JP2003161289A - 分子吸引ポンプにおける磁気ベアリングに対するランディングベアリングへのジルコニアボールの使用 - Google Patents

分子吸引ポンプにおける磁気ベアリングに対するランディングベアリングへのジルコニアボールの使用

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ライナー・マテス
Andre Bouille
アンドレ・ブイユ
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ランディングベアリングの加速抵抗を可能な
限り低減し、同時に、半導体製造で使用されるプロセス
気体およびプラズマによる化学的侵食に対する十分な耐
久性を提供する働きをする特定の構造を提供する。 【解決手段】 真空ポンプ用のランディングベアリング
は、ロータボールレース１２および同軸のステータボー
ルレース１３を備え、その間に、ロータボールレース１
２およびステータボールレース１３のそれぞれの転がり
軌道上に続けて収納され回転する回転要素１４ａ、１４
ｂ、１４ｃ、１４ｄが置かれる。回転要素は、連続する
二酸化ジルコニウム製の外表面を有する回転要素を含
む。これにより、ランディングベアリングの加速抵抗を
減少させ、さらに同時にプロセス気体およびプラズマに
よる化学的侵食に対して優れた抵抗性を提供する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、真空ポンプのロー
タの懸架装置に関し、詳細には、分子吸引ポンプ中のロ
ータの懸架装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】真空ポンプでは、ステータ内で回転する
ロータは、磁気ベアリングによって保持されており、通
常の運転では磁気ベアリングは、ステータ内側の径方向
の中心位置にあるロータを、ロータとステータを機械的
に接触させずに規定の中心保持精度で維持する。磁気ベ
アリングは、ステータ中のロータの径方向位置をサーボ
制御するために、適切な回路によって電力を供給される
電磁石を備える。
【０００３】ロータがステータ内側で径方向に保持され
る有効性は、電磁石によって与えられる力によって決ま
り、それには電磁石に十分な電気エネルギーによる電力
を与える必要がある。
【０００４】例えば、ロータに急激に大きな応力がかか
ると、あるいは電磁石への電力供給が妨げられると、磁
気ベアリングが正常に動作できないという故障が起こる
ことがある。そのような状況では、磁気ベアリングはも
はやロータを中心に置く働きをせず、ロータが、機械的
に接触せずに保持される状態から、機械的に接触して保
持される状態に変わる「ランディング（ｌａｎｄｉｎ
ｇ）」段階に入る。このようなランディング中には、ロ
ータが、ステータに接触しがちである。現在の分子吸引
ポンプでは、ロータが非常に高速で、例えば１分間に３
０，０００回転（ｒｐｍ）より高速で回転するので、そ
のような接触によって真空ポンプが壊れることがある。
【０００５】この問題を解決するために、真空ポンプに
は、既に転がりベアリングをベースとするランディング
用の二次的な機械ベアリングが取り付けられている。二
次的な機械ベアリングは、磁気ベアリングが正常に動作
しない場合に、ロータの径方向の移動を磁気ベアリング
のエアギャップより小さい値に制限することによって、
ロータがステータ内で径方向にずれるのを制限し、確実
にロータがほぼ中心にくるようにする。このような真空
ポンプの例が、ＧＢ ２ ３４８ ６８０ Ａに開示さ
れている。ランディング用のベアリングの回転要素を構
成する材料については、開示されていない。
【０００６】ランディング用の二次的な機械ベアリング
は、真空ポンプの内部に置かれる。したがって、半導体
製造プロセスで使用するときには、二次的な機械ベアリ
ングは、真空ポンプを通過する腐食性の気体またはプラ
ズマにさらされる可能性がある。このような腐食性の気
体またはプラズマは、短期間または長期間で、ランディ
ング用の二次的な機械ベアリングの劣化を引き起こす傾
向にあり、その場合、二次的な機械ベアリングは、もは
やランディング発生時にロータをほぼ中心に保つ働きを
果たせない。
【０００７】したがって、ランディング用の二次的な機
械ベアリングが、プロセス気体またはプラズマからの化
学的侵食に耐える能力を高める必要がある。この目的で
は、ランディング用の二次的な機械ベアリングは、その
ベアリングが、やはりステンレス鋼製のボールに関連す
るステンレス鋼ボールレースを備えるときに、首尾よく
使用されてきた。
【０００８】しかし、そのようなステンレス鋼機械ベア
リングが、顕著に劣化せずに機能できるランディング回
数は依然として少なく、その結果、真空ポンプの信頼性
が低下し、メンテナンス作業の頻度が増加することがわ
かっている。ステンレス鋼ボールをベースとするランデ
ィング用機械ベアリングの信頼性の欠如は、ランディン
グベアリングの加速に対する抵抗に起因することがわか
った。
【０００９】ランディング用機械ベアリングが、ステー
タに据え付けられた磁気ベアリングの通常の運転では、
ランディングベアリングのボールは、静止してステータ
に固定されており、磁気ベアリングの動作が妨げられる
と、ロータは、ランディング用機械ベアリングの依然と
して静止した内側ボールレースに接触し、ベアリングの
内側ボールレース、および内側ボールレースと外側ボー
ルレースの間に置かれた回転要素を回転させる。ランデ
ィングベアリングが加速抵抗を示すので、内側ボールレ
ースの回転速度は、徐々にしか増加せず、ロータとラン
ディグ用機械ベアリングの内側ボールレースとの間に滑
りが生じる。それが必然的に、ロータとランディング用
機械ベアリングの内側ボールレースとのそれぞれの接触
表面上で磨耗を引き起こし、その結果、次第にクリアラ
ンスが増加し、装置の有効性が低減し、さらに様々な部
品間の摩擦が、削り（ｓｈａｖｉｎｇ）またはやすりが
け（ｆｉｌｉｎｇ）を引き起こし、それが機械ベアリン
グの回転要素を詰まらせる危険性を生じさせることがあ
る。
【００１０】磨耗現象、ならびに磨耗現象が引き起こす
結果は、ランディング用機械ベアリングの内側ボールレ
ースが、その回転の迅速な加速が妨げられる現象を受
け、ロータの回転速度に可能な限り速やかに達しないと
きに悪化する。
【００１１】この点で、ランディングベアリングによる
加速抵抗の第１の原因は、それ自体の慣性である。質量
がより小さい回転要素を使用することによって、ランデ
ィングベアリングの慣性を減少させようとの試みがなさ
れてきた。したがって、ステンレス鋼ボールなどの従来
の回転要素を、鋼より密度がはるかに小さいセラミック
材料製のボールに置き換える提案がされてきた。
【００１２】回転要素は、大きな機械応力を生じる、非
常に高速の回転に耐えられなければならないので、ベア
リングボール用のボール製造業者は、セラミックとして
窒化ケイ素の使用を推奨した。このセラミックの利点は
密度が小さいことであり、したがって確実に慣性が非常
に小さくなる。また、そのセラミックの膨張係数は非常
に小さく、そのことが通常の温度条件下における、ラン
ディング用の二次的な機械ベアリングの正しい動作を保
証するので有利である。そのセラミックはまた、熱伝導
率が比較的高く、したがってランディング用の二次的な
補助機械ベアリングの冷却がより容易になる。
【００１３】残念なことに、セラミック、特に窒化ケイ
素は、半導体製造用の機械による新規プロセスで使用さ
れる気体およびプラズマによってすぐに劣化する。この
ような機械では、高密度プラズマをＮＦ３などの気体と
組み合わせて使用し、その気体が、原子状態（Ｆ＋）で
窒化ケイ素Ｓｉ３Ｎ４セラミックをエッチングする。窒
化ケイ素ボールを使用するこのようなランディング用の
二次的な補助機械ベアリングは、ボールが腐食を受ける
ので、使用して６カ月以内に交換する必要があることが
わかった。
【００１４】
【特許文献１】英国特許出願公開第２３４８６８０号明
細書
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、より
多くの回数のランディングを可能にし、かつ侵襲的な
（ａｇｇｒｅｓｓｉｖｅ）プラズマまたは気体が存在す
る使用条件下で、より長い時間故障せずに運転を可能に
するために、より寿命が長い、高速真空ポンプにおける
ランディング用の二次的な機械転がりベアリングに関す
る新規構造を考案することである。
【００１６】この目的で、本発明は、ランディングベア
リングの加速抵抗を可能な限り低減し、同時に、半導体
製造で使用されるプロセス気体およびプラズマによる化
学的侵食に対する十分な耐久性を提供する働きをする特
定の構造を提供する。
【００１７】
【課題を解決するための手段】前述の目的および他の目
的を達成するために、本発明は、ステータ内に回転可能
に据え付けられたロータを備える真空ポンプの構造であ
って、ステータが、通常運転時に、ロータをステータ内
部で径方向の中心位置に保持する少なくとも１つの径方
向磁気ベアリングと、径方向磁気ベアリングが正常に機
能しないときに、確実にロータをほぼ中心に保つことに
よってステータ内部でのロータの径方向の移動を制限す
る、ランディング転がりベアリングを有する少なくとも
１つのランディング用機械ベアリングとを備え、ポンプ
が、ロータまたはステータのボールレースの１つと、ロ
ータまたはステータの対応するベアリング表面との間
に、径方向クリアランスを備え、ランディングベアリン
グが、転がりハウジングをその間に画定する、ロータボ
ールレースおよび同軸ステータボールレースと、転がり
ハウジング内に続けて収納され、それぞれロータおよび
ステータボールレースの転がり軌道上を回転する回転要
素とを備え、本発明によれば、少なくともいくつかの回
転要素が、十分な機械強度および化学的侵食に対する保
護の両方を与える、二酸化ジルコニウム製の外表面を有
する、真空ポンプの構造を提供する。
【００１８】ジルコニア、すなわち二酸化ジルコニウム
は、一般に、回転速度が非常に遅いベアリングに使用さ
れる。回転速度が速く、大きな機械応力を引き起こすと
きには、ベアリングボールの製造業者は、決して二酸化
ジルコニウムの使用を推奨しない。二酸化ジルコニウム
の特徴には、高速のベアリングに適用するには好ましく
ないものもあり、したがって、先験的に分子吸引ポンプ
用のランディングベアリングでの使用が推奨されないも
のである。その膨張係数がかなり高く、通常推奨される
窒化ケイ素の約３倍であり、密度が高く、したがって慣
性が増加し、また熱伝導率は、機械ベアリングを冷却す
るのに好ましいものではない。
【００１９】驚くべきことに、これらの好ましくないパ
ラメータにも関わらず、本発明者らは、二酸化ジルコニ
ウムを使用して、窒化ケイ素ボールを備えるベアリング
と同様の十分な機械的性能、ならびにフッ素原子などの
気体およびプラズマによる腐食に対する大きな抵抗性を
得ることに成功した。
【００２０】有利な実施形態では、二酸化ジルコニウム
の外表面を有する回転要素は、完全に二酸化ジルコニウ
ム製の中実構造である。
【００２１】簡略化した実施形態では、回転要素が球形
ボールである。
【００２２】第１の実施形態では、回転要素が全て、二
酸化ジルコニウムの外表面を有する。
【００２３】第２の実施形態では、回転要素は、交互に
連続する鋼の回転要素と二酸化ジルコニウムの回転要素
とを含む。
【００２４】鋼の回転要素は、ステンレス鋼製であるこ
とが好ましい。
【００２５】転がり軌道は、ステンレス鋼製にすること
ができる。
【００２６】ベアリングが通常の動作温度下にあるとき
は、回転要素は全て、ほぼ同じ直径を有する。通常の動
作温度とは、普通、約６０℃〜９０℃の範囲である。こ
の目的で、二酸化ジルコニウムと鋼の熱膨張係数の違い
を補正するために、周囲温度での二酸化ジルコニウムの
回転要素の径は、鋼の回転要素の径よりもわずかに大き
くされる。
【００２７】本発明による真空ポンプは、前述のランデ
ィング転がりベアリングを有する、少なくとも１つのラ
ンディング用機械ベアリングを備える。
【００２８】本発明の、他の目的、特徴、および利点に
ついては、添付の図面に関して述べる、以下の特定の実
施形態の説明から明らかとなろう。
【００２９】
【発明の実施の形態】図１の実施形態では、真空ポンプ
は、一般に、軸方向の吸気口２および径方向の排気口３
を有するステータ１を備える。ロータ４は、縦軸Ｉ−Ｉ
周りを軸方向に回転するようにステータ１の内側に据え
付けられている。ロータ４は、フィン５で表される吸気
系を担持し、ステータ１のベアリング内を回転するシャ
フト６を備える。図では、２つの径方向磁気ベアリング
７および８と、径方向に働くランディング転がりベアリ
ングを有する２つのランディング機械ベアリング９およ
び１０が見られる。軸方向磁気ベアリング１１も見え
る。
【００３０】通常の運転の際、すなわちポンプのシャフ
ト６に過剰な力がかかっておらず、磁気ベアリングが正
常に動作する場合には、これらのベアリングが、ロータ
４を軸方向位置の中心で正しく保持し、機械ランディン
グベアリング９および１０はシャフト６に接触しない。
【００３１】機械ランディングベアリング９には、ロー
タ４のシャフト６に近接してシャフト６の周りに置かれ
た、ロータボールレース１２と、ステータ１に接して置
かれた同軸ステータボールレース１３が見える。ロータ
ボールレース１２およびステータボールレース１３は、
それらの間に転がりハウジング１９を画定する。ボー
ル、ニードル、その他の知られているタイプの回転要素
などの回転要素１４を、ロータボールレース１２と同軸
ステータボールレース１３の間の転がりハウジング１９
中に置いて、２つのボールレース１２と１３の間で軸方
向に相対回転できる転がりベアリングを構成する。
【００３２】次に図２を参照すると、ロータ４のシャフ
ト６とステータ１の対応する部分との間の位置で、拡大
した機械ランディングベアリング９の半分がより詳細に
示されている。ロータボールレース１２と同軸ステータ
ボールレース１３との間の転がりハウジング１９中に、
回転要素１４が見える。回転要素１４は、それぞれロー
タボールレース１２およびステータボールレース１３の
転がり軌道２０および２１上を走行する。通常の動作時
に、ステータ１内のロータ４のシャフト６を、空の環状
エアギャップ１５を残して中心に置く働きをする径方向
磁気ベアリング７も見え、そのエアギャップが、ステー
タ１内側のシャフト６の径方向の移動に対する最大クリ
アランスを画定する。通常の条件下では、エアギャップ
１５の幅は、例えば約０．２ミリメートル（ｍｍ）〜
０．４ｍｍとすることができる。機械ランディングベア
リング９の目的は、ステータ１内側のロータ４のシャフ
ト６の径方向の移動を、エアギャップ１５よりもはるか
に小さい値に制限して、ランディングが起こったときの
磁気ベアリングの損傷を回避することである。
【００３３】ロータボールレース１２の内側環状面１６
と、ロータ４の対応する第１ベアリング表面１７との間
には径方向クリアランス１８があり、それはエアギャッ
プ１５よりはるかに小さいが、ロータ４が、径方向磁気
ベアリング７によって正常に中心で保持される精度より
ほんのわずかだけ大きい。ロータ４を正常に中心で保持
するこの精度は、一般に数ミクロン以内の非常に良い精
度である。
【００３４】同軸ステータボールレース１３は、軸方向
ショルダ２２と、ステータ１上にネジで固定され所定の
位置に保持された固定リング２３との間で、ステータ１
のエンドハウジングに係合し、エンドハウジングによっ
て強く制動され、またはエンドハウジング中での回転を
妨げられており、１つのネジの頭部２４が図中に見え
る。
【００３５】図３および図４に示す実施形態では、ラン
ディングベアリングが、球形ボールの形で回転要素を有
する。
【００３６】第１の可能な形態によれば、回転要素は全
て、二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）製の外表面を有す
る。
【００３７】第２の可能な形態によれば、回転要素は、
交互に連続する鋼製の外表面を有する回転要素と、二酸
化ジルコニウム製の外表面を有する回転要素とを含む。
したがって、回転要素１４ａおよび１４ｃは、鋼製の外
表面を有し、回転要素１４ｂおよび１４ｄは、二酸化ジ
ルコニウム製の外表面を有する。
【００３８】鋼製の回転要素１４ａおよび１４ｃについ
ては、ステンレス鋼を使用するのが有利である。
【００３９】ランディングの際には、回転要素１４ａ〜
１４ｄが回転を始め、要素１４ａと１４ｂなど隣接する
回転要素が、その周辺表面の一部分を介して互いに接触
し、その結果摩擦を引き起こすようになる。二酸化ジル
コニウムは滑りを促進し、したがってランディングベア
リングの迅速な加速を妨げる摩擦力を減少させる。
【００４０】転がり軌道２０および２１（図２）は、ス
テンレス鋼製にすることができる。
【００４１】ある種の適用例では、複数の回転要素１４
ａ、１４ｃを鋼製のものにすることが好ましいことがあ
る。これは、熱伝導が良いので、ロータを冷却するため
の十分な能力を維持するためである。この目的では、通
常の動作の温度条件下で、鋼の回転要素１４ａ、１４ｃ
を、転がり軌道２０および２１に確実に接触させたまま
にする。
【００４２】言い換えれば、このような通常の動作の温
度条件下では、二酸化ジルコニウムの回転要素１４ｂ、
１４ｄの径が、鋼の回転要素１４ａ、１４ｃの径より大
きくないことが好ましい。
【００４３】ランディングの際には、以下のように動作
が行われる。ロータボールレース１２は、初めはその縦
軸Ｉ−Ｉ周りを高速で回転するシャフト６には接触して
いない。ベアリング７などの径方向磁気ベアリングが動
作を始めると、ロータ４は、ロータボールレース１２に
接触するまで、第１の径方向クリアランス１８を径方向
に横切って移動することができる。初めは静止していた
ロータボールレース１２が回転に引き込まれ、次に回転
要素１４を回転に導く。同軸ステータボールレース１３
は、ステータ１内では回転が妨げられるか、または少な
くともそれによって制動される。
【００４４】ランディングベアリング内の慣性および摩
擦のため、ロータボールレース１２は、ロータ４を即座
に高速回転させない。その結果、ロータ４のベアリング
表面１７と、ロータボールレース１２の対応する内側環
状面１６との間に摩擦が生じる。隣接する回転要素１４
の間に存在する摩擦が低下し、かつ回転要素１４の慣性
が低いので、ロータボールレース１２は、急速に加速す
ることができ、その結果、ロータ４のベアリング表面１
７と、ロータボールレース１２の内側環状面１６との間
に摩擦が生じる時間が短くなる。同時に、二酸化ジルコ
ニウムの回転要素１４は、プロセス気体およびプラズマ
による化学的侵食に対して優れた抵抗性を示す。
【００４５】本発明は、前述し明記した実施形態のみに
限定されるものでなく、当業者が考えつくどのような変
形形態および一般化した形態も含むものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】ロータが、磁気ベアリングおよびランディング
用の関連する機械ベアリングによって保持される真空ポ
ンプを示す、全体的縦断面図である。
【図２】本発明の実施形態によるランディング用の転が
り機械ベアリングの半分を示す、図１のゾーンＡの拡大
詳細断面図である。
【図３】本発明の実施形態によるランディングベアリン
グを示す正面拡大図である。
【図４】図３のランディングベアリングを示す部分切断
斜視図である。
【符号の説明】
１ ステータ ２ 吸気口 ３ 排気口 ４ ロータ ５ フィン ６ シャフト ７、８ 径方向磁気ベアリング ９、１０ ランディング機械ベアリング（機械ランディ
ングベアリング） １１ 軸方向磁気ベアリング １２ ロータボールレース １３ ステータボールレース １４ 回転要素 １５ エアギャップ １６ 内側環状面 １７ 第１ベアリング表面 １８ 径方向クリアランス １９ 転がりハウジング ２０、２１ 転がり軌道 ２２ 軸方向ショルダ ２３ 固定リング ２４ ネジ頭部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ１６Ｃ 33/32 Ｆ１６Ｃ 33/32 (72)発明者 アンドレ・ブイユ フランス国、エフ−74000・アヌシー、リ ユ・エメ・ルベ・12 Ｆターム(参考） 3H022 AA01 BA06 CA12 CA51 CA55 DA14 3H031 DA02 FA11 FA13 3J101 AA02 AA34 AA42 AA54 AA62 BA01 BA10 BA70 EA06 EA42 EA51 FA08 FA31 FA41 GA29

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ステータ（１）内に回転可能に据え付け
    られたロータ（４）を備える真空ポンプであって、前記
    ステータ（１）が、通常運転時に、ロータ（４）をステ
    ータ（１）の内側の径方向の中心位置で保持する少なく
    とも１つの径方向磁気ベアリング（７）と、前記径方向
    磁気ベアリング（７）が正常に動作しない場合に、ロー
    タ（４）を確実にほぼ中央に維持することによって、ス
    テータ（１）の内側のロータ（４）の径方向の移動を制
    限するランディングボールベアリングを有する少なくと
    も１つのランディング機械ベアリング（９）とを備え、
    前記ポンプが、ロータボールレース（１２）またはステ
    ータボールレース（１３）のいずれかと、ロータ（４）
    またはステータ（１）の対応するベアリング表面（１
    ７）との間に径方向クリアランス（１８）を有し、前記
    ランディングボールベアリングが、 転がりハウジング（１９）を間に画定する、ロータボー
    ルレース（１２）および同軸ステータボールレース（１
    ３）と、 転がりハウジング（１９）内に続けて収納され、それぞ
    れロータボールレース（１２）およびステータボールレ
    ース（１３）の転がり軌道（２０、２１）上を回転する
    回転要素（１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ）とを備
    え、 少なくともいくつかの前記回転要素が、十分な機械強度
    と化学的侵食に対する保護とをもたらす二酸化ジルコニ
    ウム製の外表面を有することを特徴とする真空ポンプ。
  2. 【請求項２】 二酸化ジルコニウムの外表面を有する前
    記回転要素が、完全に二酸化ジルコニウム製の中実構造
    であることを特徴とする、請求項１に記載の真空ポン
    プ。
  3. 【請求項３】 前記回転要素（１４、１４ａ、１４ｂ、
    １４ｃ、１４ｄ）が、球形のボールであることを特徴と
    する、請求項１に記載の真空ポンプ。
  4. 【請求項４】 前記回転要素（１４〜１４ｄ）が全て、
    二酸化ジルコニウムの外表面を有することを特徴とす
    る、請求項１に記載の真空ポンプ。
  5. 【請求項５】 前記回転要素が、交互に連続する鋼の回
    転要素（１４ａ、１４ｃ）と二酸化ジルコニウムの回転
    要素（１４ｂ、１４ｄ）とを含むことを特徴とする、請
    求項１に記載の真空ポンプ。
  6. 【請求項６】 前記鋼の回転要素（１４ａ、１４ｃ）
    が、ステンレス鋼製であることを特徴とする、請求項５
    に記載の真空ポンプ。
  7. 【請求項７】 前記二酸化ジルコニウムの回転要素（１
    ４ｂ、１４ｄ）の径が、通常運転の温度条件下で、前記
    鋼の回転要素（１４ａ、１４ｃ）の径とほぼ等しいこと
    を特徴とする、請求項５に記載の真空ポンプ。
  8. 【請求項８】 前記転がり軌道（２０、２１）が、ステ
    ンレス鋼製であることを特徴とする、請求項１に記載の
    真空ポンプ。
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