JP6992569B2 - 真空ポンプおよびバランス調整方法 - Google Patents

Description

本発明は、真空ポンプおよびバランス調整方法に関する。

ターボ分子ポンプ等の真空ポンプでは、ポンプロータを備える回転体を数万r.p.m.という高速で回転して排気を行っている。回転体にアンバランスがあると振動が発生して静粛な運転を行わせることができないので、一般的には、組み立て後の回転体を高速回転させながら不釣合を測定し、アンバランスを修正するようにしている。アンバランス修正方法としては、特許文献１に記載されているように回転体の一部を削り取る方法や、特許文献２に記載のようにバランス修正用ネジを回転体に付加する方法が知られている。

特開２００３－０２１０９２号公報 特開２００３－１４８３８９号公報

しかしながら、アンバランス量が大きい場合には、除去する体積（すなわち削り量）が大きくなるという問題が生じ、また、バランス修正用ネジを回転体に付加する場合にはタップ周辺の応力的負荷が大きくなるという不都合が生じる。

本発明の好ましい態様による真空ポンプは、ポンプロータを複数のボルトを用いて回転軸に固定する構成の回転体、または、ロータ部品を複数のボルトを用いてポンプロータに固定する構成の回転体を備える真空ポンプにおいて、前記複数のボルトには、軸芯に沿って第１の穴が形成された第１の中空ボルト、前記第１の穴とは穴径または穴深さが異なる第２の穴が軸芯に沿って形成された第２の中空ボルト、および、軸芯に沿った穴が形成されていない中実ボルトの内、少なくとも２種類のボルトが用いられている。
さらに好ましい態様では、前記ロータ部品はバランス調整用部材である。
さらに好ましい態様では、前記複数のボルトは、前記バランス調整用部材および前記ポンプロータを貫通し、それらを前記ポンプロータが固定される回転軸に共締めによりに固定する。
さらに好ましい態様では、前記ロータ部品は、前記第１の中空ボルト、前記第２の中空ボルトおよび前記中実ボルトの内、少なくとも２種類のボルトにより前記ポンプロータに固定され、前記ポンプロータは、前記ロータ部品を前記ポンプロータに固定する前記複数のボルトとは異なる複数のポンプロータ固定用ボルトによって前記回転軸に固定され、前記複数のポンプロータ固定用ボルトには、軸芯に沿って第３の穴が形成された第３の中空ボルト、前記第３の穴とは穴径または穴深さが異なる第４の穴が軸芯に沿って形成された第４の中空ボルト、および、軸芯に沿った穴が形成されていない中実ボルトの内、少なくとも２種類のボルトが用いられている。
さらに好ましい態様では、前記第１および第２の穴の少なくとも一方には、バランス調整用ネジが装着される雌ネジが形成されている。
本発明の好ましい態様によるバランス調整方法では、前記ポンプロータの前記回転軸への固定、または、前記ロータ部品の前記ポンプロータへの固定を複数の前記中実ボルトまたは前記第１の中空ボルトで行い、前記回転体のアンバランス量を計測し、計測された前記アンバランス量に基づいて、複数の前記中実ボルトまたは前記第１の中空ボルトの一部を前記第２の中空ボルトに交換する。
本発明の好ましい態様によるバランス調整方法では、前記バランス調整用部材を複数の前記中実ボルトまたは前記第１の中空ボルトで前記ポンプロータに固定し、前記回転体の第１のアンバランス量を計測し、計測された前記第１のアンバランス量に基づいて、複数の前記中実ボルトまたは前記第１の中空ボルトの一部を前記第２の中空ボルトに交換し、ボルト交換後の前記回転体の第２のアンバランス量を計測し、計測された前記第２のアンバランス量に基づいて前記バランス調整用部材の一部を削除する。
本発明の好ましい態様によるバランス調整方法では、前記ロータ部品を複数の前記中実ボルトまたは前記第１の中空ボルトで前記ポンプロータに固定し、前記回転体の第１のアンバランス量を計測し、計測された前記第１のアンバランス量に基づいて、複数の前記中実ボルトまたは前記第１の中空ボルトの一部を前記第２の中空ボルトに交換し、ボルト交換後の前記回転体の第２のアンバランス量を計測し、計測された前記第２のアンバランス量に基づいて、前記第２の中空ボルトのいずれかの前記雌ネジに前記バランス調整用ネジを装着する。

本発明によれば、アンバランス調整のための削り量や、アンバランス調整用のネジを付加する場合の付加質量を低減することができる。

図１は、本発明による真空ポンプの第１の実施の形態を示す図である。 図２は、ポンプロータとシャフトとの締結部の拡大図である。 図３は、図２のＡ矢視図である。 図４は、アンバランス調整作業の手順の一例を示すフローチャートである。 図５は、アンバランス微調整方法の具体例を示す図である。 図６は、第２の実施の形態を示す図である。 図７は、第３の実施の形態を示す図である。 図８は、第３の実施の形態の変形例を示す図である。

以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。
－第１の実施の形態－
図１は、本発明による真空ポンプの第１の実施の形態を示す図であり、ターボ分子ポンプ１の断面図である。ターボ分子ポンプ１は、回転翼４０と固定翼３０とで構成されるターボポンプ段と、円筒部４１とステータ３１とで構成されるネジ溝ポンプ段とを有している。ネジ溝ポンプ段においては、ステータ３１または円筒部４１にネジ溝が形成されている。回転翼４０および円筒部４１はポンプロータ４ａに形成されている。ポンプロータ４ａは、複数のボルト５０，５１により回転軸であるシャフト４ｂに締結されている。後述するように、ボルト５０とボルト５１とは構造が異なっている。ポンプロータ４ａとシャフト４ｂとをボルト５０，５１で締結して一体とすることで、回転体４が形成される。

ポンプ軸方向に配置された複数段の回転翼４０に対して、複数段の固定翼３０が交互に配置されている。各固定翼３０は、スペーサリング３３を介してポンプ軸方向に積層されている。シャフト４ｂは、ベース３に設けられた磁気軸受３４，３５，３６によって非接触支持される。詳細な図示は省略したが、各磁気軸受３４～３６は電磁石と変位センサとを備えている。変位センサによりシャフト４ｂの浮上位置が検出される。なお、本実施の形態では磁気軸受式のターボ分子ポンプを例に説明するが、本発明は磁気軸受式に限らず適用可能である。

ポンプロータ４ａとシャフト４ｂとをボルト締結した回転体４は、モータ１０により回転駆動される。磁気軸受が作動していない時には、シャフト４ｂは非常用のメカニカルベアリング３７ａ，３７ｂによって支持される。回転体４をモータ１０により高速回転すると、ポンプ吸気口側のガスは、ターボポンプ段（回転翼４０、固定翼３０）およびネジ溝ポンプ段（円筒部４１、ステータ３１）により順に排気され、排気ポート３８から排出される。

図２は、ポンプロータ４ａとシャフト４ｂとの締結部の構成を示す図である。また、図３は、図２のＡ矢視図である。シャフト４ｂの締結面には、位置決め用の凸部４３が形成されている。凸部４３はポンプロータ４ａの締結面に形成された位置決め用の凹部４４に嵌合する。ボルト５０，５１は、ポンプロータ４ａに形成された貫通孔４２を貫通してシャフト４ｂの締結面に形成されたネジ穴４５に螺合することで、ポンプロータ４ａをシャフト４ｂに固定する。

ボルト５０は一般的な中実のボルトであるが、ボルト５１には軸芯に沿って貫通穴５１０が形成されている。ボルト５１の質量は、貫通穴５１０が形成されている分だけボルト５０よりも軽い。一方、ボルト５０、５１の外形寸法（ボルトの長さ、ボルトの直径、ボルトのネジ径等）は共通である。従って、各々のネジ穴４５には、ボルト５０、５１のいずれであっても螺合することができる。なお、符号５１１で示す部分は、ボルトヘッドに形成されている六角穴である。図３に示すように、ポンプロータ４ａをシャフト４ｂに締結するためのボルト５０，５１は合計で８本使用されている。図３では、ボルト５０が４本用いられ、ボルト５１が４本用いられている。本実施の形態では、ポンプロータ４ａをシャフト４ｂに固定するボルト５０，５１を回転体４のアンバランス修正用の部品としても利用している。その目的のために、質量の異なるボルト５０，５１を使用している。

（アンバランス調整作業）
図４は、アンバランス調整作業の手順の一例を示すフローチャートである。ステップＳ１０では、中実のボルト（標準のボルト）５０を用いてポンプロータ４ａをシャフト４ｂに固定する。ステップＳ２０では、バランサーにより回転体４のアンバランス量を計測する。ステップＳ３０では、ステップＳ２０で計測されたアンバランス量が所定値（合格基準値）以内か否かを判定する。所定値以内と判定されるとアンバランス調整作業を終了する。この場合には、ポンプロータ４ａをシャフト４ｂに固定しているボルトは、全て中実のボルト５０ということになる。

一方、ステップＳ３０でアンバランス量が所定値を超過していると判定された場合にはステップＳ４０へ進み、計測されたアンバランス量に基づいて８本のボルト５０の内の一部を中空のボルト５１に交換する。例えば、図３に示す例は、矢印で示すＢ方向にアンバランス量があった場合の調整例である。ボルト５０とボルト５１との質量差をΔｍとし、配置されたボルト５０，５１のポンプロータ４ａの中心軸からの距離をＲとすると、ボルト交換によるアンバランス修正量Ｃ（ｇ・ｍ）は次式（１）のようになる。
Ｃ＝（１＋√３）・Δｍ・Ｒ …（１）

ステップＳ５０では、ボルト交換後の回転体４のアンバランス量をバランサーにより計測する。ステップＳ６０では、ステップＳ５０で計測されたアンバランス量が所定値以内か否かを判定する。ステップＳ６０で所定値以内と判定されると、アンバランス調整作業を終了する。一方、所定値を超過していると判定された場合には、ステップＳ７０へ進んでさらにアンバランス微調整を行う。

ステップＳ４０のボルト交換により、アンバランス量は上述したアンバランス修正量Ｃ（ｇ・ｍ）だけ小さくなる。しかし、ステップＳ２０で計測されたアンバランス量Ｃ１よりもアンバランス修正量Ｃの方が小さければ、修正後も矢印Ｂ方向に（Ｃ１－Ｃ）だけの微小なアンバランス量が残存し、逆に、Ｃ１＜Ｃの場合にはＢ方向と反対方向に（Ｃ－Ｃ１）だけの微小なアンバランス量が発生することになる。

ステップＳ７０では、微小なアンバランス量を相殺するようなアンバランス微調整を行う。具体的な調整方法については後述する。ステップＳ７０でアンバランス微調整を行ったならば、ステップＳ８０でアンバランス量の計測を行い、ステップＳ９０においてアンバランス量が所定値以内か否かを判定する。所定値以内と判定されるとアンバランス調整作業を終了し、所定値を超過していると判定されるとステップＳ７０に戻って再びアンバランス微調整を行う。このようにして、アンバランス微調整によりアンバランス量が所定値以内となったならば、アンバランス調整作業を終了する。

（アンバランス微調整）
図５は、上述したステップＳ７０におけるアンバランス微調整の具体例を示す図である。図５（ａ）に示す例では、ロータ部品としてアンバランス調整用のバランスリング６０をさらに設け、符号Ｄで示すようにバランスリング６０の一部を削除することでアンバランスの微調整を行う。ボルト５０，５１は、バランスリング６０およびポンプロータ４ａを貫通し、それらをシャフト４ｂに共締めによりに固定している。

バランスリング６０を用いたアンバランス微調整は、ボルト交換によるアンバランス修正後においても所定値を超えるアンバランス量が残存する場合に行われる。残存するアンバランス量を相殺するようにバランスリング６０の図示右側の端部をドリル等により削除する。なお、バランスリング６０の固定方法としては、後述するように（図７参照）ポンプロータ４ａをシャフト４ｂに固定するボルトとは別のボルトを用いてポンプロータ４ａに固定する方法も有るが、図５（ａ）のような共通のボルト５０，５１を用いた共締め構成とすることにより、部品点数の削減および作業性の向上を図ることができる。

図５（ｂ）は、アンバランス微調整の他の方法を示す図である。この場合も、ボルト交換によるアンバランス修正後において所定値を超えるアンバランス量が残存する場合に行われ、さらにボルト５２を追加することによってアンバランス微調整を行うようにしている。ボルト５１に設けられた貫通穴５１０には雌ネジ５１２が形成されており、その雌ネジ５１２の部分にアンバランス微調整用のボルト５２が螺合するように固定されている。

上述のように、本実施の形態では、ターボ分子ポンプ１はポンプロータ４ａを複数のボルトを用いて回転軸であるシャフト４ｂに固定する構成（図２参照）であって、複数のボルトには、軸芯に沿って貫通穴５１０が形成された中空のボルト５１と、軸芯に沿って穴が形成されていない中実のボルト５０とが用いられている。そのため、回転体４を固定している複数のボルト５０の一部を中空のボルト５１と交換することで、アンバランス調整を行うことが可能となる。その結果、アンバランス調整よるポンプロータ４ａの削り量や、アンバランス調整用のネジを装着する場合の付加質量を小さく抑えることができる。

また、図５（ａ）に示すように、ロータ部品としてのバランスリング６０を複数のボルトを用いてポンプロータ４ａに固定する構成において、複数のボルトとして、軸芯に沿って貫通穴５１０が形成された中空のボルト５１と、軸芯に沿って穴が形成されていない中実のボルト５０とを用いるようにしても良い。そのような構成とすることで、図２の構成の場合と同様に、複数のボルト５０の一部を中空のボルト５１と交換することで、ポンプロータ４ａの削り量や、アンバランス調整用ネジを付加する場合の付加質量を低減することができる。

さらにロータ部品がバランスリング６０である場合には、複数のボルト５０の一部を中空のボルト５１と交換することでアンバランスの粗調整を行った後に、バランスリング６０の一部を削除することでアンバランス微調整をすることができ、高精度なアンバランス調整を行うことが可能となる。また、ボルト交換によるアンバランス調整を併用することにより、従来のようにバランスリング６０やポンプロータ４ａの一部削除だけでアンバランス調整を行う場合に比べて、削除量を少量に抑えることができる。

さらに、図５（ｂ）のようにボルト５１の貫通穴５１０に雌ネジ５１２を形成する構成の場合、その雌ネジ５１２にバランス調整用のボルト５２や止めネジ等を装着することで、アンバランス微調整を行うことが可能となる。その結果、バランスリング６０の削除量をより小さくすることができると共に、バランスリング６０を省略することも可能となる。

従来、バランス調整用ボルトや止めネジ等を用いてバランス調整を行う場合には、付加質量を抑えるためにシャフト４ｂの中心軸から離れた位置にバランス調整用ボルトを付加するようにしている。そのため、バランス調整用ボルトは、中心軸から見てポンプロータ固定用ボルトの位置やバランスリング固定用ボルトの位置よりも外側の領域に配置される場合が多い。そのため、図５（ｂ）に示すように、ボルト５２がポンプロータ４ａを固定するボルト５１と同軸に配置される場合の方が、遠心力によるタップ周辺への圧力的負荷を小さく抑えることができる。

なお、上述した実施の形態では、バランス調整を兼ねるボルト５１に貫通穴５１０を形成したが、中空を形成するための穴は貫通していなくても良い。また、アンバランス調整の調整量をより細かく設定できるように、穴径や穴深さの異なる複数の中空ボルトを調整用のボルト５１として用意しておき、計測されたアンバランス量に応じてそれらを組み合わせて用いるようにしても良い。また、ボルト５１に形成する穴は、ボルト５１の軸芯に沿って形成するのが好ましい。その理由は、穴がボルト軸芯からずれていると、ボルト５１で締結する際の回転位置に応じてアンバランス調整量が異なるからである。

－第２の実施の形態－
図６は第２の実施の形態を示す図であり、上述した図２の場合と同様にポンプロータ４ａとシャフト４ｂとの締結部を拡大したものである。第２の実施の形態では、ポンプロータ４ａをシャフト４ｂに固定するボルトとして、貫通穴５１０が形成された中空のボルト５１と、穴径のより小さな貫通穴５３０が形成された中空のボルト５３とが用いられている。

本実施の形態の場合には、締結目的のみで用いられているボルト５３にも貫通穴５３０が形成されている。この貫通穴５３０は、ボルト５３をシャフト４ｂのネジ穴４００に螺合させたときに、ネジ穴４００に気体が閉じ込められるのを防止するためのガス抜き用穴である。そのため、貫通穴５３０は貫通していることが必須である。真空ポンプを高真空で用いる場合には、ネジ穴４００の部分に残留するガスがスローリークという形態で真空側へ漏れ出る場合があり、これが真空度に影響を及ぼすおそれがある。そのため、ポンプロータ固定用のボルトに貫通穴を形成して、真空引きしたときにネジ穴４００の残留ガスが排出されるような構成とした。

このようなガス抜き用の貫通穴は、アンバランスの調整に用いられる中空のボルト５１の場合と比べ、穴径を大きくする必要はなく可能な限り小さい方が好ましい。例えば、深さ４０（ｍｍ）の穴であれば,直径３（ｍｍ）程度あればガス抜き用の貫通穴として機能する。このように、ガス抜き用の貫通穴５３０が形成されたボルト５３をポンプロータ固定用のボルトとして使用する場合にも、中空のボルト５１を混在して用いることで、従来は固定用ボルトのみに使用されていたボルトをアンバランス調整の部材として利用することが可能となる。なお、本実施の形態のように穴径の異なる２種類のボルト５１，５３を用いる場合、図４のアンバランス修正処理におけるステップＳ４０では、処理内容を複数のボルト５１の一部をボルト５３で交換するという内容に置き換えられる。

本実施の形態の場合においても、第１の実施の形態の場合と同様に、ボルト５１の貫通穴５１０には雌ネジを形成し、その雌ネジ部分にアンバランス微調整用のボルト５２を設けるようにしても良い。また、複数の穴径のボルト５１を用いてより細かくアンバランス調整をできるようにしても良い。さらに、図５（ａ）に示すようなバランスリング６０を設けて、バランスリング６０の一部を削除することでアンバランス微調整を行っても良い。

さらにまた、上述した第１の実施の形態の場合と同様に、穴径や穴深さの異なる複数の中空ボルトを調整用のボルト５１として用意しておき、計測されたアンバランス量に応じてそれらを組み合わせて用いるようにしても良い。それにより、ボルト交換によるアンバランス調整の調整量をより細かく設定することができる。

－第３の実施の形態－
図７は第３の実施の形態を示す図であり、上述した図２の場合と同様にポンプロータ４ａとシャフト４ｂとの締結部を拡大したものである。上述した図５（ａ）に示す例では、バランスリング６０とポンプロータ４ａとを共通のボルト５０，５１で共締めにてシャフト４ｂに固定した。

一方、本実施の形態では、図７に示すように、ボルト５０でポンプロータ４ａをシャフト４ｂに固定し、バランスリング６０は別のボルト５４，５５によりポンプロータ４ａの上面に固定するようにした。ボルト５５の中空部はネジ穴５５０となっており、アンバランス微調整用のボルト５２をネジ穴５５０に装着することができる。ボルト５０によるポンプロータ４ａのシャフト４ｂへの固定は、シャフト側から行われる。最初の粗いアンバランス調整（図４のステップＳ４０におけるアンバランス調整）は、中実のボルト５４の一部を中空のボルト５５に交換することで行われる。

なお、図４のアンバランス調整方法を適用する場合、図４のステップＳ７０におけるアンバランス微調整は、ボルト５５のネジ穴５５０にボルト５２を装着することで行っても良いし、バランスリング６０の一部を削除することで調整しても良い。

（変形例）
図８は第３の実施の形態の変形例を示す図である。図７に示す例ではポンプロータ４ａのシャフト４ｂへの固定は中実のボルト５０だけで行われていたが、図８に示す変形例では中実のボルト５０と中空のボルト５１を混在させるようにした。すなわち、ボルト５１で粗いアンバランス修正を行えるような構成とした。

このように、図８に示す変形例では、ポンプロータ４ａは、ロータ部品であるバランスリング６０をポンプロータ４ａに固定するボルト５４，５５とは異なる複数のポンプロータ固定用のボルト５０，５１によってシャフト４ｂに固定され、ポンプロータ４ａを固定するボルトに、軸芯に沿って貫通穴５１０が形成された中空のボルト５１と、中実のボルト５０とを用いている。その結果、ボルト５４をボルト５５に交換することによるアンバランス調整に加えて、ボルト５０をボルト５１に交換することによるアンバランス調整も行うことができ、より大きなアンバランス量の粗調整をより細かく行うことができる。

さらに、図８に示すように、中空のボルト５５に微調整用のボルト５２が螺合可能なネジ穴５５０を形成することで、ボルト５２の追加によりアンバランスの微調整を行うことができる。すなわち、粗いアンバランス調整をボルト５１で行った後にボルト５２を利用して微調整を行い、さらに、バランスリング６０を一部削除することでより細かな微調整を行うことが可能である。その結果、バランスリング６０の削除量を最小限に抑えつつ非常に正確なアンバランス調整を行うことができる。

なお、バランスリング６０のポンプロータ４ａへの固定に関しては、図８に示すように中実のボルト５４に中空のボルト５５を混在させても良いし、全てをボルト５４としても良い。また、図８に示す構成の場合も、図２の場合と同様に、中空のボルト５１として、穴径または穴深さが異なる複数のボルトを設定しても良く、同様の効果を奏することができる。

上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。例えば、ターボ分子ポンプに限らず、他の種類の分子ポンプにも同様に適用することができる。

１…ターボ分子ポンプ、４…回転体、４ａ…ポンプロータ、４ｂ…シャフト、５０～５５…ボルト、６０…バランスリング、４００，５５０…ネジ穴、５１０，５３０…貫通穴、５１２…雌ネジ

Claims (5)

1. バランス調整用部材を複数のボルトを用いてポンプロータに固定する構成の回転体を備える真空ポンプにおいて、
   前記複数のボルトには、軸芯に沿って第１の穴が形成された第１の中空ボルト、前記第１の穴とは穴径または穴深さが異なる第２の穴が軸芯に沿って形成された第２の中空ボルト、および、軸芯に沿った穴が形成されていない中実ボルトの内、少なくとも２種類のボルトが用いられている、真空ポンプ。
2. 請求項１に記載の真空ポンプにおいて、
   前記複数のボルトは、前記バランス調整用部材および前記ポンプロータを貫通し、それらを前記ポンプロータが固定される回転軸に共締めによりに固定する、真空ポンプ。
3. 請求項１に記載の真空ポンプにおいて、
   前記ロータ部品は、前記第１の中空ボルト、前記第２の中空ボルトおよび前記中実ボルトの内、少なくとも２種類のボルトにより前記ポンプロータに固定され、
   前記ポンプロータは、前記ロータ部品を前記ポンプロータに固定する前記複数のボルトとは異なる複数のポンプロータ固定用ボルトによって前記回転軸に固定され、
   前記複数のポンプロータ固定用ボルトには、軸芯に沿って第３の穴が形成された第３の中空ボルト、前記第３の穴とは穴径または穴深さが異なる第４の穴が軸芯に沿って形成された第４の中空ボルト、および、軸芯に沿った穴が形成されていない中実ボルトの内、少なくとも２種類のボルトが用いられている、真空ポンプ。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の真空ポンプにおいて、
   前記第１および第２の穴の少なくとも一方には、バランス調整用ネジが装着される雌ネジが形成されている、真空ポンプ。
5. 請求項１に記載の真空ポンプにおけるバランス調整方法であって、
   前記バランス調整用部材を複数の前記中実ボルトまたは前記第１の中空ボルトで前記ポンプロータに固定し、
   前記回転体の第１のアンバランス量を計測し、
   計測された前記第１のアンバランス量に基づいて、複数の前記中実ボルトまたは前記第１の中空ボルトの一部を前記第２の中空ボルトに交換し、
   ボルト交換後の前記回転体の第２のアンバランス量を計測し、
   計測された前記第２のアンバランス量に基づいて前記バランス調整用部材の一部を削除する、バランス調整方法。

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