(57)【要約】【課題】ターボ分子ポンプを備えた真空排気系で起こる大気突入により真空容器へのゴミや異物の流入等のトラブルを防止するとともにターボ分子ポンプへの大気突入を防止することができるターボ分子ポンプを提供する。【解決手段】ポンプケーシング１の吸気口及び／又はポンプ排気口に、またはポンプケーシング１の吸気口及び／又はポンプ排気口の近傍に、圧力差で開閉する弁体４１を備えた自動開閉弁を設け、自動開閉弁は、弁座部１ｓと、少なくとも２個のばね４３の復元力により一方向へ押し付けられている弁体４１と、弁体４１を支持するとともに弁体４１の移動を案内する少なくとも２個の弁体支持棒４２とを備え、弁体４１が押し付けられる方向と逆方向に圧力が作用した際に、その圧力作用方向にばね４３が縮むことにより弁体４１が弁体支持棒４２の軸方向に移動して弁座部１ｓを閉止するように構成されている。【選択図】図１
2013167207.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポンプケーシングと、前記ポンプケーシングに固定されたステータと、ポンプケーシング内部に高速回転可能に設けられたロータと、前記ステータとロータとによりタービン翼排気部とねじ溝排気部が構成されたターボ分子ポンプにおいて、
前記ポンプケーシングの吸気口及び／又はポンプ排気口に、または前記ポンプケーシングの吸気口及び／又はポンプ排気口の近傍に、圧力差で開閉する弁体を備えた自動開閉弁を設け、
前記自動開閉弁は、弁座部と、少なくとも２個のばねの復元力により一方向へ押し付けられている弁体と、前記弁体を支持するとともに弁体の移動を案内する少なくとも２個の弁体支持棒とを備え、
前記弁体が押し付けられる方向と逆方向に圧力が作用した際に、その圧力作用方向に前記ばねが縮むことにより前記弁体が前記弁体支持棒の軸方向に移動して前記弁座部を閉止するように構成されていることを特徴とするターボ分子ポンプ。
【請求項２】
前記弁体支持棒と前記弁体との軸方向摺動面に、摺動抵抗を低減する処理が施されていることを特徴とする請求項１記載のターボ分子ポンプ。
【請求項３】
前記弁体は、圧力作用方向に対し、凹形状もしくは凸形状となっていることを特徴とする請求項１または２記載のターボ分子ポンプ。
【請求項４】
前記弁座部は、前記ポンプケーシングに設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のターボ分子ポンプ。
【請求項５】
前記自動開閉弁を２個直列に設け、前記直列に設けた自動開閉弁の弁体の閉止方向は互いに逆方向になっていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のターボ分子ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、真空中にて各種処理を行うための真空容器（真空チャンバ）内を真空排気して高真空にするためのターボ分子ポンプに係り、特に吸気口及び／又は排気口に自動開閉弁を備えたターボ分子ポンプに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から高真空下で、半導体製造プロセスにおける各種処理を行う半導体製造装置や電子線等を用いて各種試料を検査する検査装置などで真空容器（真空チャンバ）が用いられている。この場合、高真空以下まで真空排気できるターボ分子ポンプと大気圧から中真空程度まで真空排気できる補助ポンプからなる真空排気装置を用いて真空容器（真空チャンバ）内を所定の真空度まで減圧し、各種処理を行っている。
【０００３】
このような半導体製造装置や検査装置などにおいて、真空排気系におけるトラブルによって大気突入が起こることがある。例えば、補助ポンプの停止、ターボ分子ポンプの破損、ターボ分子ポンプと補助ポンプを接続している配管の破損などで大気突入が起こる。その際、大気突入が真空容器へ達し、装置へダメージを与えることがある。気体だけが真空容器へ達するのならいいが、ゴミ、異物などが真空容器に侵入する。また、最悪ケースとしてターボ分子ポンプが破損した場合などは、その破片などが真空容器に飛び込んでくる。
【０００４】
従来の真空排気系では、電磁式の開閉弁や圧空式の開閉弁が装置排気ラインには設けられていることが多い。これら開閉弁を用いて大気突入の真空容器への影響を防止・低減する場合、弁を駆動させるために圧縮空気や電気といった駆動エネルギが必要である。また開閉弁の構造もそれなりに複雑である。さらに、大気突入をなにかしらのインプット情報（真空計の圧力上昇、補助ポンプのエラー信号など）より判断し、開閉弁を動作させなければならない。また、大気突入が真空容器に達する前に開閉弁を閉じなければならず、高速応答性も必要である。
【０００５】
また、ターボ分子ポンプが排気運転中に、上流側の真空容器や配管の破損等によって吸気口から急激に大気が流入して大気突入が起こったり、下流側の補助ポンプの停止や配管の破損等によって排気口から急激に大気が流入して大気突入が起こると、ターボ分子ポンプのタービン翼部には大気突入による過大な負荷が作用し、最悪の場合、タービン翼部が破損する場合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−６２８８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明者らは、ターボ分子ポンプを備えた真空排気系で起こる大気突入により半導体製造装置や検査装置の真空容器へのゴミや異物の流入等のトラブル、およびターボ分子ポンプへの大気突入によるターボ分子ポンプのタービン翼部の破損等のトラブルを解決するために、ターボ分子ポンプの吸気口および排気口に自動開閉弁を設置することを着想し、本発明の創案に至ったものである。
【０００８】
本発明は、上述の点に鑑みてなされたもので、ターボ分子ポンプを備えた真空排気系で起こる大気突入により真空容器へのゴミや異物の流入等のトラブルを防止するとともにターボ分子ポンプへの大気突入を防止することができるターボ分子ポンプを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述の目的を達成するため、本発明のターボ分子ポンプは、ポンプケーシングと、前記ポンプケーシングに固定されたステータと、ポンプケーシング内部に高速回転可能に設けられたロータと、前記ステータとロータとによりタービン翼排気部とねじ溝排気部が構成されたターボ分子ポンプにおいて、前記ポンプケーシングの吸気口及び／又はポンプ排気口に、または前記ポンプケーシングの吸気口及び／又はポンプ排気口の近傍に、圧力差で開閉する弁体を備えた自動開閉弁を設け、前記自動開閉弁は、弁座部と、少なくとも２個のばねの復元力により一方向へ押し付けられている弁体と、前記弁体を支持するとともに弁体の移動を案内する少なくとも２個の弁体支持棒とを備え、前記弁体が押し付けられる方向と逆方向に圧力が作用した際に、その圧力作用方向に前記ばねが縮むことにより前記弁体が前記弁体支持棒の軸方向に移動して前記弁座部を閉止するように構成されていることを特徴とする。
本発明の自動開閉弁においては、通常時、少なくとも２個のばねの復元力により弁体は弁体支持棒の一方向に押し付けられている。したがって、弁体は弁座部から離間しており、自動開閉弁は開状態にある。そして、弁体にばねにより押し付けられている方向と逆方向に圧力が作用したとき、その圧力作用方向にばねが縮むことにより弁体が移動し、弁体は弁座部を閉止し、自動開閉弁は閉状態になる。本発明の自動開閉弁においては、弁体の動作エネルギは、弁体により仕切られた両領域に差圧が生じたときに弁体に作用する差圧力によるものであり、追加のエネルギは不要である。
【００１０】
本発明において、自動開閉弁はポンプケーシングの吸気口に設けてもよいし、ポンプの排気口に設けてもよい。また、ターボ分子ポンプの吸気口に本発明の自動開閉弁をユニット化して接続してもよいし、ターボ分子ポンプの排気口に本発明の自動開閉弁をユニット化して接続してもよい。なお、自動開閉弁のユニット化とは、弁座部、弁体、弁体支持棒、ばねを筒状のハウジングに収容したユニットを形成することであり、このユニットをターボ分子ポンプのポンプケーシングに接続すればよい。
本発明によれば、ターボ分子ポンプが排気運転中にターボ分子ポンプの上流側の真空容器側でトラブルが生じて大気突入が起こってもターボ分子ポンプの吸気口（または吸気口の近傍）にある自動開閉弁が閉止するため、ターボ分子ポンプへの大気突入を防止することができる。
また、本発明によれば、ターボ分子ポンプが排気運転中にターボ分子ポンプの下流側の補助ポンプ側でトラブルが生じて大気突入が起こってもターボ分子ポンプの排気口（または排気口の近傍）にある自動開閉弁が閉止するため、ターボ分子ポンプへの大気突入を防止することができる。
【００１１】
本発明の好ましい態様によれば、前記弁体支持棒と前記弁体との軸方向摺動面に、摺動抵抗を低減する処理が施されていることを特徴とする。
本発明によれば、弁体支持棒と弁体との軸方向摺動面に、摺動抵抗を低減する処理が施されているため、弁体を早く閉止させることができ、高圧側から低圧側への影響を最小限にすることができる。すなわち、ターボ分子ポンプの上流側が大気圧になり、ターボ分子ポンプの吸気口から急激に大気が流入して大気突入が起こることを防止することができ、ターボ分子ポンプを保護することができる。
摺動抵抗を低減する方法としては、摺動抵抗の小さい材料で、弁体、弁体支持棒を形成することが考えられる。例えば、フッ素樹脂（ＰＴＦＥ，ＰＦＡなど）などで弁体や弁体支持棒を形成する。但し、構造として強度を有する場合（例えば、弁体が大気圧力を受けなければならない場合など）には、弁体や弁体支持棒を金属材料で作り、その表面に摺動抵抗の少ない表面処理を施してもよい。例えば、フッ素樹脂（ＰＴＦＥ，ＰＦＡなど）コーティングなどの表面処理である。また、弁体と弁体支持棒との間にフッ素樹脂（ＰＴＦＥ，ＰＦＡなど）等の摺動抵抗の小さい材料からなるブッシュを設けてもよい。
【００１２】
本発明の好ましい態様によれば、前記弁体は、圧力作用方向に対し、凹形状もしくは凸形状となっていることを特徴とする。
弁体の移動速度を高めるには、弁体の加速度が大きいことが望ましく、そのためには弁体質量を軽くした方が良く、そのため弁体厚みをできるだけ薄くすることが望ましい。しかしながら、大気突入などの圧力（荷重）が弁体面に作用する場合を想定すると、薄過ぎると弁体が破損してしまう。そこで、本発明においては、弁体を凸形状もしくは凹形状にすることにより、弁体の強度を増すことができる。この加工は、例えば薄板のプレス加工などで成形可能であり、製造コストも安価である。材料としては、ＡＬ合金、ＳＵＳ合金などが好適である。
【００１３】
本発明の好ましい態様によれば、前記弁座部は、前記ポンプケーシングに設けられていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様によれば、前記自動開閉弁を２個直列に設け、前記直列に設けた自動開閉弁の弁体の閉止方向は互いに逆方向になっていることを特徴とする。
本発明によれば、ターボ分子ポンプの吸気口に自動開閉弁を２個直列に設置し、２個の自動開閉弁における弁体をそれぞれ別方向に閉止する方向に設けることにより、ターボ分子ポンプが排気運転中にターボ分子ポンプの上流側の真空容器側でトラブルが生じて大気突入が起こってもターボ分子ポンプの吸気口にある自動開閉弁が閉止するため、ターボ分子ポンプへの大気突入を防止することができる。また、ターボ分子ポンプが排気運転中にターボ分子ポンプからの大気突入が起こってもターボ分子ポンプの吸気口にある自動開閉弁が閉じるため、大気突入が真空容器に達することはない。ポンプからの大気突入発生源としては、不活性ガスのパージライン等が考えられる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は、以下に列挙する効果を奏する。
（１）ターボ分子ポンプが排気運転中にターボ分子ポンプの上流側の真空容器側でトラブルが生じて大気突入が起こってもターボ分子ポンプの吸気口にある自動開閉弁が閉止するため、ターボ分子ポンプへの大気突入を防止することができる。
（２）ターボ分子ポンプが排気運転中にターボ分子ポンプの下流側の補助ポンプ側でトラブルが生じて大気突入が起こってもターボ分子ポンプの排気口にある自動開閉弁が閉止するため、ターボ分子ポンプへの大気突入を防止することができる。
（３）ターボ分子ポンプが排気運転中にターボ分子ポンプからの大気突入が起こってもターボ分子ポンプの吸気口にある自動開閉弁が閉止するため、大気突入が真空容器に達することはない。ポンプからの大気突入発生源としては、不活性ガスのパージライン等が考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、本発明に係るターボ分子ポンプの第１の態様を示す模式的断面図である。
【図２】図２は、図１に示す自動開閉弁の詳細構造を示す図であり、図１のII部の拡大図である。
【図３】図３（ａ），（ｂ）は、弁体の形状例を示す平面図である。
【図４】図４（ａ），（ｂ）は、図３（ｂ）に示す弁体における弁座部との接触範囲を示す図であり、図４（ａ）は自動開閉弁の全体を示す断面図、図４（ｂ）は弁体の平面図である。
【図５】図５（ａ），（ｂ）は、弁体にブッシュを設け、弁体が弁体支持棒により案内されて移動する際の摺動抵抗を低減するようにした例を示す図である。
【図６】図６（ａ），（ｂ）は、弁体を圧力作用方向に対し凸形状もしくは凹形状に形成した例を示す図である。
【図７】図７は、図１のVII部の拡大図である。
【図８】図８は、本発明に係るターボ分子ポンプの第２の態様を示す模式的断面図である。
【図９】図９は、ターボ分子ポンプの吸気口に２つの自動開閉弁を設けた例を示す模式的断面図である。
【図１０】図１０（ａ）は、ターボ分子ポンプの吸気口に自動開閉弁を設置した場合における自動開閉弁の効果を検証した結果を示すグラフであり、図１０（ｂ）は、ターボ分子ポンプの吸気口に自動開閉弁を設置した場合を示す図である。
【図１１】図１１（ａ）は、ターボ分子ポンプの排気口に自動開閉弁を設置した場合における自動開閉弁の効果を検証した結果を示すグラフであり、図１１（ｂ）は、ターボ分子ポンプの排気口に自動開閉弁を設置した場合を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明に係るターボ分子ポンプの実施形態を図１乃至図１１を参照して説明する。図１乃至図１１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。
図１は、本発明に係るターボ分子ポンプの第１の態様を示す模式的断面図である。図１に示すように、ターボ分子ポンプは、ポンプケーシング１内に吸気口側から排気口側に向かってタービン翼排気部１０とねじ溝排気部２０とを順次配置して構成されている。タービン翼排気部１０は、多段の回転翼としてのタービン翼１１と、タービン翼１１の直後流に配置された多段の固定翼１４とから構成されている。多段のタービン翼１１は、概略円筒状のロータ１２に一体に形成されており、ロータ１２は回転軸１３に固定されている。一方、多段の固定翼１４は、ポンプケーシング１内に積層されたスペーサ１５によって挟持されることによりポンプケーシング１に固定されている。これにより、タービン翼排気部１０において、回転翼としてのタービン翼１１と、固定翼１４とが交互に配置される構成になっている。
【００１７】
また、ねじ溝排気部２０は、円筒状のロータ１２の外周面に形成された円筒ねじ溝２１と、円筒ねじ溝２１の外周側に対向して配置された円筒状のねじ溝スペーサ２２とから構成されている。ねじ溝スペーサ２２はポンプケーシング１に固定されている。
前記ロータ１２の内側にはステータ２５が配置されており、ステータ２５はポンプケーシング１の下部フランジ１ｌｆに固定されている基部２６と、基部２６より上方に延びるスリーブ部２７とを備えている。ステータ２５のスリーブ部２７には、回転軸１３に回転駆動力を与えるモータと回転軸１３を回転自在に支承する軸受とを有した軸受モータ部３０が配置されている。
【００１８】
前記軸受モータ部３０は、回転軸１３に回転駆動力を与えるモータ３１と、回転軸１３をラジアル方向に支承する上ラジアル磁気軸受３２，下ラジアル磁気軸受３３と、排気部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３４を備えている。モータ３１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３２，下ラジアル磁気軸受３３，スラスト磁気軸受３４は、いずれも能動型磁気軸受である。
【００１９】
前記ポンプケーシング１の上端部には上部フランジ１ｕｆが形成されており、上部フランジ１ｕｆの内側が吸気口ＳＰになっており、上部フランジ１ｕｆに排気すべき真空容器（真空チャンバ）や配管が接続される。また、ステータ２５の基部２６にはフランジ２６ｆが形成されており、フランジ２６ｆの内側が排気口ＤＰになっている。フランジ２６ｆに配管が接続され、この配管によってターボ分子ポンプは補助ポンプに連通されるようになっている。フランジ２６ｆが形成された部分はポンプケーシング１の一部を構成している。
【００２０】
図１に示すように、ターボ分子ポンプの吸気口ＳＰには自動開閉弁４０が設置されており、排気口ＤＰには自動開閉弁５０が設置されている。吸気口ＳＰに設置された自動開閉弁４０と排気口ＤＰに設置された自動開閉弁５０とは、サイズは異なるが、構造は同一であるため、以下の構造の説明においては自動開閉弁４０のみについて説明する。
【００２１】
図２は、図１に示す自動開閉弁４０の詳細構造を示す図であり、図１のII部の拡大図である。図１および図２に示すように、ポンプケーシング１の上部には、ポンプケーシング１の内壁から半径方向内側に向かって延びる円環状の弁座部１ｓが形成されている。弁座部１ｓの上方には、弁座部１ｓに接触又は離間可能に弁体４１が配置されている。弁体４１は、弁座部１ｓに固定された少なくとも２個の弁体支持棒４２により支持されるとともにその上下動が案内されるようになっている。弁体支持棒４２は、下部にねじを有した軸部４２ａと、頭部４２ｂとを備えており、軸部４２ａのねじを弁座部１ｓに螺合することにより弁体支持棒４２は弁座部１ｓに固定されている。そして、弁座部１ｓと弁体４１との間には圧縮コイルばねからなる弁体ばね４３が設けられており、弁体ばね４３によって弁体４１は弁座部１ｓから離間する方向に付勢（押圧）されるようになっている。弁体ばね４３は少なくとも２個設けられている。弁体４１は、弁体ばね４３によって弁座部１ｓから離れる方向、すなわち図１および図２において上方に付勢（押圧）されるため、弁体支持棒４２の頭部４２ｂは弁体４１のストッパとして機能する。
【００２２】
図１および図２に示すように構成された自動開閉弁４０においては、通常時、少なくとも２個の弁体ばね４３の復元力により弁体４１は弁体支持棒４２の頭部４２ｂに押し付けられている。したがって、弁体４１は弁座部１ｓから離間しており、自動開閉弁４０は開状態にある。そして、弁体４１に弁体ばね４３により押し付けられている方向と逆方向に圧力が作用したとき、その圧力作用方向に弁体ばね４３が縮むことにより弁体４１が移動し、弁体４１は弁座部１ｓと面接触する。弁体ばね４３が縮むとき、弁体ばね４３は弁座部１ｓに形成された凹部１Ｒ内に格納される。これにより、ターボ分子ポンプの吸気口ＳＰは閉塞され、ポンプケーシング１の内部は上部フランジ１ｕｆに接続された配管や真空容器（真空チャンバ）と遮断される。
【００２３】
本発明の自動開閉弁４０においては、弁体４１の動作エネルギは、弁体４１により仕切られた両領域に差圧が生じたときに弁体４１に作用する差圧力によるものであり、追加のエネルギは不要である。弁の基本構造は、弁体４１、弁体４１を一方向に押し付ける少なくとも２個のばね４３、弁体４１の上下移動を支持・位置決めするための少なくとも２個の弁体支持棒４２（数量はばねと同じ）、弁体４１と面接触するケーシング側に設けられた弁座１ｓである。本発明の自動開閉弁４０においては、差圧力が弁体４１に及んだ時点から弁体４１が動き出すため、その応答性は速い。
【００２４】
弁体４１により仕切られた両領域に差圧が生じ、弁体４１に差圧力が作用する場合、弁体４１が閉止するまで、弁体４１の高圧側の影響が低圧側へ及ぶ。弁体４１を如何に早く閉止させることができるかが、高圧側から低圧側への圧力影響の低減に大きく影響する。より具体的には、弁体４１を迅速に閉止することにより、ターボ分子ポンプの上流側にある真空容器（真空チャンバ）や配管の破損および誤操作等によりターボ分子ポンプの上流側が大気圧になり、ターボ分子ポンプの吸気口ＳＰ（図１参照）から急激に大気が流入して大気突入が起こることを防止することができ、ターボ分子ポンプを保護することができる。前記誤操作とは、ターボ分子ポンプの上流側にあるゲート弁を閉止し、ターボ分子ポンプを定格運転させた状態で真空容器を大気圧に戻している際に、誤ってゲート弁を開放した場合などである。
【００２５】
弁体４１が面接触する弁座部１ｓにはＯリングなどのシール構造を設けてもよいし、設けずに面シールのみでもよい。面シールの場合、シール部から微小にリークさせ、弁体４１の両領域の差圧が小さくなってくると、弁体４１が自動的にばねの反発力で開放するような動作をさせることもできる。
【００２６】
図３（ａ），（ｂ）は、弁体４１の形状例を示す平面図である。
図３（ａ）に示す弁体４１は、円板形状をなし、円板の外周部に弁体支持棒４２を挿通する孔ｈを形成している。
図３（ｂ）に示す弁体４１は、円板形状の弁本体部４１ａに弁体支持棒４２を挿通するための孔ｈを有した案内部４１ｂを突出させて設けている。この場合には、円板形状の弁本体部４１ａの外径が図３（ａ）に示す弁体４１の外径より小さくなり、軽量化を図ることができる。
【００２７】
図４（ａ），（ｂ）は、図３（ｂ）に示す弁体４１における弁座部１ｓとの接触範囲を示す図であり、図４（ａ）は自動開閉弁４０の全体を示す断面図、図４（ｂ）は弁体４１の平面図である。図４（ａ）に示すように、弁座部１ｓの内径はＤｓである。一方、弁体４１の弁本体部４１ａの外径は、図４（ｂ）に示すように、弁座部１ｓの内径Ｄｓより大きく、弁本体部４１ａは弁座部１ｓとの充分な接触範囲（図４（ｂ）において斜線で示す）を確保している。
【００２８】
図５（ａ），（ｂ）は、弁体４１にブッシュを設け、弁体４１が弁体支持棒４２により案内されて移動する際の摺動抵抗を低減するようにした例を示す図である。図５（ａ）は自動開閉弁４０の要部を示す模式的断面図であり、図５（ｂ）はブッシュの形状例を示す斜視図である。
図５（ａ）に示すように、弁体４１の孔ｈにはブッシュ４４が圧入されている。ブッシュ４４はフッ素樹脂（ＰＴＦＥ，ＰＦＡなど）などの低摺動抵抗材から形成されている。図５（ｂ）に示すように、ブッシュ４４は大径部４４ａと小径部４４ｂとを有した筒状体からなり、小径部が弁体４１の孔ｈに圧入される。なお、図５（ｂ）の右側の図に示すように、ブッシュ４４の弁体４１への圧入部にスリット４４ｓを形成し、このスリット４４ｓを弁体４１の凸部に嵌合させて、ブッシュ４４の廻り止めをしてもよい。
【００２９】
図５（ａ），（ｂ）に示すように、低摺動抵抗材からなるブッシュ４４を弁体４１に設けることにより、弁体４１と弁体支持棒４２との間の摺動抵抗が低減し、弁体４１の動作速度が速くなる。弁体４１により仕切られた両領域に差圧が生じ、弁体４１に差圧力が作用する場合、弁体４１が閉止するまで、弁体４１の高圧側の影響が低圧側へ及ぶ。上述したように、弁体４１を如何に早く閉止させることができるかが、高圧側から低圧側への圧力影響の低減に大きく影響する。ブッシュ４４を設けることにより、弁体４１を早く閉止させることができるため、高圧側から低圧側への影響を最小限にすることができる。すなわち、ターボ分子ポンプの上流側が大気圧になり、ターボ分子ポンプの吸気口ＳＰから急激に大気が流入して大気突入が起こることを防止することができ、ターボ分子ポンプを保護することができる。
【００３０】
また、摺動抵抗を低減する方法としては、摺動抵抗の小さい材料で、弁体４１、弁体支持棒４２を形成することが考えられる。例えば、フッ素樹脂（ＰＴＦＥ，ＰＦＡなど）などで弁体４１や弁体支持棒４２を形成する。但し、構造として強度を有する場合（例えば、弁体が大気圧力を受けなければならない場合など）には、弁体４１や弁体支持棒４２を金属材料で作り、その表面に摺動抵抗の少ない表面処理を施してもよい。例えば、フッ素樹脂（ＰＴＦＥ，ＰＦＡなど）コーティングなどの表面処理である。表面処理施工範囲は、摺動部に限ってもよいし全面でもよい。弁体支持棒４２は、圧力作用方向と平行に設けられているため、基本的には大きな力は作用しないが、弁体支持棒４２を同様に金属材料で形成し、低摺動抵抗表面処理を行なってもよい。また、弁体４１に作用する力Ｆに対し弁体質量Ｍが軽い方が加速度αが大きくなるため、弁体４１の移動速度は速くなる。弁体材料としては、ＡＬ合金などの軽量金属が好適である。
【００３１】
図６（ａ），（ｂ）は、弁体４１を圧力作用方向に対し凸形状もしくは凹形状に形成した例を示す図である。弁体の移動速度を高めるには、弁体の加速度が大きいことが望ましく、そのためには弁体質量を軽くした方が良いことは先に述べたが、そのため弁体厚みをできるだけ薄くすることが望ましい。しかしながら、大気突入などの圧力（荷重）が弁体面に作用する場合を想定すると、薄過ぎると弁体が破損してしまう。そこで、弁体４１を図６（ａ），（ｂ）に示すように凸形状（図６（ａ）参照）もしくは凹形状（図６（ｂ）参照）にすることにより、弁体４１の強度を増すことができる。この加工は、例えば薄板のプレス加工などで成形可能であり、製造コストも安価である。材料としては、ＡＬ合金、ＳＵＳ合金などが好適である。
【００３２】
次に、図１乃至図６に示す実施形態において弁体に作用する力について説明する。
弁体に作用する力（Ｆ〔Ｎ〕）は、以下のように表される。
Ｆ＝Ｍ・α＝Ａ・ΔＰ−ｋ・ｘ・ｎ
＝Ａ・（Ｐ１−Ｐ２）−ｋ・ｘ・ｎ          （式１）
Ｍ：弁体の質量〔ｋｇ〕、α：弁体の加速度〔ｍ／ｓ２〕、Ａ：弁体の断面積〔ｍ２〕、
ΔＰ＝（Ｐ１−Ｐ２）：弁体で仕切られた２つの空間の圧力差〔Ｐａ〕、
ｋ：ばね剛性（ばね定数）〔Ｎ／ｍ〕、ｘ：ばね縮み（変形）量〔ｍ〕、ｎ：バネの数
ここで、弁体の断面積Ａは、例えば図３（ａ）における弁体４１では円板（孔を除く）の面積であり、図３（ｂ）における弁体４１では円板形状の弁本体部４１ａと案内部４１ｂとの面積である。
弁体をできる限り速く動かし（弁体の加速度を大きくし）、弁を速やかに閉止状態にすることが大気突入の影響を低減するために必要であるが、上記式１から明らかなように、弁体の加速度αを大きくするためには、弁体の質量Ｍを小さくするか、弁体を支持しているばねの剛性（ばね定数）ｋを小さくすればよいことがわかる。
【００３３】
本発明において使用されるばねの材質としては、硬鋼線（ＳＷＡ，ＳＷＢ，ＳＷＣ）、ピアノ線Ａ種もしくはＢ種（ＳＷＰ−Ａ，ＳＷＰ−Ｂ）、ばね用ステンレス鋼線Ａ種もしくはＢ種（ＳＵＳ３０４−ＷＰＡ，ＳＵＳ３０４−ＷＰＢ）、ばね用ステンレス鋼線Ａ種（ＳＵＳ３１６−ＷＰＡ）等が使用される。ばね材の線径は０．０８〜１ｍｍが好ましい。また、一つの開閉弁について少なくとも２個のばねを使用する。
ターボ分子ポンプで排気される気体が窒素、アルゴンなどの不活性ガスや空気である場合には、弁体にはアルミ合金等が用いられ、ばねとしては硬鋼線（ＳＷＡ，ＳＷＢ，ＳＷＣ）、ピアノ線Ａ種もしくはＢ種（ＳＷＰ−Ａ，ＳＷＰ−Ｂ）等が用いられる。
排気される気体が塩素系、フッ素系などの腐食性ガスである場合には、弁体にはＳＵＳ３０４，ＳＵＳ３１６などのオ−ステナイト系ステンレス鋼やアルミ合金にニッケルめっきを施したもの等が用いられ、ばねとしてはばね用ステンレス鋼線Ａ種もしくはＢ種（ＳＵＳ３０４−ＷＰＡ，ＳＵＳ３０４−ＷＰＢ）、ばね用ステンレス鋼線Ａ種（ＳＵＳ３１６−ＷＰＡ）等が用いられる。
また、排気される気体が腐食性ガスである場合に使用される弁体及びばねは、不活性ガス用としても使用することができる。
【００３４】
ここで、１つの自動開閉弁にばねを３個使用した場合の弁体外径〔ｍｍ〕と使用するばねのばね剛性（ばね定数）〔Ｎ／ｍ〕との対応関係の好ましい例を以下に示す。
弁体外径〔ｍｍ〕      ばね剛性（ばね定数）〔Ｎ／ｍ〕
２５〜４０    ・・・  ０．４〜８
４０〜７０    ・・・      ２〜１６
７０〜１５０  ・・・      ４〜６０
１５０〜２００  ・・・    １５〜１００
２００〜３５０  ・・・    ２５〜３００
ここでは、ばねを３個使用した場合のばね剛性（ばね定数）を示しているので、ばねをｎ個（２以上）使用した場合には、使用するばねのばね剛性（ばね定数）の値はそれぞれ上記値の３／ｎ倍となる。
【００３５】
次に、ターボ分子ポンプの排気口ＤＰに設置された自動開閉弁５０の作用を説明する。
図７は、図１のVII部の拡大図である。図７に示すようにターボ分子ポンプの排気口ＤＰに設置された自動開閉弁５０は、自動開閉弁４０と同一の構造を有している。排気口ＤＰに設置された弁体に作用する力Ｆについても上述した吸気口ＳＰに設置された弁体に作用する力Ｆと同様である。図７においては、ターボ分子ポンプの下流側が高圧になったときに弁体４１が閉止するようになっており、補助ポンプの停止などのトラブルによる大気突入から、特に追加のエネルギを用いず、トラブルの検出もすることなく、ターボ分子ポンプを保護することができる。また、真空容器への影響も抑制することができる。
【００３６】
図８は、本発明に係るターボ分子ポンプの第２の態様を示す模式的断面図である。図８に示すように、ターボ分子ポンプの吸気口ＳＰに設置された自動開閉弁４０は、図１に示す自動開閉弁４０とは弁体の閉止方向が反対になっており、ポンプケーシング１の内部側が真空容器側より高圧になった場合に閉止するようになっている。すなわち、ポンプケーシング１の内壁に形成された円環状の弁座部１ｓは、ポンプケーシング１の上部フランジ１ｕｆの半径方向内側に設置されている。そして、弁座部１ｓの下方に弁体４１が配置されている。弁体支持棒４２および弁体ばね４３の構成は、図１に示すものと同様である。また、ターボ分子ポンプの排気口ＤＰに設置された自動開閉弁５０は、図１に示す自動開閉弁５０と同様である。
【００３７】
図８に示す第２の態様のターボ分子ポンプによれば、ターボ分子からの大気突入が起こった場合、ターボ分子ポンプの吸気口ＳＰにある自動開閉弁４０の弁体４１が閉止するため、ターボ分子ポンプ側の大気突入が真空容器に達することはない。したがって、ゴミ、異物および破片などが真空容器に侵入することを防止できる。
図８に示す第２の態様のターボ分子ポンプによれば、補助ポンプの停止などのトラブルによる大気突入の際には、ターボ分子ポンプの排気口ＤＰにある自動開閉弁５０が閉じるため、ターボ分子ポンプを保護することができる。
【００３８】
図９は、ターボ分子ポンプの吸気口に２つの自動開閉弁を設けた例を示す模式的断面図である。本実施形態においては、２つの自動開閉弁を峻別するために、符号４０Ａと符号４０Ｂを用いて説明する。図９に示すように、ターボ分子ポンプの吸気口ＳＰに自動開閉弁４０Ａ，４０Ｂを２個直列に設置し、２個の自動開閉弁４０Ａ，４０Ｂにおける弁体４１をそれぞれ別方向に閉止する方向に設けている。本実施形態によれば、ターボ分子ポンプが排気運転中にターボ分子ポンプの上流側の真空容器側でトラブルが生じて大気突入が起こってもターボ分子ポンプの吸気口ＳＰにある自動開閉弁４０Ａが閉止するため、ターボ分子ポンプへの大気突入を防止することができる。また、ターボ分子ポンプが排気運転中にターボ分子ポンプからの大気突入が起こってもターボ分子ポンプの吸気口ＳＰにある自動開閉弁４０Ｂが閉じるため、大気突入が真空容器に達することはない。ポンプからの大気突入発生源としては、不活性ガスのパージライン等が考えられる。
【００３９】
次に、本発明のターボ分子ポンプにおける自動開閉弁用ばねの好ましい態様を、それぞれ吸気口ＳＰに使用される場合と、排気口ＤＰに使用される場合とで示す。
吸気口ＳＰに使用する場合、弁体外径が１００ｍｍ及び１５０ｍｍであるときには、ばね材質はＳＵＳ３０４−ＷＰＡ、ばね外径は４ｍｍ、ばね線径は０．２ｍｍ、ばね定数は７．１５Ｎ／ｍ、ばねの個数は３個である。弁体外径が２００ｍｍの場合には、ばね材質はＳＵＳ３０４−ＷＰＡ、ばね外径は４ｍｍ、ばね線径は０．３ｍｍ、ばね定数は５８．８Ｎ／ｍ、ばねの個数は３個である。
排気口ＤＰに使用する場合、弁体外径が２５ｍｍ及び４０ｍｍであるときには、ばね材質はＳＵＳ３０４−ＷＰＡ、ばね外径は４ｍｍ、ばね線径は０．２ｍｍ、ばね定数は７．１５Ｎ／ｍ、ばねの個数は３個である。
【００４０】
図１０（ａ）は、ターボ分子ポンプの吸気口ＳＰに自動開閉弁４０を設置した場合における自動開閉弁４０の効果を検証した結果を示すグラフであり、図１０（ｂ）は、ターボ分子ポンプの吸気口ＳＰに自動開閉弁４０を設置した場合を示す図である。図１０（ａ）において、横軸は時間（秒）を示し、縦軸は吸気口圧力（Ｔｏｒｒ）を示す。図１０（ａ）から明らかなように、吸気口に自動開閉弁が無い場合には吸気口圧力が７６０Ｔｏｒｒ（大気圧）まで上昇しているのに対し、吸気口に自動開閉弁が有る場合には吸気口圧力は約５０Ｔｏｒｒまでしか上昇していない。
本検証で使用された自動開閉弁のばねは、材質はＳＵＳ３０４−ＷＰＡ、ばね外径は４ｍｍ、ばね線径は０．２ｍｍ、ばね定数は７．１５Ｎ／ｍ、ばねの個数は３個であり、弁体外径が１００ｍｍである。
【００４１】
図１１（ａ）は、ターボ分子ポンプの排気口ＤＰに自動開閉弁５０を設置した場合における自動開閉弁５０の効果を検証した結果を示すグラフであり、図１１（ｂ）は、ターボ分子ポンプの排気口ＤＰに自動開閉弁５０を設置した場合を示す図である。図１１（ａ）において、横軸は時間（秒）を示し、縦軸は吸気口圧力（Ｔｏｒｒ）を示す。図１１（ａ）から明らかなように、排気口に自動開閉弁が無い場合には吸気口圧力が７６０Ｔｏｒｒ（大気圧）まで上昇しているのに対し、排気口に自動開閉弁が有る場合には吸気口圧力は６０秒経過しても１００Ｔｏｒｒ程度までしか上昇しておらず、吸気口圧力の上昇が緩やかになっている。
本検証で使用された自動開閉弁のばねは、材質はＳＵＳ３０４−ＷＰＡ、ばね外径は４ｍｍ、ばね線径は０．２ｍｍ、ばね定数は７．１５Ｎ／ｍ、ばねの個数は３個であり、弁体外径が２５ｍｍである。
【００４２】
これまで本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術思想の範囲内において、種々の異なる形態で実施されてよいことは勿論である。
【符号の説明】
【００４３】
１  ポンプケーシング
１ｓ  弁座部
１０  タービン翼排気部
１１  タービン翼
１２  ロータ
１３  回転軸
１４  固定翼
２０  ねじ溝排気部
２５  ステータ
２６  基部
２６ｆ  フランジ
３０  軸受モータ部３０
３１  モータ
３２  上ラジアル磁気軸受
３３  下ラジアル磁気軸受
３４  スラスト磁気軸受
４０  自動開閉弁
４０Ａ，４０Ｂ  自動開閉弁
４１  弁体
４２  弁体支持棒
４２ａ  軸部
４２ｂ  頭部
４３  弁体ばね
４４  ブッシュ
４４ａ  大径部
４４ｂ  小径部
４４ｓ  スリット
５０  自動開閉弁
【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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