WO2013008519A1

WO2013008519A1 - ネジ溝式真空ポンプ及びこれを使用した真空排気システム

Info

Publication number: WO2013008519A1
Application number: PCT/JP2012/061633
Authority: WO
Inventors: 野中　学; 樺澤　剛志; 拓也松尾
Original assignee: エドワーズ株式会社
Priority date: 2011-07-14
Filing date: 2012-05-07
Publication date: 2013-01-17
Also published as: JPWO2013008519A1; JP5989645B2

Abstract

　排気速度を高めて排気能力の向上を図ることができるネジ溝式真空ポンプを提供する。　吸気口１２と排気口１３とを有するケーシング１１内に、軸受２３と回転駆動機構とにより一軸上に回転可能に支持されたロータ軸１４と、該ロータ軸１４に鍔状をした支持板部２６を介して接合されてロータ軸１４と一体回転可能に同心配置された回転円筒部２７ａ，２７ｂと、回転円筒部２７ａ，２７ｂの側面に所定のギャップを隔てて対向設置された２個のステータ部材１７，１７とを設けてなるとともに、回転円筒部２７ａ，２７ｂと対向するステータ部材１７，１７の側面にロータ軸１４の回転に伴って吸気口１２から排気口１３に気体分子を移送するネジ溝２５を形成し、支持板部２６に吸気口１２もしくは排気口１３とネジ溝２５とを連通させるための連通孔２８を有するネジ溝式排気機構をロータ軸１４上の軸方向に所定の間隔をあけて少なくとも２個設置し、かつ、吸気口１２は、ネジ溝排気機構同士の間に設置されてなる構成としたネジ溝式真空ポンプ。

Description

ネジ溝式真空ポンプ及びこれを使用した真空排気システム

　本発明はネジ溝式真空ポンプ及びこれを使用した真空排気システムに関するものである。

　従来、半導体製造や高エネルギー物理学等に供される工業用真空装置として、ネジ溝式真空ポンプは知られている（例えば、特許文献１参照）。

　特許文献１等で知られるネジ溝式真空ポンプは、回転するロータ部材と、このロータ部材と同軸に固定配設されるステータ部材と、ロータ部材の周壁とステータ部材との間へ気体分子を導入する吸気口とロータ部材の周壁とステータ部材との間から気体分子を排気する排気口を有するケーシングとを備えるとともに、ロータ部材の周壁に、吸気口から排気口への気体分子をロータ部材の回転に伴って気体を移送するネジ溝が形成されている。また、吸気口はロータ部材の軸方向の一端側に設けられ、排気口は他端側に設けられた構造となっている。

特開２０００－３３７２８９号公報。

　しかし、特許文献１記載の真空ポンプにあっては、吸気口から吸い込んだ気体分子の全てを、１組のネジ溝排気要素により排気口から排気させる構造になっている。このため、十分な排気速度が得られず、排気能力が小さいという問題点があった。

　また、従来の真空ポンプにあっては、被真空室に１つの吸気口を接続して、該吸気口を通して該被真空室内の気体分子を吸気して排気する構造になっている。このため、被真空室内における気体分子全体を素早く平均的に吸気する能力が小さく、効率が悪いという問題点もあった。

　そこで、排気速度を高めて排気能力の向上を図るために解決すべき技術的課題が生じてくるのであり、本発明はこの課題を解決することを目的とする。

　本発明は上記目的を達成するために提案されたものであり、請求項１記載の発明は、吸気口と排気口とを有するケーシングを備え、該ケーシング内に、軸受と回転駆動機構とにより一軸上に回転可能に支持されたロータ軸と、該ロータ軸に鍔状をした支持板部を介して接合されて該ロータ軸と一体回転可能に同心配置された少なくとも１個の回転円筒部で構成されるロータ部材と、該回転円筒部の外側面及び／もしくは内側面に所定のギャップを隔てて対向設置された少なくとも２個のステータ部材を設けてなるとともに、前記回転円筒部と前記ステータ部材の互いに対向する側面の一方には前記ロータ軸の回転に伴って前記吸気口から前記排気口に気体分子を移送するネジ溝を形成し、前記支持板部には前記吸気口もしくは前記排気口と前記ネジ溝とを連通させるための連通口を有するネジ溝式排気機構を前記ロータ軸上の軸方向に所定の間隔をあけて少なくとも２個設置し、かつ、前記吸気口もしくは前記排気口のいずれか一方は、前記ネジ溝式排気機構同士の間に設置されているネジ溝式真空ポンプを提供する。

　この構成によれば、１つのケーシング内に、排気ルート（排気経路）を形成するためのネジ溝式排気機構を、一つの排気機構で少なくとも２個構成し、さらにはその排気要素をロータ軸の軸方向に所定の間隔をあけて少なくとも２個設置しているので、ケーシング内には少なくとも４つの排気ルートが形成され、この４つ以上の排気ルートを同時に使用して排気することができる。これにより、排気速度が高まる。

　請求項２記載の発明は、請求項１記載の構成において、前記支持板部は、間に前記連通口を各々設けて放射状に延びる複数個の梁部を有してなる鍔状部により構成されているネジ溝式真空ポンプを提供する。

　この構成によれば、支持板部の連通口が、内側回転円筒部内と外側回転円筒部内に跨がって形成されることより、連通孔の開口面積を大きく確保することができる。

　請求項３記載の発明は、請求項２記載の構成において、前記支持板部は、間に前記連通口を各々設けて放射状に延びる複数個の前記梁部を有してなる前記鍔状部と、前記梁部の放射方向中間部または端部に前記回転円筒部を取り付けるための軸方向延長部もしくは凹部を設けて前記回転円筒部の一端を固定しているネジ溝式真空ポンプを提供する。

　この構成によれば、支持板部の連通口が、内側回転円筒部内と外側回転円筒部内に跨がって形成されることより、連通孔の開口面積を大きく確保することができるとともに、軸方向延長部により各回転円筒部をしっかりと固定でき、ロータ部材の高速回転を可能にする。

　請求項４記載の発明は、請求項３記載の構成において、前記支持板部は、間に前記連通孔を各々設けて放射状に延びる複数個の前記梁部を有してなる前記鍔状部と、前記梁部の前記放射方向中間部または前記端部に前記回転円筒部を取り付けるための前記軸方向延長部もしくは前記凹部を設けるとともに円周方向を連接したサポートリング部を形成し、そのサポートリング部に前記回転円筒部の一端を固定しているネジ溝式真空ポンプを提供する。

　この構成によれば、支持板部の連通口が、内側回転円筒部内と外側回転円筒部内に跨がって形成されることより、連通孔の開口面積を大きく確保することができるとともに、サポートリング部により各回転円筒部をしっかりと固定できる。

　請求項５記載の発明は、請求項１，２，３または４記載の構成において、前記ロータ軸が運転中に該ロータ軸と前記軸受との間に発生し得る変位によりコニカル運動をするときの変位中心と前記ロータ部材の軸方向センタ位置をほぼ一致させてなるネジ溝式真空ポンプを提供する。

　この構成によれば、軸方向両側に各々設置した排気機構におけるギャップ変動差を最小とすることができる。

　請求項６記載の発明は、請求項５記載の構成において、前記回転円筒部と前記ステータ部材の間の隙間が、コニカル運動の中心からの距離に応じて大きくなるように形成してなるネジ溝式真空ポンプを提供する。

　この構成によれば、軸方向両側に各々設置した排気機構におけるギャップ変動差をさらに最小とすることができる。

　請求項７記載の発明は、請求項１，２，３，４，５または６記載の構成において、前記回転円筒部は、繊維強化複合材料で形成してなるネジ溝式真空ポンプを提供する。

　この構成によれば、回転円筒部を、強度の高い繊維強化複合材料を使用して形成することにより、該回転円筒部の強度を高め、かつロータ部材全体の軽量化が可能になる。

　請求項８記載の発明は、請求項１，２，３，４，５または６記載の構成において、前記回転円筒部は、チタン合金材料で形成してなるネジ溝式真空ポンプを提供する。

　この構成によれば、回転円筒部を、強度の高いチタン合金材料を使用して形成することにより、該回転円筒部の強度を高め、かつロータ部材全体の軽量化が可能になる。

　請求項９記載の発明は、請求項１，２，３，４，５または６記載の構成において、前記回転円筒部は、析出硬化系ステンレス材料で形成してなるネジ溝式真空ポンプを提供する。

　この構成によれば、回転円筒部を、強度の高い析出硬化系ステンレス材料を使用して形成することにより、該回転円筒部の強度を高め、かつロータ部材全体の軽量化が可能になる。

　請求項１０記載の発明は、請求項１，２，３，４，５，６，７，８または９記載の構成において、前記吸気口を少なくとも２個設け、該各吸気口をそれぞれ被真空室の互いに離れた位置に連結できるネジ溝式真空ポンプを提供する。

　この構成によれば、被真空室内の互いに離れた異なる位置から気体分子を各々吸い出し、被真空室内の気体分子を効率良く排気できるとともに、被真空室内の圧力差を軽減できる。

　請求項１１記載の発明は、請求項１０のネジ溝式真空ポンプを使用した真空排気システムを提供する。

　この構成によれば、被真空室内の気体分子を効率良く排気することがきる真空排気システムを提供できる。

　請求項１記載の発明は、ロータ軸の軸方向両側に各々設けた２つの排気ルートを同時に使用して排気するので、十分な排気速度を得ることができる。これにより、排気能力の向上に寄与する。また、吸気口から吸い込んだ気体分子をロータ軸に沿って平行に流し、これを排気口からスムーズに排気することができるので、排気速度をさらに高めることが可能になり、排気能力もさらに向上する。

　請求項２記載の発明は、排気ルート途中における支持板部の連通孔の開口面積を大きく確保することができるので、吸気コンダクタンスが大きくなり、スムーズな吸気が得られ、排気能力の向上に寄与する。

　請求項３記載の発明は、排気ルート途中における支持板部の連通孔の開口面積を大きく確保することができるので、吸気コンダクタンスが大きくなり、スムーズな吸気が得られるとともに、支持板部の梁部等に設けられた軸方向延長部もしくは凹部により、個別に成型した各回転円筒部をしっかりと固定することができてロータ部材を高速回転させることが可能となるので、さらに排気能力の向上に寄与する。

　請求項４記載の発明は、排気ルート途中における支持板部の連通孔の開口面積を大きく確保することができるとともに、支持板部の梁部等に設けられたサポートリング部により、個別に成型した各回転円筒部をしっかりと固定することができてロータ部材を高速回転させることをより一層可能にするので、さらに排気能力の向上に寄与する。

　請求項５記載の発明は、軸方向両側に各々設置した排気機構のギャップ変動差を最小にして排気要素の最小化が可能になる。

　請求項６記載の発明は、軸方向両側に各々設置した排気機構のギャップ変動差を最小にしてさらなる排気要素の最小化が可能になる。

　請求項７記載の発明は、回転円筒部の強度を高めるとともにロータ部材全体の軽量化を図り、ロータ軸に対する負荷を軽減してロータ部材を高速回転させることが可能になるので、さらに排気能力の向上に寄与する。

　請求項８記載の発明は、回転円筒部の強度を高めるとともにロータ部材全体の軽量化を図り、ロータ軸に対する負荷を軽減してロータ部材を高速回転させることが可能になるので、さらに排気能力の向上に寄与する。

　請求項９記載の発明は、回転円筒部の強度を高めるとともにロータ部材全体の軽量化を図り、ロータ軸に対する負荷を軽減してロータ部材を高速回転させることが可能になるので、さらに排気能力の向上に寄与する。

　請求項１０記載の発明は、被真空室内の気体分子を効率良く排気することができるポンプの実現が可能になる。

　請求項１１記載の発明は、被真空室内の気体分子を効率良く排気することができる真空排気システムの実現が可能になる。

本発明の一実施例として示すネジ溝式真空ポンプの縦断面図。同上ポンプにおけるロータ部材の一部とステータ部材の固定円筒部を模式的に示す斜視図。同上ポンプにおけるロータ部材の斜視図。一部を分解して示す同上ポンプにおけるロータ部材の斜視図。同上ポンプにおけるギャップの変動を説明する図。本発明の一変形例として示すネジ溝式真空ポンプの縦断面図。本発明の一変形例として示したネジ溝式真空ポンプの一使用例を説明する真空ポンプシステムの模式図。本発明の他の変形例として示すネジ溝式真空ポンプの縦断面図。本発明の別の変形例として示すネジ溝式真空ポンプの縦断面図。

　本発明は排気速度を高めて排気能力の向上を図るという目的を達成するために、吸気口と排気口とを有するケーシングを備え、該ケーシング内に、軸受と回転駆動機構とにより一軸上に回転可能に支持されたロータ軸と、該ロータ軸に鍔状をした支持板部を介して接合されて該ロータ軸と一体回転可能に同心配置された少なくとも１個の回転円筒部と、該回転円筒部の外側面及び／もしくは内側面に所定のギャップを隔てて対向設置された少なくとも２個のステータ部材を設けてなるとともに、前記回転円筒部と前記ステータ部材の互いに対向する側面の一方には前記ロータ軸の回転に伴って前記吸気口から前記排気口に気体分子を移送するネジ溝を形成し、支持板部には前記吸気口もしくは前記排気口と前記ネジ溝とを連通させるための連通口を有するネジ溝式排気機構を前記ロータ軸上の軸方向に所定の間隔をあけて少なくとも２個設置し、かつ、前記吸気口もしくは排気口のいずれか一方は、前記ネジ溝排気機構同士の間に設置された構成とすることにより実現した。

　以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら好適な実施例を説明する。

　図１は本発明に係るネジ溝式真空ポンプの縦断面図である。以下の説明において、図１の左右方向を軸方向、上下方向を半径方向として説明する。

　図１において、ネジ溝式真空ポンプ１０は、軸方向全長に亘って等径の略円筒形状をした円筒部１１ａと、該円筒部１１ａの両端をそれぞれ閉塞した端蓋部１１ｂ，１１ｃを設けて、中空外装体としてなるケーシング１１を有する。

　前記ケーシング１１の前記円筒部１１ａの軸方向中央部近傍にはフランジを設けた吸気口１２が形成され、左右の前記端蓋部１１ｂ，１１ｃには同じくフランジを設けた排気口１３，１３が形成されている。なお、該吸気口１２及び該排気口１３，１３はそれぞれ、後述するロータ部材１６の回転方向及び／またはネジ溝２５の刻設方向によって吸気口、排気口の何れにもなるものである。

　また、前記ケーシング１１内には、ロータ軸１４と、該ロータ軸１４と一体に回転する回転支持体１５と、該回転支持体１５上に固定配置されて該ロータ軸１４と共に回転する左右１対のロータ部材１６，１６と、該左右１対のロータ部材１６，１６と各々対応して設けられた左右１対のステータ部材１７，１７が、互いに同軸配置されている。

　なお、前記ケーシング１１の前記端蓋部１１ｂ，１１ｃの内面には、該端蓋部１１ｂ，１１ｃの各中心部に、それぞれ固定支持体１８ａ，１８ｂが連結部１９，１９を介して同軸配置されている。

　前記固定支持体１８ａ，１８ｂは、各々略円柱状であり、また前記連結部１９に固定して取り付けられている一端側に、フランジ状をした位置決め板部２０ａ，２０ｂが形成されている。なお、該位置決め板部２０ａ，２０ｂにはそれぞれ、連通孔２１が周回方向に離れて複数個形成されている。また、一方の固定支持体１８ａの他端側には、他方の固定支持体部１８ｂ側に向かって突出した状態にして、その中心部に円筒部２２が固定されて、該固定支持体１８ａと同軸配置されている。

　前記円筒部２２には、その中心に形成された孔２２ａ（以下、これを「中心孔２２ａ」という）内に左右１対の軸受２３，２３が互いに軸方向に離れた状態で取り付けられている。そして、該円筒部２２の前記中心孔２２ａには、該１対の軸受２３，２３を介して、前記ロータ軸１４が回転可能に取り付けられている。また、該円筒部２２には、前記１対の軸受２３，２３の間に、前記ロータ軸１４を回転させるためのモータ部２４が配置されている。

　前記左右のステータ部材１７，１７は、前記ケーシング１１における前記円筒部１１ａの内周面に固定された外側固定円筒部１７ａと、前記固定支持体１８ａ，１８ｂの位置決め板部２０ａ，２０ｂから内側に向かって各々突出した状態にして、それぞれ該位置決め板部２０ａ，２０ｂに固定して取り付けられた中間固定円筒部１７ｂと、前記固定支持体１８ａ，１８ｂの外周面に固定された内側回転円筒部１７ｃを、互いに同軸配置して構成されている。

　また、前記外側固定円筒部１７ａの内周面と前記中間固定円筒部１７ｂの外周面の間、及び、前記中間固定円筒部１７ｂの内周面と前記内側回転円筒部１７ｃの外周面の間にはそれぞれ、前記ロータ部材１６の前記外側回転円筒部２７ａと前記内側回転円筒部２７ｂを回転可能に配設させるための所定の隙間が形成されている。

　さらに、前記外側固定円筒部１７ａの内周面と、前記中間固定円筒部１７ｂの内周面及び外周面と、前記内側固定円筒部１７ｃの外周面には、螺旋状をした排気経路（排気ルート）を形成するためのネジ溝２５が、各々複数条形成されている。図２は、そのネジ溝２５を内周面に形成してなる前記外側固定円筒部１７ａを、後述するロータ部材１６の外側回転円筒部２７ａと共に模式的に示している。そして、各ネジ溝２５の一端側（軸中心側）は最上流側において前記吸気口１２に連通され、他端側（軸方向外側）は最下流側において排気口１３，１３に連通されている。なお、ネジ溝２５は、吸気口１０より吸入された気体分子が軸方向の両方（図１の左右方向）に設置した排気口に排気できるように、左右で逆方向のねじが螺設されている。

　前記回転支持体１５は、円筒体部１５ａと、該円筒体部１５ａの一端側を閉じた端板部１５ｂを有して、他端側が開放された円筒カップ型に構成されている。そして、該回転支持体１５は、前記端板部１５ｂの中心を前記ロータ軸１４が貫通した状態にして、該端板部１５ｂを前記ロータ軸１４に同軸固定させて取り付け、該ロータ軸１４と一体に回転するようになっている。また、回転支持体１５は、前記円筒部２２に軸受２３，２３を介して前記ロータ軸１４と共に取り付けられる際、該回転支持体１５の開口端側から前記円筒部２２を該回転支持体１５の内部に挿入させて、該円筒部２２と同軸配置された状態にして取り付けられる。

　前記左右のロータ部材１６，１６はそれぞれ、鍔状の支持板部２６と、該支持板部２６に一端側を固設し、かつ他端側を開放して前記ロータ軸１４と同軸配置して取り付けられてなる外側回転円筒部２７ａ及び内側回転円筒部２７ｂを備えてなる。そして、図１に示すように、前記ロータ部材１６，１６は、その前記支持板部２６，２６をそれぞれ、前記吸気口１２と対応する位置の略外側となるように互いに離すとともに、前記各回転円筒部２７ａ，２７ｂの開放している他端側が互いに軸方向外側を向くようにして、それぞれの支持板部２６，２６を前記回転支持体１５上に同軸固定してなる。

　なお、前記左右のロータ部材１６，１６が前記回転支持体１５上に各々取り付けられた状態では、前記各ロータ部材１６，１６の前記外側回転円筒部２７ａが、前記ステータ部材１７における前記外側固定円筒部１７ａの内周面と前記中間固定円筒部１７ｂの外周面の間の隙間内に配置されるとともに、前記内側回転円筒部２７ｂが、前記ステータ部材１７における前記中間固定円筒部１７ｂの内周面と前記内側固定円筒部１７ｃの外周面の間の隙間内に配置される。

　また、前記左右のロータ部材１６，１６が前記円筒部２２に前記ロータ軸１４と共に取り付けられた状態では、図１に示すように前記各軸受２３，２３は前記回転円筒部２７ａ，２７ｂに対して軸方向内側となる位置に配置、すなわちオーバハング状態で配置されて、該軸部２３，２３内の軸受スパンが前記左右のロータ部材１６，１６における前記回転円筒部(２７ａ，２７ｂ)、(２７ａ，２７ｂ)の間隔よりも短くなるように設定してある。オーバハング状態で軸受を配置する理由として次の理由が挙げられる。すなわち、ネジ溝排気要素の性能を向上するためには回転体の回転数を上げることが有効であるが、回転体を構成する部材の弾性体固有振動数が回転周波数に近づくと共振がおこるため、軸受に大きな荷重がかかり軸受が破損することがある。このように回転体の回転数はその構成部品の固有振動数に制約をうける。ロータ軸は回転体構成部品の中でもその長さに対して断面直径が小さい部品であるため固有振動数が低くなる。ロータ軸の固有振動数を高くして回転体の回転数を高く設定するためには、ロータ軸の短縮が不可欠であり、ネジ溝排気要素の高性能化を図るとかようなオーバハング形状となる。

　さらに、本実施例では、前記外側回転円筒部２７ａと前記内側回転円筒部２７ｂの少なくとも一方は、共に比強度の高い材料、例えば繊維強化アルミニウム合金、繊維強化マグネシウム合金、繊維強化プラスチックス等の繊維強化複合材料を円筒形に形成してなる。このように前記外側回転円筒部２７ａと前記内側回転円筒部２７ｂを共に比強度の高い材料で形成すると、全体的に強度が高く、かつ軽量化された前記ロータ部材１６，１６を得ることができため、回転円筒部２７ａ，２７ｂの周速を高く設定できるとともに前記ロータ軸１４に加わる荷重が軽減することにより回転体の固有振動数が向上するので高速回転が可能となり、ネジ溝排気要素の性能向上が図れる。この比強度の高い材料としては、前記繊維強化複合材料の他に、チタン合金、析出硬化系ステンレス合金（ＳＵＳ６３０等）を使用することもできる。

　また、前記各ロータ部材１６，１６の前記外側回転円筒部２７ａ及び前記内側回転円筒部２７ｂが各々取り付けられている前記支持板部２６は、図３及び図４に示すように、間に前記吸気孔１２へ通じる連通孔２８を各々設けて中心から外側へ向かって放射状に延びる複数個の梁部２９ａ，２９ａ…を有する鍔状部２９と、該鍔状部２９の内面で、かつ前記梁部２９ａ，２９ａ…の放射方向中間部にリング状に形成して設けられ、その外周面に前記内側回転円筒部２７ｂの一端側を同軸固定してなる内側サポートリング部３０ａと、前記鍔状部２９の内面で、かつ前記梁部２９ａ，２９ａ…の放射方向外側先端部にリング状にして設けられ、その外周面に前記外側回転円筒部２７ａの一端側を同軸固定してなる外側サポートリング部３０ｂと、を一体に備えている。このように、前記鍔状部２９に前記梁部２９ａ，２９ａ…を放射状に設けて該各梁部２９ａ，２９ａ…の間に前記連通孔２８を各々形成するようにすると、該各連通孔２８，２８…は前記内側回転円筒部２７ｂの内周領域内と前記外側回転円筒部２７ａの内周領域内にそれぞれ跨がって一体に形成された状態にして設けられる。これにより、前記該各連通孔２８，２８…は大きな開口面積をした連通孔となり、開口面積を大きくすることにより吸気コンダクタンスが大きくなり、これが吸気性能の向上に寄与する。

　なお、本実施例では、前記外側回転円筒部２７ａの一端側を同軸固定する部分をリング状に形成されたサポートリング部３０ａとして説明したが、他の望ましい構造としては、図示しないが前記梁部２９ａ，２９ａ…から、該梁部２９ａ，２９ａ…の一部を軸方向に延長した構造（軸方向延長部）、もしくは、前記延長部の代わりに凹部を設けた構造（凹部）がある。

　このように構成されたネジ溝式真空ポンプ１０は、ポンプ中央より吸入して両端より排気するタイプのもので、モータ部２４が駆動されると、該モータ部２４の回転力で前記ロータ軸１４が前記回転支持体１５、前記ロータ部材１６，１６と共に高速で回転する。そして、前記ロータ部材１６，１６の前記回転円筒部２７ａ，２７ｂが高速で回転することにより、前記各ステータ部材１７，１７側における各ネジ溝２５，２５…内で気体分子が前記排気口１３，１３方向に移送される。同時に、吸気口１２からケーシング１１内に気体分子が吸い込まれて前記各ネジ溝２５に順次導入される。これが該ネジ溝２５，２５…に沿って排気方向に移送されて前記排気口１３，１３から排気され、この動作が繰り返される。

　したがって、このネジ溝式真空ポンプ１０は、前記吸気口１２を被真空室（図示せず）に接続しておくと、被真空室内から気体分子が順次吸い出されて、該真空室内を真空状態にすることができる。そして、この実施例の構造では、前記吸気口１２から前記ケーシング１１内に吸い込まれた気体分子は、前記左右のステータ部材１７，１７及び前記ロータ部材１６，１６等で各々形成された左右の排気経路に分流されて、これが左右の排気口１３，１３から効率良く排気される。

　ところで、一般に、この種のネジ溝式真空ポンプ１０では、ポンプ運転中、前記排気口１３，１３側の方の圧力が前記吸気口１２側の圧力よりも高いので、前記ポンプ作用がなければ逆流する。そして、前記各ロータ部材１６，１６の前記外側回転円筒部２７ａ及び前記内側回転円筒部２７ｂと前記各ステータ部材１７のネジ溝２５とのギャップは、狭ければ狭いほどギャップを通過して逆流する気体分子が減るため、性能が向上する。一方、ポンプ運転中には、該回転円筒部２７ａ，２７ｂが変位する虞がある。この回転円筒部２７ａ，２７ｂの変位が発生すると、ネジ溝２５との接触が発生して、最悪の場合、回転円筒部２７ａ，２７ｂの損傷やかじりが発生して運転不能となる。

　しかし、ポンプ運転中には下記の軸受の状態変化に起因するロータの変位が発生して回転円筒部２７ａ，２７ｂが変位するので、その変位量を考慮してギャップを広く設定する必要がある。広く設定しておかないと、運転中に発生する変位によりロータとネジ溝との接触が発生して、最悪の場合、ロータ部材が損傷しステータ部材とかじりが発生して運転不能となる。

　したがって、ころがり軸受を使用した場合には軌道面の磨耗により発生する転動体と軌道との隙間の増加、すべり軸受を使用した場合では摺動面の磨耗及び回転軸と固定部との熱膨脹差により発生する隙間の増加、磁気軸受を使用した場合では、停電（軸受電磁石への通電が喪失する）及びポンプ外部からの強い加振等により、ポンプステータ中心にロータを保持できなくなり、保護軸受に接触するに至るまでロータが変位する、といったロータ変位を考慮して前出ギャップを設定する必要がある。

　そこで、本実施例のネジ溝式真空ポンプ１０では、この点に関して、図１に示すように前記１対の軸受２３，２３を左右回転円筒部の端部に対して略センタ近傍に配設すること、また、前記ロータ軸１４の前記軸受２３，２３が運転中に、該ロータ軸１４と該軸受２３，２３との間に発生し得る変位によりコニカル運動をするときの変位中心と前記ロータ部材１６，１６の軸方向センタ位置をほぼ一致させるとともに、前記回転円筒部２７ａ，２７ｂと前記ステータ部材１７，１７との間の隙間が、コニカル運動の中心からの距離に応じて大きくなるように形成して、上記ギャップの変動が最小限となるように、例えば２０％以内としている。

　この理由を、図５を用いて以下解説する。なお、説明の都合上、上記軸受２３，２３は、軸受b₁と軸受b₂と置き換えて説明する。

　まず、軸受b₁とb₂において、逆位相の変位g_b1とg_b2 が発生して、前記ロータ軸１４，前記ロータ部材１６，１６等の回転体がδ_b12 傾いたとする。

軸受b1とb2の間隔(スパン)をS_b0とすると、次式の関係になる。

　sinδ_b12= (g_b1 + g_b2) / S_b0　…（１）

　コニカル運動の中心とそれぞれの軸受との距離は、次の関係になる。
S_b1 : S_b2 = g_b1：g_b2　　…（２）

　前記回転円筒部２７ａ，２７ｂとネジ溝２５とのギャップ変化は、回転円筒端部で最も大きくなるため、回転円筒端部でのギャップ変化（Δg_p1， Δg_p2）について考える。

　ロータ軸１４のコニカル運動の中心点（A）が、両方の回転円筒端部より軸方向に等間隔な位置（B）に対してL_mずれている場合、Δg_p1， Δg_p2 は次の式となる。

　Δg_p1 = R₁×(1-cosδ_b12) + (-L_m +L_p0)×sinδ_b12 …　（３）

　Δg_p2 = R₂×(1-cosδ_b12) + (L_m +L_p0)×sinδ_b12 …　（４）

　R₁，R₂(前記回転円筒部２７ａ，２７ｂの直径)、L_p0 (前記回転円筒部２７ａ，２７ｂの軸方向長さ)は、ポンプの排気性能により決まる値である。

　S_pO を大きくすれば軸の傾きδ_b12 が小さくなるのでギャップ変化Δg_P1， Δg_P2 を小さくとれるが、軸の長さを増やす必要があり、軸の固有振動数が低下するため、ロータ回転数を上げて性能向上を図る場合には適切な対策ではない。

　Δg_p1 とΔg_p2との値が異なる場合、例えばΔg_p1 ＞Δg_p2 となった場合、Ｐ₁側の前記回転円筒部２７ａ，２７ｂとネジ溝２５との隙間を大きく設定する必要があり、P₁側のポンプ性能が低下して、ポンプ全体の性能が低下する。

　この対策として、P₁側のポンプ長さを長く取る必要が生じるため、ポンプサイズの増大、ロータ質量増加による軸受・モータのコスト増加につながり好ましくない。

　解決策として、軸受の変位g_b1 ， g_b2 により決まる（Ａ）点の位置と回転円筒部両端から均等の位置にある（Ｂ）点との距離L_m を、ロータとネジ溝とのギャップ変化により生ずる性能影響が許容できる範囲内になるように設定する。

Ｒ１＝Ｒ２と仮定したときに、差分Δg_p2- Δg_p1をとると

　Δg_p2 - Δg_p1 = 2L_m ×sin δ_b12 = 2L_m × (g_b1 + g_b2) / S_b0　…（５）

　この値を軸受け変位前のギャップg_p1， g_p2 に対して充分小さく（20%以内）、好適にはL_m=0 である。

　また、円筒端部以外のギャップ変化については、前記（３）式、前記（４）式のL_p0を、ロータ軸のコニカル運動の中心点(A)からの距離に置き換えて考えれば良い。但し、ロータ軸のコニカル運動の中心点(A)からの距離が、S_b1あるいはS_b2より小さくなる範囲では、コニカル運動に起因するギャップ変化より、軸受b₁，b₂が同位相に変位するパラレル運動に起因するギャップ変化のほうが大きくなるため、この限りではない。

　なお、上記実施例では、前記ケーシング１１の前記円筒部１１ａの軸方向中央部近傍には吸気口１２を形成し、左右の前記端蓋部１１ｂ，１１ｃに排気口１３，１３を形成したネジ溝式真空ポンプ１０を開示した。しかし、例えば図６に示すように、前記ケーシング１１の前記円筒部１１ａの軸方向中央部近傍に排気口１３を設けるとともに、左右の前記端蓋部１１ｂ，１１ｃに吸気口１２，１２を設けて成るネジ溝式真空ポンプ１０とすることも可能である。

　すなわち、この図６に示すネジ溝式真空ポンプ１０の場合、前記モータ部２４の回転を逆転させる、あるいは前記ネジ溝２５，２５…の螺旋形状の向きを図１の構成とは反対向きに形成して正転させることにより、２つの吸気口１２，１２から気体分子を吸い込み、排気口１３を通して排気するネジ溝式真空ポンプ１０とすることができる。したがって、図６において、図１～図５と同じ符号を付して示しているものは、同じ部材であるので、重複説明は省略する。

　図７は、図６に示したネジ溝式真空ポンプ１０を使用した真空ポンプシステムの一例を示す概略構成図である。同図において、被真空室３１は、内部に例えば被加工部品をチャックしたり交換したりするための機構やプラズマプロセス用電極装置等の各種の装置３２が配置されている。そして、該被真空室３１には、前記吸気孔１２，１２を該真空室３１内に連結接続した状態にしてネジ溝式真空ポンプ１０が取り付けられている。その吸気口１２，１２を取り付ける位置は、同図に示すように左右に大きく離して設けられている。

　この真空ポンプシステムでは、ポンプ両端より吸入して、中央より排気するタイプであるネジ溝式真空ポンプ１０が駆動されると、前記被真空室３１内の気体分子が前記吸気口１２，１２を通して吸い出されるとともに排気口１３を通して外部に排気され、これにより該被真空室３１内を真空にすることができる。また、この真空ポンプシステムでは、２つの前記吸気口１２，１２をそれぞれ、前記被真空室３１の互いに離れた位置に連結させてネジ溝式真空ポンプ１０を設けているので、大きなスペースを有した被真空室３１のような場合では、該被真空室３１内の離れた部位から気体分子を各々吸引し、該被真空室３１内の気体分子を各部平均的に吸引して急速に効率良く排気することができる。また、被真空室内の圧力差を軽減できる。

　図８は、図１～図６に示したネジ溝式真空ポンプの他の変形例を示すものである。この変形例の構成は、固定支持体１８ａ，１８ｂの互いに対向し合う内面にそれぞれ円筒部３３ａ，３３ｂを固定して設けるとともに、ロータ軸１４に取り付けられた回転支持体３５を左右対称形にしてロータ軸１４に一体回転可能に取り付けてなる点、及びロータ軸１４の支持構造を変形したものであり、図１と同一の構成部分は同一符号を付して重複説明を省略する。

　前記円筒部３３ａ，３３ｂは、中心に孔３４ａ，３４ｂ（以下、これを「中心孔３４ａ」，「中心孔３４ｂ」という）を有し、その中心孔３４ａと該中心孔３４ｂに各々別れるようにして軸受２３，２３が取り付けられている。そして、前記円筒部３３ａの前記中心孔３４ａ及び前記円筒部３３ｂの前記中心孔３４ｂには、前記各軸受２３，２３を介して、前記ロータ軸１４が回転可能に取り付けられている。また、該円筒部３３ａには、前記ロータ軸１４を回転させるためのモータ部２４が配置されている。

　前記回転支持体３５は、ロータ軸１４に固定された円板状をした中心端板部３５ｂと、該中心端板部３５ｂからそれぞれ互いに軸方向外側を向くようにして円筒体部３５ａ，３５ａが一体に設けられてなり、断面が概略Ｈ状に形成されている。そして、左右のロータ部材１６，１６同士が互いに相反する軸方向を向く状態にして、円筒体部３５ａ，３５ａの開放先端側に、それぞれ前記支持板部２６，２６を同軸的に固定して取り付けている。

　この変形例によるネジ溝式真空ポンプ１０も、ポンプ両端より吸入して、中央より排気するタイプのもので、モータ部２４が駆動されると、該モータ部２４の回転力で前記ロータ軸１４が前記回転支持体３５、前記ロータ部材１６，１６と共に高速で回転する。そして、前記ロータ部材１６，１６の前記回転円筒部２７ａ，２７ｂが高速で回転すると、前記各ステータ部材１７，１７側における各ネジ溝２５，２５…内で気体分子が前記排気口１３方向に移送されると同時に、吸気口１２，１２からケーシング１１内に気体分子が吸い込まれて前記各ネジ溝２５に順次導入される。これが該ネジ溝２５，２５…に沿って順に排気方向に移送されて前記排気口１３から排気される。この動作を繰り返すことにより、真空操作を行うことができる。

　図９は、本発明の別の変形例を模式的に示すネジ溝式真空ポンプの縦断面図である。この変形例の構成は、前記ロータ軸１４及び前記軸受２３，２３、前記モータ部２４が円筒体部３９および連結部材３８を介して前記ケーシング１１の前記円筒部１１ａに支持されている。そして、円筒体部１５ａと端板部１５ｂを有してカップ状に形成された回転支持体３７，３７をそれぞれ、該回転支持体３７，３７同士が互いに軸方向外側を向くようにして前記ロータ軸１４の左右両側に取り付けるとともに、前記各回転支持体３７，３７に前記左右のロータ部材１６，１６を、該左右のロータ部材１６，１６の回転円筒部２７ａ，２７ｂが互いに軸方向内側を向くようにして設けたものであり、図１及び図８と同一の構成部分は同一符号を付してある。

　この変形例によるネジ溝式真空ポンプ１０も、ポンプ両端より吸入して、中央より排気するタイプのもので、モータ部２４が駆動されると、該モータ部２４の回転力で前記ロータ軸１４が前記回転支持体３７，３７、前記ロータ部材１６，１６と共に高速で回転する。そして、前記ロータ部材１６，１６の前記回転円筒部２７ａ，２７ｂが高速で回転すると、前記各ステータ部材１７，１７側における各ネジ溝２５，２５…内で気体分子が前記排気口１３方向に移送されると同時に、吸気口１２，１２からケーシング１１内に気体分子が吸い込まれて前記各ネジ溝２５に順次導入される。これが該ネジ溝２５，２５…に沿って順に排気方向に移送されて前記排気口１３から排気される。この動作を繰り返すことにより、真空操作を行うことができる。

　なお、本発明は、本発明の精神を逸脱しない限り種々の改変を為すことができ、そして、本発明が該改変されたものに及ぶことは当然である。

　以上説明したように、本発明は真空ポンプ以外の、円筒ロータを使用する各種の装置にも応用することができる。

１０　　　ネジ溝式真空ポンプ
１１　　　ケーシング
１１ａ　　円筒部
１１ｂ，１１ｃ　　端蓋部
１２　　　吸気口
１３　　　排気口
１４　　　ロータ軸
１５　　　回転支持体
１５ａ　　円筒体部
１５ｂ　　端板部
１６　　　ロータ部材
１７　　　ステータ部材
１７ａ　　外側固定円筒部
１７ｂ　　中間固定円筒部
１７ｃ　　内側固定円筒部
１８ａ，１８ｂ　　固定支持体
１９　　　連結部
２０ａ，２０ｂ　　位置決め板部
２１　　　連通孔
２２　　　円筒部
２２ａ　　中心孔
２３　　　軸受
２４　　　モータ部
２５　　　ネジ溝
２６　　　支持板部
２７ａ　　外側回転円筒部
２７ｂ　　内側回転円筒部
２８　　　連通孔(連通口)
２９　　　鍔状部
２９ａ　　梁部
３０ａ　　内側サポートリング部
３０ｂ　　外側サポートリング部
３１　　　被真空室
３２　　　装置
３３ａ，３３ｂ　　円筒部
３４ａ，３４ｂ　　中心孔
３５　　　回転支持体
３５ａ　　円筒体部
３５ｂ　　中心端板部
３７　　　回転支持体
３８　　　連結部材
３９　　　円筒体部

Claims

　吸気口と排気口とを有するケーシングを備え、
　該ケーシング内に、軸受と回転駆動機構とにより一軸上に回転可能に支持されたロータ軸と、該ロータ軸に鍔状をした支持板部を介して接合されて該ロータ軸と一体回転可能に同心配置された少なくとも１個の回転円筒部で構成されるロータ部材と、該回転円筒部の外側面及び／もしくは内側面に所定のギャップを隔てて対向設置された少なくとも２個のステータ部材を設けてなるとともに、
　前記回転円筒部と前記ステータ部材の互いに対向する側面の一方には前記ロータ軸の回転に伴って前記吸気口から前記排気口に気体分子を移送するネジ溝を形成し、
　前記支持板部には前記吸気口もしくは前記排気口と前記ネジ溝とを連通させるための連通口を有するネジ溝式排気機構を前記ロータ軸上の軸方向に所定の間隔をあけて少なくとも２個設置し、かつ、
　前記吸気口もしくは前記排気口のいずれか一方は、前記ネジ溝式排気機構同士の間に設置されていることを特徴とするネジ溝式真空ポンプ。
　前記支持板部は、間に前記連通口を各々設けて放射状に延びる複数個の梁部を有してなる鍔状部により構成されていることを特徴とする請求項１記載のネジ溝式真空ポンプ。
　前記支持板部は、間に前記連通口を各々設けて放射状に延びる複数個の前記梁部を有してなる前記鍔状部と、前記梁部の放射方向中間部または端部に前記回転円筒部を取り付けるための軸方向延長部もしくは凹部を設けて前記回転円筒部の一端を固定していることを特徴とする請求項２記載のネジ溝式真空ポンプ。
　前記支持板部は、間に前記連通孔を各々設けて放射状に延びる複数個の前記梁部を有してなる前記鍔状部と、前記梁部の前記放射方向中間部または前記端部に前記回転円筒部を取り付けるための前記軸方向延長部もしくは前記凹部を設けるとともに円周方向を連接したサポートリング部を形成し、そのサポートリング部に前記回転円筒部の一端を固定していることを特徴とする請求項３記載のネジ溝式真空ポンプ。
　前記ロータ軸が運転中に該ロータ軸と前記軸受との間に発生し得る変位によりコニカル運動をするときの変位中心と前記ロータ部材の軸方向センタ位置をほぼ一致させてなることを特徴とする請求項１,２,３または４記載のネジ溝式真空ポンプ。
　前記回転円筒部と前記ステータ部材の間の隙間が、コニカル運動の中心からの距離に応じて大きくなるように形成してなることを特徴とする請求項５記載のネジ溝式真空ポンプ。
　前記回転円筒部は、繊維強化複合材料で形成してなることを特徴とする請求項１,２,３,４，５または６記載のネジ溝式真空ポンプ。
　前記回転円筒部は、チタン合金材料で形成してなることを特徴とする請求項１,２,３,４，５または６記載のネジ溝式真空ポンプ。
　前記回転円筒部は、析出硬化系ステンレス材料で形成してなることを特徴とする請求項１，２，３，４，５または６記載のネジ溝式真空ポンプ。
　前記吸気口を少なくとも２個設け、該各吸気口をそれぞれ被真空室の互いに離れた位置に連結できることを特徴とする１，２，３，４，５，６，７，８または９記載のネジ溝式真空ポンプ。
　請求項１０のネジ溝式真空ポンプを使用した真空排気システム。