JP6906941B2 - 真空ポンプとこれに用いられるステータコラムとその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体製造装置、フラット・パネル・ディスプレイ製造装置、ソーラー・パネル製造装置におけるプロセスチャンバやその他の密閉チャンバのガス排気手段等として利用される真空ポンプと、これに用いられるステータコラムとその製造方法に関する。

従来、この種の真空ポンプとしては、例えば特許文献１に記載のターボ分子ポンプが知られている。同文献１の図１を参照すると、同文献１に記載の従来の真空ポンプ（ターボ分子ポンプ）は、その具体的なポンプ構成部品として、吸気口（１４ａ）を備えた外装体（１４）と、外装体（１４）の内部に立設したステータコラム（１６）と、ステータコラム（１６）の外周を囲む形状の回転体（Ｒ）と、回転体（Ｒ）を回転可能に支持する支持手段（２０、２２）と、回転体（Ｒ）を回転駆動する駆動手段（１８）と、を備え、かつ回転体（１２）の回転により吸気口（１４ａ）からガスを吸気する構成になっている。

ところで、前記のような特許文献１に記載の従来の真空ポンプ（ターボ分子ポンプ）では、壊れた回転体（Ｒ）の破片が吸気口（１４ａ）から飛び出すことを防止する手段として、吸気口（１４ａ）に飛散防止部材５０を設けている（同文献１の段落０００７の記載および要約を参照）。

また、前記従来の真空ポンプでは、例えば回転体（Ｒ）の破壊エネルギーによりステータコラム（１６）に亀裂が生じ、ステータコラム（１６）の破壊で生じた破片（具体的には、ステータコラム（１６）の断片、または、ステータコラム（１６）に取付けられているモータ（１８）等の電装部品とステータコラム（１６）の断片とを含む塊）が吸気口（１４ａ）から飛び出すことも想定されるが、そのような破片の飛び出しも前述の飛散防止部材５０によって防止できると考えられる。

しかし、前記従来の真空ポンプ（ターボ分子ポンプ）のように、吸気口（１４ａ）に飛散防止部材５０を設ける構成では、その飛散防止部材５０の分だけ真空ポンプの部品点数が増加するという問題点や、飛散防止部材５０によって吸気口（１４ａ）の開口面積が減少することで、真空ポンプ（ターボ分子ポンプ）自体の排気性能が低下するという問題点がある。

以上の説明において、カッコ内の符号は特許文献１で用いられている符号である。

特開２００１−５９４９６号公報

本発明は前記問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、排気性能の低下や部品点数の増加を伴うことなく、回転体の破壊エネルギーによるステータコラムの亀裂や、ステータコラムの破損で生じた破片が吸気口から飛び出すなどの不具合を防止するのに好適な、信頼性の高い真空ポンプとこれに用いられるステータコラムとその製造方法を提供することである。

また、一般的に鋳物材よりも延性の優れる展伸材から、ステータコラムを製造すると、材料費が高くなってしまい、真空ポンプ全体のコスト高を招くため、材料費が安くかつ展伸材と略同程度の強度と伸び（延性）を備えた鋳物材で製造することが望まれる。

前記目的を達成するために、本発明は、吸気口を備えた外装体と、前記外装体の内部に立設したステータコラムと、前記ステータコラムの外周を囲む形状の回転体と、前記回転体を回転可能に支持する支持手段と、前記回転体を回転駆動する駆動手段と、を備え、前記回転体の回転により前記吸気口からガスを吸気する真空ポンプにおいて、前記ステータコラムは、機械的材料特性として５％以上の伸びを有するアルミニウム合金の鋳物材で構成され、前記回転体が破壊した時に前記ステータコラムが破断しないことを特徴とする。

また、本発明は、回転体を備えた真空ポンプに用いられるステータコラムの製造方法であって、前記製造方法は、アルミニウム合金を用いた鋳造により前記ステータコラムを製造する鋳造工程において、前記回転体が破壊した時に前記ステータコラムが破断しないようにする手段として、前記ステータコラムに対して機械的材料特性として５％以上の伸びを付与する延性強化処理を行なうことを特徴とする。

前記本発明において、前記延性強化処理は、前記アルミニウム合金に対して添加剤を添加する処理を含むことを特徴としてもよい。

前記本発明において、前記延性強化処理は、前記ステータコラムに対する熱処理を含むことを特徴としてもよい。

前記本発明において、前記添加剤は、ボロンもしくはチタンを含むことを特徴としてもよい。

前記本発明において、前記添加剤は、ボロンとチタンの両方を含むことを特徴としてもよい。

前記本発明において、前記熱処理は、常温より高温の第１の温度で所定時間の加熱を行なう溶体化処理と、前記溶体化処理の完了直後から常温で所定時間の冷却を行なう第１の時効熱処理と、前記第１の時効熱処理の完了直後から前記第１の温度より低い温度で所定時間の加熱を行う第２の時効熱処理とからなることを特徴としてもよい。

本発明では、真空ポンプに用いられるステータコラムの具体的な構成として、ステータコラムは、５％以上の伸びを有するアルミニウム合金の鋳物材で構成した。このため、ステータコラム製作に掛かるコストが削減でき、万が一、回転体の破壊エネルギーがステータコラムに作用した場合でも、ステータコラムの伸びによってそのような破壊エネルギーを十分吸収することができ、破壊エネルギーによるステータコラムの亀裂や、ステータコラムの破損による破片が吸気口から飛び出すなどの不具合を防止することが可能となること、および、かかる不具合を防止する手段として従来のように吸気口に飛散防止部材を配置しなくても良いことから、排気性能の低下や部品点数の増加を伴うことなく、かかる不具合を防止するのに好適な信頼性の高い真空ポンプとこれに用いられるステータコラムとその製造方法を提供し得る。

本発明を適用した真空ポンプの断面図。 アルミニウム合金鋳物材の応力−ひずみ線図。 本発明における熱処理の説明図。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、添付した図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明を適用した真空ポンプの断面図である。

図１の真空ポンプＰは、ガス排気機構としてターボ分子機構部Ｐｔとネジ溝ポンプ機構部Ｐｓを備えた複合ポンプであって、例えば、半導体製造装置、フラット・パネル・ディスプレイ製造装置、ソーラー・パネル製造装置におけるプロセスチャンバやその他の密閉チャンバのガス排気手段等として利用される。

図１の真空ポンプＰにおいて、外装体１は、筒形状のポンプケースＣとポンプベースＢとをその筒軸方向に締結部材で一体に連結することにより、有底の略円筒形状になっている。

ポンプケースＣの上端部側（図１では紙面上方）は吸気口１Ａとして開口しており、また、ポンプベースＢには排気口２を設けてある。つまり、外装体１は吸気口１Ａと排気口２を備えた構成になっている。図示は省略するが、吸気口１Ａは例えば半導体製造装置のプロセスチャンバ等、高真空となる図示しない密閉チャンバに接続され、排気口２は図示しない補助ポンプに連通接続される。

外装体１の内部にはステータコラム３が立設されている。特に、図１の真空ポンプＰでは、かかるステータコラム３は、ポンプケースＣ内の中央部に位置し、かつ、ポンプベースＢ上に立設した構造になっているが、この構造に限定されることはない。

ステータコラム３の外側には回転体４が設けられている。また、ステータコラム３の内側には、回転体４をその径方向および軸方向に支持する支持手段としての磁気軸受ＭＢや該回転体４を回転駆動する駆動手段としての駆動モータＭＴなどの各種電装部品が内蔵されている。なお、磁気軸受ＭＢや駆動モータＭＴは公知であるため、その具体的な構成の詳細説明は省略する。

回転体４は、ステータコラム３の外周を囲む形状になっているとともに、ポンプベースＢ上に回転可能に配置され、ポンプベースＢとポンプケースＣとに内包された状態になっている。

回転体４の具体的な構造として、図１の真空ポンプＰでは、回転体４は、直径の異なる２つの円筒体（ネジ溝ポンプ機構部Ｐｓを構成する第１の円筒体４Ａと、ターボ分子ポンプ機構部Ｐｔを構成する第２の円筒体４Ｂ）をその筒軸方向に連結部４Ｃで連結した構造、第２の円筒体４Ｂと後述する回転軸４とを締結するための締結部４Ｄを備えた構造、および、第２の円筒体４Ｂの外周面に後述する複数の動翼６を多段に配置した構造を採用しているが、これらの構造に限定されることはない。

回転体４の内側には回転軸４１が設けられており、回転軸４１はステータコラム３の内側に位置し、かつ、締結部４Ｄを介して回転体４に一体に締結されている。そして、かかる回転軸４１を磁気軸受ＭＢで支持することにより、回転体４はその軸方向および径方向所定位置で、回転可能に支持される構造になっており、また、回転軸４１を駆動モータＭＴで回転させることにより、回転体４はその回転中心（具体的には回転軸４１中心）回りに回転駆動される構造になっている。これとは別の構造で回転体４を支持および回転駆動してもよい。

図１の真空ポンプＰでは、前記のような回転体４の回転により吸気口１Ａからガスを吸気し、吸気したガスを排気口２から外部へ排気する手段として、ガス流路Ｒ１、Ｒ２を備えている。

ガス流路Ｒ１、Ｒ２の一実施形態として、図１の真空ポンプＰでは、ガス流路Ｒ１、Ｒ２全体のうち、前半の吸気側ガス流路Ｒ１（回転体４の連結部４Ｃより上流側）は、回転体４の外周面に設けた複数の動翼６と、ポンプケースＣの内周面にスペーサ９を介して固定された複数の静翼７とによって形成してあり、また、後半の排気側ガス流路Ｒ２（回転体４の連結部４Ｃより下流側）は、回転体４の外周面（具体的には、第１の円筒体４Ａの外周面）とこれに対向するネジ溝ポンプステータ８とによりネジ溝状の流路として形成してある。

吸気側ガス流路Ｒ１の構成を更に詳細に説明すると、図１の真空ポンプＰにおいて、動翼６は、ポンプ軸心（例えば、回転体４の回転中心等）を中心として放射状に並んで複数配置されている。一方、静翼７は、スペーサ９を介してポンプ径方向及びポンプ軸方向に位置決めされる形式でポンプケースＣの内周側に配置固定されるとともに、ポンプ軸心を中心として放射状に並んで複数配置されている。

そして、図１の真空ポンプＰでは、前記のように放射状に配置された動翼６と静翼７とがポンプ軸心方向に交互に多段に配置されることにより、吸気側ガス流路Ｒ１を形成している。

以上の構成からなる吸気側ガス流路Ｒ１では、駆動モータＭＴの起動により回転体４および複数の動翼６が一体に高速回転することにより、吸気口１ＡからポンプケースＣ内に向けて入射したガス分子に対して、動翼６が下向き方向の運動量を付与する。そして、このような下向き方向の運動量を持ったガス分子が静翼７によって次段の動翼６側へ送り込まれる。以上のようなガス分子に対する運動量の付与とカス分子の送り込み動作とが繰り返し多段に行われることにより、吸気口１Ａ側のガス分子は、吸気側ガス流路Ｒ１を通じて、排気側ガス流路Ｒ２の方向に順次移行するように排気される。

次に、排気側ガス流路Ｒ２の構成を更に詳細に説明すると、図１の真空ポンプＰにおいて、ネジ溝ポンプステータ８は、回転体４の下流側外周面（具体的には、第１の円筒体４Ａの外周面。以下も同様）を囲む環状の固定部材であって、かつ、その内周面側が所定隙間を隔てて回転体４の下流側外周面（具体的には、第１の円筒体４Ａの外周面）と対向するように配置してある。

さらに、ネジ溝ポンプステータ８の内周部にはネジ溝８Ａを形成してあり、ネジ溝８Ａは、その深さが下方に向けて小径化したテーパコーン形状に変化し、ネジ溝ポンプステータ８の上端から下端にかけて螺旋状に刻設してある。

そして、図１の真空ポンプＰでは、回転体４の下流側外周面とネジ溝ポンプステータ８の内周部とが対向することで、ネジ溝状のガス流路として排気側ガス流路Ｒ２を形成している。これとは別の実施形態として、例えば、ネジ溝８Ａを回転体４の下流側外周面に設けることにより、前記のような排気側ガス流路Ｒ２が形成される構成を採用することも可能である。

以上の構成からなる排気側ガス流路Ｒ２では、駆動モータＭＴの起動により回転体４が回転すると、吸気側ガス流路Ｒ１からガスが流入し、ネジ溝８Ａと回転体４の下流側外周面でのドラッグ効果により、その流入したガスを遷移流から粘性流に圧縮しながら移送する形式で排気する。

《ステータコラムの構成材料》
先に説明したステータコラム３は、機械的材料特性として従来以上の伸びを有するアルミニウム合金の鋳物材、すなわち５％以上の伸び（好ましくは８％以上の伸び）を有するアルミニウム合金の鋳物材で構成してある。このような伸びを有する鋳物材のステータコラム３は鋳造により製造することができ、その製造方法は、アルミニウム合金を用いた鋳造によりステータコラム３を製造する鋳造工程において、後述の《延性強化処理》を行なうものである。

前記「伸び」とは、金属材料（本実施形態では、アルミニウム合金）の試験片を引っ張り試験機で引っ張った場合において、破断時（図２の破断点を参照）における試験片の長さとその試験片の元の長さとの比をいう。具体的には、試験片の元の長さをＬ、破断時における試験片の長さをＬ＋ΔＬとした場合に、前記「伸び」とはΔＬ／Ｌ
を％で表した数値である。

《延性強化処理》
延性強化処理は、２つの処理、具体的には、アルミニウム合金に対して添加剤を添加する添加処理と、ステータコラム３に対する熱処理とに大別される。本発明者等の実験によると、前記２つの処理（添加処理、熱処理）を併用することで、アルミニウム合金の金属結晶微細化が促進し、前記伸びを得ることが判明した。いずれか一方の処理を行なうことで前記伸びが得られる場合も考えられ、この場合は他方の処理を省略してもよい。

前記添加剤としてはボロンとチタンを採用したが、これに限定されることはない。ボロンとチタンのいずれか一方を使用する、あるいは、ボロンやチタン以外の別の物質をボロンやチタンと併用することや、ボロンやチタン以外の別の物資を添加剤として使用することも可能である。また、添加剤の量は必要に応じて適宜調整することができる。

前記熱処理としては、図３に示したように、常温Ａ０より高温の第１の温度Ａ１で所定時間ｈ１の加熱を行なう溶体化処理ＰＲ１と、溶体化処理ＰＲ１の完了直後から常温Ａ０で所定時間ｈ２の冷却を行なう第１の時効熱処理（常温時効）ＰＲ２と、第１の時効熱処理ＰＲ２の完了直後から第１の温度Ａ１より低い温度で所定時間Ｔ３の加熱を行う第２の時効熱処理（人工時効）ＰＲ３とを行ったが、これに限定されることはなく、別の熱処理を採用することも可能である。

以上説明した本実施形態においては、真空ポンプＰに用いられるステータコラム３の具体的な構成として、当該ステータコラム３は、５％以上の伸びを有するアルミニウム合金の鋳物材で構成した。このため、万が一、回転体４の破壊エネルギーがステータコラム３に作用した場合でも、ステータコラム３の伸びによってそのような破壊エネルギーを十分吸収することができ、破壊エネルギーによるステータコラム３の亀裂や、ステータコラム３の破壊で生じた破片（例えば、ステータコラム３の断片、または、モータＭＴ等の電装部品とステータコラム３の断片とを含む塊）が吸気口１Ａから飛び出すなどの不具合を防止することが可能となる。また、かかる不具合を防止する手段として従来のように吸気口に飛散防止部材を配置しなくても良い。これらのことから、本実施形態によると、排気性能の低下や部品点数、コストの増加を伴うことなく、かかる不具合を防止するのに好適な信頼性の高い真空ポンプＰが得られる。

本発明は、以上説明した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で当分野において通常の知識を有する者により多くの変形が可能である。

１ 外装体
１Ａ 吸気口
２ 排気口
３ ステータコラム
４ 回転体
４１ 回転軸
４Ａ 第１の円筒体
４Ｂ 第２の円筒体
４Ｃ 連結部
４Ｄ 締結部
６ 動翼
７ 静翼
８ ネジ溝ポンプステータ
８Ａ ネジ溝
９ スペーサ
Ｂ ポンプベース
Ｃ ポンプケース
ＭＢ 磁気軸受（回転体の支持手段）
ＭＴ 駆動モータ（回転体の駆動手段）
Ｐ 真空ポンプ
Ｐｔ ターボ分子ポンプ機構部
Ｐｓ ネジ溝ポンプ機構部
ＰＲ１ 溶体化処理
ＰＲ２ 第１の時効熱処理（常温時効）
ＰＲ３ 第２の時効熱処理（人工時効）
Ｒ１、Ｒ２ ガス流路

Claims (8)

1. 吸気口を備えた外装体と、前記外装体の内部に立設したステータコラムと、前記ステータコラムの外周を囲む形状の回転体と、前記回転体を回転可能に支持する支持手段と、前記回転体を回転駆動する駆動手段と、を備え、前記回転体の回転により前記吸気口からガスを吸気する真空ポンプにおいて、
   前記ステータコラムは、機械的材料特性として５％以上の伸びを有するアルミニウム合金の鋳物材で構成され、
   前記回転体が破壊した時に前記ステータコラムが破断しないこと
   を特徴とする真空ポンプ。
2. 回転体を備えた真空ポンプに用いられるステータコラムの製造方法であって、
   前記製造方法は、アルミニウム合金を用いた鋳造により前記ステータコラムを製造する鋳造工程において、前記回転体が破壊した時に前記ステータコラムが破断しないようにする手段として、前記ステータコラムに対して機械的材料特性として５％以上の伸びを付与する延性強化処理を行なうこと
   を特徴とする真空ポンプに用いられるステータコラムの製造方法。
3. 前記延性強化処理は、
   前記アルミニウム合金に対して添加剤を添加する処理を含むこと
   を特徴とする請求項２に記載の真空ポンプに用いられるステータコラムの製造方法。
4. 前記延性強化処理は、
   前記ステータコラムに対する熱処理を含むこと
   を特徴とする請求項２に記載の真空ポンプに用いられるステータコラムの製造方法。
5. 前記添加剤は、ボロンもしくはチタンを含むこと
   を特徴とする請求項３に記載の真空ポンプに用いられるステータコラムの製造方法。
6. 前記添加剤は、ボロンとチタンの両方を含むこと
   を特徴とする請求項３に記載の真空ポンプに用いられるステータコラムの製造方法。
7. 前記熱処理は、常温より高温の第１の温度で所定時間の加熱を行なう溶体化処理と、前記溶体化処理の完了直後から常温で所定時間の冷却を行なう第１の時効熱処理と、前記第１の時効熱処理の完了直後から前記第１の温度より低い温度で所定時間の加熱を行う第２の時効熱処理とからなること
   を特徴とする請求項４に記載の真空ポンプに用いられるステータコラムの製造方法。
8. 請求項１に記載の真空ポンプに用いられることを特徴とするステータコラム。
   

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