JP2002285990A - 真空ポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ロータの破壊事故の際、同時破壊部分を少な
くして、その瞬時破壊トルクを弱め、ポンプケース、周
辺の機器等の破損が起こらない、安全な真空ポンプを提
供する。 【解決手段】 ロータ２を、タービン側の上部ロータ２
１とスカート側の下部ロータ２２とに２分割し、上下い
ずれかのロータに発生した破壊が他方のロータの破壊に
波及するまでに時間差が生じて、破壊トルクのピーク値
を下がるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、半導体製造装
置、電子顕微鏡、表面分析装置、質量分析装置、粒子加
速器、核融合実験装置等に用いられる真空ポンプに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】半導体製造工程におけるドライエッチン
グやＣＶＤ等のプロセスは、真空中で行なう必要があ
り、この真空を得るのにターボ分子ポンプのような高速
回転ロータを有する真空ポンプが使用される。

【０００３】従来のこの種の真空ポンプにおいては、図
５に示すように、上部外周に一体に加工された複数のブ
レード状のロータ翼１、１、‥‥を有するロータ２と、
このロータ２の回転中心軸線上に一体に取り付けられた
ロータ軸３が、ポンプケース４の内部に収納されて、高
速回転部を形成し、ポンプケース４を支持するポンプベ
ース１３から突設されたステータコラム５に設けた軸受
６、６が上記ロータ軸３を回転自在に支承している。上
下の上記軸受６、６の中間には、ステータコラム５・ロ
ータ軸３間に駆動モータ７が組み込まれていて、この駆
動モータ７により、上記高速回転部が、ロータ翼周速で
４００ｍ／ｓ程度の高速で回転するようになっている。

【０００４】この高速回転により、ロータ上方のガス吸
気口８からガスを吸気して、ロータ下方のガス排気口９
へ排気し、ガス吸気口８に接続された半導体製造プロセ
スのチャンバー等を高真空にする。

【０００５】上述の真空ポンプ作用は、真空ポンプ上半
部のターボ分子ポンプ機構部Ａと下半部のネジ溝ポンプ
機構部Ｂとによって発生させている。

【０００６】すなわち、上記ターボ分子ポンプ機構部Ａ
は、上記ロータ翼１、１、‥‥と、このロータ翼１とロ
ータ翼１との間に交互に配設され、ポンプケース４側に
固定された複数のブレード状のステータ翼１０、１０、
‥‥とで構成され、高速回転するロータ翼１と固定のス
テータ翼１０との相互作用により、高真空のガス吸気口
８側の気体分子を図の下方に送ることにより排気の動作
を行なう。

【０００７】上記ネジ溝ポンプ機構部Ｂは、上記ロータ
２の下半分のスカート部２ａ外周の回転円筒面２ｂと、
この回転円筒面２ｂに接近してこれを囲み、上記ポンプ
ケース４内に固定されたネジステータ１１とで構成さ
れ、ネジステータ１１内周面に刻設されたらせん状のネ
ジ溝１２内にターボ分子ポンプ機構部Ａから送り込まれ
た気体分子を、高速回転するロータスカート部の回転円
筒面２ｂがネジ溝１２に沿ってガス排気口９側へ送り込
んで、やや真空度が低くなっている状態のガスの排気の
動作を行なう。

【０００８】ところで、上記ロータ翼１、ロータ２、ポ
ンプケース４、ステータ翼１０、ガス吸入口３に接続さ
れるチャンバ等は、通常、軽合金、中でもでアルミ合金
が多用されている。アルミ合金は機械加工性に優れ、精
密に加工しやすいからである。しかし、アルミ合金は強
度が比較的弱く、使用条件によっては、クリープ破壊を
起こすことがある。

【０００９】また、これらの部品のうち、ロータ翼１と
これと一体に形成されたロータ２とは高速回転に耐えら
れるよう、組み付けの過程で、動バランス取り作業が行
なわれている。通常、動バランス取りは、ロータ２の上
下両端面をドリル等により微小量削り取って行なう。動
バランスが取れていれば高速回転部の高速回転が可能と
なり、振動も小さくて静粛な運転ができるのであるが、
高速回転時に、ロータ２の上下両端面の動バランス取り
の微小なドリル穴の周囲には、遠心力による応力集中が
生じ、また、プロセスガスによる腐食部分が発生すれ
ば、その周囲に亀裂が生じ、これらはいずれも高速回転
部の脆性破壊の引き金となる。

【００１０】ロータ２の応力集中点から始まるロータの
破壊事故は、ロータ２、ロータ翼１が高速回転中に起こ
るので、その破壊エネルギーが非常に強く、図３の破線
で示すような大きな破壊トルクを生じて、瞬時に、ロー
タ２、ロータ翼１全体に波及してこれらを破壊し、これ
らの破片が遠心力により飛び散って、モータの回転が強
制的に止められるため、その反力としてモータケース
（ステータコラム）５に大きなトルクが生じ、ポンプを
真空チャンバーに取り付けているポンプフランジボルト
１４の破壊を生じ、ポンプの落下等により製造装置の一
部の破壊、人身への重大な事故につながるおそれがあ
る。なお、この種の破壊事故は、バランス取りの穴や腐
食が引き金となるとは限らず、他の部位でもそこに何ら
かの欠陥があれば、回転中に起こりうるものである。

【００１１】近年、大きい容量の真空ポンプを要求され
る機会が増しているが、真空ポンプが大型になると、遠
心力に起因する破壊トルクもより大きくなり、破壊事故
の危険は一層大きくなる。

【００１２】そこで、この破壊事故を重大な事故に至ら
せずに、ポンプ内の小規模な破壊に留めるために、従来
から、いくつかの対策が提案されている。

【００１３】特開平１１−２８０６８９号公報には、タ
ーボ分子ポンプの回転しないステータ翼にロータ破壊に
よる破壊トルクが作用したとき、ポンプケースとステー
タ翼との拘束を解除する構造が開示されている。

【００１４】その他に、ロータを分割して、これらを圧
入、ねじ締め等で結合する構造も知られている。なお、
この構造は、コストダウンも兼ねている。

【００１５】しかし、前者のポンプケース・ステータ翼
拘束解除構造は、ポンプケースとステータ翼との間に摩
擦低減構造や衝撃緩衝構造を設けるためにポンプ外形が
大きくなり、価格も高くなる。また、後者のロータ分割
結合構造は、結合部分が径の大きい部位になって、ロー
タ高速回転により大きな遠心力を受け、かえって破壊し
やすいものになる。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】この発明は上記問題点
を解決するためになされたものであり、その目的とする
ところは、ロータが破壊しにくく、万一のロータの破壊
事故の際は、ロータの破壊が一瞬に進むことなく、時間
差を持って破壊が進むことにより、破壊トルクのピーク
値を下げて、ポンプケース等の周囲の２次破壊を阻止で
きる真空ポンプを提供することにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、この発明は、ターボ分子ポンプ機構部とネジ溝ポン
プ機構部とを有し、上記ターボ分子ポンプ機構部のブレ
ード状のロータ翼とネジ溝ポンプ機構部の回転円筒面と
を備えたロータが、ロータ軸に保持されて高速回転する
ことにより、ターボ分子ポンプ機構部がガス吸気口の高
真空中のガス分子をネジ溝ポンプ機構部へ送り込み、こ
のネジ溝ポンプ機構部が上記ガス分子をネジ溝に沿って
ガス排出口に送り出すようにした真空ポンプにおいて、
上記ロータが、上記ロータ翼が形成された軽合金製の上
部ロータと、上記回転円筒面を有するスカート部を備え
た軽合金製の下部ロータとからなり、上記上部ロータと
下部ロータが、上記ロータ軸の鍔部にロータ軸軸線方向
にネジ止めされるように構成される。

【００１８】この発明においては、高速回転時の万一の
場合にも、上下いずれかのロータに発生した破壊が他方
のロータの破壊に波及するまでに時間差が生じて、破壊
トルクのピーク値を下げる。破壊トルクのピーク値が下
がったことにより、ポンプフランジボルトの破断に至ら
ず、ポンプ以外の周囲の２次破壊が起きなくなる。

【００１９】また、上記の構成において、上記上部ロー
タと下部ロータとに、上記ロータ軸の鍔部から突出する
小径部に嵌合する嵌合穴がそれぞれ設けられ、上記小径
部と嵌合穴との嵌合により上部ロータと下部ロータとの
径方向位置決めがなされたり、上記上部ロータのロータ
軸鍔部へのネジ止め部と下部ロータのロータ軸鍔部への
ネジ止め部が重ね合わされ、共通のネジによりロータ軸
の鍔部にネジ止めされていると、一層組み付けがしっか
りできて完全に一体化され、安定して、破壊が起こりに
くい真空ポンプとなる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、この発明に係る真空ポンプ
の一実施形態について、図面を参照して説明する。

【００２１】図１は、この発明に係る真空ポンプの一実
施形態を示す縦断面図、図２は、図１の要部の縦断面図
である。図１に示した真空ポンプは、上半部のターボ分
子ポンプ機構部Ａと下半部のネジ溝ポンプ機構部Ｂとに
よって真空ポンプ作用を発生させている点は、図５に示
した従来の真空ポンプと同様である。よって、図５と同
一の部分には同一の符号を付して、その詳細な説明を省
略する。

【００２２】図１に示したこの発明においては、ロータ
２を、アルミ合金製の上部ロータ２１と、同じくアルミ
合金製の下部ロータ２２とに分割した。上記上部ロータ
２１の外周には、ターボ分子ポンプ機構部Ａのブレード
状のロータ翼１、１、‥‥を一体に形成し、また、下部
ロータ２２には、上記ロータ翼１に続く後段のロータ翼
数枚と、ネジ溝ポンプ機構部Ｂの回転円筒面２２ｂを有
するスカート部２２ａとを設けた。なお、ロータ翼１、
１、‥‥は、上記上部ロータ２１に全部集めて、下部ロ
ータ２２にはスカート部２２ａのみを設けるようにする
こともできる。

【００２３】そして、図２に示すように、上部ロータ２
１と下部ロータ２２の各円板状のネジ止め部２１ｃ、２
２ｃを重ね合わて、ロータ軸３の鍔部３ａに、複数のボ
ルト１５、１５によってロータ軸軸線方向にネジ止めし
て固定した。

【００２４】上記上部ロータ２１と下部ロータ２２との
ロータ軸３に対する径方向位置決めは、次のようにして
行なった。すなわち、ロータ軸３の鍔部３ａから突出す
る小径部３ｂに隙間なく嵌合する下部ロータ嵌合穴１６
を下部ロータ２２に形成し、同じく上記小径部３ｂに隙
間なく嵌合する上部ロータ嵌合穴１７を上部ロータ２１
に形成して、上記小径部３ｂと下部ロータ嵌合穴１６、
上部ロータ嵌合穴１７とをそれぞれ嵌合して、上部ロー
タ２１、下部ロータ２２およびロータ軸３相互の径方向
位置決めを行なった。これにより、上部ロータ２１と下
部ロータ２２とは偏心なしに一体化することができた。

【００２５】また、鍔部３ａに固定したボルト１５は、
上記小径部３ｂに隣接して、ロータ軸中心近くに配置す
ることができた。

【００２６】この真空ポンプを運転したところ、ボルト
１５を通した上記ネジ止め部２１ｃ、２２ｃのボルト穴
付近は、比較的ロータ回転中心に近いので、高速回転に
よる遠心力が弱く、応力集中によるボルト穴からの亀裂
は生じなかった。これにより、ボルト穴が破壊の引き金
になる心配がないことがわかった。

【００２７】また、高速回転によりボルト１５が緩んで
上部ロータ２１と下部ロータ２２ががたつくようなトラ
ブルも全く起こらず、上部ロータ２１と下部ロータ２２
が一体となって、従来と同様の安定したポンプ作用が得
られることが確かめられた。

【００２８】更に、破壊試験のために通常よりも回転を
上げ、ターボ分子ポンプ機構部Ａとネジ溝ポンプ機構部
Ｂの温度が上がり、高速回転部の遠心力も強くなって破
壊が起こりやすい状態にして運転を続けたところ、高速
回転部が破壊した。

【００２９】ポンプを分解したところ、上部ロータ２１
も下部ロータ２２も破壊し、ステータ翼１０、ネジステ
ータ１１も破壊していた。破壊状況を詳細に調べたとこ
ろ、下部ロータ２２のバランス取りの穴の周辺から脆性
破壊を起こした痕跡があった。しかし、ポンプフランジ
ボルト１４はほぼ無傷であった。

【００３０】このように真空ポンプの内部はほぼ完全に
破壊したけれども、ポンプフランジボルト１４の損傷が
ほとんどなかった理由は、ロータ等の高速回転部におい
て瞬時に生じる破壊が、先ず、下部ロータ２２のバラン
ス取り穴の周辺に発生した亀裂から破壊が進行して、図
３の２０１の波形のようなピーク値Ｐ１が比較的低い破
壊トルクがポンプケース４に作用し、次に、この破壊に
より、やや時間が遅れて、上部ロータ２１に破壊が及ん
で、図３の２０２の波形のようなやはりピーク値Ｐ２が
比較的低い破壊トルクを生じ、これらの破壊トルク２０
１、２０２のピーク値がそれ程大きくなかったので、ポ
ンプフランジボルト１４の破壊までには至らなかったも
のと思われる。

【００３１】ボルト１５による上部ロータ２１、下部ロ
ータ２２のロータ軸３への固定は、この実施形態のよう
に、上部ロータおよび下部ロータのネジ止め部２１ｃ、
２２ｃを重ね合わせて、共通のネジ１５、１５、‥‥に
よって固定するのが、小型化、部品点数削減等の点で好
ましいが、上部ロータ２１、下部ロータ２２をそれぞれ
別のネジで固定することもできる。また、運転中の遠心
力等によるネジの緩みは絶対に許されないものであるか
ら、従来周知のネジ緩み防止手段、例えば、バネ座金、
排気するガスに侵されないネジロック剤等を使用しても
よい。

【００３２】図４は、この発明に係る真空ポンプの他の
実施形態を示す部分縦断面図である。この実施形態は、
上部ロータ２１と下部ロータ２２とのロータ軸３に対す
る径方向位置決めを、より正確に行なおうとするもので
ある。

【００３３】先ず、ロータ軸３の鍔部３ａから突出する
第１の小径部３１ｂに隙間なく嵌合する第１の嵌合穴２
２ｄを下部ロータ２２に形成し、次に、上記第１の小径
部３１ｂと同心で径小の、これに連なる第２の小径部３
２ｂに隙間なく嵌合する第２の嵌合穴２１ｄを上部ロー
タ２１に形成して、上記小径部３１ｂ、３２ｂと第１、
第２の嵌合穴２２ｄ、２１ｄとをそれぞれ嵌合して、上
部ロータ２１、下部ロータ２２およびロータ軸３相互の
径方向位置決めを行なった。これにより、下部ロータ２
２をロータ軸３に嵌め込むとき、所定箇所まで挿入する
前に途中で下部ロータ２２が小径部と接して擦りながら
挿入していくということがなくなり、途中で摩損するお
それなく、上部ロータ２１と下部ロータ２２とを偏心な
しに正確に一体化固定することができた。

【００３４】この真空ポンプについては、破壊試験は行
なわなかったが、通常の運転は正常に行なうことができ
た。他の構造が図１の実施形態と同じであることから、
同様に、万一破壊が発生する場合、上部ロータ２１の破
壊と、これに連鎖するステータ側の破壊に留まり、下部
ロータ２２等、他の部分の破壊には至らず、被害を真空
ポンプ内に留めることができるものと思われる。

【００３５】この発明における上部ロータ、下部ロータ
の材料としては、上述の実施形態の他、マグネシウム合
金等の他の軽合金を使用することができる。

【００３６】

【発明の効果】この発明に係る真空ポンプにあっては、
上述のように、真空ポンプのロータを、ターボ分子ポン
プ機構部のブレード状のロータ翼が形成された軽合金製
の上部ロータと、ネジ溝ポンプ機構部の回転円筒面を有
する軽合金製の下部ロータとに分け、上部ロータと下部
ロータがロータ軸の鍔部にロータ軸軸線方向にネジ止め
するようにしたから、運転中、万一、ロータ破壊が発生
した場合、上部ロータか下部ロータかいずれか一方から
破壊が進行し、他方のロータの破壊に進行するまでに時
間が掛かり、破壊トルクのピーク値が下がるから、破壊
時の破壊トルクが、従来のロータ全体が瞬時に破壊する
場合の破壊トルクよりも遥かに小さくなり、破壊トルク
による２次破壊は、ロータ全体、ステータ翼、ネジステ
ータとその周辺、最悪でも、真空ポンプ単体に留まり、
真空ポンプを取り付けているボルトや、ポンプの上に取
り付けられている真空チャンバー等の機器の破損は回避
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係る真空ポンプの一実施形態を示す
縦断面図。

【図２】図１の部分縦断面図。

【図３】真空ポンプ破壊時の破壊トルク波形を示す説明
図。

【図４】この発明に係る真空ポンプの他の実施形態を示
す部分縦断面図。

【図５】従来の真空ポンプの例を示す縦断面図。

【符号の説明】

Ａ ターボ分子ポンプ機構部 Ｂ ネジ溝ポンプ機構部 １ ロータ翼 ２ ロータ ２ａ スカート部 ２ｂ 回転円筒面 ３ ロータ軸 ３ａ 鍔部 ３ｂ 小径部 ４ ポンプケース ５ ステータコラム ６ 軸受 ７ 駆動モータ ８ ガス吸気口 ９ ガス排気口 １０ ステータ翼 １１ ネジステータ １２ ネジ溝 １３ ベース １４ ポンプフランジボルト １５ ボルト １６ 下部ロータ嵌合穴 １７ 上部ロータ嵌合穴 ２１ 上部ロータ ２１ｃ ネジ止め部 ２１ｄ 上部ロータ嵌合穴 ２２ 下部ロータ ２２ａ スカート部 ２２ｂ 回転円筒面 ２２ｃ ネジ止め部 ２２ｄ 下部ロータ嵌合穴 ３１ｂ 第１の小径部 ３２ｂ 第２の小径部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 坂口 祐幸 千葉県習志野市屋敷４丁目３番１号 セイ コー精機株式会社内 (72)発明者 杉山 雅美 千葉県習志野市屋敷４丁目３番１号 セイ コー精機株式会社内 Ｆターム(参考） 3H031 DA01 DA02 DA07 EA09 FA01 FA39

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ターボ分子ポンプ機構部とネジ溝ポンプ
   機構部とを有し、上記ターボ分子ポンプ機構部のブレー
   ド状のロータ翼とネジ溝ポンプ機構部の回転円筒面とを
   備えたロータが、ロータ軸に保持されて高速回転するこ
   とにより、ターボ分子ポンプ機構部がガス吸気口の高真
   空中のガス分子をネジ溝ポンプ機構部へ送り込み、この
   ネジ溝ポンプ機構部が上記ガス分子をネジ溝に沿ってガ
   ス排出口に送り出すようにした真空ポンプにおいて、 上記ロータが、 上記ロータ翼が形成された軽合金製の上部ロータと、 上記回転円筒面を有するスカート部を備えた軽合金製の
   下部ロータとからなり、 上記上部ロータと下部ロータが、上記ロータ軸の鍔部に
   ロータ軸軸線方向にネジ止めされたことを特徴とする真
   空ポンプ。
2. 【請求項２】 上記上部ロータと下部ロータとに、上記
   ロータ軸の鍔部から突出する小径部に嵌合する嵌合穴が
   それぞれ設けられ、上記小径部と嵌合穴との嵌合により
   上部ロータと下部ロータとの径方向位置決めがなされる
   ことを特徴とする請求項１記載の真空ポンプ。
3. 【請求項３】 上記上部ロータのロータ軸鍔部へのネジ
   止め部と下部ロータのロータ軸鍔部へのネジ止め部が重
   ね合わされ、共通のネジによりロータ軸の鍔部にネジ止
   め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。