JP5744044B2 - 真空ポンプ - Google Patents

Description

本発明は真空ポンプに係わり、特に熱によるコネクタピンの膨張の影響を低減させることで、ハンダ付け部分のクラックを防止し、かつ、電子素子の損傷を防止した真空ポンプに関する。

近年のエレクトロニクスの発展に伴い、メモリや集積回路といった半導体の需要が急激に増大している。
これらの半導体は、極めて純度の高い半導体基板に不純物をドープして電気的性質を与えたり、エッチングにより半導体基板上に微細な回路を形成したりなどして製造される。

そして、これらの作業は空気中の塵等による影響を避けるため高真空状態のチャンバ内で行われる必要がある。このチャンバの排気には、一般に真空ポンプが用いられているが、特に残留ガスが少なく、保守が容易等の点から真空ポンプの中の一つであるターボ分子ポンプが多用されている。

また、半導体の製造工程では、さまざまなプロセスガスを半導体の基板に作用させる工程が数多くあり、ターボ分子ポンプはチャンバ内を真空にするのみならず、これらのプロセスガスをチャンバ内から排気するのにも使用される。

このターボ分子ポンプは、ポンプ本体とそのポンプ本体を制御する制御装置とからなる。このポンプ本体と制御装置の接続コネクタプラグのピン数を減らし、基板配線を簡略化する方法として、特許文献１のようなモータ及び磁気軸受の制御基板を真空側に配置する方法が知られている。

特表２００７‐５０８４９２号公報

ところで、特許文献１の場合、電子素子搭載の基板とコネクタとの間はケーブルで結ばれている。そこで、このケーブルを省略して基板とコネクタとを直接ハンダで接続することで配線構造を一層簡素化することが望まれる。

しかしながら、このように基板とコネクタとを直接ハンダで接続した場合、ポンプ本体の中は真空なので熱伝導による放熱がされ難く、加温され易い状況にある。このため、加温に伴うコネクタピンの線膨張が大きく、ハンダ付けされた部分にクラックが発生し易くなる恐れがある。
また、かかるコネクタピンの線膨張により基板上に搭載された電子素子が損傷されることのないように対策を施す必要がある。

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、熱によるコネクタピンの膨張の影響を低減させることで、ハンダ付け部分のクラックを防止し、かつ、電子素子の損傷を防止した真空ポンプを提供することを目的とする。

このため本発明（請求項１）は、電子素子の搭載された基板と、該基板に対しハンダ付けされ、該基板の中心から外れた一端側に配設された複数本のピンと、該ピンを有するプレートと、前記基板を前記プレートと締結する締結部材とを備え、該締結部材が前記基板の中心から外れた他端側縁部付近に配設されたことを特徴とする。

ピンは端子の胴部を介してプレートに挿入されることでこのプレートに保持されるようにしてもよいが、ピンをプレートに対し直接貫通固定することでプレートに保持されるようにしてもよい。ピンをプレートに対し直接貫通固定する場合には、ピンがプレートと接する部分はプレートの材質如何によっては絶縁の施されることが望ましい。
ピンを基板の中心から外れた一端側に配設する。ピンは複数本で一つの集合体に構成されコネクタとして機能する。ネジ等の締結部材を基板の中心から外れた前記一端に対する基板の中心をまたいだ他端側の縁部付近に配設する。

このように、締結部材を他端側にのみ配設し、基板の一端側は締結部材で締結することなく開放したことで、熱に伴うピンの膨張があった場合でも基板のたわみ角を小さく抑えることができ、ハンダ接続部分にかかる応力を低減できる。このため、ハンダ接続部分がクラックする恐れは極めて小さくなる。基板の変形圧力が小さくなった分、電子素子に与える影響も小さくできる。

また、本発明（請求項２）は、前記ピンの集合の中心から前記基板の中心までの距離に対する前記ピンの集合の中心から前記締結部材までの距離の比が１．５以上であることを特徴とする。
このことにより、請求項１と同様の効果を得ることが出来る。

更に、本発明（請求項３）は、電子素子の搭載された基板と、該基板に対しハンダ付けされ、該基板の中心から外れた一端側に配設された複数本のピンと、該ピンを有するプレートと、前記基板を前記プレートと締結する締結部材と、前記電子素子を前記基板上にモールドするモールド材とを備え、該モールド材の硬度がショアＤ硬度５０未満であることを特徴とする。

電子素子は基板上に樹脂等のモールド材によりモールドされている。基板がたわむとき、モールド材の硬度が高いと基板変形による影響を受けてモールドも変形する。このとき、電子素子の取り付け部等にモールドの圧力がかかる。モールド材の硬度が高い場合には電子素子の反力は変形圧力に抗することができず、電子素子は破壊される恐れがある。

そこで、モールド材の硬度をショアＤ硬度５０未満に低く選定する。このことにより、モールド材は基板の変形に対して柔軟に追従し電子素子にかかる負荷が軽減されるため、電子素子の反力はモールド材の変形圧力に抗することができる。従って、電子素子は破壊され難くできる。

以上説明したように本発明によれば、締結部材が基板の中心から外れた他端側縁部付近に配設されるように構成したので、熱に伴うピンの膨張があった場合でも基板のたわみ角を小さく抑えることができ、ハンダ接続部分にかかる応力を低減できる。このため、ハンダ接続部分がクラックする恐れは極めて小さくなる。基板の変形圧力が小さくなった分、電子素子に与える影響も小さくできる。

本発明の実施形態の構成図 端子構造 基板に対しピンをハンダ付けした様子を示す図 ＡＭＢ制御基板の中心付近にネジを設けた場合のたわみ量を示す図 たわみ角を軽減させる方法を示す図 硬度の高いモールド材を使用したときの電子素子の様子を示す図 硬度の低いモールド材を使用したときの電子素子の様子を示す図

以下、本発明の実施形態について説明する。本発明の実施形態の構成図を図１に示す。図１において、ターボ分子ポンプ１０は、ポンプ本体１００と制御ユニット２００とが一枚のアルミ製のプレート２０１を挟んで一体化されている。
このプレート２０１は、ポンプ本体１００の底面と制御ユニット２００の上面とを兼ねている。但し、プレート２０１は２枚で構成等されることも可能である。

ポンプ本体１００の円筒状の外筒１２７の上端には吸気口１０１が形成されている。外筒１２７の内方には、ガスを吸引排気するためのタービンブレードによる複数の回転翼１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ・・・を周部に放射状かつ多段に形成した回転体１０３を備える。

この回転体１０３の中心にはロータ軸１１３が取り付けられており、このロータ軸１１３は、例えば、いわゆる５軸制御の磁気軸受により空中に浮上支持かつ位置制御されている。

上側径方向電磁石１０４は、４個の電磁石が、ロータ軸１１３の径方向の座標軸であって互いに直交するＸ軸とＹ軸とに対をなして配置されている。この上側径方向電磁石１０４に近接かつ対応されて４個の電磁石からなる上側径方向センサ１０７が備えられている。この上側径方向センサ１０７は回転体１０３の径方向変位を検出し、後述する制御装置３００に送るように構成されている。

制御装置３００においては、上側径方向センサ１０７が検出した変位信号に基づき、ＰＩＤ調節機能を有する補償回路を介して上側径方向電磁石１０４の励磁を制御し、ロータ軸１１３の上側の径方向位置を調整する。

ロータ軸１１３は、高透磁率材（鉄など）などにより形成され、上側径方向電磁石１０４の磁力により吸引されるようになっている。かかる調整は、Ｘ軸方向とＹ軸方向とにそれぞれ独立して行われる。

また、下側径方向電磁石１０５及び下側径方向センサ１０８が、上側径方向電磁石１０４及び上側径方向センサ１０７と同様に配置され、ロータ軸１１３の下側の径方向位置を上側の径方向位置と同様に調整している。

更に、軸方向電磁石１０６Ａ、１０６Ｂが、ロータ軸１１３の下部に備えた円板状の金属ディスク１１１を上下に挟んで配置されている。金属ディスク１１１は、鉄などの高透磁率材で構成されている。ロータ軸１１３の軸方向変位を検出するために軸方向センサ１０９が備えられ、その軸方向変位信号が制御装置３００に送られるように構成されている。

そして、軸方向電磁石１０６Ａ、１０６Ｂは、この軸方向変位信号に基づき制御装置３００のＰＩＤ調節機能を有する補償回路を介して励磁制御されるようになっている。軸方向電磁石１０６Ａと軸方向電磁石１０６Ｂは、磁力により金属ディスク１１１をそれぞれ上方と下方とに吸引する。

このように、制御装置３００は、この軸方向電磁石１０６Ａ、１０６Ｂが金属ディスク１１１に及ぼす磁力を適当に調節し、ロータ軸１１３を軸方向に磁気浮上させ、空間に非接触で保持するようになっている。

モータ１２１は、ロータ軸１１３を取り囲むように周状に配置された複数の磁極を備えている。各磁極は、ロータ軸１１３との間に作用する電磁力を介してロータ軸１１３を回転駆動するように、制御装置３００によって制御されている。

回転翼１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ・・・とわずかの空隙を隔てて複数枚の固定翼１２３ａ、１２３ｂ、１２３ｃ・・・が配設されている。回転翼１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ・・・は、それぞれ排気ガスの分子を衝突により下方向に移送するため、ロータ軸１１３の軸線に垂直な平面から所定の角度だけ傾斜して形成されている。

また、固定翼１２３も、同様にロータ軸１１３の軸線に垂直な平面から所定の角度だけ傾斜して形成され、かつ外筒１２７の内方に向けて回転翼１０２の段と互い違いに配設されている。
そして、固定翼１２３の一端は、複数の段積みされた固定翼スペーサ１２５ａ、１２５ｂ、１２５ｃ・・・の間に嵌挿された状態で支持されている。

固定翼スペーサ１２５はリング状の部材であり、例えばアルミニウム、鉄、ステンレス、銅などの金属、又はこれらの金属を成分として含む合金などの金属によって構成されている。

固定翼スペーサ１２５の外周には、わずかの空隙を隔てて外筒１２７が固定されている。外筒１２７の底部にはベース部１２９が配設され、固定翼スペーサ１２５の下部とベース部１２９の間にはネジ付きスペーサ１３１が配設されている。そして、ベース部１２９中のネジ付きスペーサ１３１の下部には排気口１３３が形成され、外部に連通されている。

ネジ付きスペーサ１３１は、アルミニウム、銅、ステンレス、鉄、又はこれらの金属を成分とする合金などの金属によって構成された円筒状の部材であり、その内周面に螺旋状のネジ溝１３１ａが複数条刻設されている。
ネジ溝１３１ａの螺旋の方向は、回転体１０３の回転方向に排気ガスの分子が移動したときに、この分子が排気口１３３の方へ移送される方向である。

回転体１０３の回転翼１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ・・・に続く最下部には回転翼１０２ｄが垂下されている。この回転翼１０２ｄの外周面は、円筒状で、かつネジ付きスペーサ１３１の内周面に向かって張り出されており、このネジ付きスペーサ１３１の内周面と所定の隙間を隔てて近接されている。

ベース部１２９は、ターボ分子ポンプ１０の基底部を構成する円盤状の部材であり、一般には鉄、アルミニウム、ステンレスなどの金属によって構成されている。

ベース部１２９はターボ分子ポンプ１０を物理的に保持すると共に、熱の伝導路の機能も兼ね備えているので、鉄、アルミニウムや銅などの剛性があり、熱伝導率も高い金属が使用されるのが望ましい。

かかる構成において、回転翼１０２がモータ１２１により駆動されてロータ軸１１３と共に回転すると、回転翼１０２と固定翼１２３の作用により、吸気口１０１を通じてチャンバからの排気ガスが吸気される。

吸気口１０１から吸気された排気ガスは、回転翼１０２と固定翼１２３の間を通り、ベース部１２９へ移送される。このとき、排気ガスが回転翼１０２に接触又は衝突する際に生ずる摩擦熱や、モータ１２１で発生した熱の伝導や輻射などにより、回転翼１０２の温度は上昇するが、この熱は、輻射又は排気ガスの気体分子等による伝導により固定翼１２３側に伝達される。

固定翼スペーサ１２５は、外周部で互いに接合しており、固定翼１２３が回転翼１０２から受け取った熱や排気ガスが固定翼１２３に接触又は衝突する際に生ずる摩擦熱などを外筒１２７やネジ付きスペーサ１３１へと伝達する。
ネジ付きスペーサ１３１に移送されてきた排気ガスは、ネジ溝１３１ａに案内されつつ排気口１３３へと送られる。

また、吸気口１０１から吸引されたガスがモータ１２１、下側径方向電磁石１０５、下側径方向センサ１０８、上側径方向電磁石１０４、上側径方向センサ１０７などで構成される電装部側に侵入することのないよう、電装部は周囲をステータコラム１２２で覆われ、この電装部内はパージガスにて所定圧に保たれている。

次に制御装置３００の構成について説明する。制御装置３００を構成する電子素子は、プレート２０１とベース１２９の間に形成されたポンプ本体１００側の底部空間３０１と制御ユニット２００とに分離して格納されている。底部空間３０１内は真空雰囲気であり、制御ユニット２００内は大気雰囲気である。

そして、このプレート２０１の一部には穴が配設されており、この穴には図２に示すような端子２１０の胴部２０５が貫通固定されている。端子２１０は、略四角形の板状底面部２０３の上面に円柱状の胴部２０５が突設されており、この略四角形の板状底面部２０３及び胴部２０５を貫通して多数のピン２０７が取り付けられている。
なお、上述したようにピン２０７は端子２１０の胴部２０５を介してプレート２０１に挿入されることでこのプレート２０１に保持されるようにしてもよいが、ピン２０７をプレート２０１に対し直接貫通固定することでプレート２０１に保持されるようにしてもよい。この場合、ピン２０７がプレート２０１と接する部分はプレート２０１の材質如何によっては絶縁の施されることが望ましい。

ピン２０７の上部はプレート２０１より上側に露出され、ＡＭＢ制御基板２０９の小穴２１２を貫通している。ＡＭＢ制御基板２０９に対してピン２０７の上部はＡＭＢ制御基板２０９の小穴２１２部分で図３に示すようにハンダ付けされている。このため、従来のように基板とピンとの間にケーブルは不要である。ＡＭＢ制御基板２０９上には磁気軸受を制御する電子素子が搭載されている。

そして、このハンダ付けされた箇所を介してピン２０７とＡＭＢ制御基板２０９上の各電子素子とは電気的に接続されている。

一方、ピン２０７の下部はプレート２０１より下側に露出され、大気側接続基板２１１の小穴２１２を貫通している。大気側接続基板２１１に対してピン２０７の下部は大気側接続基板２１１の小穴２１２部分で図３に示すようにハンダ付けされている。大気側接続基板２１１上には主にモータ１２１を制御する電子素子が搭載されている。そして、このハンダ付けされた箇所を介してピン２０７と大気側接続基板２１１上の各電子素子とは電気的に接続されている。

また、大気側接続基板２１１上のピン２０７の近くには電解コンデンサ２１３が素子をプレート２０１側に向けて配設されている。大気側接続基板２１１とプレート２０１の間にはヒートシンク２１５が配設されている。この結果、ＡＭＢ制御基板２０９、プレート２０１及び大気側接続基板２１１は一体化された一つの構造体とされている。

そして、更に、一部の磁気軸受制御用以外及びモータ制御用以外の電子素子は底部制御基板２１７、２１９に搭載されている。但し、用途によって厳格に基板を配置するのではなく、電解コンデンサ２１３を除く各電子素子を適宜真空中のＡＭＢ制御基板２０９上に搭載する等してもよい。

プレート２０１とベース１２９の間には底部空間３０１回りにＯリング２２１が埋め込まれ、プレート２０１と制御ユニット２００の筐体を形成する壁２２５の間にはＯリング２２３が埋め込まれて防滴仕様構造となっている。

また、水冷管をベース部１２９におけるプレート２０１の近くに配設（図１中の水冷管１４９）することで、ベース部１２９を介してこのプレート２０１を冷却できる。

次に、制御装置３００の作用を説明する。
ポンプ本体１００側のケーシングの開口を塞ぐようにプレート２０１を配設し、このプレート２０１が制御ユニット２００側のケーシングをも兼ねる基板ユニット構造とした。プレート２０１に貫通固定された端子２１０のピン２０７に対しＡＭＢ制御基板２０９と大気側接続基板２１１とを直接ハンダ付けして一体化している。従って、プレート２０１はポンプ本体１００と制御ユニット２００との間に一枚の配設で済む。

また、ポンプ本体１００と制御ユニット２００とは一体化したので、従来のようにそれぞれ独立したケーシングとシール構造とするのとは違い、ケーシング部分及びシール構造を簡素に構成できる。

そして、水冷管１４９によるプレート２０１の冷却を通して、真空側のＡＭＢ制御基板２０９と大気側の大気側接続基板２１１上にそれぞれ搭載された電子素子を一度に冷却できる。従って、冷却構造を簡素化できる。

更に、ＡＭＢ制御基板２０９を真空側である底部空間３０１に配置し、真空中に置くことが難しい電子素子を大気側接続基板２１１上に設けた。ＡＭＢ制御基板２０９、プレート２０１及び大気側接続基板２１１はピン２０７を介して一体化された一つの構造体とされているため、改めて基板同士の間で配線作業を行う必要はない。

そして、磁気軸受を制御する電子素子は、真空側である底部空間３０１に配設したため、電磁石とセンサの配線を外部に出す必要がなくなり、ＡＭＢ制御基板２０９と大気側接続基板２１１間に渡る配線やピン２０７の本数を極力少なくできる。

図４にＡＭＢ制御基板２０９、プレート２０１及び大気側接続基板２１１周辺の図を示す。プレート２０１の上部のピン２０７集合回りには、ＡＭＢ制御基板２０９の形状に合わせて凹部２３３が形成されている。ＡＭＢ制御基板２０９はプレート２０１に対し締結部材に相当するネジ２３５Ａ、２３５Ｂ、２３５Ｃで複数箇所が止められている。

ネジ２３５Ａ、２３５Ｂ、２３５Ｃは、図４中ピン２０７の左側にのみ配設されている。そして、ネジ２３５ＡはＡＭＢ制御基板２０９の左端縁部付近に、また、ネジ２３５ＣはＡＭＢ制御基板２０９のほぼ中央に配置されている。

しかしながら、この図４の構造においては底部空間３０１内の加温によりピン２０７は線膨張しネジ２３５Ｃを支点に角度θ１だけ急激にたわむ恐れがある。底部空間３０１内は真空のため、特に加温が進み易い環境にある。このときのピン２０７集合の中心とネジ２３５Ｃ間の距離をＬ１とする。

ここに、図５に示すように、ネジ２３５Ａのみを残し、ネジ２３５Ｂ、２３５Ｃは省略することでＡＭＢ制御基板２０９のたわみ角を軽減する。ネジ２３５Ａより右方にはネジを有さないことでＡＭＢ制御基板２０９を右側に向けて開放している。

このとき、ネジ２３５Ａを支点に角度θ２だけたわむが、このたわみ角は緩やかなのでハンダ接続部分がクラックする恐れは極めて小さくなる。このときのピン２０７集合の中心とネジ２３５Ａ間の距離をＬ２とする。底部空間３０１内の加温に伴うピン２０７の線膨張は図４の場合と図５の場合と同じである。従って、数１の関係が成立する。

ここで、たわみ軽減度αをθ１／θ２で定義する。角度θは微小とするとたわみ軽減度αは数２のようになる。

そして、このたわみ軽減度αは、１．５以上であればたわみ軽減の効果は期待できる。より望ましくは１．７以上、更に望ましくは２以上である。

また、凹部２５３は、凹部２３３よりも広い面積となるよう、凹部２３３の左縁部よりも左方に拡大している。
凹部２５３を広範囲に形成したことで、ＡＭＢ制御基板２０９がプレート２０１に対して何らかの堆積物等により付着し、ＡＭＢ制御基板２０９がたわみ難くなる等ということはなくなる。

次にＡＭＢ制御基板２０９上に搭載された電子素子について上述したたわみの影響を考察する。
電子素子２４１は、図６に示すようにＡＭＢ制御基板２０９上に樹脂等のモールド材２４３によりモールドされている。上述したように、ＡＭＢ制御基板２０９がたわむとき、モールド材２４３の硬度が高い（例えば商品名 Ａｒａｌｄｉｔｅ ２０１２ ＨＵＮＴＳＭＡＮ社を用いた場合）と基板変形による影響を受けてモールドも大きく変形する。このとき、電子素子２４１の取り付け足部等は図中太矢印で示すようにモールドの変形圧力が大きくかかる。モールド材２４３の硬度が高い場合には電子素子２４１の反力は変形圧力に抗することができず、電子素子２４１は破壊される恐れがある。

そこで、図７に示すように、モールド材２４５の硬度を低く（例えば商品名 ＤＥＬＯ ＤＵＯＰＯＸ ＣＲ８０４ ショアＤ硬度４３）選定する。モールド材２４５の硬度はショアＤ硬度５０未満が望ましい。
この場合、電子素子２４１にかかる負荷が図中太矢印で示すように軽減されるため、電子素子２４１の反力はモールド材２４５の変形圧力に抗することができる。従って、電子素子２４１は破壊され難くできる。

１０ ターボ分子ポンプ
１００ ポンプ本体
１０２ 回転翼
１０４ 上側径方向電磁石
１０５ 下側径方向電磁石
１０６Ａ、Ｂ 軸方向電磁石
１０７ 上側径方向センサ
１０８ 下側径方向センサ
１０９ 軸方向センサ
１１１ 金属ディスク
１１３ ロータ軸
１２１ モータ
１２２ ステータコラム
１２３ 固定翼
１２５ 固定翼スペーサ
１２７ 外筒
１２９ ベース
１３１ スペーサ
１３３ 排気口
１４９ 水冷管
２００ 制御ユニット
２０１ プレート
２０３ 略四角形の板状底面部
２０５ 胴部
２０７ ピン
２０９ ＡＭＢ制御基板
２１０ 端子
２１１ 大気側接続基板
２１２ 小穴
２１３ 電解コンデンサ
２１５ ヒートシンク
２２１、２２３ Ｏリング
２３３、２５３ 凹部
２３５Ａ、２３５Ｂ、２３５Ｃ ネジ
２４１ 電子素子
２４３、２４５ モールド材
３００ 制御装置
３０１ 底部空間

Claims (3)

1. 電子素子の搭載された基板（２０９）と、
   該基板（２０９）に対しハンダ付けされ、該基板（２０９）の中心から外れた一端側に配設された複数本のピン（２０７）と、
   該ピン（２０７）を有するプレート（２０１）と、
   前記基板（２０９）を前記プレート（２０１）と締結する締結部材（２３５Ａ）とを備え、
   該締結部材（２３５Ａ）が前記基板（２０９）の中心から外れた他端側縁部付近に配設されたことを特徴とする真空ポンプ。
2. 前記ピン（２０７）の集合の中心から前記基板（２０９）の中心までの距離に対する前記ピン（２０７）の集合の中心から前記締結部材（２３５Ａ）までの距離の比が１．５以上であることを特徴とする請求項１に記載の真空ポンプ。
3. 電子素子（２４１）の搭載された基板（２０９）と、
   該基板（２０９）に対しハンダ付けされ、該基板（２０９）の中心から外れた一端側に配設された複数本のピン（２０７）と、
   該ピン（２０７）を有するプレート（２０１）と、
   前記基板（２０９）を前記プレート（２０１）と締結する締結部材（２３５）と、
   前記電子素子（２４１）を前記基板（２０９）上にモールドするモールド材（２４５）とを備え、
   該モールド材（２４５）の硬度がショアＤ硬度５０未満であることを特徴とする真空ポンプ。

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