この結果、ステップ２０３で上側径方向電磁石１０４及び下側径方向電磁石１０５に流れる電磁石電流が浮上時規定値未満である場合には、いずれの径方向の電磁石１０４＋、１０４−、１０５＋、１０５−でもロータ軸１１３を浮上させるほどの強い磁力は必要ではないと判断できるので、ターボ分子ポンプ１００は水平姿勢ではないと判断される。一方、ステップ２０３で上側径方向電磁石１０４又は下側径方向電磁石１０５に流れる電磁石電流が浮上時規定値未満でない場合には、いずれかの径方向の電磁石１０４＋、１０４−、１０５＋、１０５−でロータ軸１１３を浮上させる程度の強い磁力を必要としている判断できるので、ターボ分子ポンプ１００が水平姿勢である可能性がある。
【０１０８】
そして、ステップ２０３で上側径方向電磁石１０４及び下側径方向電磁石１０５に流れる電磁石電流が浮上時規定値未満である場合には、ターボ分子ポンプ１００が垂直姿勢であるか否か、あるいは倒立姿勢であるか否かが判断される。そのため、ステップ２０５では、−側の軸方向電磁石１０６−に流れる電磁石電流が浮上時規定値以上であるか否かが判断される。このステップ２０５での電磁石電流の浮上時規定値は、およそターボ分子ポンプ１００が垂直姿勢にあるときに、軸方向電磁石１０６−でロータ軸１１３を浮上させるのに必要最低限の電磁石電流の大きさを示している。
【０１０９】
この結果、ステップ２０５で−側の軸方向電磁石１０６−に流れる電磁石電流が浮上時規定値以上である場合には、この軸方向電磁石１０６−で強い磁力を必要としていると判断できるので、ターボ分子ポンプ１００が垂直姿勢である可能性がある。そのため、次のステップ２０７で＋側の軸方向電磁石１０６＋に流れる電磁石電流が傾斜時規定値未満であるか否かが判断される。このステップ２０７での電磁石電流の傾斜時規定値は、ターボ分子ポンプ１００が倒立姿勢からある程度傾いたときに、軸方向電磁石１０６＋でロータ軸１１３を支持するのに必要な電磁石電流の大きさを示している。従って、ある電磁石での傾斜時規定値は、浮上時規定値よりも小さくなる。
【０１１０】
この結果、ステップ２０７で＋側の軸方向電磁石１０６＋に流れる電磁石電流が傾斜時規定値未満である場合には、−側の軸方向電磁石１０６−でのみ強い磁力を必要としていると判断できるので、ステップ２０９でターボ分子ポンプ１００は垂直姿勢であると判断される。
【０１１１】
一方、ステップ２０７で＋側の軸方向電磁石１０６＋に流れる電磁石電流が傾斜時規定値未満でない場合には、複数の電磁石（軸方向電磁石１０６＋及び軸方向電磁石１０６−）で強い磁力を必要としていると判断できるので、ステップ２２１でターボ分子ポンプ１００の設置姿勢は特定不能（すなわち垂直姿勢、倒立姿勢及び水平姿勢のいずれでもない傾斜姿勢となっている）と判断される。
【０１１２】
これに対し、ステップ２０５で−側の軸方向電磁石１０６−に流れる電磁石電流が浮上時規定値以上でない場合には、ターボ分子ポンプ１００が倒立姿勢である可能性がある。
【０１１３】
そのため、次のステップ２１１で−側の軸方向電磁石１０６−に流れる電磁石電流が傾斜時規定値未満であるか否かが判断される。このステップ２１１での電磁石電流の傾斜時規定値は、ターボ分子ポンプ１００が垂直姿勢からある程度傾いたときに、軸方向電磁石１０６−でロータ軸１１３を支持するのに必要な電磁石電流の大きさを示している。さらに、ステップ２１３で＋側の軸方向電磁石１０６＋に流れる電磁石電流が浮上時規定値以上であるか否かが判断される。このステップ２１３での電磁石電流の浮上時規定値は、およそターボ分子ポンプ１００が倒立姿勢にあるときに、軸方向電磁石１０６＋でロータ軸１１３を浮上させるのに必要最低限の電磁石電流の大きさを示している。
【０１１４】
この結果、ステップ２１１で軸方向電磁石１０６−に流れる電磁石電流が傾斜時規定値未満であり、かつステップ２１３で軸方向電磁石１０６＋に流れる電磁石電流が浮上時規定値以上である場合には、＋側の軸方向電磁石１０６＋でのみ強い磁力を必要としていると判断できるので、ステップ２１５でターボ分子ポンプ１００は倒立姿勢であると判断される。
【０１１５】
一方、ステップ２１１で軸方向電磁石１０６−に流れる電磁石電流が傾斜時規定値未満でなかったり、ステップ２１３で軸方向電磁石１０６＋に流れる電磁石電流が浮上時規定値以上でない場合には、複数の電磁石で強い磁力を必要としていると判断できるので、ステップ２２１でターボ分子ポンプ１００の設置姿勢は特定不能と判断される。
【０１１６】
さらに、上記のステップ２０３で上側径方向電磁石１０４又は下側径方向電磁石１０５に流れる電磁石電流が浮上時規定値未満でない場合には、ステップ２１７で両軸方向電磁石１０６＋、１０６−に流れる電磁石電流が傾斜時規定値未満か否かが判断される。このステップ２１７での電磁石電流の傾斜時規定値は、ターボ分子ポンプ１００が水平姿勢からある程度傾いたときに、両軸方向電磁石１０６＋、１０６−でロータ軸１１３を支持するのに必要な電磁石電流の大きさを示している。
【０１１７】
この結果、ステップ２１７で両軸方向電磁石１０６＋、１０６−に流れる電磁石電流が傾斜時規定値未満である場合には、径方向電磁石１０４、１０５でのみ強い磁力を必要としていると判断できるので、ステップ２１９でターボ分子ポンプ１００は水平姿勢であると判断される。一方、ステップ２１７で軸方向電磁石１０６＋、１０６−に流れる電磁石電流が傾斜時規定値未満でない場合には、複数の電磁石で強い磁力を必要としていると判断できるので、ステップ２２１でターボ分子ポンプ１００の設置姿勢は特定不能と判断される。
【０１１８】
そして、ステップ２０９、２５１、２１９、２２１でターボ分子ポンプ１００の設置姿勢が垂直、倒立、水平及び特定不能のいずれかであると判断された場合には、ステップ２２３でその設置姿勢が設置姿勢記憶部３７３に保存（すでに設置姿勢の情報が保存されていれば更新）される。
【０１１９】
これにより、ターボ分子ポンプ１００の設置姿勢を自動検出することができる。そのため、ターボ分子ポンプ１００の取り付け等の際に、上記設置姿勢検出動作を行うことでターボ分子ポンプ１００の設置姿勢を自動検出し、最適な浮上定数Ｆを選択可能となる。従って、特定の設置姿勢においてロータ軸１１３の振動を低減し、ターボ分子ポンプ１００全体の振動を低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１２０】
【図１】本発明の第１実施形態である磁気軸受制御部のブロック図
【図２】本発明の第１実施形態である軸方向位置とセンサ出力電圧の関係
【図３】図１と同様（感度設定動作に必要な回路ブロック）
【図４】感度設定動作の作業フローを示したフローチャート
【図５】図１の別例
【図６】図３の別例
【図７】本発明の第２実施形態である磁気軸受制御部のブロック図
【図８】図７と同様（設置姿勢検出動作に必要な回路ブロック）
【図９】設置姿勢検出動作の作業フローを示したフローチャート
【図１０】ターボ分子ポンプの縦断面図
【図１１】従来の磁気軸受制御部のブロック図
【図１２】従来の軸方向位置とセンサ出力電圧の関係
【図１３】軸方向位置バラツキの様子
【図１４】軸方向位置バラツキを考慮した軸方向位置とセンサ出力電圧の関係
【符号の説明】
【０１２１】
１００  ターボ分子ポンプ
１０３  回転体
１０４、１０５、１０６  電磁石
１０７、１０８、１０９  センサ
１５０、２５０、３５０  磁気軸受制御部
１５２、１９０、２５２  センサ信号アンプ部
１５４  Ａ／Ｄ変換器
１５６  浮上制御部
１５８  電磁石励磁部
１６１、３６３、３６４、３６５、３６６  浮上定数設定部
１９２  スイッチ部
２８１  感度記憶部
２８５  感度設定部
３６１  浮上定数切替部
３７３  設置姿勢記憶部
３７７  設置姿勢検出部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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