JP4057134B2

JP4057134B2 - アクティブ型除振装置

Info

Publication number: JP4057134B2
Application number: JP08298198A
Authority: JP
Inventors: 佳也中村; 昌尚中山; 圭司増田; 正幸蔵; 正志安田; 章松浦
Original assignee: Fujita Corp; Tokkyokiki Corp
Current assignee: Fujita Corp; Tokkyokiki Corp
Priority date: 1998-03-12
Filing date: 1998-03-12
Publication date: 2008-03-05
Anticipated expiration: 2018-03-12
Also published as: JPH11257419A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はアクティブ型除振装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、半導体製造工場などにおいて使用される超微細加工に用いる製造装置や超高倍率の電子顕微鏡などの精密機器は、振動を極端に嫌う装置であり、振動がこの種の装置に悪影響を及ぼすのを防止するために除振装置が使用されている。
除振装置は、外部の振動などに影響されることなく高度の静止状態を維持することのできる定盤を備え、この定盤上に、振動を嫌う装置の全体またはその装置のうちの特に振動を嫌う部分を取り付けて用いる。
【０００３】
このような振動を嫌う装置に悪影響を及ぼす振動には、大きく分けて次の３種類のものがある。
（Ａ）外部環境に通常的に発生している微振動。例えば、振動を嫌う装置を設置した建物の近くを走行する車両や、周辺の建設工事による地盤振動、その建物に設置された空調設備やエレベータ及びその他の機械の作動によって発生する振動、それに、その建物内を人が歩行することによって発生する振動などである。（Ｂ）振動を嫌う装置そのものが発生する振動。例えば、この振動を嫌う装置が半導体リソグラフィ工程で用いられるステップ・アンド・スキャン型のウェーハ露光装置であった場合を例に説明すると、ウェーハ上の１箇所の露光領域の露光を行う毎に、ウェーハを載置したウェーハ・ステージとマスクを載置したマスク・ステージとが水平方向に走査されるために加速及び減速され、その際に発生する揺動によって微振動が発生する。
（Ｃ）地震による振動。この振動の振幅及び加速度は小さなものから大きなものまでさまざまであり、したがってこの振動には、微振動から大振動までが含まれ得る。
【０００４】
多くの除振装置は、上記（Ａ）及び（Ｂ）の微振動を吸収して、振動を嫌う装置がそのような微振動の影響を受けないようにすることを目的として設計されており、上記（Ｃ）の地震による振動のうち比較的大きな振動に対応することは、最初から予定していない。
例えば、半導体デバイスの集積度が現在ほど高くなく、露光装置などが扱うパターンの線幅が現在ほど細かくなかった頃は、パッシブ型除振装置が多く使用されていた。
パッシブ型除振装置では、露光装置などの振動を嫌う装置を取付ける定盤が空気ばねや防振ゴムなどの弾性支持手段を介して、床面に固定された基台上に固定されており、その弾性支持手段の撓みによって外部からの微振動が吸収され、また、その弾性支持手段と定盤及びそれに取り付けされた装置の質量とによって形成される振動系の共振周波数を適当に設定することにより、露光装置などが発生する微振動の振幅が抑制されるようにしていた。
【０００５】
ところが、このようなパッシブ型除振装置は、その弾性支持手段が有する固有振動数以下の低振動領域の振動に対しては除振効果が得られず、逆に振動を増幅してしまうおそれがあり、この弾性支持手段の固有振動数を下げるには限度があった。そして、半導体の集積度が上昇してパターンの微細化が進行するにつれて、このようなパッシブ型除振装置の除振能力では不充分となってきたため、最近ではアクティブ型除振装置が多用されている。
【０００６】
アクティブ型除振装置としては、図６に示すように、床面に固定された基台１０上において定盤１２を複数のピエゾアクチュエータ１４、１６を介して支持するとともに、これらピエゾアクチュエータ１４、１６によって定盤１２に上下及び水平方向の変位を与え、この定盤１２に上下及び水平方向の振動の加速度を検出する複数の振動センサ１８、２０を取り付けて構成されたものがある。ピエゾアクチュエータ１４、１６と定盤１２の間にはこれらピエゾアクチュエータ１４、１６に作用するせん断力を吸収する弾性体１７を設けてピエゾアクチュエータ１４、１６の破損を防止している。なお、図６の紙面前後方向にも不図示のピエゾアクチュエータが水平方向のアクチュエータとして設けられている。
このアクティブ型除振装置では、各振動センサ１８、２０の検出出力Ｓ１、Ｓ２を振動計増幅器２２で増幅し、その増幅された検出出力に基づいて制御装置２４がフィードバックやフィードフォワードなどの技法を用いてピエゾアクチュエータ１４、１６を駆動するために必要な駆動信号を生成し、これら駆動信号をアクチュエータ駆動アンプ２６で増幅して駆動信号Ｄとしてピエゾアクチュエータ１４、１６及び不図示の前後方向のアクチュエータに与えることで、定盤１２に取付けられた被除振体に発生する振動を小さく抑えるようにしている。
【０００７】
また、図７に示すように、上述したピエゾアクチュエータの代わりに空気圧によって駆動されるエアーアクチュエータ２８、３０を用いたものもある。このアクティブ型除振装置は、各振動センサ１８、２０の検出出力を振動計増幅器２２で増幅し、その増幅された検出出力に基づいて制御装置２４が先と同様の技法を用いてエアアクチュエータ２８、３０を駆動するために必要な駆動信号を生成し、この駆動信号に基づいてエアアクチュエータ圧力制御装置３２が空気圧Ａを生成してエアアクチュエータ２８、３０及び不図示の前後方向のエアアクチュエータに与えることで、定盤１２に取付けられた被除振体に発生する振動を小さく抑えるようにしている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述したピエゾアクチュエータを利用したアクティブ型除振装置では変位量の少ないピエゾ素子を積層構造とすることによりピエゾアクチュエータが所望の変位量を得るようにしている。このように積層構造で形成されたピエゾアクチュエータは、せん断力や引っ張り力が作用すると容易に破損してしまうおそれがあるので、過大な力が作用しないようにピエゾアクチュエータを保護する機構が必要となっている。
一方、上述したエアーアクチュエータを利用したアクティブ型除振装置では、ピエゾアクチュエータを用いたアクティブ型除振装置とは違って、取り扱いに注意する必要はないが、エアーアクチュエータが流体（空気）を用いているため、高周波領域の応答性が悪く高周波領域の除振能力が劣るだけでなく、エアアクチュエータの変位特性が複雑な非線形性を有しているため、制御装置がエアアクチュエータを駆動するための駆動信号を生成する制御（演算処理）が複雑にならざるを得ないという欠点がある。また、エアアクチュエータを駆動するためには、比較的容量の大きなエアコンプレッサーが必要となり装置の設置スペースが大きくなりがちであり、このエアコンプレッサーの電力消費がかさみコストもかかるという問題がある。
【０００９】
本発明は前記事情に鑑み案出されたものであって、本発明の目的は、除振能力に優れ、アクチュエータが破損されることがなく、アクチュエータの駆動制御が簡単で、設置スペースとコストが少なくて済むアクティブ型除振装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため本発明は、基台上において上下及び水平方向に移動可能に支持され被除振体が取付けられる定盤と、前記定盤の上下及び水平方向の加速度を検出する振動センサと、前記基台と定盤との間に設けられ前記定盤に上下方向の変位を加えて定盤を上下方向に変位させる第１のアクチュエータと、前記基台と定盤との間に設けられ前記定盤に水平方向の変位を加えて前記定盤を水平方向に変位させる第２のアクチュエータと、前記第１のアクチュエータと前記定盤の間に設けられ前記第１のアクチュエータに作用するせん断力を吸収する第１の弾性体と、前記第２のアクチュエータと前記定盤の間に設けられ前記第２のアクチュエータに作用するせん断力を吸収する第２の弾性体と、前記振動センサで検出した上下及び水平方向の加速度に基づいて前記第１及び第２のアクチュエータを駆動させて前記被除振体の振動を除去するアクティブ型除振装置において、前記第１及び第２のアクチュエータは超磁歪アクチュエータから構成されており、前記定盤と前記基台との間に設けられ、前記被除振体を含む前記定盤の重量を、前記被除振体を含む前記定盤が上下動できる状態で支える支持手段と、前記基台に設けられ、前記第１のアクチュエータを前記基台上に保持するとともに、前記第１のアクチュエータの、その変位方向における位置を調整することによって、非駆動状態の前記第１のアクチュエータがその変位方向において前記定盤から受ける予圧縮力を調整する第１の調整手段と、前記基台に設けられ、前記第２のアクチュエータを前記基台上に保持するとともに、前記第２のアクチュエータの、その変位方向における位置を調整することによって、非駆動状態の前記第２のアクチュエータがその変位方向において前記定盤から受ける予圧縮力を調整する第２の調整手段と、前記第１のアクチュエータ及び前記第２のアクチュエータによって前記定盤に加えられる変位量を計測する変位量計測手段と、前記第１のアクチュエータ及び前記第２のアクチュエータに所定周波数かつ所定振幅の駆動信号を入力する手段と、前記基台と定盤との間に設けられ前記定盤の上下方向の移動量を規制する上下規制手段と、前記基台と定盤との間に設けられ前記定盤の水平方向の移動量を規制する水平規制手段とを備え、前記支持手段は、前記基台と前記定盤の間に配設された空気ばねと、前記空気ばねに空気を与えるエアコンプレッサーと、前記エアコンプレッサーから前記空気ばねに与える空気圧を制御する空気圧制御弁とを備えることを特徴とする。
また、本発明は、前記第１の弾性体は、上下方向に加わる荷重に対しては剛く、かつ、水平方向に加わる荷重に対しては柔らかいものであり、前記第２の弾性体は、上下方向に加わる荷重に対しては柔らかく、かつ、水平方向に加わる荷重に対しては剛いものであることを特徴とする。
また、本発明は、前記定盤の上下方向の位置を検出する複数のレベルセンサと、前記各レベルセンサから入力される検出信号に基づいて前記空気圧制御弁を制御することで前記エアコンプレッサーが前記空気ばねに与える空気圧を制御して前記定盤の高さ方向の位置を一定に保持する定盤位置制御手段を備えたことを特徴とする。
また、本発明は、前記定盤は平面視直方形をなす板状を呈しており、前記第１のアクチュエータは、前記定盤の下面の四隅近傍に対応する位置にその変位方向が上下方向となるようにそれぞれ設けられたものであり、前記第２のアクチュエータは、前記定盤の四隅の対向する一対の隅部の近傍に対応する箇所においてに前記一対の隅部を挟んで隣接するようにそれぞれ設けられ、かつ、前記一対の隅部を挟んで隣接するそれぞれの前記第２のアクチュエータの変位方向が水平面内で互いに直角をなす方向となるように構成されていることを特徴とする。
また、本発明は、前記第１のアクチュエータ及び前記第２のアクチュエータの予圧縮力を計測する予圧縮力計測手段を備えたことを特徴とする。
また、本発明は、前記予圧縮力計測手段は、前記第１の弾性体及び前記第２の弾性体のたわみ量に基づいて予圧縮力を計測するものであることを特徴とする。
また、本発明は、前記予圧縮力計測手段は、前記超磁歪アクチュエータに設けられたひずみゲージに基づいて測定されるひずみ量に基づいて予圧縮力を計測するものであることを特徴とする。
また、本発明は、前記超磁歪アクチュエータを磁気シールドで覆ったことを特徴とする。
また、本発明は、前記磁気シールドが純鉄で形成されていることを特徴とする。
【００１１】
本発明では、超磁歪アクチュエータによって構成された第１及び第２のアクチュエータが定盤に与える変位が駆動信号に対して最も効率よく発生し、かつ、駆動信号に対して発生する変位の直線性がよくなる条件を満たすように、すなわち除振能力が最も優れた状態となるように第１及び第２のアクチュエータの予圧縮力を第１及び第２の調整手段によって調整することができる。また、上下規制手段と水平規制手段によって上下及び水平方向への基台の移動量が規制されるので、第1及び第2のアクチュエータにかかるせん断方向及び引っ張り方向の力が制限される。
また、支持手段が、基台と前記定盤の間に配設された空気ばねと、前記空気ばねに空気を与えるエアコンプレッサーと、前記エアコンプレッサーから前記空気ばねに与える空気圧を制御する空気圧制御弁とを備えるものである場合には、定盤の高さ方向の位置を調整することができる。
また、前記第１のアクチュエータが基台に保持されたアクチュエータ保持部と前記アクチュエータ保持部から進退するロッドを備え、前記第１の調整手段は、前記アクチュエータ保持部を前記第１のアクチュエータの前記変位方向においてその位置を調整するように構成されている場合には、第１のアクチュエータの予圧縮力を調整することができる。
また、前記第２のアクチュエータが基台に保持されたアクチュエータ保持部と前記アクチュエータ保持部から進退するロッドを備え、前記第２の調整手段は、前記アクチュエータ保持部を前記第２のアクチュエータの前記変位方向においてその位置を調整するように構成されている場合には、第２のアクチュエータの予圧縮力を調整することができる。
また、前記第１の弾性体が、上下方向に加わる荷重に対しては剛く、かつ、水平方向に加わる荷重に対しては柔らかいものであり、前記第２の弾性体が、上下方向に加わる荷重に対しては柔らかく、かつ、水平方向に加わる荷重に対しては剛いものである場合には、第１のアクチュエータにかかるせん断方向の微振動が第１の弾性体で吸収され、第２のアクチュエータにかかるせん断方向の微振動が第２の弾性体で吸収される。
前記定盤の上下方向の位置を検出する複数のレベルセンサと、前記各レベルセンサから入力される検出信号に基づいて前記空気圧制御弁を制御することで前記エアコンプレッサーが前記空気ばねに与える空気圧を制御して前記定盤の高さ方向の位置を一定に保持する定盤位置制御手段を備えた場合には、定盤の高さ方向の位置が一定に保持される。
また、前記定盤は平面視直方形をなす板状を呈しており、前記第１のアクチュエータは、前記定盤の下面の四隅近傍に対応する位置にその変位方向が上下方向となるようにそれぞれ設けられたものであり、前記第２のアクチュエータは、前記定盤の四隅の対向する一対の隅部の近傍に対応する箇所においてに前記一対の隅部を挟んで隣接するようにそれぞれ設けられ、かつ、前記一対の隅部を挟んで隣接するそれぞれの前記第２のアクチュエータの変位方向が水平面内で互いに直角をなす方向となるように構成されている場合には、定盤が各第１のアクチュエータ及び各第２のアクチュエータによって変位を与えることでこの定盤に取付けられた被除振体の振動が除去される。
また、前記第１のアクチュエータ及び前記第２のアクチュエータによって前記定盤に加えられる変位量を計測する変位量計測手段を備えた場合には、定盤に加えられる変位量を計測することができる。
また、前記変位量計測手段が、前記振動センサの検出信号に基づいて前記変位量を求めるものであった場合には、振動センサの検出信号から定盤の変位量を得ることができる。
また、前記変位量計測手段が、前記第１のアクチュエータによって変位を与えられる前記定盤の箇所の変位量を測定する第１の変位計と、前記第２のアクチュエータによって変位を与えられる前記定盤の箇所の変位量を測定する第２の変位計とによって構成される場合には、第１及び第２の変位計によって定盤の上下及び水平方向の変位量を計測することができる。
また、前記第１のアクチュエータ及び前記第２のアクチュエータの予圧縮力を計測する予圧縮力計測手段を備えた場合には、第１及び第２のアクチュエータの予圧縮力を計測することができる。
また、前記予圧縮力計測手段が、前記第１の弾性体及び前記第２の弾性体のたわみ量に基づいて予圧縮力を計測するものである場合には、第１及び第２の弾性体のたわみ量から第１及び第２のアクチュエータの予圧縮力を計測することができる。
また、前記予圧縮力計測手段は、前記固体アクチュエータに設けられたひずみゲージに基づいて測定されるひずみ量に基づいて予圧縮力を計測するものである場合には、固体アクチュエータに生じるひずみ量からこのアクチュエータの予圧縮力を計測することができる。
また、前記固体アクチュエータが超磁歪アクチュエータである場合には、この超磁歪アクチュエータが比較的強度が強く温度変化に対して強いから取り扱いが容易である。
また、超磁歪アクチュエータを磁気シールドで覆った場合には、この超磁歪アクチュエータから発せられる磁界が超磁歪アクチュエータの外部に放射されることを防止することができる。
また、前記磁気シールドが純鉄で形成されている場合には、この純鉄によって超磁歪アクチュエータから発せられる磁界が超磁歪アクチュエータの外部に放射されることを防止することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は本発明のアクティブ型除振装置の実施の形態における概略構成を示す縦断面図、図２はその平面図であり定盤を取り除いた状態を示している。なお、図１、図２において従来例を示す図６、図７と同一の部分には同一の符号を付しその説明を省略する。
本発明に係るアクティブ型除振装置１００は、床面１１に設置される平面視直方形をなす底壁１０Ａ及びこの底壁１０Ａの４つの側辺から上方に立設された側壁１０Ｂを備えた基台（ベースフレーム）１０と、この基台１０よりも小さな平面視直方形をなす板状を呈し、この基台１０の側壁１０Ｂにその側面が囲まれた状態で、基台１０の底壁１０Ａの上面に配設された４個の空気ばね４０によって上下及び水平方向に移動可能に支持された、被除振体を取付けるための定盤１２とを備えている。
各空気ばね４０は、不図示のエアコンプレッサーから与えられる空気圧が不図示の空気圧制御弁によって制御されることでその上下方向の寸法が調整されるようになっている。空気ばね４０、エアコンプレッサー及び空気圧制御弁によって被除振体及び定盤１２の重量を、被除振体及び定盤１２が上下動できる状態で支持する支持手段が構成されている。
【００１３】
上面からみて矩形状を呈する定盤１２の底面１２０には、定盤１２における上下方向の加速度を検出する３個の振動センサ１８と水平方向の加速度を検出する３個の振動センサ２０がそれぞれ底面１２０の縦横の中心線上とほぼ重なる位置に配設されている。
【００１４】
基台１０の底壁１０Ａ上において、定盤１２の下面の四隅近傍に対応する位置には、この定盤１２に上下方向の変位を加えて上下方向に変位させるための第１のアクチュエータ４２がそれぞれ１個ずつ合計４個配設されている。また、基台１０の側壁１０Ｂにおいて、定盤１２の側面の四隅近傍に対応する位置には、この定盤１２に水平方向の変位を加えて水平方向に変位させるための第２のアクチュエータ４４がそれぞれ１個ずつ合計４個配設されている。
【００１５】
第１のアクチュエータ４２及び第２のアクチュエータ４４は、超磁歪アクチュエータによって構成されており、与えられる駆動信号に基づいてケース４６の長手方向に伸長する歪み（磁歪）を生じる不図示の超磁歪素子と、この超磁歪素子を収容してこの超磁歪素子を外部から保護するケース４６と、この超磁歪素子に結合されてケース４６の端部からケース４６の長手方向に進退するロッド４８とを備えている。
この超磁歪素子は、磁界の影響を受けた場合にその磁歪量が大きな合金材料により構成されている。
また、この超磁歪アクチュエータは、それに与えられる駆動信号の大きさに対する磁歪量である変位特性がほぼ線形であるため、この超磁歪アクチュエータを駆動するための駆動信号を生成する処理は比較的簡単でよいという利点がある。
【００１６】
各第１のアクチュエータ４２は、軸心方向を上下方向に向けて配設されており、そのロッド４８の上端は、弾性体５０を介して定盤１２の底面１２０に取付けられている。この弾性体（特許請求の範囲の第１の弾性体に相当）５０は、第１のアクチュエータ４２の変位方向（上下方向）に対しては剛く、第１のアクチュエータ４２の変位方向と直交する方向（水平方向）には柔らかい特性を備えた例えばゴムなどから構成されるものであり、第１のアクチュエータ４２に対してその変位方向に作用する力をそのまま定盤１２に伝える一方、変位方向と直交する方向に作用するせん断力とせん断方向の微振動については吸収する作用を果たしている。
【００１７】
図３に詳しく説明するように、各第１のアクチュエータ４２は、底壁１０Ａにボルトなどで取付けられたアクチュエータ取付部１０００に保持されている。
アクチュエータ取付部１０００は、その下部に設けられた固定片１００２がボルト１００４などによって底壁１０Ａに固着されている。アクチュエータ取付部１０００の下部から立設された側壁１００６によって囲まれた収容空間１００７が形成されており、この収容空間１００７には、ケース４６部分にアクチュエータ保持部４９Ａが取付けられた第１のアクチュエータ４４が上下方向、すなわちロッド４８の進退方向に沿って移動可能な状態で収容保持されている。そして、上記収容空間１００７の下部には、アクチュエータ保持部４９Ａの後端に面して水平方向に延在する中間壁１００８が形成されており、アクチュエータ保持部４９Ａの後端は、この中間壁１００８に螺合された調整ねじ１０１０の先端に当接するようになっている。
【００１８】
したがって、この調整ねじ１０１０を回転することにより、第１のアクチュエータ４２の変位方向におけるアクチュエータ保持部４９Ａの位置を調整することができるようになっている。
つまり、第１のアクチュエータ４２を固定したアクチュエータ保持部４９Ａの位置を調整ねじ１０１０によって調整することにより、非駆動状態の第１のアクチュエータ４１がその変位方向に対して定盤１２から受ける予圧縮力を調整できるようになっている。ここで、アクチュエータ保持部４９Ａを保持するアクチュエータ取付部１０００と調整ねじ１０１０は特許請求の範囲の第１の調整手段に相当している。
なお、この実施の形態では、基台１０と定盤１２の間において、調整ねじ１０１０、アクチュエータ４２及び弾性体５０をこの順番で配置しているが、調整ねじ１０１０、アクチュエータ４１及び弾性体５０の配置は上記順番に限定されない。
【００１９】
また、基台１０の底壁１０Ａの上面には、定盤１２の上下方向の位置を検出するためのレベルセンサ６０が３個配設されており、このレベルセンサ６０の検出出力に基づいて、エアコンプレッサーから各空気ばね６０に与える空気圧を空気圧制御弁で調整することによって、定盤１２の高さ方向の位置を一定に保持する定盤位置制御手段が構成されている。
このエアコンプレッサーが定盤１２の高さ方向の位置を一定に保持するために空気ばね１２に与える空気量は、ごくわずかな量で済むため、従来のエアアクチュエータを用いたアクティブ型除振装置の場合に比較して、エアコンプレッサーは空気容量が少ない小型のものでよく電力消費量も少なくて済む。
【００２０】
各第２のアクチュエータ４４は、軸心方向を水平方向に向けて配設されており、そのロッド４８の前端は、第１のアクチュエータ４２の場合と同様に弾性体（特許請求の範囲の第２の弾性体に相当）５１を介して定盤１２に取付けられている。この弾性体５１は、第２のアクチュエータ４４の変位方向（水平方向）に対しては剛く、第１のアクチュエータ４２の変位方向と直交する方向（上下方向）には柔らかい特性を備えたものであり、第２のアクチュエータ４４に対してその変位方向に作用する力をそのまま定盤１２に伝える一方、変位方向と直交する方向に作用するせん断力及びせん断方向の微振動を吸収する作用を果たしている。
【００２１】
各第２のアクチュエータ４４のケース４６は、基台１０の側壁１０Ｂに保持されるアクチュエータ保持部４９に固定されており、このアクチュエータ保持部４９は、側壁１０Ｂにおいてロッド４８の進退方向に沿った任意の位置で固定されるようになっている。このアクチュエータ保持部４９は、その後端が側壁１０Ｂに設けられた壁部１０Ｃに螺合された調整ねじ５４の先端に常時当接するように付勢されている。
【００２２】
したがって、この調整ねじ５４を回転することにより、第２のアクチュエータ４４の変位方向におけるアクチュエータ保持部４９の位置を調整することができるようになっている。
つまり、第２のアクチュエータ４４を固定したアクチュエータ保持部４９の位置を調整ねじ５４によって調整した後、このアクチュエータ保持部４９を側壁１０Ｂに固定することにより、非駆動状態の第２のアクチュエータ４４がその変位方向に対して定盤１２から受ける予圧縮力を調整できるようになっている。ここで、アクチュエータ保持部４９を保持する側壁１０Ｂと壁部１０Ｃに螺合された調整ねじ５４は特許請求の範囲の第２の調整手段に相当している。
なお、この実施の形態では、基台１０と定盤１２の間において、調整ねじ５４、アクチュエータ４４及び弾性体５１をこの順番で配置しているが、調整ねじ５４、アクチュエータ４４及び弾性体５１の配置は上記順番に限定されない。
【００２３】
各第２のアクチュエータ４４は、それぞれ隣り合う第２のアクチュエータ４４の変位方向が水平面内で互いに直角をなす異なる４つの方向となるように配設されている。
【００２４】
定盤１２の底面１２０と基台１０の間には、定盤１２の上下及び水平方向の移動を規制する規制手段５８が２個設けられている。
各規制手段５８は、定盤１２の底面１２０から下方に延出され中間部に半径方向に延出された円盤部５８２を備える棒状体５８０と、基台１０の上面においてこの棒状体５８０に対応する位置に設けられ、円盤部５８２の上下の面に当接することにより円盤部５８２の軸方向（上下方向）の移動を規制する第１の面と、円盤部５８２の円周面に当接することにより円盤部５８２の円周方向（水平方向）の移動を規制する第２の面とを備えた規制体５８４とから構成されている。
この規制手段５８によって定盤１２の上下及び水平方向の移動量が規制されるが、この移動量は、定盤１２が移動した場合に、第１及び第２のアクチュエータ４２、４４が破損しないような寸法に設定されている。なお、規制手段５８は特許請求の範囲の上下規制手段及び水平規制手段に相当している。
【００２５】
振動計増幅器２２は、各振動センサ１８、２０から入力される上下及び水平方向の加速度を示す検出信号Ｓを増幅するものである。
制御装置２４は、振動計増幅器２２から入力された上下及び水平方向の加速度を示す検出信号Ｓに基づいて、その振動を定盤１２に取付けられた被除振体から除去するために必要な第１及び第２のアクチュエータ４２、４４の駆動量に相当する駆動信号を演算生成するものである。前述したように、超磁歪アクチュエータにより構成される各アクチュエータ４２、４４は、それらに与えられる駆動信号に対する駆動量（発生する変位の大きさ）がほぼ線形の特性を有しているため、制御装置２４によって検出信号から駆動信号を演算生成するための処理が簡単なでよい。
アクチュエータ駆動アンプ２７は、この駆動信号を増幅した駆動信号Ｄを第１及び第２のアクチュエータ４２、４４に入力して駆動させるものである。
【００２６】
図４は本発明に係るアクティブ型除振装置の実際の構成を示す正面図、図５はその平面図であり定盤及び定盤に取付けられる取付け板を取り除いた状態を示している。
図４に示すように、定盤１２は平面視直方形をなす板状を呈しており、定盤１２の底面１２０はこの底面１２０とほぼ同形状の取付け板１３に取付けられている。
【００２７】
図５に示すように、第１のアクチュエータ４２は、定盤１２の下面１２０の四隅近傍に対応する位置にその変位方向が上下方向となるようにそれぞれ設けられている。
第２のアクチュエータ４４のロッド４８は、不図示の弾性体及びそれに取着された取付け部４４１を介して取付け板１３に固定されている。
したがって、各第２のアクチュエータ４４は、定盤１２の四隅の対向する一対の隅部の近傍に対応する箇所においてに一対の隅部を挟んで隣接し、定盤１２の四隅の対向する一対の隅部の近傍に対応する箇所に駆動力が伝達されるように設けられており、かつ、一対の隅部を挟んで隣接するそれぞれの第２のアクチュエータ４４の変位方向が水平面内で互いに直角をなす方向となるように構成されている。
【００２８】
基台１０の底壁１０Ａ上には、基台１０の対向する長辺に沿って３個ずつ合計６個の空気ばね４０と、空気ばね４０の間に位置する５個の規制手段５８と、振動センサ１８、２０からの検出信号を増幅するための振動計増幅器２２と、各空気ばね４０と連通しており、エアコンプレッサーに接続されこれら空気ばね４０にエアコンプレッサーからの空気圧を供給する供給口４１とが設けられている。取付け板１３の下面１３Ａには、上下及び水平方向の加速度を検出するための振動センサ１８、２０がそれぞれ３個づつ取付けられている。
図４、図５に示した構成においては、定盤１２の底面１２０の下方に、全ての部品、すなわち振動増幅器２２、空気ばね４０、供給口４１、第１及び第２のアクチュエータ４２、４４、及び規制手段５８が配設されている。
【００２９】
次に、作用、効果について説明する。
まず、初めに超磁歪アクチュエータとこれに与える予圧縮力について説明する。
一般的に、超磁歪アクチュエータにおいては、その超磁歪アクチュエータに与えられる駆動信号に対して、この磁歪アクチュエータの変形量（伸び、縮み）がもっとも大きく、かつ、超磁歪アクチュエータの変形量が線形に変化する状態にすることが超磁歪アクチュエータの性能を最大限に生かす上で好ましい。超磁歪アクチュエータでは、これに与える予圧縮力を最適値に調整することにより、この超磁歪アクチュエータを上述した好ましい状態にすることができる。
【００３０】
この実施の形態においては、第１及び第２のアクチュエータ４２、４４を上述した好ましい状態に調整することで次のような利点が生じる。
すなわち、第１及び第２のアクチュエータ４２、４４に与えられる駆動信号に対して、第１及び第２のアクチュエータ４２、４４が定盤１２に与える変位量がもっとも大きくなるから、より大きな外部振動に対してその振動を除去することができる。
また、第１及び第２のアクチュエータ４２、４４に与えられる駆動信号に対して、第１及び第２のアクチュエータ４２、４４が定盤１２に与える変位量が線形に変化するので、第１及び第２のアクチュエータ４２、４４が定盤１２に与える変位量が駆動信号に対して忠実に発生するので、アクチュエータの駆動制御がより忠実に行われる。
つまり、第１及び第２のアクチュエータ４２、４４の予圧縮力を最適に調整することで、この除振装置の除振能力が最も優れた状態にすることができる。
【００３１】
したがって、まず、第１のアクチュエータ４２、第２のアクチュエータ４４の予圧縮力の調整を行う。この予圧縮力は、各アクチュエータを構成する超磁歪アクチュエータが非駆動時に定盤１２から受ける荷重のことを示している。
【００３２】
超磁歪アクチュエータの予圧縮力の調整（磁歪量の最適化）は、所定周波数かつ所定振幅の駆動信号（例えば正弦波信号）を各アクチュエータ４２、４４に入力した状態で、最も定盤１２が振動される、すなわち定盤１２の変位が大きくなるように各アクチュエータ４２、４４の予圧縮力を調整することによって行われる。
第１及び第２のアクチュエータ４２、４４の予圧縮力は、調整ねじ１０１０、５４を回転させてそれぞれ第１、第２のアクチュエータ４２、４４の変位方向におけるアクチュエータ保持部４９Ａ、４９の位置を変えることによって容易に調整することができる。
【００３３】
なお、第１及び第２のアクチュエータ４２、４４によって定盤１２に加えられる変位量を計測する変位量計測手段は、例えば、各振動センサ１８、２０から検出される加速度の検出信号に基づいて変位量を計測することで実現できる。
また、変位量計測手段として、第１のアクチュエータ４２によって変位を与えられる定盤１２の箇所の変位量を測定する第１の変位計と、第２のアクチュエータ４４によって変位を与えられる定盤１２の箇所の変位量を測定する第２の変位計とを設けてもよい。
【００３４】
また、第１及び第２のアクチュエータ４２、４４の予圧縮力を計測するための予圧縮力計測手段を設ければ、第１及び第２のアクチュエータ４２、４４の予圧縮力の最適な値を把握することができる。
このような予圧縮力計測手段としては、例えば第１及び前記第２の弾性体５０、５１のたわみ量に基づいて予圧縮力を計測するものであってもよい。
また、予圧縮力計測手段は、第１及び第２のアクチュエータ４２、４４に設けられたひずみゲージに基づいて測定されるひずみ量に基づいて予圧縮力を計測するものであってもよい。
【００３５】
各アクチュエータ４２、４４の予圧縮力調整が終了すれば、振動増幅器２２、制御装置２４、アクチュエータ駆動アンプ２７の電源を投入することにより、
このアクティブ型除振装置１００が稼動する。
床面１１を伝わってきた振動により定盤１２とこれに取付けられた被除振体が振動すると、各振動センサ１８、２０が定盤の振動を示す加速度を検出し、それら加速度を示す検出信号を振動増幅器２２に入力する。振動増幅器２２は、制御装置２４に増幅した検出信号を入力する。この制御装置２４は、振動計増幅器２２から入力された上下及び水平方向の加速度を示す検出信号Ｓに基づいて、その振動を定盤１２に取付けられた被除振体から除去するために必要な第１及び第２のアクチュエータ４２、４４の駆動量に相当する駆動信号を演算生成してアクチュエータ駆動アンプ２７に入力する。このアクチュエータ駆動アンプ２７は、この駆動信号を増幅した駆動信号Ｄを第１及び第２のアクチュエータ４２、４４に入力して駆動させる。これにより、定盤１２に取付けられた被除振体の振動が除去され、被除振体は高度な静止状態を維持する。
【００３６】
また、このアクティブ型除振装置１００が稼動している際に、このアクティブ型除振装置の除振能力を超える振動（例えば地震などによる振動）が床面１１から基台１０に伝わった場合には、定盤１２が大きく振動しようとするが、規制手段５８の作用により、定盤１２の上下及び水平方向の移動量が確実に規制される。したがって、各アクチュエータ４２、４４が大きなせん断力及び引っ張り力を受けて破損することが防止される。
【００３７】
上述した実施の形態のアクティブ型除振装置によれば、その除振能力が最も優れた状態となるように第１及び第２のアクチュエータ４２、４４の予圧縮力を調整することができるので、被除振体の重量などの条件が変わった場合には、これらの予圧縮力を適切に調整することにより除振能力を最大限に発揮することができる。
また、この実施の形態によれば、従来のエアアクチュエータを用いたアクティブ型除振装置と違ってその変位特性がほぼ線形であるため、アクチュエータの駆動制御が簡単であり、エアアクチュエータと異なり流体を使用していないので、高周波領域の振動に対する除振能力が低下することもない。
また、従来のエアアクチュエータを用いたアクティブ型除振装置と違って、大きなエアコンプレッサーが不要なので、設置スペースが少なくかつ動作電力も少なくて済む。
【００３８】
なお、第１及び第２のアクチュエータ４２、４４として超磁歪アクチュエータを用いたが、この超磁歪アクチュエータは、内部に永久磁石やコイルを有しているため、その動作中に強力な磁界を発生する。このため、その磁界が除振装置の近傍に存在する磁界の影響を嫌う他の装置に放射されないように純鉄などから形成される磁気シールドで覆うことが好ましい。
また、磁気シールドを第１及び第２のアクチュエータ４２、４４のケース４６によって構成すれば、ケース４６の他に磁気シールドを別途設ける必要がないという利点もある。
また、本実施の形態では、第１及び第２のアクチュエータ４２、４４として超磁歪アクチュエータを用いたが、その他の固体アクチュエータを用いてもよい。超磁歪アクチュエータ以外の固体アクチュエータとしては、温度による熱膨張で動作するもの、電界による電歪、圧電歪で動作するもの、光による光誘起相転移で動作するものなどがある。
なお、超磁歪アクチュエータ以外の固体アクチュエータも、超磁歪アクチュエータと同様に、それに与えられる駆動信号の大きさに対する変位特性がほぼ線形であるため、この固体アクチュエータを駆動するための駆動信号を生成する処理は比較的簡単でよい。また、固体アクチュエータとそれに加える予圧縮力の関係も前述した超磁歪アクチュエータの場合と同様である。
また、固体アクチュエータの１つであるピエゾアクチュエータは、超磁歪アクチュエータに比較して温度環境の変化に対する影響を受けやすい欠点があるため、温度環境の変化がある場所で使用する場合には、例えばこのような温度環境の変化に対して影響を受けにくい超磁歪アクチュエータを用いることが好ましい。
【００３９】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように本発明は、基台上において上下及び水平方向に移動可能に支持され被除振体が取付けられる定盤と、前記定盤の上下及び水平方向の加速度を検出する振動センサと、前記基台と定盤との間に設けられ前記定盤に上下方向の変位を加えて定盤を上下方向に変位させる第１のアクチュエータと、前記基台と定盤との間に設けられ前記定盤に水平方向の変位を加えて前記定盤を水平方向に変位させる第２のアクチュエータと、前記第１のアクチュエータと前記定盤の間に設けられ前記第１のアクチュエータに作用するせん断力を吸収する第１の弾性体と、前記第２のアクチュエータと前記定盤の間に設けられ前記第２のアクチュエータに作用するせん断力を吸収する第２の弾性体と、前記振動センサで検出した上下及び水平方向の加速度に基づいて前記第１及び第２のアクチュエータを駆動させて前記被除振体の振動を除去するアクティブ型除振装置において、前記第１及び第２のアクチュエータは超磁歪アクチュエータから構成されており、前記定盤と前記基台との間に設けられ、前記被除振体を含む前記定盤の重量を、前記被除振体を含む前記定盤が上下動できる状態で支える支持手段と、前記基台に設けられ、前記第１のアクチュエータを前記基台上に保持するとともに、前記第１のアクチュエータの、その変位方向における位置を調整することによって、非駆動状態の前記第１のアクチュエータがその変位方向において前記定盤から受ける予圧縮力を調整する第１の調整手段と、前記基台に設けられ、前記第２のアクチュエータを前記基台上に保持するとともに、前記第２のアクチュエータの、その変位方向における位置を調整することによって、非駆動状態の前記第２のアクチュエータがその変位方向において前記定盤から受ける予圧縮力を調整する第２の調整手段と、前記第１のアクチュエータ及び前記第２のアクチュエータによって前記定盤に加えられる変位量を計測する変位量計測手段と、前記第１のアクチュエータ及び前記第２のアクチュエータに所定周波数かつ所定振幅の駆動信号を入力する手段と、前記基台と定盤との間に設けられ前記定盤の上下方向の移動量を規制する上下規制手段と、前記基台と定盤との間に設けられ前記定盤の水平方向の移動量を規制する水平規制手段とを備え、前記支持手段は、前記基台と前記定盤の間に配設された空気ばねと、前記空気ばねに空気を与えるエアコンプレッサーと、前記エアコンプレッサーから前記空気ばねに与える空気圧を制御する空気圧制御弁とを備える構成とした。
【００４０】
そのため、超磁歪アクチュエータによって構成された第１及び第２のアクチュエータが定盤に与える変位が駆動信号に対して最も効率よく発生し、かつ、駆動信号に対して発生する変位の直線性がよくなる条件を満たすように、すなわち除振能力が最も優れた状態となるように第１及び第２のアクチュエータの予圧縮力を第１及び第２の調整手段によって調整することができる。また、上下規制手段と水平規制手段によって上下及び水平方向への基台の移動量が規制されるので、第１及び第２のアクチュエータにかかるせん断方向及び引っ張り方向の力が制限されるので、第１及び第２のアクチュエータの破損が防止される。また、従来のエアアクチュエータを用いたアクティブ型除振装置と違って、第１及び第２のアクチュエータの変位特性がほぼ線形であるため、アクチュエータの駆動制御が簡単であり、エアアクチュエータと異なり流体を用いていないため、高周波領域の振動に対する除振能力が低下することもない。また、従来のエアアクチュエータを用いたアクティブ型除振装置と違って、大きなエアコンプレッサーが不要なので、設置スペースが少なくかつ動作電力も少なくて済む。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のアクティブ型除振装置の概略構成を示す縦断面図である。
【図２】図１の平面図である。
【図３】第１の調整手段の構成を示す説明図である。
【図４】本発明のアクティブ型除振装置の実際の構成を示す正面図である。
【図５】図４の平面図である。
【図６】ピエゾアクチュエータを用いた従来のアクティブ型除振装置の説明図である。
【図７】エアアクチュエータを用いた従来のアクティブ型除振装置の説明図である。
【符号の説明】
１００除振装置
１０基台
１１床面
１２定盤
１８振動センサ
２０振動センサ
４０空気ばね
４２第１のアクチュエータ
４４第２のアクチュエータ
４８ロッド
４９Ａ、４９アクチュエータ保持部
５０、５１弾性体
５８規制手段
６０レベルセンサ

Claims

基台上において上下及び水平方向に移動可能に支持され被除振体が取付けられる定盤と、前記定盤の上下及び水平方向の加速度を検出する振動センサと、前記基台と定盤との間に設けられ前記定盤に上下方向の変位を加えて定盤を上下方向に変位させる第１のアクチュエータと、前記基台と定盤との間に設けられ前記定盤に水平方向の変位を加えて前記定盤を水平方向に変位させる第２のアクチュエータと、前記第１のアクチュエータと前記定盤の間に設けられ前記第１のアクチュエータに作用するせん断力を吸収する第１の弾性体と、前記第２のアクチュエータと前記定盤の間に設けられ前記第２のアクチュエータに作用するせん断力を吸収する第２の弾性体と、前記振動センサで検出した上下及び水平方向の加速度に基づいて前記第１及び第２のアクチュエータを駆動させて前記被除振体の振動を除去するアクティブ型除振装置において、
前記第１及び第２のアクチュエータは超磁歪アクチュエータから構成されており、
前記定盤と前記基台との間に設けられ、前記被除振体を含む前記定盤の重量を、前記被除振体を含む前記定盤が上下動できる状態で支える支持手段と、
前記基台に設けられ、前記第１のアクチュエータを前記基台上に保持するとともに、前記第１のアクチュエータの、その変位方向における位置を調整することによって、非駆動状態の前記第１のアクチュエータがその変位方向において前記定盤から受ける予圧縮力を調整する第１の調整手段と、
前記基台に設けられ、前記第２のアクチュエータを前記基台上に保持するとともに、前記第２のアクチュエータの、その変位方向における位置を調整することによって、非駆動状態の前記第２のアクチュエータがその変位方向において前記定盤から受ける予圧縮力を調整する第２の調整手段と、
前記第１のアクチュエータ及び前記第２のアクチュエータによって前記定盤に加えられる変位量を計測する変位量計測手段と、
前記第１のアクチュエータ及び前記第２のアクチュエータに所定周波数かつ所定振幅の駆動信号を入力する手段と、
前記基台と定盤との間に設けられ前記定盤の上下方向の移動量を規制する上下規制手段と、
前記基台と定盤との間に設けられ前記定盤の水平方向の移動量を規制する水平規制手段とを備え、
前記支持手段は、前記基台と前記定盤の間に配設された空気ばねと、前記空気ばねに空気を与えるエアコンプレッサーと、前記エアコンプレッサーから前記空気ばねに与える空気圧を制御する空気圧制御弁とを備える、
ことを特徴とするアクティブ型除振装置。
前記第１の弾性体は、上下方向に加わる荷重に対しては剛く、かつ、水平方向に加わる荷重に対しては柔らかいものであり、前記第２の弾性体は、上下方向に加わる荷重に対しては柔らかく、かつ、水平方向に加わる荷重に対しては剛いものであることを特徴とする請求項１記載のアクティブ型除振装置。
前記定盤の上下方向の位置を検出する複数のレベルセンサと、前記各レベルセンサから入力される検出信号に基づいて前記空気圧制御弁を制御することで前記エアコンプレッサーが前記空気ばねに与える空気圧を制御して前記定盤の高さ方向の位置を一定に保持する定盤位置制御手段を備えたことを特徴とする請求項１記載のアクティブ型除振装置。
前記定盤は平面視直方形をなす板状を呈しており、前記第１のアクチュエータは、前記定盤の下面の四隅近傍に対応する位置にその変位方向が上下方向となるようにそれぞれ設けられたものであり、前記第２のアクチュエータは、前記定盤の四隅の対向する一対の隅部の近傍に対応する箇所においてに前記一対の隅部を挟んで隣接するようにそれぞれ設けられ、かつ、前記一対の隅部を挟んで隣接するそれぞれの前記第２のアクチュエータの変位方向が水平面内で互いに直角をなす方向となるように構成されていることを特徴とする請求項１記載のアクティブ型除振装置。
前記変位量計測手段は、前記振動センサの検出信号に基づいて前記変位量を求めるものであることを特徴とする請求項１記載のアクティブ型除振装置。
前記変位量計測手段は、前記第１のアクチュエータによって変位を与えられる前記定盤の箇所の変位量を測定する第１の変位計と、前記第２のアクチュエータによって変位を与えられる前記定盤の箇所の変位量を測定する第２の変位計とによって構成されることを特徴とする請求項１記載のアクティブ型除振装置。
前記第１のアクチュエータ及び前記第２のアクチュエータの予圧縮力を計測する予圧縮力計測手段を備えたことを特徴とする請求項１記載のアクティブ型除振装置。
前記予圧縮力計測手段は、前記第１の弾性体及び前記第２の弾性体のたわみ量に基づいて予圧縮力を計測するものであることを特徴とする請求項７記載のアクティブ型除振装置。
前記予圧縮力計測手段は、前記超磁歪アクチュエータに設けられたひずみゲージに基づいて測定されるひずみ量に基づいて予圧縮力を計測するものであることを特徴とする請求項７記載のアクティブ型除振装置。
前記超磁歪アクチュエータを磁気シールドで覆ったことを特徴とする請求項１記載のアクティブ型除振装置。
前記磁気シールドが純鉄で形成されていることを特徴とする請求項１０記載のアクティブ型除振装置。