JP2017052056A - 吸着構造 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、ベルヌーイ効果を利用する吸着構造の吸引力を増大することを目的とする。【解決手段】本発明によれば、対象物を非接触で吸着する吸着構造であって、円柱状の中空空間と、前記中空空間の内周面に沿って気体を導入するための気体導入流路と、前記気体の噴出口が形成される平坦な吸着面と、前記中空空間の底面の中心と前記噴出口の間を連通する気体噴出流路と、を含む、吸着構造が提供される。本発明によれば、放射気流の旋回成分が最大化されることにより、ベルヌーイ効果による負圧が増大し、結果として吸引力が大幅に増大する。【選択図】図１

Description

本発明は、吸着構造に関し、より詳細には、ベルヌーイ効果によって対象物を非接触で吸着する吸着構造に関する。

従来、シリコンウェーハの搬送装置としてベルヌーイチャックが用いられている（例えば、特許文献１）。ベルヌーイチャックとは、ベルヌーイ効果によって生じる負圧を利用して対象物を非接触で吸着・保持することができるチャック装置であり、ウェーハを非接触でハンドリングすることで、パーティクルによるコンタミネーションを防止する。

以下、従来のベルヌーイチャックの吸着メカニズムを説明する。図９は、従来のベルヌーイチャック５０を示す。図９（ａ）に示すように、ベルヌーイチャック５０を構成する円板状のパッド５４の吸着面５４ａには、周方向に複数の開口部５６が形成されている。

図９（ｂ）は、図９（ａ）に示すベルヌーイチャック５０のＡ−Ａ’断面図を示す。図９（ｂ）に示すように、パッド５４の上面中心に接続される配管５２は、パッド５４の吸着面５４ａに形成された複数の開口部５６に連通しており、配管５２から導入された気体は、複数の開口部５６から放射状に噴出する。このとき、吸着面５４ａとワーク６０の間にできる放射状の流れの流速は、中心部で最大となり、半径方向外側にいくほど小さくなる。このとき、ベルヌーイ効果によって、吸着面５４ａの中心部の気圧が大気圧より低くなることにより、中心部に負圧が発生し、この負圧による吸引力によってワーク６０が吸着面５４ａに引き付けられるとともに、吸着面５４ａとワーク６０の間に介在する流体によって、両者の非接触状態が維持される。

一方、近年、コンタミネーションを防止する目的で、液晶ガラス基板についても非接触のハンドリングが要請されていることを受けて、ベルヌーイチャックを用いた液晶ガラス基板の搬送が検討されている。

しかしながら、既存のベルヌーイチャックは、吸引力が非常に小さいため、液晶ガラス基板を搬送するためには、相当数のチャックが必要となり、膨大な流量を消費することになる。仮に、重量が１０ｋｇを超える大型液晶ガラス基板（約３ｍ×３ｍ）を搬送する場合、毎分一万リットルもの流量を消費する計算になり、消費電力の観点からも、クリーンルーム内の環境保全の観点からも、全く現実的ではない。

特開２００５−３４０５２１号公報

本発明は、上記従来技術における課題に鑑みてなされたものであり、ベルヌーイ効果を利用する吸着構造の吸引力を増大することを目的とする。

本発明者は、ベルヌーイ効果を利用する吸着構造の吸引力を増大するための構成につき鋭意検討した結果、以下の構成に想到し、本発明に至ったのである。

すなわち、本発明によれば、対象物を非接触で吸着する吸着構造であって、円柱状の中空空間と、前記中空空間の内周面に沿って気体を導入するための気体導入流路と、前記気体の噴出口が形成される平坦な吸着面と、前記中空空間の底面の中心と前記噴出口の間を連通する気体噴出流路と、を含む、吸着構造が提供される。

上述したように、本発明によれば、ベルヌーイ効果を利用する吸着構造の吸引力を大幅に増大することができる。

第１実施形態の吸着構造の外観斜視図。 第１実施形態の吸着構造の外観図。 第１実施形態の吸着構造の内部構造を示す図。 吸着構造の吸着メカニズムを説明するための概念図。 吸着構造の吸着メカニズムを説明するための概念図。 第２実施形態の吸着構造の外観斜視図。 第２実施形態の吸着構造の外観図。 第２実施形態の吸着構造の内部構造を示す図。 従来のベルヌーイチャックの吸着メカニズムを説明するための概念図。

以下、本発明を図面に示した実施の形態をもって説明するが、本発明は、図面に示した実施の形態に限定されるものではない。なお、以下に参照する各図においては、共通する要素について同じ符号を用い、適宜、その説明を省略するものとする。

（第１実施形態）
図１および図２は、本発明の第１実施形態である吸着構造１０の外観を示す。なお、図１（ａ）は吸着構造１０を上から見た斜視図を示し、図１（ｂ）は吸着構造１０を下から見た斜視図を示す。また、図２（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、それぞれ、吸着構造１０の上面図、側面図および底面図を示す。

図１および図２に示すように、本実施形態の吸着構造１０は、部材１２と部材１４からなる。部材１２および部材１４は、いずれも、正方形の面を有する直方体形状を有しており、部材１２および部材１４は、図２（ｂ）に示すように、それぞれの正方形状の面を合わせた状態で、両部材を貫通する４つのボルト１３を締結することで接合されている。

ここで、部材１２の２つ対向する長方形の側面には、気体を導入するための気体導入孔１５ａおよび１５ｂが形成されている。また、部材１４の底面には、円形の吸着面１６が薄く突出する形で形成されており、吸着面１６の中心には、気体を噴出するための円形の開口が気体噴出口１８として形成されている。

以上、本実施形態の吸着構造１０の外観について説明したが、続いて、吸着構造１０の内部構造を図３に基づいて説明する。

図３（ａ）は、図２（ａ）におけるＡ−Ａ’断面図を示し、図３（ｂ）は、図３（ａ）におけるＢ−Ｂ’断面図を示す。図３（ａ）および（ｂ）に示すように、部材１２の底面には、短い円柱状（以下、短円柱状という）の凹部が形成されており、部材１４の中心には、気体噴出口１８を出口とする貫通孔が気体噴出流路２２として形成されている。本実施形態においては、部材１２の凹部が形成されている底面と部材１４の上面とがシール材１７を介して接合される結果、吸着構造１０の内部に短円柱状（円盤状ともいう）の中空空間２０が形成されている。

ここで、吸着構造１０の内部に形成される中空空間２０は、その底面が吸着面１６に対して略平行となっており、中空空間２０の底面の中心と気体噴出口１８の間が気体噴出流路２２によって連通されている。

さらに、部材１２には、図３（ｂ）に示すように、中空空間２０の内周面に沿って気体を導入するために、中空空間２０の略接線方向に一対の気体導入流路２４ａ、２４ｂが形成されている。一対の気体導入流路２４ａ、２４ｂは、中空空間２０の中心軸を中心として対向する位置に形成されており、気体導入流路２４ａは、その一方の端が部材１２の凹部の内周面に臨む噴出口２６ａに接続され、他方の端が気体導入孔１５ａに接続されており、気体導入孔１５ａから導入された気体が噴出口２６ａから中空空間２０の内周面に沿って噴出されるようになっている。同様に、気体導入流路２４ｂは、その一方の端が部材１２の凹部の内周面に臨む噴出口２６ｂに接続され、他方の端が気体導入孔１５ｂに接続されており、気体導入孔１５ｂから導入された気体が、噴出口２６ｂから中空空間２０の内周面に沿って噴出されるようになっている。

以上、本実施形態の吸着構造１０の内部構造について説明したが、続いて、吸着構造１０の吸着メカニズムを図４および図５に基づいて説明する。

図４（ａ）は、図３（ａ）におけるＢ−Ｂ’断面図を示し、図４（ｂ）は、吸着構造１０の底面図を示す。気体導入孔１５ａおよび１５ｂから導入された気体は、気体導入流路２４ａおよび２４ｂを通過し、噴出口２６ａおよび２６ｂから中空空間２０の内周面に沿って同一の周方向に噴出し、旋回流となる。このとき、図４（ａ）に模式的に示すように、中空空間２０内には、気体噴出流路２２に向かう向心流れを伴った自由渦が発生する。その結果、中空空間２０内において、中心に向かうほど中心からの半径にほぼ反比例して流れの周速が大きくなる。

中空空間２０の中心において周速が最大となった流れは、大きな角運動量を持った状態で気体噴出流路２２を通過して吸着面１６に至り、気体噴出口１８から噴出する。このとき、気体噴出口１８から噴出する流れは、大きな角運動量を持っているため、図４（ｂ）に示すように、気体噴出口１８を中心として旋回しながら放射状に放散する。

ここで、気体噴出口１８から放散する流れの吸着面１６の流速Ｖは、図５に示すように、半径方向成分Ｆと旋回成分Ｒに分解される。本実施形態においては、旋回室として機能する中空空間２０内で自由渦が発生するため、吸着面１６に放散される旋回成分Ｒが非常に大きくなり、その分、流速Ｖが大きくなる。つまり、従来のベルヌーイチャックでは半径方向成分Ｆだけであったのに対して、本実施形態では旋回成分Ｒが重畳される分だけ流速Ｖが大きくなる。その結果、吸着面１６の中心付近に生じる負圧が大きくなり、大きな吸引力が発生することなる。

以上、本発明の第１実施形態について説明してきたが、続いて、本発明の第２実施形態を説明する。

（第２実施形態）
図６および図７は、本発明の第２実施形態である吸着構造３０の外観を示す。なお、図６（ａ）は吸着構造３０を上から見た斜視図を示し、図６（ｂ）は吸着構造３０を下から見た斜視図を示す。また、図７（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、それぞれ、吸着構造３０の上面図、側面図および底面図を示す。なお、吸着構造３０は、気体を導入するための構成のみが第１実施形態と異なり、それ以外は第１実施形態と概ね共通するので、共通する事項については、適宜、説明を省略する。

図６および図７に示すように、本実施形態の吸着構造３０は、部材３１、部材３２および部材３４からなる。部材３１、部材３２および部材３４は、いずれも、正方形の面を有する直方体形状を有しており、部材３１、部材３２および部材３４は、図７（ｂ）に示すように、それぞれの正方形状の面を合わせた状態で、３つの部材を貫通する４つのボルト３３を締結することで接合されている。

ここで、部材３１の上面の中心部には、気体を導入するための気体導入孔３５が形成されている。また、部材３４の底面には、円形の吸着面３６が薄く突出する形で形成されており、吸着面３６の中心には、気体を噴出するための円形の開口が気体噴出口３８として形成されている。

以上、本実施形態の吸着構造３０の外観について説明したが、続いて、吸着構造３０の内部構造を図８に基づいて説明する。

図８（ａ）は、図７（ａ）におけるＡ−Ａ’断面図を示し、図８（ｂ）は、部材３２の上面図を示し、図８（ｃ）は、図８（ａ）におけるＢ−Ｂ’断面図を示す。

図８（ａ）に示すように、部材３１の底面には、直方体状の凹部が形成されており、部材３１の凹部が形成されている底面と部材３２の上面とがシール材３９を介して接合される結果、吸着構造３０の内部に直方体状の中空空間４３が形成されている。

また、図８（ａ）および（ｃ）に示すように、部材３２の底面には、短円柱状の凹部が形成されており、部材３４の中心には、気体噴出口３８を出口とする貫通孔が気体噴出流路４２として形成されている。本実施形態においては、部材３２の凹部が形成されている底面と部材３４の上面とがシール材３７を介して接合される結果、吸着構造３０の内部に短円柱状の中空空間４０が形成されている。

ここで、吸着構造３０の内部に形成される中空空間４０は、その底面が吸着面３６に対して略平行となっており、中空空間４０の底面の中心と気体噴出口３８の間が気体噴出流路４２によって連通されている。

さらに、部材３２には、図８（ｃ）に示すように、中空空間４０の内周面に沿って気体を導入するために、中空空間４０の略接線方向に一対の気体導入流路４４ａ、４４ｂが形成されており、一対の気体導入流路４４ａ、４４ｂは、中空空間４０の中心軸を中心として対向する位置に形成されている。

気体導入流路４４ａは、その一方の端が部材３２の凹部の内周面に臨む噴出口４６ａに接続されており、他方の端は閉塞端となっている。この閉塞端からその垂直方向に流路４８ａが延びており、この流路４８ａの上端が部材３２の上面に臨む開口４９ａに接続されている。

同様に、気体導入流路４４ｂは、その一方の端が部材３２の凹部の内周面に臨む噴出口４６ｂに接続されており、他方の端は閉塞端となっている。この閉塞端からその垂直方向に流路４８ｂが延びており、この流路４８ｂの上端が部材３２の上面に臨む開口４９ｂに接続されている。

本実施形態においては、気体導入孔３５から導入された気体は、中空空間４３を経て、開口４９ａおよび開口４９ｂの両方に流入する。その後、開口４９ａから流路４８ａに流入した気体は、気体導入流路４４ａを経て、噴出口４６ａから中空空間４０の内周面に沿って噴出され、開口４９ｂから流路４８ｂに流入した気体は、気体導入流路４４ｂを経て、噴出口４６ｂから中空空間４０の内周面に沿って噴出される。

噴出口４６ａおよび４６ｂから中空空間４０の内周面に沿って同一の周方向に噴出された気体は、旋回流となって自由渦を発生し、その周速を増しながら、大きな角運動量を持った状態で気体噴出流路４２を通過して吸着面３６に至り、気体噴出口３８から旋回しながら大きな流速をもって放射状に放散する。その結果、吸着面３６の中心部にベルヌーイ効果による大きな負圧が生じ、結果として、大きな吸引力が発生する。

以上、説明したように、本実施形態によれば、吸着構造において、放射気流の旋回成分が最大化されることにより、ベルヌーイ効果による負圧が増大し、結果として吸引力が大幅に増大する。

以上、本発明について実施形態をもって説明してきたが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、上述した図では、旋回室として機能する中空空間に対して２つの気体導入流路を形成する態様を示したが、本発明は、吸着構造に形成する気体導入流路の数を２つに限定するものではなく、１以上の気体導入流路を形成すればよい。また、上述した図では、直方体状の外形を持つ吸着構造を示したが、本発明は、吸着構造の外形を直方体状に限定するものではなく、任意の外形とすることができる。その他、当業者が推考しうる実施態様の範囲内において、本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。

以下、本発明の吸着構造について、実施例を用いてより具体的に説明を行なうが、本発明は、後述する実施例に限定されるものではない。

図６に示した吸着構造（中空空間：内径80mm×高さ11mm、吸着面の直径：80mm、気体噴出口：直径3mm）を試作し、その吸引力を以下の方法で評価した。

電子秤の上にワークを模擬した板材を載せ、秤に表示される荷重が3kgfとなるように板材の上に錘を載せた。続いて、板材の上に試作した本実施例の吸着構造を静置した状態から吸着構造に空気を圧送し、その後、吸着構造を上に引き上げ、吸着構造が板材から引き剥がれる直前に秤に表示される荷重を読み取った。読み取った荷重値と初期の荷重値3kgfの差分（減少分）を吸引力として記録するとともに、その時点の空気流量とチャック入口の管内空気圧をそれぞれ計測した。なお、比較例として、従来方式のベルヌーイチャック（吸着面の直径：40mm）を使用して上述したのと同様の実験を行った。

下記表１に実験結果をまとめて示す。

上記表１に示すように、本実施例の吸着構造は、従来方式のベルヌーイチャックとの比較において、60％の空気流量にもかかわらず約2.2倍の吸引力を達成した。

１０…吸着構造、１２…部材、１３…ボルト、１４…部材、１５…気体導入孔、１６…吸着面、１７…シール材、１８…気体噴出口、２０…中空空間、２２…気体噴出流路、２４…気体導入流路、２６…噴出口、３０…吸着構造、３１…部材、３２…部材
３３…ボルト、３４…部材、３５…気体導入孔、３６…吸着面、３７…シール材、３８…気体噴出口、３９…シール材、４０…中空空間、４２…気体噴出流路、４３…中空空間、４４…気体導入流路、４６…噴出口、４８…流路、４９…開口、５０…ベルヌーイチャック、５２…配管、５４…パッド、５４ａ…吸着面、５６…開口部、６０…ワーク

Claims (3)

1. 対象物を非接触で吸着する吸着構造であって、
   円柱状の中空空間と、
   前記中空空間の内周面に沿って気体を導入するための気体導入流路と、
   前記気体の噴出口が形成される平坦な吸着面と、
   前記中空空間の底面の中心と前記噴出口の間を連通する気体噴出流路と、
   を含む、吸着構造。
2. 前記中空空間の中心軸を中心として対向する位置に一対の前記気体導入流路が形成される、請求項１に記載の吸着構造。
3. 前記気体噴出流路は、前記中空空間の略接線方向に形成される、
   請求項１または２に記載の吸着構造。