(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
本体台座に軸受を介して支持され、螺旋状に非磁性部を形成した円柱状でストレートな、Alを0.1〜5.0％含有するFe-Cr-C系の合金からなる磁気ねじ軸と、前記磁気ねじ軸の外周に所定間隔を隔てて同心状に配置されて前記磁気ねじ軸と磁気回路を形成する螺旋状の磁極を有する円筒状の希土類マグネットが組み込まれたナットブロック部と、前記本体台座に固定され、前記ナットブロック部を前記磁気ねじ軸と平行に移動させる直動案内部材とを有する磁気ねじを用いた搬送機構において、前記磁気ねじ軸は一端側に軸方向に伸びる複数の磁極と非磁性部を有する回転従動部を有し、前記回転従動部は非磁性体からなる隔壁を介して前記回転従動部の磁極と磁気的に結合する複数の磁極を有するマグネット部材を備えた回転駆動部により駆動されることを特徴とする磁気ねじを用いた搬送機構。
【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装置や各種の精密機械に用いられる磁気ねじを用いた搬送機構の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より精密機械などにおいてＸＹテーブルを直線運動させる位置決め駆動としてボールねじが多用されてきた。この方式は回転モータによってねじ軸を回転し、ねじ軸にはめ込まれたナット部分を直線運動させるものである。しかしながらボールねじ機構はねじ軸とナットの間で摺動摩擦するため磨耗したり、磨耗粉の飛散が発生したり、潤滑材としてグリースの塗布を必要とするなど頻繁にメンテナンスが必要であり、またクリーンルーム内部などの発塵を嫌う環境下で使用することは困難であった。このようなボールねじの欠点を補うため磁気ねじを用いた搬送機構が提案されている。
【０００３】
特開平７−２８００６１号には代表的な磁気ねじ機構が示されている。この技術では螺旋状に機械的な溝を形成した軸上を軸の螺旋に対応させた磁気回路のナットが適切な間隔を保持できるようにＭＣナイロン、デルリン等の耐磨耗性、滑り性を有する合成樹脂材料など非磁性材料よりなるガイドリングが提案されている。しかしながら本技術では軸の溝コーナ部分とガイドリングの干渉による磨耗は避けられず磨耗した場合の交換手段まで示されている。またスライドテーブルなどのナット側の荷重負荷などをこのガイドリングで支持することは不可能に近く別途スライド軸受とこれを支持する軸を必要とする。
【０００４】
特開平１−２０９２２２号にはマグネットスクリュースライダーとして他の磁気ねじを用いた搬送機構が提案されている。この技術では軸とナットブロック側の適切な間隔を確保するためにこの軸と平行なスライド機構を別に設けてナットの位置決めをおこなっている。しかしながら軸に螺旋状に配置されたマグネットに磁性粉を吸着しやすく、さらに軸とマグネットは一体ではないので長尺にしたときに撓みを生じやすく中間点に支持部材が必要になるなどの機構が複雑にならざるをえない。
【０００５】
以上の改良技術として特開平１１−１６６６０７号では強磁性体の軸に局部加熱により非磁性部を螺旋状に形成し機械的な溝を省略した円柱状のストレート軸と磁気回路を形成しているナットの組み合わせよりなる磁気ねじ機構が示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
近年、大きな直動力を得る要求が強く、この対応のためにナットブロック部に強力な希土類マグネットを用いようとするとマグネットが軸に吸着しようとする力も強力になり僅かな偏心でも軸と直角方向の大きな力となり不安定な状況を生じる。ところが磁性体軸とマグネットとの位置関係の精度は円筒状またはR状のマグネットの寸法精度およびナットブロックへのマグネット組み込み精度、ナットブロックと位置決め案内部材の寸法精度などが複雑に関係してくる。このうち最も高い寸法精度の確保が困難なのはマグネットである。特に最も高磁力を得る希土類焼結マグネットの内Nd-Fe-B系のマグネットは耐食性が低いので研磨加工後に表面に樹脂コーティングやめっきなどの防錆処理をして使用されており一般加工部品に比較し多少大きな寸法公差を適用する必要がある。そのため、これらの寸法的なバラツキを吸収し磁性体軸とマグネットの干渉を防止するためには両者間の空隙をある程度大きな値に設定する必要がある。従ってマグネットが組み込まれたナットブロック部と磁性体軸を精度良く位置決め保持するとともに滑らかな直線運動を得る案内部材は磁気ねじを用いた搬送機構において最も重要な部分である。さらに直線運動機構は長ストロークで使用されることが多く従来より長尺の搬送テーブル支持軸や磁気ねじ自体の剛性不足から撓みを生じ搬送不良や搬送精度の低下などが問題となることもあった。また、真空中や特殊なガス中での使用には駆動モータのシーリングなどに問題が多かった。
【０００７】
したがって本発明の目的は、真空中や特殊なガス中での使用においても発塵などの問題を生ぜずクリーンで信頼性の高い磁気ねじを用いた搬送機構を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、複合磁性材料からなる軸材料に局部加熱により螺旋状に非磁性部分を形成した円柱状のストレートな磁性体軸（以後磁気ねじ軸とも称する）と前記磁気ねじ軸の強磁性部と僅かな空隙を介して対向する磁極を有する永久磁石を配したナットブロック部とを備えていると共に、ナットブロック部は磁気ねじの軸方向に移動自在に支持され、前記磁気ねじ軸の正逆回転により磁気的な推力を得る磁気ねじを用いた搬送機構において、非磁性体からなる隔壁を介して磁気ねじ軸とその駆動手段とを磁気的に結合したことを要点とする。なお本発明に適用できる複合磁性材料としては例えば特開２０００−１０４１４２号および特開２００１−２６８４６号に開示されている合金鋼が例示される。
【０００９】
【００１０】
【００１１】
【００１２】
【００１３】
【００１４】
【００１５】
【００１６】
【００１７】
【００１８】
すなわち本発明においては、磁気ねじ軸の端部に軸方向に伸びる複数の磁極と非磁性部を有する回転従動部を形成し、回転従動部は磁気ねじ軸の端部と駆動部の間に設けられた非磁性体からなる隔壁を介して、回転従動部と磁気的に結合されたマグネット部材を有する回転駆動部により駆動されることを特徴とするものである。このような構成により直線搬送部を真空中や特殊なガス中に配置するにもかかわらず、これらの環境と遮断された外部より隔壁を介して回転駆動させることが可能となる。
【００１９】
本発明において、被駆動側である磁性体軸側の複数個の磁極を有するマグネットと非磁性体を介して対向し該磁性体軸側のマグネットと対応した磁極を有するマグネットにより構成され回転駆動部を有し両者が磁気的に結合することができる。磁気カップリング方式にはステンレス鋼板などの平板状非磁性体隔壁を介して被駆動側と駆動側の円盤状マグネットが対向するディスクタイプとリング状の大小のマグネットが同じくリング状の隔壁を介して対向するシリンダータイプの2種類があるが、そのいずれにも適用できる。
【００２０】
また、本発明において、被駆動側である磁性体軸側には螺旋状の非磁性部とは別に該磁性体軸に平行に複数個の非磁性部を有しており非磁性体を介して対向した該磁性体軸側の非磁性部と対応した磁極を有するマグネットにより構成された回転駆動部を有し両者が磁気的に結合することができる。このような構成によりシリンダータイプ類似の磁気カップリングを構成することができる。磁性体軸側は一体品でシンプルな構造で複合磁性体を効果的に回転駆動にも適用できるのである。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下本発明の詳細を図面により説明する。図１は本発明を説明する磁気ナットを用いた搬送装置の構造の例を示している。また図２は図１のA-B断面部を示し複合磁性材の磁気ねじ軸１及びこれに対応したＮＳの螺旋状の内面着磁をしたマグネット２、マグネットを組み込んだナットブロック３、ナットブロック側が磁気ねじ軸と平行方向に移動可能な如くに配置され案内側が本体台座５に固定された直動案内部材４の組み合わせ状態を示す。本発明は複合磁性材料の軸材料１に局部加熱により螺旋状に非磁性部分１−１を形成してある。本発明に適用される複合磁性材料の代表的な組成はAlを0.1〜5.0％含有するFe-Cr-C系の合金で適切な熱処理を施した材料は強磁性のフェライト相で残留磁束密度Brが約1.0（T）、保磁力約450(A/m)、比透磁率μｒ約900である。これを1200℃〜溶融温度に加熱後急冷することにより比透磁率μｒ約1.5の非磁性のオーステナイト組織にすることが出来る。以下の実施例では外径25ミリ長さ120ミリの複合磁性材の軸表面を３ｋｗのCO2レーザで局部加熱してピッチ5ミリ、リード10ミリの2条非磁性部を螺旋状に形成したものを用いた例である。非磁性部分は軸表面で約3ミリ巾で表面より約4ミリ深さまでくさび状に形成されている。この磁気ねじ軸の外径は研磨加工により所定の寸法公差に仕上げられている。
【００２２】
磁気ねじ軸とマグネット内径との間隔δは狭いほど磁気回路の効率が良く、直線駆動力も増加するが磁気ねじ軸およびマグネットの加工精度の関係から数ミリから0.02ミリ程度の範囲から磁気ねじ軸とナットブロック側の加工精度や使用目的などにより選定される。マグネットの材質はリング状または半月状の異方性フェライトやNd-Fe-Bなどの希土類マグネットが適用でき直線駆動力など必要とされる条件により適宜選定できる。一例として空隙δは0.25ミリとした巾15ミリの半月形状のNd系希土類マグネット（日立金属製HS-30CR）に前記磁気ねじ軸と同じピッチ5ミリ、リード10ミリの2条の内面着磁し表面ピーク磁束密度0.3(T)の磁気ナットと組合した場合の最大軸方向駆動力は約1.0Kgｆでこれ以上の負荷が加わると脱調した。マグネット形状をリング状とし磁気ねじ軸と対向する面積を2倍にすると最大軸方向駆動力も2倍の2.0Kgｆとなった。
【００２３】
なお、マグネットの内面の螺旋着磁仕様と磁気ねじ軸側の螺旋非磁性部は必ずしも同一である必要は無く片側が1条ねじの状態であったり多少のピッチ、リードのずれがあっても効率は多少影響受けるが直進駆動力を得ることは可能である。
【００２４】
上記のように本発明の磁気ねじ機構を用いた直進駆動機構を構成する場合、磁気ナットが組み込まれたナットブロックよりなる移動テーブル搭載物の重量負荷などはナットブロックに配置され磁気ねじ軸と平行な動きを確保した直動案内側が受け持ち直動推力は磁気ねじ軸側に負わせ荷重の積載と搬送をそれぞれ別々に分担させることができる。またナットブロックの材質は非磁性金属、磁性金属、セラミック、プラスチックなど各種の材料が適用できるがＳＵＭなどの磁性金属材料を用いた場合磁気シールド効果により磁気ナット内に組み込まれたマグネットからの磁束はほとんどが磁気ネジ軸との磁気結合部のみに流れて外部には漏洩せず磁界を嫌う電子ビーム装置などにも適用が可能である。
【００２５】
（比較例１） 上記複合材の磁気ねじ軸に替えて強磁性一般構造用鋼SUM24に巾3ミリ、深さ4ミリの角溝を形成したねじ軸を組み込んだところ最大軸方向駆動力は約1.２Kgでこれ以上の負荷が加わると脱調した。当然、非磁性部を角溝形状に確実に形成しているSUM24軸のほうが最大軸方向駆動力は大きいが複合磁性材からなる磁気ねじ軸においてもナット側のマグネット巾を約20%アップの18ミリとしたところSUM24材と同等の1.2Kgの最大軸方向駆動力を得ることが出来ることを確認した。
【００２６】
（比較例２） 次にSUM24の角溝付の磁気ねじ軸と複合磁性材のストレート磁気ねじを支点間100ミリで保持し中央部に荷重を加えて中央部の最大たわみを測定したところ表１のごとくとなった。
【００２７】
【表１】
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【００２８】
撓みに影響する縦弾性係数は両者で大きな違いは無いから、表１の両者の撓み量の差は断面2次モーメントの違いによることは明らかであり本例では磁気ねじ軸外径が同じ25ミリであっても機械的な溝の有無は軸の剛性に数倍の差を生じることが明らかである。したがい本発明の機械的な溝の無い複合磁性材を用いた円柱状（ストレート）部材である磁気ねじ軸は高い剛性を確保できるので長尺の直線駆動装置に特に好適であることがわかる。
【００２９】
本発明において、直動案内部材としてナットブロック側３に複数個のボール転動体(図示省略)が配置され本体側にスライドガイド４を配置することができる。本方式のスライドガイドは本質的にボールの転がりによる直線運動であるので滑らかな運動を得ることができる。スライドガイドの例としてはＴＨＫ社製各種ＬＭガイドなどを適用することができる。
【００３０】
本発明において、直動案内部材としてナットブロック側に磁気ねじ軸１と平行な支持軸９が少なくとも2個所にスライド軸受部材１０を介して組み込まれており該磁性体軸とマグネットとの相対間隔を確保すると共に長さ方向に相対移動可能とすることができる。図３にこの例としてナットブロック部の断面を示す。ナットブロック３−１にはマグネット２をはさんで両側にスライド軸受部材１０−１，１０−２が配置されており適切なはめあい精度で支持軸９−１，９−２が磁気ねじ軸と平行に配置されている。このような構造とすることにより精度がよく機械的な強度や硬さ、表面粗さなどを確保したスライド軸受に適した信頼性の高い支持軸９の材質、加工、表面処理などを選定することが容易となる。
【００３１】
本発明において、スライド軸受としてリニア玉軸受を使用することにより各種の接触型のスライド軸受のうち最も滑らかな運動を確保できる。リニア玉軸受の適用により磁気ねじ軸とナットブロック側のマグネットとの位置決めが安定して行われ両者の空隙が確実に確保できるとともに転がり軸受機構であり軸方向の移動抵抗も非常に低減することが出来る。リニア玉軸受の例としては光洋精工社製リニア玉軸受ＳＤＭシリーズ、ＳＤＭＦシリーズ、ＳＤＥシリーズなどが適用できる。軸径１０ミリ用の標準型ＳＤＭ１０ＭＧでは外径１９ミリ、長さ２９ミリでありこれに対応する軸の推奨公差の上級ではｆ６（−16〜−27μｍ）であり高周波焼入れし研磨加工されたロックウェル硬さが６０のSUS440Cや無電解NiめっきされたSUM24材などが適用できる。
【００３２】
本発明において、スライド軸受として自己潤滑性を有する樹脂または焼結金属よりなる滑り軸受を使用できる。この種軸受の例としてはＮＴＮ社製ふっ素樹脂系のルーロン滑り軸受やイグスジャパン製の各種無潤滑軸受がある。イグスジャパン社製の無潤滑軸受IG-Hタイプでは１０ミリ軸用（呼び番号HSM-1012-10）では外径１２ミリ、長さ１０ミリであり推奨軸公差はｈ９（+0/−43μｍであり前記同様高周波焼入れしたSUS440CやNiめっきしたSUM24などの機械加工された円柱状支持軸に適用できる。通常の研磨加工によりこれらの支持軸材料の表面粗さは滑り軸受に適するRz=1〜2μｍ（JIS B 0601規定の10点平均粗さ）程度の良好な平滑面を容易に得ることができる。
【００３３】
本発明において、スライド軸受として空気軸受を使用することができる。この軸受の適用には軸とナット側の空隙は狭いほど効率よく、例えば福田交易(株)社販売のニューウエイ社製エアベアリングでの軸推奨公差は支持軸外径が１３ｍｍ、２０ｍｍの両者の場合+0/-0.007としているが前記の支持軸材料SUS440Cなどで研磨加工により容易にこの精度を得ることができる。20mm支持軸用の支持長さが約５０ｍｍのエアーベアリングでは供給エア圧0.41MPaの場合113Nの負荷容量を得ることができる。本方式は特に低負荷の直線駆動などの場合は軸受部分の摩擦抵抗が非常に少ないから精度良い制御が出来る。ナットブロック部分の構造は図３においてスライドベアリング１０−１，１０−２をエアーベアリングとし、その外周部にエアー供給口を設けたシンプルなものとなる。(図面省略)
【００３４】
本発明において、軸とマグネットの間には磁性流体を挿入することができる。シールの一例として実施例１と同一の軸径25ミリの複合磁性材の磁気ねじ軸と半月形のマグネットの組み合わせにおいて当初条件では最大軸方向駆動力は約1.0Kgであったが0.25ミリの空隙部分にシグマハイケミカル社製磁性流体品番Ｆ−２１０を充填したところ直進推力は1.1Kgと約１０％アップしシール性も十分であった。マグネットをリング状として同様の磁性流体を挿入して真空装置にセットしたところマグネットをはさんで両端のシール性は良好で１０−５Ｐａまでの負圧に耐えることを確認した。また磁気ねじ軸の少なくとも片側の支持軸部分を磁気シールなどの適切なシールで隔壁に取り付けモータなどによる磁気ねじ軸の駆動は隔壁外から可能な如くして磁気ナットブロック部分も磁気ねじと一緒に隔壁内に配置し、例えば真空装置内で磁気ナットブロック付のテーブルを直進運動させることも可能である。
【００３５】
本発明において、螺旋状の非磁性部を形成した円柱状でストレートな磁気ねじ軸およびこれと対になるマグネット部分を複数本並列配置させ駆動推力の増大を計ることができる。図４には磁気ねじ駆動機構を３組用いたナットブロック部３−２の断面例を示す。磁気ねじ軸１−１，１−２，１−３は本体側で同期して（各々の磁気ねじ軸とこれに対応する磁気ナットは互いに磁気的な結合状態にあり最大軸方向駆動力を得る位置などは両者同期をとるような調整を必要としシンクロベルトや歯車などで互いに結合されている。図示省略）駆動されこれと対になっているマグネット２−１，２−２，２−３に推進駆動力を発生させる。このような構成により従来の磁気ねじを1対用いた直線駆動機構に比較しで本例では3倍の直進駆動力を得ることができる。
【００３６】
本発明において、磁気ねじ機構をドアなどの開閉部やロボットのつかみハンドルなどの開閉駆動源とすることができる。図５にはこのような開閉機構の例を示す。開閉ドア１５の上部には磁気ナットブロック部３が取り付けられている。（本例では2箇所）ナットブロックの上部には開閉ドアおよびナットブロックを懸架し開閉方向に直線移動可能な直動案内部材４が配置されている。磁気ナットブロックのマグネットと同心状に両端部が保持（詳細省略）された磁気ねじ軸１が配置されている。磁気ねじ軸の片側には回転駆動モータ８が取り付けられておりドア１５の位置検出やマニアル指示により回転方向、回転数を制御しドアの開閉を滑らかに制御することができる。また図示矢印のごとく開状態（点線）より閉状態への動作においてドアが相手部材１６に接触しても磁気的に非接触な搬送方法であるので最大の磁気搬送力以上の力は加わらないから安全な開閉装置として例えば家庭用の自動ドアなどに適用できる。ただしある程度のドア位置検出が設置併用されることが理想である。また磁気ねじ軸の螺旋の方向を例えば磁気ねじ中央から左右に逆方向で、これに対応する左右別々の開閉部材に取り付けた磁気ナットも同様に左右逆向きとすれば両開きの安全な自動開閉装置を実現することもできる。なお、従来の自動開閉装置は開閉部材の位置検出などの安全装置を駆動部とは別に必要としているが開閉駆動力の自動リミット機能は無いから故障時などの安全確保には不完全なものであった。このような機構は例えばロボットのつかみハンドルにも容易に応用することができる。
【００３７】
本発明は、磁気ねじ軸の回転駆動は磁気ねじ軸の一部に配置され駆動側との間に非磁性体の隔壁を介して磁気的に結合された回転駆動装置（磁気カップリング）により行われることを特徴とする磁気ねじを用いた搬送機構である。このような構成により直線搬送部を真空中や特殊なガス中に配置するにもかかわらず、これらの環境と遮断された外部より隔壁を介して回転駆動させることが可能となる。
【００３８】
具体的な構成を図６に示す。磁気ねじ搬送装置の本体部、すなわち磁気ねじ軸１、これと対応したマグネット２、マグネット２を組み込んだナットブロック３、ナットブロックが磁気ねじ軸１と平行移動可能な如く配置された直線駆動案内部材４は隔壁１１で囲まれた空間内に配置される。磁気ねじ軸１は両端を軸受部材７により支持されており、その一端側に設けられた磁気結合部材１２は隔壁の一部１１−１を介して外部のマグネット部材１３と磁気的な結合状態を形成する如く構成されている。図７には図６における回転駆動部分のＣ−Ｄ断面を示す。外部のマグネット部材はハウジング１４に組み込まれ回転駆動モータ８につながっている。駆動モータにより外部のマグネット部材１３、ハウジング１４が回転するとこれと磁気的な結合状態にある隔壁内の磁気結合部材１２に回転駆動力が生じて磁気ねじ軸を回転させる。これにより磁気ナットブロックの直線運動を行うことができる。なお、少なくとも内外磁気結合させる部分の隔壁は非磁性のステンレスが一般的に用いられるが渦電流によりステンレス内にロスを発生し問題になる場合は高電気抵抗の非磁性セラミックなどの適用が効果的である。
【００４０】
本発明において、図６および７に示す磁気ねじ軸側の回転駆動力発生部である磁気結合部材１２は磁気ねじ軸本体と同一材質で一体的に構成されるとともに回転駆動側のマグネット部材１３の磁気回路状態と適合する如くに非磁性部分を形成することができる。すなわち磁気ねじ軸本体部はネジブロックの直線運動駆動用に螺旋状に非磁性部分が形成され磁気ねじ軸の回転駆動用にはこれと磁気結合した回転駆動側の磁気回路と適合する如く磁気ねじ軸の軸方向に非磁性部分が形成されるものであり回転駆動側のマグネットが４極であれば少なくとも磁気ネジ軸の１２部分には4極に対応して軸方向に伸びた非磁性部が4箇所形成されている。このような構成により磁気ねじ軸側の部品点数の削減、寸法精度の確保、磁気ネジ軸側からのアウトガスの発生源排除などの効果を得ることができる。なお本例では複合磁性材の磁気ねじ軸を用いた直進駆動装置の駆動部を詳細説明したがこれにリニアエンコーダまたはモータをパルスモータと組み合わせて制御も含めての直進駆動装置に拡大できることはもちろんである。
【００４１】
【発明の効果】
本発明は上記のような構成および作用であるから、下記のような効果を奏し得る。
（１）複合磁性材を用いた円柱状のストレートな磁気ねじを用いるので剛性が高く従来では不可能であった長尺の直線駆動が各種の直線駆動案内と併用して実現できる。
（２）磁気ねじ軸の回転駆動を非磁性体からなる隔壁を介して磁気的に行うことにより真空中や特殊ガス中でも使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の磁気ねじを用いた搬送機構を有する直線駆動装置を示す概略図である。
【図２】  図１のＡ−Ｂ断面図である。
【図３】  ナットブロック部の他の例を示す断面図である。
【図４】  ナットブロック部の他の例を示す断面図である。
【図５】  磁気ねじを用いた搬送機構を有する開閉装置を示す概略図である。
【図６】  本発明の磁気ねじを用いた搬送機構を適用した装置の断面図である。
【図７】  図６のＣ−Ｄ断面図である。
【符号の説明】
１     磁気ねじ軸
１−１ 磁気ねじ軸の螺旋状非磁性部
２     磁気ねじ軸に対応した螺旋状磁極を有するマグネット
３     ナットブロック
４     直動案内部材
５     本体台座
６     磁気ねじ軸保持用ハウジング
７     軸受部材
８     駆動モータ
９     支持軸
１０   スライドベアリング
１１   隔壁
１２   磁気ねじ軸の回転従動部
１３   磁気ねじ軸の磁気的回転駆動部のマグネット
１４   磁気ねじ軸の磁気的回転駆動部のハウジング
１５   開閉部材（ドア）
１６   相手部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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