(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源から受ける電流を断接制御するスイッチング手段と、
該スイッチング手段によって励磁制御される第１の電磁石巻線と、
該第１の電磁石巻線とトランス結合され、かつ、回生方向に電流を導く回生手段を介設して誘導電流によって励磁される第２の電磁石巻線と、
前記第１の電磁石巻線又は前記第２の電磁石巻線のいずれか一方の電流を検出する電流検出手段と、該電流検出手段による検出信号を受けて電磁石巻線の電流が指令の電流となるように前記スイッチング手段に指令する電流制御手段とを備えたことを特徴とする磁気軸受励磁回路。
【請求項２】
前記スイッチング手段および前記回生手段の少なくとも一方にサージ吸収手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の磁気軸受励磁回路。
【請求項３】
請求項１〜２のいずれか１項に記載の磁気軸受励磁回路と、該磁気軸受励磁回路による前記第１の電磁石巻線又は前記第２の電磁石巻線の励磁により回転翼が浮上支持されるターボ分子ポンプとを備えたことを特徴とするターボ分子ポンプ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は磁気軸受励磁回路及びターボ分子ポンプ装置に係わり、特に、回路構成の簡易化によって装置全体の小型化、コスト低減、信頼性の向上が共に可能となる磁気軸受励磁回路及びターボ分子ポンプ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁気軸受は半導体製造工程で使用されるターボ分子ポンプ等の回転機器に使用される。ターボ分子ポンプの磁気軸受の構成例に基づき、従来の磁気軸受励磁回路について説明する。
【０００３】
磁気軸受の構成例としてターボ分子ポンプの断面図を図１０に示す。
図１０において、ターボ分子ポンプは、ガスを排気するためのタービンブレードによる複数の回転翼１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ…を多段に備えた回転体１０３を備える。
【０００４】
この回転体１０３を軸承するために、上側ラジアル方向電磁石１０５ａ、下側ラジアル方向電磁石１０７ａおよびアキシャル方向電磁石１０９ａを配設することにより磁気軸受が構成されている。また、上側ラジアル方向センサ１０５ｂ、下側ラジアル方向センサ１０７ｂ、アキシャル方向センサ１０９ｂを備える。
【０００５】
上側ラジアル方向電磁石１０５ａおよび下側ラジアル方向電磁石１０７ａは、それぞれの横断面図を示す図１１のように構成された電磁石巻線により４個の電磁石が構成される。これらの４個の電磁石は、２個ずつ対向配置され、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の２軸の磁気軸受を構成する。
【０００６】
詳細には、隣接する２個のコア凸部にそれぞれ巻回された電磁石巻線１１１、１１１を１組として互いに逆極性に配置することにより１つの電磁石が形成される。この電磁石は、回転体１０３を挟んで対向するコア凸部の電磁石巻線１１３、１１３による電磁石と１つの対を構成し、それぞれが回転体１０３をＸ軸の正方向または負方向に吸引する。
【０００７】
また、Ｘ軸と直交するＹ軸方向においては、２個の電磁石巻線１１５、１１５と、これに対向する２個の電磁石巻線１１７、１１７についても、上記同様に、Ｙ軸方向について対向する電磁石として１つの対を構成する。
【０００８】
アキシャル方向電磁石１０９ａ、１０９ａは、その縦断面図を示す図１２のように、回転体１０３のアーマチャ１０３ａを挟む２つの電磁石巻線１２１、１２３により、１つの対として構成される。各電磁石巻線１２１、１２３による２個の電磁石１０９ａ、１０９ａは、それぞれアーマチャ１０３ａを回転軸線の正方向または負方向に吸引力を作用する。
【０００９】
また、上側ラジアル方向センサ１０５ｂ、下側ラジアル方向センサ１０７ｂは、上記電磁石１０５ａ、１０７ａと対応するＸＹ２軸に配置された４個のセンシングコイルからなり、回転体１０３の径方向変位を検出する。アキシャル方向センサ１０９ｂは回転体１０３の軸方向変位を検出する。これらセンサは、それぞれの検出信号を図示せぬ磁気軸受制御装置に送るように構成されている。
【００１０】
これらのセンサ検出信号に基づき、磁気軸受制御装置がＰＩＤ制御等により上側ラジアル方向電磁石１０５ａ、下側ラジアル方向電磁石１０７ａおよびアキシャル方向電磁石１０９ａ、１０９ａを構成する計１０個の電磁石の吸引力を個々に調節することにより、回転体１０３を磁気浮上支持するように構成されている。
【００１１】
つぎに、上述のように構成される磁気軸受の各電磁石を励磁駆動する磁気軸受励磁回路について説明する。電磁石巻線に流れる電流をスイッチング方式により制御する場合において、従来の磁気軸受励磁回路を図１３に示す。
【００１２】
図１３において、１個の電磁石を構成する電磁石巻線１１１は、その両端にそれぞれトランジスタ１３１、１３１を介して電源１３３と接続され、同様に、電流回生用のダイオード１３５、１３５が電源１３３との間に介設されている。両トランジスタ１３１、１３１のゲートにはそれぞれにゲート駆動回路１３１ａ、１３１ａが備えられ、電流制御回路１３７と接続されている。また、電磁石巻線１１１には電流検出回路１３９が介設され、電流制御回路１３７と接続されている。
【００１３】
電流制御回路１３７は、電流指令と電流検出回路１３９による検出値とを比較してパルス幅を決め、ゲート駆動回路１３１ａに送る。このゲート駆動回路１３１ａは、トランジスタ１３１を介して電磁石巻線電流を調節することにより、電磁石巻線１１１が励磁調節される。
【００１４】
このように、磁気軸受励磁回路は、１個の電磁石当り２個のトランジスタ１３１、１３１を要するので、２個の電磁石による１軸当りでは４個のトランジスタを要する。したがって、５軸構成の磁気軸受装置の励磁回路においては、総数２０個のトランジスタ１３１とそれぞれに付帯するゲート駆動回路１３１ａ等を構成する多数の部材が必要となる。
【００１５】
上記磁気軸受励磁回路の別の構成例として、１軸上に対向する２個の電磁石をまとめて励磁制御する例を図１４に示す。図１４において、２個の電磁石巻線１１１、１１３は直列して接続され、４個のトランジスタ１３１…によりブリッジ回路が構成されている。直列する電磁石巻線１１１、１１３には電流検出回路１３９が介設され、電流制御回路１３７と接続されている。２個の電磁石巻線１１１、１１３による２個の電磁石はバイアス磁界を発生する図示せぬ磁石を伴い、そのバイアスされた磁界の磁束密度を変化させることで正方向または負方向に吸引力を調節する。
【００１６】
この構成例においても、１軸当り４個のトランジスタ１３１とこれに付帯する４個のゲート駆動回路１３１ａ等、多数の部材が必要となる。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このように多数のトランジスタ等を有する励磁回路が組み込まれた磁気軸受制御装置は、その部品点数ゆえにコストが高いという問題がある。また、多数のトランジスタを要することから故障率が高く、かつ、小型化が困難という問題がある。
【００１８】
特に、ターボ分子ポンプは半導体製造装置等に使用されるため、クリーンルームに設置される場合が多い。クリーンルームは単位床面積あたりの建設費が高いので、そこに使用されるターボ分子ポンプ装置にはポンプ本体と制御装置を一体化して小型化を望む要請が高まっているが、複雑な励磁回路を要するが故に、ポンプ本体に制御回路を組み込んだ一体化構造は実現に至っていない。
【００１９】
このように、ターボ分子ポンプ装置における磁気軸受励磁回路は、磁気軸受制御装置を含む全体の小型化が強く要請されるとともに、制御装置の部品コストおよび信頼性の観点からも、部品点数の削減が待たれていた。
【００２０】
本発明はこのような従来の課題に鑑みてなされたもので、回路構成の簡易化によって装置全体の小型化、コスト低減、信頼性の向上が共に可能となる磁気軸受励磁回路及びターボ分子ポンプ装置を提供することを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
このため本発明（請求項１）は、電源から受ける電流を断接制御するスイッチング手段と、該スイッチング手段によって励磁制御される第１の電磁石巻線と、該第１の電磁石巻線とトランス結合され、かつ、回生方向に電流を導く回生手段を介設して誘導電流によって励磁される第２の電磁石巻線と、前記第１の電磁石巻線又は前記第２の電磁石巻線のいずれか一方の電流を検出する電流検出手段と、該電流検出手段による検出信号を受けて電磁石巻線の電流が指令の電流となるように前記スイッチング手段に指令する電流制御手段とを備えたことを特徴とする。
【００２２】
スイッチング手段が介設された第１の電磁石巻線は、スイッチング手段の通電動作と対応して励磁される。スイッチング手段が通電停止すると、トランス結合の第２の電磁石巻線に回生方向に電力が誘導される。この回生電力により第２の電磁石巻線が第１の電磁石巻線の励磁と連続して励磁される。この繰り返しにおいて、電流制御手段は、電流検出手段により電磁石巻線電流の検出信号を受け、電磁石巻線電流が指令の電流となるようにスイッチング手段を調節する。
【００２３】
このように、第１の電磁石巻線と第２の電磁石巻線をトランス結合し、その一方にスイッチング手段を接続して電力を供給し、他方に回生手段を接続して電力を回生するように構成することにより、１つのスイッチング手段によって第１の電磁石巻線と第２の電磁石巻線を交互に励磁動作させることができる。
したがって、トランジスタ等による単一のスイッチング手段により、磁気軸受励磁回路の簡易化が可能となる。
【００２６】
さらに、本発明（請求項２）は、前記スイッチング手段および前記回生手段の少なくとも一方にサージ吸収手段を備えたことを特徴とする。
【００２７】
サージ吸収手段を設けることにより電子部品にかかる過大な電圧が緩和されるので、励磁回路の安定動作が可能となり、制御装置の耐久性の向上を図ることができる。
【００２８】
さらに、本発明（請求項３）のターボ分子ポンプ装置は、前記磁気軸受励磁回路と、該磁気軸受励磁回路による前記第１の電磁石巻線又は前記第２の電磁石巻線の励磁により回転翼が浮上支持されるターボ分子ポンプとを備えたことを特徴とする。
【００２９】
磁気軸受励磁回路の簡易化により、磁気軸受励磁回路を含むターボ分子ポンプの制御装置全体を小型に構成することができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。本発明の実施形態に係る磁気軸受励磁回路を図１に示す。なお、図１３と同一要素のものについては同一符号を付して説明は省略する。
【００３１】
図１において、２個の電磁石巻線１ａ、１ｂは、磁気軸受の１つの電磁石を二分割してトランス結合により構成されている。
電源１３３に対してトランジスタ１３１と電磁石巻線１ａが直列に接続されている。このトランジスタ１３１の導通により、電磁石巻線１ａが励磁される。トランジスタ１３１にはゲート駆動回路１３１ａを備える。このゲート駆動回路１３１ａは電流指令を受ける電流制御回路１３７に接続されている。
【００３２】
また、電磁石巻線１ａには電流検出のための電流検出回路１３９が設けられる。電流検出回路１３９はその電流検出信号を送るために電流制御回路１３７に接続されている。
電磁石巻線１ｂは、電磁石巻線１ａとトランス結合され、電源側に電流を回生するダイオード１３５が直列に介設されている。
【００３３】
つぎに、本発明の磁気軸受励磁回路の動作について説明する。
電流制御回路１３７は、電磁石巻線１ａの励磁制御を行なうために電流検出回路１３９の検出値と指令値との差を算出し、その差に基づきスイッチングパルス信号を作成してゲート駆動回路１３１ａに送出する。スイッチングパルス信号は、電流指令と電流検出回路１３９の電流検出値と搬送波から生成されるＰＷＭパルス信号である。
【００３４】
このスイッチングパルス信号がゲート駆動回路１３１ａに送られると、ゲート駆動回路１３１ａがゲート駆動信号をトランジスタ１３１のゲートに送る。トランジスタ１３１はこのゲート駆動信号に従いＯＮ／ＯＦＦを繰り返す。
【００３５】
このトランジスタ１３１が導通動作すると電源１３３から電力が供給され、電磁石巻線１ａが励磁される。また、トランジスタ１３１が切断動作すると、電磁石巻線１ａとトランス結合された電磁石巻線１ｂに回生方向に誘導電流ｉ２が発生し、この誘導電流ｉ２により電磁石巻線１ｂが励磁される。
【００３６】
電流制御回路１３７は、電流検出回路１３９の検出値に基づき、電磁石巻線電流ｉ１が電流指令と一致するようにスイッチングパルス信号のパルス幅を調節する。このスイッチングパルス信号により、電磁石巻線に流れる電流ｉ１、ｉ２をスイッチング方式により制御することができる。
【００３７】
つぎに、電磁石巻線の磁気特性について説明する。電磁石巻線の電流と磁束密度の関係を図２に示す。
図２において、電磁石巻線１ａは、スイッチングパルス信号を受けるトランジスタ１３１が導通動作すると電流ｉ１により励磁される。
【００３８】
電磁石巻線１ｂは、トランス結合された電磁石巻線１ａによって誘導された回生方向の電流ｉ２により励磁される。したがって、電磁石巻線１ａと電磁石巻線１ｂが交互に励磁され、電磁石巻線１ａと電磁石巻線１ｂが時分割に駆動されることにより、コアに流れる磁束密度Ｂが総合して連続的な励磁が可能となる。
【００３９】
電流ｉ１の波形は電磁石巻線１ａの巻数Ｎ１により、また、電流ｉ２の波形は電磁石巻線１ｂの巻数Ｎ２により決定される。したがって、これら両巻線によって電磁石特性を適宜設定することができる。
【００４０】
このように、本発明の磁気軸受励磁回路は、電磁石巻線１ａと電磁石巻線１ｂとによって構成される電磁石が、単一のトランジスタ１３１による電力の供給とその後の回生とにより一体的に励磁駆動されることから、従来の励磁回路と比べると、必要な部品点数が半減される。同様に、ゲート駆動回路１３１ａおよび対応する電流制御回路１３７を含め、部品点数を半減することができる。
【００４１】
また、トランジスタ１３１の切断時においては、電磁石巻線１ａとトランス結合された電磁石巻線１ｂがダイオード１３５による回生方向の電流によって励磁されることから半導体における電力消費が半減する。さらに、それに伴って発熱が低減されることから、トランジスタ１３１とダイオード１３５のヒートシンクの容量も半減することができる。
【００４２】
したがって、本発明の磁気軸受励磁回路により、部品点数の低減に伴うコストの低減および信頼性の向上とともに、磁気軸受制御装置の小型化が可能となる。その結果、ターボ分子ポンプ等の回転機器本体に磁気軸受制御装置を一体構成とすることが可能となる。
【００４３】
つぎに、本発明におけるラジアル方向電磁石の電磁石巻線の具体的な構成態様を説明する。本発明におけるラジアル方向電磁石の電磁石巻線の横断面図を図３に示す。
図３において、電磁石コア１１の各コア凸部にはトランス結合する２個の電磁石巻線を設ける。隣接するコア凸部１３、１３を１組としてトランス結合の一方の電磁石巻線１３ａ、１３ａを互いに逆極性に配置接続し、また、他方の電磁石巻線１３ｂ、１３ｂも互いに逆極性に配置接続する。このコア凸部１３、１３により、トランス結合された２系統の電磁石巻線１３ａ、１３ｂによる二分割構成の電磁石が形成される。
【００４４】
このコア凸部１３、１３に係る二分割構成の電磁石と同様に、回転体１０３を挟んで対向するコア凸部１５、１５について二分割構成の電磁石を形成する。これら対向して形成された両電磁石は１つの対を構成し、それぞれが回転体１０３のＸ軸方向の正方向または負方向に吸引力を作用する。
【００４５】
その直交方向において互いに対向するコア凸部１７、１７とコア凸部１９、１９についても同様に構成することにより１つの対を構成し、それぞれが回転体１０３のＹ軸方向の正方向または負方向に吸引力を作用する。
【００４６】
したがって、電磁石コア１１とトランス結合する２個の電磁石巻線とにより、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の２軸のラジアル磁気軸受を構成することができる。
【００４７】
つぎに、本発明におけるアキシャル方向電磁石の電磁石巻線の具体的な構成態様を説明する。アキシャル方向電磁石の電磁石巻線の縦断面図を図４に示す。
図４において、２つの電磁石コア２１、２３は、回転体１０３のアーマチャ１０３ａを挟んで周状に対向配置されている。上側の電磁石コア２１についてトランス結合された電磁石巻線２１ａ、２１ｂを配置接続することにより二分割構成の電磁石が形成される。下側の電磁石コア２３についても同様にトランス結合された電磁石巻線２３ａ、２３ｂを配置接続することにより二分割構成の電磁石が形成される。
【００４８】
上側と下側のそれぞれに形成される二分割構成の電磁石は、両方で１つの対を構成する。この上下の電磁石により、アーマチャ１０３ａを軸線の正方向または負方向に吸引するアキシャル方向磁気軸受を構成することができる。
【００４９】
つぎに、電流検出回路１３９の具体的な構成について説明する。電流検出抵抗による電流検出回路の構成例を図５（ａ）およびホールセンサ式電流センサによる電流検出回路の構成例を図５（ｂ）に示す。なお、図１と同一要素のものについては同一符号を付して説明は省略する。
【００５０】
図５（ａ）において、トランジスタ１３１のソースに介設した電流検出抵抗３１と、その電圧降下を取り出す電圧検出器３１ａとにより電流検出回路を構成することができる。
【００５１】
また、図５（ｂ）において、トランジスタ１３１のソース接続線をホールセンサ式電流センサ３３の穴に通して構成することにより、電流検出回路を構成することができる。いずれも、最小限の部品構成で電磁石巻線１ａの電流ｉ１の検出が可能となる。
【００５２】
つぎに、磁気軸受励磁回路の別の電流検出方法について説明する。電流検出回路の別の電流検出回路構成を図６に示す。なお、図１と同一要素のものについては同一符号を付して説明は省略する。
図６において、電流検出回路４１は、電磁石巻線１ａおよび電磁石巻線１ｂのそれぞれの電流ｉ１、ｉ２を一括して検出するように構成されている。したがって、電磁石の励磁電流を連続して検出することができる。以上により、一括検出による簡易な構成を確保しつつ、回生電流についても制御可能となるので、精度の高い励磁制御が可能となる。
【００５３】
この場合における電流検出回路構成について第１の具体例を図７に示す。なお、図１と同一要素のものについては同一符号を付して説明は省略する。
図７において、電磁石巻線１ａおよび電磁石巻線１ｂと直列に、電流検出抵抗４３、４５を介設してそれぞれの電圧降下を取り出す差動電圧検出器４７を接続して構成されている。
【００５４】
この場合、電磁石巻線１ｂの電流ｉ２は電磁石巻線１ａの電流ｉ１と逆方向であることから、差動電圧検出器４７の反転入力側に入力するように構成する。この電圧検出器４７により、逆方向を含む２系統の電流ｉ１、ｉ２について簡易な構成による検出処理が可能となる。また、回生電流についても制御可能となるので、精度の高い励磁制御が可能となる。
【００５５】
つぎに、電流検出回路構成について第２の具体例を図８（ａ）に、また、ホールセンサ式電流センサの使用態様を図８（ｂ）に示す。なお、図１と同一要素のものについては同一符号を付して説明は省略する。
図８（ａ）において、電磁石巻線１ａおよび電磁石巻線１ｂの接続線をホールセンサ式電流センサ３３の穴に通して構成することにより、電流検出回路を構成することができる。
【００５６】
ただし、電磁石巻線１ｂの電流ｉ２は電磁石巻線１ａの電流ｉ１と逆方向であることから、電磁石巻線１ｂの接続線を逆方向に入力する。すなわち、図８（ｂ）に示すように、電磁石巻線１ａおよび電磁石巻線１ｂの接続線の電流ｉ１、ｉ２の方向が揃うように入力することにより、前記同様に、逆方向を含む２系統の電流ｉ１、ｉ２について簡易な構成による検出処理および回生電流についての制御が可能となる。
【００５７】
つぎに、本発明の磁気軸受励磁回路のサージ処理構成例について説明する。磁気軸受励磁回路のサージ処理の構成例を図９に示す。なお、図１と同一要素のものについては同一符号を付して説明は省略する。
図９において、トランジスタ１３１およびダイオード１３５のそれぞれに並列して抵抗器５１と蓄電器５３を直列したサージ吸収回路が接続されている。
【００５８】
これらサージ吸収回路は、トランジスタ１３１の切断時に生じる過大なスパイク電圧を緩和する。したがって、トランジスタ１３１およびダイオード１３５を過大電圧から保護することができるので、制御装置の安定動作が可能となる。
【００５９】
なお、本発明の磁気軸受励磁回路におけるトランジスタ１３１はＦＥＴに限るものでなく、サイリスタ等の一般のスイッチングデバイスを広く適用することができる。
【００６０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、第１の電磁石巻線と第２の電磁石巻線をトランス結合し、その一方にスイッチング手段を接続して電力を供給し、他方に回生手段を接続して電力を回生するように構成したので、１つのスイッチング手段によって第１の電磁石巻線と第２の電磁石巻線を交互に励磁動作させることができる。
したがって、本発明の磁気軸受励磁回路により、部品点数の低減に伴うコストの低減および信頼性の向上とともに、磁気軸受制御装置の小型化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の磁気軸受励磁回路
【図２】  本発明の磁気軸受励磁回路の特性図
【図３】  本発明におけるラジアル方向電磁石の電磁石巻線の横断面図
【図４】  本発明に係るアキシャル方向磁気軸受の縦断面図
【図５】  本発明における電流検出回路の構成例（ａ）およびホールセンサ式電流センサの使用態様（ｂ）
【図６】  本発明における別の電流検出回路構成例
【図７】  本発明における電流検出回路構成の第１の具体例
【図８】  本発明における電流検出回路構成の第２の具体例（ａ）およびホールセンサ式電流センサの使用態様（ｂ）
【図９】  本発明における磁気軸受励磁回路のサージ処理の構成例
【図１０】  ターボ分子ポンプの断面図
【図１１】  従来のラジアル磁気軸受の横断面図
【図１２】  従来のアキシャル方向磁気軸受の縦断面図
【図１３】  従来の磁気軸受励磁回路
【図１４】  従来の他の磁気軸受励磁回路
【符号の説明】
１ａ、１ｂ  電磁石巻線
３１、４３、４５  電流検出抵抗（電流検出手段）
３１ａ  電圧検出器（電流検出手段）
３３、４１、１３９  電流検出回路（電流検出手段）
４７  差動電圧検出器（電流検出手段）
５１  抵抗器（サージ吸収手段）
５３  蓄電器（サージ吸収手段）
１３１  トランジスタ（スイッチング手段）
１３１ａ  ゲート駆動回路（スイッチング手段）
１３５  ダイオード（回生手段）
１３７  電流制御回路（電流制御手段）
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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