CN1849467A - 除振方法及其装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种以与具有正弹簧特性的支承机构并联的方式、配置将具有正弹簧特性的支承机构与具有负弹簧特性的支承机构串联连接的支承机构而得到的除振方法。在地面(1)与第1部件(2)之间设置弹簧，而隔离从地面向第1部件传递的振动，并且，通过在前述第1部件(2)与第2部件(3)之间设置包括永久磁铁和电磁铁的具有零功率特性的磁悬浮机构(4)，进而，在地面与第2部件之间设置具有正弹簧特性的载荷支承机构(5)，而隔离从前述第1部件向第2部件传递的振动，并且，可由前述磁悬浮机构和前述载荷支承机构承受作用于前述第2部件的载荷。

Description

除振方法及其装置
技术领域
本发明涉及以与具有正弹簧特性的支承机构并联的方式、配置将具有正弹簧特性的支承机构与具有负弹簧特性的支承机构串联连接的支承机构而得到的除振方法及其装置。
背景技术
目前，在半导体器件制造系统和极微小领域测量系统等中，正在迅速高精度化、高性能化，在这些系统中，除去振动等干扰的除振、和除振装置的重要性增大。要用除振装置除去的振动干扰可大体划分成由来自设置地面的振动引起的地动干扰、和输入到装置的弹簧上的直动干扰，低刚性的机构适用于前者，高刚性的机构适用于后者。图20(A)表示隔离地动干扰而除振的以往的被动除振系统，若为了降低来自地面36的振动传递率，而减小弹簧特性k从而减小弹簧刚性，则相对于除振台32(质量m)上的质量变化Δm或作用于除振台32上的载荷的变化等、弹簧上的干扰来说，会变弱。相反，针对弹簧上的干扰，需要在某种程度上增大弹簧刚性。要求具有下述相反的特性，即、用于吸收这样的干扰的低刚性机构特性、和用于保持位置、姿势的高刚性机构特性。
如图20(B)所示，一般地，若将具有正弹簧特性k1、k2的两个弹簧35-1、35-2串联地结合而构成一个除振机构，则可用下式求出其弹簧特性。
kc＝k1 k2/(k1+k2)    (1)
即，若将通常的具有正弹簧特性的弹簧串联结合，则结合后的弹簧特性一定比结合前的弹簧特性小。因此，在这些以往的仅使用弹簧的除振装置中，相对于质量变化或振动等弹簧上的干扰，很难确保较高刚性，所以提出了能动除振控制装置。
图21表示一般的能动除振控制装置的原理，基于设置在除振台110上的加速度传感器114的检测信号，由控制器115计算抑制除振台110的振动的控制输入，根据求出的控制输入使与弹簧111和衰减器112并联设置的致动器113动作，从而进行除振控制。
但是，这种方法是以准确地检测出除振台和地面的振动为前提，实践上，由于需要使用就连低频的振动也能高灵敏度地检测出的伺服型加速度传感器，所以导致价格昂贵，而且，由于所采用的伺服型加速度传感器的存在，相对于直动干扰的刚性很难说足够，不能充分确保完全的振动隔离性能。
因此，本发明者为解决前述以往的除振方法及其装置的问题，先提出了下述除振方法及其装置：在不损害相对于地动干扰的振动隔离性能的情况下，确保相对于直动干扰的高刚性，发挥高的除振性能，并能进行精密加工等(参照特开2002-81498)。
在上述文献中公开的除振方法及装置，由于用弹簧对地面(基座)与中间台(第1部件)之间除振，并且用包括永久磁铁和电磁铁的具有零功率特性的磁悬浮机构对前述中间台(第1部件)与除振台(第2部件)之间除振，所以利用地面与中间台之间的弹簧的弹簧除振和中间台与除振台之间的磁悬浮机构的除振，能够在不损害相对于地动干扰的振动隔离性能的情况下，确保相对于直动干扰的高刚性，发挥高的除振性能并能进行精密加工等。
但是，在上述文献中公开的除振方法及其装置，虽然作为零伸缩率机构能发挥足够的功能，但由于步进器等产品的大型化，会出现新的问题。
即，实现负弹簧特性的致动器(磁悬浮机构等)必须支承该除振台的全部质量，因此，要实现大型除振装置，则有必须使用大输出的致动器这一障碍。
又，在利用零功率磁悬浮机构实现负弹簧特性的情况下，需要大量零功率磁悬浮用的永久磁铁，从而导致高成本化问题。
进而，在如零功率磁悬浮那样利用直流电磁铁的吸引力的磁悬浮系统中，原理上，对悬浮对象物只作用吸引力，所以除振台的作用吸引力的部分需要位于中间台的下侧。这会导致除振装置的结构复杂，同时会减小装置设计的自由度。
因此，本发明的目的在于提供一种除振方法及其装置，通过与零伸缩率机构并联地设置载荷支承用的弹簧支承机构，而能在不使对地动干扰的振动隔离特性劣化的情况下，提高对直动干扰的刚性，而且相对于质量大的装置也能以低成本维持高性能。
以下，使用图1，对本发明的原理进行说明。
将具有弹簧特性k1、k2的2个弹簧串联结合，进而将其与具有弹簧特性k3的弹簧并联地连接而作成一个弹簧，可用下式求出合成弹簧特性kc。
kc＝[k1·k2/(k1+k2)]+k3
因此，可判断只要满足k1＝-k2这一关系，则不管k3的值如何，均为|kc|＝+∞。
从以上可判断出，即使与零伸缩率机构并联地设置载荷支承用的弹簧元件，也可保持相对于直动干扰的刚性无限大，所述零伸缩率机构是将正弹簧特性与负弹簧特性的弹簧串联连接而构成的。
本发明是基于上述见解作出的，其特征在于，采用将具有正弹簧特性的支承机构与具有负弹簧特性的支承机构串联连接后再与具有正弹簧特性的载荷支承机构并联而成的结构。
发明内容
为实现上述目的，本发明采用的技术解决方案如下：
一种除振方法，其特征在于，通过将下述支承机构、和与前述支承机构并联的具有正弹簧特性的载荷支承机构配置在基座与第2部件之间，而相对于直动干扰具有大致无限大的刚性，并且隔离相对于基座的振动，所述支承机构是在基座与第2部件之间经由第1部件将具有正弹簧特性的支承机构与具有负弹簧特性的支承机构串联连接的支承机构。
一种除振方法，其特征在于，在基座与第1部件之间设置弹簧，而隔离从基座向第1部件传递的振动，并且通过在前述第1部件与第2部件之间设置包括永久磁铁和电磁铁的具有零功率特性的磁悬浮机构，进而，在基座与第2部件之间设置具有正弹簧特性的载荷支承机构，而隔离从前述第1部件向第2部件传递的振动，并且可由前述磁悬浮机构和前述载荷支承机构承受作用于前述第2部件的载荷。
一种除振方法，其特征在于，在基座与第1部件之间设置弹簧，而隔离从基座向第1部件传递的振动，并且，通过在前述第1部件与第2部件之间设置包括永久磁铁和电磁铁的具有零功率特性的磁悬浮机构、和与该磁悬浮机构并联的具有正弹簧特性的弹簧元件，进而，在基座与第2部件之间设置具有正弹簧特性的载荷支承机构，而隔离从前述第1部件向第2部件传递的振动，并且可利用前述磁悬浮机构和前述载荷支承机构承受作用于前述第2部件的载荷。
一种除振方法，其特征在于，在基座与第1部件之间设置具有正弹簧特性的弹簧元件、和与该弹簧元件并联的线性致动器，而隔离从基座向第1部件传递的振动，并且，通过在前述第1部件与第2部件之间设置包括永久磁铁和电磁铁的具有零功率特性的磁悬浮机构，进而，在基座与第2部件之间设置具有正弹簧特性的载荷支承机构，而隔离从前述第1部件向第2部件传递的振动，并且可利用前述磁悬浮机构和前述载荷支承机构承受作用于前述第2部件的载荷。
一种除振方法，其特征在于，在基座与第1部件之间设置弹簧，而隔离从基座向第1部件传递的振动，并且，通过在前述第1部件与第2部件之间设置具有负弹簧特性的零功率磁悬浮机构，进而，在第2部件与基座之间设置由具有正弹簧特性的空气弹簧构成的载荷支承机构，而隔离从前述第1部件向第2部件传递的振动，进而可利用前述载荷支承机构承受作用于前述第2部件的载荷的一部分。
一种除振装置，其特征在于，具有：中间台，由具有规定的正弹簧特性的弹簧支承在基座上；除振台，由包括永久磁铁和电磁铁且具有规定的负弹簧特性的零功率特性的磁悬浮机构相对于该中间台支承，进而，在前述除振台与基座之间配置有具有正弹簧特性的载荷支承机构。
一种除振装置，其特征在于，具有：中间台，由具有规定的正弹簧特性的弹簧支承在基座上；除振台，由包括永久磁铁和电磁铁且具有规定的负弹簧特性的零功率特性的磁悬浮机构、及与该磁悬浮机构并联配置的具有正弹簧特性的弹簧元件相对于该中间台支承，进而，在前述除振台与基座之间配置有具有正弹簧特性的载荷支承机构。
一种除振装置，其特征在于，具有：中间台，由具有规定的正弹簧特性的弹簧元件和线性致动器支承在基座上；除振台，由包括永久磁铁和电磁铁且具有规定的负弹簧特性的零功率特性的磁悬浮机构相对于该中间台支承，进而，在前述除振台与基座之间配置有具有正弹簧特性的载荷支承机构。
一种除振装置，其特征在于，前述载荷支承机构包括：具有正弹簧特性的弹簧元件、和与该弹簧元件并联设置的规定衰减率的衰减装置。
一种除振装置，其特征在于，前述载荷支承机构为具有正弹簧特性的空气弹簧。
一种除振装置，其特征在于，在前述基座与中间台之间，同时设置有前述具有正弹簧特性的弹簧元件、和规定衰减率的衰减装置。
一种除振装置，其特征在于，构成前述磁悬浮机构的电磁铁的吸引力对应于向除振台上作用的载荷的增减而增减。
在前述除振装置中，其特征在于，前述基座与前述除振台均是通过用连结部件连结对置部件而构成，进而，以基座和除振台的对置部件交替的方式配置，在中央部的基座及除振台的对置部件之间配置有中间台。
在前述除振装置中，其特征在于，前述基座为形成除振装置的地面。
在前述除振装置中，其特征在于，至少将一组基座、中间台、除振台作为一个单元集中起来构成。
一种除振方法，其特征在于，在基座与第1部件之间设置弹簧，而隔离从基座向第1部件传递的振动，并且，通过借助包括致动器与控制装置的支承机构在前述第1部件与第2部件之间赋予负弹簧特性，而隔离从前述第1部件向第2部件传递的振动，进而，在前述第2部件与基座之间设置具有正弹簧特性的载荷支承机构，而利用前述载荷支承机构承受作用于第2部件的载荷的一部分。
一种除振方法，其特征在于，在基座与第1部件之间设置弹簧，而隔离从基座向第1部件传递的振动，进而，通过借助包括致动器与控制装置的支承机构在前述第1部件与第2部件之间赋予负弹簧特性、并在前述第1部件与第2部件之间设置具有正弹簧特性的弹簧元件，而隔离从前述第1部件向第2部件传递的振动，进而，在前述第2部件与基座之间设置具有正弹簧特性的载荷支承机构，而利用前述载荷支承机构承受作用于第2部件的载荷的一部分。
一种除振方法，其特征在于，在基座与第1部件之间设置具有正弹簧特性的支承机构与线性致动器，而隔离从基座向第1部件传递的振动，进而，通过借助包括致动器与控制装置的支承机构在前述第1部件与第2部件之间赋予负弹簧特性、并且与前述致动器并联地在前述第1部件与第2部件之间设置具有正弹簧特性的弹簧元件，而隔离从前述第1部件向第2部件传递的振动，进而，在前述第2部件与基座之间设置具有正弹簧特性的载荷支承机构，而利用前述载荷支承机构承受作用于第2部件的载荷的一部分。
一种除振装置，其特征在于，具有：中间台，由具有规定的正弹簧特性的弹簧元件支承在基座上；除振台，由包括致动器和控制装置且具有规定的负弹簧特性的支承机构相对于该中间台支承，在前述除振台与基座之间配置有具有正弹簧特性的载荷支承机构。
一种除振装置，其特征在于，具有：中间台，由具有规定的正弹簧特性的弹簧元件和线性致动器支承在基座上；除振台，由包括致动器和控制装置且具有规定的负弹簧特性的支承机构相对于该中间台支承，在前述除振台与基座之间配置有具有正弹簧特性的载荷支承机构。
一种除振装置，其特征在于，与设置在前述中间台和除振台之间的支承机构(致动器)并联地具备具有正弹簧特性的弹簧元件。
在前述除振装置中，其特征在于，前述基座与前述除振台均是通过用连结部件连结对置部件而构成，进而，以基座和除振台的对置部件交替的方式配置，在中央部的基座及除振台的对置部件之间配置有中间台。
在前述除振装置中，其特征在于，前述基座为形成除振装置的地面。
在前述除振装置中，其特征在于，至少将一组基座、中间台、除振台作为一个单元集中起来而构成。
一种前述除振装置，其特征在于，具有：多个中间台，由具有规定的正弹簧特性的弹簧元件支承在基座上；除振台，由包括致动器和控制装置且具有规定的负弹簧特性的支承机构相对于该多个中间台支承，在前述除振台与基座之间配置有具有正弹簧特性的载荷支承机构。
一种除振装置，其特征在于，前述载荷支承机构包括：具有正弹簧特性的弹簧、和与该弹簧并联设置的规定衰减率的衰减装置。
一种除振装置，其特征在于，前述载荷支承机构为具有正弹簧特性的空气弹簧。
一种除振装置，其特征在于，在前述基座与中间台之间，同时设置有前述具有正弹簧特性的弹簧、和规定衰减率的衰减装置。
一种除振装置，其特征在于，设置在前述中间台上的致动器的伸展度对应于向除振台上作用的载荷的增减而增减。
一种除振装置，其特征在于，前述致动器为音圈马达、线性马达、气压致动器、液压致动器等线性致动器，前述控制装置包括：位移传感器、控制电路、和功率放大器。
附图说明
图1是说明本发明的原理的图。
图2是表示本发明的除振装置的第1实施例的图。
图3是表示本发明的除振装置的第2实施例的图。
图4是表示本发明的除振装置的第3实施例的图。
图5是表示本发明的除振装置的第4实施例的图。
图6是表示本发明的除振装置的第5实施例的图。
图7是表示本发明的除振装置的第6实施例的图。
图8是表示本发明的除振装置的第7实施例的图。
图9是表示本发明的除振装置的第8实施例的图。
图10是表示本发明的除振装置的第9实施例的图。
图11是表示本发明的除振装置的第10实施例的图。
图12是表示本发明的除振装置的第11实施例的图。
图13是表示本发明的除振装置的第12实施例的图。
图14是表示本发明的除振装置的第13实施例的图。
图15是表示本发明的除振装置的第14实施例的图。
图16是表示本发明的除振装置的第15实施例的图。
图17是表示本发明的除振装置的第16实施例的图。
图18是在被动除振装置上附加了单元型除振装置的图。
图19是利用了平行连杆的6自由度能动除振装置。
图20是以往的弹簧类除振系统的图。
图21是以往的能动除振系统的说明图。
具体实施方式
本发明是相对于将具有正弹簧特性的支承机构与具有负弹簧特性的支承机构串联连接的支承机构、并联地配置具有正弹簧特性的载荷支承机构而构成的除振方法及除振装置。又，本发明是将构成前述除振装置的一组基座、中间台、除振台作为一个单元而单元化了的除振装置。
以下，基于附图，对本发明的除振方法及其装置的实施方式进行说明。本发明通过将具有正弹簧特性的支承机构与具有负弹簧特性的支承机构串联连接，并且在这些支承机构上并联地配置具有正弹簧特性的支承机构，而相对于在装置上产生的直动干扰具有大致无限大的刚性，并且隔离来自于地面(基座)的振动。进而，由于除振台的全部载荷(或一部分)不必由磁悬浮机构承受，所以可使磁铁部小型化，实现成本的大幅度降低。以下，对采用具有零功率(ゼロパワ—)特性的磁悬浮机构作为具有负弹簧特性的支承机构的实施例1进行说明。另外，包括具有零功率特性的磁悬浮机构及电磁铁的控制的基本构成及作用，采用的是本发明者在先前提交的专利文献1(特开2002-81498)中公开的方案，并且磁悬浮的原理并不是本发明的特征，所以关于其详细说明在此省略。
图2表示本发明的除振装置的第1实施例，本发明以地面作为基座，在地面1与中间台即第1部件2之间设置具有规定的正弹簧特性k1的弹簧(弹簧元件)，而隔离从基座向第1部件2传递的振动，并且在前述第1部件2与除振台即第2部件3之间，设置包括永久磁铁6、电磁铁7的具有负弹簧特性(具有零功率特性)的磁悬浮机构4。进而，在地面1与第2部件(除振台)3之间，设置载荷支承用的具有正弹簧特性k3的载荷支承机构5。另外，如图所示，也可分别根据需要在具有正弹簧特性k1、k3的支承机构上，并联地设置具有规定的衰减率的衰减装置c1、c3。
在本实施例的情况下，包括：由规定的正弹簧特性k3的弹簧相对于地面1支承的除振台3、和由磁悬浮机构4相对于中间台2支承的除振台3，所述磁悬浮机构4包括永久磁铁和电磁铁，具有规定的负弹簧特性ks，且具有零功率特性，所以在图示例中，可利用适当的控制装置(图示省略)进行控制，使设置在中间台2上的电磁铁7的吸引力，对应于因设置有永久磁铁6的除振台3的质量增加等产生的载荷增减而增减。而且，作用于第2部件3上的全部载荷(或一部分)不需要由磁悬浮机构4承受。另外，在本例中，电磁铁7安装在中间台2上，永久磁铁6安装在除振台3一侧，但是也可将它们相反地安装，或全部安装于一侧。又，与前述的专利文献1的情况相同，前述控制装置包括：位移传感器、控制电路、功率放大器。进而，关于电磁铁和永久磁铁的配置当然可以使用前述的专利文献1(特开2002-81498)中详细说明的结构。
其结果，可使具有零功率特性的磁悬浮机构内的磁铁部小型化，实现成本的大幅度降低。并可使结构简化，在使除振装置整体的设计变得容易的同时，可实现低成本化。
图3表示本发明的除振装置的第2实施例。在前述第1实施例中，除振台3的作用吸引力的部分位于中间台2的下侧。这是因为，在如零功率磁悬浮那样利用直流电磁铁的吸引力的磁悬浮系统中，从原理上讲，在悬浮对象物上只作用吸引力，但这样会导致除振装置的结构变得复杂，同时也会缩小装置设计的自由度。
对此，若利用弹簧元件k3对除振台作用比重力更大的向上的力，则可构成图3所示的除振装置。这种情况下，不必在中间台的下侧设置除振台的作用磁铁吸引力的部分，所以可使装置整体简化。
参照图3，对第2实施例的结构进行说明，在地面1上，由具有正弹簧特性的规定弹簧特性的支承机构支承着中间台2，进而，在中间台2与除振台3之间，配置有具有负弹簧特性的规定弹簧特性的磁悬浮机构4。在本例中，除振台3为从上侧覆盖中间台2整体的形状。进而，在除振台3上，于地面1与除振台3之间配置有构成载荷支承机构的具有正弹簧特性k3的载荷支承机构。而且，在前述的具有正弹簧特性的各支承机构上，分别根据需要如图所示那样并联地设置衰减装置。另外，在本例中，磁悬浮机构设置在中间台一侧，但也可设置在除振台3一侧。
图4表示本发明的除振装置的第3实施例。在前述第2实施例中，负弹簧特性的大小取决于零功率磁悬浮的永久磁铁的强度、和中间台上作用永久磁铁的吸引力的部位与永久磁铁之间的空隙的大小。因此，在第3实施例中，通过将具有正弹簧特性的弹簧元件k2以与零功率磁悬浮机构并联的方式插入，可调整负弹簧特性的大小。
图4中，在地面1上，由具有正弹簧特性的规定弹簧特性的支承机构(弹簧元件)k1支承有中间台2，进而，在中间台2与除振台3之间配置有具有负弹簧特性的磁悬浮机构4。又，在中间台2与除振台3之间，与磁悬浮机构4并联地配置有具有正弹簧特性的弹簧元件k2。在本例中，除振台3为从上侧覆盖中间台2的整体的截面大致コ字状的形状。进而，在除振台3上，于地面1与除振台3之间配置有构成载荷支承机构的具有正弹簧特性k3的载荷支承机构。而且，在前述的具有正弹簧特性的各支承机构k1、k3上，分别根据需要如图所示那样并联地设置衰减装置c1、c3。另外，在本例中，磁悬浮机构设置在中间台一侧，但也可设置在除振台3一侧。
根据上述那样的结构，若将仅由零功率磁悬浮机构获得的负弹簧特性的大小设为kn，则除振台相对于中间台的负弹簧特性的大小为(kn-k2)，若将其设定成与正弹簧特性的大小k1相等，则可相对于直动干扰保持大致无限大的刚性，且可使相对于地面振动的振动隔离特性更好。
利用图4所述的系统，对通过与零功率磁悬浮机构并联地插入具有正弹簧特性的弹簧元件k2，而使除振台相对于中间台的负弹簧特性的大小成为(kn-k2)的情况进行说明。若假定中间台不动(x1＝0，其中x1为中间台距平衡点的位移)，则除振台的运动方程式，可如下式那样求出。
[公式1]
m 2 x · · 2 = ( k n - k 2 ) x 2 + k i i + f d - - - ( 1 )
其中，
x2：除振台距平衡点的位移；
kn：磁铁的位移·吸引力系数；
ki：磁铁的电流·吸引力系数；
i：控制电流；
fd：作用于除振台上的直动干扰。
可如下述那样表示实现零功率控制的控制输入。
I(s)＝-c2(s)s X2(s)       (2)
其中，c2(s)为极点中没有0(零)的非常适当(强プロパ—)的传递函数，选定c2(s)使得控制系统稳定。在假定中间台不动的情况下，可利用具有2次式以上的次数的控制器而达到稳定化。
为了简化，假定初始条件为零，对(1)式进行拉氏变换，并将式(2)代入其中，进行整理得到下式。其中，各变量的拉氏变换用对应的大写字母表示。
[公式2]
X 2 ( s ) = 1 m s 2 + k 1 c 2 ( s ) s - ( k n - k 2 ) F d ( s ) - - - ( 3 )
为了对相对于直动干扰的刚性进行评价，而有下式：
Fd(s)＝F0/s      F0：一定             (4)
如下式那样，求出除振台相对于中间台的位移x(∞)。
[公式3]
x 2 ( ∞ ) F 0 = lim s → 0 s · 1 ms 2 + k 1 c 2 ( s ) s - ( k n - k 2 ) · 1 s = - 1 k n - k 2 - - - ( 5 )
因此，除振台相对于中间台的负刚性(＝力/位移)的大小为kn-K2。
图5表示本发明的除振装置的第4实施例。在前述第2实施例(参照图3)中，中间台2相对于地面1的正弹簧特性的大小及衰减特性取决于弹簧元件k1及衰减装置c1。与此相对，如图5所示，在地面1与中间台2之间，与这些元件并联地插入线性致动器A1，通过对其进行控制，可更灵活地调整正弹簧特性及衰减特性。
图5中，在地面1上，由具有正弹簧特性的支承机构(弹簧元件k1)支承有中间台2，进而，与该支承机构k1并联地配置有致动器A1。在中间台2与除振台3之间配置有具有负弹簧特性的磁悬浮机构4。在本例中，除振台3为从上侧覆盖中间台2的整体的截面大致コ字状的形状。进而，在除振台3上，于地面1与除振台3之间配置有构成载荷支承机构的具有正弹簧特性k3的载荷支承机构。而且，在前述的具有正弹簧特性的各支承机构k1、k3上，分别根据需要如图所示那样并联地设置衰减装置c1、c3。另外，在本例中，磁悬浮机构设置在中间台一侧，但也可设置在除振台3一侧。
图6表示本发明的除振装置的第5实施例。第5实施例是使用在以往的被动(passive)除振装置中采用的空气弹簧来作为载荷支承机构的构成例。
在第5实施例中，在地面1上，由具有正弹簧特性的规定弹簧特性的支承机构(弹簧元件k1)支承有多个(在本例中2个)中间台2，进而，在各中间台2与除振台3之间配置有具有负弹簧特性的零功率磁悬浮机构4。进而，在除振台3上，于地面1与除振台3之间配置有构成载荷支承机构的具有正弹簧特性k3的空气弹簧9。而且，在前述的具有正弹簧特性的支承机构k1上，可根据需要并联地设置衰减装置c1。
根据该结构，可利用零功率磁悬浮机构4实现负刚性，并可通过使其绝对值与k1相等，来使相对于直动干扰的刚性无限大。因此，能在不使以往的被动除振隔离特性劣化的情况下，使相对于直动干扰的刚性无限大。
图7表示本发明的除振装置的第6实施例。前述第6实施例为了实现具有负弹簧特性的支承机构，而使用致动器(线性致动器)8。借助包括正弹簧元件k3和衰减元件c3的载荷支承机构5，而从地面1支承起除振台3。利用该载荷支承机构5的弹簧元件k3的向上的力，可减小由线性致动器8支承的载荷，所以可使线性致动器8小型化，实现低成本化。另外，当然也可代替前述线性致动器8，而使用音圈马达、线性马达、气压致动器、液压致动器等线性致动器。
图8表示本发明的除振装置的第7实施例。在前述图7所示的第6实施例中，中间台相对于地面的正弹簧特性的大小及衰减特性取决于弹簧元件k1及衰减装置c1。与此相对，在图8所示的第7实施例中，在中间台2与地面1之间，与弹簧元件k1及衰减装置c1并联地插入具有负弹簧特性的线性致动器10，通过对其进行控制，可更灵活地调整正弹簧特性及衰减特性。
图8中，借助包括正弹簧元件k3和衰减元件c3的载荷支承机构5，从地面1支承起除振台3。又，借助包括正弹簧元件k1和衰减元件c1的支承机构，从地面1支承起中间台。进而，在中间台与地面1之间，与前述弹簧元件k1、衰减元件c1并联地配置具有负弹簧特性的线性致动器10。又，在中间台2与除振台3之间。配置具有负弹簧特性的致动器(线性致动器8)、和具有正弹簧特性的弹簧元件k2。另外，也可去除中间台2与除振台3之间的具有正弹簧特性的弹簧元件k2。另外，当然也可代替前述线性致动器8、10，而使用音圈马达、线性马达、气压致动器、液压致动器等线性致动器。
图9表示本发明的除振装置的第8实施例。第8实施例是使用在以往的被动除振装置中采用的空气弹簧来作为载荷支承机构5时的除振装置的构成例。
在第8实施例中，在地面1上，由具有正弹簧特性的规定弹簧特性的支承机构支承有多个(在本例中2个)中间台2，进而，在各中间台2与除振台3之间配置有具有负弹簧特性的线性致动器8。在本例中，除振台3为从上侧覆盖中间台2的整体的形状。进而，在除振台3上，于地面1与除振台3之间配置有构成载荷支承机构5的具有正弹簧特性的空气弹簧9。而且，在前述的具有正弹簧特性的支承机构k1上，如图所示，可根据需要并联地设置衰减装置c1。根据该结构，可利用线性致动器实现负刚性，并通过使其绝对值与k1相等，来使相对于直动干扰的刚性无限大。因此，能在不使以往的被动除振隔离特性劣化的情况下，使相对于直动干扰的刚性无限大。
在以上说明的第1实施例到第8实施例的“将负刚性与正刚性组合的除振装置”中，利用了正负双方刚性的绝对值相等时除振台所具有的刚性理论上无限大这一现象。其中作为实现负刚性的元件，例举了“具有零功率特性的磁悬浮机构”，到目前为止，作为“正刚性”使用的是螺旋弹簧。在同一轴上配置“负刚性”和“正刚性”时，仅关于轴方向的刚性，可实现“刚性理论上无限大这一现象”。即，为了使除振台具有的全部6个自由度的刚性都“理论上无限大”，至少需要6轴的“负刚性”与“正刚性”的串联配置。
例如，在使用前述的实施例构成6自由度除振装置时，可采用本发明者在已经提出、公开了的特开2002-81498中记载的结构。
又，对于沿铅直方向配置的混合电磁铁(为前述的具有零功率特性的磁悬浮机构，以下称为磁悬浮机构)，由于要支承中间台、除振台的质量，而需要大型的部件，但对于水平方向配置的混合电磁铁，由于不需支承重力，所以需要具有反面差动型的结构。因此，在除振台的开发中，需要开发2种负刚性与正刚性的组合。
进而，在前述实施例中，由于共用一个中间台(第1部件)，所以存在某一轴上的中间台振动的影响会波及到其他轴的情况。在必须相对于除振台的结构上3自由度采用4组“负刚性”与“正刚性”的串联连接的情况下，为了排除其冗余性而需要复杂的控制系统。又，即使在不需要对全部6个自由度除振的情况下，也必须考虑6个自由度。这样，在上述各实施例中共用中间台的结构会产生上述那样的问题。
因此，在本发明的以下所述的第9实施例～第12实施例中，导入在轴向上刚性理论上无限大的单元。即，至少将一组基座、中间台、除振台单元化，一个单元具有1个自由度的除振功能。由于每个单元具有一个中间台，所以可解决在进行多自由度的除振时，中间台共用而产生的问题。又，通过将多个单元组合，可进行多自由度的除振，并且不必考虑多余的自由度。进而，在对全部6个自由度进行除振时，也可采用平行连杆机构。
以下参照附图，对本发明的第9实施例～第12实施例进行说明。
图10是第9实施例，该第9实施例是在前述的第1～第8实施例所示的除振装置中，至少将一组基座、中间台(第1部件)、除振台(第2部件)单元化，用一个单元构成一个除振装置。
图10中，21是基台(以下称为基座)，22为作为第1部件的中间台，23为作为第2部件的除振台，基座21和除振台23，如图示那样用连结部件28、29结合上下离开的对置部件，进而，使各对置部件交替地配置。在本例中，如图所示，前述对置部件由平板构成，但是并不一定为平板，只要能安装支承机构、磁悬浮机构、载荷支承机构，并能实现上述功能，则可使用各种形式的对置部件。又，在设计时，连结部件28、29也可采用适当的形状。
如图所示，在基座21及除振台23之间的对置部件间配置有中间台22。在基座21上，由具有正弹簧特性的规定弹簧特性的支承机构k1支承有中间台22，进而，在中间台22与除振台23之间配置有具有负弹簧特性的规定的弹簧特性的磁悬浮机构24。进而，在除振台23上，于基座21与除振台23之间配置有构成载荷支承机构的具有正弹簧特性k3的载荷支承机构。而且，在前述的具有正弹簧特性的各支承机构上，分别根据需要并联地设置衰减装置c1。另外，在本例中，构成磁悬浮机构的电磁铁设置在中间台上，永久磁铁设置在除振台23上，但是也可相反地进行配置。又，也可以取代弹簧k3，使用在前述的实施例中说明过的空气弹簧作为载荷支承机构。进而，还可以与前述磁悬浮机构24并联地配置具有正弹簧特性的弹簧元件。
图11是第10实施例。在第10实施例中，与前述第9实施例中的支承机构k1并联地配置具有正刚性的线性致动器32。
图12是第11实施例。在第11实施例中，代替前述第9实施例中的磁悬浮机构，而配置具有负刚性的致动器31。
图13是第12实施例。在第12实施例中，代替前述第9实施例中的磁悬浮机构，而配置具有负刚性的致动器31和具有正弹簧特性的弹簧元件k2，进而与配置在基座和中间台之间的支承机构并联地配置具有正刚性的致动器32。
在上述第9～第12实施例中，至少将一组基座(基台)、中间台(第1部件)、除振台(第2部件)单元化而构成除振装置。具体地说，成为下述结构(称为嵌套式)，即基座与除振台均是具有对置部件并用连结部件28、29结合它们的对置部件而构成，进而，配置成基座和除振台的对置部件交替，并在中央部的基座及除振台的对置部件之间配置中间台。但是，若作成前述那样的嵌套式结构，则会使装置的结构复杂化，同时会使设计的自由度变小，制作费时并增加成本。
因此，以下所述的第13实施例～第16实施例，通过将前述第9实施例～第12实施例的支承机构与前述图3(第2实施例)～图9(第8实施例)所示的载荷支承机构并用而构成，而不需要前述嵌套式结构，可以得到实用性更高的单元。
图14是第13实施例，该第13实施例是将前述第9实施例所示的嵌套式除振装置、与第2实施例等所示的非嵌套式结构并用而构成的。
图14中，21是基台(以下称为基座)，22为作为第1部件的中间台，23为作为第2部件的除振台，如图所示，基座21及除振台23上下离开地配置，进而，在基座21及除振台23之间配置中间台。基座21经由具有正弹簧特性的规定弹簧特性的支承机构k1支承中间台22，进而，在中间台22与除振台23之间配置有具有负弹簧特性的规定弹簧特性的磁悬浮机构24。进而，在除振台23与基座21之间配置有构成载荷支承机构的具有正弹簧特性k3的载荷支承机构。而且，在前述的具有正弹簧特性的各支承机构上，分别根据需要并联地设置衰减装置c1。另外，在本例中，构成磁悬浮机构的电磁铁设置在除振台23上，而永久磁铁设置在中间台22上，但是也可相反地进行配置。又，也可以取代弹簧k3，使用在前述的实施例中说明过的空气弹簧作为载荷支承机构。进而，还可以与前述磁悬浮机构24并联地配置具有正弹簧特性的弹簧元件。
图15是第14实施例。在第14实施例中，与前述第13实施例中的支承机构k1并联地配置具有正刚性的线性致动器32。
图16是第15实施例。在第15实施例中，代替前述第13实施例中的磁悬浮机构，而配置具有负刚性的致动器31。
图17是第16实施例。在第16实施例中，代替前述第13实施例中的磁悬浮机构，而配置具有负刚性的致动器31和具有正弹簧特性的弹簧元件k2，进而与配置在基座和中间台之间的支承机构并联地配置具有正刚性的致动器32。
图18、图19表示上述单元化了的除振装置的使用方法。图18是与台的腿平行地配置单元化了的除振装置的例子，又，图19是利用了平行连杆的6自由度能动(active)除振装置的例子。
以上，对本发明的除振方法及其装置的实施方式进行了说明，但在本发明的宗旨的范围内可对下述内容进行适当选定：中间台及除振台的形状、形式，电磁铁及永久磁铁的形状、形式及其设置状态(电磁铁设置在中间台上还是除振台上，永久磁铁设置在除振台上还是中间台上，除永久磁铁外是否还设置强磁性体，或者也可将永久磁铁装入电磁铁的铁心中且仅设置在除振台或中间台的某一个上，在另一个上设置强磁性体)，致动器、弹簧及衰减装置的形状、形式及其向中间台的设置形态(在地面与中间台之间除弹簧外，还可设置适当的衰减装置)，具有零功率特性的磁悬浮机构，致动器的控制机构(位移传感器的种类、控制电路的形式、功率放大方式及根据这些内容决定的致动器控制方式)，除振方向(在前述各实施方式中，主要对垂直方向的除振进行了说明，但不用说也能进行水平方向的除振，或者同时对垂直方向及水平方向进行除振。)等。另外，地面为所谓的基台，而且中间台、除振台的形状也可选择适当的形状。进而，也可使用包括橡胶等在内的被动弹性体或具有正刚性的致动器作为具有正刚性的支承机构(弹簧元件)。又，也可使用进行了能动控制而具有负刚性的各种致动器作为具有负刚性的磁悬浮机构。
又，在不脱离本发明的精神或主要特征的情况下，可以其他多种方式实施本发明。因此，前述的实施例仅仅是例示，并不是限定性的解释。进而，属于与权利要求书等同的范围中的变形或变更全部包含在本发明的范围内。
工业实用性
在本发明中，通过采用以与具有正弹簧特性的载荷支承机构并联的方式、将具有正弹簧特性的支承机构与具有负弹簧特性的支承机构串联连接的结构，而实现以下那样的特有的效果。
(a)为了实现具有负弹簧特性的支承机构而利用零功率磁悬浮机构的情况。
由于除振台的全部载荷(或一部分)不必由磁悬浮机构承受，所以可使磁铁部小型化，实现成本的大幅度降低。
又，可使结构简化，使除振装置整体的设计变得容易，同时可实现低成本化。
(b)为了实现具有负弹簧特性的支承机构，而利用线性致动器的情况。
由于除振台的全部载荷(或一部分)不必由线性致动器承受，所以可利用低输出的致动器，从而能实现成本的大幅度降低。
(c)将构成前述除振装置的一组基座、中间台、除振台作为一个单元集中起来构成，通过将它们多个组合起来而能容易地构成多自由度的除振装置，并且可不必考虑多余的自由度。进而，在对全部6个自由度进行除振的情况下，通过采用平行连杆机构能容易地处理。
因此，本发明可利用于：
(1)半导体曝光装置或激光加工装置等精密仪器·装置；
(2)电子显微镜、STM(扫描隧道显微镜)、AFM(原子力显微镜)等的超精密测量；
(3)超微细加工领域等。

Claims (30)

1.一种除振方法，其特征在于，通过将下述支承机构、和与前述支承机构并联的具有正弹簧特性的载荷支承机构配置在基座与第2部件之间，而相对于直动干扰具有大致无限大的刚性，并且隔离相对于基座的振动，所述支承机构是在基座与第2部件之间经由第1部件将具有正弹簧特性的支承机构与具有负弹簧特性的支承机构串联连接的支承机构。
2.一种除振方法，其特征在于，在基座与第1部件之间设置弹簧，而隔离从基座向第1部件传递的振动，并且通过在前述第1部件与第2部件之间设置包括永久磁铁和电磁铁的具有零功率特性的磁悬浮机构，进而，在基座与第2部件之间设置具有正弹簧特性的载荷支承机构，而隔离从前述第1部件向第2部件传递的振动，并且可由前述磁悬浮机构和前述载荷支承机构承受作用于前述第2部件的载荷。
3.一种除振方法，其特征在于，在基座与第1部件之间设置弹簧，而隔离从基座向第1部件传递的振动，并且，通过在前述第1部件与第2部件之间设置包括永久磁铁和电磁铁的具有零功率特性的磁悬浮机构、和与该磁悬浮机构并联的具有正弹簧特性的弹簧元件，进而，在基座与第2部件之间设置具有正弹簧特性的载荷支承机构，而隔离从前述第1部件向第2部件传递的振动，并且可利用前述磁悬浮机构和前述载荷支承机构承受作用于前述第2部件的载荷。
4.一种除振方法，其特征在于，在基座与第1部件之间设置具有正弹簧特性的弹簧元件、和与该弹簧元件并联的线性致动器，而隔离从基座向第1部件传递的振动，并且，通过在前述第1部件与第2部件之间设置包括永久磁铁和电磁铁的具有零功率特性的磁悬浮机构，进而，在基座与第2部件之间设置具有正弹簧特性的载荷支承机构，而隔离从前述第1部件向第2部件传递的振动，并且可利用前述磁悬浮机构和前述载荷支承机构承受作用于前述第2部件的载荷。
5.一种除振方法，其特征在于，在基座与第1部件之间设置弹簧，而隔离从基座向第1部件传递的振动，并且，通过在前述第1部件与第2部件之间设置具有负弹簧特性的零功率磁悬浮机构，进而，在第2部件与基座之间设置由具有正弹簧特性的空气弹簧构成的载荷支承机构，而隔离从前述第1部件向第2部件传递的振动，进而可利用前述载荷支承机构承受作用于前述第2部件的载荷的一部分。
6.一种除振装置，其特征在于，具有：中间台，由具有规定的正弹簧特性的弹簧支承在基座上；除振台，由包括永久磁铁和电磁铁且具有规定的负弹簧特性的零功率特性的磁悬浮机构相对于该中间台支承，进而，在前述除振台与基座之间配置有具有正弹簧特性的载荷支承机构。
7.一种除振装置，其特征在于，具有：中间台，由具有规定的正弹簧特性的弹簧支承在基座上；除振台，由包括永久磁铁和电磁铁且具有规定的负弹簧特性的零功率特性的磁悬浮机构、及与该磁悬浮机构并联配置的具有正弹簧特性的弹簧元件相对于该中间台支承，进而，在前述除振台与基座之间配置有具有正弹簧特性的载荷支承机构。
8.一种除振装置，其特征在于，具有：中间台，由具有规定的正弹簧特性的弹簧元件和线性致动器支承在基座上；除振台，由包括永久磁铁和电磁铁且具有规定的负弹簧特性的零功率特性的磁悬浮机构相对于该中间台支承，进而，在前述除振台与基座之间配置有具有正弹簧特性的载荷支承机构。
9.如权利要求6～8任一项所述的除振装置，其特征在于，前述载荷支承机构包括：具有正弹簧特性的弹簧元件、和与该弹簧元件并联设置的规定衰减率的衰减装置。
10.如权利要求6～8任一项所述的除振装置，其特征在于，前述载荷支承机构为具有正弹簧特性的空气弹簧。
11.如权利要求6～10任一项所述的除振装置，其特征在于，在前述基座与中间台之间，同时设置有前述具有正弹簧特性的弹簧元件、和规定衰减率的衰减装置。
12.如权利要求6～10任一项所述的除振装置，其特征在于，构成前述磁悬浮机构的电磁铁的吸引力对应于向除振台上作用的载荷的增减而增减。
13.如权利要求6～12任一项所述的除振装置，其特征在于，前述基座与前述除振台均是通过用连结部件连结对置部件而构成，进而，以基座和除振台的对置部件交替的方式配置，在中央部的基座及除振台的对置部件之间配置有中间台。
14.如前述权利要求6～13任一项所述的除振装置，其特征在于，前述基座为形成除振装置的地面。
15.如前述权利要求6～13任一项所述的除振装置，其特征在于，至少将一组基座、中间台、除振台作为一个单元集中起来构成。
16.一种除振方法，其特征在于，在基座与第1部件之间设置弹簧，而隔离从基座向第1部件传递的振动，并且，通过借助包括致动器与控制装置的支承机构在前述第1部件与第2部件之间赋予负弹簧特性，而隔离从前述第1部件向第2部件传递的振动，进而，在前述第2部件与基座之间设置具有正弹簧特性的载荷支承机构，而利用前述载荷支承机构承受作用于第2部件的载荷的一部分。
17.一种除振方法，其特征在于，在基座与第1部件之间设置弹簧，而隔离从基座向第1部件传递的振动，进而，通过借助包括致动器与控制装置的支承机构在前述第1部件与第2部件之间赋予负弹簧特性、并在前述第1部件与第2部件之间设置具有正弹簧特性的弹簧元件，而隔离从前述第1部件向第2部件传递的振动，进而，在前述第2部件与基座之间设置具有正弹簧特性的载荷支承机构，而利用前述载荷支承机构承受作用于第2部件的载荷的一部分。
18.一种除振方法，其特征在于，在基座与第1部件之间设置具有正弹簧特性的支承机构与线性致动器，而隔离从基座向第1部件传递的振动，进而，通过借助包括致动器与控制装置的支承机构在前述第1部件与第2部件之间赋予负弹簧特性、并且与前述致动器并联地在前述第1部件与第2部件之间设置具有正弹簧特性的弹簧元件，而隔离从前述第1部件向第2部件传递的振动，进而，在前述第2部件与基座之间设置具有正弹簧特性的载荷支承机构，而利用前述载荷支承机构承受作用于第2部件的载荷的一部分。
19.一种除振装置，其特征在于，具有：中间台，由具有规定的正弹簧特性的弹簧元件支承在基座上；除振台，由包括致动器和控制装置且具有规定的负弹簧特性的支承机构相对于该中间台支承，在前述除振台与基座之间配置有具有正弹簧特性的载荷支承机构。
20.一种除振装置，其特征在于，具有：中间台，由具有规定的正弹簧特性的弹簧元件和线性致动器支承在基座上；除振台，由包括致动器和控制装置且具有规定的负弹簧特性的支承机构相对于该中间台支承，在前述除振台与基座之间配置有具有正弹簧特性的载荷支承机构。
21.如权利要求19或权利要求20所述的除振装置，其特征在于，与设置在前述中间台和除振台之间的支承机构(致动器)并联地具备具有正弹簧特性的弹簧元件。
22.如权利要求19～21任一项所述的除振装置，其特征在于，前述基座与前述除振台均是通过用连结部件连结对置部件而构成，进而，以基座和除振台的对置部件交替的方式配置，在中央部的基座及除振台的对置部件之间配置有中间台。
23.如前述权利要求19～22任一项所述的除振装置，其特征在于，前述基座为形成除振装置的地面。
24.如前述权利要求19～22任一项所述的除振装置，其特征在于，至少将一组基座、中间台、除振台作为一个单元集中起来而构成。
25.一种除振装置，其特征在于，具有：多个中间台，由具有规定的正弹簧特性的弹簧元件支承在基座上；除振台，由包括致动器和控制装置且具有规定的负弹簧特性的支承机构相对于该多个中间台支承，在前述除振台与基座之间配置有具有正弹簧特性的载荷支承机构。
26.如权利要求19～25任一项所述的除振装置，其特征在于，前述载荷支承机构包括：具有正弹簧特性的弹簧、和与该弹簧并联设置的规定衰减率的衰减装置。
27.如权利要求19～25任一项所述的除振装置，其特征在于，前述载荷支承机构为具有正弹簧特性的空气弹簧。
28.如权利要求19～25任一项所述的除振装置，其特征在于，在前述基座与中间台之间，同时设置有前述具有正弹簧特性的弹簧、和规定衰减率的衰减装置。
29.如权利要求25～28任一项所述的除振装置，其特征在于，设置在前述中间台上的致动器的伸展度对应于向除振台上作用的载荷的增减而增减。
30.如权利要求19～29任一项所述的除振装置，其特征在于，前述致动器为音圈马达、线性马达、气压致动器、液压致动器等线性致动器，前述控制装置包括：位移传感器、控制电路、和功率放大器。
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