KR20240019076A - 진공 펌프 - Google Patents

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KR20240019076A
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magnetic field
heating
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motor
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KR1020237038378A
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다카아키 오노
가쓰히사 요코즈카
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에드워즈 가부시키가이샤
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Abstract

[과제] 회전체를 교류 자계를 이용하여 가열함으로써, 회전체의 정지 시도 포함하여 생성물의 부착을 방지, 또, 가열에 필요한 소비 전력의 효율화를 할 수 있는 진공 펌프를 제공한다.
[해결 수단] 보호 베어링(1)과 상측 경방향 센서(107) 사이에는, 2극의 가열용 전자석(3A)과 가열용 전자석(3B)이 회전체(103)를 사이에 두고 대향하여 배치되어 있다. 이 가열용 전자석(3A)과 가열용 전자석(3B)은 가열 장치(3)에 상당하며, 이 가열 장치(3)에 대해서는, 가열용 전원(21)으로부터 교류 전류가 공급되도록 되어 있다. 이 교류 전류에 의해 가열용 전자석(3A)과 가열용 전자석(3B)은 여자되고 교류 자계가 발생하도록 되어 있다. 이러한 구성에 있어서, 발생한 교류 자계는 회전체(103)와 교차한다. 교차한 교류 자계의 주위에는 와전류가 발생한다. 그리고, 이 와전류에 의해 회전체(103)는 가열된다. 이 가열에 의해, 생성물의 퇴적을 한층 더 방지할 수 있어, 펌프의 운전 효율 향상이 도모된다.

Description

진공 펌프
본 발명은 진공 펌프에 관한 것이며, 특히 회전체를 교류 자계를 이용하여 가열함으로써, 회전체의 정지 시도 포함하여 생성물의 부착을 방지할 수 있고, 또, 회전체를 고효율로 가열할 수 있는 진공 펌프에 관한 것이다.
최근의 일렉트로닉스의 발전에 수반하여, 메모리나 집적 회로와 같은 반도체의 수요가 급격하게 증대하고 있다.
이들 반도체는, 매우 순도가 높은 반도체 기판에 불순물을 도핑하여 전기적 성질을 부여하거나, 에칭에 의해 반도체 기판 상에 미세한 회로를 형성하는 등 하여 제조된다.
그리고, 이들 작업은 공기 중의 먼지 등에 의한 영향을 피하기 위하여 고진공 상태의 챔버 내에서 행해질 필요가 있다. 이 챔버의 배기에는, 일반적으로 진공 펌프가 이용되고 있지만, 특히 잔류 가스가 적고, 보수가 용이한 등의 점에서 진공 펌프 중 하나인 터보 분자 펌프가 다용되고 있다.
또, 반도체의 제조 공정에서는, 다양한 프로세스 가스를 반도체의 기판에 작용시키는 공정이 다수 있고, 터보 분자 펌프는 챔버 내를 진공으로 할 뿐만 아니라, 이들 프로세스 가스를 챔버 내로부터 배기하는 데에도 사용된다.
그런데, 프로세스 가스는, 반응성을 높이기 위하여 고온의 상태로 챔버에 도입되는 경우가 있다. 그리고, 이들 프로세스 가스는, 배기될 때에 냉각되고 어느 온도가 되면 고체가 되어 배기계에 생성물을 석출하는 경우가 있다. 그리고, 이 종류의 프로세스 가스가 터보 분자 펌프 내에서 저온이 되어 고체상이 되고, 터보 분자 펌프 내부에 부착되어 퇴적하는 경우가 있다.
터보 분자 펌프 내부에 프로세스 가스의 석출물이 퇴적하면, 이 퇴적물이 펌프 유로를 좁혀, 터보 분자 펌프의 성능을 저하시키는 원인이 된다.
이 문제를 해결하기 위하여, 터보 분자 펌프에 대해서는 베이스부 주위에 히터를 배치하고, 이 히터의 가열 제어가 행해지고 있다.
그런데, 생성물의 부착을 한층 더 효율적으로 방지하기 위해서는, 베이스부 주위나 스테이터에 대한 가열만으로 한정하지 않고, 회전체 측에 대해서도 가열하는 것이 바람직하다.
회전체에 대한 가열의 방법으로서는, 예를 들면 특허문헌 1에는, 영구 자석, 전자석에 의해 생성된 직류 자계를 회전체에 교차시키는 방법이 개시되어 있다. 또, 특허문헌 2에는, 모터의 효율을 낮춤으로써 회전체를 가열시키는 방법이 개시되어 있다. 또한, 스테이터 측을 가열하고, 그 복사열로 회전체 측을 가열시키는 방법도 생각할 수 있다.
일본국 특허공개 소59-32697호 공보 일본국 특허공개 2019-031969호 공보
그런데, 이러한 생성물의 부착 방지에 대해서는, 펌프의 운전 중뿐만 아니라 펌프의 정지 시에 있어서도 계속해서 행해지는 것이 바람직하다. 특허문헌 1의 구성에서는, 회전체에 교차하는 자계가 직류이기 때문에, 교류 전류를 공급 가능한 가열용 전원을 설치할 필요가 없는 한편, 회전체를 가열할 수 있는 것은 회전체의 회전 시뿐이며, 회전체의 정지 시에는 회전체를 가열할 수 없다.
또, 생성물의 부착 방지 시의 가열 제어에 대해서는, 가열에 필요한 소비 전력의 효율화가 요구된다.
본 발명은 이와 같은 종래의 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 회전체를 교류 자계를 이용하여 가열함으로써, 회전체의 정지 시도 포함하여 생성물의 부착을 방지할 수 있고, 또, 회전체를 고효율로 가열할 수 있는 진공 펌프를 제공하는 것을 목적으로 한다.
이 때문에 본 발명(청구항 1)은, 회전체와, 당해 회전체를 회전 구동시키는 모터와, 당해 모터에 회전 구동용 전력을 공급하는 모터용 전원과, 상기 회전체를 가열하기 위하여 소정의 자계 주파수의 교류 자계를 발생시키는 가열용 전자석과, 당해 가열용 전자석에 교류 전류에 의해 전력을 공급하는 가열용 전원을 구비하고, 상기 가열용 전자석에서 발생된 상기 교류 자계를 상기 회전체와 교차시킴으로써 상기 회전체에 있어서, 당해 교차한 상기 교류 자계의 주위에 와전류를 발생시키는 것을 특징으로 한다.
가열용 전자석은, 가열용 전원으로부터 공급된 교류 전류에 의해, 소정의 자계 주파수의 교류 자계를 발생시킨다. 교류 자계는, 회전체와 교차함으로써, 회전체에 있어서, 이 교차한 교류 자계의 주위에 와전류를 발생시킨다. 이 와전류에 의해 와전류손이 발생하기 때문에, 회전체를 가열할 수 있다. 가열용 전자석이 발생시키는 자계는 교류 자계이기 때문에 회전체의 회전이 정지하고 있을 때여도 와전류손을 발생시킬 수 있어, 회전체를 가열할 수 있다. 퇴적물은 회전체가 정지 중이어도 발생하는 것이 상정되므로, 퇴적물의 생성을 효과적으로 방지할 수 있다. 또, 본 발명에서는, 회전체에 와전류손을 직접 발생시킬 수 있기 때문에, 스테이터 측을 가열하고, 그 복사열로 회전체 측을 가열시키는 경우와 비교하여, 회전체를 고효율로 가열할 수 있다.
또, 본 발명(청구항 2)은, 상기 회전체에는 상기 교류 자계의 교차의 대상이 되는 소정의 도전성을 갖는 가열 대상물이 구비된 것을 특징으로 한다.
이 수법으로는, 회전체에 가열 대상물을 구비한 것에 의해, 효율적으로 와전류를 발생시킬 수 있다. 이 때문에, 회전체를 고효율로 가열할 수 있다.
또한, 본 발명(청구항 3)은, 상기 회전체의 강체 모드 고유 진동수를 ωres라고 정의했을 때에 상기 자계 주파수가 ωres/√2보다 큰 것을 특징으로 한다.
교류 자계는, 회전체를 가열시키는 한편, 회전체에 대한 흡인력도 동시에 발생한다. 이 흡인력은, 회전체의 진동을 크게 하는 원인이 된다. 그러나, 자계 주파수를 ωres/√2보다 크게 함으로써, 동일한 크기의 자속 밀도의 직류 자계를 회전체에 교차시키는 경우와 비교하여, 회전체의 진동을 작게 할 수 있다.
또한, 본 발명(청구항 4)은, 상기 자계 주파수가 상기 회전체의 기계각에 의거하여 정의된 정격 회전 주파수보다 큰 것을 특징으로 한다.
일반적으로, 회전체의 회전에 의해 발생하는 펌프의 진동의 스펙트럼에는, 회전체의 회전 주파수 성분의 큰 피크가 나타난다. 이 피크 주파수는 운전 상태에 의해 변화하고, 최대값은, 회전체의 기계각에 의거하여 정의된 정격 회전 주파수이다. 따라서, 회전체의 기계각에 의거하여 정의된 정격 회전 주파수보다 가열용 전자석에서 발생시키는 교류 자계의 주파수가 큰 경우에는, 교류 자계에 의해 발생하는 펌프의 진동 스펙트럼의 피크가, 회전체의 회전에 의해 발생하는 진동 스펙트럼의 피크와는 일치하지 않는다. 그 때문에, 펌프의 진동을 작게 할 수 있다.
또한, 본 발명(청구항 5)은, 상기 자계 주파수가 상기 모터에 흐르는 전류의 정격 회전 시의 주파수보다 큰 것을 특징으로 한다.
일반적으로, 모터에 흐르는 전류에 의해 발생하는 펌프의 진동의 스펙트럼에는, 모터에 흐르는 전류의 주파수 성분의 큰 피크가 나타난다. 이 피크 주파수는 운전 상태에 의해 변화하고, 최대값은, 모터에 흐르는 전류의 정격 회전 시의 주파수이다. 따라서, 모터에 흐르는 전류의 정격 회전 시의 주파수보다 가열용 전자석에서 발생시키는 교류 자계의 주파수가 큰 경우에는, 교류 자계에 의해 발생하는 펌프의 진동 스펙트럼의 피크가, 모터에 흐르는 전류에 의해 발생하는 진동 스펙트럼의 피크와는 일치하지 않는다. 그 때문에, 펌프의 진동을 작게 할 수 있다.
또한, 본 발명(청구항 6)은, 상기 모터용 전원의 출력 전압을 변환하여, 상기 모터에 전압을 인가하는 모터용 인버터와, 당해 모터용 인버터를 제어하는 모터용 인버터 제어기를 구비하고, 상기 자계 주파수가 상기 모터용 인버터 제어기의 제어 주파수의 반보다 큰 것을 특징으로 한다.
자계 주파수가 모터용 인버터 제어기의 제어 주파수의 반보다 크면, 모터용 인버터가, 모터에 흐르는 전류에 중첩하여 교류 전류를 흐르게 하고, 모터의 자계에 중첩하여 가열용 교류 자계를 발생시킴으로써 회전체를 가열하는 경우와 비교하여, 큰 주파수의 교류 자계로 가열할 수 있다. 그 때문에, 동일한 회전체의 와전류손을 얻는데 필요한 교류 자계의 자속 밀도를 작게 할 수 있고, 교류 자계에 의해 회전체에 발생하는 외력을 작게 할 수 있어, 회전체의 진동을 작게 할 수 있다.
또한, 본 발명(청구항 7)은, 상기 회전체를 공중에 부상 지지하는 자기 베어링과, 당해 자기 베어링에 대해 전력을 공급하는 자기 베어링용 전원과, 상기 자기 베어링용 전원의 출력 전압을 변환하여, 상기 자기 베어링에 전압을 인가하는 자기 베어링용 인버터와, 당해 자기 베어링용 인버터를 제어하는 자기 베어링용 인버터 제어기를 구비하고, 상기 자계 주파수가 상기 자기 베어링용 인버터 제어기의 제어 주파수의 반보다 큰 것을 특징으로 한다.
자계 주파수가 자기 베어링용 인버터 제어기의 제어 주파수의 반보다 크면, 자기 베어링용 인버터가, 자기 베어링에 흐르는 전류에 중첩하여 교류 전류를 흐르게 하고, 자기 베어링의 자계에 중첩하여 가열용 교류 자계를 발생시킴으로써 회전체를 가열하는 경우와 비교하여, 큰 주파수의 교류 자계로 가열할 수 있다. 그 때문에, 동일한 회전체의 와전류손을 얻는데 필요한 교류 자계의 자속 밀도를 작게 할 수 있고, 교류 자계에 의해 회전체에 발생하는 외력을 작게 할 수 있어, 회전체의 진동을 작게 할 수 있다.
또한, 본 발명(청구항 8)은, 상기 회전체를 공중에 부상 지지하는 자기 베어링과, 당해 자기 베어링에 대해 전력을 공급하는 자기 베어링용 전원과, 상기 회전체의 위치를 소정의 센서 주파수로 변조된 위치 신호에 의거하여 비접촉으로 계측하는 변위 센서와, 상기 위치 신호를 복조시키는 로우 패스 필터를 포함하는 복조 회로를 구비하고, 상기 자계 주파수가 상기 로우 패스 필터의 컷 오프 주파수보다 큰 것을 특징으로 한다.
자계 주파수가 변위 센서의 위치 신호를 복조시키는 로우 패스 필터의 컷 오프 주파수보다 크면, 복조된 변위 센서의 위치 신호에 포함되는, 교류 자계에 의해 발생하는 펌프의 진동 성분이 작아진다. 그 때문에, 교류 자계에 의해 발생하는 펌프의 진동은 회전체의 위치 제어에 영향을 미치지 않고, 보다 안정적인 자기 베어링 제어를 실현할 수 있다.
또한, 본 발명(청구항 9)은, 상기 회전체를 공중에 부상 지지하는 자기 베어링과, 당해 자기 베어링에 대해 전력을 공급하는 자기 베어링용 전원과, 상기 회전체의 위치를 소정의 센서 주파수로 변조된 위치 신호에 의거하여 비접촉으로 계측하는 변위 센서를 구비하고, 상기 자계 주파수가 상기 센서 주파수보다 큰 것을 특징으로 한다.
자계 주파수가 센서 주파수보다 크면, 변위 센서의 위치 신호에 포함되는, 교류 자계에 의해 발생하는 펌프의 진동 성분이 작아진다. 그 때문에, 교류 자계에 의해 발생하는 펌프의 진동은 회전체의 위치 제어에 영향을 미치지 않고, 보다 안정적인 자기 베어링 제어를 실현할 수 있다.
또한, 본 발명(청구항 10)은, 상기 가열용 전원이 상기 모터용 전원과 겸용된 것을 특징으로 한다.
가열용 전자석에 대해서는 모터용 전원으로부터 교류 전류가 공급된다. 이 때문에, 공간을 절약하고 또한 염가로 구성할 수 있다.
또한, 본 발명(청구항 11)은, 상기 회전체를 공중에 부상 지지하는 자기 베어링과, 당해 자기 베어링에 대해 전력을 공급하는 자기 베어링용 전원을 구비하고, 상기 가열용 전원이 상기 자기 베어링용 전원과 겸용된 것을 특징으로 한다.
가열용 전자석에 대해서는 자기 베어링용 전원으로부터 교류 전류가 공급된다. 이 때문에, 공간을 절약하고 또한 염가로 구성할 수 있다.
또한, 본 발명(청구항 12)은, 상기 가열용 전원이 상기 자기 베어링용 전원과 겸용된 것을 특징으로 한다.
가열용 전자석에 대해서는 자기 베어링용 전원으로부터 교류 전류가 공급된다. 이 때문에, 공간을 절약하고 또한 염가로 구성할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 회전체를 가열하기 위하여 소정의 자계 주파수의 교류 자계를 발생시키는 가열용 전자석을 구비하고, 가열용 전자석에서 발생된 교류 자계를 회전체와 교차시키도록 구성했으므로, 교류 자계는, 회전체에 있어서, 이 교차한 교류 자계의 주위에 와전류를 발생시킨다. 이 와전류에 의해 와전류손이 발생하기 때문에, 회전체를 가열할 수 있다. 가열용 전자석이 발생시키는 자계는 교류 자계이기 때문에, 와전류손은 회전체의 회전이 정지하고 있을 때여도 발생시킬 수 있다. 퇴적물은 펌프가 정지 중이어도 발생하는 것이 상정되므로 퇴적물의 생성을 효과적으로 방지할 수 있다. 또, 회전체에 직접 와전류손을 발생시킬 수 있기 때문에, 회전체를 고효율로 가열할 수 있다.
도 1은, 본 발명의 실시 형태에서 사용하는 터보 분자 펌프의 구성도이다.
도 2는, 제어 장치의 전원 주위의 구성도이다.
도 3은, 교류 자계에 의해 외력이 발생하는 모습을 나타내는 도면이다.
도 4는, 강제 진동 모델의 구성도이다.
도 5는, 진폭과 주파수의 관계를 나타내는 도면이다.
도 6은, PWM 제어의 타이밍 차트이다.
도 7은, 위치 신호를 추출할 때의 로우 패스 필터의 컷 오프 주파수를 설명하는 도면이다.
도 8은, 4극으로의 가열 장치의 구성예이다.
도 9는, 4극으로의 가열 장치의 별도 구성예이다.
도 10은, 2극으로의 가열 장치의 별도 구성예이다.
도 11은, 터보 분자 펌프에 대한 가열 장치의 설치 방법을 설명하는 도면이다.
도 12는, 화살표 A로 나타내는 개소에 설치되는 가열 장치의 구성도이다.
도 13은, 화살표 B로 나타내는 개소에 설치되는 가열 장치의 구성도이다.
도 14는, 화살표 C, D로 나타내는 개소에 설치되는 가열 장치의 구성도이다.
도 15는, 가열 장치를 원심식 펌프에 적용한 예이다.
도 16은, 가열 장치를 펌프의 복수 개소에 배치했을 때의 예이다.
도 17은, 가열 장치들을 직렬로 접속하여 교류 전류의 공급을 하는 예이다.
도 18은, 가열 장치들을 병렬로 접속하여 교류 전류의 공급을 하는 예이다.
도 19는, 가열 장치 각각에 대해 독립적으로 가열용 전원을 배치한 예이다.
도 20은, 모터용 전원이 가열용 전원을 겸한 예이다.
이하, 본 발명의 실시 형태에 대하여 설명한다. 도 1에 본 발명의 실시 형태에서 사용하는 터보 분자 펌프의 구성도를 나타낸다. 도 1에 있어서, 터보 분자 펌프(100)는, 원통 형상의 외통(127)의 상단에 흡기구(101)가 형성되어 있다. 그리고, 외통(127)의 안쪽에는, 가스를 흡인 배기하기 위한 터빈 블레이드인 복수의 회전 날개(102)(102a, 102b, 102c…)를 둘레부에 방사 형상 또한 다단으로 형성한 회전체(103)가 구비되어 있다. 이 회전체(103)의 중심에는 로터 축(113)이 장착되어 있고, 이 로터 축(113)은, 예를 들면 5축 제어의 자기 베어링에 의해 공중에 부상 지지 또한 위치 제어되고 있다. 회전체(103)는, 일반적으로, 알루미늄 또는 알루미늄 합금 등의 금속에 의해 구성되어 있다.
상측 경방향(徑方向) 전자석(104)은, 4개의 전자석이 X축과 Y축에 쌍을 이루어 배치되어 있다. 이 상측 경방향 전자석(104)에 근접하여, 또한 상측 경방향 전자석(104) 각각에 대응하여 4개의 상측 경방향 센서(107)가 구비되어 있다. 상측 경방향 센서(107)는, 예를 들면 전도 권선을 갖는 인덕턴스 센서나 와전류 센서 등이 이용되고, 로터 축(113)의 위치에 따라 변화하는 이 전도 권선의 인덕턴스의 변화에 의거하여 로터 축(113)의 위치를 검출한다. 이 상측 경방향 센서(107)는 로터 축(113), 즉 그것에 고정된 회전체(103)의 경방향 변위를 검출하여, 도 2에 나타내는 제어 장치(200)의 내부의 도시하지 않는 중앙 연산 처리 장치(CPU)로 보내도록 구성되어 있다.
이 중앙 연산 처리 장치에 있어서는, 자기 베어링 제어기의 기능이 탑재되어 있으며, 예를 들면 PID 조절 기능을 갖는 보상 회로가, 상측 경방향 센서(107)에 의해 검출된 위치 신호에 의거하여, 상측 경방향 전자석(104)의 여자 제어 지령 신호를 생성하고, 도 2에 나타내는 자기 베어링용 인버터(16)가, 이 여자 제어 지령 신호에 의거하여, 상측 경방향 전자석(104)을 여자 제어함으로써, 로터 축(113)의 상측의 경방향 위치가 조정된다.
그리고, 이 로터 축(113)은, 고투자율재(철, 스테인리스 등) 등에 의해 형성되고, 상측 경방향 전자석(104)의 자력에 의해 흡인되도록 되어 있다. 이러한 조정은, X축 방향과 Y축 방향으로 각각 독립적으로 행해진다. 또, 하측 경방향 전자석(105) 및 하측 경방향 센서(108)가, 상측 경방향 전자석(104) 및 상측 경방향 센서(107)와 동일하게 배치되고, 로터 축(113)의 하측의 경방향 위치를 상측의 경방향 위치와 동일하게 조정하고 있다.
또한, 축방향 전자석(106A, 106B)이, 로터 축(113)의 하부에 구비된 원판 형상의 금속 디스크(111)를 상하로 사이에 끼고 배치되어 있다. 금속 디스크(111)는, 철 등의 고투자율재로 구성되어 있다. 로터 축(113)의 축방향 변위를 검출하기 위하여 축방향 센서(109)가 구비되며, 그 축방향 위치 신호가 제어 장치(200)의 중앙 연산 처리 장치(CPU)로 보내지도록 구성되어 있다.
그리고, 중앙 연산 처리 장치에 탑재된 자기 베어링 제어기에 있어서, 예를 들면 PID 조절 기능을 갖는 보상 회로가, 축방향 센서(109)에 의해 검출된 축방향 위치 신호에 의거하여, 축방향 전자석(106A)과 축방향 전자석(106B) 각각의 여자 제어 지령 신호를 생성하고, 자기 베어링용 인버터(16)가, 이들 여자 제어 지령 신호에 의거하여, 축방향 전자석(106A)과 축방향 전자석(106B)을 각각 여자 제어함으로써, 축방향 전자석(106A)이 자력에 의해 금속 디스크(111)를 상방으로 흡인하고, 축방향 전자석(106B)이 금속 디스크(111)를 하방으로 흡인하여, 로터 축(113)의 축방향 위치가 조정된다.
이와 같이, 제어 장치(200)는, 이 축방향 전자석(106A, 106B)이 금속 디스크(111)에 미치는 자력을 적당하게 조절하여, 로터 축(113)을 축방향으로 자기 부상시켜, 공간에 비접촉으로 유지하도록 되어 있다.
한편, 모터(121)는, 로터 축(113)을 둘러싸도록 둘레 형상으로 배치된 복수의 자극을 구비하고 있다. 각 자극은, 로터 축(113)과의 사이에 작용하는 전자력을 통해 로터 축(113)을 회전 구동하도록, 제어 장치(200)에 의해 제어되고 있다. 또, 모터(121)에는 도시하지 않는 예를 들면 홀 소자, 리졸버, 인코더 등의 회전 속도 센서가 장착되어 있으며, 이 회전 속도 센서의 검출 신호에 의해 로터 축(113)의 회전 속도가 검출되도록 되어 있다.
또한, 예를 들면 하측 경방향 센서(108) 근방에, 도시하지 않는 위상 센서가 장착되어 있어, 로터 축(113)의 회전의 위상을 검출하도록 되어 있다. 제어 장치(200)에서는, 이 위상 센서와 회전 속도 센서의 검출 신호를 함께 이용하여 자극의 위치를 검출하도록 되어 있다.
회전 날개(102)(102a, 102b, 102c…)와 약간의 공극을 두고 복수 장의 고정 날개(123)(123a, 123b, 123c…)가 배치되어 있다. 회전 날개(102)(102a, 102b, 102c…)는, 각각 배기 가스의 분자를 충돌에 의해 아래 방향으로 이송하기 위하여, 로터 축(113)의 축선에 수직인 평면으로부터 소정의 각도만큼 경사져 형성되어 있다. 고정 날개(123)(123a, 123b, 123c…)는, 예를 들면 알루미늄, 철, 스테인리스, 구리 등의 금속, 또는 이들 금속을 성분으로서 포함하는 합금 등의 금속에 의해 구성되어 있다.
또, 고정 날개(123)도, 마찬가지로 로터 축(113)의 축선에 수직인 평면으로부터 소정의 각도만큼 경사져 형성되고, 또한 외통(127)의 안쪽을 향해 회전 날개(102)의 단과 번갈아 배치되어 있다. 그리고, 고정 날개(123)의 외주단은, 복수의 적층된 고정 날개 스페이서(125)(125a, 125b, 125c…)의 사이에 삽입되어 끼워진 상태로 지지되어 있다.
고정 날개 스페이서(125)는 링 형상의 부재이며, 예를 들면 알루미늄, 철, 스테인리스, 구리 등의 금속, 또는 이들 금속을 성분으로서 포함하는 합금 등의 금속에 의해 구성되어 있다. 고정 날개 스페이서(125)의 외주에는, 약간의 공극을 두고 외통(127)이 고정되어 있다. 외통(127)의 바닥부에는 베이스부(129)가 배치되어 있다. 베이스부(129)에는 배기구(133)가 형성되어, 외부로 연통되어 있다. 챔버(진공 챔버) 측으로부터 흡기구(101)로 들어가 베이스부(129)로 이송되어 온 배기 가스는, 배기구(133)로 보내진다.
또한, 터보 분자 펌프(100)의 용도에 따라, 고정 날개 스페이서(125)의 하부와 베이스부(129) 사이에는, 나사가 달린 스페이서(131)가 배치된다. 나사가 달린 스페이서(131)는, 알루미늄, 구리, 스테인리스, 철, 또는 이들 금속을 성분으로 하는 합금 등의 금속에 의해 구성된 원통 형상의 부재이며, 그 내주면에 나선 형상의 나사 홈(131a)이 복수 줄 새겨져 형성되어 있다. 나사 홈(131a)의 나선의 방향은, 회전체(103)의 회전 방향으로 배기 가스의 분자가 이동했을 때에, 이 분자가 배기구(133) 쪽으로 이송되는 방향이다. 회전체(103)의 회전 날개(102)(102a, 102b, 102c…)로 이어지는 최하부에는 원통부(102d)가 수하(垂下)되어 있다. 이 원통부(102d)의 외주면은, 원통 형상이고, 또한 나사가 달린 스페이서(131)의 내주면을 향하여 돌출되어 있으며, 이 나사가 달린 스페이서(131)의 내주면과 소정의 간극을 두고 근접되어 있다. 회전 날개(102) 및 고정 날개(123)에 의해 나사 홈(131a)으로 이송되어 온 배기 가스는, 나사 홈(131a)에 안내되면서 베이스부(129)로 보내진다.
베이스부(129)는, 터보 분자 펌프(100)의 기저부를 구성하는 원반 형상의 부재이며, 일반적으로는 철, 알루미늄, 스테인리스 등의 금속에 의해 구성되어 있다. 베이스부(129)는 터보 분자 펌프(100)를 물리적으로 유지함과 더불어, 열의 전도로(傳導路)의 기능도 겸비하고 있으므로, 철, 알루미늄이나 구리 등의 강성이 있으며, 열전도율도 높은 금속이 사용되는 것이 바람직하다.
이러한 구성에 있어서, 회전 날개(102)가 로터 축(113)과 더불어 모터(121)에 의해 회전 구동되면, 회전 날개(102)와 고정 날개(123)의 작용에 의해, 흡기구(101)를 통해서 도시하지 않는 챔버로부터 배기 가스가 흡기된다. 회전 날개(102)의 회전 속도는 통상 20,000rpm~90,000rpm이며, 회전 날개(102)의 선단에서의 둘레 속도는 200m/s~400m/s에 달한다. 흡기구(101)로부터 흡기된 배기 가스는, 회전 날개(102)와 고정 날개(123)의 사이를 지나, 베이스부(129)로 이송된다.
또한, 상기에서는, 나사가 달린 스페이서(131)는 회전체(103)의 원통부(102d)의 외주에 배치하며, 나사가 달린 스페이서(131)의 내주면에 나사 홈(131a)이 새겨져 형성되어 있다고 설명했다.
그러나, 이와는 반대로 원통부(102d)의 외주면에 나사 홈이 새겨져 형성되고, 그 주위에 원통 형상의 내주면을 갖는 스페이서가 배치되는 경우도 있다.
또, 터보 분자 펌프(100)의 용도에 따라서는, 흡기구(101)로부터 흡인된 가스가 상측 경방향 전자석(104), 상측 경방향 센서(107), 모터(121), 하측 경방향 전자석(105), 하측 경방향 센서(108), 축방향 전자석(106A, 106B), 축방향 센서(109) 등으로 구성되는 전장부(電裝部)에 침입하는 일이 없도록, 전장부는 주위가 스테이터 칼럼(122)으로 덮이고, 이 스테이터 칼럼(122) 내는 퍼지 가스로 소정 압으로 유지되는 경우도 있다.
이 경우에는, 베이스부(129)에는 도시하지 않는 배관이 배치되고, 이 배관을 통해서 퍼지 가스가 도입된다. 도입된 퍼지 가스는, 보호 베어링(120)과 로터 축(113) 사이, 모터(121)의 로터와 스테이터 사이, 스테이터 칼럼(122)과 회전 날개(102)의 내주측 원통부 사이의 간극을 통해서 배기구(133)로 송출된다.
여기에, 터보 분자 펌프(100)는, 기종의 특정과, 개개로 조정된 고유의 파라미터(예를 들면, 기종에 대응하는 제 특성)에 의거한 제어를 필요로 한다. 이 제어 파라미터를 저장하기 위하여, 상기 터보 분자 펌프(100)는, 그 본체 내에 전자 회로부(141)를 구비하고 있다. 전자 회로부(141)는, EEP-ROM 등의 반도체 메모리 및 그 액세스를 위한 반도체 소자 등의 전자 부품, 그들의 실장용 기판(143) 등으로 구성된다. 이 전자 회로부(141)는, 터보 분자 펌프(100)의 하부를 구성하는 베이스부(129)의 예를 들면 중앙 부근의 도시하지 않는 회전 속도 센서의 하부에 수용되며, 기밀성의 바닥 덮개(145)에 의해 닫혀져 있다.
그런데, 반도체의 제조 공정에서는, 챔버에 도입되는 프로세스 가스 중에는, 그 압력이 소정 값보다 높아지거나, 혹은, 그 온도가 소정 값보다 낮아지면, 고체가 되는 성질을 갖는 것이 있다. 터보 분자 펌프(100) 내부에서는, 배기 가스의 압력은, 흡기구(101)에서 가장 낮고 배기구(133)에서 가장 높다. 프로세스 가스가 흡기구(101)로부터 배기구(133)로 이송되는 도중에, 그 압력이 소정 값보다 높아지거나, 그 온도가 소정 값보다 낮아지면, 프로세스 가스는, 고체상이 되고, 터보 분자 펌프(100) 내부에 부착되어 퇴적한다.
예를 들면, Al 에칭 장치에 프로세스 가스로서 SiCl4가 사용된 경우, 저진공(760[torr]~10-2[torr]) 또한, 저온(약 20[℃])일 때, 고체 생성물(예를 들면 AlCl3)이 석출되고, 터보 분자 펌프(100) 내부에 부착 퇴적하는 것을 증기압 곡선으로부터 알 수 있다. 이에 의해, 터보 분자 펌프(100) 내부에 프로세스 가스의 석출물이 퇴적하면, 이 퇴적물이 펌프 유로를 좁혀, 터보 분자 펌프(100)의 성능을 저하시키는 원인이 된다. 그리고, 상술한 생성물은, 배기구(133) 부근이나 나사가 달린 스페이서(131) 부근의 압력이 높은 부분에서 응고, 부착되기 쉬운 상황에 있었다.
그 때문에, 이 문제를 해결하기 위하여, 종래에는 베이스부(129) 등의 외주에 도시하지 않는 히터나 환상의 수랭관(149)을 권착(卷着)시키며, 또한 예를 들면 베이스부(129)에 도시하지 않는 온도 센서(예를 들면 서미스터)를 매입(埋入)하고, 이 온도 센서의 신호에 의거하여 베이스부(129)의 온도를 일정한 높은 온도(설정 온도)로 유지하도록 히터의 가열이나 수랭관(149)에 의한 냉각의 제어(이하 TMS라고 한다. TMS; Temperature Management System)가 행해지고 있다.
다음으로, 회전체(103)의 가열 제어에 대하여 설명한다.
상술한 바와 같이, 베이스부(129) 측에 대한 가열이 종래 행해지고 있지만, 생성물의 퇴적 방지에 의한 펌프의 운전 효율 향상을 위하여, 최근에는 추가로 회전체(103) 측도 포함하는 가일층의 가열이 요망되고 있다.
이와 같이 회전체(103)의 가열 제어를 행하는 방법을 도 1과 도 2에 의거하여 설명한다. 도 1에 있어서, 보호 베어링(1)과 상측 경방향 센서(107) 사이에는, 2극의 가열용 전자석(3A)과 가열용 전자석(3B)이 로터 축(113)을 사이에 두고 대향하여 배치되어 있다. 이 가열용 전자석(3A)과 가열용 전자석(3B)은 가열 장치(3)에 상당하며, 이 가열 장치(3)에 대해서는 도 2에 나타내는 바와 같이, 가열용 전원(21)으로부터 교류 전류가 공급되도록 되어 있다. 이 교류 전류에 의해 가열용 전자석(3A)과 가열용 전자석(3B)은 여자되고, 교류 자계가 발생하도록 되어 있다.
이러한 구성에 있어서, 발생한 교류 자계는 로터 축(113)과 교차한다. 교차한 교류 자계의 주위에는 와전류가 발생한다. 이 때, 로터 축(113)에는 도시하지 않는 도전성을 갖는 가열 대상물이 고착되고, 이 가열 대상물에 대해 교류 자계가 관통하고, 와전류가 발생하도록 해도 된다. 가열 대상물의 재료로서는 철, 스테인리스, 알루미늄 등의 도전성을 갖는 금속을 들 수 있는데, 철, 스테인리스 등의 강자성체가 보다 바람직하다. 그리고, 이 와전류에 의해 회전체(103)는 가열된다.
교류 자계는, 정현파여도 되고, 방형파, 삼각파 등의 다른 파형이나, 이들을 합한 것이어도 된다. 또, 이 교류 자계에 직류 자계가 오프셋되어도 된다. 다른 파형의 경우에는, 각 파형의 기본파 성분을 자계의 주파수로 간주한다.
이 때 발생하는 와전류손에 대하여 「회전 기계 설계자를 위한 자기 베어링 가이드북」 일본공업 출판 59페이지((2) 와전류손)에 의하면, 판두께 t, 자계의 변동 주파수 f, 자계의 변동을 받는 자성체의 체적 V, 최대의 자속 밀도 Bm, 자성체의 고유 저항 ρ라고 정의했을 때에 와전류손 Pe는 수식 1로 나타낼 수 있다.
[수식 1]
수식 1에 의하면, 와전류손 Pe는 교류 자계의 주파수의 2승으로 증가하는 것을 알 수 있다. 따라서, 교류 자계를 이용함으로써, 와전류손 Pe에 수반하는 발열을 비접촉으로 효율적으로 발생시킬 수 있다. 또, 동일한 와전류손 Pe를 얻는데 필요한 자계의 자속 밀도 Bm은, 자계의 변동 주파수 f에 반비례하여 감소하는 것을 알 수 있다.
또, 교류 자계를 회전체(103)와 교차시키는 경우에는, 와전류손 Pe는 로터 축(113)의 회전이 정지하고 있을 때여도 발생시킬 수 있다. 퇴적물은 펌프가 정지 중이어도 발생하는 것이 상정되므로 퇴적물의 생성을 효과적으로 방지할 수 있다.
다음으로, 회전체(103) 및 펌프의 진동에 대하여 검토한다. 회전체(103)의 진동은, 회전체(103)의 고장의 원인이 된다. 특히, 자기 베어링을 이용하여 회전체(103)를 부상시키고 있는 펌프에서는, 회전체(103)의 진동의 증대에 의해 자기 베어링 제어가 불능이 되고, 로터 축(113)이 보호 베어링(1, 120)에 접촉하는 터치다운이 발생할 우려가 있다. 또, 회전체(103)의 진동은, 베어링이나 모터(121) 등을 통해 펌프 전체로 전달된다.
또한, 펌프의 스테이터부에는, 자기 베어링을 구성하는 상측 경방향 전자석(104), 하측 경방향 전자석(105), 축방향 전자석(106A, 106B)이나, 모터(121)의 전자석, 가열 장치(3)의 가열용 전자석(3A, 3B) 등이 존재한다. 이들 전자석에 있어서는, 코일에 전류가 흘러 자계가 발생함으로써, 자계와 코어의 상호 작용에 의해 코어의 변형이 발생하고, 진동이 발생한다. 이 진동은, 펌프 전체로 전달된다.
이들 진동의 결과, 소음의 발생이나, 흡기구(101)를 통해 도시하지 않는 챔버 측에 진동이 전달되는 것에 의한 반도체 제조 공정에 대한 악영향 등이 발생할 우려가 있다. 따라서, 회전체 및 펌프의 진동은 가능한 한 억제되는 것이 바람직하다.
교류 자계를 로터 축(113)에 대해 교차시키는 것에 수반되는 회전체(103)의 진동에 대하여 검토한다.
와전류손 Pe를 발생시키기 위하여 교류 자계를 로터 축(113)에 대해 교차시키면, 이 교류 자계에 의해 외력이 발생한다. 이 교류 자계에 의해 외력이 발생하는 모습을 도 3에 나타낸다. 도 3은 도 1, 도 2에 나타낸 2극의 배치에서의 자계 및 외력의 모습을 나타내고 있다. 등방적인 극 배치의 경우에는 이상적으로는 좌우의 외력 FL과 FR은 균형을 이룰 것이다. 그러나, 현실적으로는 가공 정밀도에 따른 형상의 편차나, 언밸런스에 의한 로터 축(113)의 편심, 재료의 자성의 편차 등의 요인에 의해 로터 축(113)에 대한 외력이 발생한다. 또, 비(非)등방적인 극 배치의 경우여도, 로터 축(113)에 대한 외력이 발생할 우려가 있다. 이 때문에, 회전체(103)를 저진동으로 안정적으로 회전시키기 위해서는, 로터 축(113)에 대한 외력 FL, FR을 작게 하는 것이 바람직하다.
교류 자계가 로터 축(113)에 대해 교차한 것에 수반하여 발생하는 외력 FR은, 수식 2에 나타내는 바와 같이 가열용 전자석(3B)과 로터 축(113) 사이의 갭의 자속 밀도 Bg의 2승에 비례한다.
[수식 2]
여기에 수식 2의 외력 FR을 비례 상수 Kg를 이용하여 수식 3으로 정의한다.
[수식 3]
시각 t에 있어서의 갭의 자속 밀도 Bg를 수식 4의 진폭 Bg1, 각진동수 ω0의 정현파라고 가정하면,
[수식 4]
로터 축(113)에 걸리는 외력 FR은 수식 5가 된다.
[수식 5]
여기에, 수식 6이므로,
[수식 6]
Bg1을 1/n배로 할 수 있으면, 외력 FR의 최대값은 1/n2배가 된다.
이 외력 FR에 의한 영향을 도 4의 강제 진동 모델에 대하여 검토한다. 여기에, 회전체·스테이터의 외력 방향의 스프링 상수 k, 회전체·스테이터의 외력 방향의 감쇠 계수 γ, 회전체의 질량 m, 자계에 의해 부여되는 외력 F라고 정의한다.
이 때, 외력이 가해지는 방향의 회전체 강체 모드 고유 각진동수 ωres는
[수식 7]
라고 정의하면, 감쇠 계수 γ가 수식 8일 때에 수식 9가 된다.
[수식 8]
[수식 9]
한편, 감쇠 계수 γ가 수식 10일 때에는, 수식 11이라고 정의한다.
[수식 10]
[수식 11]
이 때, 수식 12를 만족하는 교류라면, 동일한 자속 밀도에 대한 로터 축(113)의 변위(강제 진동의 응답)가, 수식 13의 직류의 경우와 비교하여 작아진다. 그리고, 교류 자계의 주파수가 높아지면 질수록 이 변위는 작아진다. 이 사이의 모습을 도 5에 나타낸다.
[수식 12]
[수식 13]
다음으로, 이 강제 진동 모델에 대한 증명을 행한다.
강제 진동 모델의 운동 방정식을 수식 14로 하고, F/m을 수식 15의 강제 진동에 의거하는 정현파라고 가정한다. 단, x는 로터 축의 변위이고, ω1은 외력 F의 각진동수이다.
[수식 14]
[수식 15]
x의 해를 수식 16으로 두면, a는 수식 17이 된다.
[수식 16]
[수식 17]
직류 자계를 로터 축에 교차시킨 경우, 즉, ω0=0의 경우, 외력 F는 수식 18이 되므로, ω1=0이고, a는 수식 19이다.
[수식 18]
[수식 19]
한편, 교류 자계를 로터 축에 교차시킨 경우, 외력 F는 수식 20이며, 직류 성분과 교류 성분의 합으로 표시된다.
[수식 20]
힘의 직류 성분에 대한 로터 축(113)의 진폭 a는 수식 21이다.
[수식 21]
따라서, 외력 중, 각진동수 ω1의 교류 성분의 진폭이 수식 22 미만이면, 교류 자계에 의한 강제 진동의 로터 축(113)의 변위의 진폭은, 교류 자계의 자속 밀도 최대값과 동일한 직류 자계를 가한 경우와 비교하여, 작다.
[수식 22]
수식 23이 되는 ω1은 수식 24이다. 또, ω0과 ω1에는 수식 25의 관계가 있다.
[수식 23]
[수식 24]
[수식 25]
이 때문에, 수식 26을 만족하는 교류 자계의 주파수에 있어서, 교류 자계에 의한 강제 진동의 로터 축(113)의 변위의 진폭은, 교류 자계의 자속 밀도 최대값과 동일한 직류 자계를 가한 경우와 비교하여, 작다.
[수식 26]
다음으로, 가열 장치의 가열용 전자석(3A, 3B)에서 교류 자계가 발생함으로써, 펌프에 발생하는 진동에 대하여 검토한다. 도 3에 있어서, 가열용 전자석(3A, 3B)은, 주로 적층 강판이나 페라이트로 이루어지는 코어(6)와, 코어(6)의 돌극부(7a, 7b)에 권회된 코일(4a, 4b) 등으로 구성된다. 코일(4a, 4b)에 가열용 전원으로부터 공급된 교류 전류가 흐름으로써 기자력이 발생하고, 교류 전류와 동일한 주파수의 교류 자계가 코어(6)에 발생한다. 발생한 교류 자계는, 갭을 개재하여 로터 축(113)에 교차하고, 자력선의 폐(閉)루프(5a, 5b)를 형성한다.
교류 자계의 발생 시에는, 교류 자계와 코어(6)의 상호 작용에 의해 코어(6)의 변형이 발생하고, 교류 자계의 주파수 성분의 진동이 가열용 전자석(3A, 3B)에 발생한다. 이 가열용 전자석(3A, 3B)의 진동은, 가열용 전자석(3A, 3B)과 펌프의 결합부 등을 통해, 펌프 전체로 전달되어 간다.
다음으로, 회전체(103)의 회전에 의해 발생하는 회전체(103)의 진동에 대하여 검토한다. 회전체(103)가 회전하면, 가공 정밀도에 따른 형상의 편차나, 언밸런스에 의한 회전체(103)의 편심, 재료의 자성의 편차 등의 요인에 의해, 회전체(103)에 대한 외력이 발생하고, 진동이 발생한다. 이 진동의 스펙트럼에는, 회전체(103)의 회전 주파수 성분의 큰 피크가 나타난다. 이 피크 주파수는 운전 상태에 따라 변화하고, 최대값은, 회전체(103)의 기계각에 의거하여 정의된 정격 회전 주파수이다.
따라서, 회전체(103)의 기계각에 의거하여 정의된 정격 회전 주파수보다 가열용 전자석(3A, 3B)에서 발생시키는 교류 자계의 주파수가 큰 경우에는, 교류 자계에 의해 발생하는 펌프의 진동 스펙트럼의 피크가, 회전체(103)의 회전에 의해 발생하는 진동 스펙트럼의 피크와는 일치하지 않는다. 그 때문에, 펌프의 진동 스펙트럼의 피크를 작게 할 수 있다.
다음으로, 모터(121)에 흐르는 전류에 의해 발생하는 펌프의 진동에 대하여 검토한다. 모터(121)는, 코어에 코일이 권회된 전자석으로 이루어지며 펌프에 고정된 스테이터와, 스테이터로부터 발생한 자계와의 상호 작용에 의해 발생한 토크를 회전체에 전달하는 로터로 이루어진다. 또한, 모터(121)가 예를 들면 영구 자석 동기 모터인 경우에는, 정격 회전 시의 전류의 주파수는 전기각 주파수와 동일하고, 또, 이 전기각 주파수는 기계각 주파수×극쌍수로 산출 가능하다.
모터(121)의 스테이터에서는, 자계와 코어의 상호 작용에 의해 코어의 변형이 발생하고, 모터에 흐르는 전류의 주파수 성분의 진동이 발생한다. 이 진동은, 모터와 펌프의 결합부를 통해, 펌프 전체로 전달되어 간다.
모터(121)의 회전 구동에 대해서는 모터용 인버터(18)를 이용한 PWM(Pulse Width Modulation) 제어가 행해지고 있다. 도 6에 나타내는 바와 같이, 이 PWM 제어에서는, 주기 t0으로 제어된다. 이 때의 제어 주파수 f0=1/t0은 모터용 인버터 제어기의 제어 주파수에 상당한다. 그리고, 모터용 인버터(18)의 출력 가능한 전압의 주파수 f는, 제어 주파수 f0의 1/2배인 f=f0/2이다. 즉, 모터용 인버터 제어기의 제어 주파수의 2배보다 큰 주파수를 가지고 교류 자계에 의한 회전체(103)의 가열을 행하면, 모터용 인버터(18)가, 모터(121)에 흐르는 전류에 중첩하여 교류 전류를 흐르게 하고, 모터(121)의 자계에 중첩하여 가열용 교류 자계를 발생시킴으로써 회전체(103)를 가열하는 경우와 비교하여, 큰 주파수의 교류 자계로 가열할 수 있다. 그 때문에, 동일한 회전체(103)의 와전류손을 얻는데 필요한 교류 자계의 자속 밀도를 작게 할 수 있고, 교류 자계에 의해 회전체(103)에 발생하는 외력을 작게 할 수 있어, 회전체(103)의 진동을 작게 할 수 있다.
또한, 이 점은, 자기 베어링을 제어하는 자기 베어링용 인버터(16)를 이용한 PWM 제어에 대해서도 마찬가지이다. 타이밍 차트는 도 6과 동일하므로 생략한다. 도 6과 마찬가지로, 자기 베어링을 제어하는 PWM 제어에 대해서도 주기 t0으로 제어된다. 즉, 자기 베어링용 인버터 제어기의 제어 주파수의 2배보다 큰 주파수를 가지고 교류 자계에 의한 회전체(103)의 가열을 행하면, 자기 베어링용 인버터(16)가, 자기 베어링에 흐르는 전류에 중첩하여 교류 전류를 흐르게 하고, 자기 베어링의 자계에 중첩하여 가열용 교류 자계를 발생시킴으로써 회전체(103)를 가열하는 경우와 비교하여, 큰 주파수의 교류 자계로 가열할 수 있다. 그 때문에, 동일한 회전체(103)의 와전류손을 얻는데 필요한 교류 자계의 자속 밀도를 작게 할 수 있고, 교류 자계에 의해 회전체(103)에 발생하는 외력을 작게 할 수 있어, 회전체(103)의 진동을 작게 할 수 있다.
또한, 하측 경방향 센서(108)나 상측 경방향 센서(107)에는, 인덕턴스 센서 혹은 와전류 센서가 이용되고 있다. 이 하측 경방향 센서(108)나 상측 경방향 센서(107)에서 검출된 변위 신호에 대해서는 소정의 센서 주파수의 변조파가 중첩되어 있는데, 이 변조파를 토대로, 가열용 전자석(3A)과 가열용 전자석(3B)에서 발생시키는 교류 자계의 적합한 주파수를 판단해 본다.
도 7에 있어서, 하측 경방향 센서(108)나 상측 경방향 센서(107)로부터 출력된 위치 신호는 로우 패스 필터(LPF)를 포함하는 복조 회로(11)에서 복조된 후, 자기 베어링 제어기(13)에서 신호 조정된 후, 하측 경방향 전자석(105)이나 상측 경방향 전자석(104)을 여자 구동한다. 로우 패스 필터의 컷 오프 주파수(통과역 평탄부로부터 3dB 저하되는 주파수)보다 가열용 전자석(3A)과 가열용 전자석(3B)에서 발생시키는 교류 자계의 주파수가 크면, 복조된 변위 센서의 위치 신호에 포함되는, 교류 자계에 의해 발생하는 펌프의 진동 성분이 작아진다. 그 때문에, 교류 자계에 의해 발생하는 펌프의 진동은 회전체(103)의 위치 제어에 영향은 미치지 않아, 보다 안정적인 자기 베어링 제어를 실현할 수 있다.
또, 가열용 전자석(3A)과 가열용 전자석(3B)에서 발생시키는 교류 자계의 주파수가 센서 주파수보다 크면, 변위 센서의 위치 신호에 포함되는, 교류 자계에 의해 발생하는 펌프의 진동 성분이 작아진다. 그 때문에, 교류 자계에 의해 발생하는 펌프의 진동은 회전체(103)의 위치 제어에 영향을 미치지 않아, 보다 안정적인 자기 베어링 제어를 실현할 수 있다.
다음으로, 도 1, 도 2의 가열 장치(3)에서는 가열용 전자석(3A)과 가열용 전자석(3B)의 2극으로 구성한 예를 나타냈으나, 도 8에 4극으로의 가열 장치의 구성예를 나타낸다. 이 경우, 가열 장치(23)로서는, 가열용 전자석(23A), 가열용 전자석(23B), 가열용 전자석(23C), 가열용 전자석(23D)이 서로 90도씩 떨어져서 로터 축(113) 둘레에 존재하며, 코일(24a, 24b, 24c, 24d)이 코어(26)의 돌극부(27a, 27b, 27c, 27d)에 대해 균등하게 배치된다. 그리고, 자계는 로터 축(113)을 지나고, 로터 축(113) 둘레에 돌극부(27a, 27b, 27c, 27d)를 지나는 4개의 자계의 폐루프(25a, 25b, 25c, 25d)가 형성된다.
또, 도 9에는 4극으로의 가열 장치의 별도 구성예를 나타낸다. 이 경우, 가열 장치(31)로서는, コ자 형상의 코어(36a)의 2개의 돌극부(37a, 37b)에 대해 각각 배치된 코일(34a, 34b)로 이루어지는 가열용 전자석(33A), 가열용 전자석(33B)에서 x축 정방향으로 자계의 폐루프(35a)가 형성되고, 한편, コ자 형상의 코어(36b)의 2개의 돌극부(37c, 37d)에 대해 각각 배치된 코일(34c, 34d)로 이루어지는 가열용 전자석(33C), 가열용 전자석(33D)에서 x축 부방향으로 자계의 폐루프(35b)가 형성된다.
또한, 도 10에 2극으로의 가열 장치의 별도 구성예를 나타낸다. 이 경우, 가열 장치(41)로서는, コ자 형상의 코어(36a)의 2개의 돌극부(37a, 37b)에 대해 각각 배치된 코일(34a, 34b)로 이루어지는 가열용 전자석(33A), 가열용 전자석(33B)에서 x축 정방향으로만 자계의 폐루프(35a)가 형성된다. 이와 같이 비대칭으로 구성된 경우여도 회전체(103)에 대해 교차한 교류 자계의 주위에는 와전류손 Pe를 발생시킬 수 있다.
가열용 전자석의 코일은, 하나의 가열용 전원에 대해 직렬로 접속되는 것이 바람직하다. 그러나, 가열용 전자석의 코일을 병렬로 접속하거나, 코일에 대해 복수의 가열용 전원을 준비해도 된다.
또, 각 가열용 전자석의 코어의 재료는, 적층 강판이나 페라이트 등의, 도전율이 작고 투자율이 큰 것이 바람직하다. 그러나, 예를 들면, 통상의 철이나 스테인리스를 사용해도 된다. 이 구성은, 회전체와 동시에 스테이터 측을 가열하는 경우에 유용하다. 또, 알루미늄 등의 비자성 금속이나, 플라스틱 등의 절연체를 이용하거나, 코어 재료를 사용하지 않는 공심 코일을 가열용 전자석으로서 이용해도 된다.
다음으로, 도 11에 터보 분자 펌프(100)에 대한 가열 장치의 설치 방법에 대하여 설명한다. 우선, 도 11 중에 화살표 A로 나타내는 개소에 설치되는 가열 장치(41)는, 도 12와 같이 로터 축(113)의 주위에 대해 코일(43)이 일방향으로 권회되어 있다. 또, 로터 축(113)의 외주면에는 홈이 패이고, 이 홈에 대해 도전성을 갖는 가열 대상물(45)이 매설되어 있다. 그리고, 코일(43)에 대해서는 교류 전류가 흐르고, 그 주위에 교류 자계가 발생하고 있다. 이 교류 자계는 가열 대상물(45)에 대해 교차함으로써 가열 대상물(45)에서는 와전류가 발생하고, 이 와전류에 의해 와전류손 Pe를 발생시킬 수 있다. 이 때문에, 가열 대상물(45)은 발열한다. 종래와 같은 베이스부(129)를 가열했을 때의 복사열에 의한 가열 등이 아니고, 가열 대상물(45)을 직접 가열할 수 있으므로, 회전체(103)에 대해 효율적인 가열을 행할 수 있다.
또, 도 11 중에 화살표 B로 나타내는 개소에 설치되는 가열 장치(51)는, 도 13과 같이 로터 축(113)의 주위에 대해 코일(53)이 일방향으로 권회됨으로써 구성되어 있다.
그리고, 코일(53)에 대해서는 교류 전류가 흐로고, 그 주위에 교류 자계가 발생하고 있다. 이 교류 자계는 회전 날개(102)에 대해 교차함으로써 회전 날개(102)에서는 와전류가 발생하고, 이 와전류에 의해 와전류손 Pe를 발생시킬 수 있다. 이 때문에, 회전 날개(102)는 발열한다. 회전 날개(102)를 직접 가열할 수 있으므로, 회전체(103)에 대해 효율적인 가열을 행할 수 있다.
또한, 도 11 중에 화살표 C로 나타내는 개소에 설치되는 가열 장치(61)는, 도 14에 나타내는 바와 같이 고정 날개 스페이서(125) 혹은 외통(127)의 내부에 코일(63)이 로터 축(113) 둘레에 일방향으로 권회됨으로써 구성되어 있다.
그리고, 이 코일(63)에 대해서는 교류 전류가 흐르고, 그 주위에 교류 자계가 발생하고 있다. 이 교류 자계는 회전 날개(102)에 대해 교차함으로써 회전 날개(102)에서는 와전류가 발생하고, 이 와전류에 의해 와전류손 Pe를 발생시킬 수 있다. 이 때문에, 회전 날개(102)는 발열한다. 회전 날개(102)를 직접 가열할 수 있으므로, 회전체(103)에 대해 효율적인 가열을 행할 수 있다.
또한, 도 11 중에 화살표 D로 나타내는 개소에 설치되는 가열 장치(71)는, 도 14에 나타내는 바와 같이 나사가 달린 스페이서(131)의 내부에 코일(71)이 로터 축(113) 둘레에 일방향으로 권회됨으로써 구성되어 있다.
그리고, 이 코일(71)에 대해서는 교류 전류가 흐르고, 그 주위에 교류 자계가 발생하고 있다. 이 교류 자계는 회전 날개(102)의 원통부(102d)에 대해 교차함으로써 회전 날개(102)에서는 와전류가 발생하고, 이 와전류에 의해 와전류손 Pe를 발생시킬 수 있다. 이 때문에, 회전 날개(102)는 발열한다. 회전 날개(102)를 직접 가열할 수 있으므로, 회전체(103)에 대해 효율적인 가열을 행할 수 있다.
단, 스테이터 칼럼(122) 측에 코일(73)을 매설하도록 해도 된다. 그리고, 이 코일(73)에서 발생시킨 교류 자계를 회전 날개(102)의 원통부(102d)에 대해 교차시킴으로써, 와전류손 Pe를 발생시키도록 해도 된다.
다음으로, 본 발명의 가열 장치를 원심식 펌프에 적용한 경우에 대하여 설명한다. 도 15에 나타내는 바와 같이, 로터 축(113)의 머리부에는 복수 장의 날개(81)가 장착되어 있다. 날개(81)의 선단부에 대치되도록 코일(83)이 스테이터 측에 배치되어 있다. 그리고, 이 코일(83)에 대해서는 교류 전류가 흐르고, 그 주위에 교류 자계가 발생하고 있다. 이 교류 자계는 날개(81)의 선단 부분에 대해 교차함으로써 날개(81)의 선단 부분에서는 와전류가 발생하고, 이 와전류에 의해 와전류손 Pe를 발생시킬 수 있다. 이 때문에, 날개(81)는 발열한다.
또한, 날개(81)의 측부를 가열하기 위하여, 날개(81)의 측부에 대치되도록 코일(85)이 배치되어도 된다. 이 경우에는, 코일(85)에서 발생한 교류 자계는 날개(81)의 측부에 교차한다. 이 때문에, 날개(81)의 측부에서는 와전류가 발생하고, 이 와전류에 의해 와전류손 Pe를 발생시킬 수 있다.
다음으로, 본 발명의 가열 장치를 펌프의 복수 개소에 배치했을 때의 가열용 전원의 접속 방법에 대하여 설명한다.
도 16에는, 로터 축(113)의 가열용으로 가열 장치(91)를 배치하고, 한편, 회전 날개(102)의 가열용으로 가열 장치(93)와 가열 장치(95)를 축방향으로 떨어진 2개소에 배치한 예를 나타낸다. 가열용 전원(97)은, 도 17에 나타내는 바와 같이, 가열 장치(91), 가열 장치(93), 가열 장치(95)를 직렬로 접속하여 교류 전류의 공급을 해도 되고, 도 18에 나타내는 바와 같이, 가열 장치(91), 가열 장치(93), 가열 장치(95)를 병렬로 접속하여 교류 전류의 공급을 해도 된다. 혹은, 도 19에 나타내는 바와 같이, 가열 장치(91), 가열 장치(93), 가열 장치(95) 각각에 대해 독립적으로 가열용 전원(97A, 97B, 97C)을 배치하여, 교류 전류의 공급을 해도 된다.
또, 도 20에 나타내는 바와 같이, 가열 장치(91)를 모터(121)의 U상 케이블의 도중에 접속, 가열 장치(93)를 V상 케이블의 도중에 접속, 가열 장치(95)를 W상 케이블의 도중에 접속하도록 해도 된다. 이 경우에는, 모터용 전원(19) 및 모터용 인버터(18)는, 가열용 전원을 겸하고 있다. 가열 장치(91), 가열 장치(93), 가열 장치(95)에 대해서는 모터용 전원(19) 및 모터용 인버터(18)로부터 교류 전류가 공급된다. 이 경우, 모터의 3상에 대해, 각각, 같은 저항·인덕턴스의 가열 장치를 직렬로 접속하는 것이 바람직하다. 그러나, 모터가 있는 상에만 접속하거나, 모터와 가열 장치의 접속이 병렬이거나, 저항이나 인덕턴스가 가열 장치마다 상이해도 된다.
도시는 생략하지만, 이 점은, 자기 베어링용 전원(17)에 대해서도 마찬가지이며, 자기 베어링용 전원(17)은 가열용 전원을 겸하도록 구성해도 된다.
가열용 전원은, 인버터, LC 공진 회로, 리니어 앰프 등으로 구성이 가능하다. 또, 가열용 전원은, 예를 들면, 모터용 인버터와 병렬로 인버터를 설치하여 그 출력을 가열 장치에 접속하고, 모터용 전원의 전력을 가열 장치에 대해 공급하는 구성으로 되어 있어도 된다. 또, 예를 들면, 모터용 전원이 교류의 상용(商用) 전원인 경우에는, 모터용 전원을 직접 가열 장치에 접속함으로써, 이것을 가열용 전원으로 해도 된다. 자기 베어링용 전원과 가열용 전원을 겸용하는 경우에도, 동일한 구성을 생각할 수 있다.
또한, 본 발명은, 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 한 다양한 개변을 이룰 수 있으며, 그리고, 본 발명이 당해 개변된 것에도 미치는 것은 당연하다. 또, 상술한 각 실시 형태는 다양하게 조합해도 된다.
1: 보호 베어링
3, 23, 31, 41, 51, 61, 71, 91, 93, 95: 가열 장치
3A, 3B: 가열용 전자석
4a, 4b, 24a, 24b, 24c, 24d, 34a, 34b, 34c, 34d: 코일
5a, 5b, 25a, 25b, 25c, 25d, 35a, 35b: 자계의 폐루프
6, 26, 36a, 36b: 코어
7a, 7b, 27a, 27b, 27c, 27d, 37a, 37b, 37c, 37d: 돌극부
11: 복조 회로
13: 자기 베어링 제어기
16: 자기 베어링용 인버터
17: 자기 베어링용 전원
18: 모터용 인버터
19: 모터용 전원
21, 97, 97A, 97B, 97C: 가열용 전원
23A, 23B, 23C, 23D, 33A, 33B, 33C, 33D: 가열용 전자석
43, 53, 63, 71, 73, 83, 85: 코일
45: 가열 대상물
81: 날개
100: 터보 분자 펌프
101: 흡기구
102, 102a, 102b, 102c: 회전 날개
102d: 원통부
103: 회전체
104: 상측 경방향 전자석
105: 하측 경방향 전자석
106A, 106B: 축방향 전자석
107: 상측 경방향 센서
108: 하측 경방향 센서
111: 금속 디스크
113: 로터 축
120: 보호 베어링
121: 모터
122: 스테이터 칼럼
123, 123a, 123b, 123c: 고정 날개
125, 125a, 125b, 125c: 고정 날개 스페이서
127: 외통
129: 베이스부
131: 나사가 달린 스페이서
131a: 나사 홈
200: 제어 장치

Claims (12)

  1. 회전체와,
    당해 회전체를 회전 구동시키는 모터와,
    당해 모터에 회전 구동용 전력을 공급하는 모터용 전원과,
    상기 회전체를 가열하기 위해 소정의 자계 주파수의 교류 자계를 발생시키는 가열용 전자석과,
    당해 가열용 전자석에 교류 전류에 의해 전력을 공급하는 가열용 전원을 구비하고,
    상기 가열용 전자석에서 발생된 상기 교류 자계를 상기 회전체와 교차시킴으로써 상기 회전체에 있어서, 당해 교차한 상기 교류 자계의 주위에 와전류를 발생시키는 것을 특징으로 하는 진공 펌프.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 회전체에는 상기 교류 자계의 교차의 대상이 되는 소정의 도전성을 갖는 가열 대상물이 구비된 것을 특징으로 하는 진공 펌프.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 회전체의 강체 모드 고유 진동수를 ωres라고 정의했을 때에 상기 자계 주파수가 ωres/√2보다 큰 것을 특징으로 하는 진공 펌프.
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 자계 주파수가 상기 회전체의 기계각에 의거하여 정의된 정격 회전 주파수보다 큰 것을 특징으로 하는 진공 펌프.
  5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 자계 주파수가 상기 모터에 흐르는 전류의 정격 회전 시의 주파수보다 큰 것을 특징으로 하는 진공 펌프.
  6. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 모터용 전원의 출력 전압을 변환하여, 상기 모터에 전압을 인가하는 모터용 인버터와,
    당해 모터용 인버터를 제어하는 모터용 인버터 제어기를 구비하고,
    상기 자계 주파수가 상기 모터용 인버터 제어기의 제어 주파수의 반보다 큰 것을 특징으로 하는 진공 펌프.
  7. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 회전체를 공중에 부상 지지하는 자기 베어링과,
    당해 자기 베어링에 대해 전력을 공급하는 자기 베어링용 전원과,
    상기 자기 베어링용 전원의 출력 전압을 변환하여, 상기 자기 베어링에 전압을 인가하는 자기 베어링용 인버터와,
    당해 자기 베어링용 인버터를 제어하는 자기 베어링용 인버터 제어기를 구비하고,
    상기 자계 주파수가 상기 자기 베어링용 인버터 제어기의 제어 주파수의 반보다 큰 것을 특징으로 하는 진공 펌프.
  8. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 회전체를 공중에 부상 지지하는 자기 베어링과,
    당해 자기 베어링에 대해 전력을 공급하는 자기 베어링용 전원과,
    상기 회전체의 위치를 소정의 센서 주파수로 변조된 위치 신호에 의거하여 비접촉으로 계측하는 변위 센서와,
    상기 위치 신호를 복조시키는 로우 패스 필터를 포함하는 복조 회로를 구비하고,
    상기 자계 주파수가 상기 로우 패스 필터의 컷 오프 주파수보다 큰 것을 특징으로 하는 진공 펌프.
  9. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 회전체를 공중에 부상 지지하는 자기 베어링과,
    당해 자기 베어링에 대해 전력을 공급하는 자기 베어링용 전원과,
    상기 회전체의 위치를 소정의 센서 주파수로 변조된 위치 신호에 의거하여 비접촉으로 계측하는 변위 센서를 구비하고,
    상기 자계 주파수가 상기 센서 주파수보다 큰 것을 특징으로 하는 진공 펌프.
  10. 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가열용 전원이 상기 모터용 전원과 겸용된 것을 특징으로 하는 진공 펌프.
  11. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 회전체를 공중에 부상 지지하는 자기 베어링과, 당해 자기 베어링에 대해 전력을 공급하는 자기 베어링용 전원을 구비하고, 상기 가열용 전원이 상기 자기 베어링용 전원과 겸용된 것을 특징으로 하는 진공 펌프.
  12. 청구항 7 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가열용 전원이 상기 자기 베어링용 전원과 겸용된 것을 특징으로 하는 진공 펌프.
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