JP6927735B2 - 真空ポンプ、磁気軸受装置及びロータ - Google Patents

真空ポンプ、磁気軸受装置及びロータ Download PDF

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Description

本発明は、真空ポンプ、及び真空ポンプに用いられる磁気軸受装置、ロータに関するものであり、特に、ロータの振れや振動を抑制する真空ポンプ、磁気軸受装置及びロータである。
真空ポンプを用いて排気処理を行い、内部を真空に保つ装置として、半導体製造装置、液晶製造装置、電子顕微鏡、表面分析装置及び微細加工装置等が知られている。このような装置に用いられる真空ポンプは、回転翼が固定翼に対して相対的に回転することにより、装置内の気体が外部に排気されて装置内が真空に保たれる。
特許文献１には、ロータの５自由度の内、３自由度を能動的に制御拘束し、残りの２自由度を受動的に拘束する磁気軸受を備えた真空ポンプが開示されている。このような真空ポンプでは、ロータ上部のラジアル方向の平衡点からの変位を計測する変位センサと、変位センサの計測値に基づいてロータを平衡点に引き戻す能動ラジアル軸受と、ロータをラジアル方向に支持する受動ラジアル軸受と、を備えている。能動ラジアル磁気軸受と受動ラジアル軸受とは、ガスの排気方向においてロータの重心を挟んで反対側に配置されている。
特開昭５９−８３８２８号公報
上述したような真空ポンプでは、ロータが平衡点からラジアル方向に変位した場合に、能動ラジアル軸受がロータの上部に上部復元力を作用させると、受動ラジアル軸受がロータのアーマチャディスクに作用させる磁気抵抗に起因してロータの下側に作用する下部復元力がロータの姿勢に応じた傾斜力によって相殺されるため、軸受の共振点でのロータの振れと振動が減衰しにくいという問題があった。
そして、ロータの下部に作用する復元力が低下すると、ロータ回転時のバランスを向上させるためにロータを高精度で作製しなければならず、さらに真空ポンプ組立時の微調整に長時間を要するという問題があった。
そこで、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あり、ロータの振れや振動を軽減することを目的とする。
本発明は上記目的を達成するために提案されたものであり、請求項１記載の発明は、ガスを排気するロータをラジアル方向に磁力で非接触支持するラジアル方向磁力発生手段と、前記ロータの前記ラジアル方向の変位を検出するラジアル方向変位検出手段と、を有する磁気軸受装置を備えた真空ポンプであって、前記ラジアル方向磁力発生手段は、前記ガスの排気方向において、前記ロータの重心より排気側に２つ設けられ、前記ラジアル方向変位検出手段は、前記ガスの排気方向において、前記ロータの重心の位置から排気側に設けられている真空ポンプを提供する。
この構成によれば、ロータが平衡点からラジアル方向に変位した際に、ラジアル方向磁力発生手段がロータの下部に作用させる復元力とロータの姿勢に起因する傾斜力とが同じ向きに生じるため、ロータの下部に作用する並行力が傾斜力に減衰されることなくロータの振れや振動を効率的に制震することができる。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の真空ポンプの構成に加えて、前記ガスの前記排気方向の吸気側に配置された第１のラジアル方向磁力発生手段は、前記ロータを能動的に支持し、前記ガスの前記排気方向の排気側に配置された第２のラジアル方向磁力発生手段は、前記ロータを受動的に支持する真空ポンプを提供する。
この構成によれば、ガスの排気方向に沿って、ロータの重心、第１のラジアル方向磁力発生手段及び第２のラジアル方向磁力発生手段が、この順に配置されていることにより、ロータが平衡点からラジアル方向に変位した際に、第２のラジアル方向磁力発生手段に起因してロータの下部に作用する復元力とロータの姿勢に起因する傾斜力とが同じ向きに生じるため、ロータの下部に作用する復元力が傾斜力に減衰されることなくロータの振れや振動を効率的に制震することができる。
請求項３記載の発明は、請求項２記載の真空ポンプの構成に加えて、前記第１のラジアル方向磁力発生手段の中心及び前記ラジアル方向変位検出手段の中心は、同一平面上に配置されている真空ポンプを提供する。
この構成によれば、ラジアル方向変位検出手段がロータの平衡点からの変位を検出する地点と第１のラジアル方向磁力発生手段がロータに復元力を作用する地点とが一致するため、ロータの振れや振動を効率的に制震することができる。
請求項４記載の発明は、請求項１から３のいずれか１項記載の真空ポンプに用いられる磁気軸受装置を提供する。
この構成によれば、ロータが平衡点から変位した際に、ラジアル方向磁力発生手段がロータの下部に作用させる復元力とロータの姿勢に起因する傾斜力とが同じ向きに生じるため、ロータの振れや振動を効率的に制震することができる。
請求項５記載の発明は、請求項１から３のいずれか１項記載の真空ポンプに用いられるロータを提供する。
この構成によれば、ロータが平衡点から変位した際に、ラジアル方向磁力発生手段がロータの下部に作用させる復元力とロータの姿勢に起因する傾斜力とが同じ向きに生じるため、ロータの振れや振動を効率的に制震することができる。
本発明は、ロータが平衡点から変位した際に、ラジアル方向磁力発生手段がロータの下部に作用させる復元力とロータの姿勢に起因する傾斜力とが同じ向きに生じるため、ロータの下部に作用する復元力が傾斜力に減衰されることなく、ロータの振れや振動を効率的に制震することができる。さらに、ロータの下部に作用する復元力が傾斜力で減衰されないため、ロータの部品精度が緩和され、且つ真空ポンプ組立時の微調整に要する時間を短縮することができる。
本発明の第１実施例に係る真空ポンプを示す垂直断面図。 図１の能動ラジアル軸受を示す斜視図 図２の能動ラジアル軸受を示す横断面図。 比較例に係る真空ポンプにおいてロータを平衡点に引き戻す様子を模式的に示す図。 比較例に係る真空ポンプでのロータの振動の推移を示すグラフ。 図１の真空ポンプにおいてロータを平衡点に引き戻す様子を模式的に示す図。 図１の真空ポンプでのロータの振動の推移を示すグラフ。 本発明の第２実施例に係る真空ポンプを示す垂直断面図。
本発明は、ロータの振れや振動を軽減するという目的を達成するために、ガスを排気するロータをラジアル方向に磁力で非接触支持するラジアル方向磁力発生手段と、ロータのラジアル方向の変位を検出するラジアル方向変位検出手段と、を有する磁気軸受装置を備えた真空ポンプであって、ラジアル方向磁力発生手段は、ガスの排気方向において、ロータの重心より排気側に２つ設けられ、前記ラジアル方向変位検出手段は、前記ガスの排気方向において、前記ロータの重心の位置から排気側に設けられていることにより実現した。
以下、本発明の第１実施例に係る真空ポンプ１を図面に基づいて説明する。なお、以下の説明において、「上」、「下」の語は、ガスの排気方向の上流側を上方とし、下流側を下方とするものであり、即ち、後述するアキシャル方向Ａにおいて吸気口１１側が上方、排気口４１側が下方に対応するものとする。図１は、本発明の第１実施例に係る真空ポンプ１の構造を示す垂直断面図である。図２は、能動ラジアル軸受７１を示す斜視図である。図３）は、図２の能動ラジアル軸受７１を示す横断面図である。
真空ポンプ１は、半導体製造装置、液晶製造装置、電子顕微鏡、表面分析装置及び微細加工装置等の外部装置内の気体を排気させるターボ分子ポンプである。真空ポンプ１は、筐体１０と、筐体１０内に回転可能に支持されたロータシャフト２１を有するロータ２０と、ロータシャフト２１を回転させる駆動モータ３０と、ロータシャフト２１の一部及び駆動モータ３０を収容するステータ４０とを備えている。
筐体１０は、円筒状に形成されている。筐体１０の上端には、吸気口１１が形成されている。筐体１０は、上方フランジ１２を介して図示しない外部装置のチャンバ等の真空容器に取り付けられる。吸気口１１は、真空容器に接続される。筐体１０は、ステータ４０上に載置された状態でステータ４０に固定されている。
ロータ２０は、ロータシャフト２１と、ロータシャフト２１の上部に固定されてロータシャフト２１の軸心に対して同心円状に並設、即ち並べて設けられた回転翼２２と、を備えている。本実施例では、１４段の回転翼２２が設けられている。以下、ロータシャフト２１の軸線方向を「アキシャル方向Ａ」と称し、ロータシャフト２１の径方向を「ラジアル方向Ｒ」と称す。
回転翼２２は、所定の角度で傾斜したブレードからなり、ロータ２０の上部外周面に一体に形成されている。また、回転翼２２は、ロータ２０の軸線回りに放射状に複数設置されている。
ロータシャフト２１の上部及び下部は、タッチダウン軸受２３内に挿通されている。ロータシャフト２１が制御不能になった場合には、高速で回転するロータシャフト２１がタッチダウン軸受２３に接触して真空ポンプ１の損傷を防止するようになっている。
ロータ２０は、ボス孔２４にロータシャフト２１の上部を挿通した状態で、ボルト２５をロータフランジ２６に挿通すると共にシャフトフランジ２７に螺着することで、ロータシャフト２１に一体に取り付けられている。
駆動モータ３０は、ロータシャフト２１の外周に取り付けられた回転子３１と、回転子３１を取り囲むように配置された固定子３２と、を備えている。固定子３２は、図示しない制御ユニットに接続されており、制御ユニットによってロータ２０の回転が制御されている。
回転翼２２、２２の間には、固定翼５０が設けられている。すなわち、回転翼２２と固定翼５０とは、アキシャル方向Ａに沿って交互にかつ多段に配列されている。本実施例では、１４段の固定翼５０が設けられている。
固定翼５０は、環状に形成されており、回転翼２２とは反対方向に傾斜したブレードと該ブレードの両端に連結されたリングとを備え、筐体１０の内周面に段積みで設置されている図示しないスペーサによりアキシャル方向Ａに挟持されて位置決めされている。また、固定翼５０のブレードも、ロータ２０の軸線回りに放射状に複数設置されている。
回転翼２２及び固定翼５０のブレードの長さは、アキシャル方向Ａの上方から下方に向かって徐々に短くなるように設定されている。
ステータ４０の下部側方には、排気口４１が形成されている。排気口４１は、図示しない補助ポンプに連通するように接続される。真空ポンプ１は、回転翼２２の回転により、吸気口１１から吸入されたガスをアキシャル方向Ａの上方から下方に移送し、排気口４１から外部に排気するようになっている。ステータ４０と筐体１０との間には、Ｏリング４２が介装されている。以下、このようなガスが排気される向きを「ガス排気方向」と称す。
ロータシャフト２１は、アキシャル方向軸受６０及びラジアル方向軸受７０によって非接触支持されている。
アキシャル方向軸受６０は、ロータシャフト２１をアキシャル方向Ａに能動的に支持する。アキシャル方向軸受６０は、アキシャル電磁石６１と、永久磁石６２ａ、６２ｂと、アキシャルセンサ６３と、を備えている。
アキシャル電磁石６１は、アーマチャディスク２８に対向するように配置されている。アキシャル電磁石６１は、アーマチャディスク２８を引き寄せるように引き上げる。
永久磁石６２ａは、アーマチャディスク２８と一体化された上側永久磁石であり、永久磁石６２ｂは、ステータ４０と一体化された下側永久磁石である。これにより、アキシャル電磁石６１によって上側に引き上げられたアーマチャディスク２８が、永久磁石６２ａ、６２ｂ間の引力によってアーマチャディスク２８はアキシャル方向Ａの平衡点に引き下げられる。
ラジアル方向軸受７０は、能動ラジアル軸受７１と、受動ラジアル軸受７２と、を備えている。ロータ２０の重心Ｇ１、能動ラジアル軸受７１、受動ラジアル軸受７２は、ガス排気方向に沿って、この順に配置されている。
能動ラジアル軸受７１は、ロータシャフト２１をラジアル方向Ｒに磁力で非接触支持する４つのラジアル電磁石７３と、ロータシャフト２１のラジアル方向Ｒの変位を検出する４つのラジアルセンサ７４と、を備えている。ラジアル電磁石７３のコイル７３ａとラジアルセンサ７４のコイル７４ａは、同一のコア７５に巻回、すなわち、コア７５に巻き巡らされている。
各ラジアル電磁石７３は、コア７５の周方向Ｃに沿って９０度離間して配置され、Ｘ軸又はＹ軸上に配置されている。ラジアル電磁石７３は、コア７５の凸部７５ａにコイル７３ａを巻回して形成された一対の磁極７６を備えている。
一対の磁極７６は、コイル７３ａを互いに逆向きに巻回することにより、異なる極性を有している。また、コア７５の周方向Ｃに隣り合うラジアル電磁石７３間で隣り合う磁極７６、すなわち、ラジアルセンサ７４を介して隣り合う磁極７６が互いに同じ極性になるように、ラジアルセンサ７４を介して隣り合うコイル７３ａは、コア７５に同方向に巻回されている。
ラジアルセンサ７４は、コア７５の周方向Ｃに隣り合うラジアル電磁石７３間に配置されており、各ラジアルセンサ７４は、Ｘ軸に対して所定角度θ１だけ傾いたＡ軸又はＹ軸に対して所定角度θ２だけ傾いたＢ軸上に配置されている。本実施例では、所定角度θ１、θ２は、４５度に設定されている。
ラジアルセンサ７４は、コア７５の爪部７５ｂにコイル７４ａを巻回して形成された上下一対の磁極７７を備えている。一対の磁極７７は、コイル７４ａを互いに逆向きに巻回することにより、異なる極性を有している。
また、ラジアル電磁石７３の中心とラジアルセンサ７４の中心が、平面から視て一致するように同一平面上に設定されている。これにより、ラジアル電磁石７３がロータ２０の上部に復元力を作用させる地点とラジアルセンサ７４がロータ２０の平衡点からラジアル方向Ｒへの変位を検出する地点とが一致するようになっている。
なお、ラジアルセンサ７４は、上述したラジアル電磁石７３とコア７５が一体化されたインダクタンス型変位センサの他に、別部材の静電容量センサ等であっても構わない。
受動ラジアル軸受７２は、ロータシャフト２１をラジアル方向Ｒに受動的に支持する。具体的には、受動ラジアル軸受７２は、アキシャル方向Ａに対向するように設けられた永久磁石６２ａ、６２ｂである。ロータシャフト２１がラジアル方向Ｒの平衡点から変位した場合に、永久磁石６２ａ、６２ｂ間の磁気抵抗が増大することにより、ロータシャフト２１をラジアル方向Ｒの平衡点に引き戻す復元力が生じる。
能動ラジアル軸受７１上にコイル７４ａを結線するための図示しないプリント基板を実装する場合には、能動ラジアル軸受７１とプリント基板との間に導電体のシールド板を介装させるのが好ましい。これにより、ラジアル電磁石７３とラジアルセンサ７４との磁気結合が抑制される。
また、ラジアル電磁石７３には、ラジアル電磁石７３に取り付けられた銅等で形成された導電性のシールドリングが設けられても構わない。これにより、シールドリングがラジアル電磁石７３の磁束幅を狭くすることにより、ラジアル電磁石７３とラジアルセンサ７４との間の磁気結合が低減される。
さらに、ラジアル電磁石７３には、ラジアルセンサ７４のコイル７４ａの外周に覆設、すなわち覆うように設けられた銅等で形成された導電性のシールドチューブが設けられている。これにより、シールドチューブがラジアルセンサ７４の磁束幅を狭くすることにより、ラジアル電磁石７３とラジアルセンサ７４との間の磁気結合が低減される。さらに、能動ラジアル軸受７１と、モータ固定子３２との間にリング状に形成された導電性の静電シールド板や磁性体の磁気シールド板を介装させるのが好ましい。これにより、能動ラジアル軸受７１と、モータ固定子３２の磁気結合が抑制される。
アキシャル方向軸受６０及びラジアル方向軸受７０は、図示しない制御ユニットに接続されている。制御ユニットは、アキシャルセンサ６３及びラジアルセンサ７４の検出値に基づいて、アキシャル電磁石６１及びラジアル電磁石７３の励磁電流を制御することにより、ロータシャフト２１がアキシャル方向Ａ及びラジアル方向Ｒの平衡点に位置するように支持される。
次に、ラジアル方向軸受７０の作用について、図面に基づいて説明する。図４は、本発明の比較例に係る真空ポンプにおいてロータを平衡点に引き戻す様子を模式的に示す図である。
比較例に係る真空ポンプは、ロータ２０の重心Ｇ２を挟んでアキシャル方向Ａの上側に能動ラジアル軸受７１が配置され、アキシャル方向Ａの下側に受動ラジアル軸受７２が配置されている。
ロータ２０の上部は、能動ラジアル軸受７１に能動的に支持されている。したがって、ロータ２０が平衡点からラジアル方向Ｒに振れた場合、ラジアル電磁石７３がロータ２０を平衡点に引き戻そうとする上部復元力Ｆ１をロータ２０に作用させる。
一方、ロータ２０の下部は、受動ラジアル軸受７２に受動的に支持されているのみである。したがって、ロータ２０が平衡点からラジアル方向Ｒに振れた場合、ロータ２０の下部には、永久磁石６２ａ、６２ｂの磁気抵抗に起因する下部復元力Ｆ２とロータ２０が傾斜することに起因する傾斜力Ｆ３とが作用する。しかしながら、下部復元力Ｆ２と傾斜力Ｆ３とはロータ２０に対して互いに逆向きに作用することにより、下部復元力Ｆ２が傾斜力Ｆ３の分だけ減衰され、図５（横軸：時間［秒］、縦軸：振幅［ｍｍ］）に示すように、ロータ２０の振れや振動が長時間に亘って残存することがあった。
図６は、真空ポンプ１においてロータ２０を平衡点に引き戻す様子を模式的に示す図である。本実施例における真空ポンプ１では、ロータ２０を能動的に支持する能動ラジアル軸受７１が、ロータ２０の重心Ｇ１より下方に配置されている。したがって、ロータ２０が平衡点からラジアル方向Ｒに振れた場合、ロータ２０の上部には、ラジアル電磁石７３によってロータ２０を平衡点に引き戻そうとする上部復元力Ｆ４が作用し、ロータ２０の下部には、永久磁石６２ａ、６２ｂの磁気抵抗に起因する下部復元力Ｆ５とロータ２０が傾斜することに起因する傾斜力Ｆ６とが、ロータ２０に対して同じ向きに作用するため、ロータ２０の振れや振動を効率的に制震することができる。したがって、真空ポンプ１では、図７（横軸：時間［秒］、縦軸：振幅［ｍｍ］）に示すように、ロータ２０の振れや振動を短時間で収束させることができる。
重心Ｇ１から能動ラジアル軸受７１までの距離Ｌ１と、重心Ｇ１から受動ラジアル軸受７２までの距離Ｌ２とは、Ｌ１：Ｌ２＝１：４〜２０に設定されるのが好ましい。Ｌ２がＬ１の２０倍より大きい場合には、能動ラジアル軸受７１が重心Ｇ１に接近し過ぎるため、能動ラジアル軸受７１による下部復元力の制御が困難になりがちである。また、Ｌ２がＬ１の４倍より小さい場合には、永久磁石６２ａ、６２ｂ間の磁力を増大させるため永久磁石６２ａ、６２ｂを大型化させる必要がある。
次に、本発明の第２実施例に係る真空ポンプ１について、図８に基づいて説明する。なお、本実施例に係る真空ポンプと上述した真空ポンプとでは、受動ラジアル軸受の構成が異なる。本実施例に係る真空ポンプと上述した真空ポンプとで共通する構成については、共通の符号を付し、共通する説明を省略する。図８は、本発明の第２実施例に係る真空ポンプ１の構造を示す垂直断面図である。
本発明の第２実施例に係る真空ポンプ１における受動ラジアル軸受７２は、電磁石である。受動ラジアル軸受７２は、アーマチャディスク２８を挟んでアキシャル電磁石６１に対向するように配置される。
アーマチャディスク２８を挟んでアキシャル方向Ａの上側にアキシャル電磁石６１を配置し、アキシャル方向Ａの下側に電磁石の受動ラジアル軸受７２を配置することにより、上下の電磁石の励磁電流を同時に減らしてもアーマチャディスク２８を同一位置に浮上させることができる。
そして、上下の電磁石の励磁電流を同時に減らすことにより、アーマチャディスク２８を平衡点に保持する拘束力が低下するため、アーマチャディスク２８が振動した場合であっても、ステータ４０等に振動が伝わりにくくなり、真空ポンプ１の振動を低減することができる。
また、水素ガスを吸収して脆化しがちな永久磁石を用いないことにより、水素ガスの排気に用いられる真空ポンプ１の故障を抑制することができる。
このようにして、真空ポンプ１は、ロータ２０が平衡点からラジアル方向Ｒに変位した際に、ロータ２０の下部に作用する受動ラジアル軸受７２の下部復元力Ｆ４とロータ２０の姿勢に起因する傾斜力Ｆ５とが同じ向きに生じるため、ロータ２０の振れや振動を効率的に制震することができる。
また、ロータ２０の振れや振動を効率的に収束されることにより、部品精度が緩和され、真空ポンプ１の調整を短時間で行うことができる。
本発明は、インナーロータ型の真空ポンプの他、アウターロータ型の真空ポンプにも適用できる。なお、本発明に係る真空ポンプは、ターボ分子ポンプのみから成る全翼タイプの真空ポンプの他、ターボ分子ポンプとネジ溝ポンプとを組み合わせた複合タイプの真空ポンプにも適用可能であることは言うまでもない。
なお、本発明は、本発明の精神を逸脱しない限り種々の改変をなることができ、そして、本発明が該改変されたものにも及ぶことは当然である。
１ ・・・ 真空ポンプ
１０・・・ 筐体
１１・・・ 吸気口
１２・・・ 上方フランジ
２０・・・ ロータ
２１・・・ ロータシャフト
２２・・・ 回転翼
２３・・・ タッチダウン軸受
２４・・・ ボス孔
２５・・・ ボルト
２６・・・ ロータフランジ
２７・・・ シャフトフランジ
２８・・・ アーマチャディスク
３０・・・ 駆動モータ
３１・・・ 回転子
３２・・・ 固定子
４０・・・ ステータコラム
４１・・・ 排気口
４２・・・ Ｏリング
５０・・・ 固定翼
６０・・・ アキシャル方向軸受
６１・・・ アキシャル電磁石
６２ａ、６２ｂ・・・永久磁石
６３・・・ アキシャルセンサ
７０・・・ ラジアル方向軸受
７１・・・ 能動ラジアル軸受（第１のラジアル方向磁力発生手段）
７２・・・ 受動ラジアル軸受（第２のラジアル方向磁力発生手段）
７３・・・ ラジアル電磁石
７４・・・ ラジアルセンサ
７５・・・ コア
７５ａ・・・凸部
７５ｂ・・・爪部
７６・・・ （ラジアル電磁石の）磁極
７７・・・ （ラジアルセンサの）磁極
Ｇ１・・・ ロータの重心
Ａ ・・・ アキシャル方向
Ｃ ・・・ （コアの）周方向
Ｒ ・・・ ラジアル方向

Claims (5)

  1. ガスを排気するロータをラジアル方向に磁力で非接触支持するラジアル方向磁力発生手段と、前記ロータの前記ラジアル方向の変位を検出するラジアル方向変位検出手段と、を有する磁気軸受装置を備えた真空ポンプであって、
    前記ラジアル方向磁力発生手段は、前記ガスの排気方向において、前記ロータの重心より排気側に２つ設けられ、
    前記ラジアル方向変位検出手段は、前記ガスの排気方向において、前記ロータの重心の位置から排気側に設けられていることを特徴とする真空ポンプ。
  2. 前記ガスの前記排気方向の吸気側に配置された第１のラジアル方向磁力発生手段は、前記ロータを能動的に支持し、
    前記ガスの前記排気方向の排気側に配置された第２のラジアル方向磁力発生手段は、前記ロータを受動的に支持することを特徴とする請求項１記載の真空ポンプ。
  3. 前記第１のラジアル方向磁力発生手段の中心及び前記ラジアル方向変位検出手段の中心は、同一平面上に配置されていることを特徴とする請求項２記載の真空ポンプ。
  4. 請求項１から３のいずれか１項記載の真空ポンプに用いられることを特徴とする磁気軸受装置。
  5. 請求項１から３のいずれか１項記載の真空ポンプに用いられることを特徴とするロータ。
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