KR20210034581A - 기체스프링식 제진장치 - Google Patents

Abstract

아이솔레이터(2)는, 탑재반(3)을 상하방향으로 지지하는 상하방향의 공기스프링(S1)과, 탑재반(3)을 수평방향으로 지지하는 수평방향의 공기스프링(S2, S2, …)을 구비한다. 각 공기스프링(S1, S2, S2, …)은, 각각, 인너케이싱(20), 아우터케이싱(200)과, 피스톤(30, 300)과, 공기실(23, 230)을 구획하는 다이어프램(40, 400)을 갖는다. 공기스프링(S2, S2, …)은, 공기스프링(S1)에서 인너케이싱(20)의 외주면부에 탈착 가능하게 장착된다.

Description

기체스프링식 제진장치

본 개시는 기체스프링식 제진(除振)장치에 관한 것이다.

이런 종류의 기체스프링식 제진장치로는, 예를 들어 특허문헌 1에, 강철제의 고정 기대에 대하여, 피지지체를 상하방향으로 지지하는 상하방향의 기체스프링과, 피지지체를 수평방향으로 지지하는 수평방향의 기체스프링을 배치한 기체스프링식 제진장치가 개시되어 있다.

이 제진장치에서, 수평방향의 기체스프링은, 고정 기대를 사이에 두는 수평방향의 양측 부위에서 서로 중심축이 대략 일치하도록 대향 배치되어 있다. 그리고, 상하 및 수평방향의 각 기체스프링은, 각각, 고정 기대에서 외방을 향하여 개구되도록 형성된 오목부와, 오목부의 개구 근방에 배치된 피스톤과, 피스톤과 오목부의 개구 주연과의 사이를 폐색하여 기체실을 구획하는 다이어프램을 구비하고 있다.

특허문헌 1 : 일본 특허 제3799244호 공보

그런데, 기체스프링식 제진장치에서는, 상하방향의 고유 진동수를 낮게 하기 위하여 상하방향 기체스프링의 기체실의 부피를 크게 하고자 하는 요망이 있다.

그러나, 특허문헌 1의 것으로는, 도 6에 나타내는 바와 같이, 수평방향 기체스프링의 오목부가 고정 기대의 측벽 부재에 형성되어 있기 때문에, 상하방향 기체스프링의 기체실의 부피를 크게 할 수 없다는 문제가 있다.

이 문제를 해결하기 위하여, 고정 기대의 측벽 부재에, 오목부 대신에, 외방으로 돌출하며 또 수평방향 기체스프링의 기체실을 구획하는 고리 형상의 돌기부를 형성하는 것을 생각할 수 있다.

이와 같은 돌기부를 형성한 고정 기대는, 강철재의 블록을 절삭하여 가공하는 것을 일반적으로 생각할 수 있으나, 절삭 가공의 경우 재료 수율이 악화된다는 과제가 있다.

본 개시는, 이러한 점을 감안하여 이루어진 것이며, 그 목적으로 하는 바는, 가공 시의 재료 수율 악화를 억제하면서, 상하방향 기체스프링의 기체실의 부피를 크게 하는 데 있다.

여기에 개시하는 기체스프링식 제진장치는, 피지지체를 상하방향으로 지지하는 상하방향의 기체스프링과, 당해 피지지체를 수평방향으로 지지하는 수평방향의 기체스프링을 구비한다.

상기 상하 및 수평방향의 각 기체스프링은 각각, 외방을 향하여 개구되는 오목부가 형성된 오목부 형성 부재와, 상기 오목부의 개구 근방에 배치된 피스톤과, 상기 피스톤과 상기 오목부의 개구 주연과의 사이를 폐색하여 기체실을 구획하는 다이어프램을 갖는다.

그리고, 상기 수평방향의 기체스프링은, 상기 상하방향 기체스프링에서의 상기 오목부 형성 부재의 외주면부에 탈착 가능하게 장착된다.

상기 구성에 의하면, 수평방향 기체스프링에서의 오목부 형성 부재(이하, 수평 오목부 형성 부재라고도 함)는, 상하방향 기체스프링에서의 오목부 형성 부재(이하, 상하 오목부 형성 부재라고도 함)에 오목 형성되는 것이 아니라 그 외주면부에 장착되므로, 상하 오목부 형성 부재로 구획되는, 상하방향 기체스프링의 기체실 부피를 크게 할 수 있다. 또한, 수평 오목부 형성 부재는, 상하 오목부 형성 부재에 대하여, 외방으로 돌출한 돌기부로서 일체로 형성되는 것이 아니라 그 외주면부에 탈착 가능하게 장착되므로, 가공 시의 재료 수율의 악화가 억제된다. 이상으로써, 가공 시의 재료 수율 악화를 억제하면서, 상하방향 기체스프링의 기체실 부피를 크게 할 수 있다.

상기 상하방향 기체스프링에서의 상기 오목부 형성 부재의 외주면에는, 상기 수평방향의 기체스프링이 끼움결합 가능한 끼움결합부가 형성되는 것으로 하여도 된다.

상기 구성에 의하면, 수평방향의 기체스프링은, 상하 오목부 형성 부재의 외주면에 형성된 끼움결합부에 끼움결합되어 장착되므로, 그 장착 강도가 높아진다.

상기 수평방향의 기체스프링은 모듈화된 것으로 하여도 된다.

상기 구성에 의하면, 수평방향 기체스프링의 탈착이 간단하면서 확실해진다. 또한, 수평방향의 기체스프링 자체가 기능적으로 정리된 일부분이 되므로, 수평방향의 기체스프링을 단독으로 제품으로서 사용하는 것이 가능해진다.

상기 수평방향 기체스프링의 상기 피스톤은, 그 중심축의 방향에서 상대적으로 상기 오목부로부터 멀어지는 일측에 배치된 하중수용부재와, 상기 하중수용부재로부터 축방향 타측으로 이간되며, 또 중심축에 직교하는 방향의 임의의 축 주위로 요동 가능하게 상기 다이어프램에 의해 탄성적으로 유지된 통 형상의 피스톤 본체 부재를 갖고, 상기 하중수용부재로부터 상기 피스톤 본체 부재의 중심구멍을 관통하도록 축방향 타측을 향하여 연장되는 지지기둥이 구성되는 한편, 상기 피스톤 본체 부재에는, 상기 지지기둥을 둘러싸도록 축방향 타측을 향하여 연장되는 바닥 있는 통 형상의 연장부가 형성되고, 상기 연장부의 바닥부에 상기 지지기둥의 선단부가 전동(轉動) 자유롭게 당접하여 축 회전 지지되는 것으로 하여도 된다.

상기 구성에 의하면, 수평방향의 기체스프링에 있어서, 축 직교방향, 즉 상하방향의 진동에 대해서는 피스톤 본체 부재가 연직면 내의 임의의 축 주위로 요동함으로써, 피스톤 본체 부재의 연장부 바닥부에 지지기둥을 개재하고 축 회전 지지되는 하중수용부재가 상하방향으로 변위되고, 이로써 진동의 흡수가 이루어지게 된다. 이때, 지지기둥의 피스톤 본체 부재에 의한 지지점이 피스톤 본체 부재의 다이어프램에 의한 유지 위치보다 축방향 내측의 위치에 있음으로써, 하중수용부재의 상하방향 변위에 대한 다이어프램의 스프링 특성이 매우 부드러워지게 되고, 이로써, 상하방향의 고유 진동수를 충분히 낮게 할 수 있다.

본 개시에 의하면, 가공 시의 재료 수율 악화를 억제하면서, 상하방향 기체스프링의 기체실의 부피를 크게 할 수 있다.

도 1은, 본 개시의 실시형태 1에 따른 아이솔레이터(기체스프링식 제진장치)가 탑재된 정밀 제진대의 전체 구성을 나타내는 사시도이다.
도 2는, 아이솔레이터의 전체 구성을 나타내는 사시도이다.
도 3은, 아이솔레이터의 III-III선 화살표 방향에서 본 단면도이다.
도 4는, 아이솔레이터의 분해사시도이다.
도 5는, 아이솔레이터의 능동제진 제어 시스템의 개략 구성도이다.
도 6은, 아이솔레이터의 선행 기술을 나타내는 도 3에 상당하는 도면이다.

이하, 본 개시의 실시형태를 도면에 기초하여 상세히 설명한다. 이하의 바람직한 실시형태의 설명은 본질적으로 예시에 지나지 않으며, 본 개시, 그 적용물 혹은 그 용도의 제한을 의도하는 것이 아니다.

(실시형태 1)

도 1은, 본 개시에 따른 아이솔레이터(2)(기체스프링식 제진장치)를 사용한 정밀 제진대(A)의 일례를 나타내고, 이 정밀 제진대(A)는, 예를 들어, 도시하지 않는 반도체 검사장치나 전자현미경, 광학식 계측장치 등의 정밀 기기를 탑재하여, 이들 기기를 바닥으로부터의 진동과 거의 절연된 상태로 설치하기 위한 것이다. 즉, 정밀 제진대(A)의 개략 구성은, 도시하는 바와 같이, 바닥면에 설치되는 하측 구조부(1)와, 하측 구조부(1) 상면의 4 모퉁이에 각각 배설된 공기스프링식의 아이솔레이터(2, 2, …)와, 4개의 아이솔레이터(2, 2, …) 상부에 탑재된 탑재반(3)(피지지체)으로 이루어진다.

하측 구조부(1)는, 강철제 각파이프의 구조 부재를 대략 직육면체 형상이 되도록 틀 조립한 것으로, 각각 상하방향으로 연장되는 4개의 다리부(4, 4, …)와, 그에 인접하는 2개의 다리부(4, 4)끼리를 하끝단측에서 연결하도록 수평방향으로 연장되는 하측 들보(beam)부(5, 5)와, 이들 4개의 다리부(4, 4, …)의 상끝단측 외주를 둘러싸고 평면에서 보아 대략 직사각형의 프레임 형상이 되도록 배치되며, 각각 내측면이 다리부(4, 4, …)의 외측면에 접합됨과 더불어 상면이 당해 다리부(4, 4, …)의 상측 끝단면과 동일 평면 상에 위치 결정된 상측 들보부(6, 6, …)로 이루어진다. 그리고, 상기 각 다리부(4)의 상측 끝단면으로부터 그 외측을 둘러싸는 상측 들보부(6, 6)의 상면에 걸쳐, 수평판(7, 7, …)이 배설되고, 이 각 수평판(7) 상에 각각 아이솔레이터(2)가 배설된다. 또한, 하측 구조부(1)의 긴쪽 방향으로 연장되는 2개의 하측 들보부(5, 5)의 하면에는, 이동용 캐스터(8, 8, …)가 2개씩 설치됨과 더불어, 각 다리부(4)의 하측 끝단면에는 각각 높이 조정용 레벨러(9, 9, …)가 배설된다.

(아이솔레이터의 구성)

다음으로, 도 2∼도 4를 참조하면서, 아이솔레이터(2)의 구성을 설명한다. 여기서, 본 명세서에서는, 도시하는 X방향을 좌우방향(수평방향), Y방향을 전후방향(수평방향), 또한, Z방향을 상하방향(연직방향)으로 각각 부르도록 한다.

아이솔레이터(2)는, 후술하는 베이스플레이트(10)의 상부에 배치된 상하방향의 공기스프링(S1)과, 공기스프링(S1)의 후술하는 인너케이싱(20) 외주면부에 배치된 수평방향의 공기스프링(S2, S2, …)을 갖는다.

베이스플레이트(10)는, 하면이 정밀 제진대(A)의 하측 구조부(1)에 수평판(7)을 개재하고 고정되는 한편(도 1도 참조), 상면에는 공기스프링(S1)이 배치되어 장착 고정된다. 베이스플레이트(10)는, 예를 들어 알루미늄합금 등의 금속재료에 의해 각 변이 전후좌우방향으로 면하는 대략 직사각형판 형상으로 형성된다. 베이스플레이트(10) 상면의 중앙부에는, 상방으로 개구되는 상하방향에서 보아 원 형상의 오목부(11)가 형성되고, 이 오목부(11)에 공기스프링(S1)의 하측 끝단부(후술하는 볼록부(27))가 끼움결합된다. 또한, 베이스플레이트(10)의 전후좌우 외연의 중간부에는, 후술하는 사이드플레이트(60)의 하연을 안내하기 위한 하방으로 패인 절삭부(12)가 형성된다.

(상하방향의 공기스프링의 구성)

상하방향의 공기스프링(S1)은, 탑재반(3)을 상하방향으로 지지하는 것으로, 상면의 중앙부에 상방 외방을 향하여 개구되는 오목부(21)가 형성된 인너케이싱(20)(오목부 형성 부재)과, 오목부(21)의 개구(22) 근방에 배치된 피스톤(30)과, 피스톤(30)과 오목부(21) 개구(22) 주연과의 사이를 폐색하여 공기실(23)(기체실)을 구획하는 다이어프램(40)을 갖는다.

인너케이싱(20)은, 예를 들어 알루미늄합금 등의 블록을 절삭함으로써 형성된다. 인너케이싱(20)은, 직육면체의 모퉁이부를 면취 가공하여 이루어지는 상하방향에서 보아 대략 팔각형 형상의 베이스부(24)와, 이 베이스부(24)의 하측 끝단 중앙부로부터 하방으로 연장되도록 돌출 형성된 원 형상의 볼록부(27)로 구성된다.

인너케이싱(20)의 베이스부(24)는, 4개의 측벽부(25, 25, …)와, 둘레방향으로 서로 이웃하는 측벽부(25, 25) 사이에 각각 형성된 4개의 면취부(26, 26, …)를 갖는다. 베이스부(24)의 측벽부(25, 25, …)는, 각각 전후좌우방향으로 면한다. 측벽부(25)의 중앙부 외면에는, 외방을 향하여 개구되며, 또 수평방향 공기스프링(S2)의 축방향 내측 끝단부(후술하는 플랜지부(250) 및 끼움결합 볼록부(260))가 끼움결합 가능한 원 형상의 끼움결합 오목부(28)(끼움결합부)가 형성된다. 이 끼움결합 오목부(28)는, 플랜지부(250)가 끼움결합 가능한 외측 부분(28a)과, 이 외측 부분(28a)의 내측에 단부(28b)를 개재하고 연속 형성되며, 외측 부분(28a)보다 개구직경이 작고 끼움결합 볼록부(260)가 끼움결합 가능한 내측 부분(28c)으로 구성된다.

베이스부(24)의 면취부(26) 외면에는, 상하방향의 대략 중간부로부터 하부에 걸쳐, 서보 밸브(75)나 제어 기판(76) 등이 장착되는 대략 직사각형 형상의 장착 오목부(29)가 형성된다.

인너케이싱(20)의 볼록부(27)는, 상하방향에서 보아 인너케이싱(20)의 베이스부(24)보다 면적이 작으며, 또한 베이스플레이트(10)의 오목부(11)에 끼움결합 가능하게 형성된다.

인너케이싱(20)의 오목부(21)는, 상하방향에서 보아 원 형상으로 형성된다. 구체적으로는, 이 오목부(21)는, 인너케이싱(20)의 베이스부(24)에 상당하는 부분에 형성된 상측 부분(21a)과, 인너케이싱(20)의 볼록부(27)에 상당하는 부분에 상측 부분(21a)보다 개구직경이 작아지도록 상측 부분(21a)에 단차부를 개재하고 연속 형성된 하측 부분(21b)으로 구성된다. 이로써, 인너케이싱(20) 상면의 중앙부에 개구(22)가 형성되고, 이 개구(22)에 의해 상측 부분(21a) 및 하측 부분(21b)이 외부로 개방된다.

인너케이싱(20)의 개구(22)에는, 공기스프링(S1)의 피스톤(30)을 구성하는 도넛 형상의 피스톤 본체(31)가 내측 삽입된다. 이 피스톤 본체(31)는 알루미늄합금제이고, 단면 원형의 중심구멍(31a)이 도 3에 나타내는 축선(Z)을 따라 상하방향으로 관통하는 한편, 외주의 하측 약 절반에는 하끝단측을 향하여 약간 직경이 축소되는 테이퍼면(31b)이 형성된다. 그리고, 피스톤 본체(31)의 하측 끝단면(31c)으로부터 외주측의 테이퍼면(31b)을 감싸고 더 외주측으로 연장되어 그로부터 개구(22) 주연까지를 폐색하도록, 원형고리 형상의 다이어프램(40)이 배치된다. 즉, 다이어프램(40) 및 피스톤 본체(31)에 의해 인너케이싱(20)의 개구(22) 주연과의 사이가 폐색되고, 그 내부(즉 오목부(21))에 공기실(23)이 구획되고, 그 피스톤 본체(31)의 하측 끝단면(31c)이 공기실(23)에 면하여 공기압을 받음으로써, 상하방향의 하중을 지지하는 상하방향의 공기스프링(S1)이 구성된다.

다이어프램(40)은, 폴리에스테르 섬유의 직물을 보강재로서 매설한 고무 탄성막으로 이루어지고, 일단, 중심 부분에 둥근 구멍이 뚫린 모자 형상으로 형성한 후에, 그 모자의 둘레벽 부분을 도중에 만곡시켜 하방으로 접히도록 하여 깊은 접시 형상으로 한 것이다. 즉, 다이어프램(40)은, 모자의 챙 부분에 상당하는 외주 플랜지부(40a)의 내주 끝단 둘레로 연속되며 상방으로 볼록하게 만곡되는 원형고리 형상 롤부(40b)가 형성되고, 이 롤부(40b)의 내주 끝단 둘레부가 외주 플랜지부(40a)보다 하방까지 연장되어, 그로부터 더 내주측을 향하여, 상기 둥근 구멍을 둘러싸도록 내주 플랜지부(40c)가 형성된다.

그리고, 다이어프램(40)의 내주 플랜지부(40c)가 피스톤 본체(31)의 하측 끝단면(31c)에 접착되어, 그 하방으로부터 와셔(41)에 의해 피스톤 본체(31)에 대하여 강고하게 압착된다. 한편, 다이어프램(40)의 외주 플랜지부(40a)는, 인너케이싱(20)의 상면에 접착되고, 그 상부에 배설된 조임링(42)이 볼트에 의해 인너케이싱(20)의 상면에 체결됨으로써, 조임링(42)의 하면과 인너케이싱(20)의 상면과의 사이에 협지된다.

그리고, 이와 같이 배설된 다이어프램(40)은, 원형고리 형상 롤부(40b)가 피스톤 본체(31)와 조임링(42)과의 사이에서 상하로 굴곡되면서 전 둘레에 걸쳐 대략 균등하게 크게 휨으로써, 피스톤 본체(31)의 상하방향의 변위에 대하여 큰 가요성을 갖는다. 또한, 다이어프램(40)이 피스톤 본체(31)를 사이에 둔 좌우 양측의 롤부(40b)에서 반대방향으로 휨으로써, 피스톤 본체(31)는 수평방향의 임의의 축 둘레로 용이하게 요동하도록 구성된다. 한편, 다이어프램(40)은 피스톤 본체(31)의 수평방향의 변위에 대해서는 가요성이 매우 작기 때문에, 피스톤(30)은 수평방향으로는 거의 변위하지 않게 된다.

피스톤 본체(31)의 하측 끝단면(31c)에는, 그 내주측으로부터 대략 연직 하방을 향하여 연장되도록, 원통형의 피스톤웰(32)(연장부)이 장착된다. 이 피스톤웰(32)은, 피스톤 본체(31)와 동일한 알루미늄합금제이고, 그 상측 끝단부가 약간 직경이 축소되어 피스톤 본체(31)의 중심구멍(31a)에 들어가는 축경부(32a)가 된다. 그리고, 이 축경부(32a)의 외주에 배치된 수나사가 중심구멍(31a)의 내주에 배치된 암나사와 나사 결합함으로써, 피스톤웰(32)의 상끝단측이 와셔(41)와 함께 피스톤 본체(31)에 대하여 강고하게 체결된다. 또한, 피스톤웰(32)의 축경부(32a) 선단이 피스톤 본체(31)의 중심구멍(31a) 내로 돌출되고, 피스톤웰(32)의 중공부(32b) 상측 끝단이 중심구멍(31a)으로 연통되는 한편, 중공부(32b)의 하측 끝단은 원반 형상의 강철제 캡(33)에 의해 폐지되고, 이 캡(33)의 상면에는, 후술하는 바와 같이 지지봉(support rod)(34)의 하측 끝단부를 지지하기 위하여, 표면 경도를 높이는 열처리 가공이 실시된 웰슬래그(33a)가 형성된다.

한편, 피스톤 본체(31)의 상방에는, 탑재반(3)과 접하는 탑플레이트(50)(하중수용부재)가 피스톤 본체(31)로부터 이간되어 배치된다. 이 탑플레이트(50)는, 예를 들어 알루미늄합금 등의 금속재료에 의해, 각 변이 전후좌우방향으로 면하는 대략 직사각형판 형상으로 형성되고, 아이솔레이터(2)의 인너케이싱(20)의 천장부를 이룬다. 탑플레이트(50)의 전후좌우의 외연 중앙부에는, 각각 하방으로 늘어지도록 중앙부에 원 형상의 개구(61)가 형성된 대략 십자형의 사이드플레이트(60, 60, …) 상연이 볼트에 의해 탈착 가능하게 체결되고, 그 각 사이드플레이트(60, 60, …)의 하연이 베이스플레이트(10)의 절삭부(12) 바닥면 부근까지 연장된다. 또한, 둘레방향으로 서로 이웃하는 사이드플레이트(60, 60)는, 서로 볼트에 의해 탈착 가능하게 체결되어 연결된다.

본 실시형태에서는, 상하방향 공기스프링(S1)에서의 공기스프링으로서 이른바 돔 짐벌(dome gimbal) 피스톤이 채용된다. 구체적으로는, 탑플레이트(50)를 지지하는 지지봉(34)의 상측 끝단부에는, 두께가 두꺼운 원반 형상의 전동자(35)가 배치되고, 이 전동자(35)의 상면이 구면(球面) 형상으로 되며, 여기에 탑플레이트(50)의 하면 대략 중앙부(상세하게는, 탑플레이트(50)의 하면 대략 중앙부에 배설된, 전동자(35)의 상면을 받기 위한 당접 부재(36))가 당접하여 전동 자유롭게 지지된다. 그리고, 전동자(35)는, 탑플레이트(50)의 하면에 체결된 링부재(37)의 내부에 배치된다.

이 지지봉(34)은, 피스톤 본체(31)의 중심구멍(31a) 및 피스톤웰(32)의 중공부(32b)를 관통하여 대략 연직 하방으로 연장되고, 그 하측 끝단부에 배치된 강구(steel ball)(37)가 웰슬래그(33a)에 전동 자유롭게 당접된다. 또한, 도시는 생략하나, 지지봉(34)의 하끝단측에는, 심체가 매설된 고무탄성링이 외측 삽입되어 지지봉(34)의 하측 끝단부가 항상 축선(Z) 상에 위치 결정되도록 구성된다. 즉, 탑플레이트(50)는, 전동자(35) 및 지지봉(34)을 개재하고 피스톤웰(32)의 바닥부에 축 회전 지지되고, 피스톤 본체(31)에 대하여 수평방향의 임의의 축 주위로 회동 자유롭게 구성된다.

그리고, 공기실(23)에 적절한 공기압이 공급된 상태에서는, 탑플레이트(50)의 하면이 그 하방의 조임링(42) 상면으로부터 이간되어 상하로 대향된 상태로 되는 한편, 예를 들어 공기실(23)의 공기가 빠져, 공기압이 대폭 저하됐을 때에는, 탑플레이트(50)의 하면이 조임링(42)의 상면에 당접하여, 조임링(42)을 개재하고 인너케이싱(20)에 의해 지지되는 상태가 된다.

전술한 바와 같이, 본 실시형태의 아이솔레이터(2)는, 탑플레이트(50)나 피스톤 본체(31)가 대략 일체가 되어 상하방향으로 변위하도록, 상하방향의 공기스프링(S1)에 의해 지지됨과 더불어, 그 탑플레이트(50)가 전동자(35) 및 지지봉(34)에 의해 피스톤 본체(31)에 대하여 축 회전 지지되며, 또 피스톤 본체(31)가 다이어프램(40)에 의해 요동 자유롭게 지지되고, 이들 탑플레이트(50), 전동자(35), 지지봉(34), 및 피스톤 본체(31)에 의해 이른바 돔 짐벌 피스톤이 구성된다. 이로써, 공기스프링의 특성으로서, 그 축방향인 상하방향의 진동에 관해서는, 고유 진동수가 대략 0.7∼1.5Hz로 지극히 낮은 주파수역에 나타남과 더불어, 넓은 주파수 영역에 걸쳐 우수한 제진 성능을 얻을 수 있다.

또한, 상하방향 공기스프링(S1)에 있어서는, 수평방향의 진동에 대하여 피스톤 본체(31)의 요동 운동뿐만 아니라, 탑플레이트(50)와 전동자(35)와의 사이의 전동 운동에 의해서도 진동이 흡수됨으로써, 아이솔레이터(2)의 수평방향의 스프링 특성이 한층 더 부드러워져, 보다 나은 제진 성능의 향상을 도모할 수 있다.

수평방향의 진동에 대해서는, 인너케이싱(20) 및 지지봉(34)이 수평방향으로 변위하면, 피스톤 본체(31)가 다이어프램(40)에 의해 유지되면서, 수평방향의 임의의 축 주위로 요동하고, 이로써 진동이 흡수되게 된다. 이때, 그 피스톤 본체(31)의 다이어프램(40)에 의한 유지 위치보다, 지지봉(34)의 하측 끝단부가 웰슬래그(33a)에 축 회전 지지되는 위치가 낮기 때문에, 다이어프램(40)의 스프링 특성은 매우 부드럽게 되고, 이로써, 아이솔레이터(2)에 의한 수평방향의 제진 성능이 상하방향과 마찬가지로 우수한 것이 된다.

또한, 상기한 바와 같이 요동하는 피스톤 본체(31)에 대하여, 지지봉(34)을 개재하고 작용하는 상하방향의 하중(축방향 하중)은, 피스톤 본체(31)의 요동을 억제하고, 중립의 상태로 되돌리려 하는 복원력이 된다. 그리고, 그 복원력에 의해 피스톤 본체(31)가 중립의 상태로 되돌려지고, 지지봉(34)이 연직방향으로 연장되는 상태가 되면, 탑플레이트(50)도 수평방향으로 변위되기 이전의 소정의 원점 위치로 돌아가게 된다. 즉, 이 아이솔레이터(2)는, 상하방향 공기스프링(S1)의 돔 짐벌 피스톤이 탄성부재 등의 스프링력에 의한 것과는 상이한 기구학적인 셀프센터링 작용을 갖고, 이로써, 필요한 위치 결정 정밀도가 얻어지는 것이다.

(수평방향의 공기스프링의 구성)

본 실시형태의 아이솔레이터(2)에서는, 후술하는 능동제진(制振) 제어를 위한 액추에이터로서, 상하방향 공기스프링(S1)에서의 인너케이싱(20) 전후좌우의 외주면부에 각각 수평방향 공기스프링(S2, S2, …)이 하나씩 배설되어 탈착 가능하게 장착된다. 공기스프링(S2)은, 기능적으로 정리된 일부분이 되도록 모듈화된다.

공기스프링(S2)은, 탑재반(3)을 수평방향으로 지지하는 것으로, 축방향 외측 끝단면의 중앙부에 축방향 외방을 향하여 개구되는 오목부(210)가 형성된 바닥이 있고 덮개가 없는 원통 형상의 아우터케이싱(200)(오목부 형성 부재)과, 오목부(210)의 개구(220) 근방에 배치된 피스톤(300)과, 피스톤(300)과 오목부(210) 개구(220) 주연과의 사이를 폐색하여 공기실(230)(기체실)을 구획하는 다이어프램(400)을 갖는다.

아우터케이싱(200)은, 공기스프링(S1)의 인너케이싱(20)과 마찬가지로, 예를 들어 알루미늄합금 등의 블록을 절삭함으로써 형성된다. 아우터케이싱(200)은, 바닥과 덮개가 없는 원통 형상의 통부(240)와, 이 통부(240)의 축방향 내측 끝단부의 외주면에 일체적으로 형성된 원형고리 형상의 플랜지부(250)와, 통부(240)의 축방향 내측에 연속 형성되어 통부(240)보다 외경이 작은 바닥이 있고 덮개가 없는 원통 형상의 끼움결합 볼록부(260)로 구성된다. 통부(240)의 외경은, 사이드플레이트(60)의 개구(61)의 개구 직경보다 작다. 통부(240)는, 사이드플레이트(60)의 개구(61)에 삽입 관통된다. 플랜지부(250)의 외경 및 두께는, 각각 인너케이싱(20)의 끼움결합 오목부(28)의 외측 부분(28a)에 끼움결합 가능한 크기다. 플랜지부(250)에는, 볼트(도시 생략)가 삽입 관통되는 볼트구멍(251)이 둘레 주위에 등간격으로 복수 형성된다. 그리고, 이 볼트구멍(251)에 삽입 관통된 볼트가 끼움결합 오목부(28)의 단부(28b)에 형성된 나사결합구멍(28d)과 나사 결합함으로써, 플랜지부(250)가 인너케이싱(20)에 체결된다. 끼움결합 볼록부(260)의 외경 및 두께는, 각각 인너케이싱(20)의 끼움결합 오목부(28)의 내측 부분(28c)에 끼움결합 가능한 크기다.

아우터케이싱(200)의 오목부(210)는, 축방향에서 보아 원 형상으로 형성된다. 이로써, 아우터케이싱(200)의 축방향 외측 끝단면의 중앙부에 개구(220)가 형성되고, 이 개구(220)에 의해 오목부(210)가 외부로 개방된다.

아우터케이싱(200)의 개구(220)에 내측 삽입되며, 또, 사이드플레이트(60)의 후술하는 커버캡(62)으로부터 좌우방향으로 이간되도록, 상하방향 공기스프링(S1)과 마찬가지의 중심구멍(310a)을 갖는 피스톤 본체(310)가 배치된다. 이 각 피스톤 본체(310)와 오목부(210)의 개구(220) 주연과의 사이에는 원형고리 형상의 다이어프램(400)이 배설된다. 즉, 다이어프램(400) 및 피스톤 본체(310)에 의해 아우터케이싱(200)의 개구(220) 주연과의 사이가 폐색되고, 그 내부(즉 오목부(210))에 공기실(230)이 구획되고, 이 공기실(230)에 면하는 피스톤 본체(310)의 수압(受 壓)면(310b)(축방향 내측 끝단면)이 공기압을 받음으로써, 수평방향의 하중을 지지하는 수평방향 공기스프링(S2)이 구성된다.

피스톤 본체(310)의 수압면(310b)에는 와셔(410)에 의해 다이어프램(400)의 내주 플랜지부(400c)가 고착되는 한편, 다이어프램(400)의 외주 플랜지부(400a)는 아우터케이싱(200)의 상면과 조임링(420)에 의해 협지되고, 피스톤 본체(310)의 외주와 조임링(420)과의 중간에, 다이어프램(400)의 원형고리 형상 롤부(400b)가 위치한다. 그리고, 이 원형고리 형상 롤부(400b)가 굴곡되도록 휘게 변형시킴으로써, 피스톤 본체(310)는 축방향인 전후방향 또는 좌우방향으로 크게 변위되며, 또 그 축방향에 직교하는 임의의 축 주위로 요동하도록 구성된다. 또한, 피스톤 본체(310)에는, 그 축방향인 전후방향 또는 좌우방향으로 연장되도록 바닥이 있고 덮개가 없는 원통 형상의 피스톤웰(320)(연장부)이 장착되고, 그 중공부(320b)와 피스톤 본체(310)의 중심구멍(310a)이 연통되어 피스톤웰(320)의 바닥면에 웰슬래그(도시 생략)가 형성된다.

한편, 피스톤 본체(310)의 축방향 외측에는, 사이드플레이트(60)의 개구(61)를 덮는 커버캡(62)(하중수용부재)이 피스톤 본체(310)로부터 이간되어 배치된다. 이 커버캡(62)은, 예를 들어 알루미늄합금 등의 금속재료에 의해, 축방향 내방을 향하여 개구되는 대략 바닥이 있는 원통 형상으로 형성되고, 그 중공부(62a)에 아우터케이싱(200)의 축방향 외측 끝단부, 구체적으로는 사이드플레이트(60)의 개구(61)로부터 축방향 외측으로 돌출하는 아우터케이싱(200)의 부분이 수용된다. 커버캡(62)은, 그 축방향 내측 끝단면에서 사이드플레이트(60) 외면의 개구(61) 외주연부에 볼트에 의해 탈착 가능하게 체결된다. 그리고, 아이솔레이터(2)는, 탑플레이트(50)에 사이드플레이트(60) 및 커버캡(62)이 장착된 완성 상태에서는, 대략 직육면체 형상이 된다.

커버캡(62) 바닥면의 중앙부에는, 그 축방향인 전후방향 또는 좌우방향으로 연장되는 지지봉(340)(지지기둥)의 축방향 외측 끝단부가 탈착 가능하게 체결되고, 상하방향 공기스프링(S1)과는 달리, 전동자(35)가 개재 배치되지 않는다. 즉, 본 실시형태에서는, 수평방향 공기스프링(S2)에서의 공기스프링으로서 이른바 짐벌 피스톤이 채용된다.

이 짐벌 피스톤에서는, 피스톤웰(320)의 중공부(320b)를 관통하여 피스톤웰(320)과 동일축으로 수평방향으로 연장되는 지지봉(340)이 배치되고, 이 지지봉(340)의 기단부가 사이드플레이트(60)의 커버캡(62)에 체결되는 한편, 지지봉(340)의 선단에는 상기 웰슬래그에 회동 자유롭게 당접되도록 강구(370)가 배설됨과 더불어, 고무탄성링(도시 생략)이 외측 삽입된다.

수평방향 공기스프링(S2)의 그 밖의 구성은 상하방향 공기스프링(S1)과 거의 마찬가지다.

이상, 요약하자면, 수평방향 공기스프링(S2)에서는, 사이드플레이트(60)의 개구(61)를 덮는 커버캡(62)이 지지봉(340)을 개재하고 피스톤웰(320)의 바닥부에 축 회전 지지되고, 피스톤웰(320)과 일체인 피스톤 본체(310)가 다이어프램(400)에 의해 요동 자유롭게 유지되어, 이들 커버캡(62), 지지봉(340), 및 피스톤 본체(310)에 의해 짐벌 피스톤이 구성된다. 그리고, 공기실(230)에 적절한 공기압이 공급된 상태에서는, 커버캡(62) 및 피스톤 본체(310)는 대략 일체로서 공기스프링(S2)의 축방향인 전후방향 또는 좌우방향으로 지지되고, 그 축방향에 관하여 지극히 부드러운 스프링 특성이 얻어짐과 더불어, 상하방향의 공기스프링(S1)과 마찬가지로, 짐벌 피스톤 기능에 의해, 축직교방향인 상하방향이나 좌우방향(또는 전후방향)에 대해서도 지극히 부드러운 스프링 특성이 얻어지며, 이로써, 우수한 제진(除振) 성능이 얻어지는 것이다.

또한, 수평방향의 공기스프링(S2)에 있어서, 요동하는 피스톤 본체(310)에 대하여 지지봉(340)으로부터 작용하는 축방향 하중은, 피스톤 본체(310)의 요동을 억제하여 중립의 상태로 되돌리려는 복원력이 되는 점에서, 이 수평방향의 공기스프링(S2)도 전술한 상하방향의 공기스프링(S1)과 마찬가지로 기구학적인 셀프센터링 작용을 가지며, 이로써 필요한 위치 결정 정밀도가 얻어지는 것이다.

여기서, 본 실시형태에서는, 상하방향의 공기스프링(S1)에 돔 짐벌 피스톤이 채용되기 때문에, 수평방향의 스프링 상수가 저하됨으로써 수평방향의 복원력도 저하되게 되나, 예를 들어 좌우방향에 대해서는 좌우방향의 공기스프링(S2, S2)에 의해 복원력을 얻을 수 있으므로, 위치 결정 정밀도는 충분히 높아진다. 또한, 제진대(A)의 4개의 아이솔레이터(2, 2, …) 중, 2개의 아이솔레이터(2, 2)에 대해서는 좌우방향에 한 쌍의 공기스프링(S2, S2)을 구비하는 것으로 하고, 또, 나머지 2개의 아이솔레이터(2, 2)에 대해서는 전후방향에 한 쌍의 공기스프링(S2, S2)을 구비하는 것으로 하면, 제진대(A)로서는 수평방향 전체에 과부족 없는 위치 결정 정밀도를 얻을 수 있다.

이상과 같이 구성된 공기스프링(S2)은, 아우터케이싱(200), 피스톤(300), 및 다이어프램(400)을 갖는 1개의 단위로서 모듈화된다. 이 모듈 구조에는, 사이드플레이트(60)와, 커버캡(62)과, 이 커버캡(62)에 장착된 지지봉(340)이 포함되지 않는다.

(수평방향의 공기스프링의 탈착 공정)

다음으로, 도 4를 참조하면서, 수평방향의 공기스프링(S2, S2, …)을 상하방향의 공기스프링(S1)에 대하여 탈착하는 공정을 설명한다.

먼저, 공기스프링(S2)에서의 아우터케이싱(200)의 플랜지부(250) 및 끼움결합 볼록부(260)를, 각각 공기스프링(S1)에서의 인너케이싱(20) 외주면부(베이스부(24)의 측벽부(25))에 형성된 끼움결합 오목부(28)의 외측 부분(28a) 및 내측 부분(28c)에 끼움결합시킨다. 이 끼움결합 상태로, 플랜지부(250)를 그 볼트구멍(251)에 삽입 관통시킨 볼트에 의해 끼움결합 오목부(28)의 단부(28b)에 형성된 나사결합구멍(28d)과 나사 결합한다. 이상의 공정으로, 공기스프링(S2)을 공기스프링(S1)에 장착할 수 있다.

이어서, 커버캡(62) 및 지지봉(340)이 장착된 사이트플레이트(60)를, 그 개구(61)에 아우터케이싱(200)이 삽입 관통된 상태로 탑플레이트(50)에 체결한다. 그리고, 둘레방향으로 서로 이웃하는 사이드플레이트(60, 60)를, 서로 볼트에 의해 체결한다. 이상의 공정으로, 아이솔레이터(2)를 조립할 수 있다.

한편, 공기스프링(S2)을 공기스프링(S1)으로부터 해체하는 경우는, 상기 공정의 역공정을 거치면 된다.

이상과 같이, 아이솔레이터(2)는, 필요에 따라 인너케이싱(20)의 외주면부에 수평방향의 공기스프링(S2)이 탈착되도록 구성된다.

(공기압의 제어)

이 실시형태에 따른 정밀 제진대(A)는, 전술한 바와 같이 4개의 아이솔레이터(2, 2, …)에 의해 바닥으로부터의 진동 전달을 방지하는 것만이 아니라, 그 각 아이솔레이터(2, 2, …)에서의 공기스프링(S1, S2)의 압력을 컨트롤러(70)에 의해 제어하고, 탑재반(3)에 대하여 상하방향 및 수평방향의 제어 진동을 적극적으로 부가함으로써, 탑재반(3) 상의 기기로부터 발생하는 진동을 능동적으로 억제할 수 있도록 한, 이른바 능동제진 기능을 갖는 것이다.

즉, 각 아이솔레이터(2)에는, 도 5에 모식적으로 나타내는 바와 같이, 탑플레이트(50)의 상하방향의 변위 및 가속도를 각각 검출하는 비접촉식 변위센서(71) 및 가속도센서(72)와, 마찬가지로 사이드플레이트(60)의 수평방향의 변위 및 가속도를 각각 검출하는 변위센서(73) 및 가속도센서(74)가 배설되어, 각 센서(71∼74)로부터의 출력 신호가 각각 컨트롤러(70)에 입력된다. 한편, 컨트롤러(70)로부터의 제어 신호는 아이솔레이터(2)의 각 공기스프링(S1, S2, …)마다의 서보 밸브(75, 75, …)로 출력되고, 이 제어 신호를 수신한 각 서보 밸브(75)의 작동에 의해, 각 공기스프링의 공기실(23, 230, …)로의 공기 급배유량이 각각 조정되어, 당해 각 공기스프링의 압력이 신속하게 변경되도록 구성된다. 여기서, 도시하지는 않으나, 서보 밸브(75)는, 압착 공기를 저류하는 저장탱크에 접속되어, 마찬가지로 당해 저장탱크에 접속된 전동펌프의 작동에 의해, 저장탱크 내의 공기압이 소정값으로 유지되도록 구성된다.

(효과)

이상과 같이 구성되는 아이솔레이터(2)에 의하면, 수평방향 공기스프링(S2)의 아우터케이싱(200)은, 상하방향 공기스프링(S1)의 인너케이싱(20)에 오목 설치되는 것이 아니라, 그 외주면부에 장착되므로, 인너케이싱(20)에서 구획되는, 상하방향 공기스프링(S1)의 공기실(23) 부피를 크게 할 수 있다. 또한, 아우터케이싱(200)은, 인너케이싱(20)에 대하여, 외방으로 돌출한 돌기부로서 일체로 형성되는 것이 아니라, 그 외주면부에 탈착 가능하게 장착되므로, 가공 시의 재료 수율의 악화가 억제된다(가공성의 향상). 이상으로, 가공 시의 재료 수율 악화를 억제하면서, 상하방향 공기스프링(S1)의 공기실(23)의 부피를 크게 할 수 있다. 또한, 인너케이싱(20)의 공통화에 의해 상하방향 공기스프링(S1)의 공통화가 가능해지므로, 상하방향 공기스프링(S1)의 생산성의 향상이나 제품 납기의 단축화를 도모할 수 있다.

수평방향의 공기스프링(S2)은, 인너케이싱(20)의 외주면에 형성된 끼움결합 오목부(28)에 끼움결합되어 장착되므로, 그 설치 강도가 높아진다.

또한, 수평방향의 공기스프링(S2)은 모듈화되므로, 그 탈착이 간단하면서 확실해진다. 또한, 수평방향의 공기스프링(S2) 자체가 기능적으로 정리된 일부분이 되므로, 수평방향의 공기스프링(S2)을 단독으로 제품으로서 사용하는 것이 가능해진다. 이로써, 아이솔레이터(2)의 사양에 따라 수평방향 공기스프링(S2)의 설치 개수가 선택 가능해진다. 또한, 아이솔레이터(2)의 제품 설치 후라도 필요에 따라 수평방향 공기스프링(S2)의 장착, 교환 또는 해체가 가능해진다.

수평방향 공기스프링(S2)에서의 공기스프링으로서 이른바 짐벌 피스톤이 채용되므로, 상하방향의 고유 진동수를 충분히 낮게 할 수 있다.

(그 밖의 실시형태)

상기 각 실시형태에서는, 상하방향 공기스프링(S1)에서의 인너케이싱(20) 외주면에는, 끼움결합부로서 끼움결합 오목부(28)가 형성되나, 이에 한정되지 않고, 수평방향 공기스프링(S2)의 축방향 내측 끝단부에 끼움결합 오목부가 형성되고, 당해 끼움결합부로서, 외방으로 돌출되며, 또 당해 끼움결합 오목부에 끼움결합 가능한 끼움결합 볼록부가 형성되어도 된다.

상기 각 실시형태에서는, 수평방향 공기스프링(S2)의 하중수용부재로서, 사이드플레이트(60)의 개구(61)를 덮는 커버캡(62)이 피스톤 본체(310)로부터 이간되어 배치되나, 이에 한정되지 않고, 당해 하중수용부재로서, 사이드플레이트(60)가 직접 피스톤 본체(310)로부터 이간되어 배치되어도 된다.

상기 각 실시형태에서는, 수평방향의 공기스프링(S2)은 전후좌우로 하나씩 장착되나, 이에 한정되지 않고, 사양에 따라 공기스프링(S2)의 장착 개수를 결정하면 된다. 예를 들어, 공기스프링(S2)을 1개, 2개 또는 3개 장착하여도 되고, 1개도 장착하지 않아도 된다. 또한, 공기스프링(S2)을 2개 장착하는 경우, 수평방향으로 서로 중심축이 대략 일치하도록 대향 배치되어도 되고, 중심축이 대략 직교하도록 배치되어도 된다.

상기 각 실시형태에서는, 능동형인 것이나, 수동형인 것이어도 되고, 어느 것에 대해서든, 상하방향 및 수평방향의 공기스프링(S1, S2)으로서 짐벌 피스톤 또는 돔 짐벌 피스톤 중 어느 하나를 구비하는 것으로 하여도 되고, 어느 것도 구비하지 않는 것으로 하여도 된다.

공기스프링(S1, S2) 대신에, 예를 들어 질소 가스 등을 충전한 기체스프링을 이용하는 것도 가능하다.

상기 각 실시형태에서는, 4개의 아이솔레이터(2, 2, …)를 이용하여 제진대(A)를 구성하도록 하였으나, 이에 한정되지 않고, 반도체 제조 장치 등의 방진 지지를 위하여, 이들 장치에 맞춰 전용으로 설계된 탑재반을 3∼4개의 아이솔레이터(제진장치)에 의해 지지하는 구성으로 하거나, 또는, 클린룸의 그레이팅바닥에 매립하는 가동식 바닥을 마찬가지로 아이솔레이터에 의해 지지하는 구성으로 하는 것도 가능하다.

본 개시는, 기체스프링식 제진장치 등에 적용할 수 있다.

A ： 정밀 제진대
S1, S2 : 공기스프링(기체스프링)
2 : 아이솔레이터(기체스프링식 제진장치)
3 : 탑재반(피지지체)
10 : 베이스플레이트
20 : 인너케이싱(오목부 형성 부재)
21, 210 : 오목부
22, 220 : 개구
23, 230 : 공기실(기체실)
28 : 끼움결합 오목부(끼움결합부)
30, 300 : 피스톤
31, 310 : 피스톤 본체
31a, 310a : 중심구멍
32, 320 : 피스톤웰(연장부)
33a : 웰슬래그(연장부의 바닥부)
34, 340 : 지지봉(지지기둥)
35 : 전동자
37, 370 : 강구
40，400 : 다이어프램
50 : 탑플레이트(하중수용부재)
60 : 사이드플레이트
62 : 커버캡(하중수용부재)
200 : 아우터케이싱(오목부 형성 부재)

Claims (4)

1. 피지지체를 상하방향으로 지지하는 상하방향의 기체스프링과, 당해 피지지체를 수평방향으로 지지하는 수평방향의 기체스프링을 구비하는 기체스프링식 제진장치로서,
   상기 상하 및 수평방향의 각 기체스프링은, 각각,
   외방을 향하여 개구되는 오목부가 형성된 오목부 형성 부재와,
   상기 오목부의 개구 근방에 배치된 피스톤과,
   상기 피스톤과 상기 오목부 개구 주연과의 사이를 폐색하여 기체실을 구획하는 다이어프램을 갖고,
   상기 수평방향 기체스프링은, 상기 상하방향 기체스프링에서의 상기 오목부 형성 부재의 외주면부에 탈착 가능하게 장착되는, 기체스프링식 제진장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 상하방향 기체스프링에서의 상기 오목부 형성 부재의 외주면에는, 상기 수평방향 기체스프링이 끼움결합 가능한 끼움결합부가 형성되는, 기체스프링식 제진장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 수평방향 기체스프링은 모듈화된, 기체스프링식 제진장치.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 수평방향 기체스프링의 상기 피스톤은,
   그 중심축의 방향에서 상대적으로 상기 오목부로부터 멀어지는 일측에 배치된 하중수용부재와,
   상기 하중수용부재로부터 축방향 타측으로 이간되며, 또한 중심축에 직교하는 방향의 임의의 축 주위로 요동 가능하게 상기 다이어프램에 의해 탄성적으로 유지된 통 형상의 피스톤 본체 부재를 갖고,
   상기 하중수용부재로부터 상기 피스톤 본체 부재의 중심구멍을 관통하도록 축방향 타측을 향하여 연장되는 지지기둥이 구성되는 한편,
   상기 피스톤 본체 부재에는, 상기 지지기둥을 둘러싸도록 축방향 타측을 향하여 연장되는 바닥이 있는 통 형상의 연장부가 형성되고,
   상기 연장부의 바닥부에 상기 지지기둥의 선단부가 전동 자유롭게 당접하여 축 회전 지지되는, 기체스프링식 제진장치.

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