JP3931756B2 - 非接触吸着ディスク - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体が高速で流れる際にその静圧が大気圧以下になることを利用して、保持対象物を保持する非接触吸着ディスクに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種の非接触吸着技術としては、例えば特開平３−４３１８０号公報に掲載されているものが知られている。この非接触吸着装置は、平面状の吸着面に気体の吹出口を設け、上記吸着面に近づく保持対象物を、上記吹出口から噴出する気体流のベルヌーイ効果に基づき吸着するベルヌーイ保持器の上記吸着面を囲むように空隙および周囲壁を設け、上記空隙から気体の流れ方向に対し直角方向に吸引する吸引口を上記保持対象物に対向する位置に設け、かつ上記吹出口からの気体の吹出量を上記吸引口からの吸引量より小とするように構成したものである。
【０００３】
上記のように構成された非接触吸着装置においては、吹出口からの吹出量を吸引口からの吸引量より小とし、吹出口から吹き出した気体のすべてを吸引口から吸引することができる。したがって、吸着面に沿って外方に高速で吹き出す空気によってクリーンルーム内の気流が乱れたり、塵埃を巻き上げたりするのを防止することができるという利点がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記非接触吸着装置においては、気体の流れ方向に対し直角方向に気体を吸引する構造となっていることから、装置の薄型化が制限されると共に吸引効率が悪いという欠点がある。しかも、吸引口からの吸引力を強制的に作用させているので、その強制的な吸引圧力と吹出し圧力のバランス条件によっては保持対象物が不安定になるという問題がある。
【０００５】
本発明は、上記事情に基づいてなされたものであり、装置の薄型化が可能で吸着効率が高く、かつ保持対象物を安定的に保持することのできる非接触吸着ディスクを提供することを
課題としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、平面状に広がる吸着面に流体の吹出口を設けてなり、上記吹出口から吹き出した流体が上記吸着面とこの吸着面に近接する保持対象物と間の細隙に高速で流れることにより、当該流体の静圧が負圧になることを利用して、上記保持対象物を上記細隙を流れる流体の境界層を介して保持するように構成した非接触吸着ディスクであって、 上記吸着面は、上記流体が上記吹出口から放射状に広がるように移動することによる流速の低下に伴って負圧から大気圧以上の正圧に転じる負正転換位置以上の広がりを有するように形成されるとともに、上記吹出口の外側に平面状に広がる内側吸着面と、この内側吸着面の外側に平面状に広がる外側吸着面とを備えており、かつ上記内側吸着面は、上記外側吸着面に対して上記保持対象物の加振を阻止可能な０．０５〜３．０ｍｍの微少段差分だけ凹状に形成されるとともに、上記微小段差は、上記吹出口から上記内側吸着面と上記保持対象物との間の内側細隙および上記外側吸着面と上記保持対象物との間の外側細隙を流れる流体が少なくとも上記内側細隙において高速となって負圧を生じさせるような寸法に設定されていることを特徴としている。
【０００７】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、上記内側吸着面が上記吹出口の中心から７．５〜２５ｍｍの半径範囲内に形成されていることを特徴としている。
【０００８】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、上記内側吸着面が上記吹出口の中心から２．５〜２５ｍｍの半径範囲内に形成されていることを特徴としている。
【００１３】
上記のように構成された請求項１〜３に記載の発明においては、吸着面が吹出口から負正転換位置以上の広がりを有するように形成されているので、流体が吹出口から吸着面と保持対象物との細隙を高速で流れることにより生じる負圧の全てを当該保持対象物の保持のために利用することができる。したがって、吸着効率をほぼ最高の状態まで高めることができるとともに、より重い保持対象物を保持することができる。
【００１４】
また、流体により負圧が作用する部分には、吹出口から放射状に流れる流体の境界層が常に介在した状態になるので、保持対象物を吸着面に対して一定の間隔で保持することができる。したがって、保持対象物を非接触の状態で安定的に保持することができる。
【００１５】
さらに、流体が吹出口から負正転換位置以上に放射状に広がることにより、当該流体の速度が充分に低下することになるので、そのまま放射方向に流出させても、例えば、クリーンルームの気流を乱したり、塵埃を巻き上げたりするのを防止することができる。
【００１６】
また、流体を吹出口に供給する流路を、吹出口から吸着面に沿って半径方向の外方に向けて延在するように設けた場合には、薄型のもので構成することができるという利点がある。
【００１７】
さらに、吸着面の半径方向の外方を環状に囲む周壁部に、吸引口を設けた場合には、吸着面から半径方向の外方に流出する流体を、その流体の動圧を利用して効率よく吸引することができる。
【００１８】
一方、吹出口から噴出した流体が少なくとも内側細隙を流れる際に高速になることにより、静圧が低下し、当該内側細隙内が負圧になる。したがって、保持対象物を吸着する力を維持することができる。
ただし、微小段差を設けることによって、内側細隙を流れる流体の流速が低下することになるので、当該流体のレイノルズ数も低下することになる。したがって、内側細隙を流れる流体が乱流側から層流側に変化することになるので、例えば微小段差を設けていない場合には騒音や保持対象物に振動が生じる場合でも、当該微小段差を設けることによって、当該騒音や振動の発生を防止することができる。すなわち、加振源を断つことによって、非接触吸着ディスクの防音および防振を図ることができる。
【００１９】
また、微小段差が０．０５〜３．０ｍｍであることから、防音効果と防振効果および吸着効果を共に得ることができる。そして、上記のような寸法に設定したのは、０．０５ｍｍ未満になると、流速の低減効果が少なくなることから、非接触吸着ディスクの防音および防振を図ることが困難になるからである。また、３．０ｍｍを超えた場合は非接触吸着ディスクの吸着力が低下するためである。
そして、防音効果と防振効果をより確実に得るためには、微小段差を０．１〜２．５ｍｍに設定することが好ましく、さらには０．１〜２ｍｍに設定することが好ましく、さらには０．１〜１．５ｍｍが好ましく、そしてさらには０．１〜１．０ｍｍに設定することがより好ましい。
【００２０】
請求項２に記載の発明においては、内側吸着面が吹出口の中心から７．５〜２５ｍｍの半径範囲内に形成されているので、防音効果と防振効果および吸着効果を共に得ることができる。これらの効果は、特に吹出口の半径が２．５ｍｍ以上のときに顕著である。なお、上記のような７．５〜２５ｍｍの寸法に設定したのは、７．５ｍｍ未満になると、非接触吸着ディスクの防音効果と防振効果が低下するからである。また、２５ｍｍ以下であれば防音効果と防振効果が十分得られるからである。
ただし、防音効果と防振効果をより確実に得るためには、内側吸着面を吹出口の中心から１０〜２０ｍｍの半径範囲内に形成することが好ましく、さらには１５〜２０ｍｍの半径範囲内に形成することが好ましい。
【００２１】
請求項３に記載の発明においては、内側吸着面が吹出口の中心から２．５〜２５ｍｍの半径範囲内に形成されているので、防音効果と防振効果および吸着効果を共に得ることができる。これらの効果は、特に吹出口の半径が２．５ｍｍ未満のときに顕著になる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態として示した非接触吸着ディスクの断面図、図２は同非接触吸着ディスクの斜視図である。
【００２３】
この第１の実施の形態で示す非接触吸着ディスクは、図１および図２に示すように、平面状に広がる吸着面１１ａに空気（流体）の吹出口１１ｂを設けたものであって、吹出口１１ｂから吹き出した空気が吸着面１１ａとこの吸着面１１ａに近接するワーク（保持対象物）Wkと間の細隙１３に高速で流れることにより、当該空気の静圧が負圧になることを利用して、ワークWkを細隙１３を流れる空気の境界層を介して保持するように構成したものある。そして、上記吸着面１１ａは、空気が吹出口１２から放射状に広がるように移動することによる流速の低下に伴って負圧から大気圧以上の正圧に転じる負正転換位置rc以上の広がりを有するように形成されている。
【００２４】
すなわち、非接触吸着ディスクは、一定の厚さの円板によって形成されたディスク本体１１と、ディスク本体１１の軸心部に設けられた連結ボス部１２とにより一体的に形成されている。上記吸着面１１ａは、ディスク本体１１の一方の面に形成され、連結ボス部１２は、ディスク本体１１の他方の面から円柱状に突出するように形成されている。また、連結ボス部１２は、ディスク本体１１の他方の面に対して直交するように形成されている。吹出口１１ｂは、円形状の吸着面１１ａの軸心部に円形状に開口したものである。この吹出口１１ｂからは、ディスク本体１１および連結ボス部１２の軸心部を貫通する吹出流路（流体を吹出口に供給する流路）１２ａが形成されている。
【００２５】
負正転換位置rcは、吹出口１１ｂの中心線Ｃの位置を原点０とした場合に、この原点０から吸着面１１ａに沿って半径ｒの方向（放射方向）に所定量離れた位置にある。この負正転換位置rcについては、後述する理論解析および実施例においてさらに説明する。
【００２６】
また、上記連結ボス部１２は、空気を供給するための図示しないホースに連結されるようになっており、このホースはさらに空気供給源（図示せず）に連結されている。空気供給源は、例えば０．５ＭＰａに加圧された空気を供給するようになっている。
【００２７】
一方、非接触吸着ディスクで保持するワークWkとしては、シリコンウエハーや液晶ガラスのような平板状のもので、直接接触して把持することを嫌うものが最適である。ただし、少なくとも一つの平面部があって気体が著しく浸透しないものであればどのようなワークWkでも保持が可能である。因みに、この第１の実施の形態においては、ワークWkとして円板状のシリコンウエハーを用いた例を示している。
【００２８】
上記のように構成された非接触吸着ディスクにおいては、吸着面１１ａが吹出口１１ｂの原点０から負正転換位置rc以上の広がりを有するように形成されているので、空気が吹出口１１ｂから吸着面１１ａとワークWkとの細隙１３を高速で流れることにより生じる負圧を全て利用して、当該ワークWkを吸引することができる。したがって、吸着効率がほぼ最高の状態でワークWkを保持することができるので、より重いワークWkを保持することができる。
【００２９】
しかも、負圧となる部分には、吹出口１１ｂから放射状に流れる空気の境界層が常時に介在した状態になるので、ワークWkを吸着面１１ａに対して一定のクリアランスｔで安定的に保持することができる。したがって、ワークWkが不安定に揺れるなどの不具合を確実に防止することができる。また、この第１の実施の形態においては、吸着面１１ａが負正転換位置rcからさらに半径ｒの方向に広がっているので、その負正転換位置rcの外方の部分が大気圧にほぼ近い正圧になる。したがって、ワークWkをより安定的に保持することができる。
【００３０】
さらに、空気が吹出口１１ｂから負正転換位置rc以上の位置に放射状に広がることにより、当該空気の速度が半径ｒの２乗に反比例して充分に低下するので、そのまま半径ｒの方向の外方に流出させても、例えばクリーンルームの気流を乱したり、塵埃を巻き上げたりするのを防止することができる。
【００３１】
なお、上記第１の実施の形態においては、連結ボス部１２をディスク本体１１の他方の面に対して直交して突出するように形成し、吹出流路１２ａを連結ボス部１２の軸心部を貫通するように形成した。しかし、吹出流路１２ａは、図３（ａ）に示すように、吹出口１１ｂから所定深さ入りかつその位置から吸着面１１ａに沿って半径方向の外方に延在するように形成してもよい。ただし、吹出流路１２ａのうち半径方向に延在する部分は、ディスク本体１１の他方の面から一定の高さに突出し、かつ当該他方の面の軸心部から半径方向に延在する突条部１４に形成されている。
【００３２】
この場合には、吹出流路１２ａに接続する空気の配管等をディスク本体１１の半径方向の外側に配置することができるので、非接触吸着ディスクをより薄型のもので構成することができるという利点がある。
【００３３】
また、図３（ａ）に示した突条部１４を設けることなく、ディスク本体１１の内部に吹出流路１２ａにおける半径方向に延在する部分を形成し、当該ディスク本体１１の外周面に吹出流路１２ａの開口部を形成するようにしてもよい。この場合には、非接触吸着ディスクをさらに薄型のものにすることができる。
【００３４】
また、図３（ｂ）に示すように、吸着面１１ａの半径方向の外方を環状に囲む周壁部１５を設け、この周壁部１５に、吸着面１１ａから半径方向の外方に流出する空気を吸引する複数の吸引口１５ａを設けてもよい。各吸引口１５ａからは、さらに半径方向の外方に延びる吸引流路１５ｂが設けられている。また、周壁部１５は、ディスク本体１１の他方の面側から半径方向の外方に突出する環状の頂板部１６に一体的に連結されている。これにより、吸着面１１ａと周壁部１５との間には環状の空間部が形成されるようになっている。また、周壁部１５の下端部には、半径方向の内方に向かう環状のリブ１５ｃが形成されている。
【００３５】
このように構成された非接触吸着ディスクにおいては、吸着面１１ａから半径方向の外方に流出する空気を、その空気の動圧を利用して、吸引口１５ａおよび吸引流路１５ｂから効率よく吸引することができる。しかも、リブ１５ｃおよび頂板部１６によって、半径方向の外方に流出する空気が外部に漏れるのを防止することができる。
【００３６】
また、非接触吸着ディスクとしては、図３（ｃ）に示すように、小径のディスク本体１１を複数設けたもので構成してもよい。すなわち、図３（ｃ）において、１７は断面四角形の棒状部材であり、この棒状部材１７の一面に複数のディスク本体１１が設けられている。また、棒状部材１７には、各ディスク本体１１の吹出流路１２ａに連通する吹出流路１７ａが形成されている。
【００３７】
このように構成された非接触吸着ディスクにおいては、小型で強力な吸着力を有するものを提供することができる。
【００３８】
また、流体として空気を用いた例を示したが、この流体としては空気以外の窒素等の他の気体や、水等の液体であってもよい。
【００３９】
（理論解析）
次に、上述した非接触吸着ディスクの原理を理論的に説明する。
図４において、吸着面１１ａと円板状のワークWkとの間に形成される細隙１３内の流れは、流れに沿って流管断面積が増大する点では吹出口をノズルとする末広がりダクトの流れに等価である。通常の末広がりダクトの解析は等エントロピー流れ、すなわちダクト壁面の摩擦力がないとすることが可能である（参１）。
【００４０】
これに対し、ワークWkとの細隙１３内の半径ｒの方向の流れの場合、レイノズル数がある程度まで大きくならないと壁面摩擦力は無視できない。一方、流量が大きくレイノズル数がある程度以上になると気体の運動エネルギーに対し壁面摩擦力が無視できる領域に入ると推定される。先ず、図４のような一般的な形状を有する円筒座標の平行細隙の流れを、多少大胆と思われるが、等エントロピー流れと仮定し解析を進める。
【００４１】
連続の式は、
ρμＡ＝２πｒｔρμ＝Ｑ …（１）
ここに、Ａは流管断面積、ｒは原点０からの半径、ｔは吸着面１１ａとワークWkとのクリアランス、ｕは半径ｒ方向の平均流速、Ｑは気体流量、ρは気体密度をそれぞれ表す。
【００４２】
運動量の式は、
ｕｄｕ＋ｄｐ／ρ＋ｄΦr／ρＡ＝０ …（２）
ここに、ｐおよびΦrは、それぞれ半径ｒにおける静圧（あるいは単に圧力という）および摩擦力を表す。いま、等エントロピー流れを仮定したので、ｄΦr＝０である。さらに、流れのマッハ数が充分小さいときはρ＝const.とできるから、（２）式は
po＝ｐ＋１／２ρｕ2 …（３）
となる。ここに、poは気体流れの全圧を表す。
【００４３】
（１）式より
ｕ＝Ｑ／２πｒｔρ
を（３）式に代入すると、半径方向の圧力変化は、
ｐ＝po−ＣＱ2 ／ｒ2 …（４）
ここに、
Ｃ＝１／（８π2 ρｔ2 ） …（５）
したがって、（４）式によりモデル化した圧力分布は、図５のグラフのように描くことができる。
【００４４】
図５において、roは吹出口１１ｂの半径、rcは負正転換位置を示す。気体速度は、吹出口１１ｂの半径ro位置で最大で半径ｒの２乗に逆比例して減少する。このため、圧力は吹出口１１ｂの半径ro位置で半径ｒの増大とともに増加し、負正転換位置rcにおいて大気圧paに等しくなる。この間は、大気圧paを基準とした負圧が働く。図４において、半径ｒが
ro＜ｒ＜rc
の範囲は吸着面１１ａに吸引力が発生する吸着領域である。
【００４５】
一方、半径ｒが
rc＜ｒ
の範囲は半径ｒの増大とともに圧力は大気圧より高くなり、吸着面１１ａが無限に大きいとき、圧力損失がなければ点線のように
ｒ＝∞
で再び全圧poに達する。実際の非接触吸着ディスクでは、細隙１３内の圧力は図５の実線のように半径ｒの増大に伴って減少し大気圧paに等しくなる。この領域は、ワークWkを押し返す反発領域となる。
【００４６】
非接触吸着ディスクの最大吸着力または最大ワーク荷重Wtmaxは、ワークWkにかかる差圧を
０≦ｒ≦rc
の範囲で積分して求められる。すなわち、
【００４７】
（６）式から、他のパラメーターが一定なら吹出口１１ｂの半径roが小さく、負正転換位置rcが大きいほど吸着力は大きいことがわかる。一般に、粘性摩擦力が無視できない場合、図４の流量Ｑは
Ｑ＝πρｔ3 （po−pa）／６μln（rc／ro） …（７）
で与えられる（参２）。（５）式と（７）式を（６）式に代入すると
となる。
【００４８】
ここで、（６）式はdΦr＝０、すなわち、気体の粘性を無視した運動量の式（２）から誘導された結果であり、そこに気体の粘性を考慮して求められた（７）式を代入することに理論的な妥当性に疑問が残るのは否めないが、図４の流れシステムでの我々の関心は、粘性の影響が利くか利かないかの微妙な領域にあるので、誤差の許容範囲内で工学的近似解として採用が許されるであろう。
【００４９】
（８）式は、ワークWkがある距離より吸着面１１ａに近づこうとしてもなかなか接触できない現象に対する物理的要因、すなわち、粘性力の効果を定性的に理解するのに有用である。ここで、簡単のため吸着面１１ａのワークWkに対する吸引力および反発力の力の成分をそれぞれFaおよびFrで表すと、（６）式より任意の値の吸着力Wtの力のバランスは
Wt＝Fa−Fr …（９）
と表される。
【００５０】
すると、レイノルズ数（Ｒｅ＝ρｕｔ／μ）の大きさに応じ、（９）式によって、吸着力と反発力の関係について以下のような説明ができる。
（i）Ｒｅ小（Ｑ小、粘性効果大）のとき、Fa＜Fr
この場合は、Wt＜０となって吸着力は発生しない。
（ii）Ｒｅ大（Ｑ大、粘性効果小）のとき、Fa＞Fr
この場合は、Wt＞０となり、吸着力が発生する。
（iii）ｔ小（Ｑ小、粘性効果大）のとき、Fa＜Fr
この場合は、粘性の効果が大きくなってWt＜０となり反発力によってワークWkが吸着面１１ａから押し離される現象が現れる。
【００５１】
このように、吸着面１１ａとワークWkとの間には、気体流量Ｑとクリアランスｔの値の条件によって、（i）と（iii）の間に粘性効果を打ち消し吸着力を発生する（ii）の狭い流れ条件、言わば、トンネル効果の存在が推測される。（iii）の強い反発力の存在は、非接触性に優れワークWkを傷つける恐れが少ないことを意味する。また、（６）式における第２項は、反発力が吸着面１１ａの中心点から半径rcまで吸着面１１ａの全面に亘り一様な圧力po−paが働いていることを示唆している。
【００５２】
負正転換位置rcは、（４）式から
rc＝Ｑ｛Ｃ／（po−pa）｝1/2 …（９′）
で計算できる。例えば、po−pa＝０．０１ＭＰａ、ｔ＝０．０５ｃｍ、
ρ＝０．００１１８８ｇ／ｃｍ3 （２０℃）、ro＝０．５ｃｍのとき、（９′）式より、
rc＝０．１８Ｑ（ｃｍ）
となる。
【００５３】
流量Ｑの単位は、ｌ／sec（リットル／秒）である。温度２０℃のときの音速は343m／secであるから、roにおける速度すなわち末広がりダクトのノズルの流速が音速を超えられない（参１）ことから、理論的に得られる最大流量Ｑmaxはこの場合
２７１／sec（２７リットル／秒）
となる。
【００５４】
したがって、
rcmax＝４．９ｃｍ
を得る。ちなみに、ro＝０．６ｃｍ、ro＝０．７ｃｍのとき、それぞれ
rcmax＝７．０ｃｍ
rcmax＝９．５ｃｍ
となる。このように、有用な吸着面１１ａの径は吹出口１１ｂの径の増大に伴い大きくなる。ただし、roは必要な流量を供給できるように、コンプレッサー（空気供給源）からのガス管の最小径以下でなければならないことは言うまでもない。
【００５５】
次ぎに、図６および図７のように円板の半径方向にテーパーをつけた細隙流れの場合の吸着力への影響を調べてみることにする。
比較のため、流れの範囲はいずれも平行細隙の負正転換位置rcに一致させる。テーパーはそれぞれ図６および図７に示すように、負正転換位置rc及び吹出口１１ｂの半径ro位置におけるクリアランスが平行な細隙１３のクリアランスｔのｎ倍となるように施す。すると、任意の半径ｒの位置でのクリアランスが三角形の比例関係からｎ、ro、rc及びｔで表され、平行面の細隙流れの場合と同様の手順で、図６及び図７のそれぞれの吸着力Wt′max及びWt″maxが求まる。
【００５６】
すなわち、図６の広がり細隙の場合
ここに、
ａ＝(rc′−ｎro)／(rc′−ro) …（１２）
rc′＝rc／ｎ …（１３）
rc′は、末広がり細隙の負正転換位置の半径を示す。
【００５７】
また、図７の先細り細隙の場合
ここに、
ｂ＝(ｎrc″−ro)／(rc″−ro) …（１５）
rc″＝rc …（１６）
rc″は先細り細隙の負正転換位置の半径を表す。
【００５８】
（１１）式、（１４）式は、ｎ＝1のとき、共に平行細隙１３の場合の（６）式に帰結する。図６の場合の負圧から正圧へ転換する点は、rc′＝rc／ｎとなり、吸引力を発揮する部分は平行細隙流れに比し常に小さくなる。一方、図７の場合は、rc″＝rcとなって平行細隙と同様にro≦ｒ≦rcの全域で負圧が発生する。
【００５９】
これら２つのケースの吸引力、Fa′、Fa″を平行細隙１３の流れの吸引力Faと数値的に比較して見るとその差が明確になる。例えば、
ro＝０．５ｃｍ
rc＝５ｃｍ
ｎ＝３
のとき、
Fa′／Fa＝０．４９ …（１７）
Fa″／Fa＝０．２３ …（１８）
を得る。
【００６０】
すなわち、この例題においては、テーパーを施した細隙の流れは吸引力が平行細隙１３の流れの場合に比し、図６の場合で49％、図７の場合で23％まで低下する結果となることが知られる。因みに、平行面の細隙のサイズをrc′に合わせても（１７）式の関係は変わらない。このように、発生する吸引力は、平行細隙１３の流れの場合が最も大きく、吸着効率が最も高いということが分かる。
【００６１】
【実施例】
以下、この発明の実施例を実験例に基づいて説明する。
１．実験に供した非接触吸着ディスク
▲１▼ Ｐ１４０φ・１０φ
平行細隙の非接触吸着ディスクであり、図１に示した非接触吸着ディスクに対応している。ただし、
ディスク本体の径：１４０φ
吹出口の径 ： １０φ
厚さ ： １０ｍｍ
材質 ：アクリル樹脂
である。
【００６２】
▲２▼ Ｐ３７８φ・２３φ
平行細隙の非接触吸着ディスクであり、図１に示した非接触吸着ディスクに対応している。ただし、
ディスク本体の径：３７８φ
吹出口の径 ： ２３φ
厚さ ： １０ｍｍ
材質 ：アクリル樹脂
である。
【００６３】
▲３▼ Ｔ１５０φ・５φ
平行細隙の薄型非接触吸着ディスクであり、図３（ａ）に対応したものである。ただし、吹出流路１２ａがディスク本体１１内を軸心部から半径方向外方に延在するように形成したものに対応している。また、
ディスク本体の径：１５０φ
吹出口の径 ： ５φ
厚さ ： １５ｍｍ
材質 ：アクリル樹脂
である。
【００６４】
▲４▼ Ｓ１０φ・１φ
平行細隙の小型非接触吸着ディスクであり、図１に対応したものである。ただし、ディスク本体１１が負正転換位置rcより充分小径のもので構成されている。また、
ディスク本体の径：１０φ
吹出口の径 ： １φ
厚さ ： １０ｍｍ
材質 ：黄銅
である。
【００６５】
▲５▼ Ｄ１２０φ・１０φ
末広がりテーパー状の非接触吸着ディスクであり、図６に対応したものである。ただし、
ディスク本体の径：１２０φ
吹出口の径 ： １０φ
テーパー ：ｔ＝１ｍｍに対してｎ＝４
材質 ：ステンレス鋼
である。
【００６６】
▲６▼ Ｃ１２０φ・１０φ
先細りテーパー状の非接触吸着ディスクであり、図７に対応したものである。ただし、
ディスク本体の径：１２０φ
吹出口の径 ： １０φ
テーパー ：ｔ＝１ｍｍに対してｎ＝４
である。
【００６７】
２．実験用のワーク
図８に示す円板状のワークWk１を用いた。
すなわち、
径 ：１５０φ
厚さ ： １０ｍｍ
材質 ：アクリル樹脂
圧力取出孔ｈの径 ：１φ
圧力取出孔ｈの位置：中心から半径方向に１０ｍｍおきに形成
【００６８】
３．実験装置
▲１▼作動気体
空気を使用した。
▲２▼空気供給源
最大0．5ＭＰａ（５atm）に加圧されたエアーコンプレッサを使用した。
▲３▼圧力計
大気圧以上の正圧はSMC製G46-10-02、
負圧はSMC製GZ46-A-02、
微弱な圧力は正圧、負圧ともに４φのビニールチューブによるマノメータ（水を利用）を使用した。
▲４▼クリアランスｔの測定
隙間ゲージを用いた。
▲５▼吸着力（荷重）の測定
ワークWk１に異なる荷重の分銅を吊り下げることによって測定した。
【００６９】
４．実験結果および考察
図９は、ワークWk１の中心における圧力取出孔ｈ１で測定した圧力、すなわち全圧（全圧＝動圧＋静圧）poと、各非接触吸着ディスクによる最大荷重（最大吸着力）Wtmaxとの関係を測定したものである。
【００７０】
平行細隙の非接触吸着ディスクの場合、最大荷重Wtmaxは、Ｐ１４０φ・１０φでは４kgfを越え、Ｔ１５０φ・５φでは３kgf近くまで得られた。これに対して、末広がりテーパー状の非接触吸着ディスクであるＤ１２０φ・１０φの場合は、最大荷重Wtmaxが１kgf弱までしか得られない。また、先細りテーバー状の非接触吸着ディスクの場合は、最大荷重Wtmaxが０．２kgfまでしか得られなかった。
【００７１】
（６）式と（７）式から、最大吸着力Wtmaxと流量Ｑとの間には、一定のroに対してはWtmax∝Ｑ∝poの関係があることが分かる。図９の結果は、最大吸着力Wtmaxの全圧poに対する線形の比例関係を良く表している。平行細隙の非接触吸着ディスクに着目すると、半径roが１０φの方が５φより吸着力が大きくなっている。
【００７２】
一方、（６）式においてＱが一定ならば吹出口１１ｂの半径roが小さいほど最大吸着力Wtmaxは大きくなる。したがって、（６）式の解釈としては、一定の流量のもとでは半径が小さいほど吸着カは大きい、と理解するのが妥当と思われる。
【００７３】
図１０〜図１４は、上記各非接触吸着ディスクの中心（原点０）からの距離によって変化する圧力分布の測定結果を示している。ただし、これらの圧力分布の図には、測定点の間隔が粗く吹出口１１ｂ付近の詳細な圧力測定がなされなかったために、吹出口１１ｂの半径ro内では圧力が吹出し動圧に等しくほぼ一定で半径roの位置から急激に減圧する分布（図示せず）となる傾向は表されていない。
なお、圧力の大きさは、
（p−pa）／（po−pa）
によって無次元化している。このため、無次元圧力は中心点の全圧poで１、大気圧で０、大気圧より小さい圧力即ち負圧はマイナス値で表される。いずれのケースも、一部の例外を除き圧縮空気弁を全開にしたときの最大荷重のときの圧力分布である。ただし、図１４については、実験の都合上マイナス荷重、即ち、荷重を吹出口の上に乗せた状態で行なった結果を示す。
【００７４】
この実験における目的の一つに、非接触吸着ディスクの形状に応じた吸引力の比較がある。この場合、グラフに示される負圧の大きさからは感覚的に吸引力の強さを比較できない点に注意が必要である。例えば、無次元負圧の値は、小さい吸着力に対してはpo−paが小さいため大きくなり、逆に、po−paが大きく吸着力が大きいケースでは小さくなる。
【００７５】
図１０は、上記Ｐ１４０φ・１０φ（平行細隙の非接触吸着ディスク）による実験結果であり、３つの異なる全圧poに対して分銅による最大荷重Wtmaxを作用させた際の圧力分布を測定したものである。最大荷重Wtmaxは、それぞれ０．３kgf、０．９６kgf、２．８２kgfのように変化した。
【００７６】
図１０は、本実験の細隙の流れの典型的な圧力分布の特徴を表している。この結果から、空気力学的に興味深い幾つかの定性的な特徴が観察できる。先ず、最大負圧の位置は、吹出口の半径ro位置にはなく、同位置より半径方向の下流にずれ込んでおり、最大荷重Wtmaxの増加とともに更に下流側へと移動している。圧力は最大負圧を通過したあと半径方向の下流側に向かうにしたがって次第に増加してゆき、やがて大気圧を越え正圧に転換している。
【００７７】
この負正転換位置rcは、最大荷重Wtmaxとともに大きくなり、半径約20mm以上では著しい増加は見られない。半径が負正転換位置rcを越えると圧力は下流側のディスク本体の全面（吸着面）に弱い正圧を維持しつつ、一旦、最大値に達したのち次第に減少していき、ディスク本体の外縁において大気圧に等しくなる。なお、データの平準化の影響で、負正転換位置rcを越えた直後での近似曲線がやや誇張されている。負圧の圧力分布曲線を見ると、定性的にラヴァールノズルを流れる圧縮性気体の圧力変化に似ているのが興味深い。この点については後で触れる。
【００７８】
図１１は、上記Ｄ１２０φ・１０φ（末広がりテーパー状の非接触吸着ディスク）による実験結果であり、３つの異なる全圧poに対して分銅による最大荷重Wtmaxを作用させた際の圧力分布を測定したものである。最大荷重Wtmaxは、それぞれ０．３０kgf、０．４１kgf、０．９５kgfのように変化した。ただし、０．３０kgfについては２種類の実験を行っている。
【００７９】
図１１の圧力分布は、図１０とほぼ同様の定性的傾向を示している。特に、最大荷重Wtmax＝０．３０kgfに対しては、必要最小限の全圧poと必要以上の過剰の全圧poの２つのケースについての測定結果を示している。図中、負圧の値が大きい方が前者の圧力分布に相当する。末広がりテーパーのケースでは、負圧の最大値が比較的吹出口の半径roに近い位置に発生し、負圧正圧転換位置rcが半径約２０ｍｍ付近にあり、最大荷重が変化しても殆ど変わらない。また、その位置より下流側の正圧は極めて小さく殆ど大気圧に等しい。なお、図１１には示されていないが、この場合の吸着に当たってはワークWk１が揺動するなどしてその保持が不安定であり、図１０で示したＰ１４０φ・１０φの平行細隙の非接触吸着ディスクの安定性が極めて高かったのと対照的であった。
【００８０】
（１３）式によると、この場合ｎ＝４であるから負圧正圧転換位置rcは平行細隙の非接触吸着ディスクの負正転換位置rcの１／４とならねばならない。しかるに、この実験結果は両者ともほぼ同等の値を示している。この不一致点については、クリアランスtが双方で同一でなく、理論式の比較の前提とした条件が満足されないことに起因していると思われる。この点を明らかにするためには、より精確な実験データの収集が必要である。しかしながら、双方で、ほぼrc＝２０mm近傍でまとまっているのは興味深い。
【００８１】
図１２は、上記Ｃ１２０φ・１０φ（先細りテーパー状の非接触吸着ディスク）による実験結果であり、１つの全圧poに対して分銅による０．２５kgfの最大荷重Wtmaxを作用させた際の圧力分布を測定したものである。
【００８２】
図１２の圧力分布は、計測装置のワークWk１の自重の関係で最大荷重の1ケースのみを示している。この場合は、全圧poに対し負圧が極端に小さいが、負圧の範囲は半径約３０ｍｍと比較的大きくなっている。負正転換位置rcより下流域ではほぼ大気圧に等しくなっている。
【００８３】
図１３は、Ｔ１５０φ・５φ（平行細隙の薄型非接触吸着ディスク）による実験結果であり、４つの異なる全圧poに対して分銅による最大荷重Wtmaxを作用させた際の圧力分布を測定したものである。最大荷重Wtmaxは、それぞれ０．２４kgf、０．４５kgf、０．８３kgf、３．１kgfのように変化した。
【００８４】
図１３の圧力分布の定性的傾向は、図１０の場合に類似している。負正転換位置rcは概ね２０ｍｍ付近で収束しており、それより下流域での正圧の値は図１０の場合より小さくなっている。
【００８５】
図１４は、Ｐ３７８φ・２３φ（平行細隙の非接触吸着ディスク）による実験結果である。この場合は、実験装置の都合で、吹出口を上向きにし、荷重を逆に受けた状態で荷重W＝０．２４kgfを一定にして圧力弁を全開まで３通りに変化させ、これにより全圧poを３通りに変化させた各状態において、圧力分布を測定した結果を示す。この場合、吹出口の径roを大きくした場合の効果は、負圧領域が広くなること、即ち、負正転換位置rcが半径約３０ｍｍと大きくなっているところに見ることができる。この事は、流量を大きくする事によって負圧領域が拡大することを示している。また、全圧poを変化させても圧力分布のパターンはほとんど変化しないという有意な特徴が発見できた。
【００８６】
前述したように、細隙内の圧力分布は、ラヴァールノズルの適正膨張流れの圧力分布（参１）と定性的に類似の分布を示している。図５の圧力分布モデルでは、吹出口の半径roで全圧poと負圧pの最大値とが不連続で接しており、流体は吹出口の半径roから単調に減速する形になっている。しかしながら、現実の圧力分布を見ると、明かに、吹出口の半径roの近傍における流管断面積の増加率が最大、即ち、流速の減速度が最大の領域で流体が加速していることを示している。この実験結果から、吹出口の近傍において、空気力学的な見かけ上のラヴァールノズルが形成されていることが想像できる。
【００８７】
図１５は、この見かけ上のラヴァールノズルがワークを鏡面とする映像と対になって形成されているという仮説に基づいて描いた図である。図１５の虚実のノズルを上下に隔離するｒ座標軸に平行な平面があって、それが実体が無く仮想のものであっても、ノズルは上下対称の流れを維持しつづけると考える。ノズル内の流れは流量に応じた一定の圧力分布を示すとともに、平面は上下に発生する吸引力の釣り合いにより固定されるはずである。
【００８８】
この版説を暗示する例として、上述したＰ１４０φ・１０φ（平行細隙の非接触吸着ディスク）の吸着面に、パウダーで表面処理した透明の薄膜を近づけると、当該薄膜は吸着面に被接触で吸着されるとともに、平らに保持された状態を維持しつづける。ただし、この状態は吹出口から吹き出す空気の動圧が強力になり過ぎると崩れ、中央付近が膨らむとともに、その中央部に向かって皺がよった状態になり、やがて吹き飛ばされてしまい、定常流れはもはや維持できなくなる。
この実験で興味深いのは、吹出口から吹き出す空気の動圧成分が大きいにもかかわらず、薄膜は吹出口付近において膨らむことなく全面にわたって平面を形成している点である。この現象から、上述の見かけ上のラヴァールノズルを形成するミラー効果の仮説が推測されるのである。
【００８９】
また、上記Ｓ１０φ・１φ（平行細隙の小型非接触吸着ディスク）については、計測装置の能力の関係で圧力分布は測定できなかつた。しかしながら、わずかに１０φの吸着面でも８０ｇのタイルを容易に吸着することができることを確認した。
【００９０】
最後に、クリアランスｔの測定結果について考察する。（９）式を
Fr＝Fa−Wt
と書くと、Fr、Faの値がともにWtの値に比し大きい場合、（８）式によって
Ｑ∝（po−pa）
であるから、吊り下げ荷重Wtを変化させてもクリアランスtの値は大きく変わらないことが推測される。本実験では、クリアランスtの値は、数グラムの荷重では約１ｍｍ、約１kgfの荷重では約０．５ｍｍであった。あるWtの値に対し吸着力が働いているとき、Ｑの値をいくら大きくしてもクリアランスｔの値は上記の範囲で殆ど変化がないことが観察された。しかしながら、本実験でのクリアランスｔの測定には、隙間ゲージを用いたため、精度はそれほど期待できない。
【００９１】
以上の理論的考察及び実験結果から、非接触吸着ディスクの形状としては、図１および図２に示すものが最良という結論に到達する。そして、これらの図に示す非接触吸着ディスクは、円板状のディスク本体１１と、その軸心部に吹出口１１ｂを有する最も基本的な技術要素を成すユニットであることから、構造が簡単であり、加工が容易である上に、単体当たりの吸着力が実験したものの中で最高の4kgfまで得られ、このため応用範囲も広いという有利な効果を備えている。
なお、一定流量に対する最大吸着荷重については、吹出口の径１０φ（半径ro＝５ｍｍ）、ディスク本体の径１５０φの非接触吸着ディスクの場合、空気流量１１００リッター／ｍｉｎのとき最大吸着荷重８ｋｇｆ以上となるデータ（図示せず）が得られている。
【００９２】
また、上記（参１）、（参２）で示した参考文献は以下の通りである。
（参１）：Shapiro、A.H.、The Dynamics and Thermodynamics of Compressible Fluid Flow,Vol.II,Chapter 21,The Roland Press Company,New York,1954（参２）：機械工学便覧 基礎編 応用編、日本機械学会編、1991年9月30日発行、A5-41pp.
【００９３】
（第２の実施の形態）
次に、この発明の第２の実施の形態について、図１６〜図１７を参照して説明する。ただし、第１の実施の形態で示した構成要素と共通する要素には同一の符号を付しその説明を簡略化する。
この第２の実施の形態で示す非接触吸着ディスク１は、吸着面１１ａが吹出口１１ｂの外側に平面状に広がる内側吸着面１１ｃと、この内側吸着面１１ｃの外側に平面状に広がる外側吸着面１１ｄとによって形成されている。
【００９４】
内側吸着面１１ｃは、吹出口１１ｂの中心線Ｃを中心にして円形状に形成されており、その外周縁から直角に立ち上がる段状境界面１１ｅを介して外側吸着面１１ｄにつながっている。すなわち、内側吸着面１１ｃは、外側吸着面１１ｄに対して微小段差δ分だけ平行にずれて凹状に形成された状態になっている。なお、微小段差δは、内側吸着面１１ｃと外側吸着面１１ｄとの高低差を意味する。
【００９５】
そして、微小段差δは、吹出口１１ｂから内側吸着面１１ｃとワークWkとの間の内側細隙１３ａおよび外側吸着面１１ｄとワークWkとの間の外側細隙１３ｂを流れる空気（流体）が少なくとも内側細隙１３ａにおいて高速となって負圧を生じさせるような寸法に設定されている。すなわち、微小段差δは、０．０５〜３．０ｍｍに設定されている。
【００９６】
また、上記内側吸着面１１ｃは、吹出口１１ｂの中心から７．５〜２５ｍｍの半径に形成されている。すなわち、段状境界面１１ｅは、吹出口１１ｂの中心線Ｃを中心にして半径が７．５〜２５ｍｍの範囲にあって、円形状に形成されている。
なお、上記内側吸着面１１ｃは、微小段差δを超えない高さ以下の凸凹形状にしてもよく、内側吸着面１１ｃの外周縁（あるいは段状境界面１１ｅ）は、上記のように円形でなくてもよい。すなわち、三角形、四角形、五角形、六角形等の多角形状、星形状、楕円状等であってもよい。
【００９７】
上記のように構成された非接触吸着ディスクにおいては、吹出口１１ｂから噴出した空気が少なくとも内側細隙１３ａを流れる際に高速になることにより、静圧が低下し、当該内側細隙１３ａ内が負圧になる。したがって、ワークWkを吸着する力を維持することができる。
ただし、微小段差δを設けることによって、内側細隙１３ａを流れる空気の流速が低下することになるので、当該空気のレイノルズ数が低下することになる。したがって、内側細隙１３ａを流れる空気が乱流側から層流側に変化することになるので、例えば微小段差δを設けていない場合には騒音やワークWkに振動が生じる場合でも、当該微小段差δを設けることによって、当該騒音や振動の発生を防止することができる。すなわち、加振源を断つことによって、非接触吸着ディスクの騒音や振動を防止することができる。
【００９８】
また、微小段差δが０．０５〜３．０ｍｍであることから、防音効果と防振効果および吸着効果を共に得ることができる。そして、上記のような寸法に設定したのは、０．０５ｍｍ未満になると、流速の低減効果が少なくなることから、非接触吸着ディスクの防音および防振を図ることが困難になるからである。また、３．０ｍｍを超えた場合も非接触吸着ディスクの防音効果と防振効果が低下するためである。
ただし、防音効果と防振効果をより確実に得るためには、微小段差δを０．１〜２．５ｍｍに設定することが好ましく、さらには０．１〜２ｍｍに設定することが好ましく、さらには０．１〜１．５ｍｍが好ましく、そしてさらには０．１〜１．０ｍｍに設定することがより好ましい。
【００９９】
さらに、内側吸着面１１ｃが吹出口１１ｂの中心から７．５〜２５ｍｍの半径範囲内に形成されているので、防音効果と防振効果および吸着効果を共に得ることができる。そして、上記のような寸法に設定したのは、７．５ｍｍ未満になると、非接触吸着ディスクの防音効果と防振効果が低下するからである。また、２５ｍｍ以下であれば防音効果と防振効果が十分得られるからである。
ただし、防音効果と防振効果および吸着効果をより確実に得るためには、内側吸着面１１ｃを吹出口１１ｂの中心から１０〜２０ｍｍの半径範囲内に形成することが好ましく、さらには１５〜２０ｍｍの半径範囲内に形成することが好ましい。
【０１００】
（理論解析）
次に、上記第２の実施の形態で示した非接触吸着ディスクの原理を理論的に説明する。
すなわち、第１の実施の形態で示した微小段差δのないものは、最大級の吸着力が得られる反面、ワークWkによっては騒音や振動が発生することがある。例えば、ガラスのような塑性を有するものや薄い紙などの板状のワークWkの場合には、騒音や振動が発生しやすくなる。
【０１０１】
図１８は、非接触吸着ディスクとして第１の実施の形態で示したものを用い、ワークWkとしてガラス板を用いた場合の振動領域、圧力分布等を調査した結果を示している。振動領域は、非接触吸着ディスクにおける吹出口１１ｂ付近の流れが生じている部分の上面を手で触れて確認した結果に基づくものである。
【０１０２】
この図に示すように、振動の発生源は、吹出口１１ｂのやや下流側に位置し、負圧の発生領域とほぼ一致していることがわかる。したがって、空気が高速で流れることに振動発生の原因があると仮説を立てて理論解析を行い、最終的に微小段差δを形成することによって防音効果と防振効果があることを導き出した。
【０１０３】
まず、非接触吸着メカニズムの解析には、流体の運動量差による力と、圧力差による力の相互作用を考慮しなければならない。ここでは、運動量の変化は関係しないので後者の圧力差による力をもとに検討すれば足りる。非接触吸着ディスクの圧力差に起因する吸着力は、微小段差δがない場合（図４参照）には上述した（６）式および（５）式で表すことができる。そして、この（６）式および（５）式から、
Wtmax ∝ １／ｔ2 …（１９）
の関係が得られる。
【０１０４】
最大ワーク荷重Wtmax、すなわち吸着力は、磁力や引力に共通する不安定性を有し、ワークWkの重量に応じたクリアランスｔの閾値が存在する。つまり、ワークWkは、吸着面１１ａにｔの閾値まで近づくと吸引力に支配され、反発力と吸引力とがバランスする最小クリアランスｔmin（図示せず）まで引き寄せられ、その非接触状態のまま落ち着いて安定した状態になる。
【０１０５】
細隙１３内における半径ｒ方向の平均流速ｕと、吸着面１１ａとワークWkとの間のクリアランスｔとの関係は、
ｕ＝Ｑ／２πｒｔ ∝ １／ｔ…（２０）
となる。
【０１０６】
（１９）式および（２０）式から、何らかの方法でワークWkを吸着状態のｔminより大きい位置に保持するれば、最大ワーク荷重Wtmaxも流速ｕも共に減少することになる。そして、流速ｕの減少によって、振動領域のレイノルズ数が低下することになるので、空気の流れを乱流から層流側に移行させることができ、これによって加振源を断って、流体の振動を抑制することが期待できる。
【０１０７】
そこで、上記ｔminより大きなクリアランスｔを保持する手段として、図１６に示す内側吸着面１１ｃおよび外側吸着面１１ｄを有する非接触吸着ディスクを試作した。この非接触吸着ディスクを用いた場合には、外側吸着面１１ｄとワークWkとの間がクリアランスｔminに保持され、内側吸着面１１ｃとワークWkとの間はｔmin＋δのクリアランスに保持されることになる。すなわち、内側吸着面１１ｃとワークWkとの間のクリアランスをｔiとすると、
ｔi＝ｔmin＋δ…（２１）
となる。
【０１０８】
したがって、最大ワーク荷重Wtmaxおよび内側吸着面１１ｃを流れる流速ｕは、共に微小段差δのない場合に比べて小さくなるとともに、流体の振動の抑制を図ることができると推定できる。
一方、外側吸着面１１ｄにおいては、段状境界面１１ｅの位置によって変化する内側吸着面１１ｃの影響を受ける。図１９は、図５の圧力分布モデルを微小段差δを有する場合に当てはめた圧力分布モデルを表している。
【０１０９】
この圧力分布モデルにしたがえば、段状境界面１１ｅの半径が内側吸着面１１ｃの負正転換位置rcより外側にあるとき、すなわち、rc＜d/2のときは、図１９のように内側吸着面１１ｃと外側吸着面１１ｄの双方に負圧が発生し、その中間に正圧が発生する分布となり得る。
一方、rc＞d/2のときは、図１９の圧力分布と同様の分布形状となるものの、内側吸着面１１ｃと外側吸着面１１ｄとの中間に正圧が発生することがない。
【０１１０】
また、内側吸着面１１ｃに発生する吸着力に及ぼす微小段差δの影響は、次のように推定することができる。例えば、内側吸着面１１ｃの範囲内でのみ負圧が発生していると仮定すると、微小段差δがある場合の最大ワーク荷重Wtmaxiと、微小段差δがない場合の最大ワーク荷重Wtmaxとは、（１９）式から
Wtmaxi／Wtmax ∝ （ｔmin／ｔi）2 …（２２）
となる。
【０１１１】
ここで、δ＝０．５ｍｍとした場合の簡単な計算例を示す。例えば、実験的に観察されるデータに基づき、仮に、ｔmin＝０．５ｍｍ、Wtmax＝３kgfとすると、ｔi＝１．０ｍｍとなるので、
Wtmaxi＝０．２５Wtmax＝０．７５（kgf） …（２３）
となる。
【０１１２】
すなわち、０．５ｍｍの段差がついた場合の吸着力は、段差がない場合の吸着力の約１／４になることになる。
そして、段状境界面１１ｅの径ｄが小さくなるにつれ、最大ワーク荷重Wtmaxiは（２３）式の値より小さくなるはずである。しかしながら、段状境界面１１ｅは外側吸着面１１ｄに対する吹出口として作用することにもなるので、段状境界面１１ｅの径ｄの減少によって、外側吸着面１１ｄに負圧が生じるとともに、その負圧が増大することにもなる。したがって、段状境界面１１ｅの径ｄが小さくなるにしたがって、内側吸着面１１ｃおよび外側吸着面１１ｄの全体としての吸着力が大きくなることも予想される。
【０１１３】
【実施例】
以下、上記第２の実施の形態で示した非接触吸着ディスクの実施例を実験結果に基づいて説明する。
１．実験に供した非接触吸着ディスク
内側吸着面および外側吸着面を有する非接触吸着ディスクであり、図１６、図１７に示した非接触吸着ディスクに対応している。ただし、
ディスク本体の径：１４０φ
吹出口の径 ：５φ、１０φ
段状境界面の径 ：２０φ、３０φ、４０φ
微小段差 ：０．１、０．２、０．５、１．０、１．５、２．０ｍｍ
厚さ ：１０ｍｍ
材質 ：アクリル樹脂
である。
【０１１４】
２．実験用のワーク
図８に示す圧力測定が可能な円板状のワークWk１を用いた。すなわち、前述した第１の実施の形態に関する実施例と同一のワークWk１を用いた。その他の実験装置等も、第１の実施の形態の実施例で示したものと同一である。
【０１１５】
３．実験結果
表１および表２は、吹出口の径が５φ（半径roが２．５ｍｍ）のものと、吹出口の径が１０φ（半径roが５ｍｍ）のものの実験結果をそれぞれまとめたものである。また、図２０〜図２７は、表１および表２のデータをグラフ化したものである。さらに、実際に圧力分布を測定した結果は、図２８〜図３６に示した。
【０１１６】
【表１】
【０１１７】
【表２】
【０１１８】
表１および表２において、δは微小段差であり、ｄは段状境界面の径であり、Wtmaxは最大ワーク荷重（吸着力）であり、ｔminは外側吸着面とワークWk１との間のクリアランスである。
なお、防音防振効果は、耳および指先等の感覚を用いた官能検査の結果を示したものであり、◎印は振動および騒音が全く気にならない状態、○印は振動および騒音がほとんど気にならない状態、△印は振動が気になるが騒音が気にならない状態、×印は振動および騒音が気になる状態を意味している。また、◎○印は◎印と○印との中間的な状態、○△印は○印と△印の中間的な状態、△×印は△印と×印との中間的な状態を意味している。ただし、△×印以上であれば、ワークWk１を吸着して搬送する上で、騒音および振動が障害になることがない。
【０１１９】
４．考察
図２０および図２１から、微小段差δが小さいほど、防音効果と防振効果が高くなる傾向にあることがわかる。そして、この傾向は、吹出口の径が５φから１０φへ大きくなるほど顕著である。また、段状境界面の径ｄが大きくなるほど防音効果と防振効果が高くなることがわかる。
【０１２０】
例えば、図２０で示す吹出口の径が５φの場合は、段状境界面の径を４０φとすることによって、微小段差δが少なくとも３．０ｍｍ程度までは△印以上の防音効果と防振効果があり、振動、騒音の面で支障なく使用可能であると推定できる。これは、図２０の鎖線で示すように、微小段差δが２．０ｍｍまでのデータに基づいて推定したものである。したがって、微小段差δを２．５ｍｍ以下にすればより支障のない状態にすることができるとともに、微小段差δを２．０ｍｍ以下にすれば、確実に支障のない状態にすることができ、さらに１．５ｍｍ以下、１．０ｍｍ以下にすることによって、防音効果と防振効果の向上を図ることができる。
【０１２１】
また、実験データはないが、微小段差δが０．０５ｍｍ未満になった場合には、当該微小段差δが小さくなりすぎて、内側吸着面と外側吸着面とが面一状になることから、防音効果と防振効果が低下するものと推定できる。
【０１２２】
したがって、微小段差δは、０．０５〜３．０ｍｍに設定することによって、振動、騒音の面で支障なく使用することができる。ただし、防音効果と防振効果をより確実に得るためには、微小段差を０．１〜２．５ｍｍに設定することが好ましく、さらには０．１〜２ｍｍに設定することが好ましく、さらには０．１〜１．５ｍｍ、そしてさらには０．１〜１．０ｍｍに設定することがより好ましい。
【０１２３】
一方、段状境界面の径ｄは、図２２および図２３に示すように、大きくなるほど防音効果と防振効果が高くなる。例えば、図２２の吹出口の径が５φの場合は、微小段差δが０．５〜２．０ｍｍのいずれの場合も、少なくとも５０ｍｍ（吹出口の中心から２５ｍｍ）までは防音効果と防振効果が高いと推定できる。ただし、これは、段状境界面の径ｄが４０ｍｍまでのデータに基づいて推定したものである。段状境界面の径ｄが４０ｍｍであれば、防音効果と防振効果が確実に得られる。
また、段状境界面の径ｄが２０ｍｍ未満になると、微小段差δが０．５ｍｍや１．０ｍｍの場合も、防音効果と防振効果が△印未満に低下することが推定される。ただし、段状境界面の径ｄが１５ｍｍ（吹出口の中心から７．５ｍｍ）であれば、十分△×印以上の範囲に入ることが推定できる。
【０１２４】
したがって、段状境界面の径ｄは、１５〜５０ｍｍの範囲内に形成することによって、振動、騒音の面で支障なく使用することができる。ただし、防音効果と防振効果をより確実に得るためには、段状境界面の径ｄは、２０〜４０ｍｍの範囲内に形成することが好ましく、さらには３０〜４０ｍｍの範囲内に形成することが好ましい。
ただし、吹出口の径が５φ（半径roが２．５ｍｍ）より小さい場合は、吹出口の中心から数ミリの半径範囲まで小さくしても、防音および防振に有効に効果が表れるデータ（図示せず）が得られている。すなわち、吹出口の径が５φ未満の場合は、段状境界面の径ｄを５〜５０ｍｍの範囲に設定しても、許容可能な吸引力を維持しつつ、防音および防振に効果のあるデータが得られた。
【０１２５】
また、吸着力としての最大ワーク荷重Wtmaxは、図２４および図２５に示すように、微小段差δの増大に伴って減少する傾向にある。
さらに、最大ワーク荷重Wtmaxは、図２６に示すように、段状境界面の径ｄの増大に伴って減少する傾向にある。
【０１２６】
さらに、外側吸着面とワークWk１との間のクリアランスｔminは、図２７に示すように、最大ワーク荷重Wtmaxの増大にともなって減少する傾向にある。また、クリアランスｔminは、微小段差δの増大に伴って増大する傾向にある。
【０１２７】
なお、上述した微小段差δの範囲は、十分大きな最大ワーク荷重Wtmax（吸着力）を得るという見地からすれば、図２４および図２５に示すように、２．５ｍｍ以下に設定することが好ましく、さらには２ｍｍ以下に設定することが好ましく、さらには１．５ｍｍ以下に設定することがより好ましく、またさらには１ｍｍ以下に設定することがより好ましい。
【０１２８】
また、上述した段状境界面の径ｄの範囲についても、十分大きな最大ワーク荷重Wtmaxを得るという見地からすれば、図２６に示すように、４０ｍｍ以下に設定することが好ましい。
なお、図２４〜図２６に示すデータとは別に、異なる試験装置により、一定流量に対する最大ワーク荷重Wtmaxは、吹出口径１０φ、微小段差０．２ｍｍ、段差径（段状境界面の径）３０φの吸着ディスクにおいて、流量１１００リッター／minのとき６．５kgf、また、吹出口径５φ、微小段差０．２ｍｍ、段差径３０φの吸着ディスクにおいて、流量６５０リッター／minのとき６．０kgfとなるデータ（図示せず）が得られている。
【０１２９】
次に、図２８〜図３６に示した圧力分布の測定結果について説明する。
図２８〜図３２は吹出口の径が５φのものに関する測定結果である。図２８においては、微小段差δのない場合の圧力分布もプロットしている。微小段差δがあるものは、ないものに対して、負圧が半径方向に広がり最大負圧が小さくなっており、このことから、流速が減少し流体の振動が抑制されていることが窺える。さらに、微小段差δを有するものは、一旦、正圧になった後、再び負圧になる図１９の圧力分布モデルにしたがった圧力分布の曲線形状を示していることが確認できる。
【０１３０】
また、図２９に示すように、段状境界面の径ｄの違いによって、圧力分布の異なったものになることがわかる。これは、段状境界面の径によって圧力分布を調整できる可能性のあることを示している。
【０１３１】
さらに、図３０において、段状境界面の径ｄが２０ｍｍのものは、その圧力分布が微小段差δがないものに近似した状態になっている。これは、内側吸着面において負圧から正圧に転換し、段状境界面そのものが吹出口として作用しているためと思われる。この傾向は、例えば図３１および図３２の圧力分布においても観察され、微小段差δが大きいほど顕著である。このような圧力分布となる場合には、騒音や振動が発生する傾向にあった。したがって、段状境界面の径ｄが１５ｍｍ未満では防音効果と防振効果が少ないといえる。
【０１３２】
図３３〜図３６は吹出口の径が１０φのものに関する測定結果である。なお、図３５には、比較のために微小段差δがない場合の圧力分布もプロットしている。
吹出口の径が１０φの場合も、上述した吹出口の径が５φの場合と同様に、微小段差δによる効果が顕著に現れている。なお、吹出口の径が５φの場合に比して、負圧の絶対値が大きくなっているのは、１０φのものは吹出口における動圧の値が小さくなっているためである。
【０１３３】
以上、吸着面における適切な位置に段状境界面を設けることによって、吸着時の騒音や振動を除去することができることが実験的に確かめられた。また、微小段差δ、段状境界面の径ｄ、吹出口の径をパラメータとして選択することにより、これらのパラメータに基づいて防音効果と防振効果を得る上で最適な条件範囲があることも明らかになった。
【０１３４】
なお、吹出口の径と防音防振効果との関係については、上記実験結果において特に言及しなかったが、図２０〜図２３に示すように、吹出口の径が小さくなるほど、微小段差δおよび段状境界面の径ｄの広い範囲で良好な防音効果と防振効果が得られることが分かる。したがって、吹出口の径を１０φより５φにした方が、防音および防振を図る上での設計が容易になるという利点がある。
【０１３５】
次に、第１の実施の形態の他の例として示した図３（ｂ）の非接触吸着ディスクに関する実験結果を図３７を参照して説明する。
【０１３６】
１．実験条件
この実験で使用した非接触吸着ディスクは、ディスク本体１１の径が９２φ、吹出口１１ｂの径が５φである。また、ワークWkは、その径が６０φであり、重さが２４３ｇである。そして、吸着状態において、図３（ｂ）の頂板部１６、周壁部１５およびリブ１５ｃによって、ワークWkの周囲に、断面が９×１０ｍｍの環状の空間部が形成されるようになっている。
【０１３７】
また、吸引流路１５ｂは、その内径が７．５φであり、周壁部１５における周方向に４等分する位置に設けられている。各吸引流路１５ｂにはストップバルブ（図示せず）が接続されており、各ストップバルブはアダプタ（図示せず）を介して５００ワットの遠心式の吸引ファン（図示せず）に接続されている。
吸引ファンによる吸引圧力は、アダプタに設けた圧力センサ（図示せず）で検知するようになっている。この吸引圧力は、ゲージ圧力で−１５〜−１７kPaであった。
【０１３８】
また、非接触吸着ディスクの環状の空間部の圧力は、頂板部１６における各吸引流路１５ｂに対応する位置および各吸引流路１５ｂの間の中央の位置において静圧として検出した。すなわち、頂板部１６における周方向に８等分した位置から空間部の圧力を検出した。
【０１３９】
２．実験結果
図３７において、線Ｅはいずれの吸引流路１５ｂからも吸引しないときの空間部の圧力を示し、線Ｆはロ方向の１つの吸引流路１５ｂから吸引した場合の空間部の圧力を示し、線Ｇはロ、ヘ方向の２つの吸引流路１５ｂから吸引した場合の空間部の圧力を示し、線Ｈはロ、ニ、ヘ、チ方向の４つの吸引流路１５ｂから吸引した場合の空間部の圧力を示してる。
また、各圧力は大気圧を０とし、真空を−１とする無次元圧力で表示している。
【０１４０】
３．考察
いずれの吸引流路１５ｂからも吸引しないときは、線Ｅで示すように、空間部の各圧力がほぼ大気圧に等しい０となった。そして、１つの吸引流路１５ｂから吸引するだけで、線Ｆで示すように、空間部の全体を大気圧以下の負圧に低下させることができる。すなわち、吸引流路１５ｂを半径方向の外方に延在するように形成することによって、空間部内の空気を効率的に排出することができることがわかる。
したがって、ワークWkを搬送する際に、空気が外に漏れるのを防止することができるので、例えばクリーンルームにおいて、シリコンウエハ等を搬送する手段として有効に利用することができる。
なお、吸引流路１５ｂによって吸引する箇所を増やすことによって、図３７に示す通り空間部の圧力をさらに低下させることができる。
【０１４１】
以上説明したように、請求項１〜３に記載の発明によれば、吸着面が吹出口から負正転換位置以上の広がりを有するように形成されているので、細隙に生じる負圧の全てを保持対象物の保持のために利用することができる。したがって、吸引効率をほぼ最高の状態まで高めることができるとともに、より重い保持対象物を保持することができる。
【０１４２】
また、細隙を流れる流体による境界層が常に介在した状態で、かつ細隙を流れる流体の負圧のみで保持対象物を保持することができるので、非接触の状態で保持対象物を安定的に保持することができる。
さらに、流体の流速が負正転換位置以上に広がることにより急速に低下するので、その放出された流体が、例えば、クリーンルームの気流を乱したり、塵埃を巻き上げたりするのを防止することができる。
【０１４３】
また、吹出口への流体の供給流路を、吹出口から吸着面に沿って半径方向の外方に向けて延在するように設けた場合には、薄型のもので構成することができるという利点がある。
【０１４４】
さらに、吸着面の半径方向の外方を環状に囲む周壁部に、吸引口を設けた場合には、吸着面から半径方向の外方に流出する流体を、その流体の運動エネルギーを利用して効率よく吸引することができる。
【０１４５】
一方、吹出口から噴出した流体が少なくとも内側細隙を流れる際に高速になることにより、静圧が低下し、当該内側細隙内が負圧になる。したがって、保持対象物を吸着する力を維持することができる。
ただし、微小段差を設けることによって、内側細隙を流れる流体の流速が低下することになるので、当該流体のレイノルズ数が低下することになる。したがって、内側細隙を流れる流体が乱流側から層流側に変化することになるので、例えば微小段差を設けていない場合には騒音や保持対象物に振動が生じる場合でも、当該微小段差を設けることによって、当該振動の発生を防止することができる。すなわち、加振源を断つことによって、非接触吸着ディスクの防音および防振を図ることができる。
【０１４６】
また、微小段差が０．０５〜３．０ｍｍであることから、防音効果と防振効果および吸着効果を共に得ることができる。
【０１４７】
請求項２に記載の発明によれば、内側吸着面が吹出口の中心から７．５〜２５ｍｍの半径範囲内に形成されているので、防音効果と防振効果および吸着効果を共に得ることができる。これらの効果は、特に吹出口の半径が２．５ｍｍ以上のときに顕著である。
【０１４８】
請求項３に記載の発明によれば、内側吸着面が吹出口の中心から２．５〜２５ｍｍの半径範囲内に形成されているので、防音効果と防振効果および吸着効果を共に得ることができる。これらの効果は、特に吹出口の半径が２．５ｍｍ未満のときに顕著になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施の形態として示した非接触吸着ディスクを示す断面図である。
【図２】同非接触吸着ディスクを示す図であって、（ａ）は斜め上からの斜視図であり、（ｂ）は斜め下からの斜視図である。
【図３】同非接触吸着ディスクの他の例を示す図であって、（ａ）は吹出流路を吸着面に沿って半径方向に延在するように構成した非接触吸着ディスクを示す断面図であり、（ｂ）はディスク本体の半径方向の外方を環状に囲む周壁部に、吸引口を設けるように構成した非接触吸着ディスクを示す断面図であり、（ｃ）は負正転換位置より小径のディスク本体を有するもので構成した参考例としての非接触吸着ディスクである。
【図４】この発明の理論解析で用いた非接触吸着ディスクの説明図である。
【図５】同非接触吸着ディスクの理論解析の結果を示すグラフである。
【図６】同非接触吸着ディスクの比較例として示した末広がりテーパー状の非接触吸着ディスクを示す説明図である。
【図７】同非接触吸着ディスクの他の比較例として示した先細りテーパー状の非接触吸着ディスクを示す説明図である。
【図８】この発明の実施例で示した実験用の非接触吸着ディスクを示す断面図である。
【図９】同実施例における実験結果を示す図であって、吹出し口全圧とその全圧に対する最大荷重との関係を示すグラフである。
【図１０】同実施例における実験結果を示す図であって、Ｐ１４０φ・１０φの平行細隙の非接触吸着ディスクの圧力分布を示すグラフである。
【図１１】同実施例における実験結果を示す図であって、Ｄ１２０φ・１０φの末広がりテーパー状の非接触吸着ディスクの圧力分布を示すグラフである。
【図１２】同実施例における実験結果を示す図であって、Ｃ１２０φ・１０φの先細りテーパー状の非接触吸着ディスクの圧力分布を示すグラフである。
【図１３】同実施例における実験結果を示す図であって、Ｔ１５０φ・５φの平行細隙の薄型非接触吸着ディスクの圧力分布を示すグラフである。
【図１４】同実施例における実験結果を示す図であって、Ｐ３７８φ・２３φの平行細隙の非接触吸着ディスクの圧力分布を示すグラフである。
【図１５】同実施例におけるＰ１４０φ・１０φの平行細隙の非接触吸着ディスク等の解析上比較のために示したラヴァールノズルの説明図である。
【図１６】この発明の第２の実施の形態として示した非接触吸着ディスクを示す断面図である。
【図１７】同非接触吸着ディスクを示す図であって、（ａ）は斜め上からの斜視図であり、（ｂ）は斜め下からの斜視図である。
【図１８】微小段差がない場合の流体の振動の発生領域を示す説明図である。
【図１９】上記第２の実施の形態の非接触吸着ディスクにおける理論的圧力分布モデルを示す説明図である。
【図２０】同非接触吸着ディスクの実施例で示した実験結果をまとめたものであって、吹出口の径が５φのものに関する微小段差δと防音防振効果との関係を示したグラフである。
【図２１】同実験結果をまとめたものであって、吹出口の径が１０φのものに関する微小段差と防音防振効果との関係を示したグラフである。
【図２２】同実験結果をまとめたものであって、吹出口の径が５φのものに関する段状境界面の径と防音防振効果との関係を示したグラフである。
【図２３】同実験結果をまとめたものであって、吹出口の径が１０φのものに関する段状境界面の径と防音防振効果との関係を示したグラフである。
【図２４】同実験結果をまとめたものであって、吹出口の径が５φのものに関する微小段差と最大ワーク荷重との関係を示したグラフである。
【図２５】同実験結果をまとめたものであって、吹出口の径が１０φのものに関する微小段差と最大ワーク荷重との関係を示したグラフである。
【図２６】同実験結果をまとめたものであって、吹出口の径が５φのものに関する段状境界面の径と最大ワーク荷重との関係を示したグラフである。
【図２７】同実験結果をまとめたものであって、吹出口の径が５φのものに関する最大ワーク荷重と外側吸着面におけるクリアランスとの関係を示したグラフである。
【図２８】同実験結果を示すものであって、吹出口の径が５φ、段状境界面の径が４０φ、微小段差が０ｍｍ、０．１ｍｍ、０．２ｍｍに設定された非接触吸着ディスクの圧力分布を示すグラフである。
【図２９】同実験結果を示すものであって、吹出口の径が５φ、微小段差が０．５ｍｍ、段状境界面の径が２０φ、３０φ、４０φに設定された非接触吸着ディスクの圧力分布を示すグラフである。
【図３０】同実験結果を示すものであって、吹出口の径が５φ、微小段差が１．０ｍｍ、段状境界面の径が２０φ、３０φ、４０φに設定された非接触吸着ディスクの圧力分布を示すグラフである。
【図３１】同実験結果を示すものであって、吹出口の径が５φ、微小段差が１．５ｍｍ、段状境界面の径が２０φ、３０φ、４０φに設定された非接触吸着ディスクの圧力分布を示すグラフである。
【図３２】同実験結果を示すものであって、吹出口の径が５φ、微小段差が２．０ｍｍ、段状境界面の径が２０φ、３０φ、４０φに設定された非接触吸着ディスクの圧力分布を示すグラフである。
【図３３】同実験結果を示すものであって、吹出口の径が１０φ、微小段差が０．１ｍｍ、段状境界面の径が３０φ、４０φに設定された非接触吸着ディスクの圧力分布を示すグラフである。
【図３４】同実験結果を示すものであって、吹出口の径が１０φ、微小段差が０．２ｍｍ、段状境界面の径が４０φに設定された非接触吸着ディスクの圧力分布を示すグラフである。
【図３５】同実験結果を示すものであって、吹出口の径が１０φ、微小段差が０ｍｍ、０．５ｍｍ、段状境界面の径が２０φ、３０φ、４０φに設定された非接触吸着ディスクの圧力分布を示すグラフである。
【図３６】同実験結果を示すものであって、吹出口の径が１０φ、微小段差が１．０ｍｍ、段状境界面の径が３０φ、４０φに設定された非接触吸着ディスクの圧力分布を示すグラフである。
【図３７】第１の実施の形態の他の例として示した図３（ｂ）の非接触吸着ディスクに関する実験結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１１ ディスク本体
１１ａ 吸着面
１１ｂ 吹出口
１１ｃ 内側吸着面
１１ｄ 外側吸着面
１１ｅ 段状境界面
１２ａ 吹出流路（流体を吹出口に供給する流路）
１３ 細隙
１３ａ 内側細隙
１３ｂ 外側細隙
１５ 周壁部
１５ａ 吸引口
rc 負正転換位置
Wk ワーク（保持対象物）
δ 微小段差
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体が高速で流れる際にその静圧が大気圧以下になることを利用して、保持対象物を保持する非接触吸着ディスクに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種の非接触吸着技術としては、例えば特開平３−４３１８０号公報に掲載されているものが知られている。この非接触吸着装置は、平面状の吸着面に気体の吹出口を設け、上記吸着面に近づく保持対象物を、上記吹出口から噴出する気体流のベルヌーイ効果に基づき吸着するベルヌーイ保持器の上記吸着面を囲むように空隙および周囲壁を設け、上記空隙から気体の流れ方向に対し直角方向に吸引する吸引口を上記保持対象物に対向する位置に設け、かつ上記吹出口からの気体の吹出量を上記吸引口からの吸引量より小とするように構成したものである。
【０００３】
上記のように構成された非接触吸着装置においては、吹出口からの吹出量を吸引口からの吸引量より小とし、吹出口から吹き出した気体のすべてを吸引口から吸引することができる。したがって、吸着面に沿って外方に高速で吹き出す空気によってクリーンルーム内の気流が乱れたり、塵埃を巻き上げたりするのを防止することができるという利点がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記非接触吸着装置においては、気体の流れ方向に対し直角方向に気体を吸引する構造となっていることから、装置の薄型化が制限されると共に吸引効率が悪いという欠点がある。しかも、吸引口からの吸引力を強制的に作用させているので、その強制的な吸引圧力と吹出し圧力のバランス条件によっては保持対象物が不安定になるという問題がある。
【０００５】
本発明は、上記事情に基づいてなされたものであり、装置の薄型化が可能で吸着効率が高く、かつ保持対象物を安定的に保持することのできる非接触吸着ディスクを提供することを
課題としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、平面状に広がる吸着面に流体の吹出口を設けてなり、上記吹出口から吹き出した流体が上記吸着面とこの吸着面に近接する保持対象物と間の細隙に高速で流れることにより、当該流体の静圧が負圧になることを利用して、上記保持対象物を上記細隙を流れる流体の境界層を介して保持するように構成した非接触吸着ディスクであって、 上記吸着面は、上記流体が上記吹出口から放射状に広がるように移動することによる流速の低下に伴って負圧から大気圧以上の正圧に転じる負正転換位置以上の広がりを有するように形成されるとともに、上記吹出口の外側に平面状に広がる内側吸着面と、この内側吸着面の外側に平面状に広がる外側吸着面とを備えており、かつ上記内側吸着面は、上記外側吸着面に対して上記保持対象物の加振を阻止可能な０．０５〜３．０ｍｍの微少段差分だけ凹状に形成されるとともに、上記微小段差は、上記吹出口から上記内側吸着面と上記保持対象物との間の内側細隙および上記外側吸着面と上記保持対象物との間の外側細隙を流れる流体が少なくとも上記内側細隙において高速となって負圧を生じさせるような寸法に設定されていることを特徴としている。
【０００７】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、上記内側吸着面が上記吹出口の中心から７．５〜２５ｍｍの半径範囲内に形成されていることを特徴としている。
【０００８】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、上記内側吸着面が上記吹出口の中心から２．５〜２５ｍｍの半径範囲内に形成されていることを特徴としている。
【００１３】
上記のように構成された請求項１〜３に記載の発明においては、吸着面が吹出口から負正転換位置以上の広がりを有するように形成されているので、流体が吹出口から吸着面と保持対象物との細隙を高速で流れることにより生じる負圧の全てを当該保持対象物の保持のために利用することができる。したがって、吸着効率をほぼ最高の状態まで高めることができるとともに、より重い保持対象物を保持することができる。
【００１４】
また、流体により負圧が作用する部分には、吹出口から放射状に流れる流体の境界層が常に介在した状態になるので、保持対象物を吸着面に対して一定の間隔で保持することができる。したがって、保持対象物を非接触の状態で安定的に保持することができる。
【００１５】
さらに、流体が吹出口から負正転換位置以上に放射状に広がることにより、当該流体の速度が充分に低下することになるので、そのまま放射方向に流出させても、例えば、クリーンルームの気流を乱したり、塵埃を巻き上げたりするのを防止することができる。
【００１６】
また、流体を吹出口に供給する流路を、吹出口から吸着面に沿って半径方向の外方に向けて延在するように設けた場合には、薄型のもので構成することができるという利点がある。
【００１７】
さらに、吸着面の半径方向の外方を環状に囲む周壁部に、吸引口を設けた場合には、吸着面から半径方向の外方に流出する流体を、その流体の動圧を利用して効率よく吸引することができる。
【００１８】
一方、吹出口から噴出した流体が少なくとも内側細隙を流れる際に高速になることにより、静圧が低下し、当該内側細隙内が負圧になる。したがって、保持対象物を吸着する力を維持することができる。
ただし、微小段差を設けることによって、内側細隙を流れる流体の流速が低下することになるので、当該流体のレイノルズ数も低下することになる。したがって、内側細隙を流れる流体が乱流側から層流側に変化することになるので、例えば微小段差を設けていない場合には騒音や保持対象物に振動が生じる場合でも、当該微小段差を設けることによって、当該騒音や振動の発生を防止することができる。すなわち、加振源を断つことによって、非接触吸着ディスクの防音および防振を図ることができる。
【００１９】
また、微小段差が０．０５〜３．０ｍｍであることから、防音効果と防振効果および吸着効果を共に得ることができる。そして、上記のような寸法に設定したのは、０．０５ｍｍ未満になると、流速の低減効果が少なくなることから、非接触吸着ディスクの防音および防振を図ることが困難になるからである。また、３．０ｍｍを超えた場合は非接触吸着ディスクの吸着力が低下するためである。
そして、防音効果と防振効果をより確実に得るためには、微小段差を０．１〜２．５ｍｍに設定することが好ましく、さらには０．１〜２ｍｍに設定することが好ましく、さらには０．１〜１．５ｍｍが好ましく、そしてさらには０．１〜１．０ｍｍに設定することがより好ましい。
【００２０】
請求項２に記載の発明においては、内側吸着面が吹出口の中心から７．５〜２５ｍｍの半径範囲内に形成されているので、防音効果と防振効果および吸着効果を共に得ることができる。これらの効果は、特に吹出口の半径が２．５ｍｍ以上のときに顕著である。なお、上記のような７．５〜２５ｍｍの寸法に設定したのは、７．５ｍｍ未満になると、非接触吸着ディスクの防音効果と防振効果が低下するからである。また、２５ｍｍ以下であれば防音効果と防振効果が十分得られるからである。
ただし、防音効果と防振効果をより確実に得るためには、内側吸着面を吹出口の中心から１０〜２０ｍｍの半径範囲内に形成することが好ましく、さらには１５〜２０ｍｍの半径範囲内に形成することが好ましい。
【００２１】
請求項３に記載の発明においては、内側吸着面が吹出口の中心から２．５〜２５ｍｍの半径範囲内に形成されているので、防音効果と防振効果および吸着効果を共に得ることができる。これらの効果は、特に吹出口の半径が２．５ｍｍ未満のときに顕著になる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態として示した非接触吸着ディスクの断面図、図２は同非接触吸着ディスクの斜視図である。
【００２３】
この第１の実施の形態で示す非接触吸着ディスクは、図１および図２に示すように、平面状に広がる吸着面１１ａに空気（流体）の吹出口１１ｂを設けたものであって、吹出口１１ｂから吹き出した空気が吸着面１１ａとこの吸着面１１ａに近接するワーク（保持対象物）Wkと間の細隙１３に高速で流れることにより、当該空気の静圧が負圧になることを利用して、ワークWkを細隙１３を流れる空気の境界層を介して保持するように構成したものある。そして、上記吸着面１１ａは、空気が吹出口１２から放射状に広がるように移動することによる流速の低下に伴って負圧から大気圧以上の正圧に転じる負正転換位置rc以上の広がりを有するように形成されている。
【００２４】
すなわち、非接触吸着ディスクは、一定の厚さの円板によって形成されたディスク本体１１と、ディスク本体１１の軸心部に設けられた連結ボス部１２とにより一体的に形成されている。上記吸着面１１ａは、ディスク本体１１の一方の面に形成され、連結ボス部１２は、ディスク本体１１の他方の面から円柱状に突出するように形成されている。また、連結ボス部１２は、ディスク本体１１の他方の面に対して直交するように形成されている。吹出口１１ｂは、円形状の吸着面１１ａの軸心部に円形状に開口したものである。この吹出口１１ｂからは、ディスク本体１１および連結ボス部１２の軸心部を貫通する吹出流路（流体を吹出口に供給する流路）１２ａが形成されている。
【００２５】
負正転換位置rcは、吹出口１１ｂの中心線Ｃの位置を原点０とした場合に、この原点０から吸着面１１ａに沿って半径ｒの方向（放射方向）に所定量離れた位置にある。この負正転換位置rcについては、後述する理論解析および実施例においてさらに説明する。
【００２６】
また、上記連結ボス部１２は、空気を供給するための図示しないホースに連結されるようになっており、このホースはさらに空気供給源（図示せず）に連結されている。空気供給源は、例えば０．５ＭＰａに加圧された空気を供給するようになっている。
【００２７】
一方、非接触吸着ディスクで保持するワークWkとしては、シリコンウエハーや液晶ガラスのような平板状のもので、直接接触して把持することを嫌うものが最適である。ただし、少なくとも一つの平面部があって気体が著しく浸透しないものであればどのようなワークWkでも保持が可能である。因みに、この第１の実施の形態においては、ワークWkとして円板状のシリコンウエハーを用いた例を示している。
【００２８】
上記のように構成された非接触吸着ディスクにおいては、吸着面１１ａが吹出口１１ｂの原点０から負正転換位置rc以上の広がりを有するように形成されているので、空気が吹出口１１ｂから吸着面１１ａとワークWkとの細隙１３を高速で流れることにより生じる負圧を全て利用して、当該ワークWkを吸引することができる。したがって、吸着効率がほぼ最高の状態でワークWkを保持することができるので、より重いワークWkを保持することができる。
【００２９】
しかも、負圧となる部分には、吹出口１１ｂから放射状に流れる空気の境界層が常時に介在した状態になるので、ワークWkを吸着面１１ａに対して一定のクリアランスｔで安定的に保持することができる。したがって、ワークWkが不安定に揺れるなどの不具合を確実に防止することができる。また、この第１の実施の形態においては、吸着面１１ａが負正転換位置rcからさらに半径ｒの方向に広がっているので、その負正転換位置rcの外方の部分が大気圧にほぼ近い正圧になる。したがって、ワークWkをより安定的に保持することができる。
【００３０】
さらに、空気が吹出口１１ｂから負正転換位置rc以上の位置に放射状に広がることにより、当該空気の速度が半径ｒの２乗に反比例して充分に低下するので、そのまま半径ｒの方向の外方に流出させても、例えばクリーンルームの気流を乱したり、塵埃を巻き上げたりするのを防止することができる。
【００３１】
なお、上記第１の実施の形態においては、連結ボス部１２をディスク本体１１の他方の面に対して直交して突出するように形成し、吹出流路１２ａを連結ボス部１２の軸心部を貫通するように形成した。しかし、吹出流路１２ａは、図３（ａ）に示すように、吹出口１１ｂから所定深さ入りかつその位置から吸着面１１ａに沿って半径方向の外方に延在するように形成してもよい。ただし、吹出流路１２ａのうち半径方向に延在する部分は、ディスク本体１１の他方の面から一定の高さに突出し、かつ当該他方の面の軸心部から半径方向に延在する突条部１４に形成されている。
【００３２】
この場合には、吹出流路１２ａに接続する空気の配管等をディスク本体１１の半径方向の外側に配置することができるので、非接触吸着ディスクをより薄型のもので構成することができるという利点がある。
【００３３】
また、図３（ａ）に示した突条部１４を設けることなく、ディスク本体１１の内部に吹出流路１２ａにおける半径方向に延在する部分を形成し、当該ディスク本体１１の外周面に吹出流路１２ａの開口部を形成するようにしてもよい。この場合には、非接触吸着ディスクをさらに薄型のものにすることができる。
【００３４】
また、図３（ｂ）に示すように、吸着面１１ａの半径方向の外方を環状に囲む周壁部１５を設け、この周壁部１５に、吸着面１１ａから半径方向の外方に流出する空気を吸引する複数の吸引口１５ａを設けてもよい。各吸引口１５ａからは、さらに半径方向の外方に延びる吸引流路１５ｂが設けられている。また、周壁部１５は、ディスク本体１１の他方の面側から半径方向の外方に突出する環状の頂板部１６に一体的に連結されている。これにより、吸着面１１ａと周壁部１５との間には環状の空間部が形成されるようになっている。また、周壁部１５の下端部には、半径方向の内方に向かう環状のリブ１５ｃが形成されている。
【００３５】
このように構成された非接触吸着ディスクにおいては、吸着面１１ａから半径方向の外方に流出する空気を、その空気の動圧を利用して、吸引口１５ａおよび吸引流路１５ｂから効率よく吸引することができる。しかも、リブ１５ｃおよび頂板部１６によって、半径方向の外方に流出する空気が外部に漏れるのを防止することができる。
【００３６】
また、非接触吸着ディスクとしては、図３（ｃ）に示すように、小径のディスク本体１１を複数設けたもので構成してもよい。すなわち、図３（ｃ）において、１７は断面四角形の棒状部材であり、この棒状部材１７の一面に複数のディスク本体１１が設けられている。また、棒状部材１７には、各ディスク本体１１の吹出流路１２ａに連通する吹出流路１７ａが形成されている。
【００３７】
このように構成された非接触吸着ディスクにおいては、小型で強力な吸着力を有するものを提供することができる。
【００３８】
また、流体として空気を用いた例を示したが、この流体としては空気以外の窒素等の他の気体や、水等の液体であってもよい。
【００３９】
（理論解析）
次に、上述した非接触吸着ディスクの原理を理論的に説明する。
図４において、吸着面１１ａと円板状のワークWkとの間に形成される細隙１３内の流れは、流れに沿って流管断面積が増大する点では吹出口をノズルとする末広がりダクトの流れに等価である。通常の末広がりダクトの解析は等エントロピー流れ、すなわちダクト壁面の摩擦力がないとすることが可能である（参１）。
【００４０】
これに対し、ワークWkとの細隙１３内の半径ｒの方向の流れの場合、レイノズル数がある程度まで大きくならないと壁面摩擦力は無視できない。一方、流量が大きくレイノズル数がある程度以上になると気体の運動エネルギーに対し壁面摩擦力が無視できる領域に入ると推定される。先ず、図４のような一般的な形状を有する円筒座標の平行細隙の流れを、多少大胆と思われるが、等エントロピー流れと仮定し解析を進める。
【００４１】
連続の式は、
ρμＡ＝２πｒｔρμ＝Ｑ …（１）
ここに、Ａは流管断面積、ｒは原点０からの半径、ｔは吸着面１１ａとワークWkとのクリアランス、ｕは半径ｒ方向の平均流速、Ｑは気体流量、ρは気体密度をそれぞれ表す。
【００４２】
運動量の式は、
ｕｄｕ＋ｄｐ／ρ＋ｄΦr／ρＡ＝０ …（２）
ここに、ｐおよびΦrは、それぞれ半径ｒにおける静圧（あるいは単に圧力という）および摩擦力を表す。いま、等エントロピー流れを仮定したので、ｄΦr＝０である。さらに、流れのマッハ数が充分小さいときはρ＝const.とできるから、（２）式は
po＝ｐ＋１／２ρｕ2 …（３）
となる。ここに、poは気体流れの全圧を表す。
【００４３】
（１）式より
ｕ＝Ｑ／２πｒｔρ
を（３）式に代入すると、半径方向の圧力変化は、
ｐ＝po−ＣＱ2 ／ｒ2 …（４）
ここに、
Ｃ＝１／（８π2 ρｔ2 ） …（５）
したがって、（４）式によりモデル化した圧力分布は、図５のグラフのように描くことができる。
【００４４】
図５において、roは吹出口１１ｂの半径、rcは負正転換位置を示す。気体速度は、吹出口１１ｂの半径ro位置で最大で半径ｒの２乗に逆比例して減少する。このため、圧力は吹出口１１ｂの半径ro位置で半径ｒの増大とともに増加し、負正転換位置rcにおいて大気圧paに等しくなる。この間は、大気圧paを基準とした負圧が働く。図４において、半径ｒが
ro＜ｒ＜rc
の範囲は吸着面１１ａに吸引力が発生する吸着領域である。
【００４５】
一方、半径ｒが
rc＜ｒ
の範囲は半径ｒの増大とともに圧力は大気圧より高くなり、吸着面１１ａが無限に大きいとき、圧力損失がなければ点線のように
ｒ＝∞
で再び全圧poに達する。実際の非接触吸着ディスクでは、細隙１３内の圧力は図５の実線のように半径ｒの増大に伴って減少し大気圧paに等しくなる。この領域は、ワークWkを押し返す反発領域となる。
【００４６】
非接触吸着ディスクの最大吸着力または最大ワーク荷重Wtmaxは、ワークWkにかかる差圧を
０≦ｒ≦rc
の範囲で積分して求められる。すなわち、
（６）式から、他のパラメーターが一定なら吹出口１１ｂの半径roが小さく、負正転換位置rcが大きいほど吸着力は大きいことがわかる。一般に、粘性摩擦力が無視できない場合、図４の流量Ｑは
Ｑ＝πρｔ3 （po−pa）／６μln（rc／ro） …（７）
で与えられる（参２）。（５）式と（７）式を（６）式に代入すると
【００４８】
ここで、（６）式はdΦr＝０、すなわち、気体の粘性を無視した運動量の式（２）から誘導された結果であり、そこに気体の粘性を考慮して求められた（７）式を代入することに理論的な妥当性に疑問が残るのは否めないが、図４の流れシステムでの我々の関心は、粘性の影響が利くか利かないかの微妙な領域にあるので、誤差の許容範囲内で工学的近似解として採用が許されるであろう。
【００４９】
（８）式は、ワークWkがある距離より吸着面１１ａに近づこうとしてもなかなか接触できない現象に対する物理的要因、すなわち、粘性力の効果を定性的に理解するのに有用である。ここで、簡単のため吸着面１１ａのワークWkに対する吸引力および反発力の力の成分をそれぞれFaおよびFrで表すと、（６）式より任意の値の吸着力Wtの力のバランスは
Wt＝Fa−Fr …（９）
と表される。
【００５０】
すると、レイノルズ数（Ｒｅ＝ρｕｔ／μ）の大きさに応じ、（９）式によって、吸着力と反発力の関係について以下のような説明ができる。
（i）Ｒｅ小（Ｑ小、粘性効果大）のとき、Fa＜Fr
この場合は、Wt＜０となって吸着力は発生しない。
（ii）Ｒｅ大（Ｑ大、粘性効果小）のとき、Fa＞Fr
この場合は、Wt＞０となり、吸着力が発生する。
（iii）ｔ小（Ｑ小、粘性効果大）のとき、Fa＜Fr
この場合は、粘性の効果が大きくなってWt＜０となり反発力によってワークWkが吸着面１１ａから押し離される現象が現れる。
【００５１】
このように、吸着面１１ａとワークWkとの間には、気体流量Ｑとクリアランスｔの値の条件によって、（i）と（iii）の間に粘性効果を打ち消し吸着力を発生する（ii）の狭い流れ条件、言わば、トンネル効果の存在が推測される。（iii）の強い反発力の存在は、非接触性に優れワークWkを傷つける恐れが少ないことを意味する。また、（６）式における第２項は、反発力が吸着面１１ａの中心点から半径rcまで吸着面１１ａの全面に亘り一様な圧力po−paが働いていることを示唆している。
【００５２】
負正転換位置rcは、（４）式から
rc＝Ｑ｛Ｃ／（po−pa）｝1/2 …（９′）
で計算できる。例えば、po−pa＝０．０１ＭＰａ、ｔ＝０．０５ｃｍ、
ρ＝０．００１１８８ｇ／ｃｍ3 （２０℃）、ro＝０．５ｃｍのとき、（９′）式より、
rc＝０．１８Ｑ（ｃｍ）
となる。
【００５３】
流量Ｑの単位は、ｌ／sec（リットル／秒）である。温度２０℃のときの音速は343m／secであるから、roにおける速度すなわち末広がりダクトのノズルの流速が音速を超えられない（参１）ことから、理論的に得られる最大流量Ｑmaxはこの場合
２７１／sec（２７リットル／秒）
となる。
【００５４】
したがって、
rcmax＝４．９ｃｍ
を得る。ちなみに、ro＝０．６ｃｍ、ro＝０．７ｃｍのとき、それぞれ
rcmax＝７．０ｃｍ
rcmax＝９．５ｃｍ
となる。このように、有用な吸着面１１ａの径は吹出口１１ｂの径の増大に伴い大きくなる。ただし、roは必要な流量を供給できるように、コンプレッサー（空気供給源）からのガス管の最小径以下でなければならないことは言うまでもない。
【００５５】
次ぎに、図６および図７のように円板の半径方向にテーパーをつけた細隙流れの場合の吸着力への影響を調べてみることにする。
比較のため、流れの範囲はいずれも平行細隙の負正転換位置rcに一致させる。テーパーはそれぞれ図６および図７に示すように、負正転換位置rc及び吹出口１１ｂの半径ro位置におけるクリアランスが平行な細隙１３のクリアランスｔのｎ倍となるように施す。すると、任意の半径ｒの位置でのクリアランスが三角形の比例関係からｎ、ro、rc及びｔで表され、平行面の細隙流れの場合と同様の手順で、図６及び図７のそれぞれの吸着力Wt′max及びWt″maxが求まる。
【００５６】
すなわち、図６の広がり細隙の場合
ａ＝(rc′−ｎro)／(rc′−ro) …（１２）
rc′＝rc／ｎ …（１３）
rc′は、末広がり細隙の負正転換位置の半径を示す。
【００５７】
また、図７の先細り細隙の場合
ｂ＝(ｎrc″−ro)／(rc″−ro) …（１５）
rc″＝rc …（１６）
rc″は先細り細隙の負正転換位置の半径を表す。
【００５８】
（１１）式、（１４）式は、ｎ＝1のとき、共に平行細隙１３の場合の（６）式に帰結する。図６の場合の負圧から正圧へ転換する点は、rc′＝rc／ｎとなり、吸引力を発揮する部分は平行細隙流れに比し常に小さくなる。一方、図７の場合は、rc″＝rcとなって平行細隙と同様にro≦ｒ≦rcの全域で負圧が発生する。
【００５９】
これら２つのケースの吸引力、Fa′、Fa″を平行細隙１３の流れの吸引力Faと数値的に比較して見るとその差が明確になる。例えば、
ro＝０．５ｃｍ
rc＝５ｃｍ
ｎ＝３
のとき、
Fa′／Fa＝０．４９ …（１７）
Fa″／Fa＝０．２３ …（１８）
を得る。
【００６０】
すなわち、この例題においては、テーパーを施した細隙の流れは吸引力が平行細隙１３の流れの場合に比し、図６の場合で49％、図７の場合で23％まで低下する結果となることが知られる。因みに、平行面の細隙のサイズをrc′に合わせても（１７）式の関係は変わらない。このように、発生する吸引力は、平行細隙１３の流れの場合が最も大きく、吸着効率が最も高いということが分かる。
【００６１】
【実施例】
以下、この発明の実施例を実験例に基づいて説明する。
１．実験に供した非接触吸着ディスク
▲１▼ Ｐ１４０φ・１０φ
平行細隙の非接触吸着ディスクであり、図１に示した非接触吸着ディスクに対応している。ただし、
ディスク本体の径：１４０φ
吹出口の径 ： １０φ
厚さ ： １０ｍｍ
材質 ：アクリル樹脂
である。
【００６２】
▲２▼ Ｐ３７８φ・２３φ
平行細隙の非接触吸着ディスクであり、図１に示した非接触吸着ディスクに対応している。ただし、
ディスク本体の径：３７８φ
吹出口の径 ： ２３φ
厚さ ： １０ｍｍ
材質 ：アクリル樹脂
である。
【００６３】
▲３▼ Ｔ１５０φ・５φ
平行細隙の薄型非接触吸着ディスクであり、図３（ａ）に対応したものである。ただし、吹出流路１２ａがディスク本体１１内を軸心部から半径方向外方に延在するように形成したものに対応している。また、
ディスク本体の径：１５０φ
吹出口の径 ： ５φ
厚さ ： １５ｍｍ
材質 ：アクリル樹脂
である。
【００６４】
▲４▼ Ｓ１０φ・１φ
平行細隙の小型非接触吸着ディスクであり、図１に対応したものである。ただし、ディスク本体１１が負正転換位置rcより充分小径のもので構成されている。また、
ディスク本体の径：１０φ
吹出口の径 ： １φ
厚さ ： １０ｍｍ
材質 ：黄銅
である。
【００６５】
▲５▼ Ｄ１２０φ・１０φ
末広がりテーパー状の非接触吸着ディスクであり、図６に対応したものである。ただし、
ディスク本体の径：１２０φ
吹出口の径 ： １０φ
テーパー ：ｔ＝１ｍｍに対してｎ＝４
材質 ：ステンレス鋼
である。
【００６６】
▲６▼ Ｃ１２０φ・１０φ
先細りテーパー状の非接触吸着ディスクであり、図７に対応したものである。ただし、
ディスク本体の径：１２０φ
吹出口の径 ： １０φ
テーパー ：ｔ＝１ｍｍに対してｎ＝４
である。
【００６７】
２．実験用のワーク
図８に示す円板状のワークWk１を用いた。
すなわち、
径 ：１５０φ
厚さ ： １０ｍｍ
材質 ：アクリル樹脂
圧力取出孔ｈの径 ：１φ
圧力取出孔ｈの位置：中心から半径方向に１０ｍｍおきに形成
【００６８】
３．実験装置
▲１▼作動気体
空気を使用した。
▲２▼空気供給源
最大0．5ＭＰａ（５atm）に加圧されたエアーコンプレッサを使用した。
▲３▼圧力計
大気圧以上の正圧はSMC製G46-10-02、
負圧はSMC製GZ46-A-02、
微弱な圧力は正圧、負圧ともに４φのビニールチューブによるマノメータ（水を利用）を使用した。
▲４▼クリアランスｔの測定
隙間ゲージを用いた。
▲５▼吸着力（荷重）の測定
ワークWk１に異なる荷重の分銅を吊り下げることによって測定した。
【００６９】
４．実験結果および考察
図９は、ワークWk１の中心における圧力取出孔ｈ１で測定した圧力、すなわち全圧（全圧＝動圧＋静圧）poと、各非接触吸着ディスクによる最大荷重（最大吸着力）Wtmaxとの関係を測定したものである。
【００７０】
平行細隙の非接触吸着ディスクの場合、最大荷重Wtmaxは、Ｐ１４０φ・１０φでは４kgfを越え、Ｔ１５０φ・５φでは３kgf近くまで得られた。これに対して、末広がりテーパー状の非接触吸着ディスクであるＤ１２０φ・１０φの場合は、最大荷重Wtmaxが１kgf弱までしか得られない。また、先細りテーバー状の非接触吸着ディスクの場合は、最大荷重Wtmaxが０．２kgfまでしか得られなかった。
【００７１】
（６）式と（７）式から、最大吸着力Wtmaxと流量Ｑとの間には、一定のroに対してはWtmax∝Ｑ∝poの関係があることが分かる。図９の結果は、最大吸着力Wtmaxの全圧poに対する線形の比例関係を良く表している。平行細隙の非接触吸着ディスクに着目すると、半径roが１０φの方が５φより吸着力が大きくなっている。
【００７２】
一方、（６）式においてＱが一定ならば吹出口１１ｂの半径roが小さいほど最大吸着力Wtmaxは大きくなる。したがって、（６）式の解釈としては、一定の流量のもとでは半径が小さいほど吸着カは大きい、と理解するのが妥当と思われる。
【００７３】
図１０〜図１４は、上記各非接触吸着ディスクの中心（原点０）からの距離によって変化する圧力分布の測定結果を示している。ただし、これらの圧力分布の図には、測定点の間隔が粗く吹出口１１ｂ付近の詳細な圧力測定がなされなかったために、吹出口１１ｂの半径ro内では圧力が吹出し動圧に等しくほぼ一定で半径roの位置から急激に減圧する分布（図示せず）となる傾向は表されていない。
なお、圧力の大きさは、
（p−pa）／（po−pa）
によって無次元化している。このため、無次元圧力は中心点の全圧poで１、大気圧で０、大気圧より小さい圧力即ち負圧はマイナス値で表される。いずれのケースも、一部の例外を除き圧縮空気弁を全開にしたときの最大荷重のときの圧力分布である。ただし、図１４については、実験の都合上マイナス荷重、即ち、荷重を吹出口の上に乗せた状態で行なった結果を示す。
【００７４】
この実験における目的の一つに、非接触吸着ディスクの形状に応じた吸引力の比較がある。この場合、グラフに示される負圧の大きさからは感覚的に吸引力の強さを比較できない点に注意が必要である。例えば、無次元負圧の値は、小さい吸着力に対してはpo−paが小さいため大きくなり、逆に、po−paが大きく吸着力が大きいケースでは小さくなる。
【００７５】
図１０は、上記Ｐ１４０φ・１０φ（平行細隙の非接触吸着ディスク）による実験結果であり、３つの異なる全圧poに対して分銅による最大荷重Wtmaxを作用させた際の圧力分布を測定したものである。最大荷重Wtmaxは、それぞれ０．３kgf、０．９６kgf、２．８２kgfのように変化した。
【００７６】
図１０は、本実験の細隙の流れの典型的な圧力分布の特徴を表している。この結果から、空気力学的に興味深い幾つかの定性的な特徴が観察できる。先ず、最大負圧の位置は、吹出口の半径ro位置にはなく、同位置より半径方向の下流にずれ込んでおり、最大荷重Wtmaxの増加とともに更に下流側へと移動している。圧力は最大負圧を通過したあと半径方向の下流側に向かうにしたがって次第に増加してゆき、やがて大気圧を越え正圧に転換している。
【００７７】
この負正転換位置rcは、最大荷重Wtmaxとともに大きくなり、半径約20mm以上では著しい増加は見られない。半径が負正転換位置rcを越えると圧力は下流側のディスク本体の全面（吸着面）に弱い正圧を維持しつつ、一旦、最大値に達したのち次第に減少していき、ディスク本体の外縁において大気圧に等しくなる。なお、データの平準化の影響で、負正転換位置rcを越えた直後での近似曲線がやや誇張されている。負圧の圧力分布曲線を見ると、定性的にラヴァールノズルを流れる圧縮性気体の圧力変化に似ているのが興味深い。この点については後で触れる。
【００７８】
図１１は、上記Ｄ１２０φ・１０φ（末広がりテーパー状の非接触吸着ディスク）による実験結果であり、３つの異なる全圧poに対して分銅による最大荷重Wtmaxを作用させた際の圧力分布を測定したものである。最大荷重Wtmaxは、それぞれ０．３０kgf、０．４１kgf、０．９５kgfのように変化した。ただし、０．３０kgfについては２種類の実験を行っている。
【００７９】
図１１の圧力分布は、図１０とほぼ同様の定性的傾向を示している。特に、最大荷重Wtmax＝０．３０kgfに対しては、必要最小限の全圧poと必要以上の過剰の全圧poの２つのケースについての測定結果を示している。図中、負圧の値が大きい方が前者の圧力分布に相当する。末広がりテーパーのケースでは、負圧の最大値が比較的吹出口の半径roに近い位置に発生し、負圧正圧転換位置rcが半径約２０ｍｍ付近にあり、最大荷重が変化しても殆ど変わらない。また、その位置より下流側の正圧は極めて小さく殆ど大気圧に等しい。なお、図１１には示されていないが、この場合の吸着に当たってはワークWk１が揺動するなどしてその保持が不安定であり、図１０で示したＰ１４０φ・１０φの平行細隙の非接触吸着ディスクの安定性が極めて高かったのと対照的であった。
【００８０】
（１３）式によると、この場合ｎ＝４であるから負圧正圧転換位置rcは平行細隙の非接触吸着ディスクの負正転換位置rcの１／４とならねばならない。しかるに、この実験結果は両者ともほぼ同等の値を示している。この不一致点については、クリアランスtが双方で同一でなく、理論式の比較の前提とした条件が満足されないことに起因していると思われる。この点を明らかにするためには、より精確な実験データの収集が必要である。しかしながら、双方で、ほぼrc＝２０mm近傍でまとまっているのは興味深い。
【００８１】
図１２は、上記Ｃ１２０φ・１０φ（先細りテーパー状の非接触吸着ディスク）による実験結果であり、１つの全圧poに対して分銅による０．２５kgfの最大荷重Wtmaxを作用させた際の圧力分布を測定したものである。
【００８２】
図１２の圧力分布は、計測装置のワークWk１の自重の関係で最大荷重の1ケースのみを示している。この場合は、全圧poに対し負圧が極端に小さいが、負圧の範囲は半径約３０ｍｍと比較的大きくなっている。負正転換位置rcより下流域ではほぼ大気圧に等しくなっている。
【００８３】
図１３は、Ｔ１５０φ・５φ（平行細隙の薄型非接触吸着ディスク）による実験結果であり、４つの異なる全圧poに対して分銅による最大荷重Wtmaxを作用させた際の圧力分布を測定したものである。最大荷重Wtmaxは、それぞれ０．２４kgf、０．４５kgf、０．８３kgf、３．１kgfのように変化した。
【００８４】
図１３の圧力分布の定性的傾向は、図１０の場合に類似している。負正転換位置rcは概ね２０ｍｍ付近で収束しており、それより下流域での正圧の値は図１０の場合より小さくなっている。
【００８５】
図１４は、Ｐ３７８φ・２３φ（平行細隙の非接触吸着ディスク）による実験結果である。この場合は、実験装置の都合で、吹出口を上向きにし、荷重を逆に受けた状態で荷重W＝０．２４kgfを一定にして圧力弁を全開まで３通りに変化させ、これにより全圧poを３通りに変化させた各状態において、圧力分布を測定した結果を示す。この場合、吹出口の径roを大きくした場合の効果は、負圧領域が広くなること、即ち、負正転換位置rcが半径約３０ｍｍと大きくなっているところに見ることができる。この事は、流量を大きくする事によって負圧領域が拡大することを示している。また、全圧poを変化させても圧力分布のパターンはほとんど変化しないという有意な特徴が発見できた。
【００８６】
前述したように、細隙内の圧力分布は、ラヴァールノズルの適正膨張流れの圧力分布（参１）と定性的に類似の分布を示している。図５の圧力分布モデルでは、吹出口の半径roで全圧poと負圧pの最大値とが不連続で接しており、流体は吹出口の半径roから単調に減速する形になっている。しかしながら、現実の圧力分布を見ると、明かに、吹出口の半径roの近傍における流管断面積の増加率が最大、即ち、流速の減速度が最大の領域で流体が加速していることを示している。この実験結果から、吹出口の近傍において、空気力学的な見かけ上のラヴァールノズルが形成されていることが想像できる。
【００８７】
図１５は、この見かけ上のラヴァールノズルがワークを鏡面とする映像と対になって形成されているという仮説に基づいて描いた図である。図１５の虚実のノズルを上下に隔離するｒ座標軸に平行な平面があって、それが実体が無く仮想のものであっても、ノズルは上下対称の流れを維持しつづけると考える。ノズル内の流れは流量に応じた一定の圧力分布を示すとともに、平面は上下に発生する吸引力の釣り合いにより固定されるはずである。
【００８８】
この版説を暗示する例として、上述したＰ１４０φ・１０φ（平行細隙の非接触吸着ディスク）の吸着面に、パウダーで表面処理した透明の薄膜を近づけると、当該薄膜は吸着面に被接触で吸着されるとともに、平らに保持された状態を維持しつづける。ただし、この状態は吹出口から吹き出す空気の動圧が強力になり過ぎると崩れ、中央付近が膨らむとともに、その中央部に向かって皺がよった状態になり、やがて吹き飛ばされてしまい、定常流れはもはや維持できなくなる。
この実験で興味深いのは、吹出口から吹き出す空気の動圧成分が大きいにもかかわらず、薄膜は吹出口付近において膨らむことなく全面にわたって平面を形成している点である。この現象から、上述の見かけ上のラヴァールノズルを形成するミラー効果の仮説が推測されるのである。
【００８９】
また、上記Ｓ１０φ・１φ（平行細隙の小型非接触吸着ディスク）については、計測装置の能力の関係で圧力分布は測定できなかつた。しかしながら、わずかに１０φの吸着面でも８０ｇのタイルを容易に吸着することができることを確認した。
【００９０】
最後に、クリアランスｔの測定結果について考察する。（９）式を
Fr＝Fa−Wt
と書くと、Fr、Faの値がともにWtの値に比し大きい場合、（８）式によって
Ｑ∝（po−pa）
であるから、吊り下げ荷重Wtを変化させてもクリアランスtの値は大きく変わらないことが推測される。本実験では、クリアランスtの値は、数グラムの荷重では約１ｍｍ、約１kgfの荷重では約０．５ｍｍであった。あるWtの値に対し吸着力が働いているとき、Ｑの値をいくら大きくしてもクリアランスｔの値は上記の範囲で殆ど変化がないことが観察された。しかしながら、本実験でのクリアランスｔの測定には、隙間ゲージを用いたため、精度はそれほど期待できない。
【００９１】
以上の理論的考察及び実験結果から、非接触吸着ディスクの形状としては、図１および図２に示すものが最良という結論に到達する。そして、これらの図に示す非接触吸着ディスクは、円板状のディスク本体１１と、その軸心部に吹出口１１ｂを有する最も基本的な技術要素を成すユニットであることから、構造が簡単であり、加工が容易である上に、単体当たりの吸着力が実験したものの中で最高の4kgfまで得られ、このため応用範囲も広いという有利な効果を備えている。
なお、一定流量に対する最大吸着荷重については、吹出口の径１０φ（半径ro＝５ｍｍ）、ディスク本体の径１５０φの非接触吸着ディスクの場合、空気流量１１００リッター／ｍｉｎのとき最大吸着荷重８ｋｇｆ以上となるデータ（図示せず）が得られている。
【００９２】
また、上記（参１）、（参２）で示した参考文献は以下の通りである。
（参１）：Shapiro、A.H.、The Dynamics and Thermodynamics of Compressible Fluid Flow,Vol.II,Chapter 21,The Roland Press Company,New York,1954（参２）：機械工学便覧 基礎編 応用編、日本機械学会編、1991年9月30日発行、A5-41pp.
【００９３】
（第２の実施の形態）
次に、この発明の第２の実施の形態について、図１６〜図１７を参照して説明する。ただし、第１の実施の形態で示した構成要素と共通する要素には同一の符号を付しその説明を簡略化する。
この第２の実施の形態で示す非接触吸着ディスク１は、吸着面１１ａが吹出口１１ｂの外側に平面状に広がる内側吸着面１１ｃと、この内側吸着面１１ｃの外側に平面状に広がる外側吸着面１１ｄとによって形成されている。
【００９４】
内側吸着面１１ｃは、吹出口１１ｂの中心線Ｃを中心にして円形状に形成されており、その外周縁から直角に立ち上がる段状境界面１１ｅを介して外側吸着面１１ｄにつながっている。すなわち、内側吸着面１１ｃは、外側吸着面１１ｄに対して微小段差δ分だけ平行にずれて凹状に形成された状態になっている。なお、微小段差δは、内側吸着面１１ｃと外側吸着面１１ｄとの高低差を意味する。
【００９５】
そして、微小段差δは、吹出口１１ｂから内側吸着面１１ｃとワークWkとの間の内側細隙１３ａおよび外側吸着面１１ｄとワークWkとの間の外側細隙１３ｂを流れる空気（流体）が少なくとも内側細隙１３ａにおいて高速となって負圧を生じさせるような寸法に設定されている。すなわち、微小段差δは、０．０５〜３．０ｍｍに設定されている。
【００９６】
また、上記内側吸着面１１ｃは、吹出口１１ｂの中心から７．５〜２５ｍｍの半径に形成されている。すなわち、段状境界面１１ｅは、吹出口１１ｂの中心線Ｃを中心にして半径が７．５〜２５ｍｍの範囲にあって、円形状に形成されている。
なお、上記内側吸着面１１ｃは、微小段差δを超えない高さ以下の凸凹形状にしてもよく、内側吸着面１１ｃの外周縁（あるいは段状境界面１１ｅ）は、上記のように円形でなくてもよい。すなわち、三角形、四角形、五角形、六角形等の多角形状、星形状、楕円状等であってもよい。
【００９７】
上記のように構成された非接触吸着ディスクにおいては、吹出口１１ｂから噴出した空気が少なくとも内側細隙１３ａを流れる際に高速になることにより、静圧が低下し、当該内側細隙１３ａ内が負圧になる。したがって、ワークWkを吸着する力を維持することができる。
ただし、微小段差δを設けることによって、内側細隙１３ａを流れる空気の流速が低下することになるので、当該空気のレイノルズ数が低下することになる。したがって、内側細隙１３ａを流れる空気が乱流側から層流側に変化することになるので、例えば微小段差δを設けていない場合には騒音やワークWkに振動が生じる場合でも、当該微小段差δを設けることによって、当該騒音や振動の発生を防止することができる。すなわち、加振源を断つことによって、非接触吸着ディスクの騒音や振動を防止することができる。
【００９８】
また、微小段差δが０．０５〜３．０ｍｍであることから、防音効果と防振効果および吸着効果を共に得ることができる。そして、上記のような寸法に設定したのは、０．０５ｍｍ未満になると、流速の低減効果が少なくなることから、非接触吸着ディスクの防音および防振を図ることが困難になるからである。また、３．０ｍｍを超えた場合も非接触吸着ディスクの防音効果と防振効果が低下するためである。
ただし、防音効果と防振効果をより確実に得るためには、微小段差δを０．１〜２．５ｍｍに設定することが好ましく、さらには０．１〜２ｍｍに設定することが好ましく、さらには０．１〜１．５ｍｍが好ましく、そしてさらには０．１〜１．０ｍｍに設定することがより好ましい。
【００９９】
さらに、内側吸着面１１ｃが吹出口１１ｂの中心から７．５〜２５ｍｍの半径範囲内に形成されているので、防音効果と防振効果および吸着効果を共に得ることができる。そして、上記のような寸法に設定したのは、７．５ｍｍ未満になると、非接触吸着ディスクの防音効果と防振効果が低下するからである。また、２５ｍｍ以下であれば防音効果と防振効果が十分得られるからである。
ただし、防音効果と防振効果および吸着効果をより確実に得るためには、内側吸着面１１ｃを吹出口１１ｂの中心から１０〜２０ｍｍの半径範囲内に形成することが好ましく、さらには１５〜２０ｍｍの半径範囲内に形成することが好ましい。
【０１００】
（理論解析）
次に、上記第２の実施の形態で示した非接触吸着ディスクの原理を理論的に説明する。
すなわち、第１の実施の形態で示した微小段差δのないものは、最大級の吸着力が得られる反面、ワークWkによっては騒音や振動が発生することがある。例えば、ガラスのような塑性を有するものや薄い紙などの板状のワークWkの場合には、騒音や振動が発生しやすくなる。
【０１０１】
図１８は、非接触吸着ディスクとして第１の実施の形態で示したものを用い、ワークWkとしてガラス板を用いた場合の振動領域、圧力分布等を調査した結果を示している。振動領域は、非接触吸着ディスクにおける吹出口１１ｂ付近の流れが生じている部分の上面を手で触れて確認した結果に基づくものである。
【０１０２】
この図に示すように、振動の発生源は、吹出口１１ｂのやや下流側に位置し、負圧の発生領域とほぼ一致していることがわかる。したがって、空気が高速で流れることに振動発生の原因があると仮説を立てて理論解析を行い、最終的に微小段差δを形成することによって防音効果と防振効果があることを導き出した。
【０１０３】
まず、非接触吸着メカニズムの解析には、流体の運動量差による力と、圧力差による力の相互作用を考慮しなければならない。ここでは、運動量の変化は関係しないので後者の圧力差による力をもとに検討すれば足りる。非接触吸着ディスクの圧力差に起因する吸着力は、微小段差δがない場合（図４参照）には上述した（６）式および（５）式で表すことができる。そして、この（６）式および（５）式から、
Wtmax ∝ １／ｔ2 …（１９）
の関係が得られる。
【０１０４】
最大ワーク荷重Wtmax、すなわち吸着力は、磁力や引力に共通する不安定性を有し、ワークWkの重量に応じたクリアランスｔの閾値が存在する。つまり、ワークWkは、吸着面１１ａにｔの閾値まで近づくと吸引力に支配され、反発力と吸引力とがバランスする最小クリアランスｔmin（図示せず）まで引き寄せられ、その非接触状態のまま落ち着いて安定した状態になる。
【０１０５】
細隙１３内における半径ｒ方向の平均流速ｕと、吸着面１１ａとワークWkとの間のクリアランスｔとの関係は、
ｕ＝Ｑ／２πｒｔ ∝ １／ｔ…（２０）
となる。
【０１０６】
（１９）式および（２０）式から、何らかの方法でワークWkを吸着状態のｔminより大きい位置に保持するれば、最大ワーク荷重Wtmaxも流速ｕも共に減少することになる。そして、流速ｕの減少によって、振動領域のレイノルズ数が低下することになるので、空気の流れを乱流から層流側に移行させることができ、これによって加振源を断って、流体の振動を抑制することが期待できる。
【０１０７】
そこで、上記ｔminより大きなクリアランスｔを保持する手段として、図１６に示す内側吸着面１１ｃおよび外側吸着面１１ｄを有する非接触吸着ディスクを試作した。この非接触吸着ディスクを用いた場合には、外側吸着面１１ｄとワークWkとの間がクリアランスｔminに保持され、内側吸着面１１ｃとワークWkとの間はｔmin＋δのクリアランスに保持されることになる。すなわち、内側吸着面１１ｃとワークWkとの間のクリアランスをｔiとすると、
ｔi＝ｔmin＋δ…（２１）
となる。
【０１０８】
したがって、最大ワーク荷重Wtmaxおよび内側吸着面１１ｃを流れる流速ｕは、共に微小段差δのない場合に比べて小さくなるとともに、流体の振動の抑制を図ることができると推定できる。
一方、外側吸着面１１ｄにおいては、段状境界面１１ｅの位置によって変化する内側吸着面１１ｃの影響を受ける。図１９は、図５の圧力分布モデルを微小段差δを有する場合に当てはめた圧力分布モデルを表している。
【０１０９】
この圧力分布モデルにしたがえば、段状境界面１１ｅの半径が内側吸着面１１ｃの負正転換位置rcより外側にあるとき、すなわち、rc＜d/2のときは、図１９のように内側吸着面１１ｃと外側吸着面１１ｄの双方に負圧が発生し、その中間に正圧が発生する分布となり得る。
一方、rc＞d/2のときは、図１９の圧力分布と同様の分布形状となるものの、内側吸着面１１ｃと外側吸着面１１ｄとの中間に正圧が発生することがない。
【０１１０】
また、内側吸着面１１ｃに発生する吸着力に及ぼす微小段差δの影響は、次のように推定することができる。例えば、内側吸着面１１ｃの範囲内でのみ負圧が発生していると仮定すると、微小段差δがある場合の最大ワーク荷重Wtmaxiと、微小段差δがない場合の最大ワーク荷重Wtmaxとは、（１９）式から
Wtmaxi／Wtmax ∝ （ｔmin／ｔi）2 …（２２）
となる。
【０１１１】
ここで、δ＝０．５ｍｍとした場合の簡単な計算例を示す。例えば、実験的に観察されるデータに基づき、仮に、ｔmin＝０．５ｍｍ、Wtmax＝３kgfとすると、ｔi＝１．０ｍｍとなるので、
Wtmaxi＝０．２５Wtmax＝０．７５（kgf） …（２３）
となる。
【０１１２】
すなわち、０．５ｍｍの段差がついた場合の吸着力は、段差がない場合の吸着力の約１／４になることになる。
そして、段状境界面１１ｅの径ｄが小さくなるにつれ、最大ワーク荷重Wtmaxiは（２３）式の値より小さくなるはずである。しかしながら、段状境界面１１ｅは外側吸着面１１ｄに対する吹出口として作用することにもなるので、段状境界面１１ｅの径ｄの減少によって、外側吸着面１１ｄに負圧が生じるとともに、その負圧が増大することにもなる。したがって、段状境界面１１ｅの径ｄが小さくなるにしたがって、内側吸着面１１ｃおよび外側吸着面１１ｄの全体としての吸着力が大きくなることも予想される。
【０１１３】
【実施例】
以下、上記第２の実施の形態で示した非接触吸着ディスクの実施例を実験結果に基づいて説明する。
１．実験に供した非接触吸着ディスク
内側吸着面および外側吸着面を有する非接触吸着ディスクであり、図１６、図１７に示した非接触吸着ディスクに対応している。ただし、
ディスク本体の径：１４０φ
吹出口の径 ：５φ、１０φ
段状境界面の径 ：２０φ、３０φ、４０φ
微小段差 ：０．１、０．２、０．５、１．０、１．５、２．０ｍｍ
厚さ ：１０ｍｍ
材質 ：アクリル樹脂
である。
【０１１４】
２．実験用のワーク
図８に示す圧力測定が可能な円板状のワークWk１を用いた。すなわち、前述した第１の実施の形態に関する実施例と同一のワークWk１を用いた。その他の実験装置等も、第１の実施の形態の実施例で示したものと同一である。
【０１１５】
３．実験結果
表１および表２は、吹出口の径が５φ（半径roが２．５ｍｍ）のものと、吹出口の径が１０φ（半径roが５ｍｍ）のものの実験結果をそれぞれまとめたものである。また、図２０〜図２７は、表１および表２のデータをグラフ化したものである。さらに、実際に圧力分布を測定した結果は、図２８〜図３６に示した。
【０１１６】
【表１】
【表２】
表１および表２において、δは微小段差であり、ｄは段状境界面の径であり、Wtmaxは最大ワーク荷重（吸着力）であり、ｔminは外側吸着面とワークWk１との間のクリアランスである。
なお、防音防振効果は、耳および指先等の感覚を用いた官能検査の結果を示したものであり、◎印は振動および騒音が全く気にならない状態、○印は振動および騒音がほとんど気にならない状態、△印は振動が気になるが騒音が気にならない状態、×印は振動および騒音が気になる状態を意味している。また、◎○印は◎印と○印との中間的な状態、○△印は○印と△印の中間的な状態、△×印は△印と×印との中間的な状態を意味している。ただし、△×印以上であれば、ワークWk１を吸着して搬送する上で、騒音および振動が障害になることがない。
【０１１９】
４．考察
図２０および図２１から、微小段差δが小さいほど、防音効果と防振効果が高くなる傾向にあることがわかる。そして、この傾向は、吹出口の径が５φから１０φへ大きくなるほど顕著である。また、段状境界面の径ｄが大きくなるほど防音効果と防振効果が高くなることがわかる。
【０１２０】
例えば、図２０で示す吹出口の径が５φの場合は、段状境界面の径を４０φとすることによって、微小段差δが少なくとも３．０ｍｍ程度までは△印以上の防音効果と防振効果があり、振動、騒音の面で支障なく使用可能であると推定できる。これは、図２０の鎖線で示すように、微小段差δが２．０ｍｍまでのデータに基づいて推定したものである。したがって、微小段差δを２．５ｍｍ以下にすればより支障のない状態にすることができるとともに、微小段差δを２．０ｍｍ以下にすれば、確実に支障のない状態にすることができ、さらに１．５ｍｍ以下、１．０ｍｍ以下にすることによって、防音効果と防振効果の向上を図ることができる。
【０１２１】
また、実験データはないが、微小段差δが０．０５ｍｍ未満になった場合には、当該微小段差δが小さくなりすぎて、内側吸着面と外側吸着面とが面一状になることから、防音効果と防振効果が低下するものと推定できる。
【０１２２】
したがって、微小段差δは、０．０５〜３．０ｍｍに設定することによって、振動、騒音の面で支障なく使用することができる。ただし、防音効果と防振効果をより確実に得るためには、微小段差を０．１〜２．５ｍｍに設定することが好ましく、さらには０．１〜２ｍｍに設定することが好ましく、さらには０．１〜１．５ｍｍ、そしてさらには０．１〜１．０ｍｍに設定することがより好ましい。
【０１２３】
一方、段状境界面の径ｄは、図２２および図２３に示すように、大きくなるほど防音効果と防振効果が高くなる。例えば、図２２の吹出口の径が５φの場合は、微小段差δが０．５〜２．０ｍｍのいずれの場合も、少なくとも５０ｍｍ（吹出口の中心から２５ｍｍ）までは防音効果と防振効果が高いと推定できる。ただし、これは、段状境界面の径ｄが４０ｍｍまでのデータに基づいて推定したものである。段状境界面の径ｄが４０ｍｍであれば、防音効果と防振効果が確実に得られる。
また、段状境界面の径ｄが２０ｍｍ未満になると、微小段差δが０．５ｍｍや１．０ｍｍの場合も、防音効果と防振効果が△印未満に低下することが推定される。ただし、段状境界面の径ｄが１５ｍｍ（吹出口の中心から７．５ｍｍ）であれば、十分△×印以上の範囲に入ることが推定できる。
【０１２４】
したがって、段状境界面の径ｄは、１５〜５０ｍｍの範囲内に形成することによって、振動、騒音の面で支障なく使用することができる。ただし、防音効果と防振効果をより確実に得るためには、段状境界面の径ｄは、２０〜４０ｍｍの範囲内に形成することが好ましく、さらには３０〜４０ｍｍの範囲内に形成することが好ましい。
ただし、吹出口の径が５φ（半径roが２．５ｍｍ）より小さい場合は、吹出口の中心から数ミリの半径範囲まで小さくしても、防音および防振に有効に効果が表れるデータ（図示せず）が得られている。すなわち、吹出口の径が５φ未満の場合は、段状境界面の径ｄを５〜５０ｍｍの範囲に設定しても、許容可能な吸引力を維持しつつ、防音および防振に効果のあるデータが得られた。
【０１２５】
また、吸着力としての最大ワーク荷重Wtmaxは、図２４および図２５に示すように、微小段差δの増大に伴って減少する傾向にある。
さらに、最大ワーク荷重Wtmaxは、図２６に示すように、段状境界面の径ｄの増大に伴って減少する傾向にある。
【０１２６】
さらに、外側吸着面とワークWk１との間のクリアランスｔminは、図２７に示すように、最大ワーク荷重Wtmaxの増大にともなって減少する傾向にある。また、クリアランスｔminは、微小段差δの増大に伴って増大する傾向にある。
【０１２７】
なお、上述した微小段差δの範囲は、十分大きな最大ワーク荷重Wtmax（吸着力）を得るという見地からすれば、図２４および図２５に示すように、２．５ｍｍ以下に設定することが好ましく、さらには２ｍｍ以下に設定することが好ましく、さらには１．５ｍｍ以下に設定することがより好ましく、またさらには１ｍｍ以下に設定することがより好ましい。
【０１２８】
また、上述した段状境界面の径ｄの範囲についても、十分大きな最大ワーク荷重Wtmaxを得るという見地からすれば、図２６に示すように、４０ｍｍ以下に設定することが好ましい。
なお、図２４〜図２６に示すデータとは別に、異なる試験装置により、一定流量に対する最大ワーク荷重Wtmaxは、吹出口径１０φ、微小段差０．２ｍｍ、段差径（段状境界面の径）３０φの吸着ディスクにおいて、流量１１００リッター／minのとき６．５kgf、また、吹出口径５φ、微小段差０．２ｍｍ、段差径３０φの吸着ディスクにおいて、流量６５０リッター／minのとき６．０kgfとなるデータ（図示せず）が得られている。
【０１２９】
次に、図２８〜図３６に示した圧力分布の測定結果について説明する。
図２８〜図３２は吹出口の径が５φのものに関する測定結果である。図２８においては、微小段差δのない場合の圧力分布もプロットしている。微小段差δがあるものは、ないものに対して、負圧が半径方向に広がり最大負圧が小さくなっており、このことから、流速が減少し流体の振動が抑制されていることが窺える。さらに、微小段差δを有するものは、一旦、正圧になった後、再び負圧になる図１９の圧力分布モデルにしたがった圧力分布の曲線形状を示していることが確認できる。
【０１３０】
また、図２９に示すように、段状境界面の径ｄの違いによって、圧力分布の異なったものになることがわかる。これは、段状境界面の径によって圧力分布を調整できる可能性のあることを示している。
【０１３１】
さらに、図３０において、段状境界面の径ｄが２０ｍｍのものは、その圧力分布が微小段差δがないものに近似した状態になっている。これは、内側吸着面において負圧から正圧に転換し、段状境界面そのものが吹出口として作用しているためと思われる。この傾向は、例えば図３１および図３２の圧力分布においても観察され、微小段差δが大きいほど顕著である。このような圧力分布となる場合には、騒音や振動が発生する傾向にあった。したがって、段状境界面の径ｄが１５ｍｍ未満では防音効果と防振効果が少ないといえる。
【０１３２】
図３３〜図３６は吹出口の径が１０φのものに関する測定結果である。なお、図３５には、比較のために微小段差δがない場合の圧力分布もプロットしている。
吹出口の径が１０φの場合も、上述した吹出口の径が５φの場合と同様に、微小段差δによる効果が顕著に現れている。なお、吹出口の径が５φの場合に比して、負圧の絶対値が大きくなっているのは、１０φのものは吹出口における動圧の値が小さくなっているためである。
【０１３３】
以上、吸着面における適切な位置に段状境界面を設けることによって、吸着時の騒音や振動を除去することができることが実験的に確かめられた。また、微小段差δ、段状境界面の径ｄ、吹出口の径をパラメータとして選択することにより、これらのパラメータに基づいて防音効果と防振効果を得る上で最適な条件範囲があることも明らかになった。
【０１３４】
なお、吹出口の径と防音防振効果との関係については、上記実験結果において特に言及しなかったが、図２０〜図２３に示すように、吹出口の径が小さくなるほど、微小段差δおよび段状境界面の径ｄの広い範囲で良好な防音効果と防振効果が得られることが分かる。したがって、吹出口の径を１０φより５φにした方が、防音および防振を図る上での設計が容易になるという利点がある。
【０１３５】
次に、第１の実施の形態の他の例として示した図３（ｂ）の非接触吸着ディスクに関する実験結果を図３７を参照して説明する。
【０１３６】
１．実験条件
この実験で使用した非接触吸着ディスクは、ディスク本体１１の径が９２φ、吹出口１１ｂの径が５φである。また、ワークWkは、その径が６０φであり、重さが２４３ｇである。そして、吸着状態において、図３（ｂ）の頂板部１６、周壁部１５およびリブ１５ｃによって、ワークWkの周囲に、断面が９×１０ｍｍの環状の空間部が形成されるようになっている。
【０１３７】
また、吸引流路１５ｂは、その内径が７．５φであり、周壁部１５における周方向に４等分する位置に設けられている。各吸引流路１５ｂにはストップバルブ（図示せず）が接続されており、各ストップバルブはアダプタ（図示せず）を介して５００ワットの遠心式の吸引ファン（図示せず）に接続されている。
吸引ファンによる吸引圧力は、アダプタに設けた圧力センサ（図示せず）で検知するようになっている。この吸引圧力は、ゲージ圧力で−１５〜−１７kPaであった。
【０１３８】
また、非接触吸着ディスクの環状の空間部の圧力は、頂板部１６における各吸引流路１５ｂに対応する位置および各吸引流路１５ｂの間の中央の位置において静圧として検出した。すなわち、頂板部１６における周方向に８等分した位置から空間部の圧力を検出した。
【０１３９】
２．実験結果
図３７において、線Ｅはいずれの吸引流路１５ｂからも吸引しないときの空間部の圧力を示し、線Ｆはロ方向の１つの吸引流路１５ｂから吸引した場合の空間部の圧力を示し、線Ｇはロ、ヘ方向の２つの吸引流路１５ｂから吸引した場合の空間部の圧力を示し、線Ｈはロ、ニ、ヘ、チ方向の４つの吸引流路１５ｂから吸引した場合の空間部の圧力を示してる。
また、各圧力は大気圧を０とし、真空を−１とする無次元圧力で表示している。
【０１４０】
３．考察
いずれの吸引流路１５ｂからも吸引しないときは、線Ｅで示すように、空間部の各圧力がほぼ大気圧に等しい０となった。そして、１つの吸引流路１５ｂから吸引するだけで、線Ｆで示すように、空間部の全体を大気圧以下の負圧に低下させることができる。すなわち、吸引流路１５ｂを半径方向の外方に延在するように形成することによって、空間部内の空気を効率的に排出することができることがわかる。
したがって、ワークWkを搬送する際に、空気が外に漏れるのを防止することができるので、例えばクリーンルームにおいて、シリコンウエハ等を搬送する手段として有効に利用することができる。
なお、吸引流路１５ｂによって吸引する箇所を増やすことによって、図３７に示す通り空間部の圧力をさらに低下させることができる。
【０１４１】
以上説明したように、請求項１〜３に記載の発明によれば、吸着面が吹出口から負正転換位置以上の広がりを有するように形成されているので、細隙に生じる負圧の全てを保持対象物の保持のために利用することができる。したがって、吸引効率をほぼ最高の状態まで高めることができるとともに、より重い保持対象物を保持することができる。
【０１４２】
また、細隙を流れる流体による境界層が常に介在した状態で、かつ細隙を流れる流体の負圧のみで保持対象物を保持することができるので、非接触の状態で保持対象物を安定的に保持することができる。
さらに、流体の流速が負正転換位置以上に広がることにより急速に低下するので、その放出された流体が、例えば、クリーンルームの気流を乱したり、塵埃を巻き上げたりするのを防止することができる。
【０１４３】
また、吹出口への流体の供給流路を、吹出口から吸着面に沿って半径方向の外方に向けて延在するように設けた場合には、薄型のもので構成することができるという利点がある。
【０１４４】
さらに、吸着面の半径方向の外方を環状に囲む周壁部に、吸引口を設けた場合には、吸着面から半径方向の外方に流出する流体を、その流体の運動エネルギーを利用して効率よく吸引することができる。
【０１４５】
一方、吹出口から噴出した流体が少なくとも内側細隙を流れる際に高速になることにより、静圧が低下し、当該内側細隙内が負圧になる。したがって、保持対象物を吸着する力を維持することができる。
ただし、微小段差を設けることによって、内側細隙を流れる流体の流速が低下することになるので、当該流体のレイノルズ数が低下することになる。したがって、内側細隙を流れる流体が乱流側から層流側に変化することになるので、例えば微小段差を設けていない場合には騒音や保持対象物に振動が生じる場合でも、当該微小段差を設けることによって、当該振動の発生を防止することができる。すなわち、加振源を断つことによって、非接触吸着ディスクの防音および防振を図ることができる。
【０１４６】
また、微小段差が０．０５〜３．０ｍｍであることから、防音効果と防振効果および吸着効果を共に得ることができる。
【０１４７】
請求項２に記載の発明によれば、内側吸着面が吹出口の中心から７．５〜２５ｍｍの半径範囲内に形成されているので、防音効果と防振効果および吸着効果を共に得ることができる。これらの効果は、特に吹出口の半径が２．５ｍｍ以上のときに顕著である。
【０１４８】
請求項３に記載の発明によれば、内側吸着面が吹出口の中心から２．５〜２５ｍｍの半径範囲内に形成されているので、防音効果と防振効果および吸着効果を共に得ることができる。これらの効果は、特に吹出口の半径が２．５ｍｍ未満のときに顕著になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施の形態として示した非接触吸着ディスクを示す断面図である。
【図２】同非接触吸着ディスクを示す図であって、（ａ）は斜め上からの斜視図であり、（ｂ）は斜め下からの斜視図である。
【図３】同非接触吸着ディスクの他の例を示す図であって、（ａ）は吹出流路を吸着面に沿って半径方向に延在するように構成した非接触吸着ディスクを示す断面図であり、（ｂ）はディスク本体の半径方向の外方を環状に囲む周壁部に、吸引口を設けるように構成した非接触吸着ディスクを示す断面図であり、（ｃ）は負正転換位置より小径のディスク本体を有するもので構成した参考例としての非接触吸着ディスクである。
【図４】この発明の理論解析で用いた非接触吸着ディスクの説明図である。
【図５】同非接触吸着ディスクの理論解析の結果を示すグラフである。
【図６】同非接触吸着ディスクの比較例として示した末広がりテーパー状の非接触吸着ディスクを示す説明図である。
【図７】同非接触吸着ディスクの他の比較例として示した先細りテーパー状の非接触吸着ディスクを示す説明図である。
【図８】この発明の実施例で示した実験用の非接触吸着ディスクを示す断面図である。
【図９】同実施例における実験結果を示す図であって、吹出し口全圧とその全圧に対する最大荷重との関係を示すグラフである。
【図１０】同実施例における実験結果を示す図であって、Ｐ１４０φ・１０φの平行細隙の非接触吸着ディスクの圧力分布を示すグラフである。
【図１１】同実施例における実験結果を示す図であって、Ｄ１２０φ・１０φの末広がりテーパー状の非接触吸着ディスクの圧力分布を示すグラフである。
【図１２】同実施例における実験結果を示す図であって、Ｃ１２０φ・１０φの先細りテーパー状の非接触吸着ディスクの圧力分布を示すグラフである。
【図１３】同実施例における実験結果を示す図であって、Ｔ１５０φ・５φの平行細隙の薄型非接触吸着ディスクの圧力分布を示すグラフである。
【図１４】同実施例における実験結果を示す図であって、Ｐ３７８φ・２３φの平行細隙の非接触吸着ディスクの圧力分布を示すグラフである。
【図１５】同実施例におけるＰ１４０φ・１０φの平行細隙の非接触吸着ディスク等の解析上比較のために示したラヴァールノズルの説明図である。
【図１６】この発明の第２の実施の形態として示した非接触吸着ディスクを示す断面図である。
【図１７】同非接触吸着ディスクを示す図であって、（ａ）は斜め上からの斜視図であり、（ｂ）は斜め下からの斜視図である。
【図１８】微小段差がない場合の流体の振動の発生領域を示す説明図である。
【図１９】上記第２の実施の形態の非接触吸着ディスクにおける理論的圧力分布モデルを示す説明図である。
【図２０】同非接触吸着ディスクの実施例で示した実験結果をまとめたものであって、吹出口の径が５φのものに関する微小段差δと防音防振効果との関係を示したグラフである。
【図２１】同実験結果をまとめたものであって、吹出口の径が１０φのものに関する微小段差と防音防振効果との関係を示したグラフである。
【図２２】同実験結果をまとめたものであって、吹出口の径が５φのものに関する段状境界面の径と防音防振効果との関係を示したグラフである。
【図２３】同実験結果をまとめたものであって、吹出口の径が１０φのものに関する段状境界面の径と防音防振効果との関係を示したグラフである。
【図２４】同実験結果をまとめたものであって、吹出口の径が５φのものに関する微小段差と最大ワーク荷重との関係を示したグラフである。
【図２５】同実験結果をまとめたものであって、吹出口の径が１０φのものに関する微小段差と最大ワーク荷重との関係を示したグラフである。
【図２６】同実験結果をまとめたものであって、吹出口の径が５φのものに関する段状境界面の径と最大ワーク荷重との関係を示したグラフである。
【図２７】同実験結果をまとめたものであって、吹出口の径が５φのものに関する最大ワーク荷重と外側吸着面におけるクリアランスとの関係を示したグラフである。
【図２８】同実験結果を示すものであって、吹出口の径が５φ、段状境界面の径が４０φ、微小段差が０ｍｍ、０．１ｍｍ、０．２ｍｍに設定された非接触吸着ディスクの圧力分布を示すグラフである。
【図２９】同実験結果を示すものであって、吹出口の径が５φ、微小段差が０．５ｍｍ、段状境界面の径が２０φ、３０φ、４０φに設定された非接触吸着ディスクの圧力分布を示すグラフである。
【図３０】同実験結果を示すものであって、吹出口の径が５φ、微小段差が１．０ｍｍ、段状境界面の径が２０φ、３０φ、４０φに設定された非接触吸着ディスクの圧力分布を示すグラフである。
【図３１】同実験結果を示すものであって、吹出口の径が５φ、微小段差が１．５ｍｍ、段状境界面の径が２０φ、３０φ、４０φに設定された非接触吸着ディスクの圧力分布を示すグラフである。
【図３２】同実験結果を示すものであって、吹出口の径が５φ、微小段差が２．０ｍｍ、段状境界面の径が２０φ、３０φ、４０φに設定された非接触吸着ディスクの圧力分布を示すグラフである。
【図３３】同実験結果を示すものであって、吹出口の径が１０φ、微小段差が０．１ｍｍ、段状境界面の径が３０φ、４０φに設定された非接触吸着ディスクの圧力分布を示すグラフである。
【図３４】同実験結果を示すものであって、吹出口の径が１０φ、微小段差が０．２ｍｍ、段状境界面の径が４０φに設定された非接触吸着ディスクの圧力分布を示すグラフである。
【図３５】同実験結果を示すものであって、吹出口の径が１０φ、微小段差が０ｍｍ、０．５ｍｍ、段状境界面の径が２０φ、３０φ、４０φに設定された非接触吸着ディスクの圧力分布を示すグラフである。
【図３６】同実験結果を示すものであって、吹出口の径が１０φ、微小段差が１．０ｍｍ、段状境界面の径が３０φ、４０φに設定された非接触吸着ディスクの圧力分布を示すグラフである。
【図３７】第１の実施の形態の他の例として示した図３（ｂ）の非接触吸着ディスクに関する実験結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１１ ディスク本体
１１ａ 吸着面
１１ｂ 吹出口
１１ｃ 内側吸着面
１１ｄ 外側吸着面
１１ｅ 段状境界面
１２ａ 吹出流路（流体を吹出口に供給する流路）
１３ 細隙
１３ａ 内側細隙
１３ｂ 外側細隙
１５ 周壁部
１５ａ 吸引口
rc 負正転換位置
Wk ワーク（保持対象物）
δ 微小段差
Claims (3)
- 平面状に広がる吸着面に流体の吹出口を設けてなり、上記吹出口から吹き出した流体が上記吸着面とこの吸着面に近接する保持対象物と間の細隙に高速で流れることにより、当該流体の静圧が負圧になることを利用して、上記保持対象物を上記細隙を流れる流体の境界層を介して保持するように構成した非接触吸着ディスクであって、
上記吸着面は、上記流体が上記吹出口から放射状に広がるように移動することによる流速の低下に伴って負圧から大気圧以上の正圧に転じる負正転換位置以上の広がりを有するように形成されるとともに、上記吹出口の外側に平面状に広がる内側吸着面と、この内側吸着面の外側に平面状に広がる外側吸着面とを備えており、かつ
上記内側吸着面は、上記外側吸着面に対して上記保持対象物の加振を阻止可能な０．０５〜３．０ｍｍの微少段差分だけ凹状に形成されるとともに、上記微小段差は、上記吹出口から上記内側吸着面と上記保持対象物との間の内側細隙および上記外側吸着面と上記保持対象物との間の外側細隙を流れる流体が少なくとも上記内側細隙において高速となって負圧を生じさせるような寸法に設定されていることを特徴とする非接触吸着ディスク。 - 上記内側吸着面は、上記吹出口の中心から７．５〜２５ｍｍの半径範囲内に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の非接触吸着ディスク。
- 上記内側吸着面は、上記吹出口の中心から２．５〜２５ｍｍの半径範囲内に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の非接触吸着ディスク。
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