JP2018178908A - 真空ポンプ、真空ポンプに備わる磁気軸受部およびシャフト - Google Patents
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Abstract
Description
半導体製造装置の排気には、高性能かつ信頼性も高い磁気軸受式のターボ分子ポンプが多用されている。ステータに固定された電磁石によりシャフトを磁気浮上させて非接触で保持する磁気軸受式のターボ分子ポンプの全高は、磁気軸受の高さおよびシャフトの高さに制約されている側面がある。
従来の、シャフト芯棒120を回転自在に支持した磁気軸受101では、シャフト側下方(排気口側)において、吸気口側から排気口側へ向かって、第3スペーサ126、下側Ra(ラジアル)電磁石ターゲット27、第4スペーサ28、そして下側Raセンサターゲット29の順で配設されていた。
また、ステータ側下方においては、下側Ra電磁石9(下側Ra電磁石ターゲット27と対)、下側Raセンサ10(下側Raセンサターゲット29と対)の順で配設されていた。
一方、磁気軸受(磁気軸受部)を構成する各センサや各電磁石およびモータを変更せずに、かつ、磁気軸受の支持能力を損なうことなく、磁気軸受の高さを低減することは困難であった。
請求項2記載の発明では、前記磁気軸受部は、前記ラジアルセンサターゲットの前記吸気口側に固定される第1のスペーサと、前記ラジアルセンサターゲットと前記ラジアル電磁石ターゲットとの間に固定される第2のスペーサと、を有することを特徴とする請求項1に記載の真空ポンプを提供する。
請求項3記載の発明では、前記第1のスペーサ、前記第2のスペーサは、少なくともいずれか一方が積層鋼板で形成されることを特徴とする請求項2に記載の真空ポンプを提供する。
請求項4記載の発明では、前記モータは、前記外装体側モータ部における前記ラジアルセンサと対向する側に、シールド構造を備えることを特徴とする請求項1から請求項3の少なくともいずれか1項に記載の真空ポンプを提供する。
請求項5記載の発明では、前記ラジアルセンサは、インダクタンス式の変位センサであることを特徴とする請求項1から請求項4の少なくともいずれか1項に記載の真空ポンプを提供する。
請求項6記載の発明では、請求項1から請求項5の少なくともいずれか1項に記載の真空ポンプに備わる磁気軸受部を提供する。
請求項7記載の発明では、請求項1から請求項5の少なくともいずれか1項に記載の真空ポンプに備わるシャフトを提供する。
本実施形態では、従来の5軸制御磁気軸受におけるシャフト側下方の、Ra電磁石ターゲットと下側Raセンサターゲットの配置順を入れ替える(必然的に、ステータ側で各々と対になる下側Ra電磁石と下側Raセンサも入れ替える)。
すなわち、本実施形態の5軸制御磁気軸受におけるシャフト側下方では、吸気口方向から排気口方向へ順に、下側Raセンサターゲット、第4スペーサ(すなわち、本発明の第2のスペーサに相当する構成)、そしてRa電磁石ターゲットという構成順になる。あわせて、ステータ側下方では、吸気口方向から排気口方向へ順に、下側Raセンサ、下側Ra電磁石という構成順になる。
つまり、下側Raセンサが下側Ra電磁石の上側に配設される構成にする。
この構成により、下側Raセンサターゲットの上に固定される第3スペーサ(すなわち、本発明の第1のスペーサに相当する構成)を短くすることができるので、シャフトの長さを短くすることができる。
その結果、5軸制御磁気軸受の高さ、および、5軸制御磁気軸受を構成する電装部を内包するステータコラムを低くすることができるので、真空ポンプの全高を低くすることができる。
以下、本発明の好適な実施の形態について、図1から図4を参照して詳細に説明する。
(真空ポンプ1000の構成)
図1は、本発明の実施形態に係る真空ポンプ1000の概略構成例を示した図であり、真空ポンプ1000の軸線方向の断面を示した図である。
まず、本実施形態に係る真空ポンプ1000について説明する。
本実施形態の真空ポンプ1000は、ターボ分子ポンプ部とねじ溝ポンプ部を備えた、いわゆる複合型タイプの分子ポンプである。
真空ポンプ1000の外装体を形成するケーシング1002は、略円筒状の形状をしており、ケーシング1002の下部(排気口1006側)に設けられたベース1003と共に真空ポンプ1000の筐体を構成している。
そして、この真空ポンプ1000の筐体の内部には真空ポンプ1000に排気機能を発揮させる構造物である気体移送機構が収納されている。
この気体移送機構は、大きく分けて、回転自在に支持された回転部と、真空ポンプ1000の筐体に対して固定された固定部と、から構成されている。
ベース1003には、真空ポンプ1000内の気体を排気するための排気口1006が形成されている。
また、ベース1003には、制御装置が真空ポンプ1000から受ける熱の影響を低減するための、チューブ(管)状の部材からなる冷却管(水冷管)が埋設されている。これにより、ベース1003は温度コントロールがなされる。この冷却管は、内部に熱媒体である冷却材を流し、この冷却材に熱を吸収させるようにすることで、当該冷却管周辺を冷却するための部材である。
回転翼1009は、シャフト芯棒20の軸線に垂直な平面から所定の角度だけ傾斜してシャフト芯棒20から放射状に伸びたブレードからなる。
シャフト芯棒20には、シャフト芯棒20および回転部を高速回転させるためのモータを含む磁気軸受(磁気軸受1)が設けられ、ステータコラム4に内包されている。なお、磁気軸受(1)については後述する。
固定翼1015は、真空ポンプ1000の筐体の内周面からシャフト芯棒20に向かって、シャフト芯棒20の軸線に垂直な平面から所定の角度だけ傾斜して伸びているブレードから構成されている。
各段の固定翼1015は、円筒形状をしたスペーサ1017により互いに隔てられて固定されている。
真空ポンプ1000では、固定翼1015が軸線方向に、回転翼1009と互い違いに複数段形成されている。
また、らせん溝の深さは、排気口1006に近づくにつれて浅くなるようになっており、それ故、らせん溝を輸送されるガスは排気口1006に近づくにつれて圧縮されるように構成されている。
このように構成された真空ポンプ1000により、真空ポンプ1000に配設される真空室(不図示)内の真空排気処理が行われる。真空室は、たとえば、半導体製造装置、表面分析装置、微細加工装置のチャンバ等として用いられる真空装置である。
また、本実施形態では、「シャフトの高さS」、「磁気軸受の高さM」、および「真空ポンプの全高T」を以下の部分に該当するものとして説明する。
シャフトの高さSは、シャフト芯棒20の吸気口1004側上端からAxセンサーターゲット15の排気口1006側下端までの長さ。
磁気軸受の高さMは、シャフト芯棒20の吸気口1004側上端からAx(アキシャル)センサ17の排気口1006側下端までの長さ。
真空ポンプの全高Tは、吸気口1004の上端から真空ポンプ1000の下端までの長さ。
次に、上述したような構成を有する真空ポンプ1000に配設される磁気軸受1(5軸制御磁気軸受)の構成について説明する。
図2は、本発明の実施形態に係る磁気軸受1を説明するための図である。
磁気軸受1は、大きく分けて、シャフトアッセンブリ2とステータアッセンブリ3から構成され、ステータコラム4に、シャフト芯棒20の吸気口1004側の一部以外が内包される。
シャフトアッセンブリ2は、シャフト芯棒20と、そのシャフト芯棒20に固定される上側Raセンサターゲット21、第1スペーサ22、上側Ra電磁石ターゲット23、第2スペーサ24、シャフト側モータ25、第3スペーサ26(本発明の第1のスペーサに相当)、下側Raセンサターゲット29、第4スペーサ28(本発明の第2のスペーサに相当)、下側Ra電磁石ターゲット27、そしてオサエ30が、この順番で吸気口1004側から排気口1006側へと配設されて構成される。
ステータアッセンブリ3は、上側保護ベアリング5、上側Raセンサ6、上側Ra電磁石7、ステータ側モータ8、下側Raセンサ10、下側Ra電磁石9、下側保護ベアリング11、上側Ax電磁石12、Axスペーサ13、アーマチャーディスク14、Axセンサターゲット15、下側Ax電磁石16、そしてAxセンサ17が、この順番で吸気口1004側から排気口1006側へと配設されて構成される。
以下、上述した各構成について具体的に説明する。
さらに、シャフト芯棒20をラジアル方向(径方向/Ra方向)に非接触で支持するための径方向磁気軸受装置として、モータ(ステータ側モータ8とシャフト側モータ25)よりも吸気口1004側には、上側Ra電磁石7および上側Ra電磁石ターゲット23が設けられている。一方、モータよりも排気口1006側には、下側Ra電磁石9および下側Ra電磁石ターゲット27が、各々対で設けられている。各電磁石ターゲット(23、27)は、シャフト芯棒20に固定されている。この2つの対(電磁石と電磁石ターゲット)の径方向磁気軸受装置の電磁石の磁力により、シャフト芯棒20が吸引されるようになっている。
なお、図2では、磁気軸受1の構成のうち、シャフト芯棒20の中心線に対して向かって左側の構成について説明しているが、他方についても同様の構成である。すなわち、磁気軸受1には、シャフト芯棒20の周囲に、所定のクリアランスを隔てて4つの電磁石が90度ごとに対向するように配設される。
通常、非接触式の上側Raセンサ6としては、インダクタンス式や渦電流式の変位センサを用いていているが、上側Raセンサターゲット21の個体差や設置具合によって出力信号のバラツキが出ることを少なくする為に、今回はインダクタンス式の変位センサを用いている。
制御部は、上側Raセンサ6や下側Raセンサ10からの信号によってシャフト芯棒20のラジアル方向の変位を検出すると、上述した各電磁石の磁力を調整してシャフト芯棒20を所定の位置に戻す制御を行う。
アーマチャーディスク14は、シャフト芯棒20に垂直に固定され、その上に上側Ax電磁石12が、そしてその下に下側Ax電磁石16が配設される。アーマチャーディスク14を、上側Ax電磁石12が上方へ吸引にし、一方、下側Ax電磁石16が下方へ吸引することで、シャフト芯棒20をアキシャル方向(スラスト方向)に磁気浮上させ、空間で非接触で支持している。
Axセンサ17およびAxセンサターゲット15は、シャフト芯棒20のアキシャル方向の変位を検出する素子であり、センサは、たとえば、コイルにより構成される。変位の検出方法は、上述した上側Raセンサ6と同様である。
このように、本実施形態の磁気軸受1は、シャフト芯棒20を、径方向磁気軸受装置によってラジアル方向に保持し、一方、軸方向磁気軸受装置によってアキシャル方向に保持し、軸線周りに回転させる、いわゆる5軸制御型の磁気軸受装置である。
図3を用いて、本実施形態について具体的に説明する。
図3は、本実施形態に係る磁気軸受1を説明するために従来技術の磁気軸受101と構造を比較した構造比較図である。
上述したように、本実施形態では、下側Raセンサターゲット29と下側Ra電磁石ターゲット27が、従来の配置と異なる(配置の順番が逆になる)。
すなわち、シャフト芯棒20に固定される部品のうち、第3スペーサ26よりも下方(排気口1006側)に固定される部品の配置が、上方から下方へ(すなわち、吸気口1004側から排気口1006側へ)、下側Raセンサターゲット29、第4スペーサ28、そして下側Ra電磁石ターゲット27の順となる。
同様に、下側Ra電磁石ターゲット27と対になる下側Ra電磁石9、および、下側Raセンサターゲット29と対になる下側Raセンサ10も、従来のシャフト芯棒120に固定される配置とは逆の順番で配設される。
具体的には、本実施形態では、第3スペーサ26を積層鋼板で構成し、積層する積層鋼板の枚数を除去部50分だけ減らすことで、第3スペーサ26の高さ(軸方向の長さ)を短くすることができる。
このように、従来の第3スペーサ126から除去部50を削除することが可能になったことにより、本実施形態では、以下(ア)から(ウ)の各寸法をΔH(除去部50)分だけ低くすることができる。
(ア)磁気軸受1の高さM(M2)を、ΔM(=M2−M1=ΔH)分低くすることができる。
なお、従来の磁気軸受101の軸方向高さをM2、本実施形態の磁気軸受1の軸方向高さをM1とする。
(イ)シャフト芯棒20の高さS(S2)を、ΔS(=S2−S1=ΔH)分低くすることができる。
なお、従来のシャフト芯棒120の軸方向高さをS2、本実施形態の従来のシャフト芯棒20の軸方向高さをS1とする。
(ウ)ステータコラム4の高さC(C2)を、ΔC(=C2−C1=ΔH)分低くすることができる。
なお、従来のステータコラム104の軸方向高さをC2、本実施形態の従来のステータコラム4の軸方向高さをC1とする。
このように、除去部50(ΔH)分、上記(ア)から(ウ)の寸法が小さくなるので、ひいては、真空ポンプ1000の全高(T)を小さくすることができる。
シャフト芯棒20の高さを短くすることができるので、磁気軸受1の高さ(図1;M)を低くすることができ、その結果、真空ポンプ1000の全高(図1;T)を低くすることができる。
すなわち、磁気軸受1の支持能力を低減することなく、磁気軸受1の高さを低くすることができるので、磁気軸受1を内包するステータコラム4の高さおよび真空ポンプ1000の全高を低くすることができる。
そして、真空ポンプ1000の全高を低くすることで、低くなった分の材料費が一部不要になることから、コスト削減を実現することができる。
さらに、シャフト芯棒20を短くしたことで固有振動数が向上するので、より高速で回転させることができる。
下側Ra電磁石ターゲット27と下側Raセンサターゲット29の位置関係を変更した本実施形態では、図3に示したように、磁気軸受1のスパン(L1)が従来の磁気軸受101のスパン(L2)よりも、ΔL(=L1−L2)分増加する。
これにより、シャフト芯棒20(回転部)の傾き制御能力を向上することができる。
あるいは、シャフト芯棒20(回転部)の傾き制御能力は据え置き、スパンが長くなった分(ΔL)だけさらに第3スペーサ26の厚み(軸方向の寸法)を減らす構成にすれば、磁気軸受1の高さをさらに低くすることもできる。
図4は、本実施形態の変形例に係るシールド構造の概略構成例を示した図である。
図4に示したように、ステータ側モータ8と下側Raセンサ10の間に、シールド構造を入れる構成にしてもよい。
より具体的には、ステータ側モータ8のコイルボビン内の下側Raセンサ10と対向する面に、シールド構造としてシールド板200を配設する。
シールド板200の具体例としては、以下(1)から(3)のいずれかの構成が好ましい。
(1)磁界を遮断するための積層鋼板を配設する。
(2)磁界を遮断するための積層鋼板(1)に加え、さらに、電界を遮断するために、下側Raセンサ10と対向する側に、積層鋼板(1)に重ねて銅板およびグランドと連結するリード線(アース)を配設する。
(3)積層鋼板(1)と銅板およびアース(2)に加え、さらに、積層鋼板(1)と銅板およびアース(2)を挟むように、絶縁フィルム(絶縁紙)を配設する。
上述した(1)から(3)のいずれかの構成により、仮に、下側Raセンサ10がステータ側モータ8に接近する構成になったことで磁気的または電気的ノイズが発生する虞がある場合であっても、当該磁気的または電気的ノイズが下側Raセンサ10の妨げにならないようにシールド板200で防御することができる。
たとえば、第3スペーサ26をステンレスなどの金属で構成してもよい。その場合は、金属を除去部50の分だけ削ることで第3スペーサ26を所望の長さにまで短くすればよい。
また、第1スペーサ22、第2スペーサ24、第3スペーサ26、そして第4スペーサ28を、全て積層鋼板で構成してもよい。
さらに、第2スペーサ24、シャフト側モータ25、および第3スペーサ26は一体化構造にしてもよい。
2 シャフトアッセンブリ
3 ステータアッセンブリ
4 ステータコラム
5 上側保護ベアリング
6 上側Raセンサ
7 上側Ra電磁石
8 ステータ側モータ
9 下側Ra電磁石
10 下側Raセンサ
11 下側保護ベアリング
12 上側Ax電磁石
13 Axスペーサ
14 アーマチャーディスク
15 Axセンサターゲット
16 下側Ax電磁石
17 Axセンサ
20 シャフト芯棒
21 上側Raセンサターゲット
22 第1スペーサ
23 上側Ra電磁石ターゲット
24 第2スペーサ
25 シャフト側モータ
26 第3スペーサ
27 下側Ra電磁石ターゲット
28 第4スペーサ
29 下側Raセンサターゲット
30 オサエ
50 除去部
101 磁気軸受(従来技術)
120 シャフト芯棒(従来技術)
126 第3スペーサ(従来技術)
200 シールド板
1000 真空ポンプ
1002 ケーシング
1003 ベース
1004 吸気口
1005 フランジ部
1006 排気口
1008 ロータ
1009 回転翼
1015 固定翼
1016 ねじ溝スペーサ
1017 スペーサ
Claims (7)
- 吸気口と排気口が形成された外装体と、
前記外装体に内包されるシャフトと、
前記シャフトの所定の位置に固定されるラジアル電磁石ターゲットおよび当該ラジアル電磁石ターゲットと所定の隙間を隔てて対向するラジアル電磁石と、前記シャフトの所定の位置に固定されるラジアルセンサターゲットおよび当該ラジアルセンサターゲットと所定の隙間を隔てて対向するラジアルセンサと、により構成され、前記シャフトを回転自在に支持する磁気軸受部と、
前記シャフトの所定の位置に固定されるシャフト側モータ部および当該シャフト側モータ部と所定の隙間を隔てて対向する外装体側モータ部と、により構成され、前記シャフトを回転させるモータと、
前記シャフトに配設され、当該シャフトとともに前記モータにより回転する回転部と、
を備え、
前記回転部を高速回転させることにより、前記吸気口から吸気した気体を前記排気口へ移送する真空ポンプであって、
前記磁気軸受部のうち前記シャフト側モータ部が配設される位置よりも前記排気口側では、前記シャフトにおける前記吸気口側から前記排気口側にかけて、前記ラジアルセンサターゲット、前記ラジアル電磁石ターゲットの順で配設されることを特徴とする真空ポンプ。
- 前記磁気軸受部は、前記ラジアルセンサターゲットの前記吸気口側に固定される第1のスペーサと、前記ラジアルセンサターゲットと前記ラジアル電磁石ターゲットとの間に固定される第2のスペーサと、を有することを特徴とする請求項1に記載の真空ポンプ。
- 前記第1のスペーサ、前記第2のスペーサは、少なくともいずれか一方が積層鋼板で形成されることを特徴とする請求項2に記載の真空ポンプ。
- 前記モータは、前記外装体側モータ部における前記ラジアルセンサと対向する側に、シールド構造を備えることを特徴とする請求項1から請求項3の少なくともいずれか1項に記載の真空ポンプ。
- 前記ラジアルセンサは、インダクタンス式の変位センサであることを特徴とする請求項1から請求項4の少なくともいずれか1項に記載の真空ポンプ。
- 請求項1から請求項5の少なくともいずれか1項に記載の真空ポンプに備わる磁気軸受部。
- 請求項1から請求項5の少なくともいずれか1項に記載の真空ポンプに備わるシャフト。
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