JP2004116319A

JP2004116319A - 真空ポンプ

Info

Publication number: JP2004116319A
Application number: JP2002277643A
Authority: JP
Inventors: Manabu Nonaka; 野中　学; Toru Miwata; 三輪田　透
Original assignee: BOC Edwards Technologies Ltd
Current assignee: Edwards Japan Ltd
Priority date: 2002-09-24
Filing date: 2002-09-24
Publication date: 2004-04-15

Abstract

【課題】排気されるガスの温度を高精度で測定することでポンプ回転体の温度を推定し、回転体のクリープ寿命を適性に確保する。
【解決手段】回転体温度測定手段３０として、熱伝導率の低い材質からなるステー３１と、ステー３１に設置される接触式の温度センサ３２とを備え、ステー３１をガス分子の主流路Ｒであって、回転体２０の近傍に位置する固定部材に設置して、温度センサ３２を周囲の部材とは熱的に絶縁させ、かつガス分子と衝突する位置に配置することで排気されるガス温度を高精度で測定し、測定されたガス温度から回転体２０の温度を推定する。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造装置、液晶ディスプレイパネル製造装置等に用いられる真空ポンプに係り、特に、排気されるガスの温度を測定して回転翼の温度を間接的に推定するための構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、半導体製造工程におけるドライエッチングやＣＶＤ等のプロセスのように、高真空のプロセスチャンバ内で処理を行なう工程では、プロセスチャンバ内のガスを排気して一定の高真空度を形成するための手段として、ターボ分子ポンプ等の真空ポンプが用いられている。
【０００３】
一般に、ターボ分子ポンプは、円筒型のロータの外周面に複数のブレード状のロータ翼列が複数段にわたって設けられており、ポンプケース内部にはこれらロータ翼段の間に交互に位置決めされた複数のステータ翼が設けられている。そして、ロータに一体に取り付けられた回転軸を駆動モータ等により高速回転させることで、ロータ翼とステータ翼との相互作用により、ガス吸気口から吸入されるガスを下段のガス排気口へ排気して、ガス吸気口に接続されたプロセスチャンバ内を高真空にする（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特許第３０３８４３２号公報　（第３頁、図１）
【０００５】
ところで、ターボ分子ポンプにおいて、ロータとロータ翼からなる回転体は、ポンプ排気時におけるガスの圧縮熱や摩擦熱により温度上昇して高温となる。また、この回転体の回転数は一般に２００００〜５００００ｒｐｍと高速であり、回転体は遠心力による大きな引張応力を受ける。このため、回転体が上記のような高温かつ引張応力を受けた状態で長時間にわたり運転を続けると、回転体の塑性歪みが徐々に増加するクリープ変形が起こり、狭い間隔で対向する固定側と最終的に接触する恐れがある（以下、これを「回転体のクリープ寿命」という）。この接触により、最悪の場合には回転体に傷がついてクラックが発生し、そこを起点とする応力集中によって回転体の破壊に繋がるという可能性がある。
【０００６】
この回転体のクリープ寿命の要因となる回転体の歪み速度は、温度に対して対数的に変化することが知られており、回転体の温度が上昇すると回転体のクリープ寿命も対数的に短くなる。よって、ターボ分子ポンプでは、回転体のクリープ寿命が所定の基準を満たすように、排気するガスの許容流量、圧力、使用環境温度などが規定されている。
【０００７】
そこで、従来では回転体のクリープ寿命が極度に短くなることを防止するために、例えば、
（イ）ガス流量・プロセスチャンバ内部圧力のモニタリング
（ロ）回転体の温度のモニタリング
（ハ）回転体以外の部材の温度測定による回転体の温度推定
（ニ）回転体の寸法変化測定
等の方法によりポンプを監視することが行なわれている。（ロ）については、測定対象物から輻射される赤外線によって、対象物の温度を非接触で測定できる温度センサとして、焦電型センサやサーモパイル型センサなどの赤外線温度センサを利用した例が知られている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００８】
【特許文献２】
特開平１０−２９９６８８号公報　（第３−４頁、図１）
【０００９】
しかしながら、従来採用されていたポンプの監視方法においては、以下のような問題が指摘されている。
【００１０】
まず、（イ）のガス流量・プロセスチャンバ内部圧力のモニタリングによる方法では、ガスによって排気効率が異なり、かつ圧縮熱の発生量も異なる。また、プロセスチャンバ内での化学反応により、吸気したガス分子内部にエネルギーが蓄積されていると、そのエネルギーが回転体に伝わってしまう。よって、ガス流量・圧力のみでは回転体の温度を推定することが難しい。
【００１１】
次に、（ハ）の回転体以外の部材の温度測定による方法では、ポンプケース内に流入するガスの流量が少ない場合や、Ａｒガスのように熱伝導率の低いガスを排気する場合には、ガスによる熱伝導がほとんど起こらず、測定対象物である回転体の温度を正確に測定することができない。
【００１２】
また、（ニ）の回転体の寸法変化測定による方法では、センサと回転体との間の隙間寸法は、回転体の振れ回り等の要因によってその値が大きく左右されるため、測定温度の信頼性を確保することが困難である。
【００１３】
さらに、（ロ）の赤外線温度センサで回転体の温度測定を行なう場合、回転体以外の温度の低い固定部材からの輻射光が入射したり、センサ表面に堆積物が付着すると、センサに入射する赤外線量が変化してしまうため、測定精度が低下する。よって、測定精度の低下を防ぐためには、赤外線温度センサの受光部を測定対象物である回転体に極力近づける必要が生じる。このため、回転体近傍に赤外線温度センサを設置しなければならず、回転体周辺の設計自由度が大幅に制限されてしまう。
【００１４】
また、センサ受光部が回転体近傍にあることから、センサ自身が回転体からの輻射の影響を受けて温度ドリフトを起こしたり、センサ自身の寿命が短くなるという不具合がある。特に、ターボ分子ポンプを塩素や硫化フッ素系の腐食性の強いガスを排気する環境で使用する場合、センサ自身が腐食して故障する恐れもある。このため、定期的にセンサを交換しなければならず、その都度何度もポンプを分解する作業が必要となる上に、故障部品の交換に伴う大幅なコストアップを招くという問題がある。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、排気されるガスの温度を高精度で測定することでポンプ回転体の温度を推定し、回転体のクリープ寿命を適性に確保できる信頼性の高い真空ポンプを提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る真空ポンプは、回転体の回転運動により、外部からポンプケース内部に吸気されたガス分子を圧縮し、圧縮されたガス分子をポンプケース外部へと排気するポンプ機構部と、ガス分子の主流路でかつ回転体の近傍に位置する固定部材に設置された熱伝導率の低い材質からなるステーと、ステーに設置された温度センサとを備えた回転体温度測定手段と、を具備することを特徴とする。
【００１７】
本発明によれば、温度センサが、ステーによって周囲の部材とは熱的に絶縁され、かつガス分子の主流路に設置されていることから、排気されるガス温度を高精度で測定することができる。また、回転体の温度上昇の要因は、排気時のガスの圧縮熱や摩擦熱によるものと考えられることから、温度センサをガス分子の主流路であって、かつ回転体の近傍に配置することにより、測定されたガス温度から回転体の温度を推定することが可能となる。
【００１８】
温度センサには接触式と非接触式とがあるが、本発明ではガス分子との接触によりガス温度を測定することから接触式温度センサを使用するものとし、例えば、サーミスタ、熱電対、白金測温抵抗体を使用することができる。
【００１９】
また、ステーとなる熱伝導率の低い材料としては、ステンレス鋼、セラミックス材料、合成樹脂材料などが挙げられる。合成樹脂材料は、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂のいずれであっても良いが、熱伝導率の低い合成樹脂材料としては、熱可塑性樹脂ではフッ素樹脂、熱硬化性樹脂ではエポキシ樹脂の他、断熱性を有するガラス繊維またはカーボン繊維を混入した各種エンジニアリングプラスチックが考えられる。
【００２０】
また、本発明においては、温度センサが、熱伝導率の低い材質からなるステーに支持された熱伝導率の高い材質からなる集熱部材に設置される構造を採用することもできる。その設置構造の一例として、温度センサを集熱部材の内部に埋設しても良い。また、集熱部材となる熱伝導率の高い材料としては、アルミニウム合金、銅などの金属材料が考えられる。
【００２１】
このように、温度センサが、ステーによって周囲の部材とは熱的に絶縁され、かつガス分子の主流路において熱伝導率の高い集熱部材に設置されていると、熱伝導率の低いガスを排気する場合であっても、この集熱部材の集熱作用によって、排気されるガス分子自身の温度を高精度で測定することができる。
【００２２】
また、本発明において、温度センサのセンサ出力を電気的信号に変換する信号変換器と、信号変換器から出力された電気的信号に基づいて、回転体の温度が所定温度を超過した場合に警報信号を出力する警報出力回路と、を具備していても良い。
【００２３】
さらに、本発明において、温度センサのセンサ出力を電気的信号に変換する信号変換器と、信号変換器から出力された電気的信号に基づいて、回転体の温度変化を時間的に積算し、その積算値から回転体の歪み量を推定し、その歪み量推定値が、回転体と固定体との間の最狭隙間寸法に対して設計的余裕を持って設定される寸法を回転体の外径寸法で除算した値よりも超過した場合に警報信号を出力する警報出力回路と、を具備していても良い。
【００２４】
なお、このような警報出力回路の出力例としては、例えば、温度センサが回転体の異常温度を検出してセンサ出力が閾値を超過した場合に、回転体の回転速度を減速させるシーケンスや、回転体の回転運動を停止させるシーケンスなどが考えられる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る真空ポンプの好適な実施の形態について、ターボ分子ポンプに適用した例を挙げて、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２６】
＜第１実施形態＞
図１は本実施形態のターボ分子ポンプの全体構成を示す縦断面図であり、まずこのターボ分子ポンプの基本的な構造について説明する。
【００２７】
同図に示すターボ分子ポンプＰは、中空円筒型のケーシング１にベース２を接合することにより密閉されたポンプケース３内部に、ターボ分子ポンプ機構部ＰＡとネジ溝ポンプ機構部ＰＢとが収容された複合タイプの真空ポンプである。
【００２８】
ケーシング１の上部壁面にはガス吸気口４が開口され、ベース２の下部側壁面にはガス排気口５が開口されている。ガス吸気口４にはプロセスチャンバ等の真空容器が吸気口フランジ６を介して螺着され、ガス排気口５には排気パイプ７を介して補助ポンプが連結されることにより、このターボ分子ポンプＰは、プロセスチャンバ内のガスを排気して一定の高真空度を形成するための手段として使用される。
【００２９】
ポンプケース３内部に立設するステータコラム８の上下端面間には、高周波モータ等の駆動モータ９により高速回転する回転軸１０が貫通しており、回転軸１０は、半径方向電磁石１１−１と軸方向電磁石１１−２からなる磁気軸受１１により、回転軸１０の半径方向および軸方向にそれぞれ軸支されている。また、回転軸１０の両端部には、ドライ潤滑剤が塗布された保護用ボールベアリング１２が設けられており、通常運転時には回転軸１０に非接触で、磁気軸受１１の電源異常時にのみ回転軸１０に接触して軸支し、回転軸１０と磁気軸受１１との接触を防ぐように調整されている。
【００３０】
ステータコラム８から突出した回転軸１０の上端部には、ステータコラム８を包囲する中空円筒型のロータ１３が軸線Ｌ方向に螺着固定され、ロータ１３は駆動モータ９により回転軸１０と同期して高速回転する。回転軸１０に一体化されたロータ１３は半径方向センサ１４−１と軸方向センサ１４−２からなる位置検出センサ１４により位置制御されている。
【００３１】
ロータ１３外周の上方略半部分はターボ分子ポンプ機構部ＰＡとして機能し、ロータ１３外壁面には回転軸１０の軸線Ｌ方向にかけて複数のブレード状のロータ翼１５，１５，…が一体成形されている。また、ケーシング１内壁面にはこのロータ翼１５，１５間に交互に位置決めされた複数のブレード状のステータ翼１６，１６，…がスペーサ１７を交互に積層することで取り付け固定されている。
【００３２】
一方、ロータ１３外周の下方略半部分はネジ溝ポンプ機構部ＰＢとして機能し、ロータ１３外壁面は平坦な円筒面とされ、ケーシング１内壁面にはロータ１３外壁面と狭い間隔で対向する円筒型のネジステータ１８が設けられ、ロータ１３との対向面に螺旋状のネジ溝１９が刻設されている。
【００３３】
このターボ分子ポンプ機構部ＰＡとネジ溝ポンプ機構部ＰＢはガス吸気口４からガス排気口５へと流れるガス分子の主流路Ｒを形成している。すなわち、駆動モータ９により回転軸１０を高速回転させると、回転軸１０に一体化されたロータ１３とロータ翼１５からなる回転体２０も同期して高速回転する。これにより、ターボ分子ポンプ機構部ＰＡにおいては、可動するロータ翼１５と固定されたステータ翼１６との相互作用により上段側のガス吸気口４から吸気された分子流から遷移流のガス分子を下段側に送り込み、ネジ溝ポンプ機構部ＰＢにおいては、可動するロータ１３円筒面と固定されたネジ溝１９との相互作用により、遷移流のガス分子を粘性流に圧縮し、圧縮されたガス分子を下段側のガス排気口５へと排気する。
【００３４】
以上がこのターボ分子ポンプＰの基本的な構造であるが、次にこのターボ分子ポンプＰの特徴的な構造について説明する。
【００３５】
図１に示すように、このターボ分子ポンプＰは、高速回転するロータ１３とロータ翼１５からなる回転体２０の温度を測定する回転体温度測定手段３０を備えている。回転体温度測定手段３０は、熱伝導率の低い材質からなるステー３１と、このステー３１に設置される温度センサ３２とを具備して構成されている。ステー３１の設置箇所はガス分子の主流路Ｒであってかつ回転体２０の近傍に位置する固定部材に対して取り付けられるものとする。
【００３６】
温度センサ３２としては、接触式と非接触式とがあるが、本発明ではガス分子との接触によりガス温度を測定することから接触式温度センサを使用するものとする。接触式温度センサとしては、例えば、半導体の温度特性を利用したサーミスタ、異種金属の接合点の温度差により生じる熱起電力を利用した熱電対、温度に対応して変化する金属の電気抵抗を利用した測温抵抗体などが使用でき、測温抵抗体の中では化学的に安定で温度特性が良好な白金が好ましい。
【００３７】
また、温度センサ３２として接触式温度センサを使用することから、温度センサ３２と接触するステー３１は、熱伝導率の低い材料を使用して形成する。熱伝導率の低い材料としては、耐腐食性に優れたステンレス鋼、セラミックス材料、合成樹脂材料などが挙げられる。合成樹脂材料は、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂のいずれであっても良いが、熱伝導率の低い合成樹脂材料としては、熱可塑性樹脂ではフッ素樹脂、熱硬化性樹脂ではエポキシ樹脂の他、断熱性を有するガラス繊維またはカーボン繊維を混入した各種エンジニアリングプラスチックが考えられる。
【００３８】
ステー３１の形状や設置構造については各種考えられるが、その一例を図２に示す。このステー３１は、リング状に成形された固定体取付部３１−１と、固定体取付部３１−１と一体にその内側に向けて突出成形されたセンサ取付部３１−２とからなる形状を有し、センサ取付部３１−２の上面に温度センサ３２を支持する構造となっている。
【００３９】
そして、図１に示すように、最下段のスペーサ１７下面とネジステータ１８上面との間にステー３１の固定体取付部３１−１が挟持されることにより、ステー３１のセンサ取付部３１−２がポンプの全周にわたってステータ翼１６と平行に支持される。こうして、センサ取付部３１−２に設置された温度センサ３２は、ガス分子が流れる空隙を介して最下段のロータ翼１５下面と対向するように配置されている。
【００４０】
なお、ステー３１の形状として、センサ取付部３１−２を円周上に複数箇所設けても良く、また、温度センサ３２の取付位置としては、ガス分子と接触する位置であればセンサ取付部３１−２の上面ではなく下面であっても良い。
【００４１】
このように、本実施形態のターボ分子ポンプＰによれば、接触式の温度センサ３２が、熱伝導率の低いステー３１によって周囲の部材とは熱的に絶縁され、かつガス分子の主流路Ｒに設置されている。また、ターボ分子ポンプＰの運転時、ガス吸気口４からガス排気口５へと排気されるガス分子は、主流路Ｒに設置された温度センサ３２に必ず衝突することになる。このため、温度センサ３２は周囲の部材からの熱伝導の影響を受けることなく、排気されるガス温度を高精度で測定することができる。
【００４２】
さらに、回転体２０の温度上昇の要因は、排気時のガスの圧縮熱や摩擦熱によるものと考えられることから、温度センサ３２がガス分子の主流路Ｒであって、かつ回転体２０の近傍に配置されていることにより、測定されたガス温度から回転体２０の温度を推定することが可能となる。
【００４３】
よって、測定されたガス温度をモニタリングすることで、回転体２０の温度を監視することができ、温度上昇した回転体２０のクリープ変形による固定側との接触や、回転体２０に発生するクラックによる破壊を未然に防止することも可能となる。
【００４４】
＜第２実施形態＞
次に、本発明に係る第２の実施形態について図３および図４に基づき説明する。なお、以下の実施形態におけるターボ分子ポンプの基本的な構造については、上述した第１実施形態と同様であるので、同一部材には同一符号を附してその詳細な説明は割愛する。
【００４５】
図３に示すように、本実施形態のターボ分子ポンプＰは、高速回転するロータ１３とロータ翼１５からなる回転体２０の温度を測定する回転体温度測定手段３０を備えており、この回転体温度測定手段３０は、熱伝導率の低い材質からなるステー３１と、ステー３１に支持される熱伝導率の高い材質からなる集熱部材３３と、集熱部材３３に設置される温度センサ３２とを具備して構成されている。また、ステー３１の設置箇所はガス分子の主流路Ｒであってかつ回転体２０の近傍に位置する固定部材に対して取り付けられるものとする。なお、使用する温度センサ３２の種類、ステー３１の材質は上記第１実施形態と同様である。
【００４６】
本実施形態では、温度センサ３２をステー３１によって周囲の固定部材と熱的に絶縁し、かつ集熱部材３３の集熱作用によってガス分子の熱伝導率を高めてより高精度に温度検出するものである。そのため、集熱部材３３は、熱伝導率の高い材料を使用するものとし、例えば、アルミニウム合金、銅などの金属材料を使用して形成される。
【００４７】
集熱部材３３と温度センサ３２との設置構造については各種考えられるが、その一例を図４に示す。この例では、温度センサ３２は集熱部材３３の内部に埋設され、集熱部材３３がステー３１のセンサ取付部３１−２上に設置される構造となっている。
【００４８】
そして、図３に示すように、最下段のスペーサ１７下面とネジステータ１８上面との間にステー３１の固定体取付部３１−１を挟持し、ステー３１のセンサ取付部３１−２上の温度センサ３２と集熱部材３３とがステータ翼１６と平行に支持され、ガス分子が流れる空隙を介して最下段のロータ翼１５下面と対向するように配置されている。
【００４９】
このように、本実施形態のターボ分子ポンプＰによれば、接触式の温度センサ３２が、熱伝導率の低いステー３１によって周囲の部材とは熱的に絶縁され、かつ熱伝導率の高い集熱部材３３によって支持された状態でガス分子の主流路Ｒに設置されている。このため、温度センサ３２は、周囲の部材からの熱伝導の影響を受けることなく、例えばＡｒガスのように熱伝導率の低いガスを排気する場合であっても、ガス分子との衝突面積が大きく熱伝導率の高い集熱部材３３によって、排気されるガス温度をより高精度で測定することができ、測定されたガス温度から回転体２０の温度をより近似して推定することが可能となる。
【００５０】
＜第３実施形態＞
次に、本発明に係る第３の実施形態について図５乃至図８に基づき説明する。本実施形態のターボ分子ポンプは、回転体温度測定手段を構成する温度センサにより検出されたセンサ出力を用いることで、回転体の異常温度が要因で発生するクリープ変形による不具合を未然に防止するシーケンスを備えている。
【００５１】
すなわち、本実施形態のターボ分子ポンプにおいては、図５に示すように、温度センサ３２から出力されたセンサ出力は、信号変換器４０によりアナログ信号からデジタル信号に変換されて電気的信号値Ｔｗとして警報出力回路５０に入力される。また、警報出力回路５０は、信号変換器４０から入力された電気的信号値Ｔｗに基づいて警報処理回路６０に警報出力するように構成されている。
【００５２】
一方、警報処理回路６０は、警報出力回路５０から入力された警報出力に基づいて、モータドライバ７０に対しては回転体２０の減速または停止指示を出力するとともに、装置・表示器８０に対しては減速または停止の警報出力を出力する。また、装置・表示器８０は、警報処理回路６０からの警報出力を表示し、モータドライバ７０により回転体２０を減速または停止させるように構成されている。
【００５３】
ここで、警報出力回路５０における処理手順について、図６のフローチャートを参照しながらより詳細に説明する。
【００５４】
まず、ターボ分子ポンプＰの出荷時における警報出力回路５０のプレ処理として、変数値Ｅｔを０（零）にする（ステップ６０１）。ポンプ起動時にこの変数値Ｅｔを読み込む（ステップ６０２）。
【００５５】
次に、回転体温度測定手段３０により、回転体２０の温度を所定時間Δｔごとにサンプリングし（ステップ６０３）、このサンプリング値Ｔｗに基づいて、回転体２０の異常温度により発生する現象別に、以下（Ａ）（Ｂ）で説明するような異なる警報を発するように構成されている。
【００５６】
（Ａ）引張強度の低下による警報
回転体２０の異常温度が要因で発生する現象の一つに引張強度の低下が挙げられる。一般に、材料の引張強度は温度と密接な関係があることが知られている。例えばターボ分子ポンプＰの回転体２０の材料として広く用いられている析出強化型アルミニウム合金の場合、温度が上昇すると結晶内に分散していた析出物が粒界へと析出する。その結果、材料の強化機構が失われて結晶内の転移が起き易くなり、材料の引張強度は著しく低下する。
【００５７】
つまり、温度の上昇により材料の引張強度は低下するものであり、温度Ｔにおける回転体２０の引張強度σｔｓ（Ｔ）が、回転体２０にかかる応力σｒを超過したときに回転体２０は急速に破壊するものと考えられる（例えばロータ１３の破壊やロータ翼１５の折損）。
【００５８】
そこで、この現象を回避するためには、ステップ６０３で求めたサンプリング値Ｔｗが、温度Ｔｔｓに対して設計的余裕を持って設定される温度Ｔｅｔｓを超過した場合（ステップ６０４でＹｅｓ）に、警報出力回路５０が警報処理回路６０に対して警報（Ｌ１）を出力するように構成すれば良い。
【００５９】
ここで、警報処理回路６０における処理手順について図７に示すフローチャートに基づき詳説する。
【００６０】
まず、警報処理回路６０において、警報出力回路５０から警報（Ｌ１）が入力されると（ステップ７０１）、警報処理回路６０は装置・表示器８０に対して回転体２０の停止予告信号を出力する（ステップ７０２）。
【００６１】
装置・表示器８０はこの停止予告信号を受けて、例えばシグナルを点灯させたり、ブザーで警告したりして作業者に報知する。
【００６２】
次に、ステップ７０３でタイマをスタートし、ステップ７０４のタイマカウントが、予め設定されたある所定時間ｔｍを連続的に経過した場合（ステップ７０５でＹｅｓ）には、装置・表示器８０に対して回転体２０の停止動作信号を出力する（ステップ７０６）とともに、モータドライバ７０に対して回転体２０の停止信号を出力する（ステップ７０７）。
【００６３】
装置・表示器８０は停止動作信号を受けて上記のような手段で作業者に報知し、モータドライバ７０は停止信号を受けて回転軸１０を駆動させる駆動モータ９の動作を停止させる。
【００６４】
（Ｂ）クリープ歪みの限界による警報
回転体２０の異常温度が要因で発生する現象のもう一つにクリープ歪みによる回転体２０と固定体との接触が挙げられる。高温下で回転体２０を高速回転させると、遠心力による引張応力により回転体２０にクリープ現象が起こり、歪みが発生する。このクリープ歪み速度εｖは次の数式１に示す関係がある（Ｃ，ｎ：材料による定数、Ｑ：クリープの活性化エネルギー、ｋ：ボルツマン定数）。
【００６５】
【数１】

【００６６】
つまり、数式１から、クリープ歪み速度εｖの積分値が回転体２０のクリープ歪みであると考えられる。このクリープ変形が進行すると、最終的には回転側（ロータ１３またはロータ翼１５）と固定側（ステータ翼１６またはネジステータ１８）とが両者の最狭隙間部において接触するという現象が発生する。
【００６７】
そこで、この現象を回避するためには、サンプリング値Ｔｗからクリープ歪み速度εｖを推定してその時間的積算値を求め、最狭隙間部の寸法ｇに対して設計的余裕を持って設定される寸法値ｇｅを回転側外径（半径）寸法で除した値εｇｅよりこの積算値が大きくなった場合に警告を発するようにすれば良い。
【００６８】
つまり、図６のステップ６０５に示すように、回転体２０の温度を時間Δｔごとにサンプリングし、ｔ（ｉ−１）〜ｔ（ｉ）の間のサンプリング値をＴｉとし、そのときのクリープ歪み速度Ｅｖを次の数式２を用いて推定する（Ｃ１，Ｃ２：材料定数および設計的に定まる定数）。
【００６９】
【数２】

【００７０】
すなわち、この値の積算値が時間ｔ（ｉ）における回転体２０の歪み推定値Ｅ（ｔｉ）となる（数式３参照）。
【００７１】
【数３】

【００７２】
一方、回転体２０にかかる応力値は事前に設計的もしくは実験的に求められているものとして、その値σｒを用いることとする。そして、回転側と固定側との最狭隙間部の寸法をｇ、その最狭隙間部における回転側の外径（半径）をｒ、警告を発する寸法値ｇｅとすると、設計的な限界歪み値εｇ、および警告を発する歪み値εｇｅはそれぞれ次の数式４および数式５の通りとなる。
【００７３】
【数４】

【００７４】
【数５】

【００７５】
すなわち、数式３および数式５で求めた値から次の数式６で示す条件のときに警告を出力する。
【００７６】
【数６】

【００７７】
本実施形態では、図６のステップ６０６に示すように、回転体２０の歪み寸法値Ｅｔが警告を発する歪み値εｇｅに予め設定した余裕値δを加算した値、つまりＥｔがεｇｅ＋δを超過した場合（ステップ６０６でＹｅｓ）に、警報出力回路５０が警報処理回路６０に対して警報（Ｌ２）を出力するように構成されている。
【００７８】
ここで、警報処理回路６０における処理手順について図８に示すフローチャートに基づき詳説する。
【００７９】
まず、警報処理回路６０において、警報出力回路５０から警報（Ｌ２）が入力されると（ステップ８０１）、Ｅｔとεｇｅとを比較し（ステップ８０２）、Ｅｔがεｇｅよりも小さい値の場合には装置・表示器８０に対して減速予告信号を出力し（ステップ８０３）、Ｅｔがεｇｅよりも大きい値の場合には停止予告信号を出力する（ステップ８０９）。
【００８０】
装置・表示器８０は、この減速予告信号または停止予告信号を受けて、例えばシグナルを点灯させたり、ブザーで警告したりして作業者に報知する。
【００８１】
警報処理回路６０が減速予告信号を出力した後、次にステップ８０４でタイマをスタートし、ステップ８０５のタイマカウントが、予め設定されたある所定時間ｔｍを連続的に経過したとき（ステップ８０６でＹｅｓ）には、装置・表示器８０に対して回転体２０の減速動作信号を出力する（ステップ８０７）とともに、モータドライバ７０に対しては回転体２０の減速信号を出力する（ステップ８０８）。
【００８２】
装置・表示器８０はこの減速動作信号を受けて上記のような手段で作業者に報知し、モータドライバ７０は減速信号を受けて回転軸１０を駆動させる駆動モータ９の回転数を減速させる。
【００８３】
一方、警報処理回路６０が停止予告信号を出力した後、次にステップ８１０でタイマをスタートし、ステップ８１１のタイマカウントが、予め設定されたある所定時間ｔｍを連続的に経過したとき（ステップ８１２でＹｅｓ）には、装置・表示器８０に対して回転体２０の停止動作信号を出力する（ステップ８１３）とともに、モータドライバ７０に対しては回転体２０の停止信号を出力する（ステップ８１４）。
【００８４】
装置・表示器８０はこの停止動作信号を受けて上記のような手段で作業者に報知し、モータドライバ７０は停止信号を受けて回転軸１０を駆動させる駆動モータ９を停止させる。
【００８５】
なお、上述した所定時間Δｔ、ｔｍ、余裕値δなどの閾値については、回転体２０の選定材料や、回転側と固定側との最狭隙間寸法などの諸条件に応じて設計者が適宜変更すれば良い。
【００８６】
このように、本実施形態のターボ分子ポンプは、接触式の温度センサで測定したガス温度から推定した回転体の温度をサンプリングし、回転体の引張強度の低下による回転体の異常温度を検出すると、警報処理回路からの警報出力に基づいて、装置・表示器が作業者に報知し、モータドライバが駆動モータを停止させるように構成されている。よって、温度上昇により回転体の引張強度が低下しても、その引張強度が遠心力により回転体に発生する応力を下回る前に設計的余裕を持ってポンプが停止するため、かかる回転体の破壊を未然に防止することができる。
【００８７】
また、本実施形態のターボ分子ポンプは、接触式の温度センサで測定したガス温度から推定した回転体の温度をサンプリングし、クリープ歪みの限界による回転体の異常温度を検出すると、警報処理回路からの警報出力に基づいて、装置・表示器が作業者に報知し、モータドライバが駆動モータを減速または停止させるように構成されている。よって、回転体のクリープ歪み寸法が回転側と固定側との最狭隙間寸法に対して設計的余裕を持ってポンプが減速し、万が一これを超過してしまった場合にもポンプが強制的に停止するため、回転側と固定側との接触による破壊を未然に防止することができる。
【００８８】
なお、上述した各実施形態においては、本発明をターボ分子ポンプに適用した例を挙げて説明したが、本発明は、その構造が周知のために説明を省略したネジ溝ポンプ、渦流ポンプ、およびこれらを複合した真空ポンプについても同様に適用できる。
【００８９】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明に係る真空ポンプによれば、以下のような効果を奏する。
【００９０】
（１）回転体温度測定手段を構成する接触式の温度センサが、熱伝導率の低いステーによって周囲の部材とは熱的に絶縁され、かつガス分子の主流路に設置されている。このため、ポンプの運転時、ガス吸気口からガス排気口へと排気されるガス分子が温度センサに必ず衝突し、温度センサは周囲の部材からの熱伝導の影響を受けることなく、排気されるガス温度を高精度で測定することができ、この測定されたガス温度から回転体の温度を推定することが可能となる。よって、測定されたガス温度をモニタリングすることで、回転体の温度を監視することができ、温度上昇した回転体のクリープ変形による固定側との接触や、その接触により回転体に傷がついて発生するクラックによる破壊を未然に防止することが可能となる。
【００９１】
（２）接触式の温度センサが、熱伝導率の低いステーによって周囲の部材とは熱的に絶縁され、かつ熱伝導率の高い集熱部材によって支持された状態でガス分子の主流路に設置されている。このため、温度センサは、周囲の部材からの熱伝導の影響を受けることなく、熱伝導率の低いガスを排気する場合であっても、ガス分子との衝突面積が大きく熱伝導率の高い集熱部材によって、排気されるガス温度をより高精度で測定することができ、測定されたガス温度から回転体の温度をより近似して推定することが可能となる。
【００９２】
（３）回転体温度測定手段が、回転体の引張強度の低下や回転体のクリープ歪みの限界による異常温度を検出すると警報出力され、設計的余裕を持ってポンプが減速または停止するため、過度の温度上昇により回転体の引張強度が低下し遠心力により発生する応力を下回る結果引き起こされる回転体の破壊や、クリープ歪み変形による回転側と固定側との接触を未然に防止することができ、回転体のクリープ寿命を適正に確保できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態のターボ分子ポンプの全体構造を示す縦断面図。
【図２】（ａ）は回転体温度測定手段の構造を示す要部拡大平面図、（ｂ）は同構造を示す要部拡大断面図。
【図３】第２実施形態のターボ分子ポンプの全体構造を示す縦断面図。
【図４】（ａ）は回転体温度測定手段の構造を示す要部拡大平面図、（ｂ）は同構造を示す要部拡大断面図。
【図５】第３実施形態のターボ分子ポンプにおける警報出力手段の構成を模式的に示すブロック図。
【図６】警報出力回路の処理手順を説明するフローチャート。
【図７】警報出力回路により出力された警報出力Ｌ１に基づく警報処理回路の処理手順を説明するフローチャート。
【図８】警報出力回路により出力された警報出力Ｌ２に基づく警報処理回路の処理手順を説明するフローチャート。
【符号の説明】
３　ポンプケース
９　駆動モータ
１０　回転軸
１３　ロータ
１５　ロータ翼
１６　ステータ翼
２０　回転体
３０　回転体温度測定手段
３１　ステー
３１−１　固定体取付部
３１−２　センサ取付部
３２　温度センサ
３３　集熱部材
４０　信号変換器
５０　警報出力回路
６０　警報処理回路
７０　モータドライバ
８０　装置・表示器

Claims

回転体の回転運動により、外部からポンプケース内部に吸気されたガス分子を圧縮し、圧縮されたガス分子をポンプケース外部へと排気するポンプ機構部と、
上記ガス分子の主流路でかつ回転体の近傍に位置する固定部材に設置された熱伝導率の低い材質からなるステーと、該ステーに設置された温度センサとを備えた回転体温度測定手段と、
を具備する
ことを特徴とする真空ポンプ。
上記温度センサは、サーミスタ、熱電対、あるいは白金測温抵抗体のいずれか一つの接触式温度センサであることを特徴とする請求項１記載の真空ポンプ。
上記ステーは、ステンレス鋼、セラミックス材料、あるいは熱伝導率の低い合成樹脂材料のいずれかの材料により構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の真空ポンプ。
上記合成樹脂材料は、フッ素樹脂、エポキシ樹脂、あるいは断熱性を有するガラス繊維またはカーボン繊維を混入した各種エンジニアリングプラスチックから選ばれることを特徴とする請求項３記載の真空ポンプ。
上記温度センサは、上記ステーに支持された熱伝導率の高い材質からなる集熱部材を介して設置されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４記載の真空ポンプ。
上記温度センサが、集熱部材の内部に埋設されていることを特徴とする請求項５記載の真空ポンプ。
上記集熱部材は、アルミニウム合金または銅からなる金属材料により構成されていることを特徴とする請求項５または請求項６記載の真空ポンプ。
上記温度センサのセンサ出力を電気的信号に変換する信号変換器と、該信号変換器から出力された電気的信号に基づいて、回転体の温度が所定温度を超過した場合に警報信号を出力する警報出力回路と、を具備することを特徴とする請求項１乃至請求項７記載の真空ポンプ。
上記温度センサのセンサ出力を電気的信号に変換する信号変換器と、該信号変換器から出力された電気的信号に基づいて、回転体の温度変化を時間的に積算し、その積算値から回転体の歪み量を推定し、その歪み量推定値が、回転体と固定体との間の最狭隙間寸法に対して設計的余裕を持って設定される寸法を回転体の外径寸法で除算した値を超過した場合に警報信号を出力する警報出力回路と、を具備することを特徴とする請求項１乃至請求項７記載の真空ポンプ。
上記警報出力回路は、赤外線温度センサから出力されたセンサ出力が閾値を超過した場合に回転体の回転速度を減速させる回転体減速手段を具備することを特徴とする請求項９記載の真空ポンプ。
上記警報出力回路は、赤外線温度センサから出力されたセンサ出力が閾値を超過した場合に回転体の回転動作を停止させる回転体停止手段を具備することを特徴とする請求項８乃至請求項１０記載の真空ポンプ。