JP4965596B2 - ターボ型真空ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、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乃至図３に示す。

図１乃至図３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能動磁気軸受、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がアキシャル能動磁気軸受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能動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（タッチダウン軸受）、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とアキシャル能動磁気軸受５ａ，５ｂが位置する部分を冷却する冷却ジャケット、符号１３ａはモータステータ８Ｂの巻線に取付けられた温度検出用サーミスタ、符号１３ｂはアキシャル能動磁気軸受５ａの巻線に取付けられた温度検出用サーミスタである。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ともに、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。回転軸１はアキシャル能動磁気軸受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及びアキシャル能動磁気軸受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、アキシャル能動磁気軸受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されるため、回転軸１はセンサターゲット７の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排気性能向上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、これらが回転中に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高排気性能化を阻害していた。

前述したアキシャル変位センサ６には、一般に、耐久性の問題等からフェライト材料や積層された薄いけい素鋼鈑などの磁性体（コア）に導線を巻いた構造のコイルが使用されている。このようなアキシャル変位センサは、コイルのインピーダンスの変化を利用した誘導型あるいは渦電流型変位センサであり、コアの温度が変化するとその透磁率が変化することが知られている。
一般に、コイルのインダクタンスＬｃは、次の式で表される。

Ｎ：導線の巻数、Ｒｍ１：コアの磁気抵抗、Ｒｍ２：コイルとセンサターゲットとのギャップの磁気抵抗

コアの磁気抵抗Ｒｍ１ 、及びコイルとセンサターゲットとのギャップの磁気抵抗Ｒｍ２は、漏れ磁束を無視すると、それぞれ次の式で表される。

μ_０：真空透磁率、Ｌｅ：コアの実効磁路長、δ：ギャップ長さ、μ_Ｃ：コアの透磁率、Ａｅ：コアの実効断面積

また、コイルのインピーダンスＺ_Ｌは、次の式で表される。

Ｌｃ：コイルのインダクタンス、Ｒｃ：巻線の抵抗

（１）式及び（２）式から明らかなように、コアの透磁率が変化するとインダクタンスが変化し、（４）式よりインピーダンスが変化することになり、結果としてアキシャル変位センサの検出値に誤差が発生する。またフェライト材などの磁性体は、材料が常磁性になるキュリー温度近傍になると急激に透磁率が変化する特性を一般的に持っている。このため、アキシャル変位センサの温度が１００℃を超えるような高温となってキュリー温度に近づくと、さらに誤差が拡大することとなる。前述の様に回転翼２ａ〜２ｃと固定翼３ａ〜３ｃとの隙間を小さくした場合、この誤差に起因してこれらが接触するという問題があり、アキシャル変位センサを真空ポンプの高温部分に取付けることはできなかった。

また、一般に、センサターゲットとコアとの隙間の変化とインピーダンスの変化とは、（１）〜（４）式から正比例の関係ではなく、上記隙間が狭いほどインピーダンスの変化が急峻であり、隙間が大きくなるとインピーダンスの変化がなだらかになる。従って、アキシャル変位センサ６を用いて回転軸１のアキシャル方向の磁気浮上位置を正確に制御する場合は、センサターゲットの変位量−アキシャル変位センサの出力値の特性曲線を直線に補正する必要があった。

図２において、アキシャル変位センサ６は、回転軸１の軸中心線上に設置されている。一方、図３に示す例では、アキシャル変位センサ６は、回転軸１の軸中心線から外れた位置に設置され、回転軸１に垂直なセンサターゲット７に対向するように配置されている。図３のように、回転軸１の軸中心線以外の位置にアキシャル変位センサ６を設置した場合、アキシャル変位センサ６は回転軸１の回転中心から離れることになる。このため、回転軸１のアンバランスによる回転軸１の振れ回り(回転軸１の傾き)により、センサターゲット７とアキシャル変位センサ６との隙間が、図３に示すｄｒ１及びｄｒ２のように大きく変化することになる。そして、この隙間をアキシャル変位センサ６が検出し、アキシャル変位センサ６の出力値に基づいてアキシャル能動磁気軸受５ａ，５ｂが制御されるために、回転軸１の回転速度成分により回転軸１をアキシャル方向に加振してしまうという問題があり、アキシャル変位センサ６の設置位置を制限する要因となっていた。

回転翼２ａ〜２ｃと固定翼３ａ〜３ｃとの熱膨張による接触を防止するために、図１に示すように、モータステータ８Ｂ及びアキシャル能動磁気軸受５ａに取付けられた温度検出用サーミスタ１３ａ，１３ｂにより回転軸１の温度を推定し、回転翼２ａ〜２ｃと固定翼３ａ〜３ｃとが接触する前にポンプの運転を停止する方法が用いられている。しかしながら、温度検出用サーミスタ１３ａ，１３ｂは間接的に回転軸１の温度を計測するために正確な温度計測ができず、回転翼２ａ〜２ｃと固定翼３ａ〜３ｃとの接触を完全に回避することができなかった。

本発明は、上述の点に鑑みてなされたもので、回転翼と固定翼の隙間を小さくして排気性能を向上させることができ、回転軸の温度及び熱膨張量を正確に推定することを可能にし、また回転翼と固定翼とが接触する前に警報を発する、あるいは運転を停止させることができ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、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、前記回転軸に取付けられた回転翼と、前記回転翼と対向するように配置された固定翼と、前記回転軸を回転駆動するモータとを備えたターボ型真空ポンプにおいて、前記回転軸の一方の端部近傍に前記回転翼と前記固定翼とを配置することにより排気部を構成するとともに、前記回転軸の軸方向の位置を検出する第１のアキシャル変位センサと、前記アキシャル磁気軸受と、前記回転軸の軸方向の動きを規制する保護ベアリングとを前記回転軸の他方の端部近傍に配置することにより運動制御部を構成し、前記排気部の近傍に前記回転軸の軸方向位置を検出する第２のアキシャル変位センサを配置したことを特徴とする。

本発明によれば、回転軸が熱膨張した場合でも、アキシャル磁気軸受と磁気軸受ターゲットとの隙間をほぼ一定に維持することができ、アキシャル磁気軸受と磁気軸受ターゲットとが接触してしまうことを防止することができる。また、本発明によれば、第１及び第２のアキシャル変位センサの出力値の偏差に基づいて回転軸の温度や熱膨張量を検出することができる。また、回転軸の回転速度や回転軸の温度に応じて第１及び第２のアキシャル変位センサを切換えて使用することも可能になる。

本発明の好ましい態様は、前記運動制御部はハウジング内に収容されており、前記第２のアキシャル変位センサの出力値に基づいて冷却機構により前記ハウジングの温度を制御することにより前記第２のアキシャル変位センサの出力値を制御することを特徴とする。
本発明によれば、第１及び第２のアキシャル変位センサを用いて回転軸の熱膨張量を算出することができる。そして、その算出結果に基づいて回転翼と固定翼との隙間が常に最適状態になるように冷却機構を制御して安定的な排気性能を得るようにすることが可能となる。

本発明の好ましい態様は、前記第１のアキシャル変位センサ及び前記第２のアキシャル変位センサの出力値に基づいて警報動作を行うことを特徴とする。
本発明によれば、第１及び第２のアキシャル変位センサを用いて回転軸の熱膨張量を算出することにより、回転翼と固定翼が接触する前に警報動作を行うことが可能となり、ターボ型真空ポンプが破損することを未然に防止することができる。なお、回転翼と固定翼が接触する前に運転を停止させるようにしてもよい。

本発明の好ましい態様は、前記ハウジングを構成する材料は、前記回転軸を構成する材料の線膨張係数以上に大きい線膨張係数を有していることを特徴とする。
通常、ターボ型真空ポンプの運転中においては、回転軸の温度はハウジングの温度よりも高くなる。このため、回転軸とハウジングとの熱膨張量の差に起因して、ハウジングに取付けられた第２のアキシャル変位センサと回転軸に取付けられたセンサターゲットとの隙間が運転中に変化してしまう。本発明によれば、回転軸とハウジングとの温度差が大きくなった場合でも、回転軸とハウジングとの熱膨張量をほぼ等しくすることができる。これによって、第２のアキシャル変位センサとセンサターゲットとの隙間を一定に維持することができる。

本発明の好ましい態様は、前記回転翼及び前記固定翼をそれぞれ複数設け、前記複数の回転翼と前記複数の固定翼との間に形成される隙間は、前記第２のアキシャル変位センサから離れるに従って大きくなるように設定されていることを特徴とする。
本発明によれば、回転翼と固定翼との間に形成される複数の隙間を互いに等しくすることができる。

本発明の参考例に係る磁気軸受装置は、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の励磁電流を制御する磁気軸受制御装置とを備え、前記回転軸の高温部位近傍に前記回転軸と同心円状のセンサターゲットを設け、該センサターゲットと対向する位置に前記アキシャル変位センサを配置した構成を有する。この参考例は、高温状態にある回転軸を支持する磁気軸受装置において、高温による回転軸の熱膨張の影響を少なくし、回転軸のアンバランスによる振れ回り量がアキシャル変位センサの出力値に重畳されることを防止し、回転軸の端部以外の場所にアキシャル変位センサを取付けることを可能と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を提供することを目的としたものである。

上記磁気軸受装置によれば、回転軸の熱膨張による影響を最小限とすることができる。例えば、上記磁気軸受装置をターボ型真空ポンプに用いた場合、アキシャル変位センサは回転軸が最も高温となる部位、即ち回転翼及び固定翼の近傍に配置されることとなる。このような配置により、回転翼の変位量は最小限となり、回転翼と固定翼との接触を防止することができる。従って、回転翼と固定翼の隙間をよりいっそう小さくして排気性能を向上させることができる。

上記磁気軸受装置において、前記アキシャル磁気軸受が機能しないときに前記回転軸を支持する保護ベアリング及び／又は前記アキシャル磁気軸受を前記回転軸の高温部位近傍に配置してもよい。
これにより、回転軸をアキシャル方向に支持する保護ベアリングを回転軸の高温部位近傍に配置することにより、回転軸が熱膨張した場合であっても、回転軸と保護ベアリングとの接触を防止することができる。また、本発明によれば、上記アキシャル磁気軸受を回転軸の高温部位近傍に配置することにより、アキシャル磁気軸受と回転軸に取付けられた磁気軸受ターゲット間の隙間をよりいっそう狭く設定することができる。これにより、アキシャル磁気軸受の駆動コイルに流す電流を減少させて消費電力を低減することができ、駆動コイルの径や巻回数を減らしてアキシャル磁気軸受の小型化を図ることが可能となる。

上記磁気軸受装置において、前記アキシャル変位センサを複数設け、前記複数のアキシャル変位センサはそれぞれコイルを備え、該コイルのインピーダンスの変化に基づいて前記回転軸の変位を検出し、複数の前記コイルを前記回転軸の円周方向に沿って配列し、複数の前記コイルを並列及び／又は直列に接続してもよい。
また、上記磁気軸受装置において、前記アキシャル変位センサはコイルを備え、該コイルのインピーダンスの変化に基づいて前記回転軸の変位を検出し、前記コイルの導線を前記回転軸の円周方向に沿って巻回した構成としてもよい。
これにより、回転軸のアンバランスによる振れ回り量がアキシャル変位センサの出力値に重畳されることを防止することができ、アキシャル磁気軸受によって回転軸のアキシャル方向の位置を安定して制御することが可能となる。

上記磁気軸受装置において、前記アキシャル変位センサを複数設け、前記複数のアキシャル変位センサを前記回転軸の円周方向に沿って配列し、前記複数のアキシャル変位センサの出力値を平均化する平均化装置を設けてもよい。
これにより、アキシャル変位センサが光学式等である場合においても、回転軸のアンバランスによる振れ回り量がアキシャル変位センサの出力値に重畳されることを防止することができ、アキシャル磁気軸受によって回転軸のアキシャル方向の位置を安定して制御することが可能となる。

上記磁気軸受装置において、前記アキシャル変位センサを複数設け、前記センサターゲットの前記回転軸の軸方向両側に、該センサターゲットを挟み込むように前記複数のアキシャル変位センサを配置してもよい。
これにより、センサターゲットの変位量−アキシャル変位センサ出力値の特性曲線をほぼ直線に補正することができるので、回転軸のアキシャル方向の位置を正確に検出することが可能となる。従って、アキシャル磁気軸受によって回転軸を安定して磁気浮上させることができる。さらに、アキシャル変位センサを構成するコアの温度が変化してインピーダンスが変動した場合においても、その影響をキャンセルすることが可能となる。

本発明の他の参考例に係るターボ型真空ポンプは、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の励磁電流を制御する磁気軸受制御装置と、前記回転軸に取付けられた回転翼と、前記回転翼と対向するように配置された固定翼と、前記回転軸を回転駆動するモータとを備え、前記回転軸の一方の端部近傍に前記回転翼と前記固定翼とを配置することにより排気部を構成するとともに、前記モータと前記アキシャル磁気軸受とを有する運動制御部を前記回転軸の他方の端部側に配置し、前記排気部の近傍に前記アキシャル変位センサを配置した構成を有する。

ターボ型真空ポンプは、通常、運転時において回転翼と気体との摩擦による熱や生成物付着防止のためのヒータ加熱等によって、回転翼と固定翼とから構成される排気部が高温となる。上記構成のターボ型真空ポンプによれば、高温となる排気部と、アキシャル磁気軸受やモータなどから構成される運動制御部とが構造的に分離され、熱耐量が低いアキシャル磁気軸受やモータなどの電装部品を高熱から保護することが可能となる。また、上記構成のターボ型真空ポンプによれば、排気部近傍に回転軸のアキシャル方向の変位を検出するアキシャル変位センサを設け、このアキシャル変位センサの出力値に基づいて回転軸を所定の軸方向位置に支持することにより、回転軸の伸びの基点をアキシャル変位センサの測定点とすることができる。これにより、回転翼と固定翼との軸方向のギャップを小さくでき、結果的にターボ型真空ポンプの排気性能向上と運転の安定化が図れる。

上記ターボ型真空ポンプにおいて、前記アキシャル磁気軸受が機能しないときに前記回転軸を支持する保護ベアリング及び／又は前記アキシャル磁気軸受を前記排気部の近傍に配置してもよい。
これにより、回転軸をアキシャル方向に支持する保護ベアリングを回転軸の高温部位近傍に配置することにより、回転軸が熱膨張した場合であっても、回転軸と保護ベアリングとの接触を防止することができる。また、一般に、吸気口と排気口との圧力差が大きい広帯域ターボ型真空ポンプでは、上記圧力差に起因して回転軸にアキシャル方向の大きな力が作用する。本発明によれば、アキシャル磁気軸受を高温部位近傍に配置することにより、アキシャル磁気軸受と回転軸に取付けられた磁気軸受ターゲット間の隙間をよりいっそう狭く設定することができる。その結果としてアキシャル磁気軸受は、上記アキシャル方向の力に対応した磁気吸引力を発生することができる。さらに、アキシャル磁気軸受の駆動コイルに流す電流を減少させて消費電力を低減することができ、駆動コイルの径や巻回数を減らしてターボ型真空ポンプの小型化を図ることが可能となる。

また、上記ターボ型真空ポンプにおいて、前記アキシャル変位センサを複数設け、前記複数のアキシャル変位センサはそれぞれコイルを備え、該コイルのインピーダンスの変化に基づいて前記回転軸の変位を検出し、複数の前記コイルを前記回転軸の円周方向に沿って配列し、複数の前記コイルを並列及び／又は直列に接続してもよい。
また、上記ターボ型真空ポンプにおいて、前記アキシャル変位センサはコイルを備え、該コイルのインピーダンスの変化に基づいて前記回転軸の変位を検出し、前記コイルの導線を前記回転軸の円周方向に沿って巻回してもよい。
また、上記ターボ型真空ポンプにおいて、前記アキシャル変位センサを複数設け、前記複数のアキシャル変位センサを前記回転軸の円周方向に沿って配列し、前記複数のアキシャル変位センサの出力値を平均化する平均化装置を設けてもよい。
また、上記ターボ型真空ポンプにおいて、前記アキシャル変位センサを複数設け、センサターゲットの前記回転軸の軸方向両側に、該センサターゲットを挟み込むように前記複数のアキシャル変位センサを配置してもよい。

本発明および上記参考例によれば、下記のような優れた効果が得られる。
（１）回転軸が最も高温となる部位、即ち回転翼及び固定翼の近傍にアキシャル変位センサを配置することにより、回転翼の変位量を最小限とすることができる。従って、回転翼と固定翼の隙間をよりいっそう小さくして排気性能を向上させることができる。
（２）回転軸をアキシャル方向に支持する保護ベアリングを回転軸の高温部位近傍に配置することにより、回転軸が熱膨張した場合であっても、回転軸と保護ベアリングとの接触を防止することができる。また、アキシャル磁気軸受を回転軸の高温部位近傍に配置することにより、アキシャル磁気軸受と回転軸に取付けられた磁気軸受ターゲット間の隙間をよりいっそう狭く設定することができる。これにより、アキシャル磁気軸受の駆動コイルに流す電流を減少させて消費電力を低減することができ、駆動コイルの径や巻回数を減らしてアキシャル磁気軸受の小型化を図ることが可能となる。

（３）回転軸のアンバランスによる振れ回り量がアキシャル変位センサの出力値に重畳されることを防止することができ、アキシャル磁気軸受によって回転軸のアキシャル方向の位置を安定して制御することが可能となる。
（４）アキシャル変位センサが光学式等である場合においても、回転軸のアンバランスによる振れ回り量がアキシャル変位センサの出力値に重畳されることを防止することができ、アキシャル磁気軸受によって回転軸のアキシャル方向の位置を安定して制御することが可能となる。
（５）センサターゲットの変位量−アキシャル変位センサ出力値の特性曲線をほぼ直線に補正することができるので、回転軸のアキシャル方向の位置を正確に検出することが可能となる。従って、アキシャル磁気軸受によって回転軸を安定して磁気浮上させることができる。さらに、アキシャル変位センサを構成するコアの温度が変化してインピーダンスが変動した場合においても、その影響をキャンセルすることが可能となる。

（６）ターボ型真空ポンプにおいて、高温となる排気部と、アキシャル磁気軸受やモータなどから構成される運動制御部とが構造的に分離され、熱耐量が低いアキシャル磁気軸受やモータなどの電装部品を高熱から保護することが可能となる。また、排気部近傍に回転軸のアキシャル方向の変位を検出するアキシャル変位センサを設け、このアキシャル変位センサの出力値に基づいて回転軸を所定の軸方向位置に支持することにより、回転軸の伸びの基点をアキシャル変位センサの測定点とすることができる。これにより、回転翼と固定翼との軸方向の隙間を小さくでき、結果的にターボ型真空ポンプの排気性能向上と運転の安定化が図れる。

（７）軸方向において互いに離間する２つ以上のアキシャル変位センサの出力値の偏差に基づいて回転軸の温度や熱膨張量を検出することができる。また、回転軸の回転速度や回転軸の温度に応じてそれぞれのアキシャル変位センサを切換えて使用することも可能になる。
（８）２つ以上のアキシャル変位センサを用いることにより、回転軸の熱膨張量を算出することができる。また、その算出結果に基づいてターボ型真空ポンプの回転翼と固定翼との隙間が常に最適状態になるように冷却機構を制御して安定的なポンプ性能を得るようにすることが可能となる。

（９）２つ以上のアキシャル変位センサを用いて回転軸の熱膨張量を算出することにより、回転翼と固定翼が接触する前に警報動作を行うことが可能となり、ターボ型真空ポンプが破損することを未然に防止することができる。
（１０）回転軸の熱膨張による影響を受けることなく回転軸を安定して磁気浮上させることができ、さらには、回転翼と固定翼との接触を防止することができるターボ型真空ポンプを提供することができる。

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。 従来のターボ型真空ポンプの他の構成例を示す模式図である。 本発明の第１の参考例に係るターボ型ポンプの主要部を示す模式図である。 図５（ａ）は本発明の第２の参考例に係るターボ型真空ポンプに組み込まれるアキシャル変位センサの構成例を示す模式図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）に示すアキシャル変位センサの結線図である。 図５（ｂ）に示すアキシャル変位センサのインダンクタンスが変化する様子を示すグラフである。 図７（ａ）は、本発明の第３の参考例に係るターボ型真空ポンプに組み込まれるアキシャル変位センサの構成例を示す模式図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）に示すアキシャル変位センサの結線図である。 図７（ｂ）に示すアキシャル変位センサのインダンクタンスが変化する様子を示すグラフである。 本発明の第４の参考例に係るターボ型真空ポンプに組み込まれるアキシャル変位センサ及び平均化処理システムを示す模式図である。 図１０（ａ）は本発明の第５の参考例に係るターボ型真空ポンプに組み込まれるアキシャル変位センサの構成例を示す模式図であり、図１０（ｂ）はアキシャル変位センサの結線図であり、図１０（ｃ）は図１に示す従来のターボ型真空ポンプに組み込まれたアキシャル変位センサの結線図である。 変位量とアキシャル変位センサの出力との関係を示すグラフである。 本発明の第６の参考例に係る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１３に示すターボ型真空ポンプに組み込まれる磁気軸受制御装置を示す模式図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図４は、本発明の第１の参考例に係るターボ型ポンプの主要部を示す模式図である。図４において、図１と同一符号を付した部分は同一または相当部分を示し、その重複する説明を省略する。図４に示すように、符号６は回転軸１のアキシャル方向の変位を検出するアキシャル変位センサ、符号７は回転軸１に取付けられた回転軸１と同心状の円板状のセンサターゲットである。符号１１はアキシャル磁気軸受５ａ，５ｂ、固定翼３ａ〜３ｃ、及びスペーサ４ａ，４ｂなどを保持するポンプステータ（ハウジング）を模式的に表したものである。

アキシャル変位センサ６はポンプステータ１１に固定されており、センサターゲット７に対向するように配置されている。アキシャル変位センサ６及びセンサターゲット７は、回転翼２ａ〜２ｃの近傍に配置されている。より詳しくは、アキシャル変位センサ６及びセンサターゲット７は、回転翼２ｃのすぐ下流側に位置しており、回転翼２ｃとモータロータ８Ａとの間に配置されている。アキシャル磁気軸受５ａ，５ｂは磁気軸受制御装置１７に接続されている。この磁気軸受制御装置１７は、アキシャル変位センサ６の出力値に基づいて回転軸１が所定の位置で磁気浮上するようにアキシャル磁気軸受５ａ，５ｂの励磁電流を制御するように構成されている。符号Ｌ１’は回転軸１の上流側の回転翼２ａからセンサターゲット７までの長さを表し、符号Ｌ２’はポンプステータ１１の上流側の固定翼３ａからアキシャル変位センサ６までの長さを表し、符号Ｌ３はポンプステータ１１のアキシャル変位センサ６から下流側端部までの長さを表している。

通常、回転軸１、固定翼３ａ〜３ｃ、及びスペーサ４ａ，４ｂは、ヒータ１０（図１参照）や回転翼２ａ〜２ｃの反応ガスとの摩擦熱の熱伝導等によって高温となる。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、ポンプステータ１１は冷却ジャケット（冷却機構）１２（図１参照）により冷却されているため、ポンプステータ１１の熱膨張量は少ない。例えば、ポンプステータ１１の温度は５０〜１００℃、アキシャル磁気軸受５ａ，５ｂの近傍に位置する回転軸１の部位は１００〜１５０℃となる。仮にポンプステータ１１が熱膨張したとしても、アキシャル変位センサ６が回転翼２ａ〜２ｃの近傍に取付けられているので、Ｌ３の変化は回転翼２ａ〜２ｃと固定翼３ａ〜３ｃとの隙間ｄｇに影響を及ぼさない。

回転軸１は、熱膨張によりセンサターゲット７の位置を基点として回転軸１の上流側端部及び下流側端部に向かう方向（図４の上下方向）に伸び、Ｌ１’の変化が回転翼２ａ〜２ｃと固定翼３ａ〜３ｃとの隙間ｄｇに影響することになる。しかし、上述のように固定翼３ａ〜３ｃやスペーサ４ａ，４ｂもヒータ１０や反応ガスや回転翼２ａ〜２ｃの輻射熱によって高温になり、結果的にＬ１’とＬ２’の熱膨張量はほぼ等しくなる。従って、温度上昇によりＬ１’とＬ２’が変化しても、隙間ｄｇの変化量が著しく小さくなる。これにより、隙間ｄｇをよりいっそう狭めても回転翼２ａ〜２ｃと固定翼３ａ〜３ｃとが接触するおそれがなく、排気性能を上げることが可能となる。

図５（ａ）は本発明の第２の参考例に係るターボ型真空ポンプに組み込まれるアキシャル変位センサの構成例を示す模式図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）に示すアキシャル変位センサの結線図である。図６は図５（ｂ）に示すアキシャル変位センサのインダンクタンスが変化する様子を示すグラフである。なお、特に説明しない本参考例の構成は第１の参考例と同様であるので、その重複する説明を省略する。

図５（ａ）に示すように、回転軸１には円板状のセンサターゲット７が取付けられており、このセンサターゲット７に近接してアキシャル変位センサ６０１ａ，６０１ｂが配置されている。これらのアキシャル変位センサ６０１ａ，６０１ｂはそれぞれコイルから構成された誘導型あるいは渦電流型の変位センサである。アキシャル変位センサ６０１ａ，６０１ｂは、センサターゲット７に対向するように回転軸１の円周方向に沿って１８０°ずらした位置に配置されている。なお、アキシャル変位センサ６０１ａ，６０１ｂは、回転翼２ａ〜２ｃ（図４参照）の近傍に位置している。

図５（ｂ）に示すように、２個のアキシャル変位センサ６０１ａ，６０１ｂは直列に接続されている。通常、回転軸１や回転翼２ａ〜２ｃのアンバランスによって回転軸１が振れ回った場合、図６に示すようにアキシャル変位センサ６０１ａ，６０１ｂのインダクタンスＬｃ−ａ，Ｌｃ−ｂは正弦波に近い波形で変化し、位相が互いに１８０°ずれたものとなる。これらアキシャル変位センサ６０１ａ，６０１ｂを図５（ｂ）のように直列に接続することにより、インダクタンスＬｃ−ａ，Ｌｃ−ｂが合成されて合成インダクタンスＬｃ’が形成される。従って、合成インダクタンスＬｃ’を回転軸１のラジアル方向の振れ回り成分をキャンセルしたアキシャル変位成分に近似させることができる。

図７（ａ）は、本発明の第３の参考例に係るターボ型真空ポンプに組み込まれるアキシャル変位センサの構成例を示す模式図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）に示すアキシャル変位センサの結線図である。図８は図７（ｂ）に示すアキシャル変位センサのインダンクタンスが変化する様子を示すグラフである。なお、特に説明しない本参考例の構成は第１の参考例と同様であるので、その重複する説明を省略する。

図７（ａ）に示すように、回転軸１に取付けられたセンサターゲット７の片側の面に対向して、アキシャル変位センサ６０２ａ，６０２ｃ，６０２ｂ，６０２ｄが配置されている。これらのアキシャル変位センサ６０２ａ，６０２ｃ，６０２ｂ，６０２ｄはそれぞれコイルから構成される誘導型あるいは渦電流型の変位センサである。アキシャル変位センサ６０２ａ，６０２ｃ，６０２ｂ，６０２ｄは回転軸１の円周方向において９０°ずらして配置され、回転翼２ａ〜２ｃ（図４参照）の近傍に配置されている。図７（ｂ）に示すように、１８０°の間隔で互いに対向するアキシャル変位センサ６０２ａ，６０２ｂ及びアキシャル変位センサ６０２ｃ，６０２ｄはそれぞれ直列に接続され、さらに直列接続の２組のアキシャル変位センサ６０２ａ，６０２ｂとアキシャル変位センサ６０２ｃ，６０２ｄとは並列に接続されている。

図７（ａ）において、回転軸１や回転翼２ａ〜２ｃ（図４参照）のアンバランスによって回転軸１が振れ回った場合、それぞれのアキシャル変位センサ６０２ａ，６０２ｃ，６０２ｂ，６０２ｄのインダクタンスＬｃ−ａ，Ｌｃ−ｃ，Ｌｃ−ｂ，Ｌｃ−ｄは図８に示すように正弦波に近い波形を描いて変化し、互いに位相が９０°ずれたものとなる。アキシャル変位センサ６０２ａ，６０２ｃ，６０２ｂ，６０２ｄを図７（ｂ）のように接続することにより、インダクタンスＬｃ−ａ，Ｌｃ−ｃ，Ｌｃ−ｂ，Ｌｃ−ｄが合成されて合成インダクタンスＬｃ’が形成され、合成インダクタンスＬｃ’を回転軸１のラジアル方向の振れ回り成分をキャンセルしたアキシャル変位成分に近づけることができる。

アキシャル変位センサ（コイル）の個数を２、４、８、…と増加させ、これらのアキシャル変位センサを直列及び／又は並列に接続することにより、回転軸１のコニカル運動やパラレル運動などが複合した複雑なラジアル方向の振れ回りに対してラジアル変位成分をよりいっそうキャンセルできることは明らかである。このように、偶数個のアキシャル変位センサを回転軸１の円周方向に沿って等間隔に配置することにより、回転軸１のアキシャル方向の位置を正確に検出することができる。なお、回転軸１の円周方向に沿ってアキシャル変位センサ（コイル）の導線を巻回し、センサターゲット７の円周方向の全面に亘ってその変位を検出するようにしてもよい。

図９は本発明の第４の参考例に係るターボ型真空ポンプに組み込まれるアキシャル変位センサ及び平均化処理システムを示す模式図である。なお、特に説明しない本参考例の構成は第１の参考例と同様であるので、その重複する説明を省略する。円板状のセンサターゲット７の片面には半径方向に延びる複数の溝７ａが形成されている。溝７ａに対向する位置には回転速度センサ２２が配置され、この回転速度センサ２２により回転軸１の回転速度が検出されるようになっている。符号６Ｅ，６Ｆは光学式アキシャル変位センサであり、これらのアキシャル変位センサ６Ｅ，６Ｆはセンサターゲット７に近接して回転軸１の円周方向に沿って等間隔に配置されている。

アキシャル変位センサ６Ｅ，６Ｆはセンサ回路装置２０ａ，２０ｂにそれぞれ接続されている。センサ回路装置２０ａ，２０ｂは、アキシャル変位センサ６Ｅ，６Ｆとセンサターゲット７との隙間の大きさを電圧信号に変換し、この電圧信号はアナログ信号としてＡ／Ｄコンバータ２１ａ，２１ｂにそれぞれ送信される。センサ回路装置２０ａ，２０ｂからの電圧信号（アナログ信号）はＡ／Ｄコンバータ２１ａ，２１ｂによってデジタル信号に変換された後、平均化装置（演算装置）２４に入力される。一方、回転速度センサ２２の出力信号は回転速度変換装置２３に送られ、回転速度変換装置２３によって回転速度センサ２２の出力信号が電圧パルスに変換される。なお、アキシャル変位センサ６Ｅ，６Ｆは１８０°の間隔をあけて配置されている。

このような構成において、ラジアル方向の振れ回り成分を含んだ回転軸１のアキシャル方向の変位は、２個のアキシャル変位センサ６Ｅ，６Ｆによって検出され、それぞれセンサ回路装置２０ａ，２０ｂで電圧信号に変換された後、Ａ／Ｄコンバータ２１ａ，２１ｂに送信される。センサ回路装置２０ａ，２０ｂからの電圧信号（アナログ信号）はＡ／Ｄコンバータ２１ａ，２１ｂでデジタル信号に変換され、平均化装置２４に入力される。平均化装置２４は２つのデジタル信号（アキシャル変位センサ６Ｅ，６Ｆの出力信号）を平均化処理することにより、回転軸１のアキシャル方向のみの変位を算出する。この時、回転速度センサ２２で検出される回転軸１の回転速度を回転速度変換装置２３を通して平均化装置２４に入力し、回転軸１の回転周波数成分のみをアキシャル変位センサ６Ｅ，６Ｆの出力信号から除去し、回転軸１のより正確なアキシャル方向の変位を得るようにしてもよい。

図１０（ａ）は本発明の第５の参考例に係るターボ型真空ポンプに組み込まれるアキシャル変位センサの構成例を示す模式図であり、図１０（ｂ）はアキシャル変位センサの結線図であり、図１０（ｃ）は図１に示す従来のターボ型真空ポンプに組み込まれたアキシャル変位センサの結線図である。なお、特に説明しない本参考例の構成は第１の参考例と同様であるので、その重複する説明を省略する。

アキシャル変位センサ６０４ａ，６０４ｂ，６０４ｃ，６０４ｄは、回転軸１の軸方向においてセンサターゲット７の両側に配置されている。即ち、アキシャル変位センサ６０４ａ，６０４ｃは、センサターゲット７を挟み込むように互いに対向して配置され、同様にアキシャル変位センサ６０４ｂ，６０４ｄはセンサターゲット７を挟み込むように互いに対向して配置されている。対をなすアキシャル変位センサ６０４ａ，６０４ｃ及びアキシャル変位センサ６０４ｂ，６０４ｄは、回転軸１の円周方向において１８０°ずらして回転翼２ａ〜２ｃ（図４参照）の近傍に配置されている。

アキシャル変位センサ６０４ａ〜６０４ｄはそれぞれコイルから構成された誘導型あるいは渦電流型の変位センサであり、これらのアキシャル変位センサ（コイル）６０４ａ〜６０４ｄは、図１０（ｂ）に示すように、直列に接続されている。直列に接続されたアキシャル変位センサ６０４ａ〜６０４ｄには交流信号源ＯＳＣが接続され、コンデンサＣｘはアキシャル変位センサ６０４ａ〜６０４ｄに並列に接続されている。コンデンサＣｘは、アキシャル変位センサ６０４ａ〜６０４ｄのトータルインダクタンスと共振するように調整されており、これによりアキシャル変位センサ６０４ａ〜６０４ｄの感度を増大させる。交流信号源ＯＳＣの出力を分圧する分圧器Ｒｘ１，Ｒｘ２は互いに直列に接続され、これらの分圧器Ｒｘ１，Ｒｘ２はアキシャル変位センサ６０４ａ〜６０４ｄと並列に接続されている。なお、符号３１は差動増幅器であり、符号３０は差動増幅器３１からの変位信号を直流に変換する同期検波装置である。

図１０（ｃ）において、符号Ｌｄは固定インダクタンスであり、この固定インダクタンスＬｄはアキシャル変位センサ６と直列に接続されている。コンデンサＣｘは、直列に接続された固定インダクタンスＬｄ及びアキシャル変位センサ６と並列に接続されている。このコンデンサＣｘは、アキシャル変位センサ６と固定インダクタンスＬｄとのトータルインダクタンスと共振するように調整されている。なお、図１０（ｃ）において、図１０（ｂ）と同一の符号を付した構成部材は同一の構成部材を表す。

図１１は変位量とアキシャル変位センサの出力との関係を示すグラフである。図１０（ｃ）に示す従来のアキシャル変位センサ６では、センサターゲット７の変位量とアキシャル変位センサ６の出力との関係は線ｌａのようになり、直線とはならない。一般的に、固定インダクタンスＬｄはアキシャル変位センサ６から離れた位置にあるため、アキシャル変位センサ６の温度が上昇すると、線ｌａは線ｌｂのように変化する。

図１に示す従来例では、センサターゲット７の片側に１つのアキシャル変位センサ６が配置されているのに対して、図１０（ａ）ではセンサターゲット７を挟み込むようにアキシャル変位センサ６０４ａ〜６０４ｄが配置されている。従って、アキシャル変位センサ６０４ａ＋６０４ｂのインピーダンスとアキシャル変位センサ６０４ｃ＋６０４ｄのインピーダンスは互いに打ち消しあうように非直線的に変化することになる。これにより、センサターゲット７の変位量とアキシャル変位センサ６０４ａ〜６０４ｄの出力との関係は、図１１の線ｌｃとなり、ほぼ直線とすることができる。さらに、アキシャル変位センサ６０４ａ〜６０４ｄの温度が上昇した場合には、図１０（ｂ）のアキシャル変位センサ（コイル）６０４ａ〜６０４ｄ総てのインピーダンスが同様に変化するため、図１０（ｂ）に示すｂ点での分圧電圧の変化が起こらない。その結果、センサターゲット７の変位量とアキシャル変位センサ６０４ａ〜６０４ｄの出力との関係は図１１の線ｌｃと同様になり、温度変化の影響を打ち消すことができる。

図１２は、本発明の第６の参考例に係るターボ型真空ポンプの主要部を示す模式図である。図１２においては、図１と同一符号を付した構成部材は同一または相当の構成部材を示し、その重複する説明を省略する。また、特に説明しない本参考例の構成は第１の参考例と同様である。図１２に示すように、回転翼２ｃの底部にはリング状のセンサターゲット７が取付けられ、このセンサターゲット７に対向するように複数のアキシャル変位センサ６が回転軸１の円周方向に沿って等間隔に配置されている。アキシャル磁気軸受５ａ，５ｂはアキシャル変位センサ６のすぐ下流側に配置されている。また、回転軸１のアキシャル方向及びラジアル方向の動きを規制する保護ベアリング９ａは、アキシャル変位センサ６の径方向内側の位置に配置されている。このように、アキシャル磁気軸受５ａ，５ｂ、アキシャル変位センサ６、センサターゲット７、及び保護ベアリング９ａは、高温となる回転翼２ａ，２ｂ，２ｃの近傍に配置されている。なお、符号Ｌ４は回転軸１のアキシャル変位センサ６から磁気軸受ターゲット１６までの長さを表し、符号Ｌ５は回転軸１の磁気軸受ターゲット１６から回転軸１の下流側端部までの長さを表す。

回転軸１は、熱膨張によりセンサターゲット７の位置を基点としてその軸方向に沿って上下に伸びることとなる。これにより、磁気軸受ターゲット１６と上流側のアキシャル磁気軸受５ａとの隙間ｄｍは拡大し、同時に磁気軸受ターゲット１６と下流側のアキシャル磁気軸受５ｂとの隙間ｄｍ’は減少することとなる。しかしながら、熱膨張の影響に関してはＬ４のみを考慮すればよく、Ｌ５は無視できるので、図１に示す従来のターボ型真空ポンプと比べて隙間ｄｍ’の減少は少なくなり、トータル隙間ｄｍ＋ｄｍ’を小さく設定しても磁気軸受ターゲット１６とアキシャル磁気軸受５ｂとが接触することはない。

広帯域ターボ型ブースターポンプなどの場合、吸気口圧力Ｐ１と排気口圧力Ｐ２の差圧は非常に大きく、この差圧により回転軸１は吸気口１４に向かって上方向に持ち上げられることとなる。このとき、回転軸１を下流側のアキシャル磁気軸受５ｂで下方に引き戻しているため、アキシャル磁気軸受５ｂはかなりの電力を消費することとなる。
ここで、磁気軸受の磁気吸引力Ｆは、鉄心（コア）の透磁率と漏れ磁束を無視すると、次の式で表される。

Ｓ：鉄心の断面積

また磁束密度Ｂは、次の式で表される。

Ｎ：巻線のターン数、Ｉ：コイルに流す電流、ｄｍ：磁極と磁気軸受ターゲットとの隙間

（５）式及び（６）式から明らかなように、隙間ｄｍ’が減少すると磁気吸引力が増加し、アキシャル磁気軸受５ａ，５ｂはよりいっそうの磁気吸引力を出すことができる。また、磁気吸引力を一定とする場合には、隙間ｄｍ’を減少させることにより巻線のターン数やコイルに流す電流を減少させることができるので、アキシャル磁気軸受５ａ，５ｂの消費電力を減らすことが可能となる。従って、ターン数や電流が減るためにアキシャル磁気軸受５ａ，５ｂを小型にすることが可能となる。

図１３は、本発明の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。本実施形態と図１２に示した第６の参考例との相違点は、第１のアキシャル変位センサ、センサターゲット、アキシャル磁気軸受、及び軸方向の動きを規制する保護ベアリングが運動制御部の端部に設けられ、かつ排気部近傍に第２のアキシャル変位センサ及びセンサターゲットが設けられている点である。以下、本実施形態の構成について詳細に説明する。

図１３に示すように、ターボ型真空ポンプは、吸気口５１Ａと排気口５１Ｂを有する上ハウジング（上ポンプステータ）５１の内部に、複数の回転翼５２Ａ〜５２Ｃ（以下、適宜回転翼５２という）と、複数の固定翼５３Ａ〜５３Ｃ（以下、適宜固定翼５３という）を備えている。これらの回転翼５２及び固定翼５３により排気部９０が構成されている。

モータ５５の両側には上ラジアル磁気軸受５６及び下ラジアル磁気軸受５７が配置されており、これらの上ラジアル磁気軸受５６及び下ラジアル磁気軸受５７によって回転軸５４が径方向に支持される。回転軸５４の下部には、円盤状の磁気軸受ターゲット５８ｃが同心円状に固定され、この磁気軸受ターゲット５８ｃを挟むように一対のアキシャル磁気軸受５８ａ，５８ｂ（以下、適宜アキシャル磁気軸受５８という）が配置されている。回転軸５４はアキシャル磁気軸受５８によって軸方向に支持される。なお、各磁気軸受５６，５７，５８はいずれも能動磁気軸受である。

回転軸５４の下流側の端部にはセンサターゲット６１が取付けられ、このセンサターゲット６１に対向するように第１のアキシャル変位センサ５９が下ハウジング（下ポンプステータ）６３に取付けられている。また、回転軸５４には、回転翼５２の近傍に位置してセンサターゲット６２が取付けられ、このセンサターゲット６２に対向するように複数の第２のアキシャル変位センサ６０が回転軸５４の円周方向に沿って等間隔に配列されている。

上ラジアル磁気軸受５６の近傍には上保護ベアリング（上タッチダウン軸受）６５が配置され、アキシャル磁気軸受５８の近傍には下保護ベアリング（下タッチダウン軸受）６６が配置されている。回転軸５４には、下保護ベアリング６６に対応した位置において円周方向に延びる凹部５４ａが形成されている。下保護ベアリング６６、アキシャル磁気軸受５８、センサターゲット６１、及び第１のアキシャル変位センサ５９は互いに近接して配置されている。磁気軸受５６，５７，５８の異常時は、上保護ベアリング６５は上ラジアル磁気軸受５６の代わりに回転軸５４を径方向に軸支し、下保護ベアリング６６は下ラジアル磁気軸受５７とアキシャル磁気軸受５８の代わりに回転軸５４を径方向及び軸方向に軸支する。

回転軸５４はターボ型真空ポンプの全体に亘って延び、回転軸５４の一方の端部は吸気口５１Ａの近傍に位置している。そして、回転軸５４の吸気側の端部から軸方向に沿って、順に排気部９０、上保護ベアリング６５、センサターゲット６２、第２のアキシャル変位センサ６０、上ラジアル磁気軸受５６、モータ５５、下ラジアル磁気軸受５７、下保護ベアリング６６、アキシャル磁気軸受５８、センサターゲット６１、第１のアキシャル変位センサ５９が配置されている。上保護ベアリング６５から第１のアキシャル変位センサ５９までの各構成部品によって運動制御部９１が構成されている。運動制御部９１は下ハウジング６３に設けられた冷却ジャケット（冷却機構）６４によって冷却されるようになっている。

回転側と固定側との接触を避けるため、下保護ベアリング６６と凹部５４ａとの軸方向隙間ｄｂ，ｄｂ’は、回転翼５２と固定翼５３との軸方向隙間ｄｇ１〜ｄｇ３、及びアキシャル磁気軸受５８ａ，５８ｂと磁気軸受ターゲット５８ｃとの軸方向隙間ｄｍ，ｄｍ’より小さく設定される（ｄｇ１〜ｄｇ３＞ｄｂ，ｄｂ’、ｄｍ，ｄｍ’＞ｄｂ，ｄｂ’）。このように、本実施形態に係るターボ型真空ポンプにおいては、下保護ベアリング６６と凹部５４ａとの軸方向隙間ｄｂ，ｄｂ’が最も小さく設定される。

上記構成において、第１のアキシャル変位センサ５９により回転軸５４の軸方向の変位量が検出され、検出された変位量に基づいてフィードバック制御装置（磁気軸受制御部）を介してアキシャル磁気軸受５８より回転軸５４の軸方向位置を一定に保つようにする。これによって、回転軸５４が熱膨張したときに、回転軸５４のアキシャル方向の伸びの基準位置をセンサターゲット６１の位置とすることができる。従って、下保護ベアリング６６と凹部５４ａとの軸方向隙間ｄｂ，ｄｂ’、及びアキシャル磁気軸受５８ａ，５８ｂと磁気軸受ターゲット５８ｃとの軸方向隙間ｄｍ，ｄｍ’は、回転軸５４の熱膨張の影響を受けることなくほぼ一定に維持できる。

すなわち、第１のアキシャル変位センサ５９を設置するに際しては、次の点を考慮することが肝要である。（１）回転軸５４の軸方向の動きを規制する下保護ベアリング６６と、回転軸５４の軸方向位置を検出する第１のアキシャル変位センサ５９とを互いに近接して設置する。（２）第１のアキシャル変位センサ５９とアキシャル磁気軸受５８とを互いに近接して設置する。これらの（１）及び（２）の点（アキシャル変位センサ、センサターゲット、アキシャル磁気軸受、軸方向の動きを規制する保護ベアリングをまとめて配置すること）において、図１２に示した第６の参考例は本実施形態と同様である。しかしながら、回転軸や回転翼等から構成されるポンプロータ全体の軸振動特性やポンプの組立性を鑑みて、アキシャル変位センサ、センサターゲット、アキシャル磁気軸受、軸方向の動きを規制する保護ベアリングをまとめて運動制御部の軸端側に配置してもよい。

また上記構成によって、回転翼５２及び固定翼５３で構成される排気部９０と、モータ５５、各磁気軸受５６，５７，５８、及び各アキシャル変位センサ５９，６０などから構成される回転軸５４の運動制御部９１とを構造的に分離することが可能であり、高温となる排気部９０の熱が熱耐量の低い運動制御部９１に伝わることを防止することができる。なお、本実施形態では、排気部９０に位置する回転軸５４の部位、回転翼５２Ａ〜５２Ｃ、固定翼５３Ａ〜５３Ｃ、及びスペーサ４ａ，４ｂの温度は、例えば、１５０〜２５０℃となる。一方、運動制御部９１に位置する回転軸５４の部位の温度は、例えば、１００〜１５０℃、下ハウジング６３の温度は５０〜１００℃となる。

なお、回転翼５２と固定翼５３との軸方向隙間ｄｇ１〜ｄｇ３は、従来例と同様に、回転軸５４の温度変化や下ハウジング６３の温度変化等により変化してしまう。このため、本実施形態では、排気部９０に近接して配置された第２のアキシャル変位センサ６０によって、センサターゲット６２と第２のアキシャル変位センサ６０とのギャップを測定し、この測定値をターボ型真空ポンプの制御動作や保護動作等に必要な情報として用いている。これにより、ターボ型真空ポンプの運転安定化及び高排気性能化が図られている。以下、ターボ型真空ポンプの制御動作及び保護動作について、図１３及び図１４を参照して説明する。

図１４は図１３に示すターボ型真空ポンプに組み込まれる磁気軸受制御装置を示す模式図である。図１４に示すように、第１及び第２のアキシャル変位センサ５９，６０はセンサ回路装置７０ａ，７０ｂにそれぞれ接続されている。第１及び第２のアキシャル変位センサ５９，６０によって検出された回転軸５４の変位量は、センサ回路装置７０ａ，７０ｂにて電圧信号に変換される。センサ回路装置７０ａ，７０ｂはそれぞれＡ／Ｄコンバータ７５ａ，７５ｂを介して制御部７６に接続され、上記電圧信号は、Ａ／Ｄコンバータ７５ａ，７５ｂによってアナログ信号からデジタル信号に変換された後、制御部７６に入力される。

センサ回路装置７０ａは加減算器７３を介して位相補償器７１に接続されており、センサ回路装置７０ａからの電圧信号は、回転軸５４が安定して浮上するように位相補償器７１によって補正される。位相補償器７１は電流増幅器７２を介してアキシャル磁気軸受５８に接続されており、回転軸５４の変位量を補正するための電流が電流増幅器７２からアキシャル磁気軸受５８ａ，５８ｂに供給されるようになっている。符号７７は回転軸５４がターボ型真空ポンプが異常状態にあることを表示する警報表示器であり、この警報表示器７７は制御部７６に接続されている。符号８０は冷却ジャケット６４に流入する冷却液の流路を開閉する電磁弁であり、この電磁弁８０はドライブ装置７８によって操作される。このドライブ装置７８は制御部７６に接続されており、制御部７６からの信号に基づいて電磁弁８０が操作されるようになっている。符号７９はモータ５５によって回転する回転軸５４の回転速度を加減速させるインバータであり、このインバータ７９は制御部７６からの信号に基づいてモータ５５を介して回転軸５４の回転速度を加減速させるようになっている。

上述の構成において、回転軸５４のアキシャル方向の変位量は第１のアキシャル変位センサ５９により検出され、センサ回路装置７０ａにより電圧信号に変換された後、位相補償器７１に送られる。電圧信号としての変位量は位相補償器７１によって補正された後、電流増幅器７２に送られる。そして、その変位量を補正するだけの電流が電流増幅器７２からアキシャル磁気軸受５８ａ，５８ｂに流れ、これにより、回転軸５４はアキシャル方向に安定的に磁気浮上させられる。しかしながら、ターボ型真空ポンプ運転時において、回転軸５４や回転翼５２等から構成されるポンプロータは、センサターゲット６１の位置を基点としてアキシャル方向に熱膨張又は収縮する。このため、回転翼５２と固定翼５３間の軸方向隙間ｄｇ１〜ｄｇ３が変化し、最悪の場合、回転翼５２と固定翼５３とが接触して運転不能になることとなる。

本実施形態では、第１のアキシャル変位センサ５９の他に、第２のアキシャル変位センサ６０が設けられている。第１及び第２のアキシャル変位センサ５９，６０で検出された２つの変位量は、センサ回路装置７０ａ，７０ｂ及びＡ／Ｄコンバータ７５ａ，７５ｂを通して制御部７６に入力され、制御部７６が上記２つの変位量を比較演算することで回転軸５４の熱膨張量あるいは温度を算出する。そして、算出された熱膨張量（温度）が予め決められた熱膨張量（温度）を超えた場合には、制御部７６により警報表示器７７に回転軸５４が異常状態である旨を表示させ、これにより運転不能となることを未然に防止することができる。回転軸５４の熱膨張がさらに続いた場合には、制御部７６からインバータ７９に停止信号を出力し、運転を停止する等の保護動作を行うようにすることもできる。

さらに、下ハウジング６３に設けた冷却ジャケット６４の冷却能力を電磁弁８０を操作することにより調整し、第２のアキシャル変位センサ６０により検出される変位量を制御することもできる。すなわち、第２のアキシャル変位センサ６０とセンサターゲット６２とのギャップが初期変位量より小さくなった場合は、ドライブ装置７８により電磁弁８０を閉じて冷却ジャケット６４の冷却能力を低減させ、これによって下ハウジング６３を軸方向に伸ばすことができる。なお、図１４に示す磁気軸受制御装置の例は電磁弁８０を操作することで下ハウジング６３の温度制御を行うものであるが、冷却ジャケット６４に導入される冷媒の循環流量や温度を調整してもよいことは明らかである。また、冷却ジャケット６４の設置面積を広げることにより、ターボ型真空ポンプ全体の温度制御を行うこともできる。

一般に、ターボ型真空ポンプを連続して運転すると、ターボ型真空ポンプは高温となり、ポンプ始動時とポンプ運転時とではターボ型真空ポンプの温度が大きく異なってくる。このような条件の下で、第２のアキシャル変位センサ６０とセンサターゲット６２との隙間が一定となるように冷却ジャケット６４によりターボ型真空ポンプの温度を調節するためには、下ハウジング６３を構成する材料の線膨張係数を、回転軸５４を構成する材料以上に大きくする必要がある（下ハウジング６３の線膨張係数≧回転軸５４の線膨張係数）。これは、回転軸５４は非接触にて真空中で回転するため熱放射性が悪く高温となりやすいのに対し、下ハウジング６３は冷却ジャケット６４により直接的に温度調節できるので、回転軸５４の温度は下ハウジング６３の温度以上に高くなるからである。従って、下ハウジング６３の線膨張係数が回転軸５４の線膨張係数に比して大きくないと、下ハウジング６３の温度を冷却ジャケット６４により調節しても第２のアキシャル変位センサ６０とセンサターゲット６２との隙間を一定に保つことができない。

このような理由から、下ハウジング６３は、回転軸５４を構成する材料の線膨張係数以上に大きい線膨張係数を持つ材料から構成されている。なお、下ハウジング６３を構成する材料として、アルミニウム合金やステンレス鋼（線膨張係数１０〜２４×１０^−６／℃）などが好適に用いられ、回転軸５４を構成する材料としては、ステンレス鋼やＦｅ−Ｎｉ合金、セラミックス（線膨張係数２〜１０×１０^−６／℃）などが好適に用いられる。

また、排気部９０の回転翼５２と固定翼５３との軸方向隙間ｄｇ１〜ｄｇ３は、第２のアキシャル変位センサ６０からの軸方向距離が大きいほど大きくなるように設定されている。これによって、回転翼５２と固定翼５３との接触を防止でき、かつ可及的に隙間ｄｇ１〜ｄｇ３を小さくできる。すなわち、軸方向隙間ｄｇ１〜ｄｇ３は、ｄｇ１≦ｄｇ２≦ｄｇ３とすることが好適である。

さらに、回転軸５４の熱膨張量（温度）に基づいてＤ／Ａコンバータ７４及び加減算器７３を介して回転軸５４を移動させるようにすることもできる。すなわち、位相補償器７１に入力される電圧信号を熱膨張量（温度）に応じて加減算器７３により加減し、アキシャル磁気軸受５８に流れる電流を変化させる。これにより回転軸５４を移動させることができる。この場合、回転翼５２と固定翼５３、または下保護ベアリング６６と回転軸５４とが互いに接触しない範囲内で回転軸５４を移動させることが必要である。以上のような構成により、より広範な温度範囲においてターボ型真空ポンプを安定して連続運転することが可能になる。

なお、本実施形態では、第１及び第２のアキシャル変位センサ５９，６０と対向する面にセンサターゲット６１，６２が各々設けられ、これらのセンサターゲット６１，６２は回転軸５４に固着されている。センサターゲット６１，６２は、第１及び第２のアキシャル変位センサ５９，６０の検出感度を向上させるために設けたものであり、けい素鋼やパーマロイなどの磁性材料が好適に用いられる。しかしながら、上記磁性材料は概して機械強度が低く、ターボ型真空ポンプが高速運転する場合に強度不足となる場合がある。このような場合は、回転軸５４にマルテンサイト系ステンレス鋼等の高強度の強磁性材料を用いて、センサターゲットを設けずに回転軸５４の位置を直接センシングしてもよい。
本発明は、上述した実施形態に限定されることなく、前述した構成例を組み合わせてよいことは当然である。

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（タッチダウン軸受）
１０ ヒータ
１１ ポンプステータ
１２ 冷却ジャケット
１３ａ，１３ｂ サーミスタ
１４ 吸気口
１５ 排気口
１６ 磁気軸受ターゲット
１７ 磁気軸受制御装置
２０ａ，２０ｂ センサ回路装置
２１ａ，２１ｂ Ａ／Ｄコンバータ
２２ 回転速度センサ
２３ 回転速度変換装置
２４ 平均化装置
３０ 同期検波装置
３１ 差動増幅器
５１ 上ハウジング
５１Ａ 吸気口
５１Ｂ 排気口
５２Ａ，５２Ｂ，５２Ｃ 回転翼
５３Ａ，５３Ｂ，５３Ｃ 固定翼
５４ 回転軸
５５ モータ
５６ 上ラジアル磁気軸受
５７ 下ラジアル磁気軸受
５８ アキシャル磁気軸受
５９ 第１のアキシャル変位センサ
６０ 第２のアキシャル変位センサ
６１，６２ センサターゲット
６３ 下ハウジング
６４ 冷却ジャケット（冷却機構）
６５ 上保護ベアリング
６６ 下保護ベアリング
７０ａ，７０ｂ センサ回路装置
７１ 位相補償器
７２ 電流増幅器
７３ 加減算器
７４ Ｄ／Ａコンバータ
７５ａ，７５ｂ Ａ／Ｄコンバータ
７６ 制御部
７７ 警報表示器
７８ ドライブ装置
７９ インバータ
８０ 電磁弁
９０ 排気部
９１ 運動制御部

Claims (5)

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、前記回転軸に取付けられた回転翼と、前記回転翼と対向するように配置された固定翼と、前記回転軸を回転駆動するモータとを備えたターボ型真空ポンプにおいて、
   前記回転軸の一方の端部近傍に前記回転翼と前記固定翼とを配置することにより排気部を構成するとともに、
   前記回転軸の軸方向の位置を検出する第１のアキシャル変位センサと、前記アキシャル磁気軸受と、前記回転軸の軸方向の動きを規制する保護ベアリングとを前記回転軸の他方の端部近傍に配置することにより運動制御部を構成し、
   前記排気部の近傍に前記回転軸の軸方向位置を検出する第２のアキシャル変位センサを配置したことを特徴とするターボ型真空ポンプ。
2. 請求項１に記載のターボ型真空ポンプにおいて、前記運動制御部はハウジング内に収容されており、前記第２のアキシャル変位センサの出力値に基づいて冷却機構により前記ハウジングの温度を制御することにより前記第２のアキシャル変位センサの出力値を制御することを特徴とするターボ型真空ポンプ。
3. 請求項１に記載のターボ型真空ポンプにおいて、前記第１のアキシャル変位センサ及び前記第２のアキシャル変位センサの出力値の出力値に基づいて警報動作を行うことを特徴とするターボ型真空ポンプ。
4. 請求項２に記載のターボ型真空ポンプにおいて、前記ハウジングを構成する材料は、前記回転軸を構成する材料の線膨張係数以上に大きい線膨張係数を有していることを特徴とするターボ型真空ポンプ。
5. 請求項１に記載のターボ型真空ポンプにおいて、前記回転翼及び前記固定翼をそれぞれ複数設け、前記複数の回転翼と前記複数の固定翼との間に形成される隙間は、前記第２のアキシャル変位センサから離れるに従って大きくなるように設定されていることを特徴とするターボ型真空ポンプ。

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