(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物である流体静圧軸受けが載置される固定ベースと；
前記流体静圧軸受けの所定方向の一側に配置された所定質量を有する移動体と；
前記移動体を前記所定方向に案内する案内機構と；
前記移動体に取り付けられ該移動体に作用する前記所定方向の力を計測する第１のセンサと；
前記移動体を前記所定方向に駆動するアクチュエータと；
前記アクチュエータに、前記移動体の前記所定方向の位置を制御するための第１の駆動信号及び前記移動体に微振動を与えるための第２の駆動信号を与える制御装置と；
前記移動体の位置に関連する物理量を計測する第２のセンサと；
前記第１及び第２のセンサの出力より得られる前記移動体に作用する力と前記流体静圧軸受けと前記移動体との間の隙間寸法との関係に基づいて前記流体静圧軸受けの静特性を演算する第１の演算装置と；
前記移動体が微振動する際の前記第１及び第２のセンサの出力に基づいて前記流体静圧軸受けの動特性を演算する第２の演算装置とを有する流体静圧軸受けの特性測定装置。
【請求項２】
前記移動体の質量をｍ、前記流体静圧軸受けの剛性をＫとして、前記移動体の振動数が、
０≦√（Ｋ／ｍ）／（２π）≦１０００  （０Ｈｚはスクイーズを測定できることを示す）
となる条件を満たすことを特徴とする請求項１に記載の流体静圧軸受けの特性測定装置。
【請求項３】
流体静圧軸受けを用いた位置決め装置の動特性を求める方法であって、
請求項１又は２に記載の特性測定装置を用いて流体静圧軸受けの伝達関数を測定する工程と；
前記測定した伝達関数をカーブフィットし、さらに線形近似を行ない前記流体静圧軸受けの線形要素近似モデルを求める工程と；
前記求めた前記流体静圧軸受けの線形要素近似モデルを、前記位置決め装置のモデルに適用してシミュレーションする工程とを含む前記位置決め装置の動特性を求める方法。
【請求項４】
被測定物である流体静圧軸受けの所定方向の一側に配置された所定質量を有する移動体と；前記移動体に接続され該移動体に作用する前記所定方向の力を計測する第１のセンサと；前記移動体を前記所定方向に駆動するとともに、前記移動体に微振動を与えるアクチュエータと；前記移動体の位置に関連する物理量を計測する第２のセンサと；前記第１及び第２のセンサの出力に基づいて、前記流体静圧軸受けの静特性と前記流体静圧軸受けの動特性とを演算する演算装置とを備えたことを特徴とする流体静圧軸受けの特性測定装置。
【請求項５】
前記演算装置は、前記第１及び第２のセンサの出力に基づいて前記流体静圧軸受けの静特性を演算する第１の演算装置と；前記移動体が微振動する際の前記第１及び第２のセンサの出力に基づいて前記流体静圧軸受けの動特性を演算する第２の演算装置とを含むことを特徴とする請求項４に記載の流体静圧軸受けの特性測定装置。
【請求項６】
前記流体静圧軸受けは空気静圧軸受けであり、前記アクチュエータは、前記移動体と前記流体静圧軸受けとの間に形成された空気層に、前記移動体側から振動を与えることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の流体静圧軸受けの特性測定装置。
【請求項７】
前記アクチュエータと前記移動体は、同軸上に配置されていることを特徴とする請求項４から請求項６のいずれか一項に記載の流体静圧軸受けの特性測定装置。
【請求項８】
流体静圧軸受けの所定方向の一側に設けられた移動体と前記流体静圧軸受けとの間に隙間を形成するステップと；
前記移動体をアクチュエータにより振動させて、前記移動体側から前記隙間に振動を与えるステップと；
前記移動体に作用する力に関する情報と前記隙間の寸法に関する情報に基づいて、前記流体静圧軸受けの動特性を演算するステップとを含むことを特徴とする流体静圧軸受けの特性測定方法。
【請求項９】
前記アクチュエータは、前記移動体と前記流体静圧軸受けとの間に形成された隙間の寸法を調整することを特徴とする請求項８に記載の流体静圧軸受けの特性測定方法。
【請求項１０】
前記流体静圧軸受けは空気静圧軸受けであることを特徴とする請求項８又は請求項９に記載の流体静圧軸受けの特性測定方法。
【請求項１１】
前記移動体に作用する力に関する情報と前記隙間の寸法に関する情報との関係に基づいて、前記流体静圧軸受けの静特性を演算するステップを更に含むことを特徴とする請求項８から請求項１０のいずれか一項に記載の流体静圧軸受けの特性測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体静圧軸受けの特性測定装置及び位置決め装置の動特性を求める方法に係り、さらに詳しくは、流体静圧軸受けの静特性に加え動特性を測定する特性測定装置、及びこの特性測定装置を用いた測定結果を利用して流体静圧軸受けを備えた位置決め装置の動特性（周波数応答及び伝達関数等）を求める方法に関する。本発明に係る位置決め装置の動特性を求める方法は、該位置決め装置の設計の際に用いて好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
流体静圧軸受け、例えば気体静圧軸受けとしては、加圧気体として加圧空気を使用する空気静圧軸受け（以下、適宜「エアーパッド」という）が最も一般的に用いられている。このエアーパッドは、加圧空気を軸受け部からガイド面に対して噴出し、軸受け面とガイド面との間に所定厚さの空気層を生じさせて、その空気層の静圧により、エアーパッドが取り付けられた駆動体をガイド面に対して非接触で支持するものである。このため、エアーパッドを用いた装置では、摩擦の無い分だけ小さな駆動力で円滑かつ素早く駆動体を動かすことができ、耐摩耗性が良好なことに加え、駆動体の駆動時（移動時）の微振動が少ないなど優れた特徴を持っている。かかる理由により、従来より、精密な位置決めが要求される精密機械、例えばステッパなどのステージや、３次元測定機などにエアーパッドを用いたエアーガイド位置決め装置が使用されている。
【０００３】
エアーパッドの静特性を測定する装置としては、例えば特開昭６２−２５１６３４号公報に開示されたものが知られている。この公報に開示された測定装置は、固定ベースのガイド面上にエアーパッドを載せ、そのエアーパッドを上方より押し下げ、その時の押圧力をロードセル等の力センサで測定するとともに、エアーパッドとガイド面とのすきま量（軸受けすきま）を非接触変位計により測定し、負荷容量、剛性等のエアーパッドの静特性を測定するものである。
【０００４】
一方、エアーパッドの動特性を測定する装置としては、例えば特開平６−２４９２３９号公報の図６に開示されるような、先端に加振力測定用のロードセルを有するインパクトハンマと、移動体の変位を測定する非接触型の変位センサと、その出力から減衰比を算出するＦＦＴ装置とを備えた加振機が知られている。この加振機では、インパクトハンマによって移動体に強制的に振動を発生させて減衰比を測定し、伝達特性を測定するものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
エアーパッドは、一般的にその振動減衰が悪く、エアーパッドの動特性である振動減衰特性が移動体の移動時の制動性能などに影響を与える。従って、エアーパッドの動特性を正確に測定して評価することが重要である。
【０００６】
しかしながら、上記特開平６−２４９２３９号公報の図６に開示されるようなインパクトハンマを用いて加振する装置では、計測信号のＳ／Ｎ比が悪いためエアーパッドの動特性を正確に測定することはできなかった。また、この装置では、自重を含む移動体に作用する静的な力を測定することができないため、エアーパッドの静特性を測定することは困難であった。このため、エアーパッドの静特性と動特性の両方を測定することによる、エアーパッドの総合的な性能評価を行うことも困難であった。
【０００７】
ところで、エアーパッドを使用した製品開発を行う際のシミュレーションには、基礎パラメータであるエアーパッドの周波数応答、伝達関数特性を正確に求めることが必要不可欠であるが、これらは理論的に推定できる性質のものではないため、実際に測定して求めるしかなかった。しかしながら、前記の如く、従来はエアーパッドの動特性を正確に測定することはできなかったため、結果的にエアーパッドを使用したエアーガイド位置決め装置の動特性を正確に求めることが困難であった。
【０００８】
本発明は、かかる事情の下になされたもので、その第１の目的は、流体静圧軸受けの静特性に加え、その周波数応答、振動減衰特性を含んだ伝達関数特性などの動特性をも正確に測定することができる流体静圧軸受けの特性測定装置を提供することにある。
【０００９】
また、本発明の第２の目的は、シミュレーションにより流体静圧軸受けを用いた位置決め装置の動特性を正確に求めることができる方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、被測定物である流体静圧軸受け（１２）が載置される固定ベース（１４）と；前記流体静圧軸受けの所定方向の一側に配置された所定質量を有する移動体（１６）と；前記移動体を前記所定方向に案内する案内機構（１８）と；前記移動体に取り付けられ該移動体に作用する前記所定方向の力を計測する第１のセンサ（２０）と；前記移動体（１６）を前記所定方向に駆動するアクチュエータ（２２）と；前記アクチュエータに、前記移動体の前記所定方向の位置を制御するための第１の駆動信号及び前記移動体に微振動を与えるための第２の駆動信号を与える制御装置（８０Ａ）と；前記移動体の位置に関連する物理量を計測する第２のセンサ（２４）と；前記第１及び第２のセンサの出力より得られる前記移動体に作用する力と前記流体静圧軸受けと前記移動体との間の隙間寸法との関係に基づいて前記流体静圧軸受けの静特性を演算する第１の演算装置（８０Ｃ）と；前記移動体が微振動する際の前記第１及び第２のセンサの出力に基づいて前記流体静圧軸受けの動特性を演算する第２の演算装置（８０Ｃ）とを有する。
【００１１】
これによれば、固定ベース上に流体静圧軸受けを載置し、該流体静圧軸受けに所定供給圧の加圧流体を送り込み、流体静圧軸受けの軸受け面と移動体との間に所定のすきま内圧力を生じさせる。この状態で、制御装置によりアクチュエータに第１の駆動信号が与えられると、その制御信号に応じてアクチュエータが駆動され、移動体が案内機構に案内されて前記制御信号に応じた位置に設定される。これにより、流体静圧軸受けの軸受け面と移動体との間のすきま寸法が所望の値に設定される。このとき、第１のセンサでは移動体に作用する所定方向の力を計測し、第２のセンサでは移動体の位置に関連する物理量、例えば位置（又は変位）を計測する。制御装置からアクチュエータに与える駆動信号を徐々に変化させながら、上記の力及び変位の計測が繰り返し行われると、第１の演算装置では第１及び第２のセンサの出力より得られる移動体に作用する力と、流体静圧軸受けと移動体との間の隙間寸法との関係に基づいて流体静圧軸受けの静特性を演算する。すなわち、第１の演算装置では、例えば力と変位量から流体静圧軸受けの負荷容量変化を求め、また変位量変化の差分に基づいて流体軸受けの剛性を求める。
【００１２】
また、流体静圧軸受けの軸受け面と移動体との間のすきま寸法が所望の値に設定された状態で、制御装置によりアクチュエータに第２の駆動信号が与えられると、移動体に微振動（微少な振幅の振動）が生ずる。これにより、移動体と流体静圧軸受けとの間の加圧流体の膜に微小振動が与えられる。この振動中の力変化、変位変化が第１のセンサ、第２のセンサで計測される。振動数を変化させながら、第１、第２のセンサによる計測が行われると、第２の演算装置では第１及び第２のセンサの出力より得られる力変化、変位変化に基づいて周波数応答、伝達関数特性を演算する。
【００１３】
従って、本請求項１に記載の発明に係る特性測定装置によれば、流体静圧軸受けの静特性に加え、その周波数応答、振動減衰特性を含んだ伝達関数特性などの動特性をも正確に測定することが可能になる。なお、第２のセンサは、移動体の位置に関連する物理量として、変位に代えて、速度、加速度を計測するものであっても良い。
【００１４】
この場合において、請求項２に記載の発明の如く、前記移動体の質量をｍ、前記流体静圧軸受けの剛性をＫとして、前記移動体の振動数が、
０≦√（Ｋ／ｍ）／（２π）≦１０００  （０Ｈｚはスクイーズを測定できることを示す）
となる条件を満たすことが望ましい。
【００１５】
また、請求項３に記載の発明は、流体静圧軸受けを用いた位置決め装置の動特性を求める方法であって、請求項１又は２に記載の特性測定装置を用いて流体静圧軸受けの伝達関数を測定する工程と；前記測定した伝達関数をカーブフィットし、さらに線形近似を行ない前記流体静圧軸受けの線形要素近似モデルを求める工程と；前記求めた前記流体静圧軸受けの線形要素近似モデルを、前記位置決め装置のモデルに適用してシミュレーションする工程とを含む。
【００１６】
これによれば、請求項１又は２に記載の特性測定装置を用いて、流体静圧軸受けの伝達関数を上記の如くして測定し、この測定した伝達関数をカーブフィットし、さらに線形近似を行うことにより流体静圧軸受けの線形要素近似モデルを求める。そして、これを前記位置決め装置のモデルに適用してシミュレーションを行う。これにより、シミュレーションにより流体静圧軸受けを用いた位置決め装置の動特性を正確に求めることが可能になる。
請求項４に記載の発明は、被測定物である流体静圧軸受け（１２）の所定方向の一側に配置された所定質量を有する移動体（１６）と；移動体に接続され該移動体に作用する前記所定方向の力を計測する第１のセンサ（２０）と；移動体を前記所定方向に駆動するとともに、移動体に微振動を与えるアクチュエータ(２２)と；移動体の位置に関連する物理量を計測する第２のセンサ（２４）と；第１及び第２のセンサの出力に基づいて、流体静圧軸受けの静特性と流体静圧軸受けの動特性とを演算する演算装置（８０Ｃ）とを有する。
請求項５に記載された発明は、演算装置（８０Ｃ）は、第１及び第２のセンサの出力に基づいて流体静圧軸受け（１２）の静特性を演算する第１の演算装置（８０Ｃ）と；移動体（１６）が微振動する際の第１及び第２のセンサの出力に基づいて流体静圧軸受けの動特性を演算する第２の演算装置（８０Ｃ）とを含む。
請求項６に記載された発明は、流体静圧軸受け（１２）は空気静圧軸受けであり、アクチュエータ（２２）は、移動体（１６）と流体静圧軸受けとの間に形成された空気層に、移動体側から振動を与えている。
請求項７に記載された発明は、アクチュエータ（２２）と移動体（１６）は、同軸上に配置されている。
請求項８に記載された発明は、流体静圧軸受け（１２）の所定方向の一側に設けられた移動体（１６）と流体静圧軸受けとの間に隙間を形成するステップと；移動体をアクチュエータ（２２）により振動させて、移動体側から前記隙間に振動を与えるステップと；移動体に作用する力に関する情報と隙間の寸法に関する情報に基づいて、流体静圧軸受けの動特性を演算するステップとを含む。
請求項９に記載された発明は、アクチュエータ（２２）は、移動体（１６）と流体静圧軸受け（１２）との間に形成された隙間の寸法を調整する。
請求項１０に記載された発明は、流体静圧軸受け（１２）は空気静圧軸受けである。
請求項１１に記載された発明は、移動体（１６）に作用する力に関する情報と隙間の寸法に関する情報との関係に基づいて、流体静圧軸受けの静特性を演算するステップを更に含む。
尚、括弧書きで記載した実施形態中の符号は、便宜上付したものであり、本発明がこれに限定されるものではない。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図１ないし図６に基づいて説明する。図１には、一実施形態の特性測定装置１０の縦断面図が概略的に示されている。但し、図１においては、慣習上断面しない軸部材等の他、図示及び説明の便宜上一部の部材については断面していない。
【００１８】
図１において、特性測定装置１０は、除振付き定盤などの基準体Ｔ上に載置されている。この特性測定装置１０は、基準体Ｔ上に載置され、被測定物である空気静圧軸受け（エアーパッド）１２が載置される固定ベース１４、このエアーパッド１２の所定方向の一側（図１における上方）に配置された平面視矩形の金属部材から成る移動体としての重り１６、この重り１６を前記所定方向（図１における上下方向：本実施形態では、後述するように、この重り１６の上下方向（重力方向）の位置変化により重り１６と空気静圧軸受け１２との間の軸受け隙間が加圧され、あるいは加振されるので、以下、適宜、「加圧・加振方向」ともいう）に案内する案内機構１８、重り１６に取り付けられ該重り１６に作用する加圧・加振方向の力を計測する第１のセンサとしての圧縮・引張り兼用タイプのロードセル２０、重り１６を加圧・加振方向に駆動するアクチュエータ２２、重り１６の加圧・加振方向の変位（所定の基準面からの位置）を計測する第２のセンサとしての変位センサ２４等を備えている。
【００１９】
ここで、重り１６としては、その質量ｍが例えば２０ｋｇ程度の物が用いられている。
【００２０】
前記案内機構１８は、固定ベース１４上に載置されたリング状部材から成る第１スペーサ２６と、この第１スペーサ２６上に載置され、重り１６をその内部に収納可能な平面視矩形の開口が中央部に形成された円柱状部材から成る第２スペーサ２８と、この第２スペーサ２８と重り１６との上面及び下面にねじ止めされ、これら第２スペーサ２８と重り１６とを相互に連結する一対のリング状の板ばね３０Ａ、３０Ｂとを含んで構成されている。
【００２１】
第２スペーサ２８の上面には、前記第１スペーサ２６と同形状の第３スペーサ３２が載置されており、更にこの上面に円板状の上部プレート３４が載置されている。固定ベース１４及び第１ないし第３スペーサ２６、２８、３２は不図示の埋め込みボルト等の連結部材を介して相互に一体化され、さらにこれに対して上部プレート３４が複数本のボルト３６によって固定されている。
【００２２】
上部プレート３４の中央部には、断面円形の開口３４ａが上下方向に形成されており、この開口３４ａの内部にアクチュエータ２２が挿入されている。このアクチュエータ２２は、上下方向（加圧・加振方向）に積層状態で一体化され相互に直列接続された多数のピエゾ素子によって構成されている。
【００２３】
アクチュエータ２２の下端には、軸部３８を介して前記ロードセル２０の力検出方向の一端（上端）が取付けられており、このロードセル２０の力検出方向の他端（下端）は重り１６の上面に固定されている。
【００２４】
前記上部プレート３４の中央部上面には開口３４ａを取り囲むように円筒状の第４スペーサ４０が立設されており、この第４スペーサ４０の上面に中央部に円孔４２ａが形成された円板状部材から成る取り付けプレート４２が固定されている。この取り付けプレート４２の円孔４２ａの内部に前記軸部３８と同軸のスクリュボルト４４が挿入されており、このスクリュボルト４４の下端はアクチュエータ２２の上端に固定されている。
【００２５】
スクリュボルト４４の上端部には、軸方向に直交してハンドル４６が取り付けられている。また、スクリュボルト４４には、ナット４８が螺合され、このナット４８は、取り付けプレート４２の上面に固着されている。
【００２６】
このため、本実施形態の特性測定装置１０では、ハンドル４６を回転させてナット４８に螺合したスクリュウボルト４４を締め込んだり、緩めたりすることにより、アクチュエータ２２、ロードセル２０を介して重り１６の上下方向位置を粗調整することができるようになっている。
【００２７】
前記アクチュエータ２２の下面と上部プレート３４の下面とはリング状の板ばね（あるいは複数枚の板ばね）５０Ａによって相互に連結されている。また、第４スペーサ４０の高さ方向ほぼ中央部には、該第４スペーサ４０とアクチュエータ２２の上面とを連結するリング状の板ばね（あるいは複数枚の板ばね）５０Ｂが設けられている。これらの板ばね５０Ａ、５０Ｂによって、アクチュエータ２２に駆動電圧が印加された際に、アクチュエータ２２が第４スペーサ４０の軸方向である上下方向（加圧・加振方向）に沿って案内されるようになっている。
【００２８】
この特性測定装置１０では、図１からも明らかなように、アクチュエータ２２、ロードセル２０及び重り１６の中心は同軸状に配置されており、結果的に板ばね５０Ａ、５０Ｂは前記案内機構１８と一緒になって重り１６を加圧・加振方向に案内する役目をも兼ねている。このため、極めて正確に重り１６は加圧・加振方向に案内されるような構造となっている。
【００２９】
前記変位センサ２４としては、ここでは静電容量式非接触変位センサが用いられている。この変位センサ２４は、重りの上面に固定された所定断面積の導体から成る一方の電極（測定対象物）２４ａと、これに対向して配置された他方の電極を含むセンサプローブ２４ｂとの２部分で構成されている。センサプローブ２４ｂは、保持部材５２を介して上部プレート３４の下面に取り付けられている。この保持部材５２の内部に、変位センサ２４の出力のイニシャライズ等を行うための不図示の調整機構が設けられている。この変位センサ２４は、両電極間の距離Ｄに静電容量が反比例することを利用して、静電容量を測定することにより距離Ｄ、すなわちセンサプローブ２４ｂの端面を基準とする第１電極２４ａの位置変化を測定するものである。この場合、この変位センサ２４は、エアーパッド１２と重り１６の下面に突設されたガイド面５４とのすきまの計測に用いられる。ここで、図１では変位センサ２４は、１つしか図示していないが、実際には、軸部３８に関して対称な位置に２つ設けられているので、以下の説明においては、これらの変位センサを変位センサ２４Ａ、２４Ｂと呼ぶものとする（図２参照）。
【００３０】
なお、変位センサとしては、上記の静電容量式非接触変位センサに限らず、渦電流式非接触変位センサ等他の非接触変位センサを用いても良いことは勿論であり、更に背景光の影響を無視できる場合には半導体位置検出器等の光学式のセンサを用いても良い。
【００３１】
さらに、本実施形態では、重り１６を常に上方に付勢してロードセル２０に与圧を加える与圧機構が設けられている。これを更に詳述すると、上部プレート３４の一部に該プレート３４の肉厚の約半分の深さの座ぐり穴３４ｂが形成され、この座ぐり穴３４ｂの底部中心部には当該座ぐり穴３４ｂより幾分小径で座ぐり穴３４ｂ底面から上部プレート３４底面に達する上下方向の貫通孔３４ｃが形成されている。この貫通孔３４ｃの内部に、その下端が重り１６の上面に固定されたシャフト５６が挿入されており、このシャフト５６の上端は上部プレート３４の上面より幾分上方に突出している。そして、このシャフト５６の上端面近傍には、ばね受け部材５８設けられており、このばね受け部材５８と上記座ぐり穴３４ｂ底面との間に圧縮コイルばね６０が設けられている。従って、この圧縮コイルばね６０のばね力によってばね受け部材５８を介してシャフト５６及び重り１６が常時上方へ付勢され、この付勢力がロードセル２０に対する与圧力として作用する。すなわち、シャフト５６、ばね受け部材５８及び圧縮コイルばね６０によって上記与圧機構が構成されている。なお、図１では与圧機構は１つしか示されていないが、与圧力の偏りを防止する観点から、実際には、この与圧機構も軸部３８を中心として等角度間隔で複数配置されている。
【００３２】
次に、固定ベース１４上に載置される被測定物である空気静圧軸受け（エアーパッド）１２の一例について説明する。
【００３３】
図１に示されるエアーパッド１２は、その一方の面（図１における下面）が固定ベース１４の上面に当接したハウジング部７０と、このハウジング部７０に保持され、重り１６の底面に突出形成されたガイド面５４に対向する側の面が軸受け面７２ａとされた軸受け部７２とを有している。
【００３４】
ハウジング部７０の内部には、Ｌ字状の給気通路７４が形成され、この給気通路７４の一端は軸受け部７２のガイド面対向側と反対側の面に対向して形成された給気溝部７６に連通し、他端は加圧気体供給ライン７８に接続されている。軸受け部７２は、ここでは、中央部の非通気性のガラスから成るランド部とその外周部（図１における下面を含む）を取り囲む通気性の多孔質材料とによって構成されている。この軸受け部７２の軸受け面７２ａは、ラップ等で同一平面に加工されている。多孔質材料とハウジング部７０とは強固に接着されており、多孔質材料の外周側面は空気がもれないように接着剤８０によって目止めされている。ここで、多孔質材料としては、多孔質ジルコニア等の多孔質セラミックスが使用される。
【００３５】
そして、外部のコンプレッサ等の空気源（図示省略）から加圧気体供給ライン７８を介して加圧気体としての圧縮空気が供給されると、その圧縮空気が給気通路７４、給気溝部７６を介して軸受け部７２の多孔質材料の気孔を通り、軸受け面７２ａとガイド面５４との間のすきまに流れ込み、そのすきまに所定の圧力（すきま内圧力）が生じる。このすきま内圧力によって、例えば、エアーパッド１２が、例えば移動ステージ等の移動体に固定されている場合には、該移動体がガイド面に対して非接触で支持されることになる。
【００３６】
図２には、本実施形態の特性測定装置１０の制御系の概略構成が示されている。ここで、この制御系について簡単に説明する。
【００３７】
この制御系は、主制御装置８０を中心として構成されており、該主制御装置８０の入力側には、キーボードあるいはマウス等のポインティングデバイスから成る入力装置８２が接続され、また３連スイッチＳの各スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３をそれぞれ介してロードセル２０の出力増幅用のアンプ８４Ａ及び変位センサ２４Ａ、２４Ｂの出力増幅用のアンプ８４Ｂ、８４Ｃがそれぞれ接続されている。また、主制御装置８０の出力側には、アクチュエータ２２に対する駆動電圧を増幅するアンプ８６及びＣＲＴディスプレイあるいは液晶ディスプレイから成る表示装置８８が接続されている。
【００３８】
主制御装置８０は、制御装置としてのアクチュエータ制御部８０Ａ、データロガー（ロガーとも言う）８０Ｂ及び第１、第２の演算装置としての演算部８０Ｃの３部分を含んで構成されている。この主制御装置の上記構成各部は、それぞれをマイクロプロセッサ等のハードウェアによって構成しても勿論良いが、主制御装置８０を一つのコンピュータによって構成し、上記構成各部の機能をそれぞれ別のソフトウェアプログラムによって実現しても良い。なお、各入出力インターフェイスについては図示が省略されている。
【００３９】
前記アクチュエータ制御部８０Ａは、入力装置８２を介して入力される指示に応じてアクチュエータ２２に対し駆動電圧を与えてアクチュエータ２２を制御する構成部分である。このアクチュエータ制御部８０Ａは、前記３連スイッチＳの各スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３の第１の出力端子ａ側にそれぞれ接続されている。アクチュエータ制御部８０Ａには、スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３の各入力端子（共通端子）が第１の出力端子ａ側に接続された（以下、適宜「スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３がａ側に切り換えられた」と表現する）とき、ロードセル２０、変位センサ２４Ａ、２４Ｂの出力が入力されるようになっている。
【００４０】
前記データロガー８０Ｂは、前記３連スイッチＳの各スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３の各入力端子（共通端子）が第２の出力端子ｂ側にそれぞれ接続された（以下、適宜「スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３がｂ側に切り換えられた」と表現する）状態では、アクチュエータ制御部８０Ａからアクチュエータ駆動電圧が入力される時刻のみロードセル２０、変位センサ２４Ａ、２４Ｂの出力である観測量を走査し、その値をチャート上に記録する。
【００４１】
前記演算部８０Ｃは、データロガー８０Ｂの記録結果に基づいてエアーパッドの静特性及び動特性を演算する。この演算部の演算結果が表示装置８８の表示画面上に表示される。演算部８０Ｃによるエアーパッドの静特性、動特性の演算方法については後述する。
【００４２】
次に、上述のようにして構成された特性測定装置１０におけるエアーパッドの特性測定時の動作について説明する。
【００４３】
まず、被測定物であるエアーパッド１２を固定ベース１４上に置く。次に、不図示のコンプレッサ等の空気源を制御してエアーパッド１２に所定供給圧の高圧空気を送り込み、軸受け面７２ａとガイド面５４との間に所定のすきま内圧力を生じさせる。
【００４４】
次いで、軸受け面７２ａとガイド面５４との間のすきま寸法の目標値が入力された時、これに応じてその寸法にすきまを正確に設定できるように、アクチュエータ制御部８０Ａの初期設定を行う。具体的には、オペレータは、３連スイッチＳの各スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３をａ側に切り換え、入力装置８２を介して初期設定の指示を入力する。これにより、アクチュエータ制御部８０Ａではアクチュエータ２２に所定の駆動電圧を与え、重り１６を下方に駆動するとともに、ロードセル２０によって測定された力と変位センサ２４Ａ、２４Ｂによって測定された変位とをモニタする。アクチュエータ制御部８０Ａは、このようなロードセル２０の測定値と変位センサ２４Ａ、２４Ｂの測定値とのモニタを、アクチュエータ２２に対する駆動電圧を徐々に連続的に変化させながら行い、力変化と変位量変化との割合が比例しなくなった時点をガイド面５４とエアーパッド１２の接触位置（すきま寸法零の位置）として求め、この値を不図示のメモリに記憶する。以後は、このときの変位センサ２４Ａ、２４Ｂの出力を基準点として、アクチュエータ制御によるすきまの設定を行うこととなる。なお、アクチュエータ駆動電圧と重りの変位変化との関係は、上記初期設定の際に、あるいはこれに先立って求めているものとする。
【００４５】
次に、オペレータは、３連スイッチＳの各スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３をｂ側に切り換えて入力装置８２を介して軸受け面７２ａとガイド面５４との間のすきま寸法の目標値を入力する。これにより、アクチュエータ制御部８０Ａによりその目標値に応じた駆動電圧がアクチュエータ２２に印加され、アクチュエータ２２が伸縮し重り１６が上下動して軸受け面７２ａとガイド面５４との間のすきま寸法（空気膜の厚さ）が所望の値に設定される。この場合目標値として、ある範囲を入力すれば、アクチュエータ制御部８０Ａにより徐々に駆動電圧が変更され、それに応じて上記すきま寸法が変化する。このとき、ロードセル２０の出力と変位センサ２４Ａ、２４Ｂの出力とがデータロガー８０Ｂに連続的に入力され、データロガー８０Ｂでは上記変位センサ２４Ａ、２４Ｂ及びロードセル２０の出力を走査し、その値をチャート上に記録する。ここで、このチャートは、メモリ内に関連したデータとして書き込まれるものである。
【００４６】
演算部８０Ｃではデータロガー８０Ｂにより記録されたデータに基づいて所定の演算処理（データ処理）を行い、力と変位量からエアーパッド１２の負荷容量変化を求めるとともに変位量変化の差分に基づいてエアーパッド１２の剛性を求め、その測定結果（演算結果）を表示装置８８の表示画面上に表示する。このようにして、エアーパッドの静特性の測定が行われる。
【００４７】
一方、エアーパッド１２の動特性の測定は次のようにして行われる。すなわち、上記と同様に、オペレータは、３連スイッチＳの各スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３をｂ側に切り換え、入力装置８２を介して軸受け面７２ａとガイド面５４との間のすきま寸法の目標値を入力し、軸受け面７２ａとガイド面５４との間のすきま寸法（空気膜の厚さ）を所望の値に設定する。この状態で、入力装置８２を介してアクチュエータ２２に印加する交流電圧の周波数の範囲の指示を入力する。これにより、アクチュエータ制御部８０Ａによってアクチュエータ２２に指示された周波数範囲の交流電圧が印加され、重り１６が所定の微小振幅（例えば０．１μｍ）で振動し、ガイド面５４とエアーパッド１２との間の空気膜に微少振動が与えられる。このときの力変化がロードセル２０により計測され、空気膜の変位変化量が変位センサ２４Ａ、２４Ｂにより計測される。このとき、ロードセル２０の出力と変位センサ２４Ａ、２４Ｂの出力とがデータロガー８０Ｂに連続的に入力され、データロガー８０Ｂでは上記変位センサ２４Ａ、２４Ｂ及びロードセル２０の出力を走査し、その値をチャート上に記録する。このような力変化と空気膜の変位変化量との計測を周波数を徐々に変更しつつ行う。
【００４８】
そして、演算部８０Ｃではデータロガー８０Ｂにより記録されたデータ、すなわちロードセル２０により計測された力変化と変位センサ２４Ａ、２４Ｂにより計測された変位量変化とに基づいて所定の演算処理（データ処理）を行い、周波数応答、伝達関数特性を求める。
【００４９】
また、上記の静特性、動特性測定中、エアーパッド１２に接続された不図示の流量計により空気流量が測定される。
【００５０】
例えば、軸受け面７２ａが４０ｍｍ角のエアーパッド１２について、上記の静特性及び動特性の測定を行った結果が、図３（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）及び図４（Ａ）、（Ｂ）中の実線で示されている。この内、図３（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）には、静特性の測定結果として、負荷容量（ｋｇｆ）の変化、剛性（ｋｇｆ／μｍ）の変化、流量（ｓｌ／ｍｉｎ）の変化が縦軸にそれぞれ示されている。これらの図の横軸は、すきま寸法（μｍ）を示す。
【００５１】
また、図４（Ａ）、（Ｂ）中においては、動特性の測定結果として、すきま寸法を５μｍの場合における、変位／力（ｍ／Ｎ）、力に対する変位の遅れである位相（°）が縦軸に実線でそれぞれ示されている。これらの図の横軸は周波数（Ｈｚ）を示す。なお、上記のエアーパッド１２の特性の測定を正確に行うためには、メカ的な性能の限界を超えないように、重りの質量ｍが、エアーパッドの剛性をＫとして、次式の関係を満足するようにすることが望ましい。
【００５２】
０[Ｈｚ]≦√（Ｋ／ｍ）／（２π）[Ｈｚ]≦１０００[Ｈｚ]
すなわち、重り１６に加えられる振動の振動数として上記０〜１０００Ｈｚの振動を加えるようにすることが望ましい。ここで、０Ｈｚを含むのは、スクイーズ効果を計測できることを意味する。
【００５３】
以上説明したように、本実施形態の特性測定装置１０によると、エアーパッドの静特性に加え、その周波数応答、振動減衰特性を含んだ伝達関数特性などの動特性をも正確に測定することができる。従って、この特性測定装置１０を用いることにより、エアーパッドの静特性及び動特性である周波数応答、伝達関数を測定評価することができ、静的、動的特性、伝達関数特性の良いエアーパッドを判別することができる。
【００５４】
上記の如く、本実施形態の特性測定装置１０を用いると、エアーパッドの伝達関数特性などの動特性を正確に測定できるので、この測定結果を利用することにより、次のようにしてエアーパッドを用いた装置、例えばエアーガイド位置決め装置の設計がシミュレーションにて可能になる。
【００５５】
次に、これについて説明する。図５には、エアーパッドを用いた位置決め装置の一例として、走査型露光装置のレチクルステージ用の走査装置が示されている。この図５の位置決め装置１１０は、ベース１１２と、このベース１１２の上部に固定され、レチクルステージ１１４の走査露光時の移動方向であるＸ方向に延びる細長い位置決めガイド１１７と、ベース１１２の上面であるガイド面１１２Ａ上に浮上支持され、位置決めガイド１１７に沿って自由に運動が可能な矩形枠状の駆動フレーム１２２と、ガイド１１７に沿ってＹ方向に移動し且つ駆動フレーム１２２に対してもＹ方向に相対移動するキャリア／従動子１６０と、このキャリア／従動子１６０に連結され、当該キャリア／従動子１６０と一体的に移動するレチクルステージ１１４とを備えている。
【００５６】
駆動フレーム１２２は、ほぼＹ方向に所定距離を隔ててＸ方向に平行に配置された一対の磁気軌道アーム１２４、１２６と、これらの磁気軌道アーム１２４、１２６を相互に連結する横断アーム１２８、１３０とによって構成されている。この駆動フレーム１２２の矩形の４つのコーナー付近のベース１１２対向面側には４つのエアーパッド１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ（但し図５においてはエアーパッド１２ｃ、１２ｄの図示は省略されている）が設けられている。これらのエアーパッドの軸受け面とベース１２のガイド面１１２Ａとの間には空気層が形成され、この空気層の圧力すなわちすきま内圧力によって駆動フレーム１２２はガイド面１１２Ａから一定のギャップすなわち間隙（例えば１μｍから数μｍ未満）を隔てて浮揚され、鉛直方向（Ｚ方向）において支持されている。
【００５７】
また、この駆動フレーム１２２を構成する一方の磁気軌道アーム１２４の両端部の上面には、Ｙ方向において位置決めガイド１１７を跨ぐフック形状の一対のサポートブラケット１１８の一端がそれぞれ固定されている。各々のサポートブラケット１１８の他端（自由端）は、位置決めガイド１１７の＋Ｙ方向の側面であるガイド面１１７Ｂに面している。各々のサポートブラケット１１８の位置決めガイド１１７の−Ｙ方向の側面であるガイド面１１７Ａ、前記ガイド面１１７Ｂにそれぞれ対向する面には、エアーパッド１２ｅ、１２ｆ（但し、図５においては、紙面奥側のエアーパッド１２ｆは位置決めガイド１１７の後方に隠れている）がそれぞれ固定されている。このため、各々のサポートブラケット１１８のＹ方向における移動は、位置決めガイド１１７及びエアーパッド１２ｅ、１２ｆによって拘束されており、Ｘ方向においてだけ移動することができる。
【００５８】
前記キャリア／従動子１６０は、レチクルステージ１１４の本体部１４２に連結されている。レチクルステージ１１４とキャリア／従動子１６０とは、ここでは説明の簡略化のため物理的に連結されているものとするが、両者にリニアモータの可動子と固定子とをそれぞれ設けて磁気的に連結することも勿論可能である。また、このキャリア／従動子１６０には、Ｙ方向において位置決めガイド１１７を跨ぐフック形状のブラケット１６２の一端が接続されており、このブラケット１６２のガイド面１１７Ｂに対向する面には、エアーパッド１２ｇが設けられている。また、このキャリア／従動子１６０の前記ブラケット１６２の接続部の下方で位置決めガイド１１７に対向してＸ軸方向に延びる板状部の長手方向両端部には、ガイド面１１７Ａに対向して不図示のエアーパッドがそれぞれ設けられている。このため、キャリア／従動子１６０は、エアーパッド１２ｇ及び前記不図示のエアーパッドによってＹ方向において位置決めガイド１１７に支持されている。
【００５９】
レチクルステージ１１４は、本体部１４２を備えており、該本体部１４２の開口１４６の上方に、レチクル１４４が真空吸着等により固定されている。本体部１４２は、対向する一対の側部１４２Ａ、１４２Ｂを備えており、例えば４つのエアーパッド１２ｈによって、ベース１１２上に前述した駆動フレームと同様に浮上支持されている。このため、レチクルステージ１１４及びこれに連結されたキャリア／従動子１６０は、ガイド面１１２Ａ、１１７Ａ、１１７Ｂに対して非接触で支持され、また、駆動フレーム１２２に対しても非接触で支持され、Ｘ方向においてのみ直線的に動けるようになっている。
【００６０】
レチクルステージ１１４の位置は、本体部１４２上に固定されたコーナキューブミラーから成る一対のＸ軸移動鏡１５０Ｘ1 、１５０Ｘ2 、及び平面ミラーから成るＹ移動鏡１５０Ｙをそれぞれ介して、レーザビームＬＢｘ1 、ＬＢｘ2 、及びＬＢｙを照射する干渉計によって計測されるようになっている。レチクルステージ１１４の側部１４２Ａ、１４２Ｂにはそれぞれ駆動コイル１５４Ａ、１５４Ｂ（但し、図５においては駆動コイル１５４Ａは図示せず）を備えており、これらの駆動コイルは、駆動フレーム１２２の磁気軌道アーム２４、２６の磁気軌道１５６Ａ、１５６Ｂと協働して、レチクルステージ１４を駆動するようになっている。
【００６１】
上記のような位置決め装置１１０を設計する場合、当該位置決め装置１１０を構成する各エアーパッドが同じ場合は、任意の一つについて（それぞれ異なる場合はエアーパッド１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、………のそれぞれについて）、特性測定装置１０を用いて前述のようにして周波数応答、伝達関数特性等の動特性の測定を行い、測定された伝達関数をカーブフィットする。図４（Ａ）、（Ｂ）には、それぞれの図の実線の計測データをカーブフィットしたカーブフィットデータが点線にて示されている。
【００６２】
このようなカーブフィットの結果に基づいて、線形近似を行ない各エアーパッドの線形要素近似モデルを求める。ここで、エアーパッドの線形要素近似モデルを求めるとは、例えばエアーパッドのモデルとして、図６に示されるような振動系を考えて、この振動系の各要素、すなわちばね定数Ｋ１、Ｋ２、減衰係数Ｃを決定することを意味をする。
【００６３】
そして、このようにして求まった各エアーパッド１２の線形要素近似モデルを、図５に示される位置決め装置１１０のモデルに適用して、所定のシミュレーションを行うことにより該位置決め装置１１０の動特性を求める。このようにして求めた位置決め装置１１０の動特性が所望の特性を満足しているかどうかを判断し、所望の特性を満足していなければ、エアーパッド（１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、……）の配置、例えばエアーパッド１２ａと１２ｂとの取付け位置、あるいは使用するエアーパッドの個数等を変更して、再び上記シミュレーションを行うことにより位置決め装置１１０の動特性を求めて、それを評価する。
【００６４】
このようにして位置決め装置１１０の動特性として所望の特性が得られるまで、上記の処理を繰り返すことにより位置決め装置１１０をシミュレーションにより設計することが可能になる。この場合において、位置決め装置１１０の動特性として満足できる特性がどうしても得られない場合には、エアーパッドそのものを再設計すれば良い。
【００６５】
以上説明したように、本実施形態に係る特性測定装置１０によると、エアーパッドの静特性及び動特性を容易に評価することができ、測定データに基づいて静的特性や動的特性である伝達関数特性の良いエアーパッドと悪いエアーパッドとの判別が総合的に可能となる。
【００６６】
また、エアーパッドを使用した製品開発を行う際のシミュレーションに必要となる基礎パラメータである静特性や動特性、特にエアーパッドの伝達関数特性を正確に測定することが可能となり、エアーパッドの線形要素近似モデルを構築することが可能となる。
【００６７】
また、前記エアーパッドの線形要素近似モデルを、エアーパッドを用いたエアーガイド位置決め装置に適用することにより、シミュレーションにて所望の特性の位置決め装置を容易に設計することが可能となる。
【００６８】
なお、上記実施形態では、軸受け部７２が、中央部の非通気性のランド部とその外周部を取り囲む通気性の多孔質材料とによって構成されたエアーパッド１２を採り上げて説明したが、これに限らず、本発明に係る特性測定装置によれば、軸受け部が多孔質材料のみから成るエアーパッドや、軸受け部がランド部とその外周部を取り囲む多孔質材料と更にその周囲を取り囲む別のランド部とから成るエアーパッド、その他のタイプのエアーパッド、あるいはその他の流体静圧軸受けであってもその特性を上記と同様にして正確に測定することができる。
【００６９】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１及び２に記載の発明によれば、同一の装置により、流体静圧軸受けの静特性に加え、その周波数応答、振動減衰特性を含んだ伝達関数特性などの動特性をも正確に測定することができるという従来にない優れた効果がある。
【００７０】
また、請求項３に記載の発明によれば、シミュレーションにより流体静圧軸受けを用いた位置決め装置の動特性を正確に求めることができ、これによりシミュレーションにより、位置決め装置の動特性を評価したり、あるいは所望の特性の位置決め装置を容易に設計したりできるようになる。
請求項４〜１１に記載の各発明によれば、流体静圧軸受けの特性を正確に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施形態に係る特性測定装置の構成を概略的に示す断面図である。
【図２】図１の装置の制御系の構成を示すブロック図である。
【図３】エアーパッドの静特性の測定結果を示す図であって、（Ａ）は負荷容量の、（Ｂ）は剛性の、（Ｃ）は流量の測定結果をそれぞれ示す図である。
【図４】エアーパッドの動特性の測定結果及びそのカーブフィットデータを示す図であって、（Ａ）は変位／力の周波数による変化を、（Ｂ）は位相の周波数による変化をそれぞれ示す図である。
【図５】エアーパッドを用いた位置決め装置の一例を示す概略斜視図である。
【図６】エアーパッドの線形要素近似モデルを説明するための図である。
【符号の説明】
１０  特性測定装置
１２  エアーパッド（流体静圧軸受け）
１４  固定ベース
１６  重り（移動体）
１８  案内機構
２０  ロードセル（第１のセンサ）
２２  アクチュエータ
２４  変位センサ（第２のセンサ）
８０Ａ  アクチュエータ制御部（制御装置）
８０Ｃ  演算部（第１の演算装置、第２の演算装置）
【図１】
0003826977.tif 000002
【図２】
0003826977.tif 000003
【図３】
0003826977.tif 000004
【図４】
0003826977.tif 000005
【図５】
0003826977.tif 000006
【図６】
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