(57)【要約】【課題】非磁性で耐久性がありながら、軽量で高精度な安定走行、高速移動が可能な転動装置を提供する。【解決手段】スライダ１９と案内レール１８との間に複数の転動体が配設され、スライダ１９と前記転動体との接触面である第１の接触面と、案内レール１８と前記転動体との接触面である第２の接触面とで前記転動体が転動するリニアガイド装置１２であって、スライダ１９及び案内レール１８の内の少なくとも一方が、［強度σ（Ｎ／ｍｍ２  ）／比重ρ（ｇ／ｍｍ３  ）］≧１２０（１０−３ｍ−２）を満たすマグネシウム合金で形成される。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外方部材と内方部材の間に複数の転動体が配設され、前記外方部材と前記転動体との接触面である第１の接触面と、前記内方部材と前記転動体との接触面である第２の接触面とで前記転動体が転動する転動装置であって、
前記外方部材及び前記内方部材の内の少なくとも一方が、［強度σ（Ｎ／ｍｍ２  ）／比重ρ（ｇ／ｍｍ３  ）］≧１２０（１０−３ｍ−２）を満たすマグネシウム合金で形成されていることを特徴とする転動装置。
【請求項２】
前記マグネシウム合金に溶体化処理及び時効処理の内の少なくとも一方の処理を行ったことを特徴とする請求項１記載の転動装置。
【請求項３】
前記第１の接触面及び前記第２の接触面の内の少なくとも一方の面に硬化被膜を設けたことを特徴とする請求項１又は２記載の転動装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、非磁性が要求される電子線描画装置、半導体製造装置、医療機器等の装置や、高速で往復運動し、耐食性が要求される食品機械等のような特殊環境下で使用される装置に組み込まれる転がり軸受、リニアガイド装置、ボールねじ装置等の転動装置の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
精密機器、半導体製造装置及び医療機器等は、転がり軸受やリニアガイド装置（直動案内軸受装置）、ボールねじ装置等、各種の転動装置が利用されている。これらの転動装置は、外方部材と、内方部材と、両部材の間を転動する転動体とを備えており、外方部材と転動体との接触面である第１の接触面と、内方部材と転動体との接触面である第２の接触面で転動体が転動する。
【０００３】
ここで言う転動装置の外方部材とは、転がり軸受では外輪、リニアガイド装置ではスライダ（又は案内レール）、ボールねじ装置ではナットを指す。また、内方部材は、転がり軸受では内輪、リニアガイド装置では案内レール（又はスライダ）、ボールねじ装置ではねじ軸を指す。
例えば、半導体製造装置のウエハのパターン検査装置や描画装置では、回転、スライド機構部に直動軸受が使用されている。この直動軸受は一般に、外方部材にあたる外輪と外輪内に挿通された内方部材にあたる軸と、外輪と軸の間に転がり接触する複数の転動体と、転動体を保持する保持器と、外輪端部に設けられて保持器が外輪外へ抜け出すのを規制する止め輪とを備えており、外輪、軸及び転動体は軸受鋼で形成されていることが多いが、セラミックで形成されることもある（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−１９４１８７号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記半導体製造装置では、電子ビームを走査して露光あるいは検査を行っているが、上記直動軸受の各部品に磁性材料を使用すると、電子ビーム走査時のこれらの材料の磁化により磁場が影響を受け、電子ビームの方向が乱れる。特にウエハヘ描画するパターンの微細化が進んでおり、ウエハの固定や搬送、位置決めに用いられる転がり軸受、直動軸受の材料の磁化による磁場への影響は無視できない。
【０００６】
このような問題を解決するため、非磁性でなければならないという制約と耐久性の問題から、十分な硬度を有し、かつ非磁性体であるステンレス鋼材が従来は使用されていたが、このような非磁性材を用いても、材料の磁化による磁場への影響が問題となる。
更に、単位時間あたりの処理速度を上げるために、装置動作の高速化が進められ、耐真空、非磁性、高速移動、高精度位置決め、及び高速性定性（  高速停止）  が求められる。また、さらなる処理速度向上のため、作業の処理速度に応じた速度で移動しながら処理が行われるようになり、上記の性能に加えて、速度の安定性、特に低速度移動時の速度安定性が求められている。
【０００７】
しかし、従来の鋼や、特許文献１のようにセラミックを用いた直動軸受では、比重が大きく、加速、減速時の慣性が大きいため、振動が大きくなり、位置決め精度が劣るという問題がある。
本発明はこのような不都合を解消するためになされたものであり、非磁性で耐久性がありながら、軽量で且つ繰り返し運動や断続運動時に生じる振動を大幅に軽減して高精度な安定走行、高速移動が可能な転動装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、外方部材と内方部材の間に複数の転動体が配設され、前記外方部材と前記転動体との接触面である第１の接触面と、前記内方部材と前記転動体との接触面である第２の接触面とで前記転動体が転動する転動装置であって、
前記外方部材及び前記内方部材の内の少なくとも一方が、［強度σ（Ｎ／ｍｍ２  ）／比重ρ（ｇ／ｍｍ３  ）］≧１２０（１０−３ｍ−２）を満たすマグネシウム合金で形成されていることを特徴とする。
【０００９】
マグネシウム合金は比重ρが１．７４〜１．８３ｇ／ｍｍ３  と−般的な軸受鋼の１／４以下、軽量化合金として用いられるアルミニウム合金の２／３以下であり、例えば描画装置に組み込まれる直動軸受の場合、レールの自重による撓み、キャリッジ重量によって生じる慣性力などによる、位置決め精度の劣化、振動の増加を軽減できる。
【００１０】
また、マグネシウム合金は、軽量であるためアルミニウム合金や鋼に比べて、比剛性、比強度に優れており、特に、上記描画装置のレールの撓みなどの軽減効果があり、しかも、比剛性に優れているので剛性設計部品の軽量化に有利である。更に、ダイカストにおいて、抜き勾配が少なく、転写性に優れており、上記物性面とあわせて考えると、精密複雑形状で剛性設計の部品の軽量化に有利である。マグネシウム合金は振動吸収性が高いため、繰り返し運動、断続運動する部品に使用すると、それらの振動を吸収し、機械寿命を長くする。
【００１１】
本発明に使用されるマグネシウム合金の種類としては、ＡＺ９１合金、ＡＺ９２合金、ＡＺ８１合金、ＡＺ６１合金、ＡＺ３１合金、ＡＭ５０合金、ＡＭ６０合金、ＺＫ６１合金、ＺＫ６０合金、ＺＫ５１合金、ＺＫ３０合金などが適するが、上記の［強度σ（Ｎ／ｍｍ２  ）／比重（ｇ／ｍｍ３  ）］≧１２０（１０−３ｍ−２）を満たすマグネシウム合金であれば先に述べた合金系以外でも好適に使用できる。マグネシウム合金は、ダイカスト、チクソモールディング、熱間押出しで製造されるが、巣の発生による強度低下の少ない押出し材が望ましい。また、マグネシウム合金は溶体化処理と時効処理によって強化することができる。
【００１２】
一方、マグネシウム合金は硬度が低く（Ｈｖ６０〜８０程度）、耐摩耗性に劣るため、マグネシウム合金に施される表面処理は、耐食性の向上のみならず表面の耐摩耗性ならびに高硬度化が要求される。
さらに、耐真空が要求されることから、マグネシウム合金の低摩擦な表面硬化被膜としては、イオン蒸着をしたＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）被膜材や、ＨＡＥやＤｏｗ１７に代表される陽極酸化処理を施し、表面に硬質セラミック膜を形成したスピネル被膜材などが好適である。
【００１３】
転動体については、軽量で且つ耐食性、非磁性、耐摩耗性、耐焼付性に優れるセラミックスが好適に使用でき、また、保持器も同様に、軽量で且つ耐食性、非磁性、耐摩耗性、耐焼付性に優れる合成樹脂材料とするのが望ましい。
前述のセラミックス材としては、窒化珪素（Ｓｉ３  Ｎ４  ）、アルミナ（Ａｌ２  Ｏ３  ）や炭化けい素（ＳｉＣ）、ジルコニア（ＺｒＯ２  ）などが挙げられる。
【００１４】
また、前述の合成樹脂材料としては、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、エチレンテトラフルオロエチレン（ＥＴＦＥ）などのふっ素系樹脂やポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）、ナイロン（  ＰＡ）  などのエンジニアリングプラスチックスなどが挙げられる。これらの樹脂にはガラス繊維などの強化繊維が添加されていてもよい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態の一例を図を参照して説明する。図１は振動試験装置の概略図、図２は加速度ピックアップの構造図、図３は強度σ／比重ρの値（比強度）と振動減衰率との関係を示すグラフ図である。
表１に示した各合金を用いて、本発明例１〜１２及び比較例１３〜２０のリニアガイド装置を作製して振動試験を行った。このリニアガイド装置１２は、図１に示すように、外方部材であるスライダ１９と内方部材である案内レール１８との間に複数の転動体（図示せず）が配設されており、スライダ１９と前記転動体との接触面である第１の接触面と、案内レール１８と前記転動体との接触面である第２の接触面とで前記転動体が転動し、モータ１１により磁性流体シール付回転導入器１４、シャフト１５及び金属製帯１７を介して往復運動される。
【００１６】
そして、本発明例１〜１２のリニアガイド装置１２については、スライダ１９及び案内レール１８共に、［強度σ（Ｎ／ｍｍ２  ）／比重ρ（ｇ／ｍｍ３  ）］≧１２０（１０−３ｍ−２）を満たすマグネシウム合金で形成し、比較例１３〜２０のリニアガイド装置１２については、スライダ１９及び案内レール１８共に、［強度σ（Ｎ／ｍｍ２  ）／比重ρ（ｇ／ｍｍ３  ）］＜１２０（１０−３ｍ−２）の金属材料（マグネシウム合金、アルミニウム合金、非磁性ステンレス鋼）で形成した。
なお、転動体については、非磁性を想定して、本発明例１〜１２及び比較例１３〜２０の全てに窒化珪素セラミックスを用いた。また、全てのスライダ１９、案内レール１８にＤＬＣ被膜を施した。
【００１７】
【表１】
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【００１８】
振動試験装置は、図１に示すように、真空容器１６の内部軸心部にリニアガイド装置１２の案内レール１８が支持台２０により軸線を水平にして支持されており、スライダ１９は金属製帯１７、磁性流体シール付回転導入器１４及びシャフト１５を介してモータ１１に連結され、左右の軸方向に移動可能とされている。真空環境中、モータ１１を駆動させて、下記条件で振動試験を行った。試験は、案内レール１８に取り付けた加速度ピックアップ１３により、慣性による案内レール１８の上下方向振動を測定し、減衰率を評価した。なお、図２に加速度ピックアップ１３の構造を示す。図において、符号２２は基板、２３は錘、２４は予圧ばね、２５は圧電気変換部、２６は出力部である。
【００１９】
（試験条件）
リニアガイド装置：日本精工株式会社製型番ＬＵ０９（案内レール幅９ｍｍ、案内レール長さ２００ｍｍ、スライダ幅２０ｍｍ、スライダ長さ２７ｍｍ）
予圧：３０Ｎ
平均走行速度：１５ｍｍ／ｓｅｃ
ストローク：３０ｍｍ
真空度：１０−５Ｐａ
試験結果を表１及び図３（表１の減衰率をプロットした図）に示す。
【００２０】
表１及び図３から判るように、スライダ１９及び案内レール１８が共に［強度σ（Ｎ／ｍｍ２  ）／比重ρ（ｇ／ｍｍ３  ）］≧１２０（１０−３ｍ−２）を満たすマグネシウム合金で形成された本発明例１〜１２は軽量であると共に振動の減衰率が高いため、繰り返し運動時の振動値の大きさが軽減され、これにより、非磁性で耐久性がありながら、軽量で且つ繰り返し運動や断続運動時に生じる振動を大幅に軽減して高精度な安定走行、高速移動が可能なリニアガイド装置を提供することができる。
【００２１】
これに対して、比較例１３〜２０は、スライダ１９及び案内レール１８を形成する金属材料が［強度σ（Ｎ／ｍｍ２  ）／比重ρ（ｇ／ｍｍ３  ）］＜１２０（１０−３ｍ−２）であるため、母材の強度が不足して十分な減衰率が得られないのが判る。
なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。
例えば、上記実施の形態では、リニアガイド装置に本発明を適用した場合を例に採ったが、転がり軸受やボールねじ装置に本発明を適用しても同様の作用効果を得ることができる。
【００２２】
また、上記実施の形態では、スライダ１９及び案内レール１８の両方を［強度σ（Ｎ／ｍｍ２  ）／比重ρ（ｇ／ｍｍ３  ）］≧１２０（１０−３ｍ−２）を満たすマグネシウム合金で形成した場合を例に採ったが、スライダ１９及び案内レール１８の一方のみを［強度σ（Ｎ／ｍｍ２  ）／比重ρ（ｇ／ｍｍ３  ）］≧１２０（１０−３ｍ−２）を満たすマグネシウム合金で形成してもよい。
更に、上記実施の形態では、スライダ１９及び案内レール１８にＤＬＣ被膜を施しているが、これらの被膜には、ＨＡＥやＤｏｗ１７等に代表される陽極酸化処理を施し、表面に硬質セラミック膜を形成したスピネル被膜等も適応できる。
【００２３】
【発明の効果】
上記の説明から明らかなように、本発明によれば、転動装置の外方部材及び内方部材の内の少なくとも一方を、［強度σ（Ｎ／ｍｍ２  ）／比重ρ（ｇ／ｍｍ３  ）］≧１２０（１０−３ｍ−２）を満たすマグネシウム合金で形成しているので、非磁性で耐久性がありながら、軽量で且つ繰り返し運動や断続運動時に生じる振動を大幅に軽減して高精度な安定走行、高速移動が可能な転動装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】振動試験装置の概略図である。
【図２】加速度ピックアップの構造図である。
【図３】強度σ／比重ρの値（比強度）と振動減衰率との関係を示すグラフ図である。
【符号の説明】
１２…リニアガイド装置（転動装置）
１８…案内レール（内方部材）
１９…スライダ（外方部材）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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