JP4821308B2 - 真空ポンプ - Google Patents
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Description
請求項2の発明は、請求項1に記載の真空ポンプにおいて、ロータが1回転する間において、インダクタンス検出部で検出すべき検出の点数をfdivとしたときに、サンプリング周波数fsがfs≧frotmax×fdivを満たす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に記載の真空ポンプにおいて、検出手段が磁性体に対向する対向区間に関して、A/D変換手段のサンプリングにより得られる信号をロータが複数回転する間に取得し、その取得された信号を平均化処理して対向区間の信号とする平均化手段を備え、判定手段は、平均化手段により平均化処理された信号に基づいて判定を行う。
請求項4の発明は、請求項1または2に記載の真空ポンプにおいて、ロータの円周上に配設され、温度監視範囲よりも高温側にキュリー温度を有する基準磁性体と、単数または複数の磁性体がインダクタンス検出部に対向したときの検出信号をA/D変換手段で変換した第1信号と、基準磁性体がインダクタンス検出部に対向したときの検出信号をA/D変換手段で変換した第2信号との差分信号を生成する差分生成手段とをさらに備え、判定手段は、差分信号に基づいてロータの温度が所定温度を越えたか否かを判定する。
請求項5の発明は、請求項1または2に記載の真空ポンプにおいて、ロータの円周上にインダクタンス検出部との各々の距離が異なるように設けられ、温度監視範囲よりも高温側にキュリー温度を有する一対の基準磁性体と、単数または複数の磁性体がインダクタンス検出部に対向したときの検出信号をA/D変換手段で変換した第1信号を、一対の基準磁性体がインダクタンス検出部に対向したときの各検出信号をA/D変換手段で変換した第2および第3信号の間の差分により補正し、その結果を補正後検出信号として出力する信号補正手段と、をさらに備え、判定手段は、補正後検出信号に基づいてロータの温度が所定温度を越えたか否かを判定する。
請求項6の発明は、請求項4または5に記載の真空ポンプにおいて、差分信号または補正後検出信号の微分演算を行う微分演算手段を備え、判定手段は、微分演算手段の演算結果が所定値以下か否かによって、ロータの温度が所定温度を越えたか否かを判定する。
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、インダクタンス検出部の検出特性の非線形性を補正する補正パラメータで、インダクタンス検出部の検出信号を補正する非線形補正手段を備え、インダクタンス検出部の検出信号に代えて非線形補正手段で補正された検出信号を用いるようにしたものである。
−第1の実施の形態−
図1は本発明による真空ポンプの第1の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。
図3はギャップセンサ44のインダクタンス変化を説明する図であり、ギャップセンサ44と検出部31の詳細を示すブロック図である。ギャップセンサ44の構造は、珪素鋼板などの透磁率の大きなコアの周囲にコイルを巻いたものである。ギャップセンサ44のコイルには搬送波信号として一定周波数・一定電圧の高周波電圧が印加され、その結果、ギャップセンサ44と磁性体ターゲット81,82が設けられたナット42との間に磁気回路が形成される。
L=N2/{d1/(μ1・S)+d/(μ0・S)} …(1)
なお、Nはコイルの巻き数、Sは磁性体ターゲット81と対向するコアの断面積、dはエアギャップ、d1は磁性体ターゲット81の厚さ、μ1は磁性体ターゲット81の透磁率であり、エアギャップの透磁率は真空の透磁率μ0に等しいとする。
L=N2・μ0・S/d …(2)
L=N2・μ0・S/(d+d1) …(3)
すなわち、エアギャップがdから(d+d1)に変化したことに相当し、それに応じてギャップセンサ44のインダクタンスが変化することになる。
ところで、搬送波信号をA/D変換して図5のような信号を取得する場合、搬送波周波数が低いと、磁性体ターゲット81,82の境界付近における透磁率の急激な変化や、磁性体ターゲット81,82とナット42との隙間等の影響により、図6(a)に示すように、センサ出力が大きくばらつく。一般的に、このようなばらつきを防止するためには、搬送波周波数を高く設定する必要がある。その場合、サンプリング速度(サンプリング周波数)も大きくする必要があり、デジタル化された信号の処理を行うDSP(ディジタルシグナルプロセッサ)やCPUへの負荷が重くなる。そのため、高速なDSPやCPUが必要になり、コストアップを招くという問題があった。
fs=fc/n …(4)
ただし、n=1/2、または、n=1,2,4,8,…を満たすものとする。
Fcarrier(t)=Asin(2πfct) …(5)
FAM(t)=(A+Fsig(t))sin(2πfct+φ) …(6)
Fstd(t)=Csin(2πfct+φ) …(7)
Fsub(t)=FAM(t)−Fstd(t)
=(A+Fsig(t)−C)sin(2πfct+φ) …(8)
e(t)=(A+Fsig(t)−C)sin{2π(fc−fc)t+φ}
=(A+Fsig(t)−C)sinφ
=QP+QFsig(t) …(9)
(A+Fsig(mTs)−C)sin(2πfc・mTs+φ)
(A+Fsig(mTs)−C)sin(2πfc・mTs+φ)
=(A+Fsig(mTs)−C)sin(2πn・fs・m/fs+φ)
=(A+Fsig(mTs)−C)sin(2πn・m+φ)
=(A+Fsig(mTs)−C)sinφ
=QP+QFsig(mTs)
(A+Fsig(mTs)−C)sin(2πfc・mTs+φ)
=(A+Fsig(mTs)−C)sin(π・m+φ)
Fsample(t)=Ksin(2πfct+ξ) …(10)
FADin=Ksin{2π(fs/4)・nTs+ξ’}
=Ksin{π・n/2+ξ’} …(11)
Fdecode=Lsin{2π(fs/4)・nTs+ξ’}
=Lsin{(π/2)・n+ξ’} …(12)
Fdetect=FADin×Fdecode
=KLsin2{(π/2)・n+ξ’}
=KL{1−cos(πn+ξ’)}/2 …(13)
fs≧frotmax・m/R …(14)
例えば、1つのターゲットを1回転に1回だけ検出する場合には、m=1,R=1なので、「fs≧frotmax」となる。
(1)センサ信号をA/D変換の際のサンプリング周波数fsが、搬送波の周波数fcに対してfs=fc/nを満たすとともに、ロータの最大回転周波数frotmaxに対してfs≧frotmaxを満たすように設定しているので、透磁率変化の検出精度を確保しつつ、CPUやDSPのコスト低減を図ることが可能となる。
(2)インダクタンス検出部で検出すべき検出の点数、すなわち、1回転あたりのサンプリング点数をfdivとしたときに、サンプリング周波数fsがfs≧frotmax×fdivを満たすようにしたので、検出精度の向上をはかることができる。
上述した第1の実施の形態では、図5に示すように、ギャップセンサ44が磁性体ターゲット81,82に対向したときのセンサ出力信号S2が、信号S2’のように閾値よりも小さくなった場合に、ロータ温度モニタ信号を出力するようにした。
図13は第2の実施の形態の変形例1を説明する図であり、磁性体ターゲット81が設けられたナット42を示す。ナット42の底面には高さhの段差が形成されており、段差の高くなっている方の固定面42aに磁性体ターゲット81が設けられている。このような形状のナット42をセンサターゲットとして用いると、ロータを1回転させたときのセンサ出力は、図14に示すようなセンサ出力が得られる。図14において、(a)はT<Tcの場合を示し、(b)はT>Tcの場合を示している。
MS=(S20−S11)/(S12−S11)
=(S20−S11)/(S20−S21) …(15)
MS=(S21−S11)/(S12−S11)
=(S21−S11)/(S20−S21) …(16)
上述した変形例1では、ナット底面に段差を設けて、磁性体ターゲット81の透磁率変化によるセンサ出力差を、段差によるセンサ出力差で除算することによりセンサ出力の非線形性を補正するようにした。以下に述べる変形例2では、予め測定されたセンサ特性を用いてセンサ出力を補正するようにした。
ところで、ギャップセンサ44から検出部31までのケーブルのインダクタンスやキャパシタンスの影響により、ポンプ毎に検出特性がばらつくが、このばらつきを防止するためにも、可能な限り搬送波周波数fcは低く保つほうが良い。しかし、搬送波周波数fcが低い場合や、サンプリング点数が少ない場合には、磁性体間の隙間や透磁率の急激な変化により、図6(a)に示したようなセンサ出力のばらつきが発生する。図6(b)は、磁性体(磁性体ターゲット81,82)部分のセンサ出力を複数重ね合わせた図であり、磁性体のほぼ中心位置では一定の値が出力されるが、磁性体の両端部分に相当する部分のセンサ出力は大きくばらついている。
(1)温度監視範囲よりも高温側(T>Tmax)にキュリー温度を有する磁性体を基準ターゲットとして設け、ギャップセンサ44が複数の磁性体ターゲット81,82と対向したときの信号S1と、ギャップセンサ44が基準ターゲットと対向したときの信号との差分信号を求め、その差分信号に基づいてロータの温度が所定温度を越えたか否かを判定するようにしたので、シャフト3の伸びや浮上位置の変動などの影響を受けることなく判定を行うことができる。
(2)ロータの温度が所定温度を越えたか否かを判定する際に、差分信号の微分値が所定値以下か否かであるかを判定することにより、より確実な判定を行うことができる。
(3)また、許容温度Tmaxよりもキュリー温度が高く、ギャップセンサ44との距離が異なる磁性体(固定面42a,42b)を設け、磁性体42a,42bに関する信号S11,S12の差分(S11−S12)を用いて、ギャップセンサ44の検出信号を補正するようにしたので、ギャップ量の大小によるセンサ感度の高低の影響を除去することができる。
(4)ギャップセンサ44の検出特性の非線形性を補正する補正パラメータで、ギャップセンサ44の検出値を補正するようにしたので、上述した(3)の場合と同様に、ギャップ量の大小によるセンサ感度の高低の影響を除去することができる。
(5)ギャップセンサ44が磁性体ターゲット81,82に対向する対向区間に関して、ロータが複数回転する間にサンプリングにより得られる信号を平均化処理することにより、信号のばらつきが低減され温度判定の精度向上を図ることができる。
Claims (7)
- 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、
前記ロータ上のロータ回転軸を中心とした円周上に配設され、前記ロータの温度監視範囲内にキュリー温度を有する単数または複数の磁性体と、
前記ロータ上の前記円周と対向するように隙間を設けて配設され、前記ロータの回転に伴って順に対向する前記磁性体の透磁率変化を、インダクタンス変化として検出するインダクタンス検出部と、
前記インダクタンス検出部に供給する搬送波信号を生成する搬送波生成手段と、
前記搬送波生成手段による搬送波生成と同期して前記インダクタンス検出部の検出信号をサンプリングし、前記検出信号をデジタル信号に変換するA/D変換手段と、
前記A/D変換手段からのデジタル信号が入力され、前記インダクタンス検出部により検出される前記磁性体の透磁率変化に基づいて、前記ロータの温度が所定温度を越えたか否かを判定する判定手段とを備え、
前記A/D変換手段によるサンプリング周波数fsが、前記搬送波生成手段によって生成される搬送波の周波数fcに対してfs=fc/nを満たすとともに、前記ロータの最大回転周波数frotmaxに対してfs≧frotmaxを満たすことを特徴とする真空ポンプ。ただし、n=1/2、または、n=1,2,4,8,…である。 - 請求項1に記載の真空ポンプにおいて、
前記ロータが1回転する間において、前記インダクタンス検出部で検出すべき検出の点数をfdivとしたときに、前記サンプリング周波数fsがfs≧frotmax×fdivを満たすことを特徴とする真空ポンプ。 - 請求項1または2に記載の真空ポンプにおいて、
前記検出手段が前記磁性体に対向する対向区間に関して、前記A/D変換手段のサンプリングにより得られる信号を前記ロータが複数回転する間に取得し、その取得された信号を平均化処理して前記対向区間の信号とする平均化手段を備え、
前記判定手段は、前記平均化手段により平均化処理された信号に基づいて前記判定を行うことを特徴とする真空ポンプ。 - 請求項1または2に記載の真空ポンプにおいて、
前記ロータの前記円周上に配設され、前記温度監視範囲よりも高温側にキュリー温度を有する基準磁性体と、
前記単数または複数の磁性体が前記インダクタンス検出部に対向したときの検出信号を前記A/D変換手段で変換した第1信号と、前記基準磁性体が前記インダクタンス検出部に対向したときの検出信号を前記A/D変換手段で変換した第2信号との差分信号を生成する差分生成手段とをさらに備え、
前記判定手段は、前記差分信号に基づいて前記ロータの温度が所定温度を越えたか否かを判定することを特徴とする真空ポンプ。 - 請求項1または2に記載の真空ポンプにおいて、
前記ロータの前記円周上に前記インダクタンス検出部との各々の距離が異なるように設けられ、前記温度監視範囲よりも高温側にキュリー温度を有する一対の基準磁性体と、
前記単数または複数の磁性体が前記インダクタンス検出部に対向したときの検出信号を前記A/D変換手段で変換した第1信号を、前記一対の基準磁性体が前記インダクタンス検出部に対向したときの各検出信号を前記A/D変換手段で変換した第2および第3信号の間の差分により補正し、その結果を補正後検出信号として出力する信号補正手段と、をさらに備え、
前記判定手段は、前記補正後検出信号に基づいて前記ロータの温度が所定温度を越えたか否かを判定することを特徴とする真空ポンプ。 - 請求項4または5に記載の真空ポンプにおいて、
前記差分信号または前記補正後検出信号の微分演算を行う微分演算手段を備え、
前記判定手段は、前記微分演算手段の演算結果が所定値以下か否かによって、前記ロータの温度が所定温度を越えたか否かを判定することを特徴とする真空ポンプ。 - 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、
前記インダクタンス検出部の検出特性の非線形性を補正する補正パラメータで、前記インダクタンス検出部の検出信号を補正する非線形補正手段を備え、
前記インダクタンス検出部の検出信号に代えて、前記非線形補正手段で補正された検出信号を用いることを特徴とする真空ポンプ。
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