JP2000257586A - ターボ分子ポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 常にポンプ性能を高めることができるターボ
分子ポンプを提供する。 【解決手段】 ターボ分子ポンプは、ケーシング３と、
ケーシング３内に配置されたロータ４と、ロータ４の変
位検出手段12と、ロータ４を複数の電磁石19、20、21に
より非接触支持する複数組の制御型磁気軸受13、14、15
と、ケーシング３に固定状に設けられた複数のステータ
翼11と、ロータ４に固定状に設けられステータ翼11の間
に配置された複数のロータ翼10と、変位検出手段12の出
力に基づいて電磁石19、20、21を制御することによりロ
ータ４の位置を制御する電磁石制御手段とを備えてい
る。電磁石制御手段が、各ロータ翼10と一方の側のステ
ータ翼11との軸方向の間隙の大きさが他方の側のステー
タ翼11との軸方向の間隙の大きさより小さく、かつ前記
一方の側の軸方向の間隙の大きさが所望の値になるよう
に、ロータ４の軸方向の位置を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、たとえば半導体
製造装置などに使用されるターボ分子ポンプに関する。

【０００２】

【従来の技術】ターボ分子ポンプとして、ポンプを構成
するロータを制御型磁気軸受の電磁石により磁気的に非
接触支持して電動モータにより回転させるポンプ本体
と、これを制御するコントローラとを備えたものが知ら
れている。ポンプ本体においては、ケーシング内に、上
記のロータ、磁気軸受、電動モータの他に、ロータの軸
方向および径方向の変位を検出するための複数の変位セ
ンサなどが設けられる。ケーシングには、複数のステー
タ翼が軸方向に間隔をおいて固定状に設けられている。
ロータには、複数のロータ翼が軸方向に間隔をおいて設
けられている。ステータ翼とロータ翼は軸方向に交互に
配置され、各ステータ翼が隣接するロータ翼の間に位置
するとともに、各ロータ翼が隣接するステータ翼の間に
位置している。コントローラには、変位センサの出力信
号に基づいて電磁石を制御することによりロータの軸方
向および径方向の位置を制御するとともに電動モータを
制御する制御部などが設けられている。

【０００３】ところで、従来のターボ分子ポンプにおい
ては、コントローラの制御部によるロータの軸方向の位
置の制御は、ケーシングおよびロータの組み付け精度な
どを考慮し、安全に組み立てられるロータ翼が両側のス
テータ翼の中心にくるように、すなわち、各ロータ翼に
ついて両側のステータ翼との軸方向の間隙の大きさが互
いに等しくなるように、行われている。

【０００４】ところが、このようにすると、ステータ翼
およびロータ翼の間隔や厚さなどによっては、ロータ翼
とステータ翼との間隙の大きさがポンプ性能上の好まし
い値になるとは限らず、したがって、必ずしも高いポン
プ性能が得られるとは限らない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】この発明の目的は、上
記の問題を解決し、常にポンプ性能を高めることができ
るターボ分子ポンプを提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段および発明の効果】この発
明によるターボ分子ポンプは、ケーシングと、前記ケー
シング内に配置されたロータと、前記ロータの軸方向お
よび径方向の変位を検出する変位検出手段と、前記ロー
タを複数の電磁石の磁気吸引力により所定の目標位置に
非接触支持する複数組の制御型磁気軸受と、前記ケーシ
ングに軸方向に所定の間隔をおいて固定状に設けられた
複数のステータ翼と、前記ロータに軸方向に所定の間隔
をおいて固定状に設けられ前記ステータ翼の間に配置さ
れた複数のロータ翼と、前記変位検出手段の出力に基づ
いて前記電磁石を制御することにより前記ロータの軸方
向および径方向の位置を制御する電磁石制御手段とを備
えているターボ分子ポンプにおいて、前記電磁石制御手
段が、前記各ロータ翼と一方の側の前記ステータ翼との
軸方向の間隙の大きさが他方の側の前記ステータ翼との
軸方向の間隙の大きさより小さく、かつ前記一方の側の
軸方向の間隙の大きさが所望の値になるように、前記ロ
ータの軸方向の位置を制御するものであることを特徴と
するものである。

【０００７】電磁石制御手段が、各ロータ翼と一方の側
のステータ翼との軸方向の間隙の大きさが他方の側のス
テータ翼との軸方向の間隙の大きさより小さく、かつ前
記一方の側の軸方向の間隙の大きさが所望の値になるよ
うに、ロータの軸方向の位置を制御するものであるか
ら、ステータ翼およびロータ翼の間隔や厚さなどにかか
わらず、ロータ翼とステータ翼との間隙の大きさをでき
るだけ小さくしてポンプ性能を高めることができる。そ
して、ポンプ性能が高くなることにより、ポンプ自体の
小型化ができ、ロータの回転数を低くしてロータ設計の
安全性を高めることができる。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、この発明
の実施形態について説明する。

【０００９】図１は、ターボ分子ポンプの全体構成を概
略的に示している。このポンプは、ポンプ本体（機械本
体）(1)およびコントローラ（ポンプ制御部）(2)を備え
ており、これらがケーブルにより電気的に接続されてい
る。ポンプ本体(1)の具体的な構成の１例が図２および
図３に示されている。

【００１０】ポンプ本体(1)は、鉛直円筒状のケーシン
グ(3)の内側で鉛直軸状のロータ(4)が回転する縦型のも
のである。以下の説明において、ロータ(4)の軸方向
（鉛直方向）の制御軸（アキシアル制御軸）をＺ軸、Ｚ
軸と直交するとともに互いに直交する２つの径方向（水
平方向）の制御軸（ラジアル制御軸）をＸ軸およびＹ軸
とする。

【００１１】ケーシング(3)は、図２では、２つの部品
より構成されているように示されているが、実際は、こ
れより多くの部品を結合することにより組み立てられて
いる。ケーシング(3)は、上側の大径筒部(3a)と、下側
の小径筒部(3b)とから構成されている。大径筒部(3a)
は、上下両端が開口したものである。小径筒部(3b)は、
上端が開口し、下端が閉鎖したものであり、大径筒部(3
a)の下端開口部に一体状に連結されている。小径筒部(3
b)の上部を除く部分の外径は、大径筒部(3a)の外径とほ
ぼ等しい。大径筒部(3a)の内径は、小径筒部(3b)の内径
より大きい。小径筒部(3b)の上部は、大径筒部(3a)の内
径より小さい外径を有し、大径筒部(3a)の下部の内側に
入り込んでいる。そして、これらの間に環状空間が形成
されている。大径筒部(3a)の上端開口部は給気口(5)と
なっており、給気口(5)には保護ネット(6)が設けられて
いる。小径筒部(3b)の外周面に排気口(7)が設けられ、
この排気口(7)は、小径筒部(3b)の上部と大径筒部(3a)
の間の環状空間、および大径筒部(3a)内の空間を介して
給気口(5)に連通している。

【００１２】ロータ(4)は、小径筒部(3b)内に同心状に
非接触支持される鉛直状の軸部(4a)と、小径筒部(3b)よ
り上方に突出した軸部(4a)の上端部に固定された鉛直段
付円筒状の翼部(4b)とから構成されている。翼部(4b)の
上部は、厚肉円筒状をなす。翼部(4b)の下部は薄肉円筒
状をなし、小径筒部(3b)の上部と大径筒部(3a)の間の環
状空間に入り込んでいる。翼部(4b)の外周に、所定幅の
複数の環状みぞ(8)が軸方向に所定の間隔をおいて形成
されており、各みぞ(8)の上側に円形のロータ翼(10)が
形成されている。大径筒部(3a)の内周に、ロータ翼(10)
の間のみぞ(8)に入り込む複数の穴あき円板状のステー
タ翼(11)が固定状に設けられている。

【００１３】ケーシング(3)の小径筒部(3b)内に、ロー
タ(4)の軸方向および径方向の変位を検出するための変
位検出部(12)、ロータ(4)を軸方向に所定の目標位置に
非接触支持する１組のアキシアル磁気軸受(13)、ロータ
(4)を径方向に所定の目標位置に非接触支持する上下２
組のラジアル磁気軸受(14)(15)、ロータ(4)を高速回転
させるビルトイン型電動モータ(16)、ならびにロータ
(4)の軸方向および径方向の可動範囲を規制してロータ
(4)を磁気軸受(13)(14)(15)で支持できなくなったとき
などに可動範囲の極限位置においてロータ(4)を機械的
に支持する規制手段としての上下２組の保護軸受（タッ
チダウン軸受）(17)(18)が設けられている。

【００１４】アキシアル磁気軸受(13)は、ロータ軸部(4
a)の下部に一体に形成されたフランジ部(4c)をＺ軸方向
の両側から挟むように配置された１対のアキシアル電磁
石(19a)(19b)を備えている。アキシアル電磁石は、符号
(19)で総称する。

【００１５】２組のラジアル磁気軸受(14)(15)は、アキ
シアル磁気軸受(13)の上側において上下方向に所定の間
隔をおいて配置されており、これらの間にモータ(16)が
配置されている。上側のラジアル磁気軸受(14)は、ロー
タ軸部(4a)をＸ軸方向の両側から挟むように配置された
１対のラジアル電磁石(20a)(20b)、およびロータ軸部(4
a)をＹ軸方向の両側から挟むように配置された１対のラ
ジアル電磁石(20c)(20d)を備えている。これらのラジア
ル電磁石は、符号(20)で総称する。同様に、下側のラジ
アル電磁石(15)も、２対のラジアル電磁石(21a)(21b)(2
1c)(21d)を備えている。これらのラジアル電磁石も、符
号(21)で総称する。

【００１６】変位検出部(12)は、ロータ(4)の軸方向の
変位を検出するための１個のアキシアル変位センサ(2
2)、およびロータ(4)の径方向の変位を検出するための
上下２組のラジアル変位センサユニット(23)(24)を備え
ている。

【００１７】アキシアル変位センサ(22)は、ロータ軸部
(4a)の下端面にＺ軸方向の下側から対向するように配置
され、ロータ軸部(4a)の下端面との距離（空隙）に比例
する距離信号を出力する。

【００１８】上側のラジアル変位センサユニット(23)
は、上側のラジアル磁気軸受(14)の近傍に配置されてお
り、Ｘ軸方向の電磁石(20a)(20b)の近傍においてＸ軸方
向の両側からロータ軸部(4a)を挟むように配置された１
対のラジアル変位センサ(25a)(25b)、およびＹ軸方向の
電磁石(20c)(20d)の近傍においてＹ軸方向の両側からロ
ータ軸部(4a)を挟むように配置された１対のラジアル変
位センサ(25c)(25d)を備えている。これらのラジアル変
位センサは、符号(25)で総称する。同様に、下側のラジ
アル変位センサユニット(24)は、下側のラジアル磁気軸
受(15)の近傍に配置されており、２対のラジアル変位セ
ンサ(26a)(26b)(26c)(26d)を備えている。これらのラジ
アル変位センサも、符号(26)で総称する。各ラジアル変
位センサ(29)(30)は、回転体(3)の外周面との距離に比
例する距離信号を出力する。

【００１９】電磁石(19)(20)(21)および変位センサ(22)
(25)(26)は、ケーシング(3)の小径筒部(3b)に固定され
ている。

【００２０】コントローラ(2)には、センサ回路(27)、
磁気軸受駆動回路(28)、インバータ(29)およびＤＳＰボ
ード(30)が設けられ、ＤＳＰボード(30)には、ディジタ
ル処理手段としてのＤＳＰ(31)、ＲＯＭ(32)、不揮発性
記憶装置としてのフラッシュメモリ(33)、ＡＤ変換器(3
4)およびＤＡ変換器(35)が設けられている。

【００２１】コントローラ(2)のＲＯＭ(32)には、ＤＳ
Ｐ(31)における処理プログラムなどが格納されている。
フラッシュメモリ(33)には、磁気軸受(13)(14)(15)の制
御パラメータなどが記憶されており、これは、図示しな
い操作パネルから書き替えができるようになっている。

【００２２】センサ回路(27)は、変位検出部(12)の各変
位センサ(22)(25)(26)を駆動し、各変位センサ(22)(25)
(26)の出力に基づいて、ロータ(4)のＺ軸方向の変位、
ならびに上下のラジアル変位センサユニット(23)(24)の
部分におけるＸ軸方向およびＹ軸方向の変位を演算し、
その演算結果である変位信号をＡＤ変換器(34)を介して
ＤＳＰ(31)に出力する。

【００２３】ＤＳＰ(31)は、変位検出部(12)からの変位
信号に基づいて、各磁気軸受(13)(14)(15)の各電磁石(1
9)(20)(21)に対する励磁電流制御信号をＤＡ変換器(35)
を介して磁気軸受駆動回路(28)の出力する。そして、駆
動回路(28)は、ＤＳＰ(31)からの励磁電流制御信号に基
づく励磁電流を対応する磁気軸受(13)(14)(15)の電磁石
(19)(20)(21)に供給し、これにより、ロータ(4)が所定
の目標位置に非接触支持される。

【００２４】ＤＳＰ(31)は、また、モータ(16)に対する
回転数指令信号（モータ制御信号）をインバータ(29)に
出力し、インバータ(29)はこの信号に基づいて、モータ
(16)の回転を制御する。その結果、ロータ(4)が、磁気
軸受(13)(14)(15)により目標位置に非接触支持された状
態で、モータ(16)により高速回転させられる。

【００２５】変位検出部(12)とセンサ回路(27)により、
ロータ(4)の各制御軸方向の変位を検出する変位検出手
段が構成されている。また、コントローラ(2)のセンサ
回路(27)を除く部分により、センサ回路(27)からの変位
信号に基づいて各磁気軸受(13)(14)(15)の電磁石(19)(2
0)(21)に供給する励磁電流を制御する電磁石制御手段が
構成されている。

【００２６】ロータ翼(10)の外径はケーシング(3)の大
径筒部(3a)の内径より少し小さく、ロータ(4)の翼部(4
b)のみぞ(8)の底部の外径はステータ翼(11)の内径より
少し小さい。また、ステータ翼(11)の上下厚さは、対応
するみぞ(8)の上下幅より少し小さい。そして、ケーシ
ング(3)の大径筒部(3a)とロータ(4)の翼部(4b)との間に
は、ステータ翼(11)とロータ翼(10)との部分において、
軸方向および径方向に間隙があり、ロータ(4)が保護軸
受(17)(18)により機械的に支持されたときでもロータ翼
(10)がステータ翼(11)に接触しないようになっている。

【００２７】ロータ翼(10)およびステータ翼(11)の間
隔、上下厚さは、好ましくは、１つのロータ翼(10)がそ
の上下にあるステータ翼(11)の上下方向の中心に位置す
ると、他の全てのロータ翼(10)がその上下にあるステー
タ翼(11)の上下方向の中心に位置し、しかも全てのロー
タ翼(10)について、上下のステータ翼(10)との上下方向
の間隙の大きさが互いに等しくなるように設計されてい
る。

【００２８】そして、従来は、図４(b)に示すように、
各ロータ翼(10)が上下のステータ翼(11)の上下方向の中
心にくるように、すなわち、各ロータ翼(10)と上下のス
テータ翼(11)との軸方向の間隙の大きさａが互いに等し
くなるように、ロータ(4)のＺ軸方向の目標位置が決め
られている。

【００２９】これに対し、上記のポンプでは、各ロータ
翼(10)が上下のステータ翼(11)の上下方向の中心にくる
のではなく、各ロータ翼(10)と一方の側（この例では下
側）のステータ翼(11)との軸方向の間隙の大きさｂが他
方の側（この例では上側）のステータ翼(11)との軸方向
の間隙の大きさｃより小さく、かつこの小さい方の間隙
の大きさｃがポンプ性能の点から所望の値になるよう
に、ロータ(4)のＺ軸方向の目標位置が決められてい
る。

【００３０】上記のようなロータ(4)のＺ軸方向の目標
位置は、適宜な方法によって決定することができる。

【００３１】たとえば、ポンプ性能が最大となるときの
ロータ翼(10)とステータ翼(11)との小さい方の間隙の大
きさを計算によって求めておき、この間隙の大きさが計
算によって求めた値になるように、目標位置を決定す
る。仮に、ロータ翼(10)が上下のステータ翼(11)の中心
に位置しているときの上下の間隙の大きさが１ｍｍであ
って、ポンプ性能が最大となるときのロータ翼(10)と下
側のステータ翼(11)との間隙の大きさが０．５ｍｍであ
れば、このようになるように、Ｚ軸方向の目標位置を決
める。

【００３２】あるいは、最初に、各ロータ翼(10)が上下
のステータ翼(11)の中心にくるように目標位置を決め
て、ロータ(4)を仮に磁気浮上させ、目標位置を少しず
つ変えながら、ポンプ吸引力を測定する。そして、ポン
プ吸引力が最大となったときの目標位置を運転時の目標
位置とし、この運転時の目標位置を用いて、アキシアル
磁気軸受(13)の制御を行う。このようにすれば、１つの
ロータ翼(10)がその上下にあるステータ翼(11)の中心に
位置しても他のロータ翼(10)がその上下にあるステータ
翼(11)の中心に位置しない場合や、ロータ翼(10)によっ
てその上下にあるステータ翼(11)との間隙の大きさが異
なるような場合でも、全体としてポンプ性能が最大とな
る位置にロータ(4)を非接触支持することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、この発明の実施形態を示すターボ分子
ポンプの概略構成図である。

【図２】図２は、ポンプ本体の主要部の具体的な構成の
１例を示す縦断面図である。

【図３】図３は、同横断面図である。

【図４】図４は、ロータ翼とステータ翼との位置関係を
示す説明図である。

【符号の説明】

(1) ポンプ本体 (2) コントローラ (3) ケーシング (4) ロータ (10) ロータ翼 (11) ステータ翼 (12) 変位検出部 (13) アキシアル磁気軸受 (14)(15) ラジアル磁気軸受 (19a)(19b)(19c)(19d) アキシアル電磁石 (20a)(20b)(20c)(20d) ラジアル電磁石 (21a)(21b)(21c)(21d) ラジアル電磁石 (27) センサ回路 (31) ＤＳＰ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岩根 松美 長野県佐久市根々井15番地10号 樫山工業 株式会社信州工場内 Ｆターム(参考） 3H031 DA02 EA06 EA08 EA09 EA11 EA12 EA13 EA14 EA15 EA16 FA00 FA11 FA13 FA40 3J102 AA01 BA03 BA19 CA03 CA10 DA02 DA03 DA09 DB05 DB10 DB11 GA06

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ケーシングと、前記ケーシング内に配置さ
   れたロータと、前記ロータの軸方向および径方向の変位
   を検出する変位検出手段と、前記ロータを複数の電磁石
   の磁気吸引力により所定の目標位置に非接触支持する複
   数組の制御型磁気軸受と、前記ケーシングに軸方向に所
   定の間隔をおいて固定状に設けられた複数のステータ翼
   と、前記ロータに軸方向に所定の間隔をおいて固定状に
   設けられ前記ステータ翼の間に配置された複数のロータ
   翼と、前記変位検出手段の出力に基づいて前記電磁石を
   制御することにより前記ロータの軸方向および径方向の
   位置を制御する電磁石制御手段とを備えているターボ分
   子ポンプにおいて、 前記電磁石制御手段が、前記各ロータ翼と一方の側の前
   記ステータ翼との軸方向の間隙の大きさが他方の側の前
   記ステータ翼との軸方向の間隙の大きさより小さく、か
   つ前記一方の側の軸方向の間隙の大きさが所望の値にな
   るように、前記ロータの軸方向の位置を制御するもので
   あることを特徴とするターボ分子ポンプ。