JP7382150B2 - 真空ポンプ、及び、真空ポンプに用いられるシール部材 - Google Patents

Description

本発明は、例えばターボ分子ポンプ等の真空ポンプや真空ポンプに用いられるシール部材に関する。

一般に、真空ポンプの一種としてターボ分子ポンプが知られている。このターボ分子ポンプにおいては、ポンプ本体内のモータへの通電によりロータ翼を回転させ、ポンプ本体に吸い込んだガスの気体分子を弾き飛ばすことによりガスを排気するようになっている。また、このようなターボ分子ポンプには、弾性体であるシール部材（Ｏリング）を用いたシール構造が採用されている。そして、ターボ分子ポンプにおいては、シール部材を部品間に挟み込んで或る程度押し潰すことにより、部品間の気密性が保たれるようになっている。

上述のようなシール構造には、シール部材を側面（外径方向）から挟み込むタイプのものや、上下面（軸方向）から挟み込むタイプのものがある。そして、ターボ分子ポンプの組み立ての際に、シール部材が、捩じれにより変形（捩じれ変形）したり、接触する部品との引っ掛かりにより破損したりすることのないよう、シール部材に真空グリースの塗布を行うことが一般的となっている。

また、ターボ分子ポンプの組み立ての際には、複数の構成部品に係る寸法公差が積み上がり、公差の合計である累積公差は、一律とならないのが通常である。このため、隣接する部品（隣接部品）がシール部材を潰す量（シール部材の潰し代）には、ターボ分子ポンプ毎にばらつき（潰し代幅の変動）が生じる場合があり、シール部材の潰される量（ひずみ）は、一定であるとは限らない。そして、同じ材質や大きさのシール部材を用いても、シール部材の潰し代の違いによって、シール性能に差が生じる場合があった。

さらに、シール部材やスペーサを複数重ねて用い、１個当たりのシール部材に対する累積公差によるシール部材の潰し代ばらつきを少なくし、総合的にシール部材の対応可能な潰し代幅の変動量を増加したターボ分子ポンプもある（特許文献１）。このようなターボ分子ポンプによれば、潰し代の相違に柔軟に対応でき、シール部材にねじれ変形や引っ掛かりなどが発生し難いことから、真空グリースを使用する必要がなくなる。また、周辺部品の寸法公差が比較的大きく、シール部材の潰し代のばらつきが大となった場合でも、適切なシール性能を発揮することが可能となる。

特許第６１１３０７１号公報

ところで、上述のような各種の真空ポンプのうち、シール部材に真空グリースを塗布するものにおいては、真空グリースが、蒸発等の要因により真空システムの排気経路に混入し、真空環境中の汚染（真空汚染）の原因となる場合があった。また、特許文献１に開示されたタイプの真空ポンプにおいては、複数のシール部材を用いることや、シール部材の間にスペーサを配置することなどから、部品点数が多くなる。このため、特許文献１に開示されたタイプの真空ポンプにおいては、コストが増加したり、組み立て性（組み立ての容易さ）が悪化したりすることがあった。

本発明の目的とするところは、部品点数が少なくシール性に優れた真空ポンプ、及び、少ない部品点数で高いシール性を発揮することが可能なシール部材を提供することにある。

（１）上記目的を達成するために本発明は、ガスの吸気部を有する吸気側部品と、
前記吸気側部品に組み合される排気側部品と、
前記吸気側部品に内包され、回転自在に支持された回転軸と、
前記回転軸を回転させるモータと、
前記吸気側部品と前記排気側部品とにより厚さ方向に挟み付ける力を受けて弾性変形し、前記吸気側部品と前記排気側部品の間の気密性を保つ環状のシール部材と、を備え、
前記シール部材は、
外周部に凹陥状に形成された変形促進部と、
前記力を、前記変形促進部に近付いた偏心位置で受けるシール部と、を有し、
前記偏心位置は、前記外周部よりも内周側寄りの位置であり、
前記偏心位置に、前記力の作用点となる山形の頂部が形成され、
前記変形促進部の深さは、前記頂部から先端部までの水平距離よりも小さいことを特徴とする真空ポンプ。
（２）また、上記目的を達成するために他の本発明は、内周部に平面状に形成され、前記吸気側部品及び前記排気側部品のうちのいずれか一方に面接触する装着部を有することを特徴とする上記（１）に記載の真空ポンプにある。
（３）また、上記目的を達成するために他の本発明は、真空ポンプの吸気側部品と排気側部品とにより厚さ方向に挟み付ける力を受けて弾性変形する環状のシール部材であって、外周部に凹陥状に形成された変形促進部と、
前記力を、前記変形促進部に近付いた偏心位置で受けるシール部と、を有し、
前記偏心位置は、前記外周部よりも内周側寄りの位置であり、
前記偏心位置に、前記力の作用点となる山形の頂部が形成され、
前記変形促進部の深さは、前記頂部から先端部までの水平距離よりも小さいことを特徴とするシール部材にある。
（４）また、上記目的を達成するために他の本発明は、内周部に平面状に形成され、前記吸気側部品及び前記排気側部品のうちのいずれか一方に面接触する装着部を有することを特徴とする上記（３）に記載のシール部材にある。

上記発明によれば、部品点数が少なくシール性に優れた真空ポンプを提供することができる。また、少ない部品点数で高いシール性を発揮することが可能なシール部材を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係るターボ分子ポンプの縦断面図である。 （ａ）は第１実施形態に係るターボ分子ポンプの一部を拡大して示す断面図、（ｂ）は第１実施形態に係るシール部材の一部を拡大して示す断面図である。 （ａ）は第１実施形態のターボ分子ポンプに係るシール部材の機能を示す説明図、（ｂ）は本発明の第２実施形態のターボ分子ポンプに係るシール部材の一部を拡大して示す断面図、（ｃ）は本発明の第３実施形態のターボ分子ポンプに係るシール部材の一部を拡大して示す断面図である。 （ａ）～（ｃ）は第１実施形態に係るシール部材について溝深さを変化させた場合の特性シミュレーションの結果を示す模式図、（ｄ）は断面が略円形である一般的なシール部材についての特性シミュレーションの結果を示す模式図である。 （ａ）～（ｃ）は本発明の第２実施形態に係るシール部材について溝深さを変化させた場合の特性シミュレーションの結果を示す模式図である。

以下、本発明の各実施形態に係る真空ポンプについて図面に基づき説明する。ここでは先ず、真空ポンプの基本構成について説明し、その後に外装体のシール構造について説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る真空ポンプとしてのターボ分子ポンプ１０を縦断して概略的に示している。このターボ分子ポンプ１０は、例えば、半導体製造装置、電子顕微鏡、質量分析装置などといった対象機器の真空チャンバ（図示略）に接続されるようになっている。

ターボ分子ポンプ１０は、円筒状のポンプ本体１１と、箱状の電装ケース（図示略）とを一体に備えている。これらのうちのポンプ本体１１は、図１中の上側が対象機器の側に繋がる吸気部１２となっており、下側が補助ポンプ等に繋がる排気部１３となっている。そして、ターボ分子ポンプ１０は、図１に示すような鉛直方向の垂直姿勢のほか、倒立姿勢や水平姿勢、傾斜姿勢でも用いることが可能となっている。

電装ケース（図示略）には、ポンプ本体１１に電力供給を行うための電源回路部や、ポンプ本体１１を制御するための制御回路部が収容されているが、ここでは、これらについての詳しい説明は省略する。

ポンプ本体１１は、略円筒状の本体ケーシング１４を備えている。本体ケーシング１４は、図１中の上部に位置する吸気側部品としての吸気側ケーシング１４ａと、図１中の下側に位置する排気側部品としての排気側ケーシング１４ｂとを軸方向に直列に繋げて構成されている。ここで、吸気側ケーシング１４ａを例えばケーシングなどと称し、排気側ケーシング１４ｂを例えばベースなどと称することも可能である。

吸気側ケーシング１４ａと排気側ケーシング１４ｂは、軸方向（図１中の上下方向）に重ねられている。さらに、吸気側ケーシング１４ａは、軸方向一端部（図１中の下端部）に形成されたフランジ部２９ａの内周面を、排気側ケーシング１４ｂの上端部２９ｂにおける外周面対向させている。そして、吸気側ケーシング１４ａは、シール部材４１を挟んで、複数の六角穴付きボルト４２により、排気側ケーシング１４ｂに気密的に結合されている。なお、シール部材４１を用いたシール構造の詳細については後述する。

また、図１中では、排気側ケーシング１４ｂの上端部２９ｂの周辺部分に関し、図中左側の部位を２点鎖線で描いている。これは、排気側ケーシング１４ｂの当該部分が、厳密には、縦断して示す位置には存在しないが、縦断位置の後方に存在することを仮想的に示しているものである。

本体ケーシング１４内には、排気機構部１５と回転駆動部（以下では「モータ」と称する）１６とが設けられている。これらのうち、排気機構部１５は、ターボ分子ポンプ機構部１７と、ネジ溝ポンプ機構部１８とにより構成された複合型のものとなっている。

ターボ分子ポンプ機構部１７とネジ溝ポンプ機構部１８は、ポンプ本体１１の軸方向に連続するよう配置されており、図１においては、図中の上側にターボ分子ポンプ機構部１７が配置され、図１中の下側にネジ溝ポンプ機構部１８が配置されている。

図１中の上側に配置されたターボ分子ポンプ機構部１７は、多数のタービンブレードによりガスの移送を行うものであり、所定の傾斜や曲面を有し放射状に形成された固定翼（以下では「ステータ翼」と称する）１９と回転翼（以下では「ロータ翼」と称する）２０とを備えている。そして、ターボ分子ポンプ機構部１７において、ステータ翼１９とロータ翼２０は十段程度に亘って交互に並ぶよう配置されている。

ステータ翼１９は、固定翼スペーサ２０ａに装着されている。固定翼スペーサ２０ａは、吸気側ケーシング１４ａの内側側面（内周面）に、吸気側ケーシング１４ａの軸方向に沿って積み上げるようにして取付けられている。そして、ステータ翼１９の互いの間隔は、固定翼スペーサ２０ａによって、所定の値に保たれている。

さらに、上下のステータ翼１９の間に、ロータ翼２０が入り込んでいる。ロータ翼２０は、筒状のロータ２８に一体化されており、ロータ２８はロータ軸２１に、ロータ軸２１の外側を覆うよう同心的に固定されている。そして、ロータ２８は、ロータ軸２１の回転に伴い、ロータ軸２１及びロータ２８と同じ方向に回転する。

ここで、ポンプ本体１１は、主だった部品の材質としてアルミニウム合金が採用されているものであり、排気側ケーシング１４ｂ、ステータ翼１９、ロータ２８などの材質もアルミニウム合金である。また、図１では、図面が煩雑になるのを避けるため、一部を除き、ポンプ本体１１における部品の断面を示すハッチングの記載を省略している。

ロータ軸２１は、段付きの円柱状に加工されており、ターボ分子ポンプ機構部１７から下側のネジ溝ポンプ機構部１８に達している。さらに、ロータ軸２１における軸方向の中央部には、モータ１６が配置されている。このモータ１６については後述する。

ネジ溝ポンプ機構部１８は、ロータ円筒部２３とネジステータ２４を備えている。 ロータ円筒部２３やネジステータ２４の詳細については後述する。ネジ溝ポンプ機構部１８の後段には排気パイプに接続する為の排気口２５が配置されており、排気口２５の内部とネジ溝ポンプ機構部１８が空間的に繋がっている。

前述のモータ１６は、ロータ軸２１の外周に固定された回転子（符号省略）と、回転子を取り囲むように配置された固定子（符号省略）とを有している。モータ１６を作動させるための電力の供給は、前述の電装ケース（図示略）に収容された電源回路部や制御回路部により行われる。

ロータ軸２１の支持には、磁気浮上による非接触式の軸受である磁気軸受が用いられている。磁気軸受としては、モータ１６の上下に配置された２組のラジアル磁気軸受（径方向磁気軸受）３０と、ロータ軸２１の下部に配置された１組のアキシャル磁気軸受（軸方向磁気軸受）３１とが用いられている。

これらのうち各ラジアル磁気軸受３０は、ロータ軸２１に形成されたラジアル電磁石ターゲット３０Ａ、これに対向する複数（例えば２つ）のラジアル電磁石３０Ｂ、およびラジアル方向変位センサ３０Ｃなどにより構成されている。ラジアル方向変位センサ３０Ｃはロータ軸２１の径方向変位を検出する。そして、ラジアル方向変位センサ３０Ｃの出力に基づいて、ラジアル電磁石３０Ｂの励磁電流が制御され、ロータ軸２１が、径方向の所定位置で軸心周りに回転できるよう浮上支持される。

アキシャル磁気軸受３１は、ロータ軸２１の下端側の部位に取り付けられた円盤形状のアーマチュアディスク３１Ａと、アーマチュアディスク３１Ａを挟んで上下に対向するアキシャル電磁石３１Ｂと、ロータ軸２１の下端面から少し離れた位置に設置したアキシャル方向変位センサ３１Ｃなどにより構成されている。アキシャル方向変位センサ３１Ｃはロータ軸２１の軸方向変位を検出する。そして、アキシャル方向変位センサ３１Ｃの出力に基づいて、上下のアキシャル電磁石３１Ｂの励磁電流が制御され、ロータ軸２１が、軸方向の所定位置で軸心周りに回転できるよう浮上支持される。

そして、これらのラジアル磁気軸受３０やアキシャル磁気軸受３１を用いることにより、ロータ軸２１（及びロータ翼２０）が高速回転を行うにあたって摩耗がなく、寿命が長く、且つ、潤滑油を不要とした環境が実現されている。また、本実施形態においては、ラジアル方向変位センサ３０Ｃやアキシャル方向変位センサ３１Ｃを用いることにより、ロータ軸２１について、軸方向（Ｚ方向）周りの回転の方向（θz）のみ自由とし、その他の５軸方向であるＸ、Ｙ、Ｚ、θx、θyの方向についての位置制御が行われている。

さらに、ロータ軸２１の上部及び下部の周囲には、所定間隔をおいて半径方向の保護ベアリング（「保護軸受」、「タッチダウン（Ｔ／Ｄ）軸受」、「バックアップ軸受」などともいう）３２、３３が配置されている。これらの保護ベアリング３２、３３により、例えば万が一電気系統のトラブルや大気突入等のトラブルが生じた場合であっても、ロータ軸２１の位置や姿勢を大きく変化させず、ロータ翼２０やその周辺部が損傷しないようになっている。

このような構造のターボ分子ポンプ１０の運転時には、前述のモータ１６が駆動され、ロータ翼２０が回転する。そして、ロータ翼２０の回転に伴い、図１中の上側に示す吸気部１２からガスが吸引され、ステータ翼１９とロータ翼２０とに気体分子を衝突させながら、ネジ溝ポンプ機構部１８の側へガスの移送が行われる。さらに、ネジ溝ポンプ機構部１８においてガスが圧縮され、圧縮されたガスが排気部１３から排気口２５へ進入し、排気口２５を介してポンプ本体１１から排出される。

なお、ロータ軸２１や、ロータ軸２１と一体的に回転するロータ翼２０、ロータ円筒部２３、及び、モータ１６の回転子（符号省略）等を、例えば「ロータ部」、或は「回転部」等と総称することが可能である。

次に、前述した吸気側ケーシング１４ａと排気側ケーシング１４ｂと間におけるシール構造について説明する。図２（ａ）は、本実施形態におけるシール構造の要部を示している。吸気側ケーシング１４ａと排気側ケーシング１４ｂは、排気側ケーシング１４ｂの上端部２９ｂが、吸気側ケーシング１４ａの下端部に形成されたフランジ部２９ａの内側に、所定の嵌め合わせで幾分入り込んだ状態となっている。

さらに、吸気側ケーシング１４ａのフランジ部２９ａと、排気側ケーシング１４ｂの上端部２９ｂとの間に、前述のシール部材４１を挟み込んで、軸方向（図１中の上下方向）に重ねられている。つまり、本実施形態では、吸気側ケーシング１４ａ、シール部材４１、及び、排気側ケーシング１４ｂを、軸方向に並べたシール構造が採用されている。

シール部材４１は、Ｏリング状に成形され、排気側ケーシング１４ｂにおける上端部２９ｂの外形と同程度の内径（好ましくは３５０～４００ｍｍ程度）を有している。このシール部材４１の材質としては、例えばニトリルゴム（ＮＢＲ）等のように、Ｏリングの材質として一般的な種々のものを採用することができる。

シール部材４１は、真円や楕円などの単純形状とは異なる異形な断面形状を有している。図２（ｂ）に示すように、シール部材４１の外周部としての外周面４１ａには、凹陥形状（凹陥状）の空間を形成する変形促進部４３が、全周に亘って設けられている。この変形促進部４３は、例えば標準的なアルファベットの「Ｖ」の文字に比べて、広角で浅い深さのＶ字状に成型されている。さらに、変形促進部４３は、シール部材４１の全周に亘る線状の溝底部４４を、シール部材４１の径方向の外側（外径方向）に向けている。

変形促進部４３の上下（軸方向の上下）には、全周に亘る角部４３ａ、４３ｂが形成されている。本実施形態では、この角部４３ａ、４３ｂは、図中に示す断面において鈍角となる角度で設けられている。

シール部材４１の内周部４１ｂには、ほぼ平坦で、変形促進部４３とは逆向きの装着部４５が形成されている。さらに、シール部材４１の、図２（ａ）における上下の部位には、山形に突出するシール部４６、４７が一体に設けられている。このシール部４６、４７の表面は、変形促進部４３と装着部４５との間を結ぶシール面４６ａ、４７ａとなっている。

さらに、シール面４６ａ、４７ａの突端となる頂部４６ｂ、４７ｂから、変形促進部４３までの水平距離Ｌ１は、装着部４５までの水平距離Ｌ２よりも短く定められている。また、頂部４６ｂ、４７ｂは、所定の曲率の滑らかな円弧状に成型されている。この頂部４６ｂ、４７ｂの曲率（曲率半径）が大きいほど、頂部４６ｂ、４７ｂの曲線は滑らかになる。本実施形態では、頂部４６ｂ、４７ｂの形状が、相対的に滑らかになるよう、十分に大きな曲率（曲率半径）が採用されている。

このようなシール部材４１は、図２（ａ）に示すように、排気側ケーシング１４ｂの外周に形成された段差部５１に、径方向に幾分押し広げながら装着される。段差部５１は、排気側ケーシング１４ｂの上端部２９ｂや、上端部２９ｂの基端側から外側に拡がる受面２９ｃにより構成されている。シール部材４１が段差部５１に装着された際には、シール部材４１の平坦な装着部４５が、排気側ケーシング１４ｂの上端部２９ｂにおける外周面に面接触する。

さらに、六角穴付きボルト４２が、吸気側ケーシング１４ａのフランジ部２９ａに通され、排気側ケーシング１４ｂにねじ込まれて締め付けられることにより、シール部材４１は、吸気側ケーシング１４ａから、軸方向の所定の力（圧力）を受けて圧縮される。そして、シール部材４１は、吸気側ケーシング１４ａのフランジ部２９ａと、排気側ケーシング１４ｂの上端部２９ｂとの間に挟み込まれた状態で、主にシール部４６、４７を弾性変形させながら、所定量押し潰される。さらに、シール部材４１の圧縮は、全周に亘って行われる。ここで、図２（ｂ）や、後述する図３（ａ）においては、図面が煩雑になるのを避けるため、シール部材４１の断面に係るハッチングの図示を省略している。

図３（ａ）は、シール部材４１を用いたシール構造の機能を示している。シール部材４１は、吸気側ケーシング１４ａが位置する側（図中の上方側）から荷重Ｆを受ける。シール部材４１においては、シール部４６が、前述のように山形に突出していることから、吸気側ケーシング１４ａは、最初に、シール部４６の頂部４６ｂに接することとなる。そして、頂部４６ｂに接した吸気側ケーシング１４ａが更に下がると、吸気側ケーシング１４ａからの荷重Ｆが、矢印で示すように、シール部４６の頂部４６ｂに作用する。

このとき、シール部４６の頂部４６ｂが、荷重Ｆの作用点となっている。そして、図２（ｂ）に示したように、頂部４６ｂから変形促進部４３までの水平距離Ｌ１は、同じく頂部４６ｂから装着部４５までの水平距離Ｌ２よりも短いため、荷重Ｆの作用点の位置は、装着部４５よりも、変形促進部４３の側に近くなるよう偏った位置となる。

そして、荷重Ｆが、変形促進部４３の側に、装着部４５の側よりも多い割合で伝わる。さらに、変形促進部４３は、荷重Ｆに加え、排気側ケーシング１４ｂの上端部２９ｂからの反力を受ける。そして、シール部材４１が、変形促進部４３の溝底部４４を折り目として、Ｖ字の開口幅が相対的に小さくなるよう内側に変形する。

押し潰される前におけるシール部材４１の断面に関して、図３（ａ）中に示すように、例えば、重心位置を点Ｏ１とする。さらに、この点Ｏ１で直交する２軸（Ｘ１軸とＹ１軸）を仮定する。

続いて、頂部４６ｂ、４７ｂを通過する縦軸（Ｙ２軸）を想定し、このＹ２軸と、上述のＸ１軸との交点をＯ２とする。この点Ｏ２は、点Ｏ１に対して径方向の外側に偏っており（偏心位置にシフトしており）、点Ｏ１よりも変形促進部４３の近くに位置している。また、吸気側ケーシング１４ａからの荷重Ｆは、頂部４６ｂにおいて軸方向下部（真下）に作用している。

このため、荷重Ｆにより、交点Ｏ１を中心としたモーメントが発生し、このモーメントが、変形促進部４３に作用する。そして、荷重Ｆにより発生するモーメントが、変形促進部４３に近い位置で変形促進部４３に伝わり、シール部材４１が変形する。さらに、シール部材４１の変形は、交点Ｏ１の真上から真下に向けて荷重Ｆを作用させた場合に比べて、効率よく行われる。

なお、点Ｏ１は、前述のように断面の重心位置とすることに限定されない。例えば、Ｘ１軸とＹ１軸を、単純に図形上の中央（幾何学的中心）で交わるように仮定することも可能である。つまり、Ｘ１軸とＹ１軸を、シール部材４１に係る断面の水平方向の最大となる幅寸法（最大幅）と、垂直方向の最大となる高さ寸法（最大高さ、或いは最大厚さ）の２分の１の点を通過して互いに直交するよう設定し、これらのＸ１軸とＹ１軸の交点を点Ｏ１とすることも可能である。

図４（ａ）～（ｃ）は、本実施形態のシール部材４１に関して、変形特性のシミュレーションを行った際の結果（シミュレーション結果）を示している。このシミュレーションにおける演算条件として、シール部材４１の断面モデルに、シール部材４１の材質に係る物性値を与え、装着部４５を仮想剛体Ｍ１に接触させ、仮想剛体Ｍ２とシール部材４１との間には空隙を残している。さらに、上方の仮想剛体Ｍ３と下方の仮想剛体Ｍ４との間隔（溝深さを想定）を（ａ）～（ｃ）の順に徐々に小さくなるよう狭めて変化させ、それぞれの条件における変形状態と応力分布の演算結果を断面モデル上に表している。

上述の仮想剛体Ｍ１、Ｍ４は、本実施形態（図２（ａ））に係る排気側ケーシング１４ｂの段差部５１における、上端部２９ｂと受面２９ｃに相当する。また、仮想剛体Ｍ３は、本実施形態における吸気側ケーシング１４ａのフランジ部２９ａに相当する。ここで、このシミュレーションにおいては、シール部材４１の変形促進部４３の側に仮想剛体Ｍ２を配置しているが、図１や図２（ａ）等に示す本実施形態では、仮想剛体Ｍ２に相当する部分は設けられておらず、空隙となっている。

図４（ａ）は、溝深さをＨ１とした場合のシミュレーション結果を示している。溝深さは、シール部材４１をある程度潰した（ひずませた）状態における、仮想剛体Ｍ３と仮想剛体Ｍ４との間の距離に相当する。さらに、溝深さＨ１は、圧縮される前のシール部材４１を、上下方向（軸方向）の両側から０．５ｍｍ程度ずつ（上下の合計で１ｍｍ程度）潰した場合の値となっている。

つまり、溝深さＨ１は、吸気側ケーシング１４ａのフランジ部２９ａと、排気側ケーシング１４ｂの上端部２９ｂとの距離がＨ１となり、シール部材４１が荷重を受けて１ｍｍ潰された場合値を表している。そして、溝深さをＨ１とした場合には、シール部材４１に発生する部分反発力は、Ｎ１となり、接触面積（ここでは接触長さ）はＳ１となった。

ここで、部分反発力は所定の領域における部分的な反発力（応力）を表している。また、接触面積（接触長さ）は、面積の大小関係を長さの大小関係により表した指標である。そして、接触面積（接触長さ）は、図４（ａ）中、潰されたシール部４６（又は４７）の、仮想剛体Ｍ３（又はＭ４）と接触している部分の長さによって代替して表すことができる指標となっている。

また、図中に符号Ｒ１で示す領域は、符号を付していない領域よりも反発力が大きい領域である。そして、領域Ｒ１内について計算される部分的な反発力が、上述の部分反発力Ｎ１であると説明できる。

続いて、図４（ｂ）は、溝深さを、図４（ａ）の場合よりも小さいＨ２とした場合のシミュレーション結果である。この場合の部分反発力はＮ２となり、接触面積（接触長さ）はＳ２となった。そして、部分反発力Ｎ２及び接触面積（接触長さ）Ｓ２は、いずれも図４（ａ）における溝深さＨ１の場合の部分反発力Ｎ１及び接触面積（接触長さ）Ｓ１よりも大となった。

さらに、反発力の分布に関して、領域Ｒ１に加え、領域Ｒ２が現れた。領域Ｒ２内について計算される部分的な反発力が、上述の部分反発力Ｎ２であると説明できる。そして、領域Ｒ１、Ｒ２が表す反発力の大小関係は、Ｒ１よりもＲ２の方が大きく、Ｎ１＜Ｎ２となっている。

続いて、図４（ｃ）は、溝深さを、図４（ｂ）の場合よりも小さいＨ３とした場合のシミュレーション結果である。この場合の部分反発力はＮ３となり、接触面積（接触長さ）はＳ３となった。そして、部分反発力Ｎ３及び接触面積（接触長さ）Ｓ３は、いずれも図４（ｂ）の溝深さＨ２の場合の部分反発力Ｎ２及び接触面積（接触長さ）Ｓ２よりも大となった。

さらに、反発力の分布に関して、領域Ｒ１、Ｒ２に加え、領域Ｒ３が現れた。領域Ｒ３内について計算される部分的な反発力が、上述の部分反発力Ｎ３であると説明できる。そして、領域Ｒ１～Ｒ３が表す反発力の大小関係は、Ｎ１＜Ｎ２＜Ｎ３となっている。

なお、図４（ａ）～（ｃ）に示すシミュレーション結果の関係をまとめると、溝深さＨ１～Ｈ３についてはＨ１＞Ｈ２＞Ｈ３であり、部分反発力Ｎ１～Ｎ３についてはＮ１＜Ｎ２＜Ｎ３である。さらに、接触面積（接触長さ）Ｓ１～Ｓ３についてはＳ１＜Ｓ２＜Ｓ３である。

また、図４（ｄ）には、従来のシール部材に対する変形特性のシミュレーション結果を示している。図４（ｄ）のシミュレーションにおける演算条件として、シール部材の断面形状を略円形状とし、材質に係る物性値は、図４（ａ）～（ｃ）に示した例と同様としている。また、仮想剛体Ｍ１～Ｍ４についても、図４（ａ）～（ｃ）に示した例と同様としているが、図４（ｄ）の例では、仮想剛体Ｍ１～Ｍ４を、連続した矩形枠状のモデルとし表している。

そして、図４（ｄ）の例において、溝深さはＨ４であり、この溝深さＨ４は、前述した図４（ｃ）の例に係る溝深さＨ３（＜Ｈ２＜Ｈ１）よりも小さい値となっている。また、部分反発力はＮ４であり、この部分反発力Ｎ４は、前述した図４（ａ）に示す溝深さＨ１の場合の部分反発力Ｎ１と、図４（ｂ）に示す溝深さＨ２における部分反発力Ｎ２との間の範囲に属する値となっている。さらに、接触面積（接触長さ）はＳ４となっており、この接触面積（接触長さ）Ｓ４は、図４（ｃ）に示す溝深さＨ３における接触面積（接触長さ）Ｓ３と同程度となっている。

なお、従来のシール部材に係るシミュレーション結果と、本実施形態のシール部材４１に係るシミュレーション結果との関係をまとめると、溝深さについてはＨ４＜Ｈ３（＜Ｈ２＜Ｈ１）であり、部分反発力Ｎ４についてはＮ１＜Ｎ４＜Ｎ２となっている。さらに、接触面積（接触長さ）については、Ｓ４≒Ｓ３となっている。

そして、これらのシミュレーション結果から、本実施形態のシール部材４１については、従来よりも溝深さが大きい場合でも（Ｈ４＜Ｈ３）、高い部分反発力（Ｎ４＜Ｎ３）や、従来と同程度の接触面積（Ｓ４≒Ｓ３）が得られているといえる。

以上説明したような第１実施形態のターボ分子ポンプ１０（図１）によれば、シール部材４１の外周面４１ａに凹陥形状の変形促進部４３が設けられている。そして、変形促進部４３の存在により、シール部材４１の外周に空間が形成され、シール部材４１が厚さ方向（軸方向）に潰された際の、変形に係る抵抗力（変形抵抗）が減少する。この結果、断面が単純な真円形や楕円形である従来のものと比べて、シール部材４１を変形し易いものとなる。

さらに、ターボ分子ポンプ１０の組み立ての際に、シール部材４１の変形抵抗によってシール部材４１に捩じれや引っ掛かりが生じるのを防止でき、シール部材４１の損傷の可能性を一層低減できる。また、シール部材４１への真空グリースの塗布を省略することができ、例えば真空グリースの蒸発等を要因とする真空度の低下（真空環境の汚染）を防止することが可能となる。

さらに、シール部材４１は、外力（圧力）を受ける側に向かって突出したシール部４６、４７を有している。そして、シール部４６、４７は、溝深さＨが小さくなって外力（Ｆ）が増えれば、その分弾性的に大きくひずむ。そして、シール部４６、４７は、周辺部品（ここでは吸気側ケーシング１４ａのフランジ部２９ａや、排気側ケーシング１４ｂの受面２９ｃ）の形状に倣って変形し、これらの周辺部品に密着する。

このため、シール部４６、４７の弾性変形により、加圧体である吸気側ケーシング１４ａのフランジ部２９ａや、排気側ケーシング１４ｂの受面２９ｃとの接触面積（或いは接触長さ）Ｓを確保し易くなる。そして、シール部材４１と周辺部品との間のシール性が向上する。

また、ターボ分子ポンプ１０の組み立ての際に、複数の部品に係る寸法公差の積み上がりによる合計の公差（累積公差）のばらつきによって、潰し代幅の変動（ばらつき）が大きくなっても、シール部材４１の弾性変形によって、潰し代幅の変動を吸収することができる。そして、潰し代幅の変動に柔軟に対応することが可能となり、シール部材の選定が容易になる。

さらに、本実施形態のシール部材４１によれば、１つのシール部材４１に係るシール性を向上していることから、従来のターボ分子ポンプ（先行文献１）のようにシール部材を多段に設けなくても、良好なシール性を発揮することができる。このため、少ない部品点数で、シール構造を単純化しつつ、良好なシール性を発揮することができる。また、シール部材の数や、その周辺の部品点数を増やす必要がないため、シール構造が簡素なものとなる。このため、ターボ分子ポンプ１０の組み立てが容易である。

ここで、一般にＯリングなどのシール部材については、大きく潰されてひずみが大きくなることにより、充填率が上がり、シール部材が劣化し易くなる。しかし、本実施形態のシール部材４１によれば、凹陥形状の変形促進部４３により変形を促進しているため、変形抵抗が少なく、潰し量が大きくても劣化し難いものとなる。

さらに、シール部４６、４７の頂部４６ｂ、４７ｂを、変形促進部４３に近付けて配置しているため、重心位置からの偏りによって、変形促進部４３に効率よくモーメントを作用させることができる。そして、このことによっても、シール部材４１を効率よく弾性変形させることができる。

また、本実施形態のシール部材４１によれば、内周部４１ｂに平坦な装着部４５が設けられていることから、シール部材４１と、シール部材４１が装着される部品（ここでは排気側ケーシング１４ｂ）とを容易に面接触させることができる。このため、シール部材４１に傾き（所謂「倒れ」）が生じ難く、シール部材４１の姿勢を容易に安定させることができる。そして、シール部材４１を、ターボ分子ポンプ１０の組み立ての際に、シール部材４１の位置決めが容易になり、シール部材４１に捩じれが生じ難くなる。

さらに、本実施形態のシール部材４１によれば、変形促進部４３が外向きの凹陥状であることから、シール部材４１が厚み方向（軸方向）に潰されても、外径方向への膨張分が、変形促進部４３内の空間により吸収される。このため、シール部材４１の径方向への突出を防止でき、シール部材４１の外側への拡大を抑制できる。特に、本実施形態では、シール部材４１の外側に六角穴付きボルト４２が配置されていることから、シール部材４１が潰されることにより拡大し、六角穴付きボルト４２に干渉する、といったことを防止できる。

また、本実施形態のように、変形促進部４３を外向きに形成することで、シール部材４１の断面を、縦横比が軸方向に長いものとすることができ、このことによっても、シール部材４１の外径方向への拡大を防止し易くなる。さらに、ターボ分子ポンプ１０においては、稼働中に生じる本体ケーシング１４の内外の圧力差によって、シール部材４１を本体ケーシング１４の軸心側（径方向の中心側）へ吸引する力（負圧）が発生する。シール部材４１にこの軸心側へ吸引する力が働いても、頂部４６ｂ、４７ｂで楔作用を発生し、ターボ分子ポンプ１０内に吸い込まれ難くなるのと同時に、シール性を低下させない効果もある。

さらに、本実施形態においては、シール部材４１が、径方向の外側で周辺部品に接触しない構造となっている。このため、シール部材４１の外周部に「逃げ」となる空隙を確保できる。そして、シール部材４１が大きく潰されて、或る程度径方向の外側に拡大したとしても、シール部材４１が周辺部品に接触することを防止できる。

また、本実施形態のシール部材４１によれば、外径方向へ突出し難いことから、本体ケーシング１４の外径寸法を極力小さくすることができる。そして、本体ケーシング１４の外径を小さくすることにより、周囲の機器との干渉が生じ難くなり、ターボ分子ポンプ１０に係る設置の自由度が高まる。

なお、本発明は上述の実施形態に限定されるものではない。以下では、本発明の他の実施形態に係る真空ポンプのシール部材について説明する。そして、第１実施形態と同様の部分については同一符合を付し、その説明は適宜省略する。

図３（ｂ）は、本発明の第２実施形態に係るシール部材７１を示している。このシール部材７１においては、断面形状に関し、図２（ｂ）や図３（ａ）に示す第１実施形態と比べて、変形促進部４３の上下の角部４３ａ、４３ｂや、シール部４６、４７の頂部４６ｂ、４７ｂが、鋭角化されている。そして、角部４３ａ、４３ｂに関しては、その角度が鋭角となっている。このような鋭角化を行うことにより、部分反発力を高めることができ、吸気側ケーシング１４ａや排気側ケーシング１４ｂとの間の高い接触圧によるシール効果の向上を図ることができる。

図５（ａ）～（ｃ）には、第２実施形態のシール部材７１に係る、変形特性のシミュレーション結果を示している。図５（ａ）～（ｃ）の例では、シール部材７１の内径寸法、外径寸法、高さ（厚さ）寸法、物性値等の各条件は、図４（ａ）～（ｃ）に示す第１実施形態に係るシミュレーション結果と同様に設定されている。さらに、溝深さの条件についても、第１実施形態に係るシミュレーション結果と同様であり、図５（ａ）～（ｃ）の順にＨ１～Ｈ３（Ｈ１＞Ｈ２＞Ｈ３）となっている。

図５（ａ）のシミュレーション結果（溝深さＨ１）においては、領域Ｒ６と領域Ｒ７が現れている。この領域Ｒ６、Ｒ７に係る反発力の大小関係は、Ｒ６＜Ｒ７である。さらに、このシミュレーション結果における部分反発力として算出されたＮ５は、領域Ｒ７内について計算される所定の部分的な反発力であると説明できる。そして、この部分反発力であるＮ５は、第１実施形態に係る図４（ａ）のシミュレーション結果（溝深さＨ１）の部分反発力であるＮ１よりも大きい（Ｎ５＞Ｎ１）。

図５（ｂ）のシミュレーション結果（溝深さＨ２）においては、領域Ｒ６、Ｒ７に加え、領域Ｒ８が現れている。この領域Ｒ６～Ｒ８に係る反発力の大小関係は、Ｒ６＜Ｒ７＜Ｒ８である。また、部分反発力として算出されたＮ６は、領域Ｒ８内について計算される所定の部分的な反発力である。そして、この部分反発力であるＮ６は、第１実施形態に係る図４（ｂ）のシミュレーション結果（溝深さＨ２）の部分反発力であるＮ２よりも大きい（Ｎ６＞Ｎ２）。

図５（ｃ）のシミュレーション結果（溝深さＨ３）においては、領域Ｒ６～Ｒ８に加え、領域Ｒ９と領域１０が現れている。この領域Ｒ６～Ｒ１０に係る反発力の大小関係は、Ｒ６＜Ｒ７＜Ｒ８＜Ｒ９＜Ｒ１０である。また、部分反発力として算出されたＮ７は、領域Ｒ９内について計算される所定の部分的な反発力である。そして、この部分反発力であるＮ７は、第１実施形態に係る図４（ｃ）のシミュレーション結果（溝深さＨ３）の部分反発力であるＮ３よりも大きい（Ｎ７＞Ｎ３）。

これらのシミュレーション結果に表れているように、第２実施形態のシール部材７１を用いた場合には、角部（図２（ｂ）の４３ａ、４３ｂ）の鋭角化によって、部分反発力を高めることができ、高い接触圧による部分的なシール効果の向上を図ることができる。ただし、具体的な説明は省略するが、接触面積（接触長さ）に係るシミュレーション結果は、第２実施形態のように角部（図３（ｂ）の４３ａ、４３ｂ）の鋭角化を行うことにより減少している。

したがって、接触面積（接触長さ）を部分反発力よりも優先したい場合には、第１実施形態に係るシール部材４１を採用し、部分反発力を優先したい場合には第２実施形態に係るシール部材７１を採用する、といった使い分けが可能である。

また、第１実施形態や第２実施形態に限定されず、例えば、図３（ｃ）に示すような第３実施形態に係るシール部材８１を採用することも可能である。図３（ｃ）に示すシール部材８１は、２つの変形促進部８２、８２を有しており、両変形促進部８２、８２は、円弧状の突面８３ａを有する中間部８３により区切られている。そして、中間部８３の突出量は、角部４３ａ、４３ｂよりもシール部材８１の外側に飛び出さない程度に設定されている。また、角部４２ａ、４２ｂや頂部４６ｂ、４７ｂの角度は、第２実施形態に係るシール部材７１と同様とされている。
また、第１実施形態や第２実施形態に限定されず、変形促進部４３を内向きに形成することも可能である。

このようなシール部材８１の断面構造を採用することにより、上下２箇所の変形促進部８２、８２によって、周辺部品（ここでは吸気側ケーシング１４ａと排気側ケーシング１４ｂ）からの圧力による変形を促進することができる。ここで、図３（ｃ）には、第２実施形態に係るシール部材７１と同様に角部４２ａ、４２ｂや頂部４６ｂ、４７ｂの角度を鋭角化しているが、これに限らず、例えば、第１実施形態と同程度になるよう鈍角化を行ってもよい。

なお、本発明は、上述の実施形態や各変形例に限定されず、要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能なものである。

１０ ターボ分子ポンプ（真空ポンプ）
１２ 吸気部
１４ ケーシング本体
１４ａ 吸気側ケーシング（吸気側部品）
１４ｂ 排気側ケーシング（排気側部品）
１７ ターボ分子ポンプ機構部
１８ ネジ溝ポンプ機構部
１９ ステータ翼（固定翼）
２０ ロータ翼（回転翼）
２１ ロータ軸（回転軸）
１６ モータ
４１、７１、８１ シール部材
４１ａ 外周部
４１ｂ 内周部
４３ 変形促進部
４６、４７ シール部
４６ｂ、４７ｂ 頂部
４５ 装着部

Claims (4)

1. ガスの吸気部を有する吸気側部品と、
   前記吸気側部品に組み合される排気側部品と、
   前記吸気側部品に内包され、回転自在に支持された回転軸と、
   前記回転軸を回転させるモータと、
   前記吸気側部品と前記排気側部品とにより厚さ方向に挟み付ける力を受けて弾性変形し、
   前記吸気側部品と前記排気側部品の間の気密性を保つ環状のシール部材と、を備え、
   前記シール部材は、
   外周部に凹陥状に形成された変形促進部と、
   前記力を、前記変形促進部に近付いた偏心位置で受けるシール部と、を有し、
   前記偏心位置は、前記外周部よりも内周側寄りの位置であり、
   前記偏心位置に、前記力の作用点となる山形の頂部が形成され、
   前記変形促進部の深さは、前記頂部から先端部までの水平距離よりも小さいことを特徴とする真空ポンプ。
2. 前記シール部材は、内周部に平面状に形成され、前記吸気側部品及び前記排気側部品のうちのいずれか一方に面接触する装着部を有することを特徴とする請求項１に記載の真空ポンプ。
3. 真空ポンプの吸気側部品と排気側部品とにより厚さ方向に挟み付ける力を受けて弾性変形する環状のシール部材であって、
   外周部に凹陥状に形成された変形促進部と、
   前記力を、前記変形促進部に近付いた偏心位置で受けるシール部と、を有し、
   前記偏心位置は、前記外周部よりも内周側寄りの位置であり、
   前記偏心位置に、前記力の作用点となる山形の頂部が形成され、
   前記変形促進部の深さは、前記頂部から先端部までの水平距離よりも小さいことを特徴とするシール部材。
4. 内周部に平面状に形成され、前記吸気側部品及び前記排気側部品のうちのいずれか一方に面接触する装着部を有することを特徴とする請求項３に記載のシール部材。