JP2009108752A - 真空ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】排気性能を低下させることなく製造コストを抑制すること。
【解決手段】第１円筒部９は、外周面が円筒形状をした部材からなる。支板１１は、外周側へフランジ状に張り出した円環板状をした部材であり、第２円筒部１０の固定機構として機能する。ロータ本体部７、ロータ翼８、第１円筒部９、および支板１１は、同一の素材を削り出すことによって一体に形成されている。第２円筒部１０は、支板１１の外周端部にその端部が圧入固定された外周面が円筒形状をした部材からなる。第２円筒部１０は、第１円筒部９の外側に、第１円筒部９と同心円上に配置されている。第２円筒部１０は、第１円筒部９を構成する部材よりも比強度又は比剛性の高い繊維強化複合材料によって構成されている。第２円筒部１０を別部材で構成することにより、ロータ部の加工を容易に行うことができるため製造コストを抑制することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、ネジ溝ポンプ構造を有する真空ポンプに関する。

真空ポンプを用いて排気処理を行い、内部が真空に保たれるような真空装置を用いる装置には、半導体製造装置、電子顕微鏡、表面分析装置、微細加工装置などがある。
また、各種ある真空ポンプのうち、高真空の環境を実現する際に用いられるものに、ネジ溝ポンプがある。
ネジ溝ポンプは、同心円状に配設された回転側円筒と固定側円筒との間に形成されたネジ溝（らせん）状の排気流路を介して気体を送るポンプであり、単体で用いられる他、複合型真空ポンプとしてターボ分子ポンプと共に用いられる場合がある。
このようなネジ溝ポンプにおいて、排気性能（圧縮比率）の向上やポンプ装置の小型化を図るための排気流路を複数回折り返す多重パス構造が、下記の特許文献に提案されている。
特開平１１−２１０６７４号公報 特開２００３−１４８３７５公報

しかしながら、特許文献１に記載のターボ分子ポンプでは、ネジ溝排気流路を構成する複数の回転筒状部が同一の素材を加工することによって一体に形成されているため、容易に加工することができず、製造コストを抑制することが困難であった。例えば、回転筒状部の高さ方向を大きくとる場合には、剛性の制約により使用可能な加工工具が制限されるため、容易に深い円筒形状を形成することはできなかった。
また、特許文献２に記載のターボ分子ポンプでは、ネジ溝排気流路を構成する内側ロータをボルトでシャフトに連結固定するように構成されているため、これらの構成部品により回転体の重量が増大してしまうおそれがあった。回転体の重量が大きく増加してしまうと、それに伴い軸受の容量を増やす必要があり、これにより装置コストが増大してしまう。

そこで本発明は、排気性能を低下させることなく、真空ポンプの製造コストを抑制することを目的とする。

前記目的を達成するために、請求項１に記載の発明では、回転軸と、前記回転軸に固定されるロータ本体部と、多重パス構造のネジ溝ポンプ部における気体の排気流路を構成し、前記回転軸の同心円状に交互に配設され、何れか一方にネジ溝が設けられた複数の固定円筒および回転円筒と、を備え、前記回転円筒のうち、最も内側に位置する第１回転円筒は、前記ロータ本体部と同一素材により一体形成され、前記第１回転円筒より外側に位置する第２回転円筒は、前記第１回転側円筒部の形成素材より、比強度又は比剛性が高い別部材で構成されていることを特徴とする真空ポンプを提供する。
請求項２に記載の発明では、前記第１回転円筒の端部から外周側へ張り出したフランジ状の環状支板を備え、前記第２回転円筒は、前記環状支板に固定されていることを特徴とする請求項１記載の真空ポンプを提供する。
請求項３に記載の発明では、前記ネジ溝ポンプ部の上流側に設けられたターボ分子ポンプ部を構成する、前記ロータ本体部から放射状に伸びるロータ翼を備え、前記ロータ翼は、前記１回転円筒および前記ロータ本体部と共に、同一素材により一体形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の真空ポンプを提供する。
請求項４に記載の発明では、前記第１回転円筒は、アルミニウム合金により構成され、前記第２回転円筒は、繊維強化複合材料により構成されていることを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３記載の真空ポンプを提供する。
なお、前記第２回転円筒は、例えば、ＣＦＲＰ（カーボン繊維強化樹脂）、ＡＦＲＰ（アラミド繊維強化樹脂）などの繊維強化複合樹脂材料や、繊維強化アルミニウム、繊維強化マグネシウム、セラミック、チタニウム合金によって構成されていることが好ましい。

本発明によれば、回転円筒のうち、最も内側に位置する第１回転円筒をロータ本体部と一体形成することにより、ポンプを構成する部品数が削減されるため、製造コストを抑制することができる。

以下、本発明の真空ポンプにおける好適な実施の形態について、図１から図３を参照して詳細に説明する。
図１は、本実施形態の真空ポンプの軸線方向の概略構成を示した図である。
なお、図１は、真空ポンプにおける軸線方向の断面を示している。この真空ポンプは、例えば半導体製造装置内に設置され、真空チャンバからプロセスガスの排出を行う際に用いられる。
本実施の形態では、真空ポンプの一例としてターボ分子ポンプ部Ｔとネジ溝ポンプ部Ｓを有する複合型の真空ポンプについて説明する。

真空ポンプの外装体を構成するケーシング１は略円筒状の形状をしており、ケーシング１の下部（排気口５側）に設けられた、ベース２と共に真空ポンプの筐体を構成している。
ケーシング１の端部には、真空ポンプへ気体を導入するための吸気口３が形成されている。また、ケーシング１の吸気口３側の端面には、外周側へ張り出したフランジ部４が形成されている。真空ポンプは、このフランジ部４を介して、真空チャンバに締結部材によって固定される。
また、ベース２の端部には、真空ポンプから気体を排気するための、即ち半導体製造装置からのプロセスガス等を排出する排気口５が形成されている。

そして、この筐体の内部には、真空ポンプに排気機能を発揮させる構造物、即ち気体移送機構が配設されている。
この気体移送機構は、大きく分けて回転自在に軸支された回転部と、筐体に対して固定された固定部から構成されている。
これら排気機能を発揮する構造物は、大きく分けて回転自在に軸支されたロータ部とケーシング１に対して固定されたステータ部から構成される。
真空ポンプは、吸気口３側がターボ分子ポンプ部Ｔにより構成され、排気口５側がネジ溝ポンプ部Ｓから構成されている。

ロータ部は、シャフト６、シャフト６に直接固定されたロータ本体部７、吸気口３側（ターボ分子ポンプ部Ｔ）に設けられたロータ翼８と、排気口５側（ネジ溝ポンプ部Ｓ）に設けられた第１円筒部９、第２円筒部１０、支板１１などから構成されている。
シャフト６は、円柱部材の回転軸（ロータ軸）である。シャフト６の上端にはロータ本体部７が複数のボルト３１により取り付けられている。
なお、第１円筒部９は第１回転円筒として機能し、第２円筒部１０は第２回転円筒として機能し、支板１１は環状支板として機能する。

ここで、シャフト６を除くロータ部の構造について詳しく説明する。
図２は、本実施形態に係るシャフト６を除くロータ部の構造を示した図である。
ロータ本体部７は、断面Ｕ字型を有し、シャフト６への取付機構が設けられている。
ロータ翼８は、吸気口３側（ターボ分子ポンプ部Ｔ）に設けられた、シャフト６の軸線に垂直な平面から所定の角度だけ傾斜してロータ本体部７の外周面から放射状に伸びたロータ翼からなる。なお、ロータ翼８は、軸線方向に複数段形成されている。
第１円筒部９は、ロータ本体部７の排気口５側端部に設けられた、外周面が円筒形状をした部材からなる。
支板１１は、第１円筒部９の端部、即ち、第１円筒部９とロータ本体部７との境界部から外周側へフランジ状に張り出した円環板状をした部材であり、第２円筒部１０の固定機構として機能する。
ロータ本体部７、ロータ翼８、第１円筒部９、および支板１１は、同一の素材を削り出すことによって一体に形成されている。なお、これらの部位は、例えば、ステンレスやアルミニウム合金などの金属により構成されている。

第２円筒部１０は、支板１１の外周端部にその端部が圧入固定された外周面が円筒形状をした部材からなる。第２円筒部１０は、第１円筒部９の外側に、第１円筒部９と同心円上に配置されている。第１円筒部９と第２円筒部１０との間に、後述する第１ネジ溝円筒部１７が配置されるように構成されている。
なお、第２円筒部１０の固定方法は、圧入固定に限定されるものではなく、例えば、耐熱性を有する接着剤を用いて固定するようにしてもよい。
第２円筒部１０は、第１円筒部９を構成する部材よりも比強度又は比剛性の高い部材、例えば、ＣＦＲＰ（カーボン繊維強化樹脂）、ＡＦＲＰ（アラミド繊維強化樹脂）などの繊維強化複合樹脂材料や、繊維強化アルミニウム、繊維強化マグネシウム、セラミック、チタニウム合金によって構成されている。
なお、比剛性とは、単位密度あたりの弾性率で表される、物体の変形しづらさを示し、比強度とは、単位密度あたりの引張強度で表される、物体の破壊しづらさを示す。

回転体の周速は、径が大きくなるほど大きくなるため、第１円筒部９にかかる遠心力よりも第２円筒部１０にかかる遠心力の方が大きくなる。
そのため、上述したように、第２円筒部１０を高比強度材料や高比剛性材料で構成することにより、第２円筒部１０の径が大きくなっても十分にその強度（剛性）を維持することができる。
なお、最も内側に位置する第１円筒部９における周速は、比較的小さいため、外側の第２円筒部１０ほどの遠心力は作用しない。従って、第１円筒部９は、加工性のよい安価なアルミニウム合金材料を用いることが可能である。
また、第２円筒部１０を別部材で構成することにより、ロータ部（シャフト６を除く）の加工を容易に行うことができるため、製造コストを抑制することができる。

図１の説明に戻り、シャフト６の軸線方向中程には、シャフト６を回転させるモータ部２１が配設されている。
また、モータ部２１の吸気口３側および排気口５側には、シャフト６をラジアル方向に軸支するための磁気軸受部２２および磁気軸受部２３が設けられている。
さらに、シャフト６の下端（排気口５側端）には、シャフト６を軸線方向（スラスト方向）に軸支するための磁気軸受部２４が設けられている。
また、磁気軸受部２２、２３の近傍には、それぞれ変位センサ２５、２６が形成されており、シャフト６のラジアル方向の変位が検出できるようになっている。さらに、シャフト６の下端には変位センサ２７が形成されており、シャフト６の軸線方向の変位が検出できるようになっている。
シャフト６は、磁気軸受部２２、２３、２４から構成される５軸制御型の磁気軸受によって非接触で支持されている。

ケーシング１の内周側には、ステータ部が形成されている。このステータ部は、吸気口３側（ターボ分子ポンプ部Ｔ）に設けられたステータ翼１５、スペーサ１６、排気口５側（ネジ溝ポンプ部Ｓ）に設けられた第１ネジ溝円筒部１７、第２ネジ溝円筒部１８などから構成されている。
ステータ翼１５は、シャフト６の軸線に垂直な平面から所定の角度だけ傾斜してケーシング１の内周面からシャフト６に向かって伸びたステータ翼から構成されている。ターボ分子ポンプ部Ｔでは、これらステータ翼１５が軸線方向に、ロータ翼８と互い違いに複数段形成されている。各段のステータ翼１５は、円筒形状をしたスペーサ１６により互いに隔てられている。

ここで、図１に示した複合型真空ポンプにおけるネジ溝ポンプ部Ｓの構成を説明する。
図３は、本実施形態に係るネジ溝ポンプ部Ｓを示した拡大図である。
第１ネジ溝円筒部１７は、第１円筒部９と第２円筒部１０との間に配置された円筒形状の部材であり、第１円筒部９の外周面に対向する面にネジ溝４１が、また、第２円筒部１０の内周面に対向する面にネジ溝４２が形成されている。
第２ネジ溝円筒部１８は、第２円筒部１０とケーシング１との間に配置された円筒形状の部材であり、第２円筒部１０の外周面に対向する面にネジ溝４３が形成されている。
なお、第１円筒部９、第１ネジ溝円筒部１７、第２円筒部１０、第２ネジ溝円筒部１８は同心円上に設けられている。

第２ネジ溝円筒部１８と第２円筒部１０との間には第１のガス排気流路Ｒ１が形成され、また、第２円筒部１０と第１ネジ溝円筒部１７との間には第２のガス排気流路Ｒ２が形成され、さらに、第１ネジ溝円筒部１７と第１円筒部９との間には第３のガス排気流路Ｒ３が形成される。
そして、第１のガス排気流路Ｒ１と第２のガス排気流路Ｒ２は、第２円筒部１０の下端部（排気口５側端）で連通し、第２のガス排気流路Ｒ２と第３のガス排気流路Ｒ３は、第１ネジ溝円筒部１７の上端部（吸気口３側端）で連通するように構成されている。
シャフト６と一体に第１円筒部９、第２円筒部１０が回転すると、第１円筒部９、第２円筒部１０と、第１ネジ溝円筒部１７、第２ネジ溝円筒部１８のネジ溝４１、４２、４３との相対的な運動により、ガスの排気動作が行われる。

次に、排気されるガスの流れについて説明する。
排気されるガスは、ターボ分子ポンプ部Ｔから、まず、第１のガス排気流路Ｒ１に流入する。そして、第１のガス排気流路Ｒ１を通過したガスは、第２円筒部１０の下端部側で１８０°反転し、吸気口３方向に折り返した後、第２のガス排気流路Ｒ２に流入する。
次に、第２のガス排気流路Ｒ２を通過したガスは、第１ネジ溝円筒部１７の上端部側で１８０°反転し、排気口５方向に折り返した後、第３のガス排気流路Ｒ３に流入する。
最後に第１円筒部９の下端部側から排気口５側へ移行し排気される。

このように、本実施形態の複合型真空ポンプの場合、ネジ溝ポンプ部Ｓにおける一連のガス排気流路（ガス排気流路Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３）は、上述したように上下２点、即ち第２円筒部１０の下端部側と第１ネジ溝円筒部１７の上端部側で折り返る構造となっている。
このような排気流路を複数回折り返す多重パス構造を採用することにより、真空ポンプのサイズを大きくすることなく、より長いガス排気流路を形成することができるため、排気性能（圧縮比率）の向上を図ることができる。
なお、本実施形態では、固定側の円筒部にネジ溝を設けるように構成されているが、ガス排気流路の形成方法は、これに限定されるものではなく、回転体側にネジ溝を設けてガス排気流路を形成するようにしてもよい。

本実施形態では、上下２点で折り返す多重パス構造について説明したが、ガス排気流路の折り返し回数はこれに限定されるものではなく、３点以上であってもよい。
その場合、ガス排気流路の折り返し数に応じて、回転側の円筒部および固定側のネジ溝円筒部を配置する。なお、回転側の円筒部を３箇所に設ける場合には、最も内側に位置する円筒部のみを第１円筒部９と同様にロータ本体部７と一体に形成し、その他の円筒部は全て第２円筒部１０と同様に比強度又は比剛性の高い別部材で構成する。この場合、支板１１に環状の取り付け溝を形成し、最も内側に位置する円筒部と、最も外側に位置する円筒部との間の円筒部は、この取り付け溝に圧入して固定する。

本実施形態では、シャフト６を５軸制御型の磁気軸受によって非接触で支持している。このような磁気軸受では、支持対象となる回転体の重心の位置が軸線方向（スラスト方向）の磁気軸受部２４から離れるほど安定性を確保することが難しくなる。
しかしながら、本実施形態では、ネジ溝ポンプ部Ｓにおける第１円筒部９をロータ本体部７、ロータ翼８と同一素材の金属で形成することにより、ネジ溝ポンプ部Ｓにおける回転体の従来品と同等以上の質量を確保することができる。これにより、回転体の重心の位置がターボ分子ポンプ部Ｔの方向、即ち磁気軸受部２４から離れる方向へ移動させることなく、安定した回転体の支持制御を行うことができる。

上述した実施形態では、ターボ分子ポンプ部Ｔとネジ溝ポンプ部Ｓを有する複合型の真空ポンプについて説明したが、ネジ溝ポンプ部Ｓに多重パス構造を採用した真空ポンプは、これに限定されるものではない。例えば、ネジ溝ポンプ部Ｓのみで構成された真空ポンプであってもよい。

本実施形態の真空ポンプの軸線方向の概略構成を示した図である。 本実施形態に係るシャフトを除くロータ部の構造を示した図である。 本実施形態に係るネジ溝ポンプ部を示した拡大図である。

符号の説明

１ ケーシング
２ ベース
３ 吸気口
４ フランジ部
５ 排気口
６ シャフト
７ ロータ本体部
８ ロータ翼
９ 第１円筒部
１０ 第２円筒部
１１ 支板
１５ ステータ翼
１６ スペーサ
１７ 第１ネジ溝円筒部
１８ 第２ネジ溝円筒部
２１ モータ部
２２〜２４ 磁気軸受部
２５〜２７ 変位センサ
３１ ボルト
４１〜４３ ネジ溝

Claims (4)

1. 回転軸と、
   前記回転軸に固定されるロータ本体部と、
   多重パス構造のネジ溝ポンプ部における気体の排気流路を構成し、前記回転軸の同心円状に交互に配設され、何れか一方にネジ溝が設けられた複数の固定円筒及び回転円筒と、を備え、
   前記回転円筒のうち、最も内側に位置する第１回転円筒は、前記ロータ本体部と同一素材により一体形成され、
   前記第１回転円筒より外側に位置する第２回転円筒は、前記第１回転円筒の形成素材より、比強度又は比剛性が高い別部材で構成されている
   ことを特徴とする真空ポンプ。
2. 前記第１回転円筒の端部から外周側へ張り出したフランジ状の環状支板を備え、
   前記第２回転円筒は、前記環状支板に固定されている
   ことを特徴とする請求項１記載の真空ポンプ。
3. 前記ネジ溝ポンプ部の上流側に設けられたターボ分子ポンプ部を構成する、前記ロータ本体部から放射状に伸びるロータ翼を備え、
   前記ロータ翼は、前記１回転円筒及び前記ロータ本体部と共に、同一素材により一体形成されている
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の真空ポンプ。
4. 前記第１回転円筒は、アルミニウム合金により構成され、
   前記第２回転円筒は、繊維強化複合材料により構成されている
   ことを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３記載の真空ポンプ。

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