JP7401305B2 - 真空ポンプ組立体 - Google Patents

Description

本発明は、真空ポンプ組立体に関し、詳細には、このような真空ポンプ組立体内のモーターの配置に関する。

ターボ分子ポンプは、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）及びリソグラフィ装置などの装置を排気するために使用される真空装置の構成要素として使用される場合が多い。

走査型電子顕微鏡の性能は、ターボ分子ポンプから発生した機械的振動及び浮遊磁界の影響を非常に受けやすい。特に、ポンプの回転の結果として時間の経過と共に変化する浮遊磁界は、真空ポンプの周りの装置の作動上の問題を引き起こす場合がある。例えば、浮遊磁界は、電子線又は計器の電気回路と直接干渉することが知られている。

ターボ分子ポンプから発生した浮遊磁界を軽減する手段を提供することが望ましいことになる。

第１の態様は、モーターを備える真空ポンプ組立体を提供する。モーターは、モーター回転子磁石及び固定子を備える。回転子モーター磁石は、真空ポンプ機構を駆動するために軸線周りに固定子に対して回転可能であるように構成されている。モーター回転子磁石は、固定子の軸方向長さの２／３以下の軸方向長さを有する。

第１の態様は、例えば、ターボ分子真空ポンプを含む真空ポンプのための永久磁石モーターのモーター回転子磁石が、モーター回転子磁石がモーター固定子スタックの長さよりも短い寸法とすることができることを認識する。このような構成は、モーター、結果的に真空ポンプから発生する浮遊磁界を軽減するのを助けることができる。

第１の態様は、ターボ分子真空ポンプなどの真空ポンプから発生した浮遊回転磁界を軽減することによって、例えば、磁界の影響を受けやすい科学的計器用途装置において、このような装置を使用できることを認識する。このような計器用途装置としては、例えば、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）などがある。

真空ポンプの典型的な固定子及び回転子モーター構成において、固定子スタック及びモーター磁石は、同等の軸方向長さを有する。このような構成により、磁気材料の効率的な使用が可能になる。典型的には真空ポンプ内で使用される永久磁石電気モーターから発生した可変浮遊磁界の大きさは、一部の真空ポンプ用途において、特にモーター回転子の設計が少ない可変浮遊磁界を実現するように最適化されていない場合には問題になる可能性がある。すなわち、回転子の一部を形成する永久磁石の端部は、時間的に変化する成分を含む電磁界を発生し、電磁界は一般的には良好に遮蔽されていないので「浮遊」とみなすことができる。実際には、一部の典型的な構成において、回転子モーター磁石は、固定子の長さを越えて延びる場合があり、常に時間的に変化する磁場はモーターの作動特性を検知するために使用することができ、例えば、モーターの回転はホールセンサーによって検出することができる。時間的に変化する磁場は、浮遊すること、又は真空ポンプの外側に存在でするように設計することができ、時間的に変化する電磁界は、モーターの外側に浮遊することができ一部の真空ポンプ用途では有害である。

第１の態様は、永久モーター回転子磁石の長さを短くすることによって、回転子磁石の端部で誘導される磁場が、周囲のより長い固定子配置の範囲にとどまることを保証することができることを認識する。換言すると、回転子磁石の端部に発生する磁場は、例えば、固定子が回転子モーター磁石から発生した磁界のより大きな部分を集めるように作用することができるように構成することができ、結果的に浮遊磁界が低減する。第１の態様は、このような構成が、モーターから漏れて真空ポンプ組立体の外側で測定可能な、磁石からの浮遊磁界を低減できることを認識する。

第１の態様は、固定子の軸方向長さの２／３未満の回転子モーター磁石を設けることによって、固定子、従ってモーター及びポンプの外側で遭遇する浮遊磁界を軽減することができることを認識する。

真空ポンプ組立体は、ターボ分子真空ポンプを備えることができる。真空ポンプ組立体は、モーターを備えることができる。モーターは、永久磁石回転子モーターを備えることができる。モーターは、２極モーター磁石構造、４極モーター磁石構造、又は多極永久磁石モーター磁石構造で構成することができる。モーターは、モーター回転子磁石及び固定子を備えることができる。固定子は、積層スタック、焼結固定子、粉末状鉄固定子などを備えることができる。固定子は、巻線をさらに備えることができる。固定子は、積層スタックを備えることができる。固定子は、実質的に円筒形構成とすること、及び回転子モーター磁石と同心とすることができる。回転子モーター磁石は、固定子によって取り囲まれた容積部の中に位置することができる。典型的には、回転子モーター磁石と固定子との間に隙間、例えば空隙を設けることができ、回転子モーター磁石と固定子との間の相対運動が可能となる。回転子モーター磁石は、真空ポンプ機構を駆動するために軸線周りに固定子に対して回転可能であるように構成することができる。回転子モーター磁石は、駆動軸上又は駆動軸内に取り付けることができる。駆動軸は、真空ポンプ機構を駆動することができる。モーター回転子磁石は、固定子の軸方向長さよりも短い軸方向長さを有することができる。モーター回転子磁石は、固定子の軸方向長さの２／３以下の軸方向長さを有することができる。モーター回転子磁石は、積層スタックの軸方向長さの２／３以下の軸方向長さを有することができる。回転子モーター磁石は、粉末状鉄、焼結材料、又は他の同様の成分の軸方向長さの２／３以下の軸方向長さを有することができる。

一部の実施形態において、モーター回転子磁石の軸方向長さは、モーター回転子磁石及び固定子に関連した磁界が固定子によって取り囲まれた容積部の中に実質的に収容されるか又は集められるように選択される。従って、モーター回転子磁石の長さは、固定子が関連の磁界の大部分を「集める」ことができるように選択することができる。換言すると、固定子は、固定子の中に閉じ込められた容積部の外側領域を効果的に遮蔽することができる。

一部の実施形態において、モーター回転子磁石は、所定の巻きターン数を有する固定子に関して、モーター回転子磁石及び固定子によって発生する磁束が、モーター回転子磁石が固定子の軸方向長さに相当する軸方向長さを有する構成と実質的に同一であるように選択された直径を有する。一部の実施形態によれば、固定子巻きターン数と、より短いモーター回転子磁石から発生した磁束との積は、回転子モーター磁石及び固定子が同じ長さを有する構成と比較して実質的に一定のままである。真空ポンプ組立体の中のモーターの全体的寸法は重要である場合があり、簡単に変更できないことを理解されたい。真空ポンプ組立体の中のモーターの全体的性能は重要である場合があることも理解されたい。従って、一部の構成において、モーターの全体的寸法が不変であるように、モーター回転子磁石の寸法決めを行うことができる。換言すると、特定の真空ポンプ組立体に望ましい場合、モーター磁石の動作特性が適切に選択されるという条件下で、同じ巻線の同じ固定子をより短いモーター回転子磁石と一緒に使用して同じ性能を得ることができる。換言すると、異なる磁気強度を有する磁気材料を選択すること、回転子モーター磁石の直径を選択すること、回転子モーター磁石と固定子との間の空隙を選択することなどが可能である。さらに、より短いモーター回転子磁石の寸法及び／又は材料及び／又は形状などの動作特性が適切に選択される場合、モーターの全体的性能は、著しく変わらないであろう。このような構成は、例えば、モーター回転子磁石を短くするが幅を広げることで実現することができる。回転子モーター磁石の幅を広げることができる範囲は、固定子の内径、シャフト機械的強度、及び／又は可撓性などによって制限され得ることを理解されたい。固定子と回転子モーター磁石との間の滑らかな相対移動を可能にするように、その間の隙間を維持する必要がある。

同じ磁気材料が使用されるという条件下で、一部の実施形態において、回転子モーター磁石の全体容積は、固定子の長さに相当する長さを有する回転子モーター磁石と比較すると一定のままである。性能を維持しながらモーター回転子磁石を短くすることができる範囲は、特に特定の物理的寸法を有しかつ特定の巻きターン数を使用する固定子を維持することが望ましい場合には、固定子の寸法によって制限される可能性があることを理解されたい。固定子の動作特性は、真空ポンプモーターの動作を維持する試みで調整することができることも理解されたい。特に所望の性能又は所望の物理的寸法を実現するために、固定子材料又は巻きターン数を変更することができる。

一部の実施形態において、モーター回転子磁石は、固定子の軸方向長さの１／３～２／３の軸方向長さを有する。一部の実施形態において、モーター回転子磁石は、固定子の軸方向長さの２／５～３／５の軸方向長さを有する。一部の実施形態において、モーター回転子磁石は、前記固定子の軸方向長さの半分の領域での軸方向長さを有する。実験的に、回転子モーター磁石が固定子よりもほぼ３０％短い場合に効果を評価でき、回転子モーター磁石が固定子よりもほぼ５０％短い場合に効果が著しいことが見出されている。

一部の実施形態において、モーター回転子磁石は、固定子の中に実質的に長手方向に対称的に配置される。回転子モーター磁石を中央に配置することによって、真空ポンプ組立体の中の浮遊磁界を軽減するのを助けることができる。回転子モーター磁石を固定子の一端又は他端の方に位置決めすることによって、固定子の反対側の領域における浮遊磁界の軽減を助長することができる。

固定子及び回転子磁石の物理的構成は、様々な形態をとり得ることを理解されたい。一部の実施形態において、例えば、モーター回転子磁石は、実質的に円柱形の磁石で構成することができる。その円筒形磁石は、実質的に円形の断面を有することができる。一部の実施形態において、このようなモーター回転子磁石は、モーターシャフト上の適切な軸方向位置に取り付けることができる。シャフトは、例えば、このようなモーター回転子磁石を受け入れるように構成された適切な凹部又は穴を備えることができる。一部の実施形態において、回転子モーター磁石は、適切な凹部又は穴の中に接着するか又は他の方法で付着することができる。

一部の実施形態において、例えば、モーター回転子磁石は、実質的に円柱形の磁石で構成することができる。その円柱形磁石は、実質的に円形の断面を有することができる。その円柱形磁石は、中空部分を備えること又は略管状の磁石を備えることができる。一部の実施形態において、このようなモーター回転子磁石は、モーターシャフト上の適切な位置に取り付けることができる。磁石は、例えば、回転子のシャフト上の所定位置に取り付ける、付着する、接着する、又は圧入する（ｓｈｒｕｎｋ）ことができる。

一部の実施形態において、モーター回転子磁石は、円柱形磁石を備える。一部の実施形態において、円柱形磁石は、真空ポンプシャフト上に設けられた凹部の中に取り付けられる。一部の実施形態において、モーター回転子磁石は、実質的に管状の円柱形磁石を備える。一部の実施形態において、実質的に管状の円柱形部分は、真空ポンプシャフトの外側上に取り付けられる。このような構成は、回転子モーター磁石の外径を取り囲むように構成された保持スリーブ、例えば、炭素繊維スリーブをさらに備えることができる。このようなスリーブは、回転時の磁石の分散、従って、遠心応力及び変形歪力にさらされるのを軽減するのに役立つことができる。

さらなる特定の及び好ましい態様は、添付の独立及び従属クレームで提示される。従属クレームの特徴部は、必要に応じて独立クレームの特徴部と組み合わせることができ、それ以外の組み合わせはクレームに明示的に提示されている。

装置特徴部が機能を提供するように作動可能であると説明されている場合、このことは、その機能を提供する、又はその機能を提供するようになっている又はそのように構成された装置特徴部を含むことを理解されたい。

本発明の実施形態は、添付の図面を参照して以下に詳細に説明される。

典型的な真空ポンプの主要構成要素の一部の１つの例示的な構成の概略図である。 １つの可能性のある回転子モーター磁石及び固定子構成を概略的に示す。 本発明の態様及び実施形態による１つの可能性のある回転子モーター磁石及び固定子構成を概略的に示す。

実施形態をさらに詳細に説明する前に、最初に概要を示す。

図１を参照すると、真空ポンプ１０の実施例が示されている。真空ポンプは、シャフト１４によって回転するように取り付けられた真空ポンプ機構１２と、シャフトを回転させるブラシレスモーター１６とを備える。真空ポンプ機構１２は、ターボポンプ機構１８を備える。ターボポンプ機構は、複数のポンプ段を備える。真空ポンプ機構は、少なくとも１つのポンプ段を含む分子ドラッグポンプ機構２０をさらに備える。シャフト１４は、適切な軸受２２で回転支持される。

真空ポンプ機構１２は、任意の１又は２以上の形式の適切なターボ分子ポンプ機構、例えば、ターボ、Ｇａｅｄｅ、Ｓｉｅｇｂａｈｎ又はＨｏｌｗｅｃｋ形式機構を備えることができる。図１は、ターボ及びＳｉｅｇｂａｈｎ機構が使用される実施例を示す。

真空ポンプ機構は、高速での、典型的には少なくとも２０，０００ｒｐｍ、一般的には約３６，０００～９０，０００ｒｐｍの高速回転を必要とする。このような高速回転は、ポンプ入口の約１ｘ１０^-10Ｔｏｒｒからポンプの出口の１Ｔｏｒｒの圧力に圧縮を行うために必要である。従って、真空ポンプは、超高速ポンプと見なされる。

図１に示す実施例において、モーター１６は、シャフト１４に対して固定された永久磁石回転子２４を備える。モーターは、ポンプハウジング２８に対して固定された固定子２６をさらに備える。

モーター制御手段３０が設けられており、これは、ポンプ機構１２を駆動するために回転子が固定子に対して回転できるように、回転子２４及び固定子２６の相対位置に応じて回転子コイル及び固定子コイルを制御するように動作する。

様々な真空ポンプモーター組立体構成が可能であることを理解されたい。特に、所定の真空ポンプ構成の仕様内で、構成要素は、様々な形態をとり得ることを理解されたい。例えば、回転子モーター磁石は、図１に示すような実質的に管状構成とすること、又はシャフト１４に設けられた適切な凹部に収容された中実永久磁石を備えることができる。

図２ａは、図１に示す構成などの典型的な真空ポンプ組立体における１つの可能性のある回転子モーター磁石２４及び固定子２６の構成を概略的に示す。図２ａに示すように、真空ポンプ組立体の一部が例示されている。この構成において、ポンプモーターは、円筒形固定子スタック２６内に配置された中実回転子モーター磁石２４を備える。モーター磁石２４は、積層スタックよりも長いので、モーターの回転に関する情報をモーター制御装置に供給するように設けられたホールセンサーを作動させることができる。図２ａではモーター磁石と固定子スタックとの間の磁束の表示は概略的に示されている。モーター回転子磁石の最上部は（図２ａに示すような）、取り囲む固定子積層スタック２６の最上部を越えて延びていることが分かる。また、磁界は、固定子積層スタック２６が取り囲む容積部の外側に有意に延びている。図示の構成において、モーター回転子磁石の最下部は、固定子積層スタックが取り囲む容積部の外側に有意に延びてはいないが、磁界は、容積部の外側に有意に延びていることも分かる。結果として、モーターの外側で浮遊磁界に遭遇する場合があり、真空ポンプ組立体は、磁気妨害の影響を受けやすい科学的装置又は製造装置で使用するには不適当な場合がある。

図２ｂは、図１に示す構成などの典型的な真空ポンプ組立体において使用される、本発明の態様及び実施形態による１つの可能性のある回転子モーター磁石２４及び固定子２６の構成を概略的に示す。図１及び図２ａに示すものと同様の真空ポンプ組立体で使用するために、固定子積層スタック２６の寸法は、実質的に固定とすることができることが分かる。それにもかかわらず、図２ｂは、浮遊磁界（固定子積層スタック２６によって取り囲まれた容積部の外側の磁場）を軽減することができる回転子モーター磁石構成を概略的に示す。

２ｂ図に示す構成において、モーター回転子磁石は、固定子積層スタックよりも短い。概略的な磁束線から、このような構成が、浮遊磁界を軽減するのを助けることができることが分かる。図２ｂの構成において、より長いモーター回転子磁石と比較して、モーター回転子磁石の寸法は、モーターの作動が維持されるように選択することができることを理解されたい。特に、モーター回転子磁石２４は短いが、モーター回転子磁石２４は幅が広く、空隙がより小さく、図２ａに示す構成と比較して、モーター回転子磁石から発生した磁束と積層スタック巻きターンとの積は維持される。

固定長積層スタック及び可変長円柱形回転子モーター磁石を用いて高速（１５００Ｈｚ）で行った試験は、以下の表に示すように、回転子モーター磁石長さを短くすると、電動モーター平面の近くで測定した、ポンプ組立体から２００ｍｍでの最大測定浮遊磁界の有意な低減を実現することができることを示す。

本発明の例示の実施形態は、添付の図面を参照して本明細書で詳細に開示されているが、本発明は、正確な実施形態に限定されず、種々の変更を修正は、添付の特許請求の範囲及びこれらの均等手段によって定めるように、本発明の範囲から逸脱することなく当業者によってその中で達成することができることは理解される。

１０ ターボ分子真空ポンプ
１２ 真空ポンプ機構
１４ シャフト
１６ ブラシレスモーター
１８ ターボポンプ機構
２０ 分子ドラッグポンプ機構
２２ 軸受
２４ （モーターの）永久磁石回転子
２６ （モーターの）固定子
２８ ポンプハウジング
３０ モーター制御装置

Claims (6)

1. モーターを備える真空ポンプ組立体であって、前記モーターは、
   モーター回転子磁石及び固定子を備え、
   前記モーター回転子磁石は、真空ポンプ機構を駆動するために軸線周りに前記固定子に対して回転可能であるように構成されており、
   前記モーター回転子磁石の軸方向長さは、前記固定子の軸方向長さの２／３以下であり、
   前記モーター回転子磁石は、真空ポンプシャフト上に設けられた凹部の中に取り付けられた円柱形磁石を備え、
   所定の固定子に関して、前記モーター回転子磁石は、前記モーター回転子磁石の間の磁束と前記固定子の巻きターンとの積が、前記モーター回転子磁石が前記固定子に相当する軸方向長さを有する構成と実質的同一であるように選択された直径を有する、真空ポンプ組立体。
2. 前記モーター回転子磁石の軸方向長さは、前記モーター回転子磁石及び固定子の回転に関連した可変磁界が前記固定子によって取り囲まれた容積部内に実質的に収容されるように選択される、請求項１に記載の真空ポンプ組立体。
3. 前記モーター回転子磁石は、前記固定子の軸方向長さの１／３～２／３の軸方向長さを有する、請求項１又は２に記載の真空ポンプ組立体。
4. 前記モーター回転子磁石は、前記固定子の軸方向長さの２／５～３／５の軸方向長さを有する、請求項１から３のいずれかに記載の真空ポンプ組立体。
5. 前記モーター回転子磁石は、前記固定子の軸方向長さの半分の軸方向長さを有する、請求項１から４のいずれかに記載の真空ポンプ組立体。
6. 前記モーター回転子磁石は、前記固定子の中で実質的に長手方向に対称的に配置される、請求項１から５のいずれかに記載の真空ポンプ組立体。

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