CN102734377A - 负刚度装置及应用所述负刚度装置的减振系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种负刚度装置，包括第一磁铁和第二磁铁。第一磁铁固定于地基上，包括磁性相反的第一部分和第二部分，第一部分与第二部分之间具有空间。第二磁铁设置于空间中，包括磁性相反的第三部分和第四部分，其中第三部分设置在靠近第一部分的一侧、第四部分设置在靠近第二部分的一侧，第三部分与第一部分的磁性相反、第四部分与第二部分的磁性相反，其中第二磁铁不与第一磁铁接触。本发明同时揭露一种应用所述负刚度装置的减振系统。负刚度装置能够最大程度地降低减振系统的刚度，能够更进一步地减少基础平台传递至负载的振动。

Description

负刚度装置及应用所述负刚度装置的减振系统

技术领域

本发明涉及一种减振装置，且特别涉及一种包括有负刚度装置的减振系统。

背景技术

减振平台，比如半导体曝光设备，精密检测设备等，其组成部分中包含有基座和机器负荷。基座被固定在地面或者平台上。机器负荷具有一个机械框架，它支撑着机器的振动敏感部件，比如光刻机中的工件台、掩模台、曝光物镜和一些测量设备等。在基座和机器负荷中间的是一套减振支撑设备。在这里，减振平台的作用主要有两个。一个是起支撑作用，另一个是起减振作用。

影响基座产生振动的因素很多，主要有地基振动的传入，机器负荷内部部件的相对移动所引发的外界对机器产生的反作用力和力矩，机器内部的气液管路和气膜的振动，以及周围环境的随机噪音等。

专利US5844664所描述的减振系统中，每个减振器采用单一气缸，以提供垂向的空气弹簧对减震系统的负载进行承载和减振。该系统存在的主要缺点在于减振器的气缸体积有限，减振系统的共振频率难以取得一个较小的频率值，不能对从地基传递上来的低频成分比较充分地进行减振。

专利US6226075B1所描述的减振系统中，减振器都采用了两个气缸，其中一个气缸用于直接对减振系统负载进行承载，另一个气缸是附属气缸，主要用于增加减振器的总气缸体积，以降低空气弹簧的刚度，降低减振系统的共振频率，能够比专利US5844664所描述的减振系统更能对更低频率成分进行减振。但是该减振系统也存在有问题，由于气缸的体积与减振器的共振频率的平方成正反比，增加气缸体积并不能很明显地降低减振系统共振频率。假如共振频率降低一半，会导致气缸体积增大四倍，占用空间太大。

发明内容

本发明提出一种负刚度装置及应用该负刚度装置的减振系统，负刚度装置降低减振系统的刚度，能够解决上述问题。

为了达到上述目的，本发明提出一种负刚度装置，包括：

第一磁铁，固定于地基上，第一磁铁包括磁性相反的第一部分和第二部分，第一部分与第二部分之间具有空间；以及

第二磁铁，设置于空间中，第二磁铁包括磁性相反的第三部分和第四部分，其中第三部分设置在靠近第一部分的一侧、第四部分设置在靠近第二部分的一侧，第三部分与第一部分的磁性相反、第四部分与第二部分的磁性相反，其中第二磁铁不与第一磁铁接触。

进一步说，第一磁铁为C形，第二磁铁为方形。

进一步说，第一磁铁为永磁体或电磁铁，第二磁铁为永磁体或电磁铁。

本发明还提出一种应用负刚度装置的减振系统，承载负载，包括：

正刚度装置，一端连接于负载，另一端固定于地基上；以及

负刚度装置，包括：

第一磁铁，固定于地基上，第一磁铁包括磁性相反的第一部分和第二部分，第一部分与第二部分之间具有空间；以及

第二磁铁，设置于空间中并连接于负载，第二磁铁包括磁性相反的第三部分和第四部分，其中第三部分对应第一部分、第四部分对应第二部分设置，第三部分与第一部分的磁性相反、第四部分与第二部分的磁性相反，其中第二磁铁不与第一磁铁接触。

进一步说，第一磁铁为C形，第二磁铁为方形。

进一步说，第一磁铁或第二磁铁为永磁体或电磁铁。

进一步说，减振装置还包括：

导向机构；

柔性长杆，连接导向机构与负载；

导向板，固定于地基上，具有导向孔；以及

导向杆，一端设置于导向孔中，连接于导向板，另一端与导向机构连接。

进一步说，负刚度装置的数目为两个，导向机构连接两个负刚度装置，两个负刚度装置关于柔性长杆对称。

进一步说，负刚度装置的数目为四个，导向机构连接四个负刚度装置，四个负刚度装置关于柔性长杆对称。

本发明提出的负刚度装置及应用其的减振装置，负刚度装置提供负刚度，能够最大程度地降低减振系统的刚度，能够更进一步地减少基础平台所传递的振动。

附图说明

图1所示为本发明较佳实施例的负刚度装置。

图2所示为图1中的负刚度装置的结构受力图。

图3所示为本发明第一实施例的减振系统的结构示意图。

图4所示为本发明第一实施例的第二磁铁的俯视结构示意图。

图5所示为本发明第二实施例的减震系统的第二磁铁的俯视结构示意图。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

图1所示为本发明较佳实施例的负刚度装置。图2所示为图1中的负刚度装置的结构受力图。

请结合参看图1和图2。

弹簧抵抗变形的能力被定义为刚度。如果弹簧产生了Δ位移，在外力F作用下平衡，用表达式表达：F＝kΔ，k即为刚度。一般地，k为正值，故该刚度也称正刚度。

如果弹簧产生了(-Δ)位移，在外力F作用下平衡，用表达式表达：F＝k(-Δ)，即F＝(-k)Δ，(-k)为刚度。显然，刚度(-k)带有负号，故该刚度也称为负刚度。

换言之，刚度的物理意义为偏离平衡位置单位位移时，再平衡所需外力的大小。当位移方向与外力方向一致时，该刚度为正刚度；当位移方向与外力方向相反时，该刚度为负刚度。

如图1所示，本发明的负刚度装置包括第一磁铁1和第二磁铁2。第一磁铁1固定于地基8上，第一磁铁1包括第一部分11和第二部分12，其中第一部分11和第二部分12的磁性相反。第一磁铁1的第一部分11和第二部分12之间具有空间13，第二磁铁2设置在空间13中。第二磁铁2包括磁性相反的第三部分21和第四部分22，第三部分21设置在靠近第一部分11的一侧、第四部分22设置在靠近第二部分12的一侧，其中第三部分21与第一部分11的磁性相反，第四部分22与第二部分12的磁性相反。

图1中虽然显示第一部分11为S极，第二部分12为N极，然而，本领域技术人员可以根据实际改变极性，例如第一部分11为N极，第二部分12为S极。

这样，所述第一磁铁1与第二磁铁2的磁力线方向一致，第三部分21受第一部分11吸引，第四部分22受第二部分12吸引。当第二磁铁2处于平衡位置时(如图1所示的位置)，第二磁铁2所受的合力为0，第二磁铁2不与第一磁铁1接触而悬浮于第一磁铁1。

结合参考图2，当第二磁铁2向下偏离平衡位置O的距离为Δ时，则第一磁铁的第二部分12对第二磁铁2的吸引力大于第一磁铁的第一部分11对第二磁铁2的吸引力，从而第二磁铁2所受的合力为向下的力，需要向上的外力来平衡，外力与位移方向相反，表现为负刚度。反之，当第二磁铁2向上偏离平衡位置O的距离为Δ时，则第一磁铁1的第一部分11对第二磁铁2的吸引力大于第一磁铁的第二部分12对第二磁铁2的吸引力，从而第二磁铁2所受的合力为向上的力，需要向下的外力来平衡，外力与位移方向相反，表现为负刚度。

综上所述，第一磁铁1与第二磁铁2构成负刚度结构。

本实施例中第一磁铁1为C形，第二磁铁2为方形，本领域技术人员根据后续的说明可知，第一磁铁1和第二磁铁2的形状并不限制于此，只要二者能够构成上述的负刚度装置即可，例如第一磁铁1为方形，第二磁铁2为C形。

第一磁铁1与第二磁铁2可以是永磁体，也可以是其他材料，比如为属于顺磁材料的软铁、电磁铁、或这些材料的组合等等。

表1列举了本发明的负刚度减振装置不同的结构组合。

表格1中的磁铁还可以换成电磁铁。

图3所示为本发明第一实施例的减振系统的结构示意图。图4所示为本发明第一实施例的第二磁铁的俯视结构示意图。

所述减振系统放置于地基8上，承载负载5，包括负刚度装置10和正刚度装置6。

所述正刚度装置6可以是空气弹簧、钢弹簧等，其一端连接于负载5，另一端固定于地基8上。

所述负刚度装置10包括第一磁铁1和第二磁铁2，第一磁铁1固定于地基8上，第二磁铁2连接于负载5。

所述负刚度装置10与正刚度装置6的刚度大小相当，二者构成复合刚度机构，这样，负刚度装置10与正刚度装置6所构成的复合刚度机构的复合刚度较正刚度装置6的刚度小，设置得当的话，复合刚度趋于零。

与现有技术相比，由于负刚度装置10能够提供适当的负刚度，能够最大程度地降低减振系统的刚度，能够更进一步地减少基础平台所传递的振动。

所述减振系统还可以包括基板7，固定连接于地基8，第一磁铁1通过基板7固定于地基8上。

本实施例中，减震系统的负刚度装置10的数目为两个，如图4所示，利用导向机构4相连。导向机构4为一字形，负刚度装置10关于柔性长杆41对称。

所述减振系统还可以包括柔性长杆41、导向杆42、导向板43。柔性长杆41连接导向机构4与负载5。导向板43固定在地基8上，具有导向孔44，导向杆42一端设置在导向孔44中，连接于导向板43，另一端与导向机构4连接。导向孔44为导向杆42的移动提供垂直导向，防止导向机构4发生倾斜。

如图4所示，本实施例中，负刚度装置10以柔性长杆41为轴对称设置，有利于导向杆42的导向，以避免存在局部力矩而导致卡死的可能。

图5所示为本发明第二实施例的减震系统的第二磁铁的俯视结构示意图。

第二实施例包括四个负刚度装置10，十字形导向机构4分别连接这些负刚度装置10，十字形导向机构4关于柔性长杆41对称。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (9)

1.一种负刚度装置，其特征是，包括：

第一磁铁，固定于地基上，所述第一磁铁包括磁性相反的第一部分和第二部分，所述第一部分与所述第二部分之间具有空间；以及

第二磁铁，设置于所述空间中，所述第二磁铁包括磁性相反的第三部分和第四部分，其中所述第三部分设置在靠近所述第一部分的一侧；所述第四部分设置在靠近所述第二部分的一侧，所述第三部分与所述第一部分的磁性相反、第四部分与所述第二部分的磁性相反，其中所述第二磁铁不与所述第一磁铁接触。

2.根据权利要求1所述的负刚度装置，其特征是，所述第一磁铁为C形，所述第二磁铁为方形。

3.根据权利要求1所述的负刚度装置，其特征是，所述第一磁铁为永磁体或电磁铁，所述第二磁铁为永磁体或电磁铁。

4.一种应用负刚度装置的减振系统，其承载负载，其特征是，包括：

正刚度装置，一端连接于所述负载，另一端固定于所述地基上；以及

负刚度装置，包括：

第一磁铁，固定于地基上，所述第一磁铁包括磁性相反的第一部分和第二部分，所述第一部分与所述第二部分之间具有空间；以及

第二磁铁，设置于所述空间中并连接于所述负载，所述第二磁铁包括磁性相反的第三部分和第四部分，其中所述第三部分设置在靠近所述第一部分的一侧，所述第四部分设置在靠近所述第二部分的一侧，所述第三部分与所述第一部分的磁性相反、第四部分与所述第二部分的磁性相反，其中所述第二磁铁不与所述第一磁铁接触。

5.根据权利要求4所述的减振系统，其特征是，所述第一磁铁为C形，所述第二磁铁为方形。

6.根据权利要求4所述的减振系统，其特征是，所述第一磁铁为永磁体或电磁铁，所述第二磁铁为永磁体或电磁铁。

7.根据权利要求4所述的减振系统，其特征是，还包括：

导向机构；

柔性长杆，连接所述导向机构与所述负载；

导向板，固定于所述地基上，具有导向孔；以及

导向杆，一端设置于所述导向孔中，连接于所述导向板，另一端与所述导向机构连接。

8.根据权利要求7所述的减振系统，其特征是，所述负刚度装置的数目为两个，所述导向机构连接所述两个负刚度装置，所述两个负刚度装置关于所述柔性长杆对称。

9.根据权利要求7所述的减振系统，其特征是，所述负刚度装置的数目为四个，所述导向机构连接所述四个负刚度装置，所述四个负刚度装置关于所述柔性长杆对称。

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