JP2017014945A - 真空ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】フランジを固定するボルトの破断や大きな変形を防止することができる真空ポンプの提供。【解決手段】ターボ分子ポンプは、回転駆動されるロータと、吸気口フランジ２１１が形成され、ロータを収容するポンプケーシング２１と、吸気口フランジ２１１と分離して設けられ、吸気口フランジ２１１を装置側フランジに固定する補助フランジ２１３と、を備える。そして、補助フランジ２１３は、排気口フランジ１００にボルト１０５により締結される締結部２２３と、吸気口フランジ２１１の背面に当接し、吸気口フランジ２１１を排気口フランジ１００との間に挟持する挟持部２２２とを有する。【選択図】図３

Description

本発明は、半導体製造装置等の真空装置に装着され、安全性に優れたポンプ取り付け構造を備える真空ポンプに関する。

ターボ分子ポンプ等のロータを高速回転させる真空ポンプでは、ポンプ運転中は、ロータは常に大きなエネルギーを持っている。真空ポンプに何らかの強い外乱が印加されたときや、設計時の想定を超える条件下での連続運転等によりロータが破壊した場合、ロータ破片がポンプケーシングに衝突して大きな破壊トルクを与える。

ところで、真空ポンプは、その吸気口フランジを装置側チャンバのフランジにボルト固定することにより、装置側チャンバに取り付けられている。そのため、上述のような過大な破壊トルクがポンプケーシングに与えられると、吸気口フランジが大きな回転トルクで回転し、吸気口フランジを固定しているボルトが破断するおそれがある。

このような問題に対して、吸気口フランジのボルト孔の一部を長穴としたり、径の異なる複数の座グリをボルト孔に対して同心円状に設けて階段状の座グリ穴を形成したりする技術が知られている（例えば、特許文献１および２参照）。

特許第３４２６７３４号公報 特開２００３−１４８３８８号公報

しかしながら、特許文献１や特許文献２に記載のように長穴化や階段状の座グリ穴を設ける構成では、衝撃エネルギー吸収の点で限界があり、ボルトが塑性変形後に破断するおそれがある。また、ボルト破断を避けられたとしても、ボルトが大きく変形するため、装置からの取り外し作業に非常に手間がかかる。

本発明の好ましい実施形態による真空ポンプは、回転駆動されるロータと、吸気口フランジが形成され、前記ロータを収容するポンプケーシングと、前記吸気口フランジと分離して設けられ、前記吸気口フランジを装置側フランジに固定する補助フランジと、を備え、前記補助フランジは、前記装置側フランジにボルトにより締結される締結部と、前記吸気口フランジの背面に当接し、前記吸気口フランジを前記装置側フランジとの間に挟持する挟持部とを有する。
さらに好ましい実施形態では、前記吸気口フランジから前記補助フランジを介して前記ボルトに伝達される衝撃を緩和する緩衝部材を、前記吸気口フランジと前記補助フランジとの間に備える。
さらに好ましい実施形態では、前記緩衝部材は、前記吸気口フランジに設けられたピン穴および前記補助フランジに設けられたピン穴に係合するピンである。
さらに好ましい実施形態では、前記吸気口フランジおよび前記補助フランジに設けられたピン穴と前記ピンとの隙間寸法は、前記吸気口フランジの移動可能量が前記締結部に設けられたボルト孔と前記ボルトとの隙間寸法よりも小さくなるように設定されている。

本発明によれば、フランジを固定するボルトの破断や大きな変形を防止することができる。

図１は、本発明に係る真空ポンプの第１の実施の形態を説明する図である。 図２は、吸気口フランジおよび補助フランジの平面図である。 図３は、吸気口フランジの固定構造を示す図である。 図４は、補助フランジを示す図である。 図５は、本発明に係る真空ポンプの第２の実施形態を示す図である。 図６は、第２の実施の形態における吸気口フランジの固定構造を示す図である。 図７は、第２の実施の形態の変形例を説明する図である。 図８は、円弧状緩衝部材を説明する図である。

以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。
−第１の実施の形態−
図１は本発明に係る真空ポンプの第１の実施の形態を説明する図であり、ターボ分子ポンプ１を示す断面図である。ターボ分子ポンプ１は、不図示のコントロールユニットによって駆動制御される。

図１に示したターボ分子ポンプ１は磁気浮上式のターボ分子ポンプであって、ロータ３０は、ラジアル方向の磁気軸受３７およびスラスト方向の磁気軸受３８によって非接触支持される。ロータ３０の浮上位置は、ラジアル変位センサ２７およびアキシャル変位センサ２８によって検出される。磁気軸受３７，３８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。非常用のメカニカルベアリング２６，２９は、磁気軸受３７，３８が作動していない時にロータ３０を支持する。

ロータ３０には、複数段の回転翼３２と円筒ロータ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２２と、円筒ロータ３１の外周側に設けられたネジステータ２４とが設けられている。なお、円筒ロータ３１およびネジステータ２４の無い全翼タイプのターボ分子ポンプに対しても、本発明は適用することができる。

各固定翼２２は、スペーサリング２３を介してベース２０上に載置される。ポンプケーシング２１の固定フランジ２１ｃをボルトによりベース２０に固定すると、積層されたスペーサリング２３がベース２０とポンプケーシング２１との間に挟持され、固定翼２２が位置決めされる。ベース２０には排気ポート２５が設けられ、この排気ポート２５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、吸気口側の気体分子は排気ポート２５側へと排気される。

ポンプケーシング２１の吸気口側には、Ｏリングシールが装着されるＯリング溝２１２が形成された吸気口フランジ２１１が設けられている。吸気口フランジ２１１の背面側（図示下側）には、吸気口フランジ２１１を真空装置の排気口フランジに固定するための補助フランジ２１３が、吸気口フランジ２１１とは別体で設けられている。

図２は、ポンプケーシング２１を真空装置側から見た図である。補助フランジ２１３は円弧状の部材である。図２では、２つの補助フランジ２１３が、左右対称に配置されている。補助フランジ２１３は、吸気口フランジ２１１の背面側に当接する挟持部２２２と、ボルト孔２２０が複数形成された締結部２２３とを備えている（図１参照）。

図３は、補助フランジ２１３を用いて吸気口フランジ２１１を装置側の排気口フランジ１００に固定した状態を示す図であり、図２のＡ−Ａ断面に相当する断面図である。吸気口フランジ２１１を排気口フランジ１００に固定する場合には、挟持部２２２を吸気口フランジ２１１の背面（シール面と反対側の面）に当接させた状態で、ボルト１０５を用いて締結部２２３を排気口フランジ１００に締結する。締結部２２３を排気口フランジ１００にボルト締結すると、吸気口フランジ２１１は、挟持部２２２と排気口フランジ１００との間に挟持される。その結果、吸気口フランジ２１１と排気口フランジ１００とは、Ｏリングシール１１０によって封止される。

ところで、ロータ破壊等によりポンプケーシング２１に衝撃が加わると、ポンプケーシング２１に大きな回転トルクが発生する。そのため、従来の真空ポンプのように吸気口フランジを装置側にボルト固定する構成の場合、吸気口フランジが回転してボルト孔側面がボルト軸に衝突する。その結果、ボルト軸に過大な剪断力が付加され、最悪の場合にはボルト軸が破断するおそれがある。

一方、本実施の形態では、シール面が形成された吸気口フランジ２１１と、装置側の排気口フランジ１００にボルト締結される補助フランジ２１３とが、分離されて別体となっている。そのため、ポンプケーシング２１に大きな回転トルクが発生した際に、挟持部２２２と排気口フランジ１００との間で吸気口フランジ２１１が滑るように回転することができる。そして、挟持部２２２および排気口フランジ１００と吸気口フランジ２１１との摩擦によって回転エネルギーが消費される。もちろん、摩擦力によって補助フランジ２１３も回転しようとするが、ボルト１０５に作用する剪断力は従来の構成に比べて小さく抑えられる。その結果、ボルト１０５の破断や大きな塑性変形を防止することができる。

ところで、吸気口フランジをボルトで直接固定する構成に代えて、吸気口フランジをクランプにより固定する構成が知られている（例えば、特開２０１４−２２２０４４号公報）。クランプを用いる構成では、過大なトルクが発生した場合に吸気口フランジがクランプに対して回転することで、固定用ボルトに加わる衝撃トルクを緩和されるとしている。しかしながら、従来のクランプ固定では、ポンプケーシングに径方向の過大な衝撃が加わった場合、クランプの爪が折れてクランプ自体が使用できなくなるだけでなく、ボルト破断の場合と同様にポンプ落下を招くおそれがある。

一方、本実施の形態では、従来のクランプ式の固定と異なり、補助フランジ２１３には吸気口フランジ２１１と係合する爪状の部分が無いので、補助フランジ２１３自体が破損するおそれがない。

なお、図２の符号Ｂで示す形状のように、補助フランジ２１３の挟持部２２２の端部をＲ形状とするのが好ましい。挟持部２２２の端部（符号Ｂで示す部分）が角張っていると、衝撃による回転トルクでポンプケーシング２１が回転した際に、ポンプケーシング２１が角張った端部に引っ掛かり易くなり、補助フランジ２１３に過大な回転トルクが作用する可能性がある。一方、図２に示すように挟持部２２２の端部をＲ形状とすることで、ポンプケーシング２１が引っ掛かるのを防止することができる。

図２に示した例では、リング状部材を２分割したような形状の補助フランジ２１３を２個使用したが、３個以上で構成するようにしても良い。図４は、補助フランジ２１４を３個使用した場合を示す。補助フランジ２１３の場合には、１８０度ピッチで配置されたが、補助フランジ２１４の場合には１２０度ピッチで配置されている。

なお、ボルト孔２２０の配置および数は、吸気口フランジ２１１の口径に応じた設定とされている。補助フランジ２１３，２１４のいずれの構成の場合も、設定された所定数（８つ）のボルト孔２２０が配置されるように、補助フランジ２１３，２１４の形状が設定されている。ただし、ボルト強度が十分確保できる範囲内であれば、補助フランジ２１３，２１４の形状を、ボルト孔数が所定数未満となる形状としても構わない。

図３に示す例では、吸気口フランジ２１１の外周面と締結部２２３の内周面との間に隙間Ｇが設けられている。これは、衝撃によって吸気口フランジ２１１が径方向にも移動した場合に、吸気口フランジ２１１の回転の勢いが低下してから締結部２２３に衝突するようにするためのものである。これにより、ボルト１０５への衝撃を低減することが可能となる。

−第２の実施の形態−
図５，６は、本発明に係る真空ポンプの第２の実施形態を示す図である。図５は、吸気口フランジ２１１および補助フランジ２１３Ａの平面図である。図６は、第２の実施の形態における吸気口フランジ２１１の固定構造を示す図である。補助フランジ２１３Ａは、ピン３００を備える点が図２に示す補助フランジ２１３と異なり、その他の構成は補助フランジ２１３と同様である。補助フランジ２１３Ａの挟持部２２２には、吸気口フランジ２１１の背面と対向する面にピン３００が立接されている。図６に示す例では、４つのピン３００が各補助フランジ２１３Ａに設けられている。ピン３００は挟持部２２２の面から突出するように設けられており、その突出した部分は、吸気口フランジ２１１の背面に形成されたピン穴２１１ａに係合している。

ピン３００は、ポンプケーシング２１に衝撃が加わって吸気口フランジ２１１が回転方向または径方向に移動した際に、ピン３００が破壊または塑性変形する。本実施形態では、緩衝部材として設けられたピン３００が破壊または塑性変形することによって、補助フランジ２１３Ａに加わる衝撃をやわらげる働きをする。そのため、ロータ破壊等が発生した場合でも、ポンプ固定用のボルト１０５の破断や大きな変形を防止することができる。また、ピン３００を補助フランジ２１３と別体で設けているので、破損または変形したピン３００を交換することで補助フランジ２１３を再利用することができる。

図５に示す例では、挟持部２２２のピン穴はピン３００に対しては締まり嵌めに設定されているので、吸気口フランジ２１１がピン３００とピン穴２１１ａとの隙間寸法分だけ移動してから、ピン３００に衝撃が加わることになる。そのため、ピン３００を、ボルト１０５に加わる衝撃を緩和する緩衝部材として効果的に機能させるためには、隙間寸法を以下のように設定する必要がある。すなわち、ボルト１０５がボルト穴の側面に衝突する前にピン３００によって吸気口フランジ２１１の移動が阻止されるためには、ピン３００とピン穴２１１ａとの隙間寸法を、ボルト１０５とボルト孔２２０との隙間寸法Ｇ１よりも小さく設定するのが好ましい。ここで、隙間寸法とは、（穴径−軸径）／２で算出される寸法である。また、ここでは、ピン穴とピンとが理想的に同軸に配置されているとして隙間寸法に関する説明をしている。

なお、吸気口フランジ２１１および挟持部２２２の両方に対してピン３００が隙間嵌めの場合には、補助フランジ２１３Ａに対する吸気口フランジ２１１の移動可能量は両方の隙間寸法の和となる。この場合、その隙間寸法の和を隙間寸法Ｇ１よりも小さく設定するのが好ましい。

また、吸気口フランジ２１１の径方向への移動を考えた場合、上述した条件に加えて、吸気口フランジ２１１の外周面と締結部２２３の内周面との隙間寸法Ｇ２を、上述した吸気口フランジ２１１の移動可能量よりも大きく設定する必要がある。そのように設定することで、吸気口フランジ２１１が回転した場合、および、径方向へ移動した場合のいずれにおいても、ピン３００が緩衝部材として効果的に機能する。

図７は、第２の実施の形態の変形例を示す図である。図５，６に示した実施形態では、ピン３００がボルト破断に対する緩衝部材として機能した。一方、図７に示す変形例では、矩形断面形状を有するリング状の緩衝部材３１０を用いる構成とした。補助フランジ２１３Ｂは、ピン穴に代えて緩衝部材３１０が配置される円弧溝２２２ｂが形成されている以外は、図５，６に示した補助フランジ２１３Ａと同様の形状を有している。吸気口フランジ２１１の背面には、図６のピン穴２１１ａに代えて緩衝部材３１０が配置されるリング溝２１１ｂが形成されている。２つの補助フランジ２１３Ｂのそれぞれに形成された円弧溝２２２ｂは、一つの仮想的リング溝の一部をそれぞれ構成している。

変形例におけるリング状の緩衝部材３１０は、吸気口フランジ２１１が径方向に移動した際の緩衝部材として機能する。吸気口フランジ２１１の回転方向の移動に対しては、緩衝部材３１０は吸気口フランジ２１１に干渉しないので、緩衝部材としては機能しない。

図７に示す例では、吸気口フランジ２１１のリング溝２１１ｂは、内径が緩衝部材３１０の内径とほぼ等しく設定され、外径は緩衝部材３１０の外径よりも大きく設定されている。一方、補助フランジ２１３Ｂに形成された円弧溝２２２ｂの外径は緩衝部材３１０の外径とほぼ等しく設定され、円弧溝２２２ｂの内径は緩衝部材３１０の内径よりも小さく設定されている。また、吸気口フランジ２１１の外周面と締結部２２３の内周面との間には隙間が形成されている。

吸気口フランジ２１１の径方向への移動は、緩衝部材３１０が破壊したり変形したりしない限り、緩衝部材３１０によって阻止される。すなわち、変形例においては、ロータ破壊等によりポンプケーシング２１に衝撃が加わって吸気口フランジ２１１が径方向に移動した際には、補助フランジ２１３Ｂは吸気口フランジ２１１と一体で径方向に移動し、補助フランジ２１３Ｂのボルト孔２２０の側面とボルト１０５の軸とが接触する。

ここで、緩衝部材３１０の強度はボルト１０５の強度よりも低く設定されているので、緩衝部材３１０が破壊または塑性変形することでボルト１０５への衝撃が緩和される。そのため、吸気口フランジ２１１の外周面と締結部２２３の内周面との隙間寸法Ｇ２は、緩衝部材３１０が破壊または塑性変形による衝撃吸収が効果的に行えるように設定される。例えば、緩衝部材３１０が完全に破断されるのに要する吸気口フランジ２１１の相対移動量（補助フランジ２１３Ｂに対する移動量）程度に、隙間寸法Ｇ２を設定する。

なお、緩衝部材３１０とリング溝２１１ｂの内周面との間、および／または、緩衝部材３１０と円弧溝２２２ｂの外周面との間に、隙間を設けるようにしても良い。その場合、隙間寸法Ｇ２は、それらの隙間寸法分だけをより大きく設定される。吸気口フランジ２１１は上述の隙間寸法分だけ径方向に移動した後に、緩衝部材３１０に当接することになる。よって、変形例においても、上述した第２の実施の形態と同様の作用効果を奏することができる。

図７に示す変形例では、緩衝部材３１０をリング状としたが、例えば、図８に示すような円弧状としても良い。図８は、２つの補助フランジ２１３Ｂと、２つの円弧状緩衝部材３１０Ａとの配置を示す平面図である。２つの補助フランジ２１３Ｂと２つの円弧状緩衝部材３１０Ａとは、９０度だけ角度をずらして配置されている。図７に示した例では、緩衝部材３１０をリング状としているので、予めポンプケーシング２１に装着されている。一方、図８に示す構成では、円弧状緩衝部材３１０Ａは、リング状の緩衝部材３１０をほぼ半分に分割した形状となっている。そのため、別体で設けられた補助フランジ２１３Ｂおよび円弧状緩衝部材３１０Ａを、ポンプケーシング２１に対して図８のように後から組み付けることが可能となる。

上述した実施の形態によれば、以下のような作用効果が得られる。
（１）図１に示すように、真空ポンプであるターボ分子ポンプ１は、回転駆動されるロータ３０と、吸気口フランジ２１１が形成され、ロータ３０を収容するポンプケーシング２１と、吸気口フランジ２１１と分離して設けられ、吸気口フランジ２１１を装置側フランジに固定する補助フランジ２１３と、を備える。そして、補助フランジ２１３は、図３に示すように、装置側フランジである排気口フランジ１００にボルト１０５により締結される締結部２２３と、吸気口フランジ２１１の背面に当接し、吸気口フランジ２１１を排気口フランジ１００との間に挟持する挟持部２２２とを有する。

このように、排気口フランジ１００にボルト締結される締結部２２３を有する補助フランジ２１３とポンプケーシング２１の吸気口フランジ２１１とが分離して設けられているので、ポンプケーシング２１に大きな回転トルクが発生した際に、挟持部２２２と排気口フランジ１００との間で吸気口フランジ２１１が移動することができる。そのため、挟持部２２２および排気口フランジ１００と吸気口フランジ２１１との摩擦によって衝撃が緩和され、ボルト１０５に作用する剪断力を従来よりも軽減することができる。その結果、ボルト１０５の破断や大きな変形を防止することができる。また、補助フランジ２１３自体は吸気口フランジ２１１と係合する部分が無いので、衝撃による破損を招くことがない。

（２）さらに、図５，６に示すように、吸気口フランジ２１１から補助フランジ２１３Ａを介してボルト１０５に伝達される衝撃を緩和する緩衝部材としてのピン３００を、吸気口フランジ２１１と補助フランジ２１３Ａとの間に備えるのが好ましい。ピン３００を設けることにより、上述した摩擦による衝撃の低減に加えて、ピン３００により衝撃がさらに低減される。

さらに、吸気口フランジ２１１および補助フランジ２１３Ａに設けられたピン穴とピン３００との隙間寸法を、吸気口フランジ２１１の移動可能量が締結部２２３に設けられたボルト孔２２０とボルト１０５との隙間寸法Ｇ１よりも小さくなるように設定するのが好ましい。このように隙間寸法を設定することで、ボルト１０５に作用する剪断力を効果的に低減することができる。

上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。例えば、上述した実施の形態ではターボ分子ポンプを例に説明したが、ターボ分子ポンプに限らずモレキュラードラッグポンプ等の真空ポンプにも適用することができる。

１…ターボ分子ポンプ、２１…ポンプケーシング、３０…ロータ、１００…排気口フランジ、１０５…ボルト、２１１…吸気口フランジ、２１１ａ…ピン穴、２１１ｂ…リング溝、２１３，２１３Ａ，２１３Ｂ，２１４…補助フランジ、２２０…ボルト孔、２２２…挟持部、２２３…締結部、３００…ピン、３１０…緩衝部材、３１０Ａ…円弧状緩衝部材

Claims (4)

1. 回転駆動されるロータと、
   吸気口フランジが形成され、前記ロータを収容するポンプケーシングと、
   前記吸気口フランジと分離して設けられ、前記吸気口フランジを装置側フランジに固定する補助フランジと、を備え、
   前記補助フランジは、
   前記装置側フランジにボルトにより締結される締結部と、
   前記吸気口フランジの背面に当接し、前記吸気口フランジを前記装置側フランジとの間に挟持する挟持部とを有する、真空ポンプ。
2. 請求項１に記載の真空ポンプにおいて、
   前記吸気口フランジから前記補助フランジを介して前記ボルトに伝達される衝撃を緩和する緩衝部材を、前記吸気口フランジと前記補助フランジとの間に備える、真空ポンプ。
3. 請求項２に記載の真空ポンプにおいて、
   前記緩衝部材は、前記吸気口フランジに設けられたピン穴および前記補助フランジに設けられたピン穴に係合するピンである、真空ポンプ。
4. 請求項３に記載の真空ポンプにおいて、
   前記吸気口フランジおよび前記補助フランジに設けられたピン穴と前記ピンとの隙間寸法は、前記吸気口フランジの移動可能量が前記締結部に設けられたボルト孔と前記ボルトとの隙間寸法よりも小さくなるように設定されている、真空ポンプ。

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