JP5720472B2 - ターボ分子ポンプ用の電源装置およびターボ分子ポンプ装置 - Google Patents

Description

この発明は、ターボ分子ポンプ用の電源装置およびターボ分子ポンプ装置に関する。

ターボ分子ポンプ装置は、半導体装置、液晶等の製造装置に取り付けられ、内蔵するロータを高速に回転し、気体分子を吸気口から引込み、排気口から排出して製造装置内部を高真空にする。ターボ分子ポンプ装置には、ロータを内蔵するターボ分子ポンプに、このターボ分子ポンプを駆動制御する電源装置が締結部材により固定された一体型の構造を有するものがある。電源装置をターボ分子ポンプに一体化すると、ターボ分子ポンプのモータや、磁気軸受に接続するケーブルの引き回しが簡素となり、接続作業の効率が向上する。このため、このようなターボ分子ポンプと電源装置が一体化されたターボ分子ポンプ装置は、多数のターボ分子ポンプ装置が必要とされる大型の製造装置用には、特に、好ましい。

このようなターボ分子ポンプに一体化された電源装置では、工場から出荷された後、周囲環境によっては電源装置が冷却され、電源装置内部に存在する水蒸気が結露することがある。電源装置内に結露が生じると電源装置内に配置された電気回路に悪影響をおよぼす虞がある。

この対応として、電源装置内に結露センサを設け、結露が検出されると、モータ制御回路等を自動的にシャットダウン状態にして異常動作が起こる前にターボ分子ポンプを安全に停止させるようにしたターボ分子ポンプ駆動制御用電源が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−１５９６６９号公報

上記特許文献１に記載された発明は、結露センサにより電源装置内の結露を検出する方法であるため、結露を検出するには、電源装置の各回路に駆動電力が供給されている必要がある。しかし、ターボ分子ポンプ装置に駆動電力が供給されない輸送中においては結露の発生を検出することができず、設置後の電源投入時におけるポンプの起動に支障が生じる。
また、電源装置内に結露が発生した場合、結露の原因である水蒸気が電源装置の外部に排出され、結露が消失するまでに時間がかかるが、この間、ターボ分子ポンプ装置を駆動することができないため、ターボ分子ポンプ装置の稼働率が低下する。

この発明のターボ分子ポンプの電源装置は、ケース内面に設けられたステータ翼とロータに設けられたロータ翼とが複数段に配列され、ロータをモータにより回転し、ケースの吸気口から流入した気体を排気口から排出するターボ分子ポンプ用の電源装置であって、ターボ分子ポンプの底部に取り付けられるベース部材と、ベース部材に取り付けられ、ベース部材と共に電源容器を形成する覆い部材と、入力された交流電流を直流電流に変換し、ターボ分子ポンプのロータを回転するモータを駆動制御する電力系ユニットと、を備え、電力系ユニットは、少なくとも１つの回路基板と、回路基板に実装された複数の電子部品を有し、ベース部材は、ターボ分子ポンプの底部に取り付けられる周縁部と、周縁部の内周側に形成された凹部を有する底部とを有し、電力系ユニットの回路基板はベース部材の凹部内に配置され、少なくとも、電力系ユニットの回路基板および回路基板に実装された電子部品の導電部は、絶縁性の保護材料により被覆され、ベース部材の周縁部には、冷却用通路が設けられていることを特徴とする。

この発明によれば、電力系ユニットの回路基板および回路基板に実装された電子部品の導電部が絶縁性の保護材料により被覆されるので、電源装置内に結露が発生しても電力系ユニットにおける短絡の発生を防止することができ、結露に対する安全性を大幅に向上すると共にターボ分子ポンプ装置の稼働率を向上することができる。

この発明に係るターボ分子ポンプ装置の一実施の形態を示す外観側面図。 図１に図示されたターボ分子ポンプ装置の断面図。 図１に図示されたターボ分子ポンプ装置の電気的接続状態を示すブロック図。 図１に図示されたターボ分子ポンプ用の電源装置のベース部材の平面図。 図４に図示されたターボ分子ポンプ用の電源装置の断面図。 本発明の実施形態２としてのターボ分子ポンプ用の電源装置の拡大断面図。 本発明の実施形態３としてのターボ分子ポンプ用の電源装置の拡大断面図。

（実施形態１）
以下、図を参照して本発明に係るターボ分子ポンプ装置の一実施の形態について説明する。
図１は、この発明に係るターボ分子ポンプ装置の一実施の形態を示す外観側面図であり、図２は、図１に図示されたターボ分子ポンプ装置の断面図である。
図１および図２に図示されたターボ分子ポンプ装置１は、ターボ分子ポンプ１０と、このターボ分子ポンプ１０の底部に取り付けられた電源装置５０とを備えている。
ターボ分子ポンプ１０は、上ケース１２と下ケース１３とにより構成されるポンプ用ケース１１を備えている。

ポンプ用ケースの中心軸上には、ロータ軸５が配置されている。ロータ軸５にはロータ軸５と同軸に取り付けられたロータ３０が配置されている。ロータ軸５とロータ３０とは、ボルト等の締結部材９８により強固に固定されている。
ロータ軸５は、ラジアル方向の磁気軸受３１（２箇所）およびスラスト方向の磁気軸受３２（上下一対）によって非接触で支持される。ロータ軸５の浮上位置は、ラジアル変位センサ３３ａ、３３ｂおよびアキシャル変位センサ３３ｃによって検出される。磁気軸受３１、３２によって回転自在に磁気浮上されたロータ軸５は、モータ３５により高速に回転駆動される。

ロータ軸５の下面には、メカニカルベアリング３４を介してロータディスク３８が取り付けられている。また、ロータ軸５の上部側にはメカニカルベアリング３６が設けられている。メカニカルベアリング３４、３６は非常用のメカニカルベアリングであり、磁気軸受３１、３２が作動していない時にはメカニカルベアリング３４、３６によりロータ軸５が支持される。

ロータ３０は、上部側と下部側の二段構造を有し、上部側には複数段のロータ翼６が設けられている。最下段のロータ翼６から下方が下段側とされ、下段側にはロータ円筒部９が設けられている。
ロータ３０のロータ翼６の外周は上ケース１２により覆われている。上ケース１２のロータ３０に設けられた複数のロータ翼６の間にはステータ翼７とスペーサ２１とが交互に配置されている。すなわち、ロータ翼６とステータ翼７とは、リング状のスペーサ２１を間に挟んで、ポンプの軸方向に交互に積層されている。下ケース１３の上面上にスペーサ２１とステータ翼７とを交互に積層し、上ケース１２を下ケース１３に被せて固定すると、ステータ翼７とロータ翼６とがポンプの軸方向に沿って複数段に配列される。

ロータ３０のロータ円筒部９の外周は下ケース１３により覆われている。下ケース１３のロータ円筒部９に対応する内面には、リング状のネジステータ８がボルト４１により固定されている。ネジステータ８は螺旋状突部８ａを有し、螺旋状突部８ａ間にはネジ溝部８ｂが形成されている。ロータ３０のロータ円筒部９の外周面とネジステータ８の内周面とは、ロータ３０が高速に回転したときに、気体分子を上方から下方に移送することができるような間隙が設けられている。

上ケース１２の上面には吸気口２５が設けられている。下ケース１３には排気口４５が設けられ、この排気口４５にバックポンプが接続される。ロータ３０を磁気浮上させ、この状態でモータ３５により高速に回転駆動することにより、吸気口２５側の気体分子が排気口４５側へと排気される。

以上説明したように、ターボ分子ポンプ１０は、上ケース１２の内部空間に翼排気部を有し、下ケース１３の内部空間にネジ溝排気部を有するターボ分子ポンプである。翼排気部は複数段のロータ翼６と複数段のステータ翼７とで構成され、ネジ溝排気部３はロータ円筒部９とネジステータ８とで構成されている。

モータ３５によりロータ３０を回転駆動すると半導体製造装置等の外部装置の真空チャンバ内の気体分子が吸気口２５から流入する。吸気口２５から流入した気体分子は翼排気部２において、下流側へと叩き飛ばされる。気体分子は、翼排気部において圧縮されて図示下方のネジ溝排気部へ移送される。

下ケース１３は、ネジステータ８の外周を囲む大略円筒形状を有する。下ケース１３の軸芯には、ロータ軸５、およびロータ軸５の周囲に配置されたモータ３５、磁気軸受３１、３２、ラジアル・アキシャル変位センサ３３ａ〜３３ｃ、メカニカルベアリング３４、３５およびロータディスク３８等が取り付けられた筒部１３Ａが形成されている。下ケース１３には平面視で円形状の上部フランジ１３ａおよび下部フランジ１３ｂが形成されている。

上ケース１２には、上部の吸気口２５側の周縁部から外周側に張り出す上部フランジ１２ａが形成され、下部側に周縁部から外周側に張り出す下部フランジ１２ｂが形成されている。上部フランジ１２ａには複数の貫通孔４６が形成されており、上部フランジ１２ａの貫通孔４６に挿通されたボルト等の締結部材９１により、上ケース１２が半導体製造装置等の外部装置（図示せず）に取り付けられる。
上ケース１２の下部フランジ１２ｂと下ケース１３の上部フランジ１３ａとがシール部材４２を介在してボルト等の締結部材９３により固定されている。

下ケース１３の下部フランジ１３ｂには、ボルト等の締結部材９５により電源装置５０がそのベース部材５１を介して取り付けられている。ターボ分子ポンプ１０は、生成物がポンプ内部に付着しやすいガスを排気する場合、ヒータや冷却装置によりターボ分子ポンプ１０の温度を一定にコントロールする必要がある。また、ターボ分子ポンプ１０のモータ３５や磁気軸受３１、３２を駆動制御する電源装置は、熱発生源であるコンバータやインバータを内蔵するために冷却をする必要がある。そこで、電源装置５０の上部には、冷却水導入管６１および冷却水排出管６２が取り付けられている（図１参照）。冷却水導入管６１および冷却水排出管６２は、図示はしないが、ターボ分子ポンプ装置１を冷却するための冷却水を循環させるポンプに連結されている。また、詳細は後述するが、電源装置５０内には、外部から入力される交流電源を直流に変換してターボ分子ポンプ１０のモータ３５および磁気軸受３１、３２等に駆動電力を供給する各回路を構成するための複数の回路部品が収容されている。

図３は、図１および図２に図示されたターボ分子ポンプ装置の電気的接続状態を示すブロック図である。図３では、動力の伝達を実線の矢印で示し、制御信号の伝達を白抜きの矢印で示している。ターボ分子ポンプ装置１は、図１および図２に示したように、ターボ分子ポンプ１０と電源装置５０とによって構成されている。電源装置５０は、電力系回路部１１０と信号制御系回路部１２０とで構成されている。電力系回路部１１０は、外部ＡＣ電源入力をＤＣ電源化するためのＡＣ／ＤＣコンバータ回路１１１を有する。ＡＣ／ＤＣコンバータ回路１１１には、外部ＡＣ電源から、例えば、２００Ｖ程度の電圧が入力される。

ＡＣ／ＤＣコンバータ回路１１１は、ＤＣ電力をインバータ／モータドライブ回路１１２および制御電源１１３へと出力する。インバータ／モータドライブ回路１１２は、ターボ分子ポンプ１０のモータ３５を駆動制御する。制御電源１１３は、信号制御系回路部１２０に設けられた制御回路１２１および磁気軸受ドライブ回路１２２の電源を構成している。ＡＣ／ＤＣコンバータ回路１１１およびインバータ／モータドライブ回路１１２はパワー回路であり、電源装置５０の中でも特に消費電力が大きく、放熱のため冷却が必要になる部分である。例えば、インバータ／モータドライブ回路１１２は、１２０Ｖ程度のモータ駆動電圧を出力する。

信号制御系回路部１２０は、制御回路１２１および磁気軸受ドライブ回路１２２を備えている。磁気軸受ドライブ回路１２２は、磁気軸受３１、３２のマグネット（図示せず）を駆動制御する。制御回路１２１はマイコンやＤＳＰなどを備え、電力系回路部１１０の制御、磁気軸受ドライブ回路１２２の制御および後述する種々のインターフェース制御を行う。オペレータがアクセスする人的インターフェースとしては、ＲＳ‐２３２Ｃ、ＲＳ５‐４８５およびイーサネット（登録商標）などの通信インターフェース１２３と、運転状態や異常アラームを表示または通知する表示部１２４と、運転モ−ドや表示設定などを切り替えるためのスイッチ１２５とを備えている。表示部１２４には、ＬＥＤ等が用いられている。また、制御回路１２１には、ラジアル変位センサ３３ａ、３３ｂおよびアキシャル変位センサ３３ｃによって検出された検出値が入力される。

図４は、図１に図示されたターボ分子ポンプ用の電源装置のベース部材の平面図であり、図５は、図４に図示されたターボ分子ポンプ用の電源装置の断面図である。
電源装置５０は、平板状のベース部材５１と、このベース部材５１に取り付けられる覆い部材５２により構成される電源容器を有する。
ベース部材５１は、アルミニウムまたは鉄により形成され、図４に図示されるように平面視でほぼ正八角形状を有する。図５に図示されるように、ベース部材５１は、厚肉の周縁部５１ａと、周縁部５１ａの内周側において内面から陥没する凹部５１ｂを有する底部５１ｃを有する。底部５１ｃは、周縁部５１ａよりも薄肉であり、周縁部５１ａと底部５１ｃの外面である上面は平坦面である。

ベース部材５１の周縁部５１ａには、冷却水通路（冷却用通路）５３が設けられている
。冷却水通路５３は、ベース部材５１の周縁部５１ａ内を環状にほぼ全周に亘り形成され、一端が冷却水導入管６１に、他端が冷却水排出管６２に連結されている。
ベース部材５１の周縁部５１ａには、外周に沿って、複数のねじ穴５１ｄ（図４参照）が形成されている。電源装置５０は、ボルト等の締結部材９５を、ねじ穴５１ｄに締結することによりターボ分子ポンプ１０の下ケース１３の下部フランジ１３ｂに固定されている（図２参照）。

ベース部材５１の凹部５１ｂ側には、ボルト等の締結部材９６により周縁部５１ａにおいて覆い部材５２が取り付けられている。
覆い部材５２は、アルミニウムまたは鉄により、ほぼ逆ハット形状に形成されている。覆い部材５２の周縁部がベース部材５１の周縁部５１ａに固定されることにより、内部に電源装置５０の各回路部を構成する電子部品が収容される空間を有する電源容器が構成される。

ベース部材５１の凹部５１ｂ内には、電力系回路部１１０を構成する電力系ユニット７０が配置されている。電力系ユニット７０は、配線（図示せず）が形成された回路基板７１と、回路基板７１に取り付けられた複数の電子部品等により構成されている。回路基板７１は、固定具７６によりベース部材５１の底部５１ｃに取り付けられている。電子部品には、端子部７２ａが回路基板７１のスルーホールに挿入された基板挿入型の電子部品７２、および端子部７３ａが回路基板７１の一面上に実装された表面実装型の電子部品７３が含まれる。また、回路基板７１には、コネクタ７４が取り付けられている。

電力系ユニット７０では、上述した如く、２００Ｖ程度の高電圧が入出力されるため、結露に対する対策が重要である。
そこで、本実施形態では、電力系ユニット７０を保護材料５５で被覆して短絡の発生を防止する短絡防止構造を採用している。
保護材料５５としては、エポキシ樹脂等の樹脂モールド材料または、アルミナ等のセラミックス微粉末が分散された樹脂モールド材料を用いることができる。回路基板７１が高温となる場合には、セラミックス微粉末が分散された樹脂モールド材料を用いることが望ましい。

保護材料５５による被覆は、電力系ユニット７０全体を完全に被覆する必要はない。図５に図示される如く、例えば、実装状態における高さが高い基板挿入型の電子部品７２は、上端部が保護材料５５から露出する状態でもよい。要は、回路基板７１の配線、電子部品７２、７３の端子部７２ａ、７３ａ等の導電部が保護材料５５によって確実に被覆されるようにすればよい。

電力系ユニット７０は、ベース部材５１の凹部５１ｂ内に配置されているため、保護材料５５による電力系ユニット７０の被覆は、ベース部材５１が単体の状態で、凹部５１ｂ内に樹脂を流し込む簡単な作業とすることができる。凹部５１ｂの深さを、保護材料５５を流し込んだ際、電力系ユニット７０の回路基板７１に実装された表面実装型の電子部品７３が保護材料５５により適度な厚さに被覆されるようにしておけば、保護材料５５が凹部５１ｂの外側に流出することもない。これにより、保護材料５５が無駄に塗布されるのを防ぎ、コストの節減を図ることができる。

覆い部材５２の内面側には、信号制御系回路部１２０を構成する制御系ユニット８０が配置されている。制御系ユニット８０は、配線（図示せず）が形成された回路基板８１と、回路基板８１に取り付けられた複数の電子部品８２等により構成されている。回路基板８１は、固定具８６により覆い部材５２の内面に取り付けられている。回路基板８１には、コネクタ８４が取り付けられている。

ベース部材５１の周縁部５１ａには、ベース部材５１の厚さ方向に貫通してコネクタ８７が取り付けられている。コネクタ８７の接続端子は、電源装置５０の内部側および外部側に露出している。コネクタ７４、８４、８７は、ハーネス（接続部材）８８により接続されており、ターボ分子ポンプ１０と電源装置５０とは図３に図示される回路を構成するように接続される。

実施形態１では、電源装置５０の中で最も結露対策が必要な電力系ユニット７０のみを樹脂材で被覆することにより、コストを抑制した結露対策を行うことができる。

（実施形態２）
図６は、本発明の実施形態２としてのターボ分子ポンプ用の電源装置の拡大断面図である。
図６に図示された実施形態２のターボ分子ポンプ用の電源装置が図５に図示された実施形態１と相違する点は、制御系ユニット８０が、保護材料５６により被覆されている点である。この実施形態２においても、電力系ユニット７０は保護材料５５により被覆されている。保護材料５６は、電力系ユニット７０を被覆する保護材料５５と同一の材料でもよいし、異なる材料を用いてもよい。

例えば、電力系ユニット７０を被覆する保護材料５５としてセラミックス微粉末が分散された樹脂モールド材料を用い、制御系ユニット８０を被覆する保護材料５６としてセラミックス微粉末が分散されていない樹脂モールド材料を用いるようにしてもよい。
実施形態２の電源装置５０によれば、電源装置５０内におけるすべての電子部品に対し、結露に起因する短絡の発生を防止することが可能となる。
実施形態２における上記以外の構成は実施形態１と同様であり、対応する部材に同一の符号を付して、その説明を省略する。

（実施形態３）
図７は、本発明の実施形態３としてのターボ分子ポンプ用の電源装置の拡大断面図である。
図７に図示された実施形態３が図５または図６に図示された実施形態１または実施形態２と相違する点は、電源装置５０内全体が保護材料５５で充填されている点である。すなわち、ベース部材５１および覆い部材５２により構成される電源容器の内部は、保護材料５５によって充填されている。

この状態では、電力系ユニット７０および制御系ユニット８０の構成部品を含み、コネクタ８４等の電源容器内のすべての部品、およびベース部材５１と覆い部材５２の内面のすべてが保護材料５５によって被覆されている。
従って、電源装置５０における結露に起因する短絡の発生を、より確実に防止することができる。
実施形態３における上記以外の構成は実施形態１と同様であり、対応する部材に同一の符号を付して、その説明を省略する。

以上説明した通り、本発明の各実施形態では、電源装置５０内の回路基板７１、８２および電子部品７２、７３、８２等を保護材料５５、５６により被覆するようにしたので、電源装置５０が冷えて内部に結露が生じた場合でも、結露に起因する短絡の発生を防止することができる。

この場合、結露の発生をセンサにより検出して、ターボ分子ポンプ１０を駆動制御する各回路をシャットダウンする方式と異なり、結露が生じていても短絡を防止する短絡防止
構造であるので、ターボ分子ポンプ装置１の電源投入に影響を与えることはない。このため、電源装置５０内に発生した結露が消失するまでの待機時間を無くすことができ、ターボ分子ポンプ装置１の稼働率を向上することができる。

電源装置５０のベース部材５１に凹部５１ｂを設け、この凹部５１ｂ内に電力系ユニット７０を配置したので、電源装置５０全体の厚さを、凹部５１ｂの深さに対応して薄くすることができる。

ベース部材５１の周縁部５１ａを厚肉にしているので、冷却効果を大きくすることができる。また、電源装置５０のベース部材５１の周縁部５１ａに、直接、冷却水通路５３を形成しているので、ターボ分子ポンプ装置１の構造が簡素となり、かつ、冷却も効果的となる。

なお、上記各実施形態においては、電力系ユニット７０の回路基板７１を１個の場合で例示したが、回路基板は複数個としてもよい。

覆い部材５２にも凹部を形成し、制御系ユニット８０を凹部内に収容して、保護材料を凹部内に流し込むようにしてもよい。

その他、本発明は、発明の趣旨の範囲において種々変形して適用することが可能であり、要は、電源装置５０内に収容された複数の電子部品（回路基板を含む）の導電部の中、少なくとも、結露により短絡が発生する確率が大きい導電部を保護材料５５により被覆するようにすればよい。

１ ターボ分子ポンプ装置
６ ロータ翼
７ ステータ翼
１０ ターボ分子ポンプ
１２ 上ケース
１３ 下ケース
１３ａ 上部フランジ
１３ｂ 下部フランジ
２５ 吸気口
３０ ロータ
４５ 排気口
５０ 電源装置
５１ ベース部材
５１ａ 周縁部
５１ｂ 凹部
５３ 冷却水通路（冷却用通路）
５５、５６ 保護材料
７０ 電力系ユニット
７１ 回路基板
７２、７３ 電子部品
７４、８４、８７ コネクタ
８０ 制御系ユニット
８１ 回路基板
８２ 電子部品

Claims (5)

1. ケース内面に設けられたステータ翼とロータに設けられたロータ翼とが複数段に配列され、前記ロータをモータにより回転し、前記ケースの吸気口から流入した気体を排気口から排出するターボ分子ポンプ用の電源装置であって、
   前記ターボ分子ポンプの底部に取り付けられるベース部材と、
   前記ベース部材に取り付けられ、前記ベース部材と共に電源容器を形成する覆い部材と、
   入力された交流電流を直流電流に変換し、前記ターボ分子ポンプの前記ロータを回転する前記モータを駆動制御する電力系ユニットと、を備え、
   前記電力系ユニットは、少なくとも１つの回路基板と、前記回路基板に実装された複数の電子部品を有し、
   前記ベース部材は、前記ターボ分子ポンプの底部に取り付けられる周縁部と、前記周縁部の内周側に形成された凹部を有する底部とを有し、
   前記電力系ユニットの前記回路基板は前記ベース部材の凹部内に配置され、少なくとも、前記電力系ユニットの前記回路基板および前記回路基板に実装された前記電子部品の導電部は、絶縁性の保護材料により被覆され、
   前記ベース部材の前記周縁部には、冷却用通路が設けられていることを特徴とするターボ分子ポンプ用の電源装置。
2. 請求項１に記載のターボ分子ポンプ用の電源装置において、
   少なくとも１つの回路基板と前記回路基板に実装された複数の電子部品とを有し、前記ターボ分子ポンプを制御する制御系ユニットをさらに備え、
   前記制御系ユニットは、前記覆い部材の内面に取り付けられ、前記制御系ユニットの前記回路基板および前記回路基板に実装された前記電子部品の導電部は、絶縁性の保護材料により被覆されていることを特徴とするターボ分子ポンプ用の電源装置。
3. 請求項１または２に記載のターボ分子ポンプ用の電源装置において、前記ベース部材および前記覆い部材により構成される前記電源容器の内側に、前記絶縁性の保護材料が充填されていることを特徴とするターボ分子ポンプ用の電源装置。
4. 請求項２または３に記載のターボ分子ポンプ用の電源装置において、前記制御系ユニットにより制御される磁気軸受をさらに備え、
   前記ベース部材の前記周縁部に、前記電源容器内の前記電力系ユニットと前記制御系ユニットとを前記ターボ分子ポンプ内の前記モータおよび前記磁気軸受に接続する接続部材のコネクタが取り付けられていることを特徴とするターボ分子ポンプ用の電源装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載のターボ分子ポンプ用の電源装置と、
   前記ケース内面に設けられた前記ステータ翼と前記ロータに設けられた前記ロータ翼とが複数段に配列され、前記ロータを前記モータにより回転し、前記ケースの吸気口から流入した気体を排気口から排出するターボ分子ポンプとを備えることを特徴とするターボ分子ポンプ装置。

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