磁気浮上式真空ポンプ
【課題】コストアップを抑えつつ、回転体が過熱判定温度を超えたことを検知することができる磁気浮上式真空ポンプの提供。
【解決手段】磁気浮上式真空ポンプでは、ロータ３０とロータシャフト３３とが一体化された回転体はモータ３６により回転駆動され、その回転体はラジアル磁気軸受３７およびスラスト磁気軸受３８を備える磁気軸受装置によって所定位置に磁気浮上している。そして、真空ポンプは、回転体を構成するロータシャフト３３に熱的に接触するように設けられ、回転体を構成するロータ３０の過熱判定温度に対応したキュリー温度Ｔcを有する磁性体４１と、磁性体４１を吸引して回転体に対して軸方向の力を作用する永久磁石４０と、スラスト磁気軸受３８の励磁電流を検出する電流センサと、電流センサで検出される励磁電流Ｉの変化から、回転体を構成するロータ３０の温度が過熱判定温度を超えたか否かを判定する判定回路と、を備えている。
【解決手段】磁気浮上式真空ポンプでは、ロータ３０とロータシャフト３３とが一体化された回転体はモータ３６により回転駆動され、その回転体はラジアル磁気軸受３７およびスラスト磁気軸受３８を備える磁気軸受装置によって所定位置に磁気浮上している。そして、真空ポンプは、回転体を構成するロータシャフト３３に熱的に接触するように設けられ、回転体を構成するロータ３０の過熱判定温度に対応したキュリー温度Ｔcを有する磁性体４１と、磁性体４１を吸引して回転体に対して軸方向の力を作用する永久磁石４０と、スラスト磁気軸受３８の励磁電流を検出する電流センサと、電流センサで検出される励磁電流Ｉの変化から、回転体を構成するロータ３０の温度が過熱判定温度を超えたか否かを判定する判定回路と、を備えている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気軸受により回転体を支持した磁気浮上式真空ポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
磁性体の透磁率がキュリー温度を越えると大きく変化することを利用して、回転体の温度を非接触で検出する真空ポンプが知られている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１９４０９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、磁性体の透磁率の変化を検出するためのセンサを設ける必要があり、コストアップの要因となる。また、透磁率の変化を検出するためのセンシング処理が必要であり、特に、ターボ分子ポンプのように高速回転のものではセンシング処理が増大し、別途演算処理装置が必要な場合があった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１の発明に係る磁気浮上式真空ポンプは、排気機能部が形成された回転体と、回転体を回転駆動するモータと、ラジアル磁気軸受およびスラスト磁気軸受を備え、回転体を所定位置に磁気浮上させる磁気軸受装置と、回転体に熱的に接触するように設けられ、回転体の過熱判定温度に対応したキュリー温度を有する磁性体と、磁性体を吸引して回転体に対して軸方向の力を作用する永久磁石と、スラスト磁気軸受の励磁電流を検出する電流センサと、電流センサで検出される励磁電流の変化から、回転体の温度が過熱判定温度を超えたか否かを判定する判定手段と、を備えたことを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１に記載の磁気浮上式真空ポンプにおいて、常温かつ無負荷時の励磁電流に相当する基準電流値と電流センサで検出された電流値との差の絶対値が所定閾値以上の場合に、回転体の温度が過熱判定温度を超えたと判定するようにしたものである。
請求項３の発明は、請求項１に記載の磁気浮上式真空ポンプにおいて、常温かつ無負荷時の励磁電流に相当する基準電流値と電流センサで検出された電流値との差の絶対値が所定閾値以上である状態が所定時間以上継続した場合に、回転体の温度が過熱判定温度を超えたと判定するようにしたものである。
請求項４の発明は、請求項１に記載の磁気浮上式真空ポンプにおいて、モータ電流値が所定ガス負荷時のモータ電流値より小さいか否かを判定するガス負荷判定手段を備え、基準電流値と電流センサで検出された電流値との差の絶対値が所定閾値以上であって、かつ、ガス負荷判定手段によりモータ電流値が所定ガス負荷時のモータ電流値より小さいと判定されると、回転体の温度が過熱判定温度を超えたと判定するようにしたものである。
請求項５の発明は、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の磁気浮上式真空ポンプにおいて、所定閾値は、磁性体の温度がキュリー温度より高温のときにスラスト磁気軸受に流れる励磁電流値と基準電流値との差に基づいて設定される。
請求項６の発明は、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の磁気浮上式真空ポンプにおいて、磁性体の形状を、回転体の軸を中心とするリング状としたものである。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、コストアップを抑えつつ、回転体が過熱判定温度を超えたことを検知することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明に係る磁気浮上式真空ポンプを説明する図である。
【図２】温度変化に対する磁性体の透磁率変化を示す図である。
【図３】正立姿勢の場合の回転体に作用する軸方向の力を説明する図である。
【図４】ロータ温度検出に関する回路構成を示す図である。
【図５】ロータ温度検出動作を説明するフローチャートである。
【図６】ロータ温度検出動作の第２の例を説明するフローチャートである。
【図７】ロータ温度検出動作の第３の例を説明するフローチャートである。
【図８】ロータ温度検出動作の第４の例を説明するフローチャートである。
【図９】倒立姿勢の場合の回転体に作用する軸方向の力を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、図を参照して本発明の実施するための形態について説明する。図１は本発明に係る真空ポンプを説明する図であり、ターボ分子ポンプを構成するポンプ本体１の断面図である。ターボ分子ポンプは、図１に示すポンプ本体１と不図示のコントロールユニットとで構成される。
【０００９】
図１に示したターボ分子ポンプは磁気浮上式のターボ分子ポンプであって、ロータ３０が締結されたロータシャフト３３は、ラジアル方向の磁気軸受３７およびスラスト方向の磁気軸受３８によって非接触支持される。磁気軸受３８は、ロータシャフト３３の下部に固定されたスラストディスク３５を軸方向に挟むように配置されている。ロータシャフト３３の浮上位置は、ラジアル変位センサ２７およびアキシャル変位センサ２８によって検出される。磁気軸受によって回転自在に磁気浮上されたロータシャフト３３は、モータ３６により高速回転駆動される。２６，２９は非常用のメカニカルベアリングであり、磁気軸受が作動していない時にはこれらのメカニカルベアリング２６，２９によりロータシャフト３３は支持される。
【００１０】
本実施の形態のターボ分子ポンプは、排気機能部としてターボポンプ部とドラッグポンプ部とを備えている。ターボポンプ部は、ロータ３０に形成された複数段の回転翼３２と、複数段の回転翼３２に対して軸方向に交互に配置された複数段の固定翼２２とで構成される。ドラッグポンプ部は、ロータ３０に形成された円筒部３１と、円筒部３１の外周側を囲むように所定隙間を介して配置されたネジステータ２４とで構成される。なお、回転翼３２および円筒部３１は回転側排気機能部を構成し、固定翼２２およびネジステータ２４は固定側排気機能部を構成する。
【００１１】
ロータ３０および固定翼２２は、筒状のポンプケーシング１２の内部に配置されている。各固定翼２２は、スペーサリング２３を介してベース２０上に載置される。ポンプケーシング１２の固定フランジ２１ｃをボルトによりベース２０に固定すると、積層されたスペーサリング２３がベース２０とポンプケーシング１２との間に挟持され、固定翼２２が位置決めされる。ベース２０には排気ポート２５が設けられ、この排気ポート２５にバックポンプが接続される。ロータ３０を磁気浮上させつつモータ３６により高速回転駆動することにより、吸気口２１ａ側の気体分子は排気ポート２５側へと排気される。
【００１２】
ポンプケーシング１２の吸気口側には吸気口フランジ２１ｂが形成されており、吸気口フランジ２１ｂに形成された吸気口２１ａから気体分子がポンプ内に流入する。ポンプ本体１を真空装置に取り付ける場合には、一般的に吸気口フランジ２１ｂを装置側のフランジにボルト固定する。吸気口フランジ２１ｂには、ボルトを通すためのボルト孔が複数形成されている。ボルト孔の数や穴径は、フランジの規格により定められている。また、図示していないが、吸気口フランジ２１ｂには、ポンプ内に異物が侵入するのを防止するための保護ネットがボルト固定されている。
【００１３】
ロータシャフト３３の上端にはフランジ部３３ａが形成されており、ロータ３０はフランジ部３３ａの上面側にボルト締結されている。フランジ部３３ａの下面側には、リング状の磁性体４１が熱的に接触するように設けられている。例えば、フランジ部３３ａの下面に形成されたリング状の溝に、磁性体４１が圧入されている。そのため、ロータ３０の温度が上昇するとシャフト３３を介して磁性体４１に熱が伝達され、磁性体４１の温度はロータ３０の温度とほぼ同一となっている。そのため、磁性体４１の温度を検出することでロータ３０の温度を間接的に知ることができる。以下では、磁性体４１の温度とロータ３０の温度は同一温度Ｔであるとして説明する。
【００１４】
磁性体４１に対向するベース側には、永久磁石（例えばリング状の永久磁石）が設けられている。永久磁石４０は厚み方向（ロータシャフト３３の軸方向）に磁化されている。そのため、ロータ３０に設けられた磁性体４１は、ベース側に設けられた永久磁石４０により図示下側に吸引されることになる。
【００１５】
磁性体４１には、磁性体４１のキュリー温度Ｔcがロータ３０の許容温度とほぼ同一か、または、それに近い温度を有する材料を用いる。本実施の形態の場合、ロータ３０の材料に用いられるアルミ材のクリープ温度を許容温度として用いる。すなわち、磁性体４１のキュリー温度Ｔcは、ロータ３０が過熱状態であるか否かを判定する過熱判定温度として用いられる。アルミ材のクリープ温度は１２０℃〜１４０℃程度である。例えば、キュリー温度Ｔcが１２０℃程度の強磁性体材料としては、ニッケル・亜鉛フェライトやマンガン・亜鉛フェライト等がある。
【００１６】
図３および図９は、磁気浮上されている状態において、ロータ３０およびシャフト３３を含む回転体に作用する軸方向の力を示したものである。図３は吸気口２１ａを鉛直上側に向けた正立姿勢で使用する場合を示しており、図９は吸気口２１ａを鉛直下側に向けた倒立姿勢で使用する場合を示している。いずれの場合も、（ａ）はロータ温度ＴがＴ＜Ｔcの場合を示し、（ｂ）はロータ温度ＴがＴ＞Ｔcの場合を示す。
【００１７】
まず、図３を参照して正立姿勢の場合について説明する。スラスト方向の磁気軸受３８はスラストディスク３５を挟んで上下に一対の電磁石３８ａ，３８ｂを有しており、上側の電磁石３８ａはスラストディスク３５を軸方向上向きに吸引し、下側の電磁石３８ｂはスラストディスク３５を軸方向下向きに吸引することで、シャフト３３を所定位置に磁気浮上させている。
【００１８】
磁性体４１の透磁率は、温度に対して図２に示すような変化を示し、キュリー温度Ｔcよりも温度が高くなると透磁率が急激に小さくなり真空の透磁率μ0とほぼ同程度となる。磁性体４１の温度、すなわちロータ３０の温度Ｔが磁性体４１のキュリー温度Ｔcよりも低い場合には、図３（ａ）に示すように下向きの吸引力Ｆ１がロータ３０に作用する。一方、ロータ温度Ｔがキュリー温度Ｔcよりも高くなると、図３（ｂ）に示すように永久磁石４０による吸引力が作用しなくなる。
【００１９】
また、吸気口２１ａからガスを導入すると圧力差から回転体を吸気口側に持ち上げようとする力Ｆ４が働く。そのため、Ｔ＜Ｔcである図３（ａ）の場合、回転体には、下向きに重力Ｆ０と永久磁石４０の吸引力Ｆ１と電磁石３８ｂの吸引力Ｆ３とが作用し、上向きには電磁石３８ａの吸引力Ｆ２とガス排気時の力Ｆ４とが作用している。上向きの力と下向きの力とは釣り合っているので、Ｆ２＝Ｆ０＋Ｆ１＋Ｆ３−Ｆ４が成り立っている。
【００２０】
一方、Ｔ＞Ｔcである図３（ｂ）の場合には、永久磁石４０の吸引力がゼロなので、回転体を所定位置に磁気浮上させるために上側の電磁石３８ａの吸引力を調整した場合には、吸引力Ｆ２がＦ２＝Ｆ０＋Ｆ３−Ｆ４となるように電磁石３８ａの電流が自動的調整されることになる。また、下側の電磁石３８ｂの電流を調整する場合には、電磁石３８ｂの吸引力がＦ２＋Ｆ４−Ｆ１−Ｆ０からＦ２＋Ｆ４−Ｆ１となるように電磁石３８ｂの電流が自動的調整される。なお、ガスを導入が無い場合にはＦ４＝０となる。
【００２１】
図９に示す倒立姿勢の場合には、力Ｆ２の方向と力Ｆ０の方向とが同方向となるため、図９（ａ）に示すＴ＜Ｔcでは、Ｆ２＝Ｆ１＋Ｆ３−Ｆ０−Ｆ４が成立している。一方、図９（ｂ）に示すＴ＞Ｔcでは、Ｆ２＝Ｆ３−Ｆ０−Ｆ４が成立している。倒立姿勢の場合も正立姿勢の場合と同様に、回転体を所定位置に磁気浮上させるために電磁石３８ａの吸引力を調整しても良いし、反対側の電磁石３８ｂの吸引力を調整しても良い。
【００２２】
なお、以下では、図３に示す正立姿勢の場合であって、かつ、電磁石３８ａの電流を調整する場合について説明する。
【００２３】
図３（ａ）の状態における電磁石３８ａの電流値をＩnormとし、図３（ｂ）の状態における電磁石３８ａの電流値をＩhotとすると、図３（ａ）の場合の方が電磁石３８ａの吸引力が大きいので、Ｉnorm＞Ｉhotとなっている。このように、ロータ温度Ｔが磁性体４１のキュリー温度Ｔcを超えると電磁石３８ａの電流が減少するので、電磁石３８ａの電流減少を検知することにより、ロータ３０が許容温度（キュリー温度Ｔc）を超えたか否かを判定することができる。その場合、Ｉnorm＞Ｉth＞Ｉhotを満たす閾値Ｉthを設定し、電磁石３８ａの電流値ＩがＩ≦Ｉthとなったならばロータ３０の温度がＴc以上になったと判定する。
【００２４】
図４は、電磁石３８ａの電流値Ｉに基づくロータ温度の検出に関する回路構成を示す図である。図１に示すポンプ本体１を制御するコントロールユニット２は、電流指令部２０１、ＰＷＭ型電流増幅器２０２、電流センサ２０３、判定回路２０５、モータ制御部２０６、警報装置２０７を備えている。アキシャル変位センサ２８からの信号は、電流指令部２０１のセンサ回路２１０に入力される。アキシャル変位センサ２８は、シャフト３３の下端との間のギャップの変化を検出するセンサであり、例えば、インダクタンス式の変位センサが用いられる。
【００２５】
センサ回路２１０は、アキシャル変位センサ２８からの出力信号に基づくインダクタンス変化を電圧信号に変換し、変位信号としてＰＩＤ制御回路２１２へと出力する。ＰＩＤ制御回路２１２は、変位信号をＰ（比例），Ｉ（積分），Ｄ（微分）制御してギャップが予め設定された設定距離となるように、磁気軸受３８の電磁石電流に関する電流駆動指令Ｓ１を出力する。ＰＷＭ型電流増幅器２０２へは、電流駆動指令Ｓ１と電流センサ２０３から出力された電流値信号との差分信号が入力される。ＰＷＭ型電流増幅器２０２では、差分信号に応じたデューティ比のパルス信号（ＰＷＭ信号）を発生し、そのパルス信号を二象限駆動回路に入力することにより電磁石電流を生成する。生成された電磁石電流は電磁石３８ａに供給される。電磁石電流の電流値は電流センサ２０３によって検出される。電流センサ２０３には、例えば、ホール素子を利用した電流センサやシャント抵抗による電流検出が用いられる。
【００２６】
電流センサ２０３から出力された電流値信号Ｓ２は、判定回路２０５に入力される。判定回路２０５は、検出された電磁石３８ａの電流値Ｉが上述した閾値Ｉthを超えていると判定すると、その判定結果を警報装置２０７やモータ制御部２０６に入力する。警報装置２０７は、ロータ温度Ｔがキュリー温度Ｔcを超えたことを警報する装置であり、例えば、警報表示を表示するための表示装置を備えている。また、警報装置２０７からＴ＞Ｔcを示す信号を外部に出力したり、ロータ回転数を低下させるような指令をモータ制御部２０６に出力したりしても良い。
【００２７】
なお、上述したように、吸気口からガスを導入すると圧力差から回転体を吸気口側に持ち上げようとする力Ｆ４が働き、電流を減ずるように作用する。後述するように、ガス導入が連続であれば、ガスの前の状態と比較を行うことで補正ができ、瞬時的であれば、時間変化を追うことで検出が可能となる。また、ガスの連続性およびガスのON/OFFはモータの電流を連続的にモニタすることにより判別が可能となる。
【００２８】
図５は、ロータ温度検出動作を説明するフローチャートである。図５に示す処理のプログラムは図４の判定回路２０５において実行され、ポンプの回転駆動が開始されるとスタートし、所定時間間隔ΔＴで繰り返し実行される。ステップＳ１０では、電流センサ２０３により電磁石電流を計測し、その計測データを読み込む。ステップＳ２０では、ステップＳ１０で計測された電流計測値Ｉが所定閾値Ｉth以下か否かを判定する。上述したように、磁性体４１の温度がキュリー温度Ｔcを超えている場合、または、ガス負荷が所定ガス流量以上となった場合にはＩ≦Ｉthとなるので、ステップＳ２０においてｙｅｓと判定される。
【００２９】
ステップＳ２０でｙｅｓと判定されると、ステップＳ３０へ進んで過熱判定値Ｎを１だけ増加させる。なお、過熱判定値Ｎの初期値は０とされている。一方、ステップＳ２０でｎｏと判定されると、ステップＳ３０をスキップしてステップＳ４０へ進む。ステップＳ４０では、ステップＳ１０で計測された電流計測値Ｉが所定閾値Ｉthよりも大きいか否かを判定する。磁性体４１の温度がキュリー温度Ｔcを超えておらず、かつ、ガス負荷が所定ガス流量よりも小さい場合にはＩ＞Ｉthとなるので、ステップＳ４０においてｙｅｓと判定される。そして、ステップＳ４０でｙｅｓと判定されるとステップＳ７０に進んで過熱判定値ＮをＮ＝０とし、一連の処理を終了する。
【００３０】
一方、磁性体４１の温度がキュリー温度Ｔcを超えているか、または、ガス負荷が所定ガス流量以上である場合には、ステップS４０においてｎｏと判定され、ステップＳ５０へと進む。ステップＳ５０では、過熱判定値Ｎが予め設定された基準値Ｎ０以上であるか否かを判定する。
【００３１】
ここで、基準値Ｎ０は、電流値減少が温度上昇に起因するものかガス負荷の上昇に起因するものであるかを判定する判定値である。ガス負荷の上昇は成膜プロセス中のガス導入に起因するものであって、一般的に成膜時間は数分程度で、間欠的に動作させる場合が多い。一方、熱負荷やガス負荷等によるロータ温度の変化は穏やかな変化であって、一旦キュリー温度Ｔcよりも高温状態になると、温度上昇原因が解消されてもＴ＜Ｔcとなるまでに長時間を要する。そのため、基準値Ｎ０としては、例えば、ΔＴ×Ｎ０が成膜時間より若干長くなるように設定すれば良い。
【００３２】
ステップＳ５０でＮ≧Ｎ０と判定されるとステップＳ６０に進み警報処理を行い、Ｎ＜Ｎ０と判定されると、一連の処理を終了する。ステップＳ６０の警報処理では、上述したように、ロータ温度Ｔがキュリー温度Ｔcを超えたことをコントロールユニット２に設けられた表示部に表示したり、Ｔ＞Ｔcである信号を外部に出力したりする。また、モータ制御部２０６に指令を出力して、ロータ回転数を低下させるようにしても良い。
【００３３】
以上の処理動作をまとめると、図５の処理は時間間隔ΔＴ毎に実行され、電磁石電流値Ｉが通常状態Ｉnorm（＞Ｉth）である場合には、ステップＳ１０→ステップＳ２０→ステップＳ４０→ステップＳ７０のように処理される。また、ガス負荷が原因で電磁石電流値ＩがＩ≦Ｉthとなっている場合には、ステップＳ１０→ステップＳ２０→ステップＳ３０→ステップＳ４０→ステップＳ５０と処理され、一方、ロータ温度がキュリー温度Ｔcを超えている場合には、ステップＳ１０→ステップＳ２０→ステップＳ３０→ステップＳ４０→ステップＳ５０→ステップＳ６０と処理される。なお、ロータ温度がキュリー温度Ｔcを超えた場合でも、その時間がＮ０×ΔＴよりも短い場合にはステップＳ６０の警報処理は実行されないことになる。
【００３４】
図６は、温度検出動作の第２の例を示すフローチャートである。図５に示す動作では、電磁石電流値Ｉが閾値Ｉthよりも低くなっている時間がΔＴ×Ｎ０以上か否かで、電流減少がガス負荷によるものかロータ温度によるものかを判断した。一方、図６に示す第２の例では、モータ電流値を用いることで、電流減少がガス負荷によるものかロータ温度によるものかを判断するようにした。第２の例の場合も、図６に示す処理が所定時間間隔ΔＴ毎に繰り返し実行される。
【００３５】
ステップＳ１１０では、電磁石電流値Ｉとモータ電流値Ｉmとを検出する。ステップＳ１２０では、ステップＳ１１０で計測された電磁石電流値Ｉが閾値Ｉthに対してＩ≦Ｉthを満足するか否かを判定する。ステップＳ１２０でｙｅｓと判定されるとステップＳ１３０へ進み、ｎｏと判定されると一連の処理を終了する。ステップＳ１３０では、ステップＳ１１０で計測されたモータ電流値Ｉmが閾値Ｉgより小さいか否かを判定する。
【００３６】
この閾値Ｉgは、ガス負荷時の電磁石電流値ＩがほぼＩ＝Ｉthとなるようなガス負荷（ガス流量）があった場合の、モータ電流値である。すなわち、モータ電流値ＩmがＩm≧Ｉgとなるガス負荷であった場合、そのガス負荷が原因で電磁石電流Ｉは閾値Ｉth以下となる。よって、ガス負荷が原因でＩ≦Ｉthとなっている場合には、ステップＳ１３０でｎｏと判定され、一連の処理を終了する。一方、ステップＳ１３０でｙｅｓと判定された場合には、ロータ温度Ｔがキュリー温度Ｔcを超えていることになり、ステップＳ１４０に進んで図５のステップＳ６０と同様の警報処理を実行する。
【００３７】
上述した実施形態では負荷が一定以上か否かで判別したが、負荷状態と電磁石電流はほぼ線形の関係となる。負荷が増えると、電磁石電流が増え、負荷が減ると、電磁石電流は減る。負荷状態はモータ電流で検出可能であり、たとえば、既定の負荷補正係数Kmiを定義し、Ith’ = I - Kmi ×Imとし、閾値を補正して、検出を行うことが可能である。なお、この係数Kmiは機種ごとにあらかじめ関係を計測し、設定しておくことが好ましい。
【００３８】
上述した実施形態では、永久磁石４０による吸引力が変化した場合に上側の電磁石３８ａの電流値から検出する場合について説明したが、電磁石３８ａに代えて下側の電磁石３８ｂの電流値から検出するようにしても良い。その場合、図３に示す電磁石３８ａの力Ｆ２は一定とし、電磁石３８ｂによる軸方向の力Ｆ３は、Ｔ＜ＴcのときにはＦ３＝Ｆ２−Ｆ０−Ｆ１＋Ｆ４となり、Ｔ＞ＴcのときにはＦ３＝Ｆ２−Ｆ０＋Ｆ４となる。すなわち、電磁石３８ｂの電流値はＴ＞Ｔcとなったときに増加することになる。倒立姿勢の場合も同様である。
【００３９】
そのため、電磁石３８ｂの電流値を利用してロータ温度Ｔがキュリー温度Ｔc（過熱判定温度）を超えたか否かを判定する場合、図５の動作例に代えて図７のような制御を採用すれば良い。図７に示す動作は、電流値の変化量ΔＩを用いて判定を行うものであり、図５の場合とステップＳ３１０，Ｓ３２０，Ｓ３４０の処理が異なる。なお、図７に示す処理動作は、電磁石３８ａの電流値を用いる場合にも適用することができる。
【００４０】
ステップＳ３１０では、ステップＳ１０で計測された電磁石電流値Ｉと、予め判定回路２０５の記憶部に記憶されている基準電流値Ｉ0との差の絶対値である変化量ΔＩを算出する。変化量ΔＩは基準電流値Ｉ0との差の絶対値であるので、電磁石３８ａ，３８ｂのいずれの電流値を用いた場合も正の値となる。なお、基準電流値Ｉ0は、常温で、かつガス負荷のない状態（無負荷時）の励磁電流に相当する電流値であり、上述したＩnormと同じものである。ステップＳ３２０では、ステップＳ３１０で算出した変化量ΔＩと予め設定された閾値ΔＩthとを比較し、ΔＩ≧ΔＩthであるか否かを判定する。ここで、閾値ΔＩthは、ロータ温度がキュリー温度Ｔcを超えたときの電磁石電流値Ｉの変化量に相当する。また、ステップＳ３４０では、ΔＩ＜ΔＩthか否かを判定する。
【００４１】
同様に、図６のフローチャートに関しては、図８のようなフローチャートに変更すれば良い。すなわち、図７のステップＳ３１０に対応するステップＳ４１０を追加すると共に、ステップＳ３２０の場合と同様に、図６のステップＳ１２０を図８のステップＳ４２０のように変更する。
【００４２】
なお、ガス負荷による電磁石電流値の変化量が、永久磁石の吸引力消滅による電磁石電流値の変化量よりも明らかに小さい場合には、ガス負荷に関係する処理を省略することができる。すなわち、図５の場合にはステップＳ３０〜Ｓ５０およびステップＳ７０を省略でき、図６，８の場合にはステップＳ１３０を省略でき、図７の場合にはステップＳ３０，Ｓ３４０，Ｓ５０および７０を省略できる。
【００４３】
（１）以上のように、本実施の形態の真空ポンプでは、ロータ３０とロータシャフト３３とが一体化された回転体はモータ３６により回転駆動され、その回転体はラジアル磁気軸受３７およびスラスト磁気軸受３８を備える磁気軸受装置によって所定位置に磁気浮上している。そして、真空ポンプは、回転体を構成するロータシャフト３３に熱的に接触するように設けられ、回転体を構成するロータ３０の過熱判定温度に対応したキュリー温度Ｔcを有する磁性体４１と、磁性体４１を吸引して回転体に対して軸方向の力を作用する永久磁石４０と、スラスト磁気軸受３８の励磁電流を検出する電流センサ２０３と、電流センサ２０３で検出される励磁電流Ｉの変化から、回転体を構成するロータ３０の温度が過熱判定温度を超えたか否かを判定する判定手段（判定回路２０５）と、を備えている。
【００４４】
このように、電流センサ２０３で検出される励磁電流Ｉの変化から回転体を構成するロータ３０の温度が過熱判定温度を超えたか否かを判定しているので、従来のように、磁性体４１の透磁率変化を検出するセンサを新たに追加する必要がない。さらに、高速回転する磁性体ターゲットの透磁率変化を検出する必要から、高速でセンシング処理を行うことができる演算処理部を設ける必要があった。
【００４５】
しかし、本実施の形態では、従来から検出が行われているスラスト磁気軸受３８の励磁電流を用い、その励磁電流の変化から回転体の温度が過熱判定温度を超えたか否かを判定しているので、容易に判定が行えると共に、従来に比べて追加する部品が少なく、コストアップを抑えつつロータ３０の過昇温を検出することができる。
【００４６】
なお、図１の符号４０ａ，４１ａで示すように、磁性体４１ａをロータ３０の円筒部３１の下端に設け、ベース２０の対向する部分に永久磁石４０ａを設けるようにしても良い。円筒部３１はロータ３０の内で比較的高温になりやすい領域なので、温度検出部位としては適している。また、回転側に永久磁石４０を設けて固定側に磁性体４１を設けても良い。さらには、永久磁石のかわりに一定電流を流す電磁石を用いてもよい。
【００４７】
（２）例えば、常温かつ無負荷時の励磁電流に相当する基準電流値Ｉ0と電流センサ２０３で検出された電流値Ｉとの差の絶対値ΔＩが所定閾値ΔＩth以上の場合に、回転体の温度が過熱判定温度を超えたと判定する。
【００４８】
（３）また、常温かつ無負荷時の励磁電流に相当する基準電流値Ｉ0と電流センサ２０３で検出された電流値Ｉとの差の絶対値ΔＩが所定閾値ΔＩth以上である状態が所定時間（ΔＴ×Ｎ0）以上継続した場合に、回転体の温度が過熱判定温度を超えたと判定することで、判定に対するガス負荷の影響を排除することができる。
【００４９】
（４）また、モータ電流値が所定ガス負荷時のモータ電流値より小さいか否かを判定するガス負荷判定手段としての判定回路２０５を備え、基準電流値Ｉ0と電流センサ２０３で検出された電流値Ｉとの差の絶対値ΔＩが所定閾値ΔＩth以上であって、かつ、判定回路２０５によりモータ電流値Ｉが所定ガス負荷時のモータ電流値Ｉgより小さいと判定されると、回転体の温度が過熱判定温度を超えたと判定する。このような構成とすることで、回転体の温度が過熱判定温度を超えたか否かの判定に対するガス負荷の影響を排除することができる。
【００５０】
（５）なお、所定閾値ΔＩthは、磁性体４１の温度がキュリー温度Ｔcより高温のときにスラスト磁気軸受３８に流れる励磁電流値と基準電流値Ｉ0との差に基づいて設定される。閾値ΔＩthは、ロータ温度がキュリー温度Ｔcを超えたときの電磁石電流値Ｉの変化量に相当するもので、例えば、｜Ｉhot−Ｉnorm｜よりも若干小さな値に設定される。
【００５１】
（６）さらに、磁性体４１の形状を回転体の軸を中心とするリング状とすることで、渦電流の発生を防止することができる。
【００５２】
なお、上述した実施の形態では、ポンプ本体１を鉛直方向の姿勢で用いた場合を例に説明したが、取り付け姿勢が斜めや、水平や、逆さの場合でも、取り付け姿勢による重力の影響の違いを補正することで本発明を同様に適用することができる。また、磁気浮上式のターボ分子ポンプを例に説明したが、本発明は、磁気浮上式のドラッグポンプ等にも適用することができる。
【００５３】
上述した各実施形態はそれぞれ単独に、あるいは組み合わせて用いても良い。それぞれの実施形態での効果を単独あるいは相乗して奏することができるからである。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。
【符号の説明】
【００５４】
１：ポンプ本体、２：コントロールユニット、２０：ベース、２２：固定翼、２４：ネジステータ、２７，２８：変位センサ、３０：ロータ、３１：円筒部、３２：回転翼、３３：ロータシャフト、３５：スラストディスク、３７，３８：磁気軸受、３８ａ，３８ｂ：電磁石、４０，４０ａ：永久磁石、４１，４１ａ：磁性体、２０１：電流指令部、２０３：電流センサ、２０５：判定回路、２０６：モータ制御部、２０７：警報装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気軸受により回転体を支持した磁気浮上式真空ポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
磁性体の透磁率がキュリー温度を越えると大きく変化することを利用して、回転体の温度を非接触で検出する真空ポンプが知られている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１９４０９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、磁性体の透磁率の変化を検出するためのセンサを設ける必要があり、コストアップの要因となる。また、透磁率の変化を検出するためのセンシング処理が必要であり、特に、ターボ分子ポンプのように高速回転のものではセンシング処理が増大し、別途演算処理装置が必要な場合があった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１の発明に係る磁気浮上式真空ポンプは、排気機能部が形成された回転体と、回転体を回転駆動するモータと、ラジアル磁気軸受およびスラスト磁気軸受を備え、回転体を所定位置に磁気浮上させる磁気軸受装置と、回転体に熱的に接触するように設けられ、回転体の過熱判定温度に対応したキュリー温度を有する磁性体と、磁性体を吸引して回転体に対して軸方向の力を作用する永久磁石と、スラスト磁気軸受の励磁電流を検出する電流センサと、電流センサで検出される励磁電流の変化から、回転体の温度が過熱判定温度を超えたか否かを判定する判定手段と、を備えたことを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１に記載の磁気浮上式真空ポンプにおいて、常温かつ無負荷時の励磁電流に相当する基準電流値と電流センサで検出された電流値との差の絶対値が所定閾値以上の場合に、回転体の温度が過熱判定温度を超えたと判定するようにしたものである。
請求項３の発明は、請求項１に記載の磁気浮上式真空ポンプにおいて、常温かつ無負荷時の励磁電流に相当する基準電流値と電流センサで検出された電流値との差の絶対値が所定閾値以上である状態が所定時間以上継続した場合に、回転体の温度が過熱判定温度を超えたと判定するようにしたものである。
請求項４の発明は、請求項１に記載の磁気浮上式真空ポンプにおいて、モータ電流値が所定ガス負荷時のモータ電流値より小さいか否かを判定するガス負荷判定手段を備え、基準電流値と電流センサで検出された電流値との差の絶対値が所定閾値以上であって、かつ、ガス負荷判定手段によりモータ電流値が所定ガス負荷時のモータ電流値より小さいと判定されると、回転体の温度が過熱判定温度を超えたと判定するようにしたものである。
請求項５の発明は、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の磁気浮上式真空ポンプにおいて、所定閾値は、磁性体の温度がキュリー温度より高温のときにスラスト磁気軸受に流れる励磁電流値と基準電流値との差に基づいて設定される。
請求項６の発明は、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の磁気浮上式真空ポンプにおいて、磁性体の形状を、回転体の軸を中心とするリング状としたものである。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、コストアップを抑えつつ、回転体が過熱判定温度を超えたことを検知することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明に係る磁気浮上式真空ポンプを説明する図である。
【図２】温度変化に対する磁性体の透磁率変化を示す図である。
【図３】正立姿勢の場合の回転体に作用する軸方向の力を説明する図である。
【図４】ロータ温度検出に関する回路構成を示す図である。
【図５】ロータ温度検出動作を説明するフローチャートである。
【図６】ロータ温度検出動作の第２の例を説明するフローチャートである。
【図７】ロータ温度検出動作の第３の例を説明するフローチャートである。
【図８】ロータ温度検出動作の第４の例を説明するフローチャートである。
【図９】倒立姿勢の場合の回転体に作用する軸方向の力を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、図を参照して本発明の実施するための形態について説明する。図１は本発明に係る真空ポンプを説明する図であり、ターボ分子ポンプを構成するポンプ本体１の断面図である。ターボ分子ポンプは、図１に示すポンプ本体１と不図示のコントロールユニットとで構成される。
【０００９】
図１に示したターボ分子ポンプは磁気浮上式のターボ分子ポンプであって、ロータ３０が締結されたロータシャフト３３は、ラジアル方向の磁気軸受３７およびスラスト方向の磁気軸受３８によって非接触支持される。磁気軸受３８は、ロータシャフト３３の下部に固定されたスラストディスク３５を軸方向に挟むように配置されている。ロータシャフト３３の浮上位置は、ラジアル変位センサ２７およびアキシャル変位センサ２８によって検出される。磁気軸受によって回転自在に磁気浮上されたロータシャフト３３は、モータ３６により高速回転駆動される。２６，２９は非常用のメカニカルベアリングであり、磁気軸受が作動していない時にはこれらのメカニカルベアリング２６，２９によりロータシャフト３３は支持される。
【００１０】
本実施の形態のターボ分子ポンプは、排気機能部としてターボポンプ部とドラッグポンプ部とを備えている。ターボポンプ部は、ロータ３０に形成された複数段の回転翼３２と、複数段の回転翼３２に対して軸方向に交互に配置された複数段の固定翼２２とで構成される。ドラッグポンプ部は、ロータ３０に形成された円筒部３１と、円筒部３１の外周側を囲むように所定隙間を介して配置されたネジステータ２４とで構成される。なお、回転翼３２および円筒部３１は回転側排気機能部を構成し、固定翼２２およびネジステータ２４は固定側排気機能部を構成する。
【００１１】
ロータ３０および固定翼２２は、筒状のポンプケーシング１２の内部に配置されている。各固定翼２２は、スペーサリング２３を介してベース２０上に載置される。ポンプケーシング１２の固定フランジ２１ｃをボルトによりベース２０に固定すると、積層されたスペーサリング２３がベース２０とポンプケーシング１２との間に挟持され、固定翼２２が位置決めされる。ベース２０には排気ポート２５が設けられ、この排気ポート２５にバックポンプが接続される。ロータ３０を磁気浮上させつつモータ３６により高速回転駆動することにより、吸気口２１ａ側の気体分子は排気ポート２５側へと排気される。
【００１２】
ポンプケーシング１２の吸気口側には吸気口フランジ２１ｂが形成されており、吸気口フランジ２１ｂに形成された吸気口２１ａから気体分子がポンプ内に流入する。ポンプ本体１を真空装置に取り付ける場合には、一般的に吸気口フランジ２１ｂを装置側のフランジにボルト固定する。吸気口フランジ２１ｂには、ボルトを通すためのボルト孔が複数形成されている。ボルト孔の数や穴径は、フランジの規格により定められている。また、図示していないが、吸気口フランジ２１ｂには、ポンプ内に異物が侵入するのを防止するための保護ネットがボルト固定されている。
【００１３】
ロータシャフト３３の上端にはフランジ部３３ａが形成されており、ロータ３０はフランジ部３３ａの上面側にボルト締結されている。フランジ部３３ａの下面側には、リング状の磁性体４１が熱的に接触するように設けられている。例えば、フランジ部３３ａの下面に形成されたリング状の溝に、磁性体４１が圧入されている。そのため、ロータ３０の温度が上昇するとシャフト３３を介して磁性体４１に熱が伝達され、磁性体４１の温度はロータ３０の温度とほぼ同一となっている。そのため、磁性体４１の温度を検出することでロータ３０の温度を間接的に知ることができる。以下では、磁性体４１の温度とロータ３０の温度は同一温度Ｔであるとして説明する。
【００１４】
磁性体４１に対向するベース側には、永久磁石（例えばリング状の永久磁石）が設けられている。永久磁石４０は厚み方向（ロータシャフト３３の軸方向）に磁化されている。そのため、ロータ３０に設けられた磁性体４１は、ベース側に設けられた永久磁石４０により図示下側に吸引されることになる。
【００１５】
磁性体４１には、磁性体４１のキュリー温度Ｔcがロータ３０の許容温度とほぼ同一か、または、それに近い温度を有する材料を用いる。本実施の形態の場合、ロータ３０の材料に用いられるアルミ材のクリープ温度を許容温度として用いる。すなわち、磁性体４１のキュリー温度Ｔcは、ロータ３０が過熱状態であるか否かを判定する過熱判定温度として用いられる。アルミ材のクリープ温度は１２０℃〜１４０℃程度である。例えば、キュリー温度Ｔcが１２０℃程度の強磁性体材料としては、ニッケル・亜鉛フェライトやマンガン・亜鉛フェライト等がある。
【００１６】
図３および図９は、磁気浮上されている状態において、ロータ３０およびシャフト３３を含む回転体に作用する軸方向の力を示したものである。図３は吸気口２１ａを鉛直上側に向けた正立姿勢で使用する場合を示しており、図９は吸気口２１ａを鉛直下側に向けた倒立姿勢で使用する場合を示している。いずれの場合も、（ａ）はロータ温度ＴがＴ＜Ｔcの場合を示し、（ｂ）はロータ温度ＴがＴ＞Ｔcの場合を示す。
【００１７】
まず、図３を参照して正立姿勢の場合について説明する。スラスト方向の磁気軸受３８はスラストディスク３５を挟んで上下に一対の電磁石３８ａ，３８ｂを有しており、上側の電磁石３８ａはスラストディスク３５を軸方向上向きに吸引し、下側の電磁石３８ｂはスラストディスク３５を軸方向下向きに吸引することで、シャフト３３を所定位置に磁気浮上させている。
【００１８】
磁性体４１の透磁率は、温度に対して図２に示すような変化を示し、キュリー温度Ｔcよりも温度が高くなると透磁率が急激に小さくなり真空の透磁率μ0とほぼ同程度となる。磁性体４１の温度、すなわちロータ３０の温度Ｔが磁性体４１のキュリー温度Ｔcよりも低い場合には、図３（ａ）に示すように下向きの吸引力Ｆ１がロータ３０に作用する。一方、ロータ温度Ｔがキュリー温度Ｔcよりも高くなると、図３（ｂ）に示すように永久磁石４０による吸引力が作用しなくなる。
【００１９】
また、吸気口２１ａからガスを導入すると圧力差から回転体を吸気口側に持ち上げようとする力Ｆ４が働く。そのため、Ｔ＜Ｔcである図３（ａ）の場合、回転体には、下向きに重力Ｆ０と永久磁石４０の吸引力Ｆ１と電磁石３８ｂの吸引力Ｆ３とが作用し、上向きには電磁石３８ａの吸引力Ｆ２とガス排気時の力Ｆ４とが作用している。上向きの力と下向きの力とは釣り合っているので、Ｆ２＝Ｆ０＋Ｆ１＋Ｆ３−Ｆ４が成り立っている。
【００２０】
一方、Ｔ＞Ｔcである図３（ｂ）の場合には、永久磁石４０の吸引力がゼロなので、回転体を所定位置に磁気浮上させるために上側の電磁石３８ａの吸引力を調整した場合には、吸引力Ｆ２がＦ２＝Ｆ０＋Ｆ３−Ｆ４となるように電磁石３８ａの電流が自動的調整されることになる。また、下側の電磁石３８ｂの電流を調整する場合には、電磁石３８ｂの吸引力がＦ２＋Ｆ４−Ｆ１−Ｆ０からＦ２＋Ｆ４−Ｆ１となるように電磁石３８ｂの電流が自動的調整される。なお、ガスを導入が無い場合にはＦ４＝０となる。
【００２１】
図９に示す倒立姿勢の場合には、力Ｆ２の方向と力Ｆ０の方向とが同方向となるため、図９（ａ）に示すＴ＜Ｔcでは、Ｆ２＝Ｆ１＋Ｆ３−Ｆ０−Ｆ４が成立している。一方、図９（ｂ）に示すＴ＞Ｔcでは、Ｆ２＝Ｆ３−Ｆ０−Ｆ４が成立している。倒立姿勢の場合も正立姿勢の場合と同様に、回転体を所定位置に磁気浮上させるために電磁石３８ａの吸引力を調整しても良いし、反対側の電磁石３８ｂの吸引力を調整しても良い。
【００２２】
なお、以下では、図３に示す正立姿勢の場合であって、かつ、電磁石３８ａの電流を調整する場合について説明する。
【００２３】
図３（ａ）の状態における電磁石３８ａの電流値をＩnormとし、図３（ｂ）の状態における電磁石３８ａの電流値をＩhotとすると、図３（ａ）の場合の方が電磁石３８ａの吸引力が大きいので、Ｉnorm＞Ｉhotとなっている。このように、ロータ温度Ｔが磁性体４１のキュリー温度Ｔcを超えると電磁石３８ａの電流が減少するので、電磁石３８ａの電流減少を検知することにより、ロータ３０が許容温度（キュリー温度Ｔc）を超えたか否かを判定することができる。その場合、Ｉnorm＞Ｉth＞Ｉhotを満たす閾値Ｉthを設定し、電磁石３８ａの電流値ＩがＩ≦Ｉthとなったならばロータ３０の温度がＴc以上になったと判定する。
【００２４】
図４は、電磁石３８ａの電流値Ｉに基づくロータ温度の検出に関する回路構成を示す図である。図１に示すポンプ本体１を制御するコントロールユニット２は、電流指令部２０１、ＰＷＭ型電流増幅器２０２、電流センサ２０３、判定回路２０５、モータ制御部２０６、警報装置２０７を備えている。アキシャル変位センサ２８からの信号は、電流指令部２０１のセンサ回路２１０に入力される。アキシャル変位センサ２８は、シャフト３３の下端との間のギャップの変化を検出するセンサであり、例えば、インダクタンス式の変位センサが用いられる。
【００２５】
センサ回路２１０は、アキシャル変位センサ２８からの出力信号に基づくインダクタンス変化を電圧信号に変換し、変位信号としてＰＩＤ制御回路２１２へと出力する。ＰＩＤ制御回路２１２は、変位信号をＰ（比例），Ｉ（積分），Ｄ（微分）制御してギャップが予め設定された設定距離となるように、磁気軸受３８の電磁石電流に関する電流駆動指令Ｓ１を出力する。ＰＷＭ型電流増幅器２０２へは、電流駆動指令Ｓ１と電流センサ２０３から出力された電流値信号との差分信号が入力される。ＰＷＭ型電流増幅器２０２では、差分信号に応じたデューティ比のパルス信号（ＰＷＭ信号）を発生し、そのパルス信号を二象限駆動回路に入力することにより電磁石電流を生成する。生成された電磁石電流は電磁石３８ａに供給される。電磁石電流の電流値は電流センサ２０３によって検出される。電流センサ２０３には、例えば、ホール素子を利用した電流センサやシャント抵抗による電流検出が用いられる。
【００２６】
電流センサ２０３から出力された電流値信号Ｓ２は、判定回路２０５に入力される。判定回路２０５は、検出された電磁石３８ａの電流値Ｉが上述した閾値Ｉthを超えていると判定すると、その判定結果を警報装置２０７やモータ制御部２０６に入力する。警報装置２０７は、ロータ温度Ｔがキュリー温度Ｔcを超えたことを警報する装置であり、例えば、警報表示を表示するための表示装置を備えている。また、警報装置２０７からＴ＞Ｔcを示す信号を外部に出力したり、ロータ回転数を低下させるような指令をモータ制御部２０６に出力したりしても良い。
【００２７】
なお、上述したように、吸気口からガスを導入すると圧力差から回転体を吸気口側に持ち上げようとする力Ｆ４が働き、電流を減ずるように作用する。後述するように、ガス導入が連続であれば、ガスの前の状態と比較を行うことで補正ができ、瞬時的であれば、時間変化を追うことで検出が可能となる。また、ガスの連続性およびガスのON/OFFはモータの電流を連続的にモニタすることにより判別が可能となる。
【００２８】
図５は、ロータ温度検出動作を説明するフローチャートである。図５に示す処理のプログラムは図４の判定回路２０５において実行され、ポンプの回転駆動が開始されるとスタートし、所定時間間隔ΔＴで繰り返し実行される。ステップＳ１０では、電流センサ２０３により電磁石電流を計測し、その計測データを読み込む。ステップＳ２０では、ステップＳ１０で計測された電流計測値Ｉが所定閾値Ｉth以下か否かを判定する。上述したように、磁性体４１の温度がキュリー温度Ｔcを超えている場合、または、ガス負荷が所定ガス流量以上となった場合にはＩ≦Ｉthとなるので、ステップＳ２０においてｙｅｓと判定される。
【００２９】
ステップＳ２０でｙｅｓと判定されると、ステップＳ３０へ進んで過熱判定値Ｎを１だけ増加させる。なお、過熱判定値Ｎの初期値は０とされている。一方、ステップＳ２０でｎｏと判定されると、ステップＳ３０をスキップしてステップＳ４０へ進む。ステップＳ４０では、ステップＳ１０で計測された電流計測値Ｉが所定閾値Ｉthよりも大きいか否かを判定する。磁性体４１の温度がキュリー温度Ｔcを超えておらず、かつ、ガス負荷が所定ガス流量よりも小さい場合にはＩ＞Ｉthとなるので、ステップＳ４０においてｙｅｓと判定される。そして、ステップＳ４０でｙｅｓと判定されるとステップＳ７０に進んで過熱判定値ＮをＮ＝０とし、一連の処理を終了する。
【００３０】
一方、磁性体４１の温度がキュリー温度Ｔcを超えているか、または、ガス負荷が所定ガス流量以上である場合には、ステップS４０においてｎｏと判定され、ステップＳ５０へと進む。ステップＳ５０では、過熱判定値Ｎが予め設定された基準値Ｎ０以上であるか否かを判定する。
【００３１】
ここで、基準値Ｎ０は、電流値減少が温度上昇に起因するものかガス負荷の上昇に起因するものであるかを判定する判定値である。ガス負荷の上昇は成膜プロセス中のガス導入に起因するものであって、一般的に成膜時間は数分程度で、間欠的に動作させる場合が多い。一方、熱負荷やガス負荷等によるロータ温度の変化は穏やかな変化であって、一旦キュリー温度Ｔcよりも高温状態になると、温度上昇原因が解消されてもＴ＜Ｔcとなるまでに長時間を要する。そのため、基準値Ｎ０としては、例えば、ΔＴ×Ｎ０が成膜時間より若干長くなるように設定すれば良い。
【００３２】
ステップＳ５０でＮ≧Ｎ０と判定されるとステップＳ６０に進み警報処理を行い、Ｎ＜Ｎ０と判定されると、一連の処理を終了する。ステップＳ６０の警報処理では、上述したように、ロータ温度Ｔがキュリー温度Ｔcを超えたことをコントロールユニット２に設けられた表示部に表示したり、Ｔ＞Ｔcである信号を外部に出力したりする。また、モータ制御部２０６に指令を出力して、ロータ回転数を低下させるようにしても良い。
【００３３】
以上の処理動作をまとめると、図５の処理は時間間隔ΔＴ毎に実行され、電磁石電流値Ｉが通常状態Ｉnorm（＞Ｉth）である場合には、ステップＳ１０→ステップＳ２０→ステップＳ４０→ステップＳ７０のように処理される。また、ガス負荷が原因で電磁石電流値ＩがＩ≦Ｉthとなっている場合には、ステップＳ１０→ステップＳ２０→ステップＳ３０→ステップＳ４０→ステップＳ５０と処理され、一方、ロータ温度がキュリー温度Ｔcを超えている場合には、ステップＳ１０→ステップＳ２０→ステップＳ３０→ステップＳ４０→ステップＳ５０→ステップＳ６０と処理される。なお、ロータ温度がキュリー温度Ｔcを超えた場合でも、その時間がＮ０×ΔＴよりも短い場合にはステップＳ６０の警報処理は実行されないことになる。
【００３４】
図６は、温度検出動作の第２の例を示すフローチャートである。図５に示す動作では、電磁石電流値Ｉが閾値Ｉthよりも低くなっている時間がΔＴ×Ｎ０以上か否かで、電流減少がガス負荷によるものかロータ温度によるものかを判断した。一方、図６に示す第２の例では、モータ電流値を用いることで、電流減少がガス負荷によるものかロータ温度によるものかを判断するようにした。第２の例の場合も、図６に示す処理が所定時間間隔ΔＴ毎に繰り返し実行される。
【００３５】
ステップＳ１１０では、電磁石電流値Ｉとモータ電流値Ｉmとを検出する。ステップＳ１２０では、ステップＳ１１０で計測された電磁石電流値Ｉが閾値Ｉthに対してＩ≦Ｉthを満足するか否かを判定する。ステップＳ１２０でｙｅｓと判定されるとステップＳ１３０へ進み、ｎｏと判定されると一連の処理を終了する。ステップＳ１３０では、ステップＳ１１０で計測されたモータ電流値Ｉmが閾値Ｉgより小さいか否かを判定する。
【００３６】
この閾値Ｉgは、ガス負荷時の電磁石電流値ＩがほぼＩ＝Ｉthとなるようなガス負荷（ガス流量）があった場合の、モータ電流値である。すなわち、モータ電流値ＩmがＩm≧Ｉgとなるガス負荷であった場合、そのガス負荷が原因で電磁石電流Ｉは閾値Ｉth以下となる。よって、ガス負荷が原因でＩ≦Ｉthとなっている場合には、ステップＳ１３０でｎｏと判定され、一連の処理を終了する。一方、ステップＳ１３０でｙｅｓと判定された場合には、ロータ温度Ｔがキュリー温度Ｔcを超えていることになり、ステップＳ１４０に進んで図５のステップＳ６０と同様の警報処理を実行する。
【００３７】
上述した実施形態では負荷が一定以上か否かで判別したが、負荷状態と電磁石電流はほぼ線形の関係となる。負荷が増えると、電磁石電流が増え、負荷が減ると、電磁石電流は減る。負荷状態はモータ電流で検出可能であり、たとえば、既定の負荷補正係数Kmiを定義し、Ith’ = I - Kmi ×Imとし、閾値を補正して、検出を行うことが可能である。なお、この係数Kmiは機種ごとにあらかじめ関係を計測し、設定しておくことが好ましい。
【００３８】
上述した実施形態では、永久磁石４０による吸引力が変化した場合に上側の電磁石３８ａの電流値から検出する場合について説明したが、電磁石３８ａに代えて下側の電磁石３８ｂの電流値から検出するようにしても良い。その場合、図３に示す電磁石３８ａの力Ｆ２は一定とし、電磁石３８ｂによる軸方向の力Ｆ３は、Ｔ＜ＴcのときにはＦ３＝Ｆ２−Ｆ０−Ｆ１＋Ｆ４となり、Ｔ＞ＴcのときにはＦ３＝Ｆ２−Ｆ０＋Ｆ４となる。すなわち、電磁石３８ｂの電流値はＴ＞Ｔcとなったときに増加することになる。倒立姿勢の場合も同様である。
【００３９】
そのため、電磁石３８ｂの電流値を利用してロータ温度Ｔがキュリー温度Ｔc（過熱判定温度）を超えたか否かを判定する場合、図５の動作例に代えて図７のような制御を採用すれば良い。図７に示す動作は、電流値の変化量ΔＩを用いて判定を行うものであり、図５の場合とステップＳ３１０，Ｓ３２０，Ｓ３４０の処理が異なる。なお、図７に示す処理動作は、電磁石３８ａの電流値を用いる場合にも適用することができる。
【００４０】
ステップＳ３１０では、ステップＳ１０で計測された電磁石電流値Ｉと、予め判定回路２０５の記憶部に記憶されている基準電流値Ｉ0との差の絶対値である変化量ΔＩを算出する。変化量ΔＩは基準電流値Ｉ0との差の絶対値であるので、電磁石３８ａ，３８ｂのいずれの電流値を用いた場合も正の値となる。なお、基準電流値Ｉ0は、常温で、かつガス負荷のない状態（無負荷時）の励磁電流に相当する電流値であり、上述したＩnormと同じものである。ステップＳ３２０では、ステップＳ３１０で算出した変化量ΔＩと予め設定された閾値ΔＩthとを比較し、ΔＩ≧ΔＩthであるか否かを判定する。ここで、閾値ΔＩthは、ロータ温度がキュリー温度Ｔcを超えたときの電磁石電流値Ｉの変化量に相当する。また、ステップＳ３４０では、ΔＩ＜ΔＩthか否かを判定する。
【００４１】
同様に、図６のフローチャートに関しては、図８のようなフローチャートに変更すれば良い。すなわち、図７のステップＳ３１０に対応するステップＳ４１０を追加すると共に、ステップＳ３２０の場合と同様に、図６のステップＳ１２０を図８のステップＳ４２０のように変更する。
【００４２】
なお、ガス負荷による電磁石電流値の変化量が、永久磁石の吸引力消滅による電磁石電流値の変化量よりも明らかに小さい場合には、ガス負荷に関係する処理を省略することができる。すなわち、図５の場合にはステップＳ３０〜Ｓ５０およびステップＳ７０を省略でき、図６，８の場合にはステップＳ１３０を省略でき、図７の場合にはステップＳ３０，Ｓ３４０，Ｓ５０および７０を省略できる。
【００４３】
（１）以上のように、本実施の形態の真空ポンプでは、ロータ３０とロータシャフト３３とが一体化された回転体はモータ３６により回転駆動され、その回転体はラジアル磁気軸受３７およびスラスト磁気軸受３８を備える磁気軸受装置によって所定位置に磁気浮上している。そして、真空ポンプは、回転体を構成するロータシャフト３３に熱的に接触するように設けられ、回転体を構成するロータ３０の過熱判定温度に対応したキュリー温度Ｔcを有する磁性体４１と、磁性体４１を吸引して回転体に対して軸方向の力を作用する永久磁石４０と、スラスト磁気軸受３８の励磁電流を検出する電流センサ２０３と、電流センサ２０３で検出される励磁電流Ｉの変化から、回転体を構成するロータ３０の温度が過熱判定温度を超えたか否かを判定する判定手段（判定回路２０５）と、を備えている。
【００４４】
このように、電流センサ２０３で検出される励磁電流Ｉの変化から回転体を構成するロータ３０の温度が過熱判定温度を超えたか否かを判定しているので、従来のように、磁性体４１の透磁率変化を検出するセンサを新たに追加する必要がない。さらに、高速回転する磁性体ターゲットの透磁率変化を検出する必要から、高速でセンシング処理を行うことができる演算処理部を設ける必要があった。
【００４５】
しかし、本実施の形態では、従来から検出が行われているスラスト磁気軸受３８の励磁電流を用い、その励磁電流の変化から回転体の温度が過熱判定温度を超えたか否かを判定しているので、容易に判定が行えると共に、従来に比べて追加する部品が少なく、コストアップを抑えつつロータ３０の過昇温を検出することができる。
【００４６】
なお、図１の符号４０ａ，４１ａで示すように、磁性体４１ａをロータ３０の円筒部３１の下端に設け、ベース２０の対向する部分に永久磁石４０ａを設けるようにしても良い。円筒部３１はロータ３０の内で比較的高温になりやすい領域なので、温度検出部位としては適している。また、回転側に永久磁石４０を設けて固定側に磁性体４１を設けても良い。さらには、永久磁石のかわりに一定電流を流す電磁石を用いてもよい。
【００４７】
（２）例えば、常温かつ無負荷時の励磁電流に相当する基準電流値Ｉ0と電流センサ２０３で検出された電流値Ｉとの差の絶対値ΔＩが所定閾値ΔＩth以上の場合に、回転体の温度が過熱判定温度を超えたと判定する。
【００４８】
（３）また、常温かつ無負荷時の励磁電流に相当する基準電流値Ｉ0と電流センサ２０３で検出された電流値Ｉとの差の絶対値ΔＩが所定閾値ΔＩth以上である状態が所定時間（ΔＴ×Ｎ0）以上継続した場合に、回転体の温度が過熱判定温度を超えたと判定することで、判定に対するガス負荷の影響を排除することができる。
【００４９】
（４）また、モータ電流値が所定ガス負荷時のモータ電流値より小さいか否かを判定するガス負荷判定手段としての判定回路２０５を備え、基準電流値Ｉ0と電流センサ２０３で検出された電流値Ｉとの差の絶対値ΔＩが所定閾値ΔＩth以上であって、かつ、判定回路２０５によりモータ電流値Ｉが所定ガス負荷時のモータ電流値Ｉgより小さいと判定されると、回転体の温度が過熱判定温度を超えたと判定する。このような構成とすることで、回転体の温度が過熱判定温度を超えたか否かの判定に対するガス負荷の影響を排除することができる。
【００５０】
（５）なお、所定閾値ΔＩthは、磁性体４１の温度がキュリー温度Ｔcより高温のときにスラスト磁気軸受３８に流れる励磁電流値と基準電流値Ｉ0との差に基づいて設定される。閾値ΔＩthは、ロータ温度がキュリー温度Ｔcを超えたときの電磁石電流値Ｉの変化量に相当するもので、例えば、｜Ｉhot−Ｉnorm｜よりも若干小さな値に設定される。
【００５１】
（６）さらに、磁性体４１の形状を回転体の軸を中心とするリング状とすることで、渦電流の発生を防止することができる。
【００５２】
なお、上述した実施の形態では、ポンプ本体１を鉛直方向の姿勢で用いた場合を例に説明したが、取り付け姿勢が斜めや、水平や、逆さの場合でも、取り付け姿勢による重力の影響の違いを補正することで本発明を同様に適用することができる。また、磁気浮上式のターボ分子ポンプを例に説明したが、本発明は、磁気浮上式のドラッグポンプ等にも適用することができる。
【００５３】
上述した各実施形態はそれぞれ単独に、あるいは組み合わせて用いても良い。それぞれの実施形態での効果を単独あるいは相乗して奏することができるからである。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。
【符号の説明】
【００５４】
１：ポンプ本体、２：コントロールユニット、２０：ベース、２２：固定翼、２４：ネジステータ、２７，２８：変位センサ、３０：ロータ、３１：円筒部、３２：回転翼、３３：ロータシャフト、３５：スラストディスク、３７，３８：磁気軸受、３８ａ，３８ｂ：電磁石、４０，４０ａ：永久磁石、４１，４１ａ：磁性体、２０１：電流指令部、２０３：電流センサ、２０５：判定回路、２０６：モータ制御部、２０７：警報装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気機能部が形成された回転体と、
前記回転体を回転駆動するモータと、
ラジアル磁気軸受およびスラスト磁気軸受を備え、前記回転体を所定位置に磁気浮上させる磁気軸受装置と、
前記回転体に熱的に接触するように設けられ、前記回転体の過熱判定温度に対応したキュリー温度を有する磁性体と、
前記磁性体を吸引して前記回転体に対して軸方向の力を作用する永久磁石と、
前記スラスト磁気軸受の励磁電流を検出する電流センサと、
前記電流センサで検出される励磁電流の変化から、前記回転体の温度が前記過熱判定温度を超えたか否かを判定する判定手段と、を備えたことを特徴とする磁気浮上式真空ポンプ。
【請求項２】
請求項１に記載の磁気浮上式真空ポンプにおいて、
前記判定手段は、常温かつ無負荷時の励磁電流に相当する基準電流値と前記電流センサで検出された電流値との差の絶対値が所定閾値以上の場合に、前記回転体の温度が前記過熱判定温度を超えたと判定することを特徴とする磁気浮上式真空ポンプ。
【請求項３】
請求項１に記載の磁気浮上式真空ポンプにおいて、
前記判定手段は、常温かつ無負荷時の励磁電流に相当する基準電流値と前記電流センサで検出された電流値との差の絶対値が所定閾値以上である状態が所定時間以上継続した場合に、前記回転体の温度が前記過熱判定温度を超えたと判定することを特徴とする磁気浮上式真空ポンプ。
【請求項４】
請求項１に記載の磁気浮上式真空ポンプにおいて、
前記モータの電流値が所定ガス負荷時のモータ電流値より小さいか否かを判定するガス負荷判定手段を備え、
前記判定手段は、前記基準電流値と前記電流センサで検出された電流値との差の絶対値が所定閾値以上であって、かつ、前記ガス負荷判定手段により前記モータ電流値が所定ガス負荷時のモータ電流値より小さいと判定されると、前記回転体の温度が前記過熱判定温度を超えたと判定することを特徴とする磁気浮上式真空ポンプ。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の磁気浮上式真空ポンプにおいて、
前記所定閾値は、前記磁性体の温度が前記キュリー温度より高温のときに前記スラスト磁気軸受に流れる励磁電流値と前記基準電流値との差に基づいて設定されることを特徴とする磁気浮上式真空ポンプ。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の磁気浮上式真空ポンプにおいて、
前記磁性体の形状は、前記回転体の軸を中心とするリング状であることを特徴とする磁気浮上式真空ポンプ。
【請求項１】
排気機能部が形成された回転体と、
前記回転体を回転駆動するモータと、
ラジアル磁気軸受およびスラスト磁気軸受を備え、前記回転体を所定位置に磁気浮上させる磁気軸受装置と、
前記回転体に熱的に接触するように設けられ、前記回転体の過熱判定温度に対応したキュリー温度を有する磁性体と、
前記磁性体を吸引して前記回転体に対して軸方向の力を作用する永久磁石と、
前記スラスト磁気軸受の励磁電流を検出する電流センサと、
前記電流センサで検出される励磁電流の変化から、前記回転体の温度が前記過熱判定温度を超えたか否かを判定する判定手段と、を備えたことを特徴とする磁気浮上式真空ポンプ。
【請求項２】
請求項１に記載の磁気浮上式真空ポンプにおいて、
前記判定手段は、常温かつ無負荷時の励磁電流に相当する基準電流値と前記電流センサで検出された電流値との差の絶対値が所定閾値以上の場合に、前記回転体の温度が前記過熱判定温度を超えたと判定することを特徴とする磁気浮上式真空ポンプ。
【請求項３】
請求項１に記載の磁気浮上式真空ポンプにおいて、
前記判定手段は、常温かつ無負荷時の励磁電流に相当する基準電流値と前記電流センサで検出された電流値との差の絶対値が所定閾値以上である状態が所定時間以上継続した場合に、前記回転体の温度が前記過熱判定温度を超えたと判定することを特徴とする磁気浮上式真空ポンプ。
【請求項４】
請求項１に記載の磁気浮上式真空ポンプにおいて、
前記モータの電流値が所定ガス負荷時のモータ電流値より小さいか否かを判定するガス負荷判定手段を備え、
前記判定手段は、前記基準電流値と前記電流センサで検出された電流値との差の絶対値が所定閾値以上であって、かつ、前記ガス負荷判定手段により前記モータ電流値が所定ガス負荷時のモータ電流値より小さいと判定されると、前記回転体の温度が前記過熱判定温度を超えたと判定することを特徴とする磁気浮上式真空ポンプ。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の磁気浮上式真空ポンプにおいて、
前記所定閾値は、前記磁性体の温度が前記キュリー温度より高温のときに前記スラスト磁気軸受に流れる励磁電流値と前記基準電流値との差に基づいて設定されることを特徴とする磁気浮上式真空ポンプ。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の磁気浮上式真空ポンプにおいて、
前記磁性体の形状は、前記回転体の軸を中心とするリング状であることを特徴とする磁気浮上式真空ポンプ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−２３７２８５（Ｐ２０１２−２３７２８５Ａ）
【公開日】平成２４年１２月６日（２０１２．１２．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１０８２１９（Ｐ２０１１−１０８２１９）
【出願日】平成２３年５月１３日（２０１１．５．１３）
【出願人】（０００００１９９３）株式会社島津製作所 (3,708)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月６日（２０１２．１２．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月１３日（２０１１．５．１３）
【出願人】（０００００１９９３）株式会社島津製作所 (3,708)
【Ｆターム（参考）】
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