JP6119251B2 - ターボ分子ポンプ - Google Patents

Description

この発明は、ターボ分子ポンプに関し、より詳細には、繊維強化複合材料で形成されたロータ下部を備えるターボ分子ポンプに関する。

ターボ分子ポンプは、ポンプ容器内に複数のロータ翼を有するロータ上部と、ロータ上部の下面に設けられた円筒状のロータ下部とを備えるロータを高速に回転して、外部装置の真空処理室内の気体を吸気口から吸気して排気口から排気する。
ロータは、一般的には、アルミニウム合金により形成されており、モータにより駆動されるロータシャフトと、圧入あるいはボルト等の締結部材により一体化されている。

アルミニウム合金により形成されたロータは、ロータ破壊のおそれがあることから、円筒状のロータ下部を、密度に比して高い強靭性を有するＦＲＰ（繊維強化複合材料）により形成した構造も採用されている。上記のようにロータ下部により高強度の部材を用いることで、回転数増加や、排気流路径の拡大をすることができ、ターボ分子ポンプの排気性能を向上させることが可能となっている。
このようなターボ分子ポンプの一例として、ロータ上部を金属により形成し、ロータ下部の円筒部と、円筒部とロータ上部とを接続する支板とをＣＦＲＰにより形成した構造が知られている。この構造では、支板はロータ上部に接着剤を用いて圧入固着され、円筒部は、支板に接着剤を用いて圧入固着される（例えば、特許文献１参照）。

特開平７−４３８３号公報

上記特許文献に記載されたターボ分子ポンプでは、支板とロータ上部を接合し、支板と円筒部とを接合する複雑な構造であり、コスト面、作業面で不利である。

本発明の第１の態様によると、ターボ分子ポンプは、外部装置から気体を吸気する吸気口および気体を排気する排気口を備えたポンプ容器と、ポンプ容器内における吸気口と排気口との間に設けられ、モータにより駆動されるロータシャフトが一体的に形成されたロータ上部と、ロータ上部の下面に接合され、繊維強化複合材料により形成されたロータ下部円筒部と、ロータ下部円筒部の外方に設けられ、ロータ下部円筒部と共に排気部を構成するステータと、を備え、ロータ下部円筒部のロータ上部との接合部が、ロータ下部円筒部の下端部側よりも厚く形成されており、ロータ下部円筒部は、ロータ上部との接合部より下方に肉厚均等部を備え、かつ、肉厚均等部の上部に、その厚さが、漸増するテーパ部を備える。

この発明によれば、ロータ下部円筒部のロータ上部との接合部が、ロータ下部円筒部の下面側よりも厚く形成されているので、接合部の強度が大きくなり、ロータ下部円筒部の破損を抑制することができる。
なお、ロータ下部円筒部のロータ上部との接合部がテーパ部を備える場合には、ステータへの気体流入部の径を大きくでき，排気性能を向上することができる。

本発明に係るターボ分子ポンプの一実施の形態の断面図。 図１に図示されたロータ上部とロータ下部円筒部との接合部付近である領域ＩＩの拡大断面図。 本発明における、ロータ上部とロータ下部円筒部との接合部の実施形態２の拡大断面図。 本発明における、ロータ上部とロータ下部円筒部との接合部の実施形態３の拡大断面図。

--実施形態１--
（全体構造）
以下、図面を参照して本発明のターボ分子ポンプの一実施の形態について説明する。
図１は、本発明のターボ分子ポンプの一実施の形態の断面図である。
ターボ分子ポンプ１は、ケーシング部材１２と、ケーシング部材１２に固定されたベース１３とにより形成されたポンプ容器１１を備えている。
ケーシング部材１２は、ほぼ円筒形状を有し、例えば、ＳＵＳにより形成され、上端部に上部フランジ２１が形成されている。ケーシング部材１２の上部フランジ２１の内方には円形状の吸気口１５が形成されている。上部フランジ２１には、円周方向に沿って、ほぼ等間隔にボルト挿通用の貫通孔２２が形成されている。ターボ分子ポンプ１は、上部フランジ２１の貫通孔２２にボルト９２を挿通して、半導体製造装置等の外部装置に取り付けられる。

ポンプ容器１１内には、ロータ４およびロータ４の軸芯に同軸で取り付けられたロータシャフト５が収容されている。ロータ４とロータシャフト５とは、ボルト９１により固定されている。

ロータ４は、ロータ上部４Ａと、ロータ上部４Ａの下面５１に接合されたロータ下部円筒部４Ｂとを備えている。ロータ４は、例えば、アルミニウム合金により形成されている。ロータ上部４Ａには、ロータ翼６が上下方向に間隔をおいて、複数段に配列されている。上下に隣り合うロータ翼６の各段の間にはステータ翼７がそれぞれ配置されている。各段のステータ翼７は、半割のリングを一対組み合わせて形成されたリング形状とされている。ステータ翼７の外周には、ケーシング部材１２の内周面に沿って、ステータ翼７を挟持するリング形状のスペーサ８が配置されている。ロータ翼６とステータ翼７とが交互に多段に積層されて高真空用の排気構造部が構成されている。

ロータ下部円筒部４Ｂは、繊維強化複合材料（ＦＲＰ）により形成されている。ロータ上部４Ａとロータ下部円筒部４Ｂとの接合構造については、後述する。
ロータ下部円筒部４Ｂの外周側には、リング状のねじステータ９がボルト９４によりベース１３に固定されている。ねじステータ９には、ねじ溝部９ａが形成されている。ロータ４のロータ下部円筒部４Ｂとねじステータ９とにより、低真空用のねじ溝排気部が構成されている。
なお、図１においては、ねじ溝部９ａがねじステータ９に形成された構造として例示されているが、ねじ溝部９ａをロータ下部円筒部４Ｂの外周面に形成してもよい。

ベース１３は、例えば、アルミニウム合金により形成され、ベース１３の中央部には、ロータシャフト５を挿通する円形の中空部が形成された中央筒部１４が形成されている。中央筒部１４の内側には、モータ３５、ラジアル方向の磁気軸受３１（２箇所）、スラスト方向の磁気軸受３２（上下一対）、ラジアル変位センサ３３ａ、３３ｂとアキシャル変位センサ３３ｃ、メカニカルベアリング３４、３６およびロータディスク３８が取り付けられている。

ロータシャフト５は、ラジアル方向の磁気軸受３１（２箇所）およびスラスト方向の磁気軸受３２（上下一対）によって非接触に支持される。ロータシャフト５の回転時の位置は、ラジアル変位センサ３３ａ、３３ｂおよびアキシャル変位センサ３３ｃによって検出された径方向の位置と軸方向の位置とに基づいて制御される。磁気軸受３１、３２によって回転自在に磁気浮上されたロータシャフト５は、モータ３５により高速回転駆動される。
メカニカルベアリング３４、３６は非常用のメカニカルベアリングであり、磁気軸受が作動していない時にはメカニカルベアリング３４、３６によりロータシャフト５が支持される。

ベース１３には、排気ポート１６が設けられ、排気ポート１６には、排気口１６ａが設けられている。
ケーシング部材１２の下部フランジ２３とベース１３の上部フランジ１３ａとがシール部材４２を介在してボルト９３により固定され、ポンプ容器１１が構成される。
ケーシング部材１２の上部フランジ２１の内側に形成された吸気口１５を覆うように保護ネット４５が配設されている。保護ネット４５は、上部フランジ２１の内側に形成された段部２５にボルト９５により締結されている。

図２は、図１に図示されたロータ上部４Ａとロータ下部円筒部４Ｂとの接合部付近である領域ＩＩの拡大断面図である。
ロータ上部４Ａの下面５１の外周には、下方に突き出す突出部５２が形成されている。突出部５２の内周側は、断面円弧状とされ、応力緩和構造とされている。
ロータ上部４Ａの突出部５２の外周には、ロータ下部円筒部４Ｂの上端部が接合されている。ロータ下部円筒部４Ｂの内周面６１は、ロータシャフト５の軸芯と平行に形成されている。また、ロータ下部円筒部４Ｂの外周面６２は、ロータ下部円筒部４Ｂの上部側が下部側よりも厚くなるようにロータシャフト５の軸芯に対して傾斜して形成されている。

つまり、ロータ下部円筒部４Ｂの厚さを、上端部Ｔ_u、中間部Ｔ_m、下端部Ｔ_bとすると、Ｔ_u＞Ｔ_m＞Ｔ_bとなっており、ロータ下部円筒部４Ｂは、その上端部側が下端部側よりも厚くなる方向に外周面６２が傾斜した、母線が直線となるテーパ形状を有している。

ロータ上部４Ａがアルミニウム合金で形成され、ロータ下部円筒部４ＢがＦＲＰにより形成されている場合、アルミニウム合金の熱膨張係数がＦＲＰの熱膨張係数よりも大きいため、ロータ４の温度が上昇すると、ロータ下部円筒部４Ｂにおけるロータ上部４Ａとの接合部に応力集中が発生する。
ロータ下部円筒部４Ｂが、厚さが均一な円筒部材である場合、ロータ上部４Ａとの接合部に作用する応力集中により、ロータ下部円筒部４Ｂが破損するおそれがある。ロータ下部円筒部４Ｂの厚さを、応力集中に耐えられるに十分な厚さにすると、材料費が増大する。また、ロータ下部円筒部４Ｂの重量が増大するので、異常振動等によりロータ下部円筒部４Ｂが遠心破壊を起こした場合の破壊トルクが大きくなる。さらに、ロータ下部円筒部４Ｂの半径の大きさにより決定される排気能力が低下する。

これに対し、上記一実施の形態では、ロータ下部円筒部４Ｂのロータ上部４Ａとの接合部の厚さを大きくし、接合部より下方側の厚さを小さくした。このため、材料費を低減することができ、また、重量が軽減するので、ロータ下部円筒部４Ｂが遠心破壊を起こした場合でも、破壊トルクを小さいものとすることができる。さらに、ロータ下部円筒部４Ｂにおけるロータ上部４Ａとの接合部より下方側の半径を、全体が均一な厚さの場合より大きくすることができるので、排気能力を向上することができる。

ロータ下部円筒部４ＢのＦＲＰとしては、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）、ガラス長繊維強化プラスチック（ＧＭＴ）、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）、ボロン繊維強化プラスチック（ＢＦＲＰ）、アラミド繊維強化プラスチック（ＡＦＲＰ、ＫＦＲＰ）、ポリエチレン繊維強化プラスチック（ＤＦＲＰ）等を用いることができる。中でも、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）は、好ましいＦＲＰの１つである。

ロータ下部円筒部４Ｂは、下記（１）〜（３）のいずれかの方法で作製される。
（１）厚さが均一な円筒体を旋盤などにより切削して形成する。
（２）繊維補強骨材と不飽和ポリエステル、エポキシ樹脂、ポリアミド樹脂、フェノール樹脂等の熱硬化性樹脂とを一体化し、圧縮成形、インジェクション成形等により作製する。
（３）繊維補強骨材を巻いて上記（２）に示した熱硬化性樹脂でリング状に成形する。この方法では、繊維補強骨材の巻数により、作製される円筒部の各層の厚さを調整する。つまり、下端部側から上端部側に向けて、繊維補強骨材の巻数を、漸次、増加する。

ロータ上部４Ａとロータ下部円筒部４Ｂとを接合するには、上記いずれかの方法により作製したロータ下部円筒部４Ｂと、ロータ上部４Ａとを冷し嵌めにより接合する。接着と冷し嵌めとを兼用してもよい。

--実施形態２--
図３は、本発明における、ロータ上部とロータ下部円筒部との接合部の実施形態２の拡大断面図である。
実施形態２におけるロータ下部円筒部４Ｂは、外周面６２がテーパ状である上部６５と、外周面６２が、ロータシャフト５の軸芯と平行な下部６６とを備えている。
ロータ下部円筒部４Ｂの上部６５は、実施形態１と同様に、上端部側が厚くなるようなテーパ状に形成されている。上部６５は、ロータ上部４Ａとの接合部より少し下方の位置で下部６６が一体設けられている。ロータ下部円筒部４Ｂの内周面６１は、ロータシャフト５の軸芯と平行であり、ロータ下部円筒部４Ｂの下部６６は、断面矩形状に形成されている。

実施形態２に示すロータ下部円筒部４Ｂは、上述した方法により作製することができる。
また、下記の方法（１）、（２）によっても作製することができる。
（１）下部６６の厚さを有し、軸方向に、上部６５と下部６６との合計の長さを有する円筒体を作製する。この円筒体は、上述したいずれかの方法で作製することができる。
（２）上部６５に、下部６６より厚い部分を作製して肉厚にする。この工程は、上述したロータ下部円筒部４Ｂの作製方法（３）を適用して行うことができる。すなわち、（１）で作製した円筒体の上部に、繊維補強骨材を巻いて上記熱硬化性樹脂でリング状に成形する。

実施形態２においても、ロータ下部円筒部４Ｂのロータ上部４Ａとの接合部は、下部側よりも厚く形成されているので、実施形態１と同様な効果を奏する。
実施形態２における他の構成は、実施形態１と同様であり、対応する部材に同一の符号を付して説明を省略する。

--実施形態３--
図４は、本発明における、ロータ上部とロータ下部円筒部との接合部の実施形態３の拡大断面図である。
実施形態３のロータ下部円筒部４Ｂは、実施形態２と同様な形状を有している。
実施形態３のロータ下部円筒部４Ｂが実施形態２と相違するのは、上部部材６５Ａと下部部材６６Ａとを別部材とした点である。
つまり、上部部材６５Ａは、実施形態２の上部６５と同一の構造を有し、下部部材６６Ａは、実施形態２の下部６６と同一の構造を有しているが、上部部材６５Ａと下部部材６６Ａは、それぞれ、個別に作製される。上部部材６５Ａと下部部材６６Ａの作製は、上述した方法のいずれかによる。そして、個別に作製した上部部材６５Ａと下部部材６６Ａとを接着などにより接合してロータ下部円筒部４Ｂを作製する。

なお、上記各実施形態では、ロータ下部円筒部４Ｂの外周面６２におけるテーパ部の母線を、直線として例示した。しかし、ロータ下部円筒部４Ｂのテーパ部の母線は、楕円や放物線等のなだらかな湾曲線としてもよい。あるいは、段差を有する階段状としてもよい。

上記各実施形態では、ロータ下部円筒部４Ｂの内周面６１を、ロータシャフト５の軸芯と平行に形成されている構造として例示した。しかし、ロータ下部円筒部４Ｂの内周面６１を、その外周面６２と、異なる方向に傾斜するテーパ状に形成してもよい。

上記実施形態では、ロータ４とロータシャフト５とは、締結部材により一体化された構造として例示した。しかし、ロータ４とロータシャフト５とは、摩擦攪拌接合により一体化してもよい。あるいは、ロータ４にロータシャフト５が嵌入される貫通孔を設け、ロータ４の貫通孔に嵌入されたロータシャフトとロータ４とを焼き嵌めにより一体化してもよい。

上記実施形態では、ロータシャフト５に取り付けたロータディスク３８の上下に配設したスラスト方向の磁気軸受により、ロータシャフト５をスラスト方向に磁気浮上する構造のターボ分子ポンプ１として例示した。しかし、ロータ４の上方と、ケーシング部材１２に取り付けられる固定側部材とに永久磁石を取り付け、ロータシャフト５の下端側に取り付けた軸受に、永久磁石の反発力による予圧がかかるようにした構造のターボ分子ポンプに適用することもできる。

その他、本発明は、発明の趣旨の範囲内で種々変形して適用することが可能であり、要は、繊維強化複合材料により形成されたロータ下部円筒部におけるロータ上部との接合部が、ロータ下部円筒部の下端部側よりも厚く形成されているものであればよい。

１ ターボ分子ポンプ
４ ロータ
４Ａ ロータ上部
４Ｂ ロータ下部円筒部
５ ロータシャフト
９ ステータ
１１ ポンプ容器
５１ 下面
５２ 突出部
６１ 内周面
６２ 外周面
６５ 上部
６５Ａ 上部部材
６６ 下部
６６Ａ 下部部材

Claims (2)

1. 外部装置から気体を吸気する吸気口および前記気体を排気する排気口を備えたポンプ容器と、
   前記ポンプ容器内における前記吸気口と前記排気口との間に設けられ、モータにより駆動されるロータシャフトが一体的に形成されたロータ上部と、
   前記ロータ上部の下面に接合され、繊維強化複合材料により形成されたロータ下部円筒部と、
   前記ロータ下部円筒部の外方に設けられ、前記ロータ下部円筒部と共に排気部を構成するステータと、を備え、
   前記ロータ下部円筒部の前記ロータ上部との接合部が、前記ロータ下部円筒部の下端部側よりも厚く形成されており、
   前記ロータ下部円筒部は、前記ロータ上部との接合部より下方に肉厚均等部を備え、かつ、前記肉厚均等部の上部に、その厚さが、漸増するテーパ部を備える、ターボ分子ポンプ。
2. 請求項１に記載のターボ分子ポンプにおいて、
   前記ロータ下部円筒部は、前記肉厚均等部と、前記テーパ部とが別部材により形成されている、ターボ分子ポンプ。
   

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