JP3095338B2 - ターボ分子ポンプ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はターボ分子ポンプに係
り、特に超高真空用の真空排気装置として用いられるタ
ーボ分子ポンプに関する。一般にターボ分子ポンプは、
半導体装置の薄膜形成工程等において超高真空環境を生
成するために用いられている。

【０００２】また、近年においては超高真空化技術は種
々の方面において用いられるようになってきており、例
えば走査型電子顕微鏡にターボ分子ポンプを配設するこ
とも考えられている。走査型電子顕微鏡のような複雑な
構成を有する装置にターボ分子ポンプを配設する場合、
ターボ分子ポンプには小型化でかつ高い排気速度が要求
される。

【０００３】

【従来の技術】超高真空用の真空排気装置としては、扱
いやすさ及び保守の容易さからターボ分子ポンプが用い
られることが多い。特に、上記のように走査型電子顕微
鏡等に組み込まれる小型のターボ分子ポンプでは、５０
リットル／秒前後の排気速度を有し、水素に対して１０
³ 程度の圧縮率を有し、窒素に対しては１０⁷ 〜１０⁹
程度の圧縮率を有するものが多い。

【０００４】従来のターボ分子ポンプは、ハウジングに
固定された固定翼と、回転体に配設され回転する回転翼
とを有しており、この固定翼と回転翼は対向するよう配
設された構成とされている。また、固定翼及び回転翼は
共にタービン翼とされており、具体的には固定翼は所定
の翼角でハウジングから回転体に向け延出した形状とさ
れており、また回転翼は所定の翼角で回転体からハウジ
ングに向け延出した形状とされている。

【０００５】そして、モータ等により回転体が回転さ
れ、これに伴い回転翼が固定翼と対向した状態で回転す
ることにより排気処理が行われる構成とされていた。こ
の際、排気流が吸引される吸引開口及び排気流が排出さ
れる排気口は、回転翼及び固定翼が配設された位置を挟
んで、回転体の軸方向上部と下部に形成された構成とさ
れていた。即ち、排気流は吸引開口から排気口に向け回
転体の軸方向に沿って流れる構成とされていた。

【０００６】一方、小型のターボ分子ポンプでは、圧縮
率を高くとるため、回転翼と固定翼とにより構成される
軸方向排気段と、ネジ溝を形成することにより構成され
るモレキュラドラッグポンプ段をカスケード接続した構
成のものも提供されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記した従来構成の小
型ターボ分子ポンプは、回転翼及び固定翼の翼部分の面
積が小さいために最大で５０リットル／秒以上の排気速
度を実現するのは困難である。

【０００８】これについて具体的に説明する。最大圧縮
比、単位面積当たりの排気速度効率等のターボ分子ポン
プの性能は、翼の形状をスケーリングしても変わらな
い。例えば、図９（Ａ）に示されるように翼厚さＴ，翼
間隔Ｌ，ブレード厚さｔの翼を翼速度ｖで回転させた時
における最大圧縮比、単位面積当たりの排気速度効率
は、図９（Ｂ）に示されるように翼厚さＴ／ｎ，翼間隔
Ｌ／ｎ，ブレード厚さｔ／ｎ（但し，ｎは係数）の翼を
翼速度ｖで回転させた時における最大圧縮比、単位面積
当たりの排気速度効率と等しくなる。従って、翼を非常
に薄く作ることが可能であれば、多数の翼を積層するこ
とにより、高い圧縮比を持つターボ分子ポンプを実現で
きる。

【０００９】例えば、翼の直径が３ｃｍ、翼の抑角が２
５°である場合、水素に対しては凡そ1.06〜1.10程度の
圧縮比が期待できる。しかし、圧縮比がこのように低い
場合であっても、翼を１００段程度カスケード接続する
ことにより、水素に対して１０⁴ 程度の圧縮比を実現す
る事が可能である。

【００１０】しかしながら、従来のターボ分子ポンプの
ように軸方向にタービン翼を積層する方式は、回転翼と
固定翼との間（翼間）のクリアランスの確保が困難であ
る。即ち、従来のターボ分子ポンプではアセンブリの容
易さという観点から翼間のクリアランスは０．５ｍｍ程
度必要とされ、当該クリアランスの積み重ねにだけでタ
ーボ分子ポンプの軸方向の厚さは５ｃｍ以上になってし
まい、小型化を図ることはできない。尚、技術的には上
記０．５ｍｍより小さなクリアランスの実現は可能であ
るが、アセンブリを現物合わせで行う必要があり、コス
トの観点からは実現不可能である。

【００１１】一方、圧縮率の向上を目的とするモレキュ
ラドラッグポンプを併設されたターボ分子ポンプでは、
モレキュラドラッグポンプはロータとステータ間（少な
くとも何れか一方にネジ溝が形成される）のクリアラン
スがポンプ性能に大きく影響を及ぼし、高圧縮率を実現
するには１０μｍ以下のクリアランスであることが望ま
しい。しかるに、従来ではステータに対しロータはボー
ルベアリング等により支承された構成でされていたた
め、クリアランスを１００μｍ以下に減少させることは
困難であり高い圧縮率（例えば、水素に対して１０³ 以
上の圧縮率）を実現する事は極めて困難であるという問
題点があった。

【００１２】更に、モレキュラドラッグポンプを具備す
るターボ分子ポンプであっても、ポンプの背圧は数１０
Ｐａ以下にする事が必要であり、補助ポンプとしてロー
タリポンプあるいはダイアフラムポンプが必要とされ、
ターボポンプ自体が非常に小型であるにもかかわらず、
排気系全体としては大型になる。また、ターボポンプと
補助ポンプ間に配管が必要となるため、とりまわしが困
難になるという問題点も生じる。

【００１３】本発明は上記の点に鑑みてなされたもので
あり、小型化を図りつつ大排気速度，高圧縮率を実現し
うるターボ分子ポンプを提供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明では、下記の手段を講じたことを特徴とするも
のである。請求項１記載の発明では、ハウジングに固定
された固定翼と回転体に配設され回転する回転翼とを有
し、前記回転翼が前記固定翼と対向した状態で回転する
ことにより吸気口から排気口へ向け排気処理を行うター
ボ分子ポンプにおいて、前記固定翼及び回転翼を、夫々
前記回転体の回転中心軸を中心として異なる直径を有す
る複数の翼部により構成すると共に前記翼部を径方向に
対して開口を有する形状とし、前記回転翼の回転に伴い
径方向に排気作用を奏するよう構成し、かつ、前記回転
翼と固定翼とを組み合わせることにより構成される遠心
方向排気段を少なくとも一段以上設けたことを特徴とす
るものである。

【００１５】また、請求項２記載の発明では、前記請求
項１のターボ分子ポンプにおいて、前記遠心方向排気段
を前記回転体の軸方向に複数個並列配置してなることを
特徴とするものである。

【００１６】また、請求項３記載の発明では、前記請求
項１または２記載のターボ分子ポンプにおいて、前記吸
気口から排気口に至る排気流路の途中位置に、前記排気
流のコンダクタンスを制御するコンダクタンス制御装置
を設けたことを特徴とするものである。

【００１７】更に、請求項４記載の発明では、前記遠心
方向排気段よりも排気側に、モレキュラドラッグポンプ
を構成するネジ溝排気段を有し、かつ前記モレキュラド
ラッグポンプの背面が大気に開放された構成を有する請
求項１乃至３のいずれかに記載のターボ分子ポンプにお
いて、前記吸気口側圧力と排気口側圧力との差圧により
前記回転体が軸方向に移動することを規制する第１の動
圧流体軸受けと、前記モレキュラドラッグポンプのネジ
溝形成面と前記ハウジング内周面とが一定間隔離間した
状態で回転するよう前記回転体を軸承する第２の動圧流
体軸受けとを設けたことを特徴とするものである。

【００１８】

【作用】上記の手段は下記のように作用する。請求項１
記載の発明によれば、固定翼及び回転翼は共に翼部を径
方向に対して開口を有した形状としたため、排気流の流
れは回転体の径方向の流れとなる（従来構成では、排気
流の流れは回転体の軸方向の流れとされていた）。ま
た、翼部は複数個形成されており、かつこの複数の翼部
は回転体の回転中心軸を中心として異なる直径を有する
構成であるため、翼部は排気流の流れ方向に複数段配設
された構成となる。

【００１９】よって、排気流は径方向に複数個形成され
た各翼部に順次圧縮されて径方向に流れるため、全体と
して高い圧縮率を実現することができる。また、所望の
圧縮率を実現するのにｍ段（ｍは整数）重ねる必要が合
った場合、従来構成のターボ分子ポンプでは翼部を回転
体の軸方向にｍ段積み重ねる必要がありターボ分子ポン
プが上記軸方向に大型化してしまう。

【００２０】しかるに、本請求項に係るターボ分子ポン
プでは、所望の圧縮率を実現するのに翼部を排気流の流
れ方向にｍ段並設すればよいため、従来の１段の翼部の
高さ範囲内にｍ段の翼部を配設することが可能となる。
即ち、従来における複数段の翼部により生成される圧縮
率を１段の遠心方向排気段により実現することが可能と
なり、よってターボ分子ポンプの高圧縮率化及び小型化
を共に実現することができる。

【００２１】また、請求項２記載の発明によれば、遠心
方向排気段を前記回転軸の軸方向に複数個並列配置した
ことにより、排気速度の向上を図ることができる。即
ち、周知のようにターボ分子ポンプは翼部の開口面積が
排気速度の上限を決定することとなる。よって、従来の
ターボ分子ポンプのように翼部が回転体の軸方向に開口
した構成では、排気速度を向上させるためには吸引口の
開口面積を大きくする必要が生じ、開口面積を大きくす
るとターボ分子ポンプが大型化してしまう。

【００２２】しかるに、本発明の如く翼部が回転体の径
方向に開口した構成において開口面積を大きくするに
は、複数の翼部により構成される遠心方向排気段を回転
軸の軸方向に複数個並列配置すればよい。よって、遠心
方向排気段を前記回転軸の軸方向に複数個並列配置する
ことにより、吸入開口の小径化を図りつつ大排気速度の
ターボ分子ポンプを実現することができる。

【００２３】また、請求項３記載の発明によれば、吸気
口から排気口に至る排気流路の途中位置に排気流のコン
ダクタンスを制御するコンダクタンス制御装置を設けた
ことにより、粗排気においてコンダクタンス制御装置を
動作させることにより粗排気における排気効率を向上さ
せることができ、粗排気時間の短縮を図ることができ
る。

【００２４】更に、請求項４記載の発明によれば、第１
の動圧流体軸受けは吸気口側圧力と排気口側圧力との差
圧により回転体が軸方向に移動することを規制するた
め、回転体を安定して回転させることができる。また、
第２の動圧流体軸受けは、モレキュラドラッグポンプの
ネジ溝形成面とハウジング内周面とが一定間隔離間した
状態で回転するよう回転体を軸承する。この際、動圧流
体軸受けは、他の軸受け構造に比べてネジ溝形成面とハ
ウジング内周面との離間距離を小さくすることが可能で
あるため、モレキュラドラッグポンプの圧縮性能を向上
させることができる。

【００２５】

【実施例】続いて本発明の実施例について図面と共に説
明する。図１は発明の第１実施例であるターボ分子ポン
プ１０を示す断面図である。本実施例に係るターボ分子
ポンプ１０は、大略するとハウジング１１，ロータ本体
１７，軸方向用固定翼２２及び軸方向用回転翼２３，遠
心方向用回転翼２０及び遠心方向用固定翼２１等により
構成されている。

【００２６】ハウジング１１は有底筒状の形状を有し、
筒状ハウジング部１２とボトムハウジング部１３とを接
合することにより構成される。このハウジング１１の上
部開口部分は排気される排気気体が吸入される吸入口２
４を形成しており、またボトムハウジング部１３の所定
位置には排気気体が排出される排気口２５が形成されて
いる。

【００２７】また筒状ハウジング部１２は、その内部に
軸方向用固定翼２２及び遠心方向用固定翼２１が固定さ
れている。具体的には、筒状ハウジング部１２の吸気口
２４が配設された上部には複数段（本実施例の場合には
３段）にわたり軸方向用固定翼２２が図中上下方向に並
設された状態で固定されており、その下部に円周方向排
気段３５が１段配置されている。

【００２８】また、ボトムハウジング部１３の中央位置
には円筒状のホルダ部１４が立設されており、このホル
ダ部１４の内部にはベアリング１５を介して回転軸１６
が回転自在に軸承されている。更に、ホルダ部１４の外
周位置には後述するモータを構成するコイル１８が配設
されている。

【００２９】回転軸１６は有底筒状形状を有したハウジ
ング１１の中心位置に立設されるようホルダ１４に軸承
されており、またこの回転軸１６にはロータ本体１７が
固定されている。このロータ本体１７も有底筒状形状を
有しており、その底部中央が回転軸１６に固定された構
成となっている。従って、回転軸１６とロータ本体１７
は、ハウジング１１内で一体的に回転する。

【００３０】ロータ本体１７の外周部には、軸方向用回
転翼２３及び遠心方向用回転翼２０が固定されている。
具体的には、ロータ本体１７の吸気口２４に近い上部位
置には、複数段（本実施例の場合には３段）にわたり軸
方向用回転翼２３が図中上下方向に並設された状態で固
定されており、その下部に遠心方向用回転翼２０が１段
配置されている。

【００３１】また、ロータ本体１７の内周部にはマグネ
ット１９が前記したコイル１８と対向るすよう配設され
ており、このコイル１８とマグネット１９は協働してモ
ータを構成し、コイル１８に通電されることによりロー
タ本体１７（回転軸１６）は回転する構成となってい
る。

【００３２】上記の軸方向用固定翼２２及び軸方向用回
転翼２３は、従来のターボ分子ポンプに一般に配設され
ているタービン翼と同一構成とされており、軸方向用固
定翼２２は所定の翼角でハウジング１１からロータ本体
１７に向け延出した形状とされている。また、軸方向用
回転翼２３は所定の翼角でロータ本体１７からハウジン
グ１１に向け延出した形状とされている。

【００３３】この軸方向用固定翼２２及び軸方向用回転
翼２３は回転軸１６の軸方向（図中上下方向）に順次交
互に配置された構成とされている。従って、軸方向用固
定翼２２と軸方向用回転翼２３とは互いに対向した構成
となっており、本実施例では一対の軸方向用固定翼２２
と軸方向用回転翼２３とにより構成される軸方向排気段
が３段並設された構成となっている。

【００３４】上記構成とされた軸方向用固定翼２２及び
軸方向用回転翼２３は、ロータ本体１７が回転しこれに
伴い軸方向用回転翼２３が回転すると、吸気口２４より
排気気体を吸引し、これを回転軸１６の軸方向下方に向
け流れるよう付勢する。続いて、本発明の要部となる遠
心方向用回転翼２０及び遠心方向用固定翼２１について
説明する。図２は遠心方向用回転翼２０を拡大して示し
ており、また図３は遠心方向用固定翼２１を拡大して示
している。

【００３５】図２に示されるように遠心方向用回転翼２
０は、円盤形状とされた円盤状基部２６に複数の翼部２
７（以下、ブレード２７という）を立設した構成とされ
ている。この個々のブレード２７は夫々環状形状を有
し、図２（Ｂ）に示されるように遠心方向用回転翼２０
をロータ本体１７に取り付けた状態において、各ブレー
ド２７は前記回転軸１６の回転中心軸を中心として異な
る直径を有するよう構成されている。更に、各ブレード
２７は、回転軸１６の径方向（遠心方向）に対して開口
を有する形状とされている。尚、２８は遠心方向用回転
翼２０をロータ本体１７に固定するための固定部であ
る。

【００３６】一方、図３に示されるように遠心方向用固
定翼２１は、上記の遠心方向用回転翼２０と同様に、円
盤形状とされた円盤状基部２９に複数の翼部３０（以
下、ブレード３０という）を立設した構成とされてい
る。この個々のブレード３０は夫々環状形状を有し、図
３（Ｂ）に示されるように遠心方向用固定翼２１をハウ
ジング１１に取り付けた状態において、各ブレード３０
は前記回転軸１６の回転中心軸を中心として異なる直径
を有するよう構成され、かつ各ブレード３０は回転軸１
６の径方向（遠心方向）に対して開口を有する形状とさ
れている。尚、３１は遠心方向用固定翼２１をハウジン
グ１１に固定するための固定部である。

【００３７】上記構成とされた遠心方向用回転翼２０及
び遠心方向用固定翼２１は、図４に示されるように各ブ
レード２７，３０が回転軸１６の径方向に対向するよう
に組み合わせることにより遠心方向排気段３５を構成す
る。この遠心方向排気段３５は、各ブレード２７，３０
が回転軸１６の遠心方向に対して開口を有する形状を有
しているため、遠心方向用回転翼２０を吸気口２４側か
らみてＣＣＷ方向（反時計方向）に回転することによ
り、排気気体は径方向外側から径方向内側に排気気体は
排気される（この排気気体の流れを図４に矢印Ａで示
す）。

【００３８】上記したように、従来構成の軸方向用固定
翼２２及び軸方向用回転翼２３を用いた場合には排気気
体は回転軸１６の軸方向（図１における上下方向）に流
れるのに対し、遠心方向用回転翼２０及び遠心方向用固
定翼２１を用いた場合には排気気体は回転軸１６の遠心
方向（径方向：図１における左右方向）に流れる。

【００３９】また、複数の環状形状を構成するブレード
２７，３０は、回転軸１６の回転中心軸を中心として異
なる直径を有するため、複数のブレード２７，３０は排
気流の流れ方向に複数段配設された構成となる。よっ
て、排気流は径方向に複数形成された各ブレード２７，
３０に順次圧縮されて径方向に流れるため、全体として
高い圧縮率を実現することができる。

【００４０】一方、所望の圧縮率を実現するのに固定翼
と回転翼を複数段（例えば３段）重ねる必要が合った場
合、従来構成の軸方向用固定翼２２及び軸方向用回転翼
２３を用いた場合には、軸方向用固定翼２２及び軸方向
用回転翼２３を回転軸１６の軸方向に積み重ねる必要が
あり、よってその高さは図１に矢印Ｈ１で示す寸法とな
ってしまう。

【００４１】しかるに、遠心方向用回転翼２０及び遠心
方向用固定翼２１を用いた場合には、各ブレード２７，
３０は回転軸１６の径方向に配設されているため、従来
の１段分の高さ範囲内に複数段（図１に示す例では３
段）のブレード２７，３０を配設することが可能とな
る。即ち、図１に矢印Ｈ２で示す高さ寸法を有する遠心
方向排気段３５により生成される圧縮率及び排気性能
と、矢印Ｈ１で示す高さ寸法を有する軸方向用固定翼２
２及び軸方向用回転翼２３が生成する圧縮率及び排気性
能とは略等しくなる。よって、遠心方向用回転翼２０及
び遠心方向用固定翼２１を用いることにより、ターボ分
子ポンプ１０の高圧縮率化と小型化を共に実現すること
ができる。

【００４２】ここで、遠心方向用回転翼２０，遠心方向
用固定翼２１及び遠心方向排気段３５の形成性及び組み
立て性に注目する。径方向に関しては、遠心方向用回転
翼２０と遠心方向用固定翼２１とを高圧縮率を実現でき
る狭クリアランス（例えば、０．１ｍｍのクリアラン
ス）とすることは容易である。また、通常のＮＣマシン
による機械工作を用いれば、円盤状基部２６，２９に翼
厚さ１ｍｍ、翼長さ２ｍｍ程度のブレード２７，３０を
加工することは特に困難ではない。

【００４３】従って、例えば直径６０ｍｍの円盤状基部
２６，２９の外周部から直径３０ｍｍの部分までブレー
ド２７，３０を形成した場合は、軸方向に３〜４ｍｍの
厚さ（円盤状基部２６，２９の厚さを含む）の範囲内に
１５段の圧縮段（ブレード２７，３０の対）を形成する
事ができる。このように、円盤状基部２６，２９上に同
心円状のブレード２７，３０を形成することにより、通
常の機械工作の技術の範囲内で小型でかつ高圧縮率のタ
ーボ分子ポンプ１０を実現することができる。

【００４４】尚、上記した実施例においては、遠心方向
排気段３５を１段形成した構成を示したが、遠心方向排
気段３５を複数段形成した構成としてもよい。この構成
とすることにより、更に圧縮率を向上させることができ
る。また、図２及び図３に示した遠心方向用回転翼２０
及び遠心方向用固定翼２１は、円盤状基部２６，２９を
挟んでその上下に夫々ブレード２７，３０を形成した構
成を示したが、図１に示されるような遠心方向排気段３
５を１段のみ形成する構成では、円盤状基部２６，２９
の一方の面のみにブレード２７，３０を形成する構成と
してもよい。

【００４５】更に、図１に示されるターボ分子ポンプ１
０において、従来も用いられていた軸方向用固定翼２２
及び軸方向用回転翼２３と、本発明の特徴となる遠心方
向排気段３５を併設した構成としたのは、遠心方向排気
段３５は薄型のために排気速度効率が悪いため、従来も
用いられていた軸方向用固定翼２２及び軸方向用回転翼
２３の部分で先ず所定の圧縮率を実現し、続く遠心方向
排気段３５においてより高い圧縮率を実現するようにし
たことによる。この構成とすることにより、ターボ分子
ポンプ１０の圧縮性能（圧縮率）及び排気性能（排気速
度効率）を落とすことなくターボ分子ポンプ１０の薄型
化を実現できる。

【００４６】続いて、本発明の第２実施例であるターボ
分子ポンプ４０について説明する。図５は本発明の第２
実施例であるターボ分子ポンプ４０を示している。尚、
図５において図１乃至図４に示した第１実施例に係るタ
ーボ分子ポンプ１０と対応する構成については同一符号
を附してその説明を省略する。

【００４７】第２実施例に係るターボ分子ポンプ４０
は、前記のように遠心方向用回転翼２０と遠心方向用固
定翼２１とにより構成される遠心方向排気段３５を回転
軸１６の軸方向（上下方向）に複数個並列的に配置する
ことにより、排気速度の向上を図ったことを特徴とする
ものである。以下、本実施例の構成とすることにより排
気速度の向上を図ることができる理由について説明す
る。

【００４８】周知のように、ターボ分子ポンプは翼部
（ブレード）の開口面積が排気速度の上限を決定する。
よって、従来のターボ分子ポンプのように軸方向用固定
翼２２及び軸方向用回転翼２３が回転軸１６の軸方向に
開口した構成では、排気速度を向上させるためには吸引
口２４の開口面積を大きくする必要が生じる。しかる
に、吸引口２４の開口面積を大きくすると、必然的にタ
ーボ分子ポンプが大型化してしまう。

【００４９】しかるに、本実施例の如くブレード２７，
３０が回転軸１６の径方向に開口した構成では、換言す
れば遠心方向排気段３５のハウジング１１の内壁と対向
する部分が開口となる構成では、開口面積を大きくする
には遠心方向排気段３５を回転軸１６の軸方向に複数個
並列配置すればよい。

【００５０】よって、遠心方向排気段３５を回転軸１６
の軸方向（上下方向）に複数個積み重ねるように並列配
置することにより、実質的な開口面積を大きくすること
ができ排気速度を向上させることができる。また、本実
施例に係るターボ分子ポンプ４０では、上記説明から明
らかなように吸入口２４の大きさと排気速度とは関係し
ないため、遠心方向排気段３５を複数個積み重ねるよう
に並列配置しても吸入口２４を大きくする必要はない。
よって、本実施例の構成とすることにより小型化かつ大
排気速度のターボ分子ポンプ４０を実現することができ
る。

【００５１】尚、図５において４１及び４２は、各遠心
方向排気段３５を構成する遠心方向用回転翼２０及び遠
心方向用固定翼２１をハウジング１１及びロータ本体１
７に所定の間隔で固定するためのスペーサである。続い
て本発明の第３実施例であるターボ分子ポンプ５０につ
いて説明する。図６は本発明の第３実施例であるターボ
分子ポンプ５０を示している。尚、図６において図１乃
至図５に示した第１及び第２実施例に係るターボ分子ポ
ンプ１０，４０と対応する構成については同一符号を附
してその説明を省略する。

【００５２】前記した第２実施例に係るターボ分子ポン
プ４０のように、特に小口径で大圧縮率のターボポンプ
を実現しようとした場合、１００段以上の非常に多くの
遠心方向排気段３５が必要となる。この各遠心方向排気
段３５に配設されるブレード２７，３０は、粗排気時に
おいてはコンダクタンスを低下させる要素として働くた
め、第２実施例に係るターボ分子ポンプ４０は従来のタ
ーボ分子ポンプと比較して非常に長い排気時間が必要と
なる。

【００５３】そこで、本実施例に係るターボ分子ポンプ
５０では、遠心方向排気段３５の所定位置にコンダクタ
ンス制御装置５１を設け、粗排気時にブレード２７，３
０をバイパスして粗排気が行いうるよう構成したことを
特徴とするものである。以下、コンダクタンス制御装置
５１の詳細構成について図６に加え図７を用いて説明す
る。

【００５４】コンダクタンス制御装置５１は、各遠心方
向排気段３５のハウジング１１側寄りの位置に一対の遠
心方向用固定翼２１に挟まれるように配設されている。
このコンダクタンス制御装置５１は、大略すると可動体
５２，コイルスプリング５４，電磁石５５，ラビリンス
５６，及びバイパス孔５７等により構成されている。

【００５５】可動体５２は磁性体よりなり、上部に位置
する遠心方向用固定翼２１に植設された支軸５３に上下
方向に移動可能な構成で配設されている。また、上部に
位置する遠心方向用固定翼２１と可動体５２の上面との
間にはコイルスプリング５４が介装されており、このコ
イルスプリング５４のバネ力により可動体５２は常に下
方に向け付勢された構成となっている。

【００５６】また、上部に位置する遠心方向用固定翼２
１の可動体５２の上面と対向する位置には電磁石５５が
配設されている。この電磁石５５は通電されることによ
り磁力を発生し、よって磁性体により形成された可動体
５２を吸引する。これにより、可動体５２はコイルスプ
リング５４のバネ力に抗して上動する構成とされてい
る。

【００５７】また、可動体５２の下面、及び下部に位置
する遠心方向用固定翼２１の可動体５２と対向する部位
には凹凸が夫々形成されることによりラビリンス５６を
形成している。更に、下部に位置する遠心方向用固定翼
２１の可動体５２と対向する部位にはバイパス孔５７が
形成されている。

【００５８】従って、電磁石５５に通電されていない場
合には可動体５２はコイルスプリング５４のバネ力によ
り可動しており、ラビリンス５６を形成する各凹凸は係
合してバイパス孔５７を通過する排気気体の流量は極め
て少なくなる（コンダクタンスが大きくなる）。

【００５９】一方、電磁石５５に通電がされると、上記
のように可動体５２はコイルスプリング５４のバネ力に
抗して上動し、よってバイパス孔５７は開弁される。バ
イパス孔５７が開弁されることにより、排気気体はバイ
パス孔５７を通り次段の遠心方向排気段３５に流入す
る。即ち、排気気体は遠心方向排気段３５を構成するブ
レード２７，３０をバイパスして次段の遠心方向排気段
３５に流入する。 よって、バイパス孔５７が開弁され
た状態ではコンダクタンスは小さな値となるため、粗排
気時においてコンダクタンス制御装置５１を動作させバ
イパス孔５７を開弁することにより、粗排気時における
排気効率を向上させることができ、粗排気時間の短縮を
図ることができる。

【００６０】尚、バイパス孔５７が閉弁された状態で
は、上段における遠心方向排気段３５内の圧力と下段に
おける遠心方向排気段３５内の圧力との圧力差は１桁程
度であり、また各段の排気速度が最低でも１００ｃｃ／
ｓ以上あるため、バイパス孔５７が閉弁状態でも完全に
リークを防ぐ必要は無く、１ｃｃ程度のリークは許容で
きる。このため、コンダクタンス制御装置５１としては
完全なシールは不要であり、例えばラビリンス５６にお
いて上記可動体５２の移動によりコンダクタンスを制御
しうる個性であればよい。

【００６１】続いて本発明の第４実施例であるターボ分
子ポンプ６０について説明する。図８は本発明の第４実
施例であるターボ分子ポンプ６０を示している。尚、図
８において図１乃至図７に示した第１乃至第３実施例に
係るターボ分子ポンプ１０，４０，５０と対応する構成
については同一符号を附してその説明を省略する。

【００６２】通常ターボ分子ポンプの背圧は１０^-1〜１
０² Pa程度にする事が必要であり、そのためにロータリ
ポンプ等の補助排気手段を必要とする。このため、ター
ボ分子ポンプの後段に、ターボ分子ポンプと同軸に設け
られたモレキュラグラッグポンプ段で圧縮率を高める構
成とさたれモレキュラドラッグポンプ複合型ターボ分子
ポンプが高圧縮型の真空ポンプとして知られている。し
かるに、このモレキュラドラッグポンプ複合型ターボ分
子ポンプでも背圧を１０Pa程度までしか上げることがで
きず、従ってダイアフラムポンプなどの補助排気手段を
必要とし、ターボ分子ポンプが大型化してしまう。

【００６３】モレキュラドラッグポンプの性能は、ロー
タとステータ間のクリアランスを１０μｍ以下に極めて
狭くしてネジ溝間のリークを抑えることにより向上する
が、従来のようにボールベアリングによりロータを支持
する構成では、生産性を考慮すると１００μｍのクリア
ランスが現実的であり、モレキュラドラッグポンプの性
能を活かしきった設計を行う事は困難であった。

【００６４】そこで本実施例では、動圧流体軸受けが数
μｍのクリアランスを保持できる特性を利用し、モレキ
ュラドラッグポンプ部分のダイナミックシール性能の向
上を実現することによりロータとステータ間のクリアラ
ンスを１０μｍ以下としたことを特徴とするものであ
る。以下、本実施例に係るターボ分子ポンプ６０の具体
的構成について説明する。

【００６５】本実施例に係るターボ分子ポンプ６０は、
ボトムハウジング部１３の中央位置に軸体６１が立設状
態で固定されており、この軸体６１に回転体を構成する
内側ロータ６２及び外側ロータ６３が軸承された構成と
されている。内側ロータ６２と外側ロータ６３とは一体
化された構成であり、従って一体的に回転するものであ
る。

【００６６】内側ロータ６２は有底筒状の形状を有して
おり、上部に形成された小径部分が上記の軸体６１に軸
承されると共に下部に形成さたれ大径部分にスラスト磁
気軸受け７１の一部が配設されている。また、スラスト
磁気軸受け７１の一部は軸体６１の下端部にも配設され
ており、このスラスト磁気軸受け７１は後述する第１及
び第２のスラストエアベアリングと共に内側ロータ６２
及び外側ロータ６３のスラスト方向の支持を行う構成と
されている。

【００６７】また、内側ロータ６２の外周所定位置に
は、ボトムハウジング部１３のホルダ部１４に配設され
たコイル１８と対向するようにマグネット１９が配設さ
れており、このコイル１８及びマグネット１９は協働し
てモータを構成し、このモータにより内側ロータ６２及
び外側ロータ６３は一体的に回転する。

【００６８】一方、外側ロータ６３は上記した内側ロー
タ６２の外側に配設されており、その上部には複数段の
遠心方向排気段３５を軸方向に並設した構成を有するタ
ーボ分子ポンプ部（ＴＭＰ部）７５が配設されている。
また、外側ロータ６３の下部外周位置には複数のネジ溝
６４が形成されており、モレキュラドラッグポンプ部
（ＭＤＰ部）７４が形成されている。ＭＤＰ部７４はＴ
ＭＰ部７５の後段に配設されており、よって本実施例に
係るターボ分子ポンプ部６０はモレキュラドラッグポン
プ複合型ターボ分子ポンプを構成する。

【００６９】更に、外側ロータ６３の下端部には外側に
向け延出する鍔部６８が形成されており、この鍔部６８
はハウジング１１の下端に形成された溝部７６内に位置
する構成とされている。続いて、上記構成を有する内側
ロータ６２及び外側ロータ６３の軸受け構造について説
明する。

【００７０】前記した外側ロータ６３に形成された鍔部
６８の下面とボトムハウジング部１３の上面との間には
第１のスラストエアベアリング６９が形成されると共
に、鍔部６８の上面と溝部７６の内壁との間には第２の
スラストエアベアリング７０が形成される。この第１の
スラストエアベアリング６９及び第２のスラストエアベ
アリング７０を設けることにより、内側ロータ６２及び
外側ロータ６３が回転した状態で内側ロータ６２（外側
ロータ６３）は鍔部６８が溝部７６の中央に位置するよ
う浮上する。

【００７１】また、内側ロータ６２及び外側ロータ６３
が回転することにより、ＭＤＰ部７４及びＴＭＰ部７５
は排気処理を行うため、吸気口２４側は真空に近い圧力
となると共に排気ポート６６（本実施例では、排気気体
はハウジング１１の側部に形成された排気ポート６６か
ら排出される）側は大気圧となる。このため、吸気口２
４側の圧力と排気ポート６６側の圧力との圧力差により
内側ロータ６２及び外側ロータ６３は吸気ポート６６側
（軸方向下方）に押し出される。

【００７２】しかるに、上記のように第１及び第２のス
ラストエアベアリング６９，７０は協働して第１の動圧
流体軸受けを構成し、内側ロータ６２及び外側ロータ６
３をスラスト方向に支持するため、上記圧力差により内
側ロータ６２及び外側ロータ６３が軸方向に移動するこ
とを規制する。また、前記したスラスト磁気軸受け７１
も内側ロータ６２及び外側ロータ６３をスラスト方向に
支持し、内側ロータ６２及び外側ロータ６３の軸方向移
動を規制する補助を行う。

【００７３】よって、吸気口２４側の圧力と排気ポート
６６側の圧力との圧力差に拘わらず内側ロータ６２及び
外側ロータ６３を安定して回転させることが可能とな
る。また、外側ロータ６３に形成されたＭＤＰ部７４を
構成するネジ溝６４の形成面と同一面とハウジング１１
の内周面は第１のエアベアリングを構成する。また、軸
体６１の内側ロータ６２と対向する上下位置には、夫々
溝部が形成されることにより第２のエアベアリング７２
及び第３のエアベアリング７３が形成されている。この
第１乃至第３のエアベアリング６５，７２，７３は、協
働して内側ロータ６２及び外側ロータ６３をラジアル方
向に支持する第２の動圧流体軸受けとして機能する。

【００７４】よって、内側ロータ６２及び外側ロータ６
３が回転している状態では、外側ロータ６３とハウジン
グ１１の内周面との間、及び軸体６１と内側ロータ６２
の内周面との間は、第１乃至第３のエアベアリング６
５，７２，７３により１０μｍ以下の極めて狭いクリア
ランスで安定して浮上している。従って、第１のエアベ
アリング６５とシール面を共有するＭＤＰ部７４のクリ
アランスも同じ量に保たれる。その結果、ネジ溝６４の
形成位置における排気気体のリークを抑えることができ
ＭＤＰ部７４の圧縮性能が向上し、よって排気ポート６
６を大気圧とした状態における連続排気が可能となる。

【００７５】

【発明の効果】上述の如く本発明によれば下記の効果を
実現することができる。請求項１記載の発明によれば、
排気流は径方向に複数個形成された各翼部に順次圧縮さ
れて径方向に流れるため、全体として高い圧縮率を実現
することができる。また、従来における複数段の翼部に
より生成される圧縮率を１段の遠心方向排気段により実
現することが可能となり、よってターボ分子ポンプの高
圧縮率化及び小型化を共に実現することができる。

【００７６】また、請求項２記載の発明によれば、遠心
方向排気段を前記回転軸の軸方向に複数個並列配置した
ことにより、吸入開口の小径化を図りつつ大排気速度の
ターボ分子ポンプを実現することができる。また、請求
項３記載の発明によれば、吸気口から排気口に至る排気
流路の途中位置に排気流のコンダクタンスを制御するコ
ンダクタンス制御装置を設けたことにより、粗排気にお
いてコンダクタンス制御装置を動作させることにより粗
排気における排気効率を向上させることができ、粗排気
時間の短縮を図ることができる。

【００７７】更に、請求項４記載の発明によれば、モレ
キュラドラッグポンプの圧縮性能を向上させることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例であるターボ分子ポンプを
示す断面図である。

【図２】本発明に係るターボ分子ポンプに用いる回転翼
を示す図である。

【図３】本発明に係るターボ分子ポンプに用いる固定翼
を示す図である。

【図４】回転翼と固定翼を組み合わせた状態を示す断面
図である。

【図５】本発明の第２実施例であるターボ分子ポンプを
示す断面図である。

【図６】本発明の第３実施例であるターボ分子ポンプを
示す断面図である。

【図７】コンダクタンス制御装置を拡大して示す断面図
である。

【図８】本発明の第４実施例であるターボ分子ポンプを
示す断面図である。

【図９】翼の形状をスケーリングしてもターボ分子ポン
プの性能が変化しないことを説明するための図である。

【符号の説明】

１０，４０，５０，６０ ターボ分子ポンプ １１ ハウジング １２ 筒状ハウジング １３ ボトムハウジング １４ ホルダ部 １５ ベアリング １６ 回転軸 １７ ロータ本体 １８ コイル １９ マグネット ２０ 遠心方向用回転翼 ２１ 遠心方向用固定翼 ２２ 軸方向用固定翼 ２３ 軸方向用回転翼 ２４ 吸気口 ２５ 排気口 ２６ 円盤状基板 ２７，３０ ブレード ２８ 固定部 ２９ 円盤状基部 ３１ 固定部 ３５ 遠心方向排気段 ４１，４２ スペーサ ５１ コンダクタンス制御装置 ５２ 可動体 ５３ 支軸 ５４ コイルスプリング ５５ 電磁石 ５６ ラビリンス ５７ バイパス孔 ６１ 軸体 ６２ 内側ロータ ６３ 外側ロータ ６４ ネジ溝 ６５ 第１のエアベアリング ６６ 排気ポート ６７ エア導入孔 ６８ 鍔部 ６９ 第１のスラストエアベアリング ７０ 第２のスラストエアベアリング ７１ スラスト磁気軸受け ７２ 第２のエアベアリング ７３ 第３のエアベアリング ７４ ＭＤＰ部 ７５ ＴＭＰ部 ７６ 溝部

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ハウジングに固定された固定翼と回転体
   に配設され回転する回転翼とを有し、前記回転翼が前記
   固定翼と対向した状態で回転することにより吸気口から
   排気口へ向け排気処理を行うターボ分子ポンプにおい
   て、 前記固定翼及び回転翼を、夫々前記回転体の回転中心軸
   を中心として異なる直径を有する複数の翼部により構成
   すると共に前記翼部を径方向に対して開口を有する形状
   とし、前記回転翼の回転に伴い径方向に排気作用を奏す
   るよう構成し、 かつ、前記回転翼と固定翼とを組み合わせることにより
   構成される遠心方向排気段を少なくとも一段以上設けた
   ことを特徴とするターボ分子ポンプ。
2. 【請求項２】 請求項１のターボ分子ポンプにおいて、 前記遠心方向排気段を前記回転体の軸方向に複数個並列
   配置してなることを特徴とするターボ分子ポンプ。
3. 【請求項３】 請求項１または２記載のターボ分子ポン
   プにおいて、 前記吸気口から排気口に至る排気流路の途中位置に、前
   記排気流のコンダクタンスを制御するコンダクタンス制
   御装置を設けたことを特徴とするターボ分子ポンプ。
4. 【請求項４】 前記遠心方向排気段よりも排気側に、モ
   レキュラドラッグポンプを構成するネジ溝排気段を有
   し、かつ前記モレキュラドラッグポンプの背面が大気に
   開放された構成を有する請求項１乃至３のいずれかに記
   載のターボ分子ポンプにおいて、 前記吸気口側圧力と排気口側圧力との差圧により前記回
   転体が軸方向に移動することを規制する第１の動圧流体
   軸受けと、 前記モレキュラドラッグポンプのネジ溝形成面と前記ハ
   ウジング内周面とが一定間隔離間した状態で回転するよ
   う前記回転体を軸承する第２の動圧流体軸受けとを設け
   たことを特徴とするターボ分子ポンプ。