JP5134465B2

JP5134465B2 - 除振装置

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Publication number: JP5134465B2
Application number: JP2008194089A
Authority: JP
Inventors: 正志安田; 照雄丸山
Original assignee: Tokkyokiki Corp
Current assignee: Tokkyokiki Corp
Priority date: 2008-07-28
Filing date: 2008-07-28
Publication date: 2013-01-30
Anticipated expiration: 2028-07-28
Also published as: JP2010031950A

Description

本発明は、設置構造と精密機器などの除振対象の間に設けられ、振動の遮断又は抑制を行う空気ばねを用いた除振装置に関するものである。

半導体製造装置、精密加工機、検査装置などの精密機器は、例えば、地面からのわずかな振動によっても加工精度や、検査精度に大きな影響が出てしまう。このような問題を解決するために、精密機器と地面との間に空気ばねを用いた除振装置を設けて振動を遮断することが行われている。このとき、除振装置には、除振性能として地面などからの振動が除振対象に伝達されにくいことと、制振性能として振動によって除振対象が所定の位置からずれた場合には、短時間で元の位置に整定できることが求められる。

除振装置の除振性能を向上させるには、空気ばねのばね特性を柔らかくし、固有振動数が低くなるようにすれば良い。このため、従来から空気ばねは、大きな空気タンクを用意して空気容量を大きくし、ばね特性を柔らかくすることが行われている。

しかしながら、空気ばねの空気容量を大きくすると、空気の流出入により空気ばね内部の圧力を変化させることによって、ばね特性を変化させて制振を行う場合に必要な空気の流出入量も多くなるため、応答性が悪くなる。つまり、従来の空気ばねを用いた除振装置の除振性能と制振性能にはトレードオフの関係があり、両方の性能をともに良くすることは難しい。
特開２００７−１４６８９８号公報

本発明は上述したような問題を鑑みてなされたものであり、空気ばねの空気容量を大きくすることなく、除振性能を向上させることができ、しかも、応答性が良く制振性能に優れた除振装置を提供することを目的とするものである。

すなわち、本発明は、設置構造と除振対象との間においてその双方に圧力を作用させて振動を遮断又は抑制する空気ばねを用いた除振装置であって、前記設置構造に接続される第１容器要素と、前記除振対象に接続される第２容器要素と、を具備し、前記第１容器要素と前記第２容器要素とが実質的に密閉状態を保ったまま相対移動可能に構成された容器と、前記容器に設けられ、容器内部の圧力よりも低い圧力の低圧源と接続される低圧ポートと、前記容器に設けられ、容器内部の圧力よりも高い圧力の高圧源と接続される高圧ポートと、前記低圧ポート及び前記高圧ポートの開口量を調整し、前記容器内部の圧力を負圧に保つとともにその負圧力を制御して、前記第２容器要素を前記除振対象の振動が遮断又は抑制されるように作動させる制御機構を具備した除振装置である。

ここで、実質的に密閉状態を保ったままとは、前記第１容器要素と前記第２容器要素との間には隙間がない場合とともに、微小な隙間が形成されており、その隙間から空気の流出入があったとしても容器内部の負圧を保つことができるような場合を含む。

このようなものであれば、前記容器内部の圧力を負圧にすることによって、前記容器内部の圧力と前記第２容器要素の外部にかかる例えば、大気圧との差により、前記除振対象を前記設置構造に対して支持しつつ、ばね特性を柔らかくして、除振性能を良くすることができるので、空気容量を大きくすることによってばね特性を柔らかくする必要がなくなる。

従って、大きな空気タンクを用意する必要がなくなり、しかも、空気容量を大きくしないことによって、制振を行う場合に前記除振対象の位置を変化させるのに必要な空気の流出入量を少なくすることができるので、応答性を良くすることができ、除振性能と制振性能をともに向上させることができる。

加えて、前記容器に設けられた前記高圧ポートと前記低圧ポートを介して、前記容器内部の負圧及び空気流量を調整することによって、容器内部が正圧に保たれている場合と比較して、優れた除振性能と制振性能を有した除振装置にすることができる。

固有振動数を低減し、広い帯域で外乱に対する応答倍率が小さくなるようにするには、前記高圧ポートから前記容器内部を介して前記低圧ポートへ気体を流し続けていればよい。

前記第２容器要素によって前記除振対象に力を作用させるには、前記除振対象を支持したり、吊るしたりすることが考えられるが、特に鉛直方向に支持を行いやすくするには、前記第２容器要素に設けられ、前記容器内部を通り、前記第１容器要素を貫通して前記除振対象に接続される伝達機構を備えたものであればよい。

鉛直方向に支持をすることができ、除振性能や制振性能を損なわないようにするには、前記第２容器要素に設けられ、前記第１容器要素の外部を迂回して前記設置構造とは反対側へ延出し、前記除振対象に接続される伝達機構を備えたものであってもよい。

前記除振対象に作用させる力を大きくし、例えば、鉛直方向に支持することができる重量を増加させるには、前記第２容器要素の外圧作用面を密閉状態で囲む加圧室壁と、前記第２容器要素又は加圧室壁に設けられ、前記第２容器要素と前記加圧室壁とで形成される内部空間を加圧する加圧源と接続される加圧ポートと、を備えたものが上げられる。

前記容器内部を負圧に保ったまま、制振制御を行うための具体的な実施の態様としては、前記制御機構は、前記第２容器要素又は前記除振対象の測定位置が目標位置となるように制御するものであって、前記容器内部の容積が減少する方向に前記測定位置と前記目標位置との偏差が増加した場合には、前記高圧ポートの開口量を増加させ、同時に前記低圧ポートの開口量を減少させ、前記容器内部の容積が増加する方向に前記測定位置と前記目標位置との偏差が増加した場合には、前記高圧ポートの開口量を減少させ、同時に前記低圧ポートの開口量を増加させるように構成されていればよい。

前記容器内部を負圧に保ったまま、制振制御を行うための別の実施の態様としては、前記制御機構は、前記第２容器要素又は前記除振対象を測定位置が目標位置となるように制御するものであって、前記容器内部の容積が減少する方向に前記測定位置と前記目標位置との偏差が増加した場合には、前記高圧ポートを開口し、同時に前記低圧ポートを閉鎖し、前記容器内部の容積が増加する方向に前記測定位置と前記目標位置との偏差が増加した場合には、前記高圧ポートを閉鎖し、同時に前記低圧ポートを開口し、目標位置近傍では、前記高圧ポートと前記低圧ポートとが概略閉鎖されているように構成されていればよい。

前記高圧ポート及び前記低圧ポートを介して流出入する気体の圧力変動を少なくし、流出入する期待の圧力調整を容易に行えるようにする態様としては、前記低圧源が真空ポンプであり、前記高圧源と前記高圧ポートとの間には圧力平滑容器が設けられ、前記低圧源と前記高圧源を接続する流路上に大気又は加圧源と連通し、圧力の調整を行う分岐口を具備するものが挙げられる。

前記第２容器要素が前記除振対象に作用させることができる力を大きくするには、除振装置を、前記第１容器要素と前記第２容器要素が相対移動する方向を揃えて、直列に複数配置し、各第２容器要素を連結した多段除振装置とすればよい。

さらに、前記第２容器要素が前記除振対象に作用させることができる力を様々な値に調節できるようにするには、前記多段除振装置において各容器内部の圧力を独立に制御するようにすればよい。

本発明は、容器内部の圧力を負圧にすることによって、外圧との差圧によって除振対象を支持しつつ、ばね特性を柔らかくし、固有振動数を低下させて、広い帯域において応答倍率を低くすることができるので、空気容量を大きくすることによって除振性能を向上させる必要がない。従って、空気容量を大きくしないことによって、制振時の応答性をも良くすることができるので、除振性能と制振性能の両方ともを向上させることができる。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。

本実施形態の除振装置１００は、床などの設置構造Ｇと除振対象ｍである精密機器との間に設けられて前記除振対象ｍを床に設置構造Ｇに対して支持しつつ、振動を遮断又は抑制するために用いるものである。

この除振装置１００は、図１に示す概念図のように、空気ばねを構成する容器１と、前記容器内部１３の圧力を負圧に保つとともにその負圧力を制御して、前記除振対象ｍの振動が遮断又は抑制されるように制御を行う制御機構４（図３参照）と、を備えたものである。

前記容器１は、前記設置構造Ｇに接続される第１容器要素１１と、前記除振対象ｍに接続される第２容器要素１２と、を具備し、前記第１容器要素１１と、前記第２容器要素１２とが密閉状態を保ったまま相対移動可能に構成したものである。

図１及び図２に示すように、前記第２容器要素１２に設けられた伝達機構１４は、前記第１要素の外部を迂回して前記設置構造Ｇとは反対側の上方へと延出し、前記除振対象ｍを支持するように構成してある。

より具体的には、前記第１容器要素１１は、図２に示す斜視図のように一端が開口した概略円筒形状体の開口側の側面を一部対称に切り落とし、側面視で門型の形状にしたものである。その開口側が前記設置構造Ｇに載置してある。前記第１容器要素１１の側面には、前記容器内部１３の圧力よりも低い圧力の低圧源に接続される低圧ポート３と、前記容器内部１３の圧力よりも高い圧力の高圧源に接続される高圧ポート２が空気配管を介して設けられている。

前記第２容器要素１２と前記伝達機構１４は、図２に示す斜視図のように両端が並行した概略円筒形状体の側面を対称に切り落とし、側面視で概略ロの字形状にし、その上面には除振対象ｍが載置され、下面は前記第１容器要素１１と略嵌め合うように形成してある。つまり、略円板形状の下面が第２容器要素１２にあたり、門型形状の側面及び上面が前記伝達機構１４にあたる。そして、前記第１容器要素１１の上面と側面と、前記第２容器要素１２とで形成される容器内部１３が密閉状態となり、前記第１容器要素１１に対して、前記第２容器要素１２が相対移動できるように、それぞれの空隙部分にはダイアフラムＢによって隙間が生じないようにしてある。また、前記第２容器要素１２の外側面は大気と接触するように構成してある。従って、第２容器要素１２は、前記容器内部１３の負圧と、大気圧との差圧によって前記除振対象ｍを支持する力を発生する。

前記容器内部１３は、前記第１容器要素１１に設けられた低圧ポート３と、高圧ポート２を介して内部の圧力を負圧にて制御されるようにしてある。前記低圧ポート３は、低圧源である真空ポンプ（図示せず）と接続されるものであって、前記高圧ポート２は高圧源と接続されるものである。前記真空ポンプは、前記容器内部１３の負圧よりも低い圧力を有するものであり前記高圧源は前記容器内部１３の負圧よりも高い圧力を有するものである。

本実施例では、前記高圧源と前記真空ポンプは、前記容器内部１３の圧力を１０〜５０ｋＰａに制御するように構成した。これは、容器内部１３の圧力が５０ｋＰａよりも大きい圧力になると前記第２容器要素１２が支持できる重量が小さくなると共に、ばね剛性は圧力（気体密度）に比例して高くなるため、除振性能が低下してしまうことを配慮したものである。

図１では説明の簡単のために、前記第１容器要素１１に低圧ポート３と高圧ポート２が別々の場所に設けられるように図示しているが、実際には前記第１容器要素１１の１箇所に内部空気が流出入する容器側ポートＹを具備した空気配管Ｋを設けている(図３参照))。

流量制御バルブである前記制御機構４は、前記低圧ポート３と前記高圧ポート２の開口量を制御することによって前記容器内部１３の圧力を制御するものである。この第１実施形態では、前記低圧ポート３又は前記高圧ポート２のいずれも完全に閉鎖されることはなく、常に前記高圧ポート２から前記容器内部１３を介して前記低圧ポート３へと気体が流れ続けるように構成してある。

具体的には、前記空気配管に制御機構４として図３に示す三方弁を接続してあり、高圧ポート２と低圧ポート３と、容器内部１３側ポートの開口量を制御するように構成してある。前記三方弁はフラッパー型サーボ弁であり、前記設置構造Ｇ及び前記除振対象ｍが定常状態にあるときには、フラッパーＦが中央になるように構成してあり、流量の半分が常に流れ続けるようにしてある。

次に、前記除振対象ｍが前記設置構造Ｇである床に対して定常状態において一定距離離間されて除振装置１００に支持されるように制御する場合について、除振装置１００の動作を制御機構４の動作とともに説明する。

前記除振対象ｍは定常状態において、前記設置構造Ｇである床から一定距離離間した状態で支持されている。容器内部１３は負圧に保たれており、前記第２容器要素１２は、下面の外側面に大気圧がかかっているので、上方向に前記除振対象ｍを支持する力が発生している。このとき、制御機構４であるフラッパー型サーボ弁のフラッパーＦは中立位置にあり、前記高圧源から前記容器内部１３に一定量の気体が流入し、前記容器内部１３から前記低圧源に一定量の気体が流出するようにして、容器内部１３の圧力を負圧で一定に保つようにしている。

前記設置構造Ｇからの振動などによって、前記除振対象ｍが所定の位置から上方向にずれて、前記容器内部１３の容積が小さくなってしまった場合には、前記除振対象ｍを下方向に動かすように制御機構４は動作する。すなわち、前記容器内部１３の負圧を前記外側面にかかる大気圧に近づけて、前記第２容器要素１２が前記除振対象ｍに作用させる力を小さくするために、前記制御機構４は、フラッパーＦを回転させ前記高圧ポート２の開口量を大きくし、前記低圧ポート３の開口量を小さくする。このことによって高圧の気体が流入する量が増加するので、容器内部１３の負圧は大気圧に近づき、前記第２容器要素１２の前記除振対象ｍに上方向に作用させる力は小さくなるので、除振対象ｍは下方へ移動することになる。

逆に、前記除振対象ｍが所定の位置よりも下方にずれており、容器内部１３の容積が増加している場合には、前記制御機構４は、フラッパーを揺動させて高圧ポート２の開口量を小さくし、低圧ポート３の開口量を大きくする。すると、前記容器内部１３へ流入する高圧の気体の量は減少し、前記容器内部１３から流出する気体の量は増加するので、前記容器内部１３の負圧はさらに低下する。従って、前記第２容器要素１２の下面にかかる負圧と大気圧との差圧が大きくなり、前記除振対象ｍに上方向に作用する力が大きくなるので、前記除振対象ｍは上昇する。

このようにして、前記除振対象ｍを前記設置構造Ｇに対して一定距離離間した位置で支持することができる。

次にこの除振装置１００において制振制御を行うときの理論モデルについて説明する。

本実施形態の除振装置１００のモデルとして図４に示すような単純吊り下げのモデルを考える。容器内部１３には、高圧源から気体が流入し、容器内部１３からは低圧源に気体が流出している状態で、容器内部１３の圧力は負圧に保たれているとする。

運動方程式から式（１）、式（２）が導かれ、容器内部１３の熱力学的な平衡条件を示すエネルギー方程式から式（３）が導かれる。これらの方程式を連立して解くことにより、除振対象ｍの上方向の変位ｘ、速度をｕ、容器内部１３の負圧力をＰａを求めることができる。

ここで、Ａｐは第２容器要素１２の負圧力がかかる受圧面積、Ｐｓは高圧源の圧力、ｍは除振対象ｍの質量、ｇは重力加速度、ｃは減衰係数、Ｖａは容器内部１３の容積、κは比熱比、Ｒは気体定数、Ｔｓは高圧源の気体温度、Ｔａは容器内部１３の気体温度である。

Ｇ_ｉｎは高圧源から容器内部１３に流入する気体の質量流量であり、Ｇ_ｏｕｔは容器内部１３から負圧室に流出する気体の質量流量である。前述したように前記制御機構４のようにフラッパー型サーボ弁を用いて、高圧ポート２と低圧ポート３の開口量を制御して前記除振対象ｍを目標位置ｘ_０に位置制御をするには、式（４）、式（５）に表されるように質量流量を制御する。

ここで、ａ_０はフラッパーが中立位置にあるときの開口面積、Ｘ_ｃは除振装置１００を設置する設置構造Ｇの変位、Ｋｐは比例変位フィードバックゲインである。つまり、目標値ｘ_０からの偏差をε＝（ｘ−ｘ_ｃ）−ｘ_０とするとε→０となるように流量Ｇ_ｉｎ、Ｇ_ｏｕｔが制御される。また、通常、容器内部１３が大気圧よりも大きい圧力に保たれている場合と異なり、式（４）に注目すると偏差εが大きくなるほど、開口量が大きくなるようにポジティブ・フィードバックの形になるように構成してある。

次にこれらの式（１）〜（５）に基づいて、数値解析シミュレーションにて得られた設置構造Ｇから入力された外乱から除振対象ｍの変位までの周波数応答特性、すなわち、地動外乱に対する除振特性の計算結果を図５に示す。図５には、比較として容器内部１３の容積、容器１の外径、除振対象ｍの質量を同じ条件にし、容器内部の圧力が正圧に保たれている除振装置の周波数応答も合わせて表示してある。

この結果から、同等の条件であれば、容器内部１３を負圧に保ち、動作させる除振装置１００のほうが容器内部１３を正圧に保って除振を行う従来の除振装置と比べて固有振動数を低下させることができ、広い周波数帯域において優れた除振性能を得ることができる。

また、容器内部１３の空気を流出入させることによって振動抑制対象の位置を制御する場合のシミュレーション結果として、振動抑制対象の位置を指令する指令値から振動抑制対象の変位までの周波数応答を計算した結果を図６に示す。図６にも、比較として容器内部１３の容積、容器１の外径、除振対象ｍの質量を同じ条件にし、容器内部１３の圧力が正圧に保たれている除振装置の周波数応答も合わせて表示してある。

この結果から、同等の条件であれば、容器内部１３を負圧に保ち動作させる除振装置１００のほうが、容器内部１３を正圧に保って位置決めを行う従来の除振装置に比べて、固有振動数まで周波数応答特性が改善されていること分かる。すなわち、容器内部を負圧に保った除振装置１００のほうが、入力指令に対して俊敏な応答をすることが分かる。

このように本実施形態の除振装置１００によれば、前記容器内部１３の圧力を負圧にすることによって、前記第２容器要素１２の下面にかかる負圧と大気圧との圧力差によって、前記除振対象ｍを支持し、除振を行うことができる。

さらに、前記容器内部１３の負圧をより小さくすることによって、ばね特性を柔らかいものにし、固有振動数を低下させることができる。また、前記容器内部１３の容量を大きくしなくても固有振動数を低下させることができる。従って、大きな空気タンクを用意する必要がなくなり、前記容器内部１３の空気の容量を大きくしないことによって、前記振動対象の位置を制御するために必要な空気の流出入量を小さくすることができので、指令値に対する前記除振対象ｍの応答性を改善することができる。

より具体的には、図５に示されるように、意図しない前記設置構造Ｇからの振動などの外乱が前記除振対象ｍには伝わりにくくするとともに、図６に示されるように、前記除振対象ｍの位置などに対する指令値に対する応答特性を俊敏なものにすることができる。

つまり、前記容器内部１３の圧力を負圧に保つようにして除振や制振を行うことによって、容器内部を正圧に保った従来の除振装置では、トレードオフが発生した除振性能と制振性能を両立することが可能となる。

また、常に高圧ポート２から容器内部１３を介して低圧ポート３へと気体が流れ続ける状態で、容器内部１３を負圧に保ったまま、その負圧力を制御するように構成しているので、完全密閉状態と比べて剛性が低下するため、除振装置１００の固有振動数をより低下させることができ、除振特性をよりよいものにすることができる。加えて、気体の流量を大きくすることによってより固有振動数を低下させ、そのピークも抑えることができる。

次に、その他の変形実施形態について説明する。前記実施形態と同じ構成要素には同一の符号を付すものとする。

前記第１容器要素１１及び前記第２容器要素１２の他の変形実施形態について説明する。

図７に示すように、前記第１容器要素１１が前記設置構造Ｇに接続される固定中心軸部１Ａと、前記固定中心軸部１Ａに支持され、後述する第２容器要素１２と容器内部１３を形成する傘部１Ｂとから構成されるものであっても構わない。

前記固定中心軸部１Ａは、前記設置構造Ｇに接続される円板部材１１１と、その円板体１１１の中心から除振対象ｍ側へ突出する中心軸部材１１２とから構成されており、円板部材１１１と中心部材１１２の内部には、容器内部１３の圧力を負圧に保ち制御するための空気が流出入する空気配管Ｋが設けてある。その空気配管Ｋは、一端が中心軸部材の先端部にて開口するように設けてあり、もう一端は前記制御機構４と接続されるように構成してある。

前記傘部１Ｂは、前記中心軸部材１１２の先端から広がる円板形状の天板部１１３と、その天板部１１３の周辺部から、前記設置構造Ｇ側へ延出する側面部１１４と、で構成してある。

前記第２容器要素１２は、前記中止軸部材１１２と前記側面部１１４に合致するように形成され、中心に当該中心軸部材が挿入される貫通穴が形成された円板状の部材である。前記第２容器要素１２には、その第２容器要素１２に取り付けられ、前記第１容器要素１１に接触しないように前記除振対象ｍと接続される伝達機構１４が設けてある。前記伝達機構１４の形状について詳述すると、前記中心軸部材１１２が挿入される貫通孔を有し、前記第２容器要素１２に取り付けられる円板形状の底面と、その底面から前記除振対象ｍ側へ延出する略円筒形状の側面を有し、その側面は前記傘部１Ｂを迂回して前記除振対象ｍと接続されるように構成してある。

図８に示すように、前記第２容器要素１２が、容器内部１３を通り、前記第１容器要素１１を貫通して前記除振対象ｍに接続される伝達機構１４を備えたものであっても構わない。

この実施形態では、前記第２容器要素１２は、前記第１容器要素１１と嵌め合う円板形状部と、前記円板形状部の中心から突出し、前記除振対象ｍと接続される円柱状の伝達機構１４と、から構成される。前記第１容器要素１１に対して、前記伝達機構１４が挿入される部分の隙間にも容器内部１３の空気が逃げないようにダイアフラムＢが設けてある。

これらのようなものであっても、除振対象ｍを除振装置１００に載置して鉛直方向に支持することができる。

また、図９に示すように、前記第２容器要素１２が前記第１容器要素１１と嵌め合う円板形状部材のみで構成されていても構わない。この場合は、例えば、除振対象ｍを第２容器要素１２に吊るして接続することによって支持し、除振を行うことができる。

さらに、図１０及び図１１に示すように、第１容器要素１１が、前記第２容器要素１２の外圧が作用する外圧作用面を密閉状態で囲む加圧室壁５１を備えたものであっても構わない。

加圧室壁５１には、前記第２容器要素１２と、前記加圧室壁とで形成される内部空間５３を加圧する加圧源と接続される加圧ポート５２が設けてある。
このようなものであれば、前記実施形態では、容器内部１３の負圧と大気圧の差圧によって除振対象ｍを支持していたのに対して、容器内部１３の負圧と大気圧よりも加圧された空気の差圧によって除振対象ｍを支持できるようになる。従って、支持することができる除振対象ｍの重量を大きくすることができる。

次に制御機構４の別の実施形態について説明する。

図１２に示すように、制御機構４として用いる三方弁としては、スプール型サーボ弁であっても構わない。スプール型サーボ弁は３つのポートを具備しており、高圧ポート２、容器内部１３へと開口するポートと、低圧ポート３の順で設けてある。スプールは摺動可能に設けてあり、３つの弁体が並んで連消してあるものであり、スプールＳを移動させることによって、それぞれのポートの開口量を調整するよう構成してある。

このスプール型サーボ弁を用いれば、スプールＳが中央にある定常状態において、弁体の形状を調整することによって常時気体が流れるようにする、あるいは、閉鎖することもできる。また、流れる空気の流量が多い場合でも低常時の低圧ポート３から流出する排気量を少なくすることができる。また、ポートを弁体で塞ぐ簡単な構造なので、容易に大きな開口面積にすることができる。

図１３に示すように、制御機構４として用いる三方弁として、レベル制御用三方弁を用いても構わない。このレベル制御用三方弁も、高圧ポート２、容器内部１３へと開口するポート、低圧ポート３の順でポートが設けてあり、それらの開口量を調節する弁体とを具備している。前記実施形態とは異なり、常に、高圧ポート２から容器内部１３を介して低圧ポート３に気体が流れ続けるようにするのではなく、弁体の移動によって、次の３つの状態を取るように構成してある。３つの状態とは、高圧ポート２と、容器内部１３へと開口するポートのみを開口し、低圧ポート３は閉鎖する吸気状態、全てのポートを閉鎖する閉鎖状態、高圧ポート２を閉鎖し、容器内部１３へと開口するポートと、低圧ポート３とを開口する排気状態である。

より具体的には、レベル制御用三方弁は、弁体ＶＢと、先端に空洞Ｐ１を設けて空気の流路が設けられたプランジャＰと、前記弁体ＶＢをガイドする弁体ＶガイドＶＧと、を備え、前記弁体ＶＢは、プランジャＰの先端開口に嵌合する第１嵌合部Ｖ１と、前記弁体ＶガイドＶＧと嵌合する第２嵌合部Ｖ２とを有したものである。吸気状態では、弁体ＶＢの第１嵌合部Ｖ１は前記プランジャＰから外れており、前記弁体ＶガイドＶＧには嵌合しており、高圧ポート２からの気体流はプランジャＰの先端の空洞Ｐ１を通って容器側ポートＹへと流れていく。また閉鎖状態では、前記弁体ＶＢは第１嵌合部Ｖ１がプランジャＰ先端と嵌合するとともに、第２嵌合部Ｖ２が前記弁体ＶガイドＶＧと嵌合しているため、気体の移動は生じない。さらに、排気状態では、プランジャＰによって押されることで、第１嵌合部Ｖ１はプランジャＰの先端に嵌合したまま、第２嵌合部Ｖ２が前記弁体ＶガイドＶＧからはずれるため、容器側ポートＹと低圧ポート３が連通されて排気が行われる。

このレベル制御用三方弁を用いると、制御動作としては前記実施形態と同じ動作をし、開口量を制御するのに偏差のポジティブ・フィードバックを戻すことになる。このように、吸気と排気を別々に行うように構成してある制御機構４であっても、除振装置１００によって除振対象ｍの除振を行うとともに、除振対象ｍの位置制御も行うことができる。なお、ここでは三方弁を用いた開度制御について述べたが、三方弁を用いない手法として、パルス幅制御などの技術を適用してON/OFF型の二方弁（電磁弁）を高速応答させるこことで、三方弁による開度制御と同じ効果を得ることもできる。

前記実施形態では、単一の容器１で除振装置１００を構成しているが、複数の容器１を用いて多段除振装置１００を構成しても構わない。具体的には、複数の容器１を前記第１容器要素１１と前記第２容器要素１２が相対移動する方向に揃えて直列に配置し、各第２容器要素１２を連結したものであればよい。

ここで、図１４及び１５に示すように、いずれか一つの容器１に高圧ポート２と低圧ポート３を設けておき、連結された第２容器要素１２にそれぞれの容器内部１３を空気が流出入するように空気配管を設けてある。第１容器要素１１の外側と第２容器要素１２の外側で形成される空間の圧力は負圧よりも多くなるように、予め調整しておくか、一部が大気に開放されるようにしてある。

このようなものであれば、第２容器要素１２が容器内部１３の負圧と、例えば、大気圧との差圧によって除振対象ｍを支持する力を同じ方向に揃えて加算していくことができるので、少ない設置面積（フットプリント）でより大きな重量のものを支持することができるようになる。

図１６及び図１７に示すように、多段除振装置１００において各容器内部１３の圧力を独立に制御できるように、各容器１に高圧ポート２と低圧ポート３を設けても構わない。また、第１容器要素１１と第２容器要素１２の外側で形成される空間の圧力を調整できるようにしても構わない。

図１６に示すように、上部の容器内部１３は常に負圧に保たれており、前記第１容器要素１１と第２容器要素１２の外側で形成される空間の圧力は、低圧ポート３の開口量を大きくした状態で、上部の容器内部１３の圧力と同じに負圧になるようにしてあり、高圧ポート２と低圧ポート３の開口量が同じにした状態で、下部の容器内部１３の圧力は上部の容器内部１３の圧力よりも高い圧力の負圧にしてある。

図１７に示すように、荷重が増加したときには、第１容器要素１１と、第２容器要素１２の外側で形成される空間に接続された高圧ポート２と低圧ポート３の開口量が同じにして、下部の容器内部１３の圧力と同じなるようにして、差圧を発生させ、支えることができる荷重を増加させる。

このようなものであれば、各第２容器要素１２が除振対象ｍを支持する力を調整することができるので、支持できる除振対象ｍの重量を大きくしつつ、除振装置１００が出力する力をきめ細やかに制御することができるようになる。

図１８に示すように、除振装置１００がさらに、除振対象ｍと設置構造Ｇとの間に弾性要素ｋと、減衰要素ｃを備え、設置構造Ｇからの除振対象ｍの位置を検出する位置検出器ｄｉと、除振対象ｍの加速度を検出する加速度検出器Ａを備えたものであっても構わない。

制御機構４は検出された位置と加速度をポジティブ・フィードバックして高圧ポート２と低圧ポート３の開口量を制御するように構成してある。

このようなものであれば、弾性要素ｋと減衰要素ｃによって、系全体の除振や制振に関する周波数応答特性を調節することができ、また、位置フィードバックと加速度フィードバックによって除振と制振の両方の制御をより精密に行うことができるようになる。

高圧源の圧力変動が容器内部に伝わらないようにするには、高圧ポートと高圧源との間に圧力平滑容器を設けておけばよい。圧力平滑容器としては、例えば、空気タンクなどが考えられる。

制御機構内の異常な圧力などを調整できるようにするには、制御機構又は制御機構に連結される空気配管に大気圧に解放される分岐口を設けたものであればよい。また、分岐口が加圧源に接続されるものであっても構わない。

前記実施形態や変形実施形態では、除振装置に除振対象を載置する、あるいは、吊り下げて除振を行うものについて説明したが、除振装置の変位方向を水平方向に向けて除振を行うものとしても構わない。

制御機構は、除振対象の動きに連動してフラッパーやスプールを機械的に動かすものであって構わないし、コンピュータなどの処理装置を用いて偏差を計算し、それに基づいてフラッパーやスプールの位置を制御するものであっても構わない。

図３に示したフラッパー型三方弁において、定常状態におけるフラッパーＦの位置を各ポートの中央ではなく、高圧ポート側に近接した状態を保つように設定すれば、容器内部１３はより低い真空圧を動作点として維持できる。そのため、除振器はより優れた除振性能が得られる。

アクチュエータの受圧面積を変えることで、容器内部１３の真空圧を一定のままで除振器の支持荷重を対象に合せて設定することができる。たとえば、図８の実施例を用いて説明すれば、円筒形状の部材を第１容器要素１１の開口部に装着し、この円筒形状部材に、ダイアフラムＢを介して円板形状の第２容器要素１２を装着する。前記円筒形状部材、及び外径の異なるダイアフラムＢと円板形状の第２要素容器部材だけを数種類品揃えしておけば、除振器の他の部品は変えないで、支持荷重を対象に合せて容易に設定することができる。

前記実施形態では、ダイアフラムによって第１容器要素と第２容器要素との間に隙間が形成されないようにして、容器内部の負圧が変動しないようにしていたが、ダイアフラムを用いずに、第１容器要素と第２容器要素との間に容器内部の圧力にほんとんど変動が生じない程度の微小隙間を形成しておいても構わない。

その他、前述した実施形態や変形実施形態の一部又は全部を適宜組み合わせてよいし、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であることは言うまでもない。

本発明の一実施形態に係る模式図。同実施形態における容器の模式的斜視図。同実施形態における制御機構の模式図。本発明の理論モデルを表す模式図。同実施形態における外乱に対する周波数応答特性を示すシミュレーション結果。同実施形態における位置入力値に対する周波数応答特性を示すシミュレーション結果。容器についての別の実施形態を示す模式図。容器についてのさらに別の実施形態を示す模式図。容器についての異なる実施形態を示す模式図。図８の容器に基づく別の実施形態を示す模式図。図１の容器に基づく別の実施形態を示す模式図。制御機構の別の実施形態を示す模式図。制御機構のさらに別の実施形態を示す模式図。容器を直列に並べた多段除振装置に関する実施形態を示す模式図。前記多段除振装置の別の実施形態を示す模式図。前記多段除振装置のさらに別の実施形態の定常状態を示す模式図。前記多段除振装置のさらに別の実施形態の荷重状態を示す模式図。本発明のさらに異なる実施形態を示す模式図。

符号の説明

１００・・・除振装置
１・・・容器
１１・・・第１容器要素
１２・・・第２容器要素
１３・・・容器内部
１４・・・伝達機構
２・・・高圧ポート
３・・・低圧ポート
４・・・制御機構
５１・・・加圧壁
５２・・・加圧ポート
ｍ・・・除振対象
Ｇ・・・設置構造

Claims

設置構造と除振対象との間においてその双方に圧力を作用させて振動を遮断又は抑制する空気ばねを用いた除振装置であって、
前記設置構造に接続される第１容器要素と、前記除振対象に接続される第２容器要素と、を具備し、前記第１容器要素と前記第２容器要素とが実質的に密閉状態を保ったまま相対移動可能に構成された容器と、
前記容器に設けられ、容器内部の圧力よりも低い圧力の低圧源と接続される低圧ポートと、
前記容器に設けられ、容器内部の圧力よりも高い圧力の高圧源と接続される高圧ポートと、
前記低圧ポート及び前記高圧ポートの開口量を調整し、前記容器内部の圧力を負圧に保つとともにその負圧力を制御して、前記第２容器要素を前記除振対象の振動が遮断又は抑制されるように作動させる制御機構を具備し、
前記制御機構は、前記第２容器要素又は前記除振対象の測定位置が目標位置となるように制御するものであって、
前記容器内部の容積が減少する方向に前記測定位置と前記目標位置との偏差が増加した場合には、前記高圧ポートの開口量を増加させ、同時に前記低圧ポートの開口量を減少させ、
前記容器内部の容積が増加する方向に前記測定位置と前記目標位置との偏差が増加した場合には、前記高圧ポートの開口量を減少させ、同時に前記低圧ポートの開口量を増加させるように構成されている除振装置。
設置構造と除振対象との間においてその双方に圧力を作用させて振動を遮断又は抑制する空気ばねを用いた除振装置であって、
前記設置構造に接続される第１容器要素と、前記除振対象に接続される第２容器要素と、を具備し、前記第１容器要素と前記第２容器要素とが実質的に密閉状態を保ったまま相対移動可能に構成された容器と、
前記容器に設けられ、容器内部の圧力よりも低い圧力の低圧源と接続される低圧ポートと、
前記容器に設けられ、容器内部の圧力よりも高い圧力の高圧源と接続される高圧ポートと、
前記低圧ポート及び前記高圧ポートの開口量を調整し、前記容器内部の圧力を負圧に保つとともにその負圧力を制御して、前記第２容器要素を前記除振対象の振動が遮断又は抑制されるように作動させる制御機構を具備し、
前記制御機構は、前記第２容器要素又は前記除振対象を測定位置が目標位置となるように制御するものであって、
前記容器内部の容積が減少する方向に前記測定位置と前記目標位置との偏差が増加した場合には、前記高圧ポートを開口し、同時に前記低圧ポートを閉鎖し、
前記容器内部の容積が増加する方向に前記測定位置と前記目標位置との偏差が増加した場合には、前記高圧ポートを閉鎖し、同時に前記低圧ポートを開口し、
目標位置近傍では、前記高圧ポートと前記低圧ポートとが概略閉鎖されているように構成されている除振装置。
前記高圧ポートから前記容器内部を介して前記低圧ポートへ気体を流し続けていることを特徴とする請求項１又は２記載の除振装置。
前記第２容器要素に設けられ、前記第１容器要素と前記容器内部を通り、前記第１容器要素を貫通して前記除振対象に接続される伝達機構を備えたものである請求項１、２又は３記載の除振装置。
前記第２容器要素に設けられ、前記第１容器要素の外部を迂回して前記設置構造とは反対側へ延出し、前記除振対象に接続される伝達機構を備えたものである請求項１、２、３又は４記載の除振装置。
前記第２容器要素の外圧作用面を密閉状態で囲む加圧室壁と、
前記第２容器要素又は加圧室壁に設けられ、前記第２容器要素と前記加圧室壁とで形成される内部空間を加圧する加圧源と接続される加圧ポートと、を備えた請求項１、２、３、４又は５記載の除振装置。
前記低圧源が真空ポンプであり、前記高圧源と前記高圧ポートとの間には圧力平滑容器が設けられ、前記低圧源と前記高圧源を接続する流路上に大気又は加圧源と連通し、圧力の調整を行う分岐口を具備する請求項６記載の除振装置。
請求項１乃至７いずれか記載の除振装置を、前記第１容器要素と前記第２容器要素が相対移動する方向を揃えて、直列に複数配置し、各第２容器要素を連結した多段除振装置。
各容器内部の圧力を独立に制御することを特徴とする請求項８記載の多段除振装置。