JP2003184785A - 真空ポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 外径の異なるロータを搭載する際にロータ内
壁面とステータコラム外壁面との間に形成される大きな
間隙を所定の間隙に狭める。 【解決手段】 ステータコラム14の外壁形状14aに倣っ
た内壁形状Snaおよびロータ16-nの内壁形状16-naに倣っ
た外壁形状Snbを有するスペーサSnをステータコラム14
外周に着脱自在に取付け固定し、ステータコラム14外壁
面とロータ16-n内壁面との間隙gnを所定の間隙g1に設定
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体製造装置、
電子顕微鏡、表面分析装置、質量分析装置、粒子加速
器、核融合実験装置等に用いられる真空ポンプに係り、
特に大容量の排気を必要とする真空ポンプにも簡単かつ
廉価に対応できる構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体製造工程におけるドライエ
ッチングやＣＶＤのプロセスのように、高真空のプロセ
スチャンバ内で処理を行なう工程では、プロセスチャン
バ内のガスを排気して一定の高真空度を形成する手段と
して、例えば図６に示すターボ分子ポンプのような真空
ポンプが用いられている。

【０００３】同図に示すように、このターボ分子ポンプ
P6は、円筒型のロータ16の外壁面に複数のブレード状の
ロータ翼17，17，…が設けられ、このロータ翼17，17間
に位置決め固定された複数のステータ翼18，18，…がポ
ンプケース11内壁に取付けられてなり、ロータ16がロー
タシャフト15に一体に取付けられている。

【０００４】このロータシャフト15を駆動モータ19によ
り高速回転させると、これと連動して高速回転するロー
タ翼17と固定のステータ翼18との相互作用により、同図
中点線矢印で示すように、ガス吸気口12から吸入された
ガスが、下段のネジ溝ポンプ機構部に送り込まれ、ロー
タ16外壁の円筒面とネジステータ20内壁のネジ溝21との
相互作用により遷移流から粘性流に圧縮され、後段のガ
ス排気口13から排気されてガス吸気口12に接続されたプ
ロセスチャンバ内を高真空にするというものであるが、
このときロータ16およびロータ翼17からなる回転円筒体
は気体圧縮熱により温度上昇して高温状態となるため、
この熱をポンプケース11内の固定側へと放熱して回転円
筒体の冷却を行なう必要がある。

【０００５】この回転円筒体の放熱の方法としては、放
射による放熱と伝導による放熱とが知られており、前者
については（イ）ロータ翼表面からステータ翼表面への
放射、後者については（ロ）ガスを通じた伝導、（ハ）
軸受による伝導があるが、図６に示すように、半径方向
電磁石22、および軸方向電磁石23からなる磁気軸受によ
りロータシャフト15が軸受支持されている磁気浮上式の
ターボ分子ポンプでは、通常運転時には保護用ボールベ
アリング24，24とロータシャフト15とが接触していない
ため、上記（ハ）のような軸受による直接的な熱伝導は
なく、上記（イ）の放射と上記（ロ）のガスを通じた伝
導によるものとなる。更に、ポンプケース11内に流入す
るガスの流量が少ない場合やＡｒガス等のように熱伝導
率の低いガスを排気する場合にあっては、上記（ロ）の
ガスによる熱伝導があまり期待できず、結局のところ、
（イ）の放射による放熱のみに頼らざるを得ないため、
放熱効率が悪くタービンにより排気する圧縮熱がロータ
翼17にこもり易くなる。

【０００６】そこで、図６に示すように、例えばＮ２ガ
スのように熱伝導率の高いパージガスを外部からポンプ
ケース11内に注入し、同図中実線矢印で示すように、ロ
ータシャフト15外壁とステータコラム14内壁との間隙か
らステータコラム14外壁とロータ16内壁との間隙にかけ
て連通する通路 Rにこのパージガスを通過させ、ガス排
気口13へと排気させて熱伝導を行なうことにより、ロー
タ16に蓄熱された圧縮熱をロータ16内壁面からステータ
コラム14外壁面へと放熱し、ロータ16およびロータ翼17
からなる回転円筒体の冷却を行なう方法が従来から採用
されている。

【０００７】そして、この方法によると、冷却効果を高
めるためにはロータ16内壁面とステータコラム14外壁面
との間隙g1はできるだけ狭く設定することが要求され
る。これは、この間隙g1が広いと粘性流領域においては
温度境界層が生成されてしまい、ロータ16内壁面とステ
ータコラム14外壁面の間の熱伝導率が低下するためであ
り、また、分子流領域においては平均自由工程に対して
間隙g1が広くなると、表面より放出される気体分子が直
接他の面に到達する確率が低下し、同様に熱伝導率が低
下するためである。

【０００８】ところが、図７に示すように、より大容量
のガスを排気するために図６に示したロータ翼17の外径
L6よりも大きな外径L7のロータ翼17-1を有するロータ16
-1を図６に示したロータシャフト15に搭載したターボ分
子ポンプP7の場合、図６ではロータ16内壁面とステータ
コラム14外壁面との間隙g1は微小な隙間であったのに対
し、図７ではロータ16-1内壁面とステータコラム14外壁
面との間隙はg2となり、図６の間隙g1に比して極めて大
きな隙間が形成されてしまう。このような大きな間隙g2
は、上述したように熱伝導率を極度に低下させるため好
ましくなく、したがって正常な熱伝導を行なうためには
ステータコラム14の外壁形状をロータ16-1の内壁形状に
倣った形状に成形してこの間隙g2を埋めて所定のクリア
ランスであるg1までその幅を狭める必要が生じる。

【０００９】この間隙g2の幅を狭めるための手段として
は、ロータ16-1の成形時にロータ16-1の下端部の肉厚を
厚く成形する方法が考えられるが、この場合、肉厚を厚
くした分だけコスト高となる上に、ロータ16-1はポンプ
運転中に高速回転する部材であるため、あまりに肉厚を
大きく形成するとその重量が増大してポンプ運転時に余
計な動力が必要となり、圧縮性能の低下を招くとともに
回転円筒体のアンバランス状態が生じ易くなるため避け
るべきである。

【００１０】また、この間隙g2の幅を狭めるための手段
として、ロータ16-1の内壁形状に倣った外壁形状のステ
ータコラム14を成形する方法も考えられるが、この場合
には、外壁形状の異なるパターンを幾つも用意しておく
必要があり、高価な電装品等を内蔵するステータコラム
14自体を交換することはターボ分子ポンプの製造におい
て大幅なコストアップの要因になるという問題がある。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記のよう
な問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とする
ところは、大容量の排気を行なうために外径が大きなロ
ータを搭載する際に、ロータ内壁面とステータコラム外
壁面との間に形成される所定の狭い間隙を簡易かつ廉価
に形成することができ、ポンプ製造に当たり従来に比し
て大幅なコストダウンを可能とする真空ポンプを提供す
ることにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係る真空ポンプは、上部壁面にガス吸気口
が開口され、下部壁面にガス排気口が開口されたポンプ
ケース内に回転可能に支持されるロータシャフトと、上
記ロータシャフトを回転させるための駆動モータと、上
記ロータシャフトと駆動モータとを内蔵し、上記ポンプ
ケース内に立設されるステータコラムと、上記ステータ
コラムを包囲し、上記ロータシャフトに固定されるロー
タと、上記ロータの内壁形状に倣った外壁形状を有し、
上記ステータコラム外周に着脱自在に取付け固定される
スペーサと、を具備することを特徴とするものである。

【００１３】ここで、上記ステータコラムとスペーサと
の固定構造の一例としては、上記スペーサ外周壁の一部
を切り欠いてフランジ部を形成し、このフランジ部をク
ランプ固定する構造を採用することができる。

【００１４】また、上記ステータコラムとスペーサとの
固定構造の他の例として、上記スペーサ外周壁から内周
壁にかけて螺着する止めネジにより締結固定する構造を
採用してもよい。

【００１５】更に、上記ステータコラムとスペーサとの
固定構造の他の例として、上記スペーサを上記ステータ
コラムに開設された取付孔に対して上記ロータシャフト
の軸線方向に締結固定する構造を採用してもよい。

【００１６】なお、上記ポンプケース内には、上記ロー
タの外壁面に一体に設けられるブレード状の複数のロー
タ翼と、上記ロータ翼間に交互に位置決めされ、上記ポ
ンプケース内に固定されるブレード状の複数のステータ
翼とからなるターボ分子機構部を有していてもよい。

【００１７】本発明に係る真空ポンプによれば、ロータ
の内壁形状に倣った外壁形状を有するスペーサがステー
タコラムに着脱自在に取付け固定される構造を採用して
いるため、大容量の排気を行なうためにロータ翼の外径
が大きなロータを搭載する際、ロータ内壁面とステータ
コラム外壁面との間に所定の狭い間隙を形成するための
手段として、円筒体ロータの肉厚を厚くしたり、高価な
ステータコラムを作り分けたりする必要がなく、このス
ペーサのみを交換するだけで対応できるため、真空ポン
プの製造に当たり大幅なコストダウンに繋がる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る真空ポンプの
好適な実施の形態について、添付図面を参照しながら詳
細に説明する。

【００１９】図１は本発明に係る真空ポンプの全体構成
を示す縦断面図であり、同図に示すように、この真空ポ
ンプP1のポンプ機構部は、ポンプケース11内部に収容さ
れたターボ分子ポンプ機構部PAとネジ溝ポンプ機構部PB
とから構成される複合型のポンプ機構を採用している。

【００２０】まず、ポンプケース11は円筒体11-1とその
下端に取付けられたベース11-2とからなり、円筒体11-1
の上部壁面は開口されてガス吸気口12となっており、ガ
ス吸気口12には図示しないプロセスチャンバ等の真空容
器が円筒体11-1のフランジ部にネジ止め固定され、ベー
ス11-2の下部一側壁面にはガス排気口13が開口されて排
気パイプ13-1が取付けられている。

【００２１】また、ベース11-2の下部底面は裏蓋11-3で
蓋されており、裏蓋11-3上方には、ポンプケース11内部
に向かって立設するステータコラム14がベース11-2にネ
ジ止め固定され、ステータコラム14には、その端面間を
貫通するロータシャフト15が回転可能となるように、ス
テータコラム14内部に設けられた半径方向電磁石22，22
および軸方向電磁石23，23からなる磁気軸受により、ロ
ータシャフト15の半径方向と軸方向にそれぞれ軸受支持
されている。なお、符号24はドライ潤滑剤が塗布された
保護用ボールベアリングであり、磁気軸受の電源異常時
に、ロータシャフト15と電磁石22，23とが接触するのを
保護し、ロータシャフト15を支持するためのものであ
り、通常運転時にはロータシャフト15には接触していな
い。

【００２２】ポンプケース11内部には、円筒型に成形さ
れたロータ16がステータコラム14を包囲するように配置
され、ロータ16上端はガス吸気口12付近まで延長されて
おり、ロータシャフト15の軸線 L方向にネジ止め固定さ
れている。また、ロータシャフト15の軸線 L方向の略中
央部には、ロータシャフト15とステータコラム14との間
に、高周波モータ等からなる駆動モータ19が内蔵されて
おり、ロータシャフト15とロータ16とはこの駆動モータ
19により高速回転するように構成されている。

【００２３】更に、ロータ16上部の外壁面には、ガス吸
気口12側からロータシャフト15の軸線 L方向にかけて複
数のブレード状のロータ翼17，17，…が一体に設けら
れ、このロータ翼17，17間に交互に位置決めされた複数
枚のブレード状のステータ翼18，18，…がポンプケース
11内の円筒体11-1内壁面に取付け固定されて、高速回転
するロータ翼17と固定のステータ翼18との相互作用によ
りガス吸気口12側の気体分子を下段側に送り込むターボ
分子ポンプ機構部PAを構成している。

【００２４】一方、ロータ16下部の外壁面は平坦な円筒
面となっており、ポンプケース11内のベース11-2には、
ロータ16外壁の円筒面と狭い間隔で対向する円筒型のネ
ジステータ20が取付け固定され、このネジステータ20内
壁面には同図中点線で示すネジ溝21が刻設されて、高速
回転するロータ16外壁の円筒面と固定のネジステータ20
内壁のネジ溝21との相互作用により、ターボ分子ポンプ
機構部PAから送り込まれた気体分子を遷移流から粘性流
に圧縮し、後段のガス排気口13から排気するネジ溝ポン
プ機構部PBを構成している。

【００２５】そして、ロータ16下部の内壁面と、これと
対向するステータコラム14外壁面との間には、ロータ16
の内壁形状16aに倣った外壁形状Sbを有するスペーサ S
が設けられている。このスペーサ Sは、熱伝導率の高い
金属材料により構成されていることが好ましく、比較的
軟質で加工し易くかつ比強度に優れたアルミ合金等の軽
合金の他、ステンレス鋼、ニッケル鋼等の鉄系材料を用
いて所定形状に切削され、ステータコラム14外周に着脱
自在に取付け固定される。このスペーサ Sとステータコ
ラム14との着脱可能な固定構造については各種考えられ
るが、例えば図２乃至図４に示す固定構造を採用するこ
とができる。

【００２６】まず、図２に示す真空ポンプP2における固
定構造は、スペーサS1の外周壁の一部を切り欠いてフラ
ンジ部31を形成し、このフランジ部31をボルト33により
クランプ固定する構造を採用している。すなわち、この
固定構造は、同図（ｂ）に示すように、ステータコラム
14の外壁形状14aに倣った内径およびロータ16の内壁形
状16aに倣った外径を有するように、断面リング状に成
形された円筒型のスペーサS1の一部にその外周壁から内
周壁にかけて貫通する貫通溝32が刻設され、この貫通溝
32の近傍にスペーサS1外周壁の一部を断面Ｌ字状に切り
欠いたフランジ部31が形成され、フランジ部31から貫通
溝32にかけて直交するボルト33によりクランプ固定され
る構造である。

【００２７】次に、図３に示す真空ポンプP3における固
定構造は、スペーサS2の外周壁から内周壁にかけて螺着
する止めネジ41により締結固定する構造を採用してい
る。すなわち、この固定構造は、同図（ｂ）に示すよう
に、ステータコラム14の外壁形状14aに倣った内径およ
びロータ16の内壁形状16aに倣った外径を有するよう
に、断面リング状に成形された円筒型のスペーサS2の外
周壁から内周壁にかけて貫通するネジ孔42が刻設され、
このネジ孔42に止めネジ41が挿通されてスペーサS2のサ
イドより締結固定される構造である。

【００２８】更に、図４に示す真空ポンプP4における固
定構造は、スペーサS3をステータコラム14に開設された
取付孔52に対してロータシャフト15の軸線 L方向に締結
固定する構造を採用している。すなわち、この固定構造
は、ステータコラム14の外壁形状14aに倣った内径およ
びロータ16の内壁形状16aに倣った外径を有するよう
に、断面リング状に成形された円筒型のスペーサS3の外
周壁に断面Ｌ字状に切り欠かれた取付段部53が形成さ
れ、この取付段部53にロータシャフト15の軸線 L方向に
沿って取付孔51が開設され、この取付孔51と嵌合する取
付孔52がステータコラム14側にも開設され、この取付孔
51，52に一体のボルト54を順次挿通させて螺合させるこ
とにより、スペーサS3がステータコラム14に対してロー
タシャフト15の軸線 L方向に締結固定される構造であ
る。

【００２９】このように、図２乃至図４に示した固定構
造によれば、円筒型のステータコラム14とこのステータ
コラム14外周に嵌め込まれた円筒型のスペーサS1〜S3と
の強固な取付け固定を実現できるとともに、スペーサS1
についてはボルト33、スペーサS2については止めネジ4
1、スペーサS3についてはボルト54をそれぞれ緩めるだ
けの作業でスペーサS1〜S3をステータコラム14から簡単
に取り外すことが可能となる。

【００３０】以下、本発明に係る真空ポンプの作用につ
いて図５に基づき説明する。

【００３１】図５は大容量のガスを排気するために図１
に示したロータ翼17の外径L1よりも大きな外径Lnのロー
タ翼17-nを有するロータ16-nを図１に示したロータシャ
フト15に搭載したターボ分子ポンプPnを示すもので、図
１に示したものと同一の部材には同一の符号を附してそ
の詳細な説明は省略する。また、ターボ分子ポンプ機構
部PAとネジ溝ポンプ機構部PBとから構成される複合型の
ポンプ機構については従来と同様なため、その動作説明
は省略する。

【００３２】同図に示すように、図１に示したロータ翼
17の外径L1よりも大きな外径Lnのロータ翼17-nを有する
ロータ16-nは、その内壁面とステータコラム14外壁面と
の間に図１に示した間隙g1よりも大きな間隙gnが形成さ
れる。ところが、本実施形態においては、図１に示した
スペーサ Sよりも大径のスペーサSnが取付け固定されて
いる。すなわち、このスペーサSnは、ステータコラム14
の外壁形状14aに倣った内壁形状Sna、およびロータ16-n
の内壁形状16-naに倣った外壁形状Snbを有し、ステータ
コラム14の外周に着脱自在に取付け固定されるもので、
取付け固定後のスペーサSn外壁面とロータ16-n内壁面と
の間は所定の狭い間隙であるg1となるように設定されて
いる。また、このスペーサSnの取付け箇所は、ポンプ運
転中に固定であるステータコラム14の外周であって、ロ
ータ16-nおよびロータ翼17-nからなる回転円筒体の遠心
力による変位の影響を受けることもなく、常にロータ16
-n内壁面との所定のクリアランスを保つことができる。

【００３３】したがって、ポンプ運転時の気体圧縮熱に
より温度上昇して高温状態となったロータ16-nおよびロ
ータ翼17-nからなる回転円筒体の冷却としては、同図に
示すように、Ｎ２ガスのように熱伝導率の高いパージガ
スを外部からポンプケース11内に注入し、同図中実線矢
印で示すように、ロータシャフト15外壁とステータコラ
ム14内壁との間隙、ステータコラム14外壁とロータ16-n
内壁との間隙、およびスペーサSn外壁とロータ16-n内壁
との間隙にかけて連通する通路Rnにこのパージガスを通
過させ、ガス排気口13へと排気させて熱伝導を行なうこ
とで、ロータ16-nに蓄熱された圧縮熱をロータ16-n内壁
面からステータコラム14外壁面、およびロータ16-n内壁
面からスペーサSn外壁面へと放熱することにより行なう
ことができる。このとき、スペーサSn外壁面とロータ16
-n内壁面との間には従来のような大きな間隙による温度
境界層が生成されてしまうこともなく、熱伝導率の低下
を防止することができ、効率良く熱伝導による放射を行
なうことができる。

【００３４】更に、異なる外径Lnのロータ翼17-nを有す
るロータ16-nを搭載するに当たり、ロータ16-n内壁面と
ステータコラム14外壁面との間に所定の狭い間隙である
g1を形成するための手段として、ロータ16-nの成形時に
ロータ16-nの下端部の肉厚を厚く成形したり、高価な電
装品等を内蔵するステータコラム14自体を製造し分けた
りする必要がなく、このスペーサSnのみを交換するだけ
で対応できるため、真空ポンプの製造に当たり従来に比
して大幅なコストダウンが見込める。

【００３５】なお、上述した各実施形態は、ネジ溝ポン
プ機構部PBにおいて、ロータ16下部の外壁面を平坦な円
筒面とし、この円筒面と対向するネジステータ20の内壁
面にネジ溝21を刻設した例について説明したが、これと
は逆に、ロータ16下部の外壁面にネジ溝21を刻設し、こ
の外壁面と対向するネジステータ20の内壁面を平坦な円
筒面とする構成を採用してもよく、この場合にもロータ
16外壁面のネジ溝21とネジステータ20内壁面の円筒面と
の相互作用により、上述した各実施形態における作用効
果と同一の作用効果が期待できる。

【００３６】また、上述した各実施形態においてはター
ボ分子ポンプに適用した例について説明したが、本発明
は、構造が周知であるため説明しないネジ溝ポンプ、渦
流ポンプ、およびターボ分子ポンプ，ネジ溝ポンプ，渦
流ポンプを複合した分子ポンプについても適用できる。

【００３７】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明に係
る真空ポンプによれば、ステータコラムの外壁形状に倣
った内壁形状およびロータの内壁形状に倣った外壁形状
を有するスペーサがステータコラム外周に着脱自在に取
付け固定される構造を採用しているため、ステータコラ
ム外壁面とロータ内壁面との間に形成される大きな間隙
による温度境界層が生成されてしまうことがなく、熱伝
導率の低下を防止して、効率良く熱伝導を行なうことが
できるとともに、ロータ内壁面とステータコラム外壁面
との間に所定の狭い間隙を形成するための手段として、
円筒体ロータの肉厚を厚くしたり、高価なステータコラ
ムを作り分けたりする必要がなく、このスペーサのみを
交換するだけで対応できるため、特に大容量の排気を必
要とする真空ポンプにも簡単かつ廉価に対応できるとい
う効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る真空ポンプの全体構成を示す縦断
面図である。

【図２】スペーサ固定構造の第１の実施形態を示す図で
あり、（ａ）は真空ポンプの縦断面図、（ｂ）は（ａ）
のII−II線断面図である。

【図３】スペーサ固定構造の第２の実施形態を示す図で
あり、（ａ）は真空ポンプの縦断面図、（ｂ）は（ａ）
のIII−III線断面図である。

【図４】スペーサ固定構造の第３の実施形態を示す真空
ポンプの縦断面図である。

【図５】本発明に係る真空ポンプの回転翼に大径の回転
翼を適用した例を示す縦断面図である。

【図６】従来の真空ポンプの全体構成を示す縦断面図で
ある。

【図７】図６に示した真空ポンプの回転翼に大径の回転
翼を適用した場合の不具合を示す縦断面図である。

【符号の説明】

11 ポンプケース 11-1 円筒体 11-2 ベース 11-3 裏蓋 12 ガス吸気口 13 ガス排気口 13-1 排気パイプ 14 ステータコラム 14a ステータコラムの外壁形状 15 ロータシャフト 16，16-n ロータ 16a，16-na ロータの内壁形状 17 ロータ翼 18 ステータ翼 19 駆動モータ 20 ネジステータ 21 ネジ溝 22 半径方向電磁石 23 軸方向電磁石 24 保護用ボールベアリング 31 フランジ部 32 貫通溝 33 ボルト 41 止めネジ 42 ネジ孔 51，52 取付孔 53 取付段部 54 ボルト S，S1，S2，S3，Sn スペーサ PA ターボ分子ポンプ機構部 PB ネジ溝ポンプ機構部

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 上部壁面にガス吸気口が開口され、下部
   壁面にガス排気口が開口されたポンプケース内に回転可
   能に支持されるロータシャフトと、 上記ロータシャフトを回転させるための駆動モータと、 上記ロータシャフトと駆動モータとを内蔵し、上記ポン
   プケース内に立設されるステータコラムと、 上記ステータコラムを包囲し、上記ロータシャフトに固
   定されるロータと、 上記ロータの内壁形状に倣った外壁形状を有し、上記ス
   テータコラム外周に着脱自在に取付け固定されるスペー
   サと、 を具備することを特徴とする真空ポンプ。
2. 【請求項２】 上記ステータコラムとスペーサとの固定
   構造は、上記スペーサ外周壁の一部が切り欠かれたフラ
   ンジ部が形成され、このフランジ部がクランプ固定され
   る構造であることを特徴とする請求項１記載の真空ポン
   プ。
3. 【請求項３】 上記ステータコラムとスペーサとの固定
   構造は、上記スペーサ外周壁から内周壁にかけて螺着す
   る止めネジにより締結固定される構造であることを特徴
   とする請求項１記載の真空ポンプ。
4. 【請求項４】 上記ステータコラムとスペーサとの固定
   構造は、上記スペーサが上記ステータコラムに開設され
   た取付孔に対して上記ロータシャフトの軸線方向に締結
   固定される構造であることを特徴とする請求項１記載の
   真空ポンプ。
5. 【請求項５】 上記ポンプケース内には、上記ロータの
   外壁面に一体に設けられるブレード状の複数のロータ翼
   と、上記ロータ翼間に交互に位置決めされ、上記ポンプ
   ケース内に固定されるブレード状の複数のステータ翼
   と、を有することを特徴とする請求項１乃至請求項４記
   載の真空ポンプ。