(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一軸方向に延びるガイド軸とこれを収容しつつ移動可能な筒状のスライダとを含み、真空チャンバ内で使用される流体圧アクチュエータにおいて、
前記ガイド軸は、その中央部に細くなった部分を有すると共に、太い部分と細くなった部分の間をテーパー状にしており、
該アクチュエータは、前記ガイド軸における前記細くなった部分と前記テーパー状の部分の周囲と前記スライダの内壁との間に圧力室を形成すると共に、該圧力室を軸方向に関して２つのシリンダ室に区画する隔壁を前記スライダに設け、２つに区画されたシリンダ室にそれぞれ、前記ガイド軸内に設けられた供給／排出通路を通して前記テーパー状の部分から圧縮流体を出入り可能にすることにより構成され、
前記２つのシリンダ室の両側であって、前記ガイド軸と前記スライダとの間にはそれぞれ静圧空気軸受及びシリンダ室からの漏れ流体を排出するための排出部を設け、前記ガイド軸内にはその端部から前記排出部に至る排出通路を設け、
前記排出部は、前記静圧空気軸受の両側に設けられた排気部と、該静圧空気軸受よりも外側寄りに設けられた真空排気部とからなることを特徴とする流体圧アクチュエータ。
【請求項２】
請求項１記載の流体圧アクチュエータにおいて、前記ガイド軸の両端部にそれぞれ前記圧縮流体を供給／排出するための接続部を設け、該接続部に接続した配管にはサーボ弁を設けたことを特徴とする流体圧アクチュエータ。
【請求項３】
請求項１記載の流体圧アクチュエータにおいて、前記ガイド軸内にはその端部から前記静圧空気軸受に至る給気通路を設けたことを特徴とする流体圧アクチュエータ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の流体圧アクチュエータにおいて、該アクチュエータを、前記スライダを除いて非磁性材料で構成したことを特徴とする流体圧アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一軸方向駆動用のアクチュエータに関し、特に密封チャンバ、例えば電子ビーム露光装置における真空チャンバのような密封チャンバ内での使用に適した流体圧アクチュエータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子ビーム露光装置用のＸ−Ｙテーブルは、高真空下で使用され、また電子ビーム軌道を制御するための磁場に影響を与えないようにアクチュエータに使用される材料は、非磁性材料に限定される。このため、アルミナセラミクス、ベリリウム銅などの非磁性材料を使用したテーブルをころ軸受で案内し、摩擦駆動するという構成が一般的である。
【０００３】
摩擦駆動によるアクチュエータは、図６に示されるように、予圧Ｐをかけた従動輪（図示せず）と駆動輪６１とでスライダ６２を挟み、摩擦により駆動輪６１の回転運動をスライダ６２の直線運動に変換する構造である。駆動輪６１は、サーボモータ６３で駆動される。スライダ６２には、テーブル６４が案内面上をころ軸受案内によりスライド可能に組合わされる。テーブル６４の移動量は変位センサ６５で検出され、コントローラ６６に送られる。コントローラ６６は、検出された移動量を受けてテーブル６４が所定の目標位置に位置決めされるようにサーボモータ６３を制御する。
【０００４】
図６に示すアクチュエータは、一軸分の構成であり、これをＸ軸用のアクチュエータとすると、別にＹ軸用のアクチュエータが必要となる。Ｙ軸用のアクチュエータもＸ軸用のアクチュエータと同じ構成であるが、Ｘ軸用のアクチュエータとテーブル６４とを一体的にＹ軸方向に移動させることになる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のアクチュエータの特徴は、ボールねじ駆動機構と比較して高速駆動が可能な点にあるが、摩擦力で駆動されるため推力が小さいことが問題点としてあげられる。更に、駆動輪６１とスライダ６２との間の摩擦係数が不明であるため、すべりを嫌って低速で用いられることが多く、電子ビーム露光装置に用いた場合のスループットは、半導体ウェハ１５〜２０枚／ｈｒ程度となっている。より大きな摩擦力を得るためには、大きな予圧Ｐが必要となり、アクチュエータの材料摩耗、発塵、寿命低下など信頼性の点で問題となる。
【０００６】
また、ころ軸受案内は接触式案内であり、案内面ところの加工精度により案内精度が決まり、案内剛性は比較的大きいものの、接触面への塵埃の混入に弱いという問題がある。加えて、駆動輪６１の回転にはサーボモータ６３を使用するが、サーボモータ６３は磁性を有するので、真空チャンバ外に設置する必要があり、電子ビームの磁場に影響しない真空チャンバ外からスライダ６２によりテーブル６４を駆動するという構成を採用せざるを得ない。これは、Ｘ軸用、Ｙ軸用の両アクチュエータに共通の課題である。その結果、アクチュエータの占有面積増加、駆動軸が長くなることによる剛性の低下に起因する運動性能の劣化などが新たな問題として生じる。
【０００７】
そこで、本発明の課題は、モータを使用しない流体圧アクチュエータを提供することにある。
【０００８】
本発明の他の課題は、真空チャンバ内での使用に適した流体圧アクチュエータを提供することにある。
【０００９】
本発明の更に他の課題は、可動部の軽量化を図った流体圧アクチュエータを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、一軸方向に延びるガイド軸とこれを収容しつつ移動可能な筒状のスライダとを含み、真空チャンバ内で使用される流体圧アクチュエータにおいて、前記ガイド軸は、その中央部に細くなった部分を有すると共に、太い部分と細くなった部分の間をテーパー状にしており、該アクチュエータは、前記ガイド軸における前記細くなった部分と前記テーパー状の部分の周囲と前記スライダの内壁との間に圧力室を形成すると共に、該圧力室を軸方向に関して２つのシリンダ室に区画する隔壁を前記スライダに設け、２つに区画されたシリンダ室にそれぞれ、前記ガイド軸内に設けられた供給／排出通路を通して前記テーパー状の部分から圧縮流体を出入り可能にすることにより構成され、前記２つのシリンダ室の両側であって、前記ガイド軸と前記スライダとの間にはそれぞれ静圧空気軸受及びシリンダ室からの漏れ流体を排出するための排出部を設け、前記ガイド軸内にはその端部から前記排出部に至る排出通路を設け、前記排出部は、前記静圧空気軸受の両側に設けられた排気部と、該静圧空気軸受よりも外側寄りに設けられた真空排気部とからなることを特徴とする流体圧アクチュエータが提供される。
【００１３】
また、前記ガイド軸の両端部にそれぞれ前記圧縮流体を供給／排出するための接続部が設けられ、該接続部に接続した配管にはサーボ弁が設けられる。
【００１４】
更に、前記ガイド軸内にはその端部から前記静圧空気軸受に至る給気通路が設けられる。
【００１５】
本アクチュエータは、前記スライダを除いて非磁性材料で構成されることが好ましい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図２を参照して、本発明による流体圧アクチュエータを、空気圧アクチュエータの場合についてその駆動原理について説明する。図２において、アクチュエータ１０は、両端部を支持体により固定されて一軸方向に延びるガイド軸１１と、これに沿って移動可能なスライダ１２とを含む。スライダ１２は、ガイド軸１１の周囲を囲むことができるような筒状体であり、ガイド軸１１の外周との間に空間ができるようにされている。この空間は、圧力室として使用されるものであり、この圧力室を軸方向に関して２つのシリンダ室１６ａ、１６ｂに区画する隔壁１３をスライダ１２の内壁に固定している。隔壁１３もスライダ１２と共にガイド軸１１に沿ってスライド可能である。スライダ１２の両端部にはそれぞれ、静圧空気軸受１４を設け、これらの静圧空気軸受１４には軸受給気系１５を接続している。静圧空気軸受は良く知られているので、詳細な構造については説明を省略する。スライダ１２の両端部にはまた、２つに区画されたシリンダ室１６ａ、１６ｂにそれぞれ、圧縮空気を出入り可能にするためのシリンダ給気系１７ａ、１７ｂを接続している。シリンダ給気系１７ａ、１７ｂはそれぞれ、サーボ弁１８ａ、１８ｂを備え、これらのサーボ弁１８ａ、１８ｂは圧縮空気供給源に接続されている。
【００１７】
このような構成により、静圧空気軸受１４に圧縮空気を供給すると、スライダ１２はガイド軸１１に対してわずかに浮上する。ここで、例えばサーボ弁１８ａを圧縮空気供給側、サーボ弁１８ｂを大気開放側にすると、隔壁１３はピストンとして作用してスライダ１２は、図２中、右方向に移動する。このようにして、サーボ弁１８ａ、１８ｂの開度を制御することにより、スライダ１２をガイド軸１１に対して任意の位置に移動させることができる。位置制御系については、図６で説明したのと同様の方式を採用することができる。すなわち、図６で説明したコントローラがスライダ１２の変位量に応じてサーボ弁１８ａ、１８ｂの開度を制御するようにすれば良いので、詳しい説明は省略する。
【００１８】
次に、図１を参照して、上記の駆動原理を利用したアクチュエータ１０の一例について説明する。この例では、ガイド軸１１として断面四角形状の軸体を用い、スライダ１２もガイド軸１１を挿通可能な断面四角形状の内部空間を持つ断面四角形状にされている。特に、スライダ１２の内壁とガイド軸１１の外周面との間の隙間はわずかである。また、ガイド軸１１の中央部に近い領域において圧力室を形成することができるように、ここではガイド軸１１を細くし、太い部分と細くなった部分の間をテーパー状にしている。スライダ１２の内壁には、圧力室を２つのシリンダ室１６ａ、１６ｂに区画するために、ガイド軸１１に沿ってスライド可能な隔壁１３を固定している。
【００１９】
以下では、２つに区画されたシリンダ室１６ａ、１６ｂのうち、シリンダ室１６ａ側の構造について説明する。シリンダ室１６ｂ側もまったく同じ構造である。
【００２０】
シリンダ室１６ａに圧縮空気を出入り可能にするために、ガイド軸１１内の中心にその端部から中央部に向けて空気通路１１−１を設けている。この空気通路１１−１は、シリンダ室１６ａに近い部分で複数に分岐されて前記テーパー状部分においてシリンダ室１６ａに連通しており、シリンダ室１６ａ内の圧力分布が均一になるようにしている。ガイド軸１１の端部における空気通路１１−１には、空気配管が接続され、更に、図２で説明したサーボ弁が備えられる。スライダ１２の最大ストロークは、シリンダ室１６ａ、１６ｂの軸方向寸法により決まる。
【００２１】
図３をも参照して、シリンダ室１６ａに近いガイド軸１１の周囲にはまた、静圧空気軸受１４が設けられ、静圧空気軸受１４の両側に排気部１９−１、１９−２が設けられる。静圧空気軸受１４は、ガイド軸１１の断面形状が矩形状であるので、その４つの面に設けられる。排気部１９−１、１９−２は、シリンダ室１６ａからの漏れ空気、静圧空気軸受１４からの空気を排気するためのものであり、排気を容易にするためにガイド軸１１の周囲に溝を形成し、この溝を通して排気を行うようにしている。ガイド軸１１には更に、その軸方向に関して静圧空気軸受１４よりも外側の位置に真空排気部１９−３が設けられる。真空排気部１９−３を備えるのは、真空チャンバ内での使用を考慮してのことであり、この真空排気部１９−３も排気を容易にするために、ガイド軸１１の周囲に溝を形成し、この溝を通して真空排気を行うようにしている。
【００２２】
静圧空気軸受１４に圧縮空気を供給するために、ガイド軸１１内にその端部から静圧空気軸受１４に至る複数の空気通路１１−２を設けている。ガイド軸１１内にはまた、その端部から排気部１９−１、１９−２の溝に至る複数の排気通路１１−３を設けている。ガイド軸１１内には更に、その端部から真空排気部１９−３の溝に至る排気通路１１−４を設けている。この排気通路１１−４は、真空排気部１９−３の溝に、ガイド軸１１の４つの面毎に穴を設け、それぞれの穴に連通するようにされるのが望ましい。なお、図３では、便宜上、ガイド軸１１に設けられた複数種類の通路をすべて実線で示しているが、これらの通路は、ガイド軸１１内の周方向に関して異なった位置に設けられることは言うまでもない。
【００２３】
ガイド軸１１の端部における複数の空気通路１１−２には空気配管が接続され、更に圧縮空気供給源が備えられる。同様に、ガイド軸１１の端部における複数の排気通路１１−３には空気配管が接続され、更に排気用のポンプが備えられる。ガイド軸１１の端部における排気通路１１−４には空気配管が接続され、更に真空排気用のポンプが備えられる。
【００２４】
なお、ガイド軸１１の両端部は、図１に示されるように、真空チャンバ１の側壁において支持されるように側壁を貫通している。したがって、ガイド軸１１の両端部における空気配管の接続は、真空チャンバ１の外で行われる。
【００２５】
本アクチュエータが、電子ビーム露光装置における真空チャンバのような高真空下で使用される場合、電子ビーム軌道を制御する磁場に影響を与えないようにするために、各構成要素の材料は、スライダ１２を除いてアルミナセラミクスやベリリウム銅などの非磁性材料が使用される。一方、スライダ１２についてはチタンが好ましい。これは、スライダ１２、すなわち可動部の軽量化を図るためにスライダ１２の肉厚を薄くすると、アルミナセラミクスやベリリウム銅などの材料の場合、圧縮空気により変形し易くなり、移動に悪影響を及ぼすからである。チタンは上記の材料に比べて薄くしても大きな機械的強度を持つので、軽量化に適している。
【００２６】
図４は、アクチュエータの別の例を示す。この例では、ガイド軸１１´は軸方向に関して同じ断面形状を有する。一方、スライダ１２´を、ガイド軸１１´が挿通される２つの部材１２−１、１２−２と、これらの２つの部材１２−１、１２−２をカバーしつつ連結している筒状体１２−３とで構成することにより、ガイド軸１１´の中央部の周囲に圧力室を形成している。更に、隔壁１３´を圧力室内においてガイド軸１１´に固定することにより、圧力室を２つのシリンダ室１６ａ、１６ｂに区画している。２つの部材１２−１、１２−２は、筒状体１２−３と共に、ガイド軸１１´に沿って移動可能であり、圧力室を形成している筒状体１２−３の内壁は隔壁１３´の外周上をスライド可能である。シリンダ室１６ａ、１６ｂに圧縮空気を出入り可能にするための構造、静圧軸受部１４、排気部１９−１、１９−２、真空排気部１９−３及びその回りの構造は、前記の例と同じで良い。
【００２７】
本例でも、可動部であるスライダ１２´、特に筒状体１２−３をチタンで作ることで可動部の軽量化を実現することができ、それ以外の固定部分は前述した非磁性材料で構成される。
【００２８】
このアクチュエータは、例えばシリンダ室１６ａ´に圧縮空気が導入されると、スライダ１２´が図４中、左方に移動する点で図１の例と異なるが、動作原理はまったく同じである。
【００２９】
図５は、アクチュエータの更に別の例を示す。この例では、ガイド軸を、互いに中心軸が一致するように一定距離を隔てて一端部を対向させた２つの軸体２１ａ、２１ｂから成るようにしている。２つの軸体２１ａ、２１ｂは、矩形状の断面形状を持つのが好ましい。一方、スライダ２２は、２つの軸体２１ａ、２１ｂの互いに対向し合う一端部の間に形成される空間（圧力室）と該一端部から他端部に向かう所定距離の領域とを内包することができるような断面矩形状の内部空間を持つ筒状体から成るようにしている。更に、前記一端部の間に形成される空間を軸方向に関して２つに区画する隔壁１３をスライダ２２の内壁に設けることにより、軸体２１ａ、２１ｂの一端部の端面と、スライダ２２の内壁と、隔壁１３とで２つのシリンダ室１６ａ、１６ｂを形成している。スライダ２２は、ガイド軸２１ａ、２１ｂに沿って移動可能である。シリンダ室１６ａ、１６ｂに圧縮空気を出入り可能にするための構造、静圧軸受部１４、排気部１９−１、１９−２、真空排気部１９−３及びその回りの構造は、図１の例と同じで良い。
【００３０】
なお、本例では、スライダ２２及び隔壁１３がチタンで作られ、他の固定部材が非磁性材料で構成される。
【００３１】
このアクチュエータは、例えばシリンダ室１６ａに圧縮空気が導入されると、図１の例と同様に、スライダ２２が図５中、右方に移動する。したがって、動作原理は図１の例とまったく同じである。
【００３２】
上記の説明では、圧縮空気を使用する空気圧アクチュエータの場合について説明したが、圧縮空気のみならず、窒素ガス等の他の気体あるいは水のような液体による流体を使用しても良い。
【００３３】
【発明の効果】
以上、説明してきたように、本発明によるアクチュエータは、スライダがガイド軸に対して非接触で案内される構造であるので、これらの間の摩擦に起因する問題点、すなわち材料摩耗、発塵、寿命低下等の問題点を解消することができる。また、可動部をチタンで構成することにより肉厚を薄くして軽量化を図ることができる。更に、圧縮空気供給源、真空排気用のポンプを除く要素を真空チャンバ内に配置することができ、真空チャンバ内での占有面積を小さくすることができる。本発明によるアクチュエータは特に、各構成要素を非磁性材料で構成することにより、電子ビーム露光装置のような真空チャンバ内での使用に適している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるアクチュエータの構造を示した部分断面図である。
【図２】図１に示されたアクチュエータの駆動原理を説明するための図である。
【図３】図１における静圧空気軸受部、排気部、及び真空排気部とそれらを空気配管と接続するためにガイド軸に設けられる通路を拡大して示した断面図である。
【図４】本発明によるアクチュエータの他の例を示した断面図である。
【図５】本発明によるアクチュエータの更に他の例を示した断面図である。
【図６】従来の摩擦駆動によるアクチュエータの一例を示した図である。
【符号の説明】
１    真空チャンバ
１０    アクチュエータ
１１、２１ａ、２１ｂ    ガイド軸
１２、２２    スライダ
１３    隔壁
１４    静圧空気軸受
１６ａ、１６ｂ    シリンダ室
１８ａ、１８ｂ    サーボ弁
１９−１、１９−２    排気部
１９−３    真空排気部
【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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