JPH04209995A

JPH04209995A - 低真空ポンプの軸受構造

Info

Publication number: JPH04209995A
Application number: JP2338801A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Sugawara; 宏菅原
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 1990-11-30
Filing date: 1990-11-30
Publication date: 1992-07-31

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、半導体製造装置などに使用される低真空ポン
プの軸受構造に関する。

（従来の技術）通常の真空ポンプでは、そのポンプ部を駆動するロータ
シャフトをボールベアリングなどの油潤滑軸受で支持す
るようにしている。

所が、半導体製造装置などに使用されるターボ形などの
低真空ポンプにおいては、そのポンプ部が高速度で駆動
されることから、以上のような軸受構造を採用するとき
には、前記油潤滑軸受の耐久性に問題が生じたり、また
、該軸受に含有される潤滑油が前記ポンプ部の高速駆動
に伴い外部に排出される気体と共に排出されて潤滑性能
を損なうなどの問題も発生する。そこで、以上の低真空
ポンプでは、前記ポンプ部を駆動するロータシャフトの
軸受構造として、非接触式のものが採用されている。

しかして、従来の非接触式の軸受構造は、例えば特開昭
８１−２７７８９６号公報に開示され、かつ、第４図に
示したように、モータ側ハウジング（Ａ）に内装された
モータ（Ｂ）に、ポンプ部（Ｃ）を駆動するロータシャ
フト（Ｄ）を結合させて、このロータシャフト（Ｄ）に
おける前記モータ（Ｂ）の軸方向両側部位に、前記モー
タ側ノ１ウジング（Ａ）側に固定される固定側電磁石（
Ｅ）と、前記ロータシャフト（Ｄ）側に固定されるラジ
アル支持部（Ｆ）とを備え、電気制御系に接続される能
動形のラジアル磁気軸受（Ｇ）（Ｇ）を配設すると共に
、これら各磁気軸受（Ｇ）　　（Ｇ）の上下部位に、そ
れぞれ前記ロータシャフト（Ｄ）の半径方向変位を検出
するラジアルセンサー（Ｈ）（Ｈ）を配設して、該各セ
ンサー（Ｈ）（Ｈ）の検出結果に基づいて前記各磁気軸
受（Ｇ）（Ｇ）の電磁石（Ｅ）を制御することにより、
これら各磁気軸受（Ｇ）（Ｇ）でもって前記ロータシャ
フト（Ｄ）の半径方向２自由度と前記ロータシャフト（
Ｄ）の傾き方向の２自由度との４自由度を拘束するよう
にしている。また、前記モータ側ハウジング（Ａ）の下
部側には、前記ロータシャフト（Ｄ）に固定された円板
（Ｊ）と、この円板（Ｊ）の上下部位に対向状に設けら
れた一対の電磁石（Ｋ）（Ｋ）とから成るスラスト磁気
軸受（Ｌ）を配設すると共に、前記ロータシャフト（Ｄ
）の下部側に、その上下スラスト方向の変位を検出する
スラストセンサー（Ｍ）を配設し、該スラストセンサー
（Ｍ）の検出結果に基づいて前記スラスト磁気軸受（Ｌ
）を制御することにより、前記ロータシャフト（Ｄ）の
上下スラスト方向の１自由度を拘束するようにしている
。そして、前記各ラジアル磁気軸受（Ｇ）（Ｇ）と前記
スラスト磁気軸受（Ｌ）とにより、５自由度を拘束し、
前記ポンプ部（Ｃ）を５軸制御可能に支持し、潤滑軸受
などを使用することなく、非接触状態、つまりオイルフ
リーな状態で支持しているのである（発明が解決しよう
とする課題）　− 所で、以上の軸受構造では、前記ロータシャフト（Ｄ）
をオイルフリーな状態で軸受支持するにあたって、前記
ロータシャフト（Ｄ）のラジアル方向の自由度を拘束す
る一対のラジアル磁気軸受（Ｇ）（Ｇ）と、前記ロータ
シャフト（Ｄ）のスラスト方向の自由度を拘束するスラ
スト磁気軸受（Ｌ）と、これら各磁気軸受（Ｇ）（Ｌ）
を制御するラジアルセンサー（Ｈ）（Ｈ）及びスラスト
センサー（Ｍ）とが必要となり、それだけ部品点数が多
くなってコストアップとなるばかりか、全体寸法の大型
化と重量の増大を招き、また、前記各磁気軸受（Ｇ）（
Ｌ）はそれぞれ電気制御系で制御されることから１、非
常に高価なものとなり、しかも、前記ロータシャフト（
Ｄ）の軸受支持性能は前記電気制御系に依存されるため
、信頼性の点で問題がある。また、前記−真空ポンプを
半導−体製造装置などとして用いる場合には、その製造
プロセスで使用される腐食ガスが、前記ポンプ部（Ｃ）
側から前記モータ側ハウジング（Ａ）内へと流入して、
その内部に配設された各部品を腐食させたりするのを防
止するために、前記ポンプ部（Ｃ）とモータ側ハウジン
グ（Ａ）との間には、別途シール機構を設ける必要もあ
った。

本発明は以上のような問題に鑑みてなしたもので、その
目的は、制御系を最小にできて、全体寸法のコンパクト
化と軽量化及びコストダウンを共に図ることができなか
ら５自由度の拘束ができ信頼性も高くでき、しかも、別
途シール機構を用いたりすることなく、ポンプ部側とモ
ータ側ハウジングとのシールを確実に行うことができる
低真空ポンプの軸受構造を提供することにある。

（課題を解決するための手段）上記目的を達成するために、本発明では、ポンプ部（２
）及び該ポンプ部（２）を駆動するロータシャフト（７
）と、このロータシャフト（７）を駆動するモータ（６
）をもつ駆動部（５）とを備えた低真空ポンプの軸受構
造において、前記駆動部（５）における前記ロータシャ
フト（７）と、前記モータ（６）を支持する静止側部材
（４）との間に、前記ロータシャフト（７）とともに回
転する動圧発生溝（９２）をもつ軸受回転子（９）と、
前記モータ（６）を支持する静止側部材（４）に固定の
軸受固定子（１０）とから成り、前記回転子（９）の回
転で動圧を発生させて、前記ロータシャフト（７）の半
径方向２自由度を拘束する一対の動圧気体軸受（８）（
８）を軸方向に所定間隔を置いて配設すると共に、前記
ロータシャフト（７）の軸方向変位を検出するセンサー
（１７）と、このセンサー（１７）の検出結果に応動す
る電磁石（１３）及び該電磁石（１３）が対向する円板
（１２）とをもつスラスト磁気軸受（１１）を設けたこ
とを特徴とするものである。

（作用）前記ポンプ部（２）を駆動すべく前記ロータシャフト（
７）を回転させるとき、該ロータシャフト（７）に固定
された前記各動圧気体軸受（８）の軸受回転子（９）が
それぞれ一体回転されて、この軸受回転子（９）に形成
した前記動圧発生溝（９２）により、前記軸受回転子（
９）と前記静止側部材（４）に固定された軸受固定子（
１０）との間に動圧が発生し、この動圧でもって前記ロ
ータシャフト（７）の半径方向２自由度が拘束され、ま
た、一対の前記動圧気体軸受（８）（８）により、ロー
タシャフト（７）の傾き方向の２自由度も拘束されるの
であり、また、前記ポンプ部（２）の駆動時には、前記
センサー（１７）の検出結果に基づき前記スラスト磁気
軸受（１１）が作動されて、前記ロータシャフト（７）
のスラスト方向の自由度が拘束されるのである。従って
、前記スラスト磁気軸受（１１）と前記各動圧気体軸受
（８）とで５自由度が拘束され、前記ロータシャフト（
７）、つまり、前記ポンプ部（２）が非接触状態、つま
りオイルフリーな状態に支持される。

以上のように、スラスト方向の軸受のみを磁気軸受とし
、ラジアル方向の軸受は一対の前記動圧気体軸受（８）
（８）を用いているのであるから、従来例のように多く
の電磁石や変位センサーを用いる必要もなく、また、非
常用保護軸受も最小にできるのであって、それだけポン
プ全体をコンパクトにできるし、軽量にでき、かつ、コ
ストダウンが可能となるのである。

しかして、前記動圧気体軸受（８）（８）を用いて前記
ポンプ部（２）及びロータシャフト（７）を非接触状態
に支持できるのは、真空ポンプにおいて前記軸受（８）
（８）を設ける軸受室、即ち、モータを内装するモータ
ハウジングにおける軸受室の内部圧力かはメ大気圧に等
しくなっており、また、真空ポンプの設置方向は、殆ど
が鉛直方向であって、ポンプ部（２）などの重量が前記
動圧気体軸受（８）（８）の負荷とならないし、しかも
、前記ポンプ部（２）の回転時、ラジアル方向に回転運
動による差圧力が生じても、回転速度が速くなるにつれ
て前記動圧気体軸受（８）（８）によるラジアル方向の
軸受剛性も増大できることによるものである。

尚、ポンプ部（２）におけるロータの不都合による遠心
力は、前記ロータに調整穴を設けるなどして、不釣合い
を修正できるのであるから、前記遠心力による影響は排
除できる。

従って、本発明によれば、従来例のように５自由度を、
制御系をもつ能動的磁気軸受で拘束する構造としなくと
も５自由度の拘束が可能となるのである。しかも、前記
動圧気体軸受（８）は、前記軸受固定子（１０）に対す
る前記軸受回転子（９）の回転で、その動圧発生溝（９
２）で動圧を発生させるために、この発生動圧によって
前記ポンプ部（２）と前記駆動部（５）との間をシール
することができるのであり、従って、別途シール機構を
用いたりする必要もなくなり、構造の簡素化が可能とな
る。

（実施例）第１図は、ターボ式の低真空ポンプを示しており、上部
側に半導体製造室などに接続される吸気口（１ａ）を備
えたポンプハウジング（１）に、ポンプ部（２）を内装
すると共に、前記ポンプハウジング（１）の下部側に、
隔壁（３）を介してモータハウジング（４）を配設し、
該モータハウリング（４）内に前記ポンプハウジング（
１）内のポンプ部（２）を駆動する駆動部（５）を設け
ている。

前記ポンプ部（２）は、ジグバーン型ポンプ要素（２Ａ
）と渦流型ポンプ要素（２Ｂ）とを備えた複合式のもの
であって、前記ジグバーン型ポンプ要素（２Ａ）は、螺
旋翼をもつジグバーンロータ（２１）とジグバーンステ
ータ（２２）とを備え、これらステータ（２１）とロー
タ（２２）とを上下２段状に積層して、その対向部間に
気体流路（２３）を設けており、また、前記渦流型ポン
プ要素（２Ｂ）は、外周に多数の羽根（２４ａ）をもっ
た上下３枚の渦流ロータ（２４）と、該各渦流ロータ（
２４）が介装され、前記ジグバーン側気体流路（２３）
に連通ずる３つの環状気体流路（２５）をもった渦流ス
テータ（２６）とを備え、この渦流ステータ（２６）の
各環状気体流路（２５）には、前記渦流ロータ（２４）
の各羽根（２４ａ）と対向状に円環コア（２５ａ）を設
けている。

また、前記隔壁（３）には、外部に開放される排気口（
３１）を形成して、この排気口（３１）を前記渦流ステ
ータ（２６）側の各環状気体流路（２５）のうち最下段
に位置されるものに吐出通路（２７）を介して連通させ
ている。

更に、前記ポンプ部（２）を駆動する前記モータハウジ
ング（４）内の駆動部（５）は、前記モータハウジング
（４）の内壁側に固定されるステータ（６１）とロータ
（６２）とを備えたモータ（６）と、前記ロータ（６２
）に結合した上下方向に延びるロータシャフト（７）、
！：から成り、該ロータシャフト（７）に、前記ポンプ
部（２）を構成する前記ジグバーンロータ（２１）と渦
流ロータ（２４）との中央部に設けたボス部を一体状に
結合して、前記ロータシャフト（７）の回転に伴い前記
各ロータ（２１）（２４）を前記各ステータ（２２）（
２Ｂ）′に対し毎分致方回程度の高速度で回転させるこ
とにより、前記ポンプハウジング（１）の吸気口（１ａ
）から前記各気体流路（２３）（２５）に流入された気
体を減圧しながら、前記吐出通路（２７）から排気口（
３１）へと排出して真空引きを行い、前記吸気口（１ａ
）に接続される半導体製造室などをクリーンな杖態に保
持するようにしている。

しかして、以上の低真空ポンプにおいて、前記モータ（
６）を支持する静止側部材、つまり、第１図の実施例で
は、前記モータ（６）のステータ（６１）を支持する前
記モータハウジング（４）と、前記ロータシャフト（７
）との間で、前記静止側部材（４）の上下部位に、前記
ロータシャフト（７）の半径方向の２自由度を拘束する
一対の動圧気体軸受（８）（８）をそれぞれ配設する。

この各動圧気体軸受（８）は、前記ロータシャフト（７
）に詔ける前記ロータ（６２）の上下部位に所定間隔を
置いて固定されたヘリングボーン式の軸受回転子（９）
と、前記静止側部材（４）の内壁上下部に前記軸受回転
子（９）と対向状に固定された軸受固定子（１０）とか
ら構成される。

前記軸受回転子（９）は、第２図で明らかにしたように
、円柱形杖とされた回転子本体（９１）の上下部位に、
所定の傾斜角（β）が付され、それぞれ逆向き方向に向
けて延びる多数のへリングボーン式動圧発生溝（９２）
をもった一対の溝部（９３）（９３）を形成する。そし
て、斯かる軸受回転子（９）を前記軸受固定子（１０）
に対して高速回転させることにより、前記各溝部（９３
）の互いに逆向きとされた各動圧発生溝（９２）で、前
記軸受回転子（９）と軸受固定子（１０）との上下方向
中間部に気体を強制移送させ、第３図で示したように、
前記軸受回転子（９）と軸受固定子（１０）との間に、
上下方向が低圧で中間部が高圧となる圧力勾配の動圧を
発生させ、この動圧でもって前記ロータシャフト（７）
の半径方向２自由度を拘束して、該ロータシャフト（７
）の軸受支持を行うのである。

前記軸受回転子（９）は、例えばその回転数２０、ＯＯ
Ｏｒｐｍに対し、その回転子本体（９１）の直径をＤと
し、上下方向長さをＬとしたとき、この長さしが前記直
径りと同程度かやや短くなるような寸法に形成するので
あり、また、前記回転子本体（９１）と前記軸受固定子
（１０）の内壁との隙間Ｃｒは１０μｍ程度となし、更
に、前記回転子本体（９１）の各溝部（９３）に形成す
る前記動圧発生溝（９２）は１０本程度（第２図では１
１本）とし、この動圧発生溝（９２）の溝深さＴは１３
μｍ程度とし、該動圧発生溝（９２）の傾斜角βは約２
５度程度となす。また、前記各溝部（９３）の軸方向全
長は、前記回転子本体（９１）の長さＬに対し１／２〜
２／３程度となして、この回転子本体（９１）の上下両
側にそれぞれ形成するのであり、更に、前記動圧発生溝
（９２）と、この動圧発生溝（９２）に隣接して設けら
れる凸部との幅比は、約１．８程度となすのである。

また、前記モータハウジングつまり静止側部材（４）の
下部側には、前記ロータシャフト（７）の上下スラスト
方向の自由度を拘束するスラスト磁気軸受（１１）を配
設するのであって、このスラスト磁気軸受（１１）は、
前記ロータシャフト（７）の下部側に固定された円板（
１２）と、前記静止部材（４）側に前記円板（１２）と
上下対向状に固定された一対の電磁石（１３）（１３）
とから構成され、該各電磁石（１３）は後述するセンサ
ーで制御される。

更に、前記ポンプ部（２）を構成する前記各ロータ（２
１）（２４）のボス部上部側に、断面概略ハツト形状と
された嵌合体（１４）を取付けると共に、この嵌合体（
１４）の内部に、前記ポンプハウジング（１）に固定し
た支持フレーム（１５）の中央下部側から突設される支
持体（１６）を介して前記ロータシャフト（７）の上下
スラスト方向の変位を検出するセンサー（１７）を、前
記嵌合体（１４）の底面と対向杖に取付け、前記ロータ
シャフト（７）の上下スラスト方向への変位時に、前記
嵌合体（１４）の底面と前記センサー（１７）との間の
ギャップを検出して、その検出結果に基づき前記各電磁
石（１３）を制御することにより、前記円板（１２）を
介して前記ロータシャフト（７）の上下スラスト方向の
自由度を拘束させるのである。また、前記嵌合体（１４
）の内部で前記センサー（１７）を支持する支持体（１
６）の外周部には、非常用保護軸受（１８）を設けてい
る。

次に、以上の構成に基づく作用について説明する。

先ず、前記ポンプ部（２）を駆動させて真空引きを行う
べく、前記ロータシャフト（７）を高速回転させるとき
、このロータシャフト（７）に固定された前記各動圧気
体軸受（８）の軸受回転子（９）がそれぞれ一体回転さ
れて、該各軸受回転子（９）に形成した前記動圧発生溝
（９２）により、前記軸受回転子（９）と軸受固定子（
１０）との間に第３図で示したような動圧が発生し、こ
の動圧でもって前記ロータシャフト（７）の半径方向２
自由度が拘束され、また、一対の前記動圧気体軸受（８
）（８）により前記ロータシャフト（７）の傾き方向の
２自由度が拘束される。また、前記ポンプ部（２）の駆
動時には、前記センサー（１７）の検出結果に基づき前
記スラスト磁気軸受（１１）の各電磁石（１３）が動作
し、前記円板（１２）を介して前記ロータシャフト（７
）のスラスト方向の自由度が拘束される。従って、前記
各動圧気体軸受（８）と前記スラスト磁気軸受（１１）
とにより５自由度が拘束され、前記ポンプ部（２）及び
ロータシャフト（７）を５軸制御可能に支持でき、非接
触状態、つまりオイルフリーな状態に支持できるのであ
る。

また、以上の軸受構造では、前記ロータシャフト（７）
の半径方向及び傾き方向の４自由度を、前記各動圧気体
軸受（８）により拘束しているため、従来のラジアル磁
気軸受を用いる場合に比べて、ポンプ全体の寸法をコン
パクト化できると共に、軽量化が可能となりコストダウ
ンが図れるのであり、また信頼性も高くできるのである
。しかも、前記動圧気体軸受（８）は、前記軸受固定子
（１０）に対する前記軸受回転子（９）の回転により、
その動圧発生溝（９２）で動圧を発生させるため、この
動圧発生時に生じる気流によって前記ポンプ部（２）と
前記モータハウジングつまり静止側部材（４）内に設け
た前記駆動部（５）との間をシールできるのであり、従
って、別途シール機構を用いたりする必要もなくなり、
構造の簡素化が可能となる。

尚、前記動圧気体軸受（８）を配設する前記静止側部材
（４）の内部は、前記ポンプ部（２）の各気体流路（２
３）（２５）に対し画成され、前記静止側部材（４）の
内部圧力は大気圧に近いため、前記動圧気体軸受（８）
の作動に伴い大きな動圧が得られるのであり、また、以
上のような低真空ポンプのほとんどは、その設置方向が
垂直方向とされ、前記ポンプ部（２）の重量が前記動圧
気体軸受（８）の負荷とはならないことから、−対の前
記動圧気体軸受（８）（８）の作動で前記ロータシャフ
ト（７）の半径方向及び傾き方向の４自由度を確実に拘
束できるのである。また、前記ポンプ部（２）では前記
各ロータ（２１）（２４）の回転に伴い半径方向の差圧
が発生しても、前記ロータシャフト（７）の回転速度が
高くなるにつれて前記動圧気体軸受（８）によるラジア
ル方向の軸受剛性が増大するために、前記差圧の影響は
無視できるのである。前記各ロータ（２１）（２４）に
左右アンバランスがあるような場合には、その回転に伴
い遠心力が発生して、前記動圧気体軸受（８）に恕影響
を与えるが、前記各ロータ（２１）（２４）の左右アン
バランスは、これら各ロータ（２１）（２４）や前記ロ
ータシャフト（７）の一部に盗み部を設けるなどして簡
単に解消できることから、前記動圧気体軸受（８）の正
確かつ確実な作動が行えるのである。

尚、以上の実施例では、前記ポンプケーシング（１）の
内方上下部に、ジグバーン型ポンプ要素（２人）と渦流
型ポンプ要素（２Ｂ）とを設けた複合型の低真李ポンプ
を示したが、本発明の軸受構造は前記各ポンプ要素の一
方側だけを備えたものや、その他の低真空ポンプに適用
できる。

（発明の効果）以上説明したように、本発明の軸受構造では、ポンプ部
（２）を駆動させる駆動部（５）に設けたロータシャフ
ト（７）と、このロータシャフト（７）の駆動用モータ
（６）を支持する静止側部材（４）との間に、前記ロー
タシャフト（７）と一体回転する動圧発生溝（９２）を
もった軸受回転子（θ）と、前記静止側部材（４）に固
定の軸受固定子（１０）とから成り、前記回転子（９）
の回転で動圧を発生させて、前記ロータシャフト（７）
の半径方向２自由度を拘束する一対の動圧気体軸受（８
）（８）を軸方向に所定間隔を置いて配設すると共に、
前記ロータシャフト（７）の軸方向変位を検出するセン
サー（エフ）と、該センサー（１７）の検出結果に応動
する電磁石（１３）と、この電磁石（１３）が対向する
円板（１２）とをもったスラスト磁気軸受（１１）を設
けたから、スラスト方向の軸受のみを磁気軸受とし、ラ
ジアル方向の軸受は制御系をもつ能動形磁気軸受を用い
る必要がないのであって、それだけポンプ全体寸法のコ
ンパクト化と軽量化及びコストダウンとを共に図ること
ができ、しかも、別途シール機構を用いたりすることな
く、前記ロータシャフト（７）を軸受支持する前記動圧
気体軸受（８）でもって、前記ポンプ部（２）と前記静
止側部材（４）との間のシールを確実に行うことができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の軸受構造を設けたターボ複合型低真空
ポンプの縦断面図、第２図は動圧気体軸受に用いる軸受
回転子を拡大した正面図、第３図は同動圧気体軸受によ
る動圧発生状態を説明する圧力分布図、第４図は従来例
を示す断面図である。（２）・Φ・・・ポンプ部（４）・・・・・静止側部材（５）・Φ・・・駆動部（７）・・・・・ロータシャフト（８）・・・Φ・動圧気体軸受（９）・・・・・軸受回転子（９２）・・・−動圧発生溝（１０）・・・・軸受固定子（１１）・・・・スラスト磁気軸受（１２）・・−・円板（１３）・・・・電磁石（１７）＠・・・センサー

Claims

【特許請求の範囲】

（１）ポンプ部（２）及び該ポンプ部（２）を駆動する
ロータシャフト（７）と、このロータシャフト（７）を
駆動するモータ（６）とをもつ駆動部（５）とを備えた
低真空ポンプの軸受構造であって、前記駆動部（５）に
おける前記ロータシャフト（７）と、前記モータ（６）
を支持する静止側部材（４）との間に、前記ロータシャ
フト（７）とともに回転する動圧発生溝（９２）をもつ
軸受回転子（９）と、前記モータ（６）を支持する静止
側部材（４）に固定の軸受固定子（１０）とから成り、
前記回転子（９）の回転で動圧を発生させて、前記ロー
タシャフト（７）の半径方向２自由度を拘束する一対の
動圧気体軸受（８）（８）を軸方向に所定間隔を置いて
配設すると共に、前記ロータシャフト（７）の軸方向変
位を検出するセンサー（１７）と、このセンサー（１７
）の検出結果に応動する電磁石（１３）及び該電磁石（
１３）が対向する円板（１２）とをもつスラスト磁気軸
受（１１）を設けていることを特徴とする低真空ポンプ
の軸受構造。