(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターボ分子ポンプのポンプモータである三相モータを駆動する制御装置であって、商用交流電力を直流電力に変換する交流／直流変換手段と、直流電力を三相交流電力に変換するために三相ブリッジ接続されたスイッチング素子を有するインバータ手段と、該インバータ手段の各相の高電圧側及び低電圧側のスイッチング素子のオン・オフを制御することで前記インバータ手段に接続された三相モータに通電を行う制御手段と、三相モータの内部配線や三相モータへの配電線路の断線を検知する断線検知手段と、を具備するターボ分子ポンプ用三相モータ駆動制御装置において、
前記断線検知手段は、
a)前記インバータ手段に印加される直流電圧により該インバータ手段に流れる直流電流を検出する電流検出手段と、
b)前記三相モータを起動してから定常運転に至るまでの加速運転中に、前記電流検出手段により直流電流を検出し、その検出結果に基づいて、前記三相モータの所定回転に相当する期間中に繰り返し現れる電流波形のピークの数の変化を直接的又は間接的に検出することにより欠相の有無を判断する、という処理を繰り返し実行する手段であって、前記三相モータの所定回転に相当する期間において、欠相が無い場合に電流波形のピークが現れる所定のタイミングで直流電流の電流値を反映した信号を取得し、これを所定時間だけ遡った時点で得られた同タイミングに対する信号と比較し、その比較結果に基づいて欠相の有無を判断する欠相判定手段と、
を備えることを特徴とするターボ分子ポンプ用三相モータ駆動制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は三相モータを駆動する駆動制御装置に関し、さらに詳しくは、三相モータの内部配線や当該装置と三相モータとを接続する配電線路の断線を検知する断線検知機能を有する三相モータ駆動制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えばスパッタリング装置などの半導体製造装置等においてはチャンバ内を高真空雰囲気にするためにターボ分子ポンプが利用される。ターボ分子ポンプでは、ポンプモータとして最高で８００Hz程度又はそれ以上の高速回転が可能な三相モータが利用される。こうした三相モータにおいて内部の巻線やモータと駆動制御装置とを接続する配電線路に断線が生じている場合にはモータが動作せず、真空ポンプとして機能しないことになる。
【０００３】
上記のような断線、即ち三相モータの欠相を検知する様々な技術が従来知られている。例えば、通常使用時に三相モータの回転速度を或る速度まで上昇させることを前提として、起動時点から所定時間が経過した時点で所定の回転速度まで速度が上昇しているか否かを検知することにより、結果的に断線の検知を可能とした装置がある。しかしながら、上述したようなターボ分子ポンプではその回転速度をかなり緩慢に上昇させてゆくため、モータが正常であっても所定の回転速度まで回転速度が上がるには時間が掛かる。そのため、断線の有無の検知結果が出るまでに時間を要し、断線があった場合にはそれまでの起動からの時間が無駄になるという問題がある。
【０００４】
また特許文献１に記載の装置では、インバータ回路の三相の出力線路上にそれぞれ交流電流検出手段を設け、その検出信号に基づいて断線の有無を判断している。しかしながら、交流電流検出手段として鉄芯と銅線を巻回した巻線とを備える高価なカレントトランスを用いる必要があり、しかも三相のそれぞれにカレントトランスを設けなければならないため、コストがかなり高いものとなるという問題がある。
【０００５】
また特許文献２に記載の装置では、三相モータの起動に先立ち、三相ブリッジ構成のうちの任意の一相（例えばＲ相）の高電圧側のスイッチング素子と他の二相（例えばＳ相及びＴ相）の低電圧側のスイッチング素子をオンする一方、他の３個のスイッチング素子をいずれもオフし、その状態で直流／直流変換回路から三相インバータ回路に直流電圧を印加してこれにより流れる直流電流を検出する。このときに電流が流れていれば高電圧側のスイッチング素子をオンした相の欠相はないと判断する。そして、三相全てについて欠相の有無を判断し、一つでも欠相があれば三相モータの起動を停止して異常を報知するようにしている。この断線検知方法では、交流電流検知用のカレントトランスを用いることなく断線を確実に検知することができる。
【０００６】
しかしながら、この方法では、断線検知動作の際には三相モータに対する三相交流駆動を停止する必要があるため、三相モータの回転駆動中に連続的に断線検知を行うことはできない。上述したターボ分子ポンプが使用される半導体製造装置は無人運転されることもよくあるが、オペレータが気付かない間にモータ回転に異常が生じて真空度が下がってしまうと大きな損失を発生するため、こうした事態が生じないような対策を施す必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−３０９６６９号公報
【特許文献２】特開２００７−１４３２４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は上記課題を解決するために成されたもので、その目的とするところは、低廉なコストで以て、三相モータの駆動中にもほぼ連続的に該三相モータの内部配線や当該装置と三相モータとを接続する配電線路の断線を検知することができる三相モータ駆動制御装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために成された本発明は、ターボ分子ポンプのポンプモータである三相モータを駆動する制御装置であって、商用交流電力を直流電力に変換する交流／直流変換手段と、直流電力を三相交流電力に変換するために三相ブリッジ接続されたスイッチング素子を有するインバータ手段と、該インバータ手段の各相の高電圧側及び低電圧側のスイッチング素子のオン・オフを制御することで前記インバータ手段に接続された三相モータに通電を行う制御手段と、三相モータの内部配線や三相モータへの配電線路の断線を検知する断線検知手段と、を具備するターボ分子ポンプ用三相モータ駆動制御装置において、
前記断線検知手段は、
a)前記インバータ手段に印加される直流電圧により該インバータ手段に流れる直流電流を検出する電流検出手段と、
b)前記三相モータを起動してから定常運転に至るまでの加速運転中に、前記電流検出手段により直流電流を検出し、その検出結果に基づいて、前記三相モータの所定回転に相当する期間中に繰り返し現れる電流波形のピークの数の変化を直接的又は間接的に検出することにより欠相の有無を判断する、という処理を繰り返し実行する手段であって、前記三相モータの所定回転に相当する期間において、欠相が無い場合に電流波形のピークが現れる所定のタイミングで直流電流の電流値を反映した信号を取得し、これを所定時間だけ遡った時点で得られた同タイミングに対する信号と比較し、その比較結果に基づいて欠相の有無を判断する欠相判定手段と、
を備えることを特徴としている。
【００１０】
インバータ手段により三相モータに三相交流電力を供給して該モータを回転駆動する際には、三相モータの１回転に相当する期間中に電流波形のピークが六つ現れる。それに対し、例えば断線等により一つの相が欠損すると実質的には単相駆動と同じ状態となるため、三相モータの１回転に相当する期間中に現れる電流波形のピークは二つに減じる。そこで、本発明に係る三相モータ駆動制御装置において欠相判定手段は、上記のような電流波形に繰り返し現れるピークの数の減少それ自体又はその減少に伴って生じる現象を検出することで、欠損が発生したことを認識する。したがって、この欠相の判定は三相モータの通常の回転駆動と並行して実施される。なお、本発明における欠相判定の原理から、上記所定回転とは典型的には１回転であるが、例えば１／２回転等、必ずしも１回転に限るものではない。
【００１１】
本発明に係る三相モータ駆動制御装置において前記欠相判定手段は、三相モータの所定回転に相当する期間において、欠相が無い場合に（つまりは正常時に）電流波形のピークが現れる筈の所定のタイミングで直流電流の電流値を反映した信号を取得し、これを所定時間だけ遡った時点で得られた同タイミングに対する信号と比較し、その比較結果に基づいて欠相の有無を判断する。なお、三相モータの回転駆動時における上記直流電流の変化は制御手段からインバータ手段に供給されるスイッチング素子のオン・オフ制御信号に同期するから、該制御手段が上記所定のタイミングを設定することができる。
【００１２】
本発明に係るターボ分子ポンプ用三相モータ駆動制御装置では、電流検出手段で検出された信号をデジタル値に変換した後に全てデジタル的に処理することが可能であるから、汎用マイクロコンピュータで処理することができる。それにより、コストを抑えることができるとともに、欠相判定の条件の変更に容易に対応可能である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係るターボ分子ポンプ用三相モータ駆動制御装置によれば、三相モータを起動してから定常運転に至るまで回転速度を上げてゆく途中において、その回転に影響を及ぼすことなくほぼ連続的に断線を検知することができる。それにより、三相モータの回転駆動中に発生した断線も速やかに且つ確実に検知して、駆動を停止したり警告報知を行ったりすることができる。したがって、本発明に係る三相モータ駆動制御装置を半導体製造装置の真空排気用ターボ分子ポンプの駆動に利用すれば、断線によって真空度が低下する危険性を察知して製造ラインを停止する等の適切な対応を遅滞なく採ることが可能となる。
【００１６】
また、本発明に係る三相モータ駆動制御装置では、駆動対象である三相モータの種類や仕様とは無関係に、断線等に起因する欠相を検知することができる。したがって、駆動対象である三相モータが変更されても欠相判定のための条件等を変更する必要がなく、当該装置の汎用性を高めることができる。また、三相モータに流れる交流電流を検出するカレントトランスは不要であり、コストの増加も最小限に抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施例である三相モータ駆動制御装置の要部のブロック構成図。
【図２】図１中の回転時断線検知プログラム実行時に実現される機能ブロック図。
【図３】正常時及び異常（一相欠相）時の直流電流検出信号の実例を示す図。
【図４】本発明の他の実施例である三相モータ駆動制御装置における断線検知部のブロック構成図。
【図５】図４の断線検知部の動作を説明するための波形図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の一実施例である三相モータ駆動制御装置について図１〜図３を参照して説明する。図１は本実施例の三相モータ駆動制御装置の要部のブロック構成図である。
【００１９】
本実施例の三相モータ駆動制御装置の概略的な構成としては、単相２００Ｖ（又は１００Ｖ）の商用交流電源１から供給される交流電力が整流回路２により直流電力に変換され、さらに直流／直流変換回路３において所定電圧の直流電力に変換される。そして、この直流電力が三相インバータ回路４により三相モータＭのＲ、Ｓ、Ｔ各相に供給される交流電力に変換される。
【００２０】
より詳しく説明すると、整流回路２は図示しないもののダイオードブリッジ回路や平滑用電解コンデンサなどを含み、所定の直流電圧を出力する。直流／直流変換回路３において、トランス３２の一次巻線には電力用ＦＥＴ等のスイッチング素子３１が直列に接続され、後述の制御部５からの制御信号によりスイッチング素子３１がオンするとトランス３２の一次巻線に直流電流が流れて二次巻線の両端に電圧が発生する。この電圧はダイオード３３、３４、コンデンサ３５、直列接続された２個の抵抗による出力電圧検出部３７などを含む回路を通して出力される。また、この直流／直流変換回路３の低電圧側の線路には直流電流検出用のシャント抵抗３６が設けられている。
【００２１】
三相インバータ回路４は、６個の電力用ＦＥＴ等のスイッチング素子４１、４２、４３、４４、４５、４６が三相ブリッジ接続されたスイッチング部と制御部５からの指示に基づいてこれらスイッチング素子４１〜４６をそれぞれ独立にオン又はオフさせるインバータ駆動部４７とを含み、Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相の各相において高電圧側のスイッチング素子４１、４３、４５と低電圧側のスイッチング素子４２、４４、４６との直列接続部から出力が取り出され、三本の配電線路を通して三相モータＭの各相端子に接続されている。
【００２２】
直流／直流変換回路３や三相インバータ回路４を制御する制御部５は、ＣＰＵ５１を含むマイクロコンピュータを中心に構成されている。周知のようにＣＰＵ５１は例えばＲＯＭ等の記憶装置に格納された制御プログラムに従って所定の処理を実行するが、ここでは、大別して、通常駆動制御用プログラム５２、断線検知用プログラム５３、及び異常時対応プログラム５４、を有している。通常駆動制御用プログラム５２は三相モータＭの起動や定常運転など一般的な動作のためのプログラムである。一方、断線検知用プログラム５３は本実施例に特徴的な断線検知処理を実行するためのプログラムであり、異常時対応プログラム５４は断線が検知されたときの装置の動作を司るプログラムである。また、制御部５には、運転状態などを表示するための表示器６が接続されている。
【００２３】
制御部５は上記シャント抵抗３６の両端の電位を検出し、その電位差に基づいてシャント抵抗３６に流れる電流ｉの値を電圧値として検出する。また、出力電圧検出部３７により入力される電圧値に基づいて三相インバータ回路４に印加される直流電圧を認識する。
【００２４】
本実施例の三相モータ駆動制御装置では、三相モータＭが通常の運転状態であるとき、具体的には、定常運転時や起動してから定常運転に至るまでの加速運転中に、三相モータＭの内部配線や配電線路の断線の検知が繰り返し実行されるようになっている。この断線検知動作について図１に加え、図２〜図３を参照して説明する。図２は図１中の回転時断線検知プログラム実行時に実現される機能ブロック図、図３は正常時及び異常（一相欠相）時の直流電流検出信号の実例を示す図である。
【００２５】
図３（ａ）に示すように、通常運転のために三相インバータ回路４から三相モータＭに駆動電流が供給されているとき、断線つまり欠相がない正常な状態であれば、三相モータＭが１回転する期間中に直流電流検出信号には略三角形状（鋸波形状）のピークが六つ（ピークＰ１〜Ｐ６）現れる。シャント抵抗３６に流れる直流電流は三相インバータ回路４中の各スイッチング素子４１〜４６がそれぞれオンしたことにより三相モータＭに供給された交流電流によるものであるから、電流波形のピークの発生位置は、制御部５の指示の下でインバータ駆動部４７から各スイッチング素子４１〜４６に供給されるオン／オフ駆動信号に同期する。したがって、駆動状態が正常である場合には、オン／オフ駆動信号つまりは制御部５からの制御信号に同期する所定のタイミングで以て直流電流検出信号を読み込めば、各ピークＰ１〜Ｐ６の例えば最大値（ピーク値）を取得することができる。また、商用交流電源１からの交流電圧がほぼ一定であれば、三相モータＭの各回転周期における直流電流検出信号のピーク値の変動も殆どない。これは図３（ａ）に示した実測波形からも確認できる。
【００２６】
これに対し、三相モータＭの一相が欠相すると、該モータＭは実質的に単相で駆動されることになり、図３（ｂ）に示すように、三相モータＭの１回転期間中に直流電流検出信号に現れる略三角形状のピークは二つ（ピークＰＡ、ＰＢ）になる。この現象は三相モータＭの回転速度とは無関係であるから、一定回転速度のときのみならず、回転速度が上昇している加速中でも同様の現象が起こる。本実施例の三相モータ駆動制御装置では、このような、三相モータＭの１回転期間中に直流電流検出信号に現れる略三角形状のピークの数の減少を捉えることにより、三相モータＭ駆動中に断線を検知する。
【００２７】
後述の例のように、ピーク数の減少の有無を直接的に判定することも可能であるが、この実施例では、ピークが発生するべき位置（タイミング）にピークが無いことを認識することによって間接的にピーク数の減少の有無を判定している。
具体的には、図２に示すように、回転時断線検知プログラム５３が実行されることで実現される機能ブロックは、三相モータＭの１回転期間（厳密には、制御部５で三相モータＭが１回転するように制御している期間、つまりは１回転に相当する期間）中に発生する六つのピークにそれぞれ対応したピーク値判定部１００Ａ〜１００Ｆと、各ピーク値判定部１００Ａ〜１００Ｆの出力を受けて最終的に断線であるか否かを判定する断線判定部１１０とを備え、断線判定部１１０における異常（ＮＧ）判定結果は異常時対応プログラム５４が実行されることで実現される異常処理部１１１に入力されている。各ピーク値判定部１００Ａ〜１００Ｆはそれぞれ、所定段数の遅延用レジスタ部１０１と、該レジスタ部１０１の出力値と入力値とを比較するコンパレータ部１０２と、を含む。
【００２８】
各ピーク値判定部１００Ａ〜１００Ｆにおいて、遅延用レジスタ部１０１は図示しないＡ／Ｄ変換器によりデジタル値に変換された直流電流検出信号（電流値データ）を上述したピーク値を取り込み可能なタイミングで以て新たに取り込み、すでに取り込まれていた電流値データをシフトする。したがって、三相モータＭの１回転期間毎に新たな電流値データが取り込まれ、最も古い、つまりは所定段数分だけ過去に取り込まれたピーク値が吐き出される。図２において、例えばピーク値判定部１００Ａの遅延用レジスタ部１０１は図３（ａ）中のピークＰ１のピーク値を取り込み可能なタイミングで以て新たなピーク値を取り込み、ピーク値判定部１００Ｆの遅延用レジスタ部１０１はピークＰ６のピーク値を取り込み可能なタイミングで以て新たなピーク値を取り込む。
【００２９】
コンパレータ部１０２は新たに取り込まれたピーク値と所定段数分だけ過去に取り込まれたピーク値とを比較し、一致しているか否かの判定結果を出力する。ただし、交流電圧の或る程度の変動などを考慮すると或る時間を隔てた二つのピーク値が完全に一致することは考えにくいため、差異が所定の許容範囲内に収まっていれば一致しているとみなすものとする。これにより、１回転期間中に現れるべき六つの全てのピークＰ１〜Ｐ６について、新たに得られたピーク値と所定時間だけ遡った時点で得られたピーク値との一致／不一致がそれぞれ判定されることになる。なお、三相モータＭの回転速度が変化しているときには１回転期間の時間自体が変化するが、それに伴って遅延用レジスタ部１０１にピーク値を取り込むタイミングも変化するので、二つのピーク値の比較自体には何らの影響も与えない。
【００３０】
理想的には、正常状態においては三相モータＭの１回転期間中の全てのピークのピーク値が一致する筈である。しかしながら、実際にはノイズの飛び込みやそのほかの様々な要因により、断線が生じていない場合であっても１回転期間中の一部のピークのピーク値が不一致となることがある。そのため、一度でも不一致があった場合に異常であるとの判定を下すようにしてしまうと、実際には正常であるにも拘わらず異常と判定される可能性がかなり高まる。そこで、断線判定部１１０では例えば、１回転期間中の一部ピークにピーク値不一致が生じている状態が所定の回転周期数だけ連続して発生したときに、初めて異常であると判定する。これにより、断線検知の正確性を高めることができる。なお、異常発生から異常検知までに若干の遅れが生じるものの、その遅れは小さく、またターボ分子ポンプではその遅れの間に実質的な問題が生じるわけではないので、上記のような検知の遅れは許容し得る。
【００３１】
断線等による欠相が生じ、図３（ｂ）に示したように直流電流検知信号の波形形状が変化すると、所定のタイミングで以て各遅延用レジスタ部１０１に新たに取り込まれる電流値データが大きく変化する。そのため、六個のピーク値判定部１００Ａ〜１００Ｆのうちの多くでピーク値不一致と判定されるようになり、断線判定部１１０は異常であるとの判定結果を異常処理部１１１に送る。これに応じて異常処理部１１１は、表示器６上に異常発生表示を行うとともに、インバータ駆動部４７に対し駆動停止の制御信号を送る。これによって、三相モータＭへの駆動電流は遮断されることになる。もちろん、表示と同時にブザーなどの鳴動により使用者の注意を喚起してもよい。
【００３２】
断線判定部１１０における判定条件は適宜に変更可能である。例えば、上記のような検知の遅れが許容できないような目的、つまりは断線が起こると直ちに大きな問題を引き起こすような駆動対象である場合には、連続的なピーク値不一致状態を判定する回転周期数を少なくするか、或いは１回転期間においてピーク値不一致状態を検知しただけで異常であると判断するとよい。また、遅延用レジスタ部１０１の段数、つまりは比較される二つのピーク値を取得する時間差、も適宜に決めることができる。実際には、これらはプログラムの変更のみで対応が可能であるから、変更も容易であり大きなコストを要しない。
【００３３】
なお、上記説明では、正常時に直流電流検知信号に現れる各ピークの最大値の一致／不一致を判定していたが、必ずしも最大値である必要はなく、各ピーク波形のいずれの位置の値を用いることもできることは明らかである。また、上述したように１回転期間中には六つのピークが現れるが、必ずしもその全てのピークのピーク値（又はそのほかの値）の一致／不一致を判定する必要もない。また、上記説明では、１回転期間中のピークの数の減少を判定していたが、１回転期間ではなく１／２回転期間、１／３回転期間等、１回転以外の回転に相当する期間中のピークの数を利用してもよいことも明らかである。
【００３４】
また上記実施例では、直流電流検知信号のピークの値の一致／不一致の結果に基づいてピーク数の減少の有無を判断していたが、ピーク数の減少の有無を判断する方法はこれに限らない。さらにまた、マイクロコンピュータ上のプログラムの動作により実現するのではなく、ハードウエア回路（アナログ、デジタルを問わない）で実現することもできるし、ハードウエア回路とマイクロコンピュータ上の処理との組み合わせにより実現することもできる。
【００３５】
本発明には包含されないが、参考実施例として図４、図５を説明する。図４はこの参考実施例である三相モータ駆動制御装置における断線検知部のブロック構成図、図５は図４の断線検知部の動作を説明するための波形図である。
【００３６】
この実施例では、断線検知部の機能は、アナログ回路とマイクロコンピュータ上の処理とにより達成される。即ち、シャント抵抗３６において得られた直流電流検知信号（電圧信号）は、抵抗器Ｒ１及びコンデンサＣ１からなる所定の時定数を有するＲＣフィルタ２００により平滑化されてコンパレータ２０１の一方の入力端に入力され、その他方の入力端には直流電流検知信号がそのまま入力される。図５に示すように、ＲＣフィルタ２００の時定数を非常に大きくしておくことで、その出力Ｖrefは鋸波形状である直流電流検知信号の平均値付近に落ち着く。コンパレータ２０１はこの出力Ｖrefを基準として直流電流検知信号の大小を判定するから、鋸波形状の直流電流検知信号は二値パルス信号に変換され、その各パルスは直流電流検知信号のピークに対応したものとなる。
【００３７】
したがって、欠相がない正常時には三相モータＭの１回転期間中に六つの二値パルスが発生し、欠相が生じた異常時には１回転期間中に二つの二値パルスしか発生しない。マイクロコンピュータ２０２中に機能ブロックとして得られる計数部２０３は１回転期間中の二値パルスの数を計数し、その計数結果を断線判定部２０４に送る。断線判定部２０４は上記実施例の断線判定部１１０と同様に、例えば所定回転回数だけ連続して計数値が二である（又は六でない）ことを検知したならば異常であると判定する。これにより、上記実施例と同様に、三相モータＭの駆動中に断線等による欠相を検知することができる。もちろん、図４において計数部２０３や断線判定部２０４をハードウエア回路によって構成してもよい。
【００３８】
なお、上記実施例は本発明の一例であって、本発明の趣旨の範囲で、適宜に変更、修正又は追加を行えることは明らかである。
【符号の説明】
【００３９】
１…商用交流電源
２…整流回路
３…直流／直流変換回路
３１…スイッチング素子
３２…トランス
３３…ダイオード
３５…コンデンサ
３６…シャント抵抗
３７…出力電圧検出部
４…三相インバータ回路
４１、４３、４５…高電圧側スイッチング素子
４２、４４、４６…低電圧側スイッチング素子
４７…インバータ駆動部
５…制御部
５１…ＣＰＵ
５２…通常駆動制御用プログラム
５３…断線検知用プログラム
５４…異常時対応プログラム
６…表示器
１００Ａ〜１００Ｆ…ピーク値判定部
１０１…遅延用レジスタ部
１０２…コンパレータ部
１１０…断線判定部
１１１…異常処理部
２００…ＲＣフィルタ
２０１…コンパレータ
２０２…マイクロコンピュータ
２０３…計数部
２０４…断線判定部
Ｍ…三相モータ
【図１】
0005482773.tif 000002
【図２】
0005482773.tif 000003
【図３】
0005482773.tif 000004
【図４】
0005482773.tif 000005
【図５】
0005482773.tif 000006