JP2536037B2 - タ―ボ分子ポンプ用モ―タ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は例えば半導体装置の真空排気系統に装備され
るターボ分子ポンプ用モータに関する。

従来の技術 半導体装置の真空排気系統には、機械的な機構が無い
ために信頼性が高く、しかも安価である油拡散ポンプが
標準装備として採用されていることが多いが、最近、特
に要求が厳しいが真空排気装置の超高真空化、クリーン
化等に対応する観点から非常に高価なターボ分子ポンプ
が徐々に採用される傾向にある。このターボ分子ポンプ
の特徴は何と言っても一次周波数制御された誘導電動機
で駆動されるローターが超高速回転（５〜７万rpm）す
るところにある。それ故、真空状態を保持したままで電
源を切ったとしても、ローターが停止するに至るまでに
は相当の時間が必要となる。特にローターの油潤滑機構
の代わりとして磁気軸受けを装備したターボ分子ポンプ
用モータにあっては、非常に高いクリーン度が得られる
ものの上記不都合が更に顕著となり、作業者の待ち時間
という点で問題となることは勿論のこと、停止に至るま
でに速度通過する共振点における回転機構部の振動によ
り機械的寿命が縮まるという点でも問題となる。それ
故、通常のターボ分子ポンプ用モータには、誘導電動機
を回生制動状態に切り換えて、ローターを短時間で停止
させるような工夫がなされている。

第３図は従来のターボ分子ポンプ用モータの簡略電気
構成図を示している。

そこでは、入力された商用交流ａを整流回路10、DC−
DCコンバータ20でもって直流電圧に変換し、得られた直
流電圧をインバータ回路30でスイッチングせしめて高周
波電流を作り出し、これで図外のターボ分子ポンプに連
結された誘導電動機40を高速駆動せしめるような基本構
成となっている。なお、誘導電動機40にはこの回転速度
を検出する速度検出器50が連結されている。

更に詳しく説明すると、整流回路10の入力段には、商
用交流ａの停電を検出し、この検出結果を停電検出信号
611として出力する停電検出回路61が接続されており、
一方、DC−DCコンバータ20の出力段には、回生制動状態
の誘導電動機50から供給される回生電力を消費する回生
用抵抗器68が接続されている。このDC−DCコンバータ2
0、インバータ回路30は、誘導電動機40の一次電圧、一
次周波数を夫々調節する回路であるが、共にモータ制御
回路30の制御下に置かれている。つまりモータ制御回路
30は誘導電動機40の回転速度が速度設定器63の回転速度
設定値通りになるようにDC−DCコンバータ20及びインバ
ータ回路30を制御せしめ、これで誘導電動機40の定速度
制御が行われるようになっている。しかも停電検出回路
61が停電を検出すると、速度設定器63の回転速度設定値
が誘導電動機40を緊急停止せしめるに見合った値に設定
されることで、誘導電動機40が回生制動状態に至らしめ
るような構成となっている。

ところでモータ制御回路66は速度設定器63、速度検出
器50と同じく制御電源回路65により電源供給されてお
り、更に制御電源回路65に入力される電力は、整流回路
10の出力段から取り出されている関係上、停電状態にな
っても誘導電動機40が完全に停止するまでには、モータ
制御回路66等を動作させる必要がある。そこで停電初期
時には整流回路10の平滑コンデンサ12等に蓄えられた電
荷エネルギーを電力供給源とするとともに、その後停止
に至るまでには、回生制御状態に至らしめられた誘導電
動機40から供給される回生電力を電力供給源とするよう
になっている。

発明が解決しようとする課題 しかしながら、上記従来例による場合には、誘導電動
機40が定格運転されている状態、即ち平滑コンデンサ12
に電荷エネルギーが十分に蓄えられている状態において
停電が発生した場合には、問題無くローターは確実迅速
に停止することになるが、誘導電動機40の起動状態にお
いて停電が発生した場合には、誘導電動機40が回生制動
状態に切り替わる前に、不十分ながらも平滑コンデンサ
12に蓄えられている電荷エネルギーの殆どが誘導電動機
40に供給されてしまうことで、制御電源回路65への電力
供給が停電後直ぐに打ち切られる形となり、結果として
誘導電動機40、即ちローターがフリーラン状態となると
いう問題がある。これは、作業者の待ち時間の問題や軸
受けの寿命低下ということに繋がることは上記した通り
であるが、特に磁気軸受けを装備したターボ分子ポンプ
用モータにおいては、停電になるとローターを浮上させ
るための停電用電力をも途絶えることになるので、バッ
テリー等の予備電源によりフェールセーフ設計がなされ
ているとはいえ、フリーラン状態にあるローターが破損
するという危険性が依然としてある。この不都合の対処
策としては、制御電源回路65に停電用バッテリーを新た
に併設するという方法が考えられるが、これに見合った
コストアップがあり余り実用的とは言えない。

本発明は上記事情に鑑みて創案されたものであり、若
干の変更を加えるだけで、如何なるタイミングで停電が
発生しようともローターを確実迅速に停止せしめること
ができるターボ分子ポンプ用モータを提供することを目
的とする。

課題を解決するための手段 本発明にかかるターボ分子ポンプ用モータは、入力さ
れた商用交流を整流し、平滑コンデンサにて直流電圧に
変換する整流回路と、整流回路の入力段にて接続してあ
り、商用交流の停電を検出し、この検出結果を停電検出
信号として出力する停電検出回路と、整流回路の出力段
に接続してあるDC−DCコンバータと、DC−DCコンバータ
から導いた直流電圧をスイッチングせしめ、ターボ分子
ポンプに連結した誘導電動機に電流供給するインバータ
回路と、誘導電動機の回転速度設定値を与える回路であ
って、停電検出信号が停電を示す時には誘導電動機を停
止させるための回転速度設定値を与える速度設定器と、
誘導電動機の回転速度を検出する速度検出器と、速度検
出器の検出結果と速度設定器の回転速度設定値とに基づ
いてDC−DCコンバータの電圧振幅制御とインバータ回路
のスイッチング周波数制御とを行うモータ制御回路と、
速度設定器、速度検出器及びモータ制御回路を動作させ
るべく、正常時には商用交流から電力供給を受けて電源
供給を行い、一方停電発生初期時にあっては、平滑コン
デンサに蓄えられた電荷エネルギーから電力供給を受
け、更に停電発生後の誘導電動機の回生制動状態にあっ
ては、回生電力から電力供給を受けて電源供給を夫々行
う制御電源回路と、速度検出信号が停電を示した場合
に、このタイミングで行われる誘導電動機のすべりが正
から負に変化するに要する期間だけDC−DCコンバータ又
はインバータ回路の動作を強制停止せしめる禁止回路
と、誘導電動機の入力側に接続してあり、誘導電動機か
らの回生電力を消費する回生用抵抗器とを具備してい
る。

作用 停電検出回路が商用交流の停電を検出すると、速度設
定器における回転速度設定値が誘導電動機が回生制動状
態に至らしめるような値に設定されると同時に、DC−DC
コンバータ又はインバータ回路の動作が禁止回路により
強制停止される。この強制停止は回転速度設定値が上記
設定されることにより行われる誘導電動機のすべりが正
から負に変化するに要する期間だけ保持される。

一方、停電以前にあって制御電源回路への電力供給は
商用交流により行われるが、停電が検出されると、まず
平滑コンデンサに蓄電された電荷エネルギーにより行わ
れる。この状態において平滑コンデンサから電力供給さ
れる電荷エネルギーは、強制停止されているDC−DCコン
バータ又はインバータ回路で阻止されて誘導電動機側に
は供給されないことになり、誘導電動機を速度制御する
モータ制御回路等の電力供給源のみとなる。

そして誘導電動機のすべりが正から負に変化にする
と、DC−DCコンバータ又はインバータ回路の動作が復帰
することにより、誘導電動機が回生制動状態となり、し
かも発生する回生電力が回生用抵抗器で消費されること
により、誘導電動機の回転が停止することになる。

実施例 以下、本発明にかかるターボ分子ポンプ用モータの一
実施例を図面を参照して説明する。第１図はターボ分子
ポンプ用モータの電気構成図、第２図はターボ分子ポン
プ用モータの動作説明を行うための主要信号等のタイミ
ングチャートである。

ここに掲げるターボ分子ポンプ用モータは、図外のロ
ーターを磁気軸受けでもって浮上させている磁気浮上形
のもので、速度制御された誘導電動機40によりローター
を超高速回転せしめ、これで真空ポンプとしての機能が
得られるような構成となっている。

以下、誘導電動機40に接続された電源回路について詳
しく説明する。

この電源回路には商用交流ａが導入されており、入力
された商用交流ａは、ダイオードブリッジ11と平滑コン
デンサ12からなる整流回路10でもって直流電圧に変換さ
れるようになっている。

整流回路10の出力段には、変換された直流電圧を更に
高い直流電圧に変換せしめるDC−DCコンバータ20が接続
されており、DC−DCコンバータ20の出力段には、得られ
た直流電圧（以下、インバータ電圧Ｅとする）をスイッ
チングせしめることにより誘導電動機40に与える一次電
流を生成するインバータ回路30が接続されている。な
お、DC−DCコンバータ20とインバータ回路30との間に
は、DC−DCコンバータ20から供給される電流の大きさを
検出するシャント抵抗67が接続されており、この検出結
果を信号671として電圧出力するようになっている。

インバータ回路30の入力段には、回生制動状態にある
誘導電動機40からインバータ回路30を介して逆流する回
生電力を消費する回生用抵抗器68が接続されている。こ
の回生用抵抗器68は抵抗、スイッチング素子等の組み合
わせ回路であって、モータ制御回路66から導かれた後述
する回生制動信号6612がアクティブである場合にだけ、
回生電力を内蔵抵抗に消費せしめるような構成となって
いる。なお、図示されていないローターの磁気軸受けに
は、ローター、即ち誘導電動機40の回転速度を検出する
速度検出器50が設けられている。この速度検出器50の検
出結果である回転速度データはは、DC−DCコンバータ2
0、インバータ回路30を共に制御するモータ制御回路66
に信号51を介して導入されている。

更に詳しく説明すると、整流回路10の入力段には、商
用交流ａを整流した電圧値と予め設定された基準値とを
比較する停電検出回路61が接続されており、この比較結
果を停電検出信号611として後述する速度設定器63、禁
止回路62に夫々導かれるようになっている。

この速度設定器63は、可変周波数発振器、F/V変換器
等からなり、誘導電動機40の回転速度設定値を信号631
として電力出力する回路であって、ここではローターの
回転速度を可変自在にする必要が無いことから半固定式
となっているが、停電検出信号611や起動停止スイッチ6
4からの信号641に示される情報如何によっては回転速度
設定値が可変し得るような構成となっている。中でも商
用交流ａの停電を与える停電検出信号611がアクティブ
となると、速度設定器63からは誘導電動機40を制動状態
に至らしめるような回転速度設定値が信号631としてモ
ータ制御回路66に出力するようになっている。またモー
タ制御回路66には、上記説明した信号631、信号51の他
に停電検出信号611を後述する禁止回路62にて信号処理
せしめたリセット信号621が導入されている。

この禁止回路62は停電検出信号611を禁止期間Ｔだけ
ラッチする回路となっている。この禁止時間Ｔについて
説明すると、停電検出信号611がアクティブとなれば、
速度設定器63の回転速度設定値が変化することになる
が、この変化するタイミングと、実際に誘導電動機40の
すべりｓが正から負に変化するタイミングとでは、モー
タ制御回路66の巾に遅れ要素があるが故に、時間遅れが
存在する。かかる禁止時間Ｔはこの時間遅れと略同等に
設定されている。なお、本実施例では禁止回路62はラッ
チ回路が採用されているが、リセット信号621の送出先
であるモータ制御回路66の回路構成如何によっては、遅
延回路のような回路に置き換えることもできる。

モータ制御回路66は、誘導電動機40の回転速度を制御
対象としたフィードバック制御系における主回路であっ
て、速度設定器63からの回転速度設定値に相当する信号
631を目標値信号、F/V変換器665を経た誘導電動機40の
回転速度に相当する信号6651をフィードバック信号と
し、DC−DCコンバータ20及びインバータ回路30を制御す
るような構成となっている。更に詳しく説明すると、信
号631と信号6651とを電圧比較する減算器667から導かれ
た偏差信号6671は、インバータ制御回路30を制御する系
統とDC−DCコンバータ20を制御する系統とに振り分けら
れている。

前者の系統には、不感帯回路661を経て生成された誘
導電動機40のすべりｓに相当するすべり制御信号6611と
誘導電動機40の回転速度に相当する信号6651とを加算す
る加算器662と、加算器662の加算電圧値に応じて三相発
振する発振器663とが備えられており、発振器663からは
インバータ回路30をスイッチング周波数を可変せしめる
三相スイッチング信号6631が出力されるようになってい
る。なお、不感帯回路661からは、信号6621の他に誘導
電動機40のすべりｓが負に変化したことを所定の期間を
置いて与える回生制度信号6612が出力されている。

一方、後者の系統には、不感帯回路664を経て生成さ
れた信号6641とDC−DCコンバータ20からの出力電流に相
当する信号671とを減算する減算器665と、減算器665の
減算結果に応じて二相発振する電流制御器666とが備え
られており、電流制御器666からはDC−DCコンバータ20
の通電角を変化させてインバータ電圧Ｅを可変せしめる
ための二相スイッチング信号6661が出力されるようにな
っている。この電流制御器666はリセット信号621がアク
ティブである期間には動作しないような構成となってい
る。このようにDC−DCコンバータ20を制御する系統には
かかる系の安定性の観点から電流フィードバックループ
が設けられている。なお、各系統に備えられている不感
帯回路661、664はフィードバック系の目標信号である信
号631が急激に変化しても誘導電動機40が電気的に追随
しないことに基づくものである。

上記説明したモータ制御回路66、停電検出回路61、禁
止回路62、速度設定器63、起動停止スイッチ64、回生用
抵抗器68、速度検出器50等は、後述する制御電源回路65
によって、通常の場合は勿論のこと、商用交流ａが停電
となった場合にも誘導電動機40が停止するに必要な期間
に限って夫々電源供給され得るようになっている。

この制御電源回路65は、図示されていないがDC−DCコ
ンバータ等を組み合わせた回路であって、上記回路等を
駆動させるに必要な電力供給源は、整流回路10の出力段
とDC−DCコンバータ20の出力段からの２系統から夫々導
入されるようになっている。つまり商用交流ａが正常で
ある場合には、商用交流ａを整流回路10でもって整流せ
しめた直流電圧からエネルギー供給が行われており、一
方、商用交流ａが停電である場合には、主として平滑コ
ンデンサ12に蓄えられた電荷エネルギー或いは回生制動
時に誘導電動機40から発せられる回生エネルギーでもっ
て電力供給が行われるような構成となっている。

上記のように構成されたターホ分子ポンプ用モータの
動作説明を第２図を参照して説明する。なお、図中示す
一点鎖線は従来例による場合のグラフである。

起動停止スイッチ64をオンに切り換えると、商用交流
ａが導通されると同時に、速度設定器63の速度設定値が
変化することにより、誘導電動機40が起動することにな
る。この状態では誘導電動機40を速度制御するモータ制
御回路等の回路は誘導電動機40と同じく商用交流ａによ
り電力供給が行われている。

そして誘導電動機40が定格運転状態に至る途中におけ
る時間t1において停電が発生すると、停電検出回路61の
停電検出信号611にパルスが現れ、これと共に速度設定
器63における回転速度設定値が誘導電動機40の回生制動
を行うような値に設定される。しかも禁止回路62のリセ
ット信号621も立ち上がることになり、電流制御器666の
二相発振が停止し、DC−DCコンバータ20の動作が強制停
止される。この強制停止はリセット信号621が立ち下が
る時間t2まで保持されることになる。これは、平滑コン
デンサ12に蓄えられている電荷エネルギーは、DC−DCコ
ンバータ20が強制停止されているので、起動状態にある
誘導電動機40に電力供給されないことを意味しており、
停電が発生して誘導電動機40が回生起動状態となるまで
動作していることが必要なモータ制御回路66等に電源供
給するための電力供給源となり得る。

次に誘導電動機40が回生起動状態に至るまでの過程に
ついて説明する。時間t1において誘導電動機40が回生制
動状態に至らしめるような回転速度設定に設定される
と、この設定値変化は不感帯回路661、発振器663へと順
次的に伝達され、結果として誘導電動機40のすべりｓが
正から負に変化することになるが、主として発振器663
にはこの系を安定にするために積分要素が含まれている
ので、この信号伝達は遅延することになる。

しかも誘導電動機40のすべりｓが正から負に変化に完
全に変化したタイミング、即ち時間t2にて禁止回路62か
ら出力されるリセット信号621が立ち下がることにな
り、電流制御器666の二相発振器が動作を開始すること
に伴ってDC−DCコンバータ20の動作が復帰することで、
誘導電動機40が回生制動状態になる。これはフリーラン
状態となっている誘導電動機40において回生電力が発生
することを意味している。このように時間t2にて発生し
た回生電力は、平滑コンデンサ12に蓄えられた電荷エネ
ルギーに代わって制御電源回路65に与えられることにな
り、制御電源回路65への電力供給が不安定にならない限
りにおいて回生用抵抗器68でも消費されることになる
が、時間t2以降、誘導電動機40が完全に停止するまでの
電力供給源とされ得ることになる。

従って、本実施例による場合には、誘導電動機40が定
格運転状態に至る途中において停電が発生した場合であ
っても、磁気軸受けを破損させることなく、ローターを
確実迅速に停止せしめることができることになる、しか
も停電用バッテリーを付設する等のような大きな設備変
更を伴うことなく、若干の電子回路を付加するだけでよ
いので、コストの面では勿論のこと信頼性の面でも大き
なメリットがあり、それ故、ターボ分子ポンプの性能向
上を促進する上で大きな意義を有する。

なお、本発明にかかるターボ分子ポンプ用モータは上
記実施例に限定されず、平滑コンデンサにて蓄電された
電荷エネルギーの放電阻止をDC−DCコンバータの動作停
止により行うのではなく、例えばインバータ回路の動作
を停止するような形態を採っても構わない。

発明の効果 以上、本案ターボ分子ポンプ用モータによる場合に
は、簡単な禁止回路を追加するだけで、停電が検出され
て、誘導電動機のすべりが正から負に切り替わる迄の間
に、平滑コンデンサに蓄えられた電荷エネルギーによる
制御電源回路への電力供給が打ち切られないような構成
となっているので、如何なるタイミングで停電が発生し
ようともローラーを確実迅速に停止せしめることができ
る。従って、ターボ分子ポンプ用モータのコスト及び性
能をより促進する上で大きなメリットがある。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明にかかるターボ分子ポンプ用
モータの一実施例における説明図であって、第１図はタ
ーボ分子ポンプ用モータの電気構成図、第２図はターボ
分子ポンプ用モータの動作説明を行うための主要信号等
のタイミングチャートであり、第３図は従来のターボ分
子ポンプ用モータの簡略電気構成図である。 ａ……商用交流 10……整流回路 12……平滑コンデンサ 20……DC−DCコンバータ 30……インバータ回路 40……誘導電動機 50……速度設定器 61……停電検出回路 611……停電検出信号 62……禁止回路 63……速度設定器 65……制御電源回路 66……モータ制御回路 68……回生用抵抗器

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−43084（ＪＰ，Ａ) 実開 昭63−128288（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭62−7789（ＪＰ，Ｕ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】入力された商用交流を整流し、平滑コンデ
   ンサにて直流電圧に変換する整流回路と、整流回路の入
   力段に接続してあり、前記商用交流の停電を検出し、こ
   の検出結果を停電検出信号として出力する停電検出回路
   と、前記整流回路の出力段に接続してあるDC−DCコンバ
   ータと、DC−DCコンバータから導いた直流電圧をスイッ
   チングせしめ、ターボ分子ポンプに連結した誘導電動機
   に電流供給するインバータ回路と、前記誘導電動機の回
   転速度設定値を与える回路であって、前記停電検出信号
   が停電を示す時には前記誘導電動機を停止させるための
   回転速度設定値を与える速度設定器と、前記誘導電動機
   の回転速度を検出する速度検出器と、速度検出器の検出
   結果と前記速度設定器の回転速度設定値とに基づいて前
   記DC−DCコンバータの電圧振幅制御と前記インバータ回
   路のスイッチング周波数制御とを行うモータ制御回路
   と、前記速度設定器、前記速度検出器及び前記モータ制
   御回路を動作させるべく、正常時には前記商用交流から
   電力供給を受けて電源供給を行い、一方停電発生初期時
   にあっては、前記平滑コンデンサに蓄えられた電荷エネ
   ルギーから電力供給を受けて、更に停電発生後の前記誘
   導電動機の回生制動状態にあっては、回生電力から電力
   供給を受けて電源供給を夫々行う制御電源回路と、前記
   速度検出信号が停電を示した場合に、このタイミングで
   行われる前記誘導電動機のすべりが正から負に変化する
   に要する期間だけ前記DC−DCコンバータ又は前記インバ
   ータ回路の動作を強制停止せしめる禁止回路と、前記誘
   導電動機の入力側に接続してあり、前記誘導電動機から
   の回生電力を消費する回生用抵抗器とを具備することを
   特徴とするターボ分子ポンプ用モータ。