超伝導磁気浮上を適用した半導体製造用 非接触スピン処理

超伝導磁気浮上を適用した半導体製造用
非接触スピン処理装置の要素開発研究
―
非接触スピナの実用化検討
斎藤
―
公世
新潟大学大学院自然科学研究科博士後期課程
電気情報工学専攻
1
目次
はじ め に
第1章
序論
1．1 背 景
1.1.1
ス ピ ン 処理 装 置の 構 造
1.1.2
現 状 の スピ ン 処理 装 置 の問 題 点
1.1.3
問 題 点解 決 の ため の 方策
1．2 本 論文 の 構 成
第2章
超伝 導 浮上 方 式
2．1 浮 上要 素
2.1.1
HTS バル ク と 浮上 マ グネ ッ ト
2.1.2
ス ラ ス ト浮 上 方式
2.1.3
ラ ジ ア ル浮 上 方式
2．2 駆 動要 素
2.2.1
第3章
磁 気 カ ップ リ ング
スラ ス ト浮 上 方 式
3．1 浮 上要 素
3.1.1
タ ー ン テー ブ ルの 磁 気 回路
3.1.2
HTS バル ク の 構成
3.1.3
実 験 機 の構 成
3．2 ス ラス ト 浮 上方 式 の静 特 性
3.2.1
タ ー ン テー ブ ル の x 軸 剛 性
3.2.2
タ ー ン テー ブ ル の z 軸 剛性
3．3 駆 動要 素
3.3.1
ア キ シ ャル 磁 気カ ッ プ リン グ
3.3.2
必 要 ト ルク の 計算
3.3.3
磁 気 カ ップ リ ング の 磁 気回 路
3.3.4
磁 気 カ ップ リ ング の 特 性
3．4 ス ラス ト 浮 上方 式 の動 特 性
3.4.1
ス ラ ス ト浮 上 実験 機
3.4.2
タ ー ン テー ブ ル の x 軸 フ レ
3.4.3
タ ー ン テー ブ ル の z 軸 フレ
2
3.4.3
タ ー ンテ ー ブ ルの フ レ改 善
3．5 HTS バル ク の改 善
3.5.1
HTS バル ク の 形状
3.5.2
タ ー ン テー ブ ル の x 軸 剛 性
3.5.3
タ ー ン テー ブ ル の z 軸 剛性
3．6 磁 気カ ッ プ リン グ の改 善
3.6.1
磁 気 回 路の 改 善
3.6.2
カ ッ プ リン グ の特 性
3．7 ス ラス ト 浮 上方 式 の改 善
3.7.1
タ ー ン テー ブ ル の x 軸 フ レ
3.7.2
タ ー ン テー ブ ル の z 軸 フレ
3．8 パ ッシ ブ 制 御
3.8.1
パ ッ シ ブ制 御 の原 理
3.8.2
タ ー ン テー ブ ル の x 軸 フ レ
3.8.3
タ ー ン テー ブ ル の z 軸 フレ
3． 9 ス ラ スト 浮 上 方式 の まと め
3.9.1
第4章
ス ピ ナ とし て の性 能
ラジ ア ル浮 上 方 式
4．1 浮 上要 素
4.1.1
浮 上 体 の磁 気 回路
4.1.2
HTS バル ク の 構成
4.1.3
実 験 機 の構 成
4．2 ラ ジア ル 浮 上方 式 の静 特 性
4.2.1
浮 上 体 の x 軸剛 性
4.2.2
浮上体の z 軸剛性
4．3 駆 動要 素
4.3.1
ア キ シ ャル 磁 気カ ッ プ リン グ
4．4 ラ ジア ル 浮 上方 式 の動 特 性
4.4.1
タ ー ン テー ブ ル の x 軸 フ レ
4.4.2
タ ー ン テー ブ ル の z 軸 フレ
4．5 パ ッシ ブ 制 御
4.5.1
パ ッ シ ブ制 御 の原 理
4.5.2
タ ー ン テー ブ ル の x 軸 フ レ
4.5.3
タ ー ン テー ブ ル の z 軸 フレ
3
4．6 そ の他 の フ レ改 善
4.6.1
タ ー ン テー ブ ルの 低 慣 性化
4.6.2
タ ー ン テー ブ ル の x 軸 フ レ
4.6.3
タ ー ン テー ブ ル の z 軸 フレ
4．7 ラ ジア ル 浮 上方 式 のま と め
4.7.1
第5章
ス ピ ナ とし て の性 能
低慣 性 スラ ス ト 浮上 方 式
5．1 低 慣性 ス ラ スト 浮 上方 式 の 検討
5.1.1
低 慣 性 スラ ス ト浮 上 方 式検 討 の 目的
5．2 浮 上要 素
5.2.1
タ ー ン テー ブ ルの 磁 気 回路
5.2.2
バ ル ク の構 成
5．3 駆 動要 素
5.3.1
電 磁 誘 導カ ッ プリ ン グ
5．4 低 慣性 ス ラ スト 浮 上方 式 の 静特 性
5.4.1
タ ー ン テー ブ ル の x 軸 剛 性
5.4.2
タ ー ン テー ブ ル の z 軸 剛性
5．5 低 慣性 ス ラ スト 浮 上方 式 の 動特 性
5.5.1
タ ー ン テー ブ ル の x 軸 フ レ
5.5.2
タ ー ン テー ブ ル の z 軸 フレ
5．6 低 慣性 ス ラ スト 浮 上方 式 の まと め
5.6.1
第6章
ス ピ ナ とし て の性 能
超伝 導 浮上 体 の 回転 時 フレ の 解 析と 対 策
6．1 浮 上体 に 作 用す る 力
6.1.1
超 伝 導 浮上 に 於け る マ イス ナ ー 効果
6.1.2
超 伝 導 浮上 に 於け る ピ ン止 め 効 果
6.1.3
駆 動 カ ップ リ ング に よ る調 心 効 果
6.1.4
遠心力
6.1.5
ジ ャ イ ロ効 果
6．2 浮 上回 転 体 に存 在 する セ ン タ
6.2.1
幾 何 セ ンタ
6.2.2
磁 気 セ ンタ
6.2.3
重心
6.2.4
回転軸
4
6．3 フ レ発 生 の メカ ニ ズム
6.3.1
低 速 回 転領 域
6.3.2
高 速 回 転領 域
6.3.3
中 速 回 転領 域
6．4 フ レ低 減 対 策
6.4.1
セ ン タ 統合 化
6.4.2
調整 1
6.4.3
調整 2
6．5 調 整 1 と そ の効 果
6.5.1
幾 何 セ ンタ 調 整
6.5.2
x 軸の フ レ波 形
6.5.3
調 整 1 後の 動 特性
6．6 調 整 2 と そ の効 果
6.6.1
重心調整
6.6.2
x 軸の フ レ波 形
6.6.3
z 軸 の フレ 波 形
6.6.4
回 転 軸の 移 動
6.6.5
調 整 2 後 の 動 特性
6．7 フ レ解 析 と 対策 の まと め
6.7.1
セ ン タ 統合 化 の効 果
6.7.2
セ ン タ 統合 化 の高 精 度 化
第7章
結論
7．1 浮 上方 式 の まと め
7.1.1
3 浮 上方 式 の 比較
7.1.2
低 慣 性 スラ ス ト浮 上 方 式の 開 発 のポ イ ン ト
7．2 今 後の 研 究 課題
7.2.1
課題 1
7.2.2
課題 2
7.2.3
課題 3
参考 文 献
謝辞
5
はじ め に
本 稿 は， 高 温超 伝 導 体を 利 用し た 磁 気浮 上 現象 を ， 半導 体 の製 造 時 に使 用 する ス ピ ン
処 理 装 置（ ス ピナ ） に 応用 し ，処 理 物 を搭 載 する タ ー ンテ ー ブル を チ ャン バ 内に 空 中 浮
上さ せ た まま ， 高速 回 転 させ る 装置 を 設計 し ， 実用 化 す るた め に， 重 要 要素 に つい て 検
討を 行 っ たも の であ る 。
超 伝 導 現象 は 1911 年 に発 見 され た 現 象で あ るが ，絶対 温 度 4K 近 傍 の 極低 温 まで 冷 却 し
なけ れ ば 生じ な い現 象 で ある た め， 応 用 商品 の 実用 化 に は大 き な壁 が あ った 。
超 伝 導 の研 究 が大 き く 動き 出 すの は 1986 年 に従 来 の 超伝 導 の常 識 を 破る ，高 い 温度 で も
超伝 導 現 象を 示 す高 温 超 伝導 体 （HTS） が 発 見 され て か らで あ る。
こ の HTS は そ の後 ， 数年 の 間 に素 材 研究 が 進み ， 臨 界温 度 （ T c ）が 100K 超 える も のが
発見 さ れ，液 体窒 素 の 温度 77K の 冷 却で も 使 用で き る こと か ら，今 後，様々 な 応 用製 品
が開 発 さ れて い くも の と 予想 さ れる 。 しか し ， 現時 点 で は， 大 量生 産 さ れる ま でに 至 っ
てい な い ので ， 未だ 素 材 のコ ス トが 高 く 応用 範 囲は 限 ら れて く るが ， B to B の 大規 模 な
装置 に は 十分 応 用が 可 能 であ る。（5）
一 方，半 導 体製 造 時に 使 用 する ス ピナ は ，半 導 体の 高 密 度化 と 高信 頼 性 化の 要 求に よ り ，
装置 か ら 発生 す るパ ー テ ィク ル （微 細 な ゴミ ） の問 題 が クロ ー ズア ッ プ され て いる 。
そこで，第二種超伝導体のピン止め効果を利用し，最大の特徴である磁気浮上により，
独立 空 間 内に お いて 非 接 触状 態 で様 々 な 処理 を 行う こ と で， 半 導体 ， 半 導体 製 造用 マ ス
ク等 の 製 造工 程 を完 全 無 塵化 し た， 半 導体 製 造 用ス ピ ナ の要 素 開発 を 開 始す る こと と し
た。
HTS を利 用 し たス ピ ナの 開 発 要素 と して は ，処理 物 を 搭載 す るタ ー ン テー ブ ルを 浮 上 さ
せる た め の浮 上 要素 と ， 浮上 し たタ ー ンテ ー ブ ルを 浮 上 状態 で 非接 触 回 転さ せ るた め の
駆動 要 素 の 2 つ が挙 げ ら れる 。浮 上 要 素は ，HTS の 形状・ 配置 及 び，タ ーン テ ーブ ル に
埋め 込 ま れた 浮 上マ グ ネ ット の 形状 ・ 配置 及 び ，両 者 の 対向 状 態に つ い て検 討 を行 っ て
いる 。 駆 動要 素 は， タ ー ンテ ー ブル を 浮上 状 態 で回 転 さ せる こ とか ら ， 磁気 カ ップ リ ン
グ， 電 磁 誘導 カ ップ リ ン グの 要 素に つ い て検 討 を行 っ て いる 。
本 研 究 では 浮 上要 素 ， 駆動 要 素の 組 合 せに よ り 3 種 類 の実 験 機を 製 作 した の で， 性 能 確
認を 行 っ た結 果 につ い て 述べ る 。
実 験 機 では タ ーン テ ー ブル の フレ が 目 標の 性 能に 達 し なか っ たた め ， 浮上 回 転体 の フ レ
が発 生 す るメ カ ニズ ム を 解明 し 、根 本 的な フ レ 低減 の 対 策を 考 案し て い る。 最 終的 に は
その 対 策 案に つ いて 簡 易 実験 を 行い ， 有効 性 の 検証 を 行 った の で， そ の 結果 に つい て 述
べる 。
6
第1章
序論
1．1 背 景
1.1.1
ス ピ ン 処理 装 置の 構 造
半 導 体製 造 に 於け る スピ ン 処 理装 置 は主 に ， フォ ト マス ク ， シリ コ ンウ エ ハ ー
上の コ ー ティ ン グ， 洗 浄 工程 に 用い ら れ てい る 。
コー テ ィ ング 工 程は ， 回 転タ ー ンテ ー ブ ルの 上 にフ ォ ト マス ク ，シ リ コ ンウ エ
ハー 等 の 基板 を 搭載 し ， 基板 上 にフ ォ ト レジ ス ト（ 単 に レジ ス トと も 言 う） 等
の処 理 液 を滴 下 した 後 ， ター ン テー ブ ル を高 速 回転 さ せ るこ と で， 遠 心 力に よ
り， 数 千 オン グ スト ロ ー ム台 の 非常 に 薄 いレ ジ スト 膜 を 基板 上 に均 一 か つ平 滑
に塗 布 す るも の であ る 。 概念 図 を 図 1-1-1 に示 す。
処理 液 ，洗 浄 液
基板
ター ン テ ーブ ル
駆動 機 構
モー タ
図 1-1-1
ス ピ ン 処理 装 置概 念 図
レジ ス ト は光 に よっ て 反 応す る 化学 物 質 を溶 媒 に溶 か し たも の で， 基 板 上に 半
導体 の 回 路パ タ ーン を 照 射， 感 光さ せ た 後で ， 回路 網 を 生成 し てい る 。
スピ ン コ ーテ ィ ング 装 置 の例 を 図 1-1-2 に 示す 。
洗浄 工 程 は基 板 上に 残 さ れた 不 純物 を 除 去す る ため の 工 程で ，基 板 上に 薬 液（ 硫
酸， オ ゾ ン水 ， 過酸 化 水 素水 等 ）や 純 水 を滴 下 し， タ ー ンテ ー ブル を 回 転さ せ
るこ と で ，不 純 物を 除 去 し， 薬 液， 純 水 を吹 飛 ばし ， 洗 浄す る もの で あ る。 更
に高 速 回 転さ せ るこ と で ，基 板 の乾 燥 ま でを 行 うも の も ある 。
スピ ン 洗 浄装 置 の例 を 図 1-1-3 に 示す
7
（6）（ 7）
図 1-1-2
1.1.2
ス ピ ン コー テ ィン グ 装 置
図 1-1-3
ス ピ ン 洗浄 装 置
現 状 の スピ ン 処理 装 置 の問 題 点
半 導 体デ バ イ スは ， 実装 す る 商品 の 高性 能 化 ，小 型 化の た め に， 年 々， 高 密 度
化が 要 求 され ， パタ ー ン の微 細 化が ど ん どん 進 むと 同 時 に， 高 信頼 性 も 要求 さ
れて い る 。
現状 の ス ピナ で はタ ー ン テー ブ ルを 回 転 させ る 駆動 部 の ベア リ ング や 摺 動部 か
らは 大 量 のパ ー ティ ク ル （微 細 なゴ ミ ） が発 生 して い る 。そ の ため 基 板 上に 成
形さ れ る 回路 パ ター ン の 幅が 大 きい う ち は問 題 にな ら な いが ， 幅が 数 十 nm レ
ベル に な ると ， パー テ ィ クル が パタ ー ン 上に 付 着す る こ とで ， その 基 板 の信 頼
性が 低 下 した り ，あ る い は導 通 不良 を 起 こし ， 不良 に な って し まっ た り する 。
スピ ン 処 理工 程 に於 い て ，パ ー ティ ク ル が付 着 する こ と で基 板 が不 良 と なる 割
合は ，約 60％ 程 度あ り ，その パ ーテ ィ クル の 発 生源 の 割 合は ，約 65％ が 装置 自
体と 言 わ れて い る。
平均 的 に は，半 導体 製 造時 の 良 品率 は 96～97％程 度 と なり ，全世 界 の半 導 体 生
産額 ＄3000 億に 対 して 大 雑把 に ＄90 億の 不 良 を発 生 さ せて い て， そ の 40％ は
装置 自 身 のパ ー ティ ク ル によ る こと に な る。
スピ ナ の パー テ ィク ル の 発生 源 は， 回 転 部分 や 摺動 部 で ある こ とか ら ， ベア リ
ング 部 を 負圧 に する こ と や， ラ ビリ ン ス を設 け てパ ー テ ィク ル が移 動 し 難く す
るこ と な どが 講 じら れ て いる が ，根 本 的 な解 決 には 至 っ てい な い。
1.1.3
問 題 点 解決 の ため の 方 策
そ こ で， 本 稿 では 第 二種 超 伝 導体 の ピン 止 め 効果 を 利用 し た ，非 接 触型 の 磁 気
浮上 回 転 装置 を スピ ナ と して 活 用す る こ とを 提 案し て い る。HTS バ ル ク と浮 上
マグ ネ ッ トに よ る磁 気 浮 上で ， 基板 を 搭 載し た ター ン テ ーブ ル をチ ャ ン バ内 に
8
空中 浮 上 させ ， 機械 的 な 摺動 部 分と 完 全 分離 す るこ と で ，駆 動 部分 か ら パー テ
ィク ル が 発生 し ても ， 基 板に 到 達し な い よう な 構造 と す る。 駆 動装 置 の 駆動 力
は磁 気 カ ップ リ ング 等 で ター ン テー ブ ル に伝 達 し， タ ー ンテ ー ブル を 非 接触 で
高速 回 転 させ る 。
HTS バ ルク を 利用 す る こと で，比 較 的 小型 の GM 冷凍 機 でバ ル ク の冷 却 が可 能
であ り ， バル ク の周 囲 を 真空 に する た め の真 空 ポン プ も 小型 の もの で 済 むと 予
想さ れ る こと か ら， ス ピ ナの 製 造コ ス ト が多 少 上が っ て も， 基 板不 良 を 激減 さ
せる こ と がで き れば ， 商 品価 値 は十 分 あ るも の と考 え ら れる 。
また ，スピ ナ の 装置 サ イズ と し ても ，小 型 の GM 冷 凍 機や 真 空 ポン プ の分 だ け
大き く は なる が ，従 来 型 のス ピ ナに 比 較 して 極 端に 大 き くな る 訳で は な く， 高
価な ク リ ーン ル ーム の 容 積を 効 率よ く 使 用す る こと に 対 して も 障害 と は なら な
い。
半導 体 製 造用 の スピ ナ と して の 評価 は ， 実負 荷 によ る テ スト が 重要 で あ るが ，
本稿 で は スピ ナ のハ ー ド 特性 に より 評 価 を行 っ た。
評価 の 対 象と し たハ ー ド 特性 は ，
1． 定常 速 度 （回 転 数）
209rad./s
2． 立上 り 時 加速 度
105rad/s 2 以 上（ 2000rpm/2s 以上 ）
3． ター ン テ ーブ ル の浮 上 高 さ
以 上 （2000rpm 以 上 ）
5mm
以上
（タ ー ン テー ブ ルの 浮 上 空間 に チャ ン バ の壁（ 2mm）が 構 成 で きれ ば 可と す る）
0.2mm 以 下（x 軸 ， z 軸 ）
4． ター ン テ ーブ ル のフ レ
の， 4 項目 と し ，こ れ らを 満 たす よ う な要 素 開 発検 討 を 行っ た 。
1． 2 本 論 文の 構 成
本 論 文は 6 章か ら 構 成さ れ て お り ， 各 章 の 概 要 と 全 体 の 流 れ ， 構 成 を 以 下 に 示 す 。
第１ 章 序論
本論 文 の 背景 ， 構成 に つ いて 述 べる
第２ 章 超伝 導 浮 上方 式
超伝 導 浮 上さ せ るた め に 用い る HTS バ ルク ， 浮上 マ グ ネッ ト の基 本 的 な考
え方 を 述 べる と とも に ，HTS バ ルク と 浮 上マ グ ネッ ト の 対向 の させ 方 に よる ，
スラスト浮上方式とラジアル浮上方式の 2 種類の方式についての概略構造
につ い て 述べ る 。
9
第３ 章 スラ ス ト 浮上 方 式
スラスト浮上方式の実験機で用いた浮上要素（ターンテーブルの磁気回路，
及 び HTS バル ク の構 成），駆動 要 素（ ア キシ ャ ル磁 気 カ ップ リ ング ）の設 計
事例 に つ いて 述 べる 。
次に ， 本 方式 の 実験 で 得 られ た ，静 特 性 ，動 特 性に つ い て述 べ る。
更に そ の 実験 機 の問 題 に 対す る 改善 策 と その 効 果に つ い て述 べ る。
スラ ス ト 浮上 方 式に つ い ての ま とめ を 行 う。
第４ 章 ラジ ア ル 浮上 方 式
ラジアル浮上方式の実験機で用いた浮上要素（ターンテーブルの磁気回路，
及 び HTS バル ク の構 成），駆動 要 素（ ア キシ ャ ル磁 気 カ ップ リ ング ）の設 計
事例 に つ いて 述 べる 。
次に ， 本 方式 の 実験 で 得 られ た ，静 特 性 ，動 特 性に つ い て述 べ る。
ラジ ア ル 浮上 方 式に つ い ての ま とめ を 行 う
第５ 章 低慣 性 ス ラス ト 浮上 方 式
低慣 性 ス ラス ト 浮上 方 式 の実 験 機で 用 い た浮 上 要素（ タ ーン テ ーブ ル の 磁気
回路 ，及 び HTS バ ルク の 構 成），駆動 要 素（ 電 磁誘 導 カ ップ リ ング ）の 設 計
事例 に つ いて 述 べる 。
次に ， 本 方式 の 実験 で 得 られ た ，静 特 性 ，動 特 性に つ い て述 べ る。
低慣 性 ス ラス ト 浮上 方 式 につ い ての ま と めを 行 う。
第６ 章 超伝 導 浮 上体 回 転時 フ レ の解 析 と対 策
実験機に於いて発生したフレに対して対策を行っても本質的な改善にはな
らな い の で，浮 上回 転 体 のフ レ が発 生 す るメ カ ニズ ム を 解析 し 、根 本 的 な対
策を 試 み てい る 。浮 上 回 転体 に は超 伝 導 によ る 浮上 力 ，調心 力 が作 用 し てい
る。 駆 動 カッ プ リン グ で は x 軸 ，z 軸 方 向に 調 心力 が 作 用し ， 浮上 体 の フレ
の原 因 と なる 。更 に ，浮上 回 転体 に は 複数 の セ ンタ が 存 在し ，回 転軸 が 移 動
する こ と でフ レ が発 生 し てい る 。そ の 力 とセ ン タの 関 わ るメ カ ニズ ム を 解析
する と と もに 、 根本 的 な 対策 と その 検 証 結果 に つい て 述 べる 。
第７ 章 まと め
本研 究 で 得ら れ た成 果 を 総括 し ，半 導 体 製造 用 スピ ン 処 理装 置 とし て の 可能
性を 論 じ ，今 後 の実 用 化 に向 け た課 題 に つい て 述べ る 。
10
第2章
超伝 導 浮上 方 式
2．1 浮 上要 素
2.1.1
HTS バル ク と 浮上 マ グネ ッ ト
半 導 体製 造 用 スピ ン 処理 装 置 では ， 回転 動 作 時の 安 定性 が 求 めら れ る。 超 伝 導
浮上 で は ，HTS バル ク が 反磁 性 を示 す こ とで 磁 束を 侵 入 させ な いマ イ ス ナー 効
果に よ り 浮上 力 を得 て い るが ，さら に HTS バ ル ク内 に 不 純物 や 結晶 ひ ず み等 の
常磁 性 の 欠陥 を 作り ， 磁 束が 欠 陥に よ り 拘束 を 受け る こ とで 浮 上力 と 安 定性 が
発揮 さ れ るピ ン 止め 効 果 を利 用 する こ と が得 策 であ る と 考え ら れる 。 し たが っ
て，HTS バ ル ク とし て は Nb－ Ti の 合 金で あ る 第二 種 超 伝導 体 を用 い て いる 。
HTS バル ク を利 用 し た磁 気 浮上 で は ，タ ー ンテ ー ブ ル上 に 基板 を 搭 載し て 回転
させ る こ とか ら ，あ る 程 度荷 重 に耐 え ら れる こ とが 必 要 であ る 。そ こ で 浮上 用
マグ ネ ッ ト自 身 の軽 量 化 を目 指 し， か つ 十分 な 磁束 密 度 を持 つ こと が 重 要で あ
る。 マ グ ネッ ト の素 材 と して は 磁束 密 度 を最 も 大き く 取 れる ， ネオ ジ ム 系の マ
グネ ッ ト を使 用 して い る 。
ま た ，タ ー ン テー ブ ルは 磁 気 カッ プ リン グ に より ， 回転 駆 動 され る こと か ら ，
回転 方 向 に対 し て磁 束 の 変化 し ない マ グ ネッ ト （極 性 ） の配 置 が必 要 で ある 。
2.1.2
ス ラ ス ト浮 上 方式
HTS バル ク とマ グ ネ ット を 対向 さ せて 磁 気 浮上 さ せる 時 に ，そ の 対 向の 状 態と
し て 2 種 類の 方 法が 考 え られ る 。一 つ 目 は， 軸 方向 に 対 抗さ せ るス ラ ス ト浮 上
方式 で あ る。
概 念 図を 図 2-1-1 に 示 す。
チャンバ
ターンテーブル
図 2-1-1
ス ラ スト 浮 上 方式 概 念図
こ の 方式 で は ，基 板 に対 す る 処理 を 行う チ ャ ンバ の 形状 が シ ンプ ル で， ス ピ ン
11
処理 装 置 とし て の実 用 化 が最 も やり 易 い 方式 で ある 。
し か し， タ ー ンテ ー ブル の 直 径が 大 きく な る こと と ，外 周 近 くに 質 量の あ る マ
グネ ッ ト を配 置 する こ と から ， 慣性 モ ー メン ト が大 き く なり ， 駆動 時 に 大き な
トル ク が 必要 と なる こ と が予 想 され る 。
2.1.3
ラ ジ ア ル浮 上 方式
HTS バル ク とマ グ ネ ット を 対向 さ せる 方 法 の 2 つ 目は ，軸 垂直 方 向 に対 抗 させ
る， ラ ジ アル 浮 上方 式 で ある 。
こ の 概念 図 を ，図 2-1-2 に 示 す 。
ターンテーブル
図 2-1-2
ラ ジア ル 浮上 方 式 概念 図
こ の 方式 で は ，最 も 重い 浮 上 マグ ネ ット の 直 径を 小 さく で き るの で ，タ ー ン テ
ーブ ル の 慣性 モ ーメ ン ト が小 さ く， 駆 動 時の ト ルク が 小 さく で きる 反 面 ，基 板
に対 す る 処理 を 行う チ ャ ンバ の 形状 が 多 少複 雑 にな っ て しま う 欠点 が 予 想さ れ
る。
2．2 駆 動要 素
2.2.1
磁 気 カ ップ リ ング
磁 気 カッ プ リ ング は 磁気 浮 上 して い るタ ー ン テー ブ ルを 浮 上 状態 で 回転 さ せ る
こと か ら ，タ ー ンテ ー ブ ルの 駆 動に 必 要 なト ル クを 発 生 する こ とが で き るこ と
と， タ ー ンテ ー ブル の 浮 上高 さ を減 少 さ せな い よう に 軽 量化 を 図る こ と が重 要
であ る 。
浮 上 用マ グ ネ ット と 同様 ， ネ オジ ム 系マ グ ネ ット を 使用 す る 。
12
第3章
スラ ス ト浮 上 方 式
3．1 浮 上要 素
3.1.1
タ ーン テ ー ブル の 磁気 回 路
タ ー ンテ ー ブ ルは 浮 上空 間 に パー テ ィク ル の 侵入 を 防止 す る チャ ン バ壁 を 設 け
るこ と か ら， チ ャン バ 壁 を超 え ても 尚 十 分な 浮 上高 さ が 必要 で ある と 同 時に ，
ター ン テ ーブ ル の立 上 時 間を 早 くし な け れば な らな い こ とか ら ，軽 量 化 が必 要
であ る 。
基 本 とな る 考 え方 は ，以 下 の 2 つ で ある 。
① 磁束 密 度 の最 も 大き く 取 れる ネ オジ ム 系 マグ ネ ット を 選 択す る
② 磁性 体 に よる 凸 極を 設 け ，同 極 のマ グ ネ ット で 挟む 構 成 とす る
（で き る だけ 磁 束密 度 を 上げ ， 磁束 の 傾 きを 大 きく す る ため ）
浮 上 用マ グ ネ ット の 配置 ， 凸 極の 磁 性体 を マ グネ ッ トで 挟 む 磁気 回 路モ デ ル を
図 3-1-1 に 示す 。
図 3-1-1
タ ー ンテ ー ブル 凸 極部 の 磁 気回 路 モデ ル
本 研 究で は ， 上記 の 考え 方 に 基づ き ，以 下 に 示す よ う な 4 つ のモ デ ルに つ い て
設計 を 行 った 。
（ 1）（2）
4 つ のモ デ ルの 磁 気回 路 断 面図 を 図 3-1-2 に 示す 。
13
一 つ の凸 極 を二 つ の マグ ネ ット で 挟 み， 更 に
両 側 に反 対 極性 の 凸 極を 設 けた 構 成
一 つ の凸 極 を二 つ の マグ ネ ット で 挟 んだ 構 成
一 つ の凸 極 を二 つ の マグ ネ ット で 挟 み， 更 に
両 側 に反 対 極性 の 凸 極を 設 けた ＃ 1 の 構 成で ，
磁 性 体の 一 部を マ グ ネッ ト で置 き 換 えた 構 成
＃ 3 の 構 成 で， 凸 極 の数 を 4 個 に し た構 成
図 3-1-2
磁気 回 路 断面 図
図 3-1-3 に 磁気 解 析 を行 な った モ デ ル図 の例 （ ＃1） を示 す 。
(ga p)
図 3-1-3
モ デル 図 （＃ 1）
図 3-1-3 の モデ ル で ，磁気 解 析ソ フ ト に よ る FEM 解 析を 行 なっ た 結 果の 磁 束密 度 分
布図 を 図 3-1-4 に 示す 。
14
図 3-1-4
凸 極部 の FEM 解 析（ ＃1）
FEM 解 析 に よ る 磁 束 密 度 の グ ラ フ で ， モ デ ル の 比 較 を 行 っ た 結 果 を 図
～に 示 す
gap 10mm
Magnetic field [T]
□ #1
○ #2
x
図 3-1-5
[mm]
x 軸方 向 磁束 密 度
15
3-1-5
Magnetic field [T]
gap 10mm
□ #1
○ #2
y
図 3-1-6
[mm]
y 軸 方向 磁 束 密度
超 伝 導浮 上 に 於い て は， 侵 入 磁界 が 大き い 程 ，補 足 磁束 が 多 くな り ，浮 上 時 の
ター ン テ ーブ ル の剛 性 が 強く な る。＃ 1 と ＃2 の比 較 で は＃ 1 の方 が 剛性 が 強い
こと が 予 想さ れ る 。
同 様 に ＃1 と ＃3，＃4 を 比較 し て みる と ，図 3-1-7，
図 3-1-8 の よう に なり ，＃ 3 の 磁 気回 路 構 成が タ ーン テ ー ブル と して 最 も 剛性 が
強く な る こと が 予想 さ れ る。
gap 10mm
◇ #1
× #3
Magnetic field [T]
▲ #4
x
[mm]
x 方向 磁 束 密度
図 3-1-7
16
gap 10mm
◇ #1
× #3
Magnetic field [T]
▲ #4
y
図 3-1-8
[mm]
y 軸 方向 磁 束 密 度
磁 気 解析 の 結 果で は，マ グネ ッ ト の 総量 を 最 も大 き くし た ＃4 よ りも ＃ 3 の タ ー
ンテ ー ブ ルの 方 が， 磁 束 密度 が 大き く な り， 剛 性が 強 い と予 測 され る 結 果と な
った 。
3.1.2
HTS バ ル クの 構 成
HTS バ ル クは 大 量生 産 さ れて い ない の で， コ ス ト的 に は非 常 に 高価 で ある 。
そ こ で，HTS バ ル ク の配 置 構成 と して ， 経 済性 を 考慮 し た 構成 と した 。
そ の 構 成は ， 比較 的 生 産数 量 の多 く ， 安価 で ある 円 盤 型バ ル クを 用 い ，離 散 的
に配 置 し たも の で 図 3-1-9 にそ の 構成 を 示 す。
図 3-1-9
離散 配 置バ ル ク
17
3.1.3
実 験機 の 構 成
HTS バ ル クを 臨 界温 度 （ T c ） ま で冷 却 する 構 造 とし て ，HTS バル ク を 銅製
の 冷却 プ レー ト 上 に載 せ ，そ れ を ステ ン レス 製 の チャ ン バ内 に 配 置し ， 外気 と
断熱 で き るレ ベ ルに チ ャ ンバ 内 を真 空 に する ク ライ オ ス タッ ト を構 成 し ，GM
冷凍 機 で 冷却 プ レー ト を 冷却 し てい る 。HTS バル ク の 温度 は 約 30～ 40K
に冷 却 し てい る 。
ス ラ スト 浮 上方 式 に 於い て ，HTS バル ク を離 散 配 置し た 場合 の 実 験機 の 構成
を 図 3-1-10 に 示す 。
実験 手 順と し て は， ク ライ オ スタ ッ ト 上面 に タ ーン テ ーブ ル と の隙 間 （浮 上 高
さ） を 確 保す る ため の ス ペー サ を置 き ， その 上 にタ ー ン テー ブ ルを 載 せ る。
次 に ，ク ラ イ オ ス タ ッ ト内 を 真 空 に し て から GM 冷 凍 機を 動 作 さ せ ，HTS バ
ルク の 冷 却を 行 う。HTS バ ルク が 所 定の 温 度 に達 し た 時に ，ス ペ ーサ を 取 り除
くと ， タ ーン テ ーブ ル は クラ イ オス タ ッ ト上 に 浮上 し て いる 。
Cold plate
図 3-1-10
スラ ス ト浮 上 方式 の構 成
18
3．2 ス ラス ト 浮 上方 式 の静 特 性
3.2.1
タ ー ンテ ー ブ ルの x 軸 剛 性
HTS バル ク を離 散 配 置し た 場合 で ，タ ー ン テー ブ ル＃ 1， ＃ 2， ＃3， ＃4
の そ れぞ れ の 浮上 状 態で の 剛 性に つ いて 測 定 を行 っ た 。図 3-1-10 に 示す タ ー ン
テー ブ ル の水 平 方向 （x 軸 ）の 剛 性を 測 定 した 。そ の 結 果を 図 3-1-11 に 示す 。
図 3-1-11
ス ラス ト 浮上 方 式 の x 軸剛 性
タ ー ンテ ー ブ ルに 対 する 横 か らの 荷 重に 対 し て， ＃ 3 の タ ー ンテ ー ブル が 最 も
安定 性 が ある こ とが 判 明 した 。
3.2.2
タ ーン テ ー ブル の z 軸剛 性
同 様に タ ーン テ ー ブル に 対す る 垂 直方 向 （z 軸 ） の剛 性 につ い て 測定 を 行 っ た 。
そ の結 果 を 図 3-1-12 に 示す 。
図 3-1-12
ス ラス ト 浮上 方式 の z 軸剛 性
19
x 軸 の 剛性 ，即 ちタ ー ン テー ブ ルの 振れ 回 り の安 定 性に つ い ては ，＃3 の ター ン
テ ー ブル が 水 平 荷 重 に対 し て 最 も 強 かっ た の に 対 して ， z 軸 の 剛 性 ，即 ち タ ー
ンテ ー ブ ルの 浮 上力 は ， マグ ネ ット の 総 量が 最 も多 い ， ＃4 の ター ン テ ーブ ル
が強 い 結 果と な った 。
タ ー ンテ ー ブ ルの 磁 気回 路 と して は ，＃ 3 と ， ＃4 の ター ン テ ーブ ル で x 軸 ， z
軸の 剛 性 が相 反 する 結 果 とな っ たが ， 半 導体 製 造用 ス ピ ナに 要 求さ れ る 性能 と
して ， フ レ回 り の安 定 性 が重 要 であ る こ とと ， 起動 時 の 加速 度 を重 視 す るこ と
から ，よ り軽 量 であ る ＃3 の タ ーン テ ーブ ル
（ ＃3：2.4kg
＃4：3.1kg）を 実
験用 の タ ーン テ ーブ ル と して 使 用す る こ とと す る。
3．3 駆 動要 素
3.3.1
ア キ シ ャル 磁 気カ ッ プ リン グ
ア キ シャ ル 磁 気カ ッ プリ ン グ は， 円 周方 向 に 極が 交 互に 現 れ るマ グ ネッ ト を 配
置し た も のを ，軸 方 向に 隔 離 状態 で 対向 さ せ，駆 動側 を 回 転さ せ るこ と に より ，
被駆 動 側 （浮 上 側） を 追 従回 転 させ る も ので あ る。
駆 動 側が 定 速 度で 回 転し て い る時 に は， 被 駆 動側 は 順調 に 追 従で き るが ， 急 激
に回 転 速 度が 変 化し た 場 合に は ，被 駆 動 側は 追 従で き な くな り ，脱 調 現 象が 発
生し ， カ ップ リ ング の 安 定性 が 失わ れ て しま う 。タ ー ン テー ブ ルの 急 停 止や マ
グネ ッ ト の反 発 力に よ り ター ン テー ブ ル の飛 散 が発 生 す る恐 れ があ る 。 半導 体
製造 用 ス ピナ で は，タ ーン テ ーブ ル の 上に 高 価 なフ ォ ト マス ク を搭 載 す るの で，
安定 性 は 非常 に 重要 で あ る。
そ こ で， タ ー ンテ ー ブル の 慣 性モ ー メン ト か ら， 磁 気カ ッ プ リン グ に必 要 な ト
ルク を 計 算し ， 脱調 現 象 が発 生 しな い 磁 気カ ッ プリ ン グ を製 作 する 。
3.3.2
必 要 ト ルク の 計算
先 ず ，タ ー ン テー ブ ルの 慣 性 モー メ ント を 算 出す る 。
円 盤 の z 軸 周 りの 慣 性 モー メ ント は 次式 で 与 えら れ る。
①I ＝ MR 2 ／ 2
M
円盤 の 質 量
R
円 盤 の 半径
中 空 円盤 の 慣 性モ ー メン ト は 次式 で 与え ら れ る。
②I ＝ M （ R 2 ＋ r 2 ）／ 2
r
中 空部 の 半 径
タ ー ンテ ー ブ ルは ア ルミ 製 の 円盤 型 フレ ー ム に磁 気 回路 と な るマ グ ネッ ト と 磁
性体 を 円 周方 向 に対 し て 対称 に 配置 し て いる の で， 慣 性 モー メ ント は 上 式の ①
②の 組 み 合わ せ で算 出 す るこ と がで き る 。
20
製 作 した タ ー ンテ ー ブル の 中 で最 も x 軸 方 向 の安 定 性に 優 れ てい る ＃3 に つい
て計 算 す ると ，I＝0.002kgm2 と な る。
こ の ター ン テ ーブ ル を 105rad./s 2（ 2000rpm/2s）の回 転 加速 度 で 回転 さ せる た め
に必 要 な トル ク は， T ＝ α I
角 加 速 度（rad/s 2 ）
α
参 考 とし て ， 回転 数 で算 出 す る場 合 を付 記 す る。
α ＝ 2 π（ n 2 － n 1 ）／ 60t
n1
初 めの 回 転 数（rpm）
n2
t
終わ り の回 転 数 （rpm）
加 減 速 時間 （ s）
で あ るか ら ， T＝ 2.1Nm，
余 裕 を見 て ， T＝ 2.5Nm
3.3.3
の ト ル ク を確 保 す る。
磁 気 カ ップ リ ング の 磁 気回 路
磁 気 カッ プ リ ング の 磁気 回 路 は， タ ーン テ ー ブル の 磁気 回 路 と同 様 ，タ ー ン テ
ーブ ル を 規定 時 間内 に 立 ち上 げ るの に 十 分な ト ルク が 出 せる の と同 時 に ，軽 量
化が 必 要 であ る 。特 に 浮 上す る 被駆 動 側 （浮 上 側） の 軽 量化 は 必須 で あ る。
従 っ て， 基 本 とな る 考え 方 は ，以 下 の 2 つ で ある 。
① 磁束 密 度 の最 も 大き く 取 れる ネ オジ ム 系 マグ ネ ット を 選 択す る
② 磁性 体 に よる 凸 極を 設 け ，同 極 のマ グ ネ ット で 挟む 構 成 とす る
磁 気 カッ プ リ ング の マグ ネ ッ トの 配 置， 凸 極 の磁 性 体を 挟 む 磁気 回 路構 成 を 図
3-3-1 に 示す 。
磁化 方 向
h1
h2
マグ ネ ッ ト
磁性 体
マグ ネ ッ ト
r2
磁性 体
θ2 θ1 θ2
rr1
θ1/2
図 3-3-1
磁 気 カ ップ リ ング 凸 極部 の 磁 気回 路
21
最 適 な磁 気 カ ップ リ ング を 探 す目 的 で， 異 な る寸 法 を持 つ 3 種類 の パタ ー ン の
モデ ル で 比較 解 析を 行 っ た。 図 3-3-2～ 図 3-3-4 で そ の構 成 を 示す 。
20mm
20deg
マグネット
10deg
磁性体
浮上側
10mm
30mm
駆動側
図 3-3-2
Type1
20mm
15deg
磁性体
15deg
マグネット
浮上側
10mm
30mm
駆動側
図 3-3-3
Type2
22
12mm
20deg
マグネット
10deg
磁性体
浮上側
10mm
駆動側
30mm
図 3-3-4
Type3
3 種 類の パ タ ーン で ，発 生 す るト ル クと カ ッ プリ ン グ間 に 作 用す る 電磁 力 （ 吸
引力 ） に つい て 解析 を 行 った 。 図 3-3-5～ 図 3-3-7 に解 析 結果 を 示 す。
グ ラ フの 横 軸 は， 磁 気カ ッ プ リン グ の 1 極 分 （マ グ ネッ ト ＋ 磁性 体 ）の 位 相 を
1 と 表 現し て い る。
Torque[ Ｎｍ ]
Electro -magnetic force[ Ｎ ]
gap 10mm
トルク
吸引力
Normalized angle
図 3-3-5
Type1 の 特 性
23
Torque[ Ｎｍ ]
Electro -magnetic force[ Ｎ ]
gap 10mm
トルク
吸引力
Normalized angle
図 3-3-6
Type2 の 特性
Torque[ Ｎｍ ]
Electro -magnetic force[ Ｎ ]
gap 10mm
トルク
吸引力
Normalized angle
図 3-3-7
Type3 の 特性
解 析 結果 か ら はマ グ ネッ ト の 総量 が 最も 多い Type1 が大 き い トル ク を引 き 出 せ
るこ と が 分か る が， 最大 250N 近く の 吸 引力 が ター ン テ ーブ ル にか か る こと に
なり ， 折 角の 超 伝導 磁 気 浮上 を 相殺 し て しま う 可能 性 が ある 。
24
必要 ト ル クが 2.5Nm で あ るこ と を 考慮 す れば ， Type3 で も 十 分で あ るこ と が分
かる 。 そ こで ， 磁気 カ ッ プリ ン グの 製 作 は， Type3 の 仕様 で 行う こ と とす る 。
3.3.4
磁 気 カ ップ リ ング の 特 性
Type3 の仕 様 で製 作 し た磁 気 カッ プ リン グ の 外観 を 図 3-3-8 に 示す 。
図 3-3-8
磁 気カ ッ プリ ン グ
被 駆 動側 （ 左） と 駆 動側 （ 右）
Type3 の 仕様 で 製 作し た 磁気 カ ッ プ リン グ の 吸引 力 特 性， ト ルク 特 性 を測 定 し
た結 果 を ，図 3-3-9， 図 3-3-10 に 示 す。 グ ラ フ 中 の gap は 磁気 カ ップ リ ン グの
被駆 動 側 と駆 動 側間 の 距 離を 指 して い る 。
最大 ト ル クは 4Nm 弱 ，最 大 吸引 力 は 約 140N とな り ，磁 気解 析 し た結 果 と概 略
一致 し て いる こ とが 分 か る。
図 3-3-9
Type3 吸 引 力特 性
25
図 3-3-10
Type3 ト ル ク特 性
3．4 ス ラス ト 浮 上方 式 の動 特 性
3.4.1
ス ラ ス ト浮 上 実験 機
以 上 の浮 上 要 素， 駆 動要 素 を 組合 せ て製 作 し た実 験 機を ， ス ラス ト 浮 上 1 号 機
と称 し ， その 外 観を 図 3-4-1 に 示 す。
図 3-4-1
ス ラ ス ト浮 上 1 号 機
26
3.4.2
タ ー ン テー ブ ル の x 軸 フ レ
タ ー ンテ ー ブ ルの 中 で最 も 安 定性 の 期待 で き る＃ 3 のタ ー ン テー ブ ルを ス ラ ス
ト浮 上 1 号 機で ， 浮上 回 転 させ た 時の x 軸方 向 のフ レ の 大き さ を， タ ー ンテ ー
ブ ルが 209rad./s（ 2000rpm） ま で 立 上 る 時 間 （ 立 上 り 時 の 加 速度 ） を 変 え て 測
定し た 結 果を 図 3-4-2 に 示 す。
図 3-4-2
x 軸 フレ
図 3-4-3
目 標 値は 105rad/s 2 （ 2000rpm/2s） であ る が ，63rad/s 2
x軸
フ レ 波形
（ 2000rpm/3.4s）が 限 度
であ り ，そ れ 以上 に 加速 を 上 げる と，磁 気 カッ プ リン グ の 脱調 現 象が 発 生 した 。
また フ レ の波 形 を図 3-4-3 に 示 すが ， 立 上り 直 後の 低 回 転側 で は一 定 振 幅の 機
械的 な 偏 心と 考 えら れ る フレ が 見ら れ ， その 後 は共 振 現 象が 見 られ る 。
x 軸 の フレ と し ては ， 波形 の Peak to peak の Max 値を 読 み取 る こと と す る。
x 軸 は 加速 度 が 大き く なる ほ ど ，フ レは 小 さ くな る 傾向 で あ った 。
3.4.3
タ ー ン テー ブ ル の z 軸 フレ
同 様 に，z 軸 方 向 のフ レ の大 き さ を ，タ ーン テ ー ブル が 209rad./s（2000rpm）ま
で立 上 る 時間 （ 立上 り 時 の加 速 度） を 変 えて 測 定し た 結 果を 図 3-4-4 に 示 す。
図 3-4-4
z 軸フ レ
図 3-4-5
27
z軸
フ レ 波形
z 軸 のフ レ と して は ，波 形 の Peak to peak の Max 値を 読 み取 る こと と す る。
z 軸 の場 合 は 加速 度 が大 き くな る ほ ど， フ レ は大 き くな る 傾 向で あ った 。
注 目 すべ き は ，図 3-4-5 に 示 す z 軸 のフ レ 波 形で ， 立上 り 時 に大 き くな り ， 安
定時 は 静 止時 の 位置 に 戻 って い る現 象 で ，立 上 り時 に タ ーン テ ーブ ル の 浮上 り
現象 が 生 じて い る。
3.4.4
タ ー ン テー ブ ルの フ レ 改善 策
以 上 の実 験 結 果か ら ，当 初 掲 げた 4 つの 評 価 項目 の うち ， タ ーン テ ーブ ル の フ
レと 立 上 時間 の 2 項 目 が 未達 成 とな っ た 。
タ ー ンテ ー ブ ルの フ レに つ い ては ，HTS バ ルク と 浮 上マ グ ネッ ト の 結合 力 が不
足し て い るこ と が挙 げ ら れる こ とか ら ， 両者 の 対抗 す る 面積 を 増大 さ せ る対 策
を行 う 。更 に ，HTS バル ク の 臨界 温 度が 約 90K であ る の に対 し て 40～ 50K ま で
冷却 を 行 って い るが ， こ れを 35～40K まで 低 下 さ せ る 対 策 を 行 う こ と と す る 。
立 上 時間 が 未 達成 と なっ た 原 因は ， 磁気 カ ッ プリ ン グの 立 上 時に 発 生さ せ た ト
ルク の 分 だけ ， カッ プ リ ング 間 の吸 引 力 が減 少 し， タ ー ンテ ー ブル の 浮 上り が
生ず る た め，磁 気 カッ プ リン グ 間 のギ ャ ッ プ 10mm で ト ル ク 2.5Nm を 発 生 さ せ
る能 力 が あっ て も， タ ー ンテ ー ブル の 浮 上り に より 初 期 のギ ャ ップ が 変 化す る
ため ， 目 標の 立 上時 間 を 確保 で きな く な って い る。 そ こ で， 磁 気カ ッ プ リン グ
の結 合 度 の増 強 につ い て も対 策 を行 う 。
3．5HTS バ ル クの 改 善
3.5.1
HTS バル ク の 形状
上 記 の実 験 で はバ ル クの 経 済 性を 考 慮し ， 離 散的 な バル ク 配 置を 採 用し た が ，
今回 は 性 能本 位 で，浮 上 マグ ネ ット に 対 抗す る 部分 は す べて HTS バ ル ク を
配
置す る こ とと し た 。HTS バル ク は ，製造 上 大 きな も の は製 作 でき な い ので ，円
盤型 の バ ルク を 扇型 に 加 工し ， その バ ル クを 6 個並 べ て ，一 体 型と し て いる 。
ター ン テ ーブ ル ＃3 と の対 向 面積 は 2.1 倍 に 増 加し て い る。
図 3-5-1 に その 構 成を 示 す 。
（3）
28
図 3-5-1
一 体 型バ ル ク
更 に ，ク ラ イ オス タ ット 内 の 断熱 効 果を 高 め るた め に， 真 空 断熱 に 加え て ， ク
ライ オ ス タッ ト の内 面 に 反射 フ ィル ム （ アル ミ 蒸着 フ ィ ルム ） を張 付 け て， 輻
射に よ る 吸熱 を 防止 す る こと を 試み て い る。 そ の状 況 を 図 3-5-2 に示 す 。
図 3-5-2
クラ イ オス タ ット 内 面 に貼 付 けた 反 射 フィ ル ム
そ れ らを 組 込 むと 同 時に ，ス ピ ナ と して の 評 価が で きる よ う に，処理 チ ャン バ ，
薬液 用 ノ ズル ， フォ ト マ スク 保 持用 の チ ャッ ク 等も 具 備 した 実 験機 （ ス ピナ ）
を製 作 し てい る 。こ れ を スラ ス ト浮 上 2 号 機 と称 し ， その 外 観を 図 3-5-3 に示
す。
29
図 3-5-3
ス ピ ナと し て製 作 した ス ラ スト 浮 上 2 号 機
最 初 に製 作 し たス ラ スト 浮 上 1 号 機 ，改 善 を 盛込 ん だス ラ ス ト浮 上 2 号 機 と ，
最も 特 性 の優 れ てい る タ ーン テ ーブ ル ＃ 3 と の 組合 せ に よる 浮 上実 験 の 比較 結
果を 以 下 に述 べ る。
3.5.2
タ ー ン テー ブ ル の x 軸 剛 性
2 種 類の ス ラ スト 浮 上実 験 機 にタ ー ンテ ー ブ ル＃ 3 を搭 載 し た時 の ター ン テ ー
ブル の x 軸 方 向の 剛 性に つ いて 測 定 を行 っ た結 果を 図 3-5-4 に 示 す。
図 3-5-4
ス ラス ト 浮上 方 式 の x 軸 剛 性
30
1 号 機 に 対し て ，HTS バ ル クと 浮 上マ グ ネ ット の 対向 面 積 を約 2.1 倍に 増 やし
た 2 号 機 は ，x 軸 方向 の 剛性 が 同 一荷 重 に対 し て約 50％の フ レ低 減 効 果が 見 ら
れる 。
3.5.3
タ ー ン テー ブ ル の z 軸 剛性
同 様 にタ ー ン テー ブ ルの z 軸 方向 の剛 性 に つい て 測定 を 行 った 結 果を 図 3-5-5
に示 す 。
図 3-5-5
ス ラ スト 浮 上方 式 の z 軸 剛 性
z 軸 方 向 の剛 性は x 軸方 向 の 剛性 に 比べ ， 対 策効 果 は低 く か った が ，同 一 荷 重
に対 し て 約 10％ の 変位 低 減効 果 が ある 。
3．6 磁 気カ ッ プ リン グ の改 善
3.6.1
磁 気 回 路の 改 善
磁 気 カッ プ リ ング 間 距離 が 変 化し て も立 上 時 の加 速 度が 確 保 でき る よう に ， 発
生ト ル ク を大 き くし た 磁 気カ ッ プリ ン グ を目 指 して ，6 極 の 異な る 寸法 を 持 つ 2
種類 の パ ター ン のモ デ ル で比 較 解析 を 行 なう 。図 3-6-1～ 図 3-6-2 でそ の 構 成を
示す 。
（3）
31
磁性体
マグネット
12mm
浮上側
10mm
駆動側
30mm
図 3-6-1
磁性体
30°
Type4
マグネット
30°
12mm
浮上側
10mm
30mm
駆動側
図 3-6-2
Type5
2 種 類の パ タ ーン で ，発 生 す るト ル クと カ ッ プリ ン グ間 に 作 用す る 吸引 力 に つ
いて 解 析 を行 な う。 図 3-6-3， 図 3-6-4 に 解 析 結果 を 示 す。
グ ラ フの 横 軸 は， 磁 気カ ッ プ リン グ の 1 極 分 （マ グ ネッ ト ＋ 磁性 体 ）の 位 相 を
1 と 表 現し て い る。
32
Torque [Nm]
Electro -magnetic force [N]
gap 10mm
0
0.5
1
Normalized angle
図 3-6-3
Type4 の 特 性
Torque [Nm]
Electro -magnetic force [N]
gap 10mm
0
0.5
1
Normalized angle
図 3-6-4
Type5 の 特 性
上 記 の解 析 結 果か ら ， Type4 の磁 気 カッ プ リ ング で は， 発 生 トル ク は 約 60％
増加 す る こと が 期待 で き ，ト ル クア ッ プ が可 能 であ る の で， Type4 の 仕 様で 磁
気カ ッ プ リン グ の製 作 を 行う こ とと す る 。
33
3.6.2
カ ッ プ リン グ の特 性
新 し く製 作 した 6 極 磁 気カ ッ プ リ ング の 外 観を 図 3-6-5 に， そ の特 性 の実 測 値
を 図 3-6-6～ 図 3-6-7 に 示 す 。
図 3-6-5
6 極 磁 気カ ッ プ リン グ
図 3-6-6
図 3-6-7
被 駆 動 側（ 左 ）と 駆 動 側（ 右 ）
6 極 磁 気 カッ プ リン グ の 吸引 力 特性
6 極 磁 気カ ッ プリ ン グ のト ル ク特 性
34
実 際 に製 作 し た磁 気 カッ プ リ ング の 特性 は 磁 気解 析 の結 果 よ りも 若 干低 い が ，
発 生 トル ク が 大き い ので ， 本 磁気 カ ップ リ ン グを 使 用す る 。
3． 7 ス ラ スト 浮 上 方式 の 改善 効 果
3.7.1
ター ン テ ーブ ル の x 軸フ レ
2 台 の スラ ス ト 浮上 実 験機 と ター ン テ ーブ ル ＃ 3 の 組 合せ で ， 結合 力 を改 善 し
た磁 気 カ ップ リ ング で 駆 動を 行 い， 動 特 性を 比 較測 定 し た結 果 を図 3-7-1 に 示
す。
図 3-7-1
x 軸 フ レ の 比較
2 号 機 では 加 速度 は 63rad./s 2 か ら 81rad./s 2 (2000rpm/2.6s) 向 上し て いる が，目
標値 の 105rad/s 2 （ 2000rpm/2s） には ま だ 達成 し てい な い 。以 前 と同 様 ， それ 以
上に 加 速 を上 げ ると ， 磁 気カ ッ プリ ン グ の脱 調 現象 が 発 生し た 。タ ー ン テー ブ
ルの フ レ につ い ても 約 1mm で ， 目 標値 の 0.2mm 以 下 に は 達 し てい な い 。
3.7.2
ター ン テ ーブ ル の z 軸 フ レ
同様 に ，タ ー ン テー ブ ル＃ 3 の動 特 性 を比 較 測 定し た 結果 を 図 3-7-2 に 示す 。
図 3-7-2
z 軸フ レ の比 較
35
x 軸 フ レ で 述 べ た よ う に 加 速 度 は 81rad./s 2 ま で 向 上 し て い る が ， 目 標 値 の
105rad/s 2 （ 2000rpm/2s） に は ま だ 達 成 し て い な い 。 タ ー ン テ ー ブ ル の フ レ に つ
いて も 約 1.8mm で ， 目 標 値 の 0.2mm 以 下 に は 達し て い ない 。
3． 8 パ ッ シブ 制 御
3.8.1
パ ッ シ ブ制 御 の原 理
タ ー ンテ ー ブ ルの フ レを 抑 え るた め に， 電 磁 誘導 の 原理 を 利 用し た 制御 が 有 効
であ る と 考え た 。そ の 概 念図 と 実施 例 を図 3-8-1 に示 す が， 銅 板 のよ う な常 磁
性体 の 金 属板 を 貫く 磁 束 が時 間 に対 し て 変化 す ると ， 金 属板 表 面に そ の 磁束 の
変化 を 妨 げる 向 きに 渦 電 流が 流 れる 。 そ の渦 電 流が 作 る 磁界 は マグ ネ ッ トの 動
きを 妨 げ る方 向 に発 生 す るの で ，マ グ ネ ット の 不規 則 な 動き に 対す る ブ レー キ
とし て 働 き， ス タビ ラ イ ザの 効 果が あ る 。
電磁誘導スタビライザ用銅板
図 3-8-1
電 磁 誘 導の 原 理と ， 電磁 誘 導 スタ ビ ライ ザ の 実施 例
36
3.8.2
タ ー ン テー ブ ル の x 軸 フ レ
電 磁 誘導 ス タ ビラ イ ザ用 の 銅 板（ 2t）を ， ス ラス ト 浮上 2 号機 に 組込 み ， ター
ンテ ー ブ ル＃ 3 を使 用 した 時 の特 性 を 測定 す る 。結 果 を 図 3-8-2 に示 す 。
図 3-8-2
x 軸フ レ に 対 する 電 磁 誘導 ブ レー キ の 効果
x 軸 方 向の フ レ はタ ー ン テー ブ ル の 回 転に 同 期 して い る の で， 周 波 数が 高 い た
め電 磁 誘 導ス タ ビラ イ ザ の効 果 は顕 著 で ，銅 板 の無 い 時 に比 べ ，フ レ は 半減 し
てい る 。
3.8.3
タ ー ン テー ブ ル の z 軸 フレ
同 様 に z 軸 方 向の フ レ の測 定 結果 を 図 3-8-3 に 示す 。
図 3-8-3
z 軸 フレ に 対す る 電磁 誘 導 スタ ビ ライ ザ の 効果
x 軸 の フレ が タ ーン テ ーブ ル の 回転 に同 期 し て ，高 速 で ある の に対 し て ，z 軸 の
フレ は 加 速時 の 浮上 り な ので ， 周波 数 が 低く ， 電磁 誘 導 スタ ビ ライ ザ の 効果 は
大き く は ない 。
37
若 干 の効 果 と して ，加 速 度 を 81rad./s 2
⇒
84rad./s 2
（2000rpm/2.5s）に 上げ
るこ と が でき て いる 。
3．9 ス ラス ト 浮 上方 式 のま と め
3.9.1
ス ピ ナ とし て の性 能
以 上 の結 果 か ら， 実 験機 と し ては ス ラス ト 浮 上 2 号 機 と， タ ー ンテ ー ブル ＃ 3
の組 合 せ に於 い て， 電 磁 誘導 ス タビ ラ イ ザを 採 用し た 場 合が ， 最も 良 い 特性 が
得ら れ た 。評価 の 対 象と し て決 め た 4 項 目 の特 性の う ち ，定常 回 転 数 209rad./s
（ 2000rpm） 以 上 と ， タ ー ン テ ー ブ ル の 浮 上 高 さ （ チ ャ ン バ の 壁 が 構 成 で き れ
ば可 ）に つ い ては そ れぞ れ， 209rad./s の 回 転速 度が 得 ら れて い るこ と と， タ ー
ンテ ー ブ ルの 浮 上高 さ 3mm 以 上 を 確保 で き て いる こ と から ，チ ャ ンバ の 壁 2mm
を構 成 で きる の で， 目 標 を達 成 した と 言 える 。
しか し ，ター ン テ ーブ ル の加 速 度 105rad./s 2 以 上と フ レ 0.2mm 以 下 に つ い ては ，
それ ぞ れ をま と める と， 加 速 度は 84rad./s 2
フ レ は x 軸 ：0.4mm
z 軸： 1.5mm
とな り ， 目標 は まだ 達 成 でき て いな い 。
本稿 の 趣 旨で あ る超 伝 導 体を 利 用し た 半 導体 製 造用 ス ピ ン処 理 装置 と し て評 価
を行 う と ，加 速 度， フ レ とも に 目標 値 を 達成 で きて い な いの で ，レ ジ ス ト膜 を
均一 に 塗 布す る 目的 の ス ピン コ ーテ ィ ン グ装 置 とし て は 適し て いな い が ，ス ピ
ンコ ー テ ィン グ 装置 に 比 べ， 低 速で 済 む スピ ン 洗浄 装 置 とし て の利 用 は 可能 と
考え ら れ る。
また ， 本 スラ ス ト浮 上 方 式は ， 処理 チ ャ ンバ の 部分 の 設 計が 比 較的 簡 単 にで き
るた め ， 商品 化 のハ ー ド ルは そ れ程 高 く はな い もの と 考 えら れ る。
38
第4章
ラジ ア ル浮 上 方 式
4．1 浮 上要 素
4.1.1
浮 上 体 の磁 気 回路
ス ラ スト 浮 上 方式 に 於い て は ，タ ー ンテ ー ブ ル自 体 に基 板 等 を搭 載 する が ， ラ
ジア ル 浮 上方 式 では 磁 気 浮上 用 マグ ネ ッ トの 上 部に 基 板 搭載 用 のタ ー ン テー ブ
ルを 設 け る構 成 であ る 。 そこ で ラジ ア ル 浮上 方 式で は 基 板を 搭 載す る タ ーン テ
ーブ ル 部 をタ ー ンテ ー ブ ルと 称 し， 浮 上 用マ グ ネッ ト 部 を浮 上 体と 称 す るこ と
とす る 。
ラ ジ アル 浮 上 方式 に 於け る 浮 上体 も ，ス ラ ス ト浮 上 方式 に 於 ける タ ーン テ ー ブ
ル同 様 ， 浮上 を 保持 す る 力の 確 保と ， タ ーン テ ーブ ル 立 上時 間 短縮 の た めの 軽
量化 が 必 要で あ る。
そ こ で， 基 本 とな る 考え 方 は 以下 の 2 つ で ある 。
① 磁束 密 度 の最 も 大き く 取 れる ネ オジ ム 系 マグ ネ ット を 選 択す る
② 凸極 は 設 けな い が， 磁 性 体を 同 極の マ グ ネッ ト で挟 む 構 成と す る
解 析 を行 な っ た， マ グネ ッ ト の配 置 ，磁 性 体 をマ グ ネッ ト で 挟む 磁 気回 路 モ デ
ルと そ の 解析 条 件を 図 4-1-1 に 示 す。
図 4-1-1
浮 上 体の 磁 気回 路 モデ ル （ 左）
解析 条 件 （右 ）
磁 気 解析 を 行 なっ た 結果 を ， 図 4-1-2， 図 4-1-3 に 示す 。
39
gap 10mm
Magnetic field [T]
Magnetic field [T]
gap 10mm
x [mm]
y [mm]
x 方 向 磁束 密 度
図 4-1-2
図 4-1-3
y 方向 磁 束 密度
ラ ジ アル 浮 上 方式 に 於け る 浮 上体 は 重量 物 で ある マ グネ ッ ト ，磁 性 体が 中 心 部
に配 置 さ れる た め， ス ラ スト 浮 上方 式 よ りも 慣 性モ ー メ ント を 小さ く す るこ と
が可 能 と なる 。
慣 性 モー メ ン トが 小 さく な る 割に は ，磁 気 解 析結 果 では 磁 束 密度 が ター ン テ ー
ブル と 同 程度 で ある の で，浮 上力 に 対 して は 十 分な レ ベ ルで あ ると 予 想 され る。
こ の 仕様 で 製 作し た 浮上 体 と ター ン テー ブ ル を図 4-1-4 に 示 す
基板を搭載するターンテーブル
マグネット
図 4-1-4
4.1.2
磁性体
浮 上 体 （左 ）
浮上体（塗装後）
タ ー ンテ ー ブ ルを 取 付け た 浮 上体 （ 右）
HTS バル ク の 構成
ス ラ スト 浮 上 方式 に 於い て ，HTS バ ルク と 浮 上マ グ ネッ ト の 対向 面 積が 大 き い
程，浮上 能 力 が大 き いこ と が 分か っ てい る の で ，HTS バ ル クは マ グ ネッ ト の円
周全 体 を カバ ー する よ う に配 置 する 。
た だ し ， HTS バ ル ク は 円 筒 形 の も の を 製 作 す る こ と が で き な い の で 長 方 形 の
HTS バ ルク を 正 12 角形 に 配置 す る こと に より マグ ネ ッ トと 対 向さ せ る 。
40
そ の 様子 を 図 4-1-5 に 示す 。
HTS バ ル ク
図 4-1-5
4.1.3
正 12 角 形に 配置 し た HTS バ ルク
実 験 機 の構 成
HTS バ ルク を 臨 界温 度 （ Tc） ま で 冷却 す る 構造 と して 図 4-1-5 に 示 すよ う に 銅
製の 冷 却 プレ ー トに 取 付 け， そ れを ス テ ンレ ス 製の チ ャ ンバ 内 に配 置 し ，外 気
と断熱できるレベルにチャンバ内を真空にするクライオスタットを構成し，
GM 冷 凍 機で 冷 却 プレ ー トを 冷 却 して い る 。HTS バル ク の 温度 は 30～40K に 冷
却し て い る。
実 験 機の 構 成 を図 4-1-6 に ，実験 機 であ る ラ ジア ル 浮 上 1 号 機の 外 観を 図 4-1-7
に示 す。（ 4）
図 4-1-6
ラジ ア ル浮 上 方式 の 構 成
41
図 4-1-7
ラ ジ アル 浮 上 1 号 機
4．2 ラ ジア ル 浮 上方 式 の静 特 性
4.2.1
浮 上 体 の x 軸剛 性
ラ ジ アル 浮 上 1 号機 で の x 軸 剛 性に つい て 測 定を 行 った 結 果 を図 4-2-1 に 示す 。
スラ ス ト 浮上 方 式で は z 軸の 剛 性 が強 く ，x 軸 は弱 か っ たが ， ラジ ア ル 浮上 方
式で は 逆 にな る こと が 予 想さ れ るが ， 結 果は そ の通 り 同 一変 位 量に 対 し て， 約
10 倍の 荷 重を 要 し ，x 軸 は 非常 に 強 くな っ てい る。
図 4-2-1
ラジ ア ル浮 上 方式 の x 軸 剛 性
42
4.2.2
浮上体の z 軸剛性
ラ ジ アル 浮 上 1 号 機 で の z 軸 剛 性 に つい て 測 定を 行 った 結 果 を 図 4-2-2 に示 す 。
z 軸剛 性 は スラ ス ト浮 上 方 式に 比 べ弱 く な って いる が ，約 30%の 減 少 であ り ，
予想 以 上 に強 い こと が 分 かっ た 。従 っ て ラジ ア ル浮 上 方 式で は 浮上 体 の 慣性 モ
ーメ ン ト を小 さ くで き ， かつ z 軸剛 性 が 強い こ とか ら ， 立上 り 時の タ ー ンテ ー
ブル の 浮 上り に 強い こ と が期 待 でき る 。
図 4-2-2
ラ ジ アル 浮 上方 式 の z 軸 剛 性
4．3 駆 動要 素
4.3.1
ア キ シ ャル 磁 気カ ッ プ リン グ
ス ラ ス ト 浮 上 方 式 で 用 い た タ ー ン テ ー ブ ル の 慣 性 モ ー メ ン ト は 0.02kgm 2 で あ
るの に 対 して ，ラ ジ アル 浮 上 方式 で 用い る 浮 上 体の 慣 性 モー メ ント は 0.005kgm2
で，1／ 4 で あ る。また ，ラ ジ ア ル浮 上 方式 の z 軸剛 性 は 予想 以 上に 強 い こと か
ら， ス ラ スト 浮 上方 式 に 於い て 使用 し た ，ア キ シャ ル 磁 気カ ッ プリ ン グ を使 用
して も ， 問題 な いこ と が 分か る 。但 し ， 磁気 カ ップ リ ン グの 吸 引力 を 弱 める た
めに ， カ ップ リ ング 間 距 離を 10mm か ら 13mm に拡 大 し て使 用 する 。
4．4 ラ ジア ル 浮 上方 式 の動 特 性
4.4.1
タ ー ン テー ブ ル の x 軸 フ レ
ラ ジ アル 浮 上 1 号 機 の動 特 性 を測 定 した 。x 軸 方 向 のフ レ につ い て 図 4-4-1 に 示
す。
43
図 4-4-1
4.4.2
ラ ジ アル 浮 上 1 号 機 の x 軸フ レ
タ ー ン テー ブ ル の z 軸 フレ
同 様 に z 軸 方 向の フ レ につ い て 図 4-4-2 に示 す 。
図 4-4-2
ラ ジア ル 浮 上 1 号 機の z 軸 フレ
フ レ の値 そ の もの は まだ 大 き いが ， スラ ス ト 浮上 方 式に 比 べ ，慣 性 モー メ ン ト
が小 さ い 分， 立 上り 時 の 加速 ト ルク が 小 さく て 済み ， 浮 上体 の 浮上 り を 抑え る
こ と がで き ， ス ラ スト 浮 上 方 式 で は達 成 で き な い ，105rad./s 2 （ 2000rpm/2s） を
達成 し て いる 。
4．5 パ ッシ ブ 制 御
4.5.1
パ ッ シ ブ制 御 の原 理
ス ラ スト 浮 上 方式 で は， フ レ を抑 え るた め に 電磁 誘 導の 原 理 を利 用 した 電 磁 誘
導ス タ ビ ライ ザ を採 用 し ，一 定 の効 果 が 得ら れ てい る の で， ラ ジア ル 浮 上方 式
に於 い て も同 様 の効 果 が 期待 で きる の で ，試 み る。
ラ ジ アル 浮 上 方式 に 於い て は ，HTS バル ク と 浮上 マ グネ ッ ト の対 向 が面 で は な
く円 筒 形 とな っ てい る の で，銅 板 は円 筒 状に 加 工し て い る。製 作 した 銅 筒（2t）
を 図 4-5-1 に示 す 。
44
図 4-5-1
4.5.2
電 磁 誘導 ス タビ ラ イザ 用 銅 筒
タ ー ン テー ブ ル の x 軸 フ レ
x 軸 方 向の フ レ の特 性 を 図 4-5-2 に 示す 。
図 4-5-2
x 軸 フ レに 対 す る 電磁 誘 導 ブレ ー キの 効 果
x 軸 の フレ は 浮 上体 の 回 転に 同 期 し て いる の で ，周 波 数 が 高い た め 電磁 誘 導 ス
タビ ラ イ ザの 効 果は 顕 著 で，スラ ス ト浮 上 方 式 の時 同 様，同 筒の 無 い時 に 比 べ，
フレ は 半 減し て いる 。
4.5.3
タ ー ン テー ブ ル の z 軸 フレ
同 様 に z 軸 方 向の フ レ の特 性 を 図 4-5-3 に示 す 。
図 4-5-3
z 軸フ レ に対 す る電 磁 誘 導ブ レ ーキ の 効 果
45
x 軸 の フレ が 浮 上体 の 回転 に 同 期し てい る の に対 し て，z 軸の フ レ は加 速 時の 浮
上り な の で， 周 波数 が 低 く， x 軸 ほ どの 効 果 は ない が ， 約 10％ の フ レ低 減 効果
があ る 。
4．6 そ の他 の フ レ改 善 策
4.6.1
タ ー ン テー ブ ルの 低 慣 性化
ラ ジ アル 浮 上 方式 で は重 量 の ある 浮 上用 マ グ ネッ ト を中 心 部 に配 置 でき る の で
慣性 モ ー メン ト を低 く で きる の で， 立 上 り時 の トル ク が 低く て も良 く ， ター ン
テー ブ ル の浮 上 りが 少 な いの で ，そ の 分 安定 性 が増 し 更 に早 い 立上 り が 可能 と
なる 。その 結 果，ス ラス ト 浮 上方 式 では 立 上り 時の 加 速 度が 84rad./s 2 が 限 界で
あっ た の に対 し て， ラ ジ アル 浮 上方 式 で は目 標 の 105rad./s 2 を 達 成で き た。
し か し， 目 標 の加 速 度を 達 成 して い る分 ， 浮 上り は 2.1mm と 大 き い 。
ス ラ スト 浮 上 方式 の ター ン テ ーブ ル は浮 上 用 のマ グ ネッ ト が 配置 さ れて い る の
で， 今 以 上の 低 慣性 モ ー メン ト 化は 難 し いが ， ラジ ア ル 浮上 方 式の タ ー ンテ ー
ブル は ， 基板 等 の処 理 物 を搭 載 する た め のも の であ り ， 形状 的 に剛 性 を 確保 で
きる 範 囲 内で 低 慣性 モ ー メン ト 化を 図 る こと が でき る 。 そこ で図 4-6-1 に示 す
よう な 低 慣性 モ ーメ ン ト 化を 図 った 。計算 上 は ター ン テ ーブ ル 部の み の 比較 で，
0.0043kgm2
図 4-6-1
4.6.2
から
0.0026kgm2
に 低 減し て い る。
タ ー ン テー ブ ルの 低 慣性 モ ー メン ト 化前 （ 左 ）
後 （右 ）
タ ー ン テー ブ ル の x 軸 フ レ
ラ ジ アル 浮 上 方式 に 於け る タ ーン テ ーブ ル の 低慣 性 モー メ ン ト化 を 図る 前 と ，
図っ た 後 の x 軸 方 向の フ レ特 性 を 図 4-6-2 に 示 す。 グ ラ フは 両 者と も 電 磁誘 導
スタ ビ ラ イザ を 使用 し た 時の も ので あ る 。
46
図 4-6-2
x 軸フ レ に対 す る 低 慣性 モ ー メン ト 化の 効 果
フ レ の低 減 効 果と し ては ， タ ーン テ ーブ ル の 浮上 り 防止 策 で ある の で， 予 想 通
り x 軸の 低 減効 果 は 低く ， 目標 の 立 上り の 加 速度 105rad./s 2 に 於 いて ， 0.4mm
か ら 0.3mm で ， 低 減量 は 僅 かで あ る。
4.6.3
タ ー ン テー ブ ル の z 軸 フレ
同 様 に， タ ー ンテ ー ブル の 低 慣性 モ ーメ ン ト 化を 図 る前 と ， 図っ た 後の z 軸 方
向の フ レ 特性 を図 4-6-3 に示 す 。こ ち ら も電 磁 誘導 ス タ ビラ イ ザを 使 用 した 時
のも の で ある 。
図 4-6-3
z 軸 フ レに 対 する 低 慣性 モ ー メン ト 化の 効 果
タ ー ン テー ブ ル の 低 慣性 モ ー メ ン ト 化 によ る 浮 上 り 防止 策 な の で ， z 軸 方 向 の
フレ 低 減 効果 は ，x 軸よ り も 大き く ，2.1mm か ら 1.7mm に ，約 20%低 減 でき て
いる 。
47
4．7 ラ ジア ル 浮 上方 式 のま と め
4.7.1
ス ピ ナ とし て の性 能
以 上 の結 果 か ら， 実 験機 と し ては ラ ジア ル 浮 上 1 号 機に 於 い て， タ ーン テ ー ブ
ルの 慣 性 モー メ ント を 小 さく す るこ と で ，最 も 良い 特 性 が得 ら れた 。
評 価 と対 象 と して 決 め た 4 項 目の うち ， 定 常回 転 数 209rad./s（2000rpm） は 達
成で き て いる 。 浮上 高 さ につ い ては ， 浮 上体 の 直径 方 向 にク ラ イオ ス タ ット 内
周面 か ら 5mm の ギ ャ ッ プ を 保持 し てる 。 こ の ギャ ッ プ に 2mm 厚 さ の 銅 筒 を介
在さ せ て も 3mm の ギ ャ ッ プ が存 在 する の で，装 置の 実 用 化に 対 して 問 題 はな い。
ター ン テ ーブ ル の加 速 度 105rad./s 2
は ク リ ア して お り，ス ラス ト 浮 上方 式 に比
べ，1 項目 前 進し て い るが ，フレ に 対 して は 0.2mm 以 下 に 対 し て，x 軸：0.3mm
z 軸 ：1.7mm
と な り ， 目標 は まだ 達 成さ れ て いな い 。
本 稿 の趣 旨 で ある 超 伝導 体 を 利用 し た半 導 体 製造 用 スピ ン 処 理装 置 とし て 評 価
を行 う と ，定 常 回転 数 ， 加速 度 を達 成 で きた の で， レ ジ スト 膜 を均 一 に 塗布 す
る目 的 の スピ ン コー テ ィ ング 装 置に 一 歩 近づ い ては い る が，フレ の 値 が大 き く，
安定 し た 成膜 は 期待 で き ず， コ ーテ ィ ン グ装 置 への 応 用 は難 し い。
ス ラ スト 浮 上 方式 の 実験 機 と 同様 ， スピ ン 洗 浄装 置 とし て の 利用 は 可能 と 考 え
られ る 。
ラ ジ アル 浮 上 方式 で は， 磁 気 浮上 に より 浮 上 体を 保 持す る 部 分が タ ーン テ ー ブ
ルの 下 部 に位 置 して い る ため ，処 理 チャ ン バ の 構造 が 多 少複 雑 にな る。従 っ て，
商品 化 時 には 多 少設 計 的 な工 夫 が必 要 と なる 。
第5章
低慣 性 スラ ス ト 浮上 方 式
5．1 低 慣性 ス ラ スト 浮 上方 式 検 討
5.1.1
低 慣 性 スラ ス ト浮 上 方 式検 討 の 目的
第 3 章で 述 べ たス ラ スト 浮 上 方式 ， 第 4 章 で 述べ た ラジ ア ル 浮上 方 式の い ず れ
の方 式 に 於い て も， 浮 上 体の 慣 性モ ー メ ント が 大き い と 回転 の 立上 り 時 に浮 上
体の 浮 上 りが 発 生し ， 安 定性 が 損な わ れ る傾 向 があ る 。 そこ で 本章 で は 浮上 要
素， 駆 動 要素 を 共に 見 直 し， 第 3 の 浮 上 方式 の 検討 を 行 う。 浮 上体 の 浮 上要 素
とし て は ，慣 性 モー メ ン トを 更 に小 さ く した タ ーン テ ー ブル の 試作 を 行 う。
ま た ，浮 上 体 の浮 上 りは 磁 気 カッ プ リン グ の 浮上 側 ，駆 動 側 の安 定 時の 状 態 か
ら回 転 位 相に ズ レが 生 じ るこ と によ り ，吸 引 力 が変 化 す るた め に発 生 し てい る。
そこ で ， 駆動 要 素と し て 吸引 力 の変 化 が 少な い 電磁 誘 導 カッ プ リン グ を 検討 す
るこ と と する 。
第 3 の浮 上 方 式の 概 念図 を 図 5-1-1 に示 す 。
48
図 5-1-1
低 慣性 ス ラス ト 浮上 方 式 概念 図
5．2 浮 上要 素
5.2.1
タ ー ン テー ブ ルの 磁 気 回路
本 方 式も ス ラ スト 浮 上方 式 ， ラジ ア ル浮 上 方 式と 同 様に ， 基 本と な る考 え 方 と
して ， 下 記の 2 点を 採 る 。
① 磁束 密 度 の最 も 大き く 取 れる ネ オジ ム 系 マグ ネ ット を 選 択す る
② 磁性 体 に よる 凸 極を 設 け ，マ グ ネッ ト で 挟む 構 成と す る
解 析 を行 な っ た磁 気 回路 モ デ ルを 図 5-2-1 に ，磁気 解 析 ソフ ト によ り FEM 解析
を行 な っ た結 果 を 図 5-2-2 に示 す 。
図 5-2-1
タ ーン テ ーブ ル の 磁気 回 路
49
図 5-2-2
5.2.2
FEN 解 析
バ ル ク の構 成
浮 上 体の 磁 気 回路 が φ100mm で あ るこ と か ら，HTS バ ル クは 多 少 余裕 を もっ て
対向 で き るよ う に， φ 110mm の 単 体 の も の を 用い て い る。
図 5-2-3 に そ の 様子 を 示す 。
図 5-2-3
HTS バル ク
5．3 駆 動要 素
5.3.1
電 磁 誘 導カ ッ プリ ン グ
電 磁 誘導 カ ッ プリ ン グと 言 え ども ， 単純 に マ グネ ッ トと 銅 板 を対 向 させ た だ け
のカ ッ プ リン グ では 吸 引 力の 変 化が 現 れ るの で ，図 5-3-1 に 示 すよ う に ，浮 上
側銅 リ ン グの 内 外面 を 駆 動側 内 外輪 に 設 けた 4 個の 駆 動 マグ ネ ット で 挟 む配 置
とす る こ とで ， 銅リ ン グ の内 外 両面 に 作 用す る 吸引 力 を 相殺 す る構 造 と して い
る。 実 機 では 駆 動マ グ ネ ット を 8 組 配 置 して い る。 製 作 した カ ップ リ ン グを 図
5-3-2 に 示す 。
50
磁気 回路
図 5-3-1
図 5-3-2
電 磁 誘導 カ ップ リ ング の 磁 気回 路
駆 動 側 マグ ネ ット 内 外輪 （ 左 ）
浮 上側 銅 リ ング （ 右）
低 慣 性ス ラ ス ト浮 上 方式 で は ，浮 上 体の 浮 上 マグ ネ ット を 中 心部 に ，駆 動 用 の
銅リ ン グ を外 周 に配 置 し てい る ため ， 銅 リン グ を駆 動 さ せる た めの 駆 動 内外 輪
はベ ル ト ドラ イ ブ方 式 を 採用 し てい る 。 駆動 部 の外 観 を 図 5-3-3 に示 す 。
スラ ス ト 浮上 方 式， ラ ジ アル 浮 上方 式 ， いず れ にお い て も電 磁 誘導 ス タ ビラ イ
ザは 有 効 であ っ たの で ， 本方 式 でも 最 初 から 採 用し て い る。
51
駆動ベルト
電磁誘導スタビライザ用銅板
図 5-3-3
低 慣 性 スラ ス ト浮 上 実験 機
駆動 部 の外 観
磁 気 カッ プ リ ング は ，駆動 側 ，被駆 動側（ 浮 上 側）で 位 相差（ 極 数 の 1／2 以 下）
を生 ず る が， 全 体の 動 き は同 期 して い る のに 対 して ， 電 磁誘 導 カッ プ リ ング は
滑り を 伴 って 追 従し て い く。 立 上り 時 に 於い て も駆 動 側 のス ピ ード に 遅 れな が
ら追 従 す る。 更 に定 常 の スピ ー ドに 達 し た時 に も， 駆 動 側， 被 駆動 側 で スピ ー
ド の 差 を 持 っ た ま ま 安 定 し て い る 。 駆 動 側 の 回 転 数 を N0
N1
被駆動側回転数を
と し た時 ， スベ リ 率 s は ， 下 記の 式 で定 義 され る 。
s＝ （ N 0－ N 1 ） ／ N 0
本機 で は s=0.34 と なっ て い る。 そ の関 係 を 図 5-3-4 に示 す 。
Driving characteristic
Operated rotation
speed [rad./s]
300
250
200
150
100
50
0
0
100
200
300
Driving rotation speed [rad./s]
図 5-3-4
電磁 誘 導カ ッ プ リン グ の駆 動 特 性
52
400
5． 4 低 慣 性ス ラ ス ト浮 上 方式 の 静 特性
5.4.1
ター ン テ ーブ ル の x 軸剛 性
低 慣性 ス ラ ス ト浮 上 方 式の 実 験 機 に 於 いて ，x 軸 方 向 の剛 性 を 測定 し た 結果 を
図 5-4-1 に 示す 。
図 5-4-1
低 慣 性 スラ ス ト浮 上 方式 の x 軸 方 向剛 性
スラ ス ト浮 上 方 式の 実 験機 と 比 較す る と， 30N 以上 の 荷重 を 掛 けて も まだ タ ー
ンテ ー ブ ルが 保 持さ れ て いる こ とか ら ， 本方 式 の方 が 強 い結 果 とな っ て いる 。
5.4.2
ター ン テ ーブ ル の z 軸 剛 性
同様 に ，z 軸 方 向の 剛 性を 測 定し た 結 果を 図 5-4-2 に 示 す。
図 5-4-2
低 慣性 ス ラス ト 浮上 方 式 の z 軸 方 向剛 性
スラ ス ト浮 上 方 式の 実 験機 と 比 較す る と， 約 200N の 荷重 で タ ーン テ ーブ ル が
保持 さ れ なく な って お り ，ほ ぼ 同等 の 結 果と な って い る 。
53
5．5 低 慣性 ス ラ スト 浮 上方 式 の 動特 性
5.5.1
タ ー ン テー ブ ル の x 軸 フ レ
低 慣 性ス ラ ス ト浮 上 方式 で 用 いた 電 磁誘 導 カ ップ リ ング は ス ベリ が あり ， 立 上
り時 の 加 速度 を 自由 に コ ント ロ ール で き ない の で， 定 常 時の 速 度を パ ラ メー タ
とし て ， 動特 性 を測 定 す る。 そ の結 果 を 図 5-5-1 に 示 す。
図 5-5-1
低慣 性 スラ ス ト浮 上 方 式の x 軸 方 向フ レ
x 軸 方 向の フ レ は，10rad./s
程 度 の 低回 転 領 域か ら 既 に 0.8mm と 大 き く，目 標
の 209rad./s で は 1.1mm と ， 更 に大 き く なっ て いる 。
5.5.2
タ ー ン テー ブ ル の z 軸 フレ
同 様 に動 特 性 ，z 軸 方向 フ レに つ い て測 定 し た結 果 を 図 5-1-2 に示 す 。
図 5-5-2
低 慣 性ス ラ スト 浮 上方 式 の z 軸 方 向 フレ
z 軸方 向 の フレ は ，低 回 転 領域 で は 0.2mm と 小 さ い が ， 目標 の 209rad./s では
0.7mm と ， 評 価 目 標 値 に は 達 し て い な い が ， 他 方 式 に 比 べ フ レ の 値 は 小 さ く ，
電磁 誘 導 カッ プ リン グ の 効果 が 出て い る 。
54
5．6 低 慣性 ス ラ スト 浮 上方 式 の まと め
5.6.1
ス ピ ナ とし て の性 能
本 研 究の 評 価 の対 象 とし て 決 めた 4 項目 の う ち，定常 回 転速 度 209rad./s は 達 成
した が ， 立上 り 加速 度 は 84rad./s 2
で 未達 成 と なっ た 。
タ ー ンテ ー ブ ルの 浮 上高 さ は 約 5mm 浮 上 し て お り ，そ の 浮 上空 間 に 2mm 厚 の
チャ ン バ 壁を 構 成で き る ので 達 成し て い る。
ター ン テ ーブ ル のフ レ に つい て は回 転 速 度 209rad/s（2000rpm）ま で立 上 る時 の
特性 で 読 取る と ，x 軸方 向：1.1mm
z 軸 方 向：0.7mm と な り ，目 標は 未 達 成で
ある 。
回 転 速 度 209rad./s
に 達す る まで のタ ー ン テー ブ ル の Max の フ レに つ いて ，ス
ラス ト 浮 上方 式 ，ラ ジ ア ル浮 上 方式 ， 低 慣性 ス ラス ト 浮 上方 式 の 3 方 式 で比 較
を行 う と ，表 5-6-1 の よ う にな る 。
表 5-6-1
項目
浮 上 方式 に よる タ ーン テ ー ブル フ レ量 の 比 較
スラスト浮上方式
ラジアル浮上方式
低慣性スラスト浮上方式
x 軸方向フレ
0.4mm
0.3mm
1.1mm
z 軸方向フレ
1.5mm
1.7mm
0.7mm
z 軸 方 向 のフ レ に 関 し ては ， カ ッ プ リ ン グ間 吸 引 力 の 変化 し な い 低 慣性 ス ラ ス
ト 浮 上方 式 で 用 い た 電磁 誘 導 カ ッ プ リン グ が 有 効 であ り ， こ の 方 式の み ， z 軸
方向 の フ レが 1mm を 割 る 結 果と な って い る 。
一方 ， x 軸 方 向 のフ レ に 関 して は 低 慣 性ス ラ ス ト浮 上 方 式 が最 も 大 きく ， 1mm
を超 え て いる 。図 5-5-1 を見 て 分か る 通 り， 低 速度 時 か ら大 き なフ レ が 発生 し
てお り ， 初期 的 にバ ラ ン スが 崩 れて い る こと を 示し て い る。 低 回転 域 に 於い て
既に バ ラ ンス が 崩れ て い るこ と から ， ダ イナ ミ ック バ ラ ンス で はな く ， スタ テ
ィッ ク バ ラン ス が崩 れ て いる こ とが 分 か る。
第 6 章 で は浮 上 回転 体 が どの よ うに 回 転 し， ど のよ う な メカ ニ ズム で フ レを 発
生す る の かを 理 論的 に 解 析し ， フレ 低 減 の根 本 的な 対 策 につ い て提 案 を 行う 。
55
第6章
超伝 導 浮上 体 の 回転 時 フレ の 解 析と 対 策
6．1 浮 上体 に 作 用す る 力
6.1.1
超 伝 導 浮上 に 於け る マ イス ナ ー 効果
超 伝 導 体は 臨 界温 度 （ Tc）以 下 に な ると 浮 上 マグ ネ ッ トの 磁 場に よ り 表面 上 に
高密 度 の 電流 が 流れ ， 超 伝導 体 内部 へ の 磁場 の 侵入 を 排 除し ， 反磁 性 の 状態 に
なる 。 こ れを マ イス ナ ー 効果 と 呼ぶ が ， この 現 象に よ り 浮上 マ グネ ッ トは z 軸
方向 の 浮 上力 を 得る こ と がで き る。
6.1.2
超 伝 導 浮上 に 於け る ピ ン止 め 効 果
本 研 究 に よ る 磁 気 浮 上は ， 第 Ⅱ 種 超 伝 導 体 によ る ピ ン 止 め 効 果 を 利用 し ，HTS
バル ク が 臨界 温 度 （ Tc） に 達 した 時 の バル ク と 浮上 マ グ ネッ ト の 位置 関 係 を，
バル ク 内 の不 純 物，欠陥 ，結晶 の 接合 部 な どに 量 子化 磁 束 を保 持 させ る こ とで ，
安定 的 に 浮上 状 態を 保 つ こと を 期待 し て いる 。
こ の ピン 止 め 効果 は x 軸 方 向 の安 定 性だ け で なく ， バル ク を 貫通 し た量 子 化 磁
束を 保 持 して い るこ と か ら， z 軸方 向 の浮 上 力 にも 寄 与 して い る。
図 6-1-1 に そ の 様子 を 図示 す る 。
し か しこ の ピ ン止 め 力 の x 軸 方向 の 剛性 に 関 して は ，ピ ン 止 めさ れ た中 立 点 付
近 で は 弱 く ， 中 立 点 か ら 離 れ る ほ ど 強 く な る 性 質 を 持 っ て い る 。 図 3-5-4， 図
5-4-1 の x 軸剛 性 か ら， 中 心点 が 1mm 離 れ た 時の 荷 重 を計 算 する と ，3～7N 程
度で ， 非 常に 小 さい こ と が分 か る。
図 6-1-1
6.1.3
浮 上 体に 作 用す る 力
磁 気 カ ップ リ ング に よ る調 心 効 果
磁 気 カッ プ リ ング の 駆動 側 マ グネ ッ トと 浮 上 側マ グ ネッ ト を 対向 さ せて ， 上 下
のマ グ ネ ット の 位相 が 合 った 時 には z 軸 方向 の 吸引 力 が 働く の みで あ る が， 上
下の 芯 ズ レが 発 生す る と ，元 の 位置 に 戻 すよ う に x 軸方 向 の 調心 力 が働 く 。
図 6-1-2 に その 関 係を 示 す 。
56
図 6-1-2
磁気 カ ップ リ ン グに よ り浮 上 体に 作 用 する 力
一 方 ，電 磁 誘 導カ ッ プリ ン グ は， 静 止状 態 で は何 の 力も 生 じ てい な いが ， 回 転
速 度が 上 昇 する に つ れ ，x 軸 方向 の 調 心力 が 働 く 。本 研 究 で採 用 し て いる 電 磁
誘導 カ ッ プリ ン グは ， 銅 リン グ を内 輪 ， 外輪 で 挟む 構 造 を採 っ てお り ， 中立 点
に戻 そ う とす る 力は 基 本 的に キ ャン セ ル され る ので ， 磁 気カ ッ プリ ン グ の調 心
力に 比 べ れば ， 小さ い レ ベル で ある 。
z 軸 方 向 にも 駆 動 マ グ ネッ ト と ， 銅 リ ン グの バ ラ ン ス する 点 が 存 在 し， 高 速 回
転領 域 に 於い て 安定 す る 力が 働 く。 そ の 関係 を 図 6-1-3 に 示す 。
図 6-1-3
6.1.4
電 磁 誘導 カ ップ リ ング に よ り浮 上 体に 作 用 する 力
遠心力
浮 上 体が 回 転 して い る時 に は 重心 に 対し て 遠 心力 が 作用 し 、 回転 中 心か ら の ブ
レを 生 ず る。 遠 心力 は 角 速度 の 2 乗 に 比 例す る こと か ら 、低 速 領域 で は 影響 が
小さ く 、 中速 領 域か ら 急 激に 影 響が 大 き くな る 。
6.1.5
ジ ャ イ ロ効 果
浮 上 体が 高 速 定常 回 転を し て いる 時 ，そ の 回 転軸 は 重心 を 通 る慣 性 セン タ と な
り， 角 運 動量 が 変化 し な い限 り ，安 定 姿 勢で 回 転を 保 持 しよ う とす る 。 これ を
ジャ イ ロ 効果 と いう 。 本 研究 に 於け る 実 験で も ジャ イ ロ 効果 は 見ら れ ， 高速 回
転領 域 で のタ ー ンテ ー ブ ルの 回 転は 非 常 に安 定 して い る 。
57
6．2 浮 上回 転 体 に存 在 する セ ン タ
幾 何 セ ンタ
6.2.1
浮 上 回転 体 に は 3 つ のセ ン タ が存 在 して い る 。
1 つ 目は ， 幾 何セ ン タで あ る 。幾 何 セン タ は 浮上 体 の製 作 ， 加工 に 於け る 基 準
とな る ， 回転 体 の幾 何 学 的な セ ンタ で あ る。
磁 気 セ ンタ
6.2.2
2 つ 目は 磁 気 セン タ であ る 。 磁気 セ ンタ は マ グネ ッ トの 磁 束 分布 に 於け る 分 布
の中 心 と なる 点 であ る 。
磁 気 セン タ は マグ ネ ット の 製 造過 程 に於 け る 素材 の 配向 度 ， 相対 密 度， 加 工 精
度， 着 磁 精度 等 の要 因 に より ， 必ず し も 幾何 セ ンタ に 一 致す る とは 限 ら ない 。
む し ろ， 最 初 から 一 致し て い ない と 考え る べ きで あ る。
重心
6.2.3
3 つ 目は 重 心 であ る 。重 心 は 浮上 体 の各 部 分 に働 く 重力 の 合 力が 作 用す る と 考
えら れ る 点で ， 浮上 体 の 質量 の 中心 で あ る。
以 上 の 3 つ の セン タ の関 係 を 図 6-2-1 に 示 す。
図 6-2-1
6.2.4
浮 上 回転 体 に於 け る 3 つ の セン タ
回転軸
浮 上 体の 回 転 軸は ， モー タ に 於け る シャ フ ト のよ う な固 定 的 に回 転 中心 と な る
軸を 持 っ てい な い。 浮 上 体は 自 身の 駆 動 され る 回転 速 度 によ り 作用 す る 力の 種
類と 大 き さが 変 わっ て い くた め ，回 転 軸 も変 化 し， 移 動 して い くこ と に なる 。
その た め 回転 速 度に 応 じ てフ レ の発 生 メ カニ ズ ムも 変 化 して い く。
58
6．3 フ レの 発 生 原因
6.3.1
低 速 回 転領 域
浮 上 マグ ネ ッ トを HTS バ ル ク 上で 超伝 導 浮 上さ せ ると ，ピ ン止 め 効果 に より 安
定浮 上 す るが ， この ピ ン 止め 位 置は 磁 束 分布 の 中心 と な る磁 気 セン タ で ある 。
図 6-3-1 に その 関 係を 図 示 する 。
図 6-3-1
磁 気セ ン タ と幾 何 セン タ の位 置 関 係
低速 回 転 領域 で はタ ー ン テー ブ ルを 回 転 させ る と回 転 軸 は磁 気 セン タ と なる の
で， 磁 気 セン タ と幾 何 セ ンタ の ズレ 分 が ター ン テー ブ ル の x 軸 のフ レ と なっ て
現れ る 。
6.3.2
高 速 回 転領 域
浮 上 体が 高 速 で回 転 して い る 時は ジ ャイ ロ 効 果に よ り浮 上 体 の重 心 で回 転 し よ
うと す る 。現 在 の技 術 で 浮上 体 の製 造 ， 加工 を 行う と ， 機械 精 度が 高 い ので 幾
何セ ン タ がほ ぼ 重心 と な って い る。 従 っ て， 高 速回 転 領 域で は 回転 軸 が ほぼ 重
心で あ る ため ， 比較 的 バ ラン ス が取 れ て いる の でフ レ が 少な く ，安 定 的 に回 転
する こ と が期 待 でき る 。
6.3.3
中 速 回 転領 域
中 速 回転 領 域 では ， 回転 軸 が 低速 回 転領 域 の 磁気 セ ンタ か ら 高速 回 転領 域 の 重
心へ 移 っ て行 く 途中 の 段 階で あ る。 こ の 領域 で は， ピ ン 止め 効 果， カ ッ プリ ン
グ の調 心 効 果， 遠 心 力 が交 互 に 作 用し ，x 軸 の フ レは 安 定 せず ， 特 定 の速 度 で
は共 振 現 象も 発 生す る 。
ま た 回転 軸 が 移動 す ると と も に， 回 転軸 の 傾 きが 発 生す る こ とか ら ，す り こ ぎ
運動 が 起 こり z 軸 のフ レ も大 き く なる 。
59
6．4 フ レの 低 減 対策
6.4.1
セ ン タ 統合 化
浮 上 回転 体 の フレ は ，低 速 回 転領 域 では 磁 気 セン タ と幾 何 セ ンタ の ズレ に よ り
発生 し ， 中速 回 転領 域 で は回 転 軸の 移 動 によ り 発生 す る こと か ら， 本 研 究の 着
眼点 と し て， 浮 上体 の セ ンタ 統 合化 の 検 討を 行 った 。
セ ン タ統 合 化は 2 段 階あ り ，1 番 目 の調 整 1 は 磁 気 セン タ と幾 何 セ ンタ を 統合
させ る こ とで ， 低速 回 転 領域 で のフ レ を 低減 す るこ と で ある 。
2 番 目 の調 整 2 は 磁 気 セン タ と重 心 を 統合 さ せ るこ と で 回転 軸 の移 動 を 無く し，
中速 回 転 領域 の フレ を 低 減す る こと で あ る。
調 整 1 の 後に 調 整 2 を 行 えば ， 幾何 セ ン タと 重 心も 統 合 され る こと か ら ，高 速
回転 領 域 の回 転 軸と な る 重心 と 幾何 セ ン タが 一 致し 、 フ レも 低 減さ れ る 。調 整
1， 2 の 関 係を 図 6-4-1 に 示 す 。
図 6-4-1
6.4.2
調整 1
調整 2
調整 1
調 整 1 は 磁 気 セン タ を幾 何 セ ンタ へ 統合 す る こと で ある 。 磁 気セ ン タは 外 観 上
まっ た く 見え な いの で ，超 伝 導浮 上 で 磁気 セ ン タに ピ ン 止め さ れた 状 態 を作 り，
ター ン テ ーブ ル をゆ っ く り回 転 させ な が ら外 周 のフ レ を レー ザ 変位 計 で 計測 す
るこ と で 可視 化 でき る 。 その 原 理図 を図 6-4-2 に示 す 。 その 結 果得 ら れ たデ ー
タが 図 6-4-3 で ある 。 タ ーン テ ーブ ル が 幾何 セ ンタ で 回 転す れ ばレ ー ザ 変位 計
の値 は 0 のみ を 表示 す る が， 磁 気セ ン タ でピ ン 止め さ れ てい る ので ， 計 測さ れ
た変 位 分 が磁 気 セン タ と 幾何 セ ンタ の ズ レを 表 して い る 。
60
図 6-4-2
図 6-4-3
磁 気 セン タ の 可視 化
磁 気セ ン タと 幾 何セ ン タ のズ レ
そ こ で両 セ ン タの ズ レを 調 整 する た め 図 6-4-4 に 示 すよ う に 浮上 マ グネ ッ ト と
外周 の 銅 リン グ （実 際 に は銅 リ ング の サ ポー ト 部品 ） の 間に ギ ャッ プ を 設け ，
この ギ ャ ップ を 調整 す る こと で 幾何 セ ン タを 調 整し ， 磁 気セ ン タ＝ 幾 何 セン タ
とす る 。
61
図 6-4-4
6.4.3
幾 何 セン タ の 調整
調整 2
調 整 2 は 重 心 を磁 気 セン タ へ 統合 す るこ と で ある 。
一 般 的に ， 重 心を 幾 何セ ン タ へ統 合 する こ と をバ ラ ンス 調 整 と称 す るが ， こ の
調整 は 回 転軸 を 基準 に 調 整す る 。し か し 本研 究 の浮 上 体 は中 心 部に 浮 上 マグ ネ
ット が 位 置し て おり ， バ ラン ス 調整 の た めの 軸 を設 け る こと が でき な い 。そ こ
で， 外 径 を基 準 にバ ラ ン ス調 整 を行 う こ とが 考 えら れ る 。
そ の 重心 調 整 法を 図 6-4-5 に 示す 。 ボー ル ベ アリ ン グ上 で タ ーン テ ーブ ル が 安
定し た 時 の上 部 の点 （ 軽 点） に バラ ン ス ウエ イ トを 取 付 ける こ とで ， 重 心を 調
整す る 。 実際 に はボ ー ル ベア リ ング の フ リク シ ョン が あ るの で ，タ ー ン テー ブ
ル の 4 方 向で 確 認を 行 う 。調 整 1 後 に 調 整 2 を 行う こ と によ っ て， 重 心 ＝幾 何
セン タ ＝ 磁気 セ ンタ と な り， 3 つ の セ ンタ の 統 合が 図 れ る。
図 6-4-5
重 心 の調 整
62
6．5 調 整 1 と そ の効 果
6.5.1
幾 何 セ ンタ 調 整
磁 気 セン タ と 幾何 セ ンタ の ズ レが 図 6-4-3 よ り 90°方 向 に 0.28mm あ る こ と が
判る の で ，両 セ ンタ を 合 せる べ く調 整 を 行っ た 。そ の 様 子を 図 6-5-1 に 示 す。
図 6-5-1
幾何 セ ンタ の 調 整
調 整 し た 結 果 を 図 6-5-2 に 示 す が ， 調 整 後 は フ レ 幅 で δ ＝ 0.18mm（ 偏 心 ε ＝
0.09mm） で ， 完 璧 とは 言 え ない が ほぼ 磁 気 セ ンタ ≒ 幾 何セ ン タと な っ た。
図 6-5-2
調 整後 の 磁気 セ ンタ と 幾 何セ ン タの ズ レ
63
6.5.2
x 軸の フ レ波 形
幾 何 セン タ 調 整前 後 の x 軸の フ レ波 形を 図 6-5-3 に 示 す。
低 速 回転 領 域 では 磁 気セ ン タ と幾 何 セン タ の ズレ が 少な く な った た め， 予 想 通
り， フ レ も小 さ くな っ て いる 。 高速 回 転 領域 で はほ ぼ 幾 何セ ン タに あ っ た重 心
が， 調 整 1 に よ り幾 何 セ ンタ か ら逆 に ず れた た め調 整 前 より フ レは 大 き くな っ
てい る 。 中速 回 転領 域 で は調 整 前と 同 様 ，回 転 軸の 移 動 が生 じ てい る た めフ レ
の大 き さ はほ と んど 変 わ って い ない 。
調整１
図 6-5-3
調 整 1 前 後 の x 軸 フレ 波 形
64
6.5.3
調 整 1 後の 動 特性
幾 何 セン タ 調 整前 後 の， タ ー ンテ ー ブル が ス ター ト から 設 定 速度 に 達す る ま で
の間 の フ レの Max 値 （動 特 性 ）を 図 6-5-4 に 示 す。
丸 で 囲ん だ x 軸 の低 速 回 転領 域 では 顕著 に フ レ低 減 の効 果 が 表れ て いる 。
そ の 他の 領 域 では 理 論上 変 化 が期 待 でき な い ので ， 大き な 差 は出 て いな い 。
図 6-5-4
調 整 1 前 後の 動 特性
65
6．6 調 整 2 と そ の効 果
6.6.1
重心調整
重 心 の調 整 を 行っ て いる 様 子 を図 6-6-1 に 示 す 。ボ ー ルベ ア リ ング 取 付台 の x
軸，y 軸 の 水平 状 態を 確 認 し， タ ーン テ ー ブル のバ ラ ン スを 調 整し て い る。
Balancing weight
図 6-6-1
66
重 心 の 調整
6.6.2
x 軸の フ レ波 形
調 整 1， 調 整 2 に よる セ ンタ の 統 合 によ り x 軸 のフ レ 波 形が ど のよ う に変 化 し
たか を 図 6-6-2 に 示す 。
調整１
調整２
図 6-6-2
調 整 1，2 前 後 の x 軸フ レ 波 形
67
調 整 1 に よ る 結果 は 前述 の 通 りで あ るが ， 調 整 2 に より 更 に 中速 回 転領 域 で は
回転 軸 の 移動 が 少な く な った こ とか ら 大 きな フ レの 低 減 が見 ら れ， 高 速 回転 領
域で は 重 心と 幾 何セ ン タ がほ ぼ 一致 し た こと か ら更 な る フレ の 低減 効 果 が見 ら
れる 。
6.6.3
z 軸 の フレ 波 形
同 様 に z 軸 の フレ 波 形 を図 6-6-3 に 示す 。
調整１
調整２
図 6-6-3
調整 1，2 前後 の z 軸 フ レ波 形
68
調 整 1 で は 幾 何セ ン タを 調 整 して 磁 気セ ン タ に統 合 する こ と で， 低 速回 転 領 域
の x 軸の フ レ を低 減 する こ と を目 的 とし て い るの で ，z 軸の フ レ 波形 に はそ の
影響 が ほ とん ど 出て い な い。
調 整 2 で は 重 心を 調 整し て 磁 気セ ン タに 統 合 して い るの で ， 中速 回 転領 域 で の
回転 軸 の 移動 が 少な く な り， す りこ ぎ 運 動の 発 生も 抑 え られ ， フレ 低 減 の効 果
が出 て い る。 高 速回 転 領 域で は 図 6-6-4 に 示 す よう な x 軸方 向 の 慣性 主 軸の ズ
レが 発 生 し， フ レは 若 干 増加 し てい る 。
図 6-6-4
6.6.4
x 軸周 り の 慣 性主 軸
回 転 軸 の移 動
調 整 2 に よ る フレ 低 減効 果 を 見る た め回 転 軸 の移 動 の様 子 を ，タ ー ンテ ー ブ ル
の x 軸 ，y 軸 に レー ザ 変 位計 を 設置 し そ のリ サ ージ ュ 図 形を 測 定し た 。 先ず ，
調 整 2 前 で，磁 気 セン タ と重 心 に ズレ が ある 時 の回 転 軸 の移 動 の様 子 を 図 6-6-5
に示 す 。こ れ は 0.4s 間 の 動 きを 観 測し た も の であ る が，回 転軸 は 内 外に 大 きく
移動 し な がら す りこ ぎ 運 動を し てい る こ とが 分 かる 。
ｍｍ
図 6-6-5
調 整 2 前 の 回転 軸 の 移動
69
中 速 回転 領 域 およ び 高速 回 転 領域 で の調 整 2 前後 の 回転 軸 移 動の 比 較に つ い て，
図 6-6-6，図 6-6-7 に 示す 。い ず れの 速 度 に於 い ても 調 整 前よ り ，調整 後 の 方が ，
回 転 軸 の 移 動 は 小 さ く な っ て い る 。 調 整 前 の 102rad./s で は 回 転 軸 移 動 の 軌 跡
が， 幅 の ある 形 とな っ て いる 。 これ は 軸 の移 動 が重 心 に よっ て 単純 に 振 り回 さ
れて い る ので は なく ， ピ ン止 め 効果 ， 電 磁誘 導 カッ プ リ ング の 調心 効 果 等に よ
り， 回 転 軸が 内 外に 大 き くフ レ なが ら 移 動し て いる こ と を示 し てい る 。
ｍｍ
調整２
ｍｍ
図 6-6-6
調整 2 前後 の 回転 軸 の 移動 （102rad./s）
70
ｍｍ
調整２
ｍｍ
図 6-6-7
6.6.5
調整 2 前後 の 回転 軸 の 移動 （206rad./s）
調 整 2 後の 動 特性
重 心 調整 前 後 の， タ ーン テ ー ブル が スタ ー ト から 設 定速 度 に 達す る まで の 間 の
フレ の Max 値（ 動特 性 ）のう ち ，x 軸 のフ レ を 図 6-6-8 に ，z 軸 の フレ を 図 6-6-9
に示 す 。 調整 1 によ り 磁 気セ ン タ≒ 幾 何 セン タ とし ， 調 整 2 に より 幾 何 セン タ
≒重 心 と した こ とで ， 磁 気セ ン タ≒ 重 心 が達 成 でき て い るの で ，調 整 2 後は 最
もフ レ が 小さ く なっ て い る。
x 軸の フ レ は目 標 の設 定 速度 209rad./s で 使 用し て もフ レは Max0.5mm と な り フ
レの 目 標 に近 づ いて い る 。し か し中 速 回 転領 域 での 回 転 軸の 移 動が 完 全 に無 く
71
なっ た 訳 では な く，設定 速 度 105rad./s に 設定 し て使 用 す ると フ レ Max は 0.8mm
とま だ 大 きい 値 とな っ て いる 。
図 6-6-7
調 整 1， 2 前 後の 動 特 性（x 軸 ）
z 軸 の フ レは 回 転 軸 の 移動 が か な り 低 減 され た た め ， すり こ ぎ 運 動 の影 響 も 少
なく，すべての速度領域に於いて，フレの低減が図れて，目標の設定速度
209rad./s で 使用 し て もフ レ は Max0.4mm と な りフ レ の 目標 に 近づ い て いる 。
図 6-6-8
調 整 1， 2 前 後の 動 特 性（ z 軸）
6．7 セ ンタ 統 合 化
6.7.1
セ ン タ 統合 化 の効 果
本 研 究で 試 み た， 磁 気セ ン タ ，幾 何 セン タ ， 重心 の 3 つ の セ ンタ の 統合 化 は 非
常に 簡 便 的な 方 法で あ る が， そ れな り の 効果 が 得ら れ ， ター ン テー ブ ル のフ レ
対策 と し ては ， 非常 に 有 効で あ るこ と が 実験 的 に示 さ れ た。
72
マ グ ネッ ト の 製造 工 程で 磁 気 セン タ を幾 何 セ ンタ に 合わ せ て 作り 込 むこ と は 非
常に 難 し い。 そ の理 由 は ，磁 気 セン タ の 位置 決 めに 一 番 大き く 関与 し て いる 配
向度 が マ グネ ッ トの 着 磁 前に 決 まっ て い るに も かか わ ら ず， 磁 気セ ン タ の確 認
は着 磁 後 ，磁 気 浮上 さ せ て初 め て可 視 化 でき る から で あ る。
従 っ て， 調 整 1 で 行 う磁 気 浮 上体 の 磁気 セ ン タに 幾 何セ ン タ を統 合 する 方 法 は
浮上 回 転 体の フ レ低 減 の ため の 必須 の 手 法で あ ると 考 え る。
ま た ，調 整 2 で行 う 重心 の 統 合に 関 して は ， シス テ マテ ィ ッ クに 機 械計 測 を 行
う方 法 と して ， フィ ー ル ドバ ラ ンス 法 が 考え ら れる 。 こ の方 法 は， 浮 上 回転 し
て振 動 し てい る 浮上 体 の 基準 位 置か ら の ズレ （ 位相 ） と ，振 動 の大 き さ ，即 ち
偏心 ベ ク トル を 測定 す る こと に より ， ど の位 置 にバ ラ ン スウ エ イト を 装 着す れ
ば良 い か を計 測 する も の であ る 。し か し ，図 6-6-6
に み られ る よう に 回 転軸 の
移動 は 大 きな 円 を描 い た り， 小 さな 円 を 描い た りし て い る。 即 ちフ ィ ー ルド バ
ラン ス 法 で測 定 した 変 位 ベク ト ルは ， 大 きさ ， 位相 が 常 に変 化 して お り ，ベ ク
トル の 平 均を 取 ると あ た かも バ ラン ス が 取れ て いる よ う に見 え てし ま う 。従 っ
て浮 上 体 の外 径 基準 で 重 心の 調 整を 行 う 方法 も 浮上 回 転 体の フ レ低 減 の ため の
必須 の 手 法で あ ると 考 え る。
6.7.2
セ ン タ 統合 の 高精 度 化
現 時 点で は 実 用化 の ため の 目 標値 に 達し て い ない こ とか ら ， 高精 度 のセ ン タ 統
合化 の 手 法の 開 発が 必 要 とな る 。実 現 可 能と 考 えら れ る 手法 を いく つ か 示す 。
図 6-6-9 は 調整 1 の 幾何 セ ン タ調 整 の高 精 度 化の 例 であ る が ，浮 上 マグ ネ ッ ト
の磁 気 セ ンタ の ズレ 量 を x-y 2 軸の レ ー ザ変 位 計の 出 力 によ り 自動 調 整 する も
ので あ る 。
図 6-6-10 は調 整 2 の 重心 調 整の 高 精 度化 の 例 で， エ ア ーベ ア リン グ を 使用 し，
通常 の ボ ール ベ アリ ン グ にみ ら れる フ リ クシ ョ ンを 低 減 し， 浮 上体 の 正 確な 軽
点を 見 つ ける た めの 装 置 であ る 。
図 6-6-11 は同 様 に 調整 2 の重 心 調整 の 高 精度 化の 例 で，超 伝 導浮 上 を利 用 し て
ター ン テ ーブ ル を垂 直 状 態で 浮 上さ せ ， フリ ク ショ ン な しで 浮 上体 の 正 確な 軽
点を 見 つ ける た めの 装 置 であ る 。
73
図 6-6-9
調整 1
図 6-6-10
図 6-6-11
x-y 2 軸自 動 調 整装 置
調整 2
調整 2
外形 基準 の 重 心調 整 装置
超 伝導 浮 上 重心 調 整装 置
74
第7章
まと め
7．1 浮 上方 式 の まと め
7.1.1
3 浮 上方 式 の 比較
本 研 究で 行 っ た， ス ラス ト 浮 上方 式 ，ラ ジ ア ル浮 上 方式 ， 低 慣性 ス ラス ト 浮 上
方式 の 3 方 式に 於 い て， 209rad./s（2000rpm） に達 す る まで の x 軸 ， z 軸 の最 大
のフ レ 量 の比 較 を行 っ た 結果 を 表 7-1-1 に 示す 。
3 方式 の x 軸， z 軸 フレ 比 較
表 7-1-1
セ ン タ統 合 化 を行 う こと に よ って 低 慣性 ス ラ スト 浮 上方 式 の みが ，x 軸 ，z 軸 共
にフ レ 量 0.5mm 程 度 で ， 両 者と も 1mm を 割 る こと が で きた 。
低 慣 性ス ラ ス ト浮 上 方式 の 当 初目 標 に対 す る 達成 状 況を 列 記 して み る。
定 常 速度
209rad./s
達成
加速度
105rad./s2
未達成
電 磁 誘 導 カッ プ リ ング の パワ ー 不 足で あ るの で，磁 気
回路 見 直 しで 達 成す る こ とが 可 能
浮 上 高さ
ほ ぼ 5mm 確 保
フレ
0.2mm 以 下
チ ャ ン バの 構 成 可能
未達成
セ ン タ 統 合化 の 高 精度 化 が必 要
7.1.2
低 慣 性 スラ ス ト浮 上 方 式の 開 発 のポ イ ン ト
今 後 ，非 接 触 スピ ナ の実 用 化 を行 う 場合 に は ，特 性 の最 も 良 かっ た 低慣 性 ス ラ
スト 浮 上 方式 を 採用 す る こと が 最善 の 方 法で あ る。 そ こ で， 低 慣性 ス ラ スト 浮
上方 式 の 開発 ポ イン ト に つい て まと め て おく 。
設 計 上の ポ イ ント
① ター ン テ ーブ ル の慣 性 モ ーメ ン トを で き るだ け 小さ く す る
フ レ 低 減の 効 果が あ る
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② 電磁 誘 導 ブレ ー キを 使 用 する
フ レ 低 減の 効 果が あ る
③ 電磁 誘 導 カッ プ リン グ を 使用 す る
吸 引 力 の変 化 がな く な るの で ，フ レ 低 減の 効 果が あ る
製 造 上の ポ イ ント
① セン タ の 統合 化 を行 う
以 上 の開 発 ポ イン ト の中 で ， 特に セ ンタ の 統 合化 が 重要 で あ り， こ の統 合 化 の
出来 如 何 でス ピ ナの 性 能 が決 ま ると い っ ても 過 言で は な い。
7．2 今 後の 研 究 課題
7-2-1
課題 1
セ ン タ 統合 化 の高 精 度化
第 6 章で 述 べ た通 り ，セ ン タ 統合 化 の高 精 度 化は 必 須で あ る 。高 精 度化 の 例 を
いく つ か 示し て いる が ， 今後 実 装置 で の 確認 が 必要 と な る。
7-2-2
課題 2
重 心 調 整の 定 量化
セ ン タの 統 合 化の 調 整 2 で 重 心の 調 整を 行 っ てい る が， 重 心 調整 の 定量 化 が で
きて い な い。今後 は 重 心位 置 と磁 気 セ ンタ の ズ レの 数 値 化の 研 究が 必 要 とな る。
7-2-3
課題 3
電 磁 誘 導カ ッ プリ ン グ調 心効 果 の 考慮
浮 上 体の 駆 動 方法 と して 電 磁 誘導 カ ップ リ ン グを 使 用す る と ，磁 気 カッ プ リ ン
グほ ど 強 い吸 引 力は な く ，調 心 力も 内 外 輪で 駆 動す る こ とで キ ャン セ ル する 効
果が あ り ，本 研 究で は 無 視し て いる 。 し かし ， 駆動 速 度 を上 げ れば 調 心 力は 必
ず しも ゼ ロ では な く ，x 軸 の フレ 波 形 に現 れ て い るよ う に ，ス タ ー 位 置と 定 常
速度 で 安 定し て いる 時 の 位置 が 若干 異 な るこ と から ， 電 磁誘 導 カッ プ リ ンで も
調心 力 は 働い て いる 。
今後 ， セ ンタ 統 合化 の 精 度が 向 上し た 時 に， 電 磁誘 導 カ ップ リ ング の セ ンタ も
無視 で き なく な り、 第 4 のセ ン タと し て 解析 を 進め な け れば な らな い 可 能性 も
あり ， 見 極め が 必要 で あ る。
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参考 文 献
（ 1） 福 井 聡， 風 間亨 介 ， 小川 純 ，岡 徹 雄 ， 佐藤 孝 雄 ，反 町 聡， 斎 藤 公世 ， 宮崎 紳 介
超伝 導 磁 気浮 上 を適 用 し たフ ォ トマ ス ク 洗浄 プ ロセ ス 用 非接 触 スピ ン 装 置の 研 究
開発
低温 工 学 ・超 伝 導学 会 講 演概 要 集， p.168,2010
（ 2） S. Fukui, K. Kazama, S. Sekiya, J. Ogawa, T. Oka, T. Sato, S. Sorimachi, K. Saito, S.
Miyazaki
Research and Development of non-contact spin processor for clean process in
semiconductor-related-production system by applying HTS magnetic levitation
IEEE Trans. Appl. Supercond., vol.20, no.3, pp.977-980, 2010
（ 3） K. Saito, S. Fukui, J. Ogawa, T. Oka, T. Sato
Development and test of model apparatus utilizing HTS magnetic levitation for
non-contact spinning clean-up processors of photo mask production
IEEE Trans. Appl. Supercond., vol.21, no.3, pp.2241-2244, 2011
（ 4） K. Saito, S. Fukui, J. Ogawa, T. Oka, T. Sato
Development and test of model apparatus of non-contact spin processor for photo mask
production applying radial-type superconducting magnetic bearing
Physica C, vol.484, pp.321-324
（ 5） 下 山 淳一 ： 超伝 導 の 本
日 刊工 業 新 聞 社
（ 6） 田 辺 功， 竹 花洋 一 ， 法元 盛 久： フ ォ ト マス ク 技 術
（7）前 田 和 夫： は じめ て の 半導 体 製造 装 置
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工業 調 査 会
工 業調 査 会
謝辞
本 研 究 を終 え るに 当 た り，超伝 導 技 術の 基 礎 ，応 用 は勿 論 の こと ，電 磁 気 学，制 御工 学 ，
機械 工 学 ，物 理 学等 の 幅 広知 見 で， 丁 寧 にご 指 導い た だ きま し た新 潟 大 学大 学 院
学研 究 科
自然科
福 井 聡准 教 授 に心 か ら感 謝 を 申し 上 げま す 。
また ， 本 研究 中 にア ド バ イス を いた だ きま し た 岡徹 雄 教 授， 実 験等 で 貴 重な ご 意見 ， ご
配慮 を 頂 きま し た佐 藤 孝 雄技 官 に深 く お 礼申 し 上げ ま す 。
さ ら に ，本 研 究に 於 け る実 験 機や 計 測 器の ご 提供 を い ただ く と共 に ， 半導 体 製造 装 置 に
関す る ア ドバ イ スを い た だき ま した 株 式 会社 エ ムテ ー シ ーの 玉 木竹 男 会 長， 並 びに 実 験 機
の製 作 ， 実験 等 に協 力 し てい た だい た 元 同僚 の 皆様 に 厚 くお 礼 申し 上 げ ます 。
平 成 25 年 7 月
斎藤
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公世