(57)【要約】【課題】ナット両端に減圧空間を容易に設けることが可能な静圧ねじ装置を提供する。【解決手段】気体供給溝２０および気体供給路２１を介して供給された高圧気体は多孔質エアパッド２２からねじ軸３ｂと雌ねじ部材１６ａ内周面との微小隙間に噴出して雌ねじ部材１６ａとねじ軸３ｂとを非接触の状態に保ち、また隙間内に噴出した高圧気体は気体回収路２３および気体回収溝２４を介して真空環境外に排出される。また、気体回収路２３および気体回収溝２４を介して排出されなかった高圧気体は、排気空間３０、３２を介して排出される。更に、排気空間３０、３２から排出されなかった僅かな気体は減圧空間１９を介して真空ポンプによって排出される。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
静圧気体を介してねじ軸とナットが螺合する静圧ねじ機構部を備えた静圧ねじ装置において、前記静圧ねじ機構部の両端にシール部が設けられ、各シール部には複数のシールブロックが配置され、内側のシールブロックと前記静圧ねじ機構部との間には大気に開放される排気空間が設けられ、前記複数のシールブロック間には真空ポンプにつながる減圧空間が設けられていることを特徴とする静圧ねじ装置。
【請求項２】
請求項１に記載の静圧ねじ装置において、前記静圧ねじ機構部を構成するナットと、シール部を構成する複数のシールブロックは、異なるケース内に位置決め保持されていることを特徴とする静圧ねじ装置。
【請求項３】
請求項１に記載の静圧ねじ装置において、前記静圧ねじ機構部を構成するナット内径の雌ねじ部とシールブロック内径の雌ねじ部は同一の径寸法となるように加工されていることを特徴とする静圧ねじ装置。
【請求項４】
上記請求項１乃至３に記載の静圧ねじ装置において、シールブロック形状を角ねじ形状としたことを特徴とする静圧ねじ装置。
【請求項５】
上記請求項１乃至３に記載の静圧ねじ装置において、シールブロックの材料の線膨張係数がナットケースのそれよりも小さな材料で形成したことを特徴とした静圧ねじ装置。
【請求項６】
上記請求項１乃至３に記載の静圧ねじ装置において、シールブロックの材料を脆性材で構成したことを特徴とした静圧ねじ装置。
【請求項７】
上記請求項１乃至３に記載の静圧ねじ装置において、前記シールブロックの１つの長さを１リード以上かつ１．５リード以下としたことを特徴とする静圧ねじ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば真空環境内で、高精度な位置決め装置の送りの駆動に用いる静圧ねじ装置に関し、特に、半導体製造装置や検査装置の位置決め等に好適な静圧ねじ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、静圧ねじ装置は、半導体加工装置や精密測定装置等の特に滑らかな動作が求められる位置決め装置の駆動方式として利用されてきた。近年では、特許文献１にみられるように真空環境内でも利用可能なものが考案され、ＥＢ（電子線）露光装置内のステージ駆動装置としての期待が高まっている。
即ち、ＥＢ露光装置内の移動にはリニアモータが使用されているが、磁界によって電子線が歪められ、微細加工に影響がでる。このため磁気シールドを設けなければならず、装置が大型化、複雑化してしまう。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−２０６６１８号公報（第５頁、第１図）
【０００４】
前記特許文献１に示された従来の静圧ねじ装置は、静圧ねじ機構部の両端に気体を回収するための減圧空間を設けることで静圧ねじ機構部外部への気体流出を低減し、１０−４Ｐａ台以下の真空環境内でも動作させることを可能としている。
具体的には図７に示すように、静圧ねじ装置３はナット３ａとねじ軸３ｂからなり、ナット３ａはケース１７内に内側ブロックと外側ブロックを設け、内側ブロックには気体供給溝２０、気体供給路２１、エアパッド２２、気体回収路２３、大気に開放される気体回収溝２４が形成され、外側ブロックには減圧空間１９及び真空ポンプにつながる真空排気路２６が形成されている。そして前記減圧空間１９となる溝は内側ブロックの雌ねじ溝よりも谷底の深さが深く加工されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の静圧ねじ装置においては、ナット両端部に減圧空間を設けるにあたり、ナットを形成する雌ねじ谷底の一部のみを他部よりも深く加工するのは非常に難しく、実際に製作するにあたっては砥石による加工を考慮し、例えば、ねじのピッチを大きくして谷部の幅を広げる等の対策が必要であり、その加工は非常に困難であるという問題がある。
【０００６】
またナット内部の気体回収性能を向上させるために、減圧空間をナット両端部に複数個ずつ設けようとすると、砥石をナットの奥まで挿入して加工する必要があるので、減圧空間の形成は更に困難な加工となる。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、本発明の目的は、例えば真空環境で使用可能な静圧ねじを製作するにあたり、ナット両端に複数段ずつの減圧空間を容易に設けることが可能な構造の静圧ねじ装置を提供することにある。
【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では、静圧気体を介してねじ軸とナットが螺合する静圧ねじ機構部を備えた静圧ねじ装置において、前記静圧ねじ機構部の両端にシール部が設けられ、各シール部には複数のシールブロックが配置され、内側のシールブロックと前記静圧ねじ機構部との間には大気に開放される排気空間が設けられ、前記複数のシールブロック間には真空ポンプにつながる減圧空間が設けられた構成とした。
【０００９】
上記構成により、静圧ねじ機構部両端において従来のように一部谷底のみを他部よりも深く加工する必要がなくなる。
【００１０】
また、上記構成とすることで、ナット両端部において減圧空間を形成する際に、ナットと同様の雌ねじ加工を施したシールブロックを装着するだけで減圧空間を容易に形成することが可能となり、ナットからの気体流出量を低減できる。
尚、シールブロックを３個以上装着すれば、減圧空間を複数個形成することができ、ナットからの気体流出量を更に低減できる。
【００１１】
請求項２では、前記静圧ねじ機構部を構成するナットと、シール部を構成する複数のシールブロックを、異なるケース内に位置決め保持された構成とした。このような構成とすることで、静圧ねじ装置の組み立てが簡単になる。尚、ナットとシールブロックを１つのケースに焼き嵌め等の手段で保持しても良い。
【００１２】
請求項３では、請求項１に記載の静圧ねじ装置において、前記静圧ねじ機構部を構成するナット内径の雌ねじ部とシールブロック内径の雌ねじ部は同一の径寸法となるように加工されている。このような構成とすることで、製作が簡単になる。
【００１３】
請求項４では、上記請求項１〜３に記載の静圧ねじにおいて、シールブロック形状を角ねじ形状とした。上記構成により、一定長さ当たりのシール性が最も高い構成を取ることができる。
【００１４】
請求項５では、上記請求項１〜３に記載の静圧ねじ機構において、シールブロックの材料の線膨張係数がナットケースのそれよりも小さな材料で形成した。
上記構成により、シールブロックをナットケースに焼ばめすることが可能になり、複数のシールブロックを配置することが容易になる。
【００１５】
請求項６では、上記請求項１〜３に記載の静圧ねじ機構において、シールブロックの材料をセラミックなどの脆性材で構成した。
これにより、シールブロックの加工性を高め、高精度の加工が可能になる。このため、谷径、山径、ねじフランク面において、狭い隙間を実現でき、高いシール性が得られる。
【００１６】
請求項７では、上記請求項１〜３に記載の静圧ねじにおいて、前記シールブロックの１つの長さを１リード（１巻き）以上かつ１．５リード以下とした。
上記構成により、シール性を保ちつつ、シールブロックの形状測定が可能な長さであり組立てが容易になる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の好適な実施例を以下に示す。図１は本発明の一実施例による静圧ねじ装置を駆動装置として利用したステージ装置を示す。
定盤１上へスライダ装置２及び本発明による静圧ねじ装置３が設置されており、静圧ねじ装置３のナット３ａが固定板７を介してスライダ２ａへ接続固定されている。
【００１８】
ねじ軸３ｂはその両端をヘッド側軸受４、テール側軸受５で支持されており、ヘッド側軸受４はラジアル及びスラスト方向の静圧気体軸受、テール側軸受５はラジアル方向のみの静圧気体軸受で構成されている。また、ヘッド側軸受４には回転モーター６が配置されており、ねじ軸３ｂを所望の量、速度を以って回転させることが出来る。
【００１９】
回転モーター６によってねじ軸３ｂが回転すると、静圧ねじ機構によりねじ軸３ｂの回転力はナット３ａをねじ軸方向へ移動させる駆動力へと変換され、ナット３ａに固定されたステージ２ａを駆動させる。図示されていないが、上記ステージ装置全体が真空環境内に配置され、テール側、ヘッド側軸受け、スライダ、および、静圧ねじには真空環境外部から高圧の純窒素が給気され、かつ、その排気を真空環境外に行なう構造となっている。
【００２０】
図２は本発明による静圧ねじ３の断面図、図３は図２の要部拡大図である。ナット３ａ中央部には静圧ねじ機構部１６が設けられている。静圧ねじ機構部１６はステンレス製のナットケース１７ａ内に雌ねじ部材１６ａを、このナットケース１７ａ内に配置されるナットケース１７ｃ内に他の雌ねじ部材１６ａを焼き嵌めにて固定している。
【００２１】
前記雌ねじ部材１６ａには窒素ガスなどの圧気源につながる気体供給溝２０、外端が気体供給溝２０に開口し内端が多孔質エアパッド２２につながる気体供給路２１、内端がねじ軸３ｂと雌ねじ部材１６ａ内周面との隙間に開口し外端が気体回収溝２４につながる気体回収路２３が形成され、一対の雌ねじ部材１６ａ間には大気に開放される排気空間３０が形成されている。
【００２２】
ここで、静圧ねじとして機能するには、多孔質エアパッド２２から高圧気体を噴出した際に、多孔質エアパッド２２が形成された雌ねじ部材１６ａの側面とねじ軸３ｂのねじ山の側面との間に１０μｍ以下の隙間が正確に形成される必要がある。このため、この実施例にあっては、一方の雌ねじ部材１６ａを小径のナットケース１７ｃ内に焼き嵌め、このナットケース１７ｃを大径のナットケース１７ａに微調整しながら固定している。
【００２３】
また、静圧ねじ機構部１６の左右の両端にはシール部３１を設けている。シール部３１はナットケース１７ｂ内に複数（図示例では３個）のシールブロック１８を前記同様、焼き嵌めにて保持している。ここで、シールブロック１８には前記雌ねじ部材１６ａとリード数は異なるが、他の寸法が等しい雌ねじ１８ａが形成され、この雌ねじ１８ａの山の側面とねじ軸３ｂのねじ山の側面との間に１０μｍ以下の隙間が正確に形成される必要がある。このため、ナットケース１７ｂ内にシールブロック１８を正確に位置決めし、焼き嵌めにて固定している。
【００２４】
このように、複数のシールブロック１８を保持したシール部３１には、シールブロック１８間に減圧空間１９が形成され、この減圧空間１９はナットケース１７ｂに形成した真空排気口２６を介して真空ポンプにつながっている。また、内側のシールブロック１８と前記雌ねじ部材１６ａとの間には大気に連通する排気空間３２が形成されている。
尚、シールブロック１８も前記雌ねじ部材１６ａと同様に、ねじ軸３ｂのねじ山の側面との間に１０μｍ以下の隙間を正確に形成する必要があり、このためシールブロック１８の雌ねじ１８ａの山の一側面をねじ軸３ｂのねじ山側面に突き当て、次いで治具を用いてシールブロック１８を微小動させて正確な隙間を形成し、この位置でナットケース１７ａにナットケース１７ｂを固定する。
【００２５】
前記シールブロック１８はセラミック製（アルミナ）であり、シールブロック１８の線膨張係数はナットケース１７ｂのそれよりも小さいため、ナットケース１７ｂに容易に焼き嵌めできる。本実施例においては、シールブロック１８は角ねじ形状で形成している。角ねじ形状とすることにより、ねじリードを短くすることができ、単位長さ当たりのねじ山数を多くすることができる。このため、単位長さ当たりのシール面積を最も多くすることができ、シール性を最も高くすることができる。
【００２６】
さらに、シールブロック１８の形状を図４に示す。シールするためには、最低でもリード１以上が必要であり、シールブロックが長いほど高いシール効果が得られる。しかし、シールブロックの長さが長すぎると、加工、および、検査が困難になること、及びシールブロックのリードは１．５以下でも十分なシール効果が得られることが実験にて確認されたため、本実施例においては図４のように、シールブロックの長さは１．３リードとした。
【００２７】
シールブロック１８は内部が雌ねじ形状に加工されており、本実施例においては、図３（ｂ）に示すように、ねじ軸３ｂとの隙間が、谷径、山径、一方のねじフランク面に対して全て１０μｍ以下となるよう設計されている。シールブロック１８の加工精度には非常に高いものが要求され、これを実現するには、シールブロック１８をセラミック等の脆性材を用いることが最も適している。
また、シールブロック１８同士間の隙間が５ｍｍとなるようにナットケース１７内に配置している。このため、各シールブロック１８間に隙間が出来、この隙間を減圧空間１９として利用する。
【００２８】
ここで、ナットケース１７ａ、１７ｂ、１７ｃは一部品で製作してもよいが、この場合は一つのナットケース内に静圧ねじ機構部と全てのシールブロックを配置することとなり、その配置位置の精度が厳しいために製作は非常に困難なものとなる。よって本実施例においては図２のように、ナットケースを中央部ナットケース１７ａ、両端のシール部ナットケース１７ｂ、ナットケース１７ａ内に配置されるナットケース１７ｃから構成することで、これら各部品の位置関係を微調整できる構造としている。
【００２９】
以上において、前記気体供給溝２０および気体供給路２１を介して供給された高圧気体（窒素ガス）は多孔質エアパッド２２からねじ軸３ｂと雌ねじ部材１６ａ内周面との微小隙間に噴出して雌ねじ部材１６ａとねじ軸３ｂとを非接触の状態に保ち、また隙間内に噴出した高圧気体は気体回収路２３および気体回収溝２４を介して真空環境外に排出される。また、気体回収路２３および気体回収溝２４を介して排出されなかった高圧気体は、排気空間３０、３２を介して排出される。更に、排気空間３０、３２から排出されなかった僅かな気体は減圧空間１９を介して真空ポンプによって排出される。
【００３０】
本実施例では、シールブロック１８をナット端部にそれぞれ３つずつ装着することで減圧空間１９を片側二箇所ずつ形成し、気体の排出性能を向上させている。
【００３１】
図５は、図１に示されたヘッド側軸受４の断面図である。ねじ軸３ｂの片側末端部はフランジ１０を形成しており、ヘッド側軸受４内部において該フランジ１０がスラスト方向の被支持面となっている。図２に示したように、ヘッド側軸受４内部にはスラストパッド１５及びラジアルパッド１４が配置され、ねじ軸３ｂをスラスト、ラジアル両方向に非接触で支持している。
【００３２】
一方、図６にはテール側軸受５の断面図を示した。テール側軸受５内部においてはラジアルパッド１４が配置され、ねじ軸３ｂをラジアル方向にのみ支持している。
【００３３】
図５及び図６に示した両軸受においては、真空環境内で利用可能とするために、全てのスラストパッド１５及びラジアルパッド１４周囲に大気開放溝１１及び真空排気溝１２からなるラビリンスシール機構１３が配置されており、スラストパッド１５及びラジアルパッド１４から噴出した気体を回収し真空環境外部へ排出することで軸受外部への気体流出量を低減している。
【００３４】
【発明の効果】
本発明は上記構成により次の効果を発揮する。
ナットの静圧ねじ機構部及びシールブロックの雌ねじ形状を、大気中で利用される静圧ねじのナットの雌ねじ形状と同じに設計、加工ができる。即ち、減圧空間を設けるためにナットを形成する雌ねじ谷底の一部のみを深く加工するといった困難な加工工程を経ることなく減圧空間を設けることが出来る。
【００３５】
また、ナットからの気体回収効率を上げるために減圧空間を複数個形成する場合、従来はナットを形成する雌ねじ谷底の一部のみを深く加工する必要があったために、特にナット内側に減圧空間設ける際、砥石が届きにくく加工が非常に困難であったが、請求項２によりシールブロックを複数個装着するだけで複数個の減圧空間を容易に設けることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る静圧ねじ装置を駆動装置として利用したステージ装置を示す斜視図
【図２】本発明に係る静圧ねじ装置の断面図
【図３】（ａ）はナットとねじ軸との螺合部の拡大断面図、（ｂ）はシールブロックとねじ軸との螺合部の拡大断面図
【図４】本発明による静圧ねじ装置のシールブロックの斜視図
【図５】ヘッド側軸受の断面図
【図６】テール側軸受の断面図
【図７】従来の静圧ねじ装置の断面図
【符号の説明】
１…定盤、２…スライダ装置、２ａ…スライダ、２ｂ…ガイド軸、３…静圧ねじ装置、３ａ…ナット、３ｂ…ねじ軸、４…ヘッド側軸受、５…テール側軸受、６…回転モーター、７…固定板、８…気体供給口、９…気体回収口、１０…フランジ、１１…大気開放溝、１２…真空排気溝、１３…ラビリンスシール機構、１４  …スラストパッド、１５…ラジアルパッド、１６…静圧ねじ機構部、１６ａ…雌ねじ部、１７…ナットケース、１７ａ…中央部ナットケース、１７ｂ…シール部ナットケース、１７ｃ…中央部ナットケース内に入るナットケース、１８…シールブロック、１９…減圧空間、１９ａ…真空排気口、２０…気体供給溝、２１…気体供給路、２２…エアーパッド、２３…気体回収路、２４…気体回収溝、２５…真空排気口、２６…真空排気路。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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