(57)【要約】  【課題】複数のセラミック体を結合してなるセラミック構造体における結合部の接合強度、位置決め精度が高いセラミック構造体を提供する。  【解決手段】セラミックスからなる複数の枠体1ａ、１ｂを結合してなる大型セラミック構造体１であって、各枠体1ａ、１ｂの少なくとも結合部２にそれぞれ凹部３、凸部４が形成され、該凹部３および凸部４を嵌合するとともにセラミックスからなるピン５によって結合部２を接続する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックスからなる複数の枠体を結合してなる大型セラミック構造体であって、各枠体の少なくとも結合部にそれぞれ凹部、凸部が形成され、該凹部および凸部を嵌合するとともにセラミックスからなるピンによって結合部を接続したことを特徴とするセラミック構造体。
【請求項２】
上記結合部において凹部および凸部が複数形成されていることを特徴とする請求項１に記載のセラミック構造体。
【請求項３】
上記ピンは、凹部および凸部の嵌合部の中央部に配置することを特徴とする請求項１または２に記載のセラミック構造体。
【請求項４】
上記ピンは、その径が上端から下端に向けて小さくなる円錐台形状であることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のセラミック構造体。
【請求項５】
上記結合部が接着剤を介して接合され、凹部および凸部の嵌合部の境界に接着剤溜りを有することを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載のセラミック構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種精密加工機または精密測定器、半導体、液晶露光装置等に用いられる精密位置決め装置、高速移動を繰り返す装置用等のセラミック構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体、液晶製造装置等に用いられる位置決め装置の構造部品として、絶縁部品、耐食性部品、軽量・高剛性部材としてアルミナをはじめとするセラミック部品が多く使用されるようになっている。
【０００３】
図５は代表的な位置決め装置の基本構造である。これは試料積載用ステージ部品で、ステージはＸ、Ｙ方向に移動するためＸスライド１３、Ｙスライド１４と天板１５、位置測定のための反射ミラー１１、１２から構成されている。
【０００４】
駆動はエアースライドにてリニアモーター等で駆動する。これらの構造部材は、リブ構造体もしくは接合等により中空構造にし、軽量化をはかり、更にアルミニウム金属により軽量化を計っていたが、剛性の面で不十分であったためにセラミックが使われるようになってきた。
【０００５】
また、半導体、液晶製造装置の構造部材は、世代が進むにつれて大型化しており、これらセラミック部品においても、年々大型化の傾向が進んでいる。
【０００６】
しかし、大型化したセラミック部品を一体物で製作するには、その大きさに技術的問題があり対応が困難なものとなってきている。
【０００７】
従来のセラミック部品の製造方法は金型プレス成形や湿式静水圧プレスであるＣＩＰ成形、もしくは鋳込み成形等にてセラミック粉体を固めて、切削加工を行い、これを焼成した後、焼結体を研削加工して製品形状に仕上げ加工をしている。
【０００８】
ここで金型プレスによる成形は、プレス機の大きさによって成形できるサイズが決まっており、大型のプレス機や金型は高価であるため、よほどの量産品でなければ、大型化に伴う設備投資が多大で困難である。
【０００９】
また、ＣＩＰ成形においても、プレス成形と同様の理由の他、圧力水槽の製造サイズにも限界があり、鋳込み成形等においても成形後の脱型時の強度不足や乾燥途中の収縮等で割れが発生し、焼成時の収縮割れ、焼成後の内部応力等の影響で加工中に割れるなど様々な問題があり、大型で一体形状のセラミック部品を製造することは困難である。
【００１０】
そこで、複数のセラミック体を接続してなるセラミック構造体が用いられることが提案され、特許文献１では、図６（ａ）に示すように、肉貫部２２と梁２１を備えた肉貫形状とし、これに蓋体を接合して中空体を構成し、軽量化、大型化に対応させるものである。
【００１１】
また、セラミック構造体を大型化する場合は、一般的には図６（ｂ）に示すようにフラット面２３を互いに接着剤２４で接着固定する方法や、図６（ｃ）に示すように結合部に穴を開け、金属製のボルト２５を通して、金属製のナット２６で固定するなどの方法がある。
【００１２】
また、特許文献２では、図７（ａ）に示すような板状体３１と梁３２で構成され、金属製ボルト３３で固定したセラミック構造体が提案されている。この構造は図７（ｂ）に示すように、分割された蓋体３１ａと底板３１ｂと側板３１ｃで構成し、これらの当接面に接着剤３５を介在させて接着するとともに、ネジを形成した金属製のブッシュ３４を埋め込み、ボルト３３で締結している。この接合では、接着剤とボルトを併用して接合しており、振動特性が良好で、強固に固定されたセラミック構造体を得ることができる。
【特許文献１】特開平１１−１４２５５５
【特許文献２】特開２００３−１４９３６３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、図６（ａ）に示すようなセラミック構造体は、肉貫形状とするため、中実体から削り出して加工しており、原料の無駄や切削加工時間の増加といった問題があった。
【００１４】
また、図６（ｂ）のように接着のみで接合したものを固定する際、接着剤で結合したものをテープ等で固定するか、または重石を乗せて固定するなどの方法では、接着層の厚みが安定せず、その厚みも０．２〜０．５ｍ以上と大きくなり、また未接着部が発生するなどの原因で、十分な接合強度が得られていなかった。
【００１５】
さらに、図６（ｃ）のように単にボルト締結で固定するだけでは、部品同士の面接触が不十分で点当たりとなり、振動特性を低下させてしまっていた。
【００１６】
また、その大型化に伴い分割された板状体と梁から構成された図７（ａ）のようなセラミック構造体では、金属製のボルト３３や金属製ブッシュ３４を使用しており、せっかくの軽量化の効果を減少させてしまう。
【００１７】
セラミックスの比重はアルミナセラミックスで３．８程度、その他の非酸化物セラミックスでも３．０〜４．０であるのに対し、金属材料の比重は８．０程度と約２倍の重量になる。したがって、強固に接合するために金属製ボルト３３や金属ブッシュ３４などを付加することにより、軽量化を阻害する方向となってしまう。
【００１８】
また、金属製ボルト３３で締結した場合、セラミックスとの熱膨張差が問題となることが多いため、図７（ａ）に示すセラミック構造体では、常温では確かに強固な結合を達成しているが、これらセラミック構造体を半導体や液晶製造装置に用いた場合、特にゴミや粉塵を嫌うため、使用前にゴミの付着対策等で熱処理する場合も多く、１００〜２００℃以上まで熱が加えられることもある。
【００１９】
例えば、代表的なアルミナセラミックスの熱膨張係数は７×１０−６／℃程度であるが、金属材料は１２×１０−６／℃程度と大きいため、同じ熱を加えても金属製ボルト３３の伸びがセラミックスの伸びを上まわり、緩みが発生しやすい状態となる。このように熱が加わると材料の熱膨張差を起因として、金属製ボルト３３の伸びによる力で、接着が剥離して結合部にズレが発生したり、セラミックスに応力がかかって破壊に至るという問題があった。
【００２０】
また、繰り返し熱がかかる等の装置で使用した場合は、装置の稼動時の振動で金属製ボルト３３が緩み、この金属製ボルト３３やナットがはずれて、装置が故障するなどの問題があった。
【００２１】
本発明は、上述した課題に鑑みなされたものであって、その目的は、複数のセラミックス部品から構成される構造体からなる半導体、液晶製造装置用大型構造部品において、その構成部材の軽量化、高剛性などを達成したセラミック構造体を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明は、セラミックスからなる複数の枠体を結合してなる大型セラミック構造体であって、各枠体の少なくとも結合部にそれぞれ凹部、凸部が形成され、該凹部および凸部を嵌合するとともにセラミックスからなるピンによって結合部が位置決めされることを特徴とするセラミック構造体である。
【００２３】
また、上記結合部において凹部および凸部が複数形成されていることを特徴とする。
【００２４】
さらに、上記ピンは、凹部および凸部の嵌合部の中央に配置することを特徴とする。
【００２５】
さらにまた、上記ピンは、その径が上端から下端に向けて小さくなる円錐台形状であることを特徴とする。
【００２６】
またさらに、上記結合部が接着剤を介して接合され、上記凹部および凸部の嵌合部の周囲に接着剤溜りを設けることを特徴とする。
【００２７】
また、液晶製造装置用造部材として用いることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２８】
本発明は、セラミックスからなる複数の枠体を結合してなる大型セラミック構造体であって、各枠体の少なくとも結合部にそれぞれ凹部、凸部が形成され、該凹部および凸部を嵌合するとともにセラミックスからなるピンによって結合部が位置決めされることから、各枠体の結合部の上下方向のズレを防ぐことができる。さらに、セラミックからなるピンによって結合部を位置決めすることにより、横方向のズレを防ぐことが可能となる。これにより、各枠体のズレが発生せず、結合部の接着層を小さく抑えることができるため安定した強度を保持することが可能となる。
【００２９】
また、上記結合部において凹部および凸部が複数形成されていることから、より安定した結合部の嵌合を可能にした。この凹部及び凸部の結合部は、接着剤を充填する際の接着面積の増大による接着強度の向上に加え、接着作業時に接着剤を塗布し固定した際にその抵抗が増えてズレにくくなり、さらにはセラミックスピンで位置決めする際のセラミックからなるピンと枠体のピン穴の嵌合数が増えたことで、がたつきを低下することができる。
【００３０】
さらに、上記ピンは、凹部および凸部の嵌合部の中央に配置することから、結合部における各肉厚を均等に保持することができる。このピンがどちらかに片寄ってしまうとこの結合部に曲げの力がかかった際に、ピンにかかる応力を支えるのに必要な肉厚が保たれず、凹部および凸部の嵌合部が破損してしまう可能性があるため、中央に配置することで、その嵌合部の最大の強度を得ることになる。
【００３１】
さらにまた、上記ピンは、その径が上端から下端に向けて小さくなる円錐台形状であることから、ピンと枠体の穴の隙間を最小に抑えることができるため、接着固定時の位置決め精度を向上することが可能となる。
【００３２】
またさらに、上記結合部が接着剤を介して接合され、上記凹部および凸部の嵌合部の周囲に接着剤溜りを設けることから、接着剤の安定した供給が可能で、さらに接着層の隙間を極限まで小さく抑えることが可能となるため、各枠体の振動特性が均一になり、固有振動値のバラツキを防ぐことができる。
【００３３】
また、液晶製造装置用造部材として用いることから、大型の構造部品の製作が可能で、軽量・高剛性を達成した構造部材を使用することで、高速摺動や製品の安定化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
【００３５】
本発明のセラミック構造体は、荷重や自重による変形が少なく、軽量かつ固有振動の高いものであり、剛性の高いセラミック材からなり、複数のセラミック材を組み合わせて成る大型のセラミック構造体である。
【００３６】
図１は、本発明のセラミック構造体の一実施形態を示し、図１（ａ）は、例えば、一辺が５００ｍｍ、厚みが５０ｍｍの正方形の枠体1ａ、１ｂを結合してなるセラミック構造体１であり、図１（ｂ）は、同図（ａ）の結合部２を拡大した部分断面図である。
【００３７】
このセラミック構造体１は、セラミックスからなる複数の枠体１ａ、１ｂを結合してなり、各枠体１ａ、１ｂの少なくとも結合部２にそれぞれ凹部３、凸部４が形成され、該凹部３および凸部４を嵌合するとともに嵌合部８の中央部にセラミックスからなるピン５によって結合部２が接続されることを特徴とするものである。
【００３８】
これによって、各枠体１ａ、１ｂの結合部２における上下方向のズレを防ぐことができるとともに、セラミックのピン５によって該凹部３と凸部４の嵌合部８を位置決めすることにより、各枠体１ａ、１ｂの結合部２の横方向のズレを防ぐことが可能となる。
【００３９】
なお、ピン５は、ピン５の外径とピン穴の径はほとんど同寸法とし、圧力をかけて挿入したり、各枠体１ａ、１ｂを例えば３００〜５００℃程度に加熱して熱膨張によってピン穴の径を大きくしてピン５を挿入する焼きばめ等によって挿入する。
【００４０】
この方法を用いれば、位置決めが精度良いことに加え、接着剤を使用しなくても強固に接続できることから、３００℃を超える高温雰囲気下での使用も可能となる。これは、通常、比較的接着強度の高い樹脂系接着剤は２００〜２５０℃の温度が耐熱特性の限界とされているため、接着剤を用いない場合には３００℃を超える高温雰囲気下での使用も可能となる。
【００４１】
また、各枠体１ａ、１ｂの結合は、接着剤を用いて接合したり、ピン５としてセラミック製のネジを用いてもよい。ピン５をセラミックス製のネジとする場合は、このピン穴の少なくとも１ヶ所に雌ネジを加工しておき、雄ネジを施したピン５を挿入することで結合することが可能である。
【００４２】
さらに、上記ピン５の数量は、接着剤と併用して固定される場合は、１組の枠体１ａ、１ｂに少なくとも２ヶ所を設けることで位置決めを行うことができる。その位置は、例えば枠体１ａ、１ｂの一辺が５００ｍｍの場合、ピン５のピッチを２００〜３００ｍｍ程度として、離れて配置することで、より位置決めの硬化を増すことができる。
【００４３】
また、上記ピン５を圧入や焼きばめ等で固定する場合は、ピン５の強度が結合部２の強度となるため、なるべく多くのピン５を設けることが望ましい。この場合、ピッチは、２０ｍｍ〜１００ｍｍで、枠体１ａ、１ｂにかかる荷重とピン５の曲げ強度を考慮して、ピン５の曲げ強度が大きくなるように配置すればよい。
【００４４】
また、各枠体1ａ、１ｂの結合部２における境界には、僅かな隙間が設けられており、接着剤を使用しない場合には、０．０２〜０．０５ｍｍ、接着剤を使用する場合には０．０５〜０．１ｍｍとすることが好ましい。
【００４５】
また、図２に示すように、上記結合部２において凹部３および凸部４が複数形成されていることが好ましい。
【００４６】
これにより、より安定した状態で結合部２の嵌合を行うことができ、接着剤で接合する際には、その接着層のバラツキをより少なくでき、さらに接着面積の増大による接着強度の向上と、ピン５で位置決めする際のピン５と枠体１ａ、１ｂのピン穴のがたつきを低下することができる。
【００４７】
また、凹部３および凸部４の数が増えることにより、接着強度をもたらす接着面積が増えることになるため、接着強度の向上を図り、また、セラミックスのピン５で位置決めする際のピン５と接触する凹部３及び凸部４のピン穴の断面積が増えることから、ピン５へ働く凹部３及び凸部４のピン穴からのせん断力が分散され、ピン５の径とピン穴の径を小さくすることが可能であり、これにより結合部の長さ７も小さくすることができるため、軽量化することができる。
【００４８】
さらに、凹部３および凸部４の数は、セラミック構造体１の全厚みＴを嵌合部の長さ６で割った数の半分程度とすることが望ましい。例えば、セラミック構造体の厚みを５０ｍｍで、嵌合部の長さ６を１０ｍｍとした場合、
（各枠体１ａ、１ｂの厚みＴ／嵌合部の長さ６）／２＝（５０／１０）／２＝２．５
この場合、凹部３および凸部４の数は、各２ヶ所で構成することが望ましい。
【００４９】
上記式は、凹部３および凸部４の厚みｔが、嵌合部の長さ６とほぼ等しいことを示しており、嵌合部の長さ６に対して厚みｔが、大きい場合には凹部３および凸部４の数が少ないため、接着面積を増やすことができず、接着強度を大きくすることができない。また、嵌合部の長さ６に対して凹部３および凸部４の厚みｔが、小さい場合には嵌合部８を形成する凹部３、凸部４の強度が低くなり、曲げ応力により折れて破損する可能性がある。
【００５０】
また、凹部３および凸部４の凹凸のピッチは、均等であることが好ましい。凹凸のピッチが不均一であると、加工が難しいことに加え、形状的に強度が不均一なり、荷重がかかった際に応力に対して、強い部分と弱い部分の差が大きくなり、結果的に弱い部分から先に破損に至ってしまうことが考えられる。
【００５１】
また、凹部３および凸部４の各角部や隅部は、Ｃ面や、Ｒ面の面取りを行うことが好ましく、応力集中を避けて、破損し難い形状とするためである。この場合、面取りの大きさは０．３〜１．０ｍｍ程度が好ましい。
【００５２】
なお、この面取り加工は、嵌合する凹部３、凸部４の何れか一方に形成されていればよい。
【００５３】
また、凹部３及び凸部４の嵌合部の長さ６は、各枠体1ａ、１ｂの結合部の長さ７の５０％程度にすることが好ましく、各枠体1ａ、１ｂに均一に力が作用するため、強固に嵌合することができる。この嵌合部の長さ６が結合部の長さ７に７０％以上となると嵌合部の長さ６以外の厚みが３０％以下と小さくなるため、枠体1ａ、１ｂの強度が保持できなくなるため７０％未満とすることがより好ましい。また、嵌合部の長さ６が３０％以下と少ない場合は、嵌合の効果が少なくなり、接着面積も小さくなることから、各枠体１ａ、１ｂを支えるだけの強度が保てない可能性があり、さらにセラミックスのピン５を挿入する範囲が小さくなるため、細い剛性の弱いピン５を挿入することとなり、接着時の位置決めをするための十分なピン５の強度を付与することができない。
【００５４】
上記ピン５は、凹部３および凸部４の嵌合部８の中央部に配置することが好ましい。
【００５５】
これにより、結合部２における各枠体１ａ、1ｂの肉厚を均等に保持することができ、応力が均等に作用しより強固に接続することができる。
【００５６】
また、ピン５は、枠体1ａ、１ｂを構成するセラミックスと同じ材料で製作されることが望ましいが、枠体1ａ、１ｂが異なる材質の組み合わせで構成された場合には、この異なるセラミックス材料のほぼ中間の熱膨張係数を持つセラミックスによって形成することが好ましい。
【００５７】
例えば、枠体１ａ、１ｂの一方が熱膨張係数７．１×１０−６／℃で、もう一方が低熱膨張のコージライト（熱膨張係数１．０×１０−６／℃以下）等からなるセラミック構造体である場合には、ピン材料は炭化珪素（熱膨張係数４．０×１０−６／℃）や窒化珪素（熱膨張係数３．２×１０−６／℃）などを使用することで、両方の枠体１ａ、１ｂの結合部２における発生応力を最小限に抑えるができる。
【００５８】
さらに、ピン５の直径は、嵌合部の長さ６の３０〜５０％程度とすることが好ましく、各枠体１ａ、１ｂの横方向のズレを防ぐ目的の位置決めであり、接着剤が適正な接着層になるまで各枠体１ａ、１ｂを互いに押しつけて、正しい位置に来た時に挿入できるように設計製作される。したがって、あまり細く弱いものでは折れてしまい、位置決めすることができない。また、大き過ぎる場合は、嵌合部８のピン穴部分の肉厚が少なくなるため、各枠体１ａ、１ｂの強度に不安を抱えることになってしまうためである。
【００５９】
また、ピン５とピン穴の径については、接着剤を使用して固定する場合は、ピン５の径よりもピン穴の径を０．１〜０．２ｍｍ大きく加工することが好ましく、強い接着強度が得られる。また、圧入や焼きばめの場合には、セラミックスの材質にもよるが通常０．２％以下程度の嵌合代を設けることが好ましく、例えば、ピン５の径を５．０ｍｍとした場合は、ピン穴を０．２％小さい４．９９ｍｍで製作することが好ましい。また、比較的強度の低い材料や、カケの発生し易い破壊靭性の低い材料などでは、０．１％程度にとどめておくことが望ましい。
【００６０】
また、このピン５の上端面、下端面の角部およびピン穴の開口面の角部には、１ｍｍ程度の面取り加工をすることが好ましく、これにより各枠体１ａ、１ｂの接着時に多少のズレが生じていた場合でも、ピン５のピン穴へのスムーズな挿入を可能にできる。
【００６１】
さらに、ピン５は、図３に示すように、その径が上端から下端に向けて小さくなる円錐台形状であることが好ましい。
【００６２】
各枠体1ａ、１ｂの位置決めを行うとともに接続するピン５の外径を円錐台形状５とし、結合部２の凹部３及び凸部４の嵌合部の長さ６の中央に設けたピン穴へ挿入して固定される。これにより、ピン５とピン穴の隙間を最小に抑えることができるため、接着時の位置決め精度を向上することが可能である。
【００６３】
また、円錐台形状のピン５は、上端面の径が枠体１ａ、１ｂの凹部３及び凸部４の嵌合部の長さ６の５０％以下であることが好ましく、これを超えると各部の肉厚が薄くなり過ぎて、強度の不安が生じることになるためである。
【００６４】
このような円錐台形状のピン５は、ＮＣ万能研削盤にて傾斜が５°以下の小さなテーパー加工を施し、この角度と合わせてマシニングセンターにより傾斜のついた電着形状ダイヤ工具を使用して穴加工を施すことでピン穴５ｂが得られる。
【００６５】
ここで、傾斜角度の決定は各枠体の結合部の長さ７と枠体の厚みを考慮して決定し、ピン５を挿入した場合にピン５が貫通してしまわない程度であれば問題ないが、その勾配を１〜３°とすることが好ましい。
【００６６】
また、ピン５の径が円錐台形状である場合には、そのピン５の径において上端の径を少し大きめに製作しても、その長さを長めに製作することで、挿入した後に、上下の端の長い部分を調整して切断加工するということも可能であり、ピン５がピン穴に接して接合されるため位置決め精度をさらに向上させうることが可能である。
【００６７】
また、枠体１ａ、１ｂを接着剤を用いて接続する際には、図４に示すように各枠体１ａ、１ｂの凹部３および凸部４の嵌合部の境界に接着剤溜り９、１０を設けることが好ましい。
【００６８】
これにより、接着剤を安定して均一に供給でき、接着層の隙間を小さく抑えることが可能となるため、各枠体１ａ、１ｂの固有振動特性が均一になり、固有振動値のバラツキを防ぐことができる。
【００６９】
このとき、接着剤溜り９は枠体１ｂの凹部３の角部に、接着剤溜り１０は枠体１ａの凸部４の角に形成され、それぞれの接着剤溜り９、１０の位置が重ならないように配置してすることが好ましく、図４に示すように凹部３、凸部４を１つに対し２箇所づつ計４箇所設けることが好ましい。
【００７０】
この接着剤溜り９、１０は、その深さが０．０５〜０．１ｍｍ、凹部３および凸部４を結合した際に０．０５〜０．１ｍｍの接着層になるように形成している。
【００７１】
また、この接着剤溜り９、１０を角部に配置することで、加工が容易で各枠体１ａ、１ｂを結合する前に、ブラスト加工や平面研削盤を使用して加工することができる。
【００７２】
また、接着剤の種類としては、比較的強度が高いエポキシ系の有機接着剤を使用することが好ましい。
【００７３】
一般的な有機接着剤は厚みが増えることによって接着強度が低下してしまう。しかし、少な過ぎても強度に不安が生じるため、一般的な面接着では、０．１〜０．３ｍｍ程度にて行う場合が多い。しかし、最も高い接着強度を示すのは、０．０５〜０．１ｍｍ付近であり、接着層をコントロールできるのであれば、この範囲がより好ましい。
【００７４】
ここで、接着層８の厚みが５０μｍ未満のときは、接着強度が極端に低下する可能性がある。一方、１００μｍを超えるときは、接着強度が低下して最大強度が得られない。
【００７５】
また、枠体１ａ、１ｂの結合部２の接着層の厚みが５０〜１００μｍでも、有効接着面が嵌合部８の面積全体の６５％未満であると、セラミック構造体１の固有振動特性が低下し一体物の特性より落ちてしまう。
【００７６】
また、この嵌合部８の全面を接着する場合に比べて、枠体１ａ、１ｂ相互が部分的に直接接触しているか、または接着層が０．０５ｍｍ以下と小さい部分を備えた場合は、接着面積は６０％以上を確保できれば高い固有振動特性を保持することができる。
【００７７】
寸法精度が重要な部分については接着溜り８を設けて一部セラミックス相互の接触部分を設けることが有効である。
【００７８】
また、接着剤溜り９、１０の表面は、研削加工やサンドブラスト等で接着溜り９、１０を施す部分を５０〜１００μｍ程度低く加工して、接着剤をこの面に塗布することが好ましい。
【００７９】
このようなセラミック構造体を製造する方法は、所定のセラミック原料を湿式静水圧成形方法であるＣＩＰ成形等の一般的粉末成型手段で成形され、切削加工を施して所定の形状に加工し、電気炉もしくはガス炉また非酸化物セラミックスの場合にが真空炉等で焼成し、研削仕上げを行い作製する。
【００８０】
枠体１ａ、１ｂの凹部３および凸部４の嵌合部８は、できる限り焼成前の切削加工で、焼成後の研磨代を０．３〜１．０ｍｍ程度になるよう考慮して、切削加工することが好ましい。この形状加工は、精度を必要とする加工であり、研削加工の負荷をなるべく低減できることが、加工時間の短縮につながる。
【００８１】
ここで使用するセラミックスは、ヤング率２５０ＧＰａ以上もしくは比剛性９０ＧＰａ以上で比重３．９以下のセラミックスからなり、軽量化のために各枠体1ａ、１ｂは肉抜き形状であることが好ましい。
【００８２】
このようなセラミック構造体１の組立方法について説明する。
【００８３】
ここで、本発明のセラミック構造体１の組立方法について説明する。
【００８４】
まず、所定寸法に加工された凸部４を形成した枠体１ａおよび凹部３を形成した枠体１ｂを嵌合部８にて結合させる。
【００８５】
次いで、ピン穴５ｂにピン５を挿入して結合部のズレが生じないように固定する。
【００８６】
接着剤を使用する場合は、予め凹部３および凸部４の嵌合部８に接着剤を塗布し、枠体１ａ、１ｂを互いに押し合わせて、ピン穴５ｂにピン５を挿入して結合する。
【００８７】
また、ピン５を圧入する場合は、凹部３および凸部４を嵌合部８にて結合させた後、枠体１ａ、１ｂのピン穴５ｂが合っていることを確認した後に、ピン５に圧力を加えて挿入することで固定される。
【００８８】
また、ピン５を焼きばめする場合は、枠体１ａ、１ｂを予め乾燥機等で例えば４００℃程度に加熱して膨張させ、熱膨張により径が大きくなったピン穴５ｂに加熱処理を施していないピン５を挿入し、放冷することで固定される。このときヒートショック等で割れが生じないように乾燥機内で放冷することが好ましい。
【００８９】
また、凹部３および凸部４の嵌合部８に接着剤溜り９を施した場合には、各枠体１ａ、１ｂの嵌合部８の接着剤溜り９を施した部分のみに接着剤を塗布し、互いに結合させた後、ピン穴５ｂにピン５を挿入して固定する。
【００９０】
結合部２を接着剤を使用して固定する場合は、接着剤が硬化するまでの間に、移動させたり、振動を与えたりしないように注意することが好ましい。
【００９１】
図５は、本発明のセラミック構造体１を用いたに位置決め装置のステージ部の構成図を示す。
【００９２】
ステージはＸ、Ｙ方向に移動するためにＸスライド１３、Ｙスライド１４、天板１５、反射ミラー１１、反射ミラー１２から構成されている。ステージはエアー浮上しリニアモーター等で移動できる構造である。
【００９３】
これらのセラミック構造体は、露光装置等の位置決め装置において、ステージは高速移動と停止を繰り返しており、近年の高速位置決めの要求により、その加速減速における加速度は非常に大きな物となるため、剛性の小さいアルミ合金などでは変形が大きく、また剛性が低いために振動減衰に時間がかかり、振動幅が大きいため位置決め精度が悪かった。
【００９４】
そこでセラミック等の高剛性材を使用することで変形を少なくし振動幅の小さい部材で構成することでこの問題を解決できる。更に大型化に伴い一体形状では製作できない形状でも、２つ以上の小さな部品に分割し、本発明のようなセラミック構造体１とすることで大型化を満足することができることによる。
【００９５】
また、セラミック構造体１が２つ以上の異なる材質の組み合わせで製作することで、本来であれば全体を高剛性材で作成することが理想であるが価格的要因で部分的に必要最小限の部分を高剛性化することによりコストを抑えて満足行く効果を得ることも可能である。
【００９６】
例えば９９％アルミナと９５％炭化珪素を組み合わせることによりアルミナだけであれば比剛性９０ＧＰａであるが炭化珪素は１２８ＧＰａにできる。したがって、中央部分をアルミナとし、外周部分を炭化珪素で構成することで外周部分の重量を軽量化できる上に剛性を上げることができることでより高剛性で軽量化した大型構造体を提供できることとなる。
【００９７】
また、比重の違う部材との組み合わせで装置重量のバランス調整も可能で振動特性ＵＰの設計が可能となる。
【００９８】
また、露光装置及び液晶製造装置用造部材として用いることにより、大型の構造部品の製作が可能で、軽量・高剛性を達成した構造部材を使用することで、高速摺動や製品の安定化を図ることができる。
【実施例１】
【００９９】
次いで、本発明の実施例について種々評価した。
【０１００】
先ず、図１に示すような各枠体を５００ｍｍ×５００ｍｍ×高さ６０ｍｍ、厚み２０ｍｍとしてアルミナセラミックスによって作製した。
【０１０１】
各枠体の結合部に、それぞれ凹部または凸部が表１に示す如く個数で形成し、嵌合部の長さは枠体の結合部の長さの５０％である１０ｍｍとした。
【０１０２】
また、ピンを用いる場合には、嵌合部の中央に１５０ｍｍピッチで２ヶ所設け、この凹部および凸部の嵌合部の長さ１０ｍｍの中央部に直径４．０１ｍｍの穴を設けて、この穴に直径３．９９ｍｍ、枠体と同様なアルミナセラミックスからなるピンを挿入することによって接続した。
【０１０３】
接着剤を用いる場合は、エポキシ樹脂等の硬化性樹脂を主剤とし弾性率４０ＧＰａ以上からなるものを使用し、振動特性に影響が少ないように配慮した。このときの接着層は、０．０５〜０．１ｍｍになるように設定した。
【０１０４】
また、比較例として、試料１は結合部に凹部及び凸部を設けず、段差のない枠体を製作し、フラット面にて接着固定した。さらに、比較例として、凹凸部のみでピンで接続しなかったもの、また凹部、凸部の個数を変えて接着面積を変えたもの、またピンおよびピン穴を上端面の直径を３．９９ｍｍ、下端面の直径を３ｍｍとした円錐台形状としたもの、さらに凹部及び凸部の嵌合部の境界に０．０５〜０．１ｍｍの接着剤溜りを4ヶ所、全接着面積の７０％にしたものを試料として製作した。
【０１０５】
各試料を接着作業時の位置ズレ、接着層の厚み、結合部の曲げ強度、固有振動値を評価した。
【０１０６】
なお、接着作業時の位置ズレは、接着剤が硬化した後、各枠体の結合部の位置ズレを測定した。
【０１０７】
接着層の厚みは、予め各枠体の結合部の長さを測定しておき、接着硬化後に再度測定して求めた。
【０１０８】
また、結合部の曲げ強度は、下側に５００ｍｍのスパンで金属の支点を設け、上側から結合部に荷重をかけて３点曲げの強度を測定した。
【０１０９】
また、固有振動値は、ＦＦＴアナライザーにて共振振動数の測定を実施した。
【０１１０】
この各試料の評価結果を表１に示す。
【表１】
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【０１１１】
表１から明らかなように、試料Ｎｏ．１は、従来の凹部及び凸部を形成していないフラットな面を結合部とするもので、接着作業時に接着層を薄くするために加圧すると、位置ズレが発生し、テープで仮に固定したが、０．５ｍｍの位置ズレが発生した。さらに元の結合部の長さから接着層を測定したところ、０．２〜０．５ｍｍと厚くバラツキがあり、接着強度も５１６ＭＰａと低かった。また、固有振動値も２３７Ｈｚと低く、接着面積が少ないことを表している。原因は、接着層が全体的に厚く、またバラツキが有ることと、部分的に未接着部があることが予想される。
【０１１２】
試料Ｎｏ．２、Ｎｏ．７、Ｎｏ．１２は、従来の結合部をフラット面から凹部および凸部を形成し、その数を１ヶ所、２ヶ所、３ヶ所としたものである。
【０１１３】
この凹部および凸部を形成したことで、位置ずれが０．１〜０．２程度まで小さくなった。これは接着硬化時に接着面積が増えたことにより抵抗が増え、位置ズレが発生しにくくなったことが考えられる。
【０１１４】
しかし、これらの試料は接着厚みが０．１〜０．３ｍｍ、接合部の強度、固有振動値も
低く使用できるレベルのものではなかった。
【０１１５】
また、本考案の試料Ｎｏ．３〜Ｎｏ．６は、凹部および凸部を各１ヶ所形成し、かつ位置決め用のセラミックスのピンを備えたものである。
【０１１６】
この試料は、位置ズレが全くないため、接着層の厚みも０．０５〜０．１の範囲内であり、接合部の強度、固有振動値も高く、一体物と同レベルの振動特性を備えていた。
【０１１７】
また、位置決めのセラミックスのピンの形状については、円柱形状のものより、円錐台形状の方が、接着層がより安定して薄く、結合部の強度、固有振動値も若干高い傾向を示している。
【０１１８】
また、試料Ｎｏ．５、Ｎｏ．６結合部の凹部および凸部の嵌合部に接着剤溜りを形成したものは、どちらも結合部の強度、固有振動が高い値で特に良好であった。
【０１１９】
これは、接着剤溜りを部分的に設けて、最も接着強度の高い接着層の０．０５ｍｍ付近で接着されていることと、接着剤溜りを設けていない部分でセラミックス相互が直接接触している面積があるため、振動特性が良好になったことが考えられる。
【０１２０】
試料Ｎｏ．８〜Ｎｏ．１１、試料Ｎｏ．１３〜Ｎｏ．１６は、凹部および凸部を各２ヶ所形成したものと、各３ヶ所形成したものである。
【０１２１】
その評価結果は、凹部および凸部を各１ヶ所形成したものと同様の傾向を示しているが、
接着層の厚みが、より薄い０．０５〜０．０７ｍｍで安定しており、結合部の強度、固有振動値も上向き傾向であった。
【０１２２】
これは、結合部の凹部および凸部を増やすことで、接着面積が増加することと、結合部で直接接触している面積も増えることから、より特性的に一体物に近づいたことが考えられる。
【０１２３】
上記のように、セラミックスからなる複数の枠体を結合してなる大型セラミック構造体において、各枠体の少なくとも結合部にそれぞれ凹部、凸部が形成され、該凹部および凸部を嵌合するとともにセラミックピンによって結合部を位置決めしたことにより、結合部の位置ズレがなく、また接着層が適正であり、結合部の強度・固有振動値の高いセラミック構造体を得ることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１２４】
【図１】（ａ）は本発明のセラミック構造体の例の概略図および断面図である。
【図２】本発明の凹部及び凸部を２つ以上設けた結合部からなるセラミック構造体の断面図である。
【図３】本発明の位置決め用セラミックスピンおよび穴が、円錐台形状であるセラミック構造体の断面図である。
【図４】発明の凹部及び凸部の嵌合部に、接着溜りを設けたセラミック構造体の断面図である。
【図５】代表的な位置決め装置の基本構造で、試料積載用ステージ部品である。
【図６】（ａ）は従来のセラミック構造体を示す斜視図であり、（ｂ）、（ｃ）はその部分拡大断面図である。
【図７】（ａ）は従来のセラミック構造体を示す斜視図であり、（ｂ）はその断面図である。
【符号の説明】
【０１２５】
１：セラミック構造体
１ａ：結合部に凹部を持つ枠体
１ｂ：結合部に凸部を持つ枠体
２：結合部
３：凹部
４：凸部
５：ピン
５ｂ：ピン穴
６：嵌合部の長さ
７：結合部の長さ
８：嵌合部
９：凹部の接着剤溜り
１０：凸部の接着剤溜り
１１：Ｙ方向反射ミラー
１２：Ｘ方向反射ミラー
１３：Ｘスライド
１４：Ｙスライド
１５：天板
２１：梁
２２：肉貫部
２３：フラット面
２４：接着層
２５：ボルト
２６：ナット
３１：板状体
３１ａ：蓋体
３１ｂ：底板
３１ｃ：側板
３２：梁
３３：ボルト
３４：ブッシュ
３５：接着剤
Ｔ：セラミック構造体の厚み
ｔ：凹部または凸部の厚み
【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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