CN112984044B - 精密设备搭载用除振装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种位移抑制机构以及除振装置，利用使金属与弹性体的薄板交替层叠而成的层叠橡胶，由此以简单的构造实现低成本化。设置于除振装置的位移抑制机构(10)并列地设置于除振装置，上述除振装置相对于放置在设置基准面上的基座(30)，支承能够搭载设备的工作台(40)，对于位移抑制机构而言，作为构成部件，包含以层叠方向成为水平方向的方式被安装的层叠橡胶(15)。层叠橡胶(15)的一端侧相对于工作台(40)经由安装部件(16)被固定，层叠橡胶(15)的另一端侧隔着规定的间隙与固定于基座(30)的间隙调整机构(13)的球面状的前端对置。

Description

精密设备搭载用除振装置

技术领域

本发明涉及位移抑制机构以及除振装置。

背景技术

近年来，作为高精度的装置，例如广泛使用精密加工机、半导体或液晶显示器或液晶电视的制造·检查装置、电子显微镜、光学显微镜、扫描式隧道显微镜(STM)·原子力显微镜(AFM)、光学实验装置等。这些高精度的装置往往由于也受到在通常的地基、建筑物存在的微弱振动，或者来自周边设备的微弱振动的影响，从而无法获得装置主体的精度。这里所说的微弱振动是指，小于地震那样的身体感觉到的摇晃，且具有大致0.001～1cm/s²左右的加速度的振动。

因此，使用对这些设备进行搭载且不使地板、地基的振动传递到装置的除振装置。除振装置通常采用通过空气弹簧、螺旋弹簧、防振橡胶那样的弹簧要素来支承对设备进行搭载的工作台的构造。而且，为了使振动衰减，大多并列设置有孔眼、油阻尼器等。另外，如专利文献1公开的那样，近年来，也广泛使用通过传感器检测振动并通过致动器进行控制的主动除振装置。

专利文献1：日本专利5457821号公报

除振装置的性能通常由振动传递率Tr表示。振动传递率Tr表示地板振动的振幅A₀为搭载设备的振幅A的几倍或几分之一倍并传递的比例，作为作用于搭载设备的振动频率f[Hz]与振动系统的固有振动频率fn[Hz]的函数，由式1表示。

【数式1】

另外，在除振装置具有弹簧刚度K[N/m]、弹簧上的质量M[kg]的情况下，除振装置的固有振动频率fn[Hz]由下式2表示。

【数式2】

根据式1，为了获得除振或防振效果，需要振动传递率Tr为1以下，为此，需要振动频率f相对于固有振动频率fn的比亦即振动频率比λ(＝f/fn)为√2以上。通常，振动频率比λ的值被选择为2～3，振动频率f越大，振动传递率Tr越小。因此，固有振动频率fn越小，进行除振的振动频率范围越宽，从而除振性能越好。

另一方面，随着近年来的上述那样的精密设备的高精度化，除振装置所要求的除振性能处于越发上升的趋势。同时，随着装置的载物台的高速化·高加速度化也在推进，从而可动质量也处于增大的趋势。

为了减小除振装置的固有振动频率fn，需要减小除振装置的弹簧刚度K。然而，越是为了使除振性能良好而减小弹簧刚度K，越是存在工作台因工作台上的可动物体、载物台移动时的反作用力而容易摇晃的困境。即，无法防止工作台本身因设置在工作台上的设备的移动引起的重心移动而位移或振动。

若工作台大幅摇晃，则在其振动位移、加速度较大的期间，使搭载设备会受到振动的影响。另外，向静止状态的收敛(稳定)需要时间，因此搭载设备在该期间成为待机状态。其结果，搭载设备的实际工作时间(生产节拍)减少，从而装置的运转率下降。若工作台的位移进一步增加，则还存在搭载设备因与止动件碰撞的冲击振动而产生不良影响、超过可动范围而使除振装置本身破损的情况。

为了解决该问题，以往主要采用提高弹簧刚度K的方法。具体而言，为了提高弹簧要素(螺旋弹簧、防振橡胶、空气弹簧)的刚度，而将橡胶止动件、碟形弹簧并列附加于弹簧要素等。在空气弹簧的情况下，也存在减小弹簧容积的情况。另外，串联使用刚度相对高的防振橡胶与压电元件的主动除振装置也可以说是该方法之一。

然而，若如上述那样提高除振装置的刚度，则固有振动频率变高，从而除振性能变差。另外，使用了压电元件的主动除振装置的价格昂贵，并且维持费用也很高昂。

发明内容

本发明是鉴于这些实际情况而完成的，其目的在于提供一种位移抑制机构以及除振装置，利用使金属与弹性体的薄板交替层叠而成的层叠橡胶，由此以简单的构造实现低成本化。

为了解决上述课题，技术方案1所涉及的发明是一种位移抑制机构，其并列地设置于除振装置，该除振装置相对于放置在设置基准面上的基座，支承能够搭载设备的工作台，上述位移抑制机构的特征在于，作为构成部件，包含以层叠方向成为水平方向的方式被安装的层叠橡胶。

技术方案2所涉及的发明在技术方案1所涉及的发明的基础上，其特征在于，上述层叠橡胶的一端侧相对于上述工作台或上述基座的一方经由上述安装部件被固定，上述层叠橡胶的另一端侧隔着规定的间隙与相对于上述工作台或上述基座的另一方被固定的间隙调整部件的球面状的前端对置。

技术方案3所涉及的发明在技术方案2所涉及的发明的基础上，其特征在于，上述层叠橡胶分别设置于安装部件的水平方向两侧，上述安装部件设置于上述工作台或上述基座的上述一方。

技术方案4所涉及的发明是一种除振装置，其特征在于，具备技术方案1至技术方案3中任一个所涉及的位移抑制机构。

根据本发明，在除振装置的静止状态下，能够将层叠橡胶相对于基座侧的部件以非接触的状态进行安装，因此不会增大除振装置的弹簧刚度，不会使除振性能恶化。而且，作为位移抑制机构，能够以简单的构造实现低成本化。

附图说明

图1A是表示本发明所涉及的除振装置的一个例子的俯视图。

图1B是图1A的A-A向视剖视图。

图2是图1A所示的除振装置中使用的位移抑制机构，且是表示本发明所涉及的位移抑制机构的一个例子的剖视图。

图3是表示本发明所涉及的位移抑制机构的另一例的剖视图。

图4A是表示本发明所涉及的除振装置的另一例的俯视图。

图4B是图4A的B-B向视剖视图。

图5A是表示在图1A所示的除振装置中，在没有设置位移抑制机构的情况下，使载物台在规定条件下移动时的工作台的水平位移的实测结果的图表。

图5B是表示在图1A所示的除振装置中，在设置了位移抑制机构的情况下，使载物台在与图5A的情况相同的条件下移动时的工作台的水平位移的实测结果的图表。

附图标记说明

10、10’…位移抑制机构；11…基座安装部件；12…支承部件；13…间隙调整机构；13a…前端部；14…凸缘部件；14a…凹陷；15…层叠橡胶；16…层叠橡胶安装部件；17…工作台安装部件；18、19…螺栓；20…除振单元；30…基座；40…工作台；41…引导件；50…载物台；100、100’…除振装置。

具体实施方式

以下，参照附图，对本发明的位移抑制机构以及除振装置所涉及的优选的实施方式进行说明。在以下的说明中，存在在不同的附图中标注了相同的附图标记的结构相同，而省略其说明的情况。此外，本发明并不限定于这些实施方式中的例示，包含权利要求书中记载的事项的范围内及均等的范围内的所有变更。另外，针对多个实施方式只要能够组合，则本发明包含将任意的实施方式组合而得的结构。

[第一实施方式]

图1A是表示本发明所涉及的除振装置的一个例子的俯视图，图1B是图1A的A-A向视剖视图。另外，图2是图1A所示的除振装置中使用的位移抑制机构，且是表示本发明所涉及的位移抑制机构的一个例子的剖视图。

除振装置100具备：位移抑制机构10、除振单元20、基座30、工作台40、引导件41以及载物台50。基座30设置在成为设置基准面G的地板上，能够搭载设备的工作台40被设置在基座30上的四个除振单元20水平地支承。除振单元20可以使用空气弹簧式(包含气压控制式主动除振装置)、螺旋弹簧式、防振橡胶式中的任一种。在图1A、图1B中，作为除振单元20，示出了空气弹簧式的除振单元。在工作台40上设置有引导件41，搭载了设备的载物台50设置为能够在引导件41上例如沿图1A、图1B所示的X轴方向(水平左右方向)移动。

在除振装置100的基座30与工作台40之间，与除振单元20并列地设置有四个位移抑制机构10。另外，在除振装置100的基座30与工作台40之间，也可以与除振单元20并列地设置有作为振动衰减要素的未图示的油阻尼器。

如图2所示，位移抑制机构10具有两个层叠橡胶15，该层叠橡胶15在与载物台50的移动方向相同的水平方向亦即X轴方向上被层叠。层叠橡胶15通过将金属与弹性体的薄板交替层叠并粘接而成。层叠橡胶15在层叠方向刚度较高，在与层叠方向正交的剪切方向具有极低的刚度。通常，层叠橡胶15使层叠方向形成铅垂，支承建筑物或搭载装置，主要用于免震的目的，但在本实施方式中，层叠橡胶15以层叠方向成为水平方向的方式来使用。更详细而言，一对层叠橡胶15的一端侧固定于层叠橡胶安装部件16的水平方向两侧亦即两面，上述层叠橡胶安装部件16固定于工作台安装部件17，工作台安装部件17通过螺栓19固定于工作台40。

由此，在工作台40沿X轴方向移动时，层叠橡胶15也与工作台40相同地沿X轴方向移动。在设置于层叠橡胶安装部件16的两面的一对层叠橡胶15的另一端侧分别设置有凸缘部件14，在该凸缘部件14的中央外侧分别设置有圆形的凹陷14a。凹陷14a的底面形成为平坦。此外，为了提高层叠橡胶安装部件16与工作台安装部件17的固定强度，也可以在两者之间设置肋部。

以隔着规定的间隙与凹陷14a的底面对置的方式设置有间隙调整机构13。间隙调整机构13经由支承部件12固定于基座安装部件11，基座安装部件11通过螺栓18固定于基座30。基座30设置在设置基准面G上，因此即使工作台40移动，间隙调整机构13也不会移动。另外，支承部件12是用于将间隙调整机构13固定于基座安装部件11的部件，为了提高间隙调整机构13的安装强度，例如在Z轴方向的俯视时形成为四边形状，但也可以在与基座安装部件11之间设置肋部。

间隙调整机构13通过使将前端部13a形成为球形状的螺栓部件与设置于支承部件12的螺纹孔螺合，而能够在X轴方向进行移动调整。间隙调整机构13的前端部13a与凸缘部件14的凹陷14a的间隙的调整在除振装置100浮起的状态下进行，使间隙调整机构13的螺栓部件转动，由此将间隙调整机构13的前端部13a与凸缘部件14的凹陷14a的间隙调整为500μm左右。在调整后，通过将设置于间隙调整机构13的螺栓部件的螺母拧紧，使螺栓部件不因振动等而转动。

在本实施方式中，间隙调整机构13的前端部13a形成为球形状，因此，即使除振装置100的工作台40进行以Y轴为中心的旋转运动，也不会与之对应地对层叠橡胶15施加扭转的力。也能够应对以Z轴为中心的旋转运动。另外，凹陷14a的直径比间隙调整机构13的螺栓部件的直径大。因此，即使产生垂直方向(Z轴方向)或与层叠橡胶15的层叠方向正交的水平方向(Y轴方向)的位移，也不会使层叠橡胶15剪切变形，从而位移抑制机构10发挥功能。

在图1A中，若载物台50在左右方向(X轴方向)往复运动，则由于工作台40被除振单元20弹性支承，所以工作台40因载物台50的移动的反作用力而在X轴方向位移。例如，在载物台50向右方向(X轴正方向)开始移动的加速运动时，载物台50的反作用力向左方向(X轴负方向)作用于工作台40，因此工作台40向左方向(X轴负方向)位移。同样，在载物台50向右方向(X轴正方向)开始停止的减速运动时，载物台反作用力向右方向(X轴正方向)作用于工作台40，因此工作台40向右方向(X轴正方向)位移。若该位移的大小成为设定的间隙以上，则设置于左右任一个层叠橡胶15的凸缘部件14开始与间隙调整机构13接触，通过层叠橡胶15的层叠方向的较高的弹簧刚度，使该间隙以上的位移与没有位移抑制机构10时相比大幅变小。

而且，在因载物台50的移动的反作用力而欲在工作台40产生间隙以上的位移时，通过层叠橡胶15的层叠方向的较高的弹簧刚度，能够抑制工作台40的该间隙以上的大幅位移。这里，由于层叠橡胶15的轴向具有不大的弹性，所以接触开始与接触结束的离合时的冲击相比由完全的刚体抑制的情况能够减小。另外，在层叠橡胶15在接触过程中装置向层叠方向以外位移时，层叠橡胶15也随着该位移而容易剪切变形，因此不论接触中还是从接触分离时，位移抑制机构10均不在层叠方向以外将较大的力施加于工作台40以及搭载于该工作台40的设备。

在本实施方式中，位移抑制机构10具有两个层叠橡胶15与两个间隙调整机构13，从而能够相对于层叠橡胶15的层叠方向(X轴方向)，应对工作台40的两方向的位移。因此，本实施方式成为双效用模型。

图5A是表示在图1A所示的除振装置中，在没有设置位移抑制机构的情况下，使载物台在规定条件下移动时的工作台的水平位移的实测结果的图表。另外，图5B是表示在图1A所示的除振装置中，在设置了位移抑制机构的情况下，使载物台在与图5A的情况相同的条件下移动时的工作台的水平位移的实测结果的图表。图5A、图5B均示出了使图1A所示的载物台50在X轴方向以零为中心沿左右方向(正、负方向)高速且随机移动的情况下的X轴方向的位移的时间变化。

如图5A所示，在没有设置位移抑制机构10的情况下，工作台40产生最大值3025μm、最小值-5409μm、峰间值为8434μm的位移，但如图5B所示，在设置了位移抑制机构10的情况下，工作台40止息于最大值816μm、最小值-633μm、峰间值为1448μm的位移。这样，设置了位移抑制机构10的情况与没有设置的情况相比，能够将位移的大小抑制为峰间值的约六分之一。此外，间隙调整机构13的前端部13a与设置于层叠橡胶15的凸缘部件14的凹陷14a的间隙为500μm。

[第二实施方式]

图3是表示本发明所涉及的位移抑制机构的另一例的剖视图。另外，图4A是表示本发明所涉及的除振装置的另一例的俯视图，图4B是图4A的B-B向视剖视图。

如图4A、图4B所示，本实施方式的除振装置100’与第一实施方式同样，具备：位移抑制机构10’、除振单元20、基座30、工作台40、引导件41以及载物台50。本实施方式的除振装置100’的位移抑制机构10’的结构与第一实施方式不同，但除振单元20、基座30、工作台40、引导件41以及载物台50等其他的结构与第一实施方式所示的除振装置100的结构相同，因此省略其说明。

本实施方式的位移抑制机构10’在基座30与工作台40之间与除振单元20并列设置有两个。如图3所示，位移抑制机构10’具有层叠橡胶15，该层叠橡胶15在与载物台50的移动方向相同的水平方向亦即X轴方向被层叠，层叠橡胶15的一端侧固定于层叠橡胶安装部件16，上述层叠橡胶安装部件16固定于工作台安装部件17，工作台安装部件17通过螺栓19固定于工作台40。

在层叠橡胶15的另一端侧分别设置有凸缘部件14，在该凸缘部件14的中央外侧设置有凹陷14a。凹陷14a的底面形成为平坦。另外，经由支承部件12固定于基座安装部件11的间隙调整机构13设置为隔着规定的间隙与凹陷14a的底面对置。支承部件12是用于将间隙调整机构13固定于基座安装部件11的部件，为了提高间隙调整机构13的安装强度，例如在Z轴方向的俯视时形成为コ字形状，但也可以是四边形状。

在第一实施方式的位移抑制机构10中，如图2所示，在层叠橡胶安装部件16的水平方向两侧分别设置有层叠橡胶15，但本实施方式的位移抑制机构10’在层叠橡胶安装部件16的一侧设置有一个层叠橡胶15，成为单效用模型。

即，在本实施方式中，在工作台40向图3所示的X轴负方向侧(纸面左侧)移动时，层叠橡胶15开始与间隙调整机构13接触，通过层叠橡胶15的层叠方向的较高的弹簧刚度，使该间隙以上的位移与没有间隙调整机构13时相比大幅变小。另一方面，在工作台40向图3所示的X轴正方向侧(纸面右侧)移动时，位移抑制机构10’无法抑制载物台50的位移。因此，在本实施方式的除振装置100’中，如图4A、图4B所示，使用一对位移抑制机构10’，并以相对于载物台50的移动方向在相互相反的方向上相对的方式进行安装。由此，构成为即使工作台40向X轴方向(纸面左右方向)的任一方向位移，任一方的位移抑制机构10’也发挥功能。

在上述的第一实施方式以及第二实施方式中，构成为将层叠橡胶15的一端侧相对于工作台40经由层叠橡胶安装部件16进行固定，使层叠橡胶15的另一端侧隔着规定的间隙与相对于基座30被固定的间隙调整机构13的球面状的前端对置，但也可以将层叠橡胶15安装于基座30侧。在该情况下，构成为将层叠橡胶15的一端侧相对于基座30经由安装部件进行固定，使层叠橡胶15的另一端侧隔着规定的间隙与相对于工作台40被固定的间隙调整机构13的球面状的前端对置。即，例如，将图2所示的位移抑制机构10以在Z轴方向(纸面上下方向)成为相反的方式固定于基座30与工作台40之间。

如以上那样，本发明即使在质量较大的载物台50在除振装置100、100’的工作台40上高速移动时，也能够不损害除振性能，而获得较大的位移抑制效果。另外，通过与现有的除振单元20并列地追加本发明的位移抑制机构10、10’，能够有效地抑制位移。

Claims (4)

1.一种精密设备搭载用除振装置，其具备：放置在设置基准面上的基座、设置在该基座上的多个除振单元、被该除振单元水平弹性支承且能够搭载精密设备的工作台、以及在所述基座和工作台之间与所述除振单元并列设置的工作台位移抑制机构，

所述精密设备搭载用除振装置的特征在于，

所述工作台位移抑制机构作为构成部件而包含以使金属与弹性体的薄板交替层叠的层叠方向成为水平方向的方式被安装的层叠橡胶，

所述层叠橡胶的一端侧相对于所述工作台或所述基座的一方经由安装部件被固定，

所述层叠橡胶的另一端侧隔着规定的间隙与相对于所述工作台或所述基座的另一方经由支承部件被固定的间隙调整机构的球面状的前端部对置，

所述间隙调整机构由与所述支承部件螺合的螺栓部件、和将该螺栓部件拧紧于所述支承部件的螺母构成。

2.根据权利要求1所述的精密设备搭载用除振装置，其特征在于，

所述除振单元是空气弹簧式、螺旋弹簧式、防振橡胶式中的任一种。

3.根据权利要求1或2所述的精密设备搭载用除振装置，其特征在于，

所述层叠橡胶的另一端侧具备设置了形成为平坦的底面的凹陷的凸缘部件，该凸缘部件的凹陷与所述间隙调整机构的球面状的前端部对置。

4.根据权利要求3所述的精密设备搭载用除振装置，其特征在于，

所述层叠橡胶分别设置于所述安装部件的水平方向两侧，所述安装部件设置于所述工作台或所述基座的一方。