JP5056152B2 - ターボ分子ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、ターボ分子ポンプに関する。

従来，半導体製造工程において高真空で処理を行う場合には、プロセスチャンバ内を排気するポンプとしてターボ分子ポンプが用いられている。ターボ分子ポンプのロータには、釣鐘形状の筒状体の外周部に複数段の動翼が形成されている。動翼は下流側の段ほどより高い圧縮比が必要とされるため、動翼根元部分の周速度をより大きくする目的で、下段部分の動翼が設けられている下部筒状体の外径は、上段部分の動翼が設けられている上部筒状体の外径よりも大きくなっている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−９０２３１号公報

しかしながら、上部筒状体の下部筒状体が一体的に設けられている部分においては、下部筒状体が付加質量として作用し、上部筒状体の下端部分の応力が大きくなってしまう。そして、回転速度増加による排気性能向上を図ろうとした場合、この部分の応力によりロータ回転速度が制限されてしまうという問題があった。

請求項１に係る発明は、複数段の動翼が形成されたロータを高速回転することにより真空排気を行うターボ分子ポンプにおいて、ロータは、複数段のうちの一部の段数の動翼が形成された第１の筒状体と、第１の筒状体の下流端部の外周側に一体的に設けられ、複数段のうちの残りの段数の動翼が形成された第２の筒状体と、第１の筒状体の下流端部からロータ回転軸方向に沿って伸延する応力緩和用突出部とを備え、さらに、ネジステータを備え、第２の筒状体と突出部との間にネジステータの先端を伸延させて、第２の筒状体の内周面とネジステータの外周面とによりネジ溝ポンプ段を構成したことを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１に記載のターボ分子ポンプにおいて、第１の筒状体の形状を、円錐形状としたものである。
請求項３の発明は、請求項１または２に記載のターボ分子ポンプにおいて、ネジステータの上端部に形成されて突出部の方向に突出する凸部と、突出部の外周面に形成されて前記凸部に対向する凹部とを備えたものである。
請求項４の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のターボ分子ポンプにおいて、応力緩和用突出部は、第１の筒状体の下端から下方に延伸して形成され、その径方向厚さが下方ほど小さくなる形状を有することを特徴とするターボ分子ポンプ。

本発明によれば、第２の筒状体が一体的に設けられる第１の筒状体の下流端部に、ロータ回転軸方向に沿って伸延する応力緩和用突出部を設けたので、下流端部の応力を低減することができる。

以下、図を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。図１は、本発明によるターボ分子ポンプの一実施の形態を示す断面図である。図１はターボ分子ポンプの概略構成を示したものであり、ポンプケーシング１０内には、複数段の動翼１ａ，１ｂおよび円筒状のネジロータ部２が形成されたロータ３と、複数段の静翼４ａ，４ｂと、２つのネジステータ５ａ，５ｂとが設けられている。図１に示すターボ分子ポンプでは、動翼１ａ，１ｂおよび静翼４ａ，４ｂは高真空側のターボ分子ポンプ部を構成し、ネジロータ部２およびネジステータ５ａ，５ｂは低真空側のネジ溝ポンプ部を構成している。

ターボ分子ポンプ部の上流側に設けられた動翼１ａおよび静翼４ａは翼長が長く、下流側に設けられた動翼１ｂおよび静翼４ｂは翼長が短い。以下では、上側の動翼１ａおよび静翼４ａを上部動翼１ａおよび上部静翼４ａと呼び、下側の動翼１ｂおよび静翼４ｂを下部動翼１ｂおよび下部静翼４ｂと呼ぶことにする。上部静翼４ａおよび下部静翼４ｂは、ベース６上に積層された複数のスペーサリング７によって位置決め及び固定されている。

ネジ溝ポンプ部のネジステータ５ａはネジロータ部２の外周面に対して微小隙間を設けて対向配置され、ネジステータ５ｂはネジロータ部２の内周面に対して微小隙間を設けて対向配置されている。ネジステータ５ａ，５ｂは、ボルト等によりベース６上に固定されている。

ロータ３は回転軸８に取り付けられている。回転軸８は磁気軸受用電磁石９ａ，９ｂ，９ｃによって非接触支持され、モータ１１によって回転駆動される。磁気軸受が作動していないときには、回転軸８はメカニカルベアリング１２によって支持される。ポンプケーシング１０とベース６とはボルト等により一体とされ、ポンプケーシング１０のフランジ１０ａを装置側フランジにボルト締結することにより、ターボ分子ポンプが装置１３に装着される。

モータ１１により回転軸８およびロータ３を高速回転すると、ターボ分子ポンプ部およびネジ溝ポンプ部のそれぞれに排気作用が発生する。その結果、吸気口１１ｂ側の気体が矢印で示すように排気される。ターボ分子ポンプ部からネジ溝ポンプ部に排気された気体は、ネジロータ部２とネジステータ５ａとにより図示下方に排気された後に、ネジロータ部２とネジステータ５ｂとの隙間を図示上方へと流れる。排気口１４には低真空用ポンプが接続され、ネジ溝ポンプ部により排気された気体はその低真空用ポンプによりポンプ外へと排気される。

図２はロータ３の断面図である。ロータ３は、釣鐘状の筒状体に上述した動翼１ａ，１ｂおよびネジロータ部２を形成したものである。上下に複数段形成された動翼１ａ，１ｂは下段ほど圧縮比が高くなるように設定されており、その目的のために、下段動翼１ｂの長さを上段動翼１ａよりも短く設定している。その結果、翼根元部分の周速度が下段動翼１ｂの方が大きくなり、排気性能がより高くなる。

ロータ３の釣鐘状の筒状体は、上段動翼１ａが形成されている上部筒状体３０と、下部動翼１ｂおよびネジロータ部２が形成されている下部筒状体３１とから成る。上部筒状体３０は下方ほど径が大きくなる円錐状の筒状体であり、下部筒状体３１の径は上部筒状体３０の下端部部の径よりも大きく設定されている。上部筒状体３０の下端部の真下には、下方に突出する突出部３２（斜線を施した部分）が形成されている。突出部３２は上部筒状体３０の下端から下方に伸延するように形成され、その径方向厚さは下方ほど小さくなっている。

下部筒状体３１は上部筒状体３０よりも径が大きいため、ロータ回転による遠心力もより大きくなる。さらに、下部筒状体３１は、上部筒状体３０の下端部付近に対して遠心力を大きくさせる付加質量として作用する。そのため、従来は上部筒状体３０の下端部の応力が大きくなり、それによってロータ回転速度が制限されていた。

本実施の形態では、突出部３２が上部筒状体３０の下端面から下方（回転軸に沿った方向）に伸延するように形成されているため、上部筒状体３０と突出部３２とが一体な筒状体とみなすことができる。その結果、下端部分の応力が突出部３２に分散されて平均化され、下端部分の応力を低下させることができる。なお、上部筒状体３０を円錐状の筒状体とすることで、上部筒状体３０における応力分布が一様になる。

その結果、ロータ回転速度を増加させることで、ポンプ排気性能の向上を図ることが可能となる。さらに、突出部３２と下部筒状体３１との間の空間Ａにネジステータ５ｂの上端を伸延させることで、ネジロータ部２の内周面に加えて、下部筒状体３１の下部動翼１ｂが形成されている部分の内周面もネジ溝ポンプ部とすることができる。そのため、ネジ溝ポンプ部の排気経路を従来より長くすることができ、大流量排気時の排気速度の向上および圧縮比の向上を図ることができる。逆に、従来と同様の排気性能を確保する場合には、ネジロータ部２の軸方向寸法を小さくすることが可能となり、ポンプの軸方向寸法の低減を図ることができる。

また、ネジステータ５ｂが空間Ａに入り込んでいるため、ロータ破壊時に突出部３２がネジステータ５ｂに衝突し、ネジステータ５ｂが変形することでロータ破壊時のエネルギーの一部を吸収することができる。その結果、ポンプケーシング１０に伝わる衝撃が低減されることでポンプ固定用ボルト１５に加わる衝撃エネルギーが軽減され、ボルト１５の破断を防止することができる。

なお、上述した実施の形態では、断面形状が３角形の突出部３２を上部筒状体３０の下端に形成したが、図３に示すような矩形断面の突出部３３を形成しても良い。突出部３３も、図２に示した突出部３２と同様の効果を奏することができる。

図４は上述したターボ分子ポンプの変形例を示す図であり、変形例では、ロータ破壊時におけるネジステータ５ｂによるロータ阻止機能をより高めた。破壊したロータ片の実際の移動方向は、外周方向に水平ではなくやや斜め上方向となる。そのため、図１に示すような突出部３２およびネジステータ５ｂの形状では、ロータ破片の衝突によってネジステータ５ｂ上部がケーシング側に変形してすり鉢状となるため、ロータ側の突出部３２がネジステータ５ｂから外れやすくなる。

そこで、図４に示す変形例では、ネジステータ５ｂの空間Ａに入り込んだ部分の内周面に凸部５０を形成するとともに、突出部３２の外周面に、凸部５０と対向する凹部３２ａを形成した。このような構造とすることで、ロ−タ破壊時にネジステータ５ｂが変形しても、ロータ側の凹部３２ａとネジステータ５ｂの凸部５０との係合が外れ難くなる。その結果、ロータ破片がポンプケーシング１０に衝突するのを防止することが可能となる。

上述した実施の形態では、ターボ分子ポンプ部とネジ溝ポンプ部とを備えたターボ分子ポンプを例に説明したが、動翼１ａ，１ｂおよび静翼４ａ，４ｂから成るターボ分子ポンプ部のみを備えたターボ分子ポンプにも同様に適用することができる。また、磁気軸受式のターボ分子ポンプに限らず、磁気軸受式以外のターボ分子ポンプにも適用することができる。さらに、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。

以上説明した実施の形態と特許請求の範囲の要素との対応において、上部筒状体３０は第１の筒状体を、下部筒状体３１は第２の筒状体をそれぞれ構成する。なお、以上の説明はあくまでも一例であり、発明を解釈する際、上記実施の形態の記載事項と特許請求の範囲の記載事項の対応関係に何ら限定も拘束もされない。

本発明によるターボ分子ポンプの一実施の形態を示す断面図である。 ロータ３の断面図である。 矩形断面の突出部３３が形成されたロータ３の断面図である。 変形例を示す断面図である。

符号の説明

１ａ，１ｂ：動翼、２：ネジロータ部、３：ロータ、４ａ，４ｂ：静翼、５ａ，５ｂ：ネジステータ、３０：上部筒状体、３１：下部筒状体、３２，３３：突出部、３２ａ：凹部、５０：凸部

Claims (4)

1. 複数段の動翼が形成されたロータを高速回転することにより真空排気を行うターボ分子ポンプにおいて、
   前記ロータは、
   前記複数段のうちの一部の段数の動翼が形成された第１の筒状体と、
   前記第１の筒状体の下流端部の外周側に一体的に設けられ、前記複数段のうちの残りの段数の動翼が形成された第２の筒状体と、
   前記第１の筒状体の下流端部からロータ回転軸方向に沿って伸延する応力緩和用突出部とを備え、
   さらに、ネジステータを備え、
   前記第２の筒状体と前記突出部との間に前記ネジステータの先端を伸延させて、前記第２の筒状体の内周面と前記ネジステータの外周面とによりネジ溝ポンプ段を構成したことを特徴とするターボ分子ポンプ。
2. 請求項１に記載のターボ分子ポンプにおいて、
   前記第１の筒状体の形状を、円錐形状としたこと特徴とするターボ分子ポンプ。
3. 請求項１または２に記載のターボ分子ポンプにおいて、
   前記ネジステータの上端部に形成されて前記突出部の方向に突出する凸部と、
   前記突出部の外周面に形成されて前記凸部に対向する凹部とを備えたことを特徴とするターボ分子ポンプ。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載のターボ分子ポンプにおいて、前記応力緩和用突出部は、前記第１の筒状体の下端から下方に延伸して形成され、その径方向厚さが下方ほど小さくなる形状を有することを特徴とするターボ分子ポンプ。

Images