CN111902636B - 真空泵和真空泵的控制装置 - Google Patents

Abstract

课题是提供一种即使在低速旋转的状态下也能够在不追加专用的旋转方向传感器的情况下求取旋转方向来进行旋转方向的修正的真空泵。解决方案是，至少可变为使转子轴21进行相对高速的自转的第一状态、以及使转子轴21一边在与保护轴承36之间的间隙H的范围内偏倚公转一边进行相对低速的自转的第二状态，取得径向方向位移传感器的输出信息，在第二状态下求取基于输出信息的转子轴21的旋转方向，判定旋转方向是否正常，在旋转方向不正常的情况下，停止旋转，使旋转速度向正常的旋转方向上升。

Description

真空泵和真空泵的控制装置

技术领域

本发明涉及例如涡轮分子泵等真空泵及其控制装置。

背景技术

一般，作为真空泵的一种，已知涡轮分子泵（专利文献1等）。在该涡轮分子泵中，通过向泵主体内的电动机的通电来使转子翼旋转，使吸入到泵主体的气体的气体分子弹飞，由此，对气体进行排气。此外，在这样的涡轮分子泵中，存在使用三相式直流无刷电动机作为电动机的涡轮分子泵等（专利文献2等）。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特许第3169892号公报

专利文献2：日本特许第5276586号公报。

发明内容

发明要解决的课题

然而，在上述那样的涡轮分子泵中，例如，在后述的启动待机状态下，以从排气口的逆流等作为主要原因，存在转子翼反旋转的情况。当发生这样的反旋转时，存在如下的可能性，即：由于排气侧的气体回到吸气侧、或反旋转的感测延迟由此继续在错误的旋转方向上旋转，而在泵中产生问题。一般，涡轮分子泵被设计为在正的旋转方向上旋转，因此，当产生反旋转时，存在如下的担忧，即：在转子翼中产生非预期的载荷、或在电动机中也产生负载，而成为问题的原因。因此，在产生反旋转的情况下，快速地检测反旋转来切换为向正方向的旋转是优选的。作为旋转方向的检测手法，考虑设置专用的传感器（旋转编码器等旋转方向传感器）来直接进行旋转方向的检测。

进而，在使用专利文献2中公开的无刷电动机的情况下，如果达到充分高的转速（例如500rpm左右），则即使不设置专用的旋转方向传感器，也能够根据在各相的线圈中发生的感应电压的关系来求取旋转相位而检测旋转方向。也就是说，例如，能够通过将三相线圈之中的1个作为电动机内传感器（拾取线圈）并将电动机内传感器的信号波形与向电动机的旋转脉冲波形（驱动脉冲波形）进行比较，从而检测旋转相位。

可是，为了旋转方向的检测而使用专用的旋转方向传感器，因此，该部分的部件成本上升。进而，在检测感应电压的情况下，如果转速未到达某种程度以上（例如至少300rpm以上），则感应电压较低，不能进行旋转相位的检测。

本发明的目的在于，提供即使在低速旋转的状态下也能够在不追加专用的旋转方向传感器的情况下求取旋转方向来进行旋转方向的修正的真空泵、真空泵的控制装置。

用于解决课题的方案

为了达成上述目的，本发明是一种真空泵，其特征在于，具备：

转子轴；

电动机，使所述转子轴旋转；

磁性轴承，使所述转子轴磁性悬浮；

保护轴承，在与所述转子轴之间存在规定的间隙；

位移传感器，检测所述转子轴的位置；以及

控制单元，可进行所述电动机或所述磁性轴承的控制，

所述控制单元：

至少可变为使所述转子轴进行相对高速的自转的第一状态、以及使所述转子轴一边在与所述保护轴承之间的所述间隙的范围内偏倚公转一边进行相对低速的自转的第二状态，

取得所述位移传感器的输出信息，

在所述第二状态下，求取基于所述输出信息的所述转子轴的旋转方向，

判定所述旋转方向是否正常，

在所述旋转方向不正常的情况下，停止旋转，使旋转速度向正常的旋转方向上升。

此外，为了达成上述目的，另一本发明是一种真空泵的控制装置，连接到真空泵主体，所述真空泵主体具备：

转子轴；

电动机，使所述转子轴旋转；

磁性轴承，使所述转子轴磁性悬浮；

保护轴承，在与所述转子轴之间存在规定的间隙；以及

位移传感器，检测所述转子轴的位置，

所述真空泵的控制装置至少可变为使所述转子轴进行相对高速的自转的第一状态、以及使所述转子轴一边在与所述保护轴承之间的所述间隙的范围内偏倚公转一边进行相对低速的自转的第二状态，

所述真空泵的控制装置的特征在于，

取得所述位移传感器的输出信息，

在所述第二状态下，求取基于所述输出信息的所述转子轴的旋转方向，

判定所述旋转方向是否正常，

在所述旋转方向不正常的情况下，停止旋转，使旋转速度向正常的旋转方向上升。

发明效果

根据上述发明，能够提供即使在低速旋转的状态下也能够在不追加专用的旋转方向传感器的情况下求取旋转方向来进行旋转方向的修正的真空泵、真空泵的控制装置。

附图说明

图1是示出本发明的一个实施方式的涡轮分子泵的截面和检查夹具的概略结构的说明图。

图2是概略性地示出无刷电动机的控制电路的结构的说明图。

图3是示出二相模式的驱动控制中的启动电流的通电模式的说明图。

图4（a）是示出驱动电压矢量的说明图，（b）是示出在二相模式的驱动控制时发生的磁通矢量的说明图，（c）是示出同样在二相模式的驱动控制时发生的扭矩的状态的说明图。

图5是示出转子的加速时的、电流Iu、Iv、Iw、电压Vu-n、Vv-n、Vw-n、电位差Vu-v、从积分器输出的磁通估计信号φu-v、从比较器输出的ROT信号的关系的说明图。

图6（a）～（d）是示出二相模式的驱动控制时的电动机绕组所产生的磁场与转子的磁极的位置关系的说明图。

图7（a）是示出转子的旋转方向与磁通估计信号φu-v的极性的关系的说明图，（b）是示出磁通估计信号φu-v的极性与扭矩的作用方向的关系的说明图。

图8是概略性地示出由检查夹具进行的旋转方向检测的功能的流程图。

图9（a）是概略性地示出转子轴与保护轴承的关系的说明图，（b）是概略性地示出转子轴的倾斜的说明图。

图10是示出所检测的转子轴的位移的轨迹的一例的图形。

图11是示出低速旋转时的旋转方向检测与制动的关系的说明图。

图12是示出在触地（touch down）的情况下检测到的转子轴的位移的轨迹的一例的图形。

具体实施方式

以下，基于附图来说明本发明的一个实施方式的真空泵。图1以纵截面的方式概略性地示出作为真空泵的涡轮分子泵10。该涡轮分子泵10连接到例如半导体制造装置、电子显微镜、质量分析装置等这样的对象设备的真空腔（图示略）。

涡轮分子泵10一体地具备圆柱状的泵主体11、以及箱状的电气装配箱（图示略）。关于其中的泵主体11，图中的上侧成为与对象设备侧连结的吸气部12，下侧成为与辅助泵等连结的排气部13。然后，关于涡轮分子泵10，除了如图1所示的铅直方向的垂直姿势之外，还能够在倒立姿势、水平姿势、或倾斜姿势下使用。

在电气装配箱（图示略）中收容有用于对泵主体11进行电力供给的电源电路部、用于控制泵主体11的控制电路部，针对由它们进行的泵主体11的控制进行后述。

泵主体11具备大致圆柱状的主体外壳14。在主体外壳14内设置有排气机构部15和旋转驱动部（以下称为“电动机”）16。其中，排气机构部15是由涡轮分子泵机构部17和螺纹槽泵机构部18构成的复合型的排气机构部。

涡轮分子泵机构部17和螺纹槽泵机构部18被配置为在泵主体11的轴方向上连续，在图1中，涡轮分子泵机构部17配置在图中的上侧，螺纹槽泵机构部18配置在图中的下侧。以下，概略地说明涡轮分子泵机构部17、螺纹槽泵机构部18的基本构造。

在图1中的上侧配置的涡轮分子泵机构部17通过许多涡轮叶片来进行气体的转移，具备具有规定的倾斜或曲面并且形成为放射状的固定翼（以下称为“定子翼”）19和旋翼（以下称为“转子翼”）20。在涡轮分子泵机构部17中，定子翼19和转子翼20配置为以十级左右交替地排列。

定子翼19一体地设置在主体外壳14，转子翼20进入到上下的定子翼19之间。转子翼20与旋转轴（以下称为“转子轴”）21一体化，伴随着转子轴21的旋转而在与转子轴21相同的方向上旋转。再有，在图1中，为了避免附图变得繁杂，省略了示出泵主体11中的部件的截面的阴影的记载。

转子轴21从涡轮分子泵机构部17到达下侧的螺纹槽泵机构部18，在轴方向的中央部配置有前述的电动机16（后述）。螺纹槽泵机构部18具备转子圆柱部23和螺纹定子24，在转子圆柱部23和螺纹定子24之间形成作为规定间隙的螺纹槽部25。转子圆柱部23与转子轴21连结，能够与转子轴21一体地旋转。在螺纹槽泵机构部18的后级配置有用于连接到排气管的排气口26，排气口26的内部和螺纹槽部25在空间上连结。

本实施方式的电动机16是可高频驱动的三相式无刷电动机。该电动机16具有固定于转子轴21的外周的旋转子（以下称为“转子”）112、以及以包围旋转子的方式配置的固定子（以下称为“定子”）113。用于使电动机16动作的电力的供给通过收容于前述的电气装配箱（图示略）的电源电路部或控制电路部来进行。针对这样的结构的电动机16的驱动控制进行后述。

在前述的转子轴21的支承中使用作为利用磁性悬浮的非接触式轴承的磁性轴承。作为磁性轴承，使用配置在电动机16的上下的2组径向磁性轴承（径方向磁性轴承）30、以及配置在转子轴21的下部的1组轴向磁性轴承（轴方向磁性轴承）31。

其中，各径向磁性轴承30由形成在转子轴21的径向电磁石靶30A、与其相向的多个（例如2个）径向电磁石30B和径向方向位移传感器30C等构成。径向方向位移传感器30C检测转子轴21的径方向位移。然后，基于径向方向位移传感器30C的输出来控制径向电磁石30B的励磁电流，转子轴21以能够在径方向的规定位置绕轴心旋转的方式被悬浮支承。

轴向磁性轴承31由在转子轴21的下端侧的部位安装的圆盘形状的电枢盘31A、隔着电枢盘31A上下相向的轴向电磁石31B、以及在稍微离开转子轴21的下端面的位置设置的轴向方向位移传感器31C等构成。轴向方向位移传感器31C检测转子轴21的轴方向位移。然后，基于轴向方向位移传感器31C的输出来控制上下的轴向电磁石31B的励磁电流，转子轴21以能够在轴方向的规定位置绕轴心旋转的方式被悬浮支承。

然后，通过使用这些径向磁性轴承30或轴向磁性轴承31，实现了在转子轴21（和转子翼20）进行高速旋转时没有磨耗、寿命长、且不需要润滑油的环境。此外，在本实施方式中，通过使用径向方向位移传感器30C或轴向方向位移传感器31C，从而针对转子轴21，仅使绕轴方向（Z方向）的旋转的方向（θz）为自由的，并进行针对其他的5轴方向即X、Y、Z、θx、θy的方向的位置控制。

进而，在转子轴21的上部和下部的周围隔开规定间隔配置半径方向的保护轴承（也称为“保护轴承”、“触地（T/D）轴承”、“后备轴承”等）36、37。通过这些保护轴承36、37，即使在例如万一产生了电气系统的故障或进入大气等的故障的情况下，也不会使转子轴21的位置或姿势较大变化，从而不会损伤转子翼20及其周边部。再有，在本实施方式中，使用保护轴承36、37来进行转子轴21（和转子翼20）的旋转方向检测，而针对该旋转方向检测的具体内容进行后述。

当在这样的转子轴21的支承构造下驱动电动机16而使转子翼20旋转时，一边从图1中的上侧所示的吸气部12吸引气体，使气体分子与定子翼19和转子翼20碰撞，一边向螺纹槽泵机构部18侧进行气体的转移。在螺纹槽泵机构部18中，将从涡轮分子泵机构部17转移的气体导入到转子圆柱部23和螺纹定子24的间隙，在螺纹槽部25内压缩。螺纹槽部25内的气体从排气部13进入排气口26，经由排气口26从泵主体11排出。在此，能够将转子轴21、与转子轴21一体地旋转的转子翼20、转子圆柱部23、和转子112等总称为例如“转子部”或“旋转部”等。

接着，基于图2～图7来说明本实施方式中的电动机16的驱动控制。图2概略性地示出前述的电动机（16）的控制电路141中的主要结构。控制电路141的大部分包括在配置在前述的电气装配箱（图示略）内的控制电路部中。然后，控制电路141具备电动机（16）中具备的电动机布线部105、用于对电动机布线部105通电的电动机驱动电路115、作为控制电动机驱动电路115的控制单元的微计算机130等。

电动机布线部105具有星形接线的电动机绕组107U、107V、107W等。此外，电动机驱动电路115依照微计算机130的控制向这些电动机绕组107U、107V、107W供给电流。

本实施方式的电动机（16）不具备用于对转子112的磁极的位置进行检测的磁极传感器，能够基于电动机绕组107U、107V、107W中发生的感应电动势（感应电力）来检测转子112的磁极的位置。在此，在图2中，为了不使图示变得繁杂，以在旁边排列的方式示出了各电动机绕组107U、107V、107W以及转子112，但是电动机绕组107U、107V、107W配置在转子112的外周部。

连接到这样的电动机16的电动机驱动电路115具备直流电源116、以及构成三相桥的6个晶体管131a～131f。各晶体管131a～131f的基极分别连接到微计算机130。各晶体管131a～131f通过来自微计算机130的基极（栅极）驱动脉冲而导通/关断，向电动机绕组107U、107V、107W供给规定的电流。

在这样的控制电路141中还设置有差动放大器103、直流切断滤波器102、积分器101和比较器104等。其中，差动放大器103与三相之中的二相的电动机绕组107U、107V相连接。然后，差动放大器103进行与电动机绕组107U的电压Vu和电动机绕组107V的电压Vv的电位差Vu-v相对应的信号输出。再有，角标u、v分别表示U相端子、V相端子。以下，分别将以中点109为基准的U相、V相、W相的各电位表示为Vu-n、Vv-n、Vw-n。此外，角标n表示中点109。

上述的直流切断滤波器102截断差动放大器103的输出信号中包括的直流分量。这是因为，当在差动放大器103的输出中包括直流分量时，积分器101将其包括在内来进行积分，因此，预先通过直流切断滤波器102去除直流分量。再有，作为直流切断滤波器102，能够使用高通滤波器。

前述的积分器101对去除了直流分量的差动放大器103的输出进行积分，去除重叠于差动放大器103的输出的电噪声。通常，当驱动电动机（16）时发生各种电噪声。这些噪声重叠于由差动放大器103得到的信号，而存在本来需要的信号埋没于噪声的情况。因此，当通过积分器101对差动放大器103的输出信号进行积分时，能够对噪声进行平均化，从而提取埋没于噪声的前述信号（与电位差Vu-v相对应的信号）。

这样的噪声是随机的，能够考虑在正负两方中以几乎相等的比例进行重叠。然后，在被积分的信号中，噪声被平均化而消除。此外，当对电位差Vu-v即电动机绕组107U和电动机绕组107V的电位差进行积分时，变为电动机绕组107U和电动机绕组107V之间的交连磁通。以下，将积分器101输出的信号表示为磁通估计信号（φu-v）。

前述的比较器104中的输入端子连接到积分器101和接地（ground），输出端子连接到微计算机130。比较器104输出2值信号。该2值信号是对应高低2种电压的信号。然后，以下，将这些信号之中的电压较高的信号表示为Hi，将电压较低的信号表示为Lo。

比较器104将前述的磁通估计信号和接地电平进行比较，如果磁通估计信号大于接地电平，则输出Hi，如果磁通估计信号小于接地电平，则输出Lo。比较器104生成与转子112同步的脉冲信号。以下，将比较器104的输出表示为ROT信号（旋转脉冲信号）。

微计算机130从比较器104接受ROT信号，与该ROT信号同步地切换电动机驱动电路115的晶体管131c、131d、131e、131f，将规定的驱动电压矢量输出到电动机绕组107V、107W。再有，为了谋求电动机驱动电路115的控制的高速化，可以代替微计算机130而使用例如DSP（Digital Signal Processor，数字信号处理器）。

接着，在本实施方式中，对在电动机（16）的启动时或停止时等低速度旋转期间执行的、二相模式的驱动控制进行说明。再有，低速度旋转期间意味着转子112的转速不满足能够锁定PLL电路的转速那样的相对低速的期间（例如转速为500rpm以下程度的期间）。

图3是示出二相模式的驱动控制中的启动电流的通电模式的图。

在本实施方式中，使用图3（a）所示的通电模式A和图3（b）所示的通电模式B这2种通电模式来进行低速旋转期间的控制。在图3（a）所示的通电模式A中，在电动机绕组107U、107V、107W的、U→W方向和V→W方向上同时流动电流。在图3（b）所示的通电模式B中，在电动机绕组107U、107V、107W的、W→U方向和W→V方向上同时流动电流。

在此，用Iu示出在U→W方向上流动的电流，用Iv示出在V→W方向上流动的电流。此外，用Iw示出在电动机绕组107W中流动的电流。在使从各电动机绕组的U、V、W向中点109的n流动的方向为正的情况下，这些Iu、Iv、Iw在通电模式A、B中共同地处于满足下式（1）的关系。

Iu=Iv=-Iw/2…（1）

在各通电模式中，在电动机绕组107U、107V中流动在电动机绕组107W中流动的电流的一半大小的电流。再有，在电流Iu、Iv、Iw的波形中使用矩形波。在此，能够将W相电动机绕组107W称为第一绕组，将U相和V相的电动机绕组107U、107V称为第二绕组。

图4（a）是示出驱动电压矢量的图。如图4（a）所示，存在向三相全波方式的无刷电动机的电动机绕组107U、107V、107W输出的6种驱动电压矢量。以下，将从U相电动机绕组107U向V相电动机绕组107V流动电流的情况下的驱动电压矢量作为驱动电压矢量1，将从U相电动机绕组107U向W相电动机绕组107W流动电流的情况下的驱动电压矢量作为驱动电压矢量2。

此外，将从V相电动机绕组107V向W相电动机绕组107W流动电流的情况下的驱动电压矢量作为驱动电压矢量3，将从V相电动机绕组107V向U相电动机绕组107U流动电流的情况下的驱动电压矢量作为驱动电压矢量4。进而，将从W相电动机绕组107W向U相电动机绕组107U流动电流的情况下的驱动电压矢量作为驱动电压矢量5，将从W相电动机绕组107W向V相电动机绕组107V流动电流的情况下的驱动电压矢量作为驱动电压矢量6。然后，以下，利用这样的“1”～“6”的号码来区分各驱动电压矢量。进而，这些驱动电压矢量的号码在图4（a）中以用圆圈包围的方式（用圆圈数字）示出。

上述的电流的通电模式A为同时输出驱动电压矢量2和驱动电压矢量3的状态，通电模式B为同时输出驱动电压矢量5和驱动电压矢量6的状态。在通电模式A的情况下，使晶体管131a、131c、131f导通，同时输出驱动电压矢量2、3，在通电模式B的情况下，使晶体管131b、131d、131e导通，同时输出驱动电压矢量5、6。再有，在通电模式A、B下在电动机绕组107U、107V、107W中流动的电流的调整通过用微计算机130对工作的晶体管的基极（栅极）电压进行PWM（脉冲幅调制）控制来进行。

图4（b）是示出在二相模式的驱动控制时发生的磁通矢量的图。

在图4（b）所示的矢量图中，用Φa示出在通电模式A时发生的磁通矢量，用Φb示出在通电模式B时发生的磁通矢量。此外，用Φc示出转子112的永久磁石的磁通矢量，用θ示出转子112的旋转角度。再有，θ使从U相电动机绕组107U向V相电动机绕组107V流动电流的情况下的驱动电压矢量1的输出时发生的磁通矢量Φd为0°，使图4（b）中的顺时针为正（+）方向。

在本实施方式中，通过交替地进行通电模式A、B的通电，从而在电动机绕组107U、107V、107W中发生由图4（b）所示的磁通矢量Φa、Φb形成的磁场，使该磁场吸引并旋转转子112。然后，根据U相端子和V相端子的电压的差来生成ROT信号，利用该ROT信号来反馈控制通电模式A中的驱动电压矢量2、3和通电模式B中的驱动电压矢量5、6。

图4（c）是示出在二相模式的驱动控制时发生的扭矩的状态的图。

如图4（c）所示，在通电模式A时发生的扭矩和通电模式B时发生的扭矩中，相位进行180°反相。此外，在二相模式的驱动控制时，构成为能够在除了不启动点之外的范围中发生正（+）负（-）两方向的扭矩。再有，不启动点示出了转子角度（转子轴21等的旋转角度）θ为90°和270°的正负中哪一个扭矩都不能发生的状态。

接着，以加速时的工作为例来说明二相模式的驱动控制。图5表示转子112的加速时的、电流Iu、Iv、Iw、电压Vu-n、Vv-n、Vw-n、电位差Vu-v、从积分器101输出的磁通估计信号φu-v、从比较器104输出的ROT信号的关系。在电动机（16）的开始启动时，以接近直流的频率交替地重复通电模式A、B，将转子112的磁极吸引到并使其追随于电动机绕组107U、107V、107W所产生的磁场。

当转子112进行每秒1次旋转左右旋转时，能够检测到电动机绕组107U和电动机绕组107V的电位差Vu-v，作为相间电压。在本实施方式中，检测电感所造成的电压降的相位和大小、电阻分量相等的U相-V相间的电位差Vu-v（相间电压）。

在通过通电模式A而输出驱动电压矢量2、3的期间，在U→W方向和V→W方向上流动电流，在通过通电模式B而输出驱动电压矢量5、6的期间，在W→U方向和W→V方向上流动电流，在电动机绕组107W中流动在电动机绕组107U、107V中流动的双方的电流，因此，电流Iu、Iv、Iw的波形分别如图5所示。

当通过交替地进行利用通电模式A、B的通电来使转子112旋转时，在电动机绕组107U、107V、107W中产生电压Vu-n、Vv-n、Vw-n作为感应起电压。在电动机绕组107U、107V、107W中流动驱动电流。然后，在电压Vu-n、Vv-n、Vw-n的波形中，起因于电动机绕组107U、107V、107W的电感所造成的电压降等而出现尖峰状的电压117、118、119等。此外，在电压Vu-n、Vv-n、Vw-n中包括起因于电动机绕组107U、107V、107W的电阻分量的直流分量120、121、122。

在本实施方式中，用差动放大器103测定电压Vu-n和Vv-n的电压差Vu-v，基于电压差Vu-v来检测转子112的磁极的位置。由于在电压Vv-n、Vu-n中在相同的相位处出现相同大小的尖峰状的电压117、118，所以在差动放大器103中取得电压Vv-n、Vu-n的差时，能够消去（相抵）这些尖峰状的电压117、118。此外，由于相同极性、相同大小的直流分量120、121重叠于电压Vv-n、Vu-n，所以在差动放大器103中取得电压Vv-n、Vu-n的差时，能够消去这些直流分量120、121。

使用电动机绕组107U、107V、107W中的每一个的电阻分量Ru、Rv、Rw、各相的电感Lu、Lv、Lw如下式（2）那样表示电位差Vu-v。

Vu-v=Vu-n+Ru×Iu+ω×Lu×Iu-Vv-n-Rv×Iv-ω×Lv×Iv…（2）

在此，ω是转子112的角速度。

在各相的电阻分量Ru、Rv、Rw的大小相等、此外各相的电感Lu、Lv、Lw的大小相等的情况下，基于前述的式（1）、上述（2），电位差Vu-v如下式（3）那样表示。

Vu-v=Vu-n-Vv-n …（3）

也就是说，起因于各相的电阻分量Ru、Rv、Rw的电压降的量和起因于电感Lu、Lv、Lw的电压降的量彼此相抵，不会出现在电位差Vu-v中。因此，差动放大器103的输出即电位差Vu-v如图5所示那样与转子112的旋转同步，变为几乎没有出现噪声的漂亮的正弦曲线。再有，在各相的电阻分量Ru、Rv、Rw的大小相等的情况下，如上所述，能够消去直流分量120、121，因此，不需要必须在差动放大器103和积分器101之间设置直流切断滤波器102。

从差动放大器103输出的电位差Vu-v通过直流切断滤波器102截断直流分量之后，被输入到积分器101。积分器101对电位差Vu-v进行积分，并输出磁通估计信号φu-v。磁通估计信号φu-v由于积分与电位差Vu-v相比相位延迟90°。此外，重叠于电位差Vu-v的噪声由于积分而被消去。再有，从积分器101输出的磁通估计信号φu-v和电位差Vu-v处于满足下式（4）的关系。

φu-v=-∫Vu-vdt…（4）

像这样，磁通估计信号φu-v通过对电动机绕组107U和电动机绕组107V的电位差Vu-v进行积分来得到。再有，如上所述，电位差Vu-v作为几乎没有出现噪声的漂亮的正弦曲线的信号而出现，因此，在此，得到了漂亮的磁通估计信号φu-v。

比较器104将磁通估计信号φu-v与接地电平进行比较并输出ROT信号。从比较器104输出的ROT信号在磁通估计信号φu-v大于接地电平时变为Hi，在磁通估计信号φu-v小于接地电平时变为信号Lo。

然后，微计算机130从比较器104接受ROT信号，在加速时ROT信号为Hi的期间，进行利用通电模式A的启动电流的通电，在加速时ROT信号为Lo的期间，进行利用通电模式B的启动电流的通电。再有，在此，虽然说明了加速时的控制方法，但是，减速时的控制方法的通电模式与加速时的情况相反。

接着，详细地说明二相模式的驱动控制时（低速度旋转期间）的反馈控制。图6（a）～（d）是示出二相模式的驱动控制时的电动机绕组107U、107V、107W所产生的磁场与转子112的磁极的位置关系的图。将图6（a）～（d）所示的位置关系分别示出为位置A～D。如图6（a）～（d）所示，在位置A～D中，电动机绕组107U、107V、107W所产生的磁场的方向和转子112的磁极的方向的组合分别不同。

图7（a）是示出转子112的旋转方向和磁通估计信号φu-v的极性的关系的图，图7（b）是示出磁通估计信号φu-v的极性和扭矩的作用方向的关系的图。再有，在此，使图6（a）～（d）的顺时针为正转方向，使逆时针为反转方向。

在转子112在正转方向上旋转的情况下电动机绕组107U、107V、107W所产生的磁场与转子112的磁极的位置处于图6（a）的位置A所示的关系的期间，磁通估计信号φu-v的极性变为负（负数）。另一方面，在转子112在反转方向上旋转的情况下电动机绕组107U、107V、107W所产生的磁场与转子112的磁极的位置处于图6（a）的位置A所示的关系的期间，磁通估计信号φu-v的极性变为正（正数）。同样，转子112的旋转方向与磁通估计信号φu-v的极性的关系如图7（a）所示。

如图7（b）所示，在二相模式的驱动控制时，在磁通估计信号φu-v的极性变为正（正数）的期间进行通电模式A的驱动电流的供给的情况下，扭矩在反转方向上作用。此外，在磁通估计信号φu-v的极性变为正（正数）的期间相反地进行通电模式B的驱动电流的供给的情况下，扭矩在正转方向上作用。

另一方面，在磁通估计信号φu-v的极性变为负（负数）的期间进行通电模式A的驱动电流的供给的情况下，扭矩在正转方向上作用，相反，在进行通电模式B的驱动电流的供给的情况下，扭矩在反转方向上作用。

在基于图2～图7所说明的二相模式的驱动控制时，在磁通估计信号φu-v的极性、通电模式、扭矩的作用方向之间，如图7（b）所示的关系成立。也就是说，能够通过配合磁通估计信号φu-v的极性来切换U、V、W相的输出极性而在启动的方向上施加扭矩。

在如电动机（16）的启动时等那样进行向正转方向的加速的期间，对驱动电流的通电模式进行控制以使得扭矩在正转方向上作用。另一方面，在电动机（16）的停止时等进行向反转方向的加速（向正转方向的制动）的期间，对驱动电流的通电模式进行控制以使得扭矩在反转方向上作用。

例如，在进行向正转方向的加速的情况下，如图5所示，在磁通估计信号φu-v变为正的Tβ的期间（ROT信号为Hi的期间），进行利用通电模式B的驱动电流的供给，使扭矩在正转方向上作用，在磁通估计信号φu-v变为负的Tα的期间（ROT信号为Lo的期间），进行利用通电模式A的驱动电流的供给，使扭矩在正转方向上作用。

此外，在进行向反转方向的加速的情况下，在磁通估计信号φu-v变为正的期间，进行利用通电模式A的驱动电流的供给，使扭矩在反转方向上作用，在磁通估计信号φu-v变为负的期间，进行利用通电模式B的驱动电流的供给，使扭矩在反转方向上作用。

像这样，根据本实施方式，根据磁通估计信号φu-v的极性来切换二相模式中的驱动电流的通电模式，由此，能够适当得到希望方向的扭矩，因此，能够顺利地进行转子112的向正转方向或反转方向的加速工作。也就是说，能够确保低速度旋转期间的驱动控制的高稳定性。

进而，根据本实施方式，起因于电动机绕组107U、107V、107W的电阻分量Ru、Rv、Rw的电压降的量的影响不会出现在磁通估计信号φu-v中，即在磁通估计信号φu-v中不会出现直流偏移（不重叠），因此，能够进行基于适当信号的反馈控制，从而能够确保低速度旋转期间的驱动控制的更高稳定性。

再有，在转子轴21或转子翼20等（以下称为“转子轴21等”）的转子部中的转速上升到能够锁定相位同步电路（PLL电路）的转速并变为额定旋转的状态之后，通过微计算机130将控制方式切换为利用PLL电路的三相模式的电动机驱动方式。在本实施方式中，将此时的工作状态或控制状态作为第一状态。此外，针对三相模式的电动机驱动方式，能够采用一般的各种方式，因此，在此省略详细说明。

接着，对转子轴21等的旋转方向检测、以及基于检测结果的旋转方向的修正进行说明。本实施方式中的旋转方向检测的功能或旋转方向修正的功能能够通过涡轮分子泵10的微计算机130来发挥。

图8在功能上示出利用微计算机130的旋转方向的检测和修正的处理。在旋转方向的检测时，首先，进行用于使转子轴21进行偏倚（偏倚：意指偏向）工作的控制（偏倚工作控制）。作为该偏倚工作用的控制，例如，能够考虑使转子轴21触地进行的控制、或在不触地的情况下使转子轴21偏倚的控制等。在本实施方式中，采用在不触地的情况下使转子轴21偏倚的控制手法。

为了在不触地的情况下使转子轴21偏倚，例如，能够使上下的径向磁性轴承30之中的至少一个的悬浮控制变为不均衡的状态。如前所述，径向磁性轴承30具备多个（在此为2个）径向电磁石30B（图1）。因此，当使1个径向电磁石30B的通电为OFF（关断）时，悬浮控制变为不均衡的状态。然后，转子轴21变为在非对称的磁性环境下悬浮，能够维持转子轴21和保护轴承36、37的非接触状态的原样使转子轴21偏倚地公转。

如图8所示，首先，维持处于低速度旋转的状态的电动机（图1中的符号16）的通电控制（驱动控制），使一个磁性轴承（图1中的符号30、31之中的一个）的控制为OFF（S1）。然后，进行适度残留向旋转方向的动量的转子轴21的偏倚工作（S2）。

再有，由于如上所述的转子轴21的偏倚工作，与本实施方式的方式不同，在使转子轴21与保护轴承36、37触地的情况下，转子轴21接触于保护轴承36、37。然后，根据接触时的旋转速度或摩擦的程度，转子轴21的旋转方向有时会反转。为了防止这样的触地时的转子轴21的反转，如本实施方式那样在不触地的情况下使转子轴21偏倚，在即使是稍微也使转子轴21的中心与稳定旋转时的转子轴的轴心错开的状态下检测基于位置信号（Xi，Yi）的旋转方向。

利用该S2的工序，转子轴21等变为一边倾斜一边低速旋转的状态。在本实施方式中，将此时的工作状态或控制状态作为第二状态。将前述的第一状态（额定旋转的状态）与该第二状态之间的工作状态或控制状态称为第三状态等，能够区分第一状态或第二状态。

图9（a）为从下方观察转子轴的图。示意性且概略性地示出了一边倾斜一边低速旋转的转子轴21和保护轴承（在此仅图示上部的保护轴承36）的关系。转子轴21位于保护轴承36的内侧，在转子轴21的外周面和保护轴承36的内周面之间，如在图中强调示出的那样存在间隙H。

在转子轴21和保护轴承36（的内周面）接触的情况下，该间隙H在该接触的部位处变为0（零），在相位从接触的部位偏离180度的部位处变为最大值（Hmax）。然后，在转子轴21和保护轴承36接触的情况下，该间隙H变为最大的部位处的间隙（H=Hmax）在本实施方式中为200μm左右。在此，在本实施方式中，如前所述，进行转子轴21的低速旋转控制以使得该间隙不会变为0（以使得转子轴21和保护轴承36不会接触）。

转子轴21一边如箭头E所示那样自转，一边在与保护轴承36之间的间隙H的范围内偏倚并如箭头F所示那样回旋而公转。虽然省略图示，但是，不仅在上部的保护轴承36，而且在下部的保护轴承（37）也形成同样的间隙H，由此，如例如图9（a）、（b）示意性地示出的那样，转子轴21在与上部和下部的保护轴承（36、37）的间隙H的大小的范围内，一边相对于轴方向倾斜一边进行自转或公转。

在此，图9（a）、（b）所示的箭头E、F的方向、X轴和Y轴的方向到底是为了使说明、（图示略）简略化，在例如从图1的上方监视转子轴21的情况下和从下方监视转子轴21的情况下，能根据水平面内的坐标的决定方式和它们的组合方式而不同。以下，假设图9（a）示出从下方观察转子轴21的状况来进行说明。

接着，如接着图8中前述的S2所示，测定转子轴21的作为输出信息的位置信号（Xi，Yi）（S3）。位置信号的信息按每一定时间取得，角标i（=1，2，3，…）表示取得位置信号的定时的不同。然后，通过按时间序列绘制从位置信号（X1，Y1）、（X2，Y2）、（X3，Y3）、…得到的位置信息，从而得到如图10中例示的、转子轴（21）的水平面内（XY面内）的轨迹46的图表。

在图10中，通过圆点示出取得位置信号（Xi，Yi）的位置，连续的点经由直线依次连结。进而，图10中的箭头F示出转子轴21的公转方向，该公转方向与图9（a）、（b）所示的箭头F一致。

此外，在图中的左上部示出的点P示出了最后取得的位置信号（Xi，Yi）的位置（轨迹46的终点）。在此，图10例示了从上下的径向方向位移传感器30C之中的、位于上部的径向方向位移传感器30C得到的位置信号（Xi，Yi）所产生的轨迹46。

接着，如接着图8中前述的S3所示，基于位置信号（Xi，Yi）的变化来检测旋转方向θR（S4）。该旋转方向θR与转子轴21的自转的方向（例如图9（a）中的箭头E所示的方向）对应，但是，在本实施方式中，旋转方向θR被视为与转子轴21的公转方向相同来处理。然后，假设转子轴21在与基于位置信号（Xi，Yi）而判定的转子轴21的公转方向一致的方向上自转，从而判定转子轴21的旋转方向θR。

进而，进行如上述那样做而检测到的旋转方向θR是否为正常的方向的判定（S5）。在该S5的判定时，使用检测到的θR来进行运算，如果θR为正的值（S5：是），则判定为旋转方向为正常的方向（S6）。另一方面，在S5中，如果θR不是正的值（S5：否），则判定为旋转方向为相反的方向（S11）。

在旋转方向为正常的方向的情况下（S6），针对电动机16进行向反旋转方向的通电控制以使得发生制动扭矩（S7）。该情况下的制动扭矩为相对于检测到的正常的旋转方向θR相反方向的扭矩。之后，转子轴21等停止，转子轴21等的转速变为0（S8）。之后，使磁性轴承30、31的控制为ON（开启），变为启动待机状态（也称为“悬浮状态”或“悬浮模式”等）（S9），之后，使电动机16的驱动控制为ON，进行正常的方向上的电动机驱动（S10）。

可是，如上述S11所示，在判定为旋转方向为相反的方向的情况下，针对电动机16进行向上述的旋转方向的相反的旋转方向的通电控制，以使得发生制动扭矩（S12）。该情况下的制动扭矩变为相对于检测到的相反方向的旋转方向θR的相反方向（正常方向）的扭矩。

图11示出了在该情况下的电动机控制。图中的纵轴示出转速（旋转速度），横轴示出时间。此外，关于纵轴的转速，旋转方向为正常的情况下的转速如“300”、“500”那样用正的值示出，旋转方向为相反的情况下的转速如“-300”、“-500”那样用负的值示出。如图中向右上的箭头G所示，在进行向正常方向的通常启动的情况下，转速渐渐上升。

在转速按绝对值为500rpm以下的区域中，使磁性轴承30、31为ON，但是变为不进行电动机驱动控制的启动待机状态（悬浮模式）。但是，前述的启动待机状态也包括开始进行电动机驱动控制的稍后的状态。特别地，在转速按绝对值为300rpm不足的区域中，变为不能进行电动机16中的感应电压的检测的状态（不能检测旋转相位的状态）。此外，在转速按绝对值为300rpm～500rpm不足的区域中，变为不能检测旋转相位的状态或旋转相位检测不稳定的状态。

相对于此，在发生了反旋转的情况下，如图中向右下的箭头J所示，反旋转中的转速渐渐上升。然后，如果不施行任何策略，则如用虚线延长地示出的那样转速保持相反方向而渐渐上升。可是，在如前所述那样检测到反旋转的情况下（在图8的S5：否的情况下），通过发生正常方向的制动扭矩（图8的S12），从而使转速如向右上的箭头K所示那样降低。

然后，电动机16的转速逐渐接近0，虽然省略图11中的图示，但是，电动机16的旋转方向通过制动力转换并修正为正常方向。在该状况下，使电动机16的驱动控制为ON，进行正常方向上的电动机驱动，电动机16的转速渐渐提高。

在此，电动机16的驱动控制的重新开始能够在检测到转子轴21等的旋转转换为正常方向之后进行。此外，不限于此，例如，也能够在判定为在发生制动扭矩后经过了预先决定的规定时间的情况下重新开始电动机16的驱动控制。进而，在图11的例子中，虽然在反方向的转速为300rpm不足的状况下发生制动扭矩，但是，也可以在达到例如300rpm之后发生制动扭矩。

如前所述使转子轴21进行偏倚工作（S2）是因为以下的理由。即，在转子轴21的额定旋转中，旋转处于稳定的状态，如图9（a）中二点虚线所示，转子轴21同心地位于径向磁性轴承30或保护轴承36（和37）的中央。进而，转子轴21的外周面和保护轴承36（和37）的内周面的每单侧的间隙（H=Hr）分别变为100μm左右。该额定状态下的间隙Hr遍及转子轴21的全周几乎是均匀的。

然后，在如上所述的额定状态时，转子轴21的位移（摆动）相对较小，在位置信号（Xi，Yi）中无法表现充分的变化，旋转方向的感测是困难的。因此，在本实施方式中在确认旋转方向时，确保能够使转子轴21进行偏倚工作的间隙H。然后，使位置信息的变化量充分大，而容易识别位置的不同，之后，基于位置信号（Xi，Yi）的变化来感测旋转方向。

此外，在本实施方式中，如图8中的S8所示，暂且使转子轴21的转速为0，这是因为以下那样的理由。即，在磁性轴承的悬浮控制不均衡的状态下保持转子轴21不停止的状态而提高转速的情况下，即使瞬时地以使得全部磁性轴承变为ON的方式恢复控制，也能考虑进行旋转的旋转侧的部件接触于固定侧的部件的情况。因此，在使悬浮控制从不均衡的状态恢复的情况下，优选的是，暂且停止转子轴21来恢复全部磁性轴承的控制之后提高转速、或监视转速并一起进行防止转速的上升的控制以使得在针对转子轴21的悬浮控制变为均衡状态之前不会使转子轴21的转速过度急剧提高到高转速。然后，在本实施方式中，采用这些手法之中的、暂且停止转子轴21（使转速变为0）的手法。

根据如以上说明的本实施方式的涡轮分子泵10，进行控制以使得转子轴21在低速旋转中偏倚工作。然后，利用径向方向位移传感器30C的位置信号（Xi，Yi）来感测转子轴21等的旋转方向。因此，能够在不追加如旋转编码器等那样的旋转方向检测用的专用设备的情况下利用现有的检测设备来进行旋转方向的检测。

进而，在检测到的旋转方向不是正常的旋转方向的情况下，如图8或图11所示那样针对电动机16进行制动，降低转速。然后，经过电动机16的旋转变弱并且转速变为0的状态来使旋转方向变为正常方向，在正常的旋转方向上使转速上升。因此，能够平滑地进行旋转方向的修正。进而，由于在使旋转速度变为0后进行电动机16的加速，所以能够防止由于施加制动扭矩而保持反旋转的状态再次加速而进行警报输出，从而能够更适当地进行旋转方向的修正。

此外，根据本实施方式，能够在电动机16中的感应电压较低的低速旋转的状态下进行旋转方向检测。然后，由此，能够简易且早期地发现反旋转，从而能够防止转速保持反旋转而继续上升。

进而，使转子轴21偏倚工作的功能、或对径向方向位移传感器30C的输出信号进行处理的功能具备在以往的涡轮分子泵中的控制电路部的微计算机、或使用的控制程序（软件）中。因此，能够利用许多现有功能同时仅通过将旋转方向的修正附加为最小限度的追加功能来进行旋转方向的检测。

再有，本发明不限定于上述的实施方式，能够进行各种变形。例如，在上述的实施方式中，利用上下之中的上部的径向方向位移传感器30C的输出信号（位置信号）来检测转子轴21的位移，但是，不限定于此，也可以利用例如下部的径向方向位移传感器30C的输出信号（位置信号）。

此外，在图8所示的S1的处理中，在使电动机16的低速旋转控制不为OFF的情况下使转子轴21进行偏倚工作，但是，也可以使低速旋转控制为OFF，而使转子轴21触地，进行如S1以后所示的旋转方向检测的处理。

在图12中示出了使转子轴21触地的实施方式中的位置信号的变化。在图12中，与先前的实施方式的图10同样，通过圆点示出取得位置信号（Xi，Yi）的位置，连续的点经由直线依次连结。进而，图12中的箭头F示出转子轴21的公转方向，该公转方向与先前的实施方式中的图9（a）、（b）的箭头F一致。

此外，在图12中的左上部示出的点P与先前的实施方式中的图10同样，示出了最后取得的位置信号（Xi，Yi）的位置（轨迹46的终点）。进而，在图中的中央示出的点Q示出了使磁性轴承30、31为ON来使转子轴21高速地稳定旋转的情况下的、转子轴21的轴心的位置。在此，图12也与先前的实施方式同样，例示了从上下的径向方向位移传感器30C之中的位于上部的径向方向位移传感器30C得到的位置信号（Xi，Yi）所产生的轨迹46。

在像这样使转子轴21触地的情况下，与示出不触地的情况的图10的例子相比，X轴和Y轴中的轨迹的范围扩展，位置信号（Xi，Yi）的图形相对变大，但是，能够与不触地的情况下同样地进行旋转方向的检测。

附图标记的说明

10涡轮分子泵（真空泵）

11泵主体

16电动机

21转子轴

30径向磁性轴承（磁性轴承）

30C径向方向位移传感器（位移传感器）

36、37保护轴承（保护轴承）

112转子（旋转子）

130微计算机（控制单元）。

Claims (2)

1.一种真空泵，其特征在于，具备：

转子轴；

电动机，使所述转子轴旋转；

磁性轴承，使所述转子轴磁性悬浮；

保护轴承，在与所述转子轴之间存在规定的间隙；

位移传感器，检测所述转子轴的位置；以及

控制单元，可进行所述电动机或所述磁性轴承的控制，

所述控制单元：

至少可变为使所述转子轴进行相对高速的自转的第一状态、以及使所述转子轴一边在与所述保护轴承之间的所述间隙的范围内偏倚公转一边进行相对低速的自转的第二状态，

取得所述位移传感器的输出信息，

在所述第二状态下，求取基于所述输出信息的所述转子轴的旋转方向，

判定所述旋转方向是否正常，

在所述旋转方向不正常的情况下，停止旋转，使旋转速度向正常的旋转方向上升。

2.一种真空泵的控制装置，连接到真空泵主体，所述真空泵主体具备：

转子轴；

电动机，使所述转子轴旋转；

磁性轴承，使所述转子轴磁性悬浮；

保护轴承，在与所述转子轴之间存在规定的间隙；以及

位移传感器，检测所述转子轴的位置，

所述真空泵的控制装置至少可变为使所述转子轴进行相对高速的自转的第一状态、以及使所述转子轴一边在与所述保护轴承之间的所述间隙的范围内偏倚公转一边进行相对低速的自转的第二状态，

所述真空泵的控制装置的特征在于，

取得所述位移传感器的输出信息，

在所述第二状态下，求取基于所述输出信息的所述转子轴的旋转方向，

判定所述旋转方向是否正常，

在所述旋转方向不正常的情况下，停止旋转，使旋转速度向正常的旋转方向上升。

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