JP2007514096A - 真空ポンプ装置 - Google Patents

Abstract

再生ポンプ機構は、一方の側に環状列に位置決めされた一連のブレードを有するロータと、ブレードが回転する環状チャンネルを有するステータと、を含む。ロータとステータの間の軸方向クリアランスを制御するために、アキシャル磁気軸受がロータとステータの間の相対的な軸方向移動を積極的に制御する。これは、ポンプ機構に、ラジアルシールとは全く異なって、ロータとステータの間の制御可能なアキシャルシールを提供することができる。

Description

本発明は、真空ポンプ装置(vacuum pumping arrangement)に関する。

図１および図２を参照すると、本出願人の先の欧州特許出願第0,805,275号は、再生ポンプ機構１および分子吸収(ホルウェック、Holweck)機構２を有する複合真空ポンプ(compound vacuum pump)を説明する。ポンプハウジング３内で軸受４，５の間には、シャフト６が取り付けられている。シャフト６は、長手方向軸線を中心に回転するようになっており、シャフト６を取り囲む電気モータ７によって駆動される。

再生ステージ１は、シャフト６に取り付けられたロータ９を含む。ロータ９は、円形ディスクの形態をなしており、ロータ９の下面は実質的に平坦な面を呈し、ロータに、その中心点の周りに対称的に位置する複数（６個）の隆起リング１０，１１，１２，１３，１４，１５がロータと一体に配置されている。隆起リングの各々には、一連の等間隔をなしたブレードＢ、例えば各リングに１００個のブレードが取り付けられて、ブレードの同心の環状列を形成する。各リングの幅、および各リングのブレードの対応する寸法は、最外リング１５から最内リング１０まで徐々に減少する。ブレードの各々は、凹面側がロータの移動方向に向いた、わずかにアーチ形である。

ハウジング３のボディ部分１６は、ステータを形成し、その上面に６個の円形チャンネルを含み、該チャンネルは「鍵穴」断面のものであり、且つ矩形断面上部に６個の隆起リング１０，１１，１２，１３，１４，１５をぴったりと収容する寸法のものであり、（図示するように）円形断面下部は、関連する隆起リングの対応するブレードを収容する。各チャンネルは、該チャンネルに収容される対応するブレードの小部分と実質的に同じ形状寸法の長さの小部分のための縮小断面積（図示せず）を有する。各チャンネルのこの縮小断面部分は、使用中、そのチャンネルを通過する気体を、ボディ部分１６のボア３２，３３を経てポンプから排気されるまで、次の（内側の）チャンネルへ向ける（図示せず）ことによって偏向させる「ストリッパ」を形成する。

この装置は、再生機構のロータとステータとの間のラジアルシールを考慮に入れる。この点で、ポンプの使用中のロータの熱膨張により、ラジアルシールは、隆起リング１０，１１，１２，１３，１４，１５の側面と、関連するチャンネルの矩形断面部分の対応する側面との間に、即ち１７，１８に、特に、図面で明らかにするのを助けるためにリング１０だけに関して示すように、最外側面１８との間に起こる。しかしながら、そのようなラジアルシールを行うのに要求される厳密な公差に照らして、遠心力の作用によりチャンネル１８の最外側面に蓄積することがあるダストや他のごみにより、もし蓄積するのを許されるならば、ポンプを動かなくする。

少なくとも好ましい実施形態で、本発明は、この問題および他の問題を解決することを目的とする。

一つの側面では、本発明は、一方の側に環状列に位置決めされ、ステータの環状チャンネルの中へ軸方向に延び、チャンネルの中で回転する一連のブレードを有するロータと、ロータとステータの間の軸方向クリアランスを制御するように、ロータとステータの間の相対的な軸方向移動を積極的に制御するための手段と、を含む、再生ポンプ機構を提供する。

ロータとステータとの間の軸方向クリアランスを制御することにより、制御可能なアキシャルシールをロータとステータの間に設けることができる。その結果、ラジアルシールを設ける必要がなくなり、それによって、ラジアルシールと関連した前述の問題を回避し、即ち、排気ガス中のダストやごみは、ラジアルシールの間に捕捉されないで、遠心力で移動することができる。

好ましい実施形態では、相対的な軸方向移動を積極的に制御するための手段は、ステータに対するロータの軸方向移動を制御するためのアキシャル磁気軸受からなる。

好ましくは、アキシャル磁気軸受は、ロータをステータに向かって引くように配置された電磁石を含み、それによって、典型的には１０μｍよりも小さい精度まで、ロータとステータの間の軸方向クリアランスの正確な制御を達成する。ポンプの長さを最小にするために、電磁石は、ステータに具合良く取り付けられるのが良い。

好ましくは、電磁石は、ロータをステータから引き離すように配置された第二の電磁石によって補われ、それによって、軸方向クリアランスの制御を改善する。アキシャル磁気軸受は、好ましくは、磁気軸受ロータを含み、この磁気軸受ロータおよび再生機構のロータは、共通のシャフトに配置され、磁気軸受ロータは、これらの電磁石の間に配置される。電磁石によって発生される磁場の強さ、かくしてステータに対するロータの軸方向位置を制御する制御装置が配置されるのが良い。

他の変形例の実施形態では、軸方向移動を積極的に制御するための手段は、例えば駆動シャフトを支持するころがり軸受を移動させることによって、例えば、ロータの軸方向位置を制御するように動作可能なリニアアクチュエータのようなアクチュエータからなる。ロータとステータの相対移動の全体的な範囲は、５０μｍより小さいので、アクチュエータは都合の良いことに、磁気歪材料からなるのが良く、アクチュエータに付与される磁場の強さを制御するように配置された制御装置が設けられ、それによって、アクチュエータの長さ、かくしてステータに対するロータの軸方向位置を正確に制御する。ステータに対するロータの軸方向位置を正確に移動させるための、どんな他の都合の良い機構をも設けても良い。例えば、ステータに対してロータを移動させるために制御手段によって供給される電圧に応答して変形する圧電アクチュエータを設けても良い。変形例として、金属リング、チューブ、またはその他の要素を設けて、該要素の熱膨張により、ロータをステータに対して移動させるように前記要素をコントローラによって選択的に加熱する。ステータに対するロータの要求される移動の範囲に最も適当な機構を選択することができる。

好ましい構成では、機構は、ステータに対するロータの軸方向位置を検出するための手段と、検出された位置に応答して相対的な軸方向移動を積極的に制御するための手段を制御するための手段と、を含む。ロータとステータの間のクリアランスの寸法、または変化率を検出するためのセンサを設けても良い。センサは、ホール効果センサによって提供されると都合が良い。ロータとステータの間に所定の軸方向クリアランスがある場合には、ロータの位置を決定することによってセンサを較正することができる。これは、使用前、または熱の影響を考慮に入れるためにポンプが暖機されてから、（ロータが回転していない状態で）接触が起こるまでロータを軸方向に移動させることによって達成できる。変形例として、これらの熱の影響を、コントローラに加えることができるので、センサからの信号出力から軸方向クリアランスの寸法を決定するときに、熱の影響は考慮される。

ロータとステータの間の相対的な移動量を制限するバックアップ軸受を設けるのが良い。

ロータとステータの間が接触した場合に損傷を最小にするために、ロータとステータの少なくとも一方を、耐摩耗材料または自己潤滑材料で形成し、または該材料で被膜する。

好ましい実施形態では、ロータは、その側面の同心環状列に位置決めされた少なくとも二連のブレードを有し、ステータは、列のブレードが回転できる、対応する数のチャンネルを有し、流体が通過できる連続通路を形成するためにチャンネルをつなぐ手段が設けられている。

ラジアルシールを不要にすることができるので、機構を駆動するための駆動シャフトは、その各端部が、磁気軸受のような、無潤滑剤軸受によって支持されるのが良い。駆動シャフトに完全な磁石支持を行うことは、ラジアルシールが０．１ｍｍよりも小さい半径方向運転クリアランスの要求に照らして、以前では困難であった。典型的なバックアップ軸受のクリアランスは、０．１５ｍｍよりも大きい。

本発明は、また、前述の再生ポンプ機構を含むポンプ装置を提供する。装置は、ロータとステータの間の軸方向クリアランスを制御するための手段を含み、したがって、ポンプ装置に連結された室の中の圧力を制御するのが良い。例えば、軸方向クリアランスは、増加しても良く、ポンプ機構のステージの一つまたはそれ以上が、排気された流体を、前のステージに戻す。室の荒引き中、軸方向クリアランスの制御は、再生機構の制限された排出ステージを通過する流体のより大きな流速を許すことができ、これにより、ポンプ速度が向上する。

かくして、本発明の他の側面では、室の中の圧力を制御するためのポンプ装置を提供し、該装置は、一方の側の環状列に位置決めされた一連のブレードを有するロータと、ブレードが回転する環状チャンネルを有するステータとを備えた再生ポンプ機構と、ロータとステータの間の軸方向クリアランスを制御し、したがって室の中の圧力を制御するために、ポンプの使用中、ロータの軸方向移動を行わせるための手段と、を含む。

本発明の好ましい特徴を、添付図面を参照して、例としてのみ、今説明する。

図３を参照すると、真空ポンプ装置１００は、ターボ分子ポンプ機構および分子吸収ポンプ機構のいずれか一つあるいは両方を含む分子ポンプ機構１０２と、再生ポンプ機構１０４と、を含む。ポンプ装置の入口１０５は、クリーンな環境が要求される半導体処理室と流体連結している。使用中、分子流れ状態の気体が、入口から分子ポンプ機構１０２に吸い込まれ、該分子ポンプ機構は、分子を再生ポンプ機構１０４に押し入れる。気体は、排出口（図示せず）を通って大気圧でまたはその辺りで排出される。

ポンプ機構は、三つの別々の部分１０６，１０８，１１０で形成されているハウジングに収容されている。部分１０６は、分子ポンプ機構１０２の内面を形成し、部分１０８は、再生ポンプ機構１０４のステータを形成する。部分１１０は、駆動シャフト１１６の一端を支持するためのラジアル磁気軸受１１４を受け入れるための凹部１１２を構成する。磁気軸受１１４は、電磁石を使用する能動的な軸受であっても良いし、永久磁石を使用する受動的な軸受であっても良い。また、例えば電力故障の場合に、シャフト１１６の過度な半径方向移動を防止するバックアップ軸受１１８を設けるのが良い。駆動シャフト１１６の他端もラジアル磁気軸受１１５およびバックアップ軸受１１９で支持される。

駆動シャフト１１６はモータ１２０で駆動される。モータ１２０は、真空ポンプ装置の任意の適当な位置で支持されてもよい。モータは、分子ポンプ機構１０２と再生ポンプ機構１０４を同時に駆動することができるようになっている。再生ポンプ機構は、一般的に、風損および空気抵抗が比較的高い大気圧に近い圧力で再生ポンプ機構が作動することに照らして、分子ポンプ機構よりもより大きい運転のための動力を必要とするので、モータは、再生ポンプ機構１０４に動力を供給するのに選択される。

再生ポンプ機構１０４は、ステータ１０８と、ロータ１２２と、を含む。ステータは、駆動シャフト１１６の長手方向軸線Ａを中心に同心上に配置された複数のつながった円周ポンプチャンネル１２４を有する。ロータ１２４は、駆動シャフト１１６に取り付けられ、または駆動シャフト１１６と一体であり、そしてそれぞれの円周ポンプチャンネル１２６の中へ軸方向に延びるロータブレードＢの複数の列を含む。図３に示す実施形態では、再生ポンプ機構１０４は、７つのポンプステージを含み、ステージ毎にそれぞれのチャンネルの中へ延びるロータブレードＢの円周列を含む。運転中、駆動シャフト１１６は、ロータ１１２を回転させ、ロータブレードＢをポンプチャンネルに沿って移動させ、気体を入口（図示せず）から、順にポンプステージの各々を通って（最外ステージから最内ステージまで）排出口（図示せず）に排気し、排気された気体を排出口から大気圧または大気圧に近い圧力で排出する。

図４は、再生ポンプ機構１０４の拡大断面図である。ブレードＢの各円周列は、ロータ１２２の下面１３０のそれぞれの隆起リング１２８に取り付けられ、隆起リング１２８の高さは、図２に示す従来の再生ポンプ機構１の隆起リング１０，１１，１２，１３，１４，１５の高さよりもはるかに小さい。知られているように、各チャンネルは、該チャンネルに収容される対応するブレードの小さい部分と実質的に同じ形状寸法の長さの小部分のための縮小断面積（図示せず）を有する。各チャンネルのこの縮小断面積は、使用中、チャンネルの中を通る気体が、ポンプ装置１００から排出されるまで、次の（内側の）チャンネルへ向ける（図示せず）ことによって偏向させる「ストリッパ」を形成する。

図２の再生ポンプ機構１と対比して、ポンプ装置１００の再生ポンプ機構１０４は、ロータとステータとの間にラジアルシールを採用せず、その代わりに、アキシャルシールに頼る。図５を参照すると、再生ポンプ機構１０４の効率的な運転のために、ロータ１２２の下面１３０とステータ１０８の上面１３２との間の軸方向クリアランス「Ｃ」が、厳密に制御され、好ましくは、運転中、２００μｍを超えないあるいはそれより小さく、好ましくは、８０μｍより小さく維持されることが重要である。例えば、排気された気体により、ロータ１２２をステータ１０８から押し離す傾向がある軸方向荷重がロータ１２２に付与されるために、クリアランス「Ｃ」の増加は、ポンプチャンネル１２６からの気体の著しい漏出をもたらし、再生ポンプ機構１０４のポンプ性能を変動させる。

ロータ１２２とステータ１０８の間の軸方向クリアランスＣを積極的に制御し、かくしてポンプ性能を制御するために、ポンプ装置１００は、アキシャル磁気軸受１４０を含む。図４を参照すると、アキシャル磁気軸受１４０は、駆動シャフト１１６に取り付けられまたは駆動シャフト１１６と一体に形成された磁気軸受ロータ１４２を含み、磁気軸受ロータ１４２は、第一の電磁石１４４とステータ１０８に取り付けられた第二の電磁石１４６との間に配置される。制御装置１５０（図６に示す）を用いて、電磁石に付与される電圧を、電磁石１４４，１４６の間の磁気軸受ロータ１４２の位置を調整するように、選択的に制御し、それによってステータ１０８に対するロータ１２２の軸方向位置、かくして、軸方向クリアランスＣの寸法を制御する。図４に示す構成では、第一の電磁石１４４に付与される電圧を増すと、ロータ１２２をステータ１０８に向かって引く傾向があり、反対に第二の電磁石１４６に付与される電圧を増すと、ロータ１２２をステータ１０８から引き離す傾向がある。

ロータ１２２（または駆動シャフト１１６）の軸方向位置を検出し、且つロータ１２２の位置を示す信号を制御装置１５０に出力する位置センサを使用し、制御装置１５０により、必要に応じて、電磁石１４４，１４６に付与される電圧の大きさを変えて軸方向クリアランスＣを制御することができる。加えて、または変形例として、ポンプ装置１００によって真空にされる室１６０の中の圧力を、ゲージ１７０、例えばピラニ真空計を用いて測定することができる。ゲージ１７０は、室１６０の中の圧力を示す信号を出力する。この信号は、制御装置１５０に送り込まれ、制御装置１５０は、信号を室１６０の中の現在の圧力と、所望圧力との比較を行うのに使用する。比較の結果に応じて、制御装置１５０は、軸方向クリアランスＣを調整して（例えば排気された気体を、再生ポンプ機構１０４のステージをバイパスさせるように、軸方向クリアランスＣを増大させることによって）再生ポンプ機構を通る流体の流量を制御し、それによって室１６０の中の圧力を調整することができる。これは、大気圧から室１６０の荒引き中特に有用であり、軸方向クリアランスＣを増大させることにより、制限排出ステージを通る流体の流量を増加させることができる。

ロータ１２２とステータ１０８が万一接触する場合に、ロータ１２２とステータ１０８の表面１３０，１３２が損傷なく且つ最小の摩耗だけで接触を起こすように、硬質の被膜と自己潤滑材料の組み合わせを使用しても良い。

要するに、再生ポンプ機構は、一方の側に環状列に位置決めされた一連のブレードを有するロータと、ブレードが回転する環状チャンネルを有するステータと、を含む。ロータとステータの間の軸方向クリアランスを制御するために、アキシャル磁気軸受が、ロータとステータの間の相対的な軸方向移動を積極的に制御する。

これにより、ポンプ機構は、ラジアルシールとは全く異なって、ロータとステータの間に制御可能なアキシャルシールを提供することができる。

以上の説明は、本発明の一つの実施の形態を表したものであって、他の実施形態が、添付の請求項に記載されるように本発明の真の範囲から逸脱することなしに、当業者によって疑いなく思い浮かぶであろうことを理解すべきである。

例えば、ステータに対するロータの移動を制御するために磁気軸受を使用する変形例として、または、磁気軸受の制御故障の場合のバックアップとして、図７に示すように、ステータ１０８に対するロータ１２２の軸方向位置を制御するのにリニアアクチュエータ２００を使用しても良い。アクチュエータは、例えば、駆動シャフト１１６とバックアップ軸受１１８の間に軸方向に配置され、例えば軸受１１８の位置を制御することによって駆動シャフト１１６の軸方向位置を調整するように駆動されるのが良い。アクチュエータは、任意の適切な形態を取ることができる。例えば、アクチュエータは、磁気歪材料で形成されたリニアアクチュエータの形態をなしていても良く、リニアアクチュエータの長さは、周囲の電磁石２０２によってリニアアクチュエータに付与される磁場の強さに関して変動する。制御装置１５０は、アクチュエータ２００の長さ、かくしてステータに対するロータの軸方向位置を制御するために、駆動シャフト１１６とステータの間の軸方向クリアランスを示すセンサ１５２からの信号出力に応答して電磁石に供給される電圧を制御するように構成されていても良い。

再生ステージおよびホルウェックステージを有する従来の真空ポンプ装置を示す断面図。 図１に示す図の拡大断面図。 本発明の真空ポンプ装置を示す断面図。 図３に示す図の拡大断面図。 図３のポンプ装置の再生ポンプ機構の排気ステージの拡大断面図。 室圧力制御機構を示す図。 図３に示す図の他の拡大断面図。

Claims (28)

1. 一方の側に環状列に位置決めされ、ステータの環状チャンネルの中へ軸方向に延び、チャンネルの中で回転する一連のブレードを有するロータと、
   ロータとステータの間の軸方向クリアランスを制御するように、ロータとステータの間の相対的な軸方向移動を積極的に制御するための手段と、を含む、
   ことを特徴とする再生ポンプ機構。
2. 相対的な軸方向移動を積極的に制御するための手段は、ステータに対するロータの軸方向移動を制御するためのアキシャル磁気軸受からなる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の機構。
3. アキシャル磁気軸受は、ロータをステータに向かって引くように配置された、少なくともの一つの電磁石を含む、
   ことを特徴とする請求項２に記載の機構。
4. 電磁石は、ステータに取り付けられている、
   ことを特徴とする請求項３に記載の機構。
5. アキシャル磁気軸受は、ロータをステータから引き離すように配置された、少なくとも一つの第二の電磁石を含む、
   ことを特徴とする請求項３または請求項４に記載の機構。
6. アキシャル磁気軸受は、磁気軸受ロータを含み、
   この磁気軸受ロータおよび再生機構のロータは、共通のシャフトに配置され、磁気軸受ロータは、第一および第二の電磁石の間に配置される、
   ことを特徴とする請求項５に記載の機構。
7. 電磁石によって発生された磁場の強さ、かくしてステータに対するロータの軸方向位置を制御するための制御手段を含む、
   ことを特徴とする請求項３から請求項６のいずれか１項に記載の機構。
8. 軸方向移動を積極的に制御するための手段は、ロータの軸方向位置を制御するように動作可能なアクチュエータからなる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の機構。
9. アクチュエータは、磁気歪材料からなる、
   ことを特徴とする請求項８に記載の機構。
10. アクチュエータの形状、かくしてステータに対するロータの軸方向位置を制御するように、アクチュエータに付与される磁場の強さを制御するための制御手段を含む、
    ことを特徴とする請求項９に記載の機構。
11. アクチュエータの動作を制御し、かくしてステータに対するロータの軸方向位置を制御する制御手段を含む、
    ことを特徴とする請求項８に記載の機構。
12. 制御手段は、ステータに対するロータの軸方向位置を検出する手段と、検出された位置に応答して相対的な軸方向移動を積極的に制御するための手段を制御するための手段と、を含む、
    ことを特徴とする請求項７または請求項１１に記載の機構。
13. ロータとステータの間の相対的な移動量を制限するための手段を含む、
    ことを特徴とする請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載の機構。
14. ロータとステータの間の接触の場合に損傷を最小にするために、ロータとステータの少なくとも一方は、耐摩耗材料で形成され、或いは該材料で被膜される、
    ことを特徴とする請求項１から請求項１３のいずれか１項に記載の機構。
15. ロータは、該ロータの側に同心環状列に位置決めされた少なくとも二連のブレードを有し、
    ステータは、列のブレードが回転することができる対応する数のチャンネルを有し、
    流体が通ることができる連続通路を形成するようにチャンネルをつなぐ手段が設けられている、
    ことを特徴とする請求項１から請求項１４のいずれか１項に記載の機構。
16. 機構を駆動するための駆動シャフトを含む、
    ことを特徴とする請求項１から請求項１５のいずれか１項に記載の機構。
17. 駆動シャフトは、その各端部が、無潤滑剤軸受によって支持される、
    ことを特徴とする請求項１６に記載の機構。
18. 各無潤滑剤軸受は、磁気軸受からなる、
    ことを特徴とする請求項１７に記載の機構。
19. 駆動シャフトは、各端部がころがり軸受によって追加的に支持される、
    ことを特徴とする請求項１６から請求項１８のいずれか１項に記載の機構。
20. 相対的な軸方向移動を積極的に制御するための手段は、駆動シャフトの軸方向移動を制御し、それによりステータに対するロータの軸方向位置を制御するように構成されている、
    ことを特徴とする請求項１６から請求項１９のいずれか１項に記載の機構。
21. 相対的な軸方向移動を制御するための手段は、駆動シャフトの軸方向位置を制御するために前記回転軸受を軸方向に移動させるように構成されている、
    ことを特徴とする請求項１９および請求項２０に記載の機構。
22. 請求項１から請求項２１のいずれか１項に記載の再生ポンプ機構を含む、ことを特徴とするポンプ装置。
23. ロータとステータの間の軸方向クリアランスを制御するための手段を含み、したがってポンプ装置に連結した室の中の圧力を制御する、
    ことを特徴とする請求項２２に記載のポンプ装置。
24. 室の中の圧力を制御するためのポンプ装置であって、
    一方の側に環状列に位置決めされた一連のブレードを有するロータと、ブレードが回転する環状チャンネルを有するステータと、を備えた再生ポンプ機構と、
    ロータとステータの間の軸方向クリアランス、したがって室の中の圧力を制御するために、ポンプの使用中、ロータとステータの間の相対的な軸方向移動を行わせるための手段と、を含む、
    ことを特徴とするポンプ装置。
25. 機構を駆動する駆動シャフトを含み、
    相対的な軸方向移動を積極的に制御するための手段は、駆動シャフトの軸方向移動を制御し、それによってステータに対するロータの軸方向位置を制御するように構成されている、
    ことを特徴とする請求項２４に記載の装置。
26. 相対的な軸方向移動を行わせるための手段は、ステータに対するロータの軸方向位置を制御するためのアキシャル磁気軸受を含む、
    ことを特徴とする請求項２４または請求項２５に記載の装置。
27. 相対的な軸方向移動を行わせるための手段は、ステータに対するロータの軸方向位置を制御するように駆動可能なアクチュエータを含む、
    ことを特徴とする請求項２４または請求項２５に記載の装置。
28. アクチュエータは、駆動シャフトを支持するための軸受を移動させるように構成されている、
    ことを特徴とする請求項２５および請求項２７に記載の装置。

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