1. はじめに
エアベアリングを使用する場合、エアベアリングを選択する際の重要な要素の一つとして、動作品質について説明することがよくあります。具体的には、リニアベアリングやステージの真直度と平坦度です。どれくらいのまっすぐで平らですか？どれくらいの精度レベルが達成できますか？
このテクニカルノートでは、フルトラベルでのエラーモーション、エラーモーションへの影響、エラーの再現性、短期的なエラーなど、いくつかの観点から説明します。
真直度エラーモーション（“真直度：straightness“）は、Y方向のエラーモーションとして定義されます。ステージがX軸方向に動くと、その動きは完全な直線からわずかにずれます。
平坦度エラーモーション（“平坦度：flatness”）は、Z方向のエラーモーションとして定義されます。ステージがX軸方向に動くと、その動きは完全な直線からわずかにずれます。
3. フルトラベルにおけるエラーモーション
最初に説明する仕様は、フルトラベルにおけるトータルエラーモーションです。この測定は通常、"ミクロンTIR "で指定されます。TIRとは、Total Indicator Reading（インジケーターの読み）のことです。TIRが使用される場合、エラーモーションのピークからピークまでの測定値を意味します。基準ゼロに対する左右対称性は考慮していません。図3は、220mmの移動量における真直度エラーをプロットしたもので す。TIR測定値は0.3 µmです。エアベアリングステージは通常、200mmトラベルあたり1µmより優れた平面度および真直度TIRを実現できます。実際の仕様については、詳細な製品仕様書を参照してください。
4.1 設置面の品質
エアベアリングステージの取付面は、非常に剛性が高く、クリーンで平坦な面が要求されます。表面にデコボコ、バリ、汚れなどがあると、ステージのエラーモーション、特に平坦度に顕著な影響を与えます。図4では、ステージを>>高精度のグラナイト定盤に取り付けた場合と、ブレッドボード上に取り付けた場合の平坦度の違いを示しています。ブレッドボードに設置することで、ステージは,フルミクロン分の平坦度エラーモーションが追加されます。
4.2 トラベルレンジの長さ
エアベアリングの精度は、多くの場合、機械加工と研削のトレランスの影響であり、それは本質的に大型表面で維持するのが難しいため、ロングトラベルのステージは、ショートトラベルのステージよりも真直度と平坦度のエラーモーションが大きくなることがよくあります。
4.3 ステージサイズ
フットプリントが大きい、またはベアリング面の距離が大きいステージは、通常、小さいサイズのステージよりも真直度と平坦度の誤差運動が小さくなります。ベアリング面の距離が大きいほど、角度エラーは、より小さな横方向のエラーへと変化します。ベアリング面が大きいほど、エアベアリングの平均化効果（図5参照）が高まり、エラーモーションが小さくなります。
4.4 外部からの影響
あらゆる高精度測定と同様に、エアベアリングステージは、その真直度と平坦度のエラーモーションが外力によって影響を受ける可能性があります。これらの力は、ケーブルの引き回し、 機械振動、環境変化 (特に温度) などが原因となることがあります。 設計時には、これらの影響をできる限り最小化または分離するよう注意する必要があります。
4.5 設置方向
エアベアリングステージの仕様は通常、ステージが平坦な平面上に取り付けられることを前提に作成されています。取り付け方向が他の方向（Z軸のように垂直、またはオーバーヘッドブリッジのように側面）である場合、仕様は通常より大きなエラーモーションを要します。側面に取り付ける場合（図6参照）は、真直度が特に困難になります。ステージベースとブリッジビームにかかる重力負荷によってたわみが生じ、真直度エラーが生じます。機械組立時にこれを補正しようと試みることはできますが、エラーを完全になくすことは通常できません。
5. 真直度と平坦度エラーモーションの再現性
エアベアリングステージは、全体に非常に小さな真直度と平面度のエラーモーションだけではなく、非常に再現性の高い安定したエラーを出すことができます。図7のデータは、同じステージから5回連続して平坦度エラーを測定したものです。この場合、平面度エラーの2シグマ再現性は50ナノメートル以下です。エアベアリングには摩耗部品がないため、機械の設置状況や 動作条件が変わらない限り、このレベルの性能は長期にわたって変化しないと考えることができます。
6. 短距離でのエラーモーション
エアベアリングステージの極めて高い精度を示す最も優れた例は、真直度エラーモーションと平面度エラーモーションの短距離での影響を調べたときに分かります。図8では、10mm移動したステージの真直度データを示しています。この場合のTIR測定値は15ナノメートル未満です。どの1mm区間においても、エラーは10ナノメートル未満です。
