JP2011231760A - 磁気浮上式真空ポンプおよびその回転始動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ホールセンサ等のロータ回転位置検出機能を備えることなく、ロータ回転始動時における逆転を防止することができる磁気浮上式真空ポンプの提供。
【解決手段】ラジアル磁気軸受３７，３８およびアキシャル磁気軸受３９により磁気浮上されたロータ３０を、モータ３６により高速回転して気体の排気を行う磁気浮上式真空ポンプにおいて、モータ駆動開始の前に、ラジアル方向の吸引力がラジアル磁気軸受３７，３８の中心軸に対して回転する回転磁界であって、ロータ３０をモータ回転方向Ｒと逆方向Ｒ２に公転運動させ、かつ、該公転運動に対して進み角を有する回転磁界をラジアル磁気軸受３７，３８により形成させるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁気浮上式真空ポンプ、および磁気浮上式真空ポンプの回転始動方法に関する。

ターボ分子ポンプは、回転翼が形成されたロータを固定翼に対して高速回転することにより、気体排気を行っている。ロータの回転駆動には、例えばブラシレスＤＣモータが用いられる。ブラシレスＤＣモータを駆動制御する場合、ホールセンサによってモータロータの磁極位置（角度）を検出し、ホールセンサの出力信号に基づいてモータの各巻線の電流を切り換えるようにしている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、ホールセンサを用いて磁極位置を検出するには、ホールセンサを１２０deg間隔で３個設ける必要があり、コストアップを招くという欠点があった。そのため、インダクタンス式の回転センサを１個使用し、ロータの回転方向を検出する方法が知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開平８−４７２８５号公報 特開２００６−１５２９５８号公報

しかしながら、回転センサはホールセンサのようにロータの回転位置を検出することができないので、ロータ回転がある程度の回転速度以上に上昇しないと、ロータ回転方向の検出が非常に難しい。そのため、回転開始時（始動時）はトライアンドエラーの逐次手順で正方向回転状態へもって行く必要がある。その過程では一時的に逆回転することもあり、正方向回転状態となるまでに時間を要する場合もあった。

請求項１の発明は、ラジアル磁気軸受およびアキシャル磁気軸受により磁気浮上された回転体を、モータにより高速回転して真空排気を行う磁気浮上式真空ポンプに適用され、モータの駆動および停止を制御するモータ制御部と、モータ制御部によるモータ駆動開始の前に、ラジアル磁気軸受の吸引力により回転体をモータ回転方向と逆方向に公転運動させるともにモータ回転方向に自転運動させるように、ラジアル磁気軸受を制御する磁気軸受制御部と、を備えたことを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１に記載の磁気浮上式真空ポンプにおいて、吸引方向がラジアル磁気軸受の中心軸に対して回転し、かつ、公転運動に対して進み角を有する回転磁界を、ラジアル磁気軸受により形成させるようにしたものである。
請求項３の発明は、請求項２に記載の磁気浮上式真空ポンプにおいて、公転運動に対して回転位相が９０deg進んだ回転磁界を形成するように、ラジアル磁気軸受を制御するようにしたものである。
請求項４の発明は、請求項１または２に記載の磁気浮上式真空ポンプにおいて、磁気軸受制御部は、回転磁界の形成開始から所定時間経過すると該回転磁界の形成を停止して回転体を所定位置に磁気浮上させるようにラジアル磁気軸受を制御し、モータ制御部は、回転磁界の形成の停止後に回転体が所定位置に磁気浮上されると、モータの回転を開始するようにしたものである。
請求項５の発明は、請求項２に記載の磁気浮上式真空ポンプにおいて、ラジアル磁気軸受は、回転体のラジアル方向の変位を検出する変位センサを備え、モータ制御部は、磁気軸受制御部による回転磁界の形成の後に、吸引方向の切替に同期してモータの回転駆動を開始し、磁気軸受制御部は、変位センサの検出値に基づいて、公転運動が妨げられないように吸引方向を制御するようにしたものである。
請求項６の発明は、請求項３に記載の磁気浮上式真空ポンプにおいて、ラジアル磁気軸受は、回転体のラジアル方向の変位を検出する変位センサと、変位センサの検出値に基づいて、モータのロータの回転位置が公転運動を妨げる位置か否かを判定する判定部と、を備え、モータ制御部は、磁気軸受制御部による回転磁界の形成の後に、吸引方向の切替に同期してモータの回転駆動を開始し、磁気軸受制御部は、モータのロータの回転位置が公転運動を妨げる位置であると判定部により判定されると、回転位相が１８０deg進んだ回転磁界を形成するようにしたものである。
請求項７の発明は、請求項５または６に記載の磁気浮上式真空ポンプにおいて、モータに生じる逆起電圧を検出し、該逆起電圧に基づいて回転信号を生成する回転信号生成部を備え、磁気軸受制御部は、回転体の回転数が回転信号生成部による回転信号の生成が可能な回転数となったならば、回転磁界の形成を停止して回転体を所定位置に磁気浮上させるようにラジアル磁気軸受を制御し、モータ制御部は、回転信号生成部により生成された回転信号に基づいてモータの回転を制御するようにしたものである。
請求項８の発明は、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の磁気浮上式真空ポンプにおいて、回転体の回転軸との間に所定ラジアル方向隙間を有して配置され、ラジアル磁気軸受およびアキシャル磁気軸受が非動作時に回転軸を支持するメカニカルベアリングを備え、公転運動時に回転軸がメカニカルベアリングの内周面に接触するようにラジアル磁気軸受を制御するようにしたものである。
請求項９の発明は、ラジアル磁気軸受およびアキシャル磁気軸受により磁気浮上させた回転体を、モータにより高速回転して気体排気を行う磁気浮上式真空ポンプの回転始動方法であって、モータを駆動開始する前に、回転体がモータ回転方向に自転運動するように、ラジアル磁気軸受の吸引力により回転体をモータ回転方向と逆方向に公転運動させることを特徴とする。
請求項１０の発明は、請求項９に記載の磁気浮上式真空ポンプの回転始動方法において、アキシャル磁気軸受により回転体をアキシャル方向に磁気浮上させる第１の工程と、吸引方向がラジアル磁気軸受の中心軸に対して回転する回転磁界であって、回転体をモータ回転方向と逆方向に公転運動させ、かつ、該公転運動に対して進み角を有する回転磁界を、ラジアル磁気軸受により形成する第２の工程と、回転磁界の形成開始から所定時間経過後に、ラジアル磁気軸受による回転磁界の形成を停止して、回転体をアキシャル磁気軸受およびラジアル磁気軸受により所定の通常浮上位置に磁気浮上させる第３の工程と、モータにより回転体を回転駆動する第４の工程と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、ホールセンサ等のロータ回転位置検出機能を備えることなく、ロータ回転始動時における逆転を防止することができる。

ターボ分子ポンプの概略構成を示す図である。 各磁気軸受３７〜３９の電磁石の配置を示す図である。 始動動作を説明する図であり、ｚ軸プラス方向から見た電磁石３７ｘ，３７ｙとロータシャフト３０ａの位置を示す図である。 始動動作を説明する図であり、図３に続く工程を示す。 始動動作を説明する図であり、図４に続く工程を示す。 正弦波状の吸引力を発生する場合を示す図である。 公転運動時にロータシャフト３０ａをメカニカルベアリング２６ａ，２６ｂに接触させる場合を示す図である。 ロータ回転始動動作を説明するフローチャートである。 逆起電圧による回転数検知を利用する構成のモータ制御部４１を説明する図である。 回転信号生成手順を説明する図である。 モータロータ３６ａの磁極方向（Ｎ極，Ｓ極の配置方向）がｘ軸方向となっている場合のパターンを示す図である。 モータロータ３６ａの磁極方向（Ｎ極，Ｓ極の配置方向）がｘ軸方向となっている場合のパターンを示す図である。 図１１に示す状態から公転制御を１ステップ（９０deg）進めたときの状態を示す図である。 図１２に示す状態から公転制御を１ステップ（９０deg）進めたときの状態を示す図である。 パターン（ａ１）〜（ａ８）に関して、公転制御および自転運動への影響を表の形にまとめた図である。 図１３，１４に示す次ステップの８パターンに関して、公転制御および自転運動への影響を表にまとめた図である。 ステップ（ａ１）からモータ駆動を開始した場合の、その後のステップにおけるパターンを示したものである。 パターン（ｃ３）および（ｃ４）を示す図である。 パターン（ｃ３）の次ステップ以後のパターンを示す図である。 パターン（ｃ４）の次ステップ以後のパターンを示す図である。

以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。
−第１の実施の形態−
図１はターボ分子ポンプの概略構成を示す図である。ターボ分子ポンプは、ポンプ本体１と電源装置４とにより構成されている。ポンプ本体１は断面で示し、電源装置４に関しては要部を示すブロック図とした。

図１に示したターボ分子ポンプは磁気軸受式のターボ分子ポンプであって、ロータ３０は、ラジアル方向の磁気軸受３７，３８およびアキシャル方向の磁気軸受３９によって非接触支持される。磁気軸受３９は、ロータシャフト３０ａの下部に固定されたスラストディスク３５を軸方向に挟むように配置されている。ロータ３０の浮上位置は、ラジアル変位センサ２７，２８およびアキシャル変位センサ２９によって検出される。磁気軸受によって回転自在に磁気浮上されたロータ３０は、モータ３６により高速回転駆動される。モータ３６には三相モータ（例えば、ブラシレスＤＣモータ）が用いられている。なお、図１では、模式的にモータ３６と記載しているが、より詳細には、符号３６で示した部分はモータステータを構成し、ロータシャフト３０ａ側にモータロータが設けられている。

ロータ３０の回転は、インダクタンス式ギャップセンサで構成される回転センサ３３によって検出される。モータ３６によって回転駆動されるロータシャフト３０ａの下端には、センサターゲット３４が設けられている。センサターゲット３４はロータシャフト３０ａと一体に回転する。上述したアキシャル変位センサ２９および回転センサ３３は、センターゲット３４の下面と対向する位置に配置されている。２６ａ，２６ｂは非常用のメカニカルベアリングであり、磁気軸受が作動していない時にはこれらのメカニカルベアリング２６ａ，２６ｂによりロータ３０（ロータシャフト３０ａ）は支持される。

ロータ３０には、回転側排気機能部を構成する複数段の回転翼３２と円筒状のネジロータ３１とが形成されている。一方、固定側には、固定側排気機能部である固定翼２２とネジステータ２４とが設けられている。複数段の固定翼２２は、軸方向に対して回転翼３２と交互に配置されている。ネジステータ２４は、ネジロータ３１の外周側に所定のギャップで設けられている。なお、磁気軸受式真空ポンプであれば、ターボ分子ポンプに限らず本発明は適用することができる。例えば、ネジロータ３１およびネジステータ２４の無い全翼タイプのターボ分子ポンプや、回転翼の無いドラッグポンプ等に対しても本発明は適用することができる。

各固定翼２２は、スペーサリング２３を介してベース２０上に載置される。ポンプケーシング２１の固定フランジ２１ｃをボルトによりベース２０に固定すると、積層されたスペーサリング２３がベース２０とポンプケーシング２１との間に挟持され、固定翼２２が位置決めされる。ベース２０には排気ポート２５が設けられ、この排気ポート２５にバックポンプが接続される。ロータ３０を磁気浮上させつつモータ３６により高速回転駆動することにより、吸気口２１ａ側の気体分子は排気ポート２５側へと排気される。

電源装置４はポンプ本体１を駆動制御する装置であって、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、その他の周辺回路を含んで構成される。電源装置４には、主制御部４０，モータ制御部４１および磁気軸受制御部４２を備えている。モータ制御部４１は、回転センサ３３の出力信号に基づいてモータ３６を駆動制御する。磁気軸受制御部４２は、ラジアル変位センサ２７，２８およびアキシャル変位センサ２９の出力信号に基づいて磁気軸受３７〜３９の励磁電流を制御し、ロータ３０を所定位置に磁気浮上させる。

図２は各磁気軸受３７〜３９の電磁石の配置を示す図であり、ロータ３０の回転軸をｚ軸方向とした。磁気軸受３７〜３９は５軸制御型磁気軸受を構成している。すなわち、磁気軸受３７はロータシャフト３０ａを挟んで対向配置された１組の電磁石３７ｘと１組の電磁石３７ｙとを有し、磁気軸受３８はロータシャフト３０ａを挟んで対向配置された１組の電磁石３８ｘと１組の電磁石３８ｙとを有し、磁気軸受３９はスラストディスク３５を挟んで対向配置された１組の電磁石３９ｚを有している。なお、図１のラジアル変位センサ２７，２８は電磁石３７ｘ，３７ｙ，３８ｘ，３８ｙに対応してそれぞれ２組のセンサで構成されている。

次に、ポンプ起動動作について説明する。従来のターボ分子ポンプでは、磁気軸受３７〜３９によりロータ３０を磁気軸受３７，３８の中心位置に磁気浮上させた後に、モータ３６を駆動してロータ３０の回転を開始する。しかしながら、ホールセンサの代わりに回転センサ３３を１個だけ備えているターボ分子ポンプの場合、モータロータの磁極位置が分からないため、回転開始時において磁極位置がどこにあるかによって逆回転してしまうことがある。そこで、本実施の形態では、モータ３６を駆動開始する前に、磁気軸受３７，３８の吸引力を利用してロータ３０を正回転方向（図２の矢印Ｒの回転方向）に自転させることで、回転開始時の逆回転を防止するようにしている。

図３は、ｚ軸プラス方向から見た電磁石３７ｘ，３７ｙとロータシャフト３０ａの位置を示す図である。なお、図３では、座標軸のプラス側に配置された電磁石３７ｘ，３７ｙは符号３７ｘ＋，３７ｙ＋で表し、マイナス側に配置された電磁石３７ｘ，３７ｙは符号３７ｘ−，３７ｙ−で表すようにした。下側のラジアル磁気軸受３８の電磁石３８ｘ、３８ｙも電磁石３７ｘ，３７ｙの場合と同様に配置されており、同様の括弧付きの符号で示した。なお、破線で示す円は、メカニカルベアリング２６ａ，２６ｂの内周位置を示したものである。ロータシャフト３０ａのラジアル方向の移動範囲は、メカニカルベアリング２６ａ，２６ｂによって破線円内に制限されている。

磁気軸受３７，３８の吸引力を利用してロータ３０を正回転方向に自転させる場合には、ロータシャフト３０ａの位置は、例えば、図３に示すような位置から始める。この場合、アキシャル磁気軸受３９は通常と同様に制御され、ロータシャフト３０ａはアキシャル方向（ｚ軸方向）に関して浮上している。一方、ラジアル磁気軸受３７，３８に関しては、ｘ軸方向の電磁石３７ｘ，３８ｘは吸引力ゼロの状態とされ、ｙ軸方向の電磁石３７ｙ、３８ｙについては、ロータシャフト３０ａをｙ軸マイナス方向に吸引する状態とされる。このときのロータシャフト３０ａの位置は、ラジアル磁気軸受３７，３８の中心軸を原点として（０，−Ｌ）である。ここでは、ロータシャフト３０ａはメカニカルベアリング２６ａ，２６ｂに接触しない位置とされる。

図３に示す位置状態から、電磁石３７ｙ＋，３７ｙ−の吸引力をオフするとともに、電磁石３７ｘ＋，３７ｘ−を制御して、ロータシャフト３０ａを電磁石３７ｘ＋に引きつけるようなｘ軸プラス方向の吸引力（＋，０）を発生させる。ここで、吸引力(＋，０)の「＋」はｘ軸方向の吸引力がプラス方向であることを示し、「０」はｙ軸方向の電磁石３７ｙ＋，３７ｙ−をオフすることでｙ軸方向の吸引力がゼロであることを示す。なお、ここでは、磁気軸受３７の電磁石３７ｘ、３７ｙの動作についてだけ説明しているが、磁気軸受３８についても磁気軸受３７の場合と同様の制御を行う。以下の説明についても同様である。

図３のように磁気軸受中心に対して位置（０，−Ｌ）に偏心したロータシャフト３０ａに、ｘ軸プラス方向の吸引力（＋、０）が働くと、ロータシャフト３０ａは電磁石３７ｘ＋方向に引きつけられるとともに、モーメントＭ＝ｆ・Ｌが作用してロータシャフト３０ａが矢印Ｒ１方向に自転することになる。この自転方向Ｒ１は、図２に示した正常なロータ回転方向（正回転方向）Ｒと同一方向であり、以下ではＲ１方向の自転のことを前回りの自転と称することにする。なお、正回転方向が逆の−Ｒ方向である場合には、逆方向の吸引力（−，０）を発生させれば良い。

吸引力（＋、０）によって、ロータシャフト３０ａの位置が図４（ａ）に示すような位置（Ｌ、０）となったならば、電磁石３７ｘ＋、３７ｘ−をオフするとともに電磁石３７ｙ＋，３７ｙ−を制御して、ロータシャフト３０ａを電磁石３７ｙ＋に引きつけるようなｙ軸プラス方向の吸引力（０，＋）を発生させる。次いで、ロータシャフト３０ａの位置が図４（ｂ）に示すような位置（０、Ｌ）となったならば、電磁石３７ｙ＋，３７ｙ−をオフするとともに電磁石３７ｘ＋、３７ｘ−を制御して、ロータシャフト３０ａを電磁石３７ｘ−に引きつけるようなｘ軸マイナス方向の吸引力（−，０）を発生させる。

さらに、ロータシャフト３０ａの位置が図５に示すような位置（−Ｌ、０）となったならば、電磁石３７ｘ＋、３７ｘ−をオフするとともに電磁石３７ｙ＋，３７ｙ−を制御して、ロータシャフト３０ａを電磁石３７ｙ−に引きつけるようなｙ軸マイナス方向の吸引力（０，−）を発生させる。

このように、吸引力を（＋，０）→（０，＋）→（−，０）→（０，−）の順に発生さてラジアル磁気軸受３７，３８による回転磁界を生成することにより、ロータシャフト３０ａは磁気軸受中心の回りに正回転方向Ｒと逆回転の公転（振れ回り）運動Ｒ２、すなわち後ろ回りの公転運動Ｒ２とをすることになる。図３〜５に示すように、公転運動中のロータシャフト３０ａの中心軸はラジアル磁気軸受３７，３８の中心軸からずれている。さらに、ラジアル磁気軸受３７，３８による回転磁界は公転運動Ｒ２に対して回転の位相が９０deg進んでいるので、ロータシャフト３０ａに対して常に自転方向のモーメントが作用する。そのため、ロータシャフト３０ａは、後ろ回りの公転だけではなく前回りの自転を開始する。

上述したような回転磁界によってロータシャフト３０ａの公転速度がしだいに増加したならば、９０deg間隔の回転磁界から正弦波状の吸引力を発生することで、より滑らかな公転動作を行わせることができる。すなわち、図６に示すように、ロータシャフト３０ａの位置（ｘ、ｙ）が（ｘ、ｙ）＝（Ｌcosθ，Ｌsinθ）のとき、吸引力（−βsinθ，βcosθ）を発生させる。Ｌはロータシャフト３０ａの振れ回り変位の絶対値（上述した偏心量）であり、βは吸引力の絶対値である。なお、実際の制御では、角速度ωを用いてθ＝ωｔのように表される。

なお、上述した実施の形態では、ロータシャフト３０ａの公転に対して９０deg進みの回転磁界を発生し、自転を生ずるためのモーメントが効果的に生じるようにしているが、進み角は必ずしも９０degである必要はない。

上述した例では、図３〜５に示したように、ロータシャフト３０ａがメカニカルベアリング２６ａ，２６ｂに接触しない程度の振れ回り公転をするような回転磁界を与えるようにしたが、回転磁界の強さを大きくしてメカニカルベアリング２６ａ，２６ｂに接触させるように制御しても良い。この場合、図７に示すように、ロータシャフト３０ａが後ろ回りの公転Ｒ２でメカニカルベアリング２６ａ，２６ｂに接触すると、接触点での摩擦力Ｆにより、前回り方向のモーメントＭ２＝Ｆ・Ｌ２がロータシャフト３０ａに作用する。そのため、回転磁界の吸引力によるモーメントＭ１＝ｆ・Ｌ１に加えて摩擦力によるモーメントＭ２が作用し、より速やかに前回りの自転Ｒ１を開始させることができる。

ところで、上述した例では、回転磁界に進み角を与えて、モーメントＭ＝ｆ・Ｌによりロータシャフト３０ａが前回りの自転運動をするようにしていた。しかし、ロータシャフト３０ａをメカニカルベアリング２６ａ，２６ｂに接触させることで前回りの自転運動を発生させる場合には、モーメントＭ１＝ｆ・Ｌ１が無くても自転を始めるので、回転磁界の進み角は必ずしも必要ではない。すなわち、ロータシャフト３０ａがメカニカルベアリング２６ａ，２６ｂと接触するように、単に公転運動させるだけでも良い。

メカニカルベアリング２６ａ，２６ｂに接触させない第１の制御は、ターボ分子ポンプを反応生成物の付着が発生しやすいＣＶＤやエッチャなどに搭載する場合に適している。メカニカルベアリング２６ａ，２６ｂに粘着性の反応生成物が付着していた場合、メカニカルベアリング２６ａ，２６ｂに接触させるとロータシャフト３０ａが固着してしまう可能性があり、第１の制御ならばそのようなことを防止することができる。

一方、メカニカルベアリング２６ａ，２６ｂに接触させない第２の制御は、反応生成物の付着が問題とならない用途（例えば、スパッタリング装置）に適している。この場合、接触時の摩擦力を利用してより速やかに自転速度を増加させることができる。

上述した例では、いずれの場合も上下２組のラジアル磁気軸受３７，３８を使用して回転磁界を発生させたが、上下ラジアル磁気軸受３７，３８のいずれか一方のみを使用して回転磁界を生成しても良い。

図８は、ターボ分子ポンプのロータ回転始動動作を説明するフローチャートである。このフローチャートに関するプログラムは、図１の主制御部４０で実行され、ポンプ回転開始の指令により処理がスタートする。ステップＳ１０では、磁気軸受制御部４２によりアキシャル磁気軸受３９を制御してアキシャル方向（ｚ軸方向）の磁気浮上を行わせる。

ステップＳ２０では、図３〜５に示したような回転磁界をラジアル磁気軸受３７，３８により発生させる。その結果、ロータシャフト３０ａは後ろ回りの公転運動Ｒ２を行うと共に前回りの自転運動Ｒ１を開始する。ステップＳ３０では、回転磁界を発生開始してから所定時間が経過したか否かを判定する。この所定時間は、確実な自転運動が得られるのに要する時間であって、例えば実験等により決定した所定時間が予め記憶されている。ステップＳ３０において所定時間が経過したと判定されるとステップＳ４０へ進む。

ステップＳ４０では、ラジアル磁気軸受３７，３８を通常通りに制御してロータシャフト３０ａをラジアル磁気軸受の中心位置に磁気浮上させる。その結果、ロータシャフト３０ａは、前回り方向（正回転方向）に自転した状態で磁気浮上される。そして、ステップＳ５０では、モータ３６の回転駆動を開始する。

以上のように、本実施の形態では、ラジアル磁気軸受３７，３８およびアキシャル磁気軸受３９により磁気浮上されたロータ３０を、モータ３６により高速回転して気体の排気を行う磁気浮上式真空ポンプにおいて、モータ駆動開始の前に、ラジアル磁気軸受３７，３８を磁気軸受制御部４２で制御して、ラジアル磁気軸受３７，３８の吸引力によりロータ３０をモータ回転方向Ｒと逆方向に公転運動させるともにモータ回転方向Ｒに自転運動させるようにした。

例えば、ラジアル方向の吸引力がラジアル磁気軸受３７，３８の中心軸に対して回転し、かつ、ロータシャフト３０ａの公転運動に対して進み角を有する回転磁界を、ラジアル磁気軸受３７，３８により形成させることで、ロータシャフト３０ａにモータ回転方向の自転運動を生じさせるようにしても良い。なお、回転磁界の生成は、ラジアル磁気軸受３７，３８のそれぞれで行っても良いし、いずれか一方のみでも良い。

また、公転運動時にロータ３０のロータシャフト３０ａがメカニカルベアリング２６ａ，２６ｂの内周面に接触するようにラジアル磁気軸受３７，３８を制御することで、ロータ３０にモータ回転方向の自転運動を生じさせるようにしても良い。

このような制御を行うことにより、公転運動とともに、モータ回転方向Ｒと同一回転方向である前回りの自転が発生する。そのため、確実に正回転方向にモータ駆動開始することができ、始動性の向上を図ることができる。

加えて、本実施の形態では、始動時における回転センサ３３の検知信号による判断が不要であるため、回転数が上昇した状態における回転数検知に、例えば、特開２００６−１５８０２２号公報に記載されているような逆起電圧による回転数検知を採用することで、回転センサ３３を省略した回転センサレス構成も可能となり、さらなるコストダウンを図ることができる。

−第２の実施の形態−
図９〜２０を参照して第２の実施の形態ついて説明する。上述した第１の実施の形態では、ラジアル 磁気軸受３７，３８の吸引力によりロータ３０を公転運動させることで、結果的にモータ回転方向Ｒに自転運動させ、その後に、モータ駆動をロータ回転に対して非同期で行うようにした。そのため、回転センサ３３により回転信号が確実に得られるまでは、モータ駆動は非同期で行われるので、同期回転に比べて加速性の点で劣るという問題がある。そこで、第２に実施の形態では、正回転方向への自転運動が得られたなら、ラジアル磁気軸受３７，３８による公転制御と同期したモータステータの回転磁界を加えることによって、加速性の向上を図るようにした。

第２の実施の形態では、回転センサ３３に代えて逆起電圧による回転数検知を行うような構成とした。そのため、本実施の形態では、図１に示した回転センサ３３は省略される。さらに、回転始動時にモータステータにも電流を供給し、ラジアル磁気軸受３７，３８の吸引力だけでなくモータステータによる力も利用するようにした。

まず、図９は、逆起電圧による回転数検知を行う構成のモータ制御部４１を説明する図であり、モータ制御部４１に含まれる要素（符号４１０〜４１２を付した要素）と、モータ３６と、直流電源４３とを記載したものである。図９は、モータ３６にブラシレスＤＣモータを用いた場合を示している。モータ３６は、シャフト３０に固定されたモータロータ３６ａと、ポンプベース側に設けられたモータステータ３６ｂとを備えている。モータロータ３６ａは永久磁石を有している。モータステータ３６ｂは、Ｕ相巻線，Ｖ相巻線およびＷ相巻線を有している。

モータ制御部４１は、直流電源４３からの直流電力をＤＣ−ＡＣ変換してモータ３６に供給するインバータ４１１と、インバータ４１１を制御するための制御信号を生成する制御回路４１０と、基準電位計測用の疑似回路４１２を備えている。インバータ４１１には、Ｕ相巻線，Ｖ相巻線およびＷ相巻線に対応してスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６およびフライホイールダイオードＤ１〜Ｄ６が設けられている。

Ｕ〜Ｗ相巻線の端子電圧および疑似回路４１２のＮ’点 （疑似中性点）の電位（疑似中性点電位）は制御回路４１０に読み込まれ、モータ逆起電圧検出部４１０ａにおいて、端子電圧波形からＰＷＭ信号やノイズ等が除去される。モータ逆起電圧検出部４１０ａからは図１０（ａ）に示すような電圧波形が出力される。なお、図１０（ａ）はＵ〜Ｗ相の一相の電圧波形、例えば、Ｕ相の電圧波形を示したもので、Ｎ’点の電位を基準電位として示したものであり、横軸は電気角を表している。

図１０（ａ）に示す端子電圧は、インバータ４１１により印加される電圧と誘起電圧との和になっている。回転信号生成部４１０ｂでは、ノイズ等を除去した端子電圧と疑似中性点電位とを比較して、端子電圧と疑似中性点電位との電位差が正から負または負から正へと変化するゼロクロス点を検出する。図１０（ａ）において、疑似中性点電位（Ｎ’レベル）とクロスする点Ｐ１〜Ｐ１２がゼロクロス点であり、点Ｐ１，Ｐ３，Ｐ５，Ｐ７，Ｐ９，Ｐ１１は電位差が正から負に変化する点で、点Ｐ２，Ｐ４，Ｐ６，Ｐ８，Ｐ１０，Ｐ１２は電位差が負から正に変化する点である。

回転信号生成部４１０ｂでは、ゼロクロス点を検出した後に、フライホイールダイオードＤ１〜Ｄ６のサージ電圧によって生じるゼロクロス点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ４，Ｐ５，Ｐ７，Ｐ８，Ｐ１０，Ｐ１１を、ノイズ分としてマスク回路などで除去し、モータロータ磁極の位置情報のみを抽出する。図１０（ｂ）は抽出したゼロクロス点を示したものであり、ここでは電位差が正から負に変化するときのゼロクロス点Ｐ３，Ｐ９を抽出している。このときのゼロクロス点は、電気角で１８０度毎に抽出される。

回転信号生成部４１０ｂでは、位置検出回路４２で得られた位置情報に基づいてモータロータ３６ａの回転周期を算出する。算出された回転周期は記憶部４１０ｄに記憶される。例えば、時系列順にｋ個の回転周期データを記憶し、ｋ＋１個目の回転周期データが得られたならば、最も古い回転周期データをｋ＋１個目の回転周期データで置き換える。

スイッチング信号発生回路４１０ｃは、回転信号生成部４１０ｂで算出された回転周期に基づいて回転信号を生成し、インバータ４１１のスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６をオンオフするためのスイッチング信号を発生する。モータ回転数を制御するためには印加電圧を制御して巻線に流れる電流を変化させるが、その場合、目標回転数に応じたＰＷＭ信号でスイッチング信号を変換して電圧を変化させる。

図１０では、Ｕ相の電圧波形から抽出されるゼロクロス点を用いて回転信号を生成する例を示しており、ゼロクロス点を所定電気角（図１０の場合には３０度）だけ位相シフト（遅延）して回転信号Ａを生成する。回転信号Ａは、一つ手前のゼロクロス点から現在のゼロクロス点までの時間から得られる回転周期に基づいて算出され、電気角１８０度に対応する期間はＶhighで、後半の１８０度はＶlowとなる。

回転信号Ａは、ホールセンサを用いて回転位置を検出する場合と同一のタイミングに設定することが可能であり、ホールセンサと等価と見なすことができる。Ｖ相およびＷ相の回転信号Ｂ，Ｃも同様にして生成することができる。また、Ｕ相（Ｖ相でもＷ相でもかまわない）のみの端子電圧を検出して、図１０（ｄ），（ｅ）のように回転信号Ａを１２０度または２４０度位相シフトすることにより、Ｖ相，Ｗ相の回転信号Ｂ，Ｃを生成するようにしても良い。

上述した第１の実施の形態では、回転始動時はモータ駆動を行わずラジアル磁気軸受３７，３８による公転制御のみを行い、その公転制御を所定時間継続して確実な自転運動が得られてからモータステータ３６ｂによる回転磁界を与えるようにした。一方、第２の実施の形態では、ラジアル磁気軸受３７，３８の公転制御によりモータロータ３６ａが自転運動を開始したならば、上記所定時間を待つことなくモータステータ３６ｂによる回転磁界を与え、ラジアル磁気軸受３７，３８による公転制御とモータステータ３６ｂの回転磁界によるモータ駆動とを同時に同期して行い、その後、モータステータ３６ｂの回転磁界のみによる通常のモータ駆動に移行するようにした。

図１１，１２は、公転制御によるモータロータ３６ａの自転運動が開始した後、モータ３６を始動する時のラジアル磁気軸受３７，３８による吸引位置と、モータロータ磁極およびモータステータ磁極の各位置との関係をパターン分けしたものである。

なお、各ラジアル磁気軸受３７，３８の２軸は、第１の実施の形態と同様にｘ軸方向およびｙ軸方向に沿って配置され、モータ３６の巻線の配置方向もｘ軸方向およびｙ軸方向と一致させるように構成されている。また、図１１，１２では、ラジアル磁気軸受３７，３８の電磁石の記載は省略し、同一位置にモータステータ３６ｂの磁極を表示した。３６（Ｘ＋）はモータステータ３６ｂのＸ軸プラス位置に配置されたステータ磁極を示し、３６（Ｘ−）はモータステータ３６ｂのＸ軸マイナス位置に配置されたステータ磁極を示し、３６（Ｙ＋）はモータステータ３６ｂのＹ軸プラス位置に配置されたステータ磁極を示し、３６（Ｙ−）はモータステータ３６ｂのＹ軸マイナス位置に配置されたステータ磁極を示す。

第１の実施の形態で説明したように、磁気軸受３７，３８による公転制御においては、モータロータ３６ａを４つの方向（ｘ軸プラス方向、ｙ軸プラス方向、ｘ軸マイナス方向、ｙ軸マイナス方向）に偏心させる。図１１，１２では、モータロータ３６ａをｘ軸マイナス方向に偏心させる場合を例に示している。そして、図１１は、モータロータ３６ａの磁極の方向がｘ軸に沿っている場合における、ステータ磁極の４パターン（ａ１）〜（ａ４）を示したものである。図１２は、モータロータ３６ａの磁極の方向がｙ軸に沿っている場合における、ステータ磁極の４パターン（ａ５）〜（ａ８）を示したものである。

上述のように、モータロータ３６ａの偏心方向は４種類あるが、例えば、ｙ軸プラス方向に偏心したものは、図１１，１２に示すパターン（ａ１）〜（ａ８）をそれぞれ左回りに９０deg回転させたものになり、公転制御や自転運動への影響はパターン（ａ１）〜（ａ８）と同一となる。ｘ軸マイナス方向、ｙ軸マイナス方向に偏心している場合についても同様であり、図１１，１２の８パターンに関して検討すれば良い。また、パターン（ａ１）においてＮ極とＳ極とを入れ替えたパターンもあるが、その場合における公転制御や自転運動への影響は同一である。

例えば、パターン（ａ１）において、モータロータ３６ａのＮ極とＳ極とを入れ替え、さらにモータステータ３６ｂのＮ極とＳ極を入れ替えたパターンにおいては、力関係はパターン（ａ１）の場合とまったく同一になり、公転制御や自転運動への影響も同じになる。このようにＮ極とＳ極とを入れ替えただけのパターンを（ａ１＊）で表すことにする。また、パターン（ａ１）において、全体を９０degだけ左回りに回転した状態、すなわち座標軸を右回りに９０deg回転させたパターンを（ａ１’）のように表記すると、この場合、パターン（ａ１’）もパターン（ａ１）とまったく同じ状態となっている。

このように、ロータ回転位置のセンサを有しないセンサレス制御の場合、モータ始動時におけるモータロータ３６ａの磁極位置は不明であり、図１１，１２に示す８つのパターン（ａ１）〜（ａ８）のいずれか一つからの始動となると考えられる。また、詳細は後述するが、始動後の各ステップに関してもこれら８つのパターン（ａ１）〜（ａ８）で表すことができる。より詳しく言えば、８つのパターン（ａ１）〜（ａ８）と、それらと同等の状態であるパターン（ａ１＊）〜（ａ８＊）によって表すことができる。

なお、モータロータ磁極の方向がｘ軸方向およびｙ軸方向から角度ずれしている状態の場合には、偏心量（変位）が若干変化するが、図１１，１２に示す８パターンのいずれかを適用して考えることができる。また、ここでは、説明が簡単になるように、モータ３６が２極２相４スロットのブラシレスＤＣモータである場合を例として説明を行うが、例えば、３相２極６スロットなどの別構成の相数、局数、スロット数を持つＤＣモータについても、同様に考えることができる。

図１１は、モータロータ３６ａの磁極方向（Ｎ極，Ｓ極の配置方向）がｘ軸方向となっている場合を示している。図１２は、モータロータ３６ａの磁極方向（Ｎ極，Ｓ極の配置方向）がｘ軸方向となっている場合を示している。モータ電流は、磁極３６（Ｘ＋）がＮ極となり、磁極３６（Ｘ−）がＳ極となるように供給されている。白抜きの矢印はラジアル磁気軸受３７，３８による吸引力を示しており、斜線を施した矢印はモータロータ磁極（Ｎ極、Ｓ極）に対するモータ吸引力を示している。図１１のパターン（ａ１）に示すような磁極位置関係の場合には、ｘ軸プラス方向のモータ吸引力の方が大きくなり、ラジアル変位センサ２７，２８で検出される変位は（Ｌ＋α、０）となる。なお、モータステータ３６ｂが励磁されない場合には、図４（ａ）に示したようにモータロータ３６ａの変位は（Ｌ，０）である。

このように、モータ吸引力が加わったことによりｘ方向変位がＬから＋αだけ大きくなるため、モータ吸引力はラジアル磁気軸受３７，３８によるモータロータ３６ａの公転制御を促進するように作用する。また、モータロータ３６ａの偏心量が＋αだけ大きくなったことにより、前回りの自転を生じさせているモーメントＭも大きくなり、モータロータ３６ａの前回りの自転運動を促進するように作用する。

なお、図１１のパターン（ａ１）において、モータロータ３６ｂのＮ，Ｓ磁極を逆にすると共に、モータステータ３６ｂのＮ，Ｓ磁極の位置を逆にした場合（パターン（ａ１＊）の場合）も、全く同様のモータ吸引力が働くことになる。すなわち、ラジアル変位センサ２７，２８で検出される変位が（Ｌ＋α、０）となる点においては、パターン（ａ１＊）もパターン（ａ１）と同一のパターンであると見なすことができる。

図１１のパターン（ａ２）はモータロータ３６の変位が（Ｌ、γ）となる場合を示したものであり、磁極３６（Ｙ−）がＮ極となり、磁極３６（Ｙ＋）がＳ極となるようにモータ電流が供給される。なお、モータロータ３６ａおよびモータステータ３６ｂの磁極位置に関して、それぞれのＳ極とＮ磁とを逆転した状態でも、変位は（Ｌ、γ）となる。この場合、モータステータ３６ｂのＮ極およびＳ極による力はモータロータ３６ｂの重心に対して上向きに働き、ラジアル磁気軸受３７，３８によるモータロータ３６ａの公転制御を促進するように作用する。また、モータロータ３６ｂの自転に関しては、モータロータ３６ａに対して前回りの自転を促進するようなトルクが作用に、モータロータ３６ａの正回転方向への自転運動を促進する。

一方、モータステータ３６ｂのＮ，Ｓ磁極位置が、図１１のパターン（ａ１）の場合と逆であるパターン（ａ３）の場合、モータロータ３６ａにｘ軸マイナス方向への力が作用する。その結果、ラジアル変位センサ２７，２８で検出される変位は（Ｌ−β、０）となり、ｘ軸プラス方向への偏心量が−βだけ小さくなる。そのため、モータステータ３６ｂが形成した磁界は、ラジアル磁気軸受３７，３８による公転制御を妨げるように作用することになる。また、モータロータ３６ａの自転運動に関しては、偏心量が−βだけ小さくなった分だけ、力ｆによるモーメントが小さくなるので、自転運動が妨げられる。

同様に、モータステータ３６ｂのＮ，Ｓ磁極位置が、パターン（ａ２）の場合と逆であるパターン（ａ４）の場合には、モータロータ重心に対してｙ軸マイナス方向への力が作用する。その結果、ラジアル変位センサ２７，２８で検出される変位は（Ｌ、−γ）となる。モータステータ３６ｂの磁界によって生じるｙ軸マイナス方向への力は、次のステップにおけるラジアル磁気軸受３７，３８による吸引力と逆方向であるため、モータロータ３６ａに対する公転制御を妨げるように作用する。

また、モータロータ３６ａの自転運動に関しては、モータロータ３６ａに対して前回りの自転を妨げるようなトルクが与えられるため、モータロータ３６ａの正回転方向への自転運動が妨げられることになる。この場合、ラジアル磁気軸受３７，３８による公転制御が無かった場合には、モータロータ３６ａは逆方向に回転してしまうことになる。

図１２は、モータステータ３６ｂの磁界の作用がラジアル磁気軸受３７，３８の公転制御に影響を与えない４つのパターン（ａ５）〜（ａ８）を示したものである。いずれの場合も、検出される変位は（Ｌ、０）となっている。パターン（ａ５）の場合には、モータステータ３６ｂの磁界により、モータロータ３６ａに対して前回りの自転を妨げるようなトルクが与えられるため、モータロータ３６ａの正回転方向への自転運動が妨げられることになる。逆に、パターン（ａ７）の場合には、モータステータ３６ｂの磁界により、モータロータ３６ａに対して前回り方向（正回転方向）のトルクが与えられるため、モータロータ３６ａの正回転方向への自転運動が促進される。また、パターン（ａ６）およびパターン（ａ８）の場合には、自転運動への影響がほぼ無い。

図１３は、図１１に示す状態から公転制御を１ステップ（９０deg）進めたときの状態を示す。同様に、図１４は、図１２に示す状態から公転制御を１ステップ（９０deg）進めたときの状態を示す。図１３におけるモータロータ３６ａの偏心方向は、図１１の白抜き矢印で示した次ステップにおける吸引方向となり、モータロータ３６ａはｙ軸プラス方向に偏心している。このように、公転制御は左回りであるが、モータロータ３６ａを回転させるためのモータステータ３６ｂの回転磁界は右回りである。この場合、回転方向は逆であるが、ラジアル磁気軸受３７，３８による公転制御とモータステータ３６ｂの回転磁界によるモータ駆動とを同期させ、同一の角加速度で回転させるものとする。

図１３（ｂ１）は、図１１（ａ１）から１ステップ（９０deg）だけ制御が進んだ場合を示している。モータロータ３６ａは、９０degだけ正回転方向に回転し、またｙ軸プラス方向に偏心している。次のステップのおけるラジアル磁気軸受３７，３８の吸引方向は、ｘ軸マイナス方向である。これは、上述した図１１のパターン（ａ１）において座標軸ｘ、ｙを右回りに９０deg回転し、さらにＮ極とＳ極とを入れ替えたものであり、このパターンは（ａ１＊’）のように表記する。そして、パターン（ａ１＊’）の場合の公転制御や自転運動に対する影響は、パターン（ａ１）と同じになる。

このとき、ラジアル変位センサ２７，２８で検出される変位は（０、Ｌ＋ａ）となり、図４（ｂ）に示す〜大きくなっている。図１３（ｂ１）に示すパターン（ａ１＊’）は、パターン（ａ１）において座標軸を右回りに９０deg回転したものなので、パターン（ａ１）におけるｘ方向変位Ｌ＋ａは図１３（ｂ１）ではｙ軸プラス方向の変位となる。そのため、パターン（ａ１）の場合と同様にラジアル磁気軸受３７，３８によるモータロータ３６ａの公転制御が促進される。また、モータロータ３６ａの偏心量が＋αだけ大きくなったことにより、前回りの自転を生じさせているモーメントＭも大きくなり、モータロータ３６ａの前回りの自転運動が促進される。

図１３（ｂ２）は、図１１のパターン（ａ２）から１ステップ（９０deg）だけ制御が進んだ場合を示しており、ラジアル変位センサ２７，２８で検出される変位は（−γ、Ｌ）となる。この場合も、図１３（ｂ２）はパターン（ａ２）において座標軸ｘ、ｙを右回りに９０deg回転し、さらにＮ極とＳ極とを入れ替えたパターン（ａ２＊’）となっている。そのため、パターン（ａ２）におけるｘ方向変位Ｌは図１３（ｂ２）ではｙ軸プラス方向の変位となり、パターン（ａ２）におけるｙ方向変位γは図１３（ｂ２）ではｘ軸マイナス方向の変位（−γ）となる。

よって、図１３（ｂ２）の場合もパターン（ａ２）の場合と同様の作用となり、モータステータ３６ｂのモータステータ３６ｂのＮ極およびＳ極による力はモータロータ３６ｂの重心に対してｘ軸マイナス方向に働き、次ステップにおける磁気軸受吸引方向と同一方向のため、ラジアル磁気軸受３７，３８によるモータロータ３６ａの公転制御を促進するように作用する。また、モータロータ３６ｂの自転に関しては、モータロータ３６ａに対して前回りの自転を促進するようなトルクが作用に、モータロータ３６ａの正回転方向への自転運動を促進する。

図１３（ｂ３）の場合も、図１１のパターン（ａ３）において、座標軸ｘ、ｙを右回りに９０deg回転し、さらにＮ極とＳ極とを入れ替えたパターン（ａ３＊’）となっている。そのため、パターン（ａ３）におけるｘ方向変位Ｌ−βは図１３（ｂ３）ではｙ軸プラス方向の変位となり、ラジアル変位センサ２７，２８で検出される変位は（０、Ｌ−β）となる。よって、モータステータ３６ｂが形成した磁界は、ラジアル磁気軸受３７，３８による公転制御を妨げるように作用することになる。また、モータロータ３６ａの自転運動に関しては、偏心量が−βだけ小さくなった分だけ、力ｆによるモーメントが小さくなるので、自転運動が妨げられる。

図１３（ｂ４）は、図１１のパターン（ａ４）において、座標軸ｘ、ｙを右回りに９０deg回転し、さらにＮ極とＳ極とを入れ替えたパターン（ａ４＊’）となっている。そのため、パターン（ａ４）におけるｘ方向変位Ｌは図１３（ｂ４）ではｙ軸プラス方向の変位となり、パターン（ａ４）におけるｙ方向変位−γは、図１３（ｂ２）ではｘ軸マイナス方向の変位（−γ）、すなわち、ｘ軸プラス方向の変位γとなる。その結果、ラジアル変位センサ２７，２８で検出される変位は（γ、Ｌ）となり、公転制御および自転運動に与える影響はパターン（ａ４）と同一となる。

すなわち、モータステータ３６ｂの磁界によって生じるｘ軸プラス方向への力は、次のステップにおけるラジアル磁気軸受３７，３８による吸引力と反対方向であるため、モータロータ３６ａに対する公転制御を妨げるように作用する。モータロータ３６ａの自転運動に関しては、モータロータ３６ａに対して前回りの自転を妨げるようなトルクが与えられるため、モータロータ３６ａの正回転方向への自転運動が妨げられることになる。

図１４は、図１２に示す状態から公転制御を１ステップ（９０deg）進めたときの状態を示したもので、各パターン（ａ５）〜（ａ８）において、座標軸ｘ、ｙを右回りに９０deg回転し、さらにＮ極とＳ極とを入れ替えたパターン（ａ５＊’）〜（ａ８＊’）となっている。そのため、図１２の変位は（Ｌ、０）であるが、図１４における変位は、（０、Ｌ）となる。この変位も公転制御だけの場合と同じ変位となっており、モータステータ３６ｂの磁界の作用がラジアル磁気軸受３７，３８の公転制御に影響を与えない。

図１４（ｂ５）の場合には、モータステータ３６ｂの磁界により、モータロータ３６ａに対して前回りの自転を妨げるようなトルクが与えられるため、モータロータ３６ａの正回転方向への自転運動が妨げられることになる。逆に、図１４（ｂ７）の場合には、モータステータ３６ｂの磁界により、モータロータ３６ａに対して前回り方向（正回転方向）のトルクが与えられるため、モータロータ３６ａの正回転方向への自転運動が促進される。また、図１４（ｂ６）および図１４（ｂ８）の場合には、自転運動への影響がほぼ無い。

図１５は、図１１，１２の８パターンに関して、公転制御および自転運動への影響を表にまとめたものである。図１６は、図１３，１４に示す次ステップの８パターンに関して、公転制御および自転運動への影響を表にまとめたものである。

図１７は、ステップ（ａ１）からモータ駆動を開始した場合の、その後のステップにおけるパターンを示したものである。この場合、公転制御の１ステップは１回転の１／４である９０degに相当するので、図１７に記載の４ステップは１回転において現れる磁極位置パターンを示している。図１７に示すように、パターン（ａ１）からスタートすると、（ａ１）→（ａ１＊’）→（ａ１’’）→（ａ１＊’’’）→（ａ１）のように変化する。

ここで（ａ１’’）はパターン（ａ１）において座標軸を１８０degだけ右回りに回転した場合のパターンを表しており、（ａ１＊’’’）はパターン（ａ１）において座標軸を２７０degだけ右回りに回転すると共にＮ極とＳ極との入れ替えを行ったパターンを表している。すなわち、１ステップ進むごとに、座標軸を９０degだけ右回りに回転するとともに、Ｎ極とＳ極との入れ替えを行うことになる。

パターン（ａ１＊’）、（ａ１’’）および（ａ１＊’’’）は、基本パターン（ａ１）と同様の状態を示しているので、公転制御および自転運動への影響は、４ステップのいずれの場合も同じでる。すなわち、４ステップのいずれにおいても、公転制御および自転運動は促進されることになる。

図１７はパターン（ａ１）からスタートした場合を示したものであるが、他のパターン（ａ２）〜（ａ８）からスタートした場合も、パターン（ａ１）の場合と同様である。例えば、パターン（ａ２）からスタートする場合には、（ａ２）→（ａ２＊’）→（ａ２’’）→（ａ２＊’’’）→（ａ２）のように変化する。そのため、ステップが進んでも、公転制御および自転運動への影響はスタート時のパターンの場合と同様となる。

図１１のパターン（ａ１）またはパターン（ａ２）から始動した場合、磁気軸受による公転制御が促進され、また、モータロータ３６ａの自転運動も促進される。さらに、このまま軸受制御とモータ駆動との同期制御を継続した場合、図１３（ｂ１）および図１３（ｂ２）に示す次ステップの場合でも、図１６に示すように公転制御および自転運動の促進された状態が継続される。

一方、図１１（ａ３）のパターンまたは図１１（ａ４）のパターンから始動した場合、９０deg制御が進んだ図１３（ｂ３）および図１３（ｂ４）においても、公転制御および自転運動が妨げられる状態が継続している。そのため、公転制御および自転運動がうまく行われない可能性がある。

上述のように、本実施の形態では、磁気軸受用に設けられたラジアル変位センサ２７，２８の検出結果から、モータロータ３６ａの磁極とモータステータ３６の磁極との位置関係を推定することができる。例えば、検出された変位が（Ｌ＋α、０）であった場合には、図１１のパターン（ａ１）に示すような磁極位置であると推定できる。そして、図１５，１６から分かるように、変位が（Ｌ、０）の場合には公転制御への影響は無く、偏心量が大きくなるような変位の場合には、例えば、（Ｌ＋α、０）や（Ｌ、γ）の場合には、公転制御が促進され、逆に、偏心量が小さくなるような変位の場合には公転制御が妨げられる。

ところで、上述したようにパターン（ａ３），（ａ４）およびそれらと同様のパターンが検出された場合、すなわち、公転制御が妨げられる状態である変位（Ｌ−β、０）、（Ｌ、−γ）などが検出された場合には、磁気軸受による公転制御を維持できないおそれがある。そこで、本実施の形態では、そのような変位が検出された場合には、次ステップにおける公転制御を以下のように変更し、公転制御が妨げられるのを防止するようにした。

ここでは、パターン（ａ３），（ａ４）およびそれらと同様のパターンが検出された場合、次ステップにおける磁気軸受による吸引方向（偏心方向）をさらに９０deg進め、左回りに１８０deg回転した方向に吸引するように制御する。例えば、パターン（ａ３）に対応する変位（Ｌ−β、０）が検出された場合には、次ステップの状態として、図１３（ｂ３）に示すような状態ではなくて、図１８（ｃ３）に示すような状態とする。また、パターン（ａ４）に対応する変位（Ｌ−β、０）が検出された場合には、次ステップの状態として、図１３（ｂ４）に示すような状態ではなくて、図１８（ｃ４）に示すような状態とする。

図１８（ｃ３）に示す状態は、図１１のパターン（ａ３）の状態から磁気軸受によりｘ軸マイナス方向に吸引するとともに、モータステータ３６ｂによる磁界を９０degだけ右回りに回転させたものである。図１８（ｃ３）の状態は、図１１に示すパターン（ａ８）において座標軸ｘ、ｙを１８０deg右回りに回転し、さらにＮ極とＳ極とを入れ替えたパターン（ａ８＊’’）に対応している。このときの変位は、（−Ｌ、０）となる。この後のステップは、上述したとおり、座標軸ｘ、ｙを９０deg右回りに回転し、さらにＮ極とＳ極とを入れ替えたパターンとする。すなわち、図１９に示すように（ａ３）→（ａ８＊’’）→（ａ８’’’）→（ａ８＊）→（ａ８’）→（ａ８＊’’）→（ａ８’’’）のように変化させる。

一方、図１８（ｃ４）に示す状態は、図１１のパターン（ａ４）の状態から磁気軸受によりｘ軸マイナス方向に吸引するとともに、モータステータ３６ｂによる磁界を９０degだけ右回りに回転させたものである。図１８（ｃ４）の状態は、図１１に示すパターン（ａ５）において座標軸ｘ、ｙを１８０deg右回りに回転し、さらにＮ極とＳ極とを入れ替えたパターン（ａ５＊’’）に対応している。このときの変位は、（−Ｌ、０）となる。この後のステップは、上述したとおり、座標軸ｘ、ｙを９０deg右回りに回転し、さらにＮ極とＳ極とを入れ替えたパターンとする。すなわち、図２０に示すように（ａ４）→（ａ５＊’’）→（ａ５’’’）→（ａ５＊）→（ａ５’）→（ａ５＊’’）→（ａ５’’’）のように変化させる。

このように、本実施の形態では、最初にラジアル磁気軸受３７，３８による公転制御を行い、その後、磁気軸受による公転制御とモータ回転と同期して行うことで、モータロータ３６ａの回転速度を上昇させる。そして、回転信号を得るに十分な逆起電圧が得られるようになったならば、ラジアル磁気軸受３７，３８の公転制御を停止して通常の浮上位置に戻す。これ以降は、通常のモータ回転駆動により回転加速動作が行われる。なお、変位が適正か否かの判定、および判定に基づく吸引方向の変更は主制御部４０において行われる。また、公転制御だけの状態から公転制御とモータ駆動とを同期して行う制御への切替はモータロータ３６ａが正回転方向への時点を開始したと推定される時点、例えば、公転制御が１０ステップ以上進んだ数Hzの自転が得られた時点で行う。

以上のように、本実施の形態では、磁気軸受を用いた公転制御により正回転方向の自転運動を始動できた後にも、公転制御とモータ回転駆動とを同期して行うことで回転加速を確実に効果的に行うことが可能となる。逆起電圧から回転信号を生成する回転センサレス方式の場合、ある程度まで回転数を上げなければ、モータ逆起電圧のＳ／Ｎ比が悪く回転数検知ができないが、本実施の形態のように回転始動を行うことにより、このような、回転センサレス方式の低回転時の問題を解決することができる。

なお、上述した説明では、モータロータ３６ａの回転がモータステータ３６ｂの磁極の回転とほぼ同期しているような場合を例に説明したが、例えば、モータロータ３６ａの回転が遅れ気味であっても、モータステータ３６ｂの磁極との作用により自転動作が促進され、ほぼ一致して回転することになる。また、変位からモータロータ３６ａの回転状態を推定することができる。すなわち、各ステップで検出される変位が変化しなければ、モータロータ３６ａの回転がモータステータ３６ｂの形成する磁界の回転とほぼ同期していると考えられる。逆に変位が少しずつ変化するような場合には、公転制御およびモータステータ３６ｂの形成する磁界の回転の速度を調整することで、変位をほぼ同じにしたまま（すなわち、モータロータ３６ａの回転が同期している）にすることも可能である。

また、第２の実施の形態では、逆起電圧により回転信号を得るような構成としたが、第１の実施の形態の回転センサを用いる場合にも第２実施形態の制御動作は適用できる。そして、変位センサ情報を用いることで、モータロータ３６ａの大まかな回転位置を推定することができ、モータロータ３６ａの回転を確実に正回転方向とすることができる。

上述した各実施形態はそれぞれ単独に、あるいは組み合わせて用いても良い。それぞれの実施形態での効果を単独あるいは相乗して奏することができるからである。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。

１：ポンプ本体、４：電源装置、２６ａ，２６ｂ：メカニカルベアリング、２７，２８：ラジアル変位センサ、３０：ロータ、３０ａ：ロータシャフト、３３：回転センサ、３６：モータ、３７，３８：ラジアル磁気軸受、３９：アキシャル磁気軸受、４０：主制御部、４１：モータ制御部、４２：磁気軸受制御部

Claims (10)

1. ラジアル磁気軸受およびアキシャル磁気軸受により磁気浮上された回転体を、モータにより高速回転して真空排気を行う磁気浮上式真空ポンプにおいて、
   前記モータの駆動および停止を制御するモータ制御部と、
   前記モータ制御部によるモータ駆動開始の前に、前記ラジアル磁気軸受の吸引力により前記回転体をモータ回転方向と逆方向に公転運動させるともにモータ回転方向に自転運動させるように、前記ラジアル磁気軸受を制御する磁気軸受制御部と、を備えたことを特徴とする磁気浮上式真空ポンプ。
2. 請求項１に記載の磁気浮上式真空ポンプにおいて、
   前記磁気軸受制御部は、吸引方向が前記ラジアル磁気軸受の中心軸に対して回転し、かつ、前記公転運動に対して進み角を有する回転磁界を、前記ラジアル磁気軸受により形成させることを特徴とする磁気浮上式真空ポンプ。
3. 請求項２に記載の磁気浮上式真空ポンプにおいて、
   前記磁気軸受制御部は、前記公転運動に対して回転位相が９０deg進んだ回転磁界を形成するように、前記ラジアル磁気軸受を制御することを特徴とする磁気浮上式真空ポンプ。
4. 請求項１または２に記載の磁気浮上式真空ポンプにおいて、
   前記磁気軸受制御部は、前記回転磁界の形成開始から所定時間経過すると該回転磁界の形成を停止して前記回転体を所定位置に磁気浮上させるように前記ラジアル磁気軸受を制御し、
   前記モータ制御部は、前記回転磁界の形成の停止後に前記回転体が所定位置に磁気浮上されると、前記モータの回転を開始することを特徴とする磁気浮上式真空ポンプ。
5. 請求項２に記載の磁気浮上式真空ポンプにおいて、
   前記ラジアル磁気軸受は、回転体のラジアル方向の変位を検出する変位センサを備え、
   前記モータ制御部は、前記磁気軸受制御部による回転磁界の形成の後に、前記吸引方向の切替に同期して前記モータの回転駆動を開始し、
   前記磁気軸受制御部は、前記変位センサの検出値に基づいて、前記公転運動が妨げられないように前記吸引方向を制御することを特徴とする磁気浮上式真空ポンプ。
6. 請求項３に記載の磁気浮上式真空ポンプにおいて、
   前記ラジアル磁気軸受は、回転体のラジアル方向の変位を検出する変位センサと、
   前記変位センサの検出値に基づいて、前記モータのロータの回転位置が前記公転運動を妨げる位置か否かを判定する判定部と、を備え、
   前記モータ制御部は、前記磁気軸受制御部による回転磁界の形成の後に、前記吸引方向の切替に同期して前記モータの回転駆動を開始し、
   前記磁気軸受制御部は、前記モータのロータの回転位置が前記公転運動を妨げる位置であると前記判定部により判定されると、回転位相が１８０deg進んだ回転磁界を形成することを特徴とする磁気浮上式真空ポンプ。
7. 請求項５または６に記載の磁気浮上式真空ポンプにおいて、
   前記モータに生じる逆起電圧を検出し、該逆起電圧に基づいて回転信号を生成する回転信号生成部を備え、
   前記磁気軸受制御部は、前記回転体の回転数が前記回転信号生成部による回転信号の生成が可能な回転数となったならば、前記回転磁界の形成を停止して前記回転体を所定位置に磁気浮上させるように前記ラジアル磁気軸受を制御し、
   前記モータ制御部は、前記回転信号生成部により生成された回転信号に基づいて前記モータの回転を制御することを特徴とする磁気浮上式真空ポンプ。
8. 請求項１乃至７のいずれか一項に記載の磁気浮上式真空ポンプにおいて、
   前記回転体の回転軸との間に所定ラジアル方向隙間を有して配置され、前記ラジアル磁気軸受およびアキシャル磁気軸受が非動作時に前記回転軸を支持するメカニカルベアリングを備え、
   前記磁気軸受制御部は、前記公転運動時に前記回転軸が前記メカニカルベアリングの内周面に接触するように前記ラジアル磁気軸受を制御することを特徴とする磁気浮上式真空ポンプ。
9. ラジアル磁気軸受およびアキシャル磁気軸受により磁気浮上させた回転体を、モータにより高速回転して気体排気を行う磁気浮上式真空ポンプの回転始動方法であって、
   前記モータを駆動開始する前に、前記回転体がモータ回転方向に自転運動するように、前記ラジアル磁気軸受の吸引力により前記回転体をモータ回転方向と逆方向に公転運動させることを特徴とする磁気浮上式真空ポンプの回転始動方法。
10. 請求項９に記載の磁気浮上式真空ポンプの回転始動方法において、
    前記アキシャル磁気軸受により前記回転体をアキシャル方向に磁気浮上させる第１の工程と、
    吸引方向が前記ラジアル磁気軸受の中心軸に対して回転する回転磁界であって、前記回転体をモータ回転方向と逆方向に公転運動させ、かつ、該公転運動に対して進み角を有する回転磁界を、前記ラジアル磁気軸受により形成する第２の工程と、
    前記回転磁界の形成開始から所定時間経過後に、前記ラジアル磁気軸受による前記回転磁界の形成を停止して、前記回転体を前記アキシャル磁気軸受および前記ラジアル磁気軸受により所定の通常浮上位置に磁気浮上させる第３の工程と、
    前記モータにより前記回転体を回転駆動する第４の工程と、を有することを特徴とする磁気浮上式真空ポンプの回転始動方法。

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