JP6729406B2

JP6729406B2 - 真空バルブ、および真空ポンプ

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Publication number: JP6729406B2
Application number: JP2017003448A
Authority: JP
Inventors: 中村　雅哉; 雅哉中村; 小崎　純一郎; 純一郎小崎; 敦夫中谷; 伸幸平田
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2017-01-12
Filing date: 2017-01-12
Publication date: 2020-07-22
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Also published as: CN108302049B; CN108302049A; US20180195519A1; JP2018112264A; US10400775B2

Description

本発明は、真空バルブ、およびその真空バルブに装着される真空ポンプに関する。

半導体、フラットパネルディスプレイおよびタッチスクリーン等を製造するための真空処理装置（成膜装置やエッチング装置等）においては、プロセスガスの供給量を制御しながら成膜処理やエッチング処理等が行われる。そのような真空処理装置では、プロセスチャンバと真空ポンプとの間にコンダクタンス可変な真空バルブが設けられている。その真空バルブのコンダクタンスを調整することで、プロセスチャンバの圧力調整が行われる。

コンダクタンス可変な真空バルブは、一般に、弁体の開度を変えることでコンダクタンスを変更している（例えば、特許文献１参照）。また、弁体は完全に閉じることも可能であって、全閉状態と全開状態との間で動作させて、ゲートバルブのように使用することもできる。

特開２０１０−１３５３７１号公報

ところで、プロセス中に停電が生じた場合、危険回避処理を行う必要がある。例えば、可燃性ガスを使用するプロセスの場合、停電時は真空バルブを開状態にして、プロセスチャンバ内に可燃性ガスが溜まってしまうのを防止する。また、有毒なガスを使用するプロセスの場合、停電時には真空バルブを全閉状態にし、プロセスチャンバ内に有毒ガスを閉じ込めることで危険を回避する。

しかしながら、このような危険回避処理を行うためにはバックアップ電源が必要となり、真空バルブのコストアップ要因となる。

本発明の好ましい実施形態による真空バルブは、停電時に回生電力を生成して停止動作を行う真空ポンプが装着可能であって、前記真空ポンプのコントロールユニットとは別の筐体に設けられたバルブ制御部を備える真空バルブであって、前記バルブ制御部の筐体に設けられ、商用電源からの電力が供給される第１の電力入力部と、前記筐体に設けられ、前記真空ポンプで生成された前記回生電力が供給される第２の電力入力部と、前記第１および第２の電力入力部に入力された電力がそれぞれ供給されるバルブ電源回路と、を備え、前記第１の電力入力部に前記商用電源からの電力が供給されている時にはその電力により動作し、前記商用電源からの電力が停止した時には前記回生電力により動作する。
さらに好ましい実施形態では、前記第１の電力入力部から入力された電力が前記第２の電力入力部に逆流するのを防止すると共に、前記第２の電力入力部から入力された電力が前記第１の電力入力部に逆流するのを防止する逆流防止回路を備える。
さらに好ましい実施形態では、前記回生電力による動作時には、前記商用電源からの電力による動作時よりも低電力で動作する。
さらに好ましい実施形態では、前記真空ポンプはポンプロータを磁気浮上支持する磁気軸受を備え、前記回生電力から前記磁気軸受の消費電力を差し引いた余剰電力の範囲で、前記真空バルブの危険回避動作を実行する。
さらに好ましい実施形態では、前記第２の電力入力部に入力される回生電力の電圧は、前記第１の電力入力部に入力される商用電源からの電力の電圧よりも低く設定されている。
さらに好ましい実施形態では、前記回生電力の電圧を前記バルブ電源回路の入力電圧に変換する変換部を備える。
本発明の好ましい実施形態による真空ポンプは、停電時にポンプロータが設けられた回転体の回転エネルギーを電力に変換し、回生電力を生成する回生電力生成部と、前記回生電力の電圧を前記バルブ電源回路の入力電圧に変換して、前記真空バルブの前記第２の電力入力部へ供給する変換部と、を備える。
本発明の好ましい実施形態による真空ポンプは、停電時にポンプロータが設けられた回転体の回転エネルギーを電力に変換し、回生電力を生成する回生電力生成部と、前記回生電力を前記真空バルブの前記第２の電力入力部へ供給する供給部と、を備える。
さらに好ましい実施形態では、前記変換部は、前記第２の電力入力部へ入力する回生電力の電圧を、前記第１の電力入力部に入力される商用電源からの電力の電圧よりも低い電圧に変換する。

本発明によれば、バックアップ電源が無くても、停電時における真空バルブの危険回避処理を行うことができる。

図１は、本発明に係る真空バルブを備える真空システムの一例を示す図である。図２は、真空ポンプの概略構成を示すブロック図である。図３は、真空バルブにおけるバルブ駆動部およびバルブ制御部のブロック図である。図４は、第２の実施の形態における真空ポンプの概略構成を示すブロック図である。図５は、第２の実施の形態におけるバルブ駆動部およびバルブ制御部の概略構成を示すブロック図である。図６は、真空バルブに停電対策用のバックアップ電源を設けた場合のバルブ制御部の一例を示すブロック図である。

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、本発明に係る真空バルブを備える真空システムの一例を示す図である。３は、真空処理装置のプロセスチャンバである。プロセスチャンバ３には真空バルブ１を介して真空ポンプ２が装着されている。一般的に、真空処理装置の真空ポンプとしてはターボ分子ポンプを用いる場合が多く、本実施形態における真空ポンプ２もターボ分子ポンプであるとして説明する。

真空バルブ１は、弁体１１が駆動されることによってバルブコンダクタンスが変化する。弁体１１は、バルブ駆動部１２に設けられた弁体モータ１２１によって開閉駆動される。バルブ駆動部１２はバルブ制御部１３によって制御される。真空ポンプ２は、真空排気を行うポンプ本体２１と、ポンプ本体２１を制御するコントロールユニット２２を備えている。

ポンプ本体２１とコントロールユニット２２とは、ケーブル３０によって接続されている。また、コントロールユニット２２と、真空バルブ１のバルブ制御部１３とは、ケーブル３１によって接続されている。ケーブル３１は、真空ポンプ２で生成した回生電力を真空バルブ１に供給するために設けられたものである。

図２は、真空ポンプ２の概略構成を示すブロック図である。ポンプ本体２１は、固定翼（図示せず）と、その固定翼と共にターボポンプ段を構成する回転翼が形成されたポンプロータ２１０と、ポンプロータ２１０が固定される回転軸２１４と、ポンプロータ２１０および回転軸２１４から成る回転体Ｒを高速回転駆動するモータ２１２と、回転軸２１４を非接触支持する磁気軸受２１１と、非通電時に回転軸２１４を支持する保護ベアリング２１３等を備えている。

コントロールユニット２２には、商用電源４からの交流電力が供給される。入力された交流電力は、ＡＣ／ＤＣコンバータ２２０により直流電力に電力変換される。ＡＣ／ＤＣコンバータ２２０の出力側の直流ラインには、３相インバータ２２４が接続されている。３相インバータ２２４は、ＡＣ／ＤＣコンバータ２２０から供給された直流電力を交流電力に変換して、モータ２１２を駆動する。３相インバータ２２４は、モータ２１２の回転に必要な周波数の交流電力が出力されるように、インバータ制御部２２５によって制御される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２２７ａは、直流ラインからの直流電力の電圧を降圧してインバータ制御部２２５および磁気軸受制御部２２６に供給する。磁気軸受制御部２２６は、ポンプ本体２１に設けられた磁気軸受２１１に駆動電力を供給する。磁気軸受２１１には、回転軸２１４の変位を検出する変位センサ（不図示）が設けられている。磁気軸受制御部２２６は、回転軸２１４が所望の位置に非接触支持されるように、変位センサの検出情報に基づいて磁気軸受２１１の駆動電力を制御する。

ポンプ本体２１を停止する際には、３相インバータ２２４を回生制御し、回生ブレーキにより回転軸２１４の回転減速を行わせる。そのため、直流ラインには、ブレーキ抵抗２２２とスイッチ素子（トランジスタ）２２３との直列回路が３相インバータ２２４に対して並列に設けられている。スイッチ素子２２３のオンオフは、インバータ制御部２２５によって制御される。回生ブレーキ時には、スイッチ素子２２３がオンされ、回生電力がブレーキ抵抗２２２によって消費される。直流ラインには回生電力逆流防止用のダイオード２２１が設けられている。

また、真空ポンプ２においては、停電等によって商用電源４からの電力供給が停止した場合には、回生電力がＤＣ／ＤＣコンバータ２２７ａに入力される。その結果、インバータ制御部２２５および磁気軸受制御部２２６は回生電力によって動作し、回生電力によって回転軸２１４の磁気浮上が維持される。３相インバータ２２４および磁気軸受制御部２２６は、インターフェースパネル２２８を介してモータ２１２および磁気軸受２１１に接続される。なお、回生電力をインバータ制御部２２５および磁気軸受制御部２２６に供給する際には、スイッチ素子２２３はオフされる。

本実施の形態では、回生電力を真空バルブ１に供給するために、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２７ｂを備えている。一般に、回生電力の電圧は真空バルブ１側で要求される供給電圧と異なる、例えば、回生電力の電圧はＤＣ１２０Ｖとされ、真空バルブ１側の電圧はＤＣ２４Ｖとされる。そのため、回生電力の電圧を、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２７ｂを用いて真空バルブ１側で要求される電圧に変換する。ＤＣ／ＤＣコンバータ２２７ｂから出力された回生電力はコントロールユニット２２に設けられた出力端子２２９から出力される。出力端子２２９には、図１に示したケーブル３１が接続される。

図３は、真空バルブ１のバルブ駆動部１２およびバルブ制御部１３のブロック図である。バルブ駆動部１２には、弁体１１（図１参照）を開閉駆動するための弁体モータ１２１が設けられている。弁体１１の駆動位置は、位置検出器１２２によって検出される。位置検出器１２２としては、例えば、弁体モータ１２１の回転量を検出するエンコーダが用いられる。弁体モータ１２１の回転量から、弁体１１の位置を求めることができる。

バルブ制御部１３に設けられた制御部１３１には、通信部１３２を介して駆動指令が入力される。図３に示す例では、インターフェースパネル１３３に設けられたリモート端子１３４に接続された操作ユニット５から駆動指令が入力される。また、バルブ制御部１３に設けられた操作部１３５を手動操作することで、制御部１３１に駆動指令を入力することができる。制御部１３１は、入力された駆動指令に基づく制御信号を弁体駆動部１３７に出力する。弁体駆動部１３７は、制御部１３１からの制御信号に基づいて弁体モータ１２１を駆動する。表示部１３６には、真空バルブの状態や設定等が表示される。

バルブ制御部１３のインターフェースパネル１３３には、バルブ制御部１３にＤＣ電力を供給するための端子１３８，１３９が設けられている。端子１３８には、ＤＣ電源が接続される。例えば、真空処理装置において商用電源をＡＣ／ＤＣ変換したものがＤＣ電源として用いられる。一方、端子１３９にはケーブル３１が接続され、図２に示したコントロールユニット２２からの回生電力が供給される。

端子１３８を介して入力されたＤＣ電力は、逆流防止用のダイオード１４１を介して電源供給部１４０に入力される。端子１３９を介して入力された回生電力は、逆流防止用のダイオード１４２を介して電源供給部１４０に入力される。電源供給部１４０は、バルブ制御部１３およびバルブ駆動部１２の各部に電源を供給する。通常時は、端子１３８にＤＣ電源からの電力が供給され、ダイオード１４２はＤＣ電源からの電流が端子１３９側に逆流するのを防止する。停電時は、端子１３９に回生電力が供給され、ダイオード１４１は回生電力による電流が端子１３８側に逆流するのを防止する。

図６は、従来のように、真空バルブ１に停電対策用のバックアップ電源６を設けた場合の、バルブ制御部１３の一例を示したものである。この場合、ＤＣ電源からの電力はバックアップ電源６を介して電源供給部１４０に供給される。通常、真空バルブ１は外部から供給されたＤＣ電力により動作するが、停電等によってＤＣ電源からの入力が停止すると、バックアップ電源６の電力により危険回避動作を行う。なお、危険回避動作は、例えば、真空処理装置側の制御部から停電情報が入力されることによって開始される。

一方、本実施の形態では、商用電源からの電力が供給される電力入力部である端子１３８と、真空ポンプ２で生成された回生電力が供給される電力入力部である端子１３９と、端子１３８，１３９からの電力がそれぞれ入力されるバルブ電源回路である電源供給部１４０を備え、真空バルブ１は、端子１３８に商用電源からの電力が供給されている時にはその電力により動作し、商用電源からの電力が停止した時には回生電力により動作する。そのため、停電時には、真空ポンプ２で生成された回生電力を利用して、真空バルブ１の危険回避動作を行わせることができる。このような構成とすることで、停電対策用のバックアップ電源を真空バルブ１に備える必要がなく、コスト低減を図ることができる。

また、バックアップ電源６には二次電池や電気二重層キャパシタ等が使用されるが、これらは寿命得品であるため定期的なメンテナンスも必要となる。しかし、本実施の形態の真空バルブ１では、そのような問題が生じない。

さらに、図３に示すように逆流防止回路としてのダイオード１４１，１４２を備えることで、端子１３８から入力された電力が端子１３９に逆流するのを防止すると共に、端子１３９から入力された電力が端子１３８に逆流するのを防止することができる。

さらにまた、回生電力による動作時（危険回避動作時）には、真空バルブ１は、商用電源からの電力による動作時よりも低電力で動作するのが好ましい。なぜならば、真空ポンプ２において生成される回生電力は、磁気軸受２１１による磁気浮上を維持させるために用いられる。そのため、磁気軸受２１１による磁気浮上を阻害しないように、真空バルブ１における危険回避動作は、発生された回生電力から磁気軸受２１１の消費電力を差し引いた余剰電力の範囲で行われる必要がある。そこで、真空バルブ１における危険回避動作においては、回生電力の使用量を低く抑えるために、弁体１１の駆動速度を通常時よりも低速としたり、間欠的に動作させたりするのが好ましい。

なお、上述した説明では、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２７ｂは回生電力の電圧をＤＣ電源と同じ電圧（例えば、ＤＣ２４Ｖ）に変換する構成とした。しかし、これに限らず、ＤＣ電源の電圧よりも若干低い電圧（例えば、ＤＣ２３Ｖ）に変換するような構成としても良い。そうすることで、端子１３８，１３９の両方から電力供給された場合においても、真空バルブ１はＤＣ電源からの電力によって動作する。例えば、真空ポンプ２側の不具合でポンプ停止状態になった場合でも回生電力が端子１３８に供給されるが、上述のような構成とすると、真空バルブ１側で回生電力が消費されない。そのため、真空ポンプ２は、回生電力によって確実に磁気浮上を維持することができる。

−第２の実施の形態−
本発明の第２の実施の形態について、図４，５を参照して説明する。図４は、第２の実施の形態における真空ポンプ２の概略構成を示すブロック図であり、第１の実施の形態の図２に対応する図である。

図４に示す真空ポンプ２では、コントロールユニット２２にＤＣ／ＤＣコンバータ２２７ｂを備えていない点が、図２に示す真空ポンプと異なる。その他の構成は、図２の場合と全く同様であり同一の符号を付している。すなわち、第２の実施の形態では、３相インバータ２２４から出力された回生電力を、ＤＣ／ＤＣコンバータで降圧せずに、出力端子２２９から出力する構成となっている。

図５は、第２の実施の形態におけるバルブ駆動部１２およびバルブ制御部１３の概略構成を示すブロック図であり、第１の実施の形態の図３に対応する図である。図３の構成に対する図５の構成の相違点は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４３をさらに備えた点である。その他の構成は、図３の場合と同様である。ＤＣ／ＤＣコンバータ１４３は、端子１３９とダイオード１４２との間の回生電力ラインに配置される。

図４に示すように、３相インバータ２２４から出力された回生電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータを介さずに端子２２９から出力され、ケーブル３１を介してバルブ制御部１３の端子１３９に入力される。そのため、第２の実施形態では、回生電力の電圧を真空バルブ側で要求される供給電圧に変換するために、バルブ制御部１３にＤＣ／ＤＣコンバータ１４３を設けている。

第２の実施の形態においても、上述した第１の実施の形態と同様に、停電時には、停電対策用のバックアップ電源を用いることなく、真空ポンプ２で生成される回生電力を利用して、真空バルブ１の危険回避動作を行わせることができる。また、バックアップ電源のメンテナンスという問題が生じない。

さらに、第２の実施の形態では、図５に示すように、回生電力の電圧を電源供給部１４０の入力電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータ１４３を真空バルブ１側に設けるようにした。このような構成とすることで、真空ポンプ２は、入力電圧の異なる複数の真空バルブ１に対応することができる。

また、上述した第１および第２の実施の形態に記載の真空ポンプ２では、停電時には、３相インバータ２２４を、回転体Ｒの回転エネルギーを電力に変換して回生電力を生成する回生電力生成部として機能させ、その回生電力を供給部としての出力端子２２９およびケーブル３１を介して真空バルブ１へ供給している。そのため、真空バルブ１は、真空ポンプ２側からの回生電力により、停電時の危険回避動作を行うことができる。その場合、回生電力の電圧を真空バルブ１側の入力電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータを、図２のＤＣ／ＤＣコンバータ２２７ｂのように真空ポンプ２側に設けても良いし、図５のＤＣ／ＤＣコンバータ１４３のように真空バルブ１側に設けても良い。

なお、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、真空ポンプとしてターボ分子ポンプを用いた場合を例に説明したが、回転減速時に回生電力を発生する構成の真空ポンプであればターボ分子ポンプに限定されない。

１…真空バルブ、２…真空ポンプ、４…商用電源、６…バックアップ電源、１２…バルブ駆動部、１３…バルブ制御部、２２…コントロールユニット、３０，３１…ケーブル、１３８，１３９…端子、１４０…電源供給部、１４１，１４２…ダイオード、１４３，２２７ａ，２２７ｂ…ＤＣ／ＤＣコンバータ、２２４…３相インバータ、Ｒ…回転体

Claims

停電時に回生電力を生成して停止動作を行う真空ポンプが装着可能であって、前記真空ポンプのコントロールユニットとは別の筐体に設けられたバルブ制御部を備える真空バルブであって、
前記バルブ制御部の筐体に設けられ、商用電源からの電力が入力される第１の電力入力部と、
前記筐体に設けられ、前記真空ポンプで生成された前記回生電力が入力される第２の電力入力部と、
前記第１および第２の電力入力部に入力された電力がそれぞれ供給されるバルブ電源回路と、を備え、
前記第１の電力入力部に前記商用電源からの電力が供給されている時にはその電力により動作し、前記商用電源からの電力が停止した時には前記回生電力により動作する真空バルブ。
請求項１に記載の真空バルブにおいて、
前記第１の電力入力部から入力された電力が前記第２の電力入力部に逆流するのを防止すると共に、前記第２の電力入力部から入力された電力が前記第１の電力入力部に逆流するのを防止する逆流防止回路を備える、真空バルブ。
請求項１または２に記載の真空バルブにおいて、
前記回生電力による動作時には、前記商用電源からの電力による動作時よりも低電力で動作する、真空バルブ。
請求項３に記載の真空バルブにおいて、
前記真空ポンプはポンプロータを磁気浮上支持する磁気軸受を備え、
前記回生電力から前記磁気軸受の消費電力を差し引いた余剰電力の範囲で、前記真空バルブの危険回避動作を実行する、真空バルブ。
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の真空バルブにおいて、
前記第２の電力入力部に入力される回生電力の電圧は、前記第１の電力入力部に入力される商用電源からの電力の電圧よりも低く設定されている、真空バルブ。
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の真空バルブにおいて、
前記回生電力の電圧を前記バルブ電源回路の入力電圧に変換する変換部を備える、真空バルブ。
請求項１乃至６のいずれか一項に記載の真空バルブに装着される真空ポンプであって、停電時にポンプロータが設けられた回転体の回転エネルギーを電力に変換し、回生電力を生成する回生電力生成部と、
前記回生電力の電圧を前記バルブ電源回路の入力電圧に変換して、前記真空バルブの前記第２の電力入力部へ供給する変換部と、を備える真空ポンプ。
請求項６に記載の真空バルブに装着される真空ポンプであって、
停電時にポンプロータが設けられた回転体の回転エネルギーを電力に変換し、回生電力を生成する回生電力生成部と、
前記回生電力を前記真空バルブの前記第２の電力入力部へ供給する供給部と、を備える真空ポンプ。
請求項７に記載の真空ポンプであって、
前記変換部は、前記第２の電力入力部へ入力する回生電力の電圧を、前記第１の電力入力部に入力される商用電源からの電力の電圧よりも低い電圧に変換する、真空ポンプ。