JP2014114869A - 磁気軸受装置、磁気軸受装置に起因する振動の低減方法 - Google Patents

Abstract

【課題】磁気軸受装置に起因して発生する振動の影響範囲内の装置要素の特定の箇所における振動を確実に低減する。
【解決手段】回転軸１００を支承する磁気軸受装置２０は、磁気軸受３０と、回転センサ５０と、電磁石に流す電流を制御する制御部７０と、１つの振動センサ４１とを備える。制御部は、回転軸を浮上支持するための第１の電流を電磁石に流す第１の制御モードと、少なくとも１つの振動センサの設置箇所のうちの少なくとも１つの設置箇所において、第１の制御モードにおいて検出された第１の振動値よりも振動が低減されるように、回転センサによって検出される回転軸の回転周期に同期した第１の周期的なタイミングにおいてのみ、第１の電流に代えて、第１の電流の電流値に対して第１の値だけ加算または減算した電流値を有する第２の電流を電磁石に流す第２の制御モードとで制御可能に構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁気軸受装置に起因する振動の低減技術に関する。

磁気軸受装置は、電磁石に流された電流によって生じる電磁力を用いて、磁気浮上によって回転軸を非接触で支承する。かかる磁気軸受装置では、回転軸のバランスが悪い場合には回転軸の振れ回りが大きくなり、電磁加振力に対する大きな制御反力がステータに作用する。かかる制御反力に起因する振動は、回転軸の回転を利用する機器に悪影響を与えるおそれがある。例えば、振動を嫌う露光装置や電子顕微鏡などの装置近辺で配置されるターボ分子ポンプに磁気軸受装置を用いる場合、磁気軸受装置に起因する振動がステータや固定フレームを介して、装置に伝達されるおそれがある。このようなことから、回転軸のアンバランスを修正する技術が開発されている（例えば、下記の特許文献１）。

特開平６−１９３６３１号公報 特開平７−２０３５９号公報 特開平９−２８０２５０号公報

しかしながら、アンバランスを完全に除去することは困難であり、実際には、ある程度のアンバランスは、許容されている。このため、磁気軸受装置に起因する振動が、その影響範囲内の装置要素、例えば、磁気軸受装置のケーシングや、磁気軸受装置の周辺の装置（例えば、上述の露光装置や電子顕微鏡）に全く伝達されないようにすることは、困難である。しかも、回転軸の低速回転時には問題とならない振動が、高速回転時には問題になる、或いはその逆で高速回転時には問題とならないが低速回転時に問題となることがある。また、影響範囲内の装置要素への振動の伝達特性は、各装置要素の接続形態や支持形態などに依存するため、影響範囲内の装置要素の特定の箇所においてどの程度の振動が発生するかを予測することは困難である。機械的に回転軸の釣り合わせを行う場合は、通常、回転軸に設けられたバランス修正面に重りを付ける作業、或いは、ドリル等で削る作業を行うが、スペースが狭い場合、腐食などの問題によって修正面を露出させることが難しい場合、汚染環境などの問題によってバランス修正面に容易に人間が触れることが出来ない場合などでは、機械的な釣り合わせを行うことは困難である。このようなことから、磁気軸受装置に起因して発生する振動の影響範囲内の装置要素の特定の箇所における振動を確実に低減できる技術が求められる。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、例えば、以下の形態として実現することが可能である。

本発明の第１の形態は、回転軸を支承する磁気軸受装置として提供される。この磁気軸受装置は、電磁石に流された電流によって生じる電磁力を用いて、磁気浮上によって回転軸を非接触で支承する磁気軸受と、回転軸の回転を検出する回転センサと、電磁石に流す電流を制御する制御部と、回転軸の回転によって生じる振動の影響範囲内に設けられた少なくとも１つの振動センサとを備える。制御部は、前記回転軸を浮上支持するための第１の電流を電磁石に流す第１の制御モードと、少なくとも１つの振動センサの設置箇所のう
ちの少なくとも１つの設置箇所において、第１の制御モードにおいて検出された第１の振動値よりも振動が低減されるように、回転センサによって検出される回転軸の回転周期に同期した第１の周期的なタイミングにおいてのみ、第１の電流に代えて、第１の電流の電流値に対して第１の値だけ加算または減算した電流値を有する第２の電流を電磁石に流す第２の制御モードとで制御可能に構成される。

かかる磁気軸受装置によれば、第２の制御モードでの制御時には、第１の制御モードでの制御時と比べて、第１の周期的なタイミングにおいて第２の電流によって回転軸に作用する電磁力が加えられ、第１の制御モードにおける回転軸の挙動が修正される。この電磁力は、振動センサの少なくとも１つの設置箇所の振動が低減されるように加えられる。したがって、回転軸の回転によって生じる振動の影響範囲内のうちの振動を低減したい箇所に振動センサを設置すれば、所望の箇所の振動を好適に低減できる。回転軸の振れ回りに起因する振動は、回転軸の回転周期に同期した波として生じるので、回転軸の回転周期に同期した第１の周期的なタイミングで第２の電流を流すことにより、振動が効果的に低減可能である。なお、振動センサの設置箇所とは、振動センサが接触式であるか非接触式であるかにかかわらず、振動の検出対象上の検出箇所を意味する。

本発明の第２の形態として、第１の形態において、制御部は、回転周期に同期した第２の周期的なタイミングにおいてのみ、第１の電流に代えて、第１の電流の電流値に対して第２の値だけ加算または減算した電流値を有する第３の電流を電磁石に流す第３の制御モードで制御可能に構成されていてもよい。制御部は、第１の振動値と、第３の制御モードでの制御時において振動センサによって検出された第２の振動値と、第３の制御モードでの制御によって回転軸に加えられるアンバランス量の第２の値と第２の周期的なタイミングと、に基づいて、影響係数法を用いて、第２の制御モードに使用する、第２の電流の電流値および第１の周期的なタイミングを決定してもよい。かかる形態によれば、第２の電流の電流値および第１の周期的なタイミングを容易に決定できる。

本発明の第３の形態として、第２の形態において、制御部は、回転軸の１つの回転数での動作条件下で検出された第１の振動値と、第３の制御モードでの制御時において１つの回転数での動作条件下で振動センサによって検出された第２の振動値と、第３の制御モードでの制御によって回転軸に加えられるアンバランス量の第２の値と第２の周期的なタイミングと、に基づいて、第２の制御モードにおいて第２の電流の電流値および第１の周期的なタイミングによって回転軸のアンバランス量が修正される修正面の数Ｍ（Ｍは１以上の整数）と、振動センサの数Ｎ（Ｎは１以上の整数）とが、Ｎ≦Ｍを満たす場合に、少なくとも１つの振動センサの設置箇所のうちの全ての設置箇所において振動値が最小になるように、第２の電流の電流値および第１の周期的なタイミングを決定してもよい。

本発明の第４の形態として、第２の形態において、制御部は、回転軸の１つの回転数での動作条件下で検出された第１の振動値と、第３の制御モードでの制御時において１つの回転数での動作条件下で振動センサによって検出された第３の振動値と、第３の制御モードでの制御によって回転軸に加えられるアンバランス量の第２の値と第２の周期的なタイミングと、に基づいて、第２の制御モードにおいて第２の電流の電流値および第１の周期的なタイミングによって回転軸のアンバランス量が修正される修正面の数Ｍ（Ｍは１以上の整数）と、振動センサの数Ｎ（Ｎは１以上の整数）とが、Ｎ＞Ｍを満たす場合に、Ｎ個の振動センサの設置箇所ごとの、１つの回転数での動作条件下での第２の制御モードでの制御時における振動値の二乗和が最小になるように、第２の電流の電流値および第１の周期的なタイミングを決定してもよい。第３および第４の形態によれば、ＭおよびＮの条件に応じて、振動値を著しく低減できる。

本発明の第５の形態として、第２の形態において、制御部は、回転軸のＲ（Ｒは２以上
の整数）種類の異なる回転数の動作条件下の各々で検出された第１の振動値の各々と、第３の制御モードでの制御時においてＲ種類の異なる回転数の動作条件下の各々で振動センサによって検出された第２の振動値の各々と、第３の制御モードでの制御によって回転軸に加えられるアンバランス量の第２の値と第２の周期的なタイミングと、に基づいて、第２の制御モードにおいて第２の電流の電流値および第１の周期的なタイミングによって回転軸のアンバランス量が修正される修正面の数Ｍ（Ｍは１以上の整数）と、振動センサの数Ｎ（Ｎは１以上の整数）と、Ｒとが、Ｎ×Ｒ≦Ｍを満たす場合に、少なくとも１つの振動センサの設置箇所のうちの全ての設置箇所において、かつ、Ｒ種類の異なる回転数の動作条件下の各々において振動値が最小になるように、第２の電流の電流値および第１の周期的なタイミングを決定してもよい。

本発明の第６の形態として、第２の形態において、制御部は、回転軸のＲ（Ｒは２以上の整数）種類の異なる回転数の動作条件下の各々で検出された第１の振動値の各々と、第３の制御モードでの制御時においてＲ種類の異なる回転数の動作条件下の各々で振動センサによって検出された第２の振動値の各々と、第３の制御モードでの制御によって回転軸に加えられるアンバランス量の第２の値と第２の周期的なタイミングと、に基づいて、第２の制御モードにおいて第２の電流の電流値および第１の周期的なタイミングによって回転軸のアンバランス量が修正される修正面の数Ｍ（Ｍは１以上の整数）と、振動センサの数Ｎ（Ｎは１以上の整数）と、Ｒとが、Ｎ×Ｒ＞Ｍを満たす場合に、Ｎ個の振動センサの設置箇所ごと、かつ、Ｒ種類の異なる回転数の動作条件ごとの、第２の制御モードでの制御時における振動値の二乗和が最小になるように、第２の電流の電流値および第１の周期的なタイミングを決定してもよい。第５および第６の形態によれば、複数種類の異なる回転数の動作条件下のいずれにおいても、Ｍ，ＮおよびＲの条件に応じて、振動値を著しく低減できる。

本発明の第７の形態として、第４または第６の形態において、制御部は、影響係数法で使用する影響係数に所定の重み付けを行って、第２の電流の電流値および第１の周期的なタイミングを決定してもよい。かかる形態によれば、振動センサの設置箇所の各々の重要度に応じた、より柔軟な振動低減を行える。

本発明の第８の形態として、第２ないし第７のいずれかの形態において、制御部は、第３の制御モードによって、第２の電流の電流値および第１の周期的なタイミングを決定した場合に、決定した第２の電流の電流値および第１の周期的なタイミングを特定可能な情報を記憶媒体に記憶させてもよい。制御部は、回転軸の回転数が、回転軸の回転の開始後、定格回転数に達した場合に、記憶媒体に記憶された情報から特定される第２の電流の電流値および第１の周期的なタイミングを用いて、第２の制御モードでの制御を行ってもよい。かかる形態によれば、回転軸の回転を利用する装置を起動するたびに第３の制御モードでの制御を実行する必要がない。そのため、２回目以降の起動時には、速やかに振動を低減できる。

本発明の第９の形態として、第１ないし第８のいずれかの形態において、回転センサは、回転軸が１回転するごとに１回のパルスを発生するように構成されてもよい。かかる形態によれば、回転のゼロ点（基準点）を容易に検出できる。したがって、第１の周期的なタイミングを容易に特定できる。

本発明の第１０の形態として、第９の形態において、回転センサは、回転軸に固定され、回転軸と直交する方向に円盤状に形成され、磁性材料からなるディスク部と、ディスク部と間隙を有して対向するように設けられたセンサ磁極と、センサ磁極に巻回されたセンサコイルとを備えていてもよい。ディスク部のうちのセンサ磁極と対向する側の面である第１の面には、ディスク部の軸線の方向の厚みが低減された第１の切欠部が形成されてい
てもよい。ディスク部のうちの第１の面と反対側の面である第２の面には、軸線を中心とした第１の切欠部と１８０度回転対称の位置に、第１の切欠部と同一の形状の第２の切欠部が形成されていてもよい。かかる形態によれば、回転軸の回転バランスに悪影響を与えることなく、回転軸が１回転するごとに１回のパルスを発生させることができる。

本発明の第１１の形態は、回転軸を支承する磁気軸受装置に起因する振動を低減する方法として提供される。この方法は、回転軸を浮上支持するための第１の電流を磁気軸受の電磁石に流し、電磁石に流された電流によって生じる電磁力を用いて、磁気浮上によって回転軸を非接触で支承させる第１の工程と、第１の工程において、回転軸の回転によって生じる振動の影響範囲内に設けられた少なくとも１つの振動センサによって、振動を検出する第２の工程と、少なくとも１つの振動センサの設置箇所のうちの、少なくとも１つの設置箇所において、第１の工程において検出された振動値よりも振動が低減されるように、回転軸の回転周期に同期した周期的な所定のタイミングにおいてのみ、第１の電流に代えて、第１の電流の電流値に対して所定の値だけ加算または減算した電流値を有する第２の電流を電磁石に流し、電磁石に流された電流によって生じる電磁力を用いて、磁気浮上によって回転軸を非接触で支承させる第３の工程とを備える。かかる方法によれば、第１の形態と同様の効果を奏する。第１１の形態に、第２ないし第１０の形態を適用することも可能である。

本発明の実施例としての軸受装置２０の概略構成を示す説明図である。 回転センサ５０の概略構成を示す説明図である。 振動評価試験における振動センサ６０の取付位置を示す説明図である。 振動評価試験の結果を示す図表である。

Ａ．実施例：
図１は、本発明の一実施例としての軸受装置２０の概略構成を示す。本実施例では、軸受装置２０は、チャンバ１３０を負圧にするためのファン１２０の回転軸１００を支承する。ただし、軸受装置２０の用途は、特に限定するものではなく、ポンプ、圧縮機、ガス攪拌機など種々の回転機械に適用可能である。図１に示すように、軸受装置２０は、磁気軸受３０、変位センサ４１，４２，４３、回転センサ５０、振動センサ６１，６２、制御部７０を備えている。

磁気軸受３０は、電磁石に流された電流によって生じる電磁力を用いて、磁気浮上によって回転軸１００を非接触で支承する。この磁気軸受３０は、電磁石３１，３２，３３，３４と磁性体３５とを備えている。電磁石３１，３２は、回転軸１００に回転駆動力を付与するモータ１１０を間に挟んだ、回転軸１００の軸線方向（Ｚ方向）の両側に配置されている。この電磁石３１，３２は、回転軸１００に対して、Ｚ方向に直交するＸ方向およびＹ方向に電磁力を作用させるラジアル磁気軸受を構成する。電磁石３３，３４は、回転軸１００の周囲に設けられたディスク状の磁性体３５を間に挟んだ、Ｚ方向の両側に配置されている。電磁石３３，３４および磁性体３５は、回転軸１００に対してＺ方向に電磁力を作用させるスラスト磁気軸受を構成する。本実施例では、電磁石３１，３２，３３，３４は、モータ１１０と共通のステータハウジング１１５内に設けられている。

変位センサ４１，４２は、電磁石３１，３２が設けられたそれぞれの位置において、回転軸１００のＺ方向と直交するＸＹ平面上の変位量を検出する。変位センサ４３は、回転軸１００の端部において、回転軸１００のＺ方向の変位量を検出する。回転センサ５０は、回転軸１００の端部において、回転軸１００の回転を検出する。モータ１１０は図示しないインバータによって回転軸１００を回転駆動する。なお、軸受装置２０は、変位セン
サを必要としないセルフセンシング磁気軸受であってもよい。

図２は、回転センサ５０の概略構成を示す。図示するように、回転センサ５０は、ディスク部５１とセンサ磁極５４とセンサコイル５５とを備える。ディスク部５１は、磁性材料からなり、ＸＹ平面上に円盤状に形成される。このディスク部５１は、回転軸１００の端部に固定されている。センサ磁極５４は、Ｕ字形状を有しており、ディスク部５１と間隙を有して対向するように設けられる。センサコイル５５は、センサ磁極５４のＵ字形状の一方側に巻回される。ディスク部５１の第１の面５１ａのうちの１つの径方向の端部には、ディスク部５１の軸線の方向（Ｚ方向）の厚みが低減された第１の切欠部５２が形成されている。ここでの低減とは、厚みがゼロであることを含まない。この第１の切欠部５２は、センサ磁極５４のＵ字形状と対向する位置に形成されている。第１の面５１ａは、ディスク部５１のうちのセンサ磁極５４と対向する側の面である。ディスク部５１のうちの第１の面５１ａと反対の第２の面５１ｂには、第２の切欠部５３が形成されている。第１の切欠部５２と第２の切欠部５３とは、回転軸１００の軸線を中心とした１８０度回転対称の位置関係にあり、同一の形状を有している。

かかる回転センサ５０では、回転軸１００と共にディスク部５１が回転し、第１の切欠部５２がセンサ磁極５４と対向する位置を通過するたびに、つまり、回転軸１００が１回転するたびに、センサコイル５５から見た磁気抵抗が変化する。この磁気抵抗の変化は、センサコイル５５と交差する磁束の変化を伴うので、センサコイル５５には、逆起電力のパルスが生じる。

かかる説明から明らかなように、回転センサ５０は、回転軸１００が１回転するごとに１回のパルスを発生する。これによって、回転軸１００の回転のゼロ点を容易に検出できる。その結果、後述する第１のタイミングを容易に特定できる。ただし、１回転当たりのパルスの発生回数を２回以上とすることも可能である。また、回転センサ５０は、上述した位置に第２の切欠部５３が形成されている。したがって、径方向の両端での重量が均一化され、回転軸１００の回転バランスに悪影響を与えない。第１の切欠部５２および第２の切欠部５３には、非磁性材料が充填されていてもよい。

ここで、説明を図１に戻す。振動センサ６１，６２は、回転軸１００の回転によって生じる振動の影響範囲内において、振動を低減したい箇所に設けられる。本実施例では、振動センサ６１，６２は、加速度センサである。振動の影響範囲内とは、例えば、磁気軸受装置（例えば、ステータハウジング１１５）、回転軸１００の回転を直接的に利用する装置（ここではファン１２０）、当該装置に付随する装置（ここでは、チャンバ１３０）、当該装置を固定する図示しないフレームなど振動が伝わる部分全てである。本実施例では、振動センサ６１は、チャンバ１３０に設けられ、振動センサ６２は、ファン１２０のケーシング１２１に設けられる。振動センサの数は、本実施例では２つであるが、１以上の任意の数とすることができる。

制御部７０は、コントロールユニット７１と、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）システム７６とを備え、軸受装置２０の動作を制御する。コントロールユニット７１は、変位センサ回路７２と電磁石駆動回路７３と回転センサ回路７４とを備える。変位センサ回路７２は、変位センサ４１，４２，４３の出力をＡ／Ｄ変換し、ＤＳＰシステム７６に出力する。回転センサ回路７４は、回転センサ５０の出力をＡ／Ｄ変換し、ＤＳＰシステム７６に出力する。ＤＳＰシステム７６は、変位センサ回路７２から出力される回転軸１００の変位量に基づいて、電磁石３１，３２，３３，３４の制御信号を生成し、Ｄ／Ａ変換して、電磁石駆動回路７３に出力する。電磁石駆動回路７３は、入力された制御信号に基づき、電磁石３１，３２，３３，３４に供給される制御電流を制御する。制御部７０は、制御部７０に制御の指示コマンドを入力するコマンドコンピュータ８０に接続される。

かかる制御部７０は、本実施例では、第１ないし第３の制御モードで磁気軸受３０を制御可能に構成される。第１の制御モードでは、制御部７０は、変位センサ回路７２の検出結果に基づいて、第１の電流を磁気軸受３０に供給させる。第２の制御モードでは、制御部７０は、変位センサ回路７２の検出結果と振動センサ６１，６２の検出結果とに基づいて、第２の電流を磁気軸受３０に供給させる。第２の電流とは、第１の制御モードにおいて振動センサ６１，６２によって検出された振動値よりも、振動センサ６１，６２の設置箇所における振動が低減されるように、回転センサ５０によって検出される回転軸１００の回転周期に同期した第１の周期的なタイミング（以下、第１のタイミングとも呼ぶ）においてのみ、第１の電流に代えて、第１の電流の電流値に対して第１の値だけ加算または減算した電流値を有する電流である。ここでいうタイミングとは、回転軸１００と一緒に回転する平面上で見た時の回転センサ５０で検出した基準角度（基準位相角）に対する０〜３６０ｄｅｇのうちの任意の角度を指す。回転軸１００の基準角度は、回転センサ５０によって検出できる。本実施例では、第１のタイミングは、回転軸１００の回転周期と等しい周期の所定のタイミングであるが、回転軸１００の回転周期の整数倍の周期の所定のタイミングであってもよい。前述のように第１のタイミングは、回転軸１００の回転角度として捉えることができる。この第１のタイミングは、回転センサ回路７４の検出結果と、ＤＳＰシステム７６内に別途用意される時間情報（タイマーカウンタ）とから、容易に特定可能である。

上記の説明からも明らかなように、第２の制御モードは、回転軸１００に加振を行って、回転軸１００のアンバランス量を修正する制御モードである。本実施例では、修正面は、電磁石３１に対応する、Ｚ方向に直交する第１の修正面１ＸＹと、電磁石３２に対応する、Ｚ方向に直交する第２の修正面２ＸＹとである。ここで、例えば、第２の制御モードにおける第２の電流は、修正面１ＸＹ、修正面２ＸＹにおいて、Ｘ軸方向を制御する電磁石と、Ｙ軸方向を制御する電磁石と、にそれぞれ回転周期と同じ周期の余弦波電流、正弦波電流を流すことで回転軸１００の回転と同期した径方向の力を回転軸１００に加え、回転軸１００のアンバランス量を修正する。余弦波電流、正弦波電流の周期は、回転周期の整数倍であっても良い。また、回転周期の整数倍である複数の周期の電流の加算値であっても良い。あるいは、Ｘ軸方向を制御する電磁石とＹ軸方向を制御する電磁石とのうちの片方だけに電流を流しても良い。タイミングの調整は、前述の余弦弦波電流、正弦波電流の位相をずらすことで実施する。第２の電流は、Ｘ軸方向に正弦波電流を、Ｙ軸方向に余弦波電流を流すことで回転軸１００に加える径方向の力の回転方向を前述とは逆にすることができることは言うまでもない。回転軸１００の回転方向に合わせて第２の電流による径方向の力の回転方向を選択すれば良い。なお、第１の制御モードでの第１の電流と、第２の制御モードでの第２の電流のうちの第１のタイミング以外のタイミングでの電流（第１の電流）とは、同一ではないが、本願では、回転軸１００の変位量（予測値であってもよい）に基づき、かつ、振動センサ６１，６２の検出結果に基づかずに決定された電流は、全て「第１の電流」と呼んでいる。

第３の制御モードは、上述の第２の電流の電流値および第１のタイミングを決定するための制御モードである。第３の制御モードでは、制御部７０は、回転軸１００の回転周期に同期した第２の周期的なタイミング（以下、第２のタイミングとも呼ぶ）においてのみ、第１の電流に代えて、第１の電流の電流値に対して第２の値だけ加算または減算した電流値を有する第３の電流を磁気軸受３０に供給させる。第３の電流の発生形態は、第２の電流と同様である。かかる制御は、磁気軸受３０に試し加振力を加える制御である。第２の値は、第３の電流の電流値がゼロよりも大きい任意の値で設定可能である。また、第２のタイミングは、任意の回転角度で設定可能である。

本実施例では、第２の電流の電流値および第１のタイミングは、システム７６によって
、影響係数法を用いて決定される。影響係数法は、周知であるため、詳しい説明は省略するが、概要について説明すると、まず、第１の制御モードでの制御時に振動センサ６１，６２によって検出された各振動値Ａ１，Ａ２と、第３の制御モードでの制御時において修正面１ＸＹに試し加振を加えた場合に検出された各振動値Ｂ１１，Ｂ１２と、その際の第１の修正面１ＸＹに加えたアンバランス量Ｕ０１と、第３制御モードでの制御時において修正面２ＸＹに試し加振を加えた場合に検出された各振動値Ｂ２１，Ｂ２２と、その際の第２の修正面２ＸＹに加えたアンバランス量Ｕ０２とから、影響係数α１１，α１２，α２１，α２２を算出する。影響係数α１１，α１２，α２１，α２２は、次式（１）〜（４）によって表される。

α１１＝（Ｂ１１−Ａ１）／Ｕ０１ ・・・（１）
α１２＝（Ｂ１２−Ａ１）／Ｕ０２ ・・・（２）
α２１＝（Ｂ２１−Ａ２）／Ｕ０１ ・・・（３）
α２２＝（Ｂ２２−Ａ２）／Ｕ０２ ・・・（４）

次に次式（５），（６）を満たすアンバランス量Ｕ１，Ｕ２を求める。Ｕ１は、第２の制御モードにおいて加振されるべき第１の修正面１ＸＹのアンバランス量であり、Ｕ２は、第２の制御モードにおいて加振されるべき第２の修正面２ＸＹのアンバランス量である。なお、α１１，α１２，α２１，α２２,Ａ１，Ａ２, Ｂ１１，Ｂ１２,Ｂ２１，Ｂ２２,Ｕ０１, Ｕ０２, Ｕ１,Ｕ２は、全て大きさと回転角度の情報をもっているので、複素数として扱える。
Ａ１＋α１１×Ｕ１＋α１２×Ｕ２＝０ ・・・（５）
Ａ２＋α２１×Ｕ１＋α２２×Ｕ２＝０ ・・・（６）

次に、複素数計算によって、加振の大きさと回転角度（第１のタイミング）とが求められる。そして、加振の大きさから、第２の電流の電流値が求められる。上記の式（５），（６）から明らかなように、本実施例では、振動センサ６１，６２の設置箇所のうちのすべての設置箇所における振動が、最小（理論上ゼロ）になるように、第２の電流の電流値および第１のタイミングが決定される。こうすることによって、振動センサ６１，６２の設置箇所における振動を著しく低減できる。ただし、式（５），（６）における右項は、振動値Ａ１，Ａ２よりも小さい任意の値で設定可能である。なお、修正面の数Ｍ（Ｍは１以上の整数）と、振動センサの数Ｎ（Ｎは１以上の整数）とがＮ≦Ｍを満たす場合に、上記のように振動センサ６１，６２の設置箇所のうちのすべての設置箇所における振動が最小となるアンバランス量Ｕ１，Ｕ２を求めることが可能である。

上述した第１ないし第３の制御モードは、制御部７０によって、例えば、以下のように切り替えられる。まず、制御部７０は、ファン１２０が起動され、回転軸１００が回転を開始されると、回転軸１００の回転数が１つの定格回転数（制御されるべき特定の回転数）に達してから、第１の制御モードにおける振動値を取得する。次に、制御部７０は、第１の制御モードから第３の制御モードに切り替えて、第２の電流の電流値および第１のタイミングを決定する。第３の制御モードでも、第１の制御モードと同一の１つの定格回転数が使用される。次に、制御部７０は、第３の制御モードから第２の制御モードに切り替えて、決定した第２の電流の電流値および第１のタイミングを用いて、制御を行う。

一度決定した第２の電流の電流値および第１のタイミングを特定可能な情報は、制御部７０によって、記憶媒体に記憶されてもよい。記憶媒体は、制御部７０が備えていてもよいし、制御部７０に接続されていてもよく、例えば、コマンドコンピュータ８０が備える記憶媒体であってもよい。かかる場合、制御部７０は、ファン１２０の２回目以降の起動時には、記憶された情報から特定される第２の電流の電流値および第１のタイミングを使用して、第２の制御モードでの制御を行ってもよい。つまり、第３の制御モードでの制御
を省略してもよい。こうすれば、２回目以降の起動時には、速やかに振動を低減できる。さらに、制御部７０は、第２の制御モードでの制御時において、振動センサ６１，６２の振動を検出し、検出される振動値が規定の範囲を超える場合に、第３の制御モードによって、第２の電流の電流値および第１のタイミングを修正してもよい。

上述した軸受装置２０によれば、回転軸１００の回転によって生じる振動の影響範囲内のうちの振動を低減したい箇所に少なくとも１つの振動センサを設置することによって、予め定められた回転数でのファン１２０の駆動時において、所望の箇所の振動を好適に低減できる。回転軸１００の振れ回りに起因する振動は、回転軸１００の回転周期に同期した波として生じるので、回転軸１００の振れ回りに起因する振動を効果的に低減可能である。また、影響係数法によって、第２の電流の電流値および第１のタイミングを容易に最適化できる。また、機械的な釣り合わせに頼らないので、スペースが狭い場合や、修正面を露出させることが難しい場合や、汚染環境などの問題によってバランス修正面に人間が触れることが出来ない場合でも、容易にアンバランスの修正が可能である。

以下に、軸受装置２０の効果を確認するために実施した振動評価試験について説明する。図３は、軸受装置２０を使用した振動評価試験における振動センサ６０の取付位置を示す。図示するように、本試験では、取付位置ａ〜ｇにそれぞれ振動センサ６０ａ〜６０ｇを取り付けた。取付位置ａ，ｂ，ｅは、ステータハウジング１１５の外表面であり、取付位置ｃ，ｄ，ｆ，ｇは、チャンバ１３０の外表面である。

図４は、振動評価試験の結果を示す。振動値基準位置を２つの取付位置ｃ，ｄとした場合、すなわち、振動センサ６０ａ〜６０ｇのうちの、振動センサ６０ｃ，６０ｄの検出結果に基づいて上述した第１ないし第３の制御モードによって振動を低減した場合に、取付位置（測定位置）ｃ，ｄの振動値が、デフォルト値（第１の制御モードでの制御時に検出された値）から著しく低減されているのが分かる。取付位置ａ，ｂ，ｅ，ｆ，ｇの振動値は、取付位置ｃ，ｄ以外の取付位置における振動の変化を把握するために測定したものであり、係数影響法に使用するものではない。振動値基準位置を取付位置ｃ，ｄとした場合と同様に、振動値基準位置を取付位置ｆ，ｇとした場合、取付位置ａ，ｅとした場合、取付位置ｂ，ｅとした場合のいずれにおいても、デフォルト値から著しく低減されているのが分かる。
Ｂ．変形例：
Ｂ−１．変形例１：

修正面の数は、２つに限らず、１つであってもよいし、３以上であってもよい。また、アンバランスの修正は、ラジアル磁気軸受でのみ行う構成に限らず、スラスト磁気軸受でも行ってもよい。

修正面の数Ｍ（Ｍは１以上の整数）と、振動センサの数Ｎ（Ｎは１以上の整数）とがＮ＞Ｍを満たす場合には、影響係数法では、Ｎ個の振動センサの設置箇所のうちのすべての設置箇所における振動が理論的にゼロとなるアンバランス量Ｕ１，Ｕ２を求めることができない。この場合には、Ｎ個の振動センサの設置箇所ごとの、第２の制御モードでの制御時における振動値の二乗和が最小になるように、アンバランス量Ｕ１，Ｕ２を求めてもよい。こうしても、設置箇所の各々についての振動を著しく低減できる。かかる場合には、影響係数法で使用する影響係数に所定の重み付けを行ってもよい。こうすれば、振動センサの設置箇所の各々の重要度（振動低減の優先順位）に応じた、より柔軟な振動低減を行える。

Ｂ−２．変形例２：
第１の制御モードおよび第３の制御モードでの制御は、２種類以上の異なる回転数に対
して実施されてもよい。この場合、修正面の数Ｍ（Ｍは１以上の整数）と、振動センサの数Ｎ（Ｎは１以上の整数）と、設定された回転数の種類の数Ｒとが、Ｎ×Ｒ≦Ｍを満たす場合には、振動センサの全ての設置箇所において、かつ、Ｒ種類の異なる回転数の動作条件下の各々において振動値が最小（理論的にゼロ）になるように、アンバランス量Ｕ１，Ｕ２を求めてもよい。一方、Ｎ×Ｒ＞Ｍを満たす場合には、変形例１で説明したように、Ｎ個の振動センサの設置箇所ごと、かつ、Ｒ種類の異なる回転数の動作条件ごとの、第２の制御モードでの制御時における振動値の二乗和が最小になるように、アンバランス量Ｕ１，Ｕ２を求めてもよい。こうすれば、複数種類の異なる回転数の動作条件下のいずれにおいても、第２の制御モードによって、Ｍ，ＮおよびＲの条件に応じて、振動値を著しく低減できる。

Ｂ−３．変形例３：
第２の電流の電流値および第１のタイミングは、影響係数法以外の手法によって決定してもよい。例えば、制御部７０は、第３の制御モードにおいて、所定回数だけ第２のタイミングおよび第２の値を変えて、振動センサ６１，６２での検出を行い、検出された振動値が相対的に小さくなる第２のタイミングおよび第２の値を第１のタイミングおよび第１の値として採用してもよい。こうしても、簡易的に振動の低減を行える。

以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。また、上述した課題の少なくとも一部を解決できる範囲、または、効果の少なくとも一部を奏する範囲において、特許請求の範囲および明細書に記載された各構成要素の組み合わせ、または、省略が可能である。

２０…軸受装置
３０…磁気軸受
３１，３２，３３，３４…電磁石
３５…磁性体
４１，４２，４３…変位センサ
５０…回転センサ
５１…ディスク部
５１ａ…第１の面
５１ｂ…第２の面
５２…第１の切欠部
５３…第２の切欠部
５４…センサ磁極
５５…センサコイル
６０ａ〜６０ｇ，６１，６２…振動センサ
７０…制御部
７１…コントロールユニット
７２…変位センサ回路
７３…電磁石駆動回路
７４…回転センサ回路
７６…ＤＳＰシステム
８０…コマンドコンピュータ
１００…回転軸
１１０…モータ
１１５…ステータハウジング
１２０…ファン
１２１…ケーシング
１３０…チャンバ
１ＸＹ，２ＸＹ…修正面

Claims (11)

1. 回転軸を支承する磁気軸受装置であって、
   電磁石に流された電流によって生じる電磁力を用いて、磁気浮上によって前記回転軸を非接触で支承する磁気軸受と、
   前記回転軸の回転を検出する回転センサと、
   前記電磁石に流す電流を制御する制御部と、
   前記回転軸の回転によって生じる振動の影響範囲内に設けられた少なくとも１つの振動センサと
   を備え、
   前記制御部は、
   前記回転軸を浮上支持するための第１の電流を前記電磁石に流す第１の制御モードと、
   前記少なくとも１つの振動センサの設置箇所のうちの少なくとも１つの設置箇所において、前記第１の制御モードにおいて検出された第１の振動値よりも振動が低減されるように、前記回転センサによって検出される前記回転軸の回転周期に同期した第１の周期的なタイミングにおいてのみ、前記第１の電流に代えて、前記第１の電流の電流値に対して第１の値だけ加算または減算した電流値を有する第２の電流を前記電磁石に流す第２の制御モードと
   で制御可能に構成された
   磁気軸受装置。
2. 請求項１に記載の磁気軸受装置であって、
   前記制御部は、
   前記回転周期に同期した第２の周期的なタイミングにおいてのみ、前記第１の電流に代えて、前記第１の電流の電流値に対して第２の値だけ加算または減算した電流値を有する第３の電流を前記電磁石に流す第３の制御モードで制御可能に構成され、
   前記第１の振動値と、前記第３の制御モードでの制御時において前記振動センサによって検出された第２の振動値と、前記第３の制御モードでの制御によって前記回転軸に加えられるアンバランス量の前記第２の値と前記第２の周期的なタイミングと、に基づいて、影響係数法を用いて、前記第２の制御モードに使用する、前記第２の電流の電流値および前記第１の周期的なタイミングを決定する
   磁気軸受装置。
3. 請求項２に記載の磁気軸受装置であって、
   前記制御部は、
   前記回転軸の１つの回転数での動作条件下で検出された前記第１の振動値と、前記第３の制御モードでの制御時において前記１つの回転数での動作条件下で前記振動センサによって検出された前記第２の振動値と、前記第３の制御モードでの制御によって前記回転軸に加えられるアンバランス量の前記第２の値と前記第２の周期的なタイミングと、に基づいて、
   前記第２の制御モードにおいて前記第２の電流の電流値および前記第１の周期的なタイミングによって前記回転軸のアンバランス量が修正される修正面の数Ｍ（Ｍは１以上の整数）と、前記振動センサの数Ｎ（Ｎは１以上の整数）とが、Ｎ≦Ｍを満たす場合に、
   前記少なくとも１つの振動センサの設置箇所のうちの全ての設置箇所において振動値が最小になるように、前記第２の電流の電流値および前記第１の周期的なタイミングを決定する
   磁気軸受装置。
4. 請求項２に記載の磁気軸受装置であって、
   前記制御部は、
   前記回転軸の１つの回転数での動作条件下で検出された前記第１の振動値と、前記第３の制御モードでの制御時において前記１つの回転数での動作条件下で前記振動センサによって検出された前記第２の振動値と、前記第３の制御モードでの制御によって前記回転軸に加えられるアンバランス量の前記第２の値と前記第２の周期的なタイミングと、に基づいて、
   前記第２の制御モードにおいて前記第２の電流の電流値および前記第１の周期的なタイミングによって前記回転軸のアンバランス量が修正される修正面の数Ｍ（Ｍは１以上の整数）と、前記振動センサの数Ｎ（Ｎは１以上の整数）とが、Ｎ＞Ｍを満たす場合に、
   前記Ｎ個の振動センサの設置箇所ごとの、前記１つの回転数での動作条件下での前記第２の制御モードでの制御時における振動値の二乗和が最小になるように、前記第２の電流の電流値および前記第１の周期的なタイミングを決定する
   磁気軸受装置。
5. 請求項２に記載の磁気軸受装置であって、
   前記制御部は、
   前記回転軸のＲ（Ｒは２以上の整数）種類の異なる回転数の動作条件下の各々で検出された前記第１の振動値の各々と、前記第３の制御モードでの制御時において前記Ｒ種類の異なる回転数の動作条件下の各々で前記振動センサによって検出された前記第２の振動値の各々と、前記第３の制御モードでの制御によって前記回転軸に加えられるアンバランス量の前記第２の値と前記第２の周期的なタイミングと、に基づいて、
   前記第２の制御モードにおいて前記第２の電流の電流値および前記第１の周期的なタイミングによって前記回転軸のアンバランス量が修正される修正面の数Ｍ（Ｍは１以上の整数）と、前記振動センサの数Ｎ（Ｎは１以上の整数）と、前記Ｒとが、Ｎ×Ｒ≦Ｍを満たす場合に、
   前記少なくとも１つの振動センサの設置箇所のうちの全ての設置箇所において、かつ、前記Ｒ種類の異なる回転数の動作条件下の各々において振動値が最小になるように、前記第２の電流の電流値および前記第１の周期的なタイミングを決定する
   磁気軸受装置。
6. 請求項２に記載の磁気軸受装置であって、
   前記制御部は、
   前記回転軸のＲ（Ｒは２以上の整数）種類の異なる回転数の動作条件下の各々で検出された前記第１の振動値の各々と、前記第３の制御モードでの制御時において前記Ｒ種類の異なる回転数の動作条件下の各々で前記振動センサによって検出された前記第２の振動値の各々と、前記第３の制御モードでの制御によって前記回転軸に加えられるアンバランス量の前記第２の値と前記第２の周期的なタイミングと、に基づいて、
   前記第２の制御モードにおいて前記第２の電流の電流値および前記第１の周期的なタイミングによって前記回転軸のアンバランス量が修正される修正面の数Ｍ（Ｍは１以上の整数）と、前記振動センサの数Ｎ（Ｎは１以上の整数）と、前記Ｒとが、Ｎ×Ｒ＞Ｍを満たす場合に、
   前記Ｎ個の振動センサの設置箇所ごと、かつ、前記Ｒ種類の異なる回転数の動作条件ごとの、前記第２の制御モードでの制御時における振動値の二乗和が最小になるように、前記第２の電流の電流値および前記第１の周期的なタイミングを決定する
   磁気軸受装置。
7. 請求項４または請求項６に記載の磁気軸受装置であって、
   前記制御部は、前記影響係数法で使用する影響係数に所定の重み付けを行って、前記第２の電流の電流値および前記第１の周期的なタイミングを決定する
   磁気軸受装置。
8. 請求項２ないし請求項７のいずれか一項に記載の磁気軸受装置であって、
   前記制御部は、
   前記第３の制御モードによって、前記第２の電流の電流値および前記第１の周期的なタイミングを決定した場合に、該決定した前記第２の電流の電流値および前記第１の周期的なタイミングを特定可能な情報を記憶媒体に記憶させ、
   前記回転軸の回転数が、該回転軸の回転の開始後、定格回転数に達した場合に、前記記憶媒体に記憶された前記情報から特定される前記第２の電流の電流値および前記第１の周期的なタイミングを用いて、前記第２の制御モードでの制御を行う
   磁気軸受装置。
9. 請求項１ないし請求項８のいずれか一項に記載の磁気軸受装置であって、
   前記回転センサは、前記回転軸が１回転するごとに１回のパルスを発生するように構成された
   磁気軸受装置。
10. 請求項９に記載の磁気軸受装置であって、
    前記回転センサは、
    前記回転軸に固定され、該回転軸と直交する方向に円盤状に形成され、磁性材料からなるディスク部と、
    前記ディスク部と間隙を有して対向するように設けられたセンサ磁極と、
    センサ磁極に巻回されたセンサコイルと
    を備え、
    前記ディスク部のうちの前記センサ磁極と対向する側の面である第１の面には、前記ディスク部の軸線の方向の厚みが低減された第１の切欠部が形成され、
    前記ディスク部のうちの前記第１の面と反対側の面である第２の面には、前記軸線を中心とした前記第１の切欠部と１８０度回転対称の位置に、前記第１の切欠部と同一の形状の第２の切欠部が形成された
    磁気軸受装置。
11. 回転軸を支承する磁気軸受装置に起因する振動を低減する方法であって、
    前記回転軸を浮上支持するための第１の電流を前記磁気軸受の電磁石に流し、該電磁石に流された電流によって生じる電磁力を用いて、磁気浮上によって前記回転軸を非接触で支承させる第１の工程と、
    第１の工程において、前記回転軸の回転によって生じる振動の影響範囲内に設けられた少なくとも１つの振動センサによって、振動を検出する第２の工程と、
    前記少なくとも１つの振動センサの設置箇所のうちの、少なくとも１つの設置箇所において、前記第１の工程において検出された振動値よりも振動が低減されるように、前記回転軸の回転周期に同期した周期的な所定のタイミングにおいてのみ、前記第１の電流に代えて、前記第１の電流の電流値に対して所定の値だけ加算または減算した電流値を有する第２の電流を前記電磁石に流し、該電磁石に流された電流によって生じる電磁力を用いて、磁気浮上によって前記回転軸を非接触で支承させる第３の工程と
    を備えた方法。

Images