(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転中心であるローターシャフトと協動して回転する回転翼及び回転翼下部に釣鐘状に取り付けられた円筒部からなる回転部と、前記回転翼と間隙を設けて近接配置され、前記回転翼と協働して前記間隙に残留する気体を排気するための固定翼及び固定翼の下に固定されたネジ付きスペーサからなる固定部と、異常時に前記ローターシャフトを保持する保護軸受けとを有するターボ分子ポンプであって、該ターボ分子ポンプより高温となり、その熱がターボ分子ポンプに伝達される装置に取り付けられ、下記（１）式の関係を満たすとともに、
前記回転部と前記固定部との温度差が８９℃を越えた場合に運転を停止する保護回路を具備したことを特徴とする ターボ分子ポンプ。
ｃ＜ｇ−（ａ＋ｂ＋ｄ）・・・・・（１）
ただし、
ａ；ベーキング時における回転部の遠心力による変形量、ｂ；ベーキングに伴う加熱・冷却処理時における回転部の熱変形量と固定部の熱変形量との差の最大値、ｃ；ベーキング時におけるローターシャフト外周と保護軸受け内周との間隙値、ｄ；回転部と固定部との間隙の製造公差値、ｇ；静止時の回転部と固定部との間隙値とする。
【請求項２】
前記回転部が回転翼であり、前記固定部が固定翼であることを特徴とする請求項１に記載のターボ分子ポンプ。
【請求項３】
前記回転部が回転翼下部に取り付けられた円筒部であり、前記固定部が固定翼の下に固定されたネジ付きスペーサーであることを特徴とする請求項１に記載のターボ分子ポンプ。
【請求項４】
ターボ分子ポンプより高温となり、その熱がターボ分子ポンプに伝達される装置に取り付けられ、回転中心であるローターシャフトと協動して回転する回転翼及び回転翼下部に釣鐘状に取り付けられた円筒部からなる回転部と、前記回転翼と間隙を設けて近接配置され、前記回転翼と協働して前記間隙に残留する気体を排気するための固定翼及び固定翼の下に固定されたネジ付きスペーサーからなる固定部と、前記円筒部の温度を測定する第１の測温部材と、前記ネジ付きスペーサーの温度を測定する第２の測温部材と、前記ネジ付きスペーサーを加熱する加熱部材及び前記第１の測温部材により得られた第１の測定値と、前記第２の測温部材により得られた第２の測定値との差を検出し、該差を所定の値の範囲内になるように、前記加熱部材の加熱条件を制御する加熱制御手段とを  有することを特徴とするターボ分子ポンプ。
【請求項５】
前記加熱制御手段が、ベーキングに伴う加熱・冷却処理によって前記円筒部と前記ネジ付きスペーサーとの間隙を保持し、両者が接触しないように前記ネジ付きスペーサーの温度を調節するように前記加熱部材を制御するものであることを特徴とする請求項４に記載のターボ分子ポンプ。
【請求項６】
ターボ分子ポンプより高温となり、その熱がターボ分子ポンプに伝達される装置に取り付けられる部分が、前記回転翼と固定翼を備えたケーシングのローター室の吸気口側の部分であり、前記回転翼が多段構成とされ、前記多段構成の回転翼において前記吸気口に最も近い側の面が前記吸気口に望ませられてなることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のターボ分子ポンプ。
【請求項７】
前記ケーシングの吸気口に近い側に回転翼と固定翼が設けられ、前記吸気口から離れた側に円筒部とネジ付きスペーサーが設けられ、前記ケーシングがその吸気口側を上にして縦向きに配置されてなり、前記ケーシングの下部側が冷却されてなることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のターボ分子ポンプ。
【請求項８】
前記ケーシングに前記ネジ付きスペーサーの冷却手段が設けられてなることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のターボ分子ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ターボ分子ポンプに係わり、さらに詳しくは高速回転部分の破壊防止に係わる技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体や液晶装置などの最近の電子機器においては、薄膜技術が多用されている。薄膜の形成にあたっては蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ（ Chemical Vapor Deposition）法、イオンプレーティング法等様々な手法が用いられているが、いずれも成膜室内の雰囲気を所定の雰囲気に調製したり減圧して成膜している。このような成膜装置に用いられる真空ポンプは、単に成膜室内部を真空にするだけではなく、真空に排気後いろいろな気体を導入して化学反応をおこさせる必要がある。それゆえ排気ポンプには反応性に富んだ気体を大量に排気できるポンプが必要とされるようになってきた。このような要請に応えて使用されているのがターボ分子ポンプである。
【０００３】
ターボ分子ポンプの構造を図５を使用して説明する。
図５に示すターボ分子ポンプ３０は、ケーシング１の上部に吸気口１６が有り、ケーシング１の下部に排気口１７が有って気体を上部から吸気して下部から排気する構造になっている。吸気口１６は仕切弁を介して成膜装置の成膜室に接続され、成膜室内の気体を排出するようになっている。
ケーシング１内にはローター室２があり、ローター室２内にはケーシング１に固定された多段の固定翼７とローター室２内で回転するローター３が配置されている。ローター３はローターシャフト６の上部に多段の回転翼４が固定して配置されており、回転翼４の下部には円筒部５が釣鐘状に取り付けられて構成されている。ローターシャフト６とケーシング１との対向面に、上部磁気軸受け１１と下部磁気軸受け１２が２段に設けてある。ローターシャフト６の下部には高速回転するローターシャフト６を支えるための機構が設けられている。ローターシャフト６の下端にはスラスト磁気ディスク９及びスラスト磁気ディスク９の上下面に対向して設けられたスラスト磁気軸受け１０がある。ローターシャフト６の下部のネック部には、ラジアル及びスラスト用の下部保護軸受け（ボールベアリング）１４があり、ローターシャフト６の上部のネック部には、ラジアル用の上部保護軸受け１３が設けてある。ローター３はローターシャフト６に結合されたモーター１５によって高速回転するように構成されている。
【０００４】
回転翼４と固定翼７とは所定の微小間隔を保って数段から数十段の多段に噛み合わされている。回転翼４を高速で回転させると回転翼４の近傍にある気体分子は回転翼４によって叩かれ、図で下方に向かう運動量を与えられる。このようにして吸気口１６から吸引した気体を排気口１７の方へ大量に移送することができる。
【０００５】
さらに、ターボ分子ポンプの高圧側の固定翼７の下には、ケーシング１に固定してネジ付きスペーサー８が配置してある。ネジ付きスペーサー８は固定翼の表面にネジ溝を設けたものである。ネジ付きスペーサー８の表面と対向するように、高速回転する円筒部５が微小な間隙を保って配置されている。ネジ付きスペーサー８の表面で円筒部５を高速で移動させると、気体は粘性により引きずられて圧縮され、排出口１７の方向に押しやられる。これによりさらに大流量に気体を排気できるようになる。
ターボ分子ポンプはローターを例えば毎分２７０００回転の高速で回転させることにより、毎秒２０００リットル以上の排気速度を達成することが可能である。
ターボ分子ポンプのローターは、通常軽量で剛性の高い高力アルミニウム合金を使用して製作されている。
【０００６】
前述の作動機構の説明から明らかなとおり、ターボ分子ポンプの固定部分と回転部分との間隙は、できる限り狭い方が高性能なポンプとなる。特に、粘性流量域で気体を圧縮する円筒部５とネジ付きスペーサー８との間隙はできる限り狭い方が好ましい。しかし、円筒部５は釣鐘状に上部で固定されているため、円筒部５が高速で回転すると遠心力で外側に膨らむ。膨らみの程度は円筒部５の下部にいくほど大きくなる。このためネジ付きスペーサー８と円筒部５との間隙は、上部では小さく、下部の方が大きくなるように設計されている。通常は常温でローターが静止している状態において、このネジ付きスペーサー８と円筒部５との最小間隙は、ネジ付きスペーサー８の下部において７００μｍ程度に設計されている。この間隙によってポンプとしての性能が決定する。
【０００７】
ターボ分子ポンプでは主にローターを高速で回転させること及び気体が圧縮されて温度が上昇することに起因して、運転中にローターを構成する各部分が変形を起こす。円筒部５やネジ付きスペーサー８が変形を起こすと両者の間隙が無くなり、接触して破壊事故につながる事態を引き起こす。
ターボ分子ポンプが適正使用条件以上の負荷に曝された場合、過大な気体負荷による風損及び気体の圧縮熱でローターに過大な応力が加わったり、またベーキング等でもローターの温度が上昇してローターを構成する高力アルミニウム合金のクリープ強度低下による破壊をもたらす。このような事態を防ぐために、ターボ分子ポンプのユーザー側には使用温度、吸気口圧力、気体流量等に制限が課せられている。
【０００８】
ターボ分子ポンプの安全対策としては、ローターシャフト６の上下部分に上部保護軸受け１３と下部保護軸受け１４を設け、ローターシャフト６の横揺れを規制すると共に、ローターシャフト６下端のスラスト磁気ディスク９とスラスト磁気軸受け１０によって、ローターシャフト６の上下の揺れを規制している。
そのうえで、前記使用制限を越えた場合には、運転を停止するよう排気する気体流量負荷に対する保護機能回路（インターロック回路）を設けていた。従来この保護機能は、気体負荷により発生する回転翼４の風損がローター３を高速で回転させるモーター１５への入力電流値に反映され、気体負荷が大きくなると電流値が増加することを利用して、この電流値を監視して規定電流値（トリップ値）と比較することで、運転状態が使用制限内にあることを確認し、使用制限を外れる電流値となった場合にはモーター１５への入力電流を削減し、運転を停止する方法が採られている。
この規定電流は、最大許容ガス負荷試験により窒素ガスやアルゴンガスのような数種類の気体につき、予めローター３の温度がクリープ寿命を許容できる気体流量条件を測定しておき、その最大気体負荷流量でのモーターへの入力電流を設定しておき、規定電流としている。
【０００９】
また、ローター３の温度を検出して適正な温度範囲で使用されているか否か監視する手段もとられている。ローター３の温度を検出手段としては、輻射温度計や回転翼４の温度膨張を検出する変位センサーを設け、検出された変位量からローター温度を逆算するように構成されたものなどが用いられている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ターボ分子ポンプはポンプとしての性能を確保するために、材料の剛性、熱膨張、各部の機械加工精度や組立精度等を見込んで回転部と固定部との間隙寸法が設計されている。  従来のターボ分子ポンプは高速で回転する精密機械にも係わらず、稼働負荷の変動や温度上昇に対する設計基準が確立しておらず、回転翼と固定翼の接触事故を起こす可能性を含んでいた。従来のターボ分子ポンプでは、回転翼と固定翼の接触事故を防ぐための安全対策としては、使用条件に制限範囲を設けることが主であり、装置上は適正使用条件範囲を外れると運転を停止させる手段がとられているのみであった。
このためターボ分子ポンプを使用するに当たっては、適正使用条件範囲を外れないように監視を強化する必要があった。また、適正使用条件範囲を外れた場合には運転を停止することを余儀なくされていた。このためターボ分子ポンプに接続された、例えば成膜装置等の本来の中心設備の運転も制限され、生産能力が上がらないといった問題があった。
本発明の目的は、ターボ分子ポンプの運転中の環境変化を見込んだ設計基準を明らかにするとともに、回転翼と固定翼との接触事故の主要な原因となる温度上昇を的確に把握し、接触事故を未然に防止する手段を備えたターボ分子ポンプを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明では以下の構成を採用した。
すなわち、回転中心であるローターシャフトと協動して回転する回転翼及び回転翼下部に釣鐘状に取り付けられた円筒部からなる回転部と、前記回転翼と間隙を設けて近接配置され、前記回転翼と協働して前記間隙に残留する気体を排気するための固定翼及び固定翼の下に固定されたネジ付きスペーサからなる固定部と、異常時に前記ローターシャフトを保持する保護軸受けとを有するターボ分子ポンプであって、該ターボ分子ポンプより高温となり、その熱がターボ分子ポンプに伝達される装置に取り付けられ、前記回転部と前記固定部との温度差が８９℃を越えた場合に運転を停止する保護回路を具備し、
ａをベーキング時における回転部の遠心力による変形量、ｂをベーキングに伴う加熱・冷却処理時における回転部の熱変形量と固定部の熱変形量との差の最大値、ｃをベーキング時におけるローターシャフト外周と保護軸受け内周との間隙値、ｄを回転部と固定部との間隙の製造公差値、ｇを静止時の回転部と固定部との間隙値としたときに、
ｃ＜ｇ−（ａ＋ｂ＋ｄ）……（１）なる関係式を満たすターボ分子ポンプとした。
本発明においては、前記回転部が回転翼であり、前記固定部が固定翼である場合に適用できる。また、前記回転部が回転翼下部に取り付けられた円筒部であり、前記固定部が固定翼の下に固定されたネジ付きスペーサーである場合にも適用できる。
このような設計基準を満たすターボ分子ポンプとすることにより、運転中の負荷上昇や温度上昇が起こっても、回転翼と固定翼との接触事故を防ぐことが可能となる。
【００１２】
また、本発明のターボ分子ポンプは、ターボ分子ポンプより高温となり、その熱がターボ分子ポンプに伝達される装置に取り付けられ、回転中心であるローターシャフトと協動して回転する回転翼及び回転翼下部に釣鐘状に取り付けられた円筒部からなる回転部と、前記回転翼と間隙を設けて近接配置され、前記回転翼と協働して前記間隙に残留する気体を排気するための固定翼及び固定翼の下に固定されたネジ付きスペーサーからなる固定部と、前記円筒部の温度を測定する第１の測温部材と、前記ネジ付きスペーサーの温度を測定する第２の測温部材と、前記ネジ付きスペーサーを加熱する加熱部材及び前記第１の測温部材により得られた第１の測定値と、前記第２の測温部材により得られた第２の測定値との差を検出し、該差を所定の値の範囲内になるように、前記加熱部材の加熱条件を制御する加熱制御手段とを有することを特徴とする。
このようなターボ分子ポンプとすることにより、運転中に回転部とネジ付きスペーサーの温度が上昇してもそれを検知して、回転翼と固定翼との温度差が拡大しないように自動的に制御するので、適正運転条件の幅が大幅に拡大し、運転停止に至る事態を回避することが可能となる。
また、本発明は、ターボ分子ポンプより高温となり、その熱がターボ分子ポンプに伝達される装置に取り付けられる部分が、前記回転翼と固定翼を備えたケーシングのローター室の吸気口側の部分であり、前記回転翼が多段構成とされ、前記多段構成の回転翼において前記吸気口に最も近い側の面が前記吸気口に望ませられてなる構成とすることもできる。
更に、本発明は、前記ケーシングの吸気口に近い側に回転翼と固定翼が設けられ、前記吸気口から離れた側に円筒部とネジ付きスペーサーが設けられ、前記ケーシングがその吸気口側を上にして縦向きに配置されてなり、前記ケーシングの下部側が冷却されてなる構成とすることもできる。
更に本発明は、前記ケーシングに前記ネジ付きスペーサーの冷却手段を設けても良い。
【００１３】
さらに本発明のターボ分子ポンプは、前記加熱制御手段が、ベーキングに伴う加熱・冷却処理によって前記円筒部と前記ネジ付きスペーサーとの間隙を保持し、両者が接触しないように前記ネジ付きスペーサーの温度を調節するように前記加熱部材を制御する方式とした。
このようなターボ分子ポンプとすることにより、回転部と固定部との接触を未然に防止し、安定した運転が可能となる利点を有する。
【００１４】
本発明者らはターボ分子ポンプの運転中のトラブルについて、その原因を解明するために詳細な調査を行った。調査したのは図１に示すスパッタ式の薄膜製造装置に付属する、成膜室内の気体を排出ためのターボ分子ポンプである。図１に示すように、この成膜装置は成膜室５０の下部にゲートバルブ４０を介してターボ分子ポンプ３０が接続されている。成膜装置にはこの他に基板ホルダーや電源装置等が附属しているが図１ではこれら付属設備の記載は省略した。
この成膜装置では成膜室５０内の不純物を除去するために、成膜室５０内を１２０℃に加熱保持して、いわゆるベーキング処理を行う。そのためターボ分子ポンプ３０は成膜室５０や熱伝導により加熱された取付けフランジ部からの輻射熱により、単独運転時以上に温度が上昇する。このような状況を考慮して、ターボ分子ポンプの固定部分と回転部分の間隙の最も小さい部分の間隙の変化を推計した。
【００１５】
図５に示すターボ分子ポンプ３０のローター３が、常温で静止して磁気浮上している状態では、固定部分であるネジ付きスペーサー８と回転部である円筒部５の最下端の最小間隙は、７００μｍに設計されている。この状態を基準としてターボ分子ポンプ３０の運転を継続した場合に、ネジ付きスペーサー８と円筒部５の最下端の間隙７００μｍがどのように変化していくかを、考えられるいくつかの要因を取り上げて考察した。
（１）  遠心力による円筒部の膨らみ
円筒部５の最下端の半径は９５ｍｍであり、常温でローター３が２７０００ｒｐｍで正常回転すると円筒部５は遠心力と熱膨張によって外側に３７０μｍ膨らむものと推計される。このとき、気体が圧縮されてローター３の温度は上昇し、固定部であるネジ付きスペーサー８の温度は２６℃となり、回転部である円筒部５の温度は５８℃となっている。
その結果、ネジ付きスペーサー８と円筒部５の最下端の間隙７００μｍは３３０μｍ以下まで狭まる可能性がある。
【００１６】
（２）  ローターシャフトの制御
ところで、ローターシャフト６は上部保護軸受１３及び下部保護軸受１４に依って横振れを制御され、ローターシャフト６が保護軸受に接触すると反撥力を受けて押し戻され、それ以上は横ブレしないような構造に造られている。この保護軸受の依るローターシャフト６のブレの最大量は１２５μｍに設計製作されている。ローターシャフト６のブレの量は、通常は１２５μｍよりはるかに小さく保たれているが、ローターシャフト６が保護軸受けに接触する際には、ローター３がアルミニウム合金で構成されているので、釣鐘状の円筒部５の下部では弾力により最大１８０μｍブレることが確認された。
【００１７】
上記の推計結果を確認するため、ネジ付きスペーサー８と円筒部５の下端部の間隙を実測してみた。測定結果を図３に示す。図３は図５に示す構造を有するターボ分子ポンプの、固定部と回転部の下端にあるネジ付きスペーサー８と円筒部５の間隙を拡大して示したものである。図において数字は間隙の寸法をｍｍ単位で示したものである。図中８はネジ付きスペーサーであり、５は円筒部である。ネジ付きスペーサー８の表面にはネジ溝が設けてあり、微小間隔を隔てて対面する円筒部５が高速で回転する際に、気体の粘性によって気体を紙面の下方へ移動させることにより、排気が行われるようになっている。
円筒部５は図５に示すように回転翼４の下部に釣鐘状に設けられているので、ローター３が高速回転すると遠心力を受けて外側に膨らもうとする。膨らむ量は紙面上部よりも下部の方が大きい。このため、紙面上部におけるネジ付きスペーサー８と円筒部５の間隙よりも、紙面下部におけるネジ付きスペーサー８と円筒部５の間隙の方が大きくなるように設計制作されている。ローター３が常温で静止して磁気浮上している基準の状態では、図３に示すとおり上部（図中Ｎｏ．１の位置）の間隙は０．５０ｍｍ（５００μｍ）であり、下部（図中Ｎｏ．３の位置）の間隙は０．７０ｍｍ（７００μｍ）である。
ローターが常温で高速回転すると円筒部５は外側に膨らみ、図中×印で示した曲線のラインまで変位する。下部（図中Ｎｏ．３の位置）の間隙０．７０ｍｍは０．３６ｍｍ（３６０μｍ）迄狭まる。中部（図中Ｎｏ．２の位置）の間隙は０．３３ｍｍ（３３０μｍ）迄狭まる。
【００１８】
間隙が最も狭くなった中部（図中Ｎｏ．２）の０．３３ｍｍ（３３０μｍ）において、さらにローターシャフト６が保護軸受けに接触して円筒部５のブレが最大に達したときは、ネジ付きスペーサー８と円筒部５の間隙３３０μｍは１５０μｍ迄狭まることになる。
ネジ付きスペーサー８と円筒部５が接触するのはこの１５０μｍの間隙が０（零）になることである。この１５０μｍの間隙が０（零）になる原因がベーキング処理に伴う円筒部５の温度上昇から来る熱膨張によるものと考えた。単純に円筒部５のみが熱膨張によって外側に膨らんだとすると、常温のネジ付きスペーサー８と円筒部５の温度差は１０４．５℃でなければならず、ネジ付きスペーサー８の温度が２６℃の場合には、円筒部５の温度は１３０．５℃でなければならない。しかし、ベーキング温度は１２０℃であるから、円筒部５の温度が１３０．５℃になることはあり得ない。それでもなお接触事故を起こすのは何故かを考察した。
【００１９】
（３）  製造公差
その結果、現在の技術水準では、この程度の大きさのローターの組立時の製造公差から、ローターの芯ズレが４０μｍ程度あることが判明した。これを見込むとネジ付きスペーサー８と円筒部５の間隙の最小値は０．１１０ｍｍ（１１０μｍ）となる可能性があるとの結論に達した。
【００２０】
（４）  ベーキング時の温度上昇による熱膨張の影響
ターボ分子ポンプを成膜装置に付属させて使用する場合、不純物を除去して到達真空度を良くするために、成膜室やターボ分子ポンプを加熱保持するベーキング処理が必要となる。ベーキング処理を１２０℃で実施した場合、ゲートバルブを開いたときの輻射熱や熱伝導により加熱された取付けフランジ部分からの輻射熱により、ローター３も加熱されることになる。一方、ネジ付きスペーサー８はケーシング１に固定されており、ケーシング１は大気に面している。また、ケーシング１の下部や下部保護軸受け１４付近は水冷却していることから、ネジ付きスペーサー８は温度が低く、大気温度に近い温度となっている。ネジ付きスペーサー８と円筒部５とが同じ温度になり、同じ割合で外側に膨張してくれれば両者の間隙は一定に保たれるが、外側にあるネジ付きスペーサー８の温度が低く、内側にある円筒部５の温度が高いので、内側にある円筒部５の熱膨張が大きく、両者の間隙が０（零）になると考えるのが妥当であるとの結論に達した。
【００２１】
ローター３の温度上昇は、ローター３を構成する高力アルミニウム合金のクリープ強度が低下しないように、最大に見積もっても１２０℃迄である。ローター３を構成する高力アルミニウム合金の線膨張率を２０℃から１００℃迄を２２．５×１０-6、１００℃から１２０℃迄を２４．５×１０-6として計算すると、ネジ付きスペーサー８と円筒部５との熱膨張の差が１１０μｍとなるのは両者の温度差が８９．℃の時である。ネジ付きスペーサー８の温度を常温の２６℃とすると、円筒部５の温度が１１５℃の時に両者の間隙が０（零）になり、接触事故を起こすことになると推定される。
【００２２】
以上の検討結果から、ネジ付きスペーサー８と円筒部５との接触事故を防ぐには、両者の温度差を８９℃以下に保つようにすれば良いことが判明した。円筒部５はベーキングに伴う加熱・冷却を受けるから、その際ネジ付きスペーサー８の温度を測定し、温度差が拡大しないようにネジ付きスペーサー８も加熱冷却すればよい。ネジ付きスペーサー８の冷却はケーシング１の表面からの放熱でも充分であるが、必要によりケーシング１を風冷したりあるいは水冷すれば良い。ネジ付きスペーサー８を加熱するには、ケーシング１の全体あるいはネジ付きスペーサー８の外側部分にベルトヒーターを巻き付けたり、ネジ付きスペーサー８にベルトヒーターを巻き付けることで実現できる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
上記結果を式で示すと以下の通りとなる。
いま、ターボ分子ポンプの運転中にネジ付きスペーサー８と円筒部５とが接触しないようにするには、
Ａを加熱ベーキング時における円筒部５の遠心力による変形量、
Ｂを加熱ベーキングに伴う加熱・冷却処理時における円筒部５の熱変形量とネジ付きスペーサー８の熱変形量との差の最大値、
Ｃを加熱ベーキング時におけるローターシャフト６の外周と保護軸受け１３，１４の内周との間隙値、
Ｄをネジ付きスペーサー８と円筒部５との間隙の製造公差値、
Ｇを静止時の円筒部５とネジ付きスペーサー８との間隙の設計値
としたときに、静止時の円筒部５とネジ付きスペーサー８との間隙値（すなわち間隙の設計値）Ｇが、ターボ分子ポンプの製造組立の公差や遠心力による円筒部の変形量並びに熱膨張によるネジ付きスペーサーと円筒部の変形量よりも大きければ良い。この関係を数式で示せば下記の（２）式のようになる。
Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ＜Ｇ・・・・・（２）
【００２４】
ここで、Ｇはターボ分子ポンプの性能に係わるものである、可能な限り小さくする必要がある。２０００Ｌ／ｓクラスのターボ分子ポンプでは、Ｇの値は７００μｍ以下が望ましい。従って、（２）式において左辺の（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）をＧ（＝７００μｍ）以下とする。左辺の（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）のうち、Ａはローター３の構成材料、寸法、回転数等によって決まる。通常ローター３の構成材料は、軽量で剛性の高いジュラルミン系の高力アルミニウム合金が使用される。ローター３寸法は例えば２０００Ｌ／ｓクラスでは半径９５ｍｍ程度であり、回転数は２７０００ｒｐｍ程度である。従って円筒部５の遠心力による変形量は、計算によって推計することができる。
また、Ｃ及びＤは製造加工上の問題でありできる限り小さい方が好ましいのはいうまでもないが、現状程度の公差は許容せねばならない。そうすると（２）式の左辺で調整の余地があるのは、Ｂの加熱ベーキングに伴う加熱・冷却処理時におけるネジ付きスペーサー８の熱変形量と円筒部５の熱変形量との差の最大値ということになる。（２）式からこのＢの値をできるだけ小さくすればよいことになる。
【００２５】
上記の解析は回転部の円筒部と固定部のネジ付きスペーサーについて行ったが、回転部の回転翼部と固定部の固定翼についても、Ａをベーキング時における回転翼の遠心力による変形量、Ｂをベーキングに伴う加熱・冷却処理時における回転翼の熱変形量と固定翼の熱変形量との差の最大値、Ｃをベーキング時におけるローターシャフト外周と保護軸受け内周との間隙値、Ｄを回転翼と固定翼との間隙の製造公差値、Ｇを静止時の回転翼と固定翼との間隙値に置き換えることにより、同様にして（２）式の関係が得られる。
すなわち、
（２）式を一般的なターボ分子ポンプの適用できるように書き直すと、下記の（３）式が得られる。
（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ）＜ｇ・・・・・（３）
これを変形して
ｃ＜ｇ−（ａ＋ｂ＋ｄ）・・・・・（１）
ただし、
ａ；ベーキング時における回転部の遠心力による変形量、
ｂ；ベーキングに伴う加熱・冷却処理時における回転部の熱変形量と固定          部の熱変形量との差の最大値、
ｃ；ベーキング時におけるローターシャフト外周と保護軸受け内周との間          隙値、
ｄ；回転部と固定部との間隙の製造公差値、
ｇ；静止時の回転部と固定部との間隙値、
である。
【００２６】
特に重要なネジ付きスペーサーと円筒部について、前記（２）式のＢの値をできるだけ小さくするには、ネジ付きスペーサー８と円筒部５との温度差を小さくして、両者がなるべく同じ程度の熱膨張をするようにすれば良い。
すなわち、ベーキングに伴う加熱・冷却処理時における円筒部５の熱変形量とネジ付きスペーサー８の熱変形量との差を小さくするには、円筒部５とネジ付きスペーサー８との温度差を小さくする手段が考えられる。本発明者らはターボ分子ポンプの中心部にある円筒部５の温度は運転に伴って上昇するのであるから、ネジ付きスペーサー８の温度も上昇させれば良いと考えた。図２に本発明のターボ分子ポンプの内部構造を説明する断面図の一例を示した。ネジ付きスペーサー８の温度を上昇させる手段として、図２に示すようにケーシング１の外側にベルトヒーター２５を巻き付ける方法、または、ネジ付きスペーサー８の外側のケーシング１の下部にのみベルトヒーター２６を巻き付ける方法、あるいはまたネジ付きスペーサー８の裏側にベルトヒーター２７を巻き付ける方法が採用できる。もちろんこれら２５，２６，２７のベルトヒーターの二つ以上を併用しても構わない。
円筒部５はベーキングに伴う加熱・冷却を受けるから、その際円筒部５及びネジ付きスペーサー８の温度を測定し、両者の温度差が拡大しないようにネジ付きスペーサー８も加熱・冷却すればよい。ネジ付きスペーサー８の冷却はケーシング１の表面からの放熱でも充分であるが、必要によりケーシング１を風冷したりあるいは水冷すれば良い。そして両者の温度差を８９℃以下に保つようにすれば良い。
【００２７】
円筒部５の温度を測定する第１の測温部材としては、円筒部５が高速回転するので非接触型の温度計を使用して測温する。非接触型の温度計としては赤外線カメラや放射温度計等が利用できる。これらの非接触型の温度計を使用する場合には、円筒部５を構成する材料の熱放射率や排気する気体の熱輻射率等の影響を予め補正しておく必要がある。
高速回転する円筒部５の温度を非接触で測温する別の手段としては、円筒部５の熱膨張を検出する変位センサーを使用する方法も利用できる。この方法は検出された変位量から円筒部５の温度を演算するようにしたものである。円筒部５の変位量は熱膨張に依るものと、遠心力に依るものとがあるので両者を分離して検出するためには計算がやや複雑となる。検出された円筒部５の変位量を用いて、前記（２）式を満足するような監視回路を構成することも可能である。
一方、ネジ付きスペーサー８の温度を測定する第２の測温部材としては、ネジ付きスペーサー８が固定であることから裏側に熱電対を埋め込むことで測温可能である。もちろん赤外線カメラや放射温度計等の非接触型の温度計を使用することもできる。
いずれの場合にも、測定温度を電気的信号として取り出せるものとするのが、以降の制御手段を使用する上で好都合である。
【００２８】
本発明では上記の如く第１の測温部材及び第２の測温部材に依って得られた温度データーを演算装置に取り込んで両者の温度差を算出し、両者の温度差を８９℃以下に保つように、演算装置に組み込んだ出力回路から信号を発して、ネジ付きスペーサー８部に取り付けたベルトヒーターの負荷を調節するような加熱制御手段を採用した。この温度制御系の加熱制御手段のブロックダイヤグラムを図４に示す。図４に示すように第１の測温部材で得られたネジ付きスペーサー８の温度（第１測定値：Ｔ１）に基づく信号Ｓ１と、第２の測温部材で得られた円筒部５の温度（第２測定値：Ｔ２）に基づく信号Ｓ２とをコンバレーターに取り込み、コンバレーターでネジ付きスペーサー８と円筒部５の温度差（△Ｔ）を算出し、この温度差（△Ｔ）に基づく信号Ｓ３をコンバレーターから制御装置に取り込む。制御装置で温度差（△Ｔ）の許容値を記録したテーブルから、温度差（△Ｔ）の許容値に基づく信号Ｓ４と温度差（△Ｔ）に基づく信号Ｓ３とを比較して、Ｓ３＞Ｓ４となった場合にはネジ付きスペーサー８を加熱するためのベルトヒーターの加熱用電源をオンにする信号を発して加熱用電力を印加して、温度差（△Ｔ）を許容値である８９℃以下に保つように制御する。
さらに、温度差（△Ｔ）が許容値を越えて制御不能となった場合には、ターボ分子ポンプの破壊を未然に防ぐために、念のため運転を停止する保護回路（インターロック回路）を組み込めばよい。
【００２９】
【実施例】
以下に実施例を示す。
図１に示すスパッタ成膜装置において、成膜操作に先立って成膜室５０にゲートバルブ４０を介して接続されたターボ分子ポンプ３０を使用して、成膜室５０内を排気し、成膜室５０内を１２０℃に８時間保持してベーキング処理を行った。図２にターボ分子ポンプ３０の内部構造を断面図を用いて示した。ターボ分子ポンプ３０は２０００Ｌ／ｓの公称排気能力を持ち、高力アルミニウム合金製でローター３下部の釣鐘状の円筒部５の半径は９５ｍｍである。ターボ分子ポンプ３０内の円筒部５の温度を測定するための第１の測温部材として、円筒部５の内側に円筒部５に対向させて放射温度計２４を設置した。また、ネジ付きスペーサー８のケーシング１側から熱電対２３を挿入し、ネジ付きスペーサー８の温度を測定するための第２の測温部材とした。このようにして設置した第１の測温部材と第２の測温部材からの出力信号を取り出すため、各信号線をコンパレーター（図示省略）に接続した。コンパレーターには第１の測温部材と第２の測温部材からの出力信号から両者の温度差を算出するプログラムを組み込み、その演算結果の信号を加熱制御装置（図示省略）に送り込むように接続した。加熱制御装置には温度差の許容値として７０℃〜８０℃を設定した。
一方、ネジ付きスペーサー８を加熱するために、ネジ付きスペーサー８のケーシング１側にベルトヒーター２７を取り付けた。ベルトヒーター２７の電源は、加熱制御装置によってオン・オフ制御するようにした。
上記の装置において、ベーキング処理をしながらターボ分子ポンプ３０を運転し、成膜室５０内のガスを排気した。
【００３０】
成膜室５０内を１２０℃に保ちながら排気している間、円筒部５の温度を示す第１の測温部材の指示値は１０２℃でほぼ一定であった。ベーキング処理を継続中にネジ付きスペーサー８の温度を示す第２の測温部材の指示値が２２℃になるとベルトヒーター２７の電源がオン状態になり、第２の測温部材の指示値が３２℃になるとベルトヒーター２７の電源がオフ状態となるオン・オフ制御を続けていた。この間ターボ分子ポンプの運転は極めて円滑であった。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、ターボ分子ポンプの材質、各部寸法並びに運転条件を決定すれば、ターボ分子ポンプの遠心力による変形量と熱膨張による変形量を予め前述の（１）式に従い推計することが可能となり、固定部分と回転部分との接触を防止することが可能となる。
また、本発明によれば、ターボ分子ポンプが接続されたターボ分子ポンプよりも熱の高い装置から不意に熱を受けて固定部分と回転部分が膨張した場合であっても、運転中に自動的に固定部分と回転部分との熱膨張による変形量を僅差に納めることが可能となるので、固定部分と回転部分との接触を防止することが可能となる。しかも本発明によれば、前記の（１）式の関係を満たした上に、前記回転部と前記固定部との温度差が８９℃を越えた場合に運転を停止する保護回路を具備したので、ターボ分子ポンプの破壊を未然に防ぐことができる。
上記のとおり本発明によれば、接続された装置のベーキング処理時にポンプの温度が上昇し、しかもローターシャフトが保護軸受けに接触する事態となっても、固定部分と回転部分との接触を防止し、ポンプの破損を回避して運転を継続できるので、甚大な被害の発生を回避することができるので、経済的効果は絶大なものがある。
次に本発明によれば、前記吸気口に最も近い側の回転翼の面が吸気口に望ませられていて、吸気口を介してターボ分子ポンプが接続されたターボ分子ポンプよりも熱の高い装置から不意に熱を受けてローターが膨張した場合であっても、回転翼と固定翼の接触あるいは円筒部とネジ付きスペーサーとの接触を防止することが可能となる。
更に本発明によれば、ケーシングの吸気口に近い側に回転翼と固定翼が、吸気口から離れた側に円筒部とネジ付きスペーサーが設けられ、ケーシングがその吸気口側を上にして縦向きに配置され、ケーシングの下部側が冷却されてなる構成を採用し、ケーシングの上部側と下部側とで温度差が生じやすい状態とされた場合であっても、回転翼と固定翼の接触あるいは円筒部とネジ付きスペーサーとの接触を防止することが可能となり、接触事故を防止できる効果がある。
また、ネジ付きスペーサーの冷却手段を備えることで、ネジ付きスペーサーと円筒部との接触事故を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  成膜装置の構成の概略を示す図である。
【図２】  本発明のターボ分子ポンプの内部構造を示す断面図である。
【図３】  円筒部とネジ付きスペーサーとの間隙の変化を測定した図である。
【図４】  温度制御系のブロックダイヤグラムを示す図である。
【図５】  従来のターボ分子ポンプの内部構造を示す図である。
【符号の説明】
１・・・・・ケーシング、２・・・・・ローター室、３・・・・・ローター、４・・・・・回転翼、  ５・・・・・円筒部、６・・・・・ローターシャフト、７・・・・・固定翼、８・・・・・ネジ付きスペーサー、９・・・・・スラスト磁気ディスク、１０・・・・・スラスト磁気軸受け、１１・・・・・上部磁気軸受け、１２・・・・・下部磁気軸受け、１３・・・・・上部保護軸受け、１４・・・・・下部保護軸受け、１５・・・・・モーター、１６・・・・・吸気口、１７・・・・・排気口、２３・・・・・熱電対、２４・・・・・放射温度計、２５，２６，２７・・・・・ベルトヒーター、３０・・・・・ターボ分子ポンプ、４０・・・・・ゲートバルブ、５０・・・・・成膜室
【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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