JP4957199B2 - ターボ分子ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、ターゲットとの間のギャップ変化に応じたインピーダンス変化を検出して回転体の回転状態（回転位置や回転速度）を検出する回転検出装置を備えるターボ分子ポンプに関する。

回転体に固定されたターゲットと、そのターゲットと対向するように配置されたインダクタンス式のセンサとを備える回転検出装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。ターゲットには段差が形成されており、センサは段差によるギャップ変化をインピーダンス変化として検出し、その検出結果に基づいて回転体の回転位置や回転数を算出するようにしている。

特開２００１−２３１２３８号公報

しかしながら、回転体の回転速度が速くなると、センサが段差周辺を通過する際にセンサ出力信号の波形が乱れ、プリシュート、オーバーシュート、アンダーシュート等が極端に大きくなる。そのため、回転体の回転数が大きくなると、回転パルス信号を生成する際のセンサ信号の所定閾値に対するHigh−Low判定が困難になり、回転数を正しく検出することができなくなるという問題があった。

請求項１の発明に係るターボ分子ポンプは、回転翼が形成された回転体と、回転体を高速回転するモータと、回転体に設けられたターゲットと、ターゲットと対向する位置に設けられ、回転体の回転に伴うターゲットとのギャップ変化をインピーダンス変化として検出するインダクタンス式のセンサと、センサの検出結果に基づいて前記ギャップ変化に対応した回転信号を算出する演算部と、演算部で算出された回転信号に基づいてモータを駆動するモータ制御部と、を備え、ターゲットは、第１のギャップ寸法でセンサに対向する第１の対向面と、第１のギャップ寸法よりも大きな第２のギャップ寸法でセンサに対向する第２の対向面と、第１の対向面と第２の対向面とを連結し、センサとのギャップ寸法が第１のギャップ寸法から第２のギャップ寸法へと徐々に変化する第３の対向面とを有し、演算部は、センサが第１，第２および第３の対向面に対向したときに検出される第１，第２および第３検出値をそれぞれ所定閾値と比較し、その比較結果に基づいて回転信号を算出することを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１に記載のターボ分子ポンプにおいて、ターゲットには、第１の対向面と第２の対向面とを連結し、回転角度に対するギャップ寸法変化率が第３の対向面より大きな第４の対向面がさらに設けられ、回転体の回転により、第１、第２および第３の対向面と対向する第１のセンサと、回転体の回転により、第１、第２および第４の対向面と対向する第２のセンサとを備え、演算部は、予め設定した所定回転速度以下の回転速度域においては前記第２のセンサの検出結果に基づいて回転信号を算出し、所定回転速度よりも大きな回転速度域においては第１のセンサの検出結果に基づいて回転信号を算出することを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項１に記載のターボ分子ポンプにおいて、ターゲットは円筒形状ターゲットであって、円筒側面に第１、第２および第３の対向面が形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、高速回転時におけるセンサ信号の波形の乱れを軽減することができる。

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、本発明によるターボ分子ポンプの一実施の形態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、例えば、ＤＣブラシレスモータが用いられる。回転軸にはセンサターゲット４６が固定されており、センサターゲット４６に対向するように回転センサ４７が設けられている。一方、電源装置２は、モータ６を駆動するモータ制御部７、磁気軸受５の駆動電流を制御する軸受制御部８およびセンサ回路１００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。

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センサ４７が設けられている。回転センサ４７は、センサターゲット４６とのギャップを検出してロータ４の回転数を検出するためのセンサであり、本実施の形態ではインダクタンス式のセンサが用いられている。回転センサ４７により検出される回転数に基づいて、モータ６による回転駆動が制御される。

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の浮上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、センサターゲット４６，回転センサ４７およびアキシャル変位センサ５７と、回転センサ４７の出力に基づいて回転情報を検出するセンサ回路１００とを示すブロック図である。上述したように、センサターゲット４６はロータ４のシャフト部４５の下端に固定されており、ロータ４と一体で回転する。図４（ａ）はセンサターゲット４６のターゲット面の形状を示す図である。なお、図４（ｂ）は、従来のセンサターゲット６６を比較のために示したものである。

センサターゲット４６のターゲット面は段差ｈを有する階段状になっており、回転センサ４７とのギャップが小さな面４６０と、回転センサ４７とのギャップが大きな面４６１とが形成されている。アキシャル変位センサ５７は、ターゲット面の中心付近の領域４６０ａを検出する。一方、回転センサ４７は、領域４６１ａよりも外側の領域を検出する。すなわち、ロータ４と一体にセンサターゲット４６が回転すると、回転センサ４７は面４６０，面４６２，面４６１および面４６２の順に検出する。面４６２は、面４６０と面４６１とを連結する傾斜面となっている。

図４（ｂ）に示す従来のターゲット６６の場合にも、回転センサ４７に対してギャップが小さな面６６０とギャップが大きな面６６１とが形成され、それらの面６６０，６６１は面６６２により連結されている。図４（ａ）に示した連結面４６２は傾斜面となっているが、図４（ｂ）の連結面６６２は面６６０，６６１に対して垂直に形成されている。

図３に示すように、回転センサ４７は、珪素鋼板やフェライトなどの透磁率の大きなコアとその周囲に巻かれたコイルとで構成される。回転センサ４７のコイルには、電源１１０により一定周波数・一定振幅の高周波電圧が搬送波として印加される。ターゲット４６は回転センサ４７に対向するように配置されているので、回転センサ４７のコアから出た磁力線はセンサターゲット４６を通ってコアへと戻る。

そのため、ターゲット面と回転センサ４７とのギャップが変化すると、その変化によって回転センサ４７のインダクタンスが変化する。インダクタンス変化によって搬送波は振幅変調され、回転センサ４７から出力される。その振幅変調された搬送波をセンサ回路１００により検波・整流することにより、ギャップ変化に対応した回転パルス信号を得ることができる。

図３に示すように、センサ回路１００は検波回路１０１，平滑回路１０２およびHigh-Low判定部１０３を備えている。図５の（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ図３の(a)〜(c)における信号波形を示したものであり、図４（ｂ）に示したセンサターゲット６６を用いた場合の信号を示す。

図５（ａ）の信号は、回転センサ４７から出力される変調波の波形を示したものである。なお、図５の（ａ）〜（ｃ）のいずれも、縦軸は振幅を表しており、横軸は時間を表している。図５（ａ）の場合、変調波の包絡線の振幅は、回転センサ４７とセンサターゲット４６とのギャップの大きさに比例する。符号Ａで示す部分の信号は、回転センサ４７が面６６０と対向してギャップが小さくなったときの信号である。一方、符号Ｂで示す部分の信号は、回転センサ４７が面６６１と対向してギャップが大きくなったときの信号である。

図５（ｂ）の信号は、図５（ａ）の信号を検波回路１０１で検波処理を行い、平滑回路１０２で平滑処理を行った後の信号波形を示す。さらに、High-Low判定部１０３において図５（ｂ）の信号と所定の閾値とを比較することで、図５（ｃ）に示すようなＨ（High）信号Ｓ１０とＬ（Low）信号Ｓ１１とから成る回転パルス信号が得られる。センサターゲット６６の場合には、ターゲット面を角度１８０度で２分割して面６６０と面６６１とが形成されているので、Ｈ信号の立ち上がりから次のＨ信号の立ち上がりまでが、ロータ１回転に対応している。

ところで、回転数が小さい場合には、図５に示すような適切な回転パルス信号が得られるが、回転数が大きくなると連結面６６２を含む前後の領域において信号波形に乱れが発生し、例えば、図６に示すような信号波形となる。これは、センサターゲット６６の連結面６６２が面６６０，６６１に対して垂直に形成されているため、ギャップがこの前後で急激に変化することに起因している。なお、図６において（ａ）〜（ｃ）の信号は。図５の（ａ）〜（ｃ）の信号に対応するものである。

回転数が大きくなると、回転センサ４７から出力される変調波は、図６（ａ）に示すように連結面６６２を含む前後の領域で乱れが生じる。そのため、検波・平滑後の信号波形に、図６（ｂ）に示すようなアンダーシュートＳ１，プリシュートＳ２，オーバーシュートＳ３が発生するようになる。図６（ｂ）の信号をHigh-Low判定部１０３に通すと、図６（ｃ）に示すような回転パルス信号が得られる。この場合、本来のＨ信号とは別にプリシュートＳ２に起因するＨ信号Ｓ２０が発生しているため、単純にＨ信号の立ち上がりから次のＨ信号の立ち上がりまでが１回転であるということができず、回転数を正しく検出することができない場合があった。

そこで、本実施の形態では、図４（ａ）に示すように面４６０と面４６１とを繋ぐ連結面４６２は、ギャップが徐々に変化するような傾斜面とした。このような傾斜した連結面４６２とすることで、図７（ａ）に示すように変調波の波形乱れを防止することができる。図７はセンサターゲット４６を用いた場合の信号波形を示したものであり、（ａ）〜（ｃ）は図６の（ａ）〜（ｃ）に対応している。連結面４６２を傾斜面とすることにより、面４６０および４６１間におけるギャップ変化が緩やかになり、信号波形の乱れを防止することができる。その結果、本来のＨ信号以外に、図６（ｃ）に示す信号Ｓ２０のような偽のＨ信号が発生するのを防止することができる。

（第１の変形例）
図８，９は、上述したセンサターゲット４６の第１の変形例を示す図である。第１の変形例のセンサターゲット７６には、図８に示すように回転センサ４７と対向する斜面７６１と、アキシャル変位センサ５７（不図示）が対向する面７６０とが形成されている。面７６０は、図４（ａ）に示す領域４６０ａの面４６０と同様に回転軸に垂直な面を形成している。

一方、面７６１全体が回転軸に対して傾斜しており、面７６１と回転センサ４７とのギャップ寸法はサインカーブのような変化をする。その結果、変調波の波形は図９に示すようなものとなり、その包絡線（不図示）はサインカーブになっている。このような面７６１を形成することにより、ギャップが急激に変化することがなくなるので、回転数が大きい場合においてもより正確な回転パルス信号を得ることができる。

（第２の変形例）
図１０は、第２の変形例を示す図である。第２の変形例では、センサターゲット８６の側面をターゲット面とし、その面とのギャップを回転センサ４７で検出することにより回転パルス信号を得るようにした。ターゲット面は、円弧状の面８６０，８６１と斜面８６２とから成る。ｈは面８６０と面８６１との段差寸法を示し、この段差に相当するギャップ変化を回転センサ４７により検出する。

（第３の変形例）
図１１は、第３の変形例を示す図である。ここでは、２つの回転センサ４７Ａ，４７Ｂが設けられており、回転センサ４７Ａのターゲット面は面９６０，９６１，９６２Ａで構成され、回転センサ４７Ｂのターゲット面は面９６０，９６１，９６２Ｂで構成される。斜面９６２Ａと斜面９６２Ｂとを比較すると、斜面９６２Ｂのほうが傾斜が緩やかになっている。斜面の傾きが緩やかなほど段差部分における信号波形の乱れの抑制効果が高いが、それとは別に、低速回転になると図４（ｃ）における振幅の変化がなだらかになり、High-Low判定部１０３の判定が難しくなるという欠点がある。

そこで、第３の変形例では、傾斜角度の異なる２種類の斜面９６２Ａ，９６２Ｂを形成し、傾斜角度の大きな方の斜面９６２Ａを回転センサ４７Ａで検出し、傾斜角度の小さな斜面９６２Ｂについては回転センサ４７Ｂで検出するようにした。そして、ロータ回転域を、所定回転数以下の低回転域と、所定回転数よりも大きな高回転域とに分け、低回転域では回転センサ４７Ａの検出信号に基づいて回転パルス信号の生成を行い、高回転域では回転センサ４７Ｂの検出信号に基づいて回転パルス信号の生成を行うようにした。このように、ロータ回転数の大小に応じて２種類の斜面９６２Ａ，９６２Ｂを使い分けることにより、低回転域から高回転域にわたって回転パルス信号を精度良く生成することができる。

なお、図１１では、傾斜角度の大きな傾斜面９６２Ａの方をセンサターゲット９６の外周側に配置したが、傾斜面９６２Ｂを外周側に配置するようにしても良い。また、センサターゲット９６の下面（図１１では下面が図示上側に記載されている）にターゲット面を形成したが、図１０の場合と同様に側面にターゲット面に形成するようにしても構わない。回転センサ４７Ａ、４７Ｂ、側面に対向するように配置される。

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、センサ回路１００は演算部を、面４６０，９６０は第１の対向面を、面４６１，９６１は第２の対向面を、面４６２，９６２Ｂは第３の対向面を、面９６２Ａは第４の対向面をそれぞれ構成する。

なお、上述した実施の形態ではターボ分子ポンプを例に説明したが、本発明はターボ分子ポンプに限らず種々の回転装置に適用することができる。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。

本発明によるターボ分子ポンプの一実施の形態を示すブロック図である。 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，回転センサ４７およびセンサ回路１００を示すブロック図である。 ターゲット面の形状を示す図であり、（ａ）はセンサターゲット４６を、（ｂ）は従来のセンサターゲット６６を示す。 センサターゲット６６を用いた場合の信号波形を示す図であり、（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ図３の(a)〜(c)における信号波形を示す。 センサターゲット６６を用い、回転数を大きくした場合の信号波形を示す図であり、（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ図５の（ａ）〜（ｃ）に対応する。 センサターゲット４６を用い、回転数を大きくした場合の信号波形を示す図であり、（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ図６の（ａ）〜（ｃ）に対応する。 第１の変形例のセンサターゲット７６を示す斜視図である。 センサターゲット７６を用いた場合の変調波の波形を示す図である。 第２の変形例のセンサターゲット８６を示す斜視図である。 第３の変形例を示す図である。

符号の説明

１：ポンプ本体、２：電源装置、４：ロータ、５：磁気軸受、６：モータ、７：モータ制御部、８：軸受制御部、４６，７６，８６，９６：センサターゲット、４７，４７Ａ，４７Ｂ：回転センサ、１００：センサ回路、ｈ：段差、４６０〜４６２，７６０，７６１，８６０〜８６２，９６０，９６１，９６２Ａ，９６２Ｂ：面

Claims (3)

1. 回転翼が形成された回転体と、
   前記回転体を高速回転するモータと、
   前記回転体に設けられたターゲットと、
   前記ターゲットと対向する位置に設けられ、前記回転体の回転に伴う前記ターゲットとのギャップ変化をインピーダンス変化として検出するインダクタンス式のセンサと、
   前記センサの検出結果に基づいて前記ギャップ変化に対応した回転信号を算出する演算部と、
   前記演算部で算出された前記回転信号に基づいて前記モータを駆動するモータ制御部と、を備え、
   前記ターゲットは、第１のギャップ寸法で前記センサに対向する第１の対向面と、前記第１のギャップ寸法よりも大きな第２のギャップ寸法で前記センサに対向する第２の対向面と、前記第１の対向面と前記第２の対向面とを連結し、前記センサとのギャップ寸法が前記第１のギャップ寸法から前記第２のギャップ寸法へと徐々に変化する第３の対向面とを有し、
   前記演算部は、前記センサが前記第１，第２および第３の対向面に対向したときに検出される第１，第２および第３検出値をそれぞれ所定閾値と比較し、その比較結果に基づいて前記回転信号を算出することを特徴とするターボ分子ポンプ。
2. 請求項１に記載のターボ分子ポンプにおいて、
   前記ターゲットには、前記第１の対向面と前記第２の対向面とを連結し、回転角度に対するギャップ寸法変化率が前記第３の対向面より大きな第４の対向面がさらに設けられ、
   前記回転体の回転により、前記第１、第２および第３の対向面と対向する第１のセンサと、
   前記回転体の回転により、前記第１、第２および第４の対向面と対向する第２のセンサとを備え、
   前記演算部は、予め設定した所定回転速度以下の回転速度域においては前記第２のセンサの検出結果に基づいて前記回転信号を算出し、前記所定回転速度よりも大きな回転速度域においては前記第１のセンサの検出結果に基づいて前記回転信号を算出することを特徴とするターボ分子ポンプ。
3. 請求項１に記載のターボ分子ポンプにおいて、
   前記ターゲットは円筒形状ターゲットであって、該円筒形状ターゲットの円筒側面に前記第１、第２および第３の対向面が形成されていることを特徴とするターボ分子ポンプ。

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