JP2011179466A - 真空ポンプおよび真空ポンプの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】真空ポンプのロータに対して遠心力によって生じる応力の集中を緩和する。
【解決手段】ネジ突条部３３の排気側端部、および、ネジ溝部３４の排気側端部にＣ面取りを施すことで、ネジ突条部３３とネジ溝部３４とを接続する箇所の質量が減少して、遠心力による応力が低減されるとともに、ネジ突条部３３とネジ溝部３４とを接続する箇所の形状が、より応力が集中しにくい形状となる。
【選択図】図２

Description

本発明は、真空ポンプおよび真空ポンプの製造方法に関する。

真空ポンプとして、軸方向に複数段設けられた吸気側の回転翼、および、排気側のネジ溝ポンプ段を有するロータを備えるターボ分子ポンプが知られている。このターボ分子ポンプでは、高速で回転するロータに大きな遠心力が掛かり、高い応力が作用する。また、ネジ溝ポンプ段には、形状によって応力が集中し易い部分がある。そこで、この応力集中を緩和するため、ネジ溝ポンプ段の形状を改善したターボ分子ポンプが知られている。このターボ分子ポンプでは、ネジ溝ポンプ段のネジ山の終端部近傍でネジ山の高さが終端部に向かって徐々に低くなるように傾斜させている（特許文献１参照）。

特開２０００−１９９４９３号公報

しかし、上述した特許文献に記載のターボ分子ポンプでは、ロータ端面から離間させたネジ山の終端部近傍を傾斜させただけでは、応力集中を十分に緩和できないおそれがある。

（１） 請求項１の発明による真空ポンプは、軸方向に複数段設けられた吸気側の回転翼、および、排気側のネジ溝ポンプ段を有する回転体と、複数段の回転翼に対して軸方向に交互に配置される複数段の固定翼とを備える真空ポンプにおいて、ネジ溝ポンプ段は、回転体の外周面に回転体の排気側端部まで延在する突状部と溝部とが設けられ、突状部の排気側端部は、溝部よりも深くなる面取りが施されていることを特徴とする。
（２） 請求項２の発明による真空ポンプは、ネジ溝ポンプ段を有する回転体を備えた真空ポンプにおいて、ネジ溝ポンプ段は、回転体の外周面に回転体の排気側端部まで延在する突状部と溝部とが設けられ、突状部の排気側端部は、溝部よりも深くなる面取りが施されていることを特徴とする。
（３） 請求項３の発明は、請求項１または請求項２に記載の真空ポンプにおいて、面取りは、Ｃ面取りであることを特徴とする。
（４） 請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の真空ポンプにおいて、回転体は、排気側端部の外周縁の全周が面取りされていることを特徴とする。
（５） 請求項５の発明による真空ポンプの製造方法は、軸方向に複数段設けられた吸気側の回転翼、および、突状部と溝部とが形成された排気側のネジ溝ポンプ段を有する回転体と、複数段の回転翼に対して軸方向に交互に配置される複数段の固定翼とを備える真空ポンプの製造方法において、回転体の素材である円筒部材に対して、排気側端面に面取り加工を行う工程と、排気側端面に面取り加工を行った円筒部材に対して、切削加工をすることで突条および溝部を形成する工程とを備えることを特徴とする。
（６） 請求項６の発明による真空ポンプの製造方法は、突状部と溝部とが形成されたネジ溝ポンプ段を有する回転体を備える真空ポンプの製造方法において、回転体の素材である円筒部材に対して、排気側端面に面取り加工を行う工程と、排気側端面に面取り加工を行った円筒部材に対して、切削加工をすることで突条および溝部を形成する工程とを備えることを特徴とする。
（７） 請求項７の発明は、請求項５または請求項６に記載の真空ポンプの製造方法において、面取り加工を行う工程は、溝部よりも深く面取りされるように面取り加工を行うことを特徴とする。
（８） 請求項８の発明は、請求項５〜７のいずれか一項に記載の真空ポンプの製造方法において、面取り加工を行う工程は、Ｃ面取り加工を行うことを特徴とする。

本発明によれば、遠心力によって生じる応力の集中を緩和できる。

本発明によるターボ分子ポンプ１の概略構成を示す断面図である。 ロータ３０を模式的に示す図である。 ネジロータ３１の排気側端部近傍の斜視図である ネジロータ３１の排気側端部近傍をネジ突条部３３の側方から見た図である。 面取りを行うことにより得られる応力低減効果について解析した結果を示すグラフである。

図１〜５を参照して、本発明による真空ポンプおよび真空ポンプの製造方法の一実施の形態を説明する。図１は、本発明による真空ポンプの一例としてのターボ分子ポンプ１の概略構成を示す断面図である。図１に示したターボ分子ポンプ１は、磁気軸受式のポンプであり、ロータ３０は、５軸磁気軸受を構成する電磁石３７，３８によって非接触支持される。磁気軸受によって回転自在に磁気浮上されたロータ３０は、モータ３６により高速回転駆動される。

ロータ３０には、複数段の回転翼３２と、後述するネジステータ３９とともにネジ溝ポンプ段を構成する円筒状のネジロータ３１とが形成されている。一方、固定側には、軸方向に対して回転翼３２と交互に配置された複数段の固定翼４３と、ネジロータ３１の外周側に設けられたネジステータ３９とが設けられている。各固定翼４３の外周部分には、スペーサとして機能する肉厚のスペーサ部４３２が形成されている。スペーサ部４３２が重なるように各固定翼４３をベース２０上に積層することにより、各固定翼４３は、回転翼３２間の所定位置に位置決めされる。吸気口フランジ２１が形成されたポンプケーシング４４をベース２０に固定すると、積層された固定翼４３がベース２０とポンプケーシング４４との間に挟持される。

ベース２０には排気ポート２２が設けられ、この排気ポート２２にバックポンプが接続される。ロータ３０を磁気浮上させつつモータ３６により高速回転駆動することにより、吸気口２１ａ側の気体は排気ポート２２側へと排気される。

図２は、ロータ３０を模式的に示す図であり、図３は、ネジロータ３１の排気側端部近傍の斜視図である。ロータ３０の排気側に設けられたネジロータ３１は、ネジ突条部３３と、ネジ突条部３３よりも高さが低い（径が小さい）ネジ溝部３４とを有する。すなわち、ネジ突状部３３は、ネジロータ３１の円筒部分の外周面であるネジ溝部３４からネジロータ３１の円筒の半径方向外側に向かって突設されている。なお、本明細書において、ネジロータ３１の外周面をネジ溝底面３４ａとして説明する。ネジロータ３１の排気側端面には、Ｃ面取りが施されている（図３）。ネジロータ３１の排気側端面でＣ面取りが施された部分を面取り部３５と呼ぶ。

図４は、図２のＡ−Ａ矢視図であり、ネジロータ３１の排気側端部近傍をネジ突条部３３の側方から見た図である。図４において、図示上下方向がネジロータ３１の円筒の半径方向に相当する。面取り部３５は、ネジ突条部３３およびネジ溝部３４に設けられている。すなわち、ネジ突条部３３の排気側の端部、および、ネジ溝部３４の排気側端部に対して、それぞれＣ面取りが施されている。ネジ突条部３３の排気側の端部でＣ面取りが施された部分を突条面取り部３５ａと呼び、ネジロータ３１の円筒部の排気側端部でＣ面取りが施された部分を溝部面取り部３５ｂと呼ぶ。なお、突条面取り部３５ａと溝部面取り部３５ｂとは、同一円錐面上に位置している。

このように、本実施の形態のターボ分子ポンプ１では、ネジ突条部３３がネジロータ３１の排気側端面まで延在し、ネジ突条部３３の排気側の端部がネジ溝部３４の排気側端部とともにＣ面取りが施されている。すなわち、ロータ３０は、ネジロータ３１の排気側端部の外周縁の全周にＣ面取りが施されている。

ロータ３０を回転させると回転数に応じた遠心力がロータ３０の各部に作用する。ネジ突条部３３の遠心力Fは、ネジ突条部３３の質量をｍ、半径をｒ、角速度をωとすると、次式（１）で簡易的に表される。
Ｆ＝ｍ×ｒ×ω×ω ・・・（１）

この遠心力Ｆによって、ネジ溝底面３４ａからネジ突条部３３の側面にかけて立ち上がる部分３４ｂ（以下、ネジ底Ｒ部と呼ぶ）には応力集中が生じる。ネジ底Ｒ部３４ｂのうち、ネジロータ３１の終端部である排気側端部のネジ底Ｒ部３４ｃ（図３参照）においては、上述したような面取りがなされていなかった場合、特に応力が集中し易い。

上述した（１）式のパラメータのうち、半径ｒおよび角速度ωは、製品設計時に決められるものであり、容易に変更できない。そこで、質量ｍを減らすことができれば、遠心力Ｆを低減できる。特に、ネジロータ３１の終端部近傍で応力集中が起こり易いので、本実施の形態では、上述したように、ネジ突条部３３の排気側端部にＣ面取りを施すことで、ネジ突条部３３の排気側端部の質量を減らしている。さらに、ネジ突条部３３の排気側端部だけでなく、ネジ溝部３４の排気側端部もＣ面取りが施されるようにＣ面取りの深さを設定することで、ネジロータ３１の応力低減効果が期待できる。

このように、ネジ突条部３３の排気側端部、および、ネジ溝部３４の排気側端部にＣ面取りを施すことで、たとえば特許文献（特開２０００−１９９４９３号公報）に記載のもののように、ネジ突条部をロータの排気側端面から所定の距離だけ離間させた場合と比べて、遠心力による応力を緩和できる。なぜなら、ネジ突条部３３の排気側端部、および、ネジ溝部３４の排気側端部にＣ面取りを施すことで、ネジ突条部３３とネジ溝部３４とを接続する箇所の質量が減少して、遠心力による応力が低減されるからである。また、ネジ突条部３３とネジ溝部３４とを接続する箇所の形状が、より応力が集中しにくい形状となるからである。換言すると、突条面取り部３５ａと溝部面取り部３５ｂとが、同一円錐面上に位置することとなるので、突条面取り部３５ａから溝部面取り部３５ｂにかけての面の角度変化がなくなるため、応力が集中し難くなるからである。

さらに、上述した特許文献に記載のターボ分子ポンプでは、ロータの排気側端面から離間した位置にネジ山の終端部を設けるようにしているため、ネジ溝ポンプ段としての機能を果たしていない部分が存在している。しかし、本実施の形態では、ネジ突条部３３がネジロータ３１の排気側端面まで延在しているので、上述した特許文献に記載のターボ分子ポンプと比べて、ネジ溝ポンプ段としての有効長を増やすことができ、ターボ分子ポンプ１の性能を向上できる。また、ネジ溝ポンプ段としての有効長が同じであれば、ロータ３０の全長が短くなり、ターボ分子ポンプ１を小型化できる。

図５は、ネジロータ３１の排気側端面に面取りを施すことによって得られる応力低減効果について解析した結果を示すグラフである。図５において、グラフの横軸にはＣ面取り深さＤＥ（図４参照）をとり、縦軸にはネジ底Ｒ部３４ｃにおける応力比Ｒをとる。ここで。応力比Ｒは、Ｃ面取りを行った場合にネジ底Ｒ部３４ｃに発生する応力を、Ｃ面取りを行わなかった場合にネジ底Ｒ部３４ｃに発生する応力で除した値である。また、ＤＰは、ネジ溝底面３４ａからネジ突条部３３までの高さ、すなわち、ネジ溝深さである。

図５に示すように、面取りを行うことによって、ネジ底Ｒ部３４ｃに発生する応力を低減することができる。特に、Ｃ面取り深さＤＥがネジ溝深さＤＰを超えると、すなわち、ネジ突条部３３の排気側端部だけでなく、ネジ溝部３４の排気側端部もＣ面取りが施されるようにＣ面取りの深さを設定すると、ネジ底Ｒ部３４ｃに発生する応力の低減度合いがさらに増加する。

上述したように、ネジ突条部３３の排気側端部、および、ネジ溝部３４の排気側端部にＣ面取りを施すには、たとえば、ロータ３０の素材である円筒部材に対して、旋盤によって排気側端面にＣ面取り加工を行うことで実現できる。Ｃ面取りは旋盤工程にて一般的な切削方法であるので、容易に実現できる。ロータ３０の素材である円筒部材に対して、旋盤によって排気側端面にＣ面取り加工を行った後、ネジ溝部３４に相当する部分を切削加工することで、ネジ突条部３３を形成すればよい。このようにしてＣ面取り加工を行うことで、ネジ突条部３３の排気側端部、および、ネジ溝部３４の排気側端部に容易にＣ面取りを施すことができ、ロータ３０の加工工数の増加を抑制できる。

これに対して、上述した特許文献に記載のターボ分子ポンプでは、ネジ溝の部分を切削加工してネジ山を形成した後、マシニングセンタなどでネジ山の終端部近傍を上述したように傾斜するよう加工する必要がある。そのため、ロータの加工工数が増えてしまう。

−−−変形例−−−
（１） 上述の説明では、Ｃ面取りを施したが、本発明はこれに限定されず、ネジ突条部３３の排気側端部、および、ネジ溝部３４の排気側端部にＲ面取りを施すようにしてもよい。なお、Ｒ面取りを施す場合、Ｒ面が凸状になるようにしてもよく、凹状になるようにしてもよい。
（２） 上述の説明では、ネジ突条部３３の排気側端部、および、ネジ溝部３４の排気側端部に面取りを施すようにしているが、少なくともネジ突条部３３の排気側端部が面取りされていれば、応力集中を緩和できる。

（３） 上述の説明では、各図において、Ｃ面取りの加工角度がネジロータ３１の排気側端面から略４５度傾いた角度とされているが、Ｃ面取りの加工角度は、必ずしも４５度でなくてもよい。
（４） 上述の説明では、真空ポンプの一例としてターボ分子ポンプについて説明したが、本発明はターボ分子ポンプに限定されず、ネジ溝ポンプ段を有するポンプ、たとえばドラッグポンプなどについても適用できる。
（５） 上述した各実施の形態および変形例は、それぞれ組み合わせてもよい。

なお、本発明は、上述した実施の形態のものに何ら限定されず、軸方向に複数段設けられた吸気側の回転翼、および、排気側のネジ溝ポンプ段を有する回転体と、複数段の回転翼に対して軸方向に交互に配置される複数段の固定翼とを備える真空ポンプにおいて、ネジ溝ポンプ段は、回転体の外周面に回転体の排気側端部まで延在する突状部と溝部とが設けられ、突状部の排気側端部は、溝部よりも深くなる面取りが施されていることを特徴とする各種構造の真空ポンプを含むものである。

また、本発明は、上述した実施の形態のものに何ら限定されず、ネジ溝ポンプ段を有する回転体を備えた真空ポンプにおいて、ネジ溝ポンプ段は、回転体の外周面に回転体の排気側端部まで延在する突状部と溝部とが設けられ、突状部の排気側端部は、溝部よりも深くなる面取りが施されていることを特徴とする各種構造の真空ポンプを含むものである。

本発明は、上述した実施の形態のものに何ら限定されず、軸方向に複数段設けられた吸気側の回転翼、および、突状部と溝部とが形成された排気側のネジ溝ポンプ段を有する回転体と、複数段の回転翼に対して軸方向に交互に配置される複数段の固定翼とを備える真空ポンプの製造方法において、回転体の素材である円筒部材に対して、排気側端面に面取り加工を行う工程と、排気側端面に面取り加工を行った円筒部材に対して、切削加工をすることで突条および溝部を形成する工程とを備えることを特徴とする各種の真空ポンプの製造方法を含むものである。

また、本発明は、上述した実施の形態のものに何ら限定されず、突状部と溝部とが形成されたネジ溝ポンプ段を有する回転体を備える真空ポンプの製造方法において、回転体の素材である円筒部材に対して、排気側端面に面取り加工を行う工程と、排気側端面に面取り加工を行った円筒部材に対して、切削加工をすることで突条および溝部を形成する工程とを備えることを特徴とする各種の真空ポンプの製造方法を含むものである。

１ ターボ分子ポンプ ３０ ロータ
３１ ネジロータ ３２ 回転翼
３３ ネジ突条部 ３４ ネジ溝部
３４ａ ネジ溝底面 ３４ｂ，３４ｃ ネジ底Ｒ部
３５ 面取り部 ３５ａ 突条面取り部
３５ｂ 溝部面取り部 ３９ ネジステータ
４３ 固定翼

Claims (8)

1. 軸方向に複数段設けられた吸気側の回転翼、および、排気側のネジ溝ポンプ段を有する回転体と、前記複数段の回転翼に対して軸方向に交互に配置される複数段の固定翼とを備える真空ポンプにおいて、
   前記ネジ溝ポンプ段は、前記回転体の外周面に前記回転体の排気側端部まで延在する突状部と溝部とが設けられ、
   前記突状部の排気側端部は、前記溝部よりも深くなる面取りが施されていることを特徴とする真空ポンプ。
2. ネジ溝ポンプ段を有する回転体を備えた真空ポンプにおいて、
   前記ネジ溝ポンプ段は、前記回転体の外周面に前記回転体の排気側端部まで延在する突状部と溝部とが設けられ、
   前記突状部の排気側端部は、前記溝部よりも深くなる面取りが施されていることを特徴とする真空ポンプ。
3. 請求項１または請求項２に記載の真空ポンプにおいて、
   前記面取りは、Ｃ面取りであることを特徴とする真空ポンプ。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の真空ポンプにおいて、
   前記回転体は、排気側端部の外周縁の全周が面取りされていることを特徴とする真空ポンプ。
5. 軸方向に複数段設けられた吸気側の回転翼、および、突状部と溝部とが形成された排気側のネジ溝ポンプ段を有する回転体と、前記複数段の回転翼に対して軸方向に交互に配置される複数段の固定翼とを備える真空ポンプの製造方法において、
   前記回転体の素材である円筒部材に対して、排気側端面に面取り加工を行う工程と、
   排気側端面に前記面取り加工を行った前記円筒部材に対して、切削加工をすることで前記突条および前記溝部を形成する工程とを備えることを特徴とする真空ポンプの製造方法。
6. 突状部と溝部とが形成されたネジ溝ポンプ段を有する回転体を備える真空ポンプの製造方法において、
   前記回転体の素材である円筒部材に対して、排気側端面に面取り加工を行う工程と、
   排気側端面に前記面取り加工を行った前記円筒部材に対して、切削加工をすることで前記突条および前記溝部を形成する工程とを備えることを特徴とする真空ポンプの製造方法。
7. 請求項５または請求項６に記載の真空ポンプの製造方法において、
   前記面取り加工を行う工程は、前記溝部よりも深く面取りされるように面取り加工を行うことを特徴とする真空ポンプの製造方法。
8. 請求項５〜７のいずれか一項に記載の真空ポンプの製造方法において、
   前記面取り加工を行う工程は、Ｃ面取り加工を行うことを特徴とする真空ポンプの製造方法。

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