(57)【要約】【課題】装置コストを抑えつつ、高調波成分の低減を図ることができる３相ブラシレスＤＣモータを備えたターボ分子ポンプの提供。【解決手段】回転翼が形成されたロータを回転駆動する３相ブラシレスＤＣモータと、ロータの回転に同期した回転パルスを発生する回転検出部(701)と、スイッチング素子(Tr1〜Tr6)をオンオフして直流を３相交流に変換し、その３相交流を３相ブラシレスＤＣモータに供給するインバータ回路(72)と、回転パルスの立ち上がりを基準としてロータ１回転分のＰＷＭ出力値を算出する演算手段(703)とを備え、演算手段(703)は、モータ電気角の３６０度を複数の電気角区間に分割し、正弦波状の駆動電流が３相ブラシレスＤＣモータに供給されるように、ＰＷＭ出力値を電気角区間毎に段階的に変化させることを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転翼が形成されたロータを回転駆動する３相ブラシレスＤＣモータと、
前記ロータの回転に同期した回転パルスを発生する回転検出手段と、
スイッチング素子をオンオフして直流を３相交流に変換し、その３相交流を前記３相ブラシレスＤＣモータに供給するインバータ回路と、
前記回転パルスの立ち上がりを基準としてロータ１回転分のＰＷＭ出力値を算出する演算手段とを備え、
前記演算手段は、モータ電気角の３６０度を複数の電気角区間に分割し、正弦波状の駆動電流が前記３相ブラシレスＤＣモータに供給されるように、前記ＰＷＭ出力値を前記電気角区間毎に段階的に変化させることを特徴とするターボ分子ポンプ。
【請求項２】
請求項１に記載のターボ分子ポンプにおいて、
前記３相ブラシレスＤＣモータの少なくとも１相の巻線に誘起される逆起電圧と前記巻線の中点電圧とに基づいて、所定レベルの逆起電圧パルス信号を出力する逆起電圧検出回路と、
前記回転パルスと前記逆起電圧パルス信号との位相差に基づいて、前記回転パルスに基づく基準タイミングに対する前記スイッチング素子のスイッチングタイミングを、モータ駆動効率の低下が抑制されるように調整する調整手段と、を備えたことを特徴とするターボ分子ポンプ。
【請求項３】
３相ブラシレスＤＣモータでロータを回転駆動するターボ分子ポンプの駆動方法であって、
モータ電気角の３６０度を複数に分割した電気角区間毎にＰＷＭ出力値を設定し、前記３相ブラシレスＤＣモータに擬似的な正弦波電圧を印加することを特徴とするターボ分子ポンプの駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ブラシレスＤＣモータを備えたターボ分子ポンプ、およびその駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ターボ分子ポンプを駆動するモータとして、ブラシレスＤＣモータがある。ブラシレスＤＣモータの駆動方式としては、回路やソフトウェア構成の単純さから一般に１２０度通電方式が用いられている（例えば、特許文献１参照）。１２０度通電方式は、特定相に連続して電圧が印加される区間が、モータの電気角１２０度分となる駆動方式である。
【０００３】
また、１２０度通電方式とは別の駆動方式として、１８０度正弦波駆動がある（例えば、特許文献２参照）。１８０度正弦波駆動の場合、正弦波状の駆動電圧をモータロータの磁極位相に合わせて印加する必要がある。一般には、ベクトル制御と呼ばれる制御方式で、モータ運転中の３相正弦波の印加電圧指令値を電流センサ出力に基づいて計算することにより、１８０度正弦波駆動を実現している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−３２５３１１号公報
【特許文献２】特開２００１−３５２７７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、１２０度通電方式の場合、モータの電流波形（１相分の波形）には高調波成分が多く含まれ、高調波成分によるモータ発熱が問題となる。
【０００６】
一方、１８０度正弦波駆動を用いた場合には、高調波が低減できるという利点を有するが、上述したベクトル制御を実現するために、１８０度正弦波駆動用に特化したマイコンやＤＳＰ、もしくは１８０度正弦波駆動用モータドライバＩＣ等を用いる必要があり、装置コストの増大を招くという問題があった。さらに、少なくとも１相以上の相電流を高精度に検出する必要があるため、ソフトウェア構成が複雑となり、相電流検出回路が高価になるという問題もあった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１の発明に係るターボ分子ポンプは、回転翼が形成されたロータを回転駆動する３相ブラシレスＤＣモータと、ロータの回転に同期した回転パルスを発生する回転検出手段と、スイッチング素子をオンオフして直流を３相交流に変換し、その３相交流を３相ブラシレスＤＣモータに供給するインバータ回路と、回転パルスの立ち上がりを基準としてロータ１回転分のＰＷＭ出力値を算出する演算手段とを備え、演算手段は、モータ電気角の３６０度を複数の電気角区間に分割し、正弦波状の駆動電流が３相ブラシレスＤＣモータに供給されるように、ＰＷＭ出力値を電気角区間毎に段階的に変化させることを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１に記載のターボ分子ポンプにおいて、３相ブラシレスＤＣモータの少なくとも１相の巻線に誘起される逆起電圧と巻線の中点電圧とに基づいて、所定レベルの逆起電圧パルス信号を出力する逆起電圧検出回路と、回転パルスと逆起電圧パルス信号との位相差に基づいて、回転パルスに基づく基準タイミングに対するスイッチング素子のスイッチングタイミングを、モータ駆動効率の低下が抑制されるように調整する調整手段と、を備えたものである。
請求項３の発明は、３相ブラシレスＤＣモータでロータを回転駆動するターボ分子ポンプの駆動方法であって、モータ電気角の３６０度を複数に分割した電気角区間毎にＰＷＭ出力値を設定し、３相ブラシレスＤＣモータに擬似的な正弦波電圧を印加することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、装置コストを抑えつつ、高調波成分の低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明によるターボ分子ポンプの一実施の形態を示す図であり、全体の概略構成を示すブロック図である。
【図２】電源装置２に設けられたモータ制御部を説明するブロック図である。
【図３】回転パルスと、スイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６への転流パターンとを示す図である。
【図４】ＰＷＭ出力値を説明する図である。
【図５】回転パルスと逆起パルスとを示す図である。
【図６】従来の１２０度矩形波駆動（１２０度通電方式）の場合の、通電パターンと各相の電圧波形を示す図である。
【図７】１２０度矩形波駆動の場合のモータ電流波形（１相分の波形）を示す図である。
【図８】位相差αとモータ負荷との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。図１は、本発明によるターボ分子ポンプの一実施の形態を示す図であり、全体の概略構成を示すブロック図である。ターボ分子ポンプは、ポンプ本体１と電源装置２とから構成されている。図１に示す例では、ポンプ本体１と電源装置２とをケーブルで接続するような構成としているが、ポンプ本体１と電源装置２とを一体で構成する場合もある。
【００１１】
ポンプ本体１には、回転翼が形成されたロータ４が設けられており、ロータ４は磁気軸受５により非接触支持されるとともにモータ６により回転駆動される。モータ６には３相ＤＣブラシレスモータが用いられている。一方、電源装置２には、モータ６を駆動するモータ制御部７と、ロータ４が所定浮上位置に支持されるように磁気軸受５に供給される励磁電流を制御する軸受制御部８とを備えている。
【００１２】
回転センサ４７はロータ４の回転数を検出するためのセンサであり、ロータ４の１回転に対応した信号を出力する。例えば、ロータ側にギャップ変化部を設けて、そのギャップ変化部をインダクタンス式のギャップセンサで検出するようにしても良い。ロータ４が１回転する度に、ギャップ信号が１回出力されることになる。また、モータロータの磁極位置を検出するホールセンサを回転センサ４７に使用しても良い。
【００１３】
図２は、電源装置２に設けられたモータ制御部７を説明するブロック図である。モータ制御部７には、外部電源（商用電源）９からの交流を直流に変換するＡＣ／ＤＣコンバータ回路７３が設けられている。インバータ回路７２は、トランジスタ等のスイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６を備え、ＡＣ／ＤＣコンバータ７３からの直流電圧をスイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６でオンオフスイッチングしてモータ６の固定子巻線６１に印加する。インバータ回路７２のスイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６のオンオフ駆動は、制御回路７０のドライバ回路７０４によって行われる。
【００１４】
逆起検出回路７１は、Ｗ相巻線に誘起される逆起電圧を検出するものである。永久磁石が設けられたモータロータ６２が回転すると、固定子巻線６１のＵ相巻線，Ｖ相巻線およびＷ相巻線に逆起電圧が誘起される。逆起検出回路７１はコンパレータを備えており、入力されたＷ相の逆起電圧（Ｗ相端子電圧）と中性点の電圧との差分を求め、その差分がゼロとなる点（ゼロクロス点）を検出する。逆起検出回路７１は、そのゼロクロス点に基づいて、所定レベルの逆起電圧パルス（以下では、逆起パルスと称する）を出力する。なお、Ｗ相以外の逆起電圧を用いても良いし、２相以上の逆起電圧に基づいて逆起パルスを生成しても良い。図５は、回転パルスと逆起パルスとを示す図であり、逆起パルスの１周期は回転パルスと同様に電気角で３６０度となる。逆起検出回路７１から出力された逆起パルスは、制御回路７０の逆起−回転パルス位相差演算部７０２に入力される。
【００１５】
制御回路７０はマイコンで構成され、回転数検出部７０１，逆起−回転パルス位相差演算部７０２および駆動波形生成部７０３を備えている。回転数検出部７０１は、回転センサ４７から入力された検出信号に基づいて、モータロータ６２が１回転する度に１パルスの回転パルスを出力する。回転パルスは、逆起−回転パルス位相差演算部７０２および駆動波形生成部７０３に入力される。逆起−回転パルス位相差演算部７０２は、回転パルスと逆起検出回路７１から入力された逆起パルスとの位相差αを演算し、その演算結果を駆動波形生成部７０３に入力する。駆動波形生成部７０３は、１８０度疑似正弦波駆動に必要な駆動電流を演算し、インバータ回路７２のスイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６を駆動するための駆動波形を生成して、それをドライバ回路７０４に出力する。
【００１６】
モータ６へ供給する電流はＰＷＭ制御によって実施するのが望ましい。本実施の形態では、回転センサ４７が、モータ１回転につき１パルスを出力する場合について説明する。図３（ａ）は、回転数検出部７０１から出力される回転パルスを示したものである。本実施の形態では、回転パルスの立ち上がりを基準として、モータ１回転分のＰＷＭ出力を計算し、それを順次出力する。出力値は、回転パルスの立ち上がりをトリガとして毎回更新される。ここでは、モータ６の電気角３６０度当たりのＰＷＭ出力値の切り替え回数を１２回として、すなわち、３０度毎に切り替える場合について説明する。
【００１７】
回転パルスを基準とする６個のスイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６への転流パターン（通電パターン）は、図３（ｂ）のようになる。図３（ｂ）において、数字が記載されている部分（１８０度区間）は通電区間を表しており、数字が記載されていない部分は無通電区間を表している。通電区間におけるＰＷＭ出力値は従来の１２０度矩形波駆動のように一定ではなく、３０度通電区間毎にＰＷＭ出力値を段階的に切り替えるようにしている。
【００１８】
図４は、数字１，２，３が付された３０度通電区間のＰＷＭ出力値を説明する図である。数字１，２，３が付された３０度通電区間のＰＷＭ出力値PWM(1)，PWM(2)，PWM(3)の大きさは、PWM(1)＋PWM(2)＝PWM(3)のように設定される。そして、ＰＷＭ出力値が正弦波状に変化するように、例えば、PWM(1)，PWM(2)，PWM(3)の大きさを「PWM(1)：PWM(2)：PWM(3)＝sin１５°：sin４５°：sin７５°」のように設定する。
【００１９】
例えば、図３（ｂ）のＡ区間ではスイッチング素子Ｔｒ１，Ｔｒ４，Ｔｒ６が通電状態となるがそれぞれＰＷＭ出力値が異なるので、Ｕ相巻線に流れる電流をＩ・sin75°とすると、Ｖ相巻線にはＩ・sin15°の電流が流れ、Ｗ相巻線にはＩ・sin45°の電流が流れる。Ｕ相巻線の電流を区間Ａ，Ｂ，・・・，Ｌの順に見ると、「Ｉ・sin105°→Ｉ・sin135°→ Ｉ・sin165°→−Ｉ・sin195°→ −Ｉ・sin225°→−Ｉ・sin255°→−Ｉ・sin285°→−Ｉ・sin315°→−Ｉ・sin345°→Ｉ・sin15°→Ｉ・sin45°→Ｉ・sin75°」のように変化する。なお、ここでは、Ｕ相巻線の端子から中点方向に流れる電流をプラスとして表した。Ｖ相巻線およびＷ相巻線に流れる電流も同様であり、図３（ｂ）のようにＰＷＭ出力値を段階的に切り替えることにより、Ｕ，Ｖ，Ｗの各相を流れる電流が正弦波状となる。
【００２０】
このことは、次式（１）で表されるような電圧がモータ各相に与えられるように、ＰＷＭ出力値PWM(1)，PWM(2)，PWM(3)を設定することを意味し、その結果、図４に示すような擬似的な正弦波電圧が印加される。
Ｖu＝Ａ［sin(ｐθ＋ρ)＋１］／２＋０．５Ｖdc
Ｖv＝Ａ［sin(ｐθ＋２π／３＋ρ)＋１］／２＋０．５Ｖdc
Ｖw＝Ａ［sin(ｐθ−２π／３＋ρ)＋１］／２＋０．５Ｖdc    …（１）
ここで、Ａは振幅、ｐはロータの極対数、θは回転角、Ｖdcは直流電圧、ρは適当な位相角である。振幅Ａは、ＰＩＤ制御等のモータ速度制御演算によって決定される。
【００２１】
上述したように、ＰＷＭ出力値は、回転パルスの立ち上がりをトリガとして、毎回更新される。なお、ＰＷＭ出力値の切り替え回数を１２回よりも増やすことにより、モータ電流波形をさらに正弦波に近づけることができる。ただし、モータ回転数が増加するに従ってＰＷＭ出力値の切り替え動作もより高速に実施する必要があるので、切り替え回数はモータ駆動用ＩＣの性能との兼ね合いによって決定される。
【００２２】
図６は、従来の１２０度矩形波駆動（１２０度通電方式）の場合の、通電パターンと各相の電圧波形を示したものである。例えば、Ｕ相のスイッチング素子Ｔｒ１，Ｔｒ２の通電パターンを見ると、通電区間は１２０度であって、スイッチング素子Ｔｒ１，Ｔｒ２の両方ともオフになってＵ相巻線に電流が流れない区間（電気角で６０度）がある。さらに、通電区間におけるＰＷＭ出力値はいずれの区間も同一値とされる。
【００２３】
図７は、１２０度矩形波駆動の場合のモータ電流波形（１相分の波形）を示したものである。この場合、本実施形態の擬似正弦波駆動の場合に比べて高調波成分が多く含まれ、高調波成分によるモータの発熱が問題となる。ターボ分子ポンプの場合、モータは真空環境に置かれるため放熱性が悪く、モータ発熱があると温度上昇を招きやすいので、なるべく発熱を抑えることが要求される。本実施の形態では、上述したようにモータ電流波形が正弦波状となるため高調波成分が低減され、モータ発熱を抑えることができる。また、本実施の形態の駆動方式は、ハード面においては、従来の１２０度通電方式の場合と同様の構成で実施することができるので、コスト上昇を抑えつつ性能の向上を図ることができる。
【００２４】
次に、式（１）における位相角ρの設定方法について説明する。ρ＝０の場合には、回転パルスの立ち上がりに同期して１サイクルのスイッチングを開始する。しかし、本実施の形態では、以下に述べるように、モータ駆動効率が最適になるように位相角ρの大きさを調整する。本実施の形態では、図４に示すようにスイッチング素子を制御して擬似正弦波状に１８０度通電を行っているので、結果的に全区間通電となる。そのため、モータの誘起電圧位相に対する通電波形の位相を適切に制御しないと、モータの駆動効率が低下するという問題がある。そのためには、式（１）の位相角ρを適切に制御する必要がある。
【００２５】
モータにかかる負荷が変動すると、誘起電圧の位相と通電波形の位相との関係が変化し効率が低下するので、式（１）の位相角ρを調整して効率の低下を防止する。ところで、回転パルスと逆起パルスとの位相差α（図５参照）は、図８に示すように負荷変動に応じて変化する。そのため、位相角ρは、回転パルスと逆起パルスとの位相差αに応じて調整される。なお、図８は回転数を一定に保ったときの位相差αとモータ負荷との関係を示したものであり、実際には、位相差αは負荷だけでなく回転数にも依存する。すなわち、位相角ρは、位相差αと回転数に応じて設定されることになる。
【００２６】
実際には、回転数と位相差αとを変化させたときに負荷を実測し、それにより作成された負荷テーブルをメモリ７０５内に記憶しておく。例えば、まず、無負荷状態において、回転数だけを変えて位相差αを計測する。次に、回転数を固定した状態で、負荷を変えて位相差αを計測する。そして、負荷変動に対する位相差αの変化が回転数によらず同じであると仮定すると、回転数と位相差αとに対する負荷テーブルを作成することができる。駆動波形生成部７０３では、ターボ分子ポンプ駆動時に検出された回転数および位相差αと上記負荷テーブルとに基づいて負荷を求め、その負荷に基づいて位相角ρを算出する。この位相角ρの算出は、回転パルスが取得される度に行われる。
【００２７】
以上のように、本実施の形態では、電気角３６０度あたりのＰＷＭ出力値切り替えを１２回行い、印加電圧が図４に示すような擬似的な正弦波電圧となるように、各３０度通電区間のＰＷＭ出力値を設定することにより、正弦波状の電流をモータ６に供給するようにした。その結果、従来の矩形波駆動方式に比べて高周波成分を低減することができ、モータの発熱低減、低騒音、低振動駆動を実現できる。
【００２８】
さらに、回転パルスと逆起パルスとに基づいて位相角ρを調整することで、モータの負荷変動に対してもモータ駆動効率を低減させることなく、また、駆動電流を正弦波状に保持したまま運転を継続することができる。さらにまた、本実施の形態における擬似的正弦波駆動は、従来の正弦波駆動方式の場合と同様なハード構成で対処することができ、従来の１８０度正弦波駆動のように高価なモータＩＣドライバを必要とせず、低コストでモータ電流を正弦波状にすることができる。
【００２９】
上述した各実施形態はそれぞれ単独に、あるいは組み合わせて用いても良い。それぞれの実施形態での効果を単独あるいは相乗して奏することができるからである。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。例えば、磁気軸受式でないターボ分子ポンプにも適用可能である。
【符号の説明】
【００３０】
１：ポンプ本体、２：電源装置、４：ロータ、５：磁気軸受、６：モータ、７：モータ制御部、８：軸受制御部、４７：回転センサ、６１：固定子巻線、６２：モータロータ、７０：制御回路、７１：逆起検出回路、７２：インバータ回路、７３：ＡＣ／ＤＣコンバータ、７０１：回転数検出部、７０２：逆起−回転パルス位相差演算部、７０３：駆動波形生成部、７０４：ドライバ回路、Ｔｒ１〜Ｔｒ６：スイッチング素子
【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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