一般在高精密等級的設備, 比方說半導體設備中, 為了提昇製程的精密度, 需要一些手段來遮斷來自建築物, 地板本身的震動, 以增加核心製程處理的精度, 避免外來震動的干擾。常見的一個方法就是導入除震平台,英文叫Isolator意思是獨立器也就是讓核心的部分被獨立起來,與世隔絕,沒有外來震動的干擾。
圖1為這樣的基本原理與構造,採用空氣彈簧式阻絕外界震動,檯子的下面接觸樓地板,而最上面的質量所示的部分就是被獨立的核心製程所在地。
這裡有一個基本的指標叫振動傳達率,等於質量所處的振動除以地板的振動。以數學圖形表達的話就會像圖2的樣子,圖中顯示一個範例的除震台的響應,振動傳達率是要越小越好,從圖形可以看到,外來的震動頻率越高這張圖所呈獻的除震台的效果越好,因為傳達率的值越小,圖中水平線寫90%除震意思就是:效果可以降低振動強度達九成。又,圖中有一個共振頻,日文寫著固有震動數,這個就是除震台的性能指標,基本上這個指標越小表示除震台的性能越好。
大部分看到的除震台的共振頻(固有振動數)都是1~2Hz的隔膜型除震台(Diaphram Isolator), 利用空氣彈簧的原理運作。此外,也會導入輔助氣槽,然後在主空氣室與輔助氣槽之間設置節流閥(Orifice)增加阻尼效果。如圖2中藍色的線條所示乃是具有衰減的特性,降低共振的高峰,以快速吸收外來的振動。
針對不同大小的負載,有時會加入高度調整閥,讓不同的負載應用時也可以大約調整在一定的高度。
以上都只有針對垂直方向的振動討論。而針對水平方向的振動抑制,就需要有不同的結構來解決。通常隔膜式除震台水平方向的共振頻可能是垂直共振頻的數倍大小。沒有考慮這個非垂直的共振因素,通常會有失敗的風險。因此,不只垂直的特性要要求達到1~2Hz以下,水平方向的除震台的特性也需要要求大約1~2Hz以下之譜才堪用。
為了改善前述的水平方向的特性,如圖4所示,加入水平自由平衡環(Gimbal)的設計,吸收水平方向的環境振動。圖4中看到在原來中間地方的柱塞(piston)加入平衡環機構,節省體積又可以達到水平吸震的功效。當外來的水平振動發生的時候,藉由該機構轉換為柱塞的搖擺運動,達到相當柔軟的水平彈簧的效果,吸收振動。
以上的介紹,可以略窺精密設備中不可缺之除震台的基本原理與結構。