JP2007138892A - 磁気軸受型ターボ分子ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】 特別な構成を付加することなく、ロータへの反応生成物の堆積を防止して、定期メンテナンスの間隔を延ばすことができる磁気軸受型ターボ分子ポンプを提供する。
【解決手段】 磁気軸受型ターボ分子ポンプは、ロータ4が、ハウジング内において、電磁石を有する制御型磁気軸受11,12,13により非接触支持されて電動モータ15により回転させられるものである。磁気軸受制御手段2が、電磁石に供給する励磁電流を制御することにより、ロータ4を加振するようになされている。
【選択図】 図１

Description

この発明は、制御型磁気軸受を用いた磁気軸受型ターボ分子ポンプに関する。

制御型磁気軸受を用いた磁気軸受型ターボ分子ポンプでは、ハウジング内において、ポンプを構成するロータが制御型磁気軸受により非接触支持されて、電動モータにより回転駆動される。

この種のターボ分子ポンプは、イオン注入装置、スパッタ装置、半導体製造装置などに使用されるが、とくに半導体製造装置においては、反応性ガスを吸引することが多く、反応生成物がロータに堆積し、ロータのアンバランスが大きくなったり、場合によっては、堆積した生成物がステータに接触して、故障することがある。

このため、生成物を除去するためのメンテナンスを定期的に行う必要があった。

このような問題を解決するため、ハウジング内をヒータで加熱して、生成物の堆積を防止するようにしたターボ分子ポンプが提案されている（たとえば特許文献１参照）。
特開平０９−３１７６８７号公報

ところが、このようにすると、ハウジング内にヒータを付加する必要があり、構造が複雑になるとともに、コストも高くなる。また、ハウジング内をヒータで加熱したとしても、完全に停止したロータには多少の生成物が堆積することになり、やはり定期メンテナンスが必要である。

この発明の目的は、上記の問題を解決し、特別な構成を付加することなく、ロータへの反応生成物の堆積を防止して、定期メンテナンスの間隔を延ばすことができるターボ分子ポンプを提供することにある。

この発明によるターボ分子ポンプは、ロータが、ハウジング内において、電磁石を有する制御型磁気軸受により非接触支持されて電動モータにより回転させられる磁気軸受型ターボ分子ポンプにおいて、磁気軸受制御手段が、電磁石に供給する励磁電流を制御することにより、ロータを加振するようになされていることを特徴とするものである。

ロータを加振して、振動させることにより、ロータへの反応生成物の堆積を防止することができる。このため、生成物の堆積によるアンバランスの増大や接触による故障を防止することができる。そして、生成物の堆積が大幅に低減することにより、定期メンテナンスの間隔を延ばすことが可能となり、ランニングコストの低減が可能である。さらに、電磁石に供給する励磁電流を制御してロータを加振するだけで、生成物の堆積を防止することができ、従来のヒータなどのような特別な構成を付加する必要がない。

ロータの加振は、アキシアル方向（軸方向）の制御軸およびラジアル方向（径方向）の２つの制御軸の少なくともいずれか１つについて行われる。

通常、磁気軸受は、各制御軸について、ロータを制御軸の両側から挟むように配置された１対の電磁石を備えている。その場合、１対の電磁石に供給する励磁電流を制御することにより、ロータを加振する。また、１対の電磁石に供給する励磁電流は、通常、一定の定常電流（バイアス電流）とロータの変位によって変化する制御電流とを合わせたものである。その場合、１対の電磁石に対する制御電流を制御することにより、ロータを加振する。

この発明のターボ分子ポンプにおいて、たとえば、磁気軸受制御手段が、ハウジング内にガスが流れていることを検知する手段およびロータの回転速度を検出する手段を備え、ハウジング内にガスが流れているときであって、ロータが停止しているときまたはロータの回転速度が所定速度以下であるときに、ロータを加振するようになされている。

ハウジング内にガスが流れていないときには、反応性生物が堆積することがない。また、ロータが高速で回転しているときも、反応性生物が堆積することがない。したがって、上記のようにすることにより、必要なときにのみロータを加振して、反応性生物の堆積を防止することができる。

たとえば、ターボ分子ポンプが半導体製造装置などに使用される場合、ターボ分子ポンプに反応ガスを流すプロセス時に、製造装置からターボ分子ポンプにガス供給信号を出力する。磁気軸受制御手段は、ガス供給信号を受信する手段を備え、ガス供給信号が入力しているときは、ガスが流れていると判断する。

この発明のターボ分子ポンプにおいて、たとえば、ロータの加振動作の実行を設定する手段が設けられており、磁気軸受制御手段が、ロータの加振動作の実行が設定されていることを検知する手段およびロータの回転速度を検出する手段を備え、ロータの加振動作の実行が設定されているときであって、ロータが停止しているときまたはロータの回転速度が所定速度以下であるときに、ロータを加振するようになされている。

この場合も、必要なときにのみロータを加振して、反応性生物の堆積を防止することができる。

たとえば、ターボ分子ポンプの操作パネルに、運転者が手動でロータの加振動作の実行を設定する手段が設けられる。

この発明のターボ分子ポンプによれば、上記のように、特別な構成を付加することなく、ロータへの反応性生物の堆積を防止して、定期メンテナンスの間隔を延ばすことができる

以下、図面を参照して、この発明を半導体製造装置に使用されるターボ分子ポンプに適用した実施形態について説明する。

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(1)およびコントローラ(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。

ポンプ本体(1)は、鉛直円筒状のハウジング(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。

ハウジング(3)は、複数の部品を結合することにより組み立てられている。ハウジング(3)は、大径筒部(3a)と、大径筒部(3a)の下部内側に同心状に配置された小径筒部(3b)とを備えている。大径筒部(3a)の下端部と小径筒部(3b)の下端寄りの部分とが互いに連結され、両筒部(3a)(3b)の間に環状空間(5)が形成されている。ハウジング(3)の上端開口部は給気口(6)となっており、ハウジング(3)の下部外周壁には排気口(7)が設けられている。排気口(7)は、環状空間(5)および大径筒部(3a)内の空間を介して給気口(6)に連通している。

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、環状空間(5)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(9)が形成されている。ハウジング(3)の大径筒部(3a)の内周に、ロータ翼(9)の間のみぞ(8)に入り込む複数のステータ翼(10)が固定状に設けられている。

ハウジング(3)の小径筒部(3b)内に、ロータ(4)を軸方向に非接触支持する１組の制御型アキシアル軸受(11)、ロータ(4)を径方向に非接触支持する上下２組の制御型ラジアル磁気軸受(12)(13)、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(14)、ロータ(4)を高速回転させるためのビルトイン型電動モータ(15)、ロータ(4)の回転数を検出するための回転センサ(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(11)(12)(13)で支持していないときにロータ(4)を機械的に支持する上下２組のタッチダウン用の保護軸受(17)(18)が設けられている。

コントローラ(2)は、磁気軸受制御手段を構成する。コントローラ(2)には、センサ回路(19)(20)、電磁石駆動回路(21)、インバータ(22)およびＤＳＰボード(23)が設けられ、ＤＳＰボード(23)には、ソフトウェアプログラムが可能なディジタル処理手段としてのＤＳＰ(24)、ＡＤ変換器(25)(26)およびＤＡ変換器(27)(28)が設けられている。

変位検出部(14)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(29)、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(30)(31)を備えている。

アキシアル磁気軸受(11)は、ロータ軸部(4a)の下部に一体に形成されたフランジ(32)の部分を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(33a)(33b)を備えている。アキシアル電磁石は、符号(33)で総称する。

アキシアル変位センサ(29)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。

２組のラジアル磁気軸受(12)(13)は、アキシアル磁気軸受(11)の上側において上下方向に所定の距離をおいて配置されており、これらの間にモータ(15)が配置されている。上側のラジアル磁気軸受(12)は、ロータ(4)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(34a)(34b)、およびロータ(4)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(34c)(34d)を備えている。これらのラジアル電磁石は、符号(34)で総称する。同様に、下側のラジアル磁気軸受(13)も、２対のラジアル電磁石(35a)(35b)(35c)(35d)を備えている。これらの電磁石も、符号(35)で総称する。

上側のラジアル変位センサユニット(30)は、上側のラジアル磁気軸受(12)の近傍に配置されており、Ｘ軸方向の電磁石(34a)(34b)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(36a)(36b)、およびＹ軸方向の電磁石(34c)(34d)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(36c)(36d)を備えている。これらのラジアル変位センサは、符号(36)で総称する。同様に、下側のラジアル変位センサユニット(31)は、下側のラジアル磁気軸受(13)の近傍に配置されており、２対のラジアル変位センサ(37a)(37b)(37c)(37d)を備えている。これらのラジアル変位センサも、符号(37)で総称する。各ラジアル変位センサ(36)(37)は、ロータ軸部(4a)の外周面との距離に比例する距離信号を出力する。

電磁石(33)(34)(35)、変位センサ(29)(36)(37)および回転センサ(16)は、ハウジング(3)に固定されている。

保護軸受(17)(18)はアンギュラ玉軸受などの転がり軸受よりなり、各保護軸受(17)(18)の外輪がハウジング(3)に固定され、内輪がロータ軸部(4a)の周囲に所定の隙間をあけて配置されている。２組の保護軸受(17)(18)はいずれも径方向の支持が可能なものであり、少なくとも１組は軸方向の支持も可能なものである。

センサ回路(19)は、変位検出部(14)の各変位センサ(29)(36)(37)を駆動し、各変位センサ(29)(36)(37)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(30)(31)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(25)を介してＤＳＰ(24)に出力する。変位検出部(14)およびセンサ回路(29)により、変位検出手段が構成されている。

センサ回路(20)は、回転センサ(16)を駆動し、回転センサ(16)の出力をロータ(4)の回転速度に対応する回転速度信号に変換し、これをＡＤ変換器(26)を介してＤＳＰ(24)に出力する。回転センサ(16)およびセンサ回路(20)により、回転速度検出手段が構成されている。

ＤＳＰ(24)は、ＡＤ変換器(25)から入力する変位信号に基づいて、各磁気軸受(11)(12)(13)の各電磁石(33)(34)(35)に対する制御電流値を求め、一定の定常電流値に制御電流値を加えた励磁電流信号をＤＡ変換器(27)を介して電磁石駆動回路(21)に出力する。そして、駆動回路(21)は、ＤＳＰ(24)からの励磁電流信号に基づく励磁電流を対応する磁気軸受(11)(12)(13)の電磁石(33)(34)(35)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される。ＤＳＰ(24)は、また、回転センサ(16)からの回転速度信号に基づいて、モータ(15)に対する回転速度指令信号をＤＡ変換器(28)を介してインバータ(22)に出力し、インバータ(22)は、この信号に基づいて、モータ(15)の回転数を制御する。そして、その結果、ロータ(4)が、磁気軸受(11)(12)(13)により目標位置に非接触支持された状態で、モータ(15)により高速回転させられる。

上記のターボ分子ポンプには、必要に応じ、反応性ガスが供給される。ガスは、給気口(6)からハウジング(3)内に入り、環状空間(5)内のステータ翼(10)とロータ翼(9)の間を通って、排気口(7)から排出される。

ターボ分子ポンプに反応性ガスが供給されている間、半導体製造装置からコントローラ(2)にガス供給信号が出力される。

ＤＳＰボード(23)には、ガス供給信号を受信するための入力端子(38)が設けられている。ＤＳＰ(24)は、コントローラ(2)の電源が投入されている間、ガス供給信号が入力されているかを監視するとともに、ロータ(4)の回転速度を監視しており、ガス供給信号が入力しているとき、すなわち、ハウジング(3)内にガスが流れているときであって、ロータ(4)が停止しているときまたはロータ(4)の回転速度が所定速度以下であるときに、所定の磁気軸受(11)(12)(13)の1対の電磁石(33)(34)(35)に対する制御電流を制御することにより、ロータ(4)を加振する。たとえば、前記のようにロータ(4)の変位に基づいて求められた制御電流に所定の加振信号たとえば一定の周波数の正弦波信号を加算することにより、ロータ(4)を加振することができる。そして、このようにロータ(4)を加振することにより、ロータ(4)への生成物の堆積を防止することができる。

上記実施形態では、製造装置から出力されるガス供給信号に基づいて、ロータ(4)の加振動作を実行するか否かを判断しているが、ロータ(4)の加振動作の実行を運転者が手動で設定するようにすることもできる。その場合、図１に鎖線で示すように、コントローラ(2)の操作パネル(39)において、ロータ(4)の加振動作実行のオン・オフを設定できるようにしておき、加振動作実行がオンに設定されているときであって、ロータ(4)が停止しているときまたはロータ(4)の回転速度が所定速度以下であるときに、上記と同様に、ロータ(4)を加振する。

ターボ分子ポンプの全体構成あるいは各部の構成、制御の方法などは、上記実施形態のものに限らず、適宜変更可能である。

図１は、ターボ分子ポンプの全体構成を概略的に示すブロック図である。 図２は、図１のターボ分子ポンプのポンプ本体の主要部を示す縦断面図である。 図３は、図２の主要部の横断面図である。

符号の説明

(1) ポンプ本体
(2) コントローラ
(3) ハウジング
(4) 回転体
(11) アキシアル磁気軸受
(12)(13) ラジアル磁気軸受
(15) 電動モータ
(33a)(33b) アキシアル電磁石
(34a)(34b)(34c)(34d)(35a)(35b)(35c)(35d) ラジアル電磁石
(38) 入力端子
(39) 操作パネル

Claims (3)

1. ロータが、ハウジング内において、電磁石を有する制御型磁気軸受により非接触支持されて電動モータにより回転させられる磁気軸受型ターボ分子ポンプにおいて、
   磁気軸受制御手段が、電磁石に供給する励磁電流を制御することにより、ロータを加振するようになされていることを特徴とする磁気軸受型ターボ分子ポンプ。
2. 磁気軸受制御手段が、ハウジング内にガスが流れていることを検知する手段およびロータの回転速度を検出する手段を備え、ハウジング内にガスが流れているときであって、ロータが停止しているときまたはロータの回転速度が所定速度以下であるときに、ロータを加振するようになされていることを特徴とする請求項１の磁気軸受型ターボ分子ポンプ。
3. ロータの加振動作の実行を設定する手段が設けられており、磁気軸受制御手段が、ロータの加振動作の実行が設定されていることを検知する手段およびロータの回転速度を検出する手段を備え、ロータの加振動作の実行が設定されているときであって、ロータが停止しているときまたはロータの回転速度が所定速度以下であるときに、ロータを加振するようになされていることを特徴とする請求項１の磁気軸受型ターボ分子ポンプ。

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