JP6240229B2 - 真空ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、真空ポンプに関する。

真空ポンプは、容器内から気体を排出することによって容器内に負圧を形成するポンプである。真空ポンプには様々な種類がある。例えば、対向する一対の軸に設けられた一対のポンプロータを同期反転させることによって気体を排出する真空ポンプが知られている。

この真空ポンプは、永久磁石が外周に設けられたモータロータ、又は、永久磁石が内部に埋め込まれたモータロータ、を一対の軸それぞれに設け、モータロータの異磁極面によってステータコアを介して磁気カップリングを形成する。この真空ポンプは、モータロータ間の磁気カップリングを用いて、一対のポンプロータを同期反転させる。この真空ポンプは、ステーコアを介して磁気カップリングを形成するので、磁気回路が２軸間だけではなく片軸内でも構成され、その結果、磁気カップリング力が弱くなる。

そこで、一対のポンプロータの同期ずれを抑制するためのギヤが、一対の軸それぞれに取り付けられる。磁気カップリング力の弱さを補うためにギヤを用いて同期をとるので、ギヤへかかる荷重は比較的大きい。そのため、ギヤは、比較的大きな強度を保つために大型化する。さらに、ギヤの接触による摩耗などを抑制するために、モータ室及びポンプ室とは別に潤滑油などを充填した空間を設け、その空間内にギヤを設けることが考えられる。しかしながら、この態様は、真空ポンプの構造が複雑化し、かつ、真空ポンプが大型化する。

一方、磁気カップリング力を強くした真空ポンプも知られている。この真空ポンプは、永久磁石が外周に設けられたモータロータを一対の軸それぞれに取り付け、ステータコアを介さずにモータロータの異磁極面によって直接磁気カップリングを形成する。この真空ポンプによれば、ギヤを使用することなしに、２軸を同期反転させることができる。

特開平８−３１９９６７号公報 特開２００１−３７１７５号公報

しかしながら、上記の直接磁気カップリングを形成する真空ポンプは、微小な固形物を吸引した場合に、ポンプロータ間の固形物の噛み込みなどによってポンプロータの同期ずれが発生し、ポンプロータ同士が接触する場合がある。この場合には、真空ポンプが停止に至るおそれがある。また、固形物がポンプロータの回転力で排除されたとしても、ポンプロータが接触すると、ポンプロータに傷が生じる場合がある。この場合、真空ポンプの性能が維持できなくなり、真空ポンプが停止に至るおそれがある。

そこで、本願発明は、ポンプロータの同期ずれが発生した場合であってもポンプロータ同士が接触するのを抑制することができる簡素な構造の真空ポンプを実現することを課題とする。

一実施形態の真空ポンプは、対向して配置された一対の軸と、前記一対の軸に設けられた一対のポンプロータと、前記一対の軸に設けられ、磁石の異磁極を対向させて直接磁気カップリングを形成する一対のモータロータと、前記一対の軸に設けられ、前記一対のポンプロータの同期をとるための一対のギヤと、を備える。

一実施形態の真空ポンプによれば、一対のポンプロータの同期ずれが発生した場合には、一対のギヤが相互に接触することによって一対のポンプロータの同期ずれを解消することができる。その結果、一実施形態の真空ポンプによれば、ポンプロータ同士が接触するのを抑制することができる。これに加えて、本実施形態の真空ポンプは、一対のモータロータが直接磁気カップリングを形成しており、磁気カップリング力が充分大きい。このため、真空ポンプが微小な固形物などを吸引していない通常状態では、一対のモータロータの磁気カップリング力のみで一対のポンプロータが同期回転し、一対のギヤは相互に接触しない。したがって、一対のギヤに求められる強度は比較的小さいので、一対のギヤを小型化することができる。さらに、一対のギヤ相互の接触頻度が少なく摩耗し難いため、一対のギヤは、例えば潤滑油などを充填した空間に配置しなくてもよい。このため、真空ポンプの構造を簡素化するとともに小型化を実現することができる。

一実施形態の真空ポンプにおいて、前記一対のギヤは、相互に非接触となるように前記一対のギヤの歯間のクリアランスが設定されており、前記一対のギヤの歯間のクリアランスは、前記一対のポンプロータ間のクリアランスより小さく設定されてもよい。

これによれば、一対のポンプロータの同期ずれが発生した場合には、一対のポンプロータが接触する前に、一対のギヤが接触する。一対のギヤが接触して相互に連れ回ることによって、一対のポンプロータの同期がとられる。その結果、一対のポンプロータは、相互に接触していない状態で同期回転することができる。

一実施形態の真空ポンプにおいて、前記一対のモータロータの外周に配置された電機子をさらに備え、前記電機子は、前記一対のモータロータの外周に所定の間隙を保って楕円状に配置されてもよい。これによれば、一対のモータロータが直接磁気カップリングを形成し、充分大きな磁気カップリング力を得ることができる。

一実施形態の真空ポンプにおいて、前記一対のギヤは、潤滑剤が充填されていない空間に配置されてもよい。また、前記一対のギヤは、前記一対のモータロータが配置されるポンプ室内に配置されてもよい。また、前記一対のギヤは、前記一対のモータロータが配置されるモータ室内に配置されてもよい。

すなわち、一対のギヤ相互の接触頻度が少なく摩耗し難いため、一対のギヤは、潤滑油などを充填した空間に配置しなくてもよい。このため、真空ポンプの構造を簡素化するとともに小型化を実現することができる。

一実施形態の真空ポンプにおいて、前記一対のギヤの少なくとも一方は、自己潤滑性のある材料で形成されてもよい。また、前記一対のギヤの少なくとも一方は、樹脂で形成されてもよい。また、前記一対のギヤの少なくとも一方は、表面に潤滑剤がコーティングされていてもよい。

図１は、一実施形態の真空ポンプの概略断面図である。 図２は、一実施形態の駆動モータの構造を示す断面図である。 図３は、駆動モータの巻線の結線を示す図である。 図４Ａは、図３の結線の電流の流れを示す図である。 図４Ｂは、図２の駆動モータの電機子巻線の電流の流れとポンプロータの回転を示す図である。 図５Ａは、図３の結線の電流の流れを示す図である。 図５Ｂは、図２の駆動モータの電機子巻線の電流の流れとポンプロータの回転を示す図である。 図６Ａは、図３の結線の電流の流れを示す図である。 図６Ｂは、図２の駆動モータの電機子巻線の電流の流れとポンプロータの回転を示す図である。 図７Ａは、図３の結線の電流の流れを示す図である。 図７Ｂは、図２の駆動モータの電機子巻線の電流の流れとポンプロータの回転を示す図である。 図８Ａは、図３の結線の電流の流れを示す図である。 図８Ｂは、図２の駆動モータの電機子巻線の電流の流れとポンプロータの回転を示す図である。 図９Ａは、図３の結線の電流の流れを示す図である。 図９Ｂは、図２の駆動モータの電機子巻線の電流の流れとポンプロータの回転を示す図である。 図１０は、ギヤの歯間のクリアランスを模式的に示す図である。

以下、本願発明の一実施形態に係る真空ポンプ装置を図面に基づいて説明する。

図１は、一実施形態の真空ポンプの概略断面図である。本実施形態は、真空ポンプの一例としてスクリュー真空ポンプを説明する。しかしながら、これに限らず、ルーツポンプなどの同期反転型の真空ポンプに本願発明を適用することができる。また、本実施形態の真空ポンプ１０００は、例えば、走査型電子顕微鏡の分析対象物を設置する空間の排気のために用いられる。しかしながら、真空ポンプ１０００は、これに限らず、例えば、半導体製造装置における排気のためなど様々な用途で用いられ得る。

図１に示すように、真空ポンプ１０００は、駆動モータ部２００と、駆動モータ部２００によって回転駆動される一対のポンプロータ部３００，４００と、を備える。

ポンプロータ部３００は、ポンプ主軸３１０と、ポンプ主軸３１０に取り付けられたスクリュー型のポンプロータ３１２と、を備える。

また、ポンプロータ部４００は、ポンプ主軸３１０に対向して配置されたポンプ主軸４１０と、ポンプ主軸４１０に取り付けられたスクリュー型のポンプロータ４１２と、を備える。ポンプロータ３１２とポンプロータ４１２は、互いに対向する。また、ポンプロータ３１２のスクリューとポンプロータ４１２のスクリューは、図１に示すように所定のクリアランスＳ１，Ｓ２を保って離間している。

ポンプロータ３１２及びポンプロータ４１２は、図示されていない上ケーシングと、下ケーシング３３０と、によって形成されるポンプ室５００内に配置される。

ポンプ主軸３１０，４１０の第１端部は、軸受３４０，４４０によって軸支される。一方、ポンプ主軸３１０，４１０は、駆動モータ部２００とポンプロータ部３００，４００との境界部分において、軸受３４２，４４２によって軸支されている。ポンプ主軸３１０，４１０の第２端部は、軸受３４２，４４２によって軸支された箇所から駆動モータ部２００の方へ突き出ている。

次に、駆動モータ部２００の構成について説明する。駆動モータ部２００は、モータロータ１１０，２１０と、固定子ヨーク１２０と、ギヤ３８０，４８０と、を備える。

モータロータ１１０，２１０はそれぞれ、ポンプ主軸３１０，４１０の第２端部に取り付けられる。モータロータ１１０とモータロータ２１０は、互いに対向する。固定子ヨーク１２０は、モータロータ１１０，２１０を取り囲む。

ギヤ３８０，４８０はそれぞれ、ポンプ主軸３１０，４１０に取り付けられる。ギヤ３８０とギヤ４８０は、互いに対向する。

モータロータ１１０，２１０、固定子ヨーク１２０、及び、ギヤ３８０，４８０は、モータフレーム１３０によって形成されるモータ室６００内に配置される。

次に、駆動モータ部２００について詳細に説明する。図２は、一実施形態の駆動モータの構造を示す断面図である。図３は、駆動モータの巻線の結線を示す図である。

モータロータ１１０，２１０は、その表面に永久磁石１１２，２１２が周設される。具体的には、本実施形態においては、永久磁石１１２，２１２の極対数はそれぞれ３であり、Ｓ，Ｎ，Ｓ，Ｎ，Ｓ，Ｎの６極がそれぞれのモータロータ１１０，２１０の周囲に設けられる。なお、本実施形態では、モータロータ１１０，２１０の表面に永久磁石１１２，２１２が周設されたＳＰＭ（Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ）モータを備える真空ポンプを例示したが、本発明はこれには限定されない。例えば、永久磁石がモータロータの内部に埋め込まれているＩＰＭ（Ｉｎｔｅｒｉｏｒ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ）モータを備える真空ポンプに対しても、本発明を適用することができる。

固定子ヨーク１２０は、楕円状にモータロータ１１０，２１０を取り囲む。固定子ヨーク１２０には、複数の電機子１２２が設けられる。電機子１２２はそれぞれ、電機子鉄芯１２４と、電機子鉄芯１２４に巻き回された巻線１２６と、を備える。電機子１２２は、共通の固定子ヨーク１２０に嵌めこまれて位置決めされる。電機子１２２は、モータロータ１１０，２１０の外周面と所定の間隙δ１だけ離間して配置される。電機子１２２は、一対のモータロータ１１０，２１０の外周に所定の間隙を保って楕円状に配置される。

巻線１２６はそれぞれ、Ｕ，Ｖ，Ｗ，Ｕ´，Ｖ´，Ｗ´の６スロットに分割されている。ここで、Ｕ´はＵの逆相であり、Ｖ´はＶの逆相であり、Ｗ´はＷの逆相であることを示している。図３に示すように、Ｕ１，Ｕ２、Ｖ１、Ｖ２、及び、Ｗ１，Ｗ２は、直列に接続されており、等しいターン数の巻線である。Ｕ１，Ｕ１´，Ｖ１，Ｖ１´，Ｗ１，Ｗ１´の巻線と、Ｕ２，Ｕ２´，Ｖ２，Ｖ２´，Ｗ２，Ｗ２´の巻線は、対称線Ｂに対して対称に配置される。また、Ｕ１，Ｕ２，Ｖ１，Ｖ２，Ｗ１，Ｗ２の巻線と、Ｕ１´，Ｕ２´，Ｖ１´，Ｖ２´，Ｗ１´，Ｗ２´の巻線は、対称線Ｃに対して対称に配置される。ここで、巻線１２６は、図３に示すようにＵ１，Ｕ２が直列に接続され、その逆相であるＵ１´，Ｕ２´が直接に接続され、両者が並列に接続されてＵ相を構成している。Ｖ相及びＷ相についても同様であり、全体としてＵ，Ｖ，Ｗの各相がＹ形に結線される。

モータロータ１１０，２１０は、所定の軸間距離ｔを保って配置されている。モータロータ１１０，２１０にはそれぞれ、外周にＮ，Ｓ交互に且つ等間隔に６極に着磁された永久磁石１１２，２１２が設けられる。モータロータ１１０，２１０は、６極の永久磁石１１２，２１２のうち対称線Ｃを挟んで対向する２極ずつを磁気カップリングとして使用する。モータロータ１１０，２１０は、互いの異磁極面を対向させて磁気カップリングを形
成し、互いに逆方向にのみ同期回転する。

モータロータ１１０，２１０は、外周同士が所定の間隙距離δ０を保って対向する。本実施形態の真空ポンプ１０００は、モータロータ１１０，２１０が鉄心などのステータコアを介在せずに空間を隔てて直接対向している。すなわち、本実施形態の真空ポンプ１０００は、モータロータ１１０，２１０が直接磁気カップリングを形成する真空ポンプである。ここで、モータロータ１１０，２１０間のクリアランスが大き過ぎると、磁気カップリング力が低下する。本実施形態は、電機子鉄芯１２４とモータロータ１１０，２１０外周との距離をδ１、モータロータ１１０，２１０間の間隙距離をδ０としたとき、δ０≒１〜３δ１程度となっている。これにより、永久磁石１１２，２１２間の吸引力と、モータロータ１１０，２１０と電機子１２２との間の吸引力と、がほぼキャンセルされ、磁気カップリング力が充分大きくなる。

駆動モータ部２００は、１２個の電機子１２２を備える。電機子１２２は、対称線Ｃに関して対称になるように６極ずつ配置される。また、巻線１２６は、対称線Ｃに関して対称な位置において、同相かつ逆向きに電機子鉄芯１２４に巻き回される。駆動モータ部２００は、対称位置の巻線１２６に逆方向の通電を行うことにより、逆相の関係を形成する。これによって駆動モータ部２００は、１つのモータとして駆動される。駆動モータ部２００は、１つの３相モータとして駆動されるので、駆動電源装置も１つでよい。

図４Ａ〜図９Ａは、図３の結線の電流の流れを示す図である。図４Ｂ〜図９Ｂは、図２の駆動モータの電機子巻線の電流の流れとポンプロータの回転を示す図である。駆動モータ部２００は、モータロータ１１０，２１０の磁極位置に応じて、図４Ａ〜図９Ａの矢印に示すように６通りの通電の切換えを繰り返す。これによって、駆動モータ部２００は、モータロータ１１０，２１０を図４Ｂ〜図９Ｂの矢印の方向に同期反転させて回転を継続する。

なお、モータロータ１１０，２１０の磁極の数、電機子１２２の数、及び、これらの組み合せは、本実施形態で示したものに限定されず、任意である。例えば、モータロータ１１０，２１０の磁極数がそれぞれ４個、電機子１２２の数が６個などであってもよい。

次に、ギヤ３８０，４８０について説明する。図１０は、ギヤの歯間のクリアランスを模式的に示す図である。図１０は、ギヤ３８０，４８０の一部分のみを示している。図１０に示すように、ギヤ３８０の歯３８０ａとギヤ４８０の歯４８０ａとの間のクリアランスは、Ｇ１，Ｇ２に設定される。ここで、ギヤ３８０の歯３８０ａとギヤ４８０の歯４８０ａとの間のクリアランスＧ１，Ｇ２は、ポンプロータ３１２とポンプロータ４１２との間のクリアランスＳ１，Ｓ２と比較すると、Ｇ１，Ｇ２＜Ｓ１，Ｓ２という関係のバックラッシュ寸法になっている。言い換えると、ポンプロータ３１２，４１２及びギヤ３８０，４８０は、Ｇ１，Ｇ２＜Ｓ１，Ｓ２となるように形成される。

本実施形態の真空ポンプ１０００において、モータロータ１１０，２１０は、対向する異磁極で鉄心を介さずに直接マグネットカップリングを形成し、同期して反転するようになっている。このため、ポンプロータ３１２，４１２は、真空ポンプ１０００の運転時に非接触にて同期反転が可能となる。これに加えて、ギヤ３８０，４８０は、相互に接触することなく回転が可能である。そのため、真空ポンプ１０００は、ギヤ３８０，４８０の接触抵抗、グリース、又は、潤滑油の損失を無くすことが可能である。これにより、本実施形態は、ギヤ損失が少ない、高効率であり、高速回転が可能な真空ポンプ１０００を提供することができる。また、真空ポンプ１０００が何らかの理由により異物を吸引した時や、真空ポンプ１０００内部に生成物が付着した時も、ギヤ３８０，４８０がポンプロータ３１２，４１２の接触より先に噛みあう。したがって、本実施形態の真空ポンプ１００
０は、ポンプロータ３１２，４１２同士を接触することなしに、ポンプロータ３１２，４１２を同期反転させることができる。

この点について詳細に説明するために、真空ポンプ１０００が微小な固形物を吸引したと仮定する。この場合、固形物がポンプロータ３１２，４１２間に噛み込まれることなどによって、ポンプロータ３１２，４１２の同期ずれが発生するおそれがある。

しかしながら、本実施形態の真空ポンプは、ギヤ３８０，４８０を備えている。ポンプロータ３１２，４１２の同期ずれが発生した場合には、ギヤ３８０，４８０が相互に接触することによってポンプロータ３１２，４１２の同期ずれを解消する。その結果、真空ポンプ１０００は、ポンプロータ同士が接触するのを抑制することができる。

さらに具体的には、真空ポンプ１０００は、ギヤ３８０の歯３８０ａとギヤ４８０の歯４８０ａとの間のクリアランスＧ１，Ｇ２よりも、ポンプロータ３１２とポンプロータ４１２との間のクリアランスＳ１，Ｓ２のほうが大きくなっている。したがって、ポンプロータ３１２，４１２の同期ずれが発生した場合には、ポンプロータ３１２とポンプロータ４１２とが接触する前に、ギヤ３８０とギヤ４８０とが先に接触する。ギヤ３８０とギヤ４８０とが接触して相互に連れ回ることによって、ポンプロータ３１２，４１２の同期がとられる。その結果、ポンプロータ３１２とポンプロータ４１２は、相互に接触していない状態で同期回転することができる。

これに加えて、本実施形態の真空ポンプは、上述のように、モータロータ１１０，２１０が直接磁気カップリングを形成しており、磁気カップリング力が充分大きい。このため、真空ポンプ１０００が微小な固形物などを吸引していない通常状態では、モータロータ１１０，２１０の磁気カップリング力のみでポンプロータ３１２，４１２が同期回転する。その結果、通常状態では、ギヤ３８０，４８０は、クリアランスＧ１，Ｇ２を保って相互に接触しない。すなわち、ギヤ３８０，４８０は、真空ポンプ１０００が微小な固形物を吸引するなどの非通常状態によってポンプロータ３１２，４１２の同期ずれが発生したときのための非常用の部品である。

通常状態においてギヤ３８０，４８０は、クリアランスＧ１，Ｇ２を保って相互に接触しないので、ギヤ３８０，４８０に求められる強度は比較的小さい。したがって、本実施形態の真空ポンプ１０００によれば、ギヤ３８０，４８０を小型化することができる。また、ギヤ３８０，４８０相互の接触頻度が少なく摩耗し難いため、ギヤ３８０，４８０は、例えば潤滑油などを充填した空間に配置しなくてもよい。

本実施形態において、ギヤ３８０，４８０は、潤滑剤が充填されていない空間であるモータ室６００内に配置される。また、これに限らず、ギヤ３８０，４８０は、潤滑剤が充填されていない空間であるポンプ室５００内に配置されてもよい。ギヤ３８０，４８０は、潤滑剤が充填されていない空間に配置される場合には、潤滑油又はグリースを用いないで使用することができる。また、ギヤ３８０，４８０の少なくとも一方が、テフロン（登録商標）、樹脂などの自己潤滑性のある材料で形成されていてもよい。この場合には、ギヤ３８０，４８０の少なくとも一部分が、自己潤滑性のある材料で形成されてもよい。例えば、歯３８０ａ，４８０ａの少なくとも一部分が、自己潤滑性のある材料で形成されていてもよいし、ギヤ３８０，４８０の少なくとも一方の表面全面、または、ギヤ３８０，４８０同士の接触部分の表面が、自己潤滑性のある材料で形成されてもよい。また、ギヤ３８０，４８０の少なくとも一方は、表面に潤滑剤がコーティングされていてもよい。本実施形態の真空ポンプ１０００によれば、潤滑剤が充填された空間をポンプ室５００及びモータ室６００とは別に設けなくてもよいので、真空ポンプ１０００の構造を簡素化するとともに小型化を実現することができる。

１１０，２１０ モータロータ
１１２，２１２ 永久磁石
１２０，２２０ 固定子ヨーク
１２２ 電機子
１２４ 電機子鉄芯
１２６ 巻線
１３０ モータフレーム
２００ 駆動モータ部
３００，４００ ポンプロータ部
３１０，４１０ ポンプ主軸
３１２，４１２ ポンプロータ
３８０，４８０ ギヤ
５００ ポンプ室
６００ モータ室
１０００ 真空ポンプ
Ｇ１，Ｇ２ クリアランス
Ｓ１，Ｓ２ クリアランス

Claims (8)

1. 対向して配置された一対の軸と、
   前記一対の軸に設けられた一対のポンプロータと、
   前記一対の軸に設けられ、磁石の異磁極を対向させて直接磁気カップリングを形成する一対のモータロータと、
   前記一対の軸に設けられ、前記一対のポンプロータの同期をとるための一対のギヤと、
   を備え、
   前記一対のギヤは、相互に非接触となるように前記一対のギヤの歯間のクリアランスが設定されており、
   前記一対のギヤの歯間のクリアランスは、前記一対のポンプロータ間のクリアランスより小さく設定される、
   真空ポンプ。
2. 請求項１の真空ポンプにおいて、
   前記一対のモータロータの外周に配置された電機子をさらに備え、
   前記電機子は、前記一対のモータロータの外周に所定の間隙を保って楕円状に配置される、
   真空ポンプ。
3. 請求項１又は２の真空ポンプにおいて、
   前記一対のギヤは、潤滑剤が充填されていない空間に配置される、
   真空ポンプ。
4. 請求項３の真空ポンプにおいて、
   前記一対のギヤは、前記一対のポンプロータが配置されるポンプ室内に配置される、
   真空ポンプ。
5. 請求項３の真空ポンプにおいて、
   前記一対のギヤは、前記一対のモータロータが配置されるモータ室内に配置される、
   真空ポンプ。
6. 請求項１〜５のいずれか１項の真空ポンプにおいて、
   前記一対のギヤの少なくとも一方は、自己潤滑性のある材料で形成される、
   真空ポンプ。
7. 請求項１〜５のいずれか１項の真空ポンプにおいて、
   前記一対のギヤの少なくとも一方は、樹脂で形成される、
   真空ポンプ。
8. 請求項１〜５のいずれか１項の真空ポンプにおいて、
   前記一対のギヤの少なくとも一方は、表面に潤滑剤がコーティングされている、
   真空ポンプ。

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