(57)【要約】【課題】  安定性をそこなわずに水平方向の固有振動数が１Ｈｚ以下となる除振装置を提供する。【解決手段】  空気ばね１で荷重２を支持する除振装置であって、荷重２を支持するロードディスク５と荷重２との間に球面部材３を設けたものとなす。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気ばねで荷重を支持する除振装置であって、
上面開放のケースと、ケース上部を密封するダイヤフラムと、ダイヤフラム上面中央部に固定され、ケース内に垂下された筒状延長部を有するピストンと、前記荷重を支持するロードディスクと、ロードディスクから鉛直に垂下された支柱とからなり、前記筒状延長部と前記支柱が、前記ダイヤフラムより低い位置で枢動自在に係合される空気ばねと、
その球面中心が前記ロードディスクの中心軸上方の延長線上に位置するように、前記荷重の底面に固定されて、前記ロードディスクの上面に転動可能に点接触する球面部材と、よりなることを特徴とする除振装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気ばねで精密機器等を支持する除振装置であって、特に、安定性を損なわずに水平方向の固有振動数を非常に低く（１Ｈｚ以下）できる空気ばね除振装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、半導体露光装置や電子顕微鏡等の精密機器は、設置床からの微振動を絶縁して一定位置に保つために、ダイヤフラム型空気ばねを用いた除振装置により支持されることが一般に行われている。ところが、ダイヤフラム型空気ばねは、上下方向は柔らかく良好な除振効果が得られる反面、水平方向は比較的堅いため十分な除振効果が得られないという問題があった。
【０００３】
そのため、この問題を解決するために様々な水平除振装置が考案されてきた。例えば、図１０に示す様に、上面開放のケース７と、ケース上部を密封するダイヤフラム８と、ダイヤフラム上面中央部に固定され、ケース内に垂下された筒状延長部９を有するピストン１０と、荷重２を支持するロードディスク５と、ロードディスク５から鉛直に垂下され、かつ前記筒状延長部９の底部９ａの中央に、Ｏリング１３により位置決めされ、筒状延長部９と枢動自在に係合される支柱１１と、この支柱１１の下端に設けられた鋼球１２と、からなる空気ばね１が、特許文献１に開示されている。この装置では、荷重２の水平方向の変位は、ピストン１０のロッキングに変換されるが、ダイヤフラム８のこじり剛性が低いので、その結果、水平方向の固有振動数を低くできるものである。その場合、前記筒状延長部９の長さを長くするほど、低い固有振動数が得られる。
【０００４】
ところが、前記従来の水平除振装置においては、荷重２の支持点は、前記鋼球１２と筒状延長部９の底面９ａとの接点１４（枢動点）になり、荷重２の重心よりかなり低い位置で、荷重２を支持することになる。したがって、低い固有振動数を得るために前記筒状延長部９を長くすると、相対的に高重心になり、不安定になるという問題点があった。このため、現実的には筒状延長部９の長さが制限され、水平方向の固有振動数を１Ｈｚ以下にすることは不可能であった。
【特許文献１】特公昭６２−７４０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、前記の欠点を解消するためになされたもので、安定性を損なわずに水平方向の固有振動数を１Ｈｚ以下にできる空気ばね除振装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記目的を達成するための、本発明の実施例である図面の符号を援用して説明すると、本発明は、前記従来例等の空気ばね１において、荷重２を支持するロードディスク５と荷重２との間に球面部材３を設けることにより、前記目的を達成するものである。
【０００７】
すなわち、前記課題を解決する第一の手段は、空気ばね１で荷重２を支持する除振装置であって、上面開放のケース７、該ケース上部を密封するダイヤフラム８、該ダイヤフラム上面中央部に固定されてケース内に垂下された筒状延長部９を有するピストン１０、前記荷重２を支持するロードディスク５、及び、該ロードディスク５から鉛直に垂下された支柱１１からなり、前記筒状延長部９及び前記支柱１１が前記ダイヤフラム８より低い位置で枢動自在に係合される空気ばね１と、その球面中心４が前記ロードディスク５の中心軸６の下方延長線上に位置するようにロードディスク上面に固定されて、前記荷重２の底面に転動可能に点接触する球面部材３と、よりなるものである。
【０００８】
なお、前記球面部材３は、前記荷重２の底面２ａと点接触になり、応力が集中するので、炭素鋼に表面硬化処理したもの等が好ましい。
【０００９】
前記課題を解決する第二の手段は、前記第一の手段を具体化したものであって、前記筒状延長部９と前記支柱１１とは、支柱下端に設けられた鋼球１２とＯリング１３とにより枢動自在に係合されているされているものである。
【００１０】
前記課題を解決する第三の手段は、前記第一の手段を簡略化したものであって、前記ロードディスク５と前記球面部材３とが一体にされているものである。
【００１１】
前記課題を解決する第四の手段は、前記第一の手段を発展させたものであって、前記荷重２の底面２ａに、前記球面部材３と同等の硬さを有する板状部材１６を固定したものである。
【００１２】
前記課題を解決する第五の手段は、前記第一の手段をより発展させたものであって、前記荷重２の底面２ａに、前記球面部材３の球の半径より大きい半径の凹球面１７ａを有する部材１７を固定したものである。
【００１３】
前記課題を解決する第六の手段は、前記第一の手段をさらに発展させたものであって、前記荷重２の底面２ａに位置決め板１８を固定し、位置決め板１８と前記球面部材３との間に、ゴムなどの弾性体からなる保持部材１９を設けたものである。
【００１４】
前記課題を解決する第七の手段（請求項１に記載の発明）は、前記第一の手段と、その構成を一部異にするものである。すなわち、空気ばね１で荷重２を支持する除振装置であって、上面開放のケース７、該ケース上部を密封するダイヤフラム８、該ダイヤフラム上面中央部に固定されてケース内に垂下された筒状延長部９を有するピストン１０、前記荷重２を支持するロードディスク５、及び、該ロードディスク５から鉛直に垂下された支柱１１からなり、前記筒状延長部９及び前記支柱１１が前記ダイヤフラム８より低い位置で枢動自在に係合される（前記第一の手段と同じ）空気ばね１と、その球面中心４が前記ロードディスク５の中心軸６の上方の延長線上に位置するように前記荷重２の底面２ａに固定されて、前記ロードディスク５の上面に転動可能に点接触する球面部材３と、よりなるものである。
【００１５】
ここで、前記第五の手段から第七の手段においては、球面部材３の球面部と接触する部材または部分は、球面部材３と同等の硬さにすることが好ましい。
【００１６】
（作用）
図１は前記第一及び第二の手段の原理を説明するための図である。この図１において、球面部材３は、その球面中心４がロードディスク５の中心軸６の下方延長線上に位置するように、ロードディスク５の上面に固定されている。荷重２が水平方向Ｘ−Ｙに変位すると、従来技術の作用により、ピストン１０のロッキングに変換され低い水平方向ばね定数が得られる。それに加えて、ロードディスク５から鉛直に垂下された支柱１１の下端に設けられた鋼球１２と、筒状延長部９の底部９ａの接点１４（枢動点）を支点とし、ロードディスク５と荷重２が転動することによる低い水平方向ばね定数とが得られる。そして、これらのばね定数が直列に合成され、非常に低い水平方向ばね定数（固有振動数１Ｈｚ以下）が得られることになる。
【００１７】
このとき、荷重２を安定支持するための条件は、図１において、Ｒ＞Ａであり、一方、水平方向の固有振動数を低くするための条件は、ＲをＡに近づけることである。したがって、安定性と固有振動数の双方から、ＲとＡの数値を最適な設定とすればよい。
【００１８】
また、従来技術では、荷重２の支持点は、鋼球１２と筒状延長部９の底部９ａとの接点１４（枢動点）であったのに対して、本発明においては、支持点は球面部材３と荷重２の接点１５となる。したがって、非常に低い水平方向ばね定数（固有振動数１Ｈｚ以下）が得られるにもかかわらず、荷重２の重心と支持点とが、従来技術よりも相対的にかなり接近することになり、安定性は大きく向上することになる。
【００１９】
前記第四の手段においては、荷重２の底面２ａ、又は球面部材３のどちらかが変形することなく、スムーズな転動を可能としたものである。
【００２０】
前記第五の手段においては、球面部材３の球の半径より大きい半径の凹球面１７ａを有する部材１７は、球面部材３の転動により発生する、荷重２とロードディスク５との相対的位置ずれを、元の位置に復帰させる手段であり、かつ、ロードディスク５を元の位置に復帰させる付加手段でもある。したがって、荷重２とロードディスク５との相対的位置ずれが防止されるとともに、ピストン１０のロッキング運動が長期間にわたって、安定した行われることとなる。
【００２１】
ところで、従来技術の空気ばね１においては、荷重２の水平方向変位をピストン１０のロッキングに変換する作用を安定して行い、空気ばね１が本来有する、水平方向の低い固有振動数を得るためには、使用前にあらかじめ、ロードディスク５の中心軸６を、筒状延長部９を有するピストン１０の中心軸に一致させるセッティング作業が必要であった。すなわち、ロードディスク５から鉛直に垂下され、その下端に鋼球１２が設けられた支柱１１は、Ｏリング１３により、筒状延長部９の底部９ａの中央に位置決めされ、筒状延長部９と枢動自在に係合されているが、前記の各中心軸を一致させる構成となってはいないからである。
【００２２】
そこで、前記第六の手段においては、ロードディスク５の位置決め板１８を荷重２の底面２ａに固定したものである。一方、ゴム状弾性体よりなる保持部材１９は、球面部材３の転動を妨げずに、転動により発生する、荷重２とロードディスク５との相対的位置ずれを防止する手段であり、かつ、ロードディスク５を元の位置に復帰させる付加手段でもある。したがって、ロードディスク５の位置決め板１８と球面部材３との間に、ゴムなどの弾性体からなる保持部材１９を設けることにより、荷重２とロードディスク５との相対的位置ずれが防止されるとともに、空気ばね使用前のセッティング作業が省略でき、しかも所定の低い固有振動数を長期間にわたって、安定して維持できるものである。
【００２３】
前記第七の手段においては、前記第一の手段と同様の作用を奏する。
【発明の効果】
【００２４】
以上説明したように、前記第一の手段または第七の手段によると、荷重の水平方向変位はピストンのロッキングに変換され、低い水平方向ばね定数が得られるのに加えて、ピストン下部の筒状延長部に設けられた枢動点を支点とし、ロードディスクと荷重が転動することによる低い水平方向ばね定数とが得られる。これらのばね定数が直列に合成され、１Ｈｚ以下の水平方向固有振動数が得られることになる。
【００２５】
しかも、荷重の重心と支持点とが、接近することになり、安定性が大きく向上できることになる。
【００２６】
前記第二の手段によると、簡単な構造で、しかも、スペースをあまり必要とせず、枢動機構を構成できる利点がある。
【００２７】
前記第三の手段によると、部品点数を減少させ、構造の簡略化を図ることができる。
【００２８】
前記第四の手段によると、スムーズな転動を可能とし、長期間安定して除振装置の性能を維持できることになる。
【００２９】
前記第五の手段によると、荷重とロードディスクとの相対的位置ずれが防止されるとともに、長期間安定して除振装置の性能を維持できることになる。
【００３０】
前記第六の手段によると、ロードディスクの位置決め板と、ゴム状弾性体からなる保持部材を設けることにより、空気ばね使用前のセッティング作業が省略でき、しかも、荷重とロードディスクとの相対的位置ずれが防止されるとともに、除振装置の性能を長期間安定して維持できることになる。
【００３１】
前記第七の手段によると、既に設置された空気ばね除振装置付き精密機器であっても、空気ばね除振装置を改造することなく、精密機器（荷重）の底面に、球面部材を取り付けることにより、容易に除振装置の性能を向上させることができることになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、本発明の実施形態を図面にもとづいて説明する。なお、説明の便宜のために、まず、請求項１の発明とは構成の一部が異なるものの、同じ原理の実施例を第１から第五の参考例として最初に説明し、その後、請求項１の発明の実施例について説明する。
【００３３】
＜第一参考例＞
本例の構成については図２に示されている。この図２において、１は空気ばね、２は精密機器等の荷重、３は球面部材である。
【００３４】
空気ばね１は、同じく図２において、上面開放のケース７と、ケース上部を密封するダイヤフラム８と、ダイヤフラム上面中央部に固定され、ケース内に垂下された筒状延長部９を有するピストン１０と、荷重２を支持するロードディスク５と、ロードディスク５から鉛直に垂下され、かつ前記筒状延長部９の底部９ａの中央に、Ｏリング１３により位置決めされ、筒状延長部９と枢動自在に係合される支柱１１と、この支柱１１の下端に設けられた鋼球１２と、からなる。そして、ロードディスク５の上面には、球面部材３が、その球面中心４がロードディスク５の中心軸６の下方延長線上に位置するように固定されている。
【００３５】
図３及び図４には、図１０に示す従来の除振装置と、図２に示す本発明の第一参考例の除振装置の各々の水平方向の振動伝達率（ｄＢ）を実測して得られたデータが示されている。測定にあたっては、微小振動下の床と、精密機器等の荷重２の上面との、水平方向振動加速度の伝達関数をＦＦＴアナライザーによって求めた。従来の除振装置についての結果が図３に示され、本発明の第一参考例の除振装置についての結果が図４に示されている。同図によれば、従来例のものでは、固有振動数が１．３Ｈｚとなっているが、本発明の第一参考例のものでは、０．５Ｈｚとなっている。このことは、荷重２を支持するロードディスク５と、荷重２との間に設けられた球面部材３の転動作用による効果を裏付けるものである。
【００３６】
＜第二参考例＞
本例の構成については図５に示されている。第一参考例との相違点は、ロードディスク５と球面部材３とが一体にされている点である。
【００３７】
＜第三参考例＞
本例の構成については図６に示されている。第一参考例との相違点は、荷重２の底面２ａに、球面部材３と同等の硬さを有する板状部材１６を固定した点である。
【００３８】
＜第四参考例＞
本例の構成については図７に示されている。第一参考例との相違点は、荷重２の底面２ａに、球面部材３の球の半径より大きい半径の凹球面１７ａを有する部材１７を、凹球面１７ａと球面部材３とが接するように固定した点である。
【００３９】
＜第五参考例＞
本例の構成については図８に示されている。第一参考例との相違点は、荷重２の底面２ａに、ロードディスク５の位置決め板１８を固定し、この位置決め板１８と球面部材３との間に、ゴムなどの弾性体からなる保持部材１９を設けた点である。
【００４０】
＜実施例＞
本例の構成については図９に示されている。第一参考例との相違点は、球面部材３の球面中心４が、ロードディスク５の中心軸６の上方の延長線上に位置するように、荷重２の底面２ａに、球面部材３を固定した点である。
【００４１】
前記第一から第五の参考例及び実施例では、筒状延長部９と支柱１１とは、支柱下端に設けられた鋼球１２とＯリング１３とにより枢動自在に係合されているが、これに限定されるものではない。即ち、ダイヤフラム８より低い位置で枢動自在に係合されていればよく、防振ゴム等を用いた構造も可能である。
【００４２】
なお、前記第一から第五の参考例及び実施例では、一個の空気ばね１を用いて記載したが、通常は３個以上の空気ばね１を用いて、荷重２を支持するものである。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の原理を説明するための断面図である。
【図２】本発明の第一参考例を示す断面図である。
【図３】従来の除振装置の水平方向振動伝達特性を示すグラフ図である。
【図４】本発明の第一参考例の水平方向振動伝達特性を示すグラフ図である。
【図５】本発明の第二参考例を示す断面図である。
【図６】本発明の第三参考例を示す断面図である。
【図７】本発明の第四参考例を示す断面図である。
【図８】本発明の第五参考例を示す断面図である。
【図９】本発明の実施例を示す断面図である。
【図１０】従来の除振装置を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４４】
１      空気ばね
２      荷重
２ａ    底面
３      球面部材
４      球面中心
５      ロードディスク
６      中心軸
７      ケース
８      ダイヤフラム
９      筒状延長部
９ａ    底部
１０    ピストン
１１    支柱
１２    鋼球
１３    Ｏリング
１６    板状部材
１７    凹球面を有する部材
１７ａ  凹球面
１８    位置決め板
１９    保持部材
【図１】
2004347125.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2004347125.tif 000009
【図８】
2004347125.tif 000010
【図９】
2004347125.tif 000011
【図１０】
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