JP2005134198A - Ceramic structure - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、各種精密加工機または精密測定器、半導体、液晶露光装置等に用いられる精密位置決め装置、高速移動を繰り返す装置用等のセラミック構造体に関する。 The present invention relates to a ceramic structure for a precision positioning device used for various precision processing machines or precision measuring instruments, semiconductors, liquid crystal exposure apparatuses, etc., and a device that repeats high-speed movement.
半導体、液晶製造装置等に用いられる位置決め装置の構造部品として、絶縁部品、耐食性部品、軽量・高剛性部材としてアルミナをはじめとするセラミック部品が多く使用されるようになっている。 Ceramic parts such as alumina are often used as structural parts of positioning devices used in semiconductors, liquid crystal manufacturing apparatuses, and the like as insulating parts, corrosion-resistant parts, and lightweight / high-rigidity members.
図5は代表的な位置決め装置の基本構造である。これは試料積載用ステージ部品で、ステージはX、Y方向に移動するためXスライド13、Yスライド14と天板15、位置測定のための反射ミラー11、12から構成されている。
FIG. 5 shows a basic structure of a typical positioning device. This is a stage component for sample loading, and the stage is composed of an
駆動はエアースライドにてリニアモーター等で駆動する。これらの構造部材は、リブ構造体もしくは接合等により中空構造にし、軽量化をはかり、更にアルミニウム金属により軽量化を計っていたが、剛性の面で不十分であったためにセラミックが使われるようになってきた。 The drive is driven by a linear motor or the like with an air slide. These structural members have been made hollow by rib structures or joints, etc. to reduce the weight, and further to reduce the weight with aluminum metal, but because of insufficient rigidity, ceramic is used. It has become.
また、半導体、液晶製造装置の構造部材は、世代が進むにつれて大型化しており、これらセラミック部品においても、年々大型化の傾向が進んでいる。 In addition, the structural members of semiconductor and liquid crystal manufacturing apparatuses are becoming larger as generations progress, and these ceramic parts are also increasing in size year by year.
しかし、大型化したセラミック部品を一体物で製作するには、その大きさに技術的問題があり対応が困難なものとなってきている。 However, in order to manufacture a large-sized ceramic component as a single unit, there is a technical problem in the size, and it has become difficult to cope with it.
従来のセラミック部品の製造方法は金型プレス成形や湿式静水圧プレスであるCIP成形、もしくは鋳込み成形等にてセラミック粉体を固めて、切削加工を行い、これを焼成した後、焼結体を研削加工して製品形状に仕上げ加工をしている。 The conventional method for producing ceramic parts is to mold ceramic powder by die press molding, CIP molding which is a wet isostatic press, or cast molding, perform cutting, fire this, and then sinter the sintered body. The product is finished by grinding.
ここで金型プレスによる成形は、プレス機の大きさによって成形できるサイズが決まっており、大型のプレス機や金型は高価であるため、よほどの量産品でなければ、大型化に伴う設備投資が多大で困難である。 Here, the size that can be molded is determined by the size of the press machine, and large press machines and dies are expensive, so if it is not a mass-produced product, the capital investment associated with the increase in size Is very difficult.
また、CIP成形においても、プレス成形と同様の理由の他、圧力水槽の製造サイズにも限界があり、鋳込み成形等においても成形後の脱型時の強度不足や乾燥途中の収縮等で割れが発生し、焼成時の収縮割れ、焼成後の内部応力等の影響で加工中に割れるなど様々な問題があり、大型で一体形状のセラミック部品を製造することは困難である。 Also, in CIP molding, there is a limit to the production size of the pressure water tank as well as the same reason as in press molding, and in casting molding, etc., cracking occurs due to insufficient strength at the time of demolding after molding or shrinkage during drying. There are various problems such as cracking during firing, cracking during processing due to the influence of internal stress after firing, etc., and it is difficult to produce large-sized and integral ceramic parts.
そこで、複数のセラミック体を接続してなるセラミック構造体が用いられることが提案され、特許文献1では、図6(a)に示すように、肉貫部22と梁21を備えた肉貫形状とし、これに蓋体を接合して中空体を構成し、軽量化、大型化に対応させるものである。
Accordingly, it has been proposed that a ceramic structure formed by connecting a plurality of ceramic bodies is used. In
また、セラミック構造体を大型化する場合は、一般的には図6(b)に示すようにフラット面23を互いに接着剤24で接着固定する方法や、図6(c)に示すように結合部に穴を開け、金属製のボルト25を通して、金属製のナット26で固定するなどの方法がある。
When the ceramic structure is enlarged, generally, the
また、特許文献2では、図7(a)に示すような板状体31と梁32で構成され、金属製ボルト33で固定したセラミック構造体が提案されている。この構造は図7(b)に示すように、分割された蓋体31aと底板31bと側板31cで構成し、これらの当接面に接着剤35を介在させて接着するとともに、ネジを形成した金属製のブッシュ34を埋め込み、ボルト33で締結している。この接合では、接着剤とボルトを併用して接合しており、振動特性が良好で、強固に固定されたセラミック構造体を得ることができる。
しかしながら、図6(a)に示すようなセラミック構造体は、肉貫形状とするため、中実体から削り出して加工しており、原料の無駄や切削加工時間の増加といった問題があった。 However, since the ceramic structure as shown in FIG. 6 (a) has a hollow shape, the ceramic structure is cut out from the solid body and processed, resulting in problems such as waste of raw materials and an increase in cutting time.
また、図6(b)のように接着のみで接合したものを固定する際、接着剤で結合したものをテープ等で固定するか、または重石を乗せて固定するなどの方法では、接着層の厚みが安定せず、その厚みも0.2〜0.5m以上と大きくなり、また未接着部が発生するなどの原因で、十分な接合強度が得られていなかった。 In addition, when fixing what is joined only by bonding as shown in FIG. 6B, the method of fixing the one bonded with an adhesive with a tape or the like or fixing with a weight is used. The thickness is not stable, the thickness is increased to 0.2 to 0.5 m or more, and a sufficient bonding strength is not obtained due to the occurrence of an unbonded portion.
さらに、図6(c)のように単にボルト締結で固定するだけでは、部品同士の面接触が不十分で点当たりとなり、振動特性を低下させてしまっていた。 Further, simply fixing with bolt fastening as shown in FIG. 6 (c) results in insufficient surface contact between the components, resulting in a reduction in vibration characteristics.
また、その大型化に伴い分割された板状体と梁から構成された図7(a)のようなセラミック構造体では、金属製のボルト33や金属製ブッシュ34を使用しており、せっかくの軽量化の効果を減少させてしまう。
Moreover, in the ceramic structure as shown in FIG. 7A composed of the plate-like body and the beams which are divided along with the increase in size,
セラミックスの比重はアルミナセラミックスで3.8程度、その他の非酸化物セラミックスでも3.0〜4.0であるのに対し、金属材料の比重は8.0程度と約2倍の重量になる。したがって、強固に接合するために金属製ボルト33や金属ブッシュ34などを付加することにより、軽量化を阻害する方向となってしまう。
The specific gravity of ceramics is about 3.8 for alumina ceramics, and 3.0 to 4.0 for other non-oxide ceramics, whereas the specific gravity of metal materials is about 8.0, approximately twice the weight. Therefore, adding a
また、金属製ボルト33で締結した場合、セラミックスとの熱膨張差が問題となることが多いため、図7(a)に示すセラミック構造体では、常温では確かに強固な結合を達成しているが、これらセラミック構造体を半導体や液晶製造装置に用いた場合、特にゴミや粉塵を嫌うため、使用前にゴミの付着対策等で熱処理する場合も多く、100〜200℃以上まで熱が加えられることもある。
Further, when the
例えば、代表的なアルミナセラミックスの熱膨張係数は7×10−6/℃程度であるが、金属材料は12×10−6/℃程度と大きいため、同じ熱を加えても金属製ボルト33の伸びがセラミックスの伸びを上まわり、緩みが発生しやすい状態となる。このように熱が加わると材料の熱膨張差を起因として、金属製ボルト33の伸びによる力で、接着が剥離して結合部にズレが発生したり、セラミックスに応力がかかって破壊に至るという問題があった。
For example, a typical alumina ceramic has a thermal expansion coefficient of about 7 × 10 −6 / ° C., but a metal material is as large as about 12 × 10 −6 / ° C. Elongation exceeds the elongation of ceramics, and loosening is likely to occur. When heat is applied in this way, due to the difference in thermal expansion of the material, the force due to the elongation of the
また、繰り返し熱がかかる等の装置で使用した場合は、装置の稼動時の振動で金属製ボルト33が緩み、この金属製ボルト33やナットがはずれて、装置が故障するなどの問題があった。
In addition, when used in a device that is repeatedly heated, the
本発明は、上述した課題に鑑みなされたものであって、その目的は、複数のセラミックス部品から構成される構造体からなる半導体、液晶製造装置用大型構造部品において、その構成部材の軽量化、高剛性などを達成したセラミック構造体を提供することである。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and the object thereof is a semiconductor composed of a structure composed of a plurality of ceramic parts, a large-sized structural part for a liquid crystal manufacturing apparatus, the weight reduction of its constituent members, The object is to provide a ceramic structure that achieves high rigidity and the like.
本発明は、セラミックスからなる複数の枠体を結合してなる大型セラミック構造体であって、各枠体の少なくとも結合部にそれぞれ凹部、凸部が形成され、該凹部および凸部を嵌合するとともにセラミックスからなるピンによって結合部が位置決めされることを特徴とするセラミック構造体である。 The present invention is a large-sized ceramic structure formed by combining a plurality of ceramic frame bodies, each of which has a concave portion and a convex portion at least at a coupling portion, and the concave portion and the convex portion are fitted to each other. A ceramic structure is characterized in that the coupling portion is positioned by a pin made of ceramic.
また、上記結合部において凹部および凸部が複数形成されていることを特徴とする。 In addition, a plurality of concave portions and convex portions are formed in the coupling portion.
さらに、上記ピンは、凹部および凸部の嵌合部の中央に配置することを特徴とする。 Further, the pin is arranged at the center of the fitting portion of the concave portion and the convex portion.
さらにまた、上記ピンは、その径が上端から下端に向けて小さくなる円錐台形状であることを特徴とする。 Furthermore, the pin has a truncated cone shape whose diameter decreases from the upper end toward the lower end.
またさらに、上記結合部が接着剤を介して接合され、上記凹部および凸部の嵌合部の周囲に接着剤溜りを設けることを特徴とする。 Still further, the coupling portion is joined through an adhesive, and an adhesive reservoir is provided around the fitting portion of the concave portion and the convex portion.
また、液晶製造装置用造部材として用いることを特徴とする。 Moreover, it is used as a manufacturing member for liquid crystal manufacturing apparatuses.
本発明は、セラミックスからなる複数の枠体を結合してなる大型セラミック構造体であって、各枠体の少なくとも結合部にそれぞれ凹部、凸部が形成され、該凹部および凸部を嵌合するとともにセラミックスからなるピンによって結合部が位置決めされることから、各枠体の結合部の上下方向のズレを防ぐことができる。さらに、セラミックからなるピンによって結合部を位置決めすることにより、横方向のズレを防ぐことが可能となる。これにより、各枠体のズレが発生せず、結合部の接着層を小さく抑えることができるため安定した強度を保持することが可能となる。 The present invention is a large-sized ceramic structure formed by combining a plurality of ceramic frame bodies, each of which has a concave portion and a convex portion at least at a coupling portion, and the concave portion and the convex portion are fitted to each other. At the same time, since the coupling portion is positioned by the ceramic pin, the vertical displacement of the coupling portion of each frame can be prevented. Furthermore, it is possible to prevent lateral displacement by positioning the coupling portion with a ceramic pin. As a result, there is no deviation between the frames, and the adhesive layer of the joint portion can be kept small, so that stable strength can be maintained.
また、上記結合部において凹部および凸部が複数形成されていることから、より安定した結合部の嵌合を可能にした。この凹部及び凸部の結合部は、接着剤を充填する際の接着面積の増大による接着強度の向上に加え、接着作業時に接着剤を塗布し固定した際にその抵抗が増えてズレにくくなり、さらにはセラミックスピンで位置決めする際のセラミックからなるピンと枠体のピン穴の嵌合数が増えたことで、がたつきを低下することができる。 In addition, since a plurality of concave portions and convex portions are formed in the coupling portion, the coupling portion can be fitted more stably. In addition to improving the bonding strength by increasing the bonding area when filling the adhesive, the concave and convex joints increase the resistance when the adhesive is applied and fixed during the bonding operation, and it becomes difficult to shift, Furthermore, rattling can be reduced by increasing the number of fittings between the ceramic pins and the pin holes of the frame when positioning with ceramic pins.
さらに、上記ピンは、凹部および凸部の嵌合部の中央に配置することから、結合部における各肉厚を均等に保持することができる。このピンがどちらかに片寄ってしまうとこの結合部に曲げの力がかかった際に、ピンにかかる応力を支えるのに必要な肉厚が保たれず、凹部および凸部の嵌合部が破損してしまう可能性があるため、中央に配置することで、その嵌合部の最大の強度を得ることになる。 Furthermore, since the said pin is arrange | positioned in the center of the fitting part of a recessed part and a convex part, each thickness in a coupling | bond part can be hold | maintained equally. If this pin is shifted to either side, when the bending force is applied to this joint, the thickness necessary to support the stress applied to the pin is not maintained, and the fitting part of the concave part and convex part is damaged. Therefore, the maximum strength of the fitting portion can be obtained by arranging in the center.
さらにまた、上記ピンは、その径が上端から下端に向けて小さくなる円錐台形状であることから、ピンと枠体の穴の隙間を最小に抑えることができるため、接着固定時の位置決め精度を向上することが可能となる。 Furthermore, since the pin has a truncated cone shape whose diameter decreases from the upper end to the lower end, the gap between the pin and the hole of the frame body can be minimized, so that the positioning accuracy during adhesive fixing is improved. It becomes possible to do.
またさらに、上記結合部が接着剤を介して接合され、上記凹部および凸部の嵌合部の周囲に接着剤溜りを設けることから、接着剤の安定した供給が可能で、さらに接着層の隙間を極限まで小さく抑えることが可能となるため、各枠体の振動特性が均一になり、固有振動値のバラツキを防ぐことができる。 Furthermore, since the joint portion is joined via an adhesive and an adhesive reservoir is provided around the fitting portion of the concave portion and the convex portion, a stable supply of the adhesive is possible, and a gap between the adhesive layers is further provided. Can be kept as small as possible, so that the vibration characteristics of the respective frames can be made uniform, and variations in the natural vibration value can be prevented.
また、液晶製造装置用造部材として用いることから、大型の構造部品の製作が可能で、軽量・高剛性を達成した構造部材を使用することで、高速摺動や製品の安定化を図ることができる。 In addition, because it is used as a liquid crystal manufacturing equipment building member, large structural parts can be manufactured, and by using a structural member that achieves lightweight and high rigidity, high-speed sliding and product stabilization can be achieved. it can.
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
本発明のセラミック構造体は、荷重や自重による変形が少なく、軽量かつ固有振動の高いものであり、剛性の高いセラミック材からなり、複数のセラミック材を組み合わせて成る大型のセラミック構造体である。 The ceramic structure of the present invention is a large-sized ceramic structure that is less deformed by a load and its own weight, is light and has high natural vibration, is made of a highly rigid ceramic material, and is a combination of a plurality of ceramic materials.
図1は、本発明のセラミック構造体の一実施形態を示し、図1(a)は、例えば、一辺が500mm、厚みが50mmの正方形の枠体1a、1bを結合してなるセラミック構造体1であり、図1(b)は、同図(a)の結合部2を拡大した部分断面図である。
FIG. 1 shows an embodiment of a ceramic structure of the present invention. FIG. 1A shows a
このセラミック構造体1は、セラミックスからなる複数の枠体1a、1bを結合してなり、各枠体1a、1bの少なくとも結合部2にそれぞれ凹部3、凸部4が形成され、該凹部3および凸部4を嵌合するとともに嵌合部8の中央部にセラミックスからなるピン5によって結合部2が接続されることを特徴とするものである。
The
これによって、各枠体1a、1bの結合部2における上下方向のズレを防ぐことができるとともに、セラミックのピン5によって該凹部3と凸部4の嵌合部8を位置決めすることにより、各枠体1a、1bの結合部2の横方向のズレを防ぐことが可能となる。
Accordingly, the vertical displacement of the
なお、ピン5は、ピン5の外径とピン穴の径はほとんど同寸法とし、圧力をかけて挿入したり、各枠体1a、1bを例えば300〜500℃程度に加熱して熱膨張によってピン穴の径を大きくしてピン5を挿入する焼きばめ等によって挿入する。
The
この方法を用いれば、位置決めが精度良いことに加え、接着剤を使用しなくても強固に接続できることから、300℃を超える高温雰囲気下での使用も可能となる。これは、通常、比較的接着強度の高い樹脂系接着剤は200〜250℃の温度が耐熱特性の限界とされているため、接着剤を用いない場合には300℃を超える高温雰囲気下での使用も可能となる。 If this method is used, in addition to high accuracy in positioning, it can be firmly connected without using an adhesive, and therefore, it can be used in a high temperature atmosphere exceeding 300 ° C. This is because a resin adhesive having a relatively high adhesive strength usually has a heat resistance limit of 200 to 250 ° C., and therefore, in a high temperature atmosphere exceeding 300 ° C. when no adhesive is used. Use is also possible.
また、各枠体1a、1bの結合は、接着剤を用いて接合したり、ピン5としてセラミック製のネジを用いてもよい。ピン5をセラミックス製のネジとする場合は、このピン穴の少なくとも1ヶ所に雌ネジを加工しておき、雄ネジを施したピン5を挿入することで結合することが可能である。
Further, the
さらに、上記ピン5の数量は、接着剤と併用して固定される場合は、1組の枠体1a、1bに少なくとも2ヶ所を設けることで位置決めを行うことができる。その位置は、例えば枠体1a、1bの一辺が500mmの場合、ピン5のピッチを200〜300mm程度として、離れて配置することで、より位置決めの硬化を増すことができる。
Further, when the number of the
また、上記ピン5を圧入や焼きばめ等で固定する場合は、ピン5の強度が結合部2の強度となるため、なるべく多くのピン5を設けることが望ましい。この場合、ピッチは、20mm〜100mmで、枠体1a、1bにかかる荷重とピン5の曲げ強度を考慮して、ピン5の曲げ強度が大きくなるように配置すればよい。
Further, when the
また、各枠体1a、1bの結合部2における境界には、僅かな隙間が設けられており、接着剤を使用しない場合には、0.02〜0.05mm、接着剤を使用する場合には0.05〜0.1mmとすることが好ましい。
In addition, a slight gap is provided at the boundary in the
また、図2に示すように、上記結合部2において凹部3および凸部4が複数形成されていることが好ましい。
In addition, as shown in FIG. 2, it is preferable that a plurality of
これにより、より安定した状態で結合部2の嵌合を行うことができ、接着剤で接合する際には、その接着層のバラツキをより少なくでき、さらに接着面積の増大による接着強度の向上と、ピン5で位置決めする際のピン5と枠体1a、1bのピン穴のがたつきを低下することができる。
As a result, the
また、凹部3および凸部4の数が増えることにより、接着強度をもたらす接着面積が増えることになるため、接着強度の向上を図り、また、セラミックスのピン5で位置決めする際のピン5と接触する凹部3及び凸部4のピン穴の断面積が増えることから、ピン5へ働く凹部3及び凸部4のピン穴からのせん断力が分散され、ピン5の径とピン穴の径を小さくすることが可能であり、これにより結合部の長さ7も小さくすることができるため、軽量化することができる。
In addition, since the number of the
さらに、凹部3および凸部4の数は、セラミック構造体1の全厚みTを嵌合部の長さ6で割った数の半分程度とすることが望ましい。例えば、セラミック構造体の厚みを50mmで、嵌合部の長さ6を10mmとした場合、
(各枠体1a、1bの厚みT/嵌合部の長さ6)/2=(50/10)/2=2.5
この場合、凹部3および凸部4の数は、各2ヶ所で構成することが望ましい。
Furthermore, the number of the
(Thickness T of each
In this case, it is desirable to configure the number of the
上記式は、凹部3および凸部4の厚みtが、嵌合部の長さ6とほぼ等しいことを示しており、嵌合部の長さ6に対して厚みtが、大きい場合には凹部3および凸部4の数が少ないため、接着面積を増やすことができず、接着強度を大きくすることができない。また、嵌合部の長さ6に対して凹部3および凸部4の厚みtが、小さい場合には嵌合部8を形成する凹部3、凸部4の強度が低くなり、曲げ応力により折れて破損する可能性がある。
The above formula indicates that the thickness t of the
また、凹部3および凸部4の凹凸のピッチは、均等であることが好ましい。凹凸のピッチが不均一であると、加工が難しいことに加え、形状的に強度が不均一なり、荷重がかかった際に応力に対して、強い部分と弱い部分の差が大きくなり、結果的に弱い部分から先に破損に至ってしまうことが考えられる。
Moreover, it is preferable that the uneven | corrugated pitch of the recessed
また、凹部3および凸部4の各角部や隅部は、C面や、R面の面取りを行うことが好ましく、応力集中を避けて、破損し難い形状とするためである。この場合、面取りの大きさは0.3〜1.0mm程度が好ましい。
Further, the corners and corners of the
なお、この面取り加工は、嵌合する凹部3、凸部4の何れか一方に形成されていればよい。
In addition, this chamfering process should just be formed in any one of the recessed
また、凹部3及び凸部4の嵌合部の長さ6は、各枠体1a、1bの結合部の長さ7の50%程度にすることが好ましく、各枠体1a、1bに均一に力が作用するため、強固に嵌合することができる。この嵌合部の長さ6が結合部の長さ7に70%以上となると嵌合部の長さ6以外の厚みが30%以下と小さくなるため、枠体1a、1bの強度が保持できなくなるため70%未満とすることがより好ましい。また、嵌合部の長さ6が30%以下と少ない場合は、嵌合の効果が少なくなり、接着面積も小さくなることから、各枠体1a、1bを支えるだけの強度が保てない可能性があり、さらにセラミックスのピン5を挿入する範囲が小さくなるため、細い剛性の弱いピン5を挿入することとなり、接着時の位置決めをするための十分なピン5の強度を付与することができない。
Further, the
上記ピン5は、凹部3および凸部4の嵌合部8の中央部に配置することが好ましい。
The
これにより、結合部2における各枠体1a、1bの肉厚を均等に保持することができ、応力が均等に作用しより強固に接続することができる。
Thereby, the thickness of each
また、ピン5は、枠体1a、1bを構成するセラミックスと同じ材料で製作されることが望ましいが、枠体1a、1bが異なる材質の組み合わせで構成された場合には、この異なるセラミックス材料のほぼ中間の熱膨張係数を持つセラミックスによって形成することが好ましい。
The
例えば、枠体1a、1bの一方が熱膨張係数7.1×10−6/℃で、もう一方が低熱膨張のコージライト(熱膨張係数1.0×10−6/℃以下)等からなるセラミック構造体である場合には、ピン材料は炭化珪素(熱膨張係数4.0×10−6/℃)や窒化珪素(熱膨張係数3.2×10−6/℃)などを使用することで、両方の枠体1a、1bの結合部2における発生応力を最小限に抑えるができる。
For example, one of the
さらに、ピン5の直径は、嵌合部の長さ6の30〜50%程度とすることが好ましく、各枠体1a、1bの横方向のズレを防ぐ目的の位置決めであり、接着剤が適正な接着層になるまで各枠体1a、1bを互いに押しつけて、正しい位置に来た時に挿入できるように設計製作される。したがって、あまり細く弱いものでは折れてしまい、位置決めすることができない。また、大き過ぎる場合は、嵌合部8のピン穴部分の肉厚が少なくなるため、各枠体1a、1bの強度に不安を抱えることになってしまうためである。
Further, the diameter of the
また、ピン5とピン穴の径については、接着剤を使用して固定する場合は、ピン5の径よりもピン穴の径を0.1〜0.2mm大きく加工することが好ましく、強い接着強度が得られる。また、圧入や焼きばめの場合には、セラミックスの材質にもよるが通常0.2%以下程度の嵌合代を設けることが好ましく、例えば、ピン5の径を5.0mmとした場合は、ピン穴を0.2%小さい4.99mmで製作することが好ましい。また、比較的強度の低い材料や、カケの発生し易い破壊靭性の低い材料などでは、0.1%程度にとどめておくことが望ましい。
Moreover, about the diameter of the
また、このピン5の上端面、下端面の角部およびピン穴の開口面の角部には、1mm程度の面取り加工をすることが好ましく、これにより各枠体1a、1bの接着時に多少のズレが生じていた場合でも、ピン5のピン穴へのスムーズな挿入を可能にできる。
Moreover, it is preferable to chamfer about 1 mm at the corners of the upper end surface and the lower end surface of the
さらに、ピン5は、図3に示すように、その径が上端から下端に向けて小さくなる円錐台形状であることが好ましい。
Further, as shown in FIG. 3, the
各枠体1a、1bの位置決めを行うとともに接続するピン5の外径を円錐台形状5とし、結合部2の凹部3及び凸部4の嵌合部の長さ6の中央に設けたピン穴へ挿入して固定される。これにより、ピン5とピン穴の隙間を最小に抑えることができるため、接着時の位置決め精度を向上することが可能である。
A pin hole provided in the center of the
また、円錐台形状のピン5は、上端面の径が枠体1a、1bの凹部3及び凸部4の嵌合部の長さ6の50%以下であることが好ましく、これを超えると各部の肉厚が薄くなり過ぎて、強度の不安が生じることになるためである。
Moreover, it is preferable that the diameter of an upper end surface is 15% or less of the
このような円錐台形状のピン5は、NC万能研削盤にて傾斜が5°以下の小さなテーパー加工を施し、この角度と合わせてマシニングセンターにより傾斜のついた電着形状ダイヤ工具を使用して穴加工を施すことでピン穴5bが得られる。
Such a truncated cone-shaped
ここで、傾斜角度の決定は各枠体の結合部の長さ7と枠体の厚みを考慮して決定し、ピン5を挿入した場合にピン5が貫通してしまわない程度であれば問題ないが、その勾配を1〜3°とすることが好ましい。
Here, the inclination angle is determined in consideration of the
また、ピン5の径が円錐台形状である場合には、そのピン5の径において上端の径を少し大きめに製作しても、その長さを長めに製作することで、挿入した後に、上下の端の長い部分を調整して切断加工するということも可能であり、ピン5がピン穴に接して接合されるため位置決め精度をさらに向上させうることが可能である。
In addition, when the
また、枠体1a、1bを接着剤を用いて接続する際には、図4に示すように各枠体1a、1bの凹部3および凸部4の嵌合部の境界に接着剤溜り9、10を設けることが好ましい。
Further, when connecting the
これにより、接着剤を安定して均一に供給でき、接着層の隙間を小さく抑えることが可能となるため、各枠体1a、1bの固有振動特性が均一になり、固有振動値のバラツキを防ぐことができる。
As a result, the adhesive can be supplied stably and uniformly, and the gap between the adhesive layers can be kept small. Therefore, the natural vibration characteristics of the
このとき、接着剤溜り9は枠体1bの凹部3の角部に、接着剤溜り10は枠体1aの凸部4の角に形成され、それぞれの接着剤溜り9、10の位置が重ならないように配置してすることが好ましく、図4に示すように凹部3、凸部4を1つに対し2箇所づつ計4箇所設けることが好ましい。
At this time, the
この接着剤溜り9、10は、その深さが0.05〜0.1mm、凹部3および凸部4を結合した際に0.05〜0.1mmの接着層になるように形成している。
The
また、この接着剤溜り9、10を角部に配置することで、加工が容易で各枠体1a、1bを結合する前に、ブラスト加工や平面研削盤を使用して加工することができる。
Further, by arranging the
また、接着剤の種類としては、比較的強度が高いエポキシ系の有機接着剤を使用することが好ましい。 Further, as the type of adhesive, it is preferable to use an epoxy organic adhesive having a relatively high strength.
一般的な有機接着剤は厚みが増えることによって接着強度が低下してしまう。しかし、少な過ぎても強度に不安が生じるため、一般的な面接着では、0.1〜0.3mm程度にて行う場合が多い。しかし、最も高い接着強度を示すのは、0.05〜0.1mm付近であり、接着層をコントロールできるのであれば、この範囲がより好ましい。 A general organic adhesive has a reduced adhesive strength as the thickness increases. However, even if the amount is too small, anxiety is caused in the strength, and therefore, in general surface bonding, it is often performed at about 0.1 to 0.3 mm. However, the highest adhesive strength is in the vicinity of 0.05 to 0.1 mm, and this range is more preferable if the adhesive layer can be controlled.
ここで、接着層8の厚みが50μm未満のときは、接着強度が極端に低下する可能性がある。一方、100μmを超えるときは、接着強度が低下して最大強度が得られない。
Here, when the thickness of the
また、枠体1a、1bの結合部2の接着層の厚みが50〜100μmでも、有効接着面が嵌合部8の面積全体の65%未満であると、セラミック構造体1の固有振動特性が低下し一体物の特性より落ちてしまう。
Moreover, even if the thickness of the adhesive layer of the
また、この嵌合部8の全面を接着する場合に比べて、枠体1a、1b相互が部分的に直接接触しているか、または接着層が0.05mm以下と小さい部分を備えた場合は、接着面積は60%以上を確保できれば高い固有振動特性を保持することができる。
In addition, compared to the case where the entire surface of the
寸法精度が重要な部分については接着溜り8を設けて一部セラミックス相互の接触部分を設けることが有効である。
For parts where dimensional accuracy is important, it is effective to provide an
また、接着剤溜り9、10の表面は、研削加工やサンドブラスト等で接着溜り9、10を施す部分を50〜100μm程度低く加工して、接着剤をこの面に塗布することが好ましい。
Moreover, it is preferable that the surface of the
このようなセラミック構造体を製造する方法は、所定のセラミック原料を湿式静水圧成形方法であるCIP成形等の一般的粉末成型手段で成形され、切削加工を施して所定の形状に加工し、電気炉もしくはガス炉また非酸化物セラミックスの場合にが真空炉等で焼成し、研削仕上げを行い作製する。 A method for producing such a ceramic structure is that a predetermined ceramic raw material is formed by a general powder forming means such as CIP forming which is a wet isostatic pressing method, and is processed into a predetermined shape by cutting. In the case of a furnace or gas furnace or non-oxide ceramics, it is fired in a vacuum furnace or the like and finished by grinding.
枠体1a、1bの凹部3および凸部4の嵌合部8は、できる限り焼成前の切削加工で、焼成後の研磨代を0.3〜1.0mm程度になるよう考慮して、切削加工することが好ましい。この形状加工は、精度を必要とする加工であり、研削加工の負荷をなるべく低減できることが、加工時間の短縮につながる。
The
ここで使用するセラミックスは、ヤング率250GPa以上もしくは比剛性90GPa以上で比重3.9以下のセラミックスからなり、軽量化のために各枠体1a、1bは肉抜き形状であることが好ましい。
The ceramic used here is made of a ceramic having a Young's modulus of 250 GPa or more or a specific rigidity of 90 GPa or more and a specific gravity of 3.9 or less, and each
このようなセラミック構造体1の組立方法について説明する。
A method for assembling such a
ここで、本発明のセラミック構造体1の組立方法について説明する。
Here, the assembly method of the
まず、所定寸法に加工された凸部4を形成した枠体1aおよび凹部3を形成した枠体1bを嵌合部8にて結合させる。
First, the
次いで、ピン穴5bにピン5を挿入して結合部のズレが生じないように固定する。
Next, the
接着剤を使用する場合は、予め凹部3および凸部4の嵌合部8に接着剤を塗布し、枠体1a、1bを互いに押し合わせて、ピン穴5bにピン5を挿入して結合する。
In the case of using an adhesive, the adhesive is previously applied to the
また、ピン5を圧入する場合は、凹部3および凸部4を嵌合部8にて結合させた後、枠体1a、1bのピン穴5bが合っていることを確認した後に、ピン5に圧力を加えて挿入することで固定される。
When the
また、ピン5を焼きばめする場合は、枠体1a、1bを予め乾燥機等で例えば400℃程度に加熱して膨張させ、熱膨張により径が大きくなったピン穴5bに加熱処理を施していないピン5を挿入し、放冷することで固定される。このときヒートショック等で割れが生じないように乾燥機内で放冷することが好ましい。
When the
また、凹部3および凸部4の嵌合部8に接着剤溜り9を施した場合には、各枠体1a、1bの嵌合部8の接着剤溜り9を施した部分のみに接着剤を塗布し、互いに結合させた後、ピン穴5bにピン5を挿入して固定する。
Moreover, when the
結合部2を接着剤を使用して固定する場合は、接着剤が硬化するまでの間に、移動させたり、振動を与えたりしないように注意することが好ましい。
When fixing the
図5は、本発明のセラミック構造体1を用いたに位置決め装置のステージ部の構成図を示す。
FIG. 5 shows a configuration diagram of a stage portion of a positioning device using the
ステージはX、Y方向に移動するためにXスライド13、Yスライド14、天板15、反射ミラー11、反射ミラー12から構成されている。ステージはエアー浮上しリニアモーター等で移動できる構造である。
The stage includes an
これらのセラミック構造体は、露光装置等の位置決め装置において、ステージは高速移動と停止を繰り返しており、近年の高速位置決めの要求により、その加速減速における加速度は非常に大きな物となるため、剛性の小さいアルミ合金などでは変形が大きく、また剛性が低いために振動減衰に時間がかかり、振動幅が大きいため位置決め精度が悪かった。 In these positioning devices such as an exposure apparatus, these ceramic structures are repeatedly moved and stopped at high speeds. Due to recent demands for high-speed positioning, the acceleration during acceleration and deceleration becomes very large. Small aluminum alloys and the like have large deformation and low rigidity, so it takes time to attenuate vibrations, and the vibration width is large, so the positioning accuracy is poor.
そこでセラミック等の高剛性材を使用することで変形を少なくし振動幅の小さい部材で構成することでこの問題を解決できる。更に大型化に伴い一体形状では製作できない形状でも、2つ以上の小さな部品に分割し、本発明のようなセラミック構造体1とすることで大型化を満足することができることによる。
Therefore, this problem can be solved by using a highly rigid material such as ceramic to reduce the deformation and to form a member having a small vibration width. Further, even if a shape that cannot be manufactured as an integral shape with an increase in size is divided into two or more small parts to obtain the
また、セラミック構造体1が2つ以上の異なる材質の組み合わせで製作することで、本来であれば全体を高剛性材で作成することが理想であるが価格的要因で部分的に必要最小限の部分を高剛性化することによりコストを抑えて満足行く効果を得ることも可能である。
In addition, it is ideal that the
例えば99%アルミナと95%炭化珪素を組み合わせることによりアルミナだけであれば比剛性90GPaであるが炭化珪素は128GPaにできる。したがって、中央部分をアルミナとし、外周部分を炭化珪素で構成することで外周部分の重量を軽量化できる上に剛性を上げることができることでより高剛性で軽量化した大型構造体を提供できることとなる。 For example, by combining 99% alumina and 95% silicon carbide, if only alumina is used, the specific rigidity is 90 GPa, but silicon carbide can be 128 GPa. Therefore, the center portion is made of alumina, and the outer peripheral portion is made of silicon carbide, so that the weight of the outer peripheral portion can be reduced and the rigidity can be increased, so that a large structure having higher rigidity and weight can be provided. .
また、比重の違う部材との組み合わせで装置重量のバランス調整も可能で振動特性UPの設計が可能となる。 In addition, the balance of the apparatus weight can be adjusted by combining with members having different specific gravities, and the vibration characteristic UP can be designed.
また、露光装置及び液晶製造装置用造部材として用いることにより、大型の構造部品の製作が可能で、軽量・高剛性を達成した構造部材を使用することで、高速摺動や製品の安定化を図ることができる。 In addition, it can be used to manufacture large structural parts by using it as a component for exposure equipment and liquid crystal manufacturing equipment, and by using structural members that have achieved light weight and high rigidity, high-speed sliding and product stabilization can be achieved. Can be planned.
次いで、本発明の実施例について種々評価した。 Next, various examples of the present invention were evaluated.
先ず、図1に示すような各枠体を500mm×500mm×高さ60mm、厚み20mmとしてアルミナセラミックスによって作製した。 First, each frame as shown in FIG. 1 was made of alumina ceramics having a size of 500 mm × 500 mm × height 60 mm and thickness 20 mm.
各枠体の結合部に、それぞれ凹部または凸部が表1に示す如く個数で形成し、嵌合部の長さは枠体の結合部の長さの50%である10mmとした。 As shown in Table 1, the number of concave portions or convex portions is formed in the joint portion of each frame body, and the length of the fitting portion is 10 mm, which is 50% of the length of the joint portion of the frame body.
また、ピンを用いる場合には、嵌合部の中央に150mmピッチで2ヶ所設け、この凹部および凸部の嵌合部の長さ10mmの中央部に直径4.01mmの穴を設けて、この穴に直径3.99mm、枠体と同様なアルミナセラミックスからなるピンを挿入することによって接続した。 When using a pin, two places are provided at a pitch of 150 mm in the center of the fitting portion, and a hole having a diameter of 4.01 mm is provided in the central portion of the concave portion and the convex fitting portion having a length of 10 mm. The holes were connected by inserting pins made of alumina ceramics having a diameter of 3.99 mm and the same as the frame.
接着剤を用いる場合は、エポキシ樹脂等の硬化性樹脂を主剤とし弾性率40GPa以上からなるものを使用し、振動特性に影響が少ないように配慮した。このときの接着層は、0.05〜0.1mmになるように設定した。 In the case of using an adhesive, a curable resin such as an epoxy resin was used as a main ingredient and an elastic modulus of 40 GPa or more was used so that vibration characteristics were hardly affected. The adhesive layer at this time was set to be 0.05 to 0.1 mm.
また、比較例として、試料1は結合部に凹部及び凸部を設けず、段差のない枠体を製作し、フラット面にて接着固定した。さらに、比較例として、凹凸部のみでピンで接続しなかったもの、また凹部、凸部の個数を変えて接着面積を変えたもの、またピンおよびピン穴を上端面の直径を3.99mm、下端面の直径を3mmとした円錐台形状としたもの、さらに凹部及び凸部の嵌合部の境界に0.05〜0.1mmの接着剤溜りを4ヶ所、全接着面積の70%にしたものを試料として製作した。
Further, as a comparative example,
各試料を接着作業時の位置ズレ、接着層の厚み、結合部の曲げ強度、固有振動値を評価した。 Each sample was evaluated for positional deviation at the time of bonding work, thickness of the adhesive layer, bending strength of the joint, and natural vibration value.
なお、接着作業時の位置ズレは、接着剤が硬化した後、各枠体の結合部の位置ズレを測定した。 In addition, the positional deviation at the time of adhesion | attachment work measured the positional deviation of the coupling | bond part of each frame after the adhesive agent hardened | cured.
接着層の厚みは、予め各枠体の結合部の長さを測定しておき、接着硬化後に再度測定して求めた。 The thickness of the adhesive layer was determined by measuring the length of the joint portion of each frame in advance and measuring it again after adhesive curing.
また、結合部の曲げ強度は、下側に500mmのスパンで金属の支点を設け、上側から結合部に荷重をかけて3点曲げの強度を測定した。 Further, the bending strength of the joint was measured by providing a metal fulcrum with a span of 500 mm on the lower side and applying a load to the joint from the upper side to measure the strength of the three-point bending.
また、固有振動値は、FFTアナライザーにて共振振動数の測定を実施した。 In addition, the natural vibration value was measured by measuring the resonance frequency with an FFT analyzer.
この各試料の評価結果を表1に示す。
表1から明らかなように、試料No.1は、従来の凹部及び凸部を形成していないフラットな面を結合部とするもので、接着作業時に接着層を薄くするために加圧すると、位置ズレが発生し、テープで仮に固定したが、0.5mmの位置ズレが発生した。さらに元の結合部の長さから接着層を測定したところ、0.2〜0.5mmと厚くバラツキがあり、接着強度も516MPaと低かった。また、固有振動値も237Hzと低く、接着面積が少ないことを表している。原因は、接着層が全体的に厚く、またバラツキが有ることと、部分的に未接着部があることが予想される。 As is clear from Table 1, sample No. No. 1 is a conventional flat surface on which concave and convex portions are not formed, which is a coupling portion. When pressure is applied to thin the adhesive layer during the bonding operation, positional displacement occurs and the tape is temporarily fixed with tape. However, a positional deviation of 0.5 mm occurred. Furthermore, when the adhesive layer was measured from the length of the original joint part, it was thick and varied as 0.2 to 0.5 mm, and the adhesive strength was as low as 516 MPa. In addition, the natural vibration value is as low as 237 Hz, indicating that the adhesion area is small. It is expected that the cause is that the adhesive layer is thick overall, there are variations, and there are partially unbonded portions.
試料No.2、No.7、No.12は、従来の結合部をフラット面から凹部および凸部を形成し、その数を1ヶ所、2ヶ所、3ヶ所としたものである。 Sample No. 2, No. 7, no. No. 12 is a conventional coupling portion in which a concave portion and a convex portion are formed from a flat surface, and the number thereof is one, two, and three.
この凹部および凸部を形成したことで、位置ずれが0.1〜0.2程度まで小さくなった。これは接着硬化時に接着面積が増えたことにより抵抗が増え、位置ズレが発生しにくくなったことが考えられる。 By forming the concave and convex portions, the positional deviation was reduced to about 0.1 to 0.2. This is considered to be due to the increase in resistance due to the increase in the adhesion area during the adhesive curing, and the occurrence of positional deviation is less likely.
しかし、これらの試料は接着厚みが0.1〜0.3mm、接合部の強度、固有振動値も
低く使用できるレベルのものではなかった。
However, these samples were not of such a level that the adhesion thickness was 0.1 to 0.3 mm, the strength of the joint portion, and the natural vibration value were low and could be used.
また、本考案の試料No.3〜No.6は、凹部および凸部を各1ヶ所形成し、かつ位置決め用のセラミックスのピンを備えたものである。 In addition, Sample No. 3-No. No. 6 has one concave portion and one convex portion and is provided with a ceramic pin for positioning.
この試料は、位置ズレが全くないため、接着層の厚みも0.05〜0.1の範囲内であり、接合部の強度、固有振動値も高く、一体物と同レベルの振動特性を備えていた。 Since this sample has no misalignment, the thickness of the adhesive layer is also in the range of 0.05 to 0.1, the strength of the joint and the natural vibration value are high, and it has the same level of vibration characteristics as an integrated object. It was.
また、位置決めのセラミックスのピンの形状については、円柱形状のものより、円錐台形状の方が、接着層がより安定して薄く、結合部の強度、固有振動値も若干高い傾向を示している。 As for the shape of the positioning ceramic pin, the frustum shape is more stable and thinner than the cylindrical shape, and the strength and natural vibration value of the joint portion are slightly higher. .
また、試料No.5、No.6結合部の凹部および凸部の嵌合部に接着剤溜りを形成したものは、どちらも結合部の強度、固有振動が高い値で特に良好であった。 Sample No. 5, no. In the case where the adhesive pool was formed in the concave portion of the 6 coupling portion and the fitting portion of the convex portion, the strength and natural vibration of the coupling portion were both high and particularly good.
これは、接着剤溜りを部分的に設けて、最も接着強度の高い接着層の0.05mm付近で接着されていることと、接着剤溜りを設けていない部分でセラミックス相互が直接接触している面積があるため、振動特性が良好になったことが考えられる。 This is because the adhesive reservoir is partially provided and bonded around 0.05 mm of the adhesive layer having the highest adhesive strength, and the ceramics are in direct contact with each other at the portion where the adhesive reservoir is not provided. It is conceivable that the vibration characteristics are improved due to the area.
試料No.8〜No.11、試料No.13〜No.16は、凹部および凸部を各2ヶ所形成したものと、各3ヶ所形成したものである。 Sample No. 8-No. 11, Sample No. 13-No. No. 16 has two concave portions and two convex portions, and three concave portions and three convex portions.
その評価結果は、凹部および凸部を各1ヶ所形成したものと同様の傾向を示しているが、
接着層の厚みが、より薄い0.05〜0.07mmで安定しており、結合部の強度、固有振動値も上向き傾向であった。
The evaluation result shows the same tendency as that in which one concave portion and one convex portion are formed,
The thickness of the adhesive layer was stable at a thinner thickness of 0.05 to 0.07 mm, and the strength of the joint and the natural vibration value tended to be upward.
これは、結合部の凹部および凸部を増やすことで、接着面積が増加することと、結合部で直接接触している面積も増えることから、より特性的に一体物に近づいたことが考えられる。 This is because increasing the concave and convex portions of the coupling portion increases the adhesion area, and also increases the area that is in direct contact with the coupling portion, so it can be considered that it has become closer to an integrated object in a more characteristic manner. .
上記のように、セラミックスからなる複数の枠体を結合してなる大型セラミック構造体において、各枠体の少なくとも結合部にそれぞれ凹部、凸部が形成され、該凹部および凸部を嵌合するとともにセラミックピンによって結合部を位置決めしたことにより、結合部の位置ズレがなく、また接着層が適正であり、結合部の強度・固有振動値の高いセラミック構造体を得ることが可能である。 As described above, in the large ceramic structure formed by joining a plurality of frames made of ceramics, a recess and a projection are formed at least at the coupling portion of each frame, and the recess and the projection are fitted. By positioning the coupling portion with the ceramic pin, it is possible to obtain a ceramic structure in which there is no displacement of the coupling portion, the adhesive layer is appropriate, and the strength and natural vibration value of the coupling portion is high.
1:セラミック構造体
1a:結合部に凹部を持つ枠体
1b:結合部に凸部を持つ枠体
2:結合部
3:凹部
4:凸部
5:ピン
5b:ピン穴
6:嵌合部の長さ
7:結合部の長さ
8:嵌合部
9:凹部の接着剤溜り
10:凸部の接着剤溜り
11:Y方向反射ミラー
12:X方向反射ミラー
13:Xスライド
14:Yスライド
15:天板
21:梁
22:肉貫部
23:フラット面
24:接着層
25:ボルト
26:ナット
31:板状体
31a:蓋体
31b:底板
31c:側板
32:梁
33:ボルト
34:ブッシュ
35:接着剤
T:セラミック構造体の厚み
t:凹部または凸部の厚み
1:
Claims (5)
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2003
- 2003-10-29 JP JP2003369105A patent/JP2005134198A/en active Pending
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