JPH10169654A

JPH10169654A - 気体静圧軸受け装置

Info

Publication number: JPH10169654A
Application number: JP34658696A
Authority: JP
Inventors: Kazuya Ono; 一也小野
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1996-12-10
Filing date: 1996-12-10
Publication date: 1998-06-23

Abstract

(57)【要約】【課題】十分に高い剛性を有する気体静圧軸受け装置
を提供する。【解決手段】軸受け部２０の軸受け面２０ａが中央部
の非通気性のランド部２８と、この周囲の多孔質材料３
０とから構成されている。このため、ランド部２８の周
囲の多孔質材料３０より内側はすきま内圧力が一定であ
り、また該多孔質材料３０の外周縁が大気に接している
ため、すきまが狭くなるにつれて、多孔質材料外周の圧
力が上昇し、結果的にすきま内圧力が軸受け外周付近
で、できるだけ急峻な圧力勾配によって大気圧に至ると
いう理想的な特性を得ることができる。この場合、ラン
ド部２８の存在によりスクイーズ効果が発生し、減衰特
性も良い。従って、十分に高い剛性を得ることができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、気体軸受け装置に
係り、更に詳しくは、半導体露光装置のＸＹステージ
や、精密工作機械及び精密測定器等の位置決めステージ
に用いて好適な気体静圧軸受け装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体露光装置のＸＹステージや、精密
工作機械及び精密測定器等の位置決めステージは、極め
て高精度な位置決め性能が要求され、このために、ＸＹ
ステージや位置決めステージを定盤等に対して非接触で
支持あるいは案内する気体静圧軸受け装置が用いられ
る。

【０００３】図８（Ａ）、（Ｂ）には、この種の空気静
圧軸受け装置の代表例が示されている。図８（Ａ）は、
空気静圧軸受け装置１００の縦断面図であり、図８
（Ｂ）は（Ａ）の空気静圧軸受け装置１００の底面図で
ある。この空気静圧軸受け装置１００は、軸受け面が多
孔質材料のみから成る一般的なタイプの軸受け装置であ
る。この空気静圧軸受け装置１００は、一方の面（図８
（Ａ）における下面）が軸受け面１０１ａとされた多孔
質材料から成る軸受け部１０１と、この軸受け部１０１
を保持するハウジング部１０２とを有している。ハウジ
ング部１０２の内部には、Ｌ字状の給気通路１０３が形
成され、この給気通路１０３の一端は軸受け部１０１の
他方の面に対向して形成された給気溝部１０４に連通
し、他端は不図示の加圧気体供給ラインに接続されるよ
うになっている。そして、不図示の加圧気体供給ライン
を介して供給される圧縮空気を軸受け部１０１を介して
不図示のガイド面に対して噴出することにより、そのガ
イド面との間のすきまに生じる静圧により軸受け装置１
００が取り付けられた不図示の移動部材（例えばステー
ジ）をガイド面に対して非接触で支持できるようになっ
ている。

【０００４】図８（Ｃ）には、軸受け面１０１ａを４０
ｍｍ角、軸受け部１０１の厚さを４〜５ｍｍとし、圧縮
空気の供給圧を５ｋｇｆ／ｃｍ²・Ａｂｓ（絶対圧）と
した場合の、すきま寸法２μｍ〜８μｍ（１μｍ間隔）
に対応するすきま内圧力分布が示されている。この図８
（Ｃ）の横軸は、軸受け中心（０）からの距離（ｍｍ）
を示し、縦軸はすきま内圧力（Ｐａ：パスカル）を絶対
圧で示す。

【０００５】また、図９（Ａ）、（Ｂ）には、空気静圧
軸受け装置の他の一例が示されている。図９（Ａ）は、
この空気静圧軸受け装置２００の縦断面図であり、図９
（Ｂ）は（Ａ）の空気静圧軸受け装置２００の底面図で
ある。この空気静圧軸受け装置２００は、当該軸受け装
置の一方の面（図９（Ａ）の下面）の全面が軸受け面２
００ａとされている。この空気静圧軸受け装置２００
は、ハウジング部２０１と、このハウジング部２０１の
中央部に埋め込まれた多孔質材料２０２と、更にこの多
孔質材料の中心部の空間に埋め込めれた非通気性のガラ
ス２０３とを有している。そして、これらハウジング部
２０１、多孔質材料２０２及びガラス２０３の一方の面
（図９（Ａ）の下面）により軸受け面２００ａが形成さ
れている。

【０００６】ハウジング部２０１の内部には、Ｌ字状の
給気通路２０４が形成され、この給気通路２０４の一端
は多孔質材料２０２の他方の面に対向して形成された給
気溝部２０５に連通し、他端は不図示の加圧気体供給ラ
インに接続されるようになっている。そして、不図示の
加圧気体供給ラインを介して供給される圧縮空気を多孔
質材料２０２を介して不図示のガイド面に対して噴出す
ることにより、そのガイド面との間のすきまに生じる静
圧により軸受け装置２００が取り付けられた不図示の移
動部材（例えばステージ）をガイド面に対して非接触で
支持できるようになっている。

【０００７】図９（Ｃ）には、軸受け面２００ａを４０
ｍｍ角、この内、ガラス２０３を２０ｍｍ角、多孔質材
料２０２の幅を５ｍｍ、その周囲のハウジング部２０１
の幅を５ｍｍとし、多孔質材料の最大部の厚さを４〜５
ｍｍとし、圧縮空気の供給圧を５ｋｇｆ／ｃｍ²・Ａｂ
ｓ（絶対圧）とした場合の、すきま寸法２μｍ〜８μｍ
（１μｍ間隔）に対応するすきま内圧力分布が示されて
いる。この図９（Ｃ）の横軸は、軸受け面の中心（０）
からの距離（ｍｍ）を示し、縦軸はすきま内圧力（Ｐ
ａ）を絶対圧で示す。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】理想的な空気静圧軸受
け装置は、その圧力分布が大気圧から給気圧まで十分に
変化するものである。実際にはすきま内圧力から大気圧
までには有限の圧力勾配を持つので、すきま内圧力は軸
受け外周付近で、できるだけ急峻な圧力勾配によって大
気圧に至る空気静圧軸受け装置が理想的な軸受け装置と
なる。

【０００９】しかしながら、上述した従来の空気静圧軸
受け装置は、以下のような理由により必ずしも十分なも
のではなかった。

【００１０】すなわち、軸受け面が多孔質材料のみから
成る図８のタイプでは、すきまが狭くなるのにつれ
て、多孔質材料外周の圧力が上昇するという長所はある
が、軸受け部中心から徐々に圧力が降下するという欠
点がある。このため、後述する図９のタイプよりも剛性
は低くなる。

【００１１】また、中心部に非通気性のガラスのある図
９のタイプのものは、図９（Ｃ）から明らかなように、
多孔質材料より内側はガラスの存在により圧力が一定と
なっており、またスクイーズ効果を発生して減衰特性が
改善されるという長所はあるが、多孔質材料より外側は
ほぼ直線的に（斜めに）大気圧に降下しており、すきま
内圧力は軸受け外周付近で、できるだけ急峻な圧力勾配
によって大気圧に至るという理想とは程遠いものとなっ
ていた。

【００１２】このように、従来の空気静圧軸受け装置
は、いずれも長所と短所を合せて持っているため、軸受
け装置に最も重要な剛性（すきま内圧力分布曲線間の面
積）が十分に得られていなかった。

【００１３】本発明は、かかる事情の下になされたもの
で、請求項１ないし３に記載の発明の目的は、十分に高
い剛性を有する気体静圧軸受け装置を提供することにあ
る。

【００１４】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、第１物体（１４）の面（１４ａ）に対し加圧気体を
噴出し、前記第１物体（１４）との間のすきまに生じる
静圧によって、前記第１物体に対向して第２物体（１
２）を非接触で支持する気体静圧軸受け装置であって、
前記第１物体（１４）の面（１４ａ）に対向する軸受け
面（２０ａ）が、その中央部の非通気性のランド部（２
８）と、当該ランド部（２８）の周囲を取り囲み、その
外周縁が大気に接した多孔質材料（３０）とから成る軸
受け部（２０）と；前記第２物体（１２）に取り付けら
れ、その内部に前記軸受け部（２０）に加圧気体を供給
する給気路（２２，２４）が形成されたハウジング部
（１８）とを有する。

【００１５】これによれば、図２のすきま内圧力分布曲
線にも示されるように、軸受け面（２０ａ）の中央部に
非通気性のランド部（２８）が存在するため、このラン
ド部（２８）の周囲の多孔質材料（３０）より内側は圧
力が一定であり、また該多孔質材料（３０）の外周縁が
大気に接している、すなわち、該多孔質材料の周囲に何
も設けられていないため、すきまが狭くなるにつれて、
多孔質材料外周の圧力が上昇し、結果的にすきま内圧力
が軸受け外周付近で、できるだけ急峻な圧力勾配によっ
て大気圧に至るという理想的な特性を得ることができ
る。この場合、ランド部（２８）の存在によりスクイー
ズ効果が発生し、減衰特性も良い。従って、十分に高い
剛性を得ることができる。

【００１６】軸受け面の多孔質材料の周囲に何も設けら
れていない場合に理想的なすきま内圧力特性が得られる
ことは、上述した通りであるが、請求項２に記載の発明
の如く、前記軸受け部（２０）の軸受け面（２０ａ）
が、前記多孔質材料（３０）の周囲に厚さ約２ｍｍ以下
の非通気性の別のランド部（３２）を更に有していても
良い。この場合、多孔質材料の周囲に設けられた別のラ
ンド部（３２）の存在により、該別のランド部がない場
合に比べて剛性が幾分低下するが、前述したハウジング
部そのものが軸受け面を形成している図９のタイプのレ
ベルまで剛性が低下することはなく、剛性の低下は許容
できるレベルで十分に高い剛性を得られることを本願発
明者は見出した。

【００１７】上記発明において、多孔質材料（３０）と
しては、焼結金属、カーボン、セラミックス等種々の材
料を用いることができるが、かかる多孔質材料は、均一
な気孔分布を有し、軸受け面の加工により目つぶれが生
じにくいものが好ましく、この点で請求項３に記載の発
明の如く、前記多孔質材料は多孔質セラミックスである
ことが望ましい。多孔質セラミックスとしては、多孔質
ジルコニア、多孔質アルミナ、多孔質窒化アルミニウ
ム、多孔質炭化珪素、多孔質窒化珪素等が挙げられる。
これらの多孔質セラミックスは、絞り効果が大きく、均
一なものが比較的容易に製造できるという利点もある。

【００１８】

【発明の実施の形態】

《第１の実施形態》以下、本発明の第１の実施形態を図
１ないし図２に基づいて説明する。

【００１９】図１（Ａ）、（Ｂ）には、本発明に係る気
体静圧軸受け装置を用いた第１の実施形態の直動式の位
置決めステージの主要部の構成が示されている。

【００２０】この位置決めステージ１０は、その一方の
面（図１（Ａ）における上面）に不図示のウエハ等の試
料が載置される第２物体としての移動ステージ１２と、
この移動ステージ１２の他方の面（図１（Ａ）における
下面）に一体的に取り付けられ、加圧気体としての圧縮
空気を第１物体としての定盤１４の一方の面（図１
（Ａ）における上面）に形成されたガイド面１４ａに対
し噴出し、該ガイド面１４ａとの間のすきまに生じる静
圧（すき間内圧力）により移動ステージ１２をガイド面
１４ａに対し非接触で浮上支持する気体静圧軸受け装置
としての空気静圧軸受け装置１６とを備えている。移動
ステージ１２は、不図示の駆動装置（例えば、リニアモ
ータ）によってガイド面１４ａに沿って移動されるよう
になっている。

【００２１】空気静圧軸受け装置１６は、その一方の面
（図１（Ａ）における上面）が移動ステージ１２の他方
の面に固定されたハウジング部１８と、このハウジング
部１８に保持され、ガイド面１４ａ対向側の面が軸受け
面２０ａとされた軸受け部２０とを有している。

【００２２】ハウジング部１８の内部には、Ｌ字状の給
気通路２２が形成され、この給気通路２２の一端は軸受
け部２０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２４に連通し、他端は加圧気体供給ライ
ン２６に接続されている。軸受け部２０は、中央部の非
通気性のガラスから成るランド部２８と、その外周部
（図１（Ａ）における上面を含む）を取り囲む通気性の
多孔質材料３０とによって構成されている。この軸受け
部２０の軸受け面２０ａは、ラップ等で同一平面に加工
されている。多孔質材料３０とハウジング部１８は強固
に接着されており、多孔質材料３０の外周側面は空気が
もれないように接着剤３１によって目止めされている。
ここで、多孔質材料３０としては、前述した多孔質ジル
コニア等の多孔質セラミックスが使用される。

【００２３】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２６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２２、給気溝部２４（従って、給気通路２２と
給気溝部２４とによって給気路が構成されている）を介
して軸受け部２０の多孔質材料３０の気孔を通り、軸受
け面２０ａとガイド面１４ａとの間のすきまに流れ込
み、そのすきまに生じる静圧によって軸受け装置１６が
取り付けられた移動ステージ１２がガイド面１４ａに対
して非接触で支持される。

【００２４】本第１の実施形態において、軸受け面１６
ａを４０ｍｍ角、軸受け部２０の厚さ（図１（Ａ）にお
ける上下方向の寸法）を４〜５ｍｍとし、圧縮空気の供
給圧を５ｋｇｆ／ｃｍ²・Ａｂｓ（絶対圧）とした場合
の、すきまを１μｍ間隔で変更したすきま寸法２μｍ〜
８μｍに対応するすきま内圧力分布のシミュレーション
結果が図２に示されている。

【００２５】この図２の横軸は、軸受け中心（０）から
の距離（ｍｍ）を示し、縦軸はすきま内圧力（Ｐａ）を
絶対圧で示す。

【００２６】この図２を前述した従来例の図８（Ｃ）、
図９（Ｃ）と比較すると明らかなように、本実施形態で
は、ランド部２８（０〜１４ｍｍ）では圧力が一定で、
かつ軸受けすきまが狭くなるにつれて多孔質材料３０外
周の圧力が上昇することがわかる。

【００２７】従って、本第１の実施形態に係る軸受け装
置１６は、すきま内圧力は軸受け外周付近で、できるだ
け急峻な圧力勾配によって大気圧に至る理想的な特性
（圧力分布特性）の軸受け装置となっており、従来にな
い高い剛性の軸受け装置となっている。

【００２８】上記第１の実施形態では、多孔質材料３０
の外側端面を接着剤を用いて目止めする場合について説
明したが、製造上、接着剤よりも僅かなランド部で目止
めする方が生産性が向上する場合もある。このような場
合を考慮してなされたのが、次の第２の実施形態であ
る。

【００２９】《第２の実施形態》次に、本発明の第２の
実施形態を図３ないし図６に基づいて説明する。ここ
で、前述した第１の実施形態と同一の構成部分について
は同一の符号を付すとともに、その説明を省略するもの
とする。

【００３０】図３には、第２の実施形態に係る位置決め
ステージの主要部の構成が示されている。この第２の実
施形態では、軸受け面２１を構成する多孔質材料３０の
周囲に僅かな厚さの別のランド部３２が設けられている
点が、第１の実施形態と異なるのみで、その他の部分の
構成等は同一になっている。

【００３１】発明者等は、軸受け面２１を構成する上記
別のランド部３２の厚さ（幅）ｂを１ｍｍ、２ｍｍ、３
ｍｍとして、前述した第１の実施形態の場合と同一条件
の下に、すきまを１μｍ間隔で変更しながらすきま寸法
２μｍ〜８μｍについてシミュレーションを行なった。
その結果が、図４ないし図６に示されている。この内、
図４にはｂ＝１ｍｍの場合が、図５にはｂ＝２ｍｍの場
合が、図６にはｂ＝３ｍｍの場合がそれぞれ示されてい
る。

【００３２】これら３つの図を比較すると、図６では、
他の図に比べて多孔質材料より外側はほぼ直線的に（斜
めに）大気圧に降下して、十分な剛性が得られなくなる
ことがわかる。これに対し、図４、図５の場合には、図
２の場合より剛性が幾分低下するもののそれでもまだ十
分に高い剛性が得られることがわかる。

【００３３】なお、上記第１、第２の実施形態では、直
動式の位置決めステージに本発明に係る気体静圧軸受け
装置が適用された場合について説明したが、本発明の適
用範囲がこれに限定されるものではなく、図７に示され
るような、定盤１４上において所定の軸方向へ往復移動
する駆動体４０と、これによって前記方向へ移動される
被駆動体４２との間の駆動力伝達機構に本発明を適用し
ても良い。

【００３４】図７において、駆動力伝達機構は、駆動体
４０の両側面４０ａ、４０ｂにそれぞれ空気静圧軸受け
装置１６Ａ、１６Ｂを有し、両者は逆Ｕ字状の枠体から
成る被駆動体４２の内側面に向かって圧縮空気を噴出す
る。また、駆動体４０及び被駆動体４２は、それぞれ空
気静圧軸受け装置１６Ｃ、１６Ｄ、１６Ｅ、１６Ｆによ
ってガイド面１４ａ上に非接触で支持されている。各空
気静圧軸受け装置１６Ａ〜１６Ｆは、前述した軸受け装
置１６と同様の構成になっているので、詳細な説明は省
略する。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１ないし３
に記載の発明によれば、従来になく高い剛性を有する気
体静圧軸受け装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）は第１の実施形態の位置決めステージの
主要部の構成を示す縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）の空気静
圧軸受け装置の底面図である。

【図２】第１の実施形態の作用・効果を説明するための
シミュレーション結果を示す図である。

【図３】第２の実施形態の位置決めステージの主要部の
構成を示す縦断面図である。

【図４】第２の実施形態の作用・効果を説明するための
図であって、第２の実施形態に係る軸受け装置の軸受け
面を構成する別のランド部の厚さ（幅）ｂを１ｍｍとし
た場合のシミュレーション結果を示す図である。

【図５】第２の実施形態の作用・効果を説明するための
図であって、上記別のランド部の厚さ（幅）ｂを２ｍｍ
とした場合のシミュレーション結果を示す図である。

【図６】図４、図５との比較のための図であって、上記
別のランド部の厚さ（幅）ｂを３ｍｍとした場合のシミ
ュレーション結果を示す図である。

【図７】本発明に係る軸受け装置の適用例を説明するた
めの図である。

【図８】従来例を示す説明図であって、（Ａ）は、一従
来例の空気静圧軸受け装置の縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）
の装置の底面図、（Ｃ）は（Ａ）の装置のすきま内圧力
分布の一例を示す線図である。

【図９】他の従来例を示す説明図であって、（Ａ）は、
他の従来例の空気静圧軸受け装置の縦断面図、（Ｂ）は
（Ａ）の装置の底面図、（Ｃ）は（Ａ）の装置のすきま
内圧力分布の一例を示す線図である。

【符号の説明】

１２移動ステージ（第２物体）１４定盤（第１物体）１４ａガイド面１６空気静圧軸受け装置（気体静圧軸受け装置）１８ハウジング部２０軸受け部２０ａ軸受け面２２給気通路（給気路の一部）２４給気溝部（給気路の一部）２８ランド部３０多孔質材料３２別のランド部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１物体の面に対し加圧気体を噴出し、
前記第１物体との間の隙間に生じる静圧によって、前記
第１物体に対向して第２物体を非接触で支持する気体静
圧軸受け装置であって、前記第１物体の面に対向する軸受け面が、その中央部の
非通気性のランド部と、当該ランド部の周囲を取り囲
み、その外周縁が大気に接した多孔質材料とから成る軸
受け部と；前記第２物体に取り付けられ、その内部に前
記軸受け部に加圧気体を供給する給気路が形成されたハ
ウジング部とを有する気体静圧軸受け装置。
【請求項２】前記軸受け部の軸受け面が、前記多孔質
材料の周囲に厚さ約２ｍｍ以下の非通気性の別のランド
部を更に有することを特徴とする請求項１に記載の気体
静圧軸受け装置。
【請求項３】前記多孔質材料は多孔質セラミックスで
あることを特徴とする請求項１に記載の気体静圧軸受け
装置。