JP5778166B2 - 真空ポンプ - Google Patents

Description

本発明は真空ポンプに係わり、特に基板配線が簡単で、基板の冷却が容易な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、きわ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。ポンプ本体と制御装置との間は、通常、ケーブルとコネクタプラグ機構とで接続される。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

しかしながら、このように制御基板を真空側に配置した場合、制御に必要な電子素子の一つである電解コンデンサは、中の電解液が破裂してしまう恐れがあった。

また、発熱する電子素子などは、真空中に設置した場合、真空中における熱伝導が熱輻射のみとなり蓄熱が起こり易く、故障につながる可能性があった。更に、ポンプ使用条件によっては、腐食性ガスなどに晒されるため、基板はモールドなどの耐腐食対策をする必要があり、それも蓄熱を引き起こし、電子素子の異常過熱につながる恐れがあった。

また、同様に基板配線を簡略化する別方法として、図４のように、ポンプ本体３１０の下部に雄コネクタ１を配設し、一方、制御装置３２０の上部に雌コネクタ３を配設し、コネクタ同士を接続することで、ポンプ本体３１０と制御装置３２０とを一体化させる構造が存在する。但し、このとき、ポンプ側と制御装置側のコネクタの雌雄は逆であってもよい。

しかしながら、この場合、コネクタ１、３は機密性が高い真空シール構造で、防滴仕様とされる必要があり、また、ポンプ本体３１０と制御装置３２０とをそれぞれ冷却させる必要があった。更に、ポンプ本体３１０と制御装置３２０とをそれぞれ仕切るためのプレートもポンプ本体３１０側の底板プレート５と制御装置３２０側の上板プレート７の２枚が必要であった。更に、コネクタ１、３の裏側端子ピン９、１１はそれぞれ図５に示すようなケーブルとのハンダ付けに必要なソルダカップ１３を有していた。このため、コスト高になっていた。

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、基板配線が簡単で、基板の冷却が容易な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、底面にプレートを有する真空ポンプ本体と、該プレートを筐体の一部とする制御ユニットと、前記プレートを貫通して両面に露出部分を残しつつ取り付けられた複数のピンと、該ピンの前記真空ポンプ本体側の露出部分に取り付けられ前記真空ポンプ本体内部の真空雰囲気中に配設される第１の基板と、前記ピンの前記制御ユニット側の露出部分に取り付けられ前記制御ユニット内部の大気雰囲気中に配設される第２の基板とを備えて構成した。

プレート、第１の基板及び第２の基板とをピンを介して一体化した。このため、真空ポンプの構成を簡素化できる。例えば、プレートはポンプ本体と制御ユニットとの間に一枚のみ配設とされることも可能である。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。

第１の基板を真空側に配置し、真空中に置くことが難しい電子素子を大気側の第２の基板に設けることが可能である。第１の基板を真空側に配置したことで、電磁石とセンサの配線を外部に出す必要がなくなり、第１の基板と第２の基板間に渡る配線を極力少なくできる。また、ピンの胴回りと基板間にハンダを付けることが可能なので、ピンにはソルダカップなしのものを選定できる。このため、製造コストを抑えることができる。

また、本発明（請求項２）は、前記第２の基板に電解コンデンサが取り付けられたことを特徴とする。

電解コンデンサは、破裂等の問題から真空中には置けない。そのため第２の基板に取り付けることにした。なお、この電解コンデンサは基板上のピンに近い位置に取り付けられるのが望ましい。その結果、真空側に設置したときと同様に供給電圧を安定化させることができる。

更に、本発明（請求項３）は、前記真空ポンプ本体のベース部に水冷管を備えて構成した。

水冷管によりプレートの冷却を通して真空側の第１の基板と大気側の第２の基板を一度に冷却できる。従って、構造を簡素化できる。

更に、本発明（請求項４）は、前記プレートと前記真空ポンプ本体との間及び該プレートと前記制御ユニットの筐体の壁との間にシール部材を備えて構成した。

ポンプ本体と制御ユニットとは一体化しシール部材を備えたので、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必要はなくなる。このため、ケーシング部分及びシール構造を簡素に構成できる。また、従来のように、高価な防滴コネクタを必要とせず、安価なコネクタを使用することができる。

以上説明したように本発明（請求項１）によれば、プレート、第１の基板及び第２の基板をピンを介して一体化したので、真空ポンプの構成を簡素化できる。第１の基板を真空側に配置し、真空中に置くことが難しい電子素子を大気側の第２の基板に設けることが可能である。第１の基板を真空側に配置したことで、第１の基板と第２の基板間に渡る配線を極力少なくできる。

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 基板配線を簡略化する別方法を示す図 ソルダカップを有するピンの様子を示す図

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を構成する電子部品は、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。

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。ＡＭＢ制御基板２０９上には磁気軸受を制御する電子部品が搭載されている。

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上の各電子部品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を制御する電子部品が搭載されている。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上の各電子部品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部品は底部制御基板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を除く各電子部品を適宜真空中の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が埋めこまれ、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が埋めこ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。このため、従来の図４のように、高価な防滴コネクタ１、３を必要とせず、安価な端子２１０で構成することができる。

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部品を一度に冷却できる。従って、同一の水冷管１４９を複数の冷却対象に使え冷却構造を簡素化できる。

また、ピン２０７には図３に示すように基板２０９、２１１に対しピン２０７の胴回りにハンダ２３１を付けるので、ソルダカップなしのものを選定できる。このため、高価なソルダカップ付きのピンを使用することがなくなり、製造コストを抑えることができる。

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部品は、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。

更に、磁気軸受の供給電圧を安定化させるための電解コンデンサ２１３は、なるべくＡＭＢ制御基板２０９上の制御用電子部品の近くに設置した方がよい。しかしながら、上述した破裂等の問題から真空中には置けない。そのため、電解コンデンサ２１３は大気側接続基板２１１のピン２０７の近くに置くこととした。その結果、真空側に設置したときと同様に供給電圧を安定化させることができた。

１０ ターボ分子ポンプ
１３ ソルダカップ
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
２０８ 支持部材
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
３００ 制御装置
３０１ 底部空間

Claims (4)

1. 底面にプレート（２０１）を有する真空ポンプ本体（１００）と、
   該プレート（２０１）を筐体の一部とする制御ユニット（２００）と、
   前記プレート（２０１）を貫通して両面に露出部分を残しつつ取り付けられた複数のピン（２０７）と、
   該ピン（２０７）の前記真空ポンプ本体（１００）側の露出部分に取り付けられ前記真空ポンプ本体（１００）内部の真空雰囲気中に配設される第１の基板（２０９）と、
   前記ピン（２０７）の前記制御ユニット（２００）側の露出部分に取り付けられ前記制御ユニット（２００）内部の大気雰囲気中に配設される第２の基板（２１１）とを備えたことを特徴とする真空ポンプ。
2. 前記第２の基板（２１１）に電解コンデンサ（２１３）が取り付けられたことを特徴とする請求項１記載の真空ポンプ。
3. 前記真空ポンプ本体（１００）のベース部（１２９）に水冷管（１４９）を備えたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の真空ポンプ。
4. 前記プレート（２０１）と前記真空ポンプ本体（１００）との間及び該プレート（２０１）と前記制御ユニット（２００）の筐体の壁との間にシール部材（２２１、２２３）を備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の真空ポンプ。

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