DE69304102T3

DE69304102T3 - Gerät mit mehreren synchron rotierenden Wellen

Info

Publication number: DE69304102T3
Application number: DE69304102T
Authority: DE
Inventors: Norio Neyagawa-shi Okutani; Teruo Hirakata-shi Maruyama
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 1992-01-31
Filing date: 1993-01-29
Publication date: 2004-06-03
Anticipated expiration: 2013-01-30
Also published as: DE69304102D1; US5393201A; KR930016659A; EP0558921A1; EP0558921B1; KR960009860B1; DE69304102T2; EP0558921B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Synchronrotationsgerät mit mehreren Wellen, insbesondere ein Gerät zum genauen synchronen Drehen einer Mehrzahl von sehr schnell rotierenden Wellen wie sie beispielsweise bei Verdrängervakuumpumpen verwendet werden, die bei der Herstellung von Halbleitern eingesetzt werden und einen stufenweisen Arbeitsfortschritt des Gerätes sicherstellen.
Am Beispiel einer Vakuumpumpe als Anwendungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sollen nachfolgend die den bekannten Vakuumpumpen innewohnenden Nachteile beschrieben werden.
Vakuumpumpen sind zur Herstellung von Unterdruck bzw. Vakuum für CVD-Vorrichtungen, Trockenätzvorrichtungen, Vorrichtungen zum Vakuumbestäuben, Verdampfungsvorrichtungen usw. bei der Herstellung von Halbleitern erforderlich. Für die Vakuumpumpen gelten hohe Qualitätsanforderungen, denn seit einiger Zeit werden Halbleiter unter Reinraumbedingungen bei hohen Ansprüchen an die Vakuumbedingungen hergestellt.
Im allgemeinen besteht in Herstellungsanlagen für Halbleiter ein Unterdruck-Entlüftungssystem, das zur Erzeugung eines Hochvakuums eingesetzt wird, aus einer Grobvakuumpumpe (Verdrängervakuumpumpe) sowie einer Hochvakuumpumpe (Turbomolekularpumpe). Nachdem mit Hilfe der Grobvakuumpumpe ein gewisser Unterdruck gegenüber dem Umgebungsdruck erreicht wurde, wird über die Hochvakuumpumpe ein vorbestimmter hoher Grad an Unterdruck erzielt.
In 7 ist eine Schraubenvakuumpumpe dargestellt, eine Art konventioneller Verdrängerpumpe (Grobvakuumpumpe). In dieser Figur bezeichnet 601 ein Gehäuse; 602 eine erste Rotationswelle; 603 eine zweite Rotationswelle; 604 und 605 bezeichnen zylindrische Rotoren, die von den jeweiligen Rotationswellen 602 und 603 gehaltert werden. Mit 606 und 607 sind Schraubennuten im Außenumfang der jeweiligen Rotoren 604 und 605 bezeichnet. Bei der bekannten Schraubenvakuumpumpe sind die erste Rotationswelle 602 und die zweite Rotationswelle 603 parallel zueinander im Gehäuse 601 angeordnet und tragen Rotoren 604 bzw. 605. Die Rotoren 604 und 605 weisen Schraubennuten 606 bzw. 607 auf. Greift ein Vorsprung (Steg) eines Rotors, 606 oder 607, in eine Aussparung (Nut) des anderen Rotors 607 oder 606 ein, definiert sich dazwischen ein Raum. Drehen sich die Rotoren 604 und 605, dann ändert sich dadurch das Volumen des Raumes, es wird dadurch Luft angesaugt und nach außen transportiert.
In 8 ist eine Art einer bekannten kinetischen Vakuumpumpe (Hochvakuumpumpe) dargestellt, d. h. einer Vakuumpumpe mit Schraubennut und Turbinenschaufel. In den Zeichnungen bezeichnen 801 ein Gehäuse, 802 einen zylindrischen Rotor, 803 eine Turbinenschaufel, 804 eine Schraubennut, 805a und 805b magnetische Radiallager, die eine Rotationswelle 807 lagern. 806 bezeichnet ein magnetisches Axiallager. Bei einer konventionellen Vakuumpumpe mit Turbinenschaufel, wie sie in 8 dargestellt ist, ist der Rotor 802 innerhalb des Gehäuses 801 untergebracht; Turbinenschaufel 803 und Schraubennut 804 befinden sich im seitlichen oberen und unteren Teil des Rotors 802. Turbinenschaufel 803 und Schraubennut 804 erzeugen einen Impuls auf die Gasmoleküle und bewirken damit das Ansaugen und Ablassen.
Konventionelle Vakuumpumpen und das aus einer Kombination von konventionellen Vakuumpumpen bestehende Entlüftungssystem weisen die folgenden Nachteile auf.
a) Nachteile der Grobvakuumpumpe (Verdrängervakuumpumpe):
Bei der Schraubenvakuumpumpe nach 7 wird die synchrone Rotation der beiden Rotoren 604 und 605 mit Hilfe von Steuerzahnrädern 610a bzw. 610b erreicht. Das heißt, daß die Rotation eines Motors 608 von einem Antriebzahnrad 609a über ein Zwischenzahnrad 609b auf ein Steuerzahnrad 610b des Rotors 605 übertragen wird, das mit einem Steuerzahnrad 610a des Rotors 604 im Eingriff ist. Die Phase des Rotationswinkels der Rotoren 604, 605 wird über den Angriff der Steuerzahnräder 610a und 610b eingestellt. Da diese Vakuumpumpe für die Übertragung von Kraft vom Motor und zur synchronen Rotation der Rotoren Zahnräder verwendet, wird den Zahnrädern in einer Betriebsmechanikkammer 611 Schmieröl zugeführt. Zwischen der Betriebsmechanikkammer 611 und einer Betriebsfluidkammer 612 ist eine mechanische Dichtung angeordnet, um ein Eindringen des Schmieröls in die Kammer 612, in der die Rotoren untergebracht sind, zu verhindern.
Bei dem oben beschriebenen Aufbau einer Schraubenvakuumpumpe mit zwei Rotoren sind erstens viele Zahnräder zur Kraftübertragung und synchronen Rotation von Rotoren erforderlich, das heißt es ist eine große Zahl von Bauteilen erforderlich, was das Gerät kompliziert macht, und zweitens ist das Gerät von seinen Abmessungen her groß und kann nicht mit hohen Geschwindigkeiten betrieben werden, weil die Rotoren über Zahnradkontakt synchron angetrieben werden. Drittens muß die mechanische Dichtung aus Verschleißgründen regelmäßig ausgetauscht werden, das Gerät ist also nicht vollständig wartungsfrei, und viertens führt das wegen der mechanischen Dichtung hohe Reibungsdrehmoment zu großen mechanischen Verlusten.
b) Nachteile der Hochvakuumpumpe (kinetische Turbomolekularpumpe):
Ähnlich der Grobvakuumpumpe, wie sie oben beschrieben wurde, ist die Turbomolekularpumpe so aufgebaut, daß sie Reinraumbedingungen bei der Herstellung von Halbleitern erfüllt. Bei der Turbomolekularpumpe mit Schraubengewinde und einer wie in 8 dargestellten Turbinenschaufel werden beispielsweise Magnetlager 805a, 805b, 806 anstelle von Kugellagern verwendet, die Ölschmierung benötigen. Der für die Unterbringung der Lager vorgesehene Raum in der Turbomolekularpumpe enthält darum einen Unterdruck oder ein Vakuum. Da es im allgemeinen schwierig ist, bei einer mechanischen Gleitbewegung im Vakuum eine Schmierung vorzunehmen, löst die Verwendung von magnetischen Lagern dieses Problem. Da ein Ölbehälter für die Schmierung von Kugellagern nicht erforderlich ist, kann die Vorrichtung in jeder Stellung an einer Vakuum- oder Unterdruckkammer untergebracht sein. Jede Welle muß jedoch mit einem Elektromagneten, einem Sensor und einem Steuerglied ausgerüstet sein, was gegenüber der Verwendung von Kugellagern zu einem beachtlichen Kostenanstieg führt.
c) Nachteile eines Vakuumabluftsystems (a + b):
Die konventionelle Grobvakuumpumpe (Verdrängervakuumpumpe) entlädt Luft im näheren Bereich des Umgebungsdruckes als eine viskose Strömung und kann lediglich einen geringen Unterdruck wie etwa 10-1 Pa erreichen. Die konventionelle Hochvakuumpumpe (Turbomolekularpumpe) dagegen kann bis etwa 10-8 Pa betrieben werden, ist jedoch nicht in der Lage, Luft nahe dem Umgebungsdruck als viskose Strömung abzupumpen. Bei einem konventionellen Aufbau wird die Grobvakuumpumpe (beispielsweise die oben erwähnte Schraubenpumpe) anfangs eingesetzt, um einen Unterdruck von etwa 100 – 10-1 Pa zu erzeugen, und nachfolgend wird eine Hochvakuumpumpe (kinetische Turbomolekularpumpe) eingesetzt, um ein vorbestimmtes Hochvakuum zu erzielen.
Aufgrund der in letzter Zeit eingeführten komplizierten Herstellungsverfahren für Halbleiter wird eine Mehrzahl von Vakuumkammern unabhängig angetrieben; ein Vielkammersystem hat sich also in den Herstellungsanlagen durchgesetzt. Dieses Vielkammersystem erfordert jedoch ein Entlüftungssystem, das aus einer Grobvakuum- und einer Hochvakuumpumpe für jede Kammer besteht, darum große Abmessungen aufweist und insgesamt kompliziert aufgebaut ist.
Um das unter (a) besprochene Problem zu lösen, hat ein Erfinder der vorliegenden Erfindung bereits in der U.S.-Patentanmeldung Nr. 738 902 für eine Verdrängervakuumpumpe eine Kombination von mehreren Rotoren vorgeschlagen, bei der jede Welle der Rotoren von einem unabhängigen Motor angetrieben wird und die Rotoren ohne Kontakt zueinander synchron gedreht werden. Die Vakuumpumpe ist also ohne Öl zu betreiben und weist sehr kleine Abmessungen auf.
Zur Lösung der unter (b) und (c) beschriebenen Probleme hat der Erfinder in der U.S.-Patentanmeldung Nr 738 902 eine Breitband-Vakuumpumpe als eine Kombinationspumpe vorgeschlagen, bei der eine kinetische Vakuumpumpe konzentrisch mit einem Rotor einer Verdrängerpumpe angeordnet ist, so daß vom Umgebungsdruck bis zu einem Hochvakuum mit einer einzigen Pumpe entleert werden kann. Bei der oben beschriebenen Anordnung ist ein Inkrementalkodierer für jede der Mehrzahl von Rotationswellen vorgesehen. Von einem einzigen Impulsgenerator wird an jede einen Antriebsmotor einer Rotationswelle steuernde Steuerschaltung ein Referenzimpuls gegeben, damit die Mehrzahl von Rotationswellen synchron angetrieben wird. Die Drehgeschwindigkeit und die Drehphase des Antriebmotors, d. h. die Rotationswelle, werden von der entsprechenden Steuerschaltung in Übereinstimmung mit dem Referenzimpuls gesteuert.
Obgleich es durch diese vorgeschlagene Lösung möglich ist, mehrere Rotationswellen mit etwa der gleichen Rotationsfrequenz oder -geschwindigkeit zu drehen, ist es schwierig, eine Mehrzahl von Rotationswellen innerhalb des absoluten Rotationswinkels (Rotationsstellung gegenüber stationären Koordinaten) genau zu synchronisieren.
Ein Rotorpaar sollte ohne Kontakt zueinander genau gedreht werden, während in einer Verdrängerpumpe ein festgesetztes Spiel zwischen den Rotoren eingehalten wird. Selbst wenn die Rotoren in Übereinstimmung mit Signalen von den entsprechenden Inkrementalkodierern korrekt eingebaut und in Position gebracht werden, ist die Wahrscheinlichkeit groß, daß sie während des Betriebes ihre Lage verändern, was zum Teil durch von der Vakuumpumpe erzeugte Störgrößen hervorgerufen wird. Wenn beispielsweise die Motoren gestartet oder gestoppt werden, wird der Anstriebstrom der Motoren plötzlich geändert, was zu einem plötzlichen Anstieg von Schallsignalen führt. Ein weiterer Grund für die genannte Verlagerung sind die elektromagnetischen Störungen, die durch eine Plasmaquelle erzeugt werden, wenn die Vakuumpumpe in einer Trockenätz- oder Vakuumzerstäuberanlage eingesetzt wird. Diese Störgrößen machen sich in winzigen Signalen bemerkbar, die von den Kodierern aufgenommen werden, was zu einem fehlerhaften Zählen der die Positionsinformation der Motoren anzeigenden Impulszahl führen kann. Ergeben sich bei Inkrementalkodierern Zählfehler, dann wird die relative Stellung von zwei Wellen verschoben und kann nicht mehr berichtigt werden.
Wird ein absoluter Codierer verwendet, der die Phase einer Rotationswelle korrekt erkennen kann, kann die Phasenverschiebung einer Mehrzahl von Rotationswellen durch Vergleich festgestellt werden und auf der Basis dieser Feststellung kann die Synchronisierung durchgeführt werden. Es müssen jedoch in einer Rotationsscheibe des absoluten Kodierers viele Detektorschlitze vorgesehen sein, um die absolute Phase der Rotationswelle innerhalb von 360 zu erkennen. Der Außendurchmesser der Rotationsscheibe wird dadurch groß und der Kodierer erreicht schließlich große Abmessungen. Vergrößert sich der Außendurchmesser der Rotationsscheibe, so kann sie aufgrund der bei hohen Drehgeschwindigkeiten auftretenden Zentrifugalkräfte leicht zerbrechen oder sich verformen. Darum stellt es sich oft als schwierig heraus, die Synchronmethode mit absolutem Kodierer zur Synchronisation von Rotationswellen, die sich mit hohen Geschwindigkeiten wie in einer Vakuumpumpe drehen, anzuwenden.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Gerät zum synchronen Drehen einer Mehrzahl von Rotationswellen zu schaffen, das nicht nur den relativen Winkel jeder Rotationswelle, sondern auch ihre Phase (die absolute Stellung zu stationären Koordinaten) korrekt steuert und das bei Hochgeschwindigkeitsrotation zu verwenden ist.
Zur Lösung dieser und anderer Aufgaben wird entsprechend der vorliegenden Erfindung ein Synchronrotationsgerät zum synchronen Rotieren einer Mehrzahl von Rotationswellen vorgeschlagen, die von entsprechenden Antriebsvorrichtungen unabhängig voneinander angetrieben werden, mit einem mechanischen Regulierglied, das auf der Mehrzahl von Rotationswellen angeordnet ist, um die relativen Rotationsstellungen der Mehrzahl von Rotationswellen innerhalb einer vorbestimmten Winkeldifferenz zu halten; mit einem die Rotationsgeschwindigkeit und die Partialphase erfassenden Glied, das auf jeder Rotationswelle zum Erfassen der Rotationsgeschwindigkeit der Rotationswellen und der Partialphasen innerhalb der vom mechanischen Regulierglied eingehaltenen regulierten Winkeldifferenz angeordnet ist, wobei die Partialphasen durch Messen der Phasenstellung der Wellen innerhabl der regulierten Winkeldifferenz erfasst werden; und mit einer Antriebsteuervorrichtung zum Steuern der Antriebvorrichtungen der Rotationswellen zum synchronen Rotieren der Rotationswellen auf der Basis einer von den die Rotationsgeschwindigkeit und die Partialphase erfassenden Gliedern festgestellten Differenz der Partialphasen Θ_a, Θ_b.
Entsprechend einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Kombination aus Synchronrotationsgerät und einem Fluidrotationsgerät vorgeschlagen, welches Fluidrotationsgerät eine Mehrzahl von Rotoren in einem Gehäuse zur synchronen Rotation enthält; Lager zur Rotationslagerung der Rotoren enthält; eine Ansaugöffnung und eine Auslaßöffnung für im Gehäuse gebildetes Fluid enthält und Motoren zum unabhängigen Drehen und Antreiben der Mehrzahl von Rotoren enthält; welches Synchronrotationsgerät ein mechanisches Regulierglied enthält, das koaxial auf den Rotoren zum Einhalten relativer Rotationspositionen der Rotoren innerhalb einer vorbestimmten Winkeldifferenz angeordnet ist; ein an jedem Rotor angeordnetes, die Rotationsgeschwindigkeit und die Partialphase erfassendes Glied enthält zum Erfassen der Rotationsgeschwindigkeiten der Rotoren und der Partial phasen innerhalb der von dem mechanischen Regulierglied regulierten Winkeldifferenz, wobei die Partialphasen durch Messen der Phasenstellung der Wellen innerhalb der regulierten Winkeldifferenz erfasst werden und eine Antriebsteuervorrichtung zum Steuern der Rotormotoren enthält zum synchronen Rotieren der Rotoren auf der Basis einer von den Rotationsgeschwindigkeit und Partialphase erfassenden Gliedern festgestellten Differenz der Partialphasen (Θ_a, Θ_b.); welche Kombination das Fluid ansaugt und abgibt, indem die Änderung im Volumen des Raumes ausgenutzt wird, der von den Rotoren und dem Gehäuse bei der synchronen Steuerung der Motorrotation durch die Antriebsteuervorrichtung definiert wird.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht das mechanische Regulierglied aus Zahnrädern, um einen direkten, mechanischen Kontakt der Rotoren zu verhindern.
Nach einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt das die Drehgeschwindigkeit und die Partialphase erfassende Glied ein rotierendes Scheibenelement mit Detektorschlitzen in einem vorbestimmten Muster, bei dem der regelmäßige Abstand zwischen benachbarten Schlitzen gleich der regulierten Winkeldifferenz des mechanischen Reguliergliedes ist; eine oberhalb des rotierenden Scheibenelementes angeordnete Lichtquelle, die Licht in Richtung auf das rotierende Scheibenelement fallen läßt; ein unterhalb des rotierenden Scheibenelementes angeordnetes feststehendes Schlitzscheibenelement mit einem Schlitz und ein Licht erfassendes Element zum Feststellen der Rotationsgeschwindigkeiten der Rotoren und zum Erfassen der Partialphasen innerhalb der regulierbaren Winkeldifferenz des mechanischen Reguliergliedes zum Empfangen des durch die Detektorschlitze sowohl des rotierenden Scheibenelementes als auch des feststehenden Schlitzscheibenelementes passierenden Lichtes und zum Ausgeben eines Signals an die Antriebsteuervorrichtung.
Nach diesem Aufbau umfaßt die vorliegende Erfindung mechanische Regulierglieder zwischen Rotationswellen oder Rotoren, die mit Zahnrädern oder dergleichen ausgerüstet sein können, die miteinander im Eingriff sind, dabei ein konstantes Spiel aufweisen, um die relative Rotationsstellung einer Mehrzahl von Rotationswellen inner halb der vorbestimmten Winkeldifferenz zu halten, so daß verhindert wird, daß die Rotationswellen oder Rotoren um weniger als die Winkeldifferenz verschoben werden.
Wenn Kodierer als die Drehgeschwindigkeit und die Partialphase erfassendes Glied verwendet werden können, um die Phasenverschiebung der Rotationswellen oder Rotoren innerhalb der von den mechanischen Reguliergliedern begrenzten Winkeldifferenz zu erfassen, dann ist die Rotationsscheibe des Kodierers aus den nachfolgend genannten Gründen niemals groß.
Die Detektorschlitze in der Rotationsscheibe des Kodierers können nur Ein-Bit-Daten auf einer Kreislinie erfassen, d. h., ob Licht hindurchfällt oder nicht. Soll die absolute Position mit beispielsweise einer Genauigkeit von 1☐ innerhalb eines Bereiches von 360☐ festgestellt werden, dann ist es nötig, die Positionsdaten von 0 bis 360 zu unterscheiden und Daten mit zumindest nicht weniger als neun Bits zu erfassen. In einem solchen Fall müßten die Detektorschlitze neunmal oder häufiger im Kreis vorgesehen sein. Unter Berücksichtigung der Breite der Detektorschlitze und des Abstandes zwischen dem inneren und äußeren Kreisumfang kann gesagt werden, daß der Durchmesser der Rotationsscheibe ziemlich groß sein muß. Außerdem ist eine Lichtquelle und Licht erfassendes Element für jedes Bit erforderlich, was zu einem komplizierteren Aufbau des Kodierers führt.
Daten mit bedeutend weniger Bits reichen zum Erfassen der Partialphase aus, wenn diese innerhalb der vom mechanischen Regulierglied regulierten Winkeldifferenz festzustellen ist. Soll beispielsweise die Partialphase mit einer Genauigkeit von 1☐ bei einer regulierten Winkeldifferenz von 5☐ erfaßt werden, dann reichen Drei-Bit-Positionsdaten aus, und die Detektorschlitze brauchen nur dreimal um den Kreisumfang der Rotationsscheibe herum vorgesehen zu sein. Sind die Rotationsscheibe und die feststehende Schlitzscheibe wie in einer später beschriebenen Ausführungsform aufgebaut, so reicht ein Kreis von Detektorschlitzen aus. Die Rotationsscheibe des Kodierers kann folglich klein ausgelegt sein und die Anzahl der Bauteile kann verringert werden.
Wird das mechanische Regulierglied mit dem Kodierer kombiniert, dann ist bei einer nur geringfügigen Abweichung von der Synchronisation der Rotationswellen eine Justierung auf der Basis der vom Kodierer erfaßten Verschiebung der Partialphase möglich und das mechanische Regulierglied braucht nicht in Betrieb gesetzt zu werden. Nachteile, die aus eine Kollision von Zahnrädern entstehen können, entstehen gar nicht erst.
Wenn die Synchronisation der Rotationswellen wegen einer großen Lastveränderung oder dergleichen plötzlich einer großen Verschiebung ausgesetzt ist, kann es vorkommen, daß die Rotationswellen nicht rechtzeitig entsprechend den Daten vom Kodierer nachgestellt werden können. In diesem Fall beginnt das mechanische Regulierglied zu wirken; in dem regulierten Winkelbereich wird die synchrone Rotation niemals unterbrochen. Die Partialphase der Rotationswellen wird darüber hinaus niemals außerhalb des Detektorbereiches des Kodierers verschoben, weil das mechanische Regulierglied vorgesehen ist.
Diese und andere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden in der nachfolgenden Beschreibung anhand von bevorzugten Ausführungsformen verdeutlicht. Die Beschreibung bezieht sich auf die beigefügten Zeichnungen. Darin zeigt:
1 eine perspektivische Ansicht eines Teilaufbaus eines Teiles eines Phasendetektors in einem Kodierer eines Synchronrotationsgerätes nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
2 eine schematisierte Ansicht des grundlegenden Aufbaus des Kodierers,
3 eine Draufsicht auf die Anordnung von Schlitzen einer Rotationsscheibe,
4 eine Draufsicht auf den Aufbau eines mechanischen Reguliergliedes,
5 ein Diagramm zur Erläuterung des Verhältnisses von partiellen Phasen,
6 eine geschnittene Ansicht des Aufbaus einer Vakuumpumpe mit dem Synchronrotationsgerät nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
7 eine geschnittene Ansicht einer konventionellen Grobvakuumpumpe,
8 einen Schnitt durch eine konventionelle Hochvakuumpumpe,
9 ein Diagramm einer für die Ausführungsform verwendbaren Antriebsteuerungsschaltung und
10–13 zeigen schematische Ansichten von unterschiedlichen Rotoren, die bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden können.
Bevor mit der Beschreibung der vorliegenden Erfindung fortgefahren wird, wird festgestellt, daß gleiche Teile in allen Teilen gleiche Bezugszeichen tragen.

(I) Synchronrotationsverfahren für mehrere Wellen
(II) Anwendungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in einem Fluidrotationsgerät Nachfolgend wird erst einmal (I) beschrieben.

In 4 ist der Aufbau eines mechanischen Reguliergliedes in einem Synchronrotationsgerät nach einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt.
Miteinander im Eingriff befindliche Steuerzahnräder 500, 502 sind an einem Rotationswellenpaar 200, 202 befestigt. Konstante Abstände, Zahnflankenzwischenräume 54a, 54b, sind zwischen den Zähnen der Steuerzahnräder 500 und 502 vorgesehen. Wird das Steuerzahnrad 502 nach links und rechts gedreht, während das Steuerzahnrad 500 feststeht, kann das Steuerzahnrad 502 in einem konstanten Winkel Θ0 frei gedreht werden, bevor die Zähne der Zahnräder 500, 502 miteinander in Kontakt kommen. Wenn die Phase bei unabhängig voneinander angetriebenen Rotationswellen 200, 202 um nicht weniger als den maximalen regulierten Winkel Θ0 verschoben wird, dann werden die Zähne der Steuerzahnräder 500, 502 miteinander in Kontakt gebracht. Folglich ist die Phasenverschiebung der Rotations wellen 200 und 202 zuverlässig auf einen Bereich von nicht mehr als den oben genanntenms Winkel Θ0 begrenzt.
In 2 ist der grundsätzliche Aufbau eines an der Rotationswelle befestigten Kodierers dargestellt.
Die Rotationswelle 200, die einer der Rotationswellen 20, 22 einer Vakuumpumpe (6) entspricht, wie sie später beschrieben wird und die die oben beschriebenen Steuerzahnräder 500, 502 aufweist, enthält eine Rotationsscheibe 410, in der Detektorschlitze 414 usw. in einem vorbestimmten Muster angeordnet sind. Oberhalb der Rotationsscheibe 410 sind eine Lichtquelle 401 und eine Kollimatorlinse 402 angeordnet. Unterhalb der Rotationsscheibe 410 sind eine feststehende Schlitzscheibe 420 mit einem Schlitzpaar 422 und 424, ein Fotodetektor 404 und eine Impulsformerschaltung 405 angeordnet. Anstelle der Schlitze 414, 422, 424 können in der Rotationsscheibe 410 und der feststehenden Schlitzscheibe 420 Bereiche aus transparentem Material vorgesehen sein.
Wenn das von der Lichtquelle 401 kommende Licht durch sowohl den Detektorschlitz der Rotationsscheibe 410 als auch den Schlitz der feststehenden Schlitzplatte 420 fällt, wird es vom Fotodetektor 404 erfaßt und der Impulsformerschaltung 405 zugeführt, die daraufhin ein Detektorsignal ausgibt.
In 3 ist das Muster dargestellt, in dem die Schlitze in der Rotationsscheibe 410 angeordnet sind.
Verhältnismäßig schmale Schlitze 412 sind in gleichmäßigem Abstand voneinander um den ganzen Kreisumfang der Rotationsscheibe 410 angeordnet. Über die Schlitze 412 werden inkrementelle Daten erfaßt; das heißt, jedesmal, wenn der Schlitz 412 die Detektorposition während der Rotation der Rotationsscheibe 410 passiert, wird ein Impulssignal ausgegeben. Wie sich der Rotationswinkel gegenüber einer Referenzposition verhält, kann festgestellt werden, indem die Anzahl der Impulse von der Referenzposition gezählt wird. Weiter kann die Drehgeschwindigkeit durch Erfassen der Impulszahl innerhalb einer bestimmten Zeit festgestellt werden. Werden die Länge und der Abstand zwischen den Schlitzen 412 verkleinert, kann die Genauigkeit, mit der die Rotation erfaßt wird, vergrößert werden; es wird also ein Kodierer mit hoher Auflösung geschaffen. Das Erfassen durch die Schlitze 412 wird auf die gleiche Weise ausgeführt wie bei einem allgemein bekannten Inkrementalkodierer und darum wird die detaillierte Beschreibung hier verkürzt.
Teilphasendetektorschlitze 414 sind innerhalb der Schlitze 412 ausgebildet. Die Schlitze 414 sind bei jedem konstanten Winkel Θ mit gleichem Abstand auf der ganzen Kreislinie der Rotationsscheibe 410 vorgesehen. Der Winkel Θ ist gleich oder größer als die oben angegebene regulierte Winkeldifferenz Θ0 des Reguliergliedes ausgelegt. Die Länge jedes Schlitzes 414 in Richtung der Kreislinie beträgt 1/2 des Winkels Θ. Ist die regulierte Winkeldifferenz Θ0 sehr klein, dann kann auch nur ein Schlitz 422 oder 424 in der feststehenden Schlitzscheibe 420 vorgesehen sein.
In 1 sind Details des Aufbaus der näheren Umgebung der Teilphasendetektorschlitze 414 und der Erfassungsfunktion dargestellt.
Das Schlitzpaar 422, 424 ist in der feststehenden Schlitzscheibe 420 unterhalb der Schlitze 414 leicht nach hinten und vorn versetzt. Die Summe der Breite der Schlitze 422 und 424 in Richtung des Durchmessers der Schlitzscheibe 420 ist gleich der Breite des Schlitzes 414. Die Länge jedes Schlitzes 422, 424 in Kreisumfangrichtung ist gleich der des Schlitzes 414 der Rotationsscheibe 410. Die Schlitze 422, 424 sind um die Hälfte ihrer Gesamtlänge in Kreisumfangrichtung versetzt. Unterhalb der Schlitze 422, 424 sind entsprechende Fotodetektoren 404a, 404b angeordnet.
Wenn die Rotationsscheibe 410 in Richtung des weißen Pfeiles gedreht wird und ein Teil der Rotationsscheibe 410 ohne Schlitze 414 passiert den Schlitz 422 der feststehenden Schlitzscheibe 420, dann stellt der Fotodetektor 404b kein Licht fest (Phase 1 in 5). Wird die Rotationsscheibe 410 weiter gedreht und die Schlitze 414 werden bewegt, dann kommt ein Schlitz 414 über den Schlitz 422 der feststehenden Schlitzscheibe 420 zu liegen; die vom Fotodetektor 404a erfaßte Lichtmenge ist die maximale Menge (Phase 2 in 5). Wenn dann der Schlitz 414 der Rotationsscheibe 410 über den Schlitz 414 der feststehenden Schlitzscheibe 420 zu liegen kommt, zeigt der Fotodetektor 404b die maximal zu erfassende Lichtmenge an (Phase 3 in 5). Wird der Schlitz 414 oder Rotationsscheibe 410 vom Schlitz 422 der feststehenden Schlitzscheibe 420 weg bewegt und unmittelbar oberhalb des Schlitzes 424 angeordnet, dann stellt nur der Fotodetektor 404b Licht fest, Fotodetektor 404a erfaßt kein Licht (Phase 4 in 5). Es wird zur Phase 1 zurückgekehrt, wenn die Rotationsscheibe 410 weiter gedreht wird.
Wie oben beschrieben wurde, wird das Erfassen von Licht durch ein Paar von Fotodetektoren, 404a und 404b, in vier Phasen, 1–4, innerhalb des Winkels Θ unterschieden. Wird jedem Bereich, der definiert wird, wenn der Winkel Θ in vier Bereiche geteilt wird, eine absolute Adresse zugeteilt, dann ist es möglich, den Bereich zu erkennen, und die absolute Position der Phase innerhalb des Winkels Θ zu erfassen.
Ein Verfahren zum Synchronisieren einer Mehrzahl von Wellen unter Verwendung des oben beschriebenen Synchronrotationsgerätes wird nachfolgend beschrieben.
Aus 4 geht hervor, daß, während die Steuerzahnräder 500, 502 der Rotationswellen 200, 202 im Eingriff sind, die Teilphasendetektormittel des an jeder Rotationswelle 200, 202 angeordneten Kodierers erfassen, in welcher der Teilphasen 1–4 sich jede Rotationswelle 200,202 befindet. So wird beispielsweise festgestellt, daß die Welle 200 sich in Phase 1, die Rotationswelle 202 sich in Phase 3 befindet.
Der Teilphasendetektor des Kodierers erfaßt sofort in welcher der vier Phasen sich die drehenden Rotationswellen 200, 202 befinden. Ist die Phase jeder Rotationswelle 200, 202 die gleiche wie in der Anfangsposition vor Rotationsbeginn oder ist die Phasendifferenz die gleiche, so wird damit bestätigt, daß die Rotationswellen 200, 202 sich genau synchron drehen, das Positionsverhältnis wie vor Rotationsbeginn ist. Befindet sich beispielsweise im ursprünglichen Zustand die Rotationswelle 200 in Phase 1 und die Rotationswelle 202 in Phase 3 und die Rotationswellen 200, 202 nehmen Phasen 1 bzw. 3, oder 2 bzw. 4 oder 3 bzw. 1 im rotierenden Zustand ein, d. h. die Phasendifferenz der Rotationswellen ist im Rotationszustand die gleiche wie im Zustand vor Rotationsbeginn, dann sind beide Rotationswellen, 200, 202, synchron. Wenn die vom Teilphasendetektor erfaßten Phasen der Rotationswellen sich aus dem Synchronzustand verschieben, dann wird eine der Rotationswellen 200, 202 gegenüber der anderen beschleunigt oder verzögert, um den Synchronzustand wiederherzustellen. Die Rotationswellen 200, 202 können so jederzeit synchronisiert werden. Die in 9 dargestellte elek tronische Schaltung wird verwendet, um die Teilphaseninformation aus dem Kodierer zu erlangen, die Phaseninformation einer Mehrzahl von Rotationswellen zu vergleichen und die Drehung der Rotationswellen zu steuern.
In 9 ist ein Blockdiagramm einer Antriebsteuerschaltung 399 als elektronische Schaltung dargestellt. In dieser Figur wird ein Rotationssteuersignal (a) von einer Rotationssteuerschaltung 701 ausgegeben und einer Geschwindigkeitsinstruktionsschaltung 702 zugeführt. Diese Geschwindigkeitsinstruktionsschaltung 702 gibt Geschwindigkeitsbefehle va, vb an Motorantriebschaltungen 703a, 703b der Rotationswellen 200, 202, und zwar auf der Basis des Rotationssteuersignals (a). Die Motorantriebschaltungen 703a bzw. 703b geben auf der Basis der Geschwindigkeitsbefehle va, vb Antriebsignale (c1), (c2) an die Motoren 704a, 704b (die den später noch zu beschreibenden Antriebmotoren 30, 32 entsprechen) und diese rotieren. Signale, die in Übereinstimmung mit der Rotation der Motoren 704a, 704b von den Kodierern 705a, 705b (die den noch zu beschreibenden Kodierern 40, 42 entsprechen) ausgegeben werden, werden über die Impulsformerschaltung 405a, 405b den Geschwindigkeitserfassungsschaltungen 706a, 706b zugeführt, um die Drehgeschwindigkeiten Va, Vb zu erfassen. Die von den Geschwindigkeitserfassungsschaltungen 706a, 706b festgestellten Drehgeschwindigkeiten Va, Vb werden an die Motorantriebwellen 703a, 703b zurückgeführt, um die erfaßte Geschwindigkeit Va, Vb mit den Geschwindigkeitsbefehlen va, vb zu vergleichen. Motorantriebsignale C1, C2 werden so korrigiert, daß sie miteinander übereinstimmen. Signale, die von den Kodierern 705a, 705b ausgegeben werden, werden über Impulsformerschaltungen 405c, 405d den Phasendetektorschaltungen 707a, 707b zugeführt, um Teilphasenwerte Θ_a, Θ_b zu erfassen. Die von den Phasendetektorschaltungen 707a, 707b festgestellten Teilphasenwerte Θ_a, Θ_b werden in die die Phasendifferenz erfassende Schaltung 708 eingegeben, um eine Phasendifferenz zwischen den Rotationswellen 200 und 202 zu errechnen. Basierend auf der berechneten Phasendifferenz gibt die die Phasendifferenz erfassende Schaltung 708 Signale an die Motorantriebschaltung 703a bzw. 703b, die angeben, ob die Phase zu beschleunigen oder zu verzögern ist. Entsprechend diesen Rückkopplungssignalen korrigieren die Motorantriebschaltungen 703a, 703b die Motorantriebsignale C1, C2. Durch Wiederholung der beschriebenen Vorgänge ist es möglich, die Rotationswellen 200 und 202 synchron zu drehen.
Es reicht aus, wenn lediglich eine Reihe Schlitze 414 um die Kreislinie der Rotationsscheibe 410 angeordnet ist, und wenn die Inkrementalschlitze 412 zusätzlich vorgesehen sind, um Drehgeschwindigkeit usw. zu erfassen, genügen zwei Reihen Schlitze. Im Vergleich zum konventionellen absoluten Kodierer, der viele Reihen mit Schlitzen aufweist, kann der Durchmesser der Rotationsscheibe stark verkleinert werden und die Schlitze können auf einfachere Weise in der Rotationsscheibe angebracht werden. Der Kodierer als ganzes wird kompakter.
Bei der gerade beschriebenen Ausführungsform wird die Verschiebung der Rotationswellen 200, 202 über den Teilphasendetektor festgestellt, indem die regulierte Winkeldifferenz in vier Phasen 1–4 geteilt wird. Es kann jedoch auch eine Anordnung getroffen werden, daß die Erfassung einer Verschiebung während der Drehung der Rotationswellen durch das Erfassen von Licht durch die Fotodetektoren 404a, 404b (dargestellt durch durchgezogene Linien in 5) an den Teilphasendetektorschlitzen 414 der Rotationsscheibe 410 mit dem Erfassen von Licht durch die Fotodetektoren 404c, 404d an den Detektorschlitzen 412 zum Feststellen von Drehgeschwindigkeit oder dergleichen der Rotationsscheibe 410 kombiniert wird.
Bei diesem Verfahren wird die Veränderung der Lichtintensität genutzt, also die Tatsache, daß eine Mehrzahl von Impulsen erzeugt wird, wenn das Licht von den Fotodetektoren 404c (durch gestrichelte Linien dargestellt) an den Schlitzen 412 der Rotationsscheibe 410 während eines Zyklus der Phasen 1–4 festgestellt wird, d. h. nachdem Phase 1 erscheint und bevor sie wieder erscheint, wenn Licht vom Fotodetektor an den Phasendetektorschlitzen 414 der Rotationsscheibe 410 festgestellt wird. Werden beispielsweise bei dem Erfassen von Licht durch den Fotodetektor 404c in einem Zyklus der Phasen 1–4 vier Impulse erzeugt, die entsprechend dem vom Fotodetektor an den Teilphasendetektorschlitzen 414 erfaßten Licht unterschiedlich sind, wenn nach dem Erscheinen in Phase 1 für die Rotationswelle 200 drei Impulse vom Fotodetektor 404c gezählt werden, bevor Rotationswelle 202 in Phase 2 geht, ist die Phasendifferenz aufgrund der Verschiebung der Rotationswellen 200, 202 gleich 3.
Der Teilphasendetektor ist nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform beschränkt; es kann jedes beliebige Mittel verwendet werden, wenn es die Phase innerhalb eines vorbestimmten Winkelbereiches erfassen kann. Es ist beispielsweise möglich, die Schlitze der Rotationsscheibe bei einem konventionellen absoluten Kodierer im ganzen Kreisumfang so zu vereinfachen, daß die absolute Position innerhalb eines vorbestimmten Winkelbereiches erfaßt werden kann. In dem oben beschriebenen Fall reicht es aus, die absolute Position innerhalb eines gegenüber 360 weiter eingeengten Winkelbereiches zu erfassen, die Anzahl der zu erfassenden Bits wird damit verringert und die Ausführungsform erfordert lediglich einige Reihen von kreisförmig angeordneten Schlitzen.
Nach der oben beschriebenen Ausführungsform wird die regulierten Winkeldifferenz vom Teilphasendetektor in vier Phasen, 1–4 eingeteilt. Es reicht jedoch aus, die Phasendifferenz insoweit zu erkennen, daß ein Bereich, in dem die Rotationswellen synchron sind, von einem anderen, benachbarten Bereich zu unterscheiden ist, wo die Rotationswellen asynchron sind. Obgleich es die Synchronität der Drehgeschwindigkeit verbessert, wenn die Genauigkeit der Phasenfeststellung erhöht wird, kompliziert das den Aufbau des Kodierers. Die Erfassungsgenauigkeit des Teilphasendetektors sollte darum entsprechend den erforderlichen Leistungsmerkmalen ausgelegt sein.
Wird der oben angegebene Teilphasendetektor in den Kodierer eingebaut, können konventionelle optische, magnetische oder andere Arten von Kodierern verwendet werden.
Im oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wurden zwei zu synchroniserende Wellen beschrieben; die Erfindung ist aber nicht darauf begrenzt, sondern kann auch drei oder mehr Wellen synchronisieren. Um eine Synchronisation vieler Wellen zu erzielen, sollten Steuerzahnräder zwischen einer Antriebswelle und den anderen angetriebenen Wellen vorgesehen sein. Die Teilphaseninformation, die für die Antriebswelle erfaßt wird, wird mit der entsprechenden Information der übrigen, angetriebenen Wellen verglichen, um die angetriebenen Wellen in die synchrone Rotation mit der Antriebswelle zu steuern. Es kann auch so verfahren werden, daß die zweite Rotationswelle mit der ersten Rotationswelle synchronisiert wird, die dritte Rotationswelle mit der zweiten usw., um so sequentiell viele Rotationswellen zu synchronisieren.
Nachfolgend wird das angewandte Beispiel (II) beschrieben, das heißt, ein Fluidrotationsgerät mit dem Synchronrotationsgerät nach der Ausführungsform. In 6 ist der Aufbau einer Breitband-Vakuumpumpe als eine Möglichkeit eines Fluidrotationsgerätes dargestellt.
Die Vakuumpumpe umfaßt einen Verdrängerpumpenabschnitt (A) und einen kinetischen Pumpenabschnitt (B) im unteren bzw. oberen Teil eines Gehäuses 1. Ein Fluid, in diesem Falle Gas, wird vom oberen kinetischen Pumpenabschnitt (B) durch eine Saugöffnung 10 im Gehäuse angesaugt, in den Verdrängerpumpenabschnitt (A) transportiert und durch eine Auslaßöffnung 12 im Gehäuse 1 (dargestellt durch eine gestrichelte Linie in 6) ausgestoßen.
Der Aufbau des Verdrängerpumpenabschnitts (A) wird nachfolgend beschrieben. Zwei Antriebwellen, 20, 22, sind in senkrechter Richtung parallel zueinander angeordnet. Im unteren Teil der Antriebwellen 20, 22 sind Antriebmotoren (Servomotoren) 30 bzw. 32 angebracht. Außerdem sind am unteren Ende der Antriebwellen 20, 22 unterhalb der Antriebmotoren 30, 32 Rotationsdetektorkodierer 40, 42 vorgesehen. Die Rotationsdetektorkodierer 40, 42 enthalten die oben beschriebenen Teilphasendetektoren. Die Rotationsdetektorkodierer 40, 42 sind in einer Kodiererkammer 14 des Gehäuses 1 untergebracht. Die Antriebwellen 20, 22 sind oberhalb der Antriebmotoren 30, 32 durch Lager 24 bzw. 25 drehbar am Gehäuse 1 gelagert. Oberhalb der Lager 24, 25 sind die Antriebwellen 20, 22 mit Kontakt verhindernden Zahnrädern 50, 52 ausgerüstet. Diese Kontakt verhindernden Zahnräder 50, 52 entsprechen den Steuerzahnrädern 500, 502 wie sie weiter oben als mechanische Regulierelemente beschrieben wurden. Die Antriebswellen 20, 22 sind auch oberhalb der Kontakt verhindernden Zahnräder 50, 52 durch Lager 26, 27 mit dem Gehäuse 1 drehbar verbunden und, oberhalb der Lager 26, 27, mit Rotoren 60, 62 versehen.
Die Rotoren 60, 62 sind in einer Pumpenkammer 16 des Gehäuses 1 untergebracht. Der untere Teil der Pumpenkammer 16 steht in Verbindung mit der Auslaßöffnung 12 (durch die gestrichelte Linie in 6 dargestellt). Wenn die Rotoren 60, 62 in entgegengesetzte Richtungen gedreht werden, während sich Schraubennuten 64, 66 in den Außenumfängen der Rotoren 60, 62 im Eingriff miteinander befinden, wird das Raumvolumen zwischen der Innenwand der Pumpenkammer 16 und den Rotoren 60, 62 periodisch verändert und das Gas folglich von oberhalb der Pumpenkammer 16 angesaugt und nach unten transportiert. Es findet also eine Pumptätigkeit statt. Für die Rotoren 60, 62 wird im Abschnitt (A) der Aufbau einer Verdrängerpumpe verwendet.
Die Kontakt verhindernden Zahnräder 50, 52 sind so vorgesehen, daß sie einen Kollisionskontakt der Rotoren 60, 62 verhindern. Die Kontakt verhindernden Zahnräder 50, 52 sind so angeordnet, daß zwischen ihren Zahnflächen ein konstanter Abstand vorhanden ist. Rotieren die Antriebswellen 20, 22 synchron, dann haben die Kontakt verhindernden Zahnräder 50, 52 niemals Kontakt miteinander. Ist die Synchronisation jedoch unterbrochen, dann berühren sich die Zahnräder 50, 52, bevor die Rotoren 60, 62 kollidieren; es wird damit verhindert, daß die Rotoren 60, 62 durch einen unbeabsichtigten Kontakt Schaden nehmen. Die synchrone Drehung der Antriebswellen 20, 22 wird darum nicht über den Abstand (Spiel) der Zahnflächen der Kontakt verhindernden Zahnräder 50, 52 hinaus verschoben. Aus diesem Grunde ist das Spiel der Schraubennuten 64, 66 der Rotoren 60, 62 größer ausgelegt als das der Zahnflächen der Kontakt verhindernden Zahnräder 50, 52. Sind die Zahnflächen der Kontakt verhindernden Zahnräder 50, 52 mit einem festen Schmierfilm überzogen, dann wird die Reibung der Zahnflächen verringert.
Innerhalb des Bereiches des Spiels können die beiden Zahnräder 50, 52 in jeder Stellung zueinander angeordnet sein. Da die vorliegende Erfindung bei der hier beschriebenen Ausführungsform eine Synchronsteuerung auf kontaktfreie Weise durchführt, sind die Spielräume (54a, 54b in 4) rechts und links von den Zahnrädern bei stationärer Rotation etwa gleich ausgelegt.
Die Rotationsdetektorkodierer 40, 42 erfassen die Drehgeschwindigkeit und Drehposition der jeweiligen Rotationswelle 20, 22. Mit anderen Worten, der weiter oben genannte Inkrementalkodierer oder Teilphasendetektor ist in jedem Rotationsdetektorkodierer 40, 42 enthalten. Auf der Grundlage der Daten über Drehgeschwindigkeit und Drehposition der Rotationswellen 20, 22 werden die Antriebmotoren 30, 32 so gesteuert, daß die Rotationswellen 20, 22 synchronisiert werden. Für den Aufbau der Kodierer 40, 42 bzw. das Steuerverfahren für die Antriebmotoren 30, 32 auf der Basis der von den Kodierern 40, 42 erfaßten Informationen wird ein Aufbau nach den 1 bis 3 und ein allgemeines Rotationssynchronisierverfahren verwendet. Es folgt eine verkürzte Beschreibung. Werden Daten vom Kodierer 40, 42 über optische Fasern an die Steuervorrichtung übertragen, so ist es möglich, Fehler in der erfaßten Information, die wegen elektrischer Störungen oder instabiler synchroner Steuerung auftreten, zu verhindern.
Um die Betriebszuverlässigkeit der Kodierer 40, 42 zu verbessern, ist es erforderlich, Staub oder andere Fremdkörper von der Kodiererkammer 14 fernzuhalten. Dazu kann vorteilhafterweise eine Magnetflüssigkeitsdichtung an solchen Abschnitten vorgesehen sein, wo die Antriebswellen 20, 22 im Grenzbereich zwischen Kodiererkammer 14 und dem darüber befindlichen Raum angeordnet sind. Es ist außerdem wirksam, für das Kodierergehäuse 14 einen vorbestimmten Druck mit Hilfe eines Spülgases, N2 oder dergleichen, vorzusehen. Die Magnetflüssigkeitsdichtung oder das Spülgas ist zwischen Pumpenkammer 16 und den Lagern 26, 27 unterhalb der Pumpenkammer 16 oder der Antriebmotoren 30, 32 angeordnet, um so das Eindringen eines korrodierenden Gases in den inneren Aufbau des Gerätes zu verhindern.
Nachfolgend wird der kinetische Pumpenabschnitt (B) oberhalb des Verdrängerpumpenabschnitts (A) beschrieben.
Die Antriebswelle 20 erstreckt sich über die Pumpenkammer 16 des Verdrängerpumpenabschnitts (A) hinaus nach oben. Am oberen Ende der Antriebwelle 20 ist ein zylindrischer Rotor 70 angeordnet. Der Rotor 70 ist zwischen der Innenwand des Gehäuses 1 und einer inneren zylindrischen, porösen Scheidewand 118 vorgesehen, die am Gehäuse 1 angeformt ist. Schraubennuten in der Innenwand des Gehäuses 1 und der Außenwand der inneren Scheidewand 118 bilden einen Pumpraum 18 zwischen den Innen- und Außenflächen des Rotors 70 und der Innenwand des Gehäuses 1 und der Außenwand der internen Scheidewand 118. Wird der Rotor 70 gedreht, wird durch die Ansaugöffnung 10 eingesaugtes Fluid durch den Spalt zwischen den Schraubennuten der internen Scheidewand 118 und dem Rotor 70 nach oben transportiert und dann durch den Spalt zwischen Rotor 70 und den Schraubennuten der Innenwand des Gehäuses 1 nach unten transportiert.
Durch die Rotation des Rotors 70 wird bei dem beschriebenen Aufbau die Bewegung der mit dem Rotor 70 in Bewegung kommenden Gasmoleküle vergrößert, so daß das Gas gepumpt oder ausgestoßen wird. Da das Gas an der Innen- und Außenseite des Rotors 70 bewegt und hin und her transportiert wird, kann über einen langen Zeitraum dem Gas eine große Beschleunigung vermittelt und damit eine erhöhte Pumpwirksamkeit erzielt werden. Der Pumpraum 18 steht mit der Pumpenkammer 16 des Verdrängerpumpenabschnitts (A) in Verbindung, und darum wird das aus dem kinetischen Pumpenabschnitt (B) ausgestoßene Gas dem Verdrängerpumpenabschnitt (A) zugeführt. Bezugszeichen 101–108 stellen Gehäuse für die Motoren, Rotoren und dergleichen dar.
Für den konkreten Aufbau des kinetischen Pumpenabschnitts (B) kann auch der Aufbau einer kinetischen Pumpe eines üblichen Fluidrotationsgerätes verwendet werden.
Nach der Ausführungsform wird das Fluidrotationsgerät nicht nur im integrierten Aufbau von Verdrängerpumpenabschnitt (A) und kinetischem Pumpenabschnitt (B) verwendet, sondern auch als Grobvakuumpumpe im Verdrängerpumpenabschnitt (A). Konkret bedeutet dies, daß ein Rotor 70 des kinetischen Pumpenabschnittes (B) vom oberen Ende der Antriebswelle 20 gelöst und auch das Gehäuse 106 von oberhalb des Gehäuses 105 entfernt wird, das eine Pumpenkammer 16 für den Verdrängerpumpenabschnitt (A) bildet, und ein Deckel mit Ansaugöffnung wird installiert. Dann wird ein von der Ansaugöffnung angesaugtes Fluid nur von dem Verdrängerpumpenabschnitt (A) durch die Auslaßöffnung 12 abtransportiert.
Wird das Synchronrotationsgerät für mehrere Wellen nach der vorliegenden Erfindung in eine wie oben beschrieben aufgebaute Vakuumpumpe installiert, dann wird durch die Aufrechterhaltung der Funktion der Rotoren 60, 62 die Hochgeschwindigkeitsrotation des Rotorenpaars 60, 62 im Verdrängerpumpenabschnitt (A) korrekt und streng synchronisiert. Außerdem wird verhindert, daß die Kontakt verhindernden Zahnräder 50, 52 häufig in Kollisionskontakt geraten.
Es ist auch möglich, eine moderate Steuerung für eine synchrone Rotation einer Mehrzahl von Wellen durchzuführen, die eine Abnutzung und Beschädigung der Kontakt verhindernden Zahnräder 50, 52 als mechanische Regulierelemente nicht zuläßt, während diese Zahnräder 50, 52 weichen Kontakt zueinander haben. In diesem Fall kann jeder Motor ein Induktionsmotor sein. Da der Motor im Vergleich zu einem Motor, der zur kontaktlosen synchronen Rotation eingesetzt wird, keine hohe Ansprechempfindlichkeit haben muß, kann ein Motor mit geringer Leistungsabgabe verwendet werden. Es ist wesentlich wirksamer, die auf die Zahnräder wirkende Reaktionskraft zu erfassen und damit das Drehmoment der Motoren zu steuern. Es können auch die den Verdrängerpumpenabschnitt (A) bildenden Rotoren (beispielsweise Schrauben) anstelle von Zahnrädern als mechanische Regulierelemente verwendet werden.
Bei großer Trägheitslast und geringem Drehfrequenzwechsel der Verdrängerpumpe kann die Phase jeder Welle zu den stationären Koordinaten auf folgende Weise erfaßt werden. Es wird zum Beispiel vorgesehen, daß, wenn ein Rotor eine vorbestimmte Position passiert, ein Referenzimpuls erzeugt wird, und die Phase jeder Welle wird auf der Grundlage der Rotationsfrequenzdaten vom Entstehungspunkt des Referenzimpulses festgestellt. Bei dem beschriebenen Verfahren können die relativen Phasen der Wellen auch aus der Phase jeder Welle festgestellt werden.
Wenn der Verdrängerpumpenabschnitt (A) allein verwendet wird, kann das Fluidrotationsgerät nach der vorliegenden Erfindung auch als Kompressor für eine Klimaanlage dienen, wobei die rotierenden Teile (die den Rotoren 60, 62 in 5 entsprechen) in der Form eines Roots-Gebläses (10A), als Zahnradpumpe (10B), als Einzelkeulen- oder Doppelkeulenpumpe (11A bzw. 11B), als Schraubenpumpe (12) oder als Außenumfangskolbenpumpe (13) oder dergleichen ausgebildet sein.
Wie weiter oben für das Synchronrotationsgerät nach der vorliegenden Erfindung beschrieben wurde, kann eine Mehrzahl von Wellen während der Rotation ohne Schwierigkeiten und genau synchronisiert werden, da die mechanischen Regulierelemente und der Teilphasendetektor funktional kombiniert sind; das Gerät kann vereinfacht und miniaturisiert werden. Das hier beschriebene Gerät ist insbesondere auch zu verwenden, wenn die Rotationswellen mit hohen Geschwindigkeiten rotieren. Gleichzeitig ist die Unempfindlichkeit des Gerätes gegenüber elektroma gnetischen Störungen der Synchronsteuerung in bemerkenswerter Weise verbessert.
Wird die vorliegende Erfindung für ein Fluidrotationsgerät verwendet, bietet es aufgrund seiner elektronischen Synchronsteuerung der Rotation mehrerer Rotationswellen, wie für die bereits vorgeschlagene Vakuumpumpe (U.S.-A-738 902) beschrieben, folgende Vorteile. Bei Verwendung der vorliegenden Erfindung zur Steuerung der synchronen Rotation einer Verdrängervakuumpumpe auf kontaktfreie Weise werden die in konventionellen Schraubenpumpen verwendeten Steuerzahnräder, die eine mechanische Gleitbewegung begleiten, überflüssig. Da jeder Rotor von einem unabhängigen Motor angetrieben werden kann, wird ein Kraftübertragungsmechanismus aus Zahnrädern überflüssig. In einer Verdrängerpumpe oder einem Kompressor ist es erforderlich, einen Raum zu bilden, dessen Volumen sich aufgrund der relativen Bewegung von zwei oder mehr Rotoren verändert; die beiden oder mehr Rotoren werden konventionellerweise über Transmissionsgetriebe, Steuergetriebe oder einen komplizierten Transmissionsmechanismus mit Verbindungsglied und Nocken synchronisiert. Auch wenn durch Schmierung der Steuerzahnräder oder des Transmissionsmechanismus ein gewisser Grad an hoher Geschwindigkeit erzielt werden kann, beträgt die höchste Rotationsfrequenz lediglich 10.000 Umdrehungen pro Minute, wenn Vibrationen, Störungen und Betriebszuverlässigkeit des Gerätes berücksichtigt werden. Bei Verwendung der vorliegenden Erfindung im Gerät ist der beschriebene komplizierte Mechanismus nicht erforderlich, so daß die Rotoren mit einer Drehzahl betrieben werden können, die nicht unter 10.000 liegt, und das Gerät selbst ist einfacher aufgebaut. Durch das Weglassen einer Öldichtung wird ein Drehmomentverlust durch Reibung verhindert, und es wird überflüssig, in regelmäßigen Abständen die Öldichtung und das Öl zu erneuern.
Da das Gerät nach der vorliegenden Erfindung kein Öl verwendet, werden saubere Unterdruckbedingungen für die Halbleiterherstellung geschaffen. Die Leistung der Vakuumpumpe ist ein Produkt aus Drehmoment und Drehzahl. Wird die Drehzahl erhöht, kann das Drehmoment kleiner sein. Als Sekundäreffekt der vorliegenden Erfindung kann darum der Motor klein ausgelegt sein; denn wegen der Rotation des Gerätes mit hoher Geschwindigkeit wird das Drehmoment kleiner. Das für jeden Motor erforderliche Drehmoment wird weiter reduziert, weil der Motor für jeden Rotor unabhängig angetrieben wird. Aus diesen Gründen kann der Durchmesser des Motors kleiner ausgelegt sein; beispielsweise wird jeder Rotor von dem jeweiligen Motor, wie in der oben beschriebenen Ausführungsform, direkt angetrieben. Das Gerät wird dadurch sehr kompakt, leicht und raumsparend.
Wird die kinetische Vakuumpumpe nach der vorliegenden Erfindung koaxial mit mindestens einem der Rotoren bei Erhöhung der Drehzahl der Motoren angeordnet, dann kann eine Pumpe als komplexe Breitbandvakuumpumpe gegenüber dem Umgebungsdruck ein Hochvakuum (10-8 Torr oder weniger) erzeugen.
Sind im Außenumfang der Rotoren des Verdrängenrakuumpumpenabschnitts Schraubennuten ausgebildet, dann ergibt sich im Vergleich zur Pumpe in Form eines Roots-Gebläses, die bei der Rotation eine Entladung vornimmt und große pulsierende Bewegungen des Betriebsfluids erzeugt, ein etwa gleichmäßiger Fluß in der Schraubenpumpe, so daß die Drehmomentveränderung für jeden Motor gering ist. Obgleich die Veränderung des Drehmomentes die synchrone Rotation der Rotationswellen stört, wird bei Verwendung der Schraubennutenanordnung die Synchronsteuerung bei hohen Geschwindigkeiten ohne Schwierigkeiten und mit hoher Genauigkeit erreicht, denn die Drehmomentänderung kann klein gehalten werden. Da bei der Schraubennutenanordnung die Ansaug- und Auslaßseiten durch vielstufige Aussparungen und Vorsprünge gegeneinander abgedichtet sind, werden Störungen, die von inneren Leckagen herrühren, reduziert und ein Vakuum kann in kurzer Zeit erreicht werden. Außerdem entspricht der Querschnitt senkrecht zur mittleren Drehachse jedes schraubenartigen Rotors verhältnismäßig genau einem Kreis, anders als dies bei unregelmäßig geformten Rotoren wie dem Zahnradrotor oder dem Rotor in Form eines Roots-Gebläses der Fall ist. Der Schraubenrotor kann darum bis in die Nähe des Außenumfangs hohl ausgeführt sein, der Innenraum kann also vergrößert werden. Wie bei der beschriebenen Ausführungsform kann dieser Innenraum für das Lager genutzt werden, was zu einem noch kompakteren Aufbau führt.

Claims

Synchronrotationsgerät zum synchronen Rotieren einer Mehrzahl von Rotationswellen (200, 202), die von entsprechenden Antriebsvorrichtungen (30, 32) unabhängig voneinander angetrieben werden, mit: einem mechanischen Regulierglied (500, 502), das auf der Mehrzahl von Rotationswellen angeordnet ist, um die relativen Rotationsstellungen der Mehrzahl von Rotationswellen innerhalb einer vorbestimmten Winkeldifferenz (') zu halten; einem die Rotationsgeschwindigkeit und die Phase erfassenden Glied (40, 42, 401, 402, 404, 405, 414), das auf jeder Rotationswelle zum Erfassen der Rotationsgeschwindigkeit der Rotationswellen und der Phasen innerhalb der vom mechanischen Regulierglied eingehaltenen regulierten Winkeldifferenz (Θ) angeordnet ist; und einer Antriebsteuervorrichtung (399) zum Steuern der Antriebsvorrichtungen der Rotationswellen zum synchronen Rotieren der Rotationswellen auf der Basis einer von den die Rotationsgeschwindigkeit und die Phase erfassenden Gliedern festgestellten Phasendifferenz.
Synchronrotationsgerät nach Anspruch 1, bei dem das mechanische Regulierglied (500, 502) zum Verhindern eines direkten mechanischen Kontaktes der Rotationswellen aus Zahnrädern besteht.
Synchronrotationsgerät nach Anspruch 1, bei dem das die Rotationsgeschwindigkeit und die Phase erfassende Glied (40, 42, 401, 402, 404, 405, 414) ein rotierendes Scheibenelement (410) mit Detektorschlitzen (414) in einem vorbestimmten Muster enthält, bei dem der regelmäßige Abstand zwischen benachbarten Schlitzen gleich der regulierten Winkeldifferenz (0) des mechanischen Reguliergliedes ist; eine oberhalb des rotierenden Scheibenelementes angeordnete Lichtquelle (401) enthält, die Licht in Richtung auf das rotierende Scheibenelement fallen läßt; ein unterhalb des rotierenden Scheibenelementes angeordnetes feststehendes Schlitzscheibenelement (420) mit einem Schlitz (422, 424) enthält; und ein Licht erfassendes Element (404) zum Feststellen der Rotationsgeschwindigkeiten der Rotoren und zum Erfassen der Phasen innerhalb der regulierbaren Winkeldifferenz (0) des mechanischen Reguliergliedes enthält zum Empfangen des durch die Detektorschlitze sowohl des rotierenden Scheibenelementes als auch des feststehenden Schlitzscheibenelementes passierenden Lichtes und zum Ausgeben eines Signals an die Antriebsteuervorrichtung.
Synchronrotationsgerät nach Anspruch 3, bei dem das feststehende Schlitzplattenelement zwei in der Scheibe nach hinten und vorn versetzte Schlitze (422, 424) enthält, bei dem das Licht erfassende Element Licht erfaßt, das durch den Schlitz des rotierenden Scheibenelementes und einen der Schlitze des feststehenden Schlitzscheibenelementes fällt; welches Synchronrotationsgerät außerdem ein weiteres Licht erfassendes Element zum Feststellen von Licht enthält, das durch den Schlitz des rotierenden Scheibenelementes und den anderen der Schlitze des feststehenden Schlitzscheibenelementes fällt.
Kombination aus Synchronrotationsgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Fluidrotationsgerät a) welches Fluidrotationsgerät eine Mehrzahl von Rotoren (60, 62) in einem Gehäuse (1) zur synchronen Rotation enthält, Lager (26, 27, 24, 25) zur Rotationslagerung der Rotoren enthält, eine Ansaugöffnung (10) und eine Auslaßöffnung (12) für im Gehäuse gebildetes Fluid enthält und Motoren (30, 32) zum unabhängigen Drehen und Antreiben der Mehrzahl von Rotoren enthält; b) welches Synchronrotationsgerät ein mechanisches Regulierglied (500, 502) enthält, das koaxial auf den Rotoren zum Einhalten relativer Rotationspositionen der Rotoren innerhalb einer vorbestimmten Winkeldifferenz (') angeordnet ist; ein an jedem Rotor angeordnetes, die Rotationsgeschwindigkeit und die Phase erfassendes Glied (40, 42, 401, 402, 404, 405, 414) enthält zum Erfassen der Rotationsgeschwindigkeiten der Rotoren und der Phasen innerhalb der von dem mechanischen Regulierglied regulierten Winkeldifferenz (Θ) und eine Antriebsteuervorrichtung (399) zum Steuern der Rotormotoren enthält zum synchronen Rotieren der Rotoren auf der Basis einer von den Rotationsgeschwindigkeit und Phase erfassenden Gliedern festgestellten Phasendifferenz; c) welche Kombination das Fluid ansaugt und abgibt, indem die Änderung im Volumen des Raumes ausgenutzt wird, der von den Rotoren und dem Gehäuse bei der synchronen Steuerung der Motorrotation durch die Antriebssteuervorrichtung definiert wird.