JP2013249930A - 静圧ステージ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】加圧流体の供給圧力の変動に伴う軸受隙間の変動を抑制することができる静圧ステージ装置を提供する。
【解決手段】流体供給源５０から流体を供給するために流体供給源に接続された流体供給管３１a,３１bと、案内面１２を有する基台１１と、案内面に対向して静圧軸受が設けられ静圧軸受に流体を供給するため流体流路３０a,３０bが形成されている移動体２１を有する静圧ステージ装置１００であって、移動体の流体流路は、流体供給管と連絡していて流体供給管から流体を受領し、流体流路には絞り部２３a,２３bが設けられており、絞り部を介して流体流路から静圧軸受に流体が供給されて静圧軸受と基台の案内面との間に軸受隙間ｄ_２が画成され、移動体には、絞り部より上流側で流体流路と連通し、且つ流体供給管との間に外部に通じている隙間ｄ_１を形成するように、流体溜まり部２４a,２４bが設けられていることを特徴とする、静圧ステージ装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、静圧ステージ装置に関し、特に精密加工機、精密測定機あるいは半導体製造装置などで用いる静圧ステージ装置に関する。

精密加工機、精密測定機あるいは半導体製造装置などで用い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精度化が必要である。位置決め精度の要求が数十ナノメートルオーダの場合、非接触支持による低摩擦・低発熱といった特徴から、静圧流体軸受（以下、静圧軸受と呼ぶ）を搭載した静圧ステージ装置が一般に用いられている。一般的な静圧ステージ装置は、静圧軸受を、動きを制限する方向において互いに逆向きの浮上力が発生するように両面に配置（以下、静圧軸受両面配置と呼ぶ）した構造を採用している。静圧軸受両面配置を採用した静圧ステージ装置は、搭載面積を確保することや、移動体の重心を駆動するようにアクチュエータを配置することを考慮するために、移動体が複雑な形状をしているものが多い。そのため、高精度部品の数が多く加工コストが高くなり、更に、軸受隙間の管理を部品精度の積み上げでおこなう必要があるため、組立の難易度も高くなるという問題があった。そこで、近年において、ローコスト化の観点から、簡易な構成で高精度を実現した静圧ステージ装置が求められてきている。

移動体の構造を簡易にした高精度静圧ステージ装置の例として、特許文献１に開示されている静圧ステージ装置が知られている。移動体に対して、静圧軸受が、移動軸と直交する１つの移動制限軸において同じ向きにのみ浮上力が発生するように片面にのみ配置（以下、静圧軸受片面配置と呼ぶ）された構造をとっている。そして、軸受隙間を調整するために、磁気吸引力を予荷重として利用していることを特徴としている。

特開昭６１−２９０２３１号公報

しかしながら、特許文献１に開示されている静圧ステージ装置は、磁気吸引力を予荷重として用いているために、加圧流体の供給圧力が変動すると軸受隙間も変動してしまい、静圧案内軸受の運動精度が低下するという問題があった。
そこで本発明は、加圧流体の供給圧力の変動に伴う軸受隙間の変動を抑制することができる高精度静圧ステージ装置を提供せんとするものである。

本発明による静圧ステージ装置は、流体供給源と、流体供給源から流体を供給するために流体供給源に接続されている流体供給管と、案内面を有する基台と、案内面に対向して静圧軸受が設けられており、静圧軸受に流体を供給するため流体流路が形成されている移動体と、を有し、移動体の流体流路は、流体供給管と連絡していて流体供給管から流体を受領し、流体流路には絞り部が設けられており、絞り部を介して流体流路から静圧軸受に流体が供給されて静圧軸受と基台の案内面との間に軸受隙間が画成され、移動体には、絞り部より上流側で流体流路と連通し、且つ流体供給管との間に外部に通じている隙間を形成するように、流体溜まり部が設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、絞り部より上流側で流体流路と連通し、且つ流体供給管との間に外部に通じている隙間を形成するように、流体溜まり部を移動体に設けることによって、流体供給源からの加圧流体の供給圧力の変動に対して軸受隙間の変動を抑制することができる。

第１実施形態における静圧ステージ装置１００を示した図である。 第１実施形態における静圧ステージ装置１００の部分拡大図である。 第１実施形態におけるラビリンスシールが設けられた静圧ステージ装置１００の部分拡大図である。 第２実施形態における静圧ステージ装置２００を示した図である。 第３実施形態における静圧ステージ装置３００の斜視図である。

以下、本発明を実施するための形態を図面を用いて説明する。なお、以下に示す図面は、本発明を容易に理解できるようにするために、実際とは異なる縮尺で描かれている場合がある。

図１（ａ）は、第１実施形態における静圧ステージ装置１００の斜視図である。移動体２１の上下方向の動きは、基台１１に対して、移動体２１の下面２１ｂに設けられた静圧軸受２２ａ及び２２ｂ（図１（ｄ）参照）によって制限されている。また基台１１の左右に設けられたガイド４１ａ及び４１ｂに対して、移動体２１の左右面２１ｃ及び２１ｄに、互いに逆向きの力が発生するように設けられた静圧軸受２７ａ及び２７ｂ（図１（ｄ）参照）によって、移動体２１の左右方向の動きが制限されている。従って、移動体２１は、上下方向及び左右方向と直交する方向に移動することができる。
また、移動体２１の下面２１ｂ（静圧面）の反対側の上面（予圧面）２１ａに非接触で対向し、かつ流体供給源５０に接続された流体供給管３１ａ及び３１ｂが設けられている。なお、本実施形態では流体供給管は２つ設けられているが、流体供給管の数はこれに限定されない。

図１（ｂ）は、第１実施形態における静圧ステージ装置１００の流体供給管３１ａの拡大透視図である。なお、図１（ｂ）では、流体供給管３１ａの内部構造をわかりやすくするために、ガイド４１ａは図示されていない。流体供給管３１ａの内部には、流体供給源５０と連通する流体供給管内部流路３２ａ及び移動体２１の上面２１ａに向けて開口する流体供給管側面孔３３ａが設けられている。流体供給管内部流路３２ａ及び流体供給管側面孔３３ａにより流体供給路が構成されている。なお、流体供給管３１ｂについては、同様の構造であるので、説明は省略する。

図１（ｃ）は、第１実施形態における静圧ステージ装置１００の移動体２１の上面２１ａの拡大斜視図である。なお、図１（ｃ）では、移動体２１の上面２１ａの構造をわかりやすくするために、流体供給管３１ａは図示されていない。移動体２１の上面２１ａには、流体供給管側面孔３３ａと対向する位置に、流体溜まり部２４ａが設けられている。なお、図示してはいないが、同様に、移動体２１の上面２１ａには、流体供給管側面孔３３ｂと対向する位置に、流体溜まり部２４ｂが設けられている。

図１（ｄ）は、第１実施形態における静圧ステージ装置１００の、図１（ａ）中のＩＤ−ＩＤ線に沿った断面図である。移動体２１の下部には、基台１１の案内面１２に対向するように、静圧軸受２２ａ及び２２ｂが設けられている。静圧軸受２２ａ及び２２ｂは、静圧ポケット２５ａ及び２５ｂと、静圧ポケット２５ａ及び２５ｂの周囲に設けられたランド部２６ａ及び２６ｂから形成されている。静圧ポケット２５ａ及び２５ｂは、絞り部２３ａ及び２３ｂと連通しており、絞り部２３ａ及び２３ｂは流体流路３０ａ及び３０ｂを通して流体溜まり部２４ａ及び２４ｂに連通している。流体溜まり部２４ａ及び２４ｂは、凹部２８ａ及び２８ｂと、凹部２８ａ及び２８ｂの周囲に設けられたランド部２９ａ及び２９ｂから形成されている。
流体供給源５０から流体供給管３１ａ及び３１ｂに加圧流体が流されると、加圧流体は流体供給管内部流路３２ａ及び３２ｂ、流体供給管側面孔３３ａ及び３３ｂ、凹部２８ａ及び２８ｂ、及び流体流路３０ａ及び３０ｂを通過する。従って、流体流路３０ａ及び３０ｂは、流体供給管３１ａ及び３１ｂと連絡していて流体供給管３１ａ及び３１ｂから加圧流体を受領する。その後、加圧流体は、絞り部２３ａ及び２３ｂ、及び静圧ポケット２５ａ及び２５ｂを通過し、移動体２１の周りの外部空間に流出される。それにより、移動体２１は基台１１に対して浮上し、案内面１２と静圧軸受２２ａ及び２２ｂとの間には、軸受隙間ｄ_a2及びｄ_b2が画成される。また、流体供給管３１ａ及び３１ｂの下面３４ａ及び３４ｂと流体溜まり部２４ａ及び２４ｂとの間には隙間ｄ_a1及びｄ_b1が画成される。すなわち、移動体２１には、絞り部２３ａ及び２３ｂより上流側で流体流路３０ａ及び３０ｂと連通し、且つ流体供給管３１ａ及び３１ｂとの間に外部に通じている隙間ｄ_a1及びｄ_b1を形成するように、流体溜まり部２４ａ及び２４ｂが設けられている。
なお、流体供給管３１ａ及び３１ｂと移動体２１は接触していないので、移動体２１は、移動時に、配管の摺動抵抗変化の影響を受けることがない。
また、静圧軸受２７ａ及び２７ｂに対する流路は図示しておらず、説明についても省略する。

なお、本実施形態では、静圧軸受において定圧力作動方式を採用している。定圧力作動方式を用いた静圧軸受とは、絞り部を通して軸受隙間へ加圧流体を流すことで、非接触浮上する静圧軸受のことをいう。絞り部は、定圧力作動方式の静圧軸受では、必須の構成要素であり、軸受隙間の減少・増加に応じて、軸受隙間における加圧流体の圧力を増加・減少させるという剛性付与の役割を有している。本実施形態では、流体供給管側面孔３３ａ及び３３ｂの抵抗は、絞り部２３ａ及び２３ｂの抵抗や軸受隙間ｄ_a2及びｄ_b2における抵抗に比べて、十分小さいものである。従って静圧軸受２２ａ及び２２ｂが剛性を有する静圧軸受として作用するのに対して、流体溜まり部２４ａ及び２４ｂは、静圧軸受として作用するものではない。

図１（ｅ）及び（ｆ）はそれぞれ、第１実施形態における静圧ステージ装置１００の移動体２１の下面２１ｂの正面図及び上面２１ａの正面図である。ここでは、静圧軸受２２ａ及び２２ｂのランド部２６ａ及び２６ｂに囲まれた面積を共にＳ₂、流体溜まり部２４ａ及び２４ｂのランド部２９ａ及び２９ｂに囲まれた面積を共にＳ₁とする。面積Ｓ₁及びＳ₂は、以下に示す計算において使用する。面積Ｓ₁及びＳ₂は、案内面１２に垂直な方向から見たときの面積である。

図２は、第１実施形態における静圧ステージ装置１００の部分拡大図である。図２に示すように、流体供給源５０から静圧軸受２２ａへ至る加圧流体の圧力損失と流量の関係は、電気回路とのアナロジーを利用して記述することができる。具体的には、電気回路の各要素と、流体回路の各要素との関係は以下の表１のように表される。

図２において、Ｐ_sは流体供給源５０における加圧流体の供給圧力、Ｐ₁は流体溜まり部２４ａにおける加圧流体の圧力、Ｐ₂は静圧軸受２２ａにおける加圧流体の圧力である。また、Ｒ₀は流体供給源５０から流体供給管側面孔３３ａに至る流路の流体抵抗、Ｒ₁は流体溜まり部２４ａと流体供給管３１ａの下面３４ａとの間の隙間ｄ_a1の流体抵抗である。さらに、Ｒ₂は、絞り部２３ａの流体抵抗、Ｒ₃は静圧軸受２２ａと基台１１の案内面１２との間の軸受隙間ｄ_a2の流体抵抗である。また、Ｑは流体供給源５０から流体供給管３１ａへ供給される加圧流体の総流量、Ｑ₁は隙間ｄ_a1から外部へ流出する加圧流体の流量である。Ｑ₂は凹部２８ａ、流体流路３０ａ、絞り部２３ａ及び静圧ポケット２５ａを通過して、軸受隙間ｄ_a2から外部へ流出する加圧流体の流量を示している。
なお、流体供給管３１ｂから静圧軸受２２ｂに至る加圧流体の流れに対しても、もちろん同様の回路が成り立つ。

移動体２１へかかる総予荷重Ｆは、初期予荷重Ｆ₀と、流体溜まり部２４ａにおける加圧流体の圧力Ｐ₁と流体溜まり部２４ａの面積Ｓ₁との積を用いて、以下の式１のように表される。
Ｆ＝Ｆ₀＋Ｐ₁×Ｓ₁ ・・・（式１）

ここで、初期予荷重Ｆ₀とは、例えば、移動体２１の自重、移動体２１と基台１１が磁性体で形成されていた場合におけるそれらの間の磁気吸引力、真空による吸引力などにより静圧軸受２２ａの軸受隙間ｄ_a2が狭まる方向へ作用する荷重のことである。なお、本明細書に示す式においては、流体供給管３１ａ、流体溜まり部２４ａ、静圧軸受２２ａの一つの組のみが移動体２１に設けられていると仮定している。

本実施形態のように、移動体の片方の面を静圧面、もう片方の面を予圧面とした構成では、片方の面に対してのみ高い加工精度が必要となる案内面を設ければよく、簡単な構造である。また、式１に示されるように、軸受隙間ｄ_a2の調整をおこなうための総予荷重Ｆの調整についても、流体溜まり部２４ａの面積Ｓ₁を変えることで簡単におこなうことができる。
従来技術のように、例えば磁気吸引力を用いた一定の予荷重が軸受にかかっている場合には、加圧流体の供給圧力が変動した場合に、軸受隙間も変動してしまうという問題があった。しかしながら、本実施形態では、式１に示されるように、加圧流体の供給圧力Ｐ_sが変動した場合であっても、供給圧力Ｐ_sの変動に伴った圧力Ｐ₁の変動により、総予荷重Ｆも変動し、結果として供給圧力変動による軸受隙間変動を抑制することができる。

以下に、図２に示されている回路から導かれるいくつかの関係式を説明する。

まず、移動体２１の上下方向にはたらく力の釣り合いから、以下の式２が得られる。
Ｆ＝Ｆ₀＋Ｐ₁×Ｓ₁＝Ｐ₂×Ｓ₂ ・・・（式２）

式２をＰ₂について解くと、以下の式３が得られる。
Ｐ₂＝（Ｆ₀＋Ｐ₁×Ｓ₁）／Ｓ₂ ・・・（式３）

次に、絞り部２３ａ及び軸受隙間ｄ_a2における圧力降下を考えると、以下の式４及び式５が得られる。
Ｐ₁−Ｐ₂＝Ｒ₂×Ｑ₂ ・・・（式４）
Ｐ₂＝Ｒ₃×Ｑ₂ ・・・（式５）

従って、式４及び式５より、Ｒ₃は以下の式６のように表される。
Ｒ₃＝Ｐ₂×Ｒ₂／（Ｐ₁−Ｐ₂） ・・・（式６）

式６に式３を代入すると、流体溜まり部２４ａにおける加圧流体の圧力Ｐ₁と軸受隙間ｄ_a2における流体抵抗Ｒ₃の関係は以下の式７のように表される。
Ｒ₃＝Ｒ₂×（Ｐ₁×Ｓ₁＋Ｆ₀）／（Ｐ₁×（Ｓ₂−Ｓ₁）−Ｆ₀） ・・・（式７）

例えば、流体溜まり部２４ａを設けなかった場合（Ｓ₁＝０）、すなわち従来技術のように初期予荷重Ｆ₀のみが移動体２１にかかっている場合、式７は以下の式８のようになる。
Ｒ₃＝Ｒ₂×Ｆ₀／（Ｐ₁×Ｓ₂−Ｆ₀） ・・・（式８）

従って、加圧流体の供給圧力Ｐ_sが変動すると、それに伴ってＰ₁も変動し、結果として、軸受隙間ｄ_a2における流体抵抗Ｒ₃も変動する。すなわち、従来技術のように流体溜まり部を設けずに一定の初期予荷重のみが移動体にかかっている場合では、加圧流体の供給圧力が変動した際に、軸受隙間が変動してしまうことがわかる。

一方、軸受隙間ｄ_a2における流体抵抗Ｒ₃は、平行平板を流れる粘性流体の圧損の関係から、軸受隙間ｄ_a2を用いて以下の式９のように表される。
Ｒ₃＝Ａ／（ｄ_a2）³ ・・・（式９）

ここでＡは比例定数である。従って、Ｒ₃の変化が小さいほど、軸受隙間ｄ_a2の変化も小さくなる。

式９を式７に代入すると、以下の式１０が得られる。
(ｄ_a2)³＝Ａ×(Ｐ₁×(Ｓ₂−Ｓ₁)−Ｆ₀)／(Ｒ₂×(Ｐ₁×Ｓ₁＋Ｆ₀)) ・・・（式１０）

次に、Ｓ₁が零ではない場合（Ｓ₁≠０）を考える。例えばＰ₁を０．５（ＭＰａ＝１０⁶Ｎ／ｍ²）、Ｓ₁を５０ｃｍ²と仮定すると、Ｐ₁×Ｓ₁は０．５×１０⁶×５０×１０^-4（Ｎ）＝２５００（Ｎ）となる。そして、初期予荷重Ｆ₀を自重のみの１５０Ｎと仮定すると、Ｐ₁×Ｓ₁＝２５００（Ｎ）＞＞Ｆ₀＝１５０（Ｎ）の関係が成り立つ。従って、この仮定の下では、Ｆ₀≒０と置いてもよいことがわかる。
Ｆ₀≒０とした場合、式７は以下の式１１のように表すことができる。
Ｒ₃＝Ｒ₂×Ｓ₁／（Ｓ₂−Ｓ₁） ・・・（式１１）

従って、この仮定の下ではＲ₃はＰ₁の影響を受けないことがわかる。すなわち、加圧流体の供給圧力Ｐ_sが変動し、それに伴いＰ₁が変動しても、Ｒ₃は変動しない、つまり式９より軸受隙間ｄ_a2は変動しない。
従って、上記の仮定で用いた数値は、本実施形態の静圧ステージ装置を構成する上で、実用性の高い数値であると考えることができる。

上記の計算において、特に式１０からわかるように、流体供給源５０から流体供給管側面孔３３ａに至る流路の流体抵抗Ｒ₀、及び流体溜まり部２４ａと流体供給管３１ａの下面３４ａとの間の隙間ｄ_a1の流体抵抗Ｒ₁は軸受隙間ｄ_a2に直接は寄与しない。従って、例えば、Ｒ₁を決定する隙間ｄ_a1の平行度は軸受隙間ｄ_a2の５倍程度大きくても軸受隙間ｄ_a2の変動への影響はないため、製作が容易である。ただし、Ｐ₁は、静圧軸受２２ａにおける加圧流体の圧力Ｐ₂を大きくし、剛性を向上させるために、大きい方が望ましい。従って、以下の式１２及び式１３で表される関係より、製作が容易な範囲で、Ｒ₀はなるべく小さく、Ｒ₁はなるべく大きくする方がよい。
Ｐ_s−Ｐ₁＝Ｒ₀×Ｑ ・・・（式１２）
Ｐ₁＝Ｒ₁×Ｑ₁ ・・・（式１３）

また、Ｒ₃が正となる条件、つまり軸受隙間ｄ_a2が正となる条件、すなわち移動体２１が上下方向に浮上するための条件を考えると、式７の右辺が正になる必要がある。従って、そのためには以下の式１４で表される関係が満たされる必要がある。
Ｐ₁×（Ｓ₂−Ｓ₁）−Ｆ₀＞０ ・・・（式１４）

また、加圧流体の流れにおいて、供給圧力Ｐ_sはＰ₁より常に大きくなるため、以下の式１５が成り立つ。
Ｐ_s＞Ｐ₁ ・・・（式１５）

従って、式１４及び式１５より、以下の式１６が得られる。
Ｓ₁＜Ｓ₂−Ｆ₀／Ｐ_s ・・・（式１６）

従って、式１６は、加圧流体の供給圧力Ｐ_sおよび初期予荷重Ｆ₀が決められた際に、移動体が浮上するために、流体溜まり部２４ａの面積Ｓ₁が、静圧軸受２２ａの面積Ｓ₂に対して満たす必要のある関係式である。

次に、軸受隙間ｄ_a2の圧力Ｐ₁に対する変化率を計算する。まず、変化率（∂ｄ_a2／∂Ｐ₁）を計算するために、（∂（ｄ_a2）³／∂Ｐ₁）を計算すると、以下の式１７が得られる。
（∂(ｄ_a2)³／∂Ｐ₁）＝（∂(ｄ_a2)³／∂ｄ_a2）・（∂ｄ_a2／∂Ｐ₁）
＝３×(ｄ_a2)²・（∂ｄ_a2／∂Ｐ₁） ・・・（式１７）

従って、式１７から、（∂ｄ_a2／∂Ｐ₁）は以下の式１８のように表すことができる。
（∂ｄ_a2／∂Ｐ₁）＝１／(３×(ｄ_a2)²)・(∂(ｄ_a2)³／∂Ｐ₁) ・・・（式１８）

また、（∂（ｄ_a2）³／∂Ｐ₁）は、式１０から以下の式１９のように計算することができる。
（∂(ｄ_a2)³／∂Ｐ₁）＝∂(Ａ×(Ｐ₁×(Ｓ₂−Ｓ₁)−Ｆ₀)／(Ｒ₂×(Ｐ₁×Ｓ₁＋Ｆ₀))）
／∂Ｐ₁＝Ａ×Ｓ₂×Ｒ₂×Ｆ₀ ／ (Ｒ₂×(Ｐ₁×Ｓ₁＋Ｆ₀))² ・・・（式１９）

従って、（∂ｄ_a2／∂Ｐ₁）は式１８及び式１９から、以下の式２０のように求めることができる。
(∂ｄ_a2／∂Ｐ₁)＝１／(３×(ｄ_a2)²)・Ａ×Ｓ₂×Ｒ₂×Ｆ₀／(Ｒ₂×(Ｐ₁×Ｓ₁＋Ｆ₀))²
・・・（式２０）

ここで、流体溜まり部２４ａを設けなかった場合（Ｓ₁＝０）において、軸受隙間ｄ_a2をｄ₀とし、総予荷重ＦはＦ₀＋Ｐ₁×Ｓ₁＝Ｆ₀となることから、（∂ｄ_a2／∂Ｐ₁）_S1=0は、以下の式２１のように求められる。
(∂ｄ_a2／∂Ｐ₁)_S1=0＝１／ (３×(ｄ₀)²)・Ａ×Ｓ₂／ (Ｒ₂×Ｆ₀) ・・・（式２１）

次に、流体溜まり部２４ａを設けた場合（Ｓ₁≠０）において、同様に軸受隙間ｄ_a2がｄ₀、総予荷重ＦがＦ₀の場合を考え、この場合における初期予荷重をＦ₀’とすると、以下の式２２が得られる。
(∂ｄ_a2／∂Ｐ₁)_S1≠0＝１／（３×(ｄ₀)²）・Ａ×Ｓ₂×Ｒ₂×Ｆ₀’
／ (Ｒ₂×(Ｐ₁×Ｓ₁＋Ｆ₀’))²＝１／（３×(ｄ₀)²）・Ａ×Ｓ₂×（Ｆ₀−Ｐ₁×Ｓ₁）
／（Ｒ₂×Ｆ₀ ²） ・・・（式２２）

従って、式２２から以下の式２３が得られる。
(∂ｄ_a2／∂Ｐ₁)_S1≠0＝１／（３×(ｄ₀)²）・（(Ａ×Ｓ₂)／(Ｒ₂×Ｆ₀))
・（１−Ｐ₁×Ｓ₁／Ｆ₀）＝ (∂ｄ_a2／∂Ｐ₁)_S1=0・（１−Ｐ₁×Ｓ₁／Ｆ₀）
・・・（式２３）

従って、流体溜まり部２４ａを設けた場合（Ｓ₁≠０）及び設けなかった場合（Ｓ₁＝０）それぞれにおいて、同じ軸受隙間ｄ₀及び同じ総予荷重Ｆ₀のときには、軸受隙間ｄ_a2の圧力Ｐ₁に対する変化率が式２３のように変わってくる。具体的には、（∂ｄ_a2／∂Ｐ₁）_S1≠0は（∂ｄ_a2／∂Ｐ₁）_S1=0に比べて、（１−Ｐ₁×Ｓ₁／Ｆ₀）倍だけ小さくなることがわかる。
例えば、流体溜まり部２４ａの面積Ｓ₁を０．２×Ｆ₀／Ｐ₁に設定すると、軸受隙間ｄ_a2の圧力Ｐ₁に対する変化率（∂ｄ_a2／∂Ｐ₁）_S1≠0は、流体溜まり部２４ａを設けなかった場合に比べて０．８倍になる。
従って、Ｐ₁×Ｓ₁とＦ₀が近い値であり、Ｆ₀≒０のように近似できない場合であっても、流体溜まり部２４ａを設ける（Ｓ₁≠０）ことによって、設けなかった（Ｓ₁＝０）場合に比べて、軸受隙間ｄ_a2の供給圧力変動の影響を低減させる効果が生じる。
また具体的に、流体溜まり部２４ａを設ける（Ｓ₁≠０）ことによって、流体溜まり部２４ａを設けなかった（Ｓ₁＝０）場合に対して軸受隙間変動量を２０％低減する（０．８倍にする）条件をＳ₁の下限と考えると、上記より以下の式２４が得られる。
Ｓ₁＞０．２×Ｆ₀／Ｐ₁＞０．２×Ｆ₀／Ｐ_S ・・・（式２４）

従って、式１６及び式２４から、以下の式２５の関係を満たすようにＳ₁を決定すればよいことがわかる。
０．２×Ｆ₀／Ｐ_S＜Ｓ₁＜Ｓ₂−Ｆ₀／Ｐ_s ・・・（式２５）

静圧軸受２２ａの剛性は、絞り部２３ａの前後の圧力比Ｐ₁／Ｐ₂が、以下の式２６に示される関係を満たすときに、最大となることが知られている。
Ｐ₁／Ｐ₂＝２ ・・・（式２６）

式３に式２６を代入すると、以下の式２７が得られる。
Ｓ₁＝Ｓ₂／２−Ｆ₀／Ｐ₁ ・・・（式２７）

従って、Ｆ₀≒０が成り立つ場合には、式２７は以下の式２８のようになる。
Ｓ₁＝Ｓ₂／２ ・・・（式２８）

すなわち、流体溜まり部２４ａの面積Ｓ₁を静圧軸受２２ａの面積Ｓ₂の半分にすれば、静圧軸受２２ａの剛性を最大にすることができる。

図３に示すように、流体供給管３１ａの移動体２１に対向する面の縁部、すなわち外周面の一部と流体溜まり部２４ａのランド部２９ａとの間の隙間をラビリンスシール３５ａにすることで、流体溜まり部２４ａからの加圧流体の余分な漏れを低減する事ができる。ラビリンスシール３５ａの形状としては、例えば図３のように、流体溜まり部２４ａから外部環境に至る経路の長さを長くしたものが考えられる。こうすることで、流体抵抗Ｒ₁を大きくすることもできる。

また、流体供給管３１ａを柔構造とすることで、供給圧力Ｐ_sの変動に対する、流体溜まり部２４ａにおける加圧流体の圧力Ｐ₁の変動をさらに抑制することができる。
例えば、図２に示されるように、供給圧力Ｐ_sが増加すると、流体供給管３１ａが柔構造であれば、上側に撓む。そうすると、流体溜まり部２４ａと流体供給管３１ａの下面３４ａとの間の隙間ｄ_a1の流体抵抗Ｒ₁が小さくなり、隙間ｄ_a1から外部へ流出する加圧流体の流量Ｑ₁が大きくなるため、結果としてＰ₁が小さくなる。すなわち、供給圧力Ｐ_sの変動を打ち消すようにＰ₁を変化させることができる。
ここで、柔構造とは、例えば、中心部に流路を有した断面矩形の両持ち梁で、０．５ＭＰａの等分布荷重が、梁中央の全長の１／１０程度の範囲にかかった場合に、最大撓み量が２０μｍとなる程度のものをさす。より具体的には、断面３０ｍｍ×３０ｍｍで長さが５００ｍｍの鉄製の梁で、両端が、基台に固定された構造のものなどがある。
なお、本実施例では、移動体２１の左右方向の移動の制限は、静圧軸受２７ａ及び２７ｂの両面配置によっているが、静圧軸受２７ａ及び２７ｂに対しても、本第１実施形態の構成を取り入れても構わない。

図４（ａ）は、第２実施形態における静圧ステージ装置２００の斜視図である。なお、本第２実施形態において、第１実施形態と同じ構成要素には同一の参照符号を付し、説明を省略する。第２実施形態における静圧ステージ装置２００は、流体供給管１３１ａ及び１３１ｂが移動体１２１の内部を貫通している点で、第１実施形態における静圧ステージ装置１００とは異なっている。このように構成することによって、移動体１２１の上面１２１ａを広く使うことができ、すなわち移動体１２１の搭載可能面積を大きくすることができる。

図４（ｂ）は、第２実施形態における静圧ステージ装置２００の、図４（ａ）中のＩＶＢ−ＩＶＢ線に沿った断面図である。第１実施形態と同様に、流体供給管１３１ａ及び１３１ｂの内部には、流体供給源５０と連通する流体供給管内部流路１３２ａ及び１３２ｂ、及び流体溜まり部１２４ａ及び１２４ｂに向けて開口する流体供給管側面孔１３３ａ及び１３３ｂが設けられている。なお、本第２実施形態における流体溜まり部１２４ａ及び１２４ｂは、凹部１２８ａ及び１２８ｂから形成されている。
流体供給源５０から流体供給管１３１ａ及び１３１ｂに加圧流体が流されると、加圧流体は流体供給管内部流路１３２ａ及び１３２ｂ、流体供給管側面孔１３３ａ及び１３３ｂ、及び凹部１２８ａ及び１２８ｂを通過する。その後、加圧流体は、流体流路３０ａ及び３０ｂ、絞り部２３ａ及び２３ｂ、及び静圧ポケット２５ａ及び２５ｂを通過し、移動体１２１の周りの外部空間に流出される。それにより、移動体１２１は基台１１に対して浮上し、案内面１２と静圧軸受２２ａ及び２２ｂとの間には、軸受隙間ｄ_a4及びｄ_b4が形成される。また、流体供給管１３１ａ及び１３１ｂの下面１３４ａ及び１３４ｂと流体溜まり部１２４ａ及び１２４ｂとの間には隙間ｄ_a3及びｄ_b3が形成される。
また、本第２実施形態によれば、流体供給管１３１ａ及び１３１ｂの外周面と、それに対向する移動体１２１の面との間の隙間を流体溜まり部１２４ａ及び１２４ｂから直接外部空間に流出する加圧流体の漏れ流量を低減するための抵抗として使うことができる。すなわち、この構成により、ラビリンスシールを簡易に設けることができる。

図５は、第３実施形態における静圧ステージ装置３００の斜視図である。なお、本第３実施形態において、第１及び第２実施形態と同じ構成要素には同一の参照符号を付し、説明を省略する。第３実施形態における静圧ステージ装置３００は、一つの流体供給管２３１が移動体２２１の内部を貫通している点で、第１実施形態における静圧ステージ装置１００及び第２実施形態における静圧ステージ装置２００とは異なっている。また、第３実施形態における静圧ステージ装置３００では、ガイド４１ａ及び４１ｂ、及び静圧軸受２７ａ及び２７ｂを設けておらず、流体供給管２３１の左右を案内面として利用している点で、静圧ステージ装置１００及び２００とは異なっている。このように構成することで、静圧ステージ装置の構成部品点数を減少させることができる。

本発明の静圧ステージ装置によれば、移動を制限する方向に配置する必要のある案内面が１面でよく、構造が簡易であり、組立も容易である。また、流体溜まり部にかかる圧力と流体溜まり部の面積の積が静圧面への予荷重としてはたらき、その予荷重が、供給圧力に連動して移動体にはたらく浮上力と予荷重のバランスを一定に保つように変化する。そのため、供給圧力変動によらず軸受隙間は一定となる。このように本発明によれば、簡易な構造である静圧軸受片面配置構造で、供給圧力変動による軸受隙間変動を抑制した、高精度静圧ステージ装置を提供することができる。
また、流体供給管を移動体の内部を貫通するように設けることで、移動体の上面を広く使うことができ、すなわち移動体の搭載可能面積を大きくすることができる。
さらに、流体溜まり部の面積Ｓ₁及び静圧軸受の面積Ｓ₂が、関係式０．２×Ｆ₀／Ｐ_S＜Ｓ₁＜Ｓ₂−Ｆ₀／Ｐ_sを満たすようにすることで、供給圧力の変動による軸受隙間の変動量を、予荷重一定とした場合の２０％以上低減することができる。ここでＦ₀は移動体にかかる初期予荷重、Ｐ_sは流体供給源における加圧流体の供給圧力である。すなわち、流体溜まり部の面積を調整するという簡易な方法で、高精度静圧ステージ装置を提供することができる。
加えて、流体溜まり部の面積Ｓ₁及び静圧軸受の面積Ｓ₂が、関係式Ｓ₁＝Ｓ₂／２を満たすようにすることで、流体溜まり部の面積を調整するという簡易な方法で、静圧軸受の剛性を最大化することができる。それにより、外乱に対しての運動精度の低下を抑制した高精度静圧ステージ装置を提供することができる。
さらにまた、ラビリンスシールを用いることで流体溜まり部から静圧軸受へ向かわず外部空間に漏れる流量を小さくすることができる。その結果、流体溜まり部の圧力低下を防ぐことができ、静圧軸受の負荷容量低下ひいては剛性の低下を防止でき、外乱に対しての運動精度低下を抑制できる。すなわち、ラビリンスシールという、簡易な方法で、高精度静圧ステージ装置を提供することができる。

１１ 基台
１２ 案内面
２１ 移動体
２２ａ、２２ｂ 静圧軸受
２３ａ、２３ｂ 絞り部
２４ａ、２４ｂ 流体溜まり部
３０ａ、３０ｂ 流体流路
３１ａ、３１ｂ 流体供給管
５０ 流体供給源
１００ 静圧ステージ装置

Claims (6)

1. 流体供給源と、
   該流体供給源から流体を供給するために該流体供給源に接続されている流体供給管と、
   案内面を有する基台と、
   該案内面に対向して静圧軸受が設けられており、該静圧軸受に流体を供給するため流体流路が形成されている移動体と、を有する静圧ステージ装置であって、
   前記移動体の前記流体流路は、前記流体供給管と連絡していて前記流体供給管から流体を受領し、
   前記流体流路には絞り部が設けられており、
   該絞り部を介して前記流体流路から前記静圧軸受に流体が供給されて前記静圧軸受と前記基台の前記案内面との間に軸受隙間が画成され、
   前記移動体には、前記絞り部より上流側で前記流体流路と連通し、且つ前記流体供給管との間に外部に通じている隙間を形成するように、流体溜まり部が設けられていることを特徴とする、静圧ステージ装置。
2. 前記流体供給管は、前記移動体の前記静圧軸受が設けられた面の反対側の予圧面に非接触で対向するように設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の静圧ステージ装置。
3. 前記流体供給管は、前記移動体の内部を貫通していることを特徴とする、請求項１に記載の静圧ステージ装置。
4. 前記流体溜まり部の面積Ｓ_１及び前記静圧軸受の面積Ｓ_２が、以下の関係式
   ０．２×Ｆ_０／Ｐ_Ｓ＜Ｓ_１＜Ｓ_２−Ｆ_０／Ｐ_ｓ
   （ここでＦ_０は前記移動体にかかる初期予荷重、Ｐ_ｓは前記流体供給源における加圧流体の供給圧力）を満たすことを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の静圧ステージ装置。
5. 前記流体溜まり部の面積Ｓ_１及び前記静圧軸受の面積Ｓ_２が、以下の関係式
   Ｓ_１＝Ｓ_２／２
   を満たすことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の静圧ステージ装置。
6. 前記流体供給管と前記流体溜まり部との間に設けられたラビリンスシールを有することを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の静圧ステージ装置。

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