(57)【要約】【課題】  ターボ分子ポンプに取り付けられた電気ヒータの前段に絶縁トランスを設置するに際して、ヒータＯＦＦにおける絶縁トランスの残留磁束をほぼ零にする。さらに、ヒータＯＮ時における突入電流を防止する。【解決手段】  ヒータ１２９をトライアック７８の位相制御でソフトＯＦＦさせることにより、ヒータＯＦＦ時における絶縁トランス８０の残留磁束をほぼ零まで逓減させる。また、ヒータ１２９をＯＮする瞬間には、トライアック７８を位相制御でソフトＯＮさせることにより、ヒータＯＮ時における絶縁トランス８０の磁束飽和を防止し、このことにより突入電流の発生を阻止する。【選択図】  図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターボ分子ポンプのポンプ本体を加熱する電気ヒータと、
前記電気ヒータの温度を調節するトライアックと、
前記トライアックに流れる交流電流を半サイクル毎に位相制御する際に、該トライアックのゲート駆動タイミングを順次遅らせていくことにより、段階的に前記電気ヒータをオフさせる第１の位相制御手段と、
前記トライアックに流れる交流電流を半サイクル毎に位相制御する際に、該トライアックのゲート駆動タイミングを順次進ませていくことにより、段階的に前記電気ヒータをオンさせる第２の位相制御手段と、
を備えたことを特徴とする、ターボ分子ポンプのヒータ調節装置。
【請求項２】
請求項１に記載のターボ分子ポンプのヒータ調節装置において、
前記第１の位相制御手段は、前記電気ヒータを駆動する交流電圧のゼロクロス点から順次遅れた所定の位相角ごとにゲート駆動用パルスを発生する手段を備え、
前記第２の位相制御手段は、前記電気ヒータを駆動する交流電圧のゼロクロス点から順次進んだ所定の位相角ごとにゲート駆動用パルスを発生する手段を備えたことを特徴とする、ターボ分子ポンプのヒータ調節装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載のターボ分子ポンプのヒータ調節装置において、さらに加えて、
前記ヒータの前段に絶縁トランスを有することを特徴とする、ターボ分子ポンプのヒータ調節装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか一項に記載のターボ分子ポンプのヒータ調節装置において、
外部から供給されるオン／オフ制御信号に応答して、前記第１の位相制御手段および前記第２の位相制御手段を駆動することによりターボ分子ポンプ本体の温度制御を行うことを特徴とする、ターボ分子ポンプのヒータ調節装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体製造装置などに用いられるターボ分子ポンプのヒータ調節装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ターボ分子ポンプは半導体製造装置の排気装置として用いられている。半導体製造装置では、その反応プロセスに応じて様々なプロセスガスが使用される。例えば、ＣＶＤ装置やエッチング装置等に用いられるターボ分子ポンプにおいては反応性ガスを排気することになり、そのため、ターボ分子ポンプ内にプロセスガスの析出物や反応生成物が付着しやすい。このような析出物や反応生成物の付着はポンプ温度が高いほど低減されるので、従来のターボ分子ポンプではポンプ本体を電気ヒータで加熱して析出物や反応生成物の付着を抑制するようにしている。
【０００３】
こういった電気ヒータに流れる交流電流の制御を行うために、従来からスイッチング素子が使用されている（特許文献１）。この種の交流電流制御を行うために、スイッチング素子として、従来からトライアックが用いられている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−７０７８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ターボ分子ポンプのポンプ本体を加熱する電気ヒータは、時間的経過に伴ってヒータ自体が変形したり断線したりすることから、ヒータ発熱部が筐体あるいは周辺部と電気的に接触するという事故が生じ得る。すなわち、電気ヒータの一部がアース電位の部分に接触してしまうという短絡事故（いわゆる地絡事故）は、電気ヒータの消費電力が大きいことにも起因して、ターボ分子ポンプ本体の動作に悪影響を及ぼしてしまうことになる。そこで、このような地絡事故による悪影響がターボ分子ポンプ本体の動作に及ばないようにするために、ＡＣ電源入力端と電気ヒータとの間に絶縁トランスを挿入することが行われている。
【０００６】
電気ヒータの地絡事故を防ぐために絶縁トランスを挿入する場合には、次に述べる３つの方法が考えられる。第１に、図１の（Ａ）に示すように装置（ターボ分子ポンプ）全体の電源入力箇所に絶縁トランス１２Ａを入れる方法、第２に、同図（Ｂ）に示すように装置全体の電源入力箇所とヒータ調節器６との間に絶縁トランス１２Ｂを入れる方法、第３に、同図（Ｃ）に示すようにヒータ調節器６とヒータ１０との間に絶縁トランス１２Ｃを入れる方法がある。
【０００７】
図１（Ａ）に示したように、装置全体の電源入力箇所に絶縁トランス１２Ａを挿入する場合、絶縁トランス１２Ａには装置全体の消費電力を通過させるだけの容量が必要になることから、トランス自体が大型化してしまうという問題がある。
【０００８】
図１（Ｂ）に示したように、装置全体の電源入力箇所とヒータ調節器との間に絶縁トランス１２Ｂを挿入する場合、制御部の内部に絶縁トランス１２Ｂを格納するスペースが必要になるという問題がある。また、絶縁トランス１２Ｂを特に必要としない場合には、この格納スペースが無駄になってしまうという問題がある。さらに、制御部に絶縁トランスを外付けしようとする場合には、ヒータ調節器６への電力線を一旦外部へ引き出し、絶縁トランスに接続してから再び電力線を制御部内へ引き込むためのコネクタあるいは端子が必要になるという問題が生じる。特に、制御部を小型化しようとする際には、上記コネクタ類の存在が障害になるという問題がある。
【０００９】
図１（Ｃ）に示したように、ヒータ調節器６とヒータ１０との間に絶縁トランス１２Ｃを挿入する場合、ヒータ１０は制御部の外部にあるので絶縁トランス１２Ｃを外付けすることが可能になり、しかも、必要がないときには絶縁トランス１２Ｃを外すことも容易である。しかしながら、図１（Ｃ）に示した方法では、トランス内の磁束飽和に起因した突入電流が生じるという問題が生じる。
【００１０】
次に、図２〜図５を参照しながら、磁束飽和による大きな突入電流について説明していく。
【００１１】
図２は、トランス２０を抵抗性負荷（ヒータ）２２に接続した場合の全体図を示す。
【００１２】
図３は、図２に示した回路の一次電圧Ｖと、トランス鉄心内の磁束密度Ｂ（定常状態）との関係を示している。一般に広く知られているように、磁束密度Ｂは、一次電圧Ｖに対して位相が９０度遅れた波形となる。通常、鉄心の飽和磁束密度は、定常状態での最大磁束密度よりやや大きくなるように設計してある。
【００１３】
図４は、トランス２０の一次巻線側にゼロクロス形のトライアックを挿入した回路を示す。
【００１４】
図５は、図４に示したゼロクロス形トライアックをＯＦＦ−ＯＮ動作させた場合における、トランス鉄心内の磁束密度を示している。本図に示すように、トライアックをＯＦＦする直前の一次電圧Ｖの極性と、トライアックをＯＮした直後の一次電圧Ｖの極性が同じ場合には、トライアックがターンオンした後に鉄心の磁束密度が飽和磁束密度を越して磁束飽和を起こしてしまう。その結果、トランス２０がトランスとして機能しなくなり（換言すると、空芯状態になってしまうのと等価であるので）、一次巻線側に大きな電流（突入電流）が流れてしまう。特に、様々な一次電圧のＯＦＦ／ＯＮ位相の組み合せのうちで、この場合の突入電流が最も大きくなる。
【００１５】
なお、トライアックをＯＦＦする直前の一次電圧Ｖの極性と、トライアックをＯＮした直後の極性が逆の場合には、磁束飽和は起こらず、突入電流は流れない。
【００１６】
このように、トライアックをＯＦＦする直前の一次電圧Ｖの極性と、トライアックをＯＮした直後の極性が同じであるか否かはランダムに決まるので、５０％の確率で大きな突入電流が発生したりしなかったりすることになる。
【００１７】
かくして、ゼロクロス形のトライアックを用いたＯＮ／ＯＦＦ制御方式のヒータ調節器と、ヒータとの間に絶縁トランスを挿入した場合（図１（Ｃ）に相当する）には、トライアックをＯＮする度に５０％の確率で大きな突入電流が発生するという問題がある。
【００１８】
他方、ヒータの電力調節に用いるトライアックには、ＯＮ／ＯＦＦ制御時のスイッチングノイズを減らすためにゼロクロス形を用いることが多いが、上述の如く、ヒータの前段に絶縁トランスを挿入した場合（図１（Ｃ），図４参照）には、ＯＮ／ＯＦＦ制御の度に５０％の確率でターンオン時に磁束飽和による最大の突入電流が発生してしまうという問題が生じる（図５参照）。しかも、大きな突入電流が発生すると、トライアック自体が破損したり、装置本体（ターボ分子ポンプ）の電源ヒューズが切れたり、電力系統のブレーカが落ちたりするという不都合が多々生じ得る。なお、いかなるＯＮ／ＯＦＦ条件でもトランスが磁束飽和しないようにするためには、トランスの鉄心を通常の設計より大型にすればよいが、この手法は実用的でない。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明では、ヒータの電力調節に用いるトライアックとしてゼロクロス形のトライアックを用いず、位相制御による電力制御を行う。そして、ヒータのＯＮ／ＯＦＦ制御入力に応答して、ＯＮ時にはヒータを段階的にオンさせ（ソフトＯＮ）、他方、ＯＦＦ時にはヒータを段階的にオフさせる（ソフトＯＦＦ）。
【００２０】
請求項１によるターボ分子ポンプのヒータ調節装置は、ターボ分子ポンプのポンプ本体を加熱する電気ヒータと、前記電気ヒータの温度を調節するトライアックと、前記トライアックに流れる交流電流を半サイクル毎に位相制御する際に、該トライアックのゲート駆動タイミングを順次遅らせていくことにより、段階的に前記電気ヒータをオフさせる第１の位相制御手段と、前記トライアックに流れる交流電流を半サイクル毎に位相制御する際に、該トライアックのゲート駆動タイミングを順次進ませていくことにより、段階的に前記電気ヒータをオンさせる第２の位相制御手段とを備える。
請求項２による発明は、請求項１に記載のターボ分子ポンプのヒータ調節装置において、前記第１の位相制御手段は、前記電気ヒータを駆動する交流電圧のゼロクロス点から順次遅れた所定の位相角ごとにゲート駆動用パルスを発生する手段を備え、前記第２の位相制御手段は、前記電気ヒータを駆動する交流電圧のゼロクロス点から順次進んだ所定の位相角ごとにゲート駆動用パルスを発生する手段を備える。
請求項３による発明は、請求項１または２に記載のターボ分子ポンプのヒータ調節装置において、さらに加えて、前記ヒータの前段に絶縁トランスを有する。
請求項４による発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載のターボ分子ポンプのヒータ調節装置において、外部から供給されるオン／オフ制御信号に応答して、前記第１の位相制御手段および前記第２の位相制御手段を駆動することによりターボ分子ポンプ本体の温度制御を行う。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、ヒータをトライアックの位相制御でソフトＯＦＦさせることにより、ヒータＯＦＦ時における絶縁トランスの残留磁束をほぼ零にすることができる。また、ヒータをＯＮする瞬間に位相制御でソフトＯＮ動作させることにより、ヒータＯＮ時のトランスの磁束飽和を防ぐことができるので、突入電流を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、図６〜図８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。
【００２３】
図６は、本発明を適用したターボ分子ポンプ１００の断面構成を示す。ポンプ本体１００に設けられたケーシング１２０の内部には、モータ１０６により回転駆動される回転体１０４が設けられている。回転体１０４の素材にはアルミ合金が用いられ、回転体１０４には複数段のロータ翼１２１およびネジ溝部１２２が形成されている。一方、軸方向に配設された複数段のロータ翼１２１に対しては複数段のステータ翼１２３が交互に配設され、ネジ溝部１２２に対しては径方向に僅かな隙間を介して筒状部材１２４が配設されている。なお、ロータ翼１２１およびステータ翼１２３は、タービン翼で構成されている。
【００２４】
各ステータ翼１２３はスペーサ１２５によって所定の間隔に維持されており、最上段のスペーサ１２５の上端は、ケーシング１２０の上端内側に設けられた突起部分に当接している。ケーシング１２０をベース１２８に固定することにより、軸方向交互に重ねられたステータ翼１２３およびスペーサ１２５はケーシング１２０の上端部分とベース１２８との間に挟持される。モータ１０６により回転体１０４を高速回転すると、ロータ翼１２１とステータ翼１２３とにより、かつ、ネジ溝部１２２と筒状部材１２４とにより排気作用が発生する。その結果、吸気口側のガスが矢印Ｇ１のように排気され、排気口１２６に接続された補助ポンプ（図示せず）によってポンプ外へと排気される。
【００２５】
ターボ分子ポンプ１００は５軸制御形磁気軸受ターボ分子ポンプであり、回転体１０４はラジアル磁気軸受を構成する電磁石１５１，１５２とアキシャル磁気軸受を構成する電磁石１５３とにより非接触支持される。回転体１０４の浮上位置はラジアル変位センサ１７１，１７２およびアキシャル変位センサ１７３によって検出される。１２７は非常用のメカニカルベアリングであり、磁気軸受が作動していない時にはメカニカルベアリング１２７により回転体１０４が支持される。
【００２６】
ロータ翼１２１およびステータ翼１２３による排気作用は高真空側で有効に作用し、ネジ溝部１２２および筒状部材１２４による排気作用は低真空側で有効に作用するものであり、反応生成物の付着は低真空側においてより顕著に発生する。ポンプ本体のベース１２８には電気ヒータ１２９が設けられており、反応生成物の付着しやすいガスを排気する場合には、この電気ヒータ１２９によりポンプ温度を上昇させて反応生成物の付着を抑制する。また、１３０は冷却水を用いた冷却装置であり、この冷却装置１３０による冷却と電気ヒータ１２９による加熱とを制御することにより、ポンプ本体の温度制御を行う。１３１はベース１２８の温度を検出する温度センサであり、この温度センサ１３１で検出される温度をポンプ温度として用いる。電気ヒータ１２９は、絶縁トランス（巻数比１：１）８０を介して、本実施形態によるヒータ調節器７０に接続されている。次に、このヒータ調節器７０について、図７および図８を参照しながら説明していく。
【００２７】
図７は、本発明を適用したヒータ調節器７０の回路構成を示す。ヒータ調節器７０は、ソフトＯＮ／ＯＦＦ制御回路７２およびトライアック７８を有する。ソフトＯＮ／ＯＦＦ制御回路７２は、ソフトＯＮ／ＯＦＦ指令回路７４および位相制御回路７６を有する。ソフトＯＮ／ＯＦＦ指令回路７４は、ヒータ調節器７０の外部から供給されるヒータＯＮ／ＯＦＦ制御信号に応答して、ソフトＯＮ／ＯＦＦ指令信号７５を位相制御回路７６に出力する。位相制御回路７６は、ＡＣ入力電圧およびソフトＯＮ／ＯＦＦ指令信号７５に基づいて、後述するソフトＯＮ／ＯＦＦを実行するためのトリガパルスをトライアック７８のゲートに供給する。
【００２８】
ソフトＯＮ／ＯＦＦ制御回路７２は、ヒータＯＮ／ＯＦＦ制御信号に応答して、位相制御によりトライアック７８をソフトＯＮ／ソフトＯＦＦさせる。
【００２９】
図８は、ヒータ調節器７０の全体的動作、および、トランス鉄心内の磁束密度を説明した図である。本図の最上段は、外部から供給されるヒータＯＮ／ＯＦＦ制御信号を示す。
【００３０】
図８の上から２段目は、ＡＣ電圧の半サイクルにおいて、トライアック７８が導通している幅（＝時間）を角度表示により模式的に示した原理図である。すなわち、半周期すべてにわたってトライアック７８が導通している場合には１８０度となり、他方、半周期すべてにわたってトライアック７８が遮断されている場合には０度となる。なお、この図はあくまで動作原理を示したものであって、具体的な導通幅（-＝導通時間）は、次の段に示してある。
【００３１】
図８の上から３段目は、ＡＣ電圧の半サイクルにおいて、トライアック７８がどのようなタイミングでトリガされるかを示した図である。すなわち、外部から供給されるヒータＯＮ／ＯＦＦ制御信号がヒータのＯＦＦを指示した場合には、トライアック７８が直ちにターンオフされるのではなく、まず次の半波ではＴ１だけ遅れてターンオンされ、さらに次の半波ではＴ２だけ遅れてターンオンされ、次の半波ではＴ３だけ遅れてターンオンされ、次の半波ではＴ４だけ遅れてターンオンされる。ここで、Ｔ１＜Ｔ２＜Ｔ３＜Ｔ４である。このように、トライアック７８の導通時間を徐々に逓減させていくことにより、すなわちトライアックを位相制御してソフトＯＦＦさせることにより、トランス内の磁束密度Ｂは徐々に小さくなっていていき、完全にトライアックがＯＦＦした時には、磁束密度Ｂがほぼ零になる。
【００３２】
そして、磁束密度Ｂがほぼ零になった状態でヒータをＯＮする場合には、ヒータＯＦＦ時とは逆に、位相制御でトライアック７８を徐々にＯＮ（＝ソフトＯＮ）させていく。すなわち、Ｔ５＞Ｔ６＞Ｔ７となるようなタイミングにより、トライアック７８をトリガしていく。すると、トランス内の磁束密度Ｂは徐々に大きくなっていき、図５に示したような磁束飽和を起こさない。
【００３３】
上述したヒータのＯＮ／ＯＦＦ制御を実行させることにより、ヒータ調節器７０と電気ヒータ１２９との間に絶縁トランス８０を挿入したとしても、トランス内の磁束飽和に起因して突入電流が発生することが無くなる。
【００３４】
上述したように、本実施の形態によれば、以下に列挙する格別な効果を得ることができる。
【００３５】
ヒータ調節器とヒータの間に絶縁トランスを挿入した場合にも、トランスの磁束飽和に起因して突入電流が発生することが無い。
【００３６】
磁束飽和が起きないように、大型の鉄心を持たせた絶縁トランスが必要なくなる。
【００３７】
使用するヒータの種類によっては、ヒータ自身の特性に起因してＯＮ時に突入電流を発生するものがあるが、本発明に係るソフトＯＮの作用により、突入電流を防ぐことができる。
【００３８】
本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。たとえば、トライアックをソフトＯＦＦさせるのに要する時間を複数種類記憶させており、ポンプの用途に応じて適宜切り替えることも可能である。トライアックをソフトＯＮさせる場合についても同様である。また、真空ポンプであればターボ分子ポンプに限らず、ドラッグポンプにも本発明を適用することができる。
【００３９】
以上説明した実施の形態と特許請求の範囲の構成要素との対応において、図７の電気ヒータは、「ターボ分子ポンプのポンプ本体を加熱する電気ヒータ」に相当する。図７のトライアック７８は、「電気ヒータの温度を調節するトライアック」に相当する。図７および図８に示したトライアックのソフトＯＦＦ作用は、「トライアックに流れる交流電流を半サイクル毎に位相制御する際に、該トライアックのゲート駆動タイミングを順次遅らせていくことにより、段階的に電気ヒータをオフさせる第１の位相制御手段」に相当する。図７および図８に示したトライアックのソフトＯＮ作用は、「トライアックに流れる交流電流を半サイクル毎に位相制御する際に、該トライアックのゲート駆動タイミングを順次進ませていくことにより、段階的に電気ヒータをオンさせる第２の位相制御手段」に相当する。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】電気ヒータと絶縁トランスとの配置関係を示した説明図である。
【図２】トランスの抵抗性負荷を接続した場合の一般的構成図である。
【図３】図２に示した回路の一次電圧Ｖと、トランス鉄心内の磁束密度Ｂとの関係を示す波形図である。
【図４】トランスの一次巻線側にゼロクロス形のトライアックを挿入した回路図である。
【図５】図４に示したゼロクロス形トライアックをＯＦＦ−ＯＮ動作させた場合における、トランス鉄心内の磁束密度を示す波形図である。
【図６】本発明を適用したターボ分子ポンプの断面構成図である。
【図７】本発明を適用したヒータ調節器の回路構成図である。
【図８】図７に示したヒータ調節器の全体的動作、および、トランス鉄心内の磁束密度を説明した図である。
【符号の説明】
【００４１】
７０  ヒータ調節器
７２  ソフトＯＮ／ＯＦＦ制御回路
７４  ソフトＯＮ／ＯＦＦ指令回路
７６  位相制御回路
７８  トライアック
８０  絶縁トランス
１００  ターボ分子ポンプ１００
１２９  電気ヒータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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