(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
可動部と固定部の間の軸受隙間に気体を噴出し、気体膜によって前記可動部を支持する気体軸受において、
前記軸受隙間に気体を噴出する気体噴出面を有し、前記可動部及び前記固定部とは別部材で構成され、前記可動部及び固定部のうちの一方にボルト締結により結合するための軸受パッド取付用穴が形成された軸受パッドと、
前記軸受隙間に突出し、対向する前記固定部及び前記可動部のうちの他方との間に０．１μｍ以上４０μｍ以下のスクイーズ隙間を形成する突出面を有し、前記気体噴出面から離間して、前記軸受パッドに取り付けられた突出部位と、を備えたことを特徴とする気体軸受。
【請求項２】
前記突出部位は、前記気体噴出面の両側に同数配置されていることを特徴とする請求項１に記載の気体軸受。
【請求項３】
前記突出面は、溝によって格子状の複数の領域に分断されていることを特徴とする請求項１または２に記載の気体軸受。
【請求項４】
可動部と固定部の間の軸受隙間に気体を噴出し、気体膜によって前記可動部を支持する気体軸受において、
前記軸受隙間に気体を噴出する気体噴出面を有する軸受パッドと、
前記軸受隙間に突出し、対向する前記固定部及び前記可動部のうちの一方との間に０．１μｍ以上４０μｍ以下のスクイーズ隙間を形成する突出面を有し、前記可動部及び前記固定部とは別部材で構成され、前記気体噴出面から離間して前記可動部及び前記固定部のうちの他方に取り付けられた突出部位と、を備え、
前記突出面は、前記突出部位の高さよりも浅い溝によって格子状に複数の領域に分断されていることを特徴とする気体軸受。
【請求項５】
前記突出面の各領域は、前記可動部を含む振動系の固有振動数に応じて決められた周長を有することを特徴とする請求項４に記載の気体軸受。
【請求項６】
前記突出面は、潤滑性を有することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の気体軸受。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれか１項に記載の気体軸受と、
前記気体軸受によって支持された位置決めステージと、を有することを特徴とする位置決め装置。
【請求項８】
請求項１ないし６のいずれか１項に記載の気体軸受と、
軸受ハウジングと、
前記軸受ハウジングに配置され、前記気体軸受によって回転自在に支持された回転軸と、を備えたことを特徴とする位置決め装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、精密工作機械、精密測定器あるいは半導体露光装置などに搭載される位置決め装置に用いられる気体軸受に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
精密工作機械、精密測定器あるいは半導体露光装置などに搭載される位置決め装置を高性能化するためには、位置決め対象物を支持する軸受の高性能化が必要である。位置決め精度の要求レベルがナノメートルレベルの場合は、一般的に摩擦レス、発塵レス、低発熱といった特徴をもつ気体軸受が用いられている。
【０００３】
しかし、気体軸受の場合、位置決め対象物に振動などの外力が加わると、位置決めが不安定になり、位置決め対象物の振動が収束するまでに時間がかかってしまう。また、気体軸受と位置決め対象物からなる振動系の固有振動数に等しい周波数で減衰特性が負であると自励振動を起こすため、位置決め装置の高性能化が困難であった。
【０００４】
従来、減衰特性を向上させるためには、特許文献１に開示されたように、軸受内に水や油などの非圧縮性流体を介在させ、この非圧縮性流体の粘性を利用したものがある。この構成において、ガイド部材である固定部は、可動部から噴出される圧縮空気によって非接触で保持されている。固定部には凹部が形成され、可動部からの凸部の先端面と凹部の底面との間に非圧縮性流体が介在している。この非圧縮性流体がダンパとして機能し、減衰特性を向上させる。
【０００５】
また、特許文献２に開示されたように、固定部であるスライド軸と可動部との間に静電反発力を発生させ、気体軸受の減衰特性の向上を図っているものもある。これは、気体軸受によって支持された可動部と固定部に互いに対向して配置された電極と、固定部と可動部の空隙の変位を検出するセンサからなる構成である。このセンサは、固定部と可動部との空隙の変位を検出し、電極は、センサによって検出した残留振動の位相と逆位相の静電吸引力を発生する。この静電吸引力を制御することで振動の抑止を図っている。
【０００６】
その他に、特許文献３に開示されたように、静圧気体軸受の中央部に非通気性のランド部を有することで、スクイーズ効果による減衰特性の向上を図るものもある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平４−１０７３２１号公報
【特許文献２】特開平５−３００７２２号公報
【特許文献３】特開平１０−１６９６５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に開示された構成では、非圧縮性流体による軸受面への汚染や、非圧縮性流体の摩擦により、発熱が大きくなってしまうという問題点があった。
【０００９】
また、特許文献２の構成では、固定部と可動部との間は非接触で支持し、低発熱であるといった長所を有しているが、その反面、振動を制御するために、電極やセンサなどの要素を備えた構成になり、構造が複雑になるという問題点があった。
【００１０】
特許文献３に開示された構成では、非通気性のランド部が軸受面中央部に配置された構造であるため、特許文献１および特許文献２の構成より簡易な構造で減衰特性が改善されるという長所はある。しかし、非通気性のランド部と通気性のある軸受面が同一面内で、連続的につながっているため、通気性のある軸受面から非通気性のランド部に気体が流入してしまう。その結果、十分なスクイーズ効果が得られず、減衰特性が不足するといった問題点があった。
【００１１】
本発明は、従来よりも簡易な構造で、高い減衰特性を実現できる気体軸受、及び気体軸受を備えた位置決め装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するため、本発明の気体軸受は、可動部と固定部の間の軸受隙間に気体を噴出し、気体膜によって前記可動部を支持する気体軸受において、前記軸受隙間に気体を噴出する気体噴出面を有し、前記可動部及び前記固定部とは別部材で構成され、前記可動部及び固定部のうちの一方にボルト締結により結合するための軸受パッド取付用穴が形成された軸受パッドと、前記軸受隙間に突出し、対向する前記固定部及び前記可動部のうちの他方との間に０．１μｍ以上４０μｍ以下のスクイーズ隙間を形成する突出面を有し、前記気体噴出面から離間して、前記軸受パッドに取り付けられた突出部位と、を備えたことを特徴とする。
また、本発明の気体軸受は、可動部と固定部の間の軸受隙間に気体を噴出し、気体膜によって前記可動部を支持する気体軸受において、前記軸受隙間に気体を噴出する気体噴出面を有する軸受パッドと、前記軸受隙間に突出し、対向する前記固定部及び前記可動部のうちの一方との間に０．１μｍ以上４０μｍ以下のスクイーズ隙間を形成する突出面を有し、前記可動部及び前記固定部とは別部材で構成され、前記気体噴出面から離間して前記可動部及び前記固定部のうちの他方に取り付けられた突出部位と、を備え、前記突出面は、前記突出部位の高さよりも浅い溝によって格子状に複数の領域に分断されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
軸受隙間への突出面を気体噴出面から離れた部位に設けることで、安定したスクイーズ空気膜を形成し、ダンパ効果による高い減衰特性を実現できる。
【００１４】
また、気体軸受に支えられる物体を含む振動系の固有振動数に応じて、突出面の周長を決定することで、効率的に減衰特性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施例１による気体軸受を示すもので、（ａ）はその断面図、（ｂ）は軸受面における軸受パッドと突出面の配置を示す平面図である。
【図２】実施例２による気体軸受を示すもので、（ａ）はその断面図、（ｂ）は軸受面における軸受パッドと突出面の配置を示す平面図である。
【図３】実施例３による気体軸受を示すもので、（ａ）はその断面図、（ｂ）は軸受面における軸受パッドと突出面の配置を示す平面図である。
【図４】実施例４による気体軸受を示すもので、（ａ）はその断面図、（ｂ）は（ａ）の矢印Ａ方向からみた端面図である。
【図５】実施例５による気体軸受の軸受パッドのみを示すもので、（ａ）はその断面図、（ｂ）は気体噴出面と突出面の配置を示す平面図である。
【図６】スクイーズ隙間が５〜４０μｍの場合における減衰特性を示すグラフである。
【図７】突出面の周長が４０〜２００ｍｍの場合における減衰特性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１に示すように、可動部１に軸受パッド２を取付けて、軸受パッド２の気体噴出面３から、可動部１と固定部４との間の軸受隙間５に噴出された気体により形成した高圧の気体膜により、可動部１を非接触で支持する。可動部１は図示しない位置決め装置の位置決めステージと一体である。可動部１は、気体噴出面３から離間した部位において固定部４に対向する突出面６を有し、突出面６は可動部１から軸受隙間５に突出し、固定部４との間に０．１μｍ以上４０μｍ以下の隙間（スクイーズ隙間）を形成する。
【００１７】
可動部１に外乱が加わると、突出面６と固定部４の隙間にスクイーズ効果が発生する。スクイーズ効果とは、対向する２面の、面と垂直方向の周期的相対運動により、隙間内の圧力の時間平均が周囲の圧力より高くなることである。特に、気体の場合には、圧縮性により隙間変動に対して位相遅れを起こすことから、高周波領域において、減衰特性が高くなる。通常、スクイーズ効果を利用するためには、圧電素子などの駆動手段により、能動的にスクイーズ空気膜を発生させるが、０．１μｍ以上４０μｍ以下の隙間を構成することで、高周波領域において、実用的な減衰効果が得られることを本願発明者は見出した。
【００１８】
また、気体軸受と位置決め対象物（位置決めステージ）からなる振動系の固有振動数に等しい周波数で減衰特性が負であると、気体軸受が自励振動を起こす課題に対しても、前述のスクイーズ空気膜による減衰特性の向上によって対応できる。
【００１９】
図６は、突出面６と固定部４との隙間の気体が空気であって、突出面６の面積が５０×５０ｍｍ、突出面６と固定部４との距離（スクイーズ隙間）が５〜４０μｍにおける減衰特性を示すグラフである。図６では、減衰率は空気の圧縮性に起因する面と垂直方向の相対速度に依存するため、減衰効果を減衰率×周波数として表している。
【００２０】
図６からわかるように、スクイーズ隙間が広いと、スクイーズ空気膜による減衰効果が低くなる。実用的な減衰効果を得る減衰率×周波数の値を０．１Ｎ／μｍ／ｃｍ２とするためには、スクイーズ隙間を４０μｍ以下としなければならない。
【００２１】
なお、製作上の問題から０．１μｍ以上のスクイーズ隙間としているが、製作上の問題が解決されれば、突出面６と固定部４あるいは可動部１が接触しない範囲で、スクイーズ隙間は狭い方が減衰効果は高い。
【００２２】
突出面６の周長は、気体軸受に支えられる物体である位置決めステージを含む振動系の固有振動数に応じて決められる。図７は、軸受隙間５の寸法を固定し、突出面６の周長を４０〜２００ｍｍと変えた場合の減衰特性を示すグラフである。
【００２３】
図７からわかるように、突出面６の周長を短くすると、減衰効果が得られる周波数が高くなるように変化している。従って、気体軸受を含む振動系の固有振動数に等しい周波数で減衰効果を大きくするように、突出面６の周長を適切に設定すると、発生した振動を短時間で収束させることができる。
【００２４】
突出面６は、潤滑性を有するとよい。突出面６を潤滑性材料で形成することで、耐かじり性を強化することができる。これにより、供給気体の停止や、想定以上の大荷重がかかった場合などの突発トラブルによるタッチダウン時に、かじりを防ぐことができる。ここで、潤滑性材料とは、例えば、グラファイトが接着などの手段により固定されたもの、スパッタリングやメッキなどの手段により突出面にＤＬＣや二硫化モリブデンがコーティングされたもの、などである。また、気体軸受に設けられた気体噴出面は、多孔質絞り、自成絞り、オリフィス絞り、スロット絞りのいずれの絞りで構成された面であってもよい。
【実施例１】
【００２５】
図１は実施例１を示すもので、可動部１に軸受パッド２が取付けられており、加圧気体が軸受パッド２の気体噴出面３から固定部４に向かって噴出し、可動部１は軸受隙間５を介して非接触で支持されている。突出面６は、可動部１から突出しており、固定部４に対向している。突出面６と固定部４との距離（スクイーズ隙間）は、０．１μｍ以上４０μｍ以下になるように構成されている。本実施例では、実装の容易性から、図１（ａ）に示すように、突出面６は気体噴出面３と同一平面とし、（ｂ）に示すように、両者は互に間隔をおいて隣接して配置されている。
【００２６】
可動部１に外乱が加わると、突出面６と固定部４の隙間にスクイーズ空気膜ができる。このスクイーズ空気膜は、突出面６に対して垂直方向の相対速度に比例する圧力を発生する。これは、密閉した圧縮性流体に高周波の体積変動を起こさせた状態と同様の効果を奏し、これにより、減衰特性が向上する。
【実施例２】
【００２７】
図２は実施例２を示す。実施例１と同様に、可動部１に軸受パッド２が取り付けられており、加圧気体としての圧縮空気が軸受パッド２の気体噴出面３から固定部４に向かって噴出し、可動部１は軸受隙間５を介して非接触で支持している。突出面６は、固定部４から突出し、可動部１に対向して配置され、可動部１との距離（スクイーズ隙間）は、０．１μｍ以上４０μｍ以下になるように構成されている。
【００２８】
実施例１では、突出面と固定部との隙間にスクイーズ空気膜を発生させる構成であるが、本実施例では、突出面と可動部の隙間にスクイーズ空気膜を発生させることで、減衰特性を向上させる。
【実施例３】
【００２９】
図３は実施例３を示す。実施例１と同様に、可動部１に軸受パッド２が取付けられており、加圧気体が軸受パッド２の気体噴出面３から固定部４に向かって噴出し、可動部１は軸受隙間５を介して非接触で支持されている。突出面６は、可動部１から突出し、格子状の領域に分断する溝６ａが形成されている。
【００３０】
溝６ａによって格子状に分割された突出面６の各領域は、それぞれ独立した突出面として軸受隙間５の周囲圧に囲まれるように形成され、突出面６と固定部４との距離（スクイーズ隙間）は、０．１μｍ以上４０μｍ以下になるように構成されている。
【００３１】
本実施例は、必要な周長を有する突出面を製作することが容易であり、なおかつ高密度に突出面を配置できるために、単位面積当たりの減衰特性が高いという利点がある。
【実施例４】
【００３２】
図４は実施例４を示す。これは、可動部である回転軸１７と固定部である軸受ハウジング１８から構成され、加圧気体が気体噴出面１３から、回転軸１７に向かって噴出し、回転軸１７は軸受隙間１５を介して回転自在に支持されている。図４（ａ）に示すように、ラジアル方向の突出面１６ａおよびスラスト方向の突出面１６ｂは、気体噴出面１３から離間した部位において独立して軸受ハウジング１８から突出し、それぞれ軸受隙間１５の周囲圧に囲まれている。
【００３３】
突出面１６ａは、回転軸１７のラジアル方向の減衰特性を高くするために配置され、突出面１６ｂは、回転軸１７のスラスト方向の減衰特性を高くするために配置されている。図４（ｂ）に示すように、突出面１６ａは軸受ハウジング１８の内径に沿って４等分に配置してあるが、回転軸１７に対して対称に構成されていなくても構わない。また、突出面１６ａ、１６ｂの形状と数は、必要な減衰効果を得る周波数に対応した周長を得るように決定されている。
【００３４】
本実施例において、回転軸１７に外乱が加わると、回転軸１７の径方向の相対速度に比例する圧力が発生するので、突出面１６ａと回転軸１７の隙間に介在する気体がダンパとして機能し、ラジアル方向の減衰特性が高くなる。また、スラスト方向も突出面１６ｂによって同様の効果を得ることができ、回転軸１７の振動を抑制することができる。
【実施例５】
【００３５】
図５は実施例５を示す。加圧気体としての圧縮空気が軸受パッド２２の気体噴出面２３から噴出しており、突出面２６は、軸受パッド２２に取付けられ、気体噴出面２３から離間した部位において軸受隙間の周囲圧に囲まれている。軸受パッド２２は、軸受パッド取付用穴２９を介してボルト締結によって図示しない可動部と結合する。
【００３６】
実装の容易性から、図５（ａ）に示すように気体噴出面２３と突出面２６は同一平面としており、突出面２６は、同図（ｂ）に示すように軸受パッド取付用穴２９の間に設けられている。気体噴出面２３と突出面２６を同一平面としているため、製作が容易でかつ狭いスペースで高い減衰効果が得られる。
【００３７】
本実施例における減衰効果を図６のグラフより求めると、スクイーズ隙間が５μｍで、８×８ｍｍの突出面が左右に４つずつあるため、最大で３．７Ｎ／μｍとなる。すなわち、スクイーズ隙間が４０μｍで、５０×５０ｍｍの突出面が１つのものより減衰効果を高くすることができる。なお、突出面２６は、気体噴出面２３と同等の加工特性をもつ材質が望ましい。
【符号の説明】
【００３８】
１    可動部
２、２２    軸受パッド
３、１３、２３    気体噴出面
４    固定部
５、１５    軸受隙間
６、１６ａ、１６ｂ、２６    突出面
１７    回転軸
１８    軸受ハウジング
【図１】
0005404296.tif 000002
【図２】
0005404296.tif 000003
【図３】
0005404296.tif 000004
【図４】
0005404296.tif 000005
【図５】
0005404296.tif 000006
【図６】
0005404296.tif 000007
【図７】
0005404296.tif 000008