(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポンプの略全長に亘って延びる回転軸と、ケーシング内に回転翼と固定翼とを交互に配置することによって形成された排気部と、前記回転軸に回転駆動力を与えるモータと前記回転軸を回転自在に支承する軸受とを有した軸受モータ部を備え、前記回転翼を前記回転軸よりも線膨張係数の小さい材料で構成したターボ型真空ポンプにおいて、
前記回転軸をスラスト方向に支承する軸受に気体軸受を用い、該気体軸受を前記排気部の直後流側に配置し、該気体軸受の固定側部位の両面にスパイラル溝を形成し、前記回転軸に固定された上側回転側部位と下側回転側部位とにより、前記スパイラル溝の形成された固定側部位を挟み込むようにし、
前記回転軸に該回転軸の外周面から半径方向外方に突出する支持部を設け、前記下側回転側部位と前記回転軸の前記支持部の端面との間にスペーサを設け、
前記回転軸と、前記気体軸受の下側回転側部位と、前記スペーサの線膨張係数をそれぞれ、λsf、λd1、λspとしたとき、λsf＞λsp≧λd1となるように、前記スペーサの材質を設定したことを特徴とするターボ型真空ポンプ。
【請求項２】
ポンプの略全長に亘って延びる回転軸と、ケーシング内に回転翼と固定翼とを交互に配置することによって形成された排気部と、前記回転軸に回転駆動力を与えるモータと前記回転軸を回転自在に支承する軸受とを有した軸受モータ部を備え、前記回転翼を前記回転軸よりも線膨張係数の小さい材料で構成したターボ型真空ポンプにおいて、
前記回転軸をスラスト方向に支承する軸受に気体軸受を用い、該気体軸受を前記排気部の直後流側に配置し、前記回転軸に固定された気体軸受の回転側部位の両面にスパイラル溝を形成し、固定側の上下に分割された上側固定側部位と下側固定側部位とにより、前記スパイラル溝の形成された回転側部位を挟み込むようにし、
前記回転軸に該回転軸の外周面から半径方向外方に突出する支持部を設け、前記スパイラル溝の形成された回転側部位と前記回転軸の前記支持部の端面との間にスペーサを設け、
前記回転軸と、前記気体軸受の回転側部位と、前記スペーサの線膨張係数をそれぞれ、λsf、λd2、λspとしたとき、λsf＞λsp≧λd2となるように、前記スペーサの材質を設定したことを特徴とするターボ型真空ポンプ。
【請求項３】
ポンプの略全長に亘って延びる回転軸と、ケーシング内に回転翼と固定翼とを交互に配置することによって形成された排気部と、前記回転軸に回転駆動力を与えるモータと前記回転軸を回転自在に支承する軸受とを有した軸受モータ部を備え、前記回転翼を前記回転軸よりも線膨張係数の小さい材料で構成したターボ型真空ポンプにおいて、
前記回転軸をスラスト方向に支承する軸受に気体軸受を用い、該気体軸受を前記排気部の直後流側に配置し、該気体軸受の固定側部位の両面にスパイラル溝を形成し、前記回転軸に固定された上側回転側部位と下側回転側部位とにより、前記スパイラル溝の形成された固定側部位を挟み込むようにし、
前記回転軸の外径寸法を、回転軸の吸気側より下流方向に向かって小さくしたことを特徴とするターボ型真空ポンプ。
【請求項４】
ポンプの略全長に亘って延びる回転軸と、ケーシング内に回転翼と固定翼とを交互に配置することによって形成された排気部と、前記回転軸に回転駆動力を与えるモータと前記回転軸を回転自在に支承する軸受とを有した軸受モータ部を備え、前記回転翼を前記回転軸よりも線膨張係数の小さい材料で構成したターボ型真空ポンプにおいて、
前記回転軸をスラスト方向に支承する軸受に気体軸受を用い、該気体軸受を前記排気部の直後流側に配置し、前記回転軸に固定された気体軸受の回転側部位の両面にスパイラル溝を形成し、固定側の上下に分割された上側固定側部位と下側固定側部位とにより、前記スパイラル溝の形成された回転側部位を挟み込むようにし、
前記回転軸の外径寸法を、回転軸の吸気側より下流方向に向かって小さくしたことを特徴とするターボ型真空ポンプ。
【請求項５】
前記回転軸を、回転軸の外径寸法が回転軸の吸気側より下流方向に向かって小さくなるようにテーパ形状にしたことを特徴とする請求項３または４記載のターボ型真空ポンプ。
【請求項６】
前記回転軸を、回転軸の外径寸法が回転軸の吸気側より下流方向に向かって小さくなるように階段状にしたことを特徴とする請求項３または４記載のターボ型真空ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ターボ型真空ポンプに係り、特に大気圧から高真空まで排気可能でオイルフリーのターボ型真空ポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から半導体製造装置等において、チャンバ内の気体を排気して清浄な高真空（又は超高真空）を得るのにターボ型真空ポンプが用いられている。このターボ型真空ポンプには、吸気口と排気口とを有するケーシング内に多段の排気ポンプ段を配設し、多段のポンプ段の各動翼をセラミックスで構成し、セラミックス製動翼を支持する回転軸を線膨張係数の小さい金属で構成した真空ポンプがある。
【０００３】
【特許文献１】特開平５−３３２２８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
真空ポンプの動翼（回転翼）と固定翼との翼クリアランスは小さいので、ガスを圧縮する過程で熱が発生して、翼の温度が高くなる。そのため、線膨張係数が小さく、また比強度の大きい材料としてセラミックスを用いて動翼（回転翼）を多段化した例が、特開平５−３３２２８７号公報（特許文献１）に記載されている。この例では、セラミックス製動翼との線膨張係数の差が5×10−6／℃以下の材料により回転軸を構成している。
しかしながら、回転軸の材料として例えばマルテンサイト系ステンレス鋼を用いた場合、線膨張係数は、約10×10−6／℃であり、高強度のセラミックスとして回転体で用いられる窒化珪素セラミックスの線膨張係数（3×10−6／℃）との差は、7×10−6／℃となる。オーストナイト系ステンレス鋼を用いるとその差は更に大きくなる（オーストナイト系ステンレス鋼の線膨張係数：17×10−6／℃）。そのため、公知例（特許文献１）では、回転軸の材料としては、線膨張係数が小さく、且つ回転体の固有振動数を大きくすることを考慮して、ヤング率の高い材料を選定しなければならず、コストが嵩む結果を招いてしまうという問題がある。
【０００５】
本発明は、上述の点に鑑みてなされたもので、気体を高真空から大気圧まで圧縮できるセラミックス製の翼要素を用いたターボ型真空ポンプであって、構造がシンプル（簡素）で安価なターボ型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】
【０００６】
上述の目的を達成するため、本発明の第１の態様は、ポンプの略全長に亘って延びる回転軸と、ケーシング内に回転翼と固定翼とを交互に配置することによって形成された排気部と、前記回転軸に回転駆動力を与えるモータと前記回転軸を回転自在に支承する軸受とを有した軸受モータ部を備え、前記回転翼を前記回転軸よりも線膨張係数の小さい材料で構成したターボ型真空ポンプにおいて、前記回転軸をスラスト方向に支承する軸受に気体軸受を用い、該気体軸受を前記排気部の直後流側に配置し、該気体軸受の固定側部位の両面にスパイラル溝を形成し、前記回転軸に固定された上側回転側部位と下側回転側部位とにより、前記スパイラル溝の形成された固定側部位を挟み込むようにし、前記回転軸に該回転軸の外周面から半径方向外方に突出する支持部を設け、前記下側回転側部位と前記回転軸の前記支持部の端面との間にスペーサを設け、前記回転軸と、前記気体軸受の下側回転側部位と、前記スペーサの線膨張係数をそれぞれ、λsf、λd1、λspとしたとき、λsf＞λsp≧λd1となるように、前記スペーサの材質を設定したことを特徴とする。
【０００７】
回転軸の材料としてマルテンサイト系ステンレス鋼やオーステナイト系ステンレス鋼を用い、回転翼の材料としてセラミックスを用いた場合、回転軸の端面と気体軸受の下側回転側部位とを直接接触させると、線膨張係数の差により、前記下側回転側部位は、半径方向に引っ張られてしまい、内部応力が上昇して破損する恐れがある。
本発明においては、気体軸受の下側回転側部位と回転軸の端面との間にスペーサを設けているので、スペーサが下側回転側部位に比べて小径に成形できるため、スペーサの内部応力を小さく抑えることができる。また、スペーサの上面および下面での滑りも発生することから、気体軸受の下側回転側部位の内部応力は上昇しない。
【０００８】
本発明によれば、スペーサの線膨張係数（λsp）が、回転軸の線膨張係数（λsf）と気体軸受の下側回転側部位の線膨張係数（λd1）の間に設定されることにより、熱変形による、下側回転側部位の内部応力上昇を緩和することができる。スペーサの材料としては、チタン合金（8.8×10−6／℃）、アルミナ系セラミックス（7.2×10−6／℃）、タングステンカーバイド（5.8×10−6／℃）などが好適である。
また、スペーサの線膨張係数（λsp）が、回転軸の線膨張係数（λsf）より小さく、気体軸受の下側回転側部位の線膨張係数（λd1）と同じであっても、スペーサが下側回転側部位に比べて小径に成形できるため、スペーサの内部応力を小さく抑えることができる。
【０００９】
また本発明の他の態様は、ポンプの略全長に亘って延びる回転軸と、ケーシング内に回転翼と固定翼とを交互に配置することによって形成された排気部と、前記回転軸に回転駆動力を与えるモータと前記回転軸を回転自在に支承する軸受とを有した軸受モータ部を備え、前記回転翼を前記回転軸よりも線膨張係数の小さい材料で構成したターボ型真空ポンプにおいて、前記回転軸をスラスト方向に支承する軸受に気体軸受を用い、該気体軸受を前記排気部の直後流側に配置し、前記回転軸に固定された気体軸受の回転側部位の両面にスパイラル溝を形成し、固定側の上下に分割された上側固定側部位と下側固定側部位とにより、前記スパイラル溝の形成された回転側部位を挟み込むようにし、前記回転軸に該回転軸の外周面から半径方向外方に突出する支持部を設け、前記スパイラル溝の形成された回転側部位と前記回転軸の前記支持部の端面との間にスペーサを設け、前記回転軸と、前記気体軸受の回転側部位と、前記スペーサの線膨張係数をそれぞれ、λsf、λd2、λspとしたとき、λsf＞λsp≧λd2となるように、前記スペーサの材質を設定したことを特徴とする。
本発明においては、気体軸受のスパイラル溝の形成された回転側部位と回転軸の端面との間にスペーサを設けているので、スペーサが回転側部位に比べて小径に成形できるため、スペーサの内部応力を小さく抑えることができる。また、スペーサの上面および下面での滑りも発生することから、気体軸受の回転側部位の内部応力は上昇しない。
【００１０】
本発明によれば、スペーサの線膨張係数（λsp）が、回転軸の線膨張係数（λsf）と気体軸受の回転側部位の線膨張係数（λd2）の間に設定されることにより、熱変形による、回転側部位の内部応力上昇を緩和することができる。スペーサの材料としては、チタン合金（8.8×10−6／℃）、アルミナ系セラミックス（7.2×10−6／℃）、タングステンカーバイド（5.8×10−6／℃）などが好適である。
また、スペーサの線膨張係数（λsp）が、回転軸の線膨張係数（λsf）より小さく、気体軸受の回転側部位の線膨張係数（λd2）と同じであっても、スペーサが回転側部位に比べて小径に成形できるため、スペーサの内部応力を小さく抑えることができる。
【００１１】
本発明の第２の態様は、ポンプの略全長に亘って延びる回転軸と、ケーシング内に回転翼と固定翼とを交互に配置することによって形成された排気部と、前記回転軸に回転駆動力を与えるモータと前記回転軸を回転自在に支承する軸受とを有した軸受モータ部を備え、前記回転翼を前記回転軸よりも線膨張係数の小さい材料で構成したターボ型真空ポンプにおいて、前記回転軸をスラスト方向に支承する軸受に気体軸受を用い、該気体軸受を前記排気部の直後流側に配置し、前記回転軸に固定された気体軸受の回転側部位の両面にスパイラル溝を形成し、固定側の上下に分割された上側固定側部位と下側固定側部位とにより、前記スパイラル溝の形成された回転側部位を挟み込むようにし、前記回転軸の外径寸法を、回転軸の吸気側より下流方向に向かって小さくしたことを特徴とする。
【００１２】
回転軸と回転軸に固定された回転翼を含む回転体を高速で回転させるためには、アンバランス量の低減を考えると、本発明に係る回転翼を回転軸に嵌挿する構造では、その半径方向隙間はできるだけ小さく設定することが好ましい。しかしながら、回転軸がステンレス鋼からなり、回転翼がセラミックスからなる場合のように、回転軸と回転翼の線膨張係数が異なり、且つ回転軸の線膨張係数の方が、回転翼のそれよりも大きい場合、熱変形による「隙間減少→食い付き→回転翼の内部応力上昇→破損」という現象が発生する恐れがある。しかし、この現象を考慮して、回転翼と回転軸との初期隙間を大きく取り過ぎると、アンバランス量の増大、もしくは回転中におけるアンバランス量の変化などの不具合が生じ、回転体の安定回転に支障を来す恐れがある。また、翼要素を多段化する場合は、その影響は更に大きくなる。
【００１３】
そこで、本発明においては、前記回転軸の外径寸法を、回転軸の吸気側より下流方向に向かって小径化する構造とする。回転体の翼要素部分は、大気圧に近いほど翼要素部分での損失による発熱が大きい。よって、回転軸は大気圧に近い位置ほど熱変形する。これを考慮して、回転軸の吸気側から排気側（下流側）に向かって、回転軸の外径寸法が次第に小さくなるようにテーパ形状に設定すれば、回転翼の応力上昇に対する破損と、アンバランス量の増大を回避することができる。回転軸のテーパ形状は、連続的な形状でなく、階段状に小径化させてもよい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、以下に列挙する効果を奏する。
（１）回転軸と回転軸に固定された回転翼を含む回転体をスラスト方向に支承する軸受に気体軸受を採用したことにより、回転体を軸方向に数ミクロン（μｍ）から数十ミクロン（μｍ）の精度で回転保持することが可能となる。そして、気体軸受の下側回転側部位（または回転側部位）と回転軸の端面との間にスペーサを設けているので、スペーサが下側回転側部位（または回転側部位）に比べて小径に成形できるため、スペーサの内部応力を小さく抑えることができる。また、スペーサの上面および下面での滑りも発生することから、気体軸受の下側回転側部位（または回転側部位）の内部応力は上昇することがない。
（２）スペーサの線膨張係数を、回転軸の線膨張係数と気体軸受の下側回転側部位（または回転側部位）の線膨張係数の間に設定することにより、熱変形による、下側回転側部位（または回転側部位）の内部応力上昇を緩和することができる。
（３）回転軸と回転翼との間にスペーサを設けることにより、回転軸と回転翼との間の線膨張係数の差を吸収することができるため、回転軸にコバールやインバー等の高価な材料を用いる必要がなく、マルテンサイト系ステンレス鋼やオーストナイト系ステンレス鋼を用いることができるので、安価なターボ型真空ポンプとすることができる。
（４）回転体の翼要素部分は、大気圧に近いほど翼要素部分での損失による発熱が大きく、回転軸が大気圧に近い位置ほど熱変形するが、回転軸の吸気側から排気側（下流側）に向かって、回転軸の外径寸法が小さくなるように設定されているので、回転軸の線膨張係数の方が回転翼の線膨張係数より大きい場合であっても、熱変形による隙間減少に起因する食い付きを防止できるため、回転翼の応力上昇に対する破損と、アンバランス量の増大を回避することができる。
（５）回転軸の外形寸法を、回転軸の吸気側から排気側（下流側）に向かって小さくするという簡易な手段により、回転軸と回転翼との間の線膨張係数の差を吸収することができるため、安価なターボ型真空ポンプとすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明に係るターボ型真空ポンプの実施形態について図１乃至図１２を参照して説明する。なお、図１乃至図１２において、同一または相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【００１６】
図１は、本発明に係るターボ型真空ポンプの第１の態様を示す縦断面図である。図１に示すように、ターボ型真空ポンプは、ポンプの略全長に亘って延びる回転軸１と、ケーシング２内に回転翼と固定翼とを交互に配置することによって形成された排気部１０と、回転軸１に回転駆動力を与えるモータと回転軸を回転自在に支承する軸受とを有した軸受モータ部５０を備えている。前記ケーシング２は、排気部１０を収容する上ケーシング３と、軸受モータ部５０を収容する下ケーシング４とから構成されており、上ケーシング３の上端部に吸気口５が形成され、下ケーシング４の下部に排気口６が形成されている。前記回転軸１は、マルテンサイト系ステンレス鋼またはオーストナイト系ステンレス鋼から構成されている。
【００１７】
前記排気部１０は、上ケーシング３の吸気口側から下方に向かって、タービン翼排気部１１、第１遠心翼排気部２１、第２遠心翼排気部３１を順次配置して構成されている。タービン翼排気部１１は、多段の回転翼としてのタービン翼１２と、タービン翼１２の直後流側に配置された多段の固定翼１７とを備えている。多段のタービン翼１２は、概略円柱状のタービン翼部１３に一体に形成されており、タービン翼部１３のボス部１４には中空部１５が形成されている。中空部１５の底部１５ａには貫通孔１５ｈが形成されており、貫通孔１５ｈにボルト１６が挿通されるようになっている。すなわち、ボルト１６を貫通孔１５ｈに挿通し、回転軸１の上部のねじ孔１ｓに螺合することにより、タービン翼部１３は回転軸１に固定されている。
【００１８】
一方、多段の固定翼１７は、上ケーシング３内に積層されたスペーサ１８によって挟持されることにより上ケーシング３内に固定されている。これにより、タービン翼排気部１１において、回転翼としてのタービン翼１２と、固定翼１７とが交互に配置される構成になっている。
前記第１遠心翼排気部２１は、多段の回転翼としての遠心翼２２と、遠心翼２２の直後
流側に配置された多段の固定翼２３とを備えている。遠心翼２２は、多段に積層されるとともに回転軸１の外周に嵌合されており、キー等の固定手段によって回転軸１に固定されている。また固定翼２３も上ケーシング３内に多段に積層されている。これにより、第１遠心翼排気部２１において、回転翼としての遠心翼２２と、固定翼２３とが交互に配置される構成になっている。各遠心翼２２は、気体を半径方向に圧縮排気する遠心翼溝からなる遠心翼要素２２ａを有している。
【００１９】
前記第２遠心翼排気部３１は、多段の回転翼としての遠心翼３２と、遠心翼３２の直後流側に配置された多段の固定翼３３とを備えている。遠心翼３２は、多段に積層されるとともに回転軸１の外周に嵌合されており、キー等の固定手段によって回転軸１に固定されている。また固定翼３３も上ケーシング３内に多段に積層されている。これにより、第２遠心翼排気部３１において、回転翼としての遠心翼３２と、固定翼３３とが交互に配置される構成になっている。各遠心翼３２は、気体を半径方向に圧縮排気する遠心翼溝からなる遠心翼要素３２ａを有している。タービン翼１２、遠心翼２２、遠心翼３２等の回転翼側には、高強度を有する窒化珪素セラミックス等のセラミックスが用いられており、固定翼１７、固定翼２３、固定翼３３等の固定翼側には、熱伝導率の高い炭化珪素セラミックス等のセラミックスが用いられている。固定翼側としては、その他にアルミナセラミックスも使用できる。そして、第２遠心翼排気部３１の直後流側には、回転軸１と回転軸１に固定された回転翼１２，２２，３２を含む回転体をスラスト方向に支承する気体軸受４０が設けられている。
【００２０】
図２は、気体軸受４０およびその周辺部を示す要部拡大図である。図２に示すように、気体軸受４０は、上ケーシング３に固定された固定側部材（固定側部位）４１と、固定側部材（固定側部位）４１を挟むように上下に配置された上側回転側部材（上側回転側部位）４２と下側回転側部材（下側回転側部位）４３とから構成されている。上側回転側部材（上側回転側部位）４２と下側回転側部材（下側回転側部位）４３は、回転軸１に固定されている。固定側部材（固定側部位）４１の両面にはスパイラル溝４５，４５が形成されている。回転側の上下に分割された部材（部位）、すなわち、上側回転側部材（上側回転側部位）４２と下側回転側部材（下側回転側部位）４３とにより、スパイラル溝４５，４５の形成された固定側部材（固定側部位）４１を挟み込む構造としている。そして、上側回転側部材（上側回転側部位）４２には、固定側部材（固定側部位）４１のスパイラル溝４５との対向面と逆の面に、気体を半径方向に圧縮排気する遠心翼要素４２ａを形成している。遠心翼要素４２ａは、気体を半径方向に圧縮排気する遠心翼溝からなっている。
【００２１】
上側回転側部材（上側回転側部位）４２、下側回転側部材（下側回転側部位）４３等の回転側部材には、高強度を有する窒化珪素セラミックス等のセラミックスが用いられており、固定側部材（固定側部位）４１等の固定側部材には、熱伝導率の高い炭化珪素セラミックス等のセラミックスが用いられている。固定側部材としては、その他にアルミナセラミックスも使用できる。また、回転軸１には、回転軸の外周面から半径方向外方に突出する支持部１aが形成されており、下側回転側部材（下側回転側部位）４３と回転軸１の支持部１aの端面１eとの間にスペーサ４６が設けられている。
【００２２】
回転軸の材料としてマルテンサイト系ステンレス鋼やオーステナイト系ステンレス鋼を用い、回転翼の材料としてセラミックスを用いた場合、回転軸の端面と下側回転側部材（下側回転側部位）とを直接接触させると、線膨張係数の差により、前記下側回転側部材（下側回転側部位）は、半径方向に引っ張られてしまい、内部応力が上昇して破損する恐れがある。
図２に示すように、本発明においては、下側回転側部材（下側回転側部位）４３と回転軸１の端面１eとの間にスペーサ４６を設けているので、スペーサ４６が下側回転側部材（下側回転側部位）４３に比べて小径に成形できるため、スペーサ４６の内部応力を小さく抑えることができる。また、スペーサ４６の上面および下面での滑りも発生することから、下側回転側部材（下側回転側部位）４３の内部応力は上昇しない。
【００２３】
前記回転軸１、気体軸受４０の下側回転側部材（下側回転側部位）４３、スペーサ４６の線膨張係数をそれぞれ、λsf、λd1、λspとしたとき、λsf＞λsp≧λd1となるように、前記スペーサ４６の材質が設定されている。すなわち、スペーサ４６の線膨張係数（λsp）が、回転軸（ステンレス鋼）１の線膨張係数（λsf）と下側回転側部材（セラミックス）４３の線膨張係数（λd1）の間に設定されることにより、熱変形による、下側回転側部材の内部応力上昇を緩和することができる。スペーサ４６の材料としては、チタン合金（8.8×10−6／℃）、アルミナ系セラミックス（7.2×10−6／℃）、タングステンカーバイド（5.8×10−6／℃）などが好適である。
また、スペーサ４６の線膨張係数（λsp）が、回転軸（ステンレス鋼）１の線膨張係数（λsf）より小さく、下側回転側部材（セラミックス）４３の線膨張係数（λd1）と同じであっても、スペーサ４６が下側回転側部材４３に比べて小径に成形できるため、スペーサ４６の内部応力を小さく抑えることができる。
【００２４】
図３は、図２のIII矢視図である。図３に示すように、固定側部材（固定側部位）４１の表面には、略全面に亘って多数のスパイラル溝４５が形成されている（図３においては、一部のスパイラル溝のみ示す）。
【００２５】
図２に示すように、回転軸１と回転軸１に固定された回転翼を含む回転体をスラスト方向に支承する軸受に気体軸受４０を採用したことにより、回転体を軸方向に数ミクロン（μｍ）から数十ミクロン（μｍ）の精度で回転保持することが可能となる。この気体軸受４０を構成している回転体側の部位、すなわち、上側回転側部材（上側回転側部位）４２に、気体を半径方向に圧縮する遠心翼要素４２ａを一体に形成する。気体軸受４０と遠心翼の微小クリアランスの方向は同じスラスト方向であるので、遠心翼要素４２ａの翼クリアランスも、気体軸受４０のクリアランスとほぼ同等に（または気体軸受のクリアランスより若干大きく）設定可能である。すなわち、上側回転側部材（上側回転側部位）４２に、気体を半径方向に圧縮する遠心翼要素４２ａを形成しているので、上側回転側部材（上側回転側部位）４２は、遠心翼を構成するとともに軸方向の位置決めをする気体軸受４０の一部を構成することになる。このように、軸方向の位置決めをする上側回転側部材（上側回転側部位）４２に、気体を半径方向に圧縮する遠心翼要素４２ａを形成しているので、遠心翼要素４２ａの翼クリアランスを精度よく制御することができる。
【００２６】
次に、軸受モータ部５０について説明する。図１に示すように、軸受モータ部５０は、回転軸１に回転駆動力を与えるモータ５１と、回転軸１をラジアル方向に支承する上ラジアル磁気軸受５３，下ラジアル磁気軸受５４と、回転体を軸方向に吸引する上スラスト磁気軸受５６を備えている。モータ５１は高周波モータから構成されている。上ラジアル磁気軸受５３，下ラジアル磁気軸受５４，上スラスト磁気軸受５６は、いずれも能動型磁気軸受である。磁気軸受５３，５４，５６のいずれかに異常が発生したときに、回転翼と固定翼とが接触することを防止するために、回転軸１を半径方向および軸方向に支承する上保護ベアリング８１と下保護ベアリング８２とが設けられている。上スラスト磁気軸受５６は、電磁石によりターゲットディスク５８を吸引するように構成されている。
【００２７】
本実施形態によれば、回転体をスラスト方向に支承する軸受に気体軸受４０を採用したことにより、回転体を軸方向に数ミクロン（μｍ）から数十ミクロン（μｍ）の精度で回転保持することが可能となる。ポンプの圧縮作用による差圧によるスラスト力により、回転体が軸方向に変位し、万一、気体軸受４０の微小クリアランス部での接触により安定回転ができなくなった場合、その変位量を気体軸受４０の近傍に設置された変位センサ等（図示せず）により検出し、差圧によるスラスト力を打ち消す方向のスラスト磁気軸受５５により回転体を吸引し、回転体を安定して回転させることができる。
【００２８】
図４は、気体軸受４０およびその周辺部の他の実施形態を示す要部拡大図である。図４に示すように、気体軸受４０は、回転軸１に固定された回転側部材（回転側部位）１４１と、回転側部材（回転側部位）１４１を挟むように上下に配置された上側固定側部材（上側固定側部位）１４２と下側固定側部材（下側固定側部位）１４３とから構成されている。上側固定側部材（上側固定側部位）１４２と下側固定側部材（下側固定側部位）１４３は、上ケーシング３に固定されている。回転側部材（回転側部位）１４１の両面にはスパイラル溝１４５，１４５が形成されている。固定側の上下に分割された部材（部位）、すなわち、上側固定側部材（上側固定側部位）１４２と下側固定側部材（下側固定側部位）１４３とにより、スパイラル溝１４５，１４５の形成された回転側部材（回転側部位）１４１を挟み込む構造としている。
【００２９】
前記回転側部材（回転側部位）１４１には、高強度を有する窒化珪素セラミックス等のセラミックスが用いられており、上側固定側部材（上側固定側部位）１４２、下側固定側部材（下側固定側部位）１４３等の固定側部材には、熱伝導率の高い炭化珪素セラミックス等のセラミックスが用いられている。固定側部材としては、その他にアルミナセラミックスも使用できる。また、回転軸１には、回転軸の外周面から半径方向外方に突出する支持部１aが形成されており、回転側部材（回転側部位）１４１と回転軸１の支持部１aの端面１eとの間にスペーサ４６が設けられている。
本実施形態においては、回転側部材（回転側部位）１４１と回転軸１の端面１eとの間にスペーサ４６が設けられているので、スペーサ４６が回転側部材（回転側部位）１４１に比べて小径に成形できるため、スペーサ４６の内部応力を小さく抑えることができる。また、スペーサ４６の上面および下面での滑りも発生することから、回転側部材（回転側部位）１４１の内部応力は上昇しない。
【００３０】
前記回転軸１、気体軸受４０の回転側部材（回転側部位）１４１、スペーサ４６の線膨張係数をそれぞれ、λsf、λd2、λspとしたとき、λsf＞λsp≧λd2となるように、前記スペーサ４６の材質が設定されている。すなわち、スペーサ４６の線膨張係数（λsp）が、回転軸（ステンレス鋼）１の線膨張係数（λsf）と回転側部材（セラミックス）１４１の線膨張係数（λd2）の間に設定されることにより、熱変形による、回転側部材の内部応力上昇を緩和することができる。スペーサ４６の材料としては、チタン合金（8.8×10−6／℃）、アルミナ系セラミックス（7.2×10−6／℃）、タングステンカーバイド（5.8×10−6／℃）などがある。
また、スペーサ４６の線膨張係数（λsp）が、回転軸（ステンレス鋼）１の線膨張係数（λsf）より小さく、回転側部材（セラミックス）１４１の線膨張係数（λd2）と同じであっても、スペーサ４６が回転側部材１４１に比べて小径に成形できるため、内部応力を小さく抑えることができる。
【００３１】
図５は、本発明に係るターボ型真空ポンプの第２の態様を示す要部拡大断面図である。図５に示すように、本実施形態のターボ型真空ポンプにおいては、タービン翼１２、遠心翼２２、遠心翼３２等の回転翼を固定する回転軸１の外径寸法は、回転軸１の吸気側より下流方向に向かって次第に小さくなるように設定されている。
回転軸１と回転軸１に固定された回転翼を含む回転体を高速で回転させるためには、アンバランス量の低減を考えると、本発明に係る回転翼を回転軸に嵌挿する構造では、その半径方向隙間はできるだけ小さく設定することが好ましい。しかしながら、上述したように、回転軸がステンレス鋼からなり、回転翼がセラミックスからなる場合のように、回転軸と回転翼の線膨張係数が異なり、且つ回転軸の線膨張係数の方が、回転翼のそれよりも大きい場合、熱変形による「隙間減少→食い付き→回転翼の内部応力上昇→破損」という現象が発生する恐れがある。しかし、この現象を考慮して、回転翼と回転軸との初期隙間を大きく取り過ぎると、アンバランス量の増大、もしくは回転中におけるアンバランス量の変化などの不具合が生じ、回転体の安定回転に支障を来す恐れがある。また、翼要素を多段化する場合は、その影響は更に大きくなる。
【００３２】
そこで、本発明においては、図５に示すように、前記回転軸１の外径寸法を、回転軸の吸気側より下流方向に向かって小径化する構造とする。回転体の翼要素部分は、大気圧に近いほど、翼要素部分での損失による発熱が大きい。よって、回転軸は大気圧に近い位置ほど熱変形する。これを考慮して、図５に示すように、回転軸の吸気側から排気側（下流側）に向かって、回転軸１の外径寸法が次第に小さくなるようにテーパ形状に設定すれば、熱変形による隙間減少に起因する食い付きを防止できるため、回転翼の応力上昇に対する破損と、アンバランス量の増大を回避することができる。すなわち、回転軸１の上部側の外径ｄ１＞下部側の外径ｄ３になるように、回転軸１をテーパ形状に設定する。
回転軸１のテーパ形状は、連続的な形状でなく、図６に示すように、階段状に小径化させてもよい。すなわち、上部側の外径ｄ１＞中間部の外径ｄ２＞下部側の外径ｄ３のように小径化する。なお、階段状にする場合の段数は任意である。
【００３３】
図５および図６においては、回転翼として、上側回転側部材４２および遠心翼３２を例示しているが、回転翼には、さらに、遠心翼２２やタービン翼１２を含んでもよい。また図５および図６に示すターボ型真空ポンプのその他の構成、すなわち、気体軸受４０、スラスト磁気軸受５５を有した軸受モータ部５０などの構成は、図１乃至図４に示すターボ型真空ポンプと同様である。
【００３４】
次に、図１乃至図６に示すターボ型真空ポンプの排気部１０の翼要素の構成について説明する。
図７（ａ）、（ｂ）は、タービン翼排気部１１のタービン翼部１３を示す図である。図７（ａ）は、タービン翼部１３を吸気口側から見た平面図であり、ケーシング２の吸気口５に最も近い最上段のタービン翼１２のみを示した図であり、図７（ｂ）は、タービン翼１２を放射状に中心に向かって見た図を平面上に部分的に展開した図である。図７（ａ）および図７（ｂ）に示すように、タービン翼部１３は、ボス部１４と、タービン翼１２とを有している。タービン翼１２はボス部１４の外周部に放射状に取り付けられた板状の複数の羽根１２ａを備えている。ボス部１４には、中空部１５及び貫通孔１５ｈが形成されている。羽根１２ａは、回転軸１の中心軸線からβ１（例えば、１０〜４０度）だけねじれた捩れ角をもって取り付けられている。その他のタービン翼１２の構成は、最上段のタービン翼１２の構成と同じであるが、羽根の枚数、羽根の取付角度β１、ボス部１４の羽根を取り付けた部分の外径、羽根の長さなどは、適宜変えてもよい。
【００３５】
図８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、タービン翼排気部の固定翼１７を示す図である。図８（ａ）は、ケーシング２の吸気口５に最も近い最上段の固定翼１７を吸気口側から見た平面図であり、図８（ｂ）は、固定翼１７を放射状に中心に向かって見た図を平面上に部分的に展開した図であり、図８（ｃ）は、図８（ａ）のVIII−VIII線断面図である。固定翼１７は、円環状の円環部１８と、円環部１８の外周部に放射状に取り付けられた板状の羽根１７ａとを備えている。円環部１８の内周部は軸孔１９を形成し、軸孔１９を回転軸１（図１参照）が貫通している。羽根１７ａは、回転軸１の中心軸線からβ２（例えば、１０〜４０度）だけねじれた捩れ角をもって取り付けられている。その他の固定翼１７の構成は、最上段の固定翼１７の構成と同じであるが、羽根の枚数、羽根の取付角度β２、円環部の外径、羽根の長さなどは、適宜変えてもよい。
【００３６】
図９（ａ）、（ｂ）は、第１遠心翼排気部２１の遠心翼２２を示す図である。図９（ａ）は、ケーシング２の吸気口５に最も近い最上段の遠心翼２２を吸気口側から見た平面図であり、図９（ｂ）は、遠心翼２２の正面断面図である。高真空側の遠心翼である遠心翼２２は、ボス部２４を有する略円板状の基部２５と、基部２５の一方の表面上に形成される遠心翼要素２２ａとを備える。ボス部２４には、回転軸１が挿通される貫通孔２４ｈが形成されている。遠心翼２２の回転方向は、図９（ａ）において時計方向である。
【００３７】
遠心翼要素２２ａは、図９（ａ）に示すような渦巻き状の遠心溝からなる。遠心翼要素２２ａを構成する渦巻状の遠心溝は、回転方向に対して後ろ向き（回転方向とは反対向き）にガス流れ方向に延びる構造であり、ボス部２４の外周面から基部２５の外周縁まで達している。その他の遠心翼２２の構成は、最上段の遠心翼２２の構成と同じであるが、遠心溝の個数や形状、ボス部の外径、遠心溝により形成される流路の長さなどは、適宜変えてもよい。
【００３８】
図１０（ａ）、（ｂ）は、第２遠心翼排気部３１の遠心翼３２を示す図である。図１０（ａ）は、ケーシング２の吸気口５に最も近い最上段の遠心翼３２を吸気口側から見た平面図であり、図１０（ｂ）は、遠心翼３２の正面断面図である。大気圧側の遠心翼である遠心翼３２は、略円板状の基部３５と、基部３５の一方の表面上に形成される遠心翼要素３２ａとを備える。基部３５には、回転軸１が挿通される貫通孔３５ｈが形成されている。遠心翼３２の回転方向は、図１０（ａ）において時計方向である。
【００３９】
遠心翼要素３２ａは、図１０（ａ）に示すような渦巻き状の遠心溝からなる。遠心翼要素３２ａを構成する渦巻状の遠心溝は、回転方向に対して後ろ向き（回転方向とは反対向き）にガス流れ方向に延びる構造であり、略円板状の基部３５の内周部から外周縁まで達している。その他の遠心翼３２の構成は、最上段の遠心翼３２の構成と同じであるが、遠心溝の個数や形状、遠心溝により形成される流路の長さなどは、適宜変えてもよい。
【００４０】
図９および図１０に示すように、大気圧側の遠心翼３２と高真空側の遠心翼２２とを比較すると、大気圧側の遠心翼３２における遠心翼要素３２ａの溝部深さは浅く（もしくは凸部高さは低く）、高真空側の遠心翼２２における遠心翼要素２２ａの溝部深さは深く（もしくは凸部高さは高く）設定されている。すなわち、高真空に向かうに従い遠心翼要素の遠心溝の溝部深さは深く（もしくは凸部高さは高く）なっていく。要するに、高真空側に向かうに従い、排気速度が大きくなっていく。
【００４１】
次に、図１乃至図１０に示すように構成されたターボ型真空ポンプの作用を説明する。
タービン翼排気部１１におけるタービン翼１２が回転することによって、ポンプの吸気口５から軸方向にガスが導入される。タービン翼１２を使用することにより排気速度を大きくすることができ、比較的多量の気体を排気することができる。吸気口５から導入されたガスは、最上段のタービン翼１２を通過して固定翼１７により減速され圧力が上昇する。同様に下流側のタービン翼１２及び固定翼１７により軸方向に排気され、圧力が上昇する。
【００４２】
タービン翼排気部１１から第１遠心翼排気部２１に流入したガスは、最上段の遠心翼２２に導入され、最上段の遠心翼２２と最上段の固定翼２３との相互作用、すなわち当該ガスの粘性によるドラッグ作用、さらに遠心翼要素２２ａの回転による遠心作用により、遠心翼２２の基部２５の表面に沿って外周側へ向かわせるガスの圧縮、排気が行われる。すなわち、最上段の遠心翼２２に導入されたガスは、当該遠心翼２２に対して図９（ｂ）中、略軸方向２７に導入され、渦巻状の遠心溝を通って外周側に向かう遠心方向２８に流れ、圧縮され、排気される。
【００４３】
最上段の遠心翼２２によって外周側へ向かって圧縮されたガスは、次に最上段の固定翼２３に流れ込み、固定翼２３の鉛直方向に延びる内周面によって、略軸方向に方向を変え、固定翼２３の表面側にある渦巻状ガイド（図示せず）が設けられた空間へ流れ込む。そして、最上段の遠心翼２２が回転することによって、固定翼２３の渦巻状ガイドと、最上段の遠心翼２２の基部２５の裏面とのガスの粘性によるドラッグ作用によって、最上段の固定翼２３の表面に沿って内周側へ向かわせるガスの圧縮、排気が行われる。最上段の固定翼２３の内周側に達したガスは、最上段の遠心翼２２のボス部２４の外周面によって、略軸方向に方向が変わり、下流側の遠心翼２２に導入される。下流側の遠心翼２２及び固定翼２３により、同様のガスの圧縮、排気が行われる。
【００４４】
第１遠心翼排気部２１から第２遠心翼排気部３１に流入したガスは、最上段の遠心翼３２に導入され、最上段の遠心翼３２と最上段の固定翼３３との相互作用、すなわち当該ガスの粘性によるドラッグ作用、さらに遠心翼要素３２ａの回転による遠心作用により、最上段の遠心翼３２の基部３５の表面に沿って外周側へ向かわせるガスの圧縮、排気が行われる。次に、最上段の固定翼３３に流れ込み、固定翼３３の鉛直方向に延びる内周面によって、略軸方向に方向を変え、固定翼３３の表面側にある渦巻状ガイド（図示せず）が設けられた空間へ流れ込む。そして、最上段の遠心翼３２が回転することによって、固定翼３３の渦巻状ガイド（図示せず）と、最上段の遠心翼３２の基部３５の裏面とのガスの粘性によるドラッグ作用によって、最上段の固定翼３３の表面に沿って内周側へ向かわせるガスの圧縮、排気が行われる。最上段の固定翼３３の内周側に達したガスは、略軸方向に方向が変わり、下流側の遠心翼３２に導入される。下流側の遠心翼３２及び固定翼３３により、同様のガスの圧縮、排気が行われる。そして、第２遠心翼排気部３１から排出されたガスは、排気口６から真空ポンプの外部に排出される。
【００４５】
図１１は、ターボ型真空ポンプにおける翼クリアランスによる性能比較を示すグラフであり、排気圧が７６０Torrで、遠心翼１段で取得できる差圧と回転速度の関係を示す図である。図１１において、横軸は、真空ポンプの回転速度（min−１）を表し、縦軸は、差圧（Torr）を表す。翼クリアランスが２５μｍの場合と４０μｍの場合とを比較して示す。図１１に示すように、翼クリアランスが２５μｍの場合、遠心翼１段で、１０万回転／分（min−１）の回転速度にて、約３００Torrの差圧を取得することができる。これに対して、翼クリアランスが４０μｍの場合、遠心翼１段で、１０万回転／分（min−１）の回転速度にて、約２５０Torrの差圧を取得することができる。すなわち、翼クリアランスが２５μｍから４０μｍまで１５μｍ変化すると、性能は、グラフに示すように低下する。このことからも、気体軸受４０とスラスト磁気軸受５５を用いて翼クリアランスを微小に設定できる本発明の効果が分かる。
【００４６】
図１２は、本発明に係るターボ型真空ポンプの他の実施形態を示す縦断面図である。図１２に示すように、ターボ型真空ポンプは、排気部１０の排気作用による排気側と吸気側の差圧により生ずるスラスト力を打ち消す方向に作用するスラスト磁気軸受５５を備えている。スラスト磁気軸受５５は、電磁石を有した上スラスト磁気軸受５６と、電磁石を有した下スラスト磁気軸受５７と、回転軸１の下部に固定されたターゲットディスク５８とから構成されている。スラスト磁気軸受５５においては、上下スラスト磁気軸受５６，５７によりターゲットディスク５８を挟み込むようにし、上下スラスト磁気軸受５６，５７の電磁石によりターゲットディスク５８を吸引し、排気部１０の排気作用による排気側と吸気側の差圧により生ずるスラスト力を打ち消すようにしている。図１２に示すターボ型真空ポンプのその他の構成は、図１に示すターボ型真空ポンプと同様である。
【００４７】
本発明においては、ラジアル方向の軸受には、磁気軸受を用いた例を示したが、これが気体軸受であっても当然構わない。また、本発明は、大気圧領域で効果を得るためのものである。この大気圧領域の翼要素の上流側に、概略１０Torr以下の真空にて、従来、ターボ分子ポンプで採用されている、円筒ネジ溝ロータ、遠心翼、タービン翼の少なくとも一つが用いられても、当然構わない。この領域で使用する遠心翼は、本発明の微小クリアランス遠心翼と排気原理は同じであるが、大気圧領域に比べて真空度が高く、逆流も少なくなるので、大気圧領域の遠心翼のように微小に設定されたものではなく、汎用ターボ分子ポンプの翼クリアランス（０．１〜１ｍｍ程度）であっても構わない。
気体軸受は、動圧型、静圧型どちらであっても、本発明の効果に影響はない。静圧型の場合は、外部気体供給手段が必要となる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】図１は、本発明に係るターボ型真空ポンプの第１の態様を示す縦断面図である。
【図２】図２は、気体軸受およびその周辺部を示す要部拡大図である。
【図３】図３は、図２のIII矢視図である。
【図４】図４は、気体軸受およびその周辺部の他の実施形態を示す要部拡大図である。
【図５】図５は、本発明に係るターボ型真空ポンプの第２の態様を示す要部拡大図である。
【図６】図６は、本発明に係るターボ型真空ポンプの他の実施形態を示す要部拡大図である。
【図７】図７（ａ）、（ｂ）は、タービン翼排気部のタービン翼部を示す図であり、図７（ａ）は、タービン翼部を吸気口側から見た平面図であってケーシングの吸気口に最も近い最上段のタービン翼のみを示した図であり、図７（ｂ）は、タービン翼を放射状に中心に向かって見た図を平面上に部分的に展開した図である。
【図８】図８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、タービン翼排気部の固定翼を示す図であり、図８（ａ）は、ケーシングの吸気口に最も近い最上段の固定翼を吸気口側から見た平面図であり、図８（ｂ）は、固定翼を放射状に中心に向かって見た図を平面上に部分的に展開した図であり、図８（ｃ）は、図８（ａ）のVIII-VIII線断面図である。
【図９】図９（ａ）、（ｂ）は、第１遠心翼排気部の遠心翼を示す図であり、図９（ａ）は、ケーシングの吸気口に最も近い最上段の遠心翼を吸気口側から見た平面図であり、図９（ｂ）は、遠心翼の正面断面図である。
【図１０】図１０（ａ）、（ｂ）は、第２遠心翼排気部の遠心翼を示す図であり、図１０（ａ）は、ケーシングの吸気口に最も近い最上段の遠心翼を吸気口側から見た平面図であり、図１０（ｂ）は、遠心翼の正面断面図である。
【図１１】図１１は、ターボ型真空ポンプにおける翼クリアランスによる性能比較を示すグラフであり、排気圧が７６０Torrで、遠心翼１段で取得できる差圧と回転速度の関係を示す図である。
【図１２】図１２は、本発明に係るターボ型真空ポンプの他の実施形態を示す縦断面図である。
【符号の説明】
【００４９】
１  回転軸
２  ケーシング
３  上ケーシング
４  下ケーシング
５  吸気口
６  排気口
１０  排気部
１１  タービン翼排気部
１２  タービン翼
１３  タービン翼部
１４  ボス部
１５  中空部
１５ｈ  貫通孔
１６  ボルト
１７  固定翼
１８  スペーサ
２１  第１遠心翼排気部
２２，３２  遠心翼
２２ａ，３２ａ，４２ａ  遠心翼要素
２３  固定翼
２４  ボス部
２４ｈ  貫通孔
２５，３５  基部
３１  第２遠心翼排気部
３３  固定翼
３５ｈ  貫通孔
４０  気体軸受
４１  固定側部材（固定側部位）
４２  上側回転側部材（上側回転側部位）
４３  下側回転側部材（下側回転側部位）
４５  スパイラル溝
４６  スペーサ
５０  軸受モータ部
５１  モータ
５３  上ラジアル磁気軸受
５４  下ラジアル磁気軸受
５５  スラスト磁気軸受
５６  上スラスト磁気軸受
５７  下スラスト磁気軸受
５８  ターゲットディスク
８１  上保護ベアリング
８２  下保護ベアリング
１４１  回転側部材（回転側部位）
１４２  上側固定側部材（上側固定側部位）
１４３  下側固定側部材（下側固定側部位）
１４５  スパイラル溝
【図１】
0005202063.tif 000002
【図２】
0005202063.tif 000003
【図３】
0005202063.tif 000004
【図４】
0005202063.tif 000005
【図５】
0005202063.tif 000006
【図６】
0005202063.tif 000007
【図７】
0005202063.tif 000008
【図８】
0005202063.tif 000009
【図９】
0005202063.tif 000010
【図１０】
0005202063.tif 000011
【図１１】
0005202063.tif 000012
【図１２】
0005202063.tif 000013