JP4561121B2 - ターボ分子ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、例えば半導体製造装置等の真空排気ポンプとして用いられるターボ分子ポンプに関するものである。

このような、ターボ分子ポンプとしては特許文献１に示されるものがある。このターボ分子ポンプの回転軸まわりの一部を図４に示している。ターボ分子ポンプは、上端側に動翼が固定されてモータにより回転駆動されるロータを構成する回転軸１０１と、回転軸１０１を回転方向中心位置に保持する複数のラジアル磁気軸受と、タッチダウン時回転軸１０１を支持する保護軸受１０３，１０３と、回転軸の端部に設けられたスラストディスクを保持して、回転軸１０１を軸線方向に保持するスラスト磁気軸受１０４とを有し、吸気口からのガスを排気口へと真空排気する構成を備えている。スラストディスク１０２は均一厚さＢの円板であり、ステータに設けられ軸線方向が均一高さＡである収容空間部１０６の内部に位置されている。

特開２００３−１７２２８９号公報（段落［００１５］〜［００２１］，及び図１）

ところで、特許文献１に示すものは、収容空間部１０６の高さＡは、回転軸１０１がタッチダウン時に傾斜した際、スラストディスク１０２の外周端部１０７が収容空間部１０６の内面に接触しないように設定されていた。そのため、傾動変位が小さいスラストディスクの内周部では、収容空間部１０６との間に必要以上の隙間が設けられていることになり、スラストディスク１０２を保持するために、大きな能力のスラスト磁気軸受を採用していたという問題があった。

本発明は、上記問題点に鑑み、スラストディスクの傾斜量に応じて、収容空間部との隙間を設定してスラスト磁気軸受の能力を最適にしたターボ分子ポンプを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかるターボ分子ポンプは、端部にスラストディスクを備え、モータにより回転駆動されるロータと、該ロータを回転方向中心位置に保持する複数のラジアル磁気軸受と、前記スラストディスクを収容する収容空間部が形成されたステータと、前記収容空間部に設けられ、スラストディスクの表面および裏面を間に挟み込むように配置されてスラストディスクを保持し、ロータを軸線方向に保持する一対のスラスト磁気軸受と、を有するターボ分子ポンプにおいて、収容空間部のロータ軸線方向高さを略均一にし、前記スラストディスクの表裏両面に段差を形成して、スラストディスクの外周部の厚さを内周部の厚さよりも薄くし、収容空間部のスラストディスクに対向する内面とスラストディスクとの隙間が、外周部と内周部とで異なっていることを特徴とする。

このように、収容空間部のロータ軸線方向高さを略均一にし、スラストディスクの表裏両面に段差を形成して、スラストディスクの外周部の厚さを内周部の厚さよりも薄くしたことにより、スラストディスクの外周部における収容空間部とスラストディスクとの間の隙間が、スラストディスクの内周部における収容空間部とスラストディスクとの間の隙間よりも大きくなる。その結果、タッチダウン時にロータが傾斜した場合、大きく傾動するスラストディスクの外周部における接触余裕が内周側に比べて大きくなる。このスラストディスクの外周部での収容空間部との隙間は、タッチダウン時に接触しないような隙間であることが求められるが、この外周部における隙間を従来と同じにした場合には、スラストディスクの内周側における収容空間部との隙間は従来のものより小さくできる。このように、スラストディスクの内周側における収容空間部との隙間が従来に比べて小さくできるので、収容空間部とスラストディスクとの間の平均隙間が小さくできる。したがって、スラスト磁気軸受がスラストディスクを保持する力を増加できるので、従来と同じスラスト磁気軸受の場合には、ロータを大型化できるし、あるいは、従来と同じロータの場合には、スラスト磁気軸受を小型化できる。

また、本発明にかかるターボ分子ポンプは、端部にスラストディスクを備え、モータにより回転駆動されるロータと、該ロータを回転方向中心位置に保持する複数のラジアル磁気軸受と、スラストディスクを収容する収容空間部が形成されたステータと、収容空間部に設けられ、スラストディスクの表面および裏面を間に挟み込むように配置されてスラストディスクを保持し、ロータを軸線方向に保持する一対のスラスト磁気軸受と、を有するターボ分子ポンプにおいて、スラストディスクの厚さは略均一とされ、ステータには、スラストディスク表面およびスラストディスク裏面の各々と対向し、かつスラストディスクの外端部と対向する位置に、軸線方向に窪んだ凹所がそれぞれ形成され、スラスト磁気軸受は、収容空間部において凹所よりも内周側に配置されていることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、収容空間部のロータ軸線方向高さを略均一にし、スラストディスクの表裏両面に段差を形成して、スラストディスクの外周部の厚さを内周部の厚さよりも薄くし、収容空間部のスラストディスクに対向する内面とスラストディスクとの隙間が、外周部と内周部とで異なっているので、従来と同じスラスト磁気軸受の場合には、ロータを大型化できるし、あるいは、従来と同じロータの場合には、スラスト磁気軸受を小型化できる。

請求項２に記載の発明によれば、スラストディスクの厚さは略均一とされ、ステータには、スラストディスク表面およびスラストディスク裏面の各々と対向し、かつスラストディスクの外端部と対向する位置に、軸線方向に窪んだ凹所がそれぞれ形成され、スラスト磁気軸受は、収容空間部において凹所よりも内周側に配置されているので、従来と同じスラスト磁気軸受の場合には、ロータを大型化できるし、あるいは、従来と同じロータの場合には、スラスト磁気軸受を小型化できる。

以下に、本発明にかかる一実施形態について、図１および図２を用いて説明する。
図１は、本実施形態にかかるターボ分子ポンプ１の一部を破断して示す斜視図である。
ターボ分子ポンプ１は、ケーシング３と、ロータ部５とを備えている。

ケーシング３は、各種機器を収めるものである。
ケーシング３には、上部分割ケーシング７と、下部分割ケーシング（ステータ）９とが備えられている。上部分割ケーシング７には吸気口１０が形成され、また下部分割ケーシング９には排気口１１が形成されている。

次に、ロータ部５について説明する。
ケーシング１内部のロータ室１３には、ロータ１５が配設されている。このロータ１５には、回転軸１７と、回転軸１７の一端部の周囲に放射状に配置固定された動翼１９とが備えられている。
また、下部分割ケーシング７側には静翼２１が固定されている。ロータ１５は、例えば90,000rpm（1,500回転／秒）で高速回転する部材であることから、一般的には軽量かつ応力強度の高いアルミニウム合金などがその素材として好適に用いられる。

回転軸１７の、動翼１９とは反対側の端部には、スラストディスク２３が固定されている。
下部ケーシング７には、このスラストディスク６に対応して、収容空間部２５が円筒状空間として形成されている。収容空間部２５には、スラストディスク２３の表面及び裏面を間に挟み込むようにスラスト磁気軸受２７が配置されている。このスラスト磁気軸受２７は、電力供給を受けた場合に、スラストディスク２３を保持することにより、回転軸１７をその軸線方向に保持する磁気軸受である。

また、回転軸１７は、下部分割ケーシング７の内部に固定された一対のラジアル磁気軸受２９，３１の内部に、保持されるようになっている。これらラジアル磁気軸受２９，３１は、電力供給を受けた場合に、回転軸１７をその回転方向中心位置に保持する磁気軸受である。

電力が供給されていない場合には、回転軸１７の前記一端側は、下部分割ケーシング７の内部に配置されたボールベアリング３３で支持され、また、他端側は、同じく下部分割ケーシング７の内部に配置されたボールベアリング３５で支持されている。
回転軸１７は、ラジアル磁気軸受２９，３１間に位置して下部分割ケーシング７内に固定されたモータ３７の内部に挿通されており、このロータ駆動用モータ３７によってその軸線回りに回転駆動されるようになっている。

図２により、スラストディスク２３の周辺部分について説明する。下部分割ケーシング７の収容空間部２５は、高さＤの円筒状空間を形成している。収容空間部２５の内部に位置しているスラストディスク２３は、厚さＢの円板状を形成している内周部４１と、内周部４１から外方に突起している厚さＣのドーナツ状を形成している外周部４３とから構成されている。

回転軸１７は、タッチダウン時、ボールベアリング３３，３５により支持されるので、回転軸１７とボールベアリング３３，３５との隙間により図２実線にて示されるように傾斜する。
収容空間部２５の高さＤと、外周部４３の厚さＣとは、この傾斜した状態で、スラストディスク２３の外端部３９が収容空間部２５の内面に接触しない値に設定する必要がある。この関係は図４に示す従来のものの、収容空間部１０６の高さＡとスラストディスクの厚さＢとの関係と同じである。すなわち、Ａ−Ｂ＝Ｄ−Ｃの関係となる。したがって、Ｄ＝Ａ−Ｂ＋Ｃ<Ａとなるので、スラストディスク２３の内周部４１と、収容空間部２５の内面との間隔は、図４の従来に比べてＢ−Ｃだけ小さくなる。
図２は、傾斜状態を解り易く示すため大きく傾斜させているが、回転軸１７とボールベアリング３３，３５との隙間は０．数ｍｍのオーダであるので、実際は、図２のように大きく傾くものではない。

以上説明した本実施形態にかかるターボ分子ポンプの動作を説明する。
稼動時、スラスト磁気軸受２７およびラジアル磁気軸受２９，３１に電力を投入して、ロータ１５を浮上させて保持する。

この時、スラストディスク２３の内周部４１と収容空間部２５の内面との隙間は、図４に示す従来のものと比べて少ない。また、スラストディスク２３の外周部４３と収容空間部２５の内面との隙間は、図４に示す従来のものと略同等である。したがって、スラストディスク２３と収容空間部２５の内面との平均隙間は、図４に示す従来のものと比べて少なくなっているので、スラスト磁気軸受２７は、従来のものよりロータ１５を保持する力が強くなる。

そのため、スラスト磁気軸受２７は従来のものより、小型化できる。
また、スラスト磁気軸受２７として、従来のものと同じ容量のものを使用した場合には、保持するロータ１５の大きさを大型化できる。

次いで、モータ３７により、回転軸１７を回転させると、回転軸１７に一体的に固定されている動翼１９が回転する。すなわち、ロータ１５が回転する。
前述のとおり、スラストディスク２３の慣性力が小さくなるので、モータ３７によるロータ１５の回転起動がスムーズに行われるので、モータ３７の回転起動時の動力を低減できる。
動翼１９の回転により、吸気口１０から導入される分子流状態のガスが、動翼１９と静翼２１とによって運動量を与えられることによって、排気口１１から真空排気される。

通常運転を中止した場合、モータ３７が停止して、ロータ１５の回転が止まる。ただし、スラスト磁気軸受２７およびラジアル磁気軸受２９，３１への電力供給は継続されるため、回転体の浮上は継続される。しかし、停電などにより電力供給が停止した場合、スラスト磁気軸受２７およびラジアル磁気軸受２９，３１への電力供給が停止され、回転軸１７はボールベアリング３３，３５により支持されることになる。
この時、回転軸１７とボールベアリング３３，３５との間に存在する隙間のために、回転軸１７がボールベアリング３３，３５に寄りかかる状態、すなわち図２に示すように傾斜した状態となりうる。その場合でも、最も変位が大きいスラストディスク２３の外端部３９は、収容空間部２５との間に十分な隙間を有しているので、収容空間部２５の内面に接触することはない。

なお、本実施形態では、スラストディスク２３と収容空間部２５との隙間調整を、スラストディスク２３を厚さの異なる内面部４１と外面部４３に分け、外面部４３の厚さを内面部４１の厚さより薄くすることで、実施しているが、本発明はこれに限定されるものではない。
例えば、図３に示すように、スラストディスク２３の厚さＢは均一とし、収容空間部２５のスラストディスク２３外端部３９が存在する位置に、回転軸１７の軸線方向に高さを大きくした凹所４５を設けてもよい。凹所４５，４５が形成する収容空間部２５の高さは、スラストディスク２３の傾斜時に必要な高さＡとする。凹所４５以外における収容空間部２５の内面とスラストディスク２３との隙間は、凹所４５部分の高さＥの２倍だけ狭くなることになる。

以下、本実施形態の作用・効果について説明する。
本実施形態にかかるターボ分子ポンプ１によれば、スラストディスク２３の外周部４３における収容空間部２５とスラストディスク２３との間の隙間を、スラストディスク２３の内周部４１における収容空間部２５とスラストディスク２３との間の隙間よりも大きく形成したので、タッチダウン時にロータ１５が傾斜した場合、大きく傾動するスラストディスク２３の外周部４３における接触余裕が内周側に比べて大きくなる。このスラストディスク２３の外周部４３での収容空間部２５との隙間は、タッチダウン時に接触しないような隙間であることが求められるが、この外周部４３における隙間を従来と同じにした場合には、スラストディスク２３の内周側における収容空間部２５との隙間は従来のものより小さくできる。このように、スラストディスク２３の内周側における収容空間部２５との隙間が従来に比べて小さくできるので、収容空間部２５とスラストディスク２３との間の平均隙間が小さくできる。したがって、スラスト磁気軸受２７がスラストディスク２３を保持する力を増加できるので、従来と同じスラスト磁気軸受２７の場合には、ロータ１５を大型化できるし、あるいは、従来と同じロータ１５の場合には、スラスト磁気軸受２７を小型化できる。

また、本実施形態にかかるターボ分子ポンプ１によれば、スラストディスク２３の外周部４３での厚さは、スラストディスク２３の内周部４１での厚さよりも薄く形成したので、ロータ１５の慣性力が小さくなる。そのため、スラスト磁気軸受２７のロータ１５保持能力を向上できる。また、ロータ１５を回転するモータ３７の起動時動力を低減できる。

本発明の一実施形態のターボ分子ポンプを一部を破断して示す斜視図である。 本発明の一実施形態のスラストディスクの部分を示す断面図である。 本発明の他の実施形態のスラストディスクの部分を示す断面図である。 従来のスラストディスクの部分を示す断面図である。

符号の説明

１ ターボ分子ポンプ
９ 下部分割ケーシング
１５ ロータ
２３ スラストディスク
２５ 収容空間部
２７ スラスト磁気軸受
２９ ラジアル磁気軸受
３１ ラジアル磁気軸受
３７ モータ
４１ 内周部
４３ 外周部

Claims (2)

1. 端部にスラストディスクを備え、モータにより回転駆動されるロータと、
   該ロータを回転方向中心位置に保持する複数のラジアル磁気軸受と、
   前記スラストディスクを収容する収容空間部が形成されたステータと、
   前記収容空間部に設けられ、前記スラストディスクの表面および裏面を間に挟み込むように配置されて前記スラストディスクを保持し、前記ロータを軸線方向に保持する一対のスラスト磁気軸受と、を有するターボ分子ポンプにおいて、
   前記収容空間部のロータ軸線方向高さを略均一にし、
   前記スラストディスクの表裏両面に段差を形成して、前記スラストディスクの外周部の厚さを内周部の厚さよりも薄くし、前記収容空間部の前記スラストディスクに対向する内面と前記スラストディスクとの隙間が、前記外周部と前記内周部とで異なっていることを特徴とするターボ分子ポンプ。
2. 端部にスラストディスクを備え、モータにより回転駆動されるロータと、
   該ロータを回転方向中心位置に保持する複数のラジアル磁気軸受と、
   前記スラストディスクを収容する収容空間部が形成されたステータと、
   前記収容空間部に設けられ、前記スラストディスクの表面および裏面を間に挟み込むように配置されて前記スラストディスクを保持し、前記ロータを軸線方向に保持する一対のスラスト磁気軸受と、を有するターボ分子ポンプにおいて、
   前記スラストディスクの厚さは略均一とされ、
   前記ステータには、スラストディスク表面およびスラストディスク裏面の各々と対向し、かつ前記スラストディスクの外端部と対向する位置に、軸線方向に窪んだ凹所がそれぞれ形成され、
   前記スラスト磁気軸受は、前記収容空間部において前記凹所よりも内周側に配置されていることを特徴とするターボ分子ポンプ。

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