JP4481124B2

JP4481124B2 - 磁気軸受装置及び該磁気軸受装置が搭載されたターボ分子ポンプ

Info

Publication number: JP4481124B2
Application number: JP2004268412A
Authority: JP
Inventors: 治染谷; 一政浜辺
Original assignee: Edwards Japan Ltd
Current assignee: Edwards Japan Ltd
Priority date: 2004-09-15
Filing date: 2004-09-15
Publication date: 2010-06-16
Anticipated expiration: 2024-09-15
Also published as: JP2006083923A

Description

本発明は磁気軸受装置及び該磁気軸受装置が搭載されたターボ分子ポンプに係わり、特に電磁石から位置センサへの磁束の漏れによる影響を防止することで磁気シールド板が省略された磁気軸受装置及び該磁気軸受装置が搭載されたターボ分子ポンプに関する。

近年のエレクトロニクスの発展に伴い、メモリや集積回路といった半導体の需要が急激に増大している。
これらの半導体は、極めて純度の高い半導体基板に不純物をドープして電気的性質を与えたり、半導体基板上に微細な回路パターンを形成し、これを積層するなどして製造される。
そして、これらの作業は空気中の塵等による影響を避けるため高真空状態のチャンバ内で行われる必要がある。このチャンバの排気には、一般に真空ポンプが用いられているが、特に残留ガスが少なく、保守が容易である等の点からターボ分子ポンプが多用されている。

また、半導体の製造工程では、さまざまなプロセスガスを半導体の基板に作用させる工程が数多くあり、ターボ分子ポンプはチャンバ内を真空にするのみならず、これらのプロセスガスをチャンバ内から排気するのにも使用される。
更に、ターボ分子ポンプは、電子顕微鏡等の設備において、粉塵等の存在による電子ビームの屈折等を防止するため、電子顕微鏡等のチャンバ内の環境を高度の真空状態にするのにも用いられている。

そして、このようなターボ分子ポンプは、半導体製造装置や電子顕微鏡等のチャンバからガスを吸引排気するためのターボ分子ポンプ本体と、このターボ分子ポンプ本体を制御する制御装置とから構成されている。
そして、このターボ分子ポンプ本体には、回転翼を有する回転体が備えられている。この回転体の中心にはロータ軸１１３が取り付けられており、このロータ軸１１３は、例えば５軸制御の磁気軸受により空中に浮上支持かつ位置制御されている。この内、ロータ軸１１３の径方向位置を調整するため、ロータ軸１１３の上側と下側の適所に電磁石と径方向センサとがそれぞれ配設されている。

図６に下側径方向電磁石１０５及び下側径方向センサ１０８の部分拡大斜視構成図を、また図７には、図６中のＡ矢視線方向から見たときの平面図を示す。
図６及び図７に示すように、下側径方向電磁石１０５は、４個の電磁石がＸ軸とＹ軸にかつ＋方向と−方向に、それぞれの対をなして配置されている（以下、電磁石１０５Ｘ＋、１０５Ｘ−、１０５Ｙ＋、１０５Ｙ−という）。そして、この下側径方向電磁石１０５に近接かつ対応されて４個の下側径方向センサ１０８が備えられている。

電磁石１０５Ｘ＋、１０５Ｘ−、１０５Ｙ＋、１０５Ｙ−は、それぞれＮ極とＳ極とが突極対となって形成されている。下側径方向センサ１０８の電磁石１０５Ｙ−に対峙する部分は双極状に突設された突設部１０８ａ、１０８ｂを有し、この突設部１０８ａ、１０８ｂの周囲にはコイルが巻回され、ロータ軸１１３との間に生じた誘導電圧が検出可能なようになっている。そして、この誘導電圧の大きさからロータ軸１１３の径方向変位が検出可能である。

ここに、図６及び図７中で示すように、電磁石１０５Ｙ−と電磁石１０５Ｘ−の隣接する磁極はＳ極で同極であり、また、電磁石１０５Ｙ−と電磁石１０５Ｘ＋の隣接する磁極もＮ極で同極にて形成されている（かかる構成例として、例えば特許文献１参照）。電磁石１０５Ｙ＋と電磁石１０５Ｘ−、電磁石１０５Ｘ＋の関係も同様に隣接する磁極は同極にて形成されている。

このとき、図６及び図７中に磁束線Ｆで示すように、例えば電磁石１０５Ｙ−を構成する一方の磁極（Ｎ極）から出た磁束は他方の磁極（Ｓ極）へ流入される。
実開平３−３３２１９号公報（図３）

しかしながら、この一方で磁極（Ｎ極）から出た漏れ磁束は下側径方向センサ１０８の突設部１０８ａ、１０８ｂに巻回されたコイルにも流入される。このときの伝達関数特性は図８のようになり、２００ヘルツ〜１キロヘルツで位相余裕度が低い。この伝達関数特性は電磁石１０５を加振させつつ、下側径方向センサ１０８での信号を観測することで得られたものである。そして、この漏れ磁束の影響により、位相余裕度が低くなり、ロータ軸１１３が発振し易くターボ分子ポンプの運転が不安定になるおそれがあった。

このため、従来は、図６に示すように、下側径方向センサ１０８の上を磁気シールド板２００で覆うことで、電磁石１０５からの磁束の漏れが下側径方向センサ１０８側に影響するのを阻止していた。
なお、これらの点は、ロータ軸１１３の上側の径方向位置を調整するため配設される上側径方向電磁石と上側径方向センサについても同様であり、上側径方向電磁石と上側径方向センサの間の上側径方向センサの直下に磁気シールド板２００が配設されていた。

本発明はこのような従来の課題に鑑みてなされたもので、電磁石から位置センサへの磁束の漏れによる影響を防止することで磁気シールド板が省略された磁気軸受装置及び該磁気軸受装置が搭載されたターボ分子ポンプを提供することを目的とする。

このため本発明（請求項１）の磁気軸受装置は、回転体と、該回転体を保持するロータ軸と、該ロータ軸を磁気浮上させつつ径方向の位置調整を行うため前記ロータ軸の周囲に配設された複数の電磁石と、前記ロータ軸の周囲に配設され、該ロータ軸の径方向の位置を検出するコイルが巻回された位置検出センサと、該位置検出センサで検出した位置に基づき前記電磁石を制御する制御手段とを備え、前記各電磁石の磁極はＮ極とＳ極とで対となって形成されており、隣接する電磁石の互いに隣り合った磁極同士が異極にて形成され、かつ該磁極同士の間で一方の磁極から出た磁束が他方の磁極に流入することを特徴とする。

ロータ軸の周囲に配設された複数の電磁石を構成する磁極はＮ極とＳ極とで対となって形成されている。そして、この隣接する電磁石の互いに隣り合った磁極同士を異極にて形成する。このことにより、位置検出センサ側に漏れる漏れ磁束を少なくできる。

また、本発明（請求項２）の磁気軸受装置は、前記電磁石と前記位置検出センサの間には磁気シールド板が省略されたことを特徴とする。

位置検出センサ側に漏れる漏れ磁束が少なくなったので、電磁石と位置検出センサの間には磁気シールド板を省略できる。このため、磁気軸受装置を低価格に構成できる。

更に、本発明（請求項３）の磁気軸受装置は、前記電磁石への入力と前記位置検出センサにおける出力間の伝達特性が２００ヘルツ以上１キロヘルツ未満で前記隣り合った磁極同士が同極にて形成されたときに比較して位相差で１０度以上進ませたことを特徴とする。

伝達特性が２００ヘルツ以上１キロヘルツ未満で位相余裕度が１０度以上進むように改善したことで、制御系が安定する。

更に、本発明（請求項４）はターボ分子ポンプであって、請求項１〜３のいずれか１項に記載の磁気軸受装置が搭載されたことを特徴とする。

この磁気軸受装置は、ロータ軸の上側の径方向の位置調整や下側の径方向の位置調整を行うために適用される。このことにより、位相余裕度は高くなり、ロータ軸が発振し難くなる。このため、剛体モードの共振点がこの位相範囲内に存在していても安定した運転ができる。

以上説明したように本発明によれば、隣接する電磁石の互いに隣り合った磁極同士を異極にて構成したので、位置検出センサ側に漏れる漏れ磁束を少なくできる。このため、電磁石と位置検出センサの間には磁気シールド板を省略できる。

以下、本発明の実施形態について説明する。本発明の実施形態であるターボ分子ポンプ本体の縦断面図を図１に示す。図１において、ターボ分子ポンプ本体１００は、円筒状の外筒１２７の上端に吸気口１０１が形成されている。そして、外筒１２７の内方には、ガスを吸引排気するためのタービンブレードによる複数の回転翼１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ・・・を周部に放射状かつ多段に形成した回転体１０３が備えられている。
この回転体１０３の中心にはロータ軸１１３が取り付けられており、このロータ軸１１３は、例えば５軸制御の磁気軸受により空中に浮上支持かつ位置制御されている。

上側径方向電磁石１０４は、４個の電磁石がＸ軸とＹ軸にかつ＋方向と−方向に、それぞれの対をなして配置されている（図示しないが、必要に応じて電磁石１０４Ｘ＋、１０４Ｘ−、１０４Ｙ＋、１０４Ｙ−という）。そして、この上側径方向電磁石１０４に近接かつ対応されて４個の上側径方向センサ１０７が備えられている。この上側径方向センサ１０７は回転体１０３の径方向変位を検出し、図示しない制御装置に送るように構成されている。

そして、この制御装置においては、上側径方向センサ１０７が検出した変位信号に基づき、ＰＩＤ調節機能により上側径方向電磁石１０４を励磁制御し、ロータ軸１１３の上側の径方向位置を調整する。
そして、このロータ軸１１３は、高透磁率材（鉄など）などにより形成され、上側径方向電磁石１０４の磁力により吸引されるようになっている。かかる調整は、Ｘ軸方向とＹ軸方向とにそれぞれ独立して行われる。

また、下側径方向電磁石１０５及び下側径方向センサ１０８は、上側径方向電磁石１０４及び上側径方向センサ１０７と同様に配置され、ロータ軸１１３の下側の径方向位置を上側の径方向位置と同様に調整している

この下側径方向電磁石１０５及び下側径方向センサ１０８周辺の部分拡大斜視構成図を図２に、また図３には、図２中のＢ矢視線方向から見たときの平面図を示す。なお、図６、図７と同一要素のものについては同一符号を付して説明は省略する。図２及び図３において、図６及び図７が電磁石１０５Ｙ−と電磁石１０５Ｘ−等の隣接する磁極が同極であったのとは異なり、電磁石１０５Ｙ−と電磁石１０５Ｘ−の隣接する磁極は異極であり、また、電磁石１０５Ｙ−と電磁石１０５Ｘ＋の隣接する磁極も異極にて形成されている。

電磁石１０５Ｙ＋と電磁石１０５Ｘ−、電磁石１０５Ｘ＋の関係も同様に隣接する磁極は異極にて形成されている。そして、下側径方向センサ１０８の突設部１０８ａ、１０８ｂによるセンサ構成は、図６及び図７と同様に形成されている。
なお、先に述べた上側径方向電磁石１０４と上側径方向センサ１０７についても、この図２及び図３で示す構成と同一に構成されている。

更に、軸方向電磁石１０６Ａ、１０６Ｂは、ロータ軸１１３の下部に備えた円板状の金属ディスク１１１を上下に挟んで配置されている。金属ディスク１１１は、鉄などの高透磁率材で構成されている。ロータ軸１１３の軸方向変位を検出するために軸方向センサ１０９が備えられ、その軸方向変位信号が制御装置に送られるように構成されている。

そして、軸方向電磁石１０６Ａ、１０６Ｂは、この軸方向変位信号に基づき、ＰＩＤ調節機能により、励磁制御されるようになっている。軸方向電磁石１０６Ａは、磁力により金属ディスク１１１を上方に吸引し、軸方向電磁石１０６Ｂは、金属ディスク１１１を下方に吸引する。

このように、軸方向電磁石１０６Ａ、１０６Ｂが金属ディスク１１１に及ぼす磁力を適当に調節することで、ロータ軸１１３は軸方向に磁気浮上され、かつ空間に非接触で保持されるようになっている。

一方、モータ１２１は、ロータ軸１１３を取り囲むように周状に配置された複数の磁極を備えている。各磁極は、ロータ軸１１３との間に作用する電磁力を介してロータ軸１１３を回転駆動するように、制御装置によって制御されている。
また、モータ１２１には図示しない回転数センサが組み込まれており、この回転数センサの検出信号によりロータ軸１１３の回転数が検出されるようになっている。

更に、例えば下側径方向センサ１０８近傍に、図示しない位相センサが取り付けてあり、ロータ軸１１３の回転の位相を検出するようになっている。制御装置では、この位相センサと回転数センサの検出信号を共に用いて磁極の位置を検出するようになっている。

回転翼１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ・・・とわずかの空隙を隔てて複数枚の固定翼１２３ａ、１２３ｂ、１２３ｃ・・・が配設されている。回転翼１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ・・・は、それぞれ排気ガスの分子を衝突により下方向に移送するため、ロータ軸１１３の軸線に垂直な平面から所定の角度だけ傾斜して形成されている。

また、固定翼１２３も、同様にロータ軸１１３の軸線に垂直な平面から所定の角度だけ傾斜して形成され、かつ外筒１２７の内方に向けて回転翼１０２の段と互い違いに配設されている。
そして、固定翼１２３の一端は、複数の段積みされた固定翼スペーサ１２５ａ、１２５ｂ、１２５ｃ・・・の間に嵌挿された状態で支持されている。
固定翼スペーサ１２５はリング状の部材であり、例えばアルミニウム、鉄、ステンレス、銅などの金属、又はこれらの金属を成分として含む合金などの金属によって構成されている。

固定翼スペーサ１２５の外周には、わずかの空隙を隔てて外筒１２７が固定されている。外筒１２７の底部にはベース部１２９が配設され、固定翼スペーサ１２５の下部とベース部１２９の間にはネジ付きスペーサ１３１が配設されている。そして、ベース部１２９中のネジ付きスペーサ１３１の下部には排気口１３３が形成され、外部に連通されている。

ネジ付きスペーサ１３１は、アルミニウム、銅、ステンレス、鉄、又はこれらの金属を成分とする合金などの金属によって構成された円筒状の部材であり、その内周面に螺旋状のネジ溝１３１ａが複数条刻設されている。
ネジ溝１３１ａの螺旋の方向は、回転体１０３の回転方向に排気ガスの分子が移動したときに、この分子が排気口１３３の方へ移送される方向である。

回転体１０３の回転翼１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ・・・に続く最下部には回転翼１０２ｄが垂下されている。この回転翼１０２ｄの外周面は、円筒状で、かつネジ付きスペーサ１３１の内周面に向かって張り出されており、このネジ付きスペーサ１３１の内周面と所定の隙間を隔てて近接されている。
ベース部１２９は、ターボ分子ポンプ本体１００の基底部を構成する円盤状の部材であり、一般には鉄、アルミニウム、ステンレスなどの金属によって構成されている。

ベース部１２９はターボ分子ポンプ本体１００を物理的に保持すると共に、熱の伝導路の機能も兼ね備えているので、鉄、アルミニウムや銅などの剛性があり、熱伝導率も高い金属が使用されるのが望ましい。

かかる構成において、回転翼１０２がモータ１２１により駆動されてロータ軸１１３と共に回転すると、回転翼１０２と固定翼１２３の作用により、吸気口１０１を通じてチャンバからの排気ガスが吸気される。
吸気口１０１から吸気された排気ガスは、回転翼１０２と固定翼１２３の間を通り、ベース部１２９へ移送される。このとき、排気ガスが回転翼１０２に接触する際に生ずる摩擦熱や、モータ１２１で発生した熱の伝導などにより、回転翼１０２の温度は上昇するが、この熱は、輻射又は排気ガスの気体分子などによる伝導により固定翼１２３側に伝達される。

固定翼スペーサ１２５は、外周部で互いに接合しており、固定翼１２３が回転翼１０２から受け取った熱や排気ガスが固定翼１２３に接触する際に生ずる摩擦熱などを外部へと伝達する。
ベース部１２９に移送されてきた排気ガスは、ネジ付きスペーサ１３１のネジ溝１３１ａに案内されつつ排気口１３３へと送られる。

なお、上記では、ネジ付きスペーサ１３１は回転翼１０２ｄの外周に配設し、ネジ付きスペーサ１３１の内周面にネジ溝１３１ａが刻設されているとして説明した。しかしながら、これとは逆に回転翼１０２ｄの外周面にネジ溝が刻設され、その周囲に円筒状の内周面を有するスペーサが配置される場合もある。

また、吸気口１０１から吸引されたガスがモータ１２１、下側径方向電磁石１０５、下側径方向センサ１０８、上側径方向電磁石１０４、上側径方向センサ１０７などで構成される電装部側に侵入することのないよう、電装部は周囲をステータコラム１２２で覆われ、この電装部内はパージガスにて所定圧に保たれている。

このため、ベース部１２９には図示しない配管が配設され、この配管を通じてパージガスが導入される。導入されたパージガスは、保護ベアリング１２０とロータ軸１１３間、モータ１２１のロータとステータ間、ステータコラム１２２と回転翼１０２間の隙間を通じて排気口１３３へ送出される。

ところで、プロセスガスは、反応性を高めるため高温の状態でチャンバに導入されることがある。そして、これらのプロセスガスは、排気される際に冷却されてある温度になると固体となり排気系に生成物を析出する場合がある。そして、この種のプロセスガスがターボ分子ポンプ本体１００内で低温となって固体状となり、ターボ分子ポンプ本体１００内部に付着して堆積する。

例えば、Ａｌエッチング装置にプロセスガスとしてＳｉＣｌ₄が使用された場合、低真空（７６０［ｔｏｒｒ］〜１０^-2［ｔｏｒｒ］）かつ、低温（約２０［℃］）のとき、固体生成物（例えばＡｌＣｌ₃）が析出し、ターボ分子ポンプ本体１００内部に付着堆積することが蒸気圧曲線から分かる。これにより、ターボ分子ポンプ本体１００内部にプロセスガスの析出物が堆積すると、この堆積物がポンプ流路を狭め、ターボ分子ポンプ本体１００の性能を低下させる原因となる。そして、前述した生成物は排気口付近の温度が低い部分、特に回転翼１０２及びネジ付きスペーサ１３１付近で凝固、付着し易い状況にあった。

そのため、この問題を解決するために、従来はベース部１２９等の外周に図示しないヒータや環状の水冷管１４９を巻着させ、かつ例えばベース部１２９に図示しない温度センサ（例えばサーミスタ）を埋め込み、この温度センサの信号に基づきベース部１２９の温度を一定の高い温度（設定温度）に保つようにヒータの加熱や水冷管１４９による冷却の制御（以下ＴＭＳという。ＴＭＳ；Temperature Management System）が行われている。

次に、本発明の実施形態の作用について説明する。
図２及び図３中に磁束線Ｇで示すように、例えば電磁石１０５Ｙ−を構成する一方の磁極（Ｎ極）から出た磁束は他方の磁極（Ｓ極）へ流入される。同様に、この電磁石１０５Ｙ−の一方の磁極（Ｎ極）から出た磁束は、隣接する電磁石１０５Ｘ−のＳ極へ流入される。

このため、従来のように、漏れ磁束が下側径方向センサ１０８側に流入することは無くなる。このときの伝達関数特性は図４のようになる。なお、図４の特性測定は、磁気シールド板２００は介在されずに省略された状態で測定されたものである。この結果、図４に示すように、２００ヘルツ〜１キロヘルツで位相が図８に比べておよそ４０度程度進んでいることが分かる。このことにより、位相余裕度は高くなり、ロータ軸１１３が発振し難くなる。このため、ターボ分子ポンプ特有の剛体モードの共振点がこの位相範囲内に存在していても安定した運転ができる。そして、この際には、磁気シールド板２００を省略することができる。従って、ターボ分子ポンプのコストダウンに繋がる。

なお、本実施形態は、下側径方向センサ１０８について下側径方向センサ１０８の電磁石１０５Ｙ−に対峙する部分が双極状に突設された双極型センサとして説明した。しかしながら、図５に示すように、電磁石１０５Ｙ−に対峙した突設部１０８ｃが一つのみ形成されたいわゆる単極型センサであっても同様であり、この場合であっても、同様の作用から磁気シールド板２００を省略することができる。

また、上述の点は、上側径方向電磁石１０４と上側径方向センサ１０７についても同様であり、従来、上側径方向電磁石１０４と上側径方向センサ１０７の間に配設されていた磁気シールド板２００を省略することができる。

本発明の実施形態であるターボ分子ポンプ本体の縦断面図下側径方向電磁石及び下側径方向センサ周辺の部分拡大斜視構成図図２中のＢ矢視線方向から見たときの平面図本実施形態の伝達関数特性径方向センサが単極型センサの場合従来の下側径方向電磁石及び下側径方向センサの部分拡大斜視構成図図６中のＡ矢視線方向から見たときの平面図径方向電磁石及び径方向センサの従来配列における伝達関数特性

符号の説明

１００ターボ分子ポンプ本体
１０２回転翼
１０３回転体
１０４上側径方向電磁石
１０５下側径方向電磁石
１０７上側径方向センサ
１０８下側径方向センサ
１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ突設部
１１３ロータ軸
１２１モータ
２００磁気シールド板

Claims

回転体と、
該回転体を保持するロータ軸と、
該ロータ軸を磁気浮上させつつ径方向の位置調整を行うため前記ロータ軸の周囲に配設された複数の電磁石と、
前記ロータ軸の周囲に配設され、該ロータ軸の径方向の位置を検出するコイルが巻回された位置検出センサと、
該位置検出センサで検出した位置に基づき前記電磁石を制御する制御手段とを備え、
前記各電磁石の磁極はＮ極とＳ極とで対となって形成されており、隣接する電磁石の互いに隣り合った磁極同士が異極にて形成され、かつ該磁極同士の間で一方の磁極から出た磁束が他方の磁極に流入することを特徴とする磁気軸受装置。
前記電磁石と前記位置検出センサの間には磁気シールド板が省略されたことを特徴とする請求項１記載の磁気軸受装置。
前記電磁石への入力と前記位置検出センサにおける出力間の伝達特性が２００ヘルツ以上１キロヘルツ未満で前記隣り合った磁極同士が同極にて形成されたときに比較して位相差で１０度以上進ませたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の磁気軸受装置。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の磁気軸受装置が搭載されたことを特徴とするターボ分子ポンプ。