JP2018179262A - 真空ポンプ、磁気軸受装置及びロータ - Google Patents

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Abstract

【課題】ロータの振れや振動を軽減する真空ポンプ、磁気軸受装置及びロータを提供する。【解決手段】ガスの排気方向に沿って、ロータ20の重心G1、ロータ20をラジアル方向Rに磁力で非接触支持する能動ラジアル軸受71及びロータ20をラジアル方向Rに磁力で非接触支持する受動ラジアル軸受72が、この順で配置されている真空ポンプ1。【選択図】図1

Description

本発明は、真空ポンプ、及び真空ポンプに用いられる磁気軸受装置、ロータに関するものであり、特に、ロータの振れや振動を抑制する真空ポンプ、磁気軸受装置及びロータである。
真空ポンプを用いて排気処理を行い、内部を真空に保つ装置として、半導体製造装置、液晶製造装置、電子顕微鏡、表面分析装置及び微細加工装置等が知られている。このような装置に用いられる真空ポンプは、回転翼が固定翼に対して相対的に回転することにより、装置内の気体が外部に排気されて装置内が真空に保たれる。
特許文献1には、ロータの5自由度の内、3自由度を能動的に制御拘束し、残りの2自由度を受動的に拘束する磁気軸受を備えた真空ポンプが開示されている。このような真空ポンプでは、ロータ上部のラジアル方向の平衡点からの変位を計測する変位センサと、変位センサの計測値に基づいてロータを平衡点に引き戻す能動ラジアル軸受と、ロータをラジアル方向に支持する受動ラジアル軸受と、を備えている。能動ラジアル磁気軸受と受動ラジアル軸受とは、ガスの排気方向においてロータの重心を挟んで反対側に配置されている。
特開昭59−83828号公報
上述したような真空ポンプでは、ロータが平衡点からラジアル方向に変位した場合に、能動ラジアル軸受がロータの上部に上部復元力を作用させると、受動ラジアル軸受がロータのアーマチャディスクに作用させる磁気抵抗に起因してロータの下側に作用する下部復元力がロータの姿勢に応じた傾斜力によって相殺されるため、軸受の共振点でのロータの振れと振動が減衰しにくいという問題があった。
そして、ロータの下部に作用する復元力が低下すると、ロータ回転時のバランスを向上させるためにロータを高精度で作製しなければならず、さらに真空ポンプ組立時の微調整に長時間を要するという問題があった。
そこで、本発明はこのような従来の課題に鑑みてなされたものであり、ロータの振れや振動を軽減することを目的とする。
本発明は上記目的を達成するために提案されたものであり、請求項1記載の発明は、ガスを排気するロータをラジアル方向に磁力で非接触支持するラジアル方向磁力発生手段と、前記ロータの前記ラジアル方向の変位を検出するラジアル方向変位検出手段と、を有する磁気軸受装置を備えた真空ポンプであって、前記ラジアル方向磁力発生手段は、前記ガスの排気方向において、前記ロータの重心より排気側に2つ設けられている真空ポンプを提供する。
この構成によれば、ロータが平衡点からラジアル方向に変位した際に、ラジアル方向磁力発生手段がロータの下部に作用させる復元力とロータの姿勢に起因する傾斜力とが同じ向きに生じるため、ロータの下部に作用する並行力が傾斜力に減衰されることなくロータの振れや振動を効率的に制震することができる。
請求項2記載の発明は、請求項1記載の真空ポンプの構成に加えて、前記ガスの前記排気方向の吸気側に配置された第1のラジアル方向磁力発生手段は、前記ロータを能動的に支持し、前記ガスの前記排気方向の排気側に配置された第2のラジアル方向磁力発生手段は、前記ロータを受動的に支持する真空ポンプを提供する。
この構成によれば、ガスの排気方向に沿って、ロータの重心、第1のラジアル方向磁力発生手段及び第2のラジアル方向磁力発生手段が、この順に配置されていることにより、ロータが平衡点からラジアル方向に変位した際に、第2のラジアル方向磁力発生手段に起因してロータの下部に作用する復元力とロータの姿勢に起因する傾斜力とが同じ向きに生じるため、ロータの下部に作用する復元力が傾斜力に減衰されることなくロータの振れや振動を効率的に制震することができる。
請求項3記載の発明は、請求項2記載の真空ポンプの構成に加えて、前記第1のラジアル方向磁力発生手段の中心及び前記ラジアル方向変位検出手段の中心は、同一平面上に配置されている真空ポンプを提供する。
この構成によれば、ラジアル方向変位検出手段がロータの平衡点からの変位を検出する地点と第1のラジアル方向磁力発生手段がロータに復元力を作用する地点とが一致するため、ロータの振れや振動を効率的に制震することができる。
請求項4記載の発明は、請求項1から3のいずれか1項記載の真空ポンプに用いられる磁気軸受装置を提供する。
この構成によれば、ロータが平衡点から変位した際に、ラジアル方向磁力発生手段がロータの下部に作用させる復元力とロータの姿勢に起因する傾斜力とが同じ向きに生じるため、ロータの振れや振動を効率的に制震することができる。
請求項5記載の発明は、請求項1から3のいずれか1項記載の真空ポンプに用いられるロータを提供する。
この構成によれば、ロータが平衡点から変位した際に、ラジアル方向磁力発生手段がロータの下部に作用させる復元力とロータの姿勢に起因する傾斜力とが同じ向きに生じるため、ロータの振れや振動を効率的に制震することができる。
本発明は、ロータが平衡点から変位した際に、ラジアル方向磁力発生手段がロータの下部に作用させる復元力とロータの姿勢に起因する傾斜力とが同じ向きに生じるため、ロータの下部に作用する復元力が傾斜力に減衰されることなく、ロータの振れや振動を効率的に制震することができる。さらに、ロータの下部に作用する復元力が傾斜力で減衰されないため、ロータの部品精度が緩和され、且つ真空ポンプ組立時の微調整に要する時間を短縮することができる。
本発明の第1実施例に係る真空ポンプを示す垂直断面図。 図1の能動ラジアル軸受を示す斜視図 図2の能動ラジアル軸受を示す横断面図。 比較例に係る真空ポンプにおいてロータを平衡点に引き戻す様子を模式的に示す図。 比較例に係る真空ポンプでのロータの振動の推移を示すグラフ。 図1の真空ポンプにおいてロータを平衡点に引き戻す様子を模式的に示す図。 図1の真空ポンプでのロータの振動の推移を示すグラフ。 本発明の第2実施例に係る真空ポンプを示す垂直断面図。
本発明は、ロータの振れや振動を軽減するという目的を達成するために、ガスを排気するロータをラジアル方向に磁力で非接触支持するラジアル方向磁力発生手段と、ロータのラジアル方向の変位を検出するラジアル方向変位検出手段と、を有する磁気軸受装置を備えた真空ポンプであって、ラジアル方向磁力発生手段は、ガスの排気方向において、ロータの重心より排気側に2つ設けられていることにより実現した。
以下、本発明の第1実施例に係る真空ポンプ1を図面に基づいて説明する。なお、以下の説明において、「上」、「下」の語は、ガスの排気方向の上流側を上方とし、下流側を下方とするものであり、即ち、後述するアキシャル方向Aにおいて吸気口11側が上方、排気口41側が下方に対応するものとする。図1は、本発明の第1実施例に係る真空ポンプ1の構造を示す垂直断面図である。図2は、能動ラジアル軸受71を示す斜視図である。図3)は、図2の能動ラジアル軸受71を示す横断面図である。
真空ポンプ1は、半導体製造装置、液晶製造装置、電子顕微鏡、表面分析装置及び微細加工装置等の外部装置内の気体を排気させるターボ分子ポンプである。真空ポンプ1は、筐体10と、筐体10内に回転可能に支持されたロータシャフト21を有するロータ20と、ロータシャフト21を回転させる駆動モータ30と、ロータシャフト21の一部及び駆動モータ30を収容するステータ40とを備えている。
筐体10は、円筒状に形成されている。筐体10の上端には、吸気口11が形成されている。筐体10は、上方フランジ12を介して図示しない外部装置のチャンバ等の真空容器に取り付けられる。吸気口11は、真空容器に接続される。筐体10は、ステータ40上に載置された状態でステータ40に固定されている。
ロータ20は、ロータシャフト21と、ロータシャフト21の上部に固定されてロータシャフト21の軸心に対して同心円状に並設、即ち並べて設けられた回転翼22と、を備えている。本実施例では、14段の回転翼22が設けられている。以下、ロータシャフト21の軸線方向を「アキシャル方向A」と称し、ロータシャフト21の径方向を「ラジアル方向R」と称す。
回転翼22は、所定の角度で傾斜したブレードからなり、ロータ20の上部外周面に一体に形成されている。また、回転翼22は、ロータ20の軸線回りに放射状に複数設置されている。
ロータシャフト21の上部及び下部は、タッチダウン軸受23内に挿通されている。ロータシャフト21が制御不能になった場合には、高速で回転するロータシャフト21がタッチダウン軸受23に接触して真空ポンプ1の損傷を防止するようになっている。
ロータ20は、ボス孔24にロータシャフト21の上部を挿通した状態で、ボルト25をロータフランジ26に挿通すると共にシャフトフランジ27に螺着することで、ロータシャフト21に一体に取り付けられている。
駆動モータ30は、ロータシャフト21の外周に取り付けられた回転子31と、回転子31を取り囲むように配置された固定子32と、を備えている。固定子32は、図示しない制御ユニットに接続されており、制御ユニットによってロータ20の回転が制御されている。
回転翼22、22の間には、固定翼50が設けられている。すなわち、回転翼22と固定翼50とは、アキシャル方向Aに沿って交互にかつ多段に配列されている。本実施例では、14段の固定翼50が設けられている。
固定翼50は、環状に形成されており、回転翼22とは反対方向に傾斜したブレードと該ブレードの両端に連結されたリングとを備え、筐体10の内周面に段積みで設置されている図示しないスペーサによりアキシャル方向Aに挟持されて位置決めされている。また、固定翼50のブレードも、ロータ20の軸線回りに放射状に複数設置されている。
回転翼22及び固定翼50のブレードの長さは、アキシャル方向Aの上方から下方に向かって徐々に短くなるように設定されている。
ステータ40の下部側方には、排気口41が形成されている。排気口41は、図示しない補助ポンプに連通するように接続される。真空ポンプ1は、回転翼22の回転により、吸気口11から吸入されたガスをアキシャル方向Aの上方から下方に移送し、排気口41から外部に排気するようになっている。ステータ40と筐体10との間には、Oリング42が介装されている。以下、このようなガスが排気される向きを「ガス排気方向」と称す。
ロータシャフト21は、アキシャル方向軸受60及びラジアル方向軸受70によって非接触支持されている。
アキシャル方向軸受60は、ロータシャフト21をアキシャル方向Aに能動的に支持する。アキシャル方向軸受60は、アキシャル電磁石61と、永久磁石62a、62bと、アキシャルセンサ63と、を備えている。
アキシャル電磁石61は、アーマチャディスク28に対向するように配置されている。アキシャル電磁石61は、アーマチャディスク28を引き寄せるように引き上げる。
永久磁石62aは、アーマチャディスク28と一体化された上側永久磁石であり、永久磁石62bは、ステータ40と一体化された下側永久磁石である。これにより、アキシャル電磁石61によって上側に引き上げられたアーマチャディスク28が、永久磁石62a、62b間の引力によってアーマチャディスク28はアキシャル方向Aの平衡点に引き下げられる。
ラジアル方向軸受70は、能動ラジアル軸受71と、受動ラジアル軸受72と、を備えている。ロータ20の重心G1、能動ラジアル軸受71、受動ラジアル軸受72は、ガス排気方向に沿って、この順に配置されている。
能動ラジアル軸受71は、ロータシャフト21をラジアル方向Rに磁力で非接触支持する4つのラジアル電磁石73と、ロータシャフト21のラジアル方向Rの変位を検出する4つのラジアルセンサ74と、を備えている。ラジアル電磁石73のコイル73aとラジアルセンサ74のコイル74aは、同一のコア75に巻回、すなわち、コア75に巻き巡らされている。
各ラジアル電磁石73は、コア75の周方向Cに沿って90度離間して配置され、X軸又はY軸上に配置されている。ラジアル電磁石73は、コア75の凸部75aにコイル73aを巻回して形成された一対の磁極76を備えている。
一対の磁極76は、コイル73aを互いに逆向きに巻回することにより、異なる極性を有している。また、コア75の周方向Cに隣り合うラジアル電磁石73間で隣り合う磁極76、すなわち、ラジアルセンサ74を介して隣り合う磁極76が互いに同じ極性になるように、ラジアルセンサ74を介して隣り合うコイル73aは、コア75に同方向に巻回されている。
ラジアルセンサ74は、コア75の周方向Cに隣り合うラジアル電磁石73間に配置されており、各ラジアルセンサ74は、X軸に対して所定角度θ1だけ傾いたA軸又はY軸に対して所定角度θ2だけ傾いたB軸上に配置されている。本実施例では、所定角度θ1、θ2は、45度に設定されている。
ラジアルセンサ74は、コア75の爪部75bにコイル74aを巻回して形成された上下一対の磁極77を備えている。一対の磁極77は、コイル74aを互いに逆向きに巻回することにより、異なる極性を有している。
また、ラジアル電磁石73の中心とラジアルセンサ74の中心が、平面から視て一致するように同一平面上に設定されている。これにより、ラジアル電磁石73がロータ20の上部に復元力を作用させる地点とラジアルセンサ74がロータ20の平衡点からラジアル方向Rへの変位を検出する地点とが一致するようになっている。
なお、ラジアルセンサ74は、上述したラジアル電磁石73とコア75が一体化されたインダクタンス型変位センサの他に、別部材の静電容量センサ等であっても構わない。
受動ラジアル軸受72は、ロータシャフト21をラジアル方向Rに受動的に支持する。具体的には、受動ラジアル軸受72は、アキシャル方向Aに対向するように設けられた永久磁石62a、62bである。ロータシャフト21がラジアル方向Rの平衡点から変位した場合に、永久磁石62a、62b間の磁気抵抗が増大することにより、ロータシャフト21をラジアル方向Rの平衡点に引き戻す復元力が生じる。
能動ラジアル軸受71上にコイル74aを結線するための図示しないプリント基板を実装する場合には、能動ラジアル軸受71とプリント基板との間に導電体のシールド板を介装させるのが好ましい。これにより、ラジアル電磁石73とラジアルセンサ74との磁気結合が抑制される。
また、ラジアル電磁石73には、ラジアル電磁石73に取り付けられた銅等で形成された導電性のシールドリングが設けられても構わない。これにより、シールドリングがラジアル電磁石73の磁束幅を狭くすることにより、ラジアル電磁石73とラジアルセンサ74との間の磁気結合が低減される。
さらに、ラジアル電磁石73には、ラジアルセンサ74のコイル74aの外周に覆設、すなわち覆うように設けられた銅等で形成された導電性のシールドチューブが設けられている。これにより、シールドチューブがラジアルセンサ74の磁束幅を狭くすることにより、ラジアル電磁石73とラジアルセンサ74との間の磁気結合が低減される。さらに、能動ラジアル軸受71と、モータ固定子32との間にリング状に形成された導電性の静電シールド板や磁性体の磁気シールド板を介装させるのが好ましい。これにより、能動ラジアル軸受71と、モータ固定子32の磁気結合が抑制される。
アキシャル方向軸受60及びラジアル方向軸受70は、図示しない制御ユニットに接続されている。制御ユニットは、アキシャルセンサ63及びラジアルセンサ74の検出値に基づいて、アキシャル電磁石61及びラジアル電磁石73の励磁電流を制御することにより、ロータシャフト21がアキシャル方向A及びラジアル方向Rの平衡点に位置するように支持される。
次に、ラジアル方向軸受70の作用について、図面に基づいて説明する。図4は、本発明の比較例に係る真空ポンプにおいてロータを平衡点に引き戻す様子を模式的に示す図である。
比較例に係る真空ポンプは、ロータ20の重心G2を挟んでアキシャル方向Aの上側に能動ラジアル軸受71が配置され、アキシャル方向Aの下側に受動ラジアル軸受72が配置されている。
ロータ20の上部は、能動ラジアル軸受71に能動的に支持されている。したがって、ロータ20が平衡点からラジアル方向Rに振れた場合、ラジアル電磁石73がロータ20を平衡点に引き戻そうとする上部復元力F1をロータ20に作用させる。
一方、ロータ20の下部は、受動ラジアル軸受72に受動的に支持されているのみである。したがって、ロータ20が平衡点からラジアル方向Rに振れた場合、ロータ20の下部には、永久磁石62a、62bの磁気抵抗に起因する下部復元力F2とロータ20が傾斜することに起因する傾斜力F3とが作用する。しかしながら、下部復元力F2と傾斜力F3とはロータ20に対して互いに逆向きに作用することにより、下部復元力F2が傾斜力F3の分だけ減衰され、図5(横軸:時間[秒]、縦軸:振幅[mm])に示すように、ロータ20の振れや振動が長時間に亘って残存することがあった。
図6は、真空ポンプ1においてロータ20を平衡点に引き戻す様子を模式的に示す図である。本実施例における真空ポンプ1では、ロータ20を能動的に支持する能動ラジアル軸受71が、ロータ20の重心G1より下方に配置されている。したがって、ロータ20が平衡点からラジアル方向Rに振れた場合、ロータ20の上部には、ラジアル電磁石73によってロータ20を平衡点に引き戻そうとする上部復元力F4が作用し、ロータ20の下部には、永久磁石62a、62bの磁気抵抗に起因する下部復元力F5とロータ20が傾斜することに起因する傾斜力F6とが、ロータ20に対して同じ向きに作用するため、ロータ20の振れや振動を効率的に制震することができる。したがって、真空ポンプ1では、図7(横軸:時間[秒]、縦軸:振幅[mm])に示すように、ロータ20の振れや振動を短時間で収束させることができる。
重心G1から能動ラジアル軸受71までの距離L1と、重心G1から受動ラジアル軸受72までの距離L2とは、L1:L2=1:4〜20に設定されるのが好ましい。L2がL1の20倍より大きい場合には、能動ラジアル軸受71が重心G1に接近し過ぎるため、能動ラジアル軸受71による下部復元力の制御が困難になりがちである。また、L2がL1の4倍より小さい場合には、永久磁石62a、62b間の磁力を増大させるため永久磁石62a、62bを大型化させる必要がある。
次に、本発明の第2実施例に係る真空ポンプ1について、図8に基づいて説明する。なお、本実施例に係る真空ポンプと上述した真空ポンプとでは、受動ラジアル軸受の構成が異なる。本実施例に係る真空ポンプと上述した真空ポンプとで共通する構成については、共通の符号を付し、共通する説明を省略する。図8は、本発明の第2実施例に係る真空ポンプ1の構造を示す垂直断面図である。
本発明の第2実施例に係る真空ポンプ1における受動ラジアル軸受72は、電磁石である。受動ラジアル軸受72は、アーマチャディスク28を挟んでアキシャル電磁石61に対向するように配置される。
アーマチャディスク28を挟んでアキシャル方向Aの上側にアキシャル電磁石61を配置し、アキシャル方向Aの下側に電磁石の受動ラジアル軸受72を配置することにより、上下の電磁石の励磁電流を同時に減らしてもアーマチャディスク28を同一位置に浮上させることができる。
そして、上下の電磁石の励磁電流を同時に減らすことにより、アーマチャディスク28を平衡点に保持する拘束力が低下するため、アーマチャディスク28が振動した場合であっても、ステータ40等に振動が伝わりにくくなり、真空ポンプ1の振動を低減することができる。
また、水素ガスを吸収して脆化しがちな永久磁石を用いないことにより、水素ガスの排気に用いられる真空ポンプ1の故障を抑制することができる。
このようにして、真空ポンプ1は、ロータ20が平衡点からラジアル方向Rに変位した際に、ロータ20の下部に作用する受動ラジアル軸受72の下部復元力F4とロータ20の姿勢に起因する傾斜力F5とが同じ向きに生じるため、ロータ20の振れや振動を効率的に制震することができる。
また、ロータ20の振れや振動を効率的に収束されることにより、部品精度が緩和され、真空ポンプ1の調整を短時間で行うことができる。
本発明は、インナーロータ型の真空ポンプの他、アウターロータ型の真空ポンプにも適用できる。なお、本発明に係る真空ポンプは、ターボ分子ポンプのみから成る全翼タイプの真空ポンプの他、ターボ分子ポンプとネジ溝ポンプとを組み合わせた複合タイプの真空ポンプにも適用可能であることは言うまでもない。
なお、本発明は、本発明の精神を逸脱しない限り種々の改変をなることができ、そして、本発明が該改変されたものにも及ぶことは当然である。
1 ・・・ 真空ポンプ
10・・・ 筐体
11・・・ 吸気口
12・・・ 上方フランジ
20・・・ ロータ
21・・・ ロータシャフト
22・・・ 回転翼
23・・・ タッチダウン軸受
24・・・ ボス孔
25・・・ ボルト
26・・・ ロータフランジ
27・・・ シャフトフランジ
28・・・ アーマチャディスク
30・・・ 駆動モータ
31・・・ 回転子
32・・・ 固定子
40・・・ ステータコラム
41・・・ 排気口
42・・・ Oリング
50・・・ 固定翼
60・・・ アキシャル方向軸受
61・・・ アキシャル電磁石
62a、62b・・・永久磁石
63・・・ アキシャルセンサ
70・・・ ラジアル方向軸受
71・・・ 能動ラジアル軸受(第1のラジアル方向磁力発生手段)
72・・・ 受動ラジアル軸受(第2のラジアル方向磁力発生手段)
73・・・ ラジアル電磁石
74・・・ ラジアルセンサ
75・・・ コア
75a・・・凸部
75b・・・爪部
76・・・ (ラジアル電磁石の)磁極
77・・・ (ラジアルセンサの)磁極
G1・・・ ロータの重心
A ・・・ アキシャル方向
C ・・・ (コアの)周方向
R ・・・ ラジアル方向

Claims (5)

  1. ガスを排気するロータをラジアル方向に磁力で非接触支持するラジアル方向磁力発生手段と、前記ロータの前記ラジアル方向の変位を検出するラジアル方向変位検出手段と、を有する磁気軸受装置を備えた真空ポンプであって、
    前記ラジアル方向磁力発生手段は、前記ガスの排気方向において、前記ロータの重心より排気側に2つ設けられていることを特徴とする真空ポンプ。
  2. 前記ガスの前記排気方向の吸気側に配置された第1のラジアル方向磁力発生手段は、前記ロータを能動的に支持し、
    前記ガスの前記排気方向の排気側に配置された第2のラジアル方向磁力発生手段は、前記ロータを受動的に支持することを特徴とする請求項1記載の真空ポンプ。
  3. 前記第1のラジアル方向磁力発生手段の中心及び前記ラジアル方向変位検出手段の中心は、同一平面上に配置されていることを特徴とする請求項2記載の真空ポンプ。
  4. 請求項1から3のいずれか1項記載の真空ポンプに用いられることを特徴とする磁気軸受装置。
  5. 請求項1から3のいずれか1項記載の真空ポンプに用いられることを特徴とするロータ。
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