TW202325989A - 真空泵及控制裝置 - Google Patents
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Abstract
本發明之課題在於提供一種具有保護功能之真空泵及控制裝置，其可不量測旋轉翼之溫度地防止由加熱引起之轉子破壞。
該真空泵包括：旋轉翼，其將氣體向排氣口輸送；馬達，其旋轉驅動旋轉翼；旋轉速度量測機構，其量測旋轉翼之旋轉速度；及電流量測機構，其量測在馬達流動之電流；且該真空泵包括：第1區域，其定義為在馬達流動之電流量測值為電流規定值以上、且旋轉翼之旋轉速度量測值在旋轉速度規定值以上；第2區域，其定義為在馬達流動之電流量測值未達電流規定值、或旋轉翼之旋轉速度量測值未達旋轉速度規定值；區域判斷機構，其判斷由旋轉速度量測機構量測出之旋轉速度量測值與由電流量測機構量測出之電流量測值屬於第1區域與第2區域之哪一區域；及運算機構，其基於區域判斷機構之判斷結果，隨著時間之經過而運算真空泵之故障之危險度。
Description
本發明係關於一種真空泵及控制裝置，特別係關於一種具有保護功能之真空泵及控制裝置，其可不量測旋轉翼之溫度地防止由加熱引起之轉子破壞。
伴隨著近年來之電子學之發展，記憶體或積體電路等半導體之需求急劇增大。
該等半導體藉由在純度極高之半導體基板摻雜雜質而賦予電氣特性、或利用蝕刻在半導體基板上形成細微之電路等而製造。
並且，該等作業為了避免空氣中之塵埃等之影響而需要在高真空狀態之腔室內進行。該腔室之排氣一般使用真空泵，特別係基於殘留氣體少、容易保養等之點多使用作為真空泵中之一者之渦輪分子泵。
又，在半導體之製造步驟中，使各種製程氣體作用於半導體基板之步驟較多，渦輪分子泵不僅使腔室內成為真空，亦使用於將該等製程氣體自腔室內排出。
進而，渦輪分子泵在電子顯微鏡等之設備內，亦使用於為了防止由粉塵等之存在而引起之電子束之折射等，而使電子顯微鏡等之腔室內之環境成為高度之真空狀態。
該渦輪分子泵為了對旋轉體進行磁懸浮控制而具備磁性軸承裝置。該磁性軸承裝置藉由控制裝置而控制，在該控制裝置中進行旋轉體之旋轉驅動控制或位置控制。並且，該控制裝置具有如下保護功能：在由於腔室壓力降低而產生旋轉體之異常過熱之情形下，為了避免泵破損，進行異常通知並中斷運轉(參照專利文獻1～4)。
[先前技術文獻]
[專利文獻]
[專利文獻1]日本特開2003-232292號公報
[專利文獻2]日本特開2004-116328號公報
[專利文獻3]日本特開2013-253502號公報
[專利文獻4]日本特開2009-287573號公報
[發明所欲解決之問題]
然而，在市場之實際作動中可知發生如僅憑藉先前設想之對泵異常之保護功能而無法避免泵破損之事例。例如：
(1)以未達規定時間之周期重複自目標旋轉速度降低或到達之事例
(2)真空腔室中有微小洩漏，雖然未及至目標旋轉速度降低，但驅動馬達長時間持續最大轉矩輸出狀態之事例。
對於任一事例，皆可能因極微小之事情為原因而發生，故而對該等事例皆企盼在及至泵破損之前通知異常狀態之功能。
又，為了高精度地防止如此之破損，亦考量導入量測旋轉翼之溫度之感測器來高精度地防止。但是，旋轉翼溫度感測器之導入有渦輪分子泵自身成為高價者之虞。
本發明係鑒於如此之先前之課題而完成者，其目的在於提供一種具有保護功能之真空泵及控制裝置，其可不量測旋轉翼之溫度地防止由加熱引起之轉子破壞。
[解決問題之技術手段]
因此，本發明(技術方案1)係一種真空泵之發明，其包括：旋轉翼，其將自吸氣口吸引之氣體向排氣口輸送；馬達，其旋轉驅動該旋轉翼；旋轉速度量測機構，其量測前述旋轉翼之旋轉速度；及電流量測機構，其量測在前述馬達流動之電流，且該真空泵構成為包括：第1區域，其定義為由前述電流量測機構量測出之電流量測值為電流規定值以上、且由前述旋轉速度量測機構量測出之旋轉速度量測值在旋轉速度規定值以上；第2區域，其定義為前述電流量測值未達前述電流規定值、或前述旋轉速度量測值未達前述旋轉速度規定值；區域判斷機構，其判斷前述旋轉速度量測值與前述電流量測值屬於前述第1區域與前述第2區域之哪一區域；及運算機構，其基於該區域判斷機構之判斷結果，隨著時間之經過而運算前述真空泵之故障之危險度。
以在馬達流動之電流量測值為電流規定值以上、且旋轉翼之旋轉速度量測值為旋轉速度規定值以上而定義第1區域，以在馬達流動之電流量測值未達電流規定值、或旋轉翼之旋轉速度量測值未達旋轉速度規定值而定義第2區域。然後，判斷由旋轉速度量測機構量測出之旋轉速度量測值與由電流量測機構量測出之電流量測值屬於第1區域與第2區域之哪一區域。藉由基於該判斷結果，隨著時間之經過而運算真空泵之故障之危險度，而可不量測旋轉翼之溫度地以低成本之方法避免由旋轉翼或驅動馬達之異常過熱原因而引起之真空泵破損障礙於未然。
又，本發明(技術方案2)係一種真空泵之發明，其構成為包括：危險度臨限值，其對於由前述運算機構運算出之前述危險度而設定；異常通知機構，其在超過該臨限值時通知前述真空泵之異常；及停止機構，其在由該異常通知機構通知前述真空泵之異常時停止前述真空泵之作動。
由此，由於在真空泵之故障之危險度超過危險度臨限值時，可通知真空泵之異常、或基於該異常通知停止真空泵之作動，故而可效率良好地防止真空泵之惡化於未然。
進而，本發明(技術方案3)係一種真空泵之發明，其特徵在於：前述運算機構在由前述電流量測機構量測出之前述電流量測值與由前述旋轉速度量測機構量測出之前述旋轉速度量測值皆處於前述第1區域時，在前述旋轉速度量測值自預先設定之第1轉速以上較該第1轉速降低時，判斷為前述真空泵之故障之危險度為過大。
藉由在旋轉速度之檢測值自預先設定之第1轉速以上較該第1轉速降低時，判斷為真空泵之故障之危險度為過大，而可瞬時地判斷真空泵之異常。在馬達之電流值高而成為過負荷之狀態時旋轉速度降低，係指由於與氣體之摩擦熱持續，故而立即進行異常通知或真空泵之停止。由此，可進行安全之真空泵之運用。
進而，本發明(技術方案4)係一種真空泵之發明，其特徵在於：前述運算機構包括：時間量測機構，其在由前述電流量測機構量測出之前述電流量測值與由前述旋轉速度量測機構量測出之前述旋轉速度量測值皆處於前述第2區域時，量測前述旋轉速度量測值以預先設定之第2轉速以下持續旋轉驅動時之時間；且在由該時間量測機構量測出之時間為預先設定之第1時間以上時，判斷為前述真空泵之故障之危險度為過大。
即使在由前述電流檢測機構檢測出之電流之檢測值與由旋轉速度檢測機構檢測出之旋轉速度之檢測值皆處於第2區域時，亦可藉由量測旋轉速度之檢測值以預先設定之第2轉速以下持續旋轉驅動時之時間，而效率良好地判斷真空泵之異常。由此，可進行安全之真空泵之運用。
進而，本發明(技術方案5)係一種真空泵之發明，其特徵在於：前述運算機構具備將前述真空泵之故障之危險度數值化之計數器；且對於該計數器，基於前述區域判斷機構之判斷結果，就每一第2時間進行如下處理：在前述旋轉速度量測值與前述電流量測值屬於前述第1區域時使前述計數器之計數上升，另一方面，在屬于前述第2區域時使前述計數器之前述計數降低。
將熱在第1區域停留之時間與在第2區域停留之時間之差作為蓄熱時間。並且，為了將該蓄熱時間作為故障之危險度進行數值化而具備計數器。對於該計數器，在真空泵之運轉狀態屬於第1區域時使計數器之計數上升，另一方面，在屬於第2區域時使計數器之計數降低。藉此，無需僅為了避免故障而搭載高價之非接觸之翼溫度量測功能，而可低成本地實現風險避免。
進而，本發明(技術方案6)係一種真空泵之發明，其特徵在於：在前述計數器之前述計數之值超過預先設定之故障基準值時，判斷為前述真空泵之故障之危險度為過大。
藉由表示蓄熱時間之計數器之計數之值達到規定滯留時間、即故障基準以上，而判斷為有運用上之過熱風險。由此，可低成本且效率良好地判斷真空泵之故障之危險度過大。
進而，本發明(技術方案7)係一種真空泵之發明，其特徵在於：前述計數器之前述計數之值不會小於零。
由此，可減小計數器之固定記憶體區域。
進而，本發明(技術方案8)係一種真空泵之發明，其特徵在於：前述第2時間為1秒。
為了判斷真空泵之故障而設定故障基準值，該故障基準值為計數器之最大值，若計數器之量測時間為每1秒，則無論是誰皆容易以遵循真空泵運轉之實情之形式與及至實際之故障之時間結合而在感覺上決定該故障基準值。
進而，本發明(技術方案9)係一種真空泵之發明，其特徵在於：在對前述馬達供給之電源被切斷時，藉由前述馬達之旋轉進行再生制動，在該再生制動中持續進行前述計數器之前述計數。
藉由電源斷開而成為再生制動。即使在該狀態下亦向控制電源供給藉由再生制動而產生之電源。因此，可在再生制動中繼續進行負荷狀態之判斷或計數器之計數。在此期間，由於旋轉減速，故而進行散熱。因此，可進行真空泵之安全之運用。
進而，本發明(技術方案10)係一種真空泵之發明，其特徵在於：在對前述馬達供給之電源被切斷、且藉由前述馬達之旋轉而產生之再生制動結束時，前述計數器之前述計數之值重置為零。
藉由電源斷開而向再生制動轉移。在該狀態下，由於馬達之旋轉暫時被減速，故而進行散熱。其後，電源被完全切斷，計數器之值重置為零，此時，藉由旋轉體接觸軸承，而熱直接傳遞至軸承。因此，在真空泵之運轉再次開始時，散熱幾乎已經完全地進行，可再次效率良好地進行負荷狀態之判斷或計數器之計數。因此，可進行真空泵之安全之運用。
進而，本發明(技術方案11)係一種控制裝置，其控制真空泵，該真空泵包括：旋轉翼，其將自吸氣口吸引之氣體向排氣口輸送；馬達，其旋轉驅動該旋轉翼；旋轉速度量測機構，其量測前述旋轉翼之旋轉速度；及電流量測機構，其量測在前述馬達流動之電流；且該控制裝置構成為包括：第1區域，其定義為由前述電流量測機構量測出之電流量測值為電流規定值以上、且由前述旋轉速度量測機構量測出之旋轉速度量測值在旋轉速度規定值以上；第2區域，其定義為前述電流量測值未達前述電流規定值、或前述旋轉速度量測值未達前述旋轉速度規定值；區域判斷機構，其判斷前述旋轉速度量測值與前述電流量測值屬於前述第1區域與前述第2區域之哪一區域；及運算機構，其基於該區域判斷機構之判斷結果，隨著時間之經過而運算前述真空泵之故障之危險度。
[發明效果]
如以上說明般，根據本發明，由於構成為具備：區域判斷機構，其判斷由旋轉速度檢測機構檢測出之旋轉速度之檢測值與由電流檢測機構檢測出之電流之檢測值屬於第1區域與第2區域之哪一區域；及運算機構，其基於區域判斷機構之判斷結果，隨著時間之經過而運算真空泵之故障之危險度，故可不量測旋轉翼之溫度地以低成本之方法避免由旋轉翼或驅動馬達之異常過熱原因而引起之真空泵破損障礙於未然。
以下，參照圖式對本發明之真空泵之一實施形態即渦輪分子泵100進行說明。
首先，參照圖1至圖4對渦輪分子泵100之整體構成進行說明。圖1係本發明之實施形態中使用之渦輪分子泵之構成圖。在圖1中，渦輪分子泵100在圓筒狀之外筒127之上端形成有吸氣口101。並且，在外筒127之內方具備在周部放射狀且多段地形成有用於吸引排出氣體之渦輪葉片即複數個旋轉翼102(102a、102b、102c…)之旋轉體103。在該旋轉體103之中心安裝有轉子軸113，該轉子軸113例如藉由5軸控制之磁性軸承而懸浮支持且位置控制於空中。旋轉體103一般係由鋁或鋁合金等金屬構成。
上側徑向電磁鐵104之4個電磁鐵在X軸與Y軸成對地配置。接近該上側徑向電磁鐵104，且與上側徑向電磁鐵104各者對應地具備有4個上側徑向感測器107。上側徑向感測器107例如使用具有傳導繞組之電感感測器或渦流感測器等，基於根據轉子軸113之位置而變化之該傳導繞組之電感之變化檢測轉子軸113之位置。該上側徑向感測器107構成為檢測轉子軸113、即固定於其之旋轉體103之徑向變位，並輸送至未圖示之控制裝置之中央運算處理裝置(CPU)。
在該中央運算處理裝置中，搭載有磁性軸承控制器之功能，例如具有PID調節功能之補償電路基於由上側徑向感測器107檢測出之位置信號，產生上側徑向電磁鐵104之勵磁控制指令信號，未圖示之磁性軸承用反相器藉由基於該勵磁控制指令信號，勵磁控制上側徑向電磁鐵104而調整轉子軸113之上側之徑向位置。
並且，該轉子軸113由高透磁率材料(鐵、不銹鋼等)等形成，被上側徑向電磁鐵104之磁力吸引。該調整在X軸方向與Y軸方向分別獨立地進行。又，下側徑向電磁鐵105及下側徑向感測器108與上側徑向電磁鐵104及上側徑向感測器107同樣地配置，與上側之徑向位置同樣地調整轉子軸113之下側之徑向位置。
進而，軸向電磁鐵106A、106B上下夾著設置於轉子軸113之下部之圓板狀之金屬盤111而配置。金屬盤111由鐵等高透磁率材料構成。為了檢測轉子軸113之軸向變位而具備軸向感測器109，構成為其軸向位置信號輸送至未圖示之控制裝置之中央運算處理裝置(CPU)。
並且，在搭載於中央運算處理裝置之磁性軸承控制器中，例如具有PID調節功能之補償電路基於由軸向感測器109檢測出之軸向位置信號，產生軸向電磁鐵106A與軸向電磁鐵106B各者之勵磁控制指令信號，未圖示之磁性軸承用反相器藉由基於該等勵磁控制指令信號，分別勵磁控制軸向電磁鐵106A與軸向電磁鐵106B，而軸向電磁鐵106A藉由磁力將金屬盤111向上方吸引，軸向電磁鐵106B將金屬盤111向下方吸引，而調整轉子軸113之軸向位置。
如此，控制裝置適當地調節該軸向電磁鐵106A、106B對金屬盤111施加之磁力，使轉子軸113在軸向磁懸浮，非接觸地保持於空間。此外，針對勵磁控制該等上側徑向電磁鐵104、下側徑向電磁鐵105及軸向電磁鐵106A、106B之放大器電路150，將於下文敘述。
另一方面，馬達121具備以包圍轉子軸113之方式周狀地配置之複數個磁極。各磁極以介以作用於轉子軸113之間之電磁力而旋轉驅動轉子軸113之方式由控制裝置控制。又，在馬達121組裝有未圖示之例如霍爾元件、旋轉變壓器、編碼器等旋轉速度感測器，藉由該旋轉速度感測器之檢測信號檢測轉子軸113之旋轉速度。該旋轉速度感測器相當於旋轉速度量測機構21。
進而，例如在下側徑向感測器108附近安裝有未圖示之相位感測器，檢測轉子軸113之旋轉相位。在控制裝置中，同時使用該相位感測器與旋轉速度感測器之檢測信號來檢測磁極之位置。
與旋轉翼102(102a、102b、102c…)隔開微小之空隙地配設有複數片固定翼123(123a、123b、123c…)。旋轉翼102(102a、102b、102c…)為了藉由碰撞將排出氣體之分子向下方移送，分別自垂直於轉子軸113之軸線之平面傾斜特定之角度形成。固定翼123(123a、123b、123c…)例如由鋁、鐵、不銹鋼、銅等金屬、或含有該等金屬作為成分之合金等金屬構成。
又，固定翼123亦同樣地自垂直於轉子軸113之軸線之平面傾斜特定之角度形成，且朝向外筒127之內方與旋轉翼102之段互不相同地配設。並且，固定翼123之外周端以嵌插於複數個層積之固定翼間隔件125 (125a、125b、125c……)之間之狀態被支持。
固定翼間隔件125為環狀之構件，例如由鋁、鐵、不銹鋼、銅等金屬、或含有該等金屬作為成分之合金等金屬構成。在固定翼間隔件125之外周，隔開微小之空隙地固定有外筒127。在外筒127之底部配設有基座部129。在基座部129形成有排氣口133，與外部連通。自腔室(真空腔室)側進入吸氣口101並移送至基座部129之排出氣體被向排氣口133輸送。
進而，根據渦輪分子泵100之用途，在固定翼間隔件125之下部與基座部129之間，配設有附螺紋間隔件131。附螺紋間隔件131係由鋁、銅、不銹鋼、鐵、或以該等金屬作為成分之合金等金屬構成之圓筒狀構件，在其內周面刻設有複數條螺旋狀之螺紋槽131a。螺紋槽131a之螺旋方向為排出氣體之分子向旋轉體103之旋轉方向移動時，該分子向排氣口133方移送之方向。在繼旋轉體103之旋轉翼102(102a、102b、102c…)之最下部垂下有圓筒部102d。該圓筒部102d之外周面為圓筒狀，且向附螺紋間隔件131之內周面伸出，與該附螺紋間隔件131之內周面隔開特定之間隙而接近。藉由旋轉翼102及固定翼123移送至螺紋槽131a之排出氣體由螺紋槽131a引導並向基座部129輸送。
基座部129為構成渦輪分子泵100之基底部之圓盤狀構件，一般係由鐵、鋁、不銹鋼等金屬構成。基座部129物理性保持渦輪分子泵100，且兼具熱之傳導通路之功能，故而理想的是使用鐵、鋁或銅等具有剛性、熱傳導率亦高之金屬。
又，在上側徑向感測器107與旋轉體103之間之定子柱122之上端部，配設有接觸軸承141。另一方面，在下側徑向感測器108之下方，配設有接觸軸承143。
接觸軸承141及接觸軸承143皆由滾珠軸承構成。接觸軸承141及接觸軸承143以在如旋轉體103之旋轉異常時或停電時等般旋轉體103由於某種原因無法磁懸浮時，旋轉體103可安全地轉移至非懸浮狀態之方式設置。
在該構成中，當旋轉翼102與轉子軸113一起被馬達121旋轉驅動時，藉由旋轉翼102與固定翼123之作用，排出氣體經由吸氣口101自未圖示之腔室被吸氣。旋轉翼102之旋轉速度通常為20，000 rpm至90，000 rpm，旋轉翼102之前端之周速度達到200 m/s至400 m/s。自吸氣口101吸入之排出氣體通過旋轉翼102與固定翼123之間，向基座部129移送。此時，藉由排出氣體與旋轉翼102接觸時產生之摩擦熱、或在馬達121產生之熱傳導等，旋轉翼102之溫度上升，但該熱藉由輻射或排出氣體之氣體分子等之傳導而傳遞至固定翼123側。
固定翼間隔件125在外周部互相接合，將固定翼123自旋轉翼102接收之熱或排出氣體與固定翼123接觸時產生之摩擦熱等向外部傳遞。
此外，在上述中說明了附螺紋間隔件131配設於旋轉體103之圓筒部102d外周，在附螺紋間隔件131之內周面刻設有螺紋槽131a。但是，與此相反地亦有在圓筒部102d之外周面刻設螺紋槽，在其周圍配置具有圓筒狀之內周面之間隔件之情形。
又，根據渦輪分子泵100之用途，亦有如下情形：為了使自吸氣口101吸引之氣體不侵入由上側徑向電磁鐵104、上側徑向感測器107、馬達121、下側徑向電磁鐵105、下側徑向感測器108、軸向電磁鐵106A、106B、軸向感測器109等構成之電裝部，電裝部將周圍以定子柱122覆蓋，該定子柱122內被排放氣體保持為特定壓力。
在該情形下，在基座部129配設有未圖示之配管，經由該配管導入排放氣體。導入之排放氣體經由保護軸承141與轉子軸113之間、馬達121之轉子與定子之間、定子柱122與旋轉翼102之內周側圓筒部之間之間隙向排氣口133送出。
此處，渦輪分子泵100需要機種之特定、及基於個別調整之固有之參數(例如，與機種對應之諸特性)之控制。為了儲存該控制參數，上述渦輪分子泵100在其本體內具備電子電路部。電子電路部由EEP-ROM等半導體記憶體及用於其存取之半導體元件等電子零件、安裝該等電子零件用之基板等構成。該電子電路部收容於構成渦輪分子泵100之下部之基座部129之例如中央附近之未圖示之旋轉速度感測器之下部，藉由氣密性之底蓋而密閉。
然而，在半導體之製造步驟中，在導入腔室之製程氣體之中，存在具有當其壓力較特定值更高、或其溫度較特定值更低時，成為固體之性質者。在渦輪分子泵100內部，排出氣體之壓力在吸氣口101最低，在排氣口133最高。在製程氣體自吸氣口101向排氣口133移送之途中，當其壓力較特定值更高、或其溫度較特定值更低時，製程氣體成為固體狀，附著於渦輪分子泵100內部而堆積。
例如，自蒸氣壓曲線可知，於在AI蝕刻裝置中作為製程氣體而使用SiCl
4之情形下，在低真空(760[torr]～10
-2[torr])、且低溫(約20[℃])時，固體生成物(例如，AlCl
3)析出，附著堆積於渦輪分子泵100內部。因此，若在渦輪分子泵100內部堆積有製程氣體之析出物，則該堆積物使泵流路狹窄，而成為使渦輪分子泵100之性能降低之原因。並且，前述生成物處於在排氣口133附近或附螺紋間隔件131附近之壓力高之部分容易凝固、附著之狀況。
因此，為了解決該問題，先前在基座部129等之外周捲繞未圖示之加熱器或環狀之水冷管，且例如在基座部129埋入未圖示之溫度感測器(例如，熱敏電阻)，基於該溫度感測器之信號進行加熱器之加熱或水冷管之冷卻之控制(以下稱為TMS。TMS；Temperature Management System，溫度管理系統)，以將基座部129之溫度保持為一定之高溫度(設定溫度)。
其次，關於如此般構成之渦輪分子泵100，針對勵磁控制其上側徑向電磁鐵104、下側徑向電磁鐵105及軸向電磁鐵106A、106B之放大器電路150進行說明。圖2顯示該放大器電路150之電路圖。
在圖2中，構成上側徑向電磁鐵104等之電磁鐵繞組151之一端經由電晶體161連接於電源171之正極171a，又，其另一端經由電流檢測電路181及電晶體162連接於電源171之負極171b。電流檢測電路181相當於電流檢測機構。並且，電晶體161、162成為所謂之功率MOSFET，具有在其源極-汲極間連接有二極管之構造。
此時，電晶體161之二極管之陰極端子161a連接於正極171a，且陽極端子161b與電磁鐵繞組151之一端連接。又，電晶體162之二極管之陰極端子162a連接於電流檢測電路181，且陽極端子162b與負極171b連接。
另一方面，電流再生用之二極管165之陰極端子165a連接於電磁鐵繞組151之一端，且其陽極端子165b連接於負極171b。又，與此同樣地，電流再生用之二極管166之陰極端子166a連接於正極171a，且其陽極端子166b經由電流檢測電路181連接於電磁鐵繞組151之另一端。並且，電流檢測電路181例如由霍爾感測器式電流感測器或電阻元件構成。
如以上般構成之放大器電路150係對應於一個電磁鐵者。因此，在磁性軸承為5軸控制，電磁鐵104、105、106A、106B合計有10個之情形下，針對電磁鐵各者亦構成同樣之放大器電路150，相對於電源171並聯地連接10個放大器電路150。
進而，放大器控制電路191例如由控制裝置200之未圖示之數位信號處理部(以下稱為DSP部)構成，該放大器控制電路191切換電晶體161、162之導通/關斷。
放大器控制電路191將電流檢測電路181檢測出之電流值(將反應該電流值之信號稱為電流檢測信號191c)與特定之電流指令值進行比較。並且，基於該比較結果，決定在藉由PWM控制之1周期即控制周期Ts內產生之脈寬之大小(脈寬時間Tp1、Tp2)。其結果，將具有該脈寬之閘極驅動信號191a、191b自放大器控制電路191向電晶體161、162之閘極端子輸出。
此外，在旋轉體103之旋轉速度之加速運轉中通過共振點時或在定速作動中發生干擾時等，需要進行高速且強力之旋轉體103之位置控制。因此，作為電源171，例如使用50 V左右之高電壓，以使在電磁鐵繞組151流動之電流可急劇地增加(或減少)。又，在電源171之正極171a與負極171b之間，為了電源171之穩定化，通常連接有電容器(省略圖示)。
在該構成中，若將電晶體161、162之兩者設為導通，則在電磁鐵繞組151流動之電流(以下稱為電磁鐵電流iL)增加，若將兩者設為關斷，則電磁鐵電流iL減少。
又，若將電晶體161、162之一者設為導通另一者設為關斷，則保持所謂之穩流電流。並且，如此般藉由在放大器電路150流動穩流電流，可使放大器電路150中之磁滯損耗減少，將電路整體之消耗電力抑制為較低。又，藉由如此般控制電晶體161、162，可減少在渦輪分子泵100產生之高次諧波等之高頻雜訊。進而，藉由以電流檢測電路181測定該穩流電流，可檢測流過電磁鐵繞組151之電磁鐵電流iL。
即，在檢測出之電流值較電流指令值為小之情形下，如圖3所示般，在控制周期Ts(例如100 μs)中將電晶體161、162之兩者僅導通一次相當於脈寬時間Tp1之時間量。因此，該期間中之電磁鐵電流iL朝向自正極171a向負極171b、可經由電晶體161、162流動之電流值iLmax(未圖示)增加。
另一方面，在檢測出之電流值較電流指令值為大之情形下，如圖4所示般，在控制周期Ts中將電晶體161、162之兩者僅關斷一次相當於脈寬時間Tp2之時間量。因此，該期間中之電磁鐵電流iL朝向自負極171b向正極171a、可經由二極管165、166再生之電流值iLmin(未圖示)而減少。
並且，在任一之情形下，皆在脈寬時間Tp1、Tp2之經過後，將電晶體161、162之任一個設為導通。因此，該期間中，於放大器電路150保持有穩流電流。
其次，針對本實施形態參照圖5至圖9詳細地進行說明。
此處，旋轉翼102之旋轉速度為高速，且如前述般在與製程氣體之間產生摩擦熱。該熱由於渦輪分子泵100之內部處於真空環境，故而在旋轉翼102等容易蓄熱，而產生在蓄熱過度之情形下及至泵破損之可能性。
因此，對於如及至泵破損之虞高之前述無法預測之事例，亦要求效率良好之保護功能。
以下，針對在及至泵破損之前，在包含前述之事例之各種情況中效率良好地通知異常狀態，並基於該通知停止泵之保護功能進行說明。圖5顯示該保護功能之方塊圖。
若由於與製程氣體之摩擦熱等之原因而旋轉翼102之溫度持續上升，則有圓筒部102d膨脹，而與附螺紋間隔件131接觸之虞。並且，最壞會導致泵之破壞。
旋轉翼102之溫度若欲持續上升，需要對於旋轉翼102持續熱之蓄熱狀態。該蓄熱狀態可考量係在馬達121之電流值高、且轉子軸113之旋轉速度高之情形下引起。
另一方面，積留之熱在旋轉速度慢、或馬達121之電流值低之情形持續時，與蓄積相比散熱更勝一籌，旋轉翼102之溫度逐漸降低。即，暫時蓄熱之熱係以製程氣體為介質向周圍散逸之狀態。因此，在該保護功能中，首先如以下般定義蓄熱狀態。
如圖6之旋轉速度-馬達電流狀態監視圖所示，對於向馬達121供給之電流設定電流規定值1，又，對於轉子軸113之旋轉速度設定旋轉速度規定值3。並且，將電流規定值1以上之電流之量測值、且旋轉速度規定值3以上之旋轉速度之量測值之區域定義為蓄熱區域5。該蓄熱區域5相當於第1區域。
另一方面，將未達電流規定值1之電流之量測值、或未達旋轉速度規定值3之旋轉速度之量測值之區域定義為散熱區域7。該散熱區域7相當於第2區域。
電流規定值1之設定值與旋轉速度規定值3之設定值根據泵之實際作動之狀況或製程氣體之種類等適宜設定。
並且，根據旋轉速度量測值與電流量測值181，藉由後述之運算程式內之區域判斷機構23，判斷屬於蓄熱區域5即第1區域與散熱區域7即前述第2區域之哪一區域。
其次，針對用於避免泵破損之第1保護功能進行說明。
藉由將具有該第1保護功能之運算程式安裝於控制裝置而處理第1保護功能。
在圖6及圖7中，對旋轉速度設定目標旋轉速度9。針對該目標旋轉速度9亦與旋轉速度規定值3同樣地根據泵之實際作動之狀況或製程氣體之種類等而設定。在圖6中顯示目標旋轉速度9通過蓄熱區域5之例。又，在圖7中顯示泵運轉中之旋轉速度降低異常狀況。
如圖6及圖7所示，在泵之作動狀態處於蓄熱區域5時，在自轉子軸113之旋轉速度超過目標旋轉速度9之狀態(圖中5a所示之區域)而旋轉速度降低之情形(圖中5b所示之區域)下，藉由運算機構25判斷為異常，並立即藉由異常通知機構27進行異常通知。然後，基於該異常通知，藉由停止機構29使泵停止。在馬達121之電流值高而過負荷之狀態時旋轉速度降低，係指由於與製程氣體之摩擦熱持續，故而立即進行異常通知及泵停止。
另一方面，當目標旋轉速度9保持與上述相同之設定值不變，泵之作動狀態處於未達電流規定值1、且旋轉速度規定值3以上之散熱區域7b時，在自轉子軸113之旋轉速度超過目標旋轉速度9之狀態(圖中7a所示之區域)而旋轉速度降低之情形(圖中7b所示之區域)下，如圖7所示般，藉由運算機構25在旋轉速度自目標旋轉速度9降低後經過特定時間後判斷為異常，並藉由異常通知機構27進行異常通知11。特定時間為例如30分鐘。因此，即使處於散熱狀態，亦可藉由進行持續之監視而安全地進行泵之異常通知及基於該異常通知之泵之停止。
又，該第1保護功能即使在圖8之顯示泵啟動時之異常狀況之圖之例中，在泵啟動時未達到所期待之加速舉動之狀態持續之情形下，亦可同樣地進行泵之保護。
並且，根據該第1保護功能，即使在目標旋轉速度9以通過圖6所示之蓄熱區域5之方式設定之情形下亦可進行泵之保護，且即使在將目標旋轉速度9以不通過圖6所示之蓄熱區域5之方式設定之情形下亦可進行泵之保護。
例如，在目標旋轉速度9被設定於未達旋轉速度規定值3之散熱區域7c、7d時，如圖8所示，在自泵之啟動經過特定之時間仍持續旋轉速度未達目標旋轉速度9時，藉由運算機構25，在該特定時間經過後判斷為異常，並藉由異常通知機構27進行異常通知11。此時之設定於未達旋轉速度規定值3之散熱區域7之目標旋轉速度9相當於第2轉速。特定時間同樣為30分鐘。因此，即使處於散熱狀態，亦可藉由進行持續之監視而安全地進行泵之異常通知及泵之停止。
其次，針對用於避免泵破損之第2保護功能進行說明。
基於圖9針對使用第2保護功能時之處理方法進行說明。圖9係為了說明第2保護功能而進行之模擬之樣態。在第2保護功能中，安裝於控制裝置之具有第2保護功能之運算程式內之區域判斷機構23，就每一特定之時間，基於量測出之馬達121之電流值與轉子軸113之旋轉速度值，判斷泵之負荷狀態處於蓄熱區域5，還是處於散熱區域7。特定時間為例如每1秒。
圖9為簡易之模擬，在圖中以A表示轉子軸113之旋轉速度之時間圖，以B表示馬達121之電流之時間圖。馬達121之電流在實際之作動中更加不穩定地變動。因此，為了效率良好地檢測變動之樣態，就每1秒進行判斷。此處，泵之負荷狀態在判斷為處於蓄熱區域5時定義為「1」，在判斷為處於散熱區域7時定義為「0」。在圖9中以C表示如此般彙總之泵之負荷狀態之時間圖。
其次，針對泵之負荷狀態之判定方法具體地進行說明。
在圖9中，電流規定值1與旋轉速度規定值3如圖6中所說明般，係用於區分蓄熱區域5與散熱區域7而設定。在時刻0～時刻t1，由於馬達121之電流值較電流規定值1更低、且轉子軸113之旋轉速度值亦較旋轉速度規定值3更低，故而判斷為處於散熱區域7並對負荷狀態C設定「0」。在時刻t1～時刻t2，由於馬達121之電流值較電流規定值1更高、且轉子軸113之旋轉速度值較旋轉速度規定值3更低，故而判斷為處於散熱區域7並對負荷狀態C設定「0」。在時刻t2～時刻t3，由於馬達121之電流值較電流規定值1更高、且轉子軸113之旋轉速度值亦較旋轉速度規定值3更高，故而判斷為處於蓄熱區域5並對負荷狀態C設定「1」。在時刻t3～時刻t4，由於馬達121之電流值較電流規定值1更高、且轉子軸113之旋轉速度值較旋轉速度規定值3更低，故而判斷為處於散熱區域7並對負荷狀態C設定「0」。以下，在此以後之時刻亦同樣地判定負荷狀態C。
並且，針對如此般計算之定量化之負荷狀態C，藉由設置相當於時間量測機構31之計數器，由該計數器值表示蓄熱時間。又，該計數器值亦表示泵之故障之危險度。即，在泵之運轉狀態處於蓄熱區域5之情形下，由運算機構25將該計數器進行加算，在處於散熱區域7之情形下，將計數器減算至零。計數器就每1秒進行計數。在圖9中以D表示該計數器值之時間圖。計數器值D例如被計數至最大1800，在達到1800時進行異常通知。然後，可基於該異常通知，藉由停止機構29使泵停止。
此外，將計數器值設為最大1800，係緣於1秒1次之計數正好相當於1800秒(=30分鐘)之蓄熱，而認為該1800秒加熱持續時為異常通知之判斷基準較為妥當之故。
為了判斷真空泵之故障而設定故障之基準值即計數器之最大值，若計數器之量測時間為每1秒，則無論是誰皆容易以遵循真空泵運轉之實情之形式與及至實際之故障之時間結合而在感覺上決定該故障基準值。此外，無論散熱如何繼續，計數器之值亦不會為負。由於上限亦只能達到最大計數值，故而計數器之固定記憶體區域可為有限且小之容量。
又，於在時刻t10發生電源斷開之異常之情形下，馬達121藉由慣性繼續運轉，而成為再生制動狀態。並且，向控制裝置供給再生之電力。因此，上述之負荷狀態C之判斷或計數值D之計數繼續進行。其後，在時刻t11電源暫時恢復，在時刻t20再次發生電源斷開之異常。即使在時刻t20，在再生制動狀態下持續暫時之運轉後，在時刻t21，電源被完全切斷。至電源被完全切斷之前，旋轉速度亦降低，散熱正在進行。又，藉由與接觸軸承141、143接觸，熱被直接傳遞至軸承。因此，在泵之運轉再次開始時，散熱幾乎已經完全地進行，可再次效率良好地進行負荷狀態C之判斷或計數值D之計數。
即，在再生制動狀態下，由於電力被供給而不與接觸軸承141、143接觸，持續計數值D之計數直至由磁性軸承支持之狀態，在與接觸軸承141、143接觸時，計數值D之計數被重置為零，故可精度良好地對負荷狀態C進行計數。因此，可進行泵之安全之運用。此外，危險度或區域之判定所需之參數保存於非揮發性記憶體33。
藉此，無需僅為了避免故障而搭載高價之非接觸之對旋轉翼102之溫度量測功能，而可低成本地實現風險避免。即，可藉由第1保護功能與第2保護功能以低成本之方法避免由旋轉翼102或驅動馬達121之異常過熱原因而引起之真空泵破損障礙於未然。
第1保護功能與第2保護功能亦可作為運算程式安裝於既有之控制裝置。因此，對於過去顧客已購入之未搭載旋轉翼溫度感測器之真空泵亦可容易地導入，而可效率良好地避免泵破損障礙。
本發明只要不脫離本發明之精神可進行各種改變，並且，本發明當然亦涉及該被改變者。又，上述之各實施形態亦可進行各種組合。
1:電流規定值
3:旋轉速度規定值
5:蓄熱區域
5a,5b:區域
7,7a,7b,7c,7d:散熱區域
9:目標旋轉速度
11:異常通知
21:旋轉速度量測機構
23:區域判斷機構
25:運算機構
27:異常通知機構
29:停止機構
31:時間計測手段
33:非揮發性記憶體
100:渦輪分子泵
101:吸氣口
102,102a,102b,102c:旋轉翼
102d:圓筒部
103:旋轉體
104:上側徑向電磁鐵
105:下側徑向電磁鐵
106A,106B:軸向電磁鐵
107:上側徑向感測器
108:下側徑向感測器
109:軸向感測器
111:金屬盤
113:轉子軸
121:馬達
122:定子柱
123,123a,123b,123c:固定翼
125,125a,125b,125c:固定翼間隔件
127:外筒
129:基座部
131:附螺紋間隔件
131a:螺紋槽
133:排氣口
141,143:接觸軸承
150:放大器電路
151:電磁鐵繞組
161,162:電晶體
161a,162a,165a,166a:陰極端子
161b,162b,165b,166b:陽極端子
165,166:二極管
171:電源
171a:正極
171b:負極
181:電流檢測電路
191:放大器控制電路
191a,191b:閘極驅動信號
191c:電流檢測信號
A:時間圖
B:時間圖
C:時間圖(負荷狀態)
D:時間圖(計數器值、計數值)
Tp1,Tp2:脈寬時間
Ts:控制周期
t1,t2,t3,t4,t10,t11,t20,t21:時刻
圖1係本發明之實施形態中使用之渦輪分子泵之構成圖
圖2係圖1所示之渦輪分子泵之放大器電路之電路圖
圖3係顯示電流指令值較檢測值為大之情形之控制之時間圖
圖4係顯示電流指令值較檢測值為小之情形之控制之時間圖
圖5係保護功能之方塊圖
圖6係旋轉速度-馬達電流狀態監視圖
圖7係顯示泵運轉中之旋轉速度降低異常狀況之圖
圖8係顯示泵啟動時之異常狀況之圖
圖9係為了說明第2保護功能而進行之模擬圖
1:電流規定值
3:旋轉速度規定值
5:蓄熱區域
5a,5b:區域
7,7a,7b,7c,7d:散熱區域
9:目標旋轉速度
Claims (11)
- 一種真空泵，其特徵在於包括：旋轉翼，其將自吸氣口吸引之氣體向排氣口輸送； 馬達，其旋轉驅動該旋轉翼； 旋轉速度量測機構，其量測前述旋轉翼之旋轉速度；及 電流量測機構，其量測在前述馬達流動之電流；且 該真空泵包括：第1區域，其定義為由前述電流量測機構量測出之電流量測值為電流規定值以上、且由前述旋轉速度量測機構量測出之旋轉速度量測值在旋轉速度規定值以上； 第2區域，其定義為前述電流量測值未達前述電流規定值、或前述旋轉速度量測值未達前述旋轉速度規定值； 區域判斷機構，其判斷前述旋轉速度量測值與前述電流量測值屬前述第1區域與前述第2區域之哪一區域；及 運算機構，其基於該區域判斷機構之判斷結果，隨著時間之經過而運算前述真空泵之故障之危險度。
- 如請求項1之真空泵，其包括：危險度臨限值，其對於由前述運算機構運算出之前述危險度而設定； 異常通知機構，其在超過該臨限值時通知前述真空泵之異常；及 停止機構，其在由該異常通知機構通知前述真空泵之異常時停止前述真空泵之作動。
- 如請求項1或2之真空泵，其中前述運算機構在由前述電流量測機構量測出之前述電流量測值與由前述旋轉速度量測機構量測出之前述旋轉速度量測值皆處於前述第1區域時，在前述旋轉速度量測值自預先設定之第1轉速以上較該第1轉速降低時，判斷為前述真空泵之故障之危險度為過大。
- 如請求項1至3中任一項之真空泵，其中前述運算機構包括：時間量測機構，其在由前述電流量測機構量測出之前述電流量測值與由前述旋轉速度量測機構量測出之前述旋轉速度量測值皆處於前述第2區域時，量測前述旋轉速度量測值以預先設定之第2轉速以下持續旋轉驅動時之時間；且 在由該時間量測機構量測出之時間為預先設定之第1時間以上時，判斷為前述真空泵之故障之危險度為過大。
- 如請求項1或2之真空泵，其中前述運算機構具備將前述真空泵之故障之危險度數值化之計數器；且 對於該計數器，基於前述區域判斷機構之判斷結果，就每一第2時間進行如下處理：在前述旋轉速度量測值與前述電流量測值屬前述第1區域時使前述計數器之計數上升，另一方面，在屬前述第2區域時使前述計數器之前述計數降低。
- 如請求項5之真空泵，其中在前述計數器之前述計數之值超過預先設定之故障基準值時，判斷為前述真空泵之故障之危險度為過大。
- 如請求項5或6之真空泵，其中前述計數器之前述計數之值不會小於零。
- 如請求項5、6或7之真空泵，其中前述第2時間為1秒。
- 如請求項5至8中任一項之真空泵，其中在對前述馬達供給之電源被切斷時，藉由前述馬達之旋轉進行再生制動，且 在該再生制動中持續進行前述計數器之前述計數。
- 如請求項5至9中任一項之真空泵，其中在對前述馬達供給之電源被切斷、且藉由前述馬達之旋轉而產生之再生制動結束時，前述計數器之前述計數之值重置為零。
- 一種控制裝置，其特徵在於控制真空泵，該真空泵包括：旋轉翼，其將自吸氣口吸引之氣體向排氣口輸送； 馬達，其旋轉驅動該旋轉翼； 旋轉速度量測機構，其量測前述旋轉翼之旋轉速度；及 電流量測機構，其量測在前述馬達流動之電流；且 該控制裝置包括：第1區域，其定義為由前述電流量測機構量測出之電流量測值為電流規定值以上、且由前述旋轉速度量測機構量測出之旋轉速度量測值在旋轉速度規定值以上； 第2區域，其定義為前述電流量測值未達前述電流規定值、或前述旋轉速度量測值未達前述旋轉速度規定值； 區域判斷機構，其判斷前述旋轉速度量測值與前述電流量測值屬前述第1區域與前述第2區域之哪一區域；及 運算機構，其基於該區域判斷機構之判斷結果，隨著時間之經過而運算前述真空泵之故障之危險度。
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