JPH04107518U

JPH04107518U - 直線案内装置

Info

Publication number: JPH04107518U
Application number: JP1767291U
Authority: JP
Inventors: 昇中村; 善秋三上
Original assignee: 京セラ株式会社
Priority date: 1991-02-28
Filing date: 1991-02-28
Publication date: 1992-09-17

Abstract

(57)【要約】【構成】直線案内装置を構成するガイド軸、摺動体を、
比剛性１．０×１０¹⁰ｍｍ以上、曲げ強度６０００ｋｇ
／ｃｍ²以上の単結晶サファイアで形成し、摺動体やガ
イド軸の摺動面の表面粗さ(Rmax)を１μｍ以下とする。【効果】比剛性、強度の高い単結晶サファイアを用いた
ため、ガイド軸のたわみを極めて小さくできる。また、
摺動面が極めて滑らかな面となるため、給気圧を高くし
ても自励振動が生じにくい。したがって、剛性が高く、
高精度の静圧気体軸受装置とできる。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、半導体製造装置、精密加工機械、精密測定装置などに使用される直線案内装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】

直線案内装置の一例である静圧気体軸受を利用したエアースライドの構造は、図１、図２に示すように、ガイド軸１によって摺動体２を支持し、不図示のパイプなどによって、これらガイド軸１と摺動体２の隙間３に空気などの静圧気体Ａを噴出させて摺動体２を浮上させ、ガイド軸１上で移動可能としたものであった。このような静圧気体軸受を利用した直線案内装置は、移動抵抗が小さく、精密位置決めが可能であることから半導体製造装置、精密加工機械、精密測定装置などの分野で利用されていた。また、上記ガイド軸１、摺動体２の材質としては、アルミナなどのセラミックスを用いたものが、精度、剛性などの点で優れているため、広く使用されていた（実開昭５９−１４９０９２号公報等参照）。

【０００３】なお、図１には静圧気体軸受を用いたエアースライドを示したが、この他に、すべり軸受やころがり軸受を用いた直線案内装置もあった。

【０００４】

【考案が解決しようとする課題】

ところが上記アルミナセラミックスは比剛性（ヤング率／比重）が小さいため、図１に示す直線案内装置のようにガイド軸１の両端を２点で支持すると、ガイド軸１自体がたわんでしまうという問題点があった。さらに、アルミナセラミックスは曲げ強度が小さいため、ガイド軸１を太くあるいは肉厚に形成しなければならず、形状に制限があり、軽量化できないなどの問題点もあった。

【０００５】また、静圧気体軸受を用いた場合は、作動流体として気体を用いるため、他の油静圧軸受、転がり軸受、滑り軸受などに比べて剛性が低く、摺動体２に大きな荷重をかけられないなどの問題点があった。静圧気体軸受において剛性を高めるためには、供給気体の圧力（給気圧）を高めればよいが、給気圧を高めるとニューマティックハンマと呼ばれる自励振動が発生してしまい、摺動体２が振動して完全に静止しなくなるという問題点があった。

【０００６】この自励振動を引き起こす原因の一つに、ガイド軸１あるいは摺動体２の摺動面１ａ、２ａの表面粗さが関係している。即ち、表面が粗いと供給気体Ａの流れが乱流となり、自励振動を引き起こしやすくなってしまうのである。この点に関し、現在一般的に用いられているアルミナセラミックス製の静圧気体軸受の場合、アルミナセラミックスは多結晶体であるため、微小なボイドの存在を避けられず、表面粗さ(Rmax)を１〜３μｍ程度にまでしか加工できなかった。そのため、給気圧が５ｋｇｆ／ｃｍ²程度を越えると自励振動が生じてしまい、剛性を高めることができなかった。

【０００７】

【課題を解決するための手段】

上記に鑑みて本考案は、直線案内装置を構成する少なくともガイド軸を、比剛性１．０×１０¹⁰ｍｍ以上、曲げ強度６０００ｋｇ／ｃｍ²以上の単結晶サファイアで形成したものである。

【０００８】また本考案は、静圧気体軸受を利用した直線案内装置において、摺動体および／またはガイド軸の少なくとも摺動面を単結晶サファイアで形成するとともに、その表面粗さ(Rmax)を１μｍ以下としたものである。

【０００９】

【作用】

本考案によれば、少なくともガイド軸を、比剛性、曲げ強度の大きい単結晶サファイアで形成したことから、ガイド軸のたわみをなくし、より高精度の静圧気体軸受とできる。また、少なくとも摺動面を単結晶サファイアで形成すれば、摺動面の表面粗さ(Rmax)を１μｍ以下の極めて滑らかな面とできるため、供給気体の乱流がなく、自励振動を防止できる。

【００１０】

【実施例】

以下本考案実施例を説明する。図１に斜視図を、図２に断面図をそれぞれ示すように、本考案の直線案内装置の一実施例である静圧気体軸受を利用したエアースライドは、四角柱状のガイド軸１によって摺動体２を支持し、摺動体２側の供給孔２ｂより、これらガイド軸１と摺動体２の隙間３に、空気などの供給気体Ａを噴射して摺動体２を浮上させるようになっており、そのため、摺動体２はガイド軸１上で直線方向に極めて高精度に移動可能となっている。なお、摺動体２は、ガイド軸１を取り囲んだ形状であるが、複数の板状体を結合することによって形成できる。さらに、ガイド軸１は、中央部に長軸方向の貫通孔を形成して、軽量化することもできる。

【００１１】また、ガイド軸１および摺動体２はいずれも単結晶サファイアから形成され、その摺動面１ａ、２ａの表面粗さ(Rmax)は１μｍ以下となるように研磨されている。なお、本考案において、摺動体２がガイド軸より浮上しているため、実際には上記摺動面１ａ、２ａが互いに面当接して摺動することはないが、便宜上摺動面と呼ぶこととする。

【００１２】この単結晶サファイアはＡｌ₂Ｏ₃の単結晶体であり、ボイドが全く存在しない透明体であるため、表面を研磨すると極めて滑らかな面とすることができる。このように、本考案の静圧気体軸受装置は、摺動面１ａ、２ａが極めて滑らかな面となっているため、供給気体Ａの流れが乱流とならず、給気圧を高めても自励振動を生じにくい。したがって、給気圧を高くして、剛性を高めることが可能となる。

【００１３】さらに、表１にさまざまなセラミックスと比較した特性を示すように、単結晶サファイアはヤング率が高く、比重が小さいため、比剛性（ヤング率／比重）が高いことから、ガイド軸１を単結晶サファイアで形成すれば、たわみを少なくすることができる。例えば、ガイド軸１を６０×６０ｍｍで長さ５００ｍｍとして、両端のみを支持し、中央に２０ｋｇｆの荷重を加えたときのたわみ量を計算した結果、従来の多結晶アルミナセラミックスの場合、たわみ量１．４μｍであるのに対して、本考案の単結晶サファイアの場合たわみ量１．０μｍと小さくできることがわかる。種々実験の結果、高精度の静圧気体軸受装置として用いるためには、比剛性の値が１．０×１０¹⁰ｍｍ以上、好ましくは１．２×１０¹⁰ｍｍ以上必要であった。

【００１４】また、このようなガイド軸１は、軽量化のために中空状としたり、あるいは用途によっては極めて細く形成する必要がある。そのためには、材料の曲げ強度は６０００ｋｇ／ｃｍ²以上必要であった。表１より明らかに、単結晶サファイアはこれらの特性を満たしている。

【００１５】

【表１】

【００１６】また、単結晶サファイアは透明体であるため、ガイド軸１と摺動体２の隙間３を目視することができ、ゴミなどの付着を調べることもできる。

【００１７】さらに、単結晶サファイアには、Ｃ軸、Ａ軸、Ｒ軸の結晶軸が存在し、各軸と垂直な面をそれぞれＣ面、Ａ面、Ｒ面と呼んでいるが、これらのうちＡ面が最も硬度が大きい。したがって、ガイド軸１、摺動体２の摺動面１ａ、２ａをＡ面としたものが優れており、そのためにはガイド軸１、摺動体２の長軸方向をＣ軸に一致させればよい。

【００１８】上記単結晶サファイアを製造するには、ＥＦＧ法またはチョクラルスキー法により、Ａｌ₂Ｏ₃融液中に種子結晶を入れて引き上げることによって得ることができる。このとき、引き上げ用の金型の形状を変えることによって、さまざまな形状の単結晶サファイアを引き上げることができる。また、上記種子結晶の結晶軸を、引き上げ方向がＣ軸方向となるように配置すれば、得られた単結晶サファイアも引き上げ方向がＣ軸方向となり、容易に結晶軸の方向を管理することができる。さらに、引き上げた後の単結晶サファイアに対して、ダイヤモンド砥粒などを用いて研磨をするが、この砥粒の粒子径を変えることで、自由に表面粗さを調整できる。

【００１９】また、上記実施例では、ガイド軸１と摺動体２の全体を単結晶サファイアで形成したものを示したが、たわみを防止するためにはガイド軸１のみを単結晶サファイアとしたものでもよい。さらに、自励振動を防止するためには、ガイド軸１と摺動体２の少なくとも一方の摺動面１ａ、２ａのみを単結晶サファイアで形成し、他の部分はアルミナセラミックスなどで形成して両者を結合したものでもよい。

【００２０】さらに、上記実施例では直線案内装置として静圧気体軸受を用いたエアースライドを示したが、すべり軸受やころがり軸受を用いた直線案内装置であっても、ガイド軸１を単結晶サファイアで形成すれば、たわみを防止することができ、高精度の位置決めを行うことができる。

【００２１】実験例１ここで、図１、２に示す直線案内装置を用いて、摺動面１ａ、２ａの表面粗さと、自励振動を生じるまでの給気圧の限界値を求める実験を行った。本考案実施例として、摺動体２およびガイド軸１を共に単結晶サファイアで形成したものを用意し、比較例として多結晶のアルミナセラミックスで形成したものを用意し、それぞれ摺動面１ａ、２ａの表面粗さをさまざまに変化させた。これらの直線案内装置に対し、給気圧を上げていって、自励振動が生じるまでの限界圧力を調べた。結果は図３に示す通りである。

【００２２】この結果より、アルミナセラミックスを用いた比較例では、表面粗さを細かくするほど限界圧力が高くなったが、表面粗さ(Rmax)は１μｍより小さくできず、このときの給気圧は５ｋｇｆ／ｃｍ²であった。これに対し、単結晶サファイアを用いた本考案実施例では、表面粗さ(Rmax)を１μｍ以下とすることが可能であり、特に表面粗さ(Rmax)を０．１μｍ以下としたものは、給気圧の限界値を７ｋｇｆ／ｃｍ²と高くすることができた。

【００２３】実験例２次に、図１、２に示す直線案内装置の空気剛性を調べる実験を行った。図４に示すように、ガイド軸１を摺動体２近傍部の支持点４、４で支持し、摺動体２上に荷重５を加えたときの下方への移動量をダイヤルゲージ６で測定し、荷重を移動量で割った値を剛性とした。本考案実施例として、単結晶サファイアからなり、摺動面１ａ、２ａの表面粗さ(Rmax)を０．１μｍとしたものを用意し、比較例として、アルミナセラミックスからなり、摺動面１ａ、２ａの表面粗さ(Rmax)を１μｍとしたものを用意した。これらの直線案内装置に対し、給気圧を変化させたときの剛性値を求めた結果は、表２および図５に示す通りである。

【００２４】これらの結果より明らかに、いずれも給気圧を高くするほど剛性も高まるが、比較例では自励振動を防ぐための給気圧限界が５ｋｇｆ／ｃｍ²であり、このときの剛性値は２５ｋｇｆ／μｍであった。これに対し、本考案実施例では、給気圧を７ｋｇｆ／ｃｍ²とすることができ、このときの剛性値は４２ｋｇｆ／μｍと高かった。

【００２５】

【表２】

【００２６】実験例３次に、ガイド軸１のたわみも含めた、直線案内装置の総合剛性を調べた。図４に示す支持点４、４の位置をガイド軸１の両端とし、他はすべて上記実験例２と同様にして、実験を行った。なお、ガイド軸１は６０×６０ｍｍで長さ５００ｍｍとした。結果は表３および図６に示す通りである。

【００２７】これらの結果より明らかに、いずれもガイド軸１のたわみがあるため、実験例２よりも低い剛性値であった。また、比較例では、剛性値は最大９．１ｋｇｆ／ μｍであったのに対し、本考案実施例では、剛性値は最大１３．５ｋｇｆ／μｍと高かった。したがって、本考案の静圧気体軸受装置は、剛性を高くできることがわかる。

【００２８】

【表３】

【考案の効果】

このように本考案によれば、直線案内装置を構成する少なくともガイド軸を比剛性１．０×１０¹⁰ｍｍ以上、曲げ強度６０００ｋｇ／ｃｍ²以上の単結晶サファイアで形成したことによって、ガイド軸自体のたわみを極めて少なくできることから、より高精度とできるだけでなく、ガイド軸を細くあるいは肉薄にできるため軽量化が可能となる。また、静圧気体軸受を利用した直線案内装置を構成する摺動体および／またはガイド軸の少なくとも摺動面を単結晶サファイアで形成するとともに、その表面粗さ(Rmax)を１μｍ以下としたことによって、摺動面が極めて滑らかであるため、供給気体の乱流が生じにくいことから、自励振動を生じることなく給気圧を高くすることができる。また、単結晶サファイア自体の剛性が高いことと合わせて、静圧気体軸受の剛性を極めて高くできるため、摺動体に大きな荷重を加えることができ、より高精度の移動が可能となる。さらに、単結晶サファイアは硬度が大きいことから耐磨耗性に優れ、長期間使用できる。また、単結晶サファイアは透明体であるため、ガイド軸と摺動体の隙間を目視することができ、ゴミなどの付着を検知できるなど、さまざまな特徴をもった高性能の直線案内装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】直線案内装置の一例である静圧気体軸受を利用
したエアースライドを示す斜視図である。

【図２】図１中のＸ−Ｘ線拡大断面図である。

【図３】静圧気体軸受を用いた直線案内装置における、
摺動面の表面粗さと供給気体圧力の限界値との関係を示
すグラフである。

【図４】静圧気体軸受を用いた直線案内装置における、
空気剛性の測定方法を説明するための概略断面図であ
る。

【図５】静圧気体軸受を用いた直線案内装置における、
供給気体圧力と空気剛性との関係を示すグラフである。

【図６】静圧気体軸受を用いた直線案内装置における、
供給気体圧力と総合剛性との関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１・・・ガイド軸１ａ・・摺動面２・・・摺動体２ａ・・摺動面３・・・隙間

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

【請求項１】ガイド軸上で摺動体を支持した直線案内装
置において、少なくとも上記ガイド軸を、比剛性１．０
×１０¹⁰ｍｍ以上、かつ曲げ強度６０００ｋｇ／ｃｍ²
以上の単結晶サファイアで形成したことを特徴とする直
線案内装置。
【請求項２】ガイド軸上で、静圧気体を介在して摺動体
を支持した直線案内装置において、上記摺動体および／
またはガイド軸の少なくとも摺動面を単結晶サファイア
で形成するとともに、その表面粗さ(Rmax)を１μｍ以下
としたことを特徴とする直線案内装置。