JP2009150398A - 真空ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】真空ポンプを提供すること。
【解決手段】真空ポンプ１０は、シャフト１４による回転のために取り付けられた真空ポンプ機構１２と、シャフトを回転させるためのブラシレスモータ１６とを含む。真空ポンプ機構１２は、複数のポンプ段を含むターボポンプ機構１８と、少なくとも１つのポンプ段を含む分子ドラッグポンプ機構２０とを含む。シャフト１４は、軸受２２によって回転に対して支持される。モータ１６は、シャフト１４に対して固定された永久磁石ロータ２４を含む。ロータ２４は、４つの極を有し、ステータ２６は、重ならないステータコイルを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、真空ポンプに関する。

ターボ、シーグバーン、ホルベック、及びゲーデは、既知の真空ポンプ機構である。こうした機構は、軸を中心として回転を生じさせるモータにより駆動される。多くの場合、小型の真空ポンプを提供することが望ましく、小型の設計を実現するためには、モータは、ポンプ内の空間の効率的な使用を増加させるように、種々の異なる種類のポンプ機構に対して異なって配置される。例えば、図８に概略的に示すように、ホルベックのポンプ機構は、軸８２を中心に回転可能な少なくとも１つのシリンダ８０を含む。空間が、シリンダの半径方向内側に設けられ、モータ８４を、モータの外径がその空間内に嵌まるように制約されるという条件で、空間に配置することができる。ホルベックのシリンダは比較的長いので、モータの軸方向長さは比較的制約が少ない。図９に概略的に示すように、ゲーデ又はシーグバーンのポンプ機構は、軸８２を中心として回転可能な少なくとも１つのディスク８６を含む。典型的には、こうした機構のためのモータ８８は、機構の１つの軸方向側部に配置され、したがって、ポンプ内の空間を節約するために、モータの軸方向長さを制限することが望ましい。対照的に、ゲーデ又はシーグバーン機構のモータの半径方向寸法は、比較的制約が少ない。

真空ポンプのモータは、用いられるポンプ機構の種類により、軸方向寸法又は半径方向寸法のいずれかが制約され、したがって、２つの異なる種類のモータを準備することが必要である。小型のモータは、ホルベック型及びシーグバーン並びにゲーデ型の両方の真空ポンプ機構と用いるのが望ましい。

真空ポンプは、磁気干渉に敏感な科学機器又は製造機器と併せて用いることができる。こうした機器は、電子顕微鏡、集束イオンビーム器具、及びリソグラフィ機器を含む。上述の種類のターボ分子ポンプは、多くの場合、こうした機器に典型的に必要とされる高真空を実現するのに用いられる。ターボ分子ポンプ９０を図１０に示す。こうしたポンプは、３６，０００から９０，０００ｒｐｍの領域の高回転速度のために設計され、永久磁石ブラシレスＤＣモータ９２により駆動させることができる。こうしたモータは、整流（コミュテーション）周波数を最小にし、駆動電子回路の設計を単純化するために、２極構成を有する。ブラシレスＤＣモータは、一般に、永久磁石ロータ９６の回転を感知するための１つ又はそれ以上のホール効果センサ９４を含む。ロータ９６は、ステータ９８の端部を越えて軸方向に延び、センサがロータの回転を測定できるようにする。ロータの延長は、延長が５ｍｍ程度に過ぎないものであっても、漂遊磁界を増加させて、ポンプから漏れ出るようになり、科学機器又は製造機器と干渉する。モータからの磁気干渉を減少させることが望ましい。

本発明は、シャフトにより回転可能な真空ポンプ機構と、前述のシャフトを回転させるためのブラシレスモータとを含む真空ポンプを提供し、前述のモータは、前述のシャフトに対して固定され、少なくとも４つの極を有する永久磁石ロータと、ポンプハウジングに対して固定され、重ならないステータコイルを有するステータと、前述のロータを前述のステータに対して回転できるようにするために、前述のロータと前述のステータの相対位置に応じて前述のステータコイルを選択的に励磁するモータ制御手段と、を含む。
他の好ましい及び／又は任意的な特徴は、添付の特許請求の範囲に定義される。

本発明を良好に理解するために、例示的なものにすぎない実施形態をここで図面を参照して説明する。
図１を参照すると、シャフト１４による回転のために取り付けられた真空ポンプ機構１２と、シャフトを回転させるブラシレスモータ１６とを含む真空ポンプ１０が示されている。真空ポンプ機構１２は、複数のポンプ段を含むターボポンプ機構１８と、少なくとも１つのポンプ段を含む分子ドラッグポンプ機構２０とを含む。シャフト１４は、軸受２２によって回転に対して支持される。

真空ポンプ機構は、例えば、限定的なものではないが、ターボ、ゲーデ、シーグバーン、又はホルベック型機構といった任意の１つ又はそれ以上の型のターボ分子ポンプ機構を含むことができる。図１に示すように、ターボ及びシーグバーン機構が示される。

真空ポンプ機構は、高速、典型的には少なくとも２０，０００ｒｐｍ、及び一般には約３６，０００と９０，０００ｒｐｍとの間の速度の回転を必要とする。こうした高速は、ポンプの入口において約１×１０^-10トル、及びポンプの出口において１トルの圧力からの圧縮を実現するのに必要である。真空ポンプは、したがって、非常に高速のポンプであることと考えられる。

モータ１６は、シャフト１４に対して固定された永久磁石ロータ２４を含む。ロータ２４は、図２を参照して以下により詳細に説明される４つの極を有する。４より多い極を必要に応じて採用してもよい。モータは、ポンプハウジング２８に対して固定されたステータ２６を含む。ステータは、重ならないステータコイルを有し、これもまた図２を参照して以下により詳細に説明される。

モータ制御手段３０は、ロータ２４とステータ２６の相対位置に依存するステータコイルの選択的な励磁によるモータのコミュテーションのために動作可能であり、ロータをステータに対して回転させてポンプ機構１２を駆動することができる。モータ制御手段３０は、図５を参照して以下により詳細に説明される。モータ制御手段３０は、ホール効果又は他の磁場を基礎とするセンサのように、センサなしでステータコイルの選択的な励磁を制御するように構成される。したがって、図１０に示すように、こうしたセンサを機能させるために、ロータ２４が、ステータ２６を越えて延びる必要がない。その結果、従来技術のブラシレスモータで遭遇する漂遊磁界は、図１に示す構成により減少し、したがって、真空ポンプ１０は、磁気干渉に敏感な科学機器又は製造機器に、より適したものとなる。

図２に、モータ１６の軸方向端部を示す。ロータ２４は、一般に、軸線３２を中心とする回転のためにシャフト１４の半径方向外面に固定された半径方向内面を有する円筒形である。ロータは、４つのほぼ等しい弧状セグメントを有し、又は、ロータが一体構成である場合には、ロータの４つの極を構成する、４つのほぼ等しい弧状ロータ部分を有する。Ｎ極及びＳ極は、ロータの周りに交互に配置され、各々の極は、軸線３２を中心に９０°より小さい角度だけ延びる。４つの極を図２に示すが、４つより多い極を必要に応じて採用してもよい。

ステータ２６は、ポンプハウジング２８に対して適当な手段で固定される。ステータは、ほぼ環状の周辺部分又はバックアイアン３４をもつコアを有し、ここから６つの磁極片３６が半径方向内方に延びる。磁極片は、約６０°の角度で、周辺部分３４の周りにほぼ等しく間隔を隔てられている。各磁極片３６の半径方向内面は、ロータ２４の半径方向外面から、磁束がロータの回転を制御するためにステータの動作により制御される空隙分だけ離間されている。

図示実施形態は、４極ロータ及び６つのステータ磁極片を有する三相モータを含むが、相、極、及び磁極片の他の組み合わせは本発明の範囲内に入る。例えば、モータは、４に等しい又は４より大きいあらゆる偶数（４，６，８，１０等）の数の極を含むことができる。しかしながら、複数の極は、複雑で高価な処理要件を含む高いコミュテーション周波数をもたらすため、欠点がある。こうした高い周波数は、また、モータ内に許容できない損失を生み出すことがある。三相より多い又は少ない相を必要に応じて与えることができるが、少なくとも三相が滑らかなトルク分配のために好ましい。Ｐが極の数であり、Ｍが相の数である場合、磁極片の数は、Ｐ／２×Ｍと等しいか又はこれより大きいものでなければならない。

ステータ巻線は、６つの重ならないステータコイル３８を形成するように構成された３つのワイヤを含む。６つのステータコイルは、Ａ１、Ｂ１、Ｃ１、Ａ２、Ｂ２、Ｃ２に示すように、それぞれの磁極片３６の周りに巻かれる。第１ワイヤ４０は、電気接点４１の間に接続され、Ａ１及びＡ２においてステータコイルを形成する。第２ワイヤ４２は、電気接点４３の間に接続され、Ｂ１及びＢ２においてステータコイルを形成する。第３ワイヤ４４は、電気接点４５の間に接続され、Ｃ１及びＣ２においてステータコイルを形成する。電気接点４１、４３、４５は、以下に説明する周波数変換器６０に接続される。図２に矢印で示すように、第１、第２及び第３ワイヤの各々は、それぞれのコイルＡ１とＡ２、Ｂ１とＢ２、及びＣ１とＣ２の間のステータコア部分３４の軸方向端部上に延びる。ステータの軸方向長さは、周辺部分３６の長さ、及び部分３６の各々の軸方向端面を越えて突出する巻線の軸方向範囲により決定される。さらに、ワイヤ４０、４２、４４は、コアの端面上に延び、したがってステータの軸方向範囲をさらに延ばすことができる。

図３は、図２の重ならない巻線構成を示し、図４は、従来技術の重なる構成を示す。図３においては、重ならないステータ巻線は、そのままで巻くことができ、重なる巻線と比較すると、モータの軸方向及び／又は周方向に占める空間が少ない。この点で、各々の磁極片の周り及び軸方向端部に必要とされる空間は、１つのコイルだけが各々の磁極片の周りに巻かれるため、重ならない巻線に対しては少なくなる。さらに、重なる巻線構成は、そのままで巻くことができず、代わりに、比較的複雑で時間がかかる巻き技術を必要とする。本発明におけるように重ならない巻線構成が採用される場合には、さらに、セグメント化されたステータコアをステータに設けることが可能である。一般に、こうしたステータコアにおいては、各々のセグメントは、１つの磁極片を含み、巻線は、ステータを形成するためにセグメントの統合前に容易に製造することができる。標準的な粉末冶金法を用いて非焼結複合粉末材料からステータを製造できることは、セグメント化ステータにおける更なる利点である。こうしたステータの各々のセグメントは、成形／鋳造されて、磁極片の軸方向端部がバックアイアン（周辺部分３４）の軸方向端部から離間されて、巻線のための空間をもたらすようにし、それにより巻線が磁極片上に形成されたときに、巻線がバックアイアンの軸方向端部を越えて延びないようになる。したがって、重ならない巻線は、図４に示す従来技術の構成と比較すると、より容易に製造でき、ステータの軸方向及び／又は半径方向範囲の減少を可能にする、比較的複雑でない構成を有することが理解される。図４においては、巻線１０２、１０４、１０６は、製造するのにより困難であり、そのままで形成することも、又は、セグメント化ステータと組み合わせて形成することもできない。さらに、こうした巻線は、磁極片の各々の周りに比較的より多くの空間を占めて、モータの直径を増大させ、さらに、こうした巻線はバックアイアンに対して軸方向においてより大きい張り出しを有し、ステータの軸方向長さを増大させる。

図５は、モータ制御手段３０を示す。モータ制御手段は、Ａ１とＡ２、Ｂ１とＢ２、及びＣ１とＣ２のステータコイルの励磁を制御するように動作して、三相整流をもたらす。モータ制御手段３０は、ステータ巻線における電圧及び電流を測定することによりロータとステータの相対的な角度方向位置を求め、ステータ巻線の励磁を制御して、正しい整流をもたらす。ＥＰ０９２５６４１号、ＥＰ１１８９３３５号、及びＥＰ１７０５７９２号の各々は、センサを用いることなくモータをコミュテートするための制御手段を示し、これらの出願の各々の内容を、本明細書に援用する。

より詳細には、制御手段３０は、ステータ巻線３８の段階的励磁を与えるための周波数変換器６０を含む。デジタル信号処理ユニットのような処理ユニット６２は、ステータ巻線３８の電流及び電圧信号を受信し、以下の式により、各々の巻線における磁束の変動をリアルタイムで求める。
Ｖ＝ＩＲ＋Ｌ×ｄＩ／ｄｔ＋ＮＡ×ｄＢ／ｄｔ
ここで、ステータ巻線との関連において、Ｖは電圧であり、Ｉは電流であり、Ｒは抵抗であり、Ｎは巻数であり、Ａは断面積であり、Ｌはインダクタンスであり、Ｂは磁束密度である。

ロータの角度方向位置は、磁束の変動、及び、正しい整流を実現するために周波数変換器を制御するのに用いられる制御ユニット６４に出力される位置信号により求めることができる。

ここに記載されるタイプの真空ポンプは、高回転速度で駆動されることが必要であるため、ステータ巻線の整流周波数は、相応に高くなければならない。４又はそれ以上の極をもつロータの使用は、２極モータと比較すると、高い周波数の整流を必要とする。したがって、以前は、必要な整流の周波数がとても高いものとなるために、４極ロータをもつモータにより駆動される真空ポンプを採用することは望ましいと考えられていなかった。しかしながら、こうした周波数の増加は、真空ポンプに有益な効果を有することが見出された。図１に示すポンプハウジング２８は、典型的には、例えば、アルミニウム合金のような導電性材料から製造されるため、生成される交流磁場の周波数の増大は、渦電流遮蔽によるハウジングの減衰効果の増大をもたらした。したがって、真空ポンプに４極モータを採用することは、真空ポンプを、敏感な機器と併せて用いるのに、より好適なものにする。

交流磁場が、高導電性又は高透磁率の材料で製造されたポンプハウジングに加えられるとき、渦電流がハウジング内に誘起される。これらの渦電流は、元の加えられた磁場を打ち消す更なる磁場を生成して、磁場は、ポンプハウジングを通るときに減少する。ポンプハウジングの外殻厚さＴ_mは、磁場が「ｅ」の割合（およそ２．７２）だけ減少される、ハウジングを通るある一定の距離である。したがって、遮蔽は、外殻厚さが減少されるに伴い増加する。外殻厚さは、以下の数式により計算することができる。

ここで、ρは電気抵抗であり、μは透磁率であり、ｆは時間的に変動する磁場の周波数である。電気抵抗が低いアルミニウムのような材料又は透磁率が高い（１００相対透磁率より高い）軟鋼といった材料においては、外殻厚さは比較的小さく、したがって、遮蔽効果は比較的大きい。４極ロータの増大した周波数は、さらに、遮蔽効果を増大させる。

上述のように４極モータは、ステータの鉄損を通常増加させる高周波数整流を必要とする。鉄損Ｗ_FEは以下の数式により近似することができる。
Ｗ_FEα容量×Ｂ²×ω²
ここでＢは磁束密度、ωは整流周波数である。

上述のように、４極モータは、ステータの鉄損を増加させる高周波数整流を必要とする。しかしながら、図２及び図３に示す重ならない巻線構成により、銅損は、重なる巻線構成に通常含まれる長い端部巻線を避けることにより減少される。巻線を形成するのに必要なワイヤが少ないため、巻線の抵抗が減少するに伴い、銅損は減少する。この銅損の減少を、ステータの鉄損の潜在的な増大と交換して、従来の２極モータの損失と同様なモータの合計損失を保持することができる。

漂遊磁界は、また、４極モータの磁束がモータの半分ではなく、その４分の１を移動するときに減少し、したがって、半径方向に少なく延びる（半径方向における磁束密度の大きさが小さい）。さらに、漂遊磁界はまた、モータの整流が図５に示すように計算されるときに減少し、したがって、ホール効果センサは必要ない。従来技術に関して上述されたように、ホール効果センサの使用は、ロータを、ステータを超えて延ばすことを必要とし、漂遊磁界を増加させることになる。センサのないモータは、計測学、イメージング、又はパターン形成のうちの１つのための機器のような、敏感な（感度の高い）機器と併せて用いるのに、より適したものになるため、有利である。センサのないモータに代えて、光センサを用いて、ロータの回転を決定し、この決定を、整流を制御するためのモータ制御手段に伝送することができる。

モータ１６は、従来技術のモータと比較すると、半径方向及び軸方向寸法の両方において減少され、したがって、図６及び図７に示すように、図８及び図９と比較すると、モータ１６はホルベック型真空ポンプ機構と、ゲーデ及びシーグバーン型真空機構の両方で用いることができる。したがって、異なる種類のポンプ機構のために多数の異なる種類のモータを製造する必要はなく、これにより、製造コストを減少させることができる。さらに、モータ１６の減少した寸法は、より小型の真空ポンプを可能にする。

真空ポンプの概略図である。 図１に示す真空ポンプのモータの軸方向端部の図である。 図１及び図２に示すモータの巻線構成の単純化された図である。 従来技術のモータの巻線構成の単純化された図である。 図１及び図２に示すモータのモータ制御手段を示す。 図２に示すモータにより駆動されるホルベック型真空ポンプ構成を含む真空ポンプの概略図である。 図２に示すモータにより駆動されるゲーデ又はシーグバーン型真空ポンプ構成を含む真空ポンプの概略図である。 従来技術のモータにより駆動されるホルベック型真空ポンプ構成を含む真空ポンプの概略図である。 従来技術のモータにより駆動されるゲーデ又はシーグバーン型真空ポンプ構成を含む真空ポンプの概略図である。 従来技術の真空ポンプの概略図である。

符号の説明

１０：真空ポンプ
１２：真空ポンプ機構
１４：シャフト
１６：ブラシレスモータ
１８：ターボポンプ機構
２０：分子ドラッグポンプ機構
２２：軸受
２４：永久磁石ロータ
２６：ステータ

Claims (12)

1. シャフトにより回転可能な真空ポンプ機構と、前記シャフトを回転させるためのブラシレスモータとを含む真空ポンプであって、前記モータは、
   前記シャフトに対して固定され、少なくとも４つの極を有する永久磁石ロータと、
   ポンプハウジングに対して固定され、重ならないステータコイルを有するステータと、
   前記ロータが前記ステータに対して回転できるように、前記ロータと前記ステータの相対位置に応じて前記ステータコイルを選択的に励磁するためのモータ制御手段と、を含み、
   前記モータ制御手段は、１分当たり少なくとも２０，０００回転で、前記真空ポンプ機構を回転させるのに十分な周波数で前記ステータコイルを励磁させるように構成される、
   ことを特徴とする真空ポンプ。
2. 前記真空ポンプ機構は、ターボ分子ポンプ機構を含むことを特徴とする請求項１に記載の真空ポンプ。
3. 前記ポンプ機構は、ホルベック、ゲーデ、又はシーグバーンポンプ機構のうちの１つを含むことを特徴とする請求項２に記載の真空ポンプ。
4. 前記モータ制御手段は、前記ロータと前記ステータの前記相対位置を感知する光センサを含むことを特徴とする請求項１に記載の真空ポンプ。
5. 前記モータ制御手段は、前記ステータコイルにおける磁束の計算により、前記ロータと前記ステータの前記相対位置を求めるように構成されることを特徴とする請求項１に記載の真空ポンプ。
6. 前記磁束は、前記ステータコイルにおける電圧及び電流の測定値により計算されることを特徴とする請求項５に記載の真空ポンプ。
7. 磁気干渉に敏感な機器のための請求項１に記載される真空ポンプ。
8. 前記機器は、計測学、イメージング、又はパターン形成のうちの１つのためのものであることを特徴とする請求項７に記載の真空ポンプ。
9. 高導電性又は高透磁率の材料で製造されるポンプハウジングを含むことを特徴とする請求項１に記載の真空ポンプ。
10. 前記材料は、アルミニウム合金で製造されることを特徴とする請求項９に記載の真空ポンプ。
11. 高透磁率の材料で製造されるポンプハウジングを含むことを特徴とする請求項１に記載の真空ポンプ。
12. 前記材料は、鋼で製造されることを特徴とする請求項１１に記載の真空ポンプ。

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