JP2009092047A - Vacuum pump device and phase difference detection method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、モータロータに永久磁石を内蔵したモータでロータを回転駆動する真空ポンプ装置に関する。 The present invention relates to a vacuum pump device that rotationally drives a rotor with a motor having a permanent magnet built into the motor rotor.
ターボ分子ポンプ(TMP)は、固定翼に対して回転翼が形成されたロータを高速回転することにより真空排気を行っている。ロータを回転駆動するモータとしては、DCブラシレスモータが知られている。一般的に、DCブラシレスモータでは、ロータの磁極を検知してロータの回転位置を検出するためにホール素子が用いられる。 The turbo molecular pump (TMP) performs evacuation by rotating at high speed a rotor on which rotor blades are formed with respect to fixed blades. A DC brushless motor is known as a motor for rotating the rotor. In general, in a DC brushless motor, a Hall element is used to detect the magnetic position of the rotor and detect the rotational position of the rotor.
ところが、ホール素子は耐放射線性能および耐熱性がポンプ本体の他の部品に比べて劣るため、ホール素子に代えてインダクタンスセンサを用いる技術が提案されている(例えば、特許文献1参照)。この方式では、モータロータの磁極を直接検出する代わりに、回転軸に凹凸面を有するターゲットを装着し、その凹凸面と対向するようにインダクタンスセンサを配置して、ターゲットとの距離の変化を検出して回転位置を検出するようにしている。 However, since the Hall element is inferior in radiation resistance and heat resistance to other parts of the pump body, a technique using an inductance sensor instead of the Hall element has been proposed (for example, see Patent Document 1). In this method, instead of directly detecting the magnetic pole of the motor rotor, a target having a concavo-convex surface is mounted on the rotating shaft, and an inductance sensor is arranged so as to face the concavo-convex surface to detect a change in the distance to the target. To detect the rotational position.
しかしながら、上述したようなインダクタンスセンサ方式では、ターゲットを回転軸に固定する際に、モータロータの磁極位置とターゲットとの位相を正確に合わせる必要があり、組み立て作業に時間がかかるとともに、厳密に位相を一致させるのは困難であった。 However, in the inductance sensor method as described above, when the target is fixed to the rotating shaft, it is necessary to accurately match the phase of the magnetic pole position of the motor rotor and the target. It was difficult to match.
請求項1の発明は、ポンプロータに装着されて永久磁石を具備するモータロータを、モータステータで形成される回転磁界により回転駆動するポンプユニットと、ポンプユニットに着脱自在に接続されて前記モータロータの回転を駆動制御する制御ユニットとを備える真空ポンプ装置に適用され、ポンプロータに固定され、ターゲット面にギャップ変化部を有するセンサターゲットと、ターゲット面に対向配置され、ギャップ変化部を検出してポンプロータの回転に同期したセンサ信号を出力するセンサと、ポンプユニットに設けられ、モータロータのロータ磁極位置とギャップ変化部の位置とに関する位相差に対応した位相差情報を保持する保持手段とを備え、制御ユニットは、保持手段に保持された位相差情報に基づいてモータロータの回転を駆動制御することを特徴とする。
請求項2の発明は、請求項1に記載の真空ポンプ装置において、センサ信号に基づいてポンプロータの回転速度を検出する回転速度検出手段と、センサ信号を回転速度および位相差情報に基づいて補正することにより、回転時のロータ磁極位置を算出するロータ磁極位置演算手段とを備え、ロータ磁極位置演算手段により算出されたロータ磁極位置に基づいてモータロータの回転を駆動制御するようにしたものである。
請求項3の発明は、請求項1または2に記載の真空ポンプ装置において、保持手段は位相差に対応付けられた抵抗値を有する抵抗器を備え、制御ユニットに、抵抗器の抵抗値に基づいて位相差を算出する位相差演算手段を設けたものである。
請求項4の発明は、請求項3に記載の真空ポンプ装置において、抵抗器を可変抵抗器としたものである。
請求項5の発明は、請求項1または2に記載の真空ポンプ装置において、保持手段は、オンオフ状態として位相差情報を保持する複数のスイッチを備え、制御ユニットに、複数のスイッチのオンオフ状態に応じて位相差を算出する位相差演算手段を設けるようにしたものである。
請求項6の発明は、請求項1〜5のいずれか一項に記載の真空ポンプ装置において、モータロータを回転始動する際のセンサのセンサ信号と位相差情報とに基づいて、回転磁界を形成するための複数の駆動電流パターンから、モータロータを正回転方向に回転始動させるための駆動電流パターンを選択し、それを始動時駆動電流パターンに設定する設定手段を備えたものである。
請求項7の発明は、請求項1〜6のいずれか一項に記載の真空ポンプ装置の前記位相差を検出する位相差検出方法であって、モータステータに所定の駆動電流パターンで電流を流して、モータロータを所定の回転停止位置に保持し、モータステータの磁界方向に対するギャップ変化部の位相角度を検出し、検出された位相角度に基づいて位相差を算出することを特徴とする。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a pump unit for rotating and driving a motor rotor having a permanent magnet mounted on a pump rotor by a rotating magnetic field formed by a motor stator, and rotating the motor rotor detachably connected to the pump unit. Applied to a vacuum pump device having a control unit for driving and controlling, a sensor target fixed to the pump rotor and having a gap changing portion on the target surface, and disposed opposite to the target surface, and detecting the gap changing portion to detect the pump rotor A sensor that outputs a sensor signal synchronized with the rotation of the motor, and a holding unit that is provided in the pump unit and holds phase difference information corresponding to the phase difference between the rotor magnetic pole position of the motor rotor and the position of the gap changing portion. The unit determines the motor rotor based on the phase difference information held in the holding means. Wherein the drive control of the rotation.
According to a second aspect of the present invention, in the vacuum pump device according to the first aspect, the rotational speed detecting means for detecting the rotational speed of the pump rotor based on the sensor signal, and the sensor signal is corrected based on the rotational speed and phase difference information. Thus, the rotor magnetic pole position calculating means for calculating the rotor magnetic pole position at the time of rotation is provided, and the rotation of the motor rotor is driven and controlled based on the rotor magnetic pole position calculated by the rotor magnetic pole position calculating means. .
According to a third aspect of the present invention, in the vacuum pump device according to the first or second aspect, the holding means includes a resistor having a resistance value associated with the phase difference, and the control unit is based on the resistance value of the resistor. Phase difference calculating means for calculating the phase difference is provided.
A fourth aspect of the present invention is the vacuum pump device according to the third aspect, wherein the resistor is a variable resistor.
According to a fifth aspect of the present invention, in the vacuum pump device according to the first or second aspect, the holding means includes a plurality of switches that hold the phase difference information as an on / off state, and the control unit sets the plurality of switches to an on / off state. Accordingly, phase difference calculation means for calculating the phase difference is provided.
According to a sixth aspect of the present invention, in the vacuum pump device according to any one of the first to fifth aspects, a rotating magnetic field is formed based on a sensor signal of the sensor and phase difference information when the motor rotor is rotated and started. The drive current pattern for starting rotation of the motor rotor in the forward rotation direction is selected from a plurality of drive current patterns for the purpose, and setting means for setting the drive current pattern to the start-up drive current pattern is provided.
A seventh aspect of the invention is a phase difference detection method for detecting the phase difference of the vacuum pump device according to any one of the first to sixth aspects, wherein a current is supplied to the motor stator in a predetermined drive current pattern. Then, the motor rotor is held at a predetermined rotation stop position, the phase angle of the gap changing portion with respect to the magnetic field direction of the motor stator is detected, and the phase difference is calculated based on the detected phase angle.
本発明によれば、ポンプユニットに位相差情報を保持する保持手段を設け、その位相差情報に基づいてモータロータの回転を駆動制御するようにしたので、従来のような位相合わせ作業を必要とせず組み立て作業の効率化を図ることができる。さらに、保持手段をポンプユニットに設けたので、ポンプユニットと制御ユニットとの組み合わせを変えて用いても支障が生じない。 According to the present invention, the holding unit for holding the phase difference information is provided in the pump unit, and the rotation of the motor rotor is driven and controlled based on the phase difference information, so that the conventional phase matching operation is not required. The efficiency of assembly work can be improved. Further, since the holding means is provided in the pump unit, no trouble occurs even if the combination of the pump unit and the control unit is changed.
以下、図を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。
−第1の実施の形態−
図1は、本発明による真空ポンプの第1の実施の形態を示す図であり、磁気軸受式ターボ分子ポンプの概略構成を示すブロック図である。ターボ分子ポンプはポンプ本体1と電源装置2とから構成されている。図1に示す例では、ポンプ本体1と電源装置2とをケーブルで接続するような構成としているが、ポンプ本体1と電源装置2とを一体で構成する場合もある。
Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.
-First embodiment-
FIG. 1 is a diagram showing a first embodiment of a vacuum pump according to the present invention, and is a block diagram showing a schematic configuration of a magnetic bearing type turbo molecular pump. The turbo molecular pump includes a
ポンプ本体1には、回転翼が形成されたロータ4が設けられており、ロータ4は磁気軸受5により非接触支持されるとともにモータ6により回転駆動される。モータ6にはDCブラシレスモータが用いられる。一方、電源装置2には、モータ6を駆動するモータ制御部7と、ロータ4が所定浮上位置に支持されるように磁気軸受5に供給される励磁電流を制御する軸受制御部8とを備えている。
The
図2は、ポンプ本体1の断面図である。ポンプ本体1のケーシング10の内部に配設されたロータ4が、固定翼43およびネジステータ部44に対して高速回転することにより、排気機能を発生する。ロータ4が締結されるロータシャフト45にはモータ6のモータロータ62が装着されており、モータロータ62には永久磁石が内蔵されている。一方、ベース3側には、回転磁界を形成するためのU相コイル,V相コイルおよびW相コイルを有するモータステータ61が設けられている。ロータシャフト45の下端にはセンサターゲット46が設けられており、センサターゲット46と対向する位置にはギャップセンサ47が設けられている。
FIG. 2 is a cross-sectional view of the
ロータ4を非接触支持する磁気軸受5(図1参照)は、図2に示すようにラジアル磁気軸受を構成する電磁石51,52とアキシャル磁気軸受を構成する電磁石53とを有し、これらは5軸制御形磁気軸受を構成している。これらのラジアル電磁石51,52とアキシャル電磁石53に対応して、ロータ4の位置を検出するためのラジアル変位センサ55,56およびアキシャル変位センサ57が設けられている。11,12は非常用のメカニカルベアリングであり、13はポンプ本体1と電源装置2とを接続するケーブルが接続されるコネクタである。
The magnetic bearing 5 (see FIG. 1) for supporting the
図3(a)はロータシャフト45を示す図であり、ロータシャフト45には永久磁石を備えたモータロータ62が設けられている。ロータシャフト45の下端にはセンサターゲット46がネジ締結されている。センサターゲット45のターゲット面には、2つの面46a,46bが形成されている。面46a,46bは、それらがギャップセンサ47に対向したときのギャップ量はそれぞれ異なる。面46a,46bはそれぞれ回転角度に関して180度ずつに振り分けられており、それらの境界は段差部460になっている。
FIG. 3A is a diagram showing the
ギャップセンサ47は、センサターゲット46とのギャップ変化を検出するインダクタンス式のギャップセンサである。このギャップセンサ47でセンターゲット46の段差部460を検出することにより、ロータシャフト46の回転位置や回転速度を検出することができる。なお、本実施の形態ではギャップセンサ47としてインダクタンス式のギャップセンサを用いているが、ロータ回転と同期した信号を出力するものであればインダクタンス式センサに限らない。
The
モータロータ62には、磁極位置を示すマーク620が記されている。図3(b)は、モータロータ62に設けられた永久磁石の磁極位置とセンサターゲット46の段差部460との位置関係を示したものである。マーク620に対する段差部460の位相差を測定することで、磁極位置と段差部460との位相差が分かる。この実測された位相差は、ポンプ本体1側に設けられた位相差情報保持部48に保持しておく。
The
図4はモータステータ61の構造を示す図である。四角で囲まれたU相、U’相、V相、V’相、W相、W’相は、それぞれモータステータ61のコイル位置を示す。図4(a)に示すように、一つの駆動パターン、例えば、駆動パターン(U→V)で駆動電流を固定すれば、破線矢印で示す2つの磁界の合成磁界M1がモータステータ61内に形成される。その結果、モータロータ62は、図4(b)に示す位置で停止する。モータ駆動時には、図5に示すように駆動パターンをU→V、U→W、V→W、V→U、W→U、W→Vの順に切り替えて、モータステータ61内の磁界M1を回転させる。
FIG. 4 is a view showing the structure of the
この時、駆動電流を切り替えるタイミングとしては、例えば、図5(b)に示すようにモータロータ62磁極が、次の駆動パターン(U→W)で生成される磁極に対して60度前に来たタイミングである。従って図5(b)に示した、駆動電流をU→Vで固定した時のモータロータ62の位置は、駆動パターン(U→W)に切り替えるタイミングとなる。従来は、このW相の位置にホールセンサ等を設け、モータロータ62の磁極を検出することにより駆動電流の切替タイミングを検出していた。
At this time, as the timing for switching the drive current, for example, as shown in FIG. 5B, the
本実施の形態では、図6(a)に示すように、センサターゲット46に対向するように3つのギャップセンサ47a,47b,47cが設けられている。各ギャップセンサ47a,47b,47cは、回転軸Jの回りに120度間隔で配設されている。図6(b)は回転位置センサ47a,47b,47cをセンサターゲット46のラジアル方向に配設した場合を示す。この場合は、センサ対向面であるセンサターゲット46の外周面に、段差部460が形成されている。
In the present embodiment, as shown in FIG. 6A, three
図7は、モータ6の駆動制御に関係する構成要素を示すブロック図であり、モータステータ61,モータロータ62,センサターゲット46,ギャップセンサ47a,47b,47cおよびモータ制御部7の概略構成を示したものである。なお、図7では、ギャップセンサ47a〜47cがセンサターゲット46のラジアル方向に配設される場合(図6(b)参照)を例に示した。
FIG. 7 is a block diagram showing components related to drive control of the
図7に示す例では、位相差情報保持部48として可変抵抗器がポンプ本体1内に設けられており、トリマを調整することにより位相差に応じた大きさの抵抗値に設定される。電源装置2側には、可変抵抗器48の抵抗値を電圧に変換するための回路として分圧用の抵抗20が設けられている。この電圧をモータ制御マイコン70のAD変換器76でAD変換し、AD変換後の電圧情報は遅延時間演算部75において位相差情報に変換される。
In the example shown in FIG. 7, a variable resistor is provided in the
例えば、ポンプ製造工程や、メンテナンス作業時のシャフト組み付け前に、モータロータ62のマーク620とセンサターゲット46の段差部460との間の角度を、時計回りに0度〜359度までの間で測定する。そして、計測した角度を10倍して0Ω〜3590Ωに換算し、可変抵抗器の抵抗値を前記換算値に設定する。
For example, the angle between the
図8は位相差情報保持部48の他の例を示す図であり、(a)は接点信号を与えるスイッチ群、例えば、ディップスイッチを用いる場合、(b)は固定抵抗を用いる場合を示す。図8(a)の接点信号を用いる場合には、位相差情報をスイッチS1〜S3のオンオフ情報として記憶させる。各スイッチS1〜S3と電源との間には、抵抗20A〜20Cが接続されている。オンオフ情報はモータ制御マイコン70のデジタル入力端子で読み取られ、位相差情報に変換される。
8A and 8B are diagrams showing another example of the phase difference
後述するように、ポンプ始動のために必要な最低限の位相差情報は6ステップであるので、接点情報は3ビットあれば記憶可能となる。また、位相差情報は±3度程度の精度があれば高速回転での駆動にも支障がないので、60(=360度/6度)ステップの分解能があればよいことになる。この場合、位相差情報保持部48は、6ビットあれば高速回転に必要な位相差情報を記憶させることが可能となる。
As will be described later, since the minimum phase difference information necessary for starting the pump is 6 steps, the contact information can be stored with 3 bits. In addition, if the phase difference information has an accuracy of about ± 3 degrees, there is no problem in driving at high speed rotation, so it is sufficient that the resolution of 60 (= 360 degrees / 6 degrees) is provided. In this case, the phase difference
また、回転速度がある程度の回転数に上昇したら、モータの逆起電圧から正確な位相差情報を求めても良いので(特開2006−325311号公報を参照)、回転速度上昇後の駆動方法により、必要なビット数は上記範囲内で適宜選択可能である。ビット数を増やした場合、ポンプ−電源間の配線が増えることになるので、どこまでの精度を要求するかは費用対効果も含めて決定すれば良い。 Further, when the rotation speed increases to a certain number of rotations, accurate phase difference information may be obtained from the back electromotive voltage of the motor (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-325311). The necessary number of bits can be appropriately selected within the above range. When the number of bits is increased, the wiring between the pump and the power supply increases. Therefore, what accuracy is required may be determined including cost effectiveness.
図8(b)のように固定抵抗を用いる場合には、位相差に合わせて選択された抵抗値の固定抵抗48を、ポンプ本体1内に設置すれば良い。例えば、360度を60ステップに分割して設定する場合、E24系列の抵抗値を用いて図9に示すように各位相差に対応させれば良い。
When a fixed resistor is used as shown in FIG. 8B, a fixed
図7に戻って、電源装置2をポンプ本体1に接続して電源をオンすると、ポンプ本体1に設けられている位相差情報保持部48の抵抗値が読み取られ遅延時間演算部75に取り込まれる。遅延時間演算部75は、読み取った抵抗値に対応する位相差θを算出する。遅延時間演算部75には、抵抗値と位相差θとの相関テーブルが予め記憶されている。モータステータ61に設けられたU相コイル,V相コイルおよびW相コイルには、電源71に接続されたモータ駆動波形生成回路72により駆動電圧が印加される。
Returning to FIG. 7, when the
ギャップセンサ47a〜47cからは、センサターゲット46とのギャップに対応したセンサ信号G1〜G3が出力される。モータロータ62の磁極位置とセンサターゲット46の段差部460との位相差θは、上述したように位相差情報保持部48に保持されている抵抗値に基づいて遅延時間演算部75で算出される。ギャップセンサ47a〜47cから出力されたセンサ信号G1〜G3は、モータ制御部7の信号遅延部73に入力される。なお、磁極位置と段差部460との間には位相差θがあるので、センサ信号G1〜G3をそのまま回転位置信号として用いることはできない。
Sensor signals G1 to G3 corresponding to the gap with the
信号遅延部73は、センサ信号G1〜G3に対して遅延処理を施して正しい回転位置信号S1〜S2を生成し、その回転位置信号S1〜S3をモータ駆動波形生成回路72へと出力するものである。図10は、センサ信号G1〜G3,回転位置信号S1〜S3およびU相コイル,V相コイルおよびW相コイルに印加される電圧の各波形パターン(タイムチャート)を示したものである。ギャップセンサ47a〜47cがセンサターゲット46の凸面46aに対向するとセンサ信号G1〜G3はHigh状態となり、逆に凹面46bに対向するとセンサ信号G1〜G3はLow状態となる。
The
ギャップセンサ47a〜47cは120度毎に配設されているので、センサ信号G2はセンサ信号G1に対して120度だけ位相がずれており、同様に、センサ信号G3はセンサ信号G2に対して120度だけ位相がずれている。モータ駆動波形生成回路72に入力されるべき正しい回転位置信号S1の立ち上がりとセンサ信号G1の立ち上がりとの間の時間差、すなわち遅延時間は図4に示した角度ズレである位相差θに起因して発生する。この遅延時間Δtは、ロータ回転周波数fと位相差θを用いて次式(1)で算出することができる。
Δt=(1/f)・(θ/360) …(1)
Since the
Δt = (1 / f) · (θ / 360) (1)
図7の回転速度検出部74は、ギャップセンサ47aのセンサ信号G1に基づいてモータロータ62の回転周波数fを演算し、演算された回転周波数fを遅延時間演算部75に出力する。遅延時間演算部75は、算出した位相差θと回転速度検出部74で算出された回転周波数fとに基づいて、式(1)により遅延時間Δtを算出する。信号遅延部73は、入力された遅延時間Δtとセンサ信号G1〜G3とに基づいて正しい回転位置信号S1〜S3を算出し、モータ駆動波形生成回路72へと出力する。
7 calculates the rotation frequency f of the
モータ駆動波形生成回路72では、回転位置信号S1〜S3に基づく論理演算を行うことにより、図10に示すようなU相,V相およびW相の電圧波形パターンをそれぞれ生成する。このように、ギャップセンサ47a〜47cから出力されるセンサ信号G1〜G3を、回転周波数fおよび位相差θから算出される遅延時間Δtにより補正して正しい回転位置信号S1〜S3を算出し、その回転位置信号S1〜S3によりモータ駆動信号U,V,Wを生成するようにしているので、モータロータの磁極位置と同期信号との間に位相差θがあっても同期駆動が可能となる。
The motor drive
上述したように、本実施の形態では、センサターゲット46をシャフト部45に固定した後に、モータロータの磁極位置とセンサターゲット46との位相差を実測し、その位相差情報を位相差情報保持部48に記憶するようにした。そのため、センサターゲット46をシャフト部45に固定する際に、段差部46cの位置をモータロータ62のN極とS極との境界面の位置と正確に一致させる必要がなく、組み立て作業の効率化を図ることができる。
As described above, in the present embodiment, after the
また、位相差情報保持部48はポンプ本体1側に設けられ、ポンプ本体1固有の位相差情報(位相差θに対応する抵抗値)がそれぞれ保持されている。そのため、電源装置2に接続されるポンプ本体1を他のポンプ本体1に交換した場合でも、電源装置2はポンプ本体1の位相差情報保持部48から位相差情報を読み込むことにより、交換後のポンプ本体1に自動的に対応することができる。
The phase difference
−第2の実施の形態−
図11は本発明による真空ポンプの第2の実施形態を示す図であり、上述した図7と同様のブロック図である。上述した第1の実施の形態では、図7に示したように3つのギャップセンサ47a〜47cを用いたが、第2の実施の形態では一つのギャップセンサ47aを用いてモータ回転制御を行う。ギャップセンサ47aから出力されるセンサ信号G1は、第1の実施の形態と同様に信号遅延部73および回転速度検出部74に入力される。
-Second Embodiment-
FIG. 11 is a diagram showing a second embodiment of the vacuum pump according to the present invention, and is a block diagram similar to FIG. 7 described above. In the first embodiment described above, the three
第1の実施の形態と同様に、遅延時間演算部75は、位相差情報保持部48から読み取った抵抗値から位相差θを算出する。そして、その位相差θと回転速度検出部74で算出されたロータ回転周波数fとに基づいて遅延時間Δtを算出し、信号遅延部73に出力する。信号遅延部73は、センサ信号G1と算出された遅延時間Δtとに基づいて正しい回転位置信号S1を生成し、その回転位置信号S1をモータ駆動波形生成回路72に出力する。
As in the first embodiment, the delay
上述した、第1の実施の形態のように3つのギャップセンサ47a〜47cを備える装置の場合には、各ギャップセンサ47a〜47cのセンサ信号G1〜G3を位相補正することにより、120度ずつ位相のずれた回転位置信号S1〜S3が得られた。そのため、回転位置信号S1〜S3を用いた論理演算により電圧波形パターンU,V,Wを生成することができた。
In the case of the apparatus including the three
ところが、本実施の形態では、図12に示すように一つの回転位置信号S1だけしか得られない。そこで、回転速度検出部74において回転周期T1=1/fを算出し、モータ駆動波形生成回路72では回転周期T1と回転位置信号S1とに基づいてU相,V相およびW相の電圧波形パターンを生成する。
However, in the present embodiment, only one rotational position signal S1 can be obtained as shown in FIG. Therefore, the rotation
図12はパターン生成方法を説明する図である。ここでは、1周期前の回転速度データから1回転の時間を6分割して駆動パターン切り換え時間T1/6を生成し、そのタイミングで図6の電圧波形パターンU,V,Wと同様のパターンを生成するようにする。まず、センサ信号G1が取得されたならば、信号遅延部73は遅延時間演算部75で算出された遅延時間Δtに基づいて回転位置信号S1を生成する。回転位置信号S1の周期は、回転速度検出部74で算出されるセンサ信号G1の周期T1と同一である。
FIG. 12 is a diagram for explaining a pattern generation method. Here, the drive pattern switching time T1 / 6 is generated by dividing the time of one rotation from the rotation speed data of one cycle before, and the same pattern as the voltage waveform patterns U, V, and W of FIG. To generate. First, when the sensor signal G1 is acquired, the
次いで、2周期目の回転位置信号S1が生成されたならば、その信号立ち上がりと同期して電圧波形パターンU,V,Wの生成を開始する。そして、時間T1/6が経過する毎に生成される波形パターンを切り換える。一方、信号遅延部73においては2周期目の回転信号S1が生成され、モータ駆動波形生成回路72に入力される。2周期目の回転信号S1の周期はT2とする。加速時や減速時はロータ回転速度が変化するので、一般的にはT2≠T1である。
Next, when the rotation position signal S1 in the second cycle is generated, generation of the voltage waveform patterns U, V, and W is started in synchronization with the rise of the signal. And the waveform pattern produced | generated is switched whenever time T1 / 6 passes. On the other hand, in the
図12に示す例ではT2<T1(加速状態)となっている。上述したように、1周期目の電圧波形パターンU,V,Wは2周期目の回転信号S1の立ち上がりと同期して生成開始され、T1/6毎に波形の切り換えが行われる。すなわち、1周期目の電圧波形パターンU,V,Wは周期がT1であるとして生成される。しかし、2周期目の回転信号S1の立ち上がりは1周期目の電圧波形パターンU,V,Wが生成開始されてから時間T2後に発生するので、T1/6毎に形成される波形パターンの内の6番目の波形パターンの生成時間はT1/6よりも短くなる。 In the example shown in FIG. 12, T2 <T1 (acceleration state). As described above, generation of the voltage waveform patterns U, V, and W in the first cycle is started in synchronization with the rising edge of the rotation signal S1 in the second cycle, and the waveform is switched every T1 / 6. That is, the voltage waveform patterns U, V, and W in the first cycle are generated assuming that the cycle is T1. However, the rise of the rotation signal S1 in the second cycle occurs after time T2 from the start of generation of the voltage waveform patterns U, V, and W in the first cycle, and therefore, among the waveform patterns formed every T1 / 6. The generation time of the sixth waveform pattern is shorter than T1 / 6.
このように、第2の実施の形態では、回転位置信号S1の立ち上がりに同期して各周期の電圧波形パターンU,V,Wの生成を開始し、それ以前に取得された回転周期を6分割した時間で波形パターンの切り換えを行う。上述した例では、1回目の回転位置信号S1の周期を用いたが、2回以上前に取得された回転位置信号S1の周期を用いても良い。よって、本実施の形態では、第1の実施の形態と同様の効果を奏することができるとともに、さらに、ギャップセンサ47の数を一つに減らすことでコスト削減を図ることができるとともに、センサ設置スペースの削減および設置自由度の向上を図ることができる。
As described above, in the second embodiment, generation of the voltage waveform patterns U, V, and W for each period is started in synchronization with the rising edge of the rotational position signal S1, and the rotation period acquired before that is divided into six. The waveform pattern is switched at the specified time. In the example described above, the cycle of the first rotation position signal S1 is used, but the cycle of the rotation position signal S1 acquired two or more times before may be used. Therefore, in the present embodiment, the same effect as that of the first embodiment can be obtained, and further, the cost can be reduced by reducing the number of
ところで、回転始動時のようにロータ4が停止状態にある場合には、回転周波数fが算出できない。そのため、始動時においては、図10や図12に示すような電圧波形パターンU,V,Wをモータロータ62の磁極位置とは非同期で生成し、その周期を順次短くすることによりロータ4を所定の回転速度まで加速する。そして、ロータ回転速度が、回転速度検出部74による回転周波数fが取得可能な所定回転速度となったならば、回転周波数fを検出し、信号遅延部73による位相差θに対応する位相補正を行って同期運転に移行する。
By the way, when the
[始動性向上の方法]
回転始動時に電圧波形パターンU,V,Wをモータロータ62の磁極位置とは非同期で生成する場合には、逆回転してしまうおそれがある。そこで、以下のように制御することで、始動性の向上を図ることができる。なお、以下ではギャップセンサ47が1個の場合の始動性向上について説明する。
[How to improve startability]
If the voltage waveform patterns U, V, and W are generated asynchronously with the magnetic pole position of the
ギャップセンサ47はモータステータ61のW相のコイルと同位相に設置され、モータロータ62の磁極とセンサターゲット46との位相が一致しているとする。モータロータ62の磁極がモータステータ61のコイルに正対して静止すると考えた場合、モータ静止時のギャップセンサ47の出力がオンであるときに考えられるモータロータ62の位置は、図13の(a)〜(b)に示す3つの状態である。
The
この時、どの静止位置においてもモータロータ62が逆転しないように駆動を開始することができる磁界M1の方向は、図13の破線矢印の方向であることがわかる。ロータ静止位置のバラツキも考慮すると、1つの回転同期信号G1で駆動を開始する場合は、実線矢印の方向(駆動パターンV→W)から駆動開始すれば逆転方向に大きく回ることがなく、始動性を向上させることができる。
At this time, it can be seen that the direction of the magnetic field M1 that can start the drive so that the
なお、ロータ静止状態が図13(c)に示す状態であった場合には、実線矢印の磁界を印加すると、いったん30度だけ逆転方向に駆動されることになるが、この程度の逆転駆動であれば始動性を妨げることはない。よって、図13のように位相差が0度である場合には、静止時のギャップセンサ47の出力がオンであったならば、駆動パターン(V→W)から駆動を開始すれば、逆転することなく始動させることができる。なお、ギャップセンサ47の出力がオンになる場合を例に説明したが、出力がオフとなった場合についても、位相が180度異なる点を除いて同様に考えることができる。
When the rotor stationary state is the state shown in FIG. 13C, when the magnetic field indicated by the solid arrow is applied, the rotor is once driven in the reverse direction by 30 degrees. If it is, startability will not be hindered. Therefore, when the phase difference is 0 degree as shown in FIG. 13, if the output of the
始動動作の手順としては、先ず、ギャップセンサ47の出力がオンかオフかを検出する。ギャップセンサ47の出力がオンの場合には、上述したように駆動パターン(V→W)から駆動を開始する。逆にオフであった場合には、180度位相が異なる駆動パターン(W→V)から駆動を開始する。
As a procedure of the starting operation, first, it is detected whether the output of the
次に、位相差≠0である場合、例えば、図14に示すように、モータロータ62の磁極に対して、センサターゲット46の位相が回転方向(左回り)に30度の位相差がある場合について説明する。図14(a)に示す状態で静止している場合、ギャップセンサ47の出力がオンになる場合がある。オン状態であるとして上述したように駆動パターン(V→W)で駆動すると、実線矢印で示すようにモータロータ62の磁界方向に対して150度進んだ方向に駆動磁界が形成されることになる。
Next, when the phase difference is not equal to 0, for example, as shown in FIG. 14, when the phase of the
図14(a)からも分かるように、位相差がこれ以上大きくなると逆転方向に駆動される可能性が出てくる。そのため、位相差が30度を超える場合には、始動時の駆動電流の駆動パターンを60度遅らせて駆動パターン(W→U)とする。駆動磁界は破線矢印で示す方向となり、始動時の逆転を避けることができる。なお、図14の(b)〜(c)は、ギャップセンサ47の出力がオンとなる場合のロータ静止位置を示したものである。
As can be seen from FIG. 14A, when the phase difference becomes larger than this, there is a possibility of being driven in the reverse direction. Therefore, when the phase difference exceeds 30 degrees, the drive pattern of the drive current at the start is delayed by 60 degrees to obtain a drive pattern (W → U). The drive magnetic field is in the direction indicated by the dashed arrow, and reversal at the start can be avoided. 14B to 14C show the rotor stationary position when the output of the
このように、位相差の大きさに応じて、始動時の駆動パターンを決定する。図15は、位相差の大きさに応じた駆動開始パターンを示したものである。図15に示すようなテーブルを予めモータ駆動制御部7の記憶部に記憶しておき、ポンプ本体側から読み込んだ位相差情報と図15のテーブルとに基づいて駆動開始パターンを決定することで、逆転することなく始動させることができる。なお、決定された駆動開始パターンをモータ駆動制御部7の記憶部に記憶しておけば、ポンプ本体の効果を行わない限り、駆動開始パターンを求める演算を始動の度に行う必要がない。
In this way, the driving pattern at the start is determined according to the magnitude of the phase difference. FIG. 15 shows a drive start pattern corresponding to the magnitude of the phase difference. A table as shown in FIG. 15 is stored in the storage unit of the motor
なお、上述した実施の形態では、位相差を測定する方法として、マーク620に対する段差部460の位相差を測定し、磁極位置と段差部460との位相差を取得するようにしたが、次のように測定しても良い。例えば、駆動パターンの起点を(U→W)とする場合、それよりも60度前の駆動パターン(U→V)で駆動電流を固定し、モータロータ62が静止するのを待つ。このとき、図4に示すように、モータロータ62のN極の方向はステータコイルが形成する磁界M1の向きと一致し、N極とS極との境界はW相のコイルと正対することになる。
In the above-described embodiment, as a method of measuring the phase difference, the phase difference of the
図16(a)は位相差がゼロの場合を示したものであり、W相の位置に配置されたギャップセンサ47にセンサターゲット46の段差部460が対向することになる。そのため、ギャップセンサ47の出力がOFFからONに切り替わるタイミングが、駆動パターンを(U→V)から(U→W)に切り替えるタイミングとなる。なお、図16において、センサターゲット46の符号ON,OFFは上述したHigh,Lowに対応しており、以下ではHigh,Lowの代わりにON,OFFを用いる。
FIG. 16A shows a case where the phase difference is zero, and the stepped
一方、図16(b)に示すように位相差がゼロでない場合には、センサターゲット46の段差部460は、ギャップセンサ47の位置から位相差分だけずれてしまうことになる。この位相差を、すなわち、モータロータ静止位置におけるセンサターゲット46の位相とモータステータ61のW相コイルの位相との間の角度を、モータ回転方向に測定する。
On the other hand, when the phase difference is not zero as shown in FIG. 16B, the stepped
測定方法としては、図16(b)の状態から、モータロータ62が装着されているロータシャフト45(図2参照)、すなわち、ロータ4を回転角度測定用の治具等を用いて手動で右回りに回転する。そして、ギャップセンサ47の出力がONからOFFに切り替わった時の回転角度を計測することで、W相の位置と段差部460の位置との位相差を得ることができる。この位相差は、モータロータ62の磁極とターゲットセンサ46との位相差に一致している。この測定法であれば、ポンプ組立後にも位相差測定を行うことができる。
As a measuring method, from the state of FIG. 16B, the rotor shaft 45 (see FIG. 2) on which the
また、モータロータ62を手動回転させる代わりに、ギャップセンサ47の方を回転させて位相差を計測するようにしても良い。例えば、ギャップセンサ47を組み付ける前の段階で、回転角度が可変な角度測定用ギャップセンサを用いて計測する。この場合、図16(b)の状態において、角度測定用ギャップセンサをW相の位置から左回りに回転し、出力がONからOFFに切り替わる角度を計測する。
Further, instead of manually rotating the
なお、上述した実施の形態では2極モータを例に説明したが、他の極数のモータに対しても、回転位置センサの数および配置を変更することにより同様に本発明を適用することができる。また、ターボ分子ポンプを例に説明したが、モータロータに永久磁石を内蔵するモータによりロータを回転する真空ポンプ装置であれば、本発明はターボ分子ポンプに限らず適用することができる。 In the above-described embodiment, a two-pole motor has been described as an example. However, the present invention can be similarly applied to motors having other numbers of poles by changing the number and arrangement of rotational position sensors. it can. Although the turbo molecular pump has been described as an example, the present invention is not limited to the turbo molecular pump as long as it is a vacuum pump device that rotates the rotor by a motor having a permanent magnet built into the motor rotor.
以上説明した実施の形態と特許請求の範囲の要素との対応において、ポンプ本体1はポンプユニットを、電源装置2は制御ユニットを、位相差情報保持部48は保持手段を、信号遅延部73および遅延時間演算部75はロータ磁極位置演算手段を、段差部460はギャップ変化部を、遅延時間演算部75は位相差演算手段を、モータ制御マイコン70は設定手段をそれぞれ構成する。なお、以上の説明はあくまでも一例であり、発明を解釈する際、上記実施の形態の記載事項と特許請求の範囲の記載事項の対応関係に何ら限定も拘束もされない。
In the correspondence between the embodiment described above and the elements of the claims, the
1:ポンプ本体、2:電源装置、4:ロータ、5:磁気軸受、6:モータ、7:モータ制御部、8:軸受制御部、45:ロータシャフト、46:センサターゲット、47,47a〜47c:ギャップセンサ、48:位相差情報保持部、62:モータロータ、70:モータ制御マイコン、72:モータ駆動波形生成回路、73:信号遅延部、74:回転速度検出部、75:遅延時間演算部、460:段差部、620:マーク、61:モータステータ、G1〜G3:センサ信号 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1: Pump main body, 2: Power supply device, 4: Rotor, 5: Magnetic bearing, 6: Motor, 7: Motor control part, 8: Bearing control part, 45: Rotor shaft, 46: Sensor target, 47, 47a-47c : Gap sensor, 48: phase difference information holding unit, 62: motor rotor, 70: motor control microcomputer, 72: motor drive waveform generation circuit, 73: signal delay unit, 74: rotational speed detection unit, 75: delay time calculation unit, 460: Stepped portion, 620: Mark, 61: Motor stator, G1 to G3: Sensor signal
Claims (7)
前記ポンプユニットに着脱自在に接続されて前記モータロータの回転を駆動制御する制御ユニットとを備える真空ポンプ装置において、
前記ポンプロータに固定され、ターゲット面にギャップ変化部を有するセンサターゲットと、
前記ターゲット面に対向配置され、前記ギャップ変化部を検出して前記ポンプロータの回転に同期したセンサ信号を出力するセンサと、
前記ポンプユニットに設けられ、前記モータロータのロータ磁極位置と前記ギャップ変化部の位置とに関する位相差に対応した位相差情報を保持する保持手段とを備え、
前記制御ユニットは、前記保持手段に保持された前記位相差情報に基づいて前記モータロータの回転を駆動制御することを特徴とする真空ポンプ装置。 A pump unit that rotates a motor rotor mounted on the pump rotor and having a permanent magnet by a rotating magnetic field formed by a motor stator;
In a vacuum pump device comprising a control unit that is detachably connected to the pump unit and that controls the rotation of the motor rotor.
A sensor target fixed to the pump rotor and having a gap changing portion on a target surface;
A sensor that is disposed opposite to the target surface, detects the gap change portion, and outputs a sensor signal synchronized with the rotation of the pump rotor;
A holding unit that is provided in the pump unit and holds phase difference information corresponding to a phase difference between a rotor magnetic pole position of the motor rotor and a position of the gap changing unit;
The vacuum pump device characterized in that the control unit drives and controls the rotation of the motor rotor based on the phase difference information held in the holding means.
前記センサ信号に基づいて前記ポンプロータの回転速度を検出する回転速度検出手段と、
前記センサ信号を前記回転速度および前記位相差情報に基づいて補正することにより、回転時の前記ロータ磁極位置を算出するロータ磁極位置演算手段とを備え、
前記制御ユニットは、前記ロータ磁極位置演算手段により算出されたロータ磁極位置に基づいて前記モータロータの回転を駆動制御することを特徴とする真空ポンプ装置。 The vacuum pump device according to claim 1,
A rotational speed detecting means for detecting the rotational speed of the pump rotor based on the sensor signal;
Rotor magnetic pole position calculating means for calculating the rotor magnetic pole position during rotation by correcting the sensor signal based on the rotational speed and the phase difference information;
The vacuum pump device characterized in that the control unit drives and controls the rotation of the motor rotor based on the rotor magnetic pole position calculated by the rotor magnetic pole position calculating means.
前記保持手段は、前記位相差に対応付けられた抵抗値を有する抵抗器を備え、
前記制御ユニットに、前記抵抗器の抵抗値に基づいて前記位相差を算出する位相差演算手段を設けたことを特徴とする真空ポンプ装置。 The vacuum pump device according to claim 1 or 2,
The holding means includes a resistor having a resistance value associated with the phase difference,
The vacuum pump device according to claim 1, wherein the control unit is provided with phase difference calculation means for calculating the phase difference based on a resistance value of the resistor.
前記抵抗器を可変抵抗器としたことを特徴とする真空ポンプ装置。 The vacuum pump device according to claim 3,
A vacuum pump device characterized in that the resistor is a variable resistor.
前記保持手段は、オンオフ状態として前記位相差情報を保持する複数のスイッチを備え、
前記制御ユニットに、前記複数のスイッチのオンオフ状態に応じて前記位相差を算出する位相差演算手段を設けたことを特徴とする真空ポンプ装置。 The vacuum pump device according to claim 1 or 2,
The holding means includes a plurality of switches that hold the phase difference information in an on / off state,
The vacuum pump device according to claim 1, wherein the control unit is provided with phase difference calculation means for calculating the phase difference in accordance with an on / off state of the plurality of switches.
前記モータロータを回転始動する際の前記センサのセンサ信号と前記位相差情報とに基づいて、前記回転磁界を形成するための複数の駆動電流パターンから、前記モータロータを正回転方向に回転始動させるための駆動電流パターンを選択し、それを始動時駆動電流パターンに設定する設定手段を備えたことを特徴とする真空ポンプ装置。 In the vacuum pump device according to any one of claims 1 to 5,
Based on a plurality of drive current patterns for forming the rotating magnetic field based on a sensor signal of the sensor and the phase difference information when the motor rotor is rotated and started, the motor rotor is rotated and started in a positive rotation direction. A vacuum pump device comprising setting means for selecting a driving current pattern and setting it to a driving current pattern at start-up.
前記モータステータに所定の駆動電流パターンで電流を流して、前記モータロータを所定の回転停止位置に保持し、
前記モータステータの磁界方向に対する前記ギャップ変化部の位相角度を検出し、
検出された前記位相角度に基づいて前記位相差を算出することを特徴とする位相差検出方法。 A phase difference detection method for detecting the phase difference of the vacuum pump device according to any one of claims 1 to 6,
A current is passed through the motor stator in a predetermined drive current pattern, and the motor rotor is held at a predetermined rotation stop position.
Detecting the phase angle of the gap changing portion with respect to the magnetic field direction of the motor stator;
A phase difference detection method, wherein the phase difference is calculated based on the detected phase angle.
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