JP2004100925A - 静圧軸受および案内装置 - Google Patents

Abstract

【課題】第一の移動部材と共に移動する第二の移動部材の総合剛性が低下することなく維持できる構造である。
【解決手段】第一の移動部材Ａ１から第二の移動部材Ａ２に静圧軸受用の加圧流体を非接触にて供給し、かつ第二の移動部材Ａ２に設けた静圧軸受の絞り９からこの加圧流体を噴出させて、直接、基台５から非接触に第二の移動部材Ａ２を浮上させる。このことにより、第一の移動部材Ａ１の上下浮上用静圧軸受を介さない様にして第二の移動部材Ａ２の剛性を維持する。
【選択図】　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、精密工作機械、精密測定装置、半導体露光装置等に用いられる静圧軸受および案内装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、基台１００５面上を移動する第一移動部材と、その第一移動部材とともに移動しかつ第一の移動部材に対し単独で相対移動を行う第二の移動部材の軸受を静圧軸受で構成する場合、次の様にしていた。すなわち、図９のように、静圧多孔質パッド１００６より基台１００５に対向する面に加圧気体を供給し、すきま１０１８を形成して基台１００５上に浮上保持されている第一の移動部材（主に１００３，１０３０）上に、静圧多孔質パッド１００９を設け、第一の移動部材に対して回転運動する第二の移動部材（主に１００１、１００２）に対向する面に加圧気体を供給し、すきま１０２１を形成して第一の移動部材上に非接触に第二の移動部材を保持していた。
【０００３】
一方、非接触で圧力気体を移動体に供給する方法としては、例えば図９に示すように、シール部材１０３１の内周円筒面上に給気溝１０２３を設け、気体の漏れを防ぐようその両側のすきま１０３２を小さくして給気穴１０１７から給気溝１０２３を介して回転体の給気穴１０２８に加圧気体を供給し、回転体上の空圧機器１０２９を駆動したりしていた（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３参照）。また、支持部材（定盤）と移動体とで微小すきまを設けてシールとし、さらに直線移動体に溝を設け、その溝に開口する給気穴から溝を介して移動体に加圧気体を供給するものもあった（例えば、特許文献４参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特公平５−８２９０７号公報
【特許文献２】
特開平２−５１６２１号公報
【特許文献３】
特開２００１−２１９３０２号公報
【特許文献４】
特開２００１−２０９５１号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の構成では、第一の移動部材の上下方向を支持する静圧気体軸受（剛性Ｋ１）と第二の移動部材の上下方向を支持する静圧気体軸受（剛性Ｋ２）が構造上直列に構成されてしまうため、第二の移動部材の総合剛性はＫ＝Ｋ１Ｋ２／（Ｋ１＋Ｋ２）となって著しく劣化するという欠点があった。尚、図９に示された要素のうち、既に述べた要素以外について触れると、１０２６は給気溝、１０２７は給気穴、１０３３と１０３４は排気穴であり、これら以外は、各数字から千を除いた数字で後記の第１の実施例で示される要素に相当する要素である。
【０００６】
一方、静圧気体軸受で支持されている移動体への加圧気体の供給は、すべて供給する気体の圧力とすきまに依存してシールを行い、シールのすきま内部は供給する加圧気体の圧力による圧力勾配ができるだけなので、シール部分からの気体の漏れが多く、高圧の加圧気体を長期にわたり安定的に供給するには向かないという欠点があった。また、それを改善するために、
１）シール部分を長くする。
２）シール部分のすきまを小さくする。
等の方策があったが、それぞれ
１）スペース効率が悪く使用する場所を限定される。
２）軸受の外側にシールがある場合、移動部材の変位や姿勢の変化が軸受部分よりも大きくなり、場合によっては接触してしまう。
等の欠点があった。
加えて、シール部分を軸受とは別に高精度に仕上なくてはならないという欠点もあった。
【０００７】
本出願に係る第１の発明の目的は、第一の移動部材と共に移動する第二の移動部材の総合剛性が低下することなく維持できる構造を提供することを目的とする。また、本出願に係る第２の発明の目的は、支持部材から静圧流体軸受で非接触に支持された移動部材へ、非接触で効率良く加圧流体を供給する構造であって第１の発明の構造に好適に用いられ得る構造を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段および作用】
上記目的を達成するため、基台面上を移動する本出願に係る第１の発明の構造は、第一の移動部材から第二の移動部材に静圧軸受用の加圧流体を非接触にて供給し、かつ第二の移動部材に設けた静圧軸受の絞りから前記加圧流体を噴出させて、直接、基台から非接触に第二の移動部材を浮上させることにより、第一の移動部材の上下浮上用静圧軸受を介さないようにして第二の移動部材の剛性を維持することを特徴とする。より詳細には、第一の移動部材と第二の移動部材と基台を含む静圧軸受および案内装置において、第一の移動部材とこれに対向する基台面の間に流体を噴出し、その流体の静圧によって第一の移動部材を非接触で支持する流体軸受であり、基台面上で移動可能に第一の移動部材を面に垂直な方向に浮上支持する第一の静圧軸受を備え、第一の移動部材に対して移動可能（例えば、回転可能）に第二の移動部材を支持する第二の静圧軸受を備え、大気圧以上の圧力分布が形成された非接触シールを介して第一の移動部材から加圧流体を第二の移動部材に供給すると共に第二の移動部材の基台に対向する面に噴出させ、第一の移動部材と共に基台面上を移動可能とすべく第二の移動部材を基台面に垂直な方向に浮上支持する第三の静圧軸受を備えることを特徴とする。
【０００９】
上記基本構成において、前記第一又は第二の移動部材を非接触状態で基台に向けて吸引する吸引発生手段を備えたり、第一の移動部材から第二の移動部材への加圧流体の供給は、典型的には、前記第二の静圧軸受に囲まれた空間を介して行われたりする。ただし、前記大気圧以上の圧力分布が形成された非接触シールは、軸受を構成しないで、単に加圧流体がそこに供給されて非接触シールを構成する部分であってもよい。
【００１０】
さらに、上記目的を達成するため、本出願に係る第２の発明の構造は、第一の移動部材から第二の移動部材に静圧軸受用等の加圧流体を非接触にて供給する際に、静圧軸受等の非接触シールで囲まれ閉じられた空間を介することにより加圧流体の漏れを防ぎ、加圧流体の供給圧力が低下するのを防ぐことを特徴とする。より詳細には、移動部材とこれに対向する支持部材の間に流体を噴出し、その流体の静圧によって前記移動部材を非接触で支持する静圧軸受および案内装置であって、大気圧以上の圧力分布が形成された非接触シールに囲まれた空間に開口し、支持部材および移動部材のそれぞれから連通する流体供給穴を備え、その非接触シールに囲まれた空間を介して支持部材から移動部材に加圧流体を供給する手段を有することを特徴とする。
【００１１】
上記基本構成において、典型的には、前記非接触シールは、前記移動部材と支持部材の間の静圧軸受で形成され、前記加圧流体供給手段は、該静圧軸受に囲まれた空間に開口し、支持部材および移動部材のそれぞれから連通する流体供給穴を備え、その静圧軸受に囲まれた空間を介して支持部材から移動部材に加圧流体を供給する。また、前記加圧流体供給手段により、移動部材とこれに対向する他の部材の間に加圧流体が噴出され、その流体の静圧によって移動部材を非接触で該他の部材に対して支持する様に構成してもよいし、前記加圧流体供給手段により供給される加圧流体は静圧軸受以外の他の用途（例えば、図９の様に空圧機器を駆動する用途）に用いられてもよい。
【００１２】
上記静圧軸受および案内装置において、前記空間を囲む静圧軸受は、ラジアル軸受、アキシャル軸受、或いはアキシャル軸受とラジアル軸受の組合せであったりし、前記流体は、典型的には、気体である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を明らかにすべく実施例を図面に沿って説明する。
（第１実施例）
図１は本発明における第１の発明と第２の発明を共に実施した第１の実施例の縦断面図であり、図２は図１における移動体ＡのＺＺ矢視図である。移動体Ａは、第一の移動体Ａ１と第二の移動体Ａ２からなる。ハウジング３からなる第一の移動体Ａ１において、ハウジング３は、定盤５に対向する面に静圧多孔質パッド６を接着等により備え、図示されていない給気穴、給気溝を通って加圧気体が供給され、これがパッド６表面よりすきま１８に噴出することにより浮上力を得るとともに、マグネット２２が発生する吸引力によって上下方向に非接触に拘束されている。ハウジング３のガイド４に対向する両側面には静圧多孔質パッド７が配置されて給気穴１２、給気溝１１を介して加圧気体が供給され、加圧気体がすきま１９に噴出することにより、ハウジング３はガイド４に非接触に拘束されている。以上により第一の移動体Ａ１は図１紙面に垂直に移動可能なように支持されている。
【００１４】
第一の移動体Ａ１に対して回転可能に支持されている第二の移動体Ａ２は、ローター１およびテーブル２からなり、第一の移動体のハウジング３に設けられた給気穴１４、給気溝１３を通ってハウジング３の内径に接着または焼ばめで配置されている静圧多孔質パッド８に供給された加圧気体が軸受すきま２０に噴出し、非接触で保持されている。
【００１５】
ラジアル軸受多孔質パッド８は気体の噴出面を二分割され、間にできた給気溝２３にはハウジング３に設けられた給気穴１７とローター１に設けられた給気穴１６が開口し、給気穴１７に供給された加圧気体が給気溝２３、給気穴１６、給気溝１５を経てスラスト（アキシャル）軸受多孔質パッド９の表面から軸受すきま２１に噴出することにより、第二の移動体Ａ２は浮上力を得るとともに、マグネット１０により吸引力を発生して上下方向に非接触に拘束されている。尚、２４と２５は夫々モーターマグネットとモーターコイルである。また、上記構成では第二の移動体Ａ２は第一の移動体Ａ１に対して回転可能に支持されているので、円筒状形態の第二の移動体Ａ２に関係する各要素は第二の移動体Ａ２の回りにぐるりと形成されている。
【００１６】
このときの給気溝２３の機能について図３〜図５を用いて説明する。図３、図４は機能を説明するための構造部材と圧力分布を表した模式図、図５は図１のラジアル軸受部分を同様に表した拡大模式図である。
【００１７】
図３において、ラジアル軸受多孔質１０２はハウジング１０１に焼ばめや接着により保持されている。ハウジング１０１に設けられた給気穴１０５より供給される圧力Ｐｓの加圧気体は、同じくハウジングに設けられた給気溝１０６を介してラジアル軸受多孔質１０２に供給されてラジアル軸受すきま１０４に噴出され、ローター１０３を非接触に支持する。ラジアル軸受すきま１０４における圧力分布は、中心で最高圧力Ｐｍａｘとなり端面の大気開放側では大気圧になるような形状をとる。中心部の圧力は軸受の絞り（本例では多孔質）の条件に加え、給気圧Ｐｓと軸受すきまｃおよび軸受長さＬによって決まり、数値解析によって予測可能である。
【００１８】
この状態の軸受の中心に、図４のように閉じられた溝状の空間１１７を配置すれば溝内部の圧力は一定に保持される。尚、図４において、１１１〜１１６は夫々図３の１０１〜１０６で示される部分に相当する部分である。そこで、図５のように給気溝２３に連通し、外部から圧力Ｐｓ’の加圧気体を供給する給気穴１７をハウジング３に設けると共に、同じく給気溝２３に連通しそこからローター１に加圧気体を供給する給気穴１６を設けることにより、外部から供給された加圧気体を非接触でシールすると共にその漏れ流量を極力抑え、効率的に加圧気体を回転体１に供給することが可能となる。
【００１９】
軸受内の圧力分布を考慮して、軸受への給気圧Ｐｓと給気溝への加圧気体の圧力Ｐｓ’とを調整することにより最適な条件が求まるが、求める軸受性能のマージンにより許容できる圧力範囲は広く取れる。図５では加圧気体の圧力Ｐｓ’が圧力分布の最高圧Ｐｍａｘを上回っている（Ｐｓ’＞Ｐｍａｘ）ため、圧力分布の最高圧はＰｓ’となっているが、Ｐｓ’＝Ｐｍａｘ、Ｐｓ’＜Ｐｍａｘでも可能で、軸受性能と合わせて自在に設計することが可能である。
【００２０】
以上のように、本実施例においては、移動体Ａは定盤５およびガイド４に沿って移動可能であり、第二の移動体Ａ２は第一の移動体Ａ１に回転可能に拘束されながら定盤５上を同様に移動することが可能である。ここにおいて、本発明の第１の発明の原理により、第二の移動体Ａ２のテーブルの垂直方向剛性は軸受多孔質９と定盤５とで形成される軸受すきま２１による剛性のみに依存するため、剛性を高く維持することが可能である。しかも、本発明の第２の発明の原理を用いることにより、第一の移動体Ａ１から第二の移動体Ａ２に非接触でかつ効率良く加圧気体を供給することが可能である。
【００２１】
（第２の実施例）
次に、図６に本発明の第２の発明の原理を用いた第２の実施例を示す。図６において、ハウジング２０２、２０４に接着等で固定されているアキシャル軸受多孔質２０５、２０６は、給気穴２０８、２１１および給気溝２０９、２１０を介して、図示されていない供給源より加圧気体を供給され、軸受すきま２１８、２１９に気体を噴出させ、一対の軸受を構成してアキシャル方向にローター２０１を非接触に支持している。同様に、ハウジング２０４に焼ばめまたは接着により固定されているラジアル軸受多孔質２０７は、給気穴２１２および給気溝２１３を介して、図示されていない供給源より加圧気体を供給され、軸受すきま２２０に気体を噴出させ、ラジアル方向にローター２０１を非接触に支持している。両者によりローター２０１は、図６の左右方向に伸びる軸の回りで回転可能に支持されている。
【００２２】
上記構造において、空間２２１は排気穴２１４により大気へ開放されており、空間２２２も大気へ開放されている。したがって、ラジアル軸受多孔質２０７より噴出され軸受すきま２２０に噴出した気体は、そのまま若しくは空間２２１、排気穴２１４を経て大気へ放出される。アキシャル軸受多孔質２０５、２０６の内周は同様に空間２２１、２２２を経て大気に開放されている一方で、その外周が開口する空間２１７は、流路２１５および２１６を閉鎖した場合、閉空間となり高い圧力を維持しながら軸受を構成する。このときアキシャル軸受多孔質２０５、２０６から噴出された気体は空間２２１、２２２を経て大気へ放出され、圧力分布は多孔質２０５、２０６の外周で高く内周では大気圧となる。こうして、空間２１７を高圧で維持することが可能であるから、第１の実施例同様、ハウジング２０３に設けた流路２１５から加圧気体を供給し空間２１７を介してローター２０１に設けた流路２１６に効率良く供給することが可能である。これにより、ローター２０１上では、図示していない空圧機器や静圧軸受などを構成することができる。
【００２３】
（第３の実施例）
次に、図７に本発明の第２の発明の原理を用いた第３の実施例を示す。図７において、ハウジング３０２、３０４に接着等で固定されているアキシャル軸受多孔質３０５、３０６は、給気穴３０８、３１１および給気溝３０９、３１０を介して、図示されていない供給源より加圧気体を供給され、軸受すきま３１６、３１７に気体を噴出させ、一対の軸受を構成してアキシャル方向にローター３０１を非接触に支持している。同様に、ハウジング３０４に焼ばめまたは接着により固定されているラジアル軸受多孔質３０７は、給気穴３１２および給気溝３１３を介して、図示されていない供給源より加圧気体を供給され、軸受すきま３１８に気体を噴出させ、ラジアル方向にローター３０１を非接触に支持している。こうして両者によりローター３０１が回転可能に支持されているのは第２の実施例と同じである。
【００２４】
上記構造において、空間３２３、３２５は排気穴３１４、３１５によりそれぞれ大気へ開放されており、空間３２４も大気へ開放されている。したがって、ラジアル軸受多孔質３０７より噴出され軸受すきま３１８に噴出した気体は、そのまま若しくは空間３２３、排気穴３１４を経て大気へ放出される。アキシャル軸受多孔質３０５ａ、３０６の内周は同様に空間３２４、３２３を経て大気に開放され、アキシャル軸受多孔質３０５ｂ、３０６の外周も、空間３２５、ハウジング３０３に設けた排気穴３１５を経て大気へと開放されている。このとき、スラスト軸受のすきま３１６、３１７内の圧力分布は、中心が高く内周と外周が大気圧となるので、スラスト軸受３０５の中心に溝空間３２０を設け、そこに開口する流路３１９をハウジング３０２に、同様に開口する流路３２１をローター３０１に配置して、前述の実施例同様、流路３１９から加圧気体を供給し空間３２０を介してローター３０１に設けた流路３２１に効率良く供給することが可能である。なお、盲栓３２２は流路３２１の作成時に必要になるものであるが、流路の配置によっては不要にしても良い。
【００２５】
（第４の実施例）
次に、図８に同じく本発明の第２の発明の原理を用いた第４の実施例を示す。図８において、ハウジング４０２、４０４に接着等で固定されているアキシャル軸受多孔質４０５、４０６は、給気穴４１３、４１５および給気溝４１４、４１６を介して、図示されていない供給源より加圧気体を供給され、軸受すきま４１９、４２０に気体を噴出させ、一対の軸受を構成してアキシャル方向にローター４０１を非接触に支持している。同様に、ハウジング４０２、４０４に焼ばめまたは接着により固定されているラジアル軸受多孔質４０８、４０７は、給気穴４０９、４１１および給気溝４１０、４１２を介して、図示されていない供給源より加圧気体を供給され、軸受すきま４１７、４１８に気体を噴出させ、ラジアル方向にローター４０１を非接触に支持している。両者によりローター４０１が回転可能に支持されているのは前述の実施例と同じである。
【００２６】
上記構造において、空間４２４はハウジング４０３に設けられた排気穴４２３により大気へ開放されているが、空間４２１、４２２は閉鎖されている。したがって、ラジアル軸受多孔質４０８、４０７より噴出され軸受すきま４１７、４１８に噴出した気体は、そのままローター４０１の端面にある大気開放されているすきまのみから排出され、アキシャル軸受多孔質４０５、４０６から軸受すきま４１９、４２０に噴出した気体は外周へ向かって流れ、空間４２４、排気穴４２３を経て大気中へ排出される。このとき、スラスト軸受のすきま４１９、４２０内の圧力分布は、空間４２１、４２２側すなわち内周側が高く外周側が大気圧となり、ラジアル軸受すきま４１７、４１８内も空間４２１、４２２側が高い圧力となり端面側が大気圧となる。こうして、高い圧力を維持できる空間４２２に開口し外部と連通する流路４２５をハウジング４０４に、同じく空間４２２に開口しローター４０１上の適当個所に連通する流路４２６をローター４０１に設ければ、前述の実施例同様、流路４２５から加圧気体を供給し空間４２２を介してローター４０１に設けた流路４２６に効率良く供給することが可能である。
【００２７】
以上に説明した実施例の中では、図１の回転駆動用モーター２４、２５を除き、簡略化のためモーターなどの駆動装置は省略している。同様に、実際には装着されるであろう位置検出装置等も省略してある。また、上記実施例では第二の移動体を回転体としたが、直進移動体でもよい。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、本出願に係る第１の発明によれば、第二の移動部材を基板上に直接浮上させることにより第一の移動部材が間に介在しないため、平面上を移動する部材を小型軽量化できるのはもちろん、軸受が直列にならないので高剛性化が可能である
【００２９】
また、本出願に係る第２の発明によれば、加圧流体の供給に静圧軸受などの非接触シールで囲まれた空間を介することにより、シール部分と軸受の兼用、軸受の圧力分布を利用することも可能であるため、装置の小型軽量化、加圧流体供給の効率化（漏れが少ない）等の効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例に係る縦断面図である。
【図２】本発明の第１の実施例に係る図１のＺＺ矢視図である。
【図３】本発明の原理を説明するための構造部材と圧力分布を表した第１の模式断面図である。
【図４】本発明の原理を説明するための構造部材と圧力分布を表した第２の模式断面図である。
【図５】本発明の第２の発明に係る第１の実施例の構造部材と圧力分布を表した第３の模式断面図である。
【図６】本発明の第２の実施例に係る縦断面図である。
【図７】本発明の第３の実施例に係る縦断面図である。
【図８】本発明の第４の実施例に係る縦断面図である。
【図９】従来例を説明する縦断面図である。
【符号の説明】
１　・・・　ローター
２　・・・　テーブル
３　・・・　ハウジング
４　・・・　ガイド
５　・・・　定盤（基台）
６　・・・　静圧軸受多孔質パッド（上下）
７　・・・　静圧多孔質パッド（ヨーパッド）
８　・・・　ラジアル軸受多孔質パッド
９　・・・　スラスト軸受多孔質パッド
１０　・・・　スラスト吸引マグネット
１１、１３、１５、２３　・・・　給気溝
１２、１４、１６、１７　・・・　給気穴
１８　・・・　軸受すきま（上下）
１９　・・・　軸受すきま（ヨー）
２０　・・・　軸受すきま（ラジアル）
２１　・・・　軸受すきま（スラスト）
２２　・・・　マグネット（ハウジング）
２４　・・・　モーターマグネット
２５　・・・　モーターコイル

Claims (10)

1. 第一の移動部材と第二の移動部材と基台を含む静圧軸受および案内装置おいて、
   第一の移動部材とこれに対向する基台面の間に流体を噴出し、その流体の静圧によって第一の移動部材を非接触で支持する流体軸受であり、基台面上で移動可能に第一の移動部材を面に垂直な方向に浮上支持する第一の静圧軸受を備え、
   第一の移動部材に対して移動可能に第二の移動部材を支持する第二の静圧軸受を備え、
   大気圧以上の圧力分布が形成された非接触シールを介して第一の移動部材から加圧流体を第二の移動部材に供給すると共に第二の移動部材の基台に対向する面に噴出させ、第一の移動部材と共に基台面上を移動可能とすべく第二の移動部材を基台面に垂直な方向に浮上支持する第三の静圧軸受を備えることを特徴とする静圧軸受および案内装置。
2. 前記第一又は第二の移動部材を非接触状態で基台に向けて吸引する吸引発生手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の静圧軸受および案内装置。
3. 前記第二の移動部材は、第二の静圧軸受により第一の移動部材に対して回転可能に支持されることを特徴とする請求項１又は２に記載の静圧軸受および案内装置。
4. 第一の移動部材から第二の移動部材への加圧流体の供給は前記第二の静圧軸受に囲まれた空間を介して行われることを特徴とする請求項１、２又は３に記載の静圧軸受および案内装置。
5. 移動部材とこれに対向する支持部材の間に流体を噴出し、その流体の静圧によって前記移動部材を非接触で支持する静圧軸受および案内装置であって、
   大気圧以上の圧力分布が形成された非接触シールに囲まれた空間に開口し、支持部材および移動部材のそれぞれから連通する流体供給穴を備え、その非接触シールに囲まれた空間を介して支持部材から移動部材に加圧流体を供給する手段を有することを特徴とする静圧軸受および案内装置。
6. 前記非接触シールは、前記移動部材と支持部材の間の静圧軸受で形成され、前記加圧流体供給手段は、該静圧軸受に囲まれた空間に開口し、支持部材および移動部材のそれぞれから連通する流体供給穴を備え、その静圧軸受に囲まれた空間を介して支持部材から移動部材に加圧流体を供給することを特徴とする請求項５に記載の静圧軸受および案内装置。
7. 前記加圧流体供給手段により、移動部材とこれに対向する他の部材の間に加圧流体が噴出され、その流体の静圧によって移動部材を非接触で該他の部材に対して支持することを特徴とする請求項５又は６に記載の静圧軸受および案内装置。
8. 前記加圧流体供給手段により供給される加圧流体は静圧軸受以外の他の用途に用いられることを特徴とする請求項５又は６に記載の静圧軸受および案内装置。
9. 前記空間を囲む静圧軸受は、ラジアル軸受、アキシャル軸受、或いはアキシャル軸受とラジアル軸受の組合せであることを特徴とする請求項４又は６に記載の静圧軸受および案内装置。
10. 前記流体は気体であることを特徴とする請求項１乃至９の何れかに記載の静圧軸受および案内装置。

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