(57)【要約】【課題】  大気圧から高真空までの圧力領域で真空排気でき、高速回転を行うことによって小型化が図れると共にポンプ性能を向上させ、かつ完全オイルフリーの真空が得られる真空ポンプを提供する。【解決手段】  気体を排気する真空ポンプにおいて、軸受２２により回転自在に支承された主軸５と、主軸５を回転駆動するモータ２３と、主軸５に取り付けられた第１の回転翼１３と第１のケーシング１２の内部に固定された第１の固定翼１４と吸気口１１とを有する第１の排気部１０と、主軸５に取り付けられた第２の回転翼３３と第２のケーシング３２の内部に固定された第２の固定翼３４と排気口３１とを有する第２の排気部３０と、を備え、吸気口１１を主軸５の端部近傍に配置し、主軸５の軸方向に沿って、第１の排気部１０、軸受２２、第２の排気部３０をこの順に配置した。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
気体を排気する真空ポンプにおいて、
第１の軸受により回転自在に支承された主軸と、
前記主軸を回転駆動するモータと、
前記主軸に取り付けられた第１の回転翼と第１のケーシングの内部に固定された第１の固定翼と吸気口とを有する第１の排気部と、
前記主軸に取り付けられた第２の回転翼と第２のケーシングの内部に固定された第２の固定翼と排気口とを有する第２の排気部と、を備え、
前記吸気口を前記主軸の端部近傍に配置し、前記主軸の軸方向に沿って、前記第１の排気部、前記第１の軸受、前記第２の排気部をこの順に配置したことを特徴とする真空ポンプ。
【請求項２】
前記第２の排気部の下流側に、前記主軸を径方向に支承する第２の軸受と、前記主軸を軸方向に支承する第３の軸受とを設け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３】
前記モータを前記第１の軸受近傍に配置したことを特徴とする請求項１又は２に記載の真空ポンプ。
【請求項４】
前記主軸及び／又は前記主軸に取り付けられた部品の軸方向の変位を検出する変位センサを備え、
前記第３の軸受は、前記変位センサの検出値に基づいて前記主軸の軸方向の位置を所定の目標位置に保持し、
前記変位センサを、前記第２の排気部の近傍に設けたことを特徴とする請求項２に記載の真空ポンプ。
【請求項５】
前記第１乃至第３の軸受は非接触型軸受であることを特徴とする請求項２に記載の真空ポンプ。
【請求項６】
前記第１乃至第３の軸受及び／又は前記モータにパージガスを供給するためのパージガス供給機構を設けたことを特徴とする請求項２記載の真空ポンプ。
【請求項７】
前記第１乃至第３の軸受及び／又は前記モータと前記吸気口から導入された気体との接触を防止するための保護部材を更に備えたことを特徴とする請求項２に記載の真空ポンプ。
【請求項８】
前記第１の排気部と前記第２の排気部との間に、前記第１の排気部の下流側から軸方向に沿って延びる流路を設けたことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の真空ポンプ。
【請求項９】
前記主軸及び／又は前記主軸に取り付けられた部品の軸方向の変位を検出する複数の変位センサを、前記第１の排気部、及び／又は前記第２の排気部、及び／又は前記主軸の端部の近傍に設け、前記第３の軸受は、前記複数の変位センサのうちの少なくとも一つの変位センサの検出値に基づいて前記主軸の軸方向の位置を所定の目標位置に保持することを特徴とする請求項２に記載の真空ポンプ。
【請求項１０】
前記複数の変位センサのうち、少なくとも２つの変位センサの検出値に基づいて前記主軸及び／又は前記主軸に取り付けられた部品の温度を検出することを特徴とする請求項９に記載の真空ポンプ。
【請求項１１】
気体を排気する真空ポンプにおいて、
軸受により回転自在に支承された主軸と、
前記主軸を回転駆動するモータと、
前記主軸に取り付けられた回転翼と、
前記回転翼に軸方向に隣接して配置されたリング状部材とを備え、
前記回転翼及び前記リング状部材を含むユニットの線膨張係数と、前記主軸の線膨張係数とが略同一となるように構成したことを特徴とする真空ポンプ。
【請求項１２】
気体を排気する真空ポンプにおいて、
軸受により回転自在に支承された主軸と、
前記主軸を回転駆動するモータと、
前記主軸に取り付けられる回転翼と、
前記回転翼に軸方向に隣接して配置されたリング状部材とを備え、
前記回転翼は前記主軸に嵌合する円筒部を有し、該円筒部の外周面に前記リング状部材が嵌合され、前記円筒部の外周面及び前記リング状部材の内周面に軸方向に延びる切欠きをそれぞれ形成し、互いに向き合う前記切欠きによって形成される穴には位置決め用部材が挿入されていることを特徴とする真空ポンプ。
【請求項１３】
気体を排気する真空ポンプにおいて、
軸受により回転自在に支承された主軸と、
前記主軸を回転駆動するモータと、
前記主軸に取り付けられる回転翼とを備え、
前記回転翼は、前記主軸に嵌合する円筒部と該円筒部の外周面に固定された翼部とを有し、
前記円筒部の軸方向寸法を前記翼部の軸方向寸法より長くしたことを特徴とする真空ポンプ。
【請求項１４】
前記翼部は、回転方向に対して後ろ向きに延びる渦巻状羽根と、前記渦巻状羽根が固定される円板状の基部とを備え、
前記円筒部の外周面の位置において、前記基部の上面から前記円筒部の上端までの寸法及び前記基部の下面から前記円筒部の下端までの寸法は、それぞれ前記基部の厚さに対して０．５倍以上であることを特徴とする請求項１３に記載の真空ポンプ。
【請求項１５】
前記翼部は、前記円筒部の外周面に固定された円板状の基部と、前記基部の外周面に固定された複数の放射状翼とを備え、
前記円筒部の外周面の位置において、前記基部の上面から前記円筒部の上端までの寸法及び前記基部の下面から前記円筒部の下端までの寸法は、それぞれ前記基部の厚さ対して０．５倍以上であることを特徴とする請求項１３に記載の真空ポンプ。
【請求項１６】
前記翼部は、回転方向に対して後ろ向きに延びる渦巻状羽根と、前記渦巻状羽根が固定される円板状の基部とを備え、
前記渦巻状羽根の軸方向の寸法は、径方向外側に向かって連続的に小さくなっていることを特徴とする請求項１３に記載の真空ポンプ。
【請求項１７】
前記基部の軸方向の寸法は、径方向外側に向かって連続的に小さくなっていることを特徴とする請求項１６に記載の真空ポンプ。
【請求項１８】
前記翼部は、回転方向に対して後ろ向きに延びている渦巻状羽根と、前記渦巻状羽根が固定される円板状の基部とを備え、
前記渦巻状羽根と前記基部とが接続される部位には隅肉部が形成されていることを特徴とする請求項１３に記載の真空ポンプ。
【請求項１９】
前記隅肉部の断面は、前記渦巻状羽根の先端部の回転方向に対して後ろ側にて大きく形成されていることを特徴とする請求項１８に記載の真空ポンプ。
【請求項２０】
気体を排気する真空ポンプにおいて、
軸受により回転自在に支承された主軸と、前記主軸を回転駆動するモータと、前記主軸に取り付けられる第１の回転翼及び第２の回転翼とを備え、
前記第１の回転翼は、前記主軸に嵌合する円筒部と該円筒部の外周面に固定された翼部とを有し、該円筒部の軸方向寸法は前記翼部の軸方向寸法よりも長く、前記翼部は回転方向に対して後ろ向きに延びる羽根を有し、
前記第２の回転翼は、前記主軸に嵌合する円筒部と、該円筒部の外周面に固定された円板部とを有し、該円筒部の軸方向寸法は前記円板部の軸方向寸法より長く、
前記第１の回転翼を吸気側に配置すると共に、前記第２の回転翼を排気側に配置し、前記第２の回転翼は前記第１の回転翼以上の直径を有することを特徴とする真空ポンプ。
【請求項２１】
気体を排気する真空ポンプにおいて、
複数の渦巻状羽根をそれぞれ有する多段の遠心ドラッグ翼と、
複数の渦巻状ガイドをそれぞれ有する多段の固定翼とを備え、
上流側に配置される前記遠心ドラッグ翼の前記渦巻状羽根の高さは、下流側に配置される前記遠心ドラッグ翼の前記渦巻状羽根の高さと同一か、又はそれよりも高く、
上流側に配置される前記固定翼の前記渦巻状ガイドの高さは、下流側に配置される前記固定翼の前記渦巻状ガイドの高さと同一か、又はそれよりも高いことを特徴とする真空ポンプ。
【請求項２２】
前記遠心ドラッグ翼の前記渦巻状羽根と前記遠心ドラッグ翼に同心上に配置された仮想円の接線とのなす角度は、上流側に配置される前記渦巻状羽根の前記角度が下流側に配置される前記渦巻状羽根の前記角度と同一か、又はそれよりも大きくなるように設定されていることを特徴とする請求項２１に記載の真空ポンプ。
【請求項２３】
前記渦巻状羽根の高さは、径方向外側に向かって徐々に低くなるように構成されていることを特徴とする請求項２１に記載の真空ポンプ。
【請求項２４】
前記渦巻状羽根の入口高さと出口高さとの比は、上流側に配置される渦巻状羽根の前記比が下流側に配置される渦巻状羽根の前記比と同一か、又はそれよりも小さくなるように設定されていることを特徴とする請求項２３に記載の真空ポンプ。
【請求項２５】
請求項１乃至２４のいずれか１項に記載の真空ポンプと、
基板を処理するプロセスチャンバとを備え、
前記真空ポンプと前記プロセスチャンバとを直接又は間接に接続したことを特徴とする半導体製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は真空ポンプに関し、より詳しくは、大気圧以下から高真空までの圧力領域において有効に排気動作を行うことができる真空ポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
図２９に従来の真空ポンプを用いた半導体製造装置の模式図を示す。
図２９に示すように、半導体製造装置１０１は、複数のプロセスチャンバ１０２と、搬送室１０３と、カセット室１０４とを有している。処理されるウエハ（基板）はカセット室１０４にセットされ、搬送室１０３を経由してプロセスチャンバ１０２に搬送され、そこで所定のプロセス（ＰＶＤ、ＣＶＤ、エッチング等）が行われる。なお、１台の半導体製造装置１０１で複数のプロセスを行うため、またウエハの処理枚数を増やすために、プロセスチャンバ１０２は複数設置するのが一般的である。
【０００３】
プロセスチャンバ１０２では、処理前にはプロセスチャンバ１０２内に高真空状態を形成し、処理中にはプロセスチャンバ１０２からプロセスガスを連続排気する必要がある。このため、プロセスチャンバ１０２を真空排気する真空ポンプとしてターボ分子ポンプ１０５が広く用いられている。ターボ分子ポンプ１０５は、１０１Ｐａオーダー以下の中・高真空領域にて運転可能であるが、大気圧下では単独で運転することができない。このため、ターボ分子ポンプ１０５の排気口側には、配管１０７を介して粗引き用のバックポンプ１０６が接続されている。このバックポンプ１０６は、大気圧から１０１Ｐａオーダーまで排気可能に構成されている。
【０００４】
上記構成の半導体製造装置では、１つのプロセスチャンバ１０２内のガスを排気するポンプとして、ターボ分子ポンプ１０５及びバックポンプ１０６の２種類の真空ポンプが必要であった。このため、設置スペースの拡大、構成部品の増加、コスト高などの問題が生じていた。また、近年では半導体プロセスに使用されるガスの量は増加する傾向にあり、真空ポンプの大型化はもとより、配管１０７の大口径化を招いており、上記問題が顕著となりつつある。
【０００５】
ここで、バックポンプ１０６としては、ルーツポンプ、スクリューポンプ、油回転ポンプ等の容積移送型ポンプが主に用いられている。この種のポンプは、比較的低速で回転するロータにより排気室（ケーシング）内の排気流路の容積を順次減じていって気体を移送するように構成されている。このため、ガスの移送量を増加させるにはロータの容積及び質量を大きくする必要があり、バックポンプの大型化が避けられない。
【０００６】
上記問題の対策として、ロータを高速回転させることにより、バックポンプを大型化させることなくガスの移送量を増加させる方法がある。しかしながら、ルーツポンプ、スクリューポンプは、ロータが固定される主軸を２本有し、その２本の主軸の回転位相を拘束する機構（タイミングギヤ等）が必要なため高速回転に適さない。また、油回転ポンプにおいては、ロータが回転軸に対して非対称の形状を有しているため、この油回転ポンプも高速回転には適さない。したがって、バックポンプを高速回転させることでバックポンプを小型化しつつガスの移送量を増加させることは極めて困難である。
【０００７】
また、上記バックポンプでは、いずれも軸受、又はシール部に潤滑油などの油が用いられているため、完全にオイルフリーの真空を形成することができない。このことは、半導体製造装置において、製品の質及び歩留まり率を低下させる原因となる。
【０００８】
そこで、１台で大気圧から高真空まで効率よく真空排気ができる真空ポンプとして、特許文献１に記載の真空ポンプがある。この特許文献１に記載の真空ポンプは、複数の羽根車を有する遠心圧縮ポンプ段と円周流圧縮ポンプ段を備えている。しかしながら、上記羽根車はすべて主軸の先端部に取り付けられるため、ロータは、その先端部に大きな質量分布を有する片持ちロータとなる。このためロータの振動特性が悪く高速回転が困難となり、ポンプを小型化できないという問題があった。また、軸受部に潤滑用の油等が用いられているため、完全にオイルフリーの真空を形成することができなかった。
【０００９】
また、特許文献２に記載の真空ポンプは、磁気軸受を使用してロータの高速回転化を図ったものである。しかしながら、吸気口近傍に磁気軸受が配置されているため、この磁気軸受が排気抵抗となって真空ポンプの排気性能を阻害するという問題があった。特に吸気口側の圧力が分子流領域では、排気コンダクタンスが著しく小さくなる、すなわち排気抵抗が大きくなるため、実効排気速度が小さくなるという問題が顕著であった。また、冷却液はポンプの排気流路と連通する空間に導入されるため、冷却液による真空環境の汚染が問題であった。
【００１０】
一方、半導体製造装置のプロセスチャンバを真空排気するために、遠心ドラッグポンプ要素を備えたターボ真空ポンプが用いられる場合がある。この種のターボ真空ポンプについて図面を参照して説明する。図３０は従来のターボ真空ポンプを示す断面図である。図３１（ａ）は図３０に示す遠心ドラッグ翼を示す平面図であり、図３１（ｂ）は図３０に示す遠心ドラッグ翼の断面図である。図３２（ａ）は図３０に示す固定翼を示す平面図であり、図３２（ｂ）は図３０に示す固定翼の断面図である。
【００１１】
図３０に示すように、ターボ真空ポンプは、複数段の遠心ドラッグ翼１３３と、各段の遠心ドラッグ翼１３３に対向して配置される複数の固定翼１３４と、吸気口１１１及び排気口１３１を有するケーシング１０８とを備えている。遠心ドラッグ翼１３３は主軸１０５に固定され、この主軸１０５を介してモータ１２３によって回転駆動される。主軸１０５は、上ラジアル磁気軸受１２２、下ラジアル磁気軸受１４４、及びアキシャル磁気軸受１４３によって非接触で支持されている。上ラジアル磁気軸受１２２の上方、及び下ラジアル磁気軸受１４４の下方には、上タッチダウン軸受１２６及び下タッチダウン軸受１４７がそれぞれ配置されている。
【００１２】
図３１（ａ）及び図３１（ｂ）に示すように、各遠心ドラッグ翼１３３は、回転方向に対して後ろ向きに延びる複数の渦巻状羽根１３５と、これらの渦巻状羽根１３５が固定される円板状の基部１０９を有している。一方、図３２（ａ）及び図３２（ｂ）に示すように、固定翼１３４は、遠心ドラッグ翼１３３の回転方向に対して後ろ向きに延びる複数の渦巻状ガイド１６６と、これらの渦巻状ガイド１６６が固定される環状の平面部１６７とを有している。なお、図３１（ａ）及び図３２（ａ）に示す矢印Ｇは気体の流れを表している。
【００１３】
遠心ドラッグ翼１３３を矢印Ｑの方向に回転させると、気体は吸気口１１１からケーシング１０８内に流入し、遠心力の作用によって気体は径方向外側に移送されつつ圧縮される。径方向外側に移送された気体は、渦巻状ガイド１６６、平面部１６７、及び基部１０９の裏面とによって画成される空間へ流れ込み、気体の粘性によるドラッグ作用により気体が径方向内側に移送されつつ圧縮される。このような気体の移送が各段にて順次行われ、これにより気体が所望の圧力にまで圧縮されて排気口１３１から排出される。
【００１４】
しかしながら、従来のターボ真空ポンプでは、排気性能を上げるために単に翼段数を増やしていたため、排気効率を高めることができなかった。このため、排気速度が小さくなり、また圧縮比を大きくすることができないという問題が生じ、結果として、ターボ真空ポンプ全体の大型化と製造コストの上昇を招いていた。
【００１５】
【特許文献１】特公平３−７０３９号公報
【特許文献２】特公平７−８６３５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、大気圧以下から高真空までの圧力領域で真空排気でき、高速回転を行うことによって小型化が図れると共にポンプ性能を向上させ、かつ完全オイルフリーの真空が得られる真空ポンプを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記課題を解決するため、本発明の一態様は、気体を排気する真空ポンプにおいて、第１の軸受により回転自在に支承された主軸と、前記主軸を回転駆動するモータと、前記主軸に取り付けられた第１の回転翼と第１のケーシングの内部に固定された第１の固定翼と吸気口とを有する第１の排気部と、前記主軸に取り付けられた第２の回転翼と第２のケーシングの内部に固定された第２の固定翼と排気口とを有する第２の排気部と、を備え、前記吸気口を前記主軸の端部近傍に配置し、前記主軸の軸方向に沿って、前記第１の排気部、前記第１の軸受、前記第２の排気部をこの順に配置したことを特徴とする。この場合において、前記第２の排気部の下流側に、前記主軸を径方向に支承する第２の軸受と、前記主軸を軸方向に支承する第３の軸受とを設けることが好ましい。
【００１８】
上記のように、吸入側から、順に、第１の排気部、第１の軸受、第２の排気部を直列に配置したので、ポンプロータ（第１の回転翼、第２の回転翼、及び主軸）全体の軸方向の質量分布を均一化することができる。これにより、ポンプロータが第１の軸受によって極端に片持ち支持された状態である、いわゆるオーバーハング状態を解消でき、高速回転に適したポンプロータを構成できる。すなわち、ポンプロータの振動特性が良好となるため、ポンプロータを高速回転させることが可能となる。特に上記第１の軸受として磁気軸受を用いた場合、次のような利点が得られる。すなわち、磁気軸受の支持剛性は、ボールベアリング等の転がり軸受と比較して著しく低いため、磁気軸受は、高速回転時にポンプロータの質量のアンバランスや、ポンプロータの振動特性（ポンプロータの固有振動数）の影響を受けやすく、安定回転が困難な場合が多い。本発明によれば、ポンプロータの振動特性が良好となるため、上記問題を解消することができる。
【００１９】
また、第１の排気部の吸気口と第１の回転翼との間に気体の流れを阻害するものが無く、排気性能の高い真空ポンプが得られる。特に本発明に係る真空ポンプは分子流領域において好適に使用できる。すなわち、吸気口側の圧力が低い分子流領域では、障害物によるコンダクタンスの低下（排気抵抗の増加）が著しいが、本発明に係る真空ポンプは、第１の排気部の上流側に気体の流れを妨げる障害物を持たないため、良好な排気性能を得ることができる。
【００２０】
本発明の好ましい一態様は、前記モータを前記第１の軸受近傍に配置したことを特徴とする。
例えば、第１の排気部と第２の排気部との間に配置された第１の軸受近傍にモータを設けた場合、モータがほぼポンプロータの軸方向中心に位置することになり、ポンプロータの振動特性及び回転特性を低下させることなくモータの直径を大きくできる。したがって、モータの出力を増大させることができる。また、モータの直径を増大させることによりモータの磁極面の面積を確保できるので、モータの長さを短くできる。その結果、主軸全長を短くすることができ、ポンプロータの曲げ固有振動数が高くなり、高速回転に好適なポンプロータが得られる。また、モータは回転トルクを発生する際、径方向に不平衡力を生じさせるため、モータがポンプロータの加振源となる可能性があるが、本発明では、モータの近傍に第１の軸受が配置されているため、ポンプロータの振動を効果的に抑制することができる。
【００２１】
また、第２の排気部の下流側に配置された第２の軸受近傍にモータを設けた場合、モータを気体の流路から離間させることができる。一般に、生成物を含むプロセスガスを排気する場合、真空ポンプ内の流路に生成物が析出することを防止するために流路を高温にする必要がある。本発明によれば、モータを流路から離間させることができるため、モータを高効率で冷却することができ、小型かつ高出力のモータを真空ポンプに搭載することができる。また、腐食性プロセスガスを排気する場合には、腐食環境からモータを容易に保護することができる。
【００２２】
本発明の好ましい一態様は、前記主軸及び／又は前記主軸に取り付けられた部品の軸方向の変位を検出する変位センサを備え、前記第３の軸受は、前記変位センサの検出値に基づいて前記主軸の軸方向の位置を所定の目標位置に保持し、前記変位センサを、前記第２の排気部の近傍に設けたことを特徴とする。
【００２３】
真空ポンプ運転時においては主軸及び該主軸に取り付けられた回転翼（第１の回転翼、第２の回転翼）などの部材の温度が上昇するため、主軸は軸方向に伸びることになる。本発明では、第２の排気部の近傍に変位センサを設け、この変位センサの検出値に基づいて主軸の軸方向の位置を一定に保つことにより、主軸及び回転翼の伸びの起点を変位センサの測定点とすることができる。これにより、第２の排気部での第２の回転翼と第２の固定翼との軸方向のギャップ変化を小さくでき、結果的に真空ポンプの排気性能の向上と運転の安定化が図れる。特に、第２の排気部は比較的高い圧力領域で気体を排気するため、上記ギャップの極小化によって排気性能を著しく向上させることができる。
【００２４】
本発明の好ましい一態様は、前記第１乃至第３の軸受は非接触型軸受であることを特徴とする。
これにより、ポンプロータを高速で回転させることが可能となり、ポンプ性能を向上させることが可能となる。
【００２５】
本発明の好ましい一態様は、前記第１乃至第３の軸受及び／又は前記モータにパージガスを供給するパージガス供給機構を設けたことを特徴とする。
本発明の好ましい一態様は、前記第１乃至第３の軸受及び／又は前記モータと前記吸気口から導入された気体との接触を防止するための保護部材を更に備えたことを特徴とする。
【００２６】
本発明によれば、腐食性プロセスガスを排気する場合に軸受やモータなどが腐食してしまうことを防止できる。また、プロセスガス中に含まれる各種生成物の析出によるポンプロータの回転阻害を防止できる。さらに、パージガスにより、モータや軸受を冷却することが可能となる。詳述すると、パージガスによりモータや軸受が直接冷却されるだけでなく、モータや軸受の周囲に存在する気体の圧力を局所的に高く維持できる。したがって、モータ及び軸受のロータ側からステータ側への熱伝達率が向上し、モータ及び軸受の冷却効果を高めることができる。
【００２７】
また、本発明の好ましい一態様は、前記第１の排気部と前記第２の排気部との間に、前記第１の排気部の下流側から軸方向に沿って延びる流路を設けたことを特徴とする。
流路としては、軸方向に延びる管状流路でもよく、同心上に配列された２つの円管の間に形成された円筒状流路でもよい。これにより、第１の排気部と第２の排気部との間の流路のコンダクタンスを大きく（排気抵抗を小さく）できるので、真空ポンプの排気性能を更に向上させることができる。
【００２８】
本発明の好ましい一態様は、前記主軸及び／又は前記主軸に取り付けられた部品の軸方向の変位を検出する複数の変位センサを、前記第１の排気部、及び／又は前記第２の排気部、及び／又は前記主軸の端部の近傍に設け、前記第３の軸受は、前記複数の変位センサのうちの少なくとも一つの変位センサの検出値に基づいて前記主軸の軸方向の位置を所定の目標位置に保持することを特徴とする。
この場合において、前記複数の変位センサのうち、少なくとも２つの変位センサの検出値に基づいて前記主軸及び／又は前記主軸に取り付けられた部品の温度を検出することが好ましい。
【００２９】
本発明の他の態様は、気体を排気する真空ポンプにおいて、軸受により回転自在に支承された主軸と、前記主軸を回転駆動するモータと、前記主軸に取り付けられた回転翼と、前記回転翼に軸方向に隣接して配置されたリング状部材とを備え、前記回転翼及び前記リング状部材を含むユニットの線膨張係数と、前記主軸の線膨張係数とが略同一となるように構成したことを特徴とする。
【００３０】
本発明の他の態様は、気体を排気する真空ポンプにおいて、軸受により回転自在に支承された主軸と、前記主軸を回転駆動するモータと、前記主軸に取り付けられる回転翼と、前記回転翼に軸方向に隣接して配置されたリング状部材とを備え、前記回転翼は前記主軸に嵌合する円筒部を有し、該円筒部の外周面に前記リング状部材が嵌合され、前記円筒部の外周面及び前記リング状部材の内周面に軸方向に延びる切欠きをそれぞれ形成し、互いに向き合う前記切欠きによって形成される穴には位置決め用部材が挿入されていることを特徴とする。
【００３１】
本発明の他の態様は、気体を排気する真空ポンプにおいて、軸受により回転自在に支承された主軸と、前記主軸を回転駆動するモータと、前記主軸に取り付けられる回転翼とを備え、前記回転翼は、前記主軸に嵌合する円筒部と該円筒部の外周面に固定された翼部とを有し、前記円筒部の軸方向寸法を前記翼部の軸方向寸法より長くしたことを特徴とする。
【００３２】
本発明の好ましい一態様は、前記翼部は、回転方向に対して後ろ向きに延びる渦巻状羽根と、前記渦巻状羽根が固定される円板状の基部とを備え、前記円筒部の外周面の位置において、前記基部の上面から前記円筒部の上端までの寸法及び前記基部の下面から前記円筒部の下端までの寸法は、それぞれ前記基部の厚さに対して０．５倍以上であることを特徴とする。
本発明の好ましい一態様は、前記翼部は、前記円筒部の外周面に固定された円板状の基部と、前記基部の外周面に固定された複数の放射状翼とを備え、前記円筒部の外周面の位置において、前記基部の上面から前記円筒部の上端までの寸法及び前記基部の下面から前記円筒部の下端までの寸法は、それぞれ前記基部の厚さ対して０．５倍以上であることを特徴とする。
本発明の好ましい一態様は、前記翼部は、回転方向に対して後ろ向きに延びる渦巻状羽根と、前記渦巻状羽根が固定される円板状の基部とを備え、前記渦巻状羽根の軸方向の寸法は、径方向外側に向かって連続的に小さくなっていることを特徴とする。
本発明の好ましい一態様は、前記基部の軸方向の寸法は、径方向外側に向かって連続的に小さくなっていることを特徴とする。
【００３３】
本発明の好ましい一態様は、前記翼部は、回転方向に対して後ろ向きに延びている渦巻状羽根と、前記渦巻状羽根が固定される円板状の基部とを備え、前記渦巻状羽根と前記基部とが接続される部位には隅肉部が形成されていることを特徴とする。
この場合において、前記隅肉部の断面は、前記渦巻状羽根の先端部の回転方向に対して後ろ側にて大きく形成されていることが好ましい。
【００３４】
本発明の他の態様は、気体を排気する真空ポンプにおいて、軸受により回転自在に支承された主軸と、前記主軸を回転駆動するモータと、前記主軸に取り付けられる第１の回転翼及び第２の回転翼とを備え、前記第１の回転翼は、前記主軸に嵌合する円筒部と該円筒部の外周面に固定された翼部とを有し、該円筒部の軸方向寸法は前記翼部の軸方向寸法よりも長く、前記翼部は回転方向に対して後ろ向きに延びる羽根を有し、前記第２の回転翼は、前記主軸に嵌合する円筒部と、該円筒部の外周面に固定された円板部とを有し、該円筒部の軸方向寸法は前記円板部の軸方向寸法より長く、前記第１の回転翼を吸気側に配置すると共に、前記第２の回転翼を排気側に配置し、前記第２の回転翼は前記第１の回転翼以上の直径を有することを特徴とする。
【００３５】
本発明の他の態様は、気体を排気する真空ポンプにおいて、複数の渦巻状羽根をそれぞれ有する多段の遠心ドラッグ翼と、複数の渦巻状ガイドをそれぞれ有する多段の固定翼とを備え、上流側に配置される前記遠心ドラッグ翼の前記渦巻状羽根の高さは、下流側に配置される前記遠心ドラッグ翼の前記渦巻状羽根の高さと同一か、又はそれよりも高く、上流側に配置される前記固定翼の前記渦巻状ガイドの高さは、下流側に配置される前記固定翼の前記渦巻状ガイドの高さと同一か、又はそれよりも高いことを特徴とする。
【００３６】
本発明の好ましい態様は、前記遠心ドラッグ翼の前記渦巻状羽根と前記遠心ドラッグ翼に同心上に配置された仮想円の接線とのなす角度は、上流側に配置される前記渦巻状羽根の前記角度が下流側に配置される前記渦巻状羽根の前記角度と同一か、又はそれよりも大きくなるように設定されていることを特徴とする。
【００３７】
本発明の好ましい態様は、前記渦巻状羽根の高さは、径方向外側に向かって徐々に低くなるように構成されていることを特徴とすることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記渦巻状羽根の入口高さと出口高さとの比は、上流側に配置される渦巻状羽根の前記比が下流側に配置される渦巻状羽根の前記比と同一か、又はそれよりも小さくなるように設定されていることを特徴とする。
【００３８】
本発明の他の態様は、上記真空ポンプと、基板を処理するプロセスチャンバとを備え、前記真空ポンプと前記プロセスチャンバとを直接又は間接に接続したことを特徴とする半導体製造装置である。
【発明の効果】
【００３９】
本発明によれば、大気圧から高真空までの圧力領域において排気することができ、コンパクトで排気性能の高い真空ポンプを提供できる。また、腐食性を有する気体を排気する場合においても、長期間に亘って安定した運転を行うことができ、信頼性及び耐久性の高い真空ポンプを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。図１は本発明の第１の実施形態に係る真空ポンプを示す断面図である。図２（ａ）は図１に示す遠心ドラッグ翼の平面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）に示す遠心ドラッグ翼の断面図であり、図２（ｃ）は図２（ａ）に示すII−II線断面図である。
【００４１】
図１に示すように、真空ポンプは、第１の排気部としてのターボ分子ポンプ要素１０と、第１の軸受としての上ラジアル磁気軸受２２が収容される上ハウジングユニット２０と、第２の排気部としての遠心ドラッグポンプ要素３０と、第２の軸受としての下ラジアル磁気軸受４４及び第３の軸受としてのアキシャル磁気軸受４３が収容される下ハウジングユニット４０とを備えている。また、真空ポンプは、上ラジアル磁気軸受２２、下ラジアル磁気軸受４４、及びアキシャル磁気軸受４３によって回転自在に支承される主軸５を備えている。主軸５は真空ポンプ全体に亘って延び、主軸５の一方の端部は吸気口１１の近傍に位置している。そして、主軸５の吸入側の軸端から軸方向に沿って、順に、ターボ分子ポンプ要素１０、上ハウジングユニット２０、遠心ドラッグポンプ要素３０、下ハウジングユニット４０が直列に配置されている。
【００４２】
一般に、大気圧から高真空まで排気できる真空ポンプは、幾つかのポンプ要素を組み合わせて構成される。これは、１つのポンプ要素により大気圧から高真空まで効率良く排気することが極めて困難なためである。本実施形態の真空ポンプは、異なる圧力領域で作動可能な２つのポンプ要素が組み合わされた構成を有している。すなわち、第１の排気部に高真空領域にて効率良く排気できるターボ分子ポンプ要素１０が用いられ、第２の排気部に低真空領域にて排気性能が良好な遠心ドラッグポンプ要素３０が用いられている。
【００４３】
ターボ分子ポンプ要素（ターボ分子ポンプ部）１０は、吸気口１１を有する上ケーシング（第１のケーシング）１２と、この上ケーシング１２の内部に配置された複数段のタービン翼（第１の回転翼）１３とを備えている。タービン翼１３は吸気口１１の近傍に配置され、主軸５の外周部に固定されている。また、上ケーシング１２の内周部には複数の固定翼（第１の固定翼）１４が固定されており、これらの固定翼１４はそれぞれタービン翼１３の各段間に配置されている。なお、タービン翼１３と固定翼１４は、円周方向に沿って複数のフィンが配置された軸流翼であり、タービン翼１３と固定翼１４のフィンは互いに概ね逆方向に傾斜している。
【００４４】
遠心ドラッグポンプ要素（遠心ドラッグポンプ部）３０は、排気口３１を有する下ケーシング（第２のケーシング）３２と、この下ケーシング３２の内部に配置された複数の遠心ドラッグ翼（第２の回転翼）３３−１〜５と、下ケーシング３２の内周部に固定された複数の固定翼（第２の固定翼）３４−１〜５とを備えている。遠心ドラッグ翼３３−１〜５は、主軸５の外周部に固定され、固定翼３４−１〜５と各遠心ドラッグ翼３３−１〜５とは交互に配置されている。図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、遠心ドラッグ翼３３−１〜５（以下、適宜遠心ドラッグ翼３３という）は、回転方向に対して後ろ向きに延びる渦巻状羽根３５と、渦巻状羽根３５が固定される円板状の基部９とを有している。なお、渦巻状羽根３５と基部９とから翼部が構成される。渦巻状羽根３５が形成された遠心ドラッグ翼３３の各表面は、固定翼３４−１〜５（以下、適宜固定翼３４という）の表面と数十〜数百μｍの間隔を形成して対向している。そして、この遠心ドラッグ翼３３と固定翼３４との相互作用、すなわち気体に対する遠心作用と気体の粘性によるドラッグ作用とにより気体の排気が行われる。
【００４５】
また、主軸に取り付けられる遠心ドラッグ翼３３は、回転により生じる内部応力を低減させて応力集中を回避する観点、及び排気性能の向上の観点より、以下の形状を有している。
（１）遠心ドラッグ翼３３の内周部には、主軸５に嵌合する小径の円筒部（ボス）３６が設けられている。この円筒部３６の軸方向の寸法Ｌ１は翼部（渦巻状羽根３５及び基部９）の軸方向の寸法Ｌ２より大きい（図２（ｂ）参照）。
（２）渦巻状羽根３５は円筒部３６の外周面に一体的に接続されている。また、円筒部３６と渦巻状羽根３５の接続部には隅肉部３５ａが形成されている（図２（ａ）及び図２（ｂ）参照）。また、円筒部３６の外周面の位置において、基部９の下面から円筒部３６の下端までの寸法Ｌ５及び基部９の上面から円筒部３６の上端までの寸法Ｌ６は、少なくとも基部９の厚さ（軸方向寸法）Ｌ４の０．５倍以上に設定されている。
（３）渦巻状羽根３５の軸方向寸法は、径方向外側に向かって連続的に小さくなっている。また、渦巻状羽根３５が固定される円板状の基部９の軸方向寸法は、径方向外側に向かって連続的に小さくなっている。したがって、翼部の径方向外側の寸法Ｌ３は、内側の寸法Ｌ２よりも小さくなっている（図２（ｂ）参照）。
（４）渦巻状羽根３５の厚さｔは、径方向外側に向かって連続的に小さくなるように形成されている（図２（ａ）参照）。また、厚さｔは、可能な限り薄くすることが望ましく、渦巻状羽根３５の先端部では０．５〜２ｍｍにするとよい。
（５）渦巻状羽根３５の先端部には曲面部３５ｂが形成されている（図２（ａ）参照）。また、渦巻状羽根３５の先端部は、基部９の周縁部から少し径方向内側に位置している。これにより曲面部３５ｂが渦巻状羽根３５の先端の全体に形成される。
（６）渦巻状羽根３５と基部９とが接続される部位には、円弧状の断面形状を有する隅肉部３５ｃが形成されている（図２（ｃ）参照）。なお、図２（ａ）の破線は、隅肉部３５ｃと基部９との境界線を示している。隅肉部３５ｃの円弧の大きさは一様である必要はなく、場所によってその大きさを変えてもよい。例えば、図２（ａ）に示すように、渦巻状羽根３５の先端部の回転方向に対して後ろ側にて、隅肉部３５ｃの円弧（断面）を大きくするとよい。
（７）渦巻状羽根３５と円接線とのなす角度αは、径方向外側へ向かうに従って小さくなるように設定されている（図２（ａ）参照）。特に渦巻状羽根３５の径方向内側の位置では２０°＜αin＜５０°、径方向外側の位置では５°＜αout＜３０°となることが好ましい。なお、円接線とは、遠心ドラッグ翼３３と同心上に配置された円の接線をいう。
（８）渦巻状羽根３５がなす曲線は、渦巻曲線（極座標にてｒ＝ａθで表されるアルキメデス渦巻線、ｒ＝ａθで表される対数渦巻線など）やインボリュート曲線、又はこれら曲線の変形例にて構成されている（図２（ａ）参照）。
【００４６】
上記項目（１）、（２）、（３）、（４）、（５）、及び（６）により、遠心ドラッグ翼（回転翼）３３における応力低減及び応力集中を回避することができる。また、上記項目（３）、（６）、（７）、及び（８）により、排気性能の向上が図れる。なお、本実施形態では、渦巻状羽根３５は遠心ドラッグ翼（回転翼）３３及び固定翼３４に設けられているが、遠心ドラッグ翼を平らな表面とし、この表面と対向する固定翼の表面に渦巻状羽根を形成してもよい。
【００４７】
図３は本発明の第１の実施形態に係る真空ポンプの他の構成例を示す断面図である。図３に示す真空ポンプでは、第１の排気部３０Ａ及び第２の排気部３０Ｂともに遠心ドラッグポンプ要素から構成されている。第１の排気部３０Ａは、渦巻状羽根３５をそれぞれ有する遠心ドラッグ翼（第１の回転翼）３３Ａ−１〜４と、渦巻状ガイド６６をそれぞれ有する固定翼３４Ａ−１〜４とを備えている。遠心ドラッグ翼３３Ａ−１〜４の内周部には、主軸５に嵌合する円筒部１６が形成されている。第２の排気部３０Ｂは、渦巻状羽根を持たない遠心ドラッグ翼（第２の回転翼）３３Ｂ−１〜５と、固定円板３４ａの両面に形成された渦巻状ガイド６６をそれぞれ有する固定翼３４Ｂ−１〜５とを備えている。遠心ドラッグ翼３３Ｂ−１〜５は、主軸５に嵌合する円筒部３６と、この円筒部３６の外周面に一体的に形成される円板部３３ａとを備えている。また、遠心ドラッグ翼３３Ｂ−１〜５の直径Ｄ２は、遠心ドラッグ翼３３Ａ−１〜４の直径Ｄ１以上の大きさを有している（Ｄ１≦Ｄ２）。
【００４８】
ところで、図３に示す真空ポンプは、多段の回転翼及び固定翼を備えた遠心ドラッグポンプ要素の最適な構成を備えている。すなわち、遠心ドラッグポンプ要素では、前述したように、気体に対する遠心作用と気体の粘性によるドラッグ作用とにより排気が行われる。溝（渦巻状羽根の間に形成された凹部）を回転翼に設けた場合は遠心作用を効果的に利用できるため、固定翼に溝を設けた場合に比して排気性能が向上する。特に、１０１Ｐａオーダー以下の中及び高真空領域では、気体の粘性によるドラッグ作用があまり有効でないため、回転翼に渦巻状羽根、すなわち溝を設けることが重要である。一方、１０２Ｐａオーダー以上の低真空領域では、気体の粘性によるドラッグ作用が支配的となるので、溝を固定翼に設けても排気性能は低下しない。
【００４９】
また、図３において、円板状の遠心ドラッグ翼３３Ｂ−１〜５は渦巻状羽根を持たないため、渦巻状羽根を有する遠心ドラッグ翼３３Ａ−１〜４に比して内部に生じる遠心応力が低くなる。よって、遠心ドラッグ翼３３Ｂ−１〜５は、遠心ドラッグ翼３３Ａ−１〜４より直径を大きくした場合でも遠心ドラッグ翼３３Ａ−１〜４と同一の回転速度で回転させることができる。したがって、第２の排気部３０Ｂでは第１の排気部３０Ａに比して排気流路を長くすることができる。また、第２の排気部３０Ｂでは、固定翼３４Ｂ−１〜５に対する遠心ドラッグ翼３３Ｂ−１〜５の相対速度が速くなる領域が増すため、排気性能を向上させることができる。
【００５０】
上記事由から、吸気側に位置する第１の排気部３０Ａでは渦巻状羽根を有する遠心ドラッグ翼３３Ａ−１〜４が用いられ、１０１Ｐａ以下から１０２Ｐａまでの圧力範囲で気体の圧縮が効果的に行なわれる。さらに、排気側に位置する第２の排気部３０Ｂでは、直径を大きくした円板形の遠心ドラッグ翼３３Ｂ−１〜５が用いられ、１０２Ｐａ以上の圧力範囲で気体の圧縮が行なわれる。このような構成により、排気効率の高い真空ポンプを実現できる。
【００５１】
ここで、図１において、タービン翼１３及び遠心ドラッグ翼３３から構成される２つのポンプ要素を１本の主軸５に取り付けると、ポンプロータ（タービン翼１３、遠心ドラッグ翼３３、主軸５からなる回転部）の軸長が長くなり、高速回転が困難となる。このため、本実施形態の真空ポンプでは、主軸５の振動特性を改善し高速回転に適したポンプロータを構成するため、タービン翼１３と遠心ドラッグ翼３３の間に上ラジアル磁気軸受２２とモータ２３が配置され、最終段の遠心ドラッグ翼３３−５の軸端側（下流側）にアキシャル磁気軸受４３と下ラジアル磁気軸受４４が設けられている。また、主軸５は、上ラジアル磁気軸受２２及びモータ２３が配置された部分で最も軸径が大きくなる構造を有している。
【００５２】
上記構成により、ポンプロータの軸方向における重心位置は主軸５の軸径が最も大きいモータ２３付近の部位となり、重心の両側に上下ラジアル磁気軸受２２，４４が配置された振動特性の良好な両持ちポンプロータが構成される。また、主軸５は重心位置にて最も軸径が大きく、軸端に向かって軸径が細くなる構成としたので、主軸５の曲げに対する剛性分布が適正となり、ポンプロータの曲げ固有振動数を高くでき、ポンプロータを高速回転させることが可能となる。
【００５３】
さらに、オーバーハングしているタービン翼１３を支承する上ラジアル磁気軸受２２は、主軸５の最も径の大きい部分に設置されているので、電磁石の磁極面の面積を大きくでき、軸受剛性を強くすると同時に大きな減衰力を発生させることができる。したがって、オーバーハング部（タービン翼１３）に起因してポンプロータに生じる加振力を、上ラジアル磁気軸受２２にて有効に抑制することができる。また、モータ２３は、上ラジアル磁気軸受２２と同様に、主軸５の軸径の最も大きい部位に設置されているので、主軸５に固定されるモータ回転子（モータロータ）の磁極面の面積を大きくでき、モータ２３の出力を落とさずにモータ２３の軸方向の長さを短くできる。その結果、主軸５全体の軸長が短くなり、ポンプロータの曲げ固有振動数をより高く設定できる。
【００５４】
ここで、磁気軸受の構成及び作用について簡単に説明する。図４はラジアル磁気軸受の構成を示す概略図である。回転体としてのロータ１１０は、回転軸１１１と、この回転軸１１１の外周部に取り付けられた磁性体１１２とから構成されている。磁性体１１２の外周側には、所定のギャップを介して電磁石１１３と位置センサ１１４が設置される。コアの突出部１１３ａにはコイル１１３ｂが取り付けられ、隣り合う２個の突出部１１３ａ及びコイル１１３ｂを１対として１つの電磁石１１３が構成される。そして、図４に示すように、周方向に略９０°間隔で４つの電磁石１１３が配置される。位置センサ１１４はロータ１１０の断面中心からＸ方向及びＹ方向に各々設置される。そして、位置センサ１１４によりロータ１１０の径方向の位置を検出し、検出した位置と目標位置との偏差に基づき制御回路１１５にて制御信号を生成し、上記制御信号に応じた電流をパワーアンプ１１６より電磁石１１３のコイル１１３ｂに供給する。これにより、向かい合う電磁石１１３で生成される電磁力をプッシュプル動作にて制御し、ロータ１１０に電磁力を作用させる。この電磁力によって、ロータ１１０は所定の位置にて非接触で回転自在に支持される。
【００５５】
上述した例ではラジアル磁気軸受の構成を示したが、アキシャル磁気軸受の構成は次のようになる。すなわち、ロータ側にディスクが設けられ、ステータ側に該ディスクを挟み込むように２つの電磁石が設けられ、さらに、ディスクの軸方向の変位を検出するアキシャル変位センサが設けられる。アキシャル磁気軸受の動作についてはラジアル磁気軸受とほぼ同様である。上述した磁気軸受によれば、回転損失が極小化できるのでロータの高速回転が実現され、さらに、油等の潤滑剤が不要となるのでオイルフリー及びメンテナンスフリーが実現できる。したがって、磁気軸受は真空ポンプにとって好適な軸受である。
【００５６】
なお、図１において、何らかの事情により上下ラジアル磁気軸受２２，４４及びアキシャル磁気軸受４３のいずれかが正常に動作できなくなった場合、ポンプロータは上タッチダウン軸受２６と下タッチダウン軸受４７にて支持され、固定翼１４，３４等のステータ側要素とポンプロータとの接触が防止される。ここで、上タッチダウン軸受２６は上ラジアル磁気軸受２２の直上に配置され、下タッチダウン軸受４７は主軸５の下端に配置されており、軸受スパン（上タッチダウン軸受２６と下タッチダウン軸受４７との距離）を長くしている。これにより、タッチダウン時のポンプロータの傾き角度を小さくできるので、回転するタービン翼１３及び遠心ドラッグ翼３３が固定翼１４，３４と接触してしまうことが防止できる。したがって、タービン翼１３と固定翼１４とのギャップ、及び遠心ドラッグ翼３３と固定翼３４とのギャップを狭く設定することが可能となる。
【００５７】
主軸５と共に高速回転するタービン翼１３と遠心ドラッグ翼３３は、いずれも主軸５の外周部に固定される構造とし、主軸５に固定されるタービン翼１３と遠心ドラッグ翼３３の内周部には、いずれも小径の円筒部（ボス）１６，３６がそれぞれ設けられている。これにより、高速回転時にタービン翼１３と遠心ドラッグ翼３３自身の質量によってその内周部に生じる遠心応力は小径の円筒部１６，３６にて有効に減じられ、高速回転に適したタービン翼１３及び遠心ドラッグ翼３３を構成することができる。
【００５８】
タービン翼１３及び遠心ドラッグ翼３３の円筒部１６，３６と主軸５との軸方向における接触面には、ピン（位置決め用部材）３７がそれぞれ設けられている。これは、タービン翼１３及び遠心ドラッグ翼３３を主軸５に着脱する際、ポンプロータの径方向のバランスが崩れてしまうことを防止するためである。すなわち、ピン３７によりタービン翼１３、遠心ドラッグ翼３３、及び主軸５の回転方向の相対位置を互いに固定することにより、ポンプロータのバランスの変化を防止することができる。
【００５９】
また、遠心ドラッグポンプ要素３０では、遠心ドラッグ翼３３−１〜５を主軸５に装着する際、遠心ドラッグ翼３３−１〜５と固定翼３４−１〜５とが交互に順に積み重ねられる。したがって、各遠心ドラッグ翼３３−１〜５の間にもピン（位置決め用部材）３９を設けて位相決めを行い、ポンプの分解及び組立時にポンプロータのバランスが崩れてしまうことを防止している。これにより、遠心ドラッグ翼３３−１〜５の回転方向の相対位置が常に一定となり、ポンプロータのバランスの崩れを防止できる。
【００６０】
更に、ポンプロータのアンバランス量を極力少なくするために、ピン３７，３９は主軸５を中心に対称もしくは円周等配に２ヵ所以上設けるのが望ましい。なお、上述した構成によれば、各遠心ドラッグ翼３３−１〜５の間に挿入される固定翼３４−１〜５は、それぞれ複数に分割することなく一体のままで組み立てることが可能となる。固定翼を複数に分割した場合、固定翼の分割面から気体が漏れるという問題が生じるが、本実施形態では、このような問題が生じないため、排気効率の高い真空ポンプが実現できる。
【００６１】
次に、本実施形態の真空ポンプのバランス修正作業について説明する。
本実施形態のポンプロータは高速で回転されるため、ポンプロータのバランス修正作業が必須である。上記バランス修正作業は、まず、タービン翼１３及び遠心ドラッグ翼３３−１〜５等、主軸５に固定されるすべての部材を主軸５に組付けた状態にて、バランサー等を用いて行う。次に、一旦ポンプロータを分解し、各遠心ドラッグ翼３３−１〜５と固定翼３４−１〜５を交互に主軸５に挿入し、真空ポンプ全体の組立を行う。このとき、前述した通り、遠心ドラッグ翼３３−１〜５はピン３９により位相決めされているのでバランスの再現性が確保される。最後に、必要であれば真空ポンプの組立が完了した状態にてポンプロータを高速回転させ、この状態にてさらに精度の高いバランス修正を行う。
【００６２】
ポンプを組立てた状態でのバランス修正作業は、主軸５の軸端に設けたバランスリング１７とアキシャルディスク４３ｂの外周部を切削することにより行う。これは、タービン翼１３や遠心ドラッグ翼３３−１〜５の切削が困難なためである。例えば、タービン翼１３は通常高強度アルミニウム合金で製作されるが、プロセスガス等に対して耐食性を付与するため、タービン翼１３の表面に耐食処理（Ｎｉめっき等の各種コーティング処理）が施される。このため、タービン翼１３を切削するとコーティング膜も同時に除去してしまうために耐食性を損ねてしまう。また、各遠心ドラッグ翼３３−１〜５は固定翼３４−１〜５と交互に組付けられているため、真空ポンプが組立てられた状態で切削を行うことが困難であるとともに、遠心ドラッグ翼３３−１〜５をセラミックスで製作した場合は切削自体が困難である。
【００６３】
上記理由により、バランス修正のための切削箇所は、バランスリング１７とアキシャルディスク４３ｂの外周部であることが好ましい。バランスリング１７は、耐食性を有する材料で製作することにより切削が可能となる。アキシャルディスク４３ｂは、強磁性体材料（電磁軟鉄やパーマロイ等）により製作されるため耐食性は劣るが、アキシャルディスク４３ｂは排気される気体に晒されないこと、後述するパージガス導入によりアキシャルディスク４３ｂはプロセスガスなどの気体から保護される位置にあること、などの理由からアキシャルディスク４３ｂの切削は可能である。なお、アキシャルディスク４３ｂの切削作業は、その外周側に設けられたのぞき穴４６にドリル等を挿入して行う。
【００６４】
次に、本実施形態のポンプの運転動作について図１を参照して説明する。
タービン翼１３の最上段近傍には、ほぼタービン翼１３の外径と同一の口径を有する吸気口１１が設けられており、この吸気口１１から排気すべき気体が吸入される。そして、ターボ分子ポンプ要素（第１の排気部）１０は、タービン翼１３をその外周部の周速度が４００ｍ／ｓ程度（例えば、タービン翼１３の直径φ１００ｍｍの場合では７．５万毎分回転（ｍｉｎ−１）程度）となるように高速回転させて、高真空領域（分子流領域）で効果的に気体を圧縮する。具体的には、吸気口圧力１０−７〜１００Ｐａオーダーから１０１Ｐａオーダーまで気体を圧縮する。
【００６５】
ターボ分子ポンプ要素（第１の排気部）１０にて圧縮された気体は、上ハウジング２４の外周面と円筒ケーシング２１の内周面との間に形成された流路２９を通過して遠心ドラッグポンプ要素（第２の排気部）３０に導入される。流路２９は、タービン翼１３の最終段の外周部に隣接した位置に設けられ、軸方向に沿って下流側に延びている。ターボ分子ポンプ要素１０では、主にタービン翼１３の外周部にて気体が圧縮及び排気されるので、気体の流れを乱すことなく気体をタービン翼１３の外周部から流路２９を介して遠心ドラッグポンプ要素３０へ導入でき、コンダクタンスを大きく（排気抵抗を小さく）することができる。
【００６６】
遠心ドラッグポンプ要素３０へ導入された気体は、複数の遠心ドラッグ翼３３−１〜５と固定翼３４との相互作用により大気圧付近（１０５Ｐａオーダー）まで圧縮される。遠心ドラッグ翼３３は、タービン翼１３と同様、主軸５の外周面に固定され高速回転する。まず、遠心ドラッグポンプ要素３０へ導入された気体は、遠心ドラッグ翼３３−１の内周側から外周側へ移送されながら圧縮される。外周側へ移送された気体は、固定翼３４−２に沿って内周側に戻されて、再度次の段の遠心ドラッグ翼３３−２にて圧縮される。このように、複数段の遠心ドラッグ翼３３−１〜５を設けて気体を各遠心ドラッグ翼３３−１〜５の内周側→外周側→内周側と移送させて圧縮することにより、極めて高い圧縮比が得られる。
【００６７】
また、本実施形態のポンプでは、モータ２３により主軸５が回転駆動され、主軸５の外周部に固定されたタービン翼１３と遠心ドラッグ翼３３−１〜５が回転することにより気体が順次圧縮されるため、気体の圧縮熱及び攪拌熱が発生する。この発熱量は圧縮比が大きいほど多いため、高真空領域にて動作するターボ分子ポンプ要素１０及び遠心ドラッグポンプ要素３０の温度上昇が著しい。また、回転駆動力を発生するモータ２３においても損失による熱が発生する。さらに、上ラジアル磁気軸受２２、アキシャル磁気軸受４３、下ラジアル磁気軸受４４（以下、適宜磁気軸受２２，４３，４４という）では、渦電流損失によるロータ側の昇温や、ポンプロータのアンバランスが増大したときにコイルへの電流が増大することによるステータ側の昇温が考えられる。
【００６８】
さらに、磁気軸受２２，４３，４４で主軸５を支承しない時には、上タッチダウン軸受２６及び下タッチダウン軸受４７（以下、適宜タッチダウン軸受２６，４７という）でポンプロータを支承することになるが、ポンプロータが高速回転するときにタッチダウン軸受２６，４７でポンプロータを支承すると、タッチダウン軸受２６，４７の内輪とポンプロータ又は内外輪と転動体との摩擦により発熱が生じる。そして、タッチダウン軸受２６，４７が過度に高温となると、タッチダウン軸受２６，４７内部の隙間の減少等によりタッチダウン軸受２６，４７が劣化し、損傷を引き起こす可能性がある。したがって、昇温した上記各部を冷却し、過度な温度上昇を防止するため、ターボ分子ポンプ要素１０の外周部（上ケーシング１２）及び遠心ドラッグポンプ要素３０の外周部（下ケーシング３２）には、それぞれ冷却ジャケット１８，３８が設けられている。同様に、上タッチダウン軸受２６、上ラジアル磁気軸受２２、及びモータ２３の外周側（上ハウジング２４）に冷却ジャケット２５が設けられ、アキシャル磁気軸受４３、下ラジアル磁気軸受４４、及び下タッチダウン軸受４７の外周側に冷却ジャケット４５が設けられている。
【００６９】
なお、磁気軸受２２，４３，４４及びモータ２３を冷却する理由として、次の事由が挙げられる。すなわち、モータ２３や磁気軸受２２，４３，４４のステータ側には銅線からなるコイルが設けられるが、該コイルを腐食性プロセスガスから保護すると共に、コイルの絶縁性の強化及び伝熱性を高めるために、一般に、コイルの周囲には樹脂材が充填される。このコイル及び樹脂材の耐熱性が低いため、コイル及び樹脂材を冷却して、その温度を適正に保つ必要がある。
【００７０】
遠心ドラッグポンプ要素３０では、遠心ドラッグ翼３３及び固定翼３４にて発生する熱は下ケーシング３２に設けられた冷却ジャケット３８により冷却される。しかしながら、ポンプステータ（下ケーシング３２や固定翼３４など）の温度に比してポンプロータ（遠心ドラッグ翼３３や主軸５など）の温度は依然として高い。このため、ポンプロータはポンプステータに比して熱膨張量が多くなり、遠心ドラッグ翼３３と固定翼３４との間のギャップが運転中に変化してしまう。このため、ポンプ性能が安定しないばかりか、最悪の場合遠心ドラッグ翼３３と固定翼３４が接触する恐れがある。このような問題の対策として、遠心ドラッグ翼３３と固定翼３４の接触を防止するために上記ギャップを大きく設定することが考えられるが、ポンプ性能を低下させることとなり好ましくない。
【００７１】
そこで、本実施形態では次のような構成が採用されている。すなわち、最終段の遠心ドラッグ翼３３−５のすぐ下には、センサターゲット４２ａとアキシャル変位センサ４２ｂが設けられている。そして、アキシャル変位センサ４２ｂによりポンプロータの軸方向の変位量を検出し、検出された変位量に基づいてフィードバック制御等を介してアキシャル磁気軸受４３によりポンプロータの軸方向の位置を一定に保つようにする。これによって、ポンプロータが熱膨張した場合であっても、ポンプロータのアキシャル方向の基準位置をアキシャル変位センサ４２ｂの測定点とすることができる。したがって、この測定点を起点として主軸５や遠心ドラッグ翼３３が軸方向に伸びることになるので、遠心ドラッグ翼３３の軸方向の変位量は微少に抑制され、遠心ドラッグ翼３３と固定翼３４間の軸方向のギャップを運転中ほぼ一定に維持できる。これにより、ポンプ性能を向上させることができると共に真空ポンプの運転を安定化することができる。さらに、上記ギャップを小さく（数μｍ〜数百μｍオーダー）設定できるので、排気効率のよい真空ポンプが得られる。なお、排気効率が良くなると、遠心ドラッグポンプ要素３０の１段あたりのポンプ性能が向上するので、遠心ドラッグ翼３３の段数を少なくできる。遠心ドラッグ翼３３の段数が少なくできると主軸５の軸長はより短くすることができるため、真空ポンプの高速運転及びコンパクト化が容易となる。
【００７２】
主軸５及び遠心ドラッグ翼３３には、線膨張係数の小さい材料（線膨張係数０.５〜５×１０−６／Ｋ程度の材料）を用いることが好ましい。線膨張係数の小さい材料を使用することにより、熱膨張による主軸５及び遠心ドラッグ翼３３の伸び量を抑制することができる。上記材料として、例えばＦｅ−Ｎｉ合金であるインバーやニレジスト鋳鉄、もしくはセラミックス（ＳｉＣ、ＳｉＮ等）等が挙げられる。さらに、セラミックスは耐熱性に優れ、軽量で比強度も高いので遠心ドラッグ翼３３の材料としては非常に好適である。なお、遠心ドラッグ翼３３をセラミックスで製作する場合には、遠心ドラッグ翼３３の各段のプロフィール（翼形状）を、性能面で許容できる範囲内で同一にする。これにより、焼結による遠心ドラッグ翼３３の大量生産が可能となりコストダウンを図ることが可能となる。
【００７３】
なお、線膨張係数の小さい材料はポンプロータのみならずポンプステータに使用してもよい。このような構成によれば、プロセスガスに含まれる生成物の流路での析出を防止するために流路を高温にする必要がある場合、温度変化による各部材の寸法変化を極小化できる。また、更なる効果として、ターボ分子ポンプ要素１０のタービン翼１３と固定翼１４との軸方向のギャップを極小化することが可能となり、排気性能を向上させることができる。
【００７４】
次に、本発明の第２の実施形態に係る真空ポンプについて図５を参照して説明する。図５は本発明の第２の実施形態に係る真空ポンプを示す断面図である。第２の実施形態と図１に示す第１の実施形態との相違点は、真空ポンプの第２の排気部の構成にある。なお、特に説明しない第２の実施形態の構成及び動作については上述した第１の実施形態と同様であるので、重複する説明を省略する。以下、本実施形態における第２の排気部の構成について説明する。
【００７５】
図５に示すように、本実施形態における第２の排気部は、より高い圧縮比を得るために、遠心ドラッグポンプ要素５０Ａと渦流ポンプ要素（渦流ポンプ部）５０Ｂとを直列に配置した構造となっている。すなわち、２段の遠心ドラッグ翼３３−１〜２と、２段の渦流翼（回転翼）５１−１〜２（以下、適宜、渦流翼５１という）が主軸５に沿って直列に配置され、それぞれ主軸５に固定されている。遠心ドラッグポンプ要素５０Ａでは、固定翼３４−１〜２と遠心ドラッグ翼３３−１，２とが交互に配置され、同様に、渦流ポンプ要素５０Ｂでは、渦室スペーサ５２−１〜２（以下、適宜、渦室スペーサ５２という）と渦流翼５１−１〜２とが交互に配置されている。
【００７６】
図６（ａ）は図５に示す渦流翼の平面図であり、図６（ｂ）は図５に示す渦流翼の正面図である。図７は図５に示す渦室スペーサの平面図である。図８は図５に示す排気流路の模式図である。図６（ａ）及び図６（ｂ）に示すように、渦流翼５１の外周部には、放射状に延びる複数の放射状翼５３が形成されている。より詳しくは、渦流翼５１は、主軸５に嵌合する小径の円筒部（ボス）５１ａと、翼部（円板状の基部５１ｂ及び放射状翼５３）とを有している。そして円筒部５１ａの軸方向寸法Ｌ１は、翼部（基部５１ｂ及び放射状翼５３）の軸方向長寸法Ｌ２より大きい。また、円筒部５１ａの外周面の位置において、基部５１ｂの下面から円筒部５１ａの下端までの寸法Ｌ５及び基部５１ｂの上面から円筒部５１ａの上端までの寸法Ｌ６は、基部５１ｂの厚さ（軸方向寸法）Ｌ４の０．５倍以上に設定されている。これにより、渦流翼５１においても、回転により生じる内部応力を低減できる。なお、円筒部５１ａと基部５１ｂとの接続部には、隅肉部５１ｃが形成されている。また、図７に示すように、渦室スペーサ（固定翼）５２は、周方向に延びる流路溝（渦室）５４を有しており、この流路溝５４の一端に気体導入口５５が、他端に気体導出口５６が設けられている。なお、図７中の矢印Ｃは渦流翼５１（図７中には図示せず）の回転方向を表している。図５に示すように、放射状翼５３と流路溝５４との間には排気流路５７が形成されている。
【００７７】
渦流翼５１が回転すると、気体導入口５５から流入した気体は、排気流路５７内で渦流を形成し、気体導出口５６に向かって移送されながら圧縮され、気体導出口５６から排出される。本実施形態の渦流ポンプ要素５０Ｂは２段の渦流翼５１−１〜２が直列に配置された多段構成のため、各段の気体導入口５５と気体導出口５６とが接続され（図８参照）、最終段の渦室スペーサ５２−２の気体導出口５６が排気口３１に連通される。なお、本実施形態における渦流翼５１は、渦流翼５１の両面に渦流を発生させる、いわゆる両面翼の形状を有しているが、渦流翼の片面にのみ過流を発生させる片面翼を採用してもよく、更に、渦流翼の外周側及び内周側で渦を発生させる形状を有した渦流翼を採用することも可能である。
【００７８】
図８に示すように、渦流ポンプ要素５０Ｂでは排気流路５７が螺旋状に形成されることとなるが、排気流路５７は、渦流翼５１と渦室スペーサ５２との間に、軸方向の微少隙間５８と径方向の微少隙間５９を有するため（図５参照）、これらの隙間５８，５９はできるだけ狭くして気体の逆流を防止することが好ましい。
【００７９】
かかる観点から、センサターゲット４２ａ及びアキシャル変位センサ４２ｂは、最終段の渦流翼５１−２のすぐ下に設けられている。これにより、ポンプロータの軸方向の基準位置はアキシャル変位センサ４２ｂの測定点となるため、ポンプロータが熱膨張した場合にこの測定点を起点として主軸５と渦流翼５１が軸方向に伸びることになる。したがって、各渦流翼５１の軸方向の変位量をアキシャル磁気軸受４３を介して微少に抑制することが可能である。この結果、渦流翼５１と渦室スペーサ５２間の軸方向の隙間５８を運転中ほぼ一定に維持できる。よって、ポンプ性能を向上させると共に安定化できる。さらに、設計段階において隙間５８を可及的に小さく（数μｍ〜数百μｍオーダー）設定できるので、排気効率のよい真空ポンプが実現できる。
【００８０】
主軸５及び渦流翼５１には、線膨張係数の少ない材料（線膨張係数０.５〜５×１０−６／Ｋ程度）を用いることが好ましい。これにより、熱膨張による主軸５及び渦流翼５１の伸び量をより抑制することができる。上記材料として、例えばＦｅ−Ｎｉ合金であるインバーやニレジスト鋳鉄、もしくはセラミックス（ＳｉＣ、ＳｉＮ等）等が挙げられる。特にセラミックスは耐熱性に優れ、軽量で比強度も高いので、渦流翼５１の材料としては非常に好適である。また、径方向の微少隙間５９をシールするために、渦室スペーサ５２の内周面にラビリンスシール機構を設けて気体の逆流防止を行っている。このような構成により、渦流翼５１の各段間のシール性能が向上し、その結果、圧縮比の大きい渦流ポンプ要素が実現できる。
【００８１】
なお、線膨張係数の小さい材料はポンプロータのみならず渦室スペーサなどのポンプステータにも使用することができる。例えば、排気流路５７内で生成物が析出してしまうことを防止するために排気流路５７を高温にする必要がある場合、温度変化による渦室スペーサ５２（排気流路５７）の寸法変化を少なくすることができる。また、更なる効果として、第１の排気部（ターボ分子ポンプ要素１０）のポンプロータ側とポンプステータ側との軸方向のギャップを極小化することが可能となり、排気性能を向上させることができる。
【００８２】
図９は、本発明の第３の実施形態に係る真空ポンプを示す断面図である。本実施形態では、第１の排気部に遠心ドラッグポンプ要素を、第２の排気部に渦流ポンプ要素を設けたことが、第１の実施形態との大きな相違点である。なお、図１及び図５と同一の部分については同一の符号を付し、その重複する説明を省略する。
【００８３】
本実施形態の真空ポンプは、第１の排気部として遠心ドラッグポンプ要素３０を、第２の排気部として渦流ポンプ要素６０を備えている。このような構成によれば、大気圧から中真空領域（１０−１Ｐａオーダー）までの範囲で有効に動作可能な真空ポンプが実現できる。遠心ドラッグポンプ要素３０は、遠心ドラッグ翼３３−１〜４及び固定翼３４−１〜４を備えた４段構成であり、遠心ドラッグ翼３３の渦巻状羽根３５の高さ及び固定翼３４の渦巻状羽根６６の高さは、上流側から下流側へ順次小さくなっている。渦流ポンプ要素６０は、渦流翼５１−１〜４及び渦室スペーサ５２−１〜４を備えた４段構成であり、上流側から下流側へ渦流翼５１−１〜４及び渦室スペーサ５２−１〜４の厚さを順次薄くしている。これにより、遠心ドラッグポンプ要素３０及び渦流ポンプ要素６０は、上流側（吸気側）から下流側（排気側）へ排気流路６５，５７の断面積を順次減じていく構成となり、効率的に気体を排気及び圧縮することができる。
【００８４】
また、図９に示すように、アキシャル磁気軸受４３は、下側に配置される電磁石４３ｃを大きくして下向きの電磁力を大きくした構成としている。これは、ポンプ運転中に排気口３１の圧力が大気圧近傍である場合に、ポンプロータには、回転翼面積×（吸気口と排気口との間の圧力差）により算出される上向きの力（例えば、回転翼径がφ１００ｍｍでは８００Ｎ程度）が発生するためである。この場合、真空ポンプ運転中に電磁石４３ｃには多くの電流が流れるため、冷却ジャケット４５をなるべく電磁石４３ｃに近接して配置することが好ましい。
【００８５】
なお、排気流路の断面積は、ポンプ要素の種類により様々な方法によって増減させることができる。図１０は排気流路の断面積と各種パラメータとの関係を説明するための表である。図１１（ａ）乃至図１１（ｃ）は図１０の表に記載されたタービン翼の一例を示す参考図である。図１２（ａ）及び図１２（ｂ）は図１０の表に記載された遠心ドラッグ翼の一例を示す参考図である。図１３（ａ）及び図１３（ｂ）は図１０の表に記載された渦流翼の一例を示す参考図である。
【００８６】
タービン翼１３（図１１（ａ）乃至図１１（ｃ）参照）においては、排気流路の断面積を増減させるパラメータとして羽根１３ａの枚数と高さがある。そして、図１１（ｂ）及び図１１（ｃ）に示すように、羽根１３ａの高さを低くする、及び／又は羽根１３ａの枚数を増やすことにより、羽根１３ａ間の寸法が小さくなって排気流路の断面積を小さくできる。また、図１１（ａ）及び図１１（ｂ）に示すように、羽根１３ａの高さを低くするに従い、結果的に羽根１３ａの角度は減少する。
【００８７】
遠心ドラッグ翼３３（図１２（ａ）及び図１２（ｂ）参照）においては、排気流路の断面積を増減させるパラメータとして溝３３ｃ（渦巻状羽根３５）の本数と深さがある。ここで、溝３３ｃは渦巻状羽根３５の間に形成される凹部を意味する。そして、溝３３ｃ（渦巻状羽根３５）の本数を多くする（溝幅を狭くする）、及び／又は溝３３ｃの深さを浅くする（渦巻状羽根３５の高さを低くする）ことにより排気流路の断面積を小さくできる。
【００８８】
渦流翼５１（図１３（ａ）及び図１３（ｂ）参照）においては、排気流路の断面積を増減させるパラメータとして放射状翼５３の枚数と高さがある。そして、放射状翼５３の枚数を増やす、及び／又は放射状翼５３の高さを低くすることにより、放射状翼５３の間の寸法が小さくなって排気流路の断面積を減少できる。このように、いずれの回転翼を採用する真空ポンプにおいても、それぞれの最適な運転圧力範囲内において、高真空側から低真空側へ排気流路の断面積を減じていくことにより、効率的に気体を圧縮及び排気することができる。これらの回転翼の構成は、いずれの実施形態に使用してもよい。
【００８９】
図１４は本発明の第４の実施形態に係る真空ポンプを示す断面図である。図１５は図１４のXV-XV線断面図である。本実施形態に係る真空ポンプは、生成物を含むプロセスガスを排気する場合に好適に使用される。なお、特に説明しない本実施形態の構成及び動作は、上述した第３の実施形態と同様であるので、重複する説明を省略する。
【００９０】
図１４に示す真空ポンプでは、遠心ドラッグポンプ要素（第１の排気部）３０の最終段の遠心ドラッグ翼３３−４近傍に中間排気口９１が設けられ、渦流ポンプ要素（第２の排気部）６０の第１段目の渦流翼５１−１近傍に中間吸気口９２が設けられている。中間排気口９１と中間吸気口９２とは排気管９３にて接続されている。そして、第１の排気部３０から排気された気体は排気管９３を通過して渦流ポンプ要素６０へ導入される。また、遠心ドラッグポンプ要素３０の上ケーシング１２の外周部と、排気管９３の外周部と、渦流ポンプ要素６０の下ケーシング３２の外周部には、気体の流路を加熱するためのヒータ９４，９５，９６が各々取り付けられている。
【００９１】
上記構成を有する本実施形態の真空ポンプでは、気体の流路が各々のヒータ９４，９５，９６により予め十分に加熱された状態で運転を開始することができる。運転開始後は、排気される気体の圧縮熱や攪拌熱により、遠心ドラッグポンプ要素３０や渦流ポンプ要素６０が発熱する。このため、図示しないが、遠心ドラッグポンプ要素３０及び排渦流ポンプ要素６０近傍に、それぞれ温度検出手段を設けてヒータ９４，９５，９６による加熱量を調整し、気体の流路が所定の温度を維持できるように制御する。
【００９２】
遠心ドラッグポンプ要素３０や渦流ポンプ要素６０での気体の圧縮作用が大きい場合は、気体の圧縮熱や攪拌熱による発熱量が多くなるので、ヒータ９４，９６による加熱量を調節するだけでは所定の温度を維持できなくなる。このような場合は、冷却ジャケット１８，３８の冷却媒体の流量や温度を調整することにより、排気流路６５，５７の温度を所定の温度に維持することができる。上記構成により、真空ポンプ内の排気流路６５，５７は運転中常に所定の温度にまで昇温されるため、気体に含まれる生成物の排気流路６５，５７での析出を防止できる。これにより、生成物析出によるポンプロータの回転阻害や排気流路６５，５７の断面積の減少によるポンプ性能の低下を防止することができ、長期間安定した性能を維持できる真空ポンプを提供できる。なお、昇温されるべき流路の温度は、半導体製造プロセスに使用されるガスの種類、ガス量、圧力等諸々の条件によるが、１００℃以上が好ましい。
【００９３】
主軸５に固定されたセンサターゲット４２ｃ及び該センサターゲット４２ｃの軸方向の変位を測定するアキシャル変位センサ４２ｄは、最終段の遠心ドラッグ翼３３−４の近傍に配置されている。また、主軸５に固定されたセンサターゲット４２ａ及び該センサターゲット４２ａの軸方向の変位を測定するアキシャル変位センサ４２ｂは、最終段の渦流翼５１−４の近傍に配置されている。さらに、主軸５の軸方向の変位を測定するアキシャル変位センサ４２ｅは、主軸５の下流側端部の近傍に配置されている。
【００９４】
主軸５、遠心ドラッグ翼３３、及び渦流翼５１等で構成されるポンプロータの軸方向の基準位置は、最終段の渦流翼５１−４のすぐ下流側に設置されたアキシャル変位センサ４２ｂによって測定される。そして、アキシャル変位センサ４２ｂの測定値に基づいてフィードバック制御等を介してアキシャル磁気軸受４３によりポンプロータの軸方向の位置を一定に保つようにする。ここで、他の２つのアキシャル変位センサ４２ｄ，４２ｅは、それぞれの設置箇所でのポンプロータと固定翼３４，５２などから構成されるポンプステータとのギャップを測定し、これらの測定値を真空ポンプの制御動作や保護動作等に必要な情報として用いることができる。
【００９５】
例えば、真空ポンプの運転時において各部の温度変化により、上記ポンプロータ及びポンプステータは、ポンプロータの浮上位置制御に使用されるアキシャル変位センサ４２ｂの測定点を起点として、軸方向に熱膨張又は収縮する。このため、遠心ドラッグポンプ要素３０及び渦流ポンプ要素６０でのポンプロータとポンプステータとの間のギャップや、ポンプロータの軸方向の動きを規制する下タッチダウン軸受４７と主軸５との軸方向ギャップが変化する。その結果、ポンプ性能が安定しないばかりか最悪の場合ポンプロータとポンプステータ及びタッチダウン軸受とが接触し、運転不能になる可能性がある。
【００９６】
上記問題の対策として、ポンプロータの浮上位置制御に使用されるアキシャル変位センサ４２ｂの他に、軸方向においてアキシャル変位センサ４２ｂとは異なった位置にアキシャル変位センサ４２ｄ，４２ｅを設置する。そして、アキシャル変位センサ４２ｄ，４２ｅによって各設置位置におけるポンプロータとポンプステータの基準位置からの変位量を監視し、変位量が所定の適正値から外れた場合には、運転を停止する等の保護動作を行うことにより、運転の安全性を確保することができる。更に、ポンプステータの温度をサーミスタ、熱電対等の温度検出手段（図示せず）で検出しつつ、アキシャル変位センサ４２ｄ，４２ｅの出力信号を温度監視装置（図示せず）により監視する。これにより、ポンプロータ及びポンプステータの軸方向寸法の変化に基づいて、ポンプロータの温度を検出することが可能となる。
【００９７】
また、遠心ドラッグ翼３３−１〜４の間にはリング状部材６１が設けられており、これらのリング状部材６１は遠心ドラッグ翼３３−１〜４に隣接するように配置されている。そして、これらのリング状部材６１によって各遠心ドラッグ翼３３−１〜４の軸方向位置が固定されている。このリング状部材６１は、主軸５と遠心ドラッグ翼３３−１〜４との材料の違い（熱膨張係数の違い）による軸方向の伸び量の差を吸収し、かつ遠心ドラッグ翼３３−１〜４の軸方向の位置を調整するために設置されている。すなわち、主軸５の材料を例えばマルテンサイト系ステンレス鋼（線膨張係数１０×１０−６／Ｋ）で構成し、遠心ドラッグ翼３３−１〜４の材料を窒化ケイ素セラミックス（Ｓｉ３Ｎ４、線膨張係数３×１０−６／Ｋ）で構成した場合、主軸５に遠心ドラッグ翼３３−１〜４を積み重ねて位置決めしてしまうと、運転時の温度上昇により遠心ドラッグ翼３３−１〜４の伸び量よりも主軸５の伸び量が大きくなって初期の締結（位置決め）状態が変化し、遠心ドラッグ翼３３−１〜４の軸方向位置が変化してしまう可能性がある。
【００９８】
このような問題を防止するため、主軸５と、該主軸５に取り付けられる第１のユニット（遠心ドラッグ翼３３−１〜４、リング状部材６１、センサターゲット４２ｃ）との伸び量を略同一に調整するように、リング状部材６１を主軸５とは異なる材料（例えば、オーステナイト系ステンレス鋼１５×１０−６／Ｋ）で構成する。これにより、主軸５に取り付けられる第１のユニットの締結（位置決め）状態に変化がなくなる。また、第１のユニットでの熱応力の発生を防止することができる。さらに、渦流翼５１−１〜４の間にも同様の作用を有するリング状部材６２が設置されている。第２のユニットは、渦流翼５１−１〜４、リング状部材６２、センサターゲット４２ａ、及びアキシャルディスク４３ｂから構成され、主軸５と、該主軸５に取り付けられる第２のユニットとの線膨張係数は略同一である。なお、本実施形態では、回転翼の軸方向の位置を調整する構成例を示したが、主軸と回転翼との間にリング状部材を介在させ、回転翼の径方向の位置を調整することもできる。
【００９９】
なお、上述した遠心ドラッグ翼３３の主軸５に対する位置決めの手法を、このリング状部材６１の主軸５への位置決めに適用することもできる。すなわち、リング状部材６１は、遠心ドラッグ翼３３に比べて小径であるため、回転時にリング状部材６１に生じる応力は小さい。一方、遠心ドラッグ翼３３は直径が大きいため、円筒部（ボス）３６を設けて遠心ドラッグ翼３３に生じる応力を低減させても、高速で回転する遠心ドラッグ翼３３の円筒部３６に生じる応力は必然的に大きくなる。そこで、図１５に示すように、円筒部３６の外周面に軸方向に沿って延びる断面半円状の切欠き（溝）３６ａを形成し、リング状部材６１の内周面に、軸方向に沿って延びる断面半円状の切欠き（溝）６１ａを形成する。そして、２つの切欠きにより形成されるピン穴にピン（位置決め用部材）６３を挿入する。こうすることにより、円筒部３６の内部にピン穴を形成した場合にくらべて、円筒部３６に生じる応力を小さくできる。この場合において、リング状部材６１に生じる応力は元々小さいため、切欠きにより応力が上昇しても支障はない。このような構成により、遠心ドラッグ翼３３−１〜４の相対的な位相決めと高速回転の両立が可能となる。なお、上記構成は、遠心ドラッグ翼３３に限らず、タービン翼１３や渦流翼５１など、他の形式の回転翼に適用してもよいことは言うまでもない。
【０１００】
なお、排気管９３は真空ポンプの外周部に配置されるため、排気管９３の着脱が容易である。したがって、排気管９３の交換等により排気管９３のメンテナンスを簡単に実施できる。また、排気管９３を加熱するのではなく逆に冷却することにより、ガス中に含まれる生成物を積極的に排気管９３で析出させ、一定期間毎に排気管９３を交換しても良い。このように、排気管９３を生成物のトラップ装置として機能させることもできる。この場合、ガスに含まれる生成物は排気管９３内でトラップされるため、渦流ポンプ要素６０での生成物の析出を防止できると共に、生成物を含むガスを排気口３１から排出させないようにすることができる。
【０１０１】
また、真空ポンプの運転中、モータ２３や磁気軸受２２，４３，４４から発生した熱は、冷却ジャケット２５，４５により吸熱される。本実施形態に係る構成では、遠心ドラッグポンプ要素３０と渦流ポンプ要素６０の間の流路に排気管９３が設けられ、モータ２３や上ラジアル磁気軸受２２を収容する上ハウジング２４の外周部が流路の一部として使用されない。したがって、流路に熱的影響を与えることなくモータ２３及び上ラジアル磁気軸受２２の冷却を行うことができる。また、下ラジアル磁気軸受４４及びアキシャル磁気軸受４３は、流路から離れた位置、すなわち、渦流ポンプ要素６０の下流側に配置されているので、下ラジアル磁気軸受４４及びアキシャル磁気軸受４３も流路に熱的影響を与えることなく冷却できる。このため、モータ２３や磁気軸受２２，４３，４４の冷却効率を向上でき、モータ２３及び磁気軸受２２，４３，４４の小型化及び高容量化が可能となる。また、モータ２３及び磁気軸受２２，４３，４４の冷却と排気管９３の加熱とを個別に制御及び実施できるので、上述した各部への冷却作用及び加熱作用は互いに影響されにくくなり、熱効率を向上できる。
【０１０２】
また、図１４に示すように、本実施形態の真空ポンプでは、上ラジアル磁気軸受２２及びモータ２３が収容される上ハウジング２４内に、上パージガスポート７３及びパージガス流路７４が設けられている。また、下ラジアル磁気軸受４４及びアキシャル磁気軸受４３が収容される下ハウジング４１内に、下パージガスポート８４，８５が設けられている。上パージガスポート７３および下パージガスポート８４，８５は、図示しないパージガス供給源に接続されている。
【０１０３】
パージガスは、上下ラジアル磁気軸受２２，４４、アキシャル磁気軸受４３、及びモータ２３に、排気される気体中に含まれる生成物が析出するのを防止するために用いられる。また、パージガスを導入することによって上ハウジングユニット２０及び下ハウジングユニット４０内への気体の侵入が防止される。
【０１０４】
上パージガスポート７３より導入されたパージガスは、パージガス流路７４を通って上ラジアル磁気軸受２２の上流側及びモータ２３の下流側から上ハウジングユニット２０の内部に導入される。これにより、上ラジアル磁気軸受２２及びモータ２３の周囲はパージガス雰囲気となり、排気される気体の侵入を防止できる。また、上ハウジングユニット２０と渦流ポンプ要素（第２の排気部）６０との連通部には、ラビリンスシール機構７５が設けられている。このラビリンスシール機構７５により、排気される気体の上ハウジングユニット２０への侵入が確実に防止され、上ハウジングユニット２０内での生成物の析出が防止できる。なお、図示しないが、上タッチダウン軸受２６付近にラビリンスシール機構等の非接触シール機構を設ければ、より効果的に上ハウジングユニット２０への気体の侵入を防ぐことができる。
【０１０５】
一方、下パージガスポート８４，８５より導入されるパージガスは、タッチダウン軸受４７、下ラジアル磁気軸受４４、及びアキシャル磁気軸受４３を通って排気口３１より排出される。これにより、下ラジアル磁気軸受４４及びアキシャル磁気軸受４３の周囲はパージガス雰囲気となり、排気される気体の下ハウジングユニット４０への侵入を防止できる。さらに、図示はしないが、渦流ポンプ要素６０と下ハウジングユニット４０との連通部にラビリンスシール機構を設け、排気される気体からアキシャル磁気軸受４３及び下ラジアル磁気軸受４４を保護することもできる。
【０１０６】
図１６は本発明の第５の実施形態に係る真空ポンプを示す断面図である。本実施形態では、主軸５を回転駆動するモータ２３を遠心ドラッグポンプ要素（第２の排気部）３０の下流側に配置される下ラジアル磁気軸受４４の近傍に配置したこと、及びパージガス供給機構を設けたことが第１実施形態との大きな相違点である。本実施形態に係る真空ポンプについて以下に詳細に説明する。
【０１０７】
図１６に示す真空ポンプは、ターボ分子ポンプ要素（第１の排気部）１０、上ハウジングユニット７０、遠心ドラッグポンプ要素（第２の排気部）３０、下ハウジングユニット８０を備えている。主軸５は真空ポンプ全体に亘って延び、主軸５の上端から下端にかけて、順に、ターボ分子ポンプ要素（第１の排気部）１０→上ハウジングユニット７０→遠心ドラッグポンプ要素（第２の排気部）３０→下ハウジングユニット８０が直列に配置されている。ここで、ターボ分子ポンプ要素（第１の排気部）１０と遠心ドラッグポンプ要素（第２の排気部）３０は第１の実施形態とほぼ同一構成のため、同一の符号を付して説明を省略する。
【０１０８】
上ハウジングユニット７０は上ハウジング７１を備えている。この上ハウジング７１は円筒形状を有しており、その下端にはフランジ部が形成されている。上ハウジング７１は上ケーシング１２内に位置しており、上ハウジング７１のフランジ部は上ケーシング１２の下端部に当接されている。上ハウジング７１内には上タッチダウン軸受２６及び上ラジアル磁気軸受２２が収容され、上ハウジング７１の周壁内に設けられた冷却ジャケット７６により上タッチダウン軸受２６及び上ラジアル磁気軸受２２の冷却が行われている。さらに、上ラジアル磁気軸受２２の下方には、ラビリンスシール機構７５が設けられている。
【０１０９】
下ハウジングユニット８０は下ハウジング８１を備えており、この下ハウジング８１内に、アキシャル磁気軸受４３、モータ２３、下ラジアル磁気軸受４４、及び下タッチダウン軸受４７が配置されている。下ハウジング８１の周壁内には冷却ジャケット８３が設けられており、この冷却ジャケット８３により、アキシャル磁気軸受４３、モータ２３、下ラジアル磁気軸受４４、及び下タッチダウン軸受４７が冷却される。下ハウジング８１の上端部には、センサターゲット４２ａ及びアキシャル変位センサ４２ｂが設けられている。
【０１１０】
上記構成により、ターボ分子ポンプ要素１０と遠心ドラッグポンプ要素３０との軸方向距離を短くできるので、ターボ分子ポンプ要素１０と遠心ドラッグポンプ要素３０との間に設けられた流路２９のコンダクタンスが大きくなり、真空ポンプの実効排気速度をより大きくすることが可能となる。また、排気すべき気体量が増えると、モータ２３への負荷が増してモータ２３のコイルに電流が多く流れるため、モータ２３の冷却が特に重要となる。本実施形態では、モータ２３の外周部に冷却ジャケット８３が設けられているので、モータ２３の冷却が容易となる。
【０１１１】
一方、生成物を含むガスを排気する場合、生成物の析出防止のために流路を所定温度以上に加熱することが必要となる。本実施形態では、モータ２３は、流路を持たない下ハウジングユニット８０内に設置されているため、流路２９から離れた位置でモータ２３を冷却することができる。なお、上ハウジングユニット７０内にモータ２３を配置した場合、モータ２３のモータロータ及びモータステータは真空環境下に位置するため、モータロータとモータステータ間の熱伝達率が低くなる。このため、モータロータ側で発生した熱をモータステータ側へ伝達しづらくなる。一方、本実施形態のように、下ハウジングユニット８０内にモータ２３を設ければモータロータ周辺は大気圧環境となり、モータ２３の排熱が容易となる。
【０１１２】
また、本実施形態の真空ポンプでは、上パージガスポート７３が上ハウジング７１に設けられ、下パージガスポート８４，８５が下ハウジング８１に設けられている。上ラジアル磁気軸受２２が収容される上ハウジングユニット７０内には、上パージガスポート７３からパージガスが導入される。同様に、アキシャル磁気軸受４３、下ラジアル磁気軸受４４、及びモータ２３が収容される下ハウジングユニット８０内には、下パージガスポート８４，８５からパージガスが導入されるようになっている。このパージガスは、本実施形態の真空ポンプを用いて腐食性プロセスガスを排気する場合に、耐腐食性に乏しい構成材料、例えばケイ素鋼板や銅線コイルを備える上下ラジアル磁気軸受２２，４４、アキシャル磁気軸受４３、及びモータ２３を保護するために用いられる。したがって、パージガスを真空ポンプ内に導入することによって腐食性プロセスガスを排気する場合でも、長期間安定した真空ポンプの運転が可能となる。
【０１１３】
上パージガスポート７３から導入されたパージガスは、上ハウジング７１内に形成されたパージガス流路７４を通って上ラジアル磁気軸受２２の上流側及び下流側より上ハウジング７１内へ導入される。これにより、上ラジアル磁気軸受２２の周囲はパージガス雰囲気となり、排気される腐食性プロセスガスの上ハウジング７１内への侵入を防止できる。さらに、上ハウジング７１と遠心ドラッグポンプ要素３０と連通部にはラビリンスシール機構７５が設けられており、プロセスガスの上ハウジング７１内への侵入が防止されるようになっている。これにより、上ラジアル磁気軸受２２や上タッチダウン軸受２６の構成部品の腐食が防止でき、また、析出した生成物が上記構成部品上に堆積してしまうことが防止できる。なお、図示しないが、上タッチダウン軸受２６付近にラビリンスシール機構等の非接触シール機構を設ければ、より効果的にプロセスガスの上ハウジング７１への侵入を防ぐことができる。
【０１１４】
一方、下パージガスポート８４，８５より導入されるパージガスは、下ラジアル磁気軸受４４、モータ２３、及びアキシャル磁気軸受４３を通って排気口３１より排出される。これにより、下ラジアル磁気軸受４４及びアキシャル磁気軸受４３の周囲はパージガス雰囲気となり、腐食性プロセスガスなどの気体の下ハウジング８１内への侵入を防止できる。さらに、遠心ドラッグポンプ要素３０と下ハウジング８１との連通部にはラビリンスシール機構８６が設けられており、下ハウジング８１内への気体の侵入が効果的に防止される。
【０１１５】
前述したパージガス供給機構は、モータ２３が上ラジアル磁気軸受２２の近傍に配置された第１の実施形態の真空ポンプ等、その他の実施形態の真空ポンプに設けてもよいことは勿論である。次に、パージガス供給機構を第１実施形態の真空ポンプに適用した例を図１７に示す。
【０１１６】
図１７は本発明の第６の実施形態に係る真空ポンプを示す断面図である。図１７に示すように、上パージガスポート７３より導入されたパージガスは、上ハウジング２４内に形成されたパージガス流路７４を通って上ラジアル磁気軸受２２の上流側とモータ２３の下流側より上ハウジング２４の内部へ導入される。これにより、上ラジアル磁気軸受２２及びモータ２３の周囲はパージガス雰囲気となり、排気される腐食性プロセスガスの上ハウジング２４への侵入を防止できる。さらに、上ハウジング２４と遠心ドラッグポンプ要素３０との連通部にラビリンスシール機構７５を設けて、排気ガスから上ハウジング７１内を保護できるようにしているので、上ラジアル磁気軸受２２やモータ２３などの構成部品の腐食が防止され、析出物の上記構成部品への堆積が防止される。
【０１１７】
また、上ハウジング２４は第２の排気部である遠心ドラッグポンプ要素３０の上流側に設けられているため、上ハウジング２４内は真空となる。この場合、上ラジアル磁気軸受２２及びモータ２３のロータ側とステータ側との間の熱伝達量は極めて少なく、上ラジアル磁気軸受２２及びモータ２３のロータ側は高温になってしまう。本実施形態では、パージガスを上ハウジング２４内に導入することにより、上ラジアル磁気軸受２２及びモータ２３のロータ側とステータ側との間に存在する気体の圧力を高くすることができる。これにより、上ラジアル磁気軸受２２及びモータ２３のロータ側とステータ側との間の熱伝達量は増し、冷却ジャケット２５にて上ラジアル磁気軸受２２及びモータ２３のロータ側とステータ側の両方を有効に冷却できる。
【０１１８】
図１８は本発明の第７の実施形態に係る真空ポンプを示す断面図である。本実施形態に係る真空ポンプは、腐食性プロセスガスを排気する場合に好適に使用される。図１８に示すように、本実施形態における真空ポンプでは、上ラジアル磁気軸受２２のステータ２２ａの内周面及びモータ２３のモータステータ２３ａの内周面は保護部材２７によって覆われており、上ラジアル磁気軸受２２のロータ２２ｂの外周面及びモータ２３のモータロータ２３ｂの外周面にも保護部材２８が被覆されている。同様に、下ラジアル磁気軸受４４のステータ４４ａ及びロータ４４ｂの両方に保護部材４８，４９がそれぞれ設けられている。
【０１１９】
一般に、アキシャル磁気軸受では、ロータが回転しても電磁石の磁気回路において磁界変化が発生しない。このため、磁気回路内の渦電流損失を低減させる工夫を行う必要がなく、積層されたケイ素鋼板をコア（鉄心）として用いる必要がない。したがって、アキシャル磁気軸受のロータ側のコアは１つの材料から一体的に構成できるので、耐食性を有する材料（電磁ステンレス鋼、パーマロイ等）の使用や、コアの表面に耐食処理（Ｎｉめっき、ＰＴＦＥコーティング等）を施すことが容易である。すなわち、本実施形態では、アキシャル磁気軸受４３は、１つの材料から一体的に構成されたアキシャルディスク４３ｂを備え、そのアキシャルディスク４３ｂの表面には耐食膜９９が施されている。また、アキシャル磁気軸受４３のステータ側の電磁石４３ａでは、コイルの表面のみに保護部材９８が設けられ、排気される気体と該コイルとの接触が防止されている。電磁石４３ａのコアは、耐腐食性を有する材料（電磁ステンレス鋼、パーマロイ等）で構成されている。また、軸方向のポンプロータの変位を検出するアキシャル変位センサ４２ｂの表面にも保護部材９７が設けられている。
【０１２０】
なお、コアとして積層されたケイ素鋼板を用いない構成は、コアに改良を加えることによりラジアル磁気軸受に適用することも可能である。例えば、ロータ側のコアを１つの材料から一体的に構成する場合において、コアの外周部にスリット状の円周溝を軸方向に多数設けることにより渦電流損失を低減できる。このように、ロータの回転速度や渦電流損失等で決まる磁気軸受の周波数特性を考慮して上記構成をラジアル磁気軸受に採用することが好ましい。
【０１２１】
ここで、上述した保護部材２７，２８，４８，４９，９７，９８は、モータ２３や磁気軸受２２，４３，４４にて発生する磁界に影響を与えない非磁性材であって、かつプロセスガスに対して耐食性を有する材料で構成されることが好ましい。例えば、上記材料は、オーステナイト系ステンレス鋼やＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、セラミックス等であることが好ましい。また保護部材の一部、もしくは全部を耐食膜としてもよい。
【０１２２】
上記構成により、モータ２３、上下ラジアル磁気軸受２２，４４、及びアキシャル磁気軸受４３の構成部品であるケイ素鋼板や銅線コイル、及びコイル絶縁体等の耐食性に乏しい部品が、腐食性ガスと接することを防止できる。したがって、モータ２３や磁気軸受２２，４３，４４の腐食による劣化を防止でき、長期間安定した運転を行うことができる真空ポンプを提供できる。
【０１２３】
図１９は本発明の第８の実施形態に係る真空ポンプを示す断面図である。なお、特に説明しない本実施形態の構成は第１の実施形態と同様であり、その重複する説明を省略する。
図１９に示すように、真空ポンプは、５段の遠心ドラッグ翼３３−１〜５及び５段の固定翼３４−１〜５を有する遠心ドラッグポンプ要素（排気部）３０と、遠心ドラッグ翼３３−１〜５が固定される主軸５と、主軸５を介して遠心ドラッグポンプ要素３０を駆動するモータ２３を有する駆動部６８とを備えている。遠心ドラッグポンプ要素３０は、吸気口１１及び排気口３１を有するケーシング１０８を備えており、遠心ドラッグ翼３３−１〜５及び固定翼３４−１〜５はケーシング１０８内に収容されている。
【０１２４】
主軸５は、上ラジアル磁気軸受２２、下ラジアル磁気軸受４４、及びアキシャル磁気軸受４３によって回転自在に支持されている。主軸５の下端に対向してアキシャル変位センサ４２ｅが配置されており、このアキシャル変位センサ４２ｅによって主軸５の軸方向の変位が検出されるようになっている。モータ２３は上ラジアル磁気軸受２２及び下ラジアル磁気軸受４４の間に配置され、下ラジアル磁気軸受４４の下方にアキシャル磁気軸受４３が配置されている。上タッチダウン軸受２６は上ラジアル磁気軸受２２の直上に配置され、下タッチダウン軸受４７は、下ラジアル磁気軸受４４とアキシャル磁気軸受４３との間に配置されている。なお、上ラジアル磁気軸受２２、下ラジアル磁気軸受４４、アキシャル磁気軸受４３、上タッチダウン軸受２６、下タッチダウン軸受４７、及びアキシャル変位センサ４２ｅは、いずれもハウジング６９内に収容されている。
【０１２５】
図２０は図１９の遠心ドラッグポンプ要素を示す拡大断面図である。図２０に示すように、各段の遠心ドラッグ翼３３−１〜５と固定翼３４−１〜５とは微小な隙間を介して主軸５に沿って交互に配置されている。各遠心ドラッグ翼３３−１〜５は、複数の渦巻状羽根３５と、これらの渦巻状羽根３５が固定される円板状の基部９とを有している。固定翼３４−２〜５は、図３２（ａ）及び図３２（ｂ）に示す固定翼と同様の基本的構成を有している。すなわち、各固定翼３４−２〜５は、遠心ドラッグ翼３３−１〜５の回転方向に対して後ろ向きに延びる複数の渦巻状ガイド６６と、これの渦巻状ガイド６６が固定される環状の平面部６７とを有している。
【０１２６】
遠心ドラッグ翼３３−１〜５を回転させると、気体は吸気口１１からケーシング１０８内に流入し、遠心力の作用によって渦巻状羽根３５の間の流路を径方向外側に移送されつつ圧縮される。径方向外側に移送された気体は、渦巻状ガイド６６、平面部６７、及び基部９の裏面とによって画成される空間へ流れ込み、気体の粘性によるドラッグ作用により気体が径方向内側に移送されつつ圧縮される。このような気体の移送及び圧縮が各段にて順次行われ、これにより気体が所望の圧力にまで圧縮されて排気口３１（図１９参照）から排出される。
【０１２７】
遠心ドラッグポンプ要素３０の気体流路は、以下の条件を満たすように形成されている。
（１）ｎ段目の遠心ドラッグ翼３３−ｎの渦巻状羽根３５の高さ（流路深さ）Ｈｎは、次段の遠心ドラッグ翼３３−（ｎ＋１）の渦巻状羽根３５の高さＨ（ｎ＋１）と同一か、もしくはそれよりも大きい。すなわち、図２０において、渦巻状羽根３５の高さＨ１〜Ｈ５の間には、Ｈ１≧Ｈ２≧Ｈ３≧Ｈ４≧Ｈ５の関係が成り立つ。
（２）ｎ段目の固定翼３４−ｎの渦巻状ガイド６６の高さ（流路深さ）ｈｎは、次段の固定翼３４−（ｎ＋１）の渦巻状ガイド６６の高さｈ（ｎ＋１）と同一か、もしくはそれよりも大きい。すなわち、図２０において、渦巻状ガイド６６の高さｈ２〜ｈ５の間には、ｈ２≧ｈ３≧ｈ４≧ｈ５の関係が成り立つ。
（３）各遠心ドラッグ翼３３−１〜５の外周側に形成される外側折り返し流路８７の径方向寸法Ｄは、一段目の遠心ドラッグ翼３３−１の渦巻状羽根３５の高さＨ１と同一か、もしくはそれよりも大きい（Ｄ≧Ｈ１）。
（４）ｎ段目の固定翼３４−ｎの内周側に形成される内側折り返し流路８８の径方向寸法ｄｎは、その固定翼３４−ｎの渦巻状ガイド６６の高さｈｎと同一か、もしくはそれよりも大きい（ｄ２≧ｈ２、ｄ３≧ｈ３、ｄ４≧ｈ４、ｄ５≧ｈ５）。
【０１２８】
上述のように構成することで、次のような効果が得られる。
条件（１）によれば、吸気口１１に最も近い１段目の遠心ドラッグ翼３３−１が、最も大きな気体流路の断面積を有することとなるので、排気速度を大きくすることができる。
条件（１）及び（２）によれば、気体を効率よく圧縮できる。すなわち、渦巻状羽根３５の高さ（流路深さ）および渦巻状ガイド６６の高さ（流路深さ）が必要以上に高いと、気体の粘性によるドラッグ作用を有効に利用できない。一方、渦巻状羽根３５の高さおよび渦巻状ガイド６６の高さが必要以上に低いと、気体流路の圧力損失が大きくなり、流路抵抗が大きくなるので好ましくない。
条件（３）により、遠心ドラッグ翼３３−１〜５の外周部から流出した気体が次段の固定翼３４−２〜５に流入する外側折り返し流路８７での圧力損失を小さくできる。
条件（４）によれば、固定翼３４−２〜５の内周部から流出した気体が次段の遠心ドラッグ翼３３−２〜５に流入する内側折り返し流路８８での圧力損失を小さくできるとともに、遠心ドラッグ翼３３−２〜５内および固定翼３４−２〜５内の流路長さを長くできる。
【０１２９】
また、上記構成によれば、排気効率を高く保ちつつ、遠心ドラッグポンプ要素３０の軸方向の長さを短くすることができる。したがって、真空ポンプ全体の長さを短くすることができ、また、高速回転が容易となって、より排気効率を高めることができる。
【０１３０】
図２１乃至図２４は図１９に示す遠心ドラッグ翼の平面図である。すなわち、図２１は１段目の遠心ドラッグ翼を示し、図２２は２段目の遠心ドラッグ翼を示し、図２３は３段目の遠心ドラッグ翼を示し、図２４は４段目の遠心ドラッグ翼を示す。なお、図２１乃至図２４において点線で示す仮想円ＶＣは、遠心ドラッグ翼に対向する固定翼の内周部を表している。
【０１３１】
図２１乃至図２４に示すように、遠心ドラッグ翼３３−ｎは、回転方向Ｑに対して後ろ向きに延びる複数の渦巻状羽根３５と、これらの渦巻状羽根３５が固定される円板状の基部９とを備えている。遠心ドラッグ翼３３−ｎの内周部には、主軸５に嵌合する小径の円筒部（ボス）３６が設けられている。渦巻状羽根３５と円接線とのなす角度αは、初段から最終段に向かうに従って順次小さくなっている。ただし、初段から最終段までの遠心ドラッグ翼３３−１〜５において、渦巻状羽根３５と円接線とのなす角度αを等しくするようにしてもよい。このように構成することによって、排気効率を高めることが可能となる。ここで、円接線とは遠心ドラッグ翼３３−ｎと同心上に配置された仮想円ＶＣの接線をいう。
【０１３２】
一般に、遠心ドラッグ翼は、気体に作用する遠心力と気体の粘性によるドラッグ作用とにより気体を排気する。しかしながら、遠心ドラッグ翼の作動圧力が１０１Ｐａオーダー以下の中高真空領域では、気体の粘性によるドラッグ作用があまり有効に行われない。したがって、上記角度αを大きく設定して遠心ドラッグ翼内の流路断面積を大きくするとともに流路長さを短くする。これにより、遠心ドラッグ翼内での流路抵抗を小さくでき、流入した気体に対して効果的に遠心力を作用させることができる。
【０１３３】
一方、遠心ドラッグ翼の作動圧力が１０２Ｐａオーダー以上の低真空領域では、気体の粘性によるドラッグ作用が有効に行われる。したがって、流路入口での角度（入口角度）αinと流路出口での角度（出口角度）αoutを小さくしてできる限り流路を長くすることにより、ドラッグ作用を有効に機能させることができる。この場合、遠心ドラッグ翼内での流路断面積が減少し、流路が長くなるが、流路を通過する気体の圧力が高いため流路抵抗はあまり大きくならない。
【０１３４】
なお、図２１乃至図２４に示すように、各遠心ドラッグ翼３３−１〜５の渦巻状羽根３５の枚数は６枚としているが、回転による内部応力や遠心ドラッグ翼３３−１〜５内の流路断面積を考慮して最適な枚数を選択することが好ましい。また、各段毎に渦巻状羽根３５の枚数を変えてもよい。
【０１３５】
各遠心ドラッグ翼３３−１〜５の基部９の厚さＴは、遠心ドラッグポンプ要素３０の軽量化および小型化の観点から出来る限り薄い方が好ましい。しかしながら、基部９は渦巻状羽根３５を支える必要があるため、基部９の厚さＴは次の点を考慮して決定される。
・渦巻状羽根３５と円接線とのなす角度α（角度αが大きいほど基部９の厚さＴを小さくする）
・渦巻状羽根３５の高さ（渦巻状羽根３５の高さが低いほど基部９の厚さＴを小さくする）
・渦巻状羽根３５の枚数（渦巻状羽根３５の枚数が少ないほど基部９の厚さＴを小さくする）
通常は、図１９に示すように、Ｔ１≧Ｔ２≧Ｔ３≧Ｔ４≧Ｔ５とすることが好ましい。
【０１３６】
図２１乃至図２４に示す遠心ドラッグ翼は、いずれも回転により生じる内部応力を低減させて応力集中を回避する観点、及び排気性能を向上させる観点より、以下の形状を有している。この点について図２３、図２５（ａ）、及び図２５（ｂ）を参照して説明する。図２５（ａ）は図２３に示す遠心ドラッグ翼の部分断面図であり、図２５（ｂ）は図２３のXXV−XXV線断面図である。
【０１３７】
（ｉ）遠心ドラッグ翼３３−ｎの内周部には、主軸５と嵌合する小径の円筒部（ボス）３６が設けられている。この円筒部３６の軸方向の寸法Ｌ１は翼部（渦巻状羽根３５及び基部９）の軸方向寸法Ｌ２より大きく設定されている。
（ii）渦巻状羽根３５は円筒部３６の外周面に一体的に接続されている。また、円筒部３６と渦巻状羽根３５の接続部には隅肉部３５ａが形成されている。また、円筒部３６の外周面の位置において、基部９の下面から円筒部３６の下端までの寸法Ｌ５及び基部９の上面から円筒部３６の上端までの寸法Ｌ６は、それぞれ少なくとも基部９の厚さ（軸方向寸法）Ｔの０．５倍以上に設定されている。
（iii）渦巻状羽根３５の厚さｔは、径方向外側に向かって連続的に小さくなるように形成されている。また、厚さｔは可能な限り薄くすることが望ましく、渦巻状羽根３５の先端部では０．５〜２ｍｍにすると良い。
（iv）渦巻状羽根３５の先端部には曲面部３５ｂが形成されている。また渦巻状羽根３５の先端部は、基部９の周縁部から少し径方向内側に位置している。これにより曲面部３５ｂが渦巻状羽根３５の先端の全体に形成される。
（ｖ）渦巻状羽根３５と基部９とが接続される部位には、円弧状の断面形状を有する隅肉部３５ｃが形成されている。なお、隅肉部３５ｃの円弧の大きさは渦巻状羽根３５の長さ方向において一様である必要はなく、場所によってその大きさを変えても良い。
（ｖi）渦巻状羽根３５と円接線とのなす角度αは、径方向外側へ向かうに従って小さくなるように設定されている（αin＞αout）。
（ｖii）渦巻状羽根３５がなす曲線は、渦巻曲線（極座標にてｒ＝ａθで表されるアルキメデス渦巻線、ｒ＝ａθで表される対数渦巻線など）やインボリュート曲線、又はこれら曲線の変形例にて構成されている。
上記項目（ｉ），（ii），（iii），（iv），（ｖ）により、遠心ドラッグ翼３３−ｎにおける応力低減及び応力集中を回避することができる。また、（iii），（ｖ），（ｖi），（ｖii）により、排気性能を向上させることができる。
【０１３８】
次に、本発明の第９の実施形態に係る真空ポンプについて図２６及び図２７を参照して説明する。図２６は本発明の第９の実施形態に係る真空ポンプを示す断面図であり、図２７は図２６に示すドラッグポンプ要素を示す拡大断面図である。なお、特に説明しない本実施形態の構成は、上述した第８の実施形態と同様であるので、その重複する説明を省略する。
【０１３９】
本実施形態と上述した第８の実施形態との相違点は、２〜５段目の遠心ドラッグ翼３３−２〜５の形状と、これらの遠心ドラッグ翼３３−２〜５に対向する固定翼３４−２〜５の形状にある。すなわち、図２６及び図２７に示すように、２〜５段目の遠心ドラッグ翼３３−２〜５の渦巻状羽根３５の高さは、それぞれ径方向外側に向かって徐々に低くなっている。また、遠心ドラッグ翼３３−２〜５に対向する固定翼３４−２〜５の平面部６７の裏面（下面）には、傾斜する渦巻状羽根３５の形状に対応するように傾斜部が設けられている。
【０１４０】
径方向内側位置における渦巻状羽根３５の高さ（入口高さ）をＨin、径方向外側位置における渦巻状羽根３５の高さ（出口高さ）をＨoutとしたとき、各段での渦巻状羽根３５の高さを低くする割合は、次のように設定される。
Ｈ２in／Ｈ２out≦Ｈ３in／Ｈ３out≦Ｈ４in／Ｈ４out≦Ｈ５in／Ｈ５out
このように、上流側の遠心ドラッグ翼３３−ｎの渦巻状羽根３５の高さの減少率は、下流側の遠心ドラッグ翼３３−（ｎ＋１）の渦巻状羽根３５のそれと同一か、若しくは小さくなるようになっている。
【０１４１】
一般に、排気口に近い遠心ドラッグ翼での作動圧力は高いため、ドラッグ作用が有効に行われる。したがって、渦巻状羽根３５の高さを径方向外側に向かって徐々に低くすることにより、遠心ドラッグ翼３３−１〜５の基部９と固定翼３４−１〜５との隙間が小さくなり、これによりドラッグ作用がより有効に行われる。なお、渦巻状羽根３５の高さを低くする割合は、渦巻状羽根３５の間に形成される流路断面積が内径側から外径側に向かって減少しないようにすることが好ましい。すなわち、図２８に示すように、渦巻状羽根３５の間に形成される流路断面積Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３は、Ｓ１≦Ｓ２≦Ｓ３の関係にあることが好ましい。また、遠心ドラッグ翼の高さを低くすると、遠心力による応力を減少させることができるため、高速回転できる遠心ドラッグ翼を構成することができる。
【０１４２】
一方、吸気口に近い遠心ドラッグ翼は、吸気口から流入した気体に遠心力を作用させる必要があるため、および遠心ドラッグ翼内の流路抵抗を小さくする必要があるために、渦巻状羽根の高さを低くすることは好ましくない。したがって、各段の遠心ドラッグ翼３３−１〜５の作動圧力に応じて、渦巻状羽根３５の高さを適宜設定することで、排気効率の高い真空ポンプを構築することができる。
【０１４３】
上記の通り、本発明の真空ポンプについて実施形態を示して説明したが、本発明は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【０１４４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る真空ポンプを示す断面図である。
【図２】図２（ａ）は図１に示す遠心ドラッグ翼の平面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）に示す遠心ドラッグ翼の断面図であり、図２（ｃ）は図２（ａ）に示すII−II線断面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る真空ポンプの他の構成例を示す断面図である。
【図４】ラジアル磁気軸受の一般的な構成を示す概略図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る真空ポンプを示す断面図である。
【図６】図６（ａ）は図５に示す渦流翼の平面図であり、図６（ｂ）は図５に示す渦流翼の正面図である。
【図７】図５に示す渦室スペーサの平面図である。
【図８】図５に示す排気流路の模式図である。
【図９】本発明の第３の実施形態に係る真空ポンプを示す断面図である。
【図１０】排気流路の断面積と各種パラメータとの関係を説明するための表である。
【図１１】図１１（ａ）乃至図１１（ｃ）は図１０の表に記載されたタービン翼の一例を示す参考図である。
【図１２】図１２（ａ）及び図１２（ｂ）は図１０の表に記載された遠心ドラッグ翼の一例を示す参考図である。
【図１３】図１３（ａ）及び図１３（ｂ）は図１０の表に記載された渦流翼の一例を示す参考図である。
【図１４】本発明の第４の実施形態に係る真空ポンプを示す断面図である。
【図１５】図１４のXV-XV線断面図である。
【図１６】本発明の第５の実施形態に係る真空ポンプを示す断面図である。
【図１７】本発明の第６の実施形態に係る真空ポンプを示す断面図である。
【図１８】本発明の第７の実施形態に係る真空ポンプを示す断面図である。
【図１９】本発明の第８の実施形態に係る真空ポンプを示す断面図である。
【図２０】図１９のドラッグポンプ要素を示す拡大断面図である。
【図２１】図１９に示す１段目の遠心ドラッグ翼を示す平面図である。
【図２２】図１９に示す２段目の遠心ドラッグ翼を示す平面図である。
【図２３】図１９に示す３段目の遠心ドラッグ翼を示す平面図である。
【図２４】図１９に示す４段目の遠心ドラッグ翼を示す平面図である。
【図２５】図２５（ａ）は図２３に示す遠心ドラッグ翼の部分断面図であり、図２５（ｂ）は図２３のXXV−XXV線断面図である。
【図２６】本発明の第９の実施形態に係る真空ポンプを示す断面図である。
【図２７】図２６に示す遠心ドラッグポンプ要素を示す拡大断面図である。
【図２８】図２６に示す遠心ドラッグ翼の一部を示す斜視図である。
【図２９】従来の真空ポンプを用いた半導体製造装置を示す模式図である。
【図３０】従来のターボ真空ポンプを示す断面図である。
【図３１】図３１（ａ）は図３０に示す遠心ドラッグ翼を示す平面図であり、図３１（ｂ）は図３０に示す遠心ドラッグ翼の断面図である。
【図３２】図３２（ａ）は図３０に示す固定翼を示す平面図であり、図３２（ｂ）は図３０に示す固定翼の断面図である。
【符号の説明】
【０１４５】
５，１０５      主軸
９，１０９      基部
１０      ターボ分子ポンプ要素
１１，１１１      吸気口
１２      上ケーシング
１３      タービン翼
１４      固定翼
１６，３６，５１ａ      円筒部（ボス）
１７      バランスリング
１８，２５，３８，４５，７６，８３      冷却ジャケット
２０，７０      上ハウジングユニット
２１      円筒ケーシング
２２，１２２      上ラジアル磁気軸受
２３，１２３      モータ
２４，７１      上ハウジング
２６，１２６      上タッチダウン軸受
２７，２８，４８，４９，９７，９８    保護部材
２９      流路
３０      遠心ドラッグポンプ要素
３１，１３１      排気口
３２      下ケーシング
３３−１〜５，１３３    遠心ドラッグ翼
３４−１〜５，１３４    固定翼
３５，１３５      渦巻状羽根
３７，３９      ピン
４０，８０      下ハウジングユニット
４１，８１      下ハウジング
４２ａ    センサターゲット
４２ｂ    アキシャル変位センサ
４３，１４３      アキシャル磁気軸受
４４，１４４      下ラジアル磁気軸受
４６      のぞき穴
４７      下タッチダウン軸受
５０Ａ    遠心ドラッグポンプ要素
５０Ｂ    渦流ポンプ要素
５１−１〜５    渦流翼
５２−１〜６    渦室スペーサ
５３      放射状翼
５４      流路溝（渦室）
５５      気体導入口
５６      気体導出口
５７，６５    排気流路
５８，５９    隙間
６０      渦流ポンプ要素
６１      リング状部材
６３      ピン（位置決め用部材）
６６，１６６      渦巻状ガイド
６７，１６７      平面部
６８      駆動部
６９      ハウジング
７３      上パージガスポート
７４      パージガス流路
７５，８６      ラビリンスシール機構
８４，８５      下パージガスポート
８７      外側折り返し流路
８８      内側折り返し流路
９１      中間排気口
９２      中間吸気口
９３      排気管
９４，９５，９６      ヒータ
９９      耐食膜
１０１    半導体製造装置
１０２    プロセスチャンバ
１０３    搬送室
１０４    カセット室
１０５    ターボ分子ポンプ
１０６    バックポンプ
１０７    配管
１０８    ケーシング
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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