JP2020190230A - Vacuum pump and its operation method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、真空ポンプ及びその運転方法に関する。 The present invention relates to a vacuum pump and a method of operating the vacuum pump.
メカニカルブースタポンプやスクリューポンプ等のドライポンプは、ケーシング内部のポンプ室に配置された二つのポンプロータを互いに反対方向に同期回転させて吸気口から排気口へ気体を移送する容積移送型の真空ポンプである。この種の真空ポンプは、両ポンプロータ間および各ポンプロータとケーシング等の間での接触がなく、その他は軸受部転がり摩擦・接触シール部摩擦・歯車噛合伝達・油浴撹拌・渦電流損しかないため、他の真空ポンプと比べ機械的損失が非常に少なく、例えば油回転真空ポンプのような摩擦仕事の大きい真空ポンプに比べて、駆動に要するエネルギーを少なくできるという利点を有する。 Dry pumps such as mechanical booster pumps and screw pumps are volume transfer type vacuum pumps that transfer gas from the intake port to the exhaust port by rotating two pump rotors arranged in the pump chamber inside the casing synchronously in opposite directions. Is. In this type of vacuum pump, there is no contact between both pump rotors and between each pump rotor and casing, etc., and the others are only bearing rolling friction, contact seal friction, gear meshing transmission, oil bath agitation, and eddy current loss. Therefore, the mechanical loss is very small as compared with other vacuum pumps, and there is an advantage that the energy required for driving can be reduced as compared with a vacuum pump having a large frictional work such as an oil rotary vacuum pump.
一方、運転時間の長期化に伴い、両ポンプロータを回転可能に支持する軸受やオイルリップシールに劣化が生じると、両ポンプロータの摺動抵抗が大きくなり、ポンプ性能の劣化、運転中の異音や振動が増加する等して、所望とするポンプ性能を維持することが困難になる。 On the other hand, if the bearings and oil lip seals that rotatably support both pump rotors deteriorate as the operating time increases, the sliding resistance of both pump rotors increases, resulting in deterioration of pump performance and abnormalities during operation. It becomes difficult to maintain the desired pump performance due to an increase in sound and vibration.
そこで、運転状態でモータ電流を観測し、モータ電流の周波数成分を解析することで、ポンプの異常の有無を判定する技術が知られている。例えば特許文献1には、通電状態におけるモータの電流を測定するセンサを備え、当該センサの出力からモータ電流の周波数を分析することでポンプの故障条件を表す信号パターンを識別する技術が開示されている。
Therefore, there is known a technique for determining the presence or absence of an abnormality in a pump by observing the motor current in an operating state and analyzing the frequency component of the motor current. For example,
しかしながら、ポンプは圧力変化や温度環境の違いによってモータの負荷電流が変動し、また駆動時では電気的なノイズの影響も受けやすいため、通電状態におけるモータの電流変化からポンプの故障を適正に判断することは非常に困難である。 However, the load current of the motor fluctuates due to changes in pressure and temperature environment, and the pump is easily affected by electrical noise during driving. Therefore, the failure of the pump is properly judged from the change in the current of the motor in the energized state. It's very difficult to do.
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、ポンプの故障を適正に判断することができる真空ポンプ及びその運転方法を提供することにある。 In view of the above circumstances, an object of the present invention is to provide a vacuum pump capable of appropriately determining a failure of the pump and an operation method thereof.
上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る真空ポンプは、ポンプ本体と、モータと、駆動回路と、制御部とを具備する。
前記ポンプ本体は、回転軸を有する。
前記モータは、永久磁石を含み前記回転軸に取り付けられたロータコアと、コイルを有するステータコアとを有する。
前記駆動回路は、前記モータを回転させる駆動電流を前記コイルへ供給する駆動部と、前記コイルに生じる誘起電圧を検出する検出部とを有する。
前記制御部は、前記駆動回路を制御する。前記制御ユニットは、前記モータへ前記駆動電流を供給する第1の制御モードと、前記モータへの前記駆動電流の供給を停止させた無通電時において前記誘起電圧の時間変化を取得する第2の制御モードとを選択的に実行する。
In order to achieve the above object, the vacuum pump according to one embodiment of the present invention includes a pump main body, a motor, a drive circuit, and a control unit.
The pump body has a rotating shaft.
The motor has a rotor core including a permanent magnet and attached to the rotating shaft, and a stator core having a coil.
The drive circuit includes a drive unit that supplies a drive current that rotates the motor to the coil, and a detection unit that detects an induced voltage generated in the coil.
The control unit controls the drive circuit. The control unit acquires a time change of the induced voltage in a first control mode in which the drive current is supplied to the motor and a second control mode in which the supply of the drive current to the motor is stopped and no electricity is supplied. Selectively execute the control mode.
上記真空ポンプは、モータの無通電時にコイルに生じる誘起電圧の時間変化を検出することが可能に構成される。モータの回転速度は、モータで発生する誘起電圧と強い相関を有するため、誘起電圧の減衰特性に基づいたモータの回転状態の把握が可能となる。これにより、電気的なノイズの影響を受けることなく、ポンプの故障の有無を適正に判断することができる。 The vacuum pump is configured to be capable of detecting the time change of the induced voltage generated in the coil when the motor is de-energized. Since the rotation speed of the motor has a strong correlation with the induced voltage generated by the motor, it is possible to grasp the rotational state of the motor based on the attenuation characteristic of the induced voltage. As a result, it is possible to properly determine whether or not the pump has failed without being affected by electrical noise.
前記制御部は、第1の制御モードの実行後、前記モータの負荷電流が所定以下に達したときに、前記第2の制御モードを所定時間実行するように構成されてもよい。これにより、ポンプ性能を低下させることなく、第2の運転モードを実行することができる。 The control unit may be configured to execute the second control mode for a predetermined time when the load current of the motor reaches a predetermined value or less after the execution of the first control mode. As a result, the second operation mode can be executed without deteriorating the pump performance.
前記制御部は、前記検出部から取得した前記誘起電圧の時間変化に関するデータを時系列的に記憶する記憶部をさらに有してもよい。これにより、上記誘起電圧の時間変化の履歴を蓄積することができるため、蓄積された情報からポンプの異常の有無あるいは劣化の程度を判断することができる。 The control unit may further have a storage unit that stores data related to the time change of the induced voltage acquired from the detection unit in a time series. As a result, the history of the time change of the induced voltage can be accumulated, and the presence or absence of abnormality or the degree of deterioration of the pump can be determined from the accumulated information.
前記制御部は、前記検出部から取得した前記誘起電圧の時間変化に関するデータと前記記憶部に格納された前記誘電圧の時間変化に関する過去のデータとに基づいて、前記ポンプ本体の異常の有無を判定する判定部をさらに有してもよい。 The control unit determines the presence or absence of an abnormality in the pump body based on the data on the time change of the induced voltage acquired from the detection unit and the past data on the time change of the dielectric pressure stored in the storage unit. It may further have a determination unit for determination.
本発明の一形態に係る真空ポンプの運転方法は、
モータへ駆動電流を供給することで、ポンプ本体の回転軸を回転させ、
前記モータへの駆動電流の供給を停止させて前記回転軸の回転数の時間変化を検出し、
検出した前記回転数の時間変化に基づいて、前記ポンプ本体の異常の有無を判定する。
The operation method of the vacuum pump according to one embodiment of the present invention is
By supplying the drive current to the motor, the rotating shaft of the pump body is rotated,
The supply of the drive current to the motor is stopped, the time change of the rotation speed of the rotating shaft is detected, and the change is detected.
Based on the detected time change of the rotation speed, it is determined whether or not there is an abnormality in the pump body.
前記回転数の時間変化を検出するステップは、前記モータの誘起電圧の時間変化に基づいて前記回転数の時間変化を検出してもよい。 The step of detecting the time change of the rotation speed may detect the time change of the rotation speed based on the time change of the induced voltage of the motor.
本発明によれば、ポンプの故障を適正に判断することができる。 According to the present invention, it is possible to properly determine the failure of the pump.
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の一実施形態に係る真空ポンプを備えた排気システム100を示す概略構成図である。排気システム100は、上記真空ポンプとしてのメインポンプ101と、補助ポンプ102と、コントローラ103とを備える。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an
メインポンプ101は、典型的には、ドライポンプで構成され、本実施形態ではメカニカルブースタポンプである。メインポンプ101は、後述するように、ポンプ本体10と、モータ20とを有する。
The
ポンプ本体10は、配管L1を介して真空チャンバ1の内部に連通する吸気口E1と、配管L2を介して補助ポンプ102に接続される排気口E2とを有する。配管L1には、真空チャンバ1とポンプ本体10との間の連通及びその遮断を切り替え可能な真空バルブが配置されてもよい。また、配管L2にはポンプ本体10の排気口E2を閉塞および開放する事と同様な効果を持つ切り替え可能な真空バルブが配置されてもよい。
The pump
補助ポンプ102は、配管L2を介してメインポンプ101の排気口E2に接続され、メインポンプ101の背圧を排気する。補助ポンプ102は、典型的には、ドライポンプで構成され、本実施形態ではスクリューポンプで構成される。補助ポンプ102は、典型的には、メインポンプ101とともに起動し、常時一定の回転数で駆動される。なお、補助ポンプ102は必要に応じて省略されてもよい。
The
コントローラ103は、メインポンプ101及び補助ポンプ102の動作を制御する制御部として構成される。
The
[真空ポンプの構成]
続いて、メインポンプ101の詳細について説明する。図2はメインポンプ101の全体斜視図、図3はメインポンプ101の内部構造を示す概略横断面図、図4はメインポンプ101の内部構造を示す概略側断面図である。図2〜図4においてX軸、Y軸およびZ軸は、相互に直交する3軸方向を示している。
[Vacuum pump configuration]
Subsequently, the details of the
メインポンプ101は、ポンプ本体10と、モータ20と、制御ユニット30とを有する。メインポンプ101は、単段のメカニカルブースタポンプで構成される。
The
(ポンプ本体)
ポンプ本体10は、第1のポンプロータ11と、第2のポンプロータ12と、第1及び第2のポンプロータ11,12を収容するケーシング13とを有する。
(Pump body)
The pump
ケーシング13は、第1のケーシング部131と、第1のケーシング部131のY軸方向の両端に配置された隔壁132,133と、隔壁133に固定された第2のケーシング部134とを有する。第1のケーシング部131および隔壁132,133は、第1及び第2のポンプロータ11,12を収容するポンプ室Pを形成する。
The
第1のケーシング部131及び隔壁132,133は、例えば、鋳鉄やステンレス鋼等の鉄系金属材料で構成され、図示しないシールリングを介して相互に結合されている。第2のケーシング部134は、例えば、アルミニウム合金等の非鉄系金属材料で構成される。
The
第1のケーシング部131の一方の主面にはポンプ室Pに連通する吸気口E1が形成され、その他方の主面にはポンプ室Pに連通する排気口E2が形成される。吸気口E1には、図示しない真空チャンバの内部と連絡する吸気管が接続され、排気口E2には、図示しない排気管あるいは補助ポンプの吸気口と接続される。
An intake port E1 communicating with the pump chamber P is formed on one main surface of the
第1及び第2のポンプロータ11,12は、鋳鉄等の鉄系材料からなるマユ型ロータで構成され、X軸方向に相互に対向して配置される。第1及び第2のポンプロータ11,12は、Y軸方向に平行な回転軸11s,12sをそれぞれ有する。各回転軸11s,12sの一端部11s1,12s1側は、隔壁132に固定された軸受B1に回転可能に支持されており、各回転軸11s,12sの他端部11s2,12s2側は、隔壁133に固定された軸受B2に回転可能に支持される。第1のポンプロータ11と第2のポンプロータ12との間、および、各ポンプロータ11,12とポンプ室Pの内壁面との間には所定の隙間が形成されており、各ポンプロータ11,12は相互に及びポンプ室Pの内壁面に非接触で回転するように構成される。
The first and
第1のポンプロータ11の回転軸11sの一端部11s1には、モータ20を構成するロータコア21が取り付けられ、ロータコア21と軸受B1との間には第1の同期ギヤ141が固定される。第2のポンプロータ12の回転軸12sの一端部12s1には、第1の同期ギヤ141と噛み合う第2の同期ギヤ142が固定されている。モータ20の駆動により、第1及び第2のポンプロータ11,12は、同期ギヤ141,142を介して相互に逆方向に回転し、これにより吸気口E1から排気口E2へ気体が移送される。
A
(モータ)
モータ20は、ブラシレスDCモータであり、本実施形態では、永久磁石同期型のキャンドモータで構成される。モータ20は、ロータコア21と、ステータコア22と、キャン23と、モータケース24とを有する。
(motor)
The
ロータコア21は、第1のポンプロータ11の回転軸11sの一端部11s1に固定される。ロータコア21は、電磁鋼板の積層体とその周面に取り付けられた複数の永久磁石Mとを有する。永久磁石Mは、ロータコア21の周囲に沿って極性(N極、S極)を交互に異ならせて配置される。
The
本実施形態では、永久磁石材料として、ネオジム磁石やフェライト磁石等の鉄系材料が用いられる。永久磁石の配置形態は特に限定されず、ロータコア21の表面に永久磁石が配置される表面磁石型(SPM)であってもよいし、ロータコア21に永久磁石が埋め込まれる埋込磁石型(IPM)であってもよい。
In this embodiment, an iron-based material such as a neodymium magnet or a ferrite magnet is used as the permanent magnet material. The arrangement form of the permanent magnets is not particularly limited, and may be a surface magnet type (SPM) in which the permanent magnets are arranged on the surface of the
ステータコア22は、ロータコア21の周囲に配置され、モータケース24の内壁面に固定される。ステータコア22は、電磁鋼板の積層体とそれに巻回された複数のコイルCとを有する。コイルCは、U相巻線、V相巻線およびW相巻線を含む三相巻線で構成され、それぞれ制御ユニット30に電気的に接続される。
The
キャン23は、ロータコア21とステータコア22との間に配置され、内部にロータコア21を収容する。キャン23は、PPS(ポリフェニレンサルファイド)、PEEK(ポリエーテルエーテルケトン)等の合成樹脂材料で構成された、ギヤ室G側の一端が開口する有底の円筒部材である。キャン23は、その開口端部側の周囲に装着されたシールリングSを介してモータケース24に固定され、ロータコア21を大気(外気)から封止する。
The
モータケース24は、例えば、アルミニウム合金で構成され、ロータコア21、ステータコア22、キャン23および同期ギヤ141,142を収容する。モータケース24は、図示しないシールリングを介して隔壁132に固定されることで、ギヤ室Gを形成する。ギヤ室Gは、同期ギヤ141,142およびベアリングB1を潤滑するための潤滑油を収容する。第1のポンプロータ11の回転軸11sと隔壁132との間には、ギヤ室Gからポンプ室Pへの潤滑油の浸入を禁止するオイルリップシール150(図3参照)が装着されている。モータケース24の外表面には、典型的には、複数の放熱フィンが設けられる。
The
モータケース24の先端はカバー25で被覆されている。カバー25には外気と連通可能な通孔が設けられており、モータ20に隣接して配置された冷却ファン50を介してロータコア21やステータコア22を冷却することが可能に構成される。冷却ファン50に代えて又は加えて、モータケース24を水冷可能な構造にしてもよい。
The tip of the
(制御ユニット)
図5は、制御ユニット30の構成及び機能を概略的に示すブロック図である。図5に示すように、制御ユニット30は、駆動回路31と、制御部32とを有する。制御ユニット30は、モータ20の駆動を制御するためのものである。制御ユニット30は、モータケース24に設置された金属製等のケース内に収容された回路基板やその上に搭載された各種電子部品で構成される。
(Controller unit)
FIG. 5 is a block diagram schematically showing the configuration and function of the
駆動回路31は、駆動部311と、検出部312と、温度センサ313とを有する。
The
駆動部311は、モータ20を所定の回転数(例えば5000rpm)で回転させる駆動電流を生成する複数の半導体スイッチング素子(トランジスタ)を有するインバータ回路で構成される。これら半導体スイッチング素子は、制御部32により開閉タイミングが個別に制御されることにより、ステータコア22のコイルC(U相巻線、V相巻線およびW相巻線)へ供給される駆動電流をそれぞれ生成する。
The
検出部312は、ステータ22のコイルCと電気的に接続される。検出部312は、コイルCと交わる磁束(鎖交磁束)の時間的変化に起因してコイルCに発生する逆起電力の波形からロータコア21の磁極位置を検出し、それをコイルCへの通電タイミングを制御する位置検出信号として制御部32へ出力する。
The
また、検出部312は、モータ20の無通電時(コイルCへの駆動電流の供給停止時)にコイルCに生じる誘起電圧を検出する。モータ20の無通電時では、モータ20はフリーランの状態にあり、ロータコア21に取り付けられた永久磁石Mの回転によりコイルCへ誘起電圧を生じさせる。検出部312は、その誘起電圧及びその時間的変化を検出し、制御部32へ出力する。
Further, the
なお、検出部312は、駆動回路31の一部として構成される場合に限られず、駆動回路31とは独立した回路で構成されてもよい。
The
温度センサ313は、駆動回路31の温度を検出する。駆動回路31が所定温度(例えば90℃)以上の場合、駆動部311は、コイルCへの駆動電流の供給を停止する。これにより、モータ20をフリーランの状態にしてモータ20の更なる温度上昇を防ぐことができる。
The
制御部32は、駆動回路31を制御する制御回路であり、典型的には、CPU(Central Processing Unit)を含むコンピュータで構成される。制御部32は、モータ20へ駆動電流を供給する第1の制御モードと、モータ20への駆動電流の供給が停止した無通電時においてコイルCに生じる誘起電圧の時間変化を取得する第2の運転モードとを選択的に実行する。
The
第1の制御モードは、駆動回路31によりモータ20を駆動させることでポンプ本体10を動作させる運転モードであり、これにより所定のポンプ機能を実現する。第1の制御モードでは、制御部32は、検出部312によって検出されたロータコア21の磁極位置に基づいて、ステータコア22のコイルCを励磁するための制御信号を駆動回路31へ出力する。この場合、制御部32は、検出部312により取得されるロータコア21の磁極位置からモータ20の負荷トルクを検出し、その負荷トルクに基づいてモータ20を脱調させることなく回転させる制御信号を生成し、これを駆動回路31へ出力する。
The first control mode is an operation mode in which the pump
一方、第2の制御モードは、モータ20の無通電時においてコイルCに作用する誘起電圧の時間変化を検出する運転モードであって、主として、ポンプ本体10についての故障の有無の判定のために実行される。第2の運転モードでは、制御部32は、駆動部311によるコイルCへの駆動電流の供給を停止させてモータ20を無通電状態とし、典型的にはポンプロータ11,12に代表される回転する構成部に蓄えられた回転エネルギー(駆動電流供給停止時が初期値となる)が負荷により減衰する状態とし、検出部312により検出されたモータ20の誘起電圧の時間変化を取得する。(これは所謂スピニングロータ真空計と類似の検出原理である。)
On the other hand, the second control mode is an operation mode for detecting a time change of the induced voltage acting on the coil C when the
上述のように、ポンプ本体10の回転軸11s,12sは、軸受B1,B2及びオイルリップシール150に回転自在に支持されている。軸受B1,B2及びオイルリップシール150が正常な場合、モータが一定回転数(例えば5000rpm)で回転する運転状態において軸受B1,B2及びオイルリップシール150による回転軸11s,12sの摺動ロスは安定している。したがって、モータ20への給電が停止したメインポンプ101のフリーランの状態では、図6の実線F1で示すように、軸受B1,B2及びオイルリップシール150の摺動ロスを受けて、ロータコア21及び回転軸11s、12sの回転数が一定の時間変化(傾き)で減少する。
As described above, the rotating
一方、軸受B1,B2及びオイルリップシール150の少なくとも一方に経時劣化等により何等かの不具合がある場合、軸受B1,B2またはオイルリップシール150との摺動抵抗が大きくなる。この場合、フリーランの状態におけるロータコア21及び回転軸11s,12sの回転数は、図6の二点鎖線F2で示すように正常時の時間変化(F1)よりも大きな傾きで減少したり、破線F3で示すように回転数の時間変化が不規則に変動したりする。
On the other hand, if at least one of the bearings B1 and B2 and the
そこで、制御部32は、メインポンプ101のフリーランの状態におけるロータコア21及び回転軸11s,12sの回転数変化を、モータ20の無通電時にコイルCに生じる誘起電圧の時間変化に基づいて判断する。モータ20の回転数は誘起電圧と強い相関を有し、モータ20(ロータコア21)の回転速度(回転数)をω(rad/s)、モータ20で発生する誘起電圧をE(V)とすると、次式のように定義される。
E=Ke×ω
ここで、Keは、誘起電圧定数(Vs/rad)である。
Therefore, the
E = Ke × ω
Here, Ke is an induced voltage constant (Vs / rad).
図7に、モータ20の無通電時に検出される誘起電圧Eの時間変化の一例を示す。駆動回路31からモータ20への駆動電流の供給が停止すると、慣性回転するロータコア21上の永久磁石Mの電磁作用を受けてU,V,W各相のコイルCに誘起電圧Eu,Ev,Ewが生じる。各相の誘起電圧Eu,Ev,Ewの波形は、振幅及び周波数が時間的に変化する正弦波である。モータ20の無通電時、軸受B1,B2及びオイルリップシール150の摺動ロスを受けるため回転軸11s,12sの回転数は徐々に低下し(図6のF1参照)、それに伴って各相の誘起電圧Eu,Ev,Ewの周波数及び電圧の大きさも時間の経過とともに低下する。したがって、誘起電圧Eu,Ev,Wwの時間変化をこれらの包絡線Ev1,Ev2の傾き等で監視することで、回転軸11s,12sの回転状態の異常の有無を判断することができる。
FIG. 7 shows an example of the time change of the induced voltage E detected when the
誘起電圧Eは、モータ20の無通電時に検出される物理量であるため、通電に伴う電磁的なノイズの影響を受けにくく、したがってモータ20の回転状態を適正に把握することができる。なお、ロータコア21の永久磁石Mによって形成される磁界は温度依存性を有し、環境温度によってコイルCに生じる誘起電圧の大きさにバラツキが出ることがある。しかし、軸受B1,B2及びオイルリップシール150が正常である場合、誘起電圧の時間的変化を表す包絡線Ev1,Ev2の傾きは、温度によらず一定であり、環境温度の影響を受けることなく回転軸11s,12sの回転状態の異常の有無を判断することができる。また、必要に応じてモータ20の温度を検出するセンサを別途設け、当該センサの出力に基づいて、検出される誘起電圧Eの大きさが補正されてもよい。
Since the induced voltage E is a physical quantity detected when the
第2の制御モードが実行されるタイミングは特に限定されないが、真空チャンバ1の排気途中で不用意に第2の制御モードを実行すると、排気時間が遅延しタクトタイムが延びるおそれがある。このため、メインポンプ101のポンプ性能に影響が出にくいタイミングで第2の制御モードが実行されることが好ましい。
The timing at which the second control mode is executed is not particularly limited, but if the second control mode is inadvertently executed during the exhaust of the
例えば、メインポンプ101の運転開始直後は、真空チャンバ1の内部が大気圧であるため、モータ20の負荷電流は比較的高い。真空チャンバ1の内圧の低下に伴い、モータ20の負荷電流も徐々に低下し、真空チャンバ1が所定の真空度(メインポンプ101の到達圧力)に達すると、モータ20の負荷電流は最小値でほぼ一定に推移する。この状態では、モータ20の駆動を一時的に停止させたとしても、真空チャンバ1の真空度の低下を抑えつつ、ポンプ本体10の回転軸11s,12sを慣性で比較的安定に回転させることができる。
For example, immediately after the start of operation of the
そこで本実施形態では、制御部32は、第1の制御モードの実行後、モータ20の負荷電流が所定以下に達したときに、第2の制御モードを所定時間実行するように構成される。負荷電流が所定以下とは、例えば、メインポンプ101が到達真空度あるいはその近傍の圧力に達したときのモータ20の電流値あるいは電力値である。この状態で第1の制御モードを一時的に中断して第2の制御モードを実行することで、真空チャンバ1の真空度の劣化を抑えつつ、慣性(フリーラン)で回転するモータ20の誘起電圧の時間変化を取得することができる。また、第2の制御モードが実行される所定時間としては、検出部312においてモータ20の誘起電圧の有意な時間変化を検出するのに必要な時間であれば特に限定されず、典型的には、数百ミリ秒〜数秒である。所定時間経過後、第1の制御モードに復帰させることで、メインポンプ101のポンプ性能の低下を最小限に抑えることができる。
Therefore, in the present embodiment, the
制御部32は、記憶部321と、判定部322とを有する。
The
記憶部321は、典型的には不揮発性メモリで構成され、制御部32において実行される各処理のプログラムや制御パラメータを記憶する。記憶部321はさらに、第2の制御モードにおいて駆動回路31(検出部312)から取得したモータ20の誘起電圧の時間変化に関するデータを記憶する。
The
モータ20の誘起電圧の時間変化に関するデータとしては、例えば、モータ20への通電停止から所定時間にわたる誘起電圧の変動量、具体的には、誘起電圧の振幅の時間変化、周波数の時間変化などが挙げられる。当該データは、3相のうち少なくとも1つの相の誘起電圧の時間変化に関するデータであってもよい。また、記憶部321に格納されるデータは、電圧値や周波数等の数値だけでなく、図7に示した誘起電圧の時間変化を示す波形そのものであってもよい。
Data on the time change of the induced voltage of the
誘起電圧の時間変化に関するデータは、第2の制御モードの初回の実行時から現在までの履歴情報として記憶部321に蓄積されてもよい。これにより、例えばメインポンプ101のメンテナンス時などにおいて当該履歴情報を参照することで、メインポンプ101の寿命や部品交換時期などを予測することができる。
The data regarding the time change of the induced voltage may be stored in the
判定部322は、検出部312から取得したモータ20の無通電時における誘起電圧の時間変化に関するデータと、記憶部321に格納された上記誘電圧の時間変化に関する過去のデータとに基づいて、ポンプ本体10の異常の有無を判定することが可能に構成される。
The
例えば、軸受B1,B2やオイルリップシール150の不具合により回転軸11s,12sの摺動ロスが増加した場合には、単位時間あたりの誘起電圧の時間的変動(以下、誘起電圧変動ともいう)に有意な差分が現れる。そこで、メインポンプ101の正常時の誘起電圧変動をリファレンスとして記憶部321に格納しておくことにより、当該正常時の誘起電圧変動との差分を基に、軸受B1,B2やオイルリップシール150の不具合の有無あるいは劣化の程度を推定することができる。
For example, when the sliding loss of the
リファレンスとする正常時の誘起電圧変動としては、例えば、出荷時の誘起電圧変動、前回の第2の制御モードの実行時に取得した誘起電圧変動であってもよい。当該リファレンスとして、当該メインポンプ101から実際に取得された出荷時あるいは過去の測定値を用いることで、ポンプの個体差の影響を受けることなく、適正な故障判断を行うことが可能となる。
The induced voltage fluctuation in the normal state as a reference may be, for example, the induced voltage fluctuation at the time of shipment or the induced voltage fluctuation acquired at the time of executing the second control mode last time. By using the measured values at the time of shipment or in the past actually obtained from the
なお、メインポンプ101の軸受B1,B2やオイルリップシール150の不具合だけに限られず、例えば、補助ポンプ102の動作不良が原因で誘起電圧変動の正常時からの有意な差分が生じる場合がある。補助ポンプ102が故障等により動作が停止したりポンプ性能が著しく低下したりした場合、メインポンプ101の背圧が上昇する。この場合、メインポンプ101の軸受B1,B2やオイルリップシール150が正常な状態でも回転軸11s,12sの回転負荷が増加するため、モータ20の通電停止後に回転数が急激に減少しやすい。したがって、モータ20の誘起電圧変動をモニタリングすることで、メインポンプ101自体の故障だけでなく、補助ポンプ102を含む排気システム100全体の異常の有無を監視することができる。
It should be noted that the malfunction is not limited to the bearings B1 and B2 of the
また、補助ポンプ102や真空チャンバ1の影響を排除しポンプ本体10のみの状態を監視したい場合は、図示しない配管L1に設けられた真空バルブと配管L2に設けられた真空バルブを閉塞させた状態にて、第2の制御モードを実行させればよい。この条件下ではポンプ本体10と2つの真空バルブ迄の容積および閉塞時の圧力条件を初期値とした動作となる為、検出部312から取得する誘起電圧の時間変化に対して外乱要素が少なくなり、結果としてポンプ本体10の信号強度が増大するのと同様な効果を生む為、より異常の判定が容易となる。
Further, when it is desired to eliminate the influence of the
[真空ポンプの運転方法]
続いて、以上のように構成されるメインポンプ101の運転方法について説明する。
[How to operate the vacuum pump]
Subsequently, the operation method of the
図8は、制御部32において実行されるメインポンプ101の運転時の処理手順の一例を示すフローチャートである。
FIG. 8 is a flowchart showing an example of a processing procedure during operation of the
排気システム100は、メインポンプ101及び補助ポンプ102が起動することで、真空チャンバ1の内部の排気動作を開始する。メインポンプ101の起動時は、制御部32は駆動回路31を第1の制御モードで制御し、駆動部311は、モータ20を定格回転数(本実施形態では5000rpm)で回転させるための駆動電流を生成する。モータ20の作動により、第1及び第2のポンプロータ11,12が回転し、吸気口E1より吸入された真空チャンバ1内の気体を排気口E2から排出する所定のポンプ作用が行われる。メインポンプ101の排気口E2は、補助ポンプ102により排気されることで、メインポンプ101の背圧が大気圧以下に維持される。
The
制御部32は、メインポンプ101のモータ20の負荷電流が所定以下か否かを判定する(ステップ101)。メインポンプ101が到達圧力に達して負荷電流が所定以下に達した場合、第1の制御モードから第2の制御モードへ切り替えて駆動回路31からモータ20への駆動電流の供給を停止する(ステップ102)。これによりモータ20はフリーランの状態になり、ロータコア21及び回転軸11s,12sが慣性で回転を継続する。検出部312は、モータ20のコイルCに生じる誘起電圧変動を検出し、制御部32へ出力する。
The
制御部32は、検出部312で検出されたモータ20の誘起電圧変動に関するデータを取得する(ステップ103)。取得された誘起電圧変動に関するデータは記憶部321へ格納される。誘起電圧変動に関するデータの検出及びその取得は、モータ20への通電を停止してから所定時間が経過するまで続けられる。補助ポンプ102は、メインポンプ101が第2の制御モードを実行中も継続して駆動される。
The
制御部32は、モータ20への通電を停止してから所定時間が経過した後、第2の制御モードから第1の制御モードへ切り替え、駆動回路31からモータ20への通電を再開する(ステップ104,105)。これにより、メインポンプ101による真空チャンバ1の排気動作が再開される。
The
第2の制御モードは、モータ20の負荷電流が上記所定以下になる度に毎回実行される場合に限られない。例えば、前回の第2の制御モードが実行されてから一定時間以上経過しないと第2の制御モードが実行されないようにしてもよい。この場合、第2の制御モードが頻繁に実行されることによるポンプ機能の低下を防ぐことができる。
The second control mode is not limited to the case where the load current of the
図9は、制御部32において実行されるメインポンプ101の故障判断の処理手順の一例を示すフローチャートである。メインポンプ101の故障判断は、典型的には、第2の制御モードの実行中に行われる。これに代えて、第2の制御モードでは誘起電圧変動に関するデータのみを取得し、故障判断は第1の制御モードへの復帰後に、第2の制御モードとは別のタスクとして行われてもよい。
FIG. 9 is a flowchart showing an example of a failure determination processing procedure of the
制御部32(判定部322)は、第2の制御モードの実行時に取得されたモータ20の無通電時における誘起電圧変動に関するデータに基づいて、ポンプ本体10の異常あるいは故障の有無を判定する。
The control unit 32 (determination unit 322) determines whether or not there is an abnormality or failure of the pump
本実施形態では、検出部312から誘起電圧変動に関するデータを取得したとき、記憶部321に格納された過去の誘起電圧変動を読み出し、これらの差分を演算する(ステップ201,202)。そして、当該差分が所定以上でない場合は、軸受B1,B2やオイルリップシール150に不具合はないと判定し、そのままメインポンプ101の運転を継続させる。
In the present embodiment, when the data related to the induced voltage fluctuation is acquired from the
一方、上記差分が所定以上であると判定したとき、軸受B1,B2やオイルリップシール150に不具合あるいは劣化の程度が高い可能性があるため、判定部322は、ポンプ本体10の異常と判定し、そのときの誘起電圧変動に関するデータを異常値として記憶部321へ格納する(ステップ203,204)。
On the other hand, when it is determined that the above difference is equal to or more than a predetermined value, the bearings B1 and B2 and the
異常値であることを示す上記差分の所定値は、必ずしもメインポンプ101の運転をすぐに停止させる必要のある値に限られず、近い将来に故障に至ることを警告するのに適した値であってもよい。この場合、図示しない警報部を発動させて、ユーザへポンプの異常を報知させるように構成されてもよい。
The predetermined value of the above difference indicating that the value is abnormal is not necessarily limited to the value at which the operation of the
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく種々変更を加え得ることは勿論である。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and it goes without saying that various modifications can be made.
例えば以上の実施形態では、真空ポンプ(メインポンプ101)として、単段のメカニカルブースタポンプを例に挙げて説明したが、これに限られず、多段のルーツポンプ、スクリューポンプ等の他のドライポンプにも本発明は適用可能である。また、補助ポンプ102にもメインポンプ101と同様な故障判断機能が付加されてもよい。
For example, in the above embodiment, the vacuum pump (main pump 101) has been described by taking a single-stage mechanical booster pump as an example, but the present invention is not limited to this, and other dry pumps such as a multi-stage roots pump and a screw pump can be used. The present invention is also applicable. Further, the
また、本発明に係る真空ポンプは、第2の制御モードにおいて取得されたモータ20の誘起電圧変動に関するデータを外部機器へ送信可能な送信部をさらに備えていてもよい。この場合、外部機器としては、真空ポンプに接続される上位のコンピュータであってもよいし、ネットワークを介して接続されるクラウドサーバであってもよい。これにより、真空ポンプの設置場所以外の場所で、当該真空ポンプの運転状態を管理することができる。また、当該真空ポンプの非稼働時においても、当該真空ポンプの故障診断が可能となる。
Further, the vacuum pump according to the present invention may further include a transmission unit capable of transmitting data regarding the induced voltage fluctuation of the
さらに以上の実施形態では、第2の制御モードにおいてモータの誘起電圧の時間変化に基づいて回転軸の回転数の時間変化を検出するようにしたが、これに限られない。例えば、回転軸の端部に反射部材を設け、周期的な光入力を利用した汎用の回転数測定器を用いて回転軸の回転数の時間変化を検出するようにしてもよい。モータが同期機であれば誘起電圧を利用することで別途の回転数測定器を用意する必要が無いという効果があるが、モータが誘導機である場合は駆動電流の供給を停止すると同期機の様なロータコア回転に基づく回転磁界が発生しない為に誘起電圧が利用出来ない。この様な場合は検出部312に替えて回転数測定器、より望ましくは非接触式の回転数測定器とすればよい。
Further, in the above embodiment, in the second control mode, the time change of the rotation speed of the rotating shaft is detected based on the time change of the induced voltage of the motor, but the present invention is not limited to this. For example, a reflective member may be provided at the end of the rotating shaft, and a time change in the rotation speed of the rotating shaft may be detected by using a general-purpose rotation speed measuring device that utilizes periodic light input. If the motor is a synchronous machine, there is an effect that it is not necessary to prepare a separate rotation speed measuring device by using the induced voltage, but if the motor is an induction machine, if the supply of drive current is stopped, the synchronous machine Since the rotating magnetic field based on the rotation of the rotor core is not generated, the induced voltage cannot be used. In such a case, a rotation speed measuring device, more preferably a non-contact type rotation speed measuring device, may be used instead of the
10…ポンプ本体
20…モータ
30…制御ユニット
31…駆動回路
32…制御部
100…排気システム
101…メインポンプ
102…補助ポンプ
311…駆動部
312…検出部
321…記憶部
322…判定部
B1,B2…軸受
10 ...
Claims (6)
永久磁石を含み前記回転軸に取り付けられたロータコアと、コイルを有するステータコアとを有するモータと、
前記モータを回転させる駆動電流を前記コイルへ供給する駆動部と、前記コイルに生じる誘起電圧を検出する検出部とを有する駆動回路と、
前記駆動回路を制御する制御ユニットであって、前記モータへ前記駆動電流を供給する第1の制御モードと、前記モータへの前記駆動電流の供給を停止させた無通電時において前記誘起電圧の時間変化を取得する第2の制御モードとを選択的に実行する制御部と
を具備する真空ポンプ。 A pump body with a rotating shaft and
A motor having a rotor core including a permanent magnet and attached to the rotating shaft, and a stator core having a coil,
A drive circuit having a drive unit that supplies a drive current for rotating the motor to the coil and a detection unit that detects an induced voltage generated in the coil.
A control unit that controls the drive circuit, the time of the induced voltage when the first control mode for supplying the drive current to the motor and the non-energization when the supply of the drive current to the motor is stopped. A vacuum pump comprising a second control mode for acquiring changes and a control unit for selectively executing.
前記制御部は、第1の制御モードの実行後、前記モータの負荷電流が所定以下に達したときに、前記第2の制御モードを所定時間実行する
真空ポンプ。 The vacuum pump according to claim 1.
The control unit is a vacuum pump that executes the second control mode for a predetermined time when the load current of the motor reaches a predetermined value or less after the execution of the first control mode.
前記制御部は、前記検出部から取得した前記誘起電圧の時間変化に関するデータを時系列的に記憶する記憶部をさらに有する
真空ポンプ。 The vacuum pump according to claim 2.
The control unit is a vacuum pump further having a storage unit that stores data related to a time change of the induced voltage acquired from the detection unit in a time series.
前記制御部は、前記検出部から取得した前記誘起電圧の時間変化に関するデータと前記記憶部に格納された前記誘電圧の時間変化に関する過去のデータとに基づいて、前記ポンプ本体の異常の有無を判定する判定部をさらに有する
真空ポンプ。 The vacuum pump according to claim 3.
The control unit determines the presence or absence of an abnormality in the pump body based on the data on the time change of the induced voltage acquired from the detection unit and the past data on the time change of the dielectric pressure stored in the storage unit. A vacuum pump having a determination unit for determination.
前記モータへの駆動電流の供給を停止させて前記回転軸の回転数の時間変化を検出し、
検出した前記回転数の時間変化に基づいて、前記ポンプ本体の異常の有無を判定する
真空ポンプの運転方法。 By supplying the drive current to the motor, the rotating shaft of the pump body is rotated,
The supply of the drive current to the motor is stopped, the time change of the rotation speed of the rotating shaft is detected, and the change is detected.
A method of operating a vacuum pump for determining the presence or absence of an abnormality in the pump body based on the detected time change of the rotation speed.
前記回転数の時間変化を検出するステップは、前記モータの誘起電圧の時間変化に基づいて前記回転数の時間変化を検出する
真空ポンプの運転方法。 The method for operating a vacuum pump according to claim 5.
The step of detecting the time change of the rotation speed is a method of operating a vacuum pump that detects the time change of the rotation speed based on the time change of the induced voltage of the motor.
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