JP2006339234A - 非接触保持装置 - Google Patents

Abstract

【構成】 非接触保持装置２に浅い凹部４を設けて、その周囲の底面を平坦面６とする。凹部４の上面１０に複数のノズル８を設け、凹部４の内周に沿ってやや下向きに、凹部４の側壁１２と平坦面６との間のエッジ１３の下側に向けて、気流を吹き出す。気流は平坦面６とワークとの間を高速で通過し、これに伴うベルヌーイの効果によって凹部４の静圧を低下させ、ワークを非接触で保持する。
【効果】 壁に沿って気流が旋回する際の動圧の損失を抑制し、効率的にワークを吸着保持できる。
【選択図】 図４

Description

この発明は流体の動圧を利用して、液晶基板や半導体ウェハーなどの物品を、非接触で保持する装置に関する。

特許文献１は、ベルヌーイの効果を利用して、半導体ウェハーなどの物品（ワーク）を非接触で保持する装置を開示している。そこでは凹部の上部に設けたノズルから気流を吹き出させ、凹部の壁面に沿って旋回させながら下降させて凹部の下部へ導き、次いで凹部の周囲の平坦面とワークとの間の隙間を高速で通過させる。凹部からは平坦面とワークの隙間以外に気流の出口がないので、平坦面の下方を高速で気流が通過すると、ベルヌーイの効果により凹部の静圧が低下し、ワークを吸着保持できる。そして特許文献１では、気流による負圧とワークに気流が衝突する際の反発力のバランスで、吸着力が定まるとしている。

しかしながら発明者は、凹部の内周に沿って気流を旋回させると、凹部の内壁との摩擦によりかなりの損失が生じることや、凹部に滞留する時間が長くなると凹部内の流体と混合されて流速が低下することに着目して、この発明に到った。
特開２００２−６４１３０号公報

この発明の課題は、凹部の内壁との摩擦による損失を軽減し、流速を低下させずに効率的に物品を保持できるようにすることにある。
請求項２の発明での追加の課題は、効率的に物品を保持するためのノズルの吹出角を具体的に定めることにある。
請求項３の発明での追加の課題は、気流と内壁との摩擦を軽減するための具体的な条件を定めることにある。
請求項４の発明での追加の課題は、内壁と平坦面との縁での気流の旋回を最小にしながら、平坦面に気流を均一に供給することにある。

この発明は、非接触保持装置の本体に下側が開口した凹部を設けると共に、該凹部の周囲の本体の底面を平坦にして、下向きに物品と対向する平坦面とし、かつ前記凹部内に気流を吹き出すためのノズルを設けて、物品と平坦面との間を気流が通過する際の負圧により物品を保持する装置において、前記ノズルを凹部と平坦面との縁へ向けて気流を吹き出すように配置する。

ここで縁へ向けてとは、凹部の内壁に沿って旋回させながら気流を下降させることとの対比で縁を向くことを意味し、より具体的には例えば縁よりもやや下方を向くようにする。この発明の非接触保持装置は、原則として凹部の下側に物品を保持するので、凹部は下側に開口し、凹部の周囲の平坦面の下側が物品と向き合うものとして、上下を説明する。なおこの発明の非接触保持装置は、例外的に上下を逆転し、凹部の上側に物品を保持することも可能である（特許文献１）。

好ましくは、前記ノズルからの気流の吹出方向を、平面視で凹部の内周方向から内側へ０〜１０°、側面視で下向きに５°〜３０°とする。
また好ましくは、凹部の内径と前記縁からノズルまでの高さの比を、１０：１〜１００：１とする。

好ましくは、ノズルを４個以上設けると共に、前記縁を凹部の内壁面と平坦面とがほぼ直角に交わるエッジ状とする。なおノズルは例えば４個〜１６個設ける。

この発明では、ノズルからの気流を凹部の内壁に沿って旋回させながら下降させるのではなく、平坦面と凹部の内壁との縁へ向けて気流を直接吹き付ける。このため気流の旋回が不要ないしは最小限でよく、気流の旋回により、凹部の内壁と長い経路に渡って接触することによる動圧の損失がない。

ここでノズルからの気流の吹出方向を、側面視で下向きに５°〜３０°と所定の角度範囲で下向きにすると、下向きから水平向きに気流の向きを変換する過程での、気流から物品への圧力を小さくできる。またノズルの気流の吹出方向を、平面視で凹部の内周方向から内側へ０〜１０°とすると、気流は平坦面の縁へ向かってノズルから直接流れ、あるいは凹部の内壁で僅かに旋回しながら平坦面の縁へ向かって流れる。

ここで凹部の内径とノズルから前記縁までの高さとの比を、１０：１〜１００：１とし、凹部の内径を相対的に大きく、平坦面基準でのノズルの高さを相対的に小さくすると、ノズルから僅かに下降するだけで気流は縁に達し、内壁に沿っての旋回をほとんど不要にできる。このため例えばノズルを凹部の上部に設ける場合、浅い凹部を用いることになる。

さらにノズルを４個以上設けて、平坦面に対して１個のノズルが受け持つ範囲を狭くし、かつ前記の縁をエッジ状にすると、縁の部分にテーパー面を設ける時のように、気流が縁に沿って旋回することを少なくし、しかも平坦面を通過する気流を周方向に沿って均一にできる。

以下に本発明を実施するための最適実施例を示す。

図１〜図８に、実施例とその変形とを示す。図において、２は非接触保持装置で、凹部４は下側に開口し、その周囲に平坦面６を備えている。また凹部４には下側を除いて気流の出口はない。凹部４の上面１０もしくは側壁１２にノズル８を複数個設け、例えば４個以上１６個程度設けて、特に好ましくは４個〜８個設ける。平坦面６と側壁１２はほぼ９０°で直角にエッジ状に交わり、平坦面６と側壁１２とが交わる縁をエッジ１３という。

１６は非接触保持装置２の本体で、その下側の窪みが前記の凹部４である。１４はフランジで、その底面を平坦にして前記の平坦面６とし、ここではフランジ１４を本体１６から周囲へ突き出すように設けたが、フランジ１４を設けず、本体１６の周辺部の底面を平坦面６としても良い。なお上面１０と平坦面６との間の鉛直な円筒面が側壁１２である。１８は頂部で、非接触保持装置２を複数用いる場合の支持部材への取り付けや、空気や窒素などの気体の注入などに用い、２０は気体の注入口で、２２は注入口２０とノズル８とを結ぶ流路である。気体注入口を、頂部１８に設ける代わりに、各ノズル８に直接取り付けても良い。

上面１０、即ち底面視での凹部４の形状は円形であるが、正多角形や楕円形などでもよく、上面１０の中心をＯで表し、その半径をｒ、直径をＲとする。さらに平坦面６から上面１０までの高さをＨとし、これは凹部４の深さに相当する。なお凹部４の内径は原則としてその直径Ｒで定め、楕円形の場合、長軸径と短軸径との算術平均で定め、正多角形の場合、外接円の直径と内接円の直径の算術平均で定める。

実施例では、凹部４の内径Ｒに対し、平坦面６からノズル８までの高さが小さいので、ノズル８からの気流はほとんど旋回せずにエッジ１３のやや下側を通過して、平坦面６に沿ってワークとの間を流れる。実施例ではノズル８の吹出口の高さは高さＨに等しく、凹部の内径Ｒと高さＨとの比は例えば１０：１〜１００：１とし、実施例では３０：１とする。

次に図３に示すように、ノズル８は、その付近での側壁１２の水平面内での接線方向、即ち側壁１２の内周方向〜これからやや内側を向いた角度で、気流を吹き出し、内周から内側へ向けての角度（平面視での吹出角）ψは例えば０°〜１０°とし、好ましくは０°〜５°とし、実施例では約２°とする。

ノズル８から気流はやや下向きに吹き出し、鉛直方向での気流の吹出角（側面視での吹出角）θは例えば５°〜３０°とし、実施例では２０°とする。非接触保持装置２のサイズ例を示すと、フランジ１４の外径は直径で８０mm、本体１６の外径は６５mm、凹部４の内径Ｒは６０mm、高さＨは２mm、ノズル８は例えば４個設けて、その直径は０.４mmとする。

なお図４の下側に拡大して示すように、平坦面６と側壁１２との間の縁をエッジ１３ではなくテーパー面２４で構成すると、テーパー面２４の奥側で急激に通気抵抗が増加するため、気流はテーパー面２４に沿って旋回しやすくなる。そしてテーパー面２４での方向転換と旋回とに伴って、動圧の損失が生じる。このため平坦面６と側壁１２とをほぼ直角に交わらせて、前記のエッジ１３とすることが好ましい。なおエッジ１３に、例えば１mm以下、より好ましくはノズル８の直径以下の曲率半径のＲ部を設けたり、幅が１mm以下のテーパー部を設けたものも、平坦面６と側壁１２とがほぼ直角に交わるものとする。また直角は、例えば本体１６の肉に沿って平坦面１６から側壁１２までの角度が８０°〜１００°、より好ましくは８５°〜９５°をいう。

実施例では、凹部４の上面１０の外周付近にノズル８を設けるが、側壁１２にノズルを設けても良い。このような例を図５に示すと、８’は新たなノズルで、底面視で側壁１２の内周面〜これから５°程度内側へ向けた、平面視での吹出角ψで気流を吹き出す。図６は、非接触保持装置２を底面側から、即ち凹部４の開口側から見て示し、ノズル８からの気流はエッジ１３〜そのやや下側に向けて吹き出され、ほとんど旋回せずにエッジ１３の下側から平坦面６に沿って流れる。また平坦面６は４つのノズル８に対して１／４ずつ割り当てられ、各ノズルからの気流はほとんど交わらずに、従って旋回せずに流れる。各ノズル８に分配される気流の範囲を図１，図６にハッチングで示す。

図７，図８に、液晶基板などのワーク３０を非接触保持装置２で保持した状態を示す。液晶基板からなるワーク３０は一辺が２ｍ程度で、厚さは３mm程度である。そしてワーク３０の上面に対して非接触保持装置２を複数の位置で接触させて支持する。なお液晶基板などの大型のワーク３０に代えて、半導体ウェハーなどのより小さなワークを保持する場合、１個の非接触保持装置で１枚のウェハーを保持できる。

実施例の動作を示す。ノズル８から吹き出した気流は、エッジ１３〜そのやや下側へと吹き付けられて、ワーク３０と平坦面６との間を流れる。気流はワーク３０と平坦面６との間で高速となり、ベルヌーイの効果によって負圧が生じ、ワーク３０は非接触保持装置２に吸着保持される。この時凹部４での静圧は負圧となる。

ノズル８からの気流はほとんど旋回しないので、側壁１２に沿って旋回しながら下降して行く場合と異なり、動圧の損失が少ない。ノズル８からやや下向きに吹き付けた気流を、ワーク３０の上面に平行な気流に変換するため、ワーク３０には気流から吹付圧が加わる。しかしながら側面視での吹出角θは５°〜３０°程度と小さいので、気流の吹付によってワーク３０を下向きに押す力は小さい。

実施例では、凹部４の内径Ｒと高さＨとの比を大きくすることにより、言い換えると平坦面６から僅かに高い位置から気流を吹き出すことにより、気流を旋回させずに平坦面６とワーク３０の間のスペースに導かれ、この間気流の流速はほとんど低下しない。またノズル８の平坦面６からの高さを小さくし、ノズル８を平面視で内周方向〜これから内側に０〜１０°程度向けて、鉛直面内では５°〜３０°下向きとすると、気流は側壁１２とほとんど衝突せずに、エッジ１３の下側を通過する。これらのため、気流の流量当たりの吸着力を増して、効率的に物品を保持できる。

例えば、凹部の深さを３０mm、ノズルからの吹き出し方向を水平で凹部の内周面向きとし、凹部の壁面に沿った旋回流を形成した場合と実施例とで、気流の流量当たりの物品の保持力を比較した。これ以外の条件は実施例も比較例も同じで、保持力は実施例が比較例の２倍となった。次に凹部の形状や平坦面の形状を実施例も比較例も同じにし、実施例ではノズルから平面視で凹部の内周方向で側面視で下向きに２０°に、エッジのやや下側へ向けて気流を吹き出した場合、ノズルからの吹出方向を水平で凹部の内周方向とした場合とを比較した。この場合、同じ流量で実施例では比較例の１.３倍の保持力が得られ、側面視での下向きの吹出角を５°〜３０°の全範囲で、流量当たり１.２倍以上の保持力が得られた。

実施例の非接触保持装置の平面図 実施例の非接触保持装置の鉛直方向断面図 実施例の非接触保持装置の要部底面図 実施例の非接触保持装置の要部鉛直方向断面図で、ノズルを長手方向に沿って示す 変形例の非接触保持装置の要部底面図で側壁に設けたノズルを示す 実施例でのノズルからの気流を示す 実施例の非接触保持装置でワークを保持している際の気流を示す側面図 ワークを保持する際の、実施例の非接触保持装置の配置を示す平面図

符号の説明

２ 非接触保持装置
４ 凹部
６ 平坦面
８ ノズル
１０ 上面
１２ 側壁
１３ エッジ
１４ フランジ
１６ 本体
１８ 頂部
２０ 注入口
２２ 流路
２４ テーパー面
３０ ワーク

Ｏ 中心
ｒ 半径
Ｒ 直径
Ｈ 深さ
θ 側面視での吹出角
ψ 平面視での吹出角

Claims (4)

1. 非接触保持装置の本体に下側が開口した凹部を設けると共に、該凹部の周囲の本体の底面を平坦にして、下向きに物品と対向する平坦面とし、かつ前記凹部内に気流を吹き出すためのノズルを設けて、物品と平坦面との間を気流が通過する際の負圧により物品を保持する装置において、
   前記ノズルを凹部と平坦面との縁へ向けて気流を吹き出すように配置したことを特徴とする、非接触保持装置。
2. 前記ノズルからの気流の吹出方向を、平面視で凹部の内周方向から内側へ０〜１０°、側面視で下向きに５°〜３０°としたことを特徴とする、請求項１の非接触保持装置。
3. 凹部の内径と前記縁からノズルの吹き出し口までの高さの比を、１０：１〜１００：１としたことを特徴とする、請求項１または２の非接触保持装置。
4. 前記ノズルを４個以上設けると共に、前記縁を、凹部の内壁面と平坦面とがほぼ直角に交わるエッジ状としたことを特徴とする、請求項１〜３のいずれかの非接触保持装置。
   

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