JP2007127181A - 磁気軸受装置および真空ポンプ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】磁気軸受装置の回転試験を低コストで行なうことが可能な磁気軸受装置および真空ポンプ装置を提供する。
【解決手段】磁気軸受装置は、回転翼１５を回転させる磁気軸受スピンドル１と、磁気軸受スピンドル１を制御するコントローラ１６とを備え、コントローラ１６は、回転翼１５が磁気軸受スピンドル１に取り付けられている第１の動作モードであるか、または回転翼１５が磁気軸受スピンドル１に取り付けられていない第２の動作モードであるかに基づいて磁気軸受スピンドル１の制御を行なう。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁気軸受装置および真空ポンプ装置に関し、特に、複数の動作モードを有する磁気軸受装置および真空ポンプ装置に関する。

一般に、磁気軸受装置をターボ分子ポンプ用スピンドルとして使用する場合、磁気軸受スピンドルの回転体に慣性の大きな回転翼が取り付けられるため、磁気軸受スピンドルの制御パラメータは、あらかじめ回転翼が取り付けられることを想定して設計されている。これらの制御パラメータは磁気軸受スピンドルの機種毎に固有のものである。

このような機種固有の制御パラメータをあらかじめメモリに保存しておき、機種に応じて制御パラメータを使い分ける磁気軸受装置として、たとえば、特許文献１には以下のような磁気軸受装置が開示されている。すなわち、複数種のポンプユニットを制御する複数種の制御パラメータを保存するテーブルメモリと、位置センサの検知信号に基づいてポンプユニットの機種を判別する機種判別回路と、判別された機種に応じて制御パラメータを選択するテーブル選択回路とが設けられている。機種判別回路は、位置センサのオフセット信号およびゲイン等に基づいて機種を判別する。
特開２００３−１４８３８３号公報

ところで、磁気軸受装置の出荷時およびオーバーホール時等に行なう回転試験では、磁気軸受スピンドルを定格回転速度まで回転させる必要がある。しかしながら、ターボ分子ポンプ用磁気軸受スピンドルの制御系、すなわち磁気軸受の制御パラメータおよびモータの制御パラメータは回転体に回転翼が取り付けられていることを前提に設計されているため、回転翼を取り付けない状態で磁気軸受を安定して動作させることはできない。また、回転翼を取り付けた磁気軸受スピンドルは、回転翼の空気抵抗が大きいために、大気中で定格回転速度まで回転させることはできない。

そこで、特許文献１記載の磁気軸受装置等、従来の磁気軸受装置の出荷時およびオーバーホール時の回転試験では、回転体に回転翼を取り付け、磁気軸受スピンドルを真空環境に据え付けた状態で回転試験が行われるが、回転翼の取り付けおよび真空環境への据え付けには多くの工数がかかり、また、専用の設備が必要になる。さらには、回転翼の慣性によって磁気軸受スピンドルの起動および回転停止に数分から数十分もの時間がかかるため、回転試験に非常に多くの工数が必要になる。したがって、特許文献１記載の磁気軸受装置等、従来の磁気軸受装置では、磁気軸受装置の回転試験に多大なコストがかかるという問題点があった。

それゆえに、本発明の目的は、磁気軸受装置の回転試験を低コストで行なうことが可能な磁気軸受装置および真空ポンプ装置を提供することである。

上記課題を解決するために、この発明のある局面に係わる磁気軸受装置は、回転翼を回転させる磁気軸受スピンドルと、磁気軸受スピンドルを制御するコントローラとを備え、コントローラは、回転翼が磁気軸受スピンドルに取り付けられている第１の動作モードであるか、または回転翼が磁気軸受スピンドルに取り付けられていない第２の動作モードであるかに基づいて磁気軸受スピンドルの制御を行なう。

好ましくは、コントローラは、第１の動作モードに対応する第１の制御パラメータ、および第２の動作モードに対応する第２の制御パラメータを保存する記憶部と、第１の動作モードであるか、または第２の動作モードであるかに基づいて第１の制御パラメータまたは第２の制御パラメータを選択するパラメータ選択部と、パラメータ選択部が選択した制御パラメータに基づいて磁気軸受スピンドルの制御を行なうスピンドル制御部とを含む。

より好ましくは、磁気軸受スピンドルは、回転翼を回転させる回転体と、回転体を回転駆動するモータと、回転体を非接触で磁気的に支持する磁気軸受とを含み、記憶部が保存する各制御パラメータは、モータ用のパラメータおよび磁気軸受用のパラメータの少なくともいずれか一方である。

好ましくは、コントローラは、さらに、第１の動作モードであるか、または第２の動作モードであるかに基づいて磁気軸受スピンドルの異常検出を行なう。

上記課題を解決するために、この発明のある局面に係わる真空ポンプ装置は、回転翼と、回転翼を回転させる磁気軸受スピンドルと、磁気軸受スピンドルを制御するコントローラとを備え、コントローラは、回転翼が磁気軸受スピンドルに取り付けられている第１の動作モードであるか、または回転翼が磁気軸受スピンドルに取り付けられていない第２の動作モードであるかに基づいて磁気軸受スピンドルの制御を行なう。

本発明によれば、磁気軸受装置の回転試験を低コストで行なうことができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

［構成および基本動作］
図１は、本発明の実施の形態に係る磁気軸受装置の構成を示す機能ブロック図である。

同図を参照して、磁気軸受装置は、磁気軸受スピンドル１と、コントローラ１６とを備える。磁気軸受スピンドル１は、ハウジング２と、回転軸（回転体）３と、スラスト磁気軸受４と、ラジアル磁気軸受５〜６と、駆動用モータ７と、ラジアル位置センサ８〜９と、スラスト位置センサ１０と、保護用軸受１１〜１２と、排気口１４とを含む。コントローラ１６は、メモリ（記憶部）１７と、異常検出部２２と、スピンドル制御部３１と、パラメータ選択部３２とを含む。

スピンドル制御部３１は、磁気軸受制御部２０と、モータドライバ２１とを含む。パラメータ選択部３２は、モード切り替えスイッチ１８と、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１９とを含む。

図２は、本発明の実施の形態に係る真空ポンプ装置の構成を示す機能ブロック図である。

同図を参照して、真空ポンプ装置は、たとえばターボ分子ポンプであり、本発明の実施の形態に係る磁気軸受装置と、ケース１３と、回転翼１５とを備える。

図１および図２を参照して、磁気軸受スピンドル１およびコントローラ１６はケーブル２３で接続される。

回転軸３は、ハウジング２内に設けられ、回転翼１５を回転させる。
スラスト磁気軸受４は、電磁石を含み、電磁石に供給される電流に基づいて回転軸３のスラスト方向の支持を非接触で行なう。

ラジアル磁気軸受５〜６は、電磁石を含み、電磁石に供給される電流に基づいて回転軸３のラジアル方向の支持を非接触で行なう。

駆動用モータ７は、供給される駆動電流に基づいて回転軸３を回転駆動する。
ラジアル位置センサ８〜９は、回転軸３のラジアル方向位置を検出し、検出信号をケーブル２３経由でコントローラ１６へ出力する。

スラスト位置センサ１０は、回転軸３のスラスト方向位置を検出し、検出信号をケーブル２３経由でコントローラ１６へ出力する。

磁気軸受制御部２０は、ラジアル位置センサ８〜９およびスラスト位置センサ１０から受けた検出信号、ならびに設定された制御パラメータに基づいて、スラスト磁気軸受４およびラジアル磁気軸受５〜６に電流を供給することにより、回転軸３を非接触で磁気的に支持する制御を行なう。

モータドライバ２１は、駆動用モータ７に内蔵された回転検出センサ（図示せず）から受けた検出信号ならびに設定された制御パラメータに基づいて、駆動用モータ７に駆動電流を供給することにより、回転軸３を回転駆動する制御を行なう。

異常検出部２２は、たとえばラジアル位置センサ８〜９およびスラスト位置センサ１０から受けた検出信号に基づいて、磁気軸受スピンドル１の異常を検出し、磁気軸受スピンドル１の動作を停止する等の制御を行なう。

保護用軸受１１〜１２は、回転体３の上下に配置され、たとえばスラスト磁気軸受４またはラジアル磁気軸受５〜６が故障して回転軸３の支持を行なえなくなった場合に回転軸３を支持するために設けられる。

記憶部１７は、回転翼１５が磁気軸受スピンドル１に取り付けられている場合（以下、第１の動作モードとも称する）に対応する制御パラメータ（以下、回転翼搭載用パラメータとも称する）、および回転翼１５が磁気軸受スピンドル１に取り付けられていない場合（以下、第２の動作モードとも称する）に対応する制御パラメータ（以下、回転翼未搭載用パラメータとも称する）を保存する。なお、記憶部１７は、回転翼未搭載用パラメータを１種類だけ保存する構成であってもよいし、磁気軸受スピンドル１の据え付け方向に応じて複数種類の回転翼未搭載用パラメータを保存し、パラメータ選択部３２が複数種類の回転翼未搭載用パラメータのうちいずれか１つを選択する構成であってもよい。

ここで、記憶部１７の保存する制御パラメータは、たとえば、スラスト磁気軸受４およびラジアル磁気軸受５〜６に供給する電流値ならびに駆動用モータ７に供給する電流値を算出するための定数である。より詳細には、回転翼１５が磁気軸受スピンドル１に取り付けられていない場合には回転翼１５による慣性の影響がなくなり回転軸３が軽くなるため、スラスト磁気軸受４およびラジアル磁気軸受５〜６に供給する電流値が、回転翼１５が磁気軸受スピンドル１に取り付けられる場合と比べて小さくなるように制御パラメータが設定される。

また、記憶部１７の保存する制御パラメータは、たとえば、磁気軸受制御部２０およびモータドライバ２１がＰＩＤ（Proportional Integral Derivative）制御等をスラスト磁気軸受４、ラジアル磁気軸受５〜６および駆動用モータ７に対して行なう際に用いる制御定数（ゲインおよび時定数等）である。

さらに、記憶部１７は、異常検出部２２が用いる異常検出用パラメータを回転翼搭載用パラメータおよび回転翼未搭載用パラメータとして保存する構成であってもよい。たとえば、記憶部１７は、異常検出部２２がスラスト磁気軸受４およびラジアル磁気軸受５〜６の電流値等の異常検出を行なう際の基準値、ならびに駆動用モータ７の加速時間等の異常検出を行なう際の基準値を保存する。より詳細には、回転翼１５が磁気軸受スピンドル１に取り付けられていない場合には回転翼１５による慣性の影響がなくなり回転軸３が軽くなるため、駆動用モータ７が回転軸３を所定の回転速度にするまでに要する時間の正常値の上限を、回転翼１５が磁気軸受スピンドル１に取り付けられる場合と比べて短くするように異常検出用パラメータが設定される。このような構成により、回転翼１５が磁気軸受スピンドル１に取り付けられていない場合の磁気軸受装置の回転試験をさらに適切に行なうことができる。

［動作］
次に、回転試験を行なう際の本発明の実施の形態に係る磁気軸受装置の動作について説明する。なお、回転翼１５は磁気軸受装置から取り外されている状態であると仮定して説明する。

まず、モード切り替えスイッチ１８を第１の動作モードに対応するオン状態とする。モード切り替えスイッチ１８は、人がオン状態およびオフ状態を切り替える機械的なものであってもよい。また、ＲＳ２３２Ｃ等の通信回線を用いて磁気軸受装置外部から切り替えるか、あるいはコントローラ１６が備えるタッチパネルを人が操作することによって切り替えるソフト的なものであってもよい。切り替える方法がソフト的なものである場合、モード切り替えスイッチ１８の機能をＣＰＵ１９が実現する構成とすることも可能である。

ＣＰＵ１９は、モード切り替えスイッチ１８がオン状態の場合には、磁気軸受制御部２０、モータドライバ２１および異常検出部２２のパラメータを回転翼未搭載用パラメータに設定する。より詳細には、ＣＰＵ１９は、回転翼未搭載用パラメータを記憶部１７から磁気軸受制御部２０、モータドライバ２１および異常検出部２２へバス等を介して転送する。

そして、磁気軸受制御部２０およびモータドライバ２１が、回転翼未搭載用パラメータに基づいて回転軸３および駆動用モータ７を制御して、磁気軸受スピンドル１を大気中で定格回転速度まで回転させることにより、磁気軸受装置の回転試験が行われる。また、異常検出部２２は、回転翼未搭載用パラメータに基づいて、回転翼１５が磁気軸受スピンドル１に取り付けられている場合と異なる基準で磁気軸受スピンドル１の異常検出を行なう。

そして、磁気軸受装置の回転試験が終了すると、モード切り替えスイッチ１８を第２の動作モードに対応するオフ状態とする。

ＣＰＵ１９は、モード切り替えスイッチ１８が解除されている、すなわちオフ状態の場合には、磁気軸受制御部２０、モータドライバ２１および異常検出部２２のパラメータを回転翼搭載用パラメータ、たとえば出荷時のパラメータに設定する。

ところで、特許文献１記載の磁気軸受装置等、従来の磁気軸受装置の出荷時およびオーバーホール時の回転試験では、回転体に回転翼を取り付け、磁気軸受スピンドルを真空環境に据え付けた状態で行なう必要があり、多大なコストがかかるという問題点があった。しかしながら、本発明の実施の形態に係る磁気軸受装置では、磁気軸受装置の回転試験を行なう場合に、磁気軸受スピンドルに回転翼を取り付けずに、大気中で磁気軸受スピンドルを定格回転速度まで回転させることができるため、磁気軸受装置の回転試験を短時間かつ簡易な設備で行なうことができ、磁気軸受装置の回転試験を低コストで行なうことができる。

また、ある製造者Ａが磁気軸受装置を出荷し、それを購入した他の製造者Ｂが磁気軸受装置に回転翼等を取り付けてターボ分子ポンプとして販売する場合には、特許文献１記載の磁気軸受装置等、従来の磁気軸受装置では、製造者Ａが磁気軸受装置の出荷時に試験用の回転翼を取り付けて回転試験を行ない、再び回転翼を取り外して出荷する必要があるが、本発明の実施の形態に係る磁気軸受装置では、試験用の回転翼の取り付けおよび取り外しを行なう必要がなく、磁気軸受装置の回転試験を効率的に行なうことができ、回転試験のコスト削減を図ることができる。

なお、本発明の実施の形態に係る磁気軸受装置では、記憶部１７は、磁気軸受制御部２０、モータドライバ２１および異常検出部２２が使用する、回転翼搭載用パラメータおよび回転翼未搭載用パラメータをそれぞれ保存する構成としたが、これに限定するものではない。回転翼１５が磁気軸受スピンドル１に取り付けられていない場合に磁気軸受制御部２０およびモータドライバ２１のいずれか一方が使用する制御パラメータだけを回転翼未搭載用パラメータに変更して磁気軸受装置を安定して動作させることができるのであれば、記憶部１７は、磁気軸受制御部２０およびモータドライバ２１が使用する回転翼未搭載用パラメータのいずれか一方を保存する構成であってもよい。

また、本発明の実施の形態に係る磁気軸受装置を備える真空ポンプ装置はターボ分子ポンプであるとしたが、これに限定するものではなく、回転翼を備える真空ポンプ装置であれば本発明を適用することが可能である。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の実施の形態に係る磁気軸受装置の構成を示す機能ブロック図である。 本発明の実施の形態に係る真空ポンプ装置の構成を示す機能ブロック図である。

符号の説明

１ 磁気軸受スピンドル、２ ハウジング、３ 回転軸（回転体）、４ スラスト磁気軸受、５〜６ ラジアル磁気軸受、７ 駆動用モータ、８〜９ ラジアル位置センサ、１０ スラスト位置センサ、１１〜１２ 保護用軸受、１３ ケース、１４ 排気口、１５ 回転翼、１６ コントローラ、１７ メモリ（記憶部）、１８ モード切り替えスイッチ、１９ ＣＰＵ、２０ 磁気軸受制御部、２１ モータドライバ、２２ 異常検出部、２３ ケーブル、３１ スピンドル制御部、３２ パラメータ選択部。

Claims (5)

1. 回転翼を回転させる磁気軸受スピンドルと、
   前記磁気軸受スピンドルを制御するコントローラとを備え、
   前記コントローラは、前記回転翼が前記磁気軸受スピンドルに取り付けられている第１の動作モードであるか、または前記回転翼が前記磁気軸受スピンドルに取り付けられていない第２の動作モードであるかに基づいて前記磁気軸受スピンドルの制御を行なう磁気軸受装置。
2. 前記コントローラは、
   前記第１の動作モードに対応する第１の制御パラメータ、および前記第２の動作モードに対応する第２の制御パラメータを保存する記憶部と、
   前記第１の動作モードであるか、または前記第２の動作モードであるかに基づいて前記第１の制御パラメータまたは前記第２の制御パラメータを選択するパラメータ選択部と、
   前記パラメータ選択部が選択した制御パラメータに基づいて前記磁気軸受スピンドルの制御を行なうスピンドル制御部とを含む請求項１記載の磁気軸受装置。
3. 前記磁気軸受スピンドルは、
   前記回転翼を回転させる回転体と、
   前記回転体を回転駆動するモータと、
   前記回転体を非接触で磁気的に支持する磁気軸受とを含み、
   前記記憶部が保存する各制御パラメータは、前記モータ用のパラメータおよび前記磁気軸受用のパラメータの少なくともいずれか一方である請求項２記載の磁気軸受装置。
4. 前記コントローラは、さらに、前記第１の動作モードであるか、または前記第２の動作モードであるかに基づいて前記磁気軸受スピンドルの異常検出を行なう請求項１記載の磁気軸受装置。
5. 回転翼と、
   前記回転翼を回転させる磁気軸受スピンドルと、
   前記磁気軸受スピンドルを制御するコントローラとを備え、
   前記コントローラは、前記回転翼が前記磁気軸受スピンドルに取り付けられている第１の動作モードであるか、または前記回転翼が前記磁気軸受スピンドルに取り付けられていない第２の動作モードであるかに基づいて前記磁気軸受スピンドルの制御を行なう真空ポンプ装置。

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