JP4419258B2 - ターボ分子ポンプ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ターボ分子ポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造装置などに用いられる真空ポンプの一つとしてターボ分子ポンプがあるが、ターボ分子ポンプでは回転翼が形成されたロータをモータで回転駆動し、この回転翼を固定翼に対して高速回転させることにより気体分子を排気している。ロータを回転駆動するモータとしては、ＤＣブラシレスモータが知られている。ＤＣブラシレスモータでは、ロータの磁極を検知してロータの回転位置を検出する複数のホールセンサがステータに設けられており、各ホールセンサの信号から論理回路によりステータコイルを励磁する際の励磁パターンを形成し、その励磁パターンによりモータ駆動回路を制御してモータの駆動を行う。
【０００３】
例えば、３相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）のステータコイルに対応して３つのホールセンサＨ１，Ｈ２，Ｈ３を設け、これら３つのホールセンサからの信号に基づいてロータの回転周期に同期した励磁電圧を各コイルＵ，Ｖ，Ｗに印加する。図１０の（ａ）は各ホールセンサＨ１〜Ｈ３からのセンサ信号を示す図である。このセンサ信号から論理回路により励磁パターン信号が生成され、その信号によりモータ駆動回路が制御されて図１０（ｂ）に示すような励磁電圧がステータコイルＵ，Ｖ，Ｗに印加される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、次のような理由からステータコイルに印加される励磁電圧は必ずしも最適なものとはならないという問題があった。
（ａ）ホールセンサのセンサ信号が励磁パターン形成回路に取り込まれるまでに生じるセンサ信号の位相のずれによって、励磁パターンが最適なものからずれてしまう。特に、信号経路にフォトカプラを用いた場合には、フォトカプラの応答時間に起因する位相のずれが生じる。
（ｂ）ホールセンサは磁力を検出して図１０（ａ）のように信号を反転するアナログ的な素子なので、素子のばらつきにより位相のずれが生じる。
（ｃ）また、磁石の磁化が不均一であった場合、信号が反転する立ち上がりおよび立ち下がりにずれが生じる。
【０００５】
上述するような原因でセンサ信号に位相ずれが生じると、この位相ずれは励磁パターンの位相ずれとなり、モータ駆動状態が最適な状態からずれてしまうことになる。その結果、不要な電力を消費することになり、ポンプ本体の温度上昇の原因となる。特に、磁気軸受式のターボ分子ポンプの場合には、ロータは真空中に非接触で浮上しているため、熱の逃げ場が無く、僅かな消費電力アップでも温度が上昇しやすい。例えば、無負荷回転時に７０〜８０Ｗの消費電力であったものが、上述したような原因で１０Ｗアップした場合、５〜１０℃もロータ温度が上昇する。
【０００６】
ターボ分子ポンプではロータは非常に高速で回転しているため、一般的にアルミ合金からなるロータの温度が上昇すると、高温クリープによるロータの強度の低下を招くという問題があった。
【０００７】
本発明の目的は、消費電力の低減を図ることができるＤＣブラシレスモータを使用したターボ分子ポンプを提供することにある。
【０００８】
請求項１に係る発明は、ＤＣブラシレスモータにより回転翼を固定翼に対して高速回転させるターボ分子ポンプにおいて、前記ＤＣブラシレスモータに流れる負荷電流を検出する負荷電流検出手段と、前記ターボ分子ポンプが無負荷状態であって且つ所定の一定回転速度を維持しているときに外部から供給される最適位相検出指令に応答して、前記ＤＣブラシレスモータの回転基準位置に対する励磁基準位置を相対的に変化させることにより、前記負荷電流が最小となる最適励磁位相を検出する最適位相検出手段と、前記最適位相検出手段により検出された前記最適励磁位相を最適位相情報として記憶しておく位相情報記憶手段と、前記ターボ分子ポンプの稼働時には、前記位相情報記憶手段に記憶されている前記最適位相情報に基づいて励磁パターンを形成することにより前記ＤＣブラシレスモータを駆動する駆動手段とを備えている。この請求項１に記載した発明は、図１１および図１２に対応している。
請求項２に係る発明は、請求項１に記載のターボ分子ポンプにおいて、前記ＤＣブラシレスモータの回転基準位置は、前記ＤＣブラシレスモータのロータに埋め込まれた永久磁石の磁気を検出する単一の磁気検出素子から出力される信号により決定される。
【０００９】
なお、本発明の構成を説明する上記課題を解決するための手段の項では、本発明を分かり易くするために発明の実施の形態の図を用いたが、これにより本発明が発明の実施の形態に限定されるものではない。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図１２を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は磁気軸受式ターボ分子ポンプの概略構成を示すブロック図であり、ターボ分子ポンプはターボ分子ポンプ本体１と電源装置２とから構成されている。ポンプ本体１に設けられたロータ４は磁気軸受５により非接触支持され、モータ部６により回転駆動される。モータ部６にはＤＣブラシレスモータが用いられる。一方、電源装置２には、ＤＣブラシレスモータを駆動するインバータ部７と、ロータ４が所定浮上位置に支持されるように磁気軸受５に供給される励磁電流を制御する磁気浮上制御部８とを備えている。
【００１１】
図２はターボ分子ポンプ本体１の詳細を示す断面図である。ポンプ本体１のケーシング２０の内部には、複数段のロータ翼２１およびネジ溝部２２が形成されたロータ４と、ロータ翼２１に対して交互に配設されるステータ翼２３と、上記ネジ溝部２２と対向するように配設される筒状部材２４とが設けられている。ロータ４を非接触支持する磁気軸受５は、ラジアル磁気軸受を構成する電磁石５１，５２とアキシャル磁気軸受を構成する電磁石５３とを有し、これらは５軸制御型磁気軸受を構成している。これらのラジアル電磁石５１，５２とアキシャル電磁石５３に対応して、ロータ４の位置を検出するためのラジアル変位センサ７１，７２およびアキシャル変位センサ７３が設けられている。
【００１２】
１０はＤＣブラシレスモータであり、このモータ１０によりロータ４は高速回転駆動される。このときのロータ４の回転位置は、回転センサ１１により検知される。回転センサ１１には、ホールセンサや渦電流センサ等が用いられる。ロータ４を電磁石５１，５２，５３により非接触支持しつつモータ１０により回転駆動すると、吸気口側のガスは矢印Ｇ１のように背圧側（空間Ｓ１）に排気され、背圧側に排気されたガスは排気口フランジ２６に接続された補助ポンプにより排気される。２７，２８は非常用のメカニカルベアリングである。
【００１３】
図３は、モータ部６およびインバータ部７を詳細に示す図である。モータ部６のステータ側には、回転センサ１１およびステータコイルＵ，Ｖ，Ｗが設けられており、回転センサ１１の信号は、インバータ部７の検出回路１２に入力される。検出回路１２は、回転センサ１１のセンサ信号に基づいてロータ４の回転基準位置および回転周期を算出し、それらの情報を励磁パターン作成回路１３に入力する。
【００１４】
図４は、回転センサ１１としてホールセンサＨＳを用いた場合の、ロータ位置検出を説明する図である。図４（ａ）に示すように、ＤＣブラシレスモータではロータ４に永久磁石３０が設けられており、この永久磁石３０の磁界をステータ側に設けられたホールセンサＨＳで検知することにより、ロータ４の回転位置を検出する。ロータ４が回転して、図４（ａ）の状態から角度ａだけ回転した図４（ｂ）の状態になると、ホールセンサＨＳはＳ極を検出する。そして、図４（ｃ）のように角度ｂの状態になると、Ｓ極は検出されなくなる。さらに、図４（ｂ）の状態から１８０°回転すると、ホールセンサＨＳはＮ極を検出する。検出回路１２では、得られたセンサ信号に基づいて、ロータ４の回転基準位置および回転周期を算出する。
【００１５】
図３に戻って、励磁パターン作成回路１３はステータコイルＵ，Ｖ，Ｗに励磁電流を供給する際の励磁パターンを作成する。ここで作成される励磁パターンは、ステータコイルＵ，Ｖ，Ｗの各々を駆動するための３種類の駆動信号パターンから成り、それらの信号に基づいて図５に示すように励磁電圧パターンがドライブ回路１４により形成される。図５の励磁電圧パターンは位相差が正確に１２０°になっており、電圧切換間隔が一定な理想的な波形になっている。
【００１６】
この励磁パターン作成回路１３には、ＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）等を用いて作成しても良いし、マイクロプロセッサにより作成しても良い。いずれにしても、回転センサ１１の信号と独立して理想的な形状の励磁パターンを作成する。ただし、パターンの周期（図５の周期Ｔ）に関しては、ロータ４の回転周期と一致するように作成される。
【００１７】
図６はドライブ回路１４の一例を示す図であり、Ｓ１〜Ｓ６はトランジスタ等のスイッチング素子であり、Ｅは電源である。これらのスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６を励磁パターン作成回路１３からの信号により制御して、図５に示すような電圧をステータコイルＵ，Ｖ，Ｗに印加する。図７は、図５の▲１▼〜▲６▼の１周期分について、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６のオン・オフのタイミングを示したものであり、図８は各タイミングでのコイルＵ，Ｖ，Ｗの端子電圧を示したものである。
【００１８】
▲１▼ではスイッチング素子Ｓ１がオフ（×印）でスイッチング素子Ｓ２がオン（○印）なので、コイルＵの端子電圧は０（Ｖ）となる。コイルＶについてはスイッチング素子Ｓ３がオンでスイッチング素子Ｓ４がオフなので、端子電圧はＥ（Ｖ）となる。コイルＷについてはスイッチング素子Ｓ５，Ｓ６の両方ともオフなので、コイルＷの端子電圧はコイルＵ，Ｖの端子電圧の中間となり、Ｅ／２（Ｖ）である。図９は、永久磁石が設けられたロータ４，ステータコイルＵ，Ｖ，ＷおよびホールセンサＨＳを示す図である。図５，７，８の▲１▼のタイミングでは、電流ＩはコイルＵ，Ｖを図の矢印のように流れ、コイルＶの側がＮ極、コイルＵの側がＳ極となるような磁界が発生する。その結果、ロータ４は右回りに回転駆動される。なお、図９の場合には、ロータ４の回転基準位置は磁石３０のＳ極の位置を指し、図９のようにＳ極が▲１▼の位置になったときに図５の励磁パターンの▲１▼とを一致させることにより、回転基準位置と励磁基準位置が一致する。
【００１９】
また、▲２▼の場合には、スイッチング素子Ｓ３，Ｓ４の両方ともオフなのでコイルＶの端子電圧はＥ／２（Ｖ）、スイッチング素子Ｓ５がオンでスイッチング素子Ｓ６がオフなのでコイルＷの端子電圧はＥ（Ｖ）、コイルＵは▲１▼と同じなので０（Ｖ）となる。▲３▼〜▲６▼についても同様である。上述した励磁パターン作成回路１３からの信号により、このようなスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６のオン・オフ制御が行われ、ロータ４は右回りに連続的に回転駆動される。
【００２０】
ところで、従来の装置では、図９のＨ１，Ｈ２，Ｈ３で示すようにホールセンサを複数設け、それらのセンサ信号（図１０（ａ）を参照）から論理回路により励磁パターンを作成していた。例えば、図９に示す状態では図１０（ａ）の▲１▼に示すようなセンサ信号が得られ、論理回路はこのセンサ信号に基づいて、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６を図７の▲１▼のように制御する。そのため、ホールセンサＨ１〜Ｈ２の取り付け位置や性能自体のばらつき等により図１０（ａ）の各センサ信号間に位相ずれが生じると、図１０（ｂ）の励磁パターンが崩れて消費電力のロスが生じる。
【００２１】
しかし、上述した実施の形態では、回転センサ１１で検出された回転位置とは無関係に、励磁パターン作成回路１３により理想的な励磁パターンを生成しているため、励磁パターンの崩れによる消費電力のロスを防止することができる。
【００２２】
図１１は上述したターボ分子ポンプの変形例を示す図であり、図３に対応するものである。上述した実施の形態では、励磁パターンが理想的なものであっても、例えば、永久磁石の磁化不均一により検出した回転位置と実際の回転位置との間にずれが生じることがある。その結果、ロータ４の実際の回転基準位置と励磁パターンの対応する励磁基準位置との間に位相のずれが生じ、すなわち、ロータ４の回転とコイルＵ，Ｖ，Ｗによる回転磁界とのタイミングがずれて消費電力が増加する。
【００２３】
そこで、図１１に示した変形例では、ターボ分子ポンプが一定の回転速度で回転しているときに、モータ１０の消費電力が最小となるように励磁パターンの位相をずらして駆動する。ところで、モータ１０の消費電力は同一回転速度ではモータ電流に比例しているので、モータ電流が最小となるときに消費電力も最小となる。図１１において、コントローラ１５から励磁パターン作成回路１３に対して励磁パターンの位相が出力され、励磁パターン作成回路１３は入力された位相の励磁パターンを生成する。
【００２４】
ポンプ起動当初は、励磁パターン作成回路１３は、検出回路１２で算出されるロータ４の回転基準位置と励磁パターンの励磁基準位置とが一致するように励磁パターンを生成する。しかし、このように駆動した場合でも、上述したように実際のロータ回転に同期しているとは限らない。コントローラ１５は、励磁パターン作成回路１３に入力する位相を図１２のように所定の範囲Ｈ内で変動させ、モータ電流Ｉが最小となる位相を探す。図１２はモータ電流Ｉと励磁パターンの位相との関係を示す図であり、縦軸はモータ電流Ｉ、横軸は回転基準位置に対する励磁基準位置の位相を示したものである。回転基準位置に対する励磁基準位置の位相をαとすると、モータ電流Ｉは最小値Ｉminとなる。このような最適位相αが求められたならば、コントローラ１５は最適位相αを励磁パターン作成回路１３に入力するとともに、記憶部１６に格納する。その後、ターボ分子ポンプが停止された後に再び起動されたときには、記憶部１６から最適位相αが呼び出され、励磁パターン作成回路１３に入力される。
【００２５】
上述したような最適位相αの導出は、ターボ分子ポンプが無負荷状態で一定回転のときに行われる。一般的には、ターボ分子ポンプがこのような状態にあることをオペレータが確認し、最適位相αを求めるための指令（チューニング指令）をコントローラ１５に入力することにより、上述した動作（チューニング動作）が行われる
【００２６】
上述した変形例では、ターボ分子ポンプはモータ電流Ｉが最小となるように駆動されるため、モータ消費電力が最小となり、モータ１０の発熱を抑えることができる。その結果、モータ発熱によるロータ４の温度上昇を抑えることができ、ターボ分子ポンプの信頼性を向上させることができる。また、従来のように、３つのホールセンサＨ１〜Ｈ３の信号から励磁パターンを作成しているわけではないので、回転センサ１１は複数設ける必要が無く、コスト低減が図れる。
【００２７】
なお、上述した実施の形態では、ターボ分子ポンプを例に説明したが、これに限らず、ＤＣブラシレスモータを上述したように制御することにより、モータ消費電力を従来より低減することができる。
【００２８】
以上説明した実施の形態と特許請求の範囲の要素との対応において、負荷電流検出手段はドライブ回路１４に対応し、最適位相検出指令はチューニング指令に対応し、最適位相検出手段はコントローラ１５に対応し、位相情報記憶手段は記憶部１６に対応し、駆動手段は励磁パターン作成回路１３およびドライブ回路１４に対応する。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明を適用したターボ分子ポンプによれば、外部から供給される最適位相検出指令に応答して検出された最適励磁位相を位相情報として記憶し、その後のターボ分子ポンプの稼働時には、位相情報記憶手段に記憶されている最適位相情報に基づいて励磁パターンを形成することによりＤＣブラシレスモータを駆動するため、モータ消費電力の低減を図ることができ、モータの不要な発熱を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による磁気軸受式ターボ分子ポンプの概略構成を示すブロック図。
【図２】ターボ分子ポンプ本体１の詳細を示す断面図。
【図３】モータ部６およびインバータ部７の詳細図。
【図４】ロータ位置検出を説明する図であり、（ａ）はロータ４の永久磁石３０とホールセンサＨＳを示す断面図であり、（ｂ）は（ａ）の状態から角度ａだけ回転した状態を示し、（ｃ）は（ａ）の状態から角度ｂだけ回転した状態を示す。
【図５】ステータコイルＵ，Ｖ，Ｗに印加される電圧パターンを示す図。
【図６】ドライブ回路１４の一例を示す図。
【図７】スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６のオン・オフのタイミングを示す図。
【図８】図７の各タイミングにおける、コイルＵ，Ｖ，Ｗの端子電圧を示す図。
【図９】ロータ４とコイルＵ，Ｖ，Ｗとの関係を示す図。
【図１０】従来の装置を説明する図であり、（ａ）はホールセンサ信号を、（ｂ）は励磁パターンをそれぞれ示す。
【図１１】変形例を示す図。
【図１２】モータ電流Ｉと励磁パターンの位相との関係を示す図。
【符号の説明】
１ ポンプ本体
４ ロータ
６ モータ部
７ インバータ部
１０ ＤＣブラシレスモータ
１１ 回転センサ
１２ 検出回路
１３ 励磁パターン作成回路
１４ ドライブ回路
Ｕ，Ｖ，Ｗ ステータコイル

Claims (2)

1. ＤＣブラシレスモータにより回転翼を固定翼に対して高速回転させるターボ分子ポンプにおいて、
   前記ＤＣブラシレスモータに流れる負荷電流を検出する負荷電流検出手段と、
   前記ターボ分子ポンプが無負荷状態であって且つ所定の一定回転速度を維持しているときに外部から供給される最適位相検出指令に応答して、前記ＤＣブラシレスモータの回転基準位置に対する励磁基準位置を相対的に変化させることにより、前記負荷電流が最小となる最適励磁位相を検出する最適位相検出手段と、
   前記最適位相検出手段により検出された前記最適励磁位相を最適位相情報として記憶しておく位相情報記憶手段と、
   前記ターボ分子ポンプの稼働時には、前記位相情報記憶手段に記憶されている前記最適位相情報に基づいて励磁パターンを形成することにより前記ＤＣブラシレスモータを駆動する駆動手段とを備えることを特徴とするターボ分子ポンプ。
2. 請求項１に記載のターボ分子ポンプにおいて、
   前記ＤＣブラシレスモータの回転基準位置は、前記ＤＣブラシレスモータのロータに埋め込まれた永久磁石の磁気を検出する単一の磁気検出素子から出力される信号により決定されることを特徴とするターボ分子ポンプ。

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