JP2006207723A - 除振マウント - Google Patents

Abstract

【課題】除振マウントの除振・制振性能を維持する。
【解決手段】１対のフランジ１ａ，１ｂと、コイルばね２と、制振材３との組み合せを有している。対のフランジ１ａ，１ｂは、除振マウント１１の設置台および構造体の支持台となるものであり、コイルばね２は、除振すべき構造体の弾性支持体であり、制振材３は、一定厚みの板状で取付座４を両端に有し、両取付座４，４間を粘弾性体による帯状の部分５でつながれたものである。コイルばね２に、専ら除振、制振すべき構造体の重量を支持する機能を受け持たせ、コイルばね２に組み合わされた制振材３に、コイルばね２の撓みに追従して屈伸するのみで、専らコイルばねの一端から他端に伝播する振動エネルギーを熱エネルギーに変換して振動エネルギーを減衰させる機能を受け持たせる。
【選択図】図１

Description

本発明は、本発明は、テーブルに搭載された精密な機器類への外来の振動の影響を阻止する除振マウントに関する。

床を通して伝達されてくる外来の振動を精密な機器類に伝えたくない場合には、機器類の設置に除振機構（除振マウント）が用いられる。コンピュータや通信機器に用いる電子デバイスの回路パターンを形成するＩＣ露光機や回路パターンを読み取る３次元測定器のように１μｍ以下の精度が問題となる機器類では自励振動や外来の振動の影響を阻止する必要性が高く、床から機器類に伝えられる振動を減衰する除振機構の性能が機械の性能を左右する重要な要素となる。

一般に除振機構には、従来より空気ばねを組み込んだ構造のものが用いられてきた。特に、固有振動数が１〜２ｋＨｚのダイアフラム形空気ばねを用いることによって、除振機構の機能は、空気ばねと、空気ばねに支持される機器類の質量との系によって実現される。

空気ばねを用いることによる利点は、補助タンクを付設し、空気ばねと、タンクとの間にオリフィスを入れることで、空気の粘性抵抗による減衰を得ることができ、固有振動数における共振ピークを低く抑えることが可能となり、外乱による支持荷重の揺れを速やかに吸収することができる点である。

一方、高価な空気ばねを用いずに垂直方向と、水平方向との除振機能を得る除振機構として、コイルばねと、制振材との組み合わせによる装置（除振マウント）が知られている。この装置は、例えば図１３に示すように、コイルばね３１と、制振材３２として円柱状の粘弾性体（エポキシ樹脂）との組み合わせを用い、制振材３２をコイルばね３１の空間内に配置し、制振材３２の両端と、コイルばね３１の両端とにフランジ３３を取り付け、コイルばね３１と粘弾性体３２との複合体に作用する荷重方向の弾性中心を制振材側に包蔵させて両者を一体にネジで緊締したものである。

この装置を機械器具の除振支持に用いれば、水平方向（横方向）と垂直方向（縦方向）に加えられる外力に対して大きな制振効果を得ることができる（特許文献１参照）。

ところで、図１２に示す除振マウントの構造によるときには、除振マウントに加わる荷重はコイルばねによって支えられるが、制振材からの抵抗を無視することができない。コイルばねの撓みのストロークが大きければ大きいほど、制振材の抵抗が大きくなって、実質的に弾性体となり、その荷重は、コイルばねと粘弾性体とによって支えられる結果となり、制振材に対する重力の作用が変化して制振効果が変動する。このため、特に軽荷重を支える除振マウントの場合には、荷重を分担する比率が高くなって制振性能が大きく変化するという問題が生じるのである。

特開昭６３−３０６２８号公報

解決しようとする問題点は、コイルばねと、制振材との組み合せによる除振マウントの制振材に円柱状の粘弾性体を用い、しかも粘弾性体をコイルばねの空間内に設置して両者を組み合わせた構造では、所定の支持荷重を超えてコイルばねの撓みが大きくなるほど、粘弾性体が負担する支持荷重の割合が大きくなって除振マウントに期待される制振性能が大きく低下してしまうという点である。

本発明は、特に軽荷重用に好適な除振マウントを提供するもので、制振材に柔軟な粘弾性体を用い、制振材には、専ら構造体の振動に伴ってコイルばねの一端から他端に伝播する振動エネルギーを熱エネルギーに変換して振動エネルギーを減衰させる機能を受け持たせてコイルばねの圧縮方向には粘弾性体の抵抗の影響を殆ど受けないようにして除振マウントの除振・制振性能を維持することを最も主要な特徴とする。

本発明の除振マウントによれば、除振マウントに作用する荷重が変化してコイルばねの撓みに大きなストローク変位が生じたとしても、除振マウントは制振材の抵抗の影響を受けずに初期の制振性能を発揮することができる。また、制振材には、帯状、らせん状、あるいは中空の蛇腹状などの粘弾性体を用いることができ、除振マウントの除振・制振性能は、制振材に用いた帯状の粘弾性体の幅、厚さ、硬さを変えることにより、また、らせん状の粘弾性体を用いたときにはらせん断面の形状、断面積、らせんの長さ、粘弾性特性をかえることにより、さらには蛇腹状の中空の粘弾性体を用いたときには、蛇腹の形状、膜厚、襞の数、粘弾性特性をかえることによって容易に調整できる。

コイルばねの撓み変形のストロークの大小に左右されずに制振材の制振・除振性能を発揮させるという目的を、柔軟な制振材を用いてその抵抗の影響をコイルばねに作用させることがないようにコイルばねに制振材を組み合わせることで実現した。

以下に本発明の実施例を図によって説明する。図１（ａ）、（ｂ）において、本発明による除振マウント９は、対のフランジ１ａ，１ｂと、コイルばね２と、制振材３との組み合せからなるものである。対のフランジ１ａ，１ｂは、コイルばね２の上下に配置されたものであり、上段のフランジ１ａは構造体の支持台となり、下段のフランジ１ｂは、除振マウントの床或いは卓への設置台となるものである。

コイルばね２は、除振すべき構造体の弾性支持体であり、両フランジ１ａ，１ｂの対向面間に設置される。制振材３は、コイルばね２に作用する荷重、振動に対して支持体としての抵抗にはならず、専ら構造体の振動に伴ってコイルばねの一端から他端に伝播する振動エネルギーを熱エネルギーに変換して振動エネルギーを減衰させる機能を受け持たせるものである。本発明において、粘弾性体には、粘弾性体には、応力の大きさのみならず、その増加速度も歪の増加速度に大きな影響を与える物質（ 科学大辞典 Ｐ．１０５９ 丸善株式会社発行 ）を用いている。このような性質を有する材料として例えばネオプレンゴムなどがある。本発明で用いる粘弾性体は、板状、膜状の形態で組み込まれる。この実施例では、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、両端に取付座４，４を有する帯状の部分５を用いている。

取付座４には、ばね穴６を有している。ばね穴６は、コイルばね２の上端部分又は下端部分を受け入れる開口である。図１において、制振材３の帯状の部分５をＣ型に弯曲させて両端の取付座４，４を上下平行の姿勢に保持し、ばね穴６内にコイルばね２の上下端を嵌めむとともに、制振材３の取付座４，４をそれぞれフランジ１ａ，１ｂの対向面に取り付け、両フランジ１ａ，１ｂ間をコイルばね２の高さよりやや短いチェーン８で連結し、コイルばね２をやや圧縮した状態で両フランジ１ａ，１ｂにコイルばね２と制振材３とを一体に組み付ける。これによって、制振材３は、コイルばね２の上端と下端とにつながれたことになる。

図３（ａ）、（ｂ）は、構造体７の四隅を実施例１による除振マウント９によって、除振支持させた状態を示す図である。一方のフランジ１ａを設置台として床（又は卓）上に置き、他方のフランジ１ｂを支持台としてその上に構造体７を支える。図３の例は、底面が長方形の構造体７への設置例である。実施例においては、それぞれ制振材３が各辺のコーナーに外側に向く姿勢で除振マウント９の対角線上の位置に配置している。

また、除振マウント９を構造体の対角線上の位置に配置することで、水平方向の除振特性のバランスが確保される。また制振材３を各辺のコーナーに向けることで、制振材３の帯状の部分の幅、厚みを変えるときにその調整が容易となる。構造体７の重量は除振マウント９に加わり、コイルばね２は、重量の支持体として受けた重量の大きさに応じて撓み、その高さを減じるが、除振材３は、コイルばねの伸縮変位に対し、屈伸することによってその変化に追従するだけで、重量の支持には大きく関わらない。

以上図１〜３においては、除振マウント９の両フランジ１ａ、１ｂ間の片側に張出させて帯状の制振材３でつないだ例を示したが、必ずしも制振材の張出し箇所は、１個所に限るものではなく、図４に示すように両フランジ１ａ，１ｂの両側２個所に張出した帯状の制振材３ａ、３ｂにてコイルばね２の上下端につなぐこともできる。

この場合にフランジの両側に張出す帯状の制振材３ａ、３ｂには必ずしも２本の粘弾性体を用いる必要はなく、環状の１本の粘弾性体を用い、その一部をフランジ１ａ、１ｂに取り付けることによってフランジ１ａ、１ｂの両側に制振材を張出させることができる。この場合でも除振マウントに組みつけられた状態では、各制振材３ａ、３ｂの帯状の部分は、Ｃ型に屈曲してその両端がコイルばねの上端と下端とにつながれることになる点は、図１の例と全く同じである。制振材を２以上張出させることは自由である。

実施例２の除振マウント１１を図５に示す。この実施例は、制振材１２にらせん状の粘弾性体を用いたものである。この実施例では、図５（ｂ）に示すように粘弾性体の円筒１３の一部をらせん状に切り込むことによって、円筒１３の上端から下方に向けた一定の範囲にらせん状の部分１４を有する粘弾性体を用いている。

図５に示すようにらせん状の部分１４を有する粘弾性体の円筒１３をコイルばね１５の外周に配置して内外同心上に組み合わせ、その組み合せをフランジを兼ねた上キャップ１６と下キャップ１７間に介在させ、制振材１２の上下端を上キャップ１６および下キャップ１７にそれぞれ取り付け、コイルばね１５をやや圧縮させた上、下キャップ１６，１７間を例えばボールチェーン１８などで連結し、らせん状の部分１４のピッチ間に隙間を確保して上キャップ１６と下キャップ間１７に、コイルばね１５と制振材１２との組み合せを保持させる。

制振材１２にらせん状の粘弾性体を用いたときでも、構造体の支持体として機能させずに、専ら構造体の振動に伴ってコイルばねの一端から他端に伝播する振動エネルギーを熱エネルギーに変換して振動エネルギーを減衰させるためには、柔軟性を有し、コイルばねの上端と下端とにつながれていることが必要である。

この実施例においては、制振材はコイルばねの伸縮変位に追従して屈伸し、らせんのピッチが変化してコイルばねに作用する荷重、振動に対して抵抗とならず、専ら構造体の振動に伴って生じるコイルばねの振動エネルギーを減衰させる点は帯状の粘弾性体を用いた実施例１の場合と同じである。なお、図５においては、円筒の一部にらせん状の部分を形成した粘弾性体を用いた例を示しているが、全長に渡ってらせん状の部分を有する粘弾性体を用いてもよい。らせん状の部分の長さによって除振マウントの制振性能・除振性能が決定される。

実施例３の除振マウント２１を図６に示す。この実施例は、制振材に蛇腹状の粘弾性体を用いた例である。図６（ａ）は、制振材２３ａの蛇腹の中空内にコイルばね２を組み込んで内外同心状に組み合せた例、図６（ｂ）は、制振材２３ｂの外周にコイルばね２を配置して内外同心状に組み合せた例である。いずれもコイルばね２と、制振材２３ａ、２３ｂの蛇腹の筒の上下端をコイルばねとともに上下のフランジ１ａ、１ｂにそれぞれ固定され、さらに上下の１ａ、１ｂ間をコイルばね２の高さよりやや短いチェーン８で連結し、コイルばね２をやや圧縮した状態で両フランジ１ａ，１ｂにコイルばねと制振材とを一体に組み付けている点は前実施例と同じである。この実施例において、コイルばねの外径、制振材２３ａ、２３ｂの材質、蛇腹の膜厚が同じならば、制振材２３ａは制振材２３ｂより当然柔軟性は高い。その硬さをどの程度に設定するかは、除振マウントの設計上定められるべきであり、コイルばねの圧縮方向には、抵抗の影響を与えないような硬さで蛇腹を伸縮変位させることによって所期の除振・制振性能が得られる。
（実験例）
以下に本発明の実験例を示す。実験は、帯状の制振材とコイルばねとを組み合わせた実施例１の除振マウント９にて図７に示すように除振台の四隅４箇所を支え、その上に重錘を兼ねた試料２０を置き、除振マウント９に掛かる荷重を調整し、振動センサー２１を用いて試料２０に作用する水平方向及び鉛直方向の振動特性を測定した。また比較例として帯状の制振材を用いず、コイルばねのみの除振マウントを用いて同じ測定を行った。

図８は、比較例１（除振マウントの高さ：１８ｍｍ、荷重３．３６ｋｇ）の振動特性を示すグラフ、図９は、実験例１（荷重３．３６ｋｇ）の振動特性を示すグラフである。いずれも（ａ）は、水平方向の振動特性、（ｂ）は垂直方向の振動特性である。図８と図９とを比較して明らかなとおり、実験例１によれば、比較例１に比べて、水平方向、垂直方向のいずれにおいても、共振点の振動倍率が抑えられ、特に水平方向についてサージングが著しく改善されていることが分かる。なお、比較例１には、帯状の制振材を用いないため、荷重３．３６ｋｇのもとで除振マウントの高さは１８ｍｍであったが、実験例１では、Ｃ型に屈曲させて組み合せた制振材がばね性能を有するため、比較例１と同じ荷重の元でも少し高くなる。

次に除振マウントに加わる荷重が３．３６ｋｇのままで制振材の厚さを厚く変えていったとき、すなわち、制振材のばね性を高めたときの振動特性についての実験例２を図１０に示し、実験例３を図１１に示す。実験例２は相対的に制振材の厚さが薄い場合、実験例３は相対的に制振材の厚さが厚い場合である。ちなみに、その違いを除振マウントの高さの違いで言えば、実験例２の除振マウントの高さは２１ｍｍ、実験例３の除振マウントの高さは２３ｍｍであった。図１０、図１１の各図を比較して明らかなように制振材の厚さを厚くするほど、水平方向、垂直方向のいずれの方向についても振動倍率は低下し、サージング特性が改善され、また、共振点が高周波側に変化してゆく傾向が見られた。また波形については、制振材の厚さが厚いほど、低周波から高周波にむけてなだらかになる傾向も見られた。

（実験の考察）
本発明は、コイルばね２に、専ら除振、制振すべき構造体の重量を支持する機能を受け持たせ、コイルばね２に組み合わされた制振材３に、コイルばね２の撓みに追従して屈伸するのみで、専らコイルばねの一端から他端に伝播する振動エネルギーを熱エネルギーに変換して振動エネルギーを減衰させる機能を受け持たせるものである。

したがって、本発明によれば、構造体７の重量の殆どはコイルばね２が受けることになる。一方、制振材３には構造体７の荷重は殆ど作用しないので、構造体の重量が予測の範囲を超えて大きく、コイルばねの撓み変形が大きくても制振材３の抵抗を受けることが少なく、設計時に狙った所期の性能（共振周波数、共振倍率、特に共振倍率）を期待できる。

図１２に除振メカニズムを示す。図１２において、除振マウントにコイルばねのみを用いたときに、その鉛直方向の共振周波数ｆ０は、近似的に式（１）であらわされる。
ｆ０＝５／√たわみ量（ｃｍ）・・・・（１）
また、コイルばねと、制振材との組み合わせにおける除振マウントの性能を表す振動伝達率（単位ｄＢ）は、除振マウントの上端をＵ、下端をＤとして、式（２）のとおりである。
ｄＢ＝２０ｌｏｇＵの振動／Ｄの振動・・・（２）

曲線Ｘは、コイルばねの共振周波数がｆ０のときのコイルばねの振動伝達特性を示している。コイルばねの減衰特性は、共振周波数ｆ０で鋭く立ち上がり、以後、振動周波数Ｈｚが増大するにしたがってサージングの波形を伴いながら増幅領域ＡＺから減衰領域ＤＺに変化して行く。曲線Ｘに示すようにコイルばねだけを用いた除振マウントでは、減衰領域の周波数特性にサージング波形が現れるだけでなく、共振倍率が高いという致命的な欠陥がある。

曲線Ｙは、コイルばねに制振材を組み合せて望ましい除振性能に調整した除振マウントの特性を示している。図に示すようにコイルばねに制振材を組み合わせた除振マウントの減衰曲線Ｙは、コイルばねだけの除振マウントに比べると共振周波数ｆ０′が増大するものの、サージング波形がなくなり、共振倍率が低下して優れた制振性能の振動伝達特性が得られる。

共振倍率に関しては、制振材の制振性を高めることで共振倍率をさらに低下させることは可能であるが、共振倍率が低すぎると、Δｆ＝ｆ０′−ｆ０が増大する結果、振動周波数の減衰領域が浅くなり（減衰の絶対値が小さくなり）、制振性能が低下するという問題を生じる。

本発明は、制振材に板状の粘弾性体を用い、特に軽荷重の除振マウントに適用して図１１の曲線Ｙの制振特性に近づけようとするものである。本発明において、制振材は、上下のフランジ間に取り付かれてはいるものの、上フランジに加えられる荷重の殆どはコイルばねによって支えられ、制振材は、構造体の荷重変化に影響されることが極めて少ないので、実験例も意図したとおりの除振性能を維持することができることを示している。

なお、本発明において、除振マウントの制振特性は、制振材の制振性能によって調整できる。すなわち、制振材の制振性能は、制振材の帯状部分の幅、厚さ、硬さ（粘性）によって決定される。制振材の帯状部分の幅、厚さ、硬さ（粘性）を除振マウントで支えるべき構造体の重量や、加振の大きさにあわせて予め決定しておくことができるが、制振材の帯状部分の幅、厚さは現場施工時に調整することもできる。

本発明によれば、コイルばねだけの除振マウントに比べて共振周波数が小さく、制振特性の減衰領域の範囲、大きさを殆ど低下させず、したがって制振性能を低下させずに除振、防振効果が得られ、特に比較的軽量の構造体、例えば重量の小さい精密機器類の除振、防振に用いて優れた効果が得られる。

（ａ）は本発明による除振マウントの一部断面側面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。 （ａ）は本発明の除振マウントに用いる制振材の平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。 （ａ）は本発明による除振マウントにて構造体を支持した例を示す側面図、（ｂ）は構造体を支持する様子を構造体の底面側から見た図である。 実施例１の他の例を示す図である。 （ａ）は、実施例２の除振マウントの構造を示す図、（ｂ）は実施例２の除振マウントの除振材に用いる円筒にらせん状の部分を設けた粘弾性体を示す図である。 実施例３の除振マウントの構造を示す図で（ａ）はコイルばねの外側に蛇腹状の粘弾性体を組み合わせた例、（ｂ）はコイルばねの外側に蛇腹状の粘弾性体を組み合せた例を示している。 実験の要領を示す図である。 （ａ）は、比較例１の水平方向の振動特性、（ｂ）は垂直方向の振動特性のグラフである。 （ａ）は、実験例１の水平方向の振動特性、（ｂ）は垂直方向の振動特性のグラフである。 （ａ）は、実験例２の水平方向の振動特性、（ｂ）は垂直方向の振動特性のグラフである。 （ａ）は、実験例３の水平方向の振動特性、（ｂ）は垂直方向の振動特性のグラフである。 除振マウントの制振特性を示す図である。 特許文献１に記載された除振マウントの構造を示す図である。

符号の説明

１ａ，１ｂ フランジ
２ コイルばね
３ 実施例１の制振材
４ 取付座
５ 帯状の部分
６ ばね穴
７ 構造体
８ チェーン
９ 除振マウント
１１ 除振マウント
１２ 実施例２の制振材
１３ 円筒
１４ らせん状の部分
１５ コイルばね
１６ 上キャップ
１７ 下キャップ
１８ チェーン
１９ 除振台
２０ 試料
２１ 振動センサー
２３ａ、２３ｂ 実施例３の制振材

Claims (10)

1. コイルばねと、制振材との組み合せを有する除振マウントであって、
   コイルばねは、専ら除振、制振すべき構造体の荷重を支持する機能を受け持たせるものであり、
   制振材は、コイルばねに作用する荷重に対して抵抗とならず、専ら構造体の振動に伴ってコイルばねの一端から他端に伝播する振動エネルギーを熱エネルギーに変換して振動エネルギーを減衰させる機能を受け持たせるものであることを特徴とする除振マウント。
2. 制振材は、柔軟性を有し、コイルばねの上端と下端とにつながれているものであることを特徴とする請求項１に記載の除振マウント。
3. 制振材は、コイルばねの伸縮変位に対し、屈伸することによって追従するものであることを特徴とする請求項１に記載の除振マウント。
4. 制振材は帯状の部分を有する粘弾性体であり、帯状の部分をＣ型に屈曲させてその両端をコイルばねの上下端につないだものであることを特徴とする請求項１に記載の除振マウント。
5. 制振材は少なくとも一部にらせん状の部分を有する粘弾性体であり、らせん状の部分をコイルばねと同心上に組み合わされ、その両端はコイルばねの上下端につながれているものであることを特徴とする請求項１に記載の除振マウント。
6. 制振材は、蛇腹状の粘弾性体であり、蛇腹の筒の内部または外部に設置されたコイルばねと同心上に組み合わされ、蛇腹の筒の両端は、コイルばねの上下端につながれているものであることを特徴とする請求項１に記載の除振マウント。
7. 対のフランジと、コイルばねと、制振材との組み合せからなる除振マウントであって、
   対のフランジは、除振マウントの設置台および構造体の支持台となるものであり、上下に組み合わされ、
   コイルばねは、除振すべき構造体の弾性支持体であり、両フランジの対向面間に設置され、
   制振材は、帯状の部分を有し、
   制振材の帯状の部分は、Ｃ型に屈曲して両端をコイルばねとともに上下のフランジにそれぞれ固定されているものであることを特徴とする請求項１に記載の除振マウント。
8. 対のフランジと、コイルばねと、制振材との組み合せからなる除振マウントであって、
   対のフランジは、除振マウントの設置台および構造体の支持台となるものであり、上下に組み合わされ、
   コイルばねは、除振すべき構造体の弾性支持体であり、両フランジの対向面間に設置され、
   制振材は、少なくとも一部にらせん部分を有する一定厚みの円筒であり、コイルばねと同心上に組み合わされ、両端をコイルばねとともに上下のフランジにそれぞれ固定されているものであることを特徴とする請求項１に記載の除振マウント。
9. 対のフランジと、コイルばねと、制振材との組み合せからなる除振マウントであって、
   対のフランジは、除振マウントの設置台および構造体の支持台となるものであり、上下に組み合わされ、
   コイルばねは、除振すべき構造体の弾性支持体であり、両フランジの対向面間に設置され、
   制振材は、蛇腹状の粘弾性体であり、蛇腹の筒の内部または外部に設置されたコイルばねと同心上に組み合わされ、蛇腹の筒の両端は、コイルばねとともに上下のフランジにそれぞれ固定されているものであることを特徴とする請求項１に記載の除振マウント。
10. 制振材の制振性能は、制振材の帯状部分の幅、厚さ、硬さによって決定され、制振材の幅、厚さは現場施工時に調整されるものであることを特徴とする請求項１に記載の除振マウント。

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