JP2004251317A - 除振装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】負の剛性に非線形性要素を用いると共に、正の剛性にも非線形性を有する要素を用いて１つの線形要素を構成し、地動外乱に対し振動絶縁性能を確保しつつ、任意の直動外乱に対し高い剛性を確保する。
【解決手段】除振装置は、永久磁石５１，５２を反発させて所定の正のばね定数を有する磁気ばねによって下部が床６に支持されると共に、前記下部に電磁石４を設けた中間台１と、床６と中間台１との間において電磁石４に対向する位置に永久磁石３を設けると共に、電磁石４及び永久磁石３から成り且つ所定の負のばね定数を有する磁気浮上機構によって中間台１に支持された除振テーブル２とを有し、前記磁気ばねと磁気浮上機構とが直列に接続されている。前記磁気ばね及び磁気浮上機構は除振テーブル２上の任意の荷重に対してばね定数の絶対値が等しくなるような非線形性を有し、前記除振装置はこれら２つの非線形要素を組み合わせて１つの線形要素を構成する。
【選択図】 図１
【解決手段】除振装置は、永久磁石５１，５２を反発させて所定の正のばね定数を有する磁気ばねによって下部が床６に支持されると共に、前記下部に電磁石４を設けた中間台１と、床６と中間台１との間において電磁石４に対向する位置に永久磁石３を設けると共に、電磁石４及び永久磁石３から成り且つ所定の負のばね定数を有する磁気浮上機構によって中間台１に支持された除振テーブル２とを有し、前記磁気ばねと磁気浮上機構とが直列に接続されている。前記磁気ばね及び磁気浮上機構は除振テーブル２上の任意の荷重に対してばね定数の絶対値が等しくなるような非線形性を有し、前記除振装置はこれら２つの非線形要素を組み合わせて１つの線形要素を構成する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、除振装置に関し、より詳細には、精密加工，計測等の分野における各種機器の加工テーブルを外乱から絶縁するための除振装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、半導体デバイス製造システムや極微小領域計測システムでは、急速に高精度化、高性能化してきており、これらのシステムにおいて、振動等の外乱を除去するための除振、防振装置の重要性が増大してきている。このような除振装置で除去すべき振動外乱は、設置床からの振動に起因する地動外乱と、装置の防振部材に入力される直動外乱とに大きく分けることができる。前者の場合、低剛性の機構が適しており、後者には高剛性の機構が適している。
【０００３】
従来の除振装置として、地動外乱を絶縁して除振するパッシブ型除振装置があるが、これは、床からの振動伝達率を低くするためにばね定数ｋを小さくしてばね剛性を小さくすると、除振テーブル上の質量変化や、除振テーブルに作用する荷重の変化等のばね上での外乱に対して弱くなってしまう。そのため、ばね上での外乱に対してはある程度ばね剛性を大きくする必要がある。このように除振装置には、地動外乱吸収のための低剛性機構と、位置や姿勢保持のための高剛性機構とを両立させるための特性が要求される。通常の正のばね定数を有するばねを直列に結合すると、結合してできたばね定数は、結合前のばね定数より小さくなってしまう。従って、これらの従来のばねのみを使用した除振装置では質量変化や振動等のばね上での外乱に対して高い剛性を確保することは極めて困難であることから、アクティブ型除振装置が提案されている。
【０００４】
上記除振装置において、永久磁石間の反発力を利用する磁気浮上機構を用いたものがある。これは、通常の除振装置でよく用いられている空気ばねに代わるばね要素として利用することができる。最近の永久磁石材料の高性能化は目覚しく、小さな磁石でもかなり大きな支持力を得ることができる。この磁気浮上機構では、浮上側と支持側に用いる物質の組み合わせによって、各種の方式が可能となる。これらの中で除振装置に主に利用されているのは、
（１）永久磁石間の反発力を利用する方式
（２）常電導電磁石と強磁性体との間に働く吸引力を利用する方式
等がある。
【０００５】
図９は、ばねを直列に結合した状態を示す図である。ばね定数ｋ１，ｋ２を持つ２つのばねを直列に結合して１つのばねを作ると、そのばね定数ｋｃは下記の式（１）により求まる。
ｋｃ＝ｋ１・ｋ２／ｋ１＋ｋ２ 式（１）
ここで、仮に負のばね定数を持つばねが実現できた場合、
ｋ１＝−ｋ２ 式（２）
という関係を満たすようになれば、
｜ｋｃ｜＝∞ 式（３）
すなわち、理論上無限大の剛性を得ることができる。
【０００６】
上記関係を利用すると、地動外乱に対する振動絶縁特性を保ちながら、直動外乱に対しては高い剛性を有する支持機構を実現できる可能性がある。具体的には、それぞれの剛性を低くすることによって振動絶縁特性を確保し、両者の大きさを一致させることにより、直動外乱に対する剛性を無限大とする。そして、負のばね特性を持つ支持機構は、零パワー磁気浮上機構を用いることによって実現することができる。
【０００７】
上記した零パワー磁気浮上制御は、電磁石と永久磁石とを組み合わせた複合磁石を用いた吸引形磁気浮上系において、浮上対象物の重量を永久磁石だけで支持し、電磁石の制御電流を定常的には零に保つ制御方法である。
図１０は、零パワー磁気浮上機構の特徴を説明するための図である。図１０（Ａ），（Ｂ）において、３１は質量ｍの物体、３２は荷重、３３はばね、３４は電磁石、３５は永久磁石である。図１０（Ａ）に示すように、通常のばね系では、ばね３３で支持されている質量ｍの物体３１に作用する重力がΔｍｇ、つまり荷重３２の質量Δｍだけ増えたとすると、ばね３３は伸びるので、物体は重力と同じ方向へ変移する。これに対し、零パワー磁気浮上機構では、図１０（Ｂ）に示すように、電磁石３４から引き離す方向に一定の外力が浮上対象物（物体３１＋荷重３２）に作用すると、定常的には電磁石３４と浮上対象物との間のギャップが減少する。言い換えると、あたかも「負」の剛性を持っているかのように動作する。
【０００８】
上記零パワー磁気浮上機構を用いた除振装置として、地動外乱に対する振動絶縁性能を損なうことなく、直動外乱に対する高い剛性を確保して、高い除振機能を発揮して精密加工等を可能としたものが開示されている。（例えば、特許文献１、非特許文献１参照）
【０００９】
図１１は、従来の零パワー磁気浮上機構を用いた除振装置の基本的な構成例について示した図で、図中、４１は中間台、４２は除振テーブル、４３は永久磁石、４４は電磁石、４５はばね定数ｋを持つばね、４６は床面、４７は減衰要素である。このばね係数ｋを持つ正のばね４５及び減衰要素４７によって支持された中間台４１には、磁気浮上用の電磁石４４が固定されている。除振テーブル４２において、電磁石４４に面する箇所には、零パワー磁気浮上用の永久磁石４３と強磁性体が取り付けられている。この除振装置の除振テーブル４２に作用する直動外乱に対する挙動は、以下のようになる。
電磁石４４の吸引力／変位係数をｋｓとする（これが負の剛性の大きさとなる）。除振テーブル４２に下向きに一定の力が加わると、零パワー制御の作用によって、電磁石４４と除振テーブル４２とのギャップは狭くなっていく。言い換えると、除振テーブル４２は上向き変位しようとする。ところが、ギャップが狭くなって磁石の吸引力が増加すると、この力によってばね４５は圧縮されるので、中間台４１は下向きに変位する。この２つの変位がちょうど相殺されるように設定されていると、すなわちｋ＝ｋｓとなるように設定されていると、結果的には除振テーブル４２は全く変位しないことになる。
【００１０】
【特許文献１】
特開２００２−８１４９８号公報
【非特許文献１】
精密工学会誌 ＶＯＬ．６８，Ｎｏ．９，２００２（１１８０頁〜１１８３頁）
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した零パワー磁気浮上機構では、永久磁石の吸引力を応用して浮上力を得ているため、浮上ギャップと吸引力の関係には非線形性を有する。すなわち、除振テーブル上の質量、つまり浮上対象物の質量が変化すると浮上ギャップが変化し、その結果、零パワー磁気浮上機構が有する剛性が変化してしまう。「正の剛性」には線形ばねを利用しているため、除振テーブル上の質量の増減に伴い、除振装置が有する剛性は理論的にも有限値となり、直動外乱除去性能は低下してしまう。言い換えると、「正の剛性」のばねは線形性を有し、「負の剛性」の零パワー磁気浮上機構は非線形性を有することから、除振装置が有する剛性は有限となり、直動外乱に対する除振性能が低下することになる。
【００１２】
本発明は、上述のごとき実情に鑑みてなされたものであり、「負の剛性」に非線形性要素を用いると共に、「正の剛性」にも非線形性を有する要素を用いることにより、１つの線形要素を構成し、地動外乱に対する振動絶縁特性を確保しつつ、任意の直動外乱に対して高い剛性を確保して安定した除去性能を発揮することができる除振装置を提供すること、をその目的とし、より具体的には、正の剛性ｋ１を持った要素と負の剛性ｋ２を持った要素とを直列接続する場合に、任意の負荷に対して、ｋ１＝−ｋ２を成立させるような非線形性を有する正の剛性を持った要素を導入することにより、除振装置の剛性を略無限大とすること、を目的としてなされたものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、永久磁石の反発力によって底面に対して浮上支持された中間支持体と、該中間支持体の下部に電磁石（又は永久磁石）を設けると共に、該電磁石（又は永久磁石）に対向する位置に永久磁石（又は電磁石）を設け、該対向する位置に永久磁石（又は電磁石）を配設した浮上中間部材を前記中間支持体の上部側に支持された除振テーブルと連結したことを特徴としたものである。
【００１４】
請求項２の発明は、空気ばねによって底面に対して支持された中間支持体と、該中間支持体の下部に電磁石（又は永久磁石）を設けると共に、該電磁石（又は永久磁石）に対向する位置に永久磁石（又は電磁石）を設け、該対向する位置に永久磁石（又は電磁石）を配設した浮上中間部材を前記中間支持体の上部側に支持された除振テーブルと連結したことを特徴としたものである。
【００１５】
請求項３の発明は、能動制御されたアクチュエータによって底面に対して支持された中間支持体と、該中間支持体の下部に電磁石（又は永久磁石）を設けると共に、該電磁石（又は永久磁石）に対向する位置に永久磁石（又は電磁石）を設け、該対向する位置に永久磁石（又は電磁石）を配設した浮上中間部材を前記中間支持体の上部側に支持された除振テーブルと連結したことを特徴としたものである。
【００１６】
請求項４の発明は、請求項１乃至３のいずれか１の発明において、前記中間支持体を底面に対して支持する永久磁石又は空気ばね又は能動制御されたアクチュエータは所定の正のばね定数を有し、前記浮上中間部材は所定の負のばね定数を有することを特徴としたものである。
【００１７】
請求項５の発明は、請求項１乃至４のいずれか１の発明において、前記中間支持体を底面に対して支持する永久磁石又は空気ばね又は能動制御されたアクチュエータのいずれかと前記浮上中間部材とは、前記除振テーブル上に加えられた任意の負荷に対してばね定数の絶対値が等しくなるような非線形性を有することを特徴としたものである。
【００１８】
請求項６の発明は、請求項１乃至５のいずれか１の発明において、前記浮上中間部材は、前記除振テーブルに荷重されていない静止状態において、前記除振テーブルを該除振テーブルに設けた永久磁石の吸引力により前記中間支持体に支持すると共に、該中間支持体に設けた電磁石のコイル電流をゼロに保持し、前記除振テーブルに荷重された荷重状態において、該荷重による外力に応じた電流を前記電磁石に流して該電磁石に吸引力を発生させ、該発生させた吸引力と前記外力とが釣り合うように制御されることを特徴としたものである。
【００１９】
請求項７の発明は、請求項１乃至５のいずれか１の発明において、前記浮上中間部材は、前記除振テーブルに荷重されていない静止状態において、前記中間支持体を該中間支持体に設けた永久磁石の吸引力により前記除振テーブルを支持すると共に、該除振テーブルに設けた電磁石のコイル電流をゼロに保持し、前記除振テーブルに荷重された荷重状態において、該荷重による外力に応じた電流を前記電磁石に流して該電磁石に吸引力を発生させ、該発生させた吸引力と前記外力とが釣り合うように制御されることを特徴としたものである。
【００２０】
請求項８の発明は、請求項１乃至７のいずれか１の発明において、前記中間支持体（又は除振テーブル）は、電磁石と永久磁石とを組み合わせた複合磁石を下部に有し、前記除振テーブル（又は中間支持体）は、前記複合磁石に対向する位置に強磁性体を有することを特徴としたものである。
【００２１】
請求項９の発明は、請求項１乃至８のいずれか１の発明において、前記浮上中間部材の代わりに、所定の負のばね定数を有する能動制御されたアクチュエータを用いることを特徴としたものである。
【００２２】
請求項１０の発明は、請求項４又は９の発明において、前記所定の正のばね定数又は所定の負のばね定数を有する能動制御されたアクチュエータは、ボイスコイルモータ，リニアモータ，空気圧アクチュエータ，油圧アクチュエータ，圧電アクチュエータ，磁歪アクチュエータのいずれかであることを特徴としたものである。
【００２３】
請求項１１の発明は、永久磁石の反発力によって底面に対して浮上支持された複数の中間支持体と、該各中間支持体の下部に電磁石（又は永久磁石）を設けると共に、該電磁石（又は永久磁石）に対向する位置に永久磁石（又は電磁石）を設け、該対向する位置に永久磁石（又は電磁石）を配設した複数の浮上中間部材を前記各中間支持体の上部側に支持された除振テーブルと連結したことを特徴としたものである。
【００２４】
請求項１２の発明は、底面に立設する脚部を有し且つ該脚部から該底面に対して水平方向に突出した突出部の前記底面に対向する面に電磁石（又は永久磁石）を設けた略Ｌ字型の支柱を有し、該支柱に設けた電磁石（又は永久磁石）に対向する位置に永久磁石（又は電磁石）を設け、該対向する位置に永久磁石（又は電磁石）を配設した浮上中間部材を中間支持体と連結し、該連結した中間支持体は、永久磁石の反発力によって前記突出部の上部側に除振テーブルを浮上支持したことを特徴としたものである。
【００２５】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一実施形態に係わる零パワー磁気浮上機構を有する除振装置の基本的な構成例を示す図で、図中、１は中間台（中間支持体）、２は除振テーブル、３は永久磁石、４は電磁石、５１及び５２は永久磁石、６は床である。本実施形態の除振装置において、Ａは支持機構で、該支持機構Ａは、床６に設置した永久磁石５２と、中間台１の下部に設けた永久磁石５１とを反発させた磁気ばねからなり、この磁気ばねは正のばね特性、すなわち床６に対して所定の正のばね定数ｋ１（Ｎ／ｍ）を有すると共に、非線形特性を有するものとする。また、Ｂは前記した零パワー特性を有する磁気浮上機構（浮上中間部材）で、該磁気浮上機構Ｂは、除振テーブル２に設けた永久磁石３と、中間台１の下部に設けた電磁石４とからなり、負のばね特性、すなわち中間台１に対して所定の負のばね定数ｋ２（Ｎ／ｍ）を有すると共に、非線形特性を有するものとする。この支持機構Ａと磁気浮上機構Ｂとを直列に接続することによって、本除振装置上で発生する直動外乱に対して略無限大の剛性を有すると共に、床６に対して振動を絶縁することができる。すなわち、支持機構Ａにより床６から中間台１に伝わる振動を絶縁すると共に、磁気浮上機構Ｂにより中間台１から除振テーブル２に伝わる振動を絶縁する。
【００２６】
図１において、同一荷重での特性曲線（磁石間ギャップと荷重との関係を示す）の傾きが一致すれば、支持機構Ａ及び磁気浮上機構Ｂ双方の剛性の絶対値が等しいことになる。同様な非線形特性を有する支持機構Ａ及び磁気浮上機構Ｂの双方、すなわち２つの非線形要素を組み合わせることにより、１つの線形要素を構成することが可能となる。これによって、除振テーブル２に加えた荷重によるそれぞれの変位はうち消され、除振テーブル２の変位はなくなる。すなわち、本除振装置は、略無限大の剛性を安定して有せしめることができる。
【００２７】
なお、永久磁石による吸引力を増加させるために、永久磁石３と併用して強磁性体（図示せず）を除振テーブル２側に配設してもよく、また、永久磁石３を電磁石４の鉄心に埋め込んで複合磁石とし、除振テーブル２側には強磁性体のみを配設するようにしてもよい。また、電磁石４と永久磁石３の配置を逆、すなわち除振テーブル２側に電磁石４を、中間台１側に永久磁石３を配設し、電磁石４の吸引力を除振テーブル２に作用する荷重の増減に応じて増減させるようにしてもよい。この場合においても、永久磁石３と併用して強磁性体を中間台１側に配設してもよく、また、永久磁石３を電磁石４の鉄心に埋め込んで複合磁石とし、中間台１側には強磁性体のみを配設するようにしてもよい。
【００２８】
ここで、零パワー特性を有する磁気浮上機構Ｂについて説明する。
零パワー制御とは、電磁石と永久磁石とを組み合わせて構成される吸引型磁気浮上系で、図１に示すように、除振テーブル２の質量を永久磁石３の吸引力のみで支持すると共に、中間台１側の電磁石４のコイル電流を定常的にゼロに保持する制御方法のことをいう。上記磁気浮上機構Ｂは、この零パワー特性を備えたものである。この零パワー制御を行うための制御系については、後述の図３において説明するものとし、ここでの説明は省略するものとする。
【００２９】
ここで、支持機構Ａの非線形要素には、上記した所定の正のばね定数を有する磁気ばねの他に、例えば空気ばね等を含む非線形ばね、能動制御されたアクチュエータのいずれかを用いてもよい。また、磁気浮上機構Ｂの非線形要素には、上記した所定の負のばね定数を有する磁気浮上機構の他に、例えば、能動制御されたアクチュエータを用いてもよい。この所定の正のばね定数又は所定の負のばね定数を有する能動制御されたアクチュエータには、例えば、ボイスコイルモータ，リニアモータ，空気圧アクチュエータ，油圧アクチュエータ，圧電アクチュエータ，磁歪アクチュエータ等を好適に用いることができる。本発明の除振装置は、その用途に応じて上記した各種アクチュエータや、非線形ばね等を適宜組み合わせて構成することができるため、適用範囲が広い。
【００３０】
図２は、本除振装置の除振テーブル２に荷重を負荷した場合の状態遷移の一例について示した図である。図２に示すように、中間台１に設けられた電磁石４の吸引力を、永久磁石３を設けた除振テーブル２に付加された荷重による質量Δｍの増減に応じて増減させるように図示しない制御系によって適宜制御する。図２（Ａ）は、本除振装置の静止状態を示し、図２（Ｂ）は、除振テーブル２に質量Δｍの荷重をかけた場合の状態を示している。
【００３１】
ここで、電磁石４の吸引力／変位係数をｋ２（Ｎ／ｍ）とし（これが負の剛性の大きさとなる）、また、永久磁石５１及び５２を反発させた磁気ばねのばね定数をｋ１（Ｎ／ｍ）とする。除振テーブル２に下向きに一定の力が加わると、零パワー制御の作用によって、電磁石４と除振テーブル２とのギャップは狭くなっていく。言い換えると、除振テーブル２は上向き変位しようとする。ところが、ギャップが狭くなって磁石の吸引力が増加すると、この力によって磁気ばね（永久磁石５１及び５２）は圧縮されるので、中間台１は下向きに変位する。この２つの変位がちょうど相殺されるように設定されていると、すなわちｋ１（Ｎ／ｍ）＝ｋ２（Ｎ／ｍ）となるように設定されていると、結果的には除振テーブル２は全く変位しないことになる。
【００３２】
図３は、本発明に係わる零パワー磁気浮上制御系の特徴を説明するための図で、図中、１１は支持固定部、１２は除振テーブル、１３は永久磁石、１４は電磁石である。図３（Ａ）に示すように、除振テーブル１２は力が釣り合った状態で静止位置に停まっているが、図３（Ｂ）に示すように、Δｍの荷重がされた場合、除振テーブル１２に下向きの一定の外力が加わると、電磁石１４のコイルに電流を流して除振テーブル１２を引き上げようとする吸引力を発生させ、永久磁石１３による吸引力と下向きの力が釣り合うように制御され、図３（Ｃ）に示すように、ギャップが狭くなる位置で電磁石１４のコイルに流れる電流がゼロとなり静止状態となる。
【００３３】
上記のような動作を制御するための制御系２０は、図３（Ｄ）に示すように、除振テーブル１２の支持固定部１１（図１に示した中間台１に相当）に対する位置を検出する変位センサ２１と、変位センサ２１からの出力信号に基づいて電磁石１４のコイル電流を定常的にゼロに保持しつつ除振テーブル１２を浮上保持するための制御信号を生成する制御回路２２と、制御回路２２からの出力に従って電磁石１４のコイルに所定の電流を流す電力増幅器２３とを有する。これらの構成に基づいて上記零パワー制御を実現することができる。
【００３４】
図４は、本発明の除振装置における特性曲線の一例について示した図である。図４（Ａ）及び（Ｂ）において、縦軸に永久磁石間のギャップ（単位：ｍｍ）、横軸に荷重（単位：Ｎ）をとる。図４（Ａ）に示すように、支持機構Ａを構成する磁気ばねは非線形特性を示す。従来技術において示したような線形特性を有するばねを支持機構Ａに用いた場合、磁気浮上機構Ｂが非線形特性を示すことから、同一荷重において各機構の磁石間のギャップに差が生じ、直動外乱除去性能は低下してしまう。また、図４（Ｂ）に示すように、一方の磁気浮上機構Ｂも同様に非線形特性を示す。このように、双方の特性において同一荷重での特性曲線の傾きが一致すれば剛性の絶対値が等しいことになり、同様の特性を備えた２つの非線形要素を組み合わせることにより、１つの線形要素を構築することが可能となる。
【００３５】
図５は、本発明に係わる除振テーブルが示す特性曲線の一例を示した図である。正のばね定数ｋ１（Ｎ／ｍ）を有する支持機構Ａ（磁気ばね）と、負のばね定数ｋ２（Ｎ／ｍ）を有する零パワー磁気浮上機構Ｂによって、除振テーブル上に加えられた荷重によるそれぞれの変位は打ち消され、除振テーブルの変位は見られなくなる。
【００３６】
図６は、本発明の除振装置の構成に基づく実験結果の一例について示した図で、図中、■は除振テーブルの変位を表す特性曲線、●は磁気ばねの変位を表す特性曲線、▲は零パワー磁気浮上機構の変位を表す特性曲線である。このように、磁気ばねと零パワー磁気浮上機構に同様な非線形特性を持たせたことで、除振テーブルの変位は見られなくなったことがわかる。この際、上記磁気ばねの代わりに線形特性を有するばね等を用いた場合には、上記零パワー磁気浮上機構が非線形特性を有することから、両者の特性の違いから除振装置の剛性は理論的に有限なものとなり、直動外乱除去性能は低下してしまう。本発明は、両者に同様の非線形特性を持たせたことで略無限大の剛性を安定して保持することができる。
【００３７】
ここで、図１に示した除振装置において、前記した式（１）に基づいて変位制御について説明すると、除振テーブル２に対して荷重され、下向きの一定の外力Ｆ０が加わると、零パワー制御の作用によって、中間台１に設けた電磁石４と、除振テーブル２との距離はＦ０／ｋ２だけ変位する（短くなる）。ここでｋ２は零パワー制御によって実現される負のばね定数である。従って、ｋ２＝ｋ１となる関係を満たすように除振装置が設計されていれば、除振テーブル２は全く変位しないことになる。すなわち前記式（１）、ｋｃ＝ｋ１・ｋ２／（ｋ１＋ｋ２）によると、ｋ１＝−ｋ２となる関係を負のばね定数を導入すれば、｜ｋｃ｜＝∞となるばね定数を得ることができる。本除振装置において、ばね定数の大きさ（絶対値）が等しい正のばねと負のばねとを結合することにより、ばね定数が無限大のばねを得ることができる。これは、すなわちコンプライアンスがゼロとなることを意味する。
【００３８】
ここで、前述の図１に示した本発明の除振装置の他の実施形態について説明する。
図７は、本発明の他の実施形態に係わる零パワー磁気浮上機構を有する除振装置の基本的な構成例を示す図で、図中、１は中間台（中間支持体）、２１は除振テーブル、３は永久磁石、４は電磁石、５１及び５２は永久磁石、６は床、７は可動ステージ、８は移動負荷である。本実施形態の除振装置において、図１に示した実施形態との相違は、複数の支持機構及び磁気浮上機構で除振テーブル２１を支持、除振する点である。
【００３９】
ここで、床６に設置した永久磁石５２と、中間台１の底面に設けた永久磁石５１とを反発させた磁気ばねは、正のばね特性、すなわち床６に対して所定の正のばね定数ｋ１（Ｎ／ｍ）を有すると共に、非線形特性を有するものとする。また、除振テーブル２１に設けた永久磁石３と、中間台１の下部に設けた電磁石４とからなる磁気浮上機構は、負のばね特性、すなわち中間台１に対して所定の負のばね定数ｋ２（Ｎ／ｍ）を有すると共に、非線形特性を有するものとする。上記磁気ばねと磁気浮上機構とを直列に接続することによって、本除振装置上で発生する直動外乱に対して略無限大の剛性を有すると共に、床６に対して振動を絶縁することができる。本実施形態の磁気浮上機構及び磁気ばねにおいて、一つの除振テーブル２１に対して、磁気ばね及び磁気浮上機構が複数箇所配設されている構成となり、配設箇所それぞれにおいて、ｋ１（Ｎ／ｍ）＝ｋ２（Ｎ／ｍ）となる関係を満たすようにする。
【００４０】
なお、上記特性に基づいて除振テーブル２１上に可動ステージ７を設置した場合、移動負荷８がどの位置にあっても除振テーブル２１は変位せず、その姿勢を水平に保つことができる。
【００４１】
図８は、本発明の他の実施形態に係わる零パワー磁気浮上機構を有する除振装置の基本的な構成例を示す図で、図中、１は中間台（中間支持体）、２２は除振テーブル、３は永久磁石、４は電磁石、５１及び５２は永久磁石、６は床、９は支柱である。本実施形態の除振装置において、図１に示した実施形態との相違は、支柱９と中間台１との間に磁気浮上機構を設けた点である。ここで、永久磁石５１及び５２からなる磁気ばねは、正のばね特性、すなわち中間台１に対して所定の正のばね定数ｋ１（Ｎ／ｍ）を有すると共に、非線形特性を有するものとする。また、中間台１に設けた永久磁石３と、支柱９に設けた電磁石４とからなる磁気浮上機構は、負のばね特性、すなわち支柱９に対して所定の負のばね定数ｋ２（Ｎ／ｍ）を有すると共に、非線形特性を有するものとする。上記磁気ばねと磁気浮上機構とを直列に接続することによって、本除振装置上で発生する直動外乱に対して略無限大の剛性を有すると共に、床６に対して振動を絶縁することができる。本実施形態においても、図１に示した除振装置と同様に、ｋ１（Ｎ／ｍ）＝ｋ２（Ｎ／ｍ）となる関係を満たすようにする。
【００４２】
【発明の効果】
本発明によると、「負の剛性」に非線形性要素を用いると共に、「正の剛性」にも非線形性を有する要素を用いることにより、１つの線形要素を構成し、地動外乱に対する振動絶縁特性を確保しつつ、任意の直動外乱に対して高い剛性を確保して安定した除去性能を発揮することができる除振装置を提供することができる。
また、正の剛性ｋ１を持った要素と負の剛性ｋ２を持った要素とを直列接続する場合に、任意の負荷に対して、ｋ１＝−ｋ２を成立させるような非線形性を有する正の剛性を持った要素を導入することにより、除振装置の剛性を略無限大とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係わる零パワー磁気浮上機構を有する除振装置の基本的な構成例を示す図である。
【図２】本除振装置の除振テーブルに荷重を負荷した場合の状態遷移の一例について示した図である。
【図３】本発明に係わる零パワー磁気浮上制御系の特徴を説明するための図である。
【図４】本発明の除振装置における特性曲線の一例について示した図である。
【図５】本発明に係わる除振テーブルが示す特性曲線の一例を示した図である。
【図６】本発明の除振装置の構成に基づく実験結果の一例について示した図である。
【図７】本発明の他の実施形態に係わる零パワー磁気浮上機構を有する除振装置の基本的な構成例を示す図である。
【図８】本発明の他の実施形態に係わる零パワー磁気浮上機構を有する除振装置の基本的な構成例を示す図である。
【図９】ばねを直列に結合した状態を示す図である。
【図１０】零パワー磁気浮上機構の特徴を説明するための図である。
【図１１】従来の零パワー磁気浮上機構を用いた除振装置の基本的な構成例について示した図である。
【符号の説明】
１，４１…中間台（中間支持体）、２，２１，２２，１２，４２…除振テーブル、３，１３，３５，４３…永久磁石、４，１４，３４，４４…電磁石、５１，５２…永久磁石、６，４６…床、７…可動ステージ、８…移動負荷、９…支柱、１１…支持固定部、２０…制御系、２１…変位センサ、２２…制御回路、２３…電力増幅器、３１…物体、３２…荷重、３３，４５…ばね、４７…減衰要素。
【発明の属する技術分野】
本発明は、除振装置に関し、より詳細には、精密加工，計測等の分野における各種機器の加工テーブルを外乱から絶縁するための除振装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、半導体デバイス製造システムや極微小領域計測システムでは、急速に高精度化、高性能化してきており、これらのシステムにおいて、振動等の外乱を除去するための除振、防振装置の重要性が増大してきている。このような除振装置で除去すべき振動外乱は、設置床からの振動に起因する地動外乱と、装置の防振部材に入力される直動外乱とに大きく分けることができる。前者の場合、低剛性の機構が適しており、後者には高剛性の機構が適している。
【０００３】
従来の除振装置として、地動外乱を絶縁して除振するパッシブ型除振装置があるが、これは、床からの振動伝達率を低くするためにばね定数ｋを小さくしてばね剛性を小さくすると、除振テーブル上の質量変化や、除振テーブルに作用する荷重の変化等のばね上での外乱に対して弱くなってしまう。そのため、ばね上での外乱に対してはある程度ばね剛性を大きくする必要がある。このように除振装置には、地動外乱吸収のための低剛性機構と、位置や姿勢保持のための高剛性機構とを両立させるための特性が要求される。通常の正のばね定数を有するばねを直列に結合すると、結合してできたばね定数は、結合前のばね定数より小さくなってしまう。従って、これらの従来のばねのみを使用した除振装置では質量変化や振動等のばね上での外乱に対して高い剛性を確保することは極めて困難であることから、アクティブ型除振装置が提案されている。
【０００４】
上記除振装置において、永久磁石間の反発力を利用する磁気浮上機構を用いたものがある。これは、通常の除振装置でよく用いられている空気ばねに代わるばね要素として利用することができる。最近の永久磁石材料の高性能化は目覚しく、小さな磁石でもかなり大きな支持力を得ることができる。この磁気浮上機構では、浮上側と支持側に用いる物質の組み合わせによって、各種の方式が可能となる。これらの中で除振装置に主に利用されているのは、
（１）永久磁石間の反発力を利用する方式
（２）常電導電磁石と強磁性体との間に働く吸引力を利用する方式
等がある。
【０００５】
図９は、ばねを直列に結合した状態を示す図である。ばね定数ｋ１，ｋ２を持つ２つのばねを直列に結合して１つのばねを作ると、そのばね定数ｋｃは下記の式（１）により求まる。
ｋｃ＝ｋ１・ｋ２／ｋ１＋ｋ２ 式（１）
ここで、仮に負のばね定数を持つばねが実現できた場合、
ｋ１＝−ｋ２ 式（２）
という関係を満たすようになれば、
｜ｋｃ｜＝∞ 式（３）
すなわち、理論上無限大の剛性を得ることができる。
【０００６】
上記関係を利用すると、地動外乱に対する振動絶縁特性を保ちながら、直動外乱に対しては高い剛性を有する支持機構を実現できる可能性がある。具体的には、それぞれの剛性を低くすることによって振動絶縁特性を確保し、両者の大きさを一致させることにより、直動外乱に対する剛性を無限大とする。そして、負のばね特性を持つ支持機構は、零パワー磁気浮上機構を用いることによって実現することができる。
【０００７】
上記した零パワー磁気浮上制御は、電磁石と永久磁石とを組み合わせた複合磁石を用いた吸引形磁気浮上系において、浮上対象物の重量を永久磁石だけで支持し、電磁石の制御電流を定常的には零に保つ制御方法である。
図１０は、零パワー磁気浮上機構の特徴を説明するための図である。図１０（Ａ），（Ｂ）において、３１は質量ｍの物体、３２は荷重、３３はばね、３４は電磁石、３５は永久磁石である。図１０（Ａ）に示すように、通常のばね系では、ばね３３で支持されている質量ｍの物体３１に作用する重力がΔｍｇ、つまり荷重３２の質量Δｍだけ増えたとすると、ばね３３は伸びるので、物体は重力と同じ方向へ変移する。これに対し、零パワー磁気浮上機構では、図１０（Ｂ）に示すように、電磁石３４から引き離す方向に一定の外力が浮上対象物（物体３１＋荷重３２）に作用すると、定常的には電磁石３４と浮上対象物との間のギャップが減少する。言い換えると、あたかも「負」の剛性を持っているかのように動作する。
【０００８】
上記零パワー磁気浮上機構を用いた除振装置として、地動外乱に対する振動絶縁性能を損なうことなく、直動外乱に対する高い剛性を確保して、高い除振機能を発揮して精密加工等を可能としたものが開示されている。（例えば、特許文献１、非特許文献１参照）
【０００９】
図１１は、従来の零パワー磁気浮上機構を用いた除振装置の基本的な構成例について示した図で、図中、４１は中間台、４２は除振テーブル、４３は永久磁石、４４は電磁石、４５はばね定数ｋを持つばね、４６は床面、４７は減衰要素である。このばね係数ｋを持つ正のばね４５及び減衰要素４７によって支持された中間台４１には、磁気浮上用の電磁石４４が固定されている。除振テーブル４２において、電磁石４４に面する箇所には、零パワー磁気浮上用の永久磁石４３と強磁性体が取り付けられている。この除振装置の除振テーブル４２に作用する直動外乱に対する挙動は、以下のようになる。
電磁石４４の吸引力／変位係数をｋｓとする（これが負の剛性の大きさとなる）。除振テーブル４２に下向きに一定の力が加わると、零パワー制御の作用によって、電磁石４４と除振テーブル４２とのギャップは狭くなっていく。言い換えると、除振テーブル４２は上向き変位しようとする。ところが、ギャップが狭くなって磁石の吸引力が増加すると、この力によってばね４５は圧縮されるので、中間台４１は下向きに変位する。この２つの変位がちょうど相殺されるように設定されていると、すなわちｋ＝ｋｓとなるように設定されていると、結果的には除振テーブル４２は全く変位しないことになる。
【００１０】
【特許文献１】
特開２００２−８１４９８号公報
【非特許文献１】
精密工学会誌 ＶＯＬ．６８，Ｎｏ．９，２００２（１１８０頁〜１１８３頁）
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した零パワー磁気浮上機構では、永久磁石の吸引力を応用して浮上力を得ているため、浮上ギャップと吸引力の関係には非線形性を有する。すなわち、除振テーブル上の質量、つまり浮上対象物の質量が変化すると浮上ギャップが変化し、その結果、零パワー磁気浮上機構が有する剛性が変化してしまう。「正の剛性」には線形ばねを利用しているため、除振テーブル上の質量の増減に伴い、除振装置が有する剛性は理論的にも有限値となり、直動外乱除去性能は低下してしまう。言い換えると、「正の剛性」のばねは線形性を有し、「負の剛性」の零パワー磁気浮上機構は非線形性を有することから、除振装置が有する剛性は有限となり、直動外乱に対する除振性能が低下することになる。
【００１２】
本発明は、上述のごとき実情に鑑みてなされたものであり、「負の剛性」に非線形性要素を用いると共に、「正の剛性」にも非線形性を有する要素を用いることにより、１つの線形要素を構成し、地動外乱に対する振動絶縁特性を確保しつつ、任意の直動外乱に対して高い剛性を確保して安定した除去性能を発揮することができる除振装置を提供すること、をその目的とし、より具体的には、正の剛性ｋ１を持った要素と負の剛性ｋ２を持った要素とを直列接続する場合に、任意の負荷に対して、ｋ１＝−ｋ２を成立させるような非線形性を有する正の剛性を持った要素を導入することにより、除振装置の剛性を略無限大とすること、を目的としてなされたものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、永久磁石の反発力によって底面に対して浮上支持された中間支持体と、該中間支持体の下部に電磁石（又は永久磁石）を設けると共に、該電磁石（又は永久磁石）に対向する位置に永久磁石（又は電磁石）を設け、該対向する位置に永久磁石（又は電磁石）を配設した浮上中間部材を前記中間支持体の上部側に支持された除振テーブルと連結したことを特徴としたものである。
【００１４】
請求項２の発明は、空気ばねによって底面に対して支持された中間支持体と、該中間支持体の下部に電磁石（又は永久磁石）を設けると共に、該電磁石（又は永久磁石）に対向する位置に永久磁石（又は電磁石）を設け、該対向する位置に永久磁石（又は電磁石）を配設した浮上中間部材を前記中間支持体の上部側に支持された除振テーブルと連結したことを特徴としたものである。
【００１５】
請求項３の発明は、能動制御されたアクチュエータによって底面に対して支持された中間支持体と、該中間支持体の下部に電磁石（又は永久磁石）を設けると共に、該電磁石（又は永久磁石）に対向する位置に永久磁石（又は電磁石）を設け、該対向する位置に永久磁石（又は電磁石）を配設した浮上中間部材を前記中間支持体の上部側に支持された除振テーブルと連結したことを特徴としたものである。
【００１６】
請求項４の発明は、請求項１乃至３のいずれか１の発明において、前記中間支持体を底面に対して支持する永久磁石又は空気ばね又は能動制御されたアクチュエータは所定の正のばね定数を有し、前記浮上中間部材は所定の負のばね定数を有することを特徴としたものである。
【００１７】
請求項５の発明は、請求項１乃至４のいずれか１の発明において、前記中間支持体を底面に対して支持する永久磁石又は空気ばね又は能動制御されたアクチュエータのいずれかと前記浮上中間部材とは、前記除振テーブル上に加えられた任意の負荷に対してばね定数の絶対値が等しくなるような非線形性を有することを特徴としたものである。
【００１８】
請求項６の発明は、請求項１乃至５のいずれか１の発明において、前記浮上中間部材は、前記除振テーブルに荷重されていない静止状態において、前記除振テーブルを該除振テーブルに設けた永久磁石の吸引力により前記中間支持体に支持すると共に、該中間支持体に設けた電磁石のコイル電流をゼロに保持し、前記除振テーブルに荷重された荷重状態において、該荷重による外力に応じた電流を前記電磁石に流して該電磁石に吸引力を発生させ、該発生させた吸引力と前記外力とが釣り合うように制御されることを特徴としたものである。
【００１９】
請求項７の発明は、請求項１乃至５のいずれか１の発明において、前記浮上中間部材は、前記除振テーブルに荷重されていない静止状態において、前記中間支持体を該中間支持体に設けた永久磁石の吸引力により前記除振テーブルを支持すると共に、該除振テーブルに設けた電磁石のコイル電流をゼロに保持し、前記除振テーブルに荷重された荷重状態において、該荷重による外力に応じた電流を前記電磁石に流して該電磁石に吸引力を発生させ、該発生させた吸引力と前記外力とが釣り合うように制御されることを特徴としたものである。
【００２０】
請求項８の発明は、請求項１乃至７のいずれか１の発明において、前記中間支持体（又は除振テーブル）は、電磁石と永久磁石とを組み合わせた複合磁石を下部に有し、前記除振テーブル（又は中間支持体）は、前記複合磁石に対向する位置に強磁性体を有することを特徴としたものである。
【００２１】
請求項９の発明は、請求項１乃至８のいずれか１の発明において、前記浮上中間部材の代わりに、所定の負のばね定数を有する能動制御されたアクチュエータを用いることを特徴としたものである。
【００２２】
請求項１０の発明は、請求項４又は９の発明において、前記所定の正のばね定数又は所定の負のばね定数を有する能動制御されたアクチュエータは、ボイスコイルモータ，リニアモータ，空気圧アクチュエータ，油圧アクチュエータ，圧電アクチュエータ，磁歪アクチュエータのいずれかであることを特徴としたものである。
【００２３】
請求項１１の発明は、永久磁石の反発力によって底面に対して浮上支持された複数の中間支持体と、該各中間支持体の下部に電磁石（又は永久磁石）を設けると共に、該電磁石（又は永久磁石）に対向する位置に永久磁石（又は電磁石）を設け、該対向する位置に永久磁石（又は電磁石）を配設した複数の浮上中間部材を前記各中間支持体の上部側に支持された除振テーブルと連結したことを特徴としたものである。
【００２４】
請求項１２の発明は、底面に立設する脚部を有し且つ該脚部から該底面に対して水平方向に突出した突出部の前記底面に対向する面に電磁石（又は永久磁石）を設けた略Ｌ字型の支柱を有し、該支柱に設けた電磁石（又は永久磁石）に対向する位置に永久磁石（又は電磁石）を設け、該対向する位置に永久磁石（又は電磁石）を配設した浮上中間部材を中間支持体と連結し、該連結した中間支持体は、永久磁石の反発力によって前記突出部の上部側に除振テーブルを浮上支持したことを特徴としたものである。
【００２５】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一実施形態に係わる零パワー磁気浮上機構を有する除振装置の基本的な構成例を示す図で、図中、１は中間台（中間支持体）、２は除振テーブル、３は永久磁石、４は電磁石、５１及び５２は永久磁石、６は床である。本実施形態の除振装置において、Ａは支持機構で、該支持機構Ａは、床６に設置した永久磁石５２と、中間台１の下部に設けた永久磁石５１とを反発させた磁気ばねからなり、この磁気ばねは正のばね特性、すなわち床６に対して所定の正のばね定数ｋ１（Ｎ／ｍ）を有すると共に、非線形特性を有するものとする。また、Ｂは前記した零パワー特性を有する磁気浮上機構（浮上中間部材）で、該磁気浮上機構Ｂは、除振テーブル２に設けた永久磁石３と、中間台１の下部に設けた電磁石４とからなり、負のばね特性、すなわち中間台１に対して所定の負のばね定数ｋ２（Ｎ／ｍ）を有すると共に、非線形特性を有するものとする。この支持機構Ａと磁気浮上機構Ｂとを直列に接続することによって、本除振装置上で発生する直動外乱に対して略無限大の剛性を有すると共に、床６に対して振動を絶縁することができる。すなわち、支持機構Ａにより床６から中間台１に伝わる振動を絶縁すると共に、磁気浮上機構Ｂにより中間台１から除振テーブル２に伝わる振動を絶縁する。
【００２６】
図１において、同一荷重での特性曲線（磁石間ギャップと荷重との関係を示す）の傾きが一致すれば、支持機構Ａ及び磁気浮上機構Ｂ双方の剛性の絶対値が等しいことになる。同様な非線形特性を有する支持機構Ａ及び磁気浮上機構Ｂの双方、すなわち２つの非線形要素を組み合わせることにより、１つの線形要素を構成することが可能となる。これによって、除振テーブル２に加えた荷重によるそれぞれの変位はうち消され、除振テーブル２の変位はなくなる。すなわち、本除振装置は、略無限大の剛性を安定して有せしめることができる。
【００２７】
なお、永久磁石による吸引力を増加させるために、永久磁石３と併用して強磁性体（図示せず）を除振テーブル２側に配設してもよく、また、永久磁石３を電磁石４の鉄心に埋め込んで複合磁石とし、除振テーブル２側には強磁性体のみを配設するようにしてもよい。また、電磁石４と永久磁石３の配置を逆、すなわち除振テーブル２側に電磁石４を、中間台１側に永久磁石３を配設し、電磁石４の吸引力を除振テーブル２に作用する荷重の増減に応じて増減させるようにしてもよい。この場合においても、永久磁石３と併用して強磁性体を中間台１側に配設してもよく、また、永久磁石３を電磁石４の鉄心に埋め込んで複合磁石とし、中間台１側には強磁性体のみを配設するようにしてもよい。
【００２８】
ここで、零パワー特性を有する磁気浮上機構Ｂについて説明する。
零パワー制御とは、電磁石と永久磁石とを組み合わせて構成される吸引型磁気浮上系で、図１に示すように、除振テーブル２の質量を永久磁石３の吸引力のみで支持すると共に、中間台１側の電磁石４のコイル電流を定常的にゼロに保持する制御方法のことをいう。上記磁気浮上機構Ｂは、この零パワー特性を備えたものである。この零パワー制御を行うための制御系については、後述の図３において説明するものとし、ここでの説明は省略するものとする。
【００２９】
ここで、支持機構Ａの非線形要素には、上記した所定の正のばね定数を有する磁気ばねの他に、例えば空気ばね等を含む非線形ばね、能動制御されたアクチュエータのいずれかを用いてもよい。また、磁気浮上機構Ｂの非線形要素には、上記した所定の負のばね定数を有する磁気浮上機構の他に、例えば、能動制御されたアクチュエータを用いてもよい。この所定の正のばね定数又は所定の負のばね定数を有する能動制御されたアクチュエータには、例えば、ボイスコイルモータ，リニアモータ，空気圧アクチュエータ，油圧アクチュエータ，圧電アクチュエータ，磁歪アクチュエータ等を好適に用いることができる。本発明の除振装置は、その用途に応じて上記した各種アクチュエータや、非線形ばね等を適宜組み合わせて構成することができるため、適用範囲が広い。
【００３０】
図２は、本除振装置の除振テーブル２に荷重を負荷した場合の状態遷移の一例について示した図である。図２に示すように、中間台１に設けられた電磁石４の吸引力を、永久磁石３を設けた除振テーブル２に付加された荷重による質量Δｍの増減に応じて増減させるように図示しない制御系によって適宜制御する。図２（Ａ）は、本除振装置の静止状態を示し、図２（Ｂ）は、除振テーブル２に質量Δｍの荷重をかけた場合の状態を示している。
【００３１】
ここで、電磁石４の吸引力／変位係数をｋ２（Ｎ／ｍ）とし（これが負の剛性の大きさとなる）、また、永久磁石５１及び５２を反発させた磁気ばねのばね定数をｋ１（Ｎ／ｍ）とする。除振テーブル２に下向きに一定の力が加わると、零パワー制御の作用によって、電磁石４と除振テーブル２とのギャップは狭くなっていく。言い換えると、除振テーブル２は上向き変位しようとする。ところが、ギャップが狭くなって磁石の吸引力が増加すると、この力によって磁気ばね（永久磁石５１及び５２）は圧縮されるので、中間台１は下向きに変位する。この２つの変位がちょうど相殺されるように設定されていると、すなわちｋ１（Ｎ／ｍ）＝ｋ２（Ｎ／ｍ）となるように設定されていると、結果的には除振テーブル２は全く変位しないことになる。
【００３２】
図３は、本発明に係わる零パワー磁気浮上制御系の特徴を説明するための図で、図中、１１は支持固定部、１２は除振テーブル、１３は永久磁石、１４は電磁石である。図３（Ａ）に示すように、除振テーブル１２は力が釣り合った状態で静止位置に停まっているが、図３（Ｂ）に示すように、Δｍの荷重がされた場合、除振テーブル１２に下向きの一定の外力が加わると、電磁石１４のコイルに電流を流して除振テーブル１２を引き上げようとする吸引力を発生させ、永久磁石１３による吸引力と下向きの力が釣り合うように制御され、図３（Ｃ）に示すように、ギャップが狭くなる位置で電磁石１４のコイルに流れる電流がゼロとなり静止状態となる。
【００３３】
上記のような動作を制御するための制御系２０は、図３（Ｄ）に示すように、除振テーブル１２の支持固定部１１（図１に示した中間台１に相当）に対する位置を検出する変位センサ２１と、変位センサ２１からの出力信号に基づいて電磁石１４のコイル電流を定常的にゼロに保持しつつ除振テーブル１２を浮上保持するための制御信号を生成する制御回路２２と、制御回路２２からの出力に従って電磁石１４のコイルに所定の電流を流す電力増幅器２３とを有する。これらの構成に基づいて上記零パワー制御を実現することができる。
【００３４】
図４は、本発明の除振装置における特性曲線の一例について示した図である。図４（Ａ）及び（Ｂ）において、縦軸に永久磁石間のギャップ（単位：ｍｍ）、横軸に荷重（単位：Ｎ）をとる。図４（Ａ）に示すように、支持機構Ａを構成する磁気ばねは非線形特性を示す。従来技術において示したような線形特性を有するばねを支持機構Ａに用いた場合、磁気浮上機構Ｂが非線形特性を示すことから、同一荷重において各機構の磁石間のギャップに差が生じ、直動外乱除去性能は低下してしまう。また、図４（Ｂ）に示すように、一方の磁気浮上機構Ｂも同様に非線形特性を示す。このように、双方の特性において同一荷重での特性曲線の傾きが一致すれば剛性の絶対値が等しいことになり、同様の特性を備えた２つの非線形要素を組み合わせることにより、１つの線形要素を構築することが可能となる。
【００３５】
図５は、本発明に係わる除振テーブルが示す特性曲線の一例を示した図である。正のばね定数ｋ１（Ｎ／ｍ）を有する支持機構Ａ（磁気ばね）と、負のばね定数ｋ２（Ｎ／ｍ）を有する零パワー磁気浮上機構Ｂによって、除振テーブル上に加えられた荷重によるそれぞれの変位は打ち消され、除振テーブルの変位は見られなくなる。
【００３６】
図６は、本発明の除振装置の構成に基づく実験結果の一例について示した図で、図中、■は除振テーブルの変位を表す特性曲線、●は磁気ばねの変位を表す特性曲線、▲は零パワー磁気浮上機構の変位を表す特性曲線である。このように、磁気ばねと零パワー磁気浮上機構に同様な非線形特性を持たせたことで、除振テーブルの変位は見られなくなったことがわかる。この際、上記磁気ばねの代わりに線形特性を有するばね等を用いた場合には、上記零パワー磁気浮上機構が非線形特性を有することから、両者の特性の違いから除振装置の剛性は理論的に有限なものとなり、直動外乱除去性能は低下してしまう。本発明は、両者に同様の非線形特性を持たせたことで略無限大の剛性を安定して保持することができる。
【００３７】
ここで、図１に示した除振装置において、前記した式（１）に基づいて変位制御について説明すると、除振テーブル２に対して荷重され、下向きの一定の外力Ｆ０が加わると、零パワー制御の作用によって、中間台１に設けた電磁石４と、除振テーブル２との距離はＦ０／ｋ２だけ変位する（短くなる）。ここでｋ２は零パワー制御によって実現される負のばね定数である。従って、ｋ２＝ｋ１となる関係を満たすように除振装置が設計されていれば、除振テーブル２は全く変位しないことになる。すなわち前記式（１）、ｋｃ＝ｋ１・ｋ２／（ｋ１＋ｋ２）によると、ｋ１＝−ｋ２となる関係を負のばね定数を導入すれば、｜ｋｃ｜＝∞となるばね定数を得ることができる。本除振装置において、ばね定数の大きさ（絶対値）が等しい正のばねと負のばねとを結合することにより、ばね定数が無限大のばねを得ることができる。これは、すなわちコンプライアンスがゼロとなることを意味する。
【００３８】
ここで、前述の図１に示した本発明の除振装置の他の実施形態について説明する。
図７は、本発明の他の実施形態に係わる零パワー磁気浮上機構を有する除振装置の基本的な構成例を示す図で、図中、１は中間台（中間支持体）、２１は除振テーブル、３は永久磁石、４は電磁石、５１及び５２は永久磁石、６は床、７は可動ステージ、８は移動負荷である。本実施形態の除振装置において、図１に示した実施形態との相違は、複数の支持機構及び磁気浮上機構で除振テーブル２１を支持、除振する点である。
【００３９】
ここで、床６に設置した永久磁石５２と、中間台１の底面に設けた永久磁石５１とを反発させた磁気ばねは、正のばね特性、すなわち床６に対して所定の正のばね定数ｋ１（Ｎ／ｍ）を有すると共に、非線形特性を有するものとする。また、除振テーブル２１に設けた永久磁石３と、中間台１の下部に設けた電磁石４とからなる磁気浮上機構は、負のばね特性、すなわち中間台１に対して所定の負のばね定数ｋ２（Ｎ／ｍ）を有すると共に、非線形特性を有するものとする。上記磁気ばねと磁気浮上機構とを直列に接続することによって、本除振装置上で発生する直動外乱に対して略無限大の剛性を有すると共に、床６に対して振動を絶縁することができる。本実施形態の磁気浮上機構及び磁気ばねにおいて、一つの除振テーブル２１に対して、磁気ばね及び磁気浮上機構が複数箇所配設されている構成となり、配設箇所それぞれにおいて、ｋ１（Ｎ／ｍ）＝ｋ２（Ｎ／ｍ）となる関係を満たすようにする。
【００４０】
なお、上記特性に基づいて除振テーブル２１上に可動ステージ７を設置した場合、移動負荷８がどの位置にあっても除振テーブル２１は変位せず、その姿勢を水平に保つことができる。
【００４１】
図８は、本発明の他の実施形態に係わる零パワー磁気浮上機構を有する除振装置の基本的な構成例を示す図で、図中、１は中間台（中間支持体）、２２は除振テーブル、３は永久磁石、４は電磁石、５１及び５２は永久磁石、６は床、９は支柱である。本実施形態の除振装置において、図１に示した実施形態との相違は、支柱９と中間台１との間に磁気浮上機構を設けた点である。ここで、永久磁石５１及び５２からなる磁気ばねは、正のばね特性、すなわち中間台１に対して所定の正のばね定数ｋ１（Ｎ／ｍ）を有すると共に、非線形特性を有するものとする。また、中間台１に設けた永久磁石３と、支柱９に設けた電磁石４とからなる磁気浮上機構は、負のばね特性、すなわち支柱９に対して所定の負のばね定数ｋ２（Ｎ／ｍ）を有すると共に、非線形特性を有するものとする。上記磁気ばねと磁気浮上機構とを直列に接続することによって、本除振装置上で発生する直動外乱に対して略無限大の剛性を有すると共に、床６に対して振動を絶縁することができる。本実施形態においても、図１に示した除振装置と同様に、ｋ１（Ｎ／ｍ）＝ｋ２（Ｎ／ｍ）となる関係を満たすようにする。
【００４２】
【発明の効果】
本発明によると、「負の剛性」に非線形性要素を用いると共に、「正の剛性」にも非線形性を有する要素を用いることにより、１つの線形要素を構成し、地動外乱に対する振動絶縁特性を確保しつつ、任意の直動外乱に対して高い剛性を確保して安定した除去性能を発揮することができる除振装置を提供することができる。
また、正の剛性ｋ１を持った要素と負の剛性ｋ２を持った要素とを直列接続する場合に、任意の負荷に対して、ｋ１＝−ｋ２を成立させるような非線形性を有する正の剛性を持った要素を導入することにより、除振装置の剛性を略無限大とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係わる零パワー磁気浮上機構を有する除振装置の基本的な構成例を示す図である。
【図２】本除振装置の除振テーブルに荷重を負荷した場合の状態遷移の一例について示した図である。
【図３】本発明に係わる零パワー磁気浮上制御系の特徴を説明するための図である。
【図４】本発明の除振装置における特性曲線の一例について示した図である。
【図５】本発明に係わる除振テーブルが示す特性曲線の一例を示した図である。
【図６】本発明の除振装置の構成に基づく実験結果の一例について示した図である。
【図７】本発明の他の実施形態に係わる零パワー磁気浮上機構を有する除振装置の基本的な構成例を示す図である。
【図８】本発明の他の実施形態に係わる零パワー磁気浮上機構を有する除振装置の基本的な構成例を示す図である。
【図９】ばねを直列に結合した状態を示す図である。
【図１０】零パワー磁気浮上機構の特徴を説明するための図である。
【図１１】従来の零パワー磁気浮上機構を用いた除振装置の基本的な構成例について示した図である。
【符号の説明】
１，４１…中間台（中間支持体）、２，２１，２２，１２，４２…除振テーブル、３，１３，３５，４３…永久磁石、４，１４，３４，４４…電磁石、５１，５２…永久磁石、６，４６…床、７…可動ステージ、８…移動負荷、９…支柱、１１…支持固定部、２０…制御系、２１…変位センサ、２２…制御回路、２３…電力増幅器、３１…物体、３２…荷重、３３，４５…ばね、４７…減衰要素。
Claims (12)
- 永久磁石の反発力によって底面に対して浮上支持された中間支持体と、該中間支持体の下部に電磁石（又は永久磁石）を設けると共に、該電磁石（又は永久磁石）に対向する位置に永久磁石（又は電磁石）を設け、該対向する位置に永久磁石（又は電磁石）を配設した浮上中間部材を前記中間支持体の上部側に支持された除振テーブルと連結したことを特徴とする除振装置。
- 空気ばねによって底面に対して支持された中間支持体と、該中間支持体の下部に電磁石（又は永久磁石）を設けると共に、該電磁石（又は永久磁石）に対向する位置に永久磁石（又は電磁石）を設け、該対向する位置に永久磁石（又は電磁石）を配設した浮上中間部材を前記中間支持体の上部側に支持された除振テーブルと連結したことを特徴とする除振装置。
- 能動制御されたアクチュエータによって底面に対して支持された中間支持体と、該中間支持体の下部に電磁石（又は永久磁石）を設けると共に、該電磁石（又は永久磁石）に対向する位置に永久磁石（又は電磁石）を設け、該対向する位置に永久磁石（又は電磁石）を配設した浮上中間部材を前記中間支持体の上部側に支持された除振テーブルと連結したことを特徴とする除振装置。
- 請求項１乃至３のいずれか１に記載の除振装置において、前記中間支持体を底面に対して支持する永久磁石又は空気ばね又は能動制御されたアクチュエータは所定の正のばね定数を有し、前記浮上中間部材は所定の負のばね定数を有することを特徴とする除振装置。
- 請求項１乃至４のいずれか１に記載の除振装置において、前記中間支持体を底面に対して支持する永久磁石又は空気ばね又は能動制御されたアクチュエータのいずれかと前記浮上中間部材とは、前記除振テーブル上に加えられた任意の負荷に対してばね定数の絶対値が等しくなるような非線形性を有することを特徴とする除振装置。
- 請求項１乃至５のいずれか１に記載の除振装置において、前記浮上中間部材は、前記除振テーブルに荷重されていない静止状態において、前記除振テーブルを該除振テーブルに設けた永久磁石の吸引力により前記中間支持体に支持すると共に、該中間支持体に設けた電磁石のコイル電流をゼロに保持し、前記除振テーブルに荷重された荷重状態において、該荷重による外力に応じた電流を前記電磁石に流して該電磁石に吸引力を発生させ、該発生させた吸引力と前記外力とが釣り合うように制御されることを特徴とする除振装置。
- 請求項１乃至５のいずれか１に記載の除振装置において、前記浮上中間部材は、前記除振テーブルに荷重されていない静止状態において、前記中間支持体を該中間支持体に設けた永久磁石の吸引力により前記除振テーブルを支持すると共に、該除振テーブルに設けた電磁石のコイル電流をゼロに保持し、前記除振テーブルに荷重された荷重状態において、該荷重による外力に応じた電流を前記電磁石に流して該電磁石に吸引力を発生させ、該発生させた吸引力と前記外力とが釣り合うように制御されることを特徴とする除振装置。
- 請求項１乃至７のいずれか１に記載の除振装置において、前記中間支持体（又は除振テーブル）は、電磁石と永久磁石とを組み合わせた複合磁石を下部に有し、前記除振テーブル（又は中間支持体）は、前記複合磁石に対向する位置に強磁性体を有することを特徴とする除振装置。
- 請求項１乃至８のいずれか１に記載の除振装置において、前記浮上中間部材の代わりに、所定の負のばね定数を有する能動制御されたアクチュエータを用いることを特徴とする除振装置。
- 請求項４又は９に記載の除振装置において、前記所定の正のばね定数又は所定の負のばね定数を有する能動制御されたアクチュエータは、ボイスコイルモータ，リニアモータ，空気圧アクチュエータ，油圧アクチュエータ，圧電アクチュエータ，磁歪アクチュエータのいずれかであることを特徴とする除振装置。
- 永久磁石の反発力によって底面に対して浮上支持された複数の中間支持体と、該各中間支持体の下部に電磁石（又は永久磁石）を設けると共に、該電磁石（又は永久磁石）に対向する位置に永久磁石（又は電磁石）を設け、該対向する位置に永久磁石（又は電磁石）を配設した複数の浮上中間部材を前記各中間支持体の上部側に支持された除振テーブルと連結したことを特徴とする除振装置。
- 底面に立設する脚部を有し且つ該脚部から該底面に対して水平方向に突出した突出部の前記底面に対向する面に電磁石（又は永久磁石）を設けた略Ｌ字型の支柱を有し、該支柱に設けた電磁石（又は永久磁石）に対向する位置に永久磁石（又は電磁石）を設け、該対向する位置に永久磁石（又は電磁石）を配設した浮上中間部材を中間支持体と連結し、該連結した中間支持体は、永久磁石の反発力によって前記突出部の上部側に除振テーブルを浮上支持したことを特徴とする除振装置。
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