JP2005127460A - 免震除振床システム - Google Patents

Abstract

【課題】 大幅なコスト増加を伴うことなく、中小規模の地震からそれよりも高周波の振動まで効率的に遮断し、または抑制することを目的とする。
【解決手段】 除振対象物３を複数載置する床部材４と、該床部材４と支持構造物２との間に配置され、支持構造物２から床部材４に伝達される地震による震動を低減する免震機能および地震による震動よりも高周波の振動を低減する除振機能を有する免震除振装置５とを備えることを特徴とする免震除振床システム１を提供する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、電子顕微鏡や半導体製造装置のような精密機器を載置して、これらの機器に対する振動および震動を遮断し、または抑制する免震除振床システムに関するものである。

超微細加工に用いられる半導体製造装置や、超高倍率の電子顕微鏡のような精密機器は、振動によりその加工精度や測定精度が著しく低下するため、外部から伝達されてくる振動を遮断または抑制する必要がある。従来、このような精密機器への振動伝達を遮断・抑制する方法としては、堅固なコンクリート製耐震構造の建物より、風などによる建物自体の振動を抑制した上で、コンクリート製の床の上に設置した除振台上に精密機器を搭載していた。除振台は、精密機器等ごとに設置され、建物外部から伝達してくる交通振動や、建物内部に配置されている周辺機器の振動あるいは作業員により発生する振動等の比較的高周波の微小振動を効率的に遮断または抑制していた。

しかしながら、震度２〜４程度の中小地震のような比較的低周波の震動や、軟弱地盤・軟弱建物に起因する低周波成分を含む振動については、除振台では有効に遮断することができないという問題があった。したがって、除振台により精密機器等への振動の伝達を遮断しようとする場合には、軟弱地盤に建設された工場においては、加工精度や測定精度を十分に高く維持することができない不都合があるとともに、中小の地震の際にも、加工不良や検査不良が発生し、あるいは、工場の運転を止めなければならないという不都合があった。

このような低周波の振動等が精密機器等に伝達されることを防止するために、従来、免震対象物を載せるテーブルを免震構造に構築することが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開平１１−３４４０７３号公報（図１等）

しかしながら、仮に、除振台に特許文献１のような免震装置を採用した場合においても、支持構造物の上に、各精密機器等に対応して各々除振台を設置する場合には、設置する精密機器等の数が増えると、除振台に要するコストが非常に大きくなるという不都合がある。特に、精密機器は最先端の技術に基づくものであることが多く、比較的短周期で更新されるものであることを考えると、その都度、精密機器に合わせて更新される除振台のコストは大きなものとなる。
この発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、大幅なコスト増加を伴うことなく、中小規模の地震からそれよりも高周波の振動まで効率的に遮断し、または抑制することができる免震除振床システムを提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明は、除振対象物を複数載置する床部材と、該床部材と支持構造物との間に配置され、支持構造物から床部材を介して除振対象物に伝達される地震による震動を低減する免震機能および地震による震動よりも高周波の振動を低減する除振機能を有する免震除振装置とを備える免震除振床システムを提供する。

また、本発明は、前記免震除振装置が、直列に配置された除振装置と免震装置とを備え、除振装置が前記床部材と免震装置との間に設けた中間質量要素を挟んで直列に配置されたばね要素および減衰要素を備え、その下に免震装置が配置されている免震除振床システムを提供する。

また、本発明は、前記除振装置が空気ばねにより構成されている免震除振床システム、前記免震装置が、積層ゴムを備える免震除振床システムを提供する。
さらに、本発明は、前記床部材が実質的に剛体もしくは弾性体からなり、前記免震除振装置がパッシブ制御される免震除振床システムを提供する。
また、本発明は、前記床部材が実質的に弾性体からなり、前記免震除振装置がアクティブ制御される免震除振床システムを提供する。

また、本発明は、前記床部材が実質的に弾性体からなり、アクティブ制御される免震除振装置と、パッシブ制御される免震除振装置とが混在して複数備えられている免震除振床システムを提供する。
この場合に、床部材の少なくとも４隅と中央の免震除振装置がアクティブ制御され、他の免震除振装置がパッシブ制御されることとすれば効果的である。
さらに、本発明は、前記支持構造物に、前記床部材の上方に間隔をあけて配置され、作業者の通行や保守作業等を許容するオーバブリッジが設けられている免震除振床システムを提供する。

本発明によれば、除振対象物を複数載置する床部材が、免震除振装置の作動により、地震による震動およびそれよりも高周波の振動の除振対象物への伝達を低減するので、除振対象物ごとにコストのかかる除振台を設ける必要がなく、大幅なコスト低減を図ることができる。特に、除振対象物が最先端の精密機器等である場合には、更新時に新たな除振台の設置等の付帯的なコストが不要となる。また、床自体を除振および免震するので、これを設置する支持構造物をコンクリート製から鉄骨製へと軽量化することができ、これによっても設備コストの削減を図ることができる。

また、本発明によれば、中間質量要素を挟んで直列に配置されたばね要素と減衰要素を備えた除振装置の作動により、除振対象物および中間質量要素の複数の質点を有する振動モデル、すなわち、複数質点系の振動モデルが構築される。この場合に、振動モデルの減衰定数を適当に選択することにより、中間質量のない１質点系よりも共振周波数における加速度応答倍率を減少させることができるとともに、高周波側の加速度応答倍率を低く抑えることができる。

また、この発明によれば、除振装置を空気ばねによって構成することにより免震除振床システムを簡易に構成することが可能となる。また、空気ばねによれば、３次元方向の振動を遮断・抑制することが可能となる。
さらに、免震装置が積層ゴムを備える構成とすることにより、水平方向に確実な免震を図ることができる。また、垂直方向の地震は、一般に水平方向地震に比べレベルが小さく、また高周波の揺れであるため、除振装置で効果的に遮断することができるとともに、水平方向の微振動をも効果的に低減することができるという効果がある。

床部材を実質的に剛体とみなすことができる高剛性の狭い床や、例えば面積５ｍ×５ｍ以下の狭い場合でも実質的には弾性体の床に対し、免震除振装置をパッシブ制御することにより、構成を簡易なものとして、コストを抑えつつ、上記効果を達成することができる。
また、床部材が一般に弾性体とみなされる床面積、例えば、５ｍ×５ｍを超え、２０ｍ×２０ｍ以下の場合には、免震除振装置をアクティブ制御することにより、平面的に変形する床部材の弾性挙動に応じて適正な振動の遮断・抑制を行うことができる。

この場合において、比較的広い床部材の免震・除振を行う場合には、１つの床部材に対して複数の免震除振装置を設ける必要があるが、この場合には、アクティブ制御される免震除振装置と、パッシブ制御される免震除振装置とを混在させることで、床部材の弾性挙動を考慮しつつ、コストを削減することができるという効果がある。また、この場合、床部材の少なくとも４隅と中央の免震除振装置をアクティブ制御し、他の免震除振装置をパッシブ制御することが有利である。

さらに、除振対象物を複数載置する床自体を免震除振装置によって支持する本発明においては、支持構造物に作業者の通行用や保守作業用のオーバブリッジを設けることにより、作業者により発生する振動が直接床部材に伝達されることを防止できる。

［第１実施形態］
本発明の第１実施形態に係る免震除振床システムについて、図１および図２を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る免震除振床システム１は、図１に示されるように、地盤に対して強固に固定された支持構造物２に構築されるシステムであって、除振対象物、例えば、半導体製造装置や電子顕微鏡のような精密機器３を複数搭載可能な床部材４と、該床部材４を支持する免震除振装置５とを備えている。

前記床部材４は、図２に示されるように、複数の鉄骨部材４ａを溶接し、床面となる上面にグレーティング材４ｂを溶接して構成されている。また、床部材４は５ｍ×５ｍ＝２５ｍ^２程度の床面積を有し、ここでは実質的に剛体とみなし得る構造物を構成している。
前記免震除振装置５は、図２に示されるように、水平に配置される中間鋼板（中間質量要素）６と、該中間鋼板６を挟んで、上下に配置される空気ばね７および空気ばね７’を備えている。空気ばね７，７’は３次元方向のばね要素および減衰要素を構成している。片方の空気ばね７には、レベリングバルブ９が備えられ、床部材４の高さを調節できるようになっている。免震装置８は、図１および図２に示す例では、積層ゴム（ばね要素）１０とオイルダンパ（減衰要素）１１とから構成されている。

積層ゴム１０は、空気ばね７’と支持構造物２との間に配置され、支持構造物２に対して水平方向の震動等が作用したときに、床部材４を長周期の揺れに変えて震動を緩和するばね要素として機能するようになっている。オイルダンパ１１は、積層ゴム１０上端部と支持構造物２との間に配置され、積層ゴム１０の水平振動振幅を減衰させるようになっている。また、符号１２，１３は、床部材４が所定以上の振幅で振動したときに床部材４の側面または上面にそれぞれ突き当てられて振動を抑制するストッパを示している。

前記中間鋼板６の質量（以下、中間質量という。）は、床部材４と該床部材４に搭載される精密機器３等とを合わせた質量（以下、上部質量という。）の約１０分の１から約２０分の１となるように設定されている。また、上部質量と中間質量、および中間質量を挟んで配置される空気ばね７、および空気ばね７’からなる振動系では、空気ばね７、７’の減衰要素、もしくは中間質量を挟んで別途配置されたオイルダンパー１１’等により振動系全体の減衰定数が１０％以上５０％以下となるように設定されている。

これにより、振動系が、上部質量と中間質量の２つの質量を備えた２質点系の振動系となり、しかも、減衰定数が５〜３０％である１質点系除振装置と比較して、共振周波数での加速度応答倍率を減少させることができるとともに、高周波側の加速度応答倍率を低く抑えることができるようになっている。

このように構成された本実施形態に係る免震除振床システム１の作用について以下に説明する。
本実施形態に係る免震除振床システム１によれば、地震発生時のように、横揺れ震動が地盤Ａに発生すると、その震動が地盤Ａに固定された支持構造物２に伝達される。この場合に、床部材４が免震除振装置５を介して支持構造物２に支持されているので、支持構造物２に固定されている免震装置８により、水平２次元方向に作用する横揺れ震動が床部材４に伝達されることが遮断される。

また、地震による水平震動よりも高周波の振動が支持構造物２に伝達されたときには、その振動は、主として、中間質量を挟んで配置された空気ばね７，７’で構成される除振装置により遮断される。例えば、支持構造物２の外部から伝達される鉛直方向の中小規模の地震動や交通振動、あるいは周辺機器から伝達される微細な振動は、主に空気ばね７により遮断される。さらに、２質点系の振動系が構成されているので、共振周波数での加速度応答倍率および高周波側の加速度応答倍率が低減され、さらに効果的に除振されることになる。
その結果、震度２〜４程度の中小規模の地震に際しても、精密機器３等に振動を与えることなく運転を継続でき、その際の不良品発生もなくすことができる。

さらに、本実施形態に係る免震除振床システム１によれば、複数の精密機器３等を各々別個に除振する従来の方法と比較して、同時に除振および免震できるので、個別に除振台を設置する必要がない。その結果、搭載する精密機器３等の数が多くなればなるほど、それらを除振および免震するために必要とされるコストを大幅に低減することができる。また、先端技術のために比較的更新周期の早い精密機器３等の更新時にも、新たに除振台を構築する必要がなく、さらなるコストの削減を図ることができる。

また、複数の精密機器３等を搭載可能な床部材４自体が、比較的大重量に構成されるため、特に高周波振動に対しては、床部材４自体による防振効果が比較的高いという利点がある。
さらに、床部材４の上に搭載した複数の精密機器３等は、大きな振動を伴うものではないが、全てが同期して作動するものではなく、ランダムに作動するので、全体として、精密機器３等から発生される振動は相互に打ち消しあって低減されるという利点もある。

また、大地震のような大きな振幅の震動が伝達される場合には、床部材４がストッパ１２，１３に当接してそれ以上の変位を防止するので、精密機器３等が倒れて破損するなどの不都合の発生を未然に防止することができる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係る免震除振床システム２０について、図３および図４を参照して説明する。
なお、本実施形態の説明において、上述した第１実施形態と構成を共通とする箇所に同一符号を付して説明を簡略化する。

本実施形態に係る免震除振床システム２０は、２０ｍ×２０ｍ＝４００ｍ^２程度の床面積を有する床部材２１を有する点において第１実施形態に係る免震除振床システム１と相違している。この程度の床面積を有する床部材２１は、実質的に剛体とみなすことはできず、弾性挙動を示す弾性体として考えなければならない。

そこで、本実施形態に係る免震除振床システム２０は、その免震除振装置２２として、第１実施形態のパッシブ制御される免震除振装置５に代えて、図３に示されるアクティブ制御される免震除振装置２２を用いている。
この免震除振装置２２は、中間質量２５を挟んで配置された空気ばね２３，２３‘からなる除振装置と、免震装置２４とを上下に直列に設けている点で第１実施形態に係る免震除振床システム１と共通している。本実施形態に係る免震装置２４は、支持構造物２の床面を水平方向に転がり可能なローラ２６と、そのローラ２６と支持構造物２との間に配置されたコイルばね（ばね要素）２７およびオイルダンパ（減衰要素）２８とを備えている。

前記空気ばね２３には制御弁２９が備えられ、床部材２１の弾性挙動に応じて内圧を調整しアクチュエータとして作動できるようになっている。これにより、床部材２１の平面的な変形を補正しつつ、除振するようになっている。床部材２１および支持構造物２には加速度センサ３０，３１が取り付けられ、それぞれ床部材２１および支持構造物２に加わる加速度が常時測定されている。これらの加速度センサ３０，３１からの出力は外部の制御装置３２に送られ、制御装置３２において、空気ばね２３の内圧が計算され、制御弁２９に対して制御信号が送られるようになっている。なお、制御弁２９を備えてアクチュエータにするのは、空気ばね２３ではなく中間質量２５とローラ２６間に配置した空気ばね２３’でも良い。

なお、本実施形態においては、床部材を支持する免震除振装置を複数備え、その全てがアクティブ制御されることとしてもよいが、図４に示されるように、アクティブ制御される免震除振装置２２と、第１実施形態に示したパッシブ制御される免震除振装置５とを混在させることにしてもよい。この場合、アクティブ制御される免震除振装置２２は、床部材２１の弾性挙動に応じた平面的な変形を補うのに必要最低限の数とし、例えば、図に示す例では、床部材２１の４隅と中央の５カ所に配置されている。

このように構成された本実施形態に係る免震除振床システム２０の作用について、以下に説明する。
本実施形態に係る免震除振床システム２０を備えた構造物に、地震などによる横揺れ震動が作用した場合には、免震装置２４が作動して、ローラ２６が転がるとともに、コイルばね２７およびオイルダンパ２８が変位する。これにより、ローラ２６で支持した床部材等の揺れを長周期の揺れに変えて震動を効果的に抑制する。

また、水平方向地震に比べレベルが小さく高周波の振動である鉛直方向地震や、交通振動等の高周波の振動に対しては、中間質量２５と空気ばね２３、２３’のアクティブ除振装置により、その振動が支持構造物２から床部材２１へ伝達されることが抑制される。この場合には、床部材２１および支持構造物２にそれぞれ取り付けた加速度センサ３０，３１により、床部材２１および支持構造物２にそれぞれ作用する加速度が検出される。制御装置３２は、検出された加速度に応じて各免震除振装置２２の空気ばね２３の内圧を動的に調整すべく制御弁２９の開閉を行う信号を出力する。これにより、平面的に変形しようとする床部材２１は平面形状を維持するように補正されつつ、空気ばね２３により比較的高周波の振動が減衰されることになる。

このように、本実施形態に係る免震除振床システム２０によれば、比較的広い床面積を有する床部材２１の上に、多くの精密機器３等を載置して、該精密機器３等への振動の伝達を遮断または抑制することができる。また、各免震除振装置２２のアクティブ制御により、比較的広い床面積の床部材２１が平面的に変形しないように維持されつつ免震および除振されるので、中小規模の地震に際しても、工場等を停止することなく、良品を製造または検査精度を向上することができる。

また、床部材２１が平面的に変形するように作用する比較的低周波の振動に対しても、精密機器３等への振動を遮断することができるので、地震の際の免震効果のみならず、例えば、軟弱地盤に設置された工場に適用しても効果的である。また、比較的高周波の振動に対しても有効に除振効果を発揮するので、例えば、高速道路脇のような環境振動が大きな場所に設置された工場等に適用しても、有効に、精密機器３等の免震および除振を図ることができるという効果がある。

また、全てをアクティブ制御される免震除振装置２２とするのではなく、パッシブ制御される免震除振装置５を混在させることにより、制御の複雑化を防止して、応答性の向上およびコストの削減等を図ることができる。特に、パッシブ制御される免震除振装置５は、アクティブ制御される免震除振装置２２と比較して、そのコストを低く抑えることができるので、全体として安価なシステムを提供することができる。

さらに、上記各実施形態に係る免震除振床システム１，２０によれば、支持構造物２が地震による震動その他の振動を受けても、免震除振装置５，２２の作動により、床部材４，２１に伝達される振動が十分に低く抑制される。したがって、支持構造物２としては、堅牢な鉄筋コンクリート製構造物よりも軽微な鉄骨構造物等を採用することができる。したがって、その点においてもコスト削減を図ることが可能である。

なお、アクティブ制御される免震除振装置２２の設置箇所については、上記実施形態に限定されるものではない。床部材２１に搭載する除振対象物である精密機器３等の質量や設置位置、床部材２１自体の剛性等を考慮して、平面的な変形の補正に有効に機能し得る任意の位置に設置することにすればよい。

また、上記第１、第２の実施形態のように床部材４，２１自体を免震除振装置５，２２により支持する構造とすると、床部材４，２１の上を作業者が直接歩行したり保守作業をしたりすることにより発生する振動を抑制することができない。そこで、図５に示されるように、支持構造物２に固定され、床部材４，２１から切り離された状態で、床部材４，２１の上方に掛け渡されるオーバーブリッジ３３を設けることが好ましい。
オーバーブリッジ３３上を作業者が歩行したり保守作業をしたりすることにより発生する振動は支持構造物２に伝達され、床部材４，２１は支持構造物２に免震除振装置５，２２を介して固定されているので、作業者による振動は、免震除振装置５，２２、特に空気ばね７，２３によって、床部材４，２１に伝達されることが防止される。

この発明の第１の実施形態に係る免震除振床システムを示す概略図である。 図１の免震除振床システムに用いられる免震除振装置を示す正面図である。 この発明の第２の実施形態に係る免震除振床システムに用いられる免震除振装置を示す正面図である。 図３の免震除振装置の配置例を示す平面図である。 この発明の免震除振床システムにオーバーブリッジを設けた例を示す概略図である。

符号の説明

１，２０ 免震除振床システム
２ 支持構造物
３ 精密機器（除振対象物）
４，２１ 床部材
５，２２ 免震除振装置
６ 中間鋼板（中間質量要素）
７，２３ 空気ばね（除振装置，ばね要素，減衰要素）
８，２４ 免震装置
１０ 積層ゴム（ばね要素）
１１，２８ オイルダンパ（減衰要素）
２５ 中間プレート（中間質量要素）
２７ コイルばね（ばね要素）
３３ オーバーブリッジ

Claims (9)

1. 除振対象物を複数載置する床部材と、該床部材と支持構造物との間に配置され、支持構造物から床部材に伝達される地震による震動を低減する免震機能および地震による震動よりも高周波の振動を低減する除振機能を有する免震除振装置とを備えることを特徴とする免震除振床システム。
2. 前記免震除振装置が、直列に配置された除振装置と免震装置とからなり、
   除振装置が、前記床部材と免震装置との間に設けた中間質量要素を挟んで直列に配置されたばね要素および減衰要素を備え、
   その下に免震装置が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の免震除振床システム。
3. 前記除振装置に空気ばねを備えたことを特徴とする請求項２に記載の免震除振床システム。
4. 前記免震装置に積層ゴムを備えたことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の免震除振床システム。
5. 前記床部材が実質的に剛体もしくは弾性体からなり、前記免震除振装置がパッシブ制御されることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の免震除振床システム。
6. 前記床部材が実質的に弾性体からなり、前記免震除振装置がアクティブ制御されることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の免震除振床システム。
7. 前記床部材が実質的に弾性体からなり、アクティブ制御される免震除振装置と、パッシブ制御される免震除振装置とが混在して複数備えられていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の免震除振床システム。
8. 前記床部材の少なくとも４隅と中央の免震除振装置がアクティブ制御され、他の免震除振装置がパッシブ制御されることを特徴とする請求項７に記載の免震除振床システム。
9. 前記支持構造物に、前記床部材の上方に間隔をあけて配置され、作業者の通行を許容するオーバーブリッジが設けられていることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の免震除振床システム。

Images