JP6871645B1 - 精密機器搭載用除振装置 - Google Patents

Abstract

【課題】金属と弾性体の薄板を交互に積層させた積層ゴムを利用することにより、シンプルな構造で低コスト化を実現した変位抑制機構及び除振装置を提供する。【解決手段】除振装置に設けられる変位抑制機構１０は、機器の搭載を可能としたテーブル４０を設置基準面上に置かれたベース３０に対して支持する除振装置に並列に設けられ、積層方向が水平方向になるように取り付けられた積層ゴム１５を構成部品として含む。積層ゴム１５の一端側が、テーブル４０に対して取付部材１６を介して固着され、積層ゴム１５の他端側が、ベース３０に固着されたギャップ調整機構１３の球面状の先端と所定のギャップを介して対向している。【選択図】図２

Description

本発明は、精密機器を搭載するために用いられる除振装置に関する。

近年、高精度な装置として、たとえば、精密加工機、半導体や液晶表示器や液晶テレビの製造・検査装置、電子顕微鏡、光学顕微鏡、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）・原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、光学実験装置などの精密機器が多く使われている。
これらの高精度な装置は、通常の地盤や建物に存在する微弱振動、あるいは、周辺機器からの微弱振動にも影響を受けるため、高精度な装置本体の精度が得られないことがある。
ここでいう微弱振動とは、地震のような体で感じる揺れよりも小さく、おおむね、０．００１〜１ｃｍ/ｓ^２程度の加速度を有する振動のことをいう。

そのため、これらの精密機器を搭載して床や地盤の振動が高精度な装置、すなわち、精密機器に伝わらないようにする除振装置が使用されている。
除振装置は、一般的には精密機器を搭載するテーブルを、空気ばねやコイルばねや防振ゴムのようなばね要素で支持する構造を取っている。
そして、振動を減衰させるために、オリフィスやオイルダンパなどが並設されることが多い。
また、特許文献１に開示されているように、センサで振動を検出してアクチュエータで制御を行うアクティブ除振装置も近年多く使用されている。

特許５４５７８２１号公報

除振装置の性能は、一般的に振動伝達率Trで表される。
振動伝達率Trは、床振動の振幅Ａ_０が搭載する精密機器の振幅Ａとして、何倍もしくは何分の１倍になって伝わるのかの割合を示し、搭載する精密機器に働く振動周波数f［Ｈｚ］と振動系の固有振動数fn［Ｈｚ］との関数として式１で表される。

また、除振装置の固有振動数fn［Ｈｚ］は、除振装置が、ばね剛性Ｋ［Ｎ/ｍ］、ばね上の質量Ｍ［ｋｇ］を有する場合、次式２で表される。

式１から、除振あるいは防振効果を得るためには、振動伝達率Trが、１以下である必要があり、このためには、固有振動数fnに対する振動周波数fの比である振動数比λ（＝f／fn）が√２以上である必要がある。
通常は、振動数比λの値は、２〜３が選ばれ、振動周波数fが大きくなるほど振動伝達率Trは小さくなる。
したがって、固有振動数fnが小さいほど、除振する振動周波数領域は、広くなり、除振性能が良くなる。

一方、近年の上記のような精密機器の高精度化に伴い、除振装置に要求される除振性能は、ますます上昇する傾向にある。
同時に、除振装置のステージの高速化・高加速度化も進み、可動質量も増大する傾向にある。

除振装置の固有振動数fnを小さくするためには、除振装置のばね剛性Ｋを小さくする必要がある。
しかしながら、除振性能を良くするために、ばね剛性Ｋを小さくするほど、テーブル上の可動物体やステージが動くときの反力によりテーブルが揺れやすくなるというジレンマが存在する。
すなわち、テーブル上に設置した精密機器類の走行による重心移動によって、テーブル自体が変位したり振動したりすることが防止できなくなる。

テーブルが大きく揺れると、その振動変位や加速度が大きい間は、搭載する精密機器が振動の影響を受ける。
また、静止状態への収束（セトリング）に時間がかかるため、搭載する精密機器がその間は、待機状態となる。
その結果、搭載する精密機器の実働時間（タクトタイム）が減少し、除振装置の稼働率が下がる。
テーブルの変位がさらに増えると、ストッパに当たる衝撃振動により搭載する精密機器への悪影響が生じたり、可動範囲を超えて除振装置自体が破損したりすることもある。

この問題に対処するため、従来は、主として、ばね剛性Ｋを高くする方法が採用されてきた。
具体的には、ばね要素（コイルばね、防振ゴム、空気ばね）の剛性を上げるために、ゴムストッパや皿ばねをばね要素に並列に付加するなどの方法である。
空気ばねの場合、ばね容積を小さくする場合もある。
また、比較的剛性の高い防振ゴムと圧電素子を直列に用いたアクティブ除振装置もこの方法の１つと言える。

しかしながら、上記のように除振装置の剛性を高くすると固有振動数が高くなり、除振性能は、悪くなる。
また、圧電素子を用いたアクティブ除振装置は、高額であり、かつ、維持費用も、高額となる。

本発明は、これらの実情に鑑みてなされたものであり、金属と弾性体の薄板を交互に積層させた積層ゴムを利用することにより、シンプルな構造で低コスト化を実現した除振装置を提供することをその目的とする。
すなわち、本発明の目的は、設置基準面上のベースに設置した除振ユニットにより水平に弾性支持して精密機器を搭載可能なテーブルに対する除振ユニットのばね剛性を大きくすることなく、テーブルの水平変位を抑制するとともに、シンプルな構造で低コスト化を実現した精密機器搭載用除振装置を提供することである。

上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、設置基準面上に置かれたベースと、該ベース上に設置した複数の除振ユニットと、該除振ユニットにより水平に弾性支持して精密機器の搭載を可能としたテーブルと、前記ベースとテーブルとの間で前記除振ユニットと並列に設けたテーブル変位抑制機構とを備えた精密機器搭載用除振装置であって、
前記テーブル変位抑制機構が、金属と弾性体の薄板を交互に積層する積層方向を水平方向になるように取り付けられた積層ゴムを構成部品として含み、前記積層ゴムの一端側が、前記テーブルまたは前記ベースの一方に対して取付部材を介して固着され、
前記積層ゴムの他端側が、前記テーブルまたは前記ベースの他方に対して支持部材を介して固着されたギャップ調整機構の球面状の先端部と所定のギャップを介して対向し、
前記ギャップ調整機構が、前記支持部材に螺合するボルト部材と該ボルト部材を前記支持部材に締め付けるナットから構成されていることを特徴とするものである。

請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明において、前記除振ユニットが、空気ばね式、コイルばね式、防振ゴム式のいずれかであることを特徴とするものである。

（削除）

請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に係る発明において、前記積層ゴムの他端側が、平坦な底面に形成された窪みを設けたフランジ部材を備え、該フランジ部材の窪みが前記ギャップ調整機構の球面状の先端部に対向していることを特徴とするものである。

請求項４に係る発明は、請求項３に係る発明において、前記積層ゴムが、前記テーブルまたは前記ベースの前記一方に設けた前記取付部材の水平方向両側にそれぞれ設けられていることを特徴とするものである。

本発明によれば、精密機器搭載用除振装置の静止状態では、積層ゴムをベース側の部材に対して非接触の状態で取り付けることができるため、精密機器搭載用除振装置のばね剛性を大きくすることがなく、除振性能を悪化させることがない。
そして、テーブル変位抑制機構として、シンプルな構造で低コスト化を実現することができる。
また、ギャップ調整機構の先端部が球形状に形成されて積層ゴムの他端側と対向しているため、精密機器搭載用除振装置のテーブルがＹ軸を中心とした回転運動をしても積層ゴムに対してねじれの力を加えることがなく、Ｚ軸を中心とした回転運動にも対応可能である。しかも、ギャップ調整後にギャップ調整機構のボルト部材に設けたナットを締め付けることにより、ボルト部材が振動等によって回動しないようにすることができる。

本発明に係る精密機器搭載用除振装置の一例を示す平面図である。 図１ＡのＡ−Ａ矢視断面図である。 図１Ａに示す精密機器搭載用除振装置に用いられるテーブル変位抑制機構の一例を示す断面図である。 本発明に用いるテーブル変位抑制機構の他の例を示す断面図である。 本発明に係る精密機器搭載用除振装置の他の例を示す平面図である。 図４ＡのＢ−Ｂ矢視断面図である。 図１Ａに示す精密機器搭載用除振装置において、テーブル変位抑制機構を設けない場合に、所定条件でステージを移動させた際のテーブルの水平変位の実測結果を示すグラフである。 図１Ａに示す精密機器搭載用除振装置において、テーブル変位抑制機構を設けた場合に、図５Ａの場合と同じ条件でステージを移動させた際のテーブルの水平変位の実測結果を示すグラフである。

以下、図面を参照しながら、本発明の精密機器搭載用除振装置に係る好適な実施形態について説明する。
以下の説明において、異なる図面においても同じ符号を付した構成は、同様のものであるとして、その説明を省略する場合がある。
なお、本発明は、これらの実施形態での例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された事項の範囲内及び均等の範囲内におけるすべての変更を含む。
また、複数の実施形態について組み合わせが可能である限り、本発明は、任意の実施形態を組み合わせたものを含む。

［第１の実施形態］
図１Ａは、本発明に係る精密機器搭載用除振装置の一例を示す平面図であり、図１Ｂは、図１ＡのＡ−Ａ矢視断面図である。
また、図２は、図１Ａに示す精密機器搭載用除振装置に用いられるテーブル変位抑制機構の一例を示す断面図である。

精密機器搭載用除振装置１００は、テーブル変位抑制機構１０、除振ユニット２０、ベース３０、テーブル４０、ガイド４１、及び、ステージ５０を備えている。
ベース３０は、設置基準面Ｇとなる床の上に設置されており、精密機器の搭載を可能にしたテーブル４０が、ベース３０上に設置された４つの除振ユニット２０により水平に支持されている。
除振ユニット２０は、空気ばね式（空気圧制御式アクティブ精密機器搭載用除振装置を含む）、コイルばね式、防振ゴム式のいずれのものが用いられてもよい。
図1Ａ、図1Ｂでは、除振ユニット２０として、空気ばね式のものを示している。
テーブル４０の上には、ガイド４１が設けられており、精密機器を搭載したステージ５０が、ガイド４１上を、例えば、図１Ａ、図１Ｂに示すＸ軸方向（水平左右方向）に移動可能に設けられている。

精密機器搭載用除振装置１００には、ベース３０とテーブル４０との間に、除振ユニット２０と並列にテーブル変位抑制機構１０が４個設けられている。
また、精密機器搭載用除振装置１００には、ベース３０とテーブル４０との間に、除振ユニット２０と並列に振動減衰要素として図示しないオイルダンパが設けられていてもよい。

テーブル変位抑制機構１０は、図２に示すように、ステージ５０の移動方向と同じ水平方向であるＸ軸方向に積層された積層ゴム１５を２個有している。
積層ゴム１５は、金属と弾性体の薄板を交互に積層させて接着したものである。
積層ゴム１５は、積層方向には剛性が高く、それと直交するせん断方向にはきわめて低い剛性を有する。
通常、積層ゴム１５は、積層方向を鉛直にして、建物や搭載装置を支持し、主として免震を目的として使われるが、本実施形態の精密機器搭載用除振装置１００では、積層ゴム１５は、積層方向が水平方向になるようにして用いる。
より詳しくは、一対の積層ゴム１５の一端側が、テーブル取付部材１７に固着された積層ゴム取付部材１６の水平方向両側である両面に固着されており、テーブル取付部材１７が、テーブル４０にボルト１９によって固定されている。

これにより、テーブル４０がＸ軸方向に移動した際には、積層ゴム１５もテーブル４０と同じＸ軸方向に移動する。
積層ゴム取付部材１６の両面に設けられた一対の積層ゴム１５の他端側には、それぞれフランジ部材１４が設けられており、このフランジ部材１４の中央外側には、それぞれ円形の窪み１４ａが設けられている。
窪み１４ａの底面は、平坦に形成されている。
なお、積層ゴム取付部材１６とテーブル取付部材１７との固着強度を増すために、両者の間にリブを設けてもよい。

窪み１４ａの底面と所定のギャップを介して対向するように、ギャップ調整機構１３が設けられている。
ギャップ調整機構１３は、支持部材１２を介してベース取付部材１１に対して固定されており、ベース取付部材１１は、ボルト１８によってベース３０に固着されている。
ベース３０は、設置基準面Ｇ上に設置されているため、テーブル４０が移動したとしても、ギャップ調整機構１３は、移動することがない。
また、支持部材１２は、ギャップ調整機構１３をベース取付部材１１に対して固定するための部材であり、ギャップ調整機構１３の取付強度を増すために、例えば、Ｚ軸方向の上面視で、四角形状に形成しているが、ベース取付部材１１との間にリブを設けてもよい。

ギャップ調整機構１３は、先端部１３ａを球形状に形成したボルト部材を支持部材１２に設けたネジ孔に螺合することによって、Ｘ軸方向に移動調整が可能になっている。
ギャップ調整機構１３の先端部１３ａとフランジ部材１４の窪み１４ａとのギャップの調整は、精密機器搭載用除振装置１００が浮上した状態で行い、ギャップ調整機構１３のボルト部材を回すことにより、フランジ部材１４の窪み１４ａとのギャップが５００μｍ程度となるように調整する。
調整後は、ギャップ調整機構１３のボルト部材に設けたナットを締め付けることにより、ボルト部材が振動等によって回動しないようにする。

本実施形態では、ギャップ調整機構１３の先端部１３ａが球形状に形成されているため、精密機器搭載用除振装置１００のテーブル４０がＹ軸を中心とした回転運動をしても、それに対応して積層ゴム１５に対してねじれの力を加えることがない。
Ｚ軸を中心とした回転運動にも対応可能である。
また、窪み１４ａの直径は、ギャップ調整機構１３のボルト部材の径より大きい。
このため、垂直方向（Ｚ軸方向）や積層ゴム１５の積層方向と直交する水平方向（Ｙ軸方向）の変位が生じても、積層ゴム１５にせん断変形をさせることなく、テーブル変位抑制機構１０が機能する。

図１Ａにおいて、ステージ５０が左右方向（Ｘ軸方向）に往復運動すると、テーブル４０は、除振ユニット２０により弾性支持されているので、ステージ５０の移動の反力によりテーブル４０は、Ｘ軸方向に変位する。
例えば、ステージ５０が右方向（Ｘ軸プラス方向）に動き出す加速運動時に、ステージ５０の反力は、左方向（Ｘ軸マイナス方向）にテーブル４０に働くため、テーブル４０は、左方向（Ｘ軸マイナス方向）に変位する。
同様に、ステージ５０が右方向（Ｘ軸プラス方向）に止まり始める減速運動時には、ステージ反力は、右方向（Ｘ軸プラス方向）にテーブル４０に働くため、テーブル４０は、右方向（Ｘ軸プラス方向）に変位する。
この変位の大きさが設定したギャップ以上になると、左右いずれかの積層ゴム１５に設けたフランジ部材１４が、ギャップ調整機構１３に接触し始め、積層ゴム１５の積層方向の高いばね剛性により、そのギャップ以上の変位は、テーブル変位抑制機構１０が無いときに比べて大幅に小さくなる。

そして、ステージ５０の移動の反力により、テーブル４０にギャップ以上の変位が生じようとしたときは、積層ゴム１５の積層方向の高いばね剛性により、テーブル４０がそのギャップ以上に大きく変位することが抑止される。
ここで、積層ゴム１５の軸方向は、大きくない弾性を有するため、接触開始と接触終了の離合時の衝撃が、完全な剛体で抑える場合に比べて小さくできる。
また、積層ゴム１５が接触中に装置が積層方向以外に変位するときも、その変位に応じて、積層ゴム１５は容易にせん断変形するため、接触中も接触から離れるときも、変位抑制機構１０は、積層方向以外に大きな力をテーブル４０及びそれに搭載される機器に加えることがない。

本実施形態の精密機器搭載用除振装置では、テーブル変位抑制機構１０は、２つの積層ゴム１５と２つのギャップ調整機構１３を有しており、積層ゴム１５の積層方向（Ｘ軸方向）に対して、テーブル４０の両方向の変位に対応することができる。
このため、本実施形態は、両効きモデルとなっている。

図５Ａは、図１Ａに示す精密機器搭載用除振装置において、テーブル変位抑制機構を設けない場合に、所定条件でステージを移動させた際のテーブルの水平変位の実測結果を示すグラフである。
また、図５Ｂは、図１Ａに示す精密機器搭載用除振装置において、テーブル変位抑制機構を設けた場合に、図５Ａの場合と同じ条件でステージを移動させた際のテーブルの水平変位の実測結果を示すグラフである。
図５Ａ、図５Ｂとも、図１Ａに示すステージ５０をＸ軸方向に零を中心に左右方向（プラス・マイナス方向）に高速でランダムに移動させた場合のＸ軸方向の変位の時間的変化を示している。

図５Ａに示すように、テーブル変位抑制機構１０を設けない場合は、テーブル４０は、最大値３０２５μｍ、最小値−５４０９μｍで、ピークピーク値で８４３４μｍの変位が生じたが、図５Ｂに示すように、テーブル変位抑制機構１０を設けた場合は、テーブル４０は、最大値８１６μｍ、最小値−６３３μｍで、ピークピーク値で１４４８μｍの変位に止まった。
このように、テーブル変位抑制機構１０を設けた場合は、設けない場合に比べて、変位の大きさをピークピーク値で約６分の１に抑えられた。
なお、ギャップ調整機構１３の先端部１３ａと積層ゴム１５に設けたフランジ部材１４の窪み１４ａとのギャップは、５００μｍである。

［第２の実施形態］
図３は、本発明に係る精密機器搭載用除振装置１００に用いたテーブル変位抑制機構の他の例を示す断面図である。
また、図４Ａは、本発明に係る精密機器搭載用除振装置の他の例を示す平面図であり、図４Ｂは、図４ＡのＢ−Ｂ矢視断面図である。

図４Ａ、図４Ｂに示すように、本実施形態の精密機器搭載用除振装置１００’は、第１の実施形態と同様に、テーブル変位抑制機構１０’、除振ユニット２０、ベース３０、テーブル４０、ガイド４１、及び、ステージ５０を備えている。
本実施形態の精密機器搭載用除振装置１００’は、テーブル変位抑制機構１０’の構成が第１の実施形態と異なるが、除振ユニット２０、ベース３０、テーブル４０、ガイド４１、及び、ステージ５０等の他の構成については、第１の実施形態で示した精密機器搭載用除振装置１００の構成と同様であるので、その説明は、省略する。

本実施形態におけるテーブル変位抑制機構１０’は、ベース３０とテーブル４０との間に、除振ユニット２０と並列に２個設けられている。
図３に示すように、テーブル変位抑制機構１０’は、ステージ５０の移動方向と同じ水平方向であるＸ軸方向に積層された積層ゴム１５を有している、積層ゴム１５の一端側は、テーブル取付部材１７に固着された積層ゴム取付部材１６に固着されており、テーブル取付部材１７がテーブル４０にボルト１９によって固定されている。

積層ゴム１５の他端側には、それぞれフランジ部材１４が設けられており、このフランジ部材１４の中央外側には、窪み１４ａが設けられている。
窪み１４ａの底面は、平坦に形成されている。
また、支持部材１２を介してベース取付部材１１に対して固定されたギャップ調整機構１３が、窪み１４ａの底面と所定のギャップを際して対向するように設けられている。
支持部材１２は、ギャップ調整機構１３をベース取付部材１１に対して固定するための部材であり、ギャップ調整機構１３の取付強度を増すために、例えば、Ｚ軸方向の上面視で、コの字形状に形成しているが、四角形状であってもよい。

第１の実施形態におけるテーブル変位抑制機構１０では、図２に示すように、積層ゴム取付部材１６の水平方向両側にそれぞれ積層ゴム１５が設けられていたが、本実施形態におけるテーブル変位抑制機構１０’は、積層ゴム取付部材１６の片側に１個の積層ゴム１５が設けられており、片効きモデルとなっている。

すなわち、本実施形態では、テーブル４０が、図３に示すＸ軸方向マイナス側（紙面左側）に移動した際は、積層ゴム１５がギャップ調整機構１３に接触し始め、積層ゴム１５の積層方向の高いばね剛性により、そのギャップ以上の変位は、ギャップ調整機構１３が無いときに比べて大幅に小さくなる。
一方、テーブル４０が、図３に示すＸ軸方向プラス側（紙面右側）に移動した際は、テーブル変位抑制機構１０’は、ステージ５０の変位を抑制することができない。
このため、本実施形態の精密機器搭載用除振装置１００’では、図４Ａ、図４Ｂで示すように、一対のテーブル変位抑制機構１０’が用いられ、ステージ５０の移動方向に対して互いに反対方向で向き合うように取り付けられる。
これによって、テーブル４０が、Ｘ軸方向（紙面左右方向）のいずれの方向に変位しても、いずれか一方のテーブル変位抑制機構１０’が機能するように構成されている。

上記の第1の実施形態及び第２の実施形態では、積層ゴム１５の一端側をテーブル４０対して積層ゴム取付部材１６を介して固着し、積層ゴム１５の他端側を、ベース３０に対して固着されたギャップ調整機構１３の球面状の先端と所定のギャップを介して対向するように構成したが、積層ゴム１５をベース３０側に取り付けるようにしてもよい。
この場合、積層ゴム１５の一端側をベース３０に対して取付部材を介して固着し、積層ゴム１５の他端側を、テーブル４０に対して固着されたギャップ調整機構１３の球面状の先端と所定のギャップを介して対向するように構成される。
すなわち、例えば、図２に示すテーブル変位抑制機構１０が、Ｚ軸方向（紙面上下方向）で逆になるように、ベース３０とテーブル４０との間に固着される。

以上のように、本発明は、精密機器搭載用除振装置１００，１００’のテーブル４０上で質量の大きいステージ５０が高速で動くときも、除振性能を損なうことなく、大きな変位抑制効果を得ることができる。
また、既存の除振ユニット２０と並列に本発明におけるテーブル変位抑制機構１０，１０’を追加で具備することにより、有効に変位を抑制することができる。

１０，１０’ ・・・テーブル変位抑制機構
１１ ・・・ベース取付部材
１２ ・・・支持部材
１３ ・・・ギャップ調整機構
１３ａ・・・先端部
１４ ・・・フランジ部材
１４ａ・・・窪み
１５ ・・・積層ゴム
１６ ・・・積層ゴム取付部材
１７ ・・・テーブル取付部材
１８，１９ ・・・ボルト
２０ ・・・除振ユニット
３０ ・・・ベース
４０ ・・・テーブル
４１ ・・・ガイド
５０ ・・・ステージ
１００，１００’ ・・・精密機器搭載用除振装置

Claims (4)

1. 設置基準面上に置かれたベースと、該ベース上に設置した複数の除振ユニットと、該除振ユニットにより水平に弾性支持して精密機器の搭載を可能としたテーブルと、前記ベースとテーブルとの間で前記除振ユニットと並列に設けたテーブル変位抑制機構とを備えた精密機器搭載用除振装置であって、
   前記テーブル変位抑制機構が、金属と弾性体の薄板を交互に積層する積層方向を水平方向になるように取り付けられた積層ゴムを構成部品として含み、
   前記積層ゴムの一端側が、前記テーブルまたは前記ベースの一方に対して取付部材を介して固着され、
   前記積層ゴムの他端側が、前記テーブルまたは前記ベースの他方に対して支持部材を介して固着されたギャップ調整機構の球面状の先端部と所定のギャップを介して対向し、
   前記ギャップ調整機構が、前記支持部材に螺合するボルト部材と該ボルト部材を前記支持部材に締め付けるナットから構成されていることを特徴とする精密機器搭載用除振装置。
2. 前記除振ユニットが、空気ばね式、コイルばね式、防振ゴム式のいずれかであることを特徴とする請求項１に記載された精密機器搭載用除振装置。
3. 前記積層ゴムの他端側が、平坦な底面に形成された窪みを設けたフランジ部材を備え、該フランジ部材の窪みが前記ギャップ調整機構の球面状の先端部に対向していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載された精密機器搭載用除振装置。
4. 前記積層ゴムが、前記テーブルまたは前記ベースの前記一方に設けた前記取付部材の水平方向両側にそれぞれ設けられていることを特徴とする請求項３に記載された精密機器搭載用除振装置。

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