JPH03207293A - 回転体の駆動装置及び真空ポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は回転体の駆動装置に係り、特に真空ポンプに好
適な回転体の駆動装置と、この駆動装置を適用した真空
ポンプに係わる。

〔従来の技術〕

従来の回転体の駆動部１例えば真空ポンプの駆動部には
高周波電動機を用い、インバータによって発生した高周
波電源によって高速回転させている。

又１回転体の駆動部を例えば、半導体製造装置用真空ポ
ンプに適用する場合には、製造装置のチャンバが密閉状
態から大気圧下へ開放される場合があり、このような状
態で誤って動翼を回転駆動すると駆動部に過大な負荷が
かかり、これを保護するために真空ポンプの吸気口に真
空スイッチを設けて動翼の回転を停止させる保護手段が
とられている。

更に１回転体の駆動部にブラシレス直流電動機を用いて
いる場合には、電動機の電機子巻線の各相に順番に電流
を供給するためにトランジスタ等の電力変換素子で構成
したインバータを使用している。このインバータにおい
ては高速ヒユーズを用いたり、インバータ入力電流又は
インバータ出力電流を検出してインバータ電力変換素子
を緊急遮断し、直流電動機及びインバータの保護を行な
っている。

なお、この種の装置として関連するものには例えば特開
昭６１−２４７８９３号が挙げられる。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術は、インバータによる高周波電源により駆
動するため、起動トルクが小さいという問題がある。空
気、窒素などの気体を排気する場合は何も問題は生じな
いが、例えば真空ポンプの用途の−っである半導体製造
装置の中には、凝縮性、或いは昇華性の気体を扱うもの
があり、時にはこれらの気体がポンプ内で固着して付着
堆積することがある。そのような場合、ポンプを停止さ
せると、この付看物が回転体を固着してしまい。

インバータによる小さな起動トルクでは起動できないと
いう問題が生じる。

この問題を解決するために、起動時のみ通常の交流電源
により大きな起動トルクを得て駆動し、その後インバー
タによる高周波電源に切替えて高速回転を行う方式があ
るが、切替のためのスイッチや、シーケンス制御回路等
が必要となり、装置が大形化する問題があった。

又、上記従来技術は、高価な真空スイッチが必要であり
、また、チャンバを大気圧状態から真空状態による場合
には、真空スイッチが動作しても真空ポンプが停止しな
いよう動作不感帯を設ける必要があり、この時間中は、
吸気口の真空度が低下しても保護動作は行なわれない。

従って、この間ポンプ部の負荷は増大し、さらに定格回
転数で運転を継続するために、駆動部の電動機や、高周
波電源であるインバータの容量が大きくなる問題点があ
った。

又、上記従来技術では、インバータの出力電流を制御す
るため、インバータ出力の０Ｎ１０ＦＦのパルス幅を変
化させるＰＷＭ方式（パルス幅変調方式）を取っている
のに係わらず、結果としてモータに供給される電流を検
出して、保護を行なうものである。このため、適正な保
護を行うことができなかった。

本発明の目的は、回転体の起動時に必要な大きな駆動力
を得ることができる構造簡単で小形の回転体の駆動装置
を提供することにある。

本発明の他の目的は、高価な真空スイッチを必要とせず
安価に吸気口の真空度が低下した場合の保護を行い、さ
らにポンプ部の負荷が、増大した場合には電動機の回転
数を低下させ、ポンプ部の負荷を減少させて動翼の保護
を行う回転体の駆動装置を提供することにある。

本発明の更に他の目的は、駆動部の電流検出回路や電流
制御回路がノイズ等で誤動作しても、インバータ出力電
流が瞬時に増大しないのでブラシレス電動体及びインバ
ータを保護することができる回転体の駆動装置を提供す
ることにある。

〔課題を解決するための手段〕

けだものである。

又、上記目的を達成するために、駆動部のインバータに
圧力上昇判定回路と、電動機電流検出回路とからなる圧
力インターロック回路を設けたものである。

又、上記目的を達成するために、駆動部のインバータに
電動機の回転数に対応したパルス幅に出力を制限する制
限回路を設けたものである。

〔作用〕

ＰＡＭ方式インバータでは電動機印加電圧の制御はチョ
ッパ部で行い、電動機周波数の制御は逆変換部によって
行う。始動時ＰＷＭ回路は、ＰＡＭ方式インバータにお
いて、逆変換部のスイッチング素子を電動機起動時にＰ
ＷＭ動作させる。それにより、チョッパ部で制御される
起動時の電圧を、６％〜９４％まで徐々に増加させて電
動機に印加することができるので、突入電流を低く抑え
ることができ、また始動時ＰＷＭ動作完了後の電動機印
加電圧が大きくとれるので、大きな起動トルクが得られ
、ポンプ内の付着物により回転部が固着された場合でも
回転可能となり、そのまま高速回転状態へ移行すること
ができる。

また、真空ポンプにおいて、吸気口の真空度が低下した
場合には、駆動部の電動機の電流が増加する。電動機電
流検出回路は電動機電流を検出し、圧力上昇判定回路は
、検出された電動機電流の上昇から真空度の低下を検出
し、電動機停止指令を出力する。電動機駆動部は前記停
止指令により電動機を停止させるので、吸気口の真空度
が低下した場合、ポンプを停止させ、ポンプ部の動翼を
保護することができる。

更に、ブラシレスモータでは、回転子の磁極位置を検出
しているので、この信号を基にして回転数を演算するこ
とができる。インバータの出力を０Ｎ１０　Ｆ　Ｆする
信号を発生するＰＷＭ回路において、上記の回転数に対
応したパルス幅以上にＯＮ時間が増加しないようにする
ことで、インバータの出力電流を制限することで、ブラ
シレスモータ及びインバータを保護する。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面により説明する。

図は本発明の駆動装置を真空ポンプに適用した実施例で
、真空ポンプ本体１は、ポンプ部２と駆動部３とから成
る。ポンプ部２はケーシング６の内部に設けられた機構
により、吸気口４から吸込まれた気体を排気口５から大
気圧下へ排気する。

前述のケーシング６の内部に設けられた機構は、駆動部
３により駆動される。真空ポンプが高速回転形の場合は
、一般的に駆動部３として組み込み形の高周波電動機が
用いられる。

駆動部３は、駆動装置７と電気的に接続されている。駆
動装置７は、交流型′ｇ８に接続されており、電動機駆
動回路７ａと圧力インタロック回路７ｂとから成る。モ
ータ駆動回路７ａは、交流電源８から高周波電源を得て
、駆動部３に用いられる高周波電動機を駆動する。圧力
インタロック回路７ｂは、電動機電流検出回路７ｃと、
圧力上昇判定回路７ｄから成る。電動機電流検出回路７
ｃは、高周波電動機に流れる電流を検出し、この電流を
制御回路内での信号に変換する。圧力上昇判定回路７ｄ
は、変換された電動機電流信号から圧力の上昇を判定す
る。

圧力上昇判定回路７ｄの一例を以下に説明する。

第２図に回路を示す。吸気口４の圧力と、電動機電流の
関係は第３図に示す様に、吸入圧力が上昇すると電動機
電流も上昇する。従って電流の増加を検出することによ
り吸入圧力の上昇を検出することができる。ここで、真
空ポンプ性能より決まる最大吸込圧力をＰｃとし、この
時の電動機電流をＩｃとする。図において、電動機電流
Ｉｃを設定した圧力上昇判定（上昇値を電流に変換して
判定）とを減算し差分Δｉを得る。この差分Δｉが負で
あれば、正常な状態である。差分Δｉが正の場合には、
吸気口４の圧力が上昇した状態である。

この差分Δｉを積分回路により、時間積分する。

ポンプ部２の動翼保護特性を第４図に示す。動翼の保護
は、空気との摩擦による発熱によって破損するのを防ぐ
ものであり、この発熱による保護特性は、一般にサーマ
ル特性と呼ばれ、電動機のサーマル特性に置換すること
ができる。積分回路では、差分Δｉを時間積分すること
により第４図に示す保護特性を作っている。差分Δｉの
積分値が、第４図の斜線部になると、ポンプ停止指令を
出力する。この判定は、差分Δｉの積分値を圧力インタ
ロック判定値と比較し行う。圧力インクロック判定値は
、下記により設定する。

（圧力インタロック判定値）＝ＩｃＸＴここで、Ｔ＝最
大圧力継続時間 である。

以上より高価な真空スイッチを必要とせず、電動機電流
から吸入口４の真空度低下を検出し、動翼の保護を行う
ことが可能である。

第５図は、本発明の他の実施例に係る駆動装置を備える
ブラシレス直流電動機及びインバータ並びに速度制御回
路の全体構成図である。交流電源８の交流電圧は整流回
路１０及び平滑コンデンサ１１により直流電圧Ｅｄに変
換され、インバータ１３に供給される。このインバータ
１３は、トランジスタＴｒｌ〜Ｔｒ６及び還流ダイオー
ドＤ１〜Ｄ６で構成された１２０度通電形インバータで
あり、その−交流出力電流Ｖ＾、Ｖａ、Ｖｃは、直流電
圧Ｅｄの正電位側トランジスタＴｒｉ〜Ｔｒ３の通電期
間（電気角１２０度）がパルス幅変調を受はチョッパ動
作することで制御される。ブラシレス直流電動機１４は
、永久磁石で構成された回転子１４ａと、スター結線さ
れた３相の電機子巻線１４ａからなり、電機子巻線１４
ｂの各相にインバータ１３の各交流出力電圧Ｖ＾、Ｖａ
、Ｖｃが印加されるようになっている。

ブラシレス直流電動機１４の速度を制御する速度制御回
路は、マイクロコンピュータ１５と、回転子１４ａの磁
極位置をインバータ１３の出力電圧Ｖ＾、Ｖａ、Ｖｃで
検出する逆起電圧位置検出回路１６と、直流部の直流電
流値を抵抗Ｒ１で検出しこの検出値とマイクロコンピュ
ータ１５からの指令ＩＬＣから電動機電流ＩＬを制御す
るチョッパ信号Ｃを作成する電流制御部１７と、この電
流制御部１７からのチョッパ信号Ｃおよびマイクロコン
ピュータ１５からの指令信号（ドライブ信号）Ｂにより
トランジスタＴｒｉ〜Ｔｒ６のベース電流を制御するペ
ースドライバ１８からなる。

第６図は、本発明による保護回路を含むＰＷＭ回路であ
る。マイクロコンピュータ１５から、回転数Ｎを出力す
る。Ｄ／Ａ変換回路１９は、電圧値に変換する。増幅器
２０は、Ｄ／Ａ変換回路１９の出力を反転させる。増幅
器２１は、三角波発生器２２と増幅器２０の出力を加算
し、図に示すような波形となる。この波形を比較器２３
で、チョッパ信号Ｃを作成すると、図に示す波形となる
。これにより、回転数Ｎに対応して、チョッパ信号Ｃの
パルス幅が制限され、これによりインバ−タ出力電流が
制限される。

第７図は本発明の駆動装置を真空ポンプに適用した更に
他の実施例である。

駆動部３は、インバータ２４と電気的に接続されている
。インバータ２４は、交流電源８に接続されており、整
流回路２５．チョッパ回路２６゜逆変換回路２７および
、インバータ制御回路２８゜始動時ＰＷＭ回路２９から
成る。整流回路２５は、交流電源８から得られる交流電
圧を直流電圧に変換する。チョッパ回路２６は、整流回
路２５から得られる直流電圧をチョッピング及び平滑す
ることにより直流可変電圧を与える。この電圧が電動機
印加電圧となる。逆変換回路２７は１回路内部のスイッ
チング素子を０Ｎ−ＯＦＦすることにより電動機周波数
を与える。またインバータ制御回路２８は、チョッパ回
路２６．逆変換回路２７の制御を行う。始動時ＰＷＭ回
路２９は、ＰＡＭ方式インバータにおいて、電動機始動
時のみ逆変換回路２７をＰＷＭ動作させて、チョッパ回
路２６から得られる電動機始動時の直流都電圧を０％〜
１００％まで可変させて電動機へ印加するものである。

始動時ＰＷＭ回路を第８図を用いて説明する。

第８図において、ランプ関数発生回路３０ａは、インバ
ータ制御回路１２からの始動時ＰＷＭ開始信号により、
ランプ関数を発生させる。ランプ関数の傾きは、始動時
ＰＷＭ時間により決定される。

また、始動時ＰＷＭが完了したことを始動時ＰＷＭ完了
信号によりインバータ制御回路２８へ入力し、これによ
りインバータ制御回路２８は通常のＰＡＭ制御を行う。

ＰＷＭキャリヤ周波数発生回路３０ｂは、ＰＷＭのキャ
リア周波数を発生させるもので、通常２に〜３　Ｋ　Ｈ
ｚの三角波やのこぎり波が用いられる。ランプ関数発生
回路３０ａの出力とＰＷＭキャリア周波数発生回路３０
ｂからの、のこぎり波をコンパレータ３０ｃにより比較
し、始動時ＰＷＭ信号を得る。第９図に上述の動作波形
を示す。ランプ関数発生回路３０ａの出力電圧を徐々に
高くすることにより、デユーティを徐々に広げていく。

すなわち、始動時ＰＷＭ信号のＯＮ時間ｔｏ１１を広げ
ることにより逆変換回路２７のオン時間を広げる。始動
時ＰＷＭ時の電動機印加電圧ＶＭは、下記に表わされる
。

ＶＭ”　ＶｃＸ　ｔ　ｏｎ／　（ｔ　ｏｎ＋　ｔ　ｏｘ
ｘ）ここで、Ｖｃ：チョッパ回路出力電圧 ｔ　ｏｎ／　（ｔ　ｏｎ＋　ｔ　ｏｔｘ）がデユーティ
であり、Ｖｃを一定に保ちながら、ｔＯｎを徐々に広く
することにより、ＶＭを徐々に高くすることができる。

また電動機始動時の突入電流は、電動機印加電圧に比例
するため、上記の動作を行うことにより突入電流を低く
抑えて電動機を始動することが可能となる。従って、始
動時ＰＷＭ信号のデユーティ；１００％時の電圧を、始
動時ＰＷＭ機能のない同容量のＰＡＭ方式インバータよ
りも高くすることができ、起動トルクは電動機印加電圧
の２乗に比例することができることから、大きな起動ト
ルクを得ることが可能である。

よって１本実施例によればインバータの容量を大きくす
ることなく、ポンプ部２の内部の付着物が回転体を固着
した場合でも、その固着力に打ち勝って起動することが
可能となる。

以上は、始動時ＰＷＭ回路をハードウェア回路で構成し
た場合について述べたが、インバータ制御回路２８にマ
イコンを用いてもよい。このため、始動時ＰＷＭ回路を
マイコンソフトウェアにより構成した場合のフローチャ
ートを第１０図に示す。

以下にその説明を行う。

まず、ドライブ信号切替タイミングの判定を行う。ドラ
イブ信号は、逆変換回路２７内部のスイッチング素子へ
の信号で、切替には、周波数によるものと、ＰＷＭのＯ
Ｎ、ＯＦＦによるものがある。ドライブ信号切替タイミ
ングであれば、ドライブ信号切替処理を行い、それ以外
ならば、デユーティ更新タイミング判定を行う。ドライ
ブ信号切替処理は、まず、ドライブ信号ポインタの更新
を行い、そのポインタの示すドライブ信号を出力する。

この時、ＰＷＭドライブ状態の判定、すなわち、ＯＮパ
ターンを出力するのかＯＦＦパターンを出力するのかの
判定を行い、どちらかのドライブパターンを出力する。

最後にドライブ信号切替用タイマの再設定を行う。一方
、デユーティ更新タイミング判定を行い、更新タイミン
グであれば、デユーティの更新すなわち、ｔｏｎ、ｔｏ
□の更新を行う。最後に、デユーティ更新用のタイマの
再設定を行い、デユーティが１００％に達した段階で始
動時ＰＷＭ処理は完了する。

始動時ＰＷＭ回路をソフトウェアで構成することにより
、制御回路の簡素化を図ることができる。

また、第１１図に示す様にＰＷＭデユーティ増加レート
を途中から変えることにより、始動時ＰＷＭ時間を短縮
することができる。これは、デユーティが狭い場合、電
動機印加電圧も低いのでモータは動作しない。従って動
作を始めるまでは、速いレートで増加させ、そこから規
定のレートで増加させればＰＷＭ時間を短縮できる。

これを、第１２図により説明する。

図において、ランプ関数発生回路３０ａは、始動時ＰＷ
Ｍ開始信号で傾き１のランプ関数を発生させる。増加レ
ート切替タイミングＴ１に達した時に、増加レート切替
信号をランプ関数発生回路３０ａに入力する。ランプ関
数発生回路３０ａは、増加レート切替信号により、傾き
２のランプ関数を発生させる。以上の動作により、第１
２図に示す様に、増加レートを可変することが可能であ
る。

さらに、ランプ関数発生回路３０ａで数種類のランプ関
数を発生させ、モータ負荷によりランプ関数を変化させ
ていけば、ＰＷＭ時間をより短縮することが可能である
。

また、電動機電流が、電流制限レベルに達した場合に＋
　ＰＷＭデユーティ増加を一時停止させることにより、
電動機起動時の負荷の大きさに関係なく、なめらかに起
動することが可能である。これを第１３図により説明す
る。

図において、電流制限レベル判定回路３０ｄによりモー
タ電流が、電流制限レベルに達したかどうかの判定をし
、制限レベルに達していれば、ランプ関数停止回路３０
ｅによりランプ関数の上昇を一時的に停止させる。これ
によりＰＷＭデユーティは一定となり、電圧の上昇を停
止させ一定電圧となる。このため電動機電流は徐々に減
少していく。よって起動時の負荷が大きい場合でも過電
流トリップすることなく電動機をなめらかに起動する。

〔発明の効果〕

本発明は、以上説明したように電源切替のためのスイッ
チ、シーケンス制御回路が不要となるために構造が簡単
で小形の回転体の駆動装置を得ることができる。

又、本発明によれば、安価な構造にして動翼等の保護を
行う回転体の駆動装置を得ることができる。

更に、本発明によれば電流検出回路や電流制御回路がノ
イズ等で誤動作にもインバータ出力電流が瞬時に増大し
ないのでブラシレス電動機及びインバータを保護する回
転体の駆動装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の実施例に係る説明図で、第１図は一実施
例の系統図、第２図は圧力上昇判定回路図、第３図は吸
入圧カー電動機電流特性図、第４図は動翼保護特性図、
第５図は他の実施例の回路図、第６図はＰＭＷ回路図、
第７図は本発明の回転体の駆動装置を真空ポンプに適用
した実施例を示す図、第８図はＰＭＷ回路図、第９図は
動作波形図、第１０図はＰＭＷ回路の他の実施例のフロ
ト・・真空ポンプ本体、２・・・ポンプ部、３・・・駆
動部。 ４・・・吸気口、５・・・排気口、７・・・駆動装置、
１０゜２５・・・整流回路、１１・・・平滑コンデンサ
、１３゜２４・・・インバータ、１４・・・ブラシレス
直流電動機、１５・・・マイクロコンピュータ、１６・
・・逆起電圧位置検出回路、１７・・・電流制御部、１
８・・・ペースドライバ、１９・・・Ｄ／Ａ変換回路、
２０．２１・・・増幅器、２２・・・三角波発生器、２
３・・・比較器、２６・・・チョッパ回路、２７・・・
逆変換回路、２８・・・イン！ 口 第 ３ ６ｔ Ｎケ 力 ／１ 図 第 ２

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、回転体を駆動する駆動部と、この駆動部に接続され
   、整流回路、チョッパ回路、逆変換回路及びインバータ
   制御回路をもつＰＡＭ方式のインバータとを備える回転
   体の駆動装置において、前記インバータに始動時のみ前
   記逆変換回路をＰＷＭ動作させて前記チョッパ回路から
   得られる始動時の直流電圧を変えるＰＷＭ回路を設けた
   ことを特徴とする回転体の駆動装置。 ２、請求項１記載のものにおいて、ＰＷＭ回路はデュー
   ティ増加レートが可変であることを特徴とする回転体の
   駆動装置。 ３、請求項１記載のものにおいて、ＰＷＭ回路にマイコ
   ンソフトウェアで構成した回路を設けたことを特徴とす
   る回転体の駆動装置。 ４、請求項１記載のものにおいて、ＰＷＭ回路は交流電
   動機の電流増加によりデューティ増加を停止する回路で
   あることを特徴とする回転体の駆動装置。 ５、回転体を交流電動機によつて駆動する駆動回路を備
   える回転体の駆動装置において、前記駆動回路に交流電
   動機の電流を検出する電流検出回路と、この電流検出回
   路からの電流値にもとづいて被駆動部の気体圧力上昇を
   判定する圧力上昇判定回路と交流電動機の電流を検出す
   る電流検出回路とからなる圧力インターロック回路を設
   けたことを特徴とする回転体の駆動装置。 ６、ブラシレス直流電動機とこのブラシレス直流電動機
   の電流をＰＷＭ方式で制御するインバータを備える回転
   体の駆動装置において、前記インバータに電動機の回転
   数に対応したパルス幅に出力を制限する制限回路を設け
   たことを特徴とする回転体の駆動装置。 ７、請求項６記載のものにおいて、インバータの電力変
   換素子の駆動電流を電動機の回転数に対応させて制限す
   る回路を設けることを特徴とする回転体の駆動装置。 ８、吸気口及び排気口を有するケーシングと、静翼及び
   動翼と、この動翼を回転駆動する駆動部と、この駆動部
   に接続され、整流回路、チョッパ回路、逆変換回路及び
   インバータ制御回路からなるＰＡＭ方式のインバータと
   を備える真空ポンプにおいて、前記インバータに始動時
   のみ前記逆変換回路をＰＷＭ動作させて前記チョッパ回
   路から得られる駆動部始動時の直流電圧を変えるＰＷＭ
   回路を設けたことを特徴とする真空ポンプ。 ９、吸気口及び排気口を有するケーシングと、静翼及び
   動翼と、この動翼を交流電動機によつて駆動する駆動回
   路をもつ駆動装置を備える真空ポンプにおいて、 前記駆動回路に交流電動機の電流を検出する電流検出回
   路と、この電流検出回路からの電流値にもとづいて被駆
   動部の気体圧力上昇を判定する圧力上昇判定回路と交流
   電動機の電流を検出する電流検出回路とからなる圧力イ
   ンターロック回路を設けたことを特徴とする真空ポンプ
   。 １０、吸気口及び排気口を有するケーシングと、静翼及
   び動翼と、この動翼を回転駆動するブラシレス直流電動
   機と、このブラシレス直流電動機の電流をＰＷＭ方式で
   制御するインバータをもつ駆動装置を備える真空ポンプ
   において、前記インバータに電動機の回転数に対応した
   パルス幅に出力を制限する制限回路を設けたことを特徴
   とする真空ポンプ。