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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Vorrichtung
zum Kontrollieren der Übertragung
von Schwingungen von Maschinen auf ihre Umgebung und umgekehrt.
Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen passiven
Mikro-Schwingungs-Isolator zur Unterdrückung eines großen Bereichs
von Schwingungsfrequenzen. Außerdem
bezieht sich die Erfindung auf ZK-Scheiben zur Verwendung in solchen
Isolatoren als Alternative zu bekannten Belleville-Scheiben.
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Hintergrund
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Die
vorliegende Anmeldung beansprucht den Schutz der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 60/060,071,
eingereicht am 26. September 1997, der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 60/065,439, eingereicht
am 29. September 1997 und der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 60/069,289,
eingereicht am 11. Dezember 1997.
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Allgemein
sind von Maschinen oder anderen Quellen ausgehende Schwingungen
oft unerwünscht und
schädlich.
Zum Beispiel können
Schwingungen in einer Präzisionswerkzeugmaschine
zu Fehlern und mangelnder Perfektion in auf dem Werkzeug erzeugten
Werkstücken
führen.
Die Schwingungen können
auch durch den Boden übertragen
werden und andere Werkzeuge stören.
Außerdem
kann der allgemein mit Maschinenschwingungen einhergehende Lärm die Arbeiter
stören.
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Es
gibt verschiedene Verfahren und Vorrichtungen zum Verringern unerwünschter
Schwingungen, die allgemein in Schwingungs-Isolatoren oder -Unterdrücker eingeteilt
werden können.
Typischerweise wirken Schwingungsisolationsvorrichtungen lokal,
um die Übertragbarkeit
zu verringern, wobei die Übertragbarkeit
typischerweise als das Verhältnis
der übertragenen
Kraft zur störenden
Kraft definiert wird. Schwingungsisolationsvorrichtungen sind insbesondere
zum Verringern diskreter und vorübergehender Schwingungen
geeignet. Wo es zum Beispiel sein kann, dass eine chemisch-mechanische
Planarisierungsmaschine (CMP-Maschine) auf einer Plattform ruht,
können verschiedene
reflexive und absorptive Materialien, wie zum Beispiel Kautschuk
zwischen den Füßen der
Plattform und dem Boden angebracht werden, um die Maschine gegenüber vom
Boden kommenden Schwingungen zu isolieren.
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Schwingungsverringerungsvorrichtungen können weiter
in aktive oder passive Vorrichtungen eingeteilt werden. Typischerweise
enthalten aktive Vorrichtungen ein Rückkopplungssystem, das die Amplitude
und/oder Frequenz der störenden
Schwingung erfasst und entsprechend zum Verringern oder Ausgleichen
der Schwingung reagiert. Daher können aktive
Vorrichtungen Schwingungen über
einen großen
Bereich verringern. Der Aufwand und die Kosten typischer aktiver
Vorrichtungen macht sie jedoch für viele
Anwendungen unpraktikabel.
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Im
Gegensatz dazu sind passive Vorrichtungen typischerweise mechanische
Vorrichtungen, die allgemein verschiedene Federelemente und Dämpfungselemente
zum Verringern oder Ausgleichen von Schwingungen einsetzen. Herkömmliche
passive Vorrichtungen sind jedoch zum Verringern von Schwingungen
nur in einer ziemlich engen Bandbreite wirksam. Außerdem kann
es sein, dass gewisse in herkömmlichen
passiven Vorrichtungen eingesetzte Materialien, wie zum Beispiel
Kautschuk und Schmierflüssigkeit,
zur Verwendung in bestimmten Umgebungen, wie zum Beispiel Reinraumumgebungen,
ungeeignet sind.
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In
herkömmlichen
Vorrichtungen wird üblicherweise
ein Federelement in Kombination mit einem Balken-Säulen-Element
verwendet, um die Schwingungsübertragung
zu verringern. Siehe US-Patent Nr. 5,178,357, erteilt im Januar
1993 (Platus) und verwandt mit US-Patent Nr. 5,549,270, erteilt im
August 1996 (Platus et al.). Insbesondere sind eine Feder und eine
Balken-Säule
so kalibriert, dass ein Element eine positive Steifigkeit und das
andere Element eine gleich große
negative Steifigkeit aufweist. Auf diese Weise wird ein Objekt mit
einer effektiven Steifigkeit abgestützt, die effektiv null ist.
Es wird jedoch ein aus einer Feder und einer Balken-Säule bestehendes
Paar für
jede hinsichtlich der Schwingung zu isolierende Achse benötigt, und
jedes aus einer Feder und einer Balken-Säule bestehende Paar muss präzise kalibriert
werden, um in jeder Achse eine effektive Steifigkeit von effektiv
null zu erzielen. Daher ist dieses Verfahren ziemlich kompliziert
und schwierig zu kalibrieren und zu justieren. Da außerdem die
erforderliche negative und positive Steifigkeit über zwei separate Elemente
erzielt wird, ist, wenn ein Element mit einer Rate abgenutzt wird, die
sich von derjenigen des anderen unterscheidet, dann ihre Steifigkeit
nicht mehr übereinstimmend, was
dazu führt,
dass keine effektive Steifigkeit erzielt wird, die effektiv null
ist. Außerdem
erfordern herkömmliche
Vorrichtungen typischerweise einen recht großen Wartungsaufwand und sind
zur Abstützung großer, schwerer
und insbesondere empfindlicher Maschinen, wie zum Beispiel CMP-Maschinen
und sehr starken Mikroskopen zu empfindlich oder zerbrechlich.
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Aus
dem US-Patent Nr. 2,572,919 geht ein schwingungsdämpfendes
Befestigungselement für optische
Beobachtungsinstrumente hervor. Das System umfasst mehrere Stützelemente.
Zwischen ihnen sind eine Feder und ein Stoßdämpfer, vorzugsweise ein Fluid-Stoßdämpfer angeordnet,
um ein sich selbst dämpfendes
System zu erzielen. Die Feder kann eine Schraubenfeder sein, und
der Stoßdämpfer kann
ein Stoßdämpfer mit
steifem Zylinder sein. Das schwingungsdämpfende Befestigungselement
erfordert immer eine Feder und einen separaten Dämpfer.
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine passive Schwingungsisolationsvorrichtung
zum Verringern der Schwingungsüberfragbarkeit
in einem großen
Frequenzbereich gemäß Anspruch
1. In einer bevorzugten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung weist eine Schwingungsisolationsvorrichtung mehrere Netto-Null-Effektiv-Steifigkeitselemente
auf. Insbesondere wird eine Konfiguration aus zwischen Laufringen
eingeschlossenen Kugeln in Kombination mit konischen Scheiben mit im
Wesentlichen null betragender Tangentensteifigkeit und einer großen Sekantensteifigkeit,
wie zum Beispiel Belleville- und/oder ZK-Scheiben, eingesetzt. Zusätzlich erleichtert
eine andere Konfiguration die Umkonfiguration der konischen Scheiben,
um sie auf leichtere und schwerere Lasten abzustimmen.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Es
folgt eine Beschreibung der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden
Zeichnungen, in denen die gleichen Bezugszeichen allgemein gleiche Elemente
bezeichnen. Es zeigt:
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1 eine
perspektivische Darstellung einer Schwingungsisolationsplattform,
die von drei Schwingungsisolationsvorrichtungen ("SIV") gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung abgestützt wird;
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2 eine
perspektivische Darstellung einer der in 1 gezeigten
SIV, wobei von der gezeigten Ausführungsform Teile entfernt wurden;
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3 eine
Schnittdarstellung eines Teils der in 2 gezeigten
Vorrichtung;
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4 eine
Draufsicht auf eine Belleville-Scheibe gemäß der vorliegenden Erfindung;
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5 einen
Schnitt durch die in 4 gezeigte Belleville-Scheibe
entlang der Linie 5-5;
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6 einen
Schnitt durch in einer Reihenanordnung gestapelte Belleville-Scheiben gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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7 einen
Schnitt durch in einer parallelen Anordnung gestapelte Belleville-Scheiben gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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8 eine
Draufsicht auf eine ZK-Scheibe, die erfindungsgemäß eingesetzt
wird;
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9 einen
Schnitt durch die in 8 gezeigte ZK-Scheibe entlang
der Linie 9-9;
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10 eine
Draufsicht auf eine weitere ZK-Scheibe gemäß der vorliegenden Erfindung;
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11 einen
Schnitt durch die in 10 gezeigte ZK-Scheibe entlang
der Linie 11-11;
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12 eine
Draufsicht auf noch eine weitere ZK-Scheibe gemäß der vorliegenden Erfindung;
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13 einen
Schnitt durch die in 12 gezeigte ZK-Scheibe entlang
der Linie 13-13;
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14 eine
perspektivische Darstellung einer SIV gemäß einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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15 eine
perspektivische Darstellung der in 14 gezeigten
SIV, von der Teile der gezeigten Ausführungsform entfernt wurden;
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16 eine
weitere perspektivische Darstellung der in 14 gezeigten
SIV, bei der Teile der gezeigten Ausführungsform entfernt wurden;
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17 noch
eine weitere perspektivische Darstellung der in 14 gezeigten
SIV, wobei Teile der gezeigten Ausführungsform entfernt wurden;
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18 eine
perspektivische Darstellung einer SIV gemäß einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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19 eine
perspektivische Darstellung einer SIV von oben gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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20 eine
perspektivische Darstellung der in 19 gezeigten
SIV von unten;
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21 eine
Draufsicht auf die in 19 gezeigte SIV;
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22 einen
Schnitt durch die in 19 gezeigte SIV entlang der
Linie 22-22;
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23 eine
perspektivische Darstellung einer SIV-Ausführungsform, wobei Teile der
gezeigten Ausführungsform
entfernt wurden;
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24 eine
perspektivische Darstellung einer SIV;
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25 eine
perspektivische Darstellung der in 24 gezeigten
SIV, wobei Teile der gezeigten Ausführungsform entfernt wurden;
und
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26 einen
Schnitt durch eine SIV-Ausführungsform.
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Die
Ausführungsformen
der 23 bis 26 sind
nicht Teil der Erfindung, da sie nicht vom Gegenstand des Anspruchs
1 abgedeckt werden.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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Eine
Schwingungsisolationsvorrichtung ("SIV")
gemäß den verschiedenen
Aspekten der vorliegenden Erfindung sieht ein geeignetes System zum
Verringern der Übertragbarkeit
von Mikroschwingungen zwischen der Umgebung und schwingungsempfindlichen
oder schwingungserzeugenden Geräten
vor, wie zum Beispiel chemisch-mechanischen Planarisierungsmaschinen
(CMP-Maschinen), Siliziumwaver und Speicherscheiben-Poliermaschinen
und -Schleifmaschinen, Siliziumbarren-Schneidemaschinen, lithografischen
Geräten, Mikroskopen
und dergleichen. Um ein gründliches Verständnis der
vorliegenden Erfindung zu ermöglichen,
führt die
folgende Beschreibung eine Vielzahl spezifischer Einzelheiten, wie
zum Beispiel spezifische Parameter, Komponenten und dergleichen
auf. Diese spezifischen Einzelheiten brauchen jedoch zur Umsetzung
der vorliegenden Erfindung in die Praxis nicht verwendet zu werden.
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Mit
Bezug auf 1 sind mehrere SIV 102 in geeigneter
Weise in eine Schwingungsisolationsplattform 100 integriert.
Insbesondere befestigen mehrere Schrauben 108 Bünde 110 von
SIV 102 an Befestigungslaschen 106, die ihrerseits
durch mehrere Schrauben 112 an der Plattform 104 befestigt sind.
Die SIV 102 können
jedoch auch unter der Verwendung eines beliebigen anderen geeigneten
Verfahrens an der Plattform 104 befestigt sein. Zum Beispiel
können
die SIV 102 auch auf die Plattform 104 geschweißt werden.
Alternativ dazu können
die SIV 102 direkt an der abzustützenden Vorrichtung befestigt
werden.
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Die
SIV 102 enthält
mehrere nicht lineare Federanordnungen zum Isolieren der Übertragung
von Mikroschwingungen in bis zu sechs Freiheitsgraden über einen
großen
Bereich von Schwingungsfrequenzen. Insbesondere weist unter Bezugnahme
auf 2 bei der vorliegenden Erfindung die SIV 102 zur breitbandigen
Schwingungsisolation hauptsächlich
in der X-Y-Ebene eine Konfiguration von mehreren Kugeln 204 auf,
die zwischen Laufringen 222 und 224 angeordnet
sind, sowie mehrere konische Scheiben 206 und 208 zur
Schwingungsunterdrückung
in der Y-Z- und der X-Z-Ebene und um die X- und die Y-Achse auf.
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Der
untere Abschnitt 114 und der obere Abschnitt 202 sind
in geeigneter Weise mit im Wesentlichen übereinstimmenden kreisrunden
Laufringen 222 bzw. 224 mit im Wesentlichen konischen
Querschnittsprofilen und gerundeten Scheitelpunkten ausgebildet.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind
die Scheitelradien der Laufringe 222 und 224 im Vergleich
zu dem Radius der Kugeln 204 groß. Die Laufringe 222 und 224 können unter
der Verwendung eines beliebigen geeigneten Verfahrens hergestellt werden.
Zum Beispiel können
die Abschnitte 114 und 202 mit den Laufringen 222 und 224 gegossen
oder geformt werden. Alternativ dazu können die Laufringe 222 und 224 auch
in die Abschnitte 114 und 202 gefräst oder
spanabhebend eingeschnitten werden. Zusätzlich können die Abschnitte 114 und 202 aus
einem beliebigen geeigneten steifen Material (z.B. Metall, Keramik
und dergleichen) hergestellt werden. In einer am meisten bevorzugten
Ausführungsform
werden die Abschnitte 114 und 202 aus Stahl hergestellt.
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Mehrere
Kugeln 204 sind zwischen den Laufringen 222 und 224 in
mehreren in einem Haltering 220 ausgebildeten Löchern angeordnet.
Bei der vorliegenden Erfindung werden drei Kugeln verwendet, weshalb
im Haltering 220 drei Löcher
ausgebildet sind. Insbesondere hält
der Haltering 220 die Kugeln in im Wesentlichen gleichen
Abständen
von ungefähr 120° zur Ermöglichung
einer gleichen Verteilung des Gewichts der abzustützenden
Vorrichtung. Je nach der besonderen Anwendung kann jedoch eine beliebige
Anzahl von Kugeln in beliebigen gewünschten Intervallen angeordnet
werden. Zum Beispiel können sechs
Kugeln in Abstandschritten von 60° zum
Abstützen
schwerer Lasten verwendet werden. Außerdem können die mehreren Kugeln 204 aus
einem geeigneten harten und glatten Material (z.B. Stahl, Aluminium
und dergleichen) hergestellt werden.
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Wenn
die SIV 102 nicht in der X-Y-Ebene verschoben wird, ruhen
die mehreren Kugeln 204 an den Scheiteln der Laufringe 222 und 224.
Wenn mit Bezug auf 3 der Basisabschnitt 114 und/oder
der obere Abschnitt 202 entlang der X-Y-Ebene verschoben wird, verschiebt sich
die Kugel 204 auf die geneigten Wände der Laufringe 222 und 224 (aus
Gründen
der Übersichtlichkeit
ist nur eine Kugel gezeigt und beschrieben). Aufgrund der Schwerkraft
wird eine Kraft 300 senkrecht zur Oberfläche der
geneigten Wände
der Laufringe 222 und 224 angewendet. Die Kraft 300 kann
in eine waagrechte Kraft und eine senkrechte Kraft 304 aufgelöst werden.
Die waagrechte Kraft 302 wirkt so als eine Rückstellkraft
zum Rückstellen
der Kugel 204 in ihre Ruheposition, wodurch die SIV 102 rückgestellt
wird. Zusätzlich
trägt der
Haltering 220 aufgrund der Reibung eine geringe Dämpfung bei.
Demgemäß ist der
Haltering 220 vorzugsweise aus einem Polytetrafluorethylen-Material wie
zum Beispiel dem kommerziellen Produkt Teflon® oder
einem anderen geeigneten Material mit geringer Reibung hergestellt.
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Da
außerdem
die Neigung der Laufringe 222 und 224 im Wesentlichen
konstant ist, ist auch die Rückstellkraft
(d.h. waagrechte Kraft 302) im Wesentlichen konstant und
von der Frequenz und Amplitude der Verschiebungen in der X-Y-Ebene
im Hubbereich der Laufringe 222 und 224 (d.h.
im Wesentlichen der Querschnittsbreite der Laufringe 222 und 224)
unabhängig.
Demgemäß hat die
Konfiguration aus den mehreren Kugeln 204, die zwischen
den Laufringen 222 und 224 eingeschlossen sind,
vorzugsweise keine natürliche
Frequenz und sieht eine im Wesentlichen breitbandige Schwingungsisolation in
der X-Y-Ebene vor.
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Wieder
mit Bezug auf 2 ist eine erste Vielzahl konischer
Scheiben 206 zwischen dem oberen Abschnitt 202 und
dem Bund 110 angeordnet. Zusätzlich ist eine zweite Vielzahl
konischer Scheiben 208 zwischen dem Bund 110 und
dem Lasteinstelldeckel 210 angeordnet. Die konischen Scheiben 206 und 208 sind
so ausgelegt, dass sie die Charakteristiken nicht linearer Federelemente
mit einer hohen Sekantensteifigkeit für Schwingungen mit großer Amplitude
und eine im Wesentlichen null betragende Tangentensteifigkeit für Mikroschwingungen
aufweisen.
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Bei
der vorliegenden Ausführungsform
können
die konischen Scheiben 206 Belleville-Scheiben sein, die
in geeigneter Weise so ausgelegt sind, dass sie eine im Wesentlichen
null betragende Tangentensteifigkeit und eine hohe Sekantensteifigkeit
aufweisen. Insbesondere ist mit Bezug auf die 4 und 5 die
Belleville-Scheibe 400 günstigerweise mit einem konischen
Abschnitt 404 konfiguriert, der sich vom Innenumfang 402 zum
konzentrischen Außenumfang 406 erstreckt.
Wenn ein Kompressionsdruck entlang der Umfänge 402 und 406 angelegt
wird, reagiert die Belleville-Scheibe 400 mit einer Steifigkeitscharakteristik,
die teilweise durch ihr Aspektverhältnis (d.h. das Verhältnis der
Höhe 500
zur Dicke 502) bestimmt wird. Insbesondere ist von Belleville-Scheiben
mit einem Aspektverhältnis
von ungefähr
1,5 bekannt, dass sie eine im Wesentlichen null betragende Tangentensteifigkeit
und eine hohe Sekantensteifigkeit im Hubbereich von ungefähr 2 h/3
zu h haben, wobei h die Höhe
500 ist.
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Zusätzlich mit
Bezug auf die 6 und 7 können die
Belleville-Scheiben in einer Reihe (wie in 6 gezeigt),
parallel (wie in 7 gezeigt) oder in einer beliebigen
Kombination davon gestapelt sein, um ihre Fähigkeit zum Tragen schwererer
Lasten zu erhöhen.
Das Stapeln von Belleville-Scheiben vergrößert jedoch das Profil der
SIV 102, was in manchen Anwendungen unerwünscht sein
kann. Zum Beispiel kann es sein, dass eine SIV 102 mit
einem hohen Profil die Last auf eine unerwünschte oder den Betrieb beeinträchtigende
Höhe anhebt.
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Alternativ
dazu können
die konischen Scheiben 206 ZK-Scheiben sein, die eine im
Wesentlichen null betragende Tangentensteifigkeit und eine hohe Sekantensteifigkeit ähnlich wie
bei den Belleville-Scheiben haben, die jedoch schwerere Lasten tragen
können.
Insbesondere weist mit Bezug auf die 8 und 9 die
ZK-Scheibe 700 konzentrische Abschnitte 702 und 704 auf.
Der Abschnitt 702 hat ein hohes Aspektverhältnis h/t
(d.h. das Verhältnis von
der Höhe
800 zur Dicke 804) und hat der Abschnitt 704 ein niedrigeres
Aspektverhältnis
h/t (d.h. das Verhältnis
der Höhe
800 zur Dicke 802). In einer bevorzugten Ausführungsform haben die Abschnitte 702 und 704 Aspektverhältnisse
von ungefähr
2 bzw. 0,8. Auf diese Weise ist die Tangentensteifigkeit der Abschnitte 702 und 704 im
Wesentlichen gleich und mit entgegengesetztem Vorzeichen in der
Nähe von h/6
des Hubs von 2 h/3, wobei h die Höhe 800 ist. Die Tangentensteifigkeit
des Abschnitts 704 ist vorzugsweise geringfügig höher als
diejenige des Abschnitts 702, um ein Versagen des Abschnitts 702 zu
verhindern. Außerdem
können
auch die Aspektverhältnisse der
Abschnitte 702 und 704 umgekehrt werden, ohne dass
dadurch die Leistungscharakteristiken der ZK-Scheibe geändert werden.
Auf diese Weise sieht in ähnlicher
Weise zu Belleville-Scheiben die ZK-Scheibe 700 eine im
Wesentlichen null betragende Tangentensteifigkeit und eine hohe
Sekantensteifigkeit im Bereich von 2 h/3 zu h vor, wobei h die Höhe 800 ist.
Im Vergleich zu Belleville-Scheiben hat die ZK-Scheibe 700 jedoch
ein kleineres Höhenprofil
und kann schwerere Lasten tragen. Zusätzlich können ähnlich wie die Belleville-Scheiben
auch ZK-Scheiben in Reihe, parallel oder einer beliebigen Kombination
davon gestapelt werden.
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ZK-Scheiben
können
unter Einsatz eines beliebigen herkömmlichen Verfahrens hergestellt
werden. Zum Beispiel wird bei der vorliegenden Ausführungsform
die ZK-Scheibe 700 günstigerweise
durch das spannabhebende Bearbeiten der Abschnitte 702 und 704 hergestellt.
Unter Bezugnahme auf die 10 und 11 ist
die ZK-Scheibe 1000 günstigerweise
gestanzt. Alternativ dazu kann unter Bezugnahme auf die 12 und 13 die
zusammengesetzte Scheibe 1200 durch das Befestigen einer
Belleville-Scheibe 1300 an einer ZK-Scheibe 1302 hergestellt
werden.
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Nach
einem Aspekt der vorliegenden Erfindung können die konischen Scheiben 206 und 208 für leichtere
oder schwerere Lasten umkonfiguriert werden. Insbesondere kann unter
Bezugnahme auf 2 die Lasteinstellmutter 212 um
den Gewindeschaft 214 verdreht werden, um die Lasteinstellkappe 210 entsprechend
abzusenken oder anzuheben. Auf diese Weise können die konischen Scheiben 206 und 208 entsprechend
kalibriert werden, um eine fast null betragende Tangentensteifigkeit
und eine hohe Sekantensteifigkeit für leichtere oder schwerere
Lasten vorzusehen. Zum Beispiel werden für leichtere Lasten die Aspektverhältnisse
der konischen Scheiben 206 und 208 in entsprechender
Weise verringert, indem die Einstellmutter 212 gelöst wird,
wodurch die Einstellkappe 210 angehoben wird. Für schwerere Lasten
können
die Aspektverhältnisse
der konischen Scheiben 206 und 208 entsprechend
erhöht
werden, indem die Einstellmutter 212 angezogen wird, wodurch
die Einstellkappe 210 abgesenkt wird. Alternativ dazu können die
konischen Scheiben 208 auch bekannte Druckfedern sein,
so dass sie die konischen Scheiben 206 hauptsächlich vorkomprimieren. Zusätzlich ist
die Schraube 214 am unteren Ende 216 schwenkbar
am Basisanker 218 befestigt, um eine Verschiebung der SIV 102 um
die X-Achse zu ermöglichen.
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Da
die SIV 102 weder Leistungsversorgung noch Schmierung benötigt, ist
sie besonders gut zur Verwendung in Reinraumumgebungen geeignet.
In einer bevorzugten Ausführungsform
ist die SIV 102 im Wesentlichen ganz aus Stahl, Aluminium
und Teflon® ausgebildet.
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Unter
Bezugnahme auf die 14 bis 17 ist
gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung die SIV 1400 im
Wesentlichen so konfiguriert, dass sie eine Einstellung des Federaspektverhältnisses
der konischen Scheibe 1410 erlaubt. In einer bevorzugten
Ausführungsform
ist der Basisring 1412 günstigerweise in der Mitte der
konischen Scheibe 1410 zum Tragen einer Last konfiguriert.
Die konische Scheibe 1410 ist vorzugsweise in einem im
Wesentlichen kreisförmigen
Hohlraum 1418 angeordnet, der im oberen Abschnitt 1402 ausgebildet
ist. Insbesondere ruht, wie in 15 gezeigt, ein
Teil der unteren Oberfläche
der konischen Scheibe 1410 auf dem Absatz 1502 im
Hohlraum 1418 und kontaktiert die Außenumfangskante der konischen Scheibe 1410 die
Innenumfangsfläche
des Hohlraums 1418. Der Durchmesser des Hohlraums 1418 kann
durch entsprechendes Lösen
oder Anziehen der Justierschraube 1416 eingestellt werden,
um die Lücken 1414 und 1420 entsprechend
zu öffnen
oder zu schließen.
Alternativ dazu kann auch eine Einstellschelle, wie zum Beispiel
eine Schlauchschelle, um die Außenumfangsfläche des
oberen Abschnitts 402 angebracht werden. Auf diese Weise
kann das Aspektverhältnis
der konischen Scheibe 1410 zur Verwendung mit leichten
oder schwereren Lasten kalibriert werden. Zum Beispiel wird für leichtere
Lasten das Aspektverhältnis
der konischen Scheibe 1410 durch Lösen der Justierschraube 1416 zum Öffnen der
Lücken 1414 und 1420 verringert.
Für schwerere Lasten
wird das Aspektverhältnis
der konischen Scheibe 1410 durch Anziehen der Justierschraube 1416 zum
Schließen
der Lücken 1414 und 1420 erhöht.
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Bei
der vorliegenden Erfindung weisen die konischen Scheiben 1410 Elemente
mit einer im Wesentlichen null betragenden Tangentensteifigkeit (z.B.
Belleville-Scheiben, ZK-Scheiben und dergleichen) auf. Wie schon
zuvor erörtert,
können
die ZK-Scheiben jedoch zum Tragen schwererer Lasten als die anderen
bekannten konischen Scheiben, wie zum Beispiel Belleville-Scheiben,
konfiguriert werden. Dafür
kann das senkrechte Profil der SIV 1400 durch die Verwendung
der ZK-Scheiben verringert werden. Deshalb ist in einer am meisten
bevorzugten Ausführungsform
eine einzige ZK-Scheibe zum Funktionieren mit der SIV 1400 ausgelegt.
Wenn die SIV 1400 auf diese Weise ausgelegt ist, ist sie
insbesondere zum Isolieren von Schwingungen an den Füßen von
Werkzeugmaschinen (z.B. CMP-Maschinen, Lithographiegeräten und
dergleichen) geeignet.
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Die
SIV 1400 weist auch im Wesentlichen übereinstimmende kreisförmige Laufringe 1510 und 1512 auf,
die im unteren Abschnitt 1404 bzw. im oberen Abschnitt 1402 ausgebildet
sind. Mehrere Kugeln 1500 sind zwischen den Laufringen 1510 und 1520 angeordnet
und liegen in mehreren Löchern,
die (wie in 16 gezeigt) im Haltering 1406 ausgebildet sind.
Bei der vorliegenden Ausführungsform
sind sechs Kugeln vom Haltering 1406 in Abstandsschritten
von 60° im
Wesentlichen gleich beabstandet. Die Laufringe 1510 und 1512 haben
im Wesentlichen konische Querschnitte mit gerundeten Scheiteln.
Die horizontale Verschiebung der SIV 1400 verursacht eine
Verschiebung der mehreren Kugeln 1500 auf den konischen
Querschnitten der Laufringe 1510 und 1512. Die
Schwerkraft stellt dann die mehreren Kugeln 1500 in die
Scheitel der Laufringe 1510 und 1512 zurück. Dementsprechend
ermöglicht
die im Wesentlichen konstante Neigung der konischen Abschnitte der
Laufringe 1510 und 1512 eine breitbandige Schwingungsisolation
in der waagrechten Ebene. Wenn sich außerdem die mehreren Kugeln 1500 dem
Ende ihrer Hublänge
nähern, üben die
Federringe 1408 eine kleine Druckkraft aus, um die mehreren Kugeln 1500 in
ihre Ruhepositionen zurückzudrücken. Die
Federringe 1408 halten auch die oberen und unteren Abschnitte 1402 und 1404 während der Lieferung,
des Transports und der Installation zusammen. Außerdem helfen die Federringe 1408 vorzugsweise
beim Zentrieren der mehreren Kugeln 1500 und der Laufringe 1510 und 1512 vor
dem Belasten.
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Unter
Bezugnahme auf 18 ist gemäß einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung die SIV 1800 als eine Vorrichtung
mit besonders niedrigem Profil konfiguriert. Die SIV 1800 enthält einen
unteren und einen oberen Ring 1802 bzw. 1806,
die mit im Wesentlichen übereinstimmenden kreisförmigen Laufringen 1816 bzw. 1818 ausgelegt sind.
Mehrere Kugeln 1810 sind zwischen den Laufringen 1816 und 1818 angeordnet
und liegen in mehreren Löchern,
die in einem Haltering 1804 ausgebildet sind. Eine konische
Scheibe 1812 ist auf dem Absatz 1820 konfiguriert,
der um den Innenumfang des oberen Rings 1806 ausgebildet
ist. In einer Art und Weise, die den zuvor beschriebenen Ausführungsformen ähnelt, ist
die Konfiguration der Kugeln 1810 zwischen den Laufringen 1816 und 1818 eingeschlossen
und sieht die konische Scheibe 1812 eine breitbandige Schwingungsisolation
für eine
auf dem Basisring 1814 angebrachte Last. In einer bevorzugten
Ausführungsform
sind drei Kugeln bei 120° gleich beabstandet
und ist die konische Scheibe 1812 vorzugsweise eine Belleville-
oder ZK-Scheibe mit Aspektverhältnissen
von 1,5.
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In
einer am meisten bevorzugten Ausführungsform ist der Durchmesser
der SIV 1800 zwischen 7,62 und 22,86 cm (3 bis 9 Zoll)
und die Höhe 2,54
cm (1 Zoll) oder weniger. Die Hublänge in allen Richtungen beträgt 4,8 mm
(3/16 Zoll) und die natürliche
Frequenz ist 1/5 Hertz für
ein ideal ausgewogene Ladung und zwei Hertz bei plus oder minus
50% der ideal ausgewogenen Ladung, wobei die ideal ausgewogene Ladung
1812 kg (4000 Pfund) wiegt.
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Mit
Bezug auf die 19 bis 22 weist gemäß noch einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung die SIV 1900 einen oberen Teil 1930,
einen unteren Teil 1940 und mehrere konische Scheiben 2220 auf,
die zwischen dem oberen Teil 1930 und dem unteren Teil 1940 angeordnet sind.
Der obere Teil 1930 und der untere Teil 1940 sind
in geeigneter Weise mit Bohrungen 2060 bzw. 2250 konfiguriert.
Eine Druckfeder 2240 erstreckt sich in geeigneter Weise
durch die Bohrungen 2060 und 2250 und ist durch
einen Ankerstift 1920 am oberen Teil 1930 und
durch einen Ankerstift 2010 am unteren Teil 1940 befestigt.
Die Druckfeder 2240 wirkt auf mehrere konische Scheiben 2250 eine
Vorkompressionskraft aus, so dass die mehreren konischen Scheiben 2250 eine
im Wesentlichen null betragende Tangentensteifigkeit und eine hohe
Sekantensteifigkeit aufweisen. Demgemäß sieht die SIV 1900 eine breitbandige
Isolation von Schwingungen hauptsächlich entlang der Z-Achse
vor. In einer bevorzugten Ausführungsform
sind die mehreren konischen Scheiben 2250 Belleville- oder
ZK-Scheiben mit Aspektverhältnissen
von ungefähr
1,5.
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Mit
Bezug auf 23 weist die SIV 2300 eine
Basis 2310, eine Befestigungslasche 2330 und eine
Justierkappe 2350 auf. Mehrere konische Scheiben 2320 und 2340 sind
in günstiger
Weise zwischen der Basis 2310 und der Lasche 2330 und
zwischen der Lasche 2330 bzw. der Justierkappe 2350 angeordnet.
Eine Justierschraube 2360 erstreckt sich von der Basis 2310 nach
oben durch die Befestigungslasche 2330 und ist günstigerweise
mit der Justiermutter 2370 an der Justierkappe 2350 befestigt.
Die mehreren konischen Scheiben 2320 und 2340 können durch
Anziehen oder Lösen
der Justierschraube 2370 für leichtere oder schwerere
Lasten kalibriert werden. Insbesondere ist, wenn die Justierschraube 2360 in
geeigneter Weise angezogen wird, die Justiermutter 2370 mit
mehreren Gewindegängen
der Justierschraube 2360 in Eingriff und wird die Justierkappe 2350 abgesenkt,
um die mehreren konischen Scheiben 2320 und 2340 zusammenzudrücken. Umgekehrt
wird, wenn die Justierschraube 2360 in geeigneter Weise
gelöst
wird, die Justierkappe 2350 angehoben, um es den mehreren
konischen Scheiben 2320 und 2340 zu erlauben,
sich auszudehnen.
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Die
Befestigungslasche 2330 ist in geeigneter Weise mit einer
Last verbunden, und die mehreren Scheiben 2320 und 2340 sehen
eine Breitbandisolation von Schwingungen hauptsächlich entlang der Z-Achse
vor. In einer bevorzugten Ausführungsform
sind die mehreren konischen Scheiben 2320 und 2340 Belleville-
oder ZK-Scheiben.
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Mit
Bezug auf die 24 und 25 weist die
SIV 2400 einen Basisring 2406, eine ZK-Scheibe 2402,
ein Kompressionsband 2408 und eine Justierschraube 2410 auf.
Günstigerweise
wird eine Last auf dem Basisring 2406 angebracht. Die ZK-Scheibe 2402 weist
eine im Wesentlichen null betragende Tangentensteifigkeit und eine
hohe Sekantensteifigkeit auf, wodurch hauptsächlich entlang der Z-Achse eine
breitbandige Schwingungsisolation vorgesehen wird. Insbesondere
ist die ZK-Scheibe 2402 vorzugsweise
eine zweizügige
ZK-Scheibe, so dass der senkrechte Querschnitt der ZK-Scheibe 2402 im
Wesentlichen gleich dem waagrechten Querschnitt ist. Demnach sind
die auf die ZK-Scheibe 2402 wirkenden Belastungen im Wesentlichen
gleichmäßig. Außerdem ist
das Kompressionsband 2408 in geeigneter Weise um den Außenumfang
der SIV 2400 konfiguriert, so dass das Federaspektverhältnis der ZK-Scheibe 2402 durch
ein entsprechendes Lösen oder
Anziehen der Justierschraube 2410 verändert werden kann.
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Unter
Bezugnahme auf 26 enthält eine SIV 2600 einen
Rahmen 2610, eine Anordnung 2690 aus einer Kugel
in einem Konus, eine konische Scheibe 2670 und eine Federaspektverhältnis-Justierschraube 2680.
Die Anordnung aus der Kugel in der Ausnehmung 2690 enthält konische
Ausnehmungen 2700 und 2710, die im oberen Abschnitt 2630 bzw.
im unteren Abschnitt 2640 ausgebildet sind. Die Kugel 2620 ist
vorzugsweise zwischen den Ausnehmungen 2700 und 2710 angeordnet
und liegt in einem Loch, das im Haltering 2650 ausgebildet
ist. In ähnlicher
Weise zu den vorher beschriebenen Konfigurationen aus Kugeln und
Laufringen sieht die Anordnung 2690 der Kugel in der Ausnehmung
eine Breitbandisolation gegenüber
Schwingungen entlang der waagrechten Ebene vor.
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Die
konische Scheibe 2670 ist vorzugsweise in einem im Wesentlichen
kreisförmigen
Innenraum des Rahmens 2610 angeordnet. Die Justierschraube 2680 kann
in geeigneter Weise gelöst
oder angezogen werden, um das Federaspektverhältnis der konischen Scheibe 2670 zu
verringern bzw. zu erhöhen. Auf
diese Weise sieht die konische Scheibe 2670 eine breitbandige
Isolation entlang der senkrechten Ebene für auf dem oberen Abschnitt 2630 angebrachte
Lasten vor. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die konische
Scheibe 2670 vorzugsweise eine Belleville- oder eine ZK-Scheibe.
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Auch
wenn spezifische Ausführungsformen und
Parameter beschrieben wurden, so können doch nach der Lektüre der vorliegenden
Offenbarung verschiedene Modifikationen ersichtlich sein. Zum Beispiel
wurden in den verschiedenen Ausführungsformen
zwar Belleville- und ZK-Scheiben als konische Scheiben verwendet,
doch können
auch andere geeignete nicht lineare Federelemente mit den erforderlichen
Steifigkeitscharakteristiken, wie zum Beispiel aus EPDM-Kautschuk,
verwendet werden.