JP6793445B2 - 電磁石ユニット、磁気軸受装置及び真空ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、電磁石ユニット、磁気軸受装置及び真空ポンプに関するものであり、特に、回転体のラジアル方向変位を精度良く検出するための電磁石ユニット、磁気軸受装置及び真空ポンプである。

真空ポンプを用いて排気処理を行い、内部を真空に保つ装置として、半導体製造装置、液晶製造装置、電子顕微鏡、表面分析装置及び微細加工装置等が知られている。このような装置に用いられる真空ポンプは、回転翼が固定翼に対して相対的に回転することにより、装置内の気体が排気されて装置内が真空に保たれる。

特許文献１には、回転体をラジアル方向に非接触支持するラジアル電磁石と、回転体のラジアル方向の変位を検出するラジアルセンサとを備え、ラジアルセンサの出力に基づいてラジアル電磁石の磁力を調整する制御手段と、を備え、隣り合うラジアル電磁石の磁極とラジアルセンサの磁極とが同極になるように配置された磁気軸受装置が開示されている。

特開２００１−５６０２６号公報

上述したような磁気軸受装置では、ラジアル電磁石の磁束が、ラジアルセンサの磁束より強いため、隣り合うラジアル電磁石とラジアルセンサとの間で磁気干渉が生じ、ラジアルセンサの磁気特性が変化して、回転体のラジアル方向の変位が正しく検出されない虞があるという問題があった。

そこで、本発明はこのような従来の課題に鑑みてなされたものであり、回転体のラジアル方向の変位を精度良く検出することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するために提案されたものであり、請求項１記載の発明は、回転体をラジアル方向に磁力で非接触支持するラジアル方向磁力発生手段と、前記回転体のラジアル方向の変位を検出するラジアル方向変位検出手段と、前記ラジアル方向磁力発生手段のコイル及び前記ラジアル方向変位検出手段のコイルを巻回したコアと、を備えている電磁石ユニットであって、前記コアには、前記ラジアル方向磁力発生手段のコイルと前記ラジアル方向変位検出手段のコイルの両方が巻回され、前記コアの周方向に隣り合う２つの前記ラジアル方向磁力発生手段は、該２つの前記ラジアル方向磁力発生手段間で隣り合う磁極同士が同極になるように配置され、前記２つの前記ラジアル方向磁力発生手段間に低磁束干渉領域を形成し、前記ラジアル方向変位検出手段は、前記低磁束干渉領域内に配置され、前記ラジアル方向磁力発生手段の前記コイルが巻回された前記コアの凸部と前記ラジアル方向変位検出手段の前記コイルが巻回された前記コアの爪部との離間距離は、前記ラジアル方向磁力発生手段の前記コイル及び前記ラジアル方向変位検出手段の前記コイルの厚み寸法より大きく設定されており、前記ラジアル方向変位検出手段は、前記回転体のアキシャル方向に並設された互いに異なる２つの磁極を備え、前記ラジアル方向磁力発生手段の前記コイルを巻回する前記凸部と前記ラジアル方向変位検出手段の前記コイルを巻回する前記爪部とは、前記ラジアル方向から視て重ならないように配置されている電磁石ユニットを提供する。

この構成によれば、隣り合うラジアル方向磁力発生手段の磁極同士が同極になるようにラジアル方向磁力発生手段が配置され、ラジアル方向変位検出手段が隣り合うラジアル方向磁力発生手段間に形成された低磁束干渉領域内に配置されていることにより、ラジアル方向磁力発生手段の強磁束に起因してラジアル方向変位検出手段が磁気干渉を受けることが抑制されるため、ラジアル方向変位検出手段は、回転体のラジアル方向の変位を精度良く検出することができる。さらに、ラジアル変位検出手段の互いに異なる磁極が、回転体のアキシャル方向に並設されていることにより、ラジアル方向磁力発生手段の強磁束に起因する磁気干渉が相殺されることにより、ラジアル方向変位検出手段は、回転体のラジアル方向の変位を精度良く検出することができる。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の電磁石ユニットの構成に加えて、前記ラジアル方向磁力発生手段と前記ラジアル方向変位検出手段との磁気結合を低減する磁気シールド手段を備えている電磁石ユニットを提供する。

この構成によれば、磁気シールド手段がラジアル方向磁力発生手段とラジアル方向変位検出手段との磁気結合を低減することにより、ラジアル方向変位検出手段がラジアル方向磁力発生手段の強磁束に起因する磁気干渉を受けることが抑制されるため、ラジアル方向変位検出手段は、回転体のラジアル方向の変位を更に精度良く検出することができる。

請求項３記載の発明は、請求項２記載の電磁石ユニットの構成に加えて、前記磁気シールド手段は、前記ラジアル方向磁力発生手段に取り付けられた導電性のシールドリングである電磁石ユニットを提供する。

この構成によれば、導電性のシールドリングがラジアル方向磁力発生手段の磁束幅を狭くすることにより、ラジアル方向磁力発生手段とラジアル方向変位検出手段との間の磁気干渉が低減されるため、ラジアル方向変位検出手段は、回転体のラジアル方向の変位を精度良く検出することができる。

請求項４記載の発明は、請求項２記載の電磁石ユニットの構成に加えて、前記磁気シールド手段は、前記ラジアル方向変位検出手段のコイルに覆設された導電性のシールドチューブである電磁石ユニットを提供する。

この構成によれば、導電性のシールドチューブがラジアル方向変位検出手段の磁束幅を狭くすることにより、ラジアル方向磁力発生手段とラジアル方向変位検出手段との間の磁気干渉が低減されるため、ラジアル方向変位検出手段は、回転体のラジアル方向の変位を精度良く検出することができる。

請求項５記載の発明は、請求項１乃至４の何れか１項記載の電磁石ユニットの構成に加えて、前記ラジアル方向磁力発生手段は、前記コアの周方向に並設されて互いに逆向きの２つの磁束を形成する３つの磁極を備えている電磁石ユニットを提供する。

この構成によれば、ラジアル方向磁力発生手段の３つの磁極が、互いに逆向きの２つの磁束を形成し、ラジアル方向磁力発生手段からコア内に漏れる磁束が相殺されることにより、ラジアル方向磁力発生手段とラジアル方向変位検出手段との間の磁気干渉が低減されるため、ラジアル方向変位検出手段は、回転体のラジアル方向の変位を精度良く検出することができる。

請求項６記載の発明は、請求項１乃至４の何れか１項記載の電磁石ユニットの構成に加えて、前記ラジアル方向磁力発生手段は、前記コアの周方向に並設されて互いに逆向きの２つの磁束を形成する４つの磁極を備えている電磁石ユニットを提供する。

この構成によれば、ラジアル方向磁力発生手段の４つの磁極が、互いに逆向きの２つの磁束を形成することにより、ラジアル方向磁力発生手段からコア内に漏れる磁束が相殺されることにより、ラジアル方向磁力発生手段とラジアル方向変位検出手段との間の磁気干渉が低減されるため、ラジアル方向変位検出手段は、回転体のラジアル方向の変位を精度良く検出することができる。

請求項７記載の発明は、請求項１乃至４の何れか１項記載の電磁石ユニットの構成に加えて、前記ラジアル方向磁力発生手段は、互いに異なる極性を前記コアの周方向に交互に並設した５つ以上の磁極を備えている電磁石ユニットを提供する。

この構成によれば、ラジアル方向磁力発生手段の磁極が、互いに逆向きの複数の磁束を形成することにより、ラジアル方向磁力発生手段からコア内に漏れる磁束が相殺されることにより、ラジアル方向磁力発生手段とラジアル方向変位検出手段との間の磁気干渉が低減されるため、ラジアル方向変位検出手段は、回転体のラジアル方向の変位を精度良く検出することができる。

請求項８記載の発明は、請求項１記載の電磁石ユニットの構成に加えて、前記ラジアル方向変位検出手段は、前記コアの周方向に並設された互いに異なる２つの磁極を備えている電磁石ユニットを提供する。

この構成によれば、ラジアル変位検出手段が、回転体のアキシャル方向に並設された互いに異なる２つの磁極とコアの周方向に並設された互いに異なる２つの磁極とを備え、２つのＮ極と２つのＳ極とが互い違いに配置されていることにより、ラジアル方向磁力発生手段の強磁束に起因する磁気干渉が相殺されるため、ラジアル方向変位検出手段は、回転体のラジアル方向の変位を精度良く検出することができる。

請求項９記載の発明は、請求項１又は８記載の電磁石ユニットの構成に加えて、前記コアは、前記ラジアル方向変位検出手段の前記アキシャル方向の磁束が前記コアを通過して生じる渦電流を低減させる渦電流低減手段を備え、前記渦電流低減手段の周方向の幅は、前記ラジアル方向変位検出手段の前記コアの凸部の基端部の幅より狭い電磁石ユニットを提供する。

この構成によれば、渦電流低減手段は、ラジアル方向変位検出手段の磁束がコアをアキシャル方向に横断して生じる渦電流を低減することにより、渦電流に起因する発熱を抑制することができる。

請求項１０記載の発明は、請求項９記載の電磁石ユニットの構成に加えて、前記渦電流低減手段により、前記ラジアル方向変位検出手段の前記アキシャル方向の磁束が低減される電磁石ユニットを提供する。

この構成によれば、ラジアル方向変位検出手段のアキシャル方向の磁束が通過するコアの所定領域をメッシュ状に形成したり、孔やスリットを設ける等して、アキシャル方向の磁束のコアの通過断面積を減らすことにより、アキシャル方向の磁束がコアを通過する際に生じる発熱を抑制することができる。

請求項１１記載の発明は、請求項１乃至１０の何れか１項記載の電磁石ユニットの構成に加えて、前記ラジアル方向変位検出手段の前記コイルは、前記コアから前記ラジアル方向の内側に向けて突設された２つの爪部に巻回され、前記コイルのラジアル方向外側端から前記爪部の基端までの距離は、前記２つの爪部間の距離以上に長く設定されている電磁石ユニットを提供する。

この構成によれば、電磁石方向変位検出手段の磁束が電磁石方向変位検出手段と回転体との間の方に形成され易くなり、電磁石方向変位検出手段からコアに流れる漏れ磁束が低減され、電磁石方向変位検出手段のセンサ感度を向上させることができる。

請求項１２記載の発明は、請求項１乃至１１の何れか１項記載の電磁石ユニットの構成に加えて、少なくとも１つの前記ラジアル方向磁力発生手段の磁極中心と、少なくとも１つの前記ラジアル方向変位検出手段の磁極中心とは、同一平面上に配置されている電磁石ユニットを提供する。

この構成によれば、ラジアル方向磁力発生手段の磁極中心とラジアル方向変位検出手段の磁極中心とが同一平面上に配置されていることにより、回転体を精度良く支持することができる。

請求項１３記載の発明は、請求項１乃至１２の何れか１項記載の電磁石ユニットと、該電磁石ユニットを制御する制御手段と、を備えている磁気軸受装置を提供する。

この構成によれば、ラジアル変位検出手段が検出した回転体のラジアル方向の正確な変位に基づいて、制御手段がラジアル方向磁力発生手段の磁力を制御することにより、回転体の発振を抑制することができる。

請求項１４記載の発明は、請求項２記載の電磁石ユニットと、該電磁石ユニットを制御する制御手段と、を備えている磁気軸受装置であって、前記磁気シールド手段は、前記電磁石ユニットと前記ラジアル方向変位検出手段のコイルを結線する基板との間に介装される導電性のシールド板である磁気軸受装置を提供する。

この構成によれば、導電性のシールド板が、ラジアル方向磁力発生手段とラジアル変位検出手段との磁気結合を抑制することにより、ラジアル変位検出手段が回転体のラジアル方向の変位を正確に検出可能なため、回転体の発振を更に抑制することができる。

請求項１５記載の発明は、請求項１３又は１４記載の磁気軸受装置を備えている真空ポンプを提供する。

この構成によれば、磁気軸受装置が、回転体のラジアル方向の正確な変位に基づいてラジアル方向磁力発生手段の磁力を制御して回転体の発振を抑制するため、真空ポンプを安全に運転させることができる。

本発明は、隣り合うラジアル方向磁力発生手段の磁極同士が同極になるようにラジアル方向磁力発生手段が配置され、ラジアル方向変位検出手段が隣り合うラジアル方向磁力発生手段間に形成された低磁束干渉領域内に配置されていることにより、ラジアル方向磁力発生手段の強磁束に起因してラジアル方向変位検出手段が磁気干渉を受けることが抑制されるため、ラジアル方向変位検出手段は、回転体のラジアル方向の変位を精度良く検出することができる。

本発明の第１実施例に係る電磁石ユニットを適用した真空ポンプを示す垂直断面図。 図１の上方電磁石ユニットを示す斜視図。 図２に示す上方電磁石ユニットの水平断面図。 図１の上方電磁石ユニットを制御する制御手段の構成を示す模式図。 図３に示す上方電磁石ユニットの要部拡大図であり、理解を容易にするためにハッチングを省略している。 ラジアル方向磁気軸受装置に用いられるシールド板を示す斜視図。 図３に示すラジアルセンサの要部拡大図。 図１の電磁石ユニットにシールドチューブ及びシールドリングを装着した状態を示す斜視図。 本発明の第２実施例に係る電磁石ユニットを示す斜視図。 図９の電磁石ユニットを示す水平断面図。 本発明の第３実施例に係る電磁石ユニットを示す斜視図。 図１１に示す電磁石ユニットの水平断面図。 本発明の第４実施例に係る電磁石ユニットを示す斜視図。 図１３に示す電磁石ユニットの水平断面図。 本発明の第５実施例に係る電磁石ユニットを示す斜視図。 図１５に示す電磁石ユニットの水平断面図。

本発明は、回転体のラジアル方向の変位を精度良く検出するという目的を達成するために、回転体をラジアル方向に磁力で非接触支持するラジアル方向磁力発生手段と、回転体のラジアル方向の変位を検出するラジアル方向変位検出手段と、ラジアル方向磁力発生手段のコイル及びラジアル方向変位検出手段のコイルを巻回したコアと、を備えている電磁石ユニットであって、コアには、ラジアル方向磁力発生手段のコイルとラジアル方向変位検出手段のコイルの両方が巻回され、コアの周方向に隣り合う２つのラジアル方向磁力発生手段は、２つのラジアル方向磁力発生手段間で隣り合う磁極同士が同極になるように配置され、２つのラジアル方向磁力発生手段間に低磁束干渉領域を形成し、ラジアル方向変位検出手段は、低磁束干渉領域内に配置され、前記ラジアル方向磁力発生手段の前記コイルが巻回された前記コアの凸部と前記ラジアル方向変位検出手段の前記コイルが巻回された前記コアの爪部との離間距離は、前記ラジアル方向磁力発生手段の前記コイル及び前記ラジアル方向変位検出手段の前記コイルの厚み寸法より大きく設定されており、前記ラジアル方向変位検出手段は、前記回転体のアキシャル方向に並設された互いに異なる２つの磁極を備え、前記ラジアル方向磁力発生手段の前記コイルを巻回する前記凸部と前記ラジアル方向変位検出手段の前記コイルを巻回する前記爪部とが、前記ラジアル方向から視て重ならないように配置されている電磁石ユニットを提供することにより実現した。

以下、本発明の第１実施例に係る電磁石ユニットを適用した真空ポンプ１を図面に基づいて説明する。なお、以下の説明において、「上」、「下」の語は、排気ガスＧの排気方向の上流側を上方とし、下流側を下方とするものであり、即ち、後述する軸方向Ａにおいて吸気口１１側が上方、排気口５１側が下方に対応するものとする。図１は、真空ポンプ１の構造を示す垂直断面図である。

真空ポンプ１は、略上半分に配置されたターボ分子ポンプ機構と略下半分に配置されたネジ溝ポンプ機構とから成る複合ポンプである。真空ポンプ１は、筐体１０と、筐体１０内に回転可能に支持されたロータシャフト２１を有するロータ２０と、ロータシャフト２１を回転させる駆動モータ３０と、ロータシャフト２１の一部及び駆動モータ３０を収容するステータコラム４０とを備えている。

筐体１０は、円筒状に形成されている。筐体１０の上端には、ガス吸気口１１が形成されている。筐体１０は、上方フランジ１２を介して図示しない半導体製造装置のチャンバ等の真空容器に取り付けられる。ガス吸気口１１は、真空容器に接続される。筐体１０は、ベース５０上に載置された状態でベース５０に固定されている。

ロータ２０は、ロータシャフト２１と、ロータシャフト２１の上部に固定されてロータシャフト２１の軸心に対して同心円状に並設、即ち並べて設けられた回転翼２２と、を備えている。本実施例では、５段の回転翼２２が設けられている。以下、ロータシャフト２１の軸線方向を「アキシャル方向Ａ」と称し、ロータシャフト２１の径方向を「ラジアル方向Ｒ」と称す。

ロータシャフト２１は、後述するラジアル方向磁気軸受６０と、アキシャル方向磁気軸受７０により非接触支持されている。ラジアル方向磁気軸受６０は、上方電磁石ユニット６１と、下方電磁石ユニット６２と、を備えている。アキシャル方向磁気軸受７０は、アキシャル電磁石７１を備えている。アキシャル方向磁気軸受７０は、図示しない制御ユニットに接続されている。制御ユニットは、アキシャルセンサ７２の検出値に基づいて、アキシャル電磁石７１の励磁電流を制御することにより、ロータシャフト２１が所定の位置に浮上した状態で支持されるようになっている。

回転翼２２は、所定の角度で傾斜したブレードからなり、ロータ２０の上部外周面に一体に形成されている。また、回転翼２２は、ロータ２０の軸線回りに放射状に複数設置されている。

ロータシャフト２１の上部及び下部は、タッチダウン軸受２３内に挿通されている。ロータシャフト２１が制御不能になった場合には、高速で回転するロータシャフト２１がタッチダウン軸受２３に接触して真空ポンプ１の損傷を防止するようになっている。

ロータ２０は、ボス孔２４にロータシャフト２１の上部を挿通した状態で、ボルト２５をロータフランジ２６に挿通すると共にシャフトフランジ２７に螺着することで、ロータシャフト２１に一体に取り付けられている。

駆動モータ３０は、ロータシャフト２１の外周に取り付けられた回転子３１と、回転子３１を取り囲むように配置された固定子３２と、を備えている。固定子３２は、上述した図示しない制御ユニットに接続されており、制御ユニットによってロータ２０の回転が制御されている。

ステータコラム４０は、ベース５０上に載置された状態で、ボルト４１を介してベース５０に固定されている。

回転翼２２、２２の間には、固定翼８０が設けられている。すなわち、回転翼２２と固定翼８０とは、軸方向Ａに沿って交互にかつ多段に配列されている。本実施例では、５段の固定翼８０が設けられている。

固定翼８０は、環状に形成されており、回転翼２２とは反対方向に傾斜したブレードと該ブレードの両端に連結されたリングとを備え、筐体１０の内周面に段積みで設置されているスペーサ８１により軸方向Ａに挟持されて位置決めされている。また、固定翼８０のブレードも、ロータ２０の軸線回りに放射状に複数設置されている。

回転翼２２及び固定翼８０のブレードの長さは、アキシャル方向Ａの上方から下方に向かって徐々に短くなるように設定されている。

ベース５０の下部側方には、ガス排気口５１が形成されている。ガス排気口５１は、図示しない補助ポンプに連通するように接続される。真空ポンプ１は、回転翼２２の回転により、ガス吸気口１１から吸入されたガスを軸方向Ａの上方から下方に移送し、ガス排気口５１から外部に排気するようになっている。ベース５０と筐体１０との間には、Ｏリング５２が介装されている。ベース５０上には、内周面にネジ溝部が刻設されたステータ５３が載置されている。

次に、ラジアル方向磁気軸受６０の具体的な構成について、図面に基づいて説明する。図２は、上方電磁石ユニット６１を示す斜視図である。図３は、上方電磁石ユニット６１の水平断面図である。図４は、上方電磁石ユニット６１を制御する制御手段８０の構成を示す模式図である。図５は、上方電磁石ユニット６１を示す要部拡大図であり、理解を容易にするためにハッチングを省略している。図６は、ラジアル方向磁気軸受６０に用いられるシール板６８を示す平面図である。図７は、ラジアルセンサ６４の要部拡大図。なお、上方電磁石ユニット６１と下方電磁石ユニット６２とは、同様の構造であるから、以下では、上方電磁石ユニット６１を例に構造を説明し、下方電磁石ユニット６２の構造に関する説明を省略する。

上方電磁石ユニット６１は、ロータシャフト２１をラジアル方向Ｒに磁力で非接触支持する４つのラジアル電磁石６３と、ロータシャフト２１のラジアル方向Ｒの変位を検出する４つのラジアルセンサ６４と、を備えている。ラジアル電磁石６３のコイル６３ａとラジアルセンサ６４のコイル６４ａは、同一のコア６５に巻回、すなわち、コア６５に巻き巡らされている。

各ラジアル電磁石６３は、コア６５の周方向Ｃに沿って９０度離間して配置され、Ｘ軸又はＹ軸上に配置されている。ラジアル電磁石６３は、コア６５の凸部６５ａにコイル６３ａを巻回して形成された一対の磁極６６、６６を備えている。一対の磁極６６、６６は、コイル６３ａを互いに逆向きに巻回することにより、異なる極性を有している。また、コア６５の周方向Ｃに隣り合うラジアル電磁石６３間で隣り合う磁極６６、６６、すなわち、ラジアルセンサ６５を介して隣り合う磁極６６、６６が互いに同じ極性になるように、ラジアルセンサ６５を介して隣り合うコイル６３ａは、コア６５に同方向に巻回されている。なお、本実施例において、ラジアル電磁石６３を支持する方向に応じて区別する場合には、ロータシャフト２１をＸ軸方向に非接触支持するものについては数字の末尾にＸを付して参照符号とし、ロータシャフト２１をＹ軸方向に非接触支持するものついては数字の末尾にＹを付して参照符号とし、これらを総称する場合には、単に数字のみを参照符号とする。

ラジアルセンサ６４は、コア６５の周方向Ｃに隣り合うラジアル電磁石６３、６３間に配置されており、各ラジアルセンサ６４は、Ｘ軸に対して所定角度θ１だけ傾いたＡ軸又はＹ軸に対して所定角度θ２だけ傾いたＢ軸上に配置されている。本実施例では、所定角度θ１、θ２は、４５度に設定されている。ラジアルセンサ６４は、公知の変位センサであり、例えば、インダクタンス型変位センサ等である。ラジアルセンサ６４は、コア６５の爪部６５ｂにコイル６４ａを巻回して形成された一対の磁極６７、６７を備えている。一対の磁極６７、６７は、コイル６４ａを互いに逆向きに巻回することにより、異なる極性を有している。なお、本実施例において、ラジアルセンサ６４を変位の検知方向に応じて区別する場合には、Ａ軸上に配置されたものについては数字の末尾にＡを付して参照符号とし、Ｂ軸上に配置されたものについては数字の末尾にＢを付して参照符号とし、これらを総称する場合には、単に数字のみを参照符号とする。

ラジアルセンサ６４Ａは、ロータシャフト２１の上部のＡ軸方向の変位を検知して、この変位に応じた原変位信号ＰＡｈを制御手段８０に送る。また、ラジアルセンサ６４Ｂは、ロータシャフト２１のＢ軸方向の変位を検知して、この変位に応じた原変位信号ＰＢｈを制御手段６１ａに送る。同様にして、下方電磁石ユニット６２のラジアルセンサ６４Ａは、ロータシャフト２１の下部のＡ軸方向の変位に応じた原変位信号ＰＡｂを、下方電磁石ユニット６２のラジアルセンサ６４Ｂは、ロータシャフト２１の下部のＢ軸方向の変位に応じた原変位信号ＰＢｂを、それぞれ制御手段９０に送る。

制御手段９０は、原変位信号ＰＡｈ、ＰＡｂ、ＰＢｈ、ＰＢｂに基づいてラジアル電磁石６３を制御する電磁石駆動信号を生成する。制御手段９０は、例えば、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）等のマイコンである。制御手段９０は、図４に示すように、軸変換部９１と制御部９２とを備えている。軸変換部９１は、原変位信号ＰＡｈに内部変位信号PXｈ（ＰＸｈ＝ＰＡｈ*ｃｏｓθ１−ＰＢｈ*ｓｉｎθ２）を付加し、原変位信号ＰＢｈに内部変位信号PＹｈ（ＰＹｈ＝ＰＡｈ*ｓｉｎθ１＋ＰＢｈ*ｃｏｓθ２）を付加し、原変位信号ＰＡｂに内部変位信号PXｂ（ＰＸｂ＝ＰＡｂ*ｃｏｓθ１−ＰＢｂ*ｓｉｎθ２）を付加し、原変位信号ＰＢｂに内部変位信号PＹｂ（ＰＹｂ＝ＰＡｂ*ｓｉｎθ１＋ＰＢｂ*ｃｏｓθ２）を付加することにより、ロータシャフト２１のX軸方向及びY軸方向の変位を演算する。

制御部９２は、軸変換部９１が演算したロータシャフト２１のX軸方向及びY軸方向の変位に基づいて、上方電磁石ユニット６１のラジアル電磁石６３Ｘを駆動させる電磁石駆動信号ＣＸｈ＋、ＣＸｈ−を生成し、ラジアル電磁石６３Ｘを制御する。また、同様に、制御部９２は、上方電磁石ユニット６１のラジアル電磁石６３Ｙを駆動させる電磁石駆動信号ＣＹｈ＋、ＣＹｈ−、下方電磁石ユニット６２のＸ軸方向に配置されたラジアル電磁石６３Ｘを駆動させる電磁石駆動信号ＣＸｂ＋、ＣＸｂ−、及び、下方電磁石ユニット６２のＹ軸方向に配置されたラジアル電磁石６３Ｙを駆動させる電磁石駆動信号ＣＹｂ＋、ＣＹｂ−をそれぞれ生成し、各ラジアル電磁石６４を制御する。なお、電磁石駆動信号の参照符号の末尾の「＋」は、Ｘ軸又はＹ軸の正方向に配置されたラジアル電磁石６３を制御する信号であることを示し、「−」は、Ｘ軸又はＹ軸の負方向に配置されたラジアル電磁石６３を制御する信号であることを示す。ラジアル電磁石６３に供給される入力電流（正弦波）のスイッチング周波数は、ラジアルセンサ６４に供給される入力電流（矩形波）のキャリア周波数の偶数倍に設定することにより、ノイズ干渉を低減している。

次に、ラジアル電磁石６３及びラジアルセンサ６４の配置関係について、図５に基づいて説明する。ラジアル電磁石６３のラジアルセンサ６４を介して隣り合う磁極６６、６６は同極になるようにコイル６３ａが巻回されている。これにより、ラジアル電磁石６３のラジアルセンサ６４を介して隣り合う磁極６６、６６から生じる磁束は相殺され、コア６５の周方向Ｃに隣り合うラジアル電磁石６３の間には、ラジアル電磁石６３の磁束が低下した低磁束干渉領域ｍが形成されている。

そして、ラジアルセンサ６４は、低磁束干渉領域ｍ内に配置されている。一般的なラジアル電磁石６３の磁束はラジアルセンサ６４の磁束より強く設定されるが、ラジアルセンサ６４がラジアル電磁石６３の強磁束の影響を受けにくい低磁束干渉領域ｍ内に配置されていることにより、ラジアルセンサ６４が磁気干渉を受けにくくなっている。

また、上方電磁石ユニット６１上にコイル６４ａを結線するための図示しないプリント基板を実装する場合には、図６に示す導電体のシールド板６８を上方電磁石ユニット６１と制御手段９０との間に介装させるのが好ましい。シールド板６８は、薄円板状に形成されており、シールド板６８に形成された孔部６８ａには、コイル６４ａとプリント基板との接続配線が挿入される。このようなシールド板６８を用いることにより、ラジアル電磁石６３とラジアルセンサ６４との磁気結合が抑制される。

また、図７に示すように、コイル６４ａからコア６５の爪部６５ｂの基端までの距離、すなわち、コイル６４ａのラジアル方向外周端から爪部６５ｂの基端までの距離ａが、２本の爪部６５ｂの間隔ｂより長く設定されるのが好ましい。ラジアルセンサ６４の磁束がラジアルセンサ６４とロータシャフト２１との間、即ちエアギャップの方に形成され易くなり、ラジアルセンサ６４からコア６５に流れる漏れ磁束が低減され、ラジアルセンサ６４のセンサ感度を向上させることができる。

また、ラジアル電磁石６３の磁束の一部がコア６５に流れる漏れ磁束の発生を抑制するために、コア６５の磁気抵抗を増大させるのが好ましい。コア６５の磁気抵抗を増大させる方法としては、例えば、ラジアルセンサ６４を形成する爪部６５ｂの基端側に連続する凸部６５ｃに図示しない穴やスリット等を設けることが考えられる。また、凸部６５ｃの縦断面積を凸部６５ａの縦断面積より小さく形成することが考えられる。これにより、ラジアル電磁石６３からコア６５内に流れる漏れ磁束が低減される。

次に、本実施例の変更例について、図面に基づいて説明する。なお、本変形例と上述した実施例とで共通する構成については、共通の符号を付し、重複する説明を省略する。図８は、変形例に係る上方電磁石ユニット６０を示す斜視図である。

ラジアル電磁石６３には、ラジアル電磁石６３に取り付けられた銅等で形成された導電性のシールドリング６９ａが設けられている。シールドリング６９ａがラジアル電磁石６３の磁束幅を狭くすることにより、ラジアル電磁石６３とラジアルセンサ６４との間の磁気結合が低減される。シールリング６９ａは、厚み０．５ｍｍ程度に形成されている。

また、ラジアル電磁石６３には、ラジアルセンサ６４のコイル６４ａの外周に覆設、すなわち覆うように設けられた銅等で形成された導電性のシールドチューブ６９ｂが設けられている。シールドチューブ６９がラジアルセンサ６４の磁束幅を狭くすることにより、ラジアル電磁石６３とラジアルセンサ６４との間の磁気結合が低減される。シールドチューブ６９ｂは、厚み０．５ｍｍ程度に形成されており、絶縁の有無はいずれであっても構わない。また、シールドチューブ６９ｂは、銅の線材を上述した厚み程度になるように複数回巻回し、線材の端部同士を繋いだ構造であっても構わない。

次に、本発明の第２実施例に用いられる上方電磁石ユニット６１について、図面に基づいて説明する。なお、本実施例の上方電磁石ユニットと上述した第１実施例の上方電磁石ユニットとで共通する構成については、共通の符号を付し、重複する説明を省略する。図９は、本発明の第２実施例に用いられる上方電磁石ユニット６１を示す斜視図である。図１０は、図９に示す上方電磁石ユニット６１の水平断面図である。

上方電磁石ユニット６１は、コア６５の周方向Ｃに沿って３つの磁極６６を有するラジアル電磁石６３を備えている。具体的には、ラジアル電磁石６３は、中央に配置された中央磁極６６ａと中央磁極６６ａの両側に配置された２つの側方磁極６６ｂとを備えており、中央磁極６６ａと側方磁極６６ｂとは、コイル６３ａが互いに逆向きに巻回されて、異なる極性を有している。また、ラジアルセンサ６４を介してコア６５の周方向Ｃに隣り合う側方磁極６６ｂは、同じ極性を有している。なお、中央磁極６６ａのコア６３ａの巻数は、側方磁極６６ｂのコア６３ａの巻数の略２倍に設定されている。

これにより、上述した第１実施例の上方電磁石ユニット６１がラジアル電磁石６３の２つの磁極６６、６６が１つの磁束を形成するのに対して、本実施例の上方電磁石ユニット６１は、ラジアル電磁石６３の３つの磁極６６ａ、６６ｂが互いに逆向きの２つの磁束を形成する。これにより、ラジアル電磁石６１で対称的な磁束が形成され、ラジアル電磁石６３からコア６５内に漏れる磁束が相殺されるため、ラジアル電磁石６３とラジアルセンサ６４との間の磁気干渉が低減される。

次に、本発明の第３実施例に用いられる上方電磁石ユニット６１について、図面に基づいて説明する。なお、本実施例の上方電磁石ユニットと上述した第１実施例の上方電磁石ユニットとで共通する構成については、共通の符号を付し、重複する説明を省略する。図１１は、本発明の第３実施例に用いられる上方電磁石ユニット６１を示す斜視図である。図１２は、図１１に示す上方電磁石ユニット６１の水平断面図である。

上方電磁石ユニット６１は、コア６５の周方向Ｃに沿って４つの磁極６６を有するラジアル電磁石６３を備えている。具体的には、ラジアル電磁石６３は、コア６５の周方向Ｃの内側に配置された２つの内側磁極６６ｃと内側磁極６６ｃの両側に配置された２つの外側磁極６６ｄとを備えており、内側磁極６６ｃと外側磁極６６ｄとは、コイル６３ａが互いに逆向きに巻回されて、異なる極性を有している。また、ラジアルセンサ６４を介してコア６５の周方向Ｃに隣り合う外側磁極６６ｄは、同じ極性を有している。

これにより、上述した第１実施例の上方電磁石ユニット６１がラジアル電磁石６３の２つの磁極６６が１つの磁束を形成するのに対して、本実施例の上方電磁石ユニット６１は、ラジアル電磁石６３の４つの磁極６６ｃ、６６ｄが互いに逆向きの２つの磁束を形成する。これにより、ラジアル電磁石６３で対称的な磁束が形成され、ラジアル電磁石６３からコア６５内に漏れる磁束が相殺されるため、ラジアル電磁石６３とラジアルセンサ６４との間の磁気干渉が低減される。

また、本実施例に用いられるラジアル電磁石６３は、上述した第３実施例に用いられるラジアル電磁石６３と比較して、磁極６６ｃ、６６ｄの大きさを同一に形成することができ、ラジアル電磁石６３を低コストで製造することができる。

なお、上述した第２実施例及び第３実施例では、コア６５の周方向Ｃに沿って互いに異なる極性の磁極６６を３つ又は４つ備えたラジアル電磁石６３について説明したが、ラジアル電磁石６３で生じる複数の磁束が互いに打ち消すように形成可能であれば磁極６６の数はこれらに限定されるものではなく、例えば５個以上であっても構わない。

次に、本発明の第４実施例に用いられる上方電磁石ユニット６１について、図面に基づいて説明する。なお、本実施例の上方電磁石ユニットと上述した第１実施例の上方電磁石ユニットとで共通する構成については、共通の符号を付し、重複する説明を省略する。図１３は、本発明の第４実施例に用いられる上方電磁石ユニット６１を示す斜視図である。図１４は、図１３に示す上方電磁石ユニット６１の水平断面図である。

上方電磁石ユニット６１は、アキシャル方向Ａに並設された上方磁極６７ａ及び下方磁極６７ｂを有するラジアルセンサ６４を備えている。具体的には、上方磁極６７ａと下方磁極６７ｂとは、コイル６４ａが互いに逆向きに巻回されて、異なる極性を有している。したがって、ラジアルセンサ６４の磁束は、ラジアル電磁石６３の磁束に対して略直交して形成される。

これにより、上述した第１実施例に用いられる上方電磁石ユニット６１は、ラジアル電磁石６３の磁束とラジアルセンサ６４の磁束とが平行に形成されることにより、ラジアルセンサ６４の磁束が磁気干渉を受ける虞があるのに対して、本実施例の上方電磁石ユニット６１は、ラジアルセンサ６４の磁束がラジアル電磁石６３の磁束に対して略直交することにより、ラジアルセンサ６４に漏れるラジアル電磁石６３の磁束に起因する磁気干渉が相殺される。

図１３、１４中の符号６５ｄは、ラジアルセンサ６４のアキシャル方向Ａの磁束がコア６５の凸部６５ｃを通過する断面積を低減する渦電流低減手段としての孔である。渦電流低減手段は、凸部６５ｃを通過する磁束の通過断面積を低減して渦電流による発熱を低減可能なものであれば良く、例えば、凸部６５ｃをメッシュ状に形成したり、凸部６５ｃにスリットを設けて減肉するものであっても構わない。

次に、本発明の第５実施例に用いられる上方電磁石ユニット６１について、図面に基づいて説明する。なお、本実施例の上方電磁石ユニットと上述した第１実施例の上方電磁石ユニットとで共通する構成については、共通の符号を付し、重複する説明を省略する。図１５は、本発明の第５実施例に用いられる上方電磁石ユニット６１を示す斜視図である。図１６は、図１５に示す上方電磁石ユニット６１の水平断面図である。なお、図１５、１６中の符号６５ｄは、上述した渦電流低減手段としての孔である。

上方電磁石ユニット６１は、アキシャル方向Ａ及びコア６５の周方向Ｃにそれぞれ並設された４つの磁極６７ｃ、６７ｄ、６７ｅ、６７ｆを有するラジアルセンサ６４を備えている。具体的には、ラジアルセンサ６４のアキシャル方向Ａに沿って並設された上方磁極６７ｃ、６７ｄと下方磁極６７ｅ、６７ｆとは、コイル６４ａが互いに逆向きに巻回されて、異なる極性を有している。また、コア６５の周方向Ｃに沿って並設された２つの上方磁極６７ｃ、６７ｄ、及び２つの下方磁極６７ｅ、６７ｆも同様に異なる極性を有している。すなわち、異なる極性を有する磁極６７ｃ、６７ｄ、６７ｅ、６７ｆが互い違いに配置されている。したがって、ラジアルセンサ６４の磁束は、ラジアル電磁石６３の磁束に対して略直交な磁束と略平行な磁束とが形成される。

これにより、上述した第１実施例で用いられる上方電磁石ユニット６１は、ラジアル電磁石６３との磁束とラジアルセンサ６４の磁束とが平行に形成されることにより、ラジアルセンサ６４の磁束が磁気干渉を受けるのに対して、本実施例の上方電磁石ユニット６１は、ラジアルセンサ６４に漏れるラジアル電磁石６３の磁束に起因する磁気干渉が相殺される。

また、上方磁極６７ｃ、６７ｄ間及び下方磁極６７ｅ、６７ｆ間の磁束は、コア６５内を通過することなく形成可能なため、コア６５を通過することに起因する磁気抵抗を抑制することができる。

なお、上方電磁石ユニット６１と下方電磁石ユニット６２とは異なる構造であっても構わない。例えば、上方電磁石ユニット６１には第１実施例に係る構造を適用し、下方電磁石ユニット６２には変形例に係る構造を適用するものであっても構わない。一般的に、上方電磁石ユニット６１は、ロータ２０の重心の近くに設置され、主に低周波数で制御され、下方電磁石ユニット６２は、ロータ２０の重心から遠くに設置され、主に高周波数での制御が求められる。このような制御特性に応じて、上方電磁石ユニット６１及び下方電磁石ユニット６２の構造は任意に選択可能である。

このようにして、本発明は、ラジアルセンサ６４を介して隣り合うラジアル電磁石６３の磁極６６同士が同極に設定され、この隣り合うラジアル電磁石６３、６３間に形成された低磁束干渉領域内にラジアルセンサ６４が配置されていることにより、ラジアル電磁石６３の強磁束に起因してラジアルセンサ６４が磁気干渉を受けることが抑制されるため、ラジアルセンサ６４は、ロータ２０のラジアル方向Ｒの変位を精度良く検出することができる。

また、上方電磁石ユニット６１又は下方電磁石ユニット６２が、ラジアル電磁石６３とラジアルセンサ６４とを一体化して成ることより、小型化且低コスト化が可能である。さらに、アキシャル方向Ａにおいてラジアル電磁石６３とラジアルセンサ６４とが略同一平面上に配置されることにより、上方電磁石ユニット６１又は下方電磁石ユニット６２の発振が抑制される共に変位を精度良く検出可能なことにより、ロータ２０を安定して支持することができる。

本発明は、インナーロータ型の真空ポンプの他、アウターロータ型の真空ポンプにも適用できる。なお、本発明に係る真空ポンプは、上述した複合タイプの真空ポンプの他、ターボ分子ポンプのみから全翼タイプの真空ポンプにも適用可能であることは言うまでもない。

なお、本発明は、本発明の精神を逸脱しない限り種々の改変をなることができ、そして、本発明が該改変されたものにも及ぶことは当然である。

１ ・・・ 真空ポンプ
１０・・・ 筐体
１１・・・ 吸気口
１２・・・ 上方フランジ
２０・・・ ロータ
２１・・・ ロータシャフト
２２・・・ 回転翼
２３・・・ タッチダウン軸受
２４・・・ ボス孔
２５・・・ ボルト
２６・・・ ロータフランジ
２７・・・ シャフトフランジ
３０・・・ 駆動モータ
３１・・・ 回転子
３２・・・ 固定子
４０・・・ ステータコラム
４１・・・ ボルト
５０・・・ ベース
５１・・・ 排気口
５２・・・ Ｏリング
５３・・・ ステータ
６０・・・ ラジアル方向磁気軸受
６１・・・ 上方電磁石ユニット
６２・・・ 下方電磁石ユニット
６３・・・ ラジアル電磁石（ラジアル方向磁力発生手段）
６３ａ・・・（ラジアル電磁石の）コイル
６４・・・ ラジアルセンサ（ラジアル方向変位検出手段）
６４ａ・・・（ラジアルセンサの）コイル
６５・・・ コア
６６・・・ （ラジアル電磁石の）磁極
６７・・・ （ラジアルセンサの）磁極
６８・・・ シールド板（磁気シールド手段）
６９ａ・・・シールドリング（磁気シールド手段）
６９ｂ・・・シールドチューブ（磁気シールド手段）
７０・・・ アキシャル方向磁気軸受
７１・・・ アキシャル電磁石
７２・・・ アキシャルセンサ
８０・・・ 固定翼
８１・・・ スペーサ
９０・・・ 制御手段
９１・・・ 軸変換部
９２・・・ 制御部
Ａ ・・・ アキシャル方向
Ｃ ・・・ （コアの）周方向
Ｒ ・・・ ラジアル方向
ｍ ・・・ 低磁束干渉領域

Claims (15)

1. 回転体をラジアル方向に磁力で非接触支持するラジアル方向磁力発生手段と、前記回転体のラジアル方向の変位を検出するラジアル方向変位検出手段と、前記ラジアル方向磁力発生手段のコイル及び前記ラジアル方向変位検出手段のコイルを巻回したコアと、を備えている電磁石ユニットであって、
   前記コアには、前記ラジアル方向磁力発生手段のコイルと前記ラジアル方向変位検出手段のコイルの両方が巻回され、
   前記コアの周方向に隣り合う２つの前記ラジアル方向磁力発生手段は、該２つの前記ラジアル方向磁力発生手段間で隣り合う磁極同士が同極になるように配置され、前記２つの前記ラジアル方向磁力発生手段間に低磁束干渉領域を形成し、
   前記ラジアル方向変位検出手段は、前記低磁束干渉領域内に配置され、
   前記ラジアル方向磁力発生手段の前記コイルが巻回された前記コアの凸部と前記ラジアル方向変位検出手段の前記コイルが巻回された前記コアの爪部との離間距離は、前記ラジアル方向磁力発生手段の前記コイル及び前記ラジアル方向変位検出手段の前記コイルの厚み寸法より大きく設定されており、
   前記ラジアル方向変位検出手段は、前記回転体のアキシャル方向に並設された互いに異なる２つの磁極を備え、
   前記ラジアル方向磁力発生手段の前記コイルを巻回する前記凸部と前記ラジアル方向変位検出手段の前記コイルを巻回する前記爪部とは、前記ラジアル方向から視て重ならないように配置されていることを特徴とする電磁石ユニット。
2. 前記ラジアル方向磁力発生手段と前記ラジアル方向変位検出手段との磁気結合を低減する磁気シールド手段を備えていることを特徴とする請求項１記載の電磁石ユニット。
3. 前記磁気シールド手段は、前記ラジアル方向磁力発生手段に取り付けられた導電性のシールドリングであることを特徴とする請求項２記載の電磁石ユニット。
4. 前記磁気シールド手段は、前記ラジアル方向変位検出手段のコイルに覆設された導電性のシールドチューブであることを特徴とする請求項２記載の電磁石ユニット。
5. 前記ラジアル方向磁力発生手段は、前記コアの周方向に並設されて互いに逆向きの２つの磁束を形成する３つの磁極を備えていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項記載の電磁石ユニット。
6. 前記ラジアル方向磁力発生手段は、前記コアの周方向に並設されて互いに逆向きの２つの磁束を形成する４つの磁極を備えていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項記載の電磁石ユニット。
7. 前記ラジアル方向磁力発生手段は、互いに異なる極性を前記コアの周方向に交互に並設した５つ以上の磁極を備えていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項記載の電磁石ユニット。
8. 前記ラジアル方向変位検出手段は、前記コアの周方向に並設された互いに異なる２つの磁極を備えていることを特徴とする請求項１記載の電磁石ユニット。
9. 前記コアは、前記ラジアル方向変位検出手段の前記アキシャル方向の磁束が前記コアを通過して生じる渦電流を低減させる渦電流低減手段を備え、
   前記渦電流低減手段の周方向の幅は、前記ラジアル方向変位検出手段の前記コアの凸部の基端部の幅より狭いことを特徴とする請求項１又は８記載の電磁石ユニット。
10. 前記渦電流低減手段により、前記ラジアル方向変位検出手段の前記アキシャル方向の磁束が低減されることを特徴とする請求項９記載の電磁石ユニット。
11. 前記ラジアル方向変位検出手段の前記コイルは、前記コアから前記ラジアル方向の内側に向けて突設された２つの爪部に巻回され、
    前記コイルのラジアル方向外側端から前記爪部の基端までの距離は、前記２つの爪部間の距離以上に長く設定されていることを特徴とする請求項１乃至１０の何れか１項記載の電磁石ユニット。
12. 少なくとも１つの前記ラジアル方向磁力発生手段の磁極中心と、少なくとも１つの前記ラジアル方向変位検出手段の磁極中心とは、同一平面上に配置されていることを特徴とする請求項１乃至１１の何れか１項記載の電磁石ユニット。
13. 請求項１乃至１２の何れか１項記載の電磁石ユニットと、
    該電磁石ユニットを制御する制御手段と、
    を備えていることを特徴とする磁気軸受装置。
14. 請求項２記載の電磁石ユニットと、該電磁石ユニットを制御する制御手段と、を備えている磁気軸受装置であって、
    前記磁気シールド手段は、前記電磁石ユニットと前記ラジアル方向変位検出手段のコイルを結線する基板との間に介装される導電性のシールド板であることを特徴とする磁気軸受装置。
15. 請求項１３又は１４記載の磁気軸受装置を備えていることを特徴とする真空ポンプ。