JPH10184586A - ターボ分子ポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ターボ分子ポンプにおいて、保護軸受の劣化
を知り、回転体の損傷を防止する。 【解決手段】 排気用翼体およびモータを有する回転体
を磁気軸受により磁気浮上支持するターボ分子ポンプに
おいて、磁気浮上異常時に回転体を支持する保護軸受
と、回転数の減速状態を検出し該回転体の回転数の減速
状態から保護軸受の異常検出を行う異常検出部４０と、
磁気浮上異常時に異常検出部４０に回生動力を供給する
電源部１０とを備え、異常検出部４０は回転体の回転速
度を監視し、減速状態が通常の減速よりも急激な場合に
は、回転体が保護軸受に過度に接触して異常が発生した
ものと推定し、これによって、保護軸受の異常検出を行
う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ターボ分子ポンプ
に関し、特にターボ分子ポンプの軸受装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ターボ分子ポンプをはじめとする真空ポ
ンプ等の高速回転器においては、良好な真空を得るため
にオイルフリーが求められ、また、高速回転体の非接触
支持が求められている。そこで、従来の油潤滑を利用し
た軸受に代えて磁気軸受を用いたターボ分子ポンプが開
発されている。この磁気軸受は、回転軸を非接触で浮上
させて回転させることによって、駆動軸の振動を減少さ
せることがてきる。

【０００３】図６は従来のターボ分子ポンプの概略断面
図である。図６において、ターボ分子ポンプは、ケース
の内側にスペーサ４を介して取り付けられた固定翼体３
と、駆動軸に取り付けられると共に固定翼体３に対向し
て設置された排気用翼体２とによってタービン翼を形成
し、固定翼体３に対して排気用翼体２を高周波モータ３
３によって高速回転させることによって、吸気口５から
吸気した気体分子を排気口６側に移送させる構成として
いる。

【０００４】このターボ分子ポンプにおいて、排気用翼
体２および駆動軸１の回転体を非接触で支持する磁気軸
受装置は、回転体の半径方向に電磁石を設けたラジアル
磁気軸受３４ａ，３４ｂと、軸方向に電磁石を設けたス
ラスト軸受３４ｃとを備え、この電磁石とほぼ同位置に
回転体の状態を検出するラジアルセンサ３１ａ，スラス
トセンサ等の変位センサ３１を設置してフィードバック
制御系を構成し、各電磁石に流れる電流を調節して電磁
石の吸引力を調節し、回転体の中心位置に支持してい
る。

【０００５】電磁石は、駆動軸１を挟んで対向して配置
されており、各電磁石にＰＩＤ制御等によって定められ
る励磁電流を励磁アンプを介して流し、対向する電磁石
の吸引力によって駆動軸１の位置制御を行い、磁気浮上
制御を行っている。また、排気用翼体２の回転速度は、
回転センサ３２によって駆動軸１の回転速度を検出して
求めている。

【０００６】磁気軸受型ターボ分子ポンプにおいて、誤
操作による運転中のケーブル脱落や停電が発生すると、
回転体は保護軸受で支持されるが、保護軸受が劣化して
いると回転体がステータ側に接触して破損事故が発生す
る場合がある。磁気軸受には停電時のバックアップ電源
としてモータの回生動力を利用する場合があり、高速回
転時にはこの回生動力を用いて磁気浮上に必要な電力を
取り出すことができるが、次第に減速して回転数が低下
すると必要な電力の確保が困難となり、この後は保護軸
受７，８で支持を行っている。

【０００７】また、排気運転時にバルブの誤作動等によ
って吸気口あるいは排気口から急激に大気が突入した
り、ターボ分子ポンプに外部衝撃が加わると、排気用翼
体２はこの大気突入や外部衝撃によって過大な揚力を発
生する。磁気軸受は、この過大な揚力によって磁気浮上
制御が困難となり、回転体は保護軸受で支持されるが、
保護軸受が劣化していると排気用翼体２を有する回転体
がステータ側に接触して破損事故が発生する場合があ
る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ターボ分子ポンプにお
いて、機械的な接触により磨耗し劣化する可能性のある
部分は保護軸受であり、ターボ分子ポンプの寿命はほぼ
この保護軸受の寿命に依存している。

【０００９】通常の停止動作では、保護軸受は、電源停
止時には軸部と直接接触して回転体を支持することにな
るが、回転体が停止するまでの間は磁気軸受によって位
置制御されているため、接触時の衝撃は僅かであって損
傷を受けることはない。しかしながら、保護軸受は、上
記したように磁気軸受が正常に機能しない異常状態にお
いても回転体の支持を行い、前記したような大気突入，
外部衝撃，誤操作によるケーブル脱落，あるいは停電事
故等によって磁気軸受に異常が発生した場合には、保護
軸受のベアリングは損傷を受ける。保護軸受のベアリン
グの破損は、回転体自体の損傷につながる場合が多く、
被害が大きくなる。そして、このような過大な負荷が度
重なると保護軸受は劣化し、所定の機能を発揮すること
が困難となる。

【００１０】また、通常、ターボ分子ポンプは保護軸受
の劣化を知る手段を備えないため、保護軸受の損傷によ
る被害を予知することが困難であった。そこで、本発明
は前記した従来のターボ分子ポンプの持つ問題点を解決
し、保護軸受の劣化を知り、回転体の損傷を防止するこ
とができるターボ分子ポンプを提供することを目的とす
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】ターボ分子ポンプにおい
て、大気突入，外部衝撃，誤操作によるケーブル脱落，
あるいは停電事故等によって磁気軸受に異常が発生した
場合には、回転体は保護軸受に過剰に接触して、保護軸
受のベアリングに損傷が生じる。このとき、回転体の回
転数は急激に減少する。本発明は、ターボ分子ポンプの
回転体の回転速度を監視し、減速状態が通常の減速より
も急激な場合には、回転体が保護軸受に過度に接触して
異常が発生したものと判定し、これによって、保護軸受
の異常検出を行うものである。

【００１２】本発明のターボ分子ポンプは、排気用翼体
およびモータのロータを有する回転体を磁気軸受により
磁気浮上支持するターボ分子ポンプにおいて、磁気浮上
異常時に回転体を支持する保護軸受と、回転数の減速状
態を検出し、該回転体の回転数の減速状態から保護軸受
の異常検出を行う異常検出部と、磁気浮上異常時に異常
検出部に回生動力を供給する電源部とを備える。

【００１３】本発明のターボ分子ポンプによれば、通常
運転時には、電源部は外部電源からの電力を磁気軸受部
および異常検出部に供給し、磁気軸受部は回転体を磁気
浮上支持し、異常検出部は回転体の回転速度を監視して
異常検出を行う。また、異常発生時には、電源部はモー
タの回生動力からの電力を磁気軸受部および異常検出部
に供給する。異常検出部は、回転体の回転速度を監視
し、回転速度の減速が通常の減速よりも急激な場合に
は、回転体が保護軸受に過度に接触して異常が発生した
ものと判定し、これによって、保護軸受の異常検出を行
う。

【００１４】本発明の第１の実施態様は、回転体の回転
速度の監視は、第１の設定速度から第２の設定速度まで
の減速時間を計測することによって、回転体の回転数の
減速状態を監視するものである。第２の実施態様におい
て、回転体の回転速度の監視を行う異常検出部は、減速
時間計測回路と計測した減速時間を所定時間と比較して
異常を判定する異常判定回路とを備え、この構成によっ
て、回転体の回転数の減速状態を監視することができ
る。

【００１５】さらに、本発明の第３の実施態様は、異常
判定回路の異常判定結果を記憶する判定結果記憶回路を
備え、ターボ分子ポンプの再起動時に記憶した判定結果
を読み出すことによって、保護軸受の劣化を知り、回転
体の損傷を防止することができる。

【００１６】本発明の第４の実施態様は、第１の設定速
度を保護軸受が回転体を安全に支持することができる安
全回転数とし、電源部は該第１の設定速度に低下するま
で磁気軸受に電力を供給するものであり、また、第５の
実施態様は、電源部は、第２の設定速度まで異常検出部
に電力を供給するものである。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図を
参照しながら詳細に説明する。本発明の実施の形態の構
成例について、図１の本発明のターボ分子ポンプの実施
形態を説明する概略ブロック線図を用いて説明する。な
お、図１では主にターボ分子ポンプの軸受部分に関する
部分のみを示し、その他のターボ分子ポンプの構成につ
いては、前記図６と同様であるためここでの説明を省略
する。図１において、ターボ分子ポンプは、回転体を磁
気浮上させ回転駆動する磁気軸受部３０と、該磁気軸受
部３０を駆動し制御する磁気軸受制御部２０と、電力を
供給する電源部１０と、磁気軸受部の異常を検出する異
常検出部４０とを備える。

【００１８】磁気軸受部３０は、ターボ分子ポンプの排
気用翼体を有する回転体を回転駆動するためのモータ３
３と、回転体を磁気浮上させるために回転体に対してラ
ジアル方向およびスラスト方向にそれぞれ対向して配置
した電磁石３４と、回転体と電磁石との間の間隙量を検
出するギャップセンサ３１と、回転体の回転数を検出す
る回転数センサ３２とを備える。磁気軸受制御部２０
は、ギャップセンサ３１で検出した回転体と電磁石との
間の間隙量をフィードバックして電磁石３４に供給する
電流量を制御することによって、回転体の磁気浮上を安
定に維持する。

【００１９】電源部１０は、磁気軸受制御部２０，磁気
軸受部３０，異常検出部４０，および図示しないその他
の部分に電力を供給する部分であり、商用交流電源等の
外部電源１１からの交流を整流器１２およびコンバータ
回路１３を通して直流に変換し、制御用の電源回路１４
を通して磁気軸受制御部２０，回転数センサ３２および
異常検出部４０に直流電力を供給し、インバータ回路１
５で所定の高周波に変換した交流電力をモータ３３に供
給する。また、インバータ回路１５は、外部電源１１が
停止した場合にモータ３３の回転エネルギーを用いて回
生動力を生成し、電源回路１４を介して磁気軸受制御部
２０，回転センサ３２，異常検出部４０に電力を供給す
る。

【００２０】異常検出部４０は、回転体の回転数を監視
して、回転体の減速状態から磁気軸受部３０の異常を検
出するものであり、回転数センサ３２で検出した回転数
のデータを入力し、第１の設定速度から第２の設定速度
の減速時間を計測する減速時間計測回路４１と、計測し
た減速時間を所定時間と比較して異常を判定する異常判
定回路４２と、判定結果を記憶する判定結果記憶回路４
３、および表示部４４とを備える。なお、判定結果記憶
回路４３は複数回の判定結果を記憶することもでき、ま
た、表示部４４はターボ分子ポンプが備える表示装置を
兼用することもできる。表示部４４は、ターボ分子ポン
プの駆動開始時に、前回までの駆動で発生した異常を表
示し、使用者に保護軸受の劣化状態を警告することがで
きる。

【００２１】第１の設定速度は、保護軸受が回転体を安
全に支持することができる安全回転数に設定することが
でき、回転数センサ３２の検出信号をインバータ回路１
５に入力して、第１の設定速度に低下するまで磁気軸受
制御部２０に回生動力によって電力を供給することがで
きる。

【００２２】上記第１の設定速度および第２の設定速度
は減速状態を検出するために定める速度であり、例えば
第１の設定速度を５０００ｒｐｍ，第２の設定速度を４
０００ｒｐｍとすることができる。また、異常判定の比
較に用いる所定時間は、上記設定速度に応じて設定する
ことができる。なお、該設定速度および所定時間は、タ
ーボ分子ポンプの特性に応じて設定することができる。

【００２３】次に、図２，３を用いて通常時と異常時に
おける電力の供給状態を説明する。図２は通常時におけ
る電力供給状態を示している。外部電源１１からコンバ
ータ回路１３を介して得られた直流電力（図２中のａ）
は電源回路１４によって磁気軸受制御部２０に供給され
（図２中のｂ）、インバータ回路１５を介して得られた
高周波の交流電力はモータ３３に供給される（図２中の
ｆ）。磁気軸受制御部２０は、ギャップセンサ３１に電
力を供給する（図２中のｃ）と共に、検出した間隙信号
（図２中のＡ）をフィードバックして電磁石３４に供給
する電力制御を行う（図２中のｄ）。

【００２４】また、電源回路１０は回転数センサ３２お
よび異常検出部４０に直流電力を供給する（図２中の
ｇ，ｈ，ｉ）。回転数センサ３２は、回転体の回転数を
検出し、異常検出部４０中の減速時間計測回路４１に入
力する（図２中のＢ）。減速時間計測回路４１は回転数
を監視して、予め定めた２つの設定回転数の間を減速す
るに要する時間を計測して異常判定回路４２に入力する
（図２中のＣ）。異常判定回路４２は、求めた減速時間
をしきい値として予め定めておいた所定時間と比較して
異常判定を行い、判定結果を判定結果記憶回路４３に入
力する（図２中のＤ）。記憶された判定結果は、表示部
４４に送り（図２中のＥ）表示することができる。

【００２５】次に、異常時における電力供給について図
３を用いて説明する。図３は異常時における電力供給状
態を示している。ターボ分子ポンプの動作中において、
停電，ケーブルの脱落，あるいは誤動作等の異常時に
は、外部電源１１からの電力供給が停止し、モータ３３
からの回生動力（図３中のｉ）をインバータ回路１５を
介して電源回路１４に送って（図３中のｋ）、磁気軸受
制御部２０に電力を供給する（図３中のｌ）。磁気軸受
制御部２０は、ギャップセンサ３１に電力を供給する
（図３中のｍ）と共に、検出した間隙信号（図３中の
Ａ）をフィードバックして電磁石３４に供給する電力制
御を行う（図３中のｎ）。

【００２６】また、電源回路１０は、通常時と同様に、
回転数センサ３２および異常検出部４０に直流電力を供
給し（図２中のｏ，ｐ）、前記した通常時と同様の動作
を行う。

【００２７】なお、回生動力は回転体の減速により減少
する。磁気軸受制御部２０は異常検出部４０よりも大き
な駆動電力を要するため、所定速度以下に減速すると磁
気軸受制御部２０に対する電力供給は停止し、以後は異
常検出回路４０にのみ電力供給を行う。異常検出回路４
０は、減速時間の開始を始める第１の設定速度を上記所
定速度として設定することによって、連続して異常検出
を行うことができる。

【００２８】従って、通常時と異常時において、ギャッ
プセンサ，回転体センサ，モータ，磁気軸受制御部，お
よび異常検出部への電力供給源は表１に示すようにな
る。

【００２９】

【表１】

【００３０】次に、図４，５の減速時間の計測を説明す
るためのフローチャートおよび概略グラフを用いて、異
常検出部４０の動作について説明する。減速時間計測回
路４１は、回転数センサ３２からの信号を入力して回転
数の減速状態を監視し、回転数Ｎが第１の設定回転数Ｎ
１より低下した時点を検出する（ステップＳ１）。この
第１の設定回転数Ｎ１の時点で、減速時間計測回路４１
が備えるタイマは計時を開始する。なお、この第１の設
定回転数Ｎ１までの間は、ギャップセンサ，回転数セン
サ，磁気軸受制御部，異常検出部はモータの回生動力に
よって電力供給を受け、第１の設定回転数Ｎ１以下に減
速すると、磁気軸受制御部への電力供給を停止する（ス
テップＳ２）。

【００３１】さらに、減速時間計測回路４１は回転数Ｎ
が第２の設定回転数Ｎ２より低下した時点を検出し（ス
テップＳ３）、タイマの計時を停止して経過時間ΔＴを
求める。図５（ａ）中のΔＴは、回転数Ｎが第１の設定
回転数Ｎ１から第２の設定回転数Ｎ２まで減速するに要
した時間を表している（ステップＳ４）。異常判定回路
４２は、経過時間ΔＴを予め定めておいた設定経過時間
ΔＴ０と比較し、設定経過時間ΔＴ０よりも短い場合に
は異常が発生したものと判定し（ステップＳ５）、判定
結果記憶回路４３に記憶する（ステップＳ６）。

【００３２】図５（ｂ）は、通常の停止動作等の正常状
態における減速例を示しており、この場合の経過時間Δ
Ｔは設定経過時間ΔＴ０より長くなる。従って、異常判
定回路４２は異常と判定せず、判定結果記憶回路４３に
記憶されない。一方、図５（ｃ）は、異常時における減
速例を示しており、この場合の経過時間ΔＴは設定経過
時間ΔＴ０より短くなり、異常判定回路４２は異常と判
定して判定結果記憶回路４３に記憶する。

【００３３】本発明の実施態様によれば、異常検出を行
う異常検出部は、停電時においても回生動力によって駆
動することができる。また、本発明の実施態様によれ
ば、回転体の急速な減速による保護軸受の劣化を知るこ
とができるため、保護軸受の損傷による被害を予知する
ことが可能となる。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のターボ分
子ポンプによれば、保護軸受の劣化を知り、回転体の損
傷を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のターボ分子ポンプの実施形態を説明す
る概略ブロック線図である。

【図２】本発明のターボ分子ポンプの通常時における電
力供給状態を示す図である。

【図３】本発明のターボ分子ポンプの異常時における電
力供給状態を示す図である。

【図４】本発明のターボ分子ポンプの減速時間の計測を
説明するためのフローチャートである。

【図５】本発明のターボ分子ポンプの減速時間の計測を
説明するための概略グラフである。

【図６】ターボ分子ポンプの概略断面図である。

【符号の説明】

１０…電源部、１１…外部電源、１２…整流器、１３…
コンバータ回路、１４…電源回路、１５…インバータ回
路、２０…磁気軸受制御部、３０…磁気軸受部、３１…
ギャップセンサ、３２…回転数センサ、３３…モータ、
３４…電磁石、４０…異常検出部、４１…減速時間計測
回路、４２…異常判定回路、４３…判定結果記憶回路、
４４…表示部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 排気用翼体およびモータのロータを有す
   る回転体を磁気軸受により磁気浮上支持するターボ分子
   ポンプにおいて、磁気浮上異常時に回転体を支持する保
   護軸受と、回転体の回転数を監視し、回転数の減速状態
   から保護軸受の異常検出を行う異常検出部と、磁気浮上
   異常時に異常検出部に回生動力を供給する電源部とを備
   えたことを特徴とするターボ分子ポンプ。