JPH11118672A - 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 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 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。 【解決手段】 アクチュエータ２２に第１の駆動信号を
徐々に変化させながら与えると、アクチュエータ２２に
より重り１６がそれに応じて上下に駆動され、軸受け１
２の軸受け面７０ａとガイド面５４との間のすきま寸法
が、徐々に変化する。このときの重り１６に作用する
力、変位をセンサ２０、２４で計測し、これに基づいて
演算装置により軸受け１２の静特性を演算する。また、
上記すきま寸法を所望の値に設定した状態で、アクチュ
エータ２２に第２の駆動信号を与えると、重り１６を介
してすきま内の空気層に微小振動が与えられる。振動数
を変化させながら、振動中の力変化、変位変化をセンサ
２０、２４で計測し、演算装置により力変化、変位変化
に基づいて周波数応答、伝達関数特性を求める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、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６−２４９２３
９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（１
８）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。

【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３
４ａ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４
４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２
４ｂとの２部分で構成されている。センサプローブ２４
ｂ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２
４ａ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２
０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２４
Ａ、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８
０Ｃ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８０
Ａは、前記３連スイッチＳの各スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ
３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、Ｓ
２、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２４
Ａ、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２４
Ａ、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８
０Ｂ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８
０Ｂ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（μ
ｍ）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１
０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１２
４、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１
１２Ａ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１
２ｇが設けられている。また、このキャリア／従動子１
６０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２
４、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。

【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）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被測定物である流体静圧軸受けが載置さ
   れる固定ベースと；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と；前記移動体
   を前記所定方向に案内する案内機構と；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のセンサと；前記移動体を前記所定方向に駆動
   するアクチュエータと；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の演算装置とを有する流体静圧
   軸受けの特性測定装置。
2. 【請求項２】 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を特徴とする請求項１に記載の
   流体静圧軸受けの特性測定装置。
3. 【請求項３】 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前記位置決め装置の動特性を求め
   る方法。