(57)【要約】【課題】ＰＷＭスイッチング周波数成分に起因するモータ発熱を抑えることができる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３相ＤＣブラシレスモータ(36)で回転駆動するポンプ本体と、３相ＤＣブラシレスモータ(36)をＰＷＭ制御により駆動するモータ駆動装置(40)と、モータ電力ラインに設けられ、３相ＤＣブラシレスモータ(36)に供給される電力のＰＷＭスイッチング周波数成分を低減するフィルタ回路(50U,50V,50W)とを備えたことにより、ＰＷＭスイッチング周波数成分に起因するモータ発熱を低減することができる。特に、フィルタ回路(50U,50V,50W)にＬＣ並列共振回路を用いることで、ＰＷＭスイッチング周波数近傍の周波数成分の低減効果を高めることができる。【選択図】図２
2011030401.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転翼が形成されたロータを３相ＤＣブラシレスモータで回転駆動するポンプ本体と、
前記３相ＤＣブラシレスモータをＰＷＭ制御により駆動するモータ駆動装置と、
モータ電力ラインに設けられ、前記３相ＤＣブラシレスモータに供給される電力のＰＷＭスイッチング周波数成分を低減するフィルタ回路とを備えた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、
前記フィルタ回路をＬＣ並列共振回路で構成した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ＬＣ並列共振回路に抵抗素子を設けた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、
前記抵抗素子を、前記ＬＣ並列共振回路のコンデンサに対して直列に設けた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、ターボ分子ポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
ターボ分子ポンプでは回転翼が形成されたロータをモータで回転駆動し、この回転翼を固定翼に対して高速回転させることにより気体分子を排気している。ロータを回転駆動するモータにはＤＣブラシレスモータが用いられ、ＰＷＭ制御により回転駆動するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−８２３７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、ロータは真空雰囲気にあるため周囲への放熱が小さく、モータ発熱によってロータ温度が上昇しやすい。一般的に、ターボ分子ポンプのロータにはアルミ合金が用いられており、アルミ合金はクリープ変形の発生する温度が低い。そのため、ロータ温度の過度な上昇は、ロータとステータとが接触する等の不具合を招くという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１の発明によるターボ分子ポンプは、回転翼が形成されたロータを３相ＤＣブラシレスモータで回転駆動するポンプ本体と、３相ＤＣブラシレスモータをＰＷＭ制御により駆動するモータ駆動装置と、モータ電力ラインに設けられ、３相ＤＣブラシレスモータに供給される電力のＰＷＭスイッチング周波数成分を低減するフィルタ回路とを備えたことを特徴とする。
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、フィルタ回路をＬＣ並列共振回路で構成したものである。
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、ＬＣ並列共振回路に抵抗素子を設けたものである。
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、抵抗素子を、ＬＣ並列共振回路のコンデンサに対して直列に設けたものである。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、ＰＷＭスイッチング周波数成分に起因するモータ発熱を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】ターボ分子ポンプのポンプ本体１を示す断面図である。
【図２】モータ駆動部４０を説明するブロック図である。
【図３】ホールセンサ信号およびスイッチング信号タイミングチャートを示す図である。
【図４】フィルタ回路５０Ｕの回路構成を示す図であり、（ａ）は第１の例を、（ｂ）は第２の例を示す。
【図５】インピーダンスの大きさ（Ω）と周波数（Ｈｚ）との関係を示す図であり、（ａ）は図４（ａ）の回路の場合を示し、（ｂ）は図４（ｂ）の回路の場合を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
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。ターボ分子ポンプは、真空排気を行うポンプ本体と、ポンプ本体を駆動制御する電源部とを備えている。図１は、ポンプ本体１の概略構成を示す断面図である。図１に示したターボ分子ポンプは磁気軸受式のポンプであり、ロータ３０は、５軸磁気軸受を構成する電磁石３７，３８によって非接触支持される。磁気軸受によって回転自在に磁気浮上されたロータ３０は、モータ３６により高速回転駆動される。
【０００９】
ロータ３０には、複数段の回転翼３２と円筒状のネジロータ３１とが形成されている。一方、固定側には、軸方向に対して回転翼３２と交互に配置された複数段の固定翼３３と、ネジロータ３１の外周側に設けられたネジステータ３９が設けられている。各固定翼３３は、それぞれ一対のスペーサリング３５によって軸方向上下から挟持されるように積層され、ベース２０上に載置されている。吸気口フランジ２１が形成されたポンプケーシング３４をベース２０に固定すると、積層されたスペーサリング３５がベース２０とポンプケーシング３４との間に挟持され、各固定翼３３が位置決めされる。
【００１０】
ベース２０には排気ポート２２が設けられ、この排気ポート２２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２１側の気体分子は排気ポート２２側へと排気される。
【００１１】
図２は、電源装置に設けられたモータ駆動部を説明するブロック図である。図２では、モータ３６として、モータロータ３６０に永久磁石を使用した一般的なＤＣブラシレスモータの構成が示されている。モータステータ３６１は、３相スター結線された複数の動力線（ステータコイル）３６１Ｕ，３６１Ｖ，３６１Ｗを有している。モータロータ３６０の磁極位置はホールセンサＨa,Ｈb，Ｈcにより検出され、モータ駆動部４０に設けられた制御回路４２に入力される。
【００１２】
モータ駆動部４０には、制御回路４２，スイッチング信号発生回路４３，インバータ回路４４が設けられている。また、インバータ回路４４と動力線３６１Ｕ，３６１Ｖ，３６１Ｗとを接続する各ラインには、フィルタ回路５０Ｕ,５０Ｖ,５０Ｗが設けられている。インバータ回路４４には、トランジスタやＦＥＴなどのスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６が設けられている。
【００１３】
制御回路４２は、ホールセンサＨa,Ｈb，Ｈcからの磁極位置情報に基づいて、インバータ回路４４をスイッチング制御するための制御信号をスイッチング信号発生回路４３へ入力する。スイッチング信号発生回路４３は、インバータ回路４４からのスイッチング制御信号に基づいてスイッチング信号を発生し、Ｈｉｇｈ  Ｓｉｄｅのスイッチング素子とＬｏｗ  Ｓｉｄｅ側のスイッチング素子とをオンオフ制御する。
【００１４】
図３は、１２０度通電の場合のホールセンサ信号およびスイッチング信号タイミングチャートを示す図である。なお、図３（ｂ）は、図３（ａ）の符号Ａで示す部分を拡大して示したものである。タイミングチャートの３６０度分が１周期であり、その周期の逆数がモータ回転数となる。ターボ分子ポンプでは、モータ回転数は３００〜７００Ｈｚ程度となっている。
【００１５】
一方、モータ電力の制御はＰＷＭ制御で行われる。図３（ｂ）のＰＷＭ波形に示すスイッチングオン時間とスイッチングオフ時間との比を制御することにより、モータ電力の制御を行う。ＰＷＭ開度（スイッチングオン時間）を大きくすると、モータ電力が大きくなる。このように、ＰＷＭ制御は回転の１周期の間に電力制御のスイッチングを行う制御方法なので、ＰＷＭのスイッチング周波数をモータ回転数より十分大きくする必要がある。例えば、モータ回転数が５００Ｈｚの場合、ＰＷＭのスイッチング周波数は２０ｋＨｚ程度に設定される。
【００１６】
このＰＷＭスイッチング周波数成分は、モータの発熱に関与している。モータが発熱するとその影響でロータ３０の温度が上昇するが、ロータ３０は真空雰囲気にあるため周囲への放熱が小さく、ロータ温度が上昇しやすい。特に、磁気軸受式のターボ分子ポンプではロータ３０が磁気浮上しているため、ロータ温度上昇が顕著となる。ターボ分子ポンプのロータ３０にはアルミ合金が一般的に用いられており、クリープ変形の影響等を考慮すると、ロータ温度の過度な上昇は問題となる。
【００１７】
本実施の形態では、このようなＰＷＭスイッチング周波数成分のモータ発熱への影響を低減するために、図２に示すように、モータ電流に含まれるＰＷＭスイッチング周波数成分を低減するフィルタ回路５０Ｕ,５０Ｖ,５０Ｗを設けた。
【００１８】
図４はフィルタ回路５０Ｕの回路構成を示す図である。他のフィルタ回路５０Ｖ,５０Ｗについても同様の構成であり、以下では代表してフィルタ回路５０Ｕを例に説明する。図４（ａ）に示す例では、フィルタ回路５０Ｕとしてチョークコイル５００を設けた。チョークコイル５００のインダクタンスＬ１は、ＰＷＭスイッチング周波数成分、例えば２０ｋＨｚ付近の周波数成分で十分高いインピーダンスを有するように設定される。モータ部の複素インピーダンスをＺ２、フィルタ回路５０Ｕの複素インピーダンスをＺ１（＝ｊωＬ１）、モータステータ部の複素インピーダンスをＺ２（＝Ｒ２＋ｊωＬ２）とすると、合成インピーダンスはＺ１＋Ｚ２と表される。なお、Ｒ２，Ｌ２は動力線３６１Ｕの抵抗値とインダクタンス値である。
【００１９】
図５（ａ）は、インピーダンスＺ１，Ｚ２，Ｚ１＋Ｚ２の大きさ（Ω）と周波数（Ｈｚ）との関係を示す図である。ここでは、Ｌ１＝２７９μＨ、Ｌ２＝５０μＨ、Ｒ２＝１Ωとして、Ｚ１，Ｚ２，Ｚ１＋Ｚ２を図示した。２０ｋＨｚにおいては、Ｚ１＋Ｚ２の大きさは４０Ω程度であり、Ｚ２だけの場合に比べて５倍程度となっている。そのため、ＰＷＭスイッチング周波数成分の振幅は１／５程度に低減されることになる。その結果、ＰＷＭスイッチング周波数成分のモータ発熱への影響を十分小さくすることができる。
【００２０】
図４（ｂ）は、フィルタ回路５０Ｕの他の例を示す図である。ＰＷＭスイッチング周波数成分（周波数２０ｋＨｚ付近の成分）のモータ発熱への影響を小さくするためには、周波数２０ｋＨｚ付近におけるインピーダンスを大きくすれば良い。図５（ａ）に示すフィルタ回路５０Ｕの場合は、回路素子としてチョークコイルを用いているので、周波数が小さくなるとインピーダンスの大きさも小さくなる。しかし、ＰＷＭスイッチング周波数成分の影響を小さくしようとして、周波数２０ｋＨｚ付近におけるインピーダンスをより大きくすると、それにつれて、モータ側に電力として伝えたい低周波数側もフィルタ回路５０Ｕにより低減されることになり、モータパワーの低下という問題が生じることになる。
【００２１】
そこで、図４（ｂ）示すフィルタ回路５０Ｕでは、実際のモータ回転数に相当する数百Ｈｚの成分に影響を与えないように、周波数２０ｋＨｚ近傍の周波数成分を抑えるような回路構成とした。すなわち、チョークコイル５０６と並列にコンデンサ５０２を設けて、共振周波数が２０ｋＨｚのＬＣ並列共振回路を構成するようにした。
【００２２】
ところで、実際にはモータ負荷が変動するため、モータステータ動力線を流れる電流は変化する。一般的にフィルタ回路５０Ｕに用いられるチョークコイルは印加電流によりインダクタンスが変化するため、共振周波数の変動（周波数分散）に対応する必要が生じる。そこで、図４（ｂ）に示すフィルタ回路５０Ｕでは、ＬＣ並列共振回路に抵抗５０４を入れることによりＱ値を下げ、周波数の変動に対するインピーダンス変化の影響を少なくするようにした。また、インダクタ素子のバラツキによる共振周波数のズレにも対応することができる。
【００２３】
なお、図４（ｂ）ではコンデンサ５０２側に抵抗５０４を設けたが、チョークコイル５０６側に設けても良い。ただし、モータ側へ通過させたい低周波数成分はチョークコイル５０６側を通るので、低周波数成分へのインピーダンスの影響を避けるためには、抵抗５０４はコンデンサ５０２側に入れるのが好ましい。
【００２４】
図５（ｂ）は、図４（ｂ）に示す共振回路の場合のインピーダンスと周波数との関係を示す図である。ここでは、周波数２０ｋＨｚにおけるインピーダンスＺ１１＋Ｚ２の大きさが、図５（ａ）の場合と同様の４０Ω程度となるように、各素子のパラメータを設定した。具体的には、Ｌ１１＝１００μＨ，Ｒ１＝５Ω、Ｃ１＝０．６３μＦ，Ｌ２＝５０μＨ，Ｒ２＝１Ωであり、共振周波数がスイッチング周波数２０ｋＨｚと等しくなるように設定した。図５（ｂ）に示すように、並列共振回路であるフィルタ回路５０Ｕは、共振周波数（＝スイッチング周波数２０ｋＨｚ）において回路全体のインピーダンスが急激に大きくなり、供給電流からスイッチング周波数の周波数成分を効果的に除去することができる。
【００２５】
図５（ｂ）に示す破線は、図５（ａ）のインピーダンスＺ１＋Ｚ２の曲線を示したものである。インピーダンスＺ１１＋Ｚ２の場合には、スイッチング周波数２０ｋＨｚよりも小さな周波数範囲におけるインピーダンスが、インピーダンスＺ１＋Ｚ２の場合に比べて非常に小さくなっている。そのため、フィルタ回路５０Ｕを設けたことによるモータパワーの低下を低減することができる。
【００２６】
さらに、２０ｋＨｚにおいて図４（ａ）の回路と同程度（＝４０Ω）のインピーダンスを得られる設定とした場合、チョークコイル５０６のインダクタンスＬ１１を、約１／３とインダクタンスＬ１よりも小さくすることができる。その結果、チョークコイルの大きさを小さくすることができ、回路の小型化およびコスト低減を図ることができる。
【００２７】
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】
【００２８】
１：ポンプ本体、３０：ロータ、３６：モータ、４０：モータ駆動部、４２：制御回路、４３：スイッチング信号発生回路、４４：インバータ回路、５０Ｕ,５０Ｖ,５０Ｗ：フィルタ回路、３６０：モータロータ、３６１：モータステータ、３６１Ｕ，３６１Ｖ，３６１Ｗ：動力線、５００，５０６：チョークコイル、５０２：コンデンサ、５０４：抵抗、Ｓ１〜Ｓ６：スイッチング素子
【図１】
2011030401.tif 000003
【図２】
2011030401.tif 000004
【図３】
2011030401.tif 000005
【図４】
2011030401.tif 000006
【図５】
2011030401.tif 000007