JP2015127525A - 真空ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】ロータ破壊時の衝撃を吸収し、急停止トルクを低減できる真空ポンプの提供。【解決手段】ネジステータ１１の外周側に高強度部材１２が設けられている。高強度部材１２は、固定板１３によって固定されている。高強度部材１２とベースの内周面５０ｂとの間には隙間が設けられている。高強度部材１２の両端は、取り付けフランジ１１ａに設けた第１環状溝１１ｂと、固定板１３に設けた第２環状溝１３ａのそれぞれに嵌合し、高強度部材１２の外周面は、第１環状溝１１ｂの外周面に当接し、かつ、第２環状溝１３ａの外周面に当接する。【選択図】図２

Description

本発明は、真空ポンプに関する。

ターボ分子ポンプに代表される真空ポンプは、ドライエッチング装置やＣＶＤ装置などの真空チャンバに取り付けられる。ターボ分子ポンプ内では、ロータ翼とロータ円筒部が形成されたロータが毎分数万回転という高速回転で回転し、ロータ翼とステータ翼とが協働し、ロータ円筒部とネジステータが協働して、その真空チャンバ内の気体を排気することで、高真空状態を作り出す。

特許文献１には、ロータ翼とステータ翼とが協働して排気した気体分子を、回転するロータ円筒部とベースに固定されたネジステータとが協働して圧縮しながら排気する発明が記載されている。

ターボ分子ポンプの使用中、ロータが何らかの原因で破損することがある。これは、ロータ破壊と呼ばれる。ロータ破壊によってロータ円筒部が破壊し破片が生じると、その破片は飛散し、ロータ円筒部と対向するネジステータに衝突する。

特開２００３―１７２２８９号公報

特許文献１に記載の発明では、ロータ円筒部の破片の衝撃によって、ネジステータが外周方向に変形し、ターボ分子ポンプのケーシングのベースの内周面に衝突することで、ロータ破壊による衝撃がベースの内周面に伝達してしまう虞があった。

（１）本発明の好ましい実施形態による真空ポンプは、ロータ円筒部と、ロータ円筒部の外周側に配設されるステータと、ステータが固定されているベースと、を備え、ステータの外周側には、ステータの材質よりも比強度が高い材質より成る円筒状の高強度部材が設けられ、高強度部材の外周面とベースの内周面の間には、隙間が設けられていることを特徴とする。
（２）さらに好ましい実施形態では、高強度部材をステータに固定するための環状の固定板をさらに備え、ステータの取り付けフランジには、第１環状溝が設けられ、固定板には、第２環状溝が設けられ、高強度部材の両端は、第１環状溝と第２環状溝のそれぞれに嵌合し、高強度部材の外周面は、第１環状溝の外周面に当接し、かつ、第２環状溝の外周面に当接することを特徴とする。
（３）さらに好ましい実施形態では、固定板は、螺子部材によってステータに固定されていることを特徴とする。
（４）さらに好ましい実施形態では、ステータの取り付けフランジには、第３環状溝が設けられ、ベースの底面には、第４環状溝が設けられ、高強度部材の両端は、第３環状溝と第４環状溝のそれぞれに嵌合し、高強度部材の外周面は、第３環状溝の外周面に当接し、かつ、第４環状溝の外周面に当接することを特徴とする。
（５）さらに好ましい実施形態では、ステータと高強度部材との間に隙間が設けられていることを特徴とする。
（６）さらに好ましい実施形態では、高強度部材は繊維強化部材を含み、繊維強化部材の繊維は螺旋状に巻回されることを特徴とする。
（７）さらに好ましい実施形態では、高強度部材は、繊維強化部材より成り、繊維強化部材の繊維は、径方向から見て繊維が互いに交差して所定の強度を保持するように螺旋状に巻回されることを特徴とする。

本発明の真空ポンプによれば、ロータ破壊時の衝撃を吸収し、急停止トルクを低減することができる。

第１実施形態のターボ分子ポンプの概略構成を示す断面図。 第１実施形態のターボ分子ポンプにおけるネジステータ周辺を示す図。 第２実施形態のターボ分子ポンプにおけるネジステータ周辺を示す図。

本発明の真空ポンプを説明するにあたり、ターボ分子ポンプを例に説明する。なお、本発明はモレキュラドラッグポンプなどの真空ポンプにも適用できる。
―第１実施形態―
図１は、ターボ分子ポンプ１００の概略構成を示す断面図である。ターボ分子ポンプ１００のケーシング５２内にはロータ組立体１０が回転自在に設けられている。ロータ組立体１０は、ロータ４と、シャフト５と、ロータディスク６から構成されている。ターボ分子ポンプ１００は磁気軸受式のポンプであり、ロータ組立体１０は、上部ラジアル電磁石６２、下部ラジアル電磁石６４、スラスト電磁石６６によって非接触支持される。

ロータ４には、複数段のロータ翼２０とロータ円筒部８とが設けられている。複数段のロータ翼２０の間には、軸方向に対して複数段のステータ翼４４が設けられ、ロータ円筒部８の外周側にはネジステータ１１が設けられている。ネジステータ１１の内周面には、ねじ溝が設けられている。一方、ロータ円筒部８の外周面には、ねじ溝が設けられていない。

各ステータ翼４４は、スペーサ５８を介してベース５０上に配設されている。ケーシング５２をベース５０に固定すると、積層されたスペーサ５８がベース５０とケーシング５２との間に挟持され、各ステータ翼４４が位置決めされる。

ネジステータ１１はアルミ合金などで形成される。ネジステータ１１は、ネジステータ１１の取り付けフランジ１１ａを介してボルト３０でベース５０に設けられた凹部５０ａに取り付けられる。ネジステータ１１の外周側には、アルミ合金よりも比強度が大きい繊維強化部材であるＣＦＲＰで作製された円筒状の部材１２（以下、高強度部材１２と呼ぶ。）が配設されている。高強度部材１２は、取り付けフランジ１１ａに形成された環状溝１１ｂと嵌合し、さらに固定板１３に形成された環状溝１３ａとも嵌合する。その上で、固定板１３をネジステータ１１にボルト１４で固定することで、高強度部材１２をネジステータ１１に固定する。なお、ネジステータ１１周辺の詳細については、図２を用いて後述する。

ベース５０には排気口５６が設けられ、この排気口５６にバックポンプが接続される。ロータ組立体１０が上部ラジアル電磁石６２、下部ラジアル電磁石６４、スラスト電磁石６６によって磁気浮上されつつモータ４０により高速回転駆動されることにより、吸気口３１側の気体分子は排気口５６側へと排気される。

図２は、第１実施形態のターボ分子ポンプ１００におけるネジステータ１１の周辺を示す図である。ネジステータ１１は、取り付けフランジ１１ａに環状溝１１ｂが設けられている。上述のように、ネジステータ１１の外周側には、ネジステータ１１と同様に円筒状に形成された高強度部材１２が設けられている。

高強度部材１２の開口の一端は、環状溝１１ｂに嵌合され支持されている。高強度部材１２の開口の他端は、固定板１３に設けられた環状溝１３ａに嵌合され支持されている。固定板１３は、特に限定されないが、例えば、円筒状に形成されており、ボルト１４によりネジステータ１１に固定される。これによって、高強度部材１２は、ネジステータ１１の環状溝１１ｂと固定板１３の環状溝１３ａに挟持されて固定される。固定板１３とベース５０の内周面５０ｂとの間には、隙間ｓ１が空いている。なお、当然ながら、上述のような配置であるため、高強度部材１２外周面とベース５０の内周面との間にも隙間ｓ０が空いている。さらに隙間ｓ０は、隙間ｓ１よりも大きい。このように、ネジステータ１１の外周側に高強度部材１２が設けられることで、ロータ破壊が起きてネジステータ１１がロータ円筒部８から外周方向の力を受けた時に、ネジステータ１１が外周方向に変形することを抑制することができる。その結果、ネジステータ１１が受けたロータ破壊による衝撃がベース５０の内周面５０ｂに伝達する量を低減することができる。

ネジステータ１１の環状溝１１ｂの外周面と高強度部材１２の外周面は当接している。同様に、固定板１３の環状溝１３ａの外周面と高強度部材１２の外周面は当接している。このようにすることで、高強度部材１２の開口の両端および開口近くの外周面が、ネジステータ１１の環状溝１１ｂおよび固定板１３の環状溝１３ａにより支持され固定されている。これによって、ロータ破壊が起きてネジステータ１１がロータ円筒部８から外周方向の力を受けた時に、ネジステータ１１の開口の両端が外周方向に変形することを主に抑制することができる。

一方、ネジステータ１１の環状溝１１ｂの内周面と高強度部材１２の内周面は接触しておらず、隙間ｓ２が空いている。同様に、固定板１３の環状溝１３ａの内周面と高強度部材１２の内周面は接触しておらず、隙間ｓ３が空いている。これによって、ネジステータ１１の中央部１１ｄが変形することを許容して、ロータ破壊のエネルギーをその変形によって消費することができる。さらに、ネジステータ１１の外周面には、凹部１１ｅが設けられており、ネジステータ１１と高強度部材１２の間の隙間ｓ４をさらに広げている。これによって、ネジステータ１１の中央部１１ｄがさらに変形しやすくなり、上述のロータ破壊のエネルギーが消費しやすくなる。なお、ネジステータ１１の中央部１１ｄの変形によって固定板１３がベース５０の内周面５０ｂに接触しないように、ネジステータ１１と高強度部材１２の間の隙間ｓ４は設定されている。

高強度部材１２はＣＦＲＰなどの繊維強化部材によって作製される。ロータ破壊が起きた際、高強度部材１２には、主に外周方向の力が加わる。本実施形態における高強度部材１２を構成する繊維強化部材の繊維は少なくとも螺旋状には巻回され所定の強度を保持しており、当該力を受け止められるようにしている。なお、螺旋の巻回方向には右巻きと左巻きがあるが、右巻きに巻回するものと左巻きに巻回するものの両方が含まれるのが好ましい。右巻きと左巻きを両方含むと、径方向から見て繊維が互いに交差するようになり、一方の繊維が他方の繊維を支持するので、当該力に対する強度が向上する。

以上、第１実施形態によれば、以下のような作用効果を奏する。
（１）高強度部材１２の開口の一端は、環状溝１１ｂに嵌合され支持されている。高強度部材１２の開口の他端は、固定板１３に設けられた環状溝１３ａに嵌合され支持されている。固定板１３は、ボルト１４でネジステータ１１に固定されている。固定板１３とベース５０の内周面５０ｂの間には隙間ｓ１が空いている。
このように、ネジステータ１１の外周側に高強度部材１２が設けられることで、ロータ破壊が起きてロータ円筒部８から外周方向の力をネジステータ１１が受けた時にネジステータ１１外周方向に変形することを抑制することができ、その結果、ロータ円筒部８からネジステータ１１が受けたロータ破壊による衝撃がベース５０の内周面５０ｂに伝達する量を低減できる。その結果、ロータ破壊時の急停止トルクを低減することができる。

（２）ネジステータ１１の環状溝１１ｂの外周面と高強度部材１２の外周面は当接している。同様に、固定板１３の環状溝１３ａの外周面と高強度部材１２の外周面は当接している。このように当接することで、高強度部材１２の開口の両端および開口近くの外周面が、ネジステータ１１の環状溝１１ｂおよび固定板１３の環状溝１３ａにより支持され固定されている。これによって、ロータ破壊が起きてロータ円筒部８から外周方向の力をネジステータ１１が受けた時にネジステータ１１の開口の両端が外周方向に変形することを主に抑制することができる。

（３）一方、ネジステータ１１の環状溝１１ｂの内周面と高強度部材１２の内周面は接触しておらず、隙間ｓ２が空いている。同様に、固定板１３の環状溝１３ａの内周面と高強度部材１２の内周面は接触しておらず、隙間ｓ３が空いている。これによって、ネジステータ１１の中央部１１ｄが変形することを許容して、上述のロータ破壊のエネルギーをその変形によって消費することができる。さらに、ネジステータ１１の外周面には、凹部１１ｅが設けられており、ネジステータ１１と高強度部材１２の間の隙間ｓ４をさらに広げている。これによって、ネジステータ１１の中央部１１ｄがさらに変形しやすくなり、ロータ破壊のエネルギーが消費しやすくなる。なお、ネジステータ１１の中央部１１ｄの変形で、固定板１３がベース５０の内周面に接触しないように上述の隙間ｓ４は設定されている。

（４）固定板１３は、螺子部材であるボルト１４によって、ネジステータ１１に締結されている。
これにより、補修などの際の分解が容易になる。

（５）高強度部材１２は、繊維強化部材であるＣＦＲＰで作製されている。ＣＦＲＰなどの繊維強化部材は、ネジステータ１１の材質であるアルミ合金よりも軽いため、ターボ分子ポンプ１００を軽量化することができる。また、ＣＦＲＰの繊維方向は、螺旋状の繊維方向を含ませるなどして、所定の強度を保持し、外周側の力を受け止められるように設計されている。なお、螺旋の巻回方向には右巻きと左巻きがあるが、右巻きに巻回するものと左巻きに巻回するものの両方が含まれるのが好ましい。右巻きと左巻きを両方含むと、径方向から見て繊維が互いに交差するようになり、一方の繊維が他方の繊維を支持するので、当該力に対する強度が向上する。

―第２実施形態―
図３は、第２実施形態のターボ分子ポンプ１００におけるネジステータ１１の周辺を示す図である。なお、第１実施形態と同様の構成については、説明を省略する。

第２実施形態のターボ分子ポンプ１００は、高強度部材１２を固定するための固定板を有しない。本実施形態では、ベース５０の底面５０ｃに環状溝５０ｄが形成されている。ベース５０の底面５０ｃは、ベース５０の内周面５０ｂよりも剛性が高いため、ロータ破壊の衝撃にも耐えうる。高強度部材１２は、ベース５０の底面５０ｃに形成された環状溝５０ｄと嵌合し、さらに、ネジステータ１１の取り付けフランジ１１ａに形成された環状溝１１ｂと嵌合する。その上で、高強度部材１２は、ネジステータ１１とベース５０の底面５０ｃに挟持されることで固定される。高強度部材１２とベース５０の内周面５０ｂとの間には、隙間ｓ５が設けられている。

ネジステータ１１の環状溝１１ｂの外周面と高強度部材１２の外周面は当接している。同様に、ベース５０の環状溝５０ｄの外周面と高強度部材１２の外周面は当接している。さらに、ネジステータ１１の環状溝１１ｂの内周面と高強度部材１２の内周面には隙間ｓ２が設けられている。同様に、ベース５０の環状溝５０ｄの内周面と高強度部材１２の内周面には隙間ｓ６が設けられている。さらに、ネジステータ１１の外周面には、凹部１１ｅが設けられており、ネジステータ１１と高強度部材１２の間の隙間ｓ４をさらに広げている。

以上より、第２実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果を奏する。なお、第２実施形態の高強度部材１２は、一部に貫通孔や切り欠きなどが形成されており、ターボ分子ポンプ１００の内部排気系と排気口５６をつないでいる。

以上に示した第１実施形態、第２実施形態においては、ネジステータ１１と高強度部材１２の間に隙間ｓ４を設けたが、隙間ｓ４を設けないようにしてもよい。すなわち、ネジステータ１１と高強度部材１２を接触させるようにしてもよい。このようにすることで、ネジステータ１１が変形しにくくなるが、隙間ｓ４を設けなくなった分、高強度部材１２の外周面とベース５０の内周面の間の隙間が大きくなるため、その分だけ、ロータ破壊による衝撃をベース５０の内周面５０ｂに伝達しないようにすることができる。

以上に示した第１実施形態、第２実施形態においては、繊維強化部材としてＣＦＲＰを用いたが、ＧＦＲＰなど、その他の繊維強化部材でも同様の効果を奏する。

以上に示した第１実施形態、第２実施形態においては、高強度部材は繊維強化部材であるＣＦＲＰで作製されるとしたが、チタンなどで作製されるようにしてもよい。

本発明の真空ポンプにおいては、ステータの内周面、および、ロータ円筒部の外周面のいずれか一方に、ねじ溝を設ければよい。よって、以上に示した第１実施形態、第２実施形態においては、ねじ溝が内周面に設けられたステータ、すなわち、ネジステータを用いたが、ステータの内周面にねじ溝を設ける代わりに、ロータ円筒部の外周面にねじ溝を設けることもできる。

以上の説明はあくまで一例であり、発明は、上記の実施形態に何ら限定されるものではない。

４：ロータ、 ５：シャフト、 ６：ロータディスク、 ８：ロータ円筒部、
１０：ロータ組立体、 １１：ネジステータ、 １１ａ：取り付けフランジ、
１１ｂ：環状溝、 １１ｄ：中央部、 １１ｅ：凹部、 １２：高強度部材、
１３：固定板、 １３ａ：環状溝、 １４：ボルト、 ２０：ロータ翼、
３０：ボルト、 ３１：吸気口、 ４０：モータ、 ４４：ステータ翼、
５０：ベース、 ５０ａ：凹部、 ５０ｂ：内周面、 ５０ｃ：底面、
５０ｄ：環状溝、 ５２：ケーシング、 ５６：排気口、 ５８：スペーサ、
６２：上部ラジアル電磁石、 ６４：下部ラジアル電磁石、 ６６：スラスト電磁石、
ｓ０〜ｓ６：隙間、 １００：ターボ分子ポンプ

Claims (7)

1. ロータ円筒部と、
   前記ロータ円筒部の外周側に配設されるステータと、
   前記ステータが固定されているベースと、を備え、
   前記ステータの外周側には、前記ステータの材質よりも比強度が高い材質より成る円筒状の高強度部材が設けられ、
   前記高強度部材の外周面と前記ベースの内周面との間には、隙間が設けられている真空ポンプ。
2. 請求項１に記載の真空ポンプにおいて、
   前記高強度部材を前記ステータに固定するための環状の固定板をさらに備え、
   前記ステータの取り付けフランジには、第１環状溝が設けられ、
   前記固定板には、第２環状溝が設けられ、
   前記高強度部材の両端は、前記第１環状溝と前記第２環状溝のそれぞれに嵌合し、
   前記高強度部材の外周面は、前記第１環状溝の外周面に当接し、かつ、前記第２環状溝の外周面に当接する真空ポンプ。
3. 請求項２に記載の真空ポンプにおいて、
   前記固定板は、螺子部材によって前記ステータに固定されている真空ポンプ。
4. 請求項１に記載の真空ポンプにおいて、
   前記ステータの取り付けフランジには、第３環状溝が設けられ、
   前記ベースの底面には、第４環状溝が設けられ、
   前記高強度部材の両端は、前記第３環状溝と前記第４環状溝のそれぞれに嵌合し、
   前記高強度部材の外周面は、前記第３環状溝の外周面に当接し、かつ、前記第４環状溝の外周面に当接する真空ポンプ。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の真空ポンプにおいて、
   前記ステータと前記高強度部材との間に隙間が設けられている真空ポンプ。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の真空ポンプにおいて、
   前記高強度部材は繊維強化部材を含み、前記繊維強化部材の繊維は螺旋状に巻回される真空ポンプ。
7. 請求項６に記載の真空ポンプにおいて、
   前記高強度部材は、繊維強化部材より成り、
   前記繊維強化部材の繊維は、径方向から見て繊維が互いに交差して所定の強度を保持するように螺旋状に巻回される真空ポンプ。
   

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