JP6583122B2 - 監視装置および真空ポンプ - Google Patents

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Description

本発明は、監視装置および真空ポンプに関する。
ターボ分子ポンプは種々の半導体製造装置の排気ポンプとして使用されるが、エッチングプロセス等において排気を行うと、反応生成物がポンプ内部に堆積する。特に、ポンプ下流側のガス流路に堆積しやすく、ロータとステータとの隙間が堆積物によって埋められてしまうほど反応生成物が堆積すると種々の不具合が生じる。例えば、ロータがステータに固着してロータ回転が不可能となったり、ロータ翼がステータ側に接触して破損したりする。このような反応堆積物に対して、特許文献1に記載の発明では、モータ電流値の経時的な変化に基づいてポンプ内の堆積を予測する方法が記載されている。
国際公開第2013/161399号
しかしながら、特許文献1に記載の発明では、モータ電流値の変化に基づいて堆積物の予測をしているので、予めガス種が分かっていないと不正確で長期の予測は困難である。例えば、エッチングガスの希釈ガスとしてアルゴンガスを流す場合に対して、キセノンガスの混合比を増して流した場合、熱伝導率が低くロータ温度が上昇しやすい。そのため、混合比を増やした場合には、ロータクリープ寿命を配慮してガス流量を減らさざるを得ない。一方、ガス種が異なってもガス流量が同じならばモータ電流値は大きく変化しないことから、ガス流量を減らした分だけモータ電流値も小さくなることになる。このような現象は、希釈ガスに関してだけでなくエッチングガスについても言えることであり、エッチングガスを軽い塩素系から重い臭素系に変更した場合も同様である。そのため、ロータクリープ寿命を配慮した場合、予めガス種情報がないと堆積予測が難しい。
さらに、モータ電流値は真空ポンプの運転状態に敏感に応答するので、特許文献1の発明のようにモータ電流値に基づいて生成物堆積を予測する方法では、予測精度が低下するという問題がある。
本発明の好ましい実施形態による監視装置は、ロータをポンプベース部に設けられたステータに対して回転駆動するモータと、前記ポンプベース部を加熱する加熱部と、前記ポンプベース部の温度を検出するベース温度検出部と、前記ロータの温度に相当する物理量である温度相当量を検出するロータ温度検出部と、前記ロータ温度検出部の検出値が所定目標値範囲内となるように、前記加熱部による前記ポンプベース部の加熱を制御する加熱制御部とを備える真空ポンプの、監視装置であって、前記ベース温度検出部により経時的に検出された複数の温度に基づいて、前記ポンプベース部の温度が所定温度以下となるメンテナンス時期を推定する推定部と、推定された前記メンテナンス時期に基づくメンテナンス情報を出力する出力部とを備える。
さらに好ましい実施形態では、前記真空ポンプは、前記ロータの回転数を検出する回転数検出部と、前記モータのモータ電流値を検出する電流検出部とを有し、前記回転数の時間変化および前記モータ電流値に基づいて前記真空ポンプがガス流入状態か否かを判定する判定部を備え、前記推定部は、前記判定部によりガス流入状態と判定されているときに前記ベース温度検出部により検出された温度に基づいて推定を行う。
さらに好ましい実施形態では、前記ベース温度検出部により経時的に検出された複数の温度に関して、温度とその検出時刻とから成るデータセットのそれぞれをデータ記憶領域に記憶する記憶部を備え、前記推定部は、前記記憶部に記憶された複数の前記データセットに基づいて推定を行う。
さらに好ましい実施形態では、前記記憶部に記憶される前記データセットに対して、前記検出時刻がより新しいデータセットにより大きな重み付けを行うデータ処理部を備え、
前記推定部は、前記データ処理部により前記重み付けされたデータセットに基づいて推定を行う。
さらに好ましい実施形態では、前記データ処理部は、前記記憶部に記憶された複数のデータセットの数を減少させる平均化処理を行うと共に、前記平均化処理により生じる前記データ記憶領域の空き領域に新たなデータセットを記憶させる。
本発明の好ましい実施形態による真空ポンプは、ロータをポンプベース部に設けられたステータに対して回転駆動するモータと、前記ポンプベース部を加熱する加熱部と、前記ポンプベース部の温度を検出するベース温度検出部と、前記ロータの温度に相当する物理量である温度相当量を検出するロータ温度検出部と、上記のいずれか一項に記載の監視装置と、を備える。
本発明によれば、メンテナンス時期の推定精度の向上を図ることができる。
図1は、ポンプシステムの概略構成を示すブロック図である。 図2は、ポンプ本体の一例を示す断面図である。 図3は、ロータ温度Trおよびベース温度Tbの短時間における推移の一例を示す図である。 図4は、ロータ温度Trおよびベース温度Tbの長時間における推移の一例を示す図である。 図5は、半導体製造装置に装着された真空ポンプの短期的な稼働状態の一例を示す図である。 図6は、半導体製造装置に装着された真空ポンプの長期的な稼働状態の一例を示す図である。 図7は、メンテナンス時期を推定する処理の一例を示すフローチャートである。 図8は、近似曲線L11,L12,L13を示す図である。 図9は、間引き処理を説明する図である。
以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。
−第1の実施の形態−
図1は本発明の一実施の形態を説明する図であり、ポンプ本体1、コントロールユニット2および監視装置100を備えるポンプシステムの概略構成を示すブロック図である。また、図2はポンプ本体1の一例を示す断面図である。本実施の形態における真空ポンプは磁気軸受式のターボ分子ポンプであって、図2はポンプ本体1の概略構成を示す断面図である。なお、本実施形態は、ターボ分子ポンプに限らず他の真空ポンプにも適用することができる。
図2に示すように、ポンプ本体1は、回転翼41と固定翼31とで構成されるターボポンプ段と、円筒部42とステータ32とで構成されるネジ溝ポンプ段とを有している。ネジ溝ポンプ段においては、ステータ32または円筒部42にネジ溝が形成されている。回転翼41および円筒部42はポンプロータ4aに形成されている。ポンプロータ4aはシャフト4bに締結されている。ポンプロータ4aとシャフト4bとによって回転体ユニット4が構成される。
軸方向に配置された複数段の回転翼41に対して、複数段の固定翼31が交互に配置されている。各固定翼31は、スペーサリング33を介してベース3上に載置される。ポンプケーシング30をベース3にボルト固定すると、積層されたスペーサリング33がベース3とポンプケーシング30の係止部30aとの間に挟持され、固定翼31が位置決めされる。
シャフト4bは、ベース3に設けられた磁気軸受34,35,36によって非接触支持される。詳細な図示は省略したが、各磁気軸受34〜36は電磁石と変位センサとを備えている。変位センサによりシャフト4bの浮上位置が検出される。シャフト4b、すなわち回転体ユニット4の回転数(1秒当たりの回転数)は、回転センサ43によって検出される。
ベース3には、ステータ32を温度調整するためのヒータ5および冷却装置7が設けられている。図1に示す例では、冷却装置7として、冷媒が流通する流路が形成された冷却ブロックが設けられている。図示していないが、冷却装置7の冷媒流路には冷媒流入のオンオフを制御する電磁弁が設けられている。ベース3にはベース温度センサ6が設けられている。なお、図1に示す例では、ベース温度センサ6をベース3に設けているがステータ32に設けるようにしても良い。
また、ポンプロータ4aの温度はロータ温度センサ8によって検出される。上述したようにポンプロータ4aは磁気浮上されて高速回転するので、ロータ温度センサ8には非接触式の温度センサが用いられる。例えば、特開2006−194094号公報に記載のような、強磁性体ターゲットの透磁率がキュリー温度前後において大きく変化することを利用した非接触式の温度センサが用いられる。ロータ温度センサ8はインダクタンス式センサであって、ポンプロータ4aに設けられたターゲット9の透磁率の変化をインダクタンスの変化として検出する。ターゲット9は強磁性体で形成されている。なお、ロータ温度センサ8に対向するターゲット9はシャフト4bの位置に設けても良い。
図1に示すように、コントロールユニット2は、モータ制御部20、軸受制御部21、温度制御部22、取得部23、通信部24、計時部25、入力部26および電流検出部27を備えている。モータ10はモータ制御部20により制御され、電流検出部27においてモータ電流値Iが検出される。磁気軸受34〜36は軸受制御部21によって制御される。
温度制御部22は、ロータ温度センサ8により検出されたロータ温度Trと、入力部26に入力された所定温度T1とに基づいて、ヒータ5による加熱および冷却装置7による冷却を制御する。所定温度T1は、ロータ温度調整時のロータ温度の目標温度である。具体的には、ヒータ5のオンオフ制御、および冷却装置7の冷媒流入のオンオフ制御が行われる。なお、本実施の形態ではヒータ5と冷却装置7とを用いて温調を行うようにしたが、ヒータ5のオンオフのみで温調を行っても良い。
取得部23は、ベース温度センサ6により検出されたベース温度Tbを、計時部25の時刻情報に基づく所定のタイミングで取得する。取得部23は、ベース温度Tbとサンプリング時刻tとをデータのセット(Tb,t)として取得する。以下では、このセット(Tb,t)をベース温度データセットと呼ぶことにする。コントロールユニット2に設けられた通信部24からは、上述したベース温度データセット(Tb,t)、モータ電流値I、回転センサ43によって検出された回転数、真空ポンプの状態ステータス等が出力される。ここでは、状態ステータスとしてモータ運転状態(停止、加速、減速、定格回転)を考える。
監視装置100は、ベース温度データセット(Tb,t)に基づいて堆積物を除去するためのメンテナンス時期を報知するものである。監視装置100は、通信部101、データ処理部102、記憶部103、表示部104、推定部105、入力部107、出力部108を備える。通信部101には、コントロールユニット2の通信部24から、ベース温度データセット(Tb,t)、モータ電流値I、回転数、モータ運転状態(停止、加速、減速、定格回転)等が入力される。
データ処理部102は、入力されるデータに対して選択処理を行う選択部102aと、記憶部103に記憶されたデータに対して圧縮処理を行う圧縮部102bとを備えている。選択部102aは、モータ電流値Iおよび回転数の時間変化に基づいて、ポンプ本体1がガス流入状態か否かを判定する。そして、選択部102aは、判定結果に基づいて、逐次検出されるベース温度データセット(Tb,t)からガス流入状態におけるベース温度データセット(Tb,t)を選択する。
選択されたベース温度データセット(Tb,t)は記憶部103に記憶される。なお、記憶部103におけるベース温度データセット(Tb,t)に対する記憶容量は限りがあるので、新たに選択されたベース温度データセット(Tb,t)を記憶するために、圧縮部102bにより、既に記憶されているベース温度データセット(Tb,t)の間引き処理が行われる。間引き処理の詳細は後述する。
推定部105は、選択部102aによって選択されたベース温度データセット(Tb,t)に基づいて、ベース温度Tbが閾値である所定温度T2に達するまでの時期、すなわち、堆積物の除去が必要なメンテナンス時期を推定する。表示部104には、メンテナンス時期に関する警報が表示される。また、メンテナンス警報情報が出力部108から出力される。稼働可能時間を推定するための所定温度T2は、入力部107から入力される。
なお、所定温度T1,T2の入力方法としては、例えば、オペレータが入力部26,107に設けられた操作部を操作して手動で入力する構成とされる。また、上位のコントローラからの指令によって所定温度T1,T2を設定する構成であっても良い。なお、特に外部より設定されない場合は、T1,T2として予め記憶している標準的な値を適用する。
(温調動作の説明)
次に、温度制御部22による温調動作の一例を説明する。前述したように、エッチングプロセス等において排気を行った場合、生成物がポンプ内部に堆積しやすい。特に、ポンプ下流側のステータ32、円筒部42やベース3のガス流路に堆積しやすく、ステータ32および円筒部42への堆積が増大するとステータ32と円筒部42との隙間が堆積物によって狭まり、ステータ32と円筒部42とが接触したり固着したりすることがある。そのため、ヒータ5および冷却装置7を設けてベース部分の温度を高温に制御し、ステータ32、円筒部42やベース3のガス流路への生成物の堆積を抑制するようにしている。この温度調整動作については後述する。
ターボ分子ポンプのポンプロータ4aには一般的にアルミ材が用いられるので、ポンプロータ4aの温度(ロータ温度Tr)には、クリープ歪みに関するアルミ材特有の許容温度がある。ターボ分子ポンプにおいてはポンプロータ4aが高速回転されるので、高速回転状態においてはポンプロータ4aに高い遠心力が作用して高引張応力状態となる。そのような高引張応力状態においてポンプロータ4aの温度が許容温度(例えば、120℃)以上になると、永久歪みが増加するクリープ変形の速度が無視できなくなる。
許容温度以上で運転し続けると、ポンプロータ4aのクリープ歪みが増加してポンプロータ4aの各部の径寸法が増大し、円筒部42とステータ32との隙間や回転翼41と固定翼31との隙間が狭まり、それらが接触する可能性がある。このようなポンプロータ4aのクリープ歪みを考慮すると、許容温度以下で運転するのが好ましい。一方で、生成物の堆積を抑えて堆積物除去のメンテナンス間隔をより長期化するためには、温調によってベース温度Tbをより高く保持するのが好ましい。
本実施の形態では、ロータ温度センサ8で検出されたロータ温度Trが所定温度または所定温度範囲となるようにヒータ5および冷却装置7を制御することで、クリープ歪みによるポンプロータ4aの寿命の長寿命化を優先した適正温度に保ちつつ、生成物堆積に対するメンテナンス時間の長期化を図るようにしている。
図3は、ロータ温度Trが所定温度T1となるようにベース部の加熱および冷却(すなわち温調)を行った場合の、ロータ温度Trおよびベース温度Tbの短時間における推移の一例を示す図である。ここで短時間とは、数分から数時間の時間範囲を言う。
図3(a)はロータ温度Trの推移を示す図である。上述したように、所定温度T1は、ベース部の温調を行う際のロータ温度Trの制御目標温度である。図3(b)の曲線L21,L22,L23はベース温度Tbの推移を示している。曲線L21,L22,L23は排気するガス種が異なる。符号λ1,λ2,λ3はガスの熱伝導率を表しており、λ1>λ2>λ3の大小関係にある。
ポンプロータ4aはガス中を高速回転して排気するためガスとの摩擦で発熱する。一方で、ポンプロータ4aから固定翼、ステータへ放熱される熱量はガスの熱伝導率に依存し、ガスの熱伝導率が大きいほど放熱量も大きくなる。その結果、ガスの熱伝導率が小さい場合の方がポンプロータ4aからの放熱量が小さく、ロータ温度Trは高くなる。すなわち、同一のガス流量、同一のベース温度Tbに対して、ガスの熱伝導率が小さい場合ほどロータ温度Trが高くなる。
本実施の形態では、ロータ温度Trが所定温度T1となるようにベース部の加熱および冷却を制御しているので、ガスの熱伝導率が小さい場合ほどベース温度Tbが低くなる。図3(b)に示す例ではλ1>λ2>λ3なので、ベース温度Tbは熱伝導率λ3の曲線L23が最も低く、曲線L22、L21の順にロータ温度Trが高くなる。
所定温度T1が図2の入力部26に入力されると、入力部26から温度制御部22に所定温度T1が入力される。温度制御部22は、所定温度T1が入力されると、ヒータ5および冷却装置7のオンオフ制御を行うための目標上限温度TU(=T1+ΔT)および目標下限温度TL(=T1−ΔT)を、所定温度T1の上下に設定する。そして、入力された所定温度T1およびロータ温度Trに基づいて、ロータ温度Trが所定温度T1となるようにヒータ5および冷却装置7のオンオフを制御する。
図3(a)の時刻t1においてロータ温度Trが目標下限温度TLを上向きに越えたならば、温度制御部22はオン状態であったヒータ5をオフして加熱を停止する。ヒータ5によるベース部分の加熱を停止すると、ベース部(ステータ32)からポンプロータ4aへの熱移動量が小さくなって、ロータ温度Trの上昇率が小さくなる。その後、時刻t2においてロータ温度Trが目標上限温度TUを上向きに越えたならば、温度制御部22は冷却装置7をオンしてベース部の冷却を開始する。冷却によりステータ32の温度が低下すると、ポンプロータ4aからステータ32へ熱が移動し、冷却開始からしばらくするとロータ温度Trが低下し始める。
ロータ温度Trが低下し、時刻t3においてロータ温度Trが目標上限温度TUを下向きに越えたならば、温度制御部22は冷却装置7をオフする。その結果、円筒部42からステータ32への熱移動が減少し、ロータ温度Trの低下率が徐々に小さくなる。その後、時刻t4においてロータ温度Trが目標下限温度TLを下向きに越えたならば、温度制御部22はヒータ5をオンしてベース部の加熱を再開する。ヒータ加熱によりステータ32の温度が上昇するとステータ32から円筒部42へ熱が移動し、ロータ温度Trが上昇し始める。このように、ベース部の加熱、冷却によりベース3およびステータ32の温度が上昇、低下すると、それにつれてポンプロータ4aの温度(ロータ温度Tr)も上昇、低下する。
図4は、ロータ温度Trが所定温度T1となるようにベース部の加熱および冷却を行った場合のロータ温度Trおよびベース温度Tbの長時間における推移の一例を示す図である。ここでの長時間とは、数か月から数年の期間を指す。ヒータ5および冷却装置7によりベース部の温調を行うことで生成物堆積は抑制されるが、それでも徐々に堆積が進む。
ポンプ内に生成物が堆積してガス流路が狭くなるにつれて、タービン翼部の圧力が上昇してくる。タービン翼部の圧力が上昇すると、ロータ回転数を定格回転数に維持するのに必要なモータ電流が増加するとともに、ガス排気に伴う発熱が増加する。その結果、ロータ温度が上昇傾向となる。生成物堆積によりロータ温度Trが上昇傾向になると、ロータ温度Trが所定温度T1となるように温調を行っているのでベース部の加熱量が減少する。すなわち、生成物堆積の増加に伴ってベース温度Tbが低下する。
図4に示す例では、時刻t11にポンプを使用開始してからしばらくの間は、生成物の堆積量がロータ温度Trに影響を及ぼすほどの量でないため、ベース温度Tbはほぼ一定に保たれている。しかし、堆積量がある程度増加した時刻t12以後は、ロータ温度Trの上昇を抑えるためにベース加熱量が減少し、ベース温度が低下し始める。そして、時刻t13には、曲線L23で示すベース温度Tbが所定温度T2に達し、さらに時刻t14には運転可能下限温度Tminに達する。
図3,4において、Tmaxはターボ分子ポンプの運転可能上限温度であって、ロータ温度Trが運転可能上限温度Tmaxを越えるとポンプロータ4aのクリープ歪みが無視できなくなり寿命低下への影響が大きくなる。そのため、所定温度T1は、ロータ温度Trが運転可能上限温度Tmaxを越えないようにTU<Tmaxのように設定される。ロータ温度Trが運転可能上限温度Tmax以下であれば、クリープ歪みの影響が小さく、ポンプロータ4aのクリープ寿命を所定値以上に保持することができる。
しかしながら、所定温度T1を過度に低く設定すると、温調時のベース温度Tbが所定温度T2以下となってしまい、生成物の堆積量が増加してメンテナンス間隔が短くなってしまう。そのため、曲線L21,L22,L23のガスを使用することを想定した場合には、所定温度T1は、図4(b)に示すように、ベース温度Tbの曲線L21,L22,L23がポンプ稼働初期状態において所定温度T2よりも高温位置となるように設定するのが好ましい。
図3,4に示す例では、所定温度T1を設定する際の下限値である温度Taは、曲線L23のガスまでを想定した場合の値を示した。温度Taは、排気の可能性がある複数のガス種の内、熱伝導率が最も低いガス種のガス流量を定めて、ロータ温度Trが温度Taとなったときの曲線L23(ベース温度Tb)の位置が所定温度T2よりも高温側となるように設定されている。このように、温度Taは、ポンプ稼働初期時のベース温度Tbが所定温度T2を下回らないようにするための、ロータ温度Trの下限値である。
所定温度T1の下限値は、ベース温度Tbが所定温度T2を下回らないためのロータ温度Trの下限温度であり、図3(a)は所定温度T1を下限値に設定した場合を示す。一方、図3(a)の曲線L1’は、所定温度T1を上限値に設定した場合を示す。この場合、ロータ温度Trは運転可能上限温度Tmax以下に制御される。すなわち、所定温度T1は図3(a)の符号Aで示す範囲に設定される。曲線L1の温度変化幅を2ΔT1とした場合、温度範囲AはTa+ΔT1≦T1≦Tmax−ΔT1となる。
なお、予め想定したガス種よりも熱伝導率が低いガス種が排気される場合、あるいは、ガス種に関係なく標準的な所定温度T1に設定したとしても、結果的に初期状態からベース部温度が所定温度T2を下回ることがあり得るが、そのような場合には、改めて所定温度T1の値を下げる設定変更を行えば良い。
所定温度T1の設定方法としては、例えば、ロータ寿命を最優先とする値T1=Ta+ΔT1が所定温度T1の初期値として予め設定されていて、Ta+ΔT1≦T1≦Tmax−ΔT1の範囲の所望の値をユーザが入力部26から入力できる構成としても良い。ユーザは、ロータ寿命とメンテナンス期間とのどちらにどの程度のウェイトを付与するかに応じて所定温度T1を設定することができる。つまり、ロータ寿命とメンテナンス期間に対して適切なトレードオフをかけることができる。また、所定温度T2についても予め初期値が設定されていて、ユーザが所望の値を入力部107から入力できるような構成とする。この場合の所定温度T2の初期値としては、例えば、従来のベース温度に対して目標温度を設定して温調を行う場合の目標温度と同程度の温度が設定される。
また、所定温度T2として、生成物の昇華温度またはその近傍温度を用いても良い。ベース温度Tbが所定温度T2を下回ると、生成物の堆積速度が急速に速まる。運転可能下限温度Tminとしては、一例として、生成物の堆積が著しくなって円筒部42とステータ32との接触等の可能性が高くなるベース温度がある。ただし、そのようなベース温度を厳密に決定するのは難しく、プロセスの状況やポンプ状況によって大きく影響される。そのため、目安として、所定温度T2に対して、温度幅Bが10℃程度以下となるように設定される。もちろん、実際のプロセス条件で実験やシミュレーションを行って所定温度T2や運転可能下限温度Tminを決定しても構わない。
上述した図3,4では、プロセス中にける温度変化、すなわちポンプにガスが流入している状態での温度変化を例に説明した。しかし、実際に半導体製造装置に装着した状態においては、プロセスガスを排気する期間、ガス流入が無い期間、ポンプを停止する期間などが、長期間に亘って繰り返される。
図5,6は、半導体製造装置に装着された真空ポンプの稼働状態の一例を示す図である。図5は短期的(一週間程度)な状況を示したものであり、図6は数ヶ月に亘る長期的な状況を示したものである。図5,6のいずれにおいても、(a)はロータ回転数、(b)はモータ電流値I、(c)はロータ温度Tr、(d)はベース温度Tbを示す。なお、図5(a)のロータ回転数には、運転状態(静止、定格、減速、加速)も合わせて示した。
図5に示すように、プロセスガス排気はロータ回転数が定格回転時に行われる。モータ電流値Iのグラフにおいて、符号Cで示す部分ではモータ電流値Iが低下しているが、これは、プロセスと次のプロセスとの間ではガス流入が停止されるため、モータ負荷が減少しモータ電流値Iも低下する。また、符号Eで示す部分は、運転状態が加速から定格回転へと切り替わる点であり、このときもモータ電流値Iが大きく低下する。そのため、ロータ回転数がほぼ定格回転数となる定格回転状態であって、かつ、モータ電流値IがI≧Ithを満たす場合が、プロセスガス排気時すなわちポンプにガスが流入している状態であると判断することができる。
長期のトレンドを示す図6では、符号Fで示す期間は図5(a)の「静止」と示す期間に対応しており、その期間Fにおいてはモータ電流値I,ロータ温度Trおよびベース温度Tbが大きく低下している。また、時刻t12以後は、ベース温度Tbが徐々に低下している。これは、図4(b)の時刻t12以後の曲線L23で示すベース温度Tbの変化に対応しており、時刻t13において所定温度T2に達し、時刻t13以後は所定温度T2を下回っている。
なお、実行される一連のプロセスに図4(b)の曲線L21〜L23に対応する3つのプロセスが含まれる場合、実行されているプロセスに応じて検出されるベース温度Tbは曲線L21〜L23に挟まれる温度範囲のいずれかの温度となる。
(メンテナンス時期の推定)
本実施の形態では、ベース温度Tbが所定温度T2に到達する時刻t13を堆積物除去のメンテナンス時期とみなし、このメンテナンス時期を演算により推定する。例えば、時刻t20の時点においては、時刻t20までに検出された複数のベース温度Tbに基づいて、時刻t20以後のベース温度Tbの変化を予測し、Tb=T2となる時刻を推定する。
図7は、監視装置100で行われるメンテナンス時期を推定する処理の一例を示すフローチャートである。ステップS10からステップS30までは真空ポンプがプロセスガス排気か否かを判定するための処理である。
半導体装置におけるプロセス処理は、プロセスチャンバ内の圧力が安定した状態で行われる。プロセスチャンバ内へのプロセスガス流入は、真空ポンプが定格回転状態となった後に行われる。ガス流入開始に伴ってモータ負荷が増加するので、ガス流入開始直後は回転数が一旦低下し、その後、回転数が上昇して定格回転数に落ち着く。また、図5に示したように、プロセスガス排気中のモータ電流値Iは閾値Ithよりも大きくなっている。
そのため、プロセスガス排気中か否かは、状態ステータスが定格回転、回転数Nの時間変化ΔNが所定の閾値ΔNth以下、モータ電流値IがI≧Ithという、3つの条件が満足されるか否かで判定できる。閾値Ithおよび閾値ΔNthは、プロセスガス排気中か否かを判定するための条件であり、予め設定されている。所定の閾値ΔNthとしては、例えば、ΔNth=100[rpm/min]のように設定される。
(ステップS10)
ステップS10では、真空ポンプの回転状態に関する状態ステータスが定格回転か否かを判定する。この状態ステータスは、コントロールユニット2から入力される。
(ステップS20)
ステップS20では、回転センサ43により検出されたロータ回転数に関して、回転数Nの時間変化ΔNが所定の閾値ΔNth以下か否かを判定する。
(ステップS30)
ステップS30では、電流検出部27で検出されたモータ電流値IがI≧Ithか否かを判定する。
(ステップS40)
ステップS10,S20,S30の全てにおいてyesと判定されると、ステップS40においてデータセットDn(tn,Tbn)が取得され。取得されたデータセットDn(tn,Tbn)は、記憶部103に記憶される。一方、ステップS10,S20,S30のいずれかでnoと判定されると、ステップS10へ戻る。
データセットDn(tn,Tbn)は、ベース温度Tbとその温度が検出された時刻tとで構成される。なお、データセットDn(tn,Tbn)の初期値D0(t0,Tb0)は、図4,5のポンプ稼働開始時に取得されるデータセットである。記憶部103には、データセットのデータ記憶領域として、初期値D0(t0,Tb0)と、それ以外のデータセットDn(tn,Tbn)の1000データとを記憶する1001データ分のデータ記憶領域が確保されている。
(ステップS50)
ステップS50では、初期値D0(t0,Tb0)を除くデータ取得数が1000となったか否かを判定し、データ取得数nが1000未満の場合にはステップS10へ戻り、データ取得数nが1000になったならばステップS60へ進む。
(ステップS60)
ステップS60では、記憶部103に記憶されているデータセットD0(t0,Tb0),D1(t1,Tb1)〜D1000(t1000,Tb1000)に基づいて、ベース温度Tbの変化を予測する近似式を推定部105において算出する。ここでは、近似式として1次式、2次式および3次式の3種類について算出するが、これらに限定されるものではない。1次式、2次式および3次式の基本式を次式(1)〜(3)のように設定し、最小二乗法を適用した演算処理で各係数値を求める。
Tb=b1・t+a1 …(1)
Tb=c2・t+b2・t+a2 …(2)
Tb=d3・t+c3・t+b3・t+a3 …(3)
(ステップS70)
ステップS70では、ステップS60で算出された近似式を用いて、ベース温度Tbが所定温度T2となる時刻t13を求める外挿演算処理を行う。すなわち、近似式で表されるベース温度曲線が所定温度T2のラインと交差する点を、例えば2分法を適用して求める。図6に示すように、演算が行われる現在の時刻をt20とすると、ベース温度Tbが所定温度T2となるまでの稼働可能時間はt13−t20となる。
(ステップS80)
ステップS80では、上述した稼働可能時間を、メンテナンスの時期を示すメンテナンス情報として表示部104に表示すると共に、そのメンテナンス情報を出力部108から稼働可能時間の情報を出力する。なお、稼働可能時間を表示および出力する代わりに、時刻t21,t22,t23をメンテナンス情報として表示および出力するようにしても良い。表示部104の表示例としては、例えば、後述する図8に示すような近似曲線L11〜L13と、時刻t21〜t23および所定温度T2などを表示する。
(ステップS90)
次いで、ステップS90では記憶部103に記憶されている1000組のデータセットD1(t1,Tb1)〜D1000(t1000,Tb1000)を500組に間引く間引き処理が、圧縮部102bにおいて実行される。この間引き処理により、記憶部103に記憶されているデータセットは初期値D0(t0,Tb0)を除いて500組となり、500組分の空き領域がデータ記憶領域に生じる。間引き処理の詳細は後述する。
ステップS90の間引き処理が完了すると、間引き処理により生じた空き領域に新たな500組のデータセットを蓄積するためにステップ10へ戻る。このように、1001組のデータセットが揃う毎に近似式演算が行われ、ベース温度Tbが所定温度T2となる時刻t13が算出される。
(近似曲線)
図8は、ベース温度曲線Lと、ベース温度Tbを時刻t12までのデータセットに基づいて1次式、2次式および3次式で推定した場合の近似曲線L11,L12,L13とを模式的に示したものである。ベース温度曲線Lはサンプリングされたベース温度Tb(離散値)を連続曲線で表示したものであり、図8に示す例では、ベース温度曲線Lは時刻t13において所定温度T2のラインと交差している。
一方、近似曲線L11,L12,L13は、時刻t20において、時刻t20以前のベース温度データセットに基づいて算出されたベース温度Tbの近似曲線である。近似曲線L11,L12,L13は、所定温度T2のラインと点P1,P2,P3でそれぞれ交差している。
例えば、近似曲線L11を用いてベース温度TbがT2となる時刻を推定すると時刻t21となる。そのため、現時点(時刻t20)からの稼働可能時間は(t21−t20)となる。同様に、近似曲線L12を用いた場合には時刻t22に所定温度T2に達するので、稼働可能時間は(t22−t20)と推定され、近似曲線L13を用いた場合には時刻t23に所定温度T2に達し、稼働可能時間は(t23−t20)と推定される。
なお、過去よりも現在側に重み付けするように、現在値(時刻t20のデータセット)近傍を通過する条件を付け加えても良い。また、初期値D0(t0,Tb0)と現在値D(t20,Tbt20)とを通る直線で近似して、記憶容量の低減および演算処理の軽減を図るようにしても良い。この場合の近似式は、次式(4)のように表される。ただし、b=(Tbt20−Tb0)/(t20−t0)、a=Tb0である。
Tb=b・(t−t0)+a …(4)
(間引き処理)
間引き処理の一例を説明する。通信部101には、コントロールユニット2の通信部24から、データセットDn(tn,Tbn)が所定サンプリング間隔Δtで入力される。このデータセットDn(tn,Tbn)には、プロセスガス排気中でないものも含まれているが、ここでは説明を簡単にするために、サンプリングされたデータセットDn(tn,Tbn)は全てプロセスガス排気中のものであるとする。
最初に、初期値D0(t0,Tb0)および1000組のデータセットD1(Δt,Tb1)、D2(2Δt,Tb2)、D3(3Δt,Tb3)、D4(4Δt,Tb4)、・・・、D999(999Δt,Tb999)、D1000(1000Δt,Tb1000)が記憶部103に蓄積される。この内、1000組のデータセットD1(Δt,Tb1)〜D1000(1000Δt,Tb1000)を間引いて、500組のデータセットD1((3/2)Δt,(Tb1+Tb2)/2)、D2((7/2)Δt,(Tb3+Tb4)/2)、・・・、D499((1995/2)Δt,(Tb997+Tb998)/2)、D500((1999/2)Δt,(Tb999+Tb1000)/2)を生成する。
なお、ここでは、前後2つのデータセットに対してベース温度Tbの平均値を求め、その平均値を前後2つのデータセットの中間時刻におけるベース温度とすることで、間引き処理を行った。ただし、この間引き処理は一例であって、種々の間引き処理が可能である。例えば、ここではサンプリング間隔Δtを一定としたケースを説明したが、サンプリング間隔が一定でなくても良い。
上述した1001組のデータセットを用いて近似式を算出した後に、新たな500組のデータセットが記憶部103に蓄積される。そのため、新たな500組のデータセットの1番目のもののサンプリング時刻は、上述した1000組目のデータセットD1000(1000Δt,Tb1000)のサンプリング時刻=1000Δtから近似式演算に要する時間を経た後にサンプリングされたデータセットとなる。ここでは、近似式演算に要する時間を省略し、新たな500組のデータセットの1番目のサンプリング時刻は1000Δt+Δt=1001Δtであるとして説明する。すなわち、新たな500組のデータセットD1001(1001Δt,Tb1001)、D1002(1002Δt,Tb1002)、・・・、D1500(1500Δt,Tb1500)が記憶部103に蓄積される。
その結果、記憶部103には、初期値D0(t0,Tb0)と1000組のデータセットが蓄積されたことになる。そして、この1001組のデータセットを用いて、ステップS60の近似式の算出が行われる。そして、ステップS90の間引き処理では、上述した1000組のデータセットD1((3/2)Δt,(Tb1+Tb2)/2)、D2((7/2)Δt,(Tb3+Tb4)/2)、・・・、D499((1995/2)Δt,(Tb997+Tb998)/2)、D500((1999/2)Δt,(Tb999+Tb1000)/2)、D1001(1001Δt,Tb1001)、D1002(1002Δt,Tb1002)、・・・、D1500(1500Δt,Tb1500)に対して、間引き処理が行われる。
図9は、間引き処理を説明する図である。図9では、記憶部103のデータ記憶領域に、21組のデータセット、すなわち初期値D0(t0,Tb0)および20組のデータセットDn(tn,Tbn)が記憶可能である場合を例に図示した。図9において、黒丸がデータセットを表しており、横軸はサンプリング時刻を表している。また、黒丸の下に表示した数字は、データセットDn(tn,Tbn)の内の何組目かを示すものである。図9では、図示下側から上側に向かって順に、1回目の近似式算出用のデータセットから4回目の近似式算出用のデータセットまでが記載されている。
1回目の近似式演算では、Δt間隔でサンプリングされた初期値D0(t0,Tb0)を含む21のデータセットを用いて近似式が算出される。そして、初期値D0(t0,Tb0)を除く20個のデータセットに対して間引き処理が行われる。その結果、21個のデータセットは11個のデータセットとなり、記憶部103には10データセット分の空き領域が生じる。この空いたデータ記憶領域に10個のデータセットが新たに蓄積される。
2回目の近似式演算では、初期値D0(t0,Tb0)と間引き処理により生成された10個のデータセットと新たに蓄積された10個のデータセットとに基づいて、近似式が算出される。その後、初期値D0(t0,Tb0)を除く20個のデータセットに対して間引き処理が行われ、記憶部103のデータ記憶領域に10データセット分の空き領域が確保される。この空き領域に、新たな10個のデータセットが蓄積される。さらに、図9の3回目および4回目も、2回目と同様の処理が行われる
(A)以上説明したように、本実施の形態においては、真空ポンプは、ベース3に設けられた固定翼31およびステータ32と、固定翼31およびステータ32に対して回転駆動されるポンプロータ4aと、ベース3を加熱する加熱部としてのヒータ5と、ベース3の温度を検出するベース温度検出部としてのベース温度センサ6と、ポンプロータ4aの温度に相当する物理量である温度相当量としての透磁率変化量を検出するロータ温度センサ8と、ロータ温度センサ8の検出値が所定目標値範囲内となるようにヒータ5によるベース3の加熱を制御する加熱制御部としての温度制御部22とを備える。この真空ポンプの監視装置100は、経時的に検出された複数のベース温度Tbに基づいて、ベース温度Tbが所定温度T2に達する時期(図8の時刻t21,t22,t23)を推定する推定部105と、推定された時期に基づくメンテナンス情報(例えば、時刻t21や稼働可能時間t21−t20)を出力する表示部104や出力部108とを備える。
このように、実際に計測されたベース温度Tbに基づいて、ベース温度Tbが所定温度T2に達する時期(時刻t21〜t23)を推定しているので、いずれのプロセスが行われているかには関係なく、メンテナンスが必要な時期を精度良く推定することができる。例えば、曲線L21のプロセスが行われている場合には、曲線L21に示すようにベース温度Tbは変化し、その後、曲線L23のプロセスに変更されると、ベース温度Tbは曲線L23へ向かって変化するようになる。曲線L23は曲線L21よりもベース温度Tbが低めになるので、推定されるメンテナンス時期も前倒しされ、稼働可能時間も短くなる。
一方、特許文献1の場合のようにモータ電流値の初期値からの変化で堆積を予測する方法の場合、プロセスが変更されてもガス流量に変化がなければモータ電流値もほぼ変化しない。そのため、推定されるメンテナンス時期はプロセス変更前後でほぼ変化しないことになり、たとえプロセス中のデータのみを検出できて条件が良かったとしても、実際のメンテナンス時期よりも長めに推定されてしまうことになる。
また、本実施の形態では、図3,4に示すようにロータ温度センサ8の検出値(ロータ温度Tr)が所定目標値範囲内となるように制御されるので、ロータクリープ寿命の予測が容易に可能である。さらに、ロータ温度Trを最適な上限温度近傍とすることが可能となり、それに応じてベース温度Tbを可能な限り高温とすることができるので、堆積に対する稼働可能時間を長くすることができる。
(B)さらに、データ処理部102の選択部102aは、回転数の時間変化ΔNおよびモータ電流値Iに基づいて真空ポンプがガス流入状態か否かを判定し、ガス流入状態にサンプリングされたベース温度データセットを記憶部103に記憶させる。推定部105は、記憶部103に記憶されているデータセット、すなわちガス流入状態と判定されているときにサンプリングされたベース温度データセットに基づいて、ポンプベース温度が閾値に達する時期を推定するようにしても良い。
このように、同一条件のポンプ排気状態において取得されたベース温度Tbに基づいて近似演算を行うことで、演算精度をより向上させることができる。また、堆積物によるベース温度Tbの低下への影響は、真空ポンプにガスが流れていない状態よりも流れている状態の方が顕著に表れる。そのため、ガスが流れているときにサンプリングされたベース温度Tbを用いることで、堆積物の影響をより正確に把握することができる。
(C)また、ポンプベース温度とそのサンプリング時刻とから成るベース温度データセットD0〜D1000を記憶部103に記憶し、その記憶したベース温度データセットD0〜D1000に基づいて、ベース温度Tbが閾値(所定温度T2)に達する時期を推定する構成において、データ処理部102は、サンプリング時刻がより新しいベース温度データセットにより大きな重み付けを行う処理を行う。そして、推定部105は、前記重み付けされたベース温度データセットに基づいて推定を行うようにしても良い。
ところで、ベース温度Tbの低下は堆積物の量が大きくなるほど大きくなるが、堆積物の量に比例するわけでなく、一般的に、堆積物の量が大きくなるに従って低下の度合いも大きくなる。そのため、現在よりも将来のベース温度の変化を推定する場合、長期間にわたって取得されたベース温度データを等しい重み付けで用いるよりは、現在に近い時刻にサンプリングされたベース温度をより重視して近似計算を行う方が、推定精度が高くなる。そのため、サンプリング時刻がより新しいベース温度データセットにより大きな重み付けを行う処理を行うことで、ベース温度の推定精度の向上を図ることができる。
例えば、図9に示したような間引き処理を行うと、記憶部103に記憶されたベース温度データセットは、間引き処理を繰り返すたびに遠い過去に取得されたベース温度データセットの数が減少して行くのが分かる。そして、記憶部103に記憶されている複数のベース温度データセットの内のほぼ半分が、直近に取得されたベース温度データセットになっている。すなわち、図9に示すような間引き処理を行うことにより、サンプリング時刻がより新しいベース温度データセットにより大きな重み付けが行われたことになる。
また、上述のような間引き処理を行うことで、近似精度を高めつつデータ記憶容量を低く抑えることができる。
上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。例えば、上述した実施形態では監視装置100を個別設けたが、監視装置100をコントロールユニット2に設けても良い。また、監視装置100の機能の内、一部機能のみをコントローラユニット2に設けても良い。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。
1…ポンプ本体、2…コントロールユニット、5…ヒータ、6…ベース温度センサ、7…冷却装置、8…ロータ温度センサ、10…モータ、22…温度制御部、23…取得部、24…通信部、27…電流検出部、43…回転センサ、100…監視装置、101…通信部、102…データ処理部、102a…選択部、102b…圧縮部、103…記憶部、104…表示部、105…推定部、108…出力部

Claims (6)

  1. ロータをポンプベース部に設けられたステータに対して回転駆動するモータと、
    前記ポンプベース部を加熱する加熱部と、
    前記ポンプベース部の温度を検出するベース温度検出部と、
    前記ロータの温度に相当する物理量である温度相当量を検出するロータ温度検出部と、
    前記ロータ温度検出部の検出値が所定目標値範囲内となるように、前記加熱部による前記ポンプベース部の加熱を制御する加熱制御部とを備える真空ポンプの、監視装置であって、
    前記ベース温度検出部により経時的に検出された複数の温度に基づいて、前記ポンプベース部の温度が所定温度以下となるメンテナンス時期を推定する推定部と、
    推定された前記メンテナンス時期に基づくメンテナンス情報を出力する出力部とを備える、監視装置。
  2. 請求項1に記載の監視装置において、
    前記真空ポンプは、前記ロータの回転数を検出する回転数検出部と、前記モータのモータ電流値を検出する電流検出部とを有し、
    前記回転数の時間変化および前記モータ電流値に基づいて前記真空ポンプがガス流入状態か否かを判定する判定部を備え、
    前記推定部は、前記判定部によりガス流入状態と判定されているときに前記ベース温度検出部により検出された温度に基づいて推定を行う、監視装置。
  3. 請求項1または2に記載の監視装置において、
    前記ベース温度検出部により経時的に検出された複数の温度に関して、温度とその検出時刻とから成るデータセットのそれぞれをデータ記憶領域に記憶する記憶部を備え、
    前記推定部は、前記記憶部に記憶された複数の前記データセットに基づいて推定を行う、監視装置。
  4. 請求項3に記載の監視装置において、
    前記記憶部に記憶される前記データセットに対して、前記検出時刻がより新しいデータセットにより大きな重み付けを行うデータ処理部を備え、
    前記推定部は、前記データ処理部により前記重み付けされたデータセットに基づいて推定を行う、監視装置。
  5. 請求項4に記載の監視装置において、
    前記データ処理部は、前記記憶部に記憶された複数のデータセットの数を減少させる平均化処理を行うと共に、前記平均化処理により生じる前記データ記憶領域の空き領域に新たなデータセットを記憶させる、監視装置。
  6. ロータをポンプベース部に設けられたステータに対して回転駆動するモータと、
    前記ポンプベース部を加熱する加熱部と、
    前記ポンプベース部の温度を検出するベース温度検出部と、
    前記ロータの温度に相当する物理量である温度相当量を検出するロータ温度検出部と、
    請求項1から請求項5までのいずれか一項に記載の監視装置と、を備える真空ポンプ。
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