JP5404296B2 - Gas bearing and positioning device - Google Patents
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Description
本発明は、精密工作機械、精密測定器あるいは半導体露光装置などに搭載される位置決め装置に用いられる気体軸受に関するものである。 The present invention relates to a gas bearing used for a positioning device mounted on a precision machine tool, a precision measuring instrument, or a semiconductor exposure apparatus.
精密工作機械、精密測定器あるいは半導体露光装置などに搭載され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性能化が必要である。位置決め精度の要求レベルがナノメートルレベルの場合は、一般的に摩擦レス、発塵レス、低発熱といった特徴をもつ気体軸受が用いられている。 In order to improve the performance of a positioning device mounted on a precision machine tool, a precision measuring instrument, or a semiconductor exposure apparatus, it is necessary to improve the performance of a bearing that supports a positioning object. When the required level of positioning accuracy is on the nanometer level, gas bearings having characteristics such as friction-free, dust-free and low heat generation are generally used.
しかし、気体軸受の場合、位置決め対象物に振動などの外力が加わると、位置決めが不安定になり、位置決め対象物の振動が収束するまでに時間がかかってしまう。また、気体軸受と位置決め対象物からなる振動系の固有振動数に等しい周波数で減衰特性が負であると自励振動を起こすため、位置決め装置の高性能化が困難であった。 However, in the case of a gas bearing, when an external force such as vibration is applied to the positioning object, positioning becomes unstable, and it takes time until the vibration of the positioning object converges. Further, since the self-excited vibration occurs when the damping characteristic is negative at a frequency equal to the natural frequency of the vibration system including the gas bearing and the positioning object, it is difficult to improve the performance of the positioning device.
従来、減衰特性を向上させるためには、特許文献1に開示されたように、軸受内に水や油などの非圧縮性流体を介在させ、この非圧縮性流体の粘性を利用したものがある。この構成において、ガイド部材である固定部は、可動部から噴出される圧縮空気によって非接触で保持されている。固定部には凹部が形成され、可動部からの凸部の先端面と凹部の底面との間に非圧縮性流体が介在している。この非圧縮性流体がダンパとして機能し、減衰特性を向上させる。
Conventionally, in order to improve the damping characteristics, as disclosed in
また、特許文献2に開示されたように、固定部であるスライド軸と可動部との間に静電反発力を発生させ、気体軸受の減衰特性の向上を図っているものもある。これは、気体軸受によって支持された可動部と固定部に互いに対向して配置された電極と、固定部と可動部の空隙の変位を検出するセンサからなる構成である。このセンサは、固定部と可動部との空隙の変位を検出し、電極は、センサによって検出した残留振動の位相と逆位相の静電吸引力を発生する。この静電吸引力を制御することで振動の抑止を図っている。
In addition, as disclosed in
その他に、特許文献3に開示されたように、静圧気体軸受の中央部に非通気性のランド部を有することで、スクイーズ効果による減衰特性の向上を図るものもある。
In addition, as disclosed in
しかしながら、特許文献1に開示された構成では、非圧縮性流体による軸受面への汚染や、非圧縮性流体の摩擦により、発熱が大きくなってしまうという問題点があった。
However, the configuration disclosed in
また、特許文献2の構成では、固定部と可動部との間は非接触で支持し、低発熱であるといった長所を有しているが、その反面、振動を制御するために、電極やセンサなどの要素を備えた構成になり、構造が複雑になるという問題点があった。
In addition, the configuration of
特許文献3に開示された構成では、非通気性のランド部が軸受面中央部に配置された構造であるため、特許文献1および特許文献2の構成より簡易な構造で減衰特性が改善されるという長所はある。しかし、非通気性のランド部と通気性のある軸受面が同一面内で、連続的につながっているため、通気性のある軸受面から非通気性のランド部に気体が流入してしまう。その結果、十分なスクイーズ効果が得られず、減衰特性が不足するといった問題点があった。
In the configuration disclosed in
本発明は、従来よりも簡易な構造で、高い減衰特性を実現できる気体軸受、及び気体軸受を備えた位置決め装置を提供することを目的とするものである。 An object of this invention is to provide the gas bearing which can implement | achieve a high damping characteristic with a simpler structure than before , and the positioning apparatus provided with the gas bearing .
上記目的を達成するため、本発明の気体軸受は、可動部と固定部の間の軸受隙間に気体を噴出し、気体膜によって前記可動部を支持する気体軸受において、前記軸受隙間に気体を噴出する気体噴出面を有し、前記可動部及び前記固定部とは別部材で構成され、前記可動部及び固定部のうちの一方にボルト締結により結合するための軸受パッド取付用穴が形成された軸受パッドと、前記軸受隙間に突出し、対向する前記固定部及び前記可動部のうちの他方との間に0.1μm以上40μm以下のスクイーズ隙間を形成する突出面を有し、前記気体噴出面から離間して、前記軸受パッドに取り付けられた突出部位と、を備えたことを特徴とする。
また、本発明の気体軸受は、可動部と固定部の間の軸受隙間に気体を噴出し、気体膜によって前記可動部を支持する気体軸受において、前記軸受隙間に気体を噴出する気体噴出面を有する軸受パッドと、前記軸受隙間に突出し、対向する前記固定部及び前記可動部のうちの一方との間に0.1μm以上40μm以下のスクイーズ隙間を形成する突出面を有し、前記可動部及び前記固定部とは別部材で構成され、前記気体噴出面から離間して前記可動部及び前記固定部のうちの他方に取り付けられた突出部位と、を備え、前記突出面は、前記突出部位の高さよりも浅い溝によって格子状に複数の領域に分断されていることを特徴とする。
In order to achieve the above object, the gas bearing of the present invention jets gas into the bearing gap between the movable part and the fixed part, and in the gas bearing that supports the movable part with a gas film, jets gas into the bearing gap. A gas ejecting surface that is formed of a separate member from the movable portion and the fixed portion, and a bearing pad mounting hole is formed on one of the movable portion and the fixed portion to be coupled by bolt fastening. has a bearing pad protrudes before SL bearing gap, the protruding surface for forming a 40μm following squeeze gap than 0.1μm between the other of said fixed portion and said movable portion opposing the gas ejection face spaced apart from, and characterized in that and a protruding portion that is attached to the bearing pads.
Further, the gas bearing of the present invention has a gas ejection surface for ejecting gas into the bearing gap between the movable portion and the fixed portion, and in the gas bearing supporting the movable portion by a gas film. A projecting surface that forms a squeeze gap of 0.1 μm or more and 40 μm or less between the bearing pad having the bearing pad and one of the fixed part and the movable part facing each other, and the movable part and A projection part that is formed of a separate member from the fixed part and is spaced apart from the gas ejection surface and attached to the other of the movable part and the fixed part, and the projection surface of the projection part It is characterized by being divided into a plurality of regions in a lattice shape by grooves shallower than the height.
軸受隙間への突出面を気体噴出面から離れた部位に設けることで、安定したスクイーズ空気膜を形成し、ダンパ効果による高い減衰特性を実現できる。 By providing the projecting surface to the bearing gap at a site away from the gas ejection surface, a stable squeeze air film can be formed, and high damping characteristics due to the damper effect can be realized.
また、気体軸受に支えられる物体を含む振動系の固有振動数に応じて、突出面の周長を決定することで、効率的に減衰特性の向上を図ることができる。 Further, by determining the peripheral length of the protruding surface according to the natural frequency of the vibration system including the object supported by the gas bearing, it is possible to efficiently improve the damping characteristic.
図1に示すように、可動部1に軸受パッド2を取付けて、軸受パッド2の気体噴出面3から、可動部1と固定部4との間の軸受隙間5に噴出された気体により形成した高圧の気体膜により、可動部1を非接触で支持する。可動部1は図示しない位置決め装置の位置決めステージと一体である。可動部1は、気体噴出面3から離間した部位において固定部4に対向する突出面6を有し、突出面6は可動部1から軸受隙間5に突出し、固定部4との間に0.1μm以上40μm以下の隙間(スクイーズ隙間)を形成する。
As shown in FIG. 1, the
可動部1に外乱が加わると、突出面6と固定部4の隙間にスクイーズ効果が発生する。スクイーズ効果とは、対向する2面の、面と垂直方向の周期的相対運動により、隙間内の圧力の時間平均が周囲の圧力より高くなることである。特に、気体の場合には、圧縮性により隙間変動に対して位相遅れを起こすことから、高周波領域において、減衰特性が高くなる。通常、スクイーズ効果を利用するためには、圧電素子などの駆動手段により、能動的にスクイーズ空気膜を発生させるが、0.1μm以上40μm以下の隙間を構成することで、高周波領域において、実用的な減衰効果が得られることを本願発明者は見出した。
When a disturbance is applied to the
また、気体軸受と位置決め対象物(位置決めステージ)からなる振動系の固有振動数に等しい周波数で減衰特性が負であると、気体軸受が自励振動を起こす課題に対しても、前述のスクイーズ空気膜による減衰特性の向上によって対応できる。 In addition, the above-described squeezed air is used to solve the problem that the gas bearing causes self-excited vibration when the damping characteristic is negative at a frequency equal to the natural frequency of the vibration system including the gas bearing and the positioning object (positioning stage). This can be dealt with by improving the damping characteristics of the membrane.
図6は、突出面6と固定部4との隙間の気体が空気であって、突出面6の面積が50×50mm、突出面6と固定部4との距離(スクイーズ隙間)が5〜40μmにおける減衰特性を示すグラフである。図6では、減衰率は空気の圧縮性に起因する面と垂直方向の相対速度に依存するため、減衰効果を減衰率×周波数として表している。
In FIG. 6, the gas in the gap between the
図6からわかるように、スクイーズ隙間が広いと、スクイーズ空気膜による減衰効果が低くなる。実用的な減衰効果を得る減衰率×周波数の値を0.1N/μm/cm2とするためには、スクイーズ隙間を40μm以下としなければならない。 As can be seen from FIG. 6, when the squeeze gap is wide, the damping effect by the squeeze air film is reduced. In order to set the value of attenuation rate × frequency at which a practical attenuation effect is obtained to 0.1 N / μm / cm 2 , the squeeze gap must be 40 μm or less.
なお、製作上の問題から0.1μm以上のスクイーズ隙間としているが、製作上の問題が解決されれば、突出面6と固定部4あるいは可動部1が接触しない範囲で、スクイーズ隙間は狭い方が減衰効果は高い。
Although the squeeze gap is 0.1 μm or more due to manufacturing problems, if the manufacturing problem is solved, the squeeze gap should be narrow so long as the
突出面6の周長は、気体軸受に支えられる物体である位置決めステージを含む振動系の固有振動数に応じて決められる。図7は、軸受隙間5の寸法を固定し、突出面6の周長を40〜200mmと変えた場合の減衰特性を示すグラフである。
The circumferential length of the protruding
図7からわかるように、突出面6の周長を短くすると、減衰効果が得られる周波数が高くなるように変化している。従って、気体軸受を含む振動系の固有振動数に等しい周波数で減衰効果を大きくするように、突出面6の周長を適切に設定すると、発生した振動を短時間で収束させることができる。
As can be seen from FIG. 7, when the peripheral length of the projecting
突出面6は、潤滑性を有するとよい。突出面6を潤滑性材料で形成することで、耐かじり性を強化することができる。これにより、供給気体の停止や、想定以上の大荷重がかかった場合などの突発トラブルによるタッチダウン時に、かじりを防ぐことができる。ここで、潤滑性材料とは、例えば、グラファイトが接着などの手段により固定されたもの、スパッタリングやメッキなどの手段により突出面にDLCや二硫化モリブデンがコーティングされたもの、などである。また、気体軸受に設けられた気体噴出面は、多孔質絞り、自成絞り、オリフィス絞り、スロット絞りのいずれの絞りで構成された面であってもよい。
The protruding
図1は実施例1を示すもので、可動部1に軸受パッド2が取付けられており、加圧気体が軸受パッド2の気体噴出面3から固定部4に向かって噴出し、可動部1は軸受隙間5を介して非接触で支持されている。突出面6は、可動部1から突出しており、固定部4に対向している。突出面6と固定部4との距離(スクイーズ隙間)は、0.1μm以上40μm以下になるように構成されている。本実施例では、実装の容易性から、図1(a)に示すように、突出面6は気体噴出面3と同一平面とし、(b)に示すように、両者は互に間隔をおいて隣接して配置されている。
FIG. 1 shows a first embodiment, in which a
可動部1に外乱が加わると、突出面6と固定部4の隙間にスクイーズ空気膜ができる。このスクイーズ空気膜は、突出面6に対して垂直方向の相対速度に比例する圧力を発生する。これは、密閉した圧縮性流体に高周波の体積変動を起こさせた状態と同様の効果を奏し、これにより、減衰特性が向上する。
When a disturbance is applied to the
図2は実施例2を示す。実施例1と同様に、可動部1に軸受パッド2が取り付けられており、加圧気体としての圧縮空気が軸受パッド2の気体噴出面3から固定部4に向かって噴出し、可動部1は軸受隙間5を介して非接触で支持している。突出面6は、固定部4から突出し、可動部1に対向して配置され、可動部1との距離(スクイーズ隙間)は、0.1μm以上40μm以下になるように構成されている。
FIG. 2 shows a second embodiment. As in the first embodiment, the
実施例1では、突出面と固定部との隙間にスクイーズ空気膜を発生させる構成であるが、本実施例では、突出面と可動部の隙間にスクイーズ空気膜を発生させることで、減衰特性を向上させる。 In the first embodiment, the squeezed air film is generated in the gap between the protruding surface and the fixed portion. However, in this embodiment, the damping characteristic is generated by generating the squeezed air film in the gap between the protruding surface and the movable portion. Improve.
図3は実施例3を示す。実施例1と同様に、可動部1に軸受パッド2が取付けられており、加圧気体が軸受パッド2の気体噴出面3から固定部4に向かって噴出し、可動部1は軸受隙間5を介して非接触で支持されている。突出面6は、可動部1から突出し、格子状の領域に分断する溝6aが形成されている。
FIG. 3 shows a third embodiment. As in the first embodiment, a
溝6aによって格子状に分割された突出面6の各領域は、それぞれ独立した突出面として軸受隙間5の周囲圧に囲まれるように形成され、突出面6と固定部4との距離(スクイーズ隙間)は、0.1μm以上40μm以下になるように構成されている。
Each region of the projecting
本実施例は、必要な周長を有する突出面を製作することが容易であり、なおかつ高密度に突出面を配置できるために、単位面積当たりの減衰特性が高いという利点がある。 This embodiment has an advantage of high attenuation characteristics per unit area because it is easy to manufacture a projecting surface having a required circumference and the projecting surfaces can be arranged with high density.
図4は実施例4を示す。これは、可動部である回転軸17と固定部である軸受ハウジング18から構成され、加圧気体が気体噴出面13から、回転軸17に向かって噴出し、回転軸17は軸受隙間15を介して回転自在に支持されている。図4(a)に示すように、ラジアル方向の突出面16aおよびスラスト方向の突出面16bは、気体噴出面13から離間した部位において独立して軸受ハウジング18から突出し、それぞれ軸受隙間15の周囲圧に囲まれている。
FIG. 4 shows a fourth embodiment. This is composed of a
突出面16aは、回転軸17のラジアル方向の減衰特性を高くするために配置され、突出面16bは、回転軸17のスラスト方向の減衰特性を高くするために配置されている。図4(b)に示すように、突出面16aは軸受ハウジング18の内径に沿って4等分に配置してあるが、回転軸17に対して対称に構成されていなくても構わない。また、突出面16a、16bの形状と数は、必要な減衰効果を得る周波数に対応した周長を得るように決定されている。
The projecting
本実施例において、回転軸17に外乱が加わると、回転軸17の径方向の相対速度に比例する圧力が発生するので、突出面16aと回転軸17の隙間に介在する気体がダンパとして機能し、ラジアル方向の減衰特性が高くなる。また、スラスト方向も突出面16bによって同様の効果を得ることができ、回転軸17の振動を抑制することができる。
In this embodiment, when a disturbance is applied to the
図5は実施例5を示す。加圧気体としての圧縮空気が軸受パッド22の気体噴出面23から噴出しており、突出面26は、軸受パッド22に取付けられ、気体噴出面23から離間した部位において軸受隙間の周囲圧に囲まれている。軸受パッド22は、軸受パッド取付用穴29を介してボルト締結によって図示しない可動部と結合する。
FIG. 5 shows a fifth embodiment. Compressed air as pressurized gas is ejected from the
実装の容易性から、図5(a)に示すように気体噴出面23と突出面26は同一平面としており、突出面26は、同図(b)に示すように軸受パッド取付用穴29の間に設けられている。気体噴出面23と突出面26を同一平面としているため、製作が容易でかつ狭いスペースで高い減衰効果が得られる。
For ease of mounting, as shown in FIG. 5 (a), the
本実施例における減衰効果を図6のグラフより求めると、スクイーズ隙間が5μmで、8×8mmの突出面が左右に4つずつあるため、最大で3.7N/μmとなる。すなわち、スクイーズ隙間が40μmで、50×50mmの突出面が1つのものより減衰効果を高くすることができる。なお、突出面26は、気体噴出面23と同等の加工特性をもつ材質が望ましい。
When the attenuation effect in the present embodiment is obtained from the graph of FIG. 6, since the squeeze gap is 5 μm and there are four 8 × 8 mm projecting surfaces on the left and right, the maximum is 3.7 N / μm. That is, the squeeze gap is 40 μm, and the 50 × 50 mm protruding surface can increase the attenuation effect more than one. The protruding
1 可動部
2、22 軸受パッド
3、13、23 気体噴出面
4 固定部
5、15 軸受隙間
6、16a、16b、26 突出面
17 回転軸
18 軸受ハウジング
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記軸受隙間に気体を噴出する気体噴出面を有し、前記可動部及び前記固定部とは別部材で構成され、前記可動部及び固定部のうちの一方にボルト締結により結合するための軸受パッド取付用穴が形成された軸受パッドと、
前記軸受隙間に突出し、対向する前記固定部及び前記可動部のうちの他方との間に0.1μm以上40μm以下のスクイーズ隙間を形成する突出面を有し、前記気体噴出面から離間して、前記軸受パッドに取り付けられた突出部位と、を備えたことを特徴とする気体軸受。 In the gas bearing that ejects gas into the bearing gap between the movable part and the fixed part and supports the movable part by a gas film,
A bearing pad that has a gas ejection surface for ejecting gas in the bearing gap, is configured as a member different from the movable portion and the fixed portion, and is coupled to one of the movable portion and the fixed portion by bolt fastening. A bearing pad with a mounting hole ;
Projects before SL bearing gap, has a projecting surface which forms a 40μm following squeeze gap than 0.1μm between the other of said fixed portion and said movable portion opposing, spaced apart from the gas ejection face , a gas bearing, characterized in that it and a protruding portion that is attached to the bearing pads.
前記軸受隙間に気体を噴出する気体噴出面を有する軸受パッドと、 A bearing pad having a gas ejection surface for ejecting gas into the bearing gap;
前記軸受隙間に突出し、対向する前記固定部及び前記可動部のうちの一方との間に0.1μm以上40μm以下のスクイーズ隙間を形成する突出面を有し、前記可動部及び前記固定部とは別部材で構成され、前記気体噴出面から離間して前記可動部及び前記固定部のうちの他方に取り付けられた突出部位と、を備え、 Projecting into the bearing gap and having a projecting surface that forms a squeeze gap of 0.1 μm or more and 40 μm or less between one of the fixed part and the movable part facing each other, the movable part and the fixed part A separate part, and a protruding portion attached to the other of the movable part and the fixed part apart from the gas ejection surface,
前記突出面は、前記突出部位の高さよりも浅い溝によって格子状に複数の領域に分断されていることを特徴とする気体軸受。 The gas bearing according to claim 1, wherein the projecting surface is divided into a plurality of regions in a lattice shape by grooves shallower than a height of the projecting portion.
前記気体軸受によって支持された位置決めステージと、を有することを特徴とする位置決め装置。 The gas bearing according to any one of claims 1 to 6 ,
A positioning stage supported by the gas bearing.
軸受ハウジングと、 A bearing housing;
前記軸受ハウジングに配置され、前記気体軸受によって回転自在に支持された回転軸と、を備えたことを特徴とする位置決め装置。 A positioning device comprising: a rotating shaft disposed in the bearing housing and rotatably supported by the gas bearing.
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