JP2002054634A - 静圧気体軸受 - Google Patents
静圧気体軸受Info
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- F16C29/025—Hydrostatic or aerostatic
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
- F16C32/00—Bearings not otherwise provided for
- F16C32/06—Bearings not otherwise provided for with moving member supported by a fluid cushion formed, at least to a large extent, otherwise than by movement of the shaft, e.g. hydrostatic air-cushion bearings
- F16C32/0603—Bearings not otherwise provided for with moving member supported by a fluid cushion formed, at least to a large extent, otherwise than by movement of the shaft, e.g. hydrostatic air-cushion bearings supported by a gas cushion, e.g. an air cushion
- F16C32/0614—Bearings not otherwise provided for with moving member supported by a fluid cushion formed, at least to a large extent, otherwise than by movement of the shaft, e.g. hydrostatic air-cushion bearings supported by a gas cushion, e.g. an air cushion the gas being supplied under pressure, e.g. aerostatic bearings
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- Mechanical Engineering (AREA)
- Magnetic Bearings And Hydrostatic Bearings (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 本発明は、振動減衰特性に優れた静圧気体軸
受を提供することを目的とする。 【解決手段】 気体噴出手段として直径０．０４ｍｍ以
上、０．４ｍｍ以下の円筒状の細孔を用いる静圧気体軸
受であって、該細孔よりヘリウムガスを噴射するヘリウ
ムガス供給装置を備えていることを特徴とする静圧気体
軸受である。該細孔は、直径Ｄ、長さＬの円筒状細孔で
あって、Ｄ4／Ｌが２×１０-4ｍｍ3以下である時に特に
振動減衰特性の優れた軸受となる。
受を提供することを目的とする。 【解決手段】 気体噴出手段として直径０．０４ｍｍ以
上、０．４ｍｍ以下の円筒状の細孔を用いる静圧気体軸
受であって、該細孔よりヘリウムガスを噴射するヘリウ
ムガス供給装置を備えていることを特徴とする静圧気体
軸受である。該細孔は、直径Ｄ、長さＬの円筒状細孔で
あって、Ｄ4／Ｌが２×１０-4ｍｍ3以下である時に特に
振動減衰特性の優れた軸受となる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体露光装置等
精密工作機械又は精密形状測定装置等に用いられる静圧
気体軸受に関するものである。
精密工作機械又は精密形状測定装置等に用いられる静圧
気体軸受に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】半導体露光装置等の精密工作機械におい
ては、被加工物又は原盤を高精度で位置決めする種々の
移動ステージが用いられている。この移動ステージの軸
受部には、摩擦のほとんどない静圧気体軸受が用いられ
ている。軸受の基本特性は、軸受の支えることのできる
荷重（負荷容量）と、変位に対する抵抗力（剛性）とで
表せるが、実際の移動ステージに応用された場合には軸
受の振動に対する減衰特性がステージの応答性を決める
上で重要になる。
ては、被加工物又は原盤を高精度で位置決めする種々の
移動ステージが用いられている。この移動ステージの軸
受部には、摩擦のほとんどない静圧気体軸受が用いられ
ている。軸受の基本特性は、軸受の支えることのできる
荷重（負荷容量）と、変位に対する抵抗力（剛性）とで
表せるが、実際の移動ステージに応用された場合には軸
受の振動に対する減衰特性がステージの応答性を決める
上で重要になる。
【０００３】静圧気体軸受は、通常ステージの移動体側
に装着され、軸受から噴出する気体の圧力によって対向
面から移動体を浮上させる働きを持っている。気体とし
ては、ほとんどの場合空気が用いられている。また、気
体の噴出手段としては、細孔を有するノズルを用いる場
合とグラファイト等の多孔体を用いる場合があるが、製
造の簡便性からノズルタイプのものが一般に広く使われ
ている。
に装着され、軸受から噴出する気体の圧力によって対向
面から移動体を浮上させる働きを持っている。気体とし
ては、ほとんどの場合空気が用いられている。また、気
体の噴出手段としては、細孔を有するノズルを用いる場
合とグラファイト等の多孔体を用いる場合があるが、製
造の簡便性からノズルタイプのものが一般に広く使われ
ている。
【０００４】従来技術においては、ノズルを用いる場合
は、気体の絞り効果としては、気体が細孔から出て行く
時の断熱膨張による圧力降下（いわゆるオリフィス絞
り）を利用していた。オリフィス絞りは製造の簡便性は
あるものの、多孔質絞りを用いる軸受に比べて振動減衰
特性が落ちる欠点があった。
は、気体の絞り効果としては、気体が細孔から出て行く
時の断熱膨張による圧力降下（いわゆるオリフィス絞
り）を利用していた。オリフィス絞りは製造の簡便性は
あるものの、多孔質絞りを用いる軸受に比べて振動減衰
特性が落ちる欠点があった。
【０００５】上記欠点を補うために、ノズル細孔直下に
設けるポケットの深さを特定範囲に限定し、ポケット内
に自成絞り状態を実現する方法が提案されている（特開
平３−２１３７１８号公報）。しかしながら、この場合
もノズル細孔直下の仮想円筒から気体が噴出する際の断
熱膨張による圧力降下を利用しているために、本質的に
は通常のオリフィスタイプと異なるところはない。
設けるポケットの深さを特定範囲に限定し、ポケット内
に自成絞り状態を実現する方法が提案されている（特開
平３−２１３７１８号公報）。しかしながら、この場合
もノズル細孔直下の仮想円筒から気体が噴出する際の断
熱膨張による圧力降下を利用しているために、本質的に
は通常のオリフィスタイプと異なるところはない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、振動減衰特
性の優れた静圧気体軸受を提供することを目的とする。
性の優れた静圧気体軸受を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、ノズルタ
イプの軸受の絞り機構を検討するなかで、特定形状の細
孔に対して噴出気体としてヘリウムガスを適用すると著
しく軸受の振動減衰特性が向上することを見出した。本
発明はこの知見に基づき完成したもので、その発明の要
旨は以下の通りである。
イプの軸受の絞り機構を検討するなかで、特定形状の細
孔に対して噴出気体としてヘリウムガスを適用すると著
しく軸受の振動減衰特性が向上することを見出した。本
発明はこの知見に基づき完成したもので、その発明の要
旨は以下の通りである。
【０００８】（１） 気体噴出手段として直径０．０４
ｍｍ以上、０．４ｍｍ以下の円筒状の細孔を用いる静圧
気体軸受であって、該細孔よりヘリウムガスを噴射する
ヘリウムガス供給装置を備えていることを特徴とする静
圧気体軸受。
ｍｍ以上、０．４ｍｍ以下の円筒状の細孔を用いる静圧
気体軸受であって、該細孔よりヘリウムガスを噴射する
ヘリウムガス供給装置を備えていることを特徴とする静
圧気体軸受。
【０００９】（２） 直径Ｄ、長さＬの円筒状細孔であ
って、Ｄ4／Ｌが２×１０-4ｍｍ3以下であることを特徴
とする上記（１）記載の静圧気体軸受。
って、Ｄ4／Ｌが２×１０-4ｍｍ3以下であることを特徴
とする上記（１）記載の静圧気体軸受。
【００１０】（３） 軸受面上の気体噴出口を含む平面
部位に深さ５μｍ以上、３０μｍ以下のポケットを設け
たことを特徴とする上記（１）又は（２）記載の静圧気
体軸受。
部位に深さ５μｍ以上、３０μｍ以下のポケットを設け
たことを特徴とする上記（１）又は（２）記載の静圧気
体軸受。
【００１１】（４） 上記（３）記載のポケットが、Ｉ
の字、Ｈの字、十の字、田の字、Ｔの字及びＬの字を呈
する溝形状であることを特徴とする静圧気体軸受。
の字、Ｈの字、十の字、田の字、Ｔの字及びＬの字を呈
する溝形状であることを特徴とする静圧気体軸受。
【００１２】（５） 円筒状細孔を有するノズル、及び
該ノズルを１個、もしくは２個以上装着した軸受ボディ
ーが、セラミックス製であることを特徴とする上記
（１）〜（４）のいずれか１つに記載の静圧気体軸受。
該ノズルを１個、もしくは２個以上装着した軸受ボディ
ーが、セラミックス製であることを特徴とする上記
（１）〜（４）のいずれか１つに記載の静圧気体軸受。
【００１３】
【発明の実施の形態】本発明は、ノズルを気体噴出手段
として直径０．０４ｍｍ以上、０．４ｍｍ以下の円筒状
の細孔を用いる静圧気体軸受である。図１に、絞り効果
と気体の質量流量の関係を説明する図を示す。図には、
ポケット内で自成絞り状態が実現されている場合を示し
た。
として直径０．０４ｍｍ以上、０．４ｍｍ以下の円筒状
の細孔を用いる静圧気体軸受である。図１に、絞り効果
と気体の質量流量の関係を説明する図を示す。図には、
ポケット内で自成絞り状態が実現されている場合を示し
た。
【００１４】給気圧Ｐsで与えられた気体は、ノズル細
孔内を通過するときに細孔壁面における粘性抵抗により
圧力降下を受け、噴出口においては噴出口直下圧力Ｐt
となる。噴出された気体は、ポケット内に広がる時の断
熱膨張による絞り効果（図１の場合は自成絞り効果）を
受けポケット内圧力Ｐzになる。さらに、気体がポケッ
トから軸受外に放出されるときに軸受隙間における粘性
抵抗を受け、外界の圧力Ｐaになる。
孔内を通過するときに細孔壁面における粘性抵抗により
圧力降下を受け、噴出口においては噴出口直下圧力Ｐt
となる。噴出された気体は、ポケット内に広がる時の断
熱膨張による絞り効果（図１の場合は自成絞り効果）を
受けポケット内圧力Ｐzになる。さらに、気体がポケッ
トから軸受外に放出されるときに軸受隙間における粘性
抵抗を受け、外界の圧力Ｐaになる。
【００１５】以下、絞りの強さを表すパラメータとして
導入した圧力降下ΔＰを求める過程を示す。毛細管絞り
はΔＰ1＝Ｐs−Ｐt、断熱膨張による絞りはΔＰ2＝Ｐt
−Ｐzである。
導入した圧力降下ΔＰを求める過程を示す。毛細管絞り
はΔＰ1＝Ｐs−Ｐt、断熱膨張による絞りはΔＰ2＝Ｐt
−Ｐzである。
【００１６】図１に従い、気体質量流量は次の３段階に
分けて記述される。（１）毛細管絞りを受けたときの質
量流量 Ｍ1＝（πＤ4／２５６μＲＴＬ）（Ｐs 2−Ｐt 2） （２）断熱膨張自成絞りを受けたときの質量流量 Ｍ2＝（ＡＰt／（ＲＴ）1/2）ψ0 ここで、Ｐz／Ｐt≧（２／（κ＋１））κ /( κ -1)のと
きに Ａ＝πＤ（ｇ＋ｈ） ψ0＝（２κ／（κ−１））1/2・（（Ｐz／Ｐt）2/ κ−
（Ｐz／Ｐt）( κ +1)/ κ）1/2 （３）軸受隙間において粘性抵抗を受けたときの質量流
量 差分法による計算を前提に、マトリックス表示を行った
ときに、 Ｍ3＝（（ｈ＋ｇ）3／２４μＲＴ）［Ｃi,jＰ2（Ｉ，
Ｊ）−Ｃi,j-1Ｐ2（Ｉ，Ｊ−１）…］ と表される。ここで、Ｐ（Ｉ，Ｊ）は（Ｉ，Ｊ）点にお
ける圧力、Ｃi,jはその係数。他のパラメータは以下の
通りである。 Ｄ：細孔の直径、Ｌ：細孔の長さ、ｇ：ポケットの深
さ、ｈ：軸受隙間、 μ：使用気体の粘性係数、Ｒ：ガス定数、Ｔ：温度、
κ：比熱比
分けて記述される。（１）毛細管絞りを受けたときの質
量流量 Ｍ1＝（πＤ4／２５６μＲＴＬ）（Ｐs 2−Ｐt 2） （２）断熱膨張自成絞りを受けたときの質量流量 Ｍ2＝（ＡＰt／（ＲＴ）1/2）ψ0 ここで、Ｐz／Ｐt≧（２／（κ＋１））κ /( κ -1)のと
きに Ａ＝πＤ（ｇ＋ｈ） ψ0＝（２κ／（κ−１））1/2・（（Ｐz／Ｐt）2/ κ−
（Ｐz／Ｐt）( κ +1)/ κ）1/2 （３）軸受隙間において粘性抵抗を受けたときの質量流
量 差分法による計算を前提に、マトリックス表示を行った
ときに、 Ｍ3＝（（ｈ＋ｇ）3／２４μＲＴ）［Ｃi,jＰ2（Ｉ，
Ｊ）−Ｃi,j-1Ｐ2（Ｉ，Ｊ−１）…］ と表される。ここで、Ｐ（Ｉ，Ｊ）は（Ｉ，Ｊ）点にお
ける圧力、Ｃi,jはその係数。他のパラメータは以下の
通りである。 Ｄ：細孔の直径、Ｌ：細孔の長さ、ｇ：ポケットの深
さ、ｈ：軸受隙間、 μ：使用気体の粘性係数、Ｒ：ガス定数、Ｔ：温度、
κ：比熱比
【００１７】細孔内及び軸受面の圧力分布は、Ｍ1＝Ｍ2
＝Ｍ3という質量流量保存則を課すことにより差分法に
より計算される。
＝Ｍ3という質量流量保存則を課すことにより差分法に
より計算される。
【００１８】図２に、モデル軸受に対して、圧力分布を
計算し、圧力降下ΔＰ1、ΔＰ2を計算した結果を示す。
モデル軸受としては、６０ｍｍ角の軸受の四隅にノズル
を装着し、４個のノズルの細孔から気体を噴出するモデ
ルとした。
計算し、圧力降下ΔＰ1、ΔＰ2を計算した結果を示す。
モデル軸受としては、６０ｍｍ角の軸受の四隅にノズル
を装着し、４個のノズルの細孔から気体を噴出するモデ
ルとした。
【００１９】直径０．１ｍｍの細孔の周りに設けたポケ
ットは、図３（ｆ）に示すようなＬの字型の溝形状と
し、溝深さは１０μｍとした。なお、軸受隙間は５μｍ
であった。
ットは、図３（ｆ）に示すようなＬの字型の溝形状と
し、溝深さは１０μｍとした。なお、軸受隙間は５μｍ
であった。
【００２０】計算結果は、毛細管絞りの強さを示すノズ
ル構造パラメータとしてＤ4／Ｌを横軸として示した。
図２（ａ）に示すように、空気の場合は圧倒的に断熱膨
張の効果の方が大きく、実用上適用可能な範囲において
は、ΔＰ1＜ΔＰ2であった。ヘリウムを用いると、図２
（ｂ）に示すように、Ｄ4／Ｌの特定範囲においてこの
関係は逆転し、毛細管絞りの効果が断熱膨張の効果を上
回る結果（ΔＰ1＞ΔＰ2）が得られた。
ル構造パラメータとしてＤ4／Ｌを横軸として示した。
図２（ａ）に示すように、空気の場合は圧倒的に断熱膨
張の効果の方が大きく、実用上適用可能な範囲において
は、ΔＰ1＜ΔＰ2であった。ヘリウムを用いると、図２
（ｂ）に示すように、Ｄ4／Ｌの特定範囲においてこの
関係は逆転し、毛細管絞りの効果が断熱膨張の効果を上
回る結果（ΔＰ1＞ΔＰ2）が得られた。
【００２１】本発明者は、この関係をはじめて理論的に
求めたのに際し、毛細管絞りは気体流動に対して絞り内
に粘性抵抗を生じさせることから、軸受の振動減衰特性
を向上させる可能性に想到した。これは、森らが「静圧
気体軸受の安定要素に関する研究」（日本機会学会論文
集３２巻２４４号（昭４１−１２）ｐｐ１８７７−１８
８２）において示した下記の結果から想到し得たもので
ある。森らは、軸受のポケットに接続する安定要素（気
体だまり）の接続部の絞りを検討するなかで、毛細管絞
りがオリフィス絞りよりも優れた振動減衰効果を与える
ことを示した。これは、気体が空気の場合で、かつ安定
要素への絞りであり、本発明のごとく給気口への絞りで
はないために、結果の直接の適用はできない。ここに本
発明で、気体をヘリウムガスとし、毛細管絞りが支配的
な状態を給気絞りに実現したことに本発明の新規性があ
る。
求めたのに際し、毛細管絞りは気体流動に対して絞り内
に粘性抵抗を生じさせることから、軸受の振動減衰特性
を向上させる可能性に想到した。これは、森らが「静圧
気体軸受の安定要素に関する研究」（日本機会学会論文
集３２巻２４４号（昭４１−１２）ｐｐ１８７７−１８
８２）において示した下記の結果から想到し得たもので
ある。森らは、軸受のポケットに接続する安定要素（気
体だまり）の接続部の絞りを検討するなかで、毛細管絞
りがオリフィス絞りよりも優れた振動減衰効果を与える
ことを示した。これは、気体が空気の場合で、かつ安定
要素への絞りであり、本発明のごとく給気口への絞りで
はないために、結果の直接の適用はできない。ここに本
発明で、気体をヘリウムガスとし、毛細管絞りが支配的
な状態を給気絞りに実現したことに本発明の新規性があ
る。
【００２２】軸受の安定性を高めるためには軸受面の圧
力を高めることも有効である（例えば、日本機会学会論
文集（Ｃ編）５８巻５５１号（１９９２−７）ｐｐ１８
６−１９３参照）。図２の計算結果から、Ｄ4／Ｌが大
きい範囲では、軸受面の圧力（＝Ｐs−ΔＰ1−ΔＰ2）
はヘリウムガスの方が空気よりも大きいことが示され
る。これは、特にＤ4／Ｌが２×１０-4ｍｍ3より大きい
範囲での振動減衰特性の改善につながる。
力を高めることも有効である（例えば、日本機会学会論
文集（Ｃ編）５８巻５５１号（１９９２−７）ｐｐ１８
６−１９３参照）。図２の計算結果から、Ｄ4／Ｌが大
きい範囲では、軸受面の圧力（＝Ｐs−ΔＰ1−ΔＰ2）
はヘリウムガスの方が空気よりも大きいことが示され
る。これは、特にＤ4／Ｌが２×１０-4ｍｍ3より大きい
範囲での振動減衰特性の改善につながる。
【００２３】これら二つの理由によりヘリウムガスを用
いる静圧気体軸受は振動減衰特性の大きな改善が期待さ
れ、実施例にて示すごとく本発明者はこれを実証した。
いる静圧気体軸受は振動減衰特性の大きな改善が期待さ
れ、実施例にて示すごとく本発明者はこれを実証した。
【００２４】以下、本発明の実施形態の詳細を示す。
【００２５】噴射するヘリウムガスは、例えば、高圧貯
蔵ボンベなどから減圧バルブなどにより所定の圧力まで
減圧して供給するヘリウムガス供給装置から供給され
る。なお、ヘリウムガス供給装置としては、所定の圧力
でヘリウムガスが供給できるものであれば良い。軸受に
供給するヘリウムガスの圧力は大気圧との差圧で通常
０．３〜０．７ＭＰａである。ヘリウムガスの純度は高
純度であることを必要としない。低コスト化のために、
ヘリウムガスに他のガスを５０％を超えない範囲で混合
することが可能である。本発明のヘリウムガスは、混合
ガスをも意味する。アルゴン、窒素、酸素、空気はヘリ
ウムよりも重い元素であるので、これらのガスのヘリウ
ムガスへの混合は発明の効果を弱めるので混合割合を考
慮する必要がある。一方、水素ガスの混合は、水素がヘ
リウムよりも軽い元素であるので発明の効果を高める。
蔵ボンベなどから減圧バルブなどにより所定の圧力まで
減圧して供給するヘリウムガス供給装置から供給され
る。なお、ヘリウムガス供給装置としては、所定の圧力
でヘリウムガスが供給できるものであれば良い。軸受に
供給するヘリウムガスの圧力は大気圧との差圧で通常
０．３〜０．７ＭＰａである。ヘリウムガスの純度は高
純度であることを必要としない。低コスト化のために、
ヘリウムガスに他のガスを５０％を超えない範囲で混合
することが可能である。本発明のヘリウムガスは、混合
ガスをも意味する。アルゴン、窒素、酸素、空気はヘリ
ウムよりも重い元素であるので、これらのガスのヘリウ
ムガスへの混合は発明の効果を弱めるので混合割合を考
慮する必要がある。一方、水素ガスの混合は、水素がヘ
リウムよりも軽い元素であるので発明の効果を高める。
【００２６】ノズルに設けた細孔の形状は円筒形状であ
り、本発明に最適な円筒横断面の円の直径は０．０４ｍ
ｍ以上、０．４ｍｍ以下である。直径が０．０４ｍｍ未
満の細孔は工業的には製造困難であり、直径が０．４ｍ
ｍを超えると、絞り効果が弱くなるために本発明の効果
が得られない。円筒状細孔の長さは、毛細管絞りの効果
を得るために一定の長さ以上にしなければならない。断
熱膨張絞り効果に対して、毛細管絞りの効果が２０％以
上（ΔＰ1／ΔＰ2≧０．２）の時に毛細管絞りの効果が
顕著に現れるとして、細孔の形状因子Ｄ4／Ｌの上限を
決めた。すなわち、図２（ｂ）に基づき、Ｄ4／Ｌが２
×１０-4ｍｍ3以下の時に上記の条件を満たすことか
ら、これを発明のより好適な条件とした。本発明の効果
を最大限発揮するためには、ΔＰ1／ΔＰ2≧１が望まし
い。ΔＰ1／ΔＰ2＝１の時の細孔長を、それを満たすＤ
4／Ｌの値から求めると、細孔径Ｄが０．１ｍｍの場合
には、ヘリウムガスの場合の細孔長は約２ｍｍ、エアの
場合の細孔長は約１４ｍｍとなる。直径０．１ｍｍの細
孔で１０ｍｍ以上のものを工業的に得るのは困難であ
り、エアの場合には毛細管絞りの軸受を工業的に実現す
るのは事実上不可能である。これに対して、ヘリウムガ
スを噴射ガスに使う場合には、容易に毛細管絞りの支配
的な軸受を実現することができる。
り、本発明に最適な円筒横断面の円の直径は０．０４ｍ
ｍ以上、０．４ｍｍ以下である。直径が０．０４ｍｍ未
満の細孔は工業的には製造困難であり、直径が０．４ｍ
ｍを超えると、絞り効果が弱くなるために本発明の効果
が得られない。円筒状細孔の長さは、毛細管絞りの効果
を得るために一定の長さ以上にしなければならない。断
熱膨張絞り効果に対して、毛細管絞りの効果が２０％以
上（ΔＰ1／ΔＰ2≧０．２）の時に毛細管絞りの効果が
顕著に現れるとして、細孔の形状因子Ｄ4／Ｌの上限を
決めた。すなわち、図２（ｂ）に基づき、Ｄ4／Ｌが２
×１０-4ｍｍ3以下の時に上記の条件を満たすことか
ら、これを発明のより好適な条件とした。本発明の効果
を最大限発揮するためには、ΔＰ1／ΔＰ2≧１が望まし
い。ΔＰ1／ΔＰ2＝１の時の細孔長を、それを満たすＤ
4／Ｌの値から求めると、細孔径Ｄが０．１ｍｍの場合
には、ヘリウムガスの場合の細孔長は約２ｍｍ、エアの
場合の細孔長は約１４ｍｍとなる。直径０．１ｍｍの細
孔で１０ｍｍ以上のものを工業的に得るのは困難であ
り、エアの場合には毛細管絞りの軸受を工業的に実現す
るのは事実上不可能である。これに対して、ヘリウムガ
スを噴射ガスに使う場合には、容易に毛細管絞りの支配
的な軸受を実現することができる。
【００２７】剛性及び負荷容量を高めるために、ノズル
細孔直下、即ち軸受面上の気体噴出口を含む平面部位に
ポケットを設ける。このポケットの形状は種々の形状を
取ることが可能であるが、単純な一個のノズルを中心に
配置した円形の軸受面では同心円のポケットが使われる
ことが多い。ポケットの深さは、５μｍ以上、３０μｍ
以下である。ポケット深さが５μｍ未満では望む剛性を
得ることがむつかしく、３０μｍ超では軸受が自励振動
を起こしやすい。軸受の安定性を高めるためには、ポケ
ットの体積は小さい方が好ましく、種々の形をした溝形
状のポケットが好適である。溝の形状としては、図３
（ａ）〜（ｆ）に示すようにＩの字、Ｈの字、十の字、
田の字、Ｔの字、及びＬの字の型をしたものが好適であ
る。
細孔直下、即ち軸受面上の気体噴出口を含む平面部位に
ポケットを設ける。このポケットの形状は種々の形状を
取ることが可能であるが、単純な一個のノズルを中心に
配置した円形の軸受面では同心円のポケットが使われる
ことが多い。ポケットの深さは、５μｍ以上、３０μｍ
以下である。ポケット深さが５μｍ未満では望む剛性を
得ることがむつかしく、３０μｍ超では軸受が自励振動
を起こしやすい。軸受の安定性を高めるためには、ポケ
ットの体積は小さい方が好ましく、種々の形をした溝形
状のポケットが好適である。溝の形状としては、図３
（ａ）〜（ｆ）に示すようにＩの字、Ｈの字、十の字、
田の字、Ｔの字、及びＬの字の型をしたものが好適であ
る。
【００２８】ここで、Ｔの字型は、図３（ｅ）に示すよ
うに、４個のＴの字の下端をノズル細孔で結んだタイプ
のものが好適である。図３（ｆ）のＬの字型は、矩形の
軸受の四隅にノズルを配置した場合に、Ｌの角部にノズ
ル細孔を配置させて使う溝形状である。図３に各タイプ
の溝形状を示したが、複数のノズルを使う軸受では、こ
れらの溝形状を混合させて使うこともできる。溝の深さ
は、前述の円形ポケットと同様の理由で５μｍ以上、３
０μｍ以下に限定される。
うに、４個のＴの字の下端をノズル細孔で結んだタイプ
のものが好適である。図３（ｆ）のＬの字型は、矩形の
軸受の四隅にノズルを配置した場合に、Ｌの角部にノズ
ル細孔を配置させて使う溝形状である。図３に各タイプ
の溝形状を示したが、複数のノズルを使う軸受では、こ
れらの溝形状を混合させて使うこともできる。溝の深さ
は、前述の円形ポケットと同様の理由で５μｍ以上、３
０μｍ以下に限定される。
【００２９】ノズルの材質及びノズルを装着する軸受ボ
ディーの材質はセラミックスが望ましい。セラミックス
としては、ファインセラミックスと総称される例えばア
ルミナ、ジルコニア、炭化ケイ素、窒化ケイ素、サイア
ロン、窒化アルミニウム及びそれらセラミックス基の複
合材料が適用可能である。セラミックスを使う利点は、
金属と異なり発錆の心配が少なく、形状が安定している
こと、及び軽量・高剛性で構造体としての変形が少ない
ことである。さらに、軸受面にマシニング等によりポケ
ット加工を行うに際して、金属のようにバリが発生しな
いこと、さらにレーザー加工、ブラスト加工等金属では
使いにくい加工方法が使えることがセラミックスを使う
利点としてあげられる。
ディーの材質はセラミックスが望ましい。セラミックス
としては、ファインセラミックスと総称される例えばア
ルミナ、ジルコニア、炭化ケイ素、窒化ケイ素、サイア
ロン、窒化アルミニウム及びそれらセラミックス基の複
合材料が適用可能である。セラミックスを使う利点は、
金属と異なり発錆の心配が少なく、形状が安定している
こと、及び軽量・高剛性で構造体としての変形が少ない
ことである。さらに、軸受面にマシニング等によりポケ
ット加工を行うに際して、金属のようにバリが発生しな
いこと、さらにレーザー加工、ブラスト加工等金属では
使いにくい加工方法が使えることがセラミックスを使う
利点としてあげられる。
【００３０】ヘリウムガスは熱伝達性に優れたガスであ
るので、熱伝導性の悪いセラミックスを軸受ボディーに
使った場合でも比較的短時間に熱平行状態が実現され
る。以上の理由により、セラミックス製の移動ステージ
を精密機械の構成要素として使う場合に、ヘリウムガス
は系全体の温度ゆらぎを少なくし、加工の精度向上に寄
与する。
るので、熱伝導性の悪いセラミックスを軸受ボディーに
使った場合でも比較的短時間に熱平行状態が実現され
る。以上の理由により、セラミックス製の移動ステージ
を精密機械の構成要素として使う場合に、ヘリウムガス
は系全体の温度ゆらぎを少なくし、加工の精度向上に寄
与する。
【００３１】
【実施例】（実施例１）軸受面形状は６０×６０ｍｍの
正方形とした。種々の細孔形状のノズルを装着した軸受
をアルミナセラミックスで作製し、試験に供した。ノズ
ルは軸受の四隅に配置し、ノズル細孔直下のポケット形
状は、図３（ｆ）に示すようなＬ字型の溝として、溝で
軸受面中心を囲む構造とした。溝深さは１０μｍであ
る。軸受に供給した気体の給気圧は大気圧との差圧で
０．４ＭＰａ、負荷荷重の調整により設定した浮上距離
（軸受隙間）は５μｍである。
正方形とした。種々の細孔形状のノズルを装着した軸受
をアルミナセラミックスで作製し、試験に供した。ノズ
ルは軸受の四隅に配置し、ノズル細孔直下のポケット形
状は、図３（ｆ）に示すようなＬ字型の溝として、溝で
軸受面中心を囲む構造とした。溝深さは１０μｍであ
る。軸受に供給した気体の給気圧は大気圧との差圧で
０．４ＭＰａ、負荷荷重の調整により設定した浮上距離
（軸受隙間）は５μｍである。
【００３２】振動減衰は、衝撃荷重を軸受に加えて評価
した。振動減衰カーブから振動の整定時間を求め、減衰
カーブのＦＦＴ解析から共振周波数、減衰比を求めた。
共振周波数からその周波数での剛性（動剛性）の値を求
めた。表１に種々のＤ4／Ｌに対して測定結果を示し
た。ヘリウムガスを噴射ガスに使うことにより、空気と
ほぼ同じ剛性にもかかわらず、振動整定時間は空気の約
半分、減衰比は約２倍となり、顕著な振動減衰効果が確
認された。
した。振動減衰カーブから振動の整定時間を求め、減衰
カーブのＦＦＴ解析から共振周波数、減衰比を求めた。
共振周波数からその周波数での剛性（動剛性）の値を求
めた。表１に種々のＤ4／Ｌに対して測定結果を示し
た。ヘリウムガスを噴射ガスに使うことにより、空気と
ほぼ同じ剛性にもかかわらず、振動整定時間は空気の約
半分、減衰比は約２倍となり、顕著な振動減衰効果が確
認された。
【００３３】
【表１】
【００３４】
【発明の効果】本発明によれば、ヘリウムガスを噴射ガ
スに使うことにより減衰特性に優れた軸受を得ることが
できる。軸受ボディーにセラミックスを用いたヘリウム
ガス浮上の移動ステージは、高精度を要求する半導体露
光装置等精密工作機械に適用されて、従来にない高精度
加工を実現できる。
スに使うことにより減衰特性に優れた軸受を得ることが
できる。軸受ボディーにセラミックスを用いたヘリウム
ガス浮上の移動ステージは、高精度を要求する半導体露
光装置等精密工作機械に適用されて、従来にない高精度
加工を実現できる。
【図１】ノズル細孔からポケット、外界に至る圧力分布
と質量流量を説明する模式図である。
と質量流量を説明する模式図である。
【図２】毛細管絞りによる圧力降下と自成絞りによる圧
力降下を計算した結果を示す図であり、（ａ）は空気の
場合で、（ｂ）はヘリウムの場合を示す図である。
力降下を計算した結果を示す図であり、（ａ）は空気の
場合で、（ｂ）はヘリウムの場合を示す図である。
【図３】本発明の軸受に適用可能なポケット形状を模式
的に示す図である。それぞれ（ａ）Ｉの字、（ｂ）Ｈの
字、（ｃ）十の字、（ｄ）田の字、（ｅ）Ｔの字、
（ｆ）Ｌの字を示す図である。
的に示す図である。それぞれ（ａ）Ｉの字、（ｂ）Ｈの
字、（ｃ）十の字、（ｄ）田の字、（ｅ）Ｔの字、
（ｆ）Ｌの字を示す図である。
１ 軸受ボディー ２ ノズル細孔 ３ ポケット ４ 軸受隙間 ５ 溝 Ｄ 細孔直径 Ｌ 細孔長さ Ｐs 給気圧 Ｐt 噴出口直下圧力 Ｐz ポケット内圧力 Ｐa 外界の圧力 Ｍ1 毛細管絞りを受けたときの質量流量 Ｍ2 断熱膨張自成絞りを受けたときの質量流量 Ｍ3 軸受隙間において粘性抵抗を受けたときの質量流
量
量
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田中 慶一 東京都千代田区丸の内３丁目２番３号 株 式会社ニコン内 Ｆターム(参考） 3J102 AA02 BA14 CA02 EA02 EA07 EA10 EA13 EA30 EB07 FA06 GA01 GA07
Claims (5)
- 【請求項１】 気体噴出手段として直径０．０４ｍｍ以
上、０．４ｍｍ以下の円筒状の細孔を用いる静圧気体軸
受であって、該細孔よりヘリウムガスを噴射するヘリウ
ムガス供給装置を備えていることを特徴とする静圧気体
軸受。 - 【請求項２】 直径Ｄ、長さＬの円筒状細孔であって、
Ｄ4／Ｌが２×１０- 4ｍｍ3以下であることを特徴とする
請求項１記載の静圧気体軸受。 - 【請求項３】 軸受面上の気体噴出口を含む平面部位に
深さ５μｍ以上、３０μｍ以下のポケットを設けたこと
を特徴とする請求項１又は２記載の静圧気体軸受。 - 【請求項４】 請求項３記載のポケットが、Ｉの字、Ｈ
の字、十の字、田の字、Ｔの字及びＬの字を呈する溝形
状であることを特徴とする静圧気体軸受。 - 【請求項５】 円筒状細孔を有するノズル、及び該ノズ
ルを１個、もしくは２個以上装着した軸受ボディーが、
セラミックス製であることを特徴とする請求項１〜４の
いずれか１つに記載の静圧気体軸受。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000239061A JP2002054634A (ja) | 2000-08-07 | 2000-08-07 | 静圧気体軸受 |
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| EP01954371A EP1307660A2 (en) | 2000-08-07 | 2001-07-30 | Hydrostatic gas bearing |
| US10/344,251 US20040013327A1 (en) | 2000-08-07 | 2001-07-30 | Hydrostatic gas bearing |
| TW090119175A TW487788B (en) | 2000-08-07 | 2001-08-06 | Hydrostatic gas bearing |
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|---|---|---|---|
| JP2000239061A JP2002054634A (ja) | 2000-08-07 | 2000-08-07 | 静圧気体軸受 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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ID=18730662
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000239061A Pending JP2002054634A (ja) | 2000-08-07 | 2000-08-07 | 静圧気体軸受 |
Country Status (5)
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|---|---|
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| EP (1) | EP1307660A2 (ja) |
| JP (1) | JP2002054634A (ja) |
| TW (1) | TW487788B (ja) |
| WO (1) | WO2002012742A2 (ja) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006029412A (ja) * | 2004-07-14 | 2006-02-02 | Nippon Thompson Co Ltd | 静圧形直動案内ユニット |
| JP2009209962A (ja) * | 2008-02-29 | 2009-09-17 | Nikon Corp | 流体軸受、ステージ装置、露光装置、及びデバイス製造方法 |
| WO2013065268A1 (ja) * | 2011-10-31 | 2013-05-10 | オイレス工業株式会社 | 静圧気体軸受及びこの静圧気体軸受を用いた直動案内装置 |
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| JP2004144188A (ja) * | 2002-10-24 | 2004-05-20 | Nippon Steel Corp | 静圧気体軸受 |
| DE60318898T2 (de) * | 2002-12-18 | 2009-01-22 | Koninklijke Philips Electronics N.V. | Gaslagersystem |
| GB0612979D0 (en) | 2006-06-30 | 2006-08-09 | Renishaw Plc | Gas bearing fabrication method |
| CN101825142B (zh) * | 2010-06-01 | 2012-01-25 | 华中科技大学 | 一种单腔多孔式节流结构的气体轴承 |
| TWI407023B (zh) * | 2010-12-03 | 2013-09-01 | Ind Tech Res Inst | 自動補償液靜壓軸頸軸承 |
| US8920493B2 (en) | 2011-09-16 | 2014-12-30 | St. Jude Medical, Cardiology Division, Inc. | Systems and methods for holding annuloplasty rings |
| TWI571571B (zh) * | 2015-05-22 | 2017-02-21 | 大銀微系統股份有限公司 | 空氣軸承改良構造 |
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|---|---|---|---|---|
| US3318557A (en) * | 1965-07-12 | 1967-05-09 | Zhed Viktor Petrovich | Aerostatic support for machines and apparatus |
| FR1583457A (ja) * | 1968-04-12 | 1969-10-31 | ||
| JPS5459545A (en) * | 1977-10-21 | 1979-05-14 | Canon Kk | Fluid bearing |
| US4887914A (en) * | 1988-10-26 | 1989-12-19 | Industrial Technology Research Institute | Aerostatic bearing with an adjustable stabilizing structure |
| JPH0786369B2 (ja) * | 1989-02-04 | 1995-09-20 | 豊田工機株式会社 | 角スライド静圧支承装置 |
| US5098204A (en) * | 1989-11-03 | 1992-03-24 | John H. Blanz Company, Inc. | Load balanced planar bearing assembly especially for a cryogenic probe station |
| US5073036A (en) * | 1990-03-30 | 1991-12-17 | Rockwell International Corporation | Hydrostatic bearing for axial/radial support |
| US5518360A (en) * | 1990-11-16 | 1996-05-21 | Kabushiki-Kaisha Watanabe Shoko | Wafer carrying device and wafer carrying method |
| DE19700141A1 (de) * | 1997-01-04 | 1998-07-09 | Gero Hochtemperaturoefen Gmbh | Brennofen für die Hochtemperaturbehandlung von Materialien mit niedrigem dielektrischem Verlustfaktor |
| US6164827A (en) * | 1998-04-29 | 2000-12-26 | Eitzenberger; Hans | Aerostatic airbearing |
| JP2000002233A (ja) * | 1998-06-12 | 2000-01-07 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 動圧気体軸受およびその製造方法 |
-
2000
- 2000-08-07 JP JP2000239061A patent/JP2002054634A/ja active Pending
-
2001
- 2001-07-30 US US10/344,251 patent/US20040013327A1/en not_active Abandoned
- 2001-07-30 EP EP01954371A patent/EP1307660A2/en not_active Withdrawn
- 2001-07-30 WO PCT/JP2001/006536 patent/WO2002012742A2/en not_active Application Discontinuation
- 2001-08-06 TW TW090119175A patent/TW487788B/zh not_active IP Right Cessation
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| JP2009209962A (ja) * | 2008-02-29 | 2009-09-17 | Nikon Corp | 流体軸受、ステージ装置、露光装置、及びデバイス製造方法 |
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| US20040013327A1 (en) | 2004-01-22 |
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|---|---|---|---|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
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| A02 | Decision of refusal |
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