JP6776971B2

JP6776971B2 - 真空ポンプおよびポンプ一体型の電源装置

Info

Publication number: JP6776971B2
Application number: JP2017060632A
Authority: JP
Inventors: 伸彦森山
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2017-03-27
Filing date: 2017-03-27
Publication date: 2020-10-28
Anticipated expiration: 2037-03-27
Also published as: US20180279415A1; CN108661926A; JP2018162725A; CN112648202A; CN112648202B; CN108661926B; US10917940B2

Description

本発明は、真空ポンプおよびポンプ一体型の電源装置に関する。

チャンバ内をターボ分子ポンプにより高真空にしてＣＶＤ成膜やエッチングを行う装置では、排気するガス種によっては、ポンプ内部でガスが凝縮してポンプ内に生成物が付着しやすい。このような生成物の付着が生じると、ロータバランスが悪化するなどの不都合が生じる。そのため、ポンプ本体をヒータで加熱することで生成物の付着を抑制するターボ分子ポンプが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１３−７９６０２号公報

上述した特許文献に記載のターボ分子ポンプでは、ヒータに交流電力を供給することでヒータを発熱させている。交流電力によるヒータの駆動回路は、一般的に、交流２００Ｖの電源ラインが接続され、それぞれ直列に配置した漏電検知回路と、リレーと、電流センサと、ヒューズとを介してヒータに交流２００Ｖの駆動電力を印加している。
また、複数の加熱対象箇所を複数のヒータで加熱することがある。複数のヒータを用いる場合、それぞれのヒータに駆動回路を設ける必要がある。しかし、上述したように交流電力によるヒータの駆動回路には、漏電検知回路と、リレーと、電流センサと、ヒューズとを設ける必要がある。そのため、ヒータの駆動回路を複数設けると、ターボ分子ポンプの電源装置の小型化が難しくなる。

（１）本発明の一態様の真空ポンプは、ポンプモータを有し、吸気した気体を排気する排気機能部、および少なくとも２つの直流ヒータを有するポンプユニットと、ポンプ制御部、前記ポンプ制御部に電力を給電するポンプ用電源、前記２つの直流ヒータを制御する直流ヒータ制御部、および、前記ポンプ用電源とは別個に設けられ、前記直流ヒータ制御部に電力を給電する１つの直流ヒータ電源を内蔵したポンプ一体型の電源装置とを備える。
（２）上記態様の真空ポンプにおいて、好ましくは、前記ポンプユニットは交流ヒータをさらに有する。この態様では、前記電源装置は、前記交流ヒータを制御する交流ヒータ制御部を備える。
（３）交流ヒータを備えたさらに好ましい態様の真空ポンプは、前記交流ヒータ制御部に電力を給電する第１の強電ラインと、前記ポンプ用電源に電力を給電する第２の強電ラインと、前記直流ヒータ電源に電力を給電する第３の強電ラインとが結線された共通強電ラインを備え、この共通強電ラインにノイズフィルタが設けられている。
（４）上記（１）〜（３）の真空ポンプは、好ましくは、さらに、前記ポンプユニットを構成するポンプ筐体と、前記電源装置を構成する電源装置筐体と、前記ポンプ筐体と前記電源装置筐体との間に介在される冷却装置とを有する。この場合、前記ポンプ制御部と、前記直流ヒータ制御部とは前記冷却装置に取り付けられる。
（５）上記（１）の態様の真空ポンプのポンプユニットは、さらに前記２つの直流ヒータに加えて、１以上の直流ヒータを設けてもよい。
（６）本発明の他の態様は、上述した種々の態様の真空ポンプに用いられるポンプ一体型の電源装置である。

本発明によれば、電源装置を小型化することができる。電源装置一体化した真空ポンプの小形化を図ることができる。

真空ポンプの一例であるターボ分子ポンプを示す図である。（ａ）はターボ分子ポンプ１の構成を示す図であり、（ｂ）はターボ分子ポンプの電源装置の構成を示す図である。ターボ分子ポンプの変形例１についての電源装置の構成を示す図である。（ａ）は変形例２のターボ分子ポンプの構成を示す図であり、（ｂ）は変形例２のターボ分子ポンプ１Ａの電源装置２００Ａの構成を示す図である。（ａ）は実施形態２に係るターボ分子ポンプの構成を示す図であり、（ｂ）は実施形態２に係るターボ分子ポンプの電源装置の構成を示す図である。

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。
（実施形態１）
図１は、本実施の形態の真空ポンプの一例であるターボ分子ポンプを示す図である。ターボ分子ポンプ１は、真空排気を行うポンプユニット１００と、ポンプユニット１００を駆動制御するコントロールユニット２００とを備えている。コントロールユニット２００を電源装置２００と表記することもできる。実施形態１のターボ分子ポンプ１は、ポンプユニット１００とコントロールユニット２００が一体化された電源一体型真空ポンプである。ポンプユニット１００とコントロールユニット２００との間には冷却装置３００が介在されている。冷却装置３００は内部に冷却水を導入してコントロールユニット２００を構成する発熱要素を冷却する。

ポンプユニット１００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とで構成されるドラッグポンプ段（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４に形成されている。ポンプロータ４はシャフト５に締結されている。ポンプロータ４とシャフト５とによって回転体ユニットＲＹが構成される。

複数段の固定翼３１は、軸方向に対して回転翼４１と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。ベース３には排気口３８ａを有する排気管３８が設けられている。

図１に示すターボ分子ポンプ１００は磁気浮上式のターボ分子ポンプであり、回転体ユニットＲＹ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。磁気軸受３４，３５，３６は磁気軸受装置１０２を構成する。

回転体ユニットＲＹはポンプモータ１０１により回転駆動される。ポンプモータ１０１を単にモータ１０１とも呼ぶ。モータ１０１は、ステータ１０１ａと、ロータ１０１ｂとを有する。磁気軸受が作動していない時には、回転体ユニットＲＹは非常用のメカニカルベアリング３７ａ，３７ｂによって支持される。

一般にターボ分子ポンプでは、反応生成物の堆積を抑制するため、たとえばベースや排気管等をそれぞれヒータで加熱している。実施形態１のターボ分子ポンプ１において、ポンプケーシング３０の外周には、固定翼３１の温度を制御するためのヒータ５２が設けられている。ベース３の外周には、ベース３の温度を制御するためのヒータ５１が設けられている。排気管３８の外周には、排気管３８の温度を制御するためのヒータ５３が設けられている。ベース３の温度は温度センサ５６によって検出され、ポンプケーシング３０（固定翼３１）の温度は温度センサ５７によって検出され、排気管３８の温度は温度センサ５８によって検出される。各温度センサ５６、５７、５８による検出結果はコントロールユニット２００に入力される。
なお、排気管３８から排気される気体の圧力はターボ分子ポンプ１ではもっとも高い圧力であり、ターボ分子ポンプ１に吸気される気体中の不純物が昇華する温度がもっとも高い。そこで、実施形態１の真空ポンプ１においては、排気管３８に装着されたヒータ５３で加熱される温度は、他のヒータ５１，５２に比べて高い温度に設定される。そこで、ヒータ５３はＡＣ２００Ｖで駆動する交流ヒータ（以下、ＡＣヒータと呼ぶ）を採用してより高い温度まで排気管３８を加熱可能とする。

実施形態１の電源装置一体型真空ポンプを図１及び図２（ａ），（ｂ）を参照してさらに詳細に説明する。図２（ａ）はターボ分子ポンプ１の構成を示す図であり、図２（ｂ）はターボ分子ポンプ１の電源装置２００の構成を示す図である。
ターボ分子ポンプ１は、ポンプユニット１００と、ポンプユニット１００と一体化された電源装置２００とを有する。

ポンプユニット１００は、モータ１０１と、磁気軸受装置１０２と、２つの直流ヒータ（以下、ＤＣヒータと呼ぶ）５１，５２と、ＡＣ２００Ｖ電源を使用したＡＣヒータ５３と、モータ回転数を検出する回転数センサ６１と、磁気軸受の変位を検出する５軸用の変位センサ群６２と、温度センサ５６，５７，５８とを有する。
電源装置２００内には、モータ１０１および磁気軸受装置１０２を駆動制御するポンプ制御部２０１と、ＡＣヒータ５３をＡＣ２００Ｖで駆動するＡＣヒータ制御部２０２と、ＤＣヒータをＤＣ４８Ｖで駆動するＤＣヒータ制御部２０３と、ＣＰＵ２０４と、ＤＣヒータ電源２０５と、ポンプ用電源２０６とが設けられている。電源２０５，２０６はともにＡＣ/ＤＣコンバータを内蔵してＡＣ２００Ｖを降圧してＤＣ電圧を出力する。

ポンプ制御部２０１は、図２（ｂ）に示すように、モータ駆動回路２０１ａと、磁気軸受駆動回路２０１ｂとを有する。モータ駆動回路２０１ａは、モータ１０１の駆動電力ＭＴを制御する。磁気軸受駆動回路２０１ｂは、磁気軸受装置１０２の駆動電力ＭＧを制御する。モータ１０１および磁気軸受装置１０２とポンプ制御部２０１とは、ポンプユニット１００側に設けられたコネクタ１９１と、電源装置２００側に設けられたコネクタ２９１と、２つのコネクタ１９１，２９１の間を接続するケーブル４０１とを介して接続される。

ＡＣヒータ制御部２０２は、ＡＣ２００Ｖの強電ラインが接続される漏電検知回路２０２ａと、リレー２０２ｂと、電流センサ２０２ｃと、ヒューズ２０２ｄとを有し、ＡＣヒータ５３に供給するヒータ駆動電力ＡＣＨを制御する。ＡＣヒータ５３とＡＣヒータ制御部２０２とは、ポンプユニット１００側に設けられたコネクタ１９２と、電源装置２００側に設けられたコネクタ２９２と、２つのコネクタ１９２，２９２の間を接続するケーブル４０２とを介して接続される。

ＤＣヒータ制御部２０３は、２つのＤＣヒータ５１，５２に供給するヒータ駆動電力ＤＣＨ１、ＤＣＨ２を制御する不図示の２つのＦＥＴと、電流検出用の不図示の２つのシャント抵抗とを有する。ＤＣヒータ５１，５２とＤＣヒータ制御部２０３とは、ポンプユニット１００側に設けられたコネクタ１９３と、電源装置２００側に設けられたコネクタ２９３と、２つのコネクタ１９３，２９３の間を接続するケーブル４０３とを介して接続される。

ポンプ制御部２０１とＤＣヒータ制御部２０３は冷却装置３００の下面の金属プレート上に接触して配置されている。ＡＣヒータ制御部２０２は、熱伝動部材であるヒートシンク３０１により冷却装置３００の下面に熱接触され、発熱した熱はヒートシンク３０１を介して冷却装置３００で冷却される。

ＣＰＵ２０４には、ポンプユニット１００の温度センサ５６〜５８からの温度信号Ｔ１〜Ｔ３と、回転数センサ６１からのモータ回転数信号Ｒと、変位センサ群６２からの５軸変位信号Ｄ１〜Ｄ５とが入力される。これらの入力信号に基づいて、ＣＰＵ２０４は、モータ１０１と、磁気軸受装置１０２と、ＤＣヒータ５１，５２と、ＡＣヒータ５３とをそれぞれ駆動する駆動信号を生成してスイッチング素子をオンオフ制御する。モータ駆動信号はモータ駆動回路２０１ａに出力され、モータ１０１の回転を制御するスイッチングトランジスタをオンオフ制御する。磁気軸受駆動信号は磁気軸受駆動回路２０１ｂに出力され、磁気軸受の反発力、吸引力を制御するスイッチングトランジスタをオンオフ制御する。ＡＣヒータ駆動信号はＡＣヒータ制御部２０２に入力され、ＡＣヒータ５３による加熱箇所が所定温度に保持されるようにリレー２０２ｂのオンオフを制御してＡＣヒータ５３に供給するヒータ駆動電力ＡＣＨを制御する。ＤＣヒータ駆動信号はＤＣヒータ制御部２０３に入力され、ＤＣヒータ５１，５２による加熱箇所が所定温度に保持されるように不図示のＦＥＴをオンオフ制御してＤＣヒータ５１，５２に供給するヒータ駆動電力ＤＣＨ１、ＤＣＨ２を制御する。

温度センサ５６〜５８、回転数センサ６１および変位センサ群６２とＣＰＵ２０４とは、ポンプユニット１００側のコネクタ１９３と、電源装置２００側のコネクタ２９３と、２つのコネクタ１９３，２９３の間を接続するケーブル４０３とを介して接続される。

以上のように構成された真空ポンプにおいて、生成物の堆積を防止するためにポンプユニット１００には２つのＤＣヒータ５１，５２と、１つのＡＣヒータ５３が設けられている。ＤＣヒータ５１，５２を駆動制御する回路であるＤＣヒータ制御部２０３は、ＡＣヒータ５３を駆動制御する回路であるＡＣヒータ制御部２０２のように大型の素子を必要とせず、小型の半導体スイッチ、たとえばＦＥＴを複数個設ければよく、ＤＣヒータ制御部２０３はＡＣヒータ制御部２０２に比べて小型である。そのため、ＡＣヒータを３つ設けた真空ポンプの電源装置に比べて、電源装置２００を小型化することができ、ポンプユニット１００のケーシングやベースに一体的に設置することができる。

上述した実施形態１の真空ポンプによれば、次の作用効果が得られる。
（１）実施形態１の真空ポンプは、ポンプモータ１０１を有し、吸気した気体を排気する排気機能部、２つの直流ヒータ５１，５２、および１つの交流ヒータ５３を有するポンプユニット１００と、ポンプ制御部２０１、およびポンプ制御部２０１に電力を給電するポンプ用電源２０６、上記２つの直流ヒータ５１，５２を制御する直流ヒータ制御部２０３、および直流ヒータ制御部２０３に電力を給電する直流ヒータ電源、交流ヒータ５３を制御する交流ヒータ制御部２０２を内蔵したポンプ一体型の電源装置２００とを備える。
このように実施形態１の真空ポンプは３つのヒータを必要とするが、そのうち２つは直流ヒータとしたので、３つすべてを交流ヒータとする場合に比べて電源装置を小型化できる。
（２）実施形態１の真空ポンプは、ポンプユニットを構成するポンプ筐体３０と、電源装置２００を構成する電源装置筐体と、ポンプ筐体３０と電源装置筐体との間に介在される冷却装置３００とを有し、ポンプ制御部２０１と直流ヒータ制御部２０３とは冷却装置３００に取り付けられている。
ポンプ制御部２０１と直流ヒータ制御部２０３を冷却装置３００で直接冷却することにより、電源装置内の回路発熱を抑制できる。

（実施形態１の変形例１）
図３を参照して、実施形態１の電源装置一体型真空ポンプの変形例１について説明する。図３は、ターボ分子ポンプ１の変形例１についての電源装置２００の構成を示す図である。
本変形例１では、ＡＣヒータ制御部２０２に交流電力を給電する強電ラインＨＬ１と、ＤＣヒータ電源２０５に交流電力を給電する強電ラインＨＬ２と、ポンプ用電源２０６に交流電力を給電する強電ラインＨＬ３とを共通化した強電ラインＨＣ０にフィルタ２８１が設けられている。フィルタ２８１は、ＡＣ２００Ｖの電源ラインを通じて侵入、漏洩するノイズを抑制するための電源用ＥＭＣフィルタである。

（１）実施形態１の変形例１の真空ポンプでは、ＡＣ２００Ｖが給電される３つの電源の共通ラインＨＣ０にフィルタ２８１を設けたので、３つの電源にそれぞれフィルタを個別に設ける必要が無く、小型の電源装置を構成することができる。

（実施形態１の変形例２）
図４（ａ），（ｂ）を参照して、実施形態１の電源装置一体型真空ポンプの変形例２について説明する。図４（ａ）はターボ分子ポンプ１Ａの構成を示す図であり、図４（ｂ）はターボ分子ポンプ１Ａの電源装置２００Ａの構成を示す図である。
本変形例２では、排気管３８（図１参照）を加熱するヒータとして、ＡＣ２００Ｖで駆動するＡＣヒータ５３に代えてＤＣ４８Ｖで駆動するＤＣヒータ５４を用いる。すなわち、ＡＣヒータをＤＣヒータに代え、３つのＤＣヒータを使用した真空ポンプにも本発明を適用できる。
本変形例２では、ＡＣヒータ制御部２０２が廃止される。ＤＣヒータ制御部２０３は、３つのＤＣヒータ５１，５２，５４に供給するヒータ駆動電力ＤＣＨ１，ＤＣＨ２，ＤＣＨ３を制御する不図示の３つのＦＥＴと、電流検出用の不図示の３つのシャント抵抗とを有する。
（１）実施形態１の変形例２の真空ポンプでは、３つのヒータのすべてを直流ヒータとしたので、電源装置２００Ａは実施形態１の電源装置２００よりもさらに小型化が可能である。

（実施形態２）
図５（ａ），（ｂ）を参照して、電源装置一体型真空ポンプの実施形態２について説明する。以下の説明では、実施形態１の変形例２と同じ構成要素には同じ符号を付して相違点を主に説明する。特に説明しない点については、実施形態１の変形例２と同じである。

図５（ａ）は実施形態２に係るターボ分子ポンプ１Ｂの構成を示す図であり、図５（ｂ）はターボ分子ポンプ１Ｂの電源装置２００の構成を示す図である。実施形態２の電源装置一体型真空ポンプは、上述した実施形態１の変形例２のターボ分子ポンプ１ＡからＤＣヒータ５２が廃止される。すなわち、実施形態２に係るターボ分子ポンプ１Ｂにおいて、ポンプユニット１００Ｂには２つのＤＣヒータ５１，５４が設けられている。

実施形態２の電源装置２００Ｂ内には、ポンプ制御部２０１と、ＤＣヒータ制御部２０３と、ＣＰＵ２０４と、ＤＣヒータ電源２０５と、ポンプ用電源２０６とが設けられている。ＤＣヒータ制御部２０３は、２つのＤＣヒータ５１，５４に供給するヒータ駆動電力ＤＣＨ１，ＤＣＨ３を制御する不図示の２つのＦＥＴと、電流検出用の不図示の２つのシャント抵抗とを有する。
（１）ヒータが２つだけ必要な場合、実施形態２の真空ポンプのように２つのヒータを直流ヒータとすれば、２つの交流ヒータを使用する場合に比べて、電源装置を小型化できる。

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。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。たとえが、本発明に冷却装置は必須ではない。本発明の一つの態様は真空ポンプであり、他の態様は上述した電源装置である。

１，１Ａ，１Ｂ：ターボ分子ポンプ、５１：ヒータ（直流ヒータ、ＤＣヒータ）、５２：ヒータ（直流ヒータ、ＤＣヒータ）、５３：ヒータ（交流ヒータ、ＡＣヒータ）、１００，１００Ａ，１００Ｂ：ポンプユニット、１０１：ポンプモータ、２００、２００Ａ，２００Ｂ：コントロールユニット（電源装置）、２０１：ポンプ制御部、２０２：ＡＣヒータ制御部、２０３：ＤＣヒータ制御部、２０４：ＣＰＵ、２０５：ＤＣヒータ電源、２０６：ポンプ用電源、３００：冷却装置

Claims

ポンプモータを有し、吸気した気体を排気する排気機能部、および少なくとも２つの直流ヒータを有するポンプユニットと、
ポンプ制御部、前記ポンプ制御部に電力を給電するポンプ用電源、前記２つの直流ヒータを制御する直流ヒータ制御部、および、前記ポンプ用電源とは別個に設けられ、前記直流ヒータ制御部に電力を給電する１つの直流ヒータ電源を内蔵したポンプ一体型の電源装置とを備える真空ポンプ。
請求項１に記載の真空ポンプにおいて、
前記ポンプユニットは、交流ヒータをさらに有し、
前記電源装置は、前記交流ヒータを制御する交流ヒータ制御部を備える真空ポンプ。
請求項２に記載の真空ポンプにおいて、
前記交流ヒータ制御部に電力を給電する第１の強電ラインと、前記ポンプ用電源に電力を給電する第２の強電ラインと、前記直流ヒータ電源に電力を給電する第３の強電ラインとが結線された共通強電ラインにノイズフィルタを設けた真空ポンプ。
請求項１から３のいずれか一項に記載の真空ポンプにおいて、
前記ポンプユニットを構成するポンプ筐体と、前記電源装置を構成する電源装置筐体と、前記ポンプ筐体と前記電源装置筐体との間に介在される冷却装置とを有し、前記ポンプ制御部と、前記直流ヒータ制御部とは前記冷却装置に取り付けられている真空ポンプ。
請求項１に記載の真空ポンプにおいて、
前記ポンプユニットには、さらに前記２つの直流ヒータに加えて、１以上の直流ヒータを設けた真空ポンプ。
請求項１から５のいずれか一項に記載の真空ポンプに用いられるポンプ一体型の電源装置。