(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気軸受と、
該磁気軸受を制御する磁気軸受制御装置と、
設置方向に応じた制御定数を前記磁気軸受制御装置に与える判定手段と
を備え、
前記磁気軸受制御装置には、少なくとも積分器が設けられ、
前記判定手段は、前記積分器の状態に基づいて設置方向を検出す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、
前記磁気軸受制御装置には、比例器と微分器とが設けられ、前記制御定数は、前記比例器及び微分器の設定値であることを特徴とするターボ分子ポンプ。
【請求項３】
請求項１に記載のターボ分子ポンプにおいて、前記磁気軸受制御装置には、位相補償回路が設けられ、前記制御定数は、前記位相補償回路の設定値であることを特徴とするターボ分子ポンプ。
【請求項４】
磁気軸受と、該磁気軸受を制御する磁気軸受制御装置とを備えているターボ分子ポンプの運転方法において、
ターボ分子ポンプの設置方向を、磁気軸受制御装置が備える積分器の状態から検出し、該設置方向に応じて前記磁気軸受制御装置の制御定数を変えることを特徴とするターボ分子ポンプの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気軸受けを有するターボ分子ポンプおよびターボ分子ポンプの運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ターボ分子ポンプのポンプユニットについて図４に基づいて説明する。図４（Ａ）中１及び１６は、ボルトによりＯリング１５を介して一体的に組みつけられている上部ケーシング１と下部ケーシング１６で、上部ケーシング１の上部開口はガス吸気口２となすとともに、該ケーシング１の内周面側には円形リング状の静翼群(固定翼)４がスペーサ１３によって上下に多段状にされている。
【０００３】
また、静翼群（固定翼）４の下側には、後記するねじ溝ポンプ段８外周を囲繞する如く、シールリング１４が微小隙間をおいて対向配置して、圧縮効果を上げている。
下部ケーシング１６は、側部に排気口３が設けられ、更にその下側にコネクタ２３が穿設されている。
また下部ケーシング１６の上面中心域には円筒状の支持筒１７が上方に垂設されており、該支持筒１７内周側のロータ軸７と対面する位置に、上方より上部保護軸受１９、上部ラジアル磁気軸受９、モータステータ１２、下部軸受１０、保護軸受２０、及びスラスト磁気軸受１１が取付けられている。
６は中心下面よりロータ軸７が下方に垂下されたポンプ回転部で、該回転部６の上部外周部には半径方向に放射状に配設した多数の動翼群（回転翼）５が、前記静翼４と交互に噛み合う如く多段状に配設されるとともに、該回転部６の下部外周部に、螺旋状のねじ溝ポンプ段８が取り付けられている。
また、前記支持筒１７内に嵌挿されたロータ軸７は、前記モータステータ１２と対面する位置にモータロータ２１を嵌着させ交流モータ２９を構成するとともに、該ロータ２１の上部には上部ラジアル磁気軸受９を、またその上部は保護軸受１９との間の間隔設定をしている。
【０００４】
更に、前記ロータ２１の下部には下部ラジアル磁気軸受１０を、またその下部は保護軸受２０との間の間隔設定をしている。また前記ロータ軸７の下端には円板状の磁性板２２が設けられており、該磁性板２２は支持筒１７側のスラスト磁気軸受１１内に侵入し、スラスト方向（Ｚ軸）の空中維持制御を行っている。
即ち、前記上部ラジアル磁気軸受９と下部ラジアル磁気軸受１０は、図４（Ｂ）に示すように、軸線と直交する断面内において、左右（Ｘ軸）及び前後（Ｙ軸）方向に夫々一対づつ配設し、前記ロータ軸７に倒れが生じることなく中心軸線上に中空維持可能に構成され、この結果、前記スラスト磁気軸受１１（Ｚ軸）及び上部ラジアル磁気軸受９と下部ラジアル磁気軸受１０（Ｘ軸、Ｙ軸）によりロータ軸７は５軸方向に空中制御されて回転することとなる。
また前記夫々の磁気軸受９、１０、１１の磁気制御に異常をきたし、ロータ軸７が片側に偏心した場合は、上部若しくは下部の保護軸受１９，２０に当接して回転を補償する。
【０００５】
上記のように構成されたターボ分子ポンプでは、前記各ラジアル磁気軸受９に通電してロータ軸７を介してポンプ回転部６を中空維持した状態でモータを例えば、１０，０００〜１００，０００ｒｐｍで高速回転させることにより、動翼５が静翼４内を回転し且つねじ溝ポンプ段８がシールリング１４と対面しながら回転し、真空排気されるガスが上方吸気口２から動翼５と静翼４間で第１の圧縮を行った後、ねじ溝ポンプ段８の螺旋状溝通路で第２の圧縮が行なわれ、ガス通路を経て排気口３方向へ流れて、吸気口２側が真空排気される。
そして本実施形態に係る各磁気軸受９、１０、１１においては、その近傍に夫々位置センサ２４、２５、２６が配設され、各磁気軸受９、１０、１１位置におけるロータ軸７と支持筒１７の間隔（Ｘ、Ｙ軸）及びスラスト方向における偏位を検知する。
【０００６】
図５はポンプユニットＡと電源ユニットＢを示す。図５に示すようにポンプユニットＡ側と電源ユニットＢ側と両者間を電気的に接続するケーブル４０からなり、ポンプユニットＡ側にはポンプ本体回転部（ロータ部）６のロータ軸７に直結されたロータ２１及びステータ１２からなるモータ２９と、該ロータ２１の上下に位置する上部及び下部ラジアル磁気軸受９、１０と、前記ロータ軸７の下端に円板を挟んで設けられたスラスト磁気軸受１１と、前記上部及び下部ラジアル磁気軸受９、１０とロータ軸７間の空隙(Ｘ、Ｙ軸)、及びスラスト方向におけるラジアル磁気軸受９と円板間の偏位を検知する位置センサ２４、２５、２６を具えている。
そして、前記位置センサ２４、２５、２６よりの信号を変換器３６を介して信号ケーブル４０Ａより電源ユニットＢ側に送信可能に構成される。
【０００７】
電源ユニットＢ側には、前記モータ２９を高速駆動するモータ駆動回路３４、前記位置センサ２４、２５、２６よりの信号を受けて磁気軸受９、１０、１１の駆動電圧の制御を行ってロータ軸７を水平およびスラスト方向の中心に保持させる磁気軸受制御回路３２としての演算器５１、該演算器５１よりの信号を受けて磁気軸受駆動電源３１よりの駆動電圧のＯＮ／ＯＦＦ制御を行うトランジスタ回路を含む磁気軸受駆動回路３３、及び磁気軸受駆動電源３１が組み込まれている。
前記磁気軸受制御回路３２としての演算器５１と磁気軸受駆動回路３３は磁気軸受９、１０，１１を構成する電磁石のｎ対に対応する数だけ設けられている。
即ち、上部ラジアル磁気軸受９と下部ラジアル磁気軸受１０は図４（Ｂ）に示すように、Ｘ軸方向に各１対、Ｙ軸方向に各１対づつ(計４対)、またスラスト磁気軸受１１は上下に１対で、全部で計５対必要とするために、ポンプユニットＡ側には位置センサ２４、２５、２６が５個、及びこの検知信号に基づいて制御／演算される磁気軸受制御回路３２は夫々５個、磁気軸受駆動回路３３も夫々５個必要とされる。
また後記するテーブル５０よりの設定定数データがデジタル信号であるために、前記磁気軸受制御回路３２はデジタル演算により制御値を出力可能にＣＰＵ等の演算器５１により構成されているが、一方、位置センサ２４，２５，２６よりの検知信号、磁気軸受駆動回路３３への駆動制御信号はアナログ信号であるために、演算器５１の入力側には位置センサ信号をデジタル変換するためのＡ／Ｄ変換器４５が、また演算器５１の出力側にはＤ／Ａ変換器４６が介装され、演算出力を制御信号にアナログ変換して磁気軸受駆動回路３３へ送出可能に構成されている。
【０００８】
次に、磁気軸受制御回路３２について説明する。
図６において、符号６０は位置センサ２４，２５，２６よりの検出信号に基づくフィードバック信号が入力されるＰＩＤ制御回路であり、符号Ｐは比例器、Ｉは積分器、Ｄは微分器である。このＰＩＤ制御回路を通した後、回転体６の構造による数次の固有振動数を安定化させるための位相補償回路６３を通したあと、電磁石特性を補償する回路６５を通してフィードバック用制御電流を得る。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
さて、ターボ分子ポンプは、設置状況に応じて縦置きと横置きとを自由に選択することができる。
縦置き／横置きでは、ロータ２１の自重が作用する方向が異なるため、ラジアル軸受９，１０およびスラスト軸受１１に流れる電流が異なる。このため、縦置きと横置きでは軸受剛性が異なる。例えば上部ラジアル軸受９においては、横置き時は縦置き時と比較して軸受剛性が３倍程度になってしまう。剛性とゲインとは比例しているため、軸受の剛性が上がるとゲインも上がり、その結果高周波振動成分（例えば３次、４次の固有値）のゲインも上がってしまい、制御が不安定になってしまう。
また、軸受剛性が異なることにより、固有値も異なる。
これを図７に示した。定格回転数のとき、横置きの場合は縦置きに対して固有値が高くなっている。
軸受制御定数はどちらの取り付け状態とした場合であっても安定化させるため、縦置き時及び横置き時の２次までの固有値（剛体１次バックワードから剛体２次フォワードまで）を位相補償している。このため、縦置きのみまたは横置きのみの場合と比較し、位相補償回路６３による位相補償領域を広範囲にとる必要がある。したがってゲインも増してしまう。ゲインが大きくなると、上記のように制御が不安定になってしまうという問題があった。
【００１０】
本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、制御を安定化することができるターボ分子ポンプおよびターボ分子ポンプの運転方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、磁気軸受と、該磁気軸受を制御する磁気軸受制御装置と、設置方向に応じた制御定数を前記磁気軸受制御装置に与える判定手段とを備え、前記磁気軸受制御装置には、少なくとも積分器が設けられ、前記判定手段は、前記積分器の状態に基づいて設置方向を検出することを特徴とする。
【００１２】
この発明においては、ターボ分子ポンプの設置方向の相違（例えば、縦置きと横置き）に応じて、各々の場合の制御に適切な制御定数を用いた磁気軸受の制御が可能である。更に、この発明においては、ロータの回転軸の偏差をゼロにするために使用されている積分器の状態から設置方向を判断する。より具体的には、デジタル回路の場合には積分器の出力、アナログ回路の場合には積分器が備えるコンデンサの電圧値に基づき、磁気軸受に作用している荷重の状態を判断する。
【００１５】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のターボ分子ポンプにおいて、前記磁気軸受制御装置には、比例器と微分器とが設けられ、前記制御定数は、前記比例器及び微分器の設定値であることを特徴とする。
【００１６】
本発明においては、ターボ分子ポンプの設置方向に応じて磁気軸受の剛性が適切となるような制御定数が比例器及び微分器に与えられる。これにより、剛性が大きくなってしまうことにより生ずる高周波振動成分のゲイン増加を防止することができる。
【００１７】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載のターボ分子ポンプにおいて、前記磁気軸受制御装置には、位相補償回路が設けられ、前記制御定数は、前記位相補償回路の設定値であることを特徴とする。
【００１８】
本発明においては、ターボ分子ポンプの設置方向に応じて位相補償回路の位相補償領域を変えることが可能となる。これにより、位相補償領域が広範囲になることにより生ずる高周波振動成分のゲイン増加を防止することができる。
【００１９】
請求項４に記載の発明は、磁気軸受と、該磁気軸受を制御する磁気軸受制御装置とを備えているターボ分子ポンプの運転方法において、ターボ分子ポンプの設置方向を、磁気軸受制御装置が備える積分器の状態から検出し、該設置方向に応じて前記磁気軸受制御装置の制御定数を変えることを特徴とする。
【００２０】
この発明においては、ターボ分子ポンプの設置方向の相違（例えば、縦置きと横置き）に応じて、各々の場合の制御に適切な制御定数を用いた磁気軸受の制御が可能である。
【００２１】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。なお、従来と同一の構成については同一の符号を用い、その説明を省略する。
図１に示したものは上部ラジアル軸受９に対する磁気軸受制御装置の制御ブロック線図である。符号６０はＰＩＤ制御回路であり、符号Ｐは比例器、Ｉは積分器、Ｄは微分器である。また、符号７０は縦置き／横置きを判定する判定手段、符号７１は比例器Ｐおよび微分器Ｄの制御定数が記憶された定数記憶手段である。
なお、初期状態では比例器Ｐおよび微分器Ｄは縦置き時に適した制御定数が与えられている。
【００２２】
まず、ターボ分子ポンプを設置する。その設置方向はユーザの任意であり、縦置き、横置きのいずれであってもよい。その後の初回起動時において、積分器Ｉの状態から、ターボ分子ポンプが縦置きであるか、横置きであるかを判定手段７０が判断する。具体的には、デジタル回路の場合は積分器Ｉの出力、アナログ回路の場合には、積分器Ｉ中のコンデンサの電圧値を検出する。具体的には、縦置きの場合「小」となり、横置きの場合は「大」となる。したがって例えば予め閾値を決めておき、該閾値以上であれば横置き、閾値未満であれば縦置きと判断することができる。
【００２３】
判定手段７０はその判定結果に基づき、ターボ分子ポンプが横置きであった場合、定数記憶手段７１から横置きに適した制御定数を読み込み、比例器Ｐおよび微分器Ｄに与える。この制御定数が与えられることにより、比例器Ｐおよび微分器Ｄでは、軸受剛性（ゲイン）が大きくならなず、横置きであっても縦置きと同じ剛性とすることができる。よって高周波のゲインも抑えることができ、より安定した制御を行うことができる。
なお、上記においては上部ラジアル軸受９について示したが、他の磁気軸受（下部ラジアル軸受１０、スラスト軸受１１）についても同様にターボ分子ポンプの設置方向に応じて制御定数を変えることができる。
【００２４】
次に本発明の第２の実施形態について説明する。
なお、以下においてはデジタル回路の場合について説明する。また、従来と同一の構成については同一の符号を用い、その説明を省略する。
図２に示したものは上部ラジアル軸受９に対する磁気軸受制御装置を示した制御ブロック線図であり、符号６０はＰＩＤ制御回路であり、符号Ｐは比例器、Ｉは積分器、Ｄは微分器である。また、符号７５は縦置き／横置きを判定する判定手段、符号７６は位相補償回路６３の制御定数が記憶された定数記憶手段である。
なお、初期状態では位相補償回路６３は縦置き時に適した設定となっている。
【００２５】
まず、ターボ分子ポンプを設置する。その設置方向はユーザの任意であり、縦置き、横置きのいずれであってもよい。その後の初回起動時において、積分器Ｉの状態から、ターボ分子ポンプが縦置きであるか、横置きであるかを判定手段７５が判断する。具体的には、デジタル回路の場合は積分器Ｉの出力、アナログ回路の場合には、積分器Ｉ中のコンデンサの電圧値を検出する。具体的には、縦置きの場合「小」となり、横置きの場合は「大」となる。したがって例えば予め閾値を決めておき、該閾値以上であれば横置き、閾値未満であれば縦置きと判断することができる。
【００２６】
判定手段７５はその判定結果に基づき、ターボ分子ポンプが横置きであった場合、定数記憶手段７６から横置きに適した制御定数を読み込み、位相補償回路６３に与える。
具体的には、縦置き時にはα１（時定数）が０．７６であったものを、０．９にする。これにより、従来は縦置きと横置き双方を含む位相補償範囲であったものを、縦置き時には縦置きに適した従来より狭い位相補償範囲、横置き時には横置きに適した従来より狭い位相補償とすることができる。
このように本例においては位相補償範囲が狭くなるため、高周波のゲインも抑えることができ、より安定した制御を行うことができる。
【００２７】
なお、上記のようにデジタル回路の場合には制御定数を変更すればよく、図３に示すアナログ回路（１次位相進み回路）の場合には、Ｒ１＝Ｔ１／Ｃ，Ｒ２＝｛α１／（１−α１）｝＊Ｒ１であるから、抵抗Ｒ２の値を変更することで実現することができる。
また、上記においては上部ラジアル軸受９について示したが、他の磁気軸受（下部ラジアル軸受１０、スラスト軸受１１）についても同様にターボ分子ポンプの設置方向に応じて制御定数を変えることができる。
また、上記各例において、縦置きか横置きか否かは、上部ラジアル軸受９の積分器Ｉだけではなく、他の磁気軸受１０，１１の積分器、さらにこれらの組み合わせに基づいて判定するようにしてもよい。
さらにまた、設置方向を判定するのは初回起動時に限らず、各起動時や設置方向が変更された場合、また、ユーザの指定があった場合等であってもよい。
また、判定手段７０，７５制御定数を与える対象としては、比例器Ｐ、積分器Ｉ、微分器Ｄのみであってもよいし、さらに位相補償回路６３を含めこれらの組み合わせであってもよい。
【００２８】
以上のように、本発明においては、高周波振動成分の安定余裕を大きくして安定した制御を行うことができる。ユーザ自身は機器の調整等を行うことなく、自由に設置方向を変えることができる。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明においては、ターボ分子ポンプの設置方向の相違に応じて、各々の場合の制御に適切な制御定数を用いた磁気軸受の制御を行うことができるため、安定した制御を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施形態として示したターボ分子ポンプの磁気軸受制御ブロック線図である。
【図２】  本発明の他の実施形態として示したターボ分子ポンプの磁気軸受制御ブロック線図である。
【図３】  アナログ回路における位相補償回路の一部を示した図である。
【図４】  ターボ分子ポンプの構成を示した図であり(A)は縦断面図、(B)はラジアル磁気軸受部の横断面図である。
【図５】  同ターボ分子ポンプの制御回路を示した概略図である。
【図６】  従来のターボ分子ポンプの磁気軸受制御ブロックである。
【図７】  ターボ分子ポンプを縦置きした場合と横置きした場合の固有値変化を示した図である。
【符号の説明】
９  上部ラジアル磁気軸受
１０  下部ラジアル磁気軸受
１１  スラスト磁気軸受
７０，７５  判定手段
Ｐ  比例器
Ｉ  積分器
Ｄ  微分器
【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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