JP2003166474A - 真空ポンプ制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 モータを駆動する電圧が変動した場合でも、
安定したモータ制御が行えるようにすると共に、真空ポ
ンプ制御装置の信頼性を向上させる。 【解決手段】 電源１５より電圧の供給がなされ、真空
対象空間２０に対してポンプ９により排気を行う真空ポ
ンプ制御装置１において、ポンプ９を駆動するモータ７
はデューティ制御される場合、電源１５からの電圧とモ
ータ７の回転数とを検出し、回転数に応じて、モータ７
が駆動される保障電圧の上限値が設定される。その保障
電圧の上限値に、回転数／電圧とにより決まる制御因子
を対応させてデューティ比を決定し、モータ制御を行う
ようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、真空対象空間を真
空状態にする真空ポンプ制御装置に関するものであり、
特に、過度の電圧による印加から装置の保護を図る真空
ポンプ制御装置に係わる。

【０００２】

【従来の技術】従来、真空ポンプ制御装置は、真空対象
空間の内部に存在する気体の排気を行い、真空対象空間
を真空状態にするものである。特に、真空ポンプ制御装
置は、半導体素子や液晶に代表される半導体製造等にお
いて、薄膜の形成や蒸着等を行う際に、真空対象空間
（チャンバー内部）を真空状態とする用途に用いられ
る。通常、この様な真空ポンプ制御装置は半導体製造を
行う工場等では、電源として工場向けの商用電源（例え
ば、ＡＣ ２００Ｖ）が使用されている。また、真空ポ
ンプ制御装置のポンプをモータにより駆動を行うが、こ
のモータの制御には、図６に示すように、モータの回転
数（モータ回転数）に対して、モータの定格電圧を基に
した、０〜１００％のデューティ比が割り当てられ、デ
ューティ制御によりモータが駆動される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、工場等
で使用される商用電源は電圧は常に一定でははなく、同
一の電源を使用する機械や設備等の負荷の状況により電
圧は変動する。

【０００４】この様な商用電源に、ポンプおよびポンプ
を駆動するモータを備えた真空ポンプ制御装置を電気的
に接続して使用する場合には以下の様な問題が生ずる。
つまり、商用電源の電圧変動、特に電圧低下（電圧降下
とも言う）が発生した場合には、それに伴って、モータ
にかかる電圧（印加電圧）も低下してしまう。モータへ
の印加電圧が低下すると、モータ内部のコイルを流れる
電流（モータ電流）が低下してしまい、モータの発生ト
ルクが低下する。その結果、モータにより駆動されるポ
ンプの回転数が不安定となってしまい、真空ポンプの排
気性能(真空度、排気速度等)に影響が出てしまう。それ
故に、これが、真空対象空間内で製造される半導体ある
いは液晶等の品質低下につながる。

【０００５】よって、本発明は上記の問題点に鑑みてな
されたものであり、モータを駆動する電圧が変動した場
合でも安定したモータ制御が行える構成とすること、真
空ポンプ制御装置の信頼性を向上させることを技術的課
題とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに講じた技術的手段は、電源より電圧供給がなされ、
真空対象空間に対し、前記真空対象空間から排気を行う
ポンプを、モータに印加する電圧を制御して、前記真空
対象空間を真空状態にする真空ポンプ制御装置におい
て、前記電源からの電圧を検出する電圧検出手段と、前
記モータの回転状態を検出する回転状態検出手段とを備
え、前記電圧検出手段により検出された電圧と前記回転
状態検出手段により検出された回転状態に基づき、前記
モータに印加する電圧を制御するようにしたことであ
る。

【０００７】上記した手段によれば、電圧検出手段によ
り検出された電圧と回転状態検出手段により検出された
回転状態に基づき、モータに印加する電圧を制御するよ
うにしたので、電源からの電圧が外的要因により変動し
た場合でも、モータの回転状態および電源からの電圧を
考慮した、モータの印加電圧の制御が行える。

【０００８】例えば、電源電圧の変動より、モータに供
給される電圧がモータの定格電圧よりも低下したとして
も、モータの定格電圧からの電源低下分に応じてデュー
ティ比をモータの回転状態に応じて変化させることによ
り、モータの最低駆動電圧（モータ逆起電圧）からのト
ルクの余裕（余裕トルク）が得られ、モータの回転が安
定する。これによって、モータの初期駆動時における所
定回転数への立ち上がりが速くなると共に、通常駆動状
態でもモータの回転数が安定する。ポンプを駆動するモ
ータの回転数が安定すれば、モータ駆動時に真空対象空
間の真空度が電圧の変動により左右されず、真空ポンプ
制御装置の信頼性が向上する。

【０００９】一般的に、モータをＩＧＢＴ等でスイッチ
ング制御する場合、ＩＧＢＴ素子やモータコイルを過電
流から保護するため、従来ではモータに印加する電圧を
図６に示す如く、モータ回転数の制御因子のみにより制
御していたため、電源電圧低下時にはモータの印加電圧
の上限値が低下して回転が不安定になっていた。しか
し、モータに印加する電圧の上限値を回転状態と電圧の
制御因子により決定するようにしたので、過度の電圧に
よる真空ポンプ制御装置のモータあるいは装置内部の焼
き付きおよび焼損が防止され、信頼性が向上する。

【００１０】また、制御因子は、回転状態と電源電圧に
より決定される簡単な比率により過電流からモータある
いは内部装置の保護を図る保護電圧の範囲内でデューテ
ィ比を決定し、デューティ制御が行える。

【００１１】更に、回転状態とは、モータの回転数であ
れば、モータの回転数の検出によって、デューティ制御
が行える。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態につい
て、図面を参照して説明する。

【００１３】図１は、真空ポンプ制御装置（以下、本装
置と称す）１のシステム構成図の一例である。本装置１
は、電子機器の内部に使用される半導体素子（例えば、
ＩＣ、マイクロコンピュータ、半導体センサ等）や液晶
等の半導体製造装置に適用が可能である。本装置１で
は、ポンプ９を駆動させて真空対象空間（チャンバー内
の内部空間）２０の中に存在する気体の排気を行い、チ
ャンバー内を真空状態にするものである。また、本装置
１は、これに限定されないが、工場等で使用され、工場
向けの電源である商用電源（例えば、ＡＣ ２００Ｖの
電圧）１５を使用している。この商用電源１５は工場内
では、電源につながる負荷の状況に応じて電源の電圧
（電源電圧）が変動する。

【００１４】この電源１５は、本装置１の交流電源を直
流に変換する直流変換器２に接続され、直流変換器２に
より交流から直流に変換された電圧は後述するＩＧＢＴ
（インシュレート ゲート バイポーラ トランジス
タ）回路６に入力される。一方、本装置１に対して、電
源１５より印加される電源電圧は、電圧変動を検出する
ために、直流変換器２の前段で分岐して、電圧検出器
（電圧計、電圧センサ等）３に接続される。この電圧検
出器３によって、本装置１に供給される電圧が検出され
る。そして、電圧検出器３を介して、サーボ回路５に電
源１５の電源電圧が入力される。サーボ回路５は、内部
にデューティ比を決定するＰＷＭ回路を備え、回転数設
定装置４によって設定された回転数と、所定タイミング
におけるモータ７の回転数とを比較し、回転数設定装置
４により設定された回転数となるよう、回転数制御を行
うものである。

【００１５】サーボ回路５の出力はＩＧＢＴ回路６に入
力され、ＩＧＢＴ回路６はモータ７に対して、直流電圧
を回転数設定装置４にて設定した所定の電圧および周波
数の擬似交流電圧を印加してモータ７に電流を流し、ポ
ンプ９を所定の回転数で駆動する。

【００１６】回転数設定装置４は、モータ７あるいはポ
ンプ９の回転数を任意に設定できる機能を有し、図示し
ないボリューム等により可変抵抗の抵抗値を変化させ
て、モータ回転数の設定が任意に行えるようになってい
る。回転数設定装置４の出力は、サーボ回路５に入力さ
れる。

【００１７】これによって、チャンバー２０内の気体が
ポンプ９につながる配管より吸気されて、本装置１の外
部に排気され、チャンバー内を真空状態にすることがで
きる。この場合、モータ７の回転状態（例えば、回転
数）を検出するために、モータ７の回転軸にはモータ回
転検出器（例えば、ホール素子に代表される回転数セン
サ、非接触の回スイッチ等）が設けられ、そのモータ回
転検出器により検出された回転信号がサーボ回路５に入
力される。

【００１８】次に、本装置１の作動について説明する。

【００１９】電源１５から商用電源が本装置１に供給さ
れると、本装置１では最初に直流変換器２によって、２
００Ｖの交流が直流に変換される。サーボ回路５では、
回転数設定装置４により設定された回転数に応じ、その
設定回転数になるようにＩＧＢＴ回路６を制御する機能
を有する。つまり、サーボ回路５は内部にＰＷＭ制御を
行うＰＷＭ回路を備えており、モータ回転検出器８によ
り検出された回転数と回転数設定装置４にて設定された
回転数との速度偏差に応じて、ＰＷＭ制御によるデュー
ティ比がサーボ回路５にて決定され、ＩＧＢＴ回路６に
より制御された擬似交流電圧がモータ７に印加されるこ
とによって、モータ内部の図示しないコイルに印加され
た電圧に比例した電流が流れ、モータ７の出力に接続さ
れる負荷のトルク（負荷トルク）と釣合う回転数にて駆
動される。

【００２０】そこで、デューティ制御について、図２を
参照して簡単に説明する。通常、直流モータの回転数は
印加される電圧に比例する。例えば、一定の定格電圧に
より駆動されている場合、電圧Ｅｂ（一定）が印加され
たものとなる。電圧Ｅｂが一定の状態下で、サーボ回路
５の内部に備えるＰＷＭ回路のスイッチング素子に対し
て所定周期Ｔ１でオン、オフを繰り返し行うと、１周期
の時間Ｔ１に対してスイッチング素子をオン状態にする
時間（オン時間）Ｔ２の比率が、平均的な電圧となる。
即ち、結果的には(Ｔ２/Ｔ１)Ｅｂの電圧を印可するも
のに相当し、モータ７の回転数はその平均的な電圧に従
って決定される。

【００２１】次に、モータ特性を基にしたモータ制御に
ついて説明する。モータ７に印可する平均電圧はモータ
７及びＩＧＢＴ回路６の素子を過電圧により発生する過
電流による内部回路の損傷または破損から保護を図るこ
とを目的として、図３に示すようにモータ７に印加する
電圧を回転数の変化に応じて上限値を決めている。この
モータ印加電圧の上限値とは、モータ７の駆動に対し
て、モータ７の駆動が正常に行われる、つまり、モータ
７がある回転状態にあるとき、許容される最大トルクを
発生させるべく印加される電圧の最大値を表わし、使用
するモータ７の回転数−電圧特性により決定され、モー
タ７の回転数(=ポンプ回転数)に比例して設定される。
この上限値の設定は、モータ７の最小駆動電圧（逆起電
圧）がモータ７の回転数に比例することを基にして求ま
る。

【００２２】例えば、図３において、モータ７の所定の
回転数Ｎ１、この時のポンプ９の負荷トルクをＬ１とす
ると、ポンプ９を駆動させる負荷トルクＬ１と釣合う電
流をモータ７に流す事によって、モータ７は一定回転数
Ｎ１にて回転を維持する事ができる。モータ７に電流を
流すための条件として、モータ７の回転数に比例した駆
動最小電圧と成る逆起電圧ｅよりも高い電圧をモータ７
に印加しなければ、モータ７は駆動しない。このため、
モータ７に印加する電圧の上限値ａは、必ず、モータ７
の負荷トルクＬよりも同等以上の電圧を印加する必要が
ある。これにより、回転数Ｎ1の近傍でのわずかな回転
数変動をすばやく回復し、一定回転数に維持できるトル
クの余裕（余裕トルク）が得られるようにしている。

【００２３】しかしながら、工場等においては電源１５
の電圧が、図３に示す様に、ｃの状態を常に保持するも
のではなく、例えば、モータの保障電圧の下限値（ｃに
比べて、１０〜１５％程低下した値）まで電圧降下する
場合も有り得る。この様に、モータ７に印加電圧がｄま
で降下した場合には、図６の如く、モータ７への印加電
圧の上限値を回転数のみの関数で決定している場合に
は、モータ７を駆動する保障電圧の上限値ａも、実際に
はｂまで降下（この場合、ｃからｄの電圧降下相当分だ
け上限値ａは低下）してしまう。

【００２４】このため、回転数Ｎ１においては、正常駆
動時ではモータ印加電圧の上限値がａであったものが電
源１５の電圧低下により上限値がｂになってしまうの
で、モータ７の保障電圧の上限値ぎりぎりになり、余裕
トルク（Ｎ１において、ａとｂとの交点における差分の
トルク）がほとんど得られなくなり、回転数Ｎ1をサー
ボ回路５からの出力により維持する事が困難になる。そ
の結果、電源１５が低下するとモータ７の回転数は変動
しやすく、残差も大きく残る。

【００２５】そこで、本実施形態では、モータ７を駆動
する電源１５の電圧を電圧検出器３により変動する電源
電圧を検知すると共に、モータ回転検出器８によりモー
タ７を駆動するデューティ比を変化させるようにしてい
る。この場合、図４に示す様に、モータ７への印加電圧
の上限値をモータ回転検出器８と電圧検出器３とにより
検出された回転数と電圧の比を取り、それを制御因子と
して決定している。これによって、モータ７を駆動する
デューティ比は、図２に示す様に、電圧降下による補正
を行わない場合にはＴ２/Ｔ1であったものが、電圧降下
の補正を行うと、Ｔ３/Ｔ１にその比率が破線で示され
る様に増加する。

【００２６】その結果、モータ７への印加電圧は、図３
のｆに示す様になる。つまり、電源１５の電圧が低下
し、電圧降下が発生した場合、回転数Ｎ1からわずかに
低下したときでも、図４の如く回転数と電圧との比を取
ってデューティ比が決定されるために、その比率が増大
する。このことにより、ポンプ９の負荷トルクに対する
余裕トルクが増加し、トルクに余裕ができる。それ故
に、図５に示す様に、モータ７を停止時から起動して、
設定回転数まで増加させる場合には、従来に比べて起動
時に余裕トルクができるので、起動時から回転数の立ち
上がりが速くなると共に、通常駆動時においても、電源
変動により左右されず、余裕トルクが得られる。また、
モータ駆動時にモータ７の回転数が設定回転数から離れ
ても、所定回転数に回復する時間が短くなり、その結
果、回転数が安定する。この様に、回転数が安定すれ
ば、安定したポンプ９の駆動が行えるので、本装置１の
信頼性が向上する。

【００２７】従って、商用電源の電源電圧がモータ７の
定格電圧より低くなったとしても、従来の如く、設定回
転数に到達するまでの時間が長くなったり、設定回転数
に達しないという不具合が解消でき、チャンバー２０に
対しての排気性能(真空度、排気速度等)が下がるという
不具合が解消できる。

【００２８】

【発明の効果】本発明によれば、電圧検出手段により検
出された電圧と回転状態検出手段により検出された回転
状態に基づき、モータをデューティ制御するようにした
ので、電源からの電圧が外的要因により変動した場合で
も、モータの定格電圧からの電源低下分に応じてデュー
ティ比をモータの回転状態に応じて変化させ、モータの
初期駆動時における所定回転数への立ち上がりを速くす
ることができ、通常駆動状態でもモータの回転数が安定
するようにできる。それ故に、モータ駆動時に真空対象
空間の真空度が電圧の変動により左右されないようにで
き、真空ポンプ制御装置の信頼性を向上することができ
る。

【００２９】この場合、モータに印加する電圧の上限値
を、回転状態と電圧の制御因子に基づき制御するように
したので、過度の電圧による真空ポンプ制御装置のモー
タあるいは内部の焼き付きおよび焼損が防止でき、信頼
性を向上させると共に、電源電圧の変動によらず、安定
した回転を得ることができる。

【００３０】また、制御因子は、回転状態と電圧により
決定される比率であれば、モータの回転状態とに基づく
簡単な比率によりモータおよびＩＧＢＴの許容電圧の範
囲内でデューティ比を容易に決定できる。

【００３１】更に、回転状態とは、モータの回転数であ
れば、モータの回転数の検出によって制御を行うことが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態における真空ポンプ制御装
置の構成図である。

【図２】本発明の一実施形態におけるモータを駆動する
デューティ制御を説明するため説明図である。

【図３】図１に示すモータの回転数とモータの駆動を行
う電圧の関係およびモータの回転数とモータの発生トル
クとの関係を示したグラフである。

【図４】本発明の一実施形態における真空ポンプ制御装
置のデューティ制御におけるモータの回転数／電源電圧
とデューティ比との関係を示したグラフである。

【図５】本発明の一実施形態における真空ポンプ制御装
置の安定性を示す従来例との比較図である。

【図６】従来例におけるモータの回転数とデューティ比
の関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１ 真空ポンプ制御装置 ２ 電圧 ３ 電圧検出器（電圧検出手段） ７ モータ ８ モータ回転検出器（回転状態検出手段） ９ ポンプ １５ 商用電源（電源） ２０ チャンバー（真空対象空間）

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電源より電圧供給がなされ、真空対象空
   間に対し、前記真空対象空間から排気を行うポンプを、
   モータに印加する電圧を制御して、前記真空対象空間を
   真空状態にする真空ポンプ制御装置において、 前記電源からの電圧を検出する電圧検出手段と、 前記モータの回転状態を検出する回転状態検出手段とを
   備え、 前記電圧検出手段により検出された電圧と前記回転状態
   検出手段により検出された回転状態に基づき、前記モー
   タに印加する電圧を制御することを特徴とする真空ポン
   プ制御装置。
2. 【請求項２】 前記モータに印加する電圧の上限値を前
   記回転状態と前記電圧の制御因子に基づき決定すること
   を特徴とする請求項１に記載の真空ポンプ制御装置。
3. 【請求項３】 前記制御因子は、前記回転状態と前記電
   源電圧により決定される比率であることを特徴とする請
   求項２に記載の真空ポンプ制御装置。
4. 【請求項４】 前記回転状態とは、前記モータの回転数
   であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれ
   かに記載の真空ポンプ制御装置。