機械設計 #19：クリーンルームで空気圧シリンダを使う — 給気から排気処理まで
自動機の設計において、空気圧シリンダ（エアシリンダ）は非常になじみ深い機構の一つです。
押し出す、引き戻す。 クランプ、ストップ、上昇、下降。 構造が単純で、入手しやすく、制御しやすく、価格もそれほど高くありません。
しかし機械がクリーンルームで動くなら、見方はまったく変わります。
普通の空気圧シリンダは、通常の工場では非常に安定して動きます。しかしクリーンルームでは、適切なタイプを選ばず、給気を処理せず、排気を処理せず、機械全体の配置を考えないと、発塵源になり得ます。
簡単に言えば、問題は次だけではありません。
クリーンなシリンダを選ぶか、そうでないものを選ぶか？
システム全体を見なければなりません。
給気は清浄か？ シリンダ内部で発塵しないか？ 排気はどこへ行くか？ バルブ・チューブ・継手・スピードコントローラはクリーンルームに適しているか？ 可動アッシはダウンフローに対して正しい位置にあるか？ 空気圧シリンダを使うべきか、電動アクチュエータに切り替えるべきか？
この記事では、クリーンルーム向けの自動機でエアシリンダを使うときに注意すべき点を記録します。
1. まずクリーンルームがどの等級かを理解する
クリーンルーム向けの機械を設計するとき、最初にすべきは部品を選ぶことではありません。
最初にすべきは、次を確認することです。
クリーンルームはどのクリーン度を要求するか？
清浄度を分類する標準としてよく使われるのがISO 14644-1です。これは一定体積の空気中の粒子量でクリーンルームを分類し、ISO Class 1からISO Class 9まであります。
クラス番号が小さいほど、清浄の要求は高くなります。
例えば：
- 半導体・ウェーハ・精密電子部品：通常、非常に高い要求。
- 精密機器・医薬品・化粧品・食品：製品により要求が異なる。
- 工場内の簡易クリーンブース：より低い要求のことがある。
機械設計者にとって重要な点は、機械が動いている間、清浄度が維持されなければならないことです。
止まっている機械は清浄でも、動くと発塵し、汚れた空気を排気し、粒子を製品に付着させるなら、やはり不合格の設計です。
ですから、クリーンルーム機の要求を受けたら、明確に尋ねましょう。
- クリーンルームはISO Classいくつか？
- どの状態で測るか：at-rest（静止時）かoperation（稼働時）か？
- 製品は気流のどこに位置するか？
- どの発塵源をクリーン区域に置いてよいか？
- 排気を部屋へ直接放出してよいか？
- 材料・グリス・エアチューブ・配線・ESDの要求はあるか？
最初に尋ねないと、後で設計をやり直すことになりやすいです。
2. なぜ空気圧シリンダが汚染を起こし得るのか
空気圧シリンダには、主な汚染源が2つあります。
2.1. シリンダ内部で発生する塵
シリンダ内部には、ピストン・シール・パッキン・ロッドパッキン・摺動面があります。
ピストンロッドが往復すると、シールと金属面に摩擦が生じます。ごくわずかでも、この過程は非常に細かい摩耗粒子を生み得ます。
これらの粒子は排気とともに外へ出ることがあります。
普通の機械では、これはそれほど深刻ではありません。しかしクリーンルームでは、非常に小さな粒子でも製品に影響し得ます。
特に次のような機構に注意が必要です。
- 多くのサイクルで動く
- 高速で動く
- 短いストロークを連続して繰り返す
- 偏った荷重でロッドにサイドロードがかかる
- ロッド端と案内機構に芯ずれがある
- フローティングジョイントがない
- クリーンルーム用でなく普通のシリンダを使う
ロッドが偏って押されると、パッキンは早く摩耗します。このときシリンダは寿命が縮むだけでなく、発塵のリスクも高まります。
2.2. 清浄でない給気が部屋へ排出される
第二の源は、シリンダに供給される圧縮空気です。
工場の圧縮空気は常に清浄とは限りません。次を含むことがあります。
- 周囲空気からの塵
- 水蒸気
- コンプレッサからの油
- オイルミスト
- 配管からの錆
- 空気系内の摩耗粉や汚れ
給気が清浄でないと、シリンダが動作するとき、この空気はバルブやシリンダの排気ポートから排出されます。
クリーンルームでは、これは非常に危険な点です。「空気は空気」だからどこへ排気してもよい、と考えることはできません。
3. 給気品質の管理：源から行う必要がある
クリーンルームで空気圧シリンダを使うなら、給気品質から始める必要があります。
高要求の環境では、クリーンドライエア（CDA）がよく使われます。
CDAは単なる乾燥圧縮空気ではありません。次を管理する必要があります。
よくある参考標準はISO 8573-1で、圧縮空気の品質を粒子・水・油で分類します。
クリーンルームでは、製品要求に応じて、一部の項目でClass 0やClass 1といった非常に清浄なクラスを目指す必要があることがあります。顧客の実際の要求と工場システムに照らして確認しましょう。
清浄空気システムは、通常次で構成されます。
- オイルフリーコンプレッサ：源での油汚染リスクを減らす。
- エアドライヤ：水蒸気を除去し、結露を避ける。
- プレフィルタ：粗い塵と水をろ過。
- ミストセパレータ／マイクロミストセパレータ：オイルミストと微粒子を除去。
- ファイナルフィルタ：清浄区域へ供給する前の精密ろ過。
- 配管管理：古い・錆びた・埃っぽい・不適切材料の配管を避ける。
重要な点は、機械設計者が仕様書に給気要求を明記しなければならないことです。
次のようにだけ書いてはいけません。
Air supply: 0.5 MPa
もっと明確に、例えば：
クリーンドライエア、オイルフリー、クリーンルーム要求に応じたろ過レベル、露点と品質クラスはISO 8573-1に従い顧客と確認すること。
内容は会社やプロジェクトで異なります。しかし考え方は、給気は設計条件の一部であり、付随事項ではない、ということです。
4. 低発塵／クリーンルーム用シリンダを選ぶ
給気が清浄でも、普通のシリンダは内部摩擦で発塵し得ます。
ですからクリーンルームでは、次のタイプを優先しましょう。
- クリーンルームシリンダ
- 低発塵シリンダ
- ロッド部に真空吸引構造を持つシリンダ
- 低発塵グリスを使うシリンダ
- クリーンルームに適したシール／パッキンを持つシリンダ
SMC、CKD、コガネイ（Koganei）といった大手空気圧メーカーは、いずれもクリーンルームや低発塵用途向けの製品ラインを持っています。
クリーンルームシリンダによくある特徴：
- 耐摩耗性のより良いシール材料。
- 蒸発が少なく、発塵の少ないグリス。
- ロッド部で粒子を回収する真空吸引オプション。
- 清浄レベルや用途による格付け。
- 排気の扱いに関する資料。
選ぶとき、標準シリンダを取って外部にフィルタを付けるだけで済み、と考えてはいけません。
カタログを確認しましょう。
- シリンダはクリーンルームシリーズか？
- 要求ISO Classで使えるか？
- グリスは何か？
- 真空ポート／リリーフポートはあるか？
- 排気に特別な処理が要るか？
- 速度・荷重・温度の制限はあるか？
- エアパージや真空吸引は必要か？
5. グリスとシールも汚染源
クリーンルームでは、グリスは潤滑だけの役目ではありません。
グリスは次にも関わります。
- 粒子
- アウトガス
- 揮発性
- 塵の付着
- 食品・医療・電子産業との適合性
- シール材料との適合性
例えば、一部のクリーンシリンダはフッ素グリスを使います。他の一部は、食品や医療環境向けのNSF H1規格に適合したグリスを使うことがあります。
メーカーの指示を確認せずに、独断でグリスを変えてはいけません。
保守者がシリンダが乾いているのを見て、普通のグリスを足す場合があります。普通の機械では問題ないかもしれませんが、クリーンルームではこれが粒子を増やしたり製品を汚染したりし得ます。
ですから、保守資料には次を明記すべきです。
- 使用可能なグリス種類
- 点検周期
- 清掃方法
- 追加塗布が許されるか
- いつシリンダを交換するか
- いつフィルタを交換するか、真空ラインを点検するか
6. 排気の処理：非常に見落とされやすい点
空気圧シリンダでは、空気が入れば空気が出ます。
クリーンルームでの重要な問いは：
排気はどこへ行くか？
クリーンルーム環境へ直接排気すると、空気ラインやシリンダ内部の粒子とオイルミストがすべて清浄空間に入り得ます。
よくある処理の考え方が2つあります。
7. 方法1：排気点に排気フィルタを付ける
最も単純な方法は、排気ポートにクリーン排気フィルタを付けることです。
利点：
- 適用しやすい。
- 長い排気配管が不要。
- 設計がより単純。
- 小さな機構や、それほど極端でない要求に適する。
例えば、CKDのFACラインのような一部のフィルタは、精密ろ過構造を使い、非常に小さな粒子を扱えます。メーカー資料によれば、0.01 µmといった非常に小さいレベルを高効率でろ過できるものもあります。実際の使用では、正確なモデル・流量条件・クラス要求を確認する必要があります。
欠点：
- フィルタには寿命があり、定期交換が必要。
- フィルタが詰まると、シリンダ速度が変わることがある。
- 排気流量を計算する必要がある。
- フィルタ取り付け位置は保守しやすくする必要がある。
- フィルタが製品エリアの真上なら、気流の向きも考える必要がある。
排気フィルタは単純な方法ですが、形だけ付けるべきではありません。流量・圧力・排気位置・交換周期を考える必要があります。
8. 方法2：真空吸引で発生源の粒子を捕らえる
より清浄な要求の用途では、真空吸引／リリーフポート付きのシリンダを使えます。
この構造は通常、ロッドパッキン付近に吸引ポートを持ちます。このポートを真空ポンプやエジェクタに接続し、摺動位置付近で発生する空気と粒子を連続して吸い取ります。
最大の利点は、粒子がクリーンルームへ拡散する前に、発生源で直接捕らえることです。
この方法は次に適します。
- 高要求のクリーンルーム
- 半導体・精密電子
- 敏感な製品の近くの位置
- 多くのサイクルで動く機構
- ワークの上に置かれる機構
- その場で排気したくない場合
SMCのクリーンシリーズ 11-/13-/22-や、CKDのP53シリーズなどには、真空吸引／クリーンルーム用途に関連する解決策があります。選ぶときは最新カタログをよく読む必要があります。シリーズごとに目的とレベルが異なるからです。
欠点：
- 真空システムが必要。
- 配管が増える。
- 吸引流量の確認が必要。
- 真空が弱いかラインが詰まると効果が下がる。
- 設計が複雑でコストが高い。
製品が粒子に非常に敏感なら、真空吸引は単純なフィルタより検討する価値があることが多いです。
9. 排気処理の考え方のクイック比較
| 方法 | 利点 | 注意 |
|---|
| 直接排気 | 最も単純 | 厳しいクリーンルームには通常不適 |
| 排気フィルタ | 取り付けやすく、配管の複雑さが減る | 流量・詰まり・交換周期の確認が必要 |
| 排気をクリーンルーム外へ導く | 清浄区域での排気を減らす | 配管がかかり、配管が長いと速度に影響 |
| ロッド／シールでの真空吸引 | 発生源で粒子を捕らえ、効果が高い | 真空が必要、コストと設計が複雑 |
すべての場合に正しい方法はありません。
清浄要求が中程度なら、排気フィルタで十分なことがある。 要求が高い、または敏感な製品の近くなら、真空吸引か排気の外部導出を検討。
10. クリーンルーム用途でのSMC・CKD・コガネイの比較
下表は概観にすぎません。実際のモデルを選ぶときは、最新カタログとプロジェクトの具体条件を確認する必要があります。
| メーカー | よくあるアプローチ | 強み | 適する用途 |
|---|
| SMC | 多くのクリーンシリーズ、多段の選択、真空吸引オプション | 要求に応じて選びやすく、資料が豊富、ラインナップが広い | 半導体・電子・クリーン自動化全般 |
| CKD | クリーンシリンダ、P53シリーズ、FACクリーン排気フィルタ | 排気処理と発生源捕集の解決策に強い | 排気処理を明確にしたい機械、高要求クリーンルーム |
| コガネイ | クリーンシステム部品、CSシリーズ、一部ラインで食品／医療適合グリス | システム志向、クリーン空気圧システムに適する | 食品・医療・製薬・化粧品、中小クリーンルーム |
慣れているという理由だけでメーカーを選ぶべきではありません。
次で選びましょう。
- 要求クラス
- 真空吸引が必要か
- 排気点に排気フィルタが必要か
- バルブ・スピードコントローラ・継手・チューブを揃えられるか
- 産業に適したグリスがあるか
- 入手・交換しやすい品があるか
- 明確な技術資料があるか
- 機械設置市場でのサポートがあるか
11. シリンダだけでなく、電磁弁もクリーンでなければならない
多くの人はシリンダだけをクリーンルーム用に変え、電磁弁は普通のものを使います。
これは見落としです。
電磁弁にも排気ポートがあります。弁が切り替わると、シリンダからの排気は通常、弁を通って抜けます。弁がクリーンルーム内にあり直接排気するなら、それも粒子拡散源になり得ます。
クリーンルーム機では、次を検討しましょう。
- 弁はクリーン区域に置かれるか？
- 弁をクリーンルーム外へ出すべきか？
- 弁の排気は回収されるか？
- 弁に排気フィルタが必要か？
- マニホールドで排気ラインを集約するか？
- コイル・配線・弁本体材料は環境に適しているか？
よくある設計は、バルブマニホールドを影響の少ない区域に置き、その後シリンダへ空気を導くことです。ただし配管が長いと応答速度に影響し得るので、清浄と性能のバランスをとる必要があります。
12. スピードコントローラ・継手・チューブもむやみに選べない
クリーンルームでは、小さな空気圧付属品もよく見る必要があります。
スピードコントローラ
スピードコントローラはシリンダの近くにあり得ます。排気や空気漏れの箇所があるなら、製品エリアへ汚染を拡散しないようにする必要があります。
クリーン用途では、クリーンルーム適合タイプを使うか、排気が処理されるよう設計しましょう。
継手
普通の継手は普通の機械には十分でも、クリーンルームでは次に注意が必要です。
- 材料
- 空気漏れ
- 取り付け／取り外しによる発塵
- 洗浄薬品への耐性
- クリーンルーム用チューブとの適合性
チューブ
エアチューブも重要な部品です。
PFA、PTFEのような材料や専用のクリーンルーム用チューブが、清浄環境ではよく検討されます。一部の用途では帯電防止チューブも必要です。
チューブが走行時に機械フレームに擦れると、チューブ自体が発塵し得ます。ですからチューブを正しく固定し、鋭い縁や可動部に擦れないようにしましょう。
13. フローティングジョイントは摩耗と発塵を減らす
シリンダのロッドは偏って押されるべきではありません。
ロッド端が機構に直接つながっているのに両側が同軸でないと、ロッドはサイドロードを受けます。このときロッドパッキンは偏って押され、摩擦が増え、摩耗が増え、粒子も増えます。
クリーンルームでは、これは非常に注目すべき不具合です。
フローティングジョイントは、ロッドと案内される機構の間の小さな芯ずれを吸収します。誤った設計を正しくするものではありませんが、ロッドへの偏荷重を減らすのに役立ちます。
次のときにフローティングジョイントを使いましょう。
- シリンダが独自ガイドを持つスライドテーブルを押す
- 組み立て時に芯ずれの可能性がある
- 機構に公差の累積がある
- ロッドへのサイドロードを減らしたい
- シール寿命を延ばしたい
ただし、フローティングジョイントも機械部品です。すきま・摩擦・不適切な表面があれば、クリーン用途では検討が必要です。
14. センサスイッチと配線も確認が必要
シリンダのオートスイッチ／センサスイッチは、小さな付属品と見なされがちです。
しかしクリーンルームでは、配線・センサ筐体・ケーブル被覆・配線方法がすべて影響し得ます。
確認しましょう。
- ケーブルはクリーンルームに適しているか？
- ケーブル被覆は擦れると発塵しやすくないか？
- ケーブルは連続して往復させられるか？
- 帯電防止ケーブルが必要か？
- 洗浄薬品への耐性が必要か？
- センサは製品を通る気流の近くにないか？
ケーブルが連続して動くなら、適切なケーブルキャリアを使うか、他面に擦れないよう配置しましょう。
15. クリーンルームでの空気圧シリンダと電動アクチュエータの比較
クリーンルームで直線運動を設計するとき、非常によくある問いは：
空気圧シリンダを使うか、電動アクチュエータを使うか？
すべての場合に共通の答えはありません。
空気圧シリンダ
利点：
- 構造が単純
- 初期コストが低い
- 小型
- サイズの割に押し力が大きい
- 交換しやすい
- 単純な2点運動に適する
欠点：
- 排気がある
- シールからの発塵リスクがある
- 中間位置を正確に制御しにくい
- サーボのように速度・力を滑らかに制御しにくい
- 圧縮空気はエネルギー効率が高くない
- 給気品質を管理しなければならない
電動アクチュエータ
利点：
- 排気がない
- 位置・速度・加速度の制御が良い
- 衝撃の少ない柔らかい運動を作りやすい
- 多点停止に適する
- 製品接触時のショックを減らせる
- 通常、空気圧よりエネルギー効率が良い
欠点：
- 初期コストが高い
- 構造が複雑
- ドライバ・ケーブル・パラメータが必要
- 内部のボールねじ／リニアガイドはやはり発塵し得る
- 清浄要求が高ければクリーンルームグレードが必要
クイック比較：
| 基準 | 空気圧シリンダ | 電動アクチュエータ |
|---|
| 排気 | あり、処理が必要 | 排気なし |
| 粒子 | シール・パッキン・排気から | ボールねじ・ガイド・グリスから |
| 位置制御 | 主に2点 | 良い、多点 |
| 速度制御 | 限定的 | 良い |
| 押し力／サイズ | 良い | 種類による、同じ力ではより大きいことが多い |
| 初期コスト | より低い | より高い |
| 保守 | 交換しやすいが清浄空気が必要 | ドライバ・機構・グリスの確認が必要 |
| 適する用途 | クランプ・ストッパ・単純な昇降 | 位置合わせ・制御された押し込み・柔らかい運動 |
単純なクランプ・ストップ・押しだけで、クリーン処理をよくしているなら、空気圧シリンダは依然として非常に妥当です。
多点停止・衝撃低減・力や速度の滑らかな制御が必要なら、電動アクチュエータのほうが検討に値します。
16. ダウンフローに沿った配置：発塵源を製品の下に置く
クリーンルームは通常、上から下への清浄気流を持ち、ダウンフローまたは垂直層流と呼ばれます。
重要な設計思考は：
発塵源を製品の上に置くのを制限する。
シリンダ・モータ・ケーブルキャリア・ガイド・弁・摺動機構がワークの上にあると、発生した粒子が落ちたり、気流で製品へ運ばれたりし得ます。
ですから、可能なら：
- 発塵機構をワークより低く置く。
- 排気を製品の真上に置かない。
- チューブ／ケーブルを製品エリアの上で擦らせない。
- 排気を製品エリアから遠くへ導く。
- 必要ならカバーや局所排気を使う。
- 気流が粒子を製品を横切って引かないよう設計する。
これは非常に重要なレイアウトの部分です。クリーンルーム部品を使えば済む、というものではありません。
17. 機械の材料：ステンレス・表面処理アルミ・防錆
クリーンルームでは、機械の材料も慎重に選ぶ必要があります。
錆は非常に明確な粒子源です。ですからクリーンルームに露出する部品は、通常次を優先します。
- SUS304
- SUS316
- 適切なアルマイトアルミ
- 低発塵のエンジニアリングプラスチック
- 掃除しやすい材料
- 塗装やコーティングが剥がれない材料
適切な表面処理なしに、普通の鋼を清浄環境へ露出させるべきではありません。
フレーム・カバー・ブラケット・プレートでは、次に注意しましょう。
- 掃除しやすいか？
- 塵を保持するすきまはないか？
- 塵が溜まるデッドコーナーはないか？
- 表面は剥がれないか？
- 洗浄薬品に腐食されないか？
- 塵を引き寄せる静電気を生まないか？
18. 静電気もクリーンルームの問題
半導体・精密電子・敏感な製品では、ESD／静電気が大きな問題です。
静電気は次を起こし得ます。
- 製品表面へ粒子を引き寄せる
- 電子部品を壊す
- カバー・チューブ・ケーブルに塵を付着させる
- 望まない放電を起こす
ですから次を検討しましょう。
- 機械フレームの接地
- 必要なとき導電材料や帯電防止材料を使う
- 適切なら帯電防止チューブを使う
- ケーブルと可動部の管理
- 製品の近くで帯電しやすい大きな樹脂面を避ける
クリーンルームは塵の清浄だけではありません。多くの産業では、清浄でもESDを管理しなければまだ不十分です。
19. 保守できるよう設計する
クリーンルーム機は、長期にわたり清浄度を維持する必要があります。ですから保守は設計の一部です。
空気圧シリンダでは、次を事前に考えましょう。
- 排気フィルタは交換しやすいか？
- 真空ラインは点検しやすいか？
- チューブの状態が見えるか？
- 多くの機械アッシを外さずにシリンダを取り外せるか？
- 掃除する空間はあるか？
- 塵が溜まるデッドコーナーはないか？
- 定期的な漏れ点検が必要か？
- グリス種類と交換部品を記した資料はあるか？
新設時は清浄でも、掃除しにくく、フィルタを替えにくく、チューブを点検しにくい設計は、しばらくすると汚染源になり得ます。
20. クリーンルームで空気圧シリンダを使うときのチェックリスト
設計を確定する前に、次の点をすばやく確認できます。
20.1. クリーンルーム要求
- 要求ISO Classはいくつか？
- 静止時か稼働時の要求か？
- 製品は気流のどこにあるか？
- ESD要求はあるか？
- 材料・グリス・アウトガスの要求はあるか？
20.2. 給気
- CDAを使うか？
- 空気品質はISO 8573-1に従うか？
- オイルフリー要求はあるか？
- ドライヤはあるか？
- 多段ろ過はあるか？
- 給気要求を仕様書に記載したか？
20.3. シリンダ
- クリーンルームシリンダを使うか？
- 低発塵タイプが必要か？
- 真空吸引／リリーフポートが必要か？
- グリスは適切か？
- シールは適切か？
- 速度・荷重・サイドロードは制限内か？
20.4. 排気
- 排気はどこへ行くか？
- クリーンルームへ直接排気するか？
- 排気フィルタを使うか？
- フィルタの流量は十分か？
- 排気を外部に集める必要はあるか？
- 発生源での真空吸引が必要か？
20.5. 周辺機器
- 電磁弁はクリーンルームタイプか？
- 弁の排気は処理されるか？
- スピードコントローラは適切か？
- 継手とチューブはクリーンルームに適するか？
- ケーブルとセンサは発塵や帯電を起こさないか？
- サイドロード低減にフローティングジョイントを使うか？
20.6. 全体レイアウト
- 発塵源は製品の上にないか？
- ダウンフローを使って塵を製品から遠ざけているか？
- 排気はワーク領域を横切って吹かないか？
- チューブ／ケーブルは動作時に擦れないか？
- 材料は防錆で掃除しやすいか？
- 必要なら帯電防止はあるか？
20.7. 保守
- フィルタは交換しやすいか？
- 真空ラインは点検しやすいか？
- フィルタ交換周期を規定したか？
- グリス種類を規定したか？
- 掃除する空間はあるか？
- 清浄度に大きく影響せずにシリンダを交換できるか？
21. まとめ
クリーンルームで空気圧シリンダを使うことは、できないわけではありません。
しかし普通の機械のようには使えません。
クリーンルーム機では、シリンダをシステム全体の一部として見る必要があります。
- 給気は清浄でなければならない。
- シリンダは発塵が少なくなければならない。
- 排気は処理されなければならない。
- バルブ・チューブ・継手・スピードコントローラも適していなければならない。
- 機構はサイドロードを避け、シールが早く摩耗しないようにする。
- レイアウトはダウンフローを考慮する。
- 材料は防錆で掃除しやすくする。
- 必要ならESDも考慮する。
- 保守は設計段階から考える。
一言で言えば：
クリーンルームは清浄な部品だけを要求するのではない。 設計・配置・保守のすべてが清浄であることを要求する。
空気圧シリンダは、大きな押し力を妥当なコストで必要とする多くの単純な機構には、依然として良い選択です。しかし正確な位置・滑らかな速度・衝撃低減・非常に高い清浄要求のある運動では、電動アクチュエータも最初から検討すべきです。
良い設計とは、正しい機構を正しい環境に選ぶことであり、一つの解決策をすべての場合に無理に使うことではありません。
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