JPH10288191A - ポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 モータ７のロータ８及びポンプロータ５が同
一回転軸４上に回転一体に設けられ、かつそのモータ７
により回転駆動されるターボ分子ポンプＡに対して、回
転軸４等の回転系の曲げ共振周波数を高くしてポンプロ
ータ５をより高速で回転させることができるようにし、
ターボ分子ポンプＡの真空性能を向上させる。 【解決手段】 モータ７にスイッチドリラクタンスモー
タ（Switched Reluctannce Motor：ＳＲモータ）を使用
してそのロータ７の全長を短くすることにより、回転軸
４の全長を短くする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、モータによって高
速で回転駆動される真空ポンプ等のポンプに関する技術
分野に属する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、この種のポンプは、例えばモー
タのロータ及びポンプロータが同一回転軸上に回転一体
に設けられており、このモータとしては、通常、ＡＣモ
ータやＤＣモータが使用されている。また、上記回転軸
の両端部には、該回転軸を回転可能に支持する軸受が設
けられている。この軸受としては、ボールベアリング又
は磁気軸受が用いられている。

【０００３】そして、上記ポンプでは、その性能を向上
させるために上記回転軸及びポンプロータを高速で回転
させることが要求されているが、共振現象が生じないよ
うにするために、その定格回転周波数を上記モータや回
転軸等の回転系における曲げ共振周波数よりも低く設定
している。すなわち、ポンプロータをより高速で回転さ
せるには、曲げ共振周波数を出来る限り大きくなるよう
にしておく必要がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記曲げ共振周波数を
高くするための一つの方法として、モータロータ、ポン
プロータ及び回転軸の全長を短くすることが考えられ
る。しかし、従来のポンプでは、それらを短くするのは
限界に達しており、曲げ共振周波数を高くするのは困難
である。特に磁気軸受を使用するものでは、共振現象が
発生しなければ、より高速で安定的に回転軸を回転させ
ることができるものの、回転軸を浮上保持させる電磁
石、回転軸の浮上位置を検出する位置センサ及び回転異
常時に回転軸が上記電磁石等に接触しないようにするた
めのタッチダウンベアリング等が回転軸に沿って必要と
なるので、回転軸の全長がより一層長くなり、曲げ共振
周波数を高くすることはできなくなる。また、ポンプロ
ータ径を大きくしてその周速度を向上させることでポン
プ性能を向上させようとしても、ポンプロータが大きく
なる分、曲げ共振周波数が低下してしまうので、定格回
転周波数を下げる必要があり、その結果、ポンプロータ
の周速度を向上させることはできない。

【０００５】本発明は斯かる諸点に鑑みてなされたもの
であり、その目的とするところは、モータによって回転
駆動されるポンプに対して、そのモータに着目すること
によって、曲げ共振周波数を高くしてポンプロータをよ
り高速で回転させることができるようにし、ポンプ性能
を向上させようとすることにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、この発明では、モータにスイッチドリラクタンス
モータ（Switched Reluctannce Motor：ＳＲモータ）を
使用するようにした。

【０００７】具体的には、請求項１の発明では、図１及
び図２に示すように、モータ（７）によって回転駆動さ
れるポンプを前提とする。

【０００８】そして、上記モータ（７）は、スイッチド
リラクタンスモータからなるものとする。

【０００９】すなわち、ＳＲモータは、ＡＣモータやＤ
Ｃモータと比較して、ロータ（８）の各磁極（８ａ）に
おける円周方向の幅を大きくしてロータ（８）の鉄心部
の長さを短くすることができると共に、ステータ（９）
の巻線が各磁極（９）で完結していてコイルエンド（９
ｂ）を短くすることができる。また、コイルエンド（９
ｂ）が短いので、銅損が少なく、ステータ（９）の各磁
極（９ｂ）を常にＮ極又はＳ極に固定することができる
ので、鉄損も少ない。このため、モータ（７）の効率を
高くすることができる。この結果、ＡＣモータやＤＣモ
ータに対して出力及び外径が同じであれば、ＳＲモータ
の全長を半分程度にすることができる。したがって、モ
ータ（７）のロータ（８）等の回転系の曲げ共振周波数
を高くすることができ、共振現象の発生を防止しつつ、
ポンプをより高速で回転させることができる。よって、
ポンプの性能を向上させることができる。

【００１０】請求項２の発明では、請求項１の発明にお
いて、図１に示すように、モータ（７）のロータ（８）
及びポンプロータ（５）が同一回転軸（４）上に回転一
体に設けられているものとする。

【００１１】このことにより、モータ（７）の性能をＡ
ＣモータやＤＣモータと略同じに維持しつつ、モータ
（７）の全長が短くなる分だけ回転軸（４）の全長を直
に短くして曲げ共振周波数を高くする効果を高めること
ができる。よって、請求項１の発明の作用効果をより助
長することができる。

【００１２】請求項３の発明では、請求項２の発明にお
いて、図１に示すように、回転軸（４）は、磁気軸受
（１１），（１２）により浮上保持されるように構成さ
れているものとする。

【００１３】すなわち、磁気軸受式のポンプでは、回転
軸（４）に沿って配置すべき部品が多くて回転軸（４）
の全長が長くなり、曲げ共振周波数が低くなる傾向にあ
るので、出来る限りその全長を短くすることが要求され
ている。よって、請求項２の発明の有効な利用を図るこ
とができ、ポンプ性能を安定的に向上させることができ
る。

【００１４】請求項４の発明では、請求項１、２又は３
の発明において、図１に示すように、ポンプは真空ポン
プ（Ａ）であるものとする。

【００１５】このことにより、真空ポンプ（Ａ）ではそ
の真空性能をより向上させるために、高速で回転駆動さ
せることが特に要求されている。よって、請求項１、２
又は３の発明の最適な利用を図ることができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。図１は、本発明の実施形態に係る真
空ポンプとしてのターボ分子ポンプ（Ａ）の全体構成を
示している。このターボ分子ポンプ（Ａ）は、例えば半
導体製造時のドライエッチング工程において、その基板
表面に形成されているアルミニウムの金属膜を真空雰囲
気で塩素系ガスを用いてエッチングする際に、その反応
生成物である塩化アルミニウム（ＡｌＣｌ₃ ）のガス分
子を排気するために用いられる。

【００１７】上記ターボ分子ポンプ（Ａ）は、吸気口
（１）及び排気口（２）を有するケーシング（３）と、
このケーシング（３）内に回転可能に設けられかつ上下
方向に延びるように配置された回転軸（４）と、この回
転軸（４）に回転一体に設けられたポンプロータ（５）
とを備えている。このターボ分子ポンプ（Ａ）は、上記
回転軸（４）及びポンプロータ（５）を回転駆動するモ
ータ（７）を内蔵している。

【００１８】上記ケーシング（３）は、上下方向に延び
かつ上下両端が開口された略円筒状の内部ケーシング
（３ａ）と、この内部ケーシング（３ａ）の下端開口縁
に外向きフランジ状に一体に設けられた排気口ケーシン
グ（３ｂ）と、この排気口ケーシング（３ｂ）の下面に
内部ケーシング（３ａ）の下端開口を覆うように設けら
れた底部ケーシング（３ｃ）と、上記排気口ケーシング
（３ｂ）上に上下に重なるように設けられた円筒状の下
部ポンプケーシング（３ｄ）及び上部ポンプケーシング
（３ｅ）と、この上部ポンプケーシング（３ｅ）の上端
開口縁に設けられた吸気口ケーシング（３ｆ）とからな
っている。そして、上記吸気口（１）は吸気口ケーシン
グ（３ｆ）により形成されている一方、排気口（２）
は、排気口ケーシング（３ｂ）に側方（図１の左方）に
向かって開口した状態に形成されている。

【００１９】上記排気口ケーシング（３ｂ）と底部ケー
シング（３ｃ）との間には、回転軸（４）をスラスト方
向（図１の上下方向）において回転可能に浮上保持する
スラスト磁気軸受（１１）が配置されている。この磁気
軸受（１１）は、回転軸（４）の下端部に同心状にかつ
回転一体に設けられた磁性体からなるディスク（１１
ａ）と、このディスク（１１ａ）の上下に近接配置され
た電磁石（１１ｂ），（１１ｂ）とからなっている。一
方、内部ケーシング（３ａ）内の上下２箇所には、各
々、回転軸（４）をラジアル方向において回転可能に浮
上保持するラジアル磁気軸受（１２）が配置されてい
る。各ラジアル磁気軸受（１２）は、回転軸（４）に回
転一体に外嵌合された磁性体からなる円筒部（１２ａ）
と、この円筒部（１２ａ）の外周側に近接配置された電
磁石（１２ｂ）とからなっている。

【００２０】これら両ラジアル磁気軸受（１２），（１
２）間に上記モータ（７）は配置されている。このモー
タ（７）は、電気自動車や二輪車等に使用されているス
イッチドリラクタンスモータ（Switched Reluctannce M
otor：ＳＲモータ）からなる。このモータ（７）は、回
転軸（４）に回転一体に外嵌合されたモータロータ
（８）と、このモータロータ（８）の外周側に配置され
たモータステータ（９）とを有している。尚、上記モー
タ（７）のロータ（８）及びポンプロータ（５）は、同
一の回転軸（４）上に設けられていることになる。

【００２１】上記ロータ（８）及びステータ（９）は、
図２に示すように、それぞれ６極及び８極からなる磁極
（８ａ），（８ａ），…、（９ａ），（９ａ），…を有
し（ステータ（９）はロータ（８）よりも２極多い磁極
を有する）、ＡＣモータやＤＣモータと異なり、共に突
極歯構造をなしている。

【００２２】上記ステータ（９）の各磁極（９ａ）はそ
れぞれ独立の相巻線（９ｂ）を有し、その巻方向は、向
かい合う２つの磁極（９ａ），（９ａ）においてＮ及び
Ｓの逆極となるように互いに逆方向とされている。この
各巻線（９ｂ）の上下両端部であるコイルエンド（９
ｃ），（９ｃ）は、ステータ（９）の上下端からそれぞ
れ上下に突出している。一方、上記ロータ（８）は、相
巻線や永久磁石を有しておらず、鉄心のみからなる。

【００２３】そして、このモータ（７）は、ＶＲ(Varia
bule Reluctannce）形ステッピングモータと同様に、リ
ラクタンストルクのみでロータ（８）が回転するように
なっている。すなわち、このモータ（７）の動作原理を
図３により詳細に説明すると、同図（ａ）に示すよう
に、ロータ（８）及びステータ（９）の各磁極（８
ａ），（９ａ）同士が対面している状態が磁気抵抗が最
も小さくなり、安定点となる。そして、この安定点か
ら、同図（ｂ）に示すように、ロータ（８）に外力を加
えて反時計回り方向にずらそうとすると、時計回り方向
に反抗トルクが現れる。つまり、ロータ（８）及びステ
ータ（９）の磁極（８ａ），（９ａ）が互いにずれる
と、各磁極（８ａ），（９ａ）端部で磁力線（同図に矢
印で示す）が曲り、この磁力線は強い張力を有して短く
真っ直ぐになろうとする（マックスウェルの応力）の
で、時計回り方向にトルクが作用し、ロータ（８）及び
ステータ（９）の各磁極（８ａ），（９ａ）同士が対面
しようとする。このことで、ロータ（８）の円周方向の
位置をエンコーダ（図示せず）で検出してステータ
（９）の向かい合う励磁極（９ａ），（９ａ）を半導体
パワースイッチで順に切り替えることにより、連続して
ロータ（８）は回転するようになっている。尚、図２の
状態では、磁力線（点線で示す）が発生している磁極
（９ａ），（９ａ）が励磁されている。

【００２４】上記回転軸（４）の下端部下方には、該回
転軸（４）のスラスト方向の位置を検出するスラスト位
置センサ（１３）と、回転軸（４）の回転周波数を検出
する回転センサ（１４）とが設けられている。具体的に
は、上記回転軸（２）の下端部にはアキシャルターゲッ
ト（１５）が回転一体に設けられている一方、底部ケー
シング（３ｃ）の回転軸（４）の軸心に対向する位置に
上記位置センサ（１３）が、また軸心から偏心した位置
に上記回転センサ（１４）がそれぞれ配置されている。
そして、上記アキシャルターゲット（１５）の底面は回
転軸（４）の軸心と直交する平面とされており、この底
面とのギャップをスラスト位置センサ（１３）により検
出するようになっている。また、アキシャルターゲット
（１５）の底面における周縁部の互いに１８０°だけず
れた２箇所の位置には、回転周波数検出用の凹部（１５
ａ）がそれぞれ設けられており、これら凹部（１５
ａ），（１５ａ）が回転センサ（１４）上を通過する回
数に基づいて回転軸（４）の回転周波数を検出するよう
になっている。

【００２５】上記スラスト磁気軸受（１１）と、下側の
ラジアル磁気軸受（１２）との間には、回転軸（４）の
下端側のラジアル方向の位置を検出するラジアル位置セ
ンサ（１６）が配置されている。また、上側のラジアル
磁気軸受（１２）の上方には、回転軸（４）の上端側の
ラジアル方向の位置を検出するラジアル位置センサ（１
６）が配置されている。さらに、上記スラスト磁気軸受
（１１）と下側のラジアル位置センサ（１６）との間に
は、回転軸（４）の回転異常時に該回転軸（４）が上記
電磁石（１１ｂ），（１２ｂ）や各位置センサ（１
３），（１６）等に接触しないようにそのスラスト及び
ラジアル浮上方向の移動を規制する２つのタッチダウン
ベアリング（１７），（１７）が配置されている。そし
て、電動モータ（７）と上側のラジアル磁気軸受（１
２）との間には、同様に回転軸（４）のラジアル浮上方
向の移動を規制する１つのタッチダウンベアリング（１
７）が配置されている。

【００２６】上記ポンプロータ（５）は、下端が開口さ
れた有底筒状をなしていて、上記回転軸（４）の上端部
にボルト（１８），（１８），…により回転一体に連結
されている。その外周側の上半部には、各々、半径方向
外方に向かって延びるように設けられた複数の動翼（１
９），（１９），…が軸心方向に多段に配置されてい
る。一方、これら動翼（１９），（１９），…に対向し
て、上部ポンプケーシング（３ｅ）の内周側には、各
々、半径方向内方に向かって延びるように設けられた複
数の静翼（２０），（２０），…が同じく軸心方向に多
段にかつ動翼（１９），（１９），…と交互に位置する
ように配置されている。また、上下に隣接する静翼（２
０），（２０）間にはスペーサ（２１）がそれぞれ介装
されている。そして、これら動翼（１９），（１９），
…及び静翼（２０），（２０），…により、ターボポン
プが構成されている。

【００２７】また、上記ポンプロータ（５）の外周面下
半部は円筒面とされている。一方、この円筒面に対向す
る上記下部ポンプケーシング（３ｄ）の内周には、複数
条のねじ溝（２２），（２２），…が設けられている。
そして、これら円筒面及びねじ溝（２２），（２２），
…により、ねじポンプが構成されている。

【００２８】上記内部ケーシング（３ａ）、排気口ケー
シング（３ｂ）及び下部ポンプケーシング（３ｄ）間に
は、円環状の環状路（２３）が回転軸（４）の周りを巡
るように形成されている。この環状路（２３）は、排気
口ケーシング（３ｂ）に設けられた連通路（２４）によ
り上記排気口（２）に連通している。尚、図１におい
て、（２５）は、上記各磁気軸受（１１），（１２）の
電磁石（１１ｂ），（１２ｂ）、モータ（７）のステー
タ（９）における各磁極（９ａ）の各巻線（９ｂ）及び
各センサ（１３），（１４），（１６）等と、図外の給
電装置及び制御装置とを電気的に接続するためのコネク
タである。

【００２９】したがって、上記実施形態では、ポンプロ
ータ（５）が回転一体に設けられた回転軸（４）に同じ
く回転一体に外嵌合されたロータ（８）を有するモータ
（７）がＳＲモータからなるので、ロータ（８）の各磁
極（８ａ）における円周方向の幅を大きくしてロータ
（８）の長さを短くすることができると共に、ステータ
（９）の各磁極（９ａ）における各巻線（９ｂ）がその
各磁極（９ａ）で完結していて各コイルエンド（９ｃ）
を短くすることができる。また、各コイルエンド（９
ｃ）が短いので、銅損が少なく、ステータ（９）の各磁
極（９ａ）を常にＮ極又はＳ極に固定することができる
ので、鉄損も少ない。このため、モータ（７）の効率を
高くすることができる。この結果、ＡＣモータやＤＣモ
ータに対して出力及び外径が同じであれば、このモータ
（７）の全長を半分程度にすることができる。このこと
で、モータ性能をＡＣモータやＤＣモータと略同じに維
持しつつ、モータ（７）の全長が短くなる分だけ回転軸
（４）の全長を直に短くすることができ、ロータ
（８）、回転軸（４）及びポンプロータ（５）の回転系
の曲げ共振周波数をより一層高くすることができる。よ
って、共振現象の発生を防止しつつ、回転軸（４）をよ
り高速で回転させることができ、ターボ分子ポンプ
（Ａ）の真空性能を向上させることができる。

【００３０】また、回転軸（４）は、スラスト磁気軸受
（１１）及びラジアル磁気軸受（１２）により浮上保持
されるように構成されているので、スラスト磁気軸受
（１１）、スラスト位置センサ（１３）、各ラジアル磁
気軸受（１２）、各ラジアル位置センサ（１６）及び各
タッチダウンベアリング（１７）を回転軸（４）に沿っ
て配置するために回転軸（４）の全長が長くなり、曲げ
共振周波数が低くなる傾向にある。しかし、上記実施形
態では、モータ（７）の全長を短くすることができるの
で、スラスト磁気軸受（１１）及びラジアル磁気軸受
（１２）を使用しても、曲げ共振周波数を低下させるこ
とはなく、各磁気軸受（１１），（１２）により回転軸
（４）の回転を安定させることができる。よって、ター
ボ分子ポンプ（Ａ）の真空性能を安定的に向上させるこ
とができる。

【００３１】尚、上記実施形態では、真空ポンプとして
のターボ分子ポンプ（Ａ）を駆動するモータ（７）をＳ
Ｒモータとしたが、回転系の曲げ共振周波数が問題とな
る程度に高速で回転させる必要のあるポンプであれば、
どのようなポンプにも本発明を適用することができる。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１の発明に
よると、モータによって回転駆動されるポンプに対し
て、そのモータをスイッチドリラクタンスモータとした
ことにより、ポンプ性能の向上化を図ることができる。

【００３３】請求項２の発明によると、モータのロータ
及びポンプロータを同一回転軸上に回転一体に設けたこ
とにより、請求項１の発明の作用効果をより高めること
ができる。

【００３４】請求項３の発明によると、回転軸を、磁気
軸受により浮上保持されるように構成したことにより、
請求項２の発明の有効な利用を図ることができ、ポンプ
性能の安定向上化を図ることができる。

【００３５】請求項４の発明によると、ポンプを真空ポ
ンプとしたことにより、請求項１、２又は３の発明の最
適な利用を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態に係る真空ポンプとしてのタ
ーボ分子ポンプの全体構成を示す断面図である。

【図２】図１のII−II線拡大断面図である。

【図３】モータの動作原理を模式的に示す断面図であ
る。

【符号の説明】

（Ａ） ターボ分子ポンプ（真空ポンプ） （４） 回転軸 （５） ポンプロータ （７） モータ （８） モータロータ （１１） スラスト磁気軸受 （１２） ラジアル磁気軸受

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 モータ（７）によって回転駆動されるポ
   ンプにおいて、 上記モータ（７）は、スイッチドリラクタンスモータか
   らなることを特徴とするポンプ。
2. 【請求項２】 請求項１記載のポンプにおいて、 モータ（７）のロータ（８）及びポンプロータ（５）が
   同一回転軸（４）上に回転一体に設けられていることを
   特徴とするポンプ。
3. 【請求項３】 請求項２記載のポンプにおいて、 回転軸（４）は、磁気軸受（１１），（１２）により浮
   上保持されるように構成されていることを特徴とするポ
   ンプ。
4. 【請求項４】 真空ポンプ（Ａ）であることを特徴とす
   る請求項１、２又は３記載のポンプ。