JP4978203B2 - 真空ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、回転するロータでガスを排気する真空ポンプに関する。

エッチング装置等の半導体製造装置に使用するターボ分子ポンプは、ガスを大量に流した場合に、ロータ翼への気体分子の衝突、ネジ溝による気体の摩擦、モータ発熱等により、回転体の温度が上昇する。また、ポンプ内部に生成物が発生するのを抑えるために、ポンプ本体をヒータで過熱するなどして温調を行う場合にも、回転体の温度が上昇する。

ところで、通常、ロータはアルミ合金等で形成されており、一般的に温度が１２０℃〜１４０℃以上になるとクリープ変形が生じ、ステータと接触する等の問題が発生するおそれがある。そのため、磁性体のキュリー温度による透磁率変化を利用して、ロータ温度を非接触にてモニタする方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−１９４０９４号公報

しかしながら、接着により磁性体をロータに固着した場合、遠心力によりロータが周方向に歪んだ際に磁性体に引張り力が作用する。磁性体は一般的に引張強度が低いため、ロータ歪みによる引張り力により磁性体に亀裂が生じたり、磁性体自身が粉砕したりして、経時的な温度検出誤差が発生するという問題があった。

請求項１の発明は、回転体のポンプ作用によりガスを排気する真空ポンプにおいて、前記回転体に固定され、前記回転体の温度監視範囲内にキュリー温度を有する磁性体と、前記磁性体と対向するように配設され、前記磁性体の透磁率変化をインダクタンス変化として検出する検出部とを備え、前記回転体と前記磁性体とは、前記回転体の回転軸に直交する平面部分と前記磁性体の平面部分とが対向するように固定され、前記回転体と前記磁性体が対向する境界にそれらと接するように配設され、前記回転体および磁性体の少なくとも一方に対して滑り可能に設けられた滑性部材を設けたことを特徴とする真空ポンプである。
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、回転体および磁性体の互いに対向する面のいずれか一方に、滑性部材から成る膜を形成したものである。
請求項３の発明は、請求項１に記載の真空ポンプにおいて、磁性体の表面全体に滑性部材から成る膜を形成したものである。
請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の真空ポンプにおいて、磁性体を接着または圧入により回転体に固定するようにたものである。
請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれか一項に記載の真空ポンプにおいて、滑性部材をポリエチレン樹脂、シリコン樹脂およびフッ素系樹脂のいずれかとしたものである。
請求項６の発明は、請求項１〜５のいずれか一項に記載の真空ポンプにおいて、検出部で検出したインダクタンス変化に基づいて前記回転体の温度を推定する温度推定部とを備えたものである。

本発明によれば、滑性部材を設けたことにより回転体の歪みに起因する磁性体への引張り力が軽減され、磁性体の破損を防止することができる。

以下、図を参照して本発明を実施するための最良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、磁気軸受式ターボ分子ポンプのポンプ本体１とコントローラ３０の概略構成を示したものである。

ロータ２は、シャフト３の上端に形成されたフランジ部３ａに締結されている。ロータ２が固定されたシャフト３は、ベース４に設けられた電磁石５１，５２，５３によって非接触支持されている。シャフト３の浮上位置は、ベース４に設けられたラジアル変位センサ７１，７２およびアキシャル変位センサ７３によって検出される。ラジアル磁気軸受を構成する電磁石５１，５２と、アキシャル磁気軸受を構成する電磁石５３と、変位センサ７１〜７３とで５軸制御型磁気軸受が構成される。

シャフト３の下端には円形のディスク４１が設けられており、このディスク４１を上下に挟むように電磁石５３が設けられている。そして、電磁石５３によりディスク４１を吸引することによりシャフト３がアキシャル方向に浮上する。ディスク４１はナット４２によりシャフト３の下端部に固定されている。

ロータ２には、回転軸方向に複数段の回転翼８が形成されている。上下に並んだ回転翼８の間には固定翼９がそれぞれ配設されている。これらの回転翼８と固定翼９とにより、ポンプ本体１のタービン翼段が構成される。各固定翼９は、スペーサ１０によって上下に挟持されるように保持されている。スペーサ１０は、固定翼９の保持機能とともに、固定翼９間のギャップを所定間隔に維持する機能を有している。

さらに、固定翼９の後段（図示下方）にはドラッグポンプ段を構成するネジステータ１１が設けられており、ネジステータ１１の内周面とロータ２の円筒部１２との間には所定のギャップが形成されている。ロータ２およびスペーサ１０によって保持された固定翼９は、吸気口１３ａが形成されたケーシング１３内に納められている。ロータ２が取り付けられたシャフト３を電磁石５１〜５３により非接触支持しつつモータ６により回転駆動すると、吸気口１３ａ側のガスは矢印Ｇ１のように背圧側（空間Ｓ１）に排気され、背圧側に排気されたガスは排気口２６に接続された補助ポンプにより排出される。

上述したシャフト３のフランジ部３ａには貫通孔が形成されており、その貫通孔内には磁性体ターゲット４５が設けられている。一方、ステータ側には、ギャップセンサ４４が磁性体ターゲット４５と対向する位置に設けられている。ギャップセンサ４４は、インダクタンス式のギャップセンサであって、後述するように、ロータ温度が許容温度以上に上昇したときのターゲット４５の透磁率変化をインダクタンス変化として検出するものである。

ターボ分子ポンプ本体１はコントローラ３０によって駆動制御される。コントローラ３０には、磁気軸受を駆動制御する磁気軸受駆動制御部３２およびモータ６を駆動制御するモータ駆動制御部３３が設けられている。検出部３１は、上述したギャップセンサ４４の出力信号に基づいてターゲット４５の透磁率が変化したか否かを検出する。本実施の形態では、キュリー温度前後における磁性体の透磁率変化を利用して、ロータ２の温度を非接触にてモニタするようにしている。

検出部３１にはギャップセンサ４４の出力信号が入力され、検出部３１はロータ温度モニタ信号をモータ駆動制御部３３および警報部３４に出力する。もちろん、ロータ温度モニタ信号をコントローラ３０の外部に出力できる出力端子を設けるようにしても良い。警報部３４はロータ温度異常などの警報情報をオペレータに提示する警報手段であり、警告音を発生するスピーカや警告を表示する表示装置などにより構成される。

図２（ａ）は、磁性体ターゲット４５が設けられている部分の拡大図であり、図２（ｂ）はＡ−Ａ断面図である。磁性体ターゲット４５のロータ対向面には、磁性体ターゲット４５よりも摩擦係数の小さな材料から成るコーティング膜４６が形成されている。コーティング膜４６には、例えば、ポリエチレン樹脂、シリコン樹脂、フッ素樹脂などの摩擦係数の小さな滑性部材が用いられる。磁性体ターゲット４５は、コーティング膜４６が形成された面がロータ２の表面に接触するように貫通孔３ｂ内に配置されている。その際、磁性体ターゲット４５の側面がフランジ部３ａの外周に近い側の内周面に接するように、磁性体ターゲット４５を配置するのが好ましい。

磁性体ターゲット４５とフランジ部３ａとの隙間には、磁性体ターゲット４５を貫通孔３ｂ内に保持するための充填材４７が充填されている。そのため、磁性体ターゲット４５のコーティング膜４６が形成された面は、ロータ２の表面に接触しているだけで、接着されてはいない。充填材４７には、例えば、エポキシ樹脂等の接着剤が用いられる。

なお、磁性体ターゲット４５の一部の面、例えばギャップセンサ４４に対向する面（すなわち、図２（ａ）の下面）を露出させるようにしてもかまわないが、図２（ａ）に示す例では、磁性体ターゲット４５のコーティング膜４６が形成されていない面の全てを充填材４７により覆っているので、磁性体ターゲット４５の耐腐食性が向上する。

ところで、ポンプ動作時にはロータ２が高速回転されるため、遠心力によりロータ２が外周方向に歪む。従来は、磁性体ターゲットの接触面をロータ２の表面に接着していたので、ロータ２の歪みによって磁性体ターゲットに引張り力が作用することになる。特に、接着層が薄いと接着層により歪みが緩和されないので、磁性体ターゲットへの影響が著しくなり、引張り力によって磁性体ターゲットに亀裂が生じたり粉砕したりするという問題があった。

一方、本実施の形態では、磁性体ターゲット４５のロータ接触面は接着されておらず、かつ、摩擦抵抗の小さなコーティング膜４６が形成されていて滑りが生じやすい。そのため、ロータ２が遠心力により歪んでも接触面において滑りが生じ、磁性体ターゲット４５への歪みの影響を低減することができる。その結果、磁性体ターゲット４５の割れ等や、それによる経時的な温度検出誤差を防止することができる。

［インダクタンス変化検出動作の説明］
ロータ２が回転すると、ギャップセンサ４４は回転角度に応じてシャフト３のフランジ部３ａまたは磁性体ターゲット４５と対向し、それぞれの透磁率に応じた信号を出力する。ターゲット４５の材料には、検出したい温度域、すなわちロータ２の温度監視範囲にキュリー温度を有する材料が選ばれる。一般的には、回転翼８（図１参照）に用いられるアルミ合金材のクリープ変形の許容上限温度である１２０℃〜１４０℃にキュリー温度を有するもの、例えばフェライトが選ばれる。温度監視範囲には、例えば、許容上限温度の前後２０℃程度の温度範囲が設定される。

図３はギャップセンサ４４のインダクタンス変化を説明する図であり、ギャップセンサ４４と磁性体ターゲット４５の作る磁気回路の模式図である。ギャップセンサ４４は、珪素鋼板などの透磁率の大きなコアの周囲に巻線を有する構造を有している。ギャップセンサ４４のコイルには搬送波として一定周波数の高周波電圧が印加され、ギャップセンサ４４から磁性体ターゲット４５に向けて高周波磁界が形成される。

磁性体ターゲット４５には、そのキュリー温度Ｔｃがロータ２の許容温度Ｔmaxとほぼ同一か、または、それに近い温度を有する磁性体材料を用いる。ロータ２の場合には、この許容温度Ｔmaxはロータ材料にクリープ変形が生じる温度が採用され、アルミの場合には１２０℃〜１４０℃程度である。キュリー温度Ｔｃが１２０℃程度の磁性体材料としては、ニッケル・亜鉛フェライトやマンガン・亜鉛フェライト等がある。

ロータ温度上昇により磁性体ターゲット４５の温度が上昇してキュリー温度Ｔｃを越えると、図４に示すように、磁性体ターゲット４５の透磁率が真空の透磁率μ_０程度まで急激に低下する。図４は典型的な磁性体であるフェライトの場合の透磁率変化を示したものであり、常温における透磁率はキュリー温度付近の透磁率よりも低く、温度上昇とともに上昇してキュリー温度を越えると急激に低下する。

ギャップセンサ４４が形成する磁界中で磁性体ターゲット４５の透磁率が変化すると、ギャップセンサ４４のインダクタンスが変化することになる。その結果、搬送波は振幅変調され、ギャップセンサ４４から出力される振幅変調された搬送波を検波・整流することにより、透磁率の変化に相当する信号変化を検出することができる。

ギャップセンサ４４のコア材料には、フェライト等の磁性体が用いられる。そして、この透磁率がエアギャップの透磁率に比べてそれを無視できる程度に大きく、また、漏れ磁束が無視できる場合、磁性体ターゲット４５の温度がキュリー温度Ｔｃよりも低くて透磁率が十分大きいときのインダクタンスＬ１は、近似的に次式（１）のように表される。なお、Ｎはコイルの巻き数、Ｓはターゲット４５と対向するコアの断面積、ｄはエアギャップであり、エアギャップの透磁率は真空の透磁率μ_０に等しいとする。
Ｌ１＝Ｎ^２・μ_０・Ｓ／ｄ …（１）

一方、ロータ温度がキュリー温度Ｔｃよりも上昇すると、磁性体ターゲット４５の透磁率μ_１は近似的にμ_１＝μ_０となる。すなわち、磁性体ターゲット４５の部分がエアギャップになった場合に相当し、Ｔ＞ＴｃにおけるインダクタンスＬ２はＬ１に比べて小さくなる。このインダクタンス変化をコントローラ３０の検出部３１で検出することにより、ロータ温度がキュリー温度Ｔｃ以上となったか否かをモニタすることができる。

図５は検出部３１のブロック図であり、図６は図５の（ａ）〜（ｅ）における信号波形を示したものである。電源６０により図６（ａ）に示すような搬送波がギャップセンサ４４に印加されると、図６（ｂ）に示すような変調波がギャップセンサ４４から出力される。時刻ｔｃにロータ温度Ｔがキュリー温度Ｔｃ以上になると、ターゲット４３の透磁率が減少して近似的にμ_１＝μ_０となり、インダクタンスがＬ１からＬ２（＜Ｌ１）へと減少して搬送波の振幅が小さくなる。

図６（ｂ）の信号を検波回路６１に通すことにより、図６（ｃ）に示すような信号が得られる。さらに、図６（ｃ）の信号を整流回路６２で処理することにより、図６（ｄ）に示すような滑らかな信号が得られる。そして、図６（ｄ）の信号がコンパレータ６３に入力される。コンパレータ６３では、入力信号と閾値ｖ_０とを比較し、入力信号のレベルが閾値ｖ_０以上の場合にはｖ＝Ｈを、逆に信号レベルが閾値ｖ_０よりも小さい場合にはｖ＝Ｌを出力する（図６（ｅ）参照）。コンパレータ６３から出力された信号は、ロータ温度モニタ信号としてモータ駆動制御部３３および警報部３４に出力される。

検出部３１から出力されるロータ温度モニタ信号を利用して、ターボ分子ポンプを安全に運転することができる。例えば、モータ駆動制御部３３は、ロータ温度モニタ信号がｖ＝Ｌとなったならばロータ２の回転を減速し停止させる。そして、警報部３４はロータ温度異常を報知する。また、ロータ温度モニタ信号がｖ＝Ｌの間だけ回転数を下げて運転し、ｖ＝Ｈとなった時点で再び回転数を定格回転に戻すようにしても良い。

ロータ温度Ｔがキュリー温度Ｔｃ以上となった場合に回転数を下げることにより、遠心力によるロータ２のクリープ変形を抑えることができる。なお、回転数を定格よりも下げた場合には、ロータ温度上昇情報を報知するだけでなく、回転数が低下していることを警報部２４に表示する等してオペレータに注意を喚起するようにしても良い。

《変形例１》
上述した実施の形態では、シャフト３のフランジ部３ａに貫通孔３ｂを形成し、その貫通孔３ｂ内において磁性体ターゲット４５をロータ２に接触させたが、図７（ａ），（ｂ）に示すような位置に磁性体ターゲット４５を配置しても良い。図７（ａ）に示す例は、フランジ部３ａの側面とロータ２の内周面との間に隙間がある場合の配置を示したものである。その隙間部分のロータ２の表面に磁性体ターゲット４５のコーティング膜４６が形成された面を接触させ、磁性体ターゲット４５の周囲をエポキシ樹脂等の充填材４７でモールドした。

図７（ｂ）の場合には、フランジ部３ａに凹部３ｃを形成し、その凹部３ｃの底面に磁性体ターゲット４５のコーティング膜４６が形成された面を接触させ、凹部３ｃ内にエポキシ樹脂等を充填して固定した。この場合、フランジ部３ａとロータ２との締結状態やフランジ部３ａの熱伝導により温度勾配が発生するが、締結状態を良好に保つことで、実用上問題ない程度まで温度勾配を小さくすることができる。

《変形例２》
図８は第２の変形例を示す図であり、磁性体ターゲット４５のロータ２と接触する面以外にもコーティング膜４６を形成したものである。図８（ａ）に示す例では、磁性体ターゲット４５の下面（すなわち、ギャップセンサ４４に対向する面）を除く他の面全てに、コーティング膜４６を形成した。図８（ｂ）に示す例では、磁性体ターゲット４５の全面にコーティング膜４６を形成した。このように、対向面以外の面にもコーティング膜４６を形成することで、磁性体ターゲット４５に作用する引張り力をさらに低減することができる。

上述した実施の形態では、磁性体ターゲット４５を接着固定したが、例えば、フランジ部３ａの貫通孔３ｂや凹部３ｃに圧入するようにしても良い。その場合も、磁性体ターゲット４５のコーティング膜４６が形成された面がロータ２に接触するように、磁性体ターゲット４５を配置することで、磁性体ターゲット４５に作用する引張り力を緩和することができる。

上述した例では、滑性部材を磁性体ターゲット４５の表面に形成したが、ロータ２やフランジ部３ａの接触面に形成しても良い。さらには、膜ではなくシート状の滑性部材を接触面に介在させるようにしても良い。また、磁性体の種類は複数であっても良く、それにより複数の温度を検出することができる。

磁性体ターゲット４５の配設位置としては、ロータ２とシャフト３との締結部に限らず、ロータ２の翼部やドラッグポンプ段の円筒部１２等であっても良い。その場合も、翼部や円筒部１２に接触する面に、コーティング膜４６を形成する。また、本発明は、ターボ分子ポンプに限らず、ドラッグポンプやネジポンプやルーツポンプ等の回転体を有する真空ポンプに適用することができる。

以上説明した実施の形態と特許請求の範囲の要素との対応において、コーティング膜４６は滑性部材を、ギャップセンサ４４は検出部を、検出部３１は温度推定部をそれぞれ構成する。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。

本発明による真空ポンプの一実施の形態を示す図である。 （ａ）は、磁性体ターゲット４５が設けられている部分の拡大図であり、（ｂ）はＡ−Ａ断面図である。 ギャップセンサ４４のインダクタンス変化を説明する図である。 キュリー温度Ｔｃと透磁率との関係を示す図である。 検出部３１のブロック図である。 図５の（ａ）〜（ｅ）における信号波形を示したものである。 変形例１を示す図であり、（ａ）は磁性体ターゲット４５をフランジ部３ａの側面とロータ２の内周面との間に隙間に配設した場合を、（ｂ）はフランジ部３ａの凹部３ｃ内に配設した場合を示す。 変形例２を示す図であり、（ａ）は磁性体ターゲット４５の下面を除く他の面全てにコーティング膜４６を形成した場合を示し、（ｂ）磁性体ターゲット４５の全面にコーティング膜４６を形成した場合を示す。

符号の説明

１：ポンプ本体、２：ロータ、３：シャフト、３ａ：フランジ部、３ｂ：貫通孔、３ｃ：凹部、３０：コントローラ、３１：検出部、４４：ギャップセンサ、４５：磁性体ターゲット、４６：コーティング膜、４７：充填材、

Claims (6)

1. 回転体のポンプ作用によりガスを排気する真空ポンプにおいて、
   前記回転体に固定され、前記回転体の温度監視範囲内にキュリー温度を有する磁性体と、
   前記磁性体と対向するように配設され、前記磁性体の透磁率変化をインダクタンス変化として検出する検出部とを備え、
   前記回転体と前記磁性体とは、前記回転体の回転軸に直交する平面部分と前記磁性体の平面部分とが対向するように固定され、
   前記回転体と前記磁性体が対向する境界にそれらと接するように配設され、前記回転体および磁性体の少なくとも一方に対して滑り可能に設けられた滑性部材を設けたことを特徴とする真空ポンプ。
2. 請求項１に記載の真空ポンプにおいて、
   前記回転体および磁性体の互いに対向する面のいずれか一方に、前記滑性部材から成る膜を形成したことを特徴とする真空ポンプ。
3. 請求項１に記載の真空ポンプにおいて、
   前記磁性体の表面全体に前記滑性部材から成る膜を形成したことを特徴とする真空ポンプ。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の真空ポンプにおいて、
   前記磁性体は、接着または圧入により前記回転体に固定されることを特徴とする真空ポンプ。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の真空ポンプにおいて、
   前記滑性部材はポリエチレン樹脂、シリコン樹脂およびフッ素系樹脂のいずれかであることを特徴とする真空ポンプ。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の真空ポンプにおいて、
   前記インダクタンス変化に基づいて前記回転体の温度を推定する温度推定部とを備えたことを特徴とする真空ポンプ。
   

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