JP2007192042A - 真空ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】温度感知用磁性体と検出コイルとのギャップが変動しても、ロータ温度を精度良く検出できる真空ポンプの提供。
【解決手段】磁性体１０２に関する検出信号を、切り欠き１０３に関する下側信号と磁性体１０４に関する上側信号との差信号により規格化補正し、その規格化補正信号（Ｓ−Ｌ）／（Ｈ−Ｌ）と閾値レベルとを比較することにより、ロータ温度が磁性体１０２のキュリー温度を超えたか否かを判断する。規格化補正信号を用いたことで、キュリー温度前後の信号変化をギャップ寸法に依らずほぼ同一とすることが可能となり、ギャップ変動の影響を受けることなく温度判定を正確に行うことができる。
【選択図】図７

Description

本発明は、磁性体のキュリー温度を利用してロータ温度を判定したり、その判定結果を用いてロータ回転の制御を行う真空ポンプに関する。

ターボ分子ポンプでは、ロータ材料としてアルミ合金が一般的に用いられている。アルミ合金はクリープ変形の許容温度が比較的低い温度（約１１０℃〜１３０℃）であるため、ポンプ運転時にはロータ温度がこの許容温度以下になるように常に監視する必要がある。そのため、強磁性体の透磁率がキュリー温度において大きく変化することを利用して、ロータ温度を非接触で検出する方法も知られている（例えば、特許文献１参照）。この従来の方法では、リング状の強磁性体をロータ外周に装着し、キュリー温度における強磁性体の透磁率変化をインダクタンス検出用コイルにより検出するようにしている。

特開平７−５０５１号公報

しかしながら、上述した従来の検出方法では、検出コイルとキュリー温度検出用磁性体の隙間の変動が、検出コイルのインダクタンス変化幅に大きく影響し、透磁率の変化を精度良く検出できないという問題があった。

請求項１の発明は、ステータに対してロータを回転することによりガスを排気する真空ポンプに適用され、ロータに設けられ、ロータの温度監視範囲内にキュリー温度を有する磁性体と、ロータに設けられ、キュリー温度より高温状態にある磁性体の透磁率にほぼ等しい透磁率を有する高温側基準被検体と、ステータに設けられ、磁性体および被検体のそれぞれの透磁率に応じた検出信号を出力する検出部と、磁性体に関する検出信号と高温側基準被検体に関する検出信号との差信号に基づいて、ロータの温度を検出する温度検出手段とを設けたことを特徴とする。
請求項２の発明は、ステータに対してロータを回転することによりガスを排気する真空ポンプに適用され、ロータに設けられ、ロータの温度監視範囲内にキュリー温度を有する磁性体と、ロータに設けられ、キュリー温度より高温状態にある磁性体の透磁率にほぼ等しい透磁率を有する高温側基準被検体と、ロータに設けられ、キュリー温度より低温状態にある磁性体の透磁率にほぼ等しい透磁率を有する低温側基準被検体と、ステータに設けられ、磁性体、高温側基準被検体および低温側基準被検体のそれぞれの透磁率に応じた検出信号を出力する検出部と、高温側基準被検体に関する検出信号および低温側基準被検体に関する検出信号に基づいて、磁性体に関する検出信号を補正する補正手段と、補正手段で補正された補正後検出信号に基づいてロータの温度を検出する温度検出手段とを設けたことを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項２に記載の真空ポンプにおいて、補正手段は、磁性体に関する検出信号を、高温側基準被検体に関する検出信号と低温側基準被検体に関する検出信号との差信号に基づいて規格化補正するようにしたものである。
請求項４の発明は、請求項２または３に記載の真空ポンプおいて、磁性体に関する検出信号をＳ、高温側基準被検体に関する検出信号をＬ、低温側基準被検体に関する検出信号をＨとした場合に、補正手段が、補正後検出信号としてＳ／（Ｈ−Ｌ）、（Ｓ−Ｌ）／（Ｈ−Ｌ）、（Ｓ−Ｈ）／（Ｈ−Ｌ）および（Ｈ−Ｓ）／（Ｈ−Ｌ）のいずれか一つを出力するものである。
請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれか一項に記載の真空ポンプにおいて、高温側基準被検体は、ロータの検出部対向面に形成された凹部空間または非磁性体により構成されるものである。
請求項６の発明は、請求項２〜５のいずれか一項に記載の真空ポンプにおいて、磁性体は、ロータ上のロータ回転軸を中心とした第１の円周上に配設され、低温側基準被検体は、ロータ上のロータ回転軸を中心とした第２の円周上に配設され、高温側基準被検体は、第１の円周および第２の円周に跨るように配設され、検出部が、磁性体および高温側基準被検体を検出する第１の検出部と、低温側基準被検体および高温側基準被検体を検出する第２の検出部とを備えたことを特徴とする。
請求項７の発明は、請求項１〜６のいずれか一項に記載の真空ポンプにおいて、磁性体はキュリー温度の異なる複数の磁性部材を含み、温度検出手段が、複数の磁性部材の各キュリー温度に応じて複数の温度を検出するようにしたものである。
請求項８の発明は、請求項７に記載の真空ポンプにおいて、複数の磁性部材には、キュリー温度付近における透磁率が温度変化に対して緩やかに変化する磁性部材が含まれ、温度検出手段は、透磁率が緩やかに変化する磁性部材に関する検出信号に基づいて、ロータの温度の連続的な変化を検出するものである。
請求項９の発明は、請求項１〜８のいずれか一項に記載の真空ポンプにおいて、基準被検体に関する検出信号に基づいて、検出部が正常動作しているか否かを判定する判定手段をさらに備えたものである。
請求項１０の発明は、請求項１〜９のいずれか一項に記載の真空ポンプにおいて、ロータは、モータ回転子が設けられたシャフトと、そのシャフトの端部に設けられるとともにポンプ排気機能部が形成されたポンプロータ部とから成り、被検体の各々を、端部に設けるようにしたものである。

本発明によれば、磁性体に関する検出信号と高温側基準被検体に関する検出信号との差信号や、高温側基準被検体および低温側基準被検体の各検出信号に基づいて補正された信号に基づいて、ロータの温度を検出するようにしたので、ロータ温度を精度良く検出できる。

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。
−第１の実施形態−
図１は本発明による真空ポンプの一実施の形態を示す図であり、磁気軸受式ターボ分子ポンプのポンプ本体１とコントローラ３０の概略構成を示したものである。ロータ２が取り付けられたシャフト３は、ベース４に設けられた電磁石５１，５２，５３によって非接触支持されている。シャフト３の浮上位置は、ベース４に設けられたラジアル変位センサ７１，７２およびアキシャル変位センサ７３によって検出される。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、変位センサ７１〜７３とで５軸制御型磁気軸受が構成される。

シャフト３の下端には円形のディスク４１が設けられており、このディスク４１を上下に挟むように電磁石５３が設けられている。この電磁石５３によりディスク４１を吸引することにより、シャフト３がアキシャル方向に浮上する。ディスク４１はナット４２によりシャフト３の下端部に固定されており、シャフト３と一体で回転する。

ロータ２には、回転軸方向に沿って複数段の回転翼８が形成されている。上下に並んだ回転翼８の間には固定翼９がそれぞれ配設されている。これらの回転翼８と固定翼９とにより、ポンプ本体１のタービン翼段が構成される。各固定翼９は、スペーサ１０によって上下に挟持されるように保持されている。スペーサ１０は、固定翼９の保持機能とともに、固定翼９間のギャップを所定間隔に維持する機能を有している。

さらに、固定翼９の後段（図示下方）にはドラッグポンプ段を構成するネジステータ１１が設けられており、ネジステータ１１の内周面とロータ２の円筒部１２との間にはギャップが形成されている。ロータ２およびスペーサ１０によって保持された固定翼９は、吸気口１３ａが形成されたケーシング１３内に納められている。ロータ２が取り付けられたシャフト３を電磁石５１〜５３により非接触支持しつつモータ６により回転駆動すると、吸気口１３ａ側のガスは矢印Ｇ１のように背圧側（空間ＳＰ）に排気される。背圧側に排気されたガスは、排気口２６に接続された補助ポンプにより排出される。

本実施の形態のターボ分子ポンプではロータ温度を非接触で検出するために、ロータ２側にキュリー温度感知用の磁性体１０２が、ステータ側に磁性体１０２の透磁率変化を検出するための検出コイル４４がそれぞれ設けられている。検出コイル４４により透磁率を監視して磁性体１０２がキュリー温度を越えたか否かを判定し、その判定結果によりロータ温度を推定する。

磁性体１０２にはフェライト等の強磁性体が用いられ、シャフト３に形成されたフランジ１０１に埋め込まれるように設けられている。また、フランジ１０１には、切り欠き１０３が形成されている。ステータ側のフランジ１０１と対向する位置には、上述した検出コイル４４が設けられている。シャフト３が回転すると、磁性体１０２および切り欠き１０３が検出コイル４４に対向する。図２は、シャフト３のフランジ１０１部分を、検出コイル４４側から見た図である。

ターボ分子ポンプ本体１は、コントローラ３０によって駆動制御される。コントローラ３０には、磁気軸受を駆動制御する磁気軸受駆動制御部３２およびモータ６を駆動制御するモータ駆動制御部３３が設けられている。温度検出部３１には上述した検出コイル４４の出力信号が入力され、温度検出部３１はロータ温度モニタ信号をモータ駆動制御部３３および警報部３４に出力する。なお、ロータ温度モニタ信号をコントローラ３０の外部に出力できる出力端子を設けるようにしても良い。警報部３４はロータ温度異常などの警報情報をオペレータに提示する警報手段であり、警告音を発生するスピーカや警告を表示する表示装置などにより構成される。

ところで、特許文献１に記載の発明では、ロータ外周に装着された強磁性体の透磁率変化をインダクタンス検出用コイルにより検出するようにしているので、強磁性体とコイルのとの隙間が変化すると透磁率の変化を精度良く検出できないという問題があった。

図３は、検出コイル４４と磁性体１０２とのギャップ寸法が異なる場合の、検出されるインダクタンスの違いを説明する図である。図３（ａ）は検出コイル４４と磁性体１０２との位置関係を示したものであり、左右方向に並べて図示した。検出コイル４４は、磁性体１０２との間に数ｍｍ程度のギャップを設けて配設されている。

図３（ｂ）は、温度と磁性体１０２の透磁率（比透磁率）との関係を示す図である。磁性体１０２の温度が上昇し、キュリー温度Ｔｃを超えると急激に透磁率が低下する。このような変化は、磁性体１０２が強磁性体から常磁性体に変わることにより生じ、キュリー温度Ｔｃを大きく越えた温度では、比透磁率は十分低下して常磁性体透磁率である１近くになる。

検出コイル４４および磁性体１０２間のギャップ寸法は、ステータ４と高速回転するロータ２との位置関係に依存して刻々と変化する。図３（ｃ）は、ギャップ寸法が２ｍｍおよび０．７ｍｍの場合の、磁性体温度と検出コイル４４のインダクタンスとの関係を示す図である。磁性体温度がキュリー温度Ｔｃ（約１０３℃）を越えると、インダクタンスは減少する。

しかし、ギャップ寸法が０．７ｍｍの場合にはインダクタンスが大きく減少するが、ギャップ寸法が２ｍｍの場合には減少の程度が非常に少なく、０．７ｍｍの場合に比べて１／５程度になっている。また、ギャップ寸法が２ｍｍの場合には、インダクタンスの出力レベル自体が小さいという問題もある。そのため、このようにギャップ寸法が変動した場合には、ギャップ寸法２ｍｍおよび０．７ｍｍの両方に対して、キュリー温度Ｔｃを検出することができるインダクタンス閾値を設定することは不可能である。

例えば、閾値を５．５ｍＨに設定すると、ギャップ寸法０．７ｍｍに対してはキュリー温度検出ができるが、ギャップ寸法２ｍｍの場合にはキュリー温度検出ができない。一方、閾値を４．５ｍＨに設定すると、ギャップ寸法２ｍｍに対してはキュリー温度検出ができるが、ギャップ寸法０．７ｍｍの場合にはキュリー温度検出ができない。

そこで、本実施の形態では、図３（ｂ）に示すキュリー点より少し下の温度Ｔ１におけるインダクタンス信号（上側信号Ｈと呼ぶ）と、磁性体１０２の比透磁率がほぼ１となる温度Ｔ２におけるインダクタンス信号（下側信号Ｌと呼ぶ）とを用いて、インダクタンス信号Ｓを次式（１）のように規格化する。そして、この規格化インダクタンスＳ１０を用いてロータ温度を推定する。
Ｓ１０＝（Ｓ−Ｌ）／（Ｈ−Ｌ） …（１）

ところで、磁性体１０２に関するインダクタンス信号Ｓ１０だけを検出する場合、上述した上側信号Ｈや下側信号Ｌは常時検出されるわけではなく、対応する温度となった場合にのみ検出される。特に、下側信号Ｌの場合には、ロータ温度がキュリー温度を超えない限り検出されない。そのため、本実施の形態では、上側信号Ｈや下側信号Ｌを検出するための被検体（ターゲット）を、磁性体１０２とは別に設けるようにした。それにより、上述した規格化インダクタンスＳ１０を、ロータ温度に関係なく常時検出できるようにした。

図４は、２種類のギャップ寸法２ｍｍおよび０．７ｍｍに対して、式（１）で算出される規格化インダクタンスＳ１０を示したものである。規格化を行うことにより、ギャップ寸法２ｍｍの場合の曲線と、ギャップ寸法０．７ｍｍの場合の曲線とがほぼ一致するようになる。すなわち、規格化インダクタンスＳ１０は、大幅なギャップ変動があってもほとんど変動することがなく、同一の閾値を用いてキュリー温度を安定して検出することができる。

図２に示す例は、上側信号Ｈを省略して、差信号（Ｓ−Ｌ）を求める場合の構成を示したものである。フランジ１０１（図２参照）に設けられた温度感知用の磁性体１０２にはフェライトが用いられており、それらのキュリー温度が検出したい温度域にある材料が選ばれる。例えば、ロータ２を構成するアルミ合金材料の場合、クリープ変形の許容温度は１１０℃〜１３０℃であるので、この場合には、この許容温度範囲内にキュリー温度を有する磁性体が選ばれる。また、許容温度範囲の上下１０℃程のキュリー温度を有する磁性体をさらに加えて、複数レベルの温度検出を行っても良い。

また、フランジ１０１には、切り欠き１０３が２カ所形成されている。図２に示す例では、この切り欠き１０３が検出コイル４４に対向したときのインダクタンスを、上述した下側信号Ｌとして用いることにする。シャフト３が回転してこの切り欠き１０３が検出コイル４４に対向すると、検出コイル４４側から見た場合、比透磁率がほぼ１の物質が対向したのと同じ状態となる。

そのため、検出コイル４４のインダクタンスは低下し、図３（ｂ）の温度Ｔ２の場合の下側信号Ｌと同等のインダクタンス信号が検出される。磁性体１０２だけを検出している限りにおいては、キュリー温度を越えない限り温度Ｔ２（図３（ｂ）参照）におけるインダクタンス信号（下側信号Ｌ）は検出できないが、切り欠き１０３を設けたことにより、キュリー点の前後いずれの温度においても下側信号Ｌを常時取得することができる。すなわち、差信号Ｓ−Ｌを常に取得することができる。

一方、検出コイル４４の対向位置に磁性体１０２が位置すると、磁性体温度がキュリー温度を越えていなければ磁性体１０２の比透磁率は十分に大きく、高いインダクタンス信号が得られる。そして、磁性体温度がキュリー温度を越えると、比透磁率が１に近くなって下側信号Ｌに近接した低いインダクタンス信号が得られる。

次に、信号検出系について説明する。図５は温度検出部３１のブロック図である。温度検出部３１には、整流回路１１０，フィルタ回路１１１，直流成分除去回路１１２，振幅抽出回路１１３，比較回路１１４および閾値設定部１１５が設けられている。

検出コイル４４には、交流発振器６０からの数十ｋＨｚの交流出力が抵抗Ｒを介して印加される。ロータの回転に応じて、キュリー温度感知用の磁性体１０２と下側信号取得用の切り欠き１０３とが、検出コイル４４と対向する。その結果、検出コイル４４のインダクタンスは、交互に変化することになる。

図５の(a)の位置に現れる信号は、元の数十ｋＨｚの交流が検出コイル４４のインダクタンスで変調され、図６（ａ）に示すような２種の振幅レべルを有する振幅変調信号となる。図６（ａ）は(a)点に現れる振幅変調信号の典型例を示したものである。交流発振器６０の周波数をｆ、振幅をVin、検出コイル４のインダクタンスをＬ、抵抗をＲとすると、(a)点に現れる信号の振幅Ｖoutは次式（２）のように表される。

なお、式（２）において、Ｒが２πＬｆに比べて十分（例えば、１桁）に大きければ、振幅ＶoutはインダクタンスＬにほぼ比例する。そこで、以下では、これまで述べてきたインダクタンスＬではなく振幅Ｖoutを用いて説明することにする。

図６（ａ）の信号を、整流回路１１０で整流した後にフィルタ回路１１１でフィルタ処理することにより、(b)点には図６（ｂ）に示すような信号が現れる。図６（ｂ）の信号は、図６（ａ）の信号から振幅を取り出したものになっている。検出コイル４４が磁性体１０２に対向したときの振幅をVout(S)、切り欠き１０３が検出コイル４４に対向したときの振幅をVout(L)と称することにする。振幅Vout(S)，Vout(L)は、ロータが１回転する間に２回ずつ現れる。

図６（ｂ）に示す信号が直流成分除去回路１１２を通過すると、(c)点には図６（ｃ）に示すような信号が現れる。この信号は、振幅Vout(S)から振幅Vout(L)を差し引いた差信号になっている。以下では、記載を簡単にするために、振幅Vout(S)を単にＳ、振幅Vout(L)をＬと表記することにする。そうすると、差信号はＳ−Ｌのように表される。振幅抽出回路１１３では差信号Ｓ−Ｌの振幅を抽出し、その振幅のレベルと、閾値設定部１１５で設定された閾値信号レベルとを比較回路１１４で比較する。その比較の結果、ロータ温度（磁性体温度）がキュリー温度を越えたか否かを判定することができる。

このように、温度感知用磁性体１０２と切り欠き１０３を検出コイル４４と対向配置することにより、差信号Ｓ−Ｌを取得することができる。ここで、検出コイル４４が切り欠き１０３に対向した場合の比透磁率は厳密には１ではないので、ギャップ変動の影響は、信号Ｓ，Ｌの両方に現れる。ところが、差信号Ｓ−Ｌを用いることで、ギャップ変動の影響を除去することができる。

また、磁性体１０２と下側信号取得用の切り欠き１０３とを、ロータ１周期に対してほぼ等間隔に配置しているので、信号Ｓと信号Ｌとがロータ回転数の整数倍の周波数で交互に現れる。その結果、上述したように、これらの信号を交流信号として取り出すことにより、その実効値または振幅から、信号Ｓと信号Ｌの差に相当する信号を容易に得ることができる。すなわち、同期信号を用いることなく信号Ｓ−Ｌが得られるので、同期信号を用いる検出方法に比べて、検出処理の簡易化を行うことができる。

［変形例］
図７（ａ）は、上述した第１の実施の形態の変形例を示す図であり、図２と同様に、フランジ１０１を検出コイル方向から見た図である。この変形例では、温度感知用磁性体１０２に加えて上側信号用の磁性体１０４を設け、検出コイル４４ａで磁性体１０２および切り欠き１０３を検出し、検出コイル４４ｂで磁性体１０４および切り欠き１０３を検出するようにした。磁性体１０２はフランジ１０１の軸中心から半径Ｒ１の円周上に設けられ、磁性体１０４は軸中心から半径Ｒ２（＜Ｒ１）の円周上に設けられている。検出コイル４４ａは磁性体１０２と対向するように半径Ｒ１の位置に配設され、検出コイル４４ｂは磁性体１０４と対向するように半径Ｒ２の位置に配設されている。

磁性体１０４および検出コイル４４ｂは、上述した上側信号Ｈを取得するために設けられたものである。磁性体１０４は、検出温度に比べて十分高いキュリー温度を有する磁性体であれば良く、例えば、キュリー温度の高いフェライトや、純鉄材等が用いられる。従って、検出コイル４４ｂが磁性体１０４と対向したときには上側信号Ｈ（＝Vout(H)）が取得され、切り欠き１０３と対向したときには下側信号Ｌ（＝Vout(L)）が取得される。磁性体１０４を検出することで得られる上側信号Ｈは、温度感知用磁性体１０２の上側信号Ｈ（温度Ｔ１）とは若干異なるが、検出温度に比べてキュリー温度が十分に高いので、磁性体１０２のキュリー点より高温領域でも上側信号Ｈを常に取得することができる。

この変形例では、２組の検出コイル４４ａ，４４ｂが設けられているので、信号検出系については、図８に示すように図５に示した検出系と同一のものが２系列必要となる。図８において、上側に示した検出系が検出コイル４４ａに関するものであり、下側の検出系が検出コイル４４ｂに関するものである。検出コイル４４ａに関する信号検出系からは、上述した検出コイル４４と全く同じ差信号Ｓ−Ｌが得られる。

一方、検出コイル４４ｂに関する検出系は上側信号取得用の検出系であり、検出コイル４４ａの信号検出系と全く同じ構成である。上述したように、検出コイル４４ｂが磁性体１０４および切り欠き１０３と対向すると、磁性体１０４の場合には上側信号Ｈ、切り欠き１０３の場合には下側信号Ｌが得られ、(c)点には差信号Ｈ−Ｌが現れる。

その後、取得された差信号Ｓ−Ｌおよび差信号Ｈ−Ｌは、それぞれの検出系に設けられた振幅抽出回路１１３で振幅が抽出され、いずれの振幅も割算回路１１６に入力される。割算回路１１６では、入力された２つの差信号Ｓ−Ｌ，Ｈ−Ｌから規格化補正信号（Ｓ−Ｌ）／（Ｈ−Ｌ）を算出する。ここで、信号Ｈ，Ｌは信号Ｓに関する温度感知用磁性体１０２とは別のターゲット（磁性体１０４，切り欠き１０３）について取得されるものであるが、信号Ｈ，Ｌもギャップ寸法が変動するとその影響を受ける。ここで取得された規格化補正信号（Ｓ−Ｌ）／（Ｈ−Ｌ）も、図４に示す規格化信号Ｓ１０の場合と同様の温度依存性を有しており、規格化信号Ｓ１０と同様にギャップ寸法に依存しない。

割算回路１１６で算出された規格化補正信号（Ｓ−Ｌ）／（Ｈ−Ｌ）は、比較回路１１４に入力される。比較回路１１４は、閾値設定部１１５で設定された閾値信号レベルと規格化補正信号（Ｓ−Ｌ）／（Ｈ−Ｌ）とを比較し、ロータ温度（磁性体温度）がキュリー温度を越えたか否かを判定し、その判定結果をロータ温度モニタ信号として出力する。

図７（ａ）に示す例では、半径Ｒ１の円周上に温度感知用磁性体１０２と下側信号用の切り欠き１０３を形成して差信号Ｈ−Ｌを取得したが、図７（ｂ）に示すように、半径Ｒ１の円周上に磁性体１０２と磁性体１０４を配置して、差信号Ｈ−Ｓを取得するようにしても良い。この場合の規格化補正信号は（Ｈ−Ｓ）／（Ｈ−Ｌ）となり、信号Ｓを測る基準が信号Ｌから信号Ｈに変更されたことになる。

ここで、規格化信号（Ｓ−Ｌ）／（Ｈ−Ｌ）と規格化信号（Ｈ−Ｓ）／（Ｈ−Ｌ）との違いは、温度がキュリー点を越えるときの信号の変化の仕方である。規格化信号（Ｈ−Ｓ）／（Ｈ−Ｌ）の場合には、ゼロに近い値から１に近い値へと増加し、規格化信号（Ｓ−Ｌ）／（Ｈ−Ｌ）の場合、逆に１に近い値からゼロに近い値へと減少する。これらの規格化信号を用いた場合、典型的な閾値としては０．５程度の値が用いられる。

また、ギャップ寸法が変化した場合、下側信号Ｌの変化は差信号Ｈ−Ｌの変化に比べて一般的に小さいので、信号Ｌを概算の一定値L0に固定し、規格化信号（Ｓ−Ｌ）／（Ｈ−Ｌ）の代わりに、信号（Ｓ−L0）／（Ｈ−L0）または信号Ｓ／（Ｈ−L0）の値を閾値と比較するようにしても良い。

このように、本実施の形態では、信号Ｓを差信号（Ｈ−Ｌ）で規格化することにより、キュリー点前後における検出信号の変化幅がギャップ変動により変化するのを防止することができる。そのため、閾値水準の設定範囲が広くなるという作用効果を奏する。

ところで、本実施の形態では、磁性体１０２と切り欠き１０３とを検出コイル４４で検出することにより、磁性体１０２の信号Ｓと常時検出される下側信号Ｌとが同時に取得される。そのため、これらの信号Ｓ，Ｌを警報部３４に取り込むことにより、検出系の故障診断を行うことが可能となる。例えば、常時検出されるべき下側信号Ｓが検出されない場合には、検出コイル４４の故障と判断し、信号Ｓ，Ｌの一方が検出されない場合には、検出されない方の被検体（磁性体１０２、切り欠き１０３）の異常と判断する。

−第２の実施形態−
図９は本発明の第２の実施形態を説明する図であり、（ａ）はシャフト３のフランジ１０１部分を示す斜視図であり、（ｂ）は検出コイル４４側から見た図である。第１の実施形態で説明したように、信号Ｓを差信号（Ｈ−Ｌ）で規格化することにより、閾値水準の設定範囲が広くすることができる。そこで、第２の実施形態では、閾値水準の設定範囲が広くなったことを利用し、複数の温度感知用磁性体を設けて複数の温度判定を行うようにした。

フランジ１０１には、シャフト３の軸を中心とする同一円周上に、温度感知用の磁性体１０２ａ，１０２ｂと下側信号取得用の非磁性体１３０とが設けられている。非磁性体１３０は温度感知用磁性体と１０２ａ，１０２ｂと同一形状であり、アルミ合金や樹脂等が用いられる。また、非磁性体１３０に代えて、第１実施形態と同様の下側信号取得用の切り欠きや穴を設けてもかまわない。円周上において、非磁性体１３０は磁性体１０２ａ，１０２ｂに対して交互に配置されている。

磁性体１０２ａおよび１０２ｂのキュリー温度を異なるものとすることにより、例えば、磁性体１０２ａのキュリー温度を１３０℃、磁性体１０２ｂのキュリー温度を１２０℃とすることにより、２段階の温度検出を行うことができる。検出コイル４４と、磁性体１０２ａ，１０２ｂおよび非磁性体１３０の対向面との距離は、１ｍｍ〜３ｍｍ程度に設定されている。

フランジ１０１は鉄材等で形成されており、十分に高いキュリー温度を有している。そのため、フランジ下面１０１ａが検出コイル４４に対向するとインダクタンスが高くなり、このフランジ下面１０１ａを上側信号取得用のターゲットとして利用することができる。すなわち、シャフト３が一回転すると、２種類の温度感知用磁性体１０２ａ、１０２ｂが一回ずつ、下側信号取得用の磁性体１３０が２回、上側信号取得用のフランジ下面１０１ａが４回、検出コイル４４と対向することになる。そして、検出用コイル４４はそれぞれに対して信号を発生するので、ロータ２が１回転する間の信号発生回数は８回となる。

図１０は、第２の実施形態における信号検出系を示すブロック図である。なお、図５，８に示した信号検出系と同一部分には同一符号を付し、異なる部分を中心に説明する。上述したように、２種類の温度感知用磁性体１０２ａ，１０２ｂ、下側信号取得用非磁性体１３０および上側信号取得用フランジ下面１０１ａは、検出コイル４４の対向位置を順に通過する。従って、４種の振幅レベルを有する変調信号が、図１０の(a)点に現れる。

図１１（ａ）は、図１０の(a)点に現れる信号波形の一例を示したものである。整流回路１１０およびフィルタ回路１１１を通過した後の(b)点における信号波形は、図１１（ｂ）に示すような信号波形となる。この信号波形には、上述したように４つの振幅レベルが現れる。すなわち、ロータ２が１回転する間の、検出コイル４４が各磁性体１０２ａ，１０２ｂ，１３０およびフランジ下面１０１ａのそれぞれに対向する８つの区間に対応して、４種類の振幅信号Ｓ１，Ｓ２，Ｌ，ＨがＨ、Ｓ１、Ｈ、Ｌ、Ｈ、Ｓ２、Ｈ、Ｌの順序で現れている。

なお、ここでは、磁性体１０２ａのキュリー温度を１３０℃、磁性体１０２ｂのキュリー温度を１２０℃とし、図１１（ｂ）に示す状態では、ロータ温度Ｔが１２０℃＜Ｔ＜１３０℃である場合を仮定している。そのため、磁性体１０２ａに関する振幅信号Ｓ１は上側信号Ｈに近い高い値になっているが、キュリー点を越えている磁性体１０２ｂに関する振幅信号Ｓ２は、下側信号Ｌに近い低い値になっている。

図１１（ｂ）に示したような図１０の(b)点の信号波形は、弁別回路１２２によって４種の信号（Ｓ１信号、Ｓ２信号、Ｈ信号、Ｌ信号）に弁別される。この弁別処理のために、信号弁別パルス回路１１１は、図１１（ｃ）に示すような４種の信号弁別パルスPS1，PS2，PH，PLを発生し、これらを弁別回路１２２に入力する。弁別回路１２２では、PS1，PS2，PH，PLの各信号弁別パルスがハイレベルになる区間に相当する部分が、図１１（ｂ）の信号と重ねられた後に、その部分がサンプリングにより切り取られ、Ｓ１信号、Ｓ２信号、Ｈ信号、Ｌ信号として出力される。なお、信号弁別パルスPS1，PS2，PH，PLは、ロータ２の位相パルスをもとに作成される。

次いで、演算回路１２４は、Ｓ１信号、Ｓ２信号、Ｈ信号、Ｌ信号に基づいて、規格化補正されたS11信号「（Ｓ１−Ｌ）／（Ｈ−Ｌ）」およびS12信号「（Ｓ２−Ｌ）／（Ｈ−Ｌ）」を生成する。S11信号「（Ｓ１−Ｌ）／（Ｈ−Ｌ）」は比較回路１１４ａに入力され、閾値設定部１１５ａからのS11信号用閾値と比較される。S11信号「（Ｓ１−Ｌ）／（Ｈ−Ｌ）」がS11信号用閾値より低い場合には、比較回路１１４ａは、ロータ温度が磁性体１０２ａのキュリー温度（１３０℃）を超えていることを報知する信号を出力する。

一方、S12信号「（Ｓ２−Ｌ）／（Ｈ−Ｌ）」は比較回路１１４ｂに入力され、閾値設定部１１５ｂからのS12信号用閾値と比較される。そして、S12信号「（Ｓ２−Ｌ）／（Ｈ−Ｌ）」がS12信号用閾値より低い場合には、ロータ温度が磁性体１０２ｂのキュリー温度（１２０℃）を超えていることを報知するロータ温度モニタ信号が、比較回路１１４ｂから出力される。図１の警報部３４は、これらのロータ温度モニタ信号に基づいて、ポンプの回転数を減らすなどの保守操作を行う。

なお、上述した例では、弁別回路１１２を用いて４つの信号（Ｓ１信号、Ｓ２信号、Ｈ信号、Ｌ信号）を弁別したが、次のような信号処理方法を採用することにより、弁別回路１１２を用いない方法も可能である。例えば、十分に速い速度でデジタル信号に変換できるＡ／Ｄ変換器を用いて、図１１（ｂ）に示す信号をデジタル化し、デジタル信号処理器（ＤＳＰ）によりロータ１周期毎に図１１（ｂ）に示す信号の重ね合わせを４００回転分行えば、約１秒毎に平均化された１周期の８つの区間のデジタル信号が得られる。そして、補正されたS11信号および補正されたS12信号は、計算により容易に得られる。

［変形例］
図１２は第２の実施形態の変形例を示す図であり、図９（ｂ）と同様に、フランジ１０１を検出センサ４４側から見た図である。この変形例では、フランジ１０１が、ロータ２と同様のアルミ合金（非磁性体）で形成されている場合を考える。フランジ１０１には、キュリー温度の異なる温度感知用磁性体１０２ａ、１０２ｂと、純鉄で形成された上側信号取得用ターゲット１４０とが設けられ、また、下側信号取得用の穴部１３１が２カ所に形成されている。これらはシャフト３の軸を中心とする円周上に設けられており、ターゲット１４０は穴部１３１と磁性体１０２ａ、１０２ｂとの間の４カ所に設けられている。ここでは、穴部１３１の形状を磁性体１０２ａ、１０２ｂと同じ形状とする。

このような構成とすることにより、フランジ１０１が非磁性材料で形成されている場合でも、上述した第２の実施形態と同様に、２種類のキュリー温度感知用磁性体信号、大きなインダクタンスの上側信号、小さなインダクタンスの下側信号の、４種類の信号を得ることができる。信号処理系については、図９（ｂ）の構成の場合と同様であるので、説明を省略する。

また、キュリー温度を越えた直後の透磁率変化が急峻な磁性体と、透磁率変化が穏やかなものとを組み合わせて用いることにより、温度検出をより細かく行うようにしても良い。例えば、３種類の温度感知用磁性体を設け、それらの内の２種類は透磁率変化が急峻な磁性体を選び、残り１種類は透磁率変化が緩やかな磁性体を選ぶ。そして、これら３種類の磁性体と、上側信号Ｈ用のターゲット（例えば、フランジ底面１０１ａ）と、下側信号Ｌ用のターゲット（例えば、フランジ１０１に形成された穴１３１）とを同一円周上に配設し、それらを検出コイル４４により検出する。

図１３は、３種類の温度感知用磁性体に関して、それぞれの規格化補正信号（Ｓ−Ｌ）／（Ｈ−Ｌ）の温度による変化を示したものである。曲線Ｆ１，Ｆ３は透磁率変化が急峻な磁性体の規格化補正信号を示しており、曲線Ｆ１では、温度１１５℃のところで急激に０．９程度から０．１程度に低下し、曲線Ｆ３では温度１３０℃のところで急激に０．９程度から０．１程度に低下する。一方、曲線Ｆ２は透磁率変化が緩やかな磁性体の規格化補正信号を示しており、温度１１５℃から温度１３０℃にわたって０．７程度から０．２程度まで徐々に低下している。

曲線Ｆ１で示す信号を用いることにより、ロータ温度が１１５℃を越えるのを正確に検出することができ、また、曲線Ｆ３で示す信号を用いることにより、ロータ温度が１３０℃を越えるのを正確に検出することができる。また、温度１１５℃から温度１３０℃までの温度範囲に対しても、この温度範囲の曲線Ｆ２（図１３のＡで示す範囲の曲線）に関して、規格化補正信号から温度への逆変換曲線を温度検出部３１の記憶部（不図示）に記憶させておけば、この温度範囲においてロータ温度が上昇しているのか降下しているのかを判断することができる。さらに、温度１１５℃および１３０℃を越える瞬間において逆変換曲線を補正する機能を設ければ、温度範囲１１５℃〜１３０℃におけるロータ温度の連続的な変化を、正確に測定することができる。なお、透磁率変化が緩やかな磁性体を複数個用いて、連続温度の範囲をさらに広くすることも可能である。

図１４は、フランジ部分の構成（ターゲット構成）を図７に示す構成とした真空ポンプを動作させたときの、差信号Ｈ−Ｌおよび差信号Ｓ−Ｌに関する実際の測定結果を示したものである。図１４において、（ａ）はギャップ寸法を２ｍｍに設定した場合であり、（ｂ）はギャップ寸法を１ｍｍに設定した場合を示す。また、図１３（ｃ）は、規格化補正後の信号（Ｓ−Ｌ）／（Ｈ−Ｌ）の変化を示したものである。

図１４（ａ），（ｂ）の矢印で示した区間では、ポンプに対して多量のガスを流すことでロータ温度を意図的に上昇させ、ロータ温度を温度感知用磁性体のキュリー温度よりも高くなるようにした。そのため、その区間においては、信号Ｓ−Ｌの曲線は階段状に低下している。また、信号Ｈ−Ｌおよび信号Ｓ−Ｌのいずれも、時間が経過するにつれて少しずつ低下する右下がりの傾向を有している。これは、ギャップ寸法が徐々に広がっているために信号が低下したものと推定される。

図１４の（ａ），（ｂ）を比較すると、矢印区間における信号Ｓ−Ｌの低下は、ギャップ寸法１ｍｍの場合はギャップ寸法２ｍｍの場合の２〜３倍程度となっており、ギャップ変動による、信号の変化幅が大きく変わることが確認された。

一方、図１４（ｃ）に示す規格化補正後の信号（Ｓ−Ｌ）／（Ｈ−Ｌ）の場合、ギャップ寸法が１ｍｍであっても２ｍｍであっても、矢印区間における信号の低下は同程度となり、同一曲線で表すことができる。また、図１４（ａ），（ｂ）に見られた経時的なドリフトもほとんど修正される。すなわち、ギャップ寸法が変動しても、キュリー点における透磁率の変化を、すなわち、ロータ温度がキュリー温度を超えたことを安定して検出することができる。

なお、上述した実施の形態では、シャフト３の上部に設けられてロータ２が取り付けられるフランジ１０１に、キュリー温度検出用の磁性体を配設したが、配設場所はこの位置に限定されるものではない。例えば、ロータ２の内側表面やシャフト３の下端など、スペース的に配置可能であって、かつ、機械的強度において高速回転に耐えられる場所であれば、種々の場所に配設することができる。

しかし、次のような理由から、シャフト上部に設置するのが好ましい。温度感知用磁性体に用いられるフェライトの機械的強度は、アルミ合金や純鉄に比べて１桁以上小さい。そのため、遠心応力が極力小さくなるように、ロータ２の回転中心から離れない方が有利である。一方、検出コイル４４で検出すべきターゲット（温度感知用磁性体、下側信号用ターゲットおよび上側信号用ターゲット）が、ロータ回転に伴って検出コイルに順に対向するように構成するためには、回転中心から離したところにそれらを配置する必要がある。

ロータ２とシャフト３とを合わせた回転体全体を考えた場合、シャフト３の部分は回転半径が小さいので上記ターゲットの配置場所として適している。さらに、ロータ２が固定されるフランジ１０１は、ロータ２に形成された回転翼からの熱抵抗が小さいので、温度監視対象である回転翼との温度距離が小さく、回転翼に比較的近い近似的な温度を示すことが解った。その結果、ターゲット設置場所としては、シャフト上部が最適である。

上述した実施の形態においては、以下のような作用効果を奏することができる。
（１）温度感知用の磁性体１０２に加えて、キュリー温度が磁性体１０２に比べて高い基準被検体として切り欠き１０３、非磁性体１３０および穴１３１を設け、磁性体１０２の検出信号Ｓと基準被検体の検出信号（下側信号Ｌ）との差信号Ｓ−Ｌを用いることにより、温度検出に対するギャップ変動の影響を低減することができる。また、下側信号Ｌはロータ温度に依らず常時取得できるため、常に正確な温度検出を行うことができる。
（２）また、磁性体１０２と下側信号取得用の切り欠き１０３とを、ロータ１周期に対してほぼ等間隔に配置してそれらを検出コイル４４で検出するようにしたので、同期信号を用いることなく信号Ｓ−Ｌが得られる。そのため、同期信号を用いる検出方法に比べて検出処理の簡易化を行うことができる。
（３）磁性体１０２に関する信号Ｓを、常時検出される下側信号Ｌおよび上側信号Ｈにより規格化補正した信号を用いることにより、具体的には、信号Ｓや差信号Ｓ−Ｌ，Ｓ−Ｈ，Ｈ−Ｓを差信号Ｈ−Ｌで割算することにより、キュリー点前後の信号変化をギャップ寸法に依らずほぼ同一とすることが可能となる。その結果、ギャップ変動の影響を受けることなく閾値を用いた温度判定を正確に行うことができる。
（４）被検体（磁性体１０２、切り欠き１０３）を検出コイル４４で検出することにより、信号Ｓと常時検出される信号Ｌとが同時に取得されるので、これらの信号Ｓ，Ｌを利用することにより検出系の故障診断を行うことが可能となる。
（５）信号Ｓを差信号（Ｈ−Ｌ）で規格化することにより、キュリー点前後における検出信号の変化幅がギャップ変動により変化するのを防止することができるので、閾値水準の設定範囲が広くなる。その結果、複数の温度感知用磁性体を設けて、温度監視範囲内において複数の温度判定を行うことができる。
（６）さらに、キュリー温度を超えた温度領域における透磁率変化が緩やかな磁性体を被検体として設けることにより、温度監視範囲内においてロータ温度の変化を連続的に検出することができる。
（７）また、温度感知用磁性体１０２をシャフト３のフランジ１０１に設けることにより、温度検出すべきロータ２と磁性体１０２との距離が短くなり、ロー端温度をより正確に検出することができる。

なお、上述した実施の形態では、ターボ分子ポンプのロータ温度計測を例に説明したが、ターボ分子ポンプに限らずドラッグポンプ等の種々の真空ポンプにも本発明は適用できる。

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、検出コイル４４ａは第１の検出部を、検出コイル４４ｂは第２の検出部を、温度検出部３１は温度検出手段および補正手段を、切り欠き１０３，非磁性体１３０および穴部１３１は高温側基準被検体を、磁性体１０４，ターゲット１４０およびフランジ下面１０１ａは低温側基準被検体を、警報部３４は判定手段を、切り欠き１０３および穴部１３１は凹部空間を、回転翼８および円筒部１２はポンプ排気機能部を、ロータ２はポンプロータ部をそれぞれ構成する。また、請求項１のロータは、ロータ２とシャフト３とにより構成される。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。

本発明による真空ポンプの第１の実施形態を示す図である。 シャフト３のフランジ１０１部分を、検出コイル４４側から見た図である。 インダクタンスを説明する図であり、（ａ）は検出コイル４４と磁性体１０２との位置関係を示す図、（ｂ）は磁性体１０２の透磁率（比透磁率）との関係を示す図、（ｃ）はギャップ寸法のインダクタンスへの影響を説明する図である。 規格化補正信号Ｓ１０を説明する図である。 信号検出系を示すブロック図である。 信号波形を説明する図であり、（ａ）は図５の(a)点の信号を示し、（ｂ）は図５の(b)点の信号を示し、（ｃ）は図５の(c)点の信号を示す。 （ａ）は第１の実施の形態の変形例を説明する図であり、（ｂ）は他の変形例を説明する図である。 変形例における信号検出系を示すブロック図である。 第２の実施形態を説明する図であり、（ａ）はフランジ１０１部分を示す斜視図であり、（ｂ）はフランジ部分を検出コイル４４側から見た図である。 第２の実施形態における信号検出系を示すブロック図である。 第２の実施形態における信号波形を説明する図であり、（ａ）は図１０の(a)点の信号を示し、（ｂ）は図１０の(b)点の信号を示し、（ｃ）は図１０の(c)点の信号を示す。 変形例を説明する図であり、フランジ部分を検出コイル４４側から見た図である。 第２の実施形態における規格化補正信号を説明する図である。 差信号Ｈ−Ｌおよび差信号Ｓ−Ｌの時間変化を示す図であり、（ａ）はギャップ寸法を２ｍｍに設定した場合を、（ｂ）はギャップ寸法を１ｍｍに設定した場合を示す。

符号の説明

１：ポンプ本体、２：ロータ、３：シャフト、４：ステータ、６：モータ、８：回転翼、３０：コントローラ、３１：温度検出部、３２：磁気軸受駆動制御部、３３：モータ駆動制御部、３４：警報部、４４，４４ａ，４４ｂ：検出コイル、１０１：フランジ、１０２，１０４：磁性体、１０３：切り欠き、１３０：非磁性体、１３１：穴部、１４０：ターゲット

Claims (10)

1. ステータに対してロータを回転することによりガスを排気する真空ポンプにおいて、
   前記ロータに設けられ、前記ロータの温度監視範囲内にキュリー温度を有する磁性体と、
   前記ロータに設けられ、前記キュリー温度より高温状態にある前記磁性体の透磁率にほぼ等しい透磁率を有する高温側基準被検体と、
   前記ステータに設けられ、前記磁性体および被検体のそれぞれの透磁率に応じた検出信号を出力する検出部と、
   前記磁性体に関する前記検出信号と前記高温側基準被検体に関する前記検出信号との差信号に基づいて、前記ロータの温度を検出する温度検出手段とを設けたことを特徴とする真空ポンプ。
2. ステータに対してロータを回転することによりガスを排気する真空ポンプにおいて、
   前記ロータに設けられ、前記ロータの温度監視範囲内にキュリー温度を有する磁性体と、
   前記ロータに設けられ、前記キュリー温度より高温状態にある前記磁性体の透磁率にほぼ等しい透磁率を有する高温側基準被検体と、
   前記ロータに設けられ、前記キュリー温度より低温状態にある前記磁性体の透磁率にほぼ等しい透磁率を有する低温側基準被検体と、
   前記ステータに設けられ、前記磁性体、高温側基準被検体および低温側基準被検体のそれぞれの透磁率に応じた検出信号を出力する検出部と、
   前記高温側基準被検体に関する前記検出信号および前記低温側基準被検体に関する前記検出信号に基づいて、前記磁性体に関する前記検出信号を補正する補正手段と、
   前記補正手段で補正された補正後検出信号に基づいて前記ロータの温度を検出する温度検出手段とを設けたことを特徴とする真空ポンプ。
3. 請求項２に記載の真空ポンプにおいて、
   前記補正手段は、前記磁性体に関する前記検出信号を、前記高温側基準被検体に関する前記検出信号と前記低温側基準被検体に関する前記検出信号との差信号に基づいて規格化補正することを特徴とする真空ポンプ。
4. 請求項２または３に記載の真空ポンプおいて、
   前記磁性体に関する前記検出信号をＳ、前記高温側基準被検体に関する前記検出信号をＬ、前記低温側基準被検体に関する前記検出信号をＨとした場合に、
   前記補正手段は、前記補正後検出信号としてＳ／（Ｈ−Ｌ）、（Ｓ−Ｌ）／（Ｈ−Ｌ）、（Ｓ−Ｈ）／（Ｈ−Ｌ）および（Ｈ−Ｓ）／（Ｈ−Ｌ）のいずれか一つを出力することを特徴とする真空ポンプ。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の真空ポンプにおいて、
   前記高温側基準被検体は、前記ロータの検出部対向面に形成された凹部空間または非磁性体により構成されることを特徴とする真空ポンプ。
6. 請求項２〜５のいずれか一項に記載の真空ポンプにおいて、
   前記磁性体は、前記ロータ上のロータ回転軸を中心とした第１の円周上に配設され、
   前記低温側基準被検体は、前記ロータ上のロータ回転軸を中心とした第２の円周上に配設され、
   前記高温側基準被検体は、前記第１の円周および前記第２の円周に跨るように配設され、
   前記検出部は、前記磁性体および高温側基準被検体を検出する第１の検出部と、前記低温側基準被検体および高温側基準被検体を検出する第２の検出部とを備えたことを特徴とする真空ポンプ。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の真空ポンプにおいて、
   前記磁性体はキュリー温度の異なる複数の磁性部材を含み、
   前記温度検出手段は、前記複数の磁性部材の各キュリー温度に応じて複数の温度を検出することを特徴とする真空ポンプ。
8. 請求項７に記載の真空ポンプにおいて、
   前記複数の磁性部材には、キュリー温度付近における透磁率が温度変化に対して緩やかに変化する磁性部材が含まれ、
   前記温度検出手段は、前記透磁率が緩やかに変化する磁性部材に関する検出信号に基づいて、前記ロータの温度の連続的な変化を検出することを特徴とする真空ポンプ。
9. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の真空ポンプにおいて、
   前記基準被検体に関する前記検出信号に基づいて、前記検出部が正常動作しているか否かを判定する判定手段をさらに備えたことを特徴とする真空ポンプ。
10. 請求項１〜９のいずれか一項に記載の真空ポンプにおいて、
    前記ロータは、モータ回転子が設けられたシャフトと、そのシャフトの端部に設けられるとともにポンプ排気機能部が形成されたポンプロータ部とから成り、
    前記被検体の各々を、前記端部に設けたことを特徴とする真空ポンプ。

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