JP5569375B2 - 静圧気体軸受直線案内装置、工作機械、測定装置及び半導体製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、加圧された気体（例えば、圧縮空気）を軸受隙間に導入することで、負荷を非接触で支持する静圧気体軸受直線案内装置、工作機械、測定装置及び半導体製造装置に関する。

従来、例えば、高精度な工作機械、加工装置、測定装置、検査装置、及び半導体製造装置等の分野においては、試料、工具、及び検出器等を高精度に移動させて位置決めする必要がある。そのため、かかる移動並びに位置決めに際して例えば摩擦等の影響を殆ど受けない静圧気体軸受直線案内装置が用いられている（例えば、特許文献１参照）。

静圧気体軸受直線案内装置は、潤滑剤として加圧された気体（例えば、圧縮空気）を用いた滑り軸受けの一種であり、その一般的な構造としては、所定部位に固定されるガイドレールと、ガイドレールに沿って移動可能な可動体（スライダ）とを備えて構成されている。一例として、特許文献１に示された可動体は、ガイドレールの上側面に対向配置される垂直方向軸受パッドと、当該ガイドレールの片側面に対向配置される水平方向軸受パッドとをＬ字状に組み合わせて構成されている。

そして、各々の軸受パッドには、可動体とガイドレールとの間に加圧された気体（例えば、圧縮空気）を噴射して導入することにより、可動体をガイドレールに対して非接触で支持する気体噴出部と、可動体とガイドレールとの間を真空吸引して負圧を発生させることにより、当該可動体をガイドレールに接近させる真空吸引部とが設けられている。

この場合、気体噴出部から可動体とガイドレールとの間に圧縮空気を噴射して導入することにより、垂直方向軸受パッドには、ガイドレールに対して垂直方向の浮上力が付与され、水平方向軸受パッドには、ガイドレールに対して水平方向の浮上力が付与される。同時に、真空吸引部によって可動体とガイドレールとの間を真空吸引して負圧を発生させることにより、垂直方向軸受パッドには、ガイドレールに対して垂直方向の真空吸引力が付与され、水平方向軸受パッドには、ガイドレールに対して水平方向の真空吸引力が付与される。

ここで、上記した浮上力と真空吸引力とのバランス調整を行うことにより、垂直方向軸受パッドは、ガイドレールから垂直方向に適正量だけ浮上すると共に、水平方向軸受パッドは、ガイドレールから水平方向に適正量だけ浮上する。このとき、可動体とガイドレールとの間には、気体潤滑膜が生成された状態となり、これにより、可動体は、ガイドレールに対して垂直方向及び水平方向に非接触で支持された状態で、当該ガイドレールに沿って移動可能となる。

特開平９−２２２１２４号公報

ところで、近年、例えばＦＰＤ（フラットパネルディスプレイ）関連をはじめ各種の製造ラインにおいては、上記した可動体によって移動させるワークの大型化に伴って、ガイドレールを長尺化させる必要がある。そうなると、長尺化させた分だけガイドレールの形成に要する材料が増加し、その結果、当該ガイドレールの質量が増大するだけでなく、ガイドレールの生産プロセスが煩雑化して生産効率が低下すると共に、製造コストも上昇してしまう。

この場合、ガイドレールに沿って可動体を移動させて位置決めする際において、ピッチング、ヨーイング、ローリングの各方面から当該可動体に作用する外力（特に、モーメント）に対して、負荷を非接触で安定してかつ効率良く支持することが要求されている。

本発明は、上記したような問題や要求に対応するためになされており、その目的は、ガイドレールの軽量化、生産効率の向上、低コスト化を図ると共に、当該ガイドレールに沿って可動体を移動させて位置決めする際において、負荷を非接触で安定してかつ効率良く支持することを可能にする静圧気体軸受直線案内装置及びこれを備えた工作機械、測定装置、半導体製造装置を提供することにある。

このような目的を達成するために、第１の発明の静圧気体軸受直線案内装置は、一方向に沿って連続して延出し、かつ所定部位に固定可能なガイドレールと、前記ガイドレールに沿って移動可能な可動体とを有し、前記ガイドレールは、その一側面を一部窪ませた凹部が一方向に沿って連続して形成された一対のレール構造体を備え、これら凹部が同一向きに整列するように前記レール構造体を相互に組み合わせて構成されていると共に、前記ガイドレールには、一方向に沿って連続して延出した第１のガイド面と、前記第１のガイド面に直交し、かつ前記第１のガイド面の端縁に沿って一方向に連続して延出した第２のガイド面とが構成されており、前記可動体は、前記第１のガイド面に対向配置される第１の軸受パッドと、前記第２のガイド面に対向配置される第２の軸受パッドとを備え、前記第１及び前記第２の軸受パッドには、それぞれ、前記可動体と前記ガイドレールとの間に加圧された気体を噴射して、前記可動体を前記ガイドレールに対して非接触で支持する気体噴出部と、前記可動体と前記ガイドレールとの間を真空吸引して負圧を発生させることにより、前記可動体を前記ガイドレールに接近させる真空吸引部とが設けられており、前記可動体は、前記ガイドレールに対して非接触で支持された状態で、前記ガイドレールに沿って移動可能となる静圧気体軸受直線案内装置であって、前記それぞれのレール構造体は、一方向に沿って連続して延出した柱部と、柱部の両側から連続し、かつ一方向に沿って互いに平行に対向して延出した一対のフランジ部とによって、前記一対の前記フランジ部と前記柱部とで囲まれた長尺の領域に凹部を構成したコ字状に形成されており、前記一対のレール構造体における、一方のレール構造体の前記フランジ部端面を、他方のレール構造体の柱部の垂直面に当接させて一体に結合させ、一体に結合させた後の前記それぞれのレール構造体の前記フランジ部の上側面が前記第１のガイド面を構成し、前記一方のレール構造体の柱部の垂直面が前記第２のガイド面を構成する。
第２の発明では、前記気体噴出部は、可動体の移動方向に沿って前記真空吸引部の両外側領域に設けられている。
第３の発明では、前記気体噴出部は、前記真空吸引部の両外側領域において、可動体の移動方向を横断する方向に沿って少なくともその両隅に設けられている。
第４の発明は、前記一対のレール構造体は、それぞれ、セラミックス材で形成されている。
第５の発明は、第１の発明乃至第４の発明のいずれかに記載の静圧気体軸受直線案内装置を備えた工作機械である。
第６の発明は、第１の発明乃至第４の発明のいずれかに記載の静圧気体軸受直線案内装置を備えた測定装置である。
第７の発明は、第１の発明乃至第４の発明のいずれかに記載の静圧気体軸受直線案内装置を備えた半導体製造装置である。

本発明によれば、ガイドレールの軽量化、生産効率の向上、低コスト化を図ると共に、当該ガイドレールに沿って可動体を移動させて位置決めする際において、負荷を非接触で安定してかつ効率良く支持することを可能にする静圧気体軸受直線案内装置及びこれを備えた工作機械、測定装置、半導体製造装置を実現することができる。

本発明の一実施形態に係る静圧気体軸受直線案内装置の全体の構成を概略的に示す斜視図。 (ａ)は、図１の矢印Ｘ方向から見た静圧気体軸受直線案内装置の構成を概略的に示す平面図、(ｂ)は、図１の矢印Ｙ方向から見た静圧気体軸受直線案内装置の構成を概略的に示す平面図。

以下、本発明の一実施形態に係る静圧気体軸受直線案内装置について、添付図面を参照して説明する。
図１に示すように、本実施形態の静圧気体軸受直線案内装置は、一方向に沿って連続して延出し、かつ所定部位に固定可能なガイドレール２と、ガイドレール２に沿って矢印Ｓ方向に移動可能な可動体４とを有している。

なお、ガイドレール２が固定される所定部位としては、静圧気体軸受直線案内装置の使用目的や使用環境に応じて、例えば、水平面、垂直面、傾斜面などを設定することができるが、ここでは一例として、ガイドレール２が固定される所定部位を固定用水平面（図示しない）とし、当該固定用水平面に固定されたガイドレール２に沿って、可動体４を水平方向に平行移動させて位置決めする場合を想定する。

ガイドレール２は、その一側面６ａを一部窪ませた凹部６ｇが一方向に沿って連続して形成された一対のレール構造体６Ｓ,６Ｔを備え、これら凹部６ｇが同一向きに整列するように当該レール構造体６Ｓ,６Ｔを相互に組み合わせて構成されている。一対のレール構造体６Ｓ,６Ｔは、それぞれ、一方向に沿って連続して延出した柱部６ｐと、柱部６ｐの両側から連続し、一方向に沿って互いに平行に、かつ対向して延出した一対のフランジ部ｆ１,ｆ２とを備えている。そして、これら一対のレール構造体６Ｓ,６Ｔの一側面６ａに形成された凹部６ｇは、柱部６ｐと一対のフランジ部ｆ１,ｆ２とで囲まれた長尺の領域に構成されている。

ここでは一例として、双方のレール構造体６Ｓ,６Ｔの一側面６ａは、上記した固定用水平面に対して垂直方向に延在する垂直面とする。また、双方のレール構造体６Ｓ,６Ｔの凹部６ｇは、互いに同一形状を成しており、当該一側面６ａの一部を一方向に沿って連続して矩形状に窪ませて形成されているものとする。この場合、当該一側面６ａを窪ませる量（深さＧｄ、幅Ｇｗ）は、静圧気体軸受直線案内装置の使用目的や使用環境に応じて設定されるため、ここでは特に限定しない。

更に、双方のレール構造体６Ｓ,６Ｔには、凹部６ｇが形成された一側面６ａとは反対側（即ち、上記した柱部６ｐの反凹部６ｇ側）に、上記した固定用水平面に対して垂直方向に延在する他側面６ｂが形成されている。また、双方のレール構造体６Ｓ,６Ｔにおいて、一対のフランジ部ｆ１,ｆ２のうち、一方のフランジ部ｆ２は、上記した固定用水平面に固定されるようになっており、当該フランジ部ｆ２に対向した他方のフランジ部ｆ１には、凹部６ｇとは反対側に、柱部６ｐの他側面６ｂに対して鉛直方向に延在する上側面６ｃが形成されている。これにより、双方のレール構造体６Ｓ,６Ｔにおいて、他側面６ｂと上側面６ｃとは、互いに直交し、かつＬ字状を成して構成されている。

ここで、一対のレール構造体６を相互に組み合わせる方法としては、例えば、一方のレール構造体６Ｓの一側面６ａを他方のレール構造体６Ｔの他側面６ｂに結合させる。これにより、それぞれの凹部６ｇが同一向きに整列するように一対のレール構造体６Ｓ,６Ｔを相互に組み合わせたガイドレール２が構成される。なお、他方のレール構造体６Ｔの一側面６ａを一方のレール構造体６Ｓの他側面６ｂに結合させてもよい。これによれば、双方のレール構造体６Ｓ,６Ｔの上側面６ｃは、互いに同一の水平面上に連続して位置付けられ、単一の水平面として構成される。

この場合、双方のレール構造体６Ｓ,６Ｔの一側面６ａと他側面６ｂとを結合させる方法としては、例えば、一側面６ａと他側面６ｂとを接着剤で接着させる方法、一側面６ａと他側面６ｂとをボルトで締結させる方法、或いは、接着剤とボルトを併用して結合させる方法などを適用することができる。要するに、静圧気体軸受直線案内装置の使用目的や使用環境に応じて、一側面６ａと他側面６ｂとを結合させる方法を選択すればよい。

また、上記した一対のレール構造体６Ｓ,６Ｔを相互に組み合わせたガイドレール２には、一方向に沿って連続して延出した第１のガイド面と、第１のガイド面に対してＬ字状に直交し、かつ第１のガイド面の端縁に沿って一方向に連続して延出した第２のガイド面とが構成されている。この場合、第１のガイド面としては、互いに同一の水平面上に連続して位置付けられ、単一の水平面として構成された双方のレール構造体６Ｓ,６Ｔ（フランジ部ｆ１）の上側面６ｃを適用することができ、また、第２のガイド面として、一方のレール構造体６Ｓ（柱部６ｐ）の他側面６ｂを適用することができる。

このようなガイドレール２に沿って移動可能な可動体４は、第１のガイド面（即ち、２つの上側面６ｃ）に対向配置される第１の軸受パッド４ａと、第２のガイド面（即ち、他側面６ｂ）に対向配置される第２の軸受パッド４ｂとを備えており、双方の軸受パッド４ａ,４ｂは、互いにＬ字状を成して連結されている。なお、双方の軸受パッド４ａ,４ｂを連結する方法としては、例えば、接着剤で接着させる方法、ボルトで締結させる方法、或いは、接着剤とボルトを併用して連結させる方法などを適用することができる。

図１及び図２(ａ),(ｂ)に示すように、第１及び第２の軸受パッド４ａ,４ｂには、それぞれ、可動体４をガイドレール２（具体的には、第１のガイド面６ｃ、第２のガイド面６ｂ）に対して非接触で支持する気体噴出部８と、可動体４とガイドレール２（第１のガイド面６ｃ、第２のガイド面６ｂ）との間を真空吸引して負圧を発生させることにより、可動体４をガイドレール２に接近させる真空吸引部１０とが設けられている。

気体噴出部８は、可動体４の移動方向Ｓに沿って真空吸引部１０の両外側領域に設けられている。この場合、気体噴出部８は、例えば多孔質材が略同心円板状に埋め込まれ、かつガイドレール２（具体的には、第１のガイド面６ｃ、第２のガイド面６ｂ）に対向して構成されている。そして、当該多孔質材を通して加圧された気体（例えば、圧縮空気）を噴射することにより、浮上力を発生させることができるようになっている。なお、このような浮上力を発生させる方法としては、例えば、自成絞り、表面絞り、多孔質絞り、オリフィス絞り、スロット絞り、毛細管絞りなど、従来から知られている方法を適用すればよい。

また、上記した気体噴出部８相互間に設けられている真空吸引部１０は、ガイドレール２（具体的には、第１のガイド面６ｃ、第２のガイド面６ｂ）に対向して開口された空隙空間（ポケット）として構成されている。そして、当該真空吸引部１０（空隙空間）を真空吸引して負圧を発生させることができるようになっている。

ここで、気体噴出部８は、真空吸引部１０の両外側領域において、可動体４の移動方向Ｓを横断する方向に沿って少なくともその両隅に設けることが好ましい。一例として、図面には、真空吸引部１０周りの外側領域の四隅に配置した構成が示されているが、静圧気体軸受直線案内装置の使用目的や使用環境に応じて、気体噴出部８を配置する個数や位置が設定されるため、ここでは特に限定しない。なお、気体噴出部８は、気体供給路８ｒを介してコンプレッサ（図示しない）に接続されており、真空吸引部１０は、吸引路１０ｒを介して真空ポンプ（図示しない）に接続されている。

この場合、コンプレッサから気体供給路８ｒを通して供給された加圧された気体（例えば、圧縮空気）を、気体噴出部８から適宜の圧力に絞られた状態で可動体４とガイドレール２との間に噴射して導入することにより、第１の軸受パッド４ａには、ガイドレール２に対して垂直方向の浮上力が付与され、第２の軸受パッド４ｂには、ガイドレール２に対して水平方向の浮上力が付与される。

同時に、真空ポンプによって吸引路１０ｒを負圧に引いて、真空吸引部１０によって可動体４とガイドレール２との間を真空吸引して負圧を発生させることにより、第１の軸受パッド４ａには、ガイドレール２に対して垂直方向の真空吸引力が付与され、第２の軸受パッド４ｂには、ガイドレール２に対して水平方向の真空吸引力が付与される。

このとき、図示しない制御装置によってコンプレッサ及び真空ポンプを制御し、可動体４の重力と、上記した浮上力及び真空吸引力とのバランス調整を行うことにより、第１の軸受パッド４ａは、ガイドレール２から垂直方向に適正量だけ浮上すると共に、第２の軸受パッド４ｂは、ガイドレール２から水平方向に適正量だけ浮上する。このとき、可動体４とガイドレール２との間には、気体潤滑膜が生成された状態となり、これにより、可動体４は、ガイドレール２に対して垂直方向及び水平方向に非接触で支持された状態で、当該ガイドレール２に沿って移動可能となる。

以上、本実施形態によれば、凹部６ｇが一方向に沿って連続して形成された一対のレール構造体６Ｓ,６Ｔによってガイドレール２を構成したことにより、当該ガイドレール２を長尺化させた場合でも、凹部６ｇを形成した分だけ当該ガイドレール２の形成に要する材料を削減することができる。これにより、当該ガイドレール２の大きさは一定に維持しつつ、その質量を大幅に減少させることができると共に、製造コストを飛躍的に低減させることができる。

また、本実施形態によれば、双方のレール構造体６Ｓ,６Ｔを互いに同一形状に構成することにより、一方のレール構造体６Ｓの一側面６ａを他方のレール構造体６Ｔの他側面６ｂに結合させても、逆に、他方のレール構造体６Ｔの一側面６ａを一方のレール構造体６Ｓの他側面６ｂに結合させても、常に同一のガイドレール２を生産することができる。これにより、ガイドレール２の生産プロセスが簡素化して生産効率を向上させることができると共に、製造コストの低減を図ることもできる。

また、本実施形態によれば、一対のレール構造体６Ｓ,６Ｔによってガイドレール２を構成した状態において、外部に面している凹部６ｇ内の一方のフランジ部ｆ２に、例えば固定用孔を形成することができる。これにより、ガイドレール２の設置スペースを広く確保する必要がなくなるため、静圧気体軸受直線案内装置の全体のコンパクト化を図ることができる。

また、本実施形態によれば、加工精度が出し易く経年変化が極めて少ない材料、例えばセラミックス等の高価な材料でガイドレール２（即ち、一対のレール構造体６Ｓ,６Ｔ）を構成した場合でも、凹部６ｇを形成した分だけ当該ガイドレール２の形成に要するセラミックス材を削減することができる。これにより、超精密用途のガイドレール２を低コストで実現することができる。

更に、本実施形態によれば、Ｌ字状を成してガイドレール２に構成された第１及び第２のガイド面６ｃ,６ｂに対して、第１及び第２の軸受パッド４ａ,４ｂを対向させて可動体４を構成したことにより、ガイドレール２に沿って可動体４を移動させて位置決めする際において、ピッチング、ヨーイング、ローリングの各方面から当該可動体４に作用する外力（特に、モーメント）に対して、その負荷を非接触で安定してかつ効率良く支持することができる。

この場合、各軸受パッド４ａ,４ｂにおいて、気体噴出部８を可動体４の移動方向Ｓに沿って真空吸引部１０の両外側領域に設けたことにより、ピッチング、ヨーイング、ローリングの各方面から当該可動体４に作用する外力（特に、モーメント）に対する負荷を面状に受けることができる。これにより、高い真直度精度で可動体４をガイドレール２に沿って移動させ、所定位置で精度良く位置決めすることができる。

なお、上記した一実施形態では、凹部６ｇとして矩形状のものを示したが、これに限定されることはなく、例えば、円弧形状、楕円形状、台形状など各種の形状で凹部６ｇを構成してもよい。

２ ガイドレール
４ 可動体
４ａ 第１の軸受パッド
４ｂ 第２の軸受パッド
６ｃ 第１のガイド面
６ｂ 第２のガイド面
６ｇ 凹部
６Ｓ,６Ｔ レール構造体
８ 気体噴出部
１０ 真空吸引部

Claims (7)

1. 一方向に沿って連続して延出し、かつ所定部位に固定可能なガイドレールと、
   前記ガイドレールに沿って移動可能な可動体とを有し、 前記ガイドレールは、その一側面を一部窪ませた凹部が一方向に沿って連続して形成された一対のレール構造体を備え、これら凹部が同一向きに整列するように前記レール構造体を相互に組み合わせて構成されていると共に、
   前記ガイドレールには、一方向に沿って連続して延出した第１のガイド面と、
   前記第１のガイド面に直交し、かつ前記第１のガイド面の端縁に沿って一方向に連続して延出した第２のガイド面とが構成されており、
   前記可動体は、前記第１のガイド面に対向配置される第１の軸受パッドと、
   前記第２のガイド面に対向配置される第２の軸受パッドとを備え、
   前記第１及び前記第２の軸受パッドには、それぞれ、前記可動体と前記ガイドレールとの間に加圧された気体を噴射して、前記可動体を前記ガイドレールに対して非接触で支持する気体噴出部と、
   前記可動体と前記ガイドレールとの間を真空吸引して負圧を発生させることにより、前記可動体を前記ガイドレールに接近させる真空吸引部とが設けられており、
   前記可動体は、前記ガイドレールに対して非接触で支持された状態で、前記ガイドレールに沿って移動可能となる静圧気体軸受直線案内装置であって、
   前記それぞれのレール構造体は、一方向に沿って連続して延出した柱部と、柱部の両側から連続し、かつ一方向に沿って互いに平行に対向して延出した一対のフランジ部とによって、前記一対の前記フランジ部と前記柱部とで囲まれた長尺の領域に凹部を構成したコ字状に形成されており、
   前記一対のレール構造体における、一方のレール構造体の前記フランジ部端面を、他方のレール構造体の柱部の垂直面に当接させて一体に結合させ、
   一体に結合させた後の前記それぞれのレール構造体の前記フランジ部の上側面が前記第１のガイド面を構成し、前記一方のレール構造体の柱部の垂直面が前記第２のガイド面を構成することを特徴とする静圧気体軸受直線案内装置。
2. 前記気体噴出部は、可動体の移動方向に沿って前記真空吸引部の両外側領域に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の静圧気体軸受直線案内装置。
3. 前記気体噴出部は、前記真空吸引部の両外側領域において、可動体の移動方向を横断する方向に沿って少なくともその両隅に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の静圧気体軸受直線案内装置。
4. 前記一対のレール構造体は、それぞれ、セラミックス材で形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の静圧気体軸受直線案内装置。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の静圧気体軸受直線案内装置を備えたことを特徴とする工作機械。
6. 請求項１乃至４のいずれかに記載の静圧気体軸受直線案内装置を備えたことを特徴とする測定装置。
7. 請求項１乃至４のいずれかに記載の静圧気体軸受直線案内装置を備えたことを特徴とする半導体製造装置。
   

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