JP2013185578A - 真空ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】ロータの回転方向を容易に検出することができる真空ポンプの提供。
【解決手段】真空ポンプにおいて、振れ回り演算部４２５Ａは、ラジアル変位センサおよび回転センサ３３の各検出値に基づいて正回転方向の振れ回り量Ｇを演算し、振れ回り演算部４２５Ｂは、ラジアル変位センサおよび回転センサ３３の各検出値に基づいて逆回転方向の振れ回り量Ｇrを演算する。そして、主制御部４０は、これらの振れ回り量Ｇ，Ｇrに基づいて、すなわち振れ回り量Ｇ，Ｇrと閾値Ａ，Ｂとの大小関係を比較することにより、ロータ３０の回転方向を判定する。
【選択図】図２

Description

本発明は、磁気浮上式の真空ポンプに関する。

半導体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。このターボ分子ポンプのモータとしてＤＣブラシレスモータを使用し、ギャップセンサによりロータ回転を検出してモータの回転制御をするものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載のターボ分子ポンプでは、ロータには段差が形成されたディスクがギャップセンサと対向するように設けられ、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ている。そして、そのギャップ変化からHigh-Low信号を生成し、そのHigh-Low信号に基づいてモータコイルの励磁パターンを生成してモータを回転駆動制御している。

特開２００３−２７４６２５号公報

しかしながら、段差形状のターゲットをギャップセンサで検出して生成された回転信号で励磁パターンを形成した場合、回転方向の特定をすることは困難である。回転制御上の工夫により、正常に組み立てられたポンプが逆方向に駆動してしまうことは無くすことができるが、正常でないポンプ、例えばモータ配線が間違っているなど、を駆動させたときに逆回転を起こしてしまう可能性が考えられる。また、ポンプが外的要因、例えばガスの逆流などにより、強制的に逆回転方向へ回ってしまう状況が起こった時に逆回転を起こしてしまう可能性が考えられる。上記のような原因によってポンプが逆回転をしてしまう状況が発生したときに、逆回転を検出することが困難であった。

請求項１の発明に係る真空ポンプは、排気機能部が形成されたロータと、ロータを非接触支持する磁気軸受と、ロータのラジアル方向の変位を検出するラジアル変位センサと、ロータを回転駆動するモータと、ロータの回転数を検出する回転センサと、ラジアル変位センサの検出値および回転センサの検出値に基づいて、ロータの正回転方向の振れ回り量を演算する第１の演算部と、ラジアル変位センサの検出値および回転センサの検出値に基づいて、ロータの逆回転方向の振れ回り量を演算する第２の演算部と、正回転方向の振れ回り量および逆回転方向の振れ回り量に基づいてロータの回転方向を判定する判定部と、を備えている。
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、判定部は、正回転方向の振れ回り量が所定の正回転閾値より小さく、逆回転方向の振れ回り量が所定の逆回転閾値以上である場合には、ロータの回転方向を逆回転と判定する。
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、判定部は、正回転方向の振れ回り量が所定の正回転閾値以上であって、逆回転方向の振れ回り量が所定の逆回転閾値以上である場合には、ポンプに異常が生じていると判定する。
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、回転センサと対向するようにロータに設けられ、該ロータの回転に伴って回転センサとのギャップ寸法が変化するセンサターゲットを備え、回転センサは、センサターゲット面とのギャップの変化を検出するギャップセンサであることを特徴とする。
請求項５の発明は、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の真空ポンプにおいて、第１の演算部は、磁気軸受のＡＢＳ（Auto-Balancing System）制御に用いられる振れ回り量演算部であって、振れ回り量演算部は、演算パラメータを変更することにより逆回転方向の振れ回り量を演算する第２の演算部の機能も兼ね備えていることを特徴とする。

本発明によれば、ロータの回転方向を容易に検出することができる。

本発明による真空ポンプの一実施の形態を示す図であり、磁気浮上式ターボ分子ポンプの概略構成を示す。 正回転振れ回り量Ｇと逆回転振れ回り量Ｇrの計算に関係する構成を示すブロック図である。 センサターゲット３４を回転センサ３３側から見た図である。 回転方向の判定動作を説明するフローチャートである。 センサターゲット３４の変形例を示す図である。

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は本発明による真空ポンプの一実施の形態を示す図であり、磁気浮上式ターボ分子ポンプの概略構成を示す。ターボ分子ポンプは、ポンプ本体１と電源装置４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４に関しては要部を示すブロック図とした。

ロータ３０は、ラジアル方向の磁気軸受３７，３８およびアキシャル方向の磁気軸受３９によって非接触支持される。磁気軸受３９は、ロータシャフト３０ａの下部に固定されたスラストディスク３５を軸方向に挟むように配置されている。ロータ３０の浮上位置は、ラジアル変位センサ２７，２８およびアキシャル変位センサ２９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ロータ３０は、モータ３６により回転駆動される。

ロータ３０の回転は、センサターゲット３４とのギャップの変化を検出する回転センサ３３によって検出される。センサターゲット３４は、モータ３６によって回転駆動されるロータシャフト３０ａの下端に設けられており、ロータシャフト３０ａと一体に回転する。２６ａ，２６ｂ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２６ａ，２６ｂによりロータ３０（ロータシャフト３０ａ）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。

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。

電源装置４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４には、モータ制御部４１、磁気軸受制御部４２および警報部４３を備えている。モータ制御部４１は、回転センサ３３の出力信号に基づいてモータ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２７，２８およびアキシャル変位センサ２９の出力信号に基づいて磁気軸受３７〜３９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。

図２〜４は、本実施の形態における回転方向判定動作を説明する図である。図２は、回転方向判定に必要な正回転振れ回り量Ｇと逆回転振れ回り量Ｇrの計算に関係する構成を示すブロック図である。図１に示した磁気軸受制御部４２は信号制御系回路部と電力系回路部とで構成されており、以下に説明する演算処理は信号制御系回路部によって実行される。

磁気軸受によって非接触支持されたロータ３０が高速回転されると、ロータ３０のアンバランス量に起因する振れ回り量が発生する。そのため、本実施形態における磁気軸受制御部４２には、振れ回り動作の影響を低減するためのAuto-Balancing System（ＡＢＳ）という制御が組み込まれている。ＡＢＳ制御では、ラジアル変位センサ２７，２８の検出信号および回転センサ３３の検出信号からフィルタ演算により生成した正弦波信号（sin信号およびcos信号）により、ロータの振れ回り量（後述する正回転方向の振れ回り量Ｇ）を計算する。そして、その振れ回り量に応じたフィードバック制御を行うことにより、振れ回り動作に起因する発生振動を低減するようにしている。なお、ＡＢＳの詳細については、特開昭６２−１２４３１９号公報等に開示されており、ここでは詳細な説明は省略する。

ＡＢＳにおける振れ回り量Ｇ，Ｇrの計算は、図１に示したラジアル変位センサ２７，２８および回転センサ３３の検出信号に基づいて行われる。なお、ラジアル変位センサ信号については、ラジアル変位センサ２７，２８のいずれか一方の検出信号が用いられる。

上述したように、回転センサ３３はセンサターゲット３４との間のギャップ変化を検出するセンサであって、例えばインダクタンス式のギャップセンサが用いられる。もちろん、ギャップ変化を検出するセンサであれば、インダクタンス式に限定されない。回転センサ３３が対向するセンサターゲット３４の底面は段差構造を有しており、高さの異なる面３４ａ，３４ｂが形成されている。

図３は、センサターゲット３４を回転センサ３３側から見た図である。センサターゲット３４はロータシャフト３０ａの下端に固定されており、矢印で示すようにロータシャフト３０ａと一体に反時計回りに回転する。面３４ａ，３４ｂは半円形状を成しており、回転方向の角度に関してそれぞれ１８０degに設定されている。符号３４ｃで示す面は段差の垂直面である。

図２に示すように、回転センサ３３からの出力された信号は、図１のセンサ回路に入力される。検出信号はセンサ回路４２１によりフィルタ処理され、図２に示すような矩形波信号がセンサ回路４２１から出力される。シャフト３０ａと共にセンサターゲット３４が回転し、面３４ａが回転センサ３３に対向すると矩形波信号のhighレベルおよびLowレベルの一方が出力され、面３４ｂが回転センサ３３に対向すると他方が出力される。この信号レベルの変化から、段差の境界である面３４ｃの位置を検出することができる。

フィルタ演算部４２２では、入力された信号をフィルタ処理することにより面３４ｃの位置（図３に示す角度θ）を算出し、２つの正弦波信号（sinθおよびcosθ）を一次変換部４２３Ａ，４２３Ｂに入力する。角度θは、基準と定めたＸＹ座標（例えば、ラジアル変位センサの変位検出方向Ｘ，Ｙ）のＸ軸から面３４ｃの位置までの回転方向角度である。

磁気軸受制御部４２の下側に示す構成（一次変換部４２３Ａ，ローパスフィルタ（ＬＰＦ）４２４ａ，４２４ｂおよび振れ回り演算部４２５Ａ）はロータ３０の正回転方向の振れ回り量Ｇに関するものであり、上側に示す構成（一次変換部４２３Ｂ，ローパスフィルタ（ＬＰＦ）４２４ｃ，４２４ｄおよび振れ回り演算部４２５Ｂ）は逆回転方向の振れ回り量Ｇrに関するものである。このように、処理としては２種類の処理があるが、後述する式（１）、（３）からも分かるように、角度θを−θで置き換えることにより、同一の演算部によって処理することができる。

一次変換部４２３Ａ，４２３Ｂには、上述した正弦波信号（sinθおよびcosθ）と、ラジアル変位センサ信号Ｘ，Ｙとがそれぞれ入力される。一次変換部４２３Ａは次式（１）の演算を行う。θは図３に示した回転方向の角度θである。
ａ１＝Ｘ・cosθ＋Ｙsinθ
ｂ１＝−Ｘ・sinθ＋Ｙ・cosθ …（１）

一次変換結果ａ１を、ロータ３０の回転周波数以上の周波数をカットするローパスフィルタ４２４ａに通し、回転の周波数成分ａ２を取り出す。同様に、一次変換結果ｂ１を、ロータ３０の回転周波数以上の周波数をカットするローパスフィルタ４２４ｂに通し、回転の周波数成分ｂ２を取り出す。振れ回り演算部４２５Ａは、周波数成分ａ２，ｂ２を用いて、次式（２）によりロータ３０の正回転方向の振れ回り量Ｇを計算する。
Ｇ＝√（ａ２^２＋ｂ２^２） …（２）

一方、一次変換部４２３Ｂは、次式（３）の演算を行う。式（３）の変換式は式（１）においてθを−θで置き換えたものであり、これにより、ラジアル変位センサ信号Ｘ，Ｙにおける逆回転方向の成分を抽出することができる。
ｃ２＝Ｘ・cosθ−Ｙsinθ
ｄ２＝Ｘ・sinθ＋Ｙ・cosθ …（３）

一次変換結果ｃ２を、ロータ３０の回転周波数以上の周波数をカットするローパスフィルタ４２４ｃに通し、回転の周波数成分ｃ２を取り出す。同様に、一次変換結果ｄ１を、ロータ３０の回転周波数以上の周波数をカットするローパスフィルタ４２４ｄに通し、回転の周波数成分ｄ２を取り出す。振れ回り演算部４２５Ｂは、周波数成分ｃ２，ｄ２を用いて、次式（４）によりロータ３０の逆回転方向の振れ回り量Ｇrを計算する。
Ｇr＝√（ｃ２^２＋ｄ２^２） …（４）

このようにして正回転方向の振れ回り量Ｇと逆回転方向の振れ回り量Ｇrとが取得されたならば、図１の主制御部４０は、振れ回り量Ｇ，Ｇrに基づいて図４に示すフローチャートの処理を行い、回転方向を判定する。図４に示す一連の処理は、ロータ３０が回転している間（加速中、減速中、定格回転中）は常に繰り返し行われている。例えば、１００msecとか１secとかの間隔で繰り返し実行される。なお、ここでは判定処理を主制御部４０で行うようにしたが、磁気軸受制御部４２信号制御系回路部によって実行しても良い。

ステップＳ１は回転方向が正回転か否かを判定する処理であり、振れ回り演算部４２５Ａで算出された正回転方向の振れ回り量Ｇが所定の閾値Ａよりも大きいか否かを判定する。閾値Ａとしては、ロータシャフト３０ａがメカニカルベアリング２６ａ，２６ｂに当たる振れ回り量のレベルを１００％としたとき、３％程度が選ばれる。通常，ロータ３０は組み付ける前にバランス取りが行われ，回転時の振れ回りを小さくする対応がなされている。振れ回り量は常に大きいわけではない。しかし，回転数によっては振れ回りが大きくなる回転数も存在する。よって，ステップＳ１は後述のステップＳ７の異常を判定するために存在している。また、ロータ３０が逆回転している場合には、正回転方向の振れ回り量は理論上ゼロであるが、計算誤差等により計算結果Ｇrは１％程度の振れ回り量となる可能性がある。そのため、閾値Ａを３％程度に設定すれば、誤差等による誤判定を防止することができる。

ステップＳ１でＧ＜Ａと判定されるとステップＳ２へ進み、そうでない場合（Ｇ≧Ａ）にはステップＳ５へ進む。ステップＳ２では、振れ回り演算部４２５Ｂで算出された逆回転方向の振れ回り量Ｇrが所定の閾値Ｂよりも大きいか否かを判定する。閾値Ｂの場合は、閾値Ａと異なり、正回転時には理論上ゼロとなるはずなので、計算誤差を考慮して３％程度に設定される。ステップＳ２でＧr＞Ｂと判定された場合は、振れ回り量に関してＧ＜Ａ、Ｇr≧Ｂとなっているので、ステップＳ３に進んでロータ３０の回転方向は逆回転であると判断する。その後、ステップＳ４に進んで保護動作の信号を図１の警報部４３に出力する。警報部４３では、異常を示す警報（例えば、表示や信号）を発生する。また、警報部４３による警報と同時に、安全のためにロータ３０の回転制御を停止させるようにしても良い。電源装置４としては，正回転方向に制御しているつもりで、逆回転の判定が出たことになるので、ロータ３０の停止制御を試みても正常に停止が行われない可能性がある。よって、モータの電流制御をやめるフリーラン処理として、ロータ３０が回転による摩擦力で減衰することを待つこととなる。

一方、ステップＳ２で振れ回り量Ｇrが閾値Ｂ以下と判定された場合、すなわち、Ｇ＜Ａ、Ｇr＜Ｂの場合にはステップＳ６に進んで回転方向は正常（正回転）であると判断する。正常と判断された場合には、運転が継続される。Ｇ＜Ａ、Ｇr＜Ｂである場合、数値的には正回転も逆回転も可能性があるが、基本的にモータ制御部４１は正回転方向の制御を行っているので正回転であると判定する。この場合、正回転なのでＧr＜Ｂであって、ロータバランスが非常に良いためＧ＜Ａとなっていると考えられる。

次に、ステップＳ１でＧ≧Ａと判定されてステップＳ５に進んだ場合について説明する。ステップＳ５では、逆回転方向の振れ回り量ＧrがＧr≧Ｂか否かを判定する。ステップＳ５でＧr＜Ｂと判定された場合、Ｇ≧ＡおよびＧr＜Ｂなので、ステップＳ６へ進んで回転方向は正常（正回転）であると判断する。

一方、ステップＳ５でＧr≧Ｂと判定されると、ステップＳ７に進む。この場合、Ｇ≧ＡおよびＧr≧Ｂであって、このような結果の原因としては、回転方向とは関係のない他の影響が考えられる。例えば、演算系の故障やセンサ系の故障などが考えられる。そのため、ステップＳ７では異常と判断し、続くステップＳ８において保護動作を行う。ステップＳ８における保護動作の内容については、ステップＳ４の動作と同一としても良いし、異なっていても良い。例えば、ステップＳ４における警報信号の場合には、警報部４３に逆転を示す表示を行い、ステップＳ８における警報信号の場合には、警報部４３に回転方向でなく装置異常を示す表示を行う。

なお、図２に示したセンサターゲット３４では、底面に段差面３４ａ，４３ｂを形成してギャップ変化をアキシャル方向に配置した回転センサ３３で検出したが、図５に示すようにセンサターゲット３４の側面に段差面３４ｄ，３４ｅを形成して、ラジアル方向に配置した回転センサ３３でギャップ変化を検出するような構成でも良い。

以上説明したように、本実施の形態では、振れ回り演算部４２５Ａは、ラジアル変位センサ２７，２８および回転センサ３３の各検出値に基づいて正回転方向の振れ回り量Ｇを演算し、振れ回り演算部４２５Ｂは、ラジアル変位センサ２７，２８および回転センサ３３の各検出値に基づいて逆回転方向の振れ回り量Ｇrを演算する。そして、主制御部４０は、これらの振れ回り量Ｇ，Ｇrに基づいて、すなわち振れ回り量Ｇ，Ｇrと閾値Ａ，Ｂとの大小関係を比較することにより、ロータ３０の回転方向を判定する。

このように、従来から設けられているＡＢＳの演算機能を利用することにより、従来の正回転方向の振れ回り量Ｇに加えて逆回転方向の振れ回り量Ｇrを計算し、回転センサ３３だけでは検出するのが困難なロータ回転方向を容易に判定することができる。また、従来のポンプ本体１の機械構成または電源装置４の回路構成を変更する必要がないのでコストアップが抑えられ、わずかな演算処理の追加によってロータ３０の逆回転を検出することが可能となる。

従来は、始動制御を工夫して逆方向に回転始動したとしても、回転センサ３３では回転方向が検出できないため、始動後に外的要因（例えば、モータコイルの結線ミスやポンプに加わるガス負荷の影響など）によって逆回転が発生した場合には、電源装置４側で逆回転を検知することができない。しかし、本実施の形態では、そのような場合であっても、確実に逆回転を検出することができ、適切に対処することが可能となる。

主制御部４０は、正回転方向の振れ回り量Ｇが所定の正回転閾値Ａ以上であって、逆回転方向の振れ回り量Ｇrが所定の逆回転閾値Ｂ以上である場合には、ポンプ本体１または電源装置４に異常（例えば、モータコイル結線ミス、回転センサ３３の故障、ＡＢＳ制御を行っている制御ＩＣの故障など）が生じていると判定する。このように、逆回転の判定に加えて、ポンプ異常を判定することができる。さらに、警報部４３により異常を報知する場合に、回転方向の異常（逆回転）なのかその他の異常なのかを報知の形態（例えば表示形態）を異ならせることにより、オペレータは異常に対する対処を容易かつ適切に行うことができる。

なお、以上の説明はあくまでも一例であり、発明を解釈する際、上記実施の形態の記載事項と特許請求の範囲の記載事項の対応関係に何ら限定も拘束もされない。例えば、上述した実施の形態では、ターボ分子ポンプを例に説明したが、これに限らず、磁気軸受式真空ポンプであれば、例えば、全翼タイプのターボ分子ポンプや、回転翼の無いドラッグポンプ等に対しても本発明は適用することができる。

１：ポンプ本体、４：電源装置、２２：固定翼、２７，２８：ラジアル変位センサ、２９：アキシャル変位センサ、３０：ロータ、３２：回転翼、３３：回転センサ、３４：センサターゲット、３６：モータ、３７〜３９：磁気軸受、４０：主制御部、４１：モータ制御部、４２：磁気軸受制御部、４３：警報部、４２１：センサ回路、４２２：フィルタ演算部、４２３Ａ，４２３Ｂ：一次変換部、４２４ａ〜４２４ｄ：ローパスフィルタ、４２５Ａ，４２５Ｂ：振れ回り演算部、Ｇ，Ｇr：振れ回り量

Claims (5)

1. 排気機能部が形成されたロータと、
   前記ロータを非接触支持する磁気軸受と、
   前記ロータのラジアル方向の変位を検出するラジアル変位センサと、
   前記ロータを回転駆動するモータと、
   前記ロータの回転数を検出する回転センサと、
   前記ラジアル変位センサの検出値および前記回転センサの検出値に基づいて、前記ロータの正回転方向の振れ回り量を演算する第１の演算部と、
   前記ラジアル変位センサの検出値および前記回転センサの検出値に基づいて、前記ロータの逆回転方向の振れ回り量を演算する第２の演算部と、
   前記正回転方向の振れ回り量および前記逆回転方向の振れ回り量に基づいて前記ロータの回転方向を判定する判定部と、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、
   前記判定部は、前記正回転方向の振れ回り量が所定の正回転閾値より小さく、前記逆回転方向の振れ回り量が所定の逆回転閾値以上である場合には、前記ロータの回転方向を逆回転と判定する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、
   前記判定部は、前記正回転方向の振れ回り量が所定の正回転閾値以上であって、前記逆回転方向の振れ回り量が所定の逆回転閾値以上である場合には、ポンプに異常が生じていると判定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、
   前記回転センサと対向するように前記ロータに設けられ、該ロータの回転に伴って前記回転センサとのギャップ寸法が変化するセンサターゲットを備え、
   前記回転センサは、センサターゲット面とのギャップの変化を検出するギャップセンサであることを特徴とする真空ポンプ。
5. 請求項１乃至４のいずれか一項に記載の真空ポンプにおいて、
   前記第１の演算部は、前記磁気軸受のＡＢＳ（Auto-Balancing System）制御に用いられる振れ回り量演算部であって、
   前記振れ回り量演算部は、演算パラメータを変更することにより前記逆回転方向の振れ回り量を演算する前記第２の演算部の機能も兼ね備えていることを特徴とする真空ポンプ。

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