WO2005085663A1 - 磁気軸受装置及び該磁気軸受装置を搭載したターボ分子ポンプ - Google Patents

Abstract

　電磁石を励磁駆動するアンプ回路の素子数を減らすことでターボ分子ポンプの製造、設置等に必要なコストを減少させるとともに、電磁石に流れる電流の検出に際して誤差を減らすことのできる磁気軸受装置及び該磁気軸受装置を搭載したターボ分子ポンプを提供する。 　各電磁石１０４、１０５、１０６Ａ、１０６Ｂを構成する電磁石巻線１５１の一端１５１ａが共通ノードＣに接続されている。この共通ノードＣには、トランジスタ２８１及びダイオード２８５からなる切替回路２８０が接続されている。一方、電磁石巻線１５１の他端１５１ｂには、トランジスタ２６１及びダイオード２６５からなるアンプ回路２５０が接続されている。

Description

明 細 書

磁気軸受装置及び該磁気軸受装置を搭載したターボ分子ポンプ 技術分野

[0001] 本発明は磁気軸受装置及び該磁気軸受装置を搭載したターボ分子ポンプに係わ り、特に、電磁石を励磁駆動するアンプ回路の素子数を減らすことでターボ分子ボン プの製造、設置等に必要なコストを減少させるとともに、電磁石に流れる電流の検出 に際して誤差を減らすことのできる磁気軸受装置及び該磁気軸受装置を搭載したタ ーボ分子ポンプに関する。

背景技術

[0002] 近年のエレクトロニクスの発展に伴 、、メモリや集積回路と 、つた半導体の需要が 急激に増大している。これらの半導体は、極めて純度の高い半導体基板に不純物を ドープして電気的性質を与えたり、半導体基板上に微細な回路パターンを形成し、こ れを積層するなどして製造される。そして、これらの作業は空気中の塵等による影響 を避けるため高真空状態のチャンバ内で行われる必要がある。このチャンバの排気 には、一般にポンプ装置として真空ポンプが用いられている力 特に残留ガスが少な ぐ保守が容易である等の点力 真空ポンプの中の 1つであるターボ分子ポンプが多 用されている。

[0003] また、半導体の製造工程では、さまざまなプロセスガスを半導体の基板に作用させ る工程が数多くあり、ターボ分子ポンプはチャンバ内を真空にするのみならず、これら のプロセスガスをチャンバ内力も排気するのにも使用される。さらに、ターボ分子ボン プは、電子顕微鏡等の設備において、粉塵等の存在による電子ビームの屈折等を 防止するため、電子顕微鏡等のチャンバ内の環境を高度の真空状態にするのにも 用いられている。

[0004] そして、このようなターボ分子ポンプは、半導体製造装置や電子顕微鏡等のチャン ノからガスを吸引排気するためのターボ分子ポンプ本体と、このターボ分子ポンプ本 体を制御する制御装置とから構成されて!ヽる。ターボ分子ポンプ本体の縦断面図を 図 10に示す。 図 10において、ターボ分子ポンプ本体 100は、円筒状の外筒 127の上端に吸気 口 101が形成されている。そして、外筒 127の内方には、ガスを吸引排気するための タービンブレードによる複数の回転翼 102a、 102b, 102c,…を周部に放射状かつ 多段に形成した回転体 103が備えられている。この回転体 103の中心にはロータ軸 113が取り付けられており、このロータ軸 113は、例えば 5軸制御の磁気軸受により空 中に浮上支持かつ位置制御されて!、る。

[0005] 上側径方向電磁石 104は、 4個の電磁石が X軸と Y軸にかつ +方向と一方向に、そ れぞれの対をなして配置されている（図示しないが、必要に応じて電磁石 104X+、 1 04X—、 104Y+、 104Y—という）。この上側径方向電磁石 104に近接かつ対応され て 4個の電磁石力もなる上側径方向センサ 107が備えられている。この上側径方向 センサ 107は回転体 103の径方向変位を検出し、図示せぬ制御装置に送るように構 成されている。

[0006] この制御装置においては、上側径方向センサ 107が検出した変位信号に基づき、 PID調節機能を有する補償回路を介したアンプ回路 150 (後述する）により上側径方 向電磁石 104を励磁制御し、ロータ軸 113の上側の径方向位置を調整する。

そして、このロータ軸 113は、高透磁率材 (鉄など)などにより形成され、上側径方向 電磁石 104の磁力により吸引されるようになっている。かかる調整は、 X軸方向と Υ軸 方向とにそれぞれ独立して行われる。

[0007] また、下側径方向電磁石 105及び下側径方向センサ 108が、上側径方向電磁石 1 04及び上側径方向センサ 107と同様に配置され、ロータ軸 113の下側の径方向位 置を上側の径方向位置と同様に調整している（下側径方向電磁石 105についても、 必要に応じて電磁石 105X+、 105X—、 105Υ+、 105—という）。

[0008] さらに、軸方向電磁石 106A、 106B力 ロータ軸 113の下部に備えた円板状の金 属ディスク 111を上下に挟んで配置されている。金属ディスク 111は、鉄などの高透 磁率材で構成されている。ロータ軸 113の軸方向変位を検出するために軸方向セン サ 109が備えられ、その軸方向変位信号が制御装置に送られるように構成されてい る。

[0009] そして、軸方向電磁石 106A、 106Bは、この軸方向変位信号に基づき、制御装置 の PID調節機能を有する補償回路を介したアンプ回路 150により励磁制御されるよう になっている。軸方向電磁石 106Aは、磁力により金属ディスク 111を上方に吸引し 、軸方向電磁石 106Bは、金属ディスク 111を下方に吸引する。

[0010] このように、制御装置は、この軸方向電磁石 106A、 106Bが金属ディスク 111に及 ぼす磁力を適当に調節し、ロータ軸 113を軸方向に磁気浮上させ、空間に非接触で 保持するようになっている。

なお、これら上側径方向電磁石 104、下側径方向電磁石 105及び軸方向電磁石 1 06A、 106Bを励磁駆動するアンプ回路 150については、後述にてさらに詳細に説 明する。

[0011] 一方、モータ 121は、ロータ軸 113を取り囲むように周状に配置された複数の磁極 を備えている。各磁極は、ロータ軸 113との間に作用する電磁力を介してロータ軸 11 3を回転駆動するように、制御装置によって制御されて 、る。

また、モータ 121には図示しない回転数センサが組み込まれており、この回転数セ ンサの検出信号によりロータ軸 113の回転数が検出されるようになっている。さらに、 例えば下側径方向センサ 108近傍に、図示しない位相センサが取り付けてあり、ロー タ軸 113の回転の位相を検出するようになっている。制御装置では、この位相センサ と回転数センサの検出信号をともに用！、て磁極の位置を検出するようになつて！、る。

[0012] 回転翼 102a、 102b, 102c,…とわずかの空隙を隔てて複数枚の固定翼 123a、 1 23b、 123c,…力 己設されている。回転翼 102a、 102b, 102c,…は、それぞれ 気ガスの分子を衝突により下方向に移送するため、ロータ軸 113の軸線に垂直な平 面力も所定の角度だけ傾斜して形成されている。また、固定翼 123も、同様にロータ 軸 113の軸線に垂直な平面力も所定の角度だけ傾斜して形成され、かつ外筒 127 の内方に向けて回転翼 102の段と互 、違いに配設されて！/、る。

[0013] そして、固定翼 123の一端は、複数の段積みされた固定翼スぺーサ 125a、 125b, 125c,…の間に嵌挿された状態で支持されている。固定翼スぺーサ 125はリング状 の部材であり、例えばアルミニウム、鉄、ステンレス、銅などの金属、又はこれらの金 属を成分として含む合金などの金属によって構成されている。

[0014] 固定翼スぺーサ 125の外周には、わずかの空隙を隔てて外筒 127が固定されてい る。外筒 127の底部にはベース部 129が配設され、固定翼スぺーサ 125の下部とベ ース部 129の間にはネジ付きスぺーサ 131が配設されている。そして、ベース部 129 中のネジ付きスぺーサ 131の下部には排気口 133が形成され、外部に連通されてい る。

[0015] ネジ付きスぺーサ 131は、アルミニウム、銅、ステンレス、鉄、又はこれらの金属を成 分とする合金などの金属によって構成された円筒状の部材であり、その内周面に螺 旋状のネジ溝 13 laが複数条刻設されている。ネジ溝 131aの螺旋の方向は、回転体 103の回転方向に排気ガスの分子が移動したときに、この分子が排気口 133の方へ 移送される方向である。

[0016] 回転体 103の回転翼 102a、 102b, 102c,…に続く最下部には回転翼 102dが垂 下されている。この回転翼 102dの外周面は、円筒状で、かつネジ付きスぺーサ 131 の内周面に向かって張り出されており、このネジ付きスぺーサ 131の内周面と所定の 隙間を隔てて近接されて 、る。

ベース部 129は、ターボ分子ポンプ本体 100の基底部を構成する円盤状の部材で あり、一般には鉄、アルミニウム、ステンレスなどの金属によって構成されている。ベー ス部 129はターボ分子ポンプ本体 100を物理的に保持すると共に、熱の伝導路の機 能も兼ね備えているので、鉄、アルミニウムや銅などの剛性があり、熱伝導率も高い 金属が使用されるのが望ましい。

[0017] 力かる構成において、回転翼 102がモータ 121により駆動されてロータ軸 113と共 に回転すると、回転翼 102と固定翼 123の作用により、吸気口 101を通じてチャンバ 力もの排気ガスが吸気される。

吸気口 101から吸気された排気ガスは、回転翼 102と固定翼 123の間を通り、ベー ス部 129へ移送される。このとき、排気ガスが回転翼 102に接触する際に生ずる摩擦 熱や、モータ 121で発生した熱の伝導などにより、回転翼 102の温度は上昇するが、 この熱は、輻射又は排気ガスの気体分子などによる伝導により固定翼 123側に伝達 される。

[0018] 固定翼スぺーサ 125は、外周部で互いに接合しており、固定翼 123が回転翼 102 から受け取った熱や排気ガスが固定翼 123に接触する際に生ずる摩擦熱などを外 部へと伝達する。そして、ベース部 129に移送されてきた排気ガスは、ネジ付きスぺ ーサ 131のネジ溝 131aに案内されつつ排気口 133へと送られる。

[0019] ここに、ターボ分子ポンプは、個々に調整された固有のパラメータ（例えば、機種の 特定、機種に対応する諸特性）に基づいた制御を要する。この制御パラメータを格納 するために、上記ターボ分子ポンプ本体 100は、その本体内に電子回路部 141を備 えている。電子回路部 141は、 EEP— ROM等の半導体メモリ及びそのアクセスのた めの半導体素子等の電子部品、その実装用の基板 143等力も構成される。この電子 回路部 141は、ターボ分子ポンプ本体 100の下部を構成するベース部 129の中央 付近の図示しない回転数センサの下部に収容され、気密性の底蓋 145によって閉じ られている。

[0020] 次に、このように構成されるターボ分子ポンプ本体 100に対し、その上側径方向電 磁石 104、下側径方向電磁石 105及び軸方向電磁石 106A、 106Bを励磁駆動する アンプ回路について説明する。このアンプ回路の従来例としては特許文献 1が知ら れている。

[0021] 従来のアンプ回路の回路図を図 11に示す。なお、各電磁石 104、 105、 106A、 1 06Bを構成する電磁石卷線 151、 151、…はターボ分子ポンプ本体 100側に存在す る素子である力 簡単のためこれもあわせて示す。

図 11において、電磁石卷線 151は、一端 151aがトランジスタ 161及びダイオード 1 65に接続されている。一方、電磁石卷線 151の他端 151bは、電流検出回路 155を 介して、トランジスタ 162及びダイオード 166に接続されている。

[0022] このとき、トランジスタ 161、 162は、ともにパワー MOSFETであり、トランジスタ 161 のドレイン端子 161 aが電源 153の正極 153aに、ソース端子 16 lbが電磁石卷線 15 1の一端 151aに接続されている。また、トランジスタ 162は、ドレイン端子 162aが電 流検出回路 155を介して電磁石卷線 151の他端 151 bに、ソース端子 162bが電源 1 53の負極 153b【こ接続されて!ヽる。

[0023] さらに、ダイオード 165、 166は、ともに電流回生用のダイオードであり、ダイオード 1 65の力ソード端子 165aが電磁石卷線 151の一端 151aに、アノード端子 165bが負 極 153bに接続されている。また、ダイオード 166は、力ソード端子 166aが正極 153a に、アノード端子 166bが電流検出回路 155を介して電磁石卷線 151の他端 151bに 接続されている。

[0024] そして、電磁石卷線 151の他端 151bに接続されている電流検出回路 155は、例え ばホールセンサ式電流センサであり、電磁石卷線 151に流れた電流（以下、電磁石 電流 iLという）を検出して、この検出結果である電流検出信号 173を後述するアンプ 制御回路 171に出力するようになっている。また、電源 153の正極 153a及び負極 15 3b間には、電源 153の安定ィ匕のためのコンデンサ（図示略）が接続されるようになつ ている。

以上のようにして構成されるアンプ回路 150は、各電磁石 104、 105、 106A、 106 Bを構成する電磁石卷線 151、 151、…毎に設けられるようになつている。

[0025] アンプ制御回路 171は、制御装置の図示しな!、ディジタル ·シグナル ·プロセッサ部

(以下、 DSP部という）内の回路となっており、このアンプ制御回路 171は、電流検出 回路 155で検出した電磁石電流 iLの値と電流指令値とを比較するようになっている。 そして、この比較結果に基づき、 PWM制御による 1周期である制御サイクル Ts内に トランジスタ 161、 162のゲート端子に出力するゲート駆動信号 174、 175のパルス 幅時間を決めるようになって 、る。

[0026] 力かる構成において、アンプ回路 150の両トランジスタ 161、 162を onにすると、正 極 153a力らトランジスタ 161、電磁石卷線 151、トランジスタ 162を介して負極 153b へ供給される電流により、電磁石電流 iLが増加する。一方、両トランジスタ 161、 162 を offにすると、負極 153b力らダイオード 165、電磁石卷線 151、ダイオード 166を介 して正極 153aへ回生する電流により、電磁石電流 iLが減少する。

[0027] このとき、電流検出回路 155で検出した電磁石電流 iLの値が電流指令値よりも小さ い場合には、アンプ制御回路 171で電磁石電流 iLを増力！]させるように制御が行われ る。そのため、図 12に示すように 1制御サイクル Ts中で両トランジスタ 161、 162を on にするパルス幅時間が、両トランジスタ 161、 162を offにするパルス幅時間よりも長く される。その結果、電磁石電流 iLの増加時間 Tplが、その減少時間 Tp2よりも長くな るので、 1制御サイクル Ts中に電磁石電流 iLが増加する。

[0028] 一方、電流検出回路 155で検出した電磁石電流 iLの値が電流指令値よりも大きい 場合には、アンプ制御回路 171で電磁石電流 iLを減少させるように制御が行われる 。そのため、図 12に示すように 1制御サイクル Ts中で両トランジスタ 161、 162を off にするパルス幅時間が、両トランジスタ 161、 162を onにするパルス幅時間よりも長く される。その結果、電磁石電流 iLの減少時間 Tp2が増加時間 Tplよりも長くなるので 、 1制御サイクル Ts中に電磁石電流 iLが減少する。

[0029] これにより、制御サイクル Ts中に電磁石電流 iLを適宜増減させることができるので、 電磁石電流 iLの値を電流指令値と一致させることができる。

なお、電流検出回路 155における電磁石電流 iLの検出は、図 12に示すように制御 サイクル Ts中に 1回同じ検出タイミング Tdで行われる。

[0030] 特許文献 1 :特許 3176584号公報（図 8、図 9)

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0031] ところで、上述したようにアンプ回路 150は各電磁石 104、 105、 106A、 106Bを 構成する電磁石卷線 151、 151、…毎に設けられるものであるため、 5軸制御の磁気 軸受の場合、その制御装置内には 10個のアンプ回路 150が存在する。そして、個々 のアンプ回路 150は、図 11に示したような 2個のトランジスタ 161、 162と 2個のダイォ ード 165、 166とによるブリッジ回路で構成されるため、全ての電磁石卷線 151、 151 、…を励磁駆動するためには 20個のトランジスタと 20個のダイオードとが必要となる。

[0032] 従って、アンプ回路 150は素子数が多いのでアンプ回路 150の小型化が困難であ り、ターボ分子ポンプ全体の小型化を図るのが困難であった。そのため、ターボ分子 ポンプをクリーンルーム等に設置する場合にも広い場所が必要となって設置コストが 上昇するおそれがあった。また、アンプ回路 150の素子数が多いために故障率が上 昇するおそれがあった。さらに、アンプ回路 150での消費電力や発熱も多くなるおそ れがあった。また、素子数の多さからアンプ回路 150自身の製造コスト等が上昇する おそれがあった。

[0033] 加えて、図 11に示したように電磁石卷線 151はターボ分子ポンプ本体 100側に存 在する素子であるため、電磁石卷線 151の両端 151a、 151bのノード（このノードを それぞれノード R、ノード Sという）は、制御装置及びターボ分子ポンプ本体 100間の ケーブルを構成する配線となる。そして、アンプ回路 150が制御装置内に 10個存在 することを考慮すると、制御装置及びターボ分子ポンプ本体 100間のケーブルにはノ - R, Sとして 20本の配線が存在することになる。従って、制御装置及びターボ分 子ポンプ本体 100間のケーブルを多芯とする必要があったり、ケーブルのターボ分 子ポンプ本体 100側の入出口となるコネクタ（図示略)を大型化する必要があるため

、部品コストが上昇するおそれがあった。

[0034] さらに、従来のアンプ回路 150に対する制御では、図 12に示したように制御サイク ル Ts中に常に電磁石電流 iLの増減が行われる（すなわち一定の状態にならな!/、)。 そのため、電磁石電流 iLの検出を行う検出タイミング Tdでは電磁石電流 iLが過渡的 な状態にあった。従って、検出タイミング Tdと実際の電磁石電流 iLの波形との間にわ ずかでもずれ等が生じると、本来検出すべきであった電磁石電流 iLの値に対して大 きく誤差を生じるおそれがあった。また、この検出タイミング Td付近で電磁石電流 iL の増減が切り替わると、アンプ回路 150内にノイズが発生したり、電源 153の正極 15 3a及び負極 153bにノイズが乗ったりして、検出誤差を生ずるおそれがあった。

[0035] 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、電磁石を励磁駆動するァ ンプ回路の素子数を減らすことでターボ分子ポンプの製造、設置等に必要なコストを 減少させるとともに、電磁石に流れる電流の検出に際して誤差を減らすことのできる 磁気軸受装置及び該磁気軸受装置を搭載したターボ分子ポンプを提供することを目 的とする。

課題を解決するための手段

[0036] このため本発明は、磁気軸受装置に関し、回転体と、該回転体の半径方向位置及 び Z又は軸方向位置を制御する複数個の電磁石と、該電磁石に電力を供給する電 源と、前記電磁石の一端が共通に接続された共通ノードと、該共通ノードの電圧を切 り替える切替手段と、前記一つの電磁石の他端から前記電源の負極へ供給される供 給電流又は前記一つの電磁石の他端から前記電源の正極へ回生される回生電流 により、前記各電磁石の励磁を制御する励磁制御手段とを備え、前記切替手段は、 前記正極及び前記共通ノード間を断接する第 1のスィッチ素子と、前記負極から前 記共通ノードへの向きに電流を流す第 1の整流素子とを有し、前記励磁制御手段は 、前記一つの電磁石の他端及び前記負極間を断接する第 2のスィッチ素子と、前記 一つの電磁石の他端から前記正極への向きに電流を流す第 2の整流素子とを有す るように構成した。

[0037] 励磁制御手段の第 2のスィッチ素子を接続して切替手段の第 1のスィッチ素子を接 続すると、供給電流が流れて電磁石電流が増加する。一方、第 2のスィッチ素子を切 断して第 1のスィッチ素子を切断すると、回生電流が流れて電磁石電流が減少する。 このことにより、励磁制御手段を 1つのスィッチ素子と 1つの整流素子のみで構成し ても、切替手段への制御を行いつつ励磁制御手段を制御することで、電磁石電流を 増加又は減少させて電磁石の励磁を制御することが可能となる。

[0038] そのため、励磁制御手段を構成する素子数が減少するので、これを備えた磁気軸 受装置の故障率を下げることができる。また、磁気軸受装置の消費電力や、発熱も減 らすことができる。さらに、励磁制御手段はいわゆるレギユレータの回路ではないので 、共通ノードに対して安定ィ匕のためのコンデンサを設けたり、保護用のチョークコイル 等を設ける必要がなぐ部品コスト等を下げることもできる。

[0039] なお、第 2のスィッチ素子を接続して第 1のスィッチ素子を切断するか、第 2のスイツ チ素子を切断して第 1のスィッチ素子を接続すると、電磁石の他端から正極又は負 極へフライホイール電流が流れるので電磁石電流を一定に保つことができる。

[0040] また、本発明は、磁気軸受装置に関し、回転体と、該回転体の半径方向位置及び Z又は軸方向位置を制御する複数個の電磁石と、該電磁石に電力を供給する電源 と、前記電磁石の一端が共通に接続された共通ノードと、該共通ノードの電圧を切り 替える切替手段と、前記電源の正極から前記一つの電磁石の他端へ供給される供 給電流又は前記電源の負極から前記一つの電磁石の他端へ回生される回生電流 により、前記各電磁石の励磁を制御する励磁制御手段とを備え、前記切替手段は、 前記共通ノード及び前記負極間を断接する第 1のスィッチ素子と、前記共通ノードか ら前記正極への向きに電流を流す第 1の整流素子とを有し、前記励磁制御手段は、 前記正極及び前記一つの電磁石の他端間を断接する第 2のスィッチ素子と、前記負 極力 前記一つの電磁石の他端への向きに電流を流す第 2の整流素子とを有するよ うに構成した。 [0041] 励磁制御手段の第 2のスィッチ素子を接続して切替手段の第 1のスィッチ素子を接 続すると、供給電流が流れて電磁石電流が増加する。一方、第 2のスィッチ素子を切 断して第 1のスィッチ素子を切断すると、回生電流が流れて電磁石電流が減少する。 このことにより、励磁制御手段を 1つのスィッチ素子と 1つの整流素子のみで構成し ても、電磁石電流を増加又は減少させて電磁石の励磁を制御することが可能となる。 従って、設計や制御が容易な励磁制御手段、切替手段を選択可能となる。

[0042] なお、この場合も第 2のスィッチ素子を接続して第 1のスィッチ素子を切断するか、 第 2のスィッチ素子を切断して第 1のスィッチ素子を接続すると、電磁石の他端から正 極又は負極へフライホイール電流が流れるので電磁石電流を一定に保つことができ る。

[0043] さらに、本発明は、磁気軸受装置に関し、前記切替手段の切替位相及び前記励磁 制御手段の制御位相を共通の制御サイクルのもとに調節することにより、前記各電磁 石に流れる電流を増加、減少又は一定に維持することを特徴とする。

[0044] 切替手段の切替位相及び励磁制御手段の制御位相を共通の制御サイクルのもと に調節することで、少ない素子でかつ簡単に回路構成できる。そして、制御サイクル 中に上記供給電流、回生電流及びフライホイール電流の！/ヽずれかの電流を電磁石 に流すことができる。そのため、電磁石に流れる電流を増加、減少又は一定に維持 することができる。

[0045] さらに、本発明は、磁気軸受装置に関し、前記第 1の整流素子には並列に第 3のス イッチ素子が備えられたことを特徴とする。

[0046] 切替手段の第 1の整流素子を介して電流が流れるときに第 3のスィッチ素子を接続 することで、第 1の整流素子の発熱を抑えることができる。

[0047] さらに、本発明は、磁気軸受装置に関し、回転体と、該回転体の半径方向位置及 び Z又は軸方向位置を制御する複数個の電磁石と、該電磁石に電力を供給する電 源と、前記電磁石の一端が共通に接続された共通ノードと、該共通ノードの電圧を切 り替える切替手段と、前記一つの電磁石の他端から前記電源の負極へ供給される供 給電流又は前記一つの電磁石の他端から前記電源の正極へ回生される回生電流 により、前記複数個の電磁石のうち少なくとも 1個の励磁を制御する第 1の励磁制御 手段と、前記正極から前記他の一つの電磁石の他端へ供給される供給電流又は前 記負極から前記他の一つの電磁石の他端へ回生される回生電流により、前記第 1の 励磁制御手段により励磁制御される電磁石以外の電磁石の励磁を制御する第 2の 励磁制御手段とを備え、前記切替手段は、前記共通ノード及び前記負極間を断接 するスィッチ素子と、前記正極及び前記共通ノード間を断接するスィッチ素子と、前 記共通ノードから前記正極への向きの電流、及び前記負極から前記共通ノードへの 向きの電流をそれぞれ流す整流素子とを有し、前記第 1の励磁制御手段は、前記一 つの電磁石の他端及び前記負極間を断接するスィッチ素子と、前記一つの電磁石 の他端力 前記正極への向きに電流を流す整流素子とを有し、前記第 2の励磁制御 手段は、前記正極及び前記他の一つの電磁石の他端間を断接するスィッチ素子と、 前記負極から前記他の一つの電磁石の他端への向きに電流を流す整流素子とを有 するように構成した。

[0048] 切替手段は、共通ノード及び負極間、正極及び共通ノード間を断接するスィッチ素 子と、共通ノードから正極へ、負極から共通ノードへ電流を流す整流素子とを有する ので、複数個の電磁石が、第 1の励磁制御手段により制御される電磁石と第 2の励磁 制御手段により制御される電磁石とに分けられても、電磁石電流を増加又は減少さ せて電磁石の励磁を制御することが可能となる。

なお、切替手段では、共通ノード及び負極間の接続と正極及び共通ノード間の接 続とが重複しな 、ようにスィッチ素子を断接することが望ま 、。これにより正極及び 負極間の貫通電流を防ぐことができる。

[0049] さらに、本発明は、磁気軸受装置に関し、前記切替手段の切替位相、前記第 1の 励磁制御手段及び前記第 2の励磁制御手段の制御位相を共通の制御サイクルのも とに調節することにより、前記各電磁石に流れる電流を増加、減少又は一定に維持 することを特徴とする。

[0050] 切替手段の切替位相、第 1の励磁制御手段及び第 2の励磁制御手段の制御位相 を共通の制御サイクルのもとに調節することで、少ない素子でかつ簡単に回路構成 できる。そして、制御サイクル中に上記供給電流、回生電流及びフライホイール電流 の!、ずれかの電流を電磁石に流すことができる。 [0051] さらに、本発明は、磁気軸受装置に関し、前記複数個の電磁石は、前記正極及び 前記共通ノード間に流れる電流と該共通ノード及び前記負極間に流れる電流とがほ ぼ均等化されるように、前記第 1の励磁制御手段により制御される電磁石と前記第 2 の励磁制御手段により制御される電磁石とにグループ分けして構成されたことを特徴 とする。

[0052] 共通ノードを介して流れる電磁石電流がほぼ均等化するように、複数個の電磁石が グループ分けされるので、切替手段を構成するスィッチ素子や整流素子のサイズを 小さくできる。また、これらの素子を介して流れる電流も減らせるので、発熱等も防止 できる。さらに、電源から供給すべき電流も減らせるので、入力電源容量を小さくでき る。

[0053] さらに、本発明は、磁気軸受装置に関し、前記電磁石に一定電流が流れたときに 該電流の値を検出する電流検出手段を備えて構成した。

[0054] 電磁石にフライホイール電流を流すことで電磁石電流を一定に保つことができるの で、このときに電流検出手段では電磁石電流の検出が行われる。

従って、過渡的な状態で電磁石電流の検出を行う必要がないため、検出タイミング と実際の電磁石電流の波形との間にずれ等が生じても、本来検出すべきであった電 磁石電流の値に対し大きく誤差を生じることはない。また、検出タイミング付近での電 磁石電流の増減の切り替わりを避けられるので、励磁制御手段や正極、負極に生じ るノイズを低減して、検出誤差を減らすことができる。

[0055] さらに、本発明は、磁気軸受装置に関し、前記電流検出手段は、前記負極に一端 が接続された抵抗と、該抵抗に流れた電流を検出する検出部とを備えて構成した。

[0056] このことにより、電流検出手段に高い電圧が入力されることがなくなるので、電磁石 電流の検出に際してノイズが乗り難ぐ精度良く電磁石電流を検出することができる。

[0057] さらに、本発明は、磁気軸受装置を搭載したターボ分子ポンプであって、前記回転 体は、回転翼及び該回転翼の中央に配設されたロータ軸を有し、前記各電磁石は、 該ロータ軸を空中に磁気浮上させることを特徴とする。

[0058] 上述した磁気軸受装置はターボ分子ポンプに搭載されるので、ターボ分子ポンプ 全体の小型化を図ることができる。従って、ターボ分子ポンプのクリーンルーム等へ の設置コストを下げることができる。

[0059] さらに、本発明は、ターボ分子ポンプに関し、前記回転体及び前記電磁石を有する ターボ分子ポンプ本体と、前記切替手段及び前記励磁制御手段、又は前記切替手 段、前記第 1の励磁制御手段及び前記第 2の励磁制御手段を有する制御装置とを 備え、前記ターボ分子ポンプ本体と制御装置とが一体化されたことを特徴とする。

[0060] 上述した励磁制御手段、又は第 1の励磁制御手段及び第 2の励磁制御手段は小 型化が可能なので、この励磁制御手段等を有する制御装置も小型化が可能である。 従って、制御装置とターボ分子ポンプ本体とは一体ィヒが可能となり、ターボ分子ボン プの製造、配置等に必要なコストをさらに減少させることができる。

発明の効果

[0061] 以上説明したように本発明によれば、共通ノードの電圧を切り替える切替手段と、 供給電流又は回生電流により複数個の電磁石の励磁を制御する励磁制御手段とを 備えて構成したので、励磁制御手段を 1つのスィッチ素子と 1つの整流素子のみで構 成しても、切替手段への制御を行いつつ励磁制御手段を制御することで、電磁石電 流を増加又は減少させて電磁石の励磁を制御することが可能となる。従って、励磁 制御手段の素子数を減らすことができるので、ターボ分子ポンプの製造、設置等に 必要なコストを減少させることができる。

[0062] また、電磁石に一定電流が流れたときにこの電流の値を検出する電流検出手段を 備えて構成したので、過渡的な状態で電磁石電流の検出を行う必要がなくなり、検 出に際しての誤差を減らすことができる。

発明を実施するための最良の形態

[0063] 以下、本発明の第 1の実施形態について説明する。

本発明の第 1実施形態であるアンプ回路の回路図を図 1に示す。なお、図 11と同 一要素のものについては同一符号を付して説明は省略する。

図： Uこお!/ヽて、ターボ分子ポンプ本体 200【こ ίま、各電磁石 104、 105、 106Α、 106 Βを構成する電磁石卷線 151、 151、…に対して共通のノード（このノードを共通ノー ド Cという）が設けられている。そして、各電磁石卷線 151の一端 151aが共通ノード C に接続されている。また、電磁石卷線 151の他端 151bは、アンプ回路 250のトランジ スタ 261及びダイオード 265に接続されて!、る（この他端 15 lbのノードをノード Eと!ヽ う)。

[0064] このとき、トランジスタ 261は、パワー MOSFETであり、ドレイン端子 26 laが電磁石 卷線 151の他端 151bに、ソース端子 261bが電流検出回路 255を介して電源 153 の負極 153bに接続されている。また、ダイオード 265は、電流回生用あるいはフライ ホイ一ノレ用のダイオードであり、力ソード端子 265a力電源 153の正極 153aに、ァノ ード端子 265bが電磁石卷線 151の他端 151bに接続されている。

[0065] そして、トランジスタ 261のソース端子 261bに接続されている電流検出回路 255は 、一端が負極 153bに他端がトランジスタ 261のソース端子 261bに接続された検出 抵抗 256と、この検出抵抗 256の他端の電圧から電磁石電流 iLを検出する検出部 2 57とを有している。この検出部 257は電磁石卷線 151に流れる電磁石電流 iLを検出 して、この検出結果である電流検出信号 273を後述するアンプ制御回路 271に出力 するようになつている。なお、このように一端が負極 153bに接続された検出抵抗 256 を有する電流検出回路 255を用いることで電流検出回路 255に高い電圧が入力され ることがなくなるので、電磁石電流 iLの検出に際してノイズが乗り難ぐ精度良く電磁 石電流 iLを検出できるようになって 、る。

以上のようにして構成されるアンプ回路 250は、各電磁石 104、 105、 106A、 106 Bを構成する電磁石卷線 151、 151、…毎に設けられるようになつている。

[0066] アンプ制御回路 271は、従来と同様に DSP部（図示略）内の回路となっている。そ して、このアンプ制御回路 271は、電流検出回路 255で検出した電磁石電流 iLの値 と電流指令値とを比較し、電磁石電流 iLを増加させる時間（上述した増加時間 Tpl) や電磁石電流 iLを減少させる時間（上述した減少時間 Tp2)を決めて、これに基づき PWM制御による 1周期である制御サイクル Ts内にトランジスタ 261のゲート端子に 出力するゲート駆動信号 274のパルス幅時間を決めるようになつている。なお、ゲー ト駆動信号 274を出力するに際しては、アンプ制御回路 271からの出力信号を一度 図示しない Field Programable Gate Array (以下 FPGAという）に介した後にト ランジスタ 261に出力することで、高速動作できるようにしても良!、。

[0067] さらに、図 1において、アンプ回路 250の共通ノード Cに対しては、切替回路 280が 接続されている。この切替回路 280では、共通ノード Cに対してトランジスタ 281及び ダイオード 285が接続されて ヽる。

ダイオード 285は、電流回生用あるいはフライホイール用のダイオードであり、カソ ード端子 285aが共通ノード Cに、アノード端子 285bがアンプ回路 250と同じ電源 15 3の負極 153bに接続されている。また、トランジスタ 281は、パワー MOSFETであり 、ドレイン端子 281a力 S電源 153の正極 153aに、ソース端子 281bが共通ノードじに 接続されている。そして、このトランジスタ 281のゲート端子に対してはアンプ制御回 路 271から切替信号 276が出力されるようになっており、アンプ制御回路 271ではァ ンプ回路 250に対する制御と同じ制御サイクル Ts内にトランジスタ 281のゲート端子 に出力する切替信号 276のパルス幅時間を決めるようになつている。

[0068] 力かる構成において、アンプ回路 250のトランジスタ 261を onにして、切替回路 28 0のトランジスタ 281を onにすると、正極 153a力 トランジスタ 281、共通ノード C、電 磁石卷線 151、トランジスタ 261 (及び電流検出回路 255)を介して負極 153bへ電流 が流れる。そのため、電磁石卷線 151には電源 153の正極 153aから電流が供給さ れるので、電磁石電流 iLが増加する（この状態を増加モード A1という）。

[0069] 一方、アンプ回路 250のトランジスタ 261を offにして、切替回路 280のトランジスタ 281を offにすると、電磁石卷線 151で生じる逆起電力により負極 153bからダイォー ド 285、共通ノード C、電磁石卷線 151、ダイオード 265を介して正極 153aへ回生電 流が流れる。これにより電磁石卷線 151から生じる電磁エネルギーが消費されるので 、電磁石電流 iLが減少する（この状態を減少モード A2と ヽぅ）。

[0070] さらに、アンプ回路 250のトランジスタ 261を onにして、切替回路 280のトランジスタ 281を offにすると、電磁石卷線 151で生じる逆起電力により負極 153bからダイォー ド 285、共通ノード C、電磁石卷線 151、トランジスタ 261 (及び電流検出回路 255)を 介して負極 153bへフライホイール電流が流れる。このとき、電磁石卷線 151の両端 1 51a、 151b間には電位差が生じないので、電磁石電流 iLがほぼ一定に保たれる（こ の状態を一定モード A3と 、う）。

[0071] また、この一定モード A3以外にも、アンプ回路 250のトランジスタ 261を offにして、 切替回路 280のトランジスタ 281を onにすると、電磁石卷線 151で生じる逆起電力に より正極 153a力らトランジスタ 281、共通ノード C、電磁石卷線 151、ダイオード 265 を介して正極 153aへフライホイール電流が流れるので、この場合も電磁石電流 iLが ほぼ一定に保たれる（この状態を一定モード A4と ヽぅ）。

[0072] ここで、アンプ回路 250によるトランジスタ 261等への制御位相と切替回路 280によ るトランジスタ 281等への切替位相との調節を示すタイムチャートを図 2に示す。 図 2において、切替回路 280に対しては、制御サイクル Ts中にトランジスタ 281が o nにされる時間と offにされる時間とが同じ時間となるように制御が行われる。このとき 、制御サイクル Tsの始めの時間（時間 0)力 制御サイクル Tsの半分の時間（時間 0. 5Ts)まではトランジスタ 281が offにされる。そのため、共通ノード Cの電圧は、電磁 石卷線 151で生じる逆起電力等により負極 153bと略同じ電圧（以下、電圧 VLという )になる。一方、制御サイクル Tsの半分の時間（時間 0. 5Ts)から制御サイクル Tsの 終わり（時間 Ts)まではトランジスタ 281が onにされる。そのため、共通ノード Cの電圧 は、正極 153aと略同じ電圧（以下、電圧 VHという）になる。

[0073] そして、電流検出回路 255で検出した電磁石電流 iLの値が電流指令値よりも小さ い場合には、アンプ制御回路 271で電磁石電流 iLを増力！]させるように制御が行われ る。この場合には、 1制御サイクル Ts中で上述した増加時間 Tplだけ増加モード A1 の状態となるように制御が行われ、他の時間は一定モード A3、 A4いずれかの状態と なるように制御が行われる。具体的には、時間 0. 5Ts—時間 Tsでは切替回路 280 のトランジスタ 281が onにされているので、時間 0. 5Tsを始点に時間 Tplだけトラン ジスタ 261を onにすることで増加時間 Tplだけ増加モード A1の状態とする。また、こ の時間 Tpl経過後は、トランジスタ 261を offにすることで一定モード A4の状態とする 。一方、時間 0—時間 0. 5Tsでは、切替回路 280のトランジスタ 281が offにされてい るので（すなわち増加モード A1の状態にはできないので）、トランジスタ 261を onに することで一定モード A3の状態とする。これにより、 1制御サイクル Ts中に増加時間 Tplだけ電磁石電流 iLが増加される。

[0074] 一方、電流検出回路 255で検出した電磁石電流 iLの値が電流指令値よりも大きい 場合には、アンプ制御回路 271で電磁石電流 iLを減少させるように制御が行われる 。この場合には、 1制御サイクル Ts中で上述した減少時間 Tp2だけ減少モード A2の 状態となるように制御が行われ、他の時間は一定モード A3、 A4いずれかの状態とな るように制御が行われる。具体的には、時間 0—時間 0. 5Tsでは切替回路 280のトラ ンジスタ 281が offにされているので、時間 0. 5Tsを終点に時間 Tp2だけトランジスタ 261を offにすることで減少時間 Τρ2だけ減少モード Α2の状態とする。また、トランジ スタ 261を offにするまでの時間は、トランジスタ 261を onにすることで一定モード A3 の状態とする。一方、時間 0. 5Ts—時間 Tsでは、切替回路 280のトランジスタ 281 力 Sonにされているので（すなわち減少モード A2の状態にはできないので）、トランジ スタ 261を offにすることで一定モード A4の状態とする。これにより、 1制御サイクル T s中に減少時間 Tp2だけ電磁石電流 iLが減少される。

[0075] さらに、電流検出回路 255で検出した電磁石電流 iLの値が電流指令値と一致して いる場合には、アンプ制御回路 271で電磁石電流 iLを一定に保つように制御が行わ れる。この場合には、 1制御サイクル Ts中で常に一定モード A3、 A4いずれかの状態 となるように制御が行われる。具体的には、時間 0—時間 0. 5Tsでは切替回路 280 のトランジスタ 281が offにされているので、トランジスタ 261を onにすることで一定モ ード A3の状態とする。一方、時間 0. 5Ts—時間 Tsでは、切替回路 280のトランジス タ 281が onにされているので、トランジスタ 261を offにすることで一定モード A4の状 態とする。これにより、電磁石電流 iLが一定に保たれる。

[0076] 以上により、アンプ回路 250を 1つのトランジスタ 261と 1つのダイオード 265のみで 構成しても、切替回路 280への制御を行いつつアンプ回路 250を制御することで、 電磁石電流 iLを増加、減少、一定に維持させることができ、電磁石電流 iLの値を電 流指令値と一致させることができる。そして、このようなアンプ回路 250の構成によりァ ンプ回路 250の素子数が減少するのでターボ分子ポンプ全体の小型化が可能となり 、ターボ分子ポンプのクリーンルーム等への設置コストを下げることができる。また、ァ ンプ回路 250の素子数が減るため、その故障率を下げたり、アンプ回路 250での消 費電力や発熱を下げることもできる。さらに、アンプ回路 250の製造コストも下げられ る。

[0077] また、本実施形態のアンプ回路 250の制御では従来のアンプ回路 150への制御と 異なり電磁石電流 iLを一定に保つことができるので、共通ノード Cを介して流れる電 流のリップルを減らすことができ、アンプ回路 250や切替回路 280での消費電力や発 熱を減らすことができる。

[0078] さらに、本発明の切替回路 280は、いわゆるレギユレータの回路ではない（すなわ ち共通ノード Cを一定電圧に維持するような回路ではない）ので、共通ノード Cに対し て安定ィ匕のためのコンデンサ（図示略)を設けたり、保護用のチョークコイル（図示略） 等を設ける必要がない。そのため、部品コスト等を下げることができる。

[0079] また、アンプ回路 250及び電磁石卷線 151間の配線は、共通ノード Cの 1本及び電 磁石卷線 151の他端 151bのノード Eの 10本のみとなるため、共通ノード C、ノード E としての配線が 11本のみとなる（従来は 20本必要だった)。従って、制御装置及びタ ーボ分子ポンプ本体 200間のケーブルコストや、ターボ分子ポンプ本体 200のコネク タ（図示略)のコストを下げることができるので、部品コストを下げることができる。さらに 、アンプ回路 250の小型化により制御装置（図示略）自体が小型化されるため、制御 装置の機能を容易にターボ分子ポンプ本体 200側に組み入れることができる。従つ て、制御装置とターボ分子ポンプ本体 200の一体ィ匕が可能である。

[0080] 加えて、本実施形態のアンプ回路 250でも、図 2に示すように制御サイクル Ts中に 1回同じ検出タイミング Tdで電磁石電流 iLの検出が行われるが、本実施形態のアン プ回路 250では電磁石電流 iLを一定に保つことができる。そのため、電磁石電流 iL が一定の状態にあるとき (すなわち一定モード A3の状態にあるとき）に電磁石電流 iL の検出を行うことができる（なお、一定モード A4では電流検出回路 255に電磁石電 流 iLが供給されな 、ので電流検出は行えな！/、)。

[0081] 従って、過渡的な状態で電磁石電流 iLの検出を行う必要がないため、検出タイミン グ Tdと実際の電磁石電流 iLの波形との間にずれ等が生じても、本来検出すべきで あった電磁石電流 iLの値に対し大きく誤差を生じることはない。また、検出タイミング Td付近での電磁石電流 iLの増減の切り替わりを避けられるので、アンプ回路 250や 電源 153に生じるノイズを低減して、検出誤差を減らすことができる。

[0082] なお、本実施形態では、切替回路 280はトランジスタ 281及びダイオード 285から なるとして説明してきた力 これに限られない。例えば、図 3に示すように、上記構成 に加えてドレイン端子 282aが共通ノード Cに、ソース端子 282bが負極 153bに接続 されたトランジスタ 282を設けても良い。これにより、アンプ制御回路 271からトランジ スタ 282のゲート端子に切替信号 277を出力してこれを制御し、減少モード A2や一 定モード A3の状態でダイオード 285に電流が流れるときにトランジスタ 282を onにさ せる（すなわち同期整流方式で制御する）ことで、上記モードでのダイオード 285の 発熱を抑えることができる。

[0083] また、本実施形態においては、アンプ回路 250に対しては、時間 0. 5Tsを始点ある いは終点として増加時間 Tpl、減少時間 Τρ2を設けていた力 これに限られず、それ ぞれ時間 Tsを終点としたり時間 0を始点としたりして増加時間 Tp 1、減少時間 Τρ2を 設けるようにしても良い。

[0084] さらに、本実施形態においては、電磁石電流 iLが一定の状態にあるとき（すなわち 一定モード A3の状態にあるとき）に電磁石電流 iLの検出が行われるとして説明した 1S さらに具体的に次のように行っても良い。すなわち、アンプ回路 250及び切替回 路 280に対して制御サイクル Ts中に強制的に一定モード A3の状態を作る制御を行 つて、この期間中に電磁石電流 iLの検出を行うようにしても良い。この場合、強制的 に一定モード A3の状態とする時間は、電流検出回路 255で電磁石電流 iLの検出を 行 ヽ得る時間であれば良 、が、例えば図 4に示すように制御サイクル Ts中の時間 0 一時間 0. ITsとする。そして、この時間 0—時間 0. ITsに検出タイミング Tdを設けて 電磁石電流 iLの検出を行う。その後、残りの時間（時間 0. ITs—時間 Ts)において 上述した制御と同じように、例えば時間 0. ITs—時間 0. 55Ts (残り時間の前半)で はトランジスタ 281を onにし、時間 0. 55Ts—時間 Ts (残り時間の後半)ではトランジ スタ 281を offにして、時間 0. 55Ts (残り時間の半分の時間）を始点あるいは終点等 として時間 Tpl、 Τρ2を設けるようにすれば良い。このことにより、確実に一定モード A3の状態において電磁石電流 iLの検出を行うことができる。

[0085] 次に、本発明の第 2の実施形態について説明する。第 2実施形態は、第 1実施形態 であるアンプ回路 250及び切替回路 280の別例である。

本発明の第 2実施形態であるアンプ回路の回路図を図 5に示す。なお、図 1と同一 要素のものについては同一符号を付して説明は省略する。

図 5において、アンプ回路 350では、電磁石卷線 151の一端 151aが共通ノード C に接続されている。また、この電磁石卷線 151の他端 151bが、トランジスタ 361及び ダイオード 365に接続されている（この他端 15 lbのノードをノード Fという）。

[0086] このとき、トランジスタ 361は、パワー MOSFETであり、ドレイン端子 361aが電源 1 53の正極 153aに、ソース端子 361bが電磁石卷線 151の他端 151bに接続されてい る。また、ダイオード 365は、電流回生用あるいはフライホイール用のダイオードであ り、力ソード端子 365aが電磁石卷線 151の他端 151bに、アノード端子 365bが電流 検出回路 255を介して電源 153の負極 153bに接続されている。

[0087] さらに、このアンプ回路 350の共通ノード Cに対しては、切替回路 380が接続されて いる。この切替回路 380では、共通ノード Cに対してトランジスタ 381及びダイオード 3 85が接続されている。

トランジスタ 381は、パワー MOSFETであり、ドレイン端子 381aが共通ノード Cに、 ソース端子 381bがアンプ回路 350と同じ電源 153の負極 153bに接続されている。 また、トランジスタ 381のゲート端子には、アンプ制御回路 371からの切替信号 376 が入力されている。さら〖こ、ダイオード 385は、電流回生用あるいはフライホイール用 のダイオードであり、力ソード端子 385a力電源 153の正極 153aに、アノード端子 38 5bが共通ノード Cに接続されて 、る。

[0088] 力かる構成において、アンプ回路 350のトランジスタ 361を onにして、切替回路 38 0のトランジスタ 381を onにすると、正極 153a力らトランジスタ 361、電磁石卷線 151 、共通ノード C、トランジスタ 381を介して負極 153bへ電流が供給される。そのため、 電磁石卷線 151には電源 153の正極 153aから電流が供給されるので、電磁石電流 iLが増加する（この状態を増加モード B1と 、う）。

[0089] 一方、アンプ回路 350のトランジスタ 361を offにして、切替回路 380のトランジスタ 381を offにすると、電磁石卷線 151で生じる逆起電力により負極 153bから (電流検 出回路 255及び)ダイオード 365、電磁石卷線 151、共通ノード C、ダイオード 385を 介して正極 153aへ回生電流が流れる。これにより電磁石卷線 151から生じる電磁ェ ネルギ一が消費されるので、電磁石電流 iLが減少する（この状態を減少モード B2と いう）。

[0090] さらに、アンプ回路 350のトランジスタ 361を offにして、切替回路 380のトランジスタ 381を onにすると、電磁石卷線 151で生じる逆起電力により負極 153bから (電流検 出回路 255及び)ダイオード 365、電磁石卷線 151、共通ノード C、トランジスタ 381 を介して負極 153bへフライホイール電流が流れる。このとき、電磁石卷線 151の両 端 151a、 151b間には電位差が生じないので、電磁石電流 iLがほぼ一定に保たれ る（この状態を一定モード B3と 、う）。

[0091] また、この一定モード B3以外にも、アンプ回路 350のトランジスタ 361を onにして、 切替回路 380のトランジスタ 381を offにすると、電磁石卷線 151で生じる逆起電力 により正極 153a力らトランジスタ 361、電磁石卷線 151、共通ノード C、ダイオード 38 5を介して正極 153aへフライホイール電流が流れるので、この場合も電磁石電流 iL がほぼ一定に保たれる（この状態を一定モード B4と 、う）。

[0092] ここで、アンプ回路 350によるトランジスタ 361等への制御位相と切替回路 380によ るトランジスタ 381等への切替位相との調節を示すタイムチャートを図 6に示す。 図 6において、切替回路 380に対しては、本実施形態においても制御サイクル Ts 中にトランジスタ 381が onにされる時間と offにされる時間とが同じ時間となるように制 御が行われる。このとき、時間 0—時間 0. 5Tsではトランジスタ 381が onにされて共 通ノード Cの電圧が負極 153bと略同じ電圧 VLにされ、時間 0. 5Ts—時間 Tsでは 電磁石卷線 151で生じる逆起電力等により共通ノード Cの電圧が正極 153aと略同じ 電圧 VHにされる。この共通ノード Cの遷移は、第 1実施形態（図 2)と同様である。

[0093] そして、電流検出回路 255で検出した電磁石電流 iLの値が電流指令値よりも小さ い場合には、アンプ制御回路 371で電磁石電流 iLを増力！]させるように制御が行われ る。この場合には、 1制御サイクル Ts中で増加時間 Tplだけ増加モード B1の状態と なるように制御が行われ、他の時間は一定モード B3、 B4いずれかの状態となるよう に制御が行われる。具体的には、時間 0—時間 0. 5Tsでは切替回路 380のトランジ スタ 381が onにされているので、時間 0. 5Tsを終点に時間 Tplだけトランジスタ 361 を onにすることで増加時間 Tplだけ増加モード B1の状態とする。また、トランジスタ 3 61を onにするまでの時間は、トランジスタ 361を offにすることで一定モード B3の状 態とする。一方、時間 0. 5Ts—時間 Tsでは、切替回路 380のトランジスタ 381が off にされているので、トランジスタ 361を onにすることで一定モード B4の状態とする。こ れにより、 1制御サイクル Ts中に増加時間 Tplだけ電磁石電流 iLが増加される。

[0094] 一方、電流検出回路 255で検出した電磁石電流 iLの値が電流指令値よりも大きい 場合には、アンプ制御回路 371で電磁石電流 iLを減少させるように制御が行われる 。この場合には、 1制御サイクル Ts中で減少時間 Tp2だけ減少モード B2の状態とな るように制御が行われ、他の時間は一定モード Β3、 Β4いずれかの状態となるように 制御が行われる。具体的には、時間 0. 5Ts—時間 Tsでは切替回路 380のトランジス タ 381が offにされているので、時間 0. 5Tsを始点に時間 Tp2だけトランジスタ 361を offにすることで減少時間 Τρ2だけ減少モード Β2の状態とする。また、この時間 Τρ2 経過後は、トランジスタ 361を onにすることで一定モード Β4の状態とする。一方、時 間 0—時間 0. 5Tsでは、切替回路 380のトランジスタ 381が onにされているので、ト ランジスタ 361を offにすることで一定モード B3の状態とする。これにより、 1制御サイ クル Ts中に減少時間 Tp2だけ電磁石電流 iLが減少される。

[0095] さらに、電流検出回路 255で検出した電磁石電流 iLの値が電流指令値と一致して いる場合には、アンプ制御回路 371で電磁石電流 iLを一定に保つように制御が行わ れる。この場合には、 1制御サイクル Ts中で常に一定モード B3、 B4いずれかの状態 となるように制御が行われる。具体的には、時間 0—時間 0. 5Tsでは切替回路 380 のトランジスタ 381が onにされているので、トランジスタ 361を offにすることで一定モ ード B3の状態とする。一方、時間 0. 5Ts—時間 Tsでは、切替回路 380のトランジス タ 381が offにされているので、トランジスタ 361を onにすることで一定モード B4の状 態とする。これにより、電磁石電流 iLが一定に保たれる。

[0096] 以上により、第 1実施形態（図 1)と異なるアンプ回路 350及び切替回路 380でも、 電磁石電流 iLを増加、減少、一定に維持させることが可能となる。そして、アンプ回 路 350も 1つのトランジスタ 361と 1つのダイオード 365のみで構成されるので、アンプ 回路 350の素子数を減らすことができ、ターボ分子ポンプの製造、設置等に必要なコ ストを下げることができる。このため、設計容易なアンプ回路 250、 350を選択可能で あり、かつその制御においても容易な構成を選択可能となる。

[0097] カロえて、本実施形態のアンプ回路 350でも第 1実施形態と同様に電磁石電流 iLを 一定に保つことができるので、この電磁石電流 iLが一定の状態にあるとき（すなわち 一定モード B3の状態にあるとき）に電磁石電流 iLの検出を行うことができる。従って、 過渡的な状態で電磁石電流 iLの検出を行う必要がな 、ので、電磁石電流 iLの検出 に際して誤差を減らすことができる。

[0098] なお、本実施形態では、切替回路 380はトランジスタ 381及びダイオード 385から なるとして説明してきた力 これに限られず、図 7に示すようにドレイン端子 382aが正 極 153aに、ソース端子 382bが共通ノード Cに接続されたトランジスタ 382を設けても 良い。これにより、トランジスタ 382のゲート端子に切替信号 377を出力して同期整流 方式で制御することで、減少モード B2や一定モード B4でのダイオード 385の発熱を 抑えることができる。

[0099] また、本実施形態においても、電磁石電流 iLが一定の状態にあるときに電磁石電 流 iLの検出が行われるとして説明したが、第 1実施形態で説明したのと同様に（図 4) 、アンプ回路 350及び切替回路 380に対して制御サイクル Ts中に強制的に一定モ ード B3の状態を作る制御を行って、この期間中に電磁石電流 iLの検出を行っても良 い。このことにより、確実に一定モード B3の状態において電磁石電流 iLの検出を行う ことができる。

[0100] 次に、本発明の第 3の実施形態について説明する。第 1実施形態及び第 2実施形 態では、各電磁石 104、 105、 106A、 106Bを構成する電磁石卷線 151、 151、… 力 種類のアンプ回路 250、 350で制御されるものであった力 第 3実施形態では、 電磁石 104、 105、 106A、 106Bの配置毎に適宜 2つのグループに分けられ、それ ぞれのグループが第 1実施形態と同じ構成を有するアンプ回路 250 (図 1)や第 2実 施形態と同じ構成を有するアンプ回路 350 (図 5)により制御されるものである。

[0101] 本発明の第 3実施形態であるアンプ回路の回路図を図 8に示す。なお、図 1、図 5と 同一要素のものについては同一符号を付して説明は省略する。

図 8において、各電磁石 104、 105、 106A、 106Bを構成する複数の電磁石卷線 1 51、 151、…に対して、第 1実施形態と同じ構成を有するアンプ回路 250 (図 1)と、 第 2実施形態と同じ構成を有するアンプ回路 350 (図 5)とが組み合わされている。そ して、これら複数の電磁石卷線 151、 151、…が 2つのグループに分けられている（ァ ンプ回路 250からの制御を受ける電磁石卷線 151、 151、…をグループ Aといい、ァ ンプ回路 350からの制御を受ける電磁石卷線 151、 151、…をグループ Bという）。

[0102] ここで、このグループ分けの仕方について具体的な例を挙げて説明する。一例とし て、上側径方向電磁石 104の X軸正側電磁石 104X+、負側電磁石 104X-、及び 下側径方向電磁石 105の X軸正側電磁石 105X+、負側電磁石 105X-につ ヽて説 明する。

[0103] 例えば、回転体 103全体を X軸の +方向に位置制御する場合には、電磁石 104X

+、 105X+に流れる電磁石電流 iLを増加させ、電磁石 104X—、 105X—に流れる 電磁石電流 iLを減少させる。逆に、回転体 103全体を X軸の-方向に位置制御する 場合には、電磁石 104X+、 105X+に流れる電磁石電流 iLを減少させ、電磁石 10 4X—、 105X—に流れる電磁石電流 iLを増加させる。このように上側径方向電磁石 1 04と下側径方向電磁石 105の X軸方向への制御は同様の制御となることが多い。

[0104] 従って、例えば電磁石 104X+をグループ Aとした場合には電磁石 105X+をグル ープ Bとすることで、電磁石電流 iLの増加時にグループ Aで共通ノード C力 負極 15 3bへ電流が流れたときにグループ Bで正極 153aから共通ノード Cへ電流が流れるよ うになるので、共通ノード Cを介して流れる電磁石電流 iLが均等化される。このことは 、電磁石電流 iLの減少時や電磁石電流 iLを一定にする場合でも同様である。また、 電磁石 104X+をグループ Bに、電磁石 105X+をグループ Aにした場合でも同様で ある。

[0105] そのため、上側径方向電磁石 104及び下側径方向電磁石 105のうち、電磁石 104 X+と電磁石 105X+は互いに異なるグループに分けられている。また、他の電磁石 104X—と電磁石 105X—、 Y軸側の電磁石 104Y+と電磁石 105Y+、電磁石 104Y —と電磁石 105Y—についても同様のことがいえるので、それぞれ異なるグループに 分けられている。

[0106] 一方、 X軸正側電磁石 104X+と負側電磁石 104X-との関係について、回転体 1 03を X軸正方向に位置制御する場合、電磁石 104X+の電磁石電流 iLが増加され 、電磁石 104X—の電磁石電流 iLが減少される傾向にあるので、これらを同じグルー プに入れることで共通ノード Cを介して流れる電磁石電流 iLが均等化され易 ヽ。その ため、上側径方向電磁石 104及び下側径方向電磁石 105のうち、電磁石 104X+と 電磁石 104—は互いに同じグループに分けられている。また、他の電磁石 104Y+と 電磁石 104Y -、下側径方向電磁石 105の電磁石 105X+と電磁石 105X -、電磁 石 105Y+と電磁石 105Y—、さらには軸方向電磁石 106 A及び軸方向電磁石 106 Bにつ!/ヽても同様のことが!/、えるので、それぞれ同じグループに分けられて!/、る。

[0107] そして、以上のようにして各グループ A、 Bに分けられた電磁石卷線 151、 151、… の一端 151a、 151a,…は、ともに共通ノード Cに接続されている。また、この共通ノ ード Cに対しては、切替回路 480が接続されている。

この切替回路 480では、共通ノード Cに対して第 1実施形態の切替回路 280と同じ 構成を有するトランジスタ 281及びダイオード 285と、第 2実施形態の切替回路 380と 同じ構成を有するトランジスタ 381及びダイオード 385とが組み合わされて接続され ている。また、これらのトランジスタ 281、 381のゲート端子に対しては、アンプ制御回 路 471からそれぞれ切替信号 276、 376が出力されている。このアンプ制御回路 47 1は、第 1実施形態のアンプ制御回路 271と第 2実施形態のアンプ制御回路 371との 機能を合わせ持った回路となって 、る。

[0108] 力かる構成において、切替回路 480によるトランジスタ 281、 381等への切替位相 の調節を示すタイムチャートを図 9に示す。

図 9において、切替回路 480に対しては、制御サイクル Ts中にトランジスタ 381が o nにされる時間とトランジスタ 281が onにされる時間とが同じ時間となるように制御が 行われる。このとき、時間 0—時間 0. 5Tsではトランジスタ 281が off、トランジスタ 38 1が onにされ、時間 0. 5Ts—時間 Tsではトランジスタ 281が on、トランジスタ 381が o ffにされる。この場合、正極 153a及び負極 153b間に貫通電流が流れてノイズ等が 発生しないように、トランジスタ 381が offにされてからトランジスタ 281が onにされるま での間（時間 0. 5Ts付近）や、トランジスタ 281が offにされてからトランジスタ 381が o nにされるまでの間（時間 0、時間 Ts付近）には、両トランジスタ 281、 381がともに off にされるデッドタイムが設けられることが望ま 、（図示略)。

[0109] そして、このような切替回路 480への制御により、共通ノード Cは時間 0—時間 0. 5 Tsでは電圧 VLに、時間 0. 5Ts—時間 Tsでは電圧 VHになるように遷移する。従つ て、この共通ノード Cの遷移は第 1実施形態（図 2)及び第 2実施形態（図 6)と同様と なる。そのため、アンプ回路 250に対しては第 1実施形態で説明したものと同様の制 御を行うことで、電磁石電流 iLを増加、減少、一定に維持させることが可能となる。ま た、アンプ回路 350に対しても第 2実施形態で説明したものと同様の制御を行うこと で、電磁石電流 iLを増加、減少、一定に維持させることが可能となる。このこと力 、 各アンプ回路 250、 350力 つのトランジスタ 261、 361と 1つのダイオード 265、 365 で構成されるので、アンプ回路 250、 350の素子数を減らすことができ、ターボ分子 ポンプの製造、設置等に必要なコストを下げることができる。

[0110] また、電磁石電流 iLの検出に際しても、電磁石電流 iLを一定に保つことができるの で、それぞれのアンプ回路 250、 350が一定モード A3、 B3の状態にあるときに電磁 石電流 iLの検出を行うことができる。従って、いずれのアンプ回路 250、 350におい ても過渡的な状態で電磁石電流 iLの検出を行う必要がな 、ので、電磁石電流 iLの 検出に際して誤差を減らすことができる。特に、各アンプ回路 250、 350は制御サイ クル Ts中の時間 0以降すぐに一定モード A3、 B3の状態となるため、共通の検出タイ ミング Tdで電磁石電流 iLの検出を行うことができ、検出タイミング Tdの制御を簡単に 行うことができる。

[0111] さらに、各電磁石 104、 105、 106A、 106Bを構成する電磁石卷線 151、 151、… について適宜グループ分けを行うことで共通ノード Cを介して流れる電磁石電流 iLが 均等化できるので、トランジスタ 281、 381やダイオード 285、 385のサイズを小さく構 成でき、ターボ分子ポンプの一層の小型化を図ることができる。また、これらの素子を 介して流れる電流も減らせるので、発熱等を防止できる。さらに、電源 153から供給 すべき電流も減らせるので、入力電源容量を小さくできる。

[0112] なお、本実施形態においては、電磁石電流 iLが一定の状態にあるときに電磁石電 流 iLの検出が行われるとして説明したが、第 1実施形態等で説明したのと同様に（図 4)、アンプ回路 250、 350及び切替回路 480に対して制御サイクル Ts中に強制的に 一定モード A3、 B3の状態を作る制御を行って、この期間中に電磁石電流 iLの検出 を行っても良い。

図面の簡単な説明

[0113] [図 1]本発明の第 1実施形態のアンプ回路の回路図 圆 2]本発明の第 1実施形態のアンプ回路の制御位相と切替回路の切替位相との調 節を示すタイムチャート

[図 3]図 1の別例

[図 4]図 2の別例

圆 5]本発明の第 2実施形態のアンプ回路の回路図

圆 6]本発明の第 2実施形態のアンプ回路の制御位相と切替回路の切替位相との調 節を示すタイムチャート

[図 7]図 5の別例

圆 8]本発明の第 3実施形態のアンプ回路の回路図

圆 9]本発明の第 3実施形態の切替回路の切替位相の調節を示すタイムチャート

[図 10]ターボ分子ポンプ本体の縦断面図

[図 11]従来のアンプ回路の回路図

[図 12]従来のアンプ回路の制御を示すタイムチャート

符号の説明

100、 200 ターボ分子ポンプ本体

102 回転翼

103 回転体

104、 105、 106A、 106B 電磁石

113 ロータ軸

150、 250、 350 アンプ回路

151 電磁石卷線

153 電源

155、 255 電流検出回路

161、 162、 261、 281、 282、 361、 381、 382 卜ランジスタ

165、 166、 265、 285、 365、 385 ダイオード

171、 271、 371、 471 アンプ制御回路

280、 380、 480 切替回路

Claims

請求の範囲

[1] 回転体と、

該回転体の半径方向位置及び Z又は軸方向位置を制御する複数個の電磁石と、 該電磁石に電力を供給する電源と、

前記電磁石の一端が共通に接続された共通ノードと、

該共通ノードの電圧を切り替える切替手段と、

前記一つの電磁石の他端から前記電源の負極へ供給される供給電流又は前記一 つの電磁石の他端から前記電源の正極へ回生される回生電流により、前記各電磁 石の励磁を制御する励磁制御手段とを備え、

前記切替手段は、

前記正極及び前記共通ノード間を断接する第 1のスィッチ素子と、

前記負極から前記共通ノードへの向きに電流を流す第 1の整流素子とを有し、 前記励磁制御手段は、

前記一つの電磁石の他端及び前記負極間を断接する第 2のスィッチ素子と、 前記一つの電磁石の他端から前記正極への向きに電流を流す第 2の整流素子とを 有することを特徴とする磁気軸受装置。

[2] 回転体と、

該回転体の半径方向位置及び Z又は軸方向位置を制御する複数個の電磁石と、 該電磁石に電力を供給する電源と、

前記電磁石の一端が共通に接続された共通ノードと、

該共通ノードの電圧を切り替える切替手段と、

前記電源の正極から前記一つの電磁石の他端へ供給される供給電流又は前記電 源の負極から前記一つの電磁石の他端へ回生される回生電流により、前記各電磁 石の励磁を制御する励磁制御手段とを備え、

前記切替手段は、

前記共通ノード及び前記負極間を断接する第 1のスィッチ素子と、

前記共通ノードから前記正極への向きに電流を流す第 1の整流素子とを有し、 前記励磁制御手段は、 前記正極及び前記一つの電磁石の他端間を断接する第 2のスィッチ素子と、 前記負極から前記一つの電磁石の他端への向きに電流を流す第 2の整流素子とを 有することを特徴とする磁気軸受装置。

[3] 前記切替手段の切替位相及び前記励磁制御手段の制御位相を共通の制御サイク ルのもとに調節することにより、前記各電磁石に流れる電流を増加、減少又は一定に 維持することを特徴とする請求項 1又は請求項 2記載の磁気軸受装置。

[4] 前記第 1の整流素子には並列に第 3のスィッチ素子が備えられたことを特徴とする請 求項 1、 2又は 3記載の磁気軸受装置。

[5] 回転体と、

該回転体の半径方向位置及び Z又は軸方向位置を制御する複数個の電磁石と、 該電磁石に電力を供給する電源と、

前記電磁石の一端が共通に接続された共通ノードと、

該共通ノードの電圧を切り替える切替手段と、

前記一つの電磁石の他端から前記電源の負極へ供給される供給電流又は前記一 つの電磁石の他端から前記電源の正極へ回生される回生電流により、前記複数個 の電磁石のうち少なくとも 1個の励磁を制御する第 1の励磁制御手段と、

前記正極から前記他の一つの電磁石の他端へ供給される供給電流又は前記負極 から前記他の一つの電磁石の他端へ回生される回生電流により、前記第 1の励磁制 御手段により励磁制御される電磁石以外の電磁石の励磁を制御する第 2の励磁制 御手段とを備え、

前記切替手段は、

前記共通ノード及び前記負極間を断接するスィッチ素子と、前記正極及び前記共通 ノード間を断接するスィッチ素子と、

前記共通ノードから前記正極への向きの電流、及び前記負極から前記共通ノードへ の向きの電流をそれぞれ流す整流素子とを有し、

前記第 1の励磁制御手段は、

前記一つの電磁石の他端及び前記負極間を断接するスィッチ素子と、

前記一つの電磁石の他端から前記正極への向きに電流を流す整流素子とを有し、 前記第 2の励磁制御手段は、

前記正極及び前記他の一つの電磁石の他端間を断接するスィッチ素子と、 前記負極から前記他の一つの電磁石の他端への向きに電流を流す整流素子とを有 することを特徴とする磁気軸受装置。

[6] 前記切替手段の切替位相、前記第 1の励磁制御手段及び前記第 2の励磁制御手段 の制御位相を共通の制御サイクルのもとに調節することにより、前記各電磁石に流れ る電流を増カロ、減少又は一定に維持することを特徴とする請求項 5記載の磁気軸受 装置。

[7] 前記複数個の電磁石は、前記正極及び前記共通ノード間に流れる電流と該共通ノ ード及び前記負極間に流れる電流とがほぼ均等化されるように、前記第 1の励磁制 御手段により制御される電磁石と前記第 2の励磁制御手段により制御される電磁石と にグループ分けして構成されたことを特徴とする請求項 5又は請求項 6記載の磁気軸 受装置。

[8] 前記電磁石に一定電流が流れたときに該電流の値を検出する電流検出手段を備え たことを特徴とする請求項 1一 7のいずれ力 1項に記載の磁気軸受装置。

[9] 前記電流検出手段は、前記負極に一端が接続された抵抗と、該抵抗に流れた電流 を検出する検出部とを備えたことを特徴とする請求項 8記載の磁気軸受装置。

[10] 請求項 1一 9のいずれか 1項に記載の磁気軸受装置を搭載したターボ分子ポンプで あって、

前記回転体は、回転翼及び該回転翼の中央に配設されたロータ軸を有し、 前記各電磁石は、該ロータ軸を空中に磁気浮上させることを特徴とするターボ分子 ポンプ。

[11] 前記回転体及び前記電磁石を有するターボ分子ポンプ本体と、

前記切替手段及び前記励磁制御手段、又は前記切替手段、前記第 1の励磁制御手 段及び前記第 2の励磁制御手段を有する制御装置とを備え、

前記ターボ分子ポンプ本体と制御装置とが一体化されたことを特徴とする請求項 10 記載のターボ分子ポンプ。