JP3698773B2

JP3698773B2 - ターボ分子ポンプ

Info

Publication number: JP3698773B2
Application number: JP27321595A
Authority: JP
Inventors: 厚久保; 拓知上山
Original assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Current assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Priority date: 1995-10-20
Filing date: 1995-10-20
Publication date: 2005-09-21
Anticipated expiration: 2015-10-20
Also published as: JPH09112482A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造装置で利用される真空排気装置等に用いられるターボ分子ポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、上記の真空排気装置では、高真空ポンプとして上記ターボ分子ポンプと、ターボ分子ポンプの排気口に配管を介して接続したベーンポンプ等の補助用ポンプとが備えられている。ターボ分子ポンプには、排気用の翼が取り付けられたロータ軸を回転可能に非接触支持する磁気軸受が備えられていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、磁気軸受が加振され、ターボ分子ポンプに悪影響を及ぼしてしまうことがあった。
この原因を追求した結果、本願出願人は次の知見を得るに至った。すなわち、上記の補助用ポンプが、通常の商用電源を用いた駆動モータによって駆動される場合には、駆動モータの電源周波数である５０Ｈｚまたは６０Ｈｚに主成分を持つ振動を生じることがある。この振動が配管を介して、ターボ分子ポンプに伝達され、上記磁気軸受が加振されるわけである。
【０００４】
そこで、本発明の目的は、補助用ポンプの駆動モータの電源周波数における振動による悪影響を抑制したターボ分子ポンプを提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、(1) 請求項１に係る発明のターボ分子ポンプは、排気用の翼が取り付けられたロータ軸を回転可能に非接触支持する磁気軸受を有するターボ分子ポンプ本体と、ロータ軸の位置を検出する位置センサの検出信号に基づいて、上記磁気軸受を制御する制御部と、を備え、ターボ分子ポンプ本体の排気口には、駆動モータによって駆動される補助用ポンプが接続されるターボ分子ポンプにおいて、上記制御部は、補助用ポンプの駆動モータの電源周波数に主成分を持つ振動に対して磁気軸受の剛性を高めるように、駆動モータの電源周波数近傍においてのみゲインが高められた制御特性を有しており、電源周波数近傍は、駆動モータの電源周波数を中心とする領域であって電源周波数に頂部をもつ山形状をなすようにゲインが高められた領域であることを特徴とするものである。
【０００６】
上記構成によれば、磁気軸受は、駆動モータの電源周波数における剛性を制御部によって高められているので、電源周波数の加振を受けても、影響を少なくすることができる。従って、補助用ポンプの電源周波数における振動が、磁気軸受に伝達される場合でも、磁気軸受はロータ軸を安定して支持することができ、ターボ分子ポンプの運転に悪影響は及び難い。また、磁気軸受の剛性を、電源周波数の付近のみで高めているので、それ以外の周波数における剛性、及び磁気軸受の制御特性の変化は少ない。従って、上記の振動の抑制に伴って、新たな不具合が生ずる虞も少ない。
【０００７】
(2) 請求項２に係る発明のターボ分子ポンプは、請求項１記載のターボ分子ポンプにおいて、上記制御部は、位置センサの検出信号が入力され、この検出信号を所定の伝達関数に基づいて演算処理して出力する主制御回路と、位置センサの検出信号が入力され、中心周波数が上記電源周波数に設定されたバンドパスフィルタと、主制御回路の出力信号と、バンドパスフィルタの出力信号とを加算して出力する加算回路と、加算回路の出力信号を受けて上記磁気軸受を駆動する駆動回路とを含むことを特徴とするものである。
【０００８】
上記構成によれば、加算回路の出力信号は、主制御回路の出力信号に、電源周波数の付近の信号が加算されたものとなるので、制御部は、主制御回路の制御特性に比べて、電源周波数の付近におけるゲインが高められたのと同様の制御特性を実現することができる。よって、請求項１に係る発明の作用と同様の作用を得ることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１の実施の形態を、このターボ分子ポンプを用いた真空排気装置を一例に、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、上記の真空排気装置の概略構成の模式図である。この真空排気装置には、真空を実現するために周囲と区画された真空チャンバ１と、真空チャンバ１内と吸入口が連通し、真空チャンバ１内の空気分子を吸引する高真空ポンプとしてのターボ分子ポンプ本体２と、ターボ分子ポンプ本体２の排気口３１（図２参照）に配管６を介して接続されるベーンポンプからなる補助用ポンプ３と、補助用ポンプ３を所定の電源周波数の商用交流電源からの電力によって駆動する駆動モータ４と、ターボ分子ポンプ本体２を制御するための部分として、後述する磁気軸受制御部５２、ビルトインモータ２１の駆動回路（図示せず）等と真空排気装置の電源回路を有した電源部５とを備えている。
【００１０】
電源部５のターボ分子ポンプ本体２を制御するための部分、及びターボ分子ポンプ本体２によって、ターボ分子ポンプ７が構成されている。
以下、ターボ分子ポンプ７について説明する。
図２は、ターボ分子ポンプ本体２の一部断面正面図である。
ターボ分子ポンプ本体２は、内部にロータ室２２を区画する略円筒形のケーシング２３と、ケーシング２３内の中央部にあって、上下方向に延びて回転自在に支持されたロータ軸２６と、ロータ軸２６に同軸で取り付けられ、周面上に排気用の多数の翼２４を設けられ、ロータ室２２内で回転することによって排気する略円筒形のロータ２５と、ロータ２５とロータ軸２６との間及び下方にあって、ケーシング２３とともにロータ室２２を区画し、ロータ室２２内からの上記排気口３１を有する下部ケーシング２７とを備えている。
【００１１】
また、下部ケーシング２７には、ロータ軸２６の周囲に上方から、以下の各機器が取り付けられている。すなわち、ロータ軸２６の保護軸受であるいわゆるタッチダウン軸受２８と、ロータ軸２６の軸線に直交する方向の変位を検知するラジアル位置センサ２９と、ロータ軸２６を軸線に直交する方向に磁気力によって非接触で回転自在に支持するラジアル磁気軸受３０と、ロータ軸２６を回転する上記ビルトインモータ２１と、上記ラジアル磁気軸受３０と、上記ラジアル変位センサ２９と、上記タッチダウン軸受２８とが備えられている。
【００１２】
また、ロータ軸２６の下端部の周囲には、ロータ軸２６を軸方向に磁気力によって非接触で回転自在に支持するアキシャル磁気軸受３３と、ロータ軸２６の軸方向の変位を検知するアキシャル位置センサ３４とが備えられている。
アキシャル磁気軸受３３は、ロータ軸２６に固定された円板３２を挟んで、軸方向に対向して配置された一対の電磁石からなっている。この近傍での軸方向についてのロータ軸２６の変位を検出できるように、上記アキシャル位置センサ３４が配置されている。
【００１３】
また、ラジアル磁気軸受３０は、ロータ軸２６の軸方向に直交する所定方向に沿って、ロータ軸２６を挟んで対向して配置された一対の電磁石からなり、ロータ軸２６の上下のそれぞれに、所定方向が互いに直交するようにして、計４対が設けられている。それぞれの近傍に、所定方向についてロータ軸２６の変位を検出できるように、上記ラジアル位置センサ２９が配置されている。
【００１４】
このように、アキシャル磁気軸受３３及びラジアル磁気軸受３０のそれぞれ（以下「磁気軸受」という）には、各磁気軸受に対応するアキシャル位置センサ３４及びラジアル位置センサ２９の何れか（以下「位置センサ」という）が配置されている。
この位置センサは、ロータ軸２６の表面との間に形成される微小隙間による近接容量変化で変位を検知する渦電流方式のものが用いられる。その検出信号が上記磁気軸受制御部５２に入力され、磁気軸受の制御に利用される。
【００１５】
図３は、磁気軸受制御部５２のブロック図である。磁気軸受制御部５２は、上記の磁気軸受及び対応する位置センサ毎に設けられている。
磁気軸受制御部５２は、位置センサ４１の検出信号が入力され、所定の伝達関数に基づいて演算処理して出力することによって制御、例えば、ＰＩＤ制御を行なう主制御回路５３と、位置センサ４１の検出信号が入力され、通過させる信号帯域の中心周波数ｆｃが上記駆動モータ４の電源周波数、例えば商用交流電源の周波数の６０Ｈｚに設定されたバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）５４と、主制御回路５３の出力信号と、バンドパスフィルタ５４の出力信号とを加算して出力する加算回路５５と、加算回路５５の出力信号を受けて磁気軸受４０を駆動する駆動回路５６とを備えている。
【００１６】
次に、磁気軸受制御部５２の動作を具体的に説明する。
図４は、磁気軸受制御部５２の制御特性図であり、（ａ）に主制御回路５３の出力について、（ｂ）にバンドパスフィルタ５４の出力について、（ｃ）に加算回路５５の出力について、横軸に周波数、縦軸にゲインを示している。
位置センサ４１の検出信号は、主制御回路５３に入力される。主制御回路５３は、ロータ軸２６の位置が移動すると、その位置をもとに戻すように、検出信号を演算処理して駆動回路５６への指令信号を出力する。この出力特性は、例えば、図４（ａ）に示されているようになっている。
【００１７】
従来は、この指令信号に応じて、駆動回路５６は磁気軸受４０を駆動していた。なお、上記の図４（ａ）の出力特性は従来と同様に設定されている。
本発明の特徴は、以下のように、バンドパスフィルタ５４の出力信号が、上記指令信号に加算される点にある。すなわち、上記位置センサ４１の検出信号は、バンドパスフィルタ５４にも入力される。その結果、図４（ｂ）に示すように、バンドパスフィルタ５４によって中心周波数ｆｃ近傍の周波数成分のみが出力される。この出力信号が加算回路５５によって上記指令信号に加算されると、出力特性は図４（ｃ）に示すように、図４（ａ）の特性に比べて中心周波数ｆｃ近傍のゲインが高められる結果、中心周波数ｆｃ近傍の周波数成分が高められた指令信号が得られる。駆動回路５６は、指令信号に応じて、磁気軸受４０の電磁石に通電する電流の大きさを可変することによって、ロータ軸２６に対する磁気軸受４０の磁気力を制御する。
【００１８】
上記の制御特性によれば、入力信号である位置センサ４１の検出信号の一定の大きさに対して、中心周波数ｆｃ近傍の周波数においては、磁気軸受４０の磁気力が強められる。従って、ターボ分子ポンプ７のロータ軸２６に所定の変位量を与えるために、ロータ軸２６に作用させる力はより大きくなる。このことは、ロータ軸２６の支持剛性である磁気軸受４０の剛性が大きくなることを示している。
【００１９】
図５に、ターボ分子ポンプ７のラジアル磁気軸受３０の剛性の周波数特性図を示す。ここで、ラジアル磁気軸受３０の剛性とは、ラジアル磁気軸受３０のロータ軸２６を支持する所定方向に対して、所定方向の所定の変位量を得るためにロータ軸２６に作用させた力の大きさで表される。上記のようにこの剛性は、磁気軸受制御部５２のゲインと比例するので、周波数特性も同様の傾向を有している。図５に示すように、ラジアル磁気軸受３０の剛性は、従来のターボ分子ポンプでの磁気軸受の剛性の周波数特性（図５に一点鎖線Ｃ２で示す）に対して、駆動モータ４の電源周波数である６０Ｈｚ近傍において高められている。なお、アキシャル磁気軸受３３の剛性の周波数特性についても同様である。
【００２０】
このように、磁気軸受４０の剛性が、駆動モータ４の電源周波数近傍で高いので、この周波数の成分を持つ振動が磁気軸受４０に作用しても、その影響を少なくすることができる。従って、電源周波数に成分をもつ補助用ポンプ３の振動が、仮に磁気軸受４０に伝達される場合でも、磁気軸受４０はロータ軸２６を安定して支持することができ、ターボ分子ポンプ７の運転に及ぶ悪影響を抑制することができる。
【００２１】
また、各磁気軸受の剛性を、電源周波数の付近のみで高めているので、それ以外の周波数における剛性、及び磁気軸受の制御特性の変化は少ない。従って、上記の振動の抑制に伴って、新たな不具合が生ずる虞も少ない。
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。
本実施の形態では、第１の実施の形態における磁気軸受制御部５２に代えて、磁気軸受制御部６０が用いられており、他の部分は同様である。よって、第１の実施の形態と同様の部分は、同じ符号を付している。
【００２２】
図６は、磁気軸受制御部６０のブロック図である。
磁気軸受制御部６０は、位置センサ４１の検出信号が入力され、所定の伝達関数に基づいて演算処理して出力することによって制御を行なうデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）６１と、ＤＳＰ６１の出力信号を受けて上記磁気軸受４０を駆動する駆動回路５６とを備えている。
【００２３】
上記ＤＳＰ６１は、信号処理用回路素子であり、内蔵するＣＰＵ、ハードウェア、ソフトウェア等によって所望の信号処理を行なうように、ハードウェア、ソフトウェアを予め設定することができる。本実施の形態では、このＤＳＰ６１は、第１の実施の形態で説明した主制御回路５３、バンドパスフィルタ５４、加算回路５５を含む部分によって得られる出力特性、具体的には図４（ｃ）で示される伝達関数の特性を有するように設定されている。
【００２４】
従って、磁気軸受制御部６０の制御特性は、第１の実施の形態の磁気軸受制御部５２と同様の制御特性を実現できるので、ターボ分子ポンプ７の磁気軸受４０の剛性の周波数特性も同様の特性を有し、第１の実施の形態と同様の作用効果を奏するものである。
このように、振動の影響を抑制するための上記のバンドパスフィルタ５４と加算回路５５の追加や、ＤＳＰ６１のプログラム変更等の方法は、他の方法、例えば、配管６、補助用ポンプ３等の変更等に比べて容易に行なうことができる。従って、容易にこのターボ分子ポンプ７を用いた真空排気装置を安定して運転することができる。
【００２５】
なお、上記第１の実施の形態では、バンドパスフィルタ５４、加算回路５５等の回路によって、また、第２の実施の形態では、ＤＳＰ６１によって、上記図４（ｃ）で示される伝達関数の特性を実現したが、この特性を得られれば、方法は限定されない。
また、上記の磁気軸受制御部５２，６０においてゲインの高められた周波数、例えば、第１の実施の形態のバンドパスフィルタ５４の中心周波数ｆｃは、駆動モータ４の電源周波数として、商用交流電源の周波数が設定されていたが、これには、限定されない。たとえば、駆動モータ４が、商用交流電源を直流に変換し、この直流を所定の交流に変換するインバータを利用して駆動される場合には、上記のゲインの高められた周波数を、インバータによって変換された周波数としてもよい。
【００２６】
また、上記の磁気軸受制御部５２，６０は、ラジアル磁気軸受３０及びアキシャル磁気軸受３３のそれぞれの剛性を高めていたが、何れか一つの磁気軸受の剛性が高められているだけでもよい。
その他、本発明の要旨を変更しない範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
【００２７】
【発明の効果】
請求項１に係る発明によれば、磁気軸受の剛性は、駆動モータの電源周波数において制御部によって高められているので、磁気軸受は、補助用ポンプの電源周波数における振動の影響を受けにくく、ロータ軸を安定して支持することができる。従って、ターボ分子ポンプも安定して運転することができる。また、磁気軸受の剛性を、電源周波数の付近のみで高めているので、振動の抑制に伴って、新たな不具合が生ずる虞も少ない。
【００２８】
請求項２に係る発明によれば、バンドパスフィルタと加算回路によって、電源周波数の付近におけるゲインを高めた制御特性を実現することができるので、請求項１に係る発明の効果と同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るターボ分子ポンプを用いた真空排気装置の概略構成の模式図である。
【図２】ターボ分子ポンプ本体の一部断面正面図である。
【図３】磁気軸受制御部のブロック図である。
【図４】制御部の制御特性図であり、（ａ）に主制御回路の制御特性を、（ｂ）にバンドパスフィルタの出力特性を、（ｃ）に加算回路の出力信号の特性を示す。また、横軸に周波数、縦軸にゲインを示す。
【図５】ターボ分子ポンプの磁気軸受の動剛性の特性図である。
【図６】第２の実施の形態の磁気軸受制御部のブロック図である。
【符号の説明】
２ターボ分子ポンプ本体
３補助用ポンプ
４駆動モータ
７ターボ分子ポンプ
２４翼
２６ロータ軸
２９ラジアル変位センサ（位置センサ）
３０ラジアル磁気軸受（磁気軸受）
３１排気口
３３アキシャル磁気軸受（磁気軸受）
３４アキシャル変位センサ（位置センサ）
４０磁気軸受
４１位置センサ
５２磁気軸受制御部（制御部）
５３主制御回路
５４バンドパスフィルタ
５５加算回路
５６駆動回路
６０磁気軸受制御部（制御部）

Claims

排気用の翼が取り付けられたロータ軸を回転可能に非接触支持する磁気軸受を有するターボ分子ポンプ本体と、ロータ軸の位置を検出する位置センサの検出信号に基づいて、上記磁気軸受を制御する制御部と、を備え、ターボ分子ポンプ本体の排気口には、駆動モータによって駆動される補助用ポンプが接続されるターボ分子ポンプにおいて、
上記制御部は、補助用ポンプの駆動モータの電源周波数に主成分を持つ振動に対して磁気軸受の剛性を高めるように、駆動モータの電源周波数近傍においてのみゲインが高められた制御特性を有しており、
電源周波数近傍は、駆動モータの電源周波数を中心とする領域であって電源周波数に頂部をもつ山形状をなすようにゲインが高められた領域であることを特徴とするターボ分子ポンプ。
請求項１記載のターボ分子ポンプにおいて、
上記制御部は、位置センサの検出信号が入力され、この検出信号を所定の伝達関数に基づいて演算処理して出力する主制御回路と、位置センサの検出信号が入力され、中心周波数が上記電源周波数に設定されたバンドパスフィルタと、主制御回路の出力信号と、バンドパスフィルタの出力信号とを加算して出力する加算回路と、加算回路の出力信号を受けて上記磁気軸受を駆動する駆動回路とを含むことを特徴とするターボ分子ポンプ。