JP2012032004A

JP2012032004A - 除振機構

Info

Publication number: JP2012032004A
Application number: JP2011230417A
Authority: JP
Inventors: Mitsuru Uji; 持満羽
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 2011-10-20
Filing date: 2011-10-20
Publication date: 2012-02-16

Abstract

【課題】本発明は除振機構に関し、装置の高さを増やすことなく、除振性能を向上させることができる除振機構を提供することを目的としている。
【解決手段】精密装置で、ターボポンプ等の振動発生を伴う装置を利用する時に必要とされる除振機構であって、２段以上のダンパを直列構成で用いる真空シール用ベローズを利用するものにおいて、前記ベローズを同心状に配置する構成と、真空圧による力を支持するゴム部材の一方を除振対象の外側に配置する構成と、を含んで構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は除振機構に関し、更に詳しくは電子顕微鏡等に用いて好適な除振機構に関する。

電子顕微鏡や、荷電粒子ビーム描画装置等の高真空を必要とする装置には、油拡散ポンプ（ＤＰ）やターボ分子ポンプ（ＴＭＰ）などの真空ポンプが利用される。近年、ＤＰに用いられているオイルが真空中に蒸気として放出され、検査対象や、加工対象を汚染することが問題視されるようになり、クリーンな真空を得るためにＴＭＰが採用されることが多くなってきた。

ＴＭＰは、高速に羽を回転させることによって真空排気を行なうものであるため、その回転数に比例した振動を発生する。一方、上述の装置は、微細構造の観察・加工に用いられているため、振動により正確な画像を得ることができなくなる。そこで、ＴＭＰと装置との間に除振器を配置して、ＴＭＰから発生される振動伝達を抑制するのが通常である。

図８は従来の１段ダンパ（除振器）を用いた構成例を示す図である。図において、１は装置側フランジ、２は一対のフランジ、３はベローズである。４はベローズ３の外側に配置されたゴムである。一対のフランジ２と、ベローズ３と、ゴム４とで除振器（ダンパ）を構成している。ベローズ３はフランジ２に溶接されている。この除振器は、クランプ５によって装置側フランジ１に固定されている。６は除振器の下段に設けられたＴＭＰである。該ＴＭＰ６は、クランプ５によって除振器に固定されている。

真空は、ベローズ３とＯリング７によりシールされている。この真空圧により、ベローズ３は図中上方に縮められるが、ゴム４が圧縮されてこれに対抗する力を発生する。図９は、図８に示す除振機構の力学モデルを示す図である。図８と同一のものは、同一の符号を付して示す。ここでは、図中上下方向の１自由度振動系のみについて考える。このモデルは、ＴＭＰ６とフランジ２とクランプ５からなるマスａ（質量Ｍ１）が、装置側フランジ１に対して、ベローズ３とゴム４からなるバネｂ（バネ定数ｋ１）と、主にゴム４による減衰項ｃとを介して接続されている集中定数系と見なせる。

この時、マスａから装置側フランジ１への上下方向の振動伝達関数を図１０に示す。図１０は図８に示す除振機構の伝達関数特性を示す図である。横軸は対数でとった周波数［Ｈｚ］、縦軸は伝達率［ｄＢ］である。伝達率は、低周波数域では０［ｄＢ］を示し、折れ点周波数ｆ１［Ｈｚ］に共振ピークがあり、その後は−４０ｄＢ／ｄｅｃａｄｅで下がる。ここで、折れ点周波数ｆ１は
ｆ１＝（１／２π）√（ｋ１／Ｍ１）
で表される。図１０中に示したｆＴはＴＭＰの回転数であり、この周波数において除振器によりＧ０［ｄＢ］だけ振動伝達が抑制されることを示している。

しかしながら、これでは振動伝達の抑制が不十分であることがある。この場合、図１１に示すように、除振器を２段に直列接続して用いることがある。図１１は従来の２段のダンパ（除振器）を用いた構成例を示す図である。図８と同一のものは、同一の符号を付して示す。図１２は図１１に示す除振機構の力学モデルを示す図である。図９と同一のものは、同一の符号を付して示す。マスｄ（質量Ｍ２）は、直列した除振器接続部のフランジ２の２枚分と、クランプ５を含めた質量に相当している。

そして、その上下にそれぞれバネｂと減衰項ｃが接続される。この時の伝達関数は、図１３に示すようなものとなる。図１３において、一つ目の折点周波数ｆ１’はバネｂ（図１２参照）が２本直列になったことによって図１０のｆ１［Ｈｚ］よりも低い周波数に移行する。そして、マスｄの上下方向の固有振動がｆ２［Ｈｚ］に発生するため、これによる共振ピークが見られ、ｆ２以上の周波数で、伝達関数は−８０［ｄＢ／ｄｅｃａｄｅ］で小さくなる。この二つ目の折点周波数ｆ２［Ｈｚ］をｆＴ［Ｈｚ］よりも低くすることにより、図に示すようにｆＴ［Ｈｚ］における伝達率をより低くすることができる。この時、除振器によりＧ１［ｄＢ］だけ振動伝達が抑制されることを示している。この結果、図１０の抑制値Ｇ０に対してＧ１＞Ｇ０になり、１段のダンパよりも２段のダンパにした方が抑制値が大きくなり、装置側に振動を伝えにくくなっていることが分かる。

従来のこの種の装置としては、真空雰囲気内で除振対象物を支持する除振機構を備える除振装置であって、前記除振機構は、複数の金属ベローズがそれぞれの間に結合部材を互いに連通するように介在させて上下方向に連結され、内部に圧縮気体が封入されるベローズ結合体と、一端が前記結合部材の側面に取り付けられ、前記結合部材を前記ベローズ結合体の軸線方向と交差する交差方向に弾性支持するバネ部材とを備えた除振装置が知られている（例えば特許文献１参照）。

また、除振対象を支持する天板の下部に除振機構９を備える除振装置において、除振機構は上金属ベローズと下金属ベローズとの間に任意の質量を有する結合部材を互いに連通するように介在させて直列に連結されたベローズ結合体を備えた除振装置が知られている（例えば特許文献２参照）。

特開２００７−２０５５４３号公報（段落００１２〜００２１、図１〜図４）特開２００６−２２０２０４号公報（段落００１７〜００３１、図１、図２）

前述したように、除振器を２段にすると、１段の場合よりも振動の遮断特性が向上する。しかしながら、図１１に示すような除振器の直列構成をとると、除振器の高さが２倍以上になってしまう。装置によっては、床とのクリアランスを大きくとることができない場合があり、その場合には２段構成をとることができず、振動の遮断性能が低下するという問題があった。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであって、装置の高さを増やすことなく、除振性能を向上させることができる除振機構を提供することを目的としている。

請求項１記載の発明は、精密装置で、ターボポンプ等の振動発生を伴う装置を利用する時に必要とされる除振機構であって、２段以上のダンパを直列構成で用いる真空シール用ベローズを利用するものにおいて、前記直列構成した２つのベローズ間に動吸振器を設けたことを特徴とする。

本発明によれば、２つのベローズ間の中間部に設けた中間質量にダンパを設けることにより、折点周波数における遮断特性の悪化を抑制し、或いは折点周波数の共振ピークを低くすることができ、振動の遮断特性を向上させることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は本発明の第１の実施の形態を示す構成図である。図８と同一のものは、同一の符号を付して示す。本発明の特徴は、図に示すようにベローズを同心上に二重に配置したことである。１３は外側に配置されたベローズ、１４は内側に配置されたベローズである。図２はベローズの接続部分の詳細を示す図である。外側のベローズ１３と内側のベローズ１４とがフランジ１８で接続されている。

外側のベローズ１３は、その一端がフランジ１７と接続され、他端がフランジ１８と接続されている。一方、内側のベローズ１４は、その一端がフランジ１８と接続され、他端がフランジ２８と接続されている。以上の説明で明らかなように、ベローズ１３とベローズ１４とは直列に接続されていることが分かる。１は装置側フランジである。フランジ１７と、ベローズ１３と、フランジ１８と、ベローズ１４と、フランジ２８はそれぞれ溶接で接続されている。ベローズ１３の外側には、その真空圧を支持するゴム１５が配置されている。

フランジ２８には、フランジ２９がボルトで接続され、該フランジ２９とフランジ１８との間にはゴム１６が配置され、ベローズ１４にかかる真空圧を支持するようになっている。ＴＭＰ６は、フランジ２８にクランプ３０で固定される。フランジ１８の外側には、粘弾性材１９を介してマス２７が配置されている。

粘弾性材１９とマス２７は、フランジ１８の振動に対する制振機構を形成している。この実施の形態によれば、ゴム１６がＴＭＰ６の外側に配置されているので、全体を高さ方向に短くすることができる。この実施の形態は、１段の除振器を用いた場合に比べて、高さ方向は僅かしか（例えば９ｍｍ）伸びていない。よって、床８と装置側フランジ１とのクリアランスが小さいため、１段の除振器しか利用できなかった装置に対しても、２段の除振器を適用することが可能である。このように構成された装置の動作を以下に説明する。

図３は本発明の第１の実施の形態の力学モデルを示す図である。装置側フランジ１に対して、フランジ１８に相当するマスｄがベローズ１３とゴム１５に相当するバネｅと減衰項ｆによって支持されている。マスｄの下部（質量Ｍ３）は、ＴＭＰ６とフランジ２８、フランジ２９に相当するマスａ（質量Ｍ１）に対して、ベローズ１４とゴム１６に相当するバネｂと減衰項ｃで接続されている。また、マスｄには、粘弾性材１９に相当するバネｇと、減衰項ｈ及びマスｉからなる制振機構が接続されている。

この力学モデルにおける伝達関数を図４に示す。一つ目の折点周波数ｆ１''は、図１０に示す折点周波数ｆ１よりも小さい値である。なお、図７に示す特性の折点周波数ｆ１'と前記折点周波数ｆ''とは必ずしも一致しない。ここで、マスｄの質量Ｍ３を図１２のマスｂよりも大きくし（Ｍ２＜Ｍ３）、上下のバネ定数ｋ１',ｋ２を図１２の場合と同程度にすることにより、二つ目の折点周波数ｆ２'を図１３のｆ２よりも低くすることができる。これによってｆＴにおける伝達率はより低くなり、ＴＭＰ回転数の振動伝達をより抑えることができる。即ち、図４におけるｆＴにおける減衰量をＧ２として、Ｇ２＞Ｇ１とすることができる。

次に、ｆ２'に発生する共振ピークについては、図３中のＭ４,ｋ３,ｃ３による制振機構がＭ３の固有振動（ｆ２'[Ｈｚ]）を抑制するように調整されており、伝達関数のピークを小さくすることができる。従って、ｆ２'[Ｈｚ]の共振による伝達率の悪化を抑制することができる。

以上説明したように、二つ目の折点周波数をより低周波側に移動し、またこの周波数における共振倍率を抑えることによって、良好な伝達関数を有する除振機構を実現することができる。

図５は本発明の第２の実施の形態を示す構成図である。この実施の形態は、図１に示す実施の形態と異なり、ダンパを同心状に配置せず、縦方向に直列接続し、１段目の除振器と２段目の除振器の間にダンパを設けたものである。図において、４０は１段目の除振器、４１は２段目の除振器である。４２は１段目の除振器４０と２段目の除振器４１の間に取り付けられたダンパである。ダンパ４２において、５３はマス、５４は粘弾性材、５５はフランジである。１段目の除振器４０と２段目の除振器４１とは、ダンパ４２により結合されている。

このように構成された実施の形態の動作を説明する。図６は本発明の第２の実施の形態の力学モデルを示す図である。ａはマス（質量Ｍ１）、ｂはバネ、ｃは減衰項である。ｄはマス（質量Ｍ３）で、該マスｄと装置側フランジ１間に接続されるバネと減衰項の定数は、マスａとマスｄ間に接続されるバネと減衰項の定数と同じである。マスｄに接続されるマス（質量Ｍ４）ｉとバネｇと減衰項ｈとで動吸振器を構成しており、この部分は図５のダンパ４２の力学モデルに対応している。

図７は本発明の第２の実施の形態の伝達関数特性を示す図である。第１の折点周波数ｆ１'は、図１０に示す折点周波数ｆ１よりも低周波側に移動し、第２の折点周波数ｆ２'も図１３に示す折点周波数ｆ２よりも低周波側に移動している。この結果、ＴＭＰの回転周波数ｆＴにおける減衰量Ｇ２は十分に大きな値となり、ＴＭＰの振動を装置側フランジ１に伝えなくすることができる。

この実施の形態によれば、２つのベローズ間の中間部に設けた中間質量にダンパを設けることにより、折点周波数低くすることができ、振動の遮断特性を向上させることができる。

上述の実施の形態では、上下方向の振動について論じてきたが、水平方向の振動についても全く同様に考えることができる。この場合、圧縮方向のバネと減衰項ではなく、水平せん断方向のバネと減衰項によって伝達関数が決定される。この場合も、ベローズに挟まれた中間質量の水平方向振動モードが二つ目の折点周波数を決定する。この質量を大きくすることにより、上下方向の場合と同様に、二つ目の折点周波数を低くする効果がある。

また、粘弾性材１９（図１参照）とマス２７は、水平方向の振動に対してもこの周波数の吸振ピークを抑制できるようになっており、同様に共振による伝達関数の悪化を防ぐことができる。よって、上下方向と同様に、水平方向の振動伝達関数の特性も良好なものとなる。

以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下の効果がある。
１）同心に二重のベローズを配置し、ＴＭＰの外側の空間を有効利用することにより、２段の除振器でも１段のものとほとんど同じ使用高さにすることができ、高さ方向のスペースのとれない装置にも、より高い除振性能を提供することができる。
２）ベローズ間の中間質量を大きくすることにより、伝達関数の二つ目の折点周波数を低くし、ＴＭＰ回転周波数の含まれる高周波域の除振性能を高めることができる。
３）前記中間質量に制振機能を設けることによって、折点周波数における共振による伝達率の悪化を防ぐことができる。

このように、本発明によれば、良好な伝達関数を有し、かつ高さ方向に省スペースな除振機構を提供することができる。

本発明の第１の実施の形態を示す構成図である。ベローズの接続部分の詳細を示す図である。本発明の第１の実施の形態の力学モデルを示す図である。本発明の第１の実施の形態の伝達関数特性を示す図である。本発明の第２の実施の形態を示す構成図である。本発明の第２の実施の形態の力学モデルを示す図である。本発明の第２の実施の形態の伝達関数特性を示す図である。従来の１段ダンパを用いた構成例を示す図である。図８に示す除振機構の力学モデルを示す図である。図８に示す除振機構の伝達関数特性を示す図である。従来の２段ダンパを用いた構成例を示す図である。図１１に示す除振機構の力学モデルを示す図である。図１１に示す除振機構の伝達関数特性を示す図である。

１装置側フランジ
６ＴＭＰ（ターボ分子ポンプ）
７Ｏリング
１３ベローズ
１４ベローズ
１５ゴム
１６ゴム
１７フランジ
１８フランジ
１９粘弾性材
２７マス
２８フランジ
２９フランジ
３０クランプ

Claims

精密装置で、ターボポンプ等の振動発生を伴う装置を利用する時に必要とされる除振機構であって、２段以上のダンパを直列構成で用いる真空シール用ベローズを利用するものにおいて、
前記直列構成した２つのベローズ間に動吸振器を設けたことを特徴とする除振機構。