JP5918406B1 - ドライ真空ポンプ装置およびその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】停電時にモータ側で発生する回生電力をインバータのパワーデバイスで消費しつつ復電後に直ちに電源から電力をインバータに供給することを可能とし、復電後に直ちに真空ポンプを再起動することが可能なドライ真空ポンプ装置およびその制御方法を提供する。【解決手段】ドライ真空ポンプ１と、ドライ真空ポンプ１を駆動するモータ２と、モータ２に可変周波数の交流電力を供給しモータ２の回転速度を制御するインバータ１１と、インバータ１１を制御する制御装置４とを備え、制御装置４は、停電時にモータ側で発生する回生電力をインバータ１１のパワーデバイスで消費しつつ、復電直後からインバータ１１からモータ２への駆動電力を供給するようにインバータ１１を制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、ドライ真空ポンプ装置およびその制御方法に係り、特に１秒以下程度の短時間に発生する停電を指す、「瞬停」等の停電後、真空ポンプの回転を直ちに再起動できるドライ真空ポンプ装置およびその制御方法に関するものである。

半導体デバイス、液晶、太陽光パネル、ＬＥＤ等の生産ラインにおいて、各種処理を行うチャンバ内を真空排気するためにドライ真空ポンプ装置が広く使用されている。ドライ真空ポンプ装置が、１秒以下程度の短時間に発生する停電を指す、「瞬停」等の停電によってポンプ運転制御が停止すると、真空ポンプの排気によって実現されていたチャンバの内圧が上昇し、チャンバ内のプロセス条件変化が発生する事で製造処理を続行することができず、生産ラインが停止する。停電によるドライ真空ポンプ装置のポンプ運転制御停止時間が長引くほど、甚大な被害につながるため、復電後は直ちにドライ真空ポンプ装置を再起動することが望まれる。

一般的に、ドライ真空ポンプ装置は、ドライ真空ポンプと、ドライ真空ポンプを駆動するモータと、モータの回転速度（回転周波数）を制御するインバータと、インバータの動作を制御する制御装置とを備え、モータに可変周波数の交流電力を供給することにより、ドライ真空ポンプの運転速度を制御するようにしている。

上述したインバータを備えたドライ真空ポンプ装置において、停電によってインバータ装置から真空ポンプ駆動モータへの電力供給が停止するため、真空ポンプとしては運転停止状態になり、ポンプ駆動モータは減速状態となる。
その後、入力電源が復電すると、直後にインバータ装置の出力制御は機能回復するが、特にロータ側に永久磁石を用いた、直流無整流子電動機の場合、このポンプモータが回転状態にある時、インバータ出力を再開しようとすると、あたかもこのモータ自身がインバータ出力端子側に電力を供給する発電機であるかのごとく、大きな回生電力が発生する。

この回生電力はインバータ出力端子に発生するため、インバータとしてみると、インバータ自身がモータへ供給すべき電力に重畳してモータからの回生電力を制御する事となるため、インバータが処理すべき電力は、通常使用の領域を超えて制御する事になる。このためインバータ内部にあるスイッチング素子に対しては、通常使用以上の電力・電流が供給される場合があるため、回生電力発生時に故障を誘発する可能性がある。このスイッチング素子を保護するための手段として、一般的な手法では回生電力消費用の回生抵抗を設け、回生分の電力をこの抵抗により熱放散させる方法や、回生抵抗を設けずに、回生電力を電源側（入力側）に戻す制御を行う方法、或いは、モータが所定の回転数以下になるまで、インバータ制御は復帰せず、回生電力をモータ減速より自然減衰させる方法が提唱されている。

しかしながら、回生電力を回生抵抗で消費するように構成する場合には、回生抵抗および回生抵抗に回生電流を流すためのスイッチング機構が必要となる。そのため、部品点数が多くなり、インバータ装置全体が大型化し且つコストが上昇するという課題点がある。
また、回生電力を電源側（入力側）に戻す制御を行う場合には、インバータ内のスイッチング素子等のパワーデバイスの制御が難しく、制御用回路を設けるコストも上昇するので、回生電力を入力側に返す制御にも課題点がある。

そこで、上述の問題点を解消し装置コストの上昇を避けるために、通常、ドライ真空ポンプ装置においては、停電時に、回生電力がインバータ側に返らないよう、ポンプ・モータが所定の回転数以下になるまで、インバータ制御は復帰せず、回生電力をモータ減速にて自然消費させ、ポンプ・モータが所定の回転数以下になった後、ドライ真空ポンプを再起動するようにしている。
ドライ真空ポンプでは、定格回転数で運転中に停電が発生した場合、ポンプケーシング内の圧力が非常に低く保たれている場合があり、インバータからの駆動電流供給が停止した場合にも、短時間では回転減速が発生せず、ほぼ定格回転数で回転継続している場合がある。

この状態にあって復電し、ポンプモータに通電を再開すると、モータが発電機として機能するため、インバータ出力端子には回生電力が発生する。この回生電力によりインバータ出力端子に発生する電流は、モータ駆動時にインバータが出力する電流とほぼ同等の電流が発生する可能性がある。したがって、インバータ側スイッチング素子は、通常出力する電流の２倍程度の電流が処理可能で無ければならない。
一般的なインバータ装置を使ったドライ真空ポンプでは、この回生電力が発生する事を避けるため、停電発生後の復電動作ではポンプモータの回転が充分に低下し、回生電力が発生しない条件に達するのを待って、インバータ側の出力を開始する方法が使われている。

また、半導体製造装置に対して、ドライ真空ポンプを使用する場合、半導体製造装置業界標準として制定されているＳＥＭＩ規格にて、瞬時停電に関する規定が有り、１秒以内の停電発生時には通常通りの運転継続と復電時には速やかなポンプ回転復帰が求められている。
したがって、半導体製造装置向けのドライ真空ポンプでは、停電発生復電後のポンプモータ復帰に対する制御方法が、大きな課題となっている。

特開２０１０−１１０１３９号公報 特開２０１１−６９２９４号公報

しかしながら、上述したように回生電力がモータ側で消費されるまでドライ真空ポンプの再起動を待つという方法では、ドライ真空ポンプが減速している間にチャンバの内圧が上昇し、プロセス条件が悪化するため、生産ラインに与える影響が大きすぎるという問題点がある。
そのため、本発明者らは、停電時にモータ側で発生する回生電力をインバータのパワーデバイスで消費しつつ、１秒以内の短時間に復電した場合は、直ちにインバータに電力を供給し、ドライ真空ポンプを再起動する方策について検討を重ねたものである。

本発明は、上述の事情に鑑みなされたもので、停電時にモータ側で発生する回生電力をインバータのパワーデバイスで消費しつつ復電後に直ちに電源から電力をインバータに供給することを可能とし、復電後に直ちに真空ポンプを再起動することが可能なドライ真空ポンプ装置およびその制御方法を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明のドライ真空ポンプ装置の第１の態様は、ドライ真空ポンプと、前記ドライ真空ポンプを駆動するモータと、前記モータに可変周波数の交流電力を供給しモータの回転速度を制御するインバータと、前記インバータを制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、停電時にモータ側で発生する回生電力を前記インバータのスイッチング素子で消費し、停電からの復電時にモータからの回生電力と商用電源から供給されるモータ駆動用電力とが重畳されるように、前記インバータのスイッチング素子をオンオフさせる制御を行うことを特徴とする。

本発明の好ましい態様によれば、前記インバータは、前記スイッチング素子の定格電流が汎用インバータのスイッチング素子の定格電流の１．５倍〜３．０倍であるインバータであることを特徴とする。

本発明のドライ真空ポンプ装置の制御方法は、ドライ真空ポンプと、前記ドライ真空ポンプを駆動するモータと、前記モータに可変周波数の交流電力を供給しモータの回転速度を制御するインバータとを備えたドライ真空ポンプ装置の制御方法において、停電時にモータ側で発生する回生電力を前記インバータのスイッチング素子で消費し、停電からの復電時にモータからの回生電力と商用電源から供給されるモータ駆動用電力とが重畳されるように、前記インバータのスイッチング素子をオンオフさせる制御を行うことを特徴とする。

本発明によれば、停電時にモータ側で発生する回生電力をインバータのパワーデバイスで消費しつつ復電後に直ちに電源から電力をインバータに供給することが可能であるため、復電後に直ちにドライ真空ポンプを再起動することが可能である。従って、ドライ真空ポンプによって排気されるチャンバの内圧の変動を抑制することができる。

図１は、本発明に係るドライ真空ポンプ装置の全体構成を示す模式図である。 図２（ａ），（ｂ）は、従来技術によるドライ真空ポンプ装置の制御と本発明によるドライ真空ポンプの制御を対比して示すグラフであり、図２（ａ）は従来技術によるドライ真空ポンプ装置の制御を示し、図２（ｂ）は本発明によるドライ真空ポンプ装置の制御を示す。 図３（ａ），（ｂ）は、従来技術によるドライ真空ポンプ装置の制御と本発明によるドライ真空ポンプ装置の制御を示すグラフであり、図３（ａ）は従来技術によるドライ真空ポンプ装置の制御を示し、図３（ｂ）は本発明によるドライ真空ポンプ装置の制御を示す。

以下、本発明に係るドライ真空ポンプ装置およびその制御方法の実施形態を図１乃至図３を参照して説明する。図１乃至図３において、同一または相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。
図１は、本発明に係るドライ真空ポンプ装置の全体構成を示す模式図である。図１に示すように、ドライ真空ポンプ装置は、ドライ真空ポンプ１と、ドライ真空ポンプ１を回転駆動するモータ２と、モータ２の回転速度を制御するモータドライバ３と、モータドライバ３の動作を制御する制御装置４とを備えている。モータドライバ３は、ブレーカ６を介して商用電源等のＡＣ電源７に接続されている。ドライ真空ポンプ１の吸気口は半導体製造装置等のチャンバ５に接続されており、チャンバ５内をドライ真空ポンプ１により真空排気するように構成されている。

モータドライバ３は、ＡＣ電源７から供給された交流電力を直流電力に変換するコンバータ１０と、変換された直流電力を所望の周波数を有する交流電力に変換するインバータ１１と、インバータ１１のスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６のＯＮ−ＯＦＦ動作を指令するゲートドライブ信号をインバータ１１に送るドライバ制御部１２とを備えている。コンバータ１０には、電圧を平滑化するためのコンデンサＣ１が備えられている。

ドライバ制御部１２は、ドライ真空ポンプ１の運転指令速度等に基づいてＰＷＭ信号を生成し、これをインバータ１１に送信する。制御装置４は、ドライバ３全体の動作を制御し、さらに外部の上位機器との通信をするように構成されている。ドライバ制御部１２は、モータ２の運転情報として、モータドライバ３からモータ２に供給される電流値を受け取り、この電流値からモータ２の回転速度を算出し、予め定められた目標回転速度と算出された回転速度との差に基づいてＰＷＭ信号を生成し、これをモータドライバ３のインバータ１１に送信する。インバータ１１はＰＷＭ信号に従ってスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６を駆動し、モータ２を目標回転速度で回転させるための入力電圧をモータ２に印加する。さらに、制御装置４は、ユーザの操作に従ってドライ真空ポンプ１の起動信号および停止信号をドライバ制御部１２に送信するように構成されている。

図１に示すように構成されたドライ真空ポンプ装置において、瞬停等の停電時には、ドライ真空ポンプ１が運転停止になるが、この運転停止時の減速に伴い、モータ２において回生電力が発生する。この回生電力はインバータ１１に返ってくる。
本発明においては、停電後の復電時に制御装置４からモータドライバ３にドライ真空ポンプ１の起動信号を送信、或いは停電最中も起動信号を送信し続け、ＡＣ電源７からインバータ１１にモータ駆動用電力を供給するように構成しているため、インバータ１１にはモータ２からの回生電力とＡＣ電源７から供給されるモータ駆動用電力とが重畳されることになる。すなわち、インバータ１１には、モータ２からの回生電流とＡＣ電源７からのモータ駆動用電流とが重畳されることになるため、この重畳される大きな電流にインバータ１１が耐えられるようにする必要がある。そのため、本発明においては、インバータのスイッチング素子の定格電流について、汎用インバータの定格電流よりも大きい定格電流の専用インバータを用いている。

汎用インバータの定格電力と、使用するスイッチング素子の定格電流仕様の関係は、インバータメーカ各社で独自の計算方法を採用しているが、表１は、その一例と、本発明で用いる専用インバータとの比較対比表である。

表１では、スイッチング素子の定格電流について、インバータの定格電力毎に、汎用インバータと専用インバータとを比較対比している。表１から明らかなように、本発明においては、スイッチング素子の定格電流（設定）について、汎用インバータの１．５倍〜２．５倍の専用インバータを用いている。本発明者らの知見によれば、汎用インバータに対する本発明の専用インバータの定格電流比は、１．５倍〜２．５倍に限らず、１．５倍〜３．０倍程度の範囲であればよい。

このように、インバータ１１を大電流に耐えられるインバータで構成することにより、停電時にモータ側で発生する回生電力をインバータ１１のパワーデバイスで消費しつつＡＣ電源７から電力をインバータ１１に供給することにより、１秒以内の短時間の停電発生、復電後は直ちにドライ真空ポンプ１を再起動することが可能である。

図２（ａ），（ｂ）は、従来技術によるドライ真空ポンプ装置の制御と本発明によるドライ真空ポンプ１の制御を対比して示すグラフであり、図２（ａ）は従来技術によるドライ真空ポンプ装置の制御を示し、図２（ｂ）は本発明によるドライ真空ポンプ装置１の制御を示す。図２（ａ），（ｂ）において、横軸は時間（ｔ）を示し、１秒は１ｓで示す。縦軸は、インバータへの入力電圧（Ｖ）、インバータ出力、ポンプ回転数（ｒｐｍ）およびチャンバ内圧を示す。
図２（ａ）に示すように、従来技術においては、瞬停によってインバータへの入力電圧がＯＦＦになると、インバータ出力もＯＦＦになる。瞬停後に復電しても、モータの回転数が低下し、回生電力が発生しない、もしくは、発生する回生電力が十分に小さくなるのを待つため、インバータ出力ＯＦＦの状態は１秒近く継続する。インバータ出力がＯＦＦの間に、ポンプ回転数は低下し、チャンバ内圧は上昇する。図２（ａ）においては瞬停の時間が短い場合と、やや長い場合と、中間の場合の三つの態様が示されているが、瞬停の時間の長短に拘わらずインバータ出力は約１秒間ＯＦＦとなり、いずれの態様においてもポンプ回転数の低下度合およびチャンバ内圧の上昇度合は概略同一である。

図２（ｂ）に示すように、本発明においては、瞬停によってインバータへの入力電圧がＯＦＦになるとインバータ出力もＯＦＦになるが、復電すると、モータの回転数低下によって発生する回生電力が低下するのを待つことなく、直ちにインバータ出力はＯＮになる。図２（ｂ）においても、瞬停の時間が短い場合と、やや長い場合と、中間の場合の三つの態様が示されているが、いずれの態様においても復電すると直ちにインバータ出力はＯＮになる。このように、復電後にインバータ出力が直ちにＯＮになるために、ポンプ回転数の低下およびチャンバ内圧の上昇は抑制される。

図３（ａ），（ｂ）は、従来技術によるドライ真空ポンプ装置の制御と本発明によるドライ真空ポンプ装置１の制御を示すグラフであり、図３（ａ）は従来技術によるドライ真空ポンプ装置の制御を示し、図３（ｂ）は本発明によるドライ真空ポンプ装置１の制御を示す。図３（ａ），（ｂ）において、横軸は時間（ｔ）を示し、１秒は１ｓで示す。縦軸は、インバータへの入力電圧（Ｖ）、インバータ出力、ポンプ回転数（ｒｐｍ）およびチャンバ内圧を示す。
図３（ａ）に示すように、従来技術においては、短時間の間に瞬停が繰返し起こると（図では、瞬停が１秒おきに三回繰返し起こった場合を示す）、最初の瞬停でインバータへの入力電圧がＯＦＦになると、インバータ出力はＯＦＦとなり、その後一時的に復電しても、発生する回生電力の低下を待つため次の瞬停までにインバータ出力がＯＮになることはなく、インバータ出力は最後の瞬停までＯＦＦ状態が続く。最後の瞬停後に復電すると時間遅れをもってインバータ出力はＯＮとなる。このように、短時間の間に瞬停が繰返し起こると、インバータ出力は、かなり長い時間（図示例では３秒）に亘ってＯＦＦ状態になる。その間、ポンプ回転数は低下し続け０ｒｐｍまで低下する。そのため、チャンバ内圧は最高レベル（Ｈｉｇｈ）まで上昇する。

図３（ｂ）に示すように、本発明においては、短時間の間に瞬停が繰返し起こると（図では、瞬停が１秒おきに三回繰返し起こった場合を示す）、インバータへの入力電圧がその都度ＯＦＦになり、インバータ出力はその都度ＯＦＦになるが、回生電力が低下するのを待つことがないため、復電するとインバータ出力は、瞬停の時間の長短に拘わらずいずれの場合も直ちに回復してＯＮになる。瞬停が起こるとポンプ回転数はその都度僅かに低下するが、復電すると直ちにインバータ出力が回復するため、ポンプ回転数の低下度合は少なく、またチャンバ内圧の上昇度合も僅かである。そのため、インバータ出力の回復とともにチャンバ内圧は最低レベル（Ｌｏｗ）に直ちに到達する。このように本発明によれば、停電によってインバータ出力がＯＦＦになっても、復電後直ちにインバータ出力をＯＮにすることが可能であり、真空ポンプの回転数が定格回転数にわずかな時間で回復するため、チャンバ内圧の変動を抑制することができる。

これまで本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術思想の範囲内において、種々の異なる形態で実施されてよいことは勿論である。

１ ドライ真空ポンプ
２ モータ
３ モータドライバ
４ 制御装置
５ チャンバ
６ ブレーカ
７ ＡＣ電源
１０ コンバータ
１１ インバータ
１２ ドライバ制御部
Ｃ１ コンデンサ
Ｓ１〜Ｓ６ スイッチング素子

Claims (3)

1. ドライ真空ポンプと、
   前記ドライ真空ポンプを駆動するモータと、
   前記モータに可変周波数の交流電力を供給しモータの回転速度を制御するインバータと、
   前記インバータを制御する制御装置とを備え、
   前記制御装置は、停電時にモータ側で発生する回生電力を前記インバータのスイッチング素子で消費し、停電からの復電時にモータからの回生電力と商用電源から供給されるモータ駆動用電力とが重畳されるように、前記インバータのスイッチング素子をオンオフさせる制御を行うことを特徴とするドライ真空ポンプ装置。
2. 前記インバータは、前記スイッチング素子の定格電流が汎用インバータのスイッチング素子の定格電流の１．５倍〜３．０倍であるインバータであることを特徴とする請求項１記載のドライ真空ポンプ装置。
3. ドライ真空ポンプと、前記ドライ真空ポンプを駆動するモータと、前記モータに可変周波数の交流電力を供給しモータの回転速度を制御するインバータとを備えたドライ真空ポンプ装置の制御方法において、
   停電時にモータ側で発生する回生電力を前記インバータのスイッチング素子で消費し、停電からの復電時にモータからの回生電力と商用電源から供給されるモータ駆動用電力とが重畳されるように、前記インバータのスイッチング素子をオンオフさせる制御を行うことを特徴とするドライ真空ポンプ装置の制御方法。

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