JPH09144705A - 負空気圧サーボシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 クリーンルーム内で使用できる防塵タイプで
あって、小形化したエアシリンダを使用する負空気圧サ
ーボシステムを提供すること。 【解決手段】 負空気圧サーボシステムは、中空シリン
ダ１１と、シリンダ内を摺動しシリンダを２つの空気室
１３，１４に分離するピストン１６とを有するピストン
シリンダを動作させるためのシステムであって、空気室
１３，１４の一方が大気圧より低い負圧状態にされ、他
の空気室が大気圧状態とされることにより、ピストン１
６を中空シリンダ１１の負圧側に移動させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体製造工程等
のクリーンルーム内で使用される防塵タイプの小形化し
たエアシリンダを使用するエアシリンダシステムに関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、半導体製造工程等のクリーン
ルーム内で防塵タイプのエアシリンダが使用されてい
る。それら防塵タイプのエアシリンダは、例えば、シリ
ンダ内の摺動部で発生したパーティクル等が、駆動空気
の漏れによりクリーンルーム内に侵入するのを防止する
ために、ピストンロッドの外部突出部の外側にシリンダ
室とは別に真空空気室を設け、シリンダから空気漏れし
たエアを真空ポンプ等で回収することにより防塵を行っ
ている。そして、それらの防塵エアシリンダでは、通常
の場合と同様に、駆動空気として圧縮空気を使用してい
る。

【０００３】一方、圧縮空気駆動用のエアシリンダに、
さらに排気ポンプを利用することが、実開昭５８−１１
８３０２号公報により提案されている。すなわち、ピス
トンで区画された空気室のうちのピストンを移動する方
向と反対側の空気室に圧縮空気を導入し、他方の空気室
の内部に残留する圧縮空気を排気ポンプにより排気する
ことにより、両空気室の設定圧にするための時間を、従
来の大気開放に比べて早くでき、往動作と復動作の切換
時間を短くできるとしている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の防塵タ
イプのエアシリンダは、ピストンロッドの外部突出部の
外側に、シリンダ室とは別に真空空気室を設けなければ
ならず、シリンダ装置が大型化すると共に、装置がコス
トアップする問題があった。一方、実開昭５８−１１８
３０２号公報においては、圧縮空気を効率的に排気する
ための手段として排気ポンプを使用しているにすぎず、
負圧状態という概念は、まったく示唆されていない。ま
た、防塵に関することは全く考慮されていない。

【０００５】本発明の負空気圧サーボシステムは、上記
問題点を解決すると共に、クリーンルーム内で使用でき
る防塵タイプであって、小形化したエアシリンダを使用
する負空気圧サーボシステムを提供することを目的とす
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の負空気圧サーボ
システムは、中空シリンダと、シリンダ内を摺動しシリ
ンダを２つの空気室に分割するピストンとを有するピス
トンシリンダを動作させるためのシステムであって、空
気室の一方が大気圧より低い負圧状態にされ、他の空気
室が大気圧状態とされることにより、ピストンを中空シ
リンダの負圧側に移動させる。また、本発明の負空気圧
サーボシステムは、上記システムにおいて、前記負圧状
態が真空ポンプまたはエジェクタにより発生されること
を特徴とする。

【０００７】また、本発明の負空気圧サーボシステム
は、上記システムにおいて、前記ピストンが前記シリン
ダ内を摺動するときの摩擦力を小さくしたことを特徴と
する。また、本発明の負空気圧サーボシステムは、上記
システムにおいて、前記ピストンの前記シリンダ内壁接
触面に空気漏れ防止用ラビリンスが形成されていること
を特徴とする。また、本発明の負空気圧サーボシステム
は、上記システムにおいて、前記真空ポンプまたはエジ
ェクタと、前記空気室とを接続する空気系の途中に電磁
切換弁を設け、前記電磁切換弁を流れる電流値を計測
し、その出力を遅れ要素を通してオンオフ要素にフィー
ドバックすることを特徴とする。

【０００８】上記構成を有する負空気圧サーボシステム
は、次のように作用する。すなわち、ピストンをシリン
ダの右方向に移動させる場合、ピストンで区画された左
空気室を大気圧状態とし、右空気室を真空ポンプまたは
エジェクタに接続して、内部に存在する空気を吸引して
負圧状態とする。ピストンは、大気圧の圧力により負圧
状態側である右方向に移動する。このとき、ピストンの
シリンダ内壁接触面にラビリンスが形成されているの
で、大気圧側から負空気圧側に空気の漏れることが少な
い。また、通常使用されるＯリングと比較して、ピスト
ンが直接的または間接的にシリンダ内壁と接触しないた
め、ピストンの受ける摺動抵抗は小さいという利点があ
る。すなわち、ラビリンスでは、ラビリンスとシリンダ
内壁との間の間隙において空気の流れが存在し、その空
気の流れによりピストンとシリンダ内壁との間を非接触
状態とできるからである。

【０００９】また、ラビリンスを使用しているのは、大
気圧で駆動する場合、圧縮空気でピストンを駆動する場
合と比較して、駆動力が弱いため、Ｏリングを使用した
のでは、ステックスリップを起こして実用化できないか
らである。また、真空ポンプまたはエジェクタと、両空
気室とを接続する空気系の途中に電磁切換弁を設け、そ
の電磁切換弁を流れる電流値を計測し、その出力を所定
の遅れ伝達関数を通した後、オンオフ要素にフィードバ
ックしているので、単純なオンオフ制御特有の持続振動
であるリミットサイクルを防止することができる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明を具体化した負空気
圧サーボシステムの一実施の形態を図面を参照しながら
説明する。図１に負空気圧サーボシステムの構成をブロ
ック図で示す。中空シリンダ１１の内部にピストン１６
が摺動可能に保持されている。ピストン１６の右端面中
央から延設されたロッド１７が、中空シリンダ１１の右
蓋の中央に形成された孔１８より外部に突出している。
ロッド１７の先端には、４つの車輪を有する駆動体１９
が固設されている。駆動体１９には、ロッド１７の位置
を検出するためのポテンショメータ２０が付設されてい
る。中空シリンダ１１は、ピストン１６により右空気室
１３と左空気室１２とに分割されている。左空気室１２
には、内部の空気圧を計測するための圧力計１４が取り
付けられている。また、右空気室１３には、内部の空気
圧を計測するための圧力計１５が取り付けられている。
圧力計１４，１５は、負空気圧サーボシステムを制御す
るためのサーボコントローラ２８に接続されている。

【００１１】図２に中空シリンダ１１の断面図を示す。
ピストン１６のシリンダ内壁との接触面には、ラビリン
ス３３が形成されている。ラビリンス３３は、一般にラ
ビリンスパッキンと呼ばれるもので、シリンダ内壁より
僅かに小さい外径を有する絞り外周３３ａと、４つの絞
り外周３３ａの間に形成された外径の小さい小径外周３
３ｂとから構成されている。ラビリンス３３において
は、空気が絞り片である絞り外周３３ａとシリンダ内壁
との間隙を通る際に圧力が降下するので、複数の絞り外
周３３ａを入れると、１段毎に圧力降下は小さくなるか
ら、空気の漏れ量は減少する。漏れ量はほぼ絞り外周３
３ａの数の平方根に反比例する。

【００１２】また、ラビリンス３３は、絞り外周３３ａ
とシリンダ内壁との間隙を通る空気により、絞り外周３
３ａとシリンダ内壁との接触が回避できるため、Ｏリン
グと比較して摺動抵抗を小さくすることができる。本実
施の形態の負空気圧サーボシステムでは、駆動空気とし
て圧縮空気を使用していないため、ピストン１６を移動
させる駆動力が通常の空気圧シリンダ装置の数分の１し
かないが、ラビリンス３３を用いることにより、ピスト
ン１６の摺動抵抗を小さくしているので、ピストン１６
をスムーズに移動させることが可能である。

【００１３】一方、左空気室１２は、電磁切換弁２１の
コモンポートに接続しており、右空気室１３は電磁切換
弁２２のコモンポートに接続している。電磁切換弁２１
のノーマルクローズポート及び電磁切換弁２２のノーマ
ルクローズポートとが、真空タンク２５に接続してい
る。また、真空タンク２５には、真空タンク２５内を真
空に維持するための真空ポンプ２６、真空タンク２５内
の真空圧を計測するための真空圧計２７が接続されてい
る。また、電磁切換弁２１の駆動コイル２３、電磁切換
弁２２の駆動コイル２４は、サーボコントローラ２８に
接続されている。また、駆動体１９の位置検出用のポテ
ンショメータ２０の出力線もサーボコントローラ２８に
接続している。

【００１４】次に、サーボコントローラ２８の制御シス
テムについて説明する。図３に制御システムをブロック
図で示す。サーボコントローラ２８を構成するのは、図
の一点鎖線で囲った部分である。ポテンショメータ２０
で検出される駆動体１９の位置検出信号ｙ、サーボコン
トローラ２８にインプットされる制御位置信号ｒとの偏
差を示す位置偏差信号ｅ＝ｒ−ｙに対して、前置増幅器
４２でゲイン係数Ｋｐを乗じて（ｅｐ＝Ｋｐ×ｅ）、オ
ンオフ要素であるコンパレータ４３に入力する。コンパ
レータ４３の出力のオンオフ電圧は、２つのＭＯＳ−Ｆ
ＥＴ４４，４５（図では１つのみ示す。）に送られ、交
互に電磁弁を駆動する。すなわち、駆動コイル２３及び
駆動コイル２４を介して、電磁切換弁２１及び電磁切換
弁２２の開度を調節する。

【００１５】ピストン１６を図１の右方向に移動させる
場合、サーボコントローラ２８は、電磁切換弁２１及び
電磁切換弁２２の弁開度を調整することにより、真空タ
ンク２５を介して右空気室１３と真空ポンプ２６とを連
通させ、右空気室１３を負圧状態とする。同時に左空気
室１２を大気圧状態に開放する。これにより、ピストン
１６は大気圧の圧力を受けて右方向に移動する。このと
き、右空気室１３は負圧状態であり、外部から空気が入
り込むことはあっても、外部に空気が漏れることは全く
ない。また、左空気室１２は元々負圧状態にあり、大気
圧に開放しても、外部から空気が入り込むことはあって
も、外部に空気が漏れることは全くない。従って、例え
ピストン１６の摺動等によりパーティクルが発生したと
しても、パーティクルが外部に漏れることが全くない。

【００１６】コントローラ内部のフィードバックのない
回路を用いて、図１の負空気圧サーボシステムを制御し
た場合のステップ応答の例を図５に示す。図５〜図７に
おいて、横軸は時間（秒）を示し、縦軸は信号を示して
いる。図５では単純なオンオフ制御に基づいて発生する
典型的なリミットサイクル（周波数系．４Ｈｚ）が現れ
ている。ここで、真空タンクの負圧は０．０５２ＭＰ
ａ、負荷は２．４６Ｋｇである。この現象は、条件をい
くら変化させても同様に現れる。

【００１７】次に、リミットサイクルを除去する方法を
説明する。ＦＥＴ４４を流れている電流ｉ（駆動コイル
２３の駆動電流）に比例する電圧ｉＲｃを、図３の破線
に示すように、ＦＥＴ４４のソース側から適当な一次遅
れ伝達関数Ｈc（s）４８を通して、コンパレータ４３に
フィードバックしている。Ｈc（s）＝Ｋc／（Ｔ1ｓ＋
１）である。ここで、Ｋcはフィードバック回路のゲイ
ンであり、Ｔ1は時定数である。フィードバック制御の
内容を図４に詳細回路図で示す。コンパレータ４３の出
力は、２つのＮＯＴ素子４９を通り、ＦＥＴ４４を介し
て駆動コイル２３に電流を流す。一方、コンパレータ４
３の出力は、１つのＮＯＴ素子４９を通り、ＦＥＴ４５
を介して駆動コイル２４に電流を流す。従って、駆動コ
イル２３に流れる電流と駆動コイル２４に流れる電流と
は、反転された状態にある。

【００１８】駆動コイル２３に流れる電流は、一次遅れ
伝達関数Ｈc（s）４８に直接送られる。一方、駆動コイ
ル２４に流れる電流は反転器５０によって符号が変えら
れた後、一次遅れ伝達関数Ｈc（s）４８に送られる。一
次遅れ伝達関数Ｈc（s）４８で処理された信号は、コン
パレータ４３にフィードバックされる。コンパレータ４
３をゲインの非常に高い素子とみなせば、定常状態の付
近では、近似的に次のようになる。 ｉ（ｓ）／ｅ（ｓ）＝１／Ｈc（s） このとき、制御はほとんどＰＷＭ方式になる。

【００１９】次に、上記フィードバック補償の作用及び
効果について説明する。すなわち、前置増幅器４２のゲ
インＫp及びフィードバック回路のゲインＫcを経験的に
調整することにより、図６に示すように、リミットサイ
クルを完全に除去することができる。しかし、時として
出力応答が目標値に一致しない場合がある。それは、電
磁弁を含む弁特性回路には必ずアンバランスが存在する
ためである。この場合には、フィードバック回路に適当
なバイアスを加えることの他に、コンパレータ４３のヒ
ステリシスの調整が有効である。これは、バイアスを適
当に大きく取ることにより、ノイズによるコンパレータ
作動を除けるためである。

【００２０】また、フィードバック補償における各量を
オープンループにして測定すると、過渡期に特異な落込
みのある電流が駆動コイル２３及び駆動コイル２４に入
力される。この影響がコンパレータ４３の適正な動作を
妨げている。それを防止するため、駆動コイル２３及び
駆動コイル２４に流れる電流に比例する電圧を飽和する
まで増幅して、さらにＮＯＴ素子でレベルを調整するこ
とでフィードバック補償入力を整形している。

【００２１】以上２つの改善により、図６及び図７に示
すように、目標値に一致した出力応答を得ることができ
た。周波数は約２６．０Ｈｚであるから、電磁弁も十分
動作している。また、ゲイン（Ｋc，Ｋp）調整が図６の
場合と比較して容易になる。この方法によれば、電磁弁
コイルを流れる電流を整形でき、応答を０．０１秒程度
改善できる。応答速度を早めることにより、コンパレー
タ４３の出力の発振を防止でき、リミットサイクルの発
生を減少させることができた。

【００２２】以上詳細に説明したように、本実施の形態
の負空気圧サーボシステムによれば、左空気室１２また
は右空気室１３の一方が、真空ポンプ２６によって大気
圧より低い負圧状態にされ、他の空気室が大気圧状態と
されることにより、ピストン１６をシリンダの負圧側に
移動させているので、圧縮空気を使用していないため、
空気漏れが発生することがなく、シリンダ内で発生した
パーティクル等がクリーンルーム内に漏れることがな
い。また、真空ポンプ２６の代わりにエジェクタを使用
すれば、簡易かつ安価に負圧状態を発生させることがで
きる。

【００２３】また、ピストン１６のシリンダ内壁接触面
に、空気漏れ防止用ラビリンス３３が形成されているの
で、ピストン１６の摺動抵抗を低くすることができ、ピ
ストン１６の摺動により発生するステックスリップを減
少させることができる。同時に空気室間での空気漏れを
低減することができる。また、真空ポンプ２６と、左空
気室１２または右空気室１３とを接続する空気系の途中
に電磁切換弁２１，２２を設け、電磁切換弁２１，２２
を流れる電流値ｉを計測して、その出力を遅れ要素を通
してオンオフ要素にフィードバックしているので、ピス
トン１６の摺動により発生するリミットサイクルを防止
することができる。

【００２４】以上、具体例に従って、本発明の実施の形
態について説明したが、本発明はこのような具体例に限
定されるものでなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で様
々な実施ができることはいうまでもない。例えば、本実
施の形態では、一方の空気室を大気圧状態としている
が、大気圧より僅かに負圧状態とすることにより、エア
シリンダから空気が漏れることが全く無くなるため、よ
り防塵度を高めることができる。また、本実施の形態で
は、真空ポンプと配管系の間にアキュムレータを装着し
ているが、エジェクタを使用する場合は、アキュムレー
タを使用しない方が効率的である。また、本実施の形態
では、電磁弁電流を計測し、その出力を遅れ要素を通し
て一次遅れ要素を用いているが、二次遅れ要素を用いて
も同様の制御が可能である。また、本実施の形態では、
遅れ要素を用いてコントローラをフィードバックする制
御を行っているが、ＰＷＭ方式等の他の一般的なフィー
ドバック方式を用いても、本発明に係る負空気圧サーボ
システムを制御することは可能である。

【００２５】

【発明の効果】本発明のの負空気圧サーボシステムによ
れば、シリンダの空気室の一方が、真空ポンプ等によっ
て大気圧より低い負圧状態にされ、他の空気室が大気圧
状態とされることにより、ピストンをシリンダの負圧側
に移動させているので、圧縮空気を使用していないた
め、空気漏れが発生することがなく、シリンダ内で発生
したパーティクル等がクリーンルーム内に漏れることが
ない。

【００２６】また、ピストンのシリンダ内壁接触面に、
空気漏れ防止用ラビリンスが形成されているので、ピス
トンの摺動抵抗を低くすることができ、ピストンの摺動
により発生するステックスリップを減少させることがで
きる。同時に空気室間での空気漏れを低減することがで
きる。また、真空ポンプとシリンダ空気室とを接続する
空気系の途中に電磁切換弁を設け、電磁切換弁を流れる
電流値を計測し、遅れ要素を通してフィードバックして
いるので、ピストンの摺動により発生するリミットサイ
クルを防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態である負空気圧サーボシ
ステムの構成を示すブロック図である。

【図２】中空シリンダの構成を示す断面図である。

【図３】制御システムのブロック図である。

【図４】フィードバック回路の詳細回路図である。

【図５】リミットサイクルの発生を示すデータ図であ
る。

【図６】フィードバック補償を用いたステップ応答の第
一データ図である。

【図７】フィードバック補償を用いたステップ応答の第
二データ図である。

【符号の説明】

１１ 中空シリンダ １２ 左空気室 １３ 右空気室 １６ ピストン １９ 駆動体 ２０ ポテンショメータ ２１ 電磁切換弁 ２３ 駆動コイル ２６ 真空ポンプ ２８ サーボコントローラ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 中空シリンダと、シリンダ内を摺動しシ
   リンダを２つの空気室に分割するピストンとを有するピ
   ストンシリンダを動作させるためのシステムにおいて、 前記空気室の一方が、大気圧より低い負圧状態にされ、
   他の空気室が大気圧状態とされることにより、前記ピス
   トンを前記中空シリンダの負圧側に移動させることを特
   徴とする負空気圧サーボシステム。
2. 【請求項２】 請求項１に記載するシステムにおいて、 前記負圧状態が真空ポンプまたはエジェクタにより発生
   されることを特徴とする負空気圧サーボシステム。
3. 【請求項３】 請求項１または請求項２に記載するシス
   テムにおいて、 前記ピストンが前記シリンダ内を摺動するときの摩擦力
   を小さくしたことを特徴とする負空気圧サーボシステ
   ム。
4. 【請求項４】 請求項３に記載するシステムにおいて、 前記ピストンの前記シリンダ内壁接触面に空気漏れ防止
   用ラビリンスが形成されていることを特徴とする負空気
   圧サーボシステム。
5. 【請求項５】 請求項２に記載するシステムにおいて、 前記真空ポンプまたはエジェクタと、前記空気室とを接
   続する空気系の途中に電磁切換弁を設け、前記電磁切換
   弁を流れる電流値を計測し、その出力を遅れ要素を通し
   てオンオフ要素にフィードバックすることを特徴とする
   負空気圧サーボシステム。