JP4347273B2 - 免振装置およびこれを備えた免振架台ならびに免振台車 - Google Patents

Description

本発明は、免振装置およびこれを備えた免振架台ならびに免振台車に関するものである。

半導体工場におけるウエハ等の精密部品の搬送台車として、加減速時に生じる振動によってウエハ等の精密部品が傷つかないように、免振装置を備えた搬送台車が知られている（特許文献１参照）。

特開昭６３−２０３４６４号公報（第１図）

しかし、上述の搬送台車は、バネ要素および減衰要素を免振装置の基本構成としているものであり、共振点を長周期化できずに１Ｈｚ以下の長周期に対する応答が大きくなってしまうという問題がある。
一方、上記共振点を長周期化する手法として、回転慣性付加重量を加えて二質点系を構成する手法が知られている。ところが、二質点系により長周期化できたとしても、高周波に対する応答を低減できないという問題がある。
特に、半導体製造設備をパーツ毎に分解して飛行機で輸送する場合には、着陸時の衝撃による高周波の振動に対しては、上述の二質点系の免振装置では十分な応答の低減が得られず、半導体製造設備のパーツの損傷を招くという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、共振点の長周期化を実現するとともに、例えば１Ｈｚ以上の高周波入力に対しても十分に応答を低減することができる免振装置およびこれを備えた免振架台ならびに免振台車を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の免振装置およびこれを備えた免振架台ならびに免振台車は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる免振装置は、相対変位する２つの物体間に設けられて並列に配置された第１バネ要素および第１減衰要素と、これら第１バネ要素および第１減衰要素に並列に配置され、前記相対変位を回転運動に変換して得られる回転慣性モーメントによって付加質量を得る回転慣性付加質量と、を備えた免振装置において、前記回転慣性付加質量に対して直列に接続された付加質量と、該付加質量に対して直列に、かつ前記回転慣性付加質量の反対側に設けられて並列に配置された第２バネ要素および第２減衰要素と、前記回転慣性付加質量に並列に配置された第３バネ要素と、を備えていることを特徴とする。

回転慣性付加質量に対して直列に第２バネ要素および第２減衰要素を設けたことにより、共振点が長周期化されるとともに高周波の免振が可能となる。
本発明の「付加質量」は、「回転慣性付加質量」とは区別され、それ自身が有する質量を付加質量とするものである。例えば、免振される重量物の質量に対して大幅に小さな質量、例えば０．５％程度の質量が設定される。

さらに、本発明の免振装置では、前記第２バネ要素および前記第２減衰要素は、防振ゴムまたは粘弾性体とされ、前記回転慣性付加質量は、円盤とされ、該円盤は、ボールネジナットに螺合して該ボールネジナットの変位に伴い回転するボールネジ軸に固定され、または、ボールネジ軸に螺合して該ボールネジ軸の変位に伴い回転するボールネジナットに固定されていることを特徴とする。

第２バネ要素および第２減衰要素を防振ゴムまたは粘弾性体によって構成するとともに、回転慣性付加質量をボールネジ軸またはボールネジナットとともに回転する円盤としたので、免振装置をコンパクトに構成できる。

また、本発明の免振架台は、対象物を支持する架台を備え、いずれかの上記免振装置が設けられていることを特徴とする。

また、本発明の免振台車は、対象物を支持する架台を備え、該架台には、いずれかの上記免振装置と、走行車輪とが設けられていることを特徴とする。

回転慣性付加質量に対して直列に第２バネ要素および第２減衰要素を設けることとしたので、共振点の長周期化だけでなく、高周波入力に対する応答の低減が可能となる。

以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態について、図１〜図４を用いて説明する。
図１（ａ）には、本発明にかかる免振装置１が示されている。
本実施形態では、基礎ＢＳ上に質量Ｍ１の重量物３を支持する構成の免振装置１が示されている。
免振装置１は、基礎ＢＳと重量物３との間に並列に配置された第１免振要素Ｉと第２免振要素IIとを有している。

第１免振要素Ｉは、バネ定数がＫ１とされた第１バネ要素５および減衰係数がＣ１とされた第１減衰要素６を備えている。この第１免振要素Ｉの具体的構成例が図２に示されている。すなわち、第１免振要素Ｉは、第１バネ要素５に相当する第１圧縮コイルバネ１５と、この第１圧縮コイルバネ１５の内部に配置され、その略中心軸線上に立設された第１オイルダンパ１６とを有している。第１オイルダンパ１６は、図１（ａ）に示した第１減衰要素６に相当する。

第２免振要素IIは、図１に示されているように、第１免振要素Ｉの側方に設けられ、質量Ｍ２の付加質量８を備えている。この付加質量８の一側（図において下方）には、バネ定数Ｋ２の第２バネ要素１０および減衰係数Ｃ２の第２減衰要素１１が設けられている。また、付加質量８の他側（図において上方）には、バネ定数Ｋ３の第３バネ要素１３および回転慣性付加質量１４を備えている。回転慣性付加質量１４は、重量物３と基礎ＢＳとの間の相対変位が回転運動に変換されることによって回転されるものであり、この回転運動による回転慣性モーメントによって大きな等価付加質量を得るものである。
このように、第２免振要素IIは、付加質量８、第２バネ要素１０、第２減衰要素１１、第３バネ要素１３および回転慣性付加質量１４から構成されている。

図３には、第２免振要素IIの具体的構成例が示されている。
すなわち、第２免振要素IIは、上部に配置された防振ゴム２０と、この防振ゴム２０の下方に配置された接続フランジ２２と、接続フランジ２２の下方に配置された第３圧縮コイルバネ２３と、この第３圧縮コイルバネ２３の内部に設けられた回転慣性質量付加機構２５とを備えている。

防振ゴム２０は、重量物３の下面と接続フランジ２２の上面との間に配置されている。この防振ゴム２０は、バネ成分と減衰成分を有しており、したがって、図１に示した第２バネ要素１０と第２減衰要素１１に相当する。第２バネ要素１０のバネ定数Ｋ２及び第２減衰要素１１の減衰係数Ｃ２は、防振ゴムの材質、直径、高さ等を変更することによって適宜調整される。

なお、防振ゴム２０に代えて、防振ゴムと同様にバネ成分と減衰成分を有する粘弾性体を用いてもよい。粘弾性体は重量物３の下面と、接続フランジ２２の上面より櫛歯状に噛み合わされた鋼板との間に接着して用いるが、バネ定数K２及び減衰係数C２は接着面積や厚さ等を変更することで適宜調整される。

また、図１では、第２バネ要素１０及び第２減衰要素１１が回転慣性付加質量１４の下方に取り付けられているが、第２バネ要素１０及び第２減衰要素と回転慣性付加質量１４との上下の位置関係はこれに限らず、図２に示したように、第２バネ要素１０及び第２減衰要素１１である防振ゴム２０を上方に、回転慣性質量付加機構２５を下方に配置しても良い。

接続フランジ２２は、上方の防振ゴム２０と下方の第３圧縮コイルバネ２３及び回転慣性質量付加機構２５とを接続するものである。接続フランジ２２は、それ自身の質量が図１に示した付加質量８に相当する。
接続フランジ２２は、上方から下方に向けて、上段フランジ２２ａ、中段フランジ２２ｂ及び下段フランジ２２ｃの３つのフランジを有している。

上段フランジ２２ａは、防振ゴム２０のフランジ２０ａに対して、複数のボルト２７ａ及びナット２７ｂによって固定されている。

中段フランジ２２ｂは、第１筒部２２ｄによって上段フランジ２２ａに対して一体に接続されている。中段フランジ２２ｂの直径は、上段フランジ２２ａの直径よりも大きくされており、これにより、中段フランジ２２ｂの外周に配置された複数の長ボルト２９ａが上段フランジ２２ａに干渉しないようになっている。各長ボルト２９ａは、中段フランジ２２ｂを貫通し、下端が下段フランジ２２ｃに固定されている。

下段フランジ２２ｃは、中段フランジ２２ｂよりも大きな直径を有している。下段フランジ２２ｃには中央に孔部２２ｃ１が形成されており、この孔部２２ｃ１に、中段フランジ２２ｂの下面に接続されて下方へと延在する第２筒部２２ｅが挿通されている。したがって、第２筒部２２ｅの外周と下段フランジ２２ｃの孔部２２ｃ１を形成する内周縁との間には所定の隙間が形成されている。下段フランジ２２ｃの下面には、第３圧縮コイルバネ２３の上端が当接するようになっている。
下段フランジ２２ｃは、中段フランジ２２ｂとの間の距離が任意に変更できるようになっている。すなわち、中段フランジ２２ｂの上面側に位置すると共に長ボルト２９ａに螺合された止めナット２９ｂの位置を変更することにより、下段フランジ２２ｃと中段フランジ２２ｂとの距離が変更できるようになっている。

第３圧縮コイルバネ２３は、下段フランジ２２ｃの下面と、第２免振要素IIの下端を構成する下端フランジ３０の上面との間に配置されている。この第３圧縮コイルバネ２３は、図１の第３バネ要素１３に相当する。第３圧縮コイルバネ２３の初期バネ力（初期付勢力）は、中段フランジ２２ｂと下段フランジ２２ｃとの間の距離を変更することによって調整される。

回転慣性質量付加機構２５は、接続フランジ２２と下端フランジ３０との間であって、第３圧縮コイルバネ２３の略中心軸線上に立設されている。
回転慣性付加質量機構２５は、本実施形態では接続フランジ２２側に固定されたボールネジナット２５ａと、ボールネジ軸２５ｂと、ボールネジ軸２５ｂに固定された円盤２５ｃと、ボールネジ軸２５ｂの下端を回転自在に支持する軸受２５ｄとを備えている。
ボールネジナット２５ａは、接続フランジ２２の上段フランジ２２ａ及び中段フランジ２２ｂに対して固定されており、その内部にボールネジ軸２５ｂの上端が挿通されている。
ボールネジ軸２５ｂは、ボールネジナット２５ａ及び軸受２５ｂによって上下両端が支持されており、これらの間で中心軸線周りに回転するようになっている。すなわち、接続フランジ２２が上下動すると、ボールネジナット２５ａ内に収納された複数のボールがボールネジ軸２５ｂのネジ溝２５ｂ１上を転がり、これにより、ボールネジ軸２５ｂが回転させられる。
円盤２５ｃは、ボールネジ軸２５ｂに固定されているので、ボールネジ軸２５ｂの回転に伴い回転する。円盤２５ｃは、図１に示した回転慣性付加質量１４に相当する。
円盤２５ｃは、上述のように接続フランジ２２の鉛直方向の変位、すなわち基礎ＢＳと重量物３との間の相対変位に基づいて回転運動するようになっている。この回転運動によって回転慣性モーメントが得られ、これにより、下式のような等価付加質量△Ｍの付加質量を得ることができる。
△Ｍ＝２ｍ_ｐ（πＲ／Ｌ）^２ ・・・・（１）
ここで、ｍ_ｐは円盤２５ｃの質量、Ｒは円盤２５ｃの半径、Ｌはボールネジ軸２５ｂに設けられたネジ溝２５ｂ１のリードである。
このように、円盤２５ｃの質量ｍ_ｐが小さくても、大きな等価付加質量△Ｍを得ることができる。例えば、円盤２５ｃの直径を２００ｍｍ、厚さ３０ｍｍとすると質量ｍ_ｐは７．４kgfとなり、リードＬを２０ｍｍとすると、等価付加質量△Ｍは、３６４８ｋｇとなり、円盤質量の約５００倍の等価付加質量を得ることができる。このように、円盤２５ｃには、装置をコンパクトに構成することができるというメリットがある。

なお、図３では、ボールネジ軸２５ｂに固定された円盤２５ｃが回転する構成としたが、次のように構成しても良い。ボールネジ軸は、その軸線周りの回転が規制される一方で軸線方向の変位は許容されるように設置される。ボールネジナットは、このボールネジ軸に螺合するように設けられ、このボールネジナットに円盤が固定される。これにより、ボールネジ軸の軸線方向変位に伴ってボールネジナットおよび円盤が回転し、回転慣性付加質量が得られる。

次に、図４を用いて、本実施形態による免振装置１の効果について説明する。
図４には、本実施形態による免振装置１のシミュレーション結果が、他の比較例とともに示されている。図１（ｂ）及び（ｃ）には、比較例の構成が示されている。
図１（ｂ）に示された免振装置Ａは、重量物３と基礎ＢＳとの間に、バネ要素１００と減衰要素１０２が並列に配置されている。
図１（ｃ）に示された免振装置Ｂは、図１（ａ）に示した免振装置Ａに対して、回転慣性付加質量１０４を並列に加えたものである。

下表には、シミュレーションの際に各免振装置１，Ａ，Ｂに与えた質量Ｍ、バネ定数Ｋ、減衰係数Ｃが示されている。

上記表において、ケースＡ及びケースＡ’は免振装置Ａを示し、ケースＢは免振装置Ｂを示す。ケースＡとケースＡ’との相違は、第１減衰係数Ｃ１の大きさであり、ケースＡ’の減衰係数はケースＡの３倍としている。
重量物３の質量は、全ての免振装置１，Ａ，Ｂに対して同一の１（kg、cm、sec、又は、ton、m、secなど対象規模に応じて適宜選択できる単位系）とした。第１バネ要素のバネ定数Ｋ１についても、全ての免振装置１，Ａ，Ｂに対して同一の５とした。第１減衰係数Ｃ１については、ケースＡ，Ｂ及び本発明について０．４５とし、ケースＡ’についてのみ１．３５とした。また、本発明の第２減衰係数は０．９とした。これは、比較の容易のために、第１減衰係数と第２減衰係数との和を、ケースＡ’の減衰係数１．３５に一致させるようにしたものである。

上述の条件の下、シミュレーションを行って得られた結果が図４である。図４において、横軸が入力周波数（Ｈｚ）、縦軸が絶対加速度応答倍率である。
ケースＡ及びＡ’とケースＢとを比較すれば分かるように、共振点の周波数が低周波数側に移動している。すなわち、回転慣性付加質量１０４を加えて２質点系とすることにより、共振点の長周期化が実現されている。しかし、ケースＢでは、１Ｈｚ以上の高周波領域において絶対加速度応答倍率が他のケースＡ及びケースＡ’よりも大きくなってしまうという欠点がある。
本発明では、長周期化されたケースＢよりも、共振点がさらに長周期化されているとともに、絶対加速度応答倍率が約１／２にまで低減されている。さらに、本発明では、１Ｈｚ以上での加速度応答倍率も大幅に低減されている。これらは、付加質量８を加えた上で、第２バネ要素１０及び第２減衰要素１１を付加質量８及び回転慣性付加質量１４に対して直列に接続したことによるものである。特に、重量物３、付加質量８及び回転慣性付加質量１４の共振点をほぼ一致させるように質量、バネ定数のパラメータを設定すると良い。具体的には、Ｋ１／Ｍ１＝(Ｋ２＋K３)／(△Ｍ＋Ｍ２)となるように各パラメータを設定するとよい。
また、本発明とケースＡに対して減衰係数を３倍にしたケースＡ’とを比較すると、共振点における応答が若干増大しているものの、共振点の長周期化が実現され、１Ｈｚ以上での絶対加速度がほぼ同等とされている。
以上から、本発明の免振装置１は、共振点の長周期化を実現しつつ、１Ｈｚ以上の高周波での応答をも低減できるという効果を奏する。

なお、本実施形態にかかる免振装置１は、基礎ＢＳ上に重量物３を支持する構成としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば相対移動する２物体間に設けることとしてもよい。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について、図５を用いて説明する。
図５には、本発明の一実施形態にかかる免振台車５０が示されている。免振台車５０は、上部に搬送物４を載置して搬送する台車である。免振台車５０には、上述の第１免振要素Ｉ及び第２免振要素IIが用いられている。
免振台車５０は、下部に複数の車輪５２が取り付けられた外フレーム５４と、この外フレーム５４の内側に配置された水平免振フレーム５６と、この水平免振フレーム５６を上方から囲繞するように配置された上下免振フレーム５８とを備えている。

外フレーム５４は、平面視して長方形に組まれた下枠５４ａと、この下枠５４ａから上方に立設する複数の縦棒材５４ｂと、これら縦棒材５４ｂによって下方から支持され、下枠５４ａと同形状とされた上枠５４ｃとを備えている。これら下枠５４ａ、縦棒材５４ｂ及び上枠５４ｃは、それぞれ溶接によって固定されている。
下枠５４ａの下面には車輪５２が４つ設けられている。また、下枠５４ａの側部には二本の横行部材５４ｄが設けられており、これら横行部材５４ｄ上に複数の水平スライダ５４ｅが設置されている。水平スライダ５４ｅは水平面方向（ｘｙ方向）にスライド自在とされており、例えばｘ方向およびｙ方向にそれぞれLMガイドを配置した構成とされている。水平スライダ５４ｅによって、水平免振フレーム５６は下方から支持されている。
上枠５４ｃの両側部には、作業者が把持することができる把持部５４ｆが固定されている。

水平免振フレーム５６は、上述のように、外フレーム５４の内側に配置されるとともに、水平スライダ５４ｅを介して水平方向に移動自在に下方から支持されている。
水平免振フレーム５６は、直方体の各辺に角材が配置された構成とされている。水平免振フレーム５６の上枠５６ｃの外側面と、外フレーム５４の上枠５４ｃの内側面との間には、複数の免振要素Ｉ，IIが配置されている。すなわち、水平免振フレーム５６の上枠５６ｃの４辺の中央部に第２免振要素IIがそれぞれ設けられ、上枠５６ｃの各角部には第１免振要素Ｉがそれぞれ設けられている。したがって、第２免振要素IIは合計で４つ、第１免振要素Ｉは合計で８つ設けられている。
水平免振フレーム５６と上下免振フレーム５８との間には、水平リンク６０が設けられている。この水平リンク６０により、上下免振フレーム５８は、水平免振フレーム５６に対して水平を維持した状態で上下動できるようになっている。

上下免振フレーム５８は、図５において側方に位置する下枠部材が省略されており、したがって、図５の側方から見た場合に門型形状とされている。これにより、上下免振フレーム５８は、水平免振フレーム５６の上方から囲繞するように配置される。
上下免振フレーム５８の上枠５８ｃの下面と、水平免振フレーム５６の上枠５６ｃの上面との間には、複数の免振要素Ｉ，IIが設けられている。
すなわち、第１免振要素Ｉは四隅に４つ設けられ、第２免振要素IIは、上下免振フレーム５８の上枠５８ｃから側方に突出して延在する突出部材５８ｄの下方に２つ設けられている。

上記構成の免振台車５０は、次のように用いられる。
半導体製造装置を運搬する際には、当該装置を各パーツに分割し、パーツ毎に運搬される。各パーツは、精密部品であるため振動による損傷が懸念される。したがって、各パーツは搬送物４として免振台車５０上に設置された状態で運搬される。搬送物４が載置された免振台車５０は、トラックや飛行機に積み込まれる。トラックや飛行機では搬送中に種々の振動が生じる。特に飛行機では着陸の時に衝撃力が発生し、高周波の振動が免振台車５０に入力される。免振台車５０は、第１免振要素Ｉ及び第２免振要素IIによって水平方向および上下方向が免振されているので、高周波に対する応答は大幅に低減される（図４のグラフ参照）。したがって、免振台車５０上に載置された半導体製造装置のパーツに損傷が生じることがない。
また、免振台車５０は、第１免振要素Ｉ及び第２免振要素IIによって共振点が長周期化されているので（図４のグラフ参照）、トラックや飛行機での比較的ゆっくりとした振動に対しても十分に応答が低減される。
また、第２免振要素IIの回転慣性付加質量１４として、自重の数百倍もの等価付加質量を発揮する円盤２５ｃ（図３参照）を用いたので、免振台車５０を軽量かつコンパクトに構成することができる。したがって、輸送時のコストも低減される。

なお、上記実施形態では免振台車５０について説明したが、免振台車５０の車輪５２を排除して、免振架台として用いても良い。
また、上記各実施形態において、第１バネ要素５及び第１減衰要素６を実現する構成として第１免振要素Ｉとし、回転慣性付加質量１４、付加質量８、第２バネ要素１０、第２減衰要素１１及び第３バネ要素１３を実現する構成として第２免振要素IIとして、２つの免振要素として構成したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各要素をまとめて一つのユニットとして構成しても良いし、それぞれ別々の要素として構成しても良い。

免振装置の振動モデルを示し、（ａ）は本発明を示し、（ｂ）及び（ｃ）は比較例を示す。 本発明の第１免振要素を示した斜視図である。 本発明の第２免振要素を示した斜視図である。 本発明のシミュレーション結果を、比較例とともに示したグラフである。 本発明の免振台車の一実施形態を示した斜視図である。

符号の説明

１ 免振装置
５ 第１バネ要素
６ 第１減衰要素
８ 付加質量
１０ 第２バネ要素
１１ 第２減衰要素
１３ 第３バネ要素
１４ 回転慣性付加質量
５０ 免振台車

Claims (4)

1. 相対変位する２つの物体間に設けられて並列に配置された第１バネ要素および第１減衰要素と、
   これら第１バネ要素および第１減衰要素に並列に配置され、前記相対変位を回転運動に変換して得られる回転慣性モーメントによって付加質量を得る回転慣性付加質量と、を備えた免振装置において、
   前記回転慣性付加質量に対して直列に接続された付加質量と、
   該付加質量に対して直列に、かつ前記回転慣性付加質量の反対側に設けられて並列に配置された第２バネ要素および第２減衰要素と、
   前記回転慣性付加質量に並列に配置された第３バネ要素と、
   を備えていることを特徴とする免振装置。
2. 前記第２バネ要素および前記第２減衰要素は、防振ゴムまたは粘弾性体とされ、
   前記回転慣性付加質量は、円盤とされ、
   該円盤は、ボールネジナットに螺合して該ボールネジナットの変位に伴い回転するボールネジ軸に固定され、または、ボールネジ軸に螺合して該ボールネジ軸の変位に伴い回転するボールネジナットに固定されていることを特徴とする請求項１に記載された免振装置。
3. 対象物を支持する架台を備え、
   該架台には、請求項１又は２に記載された免振装置が設けられていることを特徴とする免振架台。
4. 対象物を支持する架台を備え、
   該架台には、請求項１又は２に記載された免振装置と、走行車輪とが設けられていることを特徴とする免振台車。

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