JP2944011B2 - 空気圧シリンダの使用方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はピストンを内蔵した空気
圧シリンダに関し、さらに詳しくは、半導体製造設備の
ウェハ搬送装置等で要求される超低速駆動が可能な空気
圧シリンダおよびその使用方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、空気圧制御によりピストンを軸方
向に移動し、かかる移動を物品の搬送に用いるための空
気圧シリンダが使用されている。この種の空気圧シリン
ダでは、摺動抵抗低減のため、空気圧をシールするリン
グ状パッキンを２本重合して用いているものがある。そ
して、２本のパッキンの内、シリンダ内面に接するもの
には、その材質として摩擦係数が低いことで知られるフ
ッ素樹脂等を用い、しかもそのパッキン部分を、油で潤
滑しながら使用している。

【０００３】このような技術において、ピストン外周の
環状凹溝に隣接する部分に外形の小さい、へこみ部分を
設けることにより、リングパッキンの受圧面積を増大さ
せ、圧力に対する応答性を改善する提案（図８参照）
が、実開昭６２−１３３００５号公報で開示されてい
る。

【０００４】また、実開平１−９８９６８号公報では、
リングパッキンの、シリンダ内面に接する面に、切り欠
きを設けることにより、印加空気圧がリングパッキンの
外周摺動面押圧として働くのを防ぎ、摺動抵抗をさらに
低減する提案（図９参照）がそれぞれ開示されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記し
た従来の技術における空気圧シリンダでは、例えば半導
体製造設備のウェハ搬送装置等で要求される超低速駆動
に関しては何ら考慮されていない。したがって、これら
従来技術による空気圧シリンダで超低速駆動を行うと、
次に示す問題がある。

【０００６】すなわち、従来の空気圧シリンダではシー
ル部分を油潤滑しているので、そのシール部分の摺動速
度と摩擦力（摺動抵抗となる）の関係は、図７のグラフ
に示すような、いわゆるストライベック曲線を描く。こ
の曲線で表される摩擦特性の特徴は、極低速域（図７中
Ｆ０１付近）での摩擦力に比べ、非常に摩擦力の小さい
速度領域が図７中Ｆ０２付近に存在することである。

【０００７】そのため、Ｆ０１付近に相当する速度とＦ
０２付近に相当する速度とを含む速度範囲Ａ内で、この
ような空気圧シリンダを使用すると、飛び出し現象の繰
り返し、いわゆるスティックスリップ現象が起こり、ピ
ストンは段付きの動きを示しスムーズな駆動が得られな
いのである。

【０００８】まず、この現象について図７および図８を
参照して説明する。図７のような摩擦特性を有する図８
の空気圧シリンダが、図７の速度Ｖ４を保って一定速度
で左向きに駆動している状態（以下、定常状態という）
を考える。この定常状態では、図８中の推力Ｆ４は推力
Ｆ３より僅かに大きく、そして推力Ｆ４と推力Ｆ３との
差による駆動力が、速度Ｖ４に対応する摩擦力Ｆｇと釣
合い、定速（Ｖ４）摺動状態となっている。

【０００９】この状態から、何らかの外乱により、速度
Ｖ４より少し速い速度Ｖ５に、摺動速度が変化したとす
る。すると、速度Ｖ５に対応する摩擦力Ｆｈは、摩擦力
Ｆｇより小さいので、推力Ｆ４と推力Ｆ３との差による
駆動力が摩擦力Ｆｈに打ち勝ち、ピストンはさらに加速
されることになる。

【００１０】速度Ｖ４付近における図７のストライベッ
ク曲線の傾きはかなり大きいので、このときピストンは
急激に加速され、図８中の作用室の圧力Ｐ３および圧力
Ｐ４に無視できない影響を与える。すなわち、作用室３
は圧縮を受けるので、圧力Ｐ３は高くなる一方、作用室
４は膨張するので、圧力Ｐ４は低くなる。この結果、推
力Ｆ４は小さくなり、推力Ｆ３は大きくなる。

【００１１】そして推力Ｆ４と推力Ｆ３との大小関係が
逆転すると、こんどはピストンは減速され、摺動速度は
低下することになる。そして図７の摩擦特性では摺動速
度が下がると摩擦力が増加するので、さらに強く減速さ
れ、停止または停止に近い状態になってしまう。そして
ピストンが停止して（または停止に近い状態で）いると
きに、これを再始動するためには、摩擦力Ｆｇより大き
い摩擦力Ｆ０１に打ち勝つために、定常状態での駆動力
より大きい駆動力が必要となる。

【００１２】そのような大きい駆動力を印加した場合
は、摺動速度が定常状態での速度Ｖ４に落ち着くことは
なく、ピストンは過剰に加速されることになり、こうし
た速度変化を繰り返すこととなる。

【００１３】しかもこの場合、ピストンを始動する際に
必ず、摩擦力Ｆ０１に打ち勝つ大きい駆動力が必要とな
るため、その挙動は図６に示すように、始動時に必ず大
きい飛び出し（矢印Ａ）を起こし、その後収束しながら
停止と飛び出しを繰り返す、いわゆるスティックスリッ
プ現象となり、ピストンは段付きの動きを示す。このと
きの作用室の圧力履歴を図５に示す。ピストンの飛び出
しのときに圧力が変化している（矢印）ことがわかる。

【００１４】したがってスティックスリップが収束する
までは速度Ｖ４での安定駆動は得られず、収束後でも何
らかの外乱があれば再びスティックスリップが起こるの
で、速度Ｖ４付近での定常状態は仮想的にしか存在しな
いことになる。

【００１５】そして、半導体製造装置（特に、ステッパ
ー等写真露光装置）のウェハ搬送機構では、回路パター
ンの加工寸法に応じてサブミクロンレベルの位置決め精
度が要求されるため、数ｍｍ／秒程度若しくはそれ以下
の駆動速度を必要としており、この速度は図７ではまさ
に速度範囲Ａ内にある。

【００１６】こうした段付き駆動をそのままウェハ搬送
に用いては、必要な位置精度は得られるべくもない。ま
た、ウェハとウェハホルダもしくはウェハカセットとの
衝突が多数回起こり、半導体製造上好ましくないパーテ
ィクル発生やウェハ内部の欠陥発生の原因ともなる。

【００１７】したがってこのような空気圧シリンダで
は、飛び出し現象を見込んで、例えば摺動開始が検知さ
れたら作用室への圧力印加を直ちに変更して、飛び出し
現象に対処させるような、特段の圧力制御を行うか、あ
るいは、摺動速度とともに摩擦力が増大する速度域（図
７の範囲Ｂ）を用い、ギア等の手段で減速する（ギアは
バックラッシュのないものである必要があり、また、シ
リンダのストロークを長くする必要がある）等の対策が
必要となるが、これらはいずれもかなりのコスト上昇要
因となる。また、空気圧シリンダ以外の例えばパルスモ
ータ等を駆動源とする方法も考えられるが、これも相当
なコスト上昇を伴なう。

【００１８】本発明は、上述の問題点を解決し、空気圧
シリンダにより、特段の圧力制御機構や減速機構なくし
て、スムーズな低速駆動を得ることを目的とする。

【００１９】

【課題を解決するための手段】上述の問題点の原因は、
用いられているリングパッキンが、図７に示す摩擦特性
を有することにあり、低速度域においても、摺動速度の
増大とともにその摩擦係数が増大する特性を有するパッ
キンを使用すれば解決される。このような摩擦特性を有
するリングパッキンおよびその使用方法を探索した結
果、本発明者は、例えばフッ素樹脂製のリングパッキン
（これ自体は公知である）を、油潤滑せず、無潤滑で使
用すれば、望みの特性が得られ、前記の目的が達成され
ることを知見した。

【００２０】したがって本発明の空気圧シリンダは、円
筒状シリンダと、該シリンダ内に、軸方向に摺動自在に
嵌合されたピストンと、該ピストンの外周に形成された
環状凹溝に収納されたパッキンよりなるものであって、
該パッキンは無潤滑状態であり、かつ、該パッキンは、
摺動速度の増大とともにその摩擦係数が増大する性質を
有することを特徴とする構成のものとされる。

【００２１】もしくは、円筒状シリンダと、該シリンダ
内に、軸方向に摺動自在に嵌合されたピストンと、該ピ
ストンの外周に形成された環状凹溝に収納されたパッキ
ンよりなる構成の空気圧シリンダにおいて、該パッキン
の材質として、摺動速度の増大とともにその摩擦係数が
増大する性質を有するものを用い、かつ、該パッキンが
無潤滑である状態下にて使用することを特徴とする、使
用方法とされる。

【００２２】

【作用】前記構成を有する本発明では、ピストンとシリ
ンダの間の空気圧シールを受け持つパッキンとして、摺
動速度の増大とともにその摩擦係数が増大する材質のも
のを用い、該パッキン部分を無潤滑下にて使用する。こ
のときの摩擦特性は、図７とは異なり、図２に示すよう
な特性となる。したがって、図７の摩擦特性におけるＦ
０２付近のような、極低速域と比べて摩擦係数が小さい
速度領域がないので、飛び出し現象が起こらず、段付き
のないスムーズな低速駆動が、減速機構なくして実現さ
れる。

【００２３】

【実施例】以下、本発明を具体化した一実施例につい
て、図面を参照しつつ詳細に説明する。

【００２４】図１は本発明による空気圧シリンダの断面
図である。図１において空気圧シリンダ１は、中空円筒
状の密封容器であるシリンダハウジング２、シリンダハ
ウジング２の内側に軸方向に摺動自在に嵌合されるピス
トン３、ピストン３の片端面中心に固着される棒状のピ
ストンロッド４、より成る。ここで、ピストン３はシリ
ンダハウジング２内の空間を作用室５と作用室６とに分
離している。

【００２５】そして、ピストンロッド４はシリンダハウ
ジング２の片端面中心を貫通して外部に伸び、ピストン
３の摺動運動を駆動として取り出す。シリンダハウジン
グ２には、作用室５に空気圧を印加し、または開放する
空気圧ポート７が設けられ、同様に、作用室６に空気圧
を印加し、または開放する空気圧ポート８が設けられて
いる。

【００２６】ピストン３の外周面には、リングパッキン
９を収納する環状凹溝１０が設けられており、リングパ
ッキン９は作用室５と作用室６との間の圧力漏れを防い
でいる。そして、リングパッキン９とシリンダハウジン
グ２の内壁との間の摺動には、潤滑剤を全く使用してい
ない。そして、リングパッキン９は無潤滑下において、
摺動速度の増大とともにその摩擦係数が増大する性質を
持つ材質から成り、ここではフッ素樹脂製のものであ
る。

【００２７】シリンダハウジング２の片端面中心の、ピ
ストンロッド４が貫通する穴部にも、リングパッキン１
１を収納する環状凹溝１２が設けられており、リングパ
ッキン１１は作用室５と外部との間の圧力漏れを防いで
いる。

【００２８】この空気圧シリンダ１において、空気圧ポ
ート７から作用室５に印加されている空気圧（以下Ｐ
５）は、ピストン３を右向きに動かす推力（以下Ｆ５）
として働き、空気圧ポート８から作用室６に印加されて
いる空気圧（以下Ｐ６）は、ピストン３を左向きに動か
す推力（以下Ｆ６）として働く。そして、これら２つの
空気圧を制御することにより、ピストンロッド４を介し
て右向きまたは左向きの駆動力が得られる。

【００２９】このときのピストン３にかかる力（ピスト
ンロッド４からの力を除く）は、推力Ｆ５、Ｆ６の他に
リングパッキン９とシリンダハウジング２の内壁との間
の摩擦力Ｆｆがある。

【００３０】摩擦力Ｆｆの向きは、ピストン３の動いて
いる向き、もしくは動こうとしている向きの逆向きであ
るため、駆動に対する抵抗として働く。例えば左向きの
駆動を得ようとする場合、推力Ｆ６を推力Ｆ５より大き
くするのであるが、実際に得られる駆動力は、推力Ｆ６
から推力Ｆ５を引き、さらに摩擦力Ｆｆを引いた残余で
ある。そして、一般に摩擦力Ｆｆの大きさは、摺動速度
の関数であるため、駆動に対する抵抗は摺動速度により
変動するのである。

【００３１】そして、低速駆動を得ようとする場合には
推力Ｆ６と推力Ｆ５との差は小さいので、摩擦力Ｆｆの
変動により実駆動力の大きさが受ける影響は大きくな
る。そして、ピストン３、ピストンロッド４、および駆
動される負荷による慣性エネルギーが小さいため、実駆
動力の大きさの変動により駆動速度（＝摺動速度）が受
ける影響も大きいのである。

【００３２】ここで、リングパッキン９とシリンダハウ
ジング２の内壁との間が無潤滑であるとき、その摩擦係
数は、図２のカーブａに示すように、摺動速度の増大と
ともに大きくなる特性を有している。

【００３３】この空気圧シリンダが、図２の速度Ｖ１で
安定に駆動されている状態を仮定する。速度Ｖ１は、図
７の速度範囲Ａに相当する超低速である。この状態で
は、推力Ｆ６が推力Ｆ５よりわずかに大きく、そして、
速度Ｖ１に対応する摩擦係数μ１に対応する摩擦力Ｆｆ
が、推力Ｆ６と推力Ｆ５との差と釣合い、摺動速度は一
定（速度Ｖ１）に維持される。そしてこの状況では、ピ
ストンが急加速されることはないので、作用室の圧力変
化は無視できる範囲内にとどまる。

【００３４】そしてこの状態から何らかの外乱により、
摺動速度が速度Ｖ１より少し速い、速度Ｖ２に変化した
とする。すると、速度Ｖ２に対応する摩擦係数μ２は、
摩擦係数μ１より大きいので、速度Ｖ１で摺動していた
ときの摩擦力Ｆｆより大きい摩擦力が働き、前記の釣合
が破れ、摺動速度は減速される。そして摺動速度が速度
Ｖ１まで下がると、ふたたび駆動力（Ｆ６−Ｆ５）と摩
擦力Ｆｆが釣合い、もとの定速（Ｖ１）摺動状態とな
る。

【００３５】逆に、定速摺動状態から何らかの外乱によ
り、摺動速度が速度Ｖ１より少し遅い速度Ｖ３になった
場合には、速度Ｖ３に対応する摩擦係数μ３は、摩擦係
数μ１より小さいので、速度Ｖ１で摺動していたときの
摩擦力Ｆｆより摩擦力が小さくなり、前記の釣合が破
れ、摺動速度は加速される。そして摺動速度が速度Ｖ１
に達すると、ふたたび駆動力（Ｆ６−Ｆ５）と摩擦力Ｆ
ｆが釣合い、もとの定速（Ｖ１）摺動状態となる。

【００３６】すなわち、本実施例の空気圧シリンダで
は、そのリングパッキン９とシリンダハウジング２の内
壁との間の摩擦特性自体が、摺動速度の変動を抑制し、
超低速度域においても定速駆動を安定させる作用を有し
ているといえる。

【００３７】本実施例の空気圧シリンダにおける駆動速
度と変位との実測値の例を図４に示す。図４の速度は変
位を微分して求めたものであり、微少な速度変動は電気
的なノイズである。したがって従来技術の空気圧シリン
ダで起こる飛び出し（図６参照）は全く起こっておら
ず、半導体製造装置のウェハ搬送に充分適用できる超低
速摺動が得られていることがわかる。また、このときの
作用室５および作用室６の圧力履歴を図３に示す。駆動
中の圧力変化はほとんどないことがわかる。

【００３８】こうして、本実施例の空気圧シリンダは、
超低速度域でも摺動速度の増大とともに摩擦係数が大き
くなる摩擦特性を有しているので、超低速度域での定速
摺動が安定する結果、何ら特段の圧力制御機構や減速機
構を設ける必要なく、すぐれた超低速性能を発揮する。

【００３９】尚、前述の実施例は本発明を限定するもの
ではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種
々の変形、改良が可能であることは勿論である。例え
ば、前述の実施例ではリングパッキンの材質としてフッ
素樹脂を使用したが、目的に適した摩擦特性を有するも
のであれば他の材質でもよく、例えば図２のカーブｂは
前述の実施例で使用したものとは別種のフッ素樹脂製、
図２のカーブｃはジュラコン製のリングパッキンの摩擦
特性であり、いずれも本発明の目的に合致している。さ
らに、このような特性を有するリングパッキンを図１の
リングパッキン９ばかりでなく、リングパッキン１１に
も適用すれば、より一層、本発明の目的は徹底される。

【００４０】

【発明の効果】以上説明した通り本発明の空気圧シリン
ダは、低速度域でも摺動速度の増大とともに摩擦係数が
大きくなる摩擦特性を有するリングパッキンを使用して
いるので、特段の圧力制御機構や減速機構を設ける必要
なく、すぐれた低速駆動性を発揮する。したがって、か
かる空気圧シリンダを、半導体製造装置のウェハ搬送機
構のような、安定した低速駆動を必要とする装置に適用
することの奏する効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る空気圧シリンダの構造を示す図で
ある。

【図２】本発明に係る空気圧シリンダのシール部分の摩
擦特性を示すデータ図である。

【図３】本発明に係る空気圧シリンダの駆動速度測定時
の作用室の圧力を示すデータ図である。

【図４】本発明に係る空気圧シリンダの駆動速度の実測
例を示すデータ図である。

【図５】従来技術による空気圧シリンダの駆動速度測定
時の作用室の圧力を示すデータ図である。

【図６】従来技術による空気圧シリンダの駆動速度の実
測例を示すデータ図である。

【図７】従来技術による空気圧シリンダのシール部分の
摩擦特性を示すデータ図である。

【図８】従来技術による空気圧シリンダの１例のシール
部分の構造を示す断面図である。

【図９】従来技術による空気圧シリンダの別の１例のシ
ール部分の構造を示す断面図である。

【符号の説明】

１ 空気圧シリンダ ２ シリンダハウジング ３ ピストン ９ パッキン １０ 環状凹溝

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 円筒状シリンダと、 該シリンダ内に、軸方向に摺動自在に嵌合されたピスト
   ンと、 該ピストンの外周に形成された環状凹溝に収納されたパ
   ッキンよりなる空気圧シリンダの使用方法において、 前記ピストンが低速で摺動され、 前記パッキンが、潤滑油のない無潤滑状態で、前記ピス
   トンの摺動速度の増大とともにその摩擦係数が増大する
   性質を有する材質からなると共に、 該パッキンを、ピストン速度が超低速で、ストライベッ
   ク曲線における摩擦係数が未だ急速に減少しない潤滑領
   域にある状態、かつ潤滑油を用いない無潤滑状態で使用
   することを特徴とする空気圧シリンダの使用方法。
2. 【請求項２】 請求項１に記載する使用方法において、前記パッキンの材質がフッ素樹脂であり、 前記ピストンの摺動速度が数ｍｍ／秒以下の超低速であ
   る ことを特徴とする空気圧シリンダの使用方法。