特開 2024-158546 真空ポンプ及び真空ポンプの運転方法

(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】P2024158546

(43)【公開日】2024-11-08

(54)【発明の名称】真空ポンプ及び真空ポンプの運転方法

(51)【国際特許分類】

   F04D 19/04 20060101AFI20241031BHJP

【ＦＩ】

F04D19/04 H

【審査請求】有

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023073832

(22)【出願日】2023-04-27

(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】100107881

【弁理士】

【氏名又は名称】松田 聡

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 健太郎

(72)【発明者】

【氏名】三輪田 透

(72)【発明者】

【氏名】深美 英夫

【テーマコード（参考）】

3H131

【Ｆターム（参考）】

3H131AA02

3H131BA09

3H131BA15

3H131CA36

(57)【要約】

【課題】真空ポンプの固定翼と回転翼との間の接触の有無を検知することを可能とする。
【解決手段】真空ポンプ１００の制御装置２００は、ロータ軸１１３の軸方向の浮上位置を予め設定された基準位置とすると共に、ロータ軸１１３を予め設定された所定の運転状態とし、続いて、ロータ軸１１３の位置を、所定量だけオフセットする。制御装置２００は、ロータ軸１１３の速度データの変化により、回転翼１０２と固定翼１２３との間の接触の有無を検知する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ケーシングと、
前記ケーシング内に配置されたロータ軸と、
前記ロータ軸を磁気浮上させることで非接触で回転可能に支持する磁気軸受装置と、
前記ロータ軸と共に回転可能な複数の回転翼と、
前記複数の回転翼と対向する複数の固定翼と、
を備えた真空ポンプであって、
該真空ポンプの状態データを取得する状態データ取得手段と、
前記磁気軸受装置を制御して、前記ロータ軸の軸方向の浮上位置を予め設定された基準位置とすると共に前記ロータ軸を予め設定された所定の運転状態とし、前記ロータ軸を前記所定の運転状態としている間に、前記磁気軸受装置を制御して、前記ロータ軸の位置を、前記基準位置から所定量だけオフセットし、前記状態データ取得手段により取得された前記状態データの変化により、前記複数の回転翼の接触を検知する検知手段と、
を備えることを特徴とする真空ポンプ。

【請求項2】

前記状態データは、前記ロータ軸及び前記複数の回転翼の回転速度に相関する速度関連データであり、
前記検知手段は、前記速度関連データとしての複数の回転速度データの近似線の前記オフセット時の値に基づいて、前記接触を検知する、
ことを特徴とする請求項１に記載の真空ポンプ。

【請求項3】

前記所定量は、前記ロータ軸の軸方向の可動範囲において、前記真空ポンプの通常動作中に許容される前記複数の回転翼と前記複数の固定翼との間の許容隙間量から、以下の式（１）で決定されることを特徴とする請求項１に記載の真空ポンプ。
前記複数の回転翼と前記複数の固定翼との間の許容隙間量≦前記所定量≦前記ロータ軸の軸方向の可動範囲 ・・・（１）

【請求項4】

前記所定の運転状態は、前記ロータ軸と回転翼の、外部からのトルクの付加のないフリーランモードでの減速状態である、
ことを特徴とする請求項１乃至３いずれか１項に記載の真空ポンプ。

【請求項5】

ロータ軸と、前記ロータ軸と共に回転可能な複数の回転翼と、前記複数の回転翼と対向する複数の固定翼とを備えた真空ポンプの運転方法であって、
前記ロータ軸及び前記複数の回転翼を回転させ、回転速度が予め設定された所定回転速度に到達後、外部からのトルクの付加の無いフリーランモードで減速させるステップと、
前記ロータ軸の前記フリーランモードでの減速中に、前記ロータ軸の軸方向の浮上位置を基準位置から所定量オフセットした位置とするステップと、
前記オフセットの前後における前記フリーランモードでの前記複数の回転翼の回転速度に相関する速度関連データとしての複数の回転速度データの近似線の前記オフセット時の値の差と予め定められたその差の基準値とを比較するステップと、
その比較結果に基づいて、前記複数の回転翼の接触の有無を判定するステップと、
を備えることを特徴とする真空ポンプの運転方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、真空ポンプ及び真空ポンプの運転方法に関する。

【背景技術】

【0002】

真空ポンプの一種である例えばターボ分子ポンプは、ロータ軸に固定された回転翼とケーシングに固定された固定翼とを備え、回転翼を回転させることにより、ケーシング内のガスを排気する。回転翼と固定翼とは微小な隙間を介して上下方向に複数段に配置されている。回転翼は、駆動時には、固定翼の間で、磁気浮上状態で、回転する（特許文献１）。このため、真空ポンプを適切に運転するためには、回転翼と固定翼の隙間を適切に維持する必要がある。しかし、様々な理由、例えば、組み立て不良や部品異常、経年劣化による部品変形、生成物等の堆積等により、回転翼と固定翼との隙間が小さくなることがある。この場合、回転翼が浮上位置の基準からずれると、固定翼に接触してしまうおそれがある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開平１０－１８４５８６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

従来、真空ポンプの組み立て後に回転翼と固定翼の隙間を確認する方法が存在しない。ロータ軸と保護軸受との過剰な接触を、ロータ軸の回転速度の減速度から検出する方法が特許文献１に開示されている。しかし、この方法には、固定翼と回転翼の間隔を確認し、固定翼と回転翼との間の接触の有無を検知する方法は開示されていない。

【0005】

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、真空ポンプの固定翼と回転翼との間の接触の有無を検知することを可能とする真空ポンプ及び真空ポンプの運転方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記目的を達成するため、本発明の真空ポンプは、
ケーシングと、
前記ケーシング内に配置されたロータ軸と、
前記ロータ軸を磁気浮上させることで非接触で回転可能に支持する磁気軸受装置と、
前記ロータ軸と共に回転可能な複数の回転翼と、
前記複数の回転翼と対向する複数の固定翼と、
を備えた真空ポンプであって、
該真空ポンプの状態データを取得する状態データ取得手段と、
前記磁気軸受装置を制御して、前記ロータ軸の軸方向の浮上位置を予め設定された基準位置とすると共に前記ロータ軸を予め設定された所定の運転状態とし、前記ロータ軸を前記所定の運転状態としている間に、前記磁気軸受装置を制御して、前記ロータ軸の位置を、前記基準位置から所定量だけオフセットし、前記状態データ取得手段により取得された前記状態データの変化により、前記複数の回転翼の接触を検知する検知手段と、
を備えることを特徴とする。

【0007】

上記の真空ポンプにおいて、
前記状態データは、前記ロータ軸及び前記複数の回転翼の回転速度に相関する速度関連データであり、
前記検知手段は、前記速度関連データとしての複数の回転速度データの近似線の前記オフセット時の値に基づいて、前記接触を検知するようにしてもよい。

【0008】

上記の真空ポンプにおいて、
前記所定量は、前記ロータ軸の軸方向の可動範囲において、前記真空ポンプの通常動作中に許容される前記複数の回転翼と前記複数の固定翼との間の許容隙間量から、以下の式（１）で決定されるようにしてもよい。
前記複数の回転翼と前記複数の固定翼との間の許容隙間量≦前記所定量≦前記ロータ軸の軸方向の可動範囲 ・・・（１）

【0009】

上記の真空ポンプにおいて、
前記所定の運転状態は、前記ロータ軸と回転翼の、外部からのトルクの付加のないフリーランモードでの減速状態であるようにしてもよい。

【0010】

また、本発明の真空ポンプの運転方法は、
ロータ軸と、前記ロータ軸と共に回転可能な複数の回転翼と、前記複数の回転翼と対向する複数の固定翼とを備えた真空ポンプの運転方法であって、
前記ロータ軸及び前記複数の回転翼を回転させ、回転速度が予め設定された所定回転速度に到達後、外部からのトルクの付加の無いフリーランモードで減速させるステップと、
前記ロータ軸の前記フリーランモードでの減速中に、前記ロータ軸の軸方向の浮上位置を基準位置から所定量オフセットした位置とするステップと、
前記オフセットの前後における前記フリーランモードでの前記複数の回転翼の回転速度に相関する速度関連データとしての複数の回転速度データの近似線の前記オフセット時の値の差と予め定められたその差の基準値とを比較するステップと、
その比較結果に基づいて、前記複数の回転翼の接触の有無を判定するステップと、
を備えることを特徴とする。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、真空ポンプの固定翼と回転翼との間の接触の有無を検知することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の実施の形態に係る真空ポンプの縦断面図である。

【図2】本発明の実施形態に係る真空ポンプが有するアンプ回路の回路図である。

【図3】本発明の実施形態に係る真空ポンプにおける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】本発明の実施形態に係る真空ポンプにおける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】本発明の実施の形態に係る真空ポンプの制御装置の構成を示すブロック図である。

【図6】本発明の実施の形態に係る隙間検出処理の一例を表すフローチャートである。

【図7】図６に示す接触検出処理の一例を表すフローチャートである。

【図8】図６に示す隙間検出処理を実施した場合のデータの一例を示すグラフであり、（Ａ）は接触が無い場合の測定データの一例を示すグラフであり、（Ｂ）は接触がある場合の測定データの一例を示すグラフである。

【図9】図８に示す隙間検出処理を実施した場合の測定データの近似線を説明するためのグラフであり、（Ａ）は接触が無い場合の測定データの近似線を説明するためのグラフであり、（Ｂ）は接触がある場合の測定データの近似線を説明するためのグラフである。

【図10】図９に示す隙間検出処理を実施した場合の測定データの近似線の切片等を説明するためのグラフであり、（Ａ）は接触が無い場合の測定データの近似線の切片等を説明するためのグラフであり、（Ｂ）は接触がある場合の測定データの近似線の切片等を説明するためのグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0013】

（実施の形態）
本発明の実施の形態にかかる真空ポンプとその運転方法を、ターボ分子ポンプとその制御方法を例に説明する。
本実施の形態に係るターボ分子ポンプ１００は、図１に示すように、円筒状の外筒（ケーシング）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が取り付けられている。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。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、上径方向位置信号を制御装置２００に送る。

【0015】

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検出し、下径方向位置信号を制御装置２００に送る。

【0016】

制御装置２００においては、図５を参照して後述する径方向制御回路２０１が、上側径方向センサ１０７からの上径方向位置信号に基づいて、上径方向励磁信号を生成して、上側径方向電磁石１０４に供給し、また、下側径方向センサ１０８からの下径方向位置信号に基づいて、下径方向励磁信号を生成して、下側径方向電磁石１０５に供給し、上側径方向電磁石１０４と下側径方向電磁石１０５を励磁制御する。これにより、ロータ軸１１３の上側の径方向位置と下側の径方向位置とが調整される。

【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。軸方向電磁石１０６Ａ、１０６Ｂ、金属ディスク１１１は、ロータ軸１１３を磁気浮上させて非接触で保持する磁気軸受装置として機能する。

【0018】

制御装置２００において、図５を参照して後述する軸方向制御回路２０２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、上軸方向励磁信号と下軸方向励磁信号を生成し、軸方向電磁石１０６Ａと軸方向電磁石１０６Ｂにそれぞれ供給し、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。これにより、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。

【0020】

モータ１２１は、例えば、パルスモータから構成され、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のロータ軸１１３に対向する位置には、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１２１ａが配置されており、この回転速度センサ１２１ａによりロータ軸１１３の回転速度が検出される。ロータ軸１１３の回転速度は、真空ポンプの運転状態を示す状態データ及びロータ軸１１３の回転速度を直接又は間接的に示す回転速度関連データの一例である。回転速度センサ１２１ａは、状態データ取得手段の一例である。

【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される。制御装置２００において、図５を参照して後述するモータ制御回路２０３は、この位相信号と回転速度センサ１２１ａからの回転速度信号を用いて、駆動信号をモータ１２１に出力する。

【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】

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、排気口１３３から排気される。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。

【0030】

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。

【0031】

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。

【0032】

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。

【0033】

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。

【0034】

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。

【0035】

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。

【0036】

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。

【0037】

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。

【0038】

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。

【0039】

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。

【0040】

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。

【0041】

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。

【0042】

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。

【0043】

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程度の高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）。

【0044】

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。

【0045】

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。

【0046】

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。

【0047】

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。

【0048】

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。

【0049】

次に、制御装置２００の構成を説明する。
制御装置２００は、図５に示すように、前述の径方向制御回路２０１、軸方向制御回路２０２、モータ制御回路２０３と、隙間検出制御回路２０４を備える。

【0050】

径方向制御回路２０１は、上側径方向センサ１０７から供給される上側径方向位置信号及び下側径方向センサ１０８から供給される下側径方向位置信号に基づいて、上側径方向電磁石１０４及び下側径方向電磁石１０５に上径方向励磁信号と下径方向励磁信号を出力し、回転体１０３の径方向の位置を制御する。

【0051】

軸方向制御回路２０２は、軸方向センサ１０９から供給される軸方向位置信号に基づいて、上側軸方向電磁石１０６Ａ及び下側軸方向電磁石１０６Ｂに励磁信号を出力し、回転体１０３の軸方向の位置を制御する。

【0052】

モータ制御回路２０３は、回転速度センサ１２１ａからの回転速度信号及び位相センサからの位相信号に基づいて、モータ１２１のロータの回転速度及び位相を制御する駆動用のパルス信号をモータ１２１に出力する。

【0053】

隙間検出制御回路２０４は、例えば、プロセッサとメモリを内蔵すマイクロプロセッサ等から構成される。隙間検出制御回路２０４は、外部からの指示信号に応答して、図６及び図７に示す隙間検出処理を実行し、固定翼１２３と回転翼１０２が接触するかしないか、接触するときの回転体１０３の軸方向の位置を検出する。これにより、固定翼１２３と回転翼１０２の間の隙間の大きさを求める。隙間検出制御回路２０４は、固定翼１２３と回転翼１０２が接触するかしないか、接触するときの回転体１０３の軸方向位置を検出する検出手段の一例である。なお、固定翼１２３と回転翼１０２との接触には、生成物等の堆積物を介した接触も含まれる。

【0054】

次に、上記構成を有するターボ分子ポンプ１００の動作を説明する。
（通常動作）
通常動作時においては、径方向制御回路２０１は、上側径方向センサ１０７から出力される上側径方向位置信号及び下側径方向センサ１０８から出力される下側径方向位置信号に従って、上側径方向電磁石１０４及び下側径方向電磁石１０５に供給する励磁信号を制御し、回転体１０３の径方向の位置を適切な位置に維持する。

【0055】

また、軸方向制御回路２０２は、軸方向センサ１０９から出力される軸方向位置信号に従って、軸方向電磁石１０６Ａ及び１０６Ｂに供給する上軸方向励磁信号と下軸方向励磁信号をそれぞれ供給することにより、回転体１０３を磁気浮上させた状態で、その軸方向の位置を適当な位置に維持する。これにより、回転翼１０２の軸方向の位置を制御して、固定翼１２３と回転翼１０２の間の隙間を適切な値に維持する。

【0056】

また、モータ制御回路２０３は、回転速度センサ１２１ａから出力される速度信号及び位相センサから出力される位相信号に応答して、駆動パルス信号を与えて、モータ１２１を目的とする回転速度で回転させる。

【0057】

（隙間検出動作）
次に、固定翼１２３と回転翼１０２の間の隙間を検出する隙間検出処理を図６及び図７のフローチャートを参照して説明する。
なお、以下の処理は、隙間検出制御回路２０４が、径方向制御回路２０１、軸方向制御回路２０２、及びモータ制御回路２０３を制御して、実行される。ただし、理解しやすくするため、径方向制御回路２０１、軸方向制御回路２０２、及びモータ制御回路２０３への言及は省略する。

【0058】

まず、隙間検出制御回路２０４は、回転体１０３の軸方向をオフセットするオフセット量Δｏｆｆを予め設定された（請求項での所定量のオフセット量の一例に相当する）微小量ΔＰに設定する（ステップＳ１）。微小量ΔＰの大きさは任意であるが、例えば、０．００５～０．２ｍｍ程度に設定する。以下の例では、ΔＰ＝０．０１ｍｍとする。なお、本実施の形態では、ΔＰは正の値である。本実施の形態では、上向きを正方向とする。

【0059】

次に、隙間検出制御回路２０４は、回転体１０３をオフセット量Δｏｆｆだけ上側にオフセット（移動）させたときの、回転翼１０２と固定翼１２３との接触の有無を判別する（ステップＳ２）。接触の有無を判別する処理については、図８を参照して後述する。

【0060】

一方、ステップＳ３において、『接触無し』と判別され、かつ『オフセット量Δｏｆｆが上限位置を越えていない』と判別された場合（ステップＳ３：Ｎｏ）、Δｏｆｆ＝Δｏｆｆ＋ΔＰとして、オフセット量Δｏｆｆを＋ΔＰとし、ステップＳ２に戻って、同様の処理を繰り返す。

【0061】

一方、ステップＳ３で、『接触あり』と判別された場合、又は『オフセット量Δｏｆｆが上限位置を越えた』と判別された場合（ステップＳ３：Ｙｅｓ）、処理はステップＳ５に進む。なお、オフセット量Δｏｆｆの上限位置は、例えば、０．０７～０．０９ｍｍである。以下では、オフセット量Δｏｆｆの上限位置を０．０８ｍｍとする。上限位置を設定する理由は、ロータ軸１１３が保護ベアリング１２０に接触するまでの測定を可能とするためである。

【0062】

ステップＳ５において、隙間検出制御回路２０４は、回転体１０３の軸方向をオフセットするオフセット量Δｏｆｆを予め設定された微小量ΔＰの負の値－ΔＰに設定する（ステップＳ５）。

【0063】

次に、隙間検出制御回路２０４は、回転体１０３をオフセット量Δｏｆｆだけ下側にオフセット（移動）させたときの、回転翼１０２と固定翼１２３との接触の有無を判別する（ステップＳ６）。接触の有無を判別する処理はステップＳ２と同一であり、図８を参照して後述する。

【0064】

ステップＳ６において、『接触無し』と判別され、かつ『オフセット量Δｏｆｆが下限位置を越えていない』と判別された場合（ステップＳ７：Ｎｏ）、Δｏｆｆ＝Δｏｆｆ－ΔＰとして、オフセット量Δｏｆｆを更新し、ステップＳ６に戻って、同様の処理を繰り返す。なお、下限位置を設定する理由は、上限位置を設定する理由と同様に、ロータ軸１１３が保護ベアリング１２０に接触するまでの測定を可能とするためである。

【0065】

一方、ステップＳ７で、『接触あり』と判別された場合、又は『オフセット量Δｏｆｆが下限位置を越えた』と判別された場合（ステップＳ７：Ｙｅｓ）、処理はステップＳ８に進む。
続いて、検出結果、例えば、接触の有無、接触したときのオフセット量Δｏｆｆを出力し（ステップＳ８）、処理を終了する。

【0066】

次に、ステップＳ２及びＳ６で実行される接触有無判別処理について詳細に説明する。
接触有無判別処理（ステップＳ２，Ｓ６）を開始すると、隙間検出制御回路２０４は、回転体１０３の回転速度の記録を開始する（ステップＳ１１）。記録は、例えば、一定のサンプリング期間、例えば、１ｍｓ程度で実行される。

【0067】

次に、隙間検出制御回路２０４は、軸方向制御回路２０２を制御して、回転体１０３の軸方向の浮上量を制御し、基準位置Ｐ０に位置させる。また、隙間検出制御回路２０４は、モータ制御回路２０３を制御して、回転体１０３の回転速度を基準回転速度Ｓ０まで上昇させる（ステップＳ１２）。基準回転速度Ｓ０は任意であるが、例えば、２０００ｒｐｍ（３３．３Ｈｚ）から１５００ｒｐｍ（２５Ｈｚ）とすればよい。

【0068】

隙間検出制御回路２０４は、浮上状態を維持したまま、回転体１０３のブレーキを解除し、回転体１０３をフリーラン状態とする（ステップＳ１３）。フリーラン状態で、回転体１０３の回転速度は、徐々に低下する。

【0069】

次に、隙間検出制御回路２０４は、一定時間待機し、回転速度が例えば、１５００ｒｐｍになると、軸方向制御回路２０２を制御して、回転体１０３の軸方向の位置をオフセット量＋Δｏｆｆだけオフセットさせる（ステップＳ１４）。即ち、＋Δｏｆｆだけ移動させる。ここで、移動方向は、ステップＳ２では上向き、ステップＳ６では下向きである。

【0070】

仮にオフセット後も、固定翼１２３と回転翼１０２の接触がない場合、回転体１０３のフリーラン状態を維持し、その速度を徐々に低下させる。フローは、一定時間経過するまで、待機する。一方、オフセットにより、回転体１０３の回転翼１０２が固定翼１２３に接触した場合、摩擦のため、回転体１０３は、急激に速度を低下させる。これらの速度変化は、全て記録される。

【0071】

隙間検出制御回路２０４は、オフセット後、一定期間が経過したことを検出すると（ステップＳ１５：Ｙｅｓ）、回転体１０３の回転、磁気浮上を停止する。

【0072】

続いて、隙間検出制御回路２０４は、記録された一連の離散的な回転速度のデータを処理する。データ処理の内容を、図８～図１０を参照しつつ説明する。

【0073】

まず、隙間検出制御回路２０４の内部メモリには、図８（Ａ）と（Ｂ）に例示する時刻対速度の一連の速度データ群Ｄ１とＤ２が記録されている。なお、速度データ群Ｄ１は、ステップＳ１４のオフセットタイミング（オフセット加算時刻）ｔ０の前のデータであり、速度データ群Ｄ２は、オフセットタイミングｔ０の後のデータである。

【0074】

図８（Ａ）に示す速度データ群Ｄ１，Ｄ２は、固定翼１２３と回転翼１０２の接触のないときのデータの例である。この場合、オフセットタイミングｔ０の前後で、回転体１０３がフリーラン状態を維持する。このため、回転体１０３の回転速度は、オフセットの前後でほぼ同様の傾向で徐々に変化する。

【0075】

一方、図８（Ｂ）に示す速度データ群Ｄ１，Ｄ２は、オフセットにより、固定翼１２３と回転翼１０２が接触した場合の例である。この場合、オフセットタイミングｔ０の前後で、回転体１０３の回転状態が大きく変化し、オフセットタイミングｔ０後は、固定翼１２３と回転翼１０２の接触により、回転速度が急激に減少する。ただし、視覚的には、その差は明確ではない。特に、接触の程度が小さい場合には、速度減少の程度の差は小さい。

【0076】

そこで、隙間検出制御回路２０４は、図９（Ａ）と（Ｂ）に示すように、速度データ群Ｄ１，Ｄ２について、近似線Ｃ１，Ｃ２を求める。近似線Ｃ１，Ｃ２は近似直線でも、近似曲線でもよい。正確性からは、近似曲線が望ましい。具体的には、フリーラン後のオフセットタイミングｔ０の前後でそれぞれ、速度データの近似線を求める（ステップＳ１６）。区別のため、オフセットタイミングｔ０以前の速度データ群Ｄ１から得られる近似線をＣ１，オフセットタイミングｔ０以後の速度データ群Ｄ２から得られる近似線をＣ２とする。近似線を求める手法は任意であるが、例えば、回帰分析により回帰直線或いは回帰曲線を求めてもよい。以下の近似線も同様である。

【0077】

次に、隙間検出制御回路２０４は、図１０（Ａ）と（Ｂ）に示すように、近似線Ｃ１とＣ２をそれぞれ解析して、オフセットタイミングｔ０の前後で、それぞれ、回転数（回転速度）が基準値Ｈｒ、例えば、１Ｈｚ、変化するのに要する時間を示す値Ｒａｔｅ（ｓｅｃ／Ｈｚ）を求める。Ｒａｔｅ（ｓｅｃ／Ｈｚ）は回転加速度（Ｈｚ）の逆数を意味する。具体的な処理としては、近似線Ｃ１によるＲａｔｅを近似する近似線Ｅ１と近似線Ｃ２によるＲａｔｅを近似するＥ２を求める（ステップＳ１７）。

【0078】

近似線Ｅ１、Ｅ２は、接触の有無により、図１０（Ａ）と（Ｂ）に示すようになる。接触の無い場合には、近似線Ｅ１とＥ２はほぼ連続的な傾向を示す曲線となる。これに対し、接触がある場合には、図１０（Ｂ）に示すように、オフセットタイミングｔ０を境界に、近似線Ｅ１とＥ２は、断絶した曲線となる。

【0079】

次に、隙間検出制御回路２０４は、オフセットタイミングｔ０での近似線Ｅ１とＥ２のそれぞれの切片Ｖ１とＶ２求める（ステップＳ１８）。ここでは、区別のため、オフセットタイミングｔ０での近似線Ｅ１の値を切片Ｖ１，近似線Ｅ２の値を切片Ｖ２とする。図１０（Ａ）に示すように、接触無しの場合の切片Ｖ１とＶ２の差ＤＡは小さい。これに対し、図１０（Ｂ）に示すように、接触有りの場合の切片Ｖ１とＶ２の差ＤＢは大きい。

【0080】

隙間検出制御回路２０４は、ステップＳ１８で求められた切片Ｖ１とＶ２の差（Ｖ１－Ｖ２）を予め設定されている基準値と比較する、基準値は、予め実験などで求められた値であり、例えば、２.３である。

【0081】

２つの切片の差（Ｖ１－Ｖ２）≧基準値の場合（ステップＳ１９：Ｙｅｓ）、『接触あり』を示すフラグをセットし（ステップＳ２０）、２つの切片の差（Ｖ１－Ｖ２）＜基準値の場合（ステップＳ１９：Ｎｏ）、『接触なし』を示すフラグをセットする（ステップＳ２１）。

【0082】

このように本実施の形態では、固定翼１２３と回転翼１０２との間の隙間を、両者が接触するときのオフセット量Δｏｆｆとして測定することができる。これにより、組み立て不良や部品異常の把握、所定時間経過の部品変形の有無、生成物等の堆積物によるギャップ変化等を把握することができる。

【0083】

また、本実施の形態では、オフセット量Δｏｆｆの可変範囲を制御することにより、適切な隙間の大きさの範囲で、接触が発生しないことを検知することも可能である。

【0084】

また、本実施の形態では、オフセット量Δｏｆｆをスキャンする例を示したが、
オフセット量Δｏｆｆを、例えば、０．０８ｍｍというような１つの固定値としてもよい。この場合、あるオフセット量Δｏｆｆにおいて、固定翼１２３と回転翼１０２が接触しないこと／することを検知することができる。

【0085】

以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は実施形態に限定されるものではなく、種々変形や組合せが可能である。例えば、上記実施の形態では、回転体１０３を、外部からのトルクの付加の無いフリーランモードで減速している期間を所定の運転状態として、軸方向にオフセットする例について説明したが、所定の運転状態は、フリーランモードでの減速状態に限らず、任意の等速状態等でもよい。その他、所定の運転状態は任意である。

【0086】

また、所定量であるオフセット量Δｏｆｆは、式２（式１に対応）に示すように、経年劣化による部品変形、生成物等の堆積等によって回転翼１０２と固定翼１２３との間の隙間が小さくなっていった場合に、ターボ分子ポンプ１００の安全な運転や排気性能に支障が起きると予測される隙間（許容隙間量）から設定しても良い。

【0087】

複数の回転翼１０２と複数の固定翼１２３との間の許容隙間量≦所定量であるオフセット量Δｏｆｆ≦ロータ軸１１３の軸方向の可動範囲 ・・・（２）

【0088】

なお、ロータ軸１１３の軸方向可動範囲は、ロータ軸１１３と保護ベアリング１２０と接触するまでの距離のように、設計上、可動可能な範囲を意味している。

【0089】

これにより、本発明は、ターボ分子ポンプ１００のトラブルに対する予防保全やオーバーホール要否の判断、また、実施すべき時期の予測等に応用することができる。

【0090】

また、上記実施の形態では、接触があったか否かを判別する手法として、図８～図１０に示した手法を用いる例について説明したが、これに限定されず、例えば、速度データ群Ｄ１，Ｄ２の近似線Ｃ１とＣ１の傾きから求める等してもよい。

【符号の説明】

【0091】

１００ ターボ分子ポンプ
１０１ 吸気口
１０２（１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ・・・） 回転翼
１０２ｄ 円筒部
１０３ 回転体
１０４ 上側径方向電磁石
１０５ 下側径方向電磁石
１０６Ａ，１０６Ｂ 軸方向電磁石
１０７ 軸方向センサ
１０８ 下側径方向センサ
１０９ 軸方向センサ
１１１ 金属ディスク
１１３ ロータ軸
１２１ モータ
１２３（１２３ａ、１２３ｂ、１２３ｃ・・・） 固定翼
１２５ 固定翼スペーサ
１２７ 外筒（ケーシング）
１２９ ベース部
１３１ ネジ付スペーサ
１３１ａ ネジ溝
１３３ 排気口
２００ 制御装置
２０１ 径方向制御回路
２０２ 軸方向制御回路
２０３ モータ制御回路
２０４ 隙間検出制御回路

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】