(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
永久磁石を有するロータと、このロータを回転させる磁界を発生させるステータコイルと、このステータコイルから離れた位置で且つロータに対向する位置に設けられ溝の深さに比例した電圧を出力するギャップセンサと、このギャップセンサに対向するロータ上の位置にロータの回転軸を中心として円周方向に所定角度毎に深さが異なるように設けられたリング状の溝と、ギャップセンサの出力に基づいてステータコイルに励磁電流を供給してロータを回転駆動させる駆動制御手段とを備えていることを特徴とするＤＣブラシレスモータ。
【請求項２】
ケーシング内部に、複数のステータ翼と、ロータに一体化されてステータ翼間で回転するロータ翼とを設け、ロータの外周を取り囲むようにステータコイルを配したＤＣブラシレスモータによってロータ翼を高速回転させることにより真空排気するターボ分子ポンプにおいて、
ロータ上にロータの回転軸を中心として円周方向に所定角度毎に深さが異なるリング状の溝を設け、ケーシング側の溝と対向する位置に溝の深さに比例した電圧を出力するギャップセンサを設け、ギャップセンサの出力に基づいてステータコイルに励磁電流を供給してロータを回転駆動させることを特徴とするターボ分子ポンプ。
【請求項３】
ロータの端部にスラスト磁気軸受を介してロータに作用するスラスト荷重をケーシングに伝えるスラストディスクをロータと一体に設けると共に、そのスラストディスクに溝を設けたことを特徴とする請求項２に記載のターボ分子ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＤＣブラシレスモータ、及び、そのＤＣブラシレスモータを駆動手段として使用したターボ分子ポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造装置などに用いられる真空ポンプの一つとして、ターボ分子ポンプがある。ターボ分子ポンプでは、ロータ翼の駆動モータとして、ＤＣブラシレスモータを使用したものがある。ＤＣブラシレスモータでは、転流タイミングを検出するセンサとして、ホール素子を使用することが多い。
【０００３】
図５はターボ分子ポンプのロータ駆動系のみを取り出して示す図である。このターボ分子ポンプでは、ロータ１０１を取り囲むようにＤＣブラシレスモータ１０２のステータコイル１０３を設けており、そのステータコイル１０３の隣りにホール素子１０４を配置すると共に、ホール素子１０４に対応するロータ１０１側の位置にロータ１０１の磁極位相に合わせたホール素子用磁石１０５を設け、各ホール素子１０４の信号からステータコイル１０３を励磁する際の励磁パターンを生成し、その励磁パターンに基づいてステータコイル１０３に励磁電流を供給してロータ１０１を回転駆動するようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来のターボ分子ポンプでは、ホール素子１０４の設置スペースをステータコイル１０３の隣りに設定しているので、ＤＣブラシレスモータ１０２のステータ部分が大きくなり、それに伴ってポンプのロータ１０１が長くなるという問題があった。また、ロータ１０１側にホール素子用磁石１０５を設けているので、その設置スペースをロータ１０１上に余分に確保する必要があり、そのためにロータ１０１が長くなって、コンパクト化する上での支障になると共に、コスト高になるという問題があった。また、高速回転機械であるターボ分子ポンプのロータが長くなることにより、固有振動数が低下して振動が発生しやすくなるという問題もあった。
【０００５】
本発明は、上記事情を考慮し、ロータ長さの短縮が可能であり、小型化及び振動低減を図り得るＤＣブラシレスモータ及びＤＣブラシレスモータを用いたターボ分子ポンプを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明のＤＣブラシレスモータは、永久磁石を有するロータと、このロータを回転させる磁界を発生させるステータコイルと、このステータコイルから離れた位置で且つロータに対向する位置に設けられ溝の深さに比例した電圧を出力するギャップセンサと、このギャップセンサに対向するロータ上の位置にロータの回転軸を中心として円周方向に所定角度毎に深さが異なるように設けられたリング状の溝と、ギャップセンサの出力に基づいてステータコイルに励磁電流を供給してロータを回転駆動させる駆動制御手段とを備えていることを特徴とする。
【０００７】
このＤＣブラシレスモータでは、ロータの回転位置を検出するためのギャップセンサをステータコイルから離れた位置に設けているから、ステータ部分の大きさを小さくすることができ、それによりロータの長さの短縮を図ることができる。また、ロータの磁極位相を検出することが可能でありながら、従来のＤＣブラシレスモータにおいて使用していたホール素子やホール素子用磁石が不要になるので、部品点数の増加や余計な配線の面倒がなくコスト増を抑えることができ、ステータコイルの隣りに配置していたホール素子やホール素子用磁石が不要となる。従って、ロータ長さの短縮を図ることができて、それにより回転安定性を高めることができると共に、ＤＣブラシレスモータの小型化及び低コスト化を実現できる。
【０００８】
請求項２の発明のターボ分子ポンプは、ケーシング内部に、複数のステータ翼と、ロータに一体化されてステータ翼間で回転するロータ翼とを設け、ロータの外周を取り囲むようにステータコイルを配したＤＣブラシレスモータによってロータ翼を高速回転させることにより真空排気するターボ分子ポンプにおいて、ロータ上にロータの回転軸を中心として円周方向に所定角度毎に深さが異なるリング状の溝を設け、ケーシング側の溝と対向する位置に溝の深さに比例した電圧を出力するギャップセンサを設け、ギャップセンサの出力に基づいてステータコイルに励磁電流を供給してロータを回転駆動させることを特徴とする。
【０００９】
このターボ分子ポンプでは、ＤＣブラシレスモータのロータ磁極位相を検出するためのギャップセンサをステータコイルから離れた位置に設けているから、ロータの磁極位相を検出することが可能でありながら、ステータ部分の大きさを小さくすることができ、それによりポンプのロータ長さの短縮を図ることができ、それによりターボ分子ポンプの小型化、低コスト化、低振動化を図ることができる。また、従来のＤＣブラシレスモータにおいて使用していたホール素子やホール素子用磁石が不要になるので、部品点数の増加や余計な配線の面倒がなくコスト増を抑えることができ、ステータコイルの隣りに配置していたホール素子やホール素子用磁石が不要となる。従って、ロータ長さの短縮を図ることができて、それにより回転安定性を高めることができると共に、ターボ分子ポンプの小型化及び低コスト化を実現できる。
【００１０】
請求項３の発明のターボ分子ポンプは、請求項２において、ロータの端部にスラスト磁気軸受を介してロータに作用するスラスト荷重をケーシングに伝えるスラストディスクをロータと一体に設けると共に、そのスラストディスクに溝を設けたことを特徴とする。
【００１１】
このターボ分子ポンプでは、ＤＣブラシレスモータのロータ磁極位相を検出するためのギャップセンサをステータコイルから離れた位置に設けているから、ロータの磁極位相を検出することが可能でありながら、ステータ部分の大きさを小さくすることができ、それによりポンプのロータ長さの短縮を図ることができ、それによりターボ分子ポンプの小型化、低コスト化、低振動化を図ることができる。加えて、そのギャップセンサ１個でＤＣブラシレスモータを駆動することができる。また、従来のＤＣブラシレスモータにおいて使用していたホール素子やホール素子用磁石が不要になるので、部品点数の増加や余計な配線の面倒がなくコスト増を抑えることができ、ステータコイルの隣りに配置していたホール素子やホール素子用磁石が不要となる。従って、ロータ長さの短縮を図ることができて、それにより回転安定性を高めることができると共に、ターボ分子ポンプの小型化及び低コスト化を実現できる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は駆動手段としてＤＣブラシレスモータを内蔵したターボ分子ポンプの全体構成図であり、ターボ分子ポンプＰは、ケーシング１内部に各種部品が備えられた構成となっている。このケーシング１においては、その上半部１ａに吸気口１ｃ、下半部１ｂに排気口１ｄがそれぞれ形成されている。ケーシング１内部においては、上部に軸流段部ＰＡ、下部にねじ溝段部ＰＢが設けられている。軸流段部ＰＡは主として後述する多段に設けられた動翼（ロータ翼）５および静翼（ステータ翼）３とにより構成され、ねじ溝段部ＰＢは、ロータ４に螺旋状のねじ溝１３を形成したねじ溝ロータ部１４及びケーシング１内部に固定されたシールリング１５とにより構成されている。
【００１７】
より具体的に説明すると、ロータ室２にはロータ４が配設されている。ロータ４は、鉛直に立設されたロータシャフト４ａと、当該ロータシャフト４ａの周囲に放射状に配置された動翼５とを備えた構成となっている。また、ケーシング上半部１ａの内周には静翼３が固定されている。
【００１８】
ロータ４には、動翼５の下方にねじ溝１３が形成されたねじ溝ロータ部１４が形成されている。ねじ溝ロータ部１４には、ケーシング１内周に固定されたシールリング１５と対向する面にねじ溝１３が形成されており、ねじ溝１３の山部とシールリング１５内周との間にわずかな隙間が形成されている。
【００１９】
ロータシャフト４ａの下端部には、スラストディスク６が設けられている。このスラストディスク６の上下面には、これに対向した形でスラスト磁気軸受８が設けられており、スラストディスク６を磁気浮上させることにより、スラスト軸受８を介して、ロータ４に作用するスラスト荷重をケーシング１に伝えるようになっている。また、ロータシャフト４ａとケーシング１との対向面における上方及び下方には、ロータ駆動用のＤＣブラシレスモータ１１の上下に位置させて、それぞれラジアル磁気軸受７ａ、７ｂが設けられている。さらに、ロータシャフト４ａの上端部にはラジアル用上部保護軸受としてボールベアリング９が設けられ、同下端ネック部にはラジアル及びスラスト用下部保護軸受としてボールベアリング１０が設けられている。
【００２０】
ＤＣブラシレスモータ１１は、ロータシャフト４ａの外周を取り囲むようにステータコイル１１ａを配した構造になっており、ロータシャフト４ａの外周に、ロータ磁極を構成する永久磁石（図示省略）を嵌合させている。このＤＣブラシレスモータ１１は、図示しない駆動制御手段が、スラストディスク６部分に設けたロータ磁極位相検出部２０の信号に基づいてロータの回転位置を検出することにより、ステータコイル１１ａの励磁パターンを生成し、その励磁パターンによりステータコイル１１ａに励磁電流を供給してロータシャフト４ａを回転駆動するようになっている。
【００２１】
この場合、ＤＣブラシレスモータ１１を駆動制御する信号を取るためのロータ磁極位相検出部２０は、ＤＣブラシレスモータ１１のステータコイル１１ａから離れたスラストディスク６部分に配置しており、ロータシャフト４ａ上に配置していたホール素子用磁石及びそれに対向させて配置していたホール素子を省略している。
【００２２】
図２を用いてロータ磁極位相検出部２０の構成について詳しく述べる。スラストディスク６の下面に対向するケーシング側の位置には、ロータ回転位置検出用のセンサ２５が設けられている。このセンサ２５は、スラストディスク６の回転中心を中心とする同一円周上に６０度ピッチで３個配置されている。また、このセンサ２５に対向するスラストディスク６上の位置には、ロータシャフト４ａの回転位置に応じた信号をセンサ２５に出力させるターゲット２６が設けられている。なお、図２はＤＣブラシレスのロータ極数２極と極検出センサ配置６０度間隔配置の場合で示す。
【００２３】
ターゲット２６は、ＤＣブラシレスモータ１１のロータ磁極数に対応したパターンに形成されており、本例でのターゲット２６は、スラストディスク６の回転中心を中心とする円周の半分の領域（１８０度の範囲）だけに形成されている。そして、ターゲット２６のある部分とない部分とで、異なる信号をセンサ２５に出力させるようにしている。
【００２４】
ロータ磁極位相検出部２０は、前記センサ２５とターゲット２６の組合せにより構成される。センサ２５とターゲット２６の組合せとしては、
（１）ギャップセンサとスラストディスク６表面上の凹凸パターンの組合せ
（２）フォトセンサとスラストディスク６表面上の明暗パターンの組合せ
（３）磁気センサとスラストディスク６側の磁極パターンの組合せ
等が採用可能である。
【００２５】
（１）のギャップセンサとスラストディスク６表面上の凹凸パターンの組合せを採用する場合は、図２のセンサ２５の位置にギャップセンサ（渦電流式近接センサ等）を配置し、半周分だけ形成するターゲット２６の位置に凹部（溝）を形成する。そして、凹部の範囲と凹部のない範囲（凸部に相当する範囲）をギャップセンサで検出することにより、ロータシャフト４ａの回転位相を割り出す。
【００２６】
（２）フォトセンサとスラストディスク６表面上の明暗パターンの組合せを採用する場合は、図２のセンサ２５の位置にフォトセンサを配置し、半周分だけ形成するターゲット２６の位置に、他の部分と区別できる識別色（他の部分が金属色の場合は黒色等）を付したマークを形成する。そして、「明」の範囲（黒色マークを付けない範囲）と「暗」の範囲（黒色マークを付けた範囲）をフォトセンサで検出することにより、ロータシャフト４ａの回転位相を割り出す。
【００２７】
（３）磁気センサとスラストディスク６側の磁極パターンの組合せを採用する場合は、図２のセンサ２５の位置に磁気センサ（ホール素子などの磁電変換素子）を配置し、ターゲットとして、対向する半円の領域で互いに異極となる磁石を配置する。そして磁気センサで検出する磁極の交番により、ロータシャフト４ａの回転位相を割り出す。
【００２８】
なお、いずれの場合も、ＤＣブラシレスモータ１１のロータ磁極位相に対応してターゲットの形成範囲や分割領域等を設定する。
【００２９】
このターボ分子ポンプＰでは、真空排気の際に、ＤＣブラシレスモータ１１を駆動してロータ４を回転させる。そうすると、ロータ４の回転により、動翼５と静翼３との間で第１の圧縮が行われたあと、ねじ溝段部ＰＢのねじ溝１３によって第２の圧縮が行われ、排気口１ｄ方向へ流れて真空排気される。この際、センサ２５とターゲット２６の組合せで構成されるロータ磁極位相検出部２０がモータのロータ磁極位相を検出し、その信号に基づいてＤＣブラシレスモータ１１が駆動される。
【００３０】
このターボ分子ポンプＰの場合、ＤＣブラシレスモータ１１のロータ磁極位相検出部２０をステータコイル１１ａから離れた位置に設けているから、ステータ部分の大きさを小さくすることができ、それによりポンプのロータ４の長さの短縮を図ることができる。従って、ターボ分子ポンプの小型化、低コスト化、低振動化を図ることができる。
【００３１】
なお、スラストディスク６の周辺部分には、従来より、ロータ４の回転数を検出するための回転検出センサ（パルスセンサ）を設けることが多いので、その回転検出センサを用いてロータ磁極位相を検出することも可能である。以下、そのように改良したロータ磁極位相検出部２０Ｂについて説明する。ここでは、ロータ磁極位相検出部２０Ｂを構成するセンサとしてギャップセンサが用いられ、ターゲットとして溝（凹部）が用いられている。
【００３２】
図３はそのロータ磁極位相検出部２０Ｂの概略構成を示す図で、（ａ）は側断面図、（ｂ）はターゲットの平面図、図４（ａ）はターゲットとして形成したリング状の溝の深さ変化及びそれに対応したセンサ出力電圧の変化を示す図、（ｂ）はセンサの出力電圧に基づいて割り出されるロータ磁極位相検出信号を示す図である。
【００３３】
スラストディスク６の下面には、ロータシャフト４ａの回転軸芯を中心とする矩形断面のリング状の溝３０が、ターゲットとして設けられている。このリング状の溝３０は、円周方向に６０度ごとに６つに分割されており、各分割溝３０ａ〜３０ｆは、深さが順に異なっている。深さが一番浅い分割溝３０ａの始端部分を０°として、分割溝３０ａ〜３０ｆの断面をロータシャフト４ａの回転方向に展開すると、図４（ａ）に示すように分割溝３０ａ〜３０ｆは、ロータシャフト４ａの回転方向Ａに沿って徐々に一定深さずつ深くなっている。従って、リング状の溝３０に対向する位置に設けられた１個のギャップセンサ３３は、各分割溝３０ａ〜３０ｆの深さに比例した電圧を出力する。
【００３４】
この場合、分割溝３０ａ〜３０ｆの位相パターンは、ＤＣブラシレスモータ１１（図１参照）のロータ磁極の位相に対応しており、図示しない制御手段は、ギャップセンサ３３の信号により、ロータ磁極位相検出信号Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３を出力する。即ち、ギャップセンサ３３の出力電圧Ｖの大きさにより、制御手段は次の条件で信号を出力する。
（ａ）  Ｖ２＜Ｖ＜Ｖ５          のときは、Ｈ１信号を出力する。
（ｂ）  Ｖ４＜Ｖ                のときは、Ｈ２信号を出力する。
（ｃ）  Ｖ６＜ＶまたはＶ＜Ｖ３  のときは、Ｈ３信号を出力する。
【００３５】
このＨ１〜Ｈ３信号は、通常のＤＣブラシレスモータにおいてホール素子が出力する信号に相当するものであり、この信号に基づいて制御手段が、ロータの回転位置を判定し、その判定結果に基づいてＤＣブラシレスモータ１１のステータコイル１１ａに励磁電流を供給することにより、ロータ４を回転制御することができる。従って、センサ１個でＤＣブラシレスモータ１１を駆動することができる。しかも、既存の回転検出センサを流用することができるので、部品点数の増加がない上、余計な配線の面倒がないというメリットも得られる。なお、回転数計算のためのパルス検出は、例えばＨ２信号のＯＮをカウントすればよい。
【００３６】
なお、上記実施形態では、スラストディスク６の下面側の位置にロータ磁極位相検出部２０を設けた場合を示したが、ロータシャフト４ａの側方にロータ磁極位相検出部を構成するセンサ及びターゲットを設けてもよい。その場合は、ラジアル磁気軸受７ａ、７ｂ間を除く部分に設けることで、軸受間距離（ロータの実質長）を伸ばさないようにするのが肝要である。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１の発明のＤＣブラシレスモータによれば、ロータの回転位置を検出するためのギャップセンサをステータコイルから離れた位置に設けているので、ロータ長さの短縮を図ることができ、モータの小型化、低コスト化、低振動化を図ることができる。
【００３８】
請求項２の発明のターボ分子ポンプによれば、ＤＣブラシレスモータのロータ磁極位相を検出するためのセンサをステータコイルから離れた位置に設けているので、ポンプのロータ長さの短縮を図ることができ、ポンプの小型化、低コスト化、低振動化を図ることができる。
【００３９】
請求項３の発明のターボ分子ポンプによれば、ロータ端部のスラストディスク部分にロータ上にロータの回転軸を中心として円周方向に所定角度毎に深さが異なるリング状の溝と、ケーシング側の溝と対向する位置に溝の深さに比例した電圧を出力するギャップセンサとを設けているので、ＤＣブラシレスモータのステータ部分の大きさを小さくすることができ、ロータ長さを短縮することが可能となって、それによりターボ分子ポンプの小型化、低コスト化、低振動化に寄与することができる。
【００４０】
さらに、既存のロータの回転検出センサを用いてロータ磁極位置の検出ができるようにしたから、従来のＤＣブラシレスモータにおいて使用していたホール素子や磁石が不要になる。また、現行の回転検出センサのターゲット構造を変更するだけで実施できるから、部品点数の増加や余計な配線の面倒がなく、低コストで実現できる。また、ステータコイルの隣りに配置していたホール素子やホール素子用磁石が不要となるから、ロータ長さの短縮を図ることができ、それにより小型化、低コスト化、低振動化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施形態のターボ分子ポンプの全体構成を示す断面図である。
【図２】  同ターボ分子ポンプに内蔵したＤＣブラシレスモータのロータ磁極位相検出部の構成を示す図で、（ａ）は断面図、（ｂ）はターゲットとセンサの位置関係を示す平面図である。
【図３】  他のロータ磁極位相検出部の概略構成を示す図で、（ａ）は側断面図、（ｂ）はターゲットとして形成したリング状の溝の平面図である。
【図４】  （ａ）は図３のリング状の溝の深さ変化及びそれに対応したセンサ出力電圧の変化を示す図、（ｂ）はセンサの出力電圧に基づいて割り出されるロータ磁極位相検出信号を示す図である。
【図５】  従来のターボ分子ポンプにおけるＤＣブラシレスモータの構成図である。
【符号の説明】
Ｐ  ターボ分子ポンプ
１  ケーシング
３  静翼（ステータ翼）
４  ロータ
４ａ  ロータシャフト
５  動翼（ロータ翼）
６  スラストディスク
８  スラスト磁気軸受
１１  ＤＣブラシレスモータ
１１ａ  ステータコイル
２０，２０Ｂ  ロータ磁極位相検出部
２５  センサ
２６  ターゲット
３０  リング状の溝（ターゲット）
３３  回転位置検出センサ
【図１】
0003740083.tif 000002
【図２】
0003740083.tif 000003
【図３】
0003740083.tif 000004
【図４】
0003740083.tif 000005
【図５】
0003740083.tif 000006