JPH1172097A - 高真空ポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 軸流分子ポンプ等の高真空ポンプにおけるロ
ータ破損を未然に防止可能にすること。 【解決手段】 複合型ターボ分子ポンプ１のロータ７に
は、その下半部分に円筒状のスカート部分７ａが形成さ
れている。当該スカート部分７ａの円形内周面の下縁部
分に発生する変形量は、当該部分に対向配置した検出器
１９によって検出される。検出された変形量がロータ７
の材料の定常クリープレベルに達した場合には、ロータ
が破損するおそれがある旨の警報を発生すると共に、ポ
ンプ１を強制停止する。これにより、ロータ７のクリー
プによる強度低下に起因する破損等を確実に防止でき
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は分子流域で作動する
高真空ポンプに関し、特に、軸流分子ポンプ（ターボ分
子ポンプ、モレキュラードラッグポンプ）等の高真空ポ
ンプにおけるロータの破損を未然に防止する機構に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】高真空ポンプである軸流分子ポンプで
は、ケース内において回転自在に支持されたロータの外
周面に回転翼を形成し、ケース内周面には当該回転翼と
対をなす固定翼を形成し、回転翼が気体分子の運動速度
と同程度の周速度となるような回転速度（数万ｒｐｍ）
でロータを電動機等によって回転させることで排気を行
うようになっている。

【０００３】このような高真空ポンプでは、継続運転に
よってロータの強度劣化が進行して、ロータが破損しポ
ンプが使用不能になるおそれがある。このため、従来に
おいては、ケースの肉厚を厚くして、ロータが破損した
場合にロータ破片をケース内に封じ込め、ロータ破損に
よる被害がポンプ以外の部分に及ばないようにしてい
る。しかしながら、ポンプの吸気口は、半導体製造装置
の反応室等のような高価な真空装置に連通しているの
で、ロータ破損による被害が真空装置に及ぶおそれがあ
る。このため、ロータの破損を未然に防止することが必
要である。

【０００４】ロータの破損を未然に防止するために、従
来においては、予めロータ使用時間の上限を設け、使用
時間が上限を超えた時点でロータの交換を行う方法を採
用している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ロータ
の使用条件、ロータ材料の劣化状況によっては、実際の
ロータ使用時間が予め設定したロータ使用時間に到る前
の時点で突然破損し、ポンプの使用が不能になったり、
ポンプに接続されている高価な真空装置までも破損して
しまうおそれがある。

【０００６】ロータの破損は、ロータ材料の強度が高速
度回転に起因してロータに発生する応力よりも低下する
と発生する。ロータ材料の強度低下の要因としては、ロ
ータのクリープ、疲労、腐食等が考えられる。これらの
うち、腐食による強度低下に起因したロータ破損につい
ては、ポンプが吸引する気体に応じた表面処理をロータ
に施せば、ロータの腐食を回避でき、従って当該強度低
下に起因したロータ破損を回避できる。また、ロータの
疲労破壊については、この種の高真空ポンプは、起動・
停止頻度が少なく、定常回転数で長期運転されることが
多いので、繰り返し応力によりロータ材料が疲労破壊す
る可能性は少ない。従って、ロータ破損の主要因は、ロ
ータ材料のクリープ特性による強度劣化であると考えら
れる。

【０００７】しかしながら、クリープによるロータ材料
の強度劣化は事前に予測することは困難であり、従っ
て、ロータ破損を未然に防止することは困難である。

【０００８】一方、近年、半導体製造工程の成膜・食刻
工程においては、高真空ポンプに吸引されるガスの種類
によっては、当該高真空ポンプ内で吸引したガスが凝縮
したり、二次的反応により生成された副生成物が当該高
真空ポンプ内に堆積してポンプ性能を低下させるおそれ
がある。場合によっては、ポンプの破損を招くおそれも
ある。この弊害を回避するために、吸引されるガスの飽
和蒸気圧特性に基づき、ポンプ内部温度を強制的に高め
て、ガスの凝縮、副反応物の堆積を防止する対策が施さ
れることがある。

【０００９】ポンプ内部温度を上昇させると、当然にそ
れに伴ってロータ温度も上昇するので、通常のロータ使
用条件よりもロータ温度が高くなる。ロータ温度の上昇
はロータ材料のクリープ現象を助長させるので、通常の
ロータ使用条件（ロータを昇温させない場合）に比べて
当該ロータの強度劣化速度が早くなる。この結果、予め
定めたロータ使用時間の上限値よりも大幅に手前の時点
で突然にロータが破損する可能性が高くなってしまう。

【００１０】また、一般的に使用されているロータ材料
は高強度アルミニウム合金であるが、このアルミニウム
合金は他の金属材料に比べて比較的低温の摂氏１００度
近傍からクリープ現象が顕著に現れ、強度劣化を生ずる
ことが知られている。この点からも、上記のようにロー
タ温度が上昇した場合にはロータが破損する可能性が高
い。

【００１１】本発明の課題は、このような点に鑑みて、
ロータ破損を確実に防止可能な機構を備えた高真空ポン
プを提案することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、本発明は、ロータの外周面においてロータ回転軸
線の方向に所定の間隔で形成された回転翼と、当該回転
翼と対をなす状態に形成された固定翼と、前記ロータに
対して前記ロータ回転軸線の一方の側に形成された吸気
口および他方の側に形成された排気口とを有する高真空
ポンプにおいて、前記ロータに発生する変形量を検出す
る検出手段を有することを特徴としている。

【００１３】このように構成した本発明の高真空ポンプ
では、検出手段によってロータに発生する変形量が常に
検出されている。変形量には瞬間的に発生する弾性歪み
量とクリープによる歪み量が含まれている。ロータ材料
が強度劣化する過程では、時間経過に伴ってクリープに
よる歪みがほぼ比例関係で増加する定常クリープ領域か
ら急激に歪みが増加する加速クリープ領域を経て歪み量
が増加し、ロータ破損に到る。従って、検出手段によっ
て検出された変形量に基づき、ロータが定常クリープ領
域内のクリープ状態にあるか否かを検出でき、当該クリ
ープ状態に到ったことが検出された場合にはロータの交
換を行うようにすれば、ロータ破壊を未然に防止でき
る。

【００１４】ここで、ロータの変形量を検出するために
は、前記ロータに、前記ロータ回転軸線を中心とする円
筒状部分を形成しておき、当該円筒状部分の縁に発生す
る変形量を前記検出手段によって検出すればよい。この
ような縁の部分はロータ回転に伴なって大きな遠心力が
発生し、従って、変形量の検出が容易である。

【００１５】また、ロータに発生する変形量を検出する
ための前記検出手段としては、非接触式変位センサを用
いることができる。例えば、渦電流方式変位センサを用
いることができる。あるいは、静電容量式、高周波式、
レーザ、赤外線等を利用した光学式の非接触式変位セン
サを用いることもできる。

【００１６】次に、本発明の高真空ポンプは、上記の構
成に加えて、更に、前記検出手段によって検出された変
形量を予め設定されている基準量と比較する比較手段
と、この比較手段の比較結果に基づき前記ロータの回転
駆動を制御する制御手段とを有している。

【００１７】この場合、前記比較手段の出力に基づき前
記変形量が前記基準量以上となったことが判別された場
合には、前記制御手段により前記ロータを強制的に停止
すれば、ロータの破損を未然に防止できる。

【００１８】また、前記比較手段の出力に基づき前記変
形量が前記基準量以上となったことが判別された場合に
は、表示器、警報機等からなる警報発生手段によって、
その旨の警報を発生するようにすることが望ましい。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下に、図面を参照して、本発明
を適用した複合型ターボ分子ポンプを説明する。

【００２０】図１には本例の複合型ターボ分子ポンプの
断面構成を示してある。このターボ分子ポンプ１は、円
筒状のポンプケース２を有し、このポンプケース２の上
端側開口が吸気口２ａとなっている。この吸気口２ａに
続くポンプケース内周面２ｂにはポンプ軸線（ロータ回
転軸線）１ａの方向に向けて所定の間隔で円環状の固定
翼３が固定されている。これらの固定翼３は環状スペー
サ４によって相互の間隔が保持されている。

【００２１】一方、ポンプケース２の内部には、同軸状
に回転軸５が配列されており、この回転軸５の上端側部
分５ａの外周には、締結ボルト６によってロータ７が同
心状に固着されている。ロータ７の外周面にはポンプ軸
線（ロータ回転軸線）１ａの方向に所定の間隔で円環状
の回転翼８が形成されており、これらの回転翼８のそれ
ぞれは上記の固定翼３と対になっており、各固定翼３の
間に相互に差し込まれた配置関係となっている。

【００２２】回転軸５の下端側部分５ｂは、５軸制御方
式の磁気軸受け１１と、当該磁気軸受け１１の上下に配
置した保護軸受け１２、１３を介して、円筒状のスピン
ドルケース１４の内周面に対して回転自在の状態で支持
されている。また、上下の磁気軸受け１１の間にはモー
タ２１が組み込まれている。

【００２３】スピンドルケース１４の下端部分は大径と
なっており、この部分には、排気通路１５が形成されて
おり、この排気通路１５はスピンドルケース外周面に形
成した排気口１６に連通していると共に、その上端側
は、固定翼３および回転翼８の間の隙間を通って、上端
の吸気口２ａに連通している。

【００２４】ここで、ロータ７は、回転翼８が形成され
ている部分の下側に、ポンプケース２の側に固定した円
筒状のステータ１７の内周面に対峙している円筒状のス
カート部分（円筒部分）７ａが形成されている。このス
カート部分７ａの内側には、下側から上記の回転軸５お
よびスピンドルケース１４の上半部分が同軸状に挿入さ
れた状態となっている。また、このスカート部分７ａの
円形内周面７ｂの下縁部分に対向しているスピンドルケ
ース１４の外周面には検出器１９が取り付けられてい
る。この検出器１９は、スカート部分の円形内周面７ｂ
の変形量（伸び量）を検出するためのものである。検出
器１９の出力信号は、磁気軸受け１１、モータ２１等の
信号線と同様に、スピンドルケース１４の外周に取り付
けてあるハーメチックシールコネクタ２２を介して取り
出される。

【００２５】検出器１９は非接触式変位センサであり、
例えば、ロータと検出素子との間に発生する渦電流の量
を電流、または電圧に変換してロータと検出素子との距
離を測定する渦電流方式変位センサを用いている。

【００２６】図２には、本例のターボ分子ポンプ１の制
御系の概要を示してある。この図に示すように、ハーメ
チックシールコネクタ２２を介して取り出された検出器
１９の出力信号１９Ｓは、比較演算回路３１に入力され
る。比較演算回路３１では、予め定められている基準値
ＲＥＦと検出器の出力信号１９Ｓによって表される変形
量とを比較する。出力信号１９Ｓによって表される変形
量が基準値ＲＥＦ以上の場合には、異常信号３１Ｓをポ
ンプ駆動・制御回路３２に出力する。

【００２７】ポンプ駆動・制御回路３２は、ポンプ１の
駆動制御を司る回路であり、異常信号３１Ｓを受け取る
と、ロータ７の交換を催促する旨の警報表示を表示器３
３を介して表示させる。あるいは、警報器３４を介して
その旨を音声、ブザー等により表示する。そして、当該
警報を発生した後に、所定の時間内にポンプ停止などの
処理が行われない場合には、ポンプ制御出力信号３２Ｓ
を出力して、自動的にポンプを強制停止させるようにな
っている。

【００２８】ここで、図３にはロータ材料の一般的なク
リープ特性を示してある。クリープ特性曲線Ｉから分か
るように、ロータ材料は、ロータに採用する瞬間応力に
応じた弾性的な瞬間歪みが発生する。また、使用時間が
長くなると、クリープ現象により歪み量が増加する。ク
リープによる歪み量は、時間経過に伴って、遷移クリー
プ領域Ａ、定常クリープ領域Ｂおよび加速クリープ領域
を経て増加し、この後は材料の破壊に到る。加速クリー
プ領域では歪み量が急激に増加して材料の破壊に到るの
で、材料がその手前の定常クリープ領域に入った場合
に、ポンプ駆動を停止して、ロータ７の交換を行えば、
ロータのクリープ破壊を確実に防止できる。従って、典
型的な制御形態としては、比較演算回路３１の基準値Ｒ
ＥＦとして、定常クリープレベルの歪み量を採用すれば
よい。

【００２９】このように構成した本例のターボ分子ポン
プ１では、ポンプ駆動・制御回路３２の制御の下にモー
タ２１、磁気軸受け１１を駆動すると、回転軸５はこれ
らによって磁気的に浮上して高速回転する。従って、回
転軸５に連結されているロータ７が高速回転する。ロー
タ７における遠心力による変形が比較的大きくなる部
分、すなわち、そのスカート部分７ａの下縁側の部分の
変形量が検出器１９によって常にモニターされている。
ロータ７に発生する変形量が、そのロータ材料の定常ク
リープレベルを超える量になると、比較演算回路３１に
よってそれが検出され、ポンプ駆動・制御回路３２で
は、警報を発生すると共に、警報を発生した後は、ポン
プを強制的に停止する。従って、ロータ７のクリープ破
壊を確実に防止できる。

【００３０】また、例えば、ロータ７がモータ２１の回
転制御系等の異常のために、規定回転速度を超えた回転
速度で回転した場合にも、ロータ７に発生する応力は、
規定値よりも大きくなる。この場合にも、ロータ破壊に
繋がることがあるが、ロータ７は破損前に必ず遠心力の
作用を受けて規定値以上に変形する。従って、この場合
も検出器１９の出力に基づき、ロータ７の破損を未然に
防止できる。

【００３１】さらに、前述したようにポンプを強制的に
昇温してガスの凝縮、副生成物の堆積を防止する場合
や、ポンプの温度制御機構が故障した場合等には、ポン
プ内の温度、すなわちロータ温度が上昇して摂氏１００
度を超えることがある。さらには、ポンプに吸引される
ガスの温度が高い場合、規定圧力以上の圧力でポンプが
運転される場合等にも、ロータ温度が上昇して摂氏１０
０度を超えることがある。ロータ材料がアルミニウム合
金の場合には、摂氏１００度を超えるとその強度低下が
著しいので、ロータ破損のおそれが高まる。

【００３２】しかしながら、このような温度上昇の場合
には、ロータ７には、材料強度低下による伸びと、熱膨
張による伸びとが複合されて、大きな変形が生ずる。こ
のような異常なロータ７の伸びも検出器１９によって検
出できる。よって、このような温度上昇に起因したロー
タ破損も未然に防止できる。

【００３３】（その他の実施の形態）なお、検出器１９
としてはアナログ出力方式のものを採用できる。この代
わりに、検出器内に比較演算機能を内蔵した変位スイッ
チに、予めロータの破損に到る手前の変位量を設定し、
この変位量に達した場合に変位スイッチから接点信号を
出力すると共に、当該信号出力をポンプ駆動・制御回路
に入力して、前述したように警報を発生させたり、ポン
プを強制停止させるようにしてもよい。

【００３４】また、検出器１９の設置位置は、ロータ７
に発生する変形量を検出しやすい部分であればどのよう
な位置であってもよい。例えば、検出器１９をロータ７
の外周面に対向配置させてその変形量を検出してもよ
い。

【００３５】更に、本例ではロータ伸び量（変形量）の
危険とみなす基準値をロータ材料の定常クリープレベル
としている。しかし、ロータ内に発生する応力に対し、
使用するロータ材料のクリープ特性に対する安全率を考
慮して、１．０パーセントクリープ以下の変形量を判定
の基準値としてもよい。

【００３６】一方、本例のポンプ１は５軸制御方式の磁
気軸受けを用いているが、他の磁気軸受けを採用しても
よい。さらには、玉軸受け、空気動圧軸受け等といった
別の形式の軸受けを採用してもよい。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の高真空ポ
ンプはそのロータに発生する変形量を検出する検出器を
備えている。従って、当該検出器により検出した変形量
に基づき、ロータが破損に到る前にロータ交換等を行う
ことができる。よって、ロータ破損を確実に防止でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用した複合型ターボ分子ポンプの概
略縦断面図である。

【図２】図１のポンプの制御系の主要部分を示す概略ブ
ロック図である。

【図３】ロータ材料の一般的なクリープ特性曲線を示す
グラフである。

【符号の説明】

１ 複合型ターボ分子ポンプ ２ ポンプケース ２ａ 吸気口 ３ 固定翼 ５ 回転軸 ７ ロータ ８ 回転翼 １６ 排気口 １９ 検出器 ２１ モータ ３１ 比較演算回路 ３２ ポンプ駆動・制御回路

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ロータの外周面においてロータ回転軸線
   の方向に向けて所定の間隔で形成された回転翼と、当該
   回転翼と対をなす状態に形成された固定翼と、前記ロー
   タに対して前記ロータ回転軸線の一方の側に形成された
   吸気口および他方の側に形成された排気口とを有する高
   真空ポンプにおいて、前記ロータに発生する変形量を検
   出する検出手段を有することを特徴とする高真空ポン
   プ。
2. 【請求項２】 請求項１において、前記ロータは前記ロ
   ータ回転軸線を中心とする円筒状部分を備え、前記検出
   手段は当該円筒状部分の縁に発生する発生する変形量を
   検出することを特徴とする高真空ポンプ。
3. 【請求項３】 請求項１または２において、前記検出手
   段は非接触式変位センサであることを特徴とする高真空
   ポンプ。
4. 【請求項４】 請求項１ないし３のうちの何れかの項に
   おいて、更に、前記検出手段によって検出された変形量
   を予め設定されている基準量と比較する比較手段と、こ
   の比較手段の比較結果に基づき前記ロータの回転駆動を
   制御する制御手段とを有することを特徴とする高真空ポ
   ンプ。
5. 【請求項５】 請求項４において、前記比較手段の出力
   に基づき前記変形量が前記基準量以上となったことが判
   別された場合には、前記制御手段は前記ロータを停止さ
   せることを特徴とする高真空ポンプ。
6. 【請求項６】 請求項１ないし３のうちの何れかの項に
   おいて、更に、前記検出手段によって検出された変形量
   を予め設定されている基準量と比較する比較手段と、こ
   の比較手段の出力に基づき前記変形量が前記基準量以上
   となったことが判別された場合に警報を発生する警報発
   生手段とを有していることを特徴とする高真空ポンプ。