JP2002235707A - 流体圧アクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 モータを使用せず、しかも可動部の軽量化の
可能な流体圧アクチュエータを提供する。 【解決手段】 アクチュエータ１０は、ガイド軸１１と
これに沿って移動可能なスライダ１２とを含む。本アク
チュエータは、ガイド軸の周囲とスライダとの間に圧力
室を形成すると共に、該圧力室を軸方向に関して２つの
シリンダ室１６ａ、１６ｂに区画する隔壁１３をスライ
ダに設け、２つに区画されたシリンダ室にそれぞれ、ガ
イド軸内に設けられた通路１１−１を通して圧縮空気を
出入り可能にすることにより構成される。特に、スライ
ダはチタンで作られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、一軸方向駆動用の
アクチュエータに関し、特に密封チャンバ、例えば電子
ビーム露光装置における真空チャンバのような密封チャ
ンバ内での使用に適した流体圧アクチュエータに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】電子ビーム露光装置用のＸ−Ｙテーブル
は、高真空下で使用され、また電子ビーム軌道を制御す
るための磁場に影響を与えないようにアクチュエータに
使用される材料は、非磁性材料に限定される。このた
め、アルミナセラミクス、ベリリウム銅などの非磁性材
料を使用したテーブルをころ軸受で案内し、摩擦駆動す
るという構成が一般的である。

【０００３】摩擦駆動によるアクチュエータは、図６に
示されるように、予圧Ｐをかけた従動輪（図示せず）と
駆動輪６１とでスライダ６２を挟み、摩擦により駆動輪
６１の回転運動をスライダ６２の直線運動に変換する構
造である。駆動輪６１は、サーボモータ６３で駆動され
る。スライダ６２には、テーブル６４が案内面上をころ
軸受案内によりスライド可能に組合わされる。テーブル
６４の移動量は変位センサ６５で検出され、コントロー
ラ６６に送られる。コントローラ６６は、検出された移
動量を受けてテーブル６４が所定の目標位置に位置決め
されるようにサーボモータ６３を制御する。

【０００４】図６に示すアクチュエータは、一軸分の構
成であり、これをＸ軸用のアクチュエータとすると、別
にＹ軸用のアクチュエータが必要となる。Ｙ軸用のアク
チュエータもＸ軸用のアクチュエータと同じ構成である
が、Ｘ軸用のアクチュエータとテーブル６４とを一体的
にＹ軸方向に移動させることになる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記のアクチュエータ
の特徴は、ボールねじ駆動機構と比較して高速駆動が可
能な点にあるが、摩擦力で駆動されるため推力が小さい
ことが問題点としてあげられる。更に、駆動輪６１とス
ライダ６２との間の摩擦係数が不明であるため、すべり
を嫌って低速で用いられることが多く、電子ビーム露光
装置に用いた場合のスループットは、半導体ウェハ１５
〜２０枚／ｈｒ程度となっている。より大きな摩擦力を
得るためには、大きな予圧Ｐが必要となり、アクチュエ
ータの材料摩耗、発塵、寿命低下など信頼性の点で問題
となる。

【０００６】また、ころ軸受案内は接触式案内であり、
案内面ところの加工精度により案内精度が決まり、案内
剛性は比較的大きいものの、接触面への塵埃の混入に弱
いという問題がある。加えて、駆動輪６１の回転にはサ
ーボモータ６３を使用するが、サーボモータ６３は磁性
を有するので、真空チャンバ外に設置する必要があり、
電子ビームの磁場に影響しない真空チャンバ外からスラ
イダ６２によりテーブル６４を駆動するという構成を採
用せざるを得ない。これは、Ｘ軸用、Ｙ軸用の両アクチ
ュエータに共通の課題である。その結果、アクチュエー
タの占有面積増加、駆動軸が長くなることによる剛性の
低下に起因する運動性能の劣化などが新たな問題として
生じる。

【０００７】そこで、本発明の課題は、モータを使用し
ない流体圧アクチュエータを提供することにある。

【０００８】本発明の他の課題は、真空チャンバ内での
使用に適した流体圧アクチュエータを提供することにあ
る。

【０００９】本発明の更に他の課題は、可動部の軽量化
を図った流体圧アクチュエータを提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、一軸方
向に延びるガイド軸とこれに沿って移動可能なスライダ
とを含むアクチュエータにおいて、該アクチュエータ
は、前記ガイド軸の周囲と前記スライダとの間に圧力室
を形成すると共に、該圧力室を軸方向に関して２つのシ
リンダ室に区画する隔壁を前記スライダ、前記ガイド軸
の一方に設け、２つに区画されたシリンダ室にそれぞ
れ、前記ガイド軸内に設けられた供給／排出通路を通し
て圧縮流体を出入り可能にすることにより構成され、前
記スライダの材料をチタンとしたことを特徴とする流体
圧アクチュエータが提供される。

【００１１】本発明によればまた、ガイド軸とこれに沿
って移動可能なスライダとを含むアクチュエータにおい
て、前記ガイド軸は、互いに中心軸が一致するように一
定距離を隔てて一端部を対向させた２つの軸体から成
り、前記スライダは、前記２つの軸体の互いに対向し合
う前記一端部の間に形成される空間と該一端部から他端
部に向かう所定距離の領域とを内包する筒状体から成
り、前記一端部の間に形成される空間を軸方向に関して
２つのシリンダ室に区画する隔壁を前記スライダの内壁
に設け、２つに区画されたシリンダ室にそれぞれ、前記
ガイド軸内に設けられた供給／排出通路を通して圧縮流
体を出入り可能に構成し、前記スライダ及び前記隔壁の
材料をチタンとしたことを特徴とする流体圧アクチュエ
ータが提供される。

【００１２】なお、前記アクチュエータにおける前記シ
リンダ室の両側であって前記ガイド軸と前記スライダと
の間にはそれぞれ軸受及び前記シリンダ室からの漏れ流
体を排出するための排出部が設けられ、前記ガイド軸内
にはその端部から前記排出部に至る排出通路が設けられ
る。

【００１３】また、前記ガイド軸の両端部にそれぞれ前
記圧縮流体を供給／排出するための接続部が設けられ、
該接続部に接続した配管にはサーボ弁が設けられる。

【００１４】更に、前記軸受としては静圧空気軸受が用
いられ、前記ガイド軸内にはその端部から前記静圧空気
軸受に至る給気通路が設けられる。

【００１５】本アクチュエータは、前記スライダを除い
て非磁性材料で構成されることが好ましい。

【００１６】

【発明の実施の形態】図２を参照して、本発明による流
体圧アクチュエータを、空気圧アクチュエータの場合に
ついてその駆動原理について説明する。図２において、
アクチュエータ１０は、両端部を支持体により固定され
て一軸方向に延びるガイド軸１１と、これに沿って移動
可能なスライダ１２とを含む。スライダ１２は、ガイド
軸１１の周囲を囲むことができるような筒状体であり、
ガイド軸１１の外周との間に空間ができるようにされて
いる。この空間は、圧力室として使用されるものであ
り、この圧力室を軸方向に関して２つのシリンダ室１６
ａ、１６ｂに区画する隔壁１３をスライダ１２の内壁に
固定している。隔壁１３もスライダ１２と共にガイド軸
１１に沿ってスライド可能である。スライダ１２の両端
部にはそれぞれ、静圧空気軸受１４を設け、これらの静
圧空気軸受１４には軸受給気系１５を接続している。静
圧空気軸受は良く知られているので、詳細な構造につい
ては説明を省略する。スライダ１２の両端部にはまた、
２つに区画されたシリンダ室１６ａ、１６ｂにそれぞ
れ、圧縮空気を出入り可能にするためのシリンダ給気系
１７ａ、１７ｂを接続している。シリンダ給気系１７
ａ、１７ｂはそれぞれ、サーボ弁１８ａ、１８ｂを備
え、これらのサーボ弁１８ａ、１８ｂは圧縮空気供給源
に接続されている。

【００１７】このような構成により、静圧空気軸受１４
に圧縮空気を供給すると、スライダ１２はガイド軸１１
に対してわずかに浮上する。ここで、例えばサーボ弁１
８ａを圧縮空気供給側、サーボ弁１８ｂを大気開放側に
すると、隔壁１３はピストンとして作用してスライダ１
２は、図２中、右方向に移動する。このようにして、サ
ーボ弁１８ａ、１８ｂの開度を制御することにより、ス
ライダ１２をガイド軸１１に対して任意の位置に移動さ
せることができる。位置制御系については、図６で説明
したのと同様の方式を採用することができる。すなわ
ち、図６で説明したコントローラがスライダ１２の変位
量に応じてサーボ弁１８ａ、１８ｂの開度を制御するよ
うにすれば良いので、詳しい説明は省略する。

【００１８】次に、図１を参照して、上記の駆動原理を
利用したアクチュエータ１０の一例について説明する。
この例では、ガイド軸１１として断面四角形状の軸体を
用い、スライダ１２もガイド軸１１を挿通可能な断面四
角形状の内部空間を持つ断面四角形状にされている。特
に、スライダ１２の内壁とガイド軸１１の外周面との間
の隙間はわずかである。また、ガイド軸１１の中央部に
近い領域において圧力室を形成することができるよう
に、ここではガイド軸１１を細くしている。スライダ１
２の内壁には、圧力室を２つのシリンダ室１６ａ、１６
ｂに区画するために、ガイド軸１１に沿ってスライド可
能な隔壁１３を固定している。

【００１９】以下では、２つに区画されたシリンダ室１
６ａ、１６ｂのうち、シリンダ室１６ａ側の構造につい
て説明する。シリンダ室１６ｂ側もまったく同じ構造で
ある。

【００２０】シリンダ室１６ａに圧縮空気を出入り可能
にするために、ガイド軸１１内の中心にその端部から中
央部に向けて空気通路１１−１を設けている。この空気
通路１１−１は、シリンダ室１６ａに近い部分で複数に
分岐されてシリンダ室１６ａに連通しており、シリンダ
室１６ａ内の圧力分布が均一になるようにしている。ガ
イド軸１１の端部における空気通路１１−１には、空気
配管が接続され、更に、図２で説明したサーボ弁が備え
られる。スライダ１２の最大ストロークは、シリンダ室
１６ａ、１６ｂの軸方向寸法により決まる。

【００２１】図３をも参照して、シリンダ室１６ａに近
いガイド軸１１の周囲にはまた、静圧空気軸受１４が設
けられ、静圧空気軸受１４の両側に排気部１９−１、１
９−２が設けられる。静圧空気軸受１４は、ガイド軸１
１の断面形状が矩形状であるので、その４つの面に設け
られる。排気部１９−１、１９−２は、シリンダ室１６
ａからの漏れ空気、静圧空気軸受１４からの空気を排気
するためのものであり、排気を容易にするためにガイド
軸１１の周囲に溝を形成し、この溝を通して排気を行う
ようにしている。ガイド軸１１には更に、その軸方向に
関して静圧空気軸受１４よりも外側の位置に真空排気部
１９−３が設けられる。真空排気部１９−３を備えるの
は、真空チャンバ内での使用を考慮してのことであり、
この真空排気部１９−３も排気を容易にするために、ガ
イド軸１１の周囲に溝を形成し、この溝を通して真空排
気を行うようにしている。

【００２２】静圧空気軸受１４に圧縮空気を供給するた
めに、ガイド軸１１内にその端部から静圧空気軸受１４
に至る複数の空気通路１１−２を設けている。ガイド軸
１１内にはまた、その端部から排気部１９−１、１９−
２の溝に至る複数の排気通路１１−３を設けている。ガ
イド軸１１内には更に、その端部から真空排気部１９−
３の溝に至る排気通路１１−４を設けている。この排気
通路１１−４は、真空排気部１９−３の溝に、ガイド軸
１１の４つの面毎に穴を設け、それぞれの穴に連通する
ようにされるのが望ましい。なお、図３では、便宜上、
ガイド軸１１に設けられた複数種類の通路をすべて実線
で示しているが、これらの通路は、ガイド軸１１内の周
方向に関して異なった位置に設けられることは言うまで
もない。

【００２３】ガイド軸１１の端部における複数の空気通
路１１−２には空気配管が接続され、更に圧縮空気供給
源が備えられる。同様に、ガイド軸１１の端部における
複数の排気通路１１−３には空気配管が接続され、更に
排気用のポンプが備えられる。ガイド軸１１の端部にお
ける排気通路１１−４には空気配管が接続され、更に真
空排気用のポンプが備えられる。

【００２４】なお、ガイド軸１１の両端部は、図１に示
されるように、真空チャンバ１の側壁において支持され
るように側壁を貫通している。したがって、ガイド軸１
１の両端部における空気配管の接続は、真空チャンバ１
の外で行われる。

【００２５】本アクチュエータが、電子ビーム露光装置
における真空チャンバのような高真空下で使用される場
合、電子ビーム軌道を制御する磁場に影響を与えないよ
うにするために、各構成要素の材料は、スライダ１２を
除いてアルミナセラミクスやベリリウム銅などの非磁性
材料が使用される。一方、スライダ１２についてはチタ
ンが好ましい。これは、スライダ１２、すなわち可動部
の軽量化を図るためにスライダ１２の肉厚を薄くする
と、アルミナセラミクスやベリリウム銅などの材料の場
合、圧縮空気により変形し易くなり、移動に悪影響を及
ぼすからである。チタンは上記の材料に比べて薄くして
も大きな機械的強度を持つので、軽量化に適している。

【００２６】図４は、アクチュエータの別の例を示す。
この例では、ガイド軸１１´は軸方向に関して同じ断面
形状を有する。一方、スライダ１２´を、ガイド軸１１
´が挿通される２つの部材１２−１、１２−２と、これ
らの２つの部材１２−１、１２−２をカバーしつつ連結
している筒状体１２−３とで構成することにより、ガイ
ド軸１１´の中央部の周囲に圧力室を形成している。更
に、隔壁１３´を圧力室内においてガイド軸１１´に固
定することにより、圧力室を２つのシリンダ室１６ａ、
１６ｂに区画している。２つの部材１２−１、１２−２
は、筒状体１２−３と共に、ガイド軸１１´に沿って移
動可能であり、圧力室を形成している筒状体１２−３の
内壁は隔壁１３´の外周上をスライド可能である。シリ
ンダ室１６ａ、１６ｂに圧縮空気を出入り可能にするた
めの構造、静圧軸受部１４、排気部１９−１、１９−
２、真空排気部１９−３及びその回りの構造は、前記の
例と同じで良い。

【００２７】本例でも、可動部であるスライダ１２´、
特に筒状体１２−３をチタンで作ることで可動部の軽量
化を実現することができ、それ以外の固定部分は前述し
た非磁性材料で構成される。

【００２８】このアクチュエータは、例えばシリンダ室
１６ａ´に圧縮空気が導入されると、スライダ１２´が
図４中、左方に移動する点で図１の例と異なるが、動作
原理はまったく同じである。

【００２９】図５は、アクチュエータの更に別の例を示
す。この例では、ガイド軸を、互いに中心軸が一致する
ように一定距離を隔てて一端部を対向させた２つの軸体
２１ａ、２１ｂから成るようにしている。２つの軸体２
１ａ、２１ｂは、矩形状の断面形状を持つのが好まし
い。一方、スライダ２２は、２つの軸体２１ａ、２１ｂ
の互いに対向し合う一端部の間に形成される空間（圧力
室）と該一端部から他端部に向かう所定距離の領域とを
内包することができるような断面矩形状の内部空間を持
つ筒状体から成るようにしている。更に、前記一端部の
間に形成される空間を軸方向に関して２つのシリンダ室
１６ａ、１６ｂに区画する隔壁１３をスライダ２２の内
壁に設けている。スライダ２２は、ガイド軸２１ａ、２
１ｂに沿って移動可能である。シリンダ室１６ａ、１６
ｂに圧縮空気を出入り可能にするための構造、静圧軸受
部１４、排気部１９−１、１９−２、真空排気部１９−
３及びその回りの構造は、図１の例と同じで良い。

【００３０】なお、本例では、スライダ２２及び隔壁１
３がチタンで作られ、他の固定部材が非磁性材料で構成
される。

【００３１】このアクチュエータは、例えばシリンダ室
１６ａに圧縮空気が導入されると、図１の例と同様に、
スライダ２２が図５中、右方に移動する。したがって、
動作原理は図１の例とまったく同じである。

【００３２】上記の説明では、圧縮空気を使用する空気
圧アクチュエータの場合について説明したが、圧縮空気
のみならず、窒素ガス等の他の気体あるいは水のような
液体による流体を使用しても良い。

【００３３】

【発明の効果】以上、説明してきたように、本発明によ
るアクチュエータは、スライダがガイド軸に対して非接
触で案内される構造であるので、これらの間の摩擦に起
因する問題点、すなわち材料摩耗、発塵、寿命低下等の
問題点を解消することができる。また、可動部をチタン
で構成することにより肉厚を薄くして軽量化を図ること
ができる。更に、圧縮空気供給源、真空排気用のポンプ
を除く要素を真空チャンバ内に配置することができ、真
空チャンバ内での占有面積を小さくすることができる。
本発明によるアクチュエータは特に、各構成要素を非磁
性材料で構成することにより、電子ビーム露光装置のよ
うな真空チャンバ内での使用に適している。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるアクチュエータの構造を示した部
分断面図である。

【図２】図１に示されたアクチュエータの駆動原理を説
明するための図である。

【図３】図１における静圧空気軸受部、排気部、及び真
空排気部とそれらを空気配管と接続するためにガイド軸
に設けられる通路を拡大して示した断面図である。

【図４】本発明によるアクチュエータの他の例を示した
断面図である。

【図５】本発明によるアクチュエータの更に他の例を示
した断面図である。

【図６】従来の摩擦駆動によるアクチュエータの一例を
示した図である。

【符号の説明】

１ 真空チャンバ １０ アクチュエータ １１、２１ａ、２１ｂ ガイド軸 １２、２２ スライダ １３ 隔壁 １４ 静圧空気軸受 １６ａ、１６ｂ シリンダ室 １８ａ、１８ｂ サーボ弁 １９−１、１９−２ 排気部 １９−３ 真空排気部

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一軸方向に延びるガイド軸とこれに沿っ
   て移動可能なスライダとを含むアクチュエータにおい
   て、 該アクチュエータは、前記ガイド軸の周囲と前記スライ
   ダとの間に圧力室を形成すると共に、該圧力室を軸方向
   に関して２つのシリンダ室に区画する隔壁を前記スライ
   ダ、前記ガイド軸の一方に設け、２つに区画されたシリ
   ンダ室にそれぞれ、前記ガイド軸内に設けられた供給／
   排出通路を通して圧縮流体を出入り可能にすることによ
   り構成され、 前記スライダの材料をチタンとしたことを特徴とする流
   体圧アクチュエータ。
2. 【請求項２】 ガイド軸とこれに沿って移動可能なスラ
   イダとを含むアクチュエータにおいて、 前記ガイド軸は、互いに中心軸が一致するように一定距
   離を隔てて一端部を対向させた２つの軸体から成り、 前記スライダは、前記２つの軸体の互いに対向し合う前
   記一端部の間に形成される空間と該一端部から他端部に
   向かう所定距離の領域とを内包する筒状体から成り、 前記一端部の間に形成される空間を軸方向に関して２つ
   のシリンダ室に区画する隔壁を前記スライダの内壁に設
   け、 ２つに区画されたシリンダ室にそれぞれ、前記ガイド軸
   内に設けられた供給／排出通路を通して圧縮流体を出入
   り可能に構成し、 前記スライダ及び前記隔壁の材料をチタンとしたことを
   特徴とする流体圧アクチュエータ。
3. 【請求項３】 請求項１あるいは２記載の流体圧アクチ
   ュエータにおいて、該アクチュエータにおける前記シリ
   ンダ室の両側であって前記ガイド軸と前記スライダとの
   間にはそれぞれ軸受及び前記シリンダ室からの漏れ流体
   を排出するための排出部を設け、前記ガイド軸内にはそ
   の端部から前記排出部に至る排出通路を設けたことを特
   徴とする流体圧アクチュエータ。
4. 【請求項４】 請求項３記載の流体圧アクチュエータに
   おいて、前記ガイド軸の両端部にそれぞれ前記圧縮流体
   を供給／排出するための接続部を設け、該接続部に接続
   した配管にはサーボ弁を設けたことを特徴とする流体圧
   アクチュエータ。
5. 【請求項５】 請求項３記載の流体圧アクチュエータに
   おいて、前記軸受として静圧空気軸受を用い、前記ガイ
   ド軸内にはその端部から前記静圧空気軸受に至る給気通
   路を設けたことを特徴とする流体圧アクチュエータ。
6. 【請求項６】 請求項１〜５のいずれかに記載の流体圧
   アクチュエータにおいて、該アクチュエータを、前記ス
   ライダを除いて非磁性材料で構成したことを特徴とする
   流体圧アクチュエータ。