WO2006030824A1

WO2006030824A1 - 磁気軸受制御装置

Info

Publication number: WO2006030824A1
Application number: PCT/JP2005/016930
Authority: WO
Inventors: Hideki Ohmori
Original assignee: Boc Edwards Japan Limited
Priority date: 2004-09-15
Filing date: 2005-09-14
Publication date: 2006-03-23
Also published as: JP2006083924A

Abstract

　センサ自体にバラツキがあった場合やステータ組み立て時のセンサ取付けに誤差があった場合でもロータ軸（１１３）の変位異常を正確に検出できる磁気軸受制御装置を提供する。　演算回路（９０）では入力されたギャップ信号（４２）に基づいて渦電流ギャップセンサ（１０７Ａ、１０７Ｂ）のセンサ感度の補正値が演算され、この補正値に基づきセンサ感度調整回路（５０）ではセンサ感度が適正となるように補正されるようになっている。オフセット・浮上ゲイン調整回路（６０）では、センサ感度調整回路（５０）で補正されたセンサ信号に基づきロータ軸（１１３）を保護ベアリング（１２０）の内径中心に位置させるように調整される。この中心位置は、演算回路（９０）により指定されるようになっている。

Description

明細書

磁気軸受制御装置

技術分野

[0001] 本発明は磁気軸受制御装置に係わり、特にセンサ自体にバラツキがあった場合やステータ組み立て時のセンサ取付けに誤差があった場合でもロータ軸の変位異常を正確に検出できる磁気軸受制御装置に関する。

背景技術

[0002] 近年のエレクトロニクスの発展に伴、、メモリや集積回路と、つた半導体の需要が急激に増大している。

これらの半導体は、極めて純度の高、半導体基板に不純物をドープして電気的性質を与えたり、半導体基板上に微細な回路パターンを形成し、これを積層するなどして製造される。

[0003] そして、これらの作業は空気中の塵等による影響を避けるため高真空状態のチャンバ内で行われる必要がある。このチャンバの排気には、一般に真空ポンプが用いられているが、特に残留ガスが少なぐ保守が容易である等の点からターボ分子ポンプが多用されている。

また、半導体の製造工程では、さまざまなプロセスガスを半導体の基板に作用させる工程が数多くあり、ターボ分子ポンプはチャンバ内を真空にするのみならず、これらのプロセスガスをチャンバ内力排気するのにも使用される。

[0004] さらに、ターボ分子ポンプは、電子顕微鏡等の設備において、粉塵等の存在による電子ビームの屈折等を防止するため、電子顕微鏡等のチャンバ内の環境を高度の真空状態にするのにも用いられて、る。

そして、このようなターボ分子ポンプは、半導体製造装置や電子顕微鏡等のチャンノからガスを吸引排気するためのターボ分子ポンプ本体と、このターボ分子ポンプ本体を制御する制御装置とから構成されて!ヽる。

[0005] ターボ分子ポンプ本体の縦断面図を図 5に示す。

図 5において、ターボ分子ポンプ本体 100は、円筒状の外筒 127の上端に吸気口 101が形成されている。そして、外筒 127の内方には、ガスを吸引排気するためのタ一ビンブレードによる複数の回転翼 102a、 102b, 102c ' · ·を周部に放射状かつ多段に形成した回転体 103が備えられている。

この回転体 103の中心にはロータ軸 113が取付けられており、このロータ軸 113は、例えば 5軸制御の磁気軸受により空中に浮上支持かつ位置制御されている。

[0006] 上側径方向電磁石 104は、 4個の電磁石が X軸と Y軸にかつ +方向と一方向に、それぞれの対をなして配置されている（図示しないが、必要に応じて電磁石 104X+ 、 104X—、 104Y+、 104Y—という）。そして、この上側径方向電磁石 104に近接かつ対応されて 4個の電磁石力もなる上側径方向センサ 107が備えられている。この上側径方向センサ 107は回転体 103の径方向変位を検出し、制御装置 200に送るように構成されている。

[0007] そして、この制御装置 200においては、上側径方向センサ 107が検出した変位信号に基づき、 PID調節機能により上側径方向電磁石 104を励磁制御し、ロータ軸 11 3の上側の径方向位置を調整する。

そして、このロータ軸 113は、高透磁率材 (鉄など)などにより形成され、上側径方向電磁石 104の磁力により吸引されるようになっている。かかる調整は、 X軸方向と Υ軸方向とにそれぞれ独立して行われる。

[0008] また、下側径方向電磁石 105及び下側径方向センサ 108は、上側径方向電磁石 1 04及び上側径方向センサ 107と同様に配置され、ロータ軸 113の下側の径方向位置を上側の径方向位置と同様に調整している（下側径方向電磁石 105についても、必要に応じて電磁石 105X+、 105X—、 105Υ+、 105—という）。

[0009] さらに、軸方向電磁石 106A、 106Bは、ロータ軸 113の下部に備えた円板状の金属ディスク 111を上下に挟んで配置されている。金属ディスク 111は、鉄などの高透磁率材で構成されている。ロータ軸 113の軸方向変位を検出するために軸方向センサ 109が備えられ、その軸方向変位信号が制御装置 200に送られるように構成されている。

[0010] そして、軸方向電磁石 106A、 106Bは、この軸方向変位信号に基づき、 PID調節機能により、励磁制御されるようになっている。軸方向電磁石 106Aは、磁力により金属ディスク 111を上方に吸引し、軸方向電磁石 106Bは、金属ディスク 111を下方に吸引する。

このように、軸方向電磁石 106A、 106Bが金属ディスク 111に及ぼす磁力を適当に調節することで、ロータ軸 113は軸方向に磁気浮上され、かつ空間に非接触で保持されるようになっている。

[0011] 一方、モータ 121は、ロータ軸 113を取り囲むように周状に配置された複数の磁極を備えている。各磁極は、ロータ軸 113との間に作用する電磁力を介してロータ軸 11 3を回転駆動するように、制御装置 200によって制御されて、る。

また、モータ 121には図示しない回転数センサが組み込まれており、この回転数センサの検出信号によりロータ軸 113の回転数が検出されるようになって、る。

[0012] さらに、例えば下側径方向センサ 108近傍に、図示しない位相センサが取付けてあり、ロータ軸 113の回転の位相を検出するようになっている。制御装置 200では、この位相センサと回転数センサの検出信号を共に用いて磁極の位置を検出するようになつている。

[0013] 回転翼 102a、 102b, 102c - · ·とわずかの空隙を隔てて複数枚の固定翼 123a、 1 23b、 123c ' · ·が配設されている。回転翼 102a、 102b, 102c ' · ·は、それぞれ排気ガスの分子を衝突により下方向に移送するため、ロータ軸 113の軸線に垂直な平面から所定の角度だけ傾斜して形成されて!ヽる。

[0014] また、固定翼 123も、同様にロータ軸 113の軸線に垂直な平面力所定の角度だけ傾斜して形成され、かつ外筒 127の内方に向けて回転翼 102の段と互、違、に配設されている。

そして、固定翼 123の一端は、複数の段積みされた固定翼スぺーサ 125a、 125b, 125c - · ·の間に嵌挿された状態で支持されている。

固定翼スぺーサ 125はリング状の部材であり、例えばアルミニウム、鉄、ステンレス、銅などの金属、又はこれらの金属を成分として含む合金などの金属によって構成されている。

[0015] 固定翼スぺーサ 125の外周には、わずかの空隙を隔てて外筒 127が固定されている。外筒 127の底部にはベース部 129が配設され、固定翼スぺーサ 125の下部とベース部 129の間にはネジ付きスぺーサ 131が配設されている。そして、ベース部 129 中のネジ付きスぺーサ 131の下部には排気口 133が形成され、外部に連通されている。

ネジ付きスぺーサ 131は、アルミニウム、銅、ステンレス、鉄、又はこれらの金属を成分とする合金などの金属によって構成された円筒状の部材であり、その内周面に螺旋状のネジ溝 131aが複数条刻設されている。

[0016] ネジ溝 131aの螺旋の方向は、回転体 103の回転方向に排気ガスの分子が移動したときに、この分子が排気口 133の方へ移送される方向である。

回転体 103の回転翼 102a、 102b, 102c ' · ·に続く最下部には回転翼 102dが垂下されている。この回転翼 102dの外周面は、円筒状で、かつネジ付きスぺーサ 131 の内周面に向かって張り出されており、このネジ付きスぺーサ 131の内周面と所定の隙間を隔てて近接されて、る。

[0017] ベース部 129は、ターボ分子ポンプ本体 100の基底部を構成する円盤状の部材であり、一般には鉄、アルミニウム、ステンレスなどの金属によって構成されている。ベース部 129はターボ分子ポンプ本体 100を物理的に保持すると共に、熱の伝導路の機能も兼ね備えているので、鉄、アルミニウムや銅などの剛性があり、熱伝導率も高、金属が使用されるのが望ま、。

[0018] 力かる構成において、回転翼 102がモータ 121により駆動されてロータ軸 113と共に回転すると、回転翼 102と固定翼 123の作用により、吸気口 101を通じてチャンバ力もの排気ガスが吸気される。

[0019] 吸気口 101から吸気された排気ガスは、回転翼 102と固定翼 123の間を通り、ベース部 129へ移送される。このとき、排気ガスが回転翼 102に接触する際に生ずる摩擦熱や、モータ 121で発生した熱の伝導などにより、回転翼 102の温度は上昇するが、この熱は、輻射又は排気ガスの気体分子などによる伝導により固定翼 123側に伝達される。

[0020] 固定翼スぺーサ 125は、外周部で互いに接合しており、固定翼 123が回転翼 102 から受け取った熱や排気ガスが固定翼 123に接触する際に生ずる摩擦熱などを外部へと伝達する。ベース部 129に移送されてきた排気ガスは、ネジ付きスぺーサ 131のネジ溝 13 la に案内されつつ排気口 133へと送られる。

[0021] なお、上記では、ネジ付きスぺーサ 131は回転翼 102dの外周に配設し、ネジ付きスぺーサ 131の内周面にネジ溝 131aが刻設されているとして説明した。しかしながら、これとは逆に回転翼 102dの外周面にネジ溝が刻設され、その周囲に円筒状の内周面を有するスぺーサが配置される場合もある。

[0022] また、吸気口 101から吸引されたガスがモータ 121、下側径方向電磁石 105、下側径方向センサ 108、上側径方向電磁石 104、上側径方向センサ 107などで構成される電装部側に侵入することのないよう、電装部は周囲をステータコラム 122で覆われ、この電装部内はパージガスにて所定圧に保たれている。

[0023] このため、ベース部 129には図示しない配管が配設され、この配管を通じてパージガスが導入される。導入されたパージガスは、保護ベアリング 120とロータ軸 113間、モータ 121のロータとステータ間、ステータコラム 122と回転翼 102間の隙間を通じて排気口 133へ送出される。

[0024] ところで、プロセスガスは、反応性を高めるため高温の状態でチャンバに導入されることがある。そして、これらのプロセスガスは、排気される際に冷却されてある温度になると固体となり排気系に生成物を析出する場合がある。そして、この種のプロセスガス力 Sターボ分子ポンプ本体 100内で低温となって固体状となり、ターボ分子ポンプ本体 100内部に付着して堆積する。

[0025] 例えば、 A1エッチング装置にプロセスガスとして SiCl が使用された場合、低真空（

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760[torr]〜10^_2[torr])かつ、低温（約 20 [°C])のとき、固体生成物（例えば A1C1 )が析出し、ターボ分子ポンプ本体 100内部に付着堆積することが蒸気圧曲線から

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分かる。これにより、ターボ分子ポンプ本体 100内部にプロセスガスの析出物が堆積すると、この堆積物がポンプ流路を狭め、ターボ分子ポンプ本体 100の性能を低下させる原因となる。そして、前述した生成物は排気口付近の温度が低い部分、特に回転翼 102及びネジ付きスぺーサ 131付近で凝固、付着し易!、状況にあった。

[0026] そのため、この問題を解決するために、従来はベース部 129等の外周に図示しな V、ヒータや環状の水冷管 149を卷着させ、かつ例えばベース部 129に図示しな!、温度センサ（例えばサーミスタ）を埋め込み、この温度センサの信号に基づきベース部 1 29の温度を一定の高い温度 (設定温度）に保つようにヒータの加熱や水冷管 149による冷却の制御（以下 TMSと言う。 TMS ;Temperature Management System )が行われている。

ここに、保護ベアリング 120とロータ軸 113の製作においては、一般的にはバラツキを有しており、この間の隙間等を目標値通りに製作することは困難である。そこで、このようなバラツキが存在していても、磁気浮上状態を安定かつ目標位置に浮上させるために、特許文献 1が提案されている。

[0027] 特許文献 1では、まず、保護ベアリング 120の内径であるロータ軸 113の可動範囲の X方向等の限界値が検出される。次に、この限界値の中心位置でロータ軸 113が安定に回転されることが理想なので、この限界値を基にその中心位置が演算される。そして、この演算結果である中心位置となるように制御装置 200での制御が行われる特許文献 1：特許 2700904号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0028] し力しながら、上述の方法は、センサ感度が常に一定という条件のもとでは精度よく制御が行われる力センサの感度は、例えばセンサの個体差やギャップ検出回路の誤差、ケーブル長の変更等の要因でばらつく。

[0029] センサとして渦電流ギャップセンサを利用した場合には、図 6に示すようにセンサ感度は各ロットによりバラツキを有する。このようにセンサ感度が変化した場合のロータ軸 113の機械的位置と異常検出可能な電気的レベルとの関係を図 7に示す。図 7において、保護ベアリング 120の内径は、 125 m力ら + 125 μ mの範囲に規制されている。そして、センサ感度が lOmVZ mのときを基準（図中 aで示す特性）として、ロータ軸 113の機械的位置が 100 μ m若しくは— 100 μ mで異常検出電圧 IV 若しくは一 IVが検出されるようになって、る。異常検出電圧 IV若しくは IVが検出された場合には、これ以上ロータ軸 113の機械的位置が保護ベアリング 120の内径の限界値に近づくことは危険であるため、警告やポンプ停止操作が行われている。 [0030] このように設定された磁気軸受でセンサの感度が例えば 30パーセント低下した場合には、図中 bで示す特性のように傾斜角度が落ちる。このときのセンサ感度は 7mV Z mとなり、図上では、 + 125 mの範囲を超えた 143 mの位置で異常検出電圧 IV若しくは— 125 μ mの範囲を超えた— 143 μ mの位置で異常検出電圧— IV 力 S検出されること〖こなる。

[0031] 即ち、このときには、保護ベアリング 120の内径の限界値が 125 /z mから + 125 mの範囲であることから、異常検出がされない。このため、ロータ軸 113が保護べァリング 120に接触した状態でありながら、異常検出がされないおそれがあった。

[0032] 本発明はこのような従来の課題に鑑みてなされたもので、センサ自体にバラツキがあった場合ゃステータ組み立て時のセンサ取付けに誤差があった場合でもロータ軸の変位異常を正確に検出できる磁気軸受制御装置を提供することを目的とする。課題を解決するための手段

[0033] このため本発明は、ロータ軸と、該ロータ軸の周囲に配設された保護ベアリングと、前記ロータ軸の半径方向又は軸方向の位置を検出する位置センサと、該位置センサで検出された位置に基づき前記ロータ軸の半径方向又は軸方向の位置を調整する電磁石と、前記保護ベアリング内側の前記ロータ軸の機械的位置に対する前記位置センサで検出される信号の電気的感度が予め定めた基準の感度となるために必要な補正値を演算する補正値演算手段と、前記位置センサで検出された位置信号を該補正値演算手段で演算された補正値により補正する位置補正手段とを備えて構成した。

[0034] 保護ベアリング内側のロータ軸の機械的位置に対する位置センサで検出される信号の電気的感度が、予め定めた基準の感度となるために必要な補正値を演算する。このことにより、個体差にバラツキを有する位置センサを使用した場合や検出回路差、ケーブル長の違いなどから生じる誤差等が存在する場合であっても、位置補正手段でセンサ感度調整された位置信号によりロータ軸の変位異常を正確に検出できる。同様に、ステータ組み立て時のセンサ取付けに誤差が存在する場合であっても、口ータ軸の変位異常を正確に検出できる。

[0035] また、本発明は、前記電磁石による前記ロータ軸の位置の調整が、前記位置補正手段で補正された位置信号に基づき行われることを特徴とする。

[0036] ロータ軸の位置の調整が感度補正された位置信号に基づき行われる。このため、口ータ軸の中心位置を保護ベアリングの中心位置に制御し易くできる。従って、磁気浮上位置制御が極めて高精度に行われる。

発明の効果

[0037] 以上説明したように本発明によれば、補正値演算手段を備えて構成したので、個体差にバラツキを有する位置センサを使用した場合や検出回路差、ケーブル長の違 V、などカゝら生じる誤差等が存在する場合であっても、センサ感度調整された位置信号によりロータ軸の変位異常を正確に検出できる。同様に、ステータ組み立て時のセンサ取付けに誤差が存在する場合であっても、ロータ軸の変位異常を正確に検出できる。

図面の簡単な説明

[0038] [図 1]本発明の実施形態である磁気軸受制御装置のブロック図

[図 2]本実施形態の作用を説明するフローチャート

[図 3]ロータ軸を保護ベアリングの内径中心より右側に移動させたときの様子を示す図

[図 4]ロータ軸を保護ベアリングの内径中心より左側に移動させたときの様子を示す図

[図 5]ターボ分子ポンプ本体の縦断面図

[図 6]センサ感度のバラツキを示す図

[図 7]ロータ軸の機械的位置と異常検出可能な電気的レベルとの関係を示す図符号の説明

[0039] 12 センサ信号

40 渦電流ギャップ検出回路

42 ギャップ信号

50 センサ感度調整回路

60 オフセット '浮上ゲイン調整回路

70 磁気浮上補償回路 80 電流増幅回路

90 演算回路

95 記憶回路

100 ターボ分子ポンプ本体

103 回転体

104、 105、 106 電磁石

107A、 107B 渦電流ギャップセンサ

109 軸方向センサ

113 ロータ軸

120 保護ベアリング

200 制御装置

発明を実施するための最良の形態

[0040] 以下、本発明の実施形態について説明する。図 1は本発明の実施形態である磁気軸受制御装置のブロック図である。図 1において、渦電流ギャップセンサ 107A、 107 Bはロータ軸 113を挟んで対となって配設され、それぞれ渦電流ギャップセンサ 107 Aとロータ軸 113間、渦電流ギャップセンサ 107Bとロータ軸 113間の径方向の変位を電圧という形で検出するようになっている。なお、以下、渦電流ギャップセンサ 107 A、 107Bは上側径方向センサを例に説明する力下側径方向センサや軸方向センサについても同様である。

[0041] 検出されたそれぞれのセンサ信号 12A、 12Bは渦電流ギャップ検出回路 40に入力されるようになっている。渦電流ギャップ検出回路 40では、センサ信号 12A、 12B の出力に基づいてロータ軸 113と保護ベアリング 120間の隙間を偏差により演算し、ギャップ信号 42としてセンサ感度調整回路 50と演算回路 90に出力するようになっている。

[0042] 演算回路 90では入力されたギャップ信号 42に基づ!/ヽて渦電流ギャップセンサ 107 A、 107Bのセンサ感度の補正値が演算され、この補正値に基づきセンサ感度調整回路 50ではセンサ感度が適正となるように補正されるようになって!/、る。

[0043] オフセット '浮上ゲイン調整回路 60では、センサ感度調整回路 50で補正されたセンサ信号に基づきロータ軸 113を保護べァリング 120の内径中心に位置させるように調整される。この中心位置は、演算回路 90により指定されるようになっている。オフセット ·浮上ゲイン調整回路 60で調整された信号は、磁気浮上補償回路 70で PID補償等が施された後、電流増幅回路 80により増幅され電磁石 104X+、 104X—に供給されるようになつている。

[0044] 次に、本実施形態の作用につ、て説明する。

前述したように、渦電流ギャップセンサ 107A、 107Bの感度は、センサの個体差やギャップ検出回路の誤差、ケーブル長の変更等の要因でばらつく。このため、これらの要因があった場合であってもセンサ感度が一定の状態でロータ軸 113の変位異常を検出できるように補正する。

[0045] 本実施形態の作用を図 2のフローチャートを基に説明する。図 2のステップ 100において、まずロータ軸 113を図 3に示すように保護ベアリング 120の内径中心 O点より右側に移動させ、ステップ 102で保護ベアリング 120の右側に接触した力否かが判断される。ロータ軸 113の位置は、渦電流ギャップセンサ 107A、 107Bで常に検出しているが、電磁石 104X+、 104X—への励磁電流を変化させても渦電流ギャップセンサ 107A、 107Bの信号が変化せずに飽和した状態であることで接触した状態であることが分かる。このときに渦電流ギャップセンサ 107A、 107Bで検出した電位を基に演算回路 90で接触位置が判定され、このデータ A〔V〕はステップ 104で記憶回路 95に保存される。

[0046] 同様に、今度は、図 4に示すように、ロータ軸 113をステップ 106で保護ベアリング 1 20の内径中心 O点より左側に移動させ、ステップ 108で保護ベアリング 120の右側に接触したか否かが判断される。ロータ軸 113の位置は、電磁石 104X+、 104X- への励磁電流を変化させても渦電流ギャップセンサ 107A、 107Bの信号が変化せずに飽和した状態であることで接触した状態であることが分かる。このときに渦電流ギヤップセンサ 107A、 107Bで検出した電位を基に演算回路 90で接触位置が判定され、このデータ B〔V〕はステップ 110で記憶回路 95に保存される。

[0047] その後、ステップ 112で、演算回路 90は予め記憶回路 95に保持しているべアリングギャップ基準値 M〔 μ m〕と先に求めたデータ A〔V〕とデータ B〔V〕の差と力も S = ( A— B) ZMによりセンサ感度を求める。そして、求めたセンサ感度が基準値 (R)となるのに必要な補正値 (X)が X=RZSのようにステップ 114で演算され、その結果がセンサ感度調整回路 50に出力される。基準値（R)は例えば 10 [mV/ μ m]である。即ち、渦電流ギャップセンサ 107A、 107Bで感度の変化した分を基準値 (R)となるまで補正により感度を調整し、一定の基準値の下に異常を判断しょうとするものである。図 7の例で言えば、センサ感度が特性 bで示すように低下した場合であっても、このセンサ感度を特性 aに相当するまでー且感度調整して、その後に異常レベルを検出するものである。

[0048] その後、ステップ 116では、ロータ軸 113の中心位置 Cが C= (A1 + B1) Z2のように演算され、その位置にオフセット '浮上ゲイン調整回路 60で磁気浮上調整させるため信号が演算回路 90よりオフセット '浮上ゲイン調整回路 60に出力される。ここに、 A1はステップ 114でセンサ感度調整されたデータ A〔V〕の値であり、同様に、 B1もステツプ 114でセンサ感度調整されたデータ B〔V〕の値である。

[0049] なお、以上は X軸について説明したが、同様の制御がステップ 118で Y軸について行われ、かつステップ 120で Z軸についての制御が行われる。

このこと〖こより、個体差にバラツキを有するセンサを使用した場合や検出回路差、ケ一ブル長の違、など力生じる誤差等が存在する場合であっても、センサ感度調整された後にロータ軸 113の中心位置が保護ベアリング 120の中心位置に制御されるため、この間の磁気浮上位置制御が極めて高精度に行われる。

[0050] なお、渦電流ギャップセンサ 107A、 107Bの誤差の補正をするタイミングは任意に手動で開始することもできるし、組み立て後やポンプと制御回路の組み合わせが異なることを自動認識して自動で開始されるようにしてもょ、。

Claims

請求の範囲

[1] ロータ軸（113)と、

該ロータ軸（113)の周囲に配設された保護ベアリング（120)と、

前記ロータ軸（113)の半径方向又は軸方向の位置を検出する位置センサ（107、 10

8、 109)と、

該位置センサ（107、 108、 109)で検出された位置に基づき前記ロータ軸（113)の半径方向又は軸方向の位置を調整する電磁石（104、 105、 106)と、

前記保護ベアリング（ 120)内側の前記ロータ軸（113)の機械的位置に対する前記位置センサ（107、 108、 109)で検出される信号の電気的感度が予め定めた基準の感度となるために必要な補正値を演算する補正値演算手段 (90)と、

前記位置センサ（107、 108、 109)で検出された位置信号を該補正値演算手段 (90

)で演算された補正値により補正する位置補正手段 (50)とを備えたことを特徴とする磁気軸受制御装置。

[2] 前記電磁石（104、 105、 106)による前記ロータ軸（113)の位置の調整が、前記位置補正手段 (50)で補正された位置信号に基づき行われることを特徴とする請求項 1記載の磁気軸受制御装置。