JP2005291135A - 多段容積式真空ポンプ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 相対向するロータ同士の間及びロータとケーシング内面との間のクリアランスを最小かつ最適に設定することができるとともに軽量なポンプロータを備えた多段容積式真空ポンプを提供する。
【解決手段】 回転軸３の軸方向に間隔を置いて配置された多段のロータ４を備えたポンプロータ２を対向して配置し、この対をなすポンプロータ２を同期回転させて排気を行なう多段容積式真空ポンプにおいて、多段のロータ４を備え対をなすポンプロータ２と、ポンプロータ２を収容するケーシング１とを一体に成形した。
【選択図】図１

Description

本発明は多段容積式真空ポンプ及びその製造方法に係り、特に半導体製造工程等に好適に使用される多段容積式真空ポンプ及びその製造方法に関する。

従来から、二葉又は三葉のローブからなるロータを有する一対のポンプロータが同期しながら反対方向に回転して吸入排気を行うルーツ型真空ポンプと呼ばれる真空ポンプが知られている。一対のポンプロータは、相対向するロータ同士及びロータとケーシング内面との間にわずかなクリアランスを保って、非接触で逆方向に回転する。この種の真空ポンプはロータを多段に配置することにより、吸込側では所定の真空度（例えば、約０．１３３Ｐａ）、排気側では大気圧まで排気できるように設計されている。

図５は従来のこの種の多段容積式真空ポンプを示す断面図であり、図６は図５のVI−VI線断面図である。図５及び図６において、符号１０１はケーシングであり、このケーシング１０１内に一対のポンプロータ１０２，１０２が配設されている。ケーシング１０１は、上下二つ割り構造からなり、上部ケーシング１０１Ａと下部ケーシング１０１Ｂとから構成されている。ポンプロータ１０２は、回転軸１０３と、この回転軸１０３の軸方向に間隔を置いて配置された多段のロータ１０４とを備えている。

ポンプロータ１０２は、その一端において軸受１０５によって回転支承されるとともに、その他端において軸受１０６によって回転支承されており、一方のポンプロータ１０２はモータ１０７に接続されている。そして、一方のポンプロータ１０２から他方のポンプロータ１０２へは、回転軸１０３の軸端に固定された歯車１０８（図５においては、一方の歯車のみ示す）によって動力が伝達され、一対のポンプロータ１０２，１０２は互いに逆方向に同期して回転し、吸入排気が行われるようになっている。なお、モータ１０７が二軸ブラシレスモータからなる場合には、一対のポンプロータ１０２，１０２は、それぞれ一対のモータロータに直結され、電磁気力により同期反転する一対のモータロータにより直接に駆動される。

前記軸受１０５は軸受ケース１１０内に収容され、軸受１０６及び歯車１０８は軸受ケース１１１内に収容されている。そして各軸受１０５，１０６及び歯車１０８は軸受ケース１１０，１１１内の潤滑油によって油潤滑がされるようになっている。
上述したルーツ型真空ポンプにおいては、一対のポンプロータ１０２，１０２は、相対向するロータ１０４，１０４同士の間及びロータ１０４とケーシング１０１の内面との間にわずかなクリアランスを保って非接触で回転するように設定されている。

上述した従来のルーツ型真空ポンプにおいては、一対のポンプロータを機械加工等によりそれぞれ個別に製作し、また上下分割型のケーシングを上部ケーシングと下部ケーシングとで個別に製作している。すなわち、ポンプロータやケーシング等の各構成部品を個別に製作した後に組み付けることが行われているため、各構成部品には加工公差があり、組み付け時にその公差が積み重なってしまうとともに組立精度の問題もあり、必然的に、相対向するロータ同士及びロータとケーシング内面との間のクリアランスが大きくなってしまうという問題点がある。
また、従来のポンプロータは、金属製の故に熱膨張係数が大きく、この点からもロータ同士のクリアランスを小さくすることができないという問題点がある。
このように、相対向するロータ同士及びロータとケーシング内面との間のクリアランスが大きいと、このクリアランスを通ってガスの逆流が多く発生し、真空ポンプの性能が低下するため、クリアランスは最小かつ最適である必要がある。

また、従来のポンプロータは、一般に、金属を用いた中実体で構成されている。すなわち、ロータと回転軸とを鋳造で中実一体型に構成したものや、回転軸を鋳ぐるみした中実体のロータ、または回転軸にキー材を介して中実体のロータを固着したもの等が知られている。しかしながら、このような金属製の中実体のロータは重量が大きくなって、加工、組立等の作業性が悪く、慣性モーメントも大きくなって駆動時や停止時に大きなトルクを必要とするという問題点がある。

本発明は、上述した点に鑑みてなされたもので、相対向するロータ同士の間及びロータとケーシング内面との間のクリアランスを最小かつ最適に設定することができるとともに軽量なポンプロータを備えた多段容積式真空ポンプを提供することを目的とする。
また本発明は、上記多段容積式真空ポンプの製造方法を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、本発明の多段容積式真空ポンプの一態様は、回転軸の軸方向に間隔を置いて配置された多段のロータを備えたポンプロータを対向して配置し、この対をなすポンプロータを同期回転させて排気を行なう多段容積式真空ポンプにおいて、前記多段のロータを備え対をなすポンプロータと、該ポンプロータを収容するケーシングとを一体に成形したことを特徴とするものである。

また、本発明の多段容積式真空ポンプの他の態様は、回転軸の軸方向に間隔を置いて配置された多段のロータを備えたポンプロータを対向して配置し、この対をなすポンプロータを同期回転させて排気を行なう多段容積式真空ポンプにおいて、前記多段のロータを備え対をなすポンプロータを収容するケーシングは、分割構造でない一体のケーシングからなることを特徴とするものである。

本発明の好ましい態様では、前記ポンプロータおよび前記ケーシングはセラミックからなることを特徴とする。
本発明の好ましい態様では、前記ロータは、ローブの輪郭に沿った形状のロータ殻と、該ロータ殻の両端開口部を閉塞するように回転軸から延びる側板部とからなり、該ロータ殻と側板部によって気密に区画された中空部が形成されていることを特徴とする。

本発明の好ましい態様では、前記ポンプロータおよび前記ケーシングは、光造形法により成形されていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様では、前記ポンプロータの回転軸の端部に設けられる歯車をポンプロータと一体に成形したことを特徴とする。
本発明の好ましい態様では、前記歯車は、光造形法により成形されていることを特徴とする。

また、本発明の多段容積式真空ポンプの製造方法は、回転軸の軸方向に間隔を置いて配置された多段のロータを備えたポンプロータを対向して配置し、この対をなすポンプロータを同期回転させて排気を行なう多段容積式真空ポンプの製造方法において、前記多段のロータを備え対をなすポンプロータと、該ポンプロータを収容するケーシングとを光造形法により一体に成形したことを特徴とする。

また、回転軸の軸方向に間隔を置いて配置された多段のロータを備えたポンプロータを対向して配置し、この対をなすポンプロータを同期回転させて排気を行なう多段容積式真空ポンプの製造方法において、前記多段のロータを備え対をなすポンプロータと、該ポンプロータを収容するケーシングとを、粒子径が０．１〜３０μｍであるセラミックス粒子と光硬化性樹脂とを混合してなるセラミックスラリーに、光を照射して硬化させセラミック成形体を得、該セラミック成形体を焼成することによってセラミック焼結体を得る光造形法により製造することを特徴とする。

本発明によれば、以下に列挙する効果を奏する。
（１）一対のポンプロータおよびケーシングを一体で成形することにより、加工公差および組立精度の影響を受けずに、相対向するロータ同士及びロータとケーシング内面との間のクリアランスを最小かつ最適に設定することができる。したがって、ポンプの排気性能の向上を図ることができるとともに、組立工数の削減を図ることができ、製作コストを低減することができる。
（２）ポンプロータを収容するケーシングが分割構造でない一体のケーシングからなるため、加工公差および組立精度の影響を受けずに、相対向するロータ同士及びロータとケーシング内面との間のクリアランスを最小かつ最適に設定することができる。
（３）ケーシング及びポンプロータを熱膨張係数の小さいセラミックで構成することにより、この点からも相対向するロータ同士の間及びロータとケーシング内面との間のクリアランスを最小かつ最適に設定することができる。

（４）ポンプロータ及びケーシングを金属に比べ比強度が高いセラミックで構成することにより、軽量化を図ることができる。また、光造形法を利用することにより、ロータを中空構造とすることができるため、ポンプロータのさらなる軽量化を図ることができる。
（５）ケーシング及びポンプロータを一体で製作することにより、外部とのシール材（Ｏリング等）が必要でなくなるため、ポンプを高温下で運転することが可能となる。このため、半導体デバイスや液晶プロセスの製造で用いられている昇華性ガスの排気に対して有効な真空ポンプとすることができ、ポンプの長寿命化を図ることができる。

以下、本発明に係る多段容積式真空ポンプの実施形態について図１乃至図４を参照して説明する。
図１は本発明に係る多段容積式真空ポンプを示す断面図であり、図２は図１のII−II線断面図である。図１及び図２において、符号１はケーシングであり、このケーシング１内に一対のポンプロータ２，２が配設されている。ポンプロータ２は、回転軸３と、この回転軸３の軸方向に間隔を置いて配置された多段のロータ４とを備えている。前記多段のロータ４を備え対をなすポンプロータ２，２を収容するケーシング１は、分割構造でない一体のケーシングから構成されている。すなわち、ケーシング１は、少なくとも多段のロータ４を収容している部分は、半径方向にも軸方向にも分割されることなく一体に形成されている。

ポンプロータ２は、その一端において軸受５によって回転支承されるとともに、その他端において軸受６によって回転支承されており、一方のポンプロータ２はモータ７に接続されている。そして、一方のポンプロータ２から他方のポンプロータ２へは、回転軸３の軸端に設けられた歯車８（図１においては、一方の歯車のみ示す）によって動力が伝達され、一対のポンプロータ２，２は互いに逆方向に同期して回転し、吸入排気が行われるようになっている。なお、モータ７が二軸ブラシレスモータからなる場合には、一対のポンプロータ２，２は、一対のモータロータに直結され、電磁気力により同期反転する一対のモータロータにより直接に駆動される。この場合、一対のポンプロータ２，２の軸端にある歯車８は、動力伝達は行わないが、突発的な外部要因によるポンプロータ２，２の同期のずれを防ぐ機能を果たしている。

前記軸受５は軸受ケース１０内に収容され、軸受６及び歯車８は軸受ケース１１内に収容されている。そして各軸受５，６及び歯車８は軸受ケース１０，１１内の潤滑油によって油潤滑がされるようになっている。
上述したルーツ型真空ポンプにおいては、一対のポンプロータ２，２は、相対向するロータ同士４，４の間及びロータ４とケーシング１の内面との間にわずかなクリアランスを保って非接触で回転するように設定されている。

本発明においては、一対のポンプロータ２，２およびケーシング１は、アルミナ、ジルコニア等の酸化物、炭化珪素、炭化ホウ素等の炭化物、窒化珪素、窒化アルミニウム等の窒化物、またはこれらの混合物等のセラミックからなり、光造形法により一体に成形されている。また、ポンプロータ２の軸端にある歯車８も、アルミナ、ジルコニア等の酸化物、炭化珪素、炭化ホウ素等の炭化物、窒化珪素、窒化アルミニウム等の窒化物、またはこれらの混合物等のセラミックからなり、光造形法によりポンプロータ２と一体に成形されている。

図３は、図１及び図２に示す多段容積式真空ポンプにおいて、光造形法により一体に成形される真空ポンプの部分を示す断面図である。図３に示すように、一対のポンプロータ２，２、一対のポンプロータ２，２を収容するケーシング１、およびポンプロータ２，２の軸端に設けられた歯車８（図３においては、一方の歯車のみ示す）は、アルミナ、ジルコニア等の酸化物、炭化珪素、炭化ホウ素等の炭化物、窒化珪素、窒化アルミニウム等の窒化物、またはこれらの混合物等のセラミックを用いて、光造形法により一体に成形される。

図４（ａ）および図４（ｂ）はポンプロータにおけるロータを中空構造とした実施形態を示す図であり、図４（ａ）はポンプロータの要部を示す斜視図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）のIV−IV線断面図である。
本実施形態においては、図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、ポンプロータ２のロータ４を中空構造としている。すなわち、ロータ４は、三葉タイプのローブのプロファイルに沿って形成されたロータ殻４ａと、ロータ殻４ａの両端開口部を閉塞するように回転軸３から半径方向の三方向に延びる側板部４ｂ（図４（ａ）においては歯車側の側板部を示し、図４（ｂ）においてはモータ側の側板部を示す）とから構成されている。そして、ロータ殻４ａと両側板部４ｂとによって気密に区画された中空部４ｃが形成されている。ロータ殻４ａおよび側板部４ｂは、アルミナ、ジルコニア等の酸化物、炭化珪素、炭化ホウ素等の炭化物、窒化珪素、窒化アルミニウム等の窒化物、またはこれらの混合物等のセラミックを用いて、光造形法により、回転軸３とともに一体に成形される。図４に示す実施形態は、多段のロータが中空構造である点のみが図３に示す実施形態と異なっており、ケーシングとポンプロータが一体に成形される点では、両実施形態とも同様である。

なお、図３および図４に示す実施形態において、ポンプロータ２の回転軸３のみをステンレス鋼等の金属製で構成し、金属製の回転軸３を芯材とした鋳ぐるみのように、回転軸３の周りにセラミックを成形するようにしてもよい。この場合には、金属製の回転軸３とセラミック製のロータ４とが所定の機械的強度をもって結合されるように、回転軸３に予めスプライン加工を施すようにしてもよい。

次に、図３および図４に示す真空ポンプの主要部を構成するセラミック焼結体の光造形法による製造方法について説明する。
本発明は、プラスチックスの成形分野で用いられている光硬化性樹脂を用いた光造形法のセラミック焼結体製造への適用をはかったものである。
本発明のセラミック焼結体の製造方法は、セラミック粒子に光硬化性樹脂、光重合開始剤等を混合し、セラミックスラリー（以下スラリーと称す。）とした後に、光照射を行うことで硬化させるものである。光硬化は上記スラリー中のセラミック粒子の照射波長に対する透光性により影響を受ける。そのため、用いるセラミック粒子が使用する照射波長に対して実質的に透光性を示すものにするか、または透光性を示す照射波長を有する光源を使用することが好ましい。

本発明で用いるセラミック材料は、例えばアルミナ、コージェライト、ジルコニア、イットリア等の酸化物、炭化珪素、炭化ホウ素、炭化チタン等の炭化物、窒化珪素、窒化アルミニウム等の窒化物、またはこれらの混合物等の各種セラミックスを用いることができる。
上記セラミック粒子の粒径は、０．１〜３０μｍとすることが好ましく、スラリーとしての分散安定性が維持できることで、効率的に成形、硬化させることができるとともに、焼成時の焼結性も良好となる。なお、上記粒径が０．１μｍ未満では、スラリー化したときの粘性が高くなり、光を照射して硬化させるのに多くの時間を要し、一方、上記粒径が３０μｍを超えると、スラリーとしての分散安定性が損なわれるとともに、焼成時の焼結性も損なわれる。上記セラミック粒子の粒径は０．２〜３０μｍが好適であり、特に０．５〜１０μｍがより好適である。

また、上記セラミック粒子と混合する光硬化性樹脂としては、例えばウレタンアクリレート、エポキシアクリレート、ポリエステルアクリレート等を使用することができ、それぞれのモノマーやオリゴマーで構成する。光重合開始剤としては、例えばアセトフェノン系、パーオキシド系、オニウム塩系、ベンゾイン系、アミン類、キノン類等が使用できる。必要に応じて、スラリー中のセラミック粒子の分散安定性を高めたり、スラリーの低粘度化をはかったりする目的で界面活性剤等の分散剤を添加してもよい。

また、光硬化性樹脂の添加量としては、セラミック粉末１００重量％に対して１０〜３０重量％が好ましい。１０重量％未満ではスラリー化することが困難であり、逆に３０重量％を超えると粉体充填率が下がったり、焼成前に光硬化性樹脂を除去する脱脂工程においてクラックが発生したりする場合があるからである。
光重合開始剤は、光硬化性樹脂１００重量％に対して、１〜２０重量％であることが好ましい。混合については、回転ミル、振動ミル、万能混合攪拌機、三本ロール等の混合・分散装置等を用いればよい。

このようにして作製されたセラミックスラリーに、光照射を加えることで所望の形状を作り上げる。具体的には、光照射することで一層ずつ硬化層を作り、これを積層することにより３次元的な成形体を作ることができる。即ち、最初に光照射して硬化させた層の上に所定厚さになるようにセラミックスラリーを供給し、光照射し硬化させるという工程を繰り返し積層していく。

この方法を用いれば図４に示すように、ロータ４を構成するロータ殻４ａ及び側板部４ｂを硬化層で形成した後、ロータ４の内部のセラミックスラリーを排出することで、内部に中空部４ｃを有するロータ４の製造も可能となる。この場合、内部に溜まったセラミックスラリーを抜くための排出口４ｄを少なくとも一方の側板部４ｂに形成しておくことが必要である。照射する光は、使用する光硬化性樹脂の特性に応じて可視光や紫外光等の種々の光を使用することができる。照射方法としては、水銀ランプ等を光源として用い、所定形状のマスクを通して照射する方法、紫外線レーザ、半導体レーザ等を用いて所定形状にスキャンさせる方法が適用できる。この照射光の強度や照射時間、スキャン速度やスキャン間隔は、使用するセラミック粉末の種類や光硬化性樹脂の種類等により選択すればよい。

次いで、上記セラミック成形体に含まれる光硬化性樹脂を真空雰囲気中、窒素ガス雰囲気中、またはアルゴンガス等不活性ガス雰囲気中で必要に応じて脱脂することが好ましい。このような雰囲気で脱脂することにより、光硬化性樹脂が過度に発熱することはなく、クラックの発生を完全に防止することができる。脱脂は、真空雰囲気中、窒素ガス雰囲気中、不活性ガス雰囲気中のいずれかで、３００〜６００℃の範囲まで昇温し、昇温速度は１〜５０℃／時間の範囲で、光硬化性樹脂が急激な分解とならないように設定することが好ましく、セラミック成形体の肉厚や体積に応じて個々に設定し、例えば肉厚が厚いほど昇温速度はゆっくり上げる方が良く、雰囲気についても、窒素ガスと不活性ガスの混合ガス雰囲気であってもよい。

このようにして得られたセラミック成形体は通常のセラミックの焼成方法にて焼結させることができる。
また、本発明のセラミック焼結体は、上述の実施形態に限定されるものでなく、光硬化性樹脂と、セラミック粒子とを混合してなるセラミックスラリーに、光を照射して硬化させセラミック成形体とし、焼成する製造方法およびそれによって得られるセラミック焼結体であればよく、その要旨を逸脱しない範囲内であれば種々変更してもよいことは言うまでもない。

本発明に係る多段容積式真空ポンプを示す断面図である。 図１のII−II線断面図である。 図１及び図２に示す多段容積式真空ポンプにおいて、光造形法により一体に成形される真空ポンプの部分を示す断面図である。 図４（ａ）および図４（ｂ）はポンプロータにおけるロータを中空構造とした実施形態を示す図であり、図４（ａ）はポンプロータの要部を示す斜視図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）のIV−IV線断面図である。 従来の多段容積式真空ポンプを示す断面図である。 図５のVI−VI線断面図である。

符号の説明

１ ケーシング
２ ポンプロータ
３ 回転軸
４ ロータ
４ａ ロータ殻
４ｂ 側板部
４ｃ 中空部
４ｄ 排出口
５，６ 軸受
７ モータ
８ 歯車
１０，１１ 軸受ケース

Claims (9)

1. 回転軸の軸方向に間隔を置いて配置された多段のロータを備えたポンプロータを対向して配置し、この対をなすポンプロータを同期回転させて排気を行なう多段容積式真空ポンプにおいて、
   前記多段のロータを備え対をなすポンプロータと、該ポンプロータを収容するケーシングとを一体に成形したことを特徴とする多段容積式真空ポンプ。
2. 回転軸の軸方向に間隔を置いて配置された多段のロータを備えたポンプロータを対向して配置し、この対をなすポンプロータを同期回転させて排気を行なう多段容積式真空ポンプにおいて、
   前記多段のロータを備え対をなすポンプロータを収容するケーシングは、分割構造でない一体のケーシングからなることを特徴とする多段容積式真空ポンプ。
3. 前記ポンプロータおよび前記ケーシングはセラミックからなることを特徴とする請求項１又は２記載の多段容積式真空ポンプ。
4. 前記ロータは、ローブの輪郭に沿った形状のロータ殻と、該ロータ殻の両端開口部を閉塞するように回転軸から延びる側板部とからなり、該ロータ殻と側板部によって気密に区画された中空部が形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の多段容積式真空ポンプ。
5. 前記ポンプロータおよび前記ケーシングは、光造形法により成形されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の多段容積式真空ポンプ。
6. 前記ポンプロータの回転軸の端部に設けられる歯車をポンプロータと一体に成形したことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の多段容積式真空ポンプ。
7. 前記歯車は、光造形法により成形されていることを特徴とする請求項６記載の多段容積式真空ポンプ。
8. 回転軸の軸方向に間隔を置いて配置された多段のロータを備えたポンプロータを対向して配置し、この対をなすポンプロータを同期回転させて排気を行なう多段容積式真空ポンプの製造方法において、
   前記多段のロータを備え対をなすポンプロータと、該ポンプロータを収容するケーシングとを光造形法により一体に成形したことを特徴とする多段容積式真空ポンプの製造方法。
9. 前記光造形法において、粒子径が０．１〜３０μｍであるセラミックス粒子と光硬化性樹脂とを混合してなるセラミックスラリーを用いたことを特徴とする請求項８に記載の多段容積式真空ポンプの製造方法。

Images