JP3826977B2

JP3826977B2 - Fluid hydrostatic bearing characteristic measuring device, fluid hydrostatic bearing characteristic measuring method, and positioning device dynamic characteristic determining method

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Publication number: JP3826977B2
Application number: JP30492897A
Authority: JP
Inventors: 義幸小林; 一也小野
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1997-10-20
Filing date: 1997-10-20
Publication date: 2006-09-27
Anticipated expiration: 2017-10-20
Also published as: JPH11118672A

Description

【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）[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for determining the dynamic characteristics of a fluid static pressure bearing characteristic measurement device and a positioning device, and more particularly, a characteristic measurement apparatus for measuring dynamic characteristics in addition to the static characteristics of a fluid static pressure bearing, and the characteristic measurement. The present invention relates to a method for obtaining dynamic characteristics (frequency response, transfer function, etc.) of a positioning device having a hydrostatic bearing by using a measurement result using the device. The method for obtaining the dynamic characteristics of the positioning device according to the present invention is suitable for use in designing the positioning device.
[0002]
[Prior art]
As a fluid static pressure bearing, for example, a gas static pressure bearing, an air static pressure bearing that uses pressurized air as a pressurized gas (hereinafter referred to as “air pad” as appropriate) is most commonly used. This air pad ejects pressurized air from the bearing portion to the guide surface, creates an air layer of a predetermined thickness between the bearing surface and the guide surface, and the air pad generates the air pad by the static pressure of the air layer. The drive body to which is attached is supported in a non-contact manner with respect to the guide surface. For this reason, in an apparatus using an air pad, the drive body can be moved smoothly and quickly with a small driving force as much as there is no friction. In addition to good wear resistance, the drive body is driven (moving) It has excellent features such as low vibration. For this reason, conventionally, an air guide positioning device using an air pad is used for a precision machine that requires precise positioning, for example, a stage such as a stepper or a three-dimensional measuring machine.
[0003]
As an apparatus for measuring the static characteristics of an air pad, for example, an apparatus disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 62-251634 is known. The measuring device disclosed in this publication places an air pad on a guide surface of a fixed base, pushes down the air pad from above, and measures the pressing force at that time with a force sensor such as a load cell. The amount of clearance (bearing clearance) is measured with a non-contact displacement meter, and the static characteristics of the air pad such as load capacity and rigidity are measured.
[0004]
On the other hand, as an apparatus for measuring the dynamic characteristics of an air pad, for example, as disclosed in FIG. 6 of Japanese Patent Laid-Open No. 6-249239, an impact hammer having a load cell for measuring an excitation force at the tip, A vibration exciter including a non-contact type displacement sensor that measures displacement and an FFT device that calculates an attenuation ratio from the output thereof is known. In this vibration exciter, a moving body is forcibly generated by an impact hammer to measure a damping ratio and to measure a transfer characteristic.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
The air pad generally has poor vibration attenuation, and the vibration attenuation characteristic, which is the dynamic characteristic of the air pad, affects the braking performance when the moving body moves. Therefore, it is important to accurately measure and evaluate the dynamic characteristics of the air pad.
[0006]
However, in an apparatus that vibrates using an impact hammer as disclosed in FIG. 6 of the above-mentioned Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-249239, the dynamic characteristics of the air pad are accurately measured because the S / N ratio of the measurement signal is poor. I couldn't. In addition, with this device, it is difficult to measure the static characteristics of the air pad because static force acting on a moving body including its own weight cannot be measured. For this reason, it has been difficult to perform a comprehensive performance evaluation of the air pad by measuring both the static and dynamic characteristics of the air pad.
[0007]
By the way, it is indispensable to accurately determine the frequency response and transfer function characteristics of the air pad, which are the basic parameters, for simulation when developing products using air pads. Because it was not a thing, there was no choice but to actually measure it. However, as described above, conventionally, the dynamic characteristics of the air pad could not be accurately measured. As a result, it was difficult to accurately determine the dynamic characteristics of the air guide positioning device using the air pad.
[0008]
The present invention has been made under such circumstances, and its first object is to provide dynamic characteristics such as transfer function characteristics including frequency response and vibration damping characteristics in addition to the static characteristics of hydrostatic bearings. An object of the present invention is to provide a hydrostatic bearing characteristic measuring device capable of accurately measuring.
[0009]
A second object of the present invention is to provide a method capable of accurately determining the dynamic characteristics of a positioning device using a hydrostatic bearing by simulation.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The invention according to claim 1 is a fixed base (14) on which a hydrostatic bearing (12), which is an object to be measured, is placed; and a predetermined mass disposed on one side in a predetermined direction of the hydrostatic bearing. A movable body (16) having a guide mechanism (18) for guiding the movable body in the predetermined direction; a first sensor that is attached to the movable body and measures a force in the predetermined direction acting on the movable body (20); an actuator (22) for driving the movable body (16) in the predetermined direction; and a first drive signal for controlling the position of the movable body in the predetermined direction and the movement A control device (80A) for providing a second drive signal for giving a fine vibration to the body; a second sensor (24) for measuring a physical quantity related to the position of the moving body; and the first and second sensors The movement obtained from the output of the sensor A first computing device (80C) for computing the static characteristics of the hydrostatic bearing based on the relationship between the force acting on the fluid and the gap size between the hydrostatic bearing and the moving body; And a second computing device (80C) for computing the dynamic characteristics of the hydrostatic bearing based on the outputs of the first and second sensors when the motor vibrates slightly.
[0011]
According to this, a hydrostatic bearing is mounted on the fixed base, a pressurized fluid with a predetermined supply pressure is sent to the hydrostatic bearing, and a predetermined hydrostatic bearing is provided between the bearing surface of the hydrostatic bearing and the moving body. Generates internal pressure. In this state, when a first drive signal is given to the actuator by the control device, the actuator is driven according to the control signal, and the moving body is guided to the guide mechanism and set to a position according to the control signal. . Thereby, the clearance dimension between the bearing surface of a fluid static pressure bearing and a moving body is set to a desired value. At this time, the first sensor measures a force in a predetermined direction acting on the moving body, and the second sensor measures a physical quantity related to the position of the moving body, for example, a position (or displacement). When the above-described force and displacement measurements are repeatedly performed while gradually changing the drive signal applied to the actuator from the control device, the first arithmetic device acts on the moving body obtained from the outputs of the first and second sensors. The static characteristics of the hydrostatic bearing are calculated based on the relationship between the force to be applied and the size of the gap between the hydrostatic bearing and the moving body. That is, in the first arithmetic unit, for example, the load capacity change of the hydrostatic bearing is obtained from the force and the displacement amount, and the rigidity of the fluid bearing is obtained based on the difference of the displacement amount change.
[0012]
In addition, when a second drive signal is given to the actuator by the control device in a state where the clearance between the bearing surface of the hydrostatic bearing and the moving body is set to a desired value, the moving body is slightly vibrated ( (Slight vibration). Thereby, a minute vibration is given to the film | membrane of the pressurized fluid between a moving body and a fluid static pressure bearing. The force change and displacement change during the vibration are measured by the first sensor and the second sensor. When the measurement by the first and second sensors is performed while changing the frequency, the second arithmetic unit uses the frequency response based on the force change and displacement change obtained from the outputs of the first and second sensors, Calculate transfer function characteristics.
[0013]
Therefore, according to the characteristic measuring apparatus according to the first aspect of the present invention, in addition to the static characteristics of the hydrostatic bearing, the dynamic characteristics such as the transfer function characteristics including the frequency response and vibration damping characteristics can be accurately determined. It becomes possible to measure. Note that the second sensor may measure velocity and acceleration instead of displacement as a physical quantity related to the position of the moving body.
[0014]
In this case, as in the invention described in claim 2, assuming that the mass of the movable body is m and the rigidity of the hydrostatic bearing is K, the frequency of the movable body is
0 ≦ √ (K / m) / (2π) ≦ 1000 (0 Hz indicates that squeeze can be measured)
It is desirable to satisfy the following conditions.
[0015]
The invention described in claim 3 is a method for obtaining the dynamic characteristics of a positioning device using a hydrostatic bearing, and the transmission of the hydrostatic bearing using the characteristic measuring device according to claim 1 or 2. Measuring a function; curve fitting the measured transfer function and further performing a linear approximation to obtain a linear element approximation model of the hydrostatic bearing; and a linear element approximation model of the obtained hydrostatic bearing And applying a simulation to a model of the positioning device.
[0016]
  According to this, using the characteristic measuring device according to claim 1 or 2, the transfer function of the hydrostatic bearing is measured as described above, the measured transfer function is curve-fitted, and further linear approximation is performed. By doing so, a linear element approximation model of the hydrostatic bearing is obtained. And this is applied to the model of the positioning device to perform a simulation. As a result, it is possible to accurately obtain the dynamic characteristics of the positioning device using the hydrostatic bearing by simulation.
  According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a moving body (16) having a predetermined mass disposed on one side in a predetermined direction of a hydrostatic bearing (12) that is an object to be measured; A first sensor (20) for measuring the force in the predetermined direction acting on the actuator; and an actuator for driving the moving body in the predetermined direction and for giving a slight vibration to the moving body ( 22 ) A second sensor (24) for measuring a physical quantity related to the position of the moving body; and a static characteristic of the hydrostatic bearing and a dynamic characteristic of the hydrostatic bearing based on the outputs of the first and second sensors And an arithmetic device (80C).
According to a fifth aspect of the present invention, the computing device (80C) is a first computing device (80C) that computes the static characteristics of the hydrostatic bearing (12) based on the outputs of the first and second sensors. And a second arithmetic unit (80C) for calculating the dynamic characteristics of the hydrostatic bearing based on the outputs of the first and second sensors when the moving body (16) vibrates slightly.
In the invention described in claim 6, the hydrostatic bearing (12) is an aerostatic bearing, and the actuator (22) is an air layer formed between the moving body (16) and the hydrostatic bearing. In addition, vibration is applied from the moving body side.
In the invention described in claim 7, the actuator (22) and the moving body (16) are arranged on the same axis.
The invention described in claim 8 includes a step of forming a gap between the moving body (16) provided on one side in a predetermined direction of the hydrostatic pressure bearing (12) and the hydrostatic pressure bearing; The actuator (22) is vibrated to apply vibration to the gap from the moving body side; the dynamic characteristics of the hydrostatic bearing are calculated based on the information on the force acting on the moving body and the information on the size of the gap. Steps.
According to the ninth aspect of the present invention, the actuator (22) adjusts the size of the gap formed between the movable body (16) and the hydrostatic bearing (12).
In the invention described in claim 10, the hydrostatic bearing (12) is an aerostatic bearing.
The invention described in claim 11 further includes the step of calculating the static characteristics of the hydrostatic bearing based on the relationship between the information about the force acting on the moving body (16) and the information about the size of the gap.
In addition, the code | symbol in embodiment described in the parenthesis is attached | subjected for convenience, and this invention is not limited to this.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 schematically shows a longitudinal sectional view of a characteristic measuring apparatus 10 according to an embodiment. However, in FIG. 1, in addition to a shaft member that is not conventionally sectioned, some members are not sectioned for convenience of illustration and description.
[0018]
In FIG. 1, the characteristic measuring apparatus 10 is mounted on a reference body T such as a surface plate with vibration isolation. This characteristic measuring apparatus 10 is placed on a reference body T, and a fixed base 14 on which an air static pressure bearing (air pad) 12 as a measurement object is placed, one side of the air pad 12 in a predetermined direction ( A weight 16 as a moving body made of a metal member having a rectangular shape in plan view disposed in the upper part in FIG. 1, and the weight 16 in the predetermined direction (vertical direction in FIG. 1: in this embodiment, as will be described later, this weight) Since the bearing gap between the weight 16 and the aerostatic bearing 12 is pressurized or vibrated by the change in position in the vertical direction (gravity direction), hereinafter, the “pressure / vibration direction” will be appropriately described below. A load mechanism 20 serving as a first sensor for measuring a force in the pressurizing / vibrating direction applied to the weight 16 and acting on the weight 16; Pressurization· Actuator 22 for driving the vibration direction, and a displacement sensor 24 such as a second sensor for measuring the pressure and vibration direction of displacement of the weight 16 (position from a predetermined reference plane).
[0019]
Here, as the weight 16, an object having a mass m of, for example, about 20 kg is used.
[0020]
The guide mechanism 18 has a first spacer 26 made of a ring-like member placed on the fixed base 14 and a rectangular shape in plan view that is placed on the first spacer 26 and can accommodate the weight 16 therein. Screwed to the upper and lower surfaces of the second spacer 28 made of a cylindrical member having an opening formed in the center, and the second spacer 28 and the weight 16, the second spacer 28 and the weight 16 are connected to each other. And a pair of ring-shaped leaf springs 30A and 30B.
[0021]
A third spacer 32 having the same shape as the first spacer 26 is placed on the upper surface of the second spacer 28, and a disc-shaped upper plate 34 is placed on the upper surface. The fixing base 14 and the first to third spacers 26, 28, and 32 are integrated with each other via a connecting member such as an embedded bolt (not shown), and the upper plate 34 is fixed to the upper plate 34 with a plurality of bolts 36. Has been.
[0022]
An opening 34a having a circular cross section is formed in the vertical direction at the center of the upper plate 34, and the actuator 22 is inserted into the opening 34a. The actuator 22 includes a large number of piezoelectric elements that are integrated in a stacked state in the vertical direction (pressurization / vibration direction) and connected in series to each other.
[0023]
One end (upper end) of the load cell 20 in the force detection direction is attached to the lower end of the actuator 22 via the shaft portion 38, and the other end (lower end) of the load cell 20 in the force detection direction is on the upper surface of the weight 16. It is fixed.
[0024]
A cylindrical fourth spacer 40 is erected on the upper surface of the central portion of the upper plate 34 so as to surround the opening 34a. A circular plate having a circular hole 42a formed in the central portion of the upper surface of the fourth spacer 40. A mounting plate 42 made of a member is fixed. A screw bolt 44 coaxial with the shaft portion 38 is inserted into the circular hole 42 a of the mounting plate 42, and the lower end of the screw bolt 44 is fixed to the upper end of the actuator 22.
[0025]
A handle 46 is attached to the upper end of the screw bolt 44 so as to be orthogonal to the axial direction. Further, a nut 48 is screwed onto the screw bolt 44, and the nut 48 is fixed to the upper surface of the mounting plate 42.
[0026]
For this reason, in the characteristic measuring apparatus 10 of this embodiment, the handle 46 is rotated and the screw bolt 44 screwed into the nut 48 is tightened or loosened, whereby the weight 16 is connected via the actuator 22 and the load cell 20. The vertical position can be roughly adjusted.
[0027]
The lower surface of the actuator 22 and the lower surface of the upper plate 34 are connected to each other by a ring-shaped leaf spring (or a plurality of leaf springs) 50A. A ring-shaped leaf spring (or a plurality of leaf springs) 50 </ b> B that connects the fourth spacer 40 and the upper surface of the actuator 22 is provided at a substantially central portion in the height direction of the fourth spacer 40. When a driving voltage is applied to the actuator 22 by these leaf springs 50A and 50B, the actuator 22 is guided along the vertical direction (pressing and exciting direction) that is the axial direction of the fourth spacer 40. It has become.
[0028]
In this characteristic measuring apparatus 10, as is clear from FIG. 1, the centers of the actuator 22, the load cell 20 and the weight 16 are coaxially arranged. As a result, the leaf springs 50A and 50B are combined with the guide mechanism 18. It also serves to guide the weight 16 in the pressurizing / vibrating direction. For this reason, the weight 16 is structured so as to be guided very accurately in the pressurizing / exciting direction.
[0029]
As the displacement sensor 24, a capacitance-type non-contact displacement sensor is used here. The displacement sensor 24 includes two electrodes, ie, one electrode (measuring object) 24a made of a conductor having a predetermined cross-sectional area fixed to the upper surface of the weight, and a sensor probe 24b including the other electrode arranged opposite thereto. It consists of parts. The sensor probe 24 b is attached to the lower surface of the upper plate 34 via the holding member 52. An adjustment mechanism (not shown) for initializing the output of the displacement sensor 24 is provided inside the holding member 52. The displacement sensor 24 uses the fact that the capacitance is inversely proportional to the distance D between the two electrodes, and measures the capacitance to thereby measure the distance D, that is, the first electrode 24a based on the end face of the sensor probe 24b. The position change of is measured. In this case, the displacement sensor 24 is used for measuring the clearance between the air pad 12 and the guide surface 54 protruding from the lower surface of the weight 16. Here, although only one displacement sensor 24 is shown in FIG. 1, two displacement sensors 24 are actually provided at symmetrical positions with respect to the shaft portion 38. Therefore, in the following description, these displacement sensors 24 are provided. Are referred to as displacement sensors 24A and 24B (see FIG. 2).
[0030]
The displacement sensor is not limited to the above-described capacitance-type non-contact displacement sensor, and other non-contact displacement sensors such as an eddy current type non-contact displacement sensor may be used. If the influence can be ignored, an optical sensor such as a semiconductor position detector may be used.
[0031]
Further, in the present embodiment, a pressurizing mechanism is provided that applies a pressure to the load cell 20 by always urging the weight 16 upward. More specifically, a counterbore hole 34b having a depth about half the thickness of the plate 34 is formed in a part of the upper plate 34, and the counterbore hole is formed at the center of the bottom of the counterbore hole 34b. A through-hole 34c in the vertical direction is formed which has a slightly smaller diameter than 34b and reaches from the bottom surface of the counterbore 34b to the bottom surface of the upper plate 34. A shaft 56 having a lower end fixed to the upper surface of the weight 16 is inserted into the through hole 34c, and the upper end of the shaft 56 protrudes somewhat upward from the upper surface of the upper plate 34. A spring receiving member 58 is provided in the vicinity of the upper end surface of the shaft 56, and a compression coil spring 60 is provided between the spring receiving member 58 and the bottom surface of the counterbore 34b. Therefore, the shaft 56 and the weight 16 are constantly urged upward by the spring force of the compression coil spring 60 via the spring receiving member 58, and this urging force acts as a pressure applied to the load cell 20. That is, the pressurizing mechanism is constituted by the shaft 56, the spring receiving member 58 and the compression coil spring 60. Although only one pressurizing mechanism is shown in FIG. 1, a plurality of pressurizing mechanisms are actually arranged at equiangular intervals around the shaft portion 38 from the viewpoint of preventing biasing of the pressurizing force. ing.
[0032]
Next, an example of an aerostatic bearing (air pad) 12 that is a measurement object placed on the fixed base 14 will be described.
[0033]
The air pad 12 shown in FIG. 1 has a housing portion 70 whose one surface (the lower surface in FIG. 1) is in contact with the upper surface of the fixed base 14, and is held by the housing portion 70 and protrudes from the bottom surface of the weight 16. The surface on the side facing the guide surface 54 is provided with a bearing portion 72 having a bearing surface 72a.
[0034]
An L-shaped air supply passage 74 is formed inside the housing portion 70, and one end of the air supply passage 74 is formed opposite to the surface of the bearing portion 72 opposite to the guide surface opposite side. The other end communicates with the groove 76 and is connected to a pressurized gas supply line 78. Here, the bearing portion 72 is constituted by a land portion made of non-breathable glass at the center portion and a breathable porous material surrounding the outer peripheral portion (including the lower surface in FIG. 1). The bearing surface 72a of the bearing portion 72 is processed into the same plane with a wrap or the like. The porous material and the housing part 70 are firmly bonded, and the outer peripheral side surface of the porous material is sealed with an adhesive 80 so as not to leak air. Here, porous ceramics such as porous zirconia are used as the porous material.
[0035]
When compressed air as pressurized gas is supplied from an air source (not shown) such as an external compressor via a pressurized gas supply line 78, the compressed air passes through the supply passage 74 and the supply groove 76. Through the pores of the porous material of the bearing portion 72, and flows into the gap between the bearing surface 72a and the guide surface 54, and a predetermined pressure (pressure in the gap) is generated in the gap. For example, when the air pad 12 is fixed to a moving body such as a moving stage, the moving body is supported in a non-contact manner with respect to the guide surface.
[0036]
FIG. 2 shows a schematic configuration of a control system of the characteristic measuring apparatus 10 of the present embodiment. Here, the control system will be briefly described.
[0037]
This control system is configured with a main controller 80 as the center. An input device 82 composed of a pointing device such as a keyboard or a mouse is connected to the input side of the main controller 80. The output amplification amplifier 84A of the load cell 20 and the output amplification amplifiers 84B and 84C of the displacement sensors 24A and 24B are connected to the switches S1, S2, and S3, respectively. Further, an amplifier 86 that amplifies the drive voltage for the actuator 22 and a display device 88 composed of a CRT display or a liquid crystal display are connected to the output side of the main controller 80.
[0038]
The main control device 80 includes three parts: an actuator control unit 80A as a control device, a data logger (also referred to as a logger) 80B, and a calculation unit 80C as first and second calculation devices. Of course, each component of the main controller may be configured by hardware such as a microprocessor, but the main controller 80 is configured by one computer, and the functions of the components are configured by different software programs. It may be realized by. In addition, illustration is abbreviate | omitted about each input-output interface.
[0039]
The actuator controller 80A is a component that controls the actuator 22 by applying a drive voltage to the actuator 22 in accordance with an instruction input via the input device 82. The actuator control unit 80A is connected to the first output terminal a side of each of the switches S1, S2, and S3 of the triple switch S. In the actuator control unit 80A, the input terminals (common terminals) of the switches S1, S2, and S3 are connected to the first output terminal a side (hereinafter, “switches S1, S2, and S3 are appropriately switched to the a side”. The output of the load cell 20 and the displacement sensors 24A and 24B is input.
[0040]
In the data logger 80B, the input terminals (common terminals) of the switches S1, S2, and S3 of the triple switch S are respectively connected to the second output terminal b side (hereinafter referred to as “switches S1, S2, In the state where “S3 is switched to the b side”), the observed amount that is the output of the load cell 20 and the displacement sensors 24A and 24B is scanned only at the time when the actuator drive voltage is input from the actuator controller 80A, and the value Is recorded on the chart.
[0041]
The calculation unit 80C calculates the static characteristics and dynamic characteristics of the air pad based on the recording result of the data logger 80B. The calculation result of the calculation unit is displayed on the display screen of the display device 88. The calculation method of the static characteristics and dynamic characteristics of the air pad by the calculation unit 80C will be described later.
[0042]
Next, the operation at the time of measuring the characteristics of the air pad in the characteristic measuring apparatus 10 configured as described above will be described.
[0043]
First, the air pad 12 as the object to be measured is placed on the fixed base 14. Next, an air source such as a compressor (not shown) is controlled to send high-pressure air with a predetermined supply pressure to the air pad 12 to generate a predetermined internal clearance between the bearing surface 72 a and the guide surface 54.
[0044]
Next, when the target value of the clearance between the bearing surface 72a and the guide surface 54 is input, the actuator controller 80A is initialized so that the clearance can be accurately set according to the target value. Specifically, the operator switches the switches S 1, S 2 and S 3 of the triple switch S to the a side and inputs an initial setting instruction via the input device 82. As a result, the actuator controller 80A applies a predetermined drive voltage to the actuator 22, drives the weight 16 downward, and monitors the force measured by the load cell 20 and the displacement measured by the displacement sensors 24A, 24B. The actuator control unit 80A monitors the measured value of the load cell 20 and the measured values of the displacement sensors 24A and 24B while gradually and continuously changing the drive voltage to the actuator 22 to change the force and change the displacement. Is determined as a contact position between the guide surface 54 and the air pad 12 (position of zero clearance), and this value is stored in a memory (not shown). Thereafter, the clearance is set by actuator control using the outputs of the displacement sensors 24A and 24B at this time as reference points. It is assumed that the relationship between the actuator drive voltage and the change in weight displacement is obtained at the time of the initial setting or prior to this.
[0045]
Next, the operator switches the switches S 1, S 2, S 3 of the triple switch S to the b side and inputs a target value of the clearance dimension between the bearing surface 72 a and the guide surface 54 via the input device 82. As a result, a drive voltage corresponding to the target value is applied to the actuator 22 by the actuator control unit 80A, the actuator 22 expands and contracts, and the weight 16 moves up and down, so that the clearance dimension between the bearing surface 72a and the guide surface 54 (air The film thickness is set to a desired value. In this case, if a certain range is input as the target value, the actuator control unit 80A gradually changes the drive voltage, and the clearance dimension changes accordingly. At this time, the output of the load cell 20 and the outputs of the displacement sensors 24A and 24B are continuously input to the data logger 80B. The data logger 80B scans the outputs of the displacement sensors 24A and 24B and the load cell 20 and charts the values. Record above. Here, this chart is written as related data in the memory.
[0046]
The calculation unit 80C performs a predetermined calculation process (data process) based on the data recorded by the data logger 80B, obtains the load capacity change of the air pad 12 from the force and the displacement amount, and performs the air based on the difference of the displacement amount change. The rigidity of the pad 12 is obtained, and the measurement result (calculation result) is displayed on the display screen of the display device 88. In this way, the static characteristics of the air pad are measured.
[0047]
On the other hand, the dynamic characteristics of the air pad 12 are measured as follows. That is, similarly to the above, the operator switches the switches S1, S2, and S3 of the triple switch S to the b side, and the target value of the clearance dimension between the bearing surface 72a and the guide surface 54 via the input device 82. And the clearance dimension (the thickness of the air film) between the bearing surface 72a and the guide surface 54 is set to a desired value. In this state, an instruction for the frequency range of the AC voltage applied to the actuator 22 is input via the input device 82. As a result, an AC voltage in the frequency range instructed to the actuator 22 by the actuator controller 80A is applied, the weight 16 vibrates with a predetermined minute amplitude (for example, 0.1 μm), and the gap between the guide surface 54 and the air pad 12 is increased. A slight vibration is given to the air film. The force change at this time is measured by the load cell 20, and the displacement change amount of the air film is measured by the displacement sensors 24A and 24B. At this time, the output of the load cell 20 and the outputs of the displacement sensors 24A and 24B are continuously input to the data logger 80B, and the data logger 80B scans the outputs of the displacement sensors 24A and 24B and the load cell 20 and charts the values. Record above. Such a force change and an air film displacement change amount are measured while gradually changing the frequency.
[0048]
The calculation unit 80C performs a predetermined calculation process (data process) based on the data recorded by the data logger 80B, that is, the force change measured by the load cell 20 and the displacement change measured by the displacement sensors 24A and 24B. Perform frequency response and transfer function characteristics.
[0049]
Further, during the measurement of the static characteristics and the dynamic characteristics, the air flow rate is measured by a flow meter (not shown) connected to the air pad 12.
[0050]
For example, the results of measuring the static characteristics and the dynamic characteristics of the air pad 12 having a bearing surface 72a of 40 mm square are shown in FIGS. 3 (A), (B), (C) and FIGS. It is shown by the solid line in B). Of these, FIGS. 3A, 3B, and 3C show the measurement results of static characteristics, changes in load capacity (kgf), changes in rigidity (kgf / μm), and flow rate (sl / min). Each change is shown on the vertical axis. The horizontal axis in these figures indicates the clearance dimension (μm).
[0051]
4A and 4B, the measurement results of the dynamic characteristics show the displacement / force (m / N) and the phase (°) which is the delay of displacement with respect to the force when the clearance dimension is 5 μm. Are indicated by solid lines on the vertical axis. The horizontal axis of these drawings indicates the frequency (Hz). In order to accurately measure the characteristics of the air pad 12, the mass m of the weight is set so that the rigidity of the air pad is K and the relationship of the following formula is satisfied so as not to exceed the mechanical performance limit. It is desirable to be satisfied.
[0052]
0 [Hz] ≦ √ (K / m) / (2π) [Hz] ≦ 1000 [Hz]
That is, it is desirable to apply the vibration of 0 to 1000 Hz as the frequency of vibration applied to the weight 16. Here, including 0 Hz means that the squeeze effect can be measured.
[0053]
As described above, according to the characteristic measuring apparatus 10 of the present embodiment, in addition to the static characteristics of the air pad, it is possible to accurately measure dynamic characteristics such as transfer function characteristics including frequency response and vibration damping characteristics. it can. Therefore, by using this characteristic measuring device 10, it is possible to measure and evaluate the frequency response and transfer function, which are the static and dynamic characteristics of the air pad, and to provide an air pad with good static, dynamic and transfer function characteristics. Can be determined.
[0054]
As described above, when the characteristic measuring apparatus 10 of the present embodiment is used, the dynamic characteristics such as the transfer function characteristic of the air pad can be accurately measured. By using this measurement result, the air pad can be mounted as follows. The used device, for example, an air guide positioning device can be designed by simulation.
[0055]
Next, this will be described. FIG. 5 shows a scanning device for a reticle stage of a scanning exposure apparatus as an example of a positioning device using an air pad. The positioning device 110 in FIG. 5 includes a base 112, an elongated positioning guide 117 that is fixed to the top of the base 112 and extends in the X direction, which is the moving direction of the reticle stage 114 during scanning exposure, and an upper surface of the base 112. A rectangular frame-like drive frame 122 that is levitated and supported on the guide surface 112A and can freely move along the positioning guide 117, and moves in the Y direction along the guide 117 and also in the Y direction with respect to the drive frame 122. And a reticle stage 114 which is connected to the carrier / follower 160 and moves integrally with the carrier / follower 160.
[0056]
The drive frame 122 includes a pair of magnetic trajectory arms 124 and 126 disposed substantially parallel to the X direction at a predetermined distance in the Y direction, and transverse arms 128 and 130 that connect the magnetic trajectory arms 124 and 126 to each other. And is composed of. Four air pads 12a, 12b, 12c, 12d (however, the air pads 12c, 12d are not shown in FIG. 5) are provided on the surface of the drive frame 122 near the four corners of the rectangular base 112. Is provided. An air layer is formed between the bearing surface of these air pads and the guide surface 112A of the base 12, and the pressure of the air layer, that is, the pressure in the gap, causes the drive frame 122 to move from the guide surface 112A to a certain gap or gap (for example, 1 μm to less than several μm) and is supported in the vertical direction (Z direction).
[0057]
Further, one end of a pair of hook-shaped support brackets 118 straddling the positioning guide 117 in the Y direction is fixed to the upper surface of both end portions of one magnetic track arm 124 constituting the drive frame 122. The other end (free end) of each support bracket 118 faces a guide surface 117B that is a side surface of the positioning guide 117 in the + Y direction. Air pads 12e and 12f (however, in FIG. 5, on the back side of the paper surface) are guide surfaces 117A, which are side surfaces in the −Y direction of the positioning guides 117 of the support brackets 118, and the surfaces facing the guide surfaces 117B. The air pads 12f are hidden behind the positioning guide 117). Therefore, the movement of each support bracket 118 in the Y direction is restricted by the positioning guide 117 and the air pads 12e and 12f and can move only in the X direction.
[0058]
The carrier / follower 160 is connected to the main body 142 of the reticle stage 114. Here, the reticle stage 114 and the carrier / follower 160 are physically connected for the sake of simplicity of explanation. However, a linear motor mover and stator are provided on both of the reticle stage 114 and the carrier / follower 160, respectively. It is of course possible to connect them. In addition, one end of a hook-shaped bracket 162 straddling the positioning guide 117 in the Y direction is connected to the carrier / follower 160, and an air pad 12g is provided on the surface of the bracket 162 that faces the guide surface 117B. Is provided. Further, at both ends in the longitudinal direction of the plate-like portion extending in the X-axis direction so as to face the positioning guide 117 below the connection portion of the bracket 162 of the carrier / follower 160, it faces the guide surface 117A and is not shown. Each air pad is provided. Therefore, the carrier / follower 160 is supported by the positioning guide 117 in the Y direction by the air pad 12g and the air pad (not shown).
[0059]
The reticle stage 114 includes a main body 142, and a reticle 144 is fixed above the opening 146 of the main body 142 by vacuum suction or the like. The main body 142 includes a pair of side portions 142A and 142B facing each other, and is supported by the four air pads 12h, for example, on the base 112 in the same manner as the drive frame described above. Therefore, the reticle stage 114 and the carrier / follower 160 connected thereto are supported in a non-contact manner with respect to the guide surfaces 112A, 117A, and 117B, and are also supported in a non-contact manner with respect to the drive frame 122. It can move linearly only in the X direction.
[0060]
The position of the reticle stage 114 is determined by laser beams LBx1, LBx2,... Via a pair of X-axis moving mirrors 150X1, 150X2 composed of corner cube mirrors fixed on the main body 142 and a Y moving mirror 150Y composed of a plane mirror. And it measures by the interferometer which irradiates LBy. The side portions 142A and 142B of the reticle stage 114 are provided with drive coils 154A and 154B (however, the drive coil 154A is not shown in FIG. 5), and these drive coils are magnetic track arms of the drive frame 122. The reticle stage 14 is driven in cooperation with the magnetic tracks 156A and 156B of 24 and 26.
[0061]
When designing the positioning device 110 as described above, if the air pads constituting the positioning device 110 are the same, each of the air pads 12a, 12b, 12c,... ), The dynamic characteristics such as the frequency response and the transfer function characteristic are measured as described above using the characteristic measuring apparatus 10, and the measured transfer function is curve-fitted. 4A and 4B, the curve fit data obtained by curve fitting the measurement data of the solid line in each figure is indicated by a dotted line.
[0062]
Based on the result of such curve fitting, linear approximation is performed to obtain a linear element approximation model of each air pad. Here, the linear element approximate model of the air pad is obtained by considering a vibration system as shown in FIG. 6 as an air pad model, for example, each element of the vibration system, that is, spring constants K1, K2, damping It means to determine the coefficient C.
[0063]
Then, the linear element approximation model of each air pad 12 obtained in this way is applied to the model of the positioning device 110 shown in FIG. 5, and the dynamic characteristics of the positioning device 110 are obtained by performing a predetermined simulation. . It is determined whether or not the dynamic characteristic of the positioning device 110 thus obtained satisfies a desired characteristic. If the desired characteristic is not satisfied, the arrangement of the air pads (12a, 12b, 12c,...) For example, by changing the mounting position of the air pads 12a and 12b or the number of air pads to be used and the like and performing the simulation again, the dynamic characteristics of the positioning device 110 are obtained and evaluated.
[0064]
By repeating the above processing until the desired characteristic is obtained as the dynamic characteristic of the positioning device 110 in this way, the positioning device 110 can be designed by simulation. In this case, if a satisfactory characteristic cannot be obtained as the dynamic characteristic of the positioning device 110, the air pad itself may be redesigned.
[0065]
As described above, according to the characteristic measuring apparatus 10 according to the present embodiment, the static characteristic and dynamic characteristic of the air pad can be easily evaluated, and the static characteristic and the dynamic characteristic based on the measurement data are transmitted. It is possible to comprehensively distinguish between air pads with good function characteristics and bad air pads.
[0066]
In addition, it is possible to accurately measure static and dynamic characteristics, which are basic parameters required for simulations when developing products using air pads, especially transfer function characteristics of air pads. An approximate model can be constructed.
[0067]
Further, by applying the linear element approximation model of the air pad to an air guide positioning device using an air pad, it becomes possible to easily design a positioning device having desired characteristics by simulation.
[0068]
In the above-described embodiment, the bearing 72 has been described by taking up the air pad 12 constituted by the air-impermeable land at the center and the air-permeable porous material surrounding the outer peripheral portion. Not limited to this, according to the characteristic measuring device of the present invention, the air pad whose bearing part is made of only a porous material, the porous material whose bearing part surrounds the land part and its outer peripheral part, and another land that surrounds its periphery. Even in the case of an air pad composed of a part, other types of air pads, or other hydrostatic bearings, the characteristics can be accurately measured in the same manner as described above.
[0069]
【The invention's effect】
As described above, according to the first and second aspects of the invention, the same device can be used to perform dynamics such as transfer function characteristics including frequency response and vibration damping characteristics in addition to the static characteristics of the hydrostatic bearing. There is an unprecedented excellent effect that the characteristic can be accurately measured.
[0070]
Further, according to the invention described in claim 3, the dynamic characteristics of the positioning device using the hydrostatic bearing can be accurately obtained by simulation, thereby evaluating the dynamic characteristics of the positioning device by simulation, Alternatively, a positioning device having desired characteristics can be easily designed.
  According to each invention of Claims 4-11, the characteristic of a fluid hydrostatic bearing can be measured correctly.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a configuration of a characteristic measuring apparatus according to an embodiment.
FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of a control system of the apparatus of FIG.
FIG. 3 is a diagram showing measurement results of static characteristics of an air pad, where (A) shows load capacity, (B) shows rigidity, and (C) shows measurement results of flow rate.
4A and 4B are diagrams showing measurement results of air pad dynamic characteristics and curve fit data thereof, where FIG. 4A shows changes due to displacement / force frequencies, and FIG. 4B shows changes due to phase frequencies. It is.
FIG. 5 is a schematic perspective view showing an example of a positioning device using an air pad.
FIG. 6 is a diagram for explaining a linear element approximation model of an air pad.
[Explanation of symbols]
10 Characteristic measuring device
12 Air pad (hydrostatic bearing)
14 Fixed base
16 Weight (moving body)
18 Guide mechanism
20 Load cell (first sensor)
22 Actuator
24 Displacement sensor (second sensor)
80A Actuator control unit (control device)
80C arithmetic unit (first arithmetic unit, second arithmetic unit)

Claims

A fixed base on which a hydrostatic bearing to be measured is placed;
A moving body having a predetermined mass disposed on one side in a predetermined direction of the hydrostatic bearing;
A guide mechanism for guiding the movable body in the predetermined direction;
A first sensor attached to the movable body and measuring a force in the predetermined direction acting on the movable body;
An actuator for driving the movable body in the predetermined direction;
A control device that provides the actuator with a first drive signal for controlling the position of the movable body in the predetermined direction and a second drive signal for applying fine vibration to the movable body;
A second sensor for measuring a physical quantity related to the position of the moving body;
Static characteristics of the hydrostatic bearing based on the relationship between the force acting on the moving body obtained from the outputs of the first and second sensors and the gap size between the hydrostatic bearing and the moving body. A first computing device for computing
A fluid static pressure bearing characteristic measurement device comprising: a second arithmetic device that calculates dynamic characteristics of the fluid static pressure bearing based on outputs of the first and second sensors when the moving body vibrates slightly.

When the mass of the moving body is m and the rigidity of the hydrostatic bearing is K, the frequency of the moving body is
0 ≦ √ (K / m) / (2π) ≦ 1000 (0 Hz indicates that squeeze can be measured)
The fluid hydrostatic bearing characteristic measuring apparatus according to claim 1, wherein the following condition is satisfied.

A method for obtaining dynamic characteristics of a positioning device using a hydrostatic bearing,
Measuring the transfer function of the hydrostatic bearing using the characteristic measuring device according to claim 1;
Curve fitting the measured transfer function and further performing a linear approximation to obtain a linear element approximation model of the hydrostatic bearing;
Applying the obtained linear element approximation model of the hydrostatic bearing to the model of the positioning device and simulating the method.

A moving body having a predetermined mass disposed on one side in a predetermined direction of a hydrostatic bearing that is a measurement object; a first body that is connected to the moving body and measures a force in the predetermined direction acting on the moving body; A sensor; an actuator that drives the movable body in the predetermined direction and applies a slight vibration to the movable body; a second sensor that measures a physical quantity related to a position of the movable body; and the first and second sensors An apparatus for measuring characteristics of a hydrostatic bearing, comprising: an arithmetic unit that calculates the static characteristics of the hydrostatic bearing and the dynamic characteristics of the hydrostatic bearing based on the output of the sensor.

The computing device includes: a first computing device that computes a static characteristic of the fluid static pressure bearing based on outputs of the first and second sensors; and the first and second when the moving body vibrates slightly. 5. The fluid hydrostatic bearing characteristic measuring device according to claim 4, further comprising: a second arithmetic device that calculates a dynamic characteristic of the fluid hydrostatic bearing based on an output of the second sensor.

The hydrostatic bearing is an aerostatic bearing, and the actuator applies vibration from the moving body side to an air layer formed between the moving body and the hydrostatic bearing. The characteristic measuring apparatus of the hydrostatic bearing according to claim 4 or 5.

7. The hydrostatic bearing characteristic measuring apparatus according to claim 4, wherein the actuator and the moving body are arranged on the same axis. 8.

Forming a gap between a moving body provided on one side in a predetermined direction of the hydrostatic bearing and the hydrostatic bearing;
Vibrating the movable body with an actuator and applying vibration to the gap from the movable body side;
Calculating a dynamic characteristic of the hydrostatic bearing based on information on the force acting on the moving body and information on the size of the gap. Characteristic measurement method.

9. The method for measuring characteristics of a hydrostatic bearing according to claim 8, wherein the actuator adjusts the size of a gap formed between the moving body and the hydrostatic bearing.

The method for measuring characteristics of a hydrostatic bearing according to claim 8 or 9, wherein the hydrostatic bearing is an aerostatic bearing.

11. The method according to claim 8, further comprising a step of calculating a static characteristic of the fluid hydrostatic bearing based on a relationship between information on a force acting on the moving body and information on a size of the gap. The method for measuring characteristics of the hydrostatic bearing according to any one of the above.