JP5353720B2 - 真空ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、ターボ分子ポンプ等のように高速回転するロータを有する真空ポンプに関する。

ロータを高速回転して気体を排気する真空ポンプでは、回転中の振れを小さくするために、ロータのアンバランス修正を行なう必要がある。従来は、ロータの軸方向上部または下部の一部を、ドリル等により削り取ることによりアンバランス修正が行われている。

ところで、半導体製造に用いられる真空ポンプにおいては、プロセスで用いられる腐食性のガスによってロータが腐食されるのを防止するために、ロータ表面にニッケルリン合金メッキのような耐食性被膜を施すようにしている。そのようなロータの場合、上述したようなアンバランス修正を行うと、耐食性被膜が削り取られてしまうことになるので、その削り取られた部分に熱硬化性樹脂を塗布する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−２１０９２号公報

しかしながら、ロータを削ってバランス修正を行う場合、削り取った部分に応力が集中するため、削り取りの深さ管理を厳密に行わなければならず、バランス修正作業が繁雑であった。また、熱硬化性樹脂を塗布する場合、膜厚管理が難しく、膜厚の薄い部分から腐食が生じやすいという問題があった。

請求項１の発明は、外周面に排気作用部が設けられた円筒状のロータを高速回転して、ガスを排気する真空ポンプに適用され、ロータの許容温度に相当するキュリー温度を有する磁性材料で形成され、ロータの内周面に該ロータのアンバランスを修正するために付加された修正用磁性部材と、修正用磁性部材と対向する位置に配設され、修正用磁性部材の透磁率変化を検出するインダクタンス式センサと、透磁率変化の検出値に基づいてロータの温度を監視する監視手段と、を備えたことを特徴とする。
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、修正用磁性部材はＣ型リング形状部材であって、Ｃ型リング形状部材が有するアンバランスにより、ロータのアンバランスを修正することを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項２に記載の真空ポンプにおいて、Ｃ型リング形状部材の線膨張係数が、ロータの線膨張係数よりも大きく設定されていることを特徴とする。
請求項４の発明は、請求項１に記載の真空ポンプにおいて、修正用磁性部材は、１または複数の小片部材で構成されていることを特徴とする。
請求項５の発明は、請求項４に記載の真空ポンプにおいて、ロータのアンバランス修正のための付加質量として、非磁性材料で形成された１または複数の非磁性小片部材をさらに備え、修正用磁性部材および非磁性小片部材によりロータのアンバランスが修正されていることを特徴とする。
請求項６の発明は、請求項４または５に記載の真空ポンプにおいて、修正用磁性部材は複数の小片部材で構成され、各小片部材を構成する磁性材料のキュリー温度はそれぞれ異なり、それらのキュリー温度の内の１つがロータの許容温度に相当するキュリー温度に設定されていることを特徴とする。
請求項７の発明は、請求項１に記載の真空ポンプにおいて、円筒状のロータは、その軸に沿った吸気側と排気側とでアンバランスの二面修正が行われ、ロータの排気側には修正用磁性部材が設けられ、ロータの吸気側には非磁性材料で形成された修正用非磁性部材がアンバランス修正用付加質量として設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、修正用磁性部材によりロータのアンバランス修正ができるとともに、修正用磁性部材の透磁率変化を検出することで、ロータ温度が許容温度を越えたか否かを判断することができる。

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。 Ｃ型リング２１の平面図である。 ギャップセンサ４４のインダクタンス変化を説明する模式図である。 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す図である。 Ｃ型リング２１を用いた場合の出力例を示したものである。 変形例を示す図であり、（ａ）はロータ２を下側（ベース側）から見た図であり、（ｂ）はＣ矢視図である。

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ユニット１と電源ユニット３０の概略構成を示したものである。

ロータ２が取り付けられたシャフト３は、ベース４に設けられた電磁石５１，５２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およびアキシャル変位センサ７２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と、アキシャル磁気軸受を構成する電磁石５２と、変位センサ７１，７２とで５軸制御型磁気軸受が構成される。なお、磁気軸受が作動していない状態では、シャフト３はメカニカルベアリング２７，２８によって支持される。

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５２が設けられている。そして、電磁石５２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、ポンプユニット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を保持する機能とともに、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との間にはギャップが形成されている。ロータ２と、スペーサ１０によって保持された固定翼９とは、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５１，５２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側のガスは背圧側に排気され、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。

ロータ２には、アンバランス修正用のＣ型リング２０，２１がロータ軸に沿った吸気口側と排気口側とに設けられ、これによってロータアンバランスの二面修正が行われる。本実施の形態ではＣ型リング２１は磁性材で構成され、その磁性材は、ロータ２の許容温度付近にキュリー温度を有している。ステータ側には、Ｃ型リング２１と対向する位置に、インダクタンス式のギャップセンサ４４が設けられている。後述するように、ギャップセンサ４４は、ロータ温度が許容温度以上に上昇したときのＣ型リング２１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。すなわちＣ型リング２１は、アンバランス修正用部材としての機能と、温度検出用のターゲットとしての機能とを兼ね備えている。

ポンプユニット１は電源ユニット３０によって駆動制御される。電源ユニット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Ｃ型リング２１の透磁率が変化したか否かを検出する。

検出部３１にはギャップセンサ４４の出力信号が入力され、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は、Ｃ型リング２１の平面図である。Ｃ型リング２１は、円環状部材の一部を削除してアンバランス修正用の切り欠き部２１ａを形成したものである。図示は省略するが、Ｃ型リング２０も同様の構造をしており、アンバランス修正用の切り欠き部２０ａが形成されている。ターボ分子ポンプのようにロータ２が高速回転する真空ポンプにおいては、安定した回転を実現するためには回転体のバランス状態が重要になる。そのため、回転体が組み上がった状態で、すなわち、シャフト３にロータ２，ディスク４１およびナット４２が取り付けられた状態で、バランス取りを行って初期アンバランスが修正される。

従来は、回転体の一部を削除するなどしてアンバランス修正が行われているが、本実施の形態では、回転体にＣ型リング２０，２１を付加することによりアンバランス修正（２面修正）が行われる。具体的には、動釣り合い試験機を用いて、回転体の不釣り合い位置および不釣り合い量を計測する。その計測結果に基づいて、不釣り合い量を解消できるだけの質量が削除されたＣ型リング２０，２１を形成する。すなわち、図２の切り欠き部２１ａがその削除された部分である。削除量の多い場合には、Ｃ型リング２０，２１の厚さを厚くして、切り欠き幅がなるべく小さくなるようにする。

Ｃ型リング２０，２１は、検出された不釣り合い量に応じて切り欠き部２０ａ，２１ａの切り欠き量が調整される。さらに、Ｃ型リング２０，２１は、切り欠き部２０ａ，２１ａの位置が不釣り合い位置に一致するように、ロータ２にそれぞれ取り付けられる。Ｃ型リング２０，２１のロータ２への固定には、接着剤を用いて固定したり、Ｃ型リング２０，２１が弾性材の場合には、リング自体の弾性を利用してロータ内周面に嵌合させて固定したりしても良い。なお、ロータ２は使用中に温度が上昇することがあるので、熱膨張によってロータ２とＣ型リング２０，２１との間に隙間ができないように、Ｃ型リング２０，２１の線膨張係数は、ロータ２の線膨張係数よりも大きいことが望ましい。

上述したように、Ｃ型リング２１はアンバランス修正用部材として機能すると共に、ロータ温度検出用のターゲットとしても用いられる。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およびターゲットとしてのＣ型リング２１の作る磁気回路の模式図である。なお、アンバランス修正機能のみのＣ型リング２０については、材料は非磁性体材料であっても構わない。ギャップセンサ４４の構造は、珪素鋼板などの透磁率の大きなコアの周囲にコイルを巻いたものである。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・一定電圧の高周波電圧が印加され、ギャップセンサ４４からＣ型リング２１に向けて高周波磁界が形成される。

一方、Ｃ型リング２１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強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℃程度の強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Ｃ型リング２１の温度が上昇して、キュリー温度Ｔｃを通過すると、Ｃ型リング２１の透磁率が図４に示すように急激に低下し、真空の透磁率μ０程度まで減少する。ギャップセンサ４４が形成する磁界中でＣ型リング２１の透磁率μ１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。

図５は検出部３１のブロック図であり、図６は図５の（ａ）〜（ｅ）における信号波形の一例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より大きくなると、Ｃ型リング２１の透磁率が減少して近似的にμ１＝μ０となり、インダクタンスが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ｖ０とを比較し、入力信号のレベルが閾値ｖ０以上の場合にはｖ＝Ｈを、逆に信号レベルが閾値ｖ０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から出力される信号は、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。

ｖ＝Ｈのロータ温度モニタ信号が出力された場合には、ロータ２を保護するための動作を行う。例えば、モータ回転数を下げたり、モータ回転を停止したりして、ロータ２のクリープ変形を防止する。その際に、警報部３４から警報を発して、ロータ温度異常をオペレータに知らせるようにする。

図７は、Ｃ型リング２１を用いた場合の出力例を示したものである。図７において、（ａ）はＣ型リング２１の温度Ｔがキュリー温度Ｔｃよりも低い場合を示し、（ｂ）はＣ型リング２１の温度Ｔがキュリー温度Ｔｃよりも高い場合を示す。図７（ａ）の符号Ａで示す部分は、ギャップセンサ４４がＣ型リング２１のリング部分に対向している場合の出力であり、符号Ｂで示す部分は、ギャップセンサ４４がＣ型リング２１の切り欠き部２１ａに対向した場合の出力である。ロータ２が一回転する間に、出力レベルＬの信号と出力レベルＨの信号が検出される。

一方、Ｃ型リング２１の温度Ｔがキュリー温度Ｔｃよりも高温になると、図７（ｂ）に示すように出力はフラットになり、リング部分に対向した場合も切り欠き部２１ａに対向した場合と同じＬレベルとなる。すなわち、符号Ａで示す部分のＨレベルが出力されているか否かによって、Ｃ型リング２１の温度、すなわちロータ２の温度が、Ｔ＜Ｔｃなのか、またはT＞Ｔｃなのかを認識することができる。

（変形例）
図８は、上述した実施形態の変形例を示す図である。図８において、（ａ）はロータ２を下側（ベース側）から見た図であり、（ｂ）はＣ矢視図である。上述した実施形態では、アンバランス修正用の部材としてＣ型リング２０，２１を設けたが、変形例では、Ｃ型リング２０，２１の代わりに小片１００をロータ２の内周面に１つ以上取り付けるようにした。この場合、小片１００が配置されている部分がＣ型リング２１のリング部に相当し、符号１００ａで示すように小片１００が設けられていない領域がＣ型リング２１の切り欠き部２１ａに相当する。

質量を付加するようなアンバランス修正の場合には、その位置に小片１００を付加する処置を行い、逆に、質量を除去するようなアンバランス修正の場合には、図８に示すように、修正位置を除く他の領域に小片１００を配置する処置を行うことで対応が可能である。なお、ロータ２の上側のアンバランス修正部分（図１においてＣ型リング２０に対応する部分）も、図８に示す下側と同様の構成となっている。ただし、Ｃ型リング２１の代わりに配置される下側の小片１００は、ギャップセンサ４４と対向するターゲット部材としても機能するので、Ｃ型リング２１と同様のキュリー温度Ｔｃを有する磁性材料が用いられる。もちろん、全てが磁性材料により形成される必要はなく、一部を非磁性材料で形成しても良い。

さらに、下側の設けられた磁性材料による小片１００の透磁率を、小片１００によって変えても良い。例えば、キュリー温度Ｔｃの異なる３種類の磁性材料（Ｔc1＞Ｔc2＞Ｔc3）を用意し、Ｔc1の小片１００と、Ｔc2の小片１００と、Ｔc3の小片１００とをロータ２に設ける。このように、キュリー温度の異なる複数の磁性材料を設けることでロータの温度を検出する方法については、ここでは説明しないが、特開２００６−１９４０９４号公報に開示されている。特開２００６−１９４０９４号公報に開示の方法を用いれば、本実施の形態においても、ロータ２の複数の温度を検出することができ、Ｔc1をロータ許容温度近辺に設定し、その温度Ｔc1を検出する前に温度Ｔc2，Ｔc3の検出することにより、ロータ温度が許容温度を越える前に予防的な処置を施すことができる。また、小片は磁性体で形成させたボルトであってもよく、ロータにあらかじめ加工したタップにつけることで、上記と同等の機能を実現できる。

以上説明したように、本実施の形態の真空ポンプでは、アンバランス修正を行う場合に、従来のようにロータ２を削る代わりにアンバランス修正用部材をロータ２に付加する構成としたので、腐食性ガスによるロータ２の腐食を防止することができる。Ｃ型リング２０，２１の切り欠き部形成は、Ｃ型リング２０，２１をロータ２に固定する前に行うので、従来のようにロータ２を切削加工するような場合に比べて、作業性に優れている。アンバランス修正部材であるＣ型リング２０，２１や小片１００には、耐食性の材料または耐食表面処理が施された材料を使用するのが好ましい。

さらに、アンバランス修正用部材としてキュリー温度Ｔｃを有する磁性材料を用いるとともに、アンバランス修正用部材と対向する位置に、アンバランス修正用部材の透磁率変化を検出することが可能なギャップセンサ４４を配設するようにした。このような構成とすることにより、アンバランス修正用部材の透磁率変化を検出することで、ロータ２の温度がキュリー温度Ｔｃを越えたか否かを知ることが出来る。そのため、このキュリー温度Ｔｃをロータ２の許容温度とほぼ同一に設定することで、ロータ温度が許容温度を超えた場合に、直ちにロータ保護動作を行うことができ、真空ポンプの信頼性向上を図ることが出来る。

アンバランス修正用部材はロータ２の内周面に設けられているので、ロータ２が高速回転した場合の遠心力は圧縮応力として作用し、引っ張り応カに弱い部材でも対応が可能である。また、腐食性ガスにさらされることにより、アンバランス修正用部材や固定用接着剤が損傷を受けた場含でも、ロータ回転中は遠心力が働いてロータ２から分離することは無く、停止時に落下するだけである。そのため、回転中にバランスを崩すようなことはなく、安全に停止することができる。また、停止後の再起動に際しては、アンバランス修正用部材がロータ・ステータ間に挟まれたり、完全に落下して回転体のバランスが大きく崩れたりするなどして、回転不可となるので、安全上問題ない。

上述した各実施形態はそれぞれ単独に、あるいは組み合わせて用いても良い。それぞれの実施形態での効果を単独あるいは相乗して奏することができるからである。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。例えば、上述した実施の形態では、円筒状のロータ２の外周面にタービン翼段の回転翼８や、ドラッグポンプ段（円筒部１２の外周面）が形成されたターボ分子ポンプを例に説明したが、本発明は、タービン翼段のみを備えるターボ分子ポンプや、ドラッグポンプ段のみを備えるドラッグポンプ等にも適用することが出来る。

１：ポンプユニット、２：ロータ、６：モータ、８：回転翼、９：固定翼、１１：ネジステータ、１２：円筒部、２０，２１：Ｃ型リング、２１ａ：切り欠き部、３０：電源ユニット、３１：検出部、３４：警報部、４４：ギャップセンサ、１００：小片

Claims (7)

1. 外周面に排気作用部が設けられた円筒状のロータを高速回転して、ガスを排気する真空ポンプにおいて、
   前記ロータの許容温度に相当するキュリー温度を有する磁性材料で形成され、前記ロータの内周面に該ロータのアンバランスを修正するために付加された修正用磁性部材と、
   前記修正用磁性部材と対向する位置に配設され、前記修正用磁性部材の透磁率変化を検出するインダクタンス式センサと、
   前記透磁率変化の検出値に基づいて前記ロータの温度を監視する監視手段と、を備え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、
   前記修正用磁性部材はＣ型リング形状部材であって、
   前記Ｃ型リング形状部材が有するアンバランスにより、前記ロータのアンバランスを修正することを特徴とする真空ポンプ。
3. 請求項２に記載の真空ポンプにおいて、
   前記Ｃ型リング形状部材の線膨張係数が、前記ロータの線膨張係数よりも大きく設定されていることを特徴とする真空ポンプ。
4. 請求項１に記載の真空ポンプにおいて、
   前記修正用磁性部材は、１または複数の小片部材で構成されていることを特徴とする真空ポンプ。
5. 請求項４に記載の真空ポンプにおいて、
   前記ロータのアンバランス修正のための付加質量として、非磁性材料で形成された１または複数の非磁性小片部材をさらに備え、
   前記修正用磁性部材および前記非磁性小片部材により前記ロータのアンバランスが修正されていることを特徴とする真空ポンプ。
6. 請求項４または５に記載の真空ポンプにおいて、
   前記修正用磁性部材は複数の小片部材で構成され、
   各小片部材を構成する磁性材料のキュリー温度はそれぞれ異なり、それらのキュリー温度の内の１つが前記ロータの許容温度に相当するキュリー温度に設定されていることを特徴とする真空ポンプ。
7. 請求項１に記載の真空ポンプにおいて、
   前記円筒状のロータは、その軸に沿った吸気側と排気側とでアンバランスの二面修正が行われ、
   前記ロータの排気側には前記修正用磁性部材が設けられ、
   前記ロータの吸気側には非磁性材料で形成された修正用非磁性部材がアンバランス修正用付加質量として設けられていることを特徴とする真空ポンプ。

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