JP4527961B2 - 分子ポンプの回転制御装置 - Google Patents

Description

本発明は主に半導体製造装置、液晶製造装置等に使用するターボ分子ポンプ、複合分子ポンプ等の分子ポンプの回転制御装置に関する。

分子ポンプにおいて、従来ガス負荷量が増大した場合に、ロータの温度上昇を防ぐため、ロータの規定回転速度以上でロータ駆動用モータの電流を制限し発生トルクを抑制することにより回転速度を低下させる方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開平９−３１０６９６号公報

この従来の方法によれば、ガス流量が変化したときに回転速度が安定するまで例えば３０〜６０分の長い時間がかかり、分子ポンプが組み込まれている半導体製造装置等の装置の生産効率を低下させる問題点があった。

本発明は、積極的に安定したモータの収束回転速度に移行させて時間短縮を図って前述の問題点を解消した分子ポンプの回転制御装置を提供することを目的とする。

この目的を達成すべく本発明はステータ内でロータが回転して真空排気するポンプ部を有する分子ポンプにおいて、該ポンプ部のモータの回転速度を検出する回転速度センサ手段と、ガス負荷の変化により該回転速度が変化し始めたときに予想収束回転速度を算出し短時間でモータが該予想収束回転速度に到達する制御信号を出力する制御手段と、該制御手段の制御信号を入力し前記モータの回転速度を制御するモータ駆動手段とからなり、前記制御手段は、

の演算をして前記予想収束回転速度Ｎ_２を算出する演算処理を実行する分子ポンプの回転制御装置。
ここで、ｂは定数、Ｎ _１ は現在の回転速度、Ｉは前記ロータの慣性モーメント、ωは角 速度、ΔＮ／Δｔは微小時間Δｔの間に回転速度がΔＮだけ変化するときの回転速度の時 間変化率である。

本発明は、予想収束回転速度を算出することにより、ガス負荷と釣合って安定回転する該予想収束回転速度まで短時間に加速或いは減速をして、長く掛かった収束時間を短縮し、分子ポンプの作業効率を向上させる効果を有する。

本発明の１実施例を図面により説明する。

図１は本発明の１実施例のターボ分子ポンプ１の断面図を示し、図１において、１ａが該ターボ分子ポンプのハウジング、２が該ターボ分子ポンプ１の吸気口、３が排気口、４が前記ハウジング１ａの内面に当接して設けたステータ、５が該ステータ４内で回転するロータを示し、該ロータ５の外周面に多数の動翼６が放射状に多段に形成されていると共に、前記ステータ４の内周面に、これら動翼６間に位置する多数の静翼７が突設されている。

又８は前記ハウジング１ａ内に設けた内部ハウジング９に軸支された回転軸を示し、該回転軸８は前記ロータ５が固定されていると共に、前記内部ハウジング９内に設けたモータ１０に連結し、該モータ１０はＤＣブラシレスモータからなり、該モータ１０の回転駆動によれば、前記回転軸８を介して前記ロータ５と共に動翼６が回転して真空排気するようになっている。

図２は前記ターボ分子ポンプ１の回転制御装置１６の信号系統図を示し、該信号系統図において、１０ａは前記モータ１０の永久磁石からなるモータロータ、１０ｂは該モータ１０のＹ結線のステータ巻線、１１ａ、１１ｂ、１１ｃはホール素子からなるモータロータ用位置検出器を示し、これら位置検出器１１ａ、１１ｂ、１１ｃは前記モータ１０が２極モータの場合機械角で１２０°の間隔で３ヶ所配置されている。

１２は前記モータ１０のインバータ、１３は該インバータ１２から前記ステータ巻線１０ｂに流れる電流の検出器、１４は該電流検出器１３からのアナログ信号をディジタル信号に変換するＡ−Ｄ変換器、１５はディジタル信号処理演算装置であるＤＳＰを示し、該ＤＳＰは前記位置検出器１１ａ、１１ｂ、１１ｃからの信号及び前記Ａ−Ｄ変換器１４からの信号を入力し後述する信号演算処理をして前記インバータ１２へ制御信号を出力するようになっている。

次に本発明の１実施例の分子ポンプ１の回転制御装置１６の使用方法を図３のフローチャートに従って説明する。

分子ポンプは運転を開始すると、許容最大電流で駆動する起動モードとなり定格速度まで加速し、一旦定格運転速度まで加速すると定格運転モードに移行する（ステップ１）。定格運転モードに移行した後にもし停止操作が行われると（ステップ２）定格運転モードからブレーキ動作の停止モードに移行し運転を終了する様に通常回転制御装置１６により制御されている。

定格運転モードに移行後、制御手段である前記ディジタル信号処理演算装置のＤＳＰ１５は回転速度の変化を監視し（ステップ３）、回転速度に変化がない時はその状態を維持しているが、ガス負荷が変化して回転速度が変化するとモータ出力電力と回転速度の時間変化率から予想収束回転速度を算出する。

ここで、収束回転速度について説明すると、分子ポンプのロータにおいて定常回転時のモータの出力がガス負荷による空力損失と釣合っている状態のところ、ガス負荷が変化して釣合い状態がくずれてモータの回転速度が変化し、別の釣合い状態におけるモータの出力とガス負荷による空力損失とが釣合ったときの回転速度が前記収束回転速度である。

即ち、図４により該収束回転速度の算出方法を説明する。

微小時間Δｔの間に回転速度がΔＮだけ低下する時間変化率であったとすると、図４のＰとＰ´との動力ロスの差ΔＷは次式となる。
ΔＷ＝−Ｉω・２π（ΔＮ／Δｔ） …（１）式
ここで、Ｉはロータの慣性モーメント、ωは角速度を示す。

一方、モータの出力Ｗは回転速度Ｎの関数で表わされるから
Ｗ＝ｆ（Ｎ） …（２）式
となる。尚、ｆ（Ｎ）は例えば２次関数で近似するか或いは表を用意して区分的に直線近似する。

初期ガス負荷時の釣り合っていた状態（Ｐ点）では、ロータの動力ロスはほぼ回転速度Ｎの２乗に比例するので、モータ出力はロータの動力ロスと等しく、
ｆ（Ｎ_１）＝Ｃ_１Ｎ_１ ^２ …（３）式
ここでＣ_１は定数。

又、変化後のガス負荷変化直後の釣り合い状態（Ｐ´点）では、次の式が成り立つ、
ｆ（Ｎ_１）＋ΔＷ＝Ｃ_２Ｎ_１ ^２ …（４）式
ここでＣ_２は定数であり、図５の円形内の拡大曲線の傾きから明らかな如くΔＮは負であり、（１）式よりΔＷも負である。

収束回転速度Ｎ_２での釣り合い点（Ｑ点）では
ｆ（Ｎ_２）＝Ｃ_２Ｎ_２ ^２ …（５）式
となる。

そして（４）、（５）式からＣ_２を消去して
Ｎ_２ｆ（Ｎ_１）＝（Ｎ_１ ^２／Ｎ_２）ｆ（Ｎ_２）−Ｎ_２ΔＷ …（６）式
となり、例えば、前記の如くｆが次の２次式で表されるとき、
ｆ（Ｎ）＝ａＮ^２＋ｂＮ …（７）式
となり、（６）式に（７）式を代入して移項すると
Ｎ_２（ａＮ_１ ^２＋ｂＮ_１）−（ａＮ_２ ^２＋ｂＮ_２）Ｎ_１ ^２／Ｎ_２＋Ｎ_２ΔＷ＝０ …（８）式
（８）式を整理すると
（ｂＮ_１＋ΔＷ）Ｎ_２−ｂＮ_１ ^２＝０ …（９）式
となる。

（９）式より
Ｎ_２＝ｂＮ_１ ^２／（ｂＮ_１＋ΔＷ） …（１０）式
（１０）式にΔＷを消去するため（１）を代入し

この（１１）式によりＮ_２が求められ、該収束回転数Ｎ_２を求める演算処理を前記ＤＳＰ１５が実行する。

その後該ＤＳＰ１５は、ガス負荷が変り回転速度が変化した時図５の丸内に示す如く微小時間Δｔの間の該回転速度変化ΔＮが正の時には（ステップ４）、予想収束回転速度Ｎ_２は現在の回転速度Ｎ_１よりも速いので、電流制限のある定格運転モードから許容最大電流である起動モード時の起動電流に切換え（ステップ５）、短時間に予想収束回転速度Ｎ_２まで加速する制御信号を前記モータ駆動手段であるインバータ１２に出力し、短時間でモータの回転速度Ｎを予想収束回転速度Ｎ_２にする。

逆に、回転速度変化ΔＮが図５に示す如く負の時には、予測収束回転速度Ｎ_２は現在の回転速度Ｎ_１よりも遅いので定格運転モードから前記停止モード時に用いている逆転制御などのブレーキ動作を行い（ステップ７）、短い時間で回転速度Ｎを予想収束回転速度Ｎ_２まで減速し（ステップ８）、図５に示す如く長い従来収束時間ｔ_２を移行収束時間ｔ_３に短縮する。

本発明の活用例として、モータの安定している回転速度を積極的に収束回転速度に移行させて時間短縮を図り、分子ポンプが組み込まれている半導体製造装置等の装置の生産効率を向上できる。

本発明の１実施の分子ポンプの断面図である。 その回転制御装置の信号系統図である。 運転モードのフローチャート図である。 モータ回転速度とモータ出力電力の関係を示すグラフである。 モータ回転速度と収束時間との関係を示すグラフである。

符号の説明

１ 分子ポンプ
１０ モータ
１０ａ モータロータ
１０ｂ ステータ巻線
１１ モータロータ用位置検出器
１２ インバータ
１３ 電流検出器
１４ ＡＤ変換器
１５ ＤＳＰ
１６ 回転制御装置

Claims (1)

1. ステータ内でロータが回転して真空排気するポンプ部を有する分子ポンプにおいて、該ポンプ部のモータの回転速度を検出する回転速度センサ手段と、ガス負荷の変化により該回転速度が変化し始めたときに予想収束回転速度を算出し短時間でモータが該予想収束回転速度に到達する制御信号を出力する制御手段と、該制御手段の制御信号を入力し前記モータの回転速度を制御するモータ駆動手段とからなり、前記制御手段は、
   

   

   の演算をして前記予想収束回転速度Ｎ_２を算出する演算処理を実行する分子ポンプの回転制御装置。
   ここで、ｂは定数、Ｎ _１ は現在の回転速度、Ｉは前記ロータの慣性モーメント、ωは角 速度、ΔＮ／Δｔは微小時間Δｔの間に回転速度がΔＮだけ変化するときの回転速度の時 間変化率である。

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