(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータの外周面においてロータ回転軸線の方向に向けて所定の間隔で形成された回転翼と、当該回転翼と対をなす状態に形成された固定翼と、前記ロータに対して前記ロータ回転軸線の一方の側に形成された吸気口および他方の側に形成された排気口とを有する高真空ポンプにおいて、
前記ロータに発生する変形量を直接検出する検出手段と、
前記検出手段によって検出された変形量を予め設定されている基準量と比較して、前記ロータが定常クリープ領域内のクリープ状態にあるか否かを検出する比較手段と、
を有することを特徴とする高真空ポンプ。
【請求項２】
請求項１において、
前記比較手段により、前記ロータが前記定常クリープ領域内のクリープ状態にあることが検出された場合に、前記ロータの回転を強制停止させる制御手段を有していることを特徴とする高真空ポンプ。
【請求項３】
請求項１において、
前記比較手段により、前記ロータが前記定常クリープ領域内のクリープ状態にあることが検出された場合に、警報を発生する警報発生手段を有していることを特徴とする高真空ポンプ。
【請求項４】
ロータの外周面においてロータ回転軸線の方向に向けて所定の間隔で形成された回転翼と、当該回転翼と対をなす状態に形成された固定翼と、前記ロータに対して前記ロータ回転軸線の一方の側に形成された吸気口および他方の側に形成された排気口とを有する高真空ポンプにおけるロータのクリープ破壊防止方法であって、
ポンプ内に取り付けた検出手段により、当該ロータに発生する変形量を直接検出し、
前記検出手段によって検出された変形量に基づき、前記ロータが定常クリープ領域内のクリープ状態にあるか否かを検出し、
当該クリープ状態に至ったことが検出された場合には、前記ロータを強制停止するか、あるいは、警報を発生する、
ことを特徴とする高真空ポンプのロータのクリープ破壊防止方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は分子流域で作動する高真空ポンプに関し、特に、軸流分子ポンプ（ターボ分子ポンプ、モレキュラードラッグポンプ）等の高真空ポンプにおけるロータの破損を未然に防止する機構に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
高真空ポンプである軸流分子ポンプでは、ケース内において回転自在に支持されたロータの外周面に回転翼を形成し、ケース内周面には当該回転翼と対をなす固定翼を形成し、回転翼が気体分子の運動速度と同程度の周速度となるような回転速度（数万ｒｐｍ）でロータを電動機等によって回転させることで排気を行うようになっている。
【０００３】
このような高真空ポンプでは、継続運転によってロータの強度劣化が進行して、ロータが破損しポンプが使用不能になるおそれがある。このため、従来においては、ケースの肉厚を厚くして、ロータが破損した場合にロータ破片をケース内に封じ込め、ロータ破損による被害がポンプ以外の部分に及ばないようにしている。しかしながら、ポンプの吸気口は、半導体製造装置の反応室等のような高価な真空装置に連通しているので、ロータ破損による被害が真空装置に及ぶおそれがある。このため、ロータの破損を未然に防止することが必要である。
【０００４】
ロータの破損を未然に防止するために、従来においては、予めロータ使用時間の上限を設け、使用時間が上限を超えた時点でロータの交換を行う方法を採用している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ロータの使用条件、ロータ材料の劣化状況によっては、実際のロータ使用時間が予め設定したロータ使用時間に到る前の時点で突然破損し、ポンプの使用が不能になったり、ポンプに接続されている高価な真空装置までも破損してしまうおそれがある。
【０００６】
ロータの破損は、ロータ材料の強度が高速度回転に起因してロータに発生する応力よりも低下すると発生する。ロータ材料の強度低下の要因としては、ロータのクリープ、疲労、腐食等が考えられる。これらのうち、腐食による強度低下に起因したロータ破損については、ポンプが吸引する気体に応じた表面処理をロータに施せば、ロータの腐食を回避でき、従って当該強度低下に起因したロータ破損を回避できる。また、ロータの疲労破壊については、この種の高真空ポンプは、起動・停止頻度が少なく、定常回転数で長期運転されることが多いので、繰り返し応力によりロータ材料が疲労破壊する可能性は少ない。従って、ロータ破損の主要因は、ロータ材料のクリープ特性による強度劣化であると考えられる。
【０００７】
しかしながら、クリープによるロータ材料の強度劣化は事前に予測することは困難であり、従って、ロータ破損を未然に防止することは困難である。
【０００８】
一方、近年、半導体製造工程の成膜・食刻工程においては、高真空ポンプに吸引されるガスの種類によっては、当該高真空ポンプ内で吸引したガスが凝縮したり、二次的反応により生成された副生成物が当該高真空ポンプ内に堆積してポンプ性能を低下させるおそれがある。場合によっては、ポンプの破損を招くおそれもある。この弊害を回避するために、吸引されるガスの飽和蒸気圧特性に基づき、ポンプ内部温度を強制的に高めて、ガスの凝縮、副反応物の堆積を防止する対策が施されることがある。
【０００９】
ポンプ内部温度を上昇させると、当然にそれに伴ってロータ温度も上昇するので、通常のロータ使用条件よりもロータ温度が高くなる。ロータ温度の上昇はロータ材料のクリープ現象を助長させるので、通常のロータ使用条件（ロータを昇温させない場合）に比べて当該ロータの強度劣化速度が早くなる。この結果、予め定めたロータ使用時間の上限値よりも大幅に手前の時点で突然にロータが破損する可能性が高くなってしまう。
【００１０】
また、一般的に使用されているロータ材料は高強度アルミニウム合金であるが、このアルミニウム合金は他の金属材料に比べて比較的低温の摂氏１００度近傍からクリープ現象が顕著に現れ、強度劣化を生ずることが知られている。この点からも、上記のようにロータ温度が上昇した場合にはロータが破損する可能性が高い。
【００１１】
本発明の課題は、このような点に鑑みて、ロータ破損を確実に防止可能な機構を備えた高真空ポンプを提案することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明は、ロータの外周面においてロータ回転軸線の方向に向けて所定の間隔で形成された回転翼と、当該回転翼と対をなす状態に形成された固定翼と、前記ロータに対して前記ロータ回転軸線の一方の側に形成された吸気口および他方の側に形成された排気口とを有する高真空ポンプにおいて、前記ロータに発生する変形量を直接検出する検出手段と、前記検出手段によって検出された変形量を予め設定されている基準量と比較して、前記ロータが定常クリープ領域内のクリープ状態にあるか否かを検出する比較手段とを有することを特徴としている。
【００１３】
このように構成した本発明の高真空ポンプでは、検出手段によってロータに発生する変形量が常に検出されている。変形量には瞬間的に発生する弾性歪み量とクリープによる歪み量が含まれている。ロータ材料が強度劣化する過程では、時間経過に伴ってクリープによる歪みがほぼ比例関係で増加する定常クリープ領域から急激に歪みが増加する加速クリープ領域を経て歪み量が増加し、ロータ破損に到る。従って、検出手段によって検出された変形量に基づき、ロータが定常クリープ領域内のクリープ状態にあるか否かを検出でき、当該クリープ状態に到ったことが検出された場合にはロータの交換を行うようにすれば、ロータ破壊を未然に防止できる。
【００１４】
ここで、前記比較手段により、前記ロータが前記定常クリープ領域内のクリープ状態にあることが検出された場合に、前記ロータの回転を強制停止させる制御手段を有していることが望ましい。
【００１５】
また、前記比較手段により、前記ロータが前記定常クリープ領域内のクリープ状態にあることが検出された場合に、警報を発生する警報発生手段を有していることが望ましい。
【００１７】
次に、本発明は、ロータの外周面においてロータ回転軸線の方向に向けて所定の間隔で形成された回転翼と、当該回転翼と対をなす状態に形成された固定翼と、前記ロータに対して前記ロータ回転軸線の一方の側に形成された吸気口および他方の側に形成された排気口とを有する高真空ポンプにおけるロータのクリープ破壊防止方法であって、ポンプ内に取り付けた検出手段により、当該ロータに発生する変形量を直接検出し、前記検出手段によって検出された変形量に基づき、前記ロータが定常クリープ領域内のクリープ状態にあるか否かを検出し、当該クリープ状態に至ったことが検出された場合には、前記ロータを強制停止するか、あるいは、警報を発生することを特徴としている。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して、本発明を適用した複合型ターボ分子ポンプを説明する。
【００２０】
図１には本例の複合型ターボ分子ポンプの断面構成を示してある。このターボ分子ポンプ１は、円筒状のポンプケース２を有し、このポンプケース２の上端側開口が吸気口２ａとなっている。この吸気口２ａに続くポンプケース内周面２ｂにはポンプ軸線（ロータ回転軸線）１ａの方向に向けて所定の間隔で円環状の固定翼３が固定されている。これらの固定翼３は環状スペーサ４によって相互の間隔が保持されている。
【００２１】
一方、ポンプケース２の内部には、同軸状に回転軸５が配列されており、この回転軸５の上端側部分５ａの外周には、締結ボルト６によってロータ７が同心状に固着されている。ロータ７の外周面にはポンプ軸線（ロータ回転軸線）１ａの方向に所定の間隔で円環状の回転翼８が形成されており、これらの回転翼８のそれぞれは上記の固定翼３と対になっており、各固定翼３の間に相互に差し込まれた配置関係となっている。
【００２２】
回転軸５の下端側部分５ｂは、５軸制御方式の磁気軸受け１１と、当該磁気軸受け１１の上下に配置した保護軸受け１２、１３を介して、円筒状のスピンドルケース１４の内周面に対して回転自在の状態で支持されている。また、上下の磁気軸受け１１の間にはモータ２１が組み込まれている。
【００２３】
スピンドルケース１４の下端部分は大径となっており、この部分には、排気通路１５が形成されており、この排気通路１５はスピンドルケース外周面に形成した排気口１６に連通していると共に、その上端側は、固定翼３および回転翼８の間の隙間を通って、上端の吸気口２ａに連通している。
【００２４】
ここで、ロータ７は、回転翼８が形成されている部分の下側に、ポンプケース２の側に固定した円筒状のステータ１７の内周面に対峙している円筒状のスカート部分（円筒部分）７ａが形成されている。このスカート部分７ａの内側には、下側から上記の回転軸５およびスピンドルケース１４の上半部分が同軸状に挿入された状態となっている。また、このスカート部分７ａの円形内周面７ｂの下縁部分に対向しているスピンドルケース１４の外周面には検出器１９が取り付けられている。この検出器１９は、スカート部分の円形内周面７ｂの変形量（伸び量）を検出するためのものである。検出器１９の出力信号は、磁気軸受け１１、モータ２１等の信号線と同様に、スピンドルケース１４の外周に取り付けてあるハーメチックシールコネクタ２２を介して取り出される。
【００２５】
検出器１９は非接触式変位センサであり、例えば、ロータと検出素子との間に発生する渦電流の量を電流、または電圧に変換してロータと検出素子との距離を測定する渦電流方式変位センサを用いている。
【００２６】
図２には、本例のターボ分子ポンプ１の制御系の概要を示してある。この図に示すように、ハーメチックシールコネクタ２２を介して取り出された検出器１９の出力信号１９Ｓは、比較演算回路３１に入力される。比較演算回路３１では、予め定められている基準値ＲＥＦと検出器の出力信号１９Ｓによって表される変形量とを比較する。出力信号１９Ｓによって表される変形量が基準値ＲＥＦ以上の場合には、異常信号３１Ｓをポンプ駆動・制御回路３２に出力する。
【００２７】
ポンプ駆動・制御回路３２は、ポンプ１の駆動制御を司る回路であり、異常信号３１Ｓを受け取ると、ロータ７の交換を催促する旨の警報表示を表示器３３を介して表示させる。あるいは、警報器３４を介してその旨を音声、ブザー等により表示する。そして、当該警報を発生した後に、所定の時間内にポンプ停止などの処理が行われない場合には、ポンプ制御出力信号３２Ｓを出力して、自動的にポンプを強制停止させるようになっている。
【００２８】
ここで、図３にはロータ材料の一般的なクリープ特性を示してある。クリープ特性曲線Ｉから分かるように、ロータ材料は、ロータに採用する瞬間応力に応じた弾性的な瞬間歪みが発生する。また、使用時間が長くなると、クリープ現象により歪み量が増加する。クリープによる歪み量は、時間経過に伴って、遷移クリープ領域Ａ、定常クリープ領域Ｂおよび加速クリープ領域を経て増加し、この後は材料の破壊に到る。加速クリープ領域では歪み量が急激に増加して材料の破壊に到るので、材料がその手前の定常クリープ領域に入った場合に、ポンプ駆動を停止して、ロータ７の交換を行えば、ロータのクリープ破壊を確実に防止できる。従って、典型的な制御形態としては、比較演算回路３１の基準値ＲＥＦとして、定常クリープレベルの歪み量を採用すればよい。
【００２９】
このように構成した本例のターボ分子ポンプ１では、ポンプ駆動・制御回路３２の制御の下にモータ２１、磁気軸受け１１を駆動すると、回転軸５はこれらによって磁気的に浮上して高速回転する。従って、回転軸５に連結されているロータ７が高速回転する。ロータ７における遠心力による変形が比較的大きくなる部分、すなわち、そのスカート部分７ａの下縁側の部分の変形量が検出器１９によって常にモニターされている。ロータ７に発生する変形量が、そのロータ材料の定常クリープレベルを超える量になると、比較演算回路３１によってそれが検出され、ポンプ駆動・制御回路３２では、警報を発生すると共に、警報を発生した後は、ポンプを強制的に停止する。従って、ロータ７のクリープ破壊を確実に防止できる。
【００３０】
また、例えば、ロータ７がモータ２１の回転制御系等の異常のために、規定回転速度を超えた回転速度で回転した場合にも、ロータ７に発生する応力は、規定値よりも大きくなる。この場合にも、ロータ破壊に繋がることがあるが、ロータ７は破損前に必ず遠心力の作用を受けて規定値以上に変形する。従って、この場合も検出器１９の出力に基づき、ロータ７の破損を未然に防止できる。
【００３１】
さらに、前述したようにポンプを強制的に昇温してガスの凝縮、副生成物の堆積を防止する場合や、ポンプの温度制御機構が故障した場合等には、ポンプ内の温度、すなわちロータ温度が上昇して摂氏１００度を超えることがある。さらには、ポンプに吸引されるガスの温度が高い場合、規定圧力以上の圧力でポンプが運転される場合等にも、ロータ温度が上昇して摂氏１００度を超えることがある。ロータ材料がアルミニウム合金の場合には、摂氏１００度を超えるとその強度低下が著しいので、ロータ破損のおそれが高まる。
【００３２】
しかしながら、このような温度上昇の場合には、ロータ７には、材料強度低下による伸びと、熱膨張による伸びとが複合されて、大きな変形が生ずる。このような異常なロータ７の伸びも検出器１９によって検出できる。よって、このような温度上昇に起因したロータ破損も未然に防止できる。
【００３３】
（その他の実施の形態）
なお、検出器１９としてはアナログ出力方式のものを採用できる。この代わりに、検出器内に比較演算機能を内蔵した変位スイッチに、予めロータの破損に到る手前の変位量を設定し、この変位量に達した場合に変位スイッチから接点信号を出力すると共に、当該信号出力をポンプ駆動・制御回路に入力して、前述したように警報を発生させたり、ポンプを強制停止させるようにしてもよい。
【００３４】
また、検出器１９の設置位置は、ロータ７に発生する変形量を検出しやすい部分であればどのような位置であってもよい。例えば、検出器１９をロータ７の外周面に対向配置させてその変形量を検出してもよい。
【００３５】
更に、本例ではロータ伸び量（変形量）の危険とみなす基準値をロータ材料の定常クリープレベルとしている。しかし、ロータ内に発生する応力に対し、使用するロータ材料のクリープ特性に対する安全率を考慮して、１．０パーセントクリープ以下の変形量を判定の基準値としてもよい。
【００３６】
一方、本例のポンプ１は５軸制御方式の磁気軸受けを用いているが、他の磁気軸受けを採用してもよい。さらには、玉軸受け、空気動圧軸受け等といった別の形式の軸受けを採用してもよい。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の高真空ポンプはそのロータに発生する変形量を検出する検出器を備えている。従って、当該検出器により検出した変形量に基づき、ロータが破損に到る前にロータ交換等を行うことができる。よって、ロータ破損を確実に防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した複合型ターボ分子ポンプの概略縦断面図である。
【図２】図１のポンプの制御系の主要部分を示す概略ブロック図である。
【図３】ロータ材料の一般的なクリープ特性曲線を示すグラフである。
【符号の説明】
１    複合型ターボ分子ポンプ
２    ポンプケース
２ａ  吸気口
３    固定翼
５    回転軸
７    ロータ
８    回転翼
１６  排気口
１９  検出器
２１  モータ
３１  比較演算回路
３２  ポンプ駆動・制御回路
【図１】
0003825538.tif 000002
【図２】
0003825538.tif 000003
【図３】
0003825538.tif 000004