JP2005308146A - 静圧軸受装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 多孔質パッドとハウジングとの密着性およびその均一性を高め、多孔質パッドの表面の平面加工精度を上げることができ、しかも、安価に製造することができる静圧軸受装置と、その製造方法を提供する。
【解決手段】 静圧軸受装置２０は、開気孔を備えた多孔質パッド２１と、多孔質パッド２１を支持し、多孔質パッド２１が有する開気孔と連通する給気部たる給気孔２３および溝部２４を備えたハウジング２２を具備する。この静圧軸受装置２０では、多孔質パッド２１はハウジング２２にセラミックス粉末とガラス粉末とを含むスラリーを充填し、ガラス粉末の軟化点以上の温度で焼成することにより形成される。これにより静圧軸受装置２０は多孔質パッド２１とハウジング２２とが実質的に隙間なく直接に接合された構造を有する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、例えば、半導体製造装置や精密測定機器の位置決めステージ等に好適に用いられる静圧軸受装置およびその製造方法に関する。

半導体製造装置や露光装置のＸＹステージ、精密工作機械や精密測定機器の位置決めステージでは、極めて高い精度での位置決めが必要とされる。このため、このようなＸＹステージ等を台盤に対して非接触で支持し、またはガイドに対して案内する静圧軸受装置が用いられている。

静圧軸受装置は、多孔質材より構成される多孔質パッドと、この多孔質パッドを支持し、多孔質パッドに加圧空気や加圧窒素ガス等の加圧流体を送るための給気孔を備えたハウジングから構成される（例えば、特許文献１、２参照）。ここで、従来の静圧軸受装置では、この多孔質パッドとハウジングとの接合は接着剤を用いて行われている。

しかしながら、多孔質パッドとハウジングの各接着面に反りがあったり、平面度が低いと、接着面が不均一になる。逆に言えば、各接着面に高い加工精度が要求されることとなり、製造コストが高くなったり、歩留まりが低下するといった問題が生ずる。また、接着強度にばらつきが生じると、加圧空気等の圧力によって接着強度の低い部分で多孔質パッドとハウジングとが剥離する問題が生ずる。さらに、接着層は弾性係数が低いために、接着層の厚みばらつきに起因して、多孔質パッドの表面の平面加工精度を上げることができない。さらにまた、固有振動数が低下する等の使用時の不具合が生ずる。
特開平８−１１４２３０号公報 特開平５−０７１５３４号公報

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、多孔質パッドとハウジングとの密着性およびその均一性を高めた静圧軸受装置を提供することを目的とする。また、本発明は、多孔質パッドの表面の平面加工精度を上げることができ、しかも、安価に製造することができる静圧軸受装置を提供することを目的とする。さらにまた、本発明はこのような静圧軸受装置の製造方法を提供する。

すなわち、本発明によれば、開気孔を備えた多孔質パッドと、前記多孔質パッドを支持し、前記多孔質パッドが有する開気孔と連通する給気部を備えたハウジングと、を具備し、
前記多孔質パッドと前記ハウジングとは、実質的に隙間なく直接に接合されていることを特徴とする静圧軸受装置、が提供される。

この静圧軸受装置において、多孔質パッドは、アルミナ、ジルコニア、炭化珪素、窒化珪素から選ばれた１または複数のセラミックス材料とガラスとからなる複合組織を有することが好ましい。

また、本発明によれば、器状のセラミック部材を作製する工程と、
所定のセラミックス粉末とガラス粉末とを含むスラリーを調製する工程と、
前記スラリー調製工程において作製したスラリーを前記セラミック部材に充填する工程と、
前記スラリーが充填されたセラミック部材を前記ガラス粉末の軟化点以上の温度で焼成し、前記セラミック部材と実質的に直接に接合された多孔質パッドを形成する工程と、
を有することを特徴とする静圧軸受装置の製造方法、が提供される。

この静圧軸受装置の製造方法において、前記セラミック部材（つまり、ハウジング）は、その内底に形成された所定パターンの溝部と、前記溝部の底面に開口するように形成された給気孔とを備え、前記スラリーを前記セラミック部材に充填する前に前記溝部および給気孔に加熱によって焼失する材料を充填し、前記焼成工程によって前記溝部と前記多孔質パッドが有する空孔とを連通させることが好ましい。

本発明の静圧軸受装置は、接着剤を用いることなく、多孔質パッドとハウジングとが強固に、かつ、実質的に隙間無く接合されているために、剛性が高い。これにより高い精度で表面の平面加工を行うことができる。また、ハウジングの底面の加工精度の許容範囲が広く、多孔質パッドの裏面や側面に加工を施す必要がないために、低コストで作製できる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。図１は本発明に係る静圧軸受装置２０の概略平面図であり、図２は図１中の矢視ＡＡ断面図である。

静圧軸受装置２０は、連通する気孔（開気孔；図示せず）を備えた多孔質組織を有する多孔質パッド２１と、この多孔質パッド２１を支持するハウジング２２から構成されている。
ハウジング２２は、アルミナ、窒化珪素、炭化珪素、ジルコニアから選ばれたセラミックスから好適に構成される。ハウジング２２は器状の形状を有し、多孔質パッド２１の開気孔と連通する給気部を備えている。すなわち、ハウジング２２の内底には複数の溝部２４が互いに連通するように形成されており、溝部２４に加圧空気を送るための給気孔２３が、ハウジング２２の底板部の略中心を垂直に貫通し、かつ、溝部２４に開口するように形成されている。これら溝部２４と給気孔２３とが給気部である。

多孔質パッド２１は、アルミナおよびガラス、または、炭化珪素およびガラスから好適に構成される。また、窒化珪素およびガラス、ジルコニアおよびガラスから構成されることも好ましい。多孔質パッド２１が有する開気孔の平均気孔径は１０〜１５０μｍであることが、気孔率は３０％以下であることが、それぞれ好ましい。

気孔率を３０％以下とする理由は、気孔率が高いと、多孔質パッド２１中の空気溜りが多く存在することにより、空気の圧縮に起因するニューマチックハンマ（自励振動）が発生し、例えばＸＹステージ等を台盤に対して高精度で非接触支持すること等が困難となるからである。多孔質パッド２１における通気量は、多孔質パッド２１の開気孔数、気孔径、多孔質パッド２１自体の厚さで決まるので、これらを制御することにより、適度な絞り効果を得ることができる。例えば、多孔質パッド２１における通気量制御の１つの方法として、多孔質パッド２１を構成するセラミックス粉末に平均粒径の異なる２種類またはそれ以上の粉末を適切な割合で混合する方法が挙げられる。また、ガラス量やガラスの粒径によっても気孔率を変化させ、通気量を制御することができる。

さらに、多孔質パッド２１の表面に樹脂被膜を形成したり、または多孔質パッド２１の表面近傍層に樹脂を充填したり、多孔質パッド２１の表面およびその近傍にメッキ被膜を形成することによって、気孔径を短くし、また、一部の気孔を潰して気孔数を減少させることにより、通気量を制御する（この場合、減少させる）こともできる。

ハウジング２２に設けられた溝部２４は多孔質パッド２１が有する開気孔と連通している。また、多孔質パッド２１は、その側面および下面でハウジング２２と実質的に隙間なく直接に接合されている。ここで、「実質的に隙間なく直接に接合された」とは、多孔質パッド２１の多孔質構造がハウジング２２の界面と接していることをいう。ハウジング２２の給気孔２３へガスボンベやガス供給ライン等から加圧空気等を供給すると、給気孔２３から溝部２４へ空気等が拡散し、さらに溝部２４に連通する多孔質パッド２１の開気孔を通して、多孔質パッド２１の表面から空気が噴出する。これによって、多孔質パッド２１と対向する台盤（図示せず）やガイド（図示せず）との間に静圧が発生する。

多孔質パッド２１の表面は、後述するように、製造工程の最終段階において、多孔質パッド２１の上面とハウジング２２の外周部上面とを同時に平面研削／研磨加工することにより形成される。静圧軸受装置２０においては、多孔質パッド２１とハウジング２２との間に実質的に隙間がなく、しかも、多孔質パッド２１の下側に給気孔がないことから、平面研削／研磨加工時に、多孔質パッド２１の撓み変形が起こり難く、しかも多孔質パッド２１の表面への給気孔２３や溝部２４等に起因する転写が防止され、高い平坦度を有する吸着面を形成することができる。また、多孔質パッド２１とハウジング２２との間に実質的に隙間がなく、強固に接合されているため、剥離が生じず、固有振動数も高く維持される。

本発明に係る静圧軸受装置は、上記静圧軸受装置２０のように、その平面形状が長方形のものに限定されず、ＸＹステージ等の構造物の形状に応じた変形が可能である。例えば、本発明に係る静圧軸受装置の平面形状は円形であってもよい。

次に、静圧軸受装置２０の製造方法について説明する。
最初に、ハウジング２２となる器状のセラミック部材を作製する。例えば、アルミナ等のセラミックス粉末に所定量のバインダを加えて造粒処理し、これを一軸プレス成形し、さらにＣＩＰ成形して、角板状のプレス成形体を作製する。次いで、このプレス成形体を器状に加工して、その内底に所定パターンの溝部を形成し、さらにこの溝部に開口する給気孔を形成する。得られた加工体を必要に応じて脱脂処理した後、所定の雰囲気、温度、時間で焼成することにより、ハウジング２２となるセラミック部材が得られる。なお、プレス成形体を仮焼し、得られた仮焼体に溝部等を形成する加工を施し、その後に焼成処理を行ってもよい。

また、多孔質パッド２１を形成するために用いられるスラリーを調製する。このスラリーは、セラミックス粉末（例えば、アルミナ粉末や、炭化珪素粉末）およびガラス粉末に、水またはアルコール等の溶剤を加えて、ボールミル、ミキサー等の公知の方法により混合することにより作製することができる。なお、水またはアルコール等の添加量は、特に限定されるものではないが、セラミックス粉末の粒度、ガラス粉末の添加量を考慮して、所望の流動性が得られるように、調節することが好ましい。

なお、開気孔の平均気孔径が１０〜１５０μｍ、気孔率が３０％以下である多孔質パッド２１を最終的に形成するためには、セラミックス粉末としては、その平均粒径が３０μｍ〜５００μｍのものを使用することが好ましい。

また、多孔質パッド２１の構成成分の１つであるガラスとしては、その熱膨張係数が、多孔質パッド２１のもう一方の構成成分であるセラミックスの熱膨張係数より小さいものを用いることが好ましい。これにより、後の焼成段階で、ハウジング２２の界面と実質的に連続している組織を有する多孔質パッド２１を形成することができる。また、多孔質パッド２１において結合材としての役割を有するガラスに圧縮応力が加わった状態を作り出すことができる。ガラスは一般的に引張強度に弱いために、ガラスに圧縮応力が加わった状態とすることにより、多孔質パッド２１の強度が高められ、研削加工時の脱粒や欠け等の発生も抑制される。

多孔質パッド２１を形成するための原料であるガラス粉末の平均粒子径は、多孔質パッド２１のもう一方の原料であるセラミックス粉末の平均粒子径よりも小さいことが好ましい。これは、ガラス粉末の平均粒径がセラミックス粉末よりも大きいと、セラミックス粉末の充填が阻害されて、後のガラス軟化点以上での焼成時に焼成収縮を起こしてしまうからであり、この場合には、セラミック部材と焼成により形成された多孔質パッドとの境界に隙間が生じてしまうこととなる。ガラス粉末の平均粒径は、セラミックス粉末の平均粒径の１／３以下であることが好ましく、１／５以下であることがより好ましい。

セラミックス粉末に対して添加するガラス粉末の量は、使用するセラミックス粉末の粒度（粒度分布）や焼成温度におけるガラスの粘性等を考慮して調整されるが、多過ぎるとセラミックス粉末の充填が阻害されて焼成収縮が生じ、逆に少な過ぎるとセラミックス粉末の結合強度が低下し、脱粒や欠け等が生ずる。このため、ガラス粉末の量は、所望の結合強度、気孔率が得られる範囲においてできるだけ少ないことが好ましく、具体的には、概ね、セラミックス粉末１００質量部に対して、５〜３０質量部とすることが好ましい。

次に、作製したハウジング２２（焼成後のセラミック部材）に形成されている溝部２４と給気孔２３に樹脂等の焼失材料を充填する。次いで、作製したスラリーをハウジング２２に充填して、後の焼成により多孔質パッド２１となる部分を成形する。その際に必要に応じて、スラリー中の残留気泡を除去するための真空脱泡処理や充填率を高めるための振動を加えるとよい。

こうしてスラリーが充填されたハウジング２２を十分に乾燥させた後、多孔質パッド形成用のガラスの軟化点以上の温度で焼成し、多孔質パッド２１を形成する。このとき、焼成温度がガラスの軟化点より低いと、ハウジング２２と多孔質パッド２１とが十分に一体化することができない。反対に焼成温度が高過ぎると多孔質パッド２１が変形や収縮を起こすため、ガラスの軟化点以上の温度ではあっても、できるだけ低い温度で焼成することが望ましい。この焼成時に、溝部２４と給気孔２３に充填された樹脂等は消失し、空洞が形成される。

続いて、得られた焼成体の表面全体を研削し、必要に応じて研磨処理することにより、静圧軸受装置２０が得られる。さらに、こうして作製された静圧軸受装置２０の表面または表層に、メッキ被膜や樹脂被膜を形成して、多孔質パッド２１の通気量を制御することも好ましい。

このような静圧軸受装置２０の製造方法によれば、多孔質パッド２１とハウジング２２とを別個に製造する必要がなく、ハウジング２２を構成する器状セラミック部材の加工形状にしたがって多孔質パッド２１となる多孔質パッドを形成することができるために、多孔質パッド２１とハウジング２２との境界の面合わせ加工が不要となる。これにより、製造コストを大幅に低減することができる。また、多孔質パッド２１とハウジング２２との界面に実質的に隙間が生ずることがなく、均一な接合面が得られるために、多孔質パッド２１が剥離し難く、耐久性に優れる。さらに静圧軸受装置２０は接着剤を用いていないので高い剛性を有する。これにより、表面の平面研削時にも溝部２４等の転写の発生が抑制され、高い平面度を得ることができる。また、固有振動数も高く維持される。

（実施例）
実施例として図１に示した静圧軸受パッド２０を作製した。すなわち、公知のセラミック部材の製造方法により、ハウジング２２となる緻密質アルミナ部材（外寸：７０×１００ｍｍ、高さ（厚さ）：３０ｍｍ、深さ：５ｍｍ、熱膨張係数：８．０×１０^−６／℃）を作製し、この緻密質アルミナ部材に設けられた溝部および給気孔に樹脂を充填した。また、２種類の粒度のアルミナ粉末（平均粒径：１２０μｍ、６０μｍ）とガラス粉末（ほう珪酸ガラス、平均粒径：１５μｍ、熱膨張係数：４．０×１０^−６／℃、軟化点：８００℃）と蒸留水とを、４０：２０：２０：２０の質量比で秤量し、ミキサーを用いて混練して、スラリーを作製した。

得られたスラリーを緻密質アルミナ部材に注ぎ、真空脱泡を行った後、振動を加えてスラリーに含まれる粉末を沈降充填させた。これを１００℃で乾燥させ、その後に１０００℃で焼成した。これによりスラリーが充填された部分にアルミナとガラスからなる多孔質パッドを形成した。なお、多孔質パッドの気孔率を調べるために、金型にスラリーを充填し、乾燥させることによって得た成形体を同じ条件で焼成し、アルキメデス法により気孔率を測定したところ２０％であった。続いて、得られた焼成体の表面をダイヤモンド砥石で平面研削し、通気量が１．２Ｌ／分の静圧軸受パッドを得た。

この静圧軸受装置の多孔質パッドの表面の平坦度を真直度測定装置により測定した結果、０．５μｍ程度と良好であった。また、多孔質部の表面には脱粒等の欠陥も観察されなかった。さらに、静圧軸受装置を切断し、多孔質パッド２１と緻密質アルミナ部材（ハウジング２２）の接合界面を観察したところ、亀裂や隙間は観察されなかった。さらに、前記条件で加圧空気（４ｋｇ／ｃｍ^２）を流通したところ、５００時間経過後も特性に変化がなかった。

（比較例）
比較例として、接着剤を用いて多孔質パッドとハウジングとを接合した静圧軸受装置を作製した。すなわち、アルミナ多孔質体を加工して多孔質パッドを作製し、緻密質アルミナ体を加工してハウジングを作製した。このハウジングの内表面にエポキシ系接着剤を塗布した後、多孔質パッドをハウジングに挿入し、これらを接合した。得られた接合体の表面を平面研削して、静圧軸受パッドを得た。

こうして作製した静圧軸受パッドにおける多孔質パッドとハウジングの境界（接着層）を観察したところ、１００ミクロン程度の接着層の厚みムラが観察された。また、上記実施例と同様に、多孔質パッドの表面の平坦度を測定したところ、約５μｍと大きかった。さらに、加圧空気（４ｋｇ／ｃｍ^２）を流通したところ、８０時間後に多孔質パッドの一部に浮き上がりが見られ、多孔質パッドの一部が剥離していることが確認された。

本発明の静圧軸受装置は、例えば、半導体ウエハやガラス基板等の搬送装置、加工装置、検査装置等に好適である。

本発明の静圧軸受装置の第１の実施形態を示す平面図。 図１中に示す矢視ＡＡ断面図。

符号の説明

２０；静圧軸受装置
２１；多孔質パッド
２２；ハウジング
２３；給気孔
２４；溝部

Claims (4)

1. 開気孔を備えた多孔質パッドと、前記多孔質パッドを支持し、前記多孔質パッドが有する開気孔と連通する給気部を備えたハウジングと、を具備し、
   前記多孔質パッドと前記ハウジングとは、実質的に隙間なく直接に接合されていることを特徴とする静圧軸受装置。
2. 前記多孔質パッドは、アルミナ、ジルコニア、炭化珪素、窒化珪素から選ばれた１または複数のセラミックス材料とガラスとからなる複合組織を有することを特徴とする請求項１に記載の静圧軸受装置。
3. 器状のセラミック部材を作製する工程と、
   所定のセラミックス粉末とガラス粉末とを含むスラリーを調製する工程と、
   前記スラリー調製工程において作製したスラリーを前記セラミック部材に充填する工程と、
   前記スラリーが充填されたセラミック部材を前記ガラス粉末の軟化点以上の温度で焼成し、前記セラミック部材と実質的に直接に接合された多孔質パッドを形成する工程と、
   を有することを特徴とする静圧軸受装置の製造方法。
4. 前記セラミック部材は、その内底に形成された所定パターンの溝部と、前記溝部の底面に開口するように形成された給気孔とを備え、前記スラリーを前記セラミック部材に充填する前に前記溝部および給気孔に加熱によって焼失する材料を充填し、前記焼成工程によって前記溝部と前記多孔質パッドが有する空孔とを連通させることを特徴とする請求項３に記載の静圧軸受装置の製造方法。

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