JPH06249239A - 静圧軸受装置 - Google Patents
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Abstract
示下面に多孔質パッド3を有し、多孔質パッド3から固
定台5の表面に向って噴出される加圧流体の静圧によっ
て非接触に支持される。多孔質パッド3は、軸受間隙の
寸法が周期的に変化したときの前記静圧の変動成分のう
ちで、軸受間隙の寸法の減少に対して90度の位相遅れ
を有する周期的変動成分が、移動台1を含む振動系の固
有振動数に等しい周波数において正であるように構成さ
れている。従って、移動台1の振動は速かに減衰され
る。
Description
ステージや、精密工作機械および精密測定器等の位置決
めステージに用いられる静圧軸受装置に関するものであ
る。
工作機械および精密測定器等の位置決めステージは極め
て高精度の位置決めを必要とし、このために、XYステ
ージや位置決めステージを台盤等に対して非接触で支持
あるいは案内する静圧軸受装置が用いられる。
出する絞りの形式によって大きく異なっており、特に、
XYステージや位置決めステージが振動を発生したとき
の軸受間隙の圧力変動の周波数特性を調べると、公知の
表面絞り型、自成絞り型あるいはオリフィス絞り型の静
圧軸受装置についてはほぼ一定であり、その剛性等がX
Yステージや位置決めステージの振動によって大きく変
化することはないが、多孔質絞り型の静圧軸受装置の場
合は、表面絞り型や自成絞り型あるいはオリフィス絞り
型に比べて加圧流体の供給量が少くても高い軸受剛性が
得られるという利点がある一方で、位置決めステージや
XYステージに振動が発生したときに軸受剛性が著しく
低下したり、静圧軸受装置が自励振動を発生するおそれ
がある。
圧軸受装置の、軸受間隙の寸法が周期的に変化したとき
の軸受間隙の気体の圧力変動を測定し、軸受間隙の寸法
の周期的減少と同じ位相の圧力変動成分(以後「Re成
分」と呼ぶ)とこれに対して90度の位相遅れをもつ圧
力変動成分(以後「Im成分」と呼ぶ)を検出し、これ
らの周波数特性を得たものである。これらの図から解る
ように、例えば、XYステージや位置決めステージ装置
の固有振動数が150〜160HzであるときIm成分
が負の値であるため、図12に示すような自励振動が発
生し、その結果、XYステージや位置決めステージの位
置決め精度が著しく低下し、増大する振動によって装置
の破損を招くおそれがある。
め所定量の目づまりを発生させることによって軸受特性
を変化させるか、あるいは多孔質体の通気率や透過率を
厳しく限定したものを用いることによって、多孔質絞り
型の静圧軸受装置の自励振動を防ぐ工夫がなされてい
る。
の技術によれば、多孔質絞り型の静圧軸受装置を目づま
りさせることによってその軸受特性を改良する方法は、
かなりの手間と時間がかかり、静圧軸受装置の生産性を
低下させる。また、多孔質体の通気率や透過率を厳しく
限定しても軸受の周波数特性を大幅に変えることはでき
ず、自励振動を防ぐことは難しい。
課題に鑑みてなされたものであり、自励振動を発生する
おそれのない多孔質絞り型の静圧軸受装置を提供するこ
とを目的とするものである。
に本発明の静圧軸受装置は、一対の物体の間の間隙に加
圧流体を噴出し、その静圧によって両物体を非接触に支
持する多孔質絞り型の噴出手段を有し、該噴出手段が、
前記間隙の寸法の周期的変化が発生したとき、前記間隙
の加圧流体の静圧が前記間隙の寸法の周期的減少に対し
て90度の位相遅れをもつ周期的変動成分を有し、か
つ、該周期的変動成分が各物体の振動系の固有振動数に
等しい周波数において正の値であるように構成されてい
ることを特徴とする。
×10-16 m2 以下の通気率または透過率を有し、か
つ、20%以下の気孔率または多孔率を有するとよい。
ときにこれを減衰させる圧力が前記加圧流体の静圧に含
まれるため、静圧軸受装置に自励振動が発生するおそれ
はない。前記周波数において前記周期的変動成分がゼロ
または負の値である場合は、各物体の振動系の質量等を
増減して固有振動数を変化させるか、または、噴出手段
に所定の目づまりを発生させることでその周波数特性を
変化させる。
×10-16 m2 以下の通気率または透過率を有し、か
つ、20%以下の気孔率または多孔率を有すれば、間隙
の寸法の周期的減少に対して90度の位相遅れをもつ静
圧の周期的変動成分が正である周波数領域が低周波数側
にあるため、各物体の振動系の固有振動数が低くても自
励振動のおそれがない。
直動式の位置決めステージを説明する説明図であって、
該位置決めステージは、図示上面に基板等の被加工物を
保持する一方の物体である移動台1と、移動台1の図示
下面に一体的に設けられた軸受ハウジング2と、軸受ハ
ウジング2に保持された噴出手段である多孔質体からな
る多孔質パッド3を有し、軸受ハウジング2と多孔質パ
ッド3は、加圧気体供給ライン4から軸受ハウジング2
の内部流路2aを経て供給される加圧流体である加圧気
体を他方の物体である固定台5の表面に向って噴出し、
該表面に対して移動台1を非接触に保つ静圧軸受装置E
1 を構成し、移動台1は図示しない駆動装置によって固
定台5の表面に沿って移動される。移動台1と軸受ハウ
ジング2と多孔質パッド3およびこれらと一体的に結合
された他の部材を含む振動系である位置決めステージの
固有振動数は200Hzと算出されており、この周波数
で共振する。
率あるいは透過率が5×10-16 m2 以下で、かつ、気
孔率あるいは多孔率が20%以下の多孔質体からなり、
平衡状態にあるときの軸受間隙の寸法h0 は4〜6μ
m、これに供給される加圧気体の圧力は4kg/cm2
gである。
波数特性は、それぞれ、図2の(a)に示すように、移
動台1を所定の周波数で振動させ、軸受間隙の寸法hが
平衡状態の値h0 からΔhだけ減少することによる軸受
間隙の気体の静圧の変化量Δpを測定し、該変化量Δp
の振動成分のうちで、図2の(b)に示すように、軸受
間隙の寸法の周期的減少量Δhと同位相の振動成分Δp
1 と、これから90度の位相遅れをもつ周期的変動成分
である振動成分Δp2 を検出することによって求められ
る。
数特性は、図3に示すように、周波数200Hzの付近
において最低値からある程度回復した値を示し、また、
Im成分は、図4に示すように、周波数200Hzの付
近において正であり、かつ、その最大値を示す。従っ
て、前述のように、位置決めステージの固有振動数が2
00Hzであれば、位置決めステージに振動が発生して
もIm成分が正でありかつ大きいために振動が短時間で
鎮静化するうえに、振動によってRe成分が著しく低下
するおそれもない。
にIm/Reを算出してプロットしたものであり、Im
/Reの値は周波数200Hz付近で最大値を有するこ
とが解る。なお、図1の位置決めステージが図示上下方
向へ振動したときの運動方程式は以下のように表わされ
る。
通次元にするための変換係数である M:位置決めステージの慣性 F:位置決めステージに加わる力 ω:角振動数 また、位置決めステージの固有振動数fnおよび減衰比
ζはそれぞれ以下のように表わされる。
(3)式から減衰比ζが25%と算出される。
記の位置決めステージの振動特性を測定した。該加振機
は、先端に加振力測定用のロードセル6を有するインパ
クトハンマー7と、移動台1の変位を測定する非接触型
の変位センサー8と、その出力から減衰比ζを算出する
FFT装置9からなり、ロードセル6から変位センサー
8までの伝達特性は図7に示す通りであった。インパク
トハンマー7によって位置決めステージの移動台1に強
制的に振動を発生させて減衰比ζを測定したところ、3
0%を越える値が得られることが判明した。
00Hzの近傍にない場合は、多孔質パッドの数を増や
したり、多孔質の部品の寸法等を調節すればよい。
あるいは透過率が5×10-16 m2以下であり、かつ気
孔率あるいは多孔率が20%以下であれば、図10およ
び図11に示すような一般的な多孔質パッドに比べて、
図3および図4に示すようにRe成分を回復する周波数
領域および最も高いIm成分を示す周波数領域が低周波
数側へ移動しており、従って、位置決めステージの固有
振動数を前述のようなRe成分およびIm成分が高い周
波数領域に設定することが極めて容易である。
置決めステージ以外に例えば、図8に示すような、両端
にそれぞれスラストプレート10a,10bを有する回
転軸10を保持する回転軸受装置11に用いることがで
きる。該回転軸受装置11は、回転軸10のスラストプ
レート10a,10bと円筒部分10cにそれぞれ対向
する複数の多孔質パッド12を有し、各多孔質パッド1
2は本実施例の静圧軸受装置E1 の多孔質パッド3と同
様の通気率および多孔率を有し、その他の軸受パラメー
タは、前述のように、各多孔質パッドのRe成分とIm
成分の周波数特性と回転軸10の固有振動数に基づいて
設定される。これによって、回転軸のふれ回り等の振動
を低減し、回転を安定させることができる。
9に示すような、台盤13上において所定の軸方向へ往
復移動する駆動体14と、これによって前記方向へ移動
される被駆動体15の間の駆動力伝達機構に用いること
もできる。該駆動力伝達機構は、駆動体14の両側面1
4a,14bにそれぞれ多孔質パッド16a,16bを
有し、両者は被駆動体15の逆U字形の枠体の内側面に
向って加圧気体を噴出する。また、駆動体14および被
駆動体15はそれぞれ多孔質パッド17,18によって
台盤13上に非接触で支持されている。各多孔質パッド
16a,16b,17,18については前述の多孔質パ
ッド3,12と同様であるので説明は省略する。
ので、以下に記載するような効果を奏する。
よって自励振動を起こすおそれのない静圧軸受装置を実
現する。
せたときの圧力変動を説明するもので、(a)は軸受間
隙を拡大して示す説明図、(b)は各圧力変動成分と軸
受間隙の寸法の変化の関係を示す図である。
示すグラフである。
示すグラフである。
成分の比をプロットしたグラフである。
る。
を示すグラフである。
説明図である。
説明する説明図である。
性を示すグラフである。
性を示すグラフである。
ージの自励振動を説明するグラフである。
Claims (2)
- 【請求項1】 一対の物体の間の間隙に加圧流体を噴出
し、その静圧によって両物体を非接触に支持する多孔質
絞り型の噴出手段を有し、該噴出手段が、前記間隙の寸
法の周期的変化が発生したとき、前記間隙の加圧流体の
静圧が前記間隙の寸法の周期的減少に対して90度の位
相遅れをもつ周期的変動成分を有し、かつ、該周期的変
動成分が各物体の振動系の固有振動数に等しい周波数に
おいて正の値であるように構成されていることを特徴と
する静圧軸受装置。 - 【請求項2】 噴出手段が多孔質体を有し、該多孔質体
が、5×10-16 m2 以下の通気率または透過率を有
し、かつ、20%以下の気孔率または多孔率を有するこ
とを特徴とする請求項1記載の静圧軸受装置。
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