WO2012032863A1

WO2012032863A1 - ターボ分子ポンプ

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Publication number: WO2012032863A1
Application number: PCT/JP2011/066471
Authority: WO
Inventors: 坂口　祐幸; 三輪田　透; 昭彦和田
Original assignee: Edwards Japan Ltd
Current assignee: Edwards Japan Ltd
Priority date: 2010-09-06
Filing date: 2011-07-20
Publication date: 2012-03-15
Anticipated expiration: 2013-03-06
Also published as: JPWO2012032863A1; CN102762870B; US9388816B2; JP5738869B2; CN102762870A; US20130149105A1

Abstract

　ターボ分子ポンプの能力を高めることを目的とする。　ターボ分子ポンプは、翼部とネジ溝部を組み合わせた複合型真空ポンプである。そして、ロータ翼５を保持するロータ翼保持部３１とロータ筒部１７を保持する段部７２の接合部には、両者に渡る開口５１が形成されている。　翼部を排気された気体のうち一部はロータ筒部１７とステータネジ溝１５ａからなるネジ溝部で排出され、残りは開口５１を介してロータ筒部１７の内側に導かれ、ロータ筒部１７とステータネジ溝１５ｂからなるネジ溝部で排出される。開口５１は、ロータ翼保持部３１と段部７２の接合部に形成された場合、ロータ４の回転による応力に耐えうることができる。また、バランサ用の重りを設置する溝６１をステータネジ溝１５ｂより吸気口側のクリアランス部分に設置することにより、ステータネジ溝１５ｂの長さを短縮する必要が無い。

Description

ターボ分子ポンプ

　本発明は、真空チャンバ等を真空にするターボ分子ポンプに関する。

　従来、例えばＩＣ製品等を製造する場合に、各工程を各作業室内において行っており、一作業室内で一工程が完了すると、被作業物を次の作業室へ搬送している。ここで例えば、一作業室においてはこの室内を真空にする必要がある場合があり（真空チャンバ）、このときにはターボ分子ポンプを使用していた。

　このようなターボ分子ポンプとしては、例えば図４に示すような複合型ターボ分子ポンプがある。同図において、このケーシング１０１には吸込口部１０２及び排出口部１０３が形成されている。ケーシング１０１内にはロータ１０４が収装され、このロータ１０４にはケーシング１０１の内周壁面に向かって伸びるロータ翼１０５と、円筒状のロータ筒部１１７が形成されている。

　そして、ステータ側には、ロータ翼１０５に対してステータ翼１０６が取り付けられ、ロータ筒部１１７に対しては、ロータ筒部１１７の外側にステータネジ溝１１５ａが取り付けられ、ロータ筒部１１７の内側にステータネジ溝１１５ｂが取り付けられている。このように、ネジ溝を用いて排気する機構は、ホルベック式と呼ばれている。

　吸込口部１０２から吸入された気体（ガス）は、高速回転するロータ翼１０５とステータ翼１０６との相互作用によって圧縮され、更に、ロータ筒部１１７とステータネジ溝１１５ａ、１１５ｂによって圧縮されて、排出口部１０３から排出される。
　なお、ロータ筒部１１７の内側の流路に気体を導くため、ロータ筒部１１７が回転軸の半径方向に張り出した部分に開口１５１が設けられている。
　このように、従来例では、ロータ筒部１１７の内側のホルベック部と外側のホルベック部を用いて排気することにより排気能力を高めている。このようなタイプのターボ分子ポンプの具体例としては、特許文献１をあげることができる。

　また、ロータ筒部１１７の内側下部には、バランサ用の樹脂を設置するための溝１６１が形成されている。
　内側下部にバランサを設置するのは、ロータ１０４の重心が上側にあるため、バランサの効果が大きくなるようになるべく重心から遠い箇所にバランサを設置するためである。

実開平５－３８３８９号公報

　ところで、ロータ１０４は高速で回転するため、必然的に過大な応力が発生する。
　開口１５１が設けられている半径方向に張り出した部分は、一般に幅が狭く、十分な大きさの開口を設けることが設計上困難であった。そのため、開口１５１は、どうしても小さくなってしまい、同時に応力を緩和する形状、例えば、大きなＲを設けることも難しかった。
　その結果、応力を緩和しつつ、内側のステータネジ溝１１５ｂに排気対象となる気体を導くのが困難であるという問題があった。
　そこで、本発明の目的は、排気性能を向上させたターボ分子ポンプを提供することである。

　請求項１に記載の発明では、ケーシングと、前記ケーシングの中心に配設された内筒と、吸気口側に形成された第１の筒部と、前記第１の筒部から前記ケーシングの内周面に向けて形成されたロータ翼と、前記第１の筒部の下端に形成され、前記第１の筒部よりも外径が大きい第２の筒部と、前記第１の筒部の下端と前記第２の筒部の上端を接合する段部と、を有し、前記内筒に軸支されたロータと、前記ケーシングに対して固定され、前記ロータ翼に対応して形成されたステータ翼と、前記第２の筒部の外側と前記ケーシングの内側の間に形成された第１のネジ溝部と、前記第２の筒部の内側と前記内筒の間に形成された第２のネジ溝部と、を具備し、前記第１の筒部と前記段部の接合部に、前記第１の筒部と前記段部の両方に開口する開口部を設けたことを特徴とするターボ分子ポンプを提供する。
　請求項２に記載の発明では、前記開口部は、前記第１の筒部と前記段部の接合部の全周に等間隔に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のターボ分子ポンプを提供する。
　請求項３に記載の発明では、前記開口部の角部はＲ形状となっており、前記第１の筒部におけるＲ形状の半径は、前記段部におけるＲ形状の半径よりも小さいことを特徴とする請求項１、又は請求項２に記載のターボ分子ポンプを提供する。
　請求項４に記載の発明では、前記ロータの内側の前記第２のネジ溝部よりも吸気口側の部分に、質量付加用の凹部が形成されていることを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３に記載のターボ分子ポンプを提供する。

　本発明によれば、ターボ分子ポンプの排気系統を改善することにより、ターボ分子ポンプの能力を高めることができる。

本実施の形態のターボ分子ポンプを説明するための図である。開口部分を説明するための図である。開口部分とネジ溝部分を説明するための図である。従来例を説明するための図である。

（１）実施形態の概要
　ターボ分子ポンプ（図１）は、翼部とネジ溝部を組み合わせた複合型真空ポンプである。そして、ロータ翼５を保持するロータ翼保持部３１とロータ筒部１７を保持する段部７２の接合部には、両者に渡る開口５１が形成されている。
　翼部を排気された気体のうち一部はロータ筒部１７とステータネジ溝１５ａからなるネジ溝部（外側のホルベック部）で排出され、残りは開口５１を介してロータ筒部１７の内側に導かれ、ロータ筒部１７とステータネジ溝１５ｂからなるネジ溝部（内側のホルベック部）で排出される。

　開口５１は、ロータ翼保持部３１と段部７２の接合部に形成された場合、ロータ４の回転による応力に耐えうることができる。
　また、バランサ用の重りを設置する溝６１をステータネジ溝１５ｂより吸気口側のクリアランス部分に設置することにより、ステータネジ溝１５ｂの長さを短縮する必要がなくなる。

　このように、本実施の形態によるターボ分子ポンプは、外内のホルベック部を用いる上、ステータネジ溝１５ｂの長さを最大限長くすることができるため、ターボ分子ポンプのサイズを拡大することなく、圧縮性能を高めることができる。

（２）実施形態の詳細
　図１は、本実施の形態のターボ分子ポンプを説明するための図である。
　ケーシング１は全体が略円筒状となっており、このケーシング１の上方には真空チャンバとしての作業室の開口部（図示せず）と接続する吸込口部２（吸気口）が形成され、ケーシング１の下側のベース１３には排出口部３（排気口）が形成されている。
　ケーシング１内の軸線方向にはロータ４が収装されている。ロータ４の吸込口部２側には、筒状のロータ翼保持部３１と、ロータ翼保持部３１からケーシング１の内壁面に向かって伸びる複数のロータ翼５が形成されており、このロータ翼５はロータ４の軸線方向に多段に複数形成されている。

　ケーシング１の内壁面には、ロータ翼５と同じように複数形成されたステータ翼６がロータ４の半径内方に向かって伸び、ロータ翼５と交互に重なるように配設されている。
　ロータ翼５の下側は、半径方向に張り出し、当該張り出した部分の外周から下側に円筒状のロータ筒部１７が形成されている。このため、ロータ翼保持部３１の外径よりもロータ筒部１７の外径が大きく設定されている。
　ロータ筒部１７が張り出した段部７２には、円周方向に所定間隔をおいて開口５１が複数形成されている。この開口５１については後に詳細に説明する。

　また、ロータ筒部１７の内側上端部分には、樹脂製のバランサを設置するための質量付加溝として溝６１が円周方向に形成されている。
　溝６１は、ステータネジ溝１５ｂとロータ筒部１７の内側上端面との間に設けられたクリアランス部分に形成されているため、溝６１によってステータネジ溝１５ｂによる排気路が短くなることはない。
　このように、従来に比べて重心に近いところにバランサを設けることができるようになったのは、ロータ４の制御系の技術が向上したためである。
　なお、更に上のロータ翼５が形成された筒部の内側に溝６２を形成してもよい。
　また、溝６１を凹部形状に形成してもよい。ここで、凹部が円周に渡って形成された形状が溝形状であり、凹部形状は、溝形状を含む概念である。

　ロータ筒部１７の外側には、ステータ側のステータネジ溝１５ａが形成され、内側には、ステータネジ溝１５ｂが形成されており、ホルベック部を形成している。
　ロータ翼５とステータ翼６によって圧縮され、ロータ筒部１７に達した気体のうち、一部は、ロータ筒部１７とステータネジ溝１５ａの間の流路（外側のホルベック部）を経由して排出口部３に排気され、残りは、開口５１を通ってロータ筒部１７とステータネジ溝１５ｂの間の流路（内側のホルベック部）を経由して排出口部３に排出される。即ち、２経路によって効率的に排気されることとなる。

　ターボ分子ポンプでは、排気路の長さをできるだけ長く設定することが重要であるが、本実施の形態では、ロータ筒部１７の外側と内側で排気経路を設定することができるため、その分、ターボ分子ポンプを小型化することができる。
　なお、本実施の形態では、ロータ側を円筒とし、ステータ側にネジ溝を形成したが、逆に、ロータ側にネジ溝を形成し、ステータ側を円筒としてもよい。
　この場合は、ロータ筒部１７の内側、及び外側にネジ溝を形成し、ステータネジ溝１５ａに該当する部分を円筒の内周面とし、ステータネジ溝１５ｂに該当する部分を円筒の外周面とする。

　ロータ４の軸線部分にはロータ軸８がロータ４と一体的に回転するように配設されている。
　ロータ４の内側には、ロータ軸８を約２０，０００～９０，０００ｒ．ｐ．ｍ．の高速で回転駆動して、ロータ翼５、ロータ筒部１７をステータ翼６、ステータネジ溝１５ａ、１５ｂに対して相対回転させるモータ９と、ロータ軸８を半径方向に磁気浮上させて無接触で回転支持する半径方向電磁石１０と、ロータ軸８をアマーチャディスク１２を介して軸線方向に磁気浮上させて無接触で回転支持する軸方向電磁石１１とが設けられている。

　また、ロータ４の上・下端部のそれぞれには、高速回転するロータ軸８が電磁石１０、１１によって正常に回転支持されず倒れた場合に、内筒７等に直接触れるのを防止して、ロータ軸８を回転自在に支持して保護する第１、第２保護軸受２１、２２が設けられている。

　次に、本実施の形態に係るターボ分子ポンプの作用を説明する。
　ターボ分子ポンプによって作業室（真空チャンバ）を真空にする場合は、まずモータ９を起動させてロータ４を回転駆動させ、ロータ翼５、ロータ筒部１７を静止しているステータ翼６、ステータネジ溝１５ａ、１５ｂに対して相対的に高速回転させる。

　このように、ロータ翼５、ロータ筒部１７がステータ翼６、ステータネジ溝１５ａ、１５ｂに対して相対回転すると、作業室内のガスや水分等の分子が吸込口部２に飛び込んだ場合、これらの分子はロータ翼、ステータ翼群５、６を通り、次にガスや水分等の分子はロータ筒部１７とステータネジ溝１５ａとの間を通ると同時に、一部の分子は開口５１からロータ筒部１７の内側に流れ込んでロータ筒部１７とステータネジ溝１５ｂとの間を通る。

　それから更に、分子は排気通路２７を通って排出口部３から排出される。
　このときガスや水分等の分子は、ステータネジ溝１５ａによって圧縮される他、ステータネジ溝１５ｂによっても圧縮されるため、その流量が大きくなる。
　このため、ポンプを大型化することなくガスや水分等の分子の流量を大きくして、ポンプ性能を向上させることができる。
　更に、従来のネジ溝部と比べてガスの通過可能な開口面積が増大することにより、効率のよいガス排出を行うことができる。

　図２（ａ）は、開口５１を説明するための図である。
　開口５１は、ロータ翼５（図示せず）を保持する筒状のロータ翼保持部３１と、ロータ翼保持部３１から半径方向に張り出し、外周部分でロータ筒部１７を保持する段部７２にかけて、ロータ４の回転方向に細長く形成されている。
　また、ロータ翼保持部３１での角部に形成されたＲ１と、段部７２での角部に形成されたＲ２では、Ｒ１＜Ｒ２となっている。

　このような形状の開口５１は、ロータ４の内側から、Ｒ１、Ｒ２のエンドミルで切削加工することにより形成される。
　このように、開口５１をロータ翼保持部３１と段部７２の接合部に形成すると、ロータ４の回転による応力に耐えられることがわかった。
　当初、開口を外側から開けることも試みたが、外側から形成するとロータ筒部１７に（開口５１）形状が被り、その分有効となるステータネジ溝１５ａが短くなる為に、性能を十分発揮する事が困難であったが、内側から開けることにより、応力に適し、十分な開口面積を有する開口５１が形成できた。

　また、応力に耐えるためには、開口５１の角をＲ形状にすることが重要であり、特にＲ１＜Ｒ２とすると、応力に対抗する効果が増すことがわかった。
　更に、図２（ｂ）に示したように、開口５１の開口面積Ｓは、ロータ翼保持部３１側の開口面積Ｓ１と段部７２側の開口面積Ｓ２の和となるため、開口面積Ｓを大きく設定することができる。

　図３（ａ）は、開口５１を上方から見たところを示している。
　この例では、開口５１が４５°おきに８個形成されている。開口５１の内側の間隔は、ターボ分子ポンプの大きさにもよるが、小型のターボ分子ポンプの場合、２～４［ｍｍ］程度である。
　図３（ｂ）は、ステータネジ溝１５ｂの左半分を示した図である。
　気体は、ロータ筒部１７が回転すると、ステータネジ溝１５ｂのネジ溝に沿って排気される。

　以上のように、本実施の形態のターボ分子ポンプは、応力に耐えうると共に、気体を内側のホルベック部に導くに十分な大きさの開口５１を設けることができるため、外側・内側の両ホルベック部による二系統の流路を確保することができる。
　そして、外側・内側のホルベック部による二系統の平行流で排気することにより、ホルベック部の圧縮性能が向上し、気体を効率的に圧縮・排出することができる。
　このため、大流量、高背圧での吸入、圧縮、排出の効率が上がり、ターボ分子ポンプの性能が向上する。
　また、外側・内側の両ホルベック部を利用することにより、一方のホルベック部を利用するターボ分子ポンプと同じサイズのままで性能を向上させることができる。
　更に、ホルベック部の上側に溝６１を形成することにより、ホルベック部を長く活用することができ、圧縮性能を高めることができる。

　以上に説明した実施の形態により、次の構成を得ることができる。
　ケーシング１と内筒７は、それぞれ、ケーシングと、前記ケーシングの中心に配設された内筒として機能している。
　また、ロータ翼保持部３１は、吸気口側に形成された第１の筒部として機能し、ロータ翼５は、前記第１の筒部から前記ケーシングの内周面に向けて形成されたロータ翼として機能し、ロータ筒部１７は、前記第１の筒部の下端に形成され、前記第１の筒部よりも外径が大きい第２の筒部として機能し、段部７２は、前記第１の筒部の下端と前記第２の筒部の上端を接合する段部として機能している。
　そして、ロータ４は、これらを備え、内筒７に軸支されているため、前記内筒に軸支されたロータとして機能している。

　また、ステータ翼６は、前記ケーシングに対して固定され、前記ロータ翼に対応して形成されたステータ翼として機能している。
　そして、ロータ筒部１７とステータネジ溝１５ａによって形成される流路、即ち、外側のホルベック部は、前記第２の筒部の外側と前記ケーシングの内側の間に形成された第１のネジ溝部として機能し、ロータ筒部１７とステータネジ溝１５ｂによって形成される流路、即ち、内側のホルベック部は、前記第２の筒部の内側と前記内筒の間に形成された第２のネジ溝部として機能している。
　そして、開口５１は、ロータ翼保持部３１と段部７２の接合部分に形成され、ロータ翼保持部３１においてＳ１の面積が開口し、段部７２においてＳ２の面積が開口するため、前記第１の筒部と前記段部の接合部に、前記第１の筒部と前記段部の両方に開口する開口部が設けられている。

　図３（ａ）に示すように、開口５１は、等間隔に複数設けてあるため、前記開口部は、前記第１の筒部と前記段部の接合部の全周に等間隔に設けられている。

　更に、図２（ａ）に示すように、Ｒ１＜Ｒ２であるため、前記開口部の角部はＲ形状となっており、前記第１の筒部におけるＲ形状の半径は、前記段部におけるＲ形状の半径よりも小さくなっている。

　また、溝６１は、ステータネジ溝１５ｂよりも吸込口部２側の部分に形成されているため、前記ロータの内側の前記第２のネジ溝部より吸気口側の部分に、質量付加用の凹部が形成されている。

　また、溝６１に着目し、ケーシングと、前記ケーシングの中心に配設された内筒と、吸気口側に形成された第１の筒部と、前記第１の筒部から前記ケーシングの内周面に向けて形成されたロータ翼と、前記第１の筒部の下端に形成され、前記第１の筒部よりも外径が大きい第２の筒部と、前記第１の筒部の下端と前記第２の筒部の上端を接合する段部と、を有し、前記内筒に軸支されたロータと、前記ケーシングに対して固定され、前記ロータ翼に対応して形成されたステータ翼と、前記第２の筒部の外側と前記ケーシングの内側の間に形成された第１のネジ溝部と、前記第２の筒部の内側と前記内筒の間に形成された第２のネジ溝部と、を具備し、前記ロータの前記第１のネジ溝部と前記第２のネジ溝部の吸気口側に、前記第１のネジ溝部と前記第２のネジ溝部を連通する開口が設けられており、前記ロータの内側の前記第２のネジ溝部よりも吸気口側の部分に、質量付加用の凹部が形成されていることを特徴とするターボ分子ポンプを提供することもできる。

　１　ケーシング
　２　吸込口部
　３　排出口部
　４　ロータ
　５　ロータ翼
　６　ステータ翼
　７　内筒
　８　ロータ軸
　９　モータ
　１０　電磁石
　１１　電磁石
　１２　アマーチャディスク
　１３　ベース
　１５　ステータネジ溝
　１７　ロータ筒部
　２１　第１保護軸受
　２２　第２保護軸受
　２７　排気通路
　３１　ロータ翼保持部
　５１　開口
　６１　溝
　７２　段部
　１０１　ケーシング
　１０２　吸込口部
　１０３　排出口部
　１０４　ロータ
　１０５　ロータ翼
　１０６　ステータ翼
　１１５　ステータネジ溝
　１１７　ロータ筒部
　１５１　開口
　１６１　溝

Claims

　ケーシングと、
　前記ケーシングの中心に配設された内筒と、
　吸気口側に形成された第１の筒部と、前記第１の筒部から前記ケーシングの内周面に向けて形成されたロータ翼と、前記第１の筒部の下端に形成され、前記第１の筒部よりも外径が大きい第２の筒部と、前記第１の筒部の下端と前記第２の筒部の上端を接合する段部と、を有し、前記内筒に軸支されたロータと、
　前記ケーシングに対して固定され、前記ロータ翼に対応して形成されたステータ翼と、
　前記第２の筒部の外側と前記ケーシングの内側の間に形成された第１のネジ溝部と、
　前記第２の筒部の内側と前記内筒の間に形成された第２のネジ溝部と、
　を具備し、
　前記第１の筒部と前記段部の接合部に、前記第１の筒部と前記段部の両方に開口する開口部を設けたことを特徴とするターボ分子ポンプ。
　前記開口部は、前記第１の筒部と前記段部の接合部の全周に等間隔に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のターボ分子ポンプ。
　前記開口部の角部はＲ形状となっており、前記第１の筒部におけるＲ形状の半径は、前記段部におけるＲ形状の半径よりも小さいことを特徴とする請求項１、又は請求項２に記載のターボ分子ポンプ。
　前記ロータの内側の前記第２のネジ溝部よりも吸気口側の部分に、質量付加用の凹部が形成されていることを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３に記載のターボ分子ポンプ。