導入
超精密モーション システムの背後にある実現テクノロジーの中で、エア ベアリングほど原理的に洗練され、実装に要求が厳しいものはほとんどありません。{0}の中心部で見つかりました半導体検査ツール、精密座標測定機、高精度計測機器、高度な製造装置などのエア ベアリングは、従来の転がり軸受では到底太刀打ちできないレベルの動きの滑らかさと位置決め精度を可能にします。-
この記事では、エア ベアリングとは何か、エア ベアリングがどのように機能するか、どのようなタイプが存在するのか、またエア ベアリングが乗る表面がベアリング自体と同じくらい重要である理由について説明します。
基本原則
最も基本的な形式のエア ベアリングは、加圧ガス - の薄膜で荷重を支える装置です。ただし、特殊な用途では他のガスも使用される場合があります。このガス膜は、動作中に通常 5 ～ 20 マイクロメートルの厚さになり、可動面と静止面を物理的に分離します。固体接触がないため、従来の意味での機械的摩擦はありません。
この摩擦がないことは、実際上重大な結果をもたらします。従来の転がり要素ベアリング - ボール ベアリング、ローラー ベアリング、ニードル ベアリング - はすべて、スティック スリップ動作、発熱、摩耗、小さいながらも実際の位置決め誤差の導入として現れる摩擦効果を示します。-これらの影響は、ほとんどの工学用途では管理可能ですが、位置の再現性をナノメートル レベルで制御する必要があるシステムでは許容できません。
エア ベアリング ステージは、適切な条件下で 10 nm を超える再現性を達成できます。また、その動作が滑らかであるため、転がりベアリングによって常に発生する微振動を発生させることなく、敏感な機器を動作させることができます。-
エアベアリングの種類
エア ベアリングは、加圧空気膜の生成方法に基づいて、空気静圧と空気力学の 2 つの主要なカテゴリに分類されます。
空気静圧軸受 (精密機器や半導体用途で使用されるタイプ) は、外部から供給される加圧空気に依存します。空気はベアリング表面の小さなオリフィスまたは多孔質媒体を通って押し出され、ベアリングとその基準表面の間に加圧ゾーンが形成されます。クリアランス ギャップ、つまり耐荷重と剛性は、供給圧力、オリフィスの形状、ギャップ自体によって決まります。空気静圧ベアリングは速度ゼロでも荷重を支えることができるため、位置を正確に保持するだけでなくスムーズに移動する必要がある精密ステージに適しています。
空力ベアリングは、表面間の相対運動に基づいて空気膜 - を生成します。これは、流体動圧オイル ベアリングと本質的に同じ原理です。フィルムを生成するには動作が必要なため、静的荷重のサポートが必要な精密位置決め用途にはあまり役に立ちません。
空気静圧ベアリング内では、空気入口の設計に基づいてさらに区別されます。オリフィス-タイプ（空気が 1 つまたは少数の精密な穴から入る）、多孔質-タイプ（空気が多数の分散した微小通路を備えた焼結または多孔質媒体を通って入る）、溝-タイプ（加圧チャネルが空気を分配する）です。多孔質エアベアリングは、一般に最高の剛性と最も滑らかな圧力分散を実現します。
基準面: なぜ花崗岩なのか
エアベアリングの性能は、エアベアリングが乗る表面によって決まります。ベアリングは 5 ～ 20 µm の隙間で浮きます。この寸法に近づく基準面のうねりや偏差があると、ギャップが乱され、ベアリングの剛性が局所的に変化し、動作誤差が生じます。
移動範囲が 500 mm のリニア エア ベアリング ステージの場合、基準面の平面度仕様は全長にわたって 1 ～ 3 µm になる可能性があります。これを達成するには、精密研削、精密ラッピング、追跡可能な測定機器による検証を組み合わせる必要があります。
花崗岩は、いくつかの確立された理由により、エア ベアリング基準面として有力な選択肢です。-その硬度 (モース硬度 6 ～ 7) は、時折の不注意による接触による摩耗に耐えます。その非磁性、非反応性の特性により、精密ステージで使用されるセンサーとの干渉が回避されます。その熱特性 - は低い膨張係数、良好な熱伝導率 - により、動作中の寸法安定性の維持に役立ちます。そして重要なことに、花崗岩はエア ベアリング用途で要求される平坦度レベルまでラッピングすることができます。
精密エアベアリングガイドウェイ表面の表面粗さの仕様は、通常、Ra 0.1 μm (100 nm) 以下であり、一部の用途では Ra 0.05 μm 以下です。これらは鏡のように滑らかな表面であり、精密な機器だけでなく熟練した加工が必要です。
剛性、減衰力、耐荷重
エアベアリングのエンジニアリング性能は、剛性、減衰、耐荷重という 3 つの重要なパラメータによって特徴付けられます。
N/μm で表される剛性は、ベアリングを 1 μm 変形させるのにどれだけの力が必要かを表します。外乱力（ペイロードの変化、モーターの力、または振動による）によって生じる位置誤差が小さくなるため、位置決め精度には剛性が高いことが望ましいです。空気静圧ベアリングは、サイズと供給圧力に応じて、数十から数百 N/µm の剛性値を達成できます。
空気の粘度がはるかに低いため、エアベアリングの減衰は油静圧ベアリングよりも本質的に低くなります。このため、エア ベアリング ステージは、外部の振動や急速な動きによって励起されると共振を起こしやすくなります。-システム設計者は、慎重な機械設計とアクティブな防振プラットフォームを通じてこの問題に対処します。
負荷能力は軸受面積と供給圧力により設定されます。一般に、エア ベアリングはオイル ベアリングや磁気ベアリングよりも単位面積あたりの負荷容量が制限されています。つまり、重量工作機械の用途ではなく、機器ステージなど、ペイロードが明確に定義され管理しやすい用途 --に最適です。-。
精密産業全体にわたるアプリケーション
エアベアリングの応用分野は、スムーズで正確、再現性のある動作を必要とするあらゆる業界に及びます。
半導体装置では、エア ベアリング ステージはウェーハ検査、フォトマスクの位置決め、レーザー直接書き込みシステム、電子ビーム計測に使用されます。{0}これらのステージが動作する花崗岩のガイドウェイ表面の平坦度は、システムが達成できる位置決め精度に直接影響します。
座標測定機 (CMM) では、エア ベアリングにより、高感度のタッチ プローブやスキャン センサーを妨害する振動を引き起こすことなく、測定プローブが測定体積内をスムーズに移動できます。高精度 CMM は、データム基準と空気支持軸の座面の両方として花崗岩テーブルを使用します。-
精密光学機器 - の干渉計、望遠鏡、分光計 - では、エア ベアリング回転テーブルを使用すると、振れ誤差を 50 nm 未満で回転させることができ、機械式ベアリングでは不可能な角度位置決めや表面測定が可能になります。-
研究や高度な製造のためのナノ-位置決め段階では、エア ベアリングは滑らかで摩擦のない動作プラットフォームを提供します。これにより、小さな動作振幅で支配的になる機械式ベアリングのスティック スリップ効果がなく、圧電微-位置決め要素が効果的に機能します。-
統合に関する考慮事項
エア ベアリングを適切に実装するには、いくつかのシステム レベルの要素に注意する必要があります。-供給空気は、ベアリングのギャップに損傷を与える可能性のある粒子を除去するために濾過され、安定した圧力を維持するために調整され、精密表面の腐食を引き起こす可能性のある水分を除去するために乾燥される必要があります。一般的な濾過要件は、- ミクロン未満の粒子の除去と、動作温度を十分に下回る露点です。
エアベアリングを支持する構造システムは、外力によって基準面やベアリングハウジングが変形しないように十分な剛性が必要です。このため、精密機器のエア ベアリング ステージは、ほとんどの場合、巨大でよく減衰された花崗岩または鉱物の鋳造構造に取り付けられています。-
精密エアベアリングシステムが動作することが多いクリーンルーム環境も、設計の選択に影響を与えます。ガス放出要件、汚染制御、クリーンルーム材料および洗浄手順との適合性はすべて、半導体および光学製造用途のエア ベアリング システムの設計において重要な役割を果たします。
結論
エア ベアリングは精密工学の中で最も洗練された技術の 1 つです - 原理的には一見単純ですが、実行には要求が厳しくなります。摩擦のない動き、ナノメートル-レベルの再現性、並外れた滑らかさを実現する機能により、半導体製造、精密計測、科学機器における最も要求の厳しい位置決め用途に不可欠なものとなっています。
これらが動作する花崗岩の表面は受動的な基板ではありません。-それらはそれ自体が精密に設計されたコンポーネントであり、平坦度、粗さ、安定性の仕様がシステムの動作期間全体にわたって満たされ、維持される必要があります。{1}}超精密モーション システムを設計または仕様化する人にとって、ベアリングとその基準面の両方を統合されたエンジニアリング要素として理解することは不可欠です。-