特開 2024-129334 真空ポンプ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024129334

(43)【公開日】2024-09-27

(54)【発明の名称】真空ポンプ

(51)【国際特許分類】

   F04D 19/04 20060101AFI20240919BHJP

   F04C 25/02 20060101ALI20240919BHJP

   F04D 29/00 20060101ALI20240919BHJP

   F16C 32/04 20060101ALI20240919BHJP

【ＦＩ】

F04D19/04 D

F04D19/04 A

F04C25/02 A

F04D29/00 B

F16C32/04 A

【審査請求】有

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023038473

(22)【出願日】2023-03-13

(71)【出願人】

【識別番号】508275939

【氏名又は名称】エドワーズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100114971

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 修

(72)【発明者】

【氏名】川島 敏明

【テーマコード（参考）】

3H129

3H130

3H131

3J102

【Ｆターム（参考）】

3H129AA24

3H129AB06

3H129BB24

3H130AA12

3H130AB28

3H130AB52

3H130AC01

3H130BA13Z

3H130CA21

3H130DA02Z

3H130DB01X

3H130DB02Z

3H130DB10X

3H130DD01X

3H130DF00Z

3H130EA07D

3H130EA07E

3H130EA07G

3H130EA08D

3H130EA08E

3H130EA08G

3H131AA02

3H131CA04

3H131CA13

3H131CA16

3J102AA01

3J102BA03

3J102BA17

3J102BA18

3J102CA02

3J102CA22

3J102CA27

3J102DA03

3J102DA08

3J102DA26

3J102DB05

3J102DB08

3J102DB10

3J102DB11

3J102DB18

3J102GA06

(57)【要約】

【課題】 ロータの振動が抑制されやすい真空ポンプを得る。
【解決手段】 ラジアル磁気軸受装置３０１は、ロータ軸１１３をラジアル方向において回転可能に磁力で保持する。そして、ラジアル磁気軸受装置３０１は、能動型磁気軸受装置であって、ロータ軸１１３の方向において、上述の磁力の定常成分の合成力の位置と、上述の磁力の非定常成分の合成力の位置とを互いに異ならせるオフセット手段（第２ステータコア３０１ｂ２）を備える。
【選択図】 図９

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ロータ軸と、前記ロータ軸に配置され前記ロータ軸とともに回転する回転体とを備えたロータと、
前記ロータ軸をラジアル方向において回転可能に磁力で保持するラジアル磁気軸受装置とを備え、
前記ラジアル磁気軸受装置は、能動型磁気軸受装置であって、前記ロータ軸の方向において、前記磁力の定常成分の合成力の位置と、前記磁力の非定常成分の合成力の位置とを互いに異ならせるオフセット手段を備えること、
を特徴とする真空ポンプ。

【請求項2】

前記磁力の非定常成分の合成力の位置は、前記ロータの重心位置とは異なり、
前記磁力の定常成分の合成力の位置は、前記ロータの重心位置、または前記ロータの重心位置と前記磁力の非定常成分の合成力の位置との間のいずれかの位置であること、
を特徴とする請求項１記載の真空ポンプ。

【請求項3】

前記ラジアル磁気軸受装置は、前記磁力を誘起する磁束を発生するコイルと前記コイルの中空部分に配置された第１ステータコアとを有する電磁石を備え、
前記オフセット手段は、第２ステータコアであり、
前記第１ステータコアおよび前記第２ステータコアは、前記ロータ軸の方向に沿って配列されており、
前記第２ステータコアの磁損は、前記第１ステータコアの磁損とは異なり、
前記ロータ軸の方向において、前記第２ステータコアの位置での前記磁力の非定常成分は、前記第１ステータコアの位置での前記磁力の非定常成分より弱いこと、
を特徴とする請求項１記載の真空ポンプ。

【請求項4】

前記ラジアル磁気軸受装置は、前記磁力を誘起する磁束を発生するコイルと前記コイルの中空部分に配置されたステータコアとを有する電磁石を備え、
前記オフセット手段は、前記コイルの中空部分に配置され、前記磁束のうち、前記コイルの中空部分を通過する非定常磁束の一部または全部を、前記ロータ軸の方向において一部の区間において相殺するショートコイルであること、
を特徴とする請求項１記載の真空ポンプ。

【請求項5】

前記ラジアル磁気軸受装置は、少なくとも前記磁力の非定常成分を誘起する非定常磁束を発生する第１コイルと前記第１コイルの中空部分に配置された第１ステータコアとを有する第１電磁石と、少なくとも前記磁力の定常成分を誘起する定常磁束を発生する第２コイルと前記第２コイルの中空部分に配置された第２ステータコアとを有する第２電磁石とを備え、
前記ロータ軸の方向において、前記第２電磁石は、前記第１電磁石とは異なる位置に配置されていること、
を特徴とする請求項１記載の真空ポンプ。

【請求項6】

前記ロータ軸の方向において前記ラジアル磁気軸受装置とは別の位置で、前記ロータ軸をラジアル方向において回転可能に磁力で保持する受動型ラジアル磁気軸受装置をさらに備えることを特徴とする請求項１から請求項５のうちのいずれか１項記載の真空ポンプ。

【請求項7】

真空ポンプのロータにおいてロータ軸をラジアル方向において回転可能に磁力で保持するラジアル磁気軸受装置において、
当該ラジアル磁気軸受装置は、能動型磁気軸受装置であって、前記ロータ軸の方向において、前記磁力の定常成分の合成力の位置と、前記磁力の非定常成分の合成力の位置とを互いに異ならせるオフセット手段を備えること、
を特徴とするラジアル磁気軸受装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、真空ポンプに関するものである。

【背景技術】

【0002】

ある真空ポンプでは、ロータのラジアル方向の変位を抑制する能動型のラジアル磁気軸受装置が、ロータの重心位置より排気側（下流側）に設けられている（例えば特許文献１参照）。これにより、ロータ軸の振れ回りを抑制しロータ軸を平衡位置（振れ回りのない状態での位置）に戻そうとする際に、ラジアル磁気軸受装置によりロータ（ロータ軸）に掛かる磁力の向きが、平衡位置への方向になる。したがって、この磁力に起因して、ロータ軸の下流側の部位においても、平衡位置への方向の力が現れ、この力の方向が、別に下流側に設置されているラジアル磁気軸受装置による磁力（平衡位置に戻そうとする磁力）の向きと一致するため、ロータ（ロータ軸）の振れ回りが効果的に抑制されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第６９２７７３５号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

水平に設置される真空ポンプの場合、ロータには、鉛直方向（下方向）に、定常的な力（つまり、重力）が掛かるため、ロータは、鉛直方向（下方向）に変位しようとする。そのため、上述のラジアル磁気軸受装置は、ロータ（ロータ軸）に対して、鉛直方向（上方向）に磁力を掛けて重力を相殺することで、ロータ（ロータ軸）を平衡位置に保とうとする。
上述のような真空ポンプでは、上流側のラジアル磁気軸受装置の位置がロータ重心位置から外れており、これにより重力の相殺のための定常的な磁力の合成力（ロータ軸方向に分布する磁力をモーメントが一致するようにまとめた力）がロータ重心位置から外れているため、この定常的な磁力によってロータ（ロータ軸）にモーメントが発生する。そのため、他の（ここでは下流側の）ラジアル磁気軸受装置において、ロータの振れ回りを抑制するための磁力に加えて、上流側のラジアル磁気軸受装置の磁力によるモーメントを相殺する磁力をロータ（ロータ軸）に掛ける必要があり、ロータの振動（振れ回りなど）が減衰しにくくなる可能性がある。

【0005】

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、ロータの振動が抑制されやすい真空ポンプを得ることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明に係る真空ポンプは、ロータ軸と、ロータ軸に配置されロータ軸とともに回転する回転体とを備えたロータと、ロータ軸をラジアル方向において回転可能に磁力で保持するラジアル磁気軸受装置とを備える。そして、ラジアル磁気軸受装置は、能動型磁気軸受装置であって、ロータ軸の方向において、上述の磁力の定常成分の合成力の位置と、上述の磁力の非定常成分の合成力の位置とを互いに異ならせるオフセット手段を備える。

【0007】

本発明のラジアル磁気軸受装置は、真空ポンプのロータにおいてロータ軸をラジアル方向において回転可能に磁力で保持するラジアル磁気軸受装置であって、当該ラジアル磁気軸受装置は、能動型磁気軸受装置であって、ロータ軸の方向において、上述の磁力の定常成分の合成力の位置と、上述の磁力の非定常成分の合成力の位置とを互いに異ならせるオフセット手段を備える。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、ロータの振動が抑制されやすい真空ポンプが得られる。

【0009】

本発明の上記又は他の目的、特徴および優位性は、添付の図面とともに以下の詳細な説明から更に明らかになる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】図１は、ターボ分子ポンプを示す縦断面図である。

【図2】図２は、図１に示すターボ分子ポンプの電磁石の励磁制御をするアンプ回路を示す回路図である。

【図3】図３は、電流指令値が検出値より大きい場合の制御を示すタイムチャートである。

【図4】図４は、電流指令値が検出値より小さい場合の制御を示すタイムチャートである。

【図5】図５は、本発明の実施の形態１に係る真空ポンプを示す断面図である。

【図6】図６は、図５におけるラジアル磁気軸受装置３０２のアーマチャディスク１１１の一例を示す斜視図である。

【図7】図７は、図５におけるラジアル磁気軸受装置３０２の動作について説明する図である。

【図8】図８は、図５におけるラジアル磁気軸受装置３０１の一例を示す斜視図である。

【図9】図９は、実施の形態１におけるステータコア３０１ｂの一例を示す断面図である。

【図10】図１０は、ラジアル磁気軸受装置３０１による磁力の非定常成分の合成力Ｆａｃについて説明する図である。

【図11】図１１は、ラジアル磁気軸受装置３０１による磁力の定常成分の合成力Ｆｄｃについて説明する図である。

【図12】図１２は、本発明の実施の形態２に係る真空ポンプを示す断面図である。

【図13】図１３は、本発明の実施の形態３に係る真空ポンプを示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、図に基づいて本発明の実施の形態を説明する。

【0012】

真空ポンプ（ターボ分子ポンプ）の説明

【0013】

このターボ分子ポンプ１００の縦断面図を図１に示す。図１において、ターボ分子ポンプ１００は、円筒状の外筒１２７の上端に吸気口１０１が形成されている。そして、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である複数の回転翼１０２（１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ・・・）を周部に放射状かつ多段に形成した回転体１０３が備えられている。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。回転体１０３は、一般的に、アルミニウム又はアルミニウム合金などの金属によって構成されている。

【0014】

上側径方向電磁石１０４は、４個の電磁石が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に近接して、かつ上側径方向電磁石１０４のそれぞれに対応して４個の上側径方向センサ１０７が備えられている。上側径方向センサ１０７は、例えば伝導巻線を有するインダクタンスセンサや渦電流センサなどが用いられ、ロータ軸１１３の位置に応じて変化するこの伝導巻線のインダクタンスの変化に基づいてロータ軸１１３の位置を検出する。この上側径方向センサ１０７はロータ軸１１３、すなわちそれに固定された回転体１０３の径方向変位を検出し、制御装置２００に送るように構成されている。

【0015】

この制御装置２００においては、例えばＰＩＤ調節機能を有する補償回路が、上側径方向センサ１０７によって検出された位置信号に基づいて、上側径方向電磁石１０４の励磁制御指令信号を生成し、図２に示すアンプ回路１５０（後述する）が、この励磁制御指令信号に基づいて、上側径方向電磁石１０４を励磁制御することで、ロータ軸１１３の上側の径方向位置が調整される。

【0016】

そして、このロータ軸１１３は、高透磁率材（鉄、ステンレスなど）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及び下側径方向センサ１０８が、上側径方向電磁石１０４及び上側径方向センサ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。

【0017】

さらに、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センサ１０９が備えられ、その軸方向位置信号が制御装置２００に送られるように構成されている。

【0018】

そして、制御装置２００において、例えばＰＩＤ調節機能を有する補償回路が、軸方向センサ１０９によって検出された軸方向位置信号に基づいて、軸方向電磁石１０６Ａと軸方向電磁石１０６Ｂのそれぞれの励磁制御指令信号を生成し、アンプ回路１５０が、これらの励磁制御指令信号に基づいて、軸方向電磁石１０６Ａと軸方向電磁石１０６Ｂをそれぞれ励磁制御することで、軸方向電磁石１０６Ａが磁力により金属ディスク１１１を上方に吸引し、軸方向電磁石１０６Ｂが金属ディスク１１１を下方に吸引し、ロータ軸１１３の軸方向位置が調整される。

【0019】

このように、制御装置２００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。なお、これら上側径方向電磁石１０４、下側径方向電磁石１０５及び軸方向電磁石１０６Ａ、１０６Ｂを励磁制御するアンプ回路１５０については、後述する。

【0020】

一方、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２００によって制御されている。また、モータ１２１には図示しない例えばホール素子、レゾルバ、エンコーダなどの回転速度センサが組み込まれており、この回転速度センサの検出信号によりロータ軸１１３の回転速度が検出されるようになっている。

【0021】

さらに、例えば下側径方向センサ１０８近傍に、図示しない位相センサが取り付けてあり、ロータ軸１１３の回転の位相を検出するようになっている。制御装置２００では、この位相センサと回転速度センサの検出信号を共に用いて磁極の位置を検出するようになっている。

【0022】

回転翼１０２（１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ・・・）とわずかの空隙を隔てて複数枚の固定翼１２３（１２３ａ、１２３ｂ、１２３ｃ・・・）が配設されている。回転翼１０２（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。固定翼１２３（１２３ａ、１２３ｂ、１２３ｃ・・・）は、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。

【0023】

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の外周端は、複数の段積みされた固定翼スペーサ１２５（１２５ａ、１２５ｂ、１２５ｃ・・・）の間に嵌挿された状態で支持されている。

【0024】

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が配設されている。ベース部１２９には排気口１３３が形成され、外部に連通されている。チャンバ（真空チャンバ）側から吸気口１０１に入ってベース部１２９に移送されてきた排気ガスは、排気口１３３へと送られる。

【0025】

さらに、ターボ分子ポンプ１００の用途によって、固定翼スペーサ１２５の下部とベース部１２９の間には、ネジ付スペーサ１３１が配設される。ネジ付スペーサ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１０２（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。回転翼１０２および固定翼１２３によってネジ溝１３１ａに移送されてきた排気ガスは、ネジ溝１３１ａに案内されつつベース部１２９へと送られる。

【0026】

ベース部１２９は、ターボ分子ポンプ１００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１００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。

【0027】

かかる構成において、回転翼１０２がロータ軸１１３と共にモータ１２１により回転駆動されると、回転翼１０２と固定翼１２３の作用により、吸気口１０１を通じてチャンバから排気ガスが吸気される。回転翼１０２の回転速度は通常２００００ｒｐｍ～９００００ｒｐｍであり、回転翼１０２の先端での周速度は２００ｍ／ｓ～４００ｍ／ｓに達する。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に接触する際に生ずる摩擦熱や、モータ１２１で発生した熱の伝導などにより、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などによる伝導により固定翼１２３側に伝達される。

【0028】

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に接触する際に生ずる摩擦熱などを外部へと伝達する。

【0029】

なお、上記では、ネジ付スペーサ１３１は回転体１０３の円筒部１０２ｄの外周に配設し、ネジ付スペーサ１３１の内周面にネジ溝１３１ａが刻設されているとして説明した。しかしながら、これとは逆に円筒部１０２ｄの外周面にネジ溝が刻設され、その周囲に円筒状の内周面を有するスペーサが配置される場合もある。
また、ターボ分子ポンプ１００の用途によっては、吸気口１０１から吸引されたガスが上側径方向電磁石１０４、上側径方向センサ１０７、モータ１２１、下側径方向電磁石１０５、下側径方向センサ１０８、軸方向電磁石１０６Ａ、１０６Ｂ、軸方向センサ１０９などで構成される電装部に侵入することのないよう、電装部は周囲をステータコラム１２２で覆われ、このステータコラム１２２内はパージガスにて所定圧に保たれる場合もある。

【0030】

この場合には、ベース部１２９には図示しない配管が配設され、この配管を通じてパージガスが導入される。導入されたパージガスは、保護ベアリング１２０とロータ軸１１３間、モータ１２１のロータとステータ間、ステータコラム１２２と回転翼１０２の内周側円筒部の間の隙間を通じて排気口１３３へ送出される。

【0031】

ここに、ターボ分子ポンプ１００は、機種の特定と、個々に調整された固有のパラメータ（例えば、機種に対応する諸特性）に基づいた制御を要する。この制御パラメータを格納するために、上記ターボ分子ポンプ１００は、その本体内に電子回路部１４１を備えている。電子回路部１４１は、ＥＥＰ－ＲＯＭ等の半導体メモリ及びそのアクセスのための半導体素子等の電子部品、それらの実装用の基板１４３等から構成される。この電子回路部１４１は、ターボ分子ポンプ１００の下部を構成するベース部１２９の例えば中央付近の図示しない回転速度センサの下部に収容され、気密性の底蓋１４５によって閉じられている。

【0032】

ところで、半導体の製造工程では、チャンバに導入されるプロセスガスの中には、その圧力が所定値よりも高くなり、或いは、その温度が所定値よりも低くなると、固体となる性質を有するものがある。ターボ分子ポンプ１００内部では、排気ガスの圧力は、吸気口１０１で最も低く排気口１３３で最も高い。プロセスガスが吸気口１０１から排気口１３３へ移送される途中で、その圧力が所定値よりも高くなったり、その温度が所定値よりも低くなったりすると、プロセスガスは、固体状となり、ターボ分子ポンプ１００内部に付着して堆積する。

【0033】

例えば、Ａｌエッチング装置にプロセスガスとしてＳｉＣｌ_４が使用された場合、低真空（７６０［ｔｏｒｒ］～１０^－２［ｔｏｒｒ］）かつ、低温（約２０［℃］）のとき、固体生成物（例えばＡｌＣｌ_３）が析出し、ターボ分子ポンプ１００内部に付着堆積することが蒸気圧曲線からわかる。これにより、ターボ分子ポンプ１００内部にプロセスガスの析出物が堆積すると、この堆積物がポンプ流路を狭め、ターボ分子ポンプ１００の性能を低下させる原因となる。そして、前述した生成物は、排気口１３３付近やネジ付スペーサ１３１付近の圧力が高い部分で凝固、付着し易い状況にあった。

【0034】

そのため、この問題を解決するために、従来はベース部１２９等の外周に図示しないヒータや環状の水冷管１４９を巻着させ、かつ例えばベース部１２９に図示しない温度センサ（例えばサーミスタ）を埋め込み、この温度センサの信号に基づいてベース部１２９の温度を一定の高い温度（設定温度）に保つようにヒータの加熱や水冷管１４９による冷却の制御（以下ＴＭＳという。ＴＭＳ；Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）が行われている。

【0035】

次に、このように構成されるターボ分子ポンプ１００に関して、その上側径方向電磁石１０４、下側径方向電磁石１０５及び軸方向電磁石１０６Ａ、１０６Ｂを励磁制御するアンプ回路１５０について説明する。このアンプ回路１５０の回路図を図２に示す。

【0036】

図２において、上側径方向電磁石１０４等を構成する電磁石巻線１５１は、その一端がトランジスタ１６１を介して電源１７１の正極１７１ａに接続されており、また、その他端が電流検出回路１８１及びトランジスタ１６２を介して電源１７１の負極１７１ｂに接続されている。そして、トランジスタ１６１、１６２は、いわゆるパワーＭＯＳＦＥＴとなっており、そのソース－ドレイン間にダイオードが接続された構造を有している。

【0037】

このとき、トランジスタ１６１は、そのダイオードのカソード端子１６１ａが正極１７１ａに接続されるとともに、アノード端子１６１ｂが電磁石巻線１５１の一端と接続されるようになっている。また、トランジスタ１６２は、そのダイオードのカソード端子１６２ａが電流検出回路１８１に接続されるとともに、アノード端子１６２ｂが負極１７１ｂと接続されるようになっている。

【0038】

一方、電流回生用のダイオード１６５は、そのカソード端子１６５ａが電磁石巻線１５１の一端に接続されるとともに、そのアノード端子１６５ｂが負極１７１ｂに接続されるようになっている。また、これと同様に、電流回生用のダイオード１６６は、そのカソード端子１６６ａが正極１７１ａに接続されるとともに、そのアノード端子１６６ｂが電流検出回路１８１を介して電磁石巻線１５１の他端に接続されるようになっている。そして、電流検出回路１８１は、例えばホールセンサ式電流センサや電気抵抗素子で構成されている。

【0039】

以上のように構成されるアンプ回路１５０は、一つの電磁石に対応されるものである。そのため、磁気軸受が５軸制御で、電磁石１０４、１０５、１０６Ａ、１０６Ｂが合計１０個ある場合には、電磁石のそれぞれについて同様のアンプ回路１５０が構成され、電源１７１に対して１０個のアンプ回路１５０が並列に接続されるようになっている。

【0040】

さらに、アンプ制御回路１９１は、例えば、制御装置２００の図示しないディジタル・シグナル・プロセッサ部（以下、ＤＳＰ部という）によって構成され、このアンプ制御回路１９１は、トランジスタ１６１、１６２のｏｎ／ｏｆｆを切り替えるようになっている。

【0041】

アンプ制御回路１９１は、電流検出回路１８１が検出した電流値（この電流値を反映した信号を電流検出信号１９１ｃという）と所定の電流指令値とを比較するようになっている。そして、この比較結果に基づき、ＰＷＭ制御による１周期である制御サイクルＴｓ内に発生させるパルス幅の大きさ（パルス幅時間Ｔｐ１、Ｔｐ２）を決めるようになっている。その結果、このパルス幅を有するゲート駆動信号１９１ａ、１９１ｂを、アンプ制御回路１９１からトランジスタ１６１、１６２のゲート端子に出力するようになっている。

【0042】

なお、回転体１０３の回転速度の加速運転中に共振点を通過する際や定速運転中に外乱が発生した際等に、高速かつ強い力での回転体１０３の位置制御をする必要がある。そのため、電磁石巻線１５１に流れる電流の急激な増加（あるいは減少）ができるように、電源１７１としては、例えば５０Ｖ程度の電圧が使用されるようになっている。また、電源１７１の正極１７１ａと負極１７１ｂとの間には、電源１７１の安定化のために、通常コンデンサが接続されている（図示略）。

【0043】

かかる構成において、トランジスタ１６１、１６２の両方をｏｎにすると、電磁石巻線１５１に流れる電流（以下、電磁石電流ｉＬという）が増加し、両方をｏｆｆにすると、電磁石電流ｉＬが減少する。

【0044】

また、トランジスタ１６１、１６２の一方をｏｎにし他方をｏｆｆにすると、いわゆるフライホイール電流が保持される。そして、このようにアンプ回路１５０にフライホイール電流を流すことで、アンプ回路１５０におけるヒステリシス損を減少させ、回路全体としての消費電力を低く抑えることができる。また、このようにトランジスタ１６１、１６２を制御することにより、ターボ分子ポンプ１００に生じる高調波等の高周波ノイズを低減することができる。さらに、このフライホイール電流を電流検出回路１８１で測定することで電磁石巻線１５１を流れる電磁石電流ｉＬが検出可能となる。

【0045】

すなわち、検出した電流値が電流指令値より小さい場合には、図３に示すように制御サイクルＴｓ（例えば１００μｓ）中で１回だけ、パルス幅時間Ｔｐ１に相当する時間分だけトランジスタ１６１、１６２の両方をｏｎにする。そのため、この期間中の電磁石電流ｉＬは、正極１７１ａから負極１７１ｂへ、トランジスタ１６１、１６２を介して流し得る電流値ｉＬｍａｘ（図示せず）に向かって増加する。

【0046】

一方、検出した電流値が電流指令値より大きい場合には、図４に示すように制御サイクルＴｓ中で１回だけパルス幅時間Ｔｐ２に相当する時間分だけトランジスタ１６１、１６２の両方をｏｆｆにする。そのため、この期間中の電磁石電流ｉＬは、負極１７１ｂから正極１７１ａへ、ダイオード１６５、１６６を介して回生し得る電流値ｉＬｍｉｎ（図示せず）に向かって減少する。

【0047】

そして、いずれの場合にも、パルス幅時間Ｔｐ１、Ｔｐ２の経過後は、トランジスタ１６１、１６２のどちらか１個をｏｎにする。そのため、この期間中は、アンプ回路１５０にフライホイール電流が保持される。

【0048】

実施の形態１．

【0049】

図５は、本発明の実施の形態１に係る真空ポンプを示す断面図である。なお、図５に示す真空ポンプは、以下に示すもの以外の構成および動作については、図１～図４に示すものと同様であるので、その説明を省略する。

【0050】

例えば図５に示すように、実施の形態１に係る真空ポンプは、水平置きの真空ポンプである。つまり、ロータ軸１１３の方向が水平方向となっている。実施の形態１に係る真空ポンプは、ロータを備え、そのロータは、ロータ軸１１３と、ロータ軸１１３に配置されロータ軸１１３とともに回転する回転体１０３とを備える。また、図１～図４に図示されている構成のうち、図５に図示されていないものが、実施の形態１に係る真空ポンプに設けられていてもよい。

【0051】

また、例えば図５に示すように、実施の形態１に係る真空ポンプは、ロータ軸１１３をラジアル方向において回転可能に磁力（ラジアル方向の力）で保持する能動型のラジアル磁気軸受装置３０１を備えている。さらに、例えば図５に示すように、実施の形態１に係る真空ポンプは、ロータ軸１１３をラジアル方向において回転可能に磁力で保持する受動型のラジアル磁気軸受装置３０２を備えている。例えば図５に示すように、ガス流路において、ラジアル磁気軸受装置３０２は、ラジアル磁気軸受装置３０１より下流側に配置されており、ロータ軸１１３の方向においてラジアル磁気軸受装置３０１とは別の位置で、ロータ軸１１３をラジアル方向において回転可能に磁力で保持する。

【0052】

ここで、まず、ラジアル磁気軸受装置３０２について説明する。

【0053】

ラジアル磁気軸受装置３０２は、ラジアル方向の磁気軸受およびアキシャル方向の磁気軸受の両方として機能し、金属ディスク（以下、アーマチャディスクともいう）１１１、軸方向電磁石１０６Ａ，１０６Ｂおよび軸方向センサ１０９を備えている。

【0054】

図６は、図５におけるラジアル磁気軸受装置３０２のアーマチャディスク１１１の一例を示す斜視図である。図７は、図５におけるラジアル磁気軸受装置３０２の動作について説明する図である。

【0055】

例えば図５に示すように、アーマチャディスク１１１は、軸方向電磁石１０６Ａと軸方向電磁石１０６Ｂとの間隙に配置され、その中心においてロータ軸１１３に固定されている。また、アーマチャディスク１１１の表面（両側）には、例えば図６および図７に示すように、円形状の凸条１１１ａおよび溝１１１ｂが形成されている。

【0056】

他方、軸方向電磁石１０６Ａおよび軸方向電磁石１０６Ｂのヨークには、アーマチャディスク１１１の凸条１１１ａおよび溝１１１ｂに対向する位置に円形状の凸条１０６ｐおよび溝１０６ｑが形成されている。なお、図７では、軸方向電磁石１０６Ａとアーマチャディスク１１１の一方の表面の形状が示されているが、軸方向電磁石１０６Ｂとアーマチャディスク１１１の他方の表面の形状も同様である。

【0057】

そして、ロータ軸１１３が平衡位置にあるときに、アーマチャディスク１１１の凸条１１１ａおよび軸方向電磁石１０６Ａ，１０６Ｂの凸条１０６ｐは、アーマチャディスク１１１の凸条１１１ａの径方向の位置と軸方向電磁石１０６Ａ，１０６Ｂの凸条１０６ｐの径方向の位置が一致するように形成されており、ロータ軸１１３（つまり、ロータ）が径方向において平衡位置から変位した場合、アーマチャディスク１１１の凸条１１１ａおよび軸方向電磁石１０６Ａ，１０６Ｂの凸条１０６ｐを導通する磁束Ｂによって、アーマチャディスク１１１が平衡位置に戻す磁力が発生するようになっている。

【0058】

このように、ラジアル磁気軸受装置３０２は、ラジアル方向において受動的に動作し、ロータ軸１１３（ロータ）は、ラジアル磁気軸受装置３０１のラジアル方向２軸およびラジアル磁気軸受装置３０２のアキシャル方向１軸について、制御装置２００によって能動的に３軸制御される。

【0059】

次に、ラジアル磁気軸受装置３０１について説明する。

【0060】

図８は、図５におけるラジアル磁気軸受装置３０１の一例を示す斜視図である。例えば図８に示すように、このラジアル磁気軸受装置３０１は、上述の上側径方向電磁石１０４および上側径方向センサ１０７を備えている。

【0061】

例えば図８に示すように、ラジアル磁気軸受装置３０１では、複数の電磁石１０４が、周方向に沿って配列されており、それぞれ、コイル３０１ａおよびステータコア３０１ｂを備える。ここでは、図８に示すように、４極（８個）の電磁石１０４が配置されている。コイル３０１ａは、導通電流に応じた磁束を発生し、その磁束によって径方向の磁力がラジアル磁気軸受装置３０１（電磁石１０４）とロータ軸１１３との間に誘起される。上述の制御装置２００は、センサ１０７のセンサ出力に応じて、電流をコイル３０１ａに導通させて磁束を発生させる。

【0062】

また、ステータコア３０１ｂは、コイル３０１ａの中空部分に配置されている。図９は、実施の形態１におけるステータコア３０１ｂの一例を示す断面図である。

【0063】

実施の形態１では、例えば図９に示すように、ステータコア３０１ｂは、第１ステータコア３０１ｂ１および第２ステータコア３０１ｂ２を備える。

【0064】

ここでは、第１ステータコア３０１ｂ１は、積層された所定厚さ（第１厚さ）の複数の電磁鋼板であり、第２ステータコア３０１ｂ２は、無垢の（一塊の）電磁鋼板、または積層された第１厚さより大きい第２厚さの複数の電磁鋼板である。

【0065】

これにより、第２ステータコア３０１ｂ２の磁損は、第１ステータコア３０１ｂ１の磁損とは異なり、特に、高周波成分について、第２ステータコア３０１ｂ２の磁損が、第１ステータコア３０１ｂ１の磁損より大きくなっている。

【0066】

第１ステータコア３０１ｂ１および第２ステータコア３０１ｂ２は、ロータ軸１１３の方向に沿って配列されている。ここでは、第２ステータコア３０１ｂ２は、第１ステータコア３０１ｂ１より上流側（つまり、ラジアル磁気軸受装置３０２とは反対方向）になるように配置されている。

【0067】

なお、ロータ軸１１３における電磁石１０４に対向する部分は、小さい磁損となるように、積層された電磁鋼板１１３ａで構成されている。

【0068】

ここで、コイル３０１ａの導通電流は、ロータ軸１１３の振れ回りに対応した非定常成分、およびロータ軸１１３の一定方向へ変位（ここでは、重力による鉛直方向への変位）に対応した定常成分（直流バイアス）を含んでいる。そのため、コイル３０１ａで発生する磁束は、導通電流の非定常成分に対応する非定常成分、および導通電流の定常成分に対応する定常成分を含んでいる。そして、上述のように、高周波成分に対する第２ステータコア３０１ｂ２の磁損が大きいため、第２ステータコア３０１ｂ２における非定常成分の磁束密度は、第１ステータコア３０１ｂ１における非定常成分の磁束密度より小さくなる。そのため、ロータ軸１１３の方向において、第２ステータコア３０１ｂ２の位置での磁力の非定常成分は、第１ステータコア３０１ｂ１の位置での磁力の非定常成分より弱くなっている。他方、第１ステータコア３０１ｂ１および第２ステータコア３０１ｂ２における定常成分の磁束密度の差は、非定常成分の差に比べて小さい。

【0069】

このように、ロータ軸１１３の方向において、上述の磁束による磁力の定常成分の合成力の位置と、上述の磁束による磁力の非定常成分の合成力の位置とは互いに異なる。つまり、実施の形態１では、第２ステータコア３０１ｂ２が、ロータ軸１１３の方向において、磁力の定常成分の合成力の位置と、磁力の非定常成分の合成力の位置とを互いに異ならせるオフセット手段として機能する。

【0070】

ここで、ラジアル磁気軸受装置３０１による磁力の非定常成分の合成力Ｆａｃおよび定常成分の合成力Ｆｄｃについて説明する。図１０は、ラジアル磁気軸受装置３０１による磁力の非定常成分の合成力Ｆａｃについて説明する図である。図１１は、ラジアル磁気軸受装置３０１による磁力の定常成分の合成力Ｆｄｃについて説明する図である。

【0071】

図１０に示すように、磁力の非定常成分の合成力Ｆａｃの位置は、ロータの重心位置ＣＧとは異なり、重心位置ＣＧより下流側（つまり、ラジアル磁気軸受装置３０２の方向）
になっている。

【0072】

これにより、ロータ軸の振れ回りを抑制しロータ軸を平衡位置に戻そうとする際に、ラジアル磁気軸受装置３０１によりロータ（ロータ軸１１３）に掛かる磁力Ｆａｃの向きが、平衡位置（振れ回りのない状態でのロータ中心軸）への方向になる。したがって、この磁力Ｆａｃに起因して、ロータ軸１１３の下流側の部位（ラジアル磁気軸受装置３０２の位置ＢＬなど）においても、平衡位置への方向の力Ｆａｃ２が現れ、この力Ｆａｃ２の方向が、ラジアル磁気軸受装置３０２による磁力Ｆｄａｃ（平衡位置に戻そうとする磁力）の向きと一致するため、ロータ（ロータ軸１１３）の振れ回りが効果的に抑制される。

【0073】

また、図９に示すように、磁力の定常成分の合成力Ｆｄｃの位置は、ここでは、ロータの重心位置ＣＧとなっている。なお、磁力の定常成分の合成力Ｆｄｃの位置は、ロータの重心位置ＣＧと磁力の非定常成分の合成力Ｆａｃの位置との間のいずれかの位置でもよい。

【0074】

図１１に示すように、重心位置ＣＧからラジアル磁気軸受装置３０１による磁力の定常成分の合成力Ｆｄｃの位置ＢＵｄｃまでの距離をＬ１とし、重心位置ＣＧからラジアル磁気軸受装置３０２による磁力の定常成分の合成力Ｆｄｄｃの位置ＢＬ（ここでは、アーマチャディスク１１１の接続位置）までの距離をＬ２とすると、ラジアル磁気軸受装置３０２に要求される磁力の定常成分Ｆｄｄｃは、モーメントのつり合いから、次式で表される。

【0075】

Ｆｄｄｃ＝Ｆｄｃ×Ｌ１／Ｌ２

【0076】

したがって、磁力の定常成分の合成力Ｆｄｃの位置ＢＵｄｃは、重心位置ＣＧに近いほど、ラジアル磁気軸受装置３０２に要求される磁力の定常成分Ｆｄｄｃが少なくなり、図９に示すように重心位置ＣＧとなるのが好ましい（つまり、Ｌ１＝０となり、Ｆｄｄｃ＝０となる）。

【0077】

次に、実施の形態１に係る真空ポンプの動作について説明する。

【0078】

当該真空ポンプの吸気口１０１にチャンバなどが接続され、制御装置２００からの指令に従ってモータ部６が動作することで、ロータ軸１１３が回転し、ロータも回転する。これにより、回転翼１０２および固定翼１２３によって、吸気口１０１を介して飛来した気体分子が、流路に進行させられ、排気口１３３から排出される。

【0079】

ロータ回転時、センサ１０７によって、ロータ軸１１３のラジアル方向の変位が検出され、制御装置２００は、その検出された変位に応じて、その変位を抑制するように調整した電流をラジアル磁気軸受装置３０１の電磁石１０４に供給する。これにより、ロータ軸１１３に対して磁力が誘起し、その磁力の非定常成分によって、ロータの振れ回りが抑制され、その磁力の定常成分によって、重力が相殺される。

【0080】

その際、上述のように、その磁力の定常成分の合成力の位置がほぼ重心位置ＣＧ（またはその付近）となるように、ラジアル磁気軸受装置３０１が構成されているため、ラジアル磁気軸受装置３０１による磁力の定常成分のモーメントを相殺するために要求されるラジアル磁気軸受装置３０２による磁力がほとんど不要となり、ラジアル磁気軸受装置３０２による磁力が、ほとんどロータの振れ回りによる変位に対応した磁力のみとなり、ロータの振れ回りが効果的に抑制される。

【0081】

以上のように、上記実施の形態１によれば、ラジアル磁気軸受装置３０１は、ロータ軸１１３をラジアル方向において回転可能に磁力で保持する。そして、ラジアル磁気軸受装置３０１は、能動型磁気軸受装置であって、ロータ軸１１３の方向において、上述の磁力の定常成分の合成力の位置と、上述の磁力の非定常成分の合成力の位置とを互いに異ならせるオフセット手段を備える。

【0082】

これにより、ラジアル磁気軸受装置３０１による磁力の定常成分に起因するモーメントが低減され、他のラジアル磁気軸受装置３０２の負荷が軽減されるため、ロータの振動が抑制されやすくなる。

【0083】

実施の形態２．

【0084】

図１２は、本発明の実施の形態２に係る真空ポンプを示す断面図である。

【0085】

実施の形態２では、例えば図１２に示すように、ラジアル磁気軸受装置３０１は、ショートコイル３２１を備える。ショートコイル３２１は、コイル３０１ａで発生する磁束のうち、コイル３０１ａの中空部分を通過する非定常磁束の一部または全部を、ロータ軸１１３の方向において一部の区間において相殺するためのものであり、コイル３０１ａの中空部分に配置されている環状のコイルである。具体的には、ショートコイル３２１は、ショートコイル３２１の中心軸がコイル３０１ａの中空部分の中央より上流側（つまり、ラジアル磁気軸受装置３０２とは反対方向）になるように配置されている。なお、図１２に示すように、ショートコイル３２１の中空部分には、ステータコア３０１ｂの一部が配置されている。

【0086】

ショートコイル３２１によって、コイル３０１ａで発生する磁束のうち、ショートコイル３２１に鎖交する高周波成分は抑制されるため、ショートコイル３２１の位置では、磁力の定常成分に比べて磁力の非定常成分が抑制される。

【0087】

したがって、ラジアル磁気軸受装置３０１による磁力の定常成分の合成力の位置は、その磁力の非定常成分の合成力の位置とは異なる位置となり、上述のように、重心位置ＣＧ、または重心位置ＣＧと非定常成分の合成力の位置との間の位置とされる。

【0088】

なお、実施の形態２に係る真空ポンプのその他の構成および動作については実施の形態１と同様であるので、その説明を省略する。

【0089】

実施の形態３．

【0090】

図１３は、本発明の実施の形態３に係る真空ポンプを示す断面図である。

【0091】

実施の形態３では、例えば図１３に示すように、ラジアル磁気軸受装置３０１は、電磁石３４１と、電磁石３４１とは別の電磁石３４２とを備える。電磁石３４１は、少なくとも磁力の非定常成分を誘起する非定常磁束を発生するコイル３４１ａとコイル３４１ａの中空部分に配置されたステータコア３４１ｂとを有する。電磁石３４２は、少なくとも磁力の定常成分を誘起する定常磁束を発生するコイル３４２ａと第２コイル３４２ａの中空部分に配置されたステータコア３４２ｂとを有する。

【0092】

ロータ軸１１３の方向において、電磁石３４２は、電磁石３４１とは異なる位置に配置されている。具体的には、電磁石３４１および電磁石３４２は、ロータ軸１１３の方向に沿って配列されている。ここでは、電磁石３４２は、電磁石３４１より上流側（つまり、ラジアル磁気軸受装置３０２とは反対方向）になるように配置されている。

【0093】

ここでは、コイル３４１ａおよびコイル３４２ａは電気的に並列に接続されており、制御装置２００は、コイル３４１ａおよびコイル３４２ａの並列回路に駆動電圧が印加され、コイル３４１ａおよびコイル３４２ａのインダクタンスに応じた電流がコイル３４１ａおよびコイル３４２ａのそれぞれに導通する。この実施の形態では、電磁石３４２は、高インダクタンス特性を有し、導通電流の非定常成分（高周波成分）に対してはインダクタンスが高くなり、導通電流の非定常成分は小さく抑制される。したがって、電磁石３４２では、主に、上述の磁力の定常成分を誘起する定常磁束が発生する。他方、電磁石３４１は、電磁石３４２に比べて低インダクタンス特性を有するため、導通電流の非定常成分は特に小さくならない。したがって、電磁石３４１では、上述の磁力の定常成分を誘起する定常磁束が発生するとともに、上述の磁力の非定常成分を誘起する定常磁束が発生する。

【0094】

このように、ここでは、電磁石３４１による磁束密度の非定常成分は、電磁石３４２による磁束密度の非定常成分より小さく、電磁石３４１による磁束密度の定常成分は、電磁石３４２による磁束密度の定常成分とほぼ同じである。

【0095】

そのため、上述の磁力の定常成分の合成力の位置は、電磁石３４１の中心と電磁石３４２の中心との間の特定の位置となる。一方、上述の磁力の非定常成分の合成力の位置は、ほぼ電磁石３４１の中心位置となる。

【0096】

したがって、ラジアル磁気軸受装置３０１による磁力の定常成分の合成力の位置は、その磁力の非定常成分の合成力の位置とは異なる位置となり、上述のように、重心位置ＣＧ、または重心位置ＣＧと非定常成分の合成力の位置との間の位置とされる。

【0097】

なお、実施の形態３に係る真空ポンプのその他の構成および動作については実施の形態１または２と同様であるので、その説明を省略する。

【0098】

なお、上述の実施の形態に対する様々な変更および修正や組合せについては、当業者には明らかである。そのような変更および修正や組合せは、その主題の趣旨および範囲から離れることなく、かつ、意図された利点を弱めることなく行われてもよい。つまり、そのような変更および修正や組合せが請求の範囲に含まれることを意図している。

【0099】

例えば、上記実施の形態１～３のそれぞれにおいて、上述のラジアル磁気軸受装置３０１は、独立した１つの装置としてもよい。

【0100】

また、上記実施の形態１では、第１ステータコア３０１ｂ１と第２ステータコア３０１ｂ２とは、同一の材質で、積層状態が互いに異なっているが、その代わりに、第１ステータコア３０１ｂ１と第２ステータコア３０１ｂ２とは、互いに磁損の異なる材質で構成されていてもよい。

【0101】

また、上記実施の形態３では、コイル３４１ａおよびコイル３４２ａが電気的に並列に接続され、制御装置２００が、コイル３４１ａおよびコイル３４２ａの並列回路を駆動しているが、その代わりに、非定常成分の導電電流と定常成分の導電電流とをコイル３４１ａおよびコイル３４２ａにそれぞれ個別的に供給するようにしてもよい。

【産業上の利用可能性】

【0102】

本発明は、例えば、真空ポンプに適用可能である。

【符号の説明】

【0103】

１０２ 回転翼（ロータの一例の一部）
１０３ 回転体（ロータの一例の一部）
１０４ 上側径方向電磁石
１１３ ロータ軸（ロータの一例の一部）
３０１ ラジアル磁気軸受装置
３０１ａ コイル
３０１ｂ ステータコア
３０１ｂ１ 第１ステータコア
３０１ｂ２ 第２ステータコア
３０２ ラジアル磁気軸受装置
３２１ ショートコイル
３４１ 電磁石
３４１ａ コイル
３４１ｂ ステータコア
３４２ 電磁石
３４２ａ コイル
３４２ｂ ステータコア

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】