WO2019230613A1 - 真空ポンプ及びセンサターゲット - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a vacuum pump and a sensor target.
  • the present invention is cheaper and broadens the range of linearity of sensor sensitivity than when a ferromagnetic material is used for the sensor target of a displacement sensor, and performs touchdown even when disturbance occurs.
  • the present invention relates to a difficult vacuum pump and a sensor target.
  • the turbo molecular pump not only evacuates the chamber, but also exhausts these process gases from the chamber. Also used.
  • FIG. 7 shows a typical structure around the axial displacement sensor of this turbo molecular pump as an example.
  • the position of the metal disk 111 attached around the rotor shaft 113 rotating at high speed is controlled while being magnetically levitated in the axial direction by an unillustrated axial electromagnet.
  • the size of the gap 2 between the lower end portion of the rotor shaft 113 and the axial displacement sensor 1 is measured by the axial displacement sensor 1 and the sensor target 3.
  • the axial displacement sensor 1 is configured by winding a coil 7 around a bobbin 1B attached to the upper end of a shaft portion 1A that is fixed to the center of a holding member 5 that holds an axial electromagnet.
  • the sensor target 3 is disposed at the lower end of the rotor shaft 113 with the coil 7 and the gap 2 therebetween.
  • a small-diameter columnar shaft end portion 113 ⁇ / b> A projects from the lower end portion of the rotor shaft 113.
  • a male screw is engraved on the outer periphery of the shaft end portion 113A, and the metal disk 111 disposed in the vicinity of the lower end portion of the rotor shaft 113 is fixed by a nut 9 in which an internal screw is engraved. It has become.
  • the nut 9 is made of, for example, a nonmagnetic material SUS304.
  • a cylindrical recess 11 is formed at the center of the bottom of the nut 9, and the cylindrical sensor target 3 is embedded in the recess 11 and fixed with an adhesive. Note that the nut 9 may be manufactured by bonding a sensor target 3 using a general nut having a female screw penetrating to the end, even if the nut 9 does not have a special cylindrical recess 11.
  • Magnetic flux is emitted from the coil 7 of the axial displacement sensor 1 fixed to the pump body to the sensor target 3, and the gap 2 between the lower end portion of the rotor shaft 113 and the axial displacement sensor 1 is measured without contact.
  • Patent Document 1 and Patent Document 2 Since this measurement requires a predetermined sensor sensitivity while the axial displacement sensor 1 is made small, ferrite as a ferromagnetic material has been conventionally used for the sensor target 3.
  • ferrite as a target material is small and has high magnetic permeability, and can improve sensing accuracy as a displacement sensor, but is expensive. Further, the linearity in a wide range is not maintained for the gap 2 between the lower end portion of the rotor shaft 113 and the axial displacement sensor 1.
  • the present invention has been made in view of such a conventional problem. It is cheaper than when a ferromagnetic material is used as a sensor target of a displacement sensor, expands the range of linearity of sensor sensitivity, and when a disturbance occurs. However, it is an object of the present invention to provide a vacuum pump and a sensor target that are difficult to touch down.
  • the present invention is an invention of a vacuum pump, and an axial displacement sensor having a sensor coil arranged in a non-contact manner with the rotor shaft in order to detect displacement in the axial direction of the rotor shaft.
  • a vacuum pump provided with a sensor target mounted on the rotor shaft that is disposed opposite to the axial displacement sensor with a gap and receives a magnetic flux generated by the sensor coil, wherein the sensor target is magnetized. It is characterized by comprising a metal having.
  • the range of linearity can be expanded while maintaining the sensor sensitivity as compared with the case where ferrite is used as the sensor target.
  • By expanding the linearity range it is possible to increase the gap margin. This linearity is particularly different from the case where ferrite is used in a portion where the gap is large. For this reason, even when an external force is applied to the rotating body such as air rush or vibration, the possibility of touchdown can be extremely low.
  • By using a metal having magnetism it is less expensive than using ferrite.
  • the present invention is an invention of a vacuum pump, wherein the metal is low carbon steel having a carbon component of 0.13 to 0.28%.
  • the size of the coil can be suppressed as a displacement sensor, and a material that can be evaluated at a certain level in terms of workability, availability, and cost can be applied as a sensor target, and linearity can be maintained while maintaining sensor sensitivity.
  • the range can be expanded.
  • the present invention is an invention of a vacuum pump, characterized in that the sensor target is formed by a nut engraved with an internal thread.
  • the strength of the rotor shaft can be prevented from lowering. Since the whole nut functions as one sensor target, the configuration can be simplified.
  • the present invention is an invention of a sensor target, which is a sensor target for detecting an axial displacement of a rotor shaft, and the sensor target includes an axial displacement sensor having a sensor coil. It is arranged on the rotor shaft so as to be opposed to each other with a gap, and is made of a metal having magnetism to receive a magnetic flux generated by the sensor coil.
  • the metal has a low carbon content of 0.13 to 0.28%. It is characterized by being steel.
  • the sensor target is made of a metal having magnetism
  • the range of linearity can be expanded while maintaining the sensor sensitivity as compared with the case where ferrite is used as the sensor target. For this reason, even when an external force is applied to the rotating body such as air rush or vibration, the possibility of touchdown can be extremely low.
  • a metal having magnetism it is less expensive than using ferrite.
  • FIG. 1 shows a configuration diagram of a turbo molecular pump.
  • an intake port 101 is formed at the upper end of a cylindrical outer cylinder 127 of the pump body 100.
  • a rotating body 103 On the inner side of the outer cylinder 127, there is provided a rotating body 103 in which a plurality of rotating blades 102a, 102b, 102c,... By turbine blades for sucking and exhausting gas are formed radially and in multiple stages.
  • a rotor shaft 113 is attached to the center of the rotating body 103, and the rotor shaft 113 is levitated and supported in the air by a so-called 5-axis control magnetic bearing.
  • the upper radial electromagnet 104 is configured such that four electromagnets are paired with an X axis and a Y axis that are the radial coordinate axes of the rotor shaft 113 and are orthogonal to each other.
  • Four upper radial displacement sensors 107 having coils are provided in close proximity to and corresponding to the upper radial electromagnet 104.
  • the upper radial displacement sensor 107 is configured to detect a radial displacement of the rotor shaft 113 and send it to a control device (not shown).
  • excitation of the upper radial electromagnet 104 is controlled via a compensation circuit having a PID adjustment function, and the upper radial position of the rotor shaft 113 is determined. adjust.
  • the rotor shaft 113 is formed of a high permeability material (such as iron) and is attracted by the magnetic force of the upper radial electromagnet 104. Such adjustment is performed independently in the X-axis direction and the Y-axis direction.
  • the lower radial electromagnet 105 and the lower radial displacement sensor 108 are arranged in the same manner as the upper radial electromagnet 104 and the upper radial displacement sensor 107, and the lower radial position of the rotor shaft 113 is set to the upper diameter. It is adjusted in the same way as the direction position.
  • axial electromagnets 106A and 106B are arranged with a disk-shaped metal disk 111 provided at the lower part of the rotor shaft 113 sandwiched vertically.
  • the metal disk 111 is made of a high permeability material such as iron.
  • An axial displacement sensor 109 is provided to detect the axial displacement of the rotor shaft 113, and the axial displacement signal is sent to the control device.
  • the axial electromagnets 106A and 106B are subjected to excitation control via a compensation circuit having a PID adjustment function of the control device based on the axial displacement signal.
  • the axial electromagnet 106A and the axial electromagnet 106B attract the metal disk 111 upward and downward by magnetic force.
  • the control device appropriately adjusts the magnetic force exerted on the metal disk 111 by the axial electromagnets 106A and 106B, causes the rotor shaft 113 to magnetically float in the axial direction, and holds the space in a non-contact manner. Yes.
  • the motor 121 includes a plurality of magnetic poles arranged circumferentially so as to surround the rotor shaft 113. Each magnetic pole is controlled by the control device so as to rotationally drive the rotor shaft 113 via an electromagnetic force acting between the rotor shaft 113 and the magnetic pole.
  • a plurality of stationary blades 123a, 123b, 123c,... Are arranged with a small gap from the rotor blades 102a, 102b, 102c,.
  • the rotor blades 102a, 102b, 102c,... are each inclined at a predetermined angle from a plane perpendicular to the axis of the rotor shaft 113 in order to transfer exhaust gas molecules downward by collision.
  • the fixed blades 123 are also formed so as to be inclined at a predetermined angle from a plane perpendicular to the axis of the rotor shaft 113, and are arranged alternately with the stages of the rotary blades 102 toward the inside of the outer cylinder 127. ing. And one end of the fixed wing
  • the fixed blade spacer 125 is a ring-shaped member and is made of a metal such as a metal such as aluminum, iron, stainless steel, or copper, or an alloy containing these metals as components.
  • An outer cylinder 127 is fixed to the outer periphery of the fixed blade spacer 125 with a slight gap.
  • a base portion 129 is disposed at the bottom of the outer cylinder 127, and a threaded spacer 131 is disposed between the lower portion of the fixed blade spacer 125 and the base portion 129.
  • An exhaust port 133 is formed below the threaded spacer 131 in the base portion 129 and communicates with the outside.
  • the threaded spacer 131 is a cylindrical member made of metal such as aluminum, copper, stainless steel, iron, or an alloy containing these metals as a component, and a plurality of spiral thread grooves 131a are formed on the inner peripheral surface thereof. It is marked.
  • the direction of the spiral of the thread groove 131 a is a direction in which molecules of the exhaust gas move toward the exhaust port 133 when the molecules of the exhaust gas move in the rotation direction of the rotating body 103.
  • a cylindrical portion 102d is suspended from the lowermost portion of the rotating body 103 following the rotor blades 102a, 102b, 102c.
  • the outer peripheral surface of the cylindrical portion 102d is cylindrical and protrudes toward the inner peripheral surface of the threaded spacer 131, and is adjacent to the inner peripheral surface of the threaded spacer 131 with a predetermined gap. Yes.
  • the base portion 129 is a disk-like member that constitutes the base portion of the turbo molecular pump 10, and is generally made of a metal such as iron, aluminum, or stainless steel. Since the base part 129 physically holds the turbo molecular pump 10 and also has a function of a heat conduction path, a metal having rigidity such as iron, aluminum and copper and high thermal conductivity is used. Is desirable.
  • Exhaust gas sucked from the intake port 101 passes between the rotary blade 102 and the fixed blade 123 and is transferred to the base portion 129. At this time, the temperature of the rotor blades 102 increases due to frictional heat generated when the exhaust gas contacts or collides with the rotor blades 102, conduction or radiation of heat generated by the motor 121, etc. It is transmitted to the fixed wing 123 side by conduction with gas molecules of the exhaust gas.
  • the fixed blade spacers 125 are joined to each other at the outer peripheral portion, and heat received by the fixed blades 123 from the rotor blades 102, frictional heat generated when exhaust gas contacts or collides with the fixed blades 123, etc. This is transmitted to the attached spacer 131.
  • the exhaust gas transferred to the threaded spacer 131 is sent to the exhaust port 133 while being guided by the screw groove 131a.
  • FIG. 2 is an enlarged view of the configuration around the axial displacement sensor 109 so that it can be easily compared with FIG.
  • the axial displacement sensor 109 is configured by winding the coil 7 around a bobbin 109B attached to the upper end of a shaft portion 109A that is fixedly passed through the center of the holding member 5 that holds the axial electromagnet 106.
  • a small-diameter columnar shaft end portion 113B projects from the lower end portion of the rotor shaft 113 with the coil 7 and the gap 2 therebetween.
  • a male screw is engraved on the outer periphery of the shaft end portion 113B, and a nut 19 engraved with an internal screw is screwed into the shaft end portion 113B.
  • the engraved range of the internal thread stops until the middle of the nut 19 and is not penetrated. That is, the nut 19 has a screw hole 19A opened only in the upper part.
  • the nut 19 is made of one material of low carbon steel. Holes with a flat bottom as shown in Fig.
  • the restriction on the axial dimension is not large, and even if some stress concentration occurs, the pilot hole may be a normal drill hole as long as the rotation of the rotor shaft and the rotating body is not hindered.
  • the nut 19 is entirely composed of a single metal material, and functions as a sensor target for the axial displacement sensor 109.
  • the strength around the shaft end portion 113B is secured.
  • the distance of the gap 2 is measured from the change in inductance.
  • FIG. 3 summarizes the performance comparison when low carbon steel or ferrite is applied to the sensor target of the axial displacement sensor 109.
  • the low carbon steel which is a magnetic material is summarized by taking JIS standard S10C, S20C, and S45C as examples.
  • the carbon component (carbon content) is also shown.
  • the performance is a relative evaluation with respect to four kinds of evaluation target materials, and the best to defective are shown in four stages in the order of ⁇ , ⁇ , ⁇ , and ⁇ .
  • ferrite has the highest magnetic permeability among the four types of evaluation target materials, and the magnetic flux is easily concentrated, so that the size of the coil can be minimized.
  • the cost is the highest among the four types of evaluation target materials, and the workability and availability are not as good as those of the other three types of evaluation target materials.
  • S45C with a large amount of carbon component is the highest among the four types of materials to be evaluated, but the coil has to be large because of low magnetic permeability. It can be seen that it is S20C that can be evaluated at a certain level in terms of workability, availability and cost while suppressing the size of the coil. In addition, it can replace with low carbon steel, and can also be comprised with the stainless steel (for example, the thing of SUS400 No. in SUS420 etc.) which is a magnetic material similarly. However, stainless steel has an aspect that the workability is poor compared to low carbon steel such as S20C.
  • FIG. 4 shows a conceptual characteristic obtained by evaluating the size of the detectable gap 2 with respect to the applied voltage of the coil.
  • FIG. 5 shows a conceptual characteristic obtained by evaluating the linearity of the detectable gap 2 with respect to the applied voltage of the coil.
  • the sensitivity characteristic line shown in FIG. 4 has the best sensitivity corresponding to ferrite, and the characteristic line having the slope indicated by symbol (A) corresponds to S45C. Is inferior. That is, this inclination has the same tendency as the evaluation of the coil size shown in FIG. 3, and the inclination angle gradually becomes larger and inferior in the order of S10C, S20C, and S45C.
  • the magnetic flux generated by increasing the number of coil windings using the radial empty space around the bobbin 109B can be increased, and the sensitivity equivalent to ferrite can be maintained.
  • the sensor target of the axial displacement sensor 109 is formed of a single magnetic material in the shape of a nut, and as a material of this nut, for example, a low carbon steel nut S20C is applied, so that ferrite can be obtained.
  • the linearity range can be expanded while maintaining the sensor sensitivity as compared with the case where the sensor target is used. Since the range of linearity is expanded, the margin of the gap 2 can be increased. This linearity is remarkably different especially in the portion where the gap 2 is large. For this reason, even when an external force to the rotating body 103 such as air rush or vibration occurs, the possibility of touchdown can be extremely low.
  • the low-carbon steel is an inexpensive magnetic material.
  • the low carbon steel has been described by taking S20C as an example for convenience, but S15C (carbon component 0.13 to 0.18%) to S25C (carbon component 0.22 to 0.28%) is desirable. That is, a magnetic material having a carbon component of 0.13 to 0.28% is desirable.
  • the nut 19 has been described as being screwed into the shaft end portion 113B.
  • a bolt 21 may be used instead of the nut 19 as shown in FIG.
  • the bolt head portion 21A and the screw portion 21B are made of a single magnetic material, and as this material, for example, a low carbon steel which is a magnetic material having a carbon component of 0.13 to 0.28% is applied. .
  • the linearity range can be expanded while maintaining the sensor sensitivity as compared with the case where the ferrite is used as the sensor target, similarly to the nut 19 of the present embodiment. It should be noted that the present invention can be variously modified without departing from the spirit of the present invention, and the present invention naturally extends to the modified ones.

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Abstract

【課題】変位センサのセンサターゲットに強磁性材を使用したときよりも安価でセンサ感度の線形性の範囲を広げ、かつ、外乱の発生時でもタッチダウンをし難くした真空ポンプ及びセンサターゲットを提供する。 【解決手段】軸方向変位センサ（１０９）は、軸方向電磁石（１０６）を保持する保持部材（５）の中心に貫通固定された軸部（１０９Ａ）の上端に取り付けられたボビン（１０９Ｂ）に対しコイル（７）を捲回して構成されている。このコイル（７）とギャップ（２）を隔てて、ロータ軸（１１３）の下端部には小径柱状の軸端部（１１３Ｂ）が突設されている。軸端部（１１３Ｂ）の外周囲には雄ねじが刻設されており、この軸端部（１１３Ｂ）に対して内側に雌ねじの刻設されたナット（１９）が螺合される。但し、雌ねじの刻設されている範囲はナット（１９）の中間までに止まり、貫通はされていない。即ち、ナット（１９）は上部にのみ開口されたネジ穴（１９Ａ）を有している。ナット（１９）は低炭素鋼の一つの素材で構成されている。

Description

真空ポンプ及びセンサターゲット
　本発明は真空ポンプ及びセンサターゲットに係わり、特に変位センサのセンサターゲットに強磁性材を使用したときよりも安価でセンサ感度の線形性の範囲を広げ、かつ、外乱の発生時でもタッチダウンをし難くした真空ポンプ及びセンサターゲットに関する。
　近年のエレクトロニクスの発展に伴い、メモリや集積回路といっ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、きわめて純度の高い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、エッチングにより半導体基板上に微細な回路を形成したりなどして製造される。
　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く、保守が容易等の点から真空ポンプの中の一つである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から排気するのにも使用される。
　図７に、例として、このターボ分子ポンプの軸方向変位センサ周りの代表的な構造を示す。図７において、このターボ分子ポンプでは、高速で回転するロータ軸１１３回りに取り付けられた金属ディスク１１１を図示しない軸方向電磁石で軸方向に磁気浮上させつつ位置制御している。この位置制御を行うため、ロータ軸１１３の下端部と軸方向変位センサ１間のギャップ２の大きさが軸方向変位センサ１とセンサターゲット３により測定されている。軸方向変位センサ１は、軸方向電磁石を保持する保持部材５の中心に貫通固定された軸部１Ａの上端に取り付けられたボビン１Ｂに対しコイル７を捲回して構成されている。センサターゲット３は、このコイル７とギャップ２を隔てて、ロータ軸１１３の下端に配設されている。
　ロータ軸１１３の下端部には小径柱状の軸端部１１３Ａが突設されている。軸端部１１３Ａの外周囲には雄ねじが刻設されており、ロータ軸１１３の下端部付近に配設された金属ディスク１１１が、内側に雌ねじの刻設されたナット９で固定されるようになっている。ナット９は例えば非磁性材のＳＵＳ３０４で形成されている。ナット９の底部中央には円柱状の凹部１１が形成されており、この凹部１１には円柱状のセンサターゲット３が埋めこまれ、接着剤で固定されている。
　なお、ナット９は、特別に円柱状の凹部１１を有しなくとも、雌ねじが終端まで貫通した、一般的なナットを使用し、センサターゲット３を接着し製造することも可能である。
　このセンサターゲット３に対して、ポンプ本体側に固定された軸方向変位センサ１のコイル７より磁束が発せられ、ロータ軸１１３の下端部と軸方向変位センサ１間のギャップ２が非接触に測定される（例えば特許文献１、特許文献２を参照）。この測定には軸方向変位センサ１を小型に構成しつつ所定のセンサ感度が求められることから、従来はセンサターゲット３に強磁性材であるフェライトが使われていた。
特開平11-313471号公報 特開2000-283160号公報
　しかしながら、ターゲット材としてのフェライトは、小型で透磁率が高く、変位センサとしてのセンシング精度を向上させることが出来るが、コストが高い。また、ロータ軸１１３の下端部と軸方向変位センサ１間のギャップ２について広範囲での線形性が保持されない。
　特に、ギャップ２の大きい所でのセンサ感度について線形性が取り難く、その結果、ロータ軸１１３の下端部と軸方向変位センサ１間のギャップ２を十分大きくは確保できない。この場合、地震等の外部からの振動や、ターボ分子ポンプがチャンバ内のガスを排気しているときに、何らかの原因で急激にガス（大気）を導入し、真空状態から大気に開放され、回転翼が揺動したりすると、ギャップ２が小さい分タッチダウンにも繋がるおそれもあった。
　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、変位センサのセンサターゲットに強磁性材を使用したときよりも安価でセンサ感度の線形性の範囲を広げ、かつ、外乱の発生時でもタッチダウンをし難くした真空ポンプ及びセンサターゲットを提供することを目的とする。
　このため本発明（請求項１）は真空ポンプの発明であって、ロータ軸の軸方向の変位を検出するため、該ロータ軸とは非接触に配置されたセンサコイルを有する軸方向変位センサと、該軸方向変位センサとギャップを隔てて対向して配置され前記センサコイルで発生する磁束を受ける前記ロータ軸に取り付けられたセンサターゲットとを備えた真空ポンプであって、前記センサターゲットが磁性を有する金属で構成されたことを特徴とする。
　センサターゲットを磁性を有する金属で構成したことにより、フェライトをセンサターゲットとした場合よりもセンサ感度を維持しつつ線形性の範囲を拡大できる。線形性の範囲が拡大したことで、ギャップの余裕を大きくとることもできる。この線形性は特に、ギャップの大きさの大きい部分でフェライトを用いた場合とは顕著に相違している。このため、大気突入や振動などの回転体に対する外的な力が生じた場合であっても、タッチダウンの可能性は極めて低くできる。磁性を有する金属で構成することで、フェライトを用い
た場合よりも安価である。
　また、本発明（請求項２）は真空ポンプの発明であって、前記金属は、炭素成分が０．１３～０．２８％の低炭素鋼であることを特徴とする。
　このことにより、変位センサとしてはコイルの大きさを抑えられ、また、センサターゲットとしては、加工性、入手性、コスト共に一定の評価ができる素材を適用でき、センサ感度を維持しつつ線形性の範囲を拡大できる。
　更に、本発明（請求項３）は真空ポンプの発明であって、前記センサターゲットが内側に雌ねじの刻設されたナットで形成されたことを特徴とする。
　ナットで形成することで、ロータ軸の強度低下を防止することができる。ナット全体で一つのセンサターゲットとして機能するので、構成を簡素にできる。
　更に、本発明（請求項４）はセンサターゲットの発明であって、ロータ軸の軸方向の変位を検出するためのセンサターゲットであって、前記センサターゲットは、センサコイルを有する軸方向変位センサとギャップを隔てて対向して前記ロータ軸に配置され、前記センサコイルで発生する磁束を受けるため磁性を有する金属で構成され、前記金属は、炭素成分が０．１３～０．２８％の低炭素鋼であることを特徴とする。
　以上説明したように本発明によれば、センサターゲットを磁性を有する金属で構成したので、フェライトをセンサターゲットとした場合よりもセンサ感度を維持しつつ線形性の範囲を拡大できる。このため、大気突入や振動などの回転体に対する外的な力が生じた場合であっても、タッチダウンの可能性は極めて低くできる。磁性を有する金属で構成することで、フェライトを用いた場合よりも安価である。
ターボ分子ポンプの構成図 軸方向変位センサ周りの構造（センサターゲットをナットとした例） センサターゲットについて低炭素鋼若しくはフェライトを適用した場合の性能比較 コイルの印加電圧に対する検出可能なギャップの大きさを評価した概念特性 コイルの印加電圧に対する検出可能なギャップの線形性を評価した概念特性 本実施形態の別態様（センサターゲットをボルトとした例） 軸方向変位センサ周りの構造（従来例）
　以下、本発明の実施形態について説明する。図１にターボ分子ポンプの構成図を示す。
　図１において、ポンプ本体１００の円筒状の外筒１２７の上端には吸気口１０１が形成されている。外筒１２７の内方には、ガスを吸引排気するためのター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を備える。
　この回転体１０３の中心にはロータ軸１１３が取り付けられており、このロータ軸１１３は、例えば、いわゆる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。
　上側径方向電磁石１０４は、４個の電磁石が、ロータ軸１１３の径方向の座標軸であって互いに直交するＸ軸とＹ軸とに対をなして配置されている。この上側径方向電磁石１０４に近接かつ対応して、コイルを備えた４個の上側径方向変位センサ１０７が備えられている。この上側径方向変位センサ１０７はロータ軸１１３の径方向変位を検出し、図示しない制御装置に送るように構成されている。
　制御装置においては、上側径方向変位センサ１０７が検出した変位信号に基づき、ＰＩＤ調節機能を有する補償回路を介して上側径方向電磁石１０４の励磁を制御し、ロータ軸１１３の上側の径方向位置を調整する。
　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Ｙ軸方向とにそれぞれ独立して行われる。
　また、下側径方向電磁石１０５及び下側径方向変位センサ１０８が、上側径方向電磁石１０４及び上側径方向変位センサ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。
　更に、軸方向電磁石１０６Ａ、１０６Ｂが、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変位センサ１０９が備えられ、その軸方向変位信号が制御装置に送られるように構成されている。
　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制御装置のＰＩＤ調節機能を有する補償回路を介して励磁制御されるようになっている。軸方向電磁石１０６Ａと軸方向電磁石１０６Ｂは、磁力により金属ディスク１１１をそれぞれ上方と下方とに吸引する。
　このように、制御装置は、この軸方向電磁石１０６Ａ、１０６Ｂが金属ディスク１１１に及ぼす磁力を適当に調節し、ロータ軸１１３を軸方向に磁気浮上させ、空間に非接触で保持するようになっている。
　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１１３を回転駆動するように、制御装置によって制御されている。
　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、１２３ｂ、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いる。
　また、固定翼１２３も、同様にロータ軸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、かつ外筒１２７の内方に向けて回転翼１０２の段と互い違いに配設されている。
　そして、固定翼１２３の一端は、複数の段積みされた固定翼スペーサ１２５ａ、１２５ｂ、１２５ｃ・・・の間に嵌挿された状態で支持されている。
　固定翼スペーサ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。
　固定翼スペーサ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、固定翼スペーサ１２５の下部とベース部１２９の間にはネジ付きスペーサ１３１が配設されている。そして、ベース部１２９中のネジ付きスペーサ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。
　ネジ付きスペーサ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。
　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・・・に続く最下部には円筒部１０２ｄが垂下されている。この円筒部１０２ｄの外周面は、円筒状で、かつネジ付きスペーサ１３１の内周面に向かって張り出されており、このネジ付きスペーサ１３１の内周面と所定の隙間を隔てて近接されている。
　ベース部１２９は、ターボ分子ポンプ１０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１０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、熱伝導率も高い金属が使用されるのが望ましい。
　かかる構成において、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の相互作用により、吸気口１０１を通じてチャンバからの排気ガスが吸気される。
　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に接触又は衝突する際に生ずる摩擦熱や、モータ１２１で発生した熱の伝導や輻射などにより、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等による伝導により固定翼１２３側に伝達される。
　固定翼スペーサ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に接触又は衝突する際に生ずる摩擦熱などを外筒１２７やネジ付きスペーサ１３１へと伝達する。
　ネジ付きスペーサ１３１に移送されてきた排気ガスは、ネジ溝１３１ａに案内されつつ排気口１３３へと送られる。
　次に、図２に基づき軸方向変位センサ周りの構造を詳述する。図２はこの軸方向変位センサ１０９周りの構成を図７と対比し易いように拡大したものである。軸方向変位センサ１０９は、軸方向電磁石１０６を保持する保持部材５の中心に貫通固定された軸部１０９Ａの上端に取り付けられたボビン１０９Ｂに対しコイル７を捲回して構成されている。
　このコイル７とギャップ２を隔てて、ロータ軸１１３の下端部には小径柱状の軸端部１１３Ｂが突設されている。軸端部１１３Ｂの外周囲には雄ねじが刻設されており、この軸端部１１３Ｂに対して内側に雌ねじの刻設されたナット１９が螺合されるようになっている。但し、雌ねじの刻設されている範囲はナット１９の中間までに止まり、貫通はされていない。即ち、ナット１９は上部にのみ開口されたネジ穴１９Ａを有している。ナット１９は低炭素鋼の一つの素材で構成されている。
　雌ねじの下穴として、ナットの軸方向の寸法を小さくすることと、ロータ軸及び回転体の回転時の応力集中の発生を低減する為に、図２のように底面が平な形状の穴加工を実施した。
　但し、軸方向寸法に関する制約が大きくなく、また多少の応力集中が発生しても、ロータ軸及び回転体の回転に支障が無ければ、下穴は通常のドリル穴としても良い。
　次に、本実施形態の作用について説明する。
　ナット１９は全体が一つの金属素材で構成されており、軸方向変位センサ１０９のセンサターゲットとして機能する。ナット１９をロータ軸１１３の軸端部１１３Ｂに螺合させたことで、軸端部１１３Ｂ周りの強度は確保される。コイル７で発生した磁束がセンサターゲットに届くことでそのインダクタンスの変化からギャップ２の距離が測定される。
　図３に軸方向変位センサ１０９のセンサターゲットについて低炭素鋼若しくはフェライトを適用した場合の性能比較をまとめた。ここに、磁性材である低炭素鋼はJIS 規格のＳ１０Ｃ、Ｓ２０Ｃ、Ｓ４５Ｃを例にまとめている。低炭素鋼については炭素成分（炭素含有量）を併記している。性能は４種類の評価対象素材に対する相対的な評価であり、◎、○、△、×の順に最良から不良までを４段階で示している。図３を見て分かる通り、フェライトは４種類の評価対象素材の内で透磁率も高く磁束が集中し易いためコイルの大きさを最も小さくできる。しかしながら、コストは４種類の評価対象素材の内で最も高く、加工性、入手性は他の３種類の評価対象素材に比べて良くない。
　加工性、入手性、コストを考慮した場合には、炭素成分の多いＳ４５Ｃが４種類の評価対象素材の内で最も高いが、透磁率が低い分コイルが大きくならざるを得ない。コイルの大きさを抑えつつ加工性、入手性、コスト共に一定の評価のできるのはＳ２０Ｃであることが分かる。なお、低炭素鋼に代えて同様に磁性材であるステンレス鋼（例えばＳＵＳ４２０等でＳＵＳ４００番代のもの）で構成されることも可能である。しかしながら、ステンレス鋼はＳ２０Ｃ等の低炭素鋼に比べ加工性が悪いという側面がある。
　次に、センサ感度について検討する。
　図４にはコイルの印加電圧に対する検出可能なギャップ２の大きさを評価した概念特性を示す。また、図５にはコイルの印加電圧に対する検出可能なギャップ２の線形性を評価した概念特性を示す。図４の感度特性線は図中符号（イ）で示す傾きを有する特性線がフェライトに相当して最もよい感度を有し、符号（ロ）で示す傾きを有する特性線がＳ４５Ｃに相当し感度は劣る。即ち、この傾きは図３に示すコイル大きさの評価と同じ傾向にあり、Ｓ１０Ｃ、Ｓ２０Ｃ、Ｓ４５Ｃの順に次第に傾斜角は大きくなり劣る。
　但し、この点については、本実施形態ではボビン１０９Ｂ周りの径方向の空きスペースを利用してコイルの捲回数を大きくすることで発生する磁束を増大させ、フェライトに相当する感度を維持できるように構成した。例えば、Ｓ２０Ｃを適用した場合にはフェライトの場合よりも５割程捲回数を多くしている。
　図５の線形性特性からは、図中符号（ハ）で示すフェライトの場合にはギャップ２の高い領域にまで線形性が維持できないことが分かる。これに対してＳ２０Ｃを適用した場合には符号（ニ）で示すようにフェライトの場合よりも高い領域にまで線形性を維持できる。
　以上の検討結果より、軸方向変位センサ１０９のセンサターゲットを一素材の磁性材でナットの形状で構成し、かつ、このナットの素材として例えば低炭素鋼のナットＳ２０Ｃを適用することで、フェライトをセンサターゲットとした場合よりもセンサ感度を維持しつつ線形性の範囲を拡大できることが分かる。線形性の範囲が拡大したことで、ギャップ２の余裕を大きくとることもできる。この線形性は特にギャップ２の大きさの大きい部分で顕著に相違している。このため、大気突入や振動などの回転体１０３に対する外的な力が生じた場合であっても、タッチダウンの可能性は極めて低くできる。
　従来、コア部のみをフェライトとしていたが、それでもコストが高くなってしまうという課題が生じていたが、本実施形態ではセンサターゲットと固定部であるナットを一素材として安価な磁性材の低炭素鋼で構成することが可能である。なお、低炭素鋼は便宜上Ｓ２０Ｃを例に説明したが、Ｓ１５Ｃ（炭素成分０．１３～０．１８％）～Ｓ２５Ｃ（炭素成分０．２２～０．２８％）であれば望ましい。即ち、炭素成分が０．１３～０．２８％の磁性材が望ましい。
　上記定炭素鋼については綜合的に判断したものだが、もちろん加工性、入手性、コイルの大きさ、コスト、およびセンサ感度の要求値の各々から判断する為、加工性や入手性やコストを考慮して、Ｓ４５Ｃ（炭素含有量０．４２～０．４８％）を採用したり、コイルの大きさを考慮して、Ｓ１０Ｃ（炭素含有量０．０８～０．１３％）を採用することも可能であることは言うまでもない。また、ステンレス鋼（例えばＳＵＳ４２０等でＳＵＳ４００番代のもの）であっても良い。
　次に、本実施形態の別態様について説明する。
　本実施形態ではナット１９を軸端部１１３Ｂに対し螺合するとして説明した。しかしながら、本実施形態の別態様として、図６に示すようにナット１９に代えてボルト２１とすることもできる。この場合にもボルト頭部２１Ａ及びネジ部２１Ｂを一素材の磁性材で構成し、かつ、この素材として例えば炭素成分が０．１３～０．２８％の磁性材である低炭素鋼を適用する。
　ボルト頭部２１Ａが低炭素鋼なので、本実施形態のナット１９と同様に、フェライトをセンサターゲットとした場合よりもセンサ感度を維持しつつ線形性の範囲を拡大できる。
　なお、本発明は、本発明の精神を逸脱しない限り種々の改変をなすことができ、そして、本発明が当該改変されたものにも及ぶことは当然である。
　２ ギャップ
　５ 保持部材
　７ コイル
 １９ ナット
 １９Ａ ネジ穴
 ２１ ボルト
 ２１Ａ ボルト頭部
１０３ 回転体
１０９ 軸方向変位センサ
１０９Ａ 軸部
１０９Ｂ ボビン
１１１ 金属ディスク
１１３ ロータ軸
１１３Ｂ 軸端部

Claims (4)

  1. 　ロータ軸の軸方向の変位を検出するため、該ロータ軸とは非接触に配置されたセンサコイルを有する軸方向変位センサと、
    該軸方向変位センサとギャップを隔てて対向して配置され前記センサコイルで発生する磁束を受ける前記ロータ軸に取り付けられたセンサターゲットとを備えた真空ポンプであって、
    前記センサターゲットが磁性を有する金属で構成されたことを特徴とする真空ポンプ。
  2. 　前記金属は、炭素成分が０．１３～０．２８％の低炭素鋼であることを特徴とする請求項１記載の真空ポンプ。
  3. 　前記センサターゲットが内側に雌ねじの刻設されたナットで形成されたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の真空ポンプ。
  4. 　ロータ軸の軸方向の変位を検出するためのセンサターゲットであって、
    前記センサターゲットは、センサコイルを有する軸方向変位センサとギャップを隔てて対向して前記ロータ軸に配置され、前記センサコイルで発生する磁束を受けるため磁性を有する金属で構成され、
    前記金属は、炭素成分が０．１３～０．２８％の低炭素鋼であることを特徴とするセンサターゲット。
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