JP4749123B2 - 耐モーメント対策静圧気体軸受機構 - Google Patents

Description

本発明は、変動負荷が作用するロッドのために耐モーメント対策を施した静圧気体軸受機構に関するものであり、更に具体的には、真空環境下や清浄環境下で使用するワークの直線搬送のためのロッドの支持に適する静圧気体軸受機構に関するものである。

真空環境対応が可能な直線搬送装置や、クリーンルーム等の清浄環境下において使用する搬送装置においては、上記搬送のためのロッドを備え、そのロッドの軸受部にすべり軸受やボールブッシュなどの接触支持方式を用い、必要に応じて、その軸受部分のダスト発生に対処するのが一般的である。このように軸受部が接触支持方式の場合には、基本的にダストの発生を防止することができず、しかも、ロッドの駆動速度の上昇に伴ってダストの発生がより増大し、それによって清浄度が低下し、軸受摩耗の進行が著しくなって、装置の耐久性が低下するという問題がある。
このような問題を避けるためには、駆動速度の高速化を制限する必要があり、それによりワーク処理生産性の低下を招くことになる。

一方、ロッドを非接触支持方式の静圧気体軸受で支持することが、従来から極めて一般的に知られている。この非接触支持方式の静圧気体軸受を上述した搬送装置におけるロッドの支持に適用すれば、ダストの発生を極限的に抑止することができ、真空環境下や清浄環境下でワークの搬送の高速化を図ることも可能になる。
しかしながら、ロッドの自重あるいはロッドに作用する外力により、静圧気体軸受で支持するロッドの支持部分にモーメントが作用し、それによってロッドの一部が静圧気体軸受に接触する可能性があり、この場合には、上記接触支持方式の場合と同様な問題が生じることになる。

本発明の技術的課題は、上記の問題を解決し、変動負荷が作用するロッドを、ダスト発生による清浄度の低下、軸受摩耗の進行を抑制しながら支持し、清浄度の低下抑制と駆動速度向上を実現できるようにした耐モーメント対策静圧気体軸受機構を提供することにある。
本発明の他の技術的課題は、真空環境下や清浄環境下で使用するワークの直線搬送のためのロッドの支持に適する静圧気体軸受機構を提供することにある。
本発明の他の技術的課題は、ロッドと軸受の接触によってダストが発生する可能性がある状態を検出し、緊急的にダスト発生を抑制できるようにした静圧気体軸受機構を提供することにある。

上記課題を解決するための本発明の耐モーメント対策静圧気体軸受機構は、ロッド収容筒部内に水平に配置されて軸線方向に駆動されるロッドと、該ロッドを軸線方向の２個所において支持する第１及び第２の静圧気体軸受とを備え、上記第１の静圧気体軸受は、上記ロッド収容筒部内に固定的に支持され、上記第２の静圧気体軸受は、上記ロッド収容筒部内に可動支持機構により変位可能に支持されており、上記可動支持機構は、上記ロッドに作用する負荷に応じて、該ロッドの表面の一部が上記第１及び第２の静圧気体軸受と接触するのを抑止する方向に上記第２の静圧気体軸受の軸心を第１の静圧気体軸受に対して相対的に変位させるアクチュエータを備えていることを特徴とするものである。

本発明の静圧気体軸受機構の好ましい実施形態においては、上記ロッドが、先端に作業用器材を有する作業用ロッドであり、上記負荷は、ロッドの軸線方向駆動に伴って変動するロッドの第１の静圧気体軸受から突出する部分の重量、及び／または、上記作業用器材に作用する外力に基づくモーメントであって、それらを上記ロッドの駆動プログラムに応じて演算したものであり、第２の静圧気体軸受は、その演算結果に基づいて上記アクチュエータを駆動する制御装置を備えているものとして構成される。

本発明の静圧気体軸受機構の他の好ましい実施の形態においては、上記第２の静圧気体軸受を支持する可動支持機構のアクチュエータは、該第２の静圧気体軸受を支持する受圧部材を備え、上記制御装置は、圧力調整弁から上記受圧部材の両面側に給排される空気圧力のバランスにより上記第２の静圧気体軸受を制御位置に変位させる機能を有しているものとして構成される。

また、本発明の静圧気体軸受機構の一つの実施形態として、上記第１の静圧気体軸受の両端部に、ロッドとの接触を検出する接触検出器を設け、ロッドの駆動を制御する制御装置に、上記接触検出器により検出したロッドの接触信号に基づいて、ロッドの駆動停止または上記接触に基づいて発生するダストの排除動作を行う制御機能を持たせることができる。
上記本発明の静圧気体軸受機構は、上記ロッドを、真空環境下または清浄環境下で使用するワークの直線搬送のためのロッドとすることができる。

上記構成を有する本発明の静圧気体軸受機構においては、ロッドの軸線方向駆動に伴って該ロッドの静圧気体軸受から突出する部分の重量が変化し、あるいは、ロッドの先端の作業用器材に外力等が作用することが分かっていれば、それらに基づくモーメントが予め制御装置における演算によって得られるので、その演算結果に基づいて上記第２の静圧気体軸受のアクチュエータを駆動することにより、即ち、制御装置によって制御される圧力調整弁から、第２の静圧気体軸受を支持する受圧部材の両面側に必要な空気圧力を給排して、第２の静圧気体軸受の軸心に必要な変位を与えることにより、二つの静圧気体軸受に支持されるロッドの表面の一部がそれらの静圧気体軸受と接触するのを避けることができる。

従って、ロッドにおけるモーメント発生時に軸支持能力が大幅に減少する静圧気体軸受特性に対し、第２の静圧気体軸受の可動支持機構におけるアクチュエータを介して、発生モーメント相殺負荷を印加することになり、それにより、静圧気体軸受支持能力の低減特性を回避し、軸受支持能力を大幅に低下させることなく、静圧気体軸受機構によるロッドの非接触支持が可能となる。
また、上記第１の静圧気体軸受の両端部に、ロッドとの接触を検出する接触検出器を設け、ロッドの駆動を制御する制御装置に、その接触検出器により検出したロッドの接触信号に基づいてロッドの駆動制御機能を持たせれば、真空環境あるいは清浄環境へのダストの侵入を防止することができる。

以上に詳述したように、本発明の静圧気体軸受機構によれば、変動負荷が作用するロッドを、ダスト発生による清浄度の低下、軸受摩耗の進行を抑制しながら支持し、清浄度の低下抑制と駆動速度向上を実現することができ、真空環境下や清浄環境下で使用するワークの直線搬送のためのロッドの支持に適する静圧気体軸受機構を得ることができる。また、ロッドと軸受の接触によってダストが発生する可能性がある状態を検出し、緊急的にダスト発生を抑制できるようにすることができる。

図１は、本発明に係る静圧気体軸受機構を真空用搬送装置に適用した実施の一例を示している。
同図から分かるように、上記真空用搬送装置は、概略的には、半導体の製造等に供する真空プロセスチャンバー１に対してワークの出し入れ等を行う水平駆動の搬送用ロッド２を備え、該ロッド２の先端にトレー（図示省略）を取り付けて、該ロッド２をその軸線方向に駆動するようにしたもので、水平配置の上記ロッド２を支持するための本発明に係る静圧気体軸受機構３と、上記ロッド２をその軸線方向に駆動する駆動機構５と、該駆動機構５の駆動軸と上記ロッド２を連結するフローティング継ぎ手６と、ロッド２の回転を抑制する回転抑制機構７とを備えている。

上記ロッド２を含むその駆動系は、上記プロセスチャンバー１と連通して真空系を構成するロッド収容筒部２０内に配置され、それらが外部環境から隔離されている。
更に具体的には、上記ロッド２と、それに連結された回転抑制機構７における筒部内収容部材と、フローティング継ぎ手６と、駆動機構５における内部移動体５２等は、以下に説明する支持ブロック１０、軸受ハウジング１１、チューブ５１等の内部に形成されているロッド収容筒部２０内にある。
なお、ここでは、上記ロッド２を、その先端に上記トレーを取り付けて軸線方向に駆動し、ワークを搬送するようにしたものとして説明するが、該ロッド２は、ワークの搬送用ばかりでなく、該ロッド２の先端に各種作業用器材を設けて、任意の作業用ロッドとすることもできる。

上記ロッド２を支持する静圧気体軸受機構３は、図２に明瞭に示すように、ロッド２をその軸線方向の間隔を置いた２個所で支持する第１及び第２の静圧気体軸受３１，３２を備えている。上記第１の静圧気体軸受３１は、それ自体が固定支持されたものであり、すなわち、図示しない基台上に設置された第２の静圧気体軸受３２の支持ブロック１０から、第１の静圧気体軸受３１側に軸受ハウジング１１が突設され、この軸受ハウジング１１内に、軸受部材３１ａを収容することにより、第１の静圧気体軸受３１が構成されている。

上記軸受部材３１ａは、多孔または多孔質材料からなり、ロッド２との間に微少間隙を介在させて、その間隙に形成される空気層を介してロッド２を非接触で支持するようにしたものであり、上記軸受ハウジング１１内には上記空気層を形成するための圧縮空気を送給する送気口１２を設けている。
また、上記軸受ハウジング１１内における軸受部材３１ａのチャンバー１側に、上記送気口１２から送給した空気を吸引排出するための吸引口１３を開設している。

この吸引口１３において適切な吸引を行わなければ、第１の静圧気体軸受３１において送気口１２から供給する空気がプロセスチャンバー１内に流入し、該チャンバー１内の真空維持が困難になる。そのため、プロセスチャンバー１と吸引口１３内とを微少通気断面で連通させ、吸引口１３の部分は、そこに接続される真空ポンプにより、第１の静圧気体軸受３１からチャンバー１内へ空気が流入するのを抑止できるように、上記チャンバー１内の圧力よりも若干低く設定される。その結果、プロセスチャンバー１内の真空維持が可能となり、しかも、上記吸引口１３からの排気によりプロセスチャンバー内へのダスト流入防止による清浄度確保が可能となる。また、この吸引口１３からの吸引は、上記プロセスチャンバー１の真空度確保と同時に、第１の静圧気体軸受３１から空気を排出しながらも軸受背圧を確保し、ロッドの非接触支持を可能にするものであることが必要である。

一方、上記第２の静圧気体軸受３２は、上記第１の静圧気体軸受３１のプロセスチャンバー１とは反対の側において、上記支持ブロック１０内に形成した軸受室１０ａ内に、軸受部材３２ａを収容した軸受ハウジング３３を、可動支持機構３４を介して上下に可動に支持させることにより構成している。
軸受ハウジング３３内に収容された軸受部材３２ａは、前記第１の静圧気体軸受３１における軸受部材３１ａと同様に、多孔または多孔質材料からなり、ロッド２との間に微少間隙を介在させて、その間隙に形成される空気層を介してロッド２を非接触で支持するものである。

上記可動支持機構３４は、上記ロッド２に作用する変動負荷（モーメント）に応じて、第１及び第２の静圧気体軸受３１，３２に支持されるロッド２の表面の一部が、それらの静圧気体軸受３１，３２における軸受部材３１ａまたは３２ａと接触するのを抑止する方向に、第１の静圧気体軸受３１に対して第２の静圧気体軸受３２の軸心を相対的に変位させるもので、その変位のためのアクチュエータ３５を備えている。

更に具体的に説明すると、上記第２の静圧気体軸受３２の軸受ハウジング３３は、その上面に連結した連結部材３６の周囲を、ベローズからなる可動シール部材３７で支持ブロック１０内の軸受室１０ａにおける上部開口の周囲に吊下することにより、該可動シール部材３７の外側の軸受室１０ａ内空間を外部から隔離し、該軸受室１０ａの内底に開口させた吸引口１５によりその空間を真空ポンプに接続するようにしている。
また、上記連結部材３６は、その中央に送気口３８を設けて、それを軸受ハウジング３３の開口を通して軸受部材３２ａの周囲に連通させ、上記送気口３８を通して、軸受部材３２ａとロッド２の表面との間に空気層を形成するための圧縮空気を送給するようにしている。送気口３８を通して軸受部材３２ａ内に供給され、軸受室１０ａ内に排出された圧縮空気は、上記吸引口１５から吸引排出されるが、この空気の排出を行いながらも軸受背圧を確保し、ロッド２の非接触支持を可能にするための圧力関係を保持させることが必要である。

上記支持ブロック１０上には、上述したように、第２の静圧気体軸受３２の軸心を変位させるための可動支持機構３４を構成する上記アクチュエータ３５を設けている。このアクチュエータ３５は、上記支持ブロック１０上に固定された収容ボディ４０内に、受圧部材としてのダイヤフラム４１で上下に区画された圧力室４２ａ，４２ｂを備え、該ダイヤフラム４１に固定板４３ａを介して立設したダイヤフラム軸４４ａ，４４ｂを収容ボディ４０にシールを介して摺動自在に支持させ、それらのダイヤフラム軸４４ａ，４４ｂ内には、上記連結部材３６に設けた送気口３８に連通する通孔４５ａ，４５ｂを設けて、外部に導出するダイヤフラム軸４４ａの先端には、圧縮空気の供給源に接続するための継ぎ手４６を連結し、また、上記軸受ハウジング３３側に延びるダイヤフラム軸４４ｂは、その先端を上記連結部材３６に立設した凸軸部３６ａに連結している。更に、上記ダイヤフラム４１で区画された収容ボディ４０内の圧力室４２ａ，４２ｂは、それぞれ、管継ぎ手４７ａ，４７ｂを介して、制御装置によって制御された流体圧を出力する圧力調整弁に接続している。

従って、上記可動支持機構３４によれば、圧力調整弁から出力される流体圧により上記アクチュエータ３５のダイヤフラム４１が上下に駆動され、そのダイヤフラム４１の両面側に給排される空気圧力のバランスにより、そのダイヤフラム４１に連結したダイヤフラム軸４４ａ，４４ｂ及び連結部材３６を介して、軸受ハウジング３３が上下方向の制御された位置に変位することになる。
なお、上記アクチュエータ３５は、ロッド２に作用するモーメント量に応じて第２の静圧気体軸受３２の軸心を調整できるものであればよく、そのため、上記受圧部材としては、ダイヤフラム４１だけでなく、ピストンの両側に制御された流体圧力を作用させるシリンダ等を用いることもできる。

このように、上記軸受部材３２ａを収容した軸受ハウジング３３は、ダイヤフラム４１にダイヤフラム軸４４ａ，４４ｂ及び連結部材３６を介して支持されると共に、ベローズからなる可動シール部材３７によっても支持されているが、上記可動シール部材３７としてはバネ定数が非常に小さいものを使用するため、その支持作用は非常に小さいものであり、結果的に上記軸受ハウジング３３は可動支持機構３４によってその位置を制御されることになる。なお、喩えベローズにより軸受ハウジング３３に推力が作用したとしても、それは上記アクチュエータ３５の力で相殺することができる。

上記制御装置は、ロッド２に作用する負荷（モーメント）に応じて、前記圧力調整弁によりアクチュエータ３５における圧力室４２ａ，４２ｂに必要な流体圧を供給するように制御するためのものである。上記ロッドに作用する負荷とは、ロッド２の軸線方向駆動に伴って変動するロッド２の静圧気体軸受３１からプロセスチャンバー１側に突出する部分の重量や、ロッド２の先端に取り付けた作業用器材に作用する外力に基づくモーメントであって、それらを制御装置における上記ロッド２の駆動プログラム、例えば、制御装置において予め駆動機構５における内部移動体５２の移動位置や、ロッド２の先端に負荷される外力に応じて演算したモーメントであり、第２の静圧気体軸受３２は、その演算結果に基づいて上記アクチュエータ３５が駆動されるものである。

この駆動は、二つの静圧気体軸受３１，３２に支持されるロッド２の表面の一部がそれらの静圧気体軸受３１，３２における軸受部材３１ａ，３２ａと接触するのを抑止する方向に、第１の静圧気体軸受３１に対して第２の静圧気体軸受３２の軸心を相対的に変位させるもので、具体的には、例えば、ロッド２軸線方向に駆動されてプロセスチャンバー１側に突出することにより、それに作用する上記モーメントが大きくなるときには、可動支持機構３４により軸受ハウジング３３を押し下げる方向に変位させることになる。

また、図２及び図３に示すように、前記第１の静圧気体軸受３１には、ロッド２の接触検出機構１７を設けている。
この接触検出機構１７は、ロッド２と一定のクリアランスを有する軸受部材３１ａの両端部に、ロッド２との接触を検出する接触検出器として、該ロッド２が傾動して接触したときに電気的に導通される伝導体１８，１８を配設し、電源１９から通電端子１９ａを介して、それらの伝導体１８，１８とロッド２との間に電圧を印加して、制御装置においてそれらの接触による電圧変化から接触検出を行い、接触検出機構１７によるロッドの接触信号に基づいて、必要な対応動作、例えば、ロッド２の駆動停止または上記接触に基づいて発生するダストの排除動作を行わせるものである。
なお、上記接触検出器における接触検出を行う制御装置としては、前述した第２の静圧気体軸受３２の軸心を変位させるための制御装置と共通のものを用い、あるいは、別異の制御装置を用いることもできる。

上記ロッド２をその軸線方向に直線駆動する前記駆動機構５としては、任意駆動機構を利用することができるが、ここでは、マグネットカップリング式のものを用いている。このマグネットカップリング式の駆動機構５は、図１及び図４に示すように、支持部材５０に支持されて、前記ロッド収容筒部２０の一部を形成するチューブ５１内に、前記内部移動体５２を収容すると共に、そのチューブ５１外側に、上記内部移動体５２と磁気的に結合する外部移動体５６を設けている。

上記内部移動体５２及び外部移動体５６は、それぞれの移動体の軸線方向に着磁されたリング状のマグネット５３ａ，５７ａと、リング状のヨーク５３ｂ，５７ｂとを交互に積層してそれらを結合することにより構成した本体部５３，５７を備え、内部移動体５２は、その本体部５３における軸方向両端部にチューブ５１の内面に沿って転動する転動子５４を、該チューブ内面との間のクリアランスを調整自在に配設して、上記本体部５３をチューブ５１内周面に対して非接触で移動可能とし、また、上記外部移動体５６は、外部に配置した適宜駆動手段でその軸線方向に駆動するように構成される。この駆動手段は、平均駆動速度を最大化するショックレスアクチュエータを用いることが望まれる。

なお、上記マグネットカップリング式の駆動機構５に代えて、例えば、ピストンを直線駆動するようにしたシリンダを用いることもできる。また、上記マグネットカップリング式の駆動機構５を含むこれらの駆動機構５において、一部にダストが発生する可能性がある場合には、この駆動機構５の近辺においてそのダストを含む気体を真空排気するように構成することもできる。

上記駆動機構５における内部移動体５２は、その本体部５３から軸方向に突出する駆動軸５５を備え、この駆動軸５５と上記ロッド２との間をフローティング継ぎ手６で連結している。
このフローティング継ぎ手６は、図５に詳細に示すように、駆動機構５の駆動軸５５に連結される連結部材６１と、該連結部材６１の軸線に対して直交する平行移動板６３が、リテーナに保持されたボール６４によって平行移動自在に保持されていて、該平行移動板６３に連結することにより軸線が上記連結部材６１に対して平行移動する平行移動軸６２と、該平行移動軸６２における揺動軸保持部６２ａにボール部６５ａを回動自在に保持させることにより、該平行移動軸６２に対して揺動自在に連結した揺動軸６５とを備えたものである。この揺動軸６５は、ロッド２の端部に連結されている。
上記駆動機構５の駆動軸５５とロッド２との間にこのようなフローティング継ぎ手６を介在させることにより、静圧気体軸受に支持されるロッド２と機械的に拘束される駆動機構５における駆動軸５５の軸線のずれを吸収させることができるが、その必要がなければこのフローティング継ぎ手を省略することもできる。

また、ロッド２には、その回転を抑制する回転抑制機構７を備えている。
この回転抑制機構７は、図６及び図７に示すように、ロッド２における中空軸部分７１内に配置されて該ロッド２と一体的に回転するように端部が該ロッド２に連結されたスプラインシャフト７２と、該シャフト７２にその軸線方向に摺動自在で回転方向には拘束されるように嵌挿され、周方向に複数の磁石７３ａを配した内部磁石７３と、上記中空軸部分７１の外側において、前記第２の静圧気体軸受３２における支持ブロック１０と駆動機構５における支持部材５０との間に固定的に配置された筒状ハウジング７５に固定され、周方向に上記内部磁石７３の各磁石７３ａと対応する複数の磁石７４ａを有する外部磁石７４とで構成されたものである。
従って、駆動機構５によってロッド２がその軸線方向に駆動されても、外部磁石７４とそれに対応する位置にスプラインシャフト７２上を移動する内部磁石７３との磁力結合により、ロッド２の回転が抑制している。

このように、外部磁石７４をロッド２の中空軸部分７１に接触させることなく該外部磁石７４の位置を固定することにより、非接触式でロッド２の回転抑制が可能となるが、上記外部磁石７４をロッド２の中空軸部分７１の周囲で回転させるように構成すると、プロセスチャンバー１内でワークの反転等を行わせることも可能になる。
上記実施例では、ロッドの回転抑制機構７として内部磁石７３及び外部磁石７４の磁気結合を利用した構成を示しているが、本発明における回転抑制機構７は、かかる構成に限られるものではなく、例えば、ロッド２の一部の偏心位置にウエイトを付設するなど、望ましくはダストを発生しないことを前提とした各種回転抑制の機構を採用することができる。

また、上記本発明の静圧気体軸受機構は、上記ロッド２を、真空環境下において使用する真空用搬送装置に適用する場合について説明したが、清浄環境下で使用するワークの直線搬送のためのロッドとすることができる。

本発明に係る静圧気体軸受機構を備えた真空用搬送装置の実施例の全体的な構成を示す縦断面図である。 上記実施例における静圧気体軸受機構の制御系を含む縦断面図である。 上記静圧気体軸受機構における接触検出器の部分拡大縦断面図である。 上記実施例における駆動機構の構成を示す部分拡大縦断面図である。 上記実施例におけるフローティング継ぎ手の構成を示す部分拡大縦断面図である。 上記実施例における回転抑制機構の構成を示す部分拡大縦断面図である。 図６におけるＡ−Ａ位置での断面図である。

符号の説明

２ ロッド
３ 静圧気体軸受機構
５ 駆動機構
１７ 接触検出機構
３１ 第１の静圧気体軸受
３２ 第２の静圧気体軸受
３５ アクチュエータ

Claims (5)

1. ロッド収容筒部内に水平に配置されて軸線方向に駆動されるロッドと、該ロッドを軸線方向の２個所において支持する第１及び第２の静圧気体軸受とを備え、
   上記第１の静圧気体軸受は、上記ロッド収容筒部内に固定的に支持され、上記第２の静圧気体軸受は、上記ロッド収容筒部内に可動支持機構により変位可能に支持されており、
   上記可動支持機構は、上記ロッドに作用する負荷に応じて、該ロッドの表面の一部が上記第１及び第２の静圧気体軸受と接触するのを抑止する方向に上記第２の静圧気体軸受の軸心を第１の静圧気体軸受に対して相対的に変位させるアクチュエータを備えている、
   ことを特徴とする耐モーメント対策静圧気体軸受機構。
2. 上記ロッドは先端に作業用器材を有する作業用ロッドであり、
   上記負荷は、ロッドの軸線方向駆動に伴って変動するロッドの第１の静圧気体軸受から突出する部分の重量、及び／または、上記作業用器材に作用する外力に基づくモーメントであって、それらを上記ロッドの駆動プログラムに応じて演算したものであり、
   第２の静圧気体軸受は、その演算結果に基づいて上記アクチュエータを駆動する制御装置を備えている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の耐モーメント対策静圧気体軸受機構。
3. 上記第２の静圧気体軸受を支持する可動支持機構のアクチュエータは、該第２の静圧気体軸受を支持する受圧部材を備え、上記制御装置は、圧力調整弁から上記受圧部材の両面側に給排される空気圧力のバランスにより上記第２の静圧気体軸受を制御位置に変位させる機能を有している、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の耐モーメント対策静圧気体軸受機構。
4. 第１の静圧気体軸受の両端部に、ロッドとの接触を検出する接触検出器を設け、
   ロッドの駆動を制御する制御装置に、上記接触検出器により検出したロッドの接触信号に基づいて、ロッドの駆動停止または上記接触に基づいて発生するダストの排除動作を行う制御機能を持たせた、
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の耐モーメント対策静圧気体軸受機構。
5. 上記ロッドが、真空環境下または清浄環境下で使用するワークの直線搬送のためのロッドである、
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の耐モーメント対策静圧気体軸受機構。

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