JP2015135074A - ターボ分子ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】ロータとステータが接触しないターボ分子ポンプの提供。【解決手段】ターボ分子ポンプ１００において、翼部１８と円環部１９から成るロータ翼２０がロータ４の側面から突設されている。円環部１９の上面１９１には、ステータ４４と接触することを回避するための環状溝２２が設けられている。【選択図】図３

Description

本発明は、ターボ分子ポンプに関する。

ターボ分子ポンプに代表される真空ポンプは、ドライエッチング装置やＣＶＤ装置などの真空チャンバに取り付けられる。ターボ分子ポンプは、ロータ翼とロータ円筒部とを有するロータと、ロータ翼と対向配置されるステータ翼を有するステータと、ロータ円筒部と径方向に対向配置されるネジステータとを備えている。ロータは毎分数万で高速回転する。このロータの回転により、ロータ翼とステータ翼とが協働し、また、ロータ円筒部とネジステータが協働して、真空チャンバ内の気体が排気され、真空チャンバ内に高真空状態が作り出される。

ステータの外周側はスペーサによって固定されているが、ステータの内周側は固定されていないため、自重、すなわち、ステータ自身の重みで真空排気下流側に沈み込むことがある。その結果、ステータがロータ翼の内周側の上面に接触するおそれがある。
また、プレス成形（プレス加工）による寸法精度は低いため、プレス成形によって作製されたステータがロータ翼の内周側の上面に接触するおそれがある。
以上に示したそれぞれの状態でロータが回転すると、ステータおよびロータが破損する可能性が高くなる。

なお、特許文献１には、回転翼群の内周側支えに段部を設けて、大気突入時にステータの内周側端部がロータ翼の段部に当たることで、ステータ翼とロータ翼が接触することを防止する発明が開示されている。

特開平５-１５７０９０号公報

このように、ステータとロータ（ロータ翼）は、ステータの自重やプレス成形が原因で接触する可能性があるので、それを回避して、ステータとロータが破損することを防止する必要がある。

（１）本発明は、回転軸方向に複数段のロータ翼が形成されたロータと、複数段のロータ翼の間にそれぞれ配設される複数のステータ翼が形成されたステータとを有し、ロータ翼とステータ翼による真空排気部により、吸気口から吸い込まれた気体を真空排気するターボ分子ポンプに適用される。そして、上記課題は下記の構成により実現できる。すなわち、ロータ翼は、ロータに連設された円環部と、円環部から径方向外方に延在する翼部とで構成され、円環部の上面には、ステータとの接触を回避するための第１の環状溝が設けられている。
（２）好ましくは、円環部の下面にもステータとの接触を回避するための第２の環状溝が設けられる。
（３）第１の環状溝の深さと外径と内径は、ステータの最下面が第１の環状溝に入りこんだ場合でもステータが接触しないように設定される。
（４）第２の環状溝の深さと外径と内径は、ステータの最上面が第２の環状溝に入りこんだ場合でもステータがロータ翼と接触しないように設定される。
（５）好ましくは、環状溝の縁部にアール部が設けられる。
（６）さらに好ましくは、環状溝の底面の隅部にアール部が設けられる。
（７）ステータは、プレス成形によって作製してもよい。

本発明によれば、ステータとロータ（ロータ翼）が接触することを回避できる。その結果、ステータとロータの破損を防止することができる。

ターボ分子ポンプの概略構成を示す断面図。 ロータ翼とステータ翼が対向している領域周辺を示した図。 ステータと環状溝との位置関係を示した図。

―実施形態―
図１は、ターボ分子ポンプ１００の概略構成を示す断面図である。ターボ分子ポンプ１００のポンプケーシング５２内にはロータ組立体１０が回転自在に設けられている。ロータ組立体１０は、ロータ４と、シャフト５と、ロータディスク６から構成されている。ターボ分子ポンプ１００は磁気軸受式のポンプであり、ロータ組立体１０は、上部ラジアル電磁石６２、下部ラジアル電磁石６４、スラスト電磁石６６によって非接触支持される。

ロータ４の側面には、複数段のロータ翼２０が設けられている。各段のロータ翼２０のそれぞれは、その根元に形成される円環部１９と、円環部１９から外周方向に延設される翼部１８とを備えている。複数段のロータ翼２０の各段の間には、ロータ翼２０の翼部１８と協働して真空排気部（タービン排気部）を構成するステータ翼４７を有するステータ４４がそれぞれ配設されている。そのステータ４４との接触を回避するために、ロータ翼２０の円環部１９の上面１９１、すなわち、ロータ翼２０の円環部１９の真空排気上流側の面１９１に環状溝２２が設けられている。環状溝２２は、ステータ４４がロータ翼２０と接触することを回避するために設けられているので、図１に示すように、吸気口３１に最も近い段の円環部１９の上面１９１には環状溝２２を設ける必要はない。

ステータ４４はプレス成形で作製され、外周側リム４５と、内周側リム４６と、それらの間に設けられるステータ翼４７とを有する。ステータ４４のそれぞれは、スペーサ５８を介してベース５０上に配設されている。ポンプケーシング５２をベース５０にボルト５４で固定すると、積層されたスペーサ５８がベース５０とポンプケーシング５２との間に挟持され、それに伴って、ステータ４４の外周側リム４５がスペーサ５８に挟持される。

ロータ４の真空排気系下部には、ロータ円筒部８が一体に設けられている。ロータ円筒部８の外周側には所定距離を空けてネジステータ１１が配設されている。ネジステータ１１はボルト３０でベース５０に取り付けられている。

ベース５０には排気口５６が設けられ、この排気口５６にバックポンプが接続される。ロータ組立体１０は、上部ラジアル電磁石６２、下部ラジアル電磁石６４、スラスト電磁石６６によって磁気浮上されつつ、モータ４０により高速回転駆動される。ロータ組立体１０の高速回転により、翼部１８およびステータ翼４７が協働して排気動作し、また、ロータ円筒部８およびネジステータ１１が協働して排気動作し、吸気口３１側の気体分子が排気口５６側へと排気される。

図２は、ロータ翼２０とステータ翼４７（ステータ４４）が対向している領域周辺を示す図である。図２に示すように、ステータ４４は、外周側リム４５がスペーサ５８によって挟持されてロータ翼２０の間に配設されている。ステータ４４はその外周側リム４５のみが固定されており、ステータ４４の内周側リム４６は固定されていない。そのため、ステータ４４は、自重、すなわち、ステータ４４自身の重みで、ステータ４４の内周側リム４６が真空排気下流側に沈み込むことがある。また、プレス成形で作製されるステータ４４は、切削により作製されるステータに比べて寸法精度が劣るため、ステータ４４の内周側リム４６が真空排気下流側に沈み込むことがある。

図２に示すように、本実施形態のターボ分子ポンプ１００においては、円環部１９の上面１９１に環状溝２２が設けられているため、自重やプレス成形などが原因で、ステータ４４の内周側リム４６が沈み込んだとしても、ロータ翼２０とステータ４４が接触することを防止することができる。また、ステータ４４の内周側リム４６が沈み込み環状溝２２に入り込んだとしても、ロータ翼２０とステータ４４が接触することを回避することができる。詳細は、図３を用いて後述する。

図３は、ステータ４４と環状溝２２との位置関係を示している。実線４４Ｓは、設計上の、すなわち集積公差ゼロの場合のステータ４４の配設位置を示している。一方、破線４４Ｄは、集積公差がゼロでない場合のステータ４４の配設位置を示している。

ここで、集積公差の要素としては、以下のようなものが挙げられる。
・ステータ４４の重量の公差
・ステータ４４が示す弾性の公差
・ステータ４４の板厚の公差
・内周側リム４６の加工公差
・外周側リム４５の加工公差
・スペーサ５８の加工公差
・ポンプケーシング５２の加工公差
・ベース５０の加工公差
・ポンプケーシング５２とベース５０を締結するボルト５４の締め付けトルクの公差
・ロータ４の加工公差
・シャフト５の加工公差
・ロータディスク６の加工公差
・ロータ組立体１０の組付け公差
・ロータ組立体１０の浮上位置公差

以上の公差が集積することで、図３の破線４４Ｄで示すように、集積公差によるステータの配置位置４４Ｄが生じる。なお、集積公差による配置位置４４Ｄを分析すると、以下のような位置の公差として説明することができる。
・ステータ４４の図示上下方向位置の公差７１
・ステータ４４の図示左右方向位置の公差７２
・ステータ４４の傾き公差７３

本発明は、集積公差によりステータ４４が配置位置４４Ｄとなってもステータ４４がロータ翼２０と接触しないように、ロータ翼２０の円環部１９の上面、すなわち吸気口３１側の面に環状溝２２が形成されている。環状溝２２の深さ、外径および内径は、上記集積公差によりステータ４４の最下面４８が環状溝２２に入り込んだ場合でも、ロータ翼２０とステータ４４が接触しないように、設定されている。なお、図３の４４Ｄで示すように、基本的にはロータ翼２０とステータ４４は内周側ほど接近する。よって、円環部１９がステータ４４と接触することを回避できれば、翼部１８もステータ４４と接触することを回避できる。すなわち、円環部１９がステータ４４と接触することを回避できれば、ロータ翼２０（円環部１９および翼部１８）がステータ４４と接触することを回避できる。

図３を参照して、ロータ翼２０の円環部１９の上面１９１に設けられた環状溝２２の具体的な形状を説明する。図３に示すように、環状溝２２の外周表面側縁部２２ａ、すなわち、ロータ翼２０の円環部１９の上面１９１と環状溝２２の側面２２ｄで形成される縁部２２ａには、アール部が設けられている。環状溝２２の縁部２２ａは、ステータ４４の下面、特に、内周側リム４６の最下面４８と近接する。そのため、縁部２２ａにアール部を設けることで、ステータ４４と縁部２２ａとの距離が大きくなり、ロータ翼２０がステータ４４に接触しにくくなる。すなわち、縁部２２ａのアール部は、ステータ４４の逃げの役割を果たす。

図３に示すように、環状溝２２の底面２２ｅの隅部２２ｂ、すなわち、環状溝２２の底面２２ｅと環状溝２２の側面２２ｄで形成される隅部２２ｂにも、アール部が設けられている。また、環状溝２２の底面２２ｅの隅部２２ｃ、すなわち、環状溝２２の底面２２ｅと環状溝２２の側面２２ｆで形成される隅部２２ｃにも、アール部が設けられている。環状溝２２の底面２２ｅの隅部２２ｂ、２２ｃをアール部とすることで、応力集中を緩和することができ、ロータ４が隅部２２ｂ、２２ｃで破断することを防ぐことができる。このように、隅部２２ｂ、２２ｃのアール部は、上述の縁部２２ａのアール部とは役割が異なる。

以上の実施形態によれば、以下のような作用効果を奏する。
（１）ロータ翼２０の内周側にある円環部１９の吸気口３１側の面１９１に環状溝２２を設けた。これによって、ステータ４４がロータ翼２０（円環部１９および翼部１８）と接触することを防止できる。
環状溝２２は、様々な公差が集積した集積公差を考慮して設けられている。本実施の形態では、個々の公差が集積され、すなわち、ステータ４４の内周側の下面がロータ４の上面に接触する方向に公差が最も大きく集積されたとき、ステータ４４の内周端側が環状溝２２に入り込む場合があるが、このとき、ロータ翼２０とステータ４４が接触することが回避される。これにより、ステータ４４がロータ翼２０と接触することを防止できる。
（２）環状溝２２の縁部２２ａにアール部を設けた。これにより、ステータ４４の逃げが形成され、ロータ翼２０がステータ４４に接触しにくくなる。
（３）環状溝２２の底面２２ｅの隅部２２ｂ、２２ｃに、アール部を設けた。これにより、隅部２２ｂ、２２ｃの応力集中を緩和することができ、隅部２２ｂ、２２ｃでの破断を防ぐことができる。
（４）ステータ４４は、プレス成形で作製されるようにした。
これによって、切削加工よりも簡便に、そして、廉価にステータ４４を作製することができる。

なお、プレス成形によるステータ４４は、真空排気下流側に向くだけでなく、真空排気上流側に向くこともある。そこで、ステータ４４が真空排気上流側に向いた時のことも想定して、ロータ翼２０の円環部１９の上面１９１に環状溝２２を設けるだけでなく、ロータ翼２０の円環部１９の下面１９２（図１、図２を参照）、すなわち、ロータ翼２０の円環部１９の真空排気下流側の面１９２にも環状溝２２を設けるようにしてもよい。
これによって、プレス成形によって作製されたステータ４４が真空排気上流側に向いたとき、ステータ４４の最上面、すなわち、ステータ４４の真空排気上流側の面が、円環部１９の下面１９２に設けた環状溝２２に入り込んだとしても、ステータ４４がロータ翼２０と接触することを回避できる。

以上の実施形態では、ステータ４４はプレス成形によって作製されるとしたが、ステータ４４は、切削加工によって作製されることも可能である。切削加工によってステータ４４を作製した場合でも、自重によってステータ４４の内周側が沈み込む場合はある。そのような場合にも本発明は有効であり、ステータ４４とロータ翼２０の接触を回避することができ、ステータ４４とロータ４の破損を防止できる。

以上の説明はあくまで一例であり、発明は、上記の実施形態に何ら限定されるものではない。特に、以上では、集積公差を構成する種々の公差を全て考慮して環状溝２２の形状を規定するものとして説明した。しかしながら、それらの種々の公差の内、ステータ４４とロータ翼２０とのポンプ軸線方向の接触に大きく関与する公差、すなわち上記接触に関与する支配的な公差についてのみ考慮して環状溝の形状、すなわち、外径、内径、深さを決定することもできる。

４：ロータ、 ５：シャフト、
６：ロータディスク、 ８：ロータ円筒部、
１０：ロータ組立体、 １１：ネジステータ、
１８：翼部、 １９：円環部、
２０：ロータ翼、 ２２：環状溝、
２２ａ：縁部、 ２２ｂ、２２ｃ：隅部、
２２ｄ：側面、 ２２ｅ：底面、
２２ｆ：側面、 ３０：ボルト、
３１：吸気口、 ４０：モータ、
４４：ステータ、 ４４Ｄ：ステータの配置位置、
４５：外周側リム、 ４６：内周側リム、
４７：ステータ翼、 ４８：最下面、
５０：ベース、 ５２：ポンプケーシング、
５４：ボルト、 ５６：排気口、
５８：スペーサ、 ６２：上部ラジアル電磁石、
６４：下部ラジアル電磁石、 ６６：スラスト電磁石、
７１〜７３：公差、 １００：ターボ分子ポンプ、
１９１：上面、 １９２：下面

Claims (7)

1. 回転軸方向に複数段のロータ翼が形成されたロータと、前記複数段のロータ翼の間にそれぞれ配設される複数のステータ翼が形成されたステータとを有し、前記ロータ翼とステータ翼による真空排気部により、吸気口から吸い込まれた気体を真空排気するターボ分子ポンプにおいて、
   前記ロータ翼は、前記ロータに連設された円環部と、前記円環部から径方向外方に延在する翼部とで構成され、前記円環部の上面には、前記ステータとの接触を回避するための第１の環状溝が設けられたターボ分子ポンプ。
2. 請求項１に記載のターボ分子ポンプにおいて、
   前記円環部の下面には、前記ステータとの接触を回避するための第２の環状溝が設けられたターボ分子ポンプ。
3. 請求項１に記載のターボ分子ポンプにおいて、
   前記第１の環状溝の深さと外径と内径は、前記ステータの最下面が前記第１の環状溝に入りこんだ場合でも前記ステータが前記ロータ翼と接触しないように設定されているターボ分子ポンプ。
4. 請求項２に記載のターボ分子ポンプにおいて、
   前記第１の環状溝の深さと外径と内径は、前記ステータの最下面が前記第１の環状溝に入りこんだ場合でも前記ステータが前記ロータ翼と接触しないように設定され、
   前記第２の環状溝の深さと外径と内径は、前記ステータの最上面が前記第２の環状溝に入りこんだ場合でも前記ステータが前記ロータ翼と接触しないように設定されているターボ分子ポンプ。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載のターボ分子ポンプにおいて、
   前記環状溝の縁部には、アール部が設けられているターボ分子ポンプ。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載のターボ分子ポンプにおいて、
   前記環状溝の底面の隅部には、アール部が設けられているターボ分子ポンプ。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載のターボ分子ポンプにおいて、
   前記ステータは、プレス成形によって作製されたターボ分子ポンプ。
   

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