JPH05272478A

JPH05272478A - 真空ポンプ

Info

Publication number: JPH05272478A
Application number: JP4076470A
Authority: JP
Inventors: Teruo Maruyama; 照雄丸山; Akira Takara; 晃宝
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1992-01-31
Filing date: 1992-03-31
Publication date: 1993-10-19
Also published as: KR0125098B1; KR930016663A; US5478210A

Abstract

(57)【要約】【目的】クリーン、コンパクトで、中高真空領域の排
気性能を高めることのできる真空ポンプを提供すること
を目的とする。【構成】複数個のロータ２０６、２０７の同軸上にあ
るロータ部分とハウジング２０３で形成される密閉空間
の移動を利用して、粘性流領域と中間流領域および中間
流領域以下の圧力の気体の移送のため形成される２つの
真空ポンプ部分より構成することにより、排気性能を高
めることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この本発明は半導体製造設備等に
用いられる真空ポンプに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体製造プロセスにおけるＣＶＤ装
置，ドライエッチング装置，スパッタリング装置，蒸着
装置等には、真空環境を作り出すための真空ポンプが必
要不可欠である。近年、半導体プロセスのクリーン化・
高真空化等の動向に伴い、真空ポンプに対する要求水準
はますます高度になってきている。

【０００３】高真空を作り出すために、半導体設備では
通常粗引きポンプ（容積式真空ポンプ）とターボ分子ポ
ンプの組み合せからなる真空排気システムを構成してい
る。粗引きポンプで大気からある程度の真空圧に到達
後、ターボ分子ポンプに切り換えて、所定の高真空圧を
得るのである。

【０００４】図１１は従来の容積型真空ポンプ（粗引き
ポンプ）の一種であるスクリュータイプの真空ポンプを
示すものである。図１１において、１０１はハウジン
グ、１０２は第１回回転軸、１０３は第２回転軸、１０
４と１０５はそれぞれ回転軸１０２と１０３に支持され
た筒型ロータ、１０６と１０７はそれぞれロータ１０４
と１０５の外周部に形成されたねじ溝である。従来のス
クリュータイプの真空ポンプは、ハウジング１０１内に
第１回転軸１０２と第２回転軸１０３が平行に備えら
れ、その回転軸上にロータ１０４と１０５を備えてお
り、各ロータ１０４と１０５にねじ溝１０６と１０７を
備えて、ねじ溝の凹凸が形成されていて、自ら（１０６
または１０７）の凹部（溝）を相手（１０７または１０
６）の凸部（山）と噛み合わせることにより、両者の間
に密閉空間を作り出している。前記両ロータ１０４と１
０５が回転すると、その回転に伴い、前記密閉空間の容
積が変化して、吸入作用と吐出作用を行うのである。

【０００５】図１２は従来の運動量移送式真空ポンプの
一種であるタービン翼を持つねじ溝式のターボ分子ポン
プを示すものである。図１２において、１５１はハウジ
ング、１５２は筒型ロータ、１５３はタービン翼、１５
４はねじ溝である。１５５ａ、１５５ｂは回転軸１５７
を支持するラジアル磁気軸受、１５６はスラスト磁気軸
受である。ハウジング１５１内にロータ１５２が備えら
れており、ロータ１５２の上部にはタービン翼１５３
が、下部にはねじ溝１５４が備えられている。ターボ分
子ポンプは動翼（タービン翼）１５３及びねじ溝１５４
を高速で回転させることにより、気体の分子運動に一定
の方向性を与えて、ポンプ作用を行なうものである。タ
ービン翼とねじ溝の複合構造となっているが、低圧の分
子流領域で排気能力がだせるタービン翼１５３を吸気
側、圧力の高い粘性流領域にも性能がだせるねじ溝１５
４を排気側に設けることにより、取り扱える真空圧の広
域化を図っている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら前述した
真空ポンプ及びこれらの真空ポンプを組み合わせた真空
排気システムには以下述べるような課題があった。

【０００７】（１）粗引きポンプ（容積式真空ポンプ）
の課題図１１のスクリュータイプの真空ポンプでは、２個のロ
ータ１０４，１０５の同期回転はタイミングギヤ１１０
ａ，１１０ｂの働きによっている。すなわち、モータ１
０８の回転は、駆動ギヤ１０９ａから中間ギヤ１０９ｂ
に伝達され、両ロータ１０４，１０５の軸に設けられて
互いに噛み合っているタイミングギヤの一方１１０ｂに
伝達される。両ロータ１０４，１０５の回転角の位相
は、これら２個のタイミングギヤ１１０ａ，１１０ｂの
噛み合いにより調節されている。この種の真空ポンプで
は、このように、モータの動力伝達と同期回転にギヤを
用いているので、前記各ギヤが納められている機械作動
室に満たされた潤滑油１１１が、前記ギヤに供給される
構成となっている。また、この潤滑油がロータを収納す
る流体作動室１１２に侵入しないように、両室間にメカ
ニカルシール１１３が設けられている。

【０００８】このような構成からなる２ロータ型のスク
リュー真空ポンプには、動力伝達と同期回転のために
多数のギヤを必要とし、部品点数が多く構成が複雑化す
る、ギヤを用いた接触型の同期回転であるため高速化
ができず、装置が大型化する、メカニカルシールの
摩耗によるシールの定期的交換がやはり必要であり、
完全なメンテナンスフリーでない、メカニカルシール
による摺動トルクが大きいため機械的損失が大きい、
等の問題があった。

【０００９】（２）ターボ分子ポンプの課題ターボ分子ポンプも、前述した粗引きポンプ同様に、半
導体プロセスのクリーン化に対応できる構造が用いられ
ている。例えば図１２で示すタービン翼を持つねじ溝式
ターボ分子ポンプの場合、油潤滑による玉軸受構造に代
わり、磁気軸受１５５ａ、１５５ｂ、１５６が用いられ
る様になっている。ターボ分子ポンプの場合、軸受が収
納される空間は真空状態となる。通常真空中での機械的
擢動をともなう潤滑は困難な場合が多いが、磁気軸受を
用いることにより、この問題点は解消される。また玉軸
受構造の場合の様なオイルだめを必要としないため、装
置を任意の姿勢で真空チャンバーに取りつけることがで
きる、等の特徴を有する。しかしその反面、前述した様
に、各軸に電磁石、センサー、コントローラを必要と
し、玉軸受方式と比べ大幅にコストアップしてしまうと
いう問題点があった。

【００１０】（３）真空排気システム［上記（１）＋
（２）］としての課題従来の粗引きポンプ（容積式真空ポンプ）では、大気圧
に近い粘性流の領域で排気するが、得られる作動範囲は
１０^-1Ｐａ程度までの真空圧にしか達しない。一方、上
述した従来のターボ分子ポンプの構成では、得られる作
動範囲が１０^-8Ｐａ程度まで達するが、大気圧に近い粘
性流の領域で排気することができない。そこで、従来は
まず粗引きポンプ（例えば前述したスクリューポンプ）
で１０⁰〜１０^-1Ｐａ程度まで真空引きした後にターボ
分子ポンプで所定の高真空に達するようにしている。

【００１１】しかし、近年の半導体プロセスの複合化に
伴い、複数個の真空チャンバーを独立させて真空排気す
る、いわゆるマルチチャンバー方式が半導体加工設備の
主流を占めるようになっている。このマルチチャンバー
化に対応するためには、チャンバー１つ１つに粗引きポ
ンプとターボ分子ポンプの組合せからなる真空排気シス
テムを必要とするが、このような真空排気システムをす
べてのチャンバーに対して構成すると、真空排気系装置
全体が大型化・複雑化してしまうという問題点があっ
た。

【００１２】そこで上記した（１）〜（３）の課題に応
えられるために、本発明者の一人は複数個のロータの組
み合わせからなる容積式真空ポンプ構造部分の１軸上
に、運動量移送式真空ポンプ構造部分を形成し、かつ、
この複数個の軸を電子制御により同期運転することによ
り、１台で大気圧から超高真空まで引ける広帯域用真空
ポンプ（特願平２−２５５７９８号）を既に提案し、出
願中である。

【００１３】本発明は前記提案をさらに改良し、クリー
ン、シンプル構造、コンパクト等の前回提案の真空ポン
プの特徴を維持したままで、中間流領域及び分子流領域
の排気性能を一層高めることのできる真空ポンプを提供
するものである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明の真空ポンプは、ハウジング内に収納された複
数個のロータと、これらのロータの回転軸を支持する軸
受と、前記ハウジングに形成された気体の吸気口および
吐出口と、前記複数個のロータの少なくとも一つを回転
駆動するモータより構成され、かつ前記ロータおよび前
記ハウジングで形成される密閉空間の容積変化を利用し
て、粘性流領域における気体の吸気および排気を行う容
積式の第１のポンプ部分が設けられた真空ポンプにおい
て、前記複数個のロータの同軸上にあるロータ部分と、
前記ハウジングで形成される密閉空間の吸気側から排気
側への移動を利用して、中間流領域および中間流領域以
下の気体の移送を目的として形成される容積式の第２の
ポンプ部分より構成されていることを特徴とするもので
ある。

【００１５】

【作用】本発明では大気から低真空まで対応できる容積
式ポンプ（第１のポンプ）の同軸上に、中間流領域以下
の低圧気体を輸送するポンプ部分（第２のポンプ）を
「容積式」により形成している。中間流以下の低圧気体
を「容積式」のポンプで輸送することにより、「運動量
移送式」によるねじ溝ポンプ（ｅｘ．ターボ分子ポンプ
のねじ溝部分）と比べ、排気能力、圧縮比等の点で大幅
な性能向上が図れるのである。本文の説明では低真空
（粘性流）は圧力１００Ｐａ以上、中真空（中間流）は
圧力１００〜０．１Ｐａ、高真空（分子流）は圧力０．
１Ｐａ以下の真空として、真空領域を分類して取り扱う
ことにする。以下本発明を図（ａ）及び図（ｂ）の原理
図を用いて説明する。

【００１６】図１（ａ）はターボ分子ポンプと容積式ポ
ンプより構成される従来の真空排気システムのモデル図
である。図１（ａ）において、１はターボ分子ポンプ、
２はそのターボ分子ポンプのタービン翼、３はねじ溝、
４は吸気孔、５は排気孔、６は容積式ポンプ、８は６の
吸気孔、９はスクリュー溝、７はターボ分子ポンプ１と
容積式ポンプポンプを継ぐ配管、１０は６の排気孔を示
す。気体は吸気孔４→排気孔５→配管７→吸気孔８→排
気孔１０を経て大気に排出される。図１（ｂ）は本発明
の真空ポンプの原理図である。１１は吸気孔、１２は運
動量移送式による第３のポンプ部分、１３はタービン翼
の動翼、１４は静翼、１５は容積式の第２のポンプ部
分、１６−ａ，１６−ｂは１５の移送溝、１７は１５の
吸入部、１８はやはり容積式による第１のポンプ部分、
１９は排気孔２０ａ、２０ｂは１８のスクリュー溝を示
す。本発明のポンプでは、途中で配管を経由することな
く、吸入気体は吸気孔１１→第３のポンプ部分１２第２
のポンプ部分１５→第１のポンプ部分１８→排気孔１９
の径路を経て大気に排出される。さて、本発明の従来方
式に対する性能上の顕著な違いは次の様である。〔１〕中間流及び中間流領域以下の圧力の気体の輸送原
理が異なる。従来のターボ分子ポンプ１は、気体分子と
固体壁との間の衝突により、気体分子に方向性を与える
確率論的な輸送原理にもとづいている。すなわちタービ
ン翼２あるいはねじ溝３を形成した一軸のロータを高速
で回転させ、気体に運動量を与える、いわゆる分子ドラ
ッグ作用によるものである。それに対して本発明のポン
プ｛図１−（ｂ）｝では、中間流及び中間流に近い分子
流領域での気体の輸送は、従来ターボ分子ポンプと同程
度の高速で回転する容積式のポンプを用いている。すな
わち２つの移送溝１６−ａ、１６−ｂ（第２のポンプ部
分１５）によって形成される密閉空間に封じ込められた
気体分子は、「確率論」的ではなく「確定論」的に輸送
されるのである。その結果ポンプの中間流領域及び分子
流領域における排気能力を大幅に向上することができ
る。〔２〕配管の圧力損失が発生しない。

【００１７】従来の真空排気システムでは、ターボ分子
ポンプ１から排気された気体は配管７を経て、容積式ポ
ンプ６に吸気されるため、この配管により圧力損失が生
じる。第１の真空ポンプ１５と第２の真空ポンプ１８を
一体化し、一台で一気に大気から超高真空まで引ける本
発明の真空ポンプではこの損失はない。〔３〕分子流→中間流への気体の輸送原理が異なる。

【００１８】従来のターボ分子ポンプでは、動翼と静翼
を交互にかつ多段（それぞれ７〜８段以上）に重ね合わ
せることにより、気体分子を排気側に輸送し、圧縮比を
高める必要があった。本発明の真空ポンプでは、ポンプ
内を通過する気体分子の挙動は次の様である。第３のポ
ンプ部分１２における動翼１３と静翼１４の翼形状は、
その表面に衝突した気体分子が下段にある容積式ポンプ
１４の吸入部１７に向かう様に（図２の矢印ａ）形成さ
れている。吸入部１７の全開（気体分子の数がが最も多
く入りやすい状態）から、吸入行程終了（気体分子の封
じ込め完了）までを容積式ポンプ１５の吸入行程とす
る。吸入部１７に突入した気体分子は、次の瞬間（ロー
タの１回転以内）で、容積式ポンプ１５の密閉空間に閉
じ込められてしまうのである。したがって本発明の真空
ポンプでは、高真空ポンプ部分の動翼１３と静翼１４の
段階は少なくてよく、大幅な簡素化が図れる。上記
〔１〕〜〔３〕をより効果的に実現する手段が、既に提
案している電子制御による２つのロータの同期運転であ
る。伝達ギヤの様な機械的な擢動部分をもたないため
に、ロータの周速を分子の飛行速度と同程度のレベルに
なる様に、ロータの回転数を高めることができる。その
ため容積式でありながら、高速飛行する気体分子を補捉
し輸送する作用を合わせ持つことができるのである。

【００１９】

【実施例】図２，図３は本発明の一実施例としての真空
ポンプを示す。第１回転軸２０１，第２回転軸２０２は
ハウジング２０３内に収納された軸受２０４ａ，２０４
ｂ，２０５ａ，２０５ｂによって支持されている。第１
回転軸２０１及び第２回転軸２０２には筒形ロータ２０
６、２０７が嵌合されている。各ロータ２０６，２０７
の外周面には、互いに噛み合うようにして、ねじ溝（ス
クリュー溝の一種）２０８，２０９が形成されている。
これら両ねじ溝の互いに噛み合う部分は、容積式の第１
のポンプ構造部分Ａとなっている。すなわち、両ねじ溝
２０８，２０９の噛み合い部分の凹部（溝）と凸部およ
びハウジング２０３の間に形成された密閉空間が、両回
転軸２０１，２０２の回転に伴い周期的に容積変化を起
こし、この容積変化により吸気・排気作用を発揮するよ
うになっているのである。この第１のポンプ構造部分Ａ
の上部には、空隙部２１０を挟み、容積式の第２のポン
プ構造部分Ｂが形成されている。両移送溝２１１、２１
２の凹凸の噛み合わせによって、密閉空間を形成する点
は構造部分Ａと同様であるが、構造部分Ｂの両移送溝の
溝深さはＡよりも大き目に形成している。また移送溝の
溝幅は第２回転軸２０２側の溝２１２の方が第１回転軸
２０１の溝２１１よりも大きい。また図３において２２
５は第２の吸入孔（２点鎖線で示す）、２２６は移送溝
２１２の上流側開口部における移送溝端部（鎖線で示
す）である。第２回転軸２０２の上部には、動翼２１３
と静翼２１４、２１６の組合せからなる第３のポンプ構
造部分Ｃが構成されている。構造部分Ｃの最上段は最も
外径の大きな動翼２１３が設けられ、２１３→２１４→
２１５→２１６の順で外径は小さくなっている。動翼２
１３の外径と吸気孔２１７の開孔面積をできる限り大き
くすることにより、気体分子を捕捉する確率を高めるこ
とができる。また吸気孔２１７から突入した気体分子が
矢印ａのごとく輸送される様に、各翼の形状（翼の軸方
向及び径方向の傾き）が形成されている。したがって、
吸気孔２１７から流入した気体は各構造部分Ｃ→Ｂ→Ａ
を経て、排出孔２１８から排出される。

【００２０】ロータ２０６，２０７の各下端外周面に
は、図４に示すようなねじ溝２０８、２０９及び移送溝
２１１、２１２同士の接触を防止するギヤ２１９，２２
０が設けられている。接触防止ギヤ２１９，２２０には
多少の金属間接触にも耐えられるように、固体潤滑膜が
形成されている。これら両接触防止用ギヤ２１９，２２
０の互いの噛み合い部分の隙間（バックラッシュ）δ₂
は、両ロータの各外周面に形成された各溝２０８、２０
９、２１１、２１２の互いの噛み合い部分の隙間（バッ
クラッシュ）δ₁（図示せず）よりも小さくなるように
設計されている。そのため、両接触防止用ギヤ２１
９，２２０は、両回転軸２０１，２０２の同期回転が円
滑に行われているときは互いが接触することはないが、
万一、この同期がずれたときは、各溝同士の接触に先立
って互いに接触することにより、各溝の接触衝突を防止
する働きをする。このとき、バックラッシュδ₁及びδ
₂が微小であると、実用的なレベルで部材の加工精度が
得られないという点が懸念される。しかし、ポンプの
一行程中の流体の漏れ総量は、ポンプの一行程に要する
時間に比例するので、回転軸２０１，２０２の高速回転
であれば、各溝間のバックラッシュδ₁を少々大きくし
ても十分に真空ポンプの性能（到達真空度など）を維
持できる。そのため、回転軸を高速で回転できる本発明
の真空ポンプでは、通常の加工精度で、各溝間の衝突防
止に必要な寸法のバックラッシュδ₁，δ₂を十分に確保
できる。

【００２１】各ロータ２０６，２０７は、その外径比で
決まる回転数比を一定に保ちながら、それぞれの回転軸
２０１，２０２の下部に独立して設けられたＡＣサーボ
モータ２２１，２２２により数万回転の高速で回転す
る。この実施例における２つの回転軸のＰＬＬ同期制御
は、図６のブロック図で示す方法によった。すなわち、
各回転軸２０１，２０２の下端部には図２にみるように
ロータリエンコーダ２２３，２２４が設けられている
が、これらのロータリエンコーダ２２３，２２４からの
出力パルスは、仮想のロータを想定して設定された設定
指令パルス（目標値）と照合される。目標値と各軸２０
１，２０２からの出力値（回転数，回転角度）との間の
偏差は、位相差カウンターにより演算処理され、この偏
差を消去するように各軸のサーボモータの回転が制御さ
れる。

【００２２】ロータリエンコーダとしては、磁気式エン
コーダや通常の光学式エンコーダであってもよいが、実
施例ではレーザ光の回折・干渉を応用した高分解能で高
速応答性のレーザ式エンコーダを用いた。図５はレーザ
式エンコーダの一例を示す。図５において、９１は多数
のスリットを円状に配置した移動スリット板であって、
第１回転軸２０１や第２回転軸２０２に連結した軸９２
ａ、ｂにより回転駆動される。９３は移動スリット板９
１に対面する固定スリット板であってスリットが扇形に
配置されている。レーザダイオード９４からの光はコリ
メータレンズ９５を経て両スリット板９１，９３の各ス
リットを通り、受光素子９６に受光される。なを本発明
による真空ポンプの同期制御は、前述した様に２つのロ
ータに形成されるねじ溝同士が接触しない様に各ロータ
の回転角及び回転数を制御している。この方法の代わり
に、例えば一方のモータのトルクを他と比べて幾分小さ
目にし、タイミングギヤのかかるトルクが軽負荷の状態
で同期運転を行ってもよい。この発明にかかる流体回転
装置は、空調用のコンプレッサ等であってもよいのであ
るが、その回転部のロータに形成される容積式ポンプ構
造部分Ａ及びＢ（図１では２０６、２０７に相当）は、
ルーツ型，歯車型，単ローベ型，複ローベ型，ネジ型，
外円周ピストン型のもの（いずれも図示せず）等であっ
てもよい。この発明にかかる流体回転装置は、例えば
既に提案している真空ポンプ（特願平２−２５５７９８
号）の様に電子制御による回転同期制御をしているの
で、次のような特徴を合わせもつことができる。すなわ
ち、本発明は容積式の真空ポンプでありながら、従来の
スクリューポンプ等に用いられる機械的な擢動をともな
うタイミングギヤを有しない。また、この発明では、個
々のロータが独立したモータで駆動されるようになって
いるので、ギヤによる動力伝達機能を有しない。たとえ
ば、容積式のポンプやコンプレッサでは、２個以上のロ
ータの相対運動により、容積の変化する密閉空間を作り
出す必要があり、従来は伝達ギヤやタイミングギヤ、あ
るいはリンクやカム機構を用いた複雑な伝達メカニズム
によって、前記２個以上のロータの同期回転を行ってい
た。タイミングギヤや伝達メカニズムの部分に潤滑油を
供給することにより、ある程度の高速化は可能である
が、装置の振動，騒音，信頼性を考慮したとき、回転数
の上限はせいぜい１万rpmであった。これに対し、この
発明では、前述のように機械的擢動をともなう複雑なメ
カニズムを必要としないため、ロータの回転部を１万rp
m以上の高速で回転させることができるとともに、メカ
ニズム部分の省略による装置の簡素化が実現できる。オ
イルシールを必要としないため、機械摺動によるトルク
損失がなく、またオイルシールおよびオイルの定期的交
換も不要となる。なお、真空ポンプの動力はトルクと回
転数の積であり、回転数が上がるとトルクが小さくて済
む。したがって、この発明では、高速化によるトルク低
減により、モータを小形化できるという副次的効果も生
じる。さらに、この発明では、個々のロータを互いに独
立したモータで駆動するようにしているため、個々のモ
ータに必要なトルクはさらに小さくなる。これらの効果
により、たとえば実施例にみるように各モータをロータ
内に内蔵させたビルトイン構造にして、装置全体の大幅
なコンバクト化・軽量化・省スペース化を図るというこ
とも可能になるのである。

【００２３】以上は既に提案済の真空ポンプの持つ特徴
であるが、本発明はこれらの特徴に加えて、次の様な効
果がさらに得られる。

【００２４】［１］中間流領域以下の気体の排気性能の
大幅な向上が図れる。前述した様に、従来のターボ分子
ポンプは、気体分子と固体壁（ねじ溝）との間の衝突に
より、気体分子に方向性を与える確率論的な輸送原理
（分子ドラッグ作用）に基づいていた。この場合移動壁
に入射した気体分子は反射するとき移動壁の進行方向の
速度成分が加わることになる。しかし輸送気体が粘性流
領域に近づいていくと、気体と固体壁間よりも気体同士
の衝突の頻度が相対的に大きくなる。分子ドラッグ作用
を効果的に得るためには、ねじ溝ポンプの溝深さを浅く
せねばならず、したがって輸送量（排気能力）に制約が
生ずる。それに対して本発明のポンプでは、中間流領域
及び中間流領域以下での気体の輸送は、従来ターボ分子
ポンプと同程度（すなわち気体分子の飛行速度と同オー
ダ）の速度で回転する容積式のポンプを用いている。気
体分子を強制的に封じ込める「容積式」のポンプでは、
溝深さ（すなわち密閉空間の容積）には、原理的な制約
はいらない。したがって同一のロータ径、回転数等の条
件下において、排気能力を大幅に向上させることができ
るのである。

【００２５】また従来のターボ分子ポンプの場合は、吸気側→排気側への輸送確率排気側→吸気側への輸送確率（逆流）上記の比で圧縮比が決まることになるが、本発明の
容積式ではすきま（移動溝２１１、２１２とハウジング
２０３の間および２つの移動溝間）を小さくすれば、上
記は原理的にゼロに近ずけることができる。この点か
らも本発明の真空ポンプは圧縮比の大幅向上が図れ
る。

【００２６】［２］配管による圧縮損失が発生しない。
従来のターボ分子ポンプと容積式ポンプを組み合わせた
真空排気システムでは、両ポンプ間を継ぐ配管によって
圧力損失が生じ、この損失を見込んでターボ分子ポンプ
と容積式ポンプの排気量を大きめに設定せねばならなか
った。この２つのポンプを一体化した機能を持つ本発明
のポンプでは、この圧力損失は発生しない。

【００２７】［３］分子流領域の排気性能の大幅向上が
図れる。本発明の真空ポンプのロータの一軸上に、例え
ばタービン翼による分子ポンプ（第３のポンプ部分Ｃ）
を形成した場合、分子流領域での輸送効率の向上が図れ
る。高真空ポンプ部分Ｃにおける動翼２１３、２１５と
静翼２１４、２１６の翼形状は、その表面に衝突した気
体分子が下段にある容積式ポンプ部分Ｂの吸入口近傍に
向かう様に、すなわち図２の矢印ａの方向へ流動する様
に形成されている。ターボ分子ポンプの外径を大きくす
る程、気体分子を捕捉する確率を高めることができる
が、両ポンプの必要とする排気能力のバランスから、通
常容積式ポンプの外径はターボ式と比べて小さくてよ
い。したがって気体分子の流動方向が矢印ａのごとく、
中心方向成分を持つように翼形状を形成すれば、両ポン
プＢ、Ｃ間を流動する気体分子をスムーズに上流から下
流へ連結することができる。さらに、第３のポンプの構
造部分Ｃの動翼、静翼によって、第２のポンプの構造部
分Ｂの吸入口近傍に到達した気体分子は、以下示す理由
によって容積式の第２のポンプＢの密閉空間に閉じ込め
られる。図７において、５００は速度Ｖで右方向へ移動
する第３のポンプ部分Ｃの動翼、５０１は第２のポンプ
部分Ｂ移送溝、５０２はポンプ部分Ｂの吸入口近傍を示
す。また図６において２２６は移送溝端部である。

【００２８】さて、気体分子の速度はマックスウェル分
布に従う速度分布を持っており、その速度ベクトルの分
布は、図７（イ）に示す様にあらゆる方向に等しい。動
翼５００よりこれを見ると、同図（ロ）に示すように、
相対速度Ｖだけひずんだ速度ベクトルを持つように見え
る。翼列に飛び込む分子について考えると、吸込側につ
いては、これらの分子のうち翼列吸込口に垂直な速度成
分を持つもののみが飛び込んでくるため、その速度ベク
トルの分布は図中（ハ）に示すようになる。さらに翼列
を通過した気体の速度ベクトルを、図（ニ）のごとく円
周方向成分Ｖθと軸方向成分Ｖｚに分けて考えると、円
周方向成分Ｖθを持つ分子郡は着実に吸入口近傍５０２
から、移送溝５０１とハウジング５０４及びシール部５
０５で形成される吸込部５０６（図８の料線部分）へ突
入する。ちなみに、このシール部５６は２つの移送溝２
１１、２１２の噛み合いにより形成されるものであるロ
ータの次の一回転以内に、吸込部５０６は外部と遮断さ
れた密閉空間となり、気体分子をこの密閉空間内に封じ
込めることになる。第２のポンプ部分Ｂの密閉空間に封
じ込められた気体分子は、再度第３のポンプの構造部分
Ｃの方向へ逆流することはない。第２のポンプ部分は、
逆流を防止する「逆止弁」の作用をするのである。した
がって本発明では運動量移送式のポンプ部分（第３のポ
ンプ部分Ｃ）の大幅な簡素化、例えば同一排気量で翼の
枚数を小さくできる等の効果が得られるのである。

【００２９】なお実施例では２つのロータ２０６、２０
７に形成する移送溝２１１、２１２は非対称にした。第
３のポンプ部分Ｃが形成される側の移送溝２１２の溝幅
を他と比べて大きくすることにより、移送溝端部２２６
の開口面積を大きくできる。そのため気体分子をより効
果的に、第２のポンプＢの密閉空間に封じ込めることが
できるのである。なお、ロータに形成する移送溝を、例
えばスクリュー式コンプレッサの様な「多条ねじ」にす
れば、第２のポンプ部分Ｂの上流側開口部における移送
溝端部（２２６に相当）は複数個形成されることにな
る。この場合気体分子を捕捉する確立が増加し、ポンプ
の効率を向上させることができる。なお、実施例では第
２のポンプＢの上流側には、真空到達圧を高くするため
にタービン翼によるターボ式を用いた。このタービン翼
の代わりに、従来のねじ溝式を用いることがもきる。

【００３０】本発明の高真空ポンプ部分に薄板タービン
翼を用いて高速回転で駆動した場合、吸気側がまだ高圧
状態のとき、揚力発生によるタービン翼の破損が懸念さ
れる。しかし既に筆者らが特願（Ｈ０２−２５５７９８
号）で提案した方法を用いて、第２の吸入孔２２５（図
３に２点鎮線で示す）を設ければこの問題は解消され
る。また第３のポンプ部分Ｃにおけるタービン翼を、例
えば「針流ファン」の様な形状にすれば、気分分子をよ
り効果的に吸入孔近傍５０２へ導入できる。なお実施例
で用いた同期制御運転を行なうＡＣサーボモータの代わ
りに高速運転が可能なパルスモータでもよい。なお、ロ
ータに形成する移送溝を、例えばスクリュー式コンプレ
ッサの様な「多情ねじ」にすれば、第２のポンプ部分Ｂ
の上流側開口部における移送溝部（２２６に相当）は複
数固形成されることになる。この場合気体分子を捕捉す
る確立が増加し、ポンプの効率を向上させることができ
る。この移送溝を２条ねじ形状にした場合の第２実施例
を図９、図１０に示す。なお図９における移送溝端部６
０７近傍の図面は、図１０におけるＡＡ方向の失視図で
ある。６００、６０１はロータ、６０２、６０３は前記
ロータに形成された移送溝、６０４はボルト６１１によ
って回転軸２０２の先端部に固定される回転ブリッジ、
６０５はこの回転ブリッジ６０４に固定される回転円
盤、６０６は吸気孔のフランジである。図１０におい
て、６０７、６０８は気体分子を各吸入溝端部６０７、
６０８へ効果的に導入するためのスパイラル翼である。
この様に気体を半径方向に輸送するスパイラル翼を形成
することにより、中真空圧以下の気体の輸送効率を一層
高めることができる。なお、このスパイラル翼は、翼長
のもっと短いタービン翼を数多く組み合わせた構造でも
よい。

【００３１】この発明の容積式真空ポンプの構造部分
に、ロータが外周部にねじ溝（スクリュー溝を含む）を
備えたものにすると、たとえばルーツ型真空ポンプでは
１回転で１回の吐出であって流入流出する作動流体が大
きな脈動を伴うのに対し、ねじ溝型ではほぼ流れが連続
流に近くなる。そのため、各軸のモータにかかるトルク
の変動が小さくなる。トルク変動は各回転軸の同期制御
回転を乱す原因となるが、トルク変動の小さなねじ溝式
の採用によって、より高速・高精度の同期制御が容易と
なるのである。ねじ溝式の場合、構造上、吸入側と吐出
側の間が多段の凹凸嵌合によって密閉されるため、内部
リークによる悪影響が小さくなって、真空到達速度を高
くとることができる。また、ねじ溝型ロータは、ギヤ型
ロータやルーツ型ロータのような異形ロータとは異な
り、回転中心軸に垂直な断面が比較的円形に近く、外周
部の付近まで空洞にすることができ、内部空間が大きく
とれて、ここを実施例のごとく軸受部に利用する等の利
用ができて、装置の小形化を大いに図ることができるよ
うになる。

【００３２】

【発明の効果】

［１］中間流領域以下の気体の排気性能の大幅な向上が
図れる。

【００３３】［２］配管による圧縮損失が発生しない。［３］分子流領域の排気性能の大幅向上が図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は従来のポンプの原理を示す図（ｂ）は本発明のポンプの原理を示す図

【図２】本発明にかかる真空ポンプの第１実施例を表す
断面図

【図３】第１実施例のハウジングの一部を切り開いてみ
た側面図

【図４】第１実施例に用いた接触防止ギヤの平面図

【図５】第１実施例に用いたレーザ型エンコーダを示す
斜視図

【図６】同期制御方法を示すブロック図

【図７】本発明の原理を示す図

【図８】中真空ポンプを上部より見た図

【図９】第２の実施例のハウジングの一部を切り開いて
みた側面図

【図１０】図９の吸気孔部の正面図

【図１１】従来のスクリュー式ポンプの断面図

【図１２】従来のターボ分子ポンプの断面図

【符号の説明】

１ターボ分子ポンプ２タービン翼３ねじ溝４吸気孔

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ハウジング内に収納された複数個のロー
タと、これらのロータの回転軸を支持する軸受と、前記
ハウジングに形成された流体の吸気口および吐出口と、
前記複数個のロータの少なくとも一つを回転駆動するモ
ータより構成され、かつ前記ロータおよび前記ハウジン
グで形成される密閉空間の容積変化を利用して、粘性流
領域における気体の吸気および排気を行う第１のポンプ
部分が設けられた真空ポンプにおいて、前記複数個のロ
ータの同軸上にあるロータ部分と前記ハウジングで形成
される密閉空間の吸気側から排気側への移動を利用し
て、中間流領域および中間流領域以下の気体の移送を行
なう第２のポンプ部分とを備えてなる真空ポンプ。
【請求項２】モータの回転角および、または回転数を
検知する検出手段と、この検出手段からの信号によって
前記複数個のモータの回転を同期制御することを特徴と
する請求項１記載の真空ポンプ。
【請求項３】ロータの外周部にスクリューあるいはね
じ溝を形成して第１のポンプ部分あるいは第２のポンプ
部分を構成したことを特徴とする請求項１記載の真空ポ
ンプ。
【請求項４】前期ロータの少なくとも一つの同軸上
で、前記第２のポンプ部分の上流側に気体分子に運動量
を与える手段として、運動量移送式による第３のポンプ
部分が設けられたことを特徴とする請求項１記載の真空
ポンプ。
【請求項５】第２のポンプ部分の吸気側開口部が第３
のポンプの排気側に形成されており、かつ第３のポンプ
に突入した気体分子が、前記第２のポンプの前記吸気側
開口部に向かって流入する様に、前記第３のポンプの翼
あるいはねじ溝の形状が形成されていることを特徴とす
る請求項１記載の真空ポンプ。