(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空ターボポンプハウジングの一部分により形成されたチャンバ内に同軸に配置された回転シャフトを支持および保持するための磁気軸受装置を備えた真空ターボポンプであって、前記装置は、
孔を有し、前記回転シャフトの内部に同軸に配置され、前記真空ターボポンプハウジングに強固に接続されている支持ポストと、
前記支持ポストに対する前記回転シャフトの変位を検出するために、前記回転シャフトの内部に収容され、前記支持ポストの前記孔内に配置された少なくとも１つの半径方向センサおよび軸方向センサと、
前記チャンバ内、かつ前記回転シャフトの外部に配置され、その数が前記センサの数に対応する少なくとも１つの半径方向アクチュエータおよび軸方向アクチュエータとを含み、
前記半径方向アクチュエータが対応する半径方向センサと同一横断面内に配置されている真空ターボポンプ。
【請求項２】
前記軸方向センサが、前記支持ポストに対する前記回転シャフトの軸方向位置を検出する請求項１の磁気軸受装置付き真空ターボポンプ。
【請求項３】
前記半径方向センサが、前記支持ポストに対する前記回転シャフトの半径方向位置を検出する請求項１の磁気軸受装置付き真空ターボポンプ。
【請求項４】
機械的軸受を更に含み、当該機械的軸受が、前記支持ポストと前記回転シャフトとの間の間隙に配置されている請求項２の磁気軸受装置付き真空ターボポンプ。
【請求項５】
機械的軸受を更に含み、当該機械的軸受が、前記支持ポストと前記回転シャフトとの間の間隙に配置されている請求項３の磁気軸受装置付き真空ターボポンプ。
【請求項６】
真空ターボポンプハウジングの一部分により形成されたチャンバ内に同軸に配置された回転シャフトを磁気的に支持および保持するための軸受装置を備えた真空ターボポンプであって、前記装置は、
前記チャンバ内に配置された磁気軸受と、
前記回転シャフトの内部に同軸に配置され、前記真空ターボポンプハウジングに強固に接続されている支持ポストと、
前記支持ポストに対する前記回転シャフトの半径方向の変位を制御するために、前記回転シャフトの内部に収容され、前記支持ポストに取り付けられた少なくとも１つの半径方向センサとを含み、
前記磁気軸受が前記回転シャフトの外部に配置されている真空ターボポンプ。
【請求項７】
前記支持ポストに対する前記回転シャフトの軸方向の変位を制御するために、前記支持ポストに取り付けられた少なくとも１つの軸方向センサを更に含む請求項６の軸受装置付き真空ターボポンプ。
【請求項８】
前記支持ポストが孔を有し、前記少なくとも１つの半径方向センサと少なくとも１つの軸方向センサが前記孔内に配置されている請求項７の軸受装置付き真空ターボポンプ。
【請求項９】
前記磁気軸受は、前記回転シャフトの先端部に配置された下部半径方向磁気軸受と、前記回転シャフトの上部に配置された上部半径方向磁気軸受とを含み、前記半径方向センサは、下部および上部半径方向センサを含み、前記下部センサと前記下部磁気軸受が同一横断面内に配置され、前記上部センサと前記上部磁気軸受が別の同一横断面内に配置されている請求項８の軸受装置付き真空ターボポンプ。
【請求項１０】
前記軸方向センサが、前記支持ポストの端部に配置されている請求項９の軸受装置付き真空ターボポンプ。
【請求項１１】
少なくとも１対の機械的軸受を更に含み、当該機械的軸受が、前記支持ポストと前記回転シャフトとの間の間隙に配置されている請求項９の軸受装置付き真空ターボポンプ。
【発明の詳細な説明】
発明の背景
本発明は、軸受装置を備えた真空ターボポンプに関し、特に、バックアップ軸受およびセンサがターボ分子真空ポンプ（turbomolecular vacuum pump）のシャフトの内部または内側に収容された磁気軸受システムを備えた真空ターボポンプに関する。
本発明を利用可能な適切な真空ポンプは、Ｖａｒｉａｎ  Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓに譲渡されている米国特許Ｎｏ．５，２３８，３６２に記載されており、この特許は、参照によりここに組み込まれている。３６２特許に記載されている真空ポンプは、動作範囲を高圧側に拡張可能な高圧縮率を有するターボ分子真空ポンプである。このタイプのターボ分子ポンプは、磁気軸受を利用でき、ポンプ回転部材の５つの自由度を能動的に制御することができる。シャフト内部にバックアップ支持部材を備えた磁気軸受システムは、Ｖａｒｉａｎ  Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓ，Ｉｎｃ．に譲渡されている米国特許出願Ｎｏ．０８／８５８，２３０「真空ポンプのロータを支持するための回転装置」に開示されており、中空シャフトを有する真空ポンプのロータを支持するための軸受装置に関する記述は、参照によりここに組み込まれる。
図１、図２、図３は、様々な形状の浮遊部材を備えた真空ポンプのロータのための従来の磁気支持装置を概略的に示したものである。参照番号１０はポンピングロータを示し、２０はバックアップ軸受であり、３０は半径方向磁気軸受ステータであり、４０は電動モータのステータであり、５０は軸方向磁気軸受ステータであり、６０はシャフトである。図１に示すロータは片持ち構造を有し、一方、図２および図３に示すロータは釣鐘型ロータポンピング部を有する。釣鐘型ロータは、半径方向磁気軸受間にロータの重心を位置させることができる。この釣鐘型ロータは、傾斜モーメントによる軸受への半径方向の負荷を軽減あるいは排除するために水平に取り付けられた中型あるいは大型ターボ分子ポンプによく使用される。
米国特許Ｎｏ．４，０２３，９２０「磁気軸受により支持されたロータを有する真空ポンプとしてのターボ分子ポンプ」に開示されている磁気浮遊ポンプは、図３に示すポンプロータ用の磁気支持装置のタイプに属し、磁気軸受ステータと電気モータステータとバックアップ軸受とが、釣鐘型ロータの内部に配置されている。磁気軸受ロータと電気モータロータは、シャフトと釣鐘型ロータとの間の接続部を排除するために釣鐘孔内に配置される。この設計は、ある側面においては有利であるが、磁気軸受とバックアップ軸受とがロータシャフトの軸に沿って直列に配置されるのでポンプが大型化する。
したがって、半径方向／軸方向の検出が可能である一方、システム長の短い高圧縮率のターボ分子真空ポンプに利用できる改良型軸受装置を提供することが望まれている。
発明の要旨
本発明の目的は、改良型能動磁気軸受装置を備えた真空ターボポンプを提供することである。
本発明のもう一つの目的は、ロータ位置センサと機械的バックアップ軸受とを真空ポンプの回転シャフトの内部に設けた磁気軸受装置を備えた真空ターボポンプを提供することである。
本発明のもう一つの目的は、軸受装置の構成部材の相対的な位置を機械的に制約しないように回転シャフト内に配置された半径方向／軸方向ロータ変位センサを有する磁気軸受装置を備えた真空ターボポンプを提供することである。
本発明の更なる目的は、長さの短い磁気軸受装置を備えた真空ターボポンプを提供することである。
本発明の好適な一実施形態によれば、回転シャフトを支持および保持するための磁気軸受装置が、真空ターボポンプ本体の一部分の内部あるいは内側に完全に収容されている。回転シャフトは、ターボポンプ本体内に同軸に配置されている。孔を有する支持ポストが、回転シャフトの内部に同軸に配置されている。磁気軸受装置は、対応する数の半径方向／軸方向アクチュエータとともに、半径方向／軸方向センサを含む。半径方向／軸方向センサは、支持ポストの孔内に収容されている。センサは、真空ポンプのロータとステータの軸と同軸の軸を有する支持ポストに取り付けられ、各半径方向センサと各半径方向アクチュエータは、同じ横断面内に配置される。
本発明の別の実施形態によれば、磁気軸受装置は、回転シャフト内に配置された機械的バックアップ軸受を含んでいてもよく、機械的軸受の寸法は、磁気軸受の寸法とは無関係である。
本発明のその他の目的、特徴、利点は、添付図面を参照して以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
本明細書に組み込まれ、その一部を構成する添付図面は、本発明の実施形態を示すものであり、記述内容と共に本発明の原理の説明に用いられる。
図１は、片持ち構造を有するロータを備えた従来のポンプの概略断面図を示す。
図２および図３は、釣鐘型ロータを備えた従来のポンプの概略部分断面図を示す。
図４は、ロータ位置センサをロータシャフト内に配置した本発明の磁気軸受装置を組み込んだ真空ポンプの中空体の部分断面図を示す。
図５は、機械的バックアップ軸受およびロータ位置センサをロータシャフト内に配置した本発明の磁気軸受装置を組み込んだ真空ポンプの中空体の部分断面図を示す。
好適な実施形態の詳細な説明
図４に示す本発明の好適な一実施形態によれば、磁気軸受装置システムは、真空ポンプ本体４０のチャンバ１０内に完全に収容されている。回転シャフト１１が、真空ターボポンプのポンピングロータ２０に強固に取り付けられている。回転シャフト１１は、下部フランジ３０によってポンプ本体４０に強固に取り付けられた支持ポスト１２を有する。図４に示す実施形態は、下部半径方向磁気軸受ロータ５０と上部半径方向磁気軸受ロータ５１とを含む。各磁気軸受は、相互に対向する固定部および回転部を有する。磁気軸受装置は、少なくとも１つの半径方向および／または軸方向アクチュエータを含み、対応する数の半径方向および／または軸方向センサが回転シャフト１１の内部または内側に収容されている。下部半径方向磁気軸受ロータ５０および上部半径方向磁気軸受ロータ５１は、シャフト１１に強固に取り付けられ、ポンプハウジング４０の内壁に強固に取り付けられた半径方向アクチュエータ５５、５６を含む。従来のアクチュエータは、制御電流を受けるための制御コイルを有する電磁石を含んでいる。電磁石は、回転シャフトに印可される電磁場を生成する。図４および図５に示すように、下部半径方向センサ１５、上部半径方向センサ１６および軸方向センサ１７は、真空ポンプのロータおよびステータの軸Ａ−Ａと同軸に支持ポスト１２内に配置されている。アクチュエータ５５、５６とそれぞれの半径方向センサ１５、１６とは、前記半径方向アクチュエータに対して半径方向センサを対応配置するために、それぞれの横断面Ｉ−ＩおよびII−II内に配置される。本発明の磁気軸受装置システムにおいて、半径方向アクチュエータおよび半径方向センサは、ロータ軸に沿って同じ配置を有する。各センサ１５、１６、１７のケーブル２５、２６、２７は、支持ポスト１２の孔内に配置される。
図５に示す別の実施形態によれば、磁気軸受装置システムは、回転シャフト内に収容されたバックアップ軸受装置を含んでいてもよい。機械的バックアップ軸受は、磁気軸受装置が故障したり、過負荷にさらされた場合に、真空ターボポンプハウジング４０に対してポンプロータ２０を支持するために管状の回転シャフト１１内に設けられている。ターボポンプハウジング４０の一部分によって形成されるチャンバ１０内に配置された回転シャフト１１は、軸Ａ−Ａを中心に回転するポンプロータ２０に強固に取り付けられている。回転シャフトの端部は、管状であり、円筒状の内壁を有する。ポンプハウジング４０は、下部支持フランジ３０を有する。管状支持ポスト１２が、下部支持フランジ３０に取り付けられており、回転シャフト１１と同軸である。少なくとも１対の機械的バックアップ軸受３５、３６が、回転シャフト１１の内壁と支持ポスト１２の外壁との間に間隙が形成されるように、支持ポスト１２の外面に取り付けられている。図５において、下部機械的軸受３５と上部機械的軸受３６は、磁気軸受５０、５１が故障した場合に回転シャフト１１を支持するように配置されている。
バックアップ軸受の寸法は、磁気軸受の寸法と無関係である。これによって、従来のシステムにおける場合よりも小型のバックアップ軸受を本発明の軸受システム用に提供できる。さらに、本発明のバックアップ軸受は、回転シャフト内に収容され、これによって、ロータや磁気軸受などのポンプのその他の部材を分解することなく、バックアップ軸受を取り外したり交換したりできる。
中空ロータシャフト内に配置されたバックアップ軸受を備えた磁気軸受装置の詳細は、米国特許出願Ｎｏ．０８／８５８，２３０に記載されている。
ロータの半径方向／軸方向変位を検出するセンサが真空ポンプの回転シャフト内に収容されている場合、センサ配置は、磁気軸受の配置によって機械的な制約を受けない。したがって、半径方向センサを半径方向軸受と全く同じ軸方向位置に配置することが可能である。半径方向センサと半径方向軸受をこの様に共配置することによって、半径方向軸受の下でのロータの半径方向変位を正確に反映するセンサ計測が可能となる。また、軸受位置における実際の変位に関して測定変位の方向の符号変化が起こる可能性は、殆どあるいは全くない。結果的に、ロータの半径方向位置測定の信頼性が高まり、制御ソフトウェアが単純化され、センサの数を少なくすることができる。センサをシャフトの外側に取り付けると主軸の長さが長くなるので、センサのこの様な配置によって、ポンプ内において、特に軸方向の省スペース化が可能となる。
回転シャフト内にセンサを配置することにより磁気軸受装置の全体長が短くなるので、ロータの寸法が短縮され、共振周波数が高くなる。
図４および図５に示されている各センサ１５、１６、１７の各ケーブル２５、２６、２７は、軸受ステータ（図示せず）用のケーブルからは根本から分離されているので、電源配線と信号配線とが自然と隔離され、干渉が軽減される。また、誘導型センサを使用した場合、結果的に、軸受の電磁場がセンサ信号に及ぼす干渉を軽減できる。
攻撃的ガスプロセス（aggressive gases process）の場合、この新規な方策によって、センサおよびバックアップ軸受をポンプの保護領域に取り付けることができる。
バックアップ軸受をシャフトの外側に取り付けた場合であっても、真空ポンプの回転シャフト内にセンサを収容することによって、上記のような利点が提供される。この様なセンサ配置によるロータ変位の測定の態様は、誘導／渦電流原理（indiuctive/eddy current principles）を利用した従来の位置センサまたは光学型の従来の位置センサを小型化することによって実施可能となる。
以上、図示された本発明の実施形態について説明してきたが、様々な改良、変更が当業者によって容易になされるであろう。そして、これらも本発明の範囲内であるものとする。したがって、上記の説明は、単なる例示であって、限定を意図するものではない。本発明は、以下の請求の範囲およびその均等範囲によってのみ限定される。
【図１】
0003811769.tif 000002
【図２】
0003811769.tif 000003
【図３】
0003811769.tif 000004
【図４】
0003811769.tif 000005
【図５】
0003811769.tif 000006