機械設計 #16：クリーンルーム向けの機械設計 — 見落とされがちなポイント
「クリーンルームで使う機械」と聞くと、多くの人はすぐにこう考えます。
ステンレスを使う。 きっちり覆う。 クリーンルーム用の部品を選ぶ。 低発塵グリスを使う。
これらの考えは間違いではありません。
しかし、そこまでの理解では不十分です。
クリーンルーム向けの機械設計とは、普通の機械のいくつかの部品をステンレスに変えることではありません。きっちり覆えばクリーンな機械になる、というものでもありません。
クリーンルームの最大の課題は汚染管理（コンタミネーションコントロール）です。
ここでの汚染は、目に見えるほこりだけではありません。非常に小さな粒子、飛散する油、摺動機構からの摩耗粉、樹脂や接着剤から出る揮発ガス、さらには静電気が製品側にほこりを引き寄せること、なども含まれます。
ですから、クリーンルーム向けの機械を設計するとき、設計者は機械を別の見方で見なければなりません。
こう問うだけでなく、
「機械は動くか？」
さらにこう問う必要があります。
「機械は動くとき、自ら発塵しないか？」 「発生したほこりは製品に飛んでいかないか？」 「ほこりが溜まりやすい場所はないか？」 「掃除しやすいか？」 「アウトガスを出す材料はないか？」 「静電気がほこりを引き寄せたり、部品を壊したりしないか？」
この記事は、クリーンルームで使う自動機を設計するときの基本的なポイントを、この種の要求に初めて出会う機械設計者に向けて記録したものです。
1. クリーンルームは、単なるきれいな部屋ではない
クリーンルームとは、空気中のほこりの数が管理された環境です。
要求は業界によって異なります。
例えば：
- 半導体
- 電子機器
- 医療
- 医薬品
- 食品
- 光学
- 電池、フィルム、精密材料
各業界は、異なる種類の汚染を気にします。
半導体では、非常に小さな粒子でも製品不良の原因になり得ます。
医療や医薬品では、ほこりに加えて、微生物・衛生・洗浄性の問題があります。
光学では、レンズ表面に付着するほこりやアウトガスも品質を損なうことがあります。
ですから、設計の前に、漠然とこう問うべきではありません。
「この機械はクリーンルーム用ですよね？」
もっと具体的に問う必要があります。
- 要求されるクリーン度はいくつか？
- 製品は何か？
- 管理すべき粒子径はいくつか？
- 機械はラインのどの区域に置かれるか？
- 化学薬品はあるか？
- ESD要求はあるか？
- 低アウトガス要求はあるか？
- グリスは使ってよいか？
- 圧縮空気は使ってよいか？
- 特定の材料や表面処理の要求はあるか？
クリーンルームは環境管理システムです。
自分が設計する機械は、そのシステムの一部にすぎません。
機械が自ら発塵したり、気流を乱したりすれば、クリーンルームがどれほど良くても、製品は汚染され得ます。
2. まずクリーン度を理解する
クリーン度とは、部屋のきれいさの度合いです。
簡単に言えば、等級が厳しいほど、空気中に許される粒子数は少なくなります。
現在はISO 14644-1に基づく呼び方がよく見られます。例えば：
| クリーン度 | ごく短い読み方 |
|---|
| ISO Class 5 | 非常にきれい。厳しい要求の区域でよく見る |
| ISO Class 6 | 高いきれいさ |
| ISO Class 7 | 多くの工場で一般的なきれいさ |
| ISO Class 8 | 通常環境よりきれいだが、極端ではない要求 |
ISOクラスのほか、現場によってはClass 100、Class 1,000、Class 10,000といった古い呼び方も残っています。
覚えておくべき点は次のとおりです。
クリーン度が厳しいほど、機械設計はより制約を受ける。
すべての機械が、高グレードの半導体装置のような極端な設計を必要とするわけではありません。要求がISO Class 7や8だけなら、設計はより現実的にでき、コストも管理しやすくなります。
しかしISO Class 5、あるいは敏感な製品の近くの区域なら、話はまったく異なります。
そのときは、一つ一つの摺動機構、一本一本の電線、一箇所ずつの排気位置、一種類ずつのグリスを、非常に注意深く見なければなりません。
ですから、機械を描く前に、まずクリーン度を確認しましょう。
クリーン度が不明なまま材料・アクチュエータ・ケーブルキャリア・グリスを選ぶと、後でやり直すことになりやすいです。
3. クリーンルームは気流で生きている
初心者が見落としがちな、非常に重要な点が気流です。
クリーンルームは、フィルタがあるから清浄なのではありません。
清浄な空気が連続して供給され、守るべき区域からほこりを運び出すから清浄なのです。
多くのクリーンルームでは、清浄な空気が天井から床へ吹き下ろされます。これを一般にダウンフローと呼びます。
機械を設計するとき、あなたはその主気流を作りません。
気流はクリーンルームシステムのものです。
機械設計者の仕事は次のとおりです。
気流を妨げない、気流を乱さない、発塵源を製品の上に置かない。
簡単に聞こえますが、実際の設計では非常に間違えやすいのです。
例えば：
- モータを製品エリアの真上に置く
- ケーブルキャリアを最もきれいな区域の上を横切らせる
- 天井からの気流を遮る大きなカバーを作る
- 空気が通り抜けられない閉じたポケットを多数作る
- 発塵区域を製品の上流に置く
クリーンルームでは、機構の位置は単なるレイアウトの問題ではありません。
それはほこりが通る経路に直接関わります。
発塵源が製品の上にあれば、ほこりは気流に乗って製品に落ちることがあります。
機械に気流を遮る大きな平面が多いと、その下に渦や淀み（デッドエア）ができることがあります。
ほこりが発生しても逃げ道がなければ、溜まり、機械が動いたときに再び製品へ舞い上がります。
ですから、クリーンルーム機を設計するときは、レイアウトを気流の観点で見ましょう。
通常のレイアウトのように上から見るだけではいけません。
4. 汚染管理の4原則
クリーンルームは、4つの基本原則で覚えられます。
| 原則 | 意味 |
|---|
| 持ち込まない | 外部からほこり・油・汚れた材料を入れない |
| 発生させない | 機械が自らほこり・摩耗粉・油・汚れたガスを出さない |
| 滞留させない | ほこりが溜まるポケット・すきま・面を作らない |
| 除去できる | ほこりが発生しても、吸引・ろ過・清掃できる |
機械設計で最も重要な2点は、通常次のとおりです。
発生させないと滞留させない。
なぜなら、機械がすでに発塵しすぎていれば、後工程での処理は非常に大変だからです。
構造にポケットやすきまが多すぎれば、清掃しても長期的にきれいを保つのは困難です。
良い設計は、汚染を源から減らします。
機械が完成してから、吸塵や覆いの方法を考えるようなことにしないでください。
そのときはたいてい後付けの応急処置になり、費用もかかり、見た目も良くありません。
5. 最大の発塵源は、たいてい可動機構
止まっている機械は、あまり発塵しません。
機械が危険になるのは、動きがあるときです。
よくある発塵源：
- リニアガイド
- ボールねじ
- 軸受
- タイミングベルト
- プーリ
- 歯車
- ケーブルキャリア
- ケーブルロボット
- エアシリンダ
- シール
- 樹脂-金属の摺動機構
- 摩擦を伴うクランプ部
- ストップ・ストッパ・カム・ラッチ部
摩擦があるところには、発塵の可能性があります。
グリスがあるところには、グリスの飛散やアウトガスの可能性があります。
樹脂が繰り返し曲がるところには、摩耗と粒子発生の可能性があります。
ですから、クリーンルーム機を設計するとき、普通の機械のように力・速度・ストロークだけでアクチュエータを選んではいけません。
さらに次を見る必要があります。
- クリーンルーム用の仕様があるか？
- 低発塵グリスはあるか？
- アクチュエータ本体に真空吸引はあるか？
- シールの発塵は多くないか？
- ケーブルキャリアは低発塵タイプか？
- ケーブルはクリーンルーム内の動きに適しているか？
- 機構を製品エリアから離して置けるか？
工場で動く機械が、クリーンルームで動くとは限りません。
6. 材料：ステンレスは基本、しかしすべての答えではない
クリーンルーム機というと、多くの人はすぐにステンレスを思い浮かべます。
確かにステンレスは非常によく使われます。
理由は次のとおりです。
- 錆びにくい
- 掃除しやすい
- 表面が安定している
- 塗装より剥がれにくい
- 多くのクリーン環境に適する
しかし、クリーンルームだからといって機械全体をステンレスにする必要はありません。
位置と要求に応じて選びましょう。
例えば：
| 位置 | よく検討される材料 |
|---|
| 製品近くのフレーム・カバー | SUS304、SUS316、要求が高ければ電解研磨ステンレス |
| 化学薬品に触れる部品 | SUS316、耐薬品樹脂、環境に応じてセラミック |
| 絶縁が必要な部品 | PEEK、PPS、PEI、エポキシガラス、セラミック |
| 特殊な摺動部品 | PEEK摺動グレード、PTFE、UHMW-PE、専用材料 |
| 軽いカバー、厳しい区域から離れる | アルマイトアルミ、薄いステンレス、適したパネル |
SUS304は、多くの普通の機械には十分なことが多いです。
SUS316は、より高い耐食性が必要なとき、例えば化学薬品や高湿度の環境で使います。
アルマイトアルミは一部の位置で使えますが、摩擦・擦り傷・厳しい粒子要求がある場合は注意が必要です。
PEEKのようなエンジニアリングプラスチックは非常に有用ですが、高価なので乱用すべきではありません。
重要な点は次のとおりです。
材料は使用位置に適していなければならず、「クリーンルーム」という言葉に適しているだけでは足りない。
7. 拭きやすいほど良い
クリーンルームでは、機械の表面は見た目が良いだけでは足りません。
掃除しやすく、ほこりが付きにくい必要があります。
よくある形状の失敗：
- 大きすぎる水平面
- 深いポケット
- 鋭い内側の角
- 小さな溝
- 2枚のカバーの間のすきま
- 露出したねじ頭が多い
- 露出したねじ山
- 拭きにくい場所に置かれた配線
- 何層にも重なってすきまを作るブラケット
これらはすべて、ほこりが溜まりやすい場所です。
ですから、設計時には次を優先しましょう。
- 水平面を減らす
- 必要ならカバーに緩い傾斜をつける
- 内側の角を丸める
- 拭けない狭いすきまを避ける
- 補助ブラケットの数を減らす
- ねじ山を隠す・覆う
- 高要求区域では掃除しやすいねじ頭を使う
- 製品エリア周りの配線の錯綜を避ける
非常に実際的な確認方法があります。
自分が毎日この機械を拭く人だと想像する。
手が届かない場所、布で拭けない場所、ほこりが見えるのに取り除けない場所があれば、その設計はまだクリーンルームに向いていません。
クリーンルーム機は、引き渡し時にきれいであればよいのではありません。
運転中もきれいを保ちやすくなければなりません。
8. 電解研磨ステンレスは何のため？
高要求区域では、ステンレスを電解研磨することがあります。
電解研磨は、微視的なレベルで表面をより滑らかにします。
主な利点：
- 粒子の付着が減る
- 拭きやすくなる
- 耐食性が上がる
- 表面の微細なほこり保持点が減る
- 表面が清潔に見え、安定する
しかし、電解研磨はどこでも自動的に良いわけではありません。
コストが上がります。
そして、鋭い角・狭いすきま・複雑すぎる表面の設計では、効果は期待どおりになりません。
電解研磨は、全体設計の一部として考えるべきです。
雑に設計して、電解研磨に出せばすべて解決、というわけではありません。
きれいな表面を得るには、まず形状が妥当でなければなりません。
その後に表面処理が来ます。
9. タイミングベルトは注意すべき発塵源
タイミングベルトは、自動機で非常に便利です。
安い、設計しやすい、交換しやすい、遠距離の伝動に向く。
しかしクリーンルームでは、タイミングベルトはよく検討すべき部品です。
ベルトは、曲がり・噛み合い・プーリとの摩擦で働くからです。しばらくするとゴム粉や樹脂粉を出すことがあります。
ベルトが製品から遠く、クリーン度要求がそれほど高くなく、適切な覆いと吸引があれば、場合によっては使えます。
しかしベルトがクリーンな製品の近く、特に製品の上にあるなら、非常に注意が必要です。
検討できる代替案：
- ダイレクトドライブ
- リニアモータ
- クリーンタイプのボールねじ
- クリーンルーム用アクチュエータ
- モータをクリーン区域から離し、密閉機構を介して伝動する
- 発生源での覆いと吸塵
クリーンルームでタイミングベルトが絶対禁止というわけではありません。
しかし、普通の機械のように習慣でベルトを使ってはいけません。
ベルトの位置、気流の向き、クリーン度要求、ベルトが摩耗した場合のリスクを見る必要があります。
10. リニアガイドとボールねじは適切なタイプを選ぶ
リニアガイドとボールねじは、非常に一般的な機構です。
しかしクリーンルームでは、これらも発塵源です。
内部に転動ボール、接触、グリス、シールがあるからです。
選ぶときは次を見ましょう。
- ステンレスタイプはあるか？
- 低発塵タイプはあるか？
- 適切なシールはあるか？
- 自己潤滑ユニットはあるか？
- 標準のグリスは何か？
- 低発塵グリスは使えるか？
- 吸塵や真空吸引の要求はあるか？
ボールねじでは、グリスが非常に重要な点です。
グリスは高速運転時に飛散することがあります。
グリスが不適切だと、汚染源になり得ます。
ですから、漠然と「グリス塗布」とだけ書いてはいけません。
クリーンルーム機では、グリスの種類を明確に定める必要があります。
既製のアクチュエータを使うなら、それが本当にクリーンルーム用なのか、単にカバー付きの普通のアクチュエータなのか、カタログで確認しなければなりません。
11. 低発塵グリスは、どれも同じではない
クリーンルームで使うグリスは、慎重に選ぶ必要があります。
よく潤滑するだけでは足りません。
さらに次も必要です。
- 発塵が少ない
- 飛散が少ない
- 蒸発が少ない
- アウトガスが少ない
- 温度に適する
- 荷重に適する
- シール材料に適する
- 使用環境に適する
リニアガイドやボールねじのメーカーは、通常クリーンルーム用や低発塵用の専用グリスを持っています。
設計時には、次のような漠然とした書き方を避けましょう。
Grease: standard
あるいは：
グリス塗布
クリーンルーム機では、このような書き方は組み立てや保守で間違いを招きやすいです。
グリスの種類・メーカー・型番、または同等の要求を明記しましょう。
例えば：
クリーン用途向け低発塵グリス
顧客がグリスを指定している場合は、指定どおりに従います。
実際の失敗として、当初は正しいグリスを使っていたのに、保守後に普通のグリスを誤って塗ってしまうことがあります。
機械は動きますが、発塵が増えます。
ですから、設計は将来の保守まで考える必要があります。
12. エアシリンダと排気も問題になる
多くの人は、エアシリンダは圧縮空気だけを使うから清浄だと考えます。
しかしクリーンルームでは、弁やシリンダからの排気を注意深く見る必要があります。
圧縮空気は、次を運ぶことがあります。
クリーンルームに直接排気すると、汚染の原因になり得ます。
ですから、クリーンルームで圧縮空気を使うときは、次を見ましょう。
- 供給空気は十分きれいか？
- 適切なフィルタはあるか？
- オイルミストはないか？
- 弁の排気はどこへ行くか？
- 排気クリーナは必要か？
- 排気をまとめて外へ出す必要はあるか？
- クリーンルーム用のシリンダが必要か？
場合によっては、専用の排気フィルタで、環境へ放出する前に排気を清浄化できます。
しかしフィルタは時間とともに詰まります。
詰まると、シリンダの速度が変わることがあります。
ですから、排気フィルタを使うなら、交換・点検も見込み、保守しにくい位置に置かないようにしましょう。
13. ケーブルキャリアも発塵し得る
ケーブルキャリアは、非常に軽視されやすい部品です。
しかし、繰り返し運動が非常に多いのです。
リンクどうしが擦れ合います。内部のケーブルどうしが擦れ合います。エアチューブが壁に擦れます。これらはすべて粒子を発生し得ます。
クリーンルームでは、普通のケーブルキャリアを当たり前に使ってはいけません。
次を見ましょう。
- 低発塵タイプはあるか？
- クリーンルーム用タイプはあるか？
- 内部のケーブルは運動に適しているか？
- フッ素樹脂のケーブルジャケットは必要か？
- ケーブルが擦れ合わないセパレータはあるか？
- 曲げ半径は十分大きいか？
- キャリアは製品エリアの上にないか？
キャリアだけ替えても、内部のケーブルが普通のPVCのままなら、問題は必ずしも解決しません。
配線も発塵システムの一部です。
高要求区域では、発塵が少なく、屈曲に強く、表面摩耗が少なく、アウトガスの少ないケーブルが必要になることがあります。
この点は、最初からケーブルやアクチュエータの供給元に確認すべきです。
14. ファンはクリーンルームで避けたいもの
普通の機械では、熱くなればファンを付けます。
クリーンルームでは、この考え方は非常に危険です。
ファンは多くの問題を起こし得ます。
- モータや軸受から自ら発塵する
- 別の場所のほこりを吸って製品エリアへ吹き付ける
- 部屋の清浄な気流を乱す
- 制御されない気流を作る
- 機械表面から粒子を再飛散させる
ですから、クリーンルーム機は通常、ファンレス設計を優先します。
冷却が必要なら、次を検討できます。
- 放熱面積を増やす
- 熱源をクリーン区域から離す
- 拭きやすいヒートシンクを使う
- 熱を外へ導く
- 必要なら水冷を使う
- レイアウトが許せば制御盤をクリーンルームの外へ出す
モータ・ドライバ・電源は、最初から熱を見込みましょう。
機械が熱くなってからファンを足すのを待たないでください。
クリーンルームでは、最後にファンを足すのは、たいてい初期設計が不十分だった兆候です。
15. 静電気は見えないが非常に危険
クリーンルームはほこりだけではありません。
静電気も大きな問題です。
静電気は2つの不具合を起こし得ます。
一つ目はESD、つまり放電が電子部品を壊すことです。
二つ目はESA、つまり静電吸引力がほこりを製品表面や機械部品に引き寄せることです。
非常にきれいに見えるのに、帯電しているためにほこりが付き続ける場所があります。
電子機器・半導体・フィルム・薄い樹脂・小さな部品に使う機械では、最初からESDを確認しましょう。
よくある対策：
- フレームを正しく接地する
- 製品に触れる位置にESD材料を使う
- 必要ならイオナイザを使う
- 製品の近くで強く帯電する絶縁材料を避ける
- ジグ・トレー・ガイドの表面抵抗を確認する
- 工程が許せば湿度を管理する
ただし、イオナイザも感覚で取り付けてはいけません。
イオナイザにも、取り付け位置・吹き出し方向・放電針の保守・イオンバランスの管理が必要です。
取り付けを誤ると、効果が低かったり、気流を乱したりします。
16. アウトガス：清浄な材料とは、ほこりがないだけではない
アウトガスとは、材料から出る気体や揮発物です。
アウトガス源は次から来得ます。
- 樹脂
- ゴム
- 接着剤
- 塗料
- グリス
- 電線
- シール
- テープ
- 3D造形材料
- 一部のコーティング
一部の業界では、アウトガスが製品・レンズ・ウェーハ・敏感な表面に付着することがあります。
厄介なのは、アウトガスはほこりのように見えないことです。
機械はきれいに見え、拭いてきれいでも、材料が不適切なら不良を起こし得ます。
ですから、高要求環境では次を確認しましょう。
- 材料は低アウトガスか？
- 製品の近くで接着剤を使っていないか？
- クリーン区域に普通のゴムはないか？
- 電線は適切か？
- グリスは蒸発しないか？
- 顧客からアウトガスデータの要求はあるか？
かなり一般的な失敗は、普通の機械で便利な材料——接着剤・ゴム・スポンジ・テープ・軟質チューブなど——を使うことですが、クリーンルームに持ち込むと不適切です。
クリーンルームでは、副資材も主材料と同じくらい重要です。
17. 保守も事前に設計する
クリーンルーム機は、納入直後にきれいであればよいのではありません。
6か月、1年、3年の運転後もきれいでなければなりません。
そのためには、保守が容易で、汚れを出しにくい必要があります。
設計時に自問しましょう。
- フィルタ交換は容易か？
- グリス補給に多くのカバーを外す必要があるか？
- アクチュエータ交換にクリーン区域を開ける必要があるか？
- モジュールをクリーンルームの外へ出して修理できるか？
- 手を非常に奥まで入れる必要のある箇所はないか？
- 清掃が必要な区域に小さなねじを使いすぎていないか？
- クリーンルーム内で特殊工具が必要か？
カバーを開ける・機械を分解する・工具を使う、そのたびに汚染リスクが一回増えます。
ですから、クリーンルーム機は次の方向で設計しましょう。
- アクセスしやすい
- 拭きやすい
- モジュールを交換しやすい
- クリーン区域での分解が少ない
- 可能なら保守位置を製品エリアの外に置く
- グリス・消耗品・フィルタを明記した保守手順がある
良い設計は、検収日にうまく動くだけではありません。
良い設計とは、後で保守する人が、あなたを恨まずに済むことです。
18. クリーンルーム機を設計するときのクイックチェックリスト
設計を確定する前に、次の点をすばやく確認しましょう。
要求について
- クリーン度はいくつか？
- 製品は粒子に敏感か？
- ESD要求はあるか？
- 低アウトガス要求はあるか？
- 化学薬品・熱・蒸気・溶剤はあるか？
- 顧客は材料やグリスを指定しているか？
レイアウトと気流について
- 主気流の向きは分かっているか？
- 発塵源を製品の上に置いていないか？
- カバーがダウンフローを遮っていないか？
- デッドエア（淀み）はないか？
- 局所排気は必要か？
- 圧縮空気の排気はどこへ行くか？
可動機構について
- 製品の近くにタイミングベルトはないか？
- リニアガイド・ボールねじにクリーンルーム用仕様はあるか？
- アクチュエータはクリーンルーム用タイプか？
- 必要ならアクチュエータに真空吸引はあるか？
- ケーブルキャリアは低発塵タイプか？
- 電線とチューブはクリーンルーム内の運動に適しているか？
材料と表面について
- ステンレスはSUS304かSUS316か？
- 電解研磨は必要か？
- アルマイトアルミは適切な位置に使っているか？
- 樹脂は必要なら低アウトガス・ESDか？
- 不適切なゴム・スポンジ・接着剤・テープはないか？
- 表面は拭きやすいか？
保守について
- どのグリスを使うか？
- 図面や保守資料にグリスを明記しているか？
- 排気フィルタは交換しやすいか？
- 多くのカバーを開けずにモジュールを交換できるか？
- ほこりが溜まりやすいのに清掃しにくい箇所はないか？
- 作業者は正しい交換消耗品を知っているか？
このチェックリストは顧客の基準に代わるものではありません。
しかし、図面を送る前・部品を発注する前に、非常に基本的な失敗を避けるのに役立ちます。
まとめ
クリーンルーム向けの機械設計は、材料をステンレスに変えるだけではありません。
機械をきっちり覆えば清浄になる、というものでもありません。
重要な点は、最初から汚染を管理することです。
機械は自ら発塵しないか？ 発生したほこりは製品に飛ばないか？ 清浄な気流は遮られていないか？ ほこりが溜まりやすい場所はないか？ 材料はアウトガスを出さないか？ グリスは適切か？ 電線・ケーブルキャリア・排気・静電気は見たか？ 将来の保守はクリーンルームを汚さないか？
普通の機械では、主に機能どおり動くこと、十分な剛性、十分な精度、十分な安全を気にします。
クリーンルーム機では、それらに加えて、もう一つの問いを気にする必要があります。
この機械は、実際に動いている間、清浄な環境を保てるか？
そこが難しいところです。
良いクリーンルーム設計とは、すべてを非常に高価にすることではありません。
良い設計とは、どの区域が厳しさを必要とし、どの区域は簡素にでき、発塵源がどこにあるかを知り、それを図面の中で処理することです——機械が動いてから直すのを待つのではなく。
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