(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
気体を吸入する吸気口を備えたケーシングと、このケーシング内に収容され、多段に配置されて回転するロータ翼と、このロータ翼間に固定配置されたステータ翼とを有し前記ロータ翼を回転することで前記気体を移送する真空ポンプであって、
前記ケーシングを、前記吸気口の内径よりも内径が大きい円筒部と、この円筒部から前記吸気口に連続する円錐部とにより形成し、
前記各段のロータ翼は半径方向外方に放射状に延びる複数の翼であると共に、前記吸気口側最上段のロータ翼を前記円錐部に位置するように配置したことを特徴とする真空ポンプ。
【請求項２】
前記最上段のロータ翼の半径方向外方の端部の形状が、前記円錐部と同一の角度で傾斜している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２段目のロータ翼も前記円錐部に位置するように配置し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４】
前記ロータ翼は、高さ方向の中心よりも吸気口側上部を前記円錐部に位置させたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の真空ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は真空ポンプに係り、詳細には、吸気口側にロータ翼が配置された真空ポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
真空ポンプは、例えば半導体製造装置におけるチャンバ内の気体を排気して真空状態にする装置等に広く使用されている。この真空ポンプは、全体を翼で構成されたものや、翼とネジ溝部とを組み合わせたもの等がある。
【０００３】
図６は従来の真空ポンプの構成について表したもので、（ａ）は上面から見た状態の一部を表す図、（ｂ）は吸気口がストレートタイプの断面の一部を表す図、（ｃ）は吸気口を絞ったタイプの断面の一部を表す図である。
この真空ポンプは、ケーシング１０内に固定されたステータ７０と、回転するロータ６０とを備えている。各ステータ７０とロータ６０とは、軸方向に多段に配置されてタービンを形成する。
このような真空ポンプでは、モータにより定常状態において数万ｒｐｍでロータ６０を高速回転させることで、真空（排気）処理を行うようになっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このような、真空ポンプによる気体分子の排気は、ロータ６０の回転により吸気口１６から吸入した気体分子をロータ翼６２の回転方向に叩くことで排気口１７側に流れる分子の量と、吸気口１６と排気口１７の圧力差により排気口１７側から吸気口１６側に逆流する分子の量との差分が最終的な排気量、すなわち、ポンプの排気性能を決定することになる。
ところが、分子流領域における気体分子は、壁面への入射角度とは関係なく、衝突した壁面（衝突面）に垂直な方向に反射される。このため、ロータ翼６２の先端付近で加速された分子の多くはその接線方向（ロータ翼６２と垂直な方向）に進むことになる。一方、ケーシング１０の内壁は通常、円筒形に作られており、その曲率によって、分子の進行方向（接線方向）に対して張出した形状となる。そのため、ロータ翼６２の先端部に衝突した気体分子の多くはケーシング１０の内壁に衝突することになる。
すると、ケーシング１０における、ロータ翼６２が配置される部分の内径が軸方向に一定の場合には、ロータ翼６２の先端付近で加速した分子の多くがケーシング１０に衝突し、ケーシング１０の壁面と垂直方向に反射されるため、流れ方向の速度を失う。これにより、ロータ翼６２の先端付近には、流れ方向（軸方向）の速度を失った気体分子が滞留することで排気流量が減少することになり、部分的に圧力が上昇する。そのため、排気性能が低下していた。
この傾向は、ロータ翼６２による排気方向の運動量がまだ与えられていない最上段部や、運動量が少ない２段目のロータ翼６２の先端付近に生じやすかった。
【０００５】
また、図６（ｃ）に示すように、回転翼外径より小さい口径のフランジに取り付けるために、ロータ翼６２の上面より吸気口側（上流側）で所定の口径まで絞り、ケーシング内径を吸気口側で小さくしているターボ分子ポンプの場合、分子流領域における気体分子は直進性が高く、ほぼ吸気口１６の口径と同一の範囲でしか気体分子が入射しないため、最上段部のロータ翼６２では、周速が大きく排気効率の高い先端部（外周側）へ気体分子が回り込みにくいという問題があった。このため、最上段のロータ翼６２の先端部分は、吸気口１６からの気体分子に対しては死角となり、吸気口からの気体分子を排気する作用が小さく、逆流を防止する作用のみに使用される傾向にあり、排気作用に対する効率が低下していた。  このようなことを避けるために、ケーシング１０の絞り部分の内径の変化率を小さくすることで吸気口からの最上段のロータ翼６２の先端部分に回り込む気体分子の量を多くすることも考えられるが、吸気口１６から最上段ロータ翼６２までの距離が大きくなる結果、コンダクタンスが小さくなり、ポンプの吸気口１６での排気速度（実効排気速度）は向上できなかった。
【０００６】
本発明は以上のような従来の真空ポンプにおける課題を解決するためになされたもので、吸気口側に配置されるロータ翼の先端部における損失を少なくし、排気性能を向上させることが可能な真空ポンプを提供することを目的とする      。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明では、気体を吸入する吸気口を備えたケーシングと、このケーシング内に収容され、多段に配置されて回転するロータ翼と、このロータ翼間に固定配置されたステータ翼とを有し前記ロータ翼を回転することで前記気体を移送する真空ポンプであって、前記ケーシングを、前記吸気口の内径よりも内径が大きい円筒部と、この円筒部から前記吸気口に連続する円錐部とにより形成し、前記各段のロータ翼は半径方向外方に放射状に延びる複数の翼であると共に、前記吸気口側最上段のロータ翼を前記円錐部に位置するように配置することで、前記目的を達成する。
また本発明では、真空ポンプにおいて、前記最上段のロータ翼の半径方向外方の端部の形状を、前記円錐部と同一の角度で傾斜させる。
また本発明では、真空ポンプにおいて、前記２段目のロータ翼も前記円錐部に位置するように配置する。
また本発明では、真空ポンプにおいて、前記ロータ翼は、高さ方向の中心よりも吸気口側上部を前記円錐部に位置させる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に好適な実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の真空ポンプにおける一実施形態の全体構成の断面を表したものである。
この真空ポンプ１は、例えば半導体製造装置内等に設置され、チャンバ等からプロセスガスの排出を行うものである。
【０００９】
図１に示すように、真空ポンプ１は、略円筒形状のケーシング１０と、このケーシング１０の内部に配置される略円柱形状のロータ軸１８と、ロータ軸１８に固定配置されロータ軸１８とともに回転するロータ６０と、ステータ７０とを備えている。
ケーシング１０は、その上端部に半径方向外方へ延設されたフランジ１１を有しており、このフランジ１１をボルト等によって半導体製造装置等に留め付けてフランジ１１の内側に形成される吸気口１６とチャンバ等の容器の排出口とを連接し、容器の内部とケーシング１０の内部とを連通させるようになっている。
ケーシング１０は、さらに、フランジ１１により形成される吸気口１６の内径よりも大きな内径の円筒部１２（ここでは、スペーサ７１の内径）と、また円錐部１３は、大径の円筒部１２に対して、チャンバ等の排出口のサイズに合わせたフランジ１１のサイズに絞り込む機能も有している。
【００１０】
ロータ６０は、ロータ軸１８の外周に配置された断面略逆Ｕ字状のロータ本体６１を備えている。このロータ本体６１は、ロータ軸１８の上部にボルト１９で取り付けられている。ロータ本体６１は、外周にロータ翼６２が多段に形成されている。各段のロータ翼６２は、外側が開放された複数の翼で構成されている。
本実施形態では、ロータ本体６１に形成される最上段のロータ翼６２ａを、円錐部１３の位置に配置している。そして、ロータ翼６２ａの先端を、円錐部１３の傾斜角度と同一の傾斜角度に形成することで、ロータ翼６２ａと円錐部１３との軸方向、径方向の間隔が一定になっている。
【００１１】
ステータ７０は、スペーサ７１と、このスペーサ７１、７１間に外周側が支持されることでロータ翼６２の各段の間に配置されるステータ翼７２とを備えている。
スペーサ７１は段部を有する円筒状であり、ケーシング１０の内側に積み重ねられている。
【００１２】
真空ポンプ１は、更に、ロータ軸１８を磁力により支持する磁気軸受２０と、ロータ軸１８にトルクを発生させるモータ３０を備えている。
磁気軸受２０は、５軸制御の磁気軸受であり、ロータ軸１８に対して半径方向の磁力を発生させる半径方向電磁石２１、２４と、ロータ軸１８の半径方向の位置を検出する半径方向センサ２２、２６と、ロータ軸１８に対して軸方向の磁力を発生させる軸方向電磁石３２、３４と、軸方向電磁石３２、３４による軸方向の磁力が作用するアーマチュアディスク３１、ロータ軸１８の軸方向の位置を検出する軸方向センサ３６とを備えている。
【００１３】
半径方向電磁石２１は、互いに直交するように配置された２対の電磁石で構成されている。各対の電磁石は、ロータ軸１８のモータ３０よりも上部の位置に、ロータ軸１８を挟んで対向配置されている。
この半径方向電磁石２１の上方には、ロータ軸１８を挟んで対向する半径方向センサ２２が２対設けられている。２対の半径方向センサ２２は、２対の半径方向電磁石２１に対応して、互いに直交するように配置されている。
さらに、ロータ軸１８のモータ３０よりも下部の位置には、同様に２対の半径方向電磁石２４が互いに直交するように配置されている。
この半径方向電磁石２４の下方にも、同様に半径方向電磁石２４に隣接して半径方向センサ２６が２対設けられている。
【００１４】
これら半径方向電磁石２１、２４に励磁電流が供給されることによって、ロータ軸１８が磁気浮上される。この励磁電流は、磁気浮上時に、半径方向センサ２２、２６からの位置検知信号に応じて制御され、これによってロータ軸１８が半径方向の所定位置に保持されるようになっている。
【００１５】
ロータ軸１８の下部には、磁性体で形成された円板状のアーマチュアディスク３１が固定されており、このアーマチュアディスク３１を挟んで対向する一対の軸方向電磁石３２、３４が配置されている。さらにロータ軸１８の下端部に対向して軸方向センサ３６が配置されている。
この軸方向電磁石３２、３４の励磁電流は、軸方向センサ３６からの位置検知信号に応じて制御され、これによりロータ軸１８が軸方向の所定位置に保持されるようになっている
【００１６】
磁気軸受２０は、制御系４５として図示しない磁気軸受制御部を備えている。そしてこの磁気軸受制御部が半径方向センサ２２、２６、および軸方向センサ３６の検出信号に基づいて半径方向電磁石２１、２４および軸方向電磁石３２、３４などの励磁電流をそれぞれフィードバック制御することによって、ロータ軸１８を磁気浮上させるようになっている。
このように、本実施形態の真空ポンプ１は、磁気軸受を使用することによって、機械的接触部分が存在しないため粉塵の発生がなく、また、シール用のオイル等が不要であるためガス発生もなく、クリーンな環境での駆動を実現している。このような真空ポンプは、半導体製造等の高いクリーン度が要求される場合に適している。
【００１７】
また、本実施形態の真空ポンプ１では、ロータ軸１８の上部及び下部側には保護用ベアリング３８、３９が配置されている。
通常、ロータ軸１８及びこれに取り付けられている各部からなるロータ部は、モータ３０により回転している間、磁気軸受２０により非接触状態で軸支される。保護用ベアリング３８、３９は、タッチダウンが発生した場合に磁気軸受２０に代わってロータ部を軸支することで装置全体を保護するためのベアリングである。
従って保護用ベアリング３８、３９は、内輪がロータ軸１８には非接触状態になるように配置されている。
【００１８】
モータ３０は、ケーシング１０の内側の半径方向センサ２２と半径方向センサ２６との間で、ロータ軸１８の軸方向ほぼ中心位置に配置されている。このモータ３０に通電することによって、ロータ軸１８および、これに固定されたロータ６０、ロータ翼６２が回転するようになっている。このロータ６０の回転数は回転数センサ４１により検出され、この回転数センサ４１からの信号に基づいて制御系によって制御されるようになっている。
【００１９】
真空ポンプ１のケーシング１０の下部には、気体を外部へ排出する排気口１７が配置されている。
また、真空ポンプ１は、コネクタおよびケーブルを介して制御系に接続されている。
【００２０】
次に、以上のように構成された本実施形態の動作について説明する。
図２は、気体分子の運動状態を説明するためのものである。
この図２（ａ）に示すように、ロータ翼６２が矢印Ａ方向（吸気口側からロータ翼６２をみて右周り方向）に高速回転することで、気体分子は、ロータ翼６２により矢印Ｂで示す放線方向に加速する。また、気体分子は、同図（ｃ）に示すように、ロータ翼６２の面と垂直方向に加速されるため、結果として、ロータ翼６２に対して放線方向と下流方向（排気方向）に加速されることになる。
そして、（ａ）の斜線で示すロータ翼６２の先端部分に衝突した気体分子は、断面円形のケーシング１０（２点鎖線で示す）に衝突することになる。
ところが、図２（ｃ）に示すように下流方向の運動成分をもって加速された気体分子であっても、壁面との衝突後は、主に壁面と垂直の方向に反射され、壁面と垂直方向の速度成分をもつことになる。
【００２１】
本実施形態の真空ポンプにおいては、図１に示すように、最上段のロータ翼６２ａが円錐部１３の位置に配置され、放線方向にケーシングが張り出してくることがないため、ロータ翼６２ａの先端部で加速された気体分子は、ケーシングに衝突しにくくなり、下流の翼に到達しやすくなる。また、ケーシングに衝突した場合でも、その内周面が軸方向下流側に傾斜した円錐部１３に衝突するため、分子流領域においても下流方向の速度をもって垂直方向に移動する。このため、気体分子がロータ翼６２ａの先端部付近に滞留することが防止され、排気性能を向上させることができる。
【００２２】
また、本実施形態における最上段のロータ翼６２ａは、円錐部１３に配置され、径方向外方の速度成分を持つ分子が壁面に衝突することを防止できるため、吸気口１６の面積とほぼ同一範囲で入射する気体分子を積極的に径方向外方に加速させることができ、円筒部１２に対向して配置された２段目以降のロータ翼６２の先端部にも吸気口１６からの気体分子を移動させることができる。このように、円錐部１３位置にロータ翼６２ａを配置し、吸気口１６からの気体分子に対して死角となる部分をなくすことで、コンダクタンスを小さくすることなく、効率的に排気を行うことが可能になる。
【００２３】
図３は、最上段のロータ翼半径方向位置と圧力との関係を表したものである。この図３（ａ）では、縦軸が圧力を表し、横軸がロータ翼の軸芯からの半径を表している。（ｂ）はロータ翼の形状を表し、最上段のロータ翼６２を円筒部１２に配置した場合の半径方向の形状と、最上段のロータ翼６２ａを円錐部１３に配置した場合の半径方向形状を表したものである。
この図３（ａ）に示されるように、円筒部１２に最上段のロータ翼６２を配置した場合には、実線Ａで示すように、半径方向外方にいくに従って（半径が大きくなるにしたがって）、ロータ翼６２の周速が大きくなり、排気効率が上がるため、即徐々に圧力が低下する。しかし、ロータ翼６２の先端部では、ケーシング１０の円筒部１２内壁に衝突して下流方向の運動成分を失った気体分子の滞留が発生するために、圧力が逆に上昇している。
これに対して、本実施形態による最上段のロータ翼６２ａの先端で加速された気体分子は、ケーシング１０に衝突しにくくなり、また、衝突した場合にも円錐部１３で下流方向に反射され、滞留することがないため、図３（ａ）の２点鎖線Ｂで示されるように、ロータ翼６２ａの先端部での圧力が低下している。
また、本実施形態のロータ翼６２ａでは、その先端部形状を、円錐部１３の傾斜角度と同一の傾斜角度に形成し、ロータ翼６２ａと円錐部１３との軸方向、径方向の間隔を一定にすることで、気体分子の逆流量を更に少なくすることも可能になる。
【００２４】
以上説明したように、本実施形態によれば、最上段のロータ翼６２ａの先端部での排気効率を向上させることができる。
すなわち、ロータ翼６２ａの先端部は、最も周速が速く、排気性能が期待できる部分であるが、従来のポンプでは、この部分で加速された分子がケーシング内壁に衝突し、流れ方向の速度を失うことによる損失が大きかった。
それに対し、本実施形態では、加速された分子の移動方向と平行あるいはさらに外側になるようにケーシング１０に下流方向を向いて傾斜した円錐部１３を設け、その位置に最上段のロータ翼６２ａを設けることにより、ケーシング１０に衝突しにくくなる。また、先端付近で加速した分子が円錐部１３の内壁に衝突しても、下流方向に反射され、下流方向の運動を維持できる。そのため、ロータ翼６２ａ先端部での流れの滞留（圧力上昇）を防止でき、排気性能が向上する。
また、従来ロータ翼が設けられていなかったケーシング１０の円錐部１３に最上段のロータ翼６２ａを設けることにより、２段目以降のロータ翼６２の外周側へ効率よく分子を輸送できる。この効果は、分子の平均自由行程が大きく、分子の直進性が高い分子流領域において特に効果が大きい。
また、ロータ翼６２ａの上面が吸気口１６の直下に来るように設計することで、吸気口１６とロータ翼６２ａとの間のコンダクタンスを大きくすることができ、分子が入射する確率が増加する。
このように、本実施形態の真空ポンプによれば、吸気口径を絞った場合にも排気性能の著しい低下を防ぐことが可能になり、同じ口径の従来型ポンプと比較して、排気性能を向上できる。
【００２５】
以上本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態の構成に限定されるものではなく、各請求項に記載された発明の範囲において他の実施形態を採用し、また、変形することが可能である。
例えば、説明した実施形態では、円錐部１３にロータ翼６２ａを１段設けるようにしたが、本発明の真空ポンプでは、円錐部１３に２段設けるようにしてもよい。この場合、最上段のロータ翼６２ａと２段目のロータ翼との間に最上段のステータ翼７２を設けるようにしてもよく、最上段のステータ翼７２は２段目のロータ翼の下側（下流側）に配置するようにしてもよい。
【００２６】
また、説明した実施形態では、ロータ翼６２ａを円錐部１３の位置に配置し、その先端の高さ方向全面にわたって、円錐部１３の傾斜角度と同一の傾斜角度となるように形成した。
これに対して本発明では、図４に示すように、最上段のロータ翼６２ｂの高さ方向の中心（図４では矢印Ｃで示す）を円筒部１２と円錐部１３との合流面に位置させ、円錐部１３と対向する中心より上側（吸気口側）の半分を円錐部１３の傾斜角度と同一の傾斜角度となるように形成するようにしてもよい。
このように、ロータ翼６２ｂの高さ方向の上半分のみ円錐部１３に対向させて傾斜させるのは、次の理由による。すなわち、一般に、ロータ翼６２ｂは、根本から先端まで、仰角が一定になるように設計されている。そのため、図５に示すように、ロータ翼６２ｂの前面（下流側を向いた面）は、中心線Ｄを境に上半分は放線方向に対してやや後退角を持ち、下半分はやや前進角を持つ。このため、中心線Ｄを境に上流側でロータ翼６２ｂに衝突した気体分子は矢印Ｅ、Ｆで示されるように外側を向いて加速されるが、下流側で衝突した気体分子は矢印Ｇで示されるように内側を向いて加速される。したがって、ロータ翼の下流側で衝突し、反射した分子はケーシングに衝突しにくいため、ロータ翼６２ｂの中心線Ｄから上流側だけに本発明を利用しても効果がある。また、円錐部１３の高さ方向の長さを短くする（絞り角度を大きくする）ことも可能になり、全体としてコンダクタンスを大きくすると共に、小型化することも可能になる。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の真空ポンプによれば、吸気口側に配置されるロータ翼の先端部における損失を少なくし、排気性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態における真空ポンプの全体構成を表した断面図である。
【図２】同上、真空ポンプにおけるロータ翼と衝突した気体分子の加速方向を表した説明図である。
【図３】同上、真空ポンプにおける最上段ロータ翼の半径方向位置と圧力との関係を表した説明図である。
【図４】本発明の変形例における最上段のロータ翼形状を表した図である。
【図５】同上、変形例における気体分子の動きを説明するための説明図である。
【図６】従来のターボ分子ポンプの構成をあらわした図である。
【符号の説明】
１  真空ポンプ
１０  ケーシング
１１  フランジ
１２  円筒部
１３  円錐部
１６  吸気口
１７  排気口
１８  ロータ軸
２０  磁気軸受
３０  モータ
３１  アーマチュアディスク
４５  制御系
６１  ロータ本体
６０  ロータ
６２、６２ａ、６２ｂ  ロータ翼
７０  ステータ
７１  スペーサ
７２  ステータ翼
【図１】
0004104098.tif 000002
【図２】
0004104098.tif 000003
【図３】
0004104098.tif 000004
【図４】
0004104098.tif 000005
【図５】
0004104098.tif 000006
【図６】
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