(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベースに対して均衡位置に物体を支持する一方で物体とベースとの間の振動運動の伝達を抑制するための全方向防振懸架装置であって、鉛直方向運動絶縁装置（１８）と、該鉛直方向運動絶縁装置に直列に作動連結された細い円筒形ロッドである可撓ビーム支柱の水平方向運動絶縁装置（３６）と、前記鉛直方向運動絶縁装置（１８）又は水平方向運動防止絶縁装置（３６）に直列に接続された、支柱頂部（４０）および荷重プレート（４６）の間に垂直および水平方向の剛性を与える傾斜可撓組立体である傾転運動絶縁装置（４８）とを有しており、
前記鉛直方向運動絶縁装置（１８）が、
第１および第２端部を有し、鉛直方向に力を提供するようになっていて、物体を支持するための鉛直方向の力支持能力を有しているばね手段（１８）と、
前記ばね手段（１８）に作動連結された、鉛直方向に力を作用することができる複数の可撓部材（６０、６２）である可撓手段（２８）であって、該可撓手段（２８）に作用する力が前記ばね手段（１８）の力を減少させる可撓手段（２８）とを有しており、
前記水平方向運動絶縁装置（３６）が、物体を支持するための鉛直方向の力支持能力と、水平方向の振動を低減するための振動絶縁能力とを有しており、
前記傾転運動絶縁装置（４８）が、物体を支持するための鉛直方向の力支持能力と、物体とベースとの間の揺れ振動を低減するための振動絶縁能力とを有している、全方向防振懸架装置。
【請求項２】
請求項１に記載の全方向防振懸架装置であって、
前記ばね手段（１８）の第２端部を前記ばね手段（１８）の前記第１端部に対して並進させる手段（１３２）と、
前記ばね手段（１８）の第２端部が前記ばね手段（１８）の前記第１端部に対して並進させられた時、前記ばね手段（１８）の第２端部が前記ばね手段（１８）の前記第１端部に対して回転することを抑制する回転防止手段（１３６）とをさらに有している、全方向防振懸架装置。
【請求項３】
請求項２に記載の全方向防振懸架装置であって、
第１のばね支持部（４４）と、
前記ばね手段（１８）の第２端部が前記ばね手段（１８）の前記第１端部に対して並進させられた時、前記ばね手段（１８）と前記第１のばね支持部（４４）との間の相対移動を抑制するために、前記ばね手段（１８）をそれの第１の端部の近くで前記第１のばね支持部（４４）に固定する手段（１１６、１１８）と、
第２のばね支持部（１２０）と、
前記ばね手段（１８）の第２端部が前記ばね手段（１８）の前記第１端部に対して並進させられた時、前記ばね手段（１８）と前記第２のばね支持部（１２０）との間の相対移動を抑制するために、前記ばね手段（１８）をそれの第２の端部の近くで前記第２のばね支持部（１２０）に固定する手段（１２２、１２４）とをさらに有している、全方向防振懸架装置。
【請求項４】
請求項１に記載の全方向防振懸架装置において、
前記傾転運動絶縁装置（４８）が前記水平方向運動絶縁装置（３６）に接続された可撓手段（１５８、１６０）を有しており、該可撓手段（１５８、１６０）が物体と前記水平方向運動絶縁装置との間に振動絶縁能力を提供する全方向防振懸架装置。
【請求項５】
ベースに対して均衡位置に物体を支持する一方で物体とベースとの間の振動運動の伝達を抑制するための防振懸架装置であって、
上端と、下端と、物体を支持するための鉛直方向の力支持能力と、水平方向の振動絶縁能力とを有している水平方向運動絶縁装置（３６）と、
上端と、下端とを有した鉛直方向運動絶縁装置（１８）とを有しており、
前記鉛直方向運動絶縁装置（１８）が、
鉛直方向に力を提供し、物体を支持するための鉛直方向の力支持能力を有しているばね手段（１８）と、
該ばね手段（１８）に作動連結された、鉛直方向に力を作用することができる可撓手段（２８）であって、該可撓手段（２８）に作用する力が前記ばね手段（１８）の力を減少させる可撓手段（２８）とを有しており、
前記鉛直方向運動絶縁装置の上端が前記水平方向運動絶縁装置の下端に直列に作動連結され、前記鉛直方向運動絶縁装置と前記水平方向運動絶縁装置が並列配置において作動することを許している、防振懸架装置。
【請求項６】
ベースに対して均衡位置に物体を支持する一方で物体とベースとの間の振動運動の伝達を抑制するための全方向防振懸架装置であって、
該全方向防振懸架装置が、物体とベースとの間に接続され、物体を軸線方向に支持する少なくとも一つの複合懸架装置を有しており、
前記少なくとも一つの複合懸架装置が、第１の懸架絶縁装置（３６）と、該第１の懸架絶縁装置に軸線方向に作動連結された第２の懸架絶縁装置（１８）と、前記第１の懸架絶縁装置（３６）又は第２の懸架絶縁装置（１８）に軸線方向に接続された傾転運動絶縁装置（４８）とを有しており、
前記第１の懸架絶縁装置（３６）が、第１および第２端部を有し、物体を支持するための軸線方向の力支持能力と、前記軸線方向と直交する方向の、前記第１及び第２端部の相対並進運動に応答する振動絶縁能力とを有していて、
前記第２の懸架絶縁装置（１８）が、
第１および第２端部を有し、軸線方向に力を提供するようになっていて、物体を支持するための軸線方向の力支持能力を有しているばね手段（１８）と、
前記ばね手段（１８）に作動連結された、軸線方向に力を作用することが出来る可撓手段（２８）であって、該可撓手段（２８）に作用する力が前記ばね手段（１８）の力を減少させる可撓手段（２８）とを有しており、
前記傾転運動絶縁装置（４８）が、物体を支持するための軸線方向の力支持能力と、物体とベースとの間の揺れ振動を低減するための振動絶縁能力とを有している、全方向防振懸架装置。
【請求項７】
ベースに対して均衡位置に物体を支持する一方で物体とベースとの間の振動運動の伝達を抑制するための全方向防振懸架装置であって、
該全方向防振懸架装置が、物体とベースとの間に接続され、物体を軸線方向に支持する少なくとも一つの複合懸架装置を有しており、
前記少なくとも一つの複合懸架装置が、第１の懸架絶縁装置（３６）と、該第１の懸架絶縁装置に軸線方向に作動連結された第２の懸架絶縁装置（１８）とを有しており、
前記第１の懸架絶縁装置（３６）が、第１および第２端部を有し、物体を支持するための軸線方向の力支持能力と、前記軸線方向と直交する方向の、前記第１及び第２端部の相対並進運動に応答する振動絶縁能力とを有していて、
前記第２の懸架絶縁装置（１８）が、
ベースプラットフォーム（２２）と、
第１および第２端部を有し、軸線方向に力を提供し、物体を支持するための軸線方向の力支持能力を有していて、前記ベースプラットフォーム（２２）作動接続されているばね手段（１８）と、
前記ばね手段の第２の端部を前記ばね手段の第１端部に対して並進させ、前記第２懸架装置の軸線方向の力支持能力を調節する手段（１３２）と、
第１のばね支持部（４４）であって、前記ばね手段（１８）の第２端部が前記ばね手段（１８）の前記第１端部に対して並進させられた時、前記ばね手段（１８）と前記第１のばね支持部（４４）との間の相対移動を抑制するために、前記ばね手段（１８）をそれの第１の端部の近くで前記第１のばね支持部（４４）に固定する手段（１１６、１１８）を含む第１のばね支持部（４４）と、
第２のばね支持部（１２０）であって、前記ばね手段（１８）の第２端部が前記ばね手段（１８）の前記第１端部に対して並進させられた時、前記ばね手段（１８）と前記第２のばね支持部（１２０）との間の相対移動を抑制するために、前記ばね手段（１８）をそれの第２の端部の近くで前記第２のばね支持部（１２０）に固定する手段（１２２、１２４）を含む第２のばね支持部（１２０）と、
前記ばね手段（１８）の第２端部が前記調節手段（１３２）によって前記ばね手段（１８）の前記第１端部に対して並進させられた時、前記ばね手段（１８）の第２端部の回転を抑制し、前記ばね手段（１８）の捻じれ変形を防止する回転防止手段（１３６）と、
前記第１のばね支持部（４４）に作動連結された、軸線方向に力を作用することができる可撓手段（２８）であって、該可撓手段（２８）に作用する力が前記ばね手段（１８）の力を減少させる可撓手段（２８）とを有している、全方向防振懸架装置。
【請求項８】
ベースに対して均衡位置に物体を支持する一方で物体とベースとの間の振動運動の伝達を抑制するための鉛直方向の力支持能力を有した振動絶縁装置であって、
第１および第２端部を有し、鉛直方向に力を提供し、物体を支持するための鉛直方向の力支持能力を有しているばね手段（１８）と、
前記ばね手段（１８）に作動連結された、鉛直方向に力を作用することができる可撓手段（２８）であって、該可撓手段（２８）に作用する力が前記ばね手段（１８）の力を減少させる可撓手段（２８）と、
前記ばね手段（１８）の第２端部を前記ばね手段（１８）の前記第１端部に対して並進させる手段（１３２）と、
前記ばね手段（１８）の第２端部が前記ばね手段（１８）の前記第１端部に対して並進させられた時、前記ばね手段（１８）の第２端部が前記ばね手段（１８）の前記第１端部に対して回転することを抑制する回転防止手段（１３６）とを有している、振動絶縁装置。
【請求項９】
ベースに対して均衡位置に物体を支持する一方で物体とベースとの間の振動運動の伝達を抑制するための鉛直方向の力支持能力を有した振動絶縁装置であって、
第１および第２端部を有し、鉛直方向に力を提供し、物体を支持するための鉛直方向の力支持能力を有しているばね手段（１８）と、
前記ばね手段（１８）の前記第１端部に取付けられ、物体を支持する中央ハブ組立体（２０）と、
前記中央ハブ組立体（２０）に取付けられ、前記ばね手段（１８）に作動連結された、鉛直方向に力を作用することができる可撓手段（２８）であって、該可撓手段（２８）に作用する力が前記ばね手段（１８）の力を減少させる可撓手段（２８）であって、前記中央ハブ組立体（２０）のベースに対する回転又は水平方向並進運動に対して剛性を保っている可撓手段（２８）とを有している、振動絶縁装置。
【発明の詳細な説明】
関連出願
本願は「防振装置」と題して１９９１年５月３１日付け出願された関連出願第０７／７０８９９５号の一部継続出願であり、該出願は「減衰防振装置」と題して１９９１年４月８日付け出願された出願第０７／６８１８０８号の一部継続出願であり、該関連出願は「防振装置」と題して１９８９年８月１６日付け出願された関連出願第３９５０９３号の一部継続出願である。
発明の背景
発明の分野
本発明は一般に物体とベースとの間に振動運動の伝達を防止および低減させるための懸架装置および方法に係わり、更に詳しくは、装置の共振応答性を制限するために低剛性高減衰性を示し、高振動数での防振、防振装置の高共振振動数での防振に有効であり、防振装置の性能を大きく低下させることなく重量負荷変化を許容できる小型の全方向の防振装置すなわち懸架装置に関する。
関連技術の説明
運動検出機器および装置に発生する望ましくない振動によって生じる問題が広く調査され、振動運動の伝達を防止または低減させる数多くの解決策が提案されて開発されてきた。物体とその周囲との間の望ましくない振動伝達を低減するように設計された一般に防振装置すなわち懸架装置と称される装置の多くは、様々な材料で作られた弾性パッド、各種形式の機械的ばねおよび空気式装置のような要素を様々に組み合わせて使用している。しかしながら、特に従来技術の防振装置には、低い装置固有振動数を得ることを阻止し、高振動数において高い防振性能を与える一方で共振振動数を低く制限することを阻止する欠点および不利益がある。
従来技術の装置のこれらの欠点および不利益は、新規の防振装置、および本出願人の１９８９年８月１６日付けで出願された「防振装置」と題する特許願第０７／３９５０９３号に記載されている既存の防振装置、本出願人の１９９１年４月８日付けで出願された「減衰防振装置」と題する特許願、および１９９１年５月３１日付けで出願された「防振装置」と題する関連出願第７０８９９５号を改善する新規な装置および方法の本出願人による開発を通じて対処されるのであり、これらの全ての特許願は参照することでここに組み入れられる。本出願人の３つの特許願に記載され且つ本発明に関連して使用される特定の防振装置は、軸線方向（一般にペイロード荷重の方向）およびこの軸線方向を実質的に横断するあらゆる方向（一般に水平方向）の剛性を低くすることで多方向防振性を与える。この特定装置は、全方向の防振を行うために軸線方向に直列に互いに連結することのできる絶縁装置（防振装置）の組み合わせを使用する。各絶縁装置は、全方向に関する振動を効果的に絶縁するために、あらゆる振動運動をする軸線方向または横方向の部材を絶縁するように設計されている。以下の説明で、軸線方向の絶縁装置は垂直運動絶縁装置と称され、軸線方向の運動絶縁装置の装置系は垂直運動絶縁装置系と称される。同様に、横方向の運動絶縁装置は水平運動絶縁装置と称され、横方向運動絶縁装置の装置系は水平運動絶縁装置系と称される。
本出願人の関連出願に記載された実施例では、絶縁装置はそれ自体を、またはその一部を形成する特定の弾性構造体に荷重を加えて（荷重は支持重量または外部の荷重付与機構で与えられる)、弾性構造体の弾性不安定点に近づけることを基本としている。この弾性不安定点に近づくまでの荷重の付与は、構造体の「臨界座屈荷重」とも呼ばれており、絶縁装置の垂直方向または水平方向の剛性を実質的に低減させて、垂直方向および水平なあらゆる向に低剛性（ゼロかほとんどゼロとされる）の絶縁装置系を作り上げるとともに、構造体の固有の減衰性を高める。剛性が低減されても、これらの絶縁装置はペイロード重量を支持する能力を保持する。
不安定性の弾性構造体にかかる荷重が臨界座屈荷重より大きいと、過剰荷重は構造体を座屈形状となるように推し進めて、「負の剛性」すなわち「負のばね定数」機構を生じるようにする傾向を示す。負の剛性機構にばねを組み合わせて、負の剛性が正のばね剛性を打ち消す、またはほぼ打ち消すように調整することにより、弾性不安定点またはその近くに設定することのできる装置を得ることができる。負の剛性を生じる荷重の強さは調整することができ、これにより特定の所望剛性に「微調整」することのできる絶縁装置が作り出される。
発明の概要
本発明は、本出願人の先願に記載された防振装置の性能を改良するとともに、一層小型の形状にするための新規な手段を提供する。本発明によれば、絶縁装置の内部構造の共振振動数は十分に高くされ、絶縁装置は垂直方向および水平方向に同じ小さな剛性を与えるとともに低い装置共振振動数を与え、これにより高い振動数での性能が改良される。本発明はまた、中央ハブに連結された半径方向可撓部材を有する垂直運動絶縁装置と、中央ハブに作動連結された１つ以上の水平運動ビーム支柱絶縁装置とで構成された複合絶縁装置の性能を、中央ハブのベースに対するあらゆる水平軸線のまわりの回転剛性を高めることで改良し、これによりビーム支柱のための一層安定したプラットフォームを形成するとともに、垂直運動絶縁装置および水平運動絶縁装置の間の良好な遮断を与える。
本発明はまた、垂直運動絶縁装置の自由移動容量を超えることなく、ウェーハステッパーおよび座標測定機のような可動ステージを備えた機器および他の応用例において生じるような、絶縁された物体重量の一層大きな再分配を受動的に受入れる手段を提供する。この手段は、絶縁物体重量の再分配によって生じるモーメントに対する絶縁物体の揺れ変位を制限するために、あらゆる水平方向軸線のまわりの絶縁装置の回転すなわち揺れ剛性の修正を含む。
本発明はまた、様々な重量荷重を受入れるため、また上限および下限ストッパーの間で絶縁装置の位置を調節するためにペイロード支持ばねのベースを昇降させる調節ナットを使用した垂直運動絶縁装置の性能を改善する。
本発明により作られる典型的な垂直運動絶縁装置は、ペイロード手段および負の剛性機構を支持するためにばね手段を使用するのであり、ペイロード手段は中央ハブに内端部で連結された半径方向に圧縮された半径方向可撓組立体を含んでなる。ばね手段は中央ハブおよびベースの間に連結される。半径方向可撓組立体の少なくとも１つの外端部は連結ブロックに連結され、連結ブロックは半径方向の圧縮荷重を与える。半径方向可撓組立体の各々は垂直方向に間隔を隔てられた平坦ばね部材の箇所に少なくとも２つの半径方向可撓部材を含み、また荷重付与可撓組立体の各々は半径方向に間隔を隔てらてた少なくとも２つの荷重付与可撓部材すなわち平坦ばね部材を含む。荷重付与可撓部材の各々の一端部は連結ブロックに連結され、他端部はベースに連結される。垂直方向に比較的高剛性を有してあらゆる水平方向に低剛性を有する弾性構造体を含んでなる水平運動絶縁装置は、中央ハブとペイロードとの間に連結される。
垂直方向に間隔を隔てた半径方向可撓部材および半径方向に間隔を隔てた荷重付与可撓部材が連結ブロックで連結されて組み合わされて絶縁構造体を形成しており、この絶縁構造体の剛性はベースに対する中央ハブの垂直方向の移動に関して比較的に低く、連結ブロックの半径方向の撓みに対する荷重付与可撓部材の剛性は比較的に低く、半径方向可撓部材にほぼ一定の非常に一定した半径方向力およびほぼ一定の非常に一定した負の剛性作用を保持するようになす。しかしながら、この絶縁構造体はベースに対する中央ハブの回転または水平方向の移動に対しては非常に剛性的であり、これらの変形モードに関連して絶縁装置の共振振動数を非常に高くし、また非常に高い振動数まで絶縁装置系の伝達作用がほぼ理想的な１自由度系の作用に近づくことを生じ、これにより本発明による防振装置の高振動数絶縁性能が改良される。
ベースに対する中央ハブの回転または水平方向の移動に対して本発明の垂直運動絶縁構造体の剛性が高いことは、１つ以上のビーム支柱のような中央ハブに作動連結された水平運動絶縁装置のためのプラットフォームを一層安定させ、全方向の複合絶縁装置を作り出す。
本発明により作り出された複合絶縁装置の１つの特定の形態において、垂直運動絶縁装置は、中央ハブとベースプラットフォームとの間に連結されてペイロード重量を支持するコイルばねと、中央ハブに連結されてこのコイルばねから剛性を取り除く負の剛性機構とを使用する。負の剛性機構は、１８０°ほど隔てられた２つの半径方向可撓組立体を含み、１つの半径方向可撓組立体の外端部はベースプラットフォームから上方へ延在した剛性支持支柱に連結され、また他の半径方向可撓組立体の外端部は連結ブロックを介して荷重付与可撓部材組立体に連結され、この組立体が半径方向の圧縮荷重を半径方向可撓組立体に伝達して、これにより負の剛性作用を生じる。
半径方向可撓組立体の各々は、２つの水平方向に間隔を隔てた対をなす半径方向可撓部材を含み、これらの各対は中央ハブおよび外端部におけるスペーサブロックで垂直方向に間隔を隔てられた２つの半径方向可撓部材を含んでなる。荷重付与可撓組立体は半径方向に間隔を隔てられた２つの荷重付与可撓部材を含み、これらの可撓部材は片持ち支持されてベースプラットフォームから上方へ延在され、上端部で１つの半径方向可撓組立体に取付けられている連結ブロックに対して連結される。絶縁装置は、荷重付与可撓部材が下端部に比べて半径方向外方へ変位されて可撓部材を曲げ変形させるとともに、半径方向圧縮荷重を半径方向可撓組立体に伝達するようになされる。第３の可撓部材は、片持ち支持されてベースプラットフォームから上方へ延在されるとともに、半径方向の撓みおよび半径方向可撓組立体に伝達された半径方向力を変化させることのできる調節ねじを経て連結ブロックに連結されて、これにより垂直運動絶縁装置の剛性を微調節する手段を形成する。
コイルばねは上端部で中央ハブの一部である上側ばね支持部に取付けられ、下端部で下側ばね支持部に取付けられており、下側ばね支持部はベースプラットフォームから上方へ延在するばね支持チューブを取囲み、該チューブによりガイドされる。下側ばね支持部はスラスト軸受上に支持されており、このスラスト軸受はばね支持チューブの外面のねじ溝に螺合される調節ナットに支持される。この調節ナットはばねのベースを昇降させて、様々な重量負荷を受入れることができるようになされており、また中央ハブをベースプラットフォームに対する均衡位置、すななち垂直運動絶縁装置の作動位置に保持するようになされている。コイルばねは、各端部で互いに巻かれている３つのコイルを有する。上側および下側ばね支持部はばねの中に３つのコイルの距離だけ挿入され、ばねは両端部にてクランプで支持部に固定されており、このクランプは３つのコイルを取囲んでそれらを互いに剛性的にばね支持部にクランプ保持して、調節ナットが回転されるときにばねが支持部に対して移動することを防止する。下側ばね支持部は回転防振装置に連結されており、この回転防振装置は支持部から半径方向外方へ延在したＵ形溝を有するプレートと、ベースプラットフォームから上方へ延在してＵ形溝内に非常に小さな間隙を有して嵌合する支柱とを含んでなり、垂直方向に移動するときに下側ばね支持部が回転することを防止するようになす。支持部に対するばねの回転またはばねの移動は、特に負の剛性作用がばねの正の剛性に密接に近づいて絶縁装置に非常に小さい正味の剛性を生じるとき、ばねの剛性に小さな変化を、また絶縁装置の正味の剛性に大きな変化を生じる。
水平運動絶縁装置は垂直運動絶縁装置および物体と垂直方向に直列に作動連結されており、これは支持ベースプラットフォームおよび支柱頂部プレートの間に連結された細いロッド形の可撓性の３つのビーム支柱を含む。支柱ベースプレートは絶縁装置ベースプラットフォームより下方に位置され、中央支柱の底端部に連結されており、中央支柱は上端部で上側ばね支持部に連結され、ばね支持チューブおよびベースプラットフォームを通して下方へ延在されている。ビーム支柱は絶縁装置ベースプラットフォームに形成されている開口を通過して、支柱ベースプレートに連結され、また端部取付け部を通して支柱頂部プレートに連結されている。間隔を隔てた半径方向の可撓部材および間隔を隔てた荷重付与片持ち部によって中央支柱の曲げ剛性が高く、中央ハブの回転剛性が高い理由により、支柱ベースプレートは垂直方向に容易に移動するように強制され、これにより水平運動絶縁装置のための安定したベースを形成するとともに、垂直運動および水平運動の絶縁装置を効果的に遮断する。平坦ばねの形態の可撓部材が支柱ベースプレートと絶縁装置ベースプラットフォームとの間を作動連結して、水平運動および水平軸線のまわりの回転運動に抗して支柱ベースプレートを更に安定化させるとともに、絶縁構造体の共振振動数を高めるようにする。
支柱頂部プレートは縮径部を有するロッドの形をした頂部可撓部材を経て荷重プレートに連結されて、全ての水平軸線のまわりで支柱頂部プレートに対する荷重プレートの揺れ剛性を低くする一方、全ての水平方向での支柱頂部プレートに対する荷重プレートの移動に関する剛性を高くする。荷重プレートはペイロードまたはペイロードプラットフォームに取付けられる。この複合絶縁装置構造によれば、この絶縁装置のような３つ以上の懸架装置系は６つの自由度の全てにおいて低い剛性、装置系の低い固有振動数、および効果的な防振を与える一方、絶縁構造体の共振振動数を高く保持する。頂部可撓部材、またはペイロードと支柱頂部プレートとの間に低い揺れ剛性および高い振動剛性を与える他の手段が無ければ、高い構造共振振動数（例えば１００Ｈｚを超える）を与えるための絶縁構造体の剛性付与は装置系に高い揺れ振動数（ピッチまたはロール）を生じ、揺れ振動入力に対する絶縁有効性を低下させる傾向を示す。
絶縁装置の揺れ剛性を高め、また装置系の垂直および水平方向の固有振動数に対して装置系の揺れ固有振動数を高めることが有益となる応用例がある。例えば物体重量を再分布させてペイロードの傾斜または揺れを生じるようなウェーハステッパー、座標測定機および他の検査装置のような可動ステージをペイロードが有する応用例の場合である。非常に低い振動数の６つの自由度の受動的絶縁装置系は大きい重量再分布を許容することができない。何故ならば、絶縁装置が垂直方向ストッパーに接触するように過剰な傾斜を生じるからである。頂部可撓部材の揺れ剛性を高めることにより、またこれにより装置系の固有振動数を高めることにより、重量再分布の許容量が増大する。揺れ振動入力は一般に垂直および水平方向の振動入力よりも格段に低く、装置系の揺れ固有振動数の上昇は多くの場合に防振装置の効果を著しく低減することはない。例えば、本発明に基づく複合絶縁装置を使用した防振装置は、０．７５Ｈｚの垂直および水平方向の固有振動数および２．０Ｈｚの揺れ固有振動数を与え、有用な範囲のステージ運動重量再分布を許容することができる。垂直および水平方向の入力振動数に比べて揺れ入力振動数が低いので、２０．Ｈｚの揺れ固有振動数は装置系の全体的な絶縁効果を著しく低減することはない。
水平運動絶縁装置は、設計条件および制約に基づいて必要とされる範囲で、剛性を低減する負の剛性ビーム支柱の作用を利用するように設計されることができる。空間的な制約が小さな絶縁装置の高さおよび小さな支柱長さを要求するならば、また非常に低い剛性が要求されるならば、小型の設計で非常に低い剛性を得るために、支柱は重量荷重が支柱の臨界座屈荷重に密接に接近するように設計されることができる。空間的制約が重要でないならば、多くの応用例に適するように長い支柱設計で重量荷重が支柱の臨界座屈荷重の僅かとされて、低剛性が達成できる。この負の剛性作用が比較的小さな後者の設計は、水平方向の剛性が重量荷重の変化に鈍感であるという利点を有する。
比較的高荷重の容量を有するストッパーは複合絶縁装置の垂直および水平方向の撓みを制限して、一層敏感な部材、すなわち半径方向の可撓部材および支柱を過負荷から保護し、これにより頑丈な絶縁装置を作り出す。ベースプラットフォームの高さ調節ねじは、絶縁装置およびペイロードプラットフォームの高さを調節するように、またペイロードを絶縁装置に対して水平に位置決めするように作用して、ペイロードプラットフォームに取付けられる荷重プレートの穴の中に水平ストッパーピンを芯出しするようになされる。これは水平運動絶縁装置系の作動位置である。垂直運動絶縁装置は重量荷重調節ナットで作動位置に調節され、上側および下側の垂直ストッパーの間に適当な間隙を形成するようになす。
概して本発明は、小型で、絶縁構造体の共振振動数が高く垂直および水平運動絶縁装置の間の遮断が良好という改良した性能を示し、また重量荷重の変化に対する調節に対応する改良した性能を示す改良された垂直運動絶縁装置を提供し、また例えば移動するステージによってペイロードに発生するような支持物体の大きな重量再分布を受動的に許容する改良された一層小型の複合絶縁装置を提供する。本発明の他の特徴および利点は、例として本発明の基本を図示する添付図面と関連させて以下の詳細な説明から明白となるであろう。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明により作られた防振装置の１実施例の平面図；
第２図は第１図に示された実施例の線２−２に沿う部分的横断側面図；
第３図は第１図に示された実施例の第２図の線３−３に沿う部分的横断平面図；
第４図は第１図に示された実施例の第２図の線４−４に沿う部分的底面図である。
好ましい実施例の詳細な説明
図解のための図面に示されるように、本発明は幾つかの複合された垂直運動および水平運動の絶縁装置に支持されたペイロードプラットフォームを含んでなる防振懸架装置に具現される。本発明により作られた複合絶縁装置は、絶縁装置内部構造体の共振振動数を十分高くでき、また垂直運動および水平運動絶縁装置の良好な遮断ができる。この防振懸架装置はペイロード重量の大きな低減を受動的に許容できる。また、本発明により作られた垂直運動絶縁装置は、様々な重量荷重を許容するために調節ナットが支持ばねのベースを昇降するように使用されるとき、改良された性能を表す。本発明はまた、コイルばねのようなばねが垂直運動絶縁装置における支持ばねとして使用されるとき、一層小型の複合絶縁装置構造を提供する。
第１図は本発明により作られた絶縁装置系の１実施例を示している。この装置系１０は、ペイロードプラットフォーム１４上にて絶縁されるべき物体（図示せず）を弾性的に支持するために、幾つかの新規な複合防振装置すなわち絶縁装置１２を使用している。装置系１０では、このような３つの絶縁装置が基礎に対してペイロードプラットフォーム１４を支持し、このペイロードプラットフォームに支持された物体と基礎との間の全方向の振動の伝達を低減する。
第１図、第２図、第３図および第４図をここで参照すれば、複合絶縁装置の１実施例が示されている。この複合絶縁装置は、垂直運動絶縁装置が垂直方向に水平運動絶縁装置と直列に作動連結構成されている。この垂直運動絶縁装置はコイルばねとされた支持ばね１８を含み、このばねは中央ハブ組立体２０とベースプラットフォーム２２との間に作動連結され、ベースプラットフォームは３つの位置調節ねじ２４で基礎１６に連結されている。ばね１８は物体重量荷重を支持しており、この荷重は中央ハブ組立体２０とペイロードプラットフォーム１４との間に作動連結されている水平運動絶縁装置を経て中央ハブ組立体２０に伝達される。負の剛性機構もまた中央ハブ組立体２０に連結され、ばね１８の正の剛性に対して逆作用している。負の剛性機構は半径方向に圧縮された半径方向可撓組立体２８および３０を含んでなり、これらの半径方向可撓組立体は内端部で中央ハブ組立体２０に連結されている。半径方向可撓組立体２８の外端部は剛性支持支柱３２に連結され、この支柱はねじ２３でベースプラットフォーム２２に取付けられている。半径方向可撓組立体３０の外端部は荷重付与片持ち組立体３４の上端部に連結され、この荷重付与片持ち組立体は下端部にてベースプラットフォーム２２に取付けられて予め変形状態に組立てられ、これにより半径方向の圧縮荷重を半径方向可撓組立体２８および３０に与えるようになされる。半径方向可撓組立体２８および３０に十分な圧縮荷重を付与することによって作られた負の剛性がばね１８の正の剛性をほぼ打ち消すので、垂直運動絶縁装置の正味の垂直方向の剛性は非常に小さくされ得る。
水平運動絶縁装置は支柱ベースプレート３８と支柱頂部プレート４０との間に作動連結された細い円筒形ロッドである３つの可撓ビーム支柱３６を含む。支柱ベースプレート３８は剛性中央支柱４２に連結され、この剛性中央支柱は中央ハブ組立体２０の一部である上側ばね支持部４４に連結されており、これにより水平運動絶縁装置のベースである支柱ベースプレート３８と垂直運動絶縁装置の頂部である中央ハブ組立体２０との間に比較的剛性の連結を形成する。支柱頂部プレート４０は傾斜可撓組立体４８を経て荷重プレート４６に連結され、この傾斜可撓組立体は支柱頂部プレート４０と荷重プレート４６との間に比較的高い垂直および水平方向の剛性を与え、また支柱頂部プレート４０と荷重プレート４６との間に揺れ移動または傾斜移動（ピッチまたはロール）に対する比較的低い剛性を与える。荷重プレートは、物体を支持するペイロードプラットフォーム１４に剛性的に連結されている。水平運動絶縁性は、支柱ベースプレート３８に対する支柱頂部プレート４０の水平移動に対して、ビーム支柱３６の剛性によりあらゆる水平方向に与えられる。この水平方向の剛性は、ビーム支柱３６に荷重を付与して臨界座屈荷重に近づけることにより非常に低く形成することができる。
傾斜可撓組立体４８の低い揺れ剛性は水平運動および垂直運動絶縁装置の低い剛性とともに、全６つの自由度、すなわち３つの移動および３つの回転において効果的な絶縁性を与える。傾斜可撓組立体４８の剛性は、垂直絶縁装置が垂直ストッパーに接触することなく物体重量のより大きな再分布を許容するために、または他の原因で付与されるモーメントに対する揺れ移動を制限するために、絶縁装置およびその装置系の揺れ剛性を高めるように増大されることもできる。本発明の他の特徴および利点は、第１図〜第４図に示されるような絶縁装置の形状および構成の詳細の完全な説明から明白となるであろう。
中央ハブ組立体２０は上側ばね支持部４４、中央ナットプレート５０、中央スペーサブロック５２、および中央クランププレート５４を含む。中央ナットプレート５０はねじ５６で上側ばね支持部４４に取付けられる。中央クランププレート５４および中央スペーサブロック５２はねじ５８で中央ナットプレート５０にクランプされ、ねじ５８はまた上側半径方向可撓部材６０を中央クランププレート５４と中央スペーサブロック５２との間にクランプし、下側半径方向可撓部材６２を中央スペーサブロック５２と中央ナットプレート５０との間にクランプしている。
半径方向可撓組立体２８は、２つの上側半径方向可撓部材６０および２つの下側半径方向可撓部材６２の部分であって、中央ハブ組立体２０内にクランプされて、端部組立体６６へ延在してその内側にクランプされる部分を含む。端部組立体６６は端部クランププレート６８および端部ブロック７０を含み、これらはねじ７２で支持支柱３２にクランプされる。
半径方向可撓組立体３０は２つの上側半径方向可撓部材６０および２つの下側半径方向可撓部材６２の部分であって、中央ハブ組立体２０内にクランプされ、片持ち連結組立体６４へ延在してその内側にクランプされる部分を含む。片持ち連結組立体６４は、片持ち頂部クランププレート７４、片持ち底部ナットプレート７６、片持ちスペーサブロック７８、片持ち側部クランププレート８０および片持ち側部ナットプレート８２を含む。ねじ８４により、２つの上側半径方向可撓部材６０は片持ち頂部クランププレート７４と片持ちスペーサブロック７８との間にクランプされ、また２つの下側半径方向可撓部材６２は片持ちスペーサブロック７８と片持ち底部ナットプレート７６との間にクランプされる。
荷重付与片持ち組立体３４は、２つの半径方向に間隔を隔てた平坦ばねとされた荷重付与片持ち部８６および８８と、平坦ばねとされた調節用片持ち部９０とを含む。荷重付与片持ち部８６および８８は、上端部で片持ちスペーサブロック７８により間隔を隔てられ、また片持ち側部クランププレート８０および片持ち側部ナットプレート８２とともにねじ９２で片持ちスペーサブロック７８にクランプされる。荷重付与片持ち部８６および８８は、下端部でベーススペーサブロック９４により間隔を隔てられ、ねじ９８でベース部クランププレート９６とともにベースプラットフォーム２２にクランプされる。組立時において、端部組立体６６および中央ハブ組立体２０が固定された後、また荷重付与片持ち部８６および８８がベースプラットフォーム２２に固定された後、しかし半径方向可撓部材６０および６２を片持ち連結組立体６４に固定するねじ８４を緊締する前に、所望される負の剛性作用を作り出すために、片持ち連結組立体６４は中央ハブ組立体２０に対して半径方向外方へ移動されて片持ち部８６および８８を変形し、定められた半径方向内方へ向かう圧縮荷重を半径方向可撓組立体２８および３０に発生させるようにする。この半径方向圧縮荷重は、片持ち連結組立体６４を移動させるために必要な力が取除かれたときに作用するようにされる。絶縁装置の組立時には、片持ち連結組立体６４を移動させるために必要な力を付与することに様々な技術を使用できる。例えば、端部組立体６６から片持ち連結組立体６４を移動させるために、ねじジャッキを端部組立体６６と片持ち連結組立体６４との間に配置できる。
調節用片持ち部９０はねじ１００でベースクランププレート９６にクランプされており、負の剛性作用したがってこれにより垂直運動絶縁装置の垂直方向の剛性を調節するために、半径方向可撓組立体２８および３０に付加的な調節可能の半径方向圧縮力を付与するために使用される。この調節力は垂直方向の剛性の調節ねじ１０２を調節することで付与され、この調節ねじは、調節用片持ち部９０に対して上端部付近で螺合連結され、片持ち側部クランププレート８０に対して支持されて、調節用片持ち部９０の頂部を外方へ変位させて所望される調節のための半径方向圧縮力を発生させるようにする。
垂直運動絶縁装置の支持ばね１８は、上端部にて一緒に巻かれた３つのコイル１０４、１０６および１０８と、下端部にて一緒に巻かれた３つのコイル１１０、１１２および１１４とを有する。コイル１０４、１０６および１０８は、ねじ１１８を使用して上側ねじクランプ１１６で上側ねじ支持部４４にクランプされる。コイル１１０、１１２および１１４は、ねじ１２４を使用して下側ねじクランプ１２２で下側ねじ支持部１２０にクランプされる。下側ばね支持部１２０は、ねじ付き外面１２８を有するとともにベースプラットフォーム２２に螺合されてロックナット１３０で固定されたばね支持チューブ１２６を取囲み、該チューブによりガイドされる。重量荷重調節ナット１３２は支持チューブ１２６に螺合連結され、スラスト軸受１３４上に下側ばね支持部１２０を支持する。重量荷重調節ナット１３２は、絶縁装置の様々な重量荷重に関して支持部１８のベースを昇降させて中央ハブ組立体２０を作動位置に保持するようにするために使用されるのであり、この作動位置は半径方向可撓部材６０および６２が真っ直ぐな変形されていない形状に近づけられ、垂直運動絶縁装置が上側および下側ストッパーの間を遊動するような位置に対応する。スラスト軸受１３４は、調節ナット１３２と下側ばね支持部１２０との間の直接的接触によって生じる調節ナット１３２と下側ばね支持部１２０との間の摩擦および捩じり抵抗を減少させる。
ばね１８は、調節ナット１３２が作動されるときにばね１８とその支持部４４および１２０との間の相対的な動きを防止するために、上側４４および下側支持部１２０にクランプされる。支持部４４および１２０に対するばね１８の小さな動きですらばね１８の有効剛性を変化させ、特に半径方向に圧縮された可撓部材６０および６２による負の剛性作用がばね１８の正の剛性に密接に近づいて絶縁装置の垂直方向の剛性を非常に小さくしているときには、絶縁装置の正味の垂直方向の剛性に大きな変化を生じさせる。ばね１８の捩じり変形もまたその有効剛性および絶縁装置の正味の垂直方向の剛性を変化させる。調節ナット１３２が作動されるときのばね１８のねじり変形を防止するために、回転防止装置１３６が使用される。この回転防止装置１３６は、下側ばね支持部１２０にクランプされ且つまたストッパー支柱１４２に係合するＵ形溝１４０を有した半径方向のプレート延長部１３８を含み、ストッパー支柱はベースプラットフォーム２２に固定されてそこから上方へ延在して、非常に小さな間隙でスロット１４０内に嵌合する。
中央支柱４２は上側ばね支持部４４の凹部１４４内に嵌合し、ねじ１４６で上側ばね支持部４４に固定され、ねじ１４８で支柱ベースプレート３８に固定される。ビーム支柱３６はその両端で取付け部１５０の中に締まり嵌めされる。取付け部１５０はねじ１５２で支柱ベースプラットフォーム３８および頂部プレート４０に固定される。
支柱頂部プレート４０はねじ穴１５６を備えたカップ部１５４を有しており、そのねじ穴には傾斜可撓組立体４８の下端部が螺合されている。傾斜可撓組立体４８はねじ付き傾斜可撓ロッド１５８を含み、このロッド傾斜可撓部材として作用する縮径部１６０を有する。ロッド１５８は支柱頂部プレート４０のカップ部１５４の穴１５６の中に螺合され、ナット１６２で支柱頂部プレート４０に固定される。傾斜可撓ロッド１５８は荷重プレート４６の穴１６４を通過し、ナット１６６および１６８で頂部プレート４６に固定される。
絶縁装置の垂直および水平方向の移動を制限するためにストッパーが備えられる。２つのストッパー組立体１７０がブロック７０に連結されてそこから上方へ延在しており、荷重プレート４６の水平移動および下方への移動を制限するために水平運動および垂直運動ストッパーとして作用する。ストッパー組立体１７０はブロック７０に螺合するねじ付き下端部（図示せず）、荷重プレート４６の下方への移動を制限する六角部１７２、および六角部１７０の中央から上方へ突出し、荷重プレート４６の水平移動を制限するように特定の半径方向間隙を有して荷重プレート４６の穴１７６の中に入り込む円筒ピン１７４を有している。ストッパー支柱１７８は片持ち連結組立体６４の中央から上方へ突出し、荷重プレート４６の下方への移動を制限するために第３の下側の垂直運動ストッパーとして作用する。ストッパー支柱１７８は片持ち頂部クランププレート７４の穴１８０を通過するねじ付きロッドとされており、片持ちスペーサブロック７８にねじ込まれてロックナット１８２で固定される。中央支柱４２の底部のフランジ１８４は、ばね支持チューブ１２６の底端部１８６と接触して垂直運動絶縁装置の上方への移動を制限するストッパーとして作用する。
Ｌ形平坦ばねとされた底部可撓部材１８８は支柱ベースプレート３８と絶縁装置ベースプレートとの間を作動連結し、絶縁装置内部構造体の共振振動数を高めるように作用する。（第４図を参照）可撓部材は３つの穴（図面に示されていない）を有し、１つはＬ形の曲がり角１９０の位置は、１つはＬ形の端部１９２の近く、そして１つはＬ形の端部１９４の近くである。ねじ１４８は曲がり角１９０の穴を通過して、可撓部材１８８をワッシャー１９６の間で支柱ベースプレート３８に固定する。回転防止ストッパー支柱１４２は、下端部にねじを形成され、ベースプラットフォーム２２の穴の中に固定され、またベースプラットフォーム２２の底部を通り、底部可撓部材１８８の端部１９２の近くの穴を通って突出する。ナット１９８はストッパー支柱１４２をベースプラットフォーム２２に固定し、可撓部材１８８の端部１９２をワッシャー２００の間でベースプラットフォーム２２にクランプする。ねじ２０２は可撓部材１８８の端部１９４の穴を通過して、可撓部１８８をワッシャー２０４の間でベースプラットフォーム２２に固定する。底部可撓部材１８８は装置ベースプラットフォーム２２に対する支柱ベースプレート３８の水平方向の移動に対しては非常に剛性的であるが、絶縁装置ベースプラットフォーム２２に対する支柱ベースプレート３３の垂直方向の移動に対しては非常に可撓性である。
支柱ベースプレート３８および中央ハブ組立体２０は中央支柱４２を介して互いに剛性的に連結されているので、絶縁装置ベースプラットフォーム２２に対して互いに水平に振動する中央ハブ組立体２０、中央支柱４２および支柱ベースプレート３８の組み合わされた質量は、重要な絶縁装置内部構造体の振動モードを表すのである。端部組立体６６および片持ち連結組立体６４に対する中央ハブ組立体２０の水平移動に対する半径方向可撓組立体２８および３０の高剛性は、ベースプラットフォーム２２に対する片持ち連結組立体６４の半径方向の移動を除く全ての移動に関して支持支柱３２の高剛性および荷重付与片持ち組立体３４の高剛性と組合い、またベースプラットフォーム２２に対する支柱ベースプレート３８の水平移動に関して底部可撓部材１８８の高剛性と組合って、これらの絶縁装置内部構造体の振動モードに関して共振振動数を高めることになる。底部可撓部材１８８が無くても、垂直方向に間隔を隔てた半径方向可撓部材６０および６２、および半径方向に間隔を隔てた荷重付与片持ち部８６および８８は、剛性支柱とともにベースプラットフォーム２２に対する中央ハブ組立体２０の水平または回転移動に対する剛性を高め、またベースプラットフォーム２２に対して振動する中央ハブ組立体２０および連結構造体の質量と組み合わされて絶縁装置内部構造体の共振振動数を高める。剛性の中央支柱４２を経て中央ハブ組立体２０に剛性的に連結された支柱ベースプレート３８により、支柱ベースプレート３８は中央ハブにより垂直方向に移動されるが、水平運動絶縁装置のための安定したプラットフォームを形成する。何故ならば、ベースプラットフォーム２２に対する水平または回転移動しないように高剛性により抑制されるからである。
本発明によるこの絶縁装置の実施例は、垂直運動および水平運動絶縁装置を一層効果的に遮断して、絶縁装置内部構造体の共振振動数を高め、絶縁性能を改善する。垂直方向に間隔を隔てた半径方向可撓部材６０および６２、および半径方向に間隔を隔てた荷重付与片持ち部８６および８８と関連して可撓部材１８８を使用することは、絶縁装置内部構造体に高い共振振動数を与え、垂直運動および水平運動絶縁装置の間に良好な遮断を与える。
補強部材２０６がねじ２０８でそれらの上端部を端部スペーサブロック７０に連結し、それらの下端部をねじ２１０でベースプラットフォーム２２に連結し、ベースプラットフォーム２２に関する移動に対する端部組立体６６の剛性を更に高める。
第１図〜第４図の複合絶縁装置の実施例は、小型の形状を許容する一方、比較的長いビーム支柱の使用を可能にするとともに、絶縁装置内部構造体の共振振動数を高く保持する。特定の絶縁装置の高さ制限および非常に低い水平剛性条件に対してできるだけ長いビーム支柱を有することにより、利点を得られる。ビーム支柱長さの増大は、付与された重量荷重から臨界座屈荷重を離して、負の剛性作用を小さくするとともに重量荷重の変化に対して水平方向の剛性の敏感性を小さくするように、ビーム支柱を設計できるようにする。十分な高さがビーム支柱に応用できるならば、ビーム支柱は非常に小さな負の剛性作用を有するとともに重量荷重の変化に非常に鈍感とされて設計できる。
剛性中央支柱４２および底部可撓部材１８８に連結された垂直方向に間隔を隔てた半径方向可撓部材６０および６２、および半径方向に間隔を隔てた荷重付与片持ち部８６および８８による、ベースプラットフォーム２２に対する水平および回転移動に反対する中央ハブ組立体２０の高剛性は、ベースプラットフォーム２２に対する水平および回転移動に対しては高剛性を有して支柱ベース３８が絶縁装置の底部の近くに位置できるようにし、またビーム支柱長さが複合絶縁装置の高さに近づくことを可能にする。また、この構造により、絶縁装置の全高は垂直運動絶縁装置だけの高さよりも僅かに大きいだけとされる。
傾斜可撓組立体４８の使用は本発明の新規な特徴であり、重要な利益を与えるのである。支柱ベースプレート３８は中央ハブ組立体２０により比較的自由に昇降するが、他の移動の全てに対しては非常に剛性的である。これにより、また支柱頂部プレート４０の剛性が高いこと、ビーム支柱３６の軸方向の剛性が高いことにより、支柱頂部プレート４０は水平移動に対して、またベースプラットフォーム２２に対する垂直軸線のまわりの回転に対して低剛性を有するが、ペイロードプラットフォーム２２に対する揺れ移動（ピッチおよびロール）に対して非常に剛性的である。支柱頂部プレート４０と荷重プレート４６との間に傾斜可撓組立体４８を使用することは、複合絶縁装置が非常に高い値から非常に低い値までの揺れ剛性範囲に関して設計できるようにする。非常に低い揺れ剛性によれば、得られる絶縁装置は６つの自由度、すなわち３つの移動および３つの回転、の全てにおいて非常に低い共振振動数を有するように設計できる。高い揺れ剛性は、水平に移動するステージによってペイロードに生じるような揺れモーメントが付与されることに応答してペイロードの揺れ移動を制限するために使用できる。地面および床の揺れ振動強度は一般的にそれらの垂直および水平方向の振動強度よりも格段に小さいので、絶縁装置の揺れを増大させることはその装置の全体的な絶縁効果の比較的僅かな低減により重大な利益を与えることができる。
第１図〜第４図に示された特定の複合絶縁構造および構成方法は、本発明の新規な特徴を組み入れることのできる多くの構造のただ１つであるに過ぎない。他の形状および構成方法は、当業者には明白であろう。例えば、１つの荷重付与片持ち組立体および１つの剛性支持支柱を有する１８０°の間隔を隔てた２つの半径方向可撓組立体の代わりに、２０°の間隔を隔てた３つの半径方向可撓組立体を使用して、各々が荷重付与片持ち組立体を有するが、剛性支持支柱は省略されることができる。
本発明を構成する部材は、例えば鋼およびアルミニウム合金のような一般の構造材料で作ることができ、適当な強度および弾性特性を有する他の構造材料も使用できる。
本発明の特定形態を図示し説明したが、様々な変更が本発明の精神および範囲から逸脱せずになし得ることは明白となるであろう。したがって本発明の請求の範囲の欄の記載を除いて、制限されることを意図していない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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