JP4935527B2 - 固定翼の製造方法、およびその固定翼を備えたターボ分子ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、真空排気に用いられるターボ分子ポンプの固定翼の製造方法、およびその固定翼を備えたターボ分子ポンプに関する。

高真空排気に用いられるターボ分子ポンプは、複数段の回転翼と複数段の固定翼とを備えている。各回転翼は、ロータ外周を一周にわたって周面から突出するように形成された複数のタービン翼から成る。一方、各固定翼はロータを囲むように配設された複数のタービン翼から成り、各タービン翼の外周端および／または内周端は円弧状の帯状部材に連結されている。一般的に、各段の固定翼は一対の半円状タービン翼構造体により構成される。各固定翼はロータ軸方向に形成された回転翼と回転翼との間に配設され、ロータ回転により回転翼が固定翼に対して高速回転することにより排気作用が発生する。

従来、固定翼の加工方法としては、半円状の金属板材を打ち抜いて内外周のリブに支持された複数のタービンブレードを形成し、それらを曲げ加工することでタービン翼を形成する方法があった。しかしながら、曲げ加工による固定翼の場合には、矩形断面の翼を斜めに曲げ加工しているため、翼の上下端部形状はポンプ軸方向に突出した山形状となり、ポンプ全体が大型化してしまうという欠点があった。

そのような欠点を解消する技術として、板材に対して打ち抜き用ポンチを斜めにスライドさせて、翼曲げ加工後の上下端部形状が水平となるようにする製造方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−２６９３６５号公報

しかしながら、金属板材をポンチで打ち抜き加工する場合、打ち抜いた際にバリが発生し、バリ取りの工程が必要となる。また、固定翼の剛性を確保するために板材を厚くすると、加工コストが上昇する。さらに、ポンチを斜めにスライドする際のスライド方向は固定翼のブレード毎に異なり、一回の打ち抜きで加工するのは非常に難しく加工コストの上昇を招く。

請求項１の発明は、レーザービームにより金属板材にスリット加工を施して、円弧状の支持部および該支持部に支持されたタービンブレードを形成するスリット加工工程と、スリット加工工程で形成されたタービンブレードを支持部に対して折り曲げて、該タービンブレードに翼角度を形成する曲げ加工工程とを有し、タービンブレードがねじれ翼であるターボ分子ポンプの固定翼の製造方法であって、スリット加工工程において、金属板材をスリット加工してタービンブレードの上流側端面および／または下流側端面を形成する際に、金属板材の表面に対してレーザービームを斜入射させて、表面に対して斜めに傾いた上流側端面および／または下流側端面を形成し、金属板材にレーザービームを斜入射させる際の斜入射角度が、上流側端面および／または下流側端面のブレード内周側とブレード外周側とで異なることを特徴とする。
請求項２の発明によるターボ分子ポンプは、請求項１に記載の製造方法により形成された固定翼を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、金属板材の表面に対してレーザービームを斜入射させることにより、表面に対して斜めに傾いた上流側端面および／または下流側端面を容易に形成することができる。

以下、図を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。図１は本発明に係るターボ分子ポンプの一実施の形態を示す図であり、ポンプ本体１の断面図である。ターボ分子ポンプは、図１に示すポンプ本体１と、ポンプ本体１に電源を供給し回転駆動を制御するコントローラ（不図示）とから成る。

ポンプ本体１のケーシング２の内部には回転体が設けられ、回転体４には回転軸３がボルト締結されている。回転軸３は、ベース９のステータコラムに設けられた上下一対のラジアル磁気軸受７およびスラスト磁気軸受８によって非接触式に支持され、モータＭにより回転駆動される。回転体４には、複数段の回転翼４Ｂおよび回転円筒部４Ｄが形成されている。一方、ケーシング２内には、リング状のスペーサ２Ｓが複数積層され、そのスペーサ２Ｓによって上下に挟まれるように複数段の固定翼２Ｂが設けられている。さらに、複数段の固定翼２Ｂの下部には、内周面に螺旋溝が形成された固定円筒部９Ｄが設けられている。

なお、図１に示すターボ分子ポンプでは、１〜４段目までの固定翼２Ｂと、５〜８段目の固定翼２Ｂとでは製造方法が異なっている。上流側の４段の固定翼２Ｂは、翼角度および翼高さが大きく、アルミ合金やステンレス鋼等の金属板材を切削加工することで形成される。一方、下流側の４段は、翼角度および翼高さが小さく、金属板材を曲げ加工することによって形成されている。後述するように、本実施の形態では、下流側の固定翼２Ｂの製造方法に特徴がある。

軸方向に交互に配置された複数段の回転翼４Ｂと複数段の固定翼２Ｂとによりタービン翼部Ｔが構成され、回転円筒部４Ｄと固定円筒部９Ｄとによりモレキュラードラッグポンプ部が構成される。回転円筒部４Ｄは固定円筒部９Ｄの内周面に近接して設けられており、固定円筒部９Ｄの内周面には螺旋溝９Ｍが形成されている。モレキュラードラッグポンプ部では、固定円筒部９Ｄの螺旋溝９Ｍと高速回転する回転円筒部４Ｄとにより、粘性流による排気機能が発生する。

図１に示すタービン翼部Ｔとモレキュラードラッグポンプ部ＭＤとを結合させたターボ分子ポンプは、広域型ターボ分子ポンプと称されている。吸気口５から流入したガスはタービン翼部Ｔによって図示下方（下流側）へと叩き飛ばされ、下流側に向かって排気される。そのガスは、さらにモレキュラードラッグポンプ部によって圧縮され、排気口６から排出される。

図２は、曲げ加工により形成される下流側４段の固定翼２Ｂのうちの一段分を示す斜視図である。半リング状の固定翼２Ｂを一対用いることで、一段分の固定翼２Ｂが構成される。固定翼２Ｂには内周リブ部２０１と外周リブ部２０２とが設けられており、それらの間には、複数のブレード２００が円弧上に配設されている。外周リブ部２０２をスペーサ２Ｓによって上下から挟持することで、固定翼２Ｂがポンプ内に保持される。図示していないが（図３（ｂ）参照）、各ブレード２００は幅の狭い曲げ部を介して内周リブ部２０１および外周リブ部２０２に支持されている。この曲げ部を捻るようにブレード２００を曲げ加工することで、ブレード２００に所定の翼角度が付与されている。

《固定翼２Ｂの製造方法》
次に、図３〜５を用いて固定翼２Ｂの製造方法について説明する。図３（ａ）に示す第１の工程では、板材１００を打ち抜き加工することにより、破線で示すような半リング形状板材１０１を形成する。図３（ｂ）の第２の工程では、半リング形状板材１０１に対して、ハッチングで示したスリット部１０２をレーザービーム加工により抜き加工する。その結果、ブレード２００、内周リブ部２０１、外周リブ部２０２および曲げ部２０３の形状が形成される。

図４は、スリット部１０２をレーザービーム加工する際のビームの角度を説明する図である。図４（ａ）は、符号Ｃで示した曲げ部２０３を加工する際のレーザービームＬＢの角度を示したものである。曲げ部２０３の輪郭をレーザービーム加工で切り抜く際には、半リング形状板材１０１の表面に対して垂直（ビーム角度＝９０度）にレーザービームＬＢを照射する。なお、内周リブ部２０１および外周リブ部２０２の輪郭部分、ブレード２００の内外周側端面を切り抜く際にも、曲げ部２０３の場合と同様にビーム角度を９０度とする。

一方、ブレード２００の上端（上流側端面）および下端（下流側端面）となる部分（符号Ｄで示す部分）は、図４（ｂ）に示すようにレーザービームＬＢを半リング形状板材１０１の表面に対して斜め（ビーム角度θ１）に照射する。その結果、レーザービームＬＢで切り抜かれた加工面は、ブレード２００の表裏面に対して角度θ１を成している。

図５は、第３の工程であるブレード２００の曲げ加工を説明する図である。ここでは、プレス曲げ加工を用いて曲げ加工を行う。図５の（ａ）および（ｂ）に示すように、ポンチ３００，３０１によりブレード２００の部分を上下からプレスする。ポンチ３００，３０１のプレス面３００ａ，３０１ａは、ブレード２００の翼角度に対応して傾斜している。水平状態のブレード２００（図５（ａ）参照）を、図５（ｂ）のようにポンチ３００，３０１で上下方向にプレスすると、図３（ｂ）に示した曲げ部２０３が捻り曲げられ、ブレード２００に所定の翼角度が付与される。

図６（ａ）は曲げ加工後のブレード２００を示す図である。曲げ加工によってブレード２００の翼角度はθ２となっている。一方、上流側端面であるブレード上端面２００ａのブレード表面に対する角度、および、下流側端面であるブレード下端面２００ｂのブレード裏面に対する角度は、それぞれ図４（ｂ）に示すレーザービームのビーム角度θ１と等しい。図６（ａ）に示す例ではθ１＝θ２に設定しているので、ブレード上端面２００ａは水平（内周リブ部２０１に対して平行）になっている。また、ブレード２００の翼高さはＨ１である。

図６（ｂ）は、垂直にプレス打ち抜きしてスリット部１０２を形成した場合の、ブレード４００の形状を示したものである。もちろん、ビーム角度θ１＝９０度でレーザービーム加工した場合も同様である。この場合、ブレード４００の上下両端は回転軸方向（図示上下方向）に突出した山形状となる。この部分は気体分子を吸気口側に弾いてしまい、ハッチングを施した山形状の部分は排気作用にはほとんど寄与していない。すなわち、ブレード４００のこの部分はデッドスペースとなっており、図６（ａ）に示すブレード形状で考えた場合、翼高さがＨ２のものと同程度の性能しか達成できない。言い替えると、図６（ａ）に示すようなブレード形状とすることで、固定翼２Ｂの翼高さを小さくすることができ、ポンプ本体１の軸方向寸法を低減することができる。

なお、図６（ａ）に示す例ではθ１＝θ２と設定してブレード上端面２００ａが水平になるようにしたが、厳密にθ１＝θ２で無くても良く、θ１の方を小さくしても構わない。この場合、ブレード２００の下流側端面２００ｂが水平ではなく斜めになるため、固定翼２Ｂの下流側から逆流する気体に対してシール効果が増し、排気性能が向上する。

［変形例］
上述したブレード２００は、内周側から外周側まで翼角度が一定な平板翼であったが、内周側と外周側の翼角度を変えた「ねじれ翼」とすることにより、排気性能の向上を図ることができる。図７に示す斜視図は、固定翼２Ｂのブレード５００を「ねじれ翼」とした場合のブレード形状を示したものである。ブレード５００は、内周側から外周側に近付くにつれて翼角度が小さくなっている。

図７では、ねじれ翼ブレード５００を実線で、平板翼ブレード２００を二点差線でそれぞれ示し、いずれの場合も翼高さをＨ１とした。なお、外周リブ部２０２の図示は省略した。ねじれ翼ブレード５００の内周側の翼角度は、平板翼ブレード２００の場合と同じθ21であり、外周側の翼角度はθ22（＜θ21）である。ねじれ翼ブレード５００の場合も、ブレード上端面（上流側端面）５００ａは水平になっている。なお、ねじれ翼ブレード５００の下流側の下端面についても同様である。このようなねじれ翼とすることにより、固定翼２Ｂを上方から見通せる領域の割合（すなわち、翼間隙間）を、外周側において低減することができる。その結果、気体分子の逆流が低減され、排気性能の向上を図ることができる。

上述したように、ねじれ翼ブレード５００では径方向位置によって翼角度が異なるので、図６（ａ）のように翼角度θ２はθ21〜θ22まで連続的に変化する。そのため、ブレード上端面５００ａが水平となるようにするために、翼角度θ２の変化に応じてレーザービーム角度θ１を、図８に示すように内周側から外周側へと近づくにつれてθ11＞θ12＞θ13と連続的に小さくすれば良い。

以上説明した固定翼２Ｂの製造方法では、従来のポンチを用いて打ち抜く固定翼の製造方法にはない以下のような作用効果を奏する。

図３，４を用いて説明した平板翼ブレード２００の場合、ポンチを用いる方法では、ブレード２００の上下端面部分の切り抜く場合と、その他の箇所を切り抜く場合とで、切り抜く際の角度を変えなければならない。また、ブレード２００は円弧上に配設されているので、ブレード毎にポンチをスライドさせる方向を変えなければならない。そのため、一回のプレス打ち抜き作業で全てのスリット部１０２を打ち抜くのは、非常に難しい。さらに、ねじれ翼ブレード５００の場合、図８に示すように、上端面５００ａの径方向位置によって角度θ１が連続的に変化するので、ポンチによる打ち抜きでこのような面を形成するのは非常に難しく、可能であったとしてもかなりのコストアップが避けられない。

しかしながら、本実施の形態のように、レーザービームＬＢを用いてスリット部１０２を切り抜く場合には、それぞれの場所においてレーザービームＬＢの角度θ１を変更するだけで良く、容易に加工することができる。

また、固定翼２Ｂに剛性を持たせるためには板材１００の厚い方が好ましいが、厚さが１ｍｍ以上あると打ち抜き加工では加工コストが非常に高くなる。また、打ち抜きの際にバリが発生するため、打ち抜き後にバリ取りの工程が必要となる。一方、レーザービームを用いる場合には、板厚による加工コストへの影響は小さく、バリ取りの工程も必要ない。

なお、上述した実施の形態では、ブレード２００，５００の上流側端面および下流側端面の両方に関して、レーザービームを斜めにしたが、排気性能は落ちるがいずれか一方だけでも構わない。また、ねじれ翼における内周側翼角度と外周側翼角度との大小関係は、上述した場合と逆の関係であっても構わない。なお、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。

以上説明した実施の形態と特許請求の範囲の要素との対応において、内周リブ部２０１および外周リブ部２０２は円弧状の支持部を、ビーム角度θ１は斜入射角度をそれぞれ構成する。なお、以上の説明はあくまでも一例であり、発明を解釈する際、上記実施の形態の記載事項と特許請求の範囲の記載事項の対応関係に何ら限定も拘束もされない。

本発明に係るターボ分子ポンプの一実施の形態を説明する断面図である。 固定翼２Ｂの斜視図。 固定翼２Ｂの製造方法を説明する図であり、（ａ）は第１の工程を、（ｂ）は第２の工程をそれぞれ示す。 レーザービーム加工におけるビーム角度を説明する図であり（ａ）は曲げ部２０３におけるビーム角度を示し、（ｂ）は上流側端面および下流側端面におけるビーム角度を示す。 第３の工程であるブレード２００の曲げ加工を説明する図である。 本実施の形態のブレード２００と、翼端部が山形状になったブレード４００とを比較説明する図である。 ねじれ翼ブレード５００を示す図である。 ねじれ翼ブレード５００の場合のビーム角度を説明する図である。

符号の説明

１：ポンプ本体、２Ｂ：固定翼、４Ｂ：回転翼、２００，４００，５００：ブレード、２００ａ，５００ａ：ブレード上端面、２００ｂ：ズレー度下端面、２０１：内周リブ部、２０２：外周リブ部、ＬＢ：レーザービーム、θ１：ビーム角度

Claims (2)

1. レーザービームにより金属板材にスリット加工を施して、円弧状の支持部および該支持部に支持されたタービンブレードを形成するスリット加工工程と、
   前記スリット加工工程で形成された前記タービンブレードを前記支持部に対して折り曲げて、該タービンブレードに翼角度を形成する曲げ加工工程とを有し、タービンブレードがねじれ翼であるターボ分子ポンプの固定翼の製造方法であって、
   前記スリット加工工程において、
   前記金属板材をスリット加工して前記タービンブレードの上流側端面および／または下流側端面を形成する際に、前記金属板材の表面に対してレーザービームを斜入射させて、前記表面に対して斜めに傾いた前記上流側端面および／または下流側端面を形成し、
   前記金属板材にレーザービームを斜入射させる際の斜入射角度が、前記上流側端面および／または下流側端面のブレード内周側とブレード外周側とで異なることを特徴とするターボ分子ポンプの固定翼の製造方法。
2. 請求項１に記載の製造方法により形成された固定翼を備えたことを特徴とするターボ分子ポンプ。

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