(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気力により被支持体を非接触支持する電磁石と、
前記被支持体とのギャップ変化を検出する変位センサと、
前記変位センサの検出信号に基づいて電磁石電流の電流指令を出力する電流指令部と、
電源正極側に接続された第１のスイッチング素子、前記第１のスイッチング素子に直列接続されるとともにアノードが電源負極側に接続された第１のダイオード、電源負極側に接続された第２のスイッチング素子、および前記第２のスイッチング素子に直列接続されるとともにカソードが電源正極側に接続された第２のダイオードを有し、前記第１のスイッチング素子と前記第１のダイオードとの接続点と、前記第２のスイッチング素子と前記第２のダイオードとの接続点との間に前記電磁石のコイルが接続される二象限駆動回路と、
オンオフ信号を前記第１および第２のスイッチング素子へ出力して、前記第１および第２のスイッチング素子が閉じた第１状態と、前記第１および第２のスイッチング素子が開いた第２状態とを交互に繰り返し生じさせ、前記オンオフ信号のオンデューティ比を変化させることにより前記電磁石電流を制御するＰＷＭ信号発生回路と、を備える磁気浮上制御装置において、
前記ＰＷＭ信号発生回路から出力されるオンオフ信号のオンデューティ比が５０％のときに前記電磁石電流が一定となるように、前記第１および第２のスイッチング素子に入力される前記オンオフ信号のオンタイミングまたはオフタイミングを互いにずらして、前記第１および第２のスイッチング素子のいずれか一方のみが閉じた第３状態を前記第２状態の前後に生成するか、または前記第２状態を一旦中断して前記第３状態を挿入するように生成する生成部を、備えたことを特徴とする磁気浮上制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載の磁気浮上制御装置において、
前記生成部は、前記第１および第２のスイッチング素子のいずれか一方に入力されるオンオフ信号のオフ期間に、所定時間間隔のオン信号を挿入することを特徴とする磁気浮上制御装置。
【請求項３】
請求項２に記載の磁気浮上制御装置において、
前記生成部は、前記第１および第２のスイッチング素子のいずれか一方に入力されるオンオフ信号がオフ状態からオン状態へと切り替わる直前に、前記オン信号を挿入することを特徴とする磁気浮上制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁石に駆動電流を供給する二象限駆動回路、およびその二象限駆動回路を備えた磁気浮上制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ターボ分子ポンプ等の高速回転軸を備える装置では、回転軸を非接触で軸支するために磁気軸受が採用されている。このような磁気軸受に設けられた電磁石の駆動回路として、二象限駆動回路が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
二象限駆動回路では、２つのスイッチングトランジスタを同時にオン／オフさせて駆動動作を行う。両方のトランジスタをオンすると電磁石の電流が増加し、両方のトランジスタをオフすると電磁石の電流が減少する。すなわち、オン／オフのデューティ比を変化させることによって、電磁石の電流を保持・増加・減少させる。
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−１４０８８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、電磁石電流が追随できないような周波数が高く振幅が大きな電流駆動命令が二象限駆動回路に入力された場合、二象限駆動回路は１００％デューティと０％デューティとを繰り返すことになる。しかしながら、二象限駆動回路では、電磁石電流を増加させる作用よりも減少させる作用の方が大きいため、電磁石電流の平均値は意図した平均電流値よりも減少する傾向がある。そのため、二象限駆動回路を磁気浮上装置に用いた場合、電磁石電流の平均値が減少して磁気浮上系の全体利得が低下し、大きな外乱に対して弱くなるという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１の発明は、磁気力により被支持体を非接触支持する電磁石と、被支持体とのギャップ変化を検出する変位センサと、変位センサの検出信号に基づいて電磁石電流の電流指令を出力する電流指令部と、電源正極側に接続された第１のスイッチング素子、第１のスイッチング素子に直列接続されるとともにアノードが電源負極側に接続された第１のダイオード、電源負極側に接続された第２のスイッチング素子、および第２のスイッチング素子に直列接続されるとともにカソードが電源正極側に接続された第２のダイオードを有し、第１のスイッチング素子と第１のダイオードとの接続点と、第２のスイッチング素子と第２のダイオードとの接続点との間に電磁石のコイルが接続される二象限駆動回路と、オンオフ信号を第１および第２のスイッチング素子へ出力して、第１および第２のスイッチング素子が閉じた第１状態と、第１および第２のスイッチング素子が開いた第２状態とを交互に繰り返し生じさせ、オンオフ信号のオンデューティ比を変化させることにより電磁石電流を制御するＰＷＭ信号発生回路と、を備える磁気浮上制御装置において、ＰＷＭ信号発生回路から出力されるオンオフ信号のオンデューティ比が５０％のときに電磁石電流が一定となるように、第１および第２のスイッチング素子に入力されるオンオフ信号のオンタイミングまたはオフタイミングを互いにずらして、第１および第２のスイッチング素子のいずれか一方のみが閉じた第３状態を第２状態の前後に生成するか、または第２状態を一旦中断して第３状態を挿入するように生成する生成部を、備えたことを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１に記載の磁気浮上制御装置において、生成部は、第１および第２のスイッチング素子のいずれか一方に入力されるオンオフ信号のオフ期間に、所定時間間隔のオン信号を挿入するものである。
請求項３の発明は、請求項２に記載の磁気浮上制御装置において、生成部は、第１および第２のスイッチング素子のいずれか一方に入力されるオンオフ信号がオフ状態からオン状態へと切り替わる直前に、オン信号を挿入するものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、２つのスイッチング素子を共にオンする状態と、２つのスイッチング素子を共にオフする状態との間に、２つのスイッチング素子の一方がオンで他方がオフとなる状態を挿入したので、電磁石電流の平均値が意図した平均電流値よりも減少するのを防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、図を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。図１は、本発明による磁気浮上制御装置の一実施の形態を示すブロック図である。図１に示す磁気浮上制御装置は、磁気軸受式ターボ分子ポンプの制御装置を示したものであり、４５はターボ分子ポンプの回転軸である。
【０００９】
図２はターボ分子ポンプ本体１の詳細を示す断面図である。回転軸４５には、複数段の回転翼４１およびネジロータ部４２が形成された回転体４が固定されている。固定翼４３が交互に配設されている。また、ベース３には、回転するネジロータ部４２と対向するようにネジステータ部４４が配設されている。
【００１０】
回転軸４５は、５軸制御型磁気軸受を構成する電磁石５１，５２電磁石５３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。なお、電磁石５１，５２は一対の電磁石から成る。これらの電磁石５１〜５３に対応して、回転軸４５の位置を検出するための変位センサ５５〜５７が設けられている。各電磁石５１〜５３には、個別に駆動電流を供給するための電流制御回路が各々設けられている。
【００１１】
図１に示す電流制御回路５は、一対の電磁石５１の一方に関して示したものであり、電流指令部２と駆動電流供給部３とを備えている。変位センサ５５は、回転軸４５との間のギャップＬｇの変化を検出するセンサであり、例えば、インダクタンス式の変位センサが用いられる。
【００１２】
電流制御回路５は、変位センサ５５の出力信号から算出されるギャップＬｇが予め設定した設定距離となるように、電磁石５１に供給する駆動電流の値を調整するものである。変位センサ５５の出力信号は、電流指令部２のセンサ回路２１に入力される。センサ回路２１は、変位センサ５５からの出力信号に基づくインダクタンス変化を電圧信号に変化し、センサ信号としてＰＩＤ制御回路２２へと出力する。
【００１３】
ＰＩＤ制御回路２２は、センサ信号をＰ（比例），Ｉ（積分），Ｄ（微分）制御して、ギャップＬｇが予め設定された設定距離となるように電流指令を、駆動電流供給部３へと出力する。駆動電流供給部３は、電流指令に応じた電流値の駆動電流を生成し、その駆動電流を電磁石５１に供給する。
【００１４】
図３は、駆動電流供給部３の詳細を示すブロック図である。駆動電流供給部３は、クロック発生回路３１，ＰＷＭ信号発生回路３２および二象限駆動回路３５を備えている。二象限駆動回路３５には、スイッチング素子としての２つのトランジスタ３５１，３５２と２つのダイオード３５３，３５４とが設けられ、さらに、，遅延回路３３，リセット回路３４を備えている。クロック発生回路３１で生成された基準クロック信号Ｐは、ＰＷＭ信号発生回路３２および遅延回路３３に入力される。
【００１５】
ＰＷＭ信号発生回路３２は、この基準クロック信号Ｐと図１のＰＩＤ制御回路２２からの電流指令とに基づいて、電流指令に応じたデューティ比のパルス信号Ｇ１，Ｇ２を発生する。なお、信号Ｇ１と信号Ｇ２とは全く同一の信号である。信号Ｇ２はトランジスタ３５２に入力され、トランジスタ３５２のオン／オフ動作を制御する。
【００１６】
一方、遅延回路３３に入力された基準クロック信号Ｐは、遅延回路３３により遅延処理された後に、リセット回路３４に入力される。リセット回路３４は、遅延処理された基準クロック信号Ｐを、次の基準クロック信号Ｐの立ち上がりタイミングに同期してリセットする機能を有する回路である。
【００１７】
図４は、信号Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ１１の一例を示す図である。信号Ｇ１，Ｇ２は、時刻ｔ１〜ｔ２および時刻ｔ４〜ｔ５でオン、時刻ｔ２〜ｔ４でオフとなっている。また、リセット回路３４から出力される信号Ｇ３は、信号Ｇ１の立ち上がり（すなわち、基準クロック信号Ｐの立ち上がり）に対して時間Ｔ１だけ遅延して立ち上がり、次の信号Ｇ１の立ち上がりに同期してオフ状態にリセットされる。二象限駆動回路３５のトランジスタ３５１に入力される信号Ｇ１１は、信号Ｇ１と信号Ｇ３との和であって、時刻ｔ６〜ｔ１および時刻ｔ３〜ｔ５でオンとなる。
【００１８】
信号Ｇ１１および信号Ｇ２が駆動信号として入力されるトランジスタ３５１，３５２の状態は、時刻ｔ１〜ｔ２および時刻ｔ４〜ｔ５では両方ともオン状態（状態Ａと呼ぶ）となり、時刻ｔ２〜ｔ３では両方ともオフ状態（状態Ｂと呼ぶ）となる。また、時刻ｔ６〜ｔ１および時刻ｔ３〜ｔ４では、トランジスタ３５１がオンでトランジスタ３５２がオフとなる状態（状態Ｃと呼ぶ）になる。
【００１９】
図５は、状態Ａ〜Ｃにおける駆動電流を説明する図である。なお、図５では、トランジスタ３５１，３５２をスイッチ記号で表し、ＲＭ，ＬＭは電磁石５１の抵抗およびインダクタンスである。また、ｉＭは電磁石電流、ＶＱ１，ＶＱ２はトランジスタ３５１，３５２がオンの時の電圧降下、ＶＤ１，ＶＤ２はダイオード３５３，３５４の順方向電圧降下である。駆動回路の電源電圧はＶＰとする。
【００２０】
状態Ａでは、トランジスタ３５２，３５２がともにオンなので、電流ｉＭはトランジスタ３５１→電磁石５１→トランジスタ３５２と流れる。一方、状態Ａから状態Ｂとなってトランジスタ３５１，３５２がともにオフとなった時には、電磁石コイルに電磁エネルギーが蓄積されているため、そのエネルギーの放出により、ダイオード３５３→電磁石５１→ダイオード３５４のように電流ｉＭが流れることになる。また、状態Ｃでは、トランジスタ３５１がオンとされるので、トランジスタ３５１→電磁石５１→ダイオード３５４のように電流ｉＭが流れる。
【００２１】
そして、図４の信号Ｇ１１，Ｇ２がトランジスタ３５１，３５２に入力されると、状態Ａ（ｔ１〜ｔ２）→状態Ｂ（ｔ２〜ｔ３）→状態Ｃ（ｔ３〜ｔ４）→状態Ａ（ｔ４〜ｔ５）の順で動作し、図６（ａ）に示すような波形の電流ｉＭが電磁石５１を流れることになる。状態Ａの直線の傾きをαＡ、状態Ｂの場合の傾きをαＢ、状態Ｃの場合の傾きをαＣとすると、は次式（１）〜（３）で与えられる。
αＡ＝（ＶＰ−ＶＱ１−ＶＱ２−ＲＭ・ｉＭ）／ＬＭ      …（１）
αＢ＝−（ＶＰ＋ＶＤ１＋ＶＤ２＋ＲＭ・ｉＭ）／ＬＭ      …（２）
αＣ＝−（ＶＱ１＋ＶＤ２＋ＲＭ・ｉＭ）／ＬＭ      …（３）
【００２２】
ここで、ＶＰ，ＶＱ１，ＶＱ２，ＶＤ１，ＶＤ２，ＲＭ・ｉＭは全て正値であり、一般的に、ＶＰは１２Ｖ以上、ＶＱ１，ＶＱ２は０〜１Ｖ、ＶＤ１，ＶＤ２は０．５〜１Ｖ、ＲＭは数Ω以下である。その結果、Ｂの部分の傾きの大きさは、Ａの部分の傾きよりも常に大きくなる。そのため、図４に示すようなデューティ比５０％の信号Ｇ１，Ｇ２が二象限駆動回路３５に入力されると、状態Ａと状態Ｂとが繰り返され、図６（ｂ）に示すような平均電流値が減少することになる。
【００２３】
ところが、状態Ｃにおける電流直線の傾きαＣの大きさは、傾きαＡ，αＢの大きさよりもずっと小さな値となる。このことは、トランジスタ３５２だけをオンとした場合も同様である。そのため、図４の信号Ｇ１１，Ｇ２を二象限駆動回路３５に入力する本実施の形態では、信号Ｇ１，Ｇ２がたとえデューティ比５０％であっても、状態Ｃを生じさせる信号Ｇ３の遅延時間Ｔ１を適切に設定して信号Ｇ１１を生成することにより、図６（ａ）のように平均電流値を一定に保持することができる。よって、電磁石電流が追随できないような周波数が高く振幅が大きな電流指令が駆動電流供給部３に入力されても、電磁石電流の平均値が意図した平均電流値より減少するような不都合を防止することができる。
【００２４】
また、トランジスタ３５１，３５２をオンオフして電流の切り替えを行うとノイズが発生するが、従来、状態Ｂ（両方オフ）→状態Ａ（両方オン）のように状態が変化していたものが、状態Ｂ→状態Ｃ（片側オン）→状態Ａ（さらに片側オン）のように時間差を付けてスイッチがオンされるため、切り替え一回当たりのノイズのピークが減り、ノイズを低減することができる。
【００２５】
なお、上述した実施の形態では、図４に示すように信号Ｇ３を、信号Ｇ１の立ち上がりの直前に形成したが、信号Ｇ１のオフ期間の任意の位置に生成してもかまわない。さらに、状態Ａと状態Ｂとの間に状態Ｃを生成するものであれば、信号Ｇ１１の生成方法は上述したものに限らない。上述した実施の形態では信号Ｇ１を加工し、Ｇ２をそのままにしているが、これを逆にしても良い。本実施の形態の二象限駆動回路は、ターボ分子ポンプの磁気軸受装置に限らず、磁気軸受を含む種々の磁気浮上制御装置に適用することができる。
【００２６】
以上説明した実施の形態と特許請求の範囲の要素との対応において、状態Ａは第１状態を、状態Ｂは第２状態を、状態Ｃは第３状態を、遅延回路３３およびリセット回路３４は生成部をそれぞれ構成する。なお、以上の説明はあくまでも一例であり、発明を解釈する際、上記実施の形態の記載事項と特許請求の範囲の記載事項の対応関係に何ら限定も拘束もされない。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明による磁気浮上制御装置の一実施の形態を示すブロック図である。
【図２】ターボ分子ポンプ本体１の詳細を示す断面図である。
【図３】駆動電流供給部３の詳細を示すブロック図である。
【図４】信号Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ１１の一例を示す図である。
【図５】状態Ａ〜Ｃにおける駆動電流を説明する図である。
【図６】電磁石５１に流れる電流ｉＭの波形を示す図であり、（ａ）は本実施の形態の場合を示し、（ｂ）は従来の場合を示す。
【符号の説明】
【００２８】
２：電流指令部、３：駆動電流供給部、５：電流制御回路、２１：センサ回路、２２：ＰＩＤ制御回路、３１：クロック発生回路、３２：ＰＷＭ信号発生回路、３３：遅延回路、３４：リセット回路、３５：二象限駆動回路、５１〜５３：電磁石、３５１，３５２：トランジスタ、３５３，３５４：ダイオード
【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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