JP2005240967A - 磁気軸受装置及びターボ型真空ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】 高温による回転軸の熱膨張量を補正して回転軸のアキシャル方向の位置を安定制御することができる磁気軸受装置、及びこのような磁気軸受装置を備えるターボ型真空ポンプを提供する。
【解決手段】 回転軸１を磁気浮上させる少なくとも一対のアキシャル磁気軸受５ａ，５ｂと、回転軸１のアキシャル方向の浮上位置を検出する少なくとも一つのアキシャル変位センサ６と、アキシャル変位センサ６の出力値に基づいて回転軸１が所定位置で磁気浮上するようにアキシャル磁気軸受５ａ，５ｂを制御する磁気軸受制御装置３７と、回転軸１の温度を検出する温度検出手段１９と、回転軸１のアキシャル方向の浮上位置を調整する浮上位置調整装置３３とを備え、浮上位置調整装置３３は、温度検出手段１９の出力値に基づいて回転軸１のアキシャル方向の浮上位置を移動させる。
【選択図】図４

Description

本発明は、磁気軸受装置及びターボ型真空ポンプに係り、特に、電磁石の磁気吸引力を利用して回転軸を非接触に支持する磁気軸受装置及び該磁気軸受装置を備えたターボ型真空ポンプに関するものである。

磁気軸受は、回転軸等の被浮上体を非接触で支持できる軸受であることから、例えばターボ分子ポンプ等に用いて高速回転運動が可能となる。このような磁気軸受は、軸受の磨耗という問題が生ぜず、また潤滑油等を必要としないのでメンテナンスフリーである、等の種々の特徴を有している。かかる磁気軸受には、回転軸の半径方向の浮上位置を能動制御するラジアル能動磁気軸受、及び回転軸の軸方向の浮上位置を能動制御するアキシャル能動磁気軸受等がある。このような磁気軸受をターボ型真空ポンプに適用した従来例を図１及び図２に示す。

図１及び図２において、符号１は回転軸、符号２ａ〜２ｃは回転軸１に取付けられた回転翼、符号３ａ〜３ｃは回転翼２ａ〜２ｃにそれぞれ対向するように配置された固定翼である。固定翼３ａ〜３ｃはポンプステータ１１の内面に取付けられ、スペーサ４ａ，４ｂによって相対位置が固定されている。符号５ａ，５ｂは磁気軸受ターゲット１６を介して回転軸１をアキシャル方向に磁気浮上させるためのアキシャル磁気軸受、符号６は回転軸１の端部近傍に取付けられたアキシャル変位センサ、符号７はアキシャル変位センサ６と対向するように回転軸１の端部に取付けられたセンサターゲットである。回転軸１の変位はアキシャル変位センサ６によって検出され、アキシャル変位センサ６の出力信号に基づいて回転軸１がアキシャル磁気軸受５ａ，５ｂによって所定の位置に支持される。なお、図示しないが、一般に回転軸１をラジアル方向に磁気浮上させるラジアル磁気軸受が設けられる。

符号８Ａは回転軸１の中央部に取付けられたモータロータ、符号８Ｂはモータロータ８Ａを回転軸１と一体に回転させるモータステータ、符号９ａ，９ｂは保護ベアリング（タッチダウンベアリング）、符号１０は固定翼３ａ〜３ｃ及びスペーサ４ａ，４ｂなどを加熱するヒータである。また、符号１２はポンプステータ１１のモータステータ８Ｂとアキシャル磁気軸受５ａ，５ｂが位置する部分を冷却する冷却ジャケットである。ポンプステータ１１には、回転翼２ａの上流側に位置する吸気口１４と、回転翼２ｃの下流側に位置する排気口１５とが形成されている。

上記構成を有するターボ型真空ポンプは、半導体製造工程において広く使用されており、半導体製造工程において用いられる各種の反応ガスがターボ型真空ポンプにより排気される。近年、その反応ガス量は半導体ウエハの大型化から増加する傾向にあり、これに伴い半導体製造装置も大型化しつつある。同様に、反応ガス量が増加するに伴い、ターボ型真空ポンプも大型化しており、ターボ型真空ポンプの更なる小型化が求められている。このような要求から、回転翼２ａ〜２ｃと固定翼３ａ〜３ｃの隙間をよりいっそう小さくして、吸気口１４と排気口１５との間で大きな圧力差が得られるようにすると共に、高排気性能を実現するターボ型真空ポンプの開発が進められている。

一般に、半導体製造工程中に発生する生成物がポンプ内部に付着することを防止するため、固定翼３ａ〜３ｃ及びスペーサ４ａ，４ｂはヒータ１０により高温に加熱される。このため、その輻射熱が回転軸１に伝わり、回転軸１の温度が上昇する。また、プロセス中において高温化した反応ガスの熱や、回転翼２ａ〜２ｃと反応ガスとの摩擦熱が回転軸１に伝導し、回転軸１はその全長に亘って高温となる。さらに、回転軸１はアキシャル磁気軸受５ａ，５ｂによって磁気浮上しているためポンプステータ１１とは接触しておらず、また回転軸１は真空雰囲気中に置かれる。このため、回転軸１からの放熱量が少なく、よって回転軸１は非常に高温となる。

一方、ポンプステータ１１は、モータステータ８Ｂ及びアキシャル磁気軸受５ａ，５ｂが配置される部分の温度上昇を防止するために、冷却ジャケット１２で冷却されている。その結果として回転軸１とポンプステータ１１との温度差が大きくなり、熱膨張した回転軸１の長さＬ１とポンプステータ１１の長さＬ２との差が大きくなってしまう。

また、回転軸１の一方の端部が吸気口１４に位置するというターボ型真空ポンプの構造から、アキシャル変位センサ６は回転軸１の他方の端部近傍のみに配置されている。このため、通常、アキシャル変位センサ６は回転翼２ａ〜２ｃ及び固定翼３ａ〜３ｃから離れた位置に配置される。図２のように、アキシャル磁気軸受５ａ，５ｂは、アキシャル変位センサ６とセンサターゲット７との隙間ｄｒが常に一定となるように制御するため、回転軸１はセンサターゲット７の設置位置を基点として吸気口１４に向かって伸びることになる。そうすると、上述したように回転軸１とポンプステータ１１との温度差が大きいことから、Ｌ１とＬ２の熱膨張による伸び率が大きく異なってしまい、回転翼２ａ〜２ｃと固定翼３ａ〜３ｃとの隙間ｄｇは回転軸１の温度上昇と共に狭まることになる。その結果、ターボ型真空ポンプの高排気性能を図るために回転翼２ａ〜２ｃと固定翼３ａ〜３ｃとの隙間ｄｇを小さくすると、ターボ型真空ポンプの運転中にこれらが接触することとなりかねない。このため、一定以上の隙間を確保する必要があり、ターボ型真空ポンプの小型化及び高排気性能化の障害となっていた。

本発明は、上述の点に鑑みてなされたもので、高温による回転軸の熱膨張量を補正して回転軸のアキシャル方向の位置を安定制御することができる磁気軸受装置、及びこのような磁気軸受装置を備えるターボ型真空ポンプを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一態様は、回転軸を磁気浮上させる少なくとも一対のアキシャル磁気軸受と、該回転軸のアキシャル方向の浮上位置を検出する少なくとも一つのアキシャル変位センサと、該アキシャル変位センサの出力値に基づいて前記回転軸が所定位置で磁気浮上するように前記アキシャル磁気軸受を制御する磁気軸受制御装置と、前記回転軸の温度を検出する温度検出手段と、前記回転軸のアキシャル方向の浮上位置を調整する浮上位置調整装置とを備え、前記浮上位置調整装置は、前記温度検出手段の出力値に基づいて前記回転軸のアキシャル方向の浮上位置を移動させることを特徴とする磁気軸受装置である。
本発明の好ましい態様は、記温度検出手段は前記回転軸の高温となる部位の温度を検出することを特徴とする。

本発明の他の態様は、上記磁気軸受装置と、前記回転軸に固定された少なくとも１つの回転翼と、前記回転翼を収容するポンプステータと、前記回転翼に対向するように前記ポンプステータ内に配置された少なくとも１つの固定翼とを備えたことを特徴とするターボ型真空ポンプである。

本発明によれば、回転軸が高温により熱膨張した場合でも、回転軸のアキシャル方向の浮上位置を熱膨張が打ち消される方向に移動させることができる。従って、回転翼と固定翼とを接触させることなく回転翼と固定翼との隙間をよりいっそう小さくすることが可能となり、これによりターボ型真空ポンプの排気性能を向上させることができる。

以下、本発明の一実施形態に係る磁気軸受装置及び該磁気軸受装置を有するターボ型真空ポンプについて図面を参照して説明する。
図３は本発明の一実施形態に係るターボ型真空ポンプを示す模式図である。図４は図３に示すターボ型真空ポンプに組み込まれる制御システムを示す模式図である。なお、図３及び図４において、図１と同一符号を付した構成要素は同一または相当の構成要素を示し、その重複する説明を省略する。

図３に示すように、ポンプステータ（ハウジング）１１の内部には、回転軸１の温度を検出するための温度検出素子としてのサーミスタ２０が設けられており、このサーミスタ２０は回転翼２ａ〜２ｃの近傍に配置されている。回転翼２ａ〜２ｃはターボ型真空ポンプを構成する部材の中で最も高温となり、従って、回転軸１は回転翼２ａ〜２ｃが取付けられた部位で最も高温となる。例えば、回転翼２ａ〜２ｃが取付けられた回転軸１の部位、回転翼２ａ〜２ｃ、固定翼３ａ〜３ｃ、及びスペーサ４ａ，４ｂの温度は、１５０〜２５０℃となる。一方、アキシャル磁気軸受５ａ，５ｂの近傍に位置する回転軸１の部位の温度は１００〜１５０℃、ポンプステータ１１の温度は５０〜１００℃となる。

図４に示すように、サーミスタ２０は温度検出回路３１に接続されている。温度検出回路３１には基準電源３０が接続され、この基準電源３０からは基準電圧が温度検出回路３１に印加されるようになっている。このような構成により、温度検出回路３１は、温度に応じて変化するサーミスタ２０の抵抗値を電圧信号に変換し、サーミスタ２０の抵抗値を温度信号（電圧信号）として出力する。サーミスタ２０の抵抗値は温度に応じて変化するため、温度検出回路３１は回転軸１の温度変化に伴って変化する温度信号を出力する。なお、サーミスタ２０、温度検出回路３１、及び基準電源３０により温度検出手段１９が構成されている。

アキシャル変位センサ６はセンサ回路３２に接続されており、このセンサ回路３２によってアキシャル変位センサ６とセンサターゲット７との隙間ｄｒの大きさが電圧信号に変換され、センサ回路３２からは上記隙間ｄｒの大きさに応じた変位信号（電圧信号）が出力される。センサ回路３２は、回転軸１を安定浮上させるための位相補正器（ＰＩＤ回路）３４に減算器３３を介して接続されている。さらに位相補正器３４はＰＷＭ方式の電流ドライブ回路３５に接続され、この電流ドライブ回路３５はアキシャル磁気軸受５ａ，５ｂに接続されている。電流ドライブ回路３５は回転軸１の変位量を修正するのに必要な電流をアキシャル磁気軸受５ａ，５ｂに供給し、これにより回転軸１がアキシャル方向の所定の位置に磁気浮上させられる。なお、位相補正器３４及び電流ドライブ回路３５により磁気軸受制御装置３７が構成される。

通常、回転軸１が磁気浮上しているときには、アキシャル変位センサ６とセンサターゲット７との隙間ｄｒが一定になるようにアキシャル磁気軸受５ａ，５ｂが磁気軸受制御装置３７によって制御される。このため、回転軸１が温度上昇により熱膨張すると、回転軸１はセンサターゲット７の位置を基点として上方向に、すなわち吸気口１４に向かって伸びることになり、回転翼２ａ〜２ｃと固定翼３ａ〜３ｃとの隙間が減少し、回転翼２ａ〜２ｃと固定翼３ａ〜３ｃとが接触してしまう。

そこで、本制御システムでは、温度信号を用いて変位信号を補正することにより、回転軸１の熱膨張による回転翼２ａ〜２ｃと固定翼３ａ〜３ｃとの接触を防止している。すなわち、温度検出回路３１及びセンサ回路３２は減算器（浮上位置調整装置）３３に接続されており、減算器３３によって温度検出回路３１からの温度信号がセンサ回路３２からの変位信号から減算されるようになっている。

サーミスタ２０は、回転軸１の温度が上昇する主な要因となる回転翼２ａ〜２ｃ付近に配置されているため、回転軸１（サーミスタ２０）の温度が上昇するに従い、温度検出回路３１からの温度信号が増大する。減算器３３では変位信号から温度信号が減算されるため、サーミスタ２０の温度が上昇するに従い、減算器３３の出力は減少することになる。その結果として、回転軸１は図４において下方に、即ち、回転軸１の熱膨張量を打ち消す方向に移動して隙間ｄｒが減少し、これにより、回転翼２ａ〜２ｃと固定翼３ａ〜３ｃとの隙間が減少してしまうことが防止される。この場合、温度検出回路３１からの温度信号を適切に調整することにより、回転軸１の熱膨張による回転翼２ａ〜２ｃと固定翼３ａ〜３ｃとの隙間をほぼ一定とすることができ、回転翼２ａ〜２ｃと固定翼３ａ〜３ｃとの接触を防止することが可能となる。

図５は制御システムの他の構成例を示す模式図である。なお、図５において、図４と同一符号を付した構成要素は同一または相当の構成要素を示し、その重複する説明を省略する。図５において、符号４０ａ，４０ｂはアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータ、符号４１は浮上位置調整装置（ＣＰＵ）、符号４２は浮上位置調整装置４１の内部に格納された記憶装置、符号４３は浮上位置調整装置４１内のＤＳＰ(デジタルシグナルプロセッサ)を用いた位相補正器、符号４４はデジタル信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａコンバータである。なお、位相補正器４３、Ｄ／Ａコンバータ４４、及び電流ドライブ回路３５により磁気軸受制御装置３７が構成される。

温度検出回路３１はＡ／Ｄコンバータ４０ａを介して浮上位置調整装置４１に接続されており、温度検出回路３１からの温度信号（アナログ信号）がＡ／Ｄコンバータ４０ａにてデジタル信号に変換された後、浮上位置調整装置４１に入力されるようになっている。センサ回路３２はＡ／Ｄコンバータ４０ｂを介して浮上位置調整装置４１に接続されており、センサ回路３２からの変位信号（アナログ信号）がＡ／Ｄコンバータ４０ｂにてデジタル信号に変換された後、浮上位置調整装置４１に入力されるようになっている。

サーミスタ２０の温度に対する抵抗値の変化率は、その性質から一定ではなく、サーミスタ２０が高温になるに従って抵抗値の変化率が減少する傾向にある。このため、常温から高温まで回転翼２ａ〜２ｃと固定翼３ａ〜３ｃとの隙間が一定になるように回転軸１の浮上位置を移動させるには、このサーミスタ２０の特性を補正する必要がある。また、回転軸１は複数の材料で構成されている場合が殆どであるために、温度上昇に伴う回転軸１の熱膨張量も一定ではない。

そこで、本制御システムでは、回転軸１の各温度での浮上位置の補正データを記憶装置４２に予めストアしておき、この補正データに基づいて回転軸１のアキシャル方向の浮上位置を補正する。すなわち、温度検出回路３１からの温度信号をＡ／Ｄコンバータ４０ａを介して浮上位置調整装置４１に入力し、同時にセンサ回路３２からの変位信号をＡ／Ｄコンバータ４０ｂを介して浮上位置調整装置４１に入力する。そして、浮上位置調整装置４１にて変位信号から温度信号を減算し、同時に、温度信号が減算された変位信号を補正データに基づいて補正する。

補正された変位信号は位相補正器４３により位相補正され、Ｄ／Ａコンバータ４４によりアナログ信号に変換された後、電流ドライブ回路３５に入力される。電流ドライブ回路３５はアナログ信号（変位信号）に基づいてアキシャル磁気軸受５ａ，５ｂに電流を流し、これにより、回転軸１の熱膨張を打ち消す方向に回転軸１の浮上位置が移動される。このような構成によれば、回転翼２ａ〜２ｃと固定翼３ａ〜３ｃとの隙間をより正確に維持することができる。なお、温度検出素子はサーミスタである必然性はなく、熱電対などの他タイプの温度検出素子を用いてもよい。また、温度検出素子を回転軸１の内部に配置し、回転軸１の温度をより正確に検出するようにしてもよい。

従来のターボ型真空ポンプを示す模式図である。 図１に示すターボ型真空ポンプの主要部を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係るターボ型真空ポンプを示す模式図である。 図３に示すターボ型真空ポンプに組み込まれる制御システムを示す模式図である。 制御システムの他の構成例を示す模式図である。

符号の説明

１ 回転軸
２ａ，２ｂ，２ｃ 回転翼
３ａ，３ｂ，３ｃ 固定翼
４ａ，４ｂ スペーサ
５ａ，５ｂ アキシャル磁気軸受
６ アキシャル変位センサ
７ センサターゲット
８Ａ モータロータ
８Ｂ モータステータ
９ａ，９ｂ 保護ベアリング
１０ ヒータ
１１ ポンプステータ
１２ 冷却ジャケット
１４ 吸気口
１５ 排気口
１６ 磁気軸受ターゲット
１９ 温度検出手段
２０ サーミスタ
３０ 基準電源
３１ 温度検出回路
３２ センサ回路
３３ 減算器（浮上位置調整装置）
３４ 位相補正器
３５ 電流ドライブ回路
３７ 磁気軸受制御装置
４０ａ，４０ｂ Ａ／Ｄコンバータ
４１ 浮上位置調整装置
４２ 記憶装置
４３ 位相補正器
４４ Ｄ／Ａコンバータ

Claims (3)

1. 回転軸を磁気浮上させる少なくとも一対のアキシャル磁気軸受と、
   該回転軸のアキシャル方向の浮上位置を検出する少なくとも一つのアキシャル変位センサと、
   該アキシャル変位センサの出力値に基づいて前記回転軸が所定位置で磁気浮上するように前記アキシャル磁気軸受を制御する磁気軸受制御装置と、
   前記回転軸の温度を検出する温度検出手段と、
   前記回転軸のアキシャル方向の浮上位置を調整する浮上位置調整装置とを備え、
   前記浮上位置調整装置は、前記温度検出手段の出力値に基づいて前記回転軸のアキシャル方向の浮上位置を移動させることを特徴とする磁気軸受装置。
2. 請求項１に記載の磁気軸受装置において、前記温度検出手段は前記回転軸の高温となる部位の温度を検出することを特徴とする磁気軸受装置。
3. 請求項１又は２に記載の磁気軸受装置と、
   前記回転軸に固定された少なくとも１つの回転翼と、
   前記回転翼を収容するポンプステータと、
   前記回転翼に対向するように前記ポンプステータ内に配置された少なくとも１つの固定翼とを備えたことを特徴とするターボ型真空ポンプ。

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