(57)【要約】【課題】定盤５を基礎（基礎部材３）に対してコイルばね４により支持してなる除振装置（除振台Ａ）において、上下間隔が狭いスペースにコイルばね４を配設しつつ、機器１の重量による荷重が大きくなっても、機器１を含めたばね系の水平方向の固有振動数を出来る限り小さくする。【解決手段】コイルばね４のコイル径を、ばね中心軸方向の一側から他側に向かって大きくするとともに、該コイルばね４の圧縮により、前記他側の端に位置する第１巻目の内側に、該第１巻目に続く少なくとも１巻分が入り込むことが可能な大きさに設定する。【選択図】図４
2012082889.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
機器が載置される定盤を基礎に対してコイルばねにより支持してなる除振装置であって、
前記コイルばねのコイル径が、ばね中心軸方向の一側から他側に向かって大きくなるとともに、該コイルばねの圧縮により、前記他側の端に位置する第１巻目の内側に、該第１巻目に続く少なくとも１巻分が入り込むことが可能な大きさに設定されていることを特徴とする除振装置。
【請求項２】
請求項１記載の除振装置において、
前記コイルばねは、略半鼓形状をなすばねであ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、機器が載置される定盤を基礎に対してコイルばねにより支持してなる除振装置に関する技術分野に属する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、機器（例えば電子顕微鏡等のような精密機器）を床（基礎）の微少な振動から絶縁するための除振装置が知られている。このような除振装置としては、機器が載置される定盤を基礎に対して空気ばねにより支持するものや、コイルばねにより支持するものがある。
【０００３】
定盤を基礎に対してコイルばねにより支持する場合、例えば特許文献１に示されているように、そのコイルバネが、機器の重量による荷重の増大に応じてばね定数が高くなる非線形特性を有するようにして、機器を含めたばね系の鉛直方向の固有振動数が当該機器の重量の変化に拘わらず実質的に一定となるようにしている。
【０００４】
前記のような非線形特性を有するばねとしては、円錐形ばねがよく用いられており、この円錐形ばねを用いることで、上下間隔が狭いスペースにばねを配設しつつ、広い荷重範囲に対応することが可能になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−７８１２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、円錐形ばねは、機器を含めたばね系の水平方向の固有振動数を小さくする（水平方向に柔らかくする）ことができるという利点がある。これにより、パッシブ除振装置では、良好な水平方向の除振性能が得られる。また、アクティブ除振装置では、定盤を水平方向の互いに垂直なｘ軸及びｙ軸の各軸方向にそれぞれ駆動するアクチュエータの数を、鉛直方向に駆動するアクチュエータの数よりも少なくすることも可能になる（例えば特許文献１では、鉛直方向に駆動するアクチュエータの数が４であるのに対し、ｘ軸及びｙ軸の各軸方向にそれぞれ駆動するアクチュエータの数は２である）。
【０００７】
しかし、円錐形ばねであっても、機器の重量による荷重が大きくなると、コイル径が大きい側でコイルが密着した状態となるため、水平方向の固有振動数が大きくなってしまう。このように水平方向の固有振動数が大きくなると、鉛直方向に比べて水平方向の除振性能が悪化してしまう。特にアクティブ除振装置でｘ軸及びｙ軸の各軸方向にそれぞれ駆動するアクチュエータの数を少なくしている場合には、水平方向の除振性能がかなり悪化してしまう。
【０００８】
一方、ばねを上下間隔が広いスペースに配設すれば、荷重が大きくなっても円錐形ばねが密着巻きした状態とならずに済むが、これでは、除振装置が大型化してしまう。
【０００９】
本発明は、斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、定盤を基礎に対してコイルばねにより支持してなる除振装置において、上下間隔が狭いスペースにコイルばねを配設しつつ、機器の重量による荷重が大きくなっても、機器を含めたばね系の水平方向の固有振動数を出来る限り小さくしようとすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記の目的を達成するために、この発明では、機器が載置される定盤を基礎に対してコイルばねにより支持してなる除振装置を対象とし、前記コイルばねのコイル径が、ばね中心軸方向の一側から他側に向かって大きくなるとともに、該コイルばねの圧縮により、前記他側の端に位置する第１巻目の内側に、該第１巻目に続く少なくとも１巻分が入り込むことが可能な大きさに設定されている、という構成とした。
【００１１】
前記の構成により、上下間隔が狭いスペースにコイルばねを配設した状態で、荷重が大きくなっても、大径側の少なくとも第１巻目と第２巻目とが互いに密着しなくなり、その分だけ水平方向の柔らかさを維持することができるようになる。この結果、上下間隔が狭いスペースにコイルばねを配設しつつ、広い荷重範囲に亘って、機器を含めたばね系の水平方向の固有振動数を小さくすることができる。
【００１２】
前記除振装置おいて、前記コイルばねは、略半鼓形状をなすばねである、ことが好ましい。
【００１３】
このことにより、ばねの形状から、第１巻目の内側に少なくとも１巻分（前記他側の端から第２巻目）が入り込むようにすることが容易にできるとともに、本発明の作用効果を最大限に発揮する最適なばねが低コストで得られる。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明したように、本発明の除振装置によると、定盤を基礎に対して支持するコイルばねを、そのコイル径がばね中心軸方向の一側から他側に向かって大きくなるばねであって、該コイルばねに所定値以上の荷重が負荷された状態で、前記他側の端に位置する第１巻目の内側に、該第１巻目に続く少なくとも第２巻目が入り込むように構成したことにより、上下間隔が狭いスペースにコイルばねを配設しつつ、広い荷重範囲に亘って、機器を含めたばね系の水平方向の固有振動数を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態に係る除振装置としての除振台の概略構成を示す平面図である。
【図２】図１のII−II線断面図である。
【図３】鉛直方向加速度のフィードバックループを示すブロック図である。
【図４】コイルばねを示す拡大図であり、（ａ）は、コイルばねに荷重が作用していない状態を示し、（ｂ）は、コイルばねに荷重が作用して上端の第１巻目の内側に第２巻目が入り込んだ状態を示す。
【図５】実施例のばね及び比較例のばねについて、圧縮荷重とばね高さとの関係を示すグラフである。
【図６】実施例のばね及び比較例のばねを除振装置に用いて水平方向の振動伝達率を測定した結果を示す、水平方向の振動伝達率の周波数特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１７】
図１及び図２は、本発明の実施形態に係る除振装置としての除振台Ａの概略構成を示す。この除振台Ａは、例えば電子顕微鏡や原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、半導体関連の試験機器、検査機器等の精密計測機器のように、振動の影響を受けやすい精密な機器１（図２に二点鎖線で示す）を載置するための精密除振台であって、機器１を床の振動から出来る限り絶縁した状態で設置するためのものである。本実施形態では、除振台Ａ（後述の定盤５上）に、主として比較的小型の機器１が使用者の都合に応じて載置されることが想定される。
【００１８】
前記除振台Ａは、図示しない専用のテーブルや台等の上面に設置される略矩形状の基礎部材３と、この基礎部材３の上面の４隅にそれぞれ配設されたコイルばね４と、これらコイルばね４により４隅をそれぞれ支持されて、上面に前記機器１が載置される定盤５とを備えている。基礎部材３は、上側が開口した箱状をなしており、その上側の開口を定盤５が上下に隙間をあけた状態で覆っている。
【００１９】
各コイルばね４は、高さ調整機構２１を介して基礎部材３上にそれぞれ配置されている。この高さ調整機構２１は、不図示のモータにより、鉛直方向に延びる中心軸回りに回転するギヤ２２と、このギヤ２２の上面に、ギヤ２２の中心軸上で鉛直方向に延びるように設けられ、ギヤ２２と一体的に回転するネジ軸２３と、このネジ軸２３の回転により上下移動するばね受け部材２４とを有している。このばね受け部材２４の上下移動は、ネジ軸２３の回転が送りねじ機構により変換されたものである。
【００２０】
コイルばね４は、ばね受け部材２４上に、ネジ軸２３の周囲を囲むように載せられて、定盤５とばね受け部材２４との間に介装される。尚、コイルばね４のばね中心軸は、鉛直方向に延びていて、ギヤ２２の中心軸（ネジ軸２３の中心軸）と略一致している。
【００２１】
機器１の重量が変化すると、コイルばね４の圧縮量が変化して定盤５の基礎部材３に対する高さ位置が変化することになるが、本実施形態では、高さ調整機構２１が作動してばね受け部材２４を上下移動させることで、機器１の重量に関係なく、定盤５の基礎部材３に対する高さ位置が略一定になるようになされている。定盤５の下面におけるコイルばね４が当接する部分とばね受け部材２４の上面との間隔（ばね高さ）は、機器１の重量によって変化する（図５参照）。
【００２２】
定盤５及び基礎部材３の間には、両者を鉛直方向及び水平方向にそれぞれ相対変位させる鉛直用及び水平用リニアモータユニット６，７が配設されている。これらリニアモータユニット６，７は、鉛直用も水平用も同じ構造のものであって、それぞれ縦向き及び横向きに、すなわち、基礎部材３から定盤５に対して鉛直方向及び水平方向の力を付与するように、配置されている。
【００２３】
本実施形態では、定盤５及び基礎部材３を４つの鉛直用リニアモータユニット６で鉛直方向に相対変位させる。一方、水平方向の相対変位は、ｘ軸方向及びｙ軸方向それぞれについて、２つの水平用リニアモータユニット７で行う。
【００２４】
前記鉛直用及び水平用リニアモータユニット６，７には、加速度センサ８，９がそれぞれ一体的に設けられている。そして、加速度センサ８，９により、定盤５の基礎部材３に対する鉛直方向及び水平方向の相対加速度（定盤５の振動状態）をそれぞれ検出して、その検出結果を、定盤５及び基礎部材３の間における除振台Ａの中心部に配設されたコントローラ１０（図２参照）に出力するようになっている。尚、図２では、分かり易くするために、コントローラ１０を、定盤５及び基礎部材３の間から外れた位置に記載している。
【００２５】
各加速度センサ９から出力された信号がコントローラ１０に入力される一方、この信号に基づいて生成された駆動制御信号がコントローラ１０から当該加速度センサ９が設けられたリニアモータユニット６に出力されて、定盤５及び機器１にその鉛直方向ｚの振動を低減するような制御力が付加される。つまり、除振台Ａは、機器１の振動を低減するフィードバック振動制御が行われるアクティブ除振装置である。
【００２６】
尚、水平方向のｘ軸方向及びｙ軸方向のそれぞれについても、鉛直方向と同様の振動制御が行われる。このため、以下では、鉛直方向の振動制御について詳細に説明する。
【００２７】
図３は、コントローラ１０による鉛直方向の制御のフィードバックループを示すブロック図である。本実施形態では、コントローラ１０は、機器１及び定盤５（振動制御対象）の鉛直方向加速度ｚ″の検出値に制御ゲインＧmを乗算するとともに、加速度ｚ″を１回積分して得られる速度ｚ′に制御ゲインＧcを乗算し、また、加速度ｚ″を２回積分して得られる変位ｚに制御ゲインＧkを乗算して、それぞれフィードバック補正値Ｇm・ｚ″，Ｇc・ｚ′，Ｇk・ｚを演算する。
【００２８】
そして、前記フィードバック補正値Ｇm・ｚ″，Ｇc・ｚ′，Ｇk・ｚを加算した上で反転することにより、リニアモータユニット６へのフィードバック制御量Ｕ（制御信号）を求める。この制御量Ｕに対応する制御信号を受けて駆動されるリニアモータユニット６が、振動制御対象（機器１及び定盤５）に制御力Ｆを付加し、これにより、振動制御対象の振動が低減される。
【００２９】
前記のように加速度ｚ″に制御ゲインＧmを乗じてフィードバックすることはばね系のマスを増やすのと略同じ効果があり、これにより固有振動数が低下する。また、速度ｚ′のフィードバックによっていわゆるスカイフックダンパの効果が得られ、高周波域での除振性能を損なうことなく共振倍率を低下させることができる。さらに、変位ｚのフィードバックによっていわゆるスカイフックスプリングの効果が得られ、固有振動数以下で振動伝達率を低下させることができる。
【００３０】
本実施形態の除振台Ａにおいては、個々のコイルばね４毎に、これをばね要素とし、これに加わる機器１及び定盤５の重量（分担荷重）をマスとするばね系が構成されるとみなすことができる。
【００３１】
前記各コイルばね４のコイル径は、図４（ａ）に示すように、ばね中心軸方向の一側（本実施形態では、下側）から他側（本実施形態では、上側）に向かって大きくなるとともに、該コイルばね４の圧縮により、前記他側の端（上端）に位置する第１巻目の内側に、該第１巻目に続く１巻分（上端から第２巻目）が入り込むことが可能な大きさに設定されている。本実施形態では、各コイルばね４は、略半鼓形状をなすばねである。すなわち、鼓形ばねをばね中心軸方向の中央で半分に切断してなるばねと略同じ形状である。これにより、ばね中心軸方向の位置の変化に対するコイル径の変化量が、上側ほど大きくなるので、前記第１巻目の内側に前記第２巻目が入り込むことが可能になる（図４（ｂ）参照）。一方、上端から第３巻目以降については、コイルばね４を圧縮していくと、第ｎ巻目（ｎは３以上の自然数）が第ｎ−１巻目と順次密着するために、第１巻目の内側に入り込むことはできない。
【００３２】
ここで、本実施形態と同様の略半鼓形状をなすばね（以下、実施例のばねという）について、圧縮荷重Ｐ（（機器１及び定盤５の合計重量）／４）とばね高さＨとの関係（静的特性）を図５に示す。この実施例のばねの自然長（圧縮荷重Ｐが０であるときのばね高さ）は５２ｍｍ、線径は３．２ｍｍ、最大コイル径は４４．５ｍｍ、最小コイル径は２０．４ｍｍ、有効巻数は７巻（総巻数９巻）である。
【００３３】
前記実施例のばねに対して圧縮荷重Ｐを０から大きくしていくと、圧縮荷重Ｐが第１所定値になったときに、大径側（上側）において第１巻目の内側に第２巻目が入り込む。圧縮荷重Ｐが第１所定値以上では、前記第１巻目の内側に前記第２巻目が入り込んだ状態が維持される。圧縮荷重Ｐが第１所定値よりも大きい第２所定値になったとき、大径側の端から第３巻目が第２巻目と密着する。圧縮荷重Ｐを大きくするに連れて、大径側において密着する部分が増大していき、ばねとして機能する部分の長さが短くなっていく。これにより、圧縮荷重Ｐが前記第２所定値になるまでは、概ね線形特性を有するが、前記第２所定値よりも大きくなると、非線形特性を有する。
【００３４】
また、比較のために、円錐形ばね（以下、比較例のばねという）についてその静的特性を図５に合わせて示す。この比較例のばねの自然長、線径、最大コイル径、巻数及び材質は、前記実施例のばねと同じである。この比較例のばねのコイル径は、大径側の端に位置する第１巻目の内側に第２巻目が入り込むことができない大きさに設定されている。このため、圧縮荷重Ｐが前記第１所定値と略同じ値になったときに、大径側において第１巻目と第２巻目とが密着する。そして、実施例のばねと同様に、圧縮荷重Ｐを大きくするに連れて、大径側において密着する部分が増大していき、ばねとして機能する部分の長さが短くなっていく。比較例のばねも、コイルが密着し始めるまでは、概ね線形特性を有し、それよりも大きい圧縮荷重Ｐが作用するときには、非線形特性を有し、両者は概ね同じ静的特性を有していると言える。
【００３５】
しかし、実施例のばねでは、比較例のばねに比べて大きい圧縮荷重でコイルが密着し始めるため、同じ圧縮荷重が作用している状態で、ばねとして機能する部分の長さが、比較例のばねに比べて、実施例のばねの方が長くなる。また、ばねとして機能する部分の長さをＬとし、ばねとして機能する部分の最大コイル径をＤとしたとき、同じ圧縮荷重が作用している状態で、Ｌ／Ｄの値も、比較例のばねに比べて、実施例のばねの方が大きくなる。例えば圧縮荷重Ｐが２００Ｎであるとき、比較例のばねではＬ／Ｄ＝０．７であるのに対して、実施例のばねではＬ／Ｄ＝１．０である。圧縮荷重Ｐが３００Ｎであるとき、比較例のばねではＬ／Ｄ＝０．５であるのに対して、実施例のばねではＬ／Ｄ＝０．７である。
【００３６】
したがって、実施例のばねの方が、比較例のばねに比べて、広い荷重範囲に亘って水平方向の柔らかさを維持することができるようになる。これにより、広い荷重範囲に亘って、機器１を含めたばね系の水平方向の固有振動数を小さくすることができる。
【００３７】
前記実施例のばねと前記比較例のばねとを前記除振台Ａと同様の除振装置に用いて水平方向の振動伝達率（ｘ軸方向のばね上加速度／ｘ軸方向のばね下加速度）を測定した結果を図６に示す。この測定は、鉛直用及び水平用リニアモータユニット６，７の駆動によりフィードバック振動制御を行うアクティブの場合と、鉛直用及び水平用リニアモータユニット６，７を駆動しないパッシブの場合とのそれぞれについて行った。尚、機器１及び定盤５の合計重量は７８４Ｎ（１つのコイルばね当たり１９６Ｎ）である。
【００３８】
この結果、実施例のばねと比較例のばねとをパッシブの場合で比較すると、実施例のばねの方が、比較例のばねに比べて、固有振動数が低くなっていることが分かる。
【００３９】
また、アクティブの場合で比較すると、実施例のばねの方が、比較例のばねに比べて、振動伝達率が４〜６ｄＢ低くなり、除振性能が良好であることが分かる。
【００４０】
以上のように、本実施形態のようなコイルばね４を除振台Ａに用いることで、上下間隔が狭いスペースにコイルばね４を配設したとしても、広い荷重範囲に亘って、機器１を含めたばね系の水平方向の固有振動数を小さくすることができる。この結果、ｘ軸及びｙ軸の各軸方向にそれぞれ駆動する水平用リニアモータユニット７の数を、鉛直方向に駆動する鉛直用リニアモータユニット６の数よりも少なくしても、良好な水平方向の除振性能が得られるようになる。
【００４１】
本発明は、前記実施形態に限られるものではなく、請求の範囲の主旨を逸脱しない範囲で代用が可能である。
【００４２】
例えば、前記実施形態では、各コイルばね４のコイル径が、コイルばね４の圧縮により、上端（大径側の端）に位置する第１巻目の内側に、該第１巻目に続く１巻分（第２巻目）のみが入り込むことが可能な大きさに設定されていたが、前記第１巻目の内側に、該第１巻目に続く２巻分以上が入り込むことが可能な大きさに設定してもよい。但し、大径側のコイル径が大きくなり過ぎるのを防止する観点から、第１巻目の内側に入り込めるのは、現実的にはせいぜい２巻分である。前記実施形態のように１巻分しか入り込めなくても、良好な水平方向の除振性能が得られるので、問題はない。
【００４３】
また、各コイルばね４が略半鼓形状をなすばねである必要はなく、各コイルばね４のコイル径が、ばね中心軸方向の一側から他側に向かって大きくなるとともに、該コイルばね４の圧縮により、前記他側の端に位置する第１巻目の内側に、該第１巻目に続く少なくとも１巻分が入り込むことが可能な大きさに設定されていれば、どのような形状のばねであってもよい。
【００４４】
さらに、前記実施形態では、コイルばね４の上側が大径側であるとしたが、コイルばね４の下側が大径側であってもよい。但し、高さ調整機構２１のばね受け部材２４が大きくなり、このばね受け部材２４の周辺には、ギヤを回転させるモータや伝達機構が配置されるので、スペース的な観点からは、前記実施形態のようにする方がよい。高さ調整機構２１がない場合には、コイルばね４の上下は除振性能には関係しないので、大径側が上側であっても下側であってもよい。
【００４５】
さらにまた、前記実施形態では、アクティブ除振装置に本発明を適用したが、パッシブ除振装置に適用することも可能である。
【００４６】
前記実施形態は単なる例示に過ぎず、本発明の範囲を限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は請求の範囲によって定義され、請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明は、機器が載置される定盤を基礎に対してコイルばねにより支持してなる除振装置に有用であり、特に、鉛直方向及び水平方向のそれぞれにおいてアクチュエータによる振動制御を行うアクティブ除振装置に有用である。
【符号の説明】
【００４８】
Ａ    除振台
１    機器
３    基礎部材
４    コイルばね
５    定盤
【図１】
2012082889.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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