JP3799244B2 - 気体ばね式除振装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、例えば半導体製造装置や精密計測装置等の被支持体を床振動から略絶縁した状態で設置するために、それらの荷重を気体ばねを介して支持するようにした除振装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、この種の除振装置として、例えば特開平１１−１３２２８６号公報に開示されるように、平面視で略矩形状をなす筐体の中央部に精密機器等の荷重を支持するダイヤフラム形空気ばねを設けるとともに、その周囲に水平方向の荷重を受けるようにベローズ形空気ばね（以下、単にベローズという）を配設したものが知られてる。このものでは、水平方向の除振性能を高めるために、中央の空気ばねのダイヤフラムをローリング作動膜と呼ばれる極めて剛性の低い薄い弾性膜により形成し、水平方向の荷重に関しては別に設けたベローズによって支持するようにしている。
【０００３】
また、一般的に、気体ばね式除振装置において、被支持体の実際の振動状態をセンサにより検出し、この検出値に応じて気体ばねの気体圧を変更することで、その振動を打ち消すような逆位相の制御振動を付加するという、いわゆるアクティブ制振機能を有するものがある（例えば、特開平３−２１９１４１号公報を参照）。そして、被支持体に水平方向の制御振動を付加するための水平方向のアクチュエータとしては、前記前者の従来例のようなベローズが使用されることが多い。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、前記両従来例のように、水平方向のばねないしアクチュエータとしてベローズを使用すると、そのことが除振装置の上下方向の除振性能を損なう虞れがある。すなわち、一般的に、ベローズの軸方向のばね特性は非常に柔らかなものであるが、軸に直交する方向（以下、軸直交方向ともいう）のばね特性は、主としてゴム膜の材質や形状によって大きく左右される。このため、ベローズを水平方向に配置した除振装置において上下方向のばね特性を十分に柔らかくしようとすれば、ベロースのゴム膜を剛性の低いものとせざるを得ない。
【０００５】
しかし、そのようにベロースのゴム膜の剛性を低下させると、その軸直交方向の復元力が低下するから、ヒステリシスによる位置ずれの問題が大きくなる。一方、位置決め精度を確保するためにベローズのゴム膜の剛性を高くすると、そのことによって軸直交方向のばね特性が硬くなることが避けられず、その分、除振装置全体としても上下方向のばね特性が硬くなってしまい、このことが除振性能の低下を招くことになるのである。
【０００６】
本発明は、斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、上下及び水平方向の気体ばねを備えた気体ばね式除振装置において、それら気体ばねの構成に工夫を凝らし、上下及び水平方向の位置決め精度を確保しながら、尚かつ、気体ばねの特性はできるだけ柔らかなものとして、除振性能の向上を図ることにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明の解決手段では、ダイヤフラム形気体ばねのピストンにジンバル機構を組み込むこと（以下、ジンバルピストンともいう）によって、その気体ばねのばね特性を軸方向だけでなく軸直交方向についても非常に柔らかなものとすることができることに着目し、除振装置における上下及び水平方向の気体ばねをいずれもジンバルピストンにより構成するものとした。
【０００８】
具体的に、請求項１の発明では、固定基台に対して、被支持体を上下方向に支持する上下方向の気体ばねと該被支持体を水平方向に支持する水平方向の気体ばねとを設けた気体ばね式除振装置を前提とし、前記水平方向の気体ばねは、固定基台を挟む水平方向の両側部位において互いに中心軸が略一致するように対向配置するものとする。
【０００９】
そして、前記上下及び水平方向の各気体ばねとしては、それぞれ、前記固定基台において外方に向かって開口するように設けられた凹部と、該凹部の開口近傍に配置されたピストンと、該ピストンと凹部の開口周縁との間を閉塞して気体室を区画するダイヤフラムとを備えるものとし、さらに、前記ピストンを、その中心軸の方向で相対的に凹部から遠くなる一側に配置された荷重受部材と、該荷重受部材から軸方向他側に離間しかつ中心軸に直交する任意の直交軸の周りに揺動可能に前記ダイヤフラムにより弾性的に保持された筒状のピストン本体部材とからなるものとし、その上で、前記荷重受部材からピストン本体部材の中心孔を貫通するように軸方向他側に向かって延びる支持柱を設ける一方、前記ピストン本体部材には前記支持柱を囲むように軸方向他側に向かって延びる有底筒状の延出部を設けて、この延出部の底部に前記支持柱の先端部を転動自在に当接させて枢支させる構成とする。
【００１０】
前記の構成により、本発明に係る気体ばね式除振装置では、まず、被支持体が上下方向の気体ばねにより支持されていて、その気体ばねの本来の特性として軸方向、即ちこの場合は上下方向の固有振動数（系に固有の共振周波数）が極めて低くなることから、この気体ばねにおいて上下方向の振動に対して広い周波数領域に亘る優れた除振効果が得られる。
【００１１】
また、前記上下方向の気体ばねにおいて、軸直交方向、即ち水平方向の振動に対してはピストン本体部材が水平面内の任意の軸の周りに揺動することで、該ピストン本体部材の延出部の底部に支持柱を介して枢支されている荷重受部材が水平方向に変位し、これにより振動の吸収がなされることになる。この際、前記支持柱のピストン本体部材による支持点が該ピストン本体部材のダイヤフラムによる保持位置よりも低い位置にあることで、荷重受部材の水平方向変位に対するダイヤフラムのばね特性が非常に柔らかなものとなり、このことによって、水平方向についても固有振動数を十分に低くすることができる。
【００１２】
さらに、そのように揺動するピストン本体部材に対して、支持柱を介して作用する上下方向の荷重（気体ばねの軸方向荷重）が該ピストン本体部材の揺動を抑止して、中立の位置に戻そうとする復元力となり、これにより荷重受部材の位置決め精度が十分に得られる。
【００１３】
そして、前記構成では、被支持体を水平方向に支持する水平方向の気体ばねが前記した上下方向の気体ばねと同様の構成を有するものなので、該水平方向の気体ばねの軸方向だけでなく、軸直交方向の１つである上下方向についてもばね特性を極めて柔らかなものとし、尚かつ十分な位置決め精度を得ることができる。
【００１４】
つまり、この発明に係る除振装置によれば、上下方向及び水平方向の気体ばねとして、ジンバルピストンを備えたものを採用することで、ベローズのような弊害をなくして、除振装置の上下方向及び水平方向の両方について優れた除振性能と高い位置決め精度とを両立できる。
【００１５】
加えて、前記の構成では、前記水平方向の気体ばねが、固定基台を挟む水平方向の両側部位において互いに中心軸が略一致するように対向配置されているので、上下方向気体ばねの荷重受部材が、水平方向の一対の気体ばねにより、水平方向に離れた複数箇所で支持されることになり、これにより、被支持体の荷重を安定的に支持することができる。
【００１６】
請求項２の発明では、上下方向の気体ばをねとして、ピストンの荷重受部材の下面が支持柱の上端面に当接して支持されていて、該支持柱の上端面が球面により構成されているものとする。
【００１７】
このことで、上下方向の気体ばねにおいては水平方向の振動に対し、ピストン本体部材の揺動運動のみならず、荷重受部材と支持柱とが相対的に転動することによっても、該荷重受部材が水平方向に変位することになり、これにより振動の吸収がなされることから、除振装置の水平方向のばね特性がより一層、柔らかなものとなる。また、前記上下方向の気体ばねにおける水平方向の復元力は低下することになるが、水平方向の気体ばねにより復元力を得ることができるので、除振装置全体では位置決め精度は十分なものとなる。
【００１８】
請求項３の発明では、請求項１又は２のいずれかの発明において、水平方向に対向配置された一対の気体ばねの各気体室同士を連通する連通路を設けるものとする。
【００１９】
このことで、水平方向に対向する一対の気体ばねの各気体室同士が連通路によって連通されていることで、該一対の気体ばねはいずれも軸方向のばね定数が極端に小さなものとなり、これにより、当該軸方向について除振装置全体としてのばね定数を極小化することができるから、除振性能の可及的な向上が可能となる。尚、その場合でも、水平方向の気体ばねにおいて軸直交方向の復元力は失われないから、これにより位置ずれを防止することが可能になる。
【００２０】
請求項４の発明では、請求項１又は２のいずれかの発明において、荷重受部材の上下ないし水平方向の加速度を検出する検出手段と、上下ないし水平方向の気体ばねの気体圧を調整する調整手段と、前記検出手段による検出結果に基づいて、前記荷重受部材の上下ないし水平方向の振動を抑制するように、前記調整手段により気体ばねの気体圧を変更調整させる制御手段とを設ける構成とする。
【００２１】
この構成では、上下ないし水平方向の気体ばねの気体圧を調整手段の作動によって変更調整することにより、被支持体の振動を能動的に抑制することが可能になる（アクティブ制振制御）。一方、この場合には、上下方向だけでなく水平方向の気体ばねが必須の構成要素となるから、この水平方向の気体ばねとしてベローズ等を用いれば、そのベローズの軸直交方向のばね特性が硬くなって、除振性能の低下が免れ得ないところ、本願の請求項１、２の各発明のように水平方向にもジンバルピストンを備えた気体ばねを採用して、軸直交方向のばね特性を非常に柔らかなものにできるという作用効果が特に有効なものとなる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基いて説明する。
【００２３】
（実施形態１）
図１は、本発明に係る気体ばね式除振装置を使用した精密除振台Ａの一例を示し、この精密除振台Ａは、例えば、図示しない半導体検査装置や電子顕微鏡、光学式計測装置等の精密機器を搭載して、それらの機器を床からの振動と略絶縁した状態で設置するためのものである。すなわち、前記精密除振台Ａの概略構成は、図示の如く、床面に設置される下側構造部１と、その下側構造部１の上面の４隅にそれぞれ配設された空気ばね式のアイソレータ２，２，…（除振装置）と、該４つのアイソレータ２，２，…の上部に搭載された搭載盤３とからなる。
【００２４】
前記下側構造部１は、鋼製角パイプの構造部材を概ね直方体形状となるように櫓組みしたものであり、それぞれ上下方向に延びる４本の脚部４，４，…と、その隣接する２本の脚部４，４同士を下端側で連結するように水平方向に延びる下梁部５，５，…と、それら４本の脚部４，４，…の上端側外周を囲んで平面視で略矩形の枠状となるように配置され、それぞれ内側面が脚部４，４，…の外側面に接合されるとともに、上面が該脚部４，４，…の上端面と同一平面上に位置付けられた上梁部６，６，…とからなる。そして、前記各脚部４の上端面からその外側を囲む上梁部６，６の上面に亘って、水平板７，７，…が配設されていて、この各水平板７上にそれぞれアイソレータ２が配設されている。また、下側構造部１の長手方向に延びる２つの下梁部５，５の下面には、移動用のキャスター８，８，…が２つずつ配設されるとともに、各脚部４の下端面にはそれぞれ高さ調整用のレベラー９，９，…が配設されている。
【００２５】
（アイソレータの構成）
前記アイソレータ２は、図２及び図３に示すように、精密除振台Ａの下側構造部１に固定される略直方体形状のインナケーシング１０（固定基台）と、下方が開口する箱状に形成されて、前記インナケーシング１０を上方から覆うように配置されたアウタケーシング２０とからなり、このアウタケーシング２０は、インナケーシング１０の上部及び左右両側部にそれぞれ設けられたダイヤフラム形空気ばねＳ１，Ｓ２，Ｓ２により支持されている。尚、以下、この明細書では図示のＸ方向を左右方向と呼び、Ｙ方向を前後方向と、また、Ｚ方向を上下方向とそれぞれ呼ぶものとする。
【００２６】
前記インナケーシング１０は、前後左右の鋼製の側壁部材１０ａ，１０ａ，１０ｂ，１０ｂの各下端部が同じく鋼製の底板部材１０ｃの上面にそれぞれ接合されるとともに、隣接する側壁部材１０ａ，１０ｂ同士の側縁部が接合されて、一体とされたものである。また、左右の両側壁部材１０ｂ，１０ｂはそれぞれ厚みの大きなブロック状のものであり、上下方向の中間部分に外方に向かって開口するように断面円形の凹部１１，１１（図３にのみ示す）が形成されるとともに、上縁部には互いに向き合うように延出する半円弧形状の延出部が形成されていて、それら２つの延出部の間に、図４にも示すように円形の開口部１２が形成されている。
【００２７】
前記開口部１２は、インナケーシング１０の上面に開口するものであり、そこには空気ばねＳ１のピストンを構成するドーナツ状のピストン本体１３が内挿されている。このピストン本体１３はアルミニウム合金製であり、断面円形の中心孔１３ａが軸線Ｚに沿って上下方向に貫通する一方、外周の下側約半分には下端側に向かって僅かに縮径するテーパ面１３ｂが形成されている。そして、該ピストン本体１３の下端面１３ｃから外周側のテーパ面１３ｂを覆ってさらに外周側に延び、そこから開口部１２の周縁までを閉塞するように、環状のダイヤフラム１４が配設されている。すなわち、前記ダイヤフラム１４及びピストン本体１３によりインナケーシング１０の上端開口部１２が閉塞されて、その内部に空気室１５が区画されており、そのピストン本体１３の下端面１３ｃが該空気室１５に臨んで空気圧を受けることにより、上下方向の荷重を支持する上下方向の空気ばねＳ１が構成されている。
【００２８】
前記ダイヤフラム１４は、ポリエステル繊維の織物を補強材として埋設したゴム弾性膜からなり、図４に仮想線で示すように一旦、中心部分に丸穴が空いたハット状に形成した後に、そのハットの周壁部分を途中で湾曲させて下方に折り返すようにして、同図に実線で示す深皿形状としたものである。すなわち、ダイヤフラム１４は、ハットの鍔の部分に相当する外周フランジ部１４ａの内周端縁に連続して、上方に凸に湾曲する環状ロール部１４ｂが形成され、このロール部１４ｂの内周端縁部が前記外周フランジ部１４ａよりも下方まで延びていて、そこからさらに内周側に向かって、前記の丸穴を囲むように内周フランジ部１４ｃが形成されている。
【００２９】
そして、同図に示すように、前記ダイヤフラム１４の内周フランジ部１４ｃがピストン本体１３の下端面１３ｃに接着されて、その下方からワッシャ１６によりピストン本体１３に対して強固に圧着されている。一方、ダイヤフラム１４の外周フランジ部１４ａは、インナケーシング１０の上面に接着されて、その上部に配設された締付けリング１７が図示しないボルトにより該インナケーシング１０の上面に締結されることにより、該締付けリング１７の下面とインナケーシング１０の上面との間に挟持されている。
【００３０】
そうして、そのように配設されたダイヤフラム１４は、環状ロール部１４ｂがピストン本体１３と締付けリング１７との間で上下にうねるようにかつ全周に亘って略均等に大きく撓むことで、ピストン本体１３の上下方向の変位に対して大きな可撓性を有する。また、該ダイヤフラム１４がピストン本体１３を挟む左右両側のロール部１４ｂにおいて反対向きに撓むことによって、ピストン本体１３は水平方向の任意の軸の周りに容易に揺動するようになっている（図７参照）。一方、ダイヤフラム１４はピストン本体１３の水平方向の変位に対しては可撓性が極めて小さく、このため、該ピストン１３は水平方向には殆ど変位しないことになる。
【００３１】
前記ピストン本体１３の下端面１３ｃには、その内周側から略鉛直下方に向かって延びるように、円筒状のピストンウエル１８（延出部）が取付けられている。このピストンウエル１８は、ピストン本体１３と同じアルミ合金製であり、その上端部がやや縮径されて、ピストン本体１３の中心孔１３ａに螺入される縮径部１８ａとされている。そして、この縮径部１８ａの外周に螺設された雄ネジが中心孔１３ｂの内周に螺設された雌ねじと螺合することにより、ピストンウエル１８の上端側がワッシャ１６と共にピストン本体１３に対して強固に締結されている。また、前記ピストンウエル１８の縮径部１８ａの先端がピストン本体１３の中心孔１３ａ内に突出し、該ピストンウエル１８の中空部１８ｂの上端が中心孔１３ａに連通する一方、該中空部１８ｂの下端は円盤状の鋼製キャップ１９により閉止されており、このキャップ１９の上面には、後述の如くサポートロッド２４の下端部を支持するために、表面硬度を高める熱処理加工が施されたウエルスラグ１９ａが形成されている。
【００３２】
一方、前記ピストン本体１３の上方には、搭載盤３と接するトッププレート２１（荷重受部材）がピストン本体１３から離間して配置されている。このトッププレート２１は略矩形板状に形成され、アイソレータ２のアウタケーシング２０の天井部をなし、その外周縁にはそれぞれ下方に垂下するように４枚のサイドプレート２２，２２，…の上縁が結合されていて、その各サイドプレート２２の下端縁がインナケーシング１０の底板部材１０ｃの上面付近まで延びている。
【００３３】
また、前記トッププレート２１の下面略中央部には、上下方向に延びるサポートロッド２４（支持柱）の上端部が締結され、このサポートロッド２４がピストン本体１３の中心孔１３ａ及びピストンウエル１８の中空部１８ｂを貫通して略鉛直下方に延びていて、その下端部に配設された鋼球２５が前記ウエルスラグ１９ａに転動自在に当接している。さらに、該サポートロッド２４の下端側には、芯体２６ａの埋設されたゴム弾性リング２６が外挿されて、サポートロッド２４の下端部を常に軸線Ｚ上に位置付けるようになっている。つまり、前記トッププレート２１は、サポートロッド２４を介してピストンウエル１９の底部に枢支され、ピストン本体１３に対して水平方向の任意の軸の周りに回動自在になっている。
【００３４】
そして、前記図２に示すように空気室１５に適正な空気圧が供給されている状態では、前記トッププレート２１の下面がその下方の締付けリング１７の上面から離間して上下に対向した状態になる一方、例えば空気室１５の空気が抜けて、空気圧が大幅に低下したときには、トッププレート２１の下面が締付けリング１７の上面に当接して、該締付けリング１７を介してインナケーシング１０により支持される状態となるのである。
【００３５】
上述したように、この実施形態のアイソレータ２は、トッププレート２１やピストン本体１３が略一体として上下方向に変位するように、上下方向の空気ばねＳ１により支持されるとともに、そのトッププレート２１がサポートロッド２４によりピストン本体１３に対し枢支され、かつ該ピストン本体１３がダイヤフラム１４により揺動自在に支持されていて、それらトッププレート２１、サポートロッド２４及びピストン本体１３によっていわゆるジンバルピストンが構成されている。そして、まず、空気ばねの特性として、その軸方向である上下方向の振動に関しては、図４に一例を示すような振動伝達特性を有し、固有振動数が略０．７〜１．５Ｈｚと極めて低い周波数域に現れるとともに、広い周波数領域に亘り優れた除振性能が得られる。
【００３６】
また、水平方向の振動に対しては、図７に示すように、アウタケーシング２０及びサポートロッド２４が水平方向に変位すると、ピストン本体１３がダイヤフラム１４により保持されつつ、水平方向の任意の軸の周りに揺動し、これにより振動が吸収されることになる。この際、そのピストン本体１３のダイヤフラム１４による保持位置よりも、サポートロッド２４の下端部がウエルスラグ１９ａに枢支されている位置の方が低いことから、ダイヤフラム１４のばね特性は非常に柔らかなものとなり、このことで、図６に一例を示すように、アイソレータ２による水平方向の除振性能が上下方向と同様に優れたものとなる。
【００３７】
さらに、前記図７のように揺動するピストン本体１３に対して、サポートロッド２４を介して作用する上下方向の荷重（軸方向荷重）は、該ピストン本体１３の揺動を抑止して、中立の状態（図２に示す状態）に戻そうとする復元力となる。そして、その復元力によってピストン本体１３が中立の状態に戻されて、サポートロッド２４が鉛直方向に延びる状態になると、トッププレート２１も水平方向に変位する以前の所定の原点位置に戻ることになる。つまり、このアイソレータ２は、上下方向の空気ばねＳ１のジンバルピストンが弾性部材等のばね力によるものとは異なる機構学的なセルフセンタリング作用を有し、このことで、所要の位置決め精度が得られるものである。
【００３８】
さらにまた、この実施形態のアイソレータ２では、後述するアクティブ制振制御のためのアクチュエータとして、インナケーシング１０の左右両側壁部１０ｂとそれぞれ対向するアウタケーシング２０のサイドプレート２２，２２との間に水平方向の空気ばねＳ２，Ｓ２が配設されいてる。そして、本発明の特徴は、その左右一対の空気ばねＳ２，Ｓ２をそれぞれ前記上下方向の空気ばねＳ１と同様にジンバルピストンを備えるものとしたことにある。
【００３９】
すなわち、図示の如く、インナケーシング１０における左右両方の側壁部材１０ｂ，１０ｂには、それぞれ、その外面に開口する凹部１１に内挿され、かつ、サイドプレート２２（荷重受部材）から左右方向に離間するように、前記上下方向の空気ばねＳ１と同様の中心孔２８ａを有するピストン本体２８が配置されている。この各ピストン本体２８と凹部１１の開口周縁との間には環状のダイヤフラム２９が配設されて、該凹部１１内に空気室３０が区画されており、この空気室３０に臨む前記ピストン本体２８の受圧面２８ｂ（軸方向他側の面）が空気圧を受けることにより、左右方向の荷重を支持する左右方向の空気ばねＳ２が構成されている。
【００４０】
前記ピストン本体２８の受圧面２８ｂにはワッシャ３１によりダイヤフラム２９の内周フランジ部が固着されている一方、該ダイヤフラム２９の外周フランジ部はインナケーシング１０の側壁部材１１ａと締付けリング３２とにより挟持されていて、該ピストン２８の外周と締付けリング３２との中間に、ダイヤフラム３２の環状ロール部が位置している。そして、その環状ロール部がうねるように撓み変形することによって、ピストン本体２８は軸方向である左右方向に大きく変位し、かつその軸方向に直交する任意の軸の周りに揺動するようになっている。また、前記ピストン本体２８には、左右方向に延びるように円筒状のピストンウエル３３（延出部）が取り付けられていて、その中空部３３ａとピストン本体２８の中心孔２８ａとが連通する一方、ピストンウエル３３の先端側には中空部３３ａを閉止するように鋼製キャップ３４が配設されていて、このキャップ３４の内面、即ちピストンウエル３３の底面にウエルスラグが形成されている。
【００４１】
さらに、前記ピストンウエル３３の中空部３３ａを貫通して該ピストンウエル３３と同軸に左右方向に延びるサポートロッド３５（支持柱）が配置され、このサポートロッド３５の基端部がアウタケーシング２０のサイドプレート２２に締結される一方、サポートロッド３５の先端には前記ウエルスラグに回動自在に当接されるように鋼球３６が配設されるとともに、ゴム弾性リング３７が外挿されている。
【００４２】
以上、要するに、水平方向の空気ばねＳ２においては、アウタケーシング２０のサイドプレート２２がサポートロッド３５を介してピストンウエル３３の底部に枢支されていて、該ピストンウエル３３と一体のピストン本体２８がダイヤフラム２９により揺動自在に保持されており、これらのサイドプレート２２、サポートロッド３５及びピストン本体２８により、ジンバルピストンが構成されている。そして、前記図２に示すように、空気室３０に適正な空気圧が供給されている状態では、サイドプレート２２及びピストン本体２８は略一体として空気ばねＳ２の軸方向である左右方向に支持されて、その軸方向に関して極めて柔らかなばね特性が得られるとともに、前記上下方向の空気ばねＳ１と同様に、ジンバルピストンの機能によって、軸直交方向である上下方向や前後方向にについても極めて柔らかなばね特性が得られ、これにより、優れた除振性能が得られるものである。
【００４３】
さらに、前記水平方向の空気ばねＳ２において、揺動するピストン本体２８に対しサポートロッド３３から作用する軸方向（図の左右方向）の荷重は、該ピストン本体２８の揺動を抑止して中立の状態に戻そうとする復元力となるから、この水平方向の空気ばねＳ２も前記した上下方向の空気ばねＳ１と同様に機構学的なセルフセンタリング作用を有し、これにより所要の位置決め精度を得られるものである。
【００４４】
尚、図２に示す符号３８，３８，３８は、それぞれ、前記インナケーシング１０の底板部材１０ｃにおいて空気室１５，３０，３０に個別に連通するように設けられた空気通路である。また、符号３９，３９，３９は、それぞれ、前記空気通路３８，３８，…に個別に連通するように配設された空気バルブであり、この各空気バルブ３９には、図示しないホースを介して各空気室１５，３０，…への空気の給排流量を調整するサーボ弁４５，４５，…（図８参照）が個別に接続されている。
【００４５】
（空気圧の制御）
この実施形態に係る精密除振台Ａは、前記の如く４つのアイソレータ２，２，…によって床からの振動の伝達を防ぐだけでなく、その各アイソレータ２，２，…における空気ばねＳ１，Ｓ２の圧力をコントローラ４０により制御して、搭載盤３に対し上下方向及び水平方向の制御振動を積極的に付加することにより、該搭載盤３上の機器から発生する振動を能動的に抑制できるようにした、いわゆるアクティブ制振機能を有するものである。
【００４６】
すなわち、前記各アイソレータ２には、図８に模式的に示すように、トッププレート２１の上下方向の変位及び加速度をそれぞれ検出する非接触式変位センサ４１及び加速度センサ４２と、同様にサイドプレート２２の水平方向の変位及び加速度をそれぞれ検出する変位センサ４３及び加速度センサ４４とが配設されていて、該各センサ４１〜４４からの出力信号がそれぞれコントローラ４０に入力される。一方、前記コントローラ４０からの制御信号はアイソレータ２の各空気ばねＳ１，Ｓ２，…毎のサーボ弁４５，４５，…に出力され、この制御信号を受けた各サーボ弁４５の作動により、各空気ばねの空気室１５，３０，…への空気の給排流量がそれぞれ調整されて、該各空気ばねの圧力が速やかに変更されるようになっている。尚、図示しないが、前記サーボ弁４５は、圧搾空気を貯留するリザーバタンクに接続されており、同様に該リザーバタンクに接続された電動ポンプの作動により、リザーバタンク内の空気圧が所定値に維持されるようになっている。
【００４７】
前記コントローラ４０によるサーボ弁４５の制御の内容は、例えば水平方向の制御について、各アイソレータ２毎に概ね図９のブロック図に示すようになっていて、コントローラ４０は、予め設定した基準位置の情報と、水平方向の変位センサ４３及び加速度センサ４４からの信号とに基づいて、サーボ弁４５のデューティ比を演算し、これを制御信号として出力する。この制御信号を受けたサーボ弁４５によりアイソレータ２の水平方向の空気ばねＳ２の空気圧が調整されるとともに、床からの振動と搭載盤３上の機器が発生する振動とが外乱ｆとなって、該アイソレータ２のアウタケーシング２０が振動する。このとき、図に仮想線で囲んだ制御対象であるトッププレート２１の水平方向加速度（Ｘ″）が加速度センサ４４により検出されて、コントローラ４０にフィードバックされるとともに、この加速度（Ｘ″）の２乗に相当するトッププレート２１の水平方向の変位（Ｘ−Ｘ0）が変位センサ４３により検出されて、コントローラ４０にフィードバックされる。
【００４８】
そして、前記加速度センサ４２からの信号に基づいて、トッププレート２１水平方向振動をキャンセルするように、即ち、トッププレート２１に対してその水平方向振動と略同じ振幅で逆位相の水平方向の制御振動を付与するような、水平方向の空気ばねＳ２，Ｓ２の圧力変化状態が求められるとともに、変位センサ４３からの信号に基づいて、トッププレート２１の基準位置からの偏差が小さくなるような空気圧が演算され、それら２つの条件をできるだけ満足する空気圧となるように、サーボ弁４５のデューティ比が演算される。
【００４９】
尚、そのような空気圧の制御は、空気ばねの応答性が限界となって、あまり高い周波数の振動には追従できないから、前記のアクティブ制振制御は概ね２００Ｈｚ以下の周波数の振動に対応して行われることになる。また、前記サーボ弁４５のデューティ比の演算については従来周知の種々の手法を用いればよく、ここでは具体的な記載は省略するが、例えばＰＩＤ制御を適用することができる。或いは、トッププレート２１の上下方向の加速度、速度及び位置の情報を状態変数とする状態フィードバック制御を適用することもでき、さらに、搭載盤３上の機器が発生する振動が既知のものであれば、これをリファレンス信号としてフィードフォワード制御を行うようにしてもよい。
【００５０】
そうして、前記のアクティブ制振制御によって、この実施形態の精密除振台Ａによれば、搭載盤３上の機器等から発生する振動を抑制することができるとともに、床からの振動の絶縁に関してアイソレータ２の共振現象をなくすことが可能になり、このことで、図１０に一例を示すように除振性能を一層、向上することができる。すなわち、同図に破線で示すグラフ(P)は、アクティブ制振制御を行わないもの（以下、パッシブタイプという）の水平方向振動の伝達特性を対数目盛で表示したもので、前記図５に示すグラフと同様に、極めて低い周波数域において共振点Ｒ１が現れている。これに対し、この実施形態のようなアクティブ制振制御を行えば、図に実線で示すグラフ(A)のように共振点Ｒ１をなくすことができ、パッシブタイプのものと比較してより低い周波数域からさらに優れた除振性能が得られることが分かる。
【００５１】
したがって、この実施形態１に係る精密除振台Ａによれば、まず、搭載盤３を支持する各アイソレータ２の上下方向の空気ばねＳ１として、ジンバルピストンを備えるものを採用したことで、この空気ばねにより上下方向及び水平方向について広い周波数領域に亘る優れた除振効果が得られる。また、アイソレータ２の左右両側に水平方向の荷重を支持するように一対の空気ばねＳ２，Ｓ２を対向配置して、この各空気ばねＳ２の空気圧を前記上下方向の空気ばねＳ１と共に変更することにより、トッププレート２１に対しその振動をキャンセルするような制御振動を能動的に付加するアクティブ制振機能が得られ、さらに、除振性能のさらなる向上が図られる。
【００５２】
そして、本願発明の特徴として、この実施形態に係るアイソレータ２では、前記水平方向の空気ばねＳ２として、上下方向のものと同様にジンバルピストンを備えたものを採用することで、ベローズ等を用いた場合に発生する空気ばねの軸直交方向のばね特性の劣化や位置決め精度の低下といった不具合を招くことがなくなり、アイソレータ２全体として上下方向及び水平方向の両方で高い位置決め精度を確保しながら、尚かつ全ての方向に亘って非常に柔らかなばね特性を得て、除振性能を十全に向上させることができる。しかも、このことで、前記したアクティブ制振制御による作用効果も最大限に得ることができる。
【００５３】
（変形例）
図１１は、アイソレータ２における空気ばねとしていわゆるドームジンバルピストンを採用した変形例を示す。このドームジンバルピストンは、前記実施形態において説明したジンバルピストンに対し、さらに、トッププレート２１又はサイドプレート２２とサポートロッド２４，３３との間に転動子を介設して、空気ばねＳ１，Ｓ２の軸方向に対し直交する軸直交方向の荷重が入力したときに、該トッププレート２１又はサイドプレート２２と転動子とが相対的に転動することによって、振動を吸収できるようにしたものである。
【００５４】
具体的に、上下方向の気体ばをねについて説明すると、図示のように、トッププレート２１を支持するサポートロッド２４の上端部には、厚肉の円盤状の転動子４８が配設され、この転動子４８の上面が球面状とされていて、そこにトッププレート２１の下面が当接して転動自在に支持されている。このため、上下方向の空気ばねＳ１においては、水平方向の振動に対しピストン本体１３の揺動運動のみならず、トッププレート２１と転動子４８との間の転動運動によっても振動が吸収されることになり、このことで、アイソレータ２の水平方向のばね特性がより一層、柔らかなものとなって、除振性能のさらなる向上が図られる。
【００５５】
また、同様に左右一対の空気ばねＳ２，Ｓ２についてもドームジンバルピストンを用いることにより、上下方向や前後方向等、軸直交方向のばね特性をより一層、柔らかなものとすることができ、このことで、除振性能をさらに高めることができる。
【００５６】
尚、前記したように、例えば上下方向の空気ばねＳ１にドームジンバルピストンを用いるようにすると、水平方向のばね定数が低下することによって、水平方向の復元力も低下することになるが、例えば左右方向については左右方向の空気ばねＳ２，Ｓ２により復元力を得ることができるので、位置決め精度は十分に高くなる。また、除振台Ａの４つのアイソレータ２，２，…のうち、２つのアイソレータ２，２については左右方向に一対の空気ばねＳ２，Ｓ２を備えるものとし、また、残りの２つのアイソレータ２，２については前後方向に一対の空気ばねＳ２，Ｓ２を備えるものとすれば、除振台Ａとしては水平方向全体に過不足のない位置決め精度を得ることができる。
【００５７】
（実施形態２）
図１２及び図１３は、本願発明の実施形態２に係るアイソレータ５０の構成を示し、このアイソレータ５０は、図１２から明らかなように前記実施形態１のものやその変形例と同様の構成を有するものであるから、それらと同じ部材については同一の符号を付して、その説明は省略する。
【００５８】
そして、この実施形態２のアイソレータ５０は、前記実施形態１のものとは異なり、アクティブ制振制御を行わないパッシブタイプのものであって、その特徴は、前記図１３に示すように、水平方向の空気ばねＳ２をアイソレータ５０の左右だけでなく、前後にも対向配置し、さらに、その前後ないし左右の気体ばねの各空気室３０を互いに連通させたことにある。
【００５９】
詳しくは、この実施形態２のアイソレータ５０では、まず、前記変形例のものと同様に、上下方向の空気ばねＳ１としてドームジンバルピストンを採用している。そして、この上下方向の空気ばねＳ１においては転動子４８上面の曲率の設定によって、ジンバル機構による機構学的な復元力を調整することができるから、該上下方向の空気ばねＳ１における水平方向のばね定数は略０とすることができる。
【００６０】
また、図１２に示すように、水平方向のの空気ばねＳ２，Ｓ２，…の空気室３０，３０，…は、互いにバルブ３９，３９，…の上流側に連通する連通路５２によって連通されていて、さらに、その各連通路５２の途中には空気の流通量を絞るオリフィス５３が配設されている。このように各空気ばねＳ２の空気室３０同士が連通されていることで、それらの空気ばねＳ２はいずれも軸方向のばね定数が極端に小さなものとなり、前記したように上下方向の空気ばねＳ１における水平方向のばね定数が小さくなることとも相俟って、アイソレータ５０全体としても、水平方向のばね定数を可及的に低下させることができる。
【００６１】
したがって、この実施形態２に係る精密除振台Ａによれば、上下方向の空気ばねＳ１にドームジンバルピストンを用いるとともに、水平方向の空気ばねＳ２，Ｓ２，…の空気室３０，３０，…同士を連通することによって、アイソレータ５０の水平方向のばね定数を可及的に低下させ、このことによって固有振動数を約０Ｈｚとすることも可能になるから、パッシブタイプの除振装置でありながら、実質的に共振点のない理想的な除振性能を得ることができる。
【００６２】
しかも、そのようにしたとしても、水平方向の空気ばねＳ２，Ｓ２，…における空気室３０，３０，…の圧力をある程度、高くしておけば、該各空気ばねＳ２においてそれぞれ軸方向の押圧力が得られ、また、該ピストン２８の外周側に適当な形状のテーパ部を設けることにより、水平方向の変位に対して左右の空気ばねの押圧力に差を生じ、これにより軸直交方向の復元力が得られるから、アイソレータ５０全体としては水平方向の位置決め精度を確保することができる。尚、連通路５２，５２，…にオリフィス５３，５３，…が配設されていることで、空気の流通抵抗による減衰力も得られるようになっているが、このオリフィス５３については設けないことも可能である。
【００６３】
（他の実施形態）
本願発明は、前記実施形態１，２等の構成に限定されるものではなく、その他の種々の構成を包含するものである。すなわち、本願発明に係る除振装置は、前記実施形態１のようなアクティブタイプのものであっても、また、実施形態２のようなパッシブタイプのものであってもよく、そのいずれについても、上下方向及び水平方向の空気ばねＳ１，Ｓ２としてジンバルピストン又はドームジンバルピストンのいずれかを備えるものとすればよい。
【００６４】
また、水平方向の空気ばねＳ２としては、前記実施形態１のように互いに対向する一対の空気ばねＳ２，Ｓ２を備えるものとしても、また、実施形態２のように前後左右にそれぞれ対向させて互いに対をなす２組の空気ばねＳ２，Ｓ２，…を備えるようにしてもよい。
【００６５】
さらに、空気ばねＳ１，Ｓ２の代わりに、例えば窒素ガス等を充填した気体ばねを用いることも可能である。
【００６６】
加えて、前記各実施形態では、４個のアイソレータ２，５０を用いて除振台Ａを構成するようにしているが、これに限らず、例えば、半導体製造装置等の防振支持のために、それらの装置に合わせて専用に設計した搭載盤を３〜４本のアイソレータ（除振装置）により支持する構成としたり、或いは、クリーンルームのグレーチング床へ埋め込む可動床を同様にアイソレータにより支持する構成とすることもできる。
【００６７】
【発明の効果】
以上、説明したように、請求項１の発明に係る気体ばね式除振装置によると、被支持体を固定基台に対して上下及び水平方向にそれぞれ支持する気体ばねとして、上下方向だけでなく水平方向についてもジンバルピストンを備えたものを採用することで、ベローズのように軸直交方向のばね特性を劣化させることなく、除振装置の上下方向及び水平方向の両方で優れた除振性能と高い位置決め精度とを両立できる。また、水平方向の気体ばねを互いに中心軸が略一致するように対向配置することで、被支持体の荷重をより安定的に支持できる。
【００６８】
請求項２の発明によると、上下方向の気体ばをねとして、ピストンの荷重受部材の下面を支持柱の上端面に転動自在に当接支持する構成とすることで、水平方向のばね特性をより一層、柔らかなものとして、除振性能をさらに向上できる。
【００６９】
請求項３の発明によると、水平方向に対向する気体ばねの各気体室同士を連通することで、該一対の気体ばねの軸方向のばね定数を極小化して、水平方向の除振性能を可及的に向上できる。
【００７０】
請求項４の発明によると、気体ばねの気体圧の制御により被支持体の振動を能動的に抑制できるとともに、この場合に必須の構成となる水平方向のアクチュエータとして、ジンバルピストンを備えた気体ばねを採用することの効果が特に有効なものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態に係る精密除振台Ａの全体構成を示す斜視図である。
【図２】 アイソレータ（気体ばね式除振装置）の概略構成を、アウタケーシングを除いた状態で示す斜視図である。
【図３】 アイソレータの縦断面図である。
【図４】 ピストン本体及びダイヤフラムのケーシングに対する取付け構造を示す分解斜視図である。
【図５】 アイソレータによる上下方向の除振性能の一例を示すグラフ図である。
【図６】 アイソレータによる水平方向の除振性能の一例を示すグラフ図である。
【図７】 アウタケーシングが水平方向に変位した状態の図３相当である。
【図８】 アイソレータのアクティブ制振制御システムの概略構成図である。
【図９】 アクティブ制振制御のブロック図である。
【図１０】 アクティブ制振制御による水平方向の除振性能をパッシブタイプと対比して示すグラフ図である。
【図１１】 変形例に係るドームジンバルピストンを備えたアイソレータの構成を示す図３相当図である。
【図１２】 実施形態２に係るパッシブタイプのアイソレータの構成を示す図３相当図である。
【図１３】 実施形態２のアイソレータの構成を示す縦断面図である。
【符号の説明】
Ａ 精密除振台
Ｓ１，２ 空気ばね（気体ばね）
Ｚ 鉛直方向の軸線
２ アイソレータ（除振装置）
３ 搭載盤（被支持体）
１０ インナケーシング（固定基台）
１１ 凹部
１２ 開口部
１３，２８ ピストン本体（ピストン本体部材）
１４，２９ ダイヤフラム
１５，３０ 空気室（気体室）
１８，３３ ピストンウエル（延出部）
１９ ウエルスラグ（延出部の底部）
１８ｂ，３３ａ 中空部
２０ アウタケーシング
２１ トッププレート（荷重受部材）
２２ サイドプレート（荷重受部材）
２４，３５ サポートロッド（支持柱）
４０ コントローラ（制御手段）
４２，４４ 加速度センサ（検出手段）
４５ サーボ弁（調整手段）
４８ 転動子
５２ 連通路

Claims (4)

1. 固定基台に対して、被支持体を上下方向に支持する上下方向の気体ばねと、該被支持体を水平方向に支持する水平方向の気体ばねとを設けた気体ばね式除振装置において、
   前記水平方向の気体ばねは、固定基台を挟む水平方向の両側部位において互いに中心軸が略一致するように対向配置されており、
   前記上下及び水平方向の各気体ばねは、それぞれ、
   前記固定基台において外方に向かって開口するように設けられた凹部と、
   前記凹部の開口近傍に配置されたピストンと、
   前記ピストンと凹部の開口周縁との間を閉塞して気体室を区画するダイヤフラムとを備えてなり、
   前記ピストンが、
   その中心軸の方向で相対的に凹部から遠くなる一側に配置された荷重受部材と、
   前記荷重受部材から軸方向他側に離間し、かつ中心軸に直交する任意の直交軸の周りに揺動可能に前記ダイヤフラムにより弾性的に保持された筒状のピストン本体部材とからなり、
   前記荷重受部材からピストン本体部材の中心孔を貫通するように軸方向他側に向かって延びる支持柱が設けられる一方、
   前記ピストン本体部材には、前記支持柱を囲むように軸方向他側に向かって延びる有底筒状の延出部が設けられ、
   前記延出部の底部に前記支持柱の先端部が転動自在に当接して枢支されていることを特徴とする気体ばね式除振装置。
2. 請求項１において、
   上下方向の気体ばねは、ピストンの荷重受部材の下面が支持柱の上端面に当接して支持されていて、該支持柱の上端面が球面により構成されていることを特徴とする気体ばね式除振装置。
3. 請求項１又は２のいずれかにおいて、
   水平方向に対向配置された一対の気体ばねの各気体室同士を連通する連通路が設けられていることを特徴とする気体ばね式除振装置。
4. 請求項１又は２のいずれかにおいて、
   荷重受部材の上下ないし水平方向の加速度を検出する検出手段と、
   上下ないし水平方向の気体ばねの気体圧を調整する調整手段と、
   前記検出手段による検出結果に基づいて、前記荷重受部材の上下ないし水平方向の振動を抑制するように、前記調整手段により気体ばねの気体圧を変更調整させる制御手段とが設けられていることを特徴とする気体ばね式除振装置。

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