JP2004060833A

JP2004060833A - 静圧気体直線案内装置

Info

Publication number: JP2004060833A
Application number: JP2002222572A
Authority: JP
Inventors: Ryuichi Mori; 森　隆一
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2002-07-31
Filing date: 2002-07-31
Publication date: 2004-02-26

Abstract

【課題】占有スペースを広げずにローリング方向の偏芯負荷Ｐが加わった場合にも固体接触する事のない静圧気体直線案内装置を提供する事にある。
【解決手段】ガイド軸３と、ガイド軸３を囲繞する可動体４と、ガイド軸３の各軸受面に対向して配置した複数の噴射口５、６とから構成され、噴射口５、６からガイド軸３の軸受面に静圧気体を噴射して噴射圧により可動体４をガイド軸３に対して非接触で支持、案内する静圧気体直線案内装置において、噴射口５、６から静圧気体を噴射する噴射圧を異ならせるように構成である。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は気体軸受け装置に関するものであり、更に詳しくは、精密加工機、精密測定機、半導体製造・検査装置、液晶製造・検査装置等の分野で使用される高精度の真直精度又は位置決め精度が要求される静圧気体直線案内装置に用いて好適な気体軸受けに関する。
【０００２】
【従来の技術】
精密加工機、精密測定機、半導体製造・検査装置、液晶製造・検査装置等の分野では極めて高精度な真直精度又は位置決め精度が要求されている、このためにガイド軸（以下、ガイド軸と記す）とガイド軸を囲繞する可動体（以下、スライダーと記す）との間に生じる静圧流体力によってスライダーをガイド軸に対して非接触で支持、案内する静圧気体直線案内装置が用いられる。
【０００３】
図６は、ガイド軸を四辺から拘束する構造の静圧気体直線案内装置の全体斜視図である。この静圧気体直線案内装置は基準面となるベース２１上に足を設け、さらにその上にガイド軸２３を設け、そのガイド軸２３に対し拘束構造のスライダー２４の内側の４辺から圧縮空気を噴出している。この静圧気体軸受けステージのスライダー部２４は、図９の様に４個の部材から構成されており１個の部材から供給された圧縮空気は他の部材に連通した気体流路を経由し、順次全体に行き渡り、その後スライダー２４の噴出口２５に設けられている圧縮空気の空気溜まり（以下、絞りという）を介して２〜６μｍの軸受け隙間部に噴出される。圧縮空気をスライダー２４からガイド軸面に噴出する事により、その隙間に生じる静圧によりスライダー２４はガイド軸２３に対して全ての４面に非接触で支持、案内できるようになっている。ここでスライダー２４からの噴出口２５に設けられている絞り方式は、本図の場合、静圧軸受け装置での一般的なタイプの一つである自成絞り（図１１）を示している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、静圧気体軸受けは非接触であるために摩耗による精度劣化がなく長寿命であり、一般的な転がり軸受けと比較して高精度であり、かつ低摩擦であるため、低駆動力で動作するといった利点がある反面、圧縮気体によって２〜６μｍ浮上させているため、荷重に対する許容能力である負荷能力が低く、とりわけスライダーの移動方向に対して傾けようとする負荷に対する抵抗力（以下、モーメント負荷容量という）の低い事が欠点となっている。
【０００５】
その欠点により性能以上の荷重がスライダーに加われば、案内ガイド面にスライダーが固体接触し、ひいては、かじり付きを起こしてしまう恐れがある。特にモーメント負荷容量が低いという事はスライダー中心からずれて搭載される負荷（以下、偏芯負荷という）を極力なくすような設計上の留意をする必要が生じているのが現状である。例えば、図７（ａ）の様なガイド軸の移動方向に対して傾けようとする方向（以下ローリング方向という）の偏芯負荷Ｐがスライダー２４に作用した場合（図１０参照）、その反対側に図７（ｂ）の様な等価のモーメント力を加えるためのバランスウエイト１１を設置するか、図７（ｃ）の様に偏芯負荷位置の鉛直線を対称軸とした対称位置にスライダー２４ａ、ｂを持つ静圧気体軸受け装置とする等の工夫が必要となる。
【０００６】
ところで、従来のスライダー部のエアー経路の一例を挙げると図８、図９に示す様に、１系統の経路よりなっていた。上述のような静圧気体軸受案内ステージのモーメント負荷容量を高め、偏芯負荷に耐えうるものを提供したい場合はスライダーサイズを大きくして受圧面積を大きくするか、あるいはスライダー２４の静圧部の絞り方法を改良、工夫して軸受け剛性を高くし、それに伴って結果的にモーメント負荷容量が高くなる事を利用する方法をとる事が一般的となっている。
【０００７】
ところが、上述図７（ａ）のローリング方向の偏芯負荷Ｐをキャンセルする為にバランスウエイト１１を付加する方法ではまず第一に、そのバランスウエイト１１によって占有される空間が増し、省スペース設計に弊害がでてくる。又第二に、省スペース設計の都合でできる限りバランスウエイト１１をスライダー２４に近いスペースに配置しようとしてもバランスウエイト１１の重量を大きくする必要が生じ、その事は、負荷能力が低く、並進負荷容量及びモーメント負荷容量の低い事が欠点となっている静圧気体軸受けではガイドの案内面にスライダー２４が固体接触する危険性が高くなる。
【０００８】
又、上述図７ｂの対称位置にスライダー２４を持つ静圧案内を設ける設計では２本のスライダーが必要である為、占有される空間が増し、省スペース設計に弊害がでてくる事は同様である。
【０００９】
又、スライダー２４のサイズを大きくする場合においては、偏芯負荷Ｐに耐えうるモーメント負荷容量を達成する為にはかなり大幅なサイズアップを図る必要が出てくる。例えば、図７（ａ）でバランスウエイト１１を取り付けたのと同じ効果を得ようとした場合、軸方向に２倍〜３倍のスライダーサイズにする必要があり、省スペース化を図るのは困難である。
【００１０】
又、噴出口の絞り方法を変えて単位変位量（１μｍ）だけスライダーが沈み込む時の負荷量（以下剛性という）を高める方法があるが、絞り部の改良・工夫によって剛性を高めるのには限界あり、設計初期より最高剛性が得られる絞り方法（多孔質絞り等）を採用している場合では効果がない。
さらに上述のいずれの方法においても偏芯負荷Ｐの変更があった場合、大幅な設計変更を伴う可能性が高く、時間的、コスト的に対応困難な状態に陥ることがあった。
【００１１】
本発明は上述の問題点に鑑みて案出されたものであり、占有スペースを広げずにローリング方向の偏芯負荷Ｐが加わった場合にも固体接触する事のない静圧気体直線案内装置を提供する事にある。
【００１２】
【課題を解決する為の手段】
そこで、本発明では上述の課題に鑑み、本発明は、四角柱状のガイド軸と、該ガイド軸を囲繞する可動体と、前記ガイド軸の各軸受面に対向して配置した複数の噴射口とから構成され、前記噴射口から前記ガイド軸の軸受面に静圧気体を噴射して前記可動体をガイド軸に対して非接触で支持、案内する静圧気体直線案内装置において、前記噴射口からの静圧気体の噴射圧を異ならせるように構成したことを特徴とする静圧気体直線案内装置を提供する。
【００１３】
また、前記ガイド軸の１つの軸受面に対して複数の噴射口を配置するとともに、各噴射口の噴射圧を互いに異ならせるようにしたことを特徴とするものである。
【００１４】
さらに、前記ガイド軸の互いに対向する一対の軸受面の少なくとも１組について、前記噴射口をガイド軸の長手方向に対してそれぞれ両端に配置するとともに、前記ガイド軸の対角となる方向に配置した噴射口同士の噴射圧が等しくなるように構成したことを特徴とする静圧気体直線案内装置を提供するものである。
【作用】
本発明の構成によれば、ガイド軸が可動体に作用するローリング方向のモーメント負荷に相当する逆回転方向モーメント力を適宜噴射口の噴射圧を異ならせることで発生させる事ができ、可動体がガイド軸に接触し、最悪の場合はかじり付きを起こしてしまう事を回避する事ができ、従来の設計では達成できなかったモーメント負荷のかかる物の搭載が非常に省スペースな設計で可能になる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。
【００１６】
図１は本実施例の静圧気体直線案内装置の全体斜視図、図２は図１におけるスライダー（可動体）４の内部に形成したエアー経路の立体概念図、図３はＱ矢視より見たときの図１におけるスライダー４から噴出されるエアー経路及びセンサ７取付位置のＡ−Ａ断面の説明図をそれぞれ示している。また、図４は、スライダー４に供給するエアー圧力を微調整する事のできる空気調圧弁及び姿勢精度を測定する手段であるセンサー並びにセンサーからの信号をフィードバックするためのブロック線図を示している。
【００１７】
図１に示すように、本発明品の静圧気体直線案内装置は、基準面となるベース１上にアシ２を設け、さらにその上にガイド軸３を設け、そのガイド軸を四辺から拘束する構造のスライダー４を隙間内に発生する静圧で支持、案内する静圧気体軸受けステージとなっている。空気調圧弁８ａ、８ｂから圧力調整をしたエアーは独立した供給部ＡＩＲＩＮ１，２の２箇所からスライダー４内に供給される。供給される独立した２系統のエアーは、図３に示すように、各々が独立した流路を経由して、スライダー４の上板４ａ、下板４ｂ及び左側板４ｃ、右側板４ｄの内側面にそれぞれ到達して噴出される。
【００１８】
ここで上板４ａ、下板４ｂには４カ所ずつ計８カ所の噴出口５及び６があるが、ガイド軸３方向矢視（Ｑ矢視）した時に対角の２カ所同士（５ａと５ｂ及び６ａと６ｂ）が、それぞれにおいて同一系統の同一圧力を供給できる構造になっている。逆にいえば、ガイド軸３の１つの軸受面に対して配置した複数の噴射口５ａ、６ａの噴射圧が互いに異なるように構成されている。
なお、ガイド軸３の互いに対向する一対の軸受面の少なくとも１組（図では上下面）について、噴射口５ａ、６ａはガイド軸３の長手方向に対してそれぞれ両端に配置しているが、これに限定されず、ローリング方向の偏芯負荷を防止するそれぞれの位置に配置できればよい。それらは適宜選定した位置で決定されるものである。
【００１９】
一方、スライダー４下部には変位センサー７ａ、ｂを２個配設している、基準ベース面からのそれぞれの変位を検出し、デジタル及びアナログ表示又はアナログ信号として出力することができる構造になっている。このようにして検出した変位量差をδとし、２個の変位センサー７ａ、ｂ間距離をＬとした場合、次式を用いることでベースを基準としたローリング方向回転の微小変位角θを求める事ができる。
【００２０】
θ＝ｔａｎ−１（δ／Ｌ）
更に、本発明によれば、スライダー４に供給する２系統のエアーはコンプレッサーからの圧縮空気の噴射圧であり、空気調圧弁８ａ、ｂで圧力の微調整をする事ができ、２系統のエアー圧力を調整することによって所定の軸受隙間（ガイド軸３とスライダー受圧面５との間に生じる隙間）の設定・維持とローリング方向の姿勢精度の設定・維持が可能となっている。
【００２１】
ここで変位センサーとしては近接センサーや静電容量型センサー等の非接触センサーを用いるのが望ましいが、スライダーの傾斜角度を測定できるセンサーであればどのような手段を用いても不都合はない。
【００２２】
次に、本実施例の作用について説明する。
【００２３】
２系統のエアー供給口８に供給する圧縮空気はその延長末端にあるコンプレッサー９から発生され、清浄乾燥空気にするためのフィルター及び空気乾燥する空気清浄・乾燥装置調圧弁１２を経由した後、２個の空気調圧弁８ａ、ｂにより圧力調整されスライダー４に供給される。通常は０．２９ＭＰａ〜０．４９ＭＰａのエアーが供給される。エアー供給されると、スライダー４はガイド軸３から平行に２〜６μｍ浮上する。この際に、スライダー４上にローリング方向のモーメント負荷がかかると、平行な浮上状態が崩れ、軸受傾きが発生するがその角度変位分を元に戻すのに相当する逆モーメント力を２個の空気調圧弁８ａ、ｂを個々に調整して発生させ、所望の微小角度を設定する。ここで、空気調圧弁８ａ、ｂでの圧力の微調整は前記センサーの出力値により算出した微小変位角θの値を確認しながら手動で行うか、又は、所定の条件に基づいてコンピュータ１０の制御により自動調整する方法でもよい。
【００２４】
尚、本発明で示した絞り形式は自成絞りであるが、それ以外の表面絞りや複合絞り（自成絞り＋表面絞り）であっても、又、多孔質絞り等の別方式の絞りであってもモーメント負荷容量増大の効果は同様に得ることができる事は言うまでもない。
【００２５】
又、本発明の静圧気体軸受けステージの材質は、アルミナセラミックス等のヤング率が高い材質が好適であるが、石材やアルミニウム材に硬質アルマイト処理したもの等を採用してもよく、材質についての制限は受けない。
【００２６】
以上説明したような本発明の実施形態に基づいて、実際に図５に示すサイズの複合絞りタイプのスライダーを組み立て、軸受け隙間を５μｍに設定した場合、２系統から０．３９ＭＰａの均一のエアーしか供給しない場合には、３６７．５Ｎ・ｃｍのモーメント力にしか耐えうる事が出来ずにスライダーはガイド軸に固体接触してしまうことがわかった。
【００２７】
又、モーメント力によって生じたローリング方向の軸受傾きも成り行き任せになってしまう。それに対し、２系統から０〜０．４９ＭＰａの範囲で、個別圧力のエアー供給をした場合には、最大６１２．５Ｎ・ｃｍという１．５倍以上の高モーメント力にまで耐えうる事が可能になった。
【００２８】
さらに、スライダーの軸受傾き（姿勢精度）は０．５ａｒｃｓｅｃ（角度秒、１秒＝１／３６００度）程度の微少角度まで調整可能となった。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、スライダー本体が該本体部に作用するローリング方向のモーメント負荷に相当する逆回転方向モーメント力を発生させる事ができるから、案内ガイド面にスライダーが固体接触し、最悪の場合はかじり付きを起こしてしまう事を回避する事ができ、従来の設計では達成できなかったモーメント負荷のかかる物の搭載が非常に省スペースな設計で可能になるという優れた効果がある。
【００３０】
さらに、全体に０．３９ＭＰａを供給する必要がなくなり、２系統のうち１系統は最小０ＭＰａで、モーメント力とバランスを取れる場合も起こり得る。その結果、使用するエアーの消費流量は少なくて済むことになり、従来の設計では達成できなかった小消費流量の静圧気体直線案内装置が提供できるという優れた効果がある
又、エアー供給部それぞれに違う圧力給気をする事が可能な空気調圧弁を取り付けてあり、時計回り、反時計回りの相反するモーメント力の微調整を可能にし、そのバランスによってさまざまなモーメント力を発生させることができるため、変位センサーからの姿勢精度（軸受傾き）の測定データを演算処理することでスライダーのローリング方向に０．５ａｒｃｓｅｃレベルの微小角度の姿勢制御が圧力の微調整をする事が可能になり、静圧気体軸受が最高の性能を発揮できるという従来にない優れた効果が得られた。
【００３１】
さらに、所定の条件に基づいてコンピュータ制御により自動調整した場合にはスライダー移動中のローリング変位角を基準ベースを基準として補正する事ができ、従来にない非常に優れたローリング精度を持った静圧気体直線案内装置を提供できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る実施例の高モーメント負荷容量静圧気体直線案内装置の全体斜視図である。
【図２】図１におけるスライダー内部のエアー経路の立体概念図である。
【図３】図１におけるスライダーから噴出されるエアー経路及びセンサー取り付けの縦方向断面の説明図である。
【図４】スライダーに供給するエアー圧力を微調整することのできる空気調圧弁及びセンサーの接続説明図である。
【図５】実験に用いたスライダの形状・サイズを示す斜視図である。
【図６】従来の空気静圧軸受けステージの全体斜視図である。
【図７】（ａ）はモーメント負荷が作用する空気静圧軸受ステージの全体斜視図であり、（ｂ）は高モーメント負荷容量に対応した空気静圧軸受けステージの従来例を示し（ｃ）は高モーメント負荷容量に対応した空気静圧軸受けステージの従来例を示す。
【図８】従来のスライダー内部のエアー経路説明図である。
【図９】従来のスライダー内部のエアー経路説明図である。
【図１０】ピッチング・ヨーイング・ローリングの回転誤差の説明図である。
【図１１】静圧軸受けの一般的な自成絞りの断面図である。
【符号の説明】
１：ベース
２：アシ
３：ガイド軸
４：スライダー（可動体）
５：第１エアー噴出口
６：第２エアー噴出口
７：センサー
８：空気調圧弁
９：コンプレッサー
１０：　コンピュータ
１１：　バランスウエイト
１２：　空気清浄・乾燥装置
２１：ベース
２２：アシ
２３：ガイド軸
２４：スライダー
２５：自成絞り

Claims

四角柱状のガイド軸と、
該ガイド軸を囲繞する可動体と、
前記ガイド軸の各軸受面に対向して配置した複数の噴射口とから構成され、
前記噴射口から前記ガイド軸の軸受面に静圧気体を噴射して前記可動体をガイド軸に対して非接触で支持、案内する静圧気体直線案内装置において、
前記噴射口からの静圧気体の噴射圧を異ならせるように構成したことを特徴とする静圧気体直線案内装置。
前記ガイド軸の１つの軸受面に対して複数の噴射口を配置するとともに、各噴射口の噴射圧を互いに異ならせるようにしたことを特徴とする請求項１記載の静圧気体直線案内装置。
前記ガイド軸の互いに対向する一対の軸受面の少なくとも１組について、前記噴射口をガイド軸の長手方向に対してそれぞれ両端に配置するとともに、前記ガイド軸の対角となる方向に配置した噴射口同士の噴射圧が等しくなるように構成したことを特徴とする請求項２記載の静圧気体直線案内装置。