JP3107443B2 - 除振装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、空気ばねを用いた除振
装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、半導体露光装置や電子顕微鏡
などの精密機器において、床からの振動を絶縁して一定
位置に保つために、空気ばねを用いた除振装置により上
記精密機器を支持することが行われている。一般に、こ
の種の除振装置としては、上記空気ばねの内部への空気
の出入りを制御して支持対象である荷（上記精密機器）
を一定位置に保つようにしたものが知られている。そし
て、より高精度の制御を目指して、空気ばねへの吸気お
よび排気をオンオフ電磁弁により行い、かつ、このオン
オフ電磁弁をパルス幅変調した制御信号により開閉制御
するようにしたものが提案されている（例えば、特開昭
６２−２９７５５２号公報参照）。これは、一定の周波
数のパルス列を用い、吸気および排気の一周期当りでの
各比率（時間比）を荷の状態に応じて所定のものになる
ように上記パルス幅変調により変化させることにより、
上記空気ばねに出入りする空気量を制御するものであ
る。つまり、微小時間に吸気と排気とを交互に繰り返し
ながら空気ばね内の空気量が全体として所定の制御量に
なるようにすることにより、精密な制御を行うようにし
たものである。

【０００３】また、上記空気ばねへの吸気および排気を
電空比例弁などのサーボ弁を用いて行うものも知られて
いる。この場合、制御信号に対して比較的高い周波数の
ディザー信号を重畳して加えたものを上記サーボ弁に入
力して、このサーボ弁のスプールにおける摩擦などの影
響を軽減させて微小量の制御を可能にすることが、一般
的に行われている。つまり、上記ディザー信号により上
記スプールに微細な振動を生じさせて、そのスプールの
精密な開度調節を可能にすることにより、精密な制御を
行うようにしたものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記従来の
除振装置において、パルス幅変調による制御の場合、微
小時間に吸気と排気とが繰り返されるため、その繰り返
しのたびに荷に微小振動が発生するという不都合があ
る。例えば、荷を垂直方向に支持した場合では、空気ば
ね内への吸気時に荷が上昇し、排気時に下降し、これが
多数回交互に繰り返されるため、荷に微小振動が発生す
る。

【０００５】また、上記ディザー信号による制御の場
合、このディザー信号により上記スプールに微細な振動
が生じているため、この振動に伴って吸気量と排気量と
の双方もしくは一方が本来の制御信号に関係なく微小変
動し、この微小変動により、上記パルス幅変調による場
合と同様に、荷に微小振動が発生するという不都合があ
る。

【０００６】本発明は、このような事情に鑑みてなされ
たものであり、その目的とするところは、空気ばねへの
精密な吸排気量の制御を図りつつ、荷の微小振動の発生
を抑制することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１記載の発明は、荷を支持する空気ばねと、
この空気ばねに空気を出し入れする空気供給管路と、こ
の空気供給管路に設けられて上記空気ばねへの吸排気量
を調整する弁手段と、この弁手段の作動を制御する制御
器とを備えたものを前提とする。そして、上記空気供給
管路の上記弁手段と上記空気ばねとの間の位置に消音器
を介在させた構成とするものである。

【０００８】また、請求項２記載の発明は、請求項１記
載の発明において、消音器を膨脹形消音器および共鳴形
消音器のいずれか一方もしくは双方により構成するもの
である。

【０００９】

【作用】上記の構成により、請求項１記載の発明では、
弁手段の作動に伴い空気供給管路内に発生する本来の制
御量以外の微小な圧力変動である振動が消音器を通過す
ることにより減衰されて取り除かれるため、空気ばね内
の空気に上記微小な振動の発生が抑制され、これによ
り、荷の微小な振動の発生が抑制される。

【００１０】また、請求項２記載の発明では、上記請求
項１記載の発明による作用に加えて、膨脹形消音器によ
り比較的高い周波数領域の振動が減衰され、また、共鳴
形消音器により比較的低い周波数領域の振動が減衰され
る。このため、上記微小な振動である取り除く対象に応
じて上記両消音器を単独でもしくは組合わせて用いるこ
とにより、上記微小な振動の除去が容易かつ確実にな
る。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。

【００１２】図１は、本発明の第１実施例に係る除振装
置を示し、１は例えば精密機器などの支持対象である
荷、２はこの荷１を支持する空気ばね、３はこの空気ば
ね２に接続されてその内部に空気を出し入れする導管、
４はこの導管３を吸気側もしくは排気側に接続する弁手
段、５はこの弁手段４の作動を制御するコントローラ、
６は上記導管３に介在された消音器である。

【００１３】上記荷１は上記空気ばね２を介して図示し
ない床上に設置されており、この空気ばね２は内部に充
満された空気により上記荷１を弾性支持するようになっ
ている。そして、上記空気ばね２に上記導管３を通して
吸気されて上記荷１が上昇し、逆に、排気されて上記荷
１が下降するようになっている。この荷１には荷１の振
動に伴う加速度を検出する振動センサ７が配設されると
ともに、上記荷１の所定の基準位置からの変位量を検出
する変位センサ８が上記荷１に近接して非接触状態で配
設されている。

【００１４】上記弁手段４は３ポート２位置のオンオフ
切換の電磁弁により構成されており、上記導管３が吸気
管路９および排気管路１０のいずれか一方にのみ連通す
るようになっている。すなわち、上記弁手段４は、その
吸気作動により上記吸気管路９が全開状態にされかつ上
記排気管路１０が全閉状態にされ、逆に、排気作動によ
り上記排気管路１０が全開状態にされかつ上記吸気管路
９が全閉状態にされるようになっている。そして、この
弁手段４は上記コントローラ５からの制御信号により作
動されて、上記吸気管路９に接続された場合、上記導管
３を通して空気が上記空気ばね２内に入れられ、また、
上記排気管路１０に接続された場合、上記空気ばね２内
から空気が導管３を通して出される。上記導管３と、吸
気管路９と、排気管路１０とにより上記空気ばね２に空
気を出し入れする空気供給管路１１が構成されている。

【００１５】上記コントローラ５はパルス幅変調器５ａ
を備えており、このコントローラ５に接続された上記振
動センサ７および変位センサ８からの各検出値に基づい
て上記弁手段４を作動制御するようになっている。この
制御は、上記両センサ７，８による加速度検出値および
変位量に応じて上記荷１の振動を抑制する方向に上記空
気ばね２に空気を出し入れし、かつ、その荷１を一定位
置に復元する方向に上記空気ばね２に空気を出し入れす
るようになっている。つまり、上記制御は上記荷１の振
動抑制と一定位置の保持との双方を行うようになってい
る。

【００１６】上記空気ばね２への空気の出し入れは、上
記パルス幅変調器５ａによりパルス幅変調された吸気部
（例えば、ロウレベル部）と排気部（例えば、ハイレベ
ル部）とが交互に並ぶ比較的高い所定の周波数（例えば
１００Ｈｚ）のパルス列で上記弁手段４を作動すること
により行われる。上記パルス列は、一周期当りの吸気部
と排気部との比率（時間比）が所定のものになるように
変調されるようになっており、この時間比を変化させる
ことにより空気ばね２への空気の出し入れ量が全体とし
て所定の制御量になるようにされている。すなわち、例
えば、吸気部を５０％、排気部を５０％にすれば、空気
ばね２内の空気量が全体として変動はなく一定に保たれ
るように吸気管路９の吸気圧力などの条件が設定されて
いる場合、例えば、上記吸気部を５１％、排気部を４９
％にした場合、上記吸気作動と排気作動との繰り返しの
結果、時間比の大きい分だけ空気ばね２内に吸気され
る。

【００１７】上記消音器６は一つの膨脹形消音器１２と
複数個（本例では三つ）の共鳴形消音器１３，１３，１
３とからなり、これらが導管３に対して直列に介在され
ている。

【００１８】上記膨脹形消音器１２は、図２に詳細に示
すように、空洞部１２ａと、この空洞部１２ａの一端側
に連通する入口管部１２ｂと、上記空洞部１２ａの他端
側に連通する出口管部１２ｃとから基本構成されてお
り、上記入口管部１２ｂおよび出口管部１２ｃは上記導
管３の一部を構成している。

【００１９】上記空洞部１２ａの長さＬおよび断面積Ｓ
と、上記入口管部１２ｂおよび出口管部１２ｃの長さＬ
1 ，Ｌ2 および断面積Ｓ1 ，Ｓ2 とは上記変調波の周波
数などの条件に応じて所定の減衰特性を発揮するように
所定のものに設定されている。そして、この膨脹形消音
器１２は、導管３内の微小な圧力変動である音波を上記
空洞部１２ａの一端側で膨脹、拡散して音響エネルギー
密度を稀薄化した後、他端側で絞ることにより減衰させ
るようになっており、一定周波数以上の比較的高い周波
数の音波に対して広い範囲で減衰効果が得られるように
なっている。

【００２０】また、上記各共鳴形消音器１３は、図３に
詳細に示すように、導管３から分岐する首部１３ａと、
この首部に連通する空洞部１３ｂとからなり、上記首部
１３ａとの合流部から一側の導管３が入口管部１３ｃ
を、他側が出口管部１３ｄをそれぞれ構成している。上
記首部１３ａの長さＬ3 および断面積Ｓ3 と、上記空洞
部１３ｂの体積Ｖと、上記入口管部１３ｃおよび出口管
部１３ｄの長さＬ4 ，Ｌ5 および断面積Ｓ4 ，Ｓ5 とは
上記変調波の周波数などの条件に応じて所定の減衰特性
を発揮するように所定のものに設定されている。そし
て、この各共鳴形消音器１３は、上記首部１３ａ内が質
量として、上記空洞部１３ｂ内がばねとしてそれぞれ作
用し、音のエネルギーを一種の共鳴作用により消耗させ
て減衰させるようになっており、比較的低い、ある周波
数とその近傍範囲の音波に対して減衰効果が得られるよ
うになっている。

【００２１】次に、上記第１実施例の作用・効果を説明
する。

【００２２】荷１の上下動が振動センサ７および変位セ
ンサ８により加速度および変位量として検出されて、こ
の検出値がコントローラ５に入力される。コントローラ
５はこの検出値に基づいて荷１の振動を抑制し、かつ、
荷１を一定位置に復元する方向に上下させるために必要
な空気ばね２への出し入れ空気量を求め、この空気量に
基づいて弁手段４への制御信号としてパルス幅変調器５
ａから変調波を出力する。弁手段４はこの変調波に基づ
いて吸気作動と排気作動とを繰り返しながら、空気ばね
２内に導管３を通して空気を全体として充填もしくは排
出し、あるいは吸気と排気とを平衡にする。

【００２３】この際、上記弁手段４は微小時間（例えば
１０ｍｓｅｃ）に吸気作動と排気作動とを繰り返してい
るため、上記変調波の周波数に対応して交番する微小な
圧力変動、すなわち、微小な振動が導管３内の空気に生
じるとともに、上記周波数を基本周波数とする高調波が
上記導管３内に生じてこれによる微小な振動が生じる。
これらの振動が各共鳴形消音器１３および膨脹形消音器
１２などの消音器６を通過することにより減衰され、こ
れにより、空気ばね２内の空気は上記微小な振動が取り
除かれた状態になる。すなわち、上記各共鳴形消音器１
３での一種の共鳴作用により比較的低い周波数領域の振
動を減衰することができるとともに、上記膨脹形消音器
１２の空洞部１２ａ内での膨脹、拡散作用により比較的
高い周波数領域の振動を減衰することができる。このた
め、本除振装置によれば、上記消音器６を通過させない
で弁手段４から空気を空気ばね２に直接出し入れする従
来装置による場合に比べて、荷１の微小な振動の発生を
可及的に抑制することができる。

【００２４】また、共鳴形消音器１３を三つ組合わせて
所定の減衰効果を得るように構成しているため、一つの
もので同程度の減衰効果を得るように構成する場合に比
べて、各共鳴形消音器１３を比較的小型のものにするこ
とができ、除振装置全体の体積の増大化を抑制すること
ができる。

【００２５】図４は、上記第１実施例の除振装置と、同
装置から消音器６を除いた除振装置を用いて、同じ変調
波により各装置の弁手段４を作動させた場合に各荷１に
生じる振動（加速度）を測定した比較試験の結果を示
し、横軸は周波数、縦軸は荷１に作用する加速度、実線
で示す折れ線は上記第１実施例の除振装置による場合の
荷１の加速度スペクトル、一点鎖線で示す折れ線は同装
置から消音器６を除いた装置による場合の荷の加速度ス
ペクトルである。なお、上記縦軸の加速度の基準値は１
Ｇａｌである。 この結果、消音器６を除いた除振装置
の場合、弁手段４の駆動信号である周波数ｆの変調波
と、その周波数ｆのｎ倍（ｎ＝２，３，…）の高調波と
により荷１に加速度のピーク値が発生した。これに対し
て、消音器６を備えた本第１実施例の除振装置の場合、
上記加速度のピーク値が取り除かれて荷１に作用する加
速度は比較的小幅な変動に抑制されている。

【００２６】図５は本発明の第２実施例に係る除振装置
を示し、１４は弁手段、１５はこの弁手段１４を作動制
御するコントローラである。

【００２７】上記弁手段１４は電空比例弁などのサーボ
弁により構成されており、上記コントローラ１５から入
力される制御信号によりスプールが作動されて吸気管路
９および排気管路１０を上記制御信号に応じた開度で導
管３に連通させるようになっている。

【００２８】上記コントローラ１５はディザー信号発生
器１５ａを備えており、振動センサ７からの荷１に作用
する加速度検出値および変位センサ８からの上記荷１の
変位量に基づいて、上記荷１の振動を抑制し、かつ荷１
を一定位置に復元するための空気ばね２への空気の出し
入れ量を求め、この出し入れ量を達成する上記吸気管路
９および排気管路１０の開度に対応する制御信号を出力
するようになっている。そして、上記ディザー信号発生
器１５ａは上記コントローラ１５からの制御信号に重畳
して所定のディザー信号を加えるようになっており、こ
のディザー信号が重畳された駆動信号が上記弁手段１４
に入力される。

【００２９】なお、上記第２実施例に係る除振装置のそ
の他の構成は第１実施例のものと同様であるために、同
一部材には同一符号を付して、その説明は省略する。

【００３０】そして、上記第２実施例の場合、上記弁手
段１４のスプールは上記コントローラ１５の制御信号に
基づき所定の開度に設定されて、この開度に対応する量
の空気が導管３を通して空気ばね２に出し入れされる。
この際、上記スプールは上記所定の開度の位置で上記デ
ィザー信号により比較的高い周波数で振動しているた
め、この振動に起因して吸気量もしくは排気量が微小変
動を繰り返す。つまり、本来の制御信号に基づく圧力変
動とは別に微小な圧力変動が導管３内の空気に生じると
ともに、そのスプールの振動の周波数を基本周波数とす
る高調波が上記導管３内に生じる。そして、この微小な
振動が各共鳴形消音器１３や膨脹形消音器１２などの消
音器６を通過することにより減衰され、これにより、上
記第１実施例と同様に、本来の制御量以外の微小な変動
成分である、上記ディザー信号に起因する微小な振動を
取り除くことができる。このため、空気ばね２の空気量
を本来の制御信号に基づく制御量に確実に調整すること
ができ、上記微小な振動による上記空気ばね２内の圧力
変動の発生を防止することができる。これにより、上記
荷１の振動抑制と一定位置への保持とを安定した状態で
行うことができる。

【００３１】なお、本発明は上記第１および第２実施例
に限定されるものではなく、その他種々の変形例を包含
するものである。すなわち、上記第１および第２実施例
では、消音器６として膨脹形消音器１２と共鳴形消音器
１３とを組合わせて構成しているが、これに限らず、除
去対象である圧力変動に応じてその数や組み合わせなど
を変化させればよい。例えば、膨脹形消音器もしく共鳴
形消音器のいずれか一方でのみ消音器を構成したり、他
の形式の消音器、例えば、いわゆるサイドブランチ形消
音器、あるいは吸音形もしくはリアクタンス形消音器な
どをそれぞれ単独で、もしくは組合わせて消音器を構成
したりしてもよい。

【００３２】上記第１および第２実施例では、膨脹形消
音器１２を単なる空洞部１２ａにより構成しているが、
これに限らず、例えば、内部に挿入管や連結空洞を設け
た空洞部により構成してもよい。

【００３３】また、上記第１および第２実施例では、空
気ばね２を垂直方向における荷１の支持に用いて除振装
置を構成しているが、これに限らず、上記空気ばね２を
上記垂直方向に加えて、例えば、水平方向もしくは斜め
方向などにおける荷１の支持に用いて除振装置を構成し
てもよい。

【００３４】さらに、上記第１および第２実施例では、
消音器により、変調波もしくはディザー信号などに起因
する不要な圧力変動を除去するように構成しているが、
これに限らず、本来の制御量に対して、その周波数域と
異なる周波数域に不要な圧力変動が加わる場合におい
て、その不要な圧力変動を除去するように構成してもよ
い。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１記載の発
明における除振装置によれば、空気ばねに吸排気する弁
手段を変調波もしくはディザー信号を用いて精密に作動
制御する上で、それら変調波などに起因して従来生じて
いた導管内および空気ばね内の空気の微小な振動を消音
器により減衰させて低減することができ、空気ばねの空
気量を本来の制御量に従って精密に制御しながら荷の微
小振動の発生を可及的に抑制することができる。

【００３６】また、請求項２記載の発明によれば、膨脹
形消音器により比較的高い周波数領域の振動を減衰する
ことができ、また、共鳴形消音器により比較的低い周波
数領域の振動を減衰することができるため、これらを除
去対象である振動に応じて組み合わせもしくは単独で用
いることにより、上記請求項１記載の発明による効果を
容易に、かつ、確実に達成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示すブロック構成図であ
る。

【図２】図１の膨脹形消音器の拡大断面図である。

【図３】図１の共鳴形消音器の拡大断面図である。

【図４】比較試験結果を示す周波数と加速度との関係図
である。

【図５】第２実施例を示す図１相当図である。

【符号の説明】

１ 荷 ２ 空気ばね ３ 導管 ４，１４ 弁手段 ５，１５ コントローラ（制御器） ６ 消音器 ９ 吸気管路 １０ 排気管路 １１ 空気供給管路 １２ 膨脹形消音器 １３ 共鳴形消音器

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 荷を支持する空気ばねと、この空気ばね
   に空気を出し入れする空気供給管路と、この空気供給管
   路に設けられて上記空気ばねへの吸排気量を調整する弁
   手段と、この弁手段の作動を制御する制御器とを備えた
   除振装置において、 上記空気供給管路の上記弁手段と上記空気ばねとの間の
   位置に消音器が介在されていることを特徴とする除振装
   置。
2. 【請求項２】 消音器が膨脹形消音器および共鳴形消音
   器のいずれか一方もしくは双方により構成されている請
   求項１記載の除振装置。