气体激光装置及磁轴承控制五分时时彩方法与流程

文档序号:19128538发布日期:2019-11-13 02:22
气体激光装置及磁轴承控制五分时时彩方法与流程

本公开涉及气体激光装置及磁轴承控制五分时时彩方法。



背景技术:

随着半导体集成电路的微细化、高集成化,在半导体曝光装置中要求提高分辨率。以下,将半导体曝光装置简称为“曝光装置”。为此,正在推进从曝光用光源输出的光的短波长化。在曝光用光源中,使用气体激光装置来代替以往的贡灯。目前,作为曝光用的气体激光装置,使用了输出波长为248nm的紫外线的KrF准分子激光装置以及输出波长为193nm的紫外线的ArF准分子激光装置。

作为目前的曝光技术,实用化了如下的液浸曝光:通过用液体充满曝光装置侧的投影透镜与晶片之间的间隙来改变该间隙的折射率,从而缩短曝光用光源的目击波长。在使用ArF准分子激光装置作为曝光用光源而进行液浸曝光的情况下,对晶片照射在水中时波长为134nm的紫外光。将这种技术称为ArF液浸曝光。ArF液浸曝光也被称为ArF液浸光刻。

由于KrF、ArF准分子激光装置在自然振荡中的频谱线宽宽至大约350pm~400pm,所以由曝光装置侧的投影透镜缩小投影到晶片上的激光(紫外线光)产生色像差而导致分辨率降低。因此,需要将从气体激光装置输出的激光的频谱线宽窄带化,直到色像差达到能够无视的程度。频谱线宽也被称为频谱宽度。因此,在气体激光装置的激光谐振器内设置有具有窄带化元件的窄带化部(Line Narrow Module),通过该窄带化部实现了频谱宽度的窄带化。另外,窄带化元件也可以是标准具或光栅等。将频谱宽度被以这种方式窄带化的激光装置称为窄带化激光装置。

现有技术文献

专利文献

专利文献1:日本特开2000-216460号公报

专利文献2:WO2010/101107

专利文献3:日本特开2010-113192号公报



技术实现要素:

本公开的1个观点的气体激光装置具有:

A.激光腔室,其封入激光气体;

B.一对放电电极,它们配置在所述激光腔室内,且彼此相对地进行配置;

C.风扇,其使激光气体在所述一对放电电极之间流过;

D.磁轴承,其包含能够对磁力进行控制的电磁铁,该磁轴承将所述风扇的旋转轴支承为在通过所述磁力而磁悬浮的状态下旋转自如;

E.电磁铁控制部,其根据所述旋转轴的悬浮位置的位移来控制所述电磁铁的磁力,从而调节所述悬浮位置;

F.电动机,其产生使所述风扇旋转的转矩;

G.磁耦合器,其利用磁吸引力将所述旋转轴和所述电动机的驱动轴结合起来,向所述旋转轴传递所述电动机的转矩;

H.吸引力估计用传感器,其检测能够估计所述磁耦合器的吸引力的参数;

I.吸引力计测部,其根据由所述吸引力估计用传感器检测出的所述参数,计测所述磁耦合器的所述吸引力;以及

J.校正部,其根据由所述吸引力计测部计测出的所述吸引力的变动,对所述电磁铁的磁力进行校正。

本公开的1个观点的磁轴承控制五分时时彩方法被使用在气体激光装置中,该气体激光装置具有:激光腔室,其封入激光气体;一对放电电极,它们配置在所述激光腔室内,且彼此相对地进行配置;以及风扇,其使激光气体在所述一对放电电极之间流过,

该磁轴承控制五分时时彩方法对磁轴承进行控制,该磁轴承包含能够对磁力进行控制的电磁铁,该磁轴承将所述风扇的旋转轴支承为在通过所述磁力而磁悬浮的状态下旋转自如,

该磁轴承控制五分时时彩方法具有如下的步骤:

A.电磁铁控制步骤,根据所述旋转轴的悬浮位置的位移来控制所述电磁铁的磁力,从而调节所述悬浮位置;

B.风扇旋转步骤,使用磁耦合器,利用磁吸引力将所述风扇的旋转轴和电动机的驱动轴结合起来,从所述电动机向所述旋转轴传递转矩而使风扇进行旋转;

C.参数检测步骤,检测能够估计所述磁耦合器的吸引力的参数;

D.吸引力计测步骤,根据检测出的所述参数,计测所述磁耦合器的所述吸引力;以及

E.校正步骤,根据在所述吸引力计测步骤中计测出的所述吸引力的变动,对所述电磁铁的磁力进行校正。

附图说明

下面,仅仅作为例子,参照附图对本公开的几个实施方式进行说明。

图1是概略地示出比较例的气体激光装置的结构的说明图。

图2是示出比较例的磁轴承系统的结构的说明图。

图3是示出磁耦合器的结构的说明图,图3A是与旋转轴垂直的方向的横剖视图,图3B是与旋转轴平行的方向的纵剖视图。

图4是示出径向位移传感器和径向电磁铁的配置的说明图。图4A示出了第1磁轴承的第1径向位移传感器的配置,图4B示出了第1磁轴承的第1径向电磁铁的配置。图4C示出了第2磁轴承的第2径向位移传感器的配置,图4D示出了第2磁轴承的第2径向电磁铁的配置。

图5是示出轴向轴承部的结构的说明图。

图6是示出比较例的磁轴承控制部的电气结构的概略的框图。

图7是示出第1径向电磁铁控制部C1X的控制流程的流程图。

图8是示出第1径向电磁铁控制部C1Y的控制流程的流程图。

图9是示出第2径向电磁铁控制部C2X的控制流程的流程图。

图10是示出第2径向电磁铁控制部C2Y的控制流程的流程图。

图11是示出轴向电磁铁控制部CZ的控制流程的流程图。

图12是示出统一控制部的控制流程的流程图。

图13是对磁耦合器的CP吸引力的变动对轴向电磁铁造成的影响进行说明的说明图。

图14是磁耦合器的驱动侧转子部与从动侧转子部的相位差的说明图。图14A是示出各转子部的初始的对置状态的立体图,图14B是示出初始的对置状态的示意图。

图15是示出有相位差的情况下的各转子部的对置状态的示意图。

图16是示出相位差角度θ与CP吸引力Fcpθ的对应关系的曲线图。

图17是示出在没有相位差的情况下作用于旋转轴的Z轴方向的力的平衡关系的说明图。

图18是示出在有相位差的情况下作用于旋转轴的Z轴方向的力的平衡关系的说明图。

图19是示出比较例的位置调节的动作的说明图,是示出在没有相位差的情况下旋转轴因外力而发生位移的情况下的位置调节的控制的说明图。图19A示出了旋转轴处于目标位置的初始状态,图19B示出了旋转轴因外力而发生位移的情况,图19C示出了进行接近目标位置的控制的状态。

图20是示出比较例的位置调节的动作的说明图,是示出针对比较例的控制在有相位差的情况下旋转轴因外力而发生位移的情况下的位置调节的控制的说明图。图20A示出了旋转轴处于目标位置的初始状态,图20B示出了旋转轴因外力而发生位移的情况,图20C示出了进行接近目标位置的控制的状态。

图21是示出第1实施方式的磁轴承系统的结构的说明图。

图22是示出磁通密度传感器的配置的说明图。图22A示出了X-Y平面上的配置,图22B示出了Y-Z平面上的配置。

图23是示出没有相位差的、电动机停止的情况下的磁通密度传感器的输出的说明。图23A示出了磁通密度传感器的检测信号的时间变化,图23B示出了驱动侧转子部与从动侧转子部的对置状态。

图24是示出电动机以低速进行旋转且几乎没有相位差的情况下的磁通密度传感器的输出的说明。图24A示出了磁通密度传感器的检测信号的时间变化,图24B示出了驱动侧转子部与从动侧转子部的对置状态。

图25是示出电动机以比较高的速度进行旋转且有相位差的情况下的磁通密度传感器的输出的说明。图25A示出了磁通密度传感器的检测信号的时间变化,图25B示出了驱动侧转子部与从动侧转子部的对置状态。

图26是示出第1实施方式的磁轴承控制部的电气结构的概略的框图。

图27是对电动机以低速进行旋转且几乎没有相位差的情况下的将磁通密度传感器的检测信号转换为绝对值的情形进行说明的说明图。图27A示出了磁通密度传感器的检测信号的时间变化,图27B示出了转换为绝对值后的检测信号。

图28是对电动机以比较高的速度进行旋转且有相位差的情况下的将磁通密度传感器的检测信号转换为绝对值的情形进行说明的说明图。图28A示出了磁通密度传感器的检测信号的时间变化,图28B示出了转换为绝对值后的检测信号。

图29是示出CP吸引力计测部的处理的流程图。

图30A示出了第1实施方式的轴向电磁铁控制部的流程图的前半部分。

图30B示出了第1实施方式的轴向电磁铁控制部的流程图的后半部分。

图31示出了第1实施方式中的在Z轴方向上作用于旋转轴27的力的平衡关系。

图32是示出第1实施方式的位置调节的动作的说明图,是示出针对第1实施方式的控制在有相位差的情况下旋转轴因外力而发生位移的情况下的位置调节的控制的说明图。图32A示出了旋转轴处于目标位置的初始状态,图32B示出了旋转轴因外力而发生位移的情况,图32C示出了进行接近目标位置的控制的状态。

图33是CP吸引力的下限值的说明图。

图34A是示出第1实施方式的统一控制部的控制流程的流程图的前半部分。

图34B是示出第1实施方式的统一控制部的控制流程的流程图的后半部分。

图35是示出第2实施方式的磁轴承系统的结构的说明图。

图36是示出磁通密度变化传感器的配置的说明图。图36A示出了X-Y平面上的配置,图36B示出了Y-Z平面上的配置。

图37是示出第2实施方式的磁轴承控制部的电气结构的概略的框图。

图38是示出电动机的旋转停止的情况下的磁通密度变化传感器的输出的说明图。图38A示出了磁通密度传感器的输出,图38B示出了与图38A对应的磁通密度变化传感器的输出。

图39是电动机以低速进行旋转且没有相位差的情况下的磁通密度变化传感器的输出的说明图。图39A示出了磁通密度传感器的输出,图39B示出了与图39A对应的磁通密度变化传感器的输出。

图40是电动机以比较高的速度进行旋转且有相位差的情况下的磁通密度变化传感器的输出的说明图。图40A示出了磁通密度传感器的输出,图40B示出了与图40A对应的磁通密度变化传感器的输出。

图41示出了对图39B所示的磁通密度变化传感器的输出进行转换的处理。图41A示出了图39B所示的输出,图41B示出了绝对值转换后的输出,图41C示出了比较器的输出。

图42示出了对图39C所示的磁通密度变化传感器的输出进行转换的处理。图42A示出了图40C所示的输出,图42B示出了绝对值转换后的输出,图42C示出了比较器的输出。

图43是示出CP吸引力计测部的处理的流程图。

图44是示出相位差角度θ的计测处理的流程图。

图45是示出计算CP吸引力Fcpθ的处理的流程图。

图46是示出相位差角度θ与CP吸引力Fcpθ的对应关系的表数据的说明图。

图47是示出CP吸引力的异常处理的变形例的流程图。

图48是示出将磁通密度传感器和微分电路组合起来而得的相位差传感器的第1变形例的说明图。

图49是图48的相位差传感器的信号处理的说明图。图49A示出了磁通密度传感器的输出,图49B示出了微分电路的输出。

图50是示出使用了旋转传感器的相位差传感器的第2变形例的说明图。

图51是图50的相位差传感器的配置图。图51A示出了X-Y平面上的配置,图51B示出了Y-Z平面上的配置。

图52是图51的相位差传感器的相位差检测五分时时彩方法的说明图。图52A示出了驱动侧转子部的旋转检测信号,图52B示出了从动侧转子部的旋转检测信号。

图53是示出第3实施方式的磁轴承系统的结构的说明图。

图54是第3实施方式的磁耦合器的说明图。图54A示出了与旋转轴垂直的横截面,图54B示出了与旋转轴平行的纵截面。

图55是示出第3实施方式的磁轴承控制部的电气结构的概略的框图。

图56是图55的磁耦合器的CP吸引力的说明图。

图57是示出初始状态下的、作用于旋转轴的力的平衡关系的说明图。

图58是示出根据CP吸引力的减少量ΔFcpθ进行了校正的情况下的、作用于旋转轴的力的平衡关系的说明图。

图59A是示出第3实施方式中的第2径向电磁铁控制部C2XC的控制流程的流程图的前半部分。

图59B是示出第3实施方式中的第2径向电磁铁控制部C2XC的控制流程的流程图的后半部分。

图60A是示出第3实施方式中的第2径向电磁铁控制部C2YC的控制流程的流程图的前半部分。

图60B是示出第3实施方式中的第2径向电磁铁控制部C2YC的控制流程的流程图的后半部分。

图61是示出第4实施方式的磁轴承系统的结构的说明图。

图62是示出第4实施方式的磁轴承控制部的电气结构的概略的框图。

图63是示出没有相位差的初始状态的情况下的作用于旋转轴的力的平衡关系的说明图。

图64是示出根据CP吸引力的减少量ΔFcpθ进行了校正的情况下的、作用于旋转轴的力的平衡关系的说明图。

图65A是示出第4实施方式的轴向电磁铁控制的控制流程的流程图的前半部分。

图65B是示出第4实施方式的轴向电磁铁控制的控制流程的流程图的后半部分。

图66是由模拟电路构成了磁轴承控制部的情况下的框图。

具体实施方式

<内容>

1.概要

2.比较例的气体激光装置

2.1气体激光装置的整体结构

2.2风扇的磁轴承系统的结构

2.2.1磁耦合器的详细内容

2.2.2径向轴承部中的电磁铁的配置与力的平衡

2.2.3轴向轴承部中的电磁铁的配置与力的平衡

2.2.4磁轴承控制部的结构

2.3磁轴承系统的动作

2.3.1径向电磁铁控制部的控制流程

2.3.1.1第1径向电磁铁控制部C1X的控制流程

2.3.1.2第1径向电磁铁控制部C1Y的控制流程

2.3.1.3第2径向电磁铁控制部C2X的控制流程

2.3.1.4第2径向电磁铁控制部C2Y的控制流程

2.3.2轴向电磁铁控制部的控制流程

2.3.3统一控制部的控制流程

2.4气体激光装置的激光振荡动作

2.5课题

3.第1实施方式的气体激光装置

3.1风扇的磁轴承系统的结构

3.1.1磁通密度传感器

3.1.2磁轴承控制部的结构

3.1.3 CP吸引力计测五分时时彩方法

3.2磁轴承系统的动作

3.2.1径向电磁铁控制部的控制流程

3.2.2 CP吸引力计测部的处理

3.2.3轴向电磁铁控制部CZA的控制流程

3.3作用

3.3.1第1效果

3.3.2第2效果

3.3.3第3效果

3.4 CP吸引力的异常判定

3.5磁耦合器的变形例

3.6 PID控制

3.7其他

4.第2实施方式的气体激光装置

4.1风扇的磁轴承系统的结构

4.1.1磁通密度变化传感器

4.1.2 CP吸引力计测五分时时彩方法

4.2磁轴承系统的动作

4.2.1 CP吸引力计测部的处理

4.3作用

4.4 CP吸引力的异常判定处理的变形例

4.5相位差传感器的变形例

4.5.1变形例1

4.5.2变形例2

5.第3实施方式的气体激光装置

5.1风扇的磁轴承系统的结构

5.1.1磁耦合器

5.1.2磁轴承控制部的结构

5.1.3磁耦合器的径向方向的CP吸引力

5.1.4径向轴承部的力的平衡

5.2磁轴承系统的动作

5.2.5第2径向电磁铁控制部的控制流程

5.2.5.1第2径向电磁铁控制部C2XC的控制流程

5.2.5.2第2径向电磁铁控制部C2YC的控制流程

5.3作用

5.4其他

6.第4实施方式的气体激光装置

6.1风扇的磁轴承系统的结构

6.1.1磁轴承控制部的结构

6.1.2轴向方向的力的平衡

6.2磁轴承系统的动作

6.2.1轴向电磁铁控制部的控制流程

6.3作用

7.模拟电路

8.其他

以下,参照附图对本公开的实施方式进行详细说明。以下说明的实施方式示出了本公开的几个例子,并没有限定本公开的内容。另外,并没有限定各实施方式中说明的结构和动作全部都是作为本公开的结构和动作所必须的。另外,对相同的结构要素标注相同的参照标号,省略重复的说明。

1.概要

本公开涉及具有配置在激光腔室内的横流风扇的磁轴承系统的气体激光装置。

2.比较例的气体激光装置

2.1气体激光装置的整体说明

图1概略地示出了比较例的气体激光装置2的整体结构。气体激光装置2是生成脉冲激光的激光光源。由气体激光装置2生成的脉冲激光例如被提供给曝光装置3。气体激光装置2是放电激励式的气体激光装置。气体激光装置2是使用例如包含氩(Ar)和氟(F)的ArF激光气体作为激光介质(即激光气体)的准分子激光装置。关于激光气体,除了氩之外,还可以使用氪或氙等作为稀有气体,除了氟之外,还可以使用氯等作为卤素气体。作为缓冲气体,使用氖或氦或它们的混合气体等。

气体激光装置2具有激光腔室10、充电器11、脉冲功率模块(Pulse Power Module:PPM)12、激光谐振器、脉冲能量计测器13、压力传感器14、气体供排气装置16、激光控制部17以及磁轴承系统40。

激光腔室10在其内部封入激光气体。形成激光腔室10的内部空间的壁10c例如由铝金属等金属材料形成。在该金属材料的表面上例如实施了镀镍。激光腔室10包含一对放电电极21a和21b、电绝缘部23、导电支架24以及风扇26。

一对放电电极21a和21b是用于通过放电来激励激光气体的电极。一对放电电极21a和21b分别例如在卤素气体含有氟的情况下由含有铜的金属材料形成,在卤素气体含有氯的情况下由含有镍的金属材料形成。一对放电电极21a和21b以隔开规定间隔的状态且以彼此的长度方向大致平行的方式相对配置。

电绝缘部23以堵住形成于激光腔室10的开口的方式配置。电绝缘部23由与激光气体的反应性低的绝缘材料形成。例如,在卤素气体含有氟或氯的情况下,电绝缘部23由高纯度的氧化铝陶瓷形成。电绝缘部23对放电电极21a进行支承。在电绝缘部23中埋入有导电部23a。导电部23a将脉冲功率模块12的高电压端子与放电电极21a电连接,以便向放电电极21a施加从脉冲功率模块12提供的高电压。

导电支架24对放电电极21b进行支承。导电支架24固定于激光腔室10的壁10c,并与壁10c电连接。导电支架24例如由含有铝、铜等的金属材料形成,对其表面实施镀镍。

风扇26是使激光气体在激光腔室10内循环而在一对放电电极21a和21b之间产生高速的激光气体流的横流风扇。风扇26以一对放电电极21a和21b的长度方向与风扇26的长度方向大致平行的方式配置。

磁轴承系统40通过磁力使风扇26的旋转轴27磁悬浮,在该状态下借助电动机31使风扇26旋转。磁轴承系统40包含第1磁轴承28和第2磁轴承29、电动机31、磁耦合器32、旋转检测部33、逆变器34以及磁轴承控制部36。

风扇26的旋转轴27的两端分别被第1磁轴承28和第2磁轴承29支承。第1磁轴承28和第2磁轴承29产生磁力,通过所产生的磁力使旋转轴27磁悬浮,以不与旋转轴27接触的状态将旋转轴27支承为旋转自如。

在旋转轴27的轴向上,在第2磁轴承29侧设置有电动机31,该电动机31产生使风扇26旋转的转矩。电动机31例如是感应电动机。在第2磁轴承29与电动机31之间配置有磁耦合器32。磁耦合器32如后述那样利用磁吸引力将电动机31的转矩传递给风扇26的旋转轴27。第1磁轴承29设置有旋转检测部33。

旋转检测部33检测风扇26的转速。旋转检测部33例如具有旋转传感器和计数电路。旋转传感器设置在第1磁轴承28内,在旋转轴27每旋转一周时便输出检测信号。计数电路通过对规定时间内的检测信号的数量进行计数而检测风扇26的转速。旋转检测部33将检测出的转速发送到磁轴承控制部36。逆变器34将从未图示的直流电源、转换器等提供的直流转换成具有期望的输出频率和输出电压的交流并提供给电动机31。

磁轴承控制部36从激光控制部17接收指示风扇26的旋转轴27的磁悬浮或风扇26的旋转开始的信号,使第1磁轴承28和第2磁轴承29、电动机31进行动作。

另外,磁轴承控制部36通过逆变器34对电动机31的转速和转矩进行控制。磁轴承控制部36从激光控制部17接收风扇26的目标转速Rt的数据,从旋转检测部33接收风扇26的转速的实测值。磁轴承控制部36对逆变器34进行控制,以使风扇26的转速的实测值接近目标转速Rt。具体来说,作为逆变器34的控制,磁轴承控制部36例如使用V/f控制等控制五分时时彩方法来控制逆变器34的输出频率和输出电压。由此,对电动机31的转速和转矩进行控制。在后面参照图2对磁轴承系统40的详细结构进行叙述。

充电器11和脉冲功率模块12构成电源装置。脉冲功率模块12包含未图示的充电电容器和开关12a。充电器11与充电电容器连接,按照规定电压对充电电容器进行充电。当通过激光控制部17的控制使开关12a从断开变为接通时,脉冲功率模块12使充电电容器放电。由此,生成脉冲状的高电压,该高电压被施加到一对放电电极21a和21b之间。

当向一对放电电极21a和21b之间施加高电压时,在一对放电电极21a和21b之间引起放电。通过该放电的能量,激光腔室10内的激光气体被激励而转移到高能量能级。被激励的激光气体在随后转移到低能量能级时,释放与其能量能级差对应的波长的光。

在激光腔室10的两端设置有窗口10a和10b。在激光腔室10内产生的光经由窗口10a和10b而射出到激光腔室10的外部。

激光谐振器由窄带化模块(Line Narrowing Module:LNM)18和输出耦合镜(Out put Coupler:OC)19构成。窄带化模块18包含棱镜18a和光栅18b。棱镜18a对从激光腔室10经由窗口10b射出的光的束宽进行放大,使放大后的光向光栅18b侧透过。

光栅18b是在表面按照规定间隔形成有多个槽的波长分散元件。光栅18b是入射角度和衍射角度为相同角度的利特罗(Littrow)配置。光栅18b根据衍射角度选择性取出透过了棱镜18a的光中的特定波长附近的光,并使该光返回到激光腔室10内。由此,从光栅18b返回到激光腔室10的光的频谱宽度被窄带化。

在输出耦合镜19的表面涂覆有部分反射膜。因此,输出耦合镜19使经由窗口10a从激光腔室10射出的光的一部分透过并使另一部分反射而返回到激光腔室10内。

从激光腔室10射出的光在窄带化模块18与输出耦合镜19之间往返,每当通过一对放电电极21a和21b之间的激光增益空间时便被放大。放大后的光的一部分经由输出耦合镜19而输出为脉冲激光。

脉冲能量计测器13包含分束器13a、聚光光学系统13b以及光传感器13c。分束器13a配置在脉冲激光的光路上。分束器13a使透过了输出耦合镜19的脉冲激光以高透过率朝向曝光装置3透过,并且使脉冲激光的一部分朝向聚光光学系统13b反射。聚光光学系统13b将被分束器13a反射后的光会聚于光传感器13c的受光面。光传感器13c检测会聚于受光面的脉冲激光,并计测检测出的脉冲激光的脉冲能量。光传感器13c将计测出的脉冲能量的数据输出到激光控制部17。

压力传感器14检测激光腔室10内的气压。压力传感器14将检测出的气压数据输出到激光控制部17。

气体供排气装置16通过气体配管而与激光腔室10连接,通过气体配管来进行激光气体向激光腔室10内的提供和激光腔室10内的激光气体向激光腔室10外的排出。

激光控制部17在其与设置于曝光装置3的曝光装置控制部3a之间发送接收各种信号。在各种信号中包含对激光控制部17指示激光振荡准备的信号、脉冲激光的目标脉冲能量Et的数据、作为使激光振荡的定时信号的振荡触发信号等。

激光控制部17根据从曝光装置控制部3a发送的各种信号,对气体激光装置2的各构成要素的动作进行统一控制。例如,激光控制部17对充电器11发送充电电压的设定信号,或者对脉冲功率模块12发送开关接通或断开的振荡触发信号。此外,激光控制部17为了对激光腔室10内的激光气体的压力进行控制,根据压力传感器14的检测值来控制气体供排气装置16。

激光控制部17参照从脉冲能量计测器13接收的脉冲能量的数据,通过对充电器11的充电电压或激光气体的压力进行控制而对脉冲激光的脉冲能量进行控制。

另外,如上所述,激光控制部17对磁轴承控制部36发送指示风扇26的旋转轴27的磁悬浮或风扇26的旋转开始的信号、风扇26的目标转速Rt的数据。磁轴承控制部36根据从激光控制部17接收的信号和数据,对风扇26的旋转进行控制。

2.2风扇的磁轴承系统的结构

图2是示出磁轴承系统40的结构的说明图。磁轴承系统40如上述那样使风扇26的旋转轴27磁悬浮并且对风扇26的旋转进行控制。通过采用磁轴承系统40,与采用了滚珠轴承的情况相比,不会因旋转轴27与滚珠轴承的接触而产生磨损,因此能够期待该部分的长寿命化。另外,由于防止了作为杂质的物质从用于滚珠轴承的润滑剂混入到激光气体中,所以抑制了脉冲激光的输出的降低。

第1磁轴承28包含第1径向轴承部RB1、轴向轴承部AXB以及第1外壳44。第2磁轴承29包含第2径向轴承部RB2和第2外壳46。这里,径向方向是指旋转轴27的径向,包括X轴方向和Y轴方向。轴向方向是指与Z轴方向平行的旋转轴27的轴向。

第1径向轴承部RB1具有第1径向电磁铁M1和第1径向位移传感器S1。第2径向轴承部RB2具有第2径向电磁铁M2和第2径向位移传感器S2。轴向轴承部AXB具有轴向电磁铁MZ和轴向位移传感器SZ。轴向电磁铁MZ包含轴向电磁铁MZa和轴向电磁铁MZb。

在第1外壳44内收纳有从激光腔室10突出的旋转轴27的一端部。另外,在第1外壳44内设置有壳体48。壳体48是在第1外壳44内将与激光腔室10内连通的内部空间和其外侧的外部空间隔开的隔壁。壳体48由壳体48a、48b、48c的各部分构成。壳体48由难以与激光气体反应的金属材料形成,作为金属材料,例如,使用对表面实施了镀镍的不锈钢。但是,在对卤素具有耐腐蚀性的不锈钢(例如SUS316L)的情况下,也可以不对表面实施镀镍。

壳体48a配置在旋转轴27的轴周围,是以覆盖旋转轴27的方式形成为圆筒状的隔壁。壳体48b和48c是分别与旋转轴27垂直地配置的圆板状的隔壁,具有与第1外壳44的内径对应的直径。在第1外壳44内的旋转轴27的端缘安装有靶盘49。壳体48b和48c在旋转轴27的轴向上以隔着靶盘49的状态相对配置,划定出收纳靶盘49的空间。

构成第1径向轴承部RB1的第1径向电磁铁M1和第1径向位移传感器S1被收纳在第1外壳44内的壳体48a的外侧的外部空间中。第1径向电磁铁M1和第1径向位移传感器S1配置在旋转轴27的轴周围,并固定在壳体48a的外表面。在旋转轴27上,在与各第1径向电磁铁M1对置的位置设置有电磁铁靶51,在与各第1径向位移传感器S1对置的位置设置有传感器靶52。电磁铁靶51隔着壳体48a而与第1径向电磁铁M1对置,传感器靶52隔着壳体48a而与第1径向位移传感器S1对置。电磁铁靶51和传感器靶52为覆盖旋转轴27的整周的圆筒形状。

第1径向电磁铁M1通过通电而产生磁力,将电磁铁靶51拉到近旁。电磁铁靶51由难以与激光气体反应的磁性材料形成。作为磁性材料,例如使用坡莫合金。由于电磁铁靶51被固定于旋转轴27,所以第1径向电磁铁M1的磁力作为将旋转轴27拉到近旁并吸引的吸引力而发挥作用。第1径向电磁铁M1能够通过改变通电的电流的大小而对磁力进行控制。

在旋转轴27的周围,在隔着旋转轴27而对置的位置配置有多个第1径向电磁铁M1。对置的多个第1径向电磁铁M1通过吸引旋转轴27而使旋转轴27在径向方向上磁悬浮。

第1径向位移传感器S1检测通过第1径向电磁铁M1而磁悬浮的旋转轴27的径向方向上的悬浮位置。第1径向位移传感器S1例如是能够以非接触的方式检测作为测量对象的传感器靶52的位置的涡电流式位移传感器。

涡电流式位移传感器具有:传感器头,其具有传感器线圈;以及驱动器,其包含振荡器、谐振电路、检波电路、线性化器等。涡电流式位移传感器使高频电流流过传感器线圈而产生高频的磁通。该磁通透过壳体48a而使传感器靶52的表面产生涡电流。涡电流的大小根据传感器线圈与传感器靶52之间的距离而发生变化。当传感器线圈与传感器靶52之间的距离发生变化时,传感器线圈的阻抗发生变化,从谐振电路输出的输出电压发生变化。输出电压被检波电路和线性化器转换成与距离成比例的直流电压。该电压作为表示固定有传感器靶52的旋转轴27的径向方向上的悬浮位置的检测信号而输出到磁轴承控制部36。

另外,作为能够以非接触的方式检测传感器靶52的位置的位移传感器,也可以代替涡电流式位移传感器而使用电感变化式传感器。电感变化式位移传感器具有由卷绕有线圈的铁芯构成的传感器头。电感变化式位移传感器通过传感器头来检测根据传感器头与传感器靶52之间的间隙大小而变化的线圈的电感,从而检测传感器靶52的距离。

传感器靶52由难以与激光气体反应的、流过电流的金属材料形成。作为该金属材料,例如,使用铜、镍、金、铝及坡莫合金中的至少1种,也可以对其表面实施镀镍。另外,第1径向位移传感器S1并不限定于涡电流式位移传感器,也可以是电感式位移传感器、静电电容式位移传感器等非接触式的位移传感器。

构成轴向轴承部AXB的轴向电磁铁MZ和位移传感器SZ被收纳在第1外壳44内的壳体48的外侧的外部空间中。轴向电磁铁MZ与第1径向电磁铁M1同样,通过通电而产生磁力,能够通过改变电流的大小而对磁力进行控制。靶盘49作为轴向电磁铁MZ的靶材来发挥功能,轴向电磁铁MZ通过产生的磁力将靶盘49拉到近旁。靶盘49与电磁铁靶51同样,由难以与激光气体反应的磁性材料形成,作为磁性材料,例如使用坡莫合金。由于靶盘49被固定于旋转轴27,所以轴向电磁铁MZ的磁力作为将旋转轴27拉到近旁并吸引的吸引力来发挥作用。

轴向电磁铁MZa和MZb分别是圆环状的电磁铁,分别各设置1个,合计两个。轴向电磁铁MZa和MZb在旋转轴27的轴向上分别配置在隔着靶盘49而对置的位置。轴向电磁铁MZa和MZb分别被固定于在靶盘49的两侧分别配置的壳体48b、48c的外侧的面上。对置的轴向电磁铁MZa和MZb通过吸引旋转轴27而使旋转轴27在轴向方向上磁悬浮。

位移传感器SZ例如是与第1径向位移传感器S1同样的涡电流式位移传感器,检测旋转轴27的轴向方向的悬浮位置。靶盘49也作为位移传感器SZ的传感器靶来发挥功能。在靶盘49中,例如,在与位移传感器SZ对置的位置埋入有作为传感器靶来发挥功能的材料。位移传感器SZ输出与距靶盘49的距离成比例的电压。该电压作为表示固定有靶盘49的旋转轴27的轴向方向上的悬浮位置的检测信号而输出到磁轴承控制部36。

构成第2磁轴承29的第2径向轴承部RB2和第2外壳46的结构与第1磁轴承28是同样的,因此以不同点为中心进行说明。在第2外壳46内收纳有从激光腔室10突出的旋转轴27的一端部,在第2外壳46内,通过壳体54将与激光腔室10内连通的内部空间和其外侧的外部空间隔开。

壳体54a与壳体48a同样,是配置在旋转轴27的轴周围的圆筒状的隔壁。壳体54b是与旋转轴27垂直地配置的圆板状的隔壁,具有与第2外壳46的内径对应的直径。在第2外壳46内的旋转轴27的端缘安装有后述的磁耦合器32的从动侧转子部32b。在壳体54b与第2外壳46的端壁之间的空间中收纳从动侧转子部32b。

构成第2径向轴承部RB2的第2径向电磁铁M2和第2径向位移传感器S2被收纳在第2外壳46内的壳体54a的外侧的外部空间中,并固定在壳体54a的外表面。在旋转轴27上,在与各第2径向电磁铁M2对置的位置设置有电磁铁靶51,在与各第2径向位移传感器S2对置的位置设置有传感器靶52。电磁铁靶51隔着壳体54a而与第2径向电磁铁M2对置,传感器靶52隔着壳体54a而与第2径向位移传感器S2对置。

第2径向电磁铁M2与第1径向电磁铁M1同样,通过通电而产生磁力,能够通过改变通电的电流的大小而对磁力进行控制。第2径向电磁铁M2的磁力作为将旋转轴27拉到近旁并吸引的吸引力而发挥作用。在旋转轴27的周围,在隔着旋转轴27而对置的位置配置有多个第2径向电磁铁M2。对置的多个第2径向电磁铁M2通过吸引旋转轴27而使旋转轴27在径向方向上磁悬浮。

第2径向位移传感器S2检测通过第2径向电磁铁M2而磁悬浮的旋转轴27的径向方向上的悬浮位置。第2径向位移传感器S2是与第1径向位移传感器S1同样的涡电流式位移传感器。

在第2外壳46的端面安装有将电动机31固定于第2外壳46的电动机固定部56。电动机固定部56是圆筒形状的部件。电动机固定部56的一端安装于电动机31的主体部的外周,另一端安装于第2外壳46的端面。在电动机固定部56的内部收纳有电动机31的驱动轴31a和构成磁耦合器32的驱动侧转子部32a。

磁耦合器32具有驱动侧转子部32a和从动侧转子部32b。驱动侧转子部32a被安装并固定于电动机31的驱动轴31a,从动侧转子部32b被安装并固定于风扇26的旋转轴27。驱动侧转子部32a和从动侧转子部32b隔着第2外壳46的端壁而相对配置。

磁耦合器32在驱动侧转子部32a与从动侧转子部32b之间产生磁吸引力,利用吸引力将风扇26的旋转轴27和电动机31的驱动轴31a结合起来,从而将电动机31的转矩传递给风扇26的旋转轴27。

2.2.1磁耦合器的详细内容

图3示出了磁耦合器的详细内容。图3A示出了与旋转轴27的轴向垂直的X-Y平面的磁耦合器32的截面,图3B示出了与旋转轴27的轴向平行的Y-Z平面的磁耦合器32的截面。图3A示出了图3B所示的B-B截面,图3B示出了图3A所示的A-A截面。图3A示出了从动侧转子部32b,但驱动侧转子部32a也同样如此。

如图3A和图3B所示,驱动侧转子部32a和从动侧转子部32b的平面形状为圆盘形状,分别具有圆盘型的磁铁部320a、320b、支承部321a、321b以及外壳322a、322b。磁铁部320a、320b例如是具有8个中心角α为45°的风扇形的磁极的8极型。各磁极是N极或S极的永久磁铁,在磁铁部320a、320b各自的周向上交替地配置N极和S极的永久磁铁。支承部321a和321b分别具有圆形的盘部和设置于圆形的盘部的中心的旋转轴固定部。圆形的盘部对磁铁部320a和320b分别进行支承。在支承部321a的旋转轴固定部形成有供驱动轴31a贯穿插入的孔。在支承部321b的旋转轴固定部形成有供旋转轴27贯穿插入的孔。各外壳322a、322b分别为有底的圆筒形状,以覆盖磁铁部321a、321b的方式安装于支承部321a、321b。

如图3B所示,驱动侧转子部32a和从动侧转子部32b以N极和S极的磁极彼此对置的方式配置。通过使N极和S极对置,在驱动侧转子部32a与从动侧转子部32b之间产生沿轴向方向彼此吸引的磁力即吸引力Fcp。安装有驱动侧转子部32a的驱动轴31a的Z轴方向的位置被固定。因此,吸引力Fcp在使从动侧转子部32b接近驱动侧转子部32a的方向(即,作为轴向方向的Z轴方向)上向正方向作用。

当电动机31的驱动轴31a旋转时,驱动侧转子部32a绕Z轴进行旋转。当驱动侧转子部32a开始旋转时,从动侧转子部32b被吸引力Fcp吸引到驱动侧转子部32a,因此从动于驱动侧转子部32a的旋转而开始旋转。由此,电动机31的驱动轴31a的转矩以非接触的方式传递到风扇26的旋转轴27。

2.2.2径向轴承部中的电磁铁的配置和力的平衡

图4示出了第1径向轴承部RB1和第2径向轴承部RB2的各电磁铁的配置和各电磁铁之间的力的平衡关系。如图4A所示,第1径向轴承部RB1的第1径向位移传感器S1沿旋转轴27的周向配置有4个。具体来说,第1径向位移传感器S1包含:两个第1径向位移传感器S1Xa和S1Xb,它们配置在沿X轴方向隔着旋转轴27而对置的位置;以及两个第1径向位移传感器S1Ya和S1Yb,它们配置在沿Y轴方向隔着旋转轴27而对置的位置。这里,X轴方向是水平方向,Y轴方向是铅直方向,在Y轴方向上负方向是重力方向。

第1径向位移传感器S1Xa、S1Xb分别将表示与旋转轴27之间的X轴方向的距离的检测信号发送到磁轴承控制部36。第1径向位移传感器S1Ya、S1Yb分别将表示与旋转轴27之间的Y轴方向的距离的检测信号发送到磁轴承控制部36。

磁轴承控制部36将作为旋转轴27的悬浮位置而成为目标的、X-Y平面上的目标位置X10、Y10的数据存储在内部存储器中。目标位置X10、Y10的数据例如是旋转轴27位于目标位置X10、Y10的情况下的第1径向位移传感器S1Xa、S1Xb、S1Ya、S1Yb的检测信号的输出值。磁轴承控制部36根据目标位置X10、Y10的数据和第1径向位移传感器S1Xa、S1Xb、S1Ya、S1Yb的检测信号来评价旋转轴27的当前的悬浮位置相对于目标位置X10、Y10的位移量。该位移量按照如下的方式求出。

磁轴承控制部36根据第1径向位移传感器S1Xa和S1Xb的检测信号来计测旋转轴27的悬浮位置的当前位置X1。磁轴承控制部36根据以下的式(1),求出旋转轴27的悬浮位置的X轴方向的当前位置X1与X轴方向上的目标位置X10之差ΔX1。

ΔX1=X1-X10···(1)

另一方面,磁轴承控制部36根据第1径向位移传感器S1Ya和S1Yb的检测信号,计测旋转轴27的悬浮位置的当前位置Y1。磁轴承控制部36根据以下的式(2),求出旋转轴27的悬浮位置的Y轴方向的当前位置Y1与Y轴方向上的目标位置Y10之差ΔY1。

ΔY1=Y1-Y10···(2)

差ΔX1或差ΔY1分别表示旋转轴27的当前的悬浮位置相对于目标位置X10、Y10的X轴方向或Y轴方向上的位移量。磁轴承控制部36对旋转轴27的悬浮位置进行调节,以使旋转轴27的悬浮位置接近目标位置X10、Y10,即,ΔX1和ΔY1为“0”。

如图4B所示,第1径向轴承部RB1的第1径向电磁铁M1沿旋转轴27的周向配置有4个。具体来说,第1径向电磁铁M1包含:两个第1径向电磁铁M1Xa和M1Xb,它们配置在沿X轴方向隔着旋转轴27而对置的位置;以及两个第1径向电磁铁M1Ya和M1Yb,它们配置在沿Y轴方向隔着旋转轴27而对置的位置。

在图4B中示出了在第1径向轴承部RB1中作用于旋转轴27的第1径向电磁铁M1的力的平衡关系。用于使旋转轴27与目标位置X10、Y10一致的第1径向电磁铁M1的力的平衡关系如式(3)、(4)那样。

FX10=F-X10···(3)

FY10=Fg1+F-Y10···(4)

FX10是在X轴方向上向正方向产生的第1径向电磁铁M1Xa的吸引力,F-X10是在X轴方向上向负方向产生的第1径向电磁铁M1Xb的吸引力。

FY10是在Y轴方向上向正方向产生的第1径向电磁铁M1Ya的吸引力,F-Y10是在Y轴方向上向负方向产生的第1径向电磁铁M1Yb的吸引力。Fg1是在Y轴方向上沿作为负方向的重力方向对旋转轴27作用的重力。F-Y10的大小比FY10小了重力Fg1。

这里,第1径向电磁铁M1Xa、M1Xb分别产生吸引力FX10、F-X10时的电流值为IX10、I-X10。这些电流值IX10、I-X10是对第1径向电磁铁M1Xa、M1Xb提供的偏置电流的电流值。第1径向电磁铁M1Ya、M1Yb分别产生吸引力FY10、F-Y10时的电流值为IY10、I-Y10。这些电流值IY10、I-Y10是对第1径向电磁铁M1Ya、M1Yb提供的偏置电流的电流值。偏置电流是使磁悬浮开始时提供的电流的初始值。偏置电流是在旋转轴27开始磁悬浮时对各径向电磁铁M1Xa、M1Xb、M1Ya、M1Yb提供。

第2径向轴承部RB2也与第1径向轴承部RB1同样,如图4C所示,第2径向位移传感器S2沿旋转轴27的周向配置有4个。第2径向位移传感器S2包含:两个第2径向位移传感器S2Xa和S2Xb,它们在X轴方向上隔着旋转轴27而相对配置;以及两个第2径向位移传感器S2Ya和S2Yb,它们在Y轴方向上隔着旋转轴27而相对配置。

第2径向位移传感器S2Xa和S2Xb分别将表示与旋转轴27之间的Y轴方向的距离的检测信号发送到磁轴承控制部36。第2径向位移传感器S2Ya和S2Yb分别将表示与旋转轴27之间的Y轴方向的距离的检测信号发送到磁轴承控制部36。

磁轴承控制部36将作为旋转轴27的悬浮位置而成为目标的、X-Y平面上的目标位置X20、Y20的数据存储在内部存储器中。目标位置X20、Y20的数据例如是旋转轴27位于目标位置X20、Y20的情况下的第2径向位移传感器S2Xa、S2Xb、S2Ya、S2Yb的检测信号的输出值。磁轴承控制部36根据目标位置X20、Y20的数据和第2径向位移传感器S2Xa、S2Xb、S2Ya、S2Yb的检测信号,掌握旋转轴27的当前的悬浮位置相对于目标位置X20、Y20的位移量。该位移量按照如下的方式求出。

磁轴承控制部36根据第2径向位移传感器S2Xa和S2Xb的检测信号,计测旋转轴27的悬浮位置的当前位置X2。磁轴承控制部36根据以下的式(5),求出旋转轴27的悬浮位置的X轴方向的当前位置X2与X轴方向上的目标位置X20之差ΔX2。

ΔX2=X2-X20···(5)

另一方面,磁轴承控制部36根据第2径向位移传感器S2Ya和S2Yb的检测信号,计测旋转轴27的悬浮位置的当前位置Y2。磁轴承控制部36根据以下的式(6),求出旋转轴27的悬浮位置的Y轴方向的当前位置Y2与Y轴方向上的目标位置Y20之差ΔY2。

ΔY2=Y2-Y20···(6)

差ΔX2或差ΔY2分别表示旋转轴27的当前的悬浮位置相对于目标位置X20、Y20的X轴方向或Y轴方向上的位移量。磁轴承控制部36对旋转轴27的悬浮位置进行调节,以使旋转轴27的悬浮位置接近目标位置X20、Y20,即,ΔX2和ΔY2为“0”。

如图4D所示,第2径向轴承部RB2的第2径向电磁铁M2沿旋转轴27的周向配置有4个。具体来说,第2径向电磁铁M2包含:两个第2径向电磁铁M2Xa和M2Xb,它们在X轴方向上隔着旋转轴27而相对配置;以及两个第2径向电磁铁M2Ya和M2Yb,它们在Y轴方向上隔着旋转轴27而相对配置。

在图4D中示出了在第2径向轴承部RB2中作用于旋转轴27的第2径向电磁铁M2的力的平衡关系。用于使旋转轴27与目标位置X20、Y20一致的第2径向电磁铁M2的力的平衡关系如式(7)、(8)那样。

FX20=F-X20···(7)

FY20=Fg2+F-Y20···(8)

FX20是在X轴方向上向正方向产生的第2径向电磁铁M2Xa的吸引力,F-X20是在X轴方向上向负方向产生的第2径向电磁铁M2Xb的吸引力。

FY20是在Y轴方向上向正方向产生的第2径向电磁铁M2Ya的吸引力,F-Y20是在Y轴方向上向负方向产生的第2径向电磁铁M2Yb的吸引力。Fg2是在Y轴方向上沿作为负方向的重力方向对旋转轴27作用的重力。F-Y20的大小比FY20小了重力Fg2。

第2径向电磁铁M2Xa、M2Xb产生吸引力FX20、F-X20时的电流值为IX20、I-X20。这些电流值IX20、I-X20是对第2径向电磁铁M2Xa、M2Xb提供的偏置电流的电流值。第2径向电磁铁M2Ya、M2Yb产生吸引力FY20、F-Y20时的电流值为IY20、I-Y20。这些电流值IY20、I-Y20是对第2径向电磁铁M2Ya、M2Yb提供的偏置电流的电流值。

2.2.3轴向轴承部中的电磁铁的配置和力的平衡

图5示出了轴向轴承部AXB的详细内容。轴向轴承部AXB的轴向位移传感器SZ将表示与固定于旋转轴27的靶盘49之间的Z轴方向的距离的检测信号发送到磁轴承控制部36。

磁轴承控制部36将作为旋转轴27的悬浮位置而成为目标的、Z轴方向上的目标位置Z0的数据存储在内部存储器中。目标位置Z0的数据例如是旋转轴27位于目标位置Z0的情况下的轴向位移传感器SZ的检测信号的输出值。磁轴承控制部36根据目标位置Z0的数据和轴向位移传感器SZ的检测信号,掌握旋转轴27的当前的悬浮位置相对于目标位置Z0的位移量。该位移量按照如下的方式求出。

磁轴承控制部36根据轴向位移传感器SZ的检测信号,计测旋转轴27的悬浮位置的当前位置Z。磁轴承控制部36根据以下的式(9),求出旋转轴27的悬浮位置的Z轴方向的当前位置Z与Z轴方向上的目标位置Z0之差ΔZ。

ΔZ=Z-Z0···(9)

差ΔZ表示旋转轴27的当前的悬浮位置相对于目标位置Z0的Z轴方向上的位移量。磁轴承控制部36对旋转轴27的悬浮位置进行调节,以使旋转轴27的悬浮位置接近目标位置Z0,即,ΔZ1为“0”。

如上述那样,轴向电磁铁MZ在靶盘49的两侧各设置两个,合计4个。两个轴向电磁铁MZa隔着靶盘49而配置于在Z轴方向上成为正方向的风扇26侧,在Z轴方向上向正方向产生吸引力。隔着靶盘49而配置在负方向的两个轴向电磁铁MZb在Z轴方向上向负方向产生吸引力。

轴向电磁铁MZa相当于向与磁耦合器32的吸引力Fcp相同的第1方向即正方向产生吸引力的第1轴向电磁铁,轴向电磁铁MZb相当于向与第1方向相反的负方向产生吸引力的第2轴向电磁铁。

图5示出了在轴向轴承部AXB中作用于旋转轴27的、隔着靶盘49而相对配置的轴向电磁铁MZa和MZb的力的平衡关系。用于使旋转轴27与目标位置Z0一致的轴向电磁铁MZa和MZb的力的平衡关系如式(10)那样。

F-Z0=FZ0+Fcp···(10)

FZ0是在Z轴方向上向正方向产生的轴向电磁铁MZa的吸引力,F-Z0是在Z轴方向上向负方向产生的轴向电磁铁MZb的吸引力。

Fcp是在Z轴方向上向正方向对旋转轴27作用的磁耦合器32的吸引力。FZ0的大小比F-Z0小Fcp。

这里,轴向电磁铁MZa、MZb分别产生吸引力FZ0、F-Z0时的电流值为IZ0、I-Z0。这些电流值IZ0、I-Z0是对轴向电磁铁MZa、MZb提供的偏置电流的电流值。

另外,以下,为了区分由电磁铁M1、M2、MZ产生的吸引力和由磁耦合器32产生的吸引力,以下,将电磁铁M1、M2、MZ的吸引力称为EM吸引力,将磁耦合器32的吸引力称为CP吸引力。

2.2.4磁轴承控制部的结构

图6是示出磁轴承控制部36的电气结构的概略的框图。在图6中,为了方便而省略了一部分位移传感器和电磁铁的块和标记。例如,将第1径向位移传感器S1X和S1Y、第2径向位移传感器S2X和S2Y集中地用1个块示出,但实际上如图4所示的那样由多个传感器构成。

此外,第1径向电磁铁M1a和M1b、第2径向电磁铁M2a和M2b、轴向电磁铁MZa和MZb在各块中分别省略了径向和轴向的标记而仅作为电磁铁。在图6之后的图中也同样地为了记载空间等,有时省略了径向和轴向之类的标记。

磁轴承控制部36具有第1径向电磁铁控制部C1X、C1Y、第2径向电磁铁控制部C2X、C2Y、轴向电磁铁控制部CZ、A/D转换器58以及统一控制部61。A/D转换器58将由各位移传感器S1、S2、SZ输出的模拟检测信号转换成数字数据。在第1径向电磁铁M1X和M1Y、第2径向电磁铁M2X和M2Y、轴向电磁铁MZ连接有对分别通电的电流进行控制的电流控制器59作为驱动部。

各电磁铁控制部C1X、C1Y、C2X、C2Y、CZ根据从各位移传感器S1X、S1Y、S2X、S2Y、SZ输入的检测信号来确定EM吸引力的变化量,以使旋转轴27接近径向方向和轴向方向各自的目标位置。然后,各电磁铁控制部C1X、C1Y、C2X、C2Y、CZ根据所确定的EM吸引力的变化量来确定提供给各电磁铁M1X、M1Y、M2X、M2Y、MZ的电流值,并通过电流控制器59来控制EM吸引力。各电磁铁控制部C1X、C1Y、C2X、C2Y、CZ以这种方式对EM吸引力进行控制而对旋转轴27的悬浮位置进行调节。

统一控制部61与激光控制部17和各电磁铁控制部C1X、C1Y、C2X、C2Y、CZ分别以能够通信的方式连接。统一控制部61从激光控制部17接收指示旋转轴27的磁悬浮的开始和停止的信号,从而对各电磁铁控制部C1X、C1Y、C2X、C2Y、CZ指示磁悬浮的开始和停止。另外,统一控制部61根据来自各电磁铁控制部C1X、C1Y、C2X、C2Y、CZ的信号,判定旋转轴27的悬浮位置是否合适,并将判定结果发送到激光控制部17。

另外,统一控制部61根据从激光控制部17发送的目标转速Rt,通过逆变器34来进行控制,以使电动机31的转速为目标转速Rt。

2.3磁轴承系统的动作

当激光控制部17从曝光装置控制部3a接收到气体激光装置2的激光振荡准备的指令时,对气体供排气装置16进行控制而向激光腔室10内提供激光气体直到成为规定的压力。然后,激光控制部17对磁轴承控制部36指示使风扇26的旋转轴27磁悬浮。当磁轴承控制部36接收到磁悬浮的指令时,按照以下的控制流程,执行轴承控制。

2.3.1径向电磁铁控制部的控制流程

2.3.1.1第1径向电磁铁控制部C1X的控制流程

图7是示出第1径向电磁铁控制部C1X的控制流程的流程图。当第1径向电磁铁控制部C1X接收到开始旋转轴27的磁悬浮的指令时,在S1000X中,对第1径向电磁铁M1Xa和M1Xb分别提供初始值IX10和I-X10的偏置电流而使磁悬浮开始。初始值IX10、I-X10是为了使第1径向电磁铁M1Xa和M1Xb分别产生如上述那样用于使旋转轴27与目标位置X10一致的EM吸引力FX10和F-X10而需要的电流值。因此,只要不对旋转轴27施加EM吸引力FX10和F-X10以外的外力,旋转轴27便会在目标位置X10附近磁悬浮。在磁悬浮开始之后,开始从第1径向位移传感器S1X向第1径向电磁铁控制部C1X输出检测信号。

在S1010X中,第1径向电磁铁控制部C1X根据第1径向位移传感器S1X的检测信号,计测X轴方向上的旋转轴27的悬浮位置的当前位置X1。在S1020X中,第1径向电磁铁控制部C1X根据上述式(1)来计算目标位置X10与当前位置X1之差ΔX1。差ΔX1是旋转轴27距离目标位置X10的位移量。根据当前位置X1是以目标位置X10为基准位于正侧还是负侧,差ΔX1可以取正值也可以取负值。具体来说,根据上述式(1),在当前位置X1位于比目标位置X10靠正侧的位置的情况下,差ΔX1为正值,相反地,在当前位置X1位于比目标位置X10靠负侧的位置的情况下,差ΔX1为负值。另外,在当前位置X1与目标位置X10一致的情况下,差ΔX1为“0”。

在S1030X中,第1径向电磁铁控制部C1X将差ΔX1的数据发送到统一控制部61。

另一方面,在S1040X中,第1径向电磁铁控制部C1X根据差ΔX1,计算用于使差ΔX1接近“0”的第1径向电磁铁M1Xa和M1Xb的各自的EM吸引力的变化量ΔFX1和ΔF-X1。

即,第1径向电磁铁控制部C1X根据旋转轴27从目标位置X10向正方向或负方向位移了何种程度,使第1径向电磁铁M1Xa和M1Xb的一方的EM吸引力增强,使另一方的EM吸引力减弱,以使旋转轴27接近目标位置X10。为此,第1径向电磁铁控制部C1X计算第1径向电磁铁M1Xa和M1Xb各自的变化量ΔFX1和ΔF-X1。

该EM吸引力的变化量ΔFX1和ΔF-X1是分别分配给相对配置的各电磁铁M1Xa和M1Xb的力,各变化量ΔFX1和ΔF-X1的方向不同,但大小相同。该EM吸引力的变化量ΔFX1和ΔF-X1是为了在X轴方向上使从目标位置X10位移了差ΔX1的旋转轴27接近目标位置X10而与初始的吸引力FX10和F-X10进行加减的。

例如,在图4B中,在旋转轴27的当前位置X1从目标位置X10在X轴方向上向正方向发生了位移的情况下,即,在差ΔX1为正值的情况下,为了使旋转轴27回到目标位置X10而需要向负方向移动。为此,第1径向电磁铁控制部C1X使第1径向电磁铁M1Xa的正方向的EM吸引力FX10减少ΔFX1,使第1径向电磁铁M1Xb的负方向的EM吸引力F-X10增加ΔF-X1。也就是说,在差ΔX1为正值的情况下,负方向的EM吸引力F-X10的变化量ΔF-X1为正值,正方向的EM吸引力FX10的变化量ΔFX1为负值。

相反地,在旋转轴27的当前位置X1从目标位置X10在X轴方向上向负方向发生了位移的情况下,即,在差ΔX1为负值的情况下,为了使旋转轴27接近目标位置X10而需要向正方向移动。为此,第1径向电磁铁控制部C1X使负方向的EM吸引力F-X10减少ΔF-X1,使正方向的EM吸引力FX10增加ΔFX1。也就是说,在差ΔX1为负值的情况下,负方向的EM吸引力F-X10的变化量ΔF-X1为负值,正方向的EM吸引力FX10的变化量ΔFX1为正值。

这样,变化量ΔFX1和变化量ΔF-X1在一方取正值的情况下,另一方为负值。另外,在差ΔX1为“0”的情况下,变化量ΔFX1和变化量ΔF-X1也为“0”。

另外,在使旋转轴27向一个方向移动的情况下,对相对配置的各电磁铁M1Xa和M1Xb分别分配相同大小的变化量ΔFX1和变化量ΔF-X1是为了增大各电磁铁M1Xa和M1Xb对力的控制范围。例如,作为用于使旋转轴27向一个方向移动的力的变化量的分配五分时时彩方法,也可以对第1径向电磁铁M1Xa或M1Xb的一方分配全部的变化量。然而,由于各电磁铁的力的控制范围存在界限,所以分散到双方的电磁铁来分配变化量,从而能够抑制一方的电磁铁的力的控制范围出现饱和。由此,能够增大各电磁铁的总的力的控制范围。

在S1050X中,第1径向电磁铁控制部C1X计算用于产生EM吸引力的变化量ΔFX1和ΔF-X1的第1径向电磁铁M1Xa和M1Xb的电流各自的变化量ΔIX1和ΔI-X1。电流的变化量ΔIX1在正方向的EM吸引力的变化量ΔFX1为正时取正值,在负时取负值。电流的变化量ΔI-X1也同样如此,在负方向的EM吸引力的变化量ΔF-X1为正时取正值,在负时取负值。另外,在差ΔX1为“0”的情况下,变化量ΔIX1和ΔI-X1均为“0”。

这样,变化量ΔFX1和变化量ΔF-X1与电流的变化量ΔIX1和ΔI-X1的正负标号是一致的。如上所述,变化量ΔFX1和变化量ΔF-X1在一方取正值的情况下另一方取负值,因此,电流的变化量ΔIX1和ΔI-X1也在一方取正值的情况下另一方为负值。

在S1060X中,第1径向电磁铁控制部C1X根据下式(11)、(12)来计算分别流过第1径向电磁铁M1Xa和M1Xb的电流值IX1和I-X1。

IX1=IX10+ΔIX1···(11)

I-X1=I-X10+ΔI-X1···(12)

电流的变化量ΔIX1和ΔI-X1在一方取正值的情况下另一方为负值。因此,在式(11)、(12)的计算中,变化量ΔIX1的绝对值和ΔI-X1的绝对值的一方为加法,另一方为减法。因此,通过式(11)、(12)的计算,在差ΔX1为正并使旋转轴27向负方向移动的情况下,从产生正方向的EM吸引力FX10的电磁铁M1Xa的电流的初始值IX10减去电流的变化量ΔIX1的绝对值。另一方面,对产生负方向的EM吸引力F-X10的电磁铁M1Xb的电流的初始值I-X10加上电流的变化量ΔI-X1的绝对值。这样,分别求出电流值IX1和I-X1。

相反地,在差ΔX1为负并使旋转轴27向正方向移动的情况下,对产生正方向的EM吸引力FX10的电磁铁M1Xa的电流的初始值IX10加上ΔIX1的绝对值。另一方面,从产生负方向的EM吸引力F-X10的电磁铁M1Xb的电流的初始值I-X10减去ΔI-X1。这样,分别求出电流值IX1和电流值I-X1的绝对值。

如图4B所示,由于第1径向电磁铁M1Xa和M1Xb是相对配置的,所以在X轴方向上产生一方为正而另一方为负方向的EM吸引力。因此,如图7的控制流程所示,在使旋转轴27在X轴方向上向一个方向位移的情况下,在第1径向电磁铁控制部C1X中,进行使各电流值IX1和I-X1的一方增大而使另一方减少的控制,以使第1径向电磁铁M1Xa和M1Xb的各EM吸引力的一方增强,另一方减弱。使各电流值IX1和I-X1中的哪个增大、哪个减少是根据旋转轴27以目标位置X10为基准向哪个方向位移而变化的。

在S1070X中,第1径向电磁铁控制部C1X将计算出的电流值IX1和I-X1发送到所连接的电流控制器59。由此,第1径向电磁铁控制部C1X通过电流控制器59而使电磁铁M1Xa和M1Xb中流过通过计算求出的电流值IX1和I-X1的电流(S1080X)。

第1径向电磁铁控制部C1X反复进行从S1010X到S1080X的步骤直到指示磁悬浮停止。

2.3.1.2第1径向电磁铁控制部C1Y的控制流程

图8是示出第1径向电磁铁控制部C1Y的控制流程的流程图。第1径向电磁铁控制部C1Y的控制流程与上述图7所示的第1径向电磁铁控制部C1X的控制流程相同,只是X轴方向和Y轴方向的控制方向不同,因此适当省略同样的说明。

在S1000Y中,第1径向电磁铁控制部C1Y对第1径向电磁铁M1Ya和M1Yb分别提供初始值IY10、I-Y10的偏置电流而使磁悬浮开始。由此,只要不对旋转轴27施加EM吸引力FY10和F-Y10以外的外力,旋转轴27便在目标位置Y10附近磁悬浮。第1径向电磁铁控制部C1Y在S1010Y中根据从第1径向位移传感器S1Y输入的检测信号,计测Y轴方向上的旋转轴27的悬浮位置的当前位置Y1。在S1020Y中,第1径向电磁铁控制部C1Y根据上述式(2),计算目标位置Y10与当前位置Y1之差ΔY1。

在S1030Y中,第1径向电磁铁控制部C1Y将差ΔY1的数据发送到统一控制部61。

在S1040Y中,第1径向电磁铁控制部C1Y计算用于使差ΔY1接近“0”的第1径向电磁铁M1Ya和M1Yb各自的EM吸引力的变化量ΔFY1和ΔF-Y1。该EM吸引力的变化量ΔFY1和ΔF-Y1是为了在Y轴方向上使从目标位置Y10位移了差ΔY1的旋转轴27接近目标位置Y10而与初始的吸引力FY10和F-Y10进行加减的。

在S1050Y中,第1径向电磁铁控制部C1Y计算用于产生EM吸引力的变化量ΔFY1和ΔF-Y1的第1径向电磁铁M1Ya和M1Yb的电流各自的变化量ΔIY1和ΔI-Y1。

在S1060Y中,第1径向电磁铁控制部C1Y根据下式(13)、(14)来计算分别流过第1径向电磁铁M1Ya和M1Yb的电流值IY1和I-Y1。

IY1=IY10+ΔIY1···(13)

I-Y1=I-Y10+ΔI-Y1···(14)

如图4B所示,由于第1径向电磁铁M1Ya和M1Yb是相对配置的,所以在Y轴方向上产生一方为正而另一方为负方向的EM吸引力。因此,如图8的控制流程所示,在使旋转轴27在Y轴方向上向一个方向位移的情况下,在第1径向电磁铁控制部C1Y中,进行使各电流值IY1和I-Y1中的一方增大而另一方减少的控制,以使第1径向电磁铁M1Ya和M1Yb的各EM吸引力的一方增强,另一方减弱。使各电流值IY1和I-Y1中的哪个增大、哪个减少是根据旋转轴27以目标位置Y10为基准向哪个方向位移而变化的。

在S1070Y中,第1径向电磁铁控制部C1Y将计算出的电流值IY1和I-Y1发送到与所连接的电流控制器59。由此,第1径向电磁铁控制部C1Y通过电流控制器59而使电磁铁M1Ya和M1Yb中流过通过计算求出的电流值IY1和I-Y1的电流(S1080Y)。

第1径向电磁铁控制部C1Y反复进行从S1010Y到S1080Y的步骤直到指示磁悬浮停止。

2.3.1.3第2径向电磁铁控制部C2X的控制流程

图9是示出第2径向电磁铁控制部C2X的控制流程的流程图。第2径向电磁铁控制部C2X的控制流程也与上述图7所示的第1径向电磁铁控制部C1X的控制流程相同,所以适当省略同样的说明。

在S2000X中,第2径向电磁铁控制部C2X对第2径向电磁铁M2Xa和M2Xb分别提供初始值IX20、I-X20的偏置电流而使磁悬浮开始。由此,只要不对旋转轴27施加EM吸引力FX20和F-X20以外的外力,旋转轴27便在目标位置X20附近磁悬浮。第2径向电磁铁控制部C2X在S2010X中根据从第2径向位移传感器S2X输入的检测信号,计测X轴方向上的旋转轴27的悬浮位置的当前位置X2。在S2020X中,第2径向电磁铁控制部C2X根据上述式(5)来计算目标位置X20与当前位置X2之差ΔX2。

在S2030X中,第2径向电磁铁控制部C2X将差ΔX2的数据发送到统一控制部61。

在S2040X中,第2径向电磁铁控制部C2X计算用于使差ΔX2接近“0”的第2径向电磁铁M2Xa和M2Xb各自的EM吸引力的变化量ΔFX2和ΔF-X2。该EM吸引力的变化量ΔFX2和ΔF-X2是为了在X轴方向上使从目标位置X20位移了差ΔX2的旋转轴27接近目标位置X20而与初始的吸引力FX20和F-X20进行加减的。

在S2050X中,第2径向电磁铁控制部C2X计算用于产生EM吸引力的变化量ΔFX2和ΔF-X2的第2径向电磁铁M2Xa和M2Xb的电流各自的变化量ΔIX2和ΔI-X2。

在S2060X中,第2径向电磁铁控制部C2X根据下式(15)、(16)来计算分别流过第2径向电磁铁M2Xa和M2Xb的电流值IX2和I-X2。

IX2=IX20+ΔIX2···(15)

I-X2=I-X20+ΔI-X2···(16)

如图4D所示,由于第2径向电磁铁M2Xa和M2Xb是相对配置的,所以在X轴方向上产生一方为正而另一方为负方向的EM吸引力。因此,如图9的控制流程所示,在使旋转轴27在X轴方向上向一个方向位移的情况下,在第2径向电磁铁控制部C2X中,进行使各电流值IX2和I-X2中的一方增大而另一方减少的控制,以使第2径向电磁铁M2Xa和M2Xb的各EM吸引力的一方增强,另一方减弱。使各电流值IX2和I-X2中的哪个增大、哪个减少是根据旋转轴27以目标位置X20为基准向哪个方向位移而变化的。

在S2070X中,第2径向电磁铁控制部C2X将计算出的电流值IX2和I-X2发送到所连接的电流控制器59。由此,第2径向电磁铁控制部C2X通过电流控制器59使电磁铁M2Xa和M2Xb中流过通过计算求出的电流值IX2和I-X2的电流(S2080X)。

第2径向电磁铁控制部C2X反复进行从S2010X到S2080X的步骤直到指示磁悬浮停止。

2.3.1.4第2径向电磁铁控制部C2Y的控制流程

图10是示出第2径向电磁铁控制部C2Y的控制流程的流程图。第2径向电磁铁控制部C2Y的控制流程也与上述图7所示的第1径向电磁铁控制部C1X的控制流程相同,因此适当省略同样的说明。

在S2000Y中,第2径向电磁铁控制部C2Y对第2径向电磁铁M2Ya和M2Yb分别提供初始值IY20、I-Y20的偏置电流而使磁悬浮开始。由此,只要对旋转轴27施加EM吸引力FY20和F-Y20以外的外力,旋转轴27便在目标位置Y20附近磁悬浮。第2径向电磁铁控制部C2Y在S2010Y中根据从第2径向位移传感器S2Y输入的检测信号,计测Y轴方向上的旋转轴27的当前位置Y2。在S2020Y中,第2径向电磁铁控制部C2Y根据上述式(6)来计算目标位置Y20与当前位置Y2之差ΔY2。

在S2030Y中,第2径向电磁铁控制部C2Y将差ΔY2的数据发送到统一控制部61。

在S2040Y中,第2径向电磁铁控制部C2Y计算用于使差ΔY2接近“0”的第2径向电磁铁M2Ya和M2Yb各自的EM吸引力的变化量ΔFY2和ΔF-Y2。该EM吸引力的变化量ΔFY2和ΔF-Y2是为了在X轴方向上使从目标位置Y20位移了差ΔY2的旋转轴27接近目标位置Y20而与初始的吸引力FY20和F-Y20进行加减的。

在S2050Y中,第2径向电磁铁控制部C2Y计算用于产生EM吸引力的变化量ΔFY2和ΔF-Y2的第2径向电磁铁M2Ya和M2Yb的电流各自的变化量ΔIY2和ΔI-Y2。

在S2060Y中,第2径向电磁铁控制部C2Y根据下式(17)、(18)来计算分别流过第2径向电磁铁M2Ya和M2Yb的电流值IY2和I-Y2。

IY2=IY20+ΔIY2···(17)

I-Y2=I-Y20+ΔI-Y2···(18)

如图4D所示,由于第2径向电磁铁M2Ya和M2Yb是相对配置,所以在Y轴方向上产生一方为正而另一方为负方向的EM吸引力。因此,如图10的控制流程所示,在使旋转轴27在Y轴方向上向一个方向位移的情况下,在第2径向电磁铁控制部C2Y中,进行使各电流值IY2和I-Y2中的一方增大而使另一方减少的控制,以使第2径向电磁铁M2Ya和M2Yb的各EM吸引力的一方增强,另一方减弱。使各电流值IY2和I-Y2中的哪个增大、哪个减少是根据旋转轴27以目标位置Y20为基准向哪个方向位移而变化的。

在S2070Y中,第2径向电磁铁控制部C2Y将计算出的电流值IY2和I-Y2发送到所连接的电流控制器59。由此,第2径向电磁铁控制部C2Y通过电流控制器59而使电磁铁M2Ya和M2Yb中流过通过计算求出的电流值IY2和I-Y2的电流(S2080Y)。

第2径向电磁铁控制部C2Y反复进行从S2010Y到S2080Y的步骤直到指示磁悬浮停止。

2.3.2轴向电磁铁控制部的控制流程

图11是示出轴向电磁铁控制部CZ的控制流程的流程图。轴向电磁铁控制部CZ的控制流程也与上述图7所示的第1径向电磁铁控制部C1X的控制流程相同,只是X轴方向和Z轴方向的控制方向不同,因此适当省略了同样的说明。

在S3000Z中,轴向电磁铁控制部CZ对轴向电磁铁MZa和MZb分别提供初始值IZ0、I-Z0的偏置电流而使磁悬浮开始。由此,只要不对旋转轴27施加EM吸引力FZ0和F-Z0以外的外力,旋转轴27便在目标位置Z0附近磁悬浮。轴向电磁铁控制部CZ在S3010Z中根据从轴向位移传感器SZ输入的检测信号,计测Z轴方向上的旋转轴27的当前位置Z。在S3020Z中,轴向电磁铁控制部CZ根据上述式(9)来计算目标位置Z0与当前位置Z之差ΔZ。

在S3030Z中,轴向电磁铁控制部CZ将差ΔZ的数据发送到统一控制部61。

在S3040Z中,轴向电磁铁控制部CZ计算用于使差ΔZ接近“0”的轴向电磁铁MZa和MZb各自的EM吸引力的变化量ΔFZ和ΔF-Z。该EM吸引力的变化量ΔFZ和ΔF-Z是为了在Z轴方向上使从目标位置Z0位移了差ΔZ的旋转轴27接近目标位置Z0而与初始的吸引力FZ0和F-Z0进行加减的。

在S3050Z中,轴向电磁铁控制部CZ计算用于产生EM吸引力的变化量ΔFZ和ΔF-Z的轴向电磁铁MZa和MZb的电流各自的变化量ΔIZ和ΔI-Z。

在S3060Z中,轴向电磁铁控制部CZ根据下式(19)、(20)来计算分别流过轴向电磁铁MZa和MZb的电流值IZ和I-Z。

IZ=IZ0+ΔIZ···(19)

I-Z=I-Z0+ΔI-Z···(20)

如图5所示,由于轴向电磁铁MZa和MZb是相对配置的,所以在Z轴方向上产生一方为正而另一方为负方向的EM吸引力。因此,如图11的控制流程所示,在使旋转轴27在Z轴方向上向一个方向位移的情况下,在轴向电磁铁控制部CZ中,进行使各电流值IZ和I-Z中的一方增大而另一方减少的控制,以使轴向电磁铁MZa和MZb的各EM吸引力的一方增强,另一方减弱。使各电流值IZ和I-Z中的哪个增大、哪个减少是根据旋转轴27以目标位置Z0为基准向哪个方向位移而变化的。

在S3070Z中,轴向电磁铁控制部CZ将计算出的电流值IZ和I-Z发送到所连接的电流控制器59。由此,轴向电磁铁控制部CZ通过电流控制器59而使电磁铁MZa和MZb中流过通过计算求出的电流值IZ和I-Z的电流(S3080Z)。

轴向电磁铁控制部CZ反复进行从S3010Z到S3080Z的步骤直到指示磁悬浮停止。

2.3.3统一控制部的控制流程

图12是示出统一控制部61的控制流程的流程图。在图12中,统一控制部61从激光控制部17接收使风扇26开始旋转的指令和目标转速Rt(S4010)。当统一控制部61接收到目标转速Rt时,在S4020中对激光控制部17发送表示轴承控制未完成的轴承控制NG信号,开始旋转轴27是否适当地磁悬浮的监视和用于使风扇26以目标转速Rt进行旋转的控制。

在S4030中,统一控制部61经由逆变器34对电动机31进行控制,以使风扇26的转速为目标转速Rt。

在S4040中,统一控制部61读入从第1径向电磁铁控制部C1X、C1Y、第2径向电磁铁控制部C2X、C2Y以及轴向电磁铁控制部CZ分别接收的、旋转轴27的悬浮位置在各轴方向上的当前位置与各目标位置之差ΔX1、ΔY1、ΔX2、ΔY2、ΔZ的数据。

在S4050中,统一控制部61判定与各目标位置之差ΔX1、ΔY1、ΔX2、ΔY2、ΔZ是否全部处于允许范围内。具体来说,统一控制部61判定各差ΔX1、ΔY1、ΔX2、ΔY2、ΔZ的绝对值是否满足以下的条件式(21)~(25)。

|ΔX1|≤X1tr···(21)

|ΔY1|≤Y1tr···(22)

|ΔX2|≤X2tr···(23)

|ΔY2|≤Y2tr···(24)

|ΔZ|≤Ztr····(25)

这里,X1tr、Y1tr、X2tr、Y2tr、Ztr表示以各目标位置为基准在正方向和负方向上允许的误差的范围。

统一控制部61在判定为各差ΔX1、ΔY1、ΔX2、ΔY2、ΔZ的值全部处于允许范围的情况(在S4050中为“是”)下,在S4060中,对激光控制部17发送表示旋转轴27在合适的悬浮位置按照目标转速Rt进行旋转的轴承控制OK信号。另一方面,在S4050中,在判定为各差ΔX1、ΔY1、ΔX2、ΔY2、ΔZ的值中的有一个值在允许范围外的情况(在S4050中为“否”)下,统一控制部61进入到S4090,对激光控制部17发送轴承控制NG信号。统一控制部61在发送了轴承控制NG信号之后,反复进行S4040、S4050的步骤而监视各差ΔX1、ΔY1、ΔX2、ΔY2、ΔZ的值是否全部处于允许范围内。

统一控制部61在对激光控制部17发送了轴承控制OK信号之后,在从激光控制部17接收到使风扇26的旋转停止的指令之前的这段期间(在S4070中为“否”),反复进行S4040以下的步骤而继续监视旋转轴27的悬浮位置是否处于允许范围内。

在从激光控制部17接收到使风扇26的旋转停止的指令的情况(在S4070中为“是”)下,统一控制部61在S4080中经由逆变器34对电动机31进行控制而使风扇26的旋转停止,以使风扇26的转速为“0”。

2.4气体激光装置的激光振荡动作

如图1所示,激光控制部17在从统一控制部61接收到轴承控制OK信号之后,在从曝光装置控制部3a接收到目标脉冲能量Et的数据和振荡触发信号的情况下,对充电器11设定规定的充电电压Vhv以成为目标脉冲能量Et。然后,与振荡触发信号同步地使脉冲功率模块12内的开关12a进行动作,向一对放电电极21a和21b之间施加高电压。其结果是,在放电电极21a和21b之间放电,激光气体被激励而释放脉冲激光。

从激光气体释放的脉冲激光被构成激光谐振器的窄带化模块18和输出耦合镜19反射而在激光谐振器内进行激光振荡。在激光谐振器内往返的脉冲激光被窄带化模块18窄带化,其一部分从输出耦合镜19输出。

从输出耦合镜19输出的脉冲激光的一部分入射到脉冲能量计测器13,该一部分被分束器13a反射而经由聚光光学系统13b入射到光传感器13c。在光传感器13c中,检测脉冲激光的脉冲能量。透过了分束器13a的脉冲激光入射到曝光装置3。

脉冲能量计测器13将检测出的脉冲能量的数据发送到激光控制部17。激光控制部17根据目标脉冲能量Et与实际输出的脉冲能量E之差ΔE,对充电电压Vhv进行反馈控制以成为目标脉冲能量Et。

在新设定的充电电压Vhv比允许范围的最大值大的情况下,激光控制部17对气体供排气装置16进行控制而向激光腔室10内提供激光气体直到成为规定的气压。另一方面,在新设定的充电电压Vhv比允许范围的最小值小的情况下,激光控制部17对气体供排气装置16进行控制而从激光腔室10内排出激光气体直到成为规定的气压。

当激光腔室10内的气压变高时,电动机31的负荷增大,有时无法将风扇26的转速维持为目标转速Rt。在该情况下,磁轴承控制部40根据旋转检测部33的检测信号来计测风扇26的转速,对逆变器34的输出频率和输出电压进行控制而对电动机31的转速和转矩进行控制,以使风扇26的转速为目标转速Rt。

由此,即使激光腔室10内的气压发生变化,磁轴承控制部36也能够将风扇26的转速维持为目标转速Rt。

2.5课题

比较例的气体激光装置2将磁耦合器32和磁轴承系统40组合起来而使用,其中,该磁耦合器32从电动机31的驱动轴31a向风扇26的旋转轴27传递转矩,该磁轴承系统40根据旋转轴27的位移而对旋转轴27的悬浮位置进行调节。然后,比较例的气体激光装置2仅根据旋转轴27的位移来进行由磁耦合器32的CP吸引力Fcp作用的Z轴方向上的旋转轴27的位置调节。在该情况下,如下所示,存在难以控制旋转轴27的悬浮位置的位置调节的课题。

如上述那样,在使用沿轴向方向产生CP吸引力Fcp的磁耦合器32的情况下,如图5所示,CP吸引力Fcp会对轴向轴承部AXB中的力的平衡关系带来影响。实际上,该CP吸引力Fcp不是恒定的,而是根据电动机31产生的转矩而变化。具体来说,CP吸引力Fcp根据磁耦合器32中的用角度表示驱动侧转子部32a与从动侧转子部32b之间的相位差的相位差角度θ的大小而发生变化。

即,如图13所示,磁耦合器32产生根据相位差角度θ而变化的CP吸引力Fcpθ,该CP吸引力Fcpθ的变动会对轴向轴承部AXB中的力的平衡关系带来影响。

图14和图15是用于对相位差角度θ进行说明的示意图。如图14A所示,在驱动侧转子部32a和从动侧转子部32b各自中沿周向配置的N极和S极的磁极彼此相对地进行了配置。图14B和图15是为了明确驱动侧转子部32a和从动侧转子部32b的各磁极的对置状态而使用以驱动侧转子部32a为外圈、以从动侧转子部32b为内圈的同心圆表示的示意图。

图14B示出了没有相位差的状态,即,相位差角度θ=0的情况下的各磁极的对置状态。在电动机31停止的状态下,转矩为0。因此,在驱动侧转子部32a和从动侧转子部32b各自的所有磁极中,彼此吸引的N极和S极彼此对置,没有N极和N极、S极和S极之类的同极彼此对置的部分。该状态是相位差角度θ=0的对置状态,是驱动侧转子部32a和从动侧转子部32b的初始位置。

另一方面,图15示出了有相位差的状态,即,相位差角度θ≠0的情况下的各磁极的对置状态。在电动机31旋转的状态下,从驱动侧转子部32a对从动侧转子部32b产生用于使从动侧转子部32b从动旋转的转矩。转矩不仅在电动机31的旋转速度发生变化的情况下产生,也在定速旋转的情况下产生。这是因为,与从动侧转子部32b连结的风扇26在封入了激光气体的激光腔室10内旋转,因此对风扇26施加负荷。

当产生这样的转矩时,驱动侧转子部32a和从动侧转子部32b无法维持图14B所示的初始的对置状态,如图15所示,在对置状态下产生相位差。相位差角度θ是在驱动侧转子部32a和从动侧转子部32b各自的N极和S极对置的状态下从无相位差的状态的初始的对置状态发生偏移的角度。在图15中,当以位于外圈的驱动侧转子部32a为基准时,是内圈的从动侧转子部32b从初始的对置状态沿顺时针方向旋转了大约10°的状态,该情况下的相位差角度θ约为10°。

图16是示出CP吸引力Fcpθ与相位差角度θ的对应关系的曲线图。如图16所示,磁耦合器32的吸引力Fcpθ在没有相位差的状态(即,相位差角度θ为“0”的初始的对置状态)下为最大,相位差角度θ越大,吸引力Fcpθ越减少。CP吸引力Fcpθ是在驱动侧转子部32a和从动侧转子部32b的各磁极之间产生的吸引力的总和。因此,在各磁极中,在N极和S极以没有相位差的状态对置的情况下,CP吸引力Fcpθ最大。而且,当产生相位差时,在各磁极中产生同极彼此对置的部分。由于同极彼此对置的部分产生反作用力,因此CP吸引力Fcpθ相应地减少。图16的曲线图表示这样的关系。

本例的磁耦合器32以各磁极的中心角α为45°的8极型为例,因此如图16的曲线图所示,相位差角度θ为中心角α的一半,即,在θ=1/2·α=22.5°时CP吸引力Fcpθ为“0”。这是因为,在相位差角度θ为22.5°的情况下,产生吸引力的异极彼此对置的部分和产生反作用力的同极彼此对置的部分正好是一半一半。当相位差角度θ超过1/2·α=22.5°时,由于反作用力较强,所以CP吸引力Fcpθ为负,不再作为磁耦合器32而发挥功能。

图17和图18示出了CP吸引力Fcpθ发生变动的情况下的轴向轴承部AXB中的力的平衡关系。图17示出了在相位差角度θ为0°的情况下使旋转轴27与目标位置Z0一致的情况下的力的平衡关系。这里,将相位差角度θ=0°的状态下的CP吸引力Fcpθ特别称为CP吸引力Fcp0或初始值Fcp0。

如图17所示,在轴向电磁铁MZa产生与偏置电流对应的初始值FZ0作为EM吸引力FZ的情况下,在Z轴方向的正方向上,EM吸引力FZ0和CP吸引力Fcp0发挥作用。当将这些总的力设为FtZ时,在对置的轴向电磁铁MZb中,产生与力FtZ为相同大小且方向为负方向的EM吸引力F-Z0的力与EM吸引力F-Z相平衡。由于负方向的力是只由轴向电磁铁MZb产生的EM吸引力,因此负方向的总的力是EM吸引力F-Z0为总的力Ft-Z。只要不施加力FtZ和Ft-Z以外的力,则能够使旋转轴27与目标位置Z0一致。该情况下的平衡关系如下式(26)、(27)那样。

FtZ=FZ0+Fcp0···(26)

FtZ=Ft-Z=F-Z0······(27)

另一方面,如图18所示,当产生相位差而使相位差角度θ≠0°时,CP吸引力Fcpθ从CP吸引力Fcp的初始值Fcp0起发生变动。具体来说,由于初始值Fcp0是CP吸引力Fcp的最大值,所以与相位差角度θ的大小对应地减少。即,在将初始值Fcp0设为CP吸引力的基准值的情况下,相对于基准值变动的部分是从初始值Fcp0开始的减少量ΔFcpθ。因此,当产生相位差时,在Z轴方向上对旋转轴27作用的正方向的力减少ΔFcpθ,作用于正方向的总的力FtZ也减少ΔFcpθ。

在该情况下,当轴向电磁铁MZb的EM吸引力F-Z保持初始的EM吸引力-Z0时,由于无法使旋转轴27与目标位置Z0一致,所以需要校正为与总的力FtZ方向相反的负方向的与力Ft-Z相同的力。该情况下的力的平衡关系如下式(28)、(29)那样。

FtZ=FZ0+Fcpθ=FZ0+Fcp0-ΔFcpθ···(28)

FtZ=Ft-Z=F-Z0-ΔFcpθ······(29)

这样,当磁耦合器32的CP吸引力发生变动时,会影响旋转轴27的力的平衡。

图19和图20示出了在对旋转轴27施加外力而使目标位置Z0发生位移的情况下为了使旋转轴27接近目标位置Z0而由轴向电磁铁控制部CZ进行的控制的例子。图19是CP吸引力Fcp为初始值Fcp0的情况的例子,图20是除了外力之外在磁耦合器32中产生相位差角度θ的相位差而使CP吸引力Fcp从初始值Fcp0减少到Fcpθ的情况下的例子。

在图19中,图19A示出了如图17所示那样CP吸引力Fcp为初始值Fcp0并且旋转轴27在目标位置Z0时对旋转轴27作用的力FtZ和力Ft-Z按照上述式(26)、(27)的关系保持平衡的状态。

在该状态下,如图19B所示,考虑了对旋转轴27向负方向施加外力EF1的情况。在该情况下,通过外力EF1使旋转轴27从目标位置Z0向负方向移动,使悬浮位置的当前位置Z位移到Z1。旋转轴27的位移量ΔZ为ΔZ1=Z1-Z0。当旋转轴27从目标位置Z0起发生位移时,如图11的控制流程所示,轴向电磁铁控制部CZ使轴向电磁铁MZa和MZb的EM吸引力发生变化以使旋转轴27接近目标位置Z0。

具体来说,如图19C所示,轴向电磁铁控制部CZ为了使旋转轴27接近目标位置Z0而计算与负方向的外力EF1相对的正方向的力CF1。力CF1如图11的S3040Z的步骤所示被计算为轴向电磁铁MZa和MZb的EM吸引力FZ和F-Z的变化量ΔFZ1和ΔF-Z1。轴向电磁铁控制部CZ按照对正方向的初始的EM吸引力FZ0加上变化量ΔFZ1、从负方向的力的初始的EM吸引力F-Z0减去变化量ΔF-Z1的方式对各轴向电磁铁MZa和MZb的EM吸引力FZ和F-Z进行控制。EM吸引力FZ和F-Z的控制是如图11的S3050Z、S3060Z所示通过对流过轴向电磁铁MZa和MZb的电流值进行控制而进行的。

在CP吸引力Fcp未从初始值Fcp0变动的情况下,对旋转轴27的力的平衡关系没有变化。因此,轴向电磁铁控制部CZ只要仅根据旋转轴27的位移来计算变化量ΔFZ1和ΔF-Z1,便能够进行使旋转轴27接近目标位置Z0的控制。

与此相对,如图20所示,在产生相位差而使CP吸引力Fcp从初始值Fcp0变化为Fcpθ的情况下,仅通过基于旋转轴27的位移的控制,有时无法进行合适的控制。

在图20中,图20A与图19A同样,示出了CP吸引力Fcp为初始值Fcp0并且旋转轴27在目标位置Z0时对旋转轴27作用的力FtZ和力Ft-Z按照上述式(26)、(27)的关系保持平衡的状态。

在该状态下,如图20B所示,考虑了对旋转轴27沿负方向施加与图19B所示的同样的外力EF1的情况。在该情况下,通过外力EF1使旋转轴27从目标位置Z0向负方向移动,使悬浮位置的当前位置Z位移到Z1。旋转轴27的位移量ΔZ为ΔZ1=Z1-Z0。当旋转轴27从目标位置Z0起发生位移时,根据图11的控制流程,轴向电磁铁控制部CZ使轴向电磁铁MZa和MZb的EM吸引力发生变化,以使旋转轴27接近目标位置Z0。

由于是与图19B相同的位移量ΔZ1,所以作为用于使旋转轴27回到目标位置Z0的力CF1,轴向电磁铁控制部CZ将轴向电磁铁MZa和MZb的EM吸引力FZ和F-Z的变化量计算为ΔFZ1和ΔF-Z1。

在图20B中,与图19B不同,在进行这样的控制的定时,CP吸引力Fcp从初始值Fcp0减少到Fcpθ。这样的话,如图20C所示,仅通过对轴向电磁铁MZa的EM吸引力FZ加上变化量ΔFZ1,从轴向电磁铁MZb的EM吸引力F-Z减去变化量ΔF-Z1,与图19C的情况相比,与外力EF1相反的方向的力CF1不够CP吸引力Fcp的减少量ΔFcpθ=Fcp0-Fcpθ。

在该情况下,在作用于旋转轴27的力中,当作用于负方向的轴向电磁铁MZb的EM吸引力F-Z比施加了力CF1的正方向的力(FZ+Fcp0-ΔFcpθ)大时,旋转轴27不仅不能回到目标位置Z0,还有可能位移到比当前的悬浮位置Z1更靠负方向的悬浮位置Z2。

或者,即使施加了力CF1的正方向的力比作用于负方向的轴向电磁铁MZb的EM吸引力F-Z大,当该差较少时,接近目标位置Z0也要花费时间。

另外,由于CP吸引力Fcp的变动会影响旋转轴27的力的平衡关系,所以表现为旋转轴27的位移。如果旋转轴27发生位移,则通过轴向电磁铁控制部CZ来进行旋转轴27的位置调节的控制。但是,反过来说,如果旋转轴27未从目标位置Z0发生位移,则意味着不进行位置调节的控制,要想根据旋转轴27的位移来吸收CP吸引力Fcp的变动,则伴随着时间延迟。

这样,CP吸引力Fcp的变动会对磁轴承系统中的使用了电磁铁的旋转轴27的位置调节的控制带来影响。因此,如比较例的气体激光装置2那样,在仅根据旋转轴27的位移进行旋转轴27的位置调节时,由于CP吸引力Fcp的变动,有时无法使旋转轴27接近目标位置Z0,或者在用于接近目标位置Z0的控制中产生延迟等,难以进行用于位置调节的控制。

当难以进行位置调节的控制时,风扇26的旋转、旋转轴27的轴向方向的悬浮位置有时变得不稳定。在第1磁轴承28、第2磁轴承29中,除了图2所示的构成要素之外,还组装有在紧急停止的情况下发挥功能的下推轴承。当风扇26的旋转、旋转轴27的轴向方向的位置变得不稳定时,包括下推轴承在内的第1磁轴承28或第2磁轴承29有可能破损。特别是在气体激光装置2中,风扇26的旋转轴27的位置调节的控制是以几百微米的等级进行的,要求迅速且高精度的控制。

3.第1实施方式的气体激光装置

参照图21到图34B对第1实施方式的气体激光装置进行说明。第1实施方式的气体激光装置的整体结构与比较例的气体激光装置2同样。不同点是风扇26的磁轴承系统40A,对气体激光装置的整体结构和激光振荡动作等的整体动作省略了说明。另外,关于磁轴承系统40A,对与比较例的磁轴承系统40同样的结构也标注同样的标号,也适当省略说明,以不同点为中心进行说明。

3.1风扇的磁轴承系统的结构

图21示出了第1实施方式的磁轴承系统40A的结构。在第1实施方式的磁轴承系统40A中,与图2所示的比较例不同的结构上的不同点是:在磁耦合器32设置有磁通密度传感器63;代替磁轴承控制部36而设置有磁轴承控制部36A;在磁轴承控制部36A设置有CP吸引力计测部64。

3.1.1磁通密度传感器

磁通密度传感器63检测驱动侧转子部32a与从动侧转子部32b的磁极之间的磁通密度,并发送到磁轴承控制部36A。磁通密度是能够估计磁耦合器32的CP吸引力Fcp的参数。检测这种参数的磁通密度传感器63相当于吸引力估计用传感器。

CP吸引力计测部64根据从磁通密度传感器63接收的磁通密度,计测CP吸引力Fcp。除了由轴向位移传感器SZ检测的旋转轴27的位移之外,磁轴承控制部36A还根据计测出的CP吸引力Fcp,对轴向电磁铁MZa和MZb的EM吸引力FZ和F-Z进行控制而进行Z轴方向上的旋转轴27的位置调节。

在图22中,如图22A所示,磁通密度传感器63包含传感器主体部63a和对传感器主体部63a进行支承的支承外壳63b。如图22B所示,磁通密度传感器63配置在驱动侧转子部32a与从动侧转子部32b的磁极之间。磁通密度传感器63例如与驱动侧转子部32a一起收纳在电动机固定部56(参照图21)内,并配置在大气中。磁通密度传感器63安装在例如收纳有从动侧转子部32b的第2外壳46的外壁面。磁通密度传感器63例如是霍尔元件或磁阻元件。

在图23中,图23B示出了电动机31的旋转停止的状态,即,电动机31的转速R为“0”rpm的情况下的驱动侧转子部32a与从动侧转子部32b的各磁极之间的对置状态。图23B是与图14B和图15同样的示意图。图23A是示出图23B的对置状态下的磁通密度B的时间变化的曲线图。

如图23B所示,在电动机31的转速R为“0”rpm的情况下,驱动侧转子部32a与从动侧转子部32b的对置状态是在各磁极之间没有相位差的状态,即,相位差角度θ=0°。在该情况下,如图23A所示,磁通密度B恒定为最大值B0。

另一方面,图24示出了电动机31开始旋转并以比较低的转速R=r1rpm进行定速旋转的情况的例子。在该例子中,假设了转速R为比较低的速度、几乎不产生转矩Q的理想状态,因此,如图24B所示,也几乎没有相位差,是相位差角度θ≒0的状态。

在该情况下,由于驱动侧转子部32a和从动侧转子部32b在维持着初始的对置状态下旋转,所以一边交替地调换驱动侧转子部32a的N极与从动侧转子部32b的S极对置的部分和驱动侧转子部32a的S极与从动侧转子部32b的N极对置的部分,一边通过磁通密度传感器63的位置。这意味着在磁通密度传感器63的位置,磁通的方向相差180°的状态按照一定间隔发生变化。因此,如图24A所示,在磁通密度传感器63的检测信号中,绝对值分别相当于磁通密度B0的、正方向的输出值和负方向的输出值按照一定间隔交替地反复。

图25示出了电动机31的转速R以比r1rpm快的r2rpm进行定速旋转的情况下的例子。该例是如下的例子:产生q1Nm的转矩Q,由此,如图25B所示,成为产生相位差并且相位差角度θ例如为中心角α的一半的1/2·45°=22.5°的状态。

在该情况下,磁耦合器32在驱动侧转子部32a和从动侧转子部32b中的一方的N极与另一方的N极和S极各对置一半的状态下进行旋转。因此,在一方的N极和另一方的S极对置的部分通过磁通密度传感器63的位置的情况下,检测磁通密度B,但由于一方的N极和另一方的N极(即,同极彼此)对置的部分不以连结磁极之间的方式产生磁通,所以在配置于磁极之间的磁通密度传感器63中不检测磁通密度B。

因此,如图25A所示,在磁通密度B的时间变化中,在对正方向的磁通密度B0进行检测的状态之后,磁通密度B先变为0,然后反复进行检测负方向的磁通密度B0的状态。同极彼此对置的部分越多,即,相位差角度θ越大,磁通密度B为0的时间越长。

同极彼此对置的部分产生反作用力。因此,如图25所示,在相位差角度θ=1/2·α=22.5°的情况下,同极彼此对置而产生反作用力的部分和异极彼此对置而产生吸引力的部分的大小是相等的,因此各磁极的吸引力与反作用力的合计为0。因此,如图16的曲线图所示,磁耦合器32的CP吸引力Fcpθ为0。如上所述,在该状态下,不作为磁耦合器32来发挥功能。因此,统一控制部61A对旋转轴27进行控制,以使相位差角度θ达到小于22.5°的规定角度,从而使CP吸引力Fcpθ不会为规定的下限值Fcpth以下。

3.1.2磁轴承控制部的结构

如图26所示,第1实施方式的磁轴承控制部36A除了包含CP吸引力计测部64之外,还包含放大器66、绝对值电路67、积分电路68以及A/D转换器69。另外,磁轴承控制部36A具有轴向电磁铁控制部CZA来代替轴向电磁铁控制部CZ。

放大器66对来自磁通密度传感器63的检测信号进行放大。绝对值电路67将从磁通密度传感器63接收的检测信号的输出值转换为绝对值。积分电路68对检测信号的输出值进行积分而将积分值作为电压信号来输出。A/D转换器69将从积分电路68输出的模拟的电压信号转换为数字信号并将其作为AD转换值Ad来输出。CP吸引力计测部64根据从A/D转换器69输入的AD转换值Ad,计算平均磁通密度Bav,并根据计算出的平均磁通密度Bav来计测CP吸引力Fcp。具体来说,进行以下的处理。

3.1.3 CP吸引力计测五分时时彩方法

图27示出了将图24所示的例子的磁通密度B的检测信号转换为绝对值|B|的情形。绝对值电路67将如图27A所示在正方向和负方向上交替输出的磁通密度B0的检测信号的输出值如图27B所示全部转换为正方向。图28示出了将如图28A所示在图25中示出的例子的磁通密度B的检测信号如图28B所示转换为绝对值|B|的情形。

积分电路68对磁通密度B的绝对值|B|进行积分而输出表示平均磁通密度Bav的模拟的电压信号。磁耦合器32进行旋转的情况下的平均磁通密度Bav是用时间对绝对值|B|进行积分并除以积分时间T而得的值,由以下的式(30)求出。

如图27A和图28A所示,积分时间T是至少1个周期的时间间隔。这里,1个周期是在磁通密度传感器63的位置处驱动侧转子部32a和从动侧转子部32b中的一方的N极或S极开始进入起到同极即将再次进入为止的时间间隔。如本例的磁耦合器32那样,在各磁极的中心角α为45°的情况下,积分时间T是旋转90°而供两个磁极通过的这段期间的时间。

如图27B和图28B所示,W表示在将磁耦合器32旋转45°的时间Δt45设为1的情况下、驱动侧转子部32a和从动侧转子部32b的各磁极的异极彼此对置的部分通过磁通密度传感器63的位置时的时间的时间比例。

时间比例W是根据平均磁通密度Bav而从下式(31)求出的。

W=Bav/B0····(31)

相位差角度θ越大,时间比例W和平均磁通密度Bav越小。

驱动侧转子部32a和从动侧转子部32b的各磁极的异极彼此对置的部分的CP吸引力Fcp与磁通密度B的最大值B0的绝对值|B0|的平方成比例,由于各磁极的同极彼此对置的部分的磁通密度B为“0”,所以产生与在异极彼此对置的部分产生的CP吸引力Fcp大小相同的反作用力。

因此,CP吸引力Fcpθ由下式(32)求出。

Fcpθ=Kcp·(B02·W-B02·(1-W))

=Kcp·B02·(2W-1)

=Kcp·B0·(2Bav-B0)····(32)

这里,Kcp是比例常数。

根据式(32),如图27所示,在相位差角度θ=0°的情况下,W=1,因此Fcp0=Kcp·B02。另外,如图28所示,在相位差角度θ=22.5°的情况下,W=0.5,因此Fcpθ(=22.5°)=0。另外,虽然未图示,但在相位差角度θ=45°的情况下,驱动侧转子部32a和从动侧转子部32b的各磁极全都是同极彼此对置。在该情况下,W=0,因此Fcpθ(=45°)=-Kcp·B02,反作用力最大。

3.2磁轴承系统的动作

3.2.1径向电磁铁控制部的控制流程

在第1实施方式的磁轴承系统40A中,由于第1径向电磁铁控制部C1X、C1Y、第2径向电磁铁控制部C2X、C2Y的控制流程与图7到图10所示的比较例的控制流程同样,所以省略说明。

3.2.2 CP吸引力计测部的处理

在磁轴承系统40A中,在轴向电磁铁控制部CZA对轴向轴承部AXB进行控制时,CP吸引力计测部64按照图29所示的过程来计测CP吸引力Fcpθ。

在S5010中,CP吸引力计测部64对积分电路68设定用于测量平均磁通密度Bav的积分时间T。在S5020中,CP吸引力计测部64使积分电路68复位,使计时器开始计时。当计时器的时间t达到积分时间T时(在S5030中为“是”),CP吸引力计测部64从A/D转换器69读入AD转换值Ad(S5040)。AD转换值Ad是表示时间t达到积分时间T的时刻的积分电路68的积分值的数字信号。在S5050中,CP吸引力计测部64根据式(30),将AD转换值Ad除以T而计算平均磁通密度Bav。

在S5060中,CP吸引力计测部64基于计算出的平均磁通密度Bav,根据式(32)而通过计算求出CP吸引力Fcpθ。在S5070中,CP吸引力计测部64将计测出的CP吸引力Fcpθ的数据发送到电磁铁控制部CZA和统一控制部61A。

3.2.3轴向电磁铁控制部CZA的控制流程

图30A和图30B示出了第1实施方式的轴向电磁铁控制部CZA的控制流程。图30A所示的前半部分的S3000Z到S3040Z的步骤与图11所示的比较例的轴向电磁铁控制部CZ的控制流程同样。在S3040Z的步骤中,在旋转轴27从目标位置Z0起发生了位移的情况下,根据与当前位置Z之差ΔZ,计算用于使差ΔZ接近0的、各电磁铁MZa和MZb的EM吸引力FZ和F-Z的变化量ΔFZ和ΔF-Z。

在图30B中,在S3040Z之后,轴向电磁铁控制部CZA在S3041Z中读入由CP吸引力计测部64计测出的CP吸引力Fcpθ。接着,在S3042Z中,轴向电磁铁控制部CZA根据下式(33)来计算从CP吸引力Fcp的初始值Fcp0起的减少量ΔFcpθ。

ΔFcpθ=Fcp0-Fcpθ····(33)

在S3043Z中,轴向电磁铁控制部CZA根据次式(34)、(35),将基于旋转轴27的位移而计算出的EM吸引力FZ和F-Z的变化量ΔFZ和ΔF-Z校正为减少量ΔFcpθ,从而计算校正值ΔFcZ和ΔFc-Z。

ΔFcZ=ΔFZ+ΔFcpθ····(34)

ΔFc-Z=ΔF-Z····(35)

然后,在S3050ZA中,轴向电磁铁控制部CZA计算用于产生EM吸引力FZ和F-Z的变化量的校正值ΔFcZ和ΔFc-Z的电磁铁MZa和MZb的电流各自的变化量ΔIZ和ΔI-Z。这样,轴向电磁铁控制部CZA相当于根据计测出的CP吸引力Fcpθ的变动而对作为轴向电磁铁MZa和MZb的磁力的EM吸引力FZ和F-Z进行校正的校正部。在本例中,轴向电磁铁控制部CZA根据计测出的CP吸引力Fcpθ与作为预先设定的基准值的初始值Fcp0之差(即,减少量ΔFcpθ),对EM吸引力FZ和F-Z进行校正。

S3050ZA之后的S3060Z到S3080Z的步骤与图11所示的比较例同样。即,在S3060Z中,轴向电磁铁控制部CZA根据式(19)、(20)来计算轴向电磁铁MZa和MZb的电流值IZ和I-Z。在S3070Z和S3080Z中,通过电流控制器59而使轴向电磁铁MZa和MZb中分别流过电流值IZ和I-Z。

另外,在上述控制流程中,即使在假设旋转轴27的悬浮位置的当前位置Z与目标位置Z0一致而使ΔZ=“0”的情况下,也执行S3030Z到S3080Y的步骤。也就是说,即使在ΔZ=“0”的情况下,在CP吸引力Fcpθ产生了变动的情况下,也根据减少量ΔFcpθ来执行轴向电磁铁MZa和MZb的EM吸引力FZ和F-Z的校正。在该情况下,在S3043Z中,变化量ΔFZ和ΔF-Z为“0”,因此仅减少量ΔFcpθ为校正值ΔFcZ。然后,执行S3050ZA到S3080Z的步骤,其结果是,对EM吸引力FZ进行相当于减少量ΔFcpθ的力的变化量ΔFcZ的加减。

3.3作用

第1实施方式的磁轴承控制部36A通过进行这样的控制来得到如下的作用效果。

3.3.1第1效果

如图31所示,在CP吸引力Fcp发生变动而存在减少量ΔFcpθ的情况下,相当于校正部的轴向电磁铁控制部CZA对作用于与CP吸引力Fcp相同方向的正方向的总的力FtZ进行补偿减少量ΔFcpθ的校正。具体来说,对轴向电磁铁MZa的EM吸引力FZ0加上减少量ΔFcpθ。在该校正时,CP吸引力计测部64根据磁通密度传感器63的检测信号来计测CP吸引力Fcpθ。

该情况下的力的平衡关系如下式(36)、(37)那样。

FtZ=FZ+Fcp0=FZ0+Fcp0-ΔFcpθ+ΔFcpθ=FZ0+Fcp0···(36)

FtZ=Ft-Z=F-Z0······(37)

如图31所示,轴向电磁铁控制部CZA根据作为CP吸引力Fcp的变动量的ΔFcpθ来校正作为轴向电磁铁MZa的磁力的EM吸引力FZ,使得在Z轴方向上对旋转轴27作用的相当于正方向的第1力的总的力FtZ与相当于负方向的第2力的Ft-Z这两个力平衡。这里,在相当于第1力的总的力FtZ中包含CP吸引力Fcp和作为轴向电磁铁MZa的磁力的EM吸引力FZ,在相当于第2力的Ft-Z中包含作为轴向电磁铁MZb的磁力的EM吸引力F-Z。

由于进行与这样的CP吸引力Fcp的变动对应的校正,所以第1实施方式的气体激光装置能够降低CP吸引力Fcp的变动对风扇26的旋转轴27的力的平衡关系和使用了轴向电磁铁MZa和MZb的旋转轴27的位置调节用的控制造成的影响。因此,容易进行旋转轴27的位置调节用的控制。由此,能够使风扇26的旋转和旋转轴27的悬浮位置稳定,能够降低第1磁轴承28、第2磁轴承29破损的可能性。

另外,由于使用由相当于吸引力估计用传感器的磁通密度传感器63检测的检测信号来计测在校正中使用的CP吸引力Fcpθ,所以能够准确地计测CP吸引力Fcpθ,提高校正的精度。另外,与旋转轴27的位移无关地,使用传感器来计测CP吸引力Fcpθ,在CP吸引力Fcp产生了变动的情况下进行校正,因此在旋转轴27未从目标位置Z0发生位移的情况下也能够进行校正。因此,位置调节的控制的时间延迟较少。其结果是,与以往相比,能够期待迅速且高精度的控制。

使用图32,结合具体例对作用效果进行说明。图32示出了旋转轴27产生位移的情况下的轴向电磁铁控制部CZA的控制的例子。在图32中,图32A与比较例的图20A同样,示出了CP吸引力Fcp为初始值Fcp0并且旋转轴27在目标位置Z0时作用于正方向的力FtZ和作用于负方向的力Ft-Z按照图17所示的式(26)、(27)的条件保持平衡的状态。

在该状态下,如图32B所示,考虑了对旋转轴27沿负方向施加与图20B所示的同样的外力EF1的情况。在该情况下,通过外力EF1使旋转轴27从目标位置Z0向负方向移动,使悬浮位置Z位移到Z1。旋转轴27的位移量ΔZ为ΔZ1=Z1-Z0。当旋转轴27产生位移量ΔZ时,轴向电磁铁控制部CZA使轴向电磁铁MZa和MZb的EM吸引力发生变化,以使旋转轴27回到目标位置Z0。

由于是与图20B相同的位移量ΔZ1,所以作为用于使旋转轴27接近目标位置Z0的力CF1,轴向电磁铁控制部CZA计算轴向电磁铁MZa和MZb的EM吸引力FZ和F-Z的变化量ΔFZ1和ΔF-Z1。

在图32B中,在以这种方式计算变化量ΔFZ1和ΔF-Z1时,与图20B同样,CP吸引力Fcp从初始值Fcp0减少到Fcpθ。在该情况下,与图20所示的比较例不同,轴向电磁铁控制部CZA根据CP吸引力Fcpθ的减少量ΔFcpθ,对基于旋转轴27的位移量ΔZ1而计算出的变化量ΔFZ1和ΔF-Z1进行校正,并计算校正值ΔFcZ1和ΔFc-Z1。这里,如上述式(35)所示,ΔFc-Z1与ΔF-Z1相同。

如图32C所示,在第1实施方式中,与比较例的图20C不同,与外力EF1相对的力CF2为-ΔF-Z1+ΔFcZ1,对ΔFcZ1补偿减少量ΔFcpθ。因此,施加了力CF1的正方向的力(FZ+Fcp0)比作用于负方向的轴向电磁铁MZb的EM吸引力F-Z大,如图20C所示,减少量ΔFcpθ不会不够。即使在CP吸引力Fcp以这种方式发生变动的情况下,由于减少量ΔFcpθ得到补偿,所以对用于位置调节的控制的影响较少。

因此,即使在旋转轴27从目标位置Z0产生了位移的情况下,也能够适当地赋予用于使旋转轴27接近目标位置Z0的力的变化量。由此,与比较例相比,提高了位置调节的精度,位置调节的控制的时间延迟也能够降低,因此能够进行迅速且高精度的控制。

3.3.2第2效果

另外,在本例中,轴向电磁铁控制部CZA根据减少量ΔFcpθ来进行EM吸引力的校正,以维持作用于旋转轴27的力的平衡的初始条件。这里,初始条件是指作用于旋转轴27的力的平衡关系,是在电动机31停止并且CP吸引力Fcp维持为基准值即初始值Fcp0的状态下用于使旋转轴27的悬浮位置与目标位置Z0一致的力的平衡关系。

也就是说,在上述式(36)、(37)中,作用于旋转轴27的正方向和负方向的总的力FtZ和力Ft-Z的平衡关系与上述式(26)、(27)所示的情况同样,与磁耦合器32产生了初始的CP吸引力Fcp0的情况下的力的平衡关系相同。因此,能够得到如下的效果。

Z轴方向上的作用于旋转轴27的力的平衡是通过由相对配置的轴向电磁铁MZa和MZb利用正方向的EM吸引力FZ和负方向的EM吸引力F-Z对旋转轴27进行吸引而成立的。通过电磁铁彼此的吸引而使力保持平衡的关系与利用弹簧沿正方向和负方向彼此吸引而使力保持平衡的关系类似。例如,在弹簧伸缩的情况下,根据胡克定律,弹簧的反力按照距离而变化,与此同样地,即使在流过电磁铁的电流不发生变化的情况下,作用于旋转轴27的吸引力也根据电磁铁与旋转轴27之间的距离而发生变化。

因此,在使用电磁铁的情况下,用于在目标位置Z0保持平衡的总的力FtZ和Ft-Z的大小发生变化等同于在使用弹簧的情况下弹簧常数发生变化。在弹簧常数发生变化的情况下,即使是相同的位移量,力的变化量也不同。因此,当用于在目标位置Z0保持平衡的总的力FtZ和Ft-Z的大小发生变化的情况下,即使旋转轴27的位移量相同,用于使旋转轴27接近目标位置Z0的EM吸引力的变化量也发生变化。

对轴向电磁铁MZa和MZb设定的初始的EM吸引力FZ0和F-Z0是以磁耦合器32产生CP吸引力Fcp的初始值Fcp0为前提而设定的。另外,轴向电磁铁控制部CZA也以CP吸引力Fcp的初始值Fcp0为前提,设定了控制电路中的增益等的最佳值。例如,在CP吸引力Fcp为初始值Fcp0的前提下,当旋转轴27从目标位置Z0位移了某种程度时,计算为了接近目标位置Z0而产生哪种程度的力为好、为此流过哪种程度的电流为好这样的值,并设定与其对应的最佳值。

因此,当CP吸引力Fcp变动而使力的平衡的初始条件变化时,对轴向电磁铁控制部CZA设定的最佳值的前提就被打乱。这样的话,会出现用于使旋转轴27回到目标位置Z0的EM吸引力的变化量过大或者过小的情况,也称为难以进行适当控制的原因。在本例中,由于维持着作用于旋转轴27的力的平衡的初始条件,所以能够避免这样的不良情况,能够进行更适当的控制。

3.3.3第3效果

此外,如图30A和图30B的控制流程所示,轴向电磁铁控制部CZA根据由位移传感器SZ检测出的旋转轴27的位移量即差ΔZ,计算用于使当前位置Z接近目标位置Z0的EM吸引力FZ0和F-Z0的变化量ΔFZ和F-Z,并根据减少量ΔFcpθ对计算出的变化量ΔFZ和F-Z进行校正。因此,根据旋转轴27的位移来计算变化量ΔFZ和F-Z的处理可以与比较例相同,因此能够挪用以往的电路部件等,也有助于低成本化。

3.4 CP吸引力的异常判定

如图33和图34所示,统一控制部61A对CP吸引力Fcp进行监视,在CP吸引力Fcp低于规定的下限值Fcpth的情况下,进行使电动机31的旋转停止的控制。统一控制部61A相当于电动机控制部。

如图33所示,在示出CP吸引力Fcpθ与相位差角度θ的对应关系的曲线图中,下限值Fcpth是与相位差角度θ的上限值θcpth对应的CP吸引力。上限值θcpth在中心角α为45°的本例的磁耦合器32中被设定为相位差角度θ小于22.5°的规定值。下限值Fcpth的数据被存储在统一控制部61A的未图示的内部存储器中。

图34A和图34B是统一控制部61A的控制流程。图34A所示的前半部分的S4010到S4040的步骤与比较例的图12所示的控制流程同样。与图12不同的点是如图34B所示追加了S4041、S4042、S4043的步骤的点。

统一控制部61A在S4041中读入由CP吸引力计测部64计测出的CP吸引力Fcpθ。在S4042中,统一控制部61A对所读入的CP吸引力Fcpθ和下限值Fcpth进行比较,监视CP吸引力Fcpθ是否低于下限值Fcpth。在CP吸引力Fcpθ为下限值Fcpth以上的情况(在S4042中为“是”)下,统一控制部61A进入到S4050以下的步骤。

另一方面,在CP吸引力Fcpθ低于下限值Fcpth的情况(在S4042中为“否”)下,统一控制部61A进入到S4043,对激光控制部17输出内容为磁耦合器32的CP吸引力Fcp异常的CP吸引力异常信号。然后,统一控制部61A进入到S4080,使电动机31的旋转停止。

当CP吸引力Fcp过小时,电动机31的转矩不能适当地传递到风扇26,即使电动机31旋转,风扇26也有可能不与电动机31同步地进行旋转。另外,当CP吸引力过小时,风扇26的旋转、旋转轴27的位置变得不稳定,也成为第1磁轴承28和第2磁轴承29损伤的原因。如本例那样,对CP吸引力Fcpθ进行监视,通过在低于下限值Fcpth的情况下输出CP吸引力异常信号,能够检测风扇26是否与电动机31同步地进行旋转。此外,能够预先防止由于CP吸引力Fcp的异常而导致第1磁轴承28和第2磁轴承29损伤的情况。

3.5磁耦合器的变形例

在本例中,作为磁耦合器32,以具有8个中心角α为45°的磁极的8极型为例进行了说明,但并不限定于该例,只要磁极的数量n为两以上,即,n≥2即可。将磁极的数量设为n的情况下的各磁极的中心角α为α=360°/n。

3.6 PID控制

在上述比较例和第1实施方式中,在计算与旋转轴27的位移对应的力的变化量ΔF的情况下,实际上进行PID控制。PID控制由比例控制(P:proportional)、积分控制(I:integral)以及微分控制(D:differential)构成。比例控制是根据旋转轴27距离目标位置的位移量而改变用于接近目标位置的力的变化量的控制。积分控制是对位移量进行积分而根据积分值对力的变化量进行调节的控制。微分控制(D控制)是对上次位移量和本次位移量进行比较而根据其差来改变力的变化量的控制。

这样的PID控制是反馈控制中的公知的控制五分时时彩方法,特别是在像磁轴承那样使用电磁铁对旋转轴27的位置进行控制的不稳定的系统中,是为了使旋转轴27的振动衰减等而使旋转轴27的位置稳定化所需要的控制。在上述例子中,为了避免说明的复杂化,并且为了方便而仅对进行比例控制的例子进行了说明,但实际上,在比例控制中,进行加上了积分控制和微分控制的PID控制。

轴向电磁铁控制部CZA以基于来自位移传感器SZ的输出而计算出的差ΔZ为位移量而进行PID控制。通过进行这样的PID控制,在使旋转轴27接近目标位置Z0的位置调节中,能够使旋转轴27迅速地接近目标位置Z0,并且能够抑制旋转轴27的振动运动。

3.7其他

在本例中,对设置了将磁通密度传感器63的输出转换为绝对值的绝对值电路67的例子进行了说明,但也可以不设置绝对值电路67。如图27A和图28A所示,当产生相位差时,磁通密度B的输出信号的时间宽度根据相位差角度θ而变化,因此,即使仅根据正侧的输出信号进行运算,也能够计测CP吸引力Fcpθ。

另外,图26所示的磁轴承控制部36A的CP吸引力计测部64、电磁铁控制部C1X、C1Y、C2X、C2Y、CZA也可以为了进行高速控制而由FPGA(field-programmablegatearray:现场可编程门阵列)构成。

另外,在本例中,将预先设定的CP吸引力Fcp的基准值设为初始值Fcp0。CP吸引力Fcp在电动机停止而没有相位差的初始状态下为最大值,其相当于初始值Fcp0。如本例所示,如果将初始值Fcp0设定为基准值,则变动量仅为从初始值Fcp0起的减少量ΔFcpθ。因此,在计算CP吸引力的变动量时,不考虑增加量即可,具有容易计算等效果,因此优选将初始值Fcp0设为基准值。但是,也可以不一定将基准值设定为初始值Fcp0。

另外,在本例中,轴向电磁铁控制部CZA根据计测出的CP吸引力Fcp与预先设定的基准值之差即变动量,计算EM吸引力FZ和F-Z的校正量。但是,轴向电磁铁控制部CZA在计算EM吸引力FZ和F-Z的校正量时也可以不一定求出变动量,例如,也可以根据计测出的CP吸引力Fcp的绝对值而直接计算校正量。

4.第2实施方式的气体激光装置

参照图35到图47对第2实施方式的气体激光装置进行说明。第2实施方式的气体激光装置的整体结构、图35所示的磁轴承系统40B的基本结构与第1实施方式的气体激光装置同样。不同点是磁轴承系统40B的CP吸引力计测五分时时彩方法。更具体来说,第1实施方式的磁轴承系统40A使用磁通密度传感器63作为吸引力估计用传感器,通过磁通密度传感器63来检测磁通密度本身,从而计测磁耦合器32的CP吸引力Fcpθ。与此相对,第2实施方式的磁轴承系统40B使用相位差传感器作为吸引力估计用传感器,通过相位差传感器来检测磁耦合器32的相位差而计测CP吸引力Fcpθ。相位差是能够估计CP吸引力Fcpθ的参数。

第2实施方式的磁轴承系统40B除了这样的CP吸引力计测五分时时彩方法不同之外,其他部分与第1实施方式的磁轴承系统40A同样,因此对同样的结构标注同样的标号,并适当省略说明,以不同点为中心来进行说明。

4.1风扇的磁轴承系统的结构

图35是示出第2实施方式的磁轴承系统40B的结构的说明图。在第2实施方式的磁轴承系统40B中,与第1实施方式不同的结构上的不同点为:第1点,在磁耦合器32设置有磁通密度变化传感器71作为相位差传感器;第2点,代替磁轴承控制部36A而设置有磁轴承控制部36B。此外,第3点,代替CP吸引力计测部64而设置有CP吸引力计测部64B;第4点,在磁轴承控制部36B设置有存储CP吸引力Fcpθ与相位差角度θ的对应关系76的存储部70。

4.1.1磁通密度变化传感器

磁通密度变化传感器71检测驱动侧转子部32a与从动侧转子部32b的磁极之间的磁通密度的变化点,并发送到磁轴承控制部36B。磁通密度B的变化点是能够估计磁耦合器32的CP吸引力Fcpθ的参数。

CP吸引力计测部64B根据从磁通密度传感器63接收的磁通密度B的变化点的信号,计测作为相位差的相位差角度θ。存储于存储部70的CP吸引力Fcpθ与相位差角度θ的对应关系76是表示图33的曲线图所示的对应关系的数据。CP吸引力计测部64B根据计测出的相位差角度θ,参照对应关系76来求出与相位差角度θ对应的CP吸引力Fcpθ。

磁轴承控制部36B与第1实施方式的磁轴承控制部36A同样,除了由轴向位移传感器SZ检测的旋转轴27的位移之外,还根据计测出的CP吸引力Fcp对轴向电磁铁MZa和MZb的EM吸引力FZ和F-Z进行控制。通过该控制,进行Z轴方向上的旋转轴27的位置调节。

在图36中,如图36A所示,磁通密度变化传感器71包含传感器主体部71a和对传感器主体部71a进行支承的支承外壳71b。如图36B所示,磁通密度变化传感器71与第1实施方式的磁通密度传感器63同样,配置在驱动侧转子部32a与从动侧转子部32b的磁极之间。磁通密度变化传感器71的固定位置也是第2外壳46的外壁面,与第1实施方式的磁通密度传感器63同样。磁通密度变化传感器71例如是拾波线圈。

4.1.2 CP吸引力计测五分时时彩方法

如图37所示,第2实施方式的磁轴承控制部36B除了包含CP吸引力计测部64B和存储部70之外,还包含放大器72、绝对值电路73、比较器74。另外,磁轴承控制部36B具有轴向电磁铁控制部CZB来代替轴向电磁铁控制部CZA。

放大器72对来自磁通密度变化传感器71的检测信号进行放大。绝对值电路73将从磁通密度变化传感器71接收的检测信号的输出值转换为绝对值。比较器74对来自磁通密度变化传感器71的输出值(即输出电压)和阈值电压Vth进行比较而输出比较结果。

CP吸引力计测部64B根据从比较器74输出的数据,计测相位差角度θ。具体来说,进行以下的处理。

图38到图40是对磁通密度变化传感器71的检测信号进行说明的说明图。图38A示出了磁耦合器32的相位差角度θ=0°并且转速R=0rmp(即,旋转停止)的情况下的磁通密度变化传感器71的位置处的磁通密度B的时间变化。在该情况下,驱动侧转子部32a和从动侧转子部32b在图23B所示的初始的对置状态下停止,因此如图23A中所示,磁通密度B恒定为最大值B0。因此,不产生磁通密度B的变化点,如图38B所示,也不输出磁通密度变化传感器71的检测信号。

图39与图24所示的相同,示出了电动机31开始旋转并且以比较低的转速R=r1rpm进行定速旋转的情况的例子。在该例子中,由于转速R是比较低的速度,所以几乎不产生转矩Q,因此,如图39B所示,也几乎没有相位差,是相位差角度θ≒0的状态。

在该情况下,如图24所说明的那样,由于驱动侧转子部32a和从动侧转子部32b在维持着初始的对置状态下旋转,所以在磁通密度变化传感器71的位置,磁通的方向相差180°的状态按照一定间隔发生变化。因此,在磁通密度传感器63的检测信号中,绝对值分别相当于磁通密度B0的、正方向的输出值和负方向的输出值按照一定间隔交替地反复。

在该情况下,如图39B所示,在磁通密度变化传感器71中,将磁通密度B向正方向的上升和向负方向的下降作为磁通密度B的变化点来检测。在与变化点对应的定时,在正方向和负方向上按照一定间隔输出检测信号。

图40与图25所示的相同,示出了电动机31的转速R以比r1rpm快的r2rpm进行定速旋转的情况的例子。该例是如下的例子:产生q1Nm的转矩Q,由此,如图40A所示,产生相位差,相位差角度θ≠0。在该情况下,如图40B所示,在磁通密度变化传感器71中,磁通密度B向正方向的上升和向负方向的下降作为磁通密度B的变化点来检测。然后,如本例那样,在磁耦合器32的磁极的中心角α为45°的情况下,相位差角度θ根据图40B所示的检测信号而通过下式(38)求出。

θ=(Δtw/Δt45)·45°···(38)

在式(38)中,如图27和图28所示,W表示在将磁耦合器32旋转45°的时间Δt45设为1的情况下、驱动侧转子部32a和从动侧转子部32b的各磁极的异极彼此对置的部分通过磁通密度变化传感器71的位置时的时间的时间比例。相反地,Δtw表示在将时间Δt45设为1的情况下、驱动侧转子部32a和从动侧转子部32b的各磁极的同极彼此对置的部分通过磁通密度变化传感器71的位置时的时间的时间比例。即,是Δtw=Δt45-W=1-W的关系。在相位差角度为0的情况下,由于Δt45和W均为1,所以Δtw=0。Δtw越大,相位差角度θ越大。

图41示出了从磁通密度变化传感器71输出图39B所示的检测信号的情况下的、绝对值电路73和比较器74的处理。当从磁通密度变化传感器71向绝对值电路73输入图41A所示的检测信号时,绝对值电路73将检测信号的输出值如图41B所示的那样全部转换为正方向。

比较器74对从绝对值电路73输出的输出电压V和阈值电压Vth进行比较,在输出电压超过了阈值电压Vth的情况下输出相当于“1”的高电平的电压,在阈值电压Vth以下的情况下输出相当于“0”的低电平的电压。高电平的电压信号被检测为脉冲信号,低电平的电压信号被处理为没有输出。

如图41C所示,PT1表示在输出连续输出的多个脉冲信号的情况下连续输出的两个脉冲信号的时间间隔(即,脉冲间隔)。PT2表示连续输出的3个脉冲信号的第1个与第3个的时间间隔(即,脉冲间隔)。

由于图41的情况是磁耦合器32在没有相位差的状态下定速旋转,所以在图41C中,连续输出的多个脉冲信号的时间间隔是恒定的。因此,脉冲间隔PT1与PT2的关系如下式(39)那样。

PT2-2·PT1=0···(39)

即,脉冲间隔PT1的两倍为脉冲间隔PT2。

图42示出了从磁通密度变化传感器71输出图40B所示的检测信号的情况下的、绝对值电路73和比较器74的处理。绝对值电路73将来自磁通密度变化传感器71的图42A所示的检测信号如图42B所示的那样全部转换为正方向的信号。比较器74与图41所示的相同,对从绝对值电路73输出的输出电压V和阈值电压Vth进行比较,在输出电压超过了阈值电压Vth的情况下输出相当于“1”的脉冲信号。

由于图42的情况是在磁耦合器32产生了相位差的状态下进行定速旋转,所以在图42C中,连续输出的多个脉冲信号的时间间隔不是恒定的。图40B所示的与Δt45对应的脉冲间隔和与Δtw对应的脉冲间隔周期性地重复。因此,脉冲间隔PT1与PT2的关系无法如式(39)那样唯一地确定,根据将第1个脉冲信号设为哪个脉冲信号,PT2比PT1的2倍短的情况(即,PT2-2·PT1<0的情况)和PT2比PT1的2倍长的情况(即,PT2-2·PT1>0的情况)会发生变化。

4.2磁轴承系统的动作

第2实施方式的磁轴承系统40B的动作仅在CP吸引力计测部64B的处理上与第1实施方式不同。第1径向电磁铁控制部C1X、C1Y、第2径向电磁铁控制部C2X、C2Y的控制流程与图7到图10所示的比较例和第1实施方式的控制流程同样。轴向电磁铁控制部CZB的控制流程与图30A和图30B所示的第1实施方式的控制流程同样。统一控制部61B的控制流程与图34A和图34B所示的第1实施方式的控制流程同样。因此,省略这些说明,仅对作为不同点的CP吸引力计测部64B的处理进行说明。

4.2.1 CP吸引力计测部的处理

如图43所示,CP吸引力计测部64B在S6100中计测相位差角度θ。然后,在S6200中,根据相位差角度θ来计算CP吸引力Fcpθ。最后,在S6300中,将CP吸引力Fcpθ的数据发送到轴向电磁铁控制部CZB和统一控制部61B。

图44示出了计测相位差角度θ的处理的详细内容。如图44所示,在S6101中,CP吸引力计测部64B使计时器复位而使计时器值t为0。然后,在S6102中,CP吸引力计测部64B6对从比较器74输入第1个脉冲信号的情况进行监视,在输入了第1个脉冲信号的时刻使计时器计数开始(S6103)。

在开始了计时器计数之后,在S6104中,CP吸引力计测部64B对第2个脉冲信号的输入进行监视。然后,在输入了第2个脉冲信号的情况(在S6104中为“是”)下,取得该时刻的计时器值t作为脉冲间隔PT1(S6105)。此外,CP吸引力计测部64B对第3个脉冲信号的输入进行监视(S6106),在输入了第3个脉冲信号的情况(在S6106中为“是”)下,取得该时刻的计时器值t作为脉冲间隔PT2(S6107)。

接着,CP吸引力计测部64B根据所取得的脉冲间隔PT1和PT2,通过下式(40)来计算评价值C(S6108)。

C=PT2-2·PT1···(40)

在S6109中,CP吸引力计测部64B根据C的值来计算相位差角度θ。在S6109中,在C的值为0的情况下,如上述式(39)所示,由于能够评价为没有相位差,所以进入到S6110,判定为相位差角度θ=0°。

另外,在S6109中,根据C的值比0大还是比0小,CP吸引力计测部64B改变评价值C的判定五分时时彩方法。这是因为,如上述那样,根据将第1个脉冲信号设为哪个脉冲信号,脉冲间隔PT1和PT2存在PT2比PT1的2倍短的情况(即,C=PT2-2·PT1<0的情况)和PT2比PT1的2倍长的情况(即,C=PT2-2·PT1>0的情况)。

在S6109中,CP吸引力计测部64B进行上述不等式的判定。然后,在评价值C比0大的情况下,即,在C=PT2-2·PT1>0的情况下,CP吸引力计测部64B进入到S6111,通过下式(41)的计算而求出相位差角度θ。

θ=(PT1/PT2)·45°···(41)

在S6109中,在评价值C比0小的情况下,即,在C=PT2-2·PT1<0的情况下,CP吸引力计测部64B进入到S6112,通过下式(42)的计算而求出相位差角度θ。

θ={(PT2-PT1)/T2}·45°···(42)

图45是示出图43中的S6200的根据相位差角度θ计算CP吸引力Fcpθ的计算处理的详细流程图。如图45所示,CP吸引力计测部64B在S6201中从存储部70读出对应关系76。在S6202中,CP吸引力计测部64B根据对应关系76,求出与相位差角度θ对应的CP吸引力Fcpθ。

如图46所示,对应关系76例如是将相位差角度θ的多个角度的数据和与各角度对应的CP吸引力Fcpθ的数据对应起来进行记录的表数据76A。在表数据76A中,例如记录有在相位差角度θ以1°为刻度时与0°~22°中的各度对应的CP吸引力Fcpθ的数据。

另外,CP吸引力计测部64B通过将相位差角度θ以1°为刻度时记录的表数据76A和插值法组合起来使用,例如也可以求出与作为2°与3°之间的中间值的2.5°对应的CP吸引力Fcpθ的数据等,即与以1°刻度记录的两个相位差角度θ之间的中间值对应的CP吸引力Fcpθ的数据。另外,作为对应关系76,也可以存储为函数而代替表数据76A。

另外,例如,为了反映每个磁耦合器32的个体差,也可以对每个磁耦合器32准备对应关系76,将与使用的磁耦合器32对应的对应关系76存储于存储部70。在该情况下,针对所使用的每个磁耦合器32,预先测量CP吸引力Fcpθ而对一个个磁耦合器32的每一个生成对应关系76。这样,能够更准确地计测CP吸引力Fcpθ。另外,对应关系76也可以根据磁耦合器32的种类或规格而生成。

4.3作用

作为第2实施方式的磁轴承系统40B的作用,与第1实施方式同样,得到上述第1到第3效果。另外,在第2实施方式中,使用磁通密度变化传感器71来检测磁通密度B的变化点,通过比较器74对CP吸引力计测部64B输出二值化后的数据。因此,在CP吸引力计测部64B由数字电路构成的情况下,由于有时不使用积分电路68或A/D转换器69,所以在处理的高速化方面是有利的。

4.4 CP吸引力的异常判定处理的变形例

如图47所示,在进行CP吸引力Fcp的异常判定时,也可以代替图34B的处理而根据相位差角度θ来进行。

在该情况下,统一控制部61B预先存储相位差角度θ的上限值θcpth。然后,在图47的S4041B中,统一控制部61B读入上限值θcpth。在S4042B中,在计测出的相位差角度θ为上限值θcpth以下的情况(在S4042B中为“是”)下,统一控制部61B进入到S4050。另一方面,在计测出的相位差角度θ超过了上限值θcpth的情况下判定为CP吸引力异常(在S4042B中为“否”),进入到S4043B,对激光控制部17输出CP吸引力异常信号。

图34B的例子是对CP吸引力Fcpθ直接进行监视,与此相对,图47的例子是使用相位差角度θ对CP吸引力Fcpθ间接地进行监视的例子。由于在CP吸引力Fcpθ与相位差角度θ之间存在图33所示的对应关系,所以也能够通过这样的五分时时彩方法来进行CP吸引力Fcp的异常判定。

4.5相位差传感器的变形例

4.5.1变形例1

在第2实施方式中,如图48所示,也可以使用磁通密度传感器63来代替磁通密度变化传感器71。磁通密度传感器63与在第1实施方式中说明的传感器同样。在该情况下,通过磁通密度传感器63和微分电路73来构成相位传感器。

在图49中,图49A是与图28和图40A所示的相同的、磁通密度传感器63的检测信号的输出。微分电路77接收来自磁通密度传感器63的信号,并输出图49B所示的与作为磁通密度B的变化点的信号的上升沿和下降沿对应的脉冲信号。这与图40B所示的磁通密度变化传感器71的输出相同。这样,也可以通过磁通密度传感器63和微分电路77来构成相位差传感器。

4.5.2变形例2

图50到图52示出了相位差传感器的变形例2。变形例2的相位差传感器由检测磁耦合器32的驱动侧转子部32a和从动侧转子部32b的旋转的旋转传感器78构成。如图50所示,旋转传感器78具有驱动侧传感器78a、从动侧传感器78b以及支架78c。驱动侧传感器78a和从动侧传感器78b分别与磁轴承控制部36B连接,输出检测信号。

在图51中,如图51B所示,驱动侧传感器78a与驱动侧转子部32a一起被收纳在电动机固定部56内,并配置在大气中。驱动侧传感器78a被固定于设置在电动机固定部56内的支架78c上。从动侧传感器78b安装在将收纳从动侧转子部32b的内部空间与大气侧的外部空间隔开的壳体54的外侧,并配置在大气中。

如图51A和图51B所示,在驱动侧转子部32a中,在支承部321a的一部分形成有切口部323a,在从动侧转子部32b中,也在支承部321b的一部分形成有切口部323b。切口部323a和323b用于使来自磁铁部320a和320b的磁通漏出。驱动侧传感器78a在径向上隔着支架78c而配置在与切口部323a对应的位置,以便能够检测驱动侧转子部32a的磁铁部320a的磁通。从动侧传感器78b配置在与切口部323b对应的位置,以便能够检测从动侧转子部32b的磁铁部320b的磁通。作为驱动侧传感器78a和从动侧传感器78b,使用霍尔元件、磁阻元件、磁通密度传感器等。

每当驱动侧转子部32a旋转1圈时,驱动侧传感器78a便检测从切口部323a漏出的磁通而输出旋转检测信号。每当从动侧转子部32b旋转1圈时,从动侧传感器78b便检测从切口部323b漏出的磁通而输出旋转检测信号。

在磁耦合器32未旋转的情况下的驱动侧转子部32a和从动侧转子部32b的初始的对置状态中,调节驱动侧转子部32a和从动侧转子部32b的旋转位置以使各自的切口部323a和323b对置。因此,在没有相位差的状态下,驱动侧传感器78a和从动侧传感器78b的各自的旋转检测量定时是一致的。

如图52所示,当产生相位差时,驱动侧传感器78a的旋转检测量定时和从动侧传感器78b的旋转检测量定时产生偏移。在图52A中,Tr1是由驱动侧传感器78a检测的驱动侧转子部32a的旋转周期,在图52B中,Tr2是由从动侧传感器78b检测的从动侧转子部32b的旋转周期。CP吸引力计测部64B根据各旋转周期Tr1和Tr2来计测该差Δt12。相位差角度θ可以通过下式(43)来计算。

θ=Δt12/Tr1·360°···(43)

这样,相位差传感器可考虑各种传感器,可以使用任意一种。

5.第3实施方式的气体激光装置

参照图53到图60B对第3实施方式的气体激光装置进行说明。第3实施方式的气体激光装置的整体结构和激光振荡动作与第1实施方式的气体激光装置同样。以下,以不同点为中心进行说明。

5.1风扇的磁轴承系统的结构

在第3实施方式中,代替磁轴承系统40A而设置有磁轴承系统40C。磁轴承系统40C与磁轴承系统40A的不同点是,第一,代替磁耦合器32而设置有磁耦合器82。磁耦合器82不是如磁耦合器32那样沿轴向方向产生CP吸引力Fcp的类型,而是沿径向方向产生CP吸引力Fcp的类型。

第2不同点是,在第3实施方式的磁轴承系统40C中,伴随着设置磁耦合器82,根据径向方向的CP吸引力Fcp的变动而对与磁耦合器82相邻配置的第2径向轴承部RB2中的EM吸引力进行校正。在第3实施方式中,旋转轴27足够长,磁耦合器82的CP吸引力Fcp的影响是在仅带给第2径向轴承部RB2而没有带给第1径向轴承部RB1的假设下构成的。

5.1.1磁耦合器

如图54所示,磁耦合器82具有驱动侧转子部82a和从动侧转子部82b。驱动侧转子部82a被安装固定于电动机31的驱动轴31a,从动侧转子部82b被安装固定于风扇26的旋转轴27。驱动侧转子部82a呈以Z轴方向为旋转轴的圆筒形状,从动侧转子部82b也呈以Z轴方向为旋转轴的圆柱形状。

如图54B所示,驱动侧转子部82a的内径比从动侧转子部82b的外径大,驱动侧转子部82a以覆盖从动侧转子部82b的外周的方式配置。驱动侧转子部82a和从动侧转子部82b以驱动侧转子部82a的内周面与从动侧转子部82b的外周面对置的方式配置。在驱动侧转子部82a的内周面与从动侧转子部82b的外周面之间配置有作为壳体54的结构要素的圆筒部54d。圆筒部54d是收纳从动侧转子部82b并将填充激光气体的内部空间与配置驱动侧转子部82a的外部空间隔开的隔壁。

如图54A所示,驱动侧转子部82a和从动侧转子部82b的各磁铁部820a、820b分别是绕作为旋转轴的Z轴沿周向配置有8个中心角α为45°的磁极的8极型。在图54中,例如用浓阴影表示的磁极是N极,用薄阴影表示的磁极是S极。驱动侧转子部82a和从动侧转子部82b沿径向方向产生CP吸引力Fcp而以非接触的方式将转矩从驱动侧转子部82a传递到从动侧转子部82b。磁通密度传感器63配置在各磁铁部820a与820b之间,并固定在圆筒部54d的外周面。

5.1.2磁轴承控制部的结构

如图55所示,第3实施方式的磁轴承控制部36C与图26所示的第1实施方式的磁轴承控制部36A的基本结构相同。不同点在于,代替第2径向电磁铁控制部C2X、C2Y而设置有第2径向电磁铁控制部C2XC、C2YC。CP吸引力计测部64对第2径向电磁铁控制部C2XC、C2YC发送计测出的CP吸引力Fcpθ和统一控制部61A。

另外,在第3实施方式中,没有设置第1实施方式的轴向电磁铁控制部CZA,设置了与比较例同样的轴向电磁铁控制部CZ。这是因为,在第3实施方式中,磁耦合器82的CP吸引力Fcp不沿轴向方向作用,因此轴向电磁铁控制部CZ不进行与CP吸引力Fcp的变动对应的EM吸引力的校正。

5.1.3磁耦合器的径向方向的CP吸引力

图56示出了在磁耦合器82中相位差角度θ=0°的情况下的沿X轴方向和Y轴方向各自的方向作用的CP吸引力Fcp的初始值。FcpX0、Fcp-X0是在X轴方向上向正方向和负方向分别作用的CP吸引力Fcp的初始值。FcpY0、Fcp-Y0是在Y轴方向上向正方向和负方向分别作用的CP吸引力Fcp的初始值。

由于各磁铁部820a、820b的各磁极的中心角α相同并沿周向等间隔地配置,所以各磁极沿径向方向作用的CP吸引力Fcp相同。因此,向X轴方向和Y轴方向的正方向和负方向作用的CP吸引力Fcp的初始值全部都是相同的值。将该初始值设为Fcp0。即,处于下式(44)所示的关系。

FcpX0=Fcp-X0=FcpY0=Fcp-Y0=Fcp0···(44)

5.1.4径向轴承部的力的平衡

图57示出了在第2径向轴承部RB2中磁耦合器82的相位差角度θ=0°的情况下的力的平衡关系。使旋转轴27与目标位置X20、Y20一致的情况下的第2径向电磁铁M2的力的平衡关系如下式(45)到(50)那样。

FtX=Ft-X···(45)

FtX=FX20+Fcp0···(46)

Ft-X=F-X20+Fcp0···(47)

FtY=Ft-Y···(48)

FtY=FY20+Fcp0···(49)

Ft-Y=F-Y20+Fcp0+Fg2···(50)

FX20是在X轴方向上向正方向产生的第2径向电磁铁M2Xa的EM吸引力,F-X20是在X轴方向上向负方向产生的第2径向电磁铁M2Xb的EM吸引力。FtX和Ft-X是在X轴方向上向正方向和负方向分别作用的总的力,EM吸引力和CP吸引力的合计。

FY20是在Y轴方向上向正方向产生吸引力的第2径向电磁铁M2Ya的吸引力,F-Y20是在Y轴方向上向负方向产生吸引力的第2径向电磁铁M2Yb的吸引力。Fg2是在Y轴方向上沿作为负方向的重力方向对旋转轴27作用的重力。F-Y20的大小比FY20小了重力Fg2。FtY和Ft-Y是在Y轴方向上向正方向和负方向作用的总的力,正方向是EM吸引力和CP吸引力的合计,负方向是EM吸引力、CP吸引力及重力的合计。

这里,在第2径向轴承部RB2中,当在磁耦合器82产生相位差而使相位差角度θ≠0°的情况下,CP吸引力Fcp从初始值Fcp0减少了ΔFcpθ而成为Fcpθ。该情况下的第2径向电磁铁M2的力的平衡关系如下式(51)到(56)那样。

FtX=Ft-X···(51)

FtX=FX20+Fcpθ=FX20+Fcp0-ΔFcpθ···(52)

Ft-X=F-X20+Fcpθ=F-X20+Fcp0-ΔFcpθ···(53)

FtY=Ft-Y···(54)

FtY=FY20+Fcpθ=FY20+Fcp0-ΔFcpθ···(55)

Ft-Y=F-Y20+Fcpθ+Fg2=F-Y20+Fcp0-ΔFcpθ+Fg2···(56)

在磁轴承控制部36C中,第2径向电磁铁控制部C2XC相当于根据计测出的CP吸引力Fcp的变动而对第2径向电磁铁M2Xa、M2Xb的EM吸引力FX2、F-X2进行校正的校正部。第2径向电磁铁控制部C2YC相当于根据计测出的CP吸引力Fcp的变动而对第2径向电磁铁M2Ya、M2Yb的EM吸引力FY2、F-Y2进行校正的校正部。

更具体来说,在CP吸引力Fcp减少后的情况下,第2径向电磁铁控制部C2XC根据减少量ΔFcpθ对第2径向电磁铁M2Xa、M2Xb的EM吸引力FX2、F-X2进行校正,使得对旋转轴27沿X轴方向的正方向和负方向作用的两个力保持平衡。另外,第2径向电磁铁控制部C2YC也同样如此,在CP吸引力Fcp减少后的情况下,根据减少量ΔFcpθ对第2径向电磁铁M2Ya、M2Yb的EM吸引力FY2、F-Y2进行校正,使得对旋转轴27沿Y轴方向的正方向和负方向作用的两个力保持平衡。

图58示出了根据减少量ΔFcpθ对EM吸引力FX2、F-X2、FY2、F-Y2进行了校正的情况下的第2径向轴承部RB2中的力的平衡关系。该力的平衡关系如下式(57)到(62)那样。

FtX=Ft-X···(57)

FtX=FX2+Fcpθ=FX20+ΔFcpθ+Fcp0-ΔFcpθ=FX20+Fcp0···(58)

Ft-X=F-X2+Fcpθ=F-X20+ΔFcpθ+Fcp0-ΔFcpθ=F-X20+Fcp0···(59)

FtY=Ft-Y···(60)

FtY=FY2+Fcpθ=FY20+ΔFcpθ+Fcp0-ΔFcpθ=FY20+Fcp0···(61)

Ft-Y=F-Y2+Fcpθ=F-Y20+ΔFcpθ+Fcp0-ΔFcpθ=F-Y20+Fcp0···(62)

5.2磁轴承系统的动作

5.2.5第2径向电磁铁控制部的控制流程

5.2.5.1第2径向电磁铁控制部C2XC的控制流程

图59A和图59B是示出第2径向电磁铁控制部C2XC的控制流程的流程图。图59A所示的S2000X到S2040X的前半部分与图9所示的比较例的流程图相同,不同点在于,如图59B所示,追加了S2041X到S2043X的步骤;S2050X的步骤变更为S2050XC。S2041X到S2043X的步骤与第1实施方式的图30B所示的S3041Z到S3043Z仅在吸引力作用的方向上不同,其他处理内容是同样的。

在图59A的前半部分的S2040X之前的步骤中,在旋转轴27从目标位置X20发生位移而在目标位置X20与当前位置X2之间产生了差ΔX2的情况下,第2径向电磁铁控制部C2XC按照使ΔX2接近“0”的方式计算第2径向电磁铁M2Xa和M2Xb各自的EM吸引力FX2和F-X2的变化量ΔFX2和F-X2。

在图59B所示的S2041X中,第2径向电磁铁控制部C2XC读入CP吸引力Fcpθ,在S2042X中,计算CP吸引力Fcp的减少量ΔFcpθ。然后,在S2043X中,第2径向电磁铁控制部C2XC按照减少量ΔFcpθ对EM吸引力的变化量ΔFX2和ΔF-X2进行校正,并计算校正值ΔFCX2和ΔFC-X2。具体来说,根据下式(63)、(64)来计算。

ΔFCX2=ΔFX2+ΔFcpθ···(63)

ΔFC-X2=ΔF-X2+ΔFcpθ···(64)

如图58所示,在径向方向上,CP吸引力Fcp在X轴方向的正方向和负方向这两个方向上减少。因此,对正方向和负方向的两个方向的变化量ΔFX2和ΔF-X2加上减少量ΔFcpθ。

在S2050XC中,第2径向电磁铁控制部C2XC计算用于产生校正值ΔFCX2和ΔFC-X2的第2径向电磁铁M2Xa和M2Xb的电流各自的变化量ΔIX2和ΔI-X2。在S2060X中,为了从旋转轴27的当前的悬浮位置接近目标位置X20,第2径向电磁铁控制部C2XC将对置的电磁铁M2Xa和M2Xb的初始的偏置电流I20和ΔI-20与变化量ΔIX2和ΔI-X2相加,从而计算电流值IX2和I-X2。在S2070X和S2070X中,在第2径向电磁铁M2Xa和M2Xb中流过计算出的电流值IX2和I-X2。由此,能够使旋转轴27的悬浮位置朝向目标位置X20接近。根据旋转轴27的位移来反复进行上述处理。

另外,在上述控制流程中,即使在假设旋转轴27的悬浮位置的当前位置X2与目标位置X20一致而使ΔX2=“0”的情况下,与执行S2030X到S2080X的步骤。也就是说,即使在ΔX2=“0”的情况下,在CP吸引力Fcpθ产生了变动的情况下,也根据减少量ΔFcpθ,执行第2径向电磁铁M2Xa和M2Xb的EM吸引力FX2和F-X2的校正。在该情况下,在S2043X中,由于变化量ΔFX2和ΔF-X2为“0”,所以只有减少量ΔFcpθ分别是校正值ΔFCX2、ΔFC-X2。然后,执行S2050XC到S2080X的步骤,其结果是,对EM吸引力FX2和F-X2加上相当于减少量ΔFcpθ的力的变化量ΔFCX2、ΔFC-X2。

5.2.5.2第2径向电磁铁控制部C2YC的控制流程

图60A和图60B是示出第2径向电磁铁控制部C2YC的控制流程的流程图。图60A所示的SS2000Y到S2040Y的前半部分与图10所示的比较例的流程图相同,不同点在于,如图60B所示,追加了S2041Y到S2043Y的步骤;S2050Y的步骤被变更为S2050YC。S2041Y到S2043Y的步骤与第1实施方式的图30B所示的S3041Z到S3043Z和图60B所示的S2041X到S2043X仅在吸引力作用的方向上不同,其他处理内容是同样的。

在图60A的前半部分的S2040Y之前的步骤中,在旋转轴27从目标位置Y20发生位移而在目标位置Y20与当前位置Y2之间产生了差ΔY2的情况下,第2径向电磁铁控制部C2YC按照使ΔY2接近“0”的方式计算第2径向电磁铁M2Ya和M2Yb各自的EM吸引力FY2和F-Y2的变化量ΔFY2和F-Y2。

在图60B所示的S2041Y中,第2径向电磁铁控制部C2YC读入CP吸引力Fcpθ,在S2042Y中,计算CP吸引力Fcp的减少量ΔFcpθ。然后,在S2043Y中,第2径向电磁铁控制部C2YC按照减少量ΔFcpθ对EM吸引力的变化量ΔFY2和ΔF-Y2进行校正,并计算校正值ΔFCY2和ΔFC-Y2。具体来说,根据下式(65)、(66)来计算。

ΔFCY2=ΔFY2+ΔFcpθ···(65)

ΔFC-Y2=ΔF-Y2+ΔFcpθ···(66)

如图58所示,在径向方向上,与X轴方向同样,CP吸引力Fcp在Y轴方向的正方向和负方向这两个方向上减少。因此,对正方向和负方向的两个方向的变化量ΔFY2和ΔF-Y2加上减少量ΔFcpθ。

在S2050YC中,第2径向电磁铁控制部C2YC计算用于产生校正值ΔFCY2和ΔFC-Y2的第2径向电磁铁M2Ya和M2Yb的电流各自的变化量ΔIY2和ΔI-Y2。然后,在S2060Y中,为了从旋转轴27的当前的悬浮位置接近目标位置Y20,第2径向电磁铁控制部C2YC将对置的电磁铁M2Ya和M2Yb的初始的偏置电流I20和ΔI-20与变化量ΔIY2和ΔI-Y2进行加减,从而计算电流值IY2和I-Y2。在S2070Y和S2070Y中,在第2径向电磁铁M2Ya和M2Yb中流过计算出的电流值IY2和I-Y2。由此,能够使旋转轴27的悬浮位置朝向目标位置Y20接近。根据旋转轴27的位移来反复进行上述处理。

另外,在上述控制流程中,即使在假设旋转轴27的悬浮位置的当前位置Y2与目标位置Y20一致而使ΔY2=“0”的情况下,也执行S2030Y到S2080Y的步骤。也就是说,即使在ΔY2=“0”的情况下,在CP吸引力Fcpθ产生了变动的情况下,也根据减少量ΔFcpθ来执行第2径向电磁铁M2Ya和M2Yb的EM吸引力FY2和F-Y2的校正。在该情况下,在S2043Y中,由于变化量ΔFY2和ΔF-Y2为“0”,所以只有减少量ΔFcpθ分别是校正值ΔFCY2、ΔFC-Y2。然后,执行S2050YC到S2080Y的步骤,其结果是,对EM吸引力FY2和F-Y2加上相当于减少量ΔFcpθ的力的变化量ΔFCY2、ΔFC-Y2。

在第2实施方式中,第2径向电磁铁控制部C2XC、C2YC分别相当于根据减少量ΔFcpθ对第2径向电磁铁M2Xa、M2Xb、M2Ya、M2Yb的EM吸引力FX2、F-X2、FY2、F-Y2进行校正的校正部。

5.3作用

这样,即使在CP吸引力Fcp产生了变动的情况下,也可对EM吸引力FX2、F-X2、FY2、F-Y2补偿CP吸引力Fcp的减少量ΔFcpθ,使得作用于旋转轴27的正方向和负方向各自的总的力保持平衡。由此,在第3实施方式中,也与第1实施方式同样,能够降低CP吸引力Fcp的变动对使用了第2径向电磁铁M2Xa、M2Xb、M2Ya、M2Yb的旋转轴27的位置调节用的控制造成的影响。因此,容易进行旋转轴27的位置调节用的控制。

但是,与轴向方向不同,在径向方向上,CP吸引力Fcp的变动在正方向和负方向这两个方向上产生相同的大小,因此即使CP吸引力Fcp发生变动,只要不施加EM吸引力和CP吸引力Fcp以外的外力EM,则作用于旋转轴27的力保持平衡。因此,与沿轴向方向作用CP吸引力的第1实施方式不同,在第3实施方式中,即使CP吸引力Fcp发生变动,只要不施加外力EM,则旋转轴27的悬浮位置也不会从目标位置X20、Y20发生位移。

但是,如上所述,在使用电磁铁的情况下,用于在目标位置X20、Y20使作用于旋转轴27的力平衡的总的力FtX、Ft-X、FtY、Ft-Y的大小发生变化等同于在使用弹簧的情况下弹簧常数发生变化。这是主要是因为力的平衡的初始条件发生变化,因此难以进行位置调节的适当控制。

在第3实施方式中,与第1实施方式同样,即使CP吸引力Fcp发生变动,也可维持上述式(45)到(50)所示的作用于旋转轴27的力的平衡的初始条件。因此,在第3实施方式中,也得到了在第1实施方式中说明的第2效果。

另外,第3实施方式的图59A、59B、图60A、图60B的控制流程也是与第1实施方式相同的图30A和30B的控制流程,因此能够期待在第1实施方式中说明的第3效果。

5.4其他

在本例中,在CP吸引力Fcp不给第1径向轴承部RB1带来影响的前提下,仅对第2径向轴承部RB2进行控制的例子进行了说明。但是,当在第1径向轴承部RB1中也不能忽视CP吸引力Fcp的影响的情况下,也可以对第1径向轴承部RB1进行同样的控制。

6.第4实施方式的气体激光装置

参照图61到图65B对第4实施方式的气体激光装置进行说明。第4实施方式的气体激光装置的整体结构和激光振荡动作与第1实施方式的气体激光装置同样。以下,以不同点为中心进行说明。

6.1风扇的磁轴承系统的结构

在第4实施方式中,代替磁轴承系统40A而设置有磁轴承系统40D。磁轴承系统40D与磁轴承系统40A的不同点在于,轴向轴承部AXB不具有轴向电磁铁MZa,仅具有轴向电磁铁MZb。轴向电磁铁MZb是在Z轴方向上产生向负方向作用的EM吸引力F-Z的电磁铁。

第4实施方式的轴向轴承部AXB不使用轴向电磁铁MZa,而是通过由轴向电磁铁MZb产生的负方向的EM吸引力F-Z和由磁耦合器32产生的正方向的CP吸引力Fcp而使作用于旋转轴27的轴向方向的力平衡。

6.1.1磁轴承控制部的结构

如图62所示,第4实施方式的磁轴承控制部36D与图26所示的第1实施方式的磁轴承控制部36A的不同点在于,代替轴向电磁铁控制部CZA而具有轴向电磁铁控制部CZD。第1实施方式的轴向电磁铁控制部CZA对正方向和负方向的轴向电磁铁MZa和MZb进行控制,与此相对,第4实施方式的轴向电磁铁控制部CZD仅对负方向的轴向电磁铁MZb进行控制。

6.1.2轴向方向的力的平衡

图63示出了风扇26的转速R为0rpm且相位差角度θ=0的情况下的、作用于旋转轴27的轴向方向的力的平衡关系。使旋转轴27与目标位置Z0一致的情况下的力的平衡关系如下式(67)、(68)那样。

FtZ=FZ0=Fcp0···(67)

FtZ=Ft-Z=F-Z···(68)

图64示出了风扇26旋转而使相位差角度θ≠0的情况下的、作用于旋转轴27的轴向方向的力的平衡关系。使旋转轴27与目标位置Z0一致的情况下的力的平衡关系如下式(69)、(70)那样。

FtZ=FZ0=Fcpθ-ΔFcpθ···(69)

FtZ=Ft-Z=F-Z-ΔFcpθ···(70)

6.2磁轴承系统的动作

在第4实施方式的磁轴承系统40D的动作中,与第1实施方式不同的点仅是轴向电磁铁控制部CZD的控制流程,其他部分是同样的。

6.2.1轴向电磁铁控制部的控制流程

图65A和图65B示出了轴向电磁铁控制部CZD的控制流程。轴向电磁铁控制部CZD在图65A所示的S3000ZD中对轴向电磁铁MZb提供电流值的初始值I-Z0而使磁悬浮开始。电流值的初始值I-Z0是用于使轴向电磁铁MZb产生与磁耦合器32的CP吸引力Fcp的初始值Fcp0大小相同的EM吸引力F-Z的电流值。

在图65A的前半部分的S3040ZD之前的步骤中,在旋转轴27从目标位置Z0发生位移而在目标位置Z0与当前位置Z之间产生了差ΔZ的情况下,轴向电磁铁控制部CZD按照使ΔZ接近“0”的方式计算轴向电磁铁MZa的EM吸引力F-Z的变化量ΔF-Z。

第4实施方式的情况与第1实施方式不同,没有设置产生与CP吸引力Fcp相同的正方向的EM吸引力FZ的轴向电磁铁MZa。因此,在旋转轴27的当前的悬浮位置Z从目标位置Z0向正方向位移后的情况下,按照轴向电磁铁MZb的EM吸引力F-Z超过CP吸引力Fcp0的方式计算变化量ΔF-Z。另一方面,在旋转轴27的当前的悬浮位置Z从目标位置Z0向负方向位移后的情况下,按照轴向电磁铁MZb的EM吸引力F-Z低于CP吸引力Fcp0的方式计算变化量ΔF-Z。

然后,如图65B所示,轴向电磁铁控制部CZD在S3041Z中读入CP吸引力Fcpθ,计算CP吸引力Fcp的减少量ΔFcpθ(S3042Z)。然后,在S3043ZD中,轴向电磁铁控制部CZD根据下式(71),按照减少量ΔFcpθ对轴向电磁铁MZb的EM吸引力F-Z进行校正而计算校正值ΔFc-Z。

ΔFc-Z=ΔF-Z-ΔFcpθ···(71)

这样,轴向电磁铁控制部CZD根据由CP吸引力计测部64计测出的CP吸引力Fcp的变动,对轴向电磁铁MZb的EM吸引力F-Z进行校正。

在S3050ZD中,轴向电磁铁控制部CZD计算用于产生校正值ΔFc-Z的轴向电磁铁MZb的电流的变化量ΔI-Z。在S3060ZD中,根据下式(72)来计算流过轴向电磁铁MZ的电流值I-Z。

I-Z=I-Z0+ΔI-Z···(72)

在旋转轴27的悬浮位置从目标位置Z0向正方向位移后的情况下,变化量ΔI-Z的值为正,对初始值I-Z0加上变化量ΔI-Z。另一方面,在旋转轴27的悬浮位置从目标位置Z0向负方向位移后的情况下,变化量ΔI-Z的值为负,从初始值I-Z0减去变化量ΔI-Z。

在S3070ZD和S3080ZD中,轴向电磁铁控制部CZD向轴向电磁铁MZ提供计算出的电流值I-Z。由此,能够进行使旋转轴27接近目标位置Z0的位置调节。

统一控制部61A的控制流程与图34A和图34B所示的第1实施方式的控制流程同样。

6.3作用

在第4实施方式中,在进行与旋转轴27的位移对应的EM吸引力F-Z的控制时,在CP吸引力Fcp产生了变动的情况下,以与CP吸引力Fcp平衡的方式校正EM吸引力F-Z。具体来说,在CP吸引力Fcp从初始值Fcp0起减少的情况下,使EM吸引力F-Z减少了减少量ΔFcpθ。

由此,即使在CP吸引力Fcp发生了变动的情况下,作用于旋转轴27的正方向和负方向的总的力也保持平衡,因此能够降低CP吸引力Fcp的变动对旋转轴27的位移造成的影响。因此,容易对旋转轴27的位置调节进行控制。

但是,在第4实施方式中,与第1实施方式不同,在CP吸引力Fcp从初始值Fcp0起减少的情况下,与其相应地,使EM吸引力F-Z减少了减少量ΔFcpθ,因此无法维持力的平衡的初始条件。

因此,在第4实施方式中,无法得到上述第2效果,但能够得到第1效果和第3效果。另外,在第4实施方式中,由于未设置轴向电磁铁MZa,仅设置了轴向电磁铁MZb,因此能够简化构成要素,能够期待低成本化。

另外,在第4实施方式中,统一控制部61A执行图34A和图34B所示的第1实施方式的控制流程。在该控制流程中,在S4041到S4043中所示的CP吸引力异常的情况下使电动机31停止的处理在第4实施方式中特别有效。

这是因为,在第4实施方式中,没有设置向与磁耦合器32的CP吸引力Fcp相同的正方向产生EM吸引力的轴向电磁铁MZa。因此,在磁耦合器32出现异常而使CP吸引力Fcp过小的情况下,无法使用轴向电磁铁MZa使旋转轴27向正方向移动。因此,在第4实施方式中,S4041到S4043的处理作为在CP吸引力产生异常的情况下的非常手段而特别有效。

7.模拟电路

图66所示的磁轴承控制部36E是第1实施方式的磁轴承控制部36A的电磁铁控制部和CP吸引力计测部由模拟电路构成的例子。也可以代替磁轴承控制部36A所示的数字电路而使用这样的模拟电路。在图66中,为了方便,仅示出了对轴向电磁铁MZa和MZb进行控制的轴向电磁铁控制部CZE,但第1径向电磁铁控制部和第2径向电磁铁控制部也是与轴向电磁铁控制部CZE同样的结构,省略了图示和说明。

轴向电磁铁控制部CZE具有伪微分/伪积分电路81、增益调整电路82、加法电路83、反相电路84、偏置电流设定电压电路86以及传感器电路87。另外,传感器电路87配置在位移传感器SZ的后级。在轴向电磁铁MZa和MZb分别连接有电磁铁驱动电路88。

加法电路83、偏置电流设定电压电路86以及电磁铁驱动电路88包含轴向电磁铁MZa用的加法电路83a、偏置电流设定电压电路86a和加法电路83a、以及轴向电磁铁MZb用的加法电路83b、偏置电流设定电压电路86b和加法电路83b。如图21所示,轴向电磁铁MZa向与磁耦合器32的CP吸引力Fcp相同的正方向产生EM吸引力FZ。轴向电磁铁MZb产生负方向的EM吸引力F-Z。在轴向电磁铁MZa用的加法电路83a的前级连接有反相电路84。

向传感器电路87输入从位移传感器SZ输出的相当于旋转轴27的当前位置Z的电压。传感器电路87根据从位移传感器SZ输入的电压,输出相当于旋转轴27的当前位置Z与目标位置Z0之差ΔZ的电压。在传感器电路87中设定有在旋转轴27位于目标位置Z0的情况下从位移传感器SZ输出的电压作为参照电压。传感器电路87根据作为从位移传感器SZ输出的电压的传感器输出和参照电压,将相当于两者的差分的电压作为表示差ΔZ的信号来输出。

具体来说,在旋转轴27的当前位置Z处于目标位置Z0的情况下,传感器电路87的输出和位移传感器SZ的传感器输出与参照电压一致,因此输出在后级的电路中被处理为“0”的信号。而且,在旋转轴27的当前位置Z位于从目标位置Z0起的正侧的情况下,即,传感器输出比参照电压大的情况下,将与该差ΔZ的绝对值的大小对应的输出值用正值输出。相反地,在当前位置Z位于从目标位置Z0起的负侧的情况下,即,传感器输出比参照电压小的情况下,将与该差ΔZ的绝对值的大小对应的输出值用负值输出。

传感器电路87将相当于差ΔZ的信号输出到后级的伪微分/伪积分电路81和统一控制部61A。伪微分/伪积分电路81和增益调整电路82是执行上述PID控制的电路。伪微分/伪积分电路81承担微分控制和积分控制,增益调整电路82承担比例控制。伪微分/伪积分电路81根据相当于差ΔZ的信号,执行上述微分控制和积分控制,增益调整电路82执行比例控制。增益调整电路82输出被PID控制调整后的差ΔZ的电压。

增益调整电路82向轴向电磁铁MZa用的加法电路83a和轴向电磁铁MZb用的加法电路83b输出差ΔZ的电压。由于在增益调整电路82与加法电路83a之间配置有反相电路84,所以使差ΔZ的电压的标号反相而输入到加法电路83a。由此,在来自增益调整电路82的差ΔZ的电压取正值的情况下,作为负的信号输入到加法电路83a,作为相同大小的正的信号输入到加法电路83b。相反地,在差ΔZ的电压取负值的情况下,作为正的信号输入到加法电路83a,作为负的信号输入到加法电路83b。

偏置电流设定电压电路86a和86b将用于向轴向电磁铁MZa和MZb分别提供偏置电流的偏置电压分别设定在各加法电路83a和93b中。偏置电流如上述那样是电流的初始值IZ0和I-Z0,在加法电路83a中设定与初始值IZ0对应的偏置电压,在加法电路83b中设定与初始值I-Z0对应的偏置电压。

例如,如图31所示,轴向电磁铁MZa产生与CP吸引力Fcp相同方向的EM吸引力FZ,轴向电磁铁MZb产生与将CP吸引力Fcp和EM吸引力FZ合计起来而得的总的力相称的EM吸引力F-Z。因此,由偏置电流设定电压电路86a设定的偏置电压比由偏置电流设定电压电路86b设定的偏置电压小了CP吸引力的初始值Fcp0。

加法电路83a对偏置电压加上从增益调整电路82输出且标号被反相电路84反相后的差ΔZ的电压。加法电路83b对偏置电压加上从增益调整电路82直接输入的差ΔZ的电压。电磁铁驱动电路88a和88b向电磁铁MZa和MZb提供与从加法电路83a和83b分别输入的电压的大小对应的驱动电流。

如图21所示,轴向电磁铁MZa和轴向电磁铁MZb是相对配置的。在该情况下,为了使旋转轴27向一个方向位移,例如,如图30B的S3060Z所示,进行如下的处理:对提供到轴向电磁铁MZa和MZb中的一方的偏置电流加上变化量ΔIZ,从提供到另一方的偏置电流中减去变化量ΔI-Z,其中,该变化量ΔIZ与变化量ΔI-Z的大小相同。反相电路84是为了对相对配置的轴向电磁铁MZa和MZb分配大小相同而标号不同的变化量ΔIZ和ΔI-Z而配置的。

例如,在旋转轴27的当前位置Z位于从目标位置Z0起的正方向的情况下,由于从增益调整电路82输出的差ΔZ的电压取正值,所以向加法电路83a输入被反相电路84反转后的负值,向加法电路83b输入正值。由此,轴向电磁铁MZa的正方向的EM吸引力FZ从初始的EM吸引力FZ0减少了变化量ΔFZ,轴向电磁铁MZb的负方向的EM吸引力FZ从初始的EM吸引力FZ0增加了变化量ΔFZ。其结果是,旋转轴27向负方向移动而接近目标位置Z0。在旋转轴27的当前位置Z位于从目标位置Z0起的负方向的情况下,与此相反地,旋转轴27向正方向移动而接近目标位置Z0。

另外,在积分电路68的后级配置有减法电路91和增益设定电路92。在减法电路91中设定有与CP吸引力Fcp0对应的参照电压,将从积分电路68输出的相当于CP吸引力Fcpθ的输出电压从与CP吸引力Fcp0对应的参照电压减去而输出相当于减少量ΔFcpθ的电压。增益设定电路92对减法电路91的输出值乘以规定的增益而设定为后级的电路能够适当处理的输出值。

增益设定电路92与轴向电磁铁MZa用的加法电路83a连接。由于增益设定电路92输出相当于减少量ΔFcpθ的电压,所以在加法电路83a中对偏置电压加上该电压。在偏置电流设定电压电路86a中,设定有与以磁耦合器32产生CP吸引力Fcp的初始值Fcp0为前提而设定的EM吸引力FZ对应的偏置电压。因此,通过将从增益设定电路92输入的电压与偏置电压相加,对EM吸引力FZ补偿减少量ΔFcpθ。

另外,从传感器电路87向统一控制部61A输入相当于差ΔZ的信号。如图34B的S4050所示,统一控制部61A根据差ΔZ来判定旋转轴27的悬浮位置是否处于允许范围。

如上述那样,在气体激光装置2的磁轴承系统中,旋转轴27的位置调节用的控制要求迅速的处理。因此,在气体激光装置2的磁轴承系统中,电磁铁控制部和CP吸引力计测部由模拟电路来构成,这对处理的迅速化是有效的。

8.其他

在上述各实施方式中,可以进行如下的变形。例如,在各轴承部RB1、RB2、AXB中,对使用吸引力作为各电磁铁的磁力而使旋转轴27磁悬浮的例子进行了说明,但也可以代替吸引力而使用反作用力作为磁力,从而旋转轴27磁悬浮。另外,在各轴承部RB1、RB2、AXB中,对仅使用电磁铁的例子进行了说明,但也可以将电磁铁和永久磁铁组合起来使用。在该情况下,例如,利用永久磁铁来产生与偏置电流对应的初始的磁力,并利用电磁铁对变化量进行调节。

气体激光装置2也可以是将未被窄带化的自然激励光作为脉冲激光而输出到曝光装置3的气体激光装置。在该情况下的气体激光装置中,代替窄带化模块而配置高反射镜。

气体激光装置2可以不是准分子激光装置。气体激光装置2也可以是将作为卤素气体的氟气体和缓冲气体设为激光气体的氟分子激光装置。另外,也可以将气体激光装置2和激光加工装置组合起来而作为激光加工装置的激光光源来使用。

上述说明没有限制,只是示例性的说明。因此,本领域技术人员可以理解在不脱离附带的权利要求书的范围的情况下,对本公开的各实施方式可以添加变更。

本说明书以及附带的权利要求书整体中使用的术语应该解释为“不限定”的术语。例如,“包括”或者“包含”等术语应该解释为“不限定于作为包含的手段记载的手段”。术语“具有”应该解释为“不限定于作为具有的手段记载的手段”。并且,本说明书以及附带的权利要求书的范围中记载的修饰语“一个”应该解释为“至少一个”或者“一个或一个以上”。

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