JP2005147151A - 振動減衰器を備えた真空ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】特性の向上した機械振動減衰器を備えた真空ポンプを提供する。
【解決手段】真空ポンプアセンブリには、振動減衰器により連結された、真空ポンプと外部ユニットとが設けられている。振動減衰器は、複数の圧電アクチュエータと複数のセンサとを備えている。アクチュエータが、ポンプからこのポンプに接続された外部ユニットへ伝播する振動および／またはその逆方向に伝播する振動を減衰する一方で、センサは、前記アクチュエータを制御する為の振動測定値を与えることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、振動減衰器を備えた真空ポンプに関する。
本発明は特に、ターボ分子真空ポンプであって、回転子の回転による振動が、そのポンプが接続された外部ユニットへ伝播するのを低減する振動減衰器（ダンパ）を備えた真空ポンプに関する。外部ユニットは、内部を真空状態にしようとするチャンバであってもよい。

真空ポンプを固着した真空チャンバの従来の使用法においては、特にポンプの回転子の回転に必ず伴う機械振動の影響を受けやすい。そのような使用例として、集積電子回路製造用マスクの測定および修復に使用される電子顕微鏡装置が挙げられる。
ポンプから真空チャンバに伝わる機械的応力を低減する為に、一部のメーカーでは、従来の機械的な軸受けに代えて、磁気軸受けや磁気サスペンションを使用している。しかしながら、磁気サスペンションを使用しても、ポンプによる振動を所望のレベルにまで減衰することができるとは限らない。

更に、高真空を要求する用途に使用されるターボ分子ポンプは、直接外気に排気するのではなく、フォアポンプに接続されている。つまり、フォアポンプから発生して真空ポンプに伝えられる振動と、反対に真空ポンプから発生してフォアポンプに伝えられる振動を考慮する必要がある。
以上の理由から、真空ポンプには大抵、ポンプと真空チャンバとの間に配置された振動減衰器が設けられている。

従来の技術では、図1を参照して、真空ポンプ100は、吸入口110と、排出口120と、ガスポンピング手段130とを有する。このガスポンピング手段130はターボ分子ポンプの場合、幾つかのポンピングステージで構成され、各ポンピングステージは、対応する固定子リングと協働する回転子ディスクを備えている。ターボ分子ポンプの例が、下記特許文献１に記載されている。フランジ115は、吸入口110に対応して設けられており、吸入口110を、真空状態とすべきチャンバ200のフランジ210と連結できるようにしている。同様のフランジ125が、排出口120に対応して設けられており、排出口120を通常フランジ付ベローズ400を介してフォアポンプ300に連結できるようにしている。従来技術では、振動減衰器140は例えば、ポンプ100とチャンバ200との間に接続される。振動減衰器140は主に、ポンプ100のフランジ115と連結された第1フランジ150と、真空チャンバ200のフランジ210と連結された第2フランジ160と、真空気密性を確保するフレキシブルスチールベローズ170と、フランジ150,160の周囲に沿ってベローズ170の周りに等間隔に配され、ポンプ100からの機械振動の減衰を確保する複数のゴム部材180（図1の実施例では3個）とを備えている。

各フランジ間には、リング190,290が設けられており、位置決め（センタリング）O-リング195,295によるフランジ間の真空気密性を確保している。
同様の振動減衰器を下流側の真空ポンプ100にも設け、ポンプの排出口のフランジ125とフォアポンプ300の吸入口のフランジ310との間に接続することも可能である。
従来技術により使用されるゴム部材180は受動振動減衰器を形成するが、これによるポンプから真空チャンバへの振動伝播の減衰は、部分的にすぎず、また小さな振動数範囲におけるものであることは明らかである。
米国特許第５，３８７，０７９号明細書

本発明の第1の目的は、特性の向上した機械振動減衰器を備えた真空ポンプを提供することである。
本発明のもう一つの目的は、小型で、信頼性が高く且つ低価格の振動減衰器を備えた真空ポンプを提供することである。
以上のおよびその他の目的は、添付された特許請求の範囲に記載の真空ポンプにより達成される。

有利な点として、本発明による真空ポンプは、圧電アクチュエータを利用した振動減衰器を備えている。
圧電素子は、適当な電圧を与えられると、印加電圧に応じて強さの変わる力を生成することができるので、制御可能である。逆に、このような素子を利用して、印加された力に比例する電圧信号を生成することができる。

したがって、圧電アクチュエータを使用することにより、真空ポンプ側で測定された振動と実質的に同じ振幅を有し且つ逆の位相を有する振動を付与するようにアクチュエータを制御することが可能となる。これにより、振動を実質的にゼロに減衰することができる。
本発明の実施形態によると、前記圧電アクチュエータは、従来のゴム部材が配置される場所に、金属ベローズを取囲むように配される。

別の実施形態によると、圧電アクチュエータは位置決め（センタリング）リングおよびO-リングの周りであって、真空ポンプの吸入口および／または排出口のフランジに直接取付けられているので、金属ベローズおよび関連するフランジが省略され、これにより、ポンプ／振動減衰器アセンブリの軸方向寸法を小さくすることができる。
非限定例により示される、本発明による真空ポンプの実施形態について、添付図を参照しながら以下詳細に説明する。

図2に、本発明による振動減衰器14を示す。この振動減衰器14は、真空ポンプ100と真空状態にすべきチャンバ200との間に、対応するフランジ150,160を介して取付けられる。
振動減衰器14は更に、フランジ150,160の間に配された真空気密スチールベローズ170を含む。本実施形態では平行6面体または円筒状のブロック18から成る圧電アクチュエータAiが、ベローズの周りに配されている。圧電アクチュエータAiは、例えば、3つのアクチュエータを120°間隔に設けるなど、ベローズ170の周りに等間隔に配するのが好適である。

これらのアクチュエータAiは、駆動信号により能動制御される。駆動信号は、真空ポンプ側に発生し、対応するセンサにより測定され、真空チャンバ200へ伝わるべきではない振動に略等しく且つ反対の位相を有する振動を生成することができる。
図3aに、アクチュエータAiの制御ロジック回路の第1実施形態を示す。この回路では、各センサ／アクチュエータ対に対して、独立した閉ループ制御システムが設けられている。各制御システムは、アナログまたはデジタル技術により実現された1変数レギュレータRiを含む。このレギュレータには、例えば加速度計等の対応するセンサSiから、ポンプで測定された対応する加速度の値が入力される。レギュレータRiは、この値に応じて、対応する圧電アクチュエータAiに作用するドライバDiに与える適切な信号を決定する。レギュレータRiからの制御信号は、センサSiによる測定値とは異なる外部量Eiにも依存するように決定されてもよい。

外部量Eiとは、システムに作用する外乱などであり、その測定値を使って開ループフィードフォワード制御を行うことができる。図3bに示すように、これに相当するアクチュエータAiの制御ロジックは、外乱を、振動に影響しないうちに吸収することができる。このような効果は、外乱が機械システムに及ぼす影響を予測することのできる正確な数学モデルを、レギュレータ内で実行することにより得られる。

一般に、同じ圧電アクチュエータAiは、加速度検出用センサの役割を果たすことができるので、アクチュエータと同じ構造で振動センサとして働く他の圧電部材を、通常の加速度計の代わりに使用することができる。フランジ150,160の周囲に沿って十分な数の圧電アクチュエータAiを等間隔に配することにより、例えば偶数番目の部材をアクチュエータとして使用し、奇数番目の部材をドライバとして使用することができる。

当然ながら本当の加速度計を使用する場合にも、十分な数の加速度計をフランジ150,160の周囲に沿って、圧電アクチュエータAiと交互に等間隔に配置すると好都合である。
アクチュエータの力が加わるポイントで振動検出を行うと、レギュレータRiの効率を向上することができる。この場合、以下に詳細に説明するが、センサとアクチュエータとをできるだけ近づけて配置する。

図4aに、アクチュエータAiの制御ロジック回路の第3実施形態を示す。この実施形態では、ポンプ100に搭載された複数の振動センサS1…Snと、圧電アクチュエータAi…Anを制御することのできる複数のドライバD1…Dnと、多変数レギュレータRとが設けられている。
アナログまたはデジタル技術により実現されたレギュレータRには、真空ポンプからの振動を表す信号がセンサS1…Snを介して入力される。レギュレータRはこれらの信号に応じて、圧電アクチュエータAi…Anに作用するドライバD1…Dnに与える制御信号を決定する。これらのアクチュエータは、レギュレータRからの信号に応じた振動を生成する。センサS1…Snで測定された振動と略等しく且つ反対の位相を有する振動を生成するような信号が選択される。

またこの場合、制御ロジックは閉ループロジックである。更に、この制御信号が、ポンプで測定された他の量Eにより決定されるようにすることも可能である。
1変数レギュレータRiに関連する上記の説明と同様に、図4bに示すような、開ループフィードフォワード制御を行うアクチュエータAiの制御ロジック実行図も、多変数レギュレータRを使用する場合には、考えうるだろう。

レギュレータRは多変数レギュレータで、それにおいては、ドライバDiに対する制御法則は、全てのアクチュエータAiに対して同じであり、全てのセンサSiから入力される信号により決定される。
別の構成では、レギュレータRを、センサ／アクチュエータ対と同数の1変数レギュレータRiを含むカスケード、つまり最終的には多変数合成ブロックとして構成することも可能である。

なお、同数のセンサSiとアクチュエータAiとを使用するのが構成上好都合であるが、センサSiと圧電アクチュエータAiとを同数とする必要はない。
上記の制御システムの最適な性能故に、小型（つまり、従来のゴム部材より遥かに小さい寸法）の圧電アクチュエータを使用して、真空ポンプ側で測定される振動を減衰することができる。これにより、本発明の実施形態においては、真空ポンプおよびその振動減衰器の軸方向の寸法を減らすことができる。更に、これらの実施形態においては、流動抵抗を減らすことにより、ポンプ／振動減衰器アセンブリのポンピング特性を向上させることができる。

図5aに、本発明の第2実施形態による真空ポンプの振動減衰器24の一部を示す。
この実施形態においては、真空ポンプの吸入口のフランジ115は、このフランジ115の周囲に沿い且つ位置決め（センタリング）リング190とそれに対応するO-リング195との周りに等間隔に配された固定螺子20とそれらに対応する固定ナット21とを介して、真空チャンバのカウンタフランジ210に直接連結されている。

圧電アクチュエータAiは、一方側でフランジ115と接触し、他方側でカウンタフランジ210と接触している固定螺子20の軸部20aの周りに取付けられた円筒状ワッシャ28により形成される。これにより、アクチュエータ28の軸方向推力（アキシャルスラスト；矢印F2により示される）は、一方側でポンプに働き、他方側で真空チャンバに働く。これにより、ポンプ側で測定される軸方向振動が相殺（補償）され、結果として伝播振動が減衰される。

したがって第2実施形態においては、金属ベローズ170とそれに対応するフランジ150,160とは省略され、結果として、ポンプ／振動減衰器アセンブリの軸方向寸法が小さくなる。
第2実施形態においても、ポンプに搭載された加速度計により、振動を測定することができる。上記の実施形態と同様に、振動減衰器24は、センサとして使用される複数の圧電アクチュエータAiを備えていてもよい。また、これらのセンサも、固定螺子の軸部20aの周りに取付けられ、振動減衰器24の周囲に沿って圧電アクチュエータと交互に配されたワッシャで構成するのが好適である。

図6a〜図6cは、本発明の第3実施形態を示す。第3実施形態によると、圧電アクチュエータAiは、平行6面体または円筒状のブロック38により形成されている。これらのアクチュエータは、図5aの実施形態と同様に、真空ポンプの吸入口のフランジ115と真空チャンバのカウンタフランジ210との間に直接配置され、位置決め（センタリング）リング190とそれに対応して真空気密性を確保するO-リング195とを取り囲む一対の円形支持体116,211の間に取付けられている。

好ましくは、支持体116は、上記アクチュエータ38を受け入れる適当なシート116を含む。図6bに矢印F3で示すように、このような構成により、圧電アクチュエータ38の軸方向推力（アキシャルスラスト）が、各フランジ115,210を介して真空ポンプと真空チャンバとに直接伝えられ、結果として、振動はほぼゼロに減衰される。
この実施形態においても、金属ベローズとそれに対応するフランジとは省略され、ポンプ／振動減衰器アセンブリ全体の軸方向寸法は相当小さくなる。

真空ポンプに搭載された加速度計により振動を測定することはできるが、既に述べたように、別の方法として、振動減衰器34が圧電センサ39を備えている例を図6aに示す。これらのセンサは、アクチュエータ38に使用したのと同じ種類の圧電平行6面体または円筒状のプレートで構成され、支持体116の周囲に沿って、アクチュエータ38と交互に配されている。

上記の実施形態においては、圧電アクチュエータAiは、真空ポンプ100から真空チャンバ200に伝播する軸方向振動を減衰するように取付けられている。
図7aおよび図7bに、本発明の第4実施形態を示す。ここでは、本発明による振動減衰器44は、圧電アクチュエータAiを備えており、このアクチュエータは、径方向（ラジアル）振動の伝播防止に使用される平行6面体または円筒状のプレート48で構成されている。

この実施形態においては、圧電アクチュエータ48は、フランジ115とカウンタフランジ210との間に配置された一対の円形支持体117,212の間に取付けられているため、径方向推力（ラジアルスラスト）をフランジ115,210に与えることができる（図7bに矢印F4で示す）。
図8aおよび図8bに、本発明の第5実施形態によるポンプ構成を示す。このポンプは、それぞれ軸方向振動および径方向振動（図8bに矢印F51,F52で示す）を減衰することのできる第1および第2圧電アクチュエータ581,582を備えている。

第1および第2圧電アクチュエータ581,582は、真空ポンプおよびこのポンプに接続された真空チャンバにそれぞれアキシャルスラストとラジアルスラストとを加えることができる。真空チャンバは、フランジ210を介して支持体213と接続されている。この支持体213は、真空ポンプのフランジ115に接続された、対応する支持体118の対応する直交壁部に対向する一対の互いに直交する壁部を有するような形状を持つ。

圧電アクチュエータ581,582は、以下のようにして取付けられる。第1圧電アクチュエータ581は、その底部が、真空ポンプと接続された支持体118と接触され、その上部は支持体213と共に、真空チャンバのフランジ210に接続される。したがって、第1圧電アクチュエータ581は、アキシャルスラストを伝えることができる。第2圧電アクチュエータ582は、その内側が、真空ポンプのフランジ115と接続された支持体118と接触され、その外側は支持体213と共に真空チャンバのフランジ210に接続されることにより、ラジアルスラストを伝えることができる。

第1および第2圧電アクチュエータ581,582は、フランジ115の周囲に沿って等間隔に配された、圧電平行6面体または円筒状のプレートで構成される。
この実施形態においても、ポンプ振動は、ポンプに搭載された加速度計により検出可能である。別の構成では、振動減衰器54は第1および第2圧電部材Aiを備えており、これらをそれぞれ、軸方向振動と径方向振動を検出するセンサとして使用することも可能である。

本発明の更に別の実施形態において、圧電アクチュエータとセンサとを真空ポンプのフランジ115の周囲に沿って交互に配する代わりに、一体化した圧電部材の対を使用し、一方の部材をセンサとし、他方の部材をアクチュエータとすることも可能である。
そのような実施例を、図6a〜図6cに示す同様の振動減衰器を参照し、図6dに示す。
プレート３７により隔離された圧電センサ39'と圧電アクチュエータ38'とが、フランジ115に形成された各シート115aに受け入れられている。矢印F3',F3"はそれぞれ、センサとアクチュエータとの動作方向を示す。したがって、これらセンサとアクチュエータとは、同軸状に取付けられている。

図5bは、図5aに示す本発明の第2実施形態に関連する構成を示す。圧電センサ28'と圧電アクチュエータ29'とは共にワッシャで構成され、各螺子20の軸部20a上に積層され、ワッシャ37により隔離されている。矢印F2',F2"はそれぞれ、センサとアクチュエータとの動作方向を示す。したがって、これらセンサとアクチュエータとは、同軸状に取付けられている。

振動の伝播を防止するアクチュエータが、振動検出位置に正確に配置されているので、本発明のこの実施形態が、振動減衰の精度の点で多大な利益を提供することは明らかである。
以上、真空ポンプから真空チャンバへの振動の伝播を減衰する為に、吸入口に配置された振動減衰器を備えた真空ポンプについて説明したが、同様の振動減衰器を例えば排出口に配置して、フォアポンプから真空ポンプへの振動伝播またはポンプと他の外部ユニットとの間での振動伝播を減衰することも可能である。

従来技術による振動減衰器付真空ポンプの縦断面図である。 本発明の第1実施形態による振動減衰器の縦断面図である。 振動減衰器の制御ロジック構成の第1実施形態を示すブロック図である。 振動減衰器の制御ロジック構成の第2実施形態を示すブロック図である。 振動減衰器の制御ロジック構成の第3実施形態を示すブロック図である。 振動減衰器の制御ロジック構成の第4実施形態を示すブロック図である。 本発明の第2実施形態による振動減衰器の部分断面図である。 図5aの振動減衰器の細部を示す部分断面図である。 本発明の第3実施形態による振動減衰器の平面図である。 図6aの振動減衰器の線B-Bに沿う横断面図である。 図6aの振動減衰器の線C-Cに沿う横断面図である。 図6aの振動減衰器の線B-Bに沿う横断面図である。 本発明の第4実施形態による振動減衰器の平面図である。 図7aの振動減衰器の線B-Bに沿う横断面図である。 本発明の第5実施形態による振動減衰器の平面図である。 図8aの振動減衰器の線B-Bに沿う横断面図である。

Claims (14)

1. 外部ユニットと、
   前記外部ユニットを真空にする真空ポンプ（100）であって、吸入口（110）と、排出口（120）と、前記吸入口から前記排出口へガスをポンピングする手段（130）とを有する本体部を具備する真空ポンプと、
   前記ポンプの前記本体部と前記外部ユニットとの間の振動伝播を減衰する振動減衰器（14;24;34;44;54）であって、少なくとも1つの圧電アクチュエータ（Ai）を具備する振動減衰器とを、具備する真空ポンプアセンブリ。
2. 前記ポンプがターボ分子ポンプである、請求項1に記載の真空ポンプアセンブリ。
3. 前記少なくとも1つの圧電アクチュエータ（Ai）を制御するセンサ（Si）を更に具備する、請求項2に記載の真空ポンプアセンブリ。
4. 前記振動減衰器（14;24;34;44;54）は、前記吸入口（110）および前記排出口（120）の少なくとも一方に対応して配置されている、請求項3に記載の真空ポンプアセンブリ。
5. 前記振動減衰器は、その両端部に第1および第2フランジ（150,160）を備えた真空気密ベローズ（17）を更に具備し、前記第１フランジおよび前記第2フランジはそれぞれ、前記振動減衰器を、前記ポンプおよび前記外部ユニットに連結している、請求項4に記載の真空ポンプアセンブリ。
6. 前記振動減衰器（14）は、複数のセンサ（S1…Sn）と複数の圧電アクチュエータ（A1…Am、18）とを具備し、前記アクチュエータは、好ましくは平行6面体または円筒状に形成されて、前記第1フランジと前記第2フランジとの間にある前記ベローズ（17）の周りに等間隔に配されている、請求項5に記載の真空ポンプアセンブリ。
7. 前記センサが、圧電センサである、請求項3に記載の真空ポンプアセンブリ。
8. 前記センサが、前記ベローズの周りに等間隔に配されている、請求項6に記載の真空ポンプアセンブリ。
9. 前記アクチュエータは、前記ポンプと前記外部ユニットとを固着させる固定螺子（20）を取囲むワッシャにより形成されている、請求項4に記載の真空ポンプアセンブリ。
10. 前記圧電アクチュエータの少なくとも1つは、前記圧電センサの少なくとも1つに対して同軸状に取付けられている、請求項7に記載の真空ポンプアセンブリ。
11. 前記振動減衰器が、互いに直交する方向の振動を減衰する第1および第2圧電アクチュエータ（581,582）を具備する、請求項2に記載の真空ポンプアセンブリ。
12. 前記真空ポンプ（100）はロータリ式ポンプであり、前記互いに直交する方向の一方が、前記真空ポンプの回転軸に対応している、請求項11に記載の真空ポンプアセンブリ。
13. 前記センサ（S1…Sn）からの信号に応じて、前記圧電アクチュエータ（A1…Am）の1つまたは複数を制御する少なくとも1つのレギュレータ（R;Ri）を有する制御システムを更に具備する、請求項3に記載の真空ポンプアセンブリ。
14. 前記ポンプに及ぶ外乱を表す外部量（E1…Em）に基づき、前記圧電アクチュエータ（A1…Am）の1つまたは複数を制御する少なくとも1つのレギュレータ（R;Ri）を有する制御システムを更に具備する、請求項2に記載の真空ポンプアセンブリ。

Images