JP2011226399A - 真空ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】ロータの回転方向を検出することができる真空ポンプ。
【解決手段】モータ３６により回転駆動されるロータ３０に所定のキュリー温度を有する磁性体１１を設け、ロータ３０の回転に伴って、ロータ３０の磁性体１１が設けられた領域と磁性体１１が設けられていない領域とに交互に対向するように温度センサ１０を設ける。温度センサ回路４３ｂからは、ロータ１回転当たりのパルス数が前記第１のパルス列信号と等しい第２のパルス列信号が温度センサ回路４３ｂから出力される。また、ロータ３０の回転と同期した第１のパルス信号を出力する回転センサ回路４３ａを設けた。温度センサ回路４３ｂは、温度センサ１０が磁性体１１と対向しているときの第２のパルス信号の出力レベルの変化に基づいて、ロータ３０の温度を推定する。そして、正逆判定回路４４、第１のパルス信号のパルス発生パターンと第２のパルス信号のパルス発生パターンとに基づいてロータの回転方向を検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、真空ポンプに関する。

半導体製造装置などに用いられる真空ポンプの一つとしてターボ分子ポンプがあるが、ターボ分子ポンプでは回転翼が形成されたロータをモータで回転駆動し、この回転翼を固定翼に対して高速回転させることにより気体分子を排気している。ターボ分子ポンプのロータ回転を検出する方法としては、ギャップセンサによりロータ回転を検出する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

ロータには、ギャップセンサと対向するように溝が形成されたディスクを配置し、ディスクの回転に伴うギャップの変化をギャップセンサで検出し、ギャップ変化からhigh−low信号を生成する。そして、生成したhigh−low信号に基づいてステータコイルの励磁パターンを生成し、モータを回転駆動制御している。

特許第３７４００８３号公報

しかしながら、この種のセンサから出力されるセンサ信号では、回転速度は検出できるが回転方向は検出できない。そのため、一般的には、ポンプ始動直後はオープンループで回転指令を出し、ある程度まで回転速度が上がった状態において指令速度に同期しているか否かで正転・逆転を判断するようにしている。その結果、逆転していた場合には、起動後に逆転を検出して、停止し、再始動することになるが、そのような作業に時間がかかってしまうという欠点があった。

請求項１の発明による真空ポンプは、所定のキュリー温度を有する磁性体が設けられたロータと、ロータを回転駆動するモータと、ロータの回転と同期した第１のパルス列信号を出力する回転検出手段と、ロータの回転に伴って、ロータの磁性体が設けられた領域と磁性体が設けられていない領域とに交互に対向し、各領域の透磁率に基づいてロータ１回転当たりのパルス数が第１のパルス列信号と等しい第２のパルス列信号を出力する温度検出手段と、温度検出手段が磁性体と対向しているときの第２のパルス列信号の出力レベルの変化に基づいて、ロータの温度を推定するロータ温度推定手段と、第１のパルス列信号のパルス発生パターンと第２のパルス列信号のパルス発生パターンとに基づいてロータの回転方向を検出する回転方向検出手段と、を備えたことを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１に記載の真空ポンプにおいて、第１のパルス列信号と第２のパルス列信号との位相差を９０degに設定したことを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項１または２に記載の真空ポンプにおいて、回転検出手段は、ロータと一体に回転し、段差が形成されたターゲット面を有するターゲットと、ターゲット面と対向する位置に配置されたインダクタンス式ギャップセンサとを有することを特徴とする。
請求項４の発明は、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の真空ポンプにおいて、モータによるロータの回転開始時に、回転方向検出手段により検出された回転方向が予め定められた回転方向と逆か否かを判定する判定手段と、判定手段により回転方向が逆と判定されると、モータを停止してロータの回転を停止させ、再度モータによるロータの回転駆動を行わせる制御手段と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、ロータの回転方向を検出することができる。

ターボ分子ポンプの概略構成を示す図である。 シャフト１２の斜視図である。 回転センサ回路４３ａのブロック図である。 温度センサ回路４３ｂから出力されるパルス信号を模式的に示したものであり、（ａ）はロータ温度が磁性体１１のキュリー温度よりも低い場合を示し、（ｂ）はロータ温度が磁性体１１のキュリー温度よりも高い場合を示す。 回転センサ３３および温度センサ１０に関するパルス信号を示す図であり、（ａ）は位相差＝４５degの場合を、（ｂ）は位相差＝３０degの場合を、（ｃ）は位相差＝１８０degの場合をそれぞれ示す。 正転、逆転を説明する図であり、（ａ）は正転および逆転の場合の信号パターンの変化を示し、（ｂ）は正転から逆転に変化したときのパルス信号を示す。

以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。図１はターボ分子ポンプの概略構成を示す図である。ターボ分子ポンプは、ポンプ本体１と電源装置２とにより構成されている。ポンプ本体１は断面で示し、電源装置２に関しては要部を示すブロック図とした。

回転翼３２が形成されたロータ３０は、ボルト締結によりシャフト１２と一体とされている。図１に示したターボ分子ポンプは磁気軸受式のターボ分子ポンプであって、ロータ３０およびシャフト１２は、ラジアル方向の磁気軸受３７およびアキシャル方向の磁気軸受３８によって非接触支持される。シャフト１２の浮上位置は、ラジアル変位センサ２７およびアキシャル変位センサ２８によって検出される。磁気軸受によって回転自在に磁気浮上されたシャフト１２およびロータ３０は、モータ３６により高速回転駆動される。２６，２９は非常用のメカニカルベアリングであり、磁気軸受が作動していない時にはこれらのメカニカルベアリング２６，２９によりシャフト１２は支持される。

ロータ３０には、回転側排気機能部を構成する複数段の回転翼３２と円筒状のネジロータ３１とが形成されている。一方、固定側には、固定側排気機能部である固定翼２２とネジステータ２４とが設けられている。複数段の固定翼２２は、軸方向に対して回転翼３２と交互に配置されている。ネジステータ２４は、ネジロータ３１の外周側に所定のギャップで設けられている。なお、ネジロータ３１およびネジステータ２４の無い全翼タイプのターボ分子ポンプに対しても、回転翼の無いドラッグポンプ等の真空ポンプに対しても本発明は適用することができる。

各固定翼２２は、スペーサリング２３を介してベース２０上に載置される。ポンプケーシング２１の固定フランジ２１ｃをボルトによりベース２０に固定すると、積層されたスペーサリング２３がベース２０とポンプケーシング２１との間に挟持され、固定翼２２が位置決めされる。ベース２０には排気ポート２５が設けられ、この排気ポート２５にバックポンプが接続される。ロータ３０を磁気浮上させつつモータ３６により高速回転駆動することにより、吸気口２１ａ側の気体分子は排気ポート２５側へと排気される。

ロータ３０の回転は、インダクタンス式ギャップセンサで構成される回転センサ３３によって検出される。回転センサ３３のセンサターゲット３４は、ロータ３０と一体に回転するシャフト１２の下端に設けられている。一方、シャフト１２のフランジ部１２１に対向するステータ側には、温度センサ１０が設けられている。フランジ部１２１の温度センサ対向面には、磁性体１１が温度センサターゲットとして設けられている。

電源装置２はポンプ本体１を駆動制御する装置であって、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、その他の周辺回路を含んで構成される。電源装置２には、主制御部４０，モータ制御部４１，磁気軸受制御部４２、回転センサ回路４３ａ、温度センサ回路４３ｂおよび正逆判定回路４４を備えている。モータ制御部４１はモータ３６を駆動制御する。磁気軸受制御部４２は、ラジアル変位センサ２７およびアキシャル変位センサ２８の出力信号に基づいて磁気軸受３７，３８の励磁電流を制御し、ロータ３０を所定位置に磁気浮上させる。

回転センサ回路４３ａは、回転センサ３３からの出力信号に基づいてロータ３０の回転情報を取得する。この回転情報は、例えばモータ３６の回転制御等に利用される。温度センサ回路４３ｂは、温度センサ１０からの出力信号に基づいてロータ３０の温度情報を取得する。回転センサ回路４３ａおよび温度センサ回路４３ｂからはロータ３０の回転に応じたパルス信号が出力され、正逆判定回路４４は、それらのパルス信号に基づいてロータ３０の回転方向を判定する。

図２は、シャフト１２の斜視図である。上述したようにシャフト軸部１２０の下端にはセンサターゲット３４が設けられている。回転センサ３３はインダクタンス式のギャップセンサであり、センサターゲット３４の下面に形成された凹凸ターゲット面３４０との距離の変化は、インダクタンス変化として検出する。凹凸ターゲット面３４０の凹面および凸面は、９０deg間隔で形成されている。

一方、シャフト軸部１２０の上端にはフランジ部１２１が設けられており、このフランジ部１２１にロータ３０が固定される。フランジ部１２１の裏面側は温度センサ１０のターゲット面であり、上述した磁性体１１がフランジ部１２１に埋め込まれるように設けられている。図２に示すように、磁性体１１は９０deg間隔で設けられている。磁性体１１に用いられる磁性材料には、検出したい温度域すなわち温度監視範囲にキュリー温度を有する材料が選ばれる。

温度センサ１０もインダスタンス式のギャップセンサであって、キュリー温度前後の磁性体１１の透磁率変化をインダクタンス変化として検出することで、ロータ温度がキュリー温度を越えたか否かを検出することができる。磁性体１１には、ロータ３０に用いられるアルミ材のクリープ変形の許容上限温度付近（約１２０〜１４０℃）にキュリー温度を有するフェライト等が選ばれる。

図３は、回転センサ回路４３ａのブロック図である。回転センサ３３は、珪素鋼板やフェライトなどの透磁率の大きなコアとその周囲に巻かれたコイルとで構成される。回転センサ３３のコイルには、一定周波数・一定振幅の高周波電圧が搬送波として印加される。回転センサ３３のコアから出た磁力線は、対向配置されたセンサターゲット３４を通ってコアへと戻る。そのため、ターゲット面３４０と回転センサ３３と間のギャップ寸法が変化すると、その変化によって回転センサ３３のインダクタンスが変化する。

インダクタンス変化によって搬送波は振幅変調され、回転センサ３３から出力される。その振幅変調された搬送波は、検波回路４３１および平滑回路４３２で処理され、ターゲット面３４０の凹凸に応じた振幅を有する信号が得られる。その信号をHigh-Low判定部４３３でHigh-Low判定閾値と比較することにより、回転パルス信号が生成される。

温度センサ回路４３ｂも回転センサ回路４３ａと同様の構成となっている。温度センサ１０のセンサターゲットの場合、磁性体１１とフランジ部１２１とで透磁率が異なっているので、この透磁率差が回転センサターゲットの場合のギャップ変化に対応している。そのため、温度センサ１０の出力信号に対して、温度センサ回路４３ｂにおいて回転センサ回路４３ａの場合と同様の処理を行うことにより、同様のパルス信号が得られる。

図４は、温度センサ回路４３ｂから出力されるパルス信号を模式的に示したものである。図４において、（ａ）はロータ温度が磁性体１１のキュリー温度よりも低い場合を示し、（ｂ）はロータ温度が磁性体１１のキュリー温度よりも高い場合を示す。ここでは、常温においては磁性体１１の方がフランジ部１２１の透磁率よりも大きく設定されている。そのため、ロータ温度が磁性体１１のキュリー温度よりも低い場合には、磁性体１１に対向したしたときの方が、信号レベルが大きくなっている。

一方、ロータ温度が磁性体１１のキュリー温度よりも高い場合には、磁性体１１の透磁率は真空の透磁率程度まで小さくなるので、温度センサ１０が磁性体１１に対向した時の信号レベルは、フランジ部１２１に対向したときの信号レベルよりも低くなる。その結果、磁性体１１に対向しているときの出力レベルの変化から、ロータ３０の温度が磁性体１１のキュリー温度を越えたか否かを検出することができる。

図５は、回転センサ３３に関するパルス信号と、温度センサ１０に関するパルス信号とを示す図である。図２に示す例では、ターゲット面３４０の凹凸およびフランジ部１２１の磁性体１１も、シャフト１２の軸の回りに９０deg間隔で、かつ同位相で設けられている。一方、回転センサ３３と温度センサ１０とは位相差４５degで設けられている。そのため、回転センサ３３に関するパルス信号と温度センサ１０に関するパルス信号は、図５（ａ）に示すようなものとなる。

上述したように磁性体１１およびターゲット面３４０の凹凸は９０deg間隔で設けられているので、ロータ１回転で２パルスが出力されることになる。そのため、機械角１８０degが電気角３６０degに対応しており、回転センサ３３と温度センサ１０との位相差は機械角で４５degなので、上下に示した２つのパルス信号の位相差は９０degとなっている。

図５（ａ）に示す信号パターンは、ロータ３０が図２のように回転している場合に得られる信号である。この回転方向を正転方向とする。図６（ｂ）はロータ３０の回転方向が正転方向の場合とパルス信号と、逆転方向の場合のパルス信号とを示したものである。ｔ＜ｔ１が正転方向の場合で、ｔ＞ｔ１が逆転方向の場合である。図６（ｂ）からも分かるように、正転方向の場合と逆転方向の場合とではパルス信号の生成パターンが異なっており、図１の正逆判定回路４４では、この生成パターンの違いから正転と逆転とを検出するようにしている。

ロータ回転方向が正転方向である場合には、図５（ａ）の１→２→３→４のように信号が変化する。この場合、回転センサ３３と温度センサ１０の信号は、図６（ａ）の表に示すように、（Highエッジ，Lowレベル）→（Highレベル，Lowエッジ）→（Lowエッジ，Highレベル）→（Lowレベル，Lowエッジ）のように変化する。このような信号パターンの場合には、正逆判定回路４４はカウント方向をアップカウント（正転）とする。

一方、ロータ回転方向が逆転方向である場合には、図５（ａ）において６→５→４→３のように信号が変化するので、回転センサ３３と温度センサ１０の信号は、図６（ａ）の表に示すように、（Highレベル，Lowエッジ）→（Lowエッジ，Lowレベル）→（Lowレベル，Highエッジ）→（Highエッジ，Highレベル）のように変化する。このような信号パターンの場合には、正逆判定回路４４はカウント方向をダウンカウント（逆転）とする。このように、信号エッジのタイミングによりロータ３０の正転・逆転を判定することができる。

図５（ｂ）に示す信号は、位相差が電気角で３０degの場合について示したものである。この場合も、回転方向に応じて図６（ａ）に示すような信号を検出することができる。すなわち、ロータ回転の正逆を検出することができる。図５（ｃ）に示す信号は、位相差が１８０degの場合である。この場合、信号のエッジを検出する順番が、回転センサが先か温度センサが先か判定できなくなる。また、ロータ１回転に対して回転センサ３３と温度センサ１０とのパルス出力数が異なる場合にも、同じように順番がはっきりしなくなって正逆判定ができない場合がある。そのため、（１）ロータ１回転に対して回転センサ３３と温度センサ１０とのパルス出力数が同じであることと、（２）回転センサ３３と温度センサ１０の両パルス信号の位相差が０deg，１８０deg，３６０degでないことが好ましい。

また、図５（ａ）のように位相差を９０degとするのが好ましい。これは、一般的なロータリーエンコーダの場合と同様で、例えば、パルス信号を４逓倍して分解能を上げ、回転速度の計算精度を向上させるような場合に都合がよい。

電源装置２に設けられた主制御部４０は、ポンプ回転起動時に正逆判定回路４４によって回転方向が逆転していると判定された場合には、ロータ３０の回転駆動を停止する。そして、ロータ３０の回転が停止したならば、再起動動作を行う。本実施の形態では、従来のように回転速度が上がらなくても回転方向の検出が可能となるので、上述したような再起動動作を短時間で行うことが可能となる。

上述したように、本実施の形態では、ロータ３０に所定のキュリー温度を有する磁性体１１を設け、ロータ３０の回転に伴って、ロータ３０の磁性体１１が設けられた領域と磁性体１１が設けられていない領域とに交互に対向するように温度センサ１０を設け、対向領域の透磁率の差違を表す第２のパルス信号を温度センサ回路４３ｂから出力する。また、ロータ３０の回転と同期した第１のパルス信号を出力する回転センサ回路４３ａを設けた。温度センサ回路４３ｂは、温度センサ１０が磁性体１１と対向しているときの第２のパルス信号の出力レベルの変化に基づいて、ロータ３０の温度を推定する。そして、正逆判定回路４４、第１のパルス信号のパルス発生パターンと第２のパルス信号のパルス発生パターンとに基づいてロータの回転方向を検出する。

このように、回転センサ３３からの回転パルス信号に加えて、ロータ温度検出用に設けられている温度センサ１０からのパルス信号を用いることにより、回転センサ３３の回転パルス信号のみでは検出不可能であった、ロータ３０の回転方向を検出することができる。そのため、ポンプ起動時にロータ逆転を容易に検出でき、再始動に要する時間の大幅な短縮を図ることができる。さらに、ロータ温度検出用に設けられている温度センサ１０を兼用しているので、コストアップをおさえることができる。

上述した各実施形態はそれぞれ単独に、あるいは組み合わせて用いても良い。それぞれの実施形態での効果を単独あるいは相乗して奏することができるからである。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。例えば、回転センサ３０としてインダクタンス式のギャップセンサを用いたが、渦電流式のギャップセンサを用いても良いし、フォトインタラプタのような光式のセンサを用いても良い。また、磁気浮上式でない真空ポンプにも本発明は適用できる。

１：ポンプ本体、２：電源装置、１０：温度センサ、１１：磁性体、１２：シャフト、３０：ロータ、３３：回転センサ、３４：センサターゲット、４０：主制御部、４１：モータ制御部、４２：磁気軸受制御部、４３ａ：回転センサ回路、４３ｂ：温度センサ回路、４４：正逆判定回路、１２０：シャフト軸部、１２１：フランジ部、３４０：ターゲット面

Claims (4)

1. 所定のキュリー温度を有する磁性体が設けられたロータと、
   前記ロータを回転駆動するモータと、
   前記ロータの回転と同期した第１のパルス列信号を出力する回転検出手段と、
   前記ロータの回転に伴って、前記ロータの前記磁性体が設けられた領域と前記磁性体が設けられていない領域とに交互に対向し、各領域の透磁率に基づいてロータ１回転当たりのパルス数が前記第１のパルス列信号と等しい第２のパルス列信号を出力する温度検出手段と、
   前記温度検出手段が前記磁性体と対向しているときの前記第２のパルス列信号の出力レベルの変化に基づいて、前記ロータの温度を推定するロータ温度推定手段と、
   前記第１のパルス列信号のパルス発生パターンと前記第２のパルス列信号のパルス発生パターンとに基づいてロータの回転方向を検出する回転方向検出手段と、を備えた真空ポンプ。
2. 請求項１に記載の真空ポンプにおいて、
   前記第１のパルス列信号と前記第２のパルス列信号との位相差を９０degに設定したことを特徴とする真空ポンプ。
3. 請求項１または２に記載の真空ポンプにおいて、
   前記回転検出手段は、
   前記ロータと一体に回転し、段差が形成されたターゲット面を有するターゲットと、
   前記ターゲット面と対向する位置に配置されたインダクタンス式ギャップセンサとを有することを特徴とする真空ポンプ。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載の真空ポンプにおいて、
   前記モータによる前記ロータの回転開始時に、前記回転方向検出手段により検出された回転方向が予め定められた回転方向と逆か否かを判定する判定手段と、
   前記判定手段により回転方向が逆と判定されると、前記モータを停止して前記ロータの回転を停止させ、再度前記モータによる前記ロータの回転駆動を行わせる制御手段と、を備えたことを特徴とする真空ポンプ。

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