JP4710322B2

JP4710322B2 - 真空ポンプ

Info

Publication number: JP4710322B2
Application number: JP2005003666A
Authority: JP
Inventors: 義夫綱澤; 彰荒川; 純一郎小崎; 正幹大藤
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2005-01-11
Filing date: 2005-01-11
Publication date: 2011-06-29
Anticipated expiration: 2025-01-11
Also published as: JP2006194094A

Description

本発明は、磁性体の温度による透磁率変化を利用してロータ温度を検出したり、その検出結果を用いてロータ温度を制御する真空ポンプに関する。

半導体製造装置等に用いられるターボ分子ポンプにおいては、ターボ分子ポンプで排気されるガスの流量や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。また、熱伝導率の小さなガスを排気した場合にも、ロータ温度が上昇する。一般的に、ロータ回転数、排気ガスの流量や圧力や温度およびポンプ周囲温度が高いほど、ロータ温度は高くなる。

ターボ分子ポンプのロータは高速回転しているため、遠心力によって大きな引っ張り応力が作用している。そのため、ロータには比強度に優れたアルミ合金が一般的に用いられている。ところが、アルミ合金の場合、クリープ変形の許容温度が比較的低い温度（約１１０℃〜１２０℃）であるため、ポンプ運転時にはロータ温度がこの許容温度以下になるように常に監視する必要がある。

そのため、強磁性体の透磁率がキュリー温度において大きく変化することを利用して、ロータ温度を非接触で検出する方法も知られている（例えば、特許文献１参照）。リング状の強磁性体をロータ外周に装着し、キュリー温度における強磁性体の透磁率変化をコイルにより検出するようにしている。

特開平７−５０５１号公報

ところで、温度検出をする場合には、一般的に、コイルからの信号レベルと基準となる閾値とを比較し、信号レベルが閾値を下回った否かでキュリー温度を越えたか否かを判断している。しかしながら、キュリー点における透磁率変化は大きいが、常温時における透磁率とキュリー点を越えた時点での透磁率との差はキュリー点における透磁率変化ほど大きくないため、閾値設定幅が狭く、温度検出を精度良く行うのが難しかった。

請求項１の発明は、ステータに対してロータを回転することによりガスを排気する真空ポンプに適用され、ロータ上のロータ回転軸を中心とした円周上に配設され、ロータの温度監視範囲内にキュリー温度を有する第１の磁性体と、ロータ上の円周上に配設され、温度監視範囲の上限温度よりも高温側にキュリー温度を有する第２の磁性体と、ロータの回転により第１および第２の磁性体が順に対向する位置に配設され、対向する第１および第２の磁性体の透磁率に応じた第１および第２信号をそれぞれ出力するインダクタンス式のギャップセンサと、第１の磁性体がギャップセンサと対向したときの第１信号と、第２の磁性体がギャップセンサと対向したときの第２信号との差分信号を生成する差信号生成手段と、差分信号の信号レベルと予め設定された基準レベルとを比較して、ロータの温度が第１の磁性体のキュリー温度を越えたか否かを検出する温度検出部とを備えたことを特徴とする。
請求項２の発明は、ステータに対してロータを回転することによりガスを排気する真空ポンプに適用され、ロータの温度監視範囲内にキュリー温度を有する第１の磁性体を、ロータ回転軸を中心とした円周上に配設するように保持してロータに固定する保持部材であって、温度監視範囲の上限温度よりも高温側にキュリー温度を有する第２の磁性体と、ロータの回転により第１および第２の磁性体が順に対向する位置に配設され、対向する第１および第２の磁性体の透磁率に応じた第１および第２信号をそれぞれ出力するインダクタンス式のギャップセンサと、第１の磁性体がギャップセンサと対向したときの第１信号と、第２の磁性体がギャップセンサと対向したときの第２信号との差分信号を生成する差信号生成手段と、差分信号の信号レベルと予め設定された基準レベルとを比較して、ロータの温度が第１の磁性体のキュリー温度を越えたか否かを検出する温度検出部とを備えたことを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項２に記載の真空ポンプにおいて、温度検出部は、差分信号の信号レベルと複数の異なる基準レベルとを比較することにより、差分信号の信号レベルに対応した複数の温度を検出するようにしたものである。
請求項４の発明は、請求項２または３に記載の真空ポンプにおいて、第１の磁性体は、円周方向の長さがロータ回転軸の動径方向に関する長さの２倍以上とされる。
請求項５の発明は、請求項２〜４のいずれかに記載の真空ポンプにおいて、ロータ上の円周上に配設されるとともに、ギャップセンサと対向したときの隙間寸法が、第１および第２の磁性体がギャップセンサと対向したときの隙間寸法よりも小さくまたは大きく設定され、上限温度よりも高温側にキュリー温度を有する第３の磁性体と、第３の磁性体とギャップセンサとが対向したときのギャップセンサの出力信号に基づいて、ロータの回転周期を検出する回転検出部とを備えたものである。
請求項６の発明は、請求項１〜５のいずれかに記載の真空ポンプにおいて、温度検出部の検出結果に基づいて、ロータの温度制御を行うようにしたものである。

本発明によれば、差分信号を生成するようにしたので、基準レベルの設定範囲が広がり、従来よりも精度良い温度検出を行うことができる。

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は本発明による真空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。

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。

シャフト３の下端には円形のディスク４１が設けられており、このディスク４１を上下に挟むように電磁石５３が設けられている。そして、電磁石５３によりディスク４１を吸引することによりシャフト３がアキシャル方向に浮上する。ディスク４１はナット４２によりシャフト３の下端部に固定されている。ナット４２には磁性体ターゲット８１，８２が設けられている。ナット４２と対向するステータ側には、磁性体ターゲット８１，８２と対向する位置にギャップセンサ４４が設けられている。ギャップセンサ４４は、インダクタンス式のギャップセンサであって、後述するように、ロータ温度が許容温度以上に上昇したときのターゲット８１，８２の透磁率変化をインダクタンス変化として検出するものである。

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、ポンプ本体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。

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。

ターボ分子ポンプ本体１はコントローラ３０によって駆動制御される。コントローラ３０には、磁気軸受を駆動制御する磁気軸受駆動制御部３２およびモータ６を駆動制御するモータ駆動制御部３３が設けられている。検出部３１は、上述したギャップセンサ４４の出力信号に基づいてターゲット８１，８２の透磁率が変化したか否かを検出する。

検出部３１にはギャップセンサ４４の出力信号が入力され、検出部３１はロータ温度モニタ信号をモータ駆動制御部３３および警報部３４に出力する。もちろん、ロータ温度モニタ信号をコントローラ３０の外部に出力できる出力端子を設けるようにしても良い。警報部３４はロータ温度異常などの警報情報をオペレータに提示する警報手段であり、警告音を発生するスピーカや警告を表示する表示装置などにより構成される。

図２（ａ）はシャフト下端部分のナット４２とギャップセンサ４４とを示す斜視図であり、図２（ｂ）はギャップセンサ４４側から見たナット４２の平面図である。ナット４２の底面側には磁性体ターゲット８１，８２が、接着や焼き嵌め等によって埋め込まれている。ナット４２がシャフト３とともに高速回転するとターゲット８１，８２に遠心力が作用するが、ターゲット８１，８２をシャフト３の端面部分に設けて回転体の軸近傍に配設することにより、遠心力の影響を低減することができる。特に、ターゲット８１，８２を焼き嵌めした場合には、焼き嵌め時に加熱したナット４２が冷えて収縮した際にターゲット８１，８２に圧縮応力が働き、遠心力の影響を低減効果が高くなる。

ターゲット８１，８２の材料には、検出したい温度域すなわち温度監視範囲にキュリー温度を有する材料が選ばれる。一般的には、回転翼８（図１参照）に用いられるアルミ材のクリープ変形の許容上限温度である１１０℃〜１２０℃にキュリー温度を有するもの、例えばフェライトが選ばれる。温度監視範囲は、許容上限温度の前後２０℃程度の温度範囲が設定される。

ターゲット８１，８２の露出面はナット４２の底面と同一平面となっており、ナット底面とギャップセンサ４４との隙間は１ｍｍ程度に設定されている。ここでは、ナット４２の材料には磁性体である純鉄が用いられるが、そのキュリー温度は、ここで問題としている許容温度１１０℃〜１２０℃よりも十分高く、温度監視範囲の高温側にある。以下では、純鉄製ナット４２の底面８０をターゲット８０と称することにする。すなわち、ロータ２が固定されたシャフト３の回転によりナット４２がギャップセンサ４４に対して図２（ｂ）の矢印方向に回転すると、ギャップセンサ４４はターゲット８０、ターゲット８１、ターゲット８２、ターゲット８０の順に各ターゲット８０〜８２と対向し、それぞれの透磁率に応じた信号がギャップセンサ４４から出力される。

［インダクタンス変化検出動作の説明］
図３はギャップセンサ４４のインダクタンス変化を説明する図であり、ギャップセンサ４４とターゲット８１の作る磁気回路の模式図である。ギャップセンサ４４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。ギャップセンサ４４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、ギャップセンサ４４からターゲット８１に向けて高周波磁界が形成される。

一方、ターゲット８１には、そのキュリー温度Ｔｃがロータ２の許容温度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。ロータ２の場合には、この許容温度Ｔmaxはロータ材料にクリープ変形が生じる温度が採用され、アルミの場合には１１０℃〜１２０℃程度である。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。

ロータ温度上昇によりターゲット８１の温度が上昇してキュリー温度Ｔｃを越えると、図４（ａ）に示すように、ターゲット８１の透磁率が真空の透磁率μ_０程度まで急激に低下する。図４（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を越えると急激に低下する。ギャップセンサ４４が形成する磁界中でターゲット８１の透磁率が変化すると、ギャップセンサ４４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、ギャップセンサ４４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。

ギャップセンサ４４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，ｄ_１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８１と対向するコアの断面積、ｄはエアギャップ、ｄ_１はターゲット８１の厚さ、μ_１はターゲット８１の透磁率であり、エアギャップの透磁率は真空の透磁率μ_０に等しいとする。
Ｌ＝Ｎ^２／｛ｄ_１／（μ_１・Ｓ）＋ｄ／（μ_０・Ｓ）｝ …（１）

ロータ温度がキュリー温度Ｔｃよりも低い温度のときには、ターゲット８１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、ｄ_１／（μ_１・Ｓ）はｄ／（μ_０・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・μ_０・Ｓ／ｄ …（２）

一方、ロータ温度がキュリー温度Ｔｃよりも上昇すると、近似的にμ_１＝μ_０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・μ_０・Ｓ／（ｄ＋ｄ_１） …（３）

すなわち、エアギャップがｄから（ｄ＋ｄ_１）に変化したことに相当し、それに応じてギャップセンサ４４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コントローラ３０の検出部３１で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。

［ロータ温度モニタ信号の説明］
図５は検出部３１のブロック図であり、数十ｋＨｚの交流発振器６０の出力（搬送波）を抵抗を介してギャップセンサ４４に印加する。検出部３１には、検波回路６１，整流回路６２，差信号生成部６７およびコンパレータ６３が設けられている。コンパレータ６３は、差信号生成部６７からの信号と基準信号ｖ_０（後述する閾値に対応する信号）とを比較して、その結果をロータ温度モニタ信号として出力する。

ロータ２の回転とともにギャップセンサ４４が３種類のターゲット８０〜８２と順に対向するため、ギャップセンサ４４のインダクタンスは一回転で３種類の値を取ることになる。図６（ａ）は図５の符号（ｂ）の位置に現れる振幅変調信号の典型例を示したものであり、元の数十ｋＨｚの交流がギャップセンサ４４のインダクタンスで振幅変調され、１回転の間に３種類の振幅レベルが現れる交流信号となる。この信号を検波回路６１に通し、さらに整流回路６２で整流すると、符号（ｄ）の位置には図６（ｂ）に示すような信号が現れる。図６（ｂ）の信号は、図６（ａ）の信号から振幅を取り出したものになっている。

ところで、磁性体のキュリー温度を利用した温度検出を行う場合、以下の点を考慮する必要がある。まず、検出コイルとターゲットとの隙間の僅かな変動によって検出部のインダクタンスが大きく変化するので、キュリー点を判定するための閾値レベルの設定が難しいことである。隙間の変動の要因には、取り付け時の隙間のバラツキ、隙間の経時変化、ロータ温度の変化によるロータ軸のスラスト方向移動などがあり、これらを原因とする隙間の変動により安定な閾値を設定することができない。

図４（ａ）に示した透磁率の変化は、ギャップセンサ４４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、そのときのインダクタンス変化は図４（ｂ）のようなものとなる。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。この場合、キュリー温度を越えて急激に低下したところのレベルと、常温部分（４０℃付近）におけるインダクタンスのレベルとの差が狭いことが解った。

本来は、キュリー温度近傍における急激なインダスタンス低下だけが出力され、閾値レベルの水平ラインはキュリー温度近傍の急激に変化する曲線と交差するのが好ましい。しかし、一般的な磁性体においては、図４（ｂ）に示すように常温付近ではインダクタンスが低下している。そのため、常温付近での閾値レベルとの交差を避けるために閾値レベルを下げすぎると、キュリー温度を大きく越えた傾斜が緩い部分において閾値ラインが交差し、温度検出の精度低下を招くという不都合があることが判った。

図７は、３種類のターゲット８０〜８２に関して、インダクタンスの温度変化を示したものである。縦軸は図４（ｂ）と同様にインダクタンスを表すが、ギャップセンサ４４のインダクタンスは検出信号の振幅に対応しているので、縦軸は検出信号の振幅とみなすこともできる。すなわち、図７では、縦軸はインダクタンスまたは検出信号の振幅を表している。

上述したようにターゲット８０はナット４２の底面であって、純鉄であるターゲット８０のキュリー温度Ｔc1はターゲット８１，８２のキュリー温度Ｔc2，Ｔc3に比して十分に高く、図７に示した温度範囲（キュリー温度Ｔc1よりも低い温度範囲）ではインダクタンスは単調に増加する。また、フェライトから成るターゲット８１，８２には、キュリー温度Ｔc2，Ｔc3がそれぞれ１１０℃近辺、１２０℃近辺にあるものを選んだ。そのため、ターゲット８１の場合には常温から温度１１０℃程度までは単調に増加し、１１０℃近辺のキュリー温度Ｔc2を越えると急激にインダクタンスが低下する。ターゲット８２の場合には、１２０℃近辺のキュリー温度Ｔc3を越えたところでインダクタンスが急激に低下する。なお、１００℃以下の低温域の特性は、ターゲット８０〜８２を構成する磁性体の種類が異なっても、ほとんど同じような上昇傾向を示した。

前述したように、ギャップセンサ４４には、図５に示す交流発振器６０から、数十ｋＨｚの搬送波が、抵抗を介して入力される。ギャップセンサ４４は、ナット４２の回転とともに透磁率の異なる３種類のターゲット８０〜８２と順に対向することになる。その結果、ギャップセンサ４４のインダクタンスは、ナット４２の回転とともに３種類の値を取ることになる。そのため、上述した図５に示したブロック図の符号（ｂ）の位置に現れる信号は、元の数十ｋＨｚの交流がギャップセンサ４４のインダクタンスで振幅変調され、１回転の間に３種類の振幅レベルが現れる交流信号となる。

交流発振器６０の周波数をｆ、振幅をVin、ギャップセンサ４４のインダクタンスをＬ、抵抗をＲとすると、（ｂ）点に現れる信号の振幅Ｖoutは次式（４）のように表される。

式（４）において通常Ｒがほぼ一定値であるので、Ｌが大きくなれば振幅Ｖoutも大きくなる。そこで、以下では、これまで述べてきたインダクタンスＬの大小の大きさの代わりに、振幅Ｖoutの大きさを用いて説明することにする。

以下では、図６（ｂ）に相当する整流後の振幅信号を用いて説明する。図８の（ａ）〜（ｃ）は、ターゲット温度Ｔが上昇する過程における振幅信号の変化（ナット４２が１回転する間の変化）を示したものである。ターゲット８０，８１，８２のキュリー温度Ｔc1，Ｔc2，Ｔc3はＴc2＜Ｔc3＜Ｔc1のように設定されており、図８（ａ）は、ターゲット温度ＴがＴ＜Ｔc2＜Ｔc3＜Ｔc1の場合を示したものである。また、図８（ｂ）はＴc2＜Ｔ＜Ｔc3＜Ｔc1の場合を、図８（ｃ）はＴc2＜Ｔc3＜Ｔ＜Ｔc1の場合を示している。

ナット４２が１回転する間に出力される信号において、区間Ｓ，Ｔ，Ｕの信号はギャップセンサ４４がターゲット８０に対向しているときの信号である。また、区間Ｘの信号はギャップセンサ４４がターゲット８１に対向しているときの信号であり、区間Ｙの信号はギャップセンサ４４がターゲット８２に対向しているときの信号である。

図８（ａ）において、破線で示す曲線Ｌ１０はターゲット温度Ｔが４０℃の場合の振幅信号を、実線で示す曲線Ｌ１１はＴ＝１１０℃の場合の振幅信号を示している。ここでは、ターゲット温度Ｔはターゲット８０〜８２のキュリー温度Ｔc1，Ｔc2，Ｔc3のいずれよりも低いため、区間Ｓ、Ｔ，Ｕの信号と区間Ｘ，Ｙの信号とは振幅がほとんど等しくなっている。この温度範囲での特徴は、図７に示したように、各ターゲット８０〜８１がギャップセンサ４４に対向したときのインダクタンスは、温度上昇とともにそれぞれ並行状態で単調に増加するので、温度上昇につれて振幅信号の全体的なレベルが増加することである。

図８（ｂ）に示す温度範囲では、ターゲット温度Ｔがターゲット８１のキュリー温度Ｔc2を越えるため、ギャップセンサ４４がターゲット８１に対向する区間Ｘにおいて信号が急激に低下する。その他の区間の信号レベルは、温度が上昇しているため図８（ａ）に示したものよりも増加している。

さらに、図８（ｃ）に示す温度範囲では、ターゲット温度Ｔがターゲット８１，８２のキュリー温度Ｔc2，Ｔc3の両方とも越えるため、ギャップセンサ４４がターゲット８１，８２に対向する区間Ｘ，Ｙの信号が急激に低下する。この時点においてもＴ＜Ｔc1であるため、区間Ｓ，Ｔ，Ｕの信号レベルは図８（ｂ）のものに比べて増加している。

図８（ａ）〜図８（ｃ）の信号変化は図７に対応している。すなわち、図８の信号から、ターゲット８０に対しては、区間Ｓ，Ｔ，Ｕの部分のいずれか又はその平均値を取り、ターゲット８１に対して区間Ｘ、ターゲット８２に対して区間Ｙの信号をとれば、振幅信号の温度とともに変化する様子は図７に帰着する。ここで、ターゲット８１またはターゲット８２がキュリー温度を越えたか否かの判定は、図７の閾値ｖ_０と比較することにより行われる。閾値ｖ_０は低温側の振幅信号に重ならないように設定する必要があるが、前述したように、このままでは閾値設定の範囲が狭いという不都合が生じる。

このような不都合は、図４（ａ）に示したように磁性体の透磁率が、常温域からキュリー温度までの間においてかなりの幅で変化する事に起因する。そこで、本実施の形態では、図５に示すように整流回路６２の後段に差信号生成部６７を設けて、ターゲット８０の信号を基準信号として、ターゲット８１，８２の信号から基準信号を差し引いた信号（差信号）を差信号生成部６７で算出し、この信号をコンパレータ６３に入力して閾値ｖ_０と比較するコンパレータ６３から出力される信号は、ロータ温度モニタ信号としてモータ駆動制御部３３および警報部３４に出力する。

差信号生成部６７としては、例えば、信号ホールド回路を用いて、整流回路６２の出力信号から３つのターゲット８０〜８２のそれぞれに相当する各区間毎の信号を取り出し、それを差動回路に導いて差信号を生成する。図９は、基準信号を差し引いた後の、各ターゲット８１，８２の差信号を示す図である。破線で示した曲線Ｌ２１がターゲット８１の差信号を示し、実線で示した曲線Ｌ２２がターゲット８２の差信号を示す。このような差信号を用いることにより、曲線Ｌ２１，２２はそれぞれのキュリー温度Ｔc2，Ｔc3よりも低温域では、曲線が水平になる。そのため、図９に示すように閾値ｖ_０の設定範囲Ｈを広くとることができる。

他の差信号生成方法として、図１０に示すように、ターゲット８０の基準信号の区間（図８の区間Ｓ，Ｔ，Ｕ）においてゼロレべルに保持するゼロクランプ回路を通した後、Ｘ区間とＹ区間の信号を信号ホールド回路によって取り出すようにしても良い。図１０は、ターゲット８０の基準信号の区間Ｓ，Ｔ，Ｕにおいて、信号がゼロ（基線）レべルになるように平行移動するいわゆるゼロクランプ回路を介した時の信号を示す図である。

図１０ではターゲット８０の基準信号を差し引いているため、ターゲット８０の温度変化がすべてキャンセルされ、キュリー温度での信号変化だけが符号Ｄ１２，Ｄ１３で示すようにマイナス側に現れる。従って、このＸ区間およびＹ区間に相当するターゲット８１およびターゲット８２のマイナスの信号を取り出し、そらの信号に対してキュリー温度検出の閾値をコンパレータの基準電圧ｖ_０に設定すれば、安定した閾値レベルの設定ができる。なお、図８（ａ）の曲線Ｌ１０，Ｌ１１に対応する曲線は、符号Ｄ１１（破線で示す部分）で示す区間Ｘ，Ｙにおいてもほとんど重なっている。

さらに他の手法としては、図８に示す信号を、十分速い速度でＡＤ変換できるＡＤ変換器によりデジタル信号に変換し、デジタル信号段階で差信号を算出するようにして閥値をデジタル的に処理してもよい。このようなターゲット８０の信号を基準信号として差し引く手法は、すべて電気回路の通常の処理に属するので、ここでは詳細な記述を省略する。

なお、上述した例では、３つの磁性体をターゲット８０〜８２として用いる場合について説明したが、上記説明からも解るように、温度検出に必要な最小限の構成は、基準の磁性体であるターゲット８０と、温度検出用磁性体であるターゲット８１とで満たされる。ただし、この場合は一つのキュリー温度により温度検出を行うことになる。

上述した温度検出方法では、キュリー温度よりも低温域における温度変化による全体としての振幅変化を除去するために、ターゲット８０の基準信号による補正を行うようにする。そして、そのような処理を実現するために、ターゲット８０〜８２がギャップセンサ４４との対向位置を通過したときの信号を各々取り出す時分割検出法を用いた。

［ターゲット形状について］
次に、ターゲット８１，８２の最適形状について説明する。ギャップセンサ４４のコア形状としては、図３に示すたような単純なＣ型の他に、図１１の（ａ）に示すような２重円筒コア８４の内側コア８４ａにコイル８４ｃを巻いたものを用いることができる。図１１（ｂ）は、２重円筒コア８４とターゲット８１の形状との関係を示す図である。

ターゲット８１が高温になってキュリー温度Ｔc2を越えると、ターゲット８１の透磁率は真空の透磁率になる。そのため、純鉄製ターゲット８０に埋め込まれたターゲット８１が真空の透磁率になると、ターゲット８１の部分が磁気的に穴が開いた状態になり、コイル８４ｃの磁気回路が開いてインダクタンスが急減することになる。この場合、コイル８４ｂの内側コア８４ａと外側コア８４ｂとの隙間Ｅ１，Ｅ２がともに磁気的に開いていることが必要で、どちらかが純鉄の部分（ターゲット８０）で磁気回路として短絡されると、ターゲット温度がキュリー温度Ｔc2を越えてもコイル８４ｃのインダクタンスが十分に下がらないことになる。

このようなことから、ターゲット８１はターゲット８０の円周方向に沿って細長い形状であることが好ましく、円周方向の長さＬ３０は、２重円筒コア８４の直径Ｄ２０よりも大きくする必要がある。径方向の幅Ｗは、２重円筒コア８４の直径Ｄ２０よりも少し小さく内側コア８４ａの直径Ｄ２１よりも少し大きければ良い。また、２重円筒コア８４の直径Ｄ２０は、検出感度を確保するためにある程度大きくする必要がある。実際上は、長さＬ３０を幅Ｗの２倍以上とするのが好ましい。このように長さＬ３０を長めに設定し、幅Ｗを小さくすることでターゲット８１の直径が小さくなり、小型化と遠心力耐性の両方に寄与できる。

なお、ターゲット８１，８２を取り付けたナット４２が、本来、常に監視する必要があるアルミ合金製回転翼８（図１参照）の温度と異なる場合がある。そのような場合、予め回転翼８の温度とナット４２の温度との温度相関関係を測定しておいたり、さらにはモータ電流やベース４との温度関係を測定しておくことにより、回転翼８の温度をターゲット８１，８２が設けられたナット４２の温度から推定することが可能である。

［変形例１］
図１２は変形例１を示す図であり、（ａ）はナット４２およびギャップセンサ４４の斜視図であり、（ｂ）はギャップセンサ４４側から見た平面図である。変形例１では、図２に示したターゲット８０，８１，８２に加えて、回転同期信号を検出するための凸部８５をナット４２の底面に形成した。凸部８５はナット４２と同じ純鉄で形成されるのが好ましく、ナット底面（ターゲット８０面）とギャップセンサ４４との隙間寸法を１ｍｍとした場合、凸部８５の高さ寸法は０．３ｍｍ程度とする。

凸部８５がギャップセンサ４４に対向した場合にはターゲット８０の場合に比べて隙間が０．３ｍｍ小さく、その結果、磁性体がギャップセンサ４４に近づくことになり、非常に敏感にインダクタンスが増加することになる。そこで、この凸部８５がギャップセンサ４４に対向したときの信号を、同期信号に使うことにする。このときの信号は、凸部８５の温度に関わらず非常に大きな振幅を与える。ナット４２が２回転したときに得られる振幅信号は図１３のようになる。

図１３に示す信号は、図８（ｂ）の場合と同様の温度（Ｔ＝１１０℃）における信号である。ターゲット８０，８１，８２のそれぞれがギャップセンサ４４と対向する区間の信号は、図８（ｂ）に示したものと同様となっている。一方、凸部８５がギャップセンサ４４と対向する区間では隙間が減少するので、ターゲット８０が対向した場合よりもインダクタンスが大きくなり、振幅信号も大きくなっている。そのため、この区間の信号を同期信号として、残りのターゲット８０〜８２の信号を区別して抽出することができる。すなわち、同一のギャップセンサ４４により、回転数検出と温度検出とを同時に行うことができる。

なお、ここでは同期信号生成用に凸部８５を形成したが、凹部を形成しても良い。また、１周期に凸部、凹部が複数存在するようにしても良い。ここで、凸部や凹部を形成して回転信号用ターゲットとすることは、凹部と同等のインダクタンス寄与を与える磁性体を設けることと同等であるので、磁性体で置き換えることも可能である。ただし、使用する磁性体は、キュリー温度が許容温度（約１１０℃〜１２０℃）よりも充分に高いものである必要がある。

［変形例２］
図１４は変形例２を説明する図であり、図９と同様にターゲット８１，８２に関する差信号を示したものである。変形例２では、これらの差信号に対して、２種類の閾値Ｖa，Ｖbを設定した。この場合には、図５のコンパレータ６３を閾値Ｖa，Ｖbの数に応じて２組設ければ良い。ターゲット８１の差信号が閾値Ｖaと等しくなる温度をＴ１とし、閾値Ｖbと等しくなる温度をＴ２とする。一方、ターゲット８２の差信号が閾値Ｖaと等しくなる温度をＴ３とし、閾値Ｖbと等しくなる温度をＴ４とする。その結果、許容温度近辺（約１１０℃〜１２０℃）において４種類の温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４を検出することができる。

なお、図１４に示した例では、ターゲット８１，８２に対応した２つのキュリー温度を利用しているので、キュリー温度付近の急激に低下する信号を用いることにより４種類の温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４を検出することができたが、さらに、閾値設定を３種類以上に増やせば、検出できる温度の数をより増やすことができる。

このように、変形例２では、差信号を取ることにより拡がった閾値設定範囲内において複数の閾値を設定することにより、より細かく温度検出をすることが可能となる。その結果、ターボ分子ポンプの運転の自由度が増し、効果的にかつ安全にポンプを運転することが出来る。

例えば、温度が図１４のＴ１を越えた場合にはポンプの回転を少し遅くするとか、Ｔ１を越えている時間の積分値に応じてポンプの回転を少し遅くしたりする。さらに、温度がＴ２を越えた場合とか、Ｔ２を越えている時間の積分値に応じて、ポンプの回転をさらに遅くしたりする制御を、手動または自動にて行う。そして、さらにＴ３を越えた場合には制限を厳しくし、温度がＴ４に達した場合には、強制的にポンプを停止させる。このように、複数の温度Ｔ１〜Ｔ４が検出できることにより、検出温度が一点の場合では不可能な複雑な回転制御を行うことが可能となる。

［変形例３］
図１５は、本実施の形態の変形例３を示す図である。図２に示した例では、シャフト３の下端に取り付けられた純鉄製ナット４２にターゲット８０〜８２を設けたが、温度検出用磁性体（例えば、フェライト）を埋め込む部材は、アルミ合金などの非磁性体であってもよい。ターボ分子ポンプの回転翼８には一般的にアルミ合金が用いられており、このアルミ材に直接フェライトを埋め込む方が好都合な場合が有る。

ここでは、そのようなアルミ材にターゲットを埋め込む構成について説明する。図１５において、リング９０はロータが固定されシャフト３と一体的に回転する。リング９０は、例えば、回転翼８のシャフト取り付け部分に対応する。リング９０の上面には、キュリー温度が１２０℃よりも充分に高い磁性体から成るターゲット８０と、キュリー温度が１２０℃前後であるフェライトから成るターゲット８１が埋め込まれている。ステータ側に設けられたギャップセンサ４４は、これらのターゲット８０，８１と対向する位置に配置されている。

この構成を図２の構成と比較したときの特徴は、ロータが一回転する間に、広い面積のアルミリング９０の信号が現れることと、基準の磁性体であるターゲット８０のサイズが相対的に小さくできる。変形例３の場合も、ギャップセンサ４４がリング９０およびターゲット８０，８１のそれぞれに対向したときの３つのレベルの振幅信号が得られる。

この場合、アルミ材は非磁性であるため、アルミ材に対向する区間の振幅が最も小さく、ターゲット８０，８１に対応する振幅の大きな信号がパルス状に出現する。そのため、閾値設定による温度検出が比較的容易となる。なお、変形例３では、非キュリー点における透磁率の変化の補正（差信号の生成）は、アルミ材であるリング９０の信号は基準信号として使用せず、磁性体であるターゲット８０の信号を基準信号として差信号を生成する。

《ポンプ運転動作の説明》
次に、検出部３１から出力されるロータ温度モニタ信号を利用して、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。ここでは、ターゲット８０（基準用ターゲット）とターゲット８１を用いた場合の制御ついて説明する。
（動作例１）
動作例１は最も簡単な運転動作であり、ロータ温度モニタ信号がキュリー点を越えたことを示したならば、すなわち、ロータ温度Ｔがキュリー温度Ｔｃ以上となった場合には、モータ駆動制御部３３は直ちにロータ２の回転を減速し停止させる。そして、警報部３４はロータ温度異常を報知する。ロータ温度Ｔが許容温度Ｔmaxとなってクリープ変形の著しい場合にロータ回転を停止することにより、そのようなクリープ変形が生じるのを防止することができ、ポンプの安全性が向上する。

（動作例２）
動作例１では、ロータ温度Ｔがキュリー温度Ｔｃ以上となった場合にロータ回転を停止するようにしたが、ロータ温度がキュリー温度Ｔｃ以上である間だけ回転数を下げて運転し、ロータ温度がキュリー温度Ｔｃよりも低くなった時点で再び回転数を定格回転に戻すようにしても良い。ロータ温度がキュリー温度Ｔｃ以上となった場合に回転数を下げることにより、遠心力によるロータ２のクリープ変形を抑えることができる。なお、回転数を定格よりも下げた場合には、ロータ温度上昇情報を報知するだけでなく、回転数が低下していることを警報部２４に表示する等してオペレータに注意を喚起する。

また、ターボ分子ポンプをエッチング装置等で使用する場合、ポンプ内部に反応生成物が付着しやすい。反応生成物はポンプ温度が低いほど付着しやすいため、一般的には、ポンプ本体をヒータ等で加熱して付着を抑制するようにしている。そこで、ロータ回転数低下の代わりに、またはロータ回転数低下とともに、ロータ温度がキュリー温度Ｔｃ以上である間だけヒータ等の加熱手段を停止するようにしても良い。

（動作例３）
上述した動作例１，２では、ロータ温度Ｔがキュリー温度Ｔｃ以上となった場合にロータ回転を停止したり、キュリー温度Ｔｃ以上である間だけロータ回転数を下げるような例を説明した。しかし、半導体装置側のプロセス途中であってロータ回転を変更できないような場合がある。そのような場合の動作例として、キュリー温度Ｔｃ以上となっている時間の積算値が所定の基準時間となった場合にロータ２を停止し、異常発生を警報部３４により報知する。そのため、プロセス中にＴ≧Ｔｃとなった場合でも、積算時間が基準時間以内であればそのままプロセスを継続することができる。

基準時間は、予めロータクリープ寿命設計により求めたロータ２の許容変形量に達するまでの時間とする。ただし、クリープ変形は温度によって異なるので、例えば、ロータ温度Ｔがキュリー温度Ｔｃであるとして計算した時間や、さらに余裕をみてその時間より小さめの時間を基準時間とすれば良い。

なお、図１，２に示したポンプではターゲット８０〜８２をシャフト３の端面部分に配設したが、本発明は磁性体リングをロータ外周に設けるタイプのポンプにも同様に適用することができる。また、真空ポンプに限らず、回転体の温度検出機構にも適用することができる。

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、ギャップセンサ４４および検出部３１はインダクタンス検出部を、検出部３１は温度検出部および回転検出部を、ターゲット８１，８２は第１の磁性体を、ターゲット８０は第２の磁性体を、凸部８５は第３の磁性体を、差信号生成部６７は差分信号生成手段を、ナット４２は保持部材をそれぞれ構成する。なお、以上の説明はあくまでも一例であり、発明を解釈する際、上記実施の形態の記載事項と特許請求の範囲の記載事項の対応関係に何ら限定も拘束もされない。

本発明による真空ポンプの一実施の形態を示す図である。シャフト下端部分を示す図であり、（ａ）はナット４２およびギャップセンサ４４の斜視図、（ｂ）はギャップセンサ４４側から見たナット４２の平面図である。ギャップセンサ４４のインダクタンス変化を説明する図である。磁性体温度に対する透磁率またはインダクタンスの変化を示す図であり、（ａ）は透磁率の温度変化を示し、（ｂ）はインダクタンス変化を示したものである。検出部３１を説明するブロック図である。（ａ）はギャップセンサ４４から出力される振幅変調信号の典型例を示す図であり、（ｂ）は整流回路６２から出力される信号を示す図である。ターゲット８０〜８２のインダクタンスの温度変化を示す図である。ターゲット温度が上昇する過程における振幅信号の変化を示す図であり、（ａ）はＴ＜Ｔc2＜Ｔc3＜Ｔc1の場合を、（ｂ）はＴc2＜Ｔ＜Ｔc3＜Ｔc1の場合を、（ｃ）はＴc2＜Ｔc3＜Ｔ＜Ｔc1の場合をそれぞれ示す。ターゲット８１，８２の差信号を示す図である。ゼロクランプ回路を用いる場合の信号を示す図である。（ａ）は２重円筒コア８４の外観形状と断面形状とを示す図であり、（ｂ）は２重円筒コア８４とターゲット８１の形状との関係を示す図である。変形例１を示す図であり、（ａ）はナット４２およびギャップセンサ４４の斜視図であり、（ｂ）はギャップセンサ４４側から見たナット４２の平面図である。変形例１における温度Ｔ＝１１０℃の振幅信号を示す図である。変形例２を説明する図であり、ターゲット８１，８２に関する差信号を示したものである。変形例３を示す図である。

符号の説明

１ポンプ本体
２ロータ
３シャフト
４ベース
３０コントローラ
３１検出部
３２磁気軸受け制御部
３３モータ駆動制御部
３４警報部
４２ナット
４２ａ保持部
８０，８１，８２ターゲット
４４ギャップセンサ
６７差信号生成部
８４２重円筒コア
８５凸部
９０リング

Claims

ステータに対してロータを回転することによりガスを排気する真空ポンプにおいて、
前記ロータ上のロータ回転軸を中心とした円周上に配設され、前記ロータの温度監視範囲内にキュリー温度を有する第１の磁性体と、
前記ロータ上の前記円周上に配設され、前記温度監視範囲の上限温度よりも高温側にキュリー温度を有する第２の磁性体と、
前記ロータの回転により前記第１および第２の磁性体が順に対向する位置に配設され、対向する前記第１および第２の磁性体の透磁率に応じた第１および第２信号をそれぞれ出力するインダクタンス式のギャップセンサと、
前記第１の磁性体が前記ギャップセンサと対向したときの前記第１信号と、前記第２の磁性体が前記ギャップセンサと対向したときの前記第２信号との差分信号を生成する差信号生成手段と、
前記差分信号の信号レベルと予め設定された基準レベルとを比較して、前記ロータの温度が前記第１の磁性体のキュリー温度を越えたか否かを検出する温度検出部とを備えたことを特徴とする真空ポンプ。
ステータに対してロータを回転することによりガスを排気する真空ポンプにおいて、
前記ロータの温度監視範囲内にキュリー温度を有する第１の磁性体を、ロータ回転軸を中心とした円周上に配設するように保持してロータに固定する保持部材であって、前記温度監視範囲の上限温度よりも高温側にキュリー温度を有する第２の磁性体と、
前記ロータの回転により前記第１および第２の磁性体が順に対向する位置に配設され、対向する前記第１および第２の磁性体の透磁率に応じた第１および第２信号をそれぞれ出力するインダクタンス式のギャップセンサと、
前記第１の磁性体が前記ギャップセンサと対向したときの前記第１信号と、前記第２の磁性体が前記ギャップセンサと対向したときの前記第２信号との差分信号を生成する差信号生成手段と、
前記差分信号の信号レベルと予め設定された基準レベルとを比較して、前記ロータの温度が前記第１の磁性体のキュリー温度を越えたか否かを検出する温度検出部とを備えたことを特徴とする真空ポンプ。
請求項２に記載の真空ポンプにおいて、
前記温度検出部は、前記差分信号の信号レベルと複数の異なる基準レベルとを比較することにより、前記差分信号の信号レベルに対応した複数の温度を検出することを特徴とする真空ポンプ。
請求項２または３に記載の真空ポンプにおいて、
前記第１の磁性体は、前記円周方向の長さが前記ロータ回転軸の動径方向に関する長さの２倍以上であることを特徴とする真空ポンプ。
請求項２〜４のいずれかに記載の真空ポンプにおいて、
前記ロータ上の前記円周上に配設されるとともに、前記ギャップセンサと対向したときの隙間寸法が、前記第１および第２の磁性体が前記ギャップセンサと対向したときの隙間寸法よりも小さくまたは大きく設定され、前記上限温度よりも高温側にキュリー温度を有する第３の磁性体と、
前記第３の磁性体と前記ギャップセンサとが対向したときの前記ギャップセンサの出力信号に基づいて、前記ロータの回転周期を検出する回転検出部とを備えたことを特徴とする真空ポンプ。
請求項１〜５のいずれかに記載の真空ポンプにおいて、
前記温度検出部の検出結果に基づいて、前記ロータの温度制御を行うことを特徴とする真空ポンプ。