JP2007082370A - Ｄｃブラシレスモータ装置および回転真空ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】 非同期回転駆動されるロータ停止状態から低回転速度域においても、充分な加速トルクを得ることができるＤＣブラシレスモータ装置の提供。
【解決手段】 パターン記憶部７９には、回転パルス信号Ｇが発生されるロータ回転位置に対応する通電パターンよりも１つ後に形成される通電パターンを記憶する。モータロータ６２が停止状態から所定回転速度となるまでは、モータ駆動波形生成回路７２は通電パターンをモータロータ６２の回転に非同期で生成する。そして、回転パルス信号Ｇが発生される毎に、通電パターンをパターン記憶部７９に記憶されている通電パターンに置き換えてから順に生成させる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、ＤＣブラシレスモータ装置およびそのＤＣブラシレスモータ装置が搭載された回転真空ポンプに関する。

ターボ分子ポンプ（ＴＭＰ）は、固定翼に対して回転翼が形成されたロータを高速回転することにより真空排気を行っている。ロータを回転駆動するモータとしては、ＤＣブラシレスモータが知られている。一般的に、ＤＣブラシレスモータでは、ロータの磁極を検知してロータの回転位置を検出するためにホール素子が用いられる。

ところが、ホール素子は耐放射線性能および耐熱性がポンプ本体の他の部品に比べて劣るため、ホール素子に代えてインダクタンスセンサを用いる技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この方式では、モータロータの磁極を直接検出する代わりに、回転軸に凹凸面を有するターゲットを装着し、その凹凸面と対向するようにインダクタンスセンサを配置して、ターゲットとの距離の変化を検出して回転位置を検出するようにしている。

特開２００１−２３１２３８号公報

しかしながら、上述したようなインダクタンスセンサ方式では、ターゲットを回転軸に固定する際に、モータロータの磁極位置とターゲットとの位相を正確に合わせる必要があり、組み立て作業に時間がかかるとともに、厳密に位相を一致させるのは困難であった。

このような問題に対して、本発明者は特願２００５−１４５３２４号において、モータロータの回転と同期して得られる同期信号を、回転速度情報および位相差情報に基づいて補正することにより回転位置信号を算出し、その回転位置信号によりモータ駆動信号を生成する技術を提案している。

ところで、そのような回転位置信号を算出は、安定した回転周波数が得られる程度まで回転速度を上げる必要があり、そのような回転速度となるまでは非同期で回転させる必要があった。しかし、完全に非同期で駆動した場合には十分な回転トルクが得られない場合があり、ロータ重量が重い場合には安定した回転周波数が得られる程度まで加速できなくなるおそれがあった。

請求項１の発明は、モータステータの各相印加電圧の組み合わせパターンである通電パターンをロータ回転位置に応じて複数形成し、モータロータを磁極位置と同期して回転駆動するＤＣブラシレスモータ装置に適用され、モータロータの回転に同期した同期信号を発生する信号生成手段と、モータロータの磁極位置情報である回転位置信号と同期信号との位相差情報が予め記憶される位相差記憶手段と、同期信号に基づいてモータロータの回転速度情報を検出する回転速度検出手段と、モータロータの回転中に得られる同期信号を回転速度情報および位相差記憶手段に記憶されている位相差情報に基づいて補正することにより、回転位置信号を算出する信号演算手段と、信号演算手段で算出された回転位置信号に基づいて、複数の通電パターンをモータロータの回転に同期して生成する通電パターン生成手段と、同期信号が発生されるロータ回転位置に対応する通電パターンよりも１つ後に形成される通電パターンを記憶するパターン記憶手段と、（ａ）モータロータが停止状態から所定回転速度となるまではモータロータの回転に非同期の複数の通電パターンを生成して回転駆動するとともに、同期信号が発生される毎に通電パターンをパターン記憶手段に記憶されている通電パターンに置き換えてから順に生成させ、（ｂ）モータロータが所定回転速度となったならば、通電パターン生成手段により生成された通電パターンによりモータロータを同期回転駆動するモータ始動制御手段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ＤＣブラシレスモータ装置において、通電パターン生成手段は、複数の通電パターンの各パターン間に形成され、その前後の通電パターンを交互に複数配した中間状態通電パターンを、複数の通電パターンに加えてさらに生成し、パターン記憶手段には、同期信号が発生されるロータ回転位置に対応する通電パターンよりも２つ後に形成される通電パターンが記憶されるようにしたものである。
請求項３の発明は、請求項１または２に記載のＤＣブラシレスモータ装置において、モータステータの少なくとも一つの相の逆起電圧に基づいて位相差情報を算出する位相差演算手段を備え、位相差記憶手段は位相差演算手段により算出された位相差情報を記憶するようにしたものである。
請求項４の発明による回転真空ポンプは、請求項１〜３のいずれかに記載のＤＣブラシレスモータ装置を、ポンプロータの回転駆動手段として備えることを特徴とする。

本発明によれば、同期信号が発生される毎に通電パターンをパターン記憶手段に記憶されている通電パターンに置き換えてから順に生成させるようにしたので、ロータ停止状態から低回転速度域においても充分な加速トルクを得ることができる。

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ＤＣブラシレスモータ装置の一実施の形態を示す図であり、ＤＣブラシレスモータ装置が組み込まれた磁気軸受式ターボ分子ポンプの概略構成を示すブロック図である。ターボ分子ポンプはポンプ本体１と電源装置２とから構成されている。図１に示す例では、ポンプ本体１と電源装置２とをケーブルで接続するような構成としているが、ポンプ本体１と電源装置２とを一体で構成する場合もある。

ポンプ本体１には、回転翼（後述する）が形成されたロータ４が設けられている。ロータ４は磁気軸受５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。モータ６にはＤＣブラシレスモータが用いられる。一方、電源装置２には、モータ６（ＤＣブラシレスモータ）を駆動するモータ制御部７と、磁気軸受５に供給される励磁電流を制御する軸受制御部８とを備えている。

図２はポンプ本体１の詳細を示す断面図である。ポンプ本体１のケーシング１０の内部に配設されたロータ４には、複数段の回転翼４１およびネジロータ部４２が形成されている。上下に並んだ回転翼４１の各段の間には、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。

ロータ４のシャフト部４５にはＤＣブラシレスモータ６のモータロータ６２が装着されており、モータロータ６２には永久磁石が内蔵されている。一方、ベース３側には、回転磁界を形成するためのＵ相巻線，Ｖ相巻線およびＷ相巻線を有するモータステータ６１が設けられている。シャフト部４５の下端にはセンサターゲット４６が設けられており、センサターゲット４６と対向する位置には回転位置センサ４７が設けられている。

回転位置センサ４７は、センサターゲット４６との距離を検出する距離センサであり、本実施の形態ではインダクタンスセンサが用いられている。回転位置センサ４７としては、ロータ回転と同期した信号を出力するものであれば上述したものに限らず、光エンコーダ等を用いても良い。

ロータ４を非接触支持する磁気軸受５（図１参照）は、図２に示すようにラジアル磁気軸受を構成する電磁石５１，５２とアキシャル磁気軸受を構成する電磁石５３とを有し、これらは５軸制御形磁気軸受を構成している。これらのラジアル電磁石５１，５２とアキシャル電磁石５３に対応して、ロータ４の位置を検出するためのラジアル変位センサ５５，５６およびアキシャル変位センサ５７が設けられている。１１，１２は非常用のメカニカルベアリングであり、１３はポンプ本体１と電源装置２とを接続するケーブルが接続されるコネクタである。

図３は、ＤＣブラシレスモータ装置を構成するモータステータ６１，モータロータ６２，センサターゲット４６，回転位置センサ４７およびモータ制御部７の概略構成を示すブロック図である。モータ制御部７は、回転パルス生成部７０，電源７１，モータ駆動波形生成回路７２，信号遅延部７３，回転速度検出部７４，遅延時間演算部７５，位相差記憶部７６，差分演算部７７，位相差測定部７８およびパターン記憶部７９を備えている。モータステータ６１に設けられたＵ相巻線，Ｖ相巻線およびＷ相巻線には、電源７１に接続されたモータ駆動波形生成回路７２により駆動電圧が印加される。

なお、図２では回転位置センサ４７をセンサターゲット４６のアキシャル方向（図示下方）に配設したが、図３では回転位置センサ４７をセンサターゲット４６のラジアル方向に配設した場合について示した。

図４は回転位置センサ４７とセンサターゲット４６との位置関係を示す図であり、（ａ）は回転位置センサ４７をセンサターゲット４６のアキシャル方向に配設した場合を示し、（ｂ）は回転位置センサ４７をセンサターゲット４６のラジアル方向に配設した場合を示す。図４（ａ）の場合、センサーターゲット４６の下面は段差ｈを有する凹凸面となっており、凸面４６ａおよび凹面４６ｂはそれぞれ回転角度に関して１８０度ずつに振り分けられている。

一方、図４（ｂ）のようにラジアル方向に回転位置センサ４７を配設する場合には、センサ対向面であるセンサターゲット４６の外周面に、段差ｈの凸面４６ａおよび凹面４６ｂが形成されている。回転位置センサ４７からは、段差ｈによるインダクタンスの変化に応じた信号が回転パルス生成部７０に出力される。回転パルス生成部７０では、後述する図５のタイムチャートに示すような回転パルス信号Ｇが生成される。回転パルス信号Ｇは、回転位置センサ４７がセンサターゲット４６の凸面４６ａに対向するとHigh（Ｈ）状態となり、逆に凹面４６ｂに対向するとLow（Ｌ）状態となる。

《回転位置信号の算出方法の説明》
本実施の形態では、モータロータ６２の回転と同期して得られる同期信号を回転速度情報および位相差情報に基づいて補正し、正しい回転位置信号を算出するようにしている。まず、正しい回転位置信号の算出方法について説明する。図３において、回転パルス生成部７０から出力される回転パルス信号Ｇは、信号遅延部７３、回転速度検出部７４および位相差測定部７８に入力される。位相差測定部７８は、回転パルス信号Ｇおよびモータステータ６１に印加される駆動電圧に基づいて、センサターゲット４６の段差部４６ｃの位置とモータロータ６２のＮ極とＳ極との境界面の位置との角度ズレθ（以下では、位相角度θと呼ぶ）を算出する。算出された位相角度θは、位相差記憶部７６に記憶される。なお、この位相角度θは、センサターゲット４６をシャフト部４５（図２参照）に固定する際の組み立て誤差等によって生じる。位相角度θの算出方法については後述する。

回転速度検出部７４は、回転位置センサ４７の回転パルス信号Ｇに基づいてモータロータ６２の回転周波数ｆを演算し、算出された回転周波数ｆを遅延時間演算部７５に出力する。また、得られた回転周波数ｆから回転周期Ｔ１＝１／ｆを算出し、回転周期Ｔ１を６分割して得られる通電パターン切替時間Ｔ１／６をモータ駆動波形生成回路７２に入力する。

遅延時間演算部７５は、位相差記憶部７６に記憶されている位相角度θと、回転速度検出部７４で算出されたロータ回転周波数ｆとに基づいて、磁極位置を表す回転位置信号Ｓと回転パルス信号Ｇとの間の遅延時間Δｔ（図５参照）を次式（１）に基づいて算出する。
Δｔ＝（１／ｆ）・（θ／３６０） …（１）

遅延時間演算部７５で算出された遅延時間Δｔは信号遅延部７３に入力される。信号遅延部７３は、入力された回転パルス信号Ｇと遅延時間Δｔとに基づいて正しい回転位置信号Ｓを生成し、その回転位置信号Ｓをモータ駆動波形生成回路７２に出力する。モータ駆動波形生成回路７２は、入力された回転位置信号Ｓおよび通電パターン切替時間Ｔ１／６に基づいて、モータステータ６１の各巻線（Ｕ，Ｖ，Ｗ）に駆動電圧を印加する。

図５は駆動電圧の通電パターンを説明する図であり、回転パルス生成部７０から出力される回転パルス信号Ｇ，信号遅延部７３から出力される回転位置信号Ｓ、およびＵ，Ｖ，Ｗ相に印加される電圧を示すタイムチャートである。図５における１周期目の回転位置信号Ｓの周期は、回転速度検出部７４で算出される回転パルス信号Ｇの周期Ｔ１と同一であるが、遅延時間Δｔだけ遅れて生成される。さらに、次の周期の回転位置信号Ｓは、２周期目の回転パルス信号Ｇ（周期Ｔ２）の立ち上がりからΔｔだけ遅れて立ち上がる。

モータ駆動波形生成回路７２では、２周期目の回転位置信号Ｓの立ち上がりと同期して通電パターンの生成を開始する。通電パターンの切り替えは、回転速度検出部７４から入力された通電パターン切替時間Ｔ１／６に基づいて行われる。さらに、３周期目の回転位置信号Ｓも３周期目の回転パルス信号Ｇに対してΔｔだけ遅れて立ち上がり、その回転位置信号Ｓの立ち上がりと同期して通電パターンが生成される。

２周期目の回転信号Ｓの周期は２周期目の回転パルス信号Ｇの周期Ｔ２と等しいが、加速時や減速時にはロータ回転速度が変化するので、１周期目の周期Ｔ１に対して一般的にＴ２≠Ｔ１となる。図５に示す例ではＴ２＜Ｔ１（加速状態）となっている。そのため、１周期目の信号波形の６番目の通電パターンの継続時間はＴ１／６よりも短くなる。

このように、回転位置センサ４７から出力される回転パルス信号Ｇを、回転周波数ｆおよび位相角度θから算出される遅延時間Δｔにより補正して正しい回転位置信号Ｓを算出し、その回転位置信号Ｓにより通電パターンを生成することにより、モータロータ６２の磁極位置と回転パルス信号Ｇとの間に位相角度θが生じていても同期駆動が可能となる。その結果、センサターゲット４６をシャフト部４５に固定する際に、段差部４６ｃの位置をモータロータ６２のＮ極とＳ極との境界面の位置と正確に一致させる必要がなく、組み立て作業の効率化を図ることができる。

なお、位相角度θを算出するためには、回転速度検出部７４で安定した回転周波数ｆが算出できる程度の回転速度でモータロータ６２が回転していることが必要となる。そのため、始動時においては、図５に示すような通電パターンと同様の駆動電圧をモータロータ６２の磁極位置とは無関係に非同期で生成し、その周期を順次短くすることによりロータ４を所定の回転速度まで加速する。そして、ロータ回転速度が、回転速度検出部７４により安定した回転周波数ｆが取得可能な所定回転速度となったならば、上述したような同期運転に移行する。

［位相差角度θの算出方法の説明］
次に、位相差測定部７８における位相角度θの算出方法について説明する。位相角度θを算出するためには、まず、停止状態にあるモータロータ６２を上述したように非同期で始動し、所定回転速度となったならばいったん駆動電圧をオフする。差分演算部７７にはＵ相に誘起される逆起電圧と中性点の電圧とが入力され、そこで「（差分）＝（逆起電圧）−（中性点電圧）」が算出される。図６（ａ）は差分信号の一例を示す図であり、周期的な差分信号の１周期分、すなわちロータ１回転分を示したものである。ここでは２極モータを例に説明しているので、１回転の間に差分信号の正負が１回ずつ現れている。

位相差測定部７８では、差分信号がゼロとなる点（ゼロクロス点）を検出する。このゼロクロス点Ｐと従来のホールセンサ等で検出される回転位置信号Ｓとの間に角度で３０度の位相差があることは、従来から知られている。一方、位相差測定部７８に入力された回転パルス信号Ｇ（図６（ｃ）参照）は、図６（ａ）の差分信号に対して位相がずれている。そこで、位相差測定部７８は、ゼロクロス点Ｐが検出されるタイミングと回転パルス信号Ｇの立ち上がりのタイミングとの時間差Ｔと、所定の位相差３０度と、回転速度検出部７４で検出される回転周期Ｔ１とに基づいて、次式（２）により回転パルス信号Ｇと回転位置信号Ｓとの位相差θ（＝位相角度θ）を算出する。
θ＝（Ｔ／Ｔ１）×３６０−３０ …（２）

この位相差θは位相角度θとして位相差記憶部７６に記憶される。いったん位相角度θが取得された後は、上述したように信号遅延部７３により回転位置信号Ｓを生成し、モータロータ６２の磁極位置に同期してモータ駆動を行う。なお、上述したゼロクロス点を求める方法は、従来のセンサレスモータに用いられている方法と同様のものであるが、本実施の形態ではモータ駆動電圧をオフにして逆起電圧を測定するようにしているので、ＰＷＭ駆動時のスイッチングノイズ等が重畳されず、簡単な回路構成でゼロクロス点のタイミングを容易に取得することができる。

すなわち、従来のセンサレス駆動方式に比べて回転位置センサ４７がコストアップ要因となるが、制御系が簡素化されるためトータルではコスト削減効果がある。また、制御そのものがセンサレスの場合より簡単になり、安定度も向上する。

なお、上述した実施の形態では、Ｕ相の逆起電圧を利用したが、Ｖ相またはＷ相の逆起電圧を利用しても良い。また、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の一つの相の逆起電圧を計測し、その最大値Vmaxと最低値Vmin（＝０V）との中間電圧（Vmax−Vmin）／２を求め、その中間電圧と計測される逆起電圧とが一致するタイミングを上述したゼロクロス点の代わりに利用しても良い。その場合、位相差θは上記同様（２）式で算出される。さらにまた、２つの相の逆起電圧の差分、例えばＵ相の逆起電圧とＶ相の逆起電圧との差分を利用しても良い。その場合には、位相差θは次式（３）により算出される。
θ＝Ｔ／Ｔ１×３６０ …（３）

《より改善された始動方法に関する説明》
上述した例では、始動時はロータステータ６１の磁界を非同期で回転させて、位相角度θが算出できる程度まで非同期で加速するような制御について説明した。しかし、完全に非同期で駆動した場合には十分な回転トルクが得られず、ロータ４の重量が重いと位相角度θが算出できる程度まで加速できなくなるおそれがある。そこで、本実施の形態では、以下に述べるような回転制御を行うことにより、大重量のロータ４であっても確実に加速できるようにした。

［第１の例］
図７，８は、改善された始動方法の第１の例を説明する図である。まず、モータステータ６１の各Ｕ，Ｖ，Ｗ相に図７の通電パターン(1)の電圧を印加し、その状態を保つ。停止していたモータロータ６２は、モータステータ６１の磁界よって回転トルクが与えられてゆっくりと回転し、ステータ磁界の力と釣り合う位置で停止する。

この間、回転パルス信号Ｇの状態がオフからオンへと変化したか否かを検出する。図７に示す例では、回転パルス信号Ｇはオフ状態となっている。なお、図７の矢印は電流の流れる方向を示している。例えば、通電パターン(1)ではＶ相からＵ相へと電流が流れ、通電パターン(2)ではＷ相からＵ相へと電流が流れる。

次に、モータステータ６１のＵ，Ｖ，Ｗ相の各々に通電パターン(2)の電圧を印加し、モータロータ６２が停止するまでその通電状態を保持する。その結果、モータロータ６２は、通電パターン(1)の停止位置から６０度回転して停止する。そして、その間に回転パルス信号Ｇの状態がオフからオンへと変化したか否かを検出する。図７に示す例では、回転パルス信号Ｇはオフからオンへと変化する。このように回転パルス信号Ｇがオフからオンへ変化したならば、そのときの通電パターン(2)に対して一つ後の通電パターン(3)をパターン記憶部７９に記憶する。

同様に、モータステータ６１の各Ｕ，Ｖ，Ｗ相に通電パターン(3)，(4)，(5)，(6)の電圧を順に印加して、各々モータロータ６２が停止するまで待ち、その間に回転パルス信号Ｇの状態がオフからオンへと変化したか否かを検出する。そして、回転パルス信号Ｇの状態がオフからオンへ変化した場合には、そのときの通電パターンに対して一つ後の通電パターンをパターン記憶部７９に記憶する。このようにしてモータロータ６２を１回転させると、回転パルス信号Ｇがオフからオンへと変化する立ち上がりタイミングを必ず検出することができる。図７に示す回転パルス信号Ｇの場合には、上述したように通電パターン(2)において変化が検出され、通電パターン(2)よりも一つ後の通電パターン(3)がパターン記憶部７９に記憶される。

上述した通電パターンの記憶動作が終了したならば、モータの回転駆動を開始する。まず、停止状態にあるモータに対して通電パターン(1)〜(6)の順に電圧を印加する。そして、回転パルス信号Ｇがオフからオンに変化する立ち上がりタイミングが検出されたならば、そのときの通電パターンがどの状態であっても、パターン記憶部７９に記憶されている通電パターン(3)へと置き換え、その後、(3)、(4)、(5)…と順に切り替える。この場合、通電パターンの時間間隔をパターン切り替え毎に徐々に短くして、回転速度を加速させるようにする。

その後、回転パルス信号Ｇの周期が計測できるようになったならば、図８に示すように、１回前の周期Ｔ１を６分割した時間を通電パターンの切換時間として設定する。それ以降も、回転パルス信号Ｇの立ち上がりタイミングが検出されるたびに、通電パターン(3)への置き換えを行う。

図８に示す通電パターンでの駆動制御に移行した後に、位相角度θが算出できる程度に回転速度が上昇したならば、前述したように位相角度θを算出する。そして、回転パルス信号Ｇを遅延処理した正しい回転位置信号Ｓを求め、その回転位置信号Ｓを用いてモータロータ６２を同期駆動する。

このように、第１の例の始動方法では、回転パルス信号Ｇがオフからオンに立ち上がるときの通電パターン(2)の一つ後の通電パターン(3)を記憶し、回転駆動する際には、回転パルス信号Ｇの立ち上がりと同期して常に１パターン後の通電パターン(3)から開始するするようにしたので、完全に同期してはいないが概ね同期するような形で回転駆動を行うことができる。

そのため、非同期で回転駆動する場合に比べて回転トルクの向上を図ることができ、回転速度を効率よく加速させることができる。その結果、始動開始から位相角度θを推定までの時間を短縮することができ、早期に同期回転駆動に移行することができる。また、加速性能が向上するので、位相角度推定開始時の回転速度をより高回転域とすることができ、推定精度の向上を図ることができる。なお、立ち上がりタイミングの通電パターン(2)ではなく、一つ後の通電パターン(3)を通電パターン置き換えに用いたのは、適切な加速が得られるようにするためである。

［第２の例］
図９〜１１は、改善された始動方法に関する第２の例を説明する図である。図９は第１の例の図７に対応する図であって、回転パルス信号Ｇの状態がオフからオンへと変化するタイミングを検出する際の通電パターンを示したものである。第１の例では、モータロータ６２を６０度ずつ回転させて回転パルス信号Ｇの立ち上がりタイミングを検出したが、第２の例では図９のように通電パターンを切り替えることによりモータロータ６２を３０度ずつ回転させて検出するようにした。

図９に示すように、通電パターンは１２種類あり、(1)〜(6)は図７に示した通電パターン(1)〜(6)とそれぞれ同一である。一方、通電パターン(1')では、通電パターン(1)の状態と通電パターン(2)の状態とが交互に現れる中間状態となっており、Ｖ相，Ｗ相からＵ相へと電流が流れる状態となっている。すなわち、Ｖ相およびＷ相の電圧はＥとＥ／２の間で交互に変化しており、Ｖ相の電圧がＥのときにはＷ相の電圧はＥ／２となり、逆に、Ｖ相の電圧がＥ／２のときにはＷ相の電圧はＥとなっている。

通電パターン(2')では通電パターン(2)と通電パターン(3)とが交互に現れ、Ｗ相からＵ相およびＶ相へと電流が流れる状態となっている。通電パターン(3')では通電パターン(3)と通電パターン(4)とが交互に現れ、Ｗ相およびＵ相からＶ相へと電流が流れる状態となっている。通電パターン(4')では通電パターン(4)と通電パターン(5)とが交互に現れ、Ｕ相からＷ相およびＶ相へと電流が流れる状態となっている。通電パターン(5')では通電パターン(5)と通電パターン(6)とが交互に現れ、Ｕ相およびＶ相からＷ相へと電流が流れる状態となっている。通電パターン(6')では通電パターン(6)と通電パターン(1)とが交互に現れ、Ｖ相からＷ相およびＵ相へと電流が流れる状態となっている。

モータロータ６２を停止状態から始動する際には、まず、最初は通電パターン(1)で電圧を印加して停止状態となるまで待つ。次に、通電パターン(1')の電圧を印加する。通電パターン(1')には、通電パターン(1)と通電パターン(2)とが交互に現れる中間状態となっているため、モータロータ６２は通電パターン(1)の位置から３０度回転した位置で釣り合って停止することになる。

次いで、通電パターンを(1')から(2)に変更すると、モータロータ６２は通電パターン(1)の位置から６０度回転した位置、すなわち、通電パターン(1')から３０度回転した位置で釣り合って停止する。同様に、(2)、(2')、(3)、(3')、(4)、(4')、(5)、(5')、(6)、(6')、(1)の順に通電パターンを切り替える。この回転の間に、図９の回転パルス信号ＧＢように回転パルス信号が変化した場合には、通電パターン(1')を印加した際に、回転パルス信号ＧＢがオフからオンに変化する立ち上がりのタイミングが検出される。

ところで、第１の例では、回転パルス信号Ｇの状態がオフからオンへと変化するタイミングを検出するための通電パターンと、実際に回転駆動するための通電パターンとは同じものが使用された。第２の例では、立ち上がりタイミングの検出には上述した図９に示す通電パターンを使用し、実際に回転駆動するための通電パターンは図１０に示すものを使用する。図１０の場合も１２の通電パターン(1)、(1')、(2)、(2')〜(6)、(6')により形成されるが、通電パターン(1')〜(6')は図９に示したものと異なり、それぞれ通電パターン(1)〜(6)と同一パターンとなっている。すなわち、図７に示した波形を６分割から１２分割に変更したものになっている。

立ち上がりタイミングの検出動作時において、上述したように通電パターン(1')を印加した際に信号の立ち上がりが検出された場合には、図１０における通電パターン(1')の２つ後の通電パターン(2')がパターン記憶部７９に記憶される。また、回転パルス信号Ｇが図９の回転パルス信号ＧＡのように変化する場合には、立ち上がりタイミングが検出される通電パターン(1)よりも２つ後の通電パターン(2)が記憶される。

このように第２の例の場合には、モータロータ６２を３０度ずつ回転して立ち上がりタイミングを検出するようにしたので、回転パルス信号Ｇの立ち上がりタイミング検出の位置精度が向上する。例えば、第１の例の場合には、図９の回転パルス信号ＧＡ，ＧＢのいずれの場合でも、０〜６０度の範囲の通電パターン(1)のときに立ち上がりが検出される。しかし、第２の例では、回転パルス信号ＧＡの場合には０〜３０度の範囲の通電パターン(1)のときに立ち上がりが検出され、回転パルス信号ＧＢの場合には３０〜６０度の範囲の通電パターン(1')のときに立ち上がりが検出される。

立ち上がりタイミングを検出することにより通電パターンの記憶動作が終了したならば、次に、第１の例の場合と同様に、停止状態にあるモータに対して図１０の通電パターン(1)，(1')，(2)，(2')〜の順に電圧を印加する。そして、回転パルス信号Ｇがオフからオンに変化する立ち上がりタイミングが検出されたならば、そのときの通電パターンがどの状態であっても、パターン記憶部７９に記憶されている通電パターン(2')へと置き換え、その後、(3)、(3')、(4)、(4')…の順に通電パターンを切り替える。この場合、通電パターンの時間間隔をパターン切り替え毎に徐々に短くして、回転速度を加速させるようにする。

その後、回転パルス信号Ｇの周期が計測できるようになったならば、図１１に示すように１回前の回転パルス信号Ｇの周期Ｔ１を１２分割し、その１２分割した時間を通電パターンの切替時間として設定する。それ以降も、回転パルス信号Ｇの立ち上がりタイミングが検出されるたびに、通電パターン(2')への置き換えを行う。なお、上述した説明では、始動時から図１０に示す通電パターンを用いて回転駆動したが、立ち上がりタイミング検出の際に用いた図９の通電パターンを用いるようにしても良い。この場合には、パターン記憶部７９に記憶される通電パターンは図９に示すパターンの一つである。

図１１に示す通電パターンでの駆動制御に移行した後に、位相角度θが算出できる程度に回転速度が上昇したならば、第１の例の場合と同じように位相角度θを算出し、回転パルス信号Ｇを遅延処理した正しい回転位置信号Ｓを求め、その回転位置信号Ｓを用いてモータロータ６２を同期駆動する。

上述した実施の形態では、回転パルス信号Ｇの立ち上がりタイミングを検出して通電パターンを予め記憶し、回転駆動時に回転パルス信号Ｇの立ち上がりを検出するたびに通電パターンの置き換えを行うようにした。しかし、回転パルス信号Ｇの立ち上がりではなく、オンからオフへの変化である信号の立ち下がりタイミングを検出して通電パターンを記憶し、立ち下がりを検出するたびに通電パターンの置き換えるようにしても良い。さらに、立ち上がりと立ち下がりの両方で通電パターンの置き換えを行うようにしても良い。

上述したように、回転パルス信号Ｇの立ち上がりタイミングと通電パターンとの関係を求める際には、モータロータ６２が磁界と釣り合って停止するようにゆっくりと通電パターンを切り替え、回転パルス信号Ｇの立ち上がりタイミングにおける通電パターンを検出するようにした。このような立ち上がり時の通電パターンの検出およびパターン記憶部７９への記憶は、モータ制御部７がモータ回転始動前に自動的に行っても良いし、また、出荷段階で測定してパターン記憶部７９に記憶しておくようにしても良い。回転パルス信号Ｇの立ち上がりタイミングと通電パターンとの関係はいったん検出すればその後変化しないので、モータ制御部７で自動的に検出・記憶させる場合や、始動前に既にパターン記憶部７９に通電パターンが記憶されているときには検出動作を省略するようにするのが好ましい。

また、本実施の形態では２極モータを例に説明したが、他の極数のモータに対しても同様に本発明を適用することができる。なお、位相差記憶部７６に予め記憶される位相角度θの求め方としては、例えば、角度ずれを実際に測定しても良いし、ロータ４を外的駆動力（例えば、手で回転させても良い）により回転させ、そのときに各相に誘起される逆起電圧を利用して求めても良い。得られた位相角度θは、出荷前に予め位相差記憶部７６に記憶させておく。

なお、上述した実施の形態では、ターボ分子ポンプに搭載されたＤＣブラシレスモータ装置を例に説明したが、本発明によるＤＣブラシレスモータ装置は、ターボ分子ポンプに限らずドラッグ真空ポンプ等の回転真空ポンプのポンプロータ駆動装置として用いることができる。

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、センサターゲット４６および回転位置センサ４７は信号生成手段を、位相角度θは位相差情報を、回転周波数ｆは回転速度情報を、信号遅延部７３および遅延時間演算部７５は信号演算手段を、モータ駆動波形生成回路７２は通電パターン生成手段を、モータ制御部７はモータ始動制御手段を、位相差測定部７８は位相差演算手段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。

本発明によるＤＣブラシレスモータ装置の一実施の形態を示す図である。 ポンプ本体１の詳細を示す断面図である。 センサターゲット４６と回転位置センサ４７との関係を示す図であり、（ａ）は回転位置センサ４７をアキシャル方向に配設した場合を示し、（ｂ）は回転位置センサ４７をラジアル方向に配設した場合を示す。 ＤＣブラシレスモータ装置の構成を示すブロック図である。 駆動電圧の通電パターンを説明する図である。 位相角度θの検出動作を説明する図であり、（ａ）は差分信号を、（ｂ）は回転位置信号Ｓを、（ｃ）は回転パルス信号Ｇを示す。 第１の例の通電パターンを示す図である。 通電パターン切替時間として、１回前の回転パルス信号Ｇの周期Ｔ１を６分割したものを用いる場合の通電パターンを示す図である。 第２の例における立ち上がり検出用の通電パターンを示す図である。 回転駆動用通電パターンを示す図である。 通電パターン切替時間として、１回前の回転パルス信号Ｇの周期Ｔ１を１２分割したものを用いる場合の通電パターンを示す図である。

符号の説明

１：ポンプ本体 ２：電源装置
４：ロータ ６：モータ
７：モータ制御部 ４６：センサターゲット
４７：回転位置センサ ６１：モータステータ
６２ ：モータロータ ７０：回転パルス生成部
７２：モータ駆動波形生成回路 ７３：信号遅延部
７４：回転速度検出部 ７５：遅延時間演算部
７６：位相差記憶部 ７７：差分演算部
７８：位相差測定部 ７９：パターン記憶部

Claims (4)

1. モータステータの各相印加電圧の組み合わせパターンである通電パターンをロータ回転位置に応じて複数形成し、モータロータを磁極位置と同期して回転駆動するＤＣブラシレスモータ装置において、
   前記モータロータの回転に同期した同期信号を発生する信号生成手段と、
   前記モータロータの磁極位置情報である回転位置信号と前記同期信号との位相差情報が予め記憶される位相差記憶手段と、
   前記同期信号に基づいて前記モータロータの回転速度情報を検出する回転速度検出手段と、
   前記モータロータの回転中に得られる前記同期信号を前記回転速度情報および前記位相差記憶手段に記憶されている位相差情報に基づいて補正することにより、前記回転位置信号を算出する信号演算手段と、
   前記信号演算手段で算出された回転位置信号に基づいて、前記複数の通電パターンを前記モータロータの回転に同期して生成する通電パターン生成手段と、
   前記同期信号が発生されるロータ回転位置に対応する通電パターンよりも１つ後に形成される通電パターンを記憶するパターン記憶手段と、
   （ａ）前記モータロータが停止状態から所定回転速度となるまでは前記モータロータの回転に非同期の前記複数の通電パターンを生成して回転駆動するとともに、前記同期信号が発生される毎に通電パターンを前記パターン記憶手段に記憶されている通電パターンに置き換えてから順に生成させ、（ｂ）前記モータロータが所定回転速度となったならば、前記通電パターン生成手段により生成された通電パターンにより前記モータロータを同期回転駆動するモータ始動制御手段とを備えたことを特徴とするＤＣブラシレスモータ装置。
2. 請求項１に記載のＤＣブラシレスモータ装置において、
   前記通電パターン生成手段は、前記複数の通電パターンの各パターン間に形成され、その前後の通電パターンを交互に複数配した中間状態通電パターンを、前記複数の通電パターンに加えてさらに生成し、
   前記パターン記憶手段は、前記同期信号が発生されるロータ回転位置に対応する通電パターンよりも２つ後に形成される通電パターンを記憶することを特徴とするＤＣブラシレスモータ装置。
3. 請求項１または２に記載のＤＣブラシレスモータ装置において、
   モータステータの少なくとも一つの相の逆起電圧に基づいて前記位相差情報を算出する位相差演算手段を備え、前記位相差記憶手段は前記位相差演算手段により算出された位相差情報を記憶することを特徴とするＤＣブラシレスモータ装置。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載のＤＣブラシレスモータ装置を、ポンプロータの回転駆動手段として備えることを特徴とする回転真空ポンプ。

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