JP7408274B2 - 真空ポンプ及びセンサターゲット - Google Patents

Description

本発明は真空ポンプ及びセンサターゲットに係わり、特に変位センサのセンサターゲットに強磁性材を使用したときよりも安価でセンサ感度の線形性の範囲を広げ、かつ、外乱の発生時でもタッチダウンをし難くした真空ポンプ及びセンサターゲットに関する。

近年のエレクトロニクスの発展に伴い、メモリや集積回路といった半導体の需要が急激に増大している。
これらの半導体は、きわめて純度の高い半導体基板に不純物をドープして電気的性質を与えたり、エッチングにより半導体基板上に微細な回路を形成したりなどして製造される。
そして、これらの作業は空気中の塵等による影響を避けるため高真空状態のチャンバ内で行われる必要がある。このチャンバの排気には、一般に真空ポンプが用いられているが、特に残留ガスが少なく、保守が容易等の点から真空ポンプの中の一つであるターボ分子ポンプが多用されている。

また、半導体の製造工程では、さまざまなプロセスガスを半導体の基板に作用させる工程が数多くあり、ターボ分子ポンプはチャンバ内を真空にするのみならず、これらのプロセスガスをチャンバ内から排気するのにも使用される。

図７に、例として、このターボ分子ポンプの軸方向変位センサ周りの代表的な構造を示す。図７において、このターボ分子ポンプでは、高速で回転するロータ軸１１３回りに取り付けられた金属ディスク１１１を図示しない軸方向電磁石で軸方向に磁気浮上させつつ位置制御している。この位置制御を行うため、ロータ軸１１３の下端部と軸方向変位センサ１間のギャップ２の大きさが軸方向変位センサ１とセンサターゲット３により測定されている。軸方向変位センサ１は、軸方向電磁石を保持する保持部材５の中心に貫通固定された軸部１Ａの上端に取り付けられたボビン１Ｂに対しコイル７を捲回して構成されている。センサターゲット３は、このコイル７とギャップ２を隔てて、ロータ軸１１３の下端に配設されている。

ロータ軸１１３の下端部には小径柱状の軸端部１１３Ａが突設されている。軸端部１１３Ａの外周囲には雄ねじが刻設されており、ロータ軸１１３の下端部付近に配設された金属ディスク１１１が、内側に雌ねじの刻設されたナット９で固定されるようになっている。ナット９は例えば非磁性材のＳＵＳ３０４で形成されている。ナット９の底部中央には円柱状の凹部１１が形成されており、この凹部１１には円柱状のセンサターゲット３が埋めこまれ、接着剤で固定されている。
なお、ナット９は、特別に円柱状の凹部１１を有しなくとも、雌ねじが終端まで貫通した、一般的なナットを使用し、センサターゲット３を接着し製造することも可能である。

このセンサターゲット３に対して、ポンプ本体側に固定された軸方向変位センサ１のコイル７より磁束が発せられ、ロータ軸１１３の下端部と軸方向変位センサ１間のギャップ２が非接触に測定される（例えば特許文献１、特許文献２を参照）。この測定には軸方向変位センサ１を小型に構成しつつ所定のセンサ感度が求められることから、従来はセンサターゲット３に強磁性材であるフェライトが使われていた。

特開平11-313471号公報 特開2000-283160号公報

しかしながら、ターゲット材としてのフェライトは、小型で透磁率が高く、変位センサとしてのセンシング精度を向上させることが出来るが、コストが高い。また、ロータ軸１１３の下端部と軸方向変位センサ１間のギャップ２について広範囲での線形性が保持されない。

特に、ギャップ２の大きい所でのセンサ感度について線形性が取り難く、その結果、ロータ軸１１３の下端部と軸方向変位センサ１間のギャップ２を十分大きくは確保できない。この場合、地震等の外部からの振動や、ターボ分子ポンプがチャンバ内のガスを排気しているときに、何らかの原因で急激にガス（大気）を導入し、真空状態から大気に開放され、回転翼が揺動したりすると、ギャップ２が小さい分タッチダウンにも繋がるおそれもあった。

本発明はこのような従来の課題に鑑みてなされたもので、変位センサのセンサターゲットに強磁性材を使用したときよりも安価でセンサ感度の線形性の範囲を広げ、かつ、外乱の発生時でもタッチダウンをし難くした真空ポンプ及びセンサターゲットを提供することを目的とする。

このため本発明（請求項１）は真空ポンプの発明であって、ロータ軸の軸方向の変位を検出するため、該ロータ軸とは非接触に配置されたセンサコイルを有する軸方向変位センサと、該軸方向変位センサとギャップを隔てて対向して配置され前記センサコイルで発生する磁束を受ける前記ロータ軸に取り付けられたセンサターゲットとを備えた真空ポンプであって、前記センサターゲットが磁性を有する金属で構成され、前記金属は、強磁性材であるフェライトではなく、炭素成分が０．１３～０．２８％の低炭素鋼であることを特徴とする。

センサターゲットを磁性を有する金属で構成したことにより、フェライトをセンサターゲットとした場合よりもセンサ感度を維持しつつ線形性の範囲を拡大できる。線形性の範囲が拡大したことで、ギャップの余裕を大きくとることもできる。この線形性は特に、ギャップの大きさの大きい部分でフェライトを用いた場合とは顕著に相違している。このため、大気突入や振動などの回転体に対する外的な力が生じた場合であっても、タッチダウンの可能性は極めて低くできる。磁性を有する金属で構成することで、フェライトを用いた場合よりも安価である。
また、変位センサとしてはコイルの大きさを抑えられ、また、センサターゲットとしては、加工性、入手性、コスト共に一定の評価ができる素材を適用でき、センサ感度を維持しつつ線形性の範囲を拡大できる。

更に、本発明（請求項２）は真空ポンプの発明であって、前記センサターゲットが内側に雌ねじの刻設されたナットで形成されたことを特徴とする。

ナットで形成することで、ロータ軸の強度低下を防止することができる。ナット全体で一つのセンサターゲットとして機能するので、構成を簡素にできる。

更に、本発明（請求項３）はセンサターゲットの発明であって、ロータ軸の軸方向の変位を検出するためのセンサターゲットであって、前記センサターゲットは、センサコイルを有する軸方向変位センサとギャップを隔てて対向して前記ロータ軸に配置され、前記センサコイルで発生する磁束を受けるため磁性を有する金属で構成され、前記金属は、強磁性材であるフェライトではなく、炭素成分が０．１３～０．２８％の低炭素鋼であることを特徴とする。

以上説明したように本発明によれば、センサターゲットを磁性を有する金属で構成したので、フェライトをセンサターゲットとした場合よりもセンサ感度を維持しつつ線形性の範囲を拡大できる。このため、大気突入や振動などの回転体に対する外的な力が生じた場合であっても、タッチダウンの可能性は極めて低くできる。磁性を有する金属で構成することで、フェライトを用いた場合よりも安価である。

ターボ分子ポンプの構成図 軸方向変位センサ周りの構造（センサターゲットをナットとした例） センサターゲットについて低炭素鋼若しくはフェライトを適用した場合の性能比較 コイルの印加電圧に対する検出可能なギャップの大きさを評価した概念特性 コイルの印加電圧に対する検出可能なギャップの線形性を評価した概念特性 本実施形態の別態様（センサターゲットをボルトとした例） 軸方向変位センサ周りの構造（従来例）

以下、本発明の実施形態について説明する。図１にターボ分子ポンプの構成図を示す。
図１において、ポンプ本体１００の円筒状の外筒１２７の上端には吸気口１０１が形成されている。外筒１２７の内方には、ガスを吸引排気するためのタービンブレードによる複数の回転翼１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ・・・を周部に放射状かつ多段に形成した回転体１０３を備える。
この回転体１０３の中心にはロータ軸１１３が取り付けられており、このロータ軸１１３は、例えば、いわゆる５軸制御の磁気軸受により空中に浮上支持かつ位置制御されている。

上側径方向電磁石１０４は、４個の電磁石が、ロータ軸１１３の径方向の座標軸であって互いに直交するＸ軸とＹ軸とに対をなして配置されている。この上側径方向電磁石１０４に近接かつ対応して、コイルを備えた４個の上側径方向変位センサ１０７が備えられている。この上側径方向変位センサ１０７はロータ軸１１３の径方向変位を検出し、図示しない制御装置に送るように構成されている。

制御装置においては、上側径方向変位センサ１０７が検出した変位信号に基づき、ＰＩＤ調節機能を有する補償回路を介して上側径方向電磁石１０４の励磁を制御し、ロータ軸１１３の上側の径方向位置を調整する。
ロータ軸１１３は、高透磁率材（鉄など）などにより形成され、上側径方向電磁石１０４の磁力により吸引されるようになっている。かかる調整は、Ｘ軸方向とＹ軸方向とにそれぞれ独立して行われる。

また、下側径方向電磁石１０５及び下側径方向変位センサ１０８が、上側径方向電磁石１０４及び上側径方向変位センサ１０７と同様に配置され、ロータ軸１１３の下側の径方向位置を上側の径方向位置と同様に調整している。
更に、軸方向電磁石１０６Ａ、１０６Ｂが、ロータ軸１１３の下部に備えた円板状の金属ディスク１１１を上下に挟んで配置されている。金属ディスク１１１は、鉄などの高透磁率材で構成されている。ロータ軸１１３の軸方向変位を検出するために軸方向変位センサ１０９が備えられ、その軸方向変位信号が制御装置に送られるように構成されている。

そして、軸方向電磁石１０６Ａ、１０６Ｂは、この軸方向変位信号に基づき制御装置のＰＩＤ調節機能を有する補償回路を介して励磁制御されるようになっている。軸方向電磁石１０６Ａと軸方向電磁石１０６Ｂは、磁力により金属ディスク１１１をそれぞれ上方と下方とに吸引する。
このように、制御装置は、この軸方向電磁石１０６Ａ、１０６Ｂが金属ディスク１１１に及ぼす磁力を適当に調節し、ロータ軸１１３を軸方向に磁気浮上させ、空間に非接触で保持するようになっている。

モータ１２１は、ロータ軸１１３を取り囲むように周状に配置された複数の磁極を備えている。各磁極は、ロータ軸１１３との間に作用する電磁力を介してロータ軸１１３を回転駆動するように、制御装置によって制御されている。
回転翼１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ・・・とわずかの空隙を隔てて複数枚の固定翼１２３ａ、１２３ｂ、１２３ｃ・・・が配設されている。回転翼１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ・・・は、それぞれ排気ガスの分子を衝突により下方向に移送するため、ロータ軸１１３の軸線に垂直な平面から所定の角度だけ傾斜して形成されている。

また、固定翼１２３も、同様にロータ軸１１３の軸線に垂直な平面から所定の角度だけ傾斜して形成され、かつ外筒１２７の内方に向けて回転翼１０２の段と互い違いに配設されている。
そして、固定翼１２３の一端は、複数の段積みされた固定翼スペーサ１２５ａ、１２５ｂ、１２５ｃ・・・の間に嵌挿された状態で支持されている。
固定翼スペーサ１２５はリング状の部材であり、例えばアルミニウム、鉄、ステンレス、銅などの金属、又はこれらの金属を成分として含む合金などの金属によって構成されている。

固定翼スペーサ１２５の外周には、わずかの空隙を隔てて外筒１２７が固定されている。外筒１２７の底部にはベース部１２９が配設され、固定翼スペーサ１２５の下部とベース部１２９の間にはネジ付きスペーサ１３１が配設されている。そして、ベース部１２９中のネジ付きスペーサ１３１の下部には排気口１３３が形成され、外部に連通されている。
ネジ付きスペーサ１３１は、アルミニウム、銅、ステンレス、鉄、又はこれらの金属を成分とする合金などの金属によって構成された円筒状の部材であり、その内周面に螺旋状のネジ溝１３１ａが複数条刻設されている。

ネジ溝１３１ａの螺旋の方向は、回転体１０３の回転方向に排気ガスの分子が移動したときに、この分子が排気口１３３の方へ移送される方向である。
回転体１０３の回転翼１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ・・・に続く最下部には円筒部１０２ｄが垂下されている。この円筒部１０２ｄの外周面は、円筒状で、かつネジ付きスペーサ１３１の内周面に向かって張り出されており、このネジ付きスペーサ１３１の内周面と所定の隙間を隔てて近接されている。

ベース部１２９は、ターボ分子ポンプ１０の基底部を構成する円盤状の部材であり、一般には鉄、アルミニウム、ステンレスなどの金属によって構成されている。
ベース部１２９はターボ分子ポンプ１０を物理的に保持すると共に、熱の伝導路の機能も兼ね備えているので、鉄、アルミニウムや銅などの剛性があり、熱伝導率も高い金属が使用されるのが望ましい。

かかる構成において、回転翼１０２がモータ１２１により駆動されてロータ軸１１３と共に回転すると、回転翼１０２と固定翼１２３の相互作用により、吸気口１０１を通じてチャンバからの排気ガスが吸気される。

吸気口１０１から吸気された排気ガスは、回転翼１０２と固定翼１２３の間を通り、ベース部１２９へ移送される。このとき、排気ガスが回転翼１０２に接触又は衝突する際に生ずる摩擦熱や、モータ１２１で発生した熱の伝導や輻射などにより、回転翼１０２の温度は上昇するが、この熱は、輻射又は排気ガスの気体分子等による伝導により固定翼１２３側に伝達される。

固定翼スペーサ１２５は、外周部で互いに接合しており、固定翼１２３が回転翼１０２から受け取った熱や排気ガスが固定翼１２３に接触又は衝突する際に生ずる摩擦熱などを外筒１２７やネジ付きスペーサ１３１へと伝達する。
ネジ付きスペーサ１３１に移送されてきた排気ガスは、ネジ溝１３１ａに案内されつつ排気口１３３へと送られる。

次に、図２に基づき軸方向変位センサ周りの構造を詳述する。図２はこの軸方向変位センサ１０９周りの構成を図７と対比し易いように拡大したものである。軸方向変位センサ１０９は、軸方向電磁石１０６を保持する保持部材５の中心に貫通固定された軸部１０９Ａの上端に取り付けられたボビン１０９Ｂに対しコイル７を捲回して構成されている。

このコイル７とギャップ２を隔てて、ロータ軸１１３の下端部には小径柱状の軸端部１１３Ｂが突設されている。軸端部１１３Ｂの外周囲には雄ねじが刻設されており、この軸端部１１３Ｂに対して内側に雌ねじの刻設されたナット１９が螺合されるようになっている。但し、雌ねじの刻設されている範囲はナット１９の中間までに止まり、貫通はされていない。即ち、ナット１９は上部にのみ開口されたネジ穴１９Ａを有している。ナット１９は低炭素鋼の一つの素材で構成されている。
雌ねじの下穴として、ナットの軸方向の寸法を小さくすることと、ロータ軸及び回転体の回転時の応力集中の発生を低減する為に、図２のように底面が平な形状の穴加工を実施した。
但し、軸方向寸法に関する制約が大きくなく、また多少の応力集中が発生しても、ロータ軸及び回転体の回転に支障が無ければ、下穴は通常のドリル穴としても良い。

次に、本実施形態の作用について説明する。
ナット１９は全体が一つの金属素材で構成されており、軸方向変位センサ１０９のセンサターゲットとして機能する。ナット１９をロータ軸１１３の軸端部１１３Ｂに螺合させたことで、軸端部１１３Ｂ周りの強度は確保される。コイル７で発生した磁束がセンサターゲットに届くことでそのインダクタンスの変化からギャップ２の距離が測定される。

図３に軸方向変位センサ１０９のセンサターゲットについて低炭素鋼若しくはフェライトを適用した場合の性能比較をまとめた。ここに、磁性材である低炭素鋼はJIS 規格のＳ１０Ｃ、Ｓ２０Ｃ、Ｓ４５Ｃを例にまとめている。低炭素鋼については炭素成分（炭素含有量）を併記している。性能は４種類の評価対象素材に対する相対的な評価であり、◎、○、△、×の順に最良から不良までを４段階で示している。図３を見て分かる通り、フェライトは４種類の評価対象素材の内で透磁率も高く磁束が集中し易いためコイルの大きさを最も小さくできる。しかしながら、コストは４種類の評価対象素材の内で最も高く、加工性、入手性は他の３種類の評価対象素材に比べて良くない。

加工性、入手性、コストを考慮した場合には、炭素成分の多いＳ４５Ｃが４種類の評価対象素材の内で最も高いが、透磁率が低い分コイルが大きくならざるを得ない。コイルの大きさを抑えつつ加工性、入手性、コスト共に一定の評価のできるのはＳ２０Ｃであることが分かる。なお、低炭素鋼に代えて同様に磁性材であるステンレス鋼（例えばＳＵＳ４２０等でＳＵＳ４００番代のもの）で構成されることも可能である。しかしながら、ステンレス鋼はＳ２０Ｃ等の低炭素鋼に比べ加工性が悪いという側面がある。

次に、センサ感度について検討する。
図４にはコイルの出力と検出可能なギャップ２の大きさを評価した概念特性を示す。また、図５にはコイルの出力と検出可能なギャップ２の線形性を評価した概念特性を示す。図４の感度特性線は図中符号（ロ）で示す傾きを有する特性線がフェライトに相当して最もよい感度を有し、符号（イ）で示す傾きを有する特性線がＳ４５Ｃに相当し感度は劣る。即ち、この傾きは図３に示すコイル大きさの評価と同じ傾向にあり、Ｓ１０Ｃ、Ｓ２０Ｃ、Ｓ４５Ｃの順に次第に傾斜角は小さくなり劣る。

但し、この点については、本実施形態ではボビン１０９Ｂ周りの径方向の空きスペースを利用してコイルの捲回数を大きくすることで発生する磁束を増大させ、フェライトに相当する感度を維持できるように構成した。例えば、Ｓ２０Ｃを適用した場合にはフェライトの場合よりも５割程捲回数を多くしている。

図５の線形性特性からは、図中符号（ハ）で示すフェライトの場合にはギャップ２の高い領域にまで線形性が維持できないことが分かる。これに対してＳ２０Ｃを適用した場合には符号（ニ）で示すようにフェライトの場合よりも高い領域にまで線形性を維持できる。

以上の検討結果より、軸方向変位センサ１０９のセンサターゲットを一素材の磁性材でナットの形状で構成し、かつ、このナットの素材として例えば低炭素鋼のナットＳ２０Ｃを適用することで、フェライトをセンサターゲットとした場合よりもセンサ感度を維持しつつ線形性の範囲を拡大できることが分かる。線形性の範囲が拡大したことで、ギャップ２の余裕を大きくとることもできる。この線形性は特にギャップ２の大きさの大きい部分で顕著に相違している。このため、大気突入や振動などの回転体１０３に対する外的な力が生じた場合であっても、タッチダウンの可能性は極めて低くできる。

従来、コア部のみをフェライトとしていたが、それでもコストが高くなってしまうという課題が生じていたが、本実施形態ではセンサターゲットと固定部であるナットを一素材として安価な磁性材の低炭素鋼で構成することが可能である。なお、低炭素鋼は便宜上Ｓ２０Ｃを例に説明したが、Ｓ１５Ｃ（炭素成分０．１３～０．１８％）～Ｓ２５Ｃ（炭素成分０．２２～０．２８％）であれば望ましい。即ち、炭素成分が０．１３～０．２８％の磁性材が望ましい。
上記定炭素鋼については綜合的に判断したものだが、もちろん加工性、入手性、コイルの大きさ、コスト、およびセンサ感度の要求値の各々から判断する為、加工性や入手性やコストを考慮して、Ｓ４５Ｃ（炭素含有量０．４２～０．４８％）を採用したり、コイルの大きさを考慮して、Ｓ１０Ｃ（炭素含有量０．０８～０．１３％）を採用することも可能であることは言うまでもない。また、ステンレス鋼（例えばＳＵＳ４２０等でＳＵＳ４００番代のもの）であっても良い。

次に、本実施形態の別態様について説明する。
本実施形態ではナット１９を軸端部１１３Ｂに対し螺合するとして説明した。しかしながら、本実施形態の別態様として、図６に示すようにナット１９に代えてボルト２１とすることもできる。この場合にもボルト頭部２１Ａ及びネジ部２１Ｂを一素材の磁性材で構成し、かつ、この素材として例えば炭素成分が０．１３～０．２８％の磁性材である低炭素鋼を適用する。

ボルト頭部２１Ａが低炭素鋼なので、本実施形態のナット１９と同様に、フェライトをセンサターゲットとした場合よりもセンサ感度を維持しつつ線形性の範囲を拡大できる。
なお、本発明は、本発明の精神を逸脱しない限り種々の改変をなすことができ、そして、本発明が当該改変されたものにも及ぶことは当然である。

２ ギャップ
５ 保持部材
７ コイル
１９ ナット
１９Ａ ネジ穴
２１ ボルト
２１Ａ ボルト頭部
１０３ 回転体
１０９ 軸方向変位センサ
１０９Ａ 軸部
１０９Ｂ ボビン
１１１ 金属ディスク
１１３ ロータ軸
１１３Ｂ 軸端部

Claims (3)

1. ロータ軸の軸方向の変位を検出するため、該ロータ軸とは非接触に配置されたセンサコイルを有する軸方向変位センサと、
   該軸方向変位センサとギャップを隔てて対向して配置され前記センサコイルで発生する磁束を受ける前記ロータ軸に取り付けられたセンサターゲットとを備えた真空ポンプであって、
   前記センサターゲットが磁性を有する金属で構成され、
   前記金属は、強磁性材であるフェライトではなく、炭素成分が０．１３～０．２８％の低炭素鋼であることを特徴とする真空ポンプ。
2. 前記センサターゲットが内側に雌ねじの刻設されたナットで形成されたことを特徴とする請求項１記載の真空ポンプ。
3. ロータ軸の軸方向の変位を検出するためのセンサターゲットであって、
   前記センサターゲットは、センサコイルを有する軸方向変位センサとギャップを隔てて対向して前記ロータ軸に配置され、前記センサコイルで発生する磁束を受けるため磁性を有する金属で構成され、
   前記金属は、強磁性材であるフェライトではなく、炭素成分が０．１３～０．２８％の低炭素鋼であることを特徴とするセンサターゲット。

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