(57)【要約】【課題】コスト上昇を抑えつつエレクトリカルランアウトを防止できるターボ分子ポンプの提供。【解決手段】ターボ分子ポンプは、複数段の回転翼３２が形成されたロータ３０と、回転翼３２に対して回転軸方向に交互に配置された複数段の固定翼２２と、ロータ３０が固定され、モータ３６により回転駆動されるシャフト１２と、シャフト１２を磁気浮上させる磁気軸受３７ａ，３７ｂ，３８と、シャフト１２の磁気浮上位置を検出する渦電流式ギャップセンサ２７ａ，２７ｂ，２８とを備え、ラジアルセンサ２７ａ，２７ｂの検出対象として非磁性金属から成るターゲット部材１３，１４と、スラストセンサ２８の検出対象として非磁性金属で形成されたロータディスク１５とが設けられている。なお、ターゲット部材１３およびロータディスク１５を、シャフト１２に着脱可能に固定するようにしても良い。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数段の回転翼が形成されたロータと、
前記回転翼に対して回転軸方向に交互に配置された複数段の固定翼と、
前記ロータが固定され、モータにより回転駆動される回転軸と、
前記回転軸を磁気浮上させる磁気軸受と、
前記回転軸の磁気浮上位置を検出する渦電流式ギャップセンサと、
前記渦電流式ギャップセンサの検出対象として前記回転軸に固定された非磁性金属部材と、を備え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、
前記非磁性金属部材は、前記回転軸に対して着脱可能に固定されていることを特徴とするターボ分子ポンプ。
【請求項３】
請求項２に記載のターボ分子ポンプにおいて、
前記渦電流式ギャップセンサは、前記回転軸のラジアル方向浮上位置を検出するラジアルセンサと、前記回転軸のスラスト方向浮上位置を検出するスラストセンサとを有し、
前記非磁性金属部材は、前記スラストセンサの検出対象として設けられたスラスト用非磁性金属部材と、前記回転軸に締結される前記ロータと前記回転軸との間に挟持され、前記ラジアルセンサの検出対象として設けられたラジアル用非磁性金属部材と、を有することを特徴とするターボ分子ポンプ。
【請求項４】
請求項３に記載のターボ分子ポンプにおいて、
前記スラスト用非磁性金属部材は、前記磁気軸受のスラスト磁気軸受用に前記回転軸に着脱可能に設けられたロータディスクの、少なくとも一部を非磁性金属で形成することにより構成され、
前記スラストセンサを前記非磁性金属に対向して配置したことを特徴とするターボ分子ポンプ。
【請求項５】
請求項４に記載のターボ分子ポンプにおいて、
前記ロータディスクの全体を非磁性金属で形成したことを特徴とするターボ分子ポンプ。
【請求項６】
請求項３に記載のターボ分子ポンプにおいて、
前記スラストセンサは前記回転軸の端面に対向して配置され、
前記スラスト用非磁性金属部材を、前記端面に着脱可能に設けたことを特徴とするターボ分子ポンプ。
【請求項７】
請求項１に記載のターボ分子ポンプにおいて、
前記非磁性金属部材は焼きばめまたは圧入により前記回転軸に固定されていることを特徴とするターボ分子ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気軸受式のターボ分子ポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
高速回転が要求されるターボ分子ポンプや工作機械などにおいては、磁気軸受装置が用いられることが多い。磁気軸受装置では、回転体とのギャップをギャップセンサで検出し、その検出結果を電磁石の励磁電流制御にフィードバックしている。例えば、５軸磁気軸受装置の場合には、軸方向に設けられた一対のラジアル磁気軸受とスラスト磁気軸受とにより回転軸が非接触支持され、磁気軸受のそれぞれにギャップセンサが設けられている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
ギャップセンサには一般的に渦電流式のセンサが用いられ、そのセンサは、センサコイルと、センサコイルに高周波電流を印加する高周波発振回路とで構成される。コイルに高周波電流を流すと高周波磁界が発生し、そのコイルが測定対象である金属材料（回転軸）に近づくと、電磁誘導作用により金属材料の表面に渦電流が発生し、この渦電流による損失のために発振振幅が減少する。発振振幅は距離が近いと小さくなり、距離が離れると大きくなるので、この発振振幅の変化により測定対象までのギャップを求めることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−３４４８７４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、測定対象が鋼材のような磁性材料である場合、残留磁気によって、真値以外の出カ（高調波成分のノイズ）を検出してしまうという問題が生じる。これはエレクトリカルランアウトと呼ばれる現象であり、上述した金属材料の残留磁気の他に、結晶構造の不均一や、軸表面の焼入硬度のバラツキ等によっても発生する。このようなエレクトリカルランアウトが発生すると、発生した真値以外の信号に対して制御回路が応答してしまうため、回転体に対して不必要な制御を実施することとなり、不安定な運転状態となる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１の発明によるターボ分子ポンプは、複数段の回転翼が形成されたロータと、回転翼に対して回転軸方向に交互に配置された複数段の固定翼と、ロータが固定され、モータにより回転駆動される回転軸と、回転軸を磁気浮上させる磁気軸受と、回転軸の磁気浮上位置を検出する渦電流式ギャップセンサと、渦電流式ギャップセンサの検出対象として回転軸に固定された非磁性金属部材と、を備え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、非磁性金属部材は、回転軸に対して着脱可能に固定されていることを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項２に記載のターボ分子ポンプにおいて、渦電流式ギャップセンサは、回転軸のラジアル方向浮上位置を検出するラジアルセンサと、回転軸のスラスト方向浮上位置を検出するスラストセンサとを有し、非磁性金属部材は、スラストセンサの検出対象として設けられたスラスト用非磁性金属部材と、回転軸に締結されるロータと回転軸との間に挟持され、ラジアルセンサの検出対象として設けられたラジアル用非磁性金属部材と、を有することを特徴とする。
請求項４の発明は、請求項３に記載のターボ分子ポンプにおいて、スラスト用非磁性金属部材は、磁気軸受のスラスト磁気軸受用に回転軸に着脱可能に設けられたロータディスクの、少なくとも一部を非磁性金属で形成することにより構成され、スラストセンサを非磁性金属に対向して配置したことを特徴とする。
請求項５の発明は、請求項４に記載のターボ分子ポンプにおいて、ロータディスクの全体を非磁性金属で形成したことを特徴とする。
請求項６の発明は、請求項３に記載のターボ分子ポンプにおいて、スラストセンサは前記回転軸の端面に対向して配置され、スラスト用非磁性金属部材を、端面に着脱可能に設けたことを特徴とする。
請求項７の発明は、請求項１に記載のターボ分子ポンプにおいて、非磁性金属部材は焼きばめまたは圧入により回転軸に固定されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、コスト上昇を抑えつつエレクトリカルランアウトを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】ターボ分子ポンプのポンプ本体１を示す図であり、（ａ）はポンプ本体１の断面図、（ｂ）は上部ラジアルセンサ２７ａの配置を示す。
【図２】センサ信号の波形を説明する図であり、（ａ）は整流前のセンサ信号を示し、（ｂ）は整流後のセンサ信号を示す。
【図３】エレクトリカルランアウトを説明する図であり、（ａ）は残留磁気による高周波成分のノイズを示し、（ｂ）はエレクトリカルランアウトが有る場合のセンサ波形のＦＦＴ解析結果を示し、（ｃ）はエレクトリカルランアウトが無い場合のセンサ波形のＦＦＴ解析結果を示す。
【図４】ターゲット部材の変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図を参照して本発明の実施するための一形態について説明する。図１はターボ分子ポンプのポンプ本体１を示す図であり、（ａ）はポンプ本体１の断面図、（ｂ）は上部ラジアルセンサ２７ａの配置を示す。ターボ分子ポンプは、図１（ａ）に示すポンプ本体１と不図示のコントロールユニットとで構成される。
【００１０】
ポンプ本体１のポンプケーシング２１内には、複数段の回転翼３２と円筒状のネジロータ３１とが形成されたロータ３０が設けられている。ロータ３０は、モータ３６によって回転駆動されるシャフト１２にボルト締結されている。さらに、ポンプケーシング２１内には、軸方向に対して回転翼３２に対して交互に配置された複数段の固定翼２２と、ネジロータ３１の外周側に設けられたネジステータ２４とが設けられている。各固定翼２２は、スペーサリング２３を介してベース２０上に載置される。ポンプケーシング２１をベース２０に固定すると、積層されたスペーサリング２３がベース２０とポンプケーシング２１との間に挟持され、固定翼２２が位置決めされる。
【００１１】
ベース２０には排気ポート２５が設けられ、この排気ポート２５にバックポンプが接続される。ロータ３０を磁気浮上させつつモータ３６により高速回転駆動することにより、吸気口側の気体分子は排気ポート２５側へと排気される。
【００１２】
図１（ａ）に示したターボ分子ポンプは磁気浮上式のターボ分子ポンプであって、５軸制御の磁気軸受を構成するラジアル磁気軸受３７ａ，３７ｂおよびスラスト磁気軸受３８を備えている。スラスト磁気軸受３８は、シャフト１２の下部にボルト固定されたロータディスク１５を軸方向上下から挟むように配置されている。ここでは、ロータディスク１５をボルト固定しているが、着脱可能な固定方法であれば、ボルト固定に限定されない。例えば、シャフト側にネジ部を形成し、ナットによりロータディスク１５を固定しても良い。
【００１３】
なお、磁気軸受が作動していない時にはメカニカルベアリング２６，２９によりロータ３０は支持される。上部ラジアルセンサ２７ａ、下部ラジアルセンサ２７ｂおよびスラストセンサ２８によりロータ３０の浮上位置を検出し、その検出結果に基づいてロータ３０を磁気軸受３７ａ，３７ｂ，３８により所定位置に非接触支持するように制御されている。図１（ｂ）に示すように、上部ラジアルセンサ２７ａは、ｘ軸方向およびｙ軸方向に一対ずつ設けられている。下部ラジアルセンサ２７ｂについても同様である。
【００１４】
センサ２７ａ，２７ｂ，２８には、前述したように高周波電流が印加されるコイルを備えたギャップセンサが用いられている。シャフト１２のラジアルセンサ２７ａ，２７ｂが対向する位置には、非磁性金属で形成されたターゲット部材１３，１４が設けられている。また、スラストセンサ２８が対向するロータディスク１５も、非磁性金属で構成されている。
【００１５】
前述したように、センサ２７ａ，２７ｂ，２８のセンサコイルに高周波電流を流すと、高周波交流磁界が発生する。この交流磁界が測定対象であるターゲット部材１３，１４やロータディスク１５を貫くと、この磁界を打ち消すように渦電流が流れ、この渦電流による損失のために発振振幅が減少する。図２（ａ）の曲線Ｌ１はセンサ信号を示す図であり、例えば、上部ラジアルセンサ２７ａとターゲット部材１３との距離（ギャップ）が変化すると振幅が変化する。ギャップが大きい場合には振幅が大きく、ギャップが小さくなると振幅も小さくなる。図２（ａ）に示すセンサ信号Ｌ１を整流回路により整流すると、図２（ｂ）に示すような信号Ｌ２が得られる。
【００１６】
しかしながら、ロータ位置を検出した際に、ランアウト（RUN−OUT）現象と呼ばれる真値以外の出力が表れることがある。ランアウトには、対象面の傷、凹凸、偏心等が原因で発生するメカニカルランアウトと、鋼材の残留磁気、結晶構造の不均一、軸表面の焼入硬度のバラツキ等が原因で発生するエレクトリカルランアウトとがある。メカニカルランアウトについては、対象面の修正研摩等によりほぼ防止することができる。本実施の形態は、後者のエレクトリカルランアウトの防止を目的としたもので、センサ２７ａ，２７ｂ，２８の検出対象であるターゲット部材１３，１４およびロータディスク１５を非磁性金属で形成したことを特徴とする。
【００１７】
従来、シャフト１２の材料には、一般的にＳＵＳ３０４やＳ４５Ｃ等の金属材料が用いられ、ロータディスク１５についても同様の材料が用いられている。そのため、図３（ａ）の曲線Ｌ３に示すように、センサ出力波形に残留磁気による高周波成分のノイズが含まれるようになる。一方、曲線Ｌ４は、エレクトリカルランアウトが発生していない正常なセンサ信号波形を示している。
【００１８】
図３（ｂ）、（ｃ）はセンサ波形のＦＦＴ解析結果を示したものである。図３（ｂ）はエレクトリカルランアウトが発生している場合を示したもので、印加される高周波電流の周波数ｆ０以外の周波数成分が発生していることが分かる。図３（ａ）に示すようなエレクトリカルランアウトが発生すると、真値以外の信号に対して磁気軸受制御回路が応答してしまうため、不安定な運転状態となってしまう。
【００１９】
一方、本実施の形態では、上述したようにターゲット部材１３，１４およびロータディスク１５を非磁性金属（例えば、銅やＳＵＳ３１６）で形成しているので、残留磁気を原因とするエレクトリカルランアウトの発生を防止することができる。
【００２０】
なお、エレクトリカルランアウト対策として、表面の研磨、検出部への表面処理、シャフト全体を非磁性金属で形成するなどが可能であるが、非常にシビアな条件で研磨や表面処理を行う必要があり、コストアップが問題となる。非磁性金属を使用する場合でも、材料のばらつき（ミルシートに記載されている範囲でのばらつき）によってエレクトリカルランアウトが発生する可能性があるので、材料の各種成分の含有量をシビアに調整したもの使用する必要があり、材料が汎用品でなくなることにより高価となる。そのため、シャフト全体を非磁性金属で形成する方法は、コスト面で問題がある。一方、本実施の形態では、センサ２７ａ，２７ｂ，２８が対向する検出部分だけを非磁性金属とする構成としているので、シャフト部分には安価で入手しやすい材料を選定することが可能となり、コスト上昇を抑えることができる。
【００２１】
上部ラジアルセンサ２７ａに対するターゲット部材１３は、シャフト１２の上端に被せるようなキャップ形状をしている。シャフト上端にターゲット部材１３を外挿した後、ロータ３０をシャフト１２にボルト締結することで、ターゲット部材１３がシャフト１２に固定される。そのため、ターゲット部材１３の交換が容易となる。ロータディスク１５も、シャフト１２にボルト締結等で固定される構造なので、ターゲット部材１３の場合と同様に交換が容易である。
【００２２】
また、下部ラジアルセンサ２７ｂに対するターゲット部材１４は、シャフト１２にモータロータ等を組み付ける際に、同時にプレス圧入や焼きばめすることによりシャフト１２に固定される構造となっているが、図４（ａ）に示すように、シャフト１２にボルト固定するようにしても良い。図４（ａ）に示す例では、下部ラジアルセンサ２７ｂをラジアル磁気軸受３７ｂの下側に配置し、キャップ状のターゲット部材１４０を、ボルト１６により固定するようにした。
【００２３】
このように、センサの検出対象であるターゲット部材やロータディスクを容易に交換可能とすると、次のようなメリットがある。すなわち、組み立て工程やマテリアルハンドリングの際に、ターゲット部材１３の外周面（検出面）に傷ついたり凹凸ができたりすると、その傷によりメカニカルランアウトが発生してしまう場合がある。しかしながら、上述したようにターゲット部材やロータディスクを交換可能に構成すると、それらを交換することで、そのようなメカニカルランアウトに対処することができ、従来のようにシャフト全体を廃棄しなくても済む。
【００２４】
また、図４（ａ）に示すように、ロータディスク１５全体を非磁性金属で形成する代わりに、ロータディスク１５の下面側、すなわち、シャフト１２の下端に、非磁性金属のターゲット部材１５０をボルト１７のより固定しても良い。図４（ａ）のような構成とすることにより、全てのターゲット部材を容易に交換可能とすることができ、交換時の作業性も良い。
【００２５】
なお、図１に示す例では、ロータディスク１５の全体を非磁性金属で形成したが、図４（ｂ）に示すように、スラストセンサ２８が対向する領域のみを非磁性金属で形成するようにしても良い。図４（ｂ）に示す例では、ロータディスク１５に非磁性金属のターゲット部材１５１を圧入している。また、図１に示すターゲット部材１３を、圧入や焼きばめによりシャフト１２に固定しても良い。
【００２６】
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。
【符号の説明】
【００２７】
１：ポンプ本体、１２：シャフト、１３，１４，１４０，１５０，１５１：ターゲット部材、１５：ロータディスク、２７ａ：上部ラジアルセンサ、２７ｂ：下部ラジアルセンサ、２８：スラストセンサ、３０：ロータ、３２：回転翼、３６：モータ、３７ａ，３７ｂ：ラジアル磁気軸受、３８：スラスト磁気軸受
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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