JP2000283086A

JP2000283086A - 真空ポンプ

Info

Publication number: JP2000283086A
Application number: JP11091302A
Authority: JP
Inventors: Tsuyoshi Kabasawa; 剛志樺澤; Manabu Nonaka; 学野中
Original assignee: Seiko Seiki KK
Current assignee: Seiko Seiki KK
Priority date: 1999-03-31
Filing date: 1999-03-31
Publication date: 2000-10-10
Anticipated expiration: 2019-03-31
Also published as: KR20010014675A; JP4104098B2; EP1041287A2; EP1041287A3; US6290457B1

Abstract

(57)【要約】【課題】真空ポンプにおいて、吸気口側に配置される
ロータ翼の先端部における損失を少なくし、排気性能を
向上させる。【解決手段】ロータ本体６１は、ロータ翼６２が多段
に形成され、外側が開放された複数の翼で構成されてい
る。この、ロータ本体６１に形成される最上段のロータ
翼６２ａを、ケーシング１０の円錐部１３の位置に配置
し、その先端を、円錐部１３の傾斜角度と同一の傾斜角
度に形成する。これにより、気体分子領域においてロー
タ翼６２ａの先端部で加速された気体分子は、ケーシン
グ１０に衝突しにくくなり、分子の滞留を防止できるた
め、先端部での排気性能の低下を抑止できる。また、円
錐部１３に最上段のロータ翼６２ａを設けることで、２
段目以降のロータ翼６２の外周側へ効率よく気体分子を
輸送できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は真空ポンプに係り、
詳細には、吸気口側にロータ翼が配置された真空ポンプ
に関する。

【０００２】

【従来の技術】真空ポンプは、例えば半導体製造装置に
おけるチャンバ内の気体を排気して真空状態にする装置
等に広く使用されている。この真空ポンプは、全体を翼
で構成されたものや、翼とネジ溝部とを組み合わせたも
の等がある。

【０００３】図６は従来の真空ポンプの構成について表
したもので、（ａ）は上面から見た状態の一部を表す
図、（ｂ）は吸気口がストレートタイプの断面の一部を
表す図、（ｃ）は吸気口を絞ったタイプの断面の一部を
表す図である。この真空ポンプは、ケーシング１０内に
固定されたステータ７０と、回転するロータ翼６０とを
備えている。各ステータ７０とロータ６０とは、軸方向
に多段に配置されてタービンを形成する。このような真
空ポンプでは、モータにより定常状態において数万ｒｐ
ｍでロータ６０を高速回転させることで、真空（排気）
処理を行うようになっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このような、真空ポン
プによる気体分子の排気は、ロータ翼６０の回転により
吸気口１６から吸入した気体分子をロータ翼６２の回転
方向に叩くことで排気口１７側に流れる分子の量と、吸
気口１６と排気口１７の圧力差により排気口１７側から
吸気口１６側に逆流する分子の量との差分が最終的な排
気量、すなわち、ポンプの排気性能を決定することにな
る。ところが、分子流領域における気体分子は、壁面へ
の入射角度とは関係なく、衝突した壁面（衝突面）に垂
直な方向に反射される。このため、ロータ翼６２の先端
付近で加速された分子の多くはその接線方向（ロータ翼
６２と垂直な方向）に進むことになる。一方、ケーシン
グ１０の内壁は通常、円筒形に作られており、その曲率
によって、分子の進行方向（接線方向）に対して張出し
た形状となる。そのため、ロータ翼６２の先端部に衝突
した気体分子の多くはケーシング１０の内壁に衝突する
ことになる。すると、ケーシング１０における、ロータ
翼６２が配置される部分の内径が軸方向に一定の場合に
は、ロータ翼６２の先端付近で加速した分子の多くがケ
ーシング１０に衝突し、ケーシング１０の壁面と垂直方
向に反射されるため、流れ方向の速度を失う。これによ
り、ロータ翼６２の先端付近には、流れ方向（軸方向）
の速度を失った気体分子が滞留することで排気流量が減
少することになり、部分的に圧力が上昇する。そのた
め、排気性能が低下していた。この傾向は、ロータ翼６
２による排気方向の運動量がまだ与えられていない再上
段部や、運動量が少ない２段目のロータ翼６２の先端付
近に生じやすかった。

【０００５】また、図６（ｃ）に示すように、回転翼外
径より小さい口径のフランジに取り付けるために、ロー
タ翼６２の上面より吸気口側（上流側）で所定の口径ま
で絞り、ケーシング内径を吸気口側で小さくしているタ
ーボ分子ポンプの場合、分子流領域における気体分子は
直進性が高く、ほぼ吸気口１６の口径と同一の範囲でし
か気体分子が入射しないため、最上段部のロータ翼６２
では、周速が大きく排気効率の高い先端部（外周側）へ
気体分子が回り込みにいという問題があった。このた
め、最上段のロータ翼６２の先端部分は、吸気口１６か
らの気体分子に対しては死角となり、吸気口からの気体
分子を排気する作用が小さく、逆流を防止する作用のみ
に使用される傾向にあり、排気作用に対する効率が低下
していた。このようなことを避けるために、ケーシング
１０の絞り部分の内径の変化率を小さくすることで吸気
口からの最上段のロータ翼６２の先端部分に回り込む気
体分子の量を多くすることも考えられるが、吸気口１６
から最上段ロータ翼６２までの距離が大きくなる結果、
コンダクタンスが小さくなり、ポンプの吸気口１６での
排気速度（実効排気速度）は向上できなかった。

【０００６】本発明は以上のような従来の真空ポンプに
おける課題を解決するためになされたもので、吸気口側
に配置されるロータ翼の先端部における損失を少なく
し、排気性能を向上させることが可能な真空ポンプを提
供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明では、気体を吸入
する吸気口を備えたケーシングと、このケーシング内に
収容され、多段に配置されて回転するロータ翼と、この
ロータ翼間に固定配置されたステータ翼とを有し前記ロ
ータ翼を回転することで前記気体を移送する真空ポンプ
であって、前記ケーシングを、前記吸気口の内径よりも
内径が大きい円筒部と、この円筒部から前記吸気口に連
続する円錐部とにより形成し、前記各段のロータ翼は半
径方向外方に放射状に延びる複数の翼であると共に、前
記吸気口側最上段のロータ翼を前記円錐部に位置するよ
うに配置することで、前記目的を達成する。また本発明
では、真空ポンプにおいて、前記最上段のロータ翼の半
径方向外方の端部の形状を、前記円錐部と同一の角度で
傾斜させる。また本発明では、真空ポンプにおいて、前
記２段目のロータ翼も前記円錐部に位置するように配置
する。また本発明では、真空ポンプにおいて、前記ロー
タ翼は、高さ方向の中心よりも吸気口側上部を前記円錐
部に位置させる。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明に好適な実施の形態
について、図面を参照して詳細に説明する。図１は、本
発明の真空ポンプにおける一実施形態の全体構成の断面
を表したものである。この真空ポンプ１は、例えば半導
体製造装置内等に設置され、チャンバ等からプロセスガ
スの排出を行うものである。

【０００９】図１に示すように、真空ポンプ１は、略円
筒形状のケーシング１０と、このケーシング１０の内部
に配置される略円柱形状のロータ軸１８と、ロータ軸１
８に固定配置されロータ軸１８とともに回転するロータ
６０と、ステータ７０とを備えている。ケーシング１０
は、その上端部に半径方向外方へ延設されたフランジ１
１を有しており、このフランジ１１をボルト等によって
半導体製造装置等に留め付けてフランジ１１の内側に形
成される吸気口１６とチャンバ等の容器の排出口とを連
接し、容器の内部とケーシング１０の内部とを連通させ
るようになっている。ケーシング１０は、さらに、フラ
ンジ１１により形成される吸気口１６の内径よりも大き
な内径の円筒部１２（ここでは、スペーサ７１の内径）
と、また円錐部１３は、大径の円筒部１２に対して、チ
ャンバ等の排出口のサイズに合わせたフランジ１１のサ
イズに絞り込む機能も有している。

【００１０】ロータ６０は、ロータ軸１８の外周に配置
された断面略逆Ｕ字状のロータ本体６１を備えている。
このロータ本体６１は、ロータ軸１８の上部にボルト１
９で取り付けられている。ロータ本体６１は、外周にロ
ータ翼６２が多段に形成されている。各段のロータ翼６
２は、外側が開放された複数の翼で構成されている。本
実施形態では、ロータ本体６１に形成される最上段のロ
ータ翼６２ａを、円錐部１３の位置に配置している。そ
して、ロータ翼６２ａの先端を、円錐部１３の傾斜角度
と同一の傾斜角度に形成することで、ロータ翼６２ａと
円錐部１３との軸方向、径方向の間隔が一定になってい
る。

【００１１】ステータ７０は、スペーサ７１と、このス
ペーサ７１、７１間に外周側が支持されることでロータ
翼６２の各段の間に配置されるステータ翼７２とを備え
ている。スペーサ７１は段部を有する円筒状であり、ケ
ーシング１０の内側に積み重ねられている。

【００１２】真空ポンプ１は、更に、ロータ軸１８を磁
力により支持する磁気軸受２０と、ロータ軸１８にトル
クを発生させるモータ３０を備えている。磁気軸受２０
は、５軸制御の磁気軸受であり、ロータ軸１８に対して
半径方向の磁力を発生させる半径方向電磁石２１、２４
と、ロータ軸１８の半径方向の位置を検出する半径方向
センサ２２、２６と、ロータ軸１８に対して軸方向の磁
力を発生させる軸方向電磁石３２、３４と、軸方向電磁
石３２、３４による軸方向の磁力が作用するアーマチュ
アディスク３１、ロータ軸１８の軸方向の位置を検出す
る軸方向センサ３６とを備えている。

【００１３】半径方向電磁石２１は、互いに直交するよ
うに配置された２対の電磁石で構成されている。各対の
電磁石は、ロータ軸１８のモータ３０よりも上部の位置
に、ロータ軸１８を挟んで対向配置されている。この半
径方向電磁石２１の上方には、ロータ軸１８を挟んで対
向する半径方向センサ２２が２対設けられている。２対
の半径方向センサ２２は、２対の半径方向電磁石２１に
対応して、互いに直交するように配置されている。さら
に、ロータ軸１８のモータ３０よりも下部の位置には、
同様に２対の半径方向電磁石２４が互いに直交するよう
に配置されている。この半径方向電磁石２４の下方に
も、同様に半径方向電磁石２４に隣接して半径方向セン
サ２６が２対設けられている。

【００１４】これら半径方向電磁石２１、２４に励磁電
流が供給されることによって、ロータ軸１８が磁気浮上
される。この励磁電流は、磁気浮上時に、半径方向セン
サ２２、２６からの位置検知信号に応じて制御され、こ
れによってロータ軸１８が半径方向の所定位置に保持さ
れるようになっている。

【００１５】ロータ軸１８の下部には、磁性体で形成さ
れた円板状のアーマチュアディスク３１が固定されてお
り、このアーマチュアディスク３１を挟んで対向する一
対の軸方向電磁石３２、３４が配置されている。さらに
ロータ軸１８の下端部に対向して軸方向センサ３６が配
置されている。この軸方向電磁石３２、３４の励磁電流
は、軸方向センサ３６からの位置検知信号に応じて制御
され、これによりロータ軸１８が軸方向の所定位置に保
持されるようになっている

【００１６】磁気軸受２０は、制御系４５として図示し
ない磁気軸受制御部を備えている。そしてこの磁気軸受
制御部が半径方向センサ２２、２６、および軸方向セン
サ３６の検出信号に基づいて半径方向電磁石２１、２４
および軸方向電磁石３２、３４などの励磁電流をそれぞ
れフィードバック制御することによって、ロータ軸１８
を磁気浮上させるようになっている。このように、本実
施形態の真空ポンプ１は、磁気軸受を使用することによ
って、機械的接触部分が存在しないため粉塵の発生がな
く、また、シール用のオイル等が不要であるためガス発
生もなく、クリーンな環境での駆動を実現している。こ
のような真空ポンプは、半導体製造等の高いクリーン度
が要求される場合に適している。

【００１７】また、本実施形態の真空ポンプ１では、ロ
ータ軸１８の上部及び下部側には保護用ベアリング３
８、３９が配置されている。通常、ロータ軸１８及びこ
れに取り付けられている各部からなるロータ部は、モー
タ３０により回転している間、磁気軸受２０により非接
触状態で軸支される。保護用ベアリング３８、３９は、
タッチダウンが発生した場合に磁気軸受２０に代わって
ロータ部を軸支することで装置全体を保護するためのベ
アリングである。従って保護ベアリング３８、３９は、
内輪がロータ軸１８には非接触状態になるように配置さ
れている。

【００１８】モータ３０は、ケーシング１０の内側の半
径方向センサ２２と半径方向センサ２６との間で、ロー
タ軸１８の軸方向ほぼ中心位置に配置されている。この
モータ３０に通電することによって、ロータ軸１８およ
び、これに固定されたロータ６０、ロータ翼６２が回転
するようになっている。このロータ６０の回転数は回転
数センサ４１により検出され、この回転数センサ４１か
らの信号に基づいて制御系によって制御されるようにな
っている。

【００１９】真空ポンプ１のケーシング１０の下部に
は、気体を外部へ排出する排気口１７が配置されてい
る。また、真空ポンプ１は、コネクタおよびケーブルを
介して制御系に接続されている。

【００２０】次に、以上のように構成された本実施形態
の動作について説明する。図２は、気体分子の運動状態
を説明するためのものである。この図２（ａ）に示すよ
うに、ロータ翼６２が矢印Ａ方向（吸気口側からロータ
翼６２をみて右周り方向）に高速回転することで、気体
分子は、ロータ翼６２により矢印Ｂで示す放線方向に加
速する。また、気体分子は、同図（ｃ）に示すように、
ロータ翼６２の面と垂直方向に加速されるため、結果と
して、ロータ翼６２に対して放線方向と下流方向（排気
方向）に加速されることになる。そして、（ａ）の斜線
で示すロータ翼６２の先端部分に衝突した気体分子は、
断面円形のケーシング１０（２点鎖線で示す）に衝突す
ることになる。ところが、図２（ｃ）に示すように下流
方向の運動成分をもって加速された気体分子であって
も、壁面との衝突後は、主に壁面と垂直の方向に反射さ
れ、壁面と垂直方向の速度成分をもつことになる。

【００２１】本実施形態の真空ポンプにおいては、図１
に示すように、最上段のロータ翼６２ａが円錐部１３の
位置に配置され、放線方向にケーシングが張り出してく
ることがないため、ロータ翼６２ａの先端部で加速され
た気体分子は、ケーシングに衝突しにくくなり、下流の
翼に到達しやすくなる。また、ケーシングに衝突した場
合でも、その内周面が軸方向下流側に傾斜した円錐部１
３に衝突するため、分子流領域においても下流方向の速
度をもって垂直方向に移動する。このため、気体分子が
ロータ翼６２ａの先端部付近に滞留することが防止さ
れ、排気性能を向上させることができる。

【００２２】また、本実施形態における最上段のロータ
翼６２ａは、円錐部１３に配置され、径方向外方の速度
成分を持つ分子が壁面に衝突することを防止できるた
め、吸気口１６の面積とほぼ同一範囲で入射する気体分
子を積極的に径方向外方に加速させることができ、円筒
部１２に対向して配置された２段目以降のロータ翼６２
の先端部にも吸気口１６からの気体分子を移動させるこ
とができる。このように、円錐部１３位置にロータ翼６
２ａを配置し、吸気口１６からの気体分子に対して死角
となる部分をなくすことで、コンダクタンスを小さくす
ることなく、効率的に排気を行うことが可能になる。

【００２３】図３は、最上段のロータ翼半径方向位置と
圧力との関係を表したものである。この図３（ａ）で
は、縦軸が圧力を表し、横軸がロータ翼の軸芯からの半
径を表している。（ｂ）はロータ翼の形状を表し、最上
段のロータ翼６２を円筒部１２に配置した場合の半径方
向の形状と、最上段のロータ翼６２ａを円錐部１３に配
置した場合の半径方向形状を表したものである。この図
３（ａ）に示されるように、円筒部１２に最上段のロー
タ翼６２を配置した場合には、実線Ａで示すように、半
径方向外方にいくに従って（半径が大きくなるにしたが
って）、ロータ翼６２の周速が大きくなり、排気効率が
上がるため、即徐々に圧力が低下する。しかし、ロータ
翼６２の先端部では、ケーシング１０の円筒部１２内壁
に衝突して下流方向の運動成分を失った気体分子の滞留
が発生するために、圧力が逆に上昇している。これに対
して、本実施形態による最上段のロータ翼６２ａの先端
で加速された気体分子は、ケーシング１０に衝突しにく
くなり、また、衝突した場合にも円錐部１３で下流方向
に反射され、滞留することがないため、図３（ａ）の２
点鎖線Ｂで示されるように、ロータ翼６２ａの先端部で
の圧力が低下している。また、本実施形態のロータ翼６
２ａでは、その先端部形状を、円錐部１３の傾斜角度と
同一の傾斜角度に形成し、ロータ翼６２ａと円錐部１３
との軸方向、径方向の間隔を一定にすることで、気体分
子の逆流量を更に少なくすることも可能になる。

【００２４】以上説明したように、本実施形態によれ
ば、最上段のロータ翼６２ａの先端部での排気効率を向
上させることができる。すなわち、ロータ翼６２ａの先
端部は、最も周速が速く、排気性能が期待できる部分で
あるが、従来のポンプでは、この部分で加速された分子
がケーシング内壁に衝突し、流れ方向の速度を失うこと
による損失が大きかった。それに対し、本実施形態で
は、加速された分子の移動方向と平行あるいはさらに外
側になるようにケーシング１０に下流方向を向いて傾斜
した円錐部１３を設け、その位置に最上段のロータ翼６
２ａを設けることにより、ケーシング１０に衝突しにく
くなる。また、先端付近で加速した分子が円錐部１３の
内壁に衝突しても、下流方向に反射され、下流方向の運
動を維持できる。そのため、ロータ翼６２ａ先端部での
流れの滞留（圧力上昇）を防止でき、排気性能が向上す
る。また、従来ロータ翼が設けられていなかったケーシ
ング１０の円錐部１３に最上段のロータ翼６２ａを設け
ることにより、２段目以降のロータ翼６２の外周側へ効
率よく分子を輸送できる。この効果は、分子の平均自由
行程が大きく、分子の直進性が高い分子流領域において
特に効果が大きい。また、ロータ翼６２ａの上面が吸気
口１６の直下に来るように設計することで、吸気口１６
とロータ翼６２ａとの間のコンダクタンスを大きくする
ことができ、分子が入射する確率が増加する。このよう
に、本実施形態の真空ポンプによれば、吸気口径を絞っ
た場合にも排気性能の著しい低下を防ぐことが可能にな
り、同じ口径の従来型ポンプと比較して、排気性能を向
上できる。

【００２５】以上本発明の好適な実施形態について説明
したが、本発明はかかる実施形態の構成に限定されるも
のではなく、各請求項に記載された発明の範囲において
他の実施形態を採用し、また、変形することが可能であ
る。例えば、説明した実施形態では、円錐部１３にロー
タ翼６２ａを１段設けるようにしたが、本発明の真空ポ
ンプでは、円錐部１３に２段設けるようにしてもよい。
この場合、最上段のロータ翼６２ａと２段目のロータ翼
との間に最上段のステータ翼７２を設けるようにしても
よく、最上段のステータ翼７２は２段目のロータ翼の下
側（下流側）に配置するようにしてもよい。

【００２６】また、説明した実施形態では、ロータ翼６
２ａを円錐部１３の位置に配置し、その先端の高さ方向
全面にわたって、円錐部１３の傾斜角度と同一の傾斜角
度となるように形成した。これに対して本発明では、図
４に示すように、最上段のロータ翼６２ｂの高さ方向の
中心（図４では矢印Ｃで示す）を円筒部１２と円錐部１
３との合流面に位置させ、円錐部１３と対向する中心よ
り上側（吸気口側）の半分を円錐部１３の傾斜角度と同
一の傾斜角度となるように形成するようにしてもよい。
このように、ロータ翼６２ｂの高さ方向の上半分のみ円
錐部１３に対向させて傾斜させるのは、次の理由によ
る。すなわち、一般に、ロータ翼６２ｂは、根本から先
端まで、仰角が一定になるように設計されている。その
ため、図５に示すように、ロータ翼６２ｂの前面（下流
側を向いた面）は、中心線Ｄを境に上半分は放線方向に
対してやや後退角を持ち、下半分はやや前進角を持つ。
このため、中心線Ｄを境に上流側でロータ翼６２ｂに衝
突した気体分子は矢印Ｅ、Ｆで示されるように外側を向
いて加速されるが、下流側で衝突した気体分子は矢印Ｇ
で示されるように内側を向いて加速される。したがっ
て、ロータ翼の下流側で衝突し、反射した分子はケーシ
ングに衝突しにくいため、ロータ翼６２ｂの中心線Ｄか
ら上流側だけに本発明を利用しても効果がある。また、
円錐部１３の高さ方向の長さを短くする（絞り角度を大
きくする）ことも可能になり、全体としてコンダクタン
スを大きくすると共に、小型化することも可能になる。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように本発明の真空ポンプ
によれば、吸気口側に配置されるロータ翼の先端部にお
ける損失を少なくし、排気性能を向上させることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態における真空ポンプの全体
構成を表した断面図である。

【図２】同上、真空ポンプにおけるロータ翼と衝突した
気体分子の加速方向を表した説明図である。

【図３】同上、真空ポンプにおける最上段ロータ翼の半
径方向位置と圧力との関係を表した説明図である。

【図４】本発明の変形例における最上段のロータ翼形状
を表した図である。

【図５】同上、変形例における気体分子の動きを説明す
るための説明図である。

【図６】従来のターボ分子ポンプの構成をあらわした図
である。

【符号の説明】

１真空ポンプ１０ケーシング１１フランジ１２円筒部１３円錐部１６吸気口１７排気口１８ロータ軸２０磁気軸受３０モータ３１アーマチュアディスク４５制御系６１ロータ本体６０ロータ６２、６２ａ、６２ｂロータ翼７０ステータ７１スペーサ７２ステータ翼

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 3H031 DA01 DA02 DA07 EA00 FA01 FA02 FA31 FA36 3H033 AA02 AA11 BB01 BB08 BB19 CC01 CC03 DD06 EE09 EE19 3H034 AA02 AA11 BB01 BB08 CC01 CC03 DD05 EE09 EE18

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】気体を吸入する吸気口を備えたケーシン
グと、このケーシング内に収容され、多段に配置されて
回転するロータ翼と、このロータ翼間に固定配置された
ステータ翼とを有し前記ロータ翼を回転することで前記
気体を移送する真空ポンプであって、前記ケーシングを、前記吸気口の内径よりも内径が大き
い円筒部と、この円筒部から前記吸気口に連続する円錐
部とにより形成し、前記各段のロータ翼は半径方向外方に放射状に延びる複
数の翼であると共に、前記吸気口側最上段のロータ翼を
前記円錐部に位置するように配置したことを特徴とする
真空ポンプ。
【請求項２】前記最上段のロータ翼の半径方向外方の
端部の形状が、前記円錐部と同一の角度で傾斜している
ことを特徴とする請求項１に記載の真空ポンプ。
【請求項３】前記２段目のロータ翼も前記円錐部に位
置するように配置したことを特徴とする請求項１に記載
の真空ポンプ。
【請求項４】前記ロータ翼は、高さ方向の中心よりも
吸気口側上部を前記円錐部に位置させたことを特徴とす
る請求項１又は請求項２に記載の真空ポンプ。