JP6705228B2 - 温度制御装置およびターボ分子ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、温度制御装置およびターボ分子ポンプに関する。

ターボ分子ポンプは種々の半導体製造装置の排気ポンプとして使用されるが、エッチングプロセス等において排気を行うと、反応生成物がポンプ内部に堆積する。特に、ポンプ下流側のガス流路に堆積しやすく、ロータとステータとの隙間が堆積物によって埋められてしまうほど反応生成物が堆積すると種々の不具合が生じる。例えば、ロータがステータに固着してロータ回転が不可能となったり、ロータ翼がステータ側に接触して破損したりする。そのため、ポンプベース部を加熱して反応生成物の堆積を抑制する構成のターボ分子ポンプが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載のターボ分子ポンプは、回転翼温度検出手段で求めた回転翼の温度に基づきベース部の目標温度を設定するベース温度設定手段と、ベース温度設定手段の目標温度とベース部において実測された温度間の差を算出する温度差算出手段と、温度差算出手段の出力信号に基づきベース部の加熱若しくは冷却を制御する温度制御手段とを備えている。そして、生成物の堆積を防止するためにベース部を加熱する際に、回転翼の温度が異常になるのを防止するために、回転翼温度検出手段で求めた回転翼の温度に基づきベース部の目標温度を設定することで、回転翼の保護を図りつつ、反応生成物の堆積を防止するようにしている。

特開平１０−２６６９９１号公報

しかしながら、回転翼の温度が異常になるのを防止するようにベース部の目標温度を設定した場合でも、反応生成物の堆積を完全に防止するには難しく、反応生成物の堆積を避けることはできない。そのため、ポンプ稼働時間の経過と共に反応生成物の堆積量が増加し、最終的には反応生成物によってロータがステータに固着するというような問題が生じる。

本発明の好ましい実施形態による温度制御装置は、ポンプベース部に設けられたステータと、前記ステータに対して回転駆動されるロータと、前記ポンプベース部を加熱する加熱部と、前記ポンプベース部の温度を検出するベース温度検出部と、前記ロータの温度に相当する物理量である温度相当量を検出するロータ温度検出部とを備えるターボ分子ポンプの、温度制御装置であって、前記ロータ温度検出部の検出値に基づいて前記加熱部による前記ポンプベース部の加熱を制御する加熱制御部と、前記ベース温度検出部の検出温度が所定閾値以下の場合に警報を報知する報知部と、を備える。
さらに好ましい実施形態では、前記加熱制御部は、前記ロータ温度検出部の検出値が所定目標値となるように前記加熱部による前記ポンプベース部の加熱を制御する。
本発明の好ましい実施形態による温度制御装置は、回転翼と固定翼とを含むターボポンプ段と、ポンプベース部に設けられたステータと前記ステータに対して回転駆動される円筒部とを含むネジ溝ポンプ段と、前記ポンプベース部を加熱する加熱部と、前記回転翼および前記円筒部が形成されたロータの前記回転翼が形成された部分に設けられる強磁性体ターゲット、および、前記強磁性体ターゲットの透磁率変化を検出するセンサを有し、前記強磁性体ターゲットのキュリー点近傍の透磁率変化に基づいて温度を検出するロータ温度検出部と、を備えるターボ分子ポンプの、温度制御装置であって、前記ロータ温度検出部の検出値が、前記ネジ溝ポンプ段の反応生成物の堆積量を抑制するよう設定された下限値から前記ターボポンプ段のロータのクリープ変形を抑制するよう設定された上限値までの所定目標値となるように、前記加熱部による前記ポンプベース部の加熱を制御する。
さらに好ましい実施形態では、前記ロータ温度検出部は、前記ロータに設けられた強磁性体ターゲットと、前記強磁性体ターゲットに対して対向するように配置され、前記強磁性体ターゲットの透磁率変化を検出するセンサとを備え、前記強磁性体ターゲットのキュリー点近傍の透磁率変化に基づいて前記ロータの温度を検出する。
本発明の好ましい実施形態によるターボ分子ポンプは、ポンプベース部に設けられたステータと、前記ステータに対して回転駆動されるロータと、前記ポンプベース部を加熱する加熱部と、前記ポンプベース部の温度を検出するベース温度検出部と、前記ロータの温度に相当する物理量である温度相当量を検出するロータ温度検出部と、前記温度制御装置のいずれかと、を備える。

請求項１に記載の発明によれば、反応生成物堆積に関する警報を報知することで適切なメンテナンスを行うことができると共に、ロータ寿命長期化とメンテナンス期間長期化とを図ることができる。
また、請求項３に記載の発明によれば、ロータ寿命を管理しつつ反応生成物の堆積を可能な限り低減することができ、ターボ分子ポンプにおける、ロータ寿命の長寿命化と反応生成物除去のメンテナンス期間の長期化との間のトレードオフを最適化することができる。

図１は、ターボ分子ポンプのポンプ本体の概略構成を示す断面図である。 図２は、温度制御装置２を示すブロック図である。 図３は、ロータ温度Ｔｒが所定温度Ｔ１となるように制御した場合のロータ温度Ｔｒおよびベース温度Ｔｂの推移の一例を示す図である。 図４は、ロータ温度Ｔｒおよびベース温度Ｔｂの長時間における推移の一例を示す図である。 図５は、ロータ温度センサの温度検出原理を説明する図である。 図６は、キュリー温度Ｔｃにおける透磁率変化およびインダクタンス変化の一例を示す図である。 図７は、温度ＴＵ，ＴＬの設定方法を説明する図である。 図８は、２つのターゲットを用いた場合の温度ＴＵ，ＴＬの設定方法を説明する図である。 図９、一つの温度閾値によるオンオフ制御を説明する図である。 図１０は、温度制御装置を内蔵するターボ分子ポンプの一例を示すブロック図である。

以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。図１は本発明の一実施の形態を示す図であり、ターボ分子ポンプのポンプ本体１の概略構成を示す断面図である。ポンプ本体１は不図示のコントロールユニットによって制御される。

ポンプ本体１は、回転翼４１と固定翼３１とで構成されるターボポンプ段と、円筒部４２とステータ３２とで構成されるネジ溝ポンプ段とを有している。ネジ溝ポンプ段においては、ステータ３２または円筒部４２にネジ溝が形成されている。回転翼４１および円筒部４２はポンプロータ４ａに形成されている。ポンプロータ４ａはシャフト４ｂに締結されている。ポンプロータ４ａとシャフト４ｂとによって回転体ユニット４が構成される。

軸方向に配置された複数段の回転翼４１に対して、複数段の固定翼３１が交互に配置されている。各固定翼３１は、スペーサリング３３を介してベース３上に載置される。ポンプケーシング３０をベース３にボルト固定すると、積層されたスペーサリング３３がベース３とポンプケーシング３０の係止部３０ａとの間に挟持され、固定翼３１が位置決めされる。

シャフト４ｂは、ベース３に設けられた磁気軸受３４，３５，３６によって非接触支持される。詳細な図示は省略したが、各磁気軸受３４〜３６は電磁石と変位センサとを備えている。変位センサによりシャフト４ｂの浮上位置が検出される。シャフト４ｂ、すなわち回転体ユニット４の回転数（１秒当たりの回転数）は、回転センサ４３によって検出される。

シャフト４ｂはモータ１０により回転駆動される。モータ１０は、ベース３に設けられたモータステータ１０ａと、シャフト４ｂに設けられたモータロータ１０ｂとから成る。磁気軸受が作動していない時には、シャフト４ｂは非常用のメカニカルベアリング３７ａ，３７ｂによって支持される。回転体ユニット４がモータ１０により高速回転されると、ポンプ吸気口側のガスは、ターボポンプ段（回転翼４１、固定翼３１）およびネジ溝ポンプ段（円筒部４２、ステータ３２）により順に排気され、排気ポート３８から排出される。

ベース３には、ステータ３２を温度調整するためのヒータ５および冷却装置７が設けられている。図１に示す例では、冷却装置７として、冷媒が流通する流路が形成された冷却ブロックが設けられている。図示していないが、冷却装置７の冷媒流路には冷媒流入のオンオフを制御する電磁弁が設けられている。ベース３にはベース温度センサ６が設けられている。なお、図１に示す例では、ベース温度センサ６をベース３に設けているがステータ３２に設けるようにしても良い。

また、ポンプロータ４ａの温度はロータ温度センサ８によって検出される。上述したようにポンプロータ４ａは磁気浮上されて高速回転するので、ロータ温度センサ８には非接触式の温度センサが用いられる。本実施の形態では、ロータ温度センサ８はインダクタンス式センサであって、ポンプロータ４ａに設けられたターゲット９の透磁率の変化をインダクタンスの変化として検出する。ターゲット９は強磁性体で形成されている。

図２は、温度制御装置２を示すブロック図である。ポンプ本体１には、上述したように温度調整用のヒータ５、冷却装置７およびベース温度センサ６と、ポンプロータ４ａの温度を検出するためのロータ温度センサ８が設けられている。これらは、温度制御装置２に接続されている。

温度制御装置２は、温度制御部２１、比較部２２，表示部２３，入力部２４，２５および出力部２６を備えている。温度制御部２１は、ロータ温度センサ８により検出されたロータ温度Ｔｒと、入力部２４に入力された所定温度Ｔ１とに基づいて、ヒータ５による加熱および冷却装置７による冷却を制御する。具体的には、ヒータ５のオンオフ制御、および冷却装置７の冷媒流入のオンオフ制御が行われる。なお、本実施の形態ではヒータ５と冷却装置７とを用いて温調を行うようにしたが、ヒータ５のオンオフのみで温調を行っても良い。

比較部２２は、ベース温度センサ６により検出されたベース温度Ｔｂと、入力部２５に入力された所定温度Ｔ２とに基づいて、反応生成物の堆積に関する警報表示を表示部２３に表示させる。入力部２４，２５への所定温度Ｔ１，Ｔ２の入力方法としては、例えば、オペレータが入力部２４，２５に設けられた操作部を操作して手動で入力する構成とされる。また、上位のコントローラからの指令によって所定温度Ｔ１，Ｔ２を設定する構成であっても良い。なお、特に外部より設定されない場合は、Ｔ１，Ｔ２として予め記憶している標準的な値を適用する。

（温調動作および警報動作の説明）
次に、温度制御装置２による温調動作および警報動作について詳しく説明する。前述したように、エッチングプロセス等において排気を行うと、反応生成物がポンプ内部に堆積する。特に、ポンプ下流側のステータ３２、円筒部４２やベース３のガス流路に堆積しやすく、ステータ３２および円筒部４２への堆積が増大するとステータ３２と円筒部４２との隙間が堆積物によって狭まり、ステータ３２と円筒部４２とが接触したり固着したりすることがある。そのため、ヒータ５および冷却装置７を設けてベース部分の温度を制御し、ステータ３２、円筒部４２やベース３のガス流路への反応生成物の堆積を抑制するようにしている。この温度調整動作については後述する。

ターボ分子ポンプのポンプロータ４ａには一般的にアルミ材が用いられるので、ポンプロータ４ａの温度（ロータ温度Ｔｒ）には、クリープ歪みに関するアルミ材特有の許容温度がある。ターボ分子ポンプにおいてはポンプロータ４ａが高速回転されるので、高速回転状態においてはポンプロータ４ａに高い遠心力が作用して高引張応力状態となる。そのような高引張応力状態においてポンプロータ４ａの温度が許容温度（例えば、１２０℃）以上になると、永久歪みが増加するクリープ変形の速度が無視できなくなる。

許容温度以上で運転し続けると、ポンプロータ４ａのクリープ歪みが増加してポンプロータ４ａの各部の径寸法が増大し、円筒部４２とステータ３２との隙間や回転翼４１と固定翼３１との隙間が狭まり、それらが接触する可能性がある。このように、ポンプロータ４ａのクリープ歪みを考慮すると、許容温度以下で運転するのが好ましい。一方で、反応生成物の堆積を抑えて堆積物除去のメンテナンス間隔をより長期化するためには、温調によってベース温度Ｔｂをより高く保持するのが好ましい。

詳細は後述するが、本実施の形態では、ロータ温度センサ８で検出されたロータ温度Ｔｒが所定温度または所定温度範囲となるようにヒータ５および冷却装置７を制御することで、クリープ歪みによるポンプロータ４ａの寿命の長寿命化を優先した適正温度に保ちつつ、反応生成物堆積に対するメンテナンス時間の長期化を図るようにした。

図３は、ロータ温度Ｔｒが所定温度Ｔ１となるようにベース部の加熱および冷却（すなわち温調）を行った場合の、ロータ温度Ｔｒおよびベース温度Ｔｂの短時間における推移の一例を示す図である。ここで短時間とは、数分から数時間の時間範囲を言う。

図３（ａ）はロータ温度Ｔｒの推移を示す図である。上述したように、所定温度Ｔ１は、ベース部の温調を行う際のロータ温度Ｔｒの制御目標値である。図３（ｂ）の曲線Ｌ２１，Ｌ２２，Ｌ２３はベース温度Ｔｂの推移を示している。曲線Ｌ２１，Ｌ２２，Ｌ２３は排気するガス種が異なる。符号λ１，λ２，λ３はガスの熱伝導率を表しており、λ１＞λ２＞λ３の大小関係にある。

ポンプロータ４ａはガス中を高速回転して排気するためガスとの摩擦で発熱する。一方で、ポンプロータ４ａから固定翼、ステータへ放熱される熱量はガスの熱伝導率に依存し、ガスの熱伝導率が大きいほど放熱量も大きくなる。その結果、ガスの熱伝導率が小さい場合の方がポンプロータ４ａからの放熱量が小さく、ロータ温度Ｔｒは高くなる。すなわち、同一のガス流量、同一のベース温度Ｔｂに対して、ガスの熱伝導率が小さい場合ほどロータ温度Ｔｒが高くなる。

本実施の形態では、ロータ温度Ｔｒが所定温度Ｔ１となるようにベース部の加熱および冷却を制御しているので、ガスの熱伝導率が小さい場合ほどベース温度Ｔｂが低くなる。図３（ｂ）に示す例ではλ１＞λ２＞λ３なので、ベース温度Ｔｂは熱伝導率λ３の曲線Ｌ２３が最も低く、曲線Ｌ２２、Ｌ２１の順にロータ温度Ｔｒが高くなる。

所定温度Ｔ１が図２の入力部２４に入力されると、入力部２４から温度制御部２１に所定温度Ｔ１が入力される。温度制御部２１は、所定温度Ｔ１が入力されると、ヒータ５および冷却装置７のオンオフ制御を行うための目標上限温度ＴＵ（＝Ｔ１＋ΔＴ）および目標下限温度ＴＬ（＝Ｔ１−ΔＴ）を、所定温度Ｔ１の上下に設定する。そして、入力された所定温度Ｔ１およびロータ温度Ｔｒに基づいて、ロータ温度Ｔｒが所定温度Ｔ１となるようにヒータ５および冷却装置７のオンオフを制御する。

図３（ａ）の時刻ｔ１においてロータ温度Ｔｒが目標下限温度ＴＬを上向きに越えたならば、温度制御部２１はオン状態であったヒータ５をオフして加熱を停止する。ヒータ５によるベース部分の加熱を停止すると、ベース部（ステータ３２）からポンプロータ４ａへの熱移動量が小さくなって、ロータ温度Ｔｒの上昇率が小さくなる。その後、時刻ｔ２においてロータ温度Ｔｒが目標上限温度ＴＵを上向きに越えたならば、温度制御部２１は冷却装置７をオンしてベース部の冷却を開始する。冷却によりステータ３２の温度が低下すると、ポンプロータ４ａからステータ３２へ熱が移動し、冷却開始からしばらくするとロータ温度Ｔｒが低下し始める。

ロータ温度Ｔｒが低下し、時刻ｔ３においてロータ温度Ｔｒが目標上限温度ＴＵを下向きに越えたならば、温度制御部２１は冷却装置７をオフする。その結果、円筒部４２からステータ３２への熱移動が減少し、ロータ温度Ｔｒの低下率が徐々に小さくなる。その後、時刻ｔ４においてロータ温度Ｔｒが目標下限温度ＴＬを下向きに越えたならば、温度制御部２１はヒータ５をオンしてベース部の加熱を再開する。ヒータ加熱によりステータ３２の温度が上昇するとステータ３２から円筒部４２へ熱が移動し、ロータ温度Ｔｒが上昇し始める。このように、ベース部の加熱、冷却によりベース３およびステータ３２の温度が上昇、低下すると、それにつれてポンプロータ４ａの温度（ロータ温度Ｔｒ）も上昇、低下する。

図４は、ロータ温度Ｔｒが所定温度Ｔ１となるようにベース部の加熱および冷却を行った場合のロータ温度Ｔｒおよびベース温度Ｔｂの長時間における推移の一例を示す図である。ここでの長時間とは、数か月から数年の期間を指す。ヒータ５および冷却装置７によりベース部の温調を行うことで反応生成物の堆積は抑制されるが、それでも徐々に堆積が進む。

ポンプ内に反応生成物が堆積してガス流路が狭くなるにつれて、タービン翼部の圧力が上昇してくる。タービン翼部の圧力が上昇すると、ロータ回転数を定格回転数に維持するのに必要なモータ電流が増加するとともに、ガス排気に伴う発熱が増加する。その結果、ロータ温度が上昇傾向となる。反応生成物堆積によりロータ温度Ｔｒが上昇傾向になると、ロータ温度Ｔｒが所定温度Ｔ１となるように温調を行っているのでベース部の加熱量が減少する。すなわち、反応生成物の堆積の増加に伴ってベース温度Ｔｂが低下する。

図４に示す例では、時刻ｔ１１にポンプを使用開始してからしばらくの間は、反応生成物の堆積量がロータ温度Ｔｒに影響を及ぼすほどの量でないため、ベース温度Ｔｂはほぼ一定に保たれている。しかし、堆積量がある程度増加した時刻ｔ１２以後は、ロータ温度Ｔｒの上昇を抑えるためにベース加熱量が減少し、ベース温度が低下し始める。そして、図２の比較部２２によってベース温度Ｔｂが所定温度Ｔ２以下となったことが検出されると、比較部２２はメンテナンスを求める警報信号を表示部２３に出力すると共に、出力部２６を介して警報信号を外部に出力する。警報信号が表示部２３に入力されると、表示部２３は警報表示を表示する。

さらに、ベース温度Ｔｂが運転可能下限温度Ｔminに達したことが比較部２２によって検出されると、比較部２２は警告信号を表示部２３に出力すると共に、ポンプ停止信号を出力部２６から外部（例えば、ターボ分子ポンプのコントロールユニット）に出力する。表示部２３は、警告信号が入力されるとポンプ停止を示す警告表示を表示する。また、ポンプ停止信号がターボ分子ポンプのコントロールユニットに入力されると、ターボ分子ポンプはポンプ停止動作を開始する。

図３，４において、温度Ｔmaxはターボ分子ポンプの運転可能上限温度であって、ロータ温度Ｔｒが運転可能上限温度Ｔmaxを越えるとポンプロータ４ａのクリープ歪みが無視できなくなり寿命低下への影響が大きくなる。そのため、所定温度Ｔ１は、ロータ温度Ｔｒが運転可能上限温度Ｔmaxを越えないようにＴＵ＜Ｔmaxのように設定される。ロータ温度Ｔｒが運転可能上限温度Ｔmax以下であれば、クリープ歪みの影響が小さく、ポンプロータ４ａのクリープ寿命を所定値以上に保持することができる。

しかしながら、所定温度Ｔ１を過度に低く設定すると、温調時のベース温度Ｔｂが所定温度Ｔ２以下となってしまい、反応生成物の堆積量が増加してメンテナンス間隔が短くなってしまう。そのため、所定温度Ｔ１は、図４（ｂ）に示すように初期状態においてベース温度Ｔｂの曲線Ｌ２１，Ｌ２２，Ｌ２３が所定温度Ｔ２よりも高温位置となるように設定するのが好ましい。

図３，４に示す例では、所定温度Ｔ１を設定する際の下限値である温度Ｔａは、曲線Ｌ２３のガスまでを想定した場合の値を示した。温度Ｔａは、排気の可能性がある複数のガス種の内、熱伝導率が最も低いガス種のガス流量を定めて、ロータ温度Ｔｒが温度Ｔａとなったときの曲線Ｌ２３（ベース温度Ｔｂ）の位置が所定温度Ｔ２よりも若干高温側となるように設定されている。このように、温度Ｔａは、ベース温度Ｔｂが所定温度Ｔ２を下回らないようにするためのロータ温度Ｔｒの下限値である。

所定温度Ｔ１の下限値は、ベース温度Ｔｂが所定温度Ｔ２を下回らない下限温度であり、図３（ａ）は所定温度Ｔ１を下限値に設定した場合を示す。一方、図３（ａ）の曲線Ｌ１’は、所定温度Ｔ１を上限値に設定した場合を示す。この場合、ロータ温度Ｔｒは運転可能上限温度Ｔmax以下に制御される。すなわち、所定温度Ｔ１は図３（ａ）の符号Ａで示す範囲に設定される。曲線Ｌ１の温度変化幅を２ΔＴ１とした場合、温度範囲ＡはＴａ＋ΔＴ１≦Ｔ１≦Ｔmax−ΔＴ１となる。図３（ｂ）に示すように３種類の曲線Ｌ２１，Ｌ２２，Ｌ２３の全てが所定温度Ｔ２を上回るようにするためには、下限値ＴａをＴａ＝Ｔ１−ΔＴ１のように設定すれば良い。

なお、予め想定したガス種よりも熱伝導率が低いガス種が排気される場合、あるいは、ガス種に関係なく標準的な所定温度Ｔ１に設定したとしても、結果的に初期状態からベース部温度が所定温度Ｔ２を下回ることがあり得るが、そのような場合には、改めて所定温度Ｔ１の値を下げる設定変更を行えば良い。

所定値Ｔ１の設定方法としては、例えば、ロータ寿命を最優先とする値Ｔ１＝Ｔａ＋ΔＴ１が所定値Ｔ１の初期値として予め設定されていて、Ｔａ＋ΔＴ１≦Ｔ１≦Ｔmax−ΔＴ１の範囲の所望の値をユーザが入力部２４から入力できる構成としても良い。ユーザは、ロータ寿命とメンテナンス期間とのどちらにどの程度のウェイトを付与するかに応じて所定温度Ｔ１を設定することができる。つまり、ロータ寿命とメンテナンス期間に対して適切なトレードオフをかけることができる。また、所定温度Ｔ２についても予め初期値が設定されていて、ユーザが所望の値を入力部２５から入力できるような構成とする。この場合の所定温度Ｔ２の初期値としては、例えば、従来のベース温度に対して目標温度を設定して温調を行う場合の目標温度と同程度の温度が設定される。

また、所定温度Ｔ２として、反応生成物の昇華温度またはその近傍温度を用いても良い。ベース温度Ｔｂが昇華温度である所定温度Ｔ２を下回ると、反応生成物の堆積速度が急速に速まるので、メンテナンスを促す警報表示を行う。

運転可能下限温度Ｔminとしては、一例として、反応生成物の堆積が著しくなって円筒部４２とステータ３２との接触等の可能性が高くなるベース温度があるが、このベース温度を厳密に決定するのは難しく、プロセスの状況やポンプ状況によって大きく影響される。そのため、目安として、所定温度Ｔ２に対して、温度幅Ｂが１０℃程度以下となるように設定される。もちろん、実際のプロセス条件で実験やシミュレーションを行って温度Ｔminを決定しても構わない。

（ロータ温度センサ８の説明）
ロータ温度センサ８は、ポンプロータ４ａの温度を非接触で検出する。そのような非接触センサとしては種々のものがあるが、本実施の形態のロータ温度センサ８では、ポンプロータ４ａに設けられた強磁性体のターゲット９の透磁率の変化をインダクタンスの変化として検出する。

図５はロータ温度センサ８の温度検出原理を説明する図であり、ロータ温度センサ８とターゲット９の作る磁気回路の模式図である。ロータ温度センサ８の構造は、珪素鋼板などの透磁率の大きなコアの周囲にコイルを巻いたものである。ロータ温度センサ８のコイルには搬送波として一定周波数・一定電圧の高周波電圧が印加され、ロータ温度センサ８からターゲット９に向けて高周波磁界が形成される。

ターゲット９には、キュリー温度Ｔｃがポンプロータ４ａの運転可能上限温度Ｔmaxとほぼ同一か、または、それに近い温度を有する磁性体材料を用いる。例えば、アルミの場合の運転可能上限温度Ｔmaxは１１０℃〜１３０℃程度であり、キュリー温度Ｔｃが１２０℃程度の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。

図６は、キュリー温度Ｔｃにおける透磁率変化およびインダクタンス変化の一例を示す図である。ロータ温度上昇によりターゲット９の温度が上昇してキュリー温度Ｔｃを越えると、図６（ａ）の実線で示すように、ターゲット９の透磁率が真空の透磁率程度まで急激に低下する。図６（ａ）は典型的な磁性体であるフェライトの場合の透磁率変化を示したものであり、常温における透磁率はキュリー温度付近の透磁率よりも低く、温度上昇とともに上昇してキュリー温度Ｔｃを越えると急激に低下する。ロータ温度センサ８が形成する磁界中でターゲット９の透磁率が変化すると、ロータ温度センサ８のインダクタンスが変化することになる。その結果、搬送波は振幅変調され、ロータ温度センサ８から出力される振幅変調された搬送波を検波・整流することにより、透磁率の変化に相当する信号変化を検出することができる。

ロータ温度センサ８のコア材料はフェライト等の磁性体が用いられるが、この透磁率がエアギャップの透磁率に比べてそれを無視できる程度に大きく、また、漏れ磁束が無視できる場合には、インダクタンスＬと寸法ｄ，ｄ１との関係は近似的に次式（１）のように表される。なお、Ｎはコイルの巻き数、Ｓはターゲット９と対向するセンサコアの断面積、ｄはエアギャップ、ｄ１はターゲット９の厚さ、μ１はターゲット９の透磁率であり、エアギャップの透磁率は真空の透磁率μ０に等しいとする。
Ｌ＝Ｎ^２／｛ｄ１／（μ１・Ｓ）＋ｄ／（μ０・Ｓ）｝ …（１）

ロータ温度Ｔｒがキュリー温度Ｔｃよりも低い温度のときには、ターゲット９の透磁率は真空の透磁率に比べて十分に大きい。そのため、ｄ１／（μ１・Ｓ）はｄ／（μ０・Ｓ）に比べて無視できるほどに小さくなり、式（１）は次式（２）のように近似できる。
Ｌ＝Ｎ^２・μ０・Ｓ／ｄ …（２）

一方、ロータ温度Ｔｒがキュリー温度Ｔｃよりも上昇すると、近似的にμ１＝μ０となる。そのため、この場合には式（１）は次式（３）のように表される。
Ｌ＝Ｎ^２・μ０・Ｓ／（ｄ＋ｄ１） …（３）

すなわち、エアギャップがｄから（ｄ＋ｄ１）に変化したことに相当し、それに応じてロータ温度センサ８のインダクタンスが変化することになる。このインダクタンス変化を検出することにより、ロータ温度がキュリー温度Ｔｃ以上となったか否かをモニタすることができる。

図６（ａ）に示した透磁率の変化は、ロータ温度センサ８のコイルによってインダクタンスの変化に変換されるが、インダクタンスは図６（ｂ）の実線のように変化する。インダクタンスも透磁率の変化と同様の変化をするが、変化の割合が透磁率に比べて若干小さくなり、上下に圧縮されたような変化となる。

図６（ａ），（ｂ）の二点差線は、強磁性体のターゲット９とは別の純鉄のターゲットの透磁率変化およびインダクタンス変化を示したものである。純鉄ターゲットのキュリー温度Ｔcはターゲット９のキュリー温度Ｔcに比して十分に高いので、図６（ａ），（ｂ）に示す温度範囲では、透磁率およびインダクタンスは温度上昇とともに単純に増加している。このような純鉄ターゲットをポンプロータ４ａに設けておき、ターゲット９のインダクタンス信号と純鉄ターゲットのインダクタンス信号との差分信号を取ると、図７に示すような差分信号となる。

図７は、温度ＴＵ，ＴＬの設定方法を説明する図である。図７のような差分信号に対して２つの閾値Ｖａ，Ｖｂを設定すると、ロータ温度ＴｒがＴＬ以上のときに差分信号は閾値Ｖａ以下となり、ロータ温度ＴｒがＴＵ以上のときに差分信号は閾値Ｖｂ以下となる。

なお、キュリー温度Ｔｃ付近における透磁率変化が急激すぎて図７のように２つの温度閾値（ＴＬ，ＴＵ）を取得することが困難な場合には、例えば、図８のようにキュリー温度Ｔc1，Ｔc2の異なる２つのターゲットを用いても良い。キュリー温度Ｔc1（＜Ｔc2）のターゲットにより温度閾値ＴＬを取得し、キュリー温度Ｔc2のターゲットにより温度閾値ＴＵを取得する。

また、図３に示す例では、所定温度Ｔ１を挟んで２つの温度閾値（ＴＵ、ＴＬ）を設けてヒータ５および冷却装置７のオンオフ制御を行うようにしたが、図９に示すように一つの温度閾値を設けてオンオフ制御を行うようにしても良い。この場合には、所定温度Ｔ１は下限値Ｔａに等しく設定される。時刻ｔ１においてロータ温度Ｔｒが所定温度Ｔ１を上向きに越えたならば、ヒータ５をオフして冷却装置７をオンする。その結果、ベース温度Ｔｂが低下してロータ温度Ｔｒも低下する。その後、時刻ｔ２においてロータ温度Ｔｒが所定温度Ｔ１を下向きに越えたならば、ヒータ５をオンし、冷却装置７をオフする。その結果、ベース温度Ｔｂが上昇してロータ温度Ｔｒも上昇する。

上述した実施の形態では、ロータ温度Ｔｒが所定温度Ｔ１となるようにヒータ５および冷却装置７のオンオフ制御を行うようにした。しかし、ロータ温度Ｔｒが所定の温度範囲内に制御されるようにヒータ５および冷却装置７のオンオフ制御を行うようにしても良い。

例えば、図８の場合と同様に、キュリー温度の異なる２つの強磁性体ターゲットを用いてロータ温度Ｔｒが温度ＴＵ，ＴＬとなるタイミングを検出する。そして、ロータ温度Ｔｒが温度ＴＵを越える場合にはポンプベース部の加熱量を低下させ、ロータ温度Ｔｒが温度ＴＬを下回る場合にはポンプベース部の加熱量を増加させることで、ロータ温度ＴｒをＴＬ以上ＴＵ以下の温度範囲に収める。温度ＴＵは運転可能上限温度Ｔmax以下に設定し、温度ＴＬは図３の温度Ｔａよりも高く設定される。それにより、ロータ温度Ｔｒが運転可能上限温度Ｔmax以下となりロータ寿命の長期化が図れ、かつ、ベース温度Ｔｂが所定温度Ｔ２よりも高く保持されて反応生成物の堆積が抑えられる。

ポンプ稼働時間が長期に及ぶと反応生成物の堆積量が増加し、図４（ａ）の場合と同様にベース温度Ｔｂが低下する。そして、ベース温度Ｔｂが所定温度Ｔ２以下となったならば、メンテナンスの警報を発生する。さらに、ベース温度Ｔｂが運転可能下限温度Ｔminに達すると、警告信号を表示部２３に出力すると共に、ポンプ停止信号を出力部２６から出力する。

（１）上述のように、本実施の形態の温度制御装置２は、ポンプベース部であるベース３に設けられたステータ３２と、ステータ３２に対して回転駆動されるポンプロータ４ａと、ベース３を加熱するヒータ５と、ベース３の温度を検出するベース温度センサ６と、ポンプロータ４ａの温度に相当する物理量である温度相当量を検出するロータ温度センサ８とを備えるターボ分子ポンプの、温度制御装置であって、ロータ温度センサ８の検出値に基づいてヒータ５によるベース３の加熱を制御する温度制御部２１と、ベース温度センサ６の検出温度が所定閾値（例えば、所定温度Ｔ２）以下の場合に警報を報知する報知部としての表示部２３および出力部２６と、を備える。

温度制御部２１は、ロータ温度センサ８の検出値に基づいてヒータ５によるベース３の加熱を制御するので、ポンプロータ４ａのロータ温度Ｔｒが運転可能上限温度Ｔmaxを越えないようにヒータ加熱を行うことが可能となる。反応生成物の堆積によりロータ温度Ｔｒが上昇傾向となった場合、上述のような加熱制御を行うとロータ温度上昇が抑えられてベース温度Ｔｂが徐々に低下する傾向となる。その結果、反応生成物の堆積量の増加をベース温度Ｔｂの低下として検出することができ、ベース温度Ｔｒが所定温度Ｔ２以下となったときに、反応生成物除去のメンテナンスタイミングを報知する。それにより、反応生成物堆積による不都合の発生、例えば、ポンプロータ４ａとステータ３２との固着や、回転中のポンプロータ４ａのステータ３２への接触を予防することができる。

（２）さらに、ロータ温度センサ８の検出値が所定目標値である所定温度Ｔ１となるようにヒータ５によるベース３の加熱を制御するのが好ましい。このような制御を行うことにより、ロータ温度Ｔｒを運転可能上限温度Ｔmaxに近づけることが可能となり、ベース温度Ｔｂを可能な限り高温とすることができる。その結果、反応生成物除去のメンテナンス間隔を可能な限り長期化することができる。

（３）また、上述した実施形態では、温度制御装置２は、ポンプベース部であるベース３に設けられたステータと、ステータに対して回転駆動されるポンプロータ４ａと、ベース３を加熱するヒータ５と、ポンプロータ４ａの温度に相当する物理量である温度相当量を検出するロータ温度センサ８とを備えるターボ分子ポンプの、温度制御装置であって、ロータ温度センサ８の検出値が所定目標値（例えば、所定温度Ｔ１）となるようにベース３の加熱を制御する構成となっている。

このようにロータ温度Ｔｒが所定目標値となるようにベース３の加熱を制御する構成では、ロータ温度Ｔｒを運転可能上限温度Ｔmaxに可能な限り近づけることで、ベース温度Ｔｂをより高く保持することができる。そのため、ロータ寿命を管理しつつ反応生成物の堆積を可能な限り低減することができ、ターボ分子ポンプにおける、ロータ寿命の長寿命化と反応生成物除去のメンテナンス期間の長期化との間のトレードオフを最適化することができる。

なお、上述した特開平１０−２６６９９１号公報に記載の発明では、ロータ温度に基づく推定演算によりベース温度目標値を設定し、そのベース温度目標値となるようにベース加熱を制御している。このようにロータ温度からベース温度目標値を推定する構成では、推定演算が複雑となる。さらに、ベース温度をベース温度目標値に制御することでロータ温度が高温となるのを防止しているので、本実施の形態に比べてロータ温度制御精度の点で劣っている。

（４）ロータ温度検出部は、ポンプロータ４ａに設けられた強磁性体のターゲット９と、ターゲット９に対して対向するように配置され、ターゲット９の透磁率変化を検出するロータ温度センサ８とを備え、ターゲット９のキュリー点近傍の透磁率変化に基づいてポンプロータ４ａの温度を検出する。ロータ温度検出部をこのような構成とすることで、排気するガスの種類に依存することなくロータ温度Ｔｒを検出することができる。

なお、ロータ温度Ｔｒを非接触で検出する方法としては、上述したように強磁性体のキュリー点における透磁率の変化を利用するものに限らず種々のものがある。例えば、特開平１０−２６６９９１号公報に記載されているように、回転翼の浮上方向の長さの熱膨張前後の変化量と、回転翼の主軸の浮上方向長さの熱膨張前後の変化量とに基づいて、回転翼の温度を演算により推定しても良い。

ところで、特開平１０−２６６９９１号公報には、吸気口におけるガスの温度と排気口におけるガスの温度との温度差に基づいて回転翼の温度を推定する構成が記載されているが、この場合には、排気しているガスの種類すなわちガスの熱伝導率を特定する必要があり、ガス種が不明であると温度推定に誤差が生じてしまう。

一方、上述した強磁性体のキュリー点における透磁率変化を利用する温度検出方法の場合、ガス種に依存せずにロータ温度を検出することができるので、ロータ寿命を適切に管理することができる。

（５）また、図２に示す構成では、温度制御装置２をターボ分子ポンプとは別に設け、ポンプ側からロータ温度Ｔｒに相当する物理量である温度相当量と、ベース３のベース温度Ｔｂとを取得し、温度制御装置２の温度制御部２１によりヒータ５および冷却装置７のオンオフを制御するようにした。しかし、図１０に示すようにターボ分子ポンプのコントローラユニット１００に温度制御装置２の機能を内蔵するようにしても良い。コントローラユニット１００には、ポンプ本体１のモータ１０を駆動制御するモータ制御部１０１と、磁気軸受３４，３５および３６に電磁石電流を供給する軸受制御部１０２が設けられている。

上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。

１…ポンプ本体、２…温度制御装置、３…ベース、４…回転体ユニット、４ａ…ポンプロータ、４ｂ…シャフト、５…ヒータ、６…ベース温度センサ、７…冷却装置、８…ロータ温度センサ、９…ターゲット、１０…モータ、２１…温度制御部、２２…比較部、２３…表示部、２４，２５…入力部、２６…出力部、３１…固定翼、３２…ステータ、３４，３５，３６…磁気軸受、４１…回転翼、４２…円筒部、Ｔ１，Ｔ２…所定温度

Claims (5)

1. ポンプベース部に設けられたステータと、
   前記ステータに対して回転駆動されるロータと、
   前記ポンプベース部を加熱する加熱部と、
   前記ポンプベース部の温度を検出するベース温度検出部と、
   前記ロータの温度に相当する物理量である温度相当量を検出するロータ温度検出部とを備えるターボ分子ポンプの、温度制御装置であって、
   前記ロータ温度検出部の検出値に基づいて前記加熱部による前記ポンプベース部の加熱を制御する加熱制御部と、
   前記ベース温度検出部の検出温度が所定閾値以下の場合に警報を報知する報知部と、を備える温度制御装置。
2. 請求項１に記載の温度制御装置において、
   前記加熱制御部は、前記ロータ温度検出部の検出値が所定目標値となるように前記加熱部による前記ポンプベース部の加熱を制御する、温度制御装置。
3. 回転翼と固定翼とを含むターボポンプ段と、
   ポンプベース部に設けられたステータと前記ステータに対して回転駆動される円筒部とを含むネジ溝ポンプ段と、
   前記ポンプベース部を加熱する加熱部と、
   前記回転翼および前記円筒部が形成されたロータの前記回転翼が形成された部分に設けられる強磁性体ターゲット、および、前記強磁性体ターゲットの透磁率変化を検出するセンサを有し、前記強磁性体ターゲットのキュリー点近傍の透磁率変化に基づいて温度を検出するロータ温度検出部と、を備えるターボ分子ポンプの、温度制御装置であって、
   前記ロータ温度検出部の検出値が、前記ネジ溝ポンプ段の反応生成物の堆積量を抑制するよう設定された下限値から前記ターボポンプ段のロータのクリープ変形を抑制するよう設定された上限値までの所定目標値となるように、前記加熱部による前記ポンプベース部の加熱を制御する、温度制御装置。
4. 請求項１または２に記載の温度制御装置において、
   前記ロータ温度検出部は、前記ロータに設けられた強磁性体ターゲットと、前記強磁性体ターゲットに対して対向するように配置され、前記強磁性体ターゲットの透磁率変化を検出するセンサとを備え、前記強磁性体ターゲットのキュリー点近傍の透磁率変化に基づいて前記ロータの温度を検出する、温度制御装置。
5. ポンプベース部に設けられたステータと、
   前記ステータに対して回転駆動されるロータと、
   前記ポンプベース部を加熱する加熱部と、
   前記ポンプベース部の温度を検出するベース温度検出部と、
   前記ロータの温度に相当する物理量である温度相当量を検出するロータ温度検出部と、
   請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の温度制御装置と、を備えるターボ分子ポンプ。

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