JP2008196700A - 高周波の共振を考慮したエアベアリング - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明の目的は、「ピン＋ピストン」（ピン及びピストン）のシステムの固有共振が最小化される、垂直方向及び水平方向に有効なエアベアリングを提供することである。
【解決手段】 エアベアリングは、底部プレート、底部プレートに可動に配置されたインタフェース部、インタフェース部の内部に可動に配置されると共に、底部プレートに対して水平及び垂直方向に除振支持される荷重を支持するピストン、及びピストンを荷重と接続する結合要素を有する。結合要素は、好ましくはピンを有し、当該ピンは、ピストンと接続される、特にピストンに螺着される。
【選択図】 図１

Description

［発明の詳細な説明］
本発明は、エアベアリングに関する。

除振用エアベアリングは既知である。一例として、公開番号が欧州特許第１ ８０３ ９６５号（出願番号）第０６ ０２６ ４２５．１号の欧州特許出願「除振システムのアイソレータ形状（Isolator Geometry of a vibration isolation system）」は、大きなベアリング力を有するエアベアリングを示す。この文書の開示内容は、参照により援用される。

このタイプのエアベアリングは、垂直なピストンと、ｙピストンプレート又は荷重との間にそれぞれ機械的な結合要素を有する。こうすることにより、確かに垂直方向の力はピストンプレートに伝達されることが達成されるが、水平方向の力は本質的に伝達されない。さらに、ピストンプレートの底部プレートに対する平行度の変化は伝達されず、アイソレータピストンの互いへの減衰が回避されてしまう。

エアベアリングの原理による既知の除振システムは、アイソレータ内部の構造的な共振を考慮せずに、ほぼ１００Ｈｚ（最大で３００Ｈｚ）までの周波数範囲に対して設計される。しかしながら、リソグラフィ装置、ステッパ及び浸漬システムの解像度及び精度がさらに向上する過程では、３００Ｈｚを超える周波数特性がますます重要となる。

したがって、エアベアリングそれ自身の周波数挙動を最適化し除振効果（isolation effect）を３００Ｈｚより上でも維持することは重要である。最新技術によるエアベアリングに関連する他の効果に加えて、機械的な結合要素が決定的に重要である。

一方では、支持される重量がそれにかかり、他方では、それは、支持される荷重及びアイソレータ間の唯一の要素である。ピストンプレート（上方の）に螺着される要素は、エアベアリングの垂直方向のピストンに螺着される下側の要素と比較して、かなり小さいため、無視することができる。下側の要素（ピンと称される）は、機械的な剛性を提供し、この剛性は、使用される素材、ピンの長さ、ねじ結合部のねじ部の厚み（thread thickness）及びねじ結合部の支持面積に依存する。既知のエアベアリングの場合、静的な荷重の場合に対して安定性が十分であるように設計されるが、動的な剛性及び共振に対しては特に設計されていない。

既知のエアベアリングでは、ピンの偏位（deflection）が生じることがあり、ピストン及び水平方向支持のエアクッションを伴うことで、固有振動数が多くの場合３００Ｈｚを超える振動性のシステムが構成され得る。結果として、３００Ｈｚを超える周波数範囲での除振効果は悪化する。

この効果は、システムパラメータ「支持される質量」及び「水平方向支持のエアクッション」を変化させることによって、条件付きでのみ低減させることができることが明らかとなった。

［本発明の目的］
対照的に、少なくとも上述の不都合な点を低減させることが、本発明の目的である。

特に、静的な荷重に対する機械的な剛性と同時に動的な剛性とを達成するようにピンを設計し、「ピン＋ピストン」（ピン及びピストン）のシステムの固有共振が最小化されるようにすることが、本発明の目的である。

［本発明の構成］
本発明の目的は、独立請求項の１つに記載のエアベアリングにより既に達成された。

したがって、底部プレート、底部プレートに可動に配置されるインタフェース部、インタフェース部の内部に可動に配置されると共に、底部プレートに対して水平及び垂直方向に除振支持される荷重を支持するピストン、及びピストンを荷重と接続する結合要素を有し、結合要素は好ましくはピストンと接続される、特にピストンに螺着されるピンを有する、垂直方向及び水平方向に有効なエアベアリングが提供される。

本発明によれば、ピストンを荷重と接続する結合要素は、荷重に対して、少なくともピストンの長さの４分の１、好ましくは、ピストンの長さの２分の１の間隔を有する。

したがって、本発明のこの実施形態は、システム全体に関係のない周波数範囲内に共振はシフトしないが、ピストンがもはや減衰傾向を持たず、したがってもはや振動に関する機械インピーダンスを形成しないように、結合要素で伝達される力が力の作用平面（plane of effect）でずらされる（shifted）、別のアプローチである。

これは、ピストン及び荷重の接続部が荷重に対して少なくともピストンの長さの４分の１の間隔を有するように、結合要素を設計するという驚くほど簡単な方法で成功する。

したがって、ピン又はねじ接続を介して設置されることが好ましい接続部は、ピストン内で下方に再配置されるため、ピストンが減衰する傾向がなくなる。

本発明のさらなる実施形態では、結合要素は、ピストンを通って上方から延びる延長部を有し（provides）、好ましくはほぼピラミッド形状又は円錐形状であり、ピストンと結合される。延長部の径は、底部プレートの方向に減少することが好ましい。

延長部は、「好ましくはピラミッド形状又は円錐形状」を受けて、完全な円錐を形成せず、例えば互いに離間して位置する複数の個々の扇形から成ることも理解される。

径が好ましくは底部に向かって拡大する延長部の径は、必ずしも円形の断面を有する延長部を指すのではなく、延長部は、多角形形状の、好ましくは四角形の断面を有していてもよい。

本発明のさらなる好適な実施形態では、さらなる延長部が荷重に取着され、この延長部は、結合要素と接続される。

このさらなる延長部は、第１の延長部の内側を延びることが好ましく、さらに底部に向かって細くなる（reduced）。

本発明の代替実施形態は、さらに、底部プレート、底部プレートに可動に配置されるインタフェース部、及びインタフェース部内に可動に配置されると共に、底部プレートに対して水平及び垂直方向に除振支持される荷重を支持するピストンを有する、垂直方向及び水平方向に有効なエアベアリングに関する。上述のように、結合要素は、ピストンを荷重と接続し、ピンを有し、当該ピンは、ピストンに接続され、好ましくはピストンに螺着される。

本発明者らは、長さの直径に対する比が０．７未満の、好ましくは０．５未満の、特に好ましくは０．２未満のピンを選択することにより、共振に起因する、除振効果の減少が、３００Ｈｚ未満の周波数範囲で広範囲で避けられることを見出した。

これに関連して、「支持される質量」のピンの剛性に対する比は、システム全体の期待される構造的な共振にとって決定的であるように思われる。この比が小さいほど、より小さな構造的な共振が期待されるため、見込んだ（future)要件を鑑みてアイソレータがよりうまく組立てられる。

代替的に、又は組み合わせて、少なくとも３０ｍｍの、好ましくは少なくとも３５ｍｍの、特に好ましくは４０ｍｍの直径を有するピンが用いられる。

ピンは、１８ｍｍ未満の、好ましくは１０ｍｍ未満の、特に好ましくは６ｍｍ未満の長さを有する。

さらに、ピンは、ねじ部を有することが好ましく、ねじ部の直径のピストンの長さに対する比は、０．８より大きく、好ましくは、１．５より大きく、特に好ましくは３よりも大きい。特に、ねじ部は、１０ｍｍを超え、好ましくは１５ｍｍを超え、特に好ましくは２０ｍｍを超える直径を有する。

剛性を増加させるために、ピンは、好ましくは、鋼鉄、チタン、又は対応する合金から成ることが好ましい。

［実施形態］
以下では、図１〜図６を用いて、より詳細に本発明を説明する。

図１は、主に知られているようなエアベアリング１を示す。導入部で挙げた特許出願でより詳細に説明されるエアベアリングは、特に、中にピストン３が除振取着されるインタフェース部２を有する。除振される(to be isolated)荷重４は、結合要素（詳細Ｕ）を介してピストンと接続される。

図２は、結合要素５の詳細図を示す。結合要素は、ピストン（図１における３）に螺着される下側のピン６、及び除振される荷重すなわちピストンプレート（図１における４）に螺着される上側のピンを有する。さらに、結合要素は、ばね要素としてゴムの緩衝材８を有し、ゴムの緩衝材は、ほぼリング形状に形成される。上側のピン７は、下側のピン６に支持される。

図３は、本発明が関係する下側のピン６の概略図を示す。ピンは、概ね、円柱形状に形成され、その上側領域でわずかに面取りされる。したがって、ピンは、下側の直径ｄ_Ｕよりも上側の直径ｄ_Ｏが小さい。本発明の意味では、直径に関する説明を、上側の直径と同様に下側の直径に参照してもよい。ピンは、長さＩを有する。長さＩには、ねじ部６の長さは含まれない。本発明者らは、請求項に記載されたように、直径に対して長さを選択することにより、３００Ｈｚを超える範囲で共振に起因する外乱を減少させ又は広く避けることができることを見出した。

さらに、ピン６は、ピンをピストン（図１における３）に螺着するためのねじ部９を有する。ねじ部は、２０ｍｍを超える直径を有することが好ましく、特に、Ｍ２４又はＭ３０のねじとして形成される。

図４は、本発明の代替実施形態の概略的な断面図を示し、本実施形態では、ピストン３及び荷重４間の接触点を規定する結合要素が底部１２に向けてずらされている。

この目的のために、エアベアリングは、第１の延長部１０を有し、この第１の延長部１０は、ピストン３と上側で接続、本実施形態では螺着され、ほぼエアベアリング１の底部１２まで延びる。

本実施形態では、第１の延長部１０は、ほぼ中空の円筒として形成される。

さらなる延長部１１が、荷重に取着され、延長部１１は、第１の延長部１０の内部を下方に延びる。

この結果、第１の延長部１０及び第２の延長部１１間の、したがって荷重４及びピストン３間の接触点は、下側のピン６及び上側のピン７間に形成される結合要素により最終的に規定され、底部部分１２に向かって下向きにずらされている。

上部では、さらなる延長部１１は、荷重と固定して螺着される。

下側のピン６及び上側のピン７間の接触点をずらすことにより、外乱の固有振動数が広い範囲で消滅するように、ピストン３の減衰傾向が減少する。

図５は、図４における結合要素５の詳細図を示す。

本実施形態では、結合要素５は、下側のピン６及び上側のピン７から成り、これらは、ねじ部（図示せず）及びねじナット１３を用いて、第１の延長部１０及び第２の延長部１１に螺着される。

第１のピン５及び／又は第２のピン６は、振動の通過を減少させる弾性素材で形成されていてもよい。

図６は、結合要素５が、図４による実施形態より、下方でわずかに荷重４に近づけて配置される、他の実施形態を示す。本実施形態では、結合要素５は、ピストン３の長さのほぼ半分の位置にある。

本発明は、上述の特徴の組合せに限定されず、当業者は、意味がある限り、全ての特徴を互いに組み合わせるであろうということを理解されたい。

エアベアリングを示す、結合要素のピンの形状が最適化される本発明の第１の実施形態の断面図である。 結合要素の詳細図を示す、結合要素のピンの形状が最適化される本発明の第１の実施形態の断面図である。 下側のピンの概略図を示す、結合要素のピンの形状が最適化される本発明の第１の実施形態の断面図である。 結合要素がほぼ底部プレートの高さに配置される本発明の代替実施形態を示し、ピストン及び荷重間の接触点を規定する結合要素が底部に向けてずれている、本発明の代替実施形態の概略的な断面図である。 結合要素がほぼ底部プレートの高さに配置される本発明の代替実施形態を示し、結合要素の詳細図を示す図である。 結合要素がほぼ底部プレートの高さに配置される本発明の代替実施形態を示し、結合要素が図４による実施形態より、下方でわずかに荷重に近づけて配置される、他の実施形態を示す図である。

符号の説明

１ エアベアリング
２ インタフェース部
３ ピストン
４ 荷重
５ 結合要素
６ 下側のピン
７ 上側のピン
８ ゴムの緩衝材
９ ねじ部
１０ 延長部
１１ 延長部
１２ 底部
１３ ねじナット

Claims (15)

1. 底部プレートと、
   前記底部プレートに可動に配置されるインタフェース部と、
   前記インタフェース部の内部に可動に配置されると共に、水平及び垂直方向に除振支持される荷重を支持するピストンと、
   前記ピストンを前記荷重と接続する結合要素を備え、
   前記結合要素は、前記荷重に対して、前記ピストンの長さの少なくとも４分の１の間隔を有することを特徴とする、垂直方向及び水平方向に有効なエアベアリング。
2. 前記結合要素は、前記ピストンと接続される、特に該ピストンに螺着されるピンを有することを特徴とする、請求項１に記載の垂直方向及び水平方向に有効なエアベアリング。
3. 前記ピストン及び前記荷重の接続部は、該荷重に対して、該ピストンの長さの少なくとも３分の１の、好ましくは２分の１の、特に好ましくは３分の２の間隔を有することを特徴とする、請求項１又は２に記載の垂直方向及び水平方向に有効なエアベアリング。
4. 前記ピンは、前記底部プレートにほぼ隣接することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の垂直方向及び水平方向に有効なエアベアリング。
5. 前記結合要素は、前記ピストンを通って上方から延びる延長部により前記ピストンと接続され、好ましくはピラミッド形状又は円錐形状であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の垂直方向及び水平方向に有効なエアベアリング。
6. 前記延長部の径は、前記底部プレートに向かって減少することを特徴とする、請求項５に記載の垂直方向及び水平方向に有効なエアベアリング。
7. 前記底部プレートに向かって延びる他の延長部が、前記荷重に取着され、該他の延長部は、前記結合要素と接続されることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の垂直方向及び水平方向に有効なエアベアリング。
8. 前記他の延長部の径は、前記底部プレートに向かって減少することを特徴とする、請求項７に記載の垂直方向及び水平方向に有効なエアベアリング。
9. 前記他の延長部は、前記ピストンに配置される前記延長部の内部に配置されることを特徴とする、請求項８又は９に記載の垂直方向及び水平方向に有効なエアベアリング。
10. 底部プレートと、
    前記底部プレートに可動に配置されるインタフェース部と、
    前記インタフェース部の内部に可動に配置されると共に、前記底部プレートに対して水平及び垂直方向に除振支持される荷重を支持するピストンと、
    前記ピストンを前記荷重と接続し、ピンを有する結合要素を備え、
    前記ピンは、前記ピストンと接続され、特に該ピストンに螺着され、
    前記ピンは、長さの直径に対する比が、０．７未満、好ましくは０．５未満、特に好ましくは０．２未満であることを特徴とする、垂直方向及び水平方向に有効なエアベアリング。
11. 底部プレートと、
    前記底部プレートに可動に配置されるインタフェース部と、
    前記インタフェース部の内部に可動に配置されると共に、前記底部プレートに対して水平及び垂直方向に除振支持される荷重を支持するピストンと、
    前記ピストンを前記荷重と接続し、ピンを有する結合要素を備え、
    前記ピンは、前記ピストンと接続され、特に該ピストンに螺着され、
    前記ピンは、少なくとも３０ｍｍの、好ましくは少なくとも３５ｍｍの、特に４０ｍｍの直径を有することを特徴とする、垂直方向及び水平方向に有効なエアベアリング。
12. 底部プレートと、
    前記底部プレートに可動に配置されるインタフェース部と、
    前記インタフェース部の内部に可動に配置されると共に、前記底部プレートに対して水平及び垂直方向に除振支持される荷重を支持するピストンと、
    前記ピストンを前記荷重と接続し、ピンを有する結合要素を備え、
    前記ピンは、前記ピストンと接続され、特に該ピストンに螺着され、
    前記ピンは、１８ｍｍ未満の、好ましくは１０ｍｍ未満の、特に好ましくは６ｍｍ未満の長さを有することを特徴とする、垂直方向及び水平方向に有効なエアベアリング。
13. 底部プレートと、
    前記底部プレートに可動に配置されるインタフェース部と、
    前記インタフェース部の内部に可動に配置されると共に、前記底部プレートに対して水平及び垂直方向に除振支持される荷重を支持するピストンと、
    前記ピストンを前記荷重と接続し、ピンを有する結合要素を備え、
    前記ピンは、前記ピストンと接続され、特に該ピストンに螺着され、
    前記ピンのねじ部の直径の前記ピストンの長さに対する比は、０．８より大きく、好ましくは１．５より大きく、特に好ましくは３ｍｍより大きいことを特徴とする、垂直方向及び水平方向に有効なエアベアリング。
14. 底部プレートと、
    前記底部プレートに可動に配置されるインタフェース部と、
    前記インタフェース部の内部に可動に配置されると共に、前記底部プレートに対して水平及び垂直方向に除振支持される荷重を支持するピストンと、
    前記ピストンを前記荷重と接続し、ピンを有する結合要素を備え、
    前記ピンは、前記ピストンと接続され、特に該ピストンに螺着され、
    前記ピンのねじ部は、１０ｍｍを超える、好ましくは１５ｍｍを超える、特に２０ｍｍを超える直径を有することを特徴とする、垂直方向及び水平方向に有効なエアベアリング。
15. 底部プレートと、
    前記底部プレートに可動に配置されたインタフェース部と、
    前記インタフェース部の内部に可動に配置されると共に、前記底部プレートに対して水平及び垂直方向に除振支持される荷重を支持するピストンと、
    前記ピストンを前記荷重と接続し、ピンを有する結合要素を備え、
    前記ピンは、前記ピストンと接続され、特に該ピストンに螺着され、
    前記ピンは、鋼鉄、チタン、又は対応する合金から成ることを特徴とする、垂直方向及び水平方向に有効なエアベアリング。

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