JP7006520B2 - 真空ポンプおよび診断システム - Google Patents

Description

本発明は、真空ポンプおよび診断システムに関する。

従来、ロータを転がり軸受で支持する構成の真空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に記載の真空ポンプはターボ分子ポンプであって、一般に、毎分数万回転のように高速回転で運転される。

特開２０１１－２４７２５３号公報

上述のように、高速回転で運転されるターボ分子ポンプでは、ロータを支持する転がり軸受を、劣化により寿命となる前に定期的に交換するようにしている。そのため、軸受交換時期の管理が重要である。

本発明の好ましい態様による真空ポンプは、ロータと、ステータと、前記ロータが設けられた回転軸を支持する転がり軸受と、前記転がり軸受の振動を検出する振動センサと、を備える。
さらに好ましい態様では、前記転がり軸受が設けられるベースと、前記ベースに直接または他の部材を介して固定され、前記振動センサが搭載される回路基板とをさらに備え、前記回路基板の共振周波数は、前記転がり軸受の振動の周波数域よりも高く設定されている。
さらに好ましい態様では、前記回路基板が金属により形成されている。
さらに好ましい態様では、前記転がり軸受が設けられるベースと、前記ベースに固定され、裏蓋本体と、絶縁層と、配線層とを有する裏蓋とをさらに備え、前記振動センサは、前記裏蓋の前記配線層に搭載され、前記裏蓋の共振周波数は、前記転がり軸受の振動の周波数域よりも高く設定されている。
本発明の好ましい態様による診断システムは、前記真空ポンプに設けられた前記振動センサから出力される振動検出情報に基づいて前記転がり軸受の劣化の有無を診断する診断部を備える。
さらに好ましい態様では、前記振動センサから出力されるデータをＦＦＴ処理することで、ロータ回転周波数におけるピークと、前記転がり軸受を構成する部品に関するベアリング振動周波数におけるピークとを取得するＦＦＴ部をさらに備え、前記診断部は、前記ＦＦＴ部によって取得されたピークのうち、前記ベアリング振動周波数におけるピークに基づいて前記転がり軸受の劣化の有無を診断する。
さらに好ましい態様では、前記ロータ回転周波数と前記ベアリング振動周波数との関係である周波数相関情報を記憶する記憶部をさらに備え、前記診断部は、現在のロータ回転周波数と前記記憶部に記憶されている周波数相関情報とに基づいて、前記ベアリング振動周波数を特定し、特定された前記ベアリング振動周波数におけるピークに基づいて前記転がり軸受の劣化の有無を診断する。
さらに好ましい態様では、閾値を記憶する記憶部をさらに備え、前記診断部は、前記ベアリング振動周波数におけるピークが前記記憶部に記憶されている前記閾値以上であると判断した際に、前記転がり軸受が劣化していると診断する。

本発明によれば、転がり軸受の劣化を正確に認識するための振動情報を得ることができる。

図１は、本発明に係る真空ポンプの第１の実施の形態を示す図である。 図２は、回路基板配置に関する他の例を示す図である。 図３は、油潤滑式ボールベアリングを用いた場合の回路基板配置例を示す図である。 図４は、電源一体型のターボ分子ポンプの場合の回路基板配置例を示す図である。 図５は、振動測定結果の一例を示す図である。 図６は、劣化診断システムの一例を示すブロック図である。 図７は、第２の実施の形態を示す図である。

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。
－第１の実施の形態－
図１は本発明に係る真空ポンプの第１の実施の形態を示す図であり、ターボ分子ポンプ１の断面図である。なお、ターボ分子ポンプ１には電力を供給する電源装置が接続されるが、図１では図示を省略した。

図１に示すターボ分子ポンプ１は、排気機能部として、タービン翼を備えたターボポンプ部Ｐ１と、螺旋型の溝を備えたHolweckポンプ部Ｐ２とを備えている。もちろん、本発明は、排気機能部にターボポンプ部Ｐ１およびHolweckポンプ部Ｐ２を備えた真空ポンプに限らず、タービン翼のみを備えた真空ポンプや、ジーグバーンポンプやHolweckポンプなどのドラッグポンプのみを備えた真空ポンプや、それらを組み合わせた真空ポンプにも適用することができる。

ターボポンプ部Ｐ１は、ポンプロータ３に形成された複数段の回転翼３０とベース２側に配置された複数段の固定翼２０とで構成される。一方、ターボポンプ部Ｐ１の排気下流側に設けられたHolweckポンプ部Ｐ２は、ポンプロータ３に形成された円筒部３１とベース２側に配置されたステータ２１とで構成されている。円筒状のステータ２１の内周面には螺旋溝が形成されている。複数段の回転翼３０と円筒部３１とが回転側排気機能部を構成し、複数段の固定翼２０とステータ２１とが固定側排気機能部を構成する。

ポンプロータ３はシャフト１０に締結されており、そのシャフト１０はモータ４により回転駆動される。モータ４には例えばＤＣブラシレスモータが用いられ、ベース２にモータステータ４ｂが設けられ、シャフト１０側にはモータロータ４ａが設けられている。シャフト１０とポンプロータ３とから成る回転体ユニットＲは、永久磁石６ａ，６ｂを用いた永久磁石磁気軸受６と転がり軸受であるボールベアリング８とにより回転自在に支持されている。

永久磁石６ａ，６ｂは、軸方向に磁化されたリング状の永久磁石である。ポンプロータ３に設けられた複数の永久磁石６ａは、同極同士が対向するように軸方向に複数配置されている。一方、固定側の複数の永久磁石６ｂは、ポンプケーシング１２に固定された磁石ホルダ１１に装着されている。これらの永久磁石６ｂも、同極同士が対向するように軸方向に複数配置されている。ポンプロータ３に設けられた永久磁石６ａの軸方向位置は、その内周側に配置された永久磁石６ｂの位置よりも若干上側となるように設定されている。すなわち、回転側の永久磁石の磁極は、固定側の永久磁石の磁極に対して軸方向に所定量だけずれている。この所定量の大きさによって、永久磁石磁気軸受６の支持力が異なる。図１に示す例では、永久磁石６ａの方が図示上側に配置されているため、永久磁石６ａと永久磁石６ｂとの反発力により、ラジアル方向の支持力と軸方向上向き（ポンプ排気口側方向）の力とが回転体ユニットＲに働いている。

磁石ホルダ１１の中央には、ボールベアリング９を保持するベアリングホルダ１３が固定されている。ボールベアリング８にはグリースが封入されている。ボールベアリング９は、シャフト上部のラジアル方向の振れを制限するタッチダウンベアリングとして機能するものである。定常回転状態ではシャフト１０とボールベアリング９とが接触することはなく、大外乱が加わった場合や、回転の加速時または減速時にシャフト１０の振れ回りが大きくなった場合に、シャフト１０がボールベアリング９に接触する。

ボールベアリング８の内輪はナット１４によってシャフト１０に固定され、ボールベアリング８の外輪はナット１６によってベース２に固定されている。ボールベアリング８の外周側には、リング状のラジアルダンパー１５が設けられている。ラジアルダンパー１５の材料にはゴム等のエラストマーが用いられる。

ボールベアリング８が収容されるベース２の収容空間は、裏蓋１７およびシール材１８によって封止される。裏蓋１７の内周面には回路基板１００がビス止めされている。回路基板１００には、ボールベアリング８の振動を検出する振動センサとしての加速度センサ１０１およびマイコン１０２等の回路部品が搭載されている。ボールベアリング８の振動は、ベース２および裏蓋１７を介して回路基板１００上の加速度センサ１０１に伝達される。

回路基板１００には、メタルベース基板と呼ばれる金属製のプリント基板が用いられる。メタルベース基板とは、アルミや銅のベースメタルの上に絶縁層を形成し、さらにその上に銅箔で外層回路を形成したものである。メタルベース基板は、通常のガラスエポキシ樹脂基板に比べて剛性が高い。回路基板１００の大きさは、回路部品（加速度センサ１０１、マイコン１０２等）を搭載した回路基板１００の共振周波数がより小さくなるように、可能な限り小さく設定される。例えば、一辺が約３０ｍｍ程度の正方形とされる。

図１では、ボールベアリング８の外輪がベース２に直接設けられる構成の場合について示したが、図２に示すようにボールベアリング８の外輪をベース２とは別に設けられたベアリングハウジング２００に固定するような構成であっても良い。図２では、加速度センサ１０１が搭載された回路基板１００は、ベアリングハウジング２００に取り付けられるカバー２０１の内周面にビス止めされている。ボールベアリング８の振動はベアリングハウジング２００およびカバー２０１を介して回路基板１００上の加速度センサ１０１に伝達される。

また、図１，２ではボールベアリング８はグリース潤滑であったが、図３はボールベアリング８が油潤滑の場合の構成を示したものである。ボールベアリング８は、ベース２にボルト固定されるベアリングハウジング２００に保持されている。ボールベアリング８は油潤滑式の転がり軸受であり、ボールベアリング８に潤滑油を供給するための潤滑油貯蔵部であるウィック６０を備えている。ウィック６０は、潤滑油が保持可能なフェルト状やスポンジ状の部材で構成され、潤滑油を保持している。ウィック６０は保持部６１に設けられている。

ボールベアリング８の内輪は、コーン型のナット６２によりシャフト１０に固定される。ナット６２の外周面は、ボールベアリング８の内輪に当接する側から先端に向けて先細りのテーパ面となっている。ウィック６０の内周側には内側に突出した接触部６０ａが形成されており、この接触部６０ａがナット６２の外周面に接触している。シャフト１０と共にナット６２が高速回転すると、ナット６２の外周面に付着した潤滑油は遠心力によりテーパ状外周面をボールベアリング８方向に移動し、最終的にはボールベアリング８の内輪内に供給されることになる。

このような油潤滑式のボールベアリング８を備える場合も、加速度センサ１０１が搭載された回路基板１００は、ベアリングハウジング２００に取り付けられるカバー２０１にビス止め等により固定される。ボールベアリング８の振動はベアリングハウジング２００およびカバー２０１を介して回路基板１００上の加速度センサ１０１に伝達される。

図４は、電源装置４０がターボ分子ポンプ１のベース２に固定される電源一体型のターボ分子ポンプの場合の、回路基板１００の配置の一例を示したものである。電源装置４０の筐体４００はベース２にボルト固定されている。筐体４００内には、基板４０１、４０２が設けられており基板４０１にはマイコン４０３が搭載されている。基板４０２は筐体４００の内周面に固定されており、基板４０２には比較的発熱量の大きな電子部品が搭載されている。筐体４００の外周面には複数の放熱フィン４０４が形成されている。

加速度センサ１０１が搭載された回路基板１００は、ベース２の外表面で、かつ、筐体４００が対向する面に固定されている。そのため、回路基板１００は筐体４００の陰に隠れてしまい、外観上は見えない構成となっている。図４に示す例では回路基板１００には振動センサ用のマイコン１０２を搭載しておらず、マイコン１０２の機能は電源装置４０に設けられたマイコン４０３によって兼用される。

図５は、ポンプロータ３を高速回転したときのボールベアリング８の振動測定結果の一例を示す図である。図５において横軸は周波数を表し、縦軸は振動の加速度を表している。周波数ｆ０はロータ回転数に対応する周波数（以下では、ロータ回転周波数と呼ぶことにする）であり、ポンプ回転数をＮ（ｒｐｍ）とすればＮ＝６０×ｆ０である。例えば、ロータ回転数が６万（ｒｐｍ）であればｆ０＝１（ｋＨｚ）である。図５に示すデータはボールベアリング８の劣化が進んでいる場合の振動データであり、ロータ回転周波数ｆ０のピーク以外に、符号Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄで示すようなピークが現れている。

加速度センサ１０１から出力されるデータをマイコン１０２でＦＦＴ処理すると、ロータ回転数に対応する周波数とその周波数の倍数およびボールベアリング８を構成する部品（外輪、内輪、転動体および保持器）に関する周波数にピークが見られる。図５のピークＡ～Ｄは、ボールベアリング８を構成する部品に起因する振動の加速度ピークであり、以下では、加速度ピークＡ～Ｄの周波数ｆａ～ｆｄをベアリング振動周波数と呼ぶことにする。ピーク位置の周波数（ベアリング振動周波数）ｆａ～ｆｄはロータ回転周波数ｆ０に依存しており、加速度ピークＡ～Ｄおよびロータ回転周波数ｆ０を含む限られた周波数範囲に現れる。

図５に示す例では周波数ｆ２以下の周波数範囲にベアリング振動周波数ｆａ～ｆｄが現れている。ロータ回転周波数ｆ０が変化すると、それに応じてベアリング振動周波数ｆａ～ｆｄも変化する。ｆ０＝１（ｋＨｚ）の場合、周波数ｆ２は１０（ｋＨｚ）程度である。加速度センサ１０１で検出される振動に基づいてボールベアリング８の劣化を診断する場合、例えば、周波数ｆ２を診断対象周波数の上限周波数に設定する。

ところで、加速度センサ１０１は回路基板１００に搭載され、その回路基板１００は図１～４に示したようにベース２やベース２に固定される裏蓋１７、ベアリングハウジング２００に固定されるカバー２０１等にビス止め等により固定されている。そのため、回路基板１００が振動すると、加速度センサ１０１はその基板自体の振動も検出してしまうことになる。

回路基板１００には加速度センサ１０１と加速度センサ１０１から出力された振動データを処理するマイコン１０２が搭載されており、少なくとも加速度センサ１０１およびマイコン１０２を搭載可能なスペースが必要である。回路基板１００として一般的なガラスエポキシ樹脂基板を用いた場合、基板自体の剛性が比較的低いため、回路部品を搭載した状態での回路基板１００の共振周波数が図５の周波数ｆ２よりも低くなってしまうおそれがある。また、基板厚さを厚くすれば共振周波数を高くできるが、図１～４に示すようにターボ分子ポンプ１における回路基板１００の配置スペースが限られるため、基板厚さを必要な厚さまで厚くするのは難しい。

そこで、本実施の形態では、回路基板１００を剛性の高いメタルベース基板を用いることで、基板厚さを抑えつつ必要な剛性を得るようにした。回路基板１００の剛性を高めることで、高い共振周波数を維持しつつより広い基板面積が可能となり、加速度センサ１０１およびマイコン１０２の搭載スペースに余裕を持たせることができる。メタルベース基板の厚さや寸法は、図５の周波数ｆ２に応じて設定される。

図６は、加速度センサ１０１で検出された振動情報を利用したボールベアリング８の劣化診断システムの一例を示すブロック図である。加速度センサ１０１のアナログ出力信号は、ＡＤ変換部１２１によりマイコン１０２に取り込まれる。ＡＤ変換された信号はＦＦＴ部でフーリエ変換処理されて図５に示すような振動データが得られる。診断部１２３は、フーリエ変換処理後の振動データに基づいてボールベアリング８の劣化診断を行う。例えば、ピークＡ～Ｄの加速度の大きさが閾値β以上となった場合に、ボールベアリング８の交換時期と診断する。

マイコン１０２の記憶部１２４には、ターボ分子ポンプ１のロータ回転周波数ｆ０とボールベアリング８に起因するベアリング振動周波数ｆａ～ｆｄとの関係である周波数相関情報や、ベアリング劣化の診断に用いる上述した閾値βなどが記憶されている。診断部１２３には、電源装置４０のポンプ制御部４１０からロータ回転周波数ｆ０が入力される。なお、診断部１２３が、ＦＦＴ部１２２から入力される振動データに基づいてロータ回転周波数ｆ０を抽出するようにしても良い。ターボ分子ポンプ１の使用回転数が定格回転数と異なっている場合でも、そのときのロータ回転周波数ｆ０に応じたベアリング振動周波数ｆａ～ｆｄが抽出される。

診断部１２３は、ロータ回転周波数ｆ０と記憶部１２４に入力されている周波数相関情報とに基づいて、振動データからベアリング振動周波数ｆａ～ｆｄを抽出し、それらを常に監視する。ボールベアリング８の劣化が進むと、ボールベアリング８に起因する振動が大きくなり、図５に示すベアリング振動周波数ｆａ～ｆｄのピークの高さが増加する。そこで、診断部１２３は、監視しているベアリング振動周波数ｆａ～ｆｄの加速度値が閾値β以上となった場合、ベアリング劣化に関するアラーム信号を出力する。

図５に示す例ではアラーム信号は電源装置４０に入力されているが、ターボ分子ポンプ１が装着されている真空装置のメインコントローラへと出力しても良いし、インターネット等を介してサーバーに送るようにしても良い。また、図５では劣化診断を回路基板１００のマイコン１０２で行うような構成としているが、診断部１２３で行っている診断処理をポンプ制御部４１０やサーバーで行うようにしても良い。その場合、マイコン１０２からはＦＦＴ部１２２の処理結果（すなわち、図５に示す振動データ）が出力され、ポンプ制御部４１０やサーバーでベアリング劣化の診断処理を行う。

－第２の実施の形態－
図７は、第２の実施の形態を示す図である。上述した第１の実施の形態では、加速度センサ１０１やマイコン１０２が搭載される回路基板１００にメタルベース基板を用いることで、加速度センサ１０１の振動データへの回路基板の振動の影響を排除するようにした。一方、図７に示す第２の実施の形態では、ターボ分子ポンプ１のベース２に設けられた裏蓋１７の内周面１７ａに、加速度センサ１０１やマイコン１０２等の電子部品を直接搭載するようにした。

裏蓋１７の内周面１７ａには、メタルベース基板の場合と同様の絶縁層５０が形成され、その絶縁層５０の上には銅箔による配線層５１が形成されている。メタルベース基板の場合のベースメタルに相当する裏蓋１７には、ターボ分子ポンプ１においては一般的にアルミ合金材やステンレス材など用いられ、裏蓋１７の厚さも１０ｍｍ程度を有する。そのため、第１の実施の形態で用いられるメタルベース基板と比較しても、十分大きな剛性を有している。その結果、加速度センサ１０１が搭載される裏蓋１７に振動が生じた場合であっても、振動の周波数は図５に示した上限周波数ｆ２よりも高周波数側となり、監視すべき周波数範囲における裏蓋１７に振動の影響は防止することができる。

上述した実施形態で説明した真空ポンプをまとめて説明すると以下のとおりである。
（１）転がり軸受であるボールベアリング８によりポンプロータ３が設けられたシャフト１０を支持するターボ分子ポンプ１において、ボールベアリング８の振動を検出する振動センサとしての加速度センサ１０１が設けられている。その結果、加速度センサ１０１から出力される振動情報に基づいて、ボールベアリング８の劣化状態を知ることが可能となり、ボールベアリング８のメンテナンスを適切に行うことができる。

（２）図４に示すように、加速度センサ１０１は、例えばメタルベース基板のように基板ベース材料に金属が用いられる回路基板１００に搭載され、その回路基板１００はボールベアリング８が設けられたベース２に固定される。加速度センサ１０１が搭載される回路基板１００の共振周波数は、ボールベアリング８に起因する振動の周波数域（図５における周波数ｆ２以下の周波数域）よりも高く設定されている。その結果、ボールベアリング８に起因する振動の周波数域に回路基板１００の振動ピークが現れることがないので、回路基板１００の振動の影響を受けること無く、加速度センサ１０１の振動データからボールベアリング８に起因する振動を容易に識別することができる。

なお、図４に示すように回路基板１００をベース２に直接固定する構成に限定されず、図１のようにベース２に固定される裏蓋１７に回路基板１００を固定しても良いし、図２，３のようにベアリングハウジング２００に固定されるカバー２０１に回路基板１００を固定しても良い。

（３）また、図７に示すように、加速度センサ１０１を、ベース２の一部を構成する裏蓋１７に搭載するようにしても良い。裏蓋１７の内周面１７ａには絶縁層５０が形成され、加速度センサ１０１やマイコン１０２は絶縁層５０の上に形成された配線層５１に実装されている。加速度センサ１０１が搭載された裏蓋１７の共振周波数は、ボールベアリング８のベアリング振動周波数ｆａ～ｆｄが含まれる周波数域よりも高く設定されているので、加速度センサ１０１の振動データからボールベアリング８に起因する振動を容易に識別することができる。

（４）図６に示す診断システムでは、診断部１２３は、ターボ分子ポンプ１に設けられた加速度センサ１０１から出力される振動検出情報に基づき、ボールベアリング８の劣化を診断する。その結果、適切なタイミングでボールベアリング８の交換作業を行うことができる。

さらに、加速度センサ１０１が搭載された回路基板１００や図７の裏蓋１７の共振周波数は、ボールベアリング８のベアリング振動周波数ｆａ～ｆｄが含まれる周波数域よりも高く設定されていて、加速度センサ１０１から出力される振動検出情報にはボールベアリング８に起因する振動の影響が含まれない。その結果、ボールベアリング８の劣化診断を容易に行うことができる。

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…ターボ分子ポンプ、２…ベース、３…ポンプロータ、８，９…ボールベアリング、１０…シャフト、１７…裏蓋、１７ａ…内周面、４０…電源装置、１００…回路基板、１０１…加速度センサ、１０２，４０３…マイコン、１２１…ＡＤ変換部、１２２…ＦＦＴ部、１２３…診断部、１２４…記憶部、２０１…カバー、４１０…ポンプ制御部

Claims (6)

1. ロータと、
   ステータと、
   前記ロータが設けられた回転軸を支持する転がり軸受と、
   前記転がり軸受の振動を検出する振動センサと、
   前記転がり軸受が設けられるベースと、
   前記ベースに直接または他の部材を介して固定され、前記振動センサが搭載される回路基板と、を備え、
   前記回路基板の共振周波数は、前記転がり軸受の振動の周波数域よりも高く設定されており、
   前記回路基板が金属により形成されている、真空ポンプ。
2. ロータと、
   ステータと、
   前記ロータが設けられた回転軸を支持する転がり軸受と、
   前記転がり軸受の振動を検出する振動センサと、
   前記転がり軸受が設けられるベースと、
   前記ベースに固定され、裏蓋本体と、絶縁層と、配線層とを有する裏蓋と、を備え、
   前記振動センサは、前記裏蓋の前記配線層に搭載され、
   前記裏蓋の共振周波数は、前記転がり軸受の振動の周波数域よりも高く設定されている
   真空ポンプ。
3. 請求項１または２に記載の真空ポンプに設けられた前記振動センサから出力される振動検出情報に基づいて前記転がり軸受の劣化の有無を診断する診断部を備える、診断システム。
4. 請求項３に記載の診断システムにおいて、
   前記振動センサから出力されるデータをＦＦＴ処理することで、ロータ回転周波数におけるピークと、前記転がり軸受を構成する部品に関するベアリング振動周波数におけるピークとを取得するＦＦＴ部をさらに備え、
   前記診断部は、前記ＦＦＴ部によって取得されたピークのうち、前記ベアリング振動周波数におけるピークに基づいて前記転がり軸受の劣化の有無を診断する、診断システム。
5. 請求項４に記載の診断システムにおいて、
   前記ロータ回転周波数と前記ベアリング振動周波数との関係である周波数相関情報を記憶する記憶部をさらに備え、
   前記診断部は、現在のロータ回転周波数と前記記憶部に記憶されている周波数相関情報とに基づいて、前記ベアリング振動周波数を特定し、特定された前記ベアリング振動周波数におけるピークに基づいて前記転がり軸受の劣化の有無を診断する、診断システム。
6. 請求項４または５に記載の診断システムにおいて、
   閾値を記憶する記憶部をさらに備え、
   前記診断部は、前記ベアリング振動周波数におけるピークが前記記憶部に記憶されている前記閾値以上であると判断した際に、前記転がり軸受が劣化していると診断する、診断システム。

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