磁気軸受式ターボ分子ポンプ
【課題】 安全性の高い磁気軸受式ターボ分子ポンプの提供。
【解決手段】 磁気軸受のアキシャル軸であり電磁石５１，５２の中心軸に垂直な面内に非接触式位置センサ２０を３つ配設した。各位置センサ２０はベース４に設けられており、ロータ２のドラッグポンプ段を構成する円筒部１２の内周面とのギャップを検出する。そして、各位置センサ２０の検出結果に基づいて、円筒部１２の内径の変化であるロータ変形量δを算出する。このロータ変形量δに基づいてロータ２とネジステータ１１の接触の可能性があるか否かを判定し、可能性があると判定された場合にはロータ回転数を下げて接触を回避する。
【解決手段】 磁気軸受のアキシャル軸であり電磁石５１，５２の中心軸に垂直な面内に非接触式位置センサ２０を３つ配設した。各位置センサ２０はベース４に設けられており、ロータ２のドラッグポンプ段を構成する円筒部１２の内周面とのギャップを検出する。そして、各位置センサ２０の検出結果に基づいて、円筒部１２の内径の変化であるロータ変形量δを算出する。このロータ変形量δに基づいてロータ２とネジステータ１１の接触の可能性があるか否かを判定し、可能性があると判定された場合にはロータ回転数を下げて接触を回避する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体製造装置や分析装置等に使用される磁気軸受式ターボ分子ポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造装置や分析装置等に用いられるターボ分子ポンプでは、中真空域から高真空域での高排気性能を得るためにタービン翼段とドラッグポンプ段とを備えたものがある。ドラッグポンプ段はタービン翼段の下流側に設けられるものであり、一般的に、ロータ下部に設けられた円筒部と、その円筒部の周面と僅かなギャップで対向配置されたネジステータとから成る。そして、円筒部がネジステータに対して高速回転することでガスが排気される。
【０００３】
ターボ分子ポンプで排気されるガスの流量が多くなったり、排気されるガスの分子量が大きくなるにつれて、モータ電力増大に伴う発熱やガス排気に伴う摩擦熱などによりロータ温度が上昇する。特に、圧力の高いドラッグポンプ段では摩擦熱の増大によりロータ温度が高くなりやすく、ロータの熱膨張により円筒部が径方向に変形してネジステータと接触するおそれがあった。さらに、ロータには遠心力が作用しているため、上述した熱膨張に加えてクリープによる変形も生じる。
【０００４】
従来、このような変形によるロータ接触を避けるために、ポンプベース部に温度センサを設けたり、モータステータ温度を検出する機構を設けるなどして、ロータ温度の異常上昇を間接的に検出するようにしている。そして、温度異常上昇検出時には、ロータ回転を停止してロータとステータとの接触を回避するようにしていた。
【０００５】
その場合、ベース部やモータステータの温度を検出してロータ温度を推定しているため、ロータが非接触支持されている磁気軸受式ターボ分子ポンプでは、ロータ温度の推定精度が悪いという欠点があった。そのため、異常温度検出の設定が、実際のロータ異常温度からずれてしまって、上述したロータ回転制御が適切に行われないという問題があった。
【０００６】
このようなロータ温度推定によるロータ接触回避対策の問題点を解決するものとして、ロータ回転軸に対して対称な位置に２つの非接触式位置センサを対向させて設け、ロータの径方向の変形を検出するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
【特許文献１】特開平１１−６７７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、ロータは磁気軸受に非接触支持されているため、ロータ回転軸は磁気軸受の中心軸に対して０〜数百μｍの範囲で変動している。ところで、上述したロータ変形検出方法では２つの位置センサが回転軸に関して対称に設けられているため、回転軸の中心位置が２つの位置センサを結ぶ線上にない場合にはロータ変形を精度良く検出できず、ポンプを安全に運転する観点において課題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１の発明は、磁気軸受により非接触支持されたロータをステータに対して回転することによりガスを排気する磁気軸受式ターボ分子ポンプに適用され、磁気軸受のアキシャル軸に垂直な面内の少なくとも３つの位置にロータと対向するように配設されて、ロータの位置を検出する少なくとも３つの非接触式位置センサと、複数の非接触式位置センサの各々によって検出されたロータ位置に基づいて、ロータの変形量を演算するロータ変形量演算手段とを備えたことを特徴とする。
請求項２の発明は、磁気軸受により非接触支持されたロータをステータに対して回転することによりガスを排気する磁気軸受式ターボ分子ポンプに適用され、ロータと対向するように配設されて、ロータの位置を検出する１つの非接触式位置センサと、非接触式位置センサで検出されたロータ位置と磁気軸受に設けられたラジアル変位センサの検出情報とに基づいて、ロータの変形量を演算するロータ変形量演算手段とを備えたことを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項１または２に記載の磁気軸受式ターボ分子ポンプにおいて、非接触式位置センサを配設位置に支持する支持部材の温度を検出する支持部材温度センサと、支持部材温度センサの検出温度に基づいて、支持部材の熱膨張による非接触式位置センサの位置ズレを補正する補正手段とを備え、ロータ変形量演算手段は、補正手段の位置ズレ補正に基づいてロータの変形量を演算するものである。
請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の磁気軸受式ターボ分子ポンプにおいて、ロータの変形量が所定値以上の場合にロータ回転数を低下させる回転数変更手段を備えたものである。
請求項５の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の磁気軸受式ターボ分子ポンプにおいて、ロータ非回転時に、磁気軸受の電磁石が固定された固定部の温度を検出する固定部温度センサと、固定部温度センサの検出温度とロータの変形量とに基づいて、ロータ回転時のロータの温度を算出するロータ温度演算手段とを備えたものである。
請求項６の発明は、請求項５に記載の磁気軸受式ターボ分子ポンプにおいて、ロータ回転時のロータの温度が所定の上限温度以上の場合にロータ回転数を低下させる回転数変更手段を備えたものである。
請求項７の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の磁気軸受式ターボ分子ポンプにおいて、変形量の時間変化率を、時系列的に繰り返し算出する時間変化率演算手段と、時間変化率演算手段で算出された時間変化率が所定値以上の場合にロータ回転数を低下させる回転数変更手段とを備えたものである。
請求項８の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の磁気軸受式ターボ分子ポンプにおいて、変形量の時間変化率を、時系列的に繰り返し算出する時間変化率演算手段と、時間変化率演算手段で算出された時間変化率が所定値以上の場合に警告を発生する警告発生手段とを備えたものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、ロータの変形量やロータ温度が精度良く算出され、それらに基づいてターボ分子ポンプをより安全に運転させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。図１は本発明によるターボ分子ポンプの一実施の形態を示す図であり、磁気軸受式ターボ分子ポンプのポンプ本体１とコントローラ３０の概略構成を示したものである。
【００１２】
ロータ２が取り付けられたシャフト３は、ベース４に設けられた電磁石５１，５２，５３によって非接触支持されている。シャフト３の浮上位置は、ベース４に設けられた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によって検出される。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、変位センサ７１〜７３とで５軸制御型磁気軸受が構成される。
【００１３】
ベース４には、ロータ２を回転駆動するモータ６、保護ベアリング２７，２８が設けられている。保護ベアリング２７，２８にはメカニカルベアリングが用いられ、電磁石５１〜５３によるシャフト３の磁気浮上がオフされたときにシャフト３を支持する。シャフト３の回転数は回転数センサ１４により検出される。
【００１４】
ロータ２には、回転軸方向に複数段の回転翼８が形成されている。上下に並んだ回転翼８の間には固定翼９がそれぞれ配設されている。これらの回転翼８と固定翼９とにより、ターボ分子ポンプ１のタービン翼段が構成される。各固定翼９は、スペーサ１０によって上下に挟持されるように保持されている。スペーサ１０は、固定翼９の保持機能とともに、固定翼９間のギャップを所定間隔に維持する機能を有している。
【００１５】
さらに、固定翼９の後段（図示下方）にはドラッグポンプ段を構成するネジステータ１１が設けられており、ネジステータ１１の内周面とロータ２の円筒部１２との間にはギャップが形成されている。ロータ２およびスペーサ１０によって保持された固定翼９は、吸気口１３ａが形成されたケーシング１３内に納められている。ロータ２が取り付けられたシャフト３を電磁石５１〜５３により非接触支持しつつモータ６により回転駆動すると、吸気口１３ａ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２６に接続された補助ポンプにより排出される。
【００１６】
ベース４には、ロータ２の円筒部１２に対向する位置に非接触式の位置センサ２０が設けられている。図２の（ａ）は図１のＡ−Ａ断面図であり、位置センサ２０はラジアル電磁石５１，５２の中心軸に関して角度１２０degの間隔で３カ所配置されている。図２（ｂ）は、図２（ａ）のＢ部拡大図である。これらの位置センサ２０は円筒部１２の内周面の径方向位置を検出するセンサであり、光学式センサや磁気式のセンサが用いられる。
【００１７】
なお、位置センサ２０はネジステータ１１の内周面に配設しても良い。また、図３のように円筒部１２の内側にもネジステータ２３を有するポンプの場合には、位置センサ２０をネジステータ２３に設けるようにしても良い。
【００１８】
位置センサ２０が配設されるドラッグポンプ段においては排気されたガスが化学反応などにより固化しやすいため、光学式センサの場合には受光部にガス固化物が付着して位置検出に不都合が生じやすい。そのため、位置センサ２０には磁気センサを用いるのが好ましい。
【００１９】
磁気センサとしては、例えば、変位センサ７１〜７３と同様のインダクタンス式センサを用いる。インダクタンス式の位置センサ２０は、図２に示すように珪素鋼板などの透磁率の大きな金属芯２０ａの周囲にコイル２０ｂを巻いたものであり、検出対象である円筒部１２の内周面には珪素鋼板等の透磁率の大きなで部材で形成したリング２２が嵌め込まれている。
【００２０】
位置センサ２０のコイル２０ｂに一定周波数、一定電圧の高周波電圧を印加すると、コイル先端からロータ内周面に向けて高周波磁界が形成される。この磁界中で円筒部１２とのギャップ寸法が変化するとコイル２０ｂのインダクタンスが変化し、その変化からロータ内周面とのギャップを検出することができる。なお、検出されたギャップからロータ変形の導出する方法については後述する。
【００２１】
図１に戻って、２１は位置センサ２０付近のベース温度を検出する温度センサである。位置センサ２０および温度センサ２１各検出信号は、コントローラ３０に設けられた演算部３１にそれぞれ入力される。ポンプ本体１を駆動制御するコントローラ３０には、磁気軸受駆動制御部３２およびモータ駆動制御部３３が設けられている。演算部３１は、位置センサ２０および温度センサ２１の検出信号に基づいてロータ変形やロータ温度などを演算する。３４はポンプ本体１の状態等を表示するための表示部である。演算部３１による演算結果は記憶部３５に記憶される。
【００２２】
図４は５軸制御型磁気軸受の概略構成を示す図であり、シャフト３の回転軸Ｊがｚ軸に一致するように示した。図４に示すように、図１のラジアル電磁石５１は、４つの電磁石５１ａ，５１ｂ，５１ｃ，５１ｄで構成されている。電磁石５１ａ，５１ｂはそれぞれｘ軸に沿ったX1−方向、X1＋方向に配設され、電磁石５１ｃ，５１ｄはそれぞれｙ軸に沿ったY1−方向、Y1＋方向に配設されている。また、これらの電磁石５１ａ〜５１ｄに対応するように、図１の変位センサ７１も２対のセンサ７１ａ〜７１ｄから構成されている。
【００２３】
同様に、ラジアル電磁石５２も４つの電磁石５２ａ，５２ｂ，５２ｃ，５２ｄで構成されており、電磁石５２ａ，５２ｂはそれぞれｘ軸に沿ったX2−方向、X2＋方向に配設され、電磁石５２ｃ，５２ｄはそれぞれｙ軸に沿ったY2−方向、Y2＋方向に配設されている。また、これらの電磁石５２ａ〜５２ｄに対応するように、図１の変位センサ７２も２対のセンサ７２ａ〜７２ｄから構成されている。
【００２４】
アキシャル電磁石５３は、シャフト３の下端に設けられたディスク４１をｚ軸に沿って挟むように対向して配設された電磁石５３ａ，５３ｂから成る。電磁石５３ａ，５３ｂは、それぞれｚ軸に沿ったZ−方向、Z＋方向に配設される。シャフト３の下方にはアキシャル用の変位センサ７３がシャフト端面に対向するように配置されている。
【００２５】
（ロータ変形計測の説明）
本実施の形態では、ベースに設けられた３つの位置センサ２０を用いてロータ２の変形を検出する。ここでは、ロータ停止中のロータ内径Ｄ０とロータ回転中のロータ内径Ｄ１との差δ＝Ｄ１−Ｄ０をロータ変形量とする。図５はロータ変形量計算のモデル図であり、以下ではこのモデル図を参照して計算方法の説明を行う。
【００２６】
図５において、円Ｃ１は円筒部１２の内周面を表しており、直径は上述したＤ０，Ｄ１である。一方、内側の円Ｃ２は３つの位置センサ２０の各先端を通る円を表しており、その直径はｄ０である。ここでは、円Ｃ２の中心をｘｙ座標の原点として位置を表すことにする。Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３は位置センサ２０の先端位置を表しており、各々の座標を（ｘ１，ｙ１，（ｘ２，ｙ２），（ｘ３，ｙ３）とする。また、各位置センサ２０の取付角度はθ１＝１２０deg，θ２＝２４０deg，θ３＝３６０degである。
【００２７】
磁気軸受の場合、ロータ２が取り付けられたシャフト３は磁気軸受の中心軸に対して偏った位置に移動することが可能であり、磁気浮上位置は中心軸と完全に一致することはなく、一般的にロータ２は偏心状態で回転している。円筒部１２の内周面Ｃ１上の点Ｐ４（ｘ４，ｙ４）は、Ｐ１に配置された位置センサ２０の測定値を表しており、座標原点と点Ｐ１とを結ぶ線上にある。同様に、Ｐ５（ｘ５，ｙ５），Ｐ６（ｘ６，ｙ６）は、Ｐ２，Ｐ３のそれぞれに配置された位置センサ２０の測定位置を表している。
【００２８】
ここで、点Ｐ１から点Ｐ４までの距離をＬ１，点Ｐ２から点Ｐ５なでの距離をＬ２，点Ｐ３から点Ｐ６までの距離をＬ３とすると、点Ｐ４〜Ｐ６の座標（ｘ４，ｙ４），（ｘ５，ｙ５），（ｘ６，ｙ６）は次式（１）〜（３）のように表される。
ｘ４＝（Ｌ１＋ｄ０／２）cosθ１、ｙ４＝（Ｌ１＋ｄ０／２）sinθ１ …（１）
ｘ５＝（Ｌ２＋ｄ０／２）cosθ２、ｙ５＝（Ｌ２＋ｄ０／２）sinθ２ …（２）
ｘ６＝（Ｌ３＋ｄ０／２）cosθ３、ｙ６＝（Ｌ３＋ｄ０／２）sinθ３ …（３）
【００２９】
また、直線Ｐ４Ｐ５，直線Ｐ５Ｐ６は次式（４），（５）で表される。
ｙ＝｛（ｙ４−ｙ５）／（ｘ４−ｘ５）｝（ｘ−ｘ４）＋ｙ４ …（４）
ｙ＝｛（ｙ５−ｙ６）／（ｘ５−ｘ６）｝（ｘ−ｘ５）＋ｙ５ …（５）
【００３０】
一方、３点Ｐ４，Ｐ５，Ｐ６を通る円の中心は円筒部１２の中心であり、図６に示すように線分Ｐ４Ｐ５，Ｐ５Ｐ６の垂直二等分線の交点Ｐ９に一致する。図６の直線Ｐ７Ｐ９，直線Ｐ８Ｐ９は次式（６），（７）で表されるので、中心Ｐ９の座標は式（６），（７）を用いて算出することができ、次式（８），（９）で表される。
ｙ＝−｛（ｙ４−ｙ５）／（ｘ４−ｘ５）｝｛ｘ−（ｘ４＋ｘ５）／２｝
（ｙ４＋ｙ５）／２ …（６）
ｙ＝−｛（ｙ５−ｙ６）／（ｘ５−ｘ６）｝｛ｘ−（ｘ５＋ｘ６）／２｝
（ｙ５＋ｙ６）／２ …（７）
ｘ９＝（ａｘｃ−ｂｘｄ−ｙｃ＋ｙｄ）／（ａ−ｂ） …（８）
ｙ９＝（ａｂｘｃ−ａｂｘｄ−ｂｙｃ＋ａｙｄ）／（ａ−ｂ） …（９）
ここで、ａ＝−（ｘ４−ｘ５）／（ｙ４−ｙ５）、ｂ＝−（ｘ５−ｘ６）／（ｙ５−ｙ６）、ｘｃ＝（ｘ４＋ｘ５）／２、ｙｃ＝（ｙ４＋ｙ５）／２、ｘｄ＝（ｘ５＋ｘ６）／２、ｙｄ＝（ｙ５＋ｙ６）／２である。
【００３１】
さらに、回転時の円筒部１２の内径Ｄ１は線分Ｐ４Ｐ９の２倍であるから、次式（１０）により算出される。
Ｄ１＝２｛（ｘ４−ｘ９）２＋（ｙ４−ｙ９）２｝１／２ …（１０）
【００３２】
ここで、具体的な数値を代入してみる。まず、ｄ０＝０．１ｍであって、回転停止時にＤ０＝０．１０１ｍであったロータ２が回転時にＤ１＝０．１０２ｍになった場合を考える。このとき、円筒部１２の変形量、すなわちロータ変形量δは０．００１ｍ＝１ｍｍとなる。ｚ軸に対する中心Ｐ９の偏心量の最大値は、シャフト３と保護ベアリング２７，２８との径方向ギャップ寸法によって規定される。
【００３３】
ここでは偏心量の最大値が５００μｍであると仮定し、円筒部１２の中心Ｐ９はｚ軸を中心とする半径５００μｍの円内の任意の位置に移動することができるとする。本実施の形態では、３つの位置センサ２０の検出結果に基づいて式（１０）から回転時ロータ直径Ｄ１を算出しているので、常に一定の値Ｄ１が得られる。そのため、ロータ変形量δ＝Ｄ１−Ｄ０は、図７の実線で示すように、ロータ回転軸中心のｚ軸回りの角度に依らず一定となる。
【００３４】
一方、従来例のように磁気軸受中心軸を挟むように２つの位置センサを対向させて設けた場合、検出されるロータ変形量はロータ回転軸中心の角度によって異なる。回転軸中心すなわち円筒部１２の中心Ｐ９が、ｚ軸を中心とする半径５００μｍの円周上を回転している場合、検出されるロータ変形量は図７の破線で示すような曲線を描く。対向する２つの位置センサを結ぶ線上に中心Ｐ９が位置した場合に検出されるロータ変形量δは１ｍｍとなり、その位置から中心Ｐ９の角度が９０degずれると検出されるロータ変形量δは実際の値よりも５０μｍ小さな値となってしまう。すなわち、最大で５０μｍ（１０％）の測定誤差が生じることになる。
【００３５】
一般的に、ロータ変形量δは、遠心力による変形、熱膨張による変形およびクリープ歪みを考慮しても最大５００μｍ程度であるので、１０％の誤差は検出機構としては精度が悪すぎるという欠点があった。また、図７からも分かるように、破線で示す場合には実際の変形量に対して小さめに検出されてしまうため、予防保全性から考えると好ましくない。一方、本実施の形態のように３つの位置センサ２０で検出する場合には、理論上の測定誤差はゼロであり、正確にロータ変形量を計測することができる。
【００３６】
さらに、位置センサ２０が設置されているベース４や内側ネジステータ２３の温度を温度センサ２１で検出し、ベース４や内側ネジステータ２３の熱膨張変形によるセンサ位置の変形方向ズレすなわちｄ０の変化を補正することにより、ロータ変形量δの測定精度をより向上させることができる。
【００３７】
上述した実施の形態では、位置センサ２０を角度間隔１２０degで配置したが、必ずしも等間隔で配置する必要はない。また、位置センサ２０の数についても、３つではなく４つ以上でも良い。
【００３８】
（変形例）
さらに、磁気軸受に用いられているラジアル変位センサ７１ａ〜７１ｄまたは７２ａ〜７２ｄの検出結果を利用することにより、位置センサ２０を１つ配置する構成としても良い。例えば、ラジアル変位センサ７２ａ〜７２ｄの検出結果を利用する場合、位置センサ２０の検出方向とラジアル変位センサ７２ａ〜７２ｄの中心とが一致するように位置センサ２０を配置する。この場合、中心Ｐ９（図６参照）の位置はラジアル変位センサ７２ａ〜７２ｄによって常に検出されているので、上述した、式（１），（１０）を用いることによりロータ変形量δ＝Ｄ１−Ｄ０を算出することができる。この変形例の場合にも、位置センサ２０を円筒部１２の外周側に設けても良い。
【００３９】
（ロータ温度の予測）
一般的に、ロータ２にはアルミ合金が用いられており、ロータ２の温度が高温になりすぎるとクリープ現象が著しくなるため、所定の上限温度よりも低い温度でターボ分子ポンプを使用するようにしている。しかしながら、磁気軸受式ターボ分子ポンプの場合にはロータ２が磁気浮上しているため温度センサを直接ロータ上に設けることができず、例えばベース温度からロータ温度を予測しているため、ロータ温度の正確な把握が難しかった。
【００４０】
本実施の形態では、算出されたロータ変形量δと温度センサ２１によって計測されたベース温度とに基づいてロータ温度を算出するようにした。この場合、ベース温度は基準温度として用いられ、コントローラ３０の電源投入直後のベース温度をＴ０とする。電源投入前においては、シャフト３は磁気浮上しておらず、ロータ２はシャフト３，保護ベアリング２７，２８およびアキシャル電磁石５３などを介してベース４と接触している。そのため、電源非通電時のロータ温度はベース温度Ｔ０と等しくなっており、電源投入後のロータ定格回転まで加速した直後のロータ温度はほぼＴ０とみなすことができる。
【００４１】
そこで、電源投入後の磁気浮上時（回転数ゼロ）のロータ温度をＴ０とし、そのときに位置センサ２０により検出された円筒部１２の内径をＤ０とする。そして、ロータ温度の上昇により円筒部１２の内径がＤ１になった場合には、そのときのロータ温度Ｔ１を次式（１１）で算出する。αはロータ２を形成する材料の線膨張係数である。
Ｄ１−Ｄ０＝αＤ０（Ｔ１−Ｔ０）
Ｔ１＝（Ｄ１−Ｄ０）／（αＤ０）＋Ｔ０ …（１１）
【００４２】
式（１１）のロータ温度Ｔ１は、ベース４の温度測定値Ｔ０と実際に計測したロータ変形量に対応する温度上昇値との和で表されているので、ロータ温度予測を高精度に行うことができる。なお、図１に示す例では温度センサ２１を位置センサ２０の近傍のベース４に設けたが、電源非通電時に何らかの部材を通じて間接的にロータ２に接触している部材上であれば他の場所に配設しても良い。
【００４３】
（ポンプ運転動作の説明）
次に、上述のように算出されたロータ変位量δやロータ温度Ｔ１を利用して、ターボ分子ポンプを安全に運転する方法について説明する。図８はロータ変位量δを用いた場合の動作を示すフローチャートであり、コントローラ３０の電源が投入されるとスタートする。ステップＳ１では温度センサ２１により温度Ｔ０を測定する。ステップＳ２では、３つの位置センサ２１の検出値に基づいて、温度Ｔ０における円筒部１２の内径Ｄ０を算出する。ステップＳ３では、モータ６による回転駆動を開始して定格回転数でポンプを運転する。
【００４４】
ロータ回転数が定格回転数になったならばステップＳ４に進み、その時の位置センサ２１の検出値に基づいて定格回転数における円筒部１２の内径Ｄ１を算出する。ステップＳ５ではロータ変形量δ＝Ｄ１−Ｄ０が規定値よりも小さいか否かを判定し、規定値より小さいと判定されるとステップＳ４へ戻り、規定値以上と判定されるとステップＳ６へ進む。ステップＳ５における規定値には、例えば、ロータ２とネジステータ１１との接触が防止できるロータ変形量δの上限値を用いる。
【００４５】
ステップＳ５で規定値以上と判定されるてステップＳ６へ進んだ場合には、ステップｓ６においてロータ回転数を所定回転数だけ減少させる。そして、ステップＳ７において運転状態が低回転状態であることをコントローラ３０に設けられた表示部３４（図１参照）に表示する。なお、表示に加えて、低回転状態であることを示す信号を、例えばポンプが取り付けられた装置側に送信するようにしても良い。
【００４６】
ロータ回転数が減少すると遠心力による変形が小さくなるので、ロータ２とネジステータ１１との接触を防止することができる。また、モータ６の発熱はガスとの摩擦熱も小さくなるので、ロータ２の温度は徐々に低下する。ステップＳ８では、上述した式（１１）を用いてロータ温度Ｔ１を算出する。ステップＳ９では、算出されたロータ温度Ｔ１が規定値よりも小さくなったか否かを判定し、小さいと判定されるとステップＳ１０へ進み、規定値以上と判定されるとステップＳ８へ戻る。
【００４７】
ステップＳ９はロータ温度が安全な温度となったか否かを判定するステップであり、ここの既定値としては１２０℃程度の温度が用いられる。ステップＳ９からステップＳ１０へ進んだ場合には、ステップＳ１０においてロータ回転数を定格回転数まで上昇させる。そして、ステップＳ１１において表示部３４に表示されている回転数低下表示を解除した後に、ステップＳ４へ戻る。
【００４８】
なお、図８に示した動作では、ロータ変形量δが規定値よりも小さいか否か判定して回転数低下の制御を行ったが、図９に示すフローチャートのようにロータ温度Ｔ１に基づいて回転数制御を行っても良い。すなわち、ステップＳ４で回転時の円筒部１２の内径Ｄ１を算出したならばステップＳ１００へ進み、ロータ温度Ｔ１を算出する。その後、ステップＳ１０１でロータ温度Ｔ１が上限温度より小さいか否かを判定する。ステップＳ１０１において、ロータ温度Ｔ１が上限温度より小さいと判定されるとステップＳ４へ戻り、ロータ温度Ｔ１が上限温度異常と判定されるとステップＳ６へ進む。その他のステップの処理は、図８に示す同符号ステップの処理と同様であるので説明を省略する。
【００４９】
図８，９に示すようなポンプ運転動作を行わせることにより、ロータ２がネジステータ１１と接触したりロータ２が破壊したりするのを防止することができ、ターボ分子ポンプを安全に運転することができる。
【００５０】
ところで、アルミ合金等の金属から成るロータ２を高速回転させるとロータ２には遠心力が作用し、上述した遠心力による変形および熱膨張による変形に加えてクリープによる変形が生じる。クリープによる歪みεは次式（１２）のように応力σ、時間ｔ、温度Ｔに依存しており、温度Ｔが上昇するにつれて顕著になる。なお、応力σは遠心力によるものなので、ロータ回転数で置き換えることができる。
ε＝ｆ（σ、ｔ、Ｔ） …（１２）
【００５１】
図１０は、応力σおよび時間ｔを一定としたときの時間ｔと歪みεとの関係を示すクリープ曲線を示したものである。クリープには遷移クリープ、定常クリープおよび加速クリープの３段階があり、図１に示すように時間の経過とともに段階が進む。そして、加速クリープの段階になると歪みεの時間変化率が著しく大きくなり、ある時が経過した後に材料が破断してしまう。ターボ分子ポンプの場合には、ロータ２が破断するか、その前にロータ２がステータ側に接触し、いずれにしてもポンプが損傷してしまう。
【００５２】
そこで、本実施の形態のターボ分子ポンプでは、以下のようにしてロータ２のクリープを検出して、加速クリープとなる前にアラームを発することによりクリープによるポンプ損傷を防止し、ターボ分子ポンプ運転における予防保全性の向上を図るようにした。
【００５３】
まず、ロータ変形量δを所定運転時間毎に算出し、算出結果を記憶部３５に記憶する。そして、その間のロータ変形量δの変化から、ロータ変形量δの変化率Δδを算出し記憶部３５に記憶する。定常クリープ段階ではこの変化率Δδはほぼ一定であり、加速クリープ段階へと移行する際に変化率Δδが変化する。そこで、時系列的に繰り返し算出される変化率Δδが所定値以上変化したならば、ロータ回転数を低下させるとともに、表示部３４に警告を表示したり警告音を発生するなどしてオペレータに異常発生を知らせる。
【００５４】
なお、クリープ曲線は上述したように応力σ（すなわち、ロータ回転数）、時間ｔ、温度Ｔに依存しているので、ロータ変形量δを算出する際のこれらの条件を揃えるか、同一条件となるようにロータ変形量δを補正して変化率Δδを算出する。
【００５５】
上述した本実施の形態では以下のような作用効果を奏する。
（ａ）３つの位置センサ２０、または、１つの位置センサ２０とラジアル変位センサ７１ａ〜７１ｄ、７２ａ〜７２ｄを用いてロータ位置を検出することにより、ロータ変形量δを従来より精度良く求めることができる。
（ｂ）さらに、位置センサ２０が設けられているベース４の熱膨張を温度センサ２１の検出温度に基づいて算出し、熱膨張による位置センサ２０の位置ズレを補正することにより、より精度向上を図ることができる。
（ｃ）ロータ停止時のベース温度とロータ回転時のロータ変形量δとを用いてロータ温度を算出することにより、ロータ温度を精度良く推定することができる。
（ｄ）ロータ温度が上限温度以上となったり、ロータ変形量δが規定値以上となったり、変化率Δδが所定値以上変化した場合に、ロータ回転数を下げたり警告を発したりすることにより、ターボ分子ポンプ運転における予防保全性を向上させることができる。
【００５６】
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、演算部３１はロータ変形量演算手段，補正手段，ロータ温度演算手段および時間変化率演算手段を、温度センサ２１は支持部材温度センサおよび固定部温度センサを、演算部３１およびモータ駆動制御部３３は回転数変更手段を、表示部３４は警告発生手段をそれぞれ構成する。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。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明によるターボ分子ポンプの一実施の形態を示す図であり、磁気軸受式ターボ分子ポンプのポンプ本体１とコントローラ３０の概略構成を示したものである。
【図２】（ａ）は図１のＡ−Ａ断面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＢ部拡大図である。
【図３】円筒部１２の内側にネジステータ２３を有するターボ分子ポンプの断面図である。
【図４】５軸制御型磁気軸受の概略構成図である。
【図５】ロータ変形量計算のモデル図である。
【図６】３点Ｐ４，Ｐ５，Ｐ６と円筒部１２の中心Ｐ９との関係を示す図である。
【図７】ロータの変形量δのシミュレーション結果を示す図である。
【図８】ポンプ運転動作を説明するフローチャートである。
【図９】ポンプ運転動作の他の例を説明するフローチャートである。
【図１０】クリープ曲線の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００５８】
１ ポンプ本体
２ ロータ
３ シャフト
４ ベース
６ モータ
８ 回転翼
９ 固定翼
１０ スペーサ
１１，２３ ネジステータ
１２ 円筒部
１３ ケーシング
１３ａ 吸気口
１４ 回転数センサ
２０ 位置センサ
２１ 温度センサ
２７，２８ 保護ベアリング
３０ コントローラ
３１ 演算部
３２ 磁気軸受駆動制御部
３３ モータ駆動制御部
３４ 表示部
３５ 記憶部
５１〜５３，５１ａ〜５１ｄ，５２ａ〜５２ｄ 電磁石
７１〜７３，７１ａ〜７１ｄ，７２ａ〜７２ｄ 変位センサ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体製造装置や分析装置等に使用される磁気軸受式ターボ分子ポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造装置や分析装置等に用いられるターボ分子ポンプでは、中真空域から高真空域での高排気性能を得るためにタービン翼段とドラッグポンプ段とを備えたものがある。ドラッグポンプ段はタービン翼段の下流側に設けられるものであり、一般的に、ロータ下部に設けられた円筒部と、その円筒部の周面と僅かなギャップで対向配置されたネジステータとから成る。そして、円筒部がネジステータに対して高速回転することでガスが排気される。
【０００３】
ターボ分子ポンプで排気されるガスの流量が多くなったり、排気されるガスの分子量が大きくなるにつれて、モータ電力増大に伴う発熱やガス排気に伴う摩擦熱などによりロータ温度が上昇する。特に、圧力の高いドラッグポンプ段では摩擦熱の増大によりロータ温度が高くなりやすく、ロータの熱膨張により円筒部が径方向に変形してネジステータと接触するおそれがあった。さらに、ロータには遠心力が作用しているため、上述した熱膨張に加えてクリープによる変形も生じる。
【０００４】
従来、このような変形によるロータ接触を避けるために、ポンプベース部に温度センサを設けたり、モータステータ温度を検出する機構を設けるなどして、ロータ温度の異常上昇を間接的に検出するようにしている。そして、温度異常上昇検出時には、ロータ回転を停止してロータとステータとの接触を回避するようにしていた。
【０００５】
その場合、ベース部やモータステータの温度を検出してロータ温度を推定しているため、ロータが非接触支持されている磁気軸受式ターボ分子ポンプでは、ロータ温度の推定精度が悪いという欠点があった。そのため、異常温度検出の設定が、実際のロータ異常温度からずれてしまって、上述したロータ回転制御が適切に行われないという問題があった。
【０００６】
このようなロータ温度推定によるロータ接触回避対策の問題点を解決するものとして、ロータ回転軸に対して対称な位置に２つの非接触式位置センサを対向させて設け、ロータの径方向の変形を検出するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
【特許文献１】特開平１１−６７７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、ロータは磁気軸受に非接触支持されているため、ロータ回転軸は磁気軸受の中心軸に対して０〜数百μｍの範囲で変動している。ところで、上述したロータ変形検出方法では２つの位置センサが回転軸に関して対称に設けられているため、回転軸の中心位置が２つの位置センサを結ぶ線上にない場合にはロータ変形を精度良く検出できず、ポンプを安全に運転する観点において課題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１の発明は、磁気軸受により非接触支持されたロータをステータに対して回転することによりガスを排気する磁気軸受式ターボ分子ポンプに適用され、磁気軸受のアキシャル軸に垂直な面内の少なくとも３つの位置にロータと対向するように配設されて、ロータの位置を検出する少なくとも３つの非接触式位置センサと、複数の非接触式位置センサの各々によって検出されたロータ位置に基づいて、ロータの変形量を演算するロータ変形量演算手段とを備えたことを特徴とする。
請求項２の発明は、磁気軸受により非接触支持されたロータをステータに対して回転することによりガスを排気する磁気軸受式ターボ分子ポンプに適用され、ロータと対向するように配設されて、ロータの位置を検出する１つの非接触式位置センサと、非接触式位置センサで検出されたロータ位置と磁気軸受に設けられたラジアル変位センサの検出情報とに基づいて、ロータの変形量を演算するロータ変形量演算手段とを備えたことを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項１または２に記載の磁気軸受式ターボ分子ポンプにおいて、非接触式位置センサを配設位置に支持する支持部材の温度を検出する支持部材温度センサと、支持部材温度センサの検出温度に基づいて、支持部材の熱膨張による非接触式位置センサの位置ズレを補正する補正手段とを備え、ロータ変形量演算手段は、補正手段の位置ズレ補正に基づいてロータの変形量を演算するものである。
請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の磁気軸受式ターボ分子ポンプにおいて、ロータの変形量が所定値以上の場合にロータ回転数を低下させる回転数変更手段を備えたものである。
請求項５の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の磁気軸受式ターボ分子ポンプにおいて、ロータ非回転時に、磁気軸受の電磁石が固定された固定部の温度を検出する固定部温度センサと、固定部温度センサの検出温度とロータの変形量とに基づいて、ロータ回転時のロータの温度を算出するロータ温度演算手段とを備えたものである。
請求項６の発明は、請求項５に記載の磁気軸受式ターボ分子ポンプにおいて、ロータ回転時のロータの温度が所定の上限温度以上の場合にロータ回転数を低下させる回転数変更手段を備えたものである。
請求項７の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の磁気軸受式ターボ分子ポンプにおいて、変形量の時間変化率を、時系列的に繰り返し算出する時間変化率演算手段と、時間変化率演算手段で算出された時間変化率が所定値以上の場合にロータ回転数を低下させる回転数変更手段とを備えたものである。
請求項８の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の磁気軸受式ターボ分子ポンプにおいて、変形量の時間変化率を、時系列的に繰り返し算出する時間変化率演算手段と、時間変化率演算手段で算出された時間変化率が所定値以上の場合に警告を発生する警告発生手段とを備えたものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、ロータの変形量やロータ温度が精度良く算出され、それらに基づいてターボ分子ポンプをより安全に運転させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。図１は本発明によるターボ分子ポンプの一実施の形態を示す図であり、磁気軸受式ターボ分子ポンプのポンプ本体１とコントローラ３０の概略構成を示したものである。
【００１２】
ロータ２が取り付けられたシャフト３は、ベース４に設けられた電磁石５１，５２，５３によって非接触支持されている。シャフト３の浮上位置は、ベース４に設けられた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によって検出される。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、変位センサ７１〜７３とで５軸制御型磁気軸受が構成される。
【００１３】
ベース４には、ロータ２を回転駆動するモータ６、保護ベアリング２７，２８が設けられている。保護ベアリング２７，２８にはメカニカルベアリングが用いられ、電磁石５１〜５３によるシャフト３の磁気浮上がオフされたときにシャフト３を支持する。シャフト３の回転数は回転数センサ１４により検出される。
【００１４】
ロータ２には、回転軸方向に複数段の回転翼８が形成されている。上下に並んだ回転翼８の間には固定翼９がそれぞれ配設されている。これらの回転翼８と固定翼９とにより、ターボ分子ポンプ１のタービン翼段が構成される。各固定翼９は、スペーサ１０によって上下に挟持されるように保持されている。スペーサ１０は、固定翼９の保持機能とともに、固定翼９間のギャップを所定間隔に維持する機能を有している。
【００１５】
さらに、固定翼９の後段（図示下方）にはドラッグポンプ段を構成するネジステータ１１が設けられており、ネジステータ１１の内周面とロータ２の円筒部１２との間にはギャップが形成されている。ロータ２およびスペーサ１０によって保持された固定翼９は、吸気口１３ａが形成されたケーシング１３内に納められている。ロータ２が取り付けられたシャフト３を電磁石５１〜５３により非接触支持しつつモータ６により回転駆動すると、吸気口１３ａ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２６に接続された補助ポンプにより排出される。
【００１６】
ベース４には、ロータ２の円筒部１２に対向する位置に非接触式の位置センサ２０が設けられている。図２の（ａ）は図１のＡ−Ａ断面図であり、位置センサ２０はラジアル電磁石５１，５２の中心軸に関して角度１２０degの間隔で３カ所配置されている。図２（ｂ）は、図２（ａ）のＢ部拡大図である。これらの位置センサ２０は円筒部１２の内周面の径方向位置を検出するセンサであり、光学式センサや磁気式のセンサが用いられる。
【００１７】
なお、位置センサ２０はネジステータ１１の内周面に配設しても良い。また、図３のように円筒部１２の内側にもネジステータ２３を有するポンプの場合には、位置センサ２０をネジステータ２３に設けるようにしても良い。
【００１８】
位置センサ２０が配設されるドラッグポンプ段においては排気されたガスが化学反応などにより固化しやすいため、光学式センサの場合には受光部にガス固化物が付着して位置検出に不都合が生じやすい。そのため、位置センサ２０には磁気センサを用いるのが好ましい。
【００１９】
磁気センサとしては、例えば、変位センサ７１〜７３と同様のインダクタンス式センサを用いる。インダクタンス式の位置センサ２０は、図２に示すように珪素鋼板などの透磁率の大きな金属芯２０ａの周囲にコイル２０ｂを巻いたものであり、検出対象である円筒部１２の内周面には珪素鋼板等の透磁率の大きなで部材で形成したリング２２が嵌め込まれている。
【００２０】
位置センサ２０のコイル２０ｂに一定周波数、一定電圧の高周波電圧を印加すると、コイル先端からロータ内周面に向けて高周波磁界が形成される。この磁界中で円筒部１２とのギャップ寸法が変化するとコイル２０ｂのインダクタンスが変化し、その変化からロータ内周面とのギャップを検出することができる。なお、検出されたギャップからロータ変形の導出する方法については後述する。
【００２１】
図１に戻って、２１は位置センサ２０付近のベース温度を検出する温度センサである。位置センサ２０および温度センサ２１各検出信号は、コントローラ３０に設けられた演算部３１にそれぞれ入力される。ポンプ本体１を駆動制御するコントローラ３０には、磁気軸受駆動制御部３２およびモータ駆動制御部３３が設けられている。演算部３１は、位置センサ２０および温度センサ２１の検出信号に基づいてロータ変形やロータ温度などを演算する。３４はポンプ本体１の状態等を表示するための表示部である。演算部３１による演算結果は記憶部３５に記憶される。
【００２２】
図４は５軸制御型磁気軸受の概略構成を示す図であり、シャフト３の回転軸Ｊがｚ軸に一致するように示した。図４に示すように、図１のラジアル電磁石５１は、４つの電磁石５１ａ，５１ｂ，５１ｃ，５１ｄで構成されている。電磁石５１ａ，５１ｂはそれぞれｘ軸に沿ったX1−方向、X1＋方向に配設され、電磁石５１ｃ，５１ｄはそれぞれｙ軸に沿ったY1−方向、Y1＋方向に配設されている。また、これらの電磁石５１ａ〜５１ｄに対応するように、図１の変位センサ７１も２対のセンサ７１ａ〜７１ｄから構成されている。
【００２３】
同様に、ラジアル電磁石５２も４つの電磁石５２ａ，５２ｂ，５２ｃ，５２ｄで構成されており、電磁石５２ａ，５２ｂはそれぞれｘ軸に沿ったX2−方向、X2＋方向に配設され、電磁石５２ｃ，５２ｄはそれぞれｙ軸に沿ったY2−方向、Y2＋方向に配設されている。また、これらの電磁石５２ａ〜５２ｄに対応するように、図１の変位センサ７２も２対のセンサ７２ａ〜７２ｄから構成されている。
【００２４】
アキシャル電磁石５３は、シャフト３の下端に設けられたディスク４１をｚ軸に沿って挟むように対向して配設された電磁石５３ａ，５３ｂから成る。電磁石５３ａ，５３ｂは、それぞれｚ軸に沿ったZ−方向、Z＋方向に配設される。シャフト３の下方にはアキシャル用の変位センサ７３がシャフト端面に対向するように配置されている。
【００２５】
（ロータ変形計測の説明）
本実施の形態では、ベースに設けられた３つの位置センサ２０を用いてロータ２の変形を検出する。ここでは、ロータ停止中のロータ内径Ｄ０とロータ回転中のロータ内径Ｄ１との差δ＝Ｄ１−Ｄ０をロータ変形量とする。図５はロータ変形量計算のモデル図であり、以下ではこのモデル図を参照して計算方法の説明を行う。
【００２６】
図５において、円Ｃ１は円筒部１２の内周面を表しており、直径は上述したＤ０，Ｄ１である。一方、内側の円Ｃ２は３つの位置センサ２０の各先端を通る円を表しており、その直径はｄ０である。ここでは、円Ｃ２の中心をｘｙ座標の原点として位置を表すことにする。Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３は位置センサ２０の先端位置を表しており、各々の座標を（ｘ１，ｙ１，（ｘ２，ｙ２），（ｘ３，ｙ３）とする。また、各位置センサ２０の取付角度はθ１＝１２０deg，θ２＝２４０deg，θ３＝３６０degである。
【００２７】
磁気軸受の場合、ロータ２が取り付けられたシャフト３は磁気軸受の中心軸に対して偏った位置に移動することが可能であり、磁気浮上位置は中心軸と完全に一致することはなく、一般的にロータ２は偏心状態で回転している。円筒部１２の内周面Ｃ１上の点Ｐ４（ｘ４，ｙ４）は、Ｐ１に配置された位置センサ２０の測定値を表しており、座標原点と点Ｐ１とを結ぶ線上にある。同様に、Ｐ５（ｘ５，ｙ５），Ｐ６（ｘ６，ｙ６）は、Ｐ２，Ｐ３のそれぞれに配置された位置センサ２０の測定位置を表している。
【００２８】
ここで、点Ｐ１から点Ｐ４までの距離をＬ１，点Ｐ２から点Ｐ５なでの距離をＬ２，点Ｐ３から点Ｐ６までの距離をＬ３とすると、点Ｐ４〜Ｐ６の座標（ｘ４，ｙ４），（ｘ５，ｙ５），（ｘ６，ｙ６）は次式（１）〜（３）のように表される。
ｘ４＝（Ｌ１＋ｄ０／２）cosθ１、ｙ４＝（Ｌ１＋ｄ０／２）sinθ１ …（１）
ｘ５＝（Ｌ２＋ｄ０／２）cosθ２、ｙ５＝（Ｌ２＋ｄ０／２）sinθ２ …（２）
ｘ６＝（Ｌ３＋ｄ０／２）cosθ３、ｙ６＝（Ｌ３＋ｄ０／２）sinθ３ …（３）
【００２９】
また、直線Ｐ４Ｐ５，直線Ｐ５Ｐ６は次式（４），（５）で表される。
ｙ＝｛（ｙ４−ｙ５）／（ｘ４−ｘ５）｝（ｘ−ｘ４）＋ｙ４ …（４）
ｙ＝｛（ｙ５−ｙ６）／（ｘ５−ｘ６）｝（ｘ−ｘ５）＋ｙ５ …（５）
【００３０】
一方、３点Ｐ４，Ｐ５，Ｐ６を通る円の中心は円筒部１２の中心であり、図６に示すように線分Ｐ４Ｐ５，Ｐ５Ｐ６の垂直二等分線の交点Ｐ９に一致する。図６の直線Ｐ７Ｐ９，直線Ｐ８Ｐ９は次式（６），（７）で表されるので、中心Ｐ９の座標は式（６），（７）を用いて算出することができ、次式（８），（９）で表される。
ｙ＝−｛（ｙ４−ｙ５）／（ｘ４−ｘ５）｝｛ｘ−（ｘ４＋ｘ５）／２｝
（ｙ４＋ｙ５）／２ …（６）
ｙ＝−｛（ｙ５−ｙ６）／（ｘ５−ｘ６）｝｛ｘ−（ｘ５＋ｘ６）／２｝
（ｙ５＋ｙ６）／２ …（７）
ｘ９＝（ａｘｃ−ｂｘｄ−ｙｃ＋ｙｄ）／（ａ−ｂ） …（８）
ｙ９＝（ａｂｘｃ−ａｂｘｄ−ｂｙｃ＋ａｙｄ）／（ａ−ｂ） …（９）
ここで、ａ＝−（ｘ４−ｘ５）／（ｙ４−ｙ５）、ｂ＝−（ｘ５−ｘ６）／（ｙ５−ｙ６）、ｘｃ＝（ｘ４＋ｘ５）／２、ｙｃ＝（ｙ４＋ｙ５）／２、ｘｄ＝（ｘ５＋ｘ６）／２、ｙｄ＝（ｙ５＋ｙ６）／２である。
【００３１】
さらに、回転時の円筒部１２の内径Ｄ１は線分Ｐ４Ｐ９の２倍であるから、次式（１０）により算出される。
Ｄ１＝２｛（ｘ４−ｘ９）２＋（ｙ４−ｙ９）２｝１／２ …（１０）
【００３２】
ここで、具体的な数値を代入してみる。まず、ｄ０＝０．１ｍであって、回転停止時にＤ０＝０．１０１ｍであったロータ２が回転時にＤ１＝０．１０２ｍになった場合を考える。このとき、円筒部１２の変形量、すなわちロータ変形量δは０．００１ｍ＝１ｍｍとなる。ｚ軸に対する中心Ｐ９の偏心量の最大値は、シャフト３と保護ベアリング２７，２８との径方向ギャップ寸法によって規定される。
【００３３】
ここでは偏心量の最大値が５００μｍであると仮定し、円筒部１２の中心Ｐ９はｚ軸を中心とする半径５００μｍの円内の任意の位置に移動することができるとする。本実施の形態では、３つの位置センサ２０の検出結果に基づいて式（１０）から回転時ロータ直径Ｄ１を算出しているので、常に一定の値Ｄ１が得られる。そのため、ロータ変形量δ＝Ｄ１−Ｄ０は、図７の実線で示すように、ロータ回転軸中心のｚ軸回りの角度に依らず一定となる。
【００３４】
一方、従来例のように磁気軸受中心軸を挟むように２つの位置センサを対向させて設けた場合、検出されるロータ変形量はロータ回転軸中心の角度によって異なる。回転軸中心すなわち円筒部１２の中心Ｐ９が、ｚ軸を中心とする半径５００μｍの円周上を回転している場合、検出されるロータ変形量は図７の破線で示すような曲線を描く。対向する２つの位置センサを結ぶ線上に中心Ｐ９が位置した場合に検出されるロータ変形量δは１ｍｍとなり、その位置から中心Ｐ９の角度が９０degずれると検出されるロータ変形量δは実際の値よりも５０μｍ小さな値となってしまう。すなわち、最大で５０μｍ（１０％）の測定誤差が生じることになる。
【００３５】
一般的に、ロータ変形量δは、遠心力による変形、熱膨張による変形およびクリープ歪みを考慮しても最大５００μｍ程度であるので、１０％の誤差は検出機構としては精度が悪すぎるという欠点があった。また、図７からも分かるように、破線で示す場合には実際の変形量に対して小さめに検出されてしまうため、予防保全性から考えると好ましくない。一方、本実施の形態のように３つの位置センサ２０で検出する場合には、理論上の測定誤差はゼロであり、正確にロータ変形量を計測することができる。
【００３６】
さらに、位置センサ２０が設置されているベース４や内側ネジステータ２３の温度を温度センサ２１で検出し、ベース４や内側ネジステータ２３の熱膨張変形によるセンサ位置の変形方向ズレすなわちｄ０の変化を補正することにより、ロータ変形量δの測定精度をより向上させることができる。
【００３７】
上述した実施の形態では、位置センサ２０を角度間隔１２０degで配置したが、必ずしも等間隔で配置する必要はない。また、位置センサ２０の数についても、３つではなく４つ以上でも良い。
【００３８】
（変形例）
さらに、磁気軸受に用いられているラジアル変位センサ７１ａ〜７１ｄまたは７２ａ〜７２ｄの検出結果を利用することにより、位置センサ２０を１つ配置する構成としても良い。例えば、ラジアル変位センサ７２ａ〜７２ｄの検出結果を利用する場合、位置センサ２０の検出方向とラジアル変位センサ７２ａ〜７２ｄの中心とが一致するように位置センサ２０を配置する。この場合、中心Ｐ９（図６参照）の位置はラジアル変位センサ７２ａ〜７２ｄによって常に検出されているので、上述した、式（１），（１０）を用いることによりロータ変形量δ＝Ｄ１−Ｄ０を算出することができる。この変形例の場合にも、位置センサ２０を円筒部１２の外周側に設けても良い。
【００３９】
（ロータ温度の予測）
一般的に、ロータ２にはアルミ合金が用いられており、ロータ２の温度が高温になりすぎるとクリープ現象が著しくなるため、所定の上限温度よりも低い温度でターボ分子ポンプを使用するようにしている。しかしながら、磁気軸受式ターボ分子ポンプの場合にはロータ２が磁気浮上しているため温度センサを直接ロータ上に設けることができず、例えばベース温度からロータ温度を予測しているため、ロータ温度の正確な把握が難しかった。
【００４０】
本実施の形態では、算出されたロータ変形量δと温度センサ２１によって計測されたベース温度とに基づいてロータ温度を算出するようにした。この場合、ベース温度は基準温度として用いられ、コントローラ３０の電源投入直後のベース温度をＴ０とする。電源投入前においては、シャフト３は磁気浮上しておらず、ロータ２はシャフト３，保護ベアリング２７，２８およびアキシャル電磁石５３などを介してベース４と接触している。そのため、電源非通電時のロータ温度はベース温度Ｔ０と等しくなっており、電源投入後のロータ定格回転まで加速した直後のロータ温度はほぼＴ０とみなすことができる。
【００４１】
そこで、電源投入後の磁気浮上時（回転数ゼロ）のロータ温度をＴ０とし、そのときに位置センサ２０により検出された円筒部１２の内径をＤ０とする。そして、ロータ温度の上昇により円筒部１２の内径がＤ１になった場合には、そのときのロータ温度Ｔ１を次式（１１）で算出する。αはロータ２を形成する材料の線膨張係数である。
Ｄ１−Ｄ０＝αＤ０（Ｔ１−Ｔ０）
Ｔ１＝（Ｄ１−Ｄ０）／（αＤ０）＋Ｔ０ …（１１）
【００４２】
式（１１）のロータ温度Ｔ１は、ベース４の温度測定値Ｔ０と実際に計測したロータ変形量に対応する温度上昇値との和で表されているので、ロータ温度予測を高精度に行うことができる。なお、図１に示す例では温度センサ２１を位置センサ２０の近傍のベース４に設けたが、電源非通電時に何らかの部材を通じて間接的にロータ２に接触している部材上であれば他の場所に配設しても良い。
【００４３】
（ポンプ運転動作の説明）
次に、上述のように算出されたロータ変位量δやロータ温度Ｔ１を利用して、ターボ分子ポンプを安全に運転する方法について説明する。図８はロータ変位量δを用いた場合の動作を示すフローチャートであり、コントローラ３０の電源が投入されるとスタートする。ステップＳ１では温度センサ２１により温度Ｔ０を測定する。ステップＳ２では、３つの位置センサ２１の検出値に基づいて、温度Ｔ０における円筒部１２の内径Ｄ０を算出する。ステップＳ３では、モータ６による回転駆動を開始して定格回転数でポンプを運転する。
【００４４】
ロータ回転数が定格回転数になったならばステップＳ４に進み、その時の位置センサ２１の検出値に基づいて定格回転数における円筒部１２の内径Ｄ１を算出する。ステップＳ５ではロータ変形量δ＝Ｄ１−Ｄ０が規定値よりも小さいか否かを判定し、規定値より小さいと判定されるとステップＳ４へ戻り、規定値以上と判定されるとステップＳ６へ進む。ステップＳ５における規定値には、例えば、ロータ２とネジステータ１１との接触が防止できるロータ変形量δの上限値を用いる。
【００４５】
ステップＳ５で規定値以上と判定されるてステップＳ６へ進んだ場合には、ステップｓ６においてロータ回転数を所定回転数だけ減少させる。そして、ステップＳ７において運転状態が低回転状態であることをコントローラ３０に設けられた表示部３４（図１参照）に表示する。なお、表示に加えて、低回転状態であることを示す信号を、例えばポンプが取り付けられた装置側に送信するようにしても良い。
【００４６】
ロータ回転数が減少すると遠心力による変形が小さくなるので、ロータ２とネジステータ１１との接触を防止することができる。また、モータ６の発熱はガスとの摩擦熱も小さくなるので、ロータ２の温度は徐々に低下する。ステップＳ８では、上述した式（１１）を用いてロータ温度Ｔ１を算出する。ステップＳ９では、算出されたロータ温度Ｔ１が規定値よりも小さくなったか否かを判定し、小さいと判定されるとステップＳ１０へ進み、規定値以上と判定されるとステップＳ８へ戻る。
【００４７】
ステップＳ９はロータ温度が安全な温度となったか否かを判定するステップであり、ここの既定値としては１２０℃程度の温度が用いられる。ステップＳ９からステップＳ１０へ進んだ場合には、ステップＳ１０においてロータ回転数を定格回転数まで上昇させる。そして、ステップＳ１１において表示部３４に表示されている回転数低下表示を解除した後に、ステップＳ４へ戻る。
【００４８】
なお、図８に示した動作では、ロータ変形量δが規定値よりも小さいか否か判定して回転数低下の制御を行ったが、図９に示すフローチャートのようにロータ温度Ｔ１に基づいて回転数制御を行っても良い。すなわち、ステップＳ４で回転時の円筒部１２の内径Ｄ１を算出したならばステップＳ１００へ進み、ロータ温度Ｔ１を算出する。その後、ステップＳ１０１でロータ温度Ｔ１が上限温度より小さいか否かを判定する。ステップＳ１０１において、ロータ温度Ｔ１が上限温度より小さいと判定されるとステップＳ４へ戻り、ロータ温度Ｔ１が上限温度異常と判定されるとステップＳ６へ進む。その他のステップの処理は、図８に示す同符号ステップの処理と同様であるので説明を省略する。
【００４９】
図８，９に示すようなポンプ運転動作を行わせることにより、ロータ２がネジステータ１１と接触したりロータ２が破壊したりするのを防止することができ、ターボ分子ポンプを安全に運転することができる。
【００５０】
ところで、アルミ合金等の金属から成るロータ２を高速回転させるとロータ２には遠心力が作用し、上述した遠心力による変形および熱膨張による変形に加えてクリープによる変形が生じる。クリープによる歪みεは次式（１２）のように応力σ、時間ｔ、温度Ｔに依存しており、温度Ｔが上昇するにつれて顕著になる。なお、応力σは遠心力によるものなので、ロータ回転数で置き換えることができる。
ε＝ｆ（σ、ｔ、Ｔ） …（１２）
【００５１】
図１０は、応力σおよび時間ｔを一定としたときの時間ｔと歪みεとの関係を示すクリープ曲線を示したものである。クリープには遷移クリープ、定常クリープおよび加速クリープの３段階があり、図１に示すように時間の経過とともに段階が進む。そして、加速クリープの段階になると歪みεの時間変化率が著しく大きくなり、ある時が経過した後に材料が破断してしまう。ターボ分子ポンプの場合には、ロータ２が破断するか、その前にロータ２がステータ側に接触し、いずれにしてもポンプが損傷してしまう。
【００５２】
そこで、本実施の形態のターボ分子ポンプでは、以下のようにしてロータ２のクリープを検出して、加速クリープとなる前にアラームを発することによりクリープによるポンプ損傷を防止し、ターボ分子ポンプ運転における予防保全性の向上を図るようにした。
【００５３】
まず、ロータ変形量δを所定運転時間毎に算出し、算出結果を記憶部３５に記憶する。そして、その間のロータ変形量δの変化から、ロータ変形量δの変化率Δδを算出し記憶部３５に記憶する。定常クリープ段階ではこの変化率Δδはほぼ一定であり、加速クリープ段階へと移行する際に変化率Δδが変化する。そこで、時系列的に繰り返し算出される変化率Δδが所定値以上変化したならば、ロータ回転数を低下させるとともに、表示部３４に警告を表示したり警告音を発生するなどしてオペレータに異常発生を知らせる。
【００５４】
なお、クリープ曲線は上述したように応力σ（すなわち、ロータ回転数）、時間ｔ、温度Ｔに依存しているので、ロータ変形量δを算出する際のこれらの条件を揃えるか、同一条件となるようにロータ変形量δを補正して変化率Δδを算出する。
【００５５】
上述した本実施の形態では以下のような作用効果を奏する。
（ａ）３つの位置センサ２０、または、１つの位置センサ２０とラジアル変位センサ７１ａ〜７１ｄ、７２ａ〜７２ｄを用いてロータ位置を検出することにより、ロータ変形量δを従来より精度良く求めることができる。
（ｂ）さらに、位置センサ２０が設けられているベース４の熱膨張を温度センサ２１の検出温度に基づいて算出し、熱膨張による位置センサ２０の位置ズレを補正することにより、より精度向上を図ることができる。
（ｃ）ロータ停止時のベース温度とロータ回転時のロータ変形量δとを用いてロータ温度を算出することにより、ロータ温度を精度良く推定することができる。
（ｄ）ロータ温度が上限温度以上となったり、ロータ変形量δが規定値以上となったり、変化率Δδが所定値以上変化した場合に、ロータ回転数を下げたり警告を発したりすることにより、ターボ分子ポンプ運転における予防保全性を向上させることができる。
【００５６】
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、演算部３１はロータ変形量演算手段，補正手段，ロータ温度演算手段および時間変化率演算手段を、温度センサ２１は支持部材温度センサおよび固定部温度センサを、演算部３１およびモータ駆動制御部３３は回転数変更手段を、表示部３４は警告発生手段をそれぞれ構成する。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。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明によるターボ分子ポンプの一実施の形態を示す図であり、磁気軸受式ターボ分子ポンプのポンプ本体１とコントローラ３０の概略構成を示したものである。
【図２】（ａ）は図１のＡ−Ａ断面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＢ部拡大図である。
【図３】円筒部１２の内側にネジステータ２３を有するターボ分子ポンプの断面図である。
【図４】５軸制御型磁気軸受の概略構成図である。
【図５】ロータ変形量計算のモデル図である。
【図６】３点Ｐ４，Ｐ５，Ｐ６と円筒部１２の中心Ｐ９との関係を示す図である。
【図７】ロータの変形量δのシミュレーション結果を示す図である。
【図８】ポンプ運転動作を説明するフローチャートである。
【図９】ポンプ運転動作の他の例を説明するフローチャートである。
【図１０】クリープ曲線の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００５８】
１ ポンプ本体
２ ロータ
３ シャフト
４ ベース
６ モータ
８ 回転翼
９ 固定翼
１０ スペーサ
１１，２３ ネジステータ
１２ 円筒部
１３ ケーシング
１３ａ 吸気口
１４ 回転数センサ
２０ 位置センサ
２１ 温度センサ
２７，２８ 保護ベアリング
３０ コントローラ
３１ 演算部
３２ 磁気軸受駆動制御部
３３ モータ駆動制御部
３４ 表示部
３５ 記憶部
５１〜５３，５１ａ〜５１ｄ，５２ａ〜５２ｄ 電磁石
７１〜７３，７１ａ〜７１ｄ，７２ａ〜７２ｄ 変位センサ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気軸受により非接触支持されたロータをステータに対して回転することによりガスを排気する磁気軸受式ターボ分子ポンプにおいて、
前記磁気軸受のアキシャル軸に垂直な面内の少なくとも３つの位置に前記ロータと対向するように配設されて、前記ロータの位置を検出する少なくとも３つの非接触式位置センサと、
前記複数の非接触式位置センサの各々によって検出されたロータ位置に基づいて、前記ロータの変形量を演算するロータ変形量演算手段とを備えたことを特徴とする磁気軸受式ターボ分子ポンプ。
【請求項２】
磁気軸受により非接触支持されたロータをステータに対して回転することによりガスを排気する磁気軸受式ターボ分子ポンプにおいて、
前記ロータと対向するように配設されて、前記ロータの位置を検出する１つの非接触式位置センサと、
前記非接触式位置センサで検出されたロータ位置と前記磁気軸受に設けられたラジアル変位センサの検出情報とに基づいて、前記ロータの変形量を演算するロータ変形量演算手段とを備えたことを特徴とする磁気軸受式ターボ分子ポンプ。
【請求項３】
請求項１または２に記載の磁気軸受式ターボ分子ポンプにおいて、
前記非接触式位置センサを前記配設位置に支持する支持部材の温度を検出する支持部材温度センサと、
前記支持部材温度センサの検出温度に基づいて、前記支持部材の熱膨張による前記非接触式位置センサの位置ズレを補正する補正手段とを備え、
前記ロータ変形量演算手段は、前記補正手段の位置ズレ補正に基づいて前記ロータの変形量を演算することを特徴とする磁気軸受式ターボ分子ポンプ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の磁気軸受式ターボ分子ポンプにおいて、
前記ロータの変形量が所定値以上の場合にロータ回転数を低下させる回転数変更手段を備えたことを特徴とするターボ分子ポンプ。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれかに記載の磁気軸受式ターボ分子ポンプにおいて、
ロータ非回転時に、前記磁気軸受の電磁石が固定された固定部の温度を検出する固定部温度センサと、
前記固定部温度センサの検出温度と前記ロータの変形量とに基づいて、ロータ回転時の前記ロータの温度を算出するロータ温度演算手段とを備えたことを特徴とするターボ分子ポンプ。
【請求項６】
請求項５に記載の磁気軸受式ターボ分子ポンプにおいて、
前記ロータ回転時のロータの温度が所定の上限温度以上の場合にロータ回転数を低下させる回転数変更手段を備えたことを特徴とするターボ分子ポンプ。
【請求項７】
請求項１〜３のいずれかに記載の磁気軸受式ターボ分子ポンプにおいて、
前記変形量の時間変化率を、時系列的に繰り返し算出する時間変化率演算手段と、
前記時間変化率演算手段で算出された前記時間変化率が所定値以上の場合にロータ回転数を低下させる回転数変更手段とを備えたことを特徴とするターボ分子ポンプ。
【請求項８】
請求項１〜３のいずれかに記載の磁気軸受式ターボ分子ポンプにおいて、
前記変形量の時間変化率を、時系列的に繰り返し算出する時間変化率演算手段と、
前記時間変化率演算手段で算出された前記時間変化率が所定値以上の場合に警告を発生する警告発生手段とを備えたことを特徴とするターボ分子ポンプ。
【請求項１】
磁気軸受により非接触支持されたロータをステータに対して回転することによりガスを排気する磁気軸受式ターボ分子ポンプにおいて、
前記磁気軸受のアキシャル軸に垂直な面内の少なくとも３つの位置に前記ロータと対向するように配設されて、前記ロータの位置を検出する少なくとも３つの非接触式位置センサと、
前記複数の非接触式位置センサの各々によって検出されたロータ位置に基づいて、前記ロータの変形量を演算するロータ変形量演算手段とを備えたことを特徴とする磁気軸受式ターボ分子ポンプ。
【請求項２】
磁気軸受により非接触支持されたロータをステータに対して回転することによりガスを排気する磁気軸受式ターボ分子ポンプにおいて、
前記ロータと対向するように配設されて、前記ロータの位置を検出する１つの非接触式位置センサと、
前記非接触式位置センサで検出されたロータ位置と前記磁気軸受に設けられたラジアル変位センサの検出情報とに基づいて、前記ロータの変形量を演算するロータ変形量演算手段とを備えたことを特徴とする磁気軸受式ターボ分子ポンプ。
【請求項３】
請求項１または２に記載の磁気軸受式ターボ分子ポンプにおいて、
前記非接触式位置センサを前記配設位置に支持する支持部材の温度を検出する支持部材温度センサと、
前記支持部材温度センサの検出温度に基づいて、前記支持部材の熱膨張による前記非接触式位置センサの位置ズレを補正する補正手段とを備え、
前記ロータ変形量演算手段は、前記補正手段の位置ズレ補正に基づいて前記ロータの変形量を演算することを特徴とする磁気軸受式ターボ分子ポンプ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の磁気軸受式ターボ分子ポンプにおいて、
前記ロータの変形量が所定値以上の場合にロータ回転数を低下させる回転数変更手段を備えたことを特徴とするターボ分子ポンプ。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれかに記載の磁気軸受式ターボ分子ポンプにおいて、
ロータ非回転時に、前記磁気軸受の電磁石が固定された固定部の温度を検出する固定部温度センサと、
前記固定部温度センサの検出温度と前記ロータの変形量とに基づいて、ロータ回転時の前記ロータの温度を算出するロータ温度演算手段とを備えたことを特徴とするターボ分子ポンプ。
【請求項６】
請求項５に記載の磁気軸受式ターボ分子ポンプにおいて、
前記ロータ回転時のロータの温度が所定の上限温度以上の場合にロータ回転数を低下させる回転数変更手段を備えたことを特徴とするターボ分子ポンプ。
【請求項７】
請求項１〜３のいずれかに記載の磁気軸受式ターボ分子ポンプにおいて、
前記変形量の時間変化率を、時系列的に繰り返し算出する時間変化率演算手段と、
前記時間変化率演算手段で算出された前記時間変化率が所定値以上の場合にロータ回転数を低下させる回転数変更手段とを備えたことを特徴とするターボ分子ポンプ。
【請求項８】
請求項１〜３のいずれかに記載の磁気軸受式ターボ分子ポンプにおいて、
前記変形量の時間変化率を、時系列的に繰り返し算出する時間変化率演算手段と、
前記時間変化率演算手段で算出された前記時間変化率が所定値以上の場合に警告を発生する警告発生手段とを備えたことを特徴とするターボ分子ポンプ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００６−２６１４（Ｐ２００６−２６１４Ａ）
【公開日】平成１８年１月５日（２００６．１．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−１７７９６０（Ｐ２００４−１７７９６０）
【出願日】平成１６年６月１６日（２００４．６．１６）
【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１８年１月５日（２００６．１．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年６月１６日（２００４．６．１６）
【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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