機械がミクロンではなくナノメートル単位で動く精密工学の最先端では、通常の機械的接触が敵となります。転がり軸受はボールからナノスケールの痕跡を残し、滑り面はスティックスリップを受け、最終的にはあらゆる接触面が摩耗します。-エアベアリングは表面をまったく接触させないことで問題を解決します。花崗岩はこの技術の理想的なパートナー材料であることが証明されています。これらは共に、現代の計測学と半導体動作システムの基礎を形成します。この記事では、花崗岩のエアベアリングがどのように機能するか、従来の誘導技術との比較、その下の花崗岩に何を要求するのか、そしてこれらのシステムがどこで利益を得ているのかについて説明します。
動作原理: 空気の膜に乗って飛行する
エア ベアリングは、通常厚さ 3 ～ 10 マイクロメートルの薄い加圧空気膜上で可動コンポーネントを支持します。固体接触がないため、古典的な意味での摩擦、摩耗粒子、スティックスリップはありません。-耐荷重は、リストリクターを介してギャップに注入される加圧空気によって決まります。ベアリングが表面に近づくと、フィルム内の圧力が上昇して押し戻され、負荷が変化してもギャップを安定に保つ自己調整剛性が生成されます。-
2 つのデザインが主流です。オリフィス補償ベアリング-では、空気は正確に開けられた穴から入り、機械加工された溝を通って隙間に広がります。多孔質-補償ベアリングでは、空気が多孔質プラグまたは多孔質表面層を通過し、ベアリング面全体に圧力をより均一に分散します。これにより、より高い減衰と局所的な圧力ピークに対する優れた耐性が得られますが、より要求の厳しい製造が必要となります。どちらの方式を使用する場合でも、対向面の幾何学的品質によって、フィルムが全移動範囲にわたってどの程度均一に動作するかが決まります。-
まさにここが花崗岩の登場です。ベアリング パッドはスチール、セラミック、または花崗岩で作ることができますが、ガイド レール、ベース プレート、ステージ デッキなど、ベアリング パッドが通過する表面は平らで滑らか、安定していて非磁性でなければなりません。-精度花崗岩のエアベアリングこのシステムは、ラップされた花崗岩のレールと一致するベアリング パッドを組み合わせることで、数百ミリメートルの移動にわたってエア ギャップをミクロン以内に維持します。これは、通常の機械加工された表面では耐えられないことです。
花崗岩が天然のカウンターサーフェスである理由-
きめの細かい黒御影石は、エアベアリング用途に珍しい組み合わせの特性をもたらします。-熱膨張が低いため、室温が変動してもエアギャップの形状が安定します。内部の減衰機能が振動を素早く吸収します。空気膜は硬いものの、励起してはいけない共振を持っているため、これは重要です。花崗岩は、従来の機械加工をはるかに超えた平面度（広い面積にわたってサブ-}ミクロン）までラッピングできるため、ベアリング パッドがフィルムを押しつぶすような山や谷に遭遇することがありません。また、非磁性であり、腐食しない-ため、半導体のクリーンルームや計測研究所では非常に高く評価されています。また、花崗岩は錆びないため、露出したガイド表面は最小限のメンテナンスで何十年も正確な寸法を保ちます。
材料の組み合わせは別の意味で重要です。ベアリング パッドの摺動面も花崗岩であることが多く、または花崗岩に接触しても凝着摩耗やかじりのないセラミックが選択されます。したがって、-花崗岩系-上で一致した花崗岩は、温度変化のあらゆる度合いで互いに争う異なる材料の積み重ねではなく、熱的かつ機械的に一貫した 1 つの構造として動作します。
メカニカルガイドウェイとの比較
従来の再循環ボールまたはローラー ガイドウェイは、安価で堅牢で、統合が簡単であるため、一般的な工作機械のデフォルトとして使用され続けています。{0}しかし、その限界はまさにエア ベアリングが輝き始める場所に現れます。
- 表面のサイン。ボールとローラーは、それ自体の本体から移動軸に微細な欠陥を伝達し、ナノメートル範囲の周期誤差を生じます。エアフィルムの内部には可動部品がないため、動きには何も影響しません。
- スティック-スリップ。非常に低速では、回転要素と滑り要素がマイクロジャンプで動きます。-エア ベアリングは速度ゼロからスムーズに動きます。これは計測における等速スキャンに不可欠です。-
- 摩耗と汚れ。接触ベアリングは粒子を生成するため、潤滑が必要です。どちらも光学部品の製造や半導体プロセスでは受け入れられません。エア ベアリングは本質的にクリーンでオイルフリーです。-
- 減衰力と直進性。 -適切に設計された空気膜は、転動体よりもはるかに優れた振動減衰を実現し、移動の直進性はベアリング自体ではなく花崗岩レールの形状によって決まります。
トレードオフは現実のものです。エア ベアリングには清潔で乾燥した圧縮空気の供給が必要であり、転がり接触よりも単位面積あたりの負荷が低く、剛性は有限です。重切削機械にとって、これらは決定的な反対意見です。測定機または検査機にとって、これらはまさに適切なエンジニアリング上の妥協点です。
機械式リニアモーターステージとの比較
リニアモーターはベルト、ネジ、回転部品を排除し、高速でスムーズな非接触作動を実現します。ただし、リニアモーターステージは、エアベアリングと組み合わせない限り、依然として機械的なガイドが必要です。リニア モーターがボール ガイドウェイ上で動作する場合、モーターのスムーズな出力はガイドウェイの表面の痕跡やスティック スリップによって損なわれるため、アクチュエータの動作品質は最後の 1 センチメートルで無駄になります。{2}}
リニアモーターとのペアリングエアベアリングステージ花崗岩の上に建てられた建物はそのループを閉じます。モーターは非接触の力を提供し、空気膜は非接触のガイドを提供し、花崗岩の構造は両方に熱的に安定で十分に減衰されたプラットフォームを提供します。-その結果、サブ-ミクロンの真直度、ナノメートル-レベルの速度安定性、そしてパーティクルの発生がないステージが実現しました。この組み合わせは、エンコーダがどれほど優れていても、ボールガイド式ステージでは達成できません。-
花崗岩が提供しなければならないもの: 精度の要件
エアベアリングの性能は、最終的には幾何学的な問題になります。膜の厚さはわずか数マイクロメートルであるため、花崗岩のガイド表面は次のような厳しい仕様を満たす必要があります。
- 平面性と真直性。エア ベアリング ステージ用の大きな花崗岩のベース プレートは通常、1 桁のミクロンの平面度まで研磨されます。一方、長いガイド レールは全長にわたってミクロン レベルの真直度を維持する必要があります。これは、レールの曲率が移動キャリッジのピッチ、ロール、ヨー誤差に直接変換されるためです。{2}
- 表面仕上げと質感。ラッピングされた表面は、膜の挙動を安定させるために十分に滑らかである必要があり、その微細なテクスチャーがギャップから圧力を排出する漏れ経路として機能してはなりません。-花崗岩の微細な閉じた粒子構造は、この要件に自然に適合します。
- 対向するレール間の平行度。 2 つのレール構成では、高さと平行度が一致している必要があります。そうでないと、キャリッジがねじれ、フィルム ギャップがパッドごとに異なります。
- データム関係。モーター、エンコーダー、ベアリングの取り付け基準は、厳しい公差内で互いに位置合わせする必要があり、これらの基準は花崗岩自体に機械加工またはラップ加工されるため、ステージ全体が 1 つの一貫した基準として統合されます。
- 長期にわたる安定性。花崗岩は応力を軽減し、内部の完全性を考慮して選択する必要があります。-隠れた残留応力を持つブロックは、数か月にわたって顕微鏡的に変化し、エアギャップの形状を静かに変化させます。
このため、エア ベアリング システムは、別のサプライヤーから花崗岩の部品を組み立てるのではなく、ブロックの選択、鋸引き、機械加工、ラッピング、計測検査といった花崗岩のプロセス全体を管理するメーカーから調達する必要があります。
グラナイトエアベアリングが使用される場所
座標測定機は最も初期に大規模に導入されたものの 1 つです。橋またはガントリーは、ラップされた花崗岩のベース上のエア ベアリング上を滑動し、基準面とベアリングの対向面を 1 つの構造に結合します。-半導体装置はその技術をさらに推し進めました。リソグラフィーステージ、ウェーハ検査システム、計測ツールはすべて、花崗岩ベース上のエアベアリングガイドを利用して、製品付近で粒子を発生させることなく、ナノメートルの再現性でウェーハと光学部品を位置決めします。
他のアプリケーションも同じロジックに従います。狭いスポット位置を保持する必要があるレーザー加工ヘッドは、花崗岩-ベースのエア ベアリング システム上を移動します。ダイヤモンド旋盤は、低速で完全に安定した送り速度でのフェーシング加工に使用されます。フラット パネル ディスプレイの検査、光学スキャン デバイス、実験室グレードのモーション シミュレータはすべて、力のリニア モーター、誘導のエア ベアリング、安定性の御影石という同じ 3 つの機能を利用しています。エンジニアが独自の痕跡を残さないモーションが必要な場合には、このアーキテクチャが登場します。
サプライヤーの選択と前進
エア ベアリング システムの品質はその下にある花崗岩と同程度であるため、調達の会話は花崗岩の機能から始める必要があります。利用可能なブロック サイズ、社内のラッピング能力、平面度や真直度を証明するために使用される検査装置、ベアリング パッド、モーター、エンコーダ レイアウトの周囲の基本形状を共同設計する意欲などです。{0}{1}{1}有能な花崗岩パートナーは、統合を簡単にするデータム スキーム、インサートの配置、および表面仕上げクラスを提案し、既知の形状からアセンブリを開始できるように測定レポートを含むベースを提供します。
新しい計測機械、半導体モーション モジュール、または非接触で移動する必要があるステージを開発している場合は、構造レイアウトがまだ開いている早い段階で花崗岩のメーカーに協力してもらいます。荷重、移動量、ベアリング パッドのレイアウトに関する短い交換で、通常、統合時間を短縮し、支払ったナノメートル レベルの性能を保護する基本設計が得られます。外形図と要件を送信し、工場に提案を依頼してください。花崗岩は、エア ベアリングが飛行するかどうかを決定する静かなコンポーネントです。彼らの理論上のベスト。