蕗ちゃんの道草日記

半導体製造装置に金属3Dプリンタを採用することの、代表的なメリットについて解説します。

金属3Dプリンタ以外では難しい造形形状の実現
金属3Dプリンタは、他の製造方法では実現が難しい形状を実現できます。
例えば、平面に多数の微細な突起形状を成形した形状や滑らかな曲線で構成される流路などです。
半導体製造装置の性能向上を実現できる形状はわかっていても、従来の金属加工法（切削加工や鋳造、板金加工など）では実現困難でした。
しかし、難しい形状を造形できる金属3Dプリンタなら製品設計の幅が広がります。
特に半導体製造装置では、流路の微細な調整による細かな温度調整や気体の混合による性能向上を実現しています。


試作・評価サイクルの短期化
試作品のように、少量部品かつ試作から評価までの期間が限られているときには、金属3Dプリンタがおすすめです。
金属3Dプリンタは、3DCADのデータと製造装置、必要な材料があれば、オンデマンドで製造できます。
従来の製法に比べると造形時間はかかりますが、プログラムの準備などが不要です。
試作・評価サイクルを短期化すると、限られた開発期間の中でも高性能の製品を開発できる可能性があります。
半導体や半導体製造装置の不足という課題の解消や競争力の向上に繋がります。


高耐食材料・高強度材料の採用が可能
一般的に高強度の部品は、切削加工において難削材とされます。
加工効率が悪く、工具摩耗が他の材料に比べると早いため、問題となるのが製造コスト増です。
さらに複雑な形状であればあるほど、部品の細分化や段取り替え回数が増加し製造コストが高くなります。
金属3Dプリンタでは、高耐食材料・高強度材料を使用可能です。複雑な形状の部品でも効果的に造形できます。
また、溶解法（複数の金属を加熱・溶融した後に固め、純金属や合金を精製する製法）では、
合金組成を偏析が起こらないよう均一に分散して造形するのは困難です。

しかし、金属3Dプリンタであれば急速な溶融凝固を繰り返し行うため、合金組成を均一に分散させた造形を実現できます。
このように、従来の加工方法では難しかった材料でも金属3Dプリンタを用いることで課題の解消が可能です。
従来は使用できなかった高耐食・高強度の材料を使用することができ、それが製造装置の高特性化に繋がる可能性があります。

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ステッピングドライバとはステッピングモータを駆動するためのモータドライバです。

ここでは、簡単にステピングモータについて説明しましょう。


ステッピングモータ（永久磁石PM型と呼ばれているタイプ）は図の様に永久磁石で出来ている、可動部のロータ(Rotor)と電磁石で出来ている固定部のステータ(Stator)から構成されています。（ロータが永久磁石で出来ています）

ステッピングモータには大きく分けて2相モータと5相モータがあり用途に応じて選択し使用します（ちなみに図は2相モータを分解した写真です）。　2相モータより5相モータの方がより滑らかな回転をしますが5相モータは構造が複雑になりコストUPとなります。


ステータの電磁石は複数のコイルから構成されておりそのコイルに一定の法則でコイルに電流を流し（一般的に励磁すると言います）可動部のロータを駆動（回転）させそれに繋がっているシャフトが回転します。　このコイルに一定の法則で電流を流す（励磁）する装置をステッピングモータドライバーと言います。（5相モータには5相用のドライバーが必要で、2相に比べコストUPになります）

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小型ACモータの動作原理を説明します。小型ACモータは、回転軸、回転軸に接続された永久磁石、軸を支えるためのベアリング、磁石を取り囲むように設置されたコイルなどで構成されています。スピードコントロールモータでは、スピードコントローラが内蔵されており、回転速度のコントロールを行います。サーボモーターでは、制御装置やロータリーエンコーダが内蔵されており、正確な回転を行います。


動作時は、コイルによって発生する磁界によって、永久磁石が受ける引力や斥力を利用します。磁石の回転する方向にコイルから力が加わるように、コイルに適切な電流を流し、コイルから発生する磁界を変化させます。交流電流が一定の大きさ、周波数で供給されるため、常に一定の回転数とトルクを得ることができることが特徴です。単相の電源で使用する場合は、インバーターを設置することで、周波数の位相をずらすことによってモータを操作させることができます。構造上、電流を流しても回転しない位置が生じる可能性があるため、停止位置の工夫などがされています。


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ここでは、斜板型のピストンモーターの構造と作動原理を紹介します。

部品ですが、バルブプレート、シリンダブロック、ピストン、斜板、シャフトで構成されています。


作動原理ですが、まずポンプから供給された油は、バルブプレートよりシリンダブロック内へ供給されピストンを斜板に押し付けます。ピストンはその反力でシリンダブロックを回転させ、シリンダブロックとスプラインで結合されているシャフトが回転し、回転運動を出力します。反対側のピストンの油は、バルブプレートより油タンクへ排出されます。このような仕組みで上流側の油の圧力を回転運動に変換します。


外部バルブにより、モーターの流入およぼ吐出を切り替えることができ、モータの逆回転を可能とします。逆回転の場合も、上記にあげた作動原理で油圧モーターを回転させます。この斜板型のピストンモーターは、油圧ショベルの走行モーターとして利用されており、走行運動の前進および後進を可能とします。

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代表的なファンは、羽根車、ケーシング、主軸、軸受、軸封から成り立っています。

1. 羽根車
風をつくる部分でファンにおいて心臓部となる部品です。送風の効率にかかわり用途や環境などに応じてさまざまなものがあります。


2. ケーシング
ファン自体の外枠と内側の風の流れ道をつくるもので、ファンの吸入部や吐き出し部をつくる部分です。

3. 主軸
ファンの中心の軸になる部分で、羽根車を支える強度をもちます。


4. 軸受
主軸の回転運動を受ける部分で、その作用をスムーズにし支える部分です。軸受があることにより、摩擦や摩耗を軽減できます。品質が悪いと、機械的な摩耗などにより故障につながるため、重要な部分です。

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