JP6893170B2 - アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、スライダがガイドに案内されつつ移動可能であるアクチュエータに関する。

真空環境下で使用されるアクチュエータには、真空チャンバ内を汚染しないことが求められる。そのようなアクチュエータとして、気体圧アクチュエータが知られている（例えば特許文献１）。気体圧アクチュエータは、スライダ内に設けられたエアパッドから圧縮気体を噴出することによって、スライダがガイド軸に対して滑らかに移動できるように構成されている。気体圧アクチュエータは、転がり軸受やリニアガイドを使用するアクチュエータのように、潤滑オイルや摺動面からの微細ごみの発生がなく、アクチュエータからの発熱がないなどの、様々な利点がある。

特許４４４３７７８号

従来知られている気体圧アクチュエータは、長方形の筒状に構成されたスライダが同じく長方形断面のガイド軸を４面で拘束する構造となっている。このような構造のアクチュエータは、ガイド軸の製作コストが高い、ガイド軸に対するスライダの組立調整が煩雑であるなどの、いくつかの製造上の問題が存在する。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、スライダがガイドに案内されつつ移動可能であるアクチュエータの簡易的な構造を提供することにある。

本発明のある態様のアクチュエータは、一方向に延びるガイドと、ガイドに対して軸方向に移動可能なスライダと、を備えるアクチュエータであって、ガイドは、少なくとも一面が開放され、スライダは、圧縮気体を噴出するエアパッドとスライダを駆動するためのエアサーボ室とを有し、ガイドに対して浮上して案内されるように構成される。

「一面が開放され」るとは、一面の全体が開放される場合も一面の一部が開放される場合も含まれる。

ガイドは凹形断面を有し、スライダは凹形断面を構成する三面で拘束されつつ、ガイドに対して浮上して案内されるように構成されてもよい。

ガイドは多角形断面を有し、スライダは多角形断面を構成する複数の面のうちの一面で拘束されつつ、ガイドに対して浮上して案内されるように構成されてもよい。

これらの態様によると、スライダがガイド軸を４面で拘束する従来構造のアクチュエータと比較して、ガイドの一面が開放された構造となるので、ガイドおよびスライダの構造を簡素化することができる。

スライダとガイドとの間に、磁力による下向きの力をスライダに付与するマグネットプリロード機構が設けられてもよい。これによると、アクチュエータの軸受剛性を確保することができる。

本発明の別の態様もまた、アクチュエータである。このアクチュエータは、一方向に延びるガイドと、ガイドに対して軸方向に移動可能なスライダと、を備えるアクチュエータであって、ガイドは、少なくとも一面が開放され、スライダは、圧縮気体を噴出するエアパッドとエアパッドから噴出される圧縮空気を排出する排気溝とを有し、ガイドに対して浮上して案内されるように構成され、排気溝は軸方向に延びる部分を含む。

ガイドは凹形断面を有し、スライダは凹形断面を構成する三面で拘束されつつ、ガイドに対して浮上して案内されるように構成されてもよい。

ガイドは多角形断面を有し、スライダは多角形断面を構成する複数の面のうちの一面で拘束されつつ、ガイドに対して浮上して案内されるように構成されてもよい。

これらの態様によると、スライダがガイド軸を４面で拘束する従来構造のアクチュエータと比較して、ガイドの面が開放された構造となるので、ガイドおよびスライダの構造を簡素化することができる。

スライダとガイドとの間に、磁力による下向きの力をスライダに付与するマグネットプリロード機構が設けられてもよい。これによると、アクチュエータの軸受剛性を確保することができる。

本発明のさらに別の態様もまた、アクチュエータである。このアクチュエータは、一方向に延びるガイドと、ガイドに対して軸方向に移動可能なスライダと、を備え、ガイドまたはスライダの一方が凹形断面を有し、他方が凹形断面を構成する三面で拘束されつつ、スライダがガイドにより案内される。

この態様によると、スライダがガイド軸を４面で拘束する従来構造のアクチュエータと比較して、ガイドまたはスライダの一面が開放された構造となるので、ガイドおよびスライダの構造を簡素化することができる。

スライダは、圧縮気体を噴出するエアパッドを有しており、ガイドに対して浮上して案内されるように構成されてもよい。これによると、気体圧アクチュエータの場合であってもガイドおよびスライダの構造を簡素化することができる。

スライダは、エアパッドから噴出される圧縮空気を排出する排気溝をさらに有してもよい。排気溝は、軸方向に延びる部分を含んでもよい。これによると、ガイドまたはスライダの一面が開放された構造の気体圧アクチュエータを、真空環境下でも使用することができる。

スライダは、軸方向に延びるエアサーボ室を有してもよい。ガイドは、エアサーボ室に進入してエアサーボ室を２つに区画する隔壁を有してもよい。スライダは、エアサーボ室の２つの区画のうちの一方の区画に圧縮気体を供給されるとともに他方の区画から圧縮気体を排出されることにより、ガイドに対して軸方向に移動してもよい。

スライダとガイドとの間に、磁力による下向きの力をスライダに付与するマグネットプリロード機構が設けられてもよい。これによると、アクチュエータの軸受剛性を確保することができる。

なお、以上の要素の任意の組み合わせや、本発明の要素や表現を装置、方法、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によると、スライダがガイドに案内されつつ移動可能であるアクチュエータを簡易的な構造にすることができる。

本発明の一実施形態に係る気体圧アクチュエータの概略斜視図である。 気体圧アクチュエータを構成するスライダの斜視図である。 図１、２中のＡ−Ａ線に沿った気体圧アクチュエータの軸方向断面図である。 気体圧アクチュエータの動作原理を説明する、図１中のＢ−Ｂ線に沿った気体圧アクチュエータの断面図である。 変形例に係る気体圧アクチュエータの軸方向断面図である。 別の変形例に係る気体圧アクチュエータの軸方向断面図である。 さらに別の変形例に係る気体圧アクチュエータの軸方向断面図である。 さらに別の変形例に係る気体圧アクチュエータの軸方向断面図である。 さらに別の変形例に係る気体圧アクチュエータの軸方向断面図である。 さらに別の変形例に係る気体圧アクチュエータの軸方向断面図である。

以下、各図面に示される同一または同等の構成要素、部材には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、各図面における部材の寸法は、理解を容易にするために適宜拡大、縮小して示される。また、各図面において実施の形態を説明する上で重要ではない部材の一部は省略して表示する。

図１は、本発明の一実施形態に係る気体圧アクチュエータ１０の概略斜視図である。気体圧アクチュエータ１０は、一方向に延び断面凹形に形成されるガイド１２と、ガイド１２に案内されつつガイド１２に沿って軸方向に移動可能な、直方体形状のスライダ２０と、で構成される。ガイド１２は、底壁３７、第１側壁３８および第２側壁３９を有し、図示しない脚台によって底壁３７の両端および中間部が支持されている。

スライダ２０は、蓋４０を有する。蓋４０は、スライダ２０に形成されるエアサーボ室２８（後述）の開口を塞ぐ。なお、エアサーボ室２８がスライダ２０を貫通しないよう形成される場合は、蓋４０は不要となる。スライダ２０は、凹形のガイド１２の内側にわずかな隙間を有するように収納される。詳細に後述するように、スライダ２０に設けられたエアパッドから圧縮気体（例えば空気）を噴出することで、スライダ２０はガイド１２に沿って滑らかに移動可能となっている。

気体圧アクチュエータ１０は、例えば、電子ビーム露光装置などの真空チャンバ内で動作する装置において、可動ステージの駆動に使用される。電子ビーム露光装置とともに使用する場合、気体圧アクチュエータが磁性体であると電子ビームの軌道に影響を及ぼすおそれがあるため、ガイド１２、脚台およびスライダ２０は、非磁性体材料、例えばセラミックスで形成される。

気体圧アクチュエータ１０は、例えば転がり軸受やリニアガイドを使用するスライダと比較して、潤滑オイルや摺動面からの微細ごみの発生がないので、例えば真空環境下で使用する電子ビーム露光装置に適している。

図２は、スライダ２０を下方向から見た斜視図であり、図３は、図１、２中のＡ−Ａ線に沿った気体圧アクチュエータ１０の軸方向断面図である。スライダ２０の略直方体形状を構成する面のうち、凹形のガイド１２に対する面、すなわち底面２２、第１側面２４、第２側面２６には、エアパッド３０が複数形成されている。エアパッド３０は、図示しない給気系から供給される高圧の気体を噴出し、ガイド１２との間の微小な隙間に高圧の気体層を形成することによって、スライダ２０をガイド１２から浮上させる。スライダ２０の中央部には、スライダ２０を駆動するためのエアサーボ室２８が形成されている。

スライダ２０の底面２２、第１側面２４、第２側面２６の縁部には、複数のエアパッド３０を取り囲むように、差動排気用の排気溝３２、３４、３６が形成されている。したがって、排気溝３２、３４、３６はいずれも、スライダ２０の軸方向に沿って延びる部分を含む。排気溝３２は大気解放されている。なお、排気溝３２は、排気ポンプ（図示せず）に接続されてもよい。排気溝３４、３６はそれぞれ、排気溝内の圧力を低真空圧力レベル、中真空圧力レベルにするための排気ポンプ（図示せず）に接続されており、スライダ２０のエアパッド３０およびエアサーボ室２８から内部空間に供給された圧縮気体を外部に排気する。これにより、圧縮気体がガイド１２とスライダ２０との間の隙間から漏れ出さないようにすることで、気体圧アクチュエータを真空環境下でも使用可能にすることができる。なお、気体圧アクチュエータ１０を大気圧環境下で使用する場合には、このような排気溝３２、３４、３６を設ける必要はない。

ガイド１２を凹形にした場合、スライダ２０の側面に配置されるエアパッド３０の負荷容量によっては、ガイド１２が第１側壁３８の上端と第２側壁３９の上端との間隔が広がるように（すなわち上側が広がるように）変形しやすくなる。これにより、所望の軸受剛性を確保できなくなるおそれがある。そこで、スライダ２０の側面のエアパッド３０は、できるだけ底面２２側に近づけて配置することが望ましい。

図４は、気体圧アクチュエータ１０の動作原理を説明する、図１中のＢ−Ｂ線に沿った気体圧アクチュエータの断面図である。なお、図４ではガイド１２とスライダ２０との隙間や隔壁１３とエアサーボ室２８との隙間を誇張して描いている。実際は例えば、これらの隙間は数ミクロン程度である。図示するように、スライダ２０のエアサーボ室２８を軸方向に関して二つのサーボ室２８Ａ、２８Ｂに区画する隔壁１３がガイド１２に固定されている。二つのサーボ室２８Ａ、２８Ｂには、各サーボ室に圧縮気体を出入り可能にするための給気系１７Ａ、１７Ｂがそれぞれ接続されている。給気系１７Ａ、１７Ｂは、サーボ弁１６Ａ、１６Ｂと、圧縮気体供給源１８Ａ、１８Ｂと、をそれぞれ備えている。

エアパッド３０に圧縮空気を供給すると、スライダ２０がガイド１２に対してわずかに浮上する。ここで、例えばサーボ室２８Ａに圧縮空気を供給するとともに、サーボ室２８Ｂから圧縮空気を排出すると、隔壁１３がピストンとして作用して、スライダ２０が図中の左方向に移動する。このようにして、サーボ弁１６Ａ、１６Ｂの開度を制御することによって、スライダ２０をガイド１２に対して任意の位置に移動させることができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、ガイドの４面を拘束するスライダの代わりに、凹形断面のガイド内を略直方体形状のスライダが摺動するような構造を採用した。この構造では、ガイドをその両端だけでなく複数箇所で支持することが可能となるため、ガイドのたわみ剛性を確保しやすく、角形断面のガイド軸と比較してガイドの断面積を小さくすることができる。したがって、ガイドの小型化、低コスト化が実現される。また、スライダを偏平構造にすることができるため、気体圧アクチュエータの設置高さを抑えることができる。また、スライダを筒状に形成する必要がないので、ガイドに対するスライダの組立調整を簡素化することができる。さらに、スライダおよびガイドをそれぞれ一体構造として製作することができるため、部品点数を減らすことができる。

気体圧アクチュエータの軸受剛性を強化するためにマグネットプリロード機構を設けてもよい。図５は、そのような変形例に係る気体圧アクチュエータ１０’の軸方向断面図である。図５中の符号が付された部材のうち、図３中に表れたものは、同一の構成を有するので説明を省略する。

マグネットプリロード機構４８は、磁石による吸引力によって、スライダ２０に下向きの力を与えるものである。スライダ２０の上面からガイド１２の両側壁に向けて延び出すＬ字形の支持部材４２をスライダ２０に設ける。支持部材４２の下面にマグネット４４を、ガイド１２の第１側壁３８の上部および第２側壁３９の上部に軟磁性材料４６を、互いに引き合うように設置する。こうすることで、気体圧アクチュエータの軸受剛性を高めることができる。

気体圧アクチュエータ１０を電子ビーム露光装置とともに使用する場合には、マグネット４４からの漏洩磁場が、電子ビームの軌跡に影響を与えるおそれがある。そこで、マグネット４４および軟磁性材料４６の周辺（図５中の点線Ｃで示す箇所）に磁気シールドを施し、漏洩磁場を抑制することが好ましい。

上記では、ガイド１２を断面凹形に、スライダ２０を略直方体形状にすることを述べたが、両者の形状を入れ替えてもよい。図６は、そのような変形例に係る気体圧アクチュエータ５０の軸方向断面図である。

図６では、ガイド５２は角形断面を有し、スライダ７０は凹形断面を有する。スライダ７０の内面のうち、ガイド５２に対する面、すなわち上面７２、側面７４、側面７６には、エアパッド８０が複数形成されている。エアパッド８０は、図示しない給気系から供給される高圧の気体を噴出し、ガイド５２との間の微小な隙間に高圧の気体層を形成することによって、スライダ７０をガイド５２から浮上させる。スライダ７０の中央部には、スライダ７０を駆動するためのエアサーボ室（図示せず）が形成されている。

図示しないが、スライダ７０の上面７２、側面７４、側面７６の縁部には、複数のエアパッド８０を取り囲むように、差動排気用の排気溝が形成されている。排気溝はそれぞれ排気ポンプ（図示せず）に接続されており、スライダ７０のエアパッド８０およびエアサーボ室から内部空間に供給された圧縮気体を外部に排気する。これにより、圧縮気体がガイド５２とスライダ７０との間の隙間から漏れ出さないようにすることで、気体圧アクチュエータを真空環境下でも使用可能にすることができる。なお、気体圧アクチュエータ５０を大気圧環境下で使用する場合には、このような排気溝を設ける必要はない。

上記の実施の形態では、アクチュエータの軸受剛性を強化するために、マグネットプリロード機構４８を設けることを述べた。しかしながら、マグネットプリロード機構の代わりに、リニアガイドなどを用いてスライダとガイドの上下方向を構造的に接続してしまってもよい。この場合、スライダにエアパッドを設ける必要はなくなる。また、リニアガイドを使用する場合も、大気圧環境下と真空環境下の両方でアクチュエータを使用することができる。

以上、いくつかの実施の形態に係るアクチュエータの構成について説明した。この実施の形態は例示であり、その各構成要素の組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

本発明によれば、アクチュエータのガイド機構として、エアパッド、エアパッドとマグネットプリロード機構、リニアガイドを自由に選択可能となる。また、アクチュエータを、大気圧環境下および真空環境下の両方で使用することが可能である。

実施の形態では、気体圧アクチュエータが非磁性体、特にセラミックスで作成されることを述べたが、本発明は、磁性体で構成されている気体圧アクチュエータに対しても適用することができる。

実施の形態では、アクチュエータのガイドおよびスライダが長方形の断面形状を有することを述べたが、本発明は、任意の断面形状を有するガイドおよびスライダを備えるアクチュエータに対しても適用することができる。

図７〜９はそれぞれ、そのような変形例に係る気体圧アクチュエータの軸方向断面図である。図７〜９はそれぞれ、図３に対応する。

図７は、変形例に係る気体圧アクチュエータ１１０の軸方向断面図である。気体圧アクチュエータ１１０は、ガイド１２とスライダ２０とを備える。スライダ２０は、台形の断面形状を有し、第１側面２４と第２側面２６が上側ほど互いに近づくように傾斜している。ガイド１２は、スライダ２０に対応する凹形の断面を有する。すなわち、ガイド１２は、第１側壁３８の内面３８ａと第２側壁３９の内面３９ａが、上側ほど互いに近づくように傾斜している。

本変形例によると、実施の形態に係る気体圧アクチュエータによって奏される作用効果と同様の作用効果が奏される。加えて、本変形例では、スライダ２０の第１側面２４と第２側面２６が傾斜し、これに対するガイド１２の面も同様に傾斜する。したがって、第１側面２４および第２側面２６（ひいてはスライダ２０）は、エアパッド３０から噴出される気体によりガイド１２との隙間に形成される高圧の気体層から、下向きの力を受けることができる。つまり、本変形例によれば、気体圧アクチュエータの軸受剛性が高まる。

図８は、変形例に係る気体圧アクチュエータ２１０の軸方向断面図である。気体圧アクチュエータ２１０は、ガイド１２とスライダ２０とを備える。スライダ２０は長方形の断面形状を有し、ガイド１２は凹形の断面形状を有する。

本変形例では、ガイド１２の第１側壁３８および第２側壁３９は、Ｌ字形の断面形状を有する。第１側壁３８、第２側壁３９はそれぞれ、互いに向かって延び出す第１延出部３８ｂ、第２延出部３９ｂを有する。別の言い方をすると、ガイド１２は、底壁３７、第１側壁３８、第２側壁３９に加えて上壁を有し、その上壁の一部（中央部）が開放されているともいえる。スライダ２０の上面には、第１延出部３８ｂ、第２延出部３９ｂと対する部分に、エアパッド３０が形成される。

本変形例によると、実施の形態に係る気体圧アクチュエータによって奏される作用効果と同様の作用効果が奏される。加えて、本変形例では、第１延出部３８ｂ、第２延出部３９ｂと対するスライダ２０の上面にエアパッド３０が形成される。したがって、スライダ２０は、エアパッド３０から噴出される気体によりガイド１２との隙間に形成される高圧の気体層から、下向きの力を受けることができる。つまり、本変形例によれば、気体圧アクチュエータの軸受剛性が高まる。

図９は、変形例に係る気体圧アクチュエータ３１０の軸方向断面図である。気体圧アクチュエータ３１０は、ガイド１２とスライダ２０とを備える。ガイド１２およびスライダ２０は、矩形の断面形状を有する。なお、ガイド１２およびスライダ２０は、矩形の断面形状に限らず、多角形状の断面形状を有していればよい。本変形例では、ガイド１２は、三面が開放されている。

スライダ２０を構成する面のうち、ガイド１２に対する面、すなわち底面２２には、エアパッド３０が複数形成されている。また、スライダ２０の底面２２には、複数のエアパッド３０を取り囲むように、差動排気用の排気溝３２、３４、３６が形成されている。

本変形例によると、スライダ２０は底面２２しか拘束されないため、ガイド１２およびスライダ２０の構造がより簡素化する。

実施の形態では、スライダ２０には、１つのエアサーボ室２８が形成されることを述べたが、複数のエアサーボ室が形成されてもよい。図１０は、そのような変形例に係る気体圧アクチュエータ４２０の軸方向断面図である。図１０は図８に対応する。本変形例では、第１側面２４および第２側面２６に、それぞれエアサーボ室２８が形成されている。すなわち、２つのエアサーボ室２８が、スライダ２０を挟んで互いに対向する内面３８ａ、内面３９ａにそれぞれ対向するよう形成されている。本変形例によれば、２つのエアサーボ室２８に圧力変動が生じても、２つのエアサーボ室２８で圧力変動による力が相殺される。そのため、エアサーボ室２８に圧力変動が生じても、その圧力変動がスライダ２０とガイド１２の間に影響するのを抑止できる。

１０ 気体圧アクチュエータ、 １２ ガイド、 ２０ スライダ、 ３０ エアパッド、 ３４ 排気溝、 ４４ マグネット、 ４８ マグネットプリロード機構、 ５０ 気体圧アクチュエータ、 ５２ ガイド、 ７０ スライダ、 ８０ エアパッド。

本発明によると、スライダがガイドに案内されつつ移動可能であるアクチュエータを簡易的な構造にすることができる。

Claims (5)

1. 一方向に延びる単一のガイドと、前記ガイドに対して軸方向に移動可能なスライダと、を備えるアクチュエータであって、
   前記ガイドは、一面が開放された凹形断面を有し、
   前記スライダは、前記スライダの複数の面に設けられる圧縮気体を噴出するエアパッドと、前記エアパッドから噴出される圧縮気体を排出する排気溝と、を有し、前記ガイドの内側を前記ガイドに対して浮上して案内されるように構成され、
   前記スライダには、前記スライダを挟んで互いに対向する前記ガイドの内面にそれぞれ対向するようにサーボ室が形成されており、
   前記スライダは、前記エアパッドから噴出される圧縮気体により、前記軸方向に直交する方向であって開放された一面とは反対向きの方向の力を付与される、アクチュエータ。
2. 前記エアパッドは、周囲が前記排気溝で囲まれている、請求項１に記載のアクチュエータ。
3. 前記スライダの複数の面に設けられた前記エアパッドは、前記複数の面のそれぞれにおいて前記排気溝とは別の排気溝に囲まれ、さらに、複数の面に跨がる一続きの一つの前記排気溝によって前記複数の面の前記別の排気溝とともに囲まれている、請求項２に記載のアクチュエータ。
4. 前記排気溝は、前記軸方向に延びる部分を含む、請求項１から３の何れか一項に記載のアクチュエータ。
5. 前記一面の開放は、前記一面の一部を開放するものであり、
   前記エアパッドは、前記スライダの四面に設けられ、
   前記スライダは、四面に設けられた前記エアパッドのそれぞれから、それぞれに対向する前記ガイドの面に向けて圧縮気体を噴出することによって、前記ガイドに対して四面が浮上して案内されるように構成される、請求項１から４の何れか一項に記載のアクチュエータ。
   

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