JP4502667B2 - 磁気軸受装置及び該磁気軸受装置を搭載したターボ分子ポンプ - Google Patents

Description

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

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

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

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

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

この制御装置においては、上側径方向センサ１０７が検出した変位信号に基づき、ＰＩＤ調節機能を有する補償回路を介したアンプ回路１５０（後述する）により上側径方向電磁石１０４を励磁制御し、ロータ軸１１３の上側の径方向位置を調整する。
そして、このロータ軸１１３は、高透磁率材（鉄など）などにより形成され、上側径方向電磁石１０４の磁力により吸引されるようになっている。かかる調整は、Ｘ軸方向とＹ軸方向とにそれぞれ独立して行われる。

また、下側径方向電磁石１０５及び下側径方向センサ１０８が、上側径方向電磁石１０４及び上側径方向センサ１０７と同様に配置され、ロータ軸１１３の下側の径方向位置を上側の径方向位置と同様に調整している（下側径方向電磁石１０５についても、必要に応じて電磁石１０５Ｘ＋、１０５Ｘ−、１０５Ｙ＋、１０５−という）。

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

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

このように、制御装置は、この軸方向電磁石１０６Ａ、１０６Ｂが金属ディスク１１１に及ぼす磁力を適当に調節し、ロータ軸１１３を軸方向に磁気浮上させ、空間に非接触で保持するようになっている。
なお、これら上側径方向電磁石１０４、下側径方向電磁石１０５及び軸方向電磁石１０６Ａ、１０６Ｂを励磁駆動するアンプ回路１５０については、後述にてさらに詳細に説明する。

一方、モータ１２１は、ロータ軸１１３を取り囲むように周状に配置された複数の磁極を備えている。各磁極は、ロータ軸１１３との間に作用する電磁力を介してロータ軸１１３を回転駆動するように、制御装置によって制御されている。
また、モータ１２１には図示しない回転数センサが組み込まれており、この回転数センサの検出信号によりロータ軸１１３の回転数が検出されるようになっている。さらに、例えば下側径方向センサ１０８近傍に、図示しない位相センサが取り付けてあり、ロータ軸１１３の回転の位相を検出するようになっている。制御装置では、この位相センサと回転数センサの検出信号をともに用いて磁極の位置を検出するようになっている。

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

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

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

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

回転体１０３の回転翼１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ、…に続く最下部には回転翼１０２ｄが垂下されている。この回転翼１０２ｄの外周面は、円筒状で、かつネジ付きスペーサ１３１の内周面に向かって張り出されており、このネジ付きスペーサ１３１の内周面と所定の隙間を隔てて近接されている。
ベース部１２９は、ターボ分子ポンプ本体１００の基底部を構成する円盤状の部材であり、一般には鉄、アルミニウム、ステンレスなどの金属によって構成されている。ベース部１２９はターボ分子ポンプ本体１００を物理的に保持すると共に、熱の伝導路の機能も兼ね備えているので、鉄、アルミニウムや銅などの剛性があり、熱伝導率も高い金属が使用されるのが望ましい。

かかる構成において、回転翼１０２がモータ１２１により駆動されてロータ軸１１３と共に回転すると、回転翼１０２と固定翼１２３の作用により、吸気口１０１を通じてチャンバからの排気ガスが吸気される。
吸気口１０１から吸気された排気ガスは、回転翼１０２と固定翼１２３の間を通り、ベース部１２９へ移送される。このとき、排気ガスが回転翼１０２に接触する際に生ずる摩擦熱や、モータ１２１で発生した熱の伝導などにより、回転翼１０２の温度は上昇するが、この熱は、輻射又は排気ガスの気体分子などによる伝導により固定翼１２３側に伝達される。

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

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

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

従来のアンプ回路の回路図を図１１に示す。なお、各電磁石１０４、１０５、１０６Ａ、１０６Ｂを構成する電磁石巻線１５１、１５１、…はターボ分子ポンプ本体１００側に存在する素子であるが、簡単のためこれもあわせて示す。
図１１において、電磁石巻線１５１は、一端１５１ａがトランジスタ１６１及びダイオード１６５に接続されている。一方、電磁石巻線１５１の他端１５１ｂは、電流検出回路１５５を介して、トランジスタ１６２及びダイオード１６６に接続されている。

このとき、トランジスタ１６１、１６２は、ともにパワーＭＯＳＦＥＴであり、トランジスタ１６１のドレイン端子１６１ａが電源１５３の正極１５３ａに、ソース端子１６１ｂが電磁石巻線１５１の一端１５１ａに接続されている。また、トランジスタ１６２は、ドレイン端子１６２ａが電流検出回路１５５を介して電磁石巻線１５１の他端１５１ｂに、ソース端子１６２ｂが電源１５３の負極１５３ｂに接続されている。

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

そして、電磁石巻線１５１の他端１５１ｂに接続されている電流検出回路１５５は、例えばホールセンサ式電流センサであり、電磁石巻線１５１に流れた電流（以下、電磁石電流ｉＬという）を検出して、この検出結果である電流検出信号１７３を後述するアンプ制御回路１７１に出力するようになっている。また、電源１５３の正極１５３ａ及び負極１５３ｂ間には、電源１５３の安定化のためのコンデンサ（図示略）が接続されるようになっている。
以上のようにして構成されるアンプ回路１５０は、各電磁石１０４、１０５、１０６Ａ、１０６Ｂを構成する電磁石巻線１５１、１５１、…毎に設けられるようになっている。

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

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

このとき、電流検出回路１５５で検出した電磁石電流ｉＬの値が電流指令値よりも小さい場合には、アンプ制御回路１７１で電磁石電流ｉＬを増加させるように制御が行われる。そのため、図１２に示すように１制御サイクルＴｓ中で両トランジスタ１６１、１６２をｏｎにするパルス幅時間が、両トランジスタ１６１、１６２をｏｆｆにするパルス幅時間よりも長くされる。その結果、電磁石電流ｉＬの増加時間Ｔｐ１が、その減少時間Ｔｐ２よりも長くなるので、１制御サイクルＴｓ中に電磁石電流ｉＬが増加する。

一方、電流検出回路１５５で検出した電磁石電流ｉＬの値が電流指令値よりも大きい場合には、アンプ制御回路１７１で電磁石電流ｉＬを減少させるように制御が行われる。そのため、図１２に示すように１制御サイクルＴｓ中で両トランジスタ１６１、１６２をｏｆｆにするパルス幅時間が、両トランジスタ１６１、１６２をｏｎにするパルス幅時間よりも長くされる。その結果、電磁石電流ｉＬの減少時間Ｔｐ２が増加時間Ｔｐ１よりも長くなるので、１制御サイクルＴｓ中に電磁石電流ｉＬが減少する。

これにより、制御サイクルＴｓ中に電磁石電流ｉＬを適宜増減させることができるので、電磁石電流ｉＬの値を電流指令値と一致させることができる。
なお、電流検出回路１５５における電磁石電流ｉＬの検出は、図１２に示すように制御サイクルＴｓ中に１回同じ検出タイミングＴｄで行われる。

特許３１７６５８４号公報（図８、図９）

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

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

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

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

本発明はこのような従来の課題に鑑みてなされたもので、電磁石を励磁駆動するアンプ回路の素子数を減らすことでターボ分子ポンプの製造、設置等に必要なコストを減少させるとともに、電磁石に流れる電流の検出に際して誤差を減らすことのできる磁気軸受装置及び該磁気軸受装置を搭載したターボ分子ポンプを提供することを目的とする。

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

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

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

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

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

励磁制御手段の第２のスイッチ素子を接続して切替手段の第１のスイッチ素子を接続すると、供給電流が流れて電磁石電流が増加する。一方、第２のスイッチ素子を切断して第１のスイッチ素子を切断すると、回生電流が流れて電磁石電流が減少する。
このことにより、励磁制御手段を１つのスイッチ素子と１つの整流素子のみで構成しても、電磁石電流を増加又は減少させて電磁石の励磁を制御することが可能となる。従って、設計や制御が容易な励磁制御手段、切替手段を選択可能となる。

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

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

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

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

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

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

切替手段は、共通ノード及び負極間、正極及び共通ノード間を断接するスイッチ素子と、共通ノードから正極へ、負極から共通ノードへ電流を流す整流素子とを有するので、複数個の電磁石が、第１の励磁制御手段により制御される電磁石と第２の励磁制御手段により制御される電磁石とに分けられても、電磁石電流を増加又は減少させて電磁石の励磁を制御することが可能となる。
なお、切替手段では、共通ノード及び負極間の接続と正極及び共通ノード間の接続とが重複しないようにスイッチ素子を断接することが望ましい。これにより正極及び負極間の貫通電流を防ぐことができる。

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

切替手段の切替位相、第１の励磁制御手段及び第２の励磁制御手段の制御位相を共通の制御サイクルのもとに調節することで、少ない素子でかつ簡単に回路構成できる。そして、制御サイクル中に上記供給電流、回生電流及びフライホイール電流のいずれかの電流を電磁石に流すことができる。

さらに、本発明は、磁気軸受装置に関し、前記複数個の電磁石は、前記正極及び前記共通ノード間に流れる電流と該共通ノード及び前記負極間に流れる電流とがほぼ均等化されるように、前記第１の励磁制御手段により制御される電磁石と前記第２の励磁制御手段により制御される電磁石とにグループ分けして構成されたことを特徴とする。

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

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

電磁石にフライホイール電流を流すことで電磁石電流を一定に保つことができるので、このときに電流検出手段では電磁石電流の検出が行われる。
従って、過渡的な状態で電磁石電流の検出を行う必要がないため、検出タイミングと実際の電磁石電流の波形との間にずれ等が生じても、本来検出すべきであった電磁石電流の値に対し大きく誤差を生じることはない。また、検出タイミング付近での電磁石電流の増減の切り替わりを避けられるので、励磁制御手段や正極、負極に生じるノイズを低減して、検出誤差を減らすことができる。

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

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

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

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

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

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

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

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

以下、本発明の第１の実施形態について説明する。
本発明の第１実施形態であるアンプ回路の回路図を図１に示す。なお、図１１と同一要素のものについては同一符号を付して説明は省略する。
図１において、ターボ分子ポンプ本体２００には、各電磁石１０４、１０５、１０６Ａ、１０６Ｂを構成する電磁石巻線１５１、１５１、…に対して共通のノード（このノードを共通ノードＣという）が設けられている。そして、各電磁石巻線１５１の一端１５１ａが共通ノードＣに接続されている。また、電磁石巻線１５１の他端１５１ｂは、アンプ回路２５０のトランジスタ２６１及びダイオード２６５に接続されている（この他端１５１ｂのノードをノードＥという）。

このとき、トランジスタ２６１は、パワーＭＯＳＦＥＴであり、ドレイン端子２６１ａが電磁石巻線１５１の他端１５１ｂに、ソース端子２６１ｂが電流検出回路２５５を介して電源１５３の負極１５３ｂに接続されている。また、ダイオード２６５は、電流回生用あるいはフライホイール用のダイオードであり、カソード端子２６５ａが電源１５３の正極１５３ａに、アノード端子２６５ｂが電磁石巻線１５１の他端１５１ｂに接続されている。

そして、トランジスタ２６１のソース端子２６１ｂに接続されている電流検出回路２５５は、一端が負極１５３ｂに他端がトランジスタ２６１のソース端子２６１ｂに接続された検出抵抗２５６と、この検出抵抗２５６の他端の電圧から電磁石電流ｉＬを検出する検出部２５７とを有している。この検出部２５７は電磁石巻線１５１に流れる電磁石電流ｉＬを検出して、この検出結果である電流検出信号２７３を後述するアンプ制御回路２７１に出力するようになっている。なお、このように一端が負極１５３ｂに接続された検出抵抗２５６を有する電流検出回路２５５を用いることで電流検出回路２５５に高い電圧が入力されることがなくなるので、電磁石電流ｉＬの検出に際してノイズが乗り難く、精度良く電磁石電流ｉＬを検出できるようになっている。
以上のようにして構成されるアンプ回路２５０は、各電磁石１０４、１０５、１０６Ａ、１０６Ｂを構成する電磁石巻線１５１、１５１、…毎に設けられるようになっている。

アンプ制御回路２７１は、従来と同様にＤＳＰ部（図示略）内の回路となっている。そして、このアンプ制御回路２７１は、電流検出回路２５５で検出した電磁石電流ｉＬの値と電流指令値とを比較し、電磁石電流ｉＬを増加させる時間（上述した増加時間Ｔｐ１）や電磁石電流ｉＬを減少させる時間（上述した減少時間Ｔｐ２）を決めて、これに基づきＰＷＭ制御による１周期である制御サイクルＴｓ内にトランジスタ２６１のゲート端子に出力するゲート駆動信号２７４のパルス幅時間を決めるようになっている。なお、ゲート駆動信号２７４を出力するに際しては、アンプ制御回路２７１からの出力信号を一度図示しないＦｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ（以下ＦＰＧＡという）に介した後にトランジスタ２６１に出力することで、高速動作できるようにしても良い。

さらに、図１において、アンプ回路２５０の共通ノードＣに対しては、切替回路２８０が接続されている。この切替回路２８０では、共通ノードＣに対してトランジスタ２８１及びダイオード２８５が接続されている。
ダイオード２８５は、電流回生用あるいはフライホイール用のダイオードであり、カソード端子２８５ａが共通ノードＣに、アノード端子２８５ｂがアンプ回路２５０と同じ電源１５３の負極１５３ｂに接続されている。また、トランジスタ２８１は、パワーＭＯＳＦＥＴであり、ドレイン端子２８１ａが電源１５３の正極１５３ａに、ソース端子２８１ｂが共通ノードＣに接続されている。そして、このトランジスタ２８１のゲート端子に対してはアンプ制御回路２７１から切替信号２７６が出力されるようになっており、アンプ制御回路２７１ではアンプ回路２５０に対する制御と同じ制御サイクルＴｓ内にトランジスタ２８１のゲート端子に出力する切替信号２７６のパルス幅時間を決めるようになっている。

かかる構成において、アンプ回路２５０のトランジスタ２６１をｏｎにして、切替回路２８０のトランジスタ２８１をｏｎにすると、正極１５３ａからトランジスタ２８１、共通ノードＣ、電磁石巻線１５１、トランジスタ２６１（及び電流検出回路２５５）を介して負極１５３ｂへ電流が流れる。そのため、電磁石巻線１５１には電源１５３の正極１５３ａから電流が供給されるので、電磁石電流ｉＬが増加する（この状態を増加モードＡ１という）。

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

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

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

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

そして、電流検出回路２５５で検出した電磁石電流ｉＬの値が電流指令値よりも小さい場合には、アンプ制御回路２７１で電磁石電流ｉＬを増加させるように制御が行われる。この場合には、１制御サイクルＴｓ中で上述した増加時間Ｔｐ１だけ増加モードＡ１の状態となるように制御が行われ、他の時間は一定モードＡ３、Ａ４いずれかの状態となるように制御が行われる。具体的には、時間０．５Ｔｓ〜時間Ｔｓでは切替回路２８０のトランジスタ２８１がｏｎにされているので、時間０．５Ｔｓを始点に時間Ｔｐ１だけトランジスタ２６１をｏｎにすることで増加時間Ｔｐ１だけ増加モードＡ１の状態とする。また、この時間Ｔｐ１経過後は、トランジスタ２６１をｏｆｆにすることで一定モードＡ４の状態とする。一方、時間０〜時間０．５Ｔｓでは、切替回路２８０のトランジスタ２８１がｏｆｆにされているので（すなわち増加モードＡ１の状態にはできないので）、トランジスタ２６１をｏｎにすることで一定モードＡ３の状態とする。これにより、１制御サイクルＴｓ中に増加時間Ｔｐ１だけ電磁石電流ｉＬが増加される。

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

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

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

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

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

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

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

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

なお、本実施形態では、切替回路２８０はトランジスタ２８１及びダイオード２８５からなるとして説明してきたが、これに限られない。例えば、図３に示すように、上記構成に加えてドレイン端子２８２ａが共通ノードＣに、ソース端子２８２ｂが負極１５３ｂに接続されたトランジスタ２８２を設けても良い。これにより、アンプ制御回路２７１からトランジスタ２８２のゲート端子に切替信号２７７を出力してこれを制御し、減少モードＡ２や一定モードＡ３の状態でダイオード２８５に電流が流れるときにトランジスタ２８２をｏｎにさせる（すなわち同期整流方式で制御する）ことで、上記モードでのダイオード２８５の発熱を抑えることができる。

また、本実施形態においては、アンプ回路２５０に対しては、時間０．５Ｔｓを始点あるいは終点として増加時間Ｔｐ１、減少時間Ｔｐ２を設けていたが、これに限られず、それぞれ時間Ｔｓを終点としたり時間０を始点としたりして増加時間Ｔｐ１、減少時間Ｔｐ２を設けるようにしても良い。

さらに、本実施形態においては、電磁石電流ｉＬが一定の状態にあるとき（すなわち一定モードＡ３の状態にあるとき）に電磁石電流ｉＬの検出が行われるとして説明したが、さらに具体的に次のように行っても良い。すなわち、アンプ回路２５０及び切替回路２８０に対して制御サイクルＴｓ中に強制的に一定モードＡ３の状態を作る制御を行って、この期間中に電磁石電流ｉＬの検出を行うようにしても良い。この場合、強制的に一定モードＡ３の状態とする時間は、電流検出回路２５５で電磁石電流ｉＬの検出を行い得る時間であれば良いが、例えば図４に示すように制御サイクルＴｓ中の時間０〜時間０．１Ｔｓとする。そして、この時間０〜時間０．１Ｔｓに検出タイミングＴｄを設けて電磁石電流ｉＬの検出を行う。その後、残りの時間（時間０．１Ｔｓ〜時間Ｔｓ）において上述した制御と同じように、例えば時間０．１Ｔｓ〜時間０．５５Ｔｓ（残り時間の前半）ではトランジスタ２８１をｏｎにし、時間０．５５Ｔｓ〜時間Ｔｓ（残り時間の後半）ではトランジスタ２８１をｏｆｆにして、時間０．５５Ｔｓ（残り時間の半分の時間）を始点あるいは終点等として時間Ｔｐ１、Ｔｐ２を設けるようにすれば良い。このことにより、確実に一定モードＡ３の状態において電磁石電流ｉＬの検出を行うことができる。

次に、本発明の第２の実施形態について説明する。第２実施形態は、第１実施形態であるアンプ回路２５０及び切替回路２８０の別例である。
本発明の第２実施形態であるアンプ回路の回路図を図５に示す。なお、図１と同一要素のものについては同一符号を付して説明は省略する。
図５において、アンプ回路３５０では、電磁石巻線１５１の一端１５１ａが共通ノードＣに接続されている。また、この電磁石巻線１５１の他端１５１ｂが、トランジスタ３６１及びダイオード３６５に接続されている（この他端１５１ｂのノードをノードＦという）。

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

さらに、このアンプ回路３５０の共通ノードＣに対しては、切替回路３８０が接続されている。この切替回路３８０では、共通ノードＣに対してトランジスタ３８１及びダイオード３８５が接続されている。
トランジスタ３８１は、パワーＭＯＳＦＥＴであり、ドレイン端子３８１ａが共通ノードＣに、ソース端子３８１ｂがアンプ回路３５０と同じ電源１５３の負極１５３ｂに接続されている。また、トランジスタ３８１のゲート端子には、アンプ制御回路３７１からの切替信号３７６が入力されている。さらに、ダイオード３８５は、電流回生用あるいはフライホイール用のダイオードであり、カソード端子３８５ａが電源１５３の正極１５３ａに、アノード端子３８５ｂが共通ノードＣに接続されている。

かかる構成において、アンプ回路３５０のトランジスタ３６１をｏｎにして、切替回路３８０のトランジスタ３８１をｏｎにすると、正極１５３ａからトランジスタ３６１、電磁石巻線１５１、共通ノードＣ、トランジスタ３８１を介して負極１５３ｂへ電流が供給される。そのため、電磁石巻線１５１には電源１５３の正極１５３ａから電流が供給されるので、電磁石電流ｉＬが増加する（この状態を増加モードＢ１という）。

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

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

また、この一定モードＢ３以外にも、アンプ回路３５０のトランジスタ３６１をｏｎにして、切替回路３８０のトランジスタ３８１をｏｆｆにすると、電磁石巻線１５１で生じる逆起電力により正極１５３ａからトランジスタ３６１、電磁石巻線１５１、共通ノードＣ、ダイオード３８５を介して正極１５３ａへフライホイール電流が流れるので、この場合も電磁石電流ｉＬがほぼ一定に保たれる（この状態を一定モードＢ４という）。

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

そして、電流検出回路２５５で検出した電磁石電流ｉＬの値が電流指令値よりも小さい場合には、アンプ制御回路３７１で電磁石電流ｉＬを増加させるように制御が行われる。この場合には、１制御サイクルＴｓ中で増加時間Ｔｐ１だけ増加モードＢ１の状態となるように制御が行われ、他の時間は一定モードＢ３、Ｂ４いずれかの状態となるように制御が行われる。具体的には、時間０〜時間０．５Ｔｓでは切替回路３８０のトランジスタ３８１がｏｎにされているので、時間０．５Ｔｓを終点に時間Ｔｐ１だけトランジスタ３６１をｏｎにすることで増加時間Ｔｐ１だけ増加モードＢ１の状態とする。また、トランジスタ３６１をｏｎにするまでの時間は、トランジスタ３６１をｏｆｆにすることで一定モードＢ３の状態とする。一方、時間０．５Ｔｓ〜時間Ｔｓでは、切替回路３８０のトランジスタ３８１がｏｆｆにされているので、トランジスタ３６１をｏｎにすることで一定モードＢ４の状態とする。これにより、１制御サイクルＴｓ中に増加時間Ｔｐ１だけ電磁石電流ｉＬが増加される。

一方、電流検出回路２５５で検出した電磁石電流ｉＬの値が電流指令値よりも大きい場合には、アンプ制御回路３７１で電磁石電流ｉＬを減少させるように制御が行われる。この場合には、１制御サイクルＴｓ中で減少時間Ｔｐ２だけ減少モードＢ２の状態となるように制御が行われ、他の時間は一定モードＢ３、Ｂ４いずれかの状態となるように制御が行われる。具体的には、時間０．５Ｔｓ〜時間Ｔｓでは切替回路３８０のトランジスタ３８１がｏｆｆにされているので、時間０．５Ｔｓを始点に時間Ｔｐ２だけトランジスタ３６１をｏｆｆにすることで減少時間Ｔｐ２だけ減少モードＢ２の状態とする。また、この時間Ｔｐ２経過後は、トランジスタ３６１をｏｎにすることで一定モードＢ４の状態とする。一方、時間０〜時間０．５Ｔｓでは、切替回路３８０のトランジスタ３８１がｏｎにされているので、トランジスタ３６１をｏｆｆにすることで一定モードＢ３の状態とする。これにより、１制御サイクルＴｓ中に減少時間Ｔｐ２だけ電磁石電流ｉＬが減少される。

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

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

加えて、本実施形態のアンプ回路３５０でも第１実施形態と同様に電磁石電流ｉＬを一定に保つことができるので、この電磁石電流ｉＬが一定の状態にあるとき（すなわち一定モードＢ３の状態にあるとき）に電磁石電流ｉＬの検出を行うことができる。従って、過渡的な状態で電磁石電流ｉＬの検出を行う必要がないので、電磁石電流ｉＬの検出に際して誤差を減らすことができる。

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

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

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

本発明の第３実施形態であるアンプ回路の回路図を図８に示す。なお、図１、図５と同一要素のものについては同一符号を付して説明は省略する。
図８において、各電磁石１０４、１０５、１０６Ａ、１０６Ｂを構成する複数の電磁石巻線１５１、１５１、…に対して、第１実施形態と同じ構成を有するアンプ回路２５０（図１）と、第２実施形態と同じ構成を有するアンプ回路３５０（図５）とが組み合わされている。そして、これら複数の電磁石巻線１５１、１５１、…が２つのグループに分けられている（アンプ回路２５０からの制御を受ける電磁石巻線１５１、１５１、…をグループＡといい、アンプ回路３５０からの制御を受ける電磁石巻線１５１、１５１、…をグループＢという）。

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

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

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

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

一方、Ｘ軸正側電磁石１０４Ｘ＋と負側電磁石１０４Ｘ−との関係について、回転体１０３をＸ軸正方向に位置制御する場合、電磁石１０４Ｘ＋の電磁石電流ｉＬが増加され、電磁石１０４Ｘ−の電磁石電流ｉＬが減少される傾向にあるので、これらを同じグループに入れることで共通ノードＣを介して流れる電磁石電流ｉＬが均等化され易い。そのため、上側径方向電磁石１０４及び下側径方向電磁石１０５のうち、電磁石１０４Ｘ＋と電磁石１０４−は互いに同じグループに分けられている。また、他の電磁石１０４Ｙ＋と電磁石１０４Ｙ−、下側径方向電磁石１０５の電磁石１０５Ｘ＋と電磁石１０５Ｘ−、電磁石１０５Ｙ＋と電磁石１０５Ｙ−、さらには軸方向電磁石１０６Ａ及び軸方向電磁石１０６Ｂについても同様のことがいえるので、それぞれ同じグループに分けられている。

そして、以上のようにして各グループＡ、Ｂに分けられた電磁石巻線１５１、１５１、…の一端１５１ａ、１５１ａ、…は、ともに共通ノードＣに接続されている。また、この共通ノードＣに対しては、切替回路４８０が接続されている。
この切替回路４８０では、共通ノードＣに対して第１実施形態の切替回路２８０と同じ構成を有するトランジスタ２８１及びダイオード２８５と、第２実施形態の切替回路３８０と同じ構成を有するトランジスタ３８１及びダイオード３８５とが組み合わされて接続されている。また、これらのトランジスタ２８１、３８１のゲート端子に対しては、アンプ制御回路４７１からそれぞれ切替信号２７６、３７６が出力されている。このアンプ制御回路４７１は、第１実施形態のアンプ制御回路２７１と第２実施形態のアンプ制御回路３７１との機能を合わせ持った回路となっている。

かかる構成において、切替回路４８０によるトランジスタ２８１、３８１等への切替位相の調節を示すタイムチャートを図９に示す。
図９において、切替回路４８０に対しては、制御サイクルＴｓ中にトランジスタ３８１がｏｎにされる時間とトランジスタ２８１がｏｎにされる時間とが同じ時間となるように制御が行われる。このとき、時間０〜時間０．５Ｔｓではトランジスタ２８１がｏｆｆ、トランジスタ３８１がｏｎにされ、時間０．５Ｔｓ〜時間Ｔｓではトランジスタ２８１がｏｎ、トランジスタ３８１がｏｆｆにされる。この場合、正極１５３ａ及び負極１５３ｂ間に貫通電流が流れてノイズ等が発生しないように、トランジスタ３８１がｏｆｆにされてからトランジスタ２８１がｏｎにされるまでの間（時間０．５Ｔｓ付近）や、トランジスタ２８１がｏｆｆにされてからトランジスタ３８１がｏｎにされるまでの間（時間０、時間Ｔｓ付近）には、両トランジスタ２８１、３８１がともにｏｆｆにされるデッドタイムが設けられることが望ましい（図示略）。

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

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

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

なお、本実施形態においては、電磁石電流ｉＬが一定の状態にあるときに電磁石電流ｉＬの検出が行われるとして説明したが、第１実施形態等で説明したのと同様に（図４）、アンプ回路２５０、３５０及び切替回路４８０に対して制御サイクルＴｓ中に強制的に一定モードＡ３、Ｂ３の状態を作る制御を行って、この期間中に電磁石電流ｉＬの検出を行っても良い。

本発明の第１実施形態のアンプ回路の回路図 本発明の第１実施形態のアンプ回路の制御位相と切替回路の切替位相との調節を示すタイムチャート 図１の別例 図２の別例 本発明の第２実施形態のアンプ回路の回路図 本発明の第２実施形態のアンプ回路の制御位相と切替回路の切替位相との調節を示すタイムチャート 図５の別例 本発明の第３実施形態のアンプ回路の回路図 本発明の第３実施形態の切替回路の切替位相の調節を示すタイムチャート ターボ分子ポンプ本体の縦断面図 従来のアンプ回路の回路図 従来のアンプ回路の制御を示すタイムチャート

符号の説明

１００、２００ ターボ分子ポンプ本体
１０２ 回転翼
１０３ 回転体
１０４、１０５、１０６Ａ、１０６Ｂ 電磁石
１１３ ロータ軸
１５０、２５０、３５０ アンプ回路
１５１ 電磁石巻線
１５３ 電源
１５５、２５５ 電流検出回路
１６１、１６２、２６１、２８１、２８２、３６１、３８１、３８２ トランジスタ
１６５、１６６、２６５、２８５、３６５、３８５ ダイオード
１７１、２７１、３７１、４７１ アンプ制御回路
２８０、３８０、４８０ 切替回路

Claims (11)

1. 回転体と、
   該回転体の半径方向位置及び／又は軸方向位置を制御する複数個の電磁石と、
   該電磁石に電力を供給する電源と、
   前記電磁石の一端が共通に接続された共通ノードと、
   該共通ノードの電圧を切り替える切替手段と、
   前記各電磁石の他端から前記電源の負極へ供給される供給電流又は前記各電磁石の他端から前記電源の正極へ回生される回生電流により、前記各電磁石の励磁を制御する励磁制御手段とを備え、
   前記切替手段は、
   前記正極及び前記共通ノード間を断接する第１のスイッチ素子と、
   前記負極から前記共通ノードへの向きに電流を流す第１の整流素子とを有し、
   前記励磁制御手段は、
   前記各電磁石の他端及び前記負極間を断接する第２のスイッチ素子と、
   前記各電磁石の他端から前記正極への向きに電流を流す第２の整流素子とを有することを特徴とする磁気軸受装置。
2. 回転体と、
   該回転体の半径方向位置及び／又は軸方向位置を制御する複数個の電磁石と、
   該電磁石に電力を供給する電源と、
   前記電磁石の一端が共通に接続された共通ノードと、
   該共通ノードの電圧を切り替える切替手段と、
   前記電源の正極から前記各電磁石の他端へ供給される供給電流又は前記電源の負極から前記各電磁石の他端へ回生される回生電流により、前記各電磁石の励磁を制御する励磁制御手段とを備え、
   前記切替手段は、
   前記共通ノード及び前記負極間を断接する第１のスイッチ素子と、
   前記共通ノードから前記正極への向きに電流を流す第１の整流素子とを有し、
   前記励磁制御手段は、
   前記正極及び前記各電磁石の他端間を断接する第２のスイッチ素子と、
   前記負極から前記各電磁石の他端への向きに電流を流す第２の整流素子とを有することを特徴とする磁気軸受装置。
3. 前記切替手段の切替位相及び前記励磁制御手段の制御位相を共通の制御サイクルのもとに調節することにより、前記各電磁石に流れる電流を増加、減少又は一定に維持することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の磁気軸受装置。
4. 前記第１の整流素子には並列に第３のスイッチ素子が備えられたことを特徴とする請求項１、２又は３記載の磁気軸受装置。
5. 回転体と、
   該回転体の半径方向位置及び／又は軸方向位置を制御する複数個の電磁石と、
   該電磁石に電力を供給する電源と、
   前記電磁石の一端が共通に接続された共通ノードと、
   該共通ノードの電圧を切り替える切替手段と、
   前記各電磁石の他端から前記電源の負極へ供給される供給電流又は前記各電磁石の他端から前記電源の正極へ回生される回生電流により、前記複数個の電磁石のうち少なくとも１個の励磁を制御する第１の励磁制御手段と、
   前記正極から前記他の各電磁石の他端へ供給される供給電流又は前記負極から前記他の各電磁石の他端へ回生される回生電流により、前記第１の励磁制御手段により励磁制御される電磁石以外の電磁石の励磁を制御する第２の励磁制御手段とを備え、
   前記切替手段は、
   前記共通ノード及び前記負極間を断接するスイッチ素子と、前記正極及び前記共通ノード間を断接するスイッチ素子と、
   前記共通ノードから前記正極への向きの電流、及び前記負極から前記共通ノードへの向きの電流をそれぞれ流す整流素子とを有し、
   前記第１の励磁制御手段は、
   前記各電磁石の他端及び前記負極間を断接するスイッチ素子と、
   前記各電磁石の他端から前記正極への向きに電流を流す整流素子とを有し、
   前記第２の励磁制御手段は、
   前記正極及び前記他の各電磁石の他端間を断接するスイッチ素子と、
   前記負極から前記他の各電磁石の他端への向きに電流を流す整流素子とを有することを特徴とする磁気軸受装置。
6. 前記切替手段の切替位相、前記第１の励磁制御手段及び前記第２の励磁制御手段の制御位相を共通の制御サイクルのもとに調節することにより、前記各電磁石に流れる電流を増加、減少又は一定に維持することを特徴とする請求項５記載の磁気軸受装置。
7. 前記複数個の電磁石は、前記正極及び前記共通ノード間に流れる電流と該共通ノード及び前記負極間に流れる電流とがほぼ均等化されるように、前記第１の励磁制御手段により制御される電磁石と前記第２の励磁制御手段により制御される電磁石とにグループ分けして構成されたことを特徴とする請求項５又は請求項６記載の磁気軸受装置。
8. 前記電磁石に一定電流が流れたときに該電流の値を検出する電流検出手段を備えたことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の磁気軸受装置。
9. 前記電流検出手段は、前記負極に一端が接続された抵抗と、該抵抗に流れた電流を検出する検出部とを備えたことを特徴とする請求項８記載の磁気軸受装置。
10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の磁気軸受装置を搭載したターボ分子ポンプであって、
    前記回転体は、回転翼及び該回転翼の中央に配設されたロータ軸を有し、
    前記各電磁石は、該ロータ軸を空中に磁気浮上させることを特徴とするターボ分子ポンプ。
11. 前記回転体及び前記電磁石を有するターボ分子ポンプ本体と、
    前記切替手段及び前記励磁制御手段、又は前記切替手段、前記第１の励磁制御手段及び前記第２の励磁制御手段を有する制御装置とを備え、
    前記ターボ分子ポンプ本体と制御装置とが一体化されたことを特徴とする請求項１０記載のターボ分子ポンプ。

Images