(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空シリンダ作動器（１０）と、真空ポンプ（１４）とを具備する重力補償機構であって、
前記真空シリンダ作動器が、前記真空ポンプ（１４）と連通させられた真空シリンダ（１０Ａ）と、この真空シリンダの一端面側に設けられた非接触シールリング（１０Ｂ）と、この非接触シールリングに挿通させられたピストン（１０Ｃ）とから成り、
前記ピストンに鉛直方向下向きに及ぼされる荷重が前記真空ポンプの作動による前記真空シリンダの低圧状態によって補償させられる重力補償力を前記非接触シールリングと前記ピストンとの間のシール隙間から流入する空気量によって決定するようにした重力補償機構。
【請求項２】
請求項１に記載の重力補償機構において、前記非接触シールリング（１０Ｂ）のシール隙間及びシール長が前記ピストンに鉛直方向下向きに及ぼされる荷重に応じて設定される重力補償機構。
【請求項３】
請求項２に記載の重力補償機構において、前記真空ポンプ（１４）の作動により前記真空シリンダ（１０Ａ）内の圧力が少なくとも-80kPaG以下となるように前記非接触シールリング（１０Ｂ）のシール隙間及びシール長の設定が行われる重力補償機構。
【請求項４】
請求項１から３までのいずれか１項に記載の重力補償機構を用いる鉛直方向位置決め装置であって、
前記ピストンを鉛直方向に沿って移動させるための駆動モータと、
前記ピストンの鉛直方向に沿う移動距離を測定する移動距離測定センサとを具備する鉛直方向位置決め装置。
【請求項５】
請求項４に記載の鉛直方向位置決め装置において、前記駆動モータがボイスコイルモータ及びリニアモータのうちのいずれか一方から成る鉛直方向位置決め装置。
【請求項６】
請求項４に記載の鉛直方向位置決め装置において、前記移動距離測定センサが非接触式高分解センサから成る鉛直方向位置決め装置。
【請求項７】
一対の真空シリンダ作動器（４６０）と、真空ポンプとを具備し、
前記真空シリンダ作動器の各々が、前記真空ポンプと連通させられた真空シリンダ（４６０Ａ）と、この真空シリンダの一端面側に設けられた非接触シールリング（４６０Ｂ）と、この非接触シールリングに挿通させられたピストン（４６０Ｃ）とから成り、前記ピストンの双方に鉛直方向下向きに及ぼされる荷重が前記真空ポンプの作動による前記各真空シリンダの低圧状態によって補償させられる重力補償力を前記各非接触シールリングと前記各ピストンとの間のシール隙間から流入する空気量によって決定するようにした鉛直方向位置決め装置であって、
更に、前記一対の真空シリンダ作動器間の中央に前記ピストンの双方を鉛直方向に沿って移動させるための駆動モータ（４６１）と、
前記ピストンの鉛直方向に沿う移動距離を測定する移動距離測定センサ（４４）とを具備する鉛直方向位置決め装置。
【請求項８】
請求項７に記載の鉛直方向位置決め装置において、
更に、制御対象物（Ｔ）を支持するために前記ピストン（４６０Ｃ）の双方から吊下され、かつ前記駆動モータによって接続された支持体（４６３）と、
前記支持体の鉛直方向の移動をガイドするための一対の無接触ガイド手段（４５、４６２）とを具備する鉛直方向位置決め装置。
【請求項９】
請求項８に記載の鉛直方向位置決め装置において、前記一対の真空シリンダ作動器（４６０）が前記駆動モータ（４６１）の駆動方向に対して対称に配置され、かつ前記一対の無接触ガイド手段（４５、４６２）も前記駆動モータ（４６１）の駆動方向に対して対称に配置される鉛直方向位置決め装置。
【請求項１０】
請求項７に記載の鉛直方向位置決め装置において、前記一対の無接触ガイド手段の各々がガイドレール（４５）と、このガイドレールに沿って移動させられかつ前記支持体（４６３）に連結された前記ガイドブロック（４６２）とから成る鉛直方向位置決め装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の鉛直方向位置決め装置において、
更に、前記移動距離測定センサ（４４）及び前記一対のガイドレール（４５）を支持する第１の支持構造体（４０）と、
前記一対の真空シリンダ作動器（４６０）及び前記駆動モータ（４６１）を支持し、かつ前記第１の支持構造体と独立した第２の支持構造体（４２）とを具備する鉛直方向位置決め装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は重力補償機構及びその重力補償機構を用いる鉛直方向位置決め装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、精密工作機械、半導体製造設備及び各種測定器等では、鉛直方向の位置決めにナノメートルのオーダの超精密度が要求され、これに伴ない超精密の鉛直方向位置決め装置の開発が望まれている。
【０００３】
従来、鉛直方向位置決め装置には制御対象物の位置決めを容易に行い得るように重力補償機構が用いられる。このような重力補償機構の代表的な従来例としては、カウンタウエイト方式、定張力ばね方式、電磁アクチュエータ方式、空気圧シリンダ方式等が挙げられる。しかしながら、これら従来の重力補償機構については、ナノメートルのオーダの超精密度が要求される超精密の鉛直方向位置決め装置には以下に述べる理由のために利用することはできない。
【０００４】
先ず、カウンタウエイト方式の重力補償機構では、制御対象物と実質的に同じ荷重を持つカウンタウエイトが互いにベルト或いはワイヤで互いに連結され、このベルト或いはワイヤはプーリに掛けられ、制御対象物とカウンタウエイトとは互いにバランスさせられる。しかしながら、このようなカウンタウエイト方式の重力補償機構にあっては、プーリの回転軸に摩擦が発生し、このような摩擦の発生の伴なう重力補償機構をナノメートルのオーダの鉛直方向位置決めに利用することはできない。また、カウンタウエイト方式では、可動部の質量が倍増するだけでなくカウンタウエイトの可動スペースを用意しなければならず、重力補償機構が大型化するという問題もある。
【０００５】
定張力ばね方式の重力補償機構は、制御対象物を定張力ばねで吊下する構成となる。しかしながら、このような構成では、制御対象物が振動を受け易く、また定張力ばねが経時的に疲労するために、定張力ばね方式の重力補償機構もナノメートルのオーダの鉛直方向位置決めに利用することはできない。
【０００６】
電磁アクチュエータ方式の重力補償機構は、制御対象物を電磁アクチュエータの作動ロッドで押し上げる構成となる。しかしながら、電磁アクチュエータの作動にはシステムの熱変形の原因となる大量の発熱が伴なうので、電磁アクチュエータ方式の重力補償機構もナノメートルのオーダの鉛直方向位置決めに利用することはできない。
【０００７】
空気圧シリンダ方式の重力補償機構は空気圧シリンダのピストンで制御対象物を押し上げる構成となる。しかしながら、後述するように制御対象物が変位させられたとき、空気圧シリンダの出力変動が大きく、空気圧シリンダ方式の重力補償機構もナノメートルのオーダの鉛直方向位置決めに利用することはできない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従って、本発明は、ナノメートルのオーダの精密度が要求される超精密の鉛直方向位置決め装置に対応し得る重力補償機構を提供すると共にそのような重力補償機構を用いる鉛直方向位置決め装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第１の局面による重力補償機構は真空シリンダ作動器及び真空ポンプとを具備する。真空シリンダ作動器は、真空ポンプと連通させられた真空シリンダと、この真空シリンダの一端面側に設けられた非接触シールリングと、この非接触シールリングに挿通させられたピストンとから成り、ピストンに鉛直方向下向きに及ぼされる荷重が真空ポンプの作動により補償させられる。即ち、真空ポンプの作動によって真空シリンダ内には低圧状態となり、これによりピストンがそこに及ぼされる鉛直方向下向きの荷重を補償すべく真空シリンダ内に引き込まれることになる。
【００１０】
このような重力補償機構において、非接触シールリングのシール隙間及びシール長については、ピストンに鉛直方向下向きに及ぼされる荷重に応じて設定される。この場合、好ましくは、真空ポンプの作動により真空シリンダ内のゲージ圧力が少なくとも-80kPaG以下となるように、非接触シールリングのシール隙間及びシール長の設定が行われる。
【００１１】
本発明の第２の局面による鉛直方向位置決め装置は、以上で述べたような重力補償機構を用いるものであって、ピストンを鉛直方向に沿って移動させるための駆動モータと、ピストンの鉛直方向に沿う移動距離を測定する移動距離測定センサとを具備するものである。
【００１２】
本発明の第２の局面による鉛直方向位置決め装置において、駆動モータはボイスコイルモータ及びリニアモータのうちのいずれかであってよい。また、移動距離測定センサについては、好ましくは、非接触式高分解センサとして構成される。
【００１３】
また、本発明の第３の局面による鉛直方向位置決め装置は、一対の真空シリンダ作動器と、真空ポンプとを具備する。この場合、真空シリンダ作動器の各々は、真空ポンプと連通させられた真空シリンダと、この真空シリンダの一端面側に設けられた非接触シールリングと、この非接触シールリングに挿通させられたピストンとから成り、ピストンの双方に鉛直方向下向きに及ぼされる荷重が真空ポンプの作動により補償させられる。本発明の第３の局面による鉛直方向位置決め装置は、更に、一対の真空シリンダ作動器間の中央にピストンの双方を鉛直方向に沿って移動させるための駆動モータと、ピストンの鉛直方向に沿う移動距離を測定する移動距離測定センサとを具備する。一対のピストンには制御対象物が吊下され、移動距離測定センサにより駆動モータを制御することにより制御対象物の位置決めが行われる。
【００１４】
本発明の第３の局面による鉛直方向位置決め装置は、更に、制御対象物を支持するためにピストンの双方から吊下され、かつ前記駆動モータによって接続された支持体と、この支持体の鉛直方向の移動をガイドするための一対の無接触ガイド手段とを具備し得る。このような無接触ガイド手段が用いられると、摩擦熱の発生が極力抑えられ、これにより制御対象物の鉛直方向の位置決め精度に与える摩擦熱の影響が排除されることになる。
【００１５】
本発明の第３の局面による鉛直方向位置決め装置においては、好ましくは、一対の真空シリンダ作動器が駆動モータの駆動方向に対して対称に配置され、同様に一対の無接触ガイド手段も駆動モータの駆動方向に対して対称に配置される。このような対称構造により、例えば、温度変化に伴なう構成部品の寸法変化により制御対称物の鉛直方向の位置決め精度に与える影響を最小に抑えることが可能となる。
【００１６】
本発明の第３の局面による鉛直方向位置決め装置においては、一対の無接触ガイド手段の各々については、ガイドレールと、このガイドレールに沿って移動させられかつ支持体に連結されたガイドブロックとから構成することができる。このような場合には、好ましくは、鉛直方向位置決め装置は、更に、移動距離測定センサ及び一対のガイドレールを支持する第１の支持構造体と、一対の真空シリンダ作動器及び駆動モータを支持し、かつ第１の支持構造体と独立した第２の支持構造体とを具備する。このような構成によれば、駆動モータの作動時に発生する振動が移動距離測定センサに及ぶことが阻止されるので、かかる振動の減衰を待つことなく移動距離測定センサによる測定を速やかに行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
次に、図１を参照して、本発明による重力補償機構の一実施形態について説明する。なお、図１は本発明による重力補償機構の原理構成を示す模式図である。
【００１８】
本発明による重力補償機構は真空シリンダ方式を採用するものであって、真空シリンダ作動器１０及びガイドコラム１１を具備する。真空シリンダ作動器１０は、ガイドコラム１１の上端側に適宜固着された真空シリンダ１０Ａと、この真空シリンダ１０Ａの下面側に設けられた非接触シールリング１０Ｂと、この非接触シールリング１０Ｂを通して真空シリンダ１０Ａに挿通させられたピストン１０Ｃとから成る。ピストン１０Ｃの外端には制御対象物１２が適宜固着され、この制御対象物１２からはガイド片１２Ａが突出させられ、ガイド片１２Ａは、ガイドコラム１１に形成されたに鉛直ガイド溝１１Ａに非接触状態で係合させられる。即ち、鉛直ガイド溝１１Ａの内側壁面にはコンプレッサに連通させられた多数の圧縮空気噴出孔(図示されない)が形成され、これにより鉛直ガイド溝１１Ａ内でのガイド片１２Ａの非接触状態が保証される。
【００１９】
真空シリンダ１０Ａは導管１３を介して真空ポンプ１４に連通させられ、導管１３には圧力レギュレータ１５が設けられ、これにより真空シリンダ１０Ａ内には制御対象物１２の荷重を補償するようになった所定の真空状態即ち低圧状態が作り出される。即ち、ピストン１０Ｃはその荷重と制御対象物１２の荷重とを相殺する吸引力で真空シリンダ１０Ａにより引き込まれ、制御対象物１２はフローティング状態で保持されることになる。
【００２０】
非接触シールリング１０Ｂとピストン１０Ｃとの間のシール隙間は数十μm程度とされ、制御対象物１２をフローティング状態に維持するために真空ポンプ１４は連続的に作動させられ、このとき真空シリンダ１０Ａはゲージ圧力-80ないし-100ｋPaGの低圧状態とされる。なお、単位ｋPaGはゲージ圧力を示す。
【００２１】
以上のような真空シリンダ方式の重力補償機構によれば、制御対象物１２がその位置決めのために適当な駆動手段例えばボイスコイルモータ、リニアモータ等で変位させられたとしても、以下に詳細に述べるように、真空シリンダ作動器１０の出力変動については実質的にゼロとすることが可能であり、これにより制御対象物１２をナノメートルのオーダの超高精度で位置決めすることができる。
【００２２】
先ず、本発明の一層の理解のために、本発明による重力補償機構の比較例として、図２を参照して、従来の空気圧シリンダ方式の重力補償機構について説明する。なお、図２は従来の空気圧シリンダ方式の重力補償機構を示す模式図である。
【００２３】
空気圧シリンダ方式の重力補償機構は空気圧シリンダ作動器２０及びガイドコラム２１を具備し、空気圧シリンダ作動器２０及びガイドコラム２１は互いに隣接して設けられる。空気圧シリンダ作動器２０は、適当な支持台上に設置された空気圧シリンダ２０Ａと、この空気圧シリンダ２０Ａの上面側に設けられた非接触シールリング２０Ｂと、この非接触シールリング２０Ｂを通して空気圧シリンダ２０Ａに挿通させられたピストン２０Ｃとから成る。ピストン２０Ｃの外端には制御対象物２２が適宜固着され、この制御対象物２２からはガイド片２２Ａが突出させられ、ガイド片２２Ａは、ガイドコラム２１に形成された鉛直ガイド溝２１Ａに非接触状態で係合させられる。即ち、図１に示した場合と同様に、鉛直ガイド溝２２の内側壁面にはコンプレッサに連通させられた多数の圧縮空気噴出孔(図示されない)が形成され、これにより鉛直ガイド溝２１Ａ内でのガイド片２２Ａの非接触状態が保証される。
【００２４】
空気圧シリンダ２０Ａは導管２３を介してコンプレッサ２４に連通させられ、導管２３には圧力レギュレータ２５が設けられ、これにより空気圧シリンダ２０Ａ内には制御対象物２２の荷重を補償するようになった所定の高圧状態が作り出される。即ち、ピストン２０Ｃはその荷重と制御対象物２２の荷重とを相殺する押圧力で空気圧シリンダ２０Ａから押し出され、制御対象物２２はフローティング状態で保持されることになる。
【００２５】
なお、非接触シールリング２０Ｂとピストン２０Ｃとの間のシール隙間は数十μm程度とされ、制御対象物２２をフローティング状態に維持するためにコンプレッサ２４は連続的に作動させられる。
【００２６】
以上のような空気圧シリンダ方式の重力補償機構おいては、制御対象物２２がその位置決めのために適当な駆動手段例えばボイスコイルモータ、リニアモータ等で変位させられた場合、空気圧シリンダ作動器２０の出力変動については大きなものとなり、このため制御対象物２２をナノメートルのオーダの超高精度で位置決めするために空気圧シリンダ方式の重力補償機構を利用することはできない。
【００２７】
図１に示す重力補償機構で真空シリンダ１０Ａ内の容積がピストン１０Ｃの移動によって変化させられた際にピストン１０Ｃが受ける出力(ゲージ圧力)変動については、図２に示す重力補償機構で空気圧シリンダ２０Ａ内の容積がピストン２０Ｃの移動によって変化させられた際にピストン２０Ｃが受ける出力ゲージ圧力）変動よりも大幅に小さいことは容易に予想し得るが、しかし双方の出力(ゲージ圧力)変動が定量的にどの程度相違するについて明らかではない。
【００２８】
そこで、本発明者により、図１の本発明に係る真空シリンダ方式の重力補償機構及び図２の従来の空気圧シリンダ方式の重力補償機構について図３の（ａ）及び図３の（ｂ）に示すように擬似的にモデル化し、シリンダの低圧状態下及び高圧状態下での容積変動時に受けるピストンの出力変動が数値的に計算された。なお、図３の（ａ）及び図３の（ｂ）の擬似的モデルでは、ピストンはシリンダ内をシールされた状態で移動させられ、ピストンの移動に伴なうシリンダ内の圧力（ゲージ圧力）／容積変化はポリトロープ変化を受けることになる。
【００２９】
なお、ポリトロープ変化は以下の式で表される。
ＰＶｎ＝一定
ここで、Ｐはシリンダ内のゲージ圧力、Ｖはシリンダ内の容積変化、ｎは定数である。
【００３０】
詳述すると、図３の（ａ）の擬似モデルにおいて、ピストン１０Ｃが下限位置に置かれ、かつシリンダ１０Ａ内のゲージ圧力が-95ｋPaG(絶対圧力6.3kPaに相当)の低圧状態である初期条件下で、ピストン１０Ｃが下限位置からシリンダ１０Ａの容積を50％減少させるまで移動させられたとすると、シリンダ１０Ａ内のゲージ圧力は-95ｋPaGから-85ｋPaG(絶対圧力17kPaに相当)まで上昇し、このときピストン１０Ｃの出力変動、即ちシリンダ１０Ａ内のゲージ圧変動ついては約11％[(95-85)/95×100％]となる。
【００３１】
一方、図３の（ｂ）の擬似モデルにおいて、ピストン２０Ｃが上限位置に置かれ、かつシリンダ２０Ａ内のゲージ圧力が95ｋPaG(絶対圧力196kPaに相当)の高圧状態である初期条件下で、ピストン２０Ｃが上限位置からシリンダ２０Ａの容積を50％減少させるまで移動させられると、シリンダ２０Ａ内のゲージ圧力は95ｋPaGから418ｋPaG(519kPa)まで上昇し、このときピストン２０Ｃの出力変動については340％[(418-95)/95×100％]となる。
【００３２】
以上の計算結果で示されるように、図３の（ｂ）に比較して図３の（ａ）の場合に、ピストン１０Ｃの移動によるシリンダ１０Ａの容積変動に伴なうピストン１０Ｃの出力（ゲージ圧力）変動は大幅に小さいことが分かる。なお、図１に示す重力補償機構では、実際には、ピストン１０Ｃは非接触シールリング１０Ｂを通して真空シリンダ１０Ａに挿通させられるので、真空シリンダ１０Ａの容積変動に伴なうピストン１０Ｃの出力（ゲージ圧力）変動は更に小さなものとなる。
【００３３】
図１に示す重力補償機構において、重力補償力、即ち制御対象物１２をフローティング状態で保持するための力は非接触シールリング１０Ｂの設計によって決まる。これについて以下に説明する。
【００３４】
先ず、図４を参照すると、図１の非接触シールリング１０Ｂ及びピストン１０Ｃが斜視図として示され、同図において、参照符号ａは非接触シールリング１０Ｂのシール隙間を示し、参照符号Ｌは非接触シールリング１０Ｂのシール長を示す。
【００３５】
重力補償力は、真空シリンダ１０Ａ（図１参照）内で得られる低圧状態に依存し、この低圧状態は非接触シールリング１０Ｂとピストン１０Ｃとの間のシール隙間ａから流入する空気量によって決まる。即ち、空気流入量は小さければ小さい程、大きな重力補償力が得られる。従って、シール隙間ａが小さくかつシール長Ｌが大きければ、重力補償力は大きくなる。
【００３６】
図５の（ａ）のグラフは、シール隙間ａと重力補償力との関係の解析結果を示し、また図５の（ｂ）のグラフは、シール長Ｌと重力補償力との関係の解析結果を示す。これらグラフに示すように、シール隙間ａが小さくかつシール長Ｌが大きくなれば、大きな重力補償力が得られる。
【００３７】
従って、図１の重力補償機構を設計する際には、制御対象物１２の荷重に応じて、非接触シールリング１０Ｂの設計パラメータ（ａ、Ｌ）を図５（ａ）及び図５（ｂ）のグラフに基づいて適宜決めることができる。
【００３８】
図６を参照すると、本発明による重力補償機構を持つ鉛直方向位置決め装置と等価な構成を持つ実験装置が示され、この実験装置を用いて本発明による鉛直方向位置決め装置の評価実験が行われた。
【００３９】
図６の実験装置は真空シリンダ作動器３０を具備し、この真空シリンダ作動器３０は、適当な基台Ｂ上に設置された真空シリンダ３０Ａと、この真空シリンダ３０Ａの一方の端面側に設けられた非接触シールリング３０Ｂと、この非接触シールリング３０Ｂを通して真空シリンダ３０Ａに挿通させられたピストン３０Ｃとから成る。ピストン３０Ｃの直径は25mmであり、そのストローク長については30mmである。また、非接触シールリング３０Ｂのシール隙間は20μmであり、そのシール長は19mmである。なお、参照符号３１は真空シリンダ３０Ａ内の圧力を測定するための圧力センサである。
【００４０】
真空シリンダ３０Ａの他方の端面は導管３２を介して真空ポンプ３３に連通させられ、導管３２には圧力レギュレータ３４が設けられる。
【００４１】
ピストン３０Ｃの外端には制御対象物としてブロック片３５が接続される。なお、図６には図示されないが、基台Ｂの一部領域、即ちブッロク片３５が配置されれる領域には多数の圧縮空気噴出孔が形成され、これによりブロック片３５は空気層によってフローティング状態に維持される。
【００４２】
ブロック片３５を駆動するために、ボイスコイルモータ３６がブロック片３５に対してピストン３０Ｃ側とは反対側に設けられる。ボイスコイルモータ３６は基台Ｂ上に固定された永久磁石３６Ａと、この永久磁石３６Ａ内に収容された電磁コイル３６Ｂと、この電磁コイル３６Ｂとブロック片３５とを連結する連結ロッド３６Ｃとから成る。なお、ボイスコイルモータ３６の最大推力は50Nである。
【００４３】
ブロック片３５の移動量を測定するために、ボイスコイルモータ３６に隣接して非接触式高分解センサ例えばレーザ干渉計３７が設けられ、このレーザ干渉計３７は、基台Ｂ上に設けられた支持台３８上に設置される。一方、ブロック片３５上にはレーザ干渉計３７から射出されたレーザ光ＬＢをレーザ干渉計３７に反射し返すミラー３９が設置される。なお、レーザ干渉計３７の分解能は0.3nmである。
【００４４】
図６の実験装置においては、真空シリンダ作動器３０及びブロック片３５は互いに水平面上に配置されているので、ブロック片３５の重力が真空シリンダ作動器３０のピストン３０Ｃに作用することはない。真空ポンプ３３の作動時、ブロック片３５は真空シリンダ作動器３０側に所定の吸引力で吸引されるが、その吸引力を補償するようにボイスコイルモータ３６を作動させることにより、ピストン３０Ｃ及びブロック片３５を図６に示すような初期位置に維持することが可能であり、このとき実験装置は鉛直方向位置決め装置と等価なものとなる。
【００４５】
先ず、図６の実験装置において、真空シリンダ３０Ａ内の圧力変動実験が次のような条件下で行われた。即ち、ブロック片３５が初期位置に維持された状態で、真空シリンダ３０Ａ内のゲージ圧力が-20kPaGの定常圧力とになるように、真空ポンプ３３及びボイスコイルモータ３６が駆動させられ、次いでピストン３０Ｃが20mmだけ真空シリンダ３０Ａ内に押し込まれるようにボイスコイルモータ３６の駆動が制御された。このとき真空シリンダ３０Ａ内のゲージ圧力が圧力センサ３１によって測定された。なお、ピストン３０Ａの移動距離、即ちブロック片３５の移動距離についてはレーザ干渉計３７によって測定された。
【００４６】
測定結果を図７の（ａ）のタイミング図に示す。同図に示すように、ピストン３０Ｃが真空シリンダ３０Ａ内に押し込まれた際、真空シリンダ３０Ａ内のゲージ圧力は5kPaG程度上昇して、定常圧力-20kPaGに直ちに戻ることが分かる。つまり、測定結果の圧力変動は5kPaG程度である。図７の（ａ）のタイミング図にはシミュレーションに基づく解析結果も示され、解析結果の圧力変動は4kPaG程度であり、測定結果と解析結果とはほぼ一致することが分かる。
【００４７】
次いで、図６の実験装置において、真空シリンダ３０Ａ内の圧力変動実験が別の条件下で行われた。即ち、この圧力変動実験は、ブロック片３５が初期位置に維持された状態で、真空シリンダ３０Ａ内のゲージ圧力が-80kPaGの定常圧力とになるように真空ポンプ３３及びボイスコイルモータ３６が駆動された点を除けば、上述の圧力変動実験（図７の（ａ））と同じ条件下で行われた。
【００４８】
シリンダ内定常圧力が-80kPaGである場合の測定結果を図７の（ｂ）のタイミング図に示す。同図に示すように、ピストン３０Ｃが真空シリンダ３０Ａ内に押し込まれた際、真空シリンダ３０Ａ内のゲージ圧力は2kPaG程度上昇して、定常圧力-80kPaGに直ちに戻ることが分かる。つまり、測定結果の圧力変動は2kPaG程度である。図７の（ｂ）のタイミング図にはシミュレーションに基づく解析結果も示され、解析結果の圧力変動は3kPaG程度であり、測定結果と解析結果とはほぼ一致することが分かる。
【００４９】
以上の測定結果及び解析結果から、真空シリンダ３０Ａ内の圧力変動の測定結果に代えて、シミュレーションに基づく解析結果により真空シリンダ３０Ａ内の圧力変動を予測し得るということが分かる。
【００５０】
従って、図６の実験装置において、定常ゲージ圧力を変数として、圧力変動をシミュレーションに基づく解析結果により求める。即ち、真空シリンダ３０Ａ内の定常ゲージ圧力として-20kPaG、-50kPaG、-80kPaG及び-90kPaGをそれぞれ設定し、かつそれぞれの定常ゲージ圧力の設定下でピストン３０Ｃが初期位置（図６参照）から20mmだけ真空シリンダ３０Ａ内に押し込まれた後に真空シリンダ３０Ａから再び初期位置にまで引き抜かれるようにボイスコイルモータ３６の駆動が制御されるものとされ、このとき真空シリンダ３０Ａ内の圧力変動をシミュレーションにより求めた。
【００５１】
ピストン３０Ｃが真空シリンダ３０Ａ内に押し込まれた際の圧力変動のシミュレーションの解析結果を図８の（ａ）のタイミング図に示し、ピストン３０Ｃが真空シリンダ３０Ａから引き抜かれた際の圧力変動のシミュレーションの解析結果を図８の（ｂ）のタイミング図に示す。
【００５２】
図８（ａ）及び図８（ｂ）のタイミング図に示されるように、真空シリンダ３０Ａ内の定常圧力が-80kPaG以下の場合にはピストン３０Ｃの押込み時でもピストン３０Ｃの引抜き時でも真空シリンダ３０Ａ内の圧力変動は±2kPaG以下となる。即ち、ピストン３０Ｃの押込み時及び引抜き時において、ピストン３０Ｃの出力変動は実質的に排除され、このためナノメートルのオーダでのブロック片３５の位置決めが可能となる。
【００５３】
図９を参照すると、精密工作機械が斜視図として示され、この精密工作機械には、図１に示すような重力補償機構を用いる鉛直方向位置決め装置が組み込まれる。
【００５４】
図９に示すように、精密工作機械は互いに独立した前方支持構造体４０及び後方支持構造体４１を具備し、前方支持構造体４０は一対のブロック基台４０Ａ上に張り渡されたビーム４０Ｂとして構成され、同様に後方支持構造体４１も一対のブロック基台４１Ａ上に張り渡されたビーム４１Ｂとして構成される。双方のビーム４０Ｂ及び４１Ｂは所定間隔で互いに平行に延在させられる。なお、図９では、ビーム４０Ｂは図示の便宜のためにその中央部を切り欠いて示されている。
【００５５】
精密工作機械は、また、双方のビーム４０Ｂ及び４１Ｂの中央の下方に設置された水平方向位置決め装置４２を具備する。水平方向位置決め装置４２は、ＸＹＺ直角座標系のＸ軸及びＹ軸に沿って位置決め可能なＸ−Ｙテーブル４２Ａと、このＸ−Ｙテーブル４２Ａを駆動するための駆動機構４２Ｂと、Ｘ−Ｙテーブル４２Ａ上に設置された加工物搭載台４２Ｃとから成る。なお、加工物搭載台４２Ｃ上には適当な被加工物Ｗが搭載される。
【００５６】
精密工作機械は、更に、ビーム４０Ｂの内側壁面即ちビーム４１Ｂと向かい合う内側壁面に固定されたＨ形状支持板４３と、このＨ形状支持板４３によって支持された非接触式高分解センサ例えばレーザ干渉計４４と、Ｈ形状支持板４３によって支持された一対のガイドレール４５とを具備する。詳述すると、Ｈ形状支持板４３の上方側には矩形取付板４３Ａが張り渡され、この矩形取付板４３Ａの中央部にレーザ干渉計４４が取り付けられる。なお、レーザ干渉計４４の分解能は0.6nmである。
【００５７】
一方、Ｈ形状支持板４３の左右側辺の後方壁面からはそれらの上端及び下端付近で支持片４３Ｂが固着され、該左右側辺のそれぞれの上端及び下端付近の支持片４３Ｂにはガイドレール４５が支持される。なお、図９では、Ｈ形状支持板４３の左右側辺の下端付近の支持片（４３Ｂ）についてはＨ形状支持板４３に隠れて見ることはできない。
【００５８】
精密工作機械は、更に、双方のビーム４０Ｂ及び４１Ｂ間に設けられた鉛直方向位置決め装置４６を具備する。鉛直方向位置決め装置４６は支持ブラケット４７によってビーム４１Ｂに固定支持された一対の真空シリンダ作動器４６０と、この一対の真空シリンダ作動器４６０間に設けられたボイスコイルモータ４６１と、一対のガイドレール４５のそれぞれに非接触状態で係合させられる一対のガイドブロック４６２とから成る。なお、図９では、左側のガイドブロック４６２の一部だけが見えて、右側のガイドブロック（４６２）についてはＨ形状支持板４３に隠れて見ることはできない。
【００５９】
図１０を参照すると、図９の精密工作機械から抜き出した鉛直方向位置決め装置４６が一部断面詳細斜視図として示される。
【００６０】
図１０に示すように、各真空シリンダ作動器４６０は、支持ブラケット４７(図９参照)に固着された真空シリンダ４６０Ａと、この真空シリンダ４６０Ａの下面側に設けられた非接触シールリング４６０Ｂと、この非接触シールリング４６０Ｂを通して真空シリンダ２０Ｂに挿通させられたピストン４６０Ｃとから成る。各ピストン４６０Ｃの下端は、その該当ガイドブロック４６２の上端から突出した取付片４６２Ａに固着される。
【００６１】
なお、非接触シールリング４６０Ｂのシール隙間は20μmであり、そのシール長は19mmである。また、ピストン４６０Ｃの直径は40mmであり、その長さは145mmであり、そのストロークは100mmとされた。
【００６２】
なお、図１０には図示されないが、ガイドレール４５の全周囲にはコンプレッサに連通させられた多数の圧縮空気噴出孔が適宜形成され、これによりガイドレール４５に対するガイドブロック４６２の非接触状態が保証される。
【００６３】
ボイスコイルモータ４６１は、一対の真空シリンダ４６０Ａ間に固着されかつコ形状横断面を持つた永久磁石４６１Ａと、この永久磁石４６１Ａ内に配置された電磁コイル４６１Ｂとから成る。電磁コイル４６１Ｂはそこに流す電流方向に応じて上下動するように駆動される。
【００６４】
ボイスコイルモータ４６１の電磁コイル４６１Ｂの下端には逆Ｔ形状の支持体４６３が接続され、その下端側頭部は一対のガイドブロック４６２の側壁に固着される。即ち、一対のガイドブロック４６２及び支持体４６３は一対のピストン４６０Ｃから吊下された構成となる。逆Ｔ形状の支持体４６３の下端側頭部の中央正面にはレーザ干渉計４４（図９参照）と整列するように配置されたミラー４６４が取り付けられ、このミラー４６４はレーザ干渉計４４から射出させられたレーザ光を該レーザ干渉計４４に向かって反射し、これによりミラー４６４とレーザ干渉計４４との間の距離、即ち電磁コイル４６１Ｂの上下動の永久磁石４６１Ａの移動距離が計測される。
【００６５】
再び図９に戻って説明すると、ボイスコイルモータ４６１の電磁コイル４６１Ｂの安定した上下動を保証するために、一対のガイドレール４６１Ｃがコ形状横断面の永久磁石４６１Ａの開口縁に沿って設けられ、この一対のガイドレール４６１Ｃ間には、Ｔ形状横断面を持つガイド部材４６１Ｄが挿通させられて電磁コイル４６１Ｂに接続される。一対のガイドレール４６１Ｃの互いに向かい合う壁面にはコンプレッサに連通させられた多数の圧縮空気噴出孔(図示されない)が形成され、これによりガイド部材４６１Ｄは一対のガイドレール４６１Ｃに対して非接触状態で係合させられる。
【００６６】
また、図９に示すように、逆Ｔ形状の支持体４６３の下端側頭部の中央からは工具ホルダ４６５が吊下させられ、この工具ホルダ４６５には制御対象物として適当な工具Ｔが保持される。
【００６７】
図９及び図１０には図示されないが、以上に述べた精密工作機械においては、一対の真空シリンダ４６０Ａは圧力レギュレータを介して真空ポンプに連通させられる。なお、真空ポンプの排気速度は4m2/hであり、また各真空シリンダ４６０Ａ内の定常圧力は-80ｋPaGとされた。
【００６８】
図９及び図１０の精密工作機械においては、一対の真空シリンダ作動器４６０は重力補償機構を構成し、この重力補償機構により、一対のピストン４６０Ｃ、電磁コイル４６１Ｂ、ガイド部材４６１Ｄ、一対のガイドブロック４６２、一対の取付片４６２Ａ、支持体４６３、ミラー４６４、工具ホルダ４６５及び工具Ｔから成る可動部の荷重が補償されてフローティング状態とされる。このようなフローティング状態下でボイスコイルモータ４６１を駆動することにより、工具Ｔの鉛直方向の位置決めをナノメートルのオーダで行うことが可能となる。なお、上述の可動部の荷重は16kgである。
【００６９】
図９及び図１０の精密工作機械の重要な特徴事項として、その全体構造がボイスコイルモータ４６１の駆動軸線に対して対称とされている点が挙げられる。このような対称構造により、例えば、温度変化に伴なう構成部品の寸法変化により工具Ｔの鉛直方向の位置決め精度に与える影響を最小に抑えることが可能となる。
【００７０】
また、図９及び図１０の精密工作機械の別の重要な特徴事項として、ガイド部材４６１Ｄ及びガイドブロック４６２が圧縮空気を用いて非接触状態でガイドされる点も挙げられる。即ち、ガイド部材４６１Ｄ及びガイドブロック４６２が非接触状態でガイドされることから、摩擦熱の発生が抑えられ、これにより工具Ｔの鉛直方向の位置決め精度に与える摩擦熱の影響が排除されることになる。
【００７１】
また、図９及び図１０の精密工作機械の更に別の重要な特徴事項として、レーザ干渉計４４及び一対のガイドレール４５がＨ形状支持板４３によって前方支持構造体４０側に支持されるのに対して、一対の真空シリンダ作動器４６０及びボイスコイルモータ４６１が支持ブラケット４７によって後方支持構造体４１側に支持される点も挙げられる。このような構成によれば、ボイスコイルモータ４６１の作動時に発生する振動がレーザ干渉計４４に及ぶことが阻止されるので、かかる振動の減衰を待つことなくレーザ干渉計４４による測定を速やかに行うことができる。
【００７２】
図９及び図１０の精密工作機械においては、工具Ｔを位置決めするための駆動モータとして、ボイスコイルモータ４６１が使用されるが、その他の駆動モータとして、例えばリニアモータを利用することができる。
【００７３】
図９及び図１０の精密工作機械おいて、工具Ｔを鉛直方向の所定の停止位置から2nmずつ上方に移動させた後に元の停止位置まで2nmずつ下方に移動させる実験が実際に行われ、この実験結果を図１１（ａ）及び図１１（ｂ）のグラフに示す。
【００７４】
図１１の（ａ）のタイミング図が鉛直方向の所定の停止位置に置かれているかれている際にレーザ干渉計４４から得られる測定値を示す。図１１（ａ）のタイミング図に示すように、レーザ干渉計４４からの測定値はほぼ±1.5nmの範囲内で変化していることが分かる。このことは、図９及び図１０の精密工作機械において、工具Ｔに対する停止性能が±1.5nmであることを示している。なお、図１１の（ａ）のタイミング図において、工具位置0nmに引かれた実線は工具Ｔが本来停止されるべき停止位置を示している。
【００７５】
図１１の（ｂ）のタイミング図は、工具Ｔを上述の所定の停止位置から2nmずつ上方に移動させた後に元の停止位置まで2nmずつ下方に移動させた際にレーザ干渉計４４から得られる測定値を示す。図１１の（ｂ）のタイミング図において、階段状の実線は工具Ｔが本来辿るべき移動軌跡を示しいる。図１１の（ｂ）のタイミング図に示すように、工具Ｔが2nmの位置決め分解能で位置決めできることが分かる。
【００７６】
なお、図９及び図１０では、本発明による鉛直方向位置決め装置を精密工作機械に適用した例が示されているが、本発明による鉛直方向位置決め装置は精密工作機械だけでなく半導体製造設備及び各種測定器等にも適用できる。
【００７７】
上述した実施形態では、非接触式高分解センサとしてレーザ干渉計４４が用いられているが、その他のセンサ例えばリニアエンコーダを用いることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】本発明による真空シリンダ方式の重力補償機構の一実施形態を示す模式図である。
【図２】従来の空気圧シリンダ方式の重力補償機構を示す模式図である。
【図３】（ａ）は、図１の重力補償機構の擬似的モデルにおいて、低圧状態下のシリンダ内がピストンの移動により圧力／容積変化を受けた際のピストンの出力(ゲージ圧力)変動を説明する説明図であり、（ｂ）は、図２の重力補償機構の擬似的モデルにおいて、高圧状態下のシリンダ内がピストンの移動により圧力／容積変化を受けた際のピストンの出力(ゲージ圧力)変動を説明する説明図である。
【図４】図１の非接触シールリング及びピストンを示す斜視図であって、非接触シールリングのシール隙間及びシール長を説明する説明図である。
【図５】（ａ）は、図１の重力補償機構の非接触シールリングのシール隙間と重力補償力との関係を示すグラフであり、（ｂ）は、図１の重力補償機構の非接触シールリングのシール長と重力補償力との関係を示すグラフである。
【図６】本発明による重力補償機構を持つ鉛直方向位置決め装置と等価な構成を持つ実験装置を示す概略図である。
【図７】（ａ）は、図６の実験装置で行われた１つの真空シリンダ圧力変動実験の測定結果及びシミュレーションの解析結果を示すタイミング図であり、（ｂ）は、図６の実験装置で行われた別の真空シリンダ圧力変動実験の測定結果及びシミュレーションの解析結果を示すタイミング図である。
【図８】（ａ）は、図６の実験装置で行われた更に別の真空シリンダ圧力変動のシミュレーションの解析結果を示すタイミング図であり、（ｂ）は、図６の実験装置で行われた更に別の真空シリンダ圧力変動のシミュレーションの解析結果を示すタイミング図である。
【図９】本発明による重力補償機構を用いる鉛直方向位置決め装置を組み込んだ精密工作機械の斜視図である。
【図１０】図９の精密工作機械から抜き出した鉛直方向位置決め装置の一部断面詳細斜視図である。
【図１１】（ａ）は、図１０の精密工作機械で工具が鉛直方向の所定の停止位置に置かれている際にレーザ干渉計から得られる測定値を示すタイミング図であり、（ｂ）は、図１０の精密工作機械で工具を所定の停止位置から2nmずつ上方に移動させた後に元の停止位置まで2nmずつ下方に移動させた際にレーザ干渉計から得られる測定値を示すタイミング図である。
【符号の説明】
【００７９】
１０：真空シリンダ作動器
１１：ガイドコラム
１１Ａ：鉛直ガイド溝
１０Ａ：真空シリンダ
１０Ｂ：非接触シールリング
１０Ｃ：ピストン
１２：制御対象物
１２Ａ：ガイド片
２０：空気圧シリンダ作動器
２０Ａ：空気圧シリンダ
２０Ｂ：非接触シールリング
２０Ｃ：ピストン
２１：ガイドコラム
２１Ａ：鉛直ガイド溝
２２：制御対象物
２２Ａ：ガイド片
ａ：シール隙間
Ｌ：シール長
３０：真空シリンダ作動器
３０Ａ：真空シリンダ
３０Ｂ：非接触シールリング
３０Ｃ：ピストン
３１：圧力センサ
３２：導管
３３：真空ポンプ
３４：圧力レギュレータ
３５：ブロック片
３６：ボイスコイルモータ
３６Ａ：永久磁石
３６Ｂ：電磁コイル
３７：レーザ干渉計
３８：支持台
３９：ミラー
ＬＢ：レーザ光
４０：前方支持構造体
４０Ａ：ブロック基台
４０Ｂ：ビーム
４１：後方支持構造体
４１Ａ：ブロック基台
４１Ｂ：ビーム
４２：水平方向位置決め装置
４２Ａ：Ｘ−Ｙテーブル
４２Ｂ：駆動機構
４２Ｃ：加工物搭載台
Ｗ：被加工物
４３：Ｈ形状支持板
４３Ａ：矩形取付板
４３Ｂ：支持片
４４：レーザ干渉計
４５：ガイドレール
４６：鉛直方向位置決め装置
４６０：真空シリンダ作動器
４６０Ａ：真空シリンダ
４６０Ｂ：非接触シールリング
４６０Ｃ：ピストン
４６１：ボイスコイルモータ
４６１Ａ：永久磁石
４６１Ｂ：電磁コイル
４６１Ｃ：ガイドレール
４６１Ｄ：ガイド部材
４６２：ガイドブロック
４６２Ａ：取付片
４６３：支持体
４６４：ミラー
４６５：工具ホルダ
４７：支持ブラケット
Ｔ：工具
【図１】
0005067792.tif 000002
【図２】
0005067792.tif 000003
【図３】
0005067792.tif 000004
【図４】
0005067792.tif 000005
【図５】
0005067792.tif 000006
【図７】
0005067792.tif 000007
【図８】
0005067792.tif 000008
【図９】
0005067792.tif 000009
【図１０】
0005067792.tif 000010
【図１１】
0005067792.tif 000011
【図６】
0005067792.tif 000012