KR20220032527A

KR20220032527A - 진공 펌프, 로터 및 와셔

Info

Publication number: KR20220032527A
Application number: KR1020217042045A
Authority: KR
Inventors: 가쓰히사 요코즈카; 요시노부 오타치; 야스시 마에지마; 쓰토무 다카아다
Original assignee: 에드워즈 가부시키가이샤
Priority date: 2019-07-12
Filing date: 2020-07-03
Publication date: 2022-03-15
Also published as: WO2021010196A1; EP3998407A4; JP2021014834A; EP3998407A1; US20220268289A1; CN114026333A; US11946482B2

Abstract

[과제] 로터의 진동을 저감할 수 있는 진공 펌프 및 와셔, 및, 진동을 저감할 수 있는 로터를 제공한다. [해결 수단] z축 둘레의 관성 모멘트와 x축 또는 y축 둘레의 관성 모멘트의 비인 관성 모멘트비가 1보다 클 때에는, 고유 진동수 ω₂는, 회전 주파수 Ω_z와 일치하는 일은 없고, 멀어져 간다. 고유 진동수 ω₂가 회전 주파수 Ω_z와 일치하고 있으면, 로터가 진동하고, 더 나아가서는 회전 날개의 피로 파괴가 발생하게 된다. 로터를 회전축의 반경 방향으로 크게 하는 경우에는, 관성 모멘트비의 값을 1보다 큰 값으로 한다.

Description

진공 펌프, 로터 및 와셔

본 발명은, 진공 펌프, 로터 및 와셔에 관한 것이며, 특히, 로터의 밸런스 잡기를 행하는 기술에 관한 것이다.

예를 들면, 반도체를 제조하는 반도체 제조 장치에서는, 그 진공실 내에 웨이퍼가 재치(載置)되고, 프로세스 가스를 유입시킴으로써, 웨이퍼 상에 여러 가지의 피막이 형성된다. 이 진공실에는, 게이트 밸브를 통해, 진공 펌프의 일종인 터보 분자 펌프가 고정되고, 이 터보 분자 펌프의 배기구 측에는, 터보 분자 펌프 내를 어느 정도의 진공 상태로 유지하기 위한 드라이 진공 펌프가, 배관을 통해 접속되어 있다. 그리고, 이 드라이 진공 펌프의 배기구 측에는, 진공실로부터 이송되어 온 프로세스 가스를 무해화 처리하는 제해 장치가, 배관을 통해 접속되어 있다.

근년, 반도체 제조 장치는, 웨이퍼 사이즈의 대형화에 따르는 진공실의 대형화 등의 이유에 의해, 진공실 내의 대량의 프로세스 가스를 배기할 수 있는 대유량형의 터보 분자 펌프를 필요로 하는 것이 예상되고 있다.

터보 분자 펌프에서는, 진공실 내를 고진공 상태로 하기 위해서, 로터를 고속으로 회전시킨다. 로터의 외주면에 설치된 회전 날개가, 흡기구로부터 흡입된 프로세스 가스의 분자를 하류 측으로 향하도록 두드리고, 이 두드려진 분자는, 로터의 회전축의 축심 방향에 있어서 번갈아 배치된 고정 날개와 회전 날개에 부딪치면서 더 하류 측으로 향하여, 배기구로부터 프로세스 가스가 배기된다. 또한, 로터의 회전축은, 반경 방향 및 축 방향으로 자기 베어링에 의해서 부상 지지된다.

터보 분자 펌프에서는, 고속으로 회전시키는 로터의 밸런스 잡기를 행할 필요가 있다. 이 밸런스 잡기를 위해서, 로터의 제조 공정에 있어서, 일부를 제거 가공하거나, 일부에 추를 장착하거나, 특허 문헌 1에 개시된 바와 같이 로터를 회전축에 고정하는 볼트에 추를 장착하는 기술이 있다.

일본국 특허 제4934089호 공보

그러나, 상술한 진공 펌프의 일종인 터보 분자 펌프에 있어서의 로터의 밸런스 잡기만으로는, 로터의 불균형이 완전하게는 수정되지 않고, 로터는 약간 불균형을 가지고 있다. 이 로터의 중심은 회전축의 축심 상으로부터 빗겨난 위치에 있기 때문에, 중심에 원심력이 작용하여, 로터는 회전축의 회전 주파수로 흔들려, 진동한다. 회전축의 회전 주파수에 의해서는 로터에 공진이 유발되어, 로터가 크게 진동하기 때문에, 자기 베어링이 로터를 부상 지지하는 것이 곤란해짐과 더불어, 회전 날개가 계속 진동하여 응력의 변동이 반복됨으로써 피로 파괴될 우려가 생긴다는 문제가 있었다.

본 발명은, 상기 실정을 감안하여 이루어진 것이며, 로터의 진동을 저감할 수 있는 진공 펌프 및 와셔, 및, 진동을 저감할 수 있는 로터를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 제1의 관점에 따른 진공 펌프는,

흡기구와 배기구를 갖는 케이싱과,

회전축을 갖는 로터와,

상기 회전축을 회전 가능하게 지지하는 자기 베어링과,

상기 회전축을 회전 구동하는 모터를 구비하고,

상기 로터가 회전함으로써, 상기 흡기구로부터 흡입한 기체를 상기 배기구로 이송하는 진공 펌프로서,

하기 식 (1)로 나타내어지는 γ의 값이, 1보다 큰 것을 특징으로 한다.

γ=J_z/J …(1)

단, 상기 식 (1)에 있어서, J_z는 상기 로터의 상기 회전축의 축심 둘레의 관성 모멘트이며, J는 상기 로터의 상기 회전축의 축심과 직교하는 축 둘레의 관성 모멘트이다.

상기의 진공 펌프에 있어서,

상기 로터는, 외주면에 형성된 복수의 회전 날개를 갖고,

상기 케이싱 내에 설치됨과 더불어 상기 회전축의 축심 방향으로 상기 회전 날개와 번갈아 배치된 복수의 고정 날개를 갖는 터보 분자 펌프이도록 해도 된다.

상기의 진공 펌프에 있어서,

상기 로터는, 상기 회전 날개로부터 상기 기체가 이송되는 하류 측에, 상기 회전축의 축심을 중심으로 하는 원통부를 갖고,

상기 케이싱 내에 설치되고, 상기 원통부에 대향하여 내주면에 형성된 나사 홈을 갖는 스페이서를 구비하도록 해도 된다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 제2의 관점에 따른 로터는,

흡기구와 배기구를 갖는 케이싱과,

회전축을 회전 가능하게 지지하는 자기 베어링과,

상기 회전축을 회전 구동하는 모터를 구비한 진공 펌프에 이용되고,

상기 케이싱 내에 수용됨과 더불어, 상기 회전축을 갖고,

회전함으로써, 상기 흡기구로부터 흡입한 기체를 상기 배기구로 이송하는 로터로서,

γ=J_z/J …(1)

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 제3의 관점에 따른 진공 펌프는,

흡기구와 배기구를 갖는 케이싱과,

회전축과 상기 회전축의 축심을 중심으로 하는 원반 형상의 와셔를 갖는 로터와,

상기 회전축을 회전 가능하게 지지하는 자기 베어링과,

상기 회전축을 회전 구동하는 모터를 구비하고,

상기 와셔의 두께를 조정함으로써, 하기 식 (1)로 나타내어지는 γ의 값을 조정 가능한 것을 특징으로 한다.

γ=J_z/J …(1)

상기의 진공 펌프에 있어서,

소정의 두께인 상기 와셔를 기준으로 하여,

상기 와셔의 두께를 두껍게 함으로써, 상기식 (1)로 나타내어지는 γ의 값을 작게 하거나, 또는, 상기 와셔의 두께를 얇게 함으로써, 상기식 (1)로 나타내어지는 γ의 값을 크게 함으로써, 상기 로터의 정상(定常) 회전 시의 흔들림을 작게 하도록 해도 된다.

상기의 진공 펌프에 있어서,

상기 로터의 정상 회전 시의 흔들림을 80μm보다 작게 하도록 해도 된다.

상기의 진공 펌프에 있어서,

상기 와셔의 두께는, 상기식 (1)로 나타내어지는 γ의 값이 1보다 커지도록 조정되도록 해도 된다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 제4의 관점에 따른 로터는,

흡기구와 배기구를 갖는 케이싱과,

회전축을 회전 가능하게 지지하는 자기 베어링과,

상기 케이싱 내에 수용됨과 더불어, 상기 회전축과 상기 회전축의 축심을 중심으로 하는 원반 형상의 와셔를 갖고,

γ=J_z/J …(1)

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 제5의 관점에 따른 와셔는,

흡기구와 배기구를 갖는 케이싱과, 회전축을 갖는 로터와, 상기 회전축을 회전 가능하게 지지하는 자기 베어링과, 상기 회전축을 회전 구동하는 모터를 구비하고, 상기 로터가 회전함으로써, 상기 흡기구로부터 흡입한 기체를 상기 배기구로 이송하는 진공 펌프에 이용되고, 상기 회전축의 축심을 중심으로 하는 원반 형상이며,

상기 로터에 가져지는 와셔로서,

두께를 조정함으로써, 하기 식 (1)로 나타내어지는 γ의 값을 조정 가능한 것을 특징으로 한다.

γ=J_z/J …(1)

본 발명에 의하면, 로터의 진동을 저감 가능한 진공 펌프 및 와셔를 제공할 수 있다. 또, 본 발명에 의하면, 진동을 저감 가능한 로터를 제공할 수 있다.

도 1은, (A)는 본 발명의 실시형태에 따른 두께가 비교적 얇은 와셔를 갖는 진공 펌프의 구성을 나타낸 종단면도이고, (B)는 본 발명의 실시형태에 따른 두께가 비교적 중간 정도인 와셔를 갖는 진공 펌프의 구성을 나타낸 종단면도이며, (C)는 본 발명의 실시형태에 따른 두께가 비교적 두꺼운 와셔를 갖는 진공 펌프의 구성을 나타낸 종단면도이다.
도 2는, (A)는 도 1 (A) 중의 A부의 확대도이고, (B)는 도 1 (B) 중의 A부의 확대도이며, (C)는 도 1 (C) 중의 A부의 확대도이다.
도 3은, 회전축의 위치와 위치 센서 검출값의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 4는, 전자석에 흐르는 전류값과 자기 베어링의 전자석이 회전축에 작용시키는 자기 흡인력의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 5는, 로터의 관성 모멘트비 γ가 1보다 작은 경우에 있어서의 회전축의 회전 주파수와 로터의 고유 진동수의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 6은, 로터의 관성 모멘트비 γ가 1과 동일한 경우에 있어서의 회전축의 회전 주파수와 로터의 고유 진동수의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 7은, 로터의 관성 모멘트비 γ가 1보다 큰 경우에 있어서의 회전축의 회전 주파수와 로터의 고유 진동수의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 8은, 로터의 각 관성 모멘트비 γ에 있어서의 회전축의 회전수와(로터의 고유 진동수-회전축의 회전 주파수)/회전축의 회전 주파수의 관계를 나타낸 그래프이다.

본 발명의 실시형태에 따른 진공 펌프, 로터 및 와셔에 대해서, 이하 도면을 참조하여 설명한다. 진공 펌프(1)는 터보 분자 펌프이며, 도 1에 나타내는 바와 같이, 외통부(11)와, 외통부(11)가 고정된 베이스부(12)와, 외통부(11)와 베이스부(12)에 의해 구성되는 케이싱(10) 내에 회전 가능하게 수용된 로터(2)를 갖는다. 외통부(11)의 도 1에 있어서의 상측은 개구되어 가스(기체)의 흡기구(11a)를 구성하고 있고, 베이스부(12)의 도 1에 있어서의 하측의 측면에는 가스의 배기구(12a)가 형성되어 있다. 외통부(11)의 흡기구(11a) 측에는 플랜지부(11b)가 형성되어 있으며, 이 플랜지부(11b)를 예를 들면 반도체 제조 장치의 진공실에 고정함으로써, 흡기구(11a)를 통해 진공실 내의 가스를 배기시키는 것이 가능하게 된다.

로터(2)는, 로터 본체(20)와, 회전축(3)과, 와셔(7)를 갖는다. 회전축(3)은, 로터(2)를 회전시키기 위해서 케이싱(10) 내에 회전 가능하게 지지되어 있다. 로터 본체(20)의 도 1에 있어서의 상측의 외주면에는, 복수의 소정의 각도로 경사진 블레이드 형상의 회전 날개(21)가 일체 형성되어 있다. 회전 날개(21)는, 로터(2)의 회전축(3)의 축심에 대해서 방사상으로 설치됨과 더불어 로터(2)의 회전축(3)의 축심 방향으로 다단으로 설치된다. 각 단의 회전 날개(21)의 사이에는, 고정 날개(4)가 설치되고, 회전 날개(21)와 고정 날개(4)는 로터(2)의 회전축(3)의 축심 방향으로 번갈아 배치된다. 고정 날개(4)도 소정의 각도로 경사진 블레이드 형상으로 복수 형성된다. 외주단이 외통부(11) 내에 단쌓기 된 복수의 링 형상의 고정 날개용 스페이서(5)의 사이에 협지됨으로써 고정 날개(4)는 회전 날개(21)의 사이에 방사상 또한 다단으로 배치된다.

가장 하류 측에 배치된 고정 날개용 스페이서(5)와 베이스부(12) 사이에는, 나사 스페이서(6)가 형성되어 있다. 나사 스페이서(6)는 원통 형상으로 형성되어 있고, 내주면에 나선형의 나사 홈(6a)이 형성되어 있다. 로터 본체(20)의 도 1에 있어서의 하측(가스가 이송되는 하류 측)에는 회전축(3)의 축심을 중심으로 하는 원통부(22)가 형성되어 있고, 원통부(22)의 외주면과 나사 스페이서(6)의 나사 홈(6a)이 형성된 내주면과는 근접하여 대향하도록 배치되어 있다. 원통부(22)의 외주면과 나사 스페이서(6)의 나사 홈(6a)으로 구획된 공간은 배기구(12a)와 연통하고 있다.

와셔(7(7a, 7b, 7c))는 회전축(3)의 축심을 중심으로 하는 원반 형상으로 형성되어 있다. 와셔(7a, 7b, 7c)는 각각 두께가 상이하며, 후술하는 바와 같이, 와셔의 두께를 조정함으로써, 로터(2)의 진동을 저감하는 것이 본 발명의 특징 중 하나이다. 와셔(7a, 7b, 7c)에는, 도 2에 나타내는 바와 같이, 회전축(3)을 삽입 통과하는 회전축용 삽입 통과 구멍(7d)이 중앙에 형성되고, 로터 본체(20)를 회전축(3)에 고정하기 위한 볼트(71)를 삽입 통과시키는 볼트용 삽입 통과 구멍(7e)과, 로터(2)의 밸런스 잡기를 위한 도시하지 않은 나사를 삽입 통과시키기 위한 나사용 삽입 통과 구멍(7f)이 방사상으로 형성되어 있다.

회전축(3)의 도 1에 있어서의 상부를 로터 본체(20)에 형성된 회전축용 삽입 통과 구멍(20a) 및 와셔(7a, 7b, 7c)에 형성된 회전축용 삽입 통과 구멍(7d)에 삽입 통과시킨 후, 볼트(71)를 볼트용 삽입 통과 구멍(7e)에 삽입 통과시켜, 로터 본체(20) 및 회전축(3)에 나사식 부착함으로써, 로터 본체(20)는 회전축(3)에 고정된다. 이 때, 와셔(7a, 7b, 7c)도 로터 본체(20)와 더불어 회전축(3)에 고정된다.

진공 펌프(1)에서는, 로터(2)를 고속으로 회전시키면, 회전 날개(21)가 흡기구(11a)로부터 흡입된 가스의 분자를 하류 측으로 향하도록 두드리고, 두드려진 가스의 분자는 번갈아 배치된 고정 날개(4)에 충돌하여 하방으로 향하고, 또한 다음 단의 회전 날개(21)에 두드려져 하류 측으로 향하며, 회전 날개(21) 및 고정 날개(4)의 최하단까지 순차적으로 이 동작을 반복하여 나사 스페이서(6)로 보내진 가스는, 나사 홈(6a)에 안내되면서 배기구(12a)로 보내져, 배기구(12a)로부터 가스가 배기된다.

회전축(3)의 도 1에 있어서의 상측 및 하측(가스가 흐르는 상류 측 및 하류 측) 부근에는, 보호 베어링(31)이 배치되어 있다. 보호 베어링(31)은 이상 시에 후술하는 반경 방향 자기 베어링(33), 축 방향 자기 베어링(34)이 제어 불가능하게 되었을 경우 등에, 회전축(3)과 접촉하여 지지함으로써 진공 펌프(1)가 파손되는 것을 방지한다. 보호 베어링(31)과 회전축(3)의 간극은, 최소로 반경 방향으로 합계 50~100μm 정도로 설계된다.

회전축(3)은, 직류 브러시리스 모터(32)에 의해서 회전 구동된다. 두 개의 반경 방향 자기 베어링(33)이 반경 방향에 있어서 회전축(3)을 지지하고, 축 방향 자기 베어링(34)이 축 방향에 있어서 회전축(3)을 지지한다. 2개의 반경 방향 자기 베어링(33)은, 모터(32)를 사이에 두고 배치된다. 회전축(3)은, 이들 반경 방향 자기 베어링(33) 및 축 방향 자기 베어링(34)에 의해서 부상 지지되어 있다.

2개의 반경 방향 자기 베어링(33)은, 회전축(3)에 자기 흡인력을 작용시키는 4개의 전자석(33a)을 각각 가지고 있고, 4개의 전자석(33a)은, 회전축(3)의 축심과 직교하며, 서로 직교하는 2개의 좌표축 상에, 회전축(3)을 사이에 두고 각각 2개 배치된다. 또한, 2개의 반경 방향 자기 베어링(33)은, 회전축(3)의 반경 방향 위치를 검출하는 인덕턴스식 또는 와전류식의 4개의 위치 센서(33b)를 각각 가지고 있다. 4개의 위치 센서(33b)는, 회전축(3)의 축심과 직교하며, 상술한 좌표축과 평행하는 서로 직교하는 2개의 좌표축 상에, 회전축(3)을 사이에 두고 각각 2개씩 배치된다.

회전축(3)에는, 회전축(3)의 축심을 중심으로 하는 자성체의 원반(8)(이하, 「아마추어 디스크」라고 한다.)이 설치되어 있다. 축 방향 자기 베어링(34)은, 아마추어 디스크(8)에 자기 흡인력을 작용시키는 2개의 전자석(34a)을 가지고 있다. 2개의 전자석(34a)은 아마추어 디스크(8)를 사이에 두고 각각 배치된다. 또, 축 방향 자기 베어링(34)은, 회전축(3)의 축 방향의 위치를 검출하는 인덕턴스식 또는 와전류식의 위치 센서(34b)를 가지고 있다. 또한, 반경 방향 자기 베어링(33)의 인덕턴스식 또는 와전류식의 위치 센서(33b) 및 축 방향 자기 베어링(34)의 인덕턴스식 또는 와전류식의 위치 센서(34b)는, 전자석과 동일한 구조로 되어 있으며, 도선 코일이 감긴 코어를 회전축(3)에 대치시켜 배치하고 있다.

흡인한 가스로부터 반경 방향 자기 베어링(33), 축 방향 자기 베어링(34), 모터(32) 등을 보호하기 위해서 스테이터(9)가 베이스부(12) 상에 세워 설치되어 있다.

진공 펌프(1)는, 반경 방향 자기 베어링(33), 축 방향 자기 베어링(34) 및 모터(32)에 전력을 공급하고, 위치 센서(33b, 34b)와 신호를 송수신하는 도시하지 않은 컨트롤러를, 케이블을 개재하여 또는 일체로 구비하고 있다. 컨트롤러는, 반경 방향 자기 베어링(33), 축 방향 자기 베어링(34)의 위치 센서(33b, 34b)의 도선 코일에, 고주파의 소정의 진폭의 교번 전압을 공급한다. 위치 센서(33b, 34b)의 코어에 감긴 도선 코일은, 그 인턱턴스가, 코어와 회전축(3)의 거리에 따라 변화하고, 이 인턱턴스의 변화에 따라, 도선 코일에 인가된 전압의 진폭이 변화하며, 컨트롤러는, 그 변화한 진폭값을 검출함으로써, 회전축(3)의 위치를 검출한다. 이 진폭값(위치 센서 검출값 E_O)은, 도 3에 나타내는 바와 같이, 회전축(3)의 위치의 변화에 대해서, 곡선적으로 증가 혹은 감소하는 비선형성을 가지고 있다. 컨트롤러는, 전술한 각 좌표축 상에 있어서 회전축(3)을 사이에 두고 서로 대향하는 2개의 위치 센서(33b)의 진폭값의 합 E_O1＋E_O2(양음의 부호를 정하는 방식에 따라서는 차)가, 회전축(3)의 위치의 변화에 대해서, 의사적인 선형성을 갖기 때문에, 이 합(차)을 산출하고, 그 값을 위치 센서(33b)의 검출 신호로서 이용함으로써, 선형 제어 이론의 적용을 가능하게 하여, 당해 이론에 근거하여 회전축(3)의 위치를 제어하고 있다. 컨트롤러는, 각 좌표축 상의 2개의 위치 센서(33b)의 검출 신호의 합(차)에 의거하여, 전자석(33a)에 흐르는 전류값을 조정하는 피드백 제어에 의해서, 회전축(3)의 위치를 목표 위치에 일치시키고 있다.

반경 방향 자기 베어링(33)의 각 전자석(33a)이 회전축(3)에 작용시키는 자기 흡인력 f도, 도 4에 나타내는 바와 같이, 전자석(33a)에 흐르는 전류의 변화에 대해서, 곡선적으로 증가 또는 감소하는 비선형성을 가지고 있다. 이 때문에, 전류값의 조정은, 각 좌표축 상의 회전축(3)을 사이에 두고 대향하는 2개의 전자석(33a)에 대해서, 회전축(3)이 목표 위치로부터 빗겨나, 회전축(3)과의 거리가 큰 쪽의 전자석(33a)에는, 소정의 직류 전류값 I₀(이하, 「바이어스 전류값」이라고 한다.)에 전류값 i₁을 더한 전류값(I₀＋i₁)의 전류를 흐르게 하고, 회전축(3)과의 거리가 작은 쪽의 전자석(33a)에는, 이 바이어스 전류값 I₀으로부터 전류값 i₁을 뺀 전류값(I_0-i₁)의 전류를 흐르게 함으로써 행한다. 이와 같이, 2개의 전자석(33a)이 작용시키는 자기 흡인력의 합 f_hx1＋(-f_hx2)를 회전축(3)에 작용시키는 자기 흡인력으로 함으로써, 자기 흡인력이 전류값의 변화에 대해서 의사적으로 선형성을 가지도록 해, 전술한 선형 제어 이론의 적용을 가능하게 하고 있다.

축 방향 자기 베어링(34)의 구성도, 기본적으로는 반경 방향 자기 베어링(33)의 구성과 동일하지만, 소요 스페이스를 삭감하는 등의 목적으로, 회전축(3)의 축심 방향에 있어서 아마추어 디스크(8)를 사이에 두고 2개의 위치 센서를 배치하는 것은 하지 않고, 1개의 위치 센서(34b)만을 배치하고, 또 하나의 위치 센서를, 컨트롤러 내부의 회로 기판 상에 배치한 소정의 인턱턴스를 갖는 코일로 대용해도 된다. 이 경우에는, 회로 기판 상에 설치한 코일의 인턱턴스는 소정값이며, 교번 전압의 진폭값은 소정의 값이 되므로, 2개의 위치 센서의 합(차)의 회전축(3)의 위치의 변화에 대한 선형화의 정밀도는 저하하지만, 진공 펌프(1)를 정상적으로 운전할 수 있는 경우에는 유용하다.

그런데, 로터(2)는, 이들 반경 방향 자기 베어링(33), 축 방향 자기 베어링(34)에 의해서 공중에 부상 지지되는데, 그 지지력은, 로터(2)의 위치의 변화에 비례한 힘의 성분, 즉, 탄성력에 상당하는 성분을 가지기 때문에, 로터(2)는, 그 질량 또는 관성 모멘트에 따른 고유 진동수를 갖는다. 공중으로 부상한 로터(2)는, 하나의 좌표축(이하, 「z축」이라고 한다.)을 회전축(3)의 축심에 일치시킨 3 차원 직교 좌표의 각 축 방향의 3자유도와, 그 각 축 둘레의 3자유도의 합계 6자유도를 가지고 있으며, 이 중, 모터(32)에 의해서 회전각이 제어되는 z축 둘레의 1자유도를 제외한 5자유도는, 반경 방향 자기 베어링(33), 축 방향 자기 베어링(34)의 지지력을 받기 때문에, 반경 방향 자기 베어링(33), 축 방향 자기 베어링(34)의 지지력에 따른 고유 진동수를 갖는다. 특히, z축과 직교하고, 서로 직교하는 두 개의 축(이하, 각각 「x축」, 「y축」이라고 한다.) 둘레의 2자유도에 있어서는, 로터(2)의 운동 방정식은, x축 둘레의 운동 방정식을 나타내는 하기 식 (2) 및 y축 둘레의 운동 방정식을 나타내는 하기 식 (3)에 나타내는 바와 같이, 서로의 축 둘레의 회전 속도에 비례하는 항(이하, 「간섭항」이라고 한다.)을 갖는다. 또한, 이 간섭항의 크기는, 모터(32)에 의해서 회전되는 회전축(3)의 회전 속도에 비례한다.

단, 상기 식 (2) 및 (3) 중, J는 로터(2)의 x축 또는 y축 둘레의 관성 모멘트, J_z는 로터(2)의 z축 둘레의 관성 모멘트, C는 x축 또는 y축 둘레의 점성 저항 계수, θ_x는 로터(2)의 x축 둘레의 회전 각도, θ_y는 로터(2)의 y축 둘레의 회전 각도, θ_z는 로터(2)의 z축 둘레의 회전 각도이다. 또, 상기 식 (2) 중, D_x는 x축 둘레에 작용하는 외란 모멘트, G_x는 x축 방향의 반경 방향 자기 베어링(33)의 지지력에 의해서 발생하는 x축 둘레의 모멘트의 스프링 상수이다. 또, 상기 식 (3) 중, D_y는 y축 둘레에 작용하는 외란 모멘트, G_y는 y축 방향의 반경 방향 자기 베어링(33)의 지지력에 의해서 발생하는 y축 둘레의 모멘트의 스프링 상수이다. D_x, D_y는, 로터(2)의 불균형이나, 진공 펌프(1)의 배기 부하 등에 의해 발생한다. G_x, Gy는, 실제로는, 반경 방향 자기 베어링(33)의 제어 설계에 따른 주파수 특성을 갖는다. 또한, 전술한 바와 같이, 로터(2)는, 로터 본체(20)와, 회전축(3)과, 와셔(7(7a, 7b, 7c))를 가지므로, 관성 모멘트 J_z 및 관성 모멘트 J는, 정확하게는 로터 본체(20), 회전축(3) 및 와셔(7(7a, 7b, 7c))의 관성 모멘트이다.

통상, 각 자유도에 있어서의 고유 진동수를 구하는 식은, 각 자유도의 운동 방정식으로부터 도출할 수 있는데, 반경 방향 자기 베어링(33)의 x축 둘레 및 y축 둘레에 대해서는, 각각의 운동 방정식이, 전술한 바와 같이 서로 간섭항을 가지고 있다는 등의 이유에 의해, 고유 진동수를 구하는 식을 도출하는 것은 곤란하다. 이 때문에 종래는 특정 자기 베어링을 설계하여, 시작(試作) 실험이나 유한 요소법을 이용한 컴퓨터 시뮬레이션에 의지하여, 그 특정 자기 베어링의 고유 진동수의 값을 구하고 있었다.

그러나, 이들에 의한 방법에서는, 특정 자기 베어링마다 고유 진동수를 구할 수 있어도, 설정값을 변화시켰을 경우에 고유 진동수가 어떻게 변화하는가라는 고유 진동수의 정성적인 해석을 할 수 없다. 이 때문에 특정 자기 베어링의 설계를 대강 끝낸 후에, 고유 진동수를 구하고, 다양한 이유에 의해 설계를 변경했을 경우에는, 그 설계 변경을 대강 끝낸 후에, 재차, 고유 진동수를 다시 구하고, 문제점이 있는 경우에는, 재차, 설계를 변경하여 고친다는 작업이 발생하여, 자기 베어링과 터보 분자 펌프의 설계에 다대한 시간을 필요로 하고 있었다.

본 발명에서는, 터보 분자 펌프인 진공 펌프(1)의 반경 방향 자기 베어링(33)은, 진공 중에서 사용되는 것에 착목하여, 점성 저항 계수 C=0으로 함으로써, 상기 식 (2) 및 (3)으로부터, x축 둘레와 y축 둘레에 각각 두 개 존재하는 로터(2)의 고유 진동수 ω₁, ω₂를 나타내는 식 (4), (5)를 도출했다. x축 둘레와 y축 둘레 양쪽 모두에, 식 (4), (5)로 나타내어지는 두 개의 고유 진동수가 존재한다.

하기 식 (1)은, z축 둘레의 관성 모멘트 J_z와 x축 또는 y축 둘레의 관성 모멘트 J의 비 γ(이하, 「관성 모멘트비 γ」라고 한다.)를 나타낸다. 본 발명에서는, 로터(2)의 고유 진동수 ω₁, ω₂와 회전축(3)의 회전 주파수의 관계가, 하기 식 (1)로 나타내어지는 로터(2)의 관성 모멘트비 γ의 값이 1과 동일한지 아닌지, 동일하지 않은 경우에는 1보다 큰지 작은지에 따라서도 상이한 것에 착목한다.

γ=J_z/J …(1)

우선, 로터(2)의 고유 진동수 ω₁, ω₂는, 도 5 내지 도 7에 나타내는 바와 같이, 관성 모멘트비 γ의 값과 상관 없이, 회전축(3)이 회전하지 않고 회전 주파수 Ω_z가 0일 때에는, 같은 값이 된다. 회전축(3)이 회전을 개시하여, 회전 주파수 Ω_z가 증가함에 따라, 고유 진동수 ω₁은 감소하고, 고유 진동수 ω₂는 증가해 간다. 관성 모멘트비 γ가 1보다 작을 때는, 도 5에 나타내는 바와 같이, 고유 진동수 ω₂는, 회전 주파수 Ω_z에 가까워져 가고, 회전 주파수 Ω_z와 일치한 후, 회전 주파수 Ω_z로부터 멀어져 가고 있다. 관성 모멘트비 γ가 1과 동일할 때는, 도 6에 나타내는 바와 같이, 고유 진동수 ω₂는, 회전 주파수 Ω_z를 나타내는 직선이 마치 점근선이 되어 회전 주파수 Ω_z에 가까워져 간다. 관성 모멘트비 γ가 1보다 클 때는, 도 7에 나타내는 바와 같이, 고유 진동수 ω₂는, 회전 주파수 Ω_z와 일치하는 일은 없고, 멀어져 가고 있는 것을 알 수 있다.

고유 진동수 ω₁, ω₂가 회전축(3)의 회전 주파수 Ω_z와 일치하고 있거나 근방의 값이면, 로터(2)의 공진이 유발되어, 반경 방향 자기 베어링(33) 및 축 방향 자기 베어링(34)이 로터(2)를 부상 지지하는 것이 곤란하게 됨과 더불어, 회전 날개(21)가 계속 진동하여 응력의 변동이 반복됨으로써 피로 파괴되게 된다. 이 때문에, 고유 진동 ω₁, ω₂는, 일시적으로, 회전축(3)의 회전 주파수 Ω_z에 가까워지거나 일치하는 경우가 있어도, 그 다음은, 신속하게 회전 주파수 Ω_z로부터 멀어져 가는 것이 바람직하다.

종래의 터보 분자 펌프의 로터는, 관성 모멘트비 γ의 값이 1보다 작은데, 예를 들면 반도체 제조 장치가 금후 필요로 하는 대유량의 가스를 배기하는 진공 펌프(1)에서는, 로터(2)를, 회전축(3)의 반경 방향으로 크게 할 필요가 생긴다. 이 때문에 z축 둘레의 관성 모멘트 J_z가 증가하여 관성 모멘트비 γ의 값이 커져 1에 가까운 값이 되는데, 관성 모멘트비 γ가 1에 가까워짐에 따라, 고유 진동수 ω₂가 회전 주파수 Ω_z에 가까워지고, 특히 고유 진동수 ω₂가 회전 주파수 Ω_z와 일치하고 있으면, 상술한 바와 같이, 로터(2)가 진동하고, 더 나아가서는 회전 날개(21)의 피로 파괴가 발생하게 된다. 따라서, 본 발명에서는, 로터(2)를 회전축(3)의 반경 방향으로 크게 하는 경우에는, 관성 모멘트비 γ의 값을 1보다 큰 값으로 하는 것을 특징으로 한다.

다음에, 와셔(7)의 두께를 조정함으로써, 로터(2)의 관성 모멘트비 γ의 값을 상하로 조정하고, 로터(2)의 정상 회전 시의 흔들림, 진동을 저감하는 방법에 대해 설명한다. 회전축(3)의 축심을 중심으로 하는 와셔(7(7a, 7b, 7c))의 두께를, 도 1 및 도 2에 나타내는 바와 같이, 조정, 변경하면, 로터(2)의 x축 또는 y축 둘레의 관성 모멘트 J가 증감하므로, 관성 모멘트비 γ의 값을 상하로 조정, 변경할 수 있다. 표 1은, 와셔(7)의 두께와 관성 모멘트비 γ의 관계의 일례를 나타낸 것이다. 표 1로부터 알 수 있듯이, 와셔(7)의 두께를 얇게 함으로써, 관성 모멘트비 γ는 커지고, 와셔(7)의 두께를 두껍게 함으로써, 관성 모멘트비 γ는 작아진다.

로터(2)의 각 관성 모멘트비 γ에 있어서의 회전축(3)의 회전수와(로터(2)의 고유 진동수 ω₂-회전축(3)의 회전 주파수 Ω_z)/회전축(3)의 회전 주파수 Ω_z의 관계를 도 8에 나타낸다. (로터(2)의 고유 진동수 ω₂-회전축(3)의 회전 주파수 Ω_z)/회전축(3)의 회전 주파수 Ω_z를 α로 하면, 도 8에 있어서, 예를 들면 -0.08＜α＜0.08의 범위가 로터(2)의 흔들림이 80μm(peak to peak 값. 이하 동일.)보다 커지는 범위에 대응한다. 회전축(3)과 보호 베어링(31)의 반경 방향의 간극을, 회전축(3)의 전체 둘레에 걸쳐서 최소로 50μm, 회전축(3)을 사이에 두는 양측의 간극의 합계로 100μm 정도로 설계하는 경우가 많기 때문에, 로터(2)의 흔들림을 80μm보다 작게 함으로써, 회전축(3)과 보호 베어링(31)의 접촉을 방지하는 것이 가능하게 된다.

로터(2)의 흔들림을 80μm보다 작게 하기 위해서는, 와셔(7)의 두께를 조정함으로써, 관성 모멘트비 γ의 값을 상하로 조정하여, 로터(2)의 정상 회전 시의 회전수에 있어서, α가 -0.08＜α＜0.08의 범위를 벗어나도록 조정을 행하면 된다. 구체적으로는, 소정의 두께의 와셔(7)를 기준으로 하여 로터(2)를 설계했을 경우에는, 소정의 두께보다 얇은 와셔(7)로 교환하여, 관성 모멘트비 γ의 값을 크게 함으로써, 로터(2)의 정상 회전 시의 회전수에 있어서의 α가 0.08 이상이 되도록 조정하거나, 또는, 소정의 두께보다 두꺼운 와셔(7)로 교환하여, 관성 모멘트비 γ의 값을 작게 함으로써, 로터(2)의 정상 회전 시의 회전수에 있어서의 α가 -0.08 이하가 되도록 조정한다.

미리 몇 종류의 두께가 상이한 와셔(7)를 준비해 두면, 소정의 두께의 와셔(7)를 기준으로 하여 로터(2)를 설계한 후에도, 소정의 두께와는 상이한 두께의 와셔(7)로 교환함으로써, 관성 모멘트비 γ를 조정하는 것이 가능하게 된다.

이와 같이 본 실시형태에서는, 예를 들면 로터(2)를 회전축(3)의 반경 방향으로 크게 하는 경우 등에는, 로터(2)의 관성 모멘트비 γ의 값을 1보다 큰 값으로 하도록 했으므로, 로터(2)의 고유 진동수 ω₂가 회전축(3)의 회전 주파수 Ω_z에 가까워지는 것을 막을 수 있어, 로터(2)의 진동을 저감할 수 있다.

또, 본 실시형태에서는, 교환, 조정해도 다른 구성 부품에 영향을 끼치는 일이 적은 와셔(7)를 두께가 상이한 와셔(7)로 교환하는 등 하여 와셔(7)의 두께를 조정함으로써, 로터(2)의 관성 모멘트비 γ의 값을 상하로 조정하여, 로터(2)의 정상 회전 시의 흔들림, 진동을 저감할 수 있도록 했으므로, 로터(2)의 밸런스 잡기나 γ의 값의 조정 작업이 용이하게 되어, 공정 수의 저감, 비용 저감을 실현할 수 있다.

이상, 실시형태를 들어 본 발명을 설명했는데, 본 발명은 상기 각 실시형태에 한정되는 것이 아니며, 상술한 변형예 이외에도 여러 가지 변형이 가능하다. 예를 들면, 상기 실시형태에서는, 로터(2)의 흔들림을 80μm보다 작게 하기 위해서, 와셔(7)의 두께를 조정하는 예에 대해 설명했는데, 진공 펌프의 용도, 크기, 형상, 종류 등에 의해서 로터(2)의 허용되는 흔들림 폭은 적절히 변경하여 설정하는 것이 가능하다.

또, 본 발명에서는, 와셔(7)의 두께를 조정함으로써, 예를 들면 로터(2)를 회전축(3)의 반경 방향으로 크게 하는 경우 등에, 로터(2)의 관성 모멘트비 γ의 값을 1보다 큰 값으로 조정하는 것도 물론 가능하다.

또, 상기 실시형태에서는, 로터(2)가 와셔(7)를 갖는 경우에 대해 설명했는데, 와셔(7)를 갖지 않는 로터(2)에서도, 로터(2)의 관성 모멘트비 γ의 값을 1보다 큰 값으로 하는 것은 가능하며, 이 경우에는, 관성 모멘트 J_z 및 관성 모멘트 J는, 로터 본체(20) 및 회전축(3)의 관성 모멘트이다.

또, 상기 실시형태에서는, 진공 펌프(1)를 반도체 제조 장치에 이용하는 예에 대해 설명했는데, 그 외에, 전자 현미경, 표면 분석 장치, 미세 가공 장치 등에도 이와 같이 이용하는 것이 가능하다.

1 진공 펌프
10 케이싱
11 외통부
12 베이스부
11a 흡기구
12a 배기구
2 로터
20 로터 본체
21 회전 날개
22 원통부
3 회전축
31 보호 베어링
32 모터
33 반경 방향 자기 베어링
33a 전자석
33b 위치 센서
34 축 방향 자기 베어링
34a 전자석
34b 위치 센서
4 고정 날개
5 고정 날개용 스페이서
6 나사 스페이서
6a 나사 홈
7(7a, 7b, 7c) 와셔
8 원반(아마추어 디스크)
9 스테이터

Claims

흡기구와 배기구를 갖는 케이싱과,
회전축을 갖는 로터와,
상기 회전축을 회전 가능하게 지지하는 자기 베어링과,
상기 회전축을 회전 구동하는 모터를 구비하고,
상기 로터가 회전함으로써, 상기 흡기구로부터 흡입한 기체를 상기 배기구로 이송하는 진공 펌프로서,
하기 식 (1)로 나타내어지는 γ의 값이 1보다 큰 것을 특징으로 하는 진공 펌프.
γ=J_z/J …(1)
단, 상기 식 (1)에 있어서, J_z는 상기 로터의 상기 회전축의 축심 둘레의 관성 모멘트이며, J는 상기 로터의 상기 회전축의 축심과 직교하는 축 둘레의 관성 모멘트이다.
청구항 1에 있어서,
상기 로터는, 외주면에 형성된 복수의 회전 날개를 갖고,
상기 케이싱 내에 설치됨과 더불어 상기 회전축의 축심 방향으로 상기 회전 날개와 번갈아 배치된 복수의 고정 날개를 갖는 터보 분자 펌프인 것을 특징으로 하는 진공 펌프.
청구항 2에 있어서,
상기 로터는, 상기 회전 날개로부터 상기 기체가 이송되는 하류 측에, 상기 회전축의 축심을 중심으로 하는 원통부를 갖고,
상기 케이싱 내에 설치되고, 상기 원통부에 대향하여 내주면에 형성된 나사 홈을 갖는 스페이서를 구비한 것을 특징으로 하는 진공 펌프.
흡기구와 배기구를 갖는 케이싱과,
회전축을 회전 가능하게 지지하는 자기 베어링과,
상기 회전축을 회전 구동하는 모터를 구비한 진공 펌프에 이용되고,
상기 케이싱 내에 수용됨과 더불어, 상기 회전축을 갖고,
회전함으로써, 상기 흡기구로부터 흡입한 기체를 상기 배기구로 이송하는 로터로서,
하기 식 (1)로 나타내어지는 γ의 값이 1보다 큰 것을 특징으로 하는 로터.
γ=J_z/J …(1)
단, 상기 식 (1)에 있어서, J_z는 상기 로터의 상기 회전축의 축심 둘레의 관성 모멘트이며, J는 상기 로터의 상기 회전축의 축심과 직교하는 축 둘레의 관성 모멘트이다.
흡기구와 배기구를 갖는 케이싱과,
회전축과 상기 회전축의 축심을 중심으로 하는 원반 형상의 와셔를 갖는 로터와,
상기 회전축을 회전 가능하게 지지하는 자기 베어링과,
상기 회전축을 회전 구동하는 모터를 구비하고,
상기 로터가 회전함으로써, 상기 흡기구로부터 흡입한 기체를 상기 배기구로 이송하는 진공 펌프로서,
상기 와셔의 두께를 조정함으로써, 하기 식 (1)로 나타내어지는 γ의 값을 조정 가능한 것을 특징으로 하는 진공 펌프.
γ=J_z/J …(1)
단, 상기 식 (1)에 있어서, J_z는 상기 로터의 상기 회전축의 축심 둘레의 관성 모멘트이며, J는 상기 로터의 상기 회전축의 축심과 직교하는 축 둘레의 관성 모멘트이다.
청구항 5에 있어서,
소정의 두께인 상기 와셔를 기준으로 하여,
상기 와셔의 두께를 두껍게 함으로써, 상기 식 (1)로 나타내어지는 γ의 값을 작게 하거나, 또는, 상기 와셔의 두께를 얇게 함으로써, 상기 식 (1)로 나타내어지는 γ의 값을 크게 함으로써, 상기 로터의 정상(定常) 회전 시의 흔들림을 작게 하는 것을 특징으로 하는 진공 펌프.
청구항 6에 있어서,
상기 로터의 정상 회전 시의 흔들림을 80μm보다 작게 하는 것을 특징으로 하는 진공 펌프.
청구항 5에 있어서,
상기 와셔의 두께는, 상기 식 (1)로 나타내어지는 γ의 값이 1보다 커지도록 조정된 것을 특징으로 하는 진공 펌프.
흡기구와 배기구를 갖는 케이싱과,
회전축을 회전 가능하게 지지하는 자기 베어링과,
상기 회전축을 회전 구동하는 모터를 구비한 진공 펌프에 이용되고,
상기 케이싱 내에 수용됨과 더불어, 상기 회전축과 상기 회전축의 축심을 중심으로 하는 원반 형상의 와셔를 갖고,
회전함으로써, 상기 흡기구로부터 흡입한 기체를 상기 배기구로 이송하는 로터로서,
상기 와셔의 두께를 조정함으로써, 하기 식 (1)로 나타내어지는 γ의 값을 조정 가능한 것을 특징으로 하는 로터.
γ=J_z/J …(1)
단, 상기 식 (1)에 있어서, J_z는 상기 로터의 상기 회전축의 축심 둘레의 관성 모멘트이며, J는 상기 로터의 상기 회전축의 축심과 직교하는 축 둘레의 관성 모멘트이다.
흡기구와 배기구를 갖는 케이싱과, 회전축을 갖는 로터와, 상기 회전축을 회전 가능하게 지지하는 자기 베어링과, 상기 회전축을 회전 구동하는 모터를 구비하고, 상기 로터가 회전함으로써, 상기 흡기구로부터 흡입한 기체를 상기 배기구로 이송하는 진공 펌프에 이용되고,
상기 회전축의 축심을 중심으로 하는 원반 형상이며,
상기 로터에 가져지는 와셔로서,
두께를 조정함으로써, 하기 식 (1)로 나타내어지는 γ의 값을 조정 가능한 것을 특징으로 하는 와셔.
γ=J_z/J …(1)
단, 상기 식 (1)에 있어서, J_z는 상기 로터의 상기 회전축의 축심 둘레의 관성 모멘트이며, J는 상기 로터의 상기 회전축의 축심과 직교하는 축 둘레의 관성 모멘트이다.