(57)【要約】【課題】容器への振動の伝達をより小さくし、この場合、簡単且つコスト的に有利でしかも従来の欠点を回避する、磁気軸受を備えた真空ポンプを提供する。【解決手段】本発明は、少なくとも１つの能動型（制御型）磁気軸受を有する真空ポンプを備えた装置に関するものである。真空ポンプから容器へ伝達される振動を低減させるために、前記装置に切換手段を設けることが提案される。一方法においては、磁気バイアスが、この切換手段の関数として、磁気バイアス電流の変化により低下されることが提案される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータ（７）および能動型（制御型）磁気軸受を含む真空ポンプ（１）であって、この場合、前記磁気軸受が電磁石（１０、１２、１５）を有する前記真空ポンプ（１）と、および磁気軸受用制御電子装置（２０）とを備えた装置の運転方法において、
前記磁気軸受の電磁石内を流れる磁気バイアス電流が、切換手段（２２）の切換状態の関数として、磁気バイアスが低下されるように変化されることを特徴とする真空ポンプ（１）を備えた装置の運転方法。
【請求項２】
予め選択された期間後に、予め低下された磁気バイアスが、前記磁気バイアス電流の変化により上昇されることを特徴とする請求項１の方法。
【請求項３】
ロータ（７）の変位が位置センサ（１１、１３、１６）によってモニタリングされ、および前記変位の限界値が超えられたとき、磁気バイアスが上昇されるように、前記磁気バイアス電流が変化されることを特徴とする請求項１または２の方法。
【請求項４】
前記磁気バイアス電流が定常関数の形で変化されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかの方法。
【請求項５】
前記磁気バイアス電流が、真空ポンプ（１）の組込姿勢の関数としての値で変化されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかの方法。
【請求項６】
前記磁気バイアス電流が、軸受の軸線が重力方向に対して垂直に配置されているとき、軸受の軸線が重力方向に平行に配置されているときよりも大きい値で変化されることを特徴とする請求項５の方法。
【請求項７】
電磁石（１０、１２、１５）および位置センサ（１１、１３、１６）を有する少なくとも１つの能動型磁気軸受がその中に配置されている真空ポンプ（１）を備えた装置であって、この場合、前記磁気軸受が制御電子装置（２０）と結合されている、前記真空ポンプ（１）を備えた装置において、
磁気バイアスを調節するための切換手段（２２）が前記制御電子装置と結合されていることを特徴とする真空ポンプ（１）を備えた装置。
【請求項８】
前記切換手段（２２）が、前記制御電子装置のハウジング（２１）上においてアクセス可能な切換要素を含むことを特徴とする請求項７の装置。
【請求項９】
前記切換手段（２２）が、真空ポンプまたは制御電子装置と結合可能な電子ユニット（３１）を含むことを特徴とする請求項７の装置。
【請求項１０】
前記磁気軸受が、磁気バイアスをかける永久磁石（１４）を有することを特徴とする請求項７ないし９のいずれかの装置。
【請求項１１】
変化された磁気バイアス電流の状態を指示する状態指示手段（２３）が設けられていることを特徴とする請求項７ないし１０のいずれかの装置。
【請求項１２】
真空ポンプが、それぞれ電磁石（１０、１２）およびラジアル・センサ（１１、１３）を備えた２つの能動型ラジアル磁気軸受と、およびアキシアル電磁石（１５）およびアキシアル・センサ（１６）を備えた１つのアキシアル磁気軸受とを有することを特徴とする請求項７ないし１１のいずれかの装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は請求項１の上位概念に記載の真空ポンプを備えた装置の運転方法に関するものである。本発明はさらに請求項７の上位概念に記載の真空ポンプを備えた装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高速回転ロータを備えた真空ポンプ特にゲーデおよびベッカーの構造タイプの真空ポンプは、発生される高真空の純度に基づき、特に半導体物理において新たな技術分野の開拓に寄与してきた。この場合、この開発は製造または検査されなければならないさらにより小さい部品構造を導くものである。これは、これらの課題がその中で解決される容器が受ける機械的影響が常により小さくなければならないことを意味する。このような影響は、例えば真空ポンプがロータの高速回転に基づいて発生する振動である。磁気作用の原理に従ってロータがその中に支持されている真空ポンプはほとんど振動を発生しないが、この振動さえも今日の要求に対してしばしば大きすぎることが特定されている。
【０００３】
従来技術において種々の解決方法が提供される。
１つの方法はいわゆるダンピング本体を使用することである。この場合、ダンピング本体は、例えば欧州特許公開第１７１１７１１号に記載のような、真空ポンプと容器との間に配置される部品である。この方法の欠点は、このダンピング本体は高周波においてのみ有効なことである。しかしながら、一般に（容器例えば試料ホルダ内における）機械的共振は低周波であるので、低周波においてのダンピングが特に重要である。他方で、振動伝達関数は、ダンピング本体の剛性が０に近づくときに有効となるので、この作用は周波数に関して下方に制限されている。しかしながら、周囲圧力により発生される力は受け止められなければならないので、これは不可能である。容器と真空ポンプとの間に配置された部品は好ましくないコンダクタンス損失を発生する。さらに、ロータとステータとが接触した場合に発生する力はダンピング本体によって保持可能ではないので、ポンプの追加の安全性が必要となる。
【０００４】
ドイツ特許公開第３２３９３２８号は永久磁気軸受の軸受ステータの柔軟な懸垂によるポンプ内部の柔軟化を提案する。この原理は、欧州特許公開第１１１８７７４号において、能動型磁気軸受がその中に配置されているハウジングの懸垂にも利用される。この構造は外部のダンピング本体と同様な周波数従属性を有しているので、これに関する上記の欠点はこの方法にも適用される。他の欠点は、柔軟な懸垂が追加のラジアル方向の空隙を発生することである。このことは、有効な非接触形軸受の空隙を拡大し、このことが非接触形軸受の回転の間に発生する力において不利であることを意味し、または第１の非接触形軸受の接触までの空隙を低下させる必要性を意味する。このことから、非接触形軸受の接触を導くことに関してこの構造はより弱いので、より小さい剛性が得られることになる。さらに、アキシアル方向の剛性はできるだけ無限大とし、ラジアル方向には大きな可動性が形成されなければならないので、この方法によって一般により高い費用が必要となる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
容器への振動の伝達をより小さくし、この場合、簡単且つコスト的に有利でしかも上記の欠点を回避する、磁気軸受を備えた真空ポンプを提供することが本発明の課題である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この課題は、請求項１の特徴を有する方法および請求項７の特徴を有する真空ポンプを備えた装置によって解決される。従属請求項２−６および８−１２は本発明の有利な変更態様を与える。
【０００７】
磁気バイアスの低下は軸受内に作用する力を低下させる。例えば意図しない力の変化において軸受の電磁石から変換される電子装置の騒音によって機械振動が発生する。電子装置の騒音は特に導線内の電磁漂遊により、またはディジタル／アナログおよびアナログ／ディジタル変換器の量子化騒音によって発生する。磁気バイアスが低下されたときには力がより小さくなるので、騒音はもはやそれほど強く作用せず且つ最終的に機械振動の発生は明らかに低下される。この低下は切換手段の切換状態の関数である。したがって、真空ポンプの静かな運転が必要とされるときにのみこの低下が行われる。このような過程においては、磁気軸受から排除されなければならないほどに大きな振動は考慮する必要はない。したがって、正常値を大きく下回るきわめて強い低下が行われてもよい。この正常値は、ロータの運動を補償可能にするために、磁気軸受が力として提供しなければならない大きさによって決定される。静かな過程における低下により、磁気バイアス電流が低下されるという欠点が現われる。この欠点は、小さな力の変化それ自身に対してより高い電流変化が必要とされることである。しかしながら、この電流変化は電磁石のインダクタンスにより、および供給電圧を供給する増幅器の最終供給電圧によって制限されている。したがって、切換手段は、磁気バイアスのできるだけ大きな低下を許容し、且つ真空ポンプのユーザに、そのときに真空ポンプから発生される振動ができるだけ小さい運転方式に適切に切り換えることを可能にする。真空ポンプは、意識的に、従来の技術では許容されないような磁気バイアスの値で運転される。しかしながら、特に力の変化がおそらく小さくなるという問題点が、切換手段を設けることにより回避される。この切換手段は、小さい磁気バイアスによる運転をある時間範囲に制限することを可能にする。
【０００８】
一変更態様においては、予め低下された磁気バイアスが、磁気バイアス電流の変化により、予め選択された期間後に上昇される。即ち、磁気バイアスのこの低下は、１つの過程例えば測定または露光の間に対してのみ実行される。この場合、この期間は自由に選択可能であってもよい。手動の切換過程は不要である。
【０００９】
一変更態様においては、ロータの変位が位置センサによってモニタリングされ、この変位の限界値が超えられたとき、磁気バイアスが上昇されるように、磁気バイアス電流が変化される。この手段は装置の運転の確実性を向上させる。位置センサにより変位の増加が測定された場合、これは、さらにより大きな変位が予想される装置の状態を表わしている。このとき、制御電子装置により電磁石内に発生される磁気バイアスが上昇され、これにより、電流の変化によって達成可能な力の変化が、再び、ロータのより大きな変位を抑制可能とするのに十分な大きさとなる。
【００１０】
一変更態様においては、磁気バイアス電流が定常関数の形で変化される。これは、種々のタイプの振動過程を発生可能にする急激な変化を回避する。
他の変更態様は、磁気バイアス電流の変化を、真空ポンプの組込姿勢の関数としての値で行うように設計されている。
【００１１】
磁気軸受は少なくとも重力に抗してロータを支持可能でなければならない。この場合、磁気軸受は、軸受の力作用において少なくともロータの重力成分に対応する力を提供しなければならない。
【００１２】
上記の変更態様は、さらに、磁気バイアス電流の変化の値は、ロータが重力方向に対して垂直に支持されているとき、重力方向に平行に配置されているときよりも大きくなるように改良可能である。これは、真空ポンプがどの姿勢に組み込まれてもよく、この場合、力は、一方で常に重力に抗して支持するのに十分であり、他方でできるだけ小さいことを保証する。
【００１３】
請求項７に記載の装置は、切換手段が制御電子装置のハウジング上においてアクセス可能な切換要素を含むように形成されてもよい。これにより、簡単な操作性が提供される。
他の変更態様においては、切換手段は、真空ポンプまたは制御電子装置と結合可能な電子ユニットを含む。これは例えば手動制御ユニットであってもよい。これはコンピュータまたはその同等装置であってもよい。
【００１４】
一変更態様においては、磁気軸受は永久磁石を有している。永久磁石はロータを支持するために一定の磁界を発生する。この磁界は材料に固有であり且つ一定であるので、磁界の発生においては、ロータおよび真空ポンプを振動可能にする源は存在しない。
【００１５】
一変更態様においては、装置は、磁気バイアス電流が変化された状態に装置が存在するとき、これを指示する状態指示手段を有している。これにより、装置が強い振動または他の機械的外乱を受けないであろうことが信号される。
【００１６】
この装置およびこの方法の利点は、特に、２つの能動型ラジアル磁気軸受および１つの能動型アキシアル磁気軸受を有する真空ポンプにおいて適用される。これらの磁気軸受により全ての自由度が支持されるので、結局、特に静かな運転が利用可能である。要するに、これにより、真空ポンプによって発生される振動はきわめて小さくなる。
【００１７】
一実施例により本発明が詳細に説明される。その他の利点も同様に指摘される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１に真空ポンプ１を備えた装置が示されている。この真空ポンプは固定手段３により容器２のフランジに着脱可能に固定されている。図示の固定手段はねじであるが、クランプおよび他の既知の手段が使用されてもよい。
【００１９】
ガスはガス入口４から吸い込まれ、真空ポンプ内において圧縮され且つガス出口５から排出される。真空ポンプの内部にロータ軸６が設けられ、ロータ軸は釣鐘状ロータ７を支持している。ロータ上にロータ羽根８が配置されている。ロータ羽根はアキシアル方向に間隔配置された複数の平面内に配置されている。アキシアル方向の隙間内にステータ羽根９が存在し、ステータ羽根は同様にアキシアル方向に間隔配置された平面内に配置されている。ロータの高速回転によりポンプ作用が発生する。高速回転は駆動装置１９により発生される。
【００２０】
ロータ軸は能動型磁気軸受により回転可能に支持される。図示の例においては、これは、２つの能動型ラジアル磁気軸受および１つの能動型アキシアル磁気軸受である。ロータ軸がロータと結合されている軸端の方向に、第１のラジアル軸受の第１の電磁石１０が存在する。このようなラジアル軸受は、通常の構造においては、二対の電磁石を有している。これらの対の作用方向はロータ軸に対してそれぞれ垂直方向である。反対側軸端の方向に第１のラジアル・センサ１１がそれに続く。上記の順序で、それに、モータ、第２のラジアル軸受の第２の電磁石１２および第２のラジアル・センサ１３が続く。センサ１１、１３および１６により、その内周面とロータ軸との間の距離が測定される。ロータとの固定結合により、センサにより同時に、ロータの変位が測定可能である。第２のラジアル軸受はさらに永久磁石１４を有し、この永久磁石は第２の電磁石の磁気回路内に配置されている。この永久磁石はこの磁気回路の永久磁気バイアスを発生する。ロータ軸のアキシアル方向の自由度はアキシアル軸受によって支持される。アキシアル軸受は、釣鐘状ロータへの移行とは反対側の軸端に配置されている。アキシアル軸受はアキシアル電磁石１５およびアキシアル・センサ１６を有している。モータ、およびラジアルおよびアキシアル磁気軸受の電磁石に、供給導線１７により、必要な電圧および電流が供給される。選択的に、磁気軸受の一部が全て永久磁気で形成されていてもよい。釣鐘状ロータの代わりに、軸上に固定されたロータ・ディスクを有する構造が選択されてもよい。さらに、ロータは異なる作用原理をもつポンプ・セクション例えばホルベック段を有していてもよい。
【００２１】
多心供給ケーブル１８が制御電子装置２０を真空ポンプの供給導線１７と結合する。制御電子装置は、ロータを重力に抗して浮遊支持し且つモータにより高速回転させるために必要な電流および電圧を発生する。制御電子装置はハウジング２１内に配置されている。ハウジングの表面に切換手段２２および状態指示手段２３が設けられている。切換手段は制御電子装置２０と結合されているので、制御電子装置は切換状態の関数として少なくとも１つの軸受の磁気バイアス電流を設定する。切換手段は図示の例においてはスイッチとして形成されている。状態指示手段は、真空ポンプが低下された磁気バイアスでの運転状態に存在することを指示する。状態指示手段はこの例においては発光ダイオードとして形成されている。これは、この目的のために設けられた固有の発光ダイオードであってもよい。しかしながら、既に設けられている他の発光ダイオードが使用されることもまた考えられる。これは、例えば、正常状態においては連続的に点灯し、一方、低下された磁気バイアスでの運転状態においては点滅する運転指示であってもよい。
【００２２】
切換手段２２の代わりにまたはそれに並列に、電子ユニット３１が結合ケーブル３０を介して制御電子装置と結合されていてもよい。このユニットは、手動操作装置、携帯型コンピュータまたは通常のバス系統を介して結合された制御ユニットであってもよい。この結合は、結合ケーブルを介して、無線を介してまたは光データ伝送を介して行われてもよい。この結合は固定式にまたは着脱可能に形成されていてもよい。特に、この電子ユニットは、例えば運転パラメータの変更等のような他の機能を有していてもよい。磁気バイアス電流を変化させるための値が運転パラメータの１つであってもよい。他の運転パラメータは例えば回転速度である。
【００２３】
図２に能動型磁気軸受の２つの力／電流特性曲線が示されている。特性曲線４０は純電磁式磁気軸受の特性曲線であり、特性曲線４１は永久磁石でバイアスがかけられた磁気軸受の特性曲線である。この特性曲線は良好な近似で抛物線状の線図を描いている。この線図は磁気軸受による力の発生のために重要である。以下において特性曲線４０上に存在する２つの異なる作業点が比較される。
【００２４】
第１の作業点は磁気バイアス電流Ｉ１により定義されている。この磁気バイアス電流から出発して、電流範囲ΔＩ１内において電流変化が行われる。この電流変化は範囲ΔＦ１内において力の変化を与える。この力の変化により、ロータ位置は調節可能であり且つ例えば外乱に応答可能である。
【００２５】
第２の作業点は磁気バイアス電流Ｉ２により定義されている。前に記載の作業点においてと同様に、電流変化は力の変化を導く。この作業点の周りにおいて、電流は範囲ΔＩ２内に存在し、得られた力の変化は範囲ΔＦ２内に存在する。より低い電流Ｉ２から出発する第２の作業点においては、電流変化が同じ大きさ即ちΔＩ１＝ΔＩ２であっても、より小さい力の変化が行われるにすぎないことが注目される。
【００２６】
破線は２つの領域を相互に分離する。領域Ａは、真空ポンプの磁気軸受が従来技術で運転される特性曲線４０の部分を与える。この場合、作業点は、ロータの変位を制限するために、電流変化により常に十分な力の変化が発生可能なように選択されている。この場合、最大変位は真空ポンプ・メーカーの経験値である。このような変位は、通常、例えば容器と結合されている滑り弁の閉鎖等のような機械的作用によって発生する。制御電子装置により発生可能な最大可能電流変化に対して構造的な限界が設定されている。
【００２７】
領域Ｂは特性曲線４０の下部範囲内に配置されている。ここでは、最大電流変化により達成可能な力の変化は、きわめて小さい外乱を補償するのに十分であるにすぎない。ポンプの大きな振動はもはや受け止められないか、または非常用軸受を使用することによってのみ受止可能であるにすぎない。切換手段の切換状態の変化により、制御電子装置は、作業点を領域Ａから領域Ｂに移動するように命令される。大きな振動でもそれが受け止められなければならない真空ポンプの正常運転に対して、この領域内のより小さい力およびより小さい力の変化は不利である。したがって、従来技術においては、この範囲内における運転は回避されてきた。しかしながら、この領域内において運転することの利点は、磁気軸受内のベースとなる力がより小さいので伝達される振動が小さいことにある。このために、意図しない電流変化に基づく避けられない電子装置の騒音は、意図しない僅かな力の変化を与えるにすぎないことになる。これは、真空ポンプにより発生され且つ容器に伝達される振動の低下に寄与している。
【００２８】
磁気回路の内部に配置されている永久磁石を備えた磁気軸受は、図２に特性曲線４１で示されている力／電流特性曲線を有している。このような軸受においては、磁気バイアスは２つの部分から構成され、そのうちの一方の部分は永久磁石により発生され、他方の部分は電磁石により発生されている。このような軸受はしばしば永久磁気バイアス式と呼ばれる。電磁石部分は磁気バイアス電流の大きさによって決定されている。この場合、２つのケースが区別される。第１のケースにおいては、永久磁石は、磁気バイアス電流が０の値となるように設計されている。第２のケースにおいては、磁気バイアスは一部が０ではない磁気バイアス電流により発生され、一部が永久磁石により発生される。永久磁気バイアス式磁気軸受の力／電流特性曲線は、線図内において左のほうにシフトされている。しかしながら、作業点の選択は、純電磁式軸受のケースと同じ観点で行われる。この場合、正常領域Ａ内の作業点は、磁気バイアス電流が値０をとるように選択されていてもよい。このとき、領域Ｂは、永久磁気バイアスを補償するために磁気バイアス電流が消費されるように設計されている。
【００２９】
真空ポンプを備えた装置のいくつかの変数の時間線図が図３に示されている。最上段の線図は切換手段の切換状態Ｓを示す。この順序において、その下に、磁気バイアスの値Ｖ、永久磁気支持軸受のケースにおける磁気バイアス電流ＩＰＭ、純電磁式軸受における磁気バイアス電流ＩＶｏｒおよびロータの回転速度ｆが続いている。
【００３０】
時点ｔ０に切換手段の切換状態が変化したとする。これは、例えば、スイッチの切換によって行われても、またはインタフェースを介しての、制御電子装置への設定命令の伝送によって行われてもよい。
【００３１】
時点ｔ０およびｔ１の間において、高い値から出発して、磁気バイアスの定常変化が行われる。磁気バイアスは第１のより高い値から第２のより低い値へ低下する。これは磁気バイアス電流の変化によって行われる。永久磁気支持軸受においては、磁気バイアス電流ＩＰＭの変化は、永久磁気の磁気バイアス部分と、磁気バイアス電流によって行われる磁気バイアス部分との比の関数である。一般に、磁気バイアス電流の低下が行われる。永久磁気部分は、磁気バイアスの低下のために、磁気バイアス電流によって補償されなければならない。このことから、図に示されているように、磁気バイアス電流の正負符号の反転が発生することがある。完全な永久磁気バイアス式磁気軸受においては、時点ｔ０の手前および時点ｔ３の後方におけるＩＰＭは０に等しい。図示の線図は、一部永久磁気によりバイアスされている磁気軸受に対応しているので、磁気バイアス電流ＩＰＭは時点ｔ０の手前および時点ｔ３の後方においてもまた０ではなく且つｔ１およびｔ２の間で反対の正負符号を有している。純電磁式磁気軸受の場合、磁気バイアス電流ＩＶｏｒは高い値からより低い値へ低下する。時点ｔ０およびｔ１の間の有利な期間は数十分の１秒ないし数秒の値をとる。
【００３２】
時点ｔ１およびｔ２の間において、Ｖ、ＩＰＭおよびＩＶｏｒはそれらの値を保持している。期間ｔＳの間は、このとき真空ポンプは静かな運転状態に存在している。この期間は予め選択された長さであってもよい。変更の可能性は、この期間を、例えば制御電子装置内に記憶されている運転パラメータを介して決定することである。
【００３３】
時点ｔ２において、切換状態が新たに変化されて、切換状態が元の状態を再びとったとする。このとき、時点ｔ３まで磁気バイアスは再び元の値まで上昇する。これは、磁気バイアス電流の変化により、それぞれの初期値への、ＩＰＭおよびＩＶｏｒの上昇の形で行われる。
【００３４】
全時間間隔の間、特にｔ０およびｔ３の間、ロータの回転速度は一定のままである。これにより、真空ポンプの排気速度は変化されないままであるので、振動の発生は確かに低下され、しかも発生された真空の低下は考える必要はない。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】真空ポンプを備えた装置の断面図である。
【図２】能動的に制御される磁気軸受の力／電流特性曲線を示した線図である。
【図３】いくつかの運転変数の時間線図である。
【符号の説明】
【００３６】
１    真空ポンプ
２    容器
３    固定手段
４    ガス入口
５    ガス出口
６    ロータ軸
７    ロータ
８    ロータ羽根
９    ステータ羽根
１０、１２、１５    電磁石
１１、１３、１６    位置センサ
１４    永久磁石
１７    供給導線
１８    多心供給ケーブル
１９    駆動装置
２０    制御電子装置
２１    ハウジング
２２    切換手段
２３    状態指示手段
３０    結合ケーブル
３１    電子ユニット
４０、４１    特性曲線
Ａ、Ｂ    領域
Ｆ    力
ｆ    ロータ回転速度
Ｉ、Ｉ１、Ｉ２    磁気バイアス電流
ＩＰＭ    永久磁気支持軸受の場合の磁気バイアス電流
ＩＶｏｒ    純電磁式軸受における磁気バイアス電流
Ｓ    切換状態
ｔ    時間
ｔ０、ｔ１、ｔ２、ｔ３    時点
ｔＳ    期間
Ｖ    磁気バイアス値
ΔＦ１、ΔＦ２    力変化範囲
ΔＩ１、ΔＩ２    電流変化範囲
【図１】
2008309151.tif 000003
【図２】
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【図３】
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