JP3432679B2 - 容積式真空ポンプ - Google Patents

容積式真空ポンプ

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体製造等にお
ける真空排気装置のうち、ポンプ吸気圧力が大気圧から
駆動でき、主に約10-4Torr〜数Torr程度の真空を得る
為の容積式ドライ式真空ポンプに関する。
【0002】
【従来の技術】半導体製造等の分野において使用される
真空ポンプは、清浄雰囲気を維持するために、ポンプ内
部のガス通路に油を使用しないドライ式であることが必
要である。ドライ式の2軸容積式真空ポンプには、ルー
ツ型、スクリュー型等の方式がある。
【0003】図8に示すのは、スクリュー型のポンプの
一種である2本ねじ形ポンプである。これは、ポンプケ
ーシング100の中に2本の平行なシャフト101,1
02が支持され、これには互いに噛み合うねじ溝を有す
るねじロータ103,104が固着されている。一方の
シャフト101はモータ105によって回転駆動され、
この回転はシャフト101の他端に形成されたギア10
6により他のシャフト102に伝達される。このように
ねじロータ103,104を同期して反転させることに
より、ねじロータ103,104とケーシング100に
閉じ込めた気体を回転により軸方向に移動して排気す
る。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】このようなポンプは構
造が単純であるが、ロータ103,104の回転により
一定の体積を移動するだけで圧縮機能がなく、1段のポ
ンプのみでは単位排気量あたりの消費動力が大きくなっ
てしまう欠点があった。
【0005】この欠点を解決する為には、排気量の異な
るポンプを、吸気(真空)側に排気量の大なるポンプ、
排気(大気)側に排気量の小なるポンプを組合わせれば
よい。この場合、それぞれの駆動機構を有する2つの異
なるポンプを組み合わせる方法と、同じ駆動軸上に2つ
のねじロータを取り付ける方法とが考えられる。
【0006】別々のポンプを組合わせた場合は、2つの
装置が必要なのでスペースや装置コストが大きくなり、
さらに消費動力も増大する。また、ポンプ間をつなぐ配
管が必要となり、この配管の温度が低くなると、半導体
製造プロセス(エッチング、成膜)に使用するガス等の
反応生成物が付着堆積し易く、ポンプを短期間にメンテ
ナンスしなければならなくなる欠点があった。
【0007】一方、同じ駆動軸に2つのねじロータを取
り付ける場合は、当然に同じ回転数で回転するので、定
常運転時は問題がないが、スタート時に大気圧から始動
する場合はポンプ間の気体が圧縮されて真空側の排気が
困難となり、結局は大きな動力が必要になる。また、2
種類のポンプを同軸上に配置すると、ロータ自体が長く
なって片持ち支持が困難となり、軸受間にロータを配置
すれば、ポンプのメンテナンス性が悪くなるとともに、
真空側に軸受があるので汚染が懸念されるという欠点も
あった。
【0008】本発明は、このような欠点を除去し、2本
ねじ形の容積式真空ポンプではあっても、単位排気量あ
たりの消費動力を小さくでき、かつ小型でメンテナンス
性の良いドライ式真空ポンプを提供することを目的とす
る。また、本発明の他の目的は、プロセスによる反応生
成物の有無や性質に応じて、また冷却水等のユーティリ
ティの有無に応じて、ポンプの温度と排気量を選択する
ことができ、小型汎用性が高く、長寿命かつ省エネル
ギーなドライ式真空ポンプを提供することを目的とす
る。
【0009】
【課題を解決するための手段】発明の容積式真空ポン
は、平行な2つのシャフトに設けたねじロータが互い
に噛み合いながら反対方向に回転することにより、該ね
じロータとポンプケーシング間に閉じ込められた気体を
移動して排気する容積式真空ポンプにおいて、一対のシ
ャフトの軸に沿って両側に吸気側ねじロータと排気側ね
じロータとからなる吸気側ポンプ部と排気側ポンプ部を
構成し、これらのポンプ部の間に上記一対のシャフト
回転させるモータ部を配置し、上記ポンプ部と上記モー
タ部の間に上記一対のシャフトをそれぞれ支持する軸受
を設け、吸気側ねじロータと排気側ねじロータを片持ち
支持し、吸気側ねじロータの軸端部近傍の前記ポンプケ
ーシング端部カバーに吸気口を配置し、排気側ねじロー
タの軸端部近傍の前記ポンプケーシング端部カバーに排
気口を配置したことを特徴とする。
【0010】これにより、両ポンプ部のねじロータはそ
れぞれ短くて済み、片持ち支持が可能となるので、構造
の簡素化とメンテナンス性の向上が図られ、また、軸受
が内側に配置されるので、潤滑グリス等の揮発成分が真
空側へ逆拡散しにくい。そして、軸受部分を、特に第2
段のポンプ部の排気側から遠位置に配置し、温度を低
くすることができる。
【0011】ここで、上記2段のポンプ部のうち、上流
側の排気量を下流側よりも大きくしたことを特徴とす
で、吸気圧力が低い範囲において単位排気量あたりの
消費動力を小さくすることができる。
【0012】ここで、液体状の潤滑油を用いないことを
特徴とする。 ここで、上記モータ部は上記2つの回転軸
を磁気的手段により同期させて回転させることを特徴と
る。これは、例えば、モータを2軸同期ブラシレス直
流モータとすることにより達成され、これにより、同期
性を高めてポンプの運転を円滑にするとともに、軸受以
外の部分に潤滑剤を使用する必要がなくなった。
【0013】ここで、吸気側ポンプ部の出口と排気側ポ
ンプ部の入口を連通する気体流路が上記モータ部のステ
ータ内部を貫通して設けられていることを特徴とするの
で、外部に設ける場合に比べてコンパクトになるととも
に、ポンプ気体流路をモータ巻線の発熱で加温すること
ができる。
【0014】ここで、吸気側ポンプ部の出口と排気側ポ
ンプ部の入口を連通する気体流路が上記モータ部の外側
に設けられていることを特徴とする。これにより、気体
流路の温度制御やメンテナンスが容易となる。
【0015】ここで、吸気側ポンプの出口圧力が排気側
ポンプの出口圧力よりも高くなった場合に、吸気側ポン
プ出口から直接排気側ポンプ出口へ排気する為のバイパ
ス通路を設けたことを特徴とする。これにより、吸気圧
力が高い範囲においてポンプ内部圧力を大きくせずに済
み、従って、所要トルクを削減することができる。
【0016】ここで、定格トルクを超える圧力範囲にお
いては回転数を下げ、消費電力がおよそ一定となるよう
にモータを制御する制御手段を有することを特徴とす
で、モータの所要動力を立ち上がり時と定常運転時に
おいてほぼ一定にすることができ、結果としてモータの
定格を下げることができ、また、過電流によるトラブル
を回避することができる。
【0017】
【発明の実施の形態】以下、本発明の1つの実施の形態
のドライ式真空ポンプを図面を参照して説明する。この
真空ポンプは、ケーシング中に一対のシャフト2a,2
bが平行に配置され、このシャフトの軸に沿って3つの
部屋が区画されて構成されている。すなわち、中央には
筒状のモータケーシング3の中にモータ室4が形成さ
れ、その左右両側にはポンプケーシング5,6により第
1及び第2のポンプ室7,8が形成されている。モータ
室4とポンプ室7,8の間にはこれらを区画する環状の
モータ側板9,10が配置され、ポンプケーシング5,
6の両端は中央に吸気口11又は排気口12が形成され
た端部カバー13,14により閉止されている。
【0018】上記各シャフト2a,2bは、上記の3つ
の部屋を挿通しており、各モータ側板9,10に設けら
れた一対の軸受15a,15b,16a,16b(ボー
ルベアリング)によって回転自在に支持されている。シ
ャフト2a,2bの端部はフリーとなっており、ポンプ
室7,8の中では片側で支持されたいわゆる片持ち支持
となっている。各軸受15a,15b,16a,16b
はグリスで潤滑され、モータ側板9,10に固定された
それぞれの軸受ハウジング17,18に嵌入されてい
る。
【0019】次に、モータ室4内のモータ部4Aの構成
を説明する。各シャフト2a,2bの外周にはマグネッ
トロータ20a,20bが取付けられ、このマグネット
ロータ20aは、この例ではN,S極4極が周方向交互
に着磁されている。一方、マグネットロータ20a,2
0bを取り巻くステータ鉄芯21a〜26bは、図2に
示すように2つのシャフトの互いに面対称の位置にある
ものが連結されており、これによって、マグネットロー
タ20a,20bの各磁極が通電時あるいは無通電時の
いずれにおいても磁気結合して連動する2軸同期モータ
Mが構成されている。
【0020】このモータMはブラシレス直流モータであ
り、これを駆動する際は、図3に示すモータドライバに
て1次電流を整流した後、ロータ20a,20bの位置
角に応じてモータ巻線への通電を切替える。これによ
り、2つのシャフト2a,2bは同期したままで互いに
反対の方向に回転する。
【0021】また、本ポンプ例では、モータケーシング
3内部に冷却水を通水する為の通路27が形成されてお
り、これに通水する配管には、冷却水の流量を制御する
流量制御弁が設けられている。真空ポンプにおいて要し
た動力のほとんどは、圧縮熱としてポンプ・モータを発
熱させる。一方、ポンプの所要トルクは回転数にあまり
関係なく圧力差により略決定されるので、ポンプの発熱
量は回転数に対応する。従って、この発明のポンプ各部
の温度は、回転数と冷却水の流量を制御することによっ
てある程度制御することが可能である。
【0022】次に、ポンプ部5A,6Aの構造を説明す
る。各シャフト2a,2bのポンプ室7,8内の部分に
は、2本のねじ30a,30b(本例では台形ねじ)を
外周に切ったねじロータ28a,28b,29a,29
bがシャフト2a,2bに嵌め込まれ、くさびリング4
0及びボルト41を使って締結されている。各シャフト
のロータのねじ溝同士は、その間に若干のクリアランス
を保って噛み合わせられており、また、それぞれのねじ
ロータ外周はポンプケーシング5,6と若干のクリアラ
ンスを保っている。このねじロータ28a〜29bとポ
ンプケーシング5,6により容積式ポンプが構成されて
いる。
【0023】第1ポンプ部5Aと第2ポンプ部6Aのね
じロータ28a〜29bのねじ30a,30bの形状や
寸法は、以下のように設定されている。すなわち、第1
のポンプ部5Aと第2のポンプ部6Aは回転軸2a,2
bの軸間距離は同じであるが、ねじピッチ、外径、谷径
等を変えることにより、第2のポンプ部よりも1回転あ
たりの排気量を大きくしている(本例では4:1)。
【0024】第1のポンプ部5Aの排気口31と第2の
ポンプ部6Aの吸気口33は、本例ではモータステータ
内部を貫通して形成された気体流路32によって連通し
ている。図2で分かるように、この気体流路32はモー
タ巻線34に近接しているので運転中は巻線の発熱を受
けて温められている。また、第2のポンプ部6Aの吸気
口33と排気口12の間には、逆止弁35を備えたバイ
パス通路36が形成されており、この逆止弁35は第2
の吸気口33部分の圧力が第2の排気口12の圧力より
も所定の圧力だけ高くなった時に“開”となるように設
定されている。
【0025】次に、この容積式真空ポンプの電源制御回
路(モータドライバ)について、図3を参照して説明す
る。この電源制御回路は、整流回路40とスイッチング
回路41及びスイッチング回路を制御する制御部42を
備えており、この制御部42では、モータMに設けたロ
ータ位置検出・回転数検出センサ43及び電源回路に設
けた電流検出センサ44の出力信号に基づいて回転数基
準と電流値基準の2つの制御を切換えて行なうようにな
っている。
【0026】この容積式真空ポンプにおいては、ねじロ
ータ28a〜29bを軸方向に2つ設けているので、個
々のねじロータ28a〜29bの長さは図に示す一体型
の場合よりも短縮される。すなわち、通常1組で6巻の
ねじが必要であるとすると、本例のように吸気側2巻、
排気側4巻と2つのポンプに分割すれば、同じ到達真空
度であってもそれぞれのねじロータ28a〜29bは短
くなる。従って、図示の実施の形態のように両軸端側を
フリーとする片持ち支持としても軸芯のずれを実用上問
題とならない程度に抑えることができる。
【0027】そして、このようにねじロータ28a〜2
9bが内側にある軸受15a〜16bによって片持ち支
持されており、吸気又は排気側には軸受が無いので、ポ
ンプ部分の分解は端部カバー13,14を外し、くさび
リング40及びボルト41を外してねじロータ28a〜
29bを取り出せば良い。従って、ポンプの分解作業が
容易であり、メンテナンス性に優れている。また、吸気
側ポンプ5Aの入口側にベアリングがないので、ベアリ
ングを潤滑するグリス等の揮発成分が真空側に逆拡散す
ることが防止される。
【0028】このポンプの駆動は、以下のように行われ
る。駆動用モータMを作動させると、モータドライバか
ら所定の周波数の交流がステータコイル34に供給さ
れ、発生する磁界により一対のロータ20a,20bが
回転する。この際に、2つのシャフト2a,2bが磁気
結合によって連動して逆方向に回転するので、機械的結
合の場合のように駆動側、被駆動側の別が無く、回転が
滑らかで同期性が高い。
【0029】シャフト2a,2bの回転により、各ポン
プ部5A,6Aにおいてねじロータ28a〜29bの噛
み合わせによって気体が移送される。すなわち、気体は
第1のポンプ部5Aの吸気口11からねじロータ28
a,28b、排気口31を経て気体流路32に移送さ
れ、さらに気体流路32から第2のポンプ部6Aの吸気
口33、ねじロータ29a,29bを経て排気口12か
ら排出される。
【0030】上述したように、第1のポンプ部5Aは第
2のポンプ部6Aよりも1回転あたりの排気量を大きく
しており、定常運転時には、容積式ポンプであっても消
費動力を大きくすることなく高真空度を得ることができ
る。しかし、立ち上がり時においては、2つのポンプ部
5A,6Aの排気量の違いによって、気体流路32部分
の圧力が上昇する。第2のポンプ部6Aの入口圧力が出
口圧力(通常は大気圧)よりも高くなった時に、バイパ
ス通路36の逆止弁35が“開”となる。これにより、
気体は第2のポンプ部6Aをバイパスして流れ、所定以
上の圧力上昇が抑えられる。従って、安全性が維持され
るとともに、第1のポンプ部5Aの必要トルクも大幅に
改善されて、図4に示すように消費動力が節約される。
【0031】電源制御部においては、通常は回転数が一
定となるようにモータを制御している。しかし、立ち上
がり時においては、上述したように大きなトルクが掛か
り、このときに回転数一定の制御をすると過大のモータ
定格出力を必要とすることになる。そこで、この現象を
回避する為に定格トルクを超える圧力範囲において、ト
ルクに応じて回転数を下げる制御を行っている。これに
より、どの圧力範囲であっても略一定の電力で運転する
ことが可能となる(図5参照)。トルクに応じて回転数
を下げる制御は、図6に示すように直流モータの基本特
性をそのまま利用することも可能であるが、電源制御部
において、電力をモータへの供給電圧を制御しても可能
である。
【0032】本例のような排気量の異なる2種類のポン
プを組合わせた場合、定常運転時において、第1のポン
プ部5Aの吸気口11圧力が10-2Torr、第2のポンプ
部6aの排気口12が大気圧とした場合、第1のポンプ
部5Aの排気口31(=第2のポンプ部の吸気口33)
の圧力を数 Torr 程度とすることができる。
【0033】ポンプロータの必要トルクは、回転数には
あまり関係なく、ポンプ入口、出口の圧力差により決ま
るが、第1のポンプ部5Aの入口、出口の圧力差による
トルクはほとんど無視できるので、運転中の必要トルク
は、図4に示すように、第2のポンプ部のみのトルクと
同等のトルクで済み、1種類のポンプで駆動する場合に
比べて単位排気量あたりの必要動力は小さくて済み、エ
ネルギーを節約することができる。さらに、第1のポン
プ部5Aの排気口31(=第2のポンプ部の吸気口)の
圧力を数 Torr 程度であるので、軸受付近の温度はポン
プの圧縮熱の影響を受けにくくなって温度上昇が少な
く、安定した潤滑がなされる。
【0034】第1のポンプ部5Aにおいて排気された気
体は第2のポンプ部6Aの入口へ接続されるが、本例で
はモータステータ内部を貫通して形成された気体流路3
2によって接続されている。図2で分かるように気体流
路32は、モータ巻線34に近接しているので運転中は
巻線の発熱を受けて温められる。従って、低温で析出す
るような気体であってもこの部分で分解したりすること
が無い。
【0035】また、本ポンプ例では、モータフレーム3
内部に冷却水を通水する為の通路27を設けてある。真
空ポンプにおいて要した動力のほとんどは、圧縮熱とし
てポンプ・モータを発熱させる。一方、ポンプの所要ト
ルクは回転数にあまり関係なく圧力差により略決定され
るので、ポンプの発熱量は回転数により制御することが
できる。従って、ポンプ各部の温度は回転数の制御と、
冷却水の流量によってある程度制御することが可能であ
る。
【0036】これらのことは、真空ポンプを例えば半導
体製造装置に使用する場合に重要である。成膜やエッチ
ングプロセスによる反応生成物は、温度−圧力の関係で
昇華して気体から固体に変化し、ポンプ内部に附着して
ポンプの寿命を左右する。またエッチングプロセス等で
使用する腐食性ガスは、ポンプ内部を連通する際にポン
プを腐食させることがあるが、このポンプの腐食に関し
てもポンプの温度によって違いが生じる。
【0037】よって本ポンプのように、冷却水を通水す
るかしないか、また回転数が高いか低いかを選択するこ
とができれば、使用するプロセスに応じて、最適なポン
プ運転温度を選定することが可能であり、ポンプの寿命
を長くすることができる。
【0038】以上、この発明を図1の実施の形態に基づ
いて詳しく説明してきたが、この発明はこれに限られる
ものではない。図7はさらに他の実施の形態を模式的に
示すもので、(a)は図1の実施の形態と同じもの、す
なわち、駆動源として2軸同期モータMを用い、2つの
ポンプ部5A,6Aを連通する気体流路32をモータM
の内部に形成したものを示している。(b)は、気体流
路32aを外部配管35として構成したもので、必要に
応じてこの外部配管35を加熱するヒータ36が設けら
れている。外部配管であるので、取り外し可能とするこ
とができ、この部分のメンテナンスも容易である。
【0039】(c)は、駆動源として通常の1軸モータ
M’を用い、この回転をギア37により他軸に伝えて2
軸を連動させるようにしている。また、(d)は、2軸
同期モータMに連動ギア37を併用して同期性をさらに
高めるようにしたものである。いずれの場合も、1つの
駆動源で2つのポンプ部5A,6Aを構成し、低消費動
力で高い真空度を得ることができるとともに、ねじロー
タ28a〜29bの片持ち支持により構造の簡単化とメ
ンテナンスの容易化が図られている。(c),(d)の
各実施の形態においても、気体流路32,32aは内部
及び外部のいずれとしても良い。
【0040】また、本発明内容については、真空ポンプ
としての説明を行ったが、吸気側を大気圧とし、排気側
を高圧とする為の圧縮機としても全く同様の効果が得ら
れる。
【0041】
【発明の効果】
(1)2本ねじ容積式真空ポンプのねじロータを2段に
分割し、モータを中央に配置するとともに主軸両軸端に
ねじロータを取付けたことにより、 a)両ねじロータは1段に比べ短くて済み、片持ち支持
が可能となると共に、ポンプのメンテナンス性が向上し
た。 b)軸受が内側に配置されるので、潤滑グリス等の揮発
成分が真空側へ逆拡散しにくくなった。 c)軸受部分がポンプ排気側から遠くなって、温度を低
くすることができた。
【0042】(2)2段のうち吸気側ポンプの排気量を
排気側ポンプよりも大きくすることにより、吸気圧力が
低い範囲において単位排気量あたりの消費動力を小さく
することができた。 (3)モータを2軸同期ブラシレス直流モータとするこ
とにより、軸受を潤滑するグリス以外の潤滑剤を使用し
なくてよくなった。
【0043】(4)さらに、排気側ポンプ入口圧力が出
口圧力よりも高くならないようなバイパス通路と逆止弁
を取付けることにより、バイパスがない場合に比べ吸気
圧力が高い範囲において、 a)ポンプ内部圧力を大きくせずに済んだ b)大きい所要トルクを削減できた (5)吸気側ポンプ出口から、排気側ポンプ入口へ通じ
る連通管をモータステータ内部を貫通させることによ
り、連通管をモータ巻線にて加温することができた。
【0044】(6)水冷するかしないかの選択と運転回
数の調整により、ポンプ運転温度を制御することができ
た。 (7)モータの定格トルクを超える圧力範囲において、
回転数を下げる制御を行うことにより、モータの所要動
力をほぼ一定にすることができた。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の第1の実施の形態の平面断面図であ
る。
【図2】図1の矢Aの沿った断面図である。
【図3】この発明の真空ポンプの電源回路制御部を示す
図である。
【図4】真空ポンプのトルク特性を説明するグラフであ
る。
【図5】真空ポンプの消費動力特性を説明するグラフで
ある。
【図6】真空ポンプの制御方法を示すグラフである。
【図7】この発明の真空ポンプの他の実施の形態を示す
図である。
【図8】従来の真空ポンプ示す図である。
【符号の説明】
2a,2b 回転軸 4A モータ部 5,6 ポンプケーシング 5A,6A ポンプ部 15a,15b,16a,16b 軸受 28a,28b,29a,29b ねじロータ 32 気体流路 36 バイパス通路
フロントページの続き (72)発明者 久部 泰史 神奈川県藤沢市本藤沢4丁目1番1号 株式会社 荏原電産内 (56)参考文献 特開 平1−167487(JP,A) 特開 平7−91387(JP,A) 特開 平3−33492(JP,A) 特開 昭63−36086(JP,A) 特開 昭55−43281(JP,A) 特開 平6−129384(JP,A) 特開 平7−119666(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) F04C 25/02 F04C 23/00 F04C 18/16 H02K 16/00

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 平行な2つのシャフトに設けたねじロー
    タが互いに噛み合いながら反対方向に回転することによ
    り、該ねじロータとポンプケーシング間に閉じ込められ
    た気体を移動して排気する容積式真空ポンプにおいて、一対のシャフトの軸に沿って両側に吸気側ねじロータと
    排気側ねじロータとからなる吸気側ポンプ部と排気側
    ンプ部を構成し、 これらのポンプ部の間に上記一対のシャフトを回転させ
    モータ部を配置し、 上記ポンプ部と上記モータ部の間に上記一対のシャフト
    をそれぞれ支持する軸受を設け、吸気側ねじロータと排
    気側ねじロータを片持ち支持し 吸気側ねじロータの軸端部近傍の前記ポンプケーシング
    端部カバーに吸気口を配置し、排気側ねじロータの軸端
    部近傍の前記ポンプケーシング端部カバーに排気口を配
    置し たことを特徴とする容積式真空ポンプ。
  2. 【請求項2】 上記2段のポンプ部のうち、吸気側の排
    気量を排気側よりも大きくしたことを特徴とする請求項
    1に記載の容積式真空ポンプ。
  3. 【請求項3】 液体状の潤滑油を用いないことを特徴と
    する請求項1に記載の容積式真空ポンプ。
  4. 【請求項4】 上記モータ部は上記2つの回転軸を磁気
    的手段により同期させて回転させることを特徴とする請
    求項1に記載の容積式真空ポンプ。
  5. 【請求項5】 上記2つのポンプ部を連通する気体流路
    が上記モータ部のステータ内部を貫通して設けられてい
    ることを特徴とする請求項1に記載の容積式真空ポン
    プ。
  6. 【請求項6】 上記2つのポンプ部を連通する気体流路
    が上記モータ部の外側に設けられていることを特徴とす
    る請求項1に記載の容積式真空ポンプ。
  7. 【請求項7】 吸気側ポンプの出口圧力が排気側ポンプ
    の出口圧力よりも高くなった場合に、吸気側ポンプ出口
    から直接排気側ポンプ出口へ排気する為のバイパス通路
    を設けたことを特徴とする請求項5又は6に記載の容積
    式真空ポンプ。
  8. 【請求項8】 定格トルクを超える圧力範囲においては
    回転数を下げ、消費電力がおよそ一定となるようにモー
    タを制御する制御手段を有することを特徴とする請求項
    1に記載の容積式真空ポンプ。
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