JPH07127594A - 磁気軸受ターボ分子ポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 磁気軸受ターボ分子ポンプの停電時に安全に
ロータを停止する。 【構成】 アキシャル方向タッチダウン軸受にロータを
接触させるときに、磁気軸受に加える反発力をタッチダ
ウン制御回路により間欠的に変化させてロータをタッチ
ダウン軸受に断続的に接触させ、ソフトにタッチダウン
させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、磁気軸受でロータが支
持されるターボ分子ポンプに関する。

【０００２】

【従来の技術】ターボ分子ポンプにはロータを非接触で
支持できる磁気軸受が使用されることがある。一般に磁
気軸受は、鉄心と電磁力発生用の電磁石との吸引力によ
り軸受作用をおこさせるものであり、ターボ分子ポンプ
ではロータ側に鉄心を取り付けるとともにこれと対向す
る位置に電磁石を設け、この電磁石に所定の電流を流す
ことにより、ロータを磁気浮上させている。

【０００３】ターボ分子ポンプのロータを安定に支持す
るためには、通常ロータ軸の上側と下側に１つずつラジ
アル方向の制御をするラジアル磁気軸受を設け、さらに
アキシャル方向の制御をするためにアキシャル方向磁気
軸受を設けている。そして、それぞれの磁気軸受の近傍
に位置センサが取り付けてあり、これらの磁気軸受の電
磁石に流す電流値を、位置センサからの信号でフィード
バック制御することで発生電磁力を調整し、ロータを非
接触で支持して軸受としての動作をするようにしてい
る。

【０００４】ロータが磁気軸受により支持されるターボ
分子ポンプでは、商用電源の停電などで磁気軸受の制御
回路が働かなくなり、磁気軸受制御が制御不能となると
ロータが重力によって下降し、ロータ破損事故につなが
るため、安全対策を施している。 従来からの安全対策
として、非常用電源であるバッテリを装備し、停電発生
を感知するとこのバッテリからの電力で磁気軸受制御回
路をバックアップし、ロータの回転数が十分小さくなっ
てからロータ軸を非常用の玉軸受（タッチダウン軸受と
呼ぶ）に接触させるものがある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】この方法では十分に回
転数を落とす必要があるため、長時間のバックアップ用
電源が必要となり大型のバッテリが必要となる。すなわ
ち、もしも回転数が落ちていない高速回転状態でタッチ
ダウン軸受に接触させると、接触の瞬間にタッチダウン
軸受に多大なダメージを与える。特にアキシャル方向の
タッチダウン軸受はラジアル方向のタッチダウン軸受に
比べてロータの自重が加わるためそのダメージは激し
い。そのため、アキシャル方向のタッチダウン軸受が損
傷し、一回の停電ごとにタッチダウン軸受を交換しなけ
ればならなくなる。停電時の電力源としてバッテリのか
わりに回生電力を利用するものもある。この場合も回生
電力を得るにはある程度高速回転が必要であることか
ら、回転数が低下して回生電力が得られなくなった瞬間
に（このときの回転数は低下したとはいえタッチダウン
軸受を損傷してしまうに十分な回転数である）接触が起
こってタッチダウン軸受にダメージを与えることにな
る。

【０００６】したがって、停電時に単にバッテリや回生
電力でバックアップする方法では、バックアップ用電力
が切れた瞬間にロータ軸はタッチダウン軸受に十分回転
数が落ちていない状態で接触することとなり、タッチダ
ウン軸受を損傷してしまうこととなった。あるいは、損
傷を防止するために、大型のバッテリを常備しておくこ
とが必要で、ターボ分子ポンプのコンパクト化が図れ
ず、使いにくいものとなった。

【０００７】本発明は上記課題を解決し、大型のバッテ
リを装備することなく、しかも停電時にタッチダウン軸
受を損傷することなく安全にロータの回転を停止するよ
うにした磁気軸受ターボ分子ポンプを提供することを目
的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記問題を解決するため
になされた本発明は、ロータを磁気軸受により支承する
磁気軸受ターボ分子ポンプにおいて、ロータの位置を検
出する位置センサと、位置センサの信号を受けて磁気軸
受を制御する磁気軸受制御回路と、停電検出回路と、停
電検出回路により停電が検知された時に電力を供給する
非常用電源と、ロータが回転中に停電検出回路により停
電が検知された時にロータを間欠的にタッチダウン軸受
と接触させるタッチダウン制御回路とを備え、ロータが
回転中に停電状態になったときにタッチダウン軸受を徐
々に加速してからロータをタッチダウン軸受により支承
するようにしたことを特徴とする。

【０００９】以下、この構造の磁気軸受ターボ分子ポン
プがどのように作用するかを説明する。

【００１０】

【作用】本発明の構成による磁気軸受ターボ分子ポンプ
では、停電が発生したことを停電検出回路が検出する
と、平常時の商用電源ラインに切り替わり、非常用電源
が電力源となりその後短時間の間の磁気軸受制御回路、
タッチダウン制御回路、位置センサへの電力供給を行
う。停電検出により、タッチダウン制御回路が働き初
め、ここから磁気軸受制御回路にタッチダウン制御用の
信号が送られる。磁気軸受制御回路では通常の磁気軸受
制御に以下に述べるようなタッチダウン制御が重ねて行
われるようになる。磁気軸受制御回路は、位置センサか
らのロータの位置信号を受けて、ロータが正常に回転を
維持できるように制御するとともに、タッチダウン制御
回路からの信号による次のような動作を行ってロータを
タッチダウン軸受に徐々に接触させる。すなわち、ロー
タが正常に支承されるのに必要な電磁力に加えて、アキ
シャル方向に微小量変位するようにパルス的にタッチダ
ウン用電磁力を印加させる。このタッチダウン用電磁力
の大きさは初めは小さくしかもＯＮ時間が短いもので、
徐々に大きくまたはＯＮ時間が長くなるようにしてい
く。すると、最初のパルスを受けて発生する電磁力によ
りロータはかすかにタッチダウン軸受に接触する。これ
によりタッチダウン軸受は回転を始めるがすぐにタッチ
ダウン用電磁力はＯＦＦになり、再びロータとタッチダ
ウン軸受は離れる。そのため、タッチダウン軸受はさほ
ど回転数は増えず、この低い回転数で慣性回転する。続
いて第２のパルスを受けて第１回のパルスよりすこし大
きいタッチダウン用電磁力が印加され、ロータがタッチ
ダウン軸受にかすかに接触する。これによりタッチダウ
ン軸受は一回目のパルスによる回転数より少し回転数が
増加するようになるが、すぐにタッチダウン用電磁力が
ＯＦＦになるので、再びロータとタッチダウン軸受は離
れる。そのため、第１回目にパルスによる回転数よりす
こし回転数が増加した状態で慣性回転する。以後、同様
の動作を繰り返すことで、タッチダウン軸受は徐々に回
転数を増すことになり、タッチダウン軸受には大きなダ
メージが加わることなく回転数が増加されてゆき、やが
てロータと完全に接触するようになった状態にもってい
く。このような動作により、タッチダウン軸受は損傷を
受けることなく、ロータを支持するようになる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の実施例を図を用いて説明す
る。図１は本発明による一実施例を示した磁気軸受ター
ボ分子ポンプの構成図を示す。図において、ロータ１は
ロータ翼体２ａとロータ軸２ｂと円板２ｃにより構成さ
れ、ロータ軸２ｂにて支持される。ロータ軸２ｂはロー
タ翼体２ａの上側と下側とにある２つのラジアル磁気軸
受３と、ロータ軸下端付近の円板２ｃの近傍にあるアキ
シャル方向軸受５とで支承される。ラジアル磁気軸受３
の近くにはラジアル方向位置センサ６が取り付けられ、
またロータ軸下端面に対向してアキシャル方向位置セン
サ７が取り付けられる。また、各ラジアル方向磁気軸受
３の近傍にはラジアル方向タッチダウン軸受８が取り付
けられており、円板２ｃ下面側にはアキシャル方向タッ
チダウン軸受９が取り付けられる。磁気軸受制御回路２
０は、ラジアル方向位置センサ６からの位置信号を受け
てラジアル磁気軸受３をフィードバック制御し、またア
キシャル方向位置センサ７からの位置信号を受けて、ア
キシャル方向磁気軸受５をフィードバック制御する。こ
の磁気軸受制御回路２０にはタッチダウン制御回路２１
が接続されており、タッチダウン制御回路２１は停電検
出回路２２が停電を感知して停電信号が送られたときに
駆動され、非停電時には動作しないようになっている。

【００１２】停電検出回路２２は商用電力が供給されて
いるかを検知するものであり、商用電源２３が停電でな
いときは商用電源２３より電力を供給し、商用電源２３
が停電状態にになるとこれを検知して電力源を非常用電
源であるバッテリ２４に切り替えるとともに、停電信号
をタッチダウン制御回路２１に送り出すように構成され
ている。停電状態においてバッテリ２４は磁気軸受制御
回路２０、タッチダウン制御回路２１に電力を供給する
ようになっており、図示しないロータの回転駆動用モー
タには供給されないようになっている。

【００１３】つぎに以上のように構成される磁気軸受タ
ーボ分子ポンプの停電発生時の制御動作を説明する。

【００１４】停電が発生して商用電源２３からの電力供
給が停止したことを停電検出回路２２が検出すると、図
示しない切り替えスイッチにより電力供給源がバッテリ
２４に切り替わる。バッテリ２４からはこれ以降の制御
に最低限必要なタッチダウン制御回路と磁気軸受制御回
路２０とに電力供給を行い、ロータ回転用モータへの電
力供給は行わない。したがって、ロータは慣性力によっ
て回転している状態となる。また、停電検出回路２２は
タッチダウン制御回路２１に停電信号を送り、この信号
を受けたタッチダウン制御回路２１はタッチダウン制御
を開始する。そしてタッチダウン制御回路２１に接続さ
れている磁気軸受制御回路２０は、通常の磁気軸受制御
とタッチダウン制御とを重ねて行う。このときの制御の
様子を図２を用いて説明する。

【００１５】図２は停電によりタッチダウン制御と通常
の磁気軸受制御とが重ねて行われているときのロータ回
転数とタッチダウン軸受回転数と制御信号との経時変化
を示す図である。なお、以下の制御信号はアキシャル方
向の制御についてのものであり、ラジアル方向の制御は
通常の磁気軸受制御を行う。

【００１６】図２（ｄ）に示す磁気軸受制御信号はロー
タ軸を下降状態から一定高さの状態に磁気浮上するため
に必要な信号であり、浮上量に比例したほぼ一定の信号
である。すなわち、制御信号に応じた電流が磁気軸受５
のコイルに供給され、発生する磁力と図示しない円板２
ｃ上の鉄心との吸引力により円板２ｃ（したがってロー
タ１）が浮上される（このときの浮上位置を基準位置と
する）。

【００１７】これに対し、（ｃ）に示すタッチダウン制
御信号は間欠的に変化する信号であり、１回目の振幅が
最も小さく、回数が増えるにつれてその振幅が徐々に大
きくなっていくかあるいは振幅は同じであるが１回あた
りの状態の時間が長くなるかの変化をする。

【００１８】この（ｃ）と（ｄ）とを加算したものが
（ｅ）に示す重ね合わせた制御信号であり、磁気軸受制
御回路２０からはこの制御信号に応じたコイル電流がア
キシャル方向磁気軸受５に加えられる。この電流変化に
応じてアキシャル方向磁気軸受５での吸引力が変動する
ため、ロータ軸２は（ｅ）の制御信号に比例したアキシ
ャル方向の変位（基準位置からの変位）をする。

【００１９】そこで、磁気軸受制御回路２０よりアキシ
ャル方向磁気軸受５に（ｅ）に示すような制御信号を加
えると、まず１回目の信号により１回目のタッチダウン
が起きる。１回目の信号が小さくかつ時間が短いのでタ
ッチダウン軸受との接触はソフトなものとなる。したが
って、この１回目のタッチダウンによってタッチダウン
軸受９は低い回転数での回転が始まる。しばらく間をお
いて第２の信号により２回目のタッチダウンが起きる。
２回目の信号は１回目の信号に比べて振幅が少し大きく
なっているので、このタッチダウンによりタッチダウン
軸受の回転数は少し増加する。同様に３回目、４回目と
その信号の振幅または時間を変動しつつタッチダウンを
繰り返すことにより、タッチダウン軸受は大きなダメー
ジを受けることなく、回転数が増加してく。そしてタッ
チダウン軸受９の回転数とロータの回転数（徐々に低下
している）とがほぼ同じ程度になった時点でタッチダウ
ン制御および磁気軸受制御ををやめてタッチダウン軸受
９のみでロータ軸を支持するようにする。なお、この制
御を停止するまでの時間は予め定格回転数から停電状態
を生じさせてロータ回転数とタッチダウン軸受の回転数
が同じになるまでの時間を測定しておけば、それ以後は
この測定時間に合わせることで見積もることができる。

【００２０】本実施例ではタッチダウン制御のときの信
号はその振幅とその信号状態の時間（パルス幅）との双
方を変化させたがどちらか一方のみを変化させてもよ
い。

【００２１】また、アキシャル方向位置センサ７の位置
にロータの回転数センサを設け、この信号を利用してタ
ッチダウン制御することもできる。すなわち、タッチダ
ウンごとにロータ回転数を測定し、次のタッチダウンの
ときの信号を演算して最適なタッチダウン制御を行うこ
とで、さらにソフトなタッチダウン制御を行うこともで
きる。

【００２２】また、本実施例ではアキシャル方向タッチ
ダウン軸受について説明をしたが、ラジアル方向タッチ
ダウン軸受についても本実施例と同じようにタッチダウ
ン制御を行い、ラジアル磁気軸受の回転数を徐々に増加
することでダメージを低減することができる。

【００２３】また、本実施例ではロータ軸を鉛直方向に
支持したが、これに限るものではなく、ロータ軸を水平
に支持した場合でも同様に本発明のタッチダウン制御を
行うことができる。

【００２４】また、本実施例ではバッテリ内蔵のターボ
分子ポンプで説明したが、本発明を非常用電源として回
生電力を用いたターボ分子ポンプに利用するとより有効
である。すなわち、回生電力を利用するものはタッチダ
ウンさせる時の回転数が一般に高く（バッテリ方式では
バッテリの容量を大きくしさえすれば、ある程度低い回
転数までタッチダウンしないようにすることができる
が、回生方式ではそのようなことができず一般にバッテ
リ方式より回転数が高い状態でタッチダウンせざるを得
ない）タッチダウン軸受へのダメージが大きいからであ
る。

【００２５】

【発明の効果】以上、説明したように本発明の磁気軸受
ターボ分子ポンプでは、停電時にロータをタッチダウン
軸受に間欠的に接触させることにより、タッチダウン軸
受の回転数を徐々に増加されてからロータを支承するよ
うにしているので、タッチダウン軸受の受けるダメージ
は小さく、ロータを安全にタッチダウン軸受に接触させ
ることができる。しかも、タッチダウン後は通電しなく
ともよいので大きなバッテリを装備する必要もない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である磁気軸受ターボ分子ポ
ンプの構成図。

【図２】本発明の一実施例である磁気軸受ターボ分子ポ
ンプによりタッチダウン制御と通常の磁気軸受制御とが
重ねて行われているときのロータ回転数とタッチダウン
軸受回転数と制御信号との経時変化を示す図。

【符号の説明】

１：ロータ ５：アキシャル方向磁気軸受 ７：アキシャル方向位置センサ ９：アキシャル方向タッチダウン軸受 ２０：磁気軸受制御回路 ２１：タッチダウン制御回路 ２２：停電検出回路 ２４：バッテリ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 廣内 健二 京都市右京区西院追分町25番地 株式会社 島津製作所五条工場内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ロータを磁気軸受により支承する磁気軸受
   ターボ分子ポンプにおいて、ロータの位置を検出する位
   置センサと、位置センサの信号を受けて磁気軸受を制御
   する磁気軸受制御回路と、停電検出回路と、停電検出回
   路により停電が検知された時に電力を供給する非常用電
   源と、ロータが回転中に停電検出回路により停電が検知
   された時にロータを間欠的にタッチダウン軸受と接触さ
   せるタッチダウン制御回路とを備え、ロータが回転中に
   停電状態になったときにタッチダウン軸受を徐々に加速
   してからロータをタッチダウン軸受により支承するよう
   にしたことを特徴とする磁気軸受ターボ分子ポンプ。