JP2009121664A - 除振装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ばね材と粘弾性体との特性を発揮させて、ばね材で共振周波数を低く抑えつつ、粘弾性体でばね材の自由振動を低く抑えることにより、振動減衰応答を早くすることができ、かつ、水平維持機能を有し、更に、１０Ｈｚ以下の低周波領域においても共振現象を抑制できる適用範囲の広く薄型でコンパクトかつ安価な除振装置を提供する。
【解決手段】損失係数（η）が０．０５〜０．８である「樹脂ラミネートばね板」をプレス成形により両端をフランジ状に中央部を凸状に一体加工し、成形された該板状ばね材と平板状ばね材を荷重によって撓むことができるように層状に交互に重ね、その両端部及び中央部を鋲止め、スポット溶接或いは樹脂接着し、その中央部に粘弾性体を配することによって上記課題を解決する。
【選択図】図８

Description

本発明は、精密測定機器や振動を嫌う物体等に設置床からの振動が伝わることを防止することを目的とした除振装置に関するものである。

除振装置は、熱機械分析装置、精密天秤、或いは、プローブ顕微鏡等の精密測定機器や振動を嫌う物体に設置床からの振動が伝わることを防止することを目的として用いられるものであり、設置床と支持体を介して接する下部架台と精密機器を載置する上部架台との間に振動吸収のための除振部（１０２）を設けている（図１参照）。

例えば、従来の除振装置の除振部は、図５に示す様に、圧縮変形により振動を吸収するコイルスプリング（５０２）と、圧縮変形と引張り変形による振動の吸収を行う柱状粘弾性体（５０３）とを同軸上に備えている。これにより、コイルスプリングで振動の伝達を防止しつつ、柱状粘弾性体でコイルスプリングの自由振動を低く抑えることにより、振動減衰応答を早くすることができる（特許文献１参照）。
特開２００４−６３０７８４

しかしながら、この例では、コイルスプリングと柱状粘弾性体とが独立で下部架台と上部架台との間に設置されているため、載置された精密測定機器の重量を支持するコイルスプリングの強度に対して柱状粘弾性体の振動減衰力が劣る場合があるため、結果として振動減衰性が十分に発揮されない場合があり、その適用範囲が限られたものになっている。

一方、本発明者らは、上記の課題を解決する手段として、振動減衰能のある粘弾性樹脂を間にラミネート状に張合せた樹脂ラミネートばね板（以下、「樹脂ラミネートばね板」という。）をプレス成形により両端をフランジ状に中央部を凸状に一体加工し、成形された該「樹脂ラミネートばね板」を荷重によって撓むことができるように層状に交互に重ね、その両端部及び中央部を鋲止め、スポット溶接或いは樹脂接着してなる除振台部（以下、「ハニカム状ばね」という。）から構成される除振装置を提案している（図２．参照）。これによれば、ばね材と粘弾性樹脂との特性を発揮させて、ばね材で共振周波数を低く抑えつつ、粘弾性樹脂でばね材の自由振動を低く抑えることにより、振動減衰応答を早くすることができ、適用範囲が広く、かつ、薄型でコンパクトな除振装置を提供できる（特許文献２参照）。
特開２００７−２５５６９０

この技術に於いては、積載装置の重心位置が測定試料の重量等によって変化する場合があるが、除振部への荷重配分に応じて積載面の水平度が変化する。これによって装置の機能に影響が生じ、測定精度を阻害することが発生する。また、測定のために装置に触れると揺れ振動が生じ測定装置の操作性を悪くする。即ち、除振装置には本来の除振性能及び振動減衰性能に加えて積載装置の操作性も要求され、この解決のための水平維持機能が求められている。また、精密測定装置は、１０Ｈｚ以下の低周波領域の振動にも影響を受けることが知られているので、このような１０Ｈｚ以下の低周波領域では、従来の除振装置は、共振領域になっているので、十分な除振効果が発揮できないという問題がある。

建物は、その建物の空調設備や周辺の交通機関からの影響を受けて複雑な低周波振動をしている。ここで、精密測定装置は、１０Ｈｚ以下の低周波領域の振動にも影響を受けることが知られている。このような１０Ｈｚ以下の低周波領域では、従来の除振装置は、共振領域になっているので、十分な除振効果が発揮できないという問題がある。これに対して、振動の変位を検出して逆方向の力を作用させるようにした、所謂、アクテイブ除振装置は、上記の問題解決のために考案されたものである。しかしながら、このアクテイブ除振装置は、構造が複雑な上に極めて高価なためその用途は特殊な用途に限られている。

上述の如き問題を解決して、ばね材と粘弾性体との特性を発揮させて、ばね材で共振周波数を低く抑えつつ、粘弾性体でばね材の自由振動を低く抑えることにより、振動減衰応答を早くすることができ、１０Ｈｚ以下の低周波領域においても十分な除振性能を発揮でき、更に、試料荷重を含めた測定装置系全体の偏荷重に対する水平維持機能を持ちかつ操作性の良好な、薄型、コンパクトで安価な除振装置が求められている。

本発明の請求項１記載の除振装置は、振動減衰能のある粘弾性樹脂を間にラミネート状に張合せた板状ばね材をプレス成形により両端をフランジ状に中央部を凸状に一体加工し成形された「樹脂ラミネートばね板」を荷重によって撓むことができるように層状に交互に重ねた「ハニカム状ばね」の各層毎の中央部に粘弾性体を設けることを特徴とする（図３参照）。

これによれば、ばね材と粘弾性体との特性を発揮させて、ばね材で共振周波数を低く抑えつつ、粘弾性体で「ハニカム状ばね」の共振振動を低く抑えることにより、振動減衰応答を早くすることができる。また、「ハニカム状ばね」の各層毎の中央部に粘弾性体を設けることにより、所定の撓みを超えると中央部に装置された粘弾性体の反発力によって荷重に対する撓み量が急激に減少し、所謂、水平維持機能を発揮する。更に、１０Ｈｚ以下の低周波振動領域においても上記と同様の作用によって低周波振動域の共振振動を抑制することができる。

本発明の請求項２記載の除振装置は、その除振部を構成する「樹脂ラミネートばね板」の損失係数（η）が、０．０５〜０．８であることを特徴とする。

これによれば、「樹脂ラミネートばね板」は、ばね材と粘弾性体との特性を発揮させて、ばね材で共振周波数を低く抑えつつ、粘弾性体でばね材の自由振動を低く抑えることにより、振動減衰応答を早くすることができるので、薄型でコンパクトかつ安価な除振装置が提供できる。

本発明の請求項３記載の除振装置は、層状に交互に重ねられた「ハニカム状ばね」の中央部に設けられた粘弾性体は、粘弾性樹脂又はゴムであり、そのばね定数は各層当り２０Ｎ／ｍｍ以上、２００Ｎ／ｍｍ以下であり、その一端のみが「ハニカム状ばね」に固定され、他端は固定されていないことを特徴とする（図３参照）。

これによれば、上記の粘弾性体のばね定数は各層当り２０Ｎ／ｍｍ以上、２００Ｎ／ｍｍ以下と高く設定されているので、所定の撓みを超えると中央部の粘弾性体の反発力によって、荷重に対する撓み量が急激に減少し、所謂、水平維持機能を発揮すると同時に、１０Ｈｚ以下の低周波数の領域において、共振現象となり振動振幅が大きくなった時に、中央部に配置された上記の粘弾性体が共振現象を抑制するので、共振点における共振倍率を低く抑えることができる。このような作用をする物質は、ポリプロピレン等の粘弾性物質又はゴムである。

本発明の請求項５記載の除振装置は、積載装置の荷重による撓み量が５ｍｍ以上、２０ｍｍ以下の状態で使用することを特徴とする（図６参照）。

これによれば、積載装置の荷重による撓み量を５ｍｍ以上２０ｍｍ以下にすることによって除振装置の共振周波数を３〜５Ｈｚと低くすることができるので、振動伝達率を低くすることができるので水平維持が保たれ、揺れのない操作性の良好な薄型でコンパクトかつ安価な除振装置を提供することができる。

本発明によれば、ばね材と粘弾性体との特性を発揮させて、ばね材で共振周波数を低く抑えつつ、粘弾性体でばね材の自由振動を低く抑えることにより、振動減衰応答を早くすることができ、更に、荷重に対して任意に設定した撓み量を超えると撓み量が急激に減少し、所謂、水平維持機能を発揮し、そして、１０Ｈｚ以下の低周波領域においても共振現象を抑制できる、適用範囲の広い薄型でコンパクトかつ安価な除振装置を提供することができる。本発明による除振装置は、低周波領域においても、所謂、アクテイブ除振装置に匹敵する優れた除振性能を有する。

「樹脂ラミネートばね板」は、図４に示すように、ばね性のあるステンレス鋼（４０１）の間に４０〜６０μｍの粘弾性樹脂（４０２）をラミネート状に張合せたもので、その損失係数（η）は、０．０５〜０．８であり、例えば、新日本製鐵（株）製「バイブレス（商品名）」が好適に使われる。

本発明の除振部において、荷重Ｐ（Ｎ）とその時の撓みδ（ｍｍ）とは（１）式の関係にある。

ここで、ｋは除振部のばね定数（Ｎ／ｍｍ）である。
また、除振部における共振周波数ｆ（Ｈｚ）と撓みδ（ｍｍ）とは（２）式の関係にある。ここで、Ａは定数である。

従って、積載装置の荷重による撓み量を５〜２０ｍｍにすることによって、共振周波数を３〜５Ｈｚになるよう設定することができる（図６．参照）。

このために、「樹脂ラミネートばね板」の寸法形状（板厚、板幅及びスパン長さ）は、載置装置の重量及び所望の除振性能に従って適宜決定される。ばね板の板厚としては、０．６〜１．２ｍｍ望ましくは１．０ｍｍが推奨される。このときの重要点は、載置装置の荷重を懸けたとき、除振部の撓み変形（δ）が５〜２０ｍｍになるようにその諸元を決定することであり、さらに好ましくは１０〜２０ｍｍに調整することであり、こうすることによって除振部の系としての共振周波数を３〜５Ｈｚと低くすることができ、所望の振動周波数領域において良好な除振性能を得ることができる。

層状に交互に重ねた「ハニカム状ばね」の各層毎の中央部に設けた粘弾性体は、その各層毎のばね定数は、２０Ｎ／ｍｍ以上、２００Ｎ／ｍｍ以下と高く設定されているので、荷重を掛けた時の撓み量が、任意に設定した撓み量（以下、「設定撓み量」という。）を超えるとそれ以降の変化量に比例した反発力を発生して、「設定撓み量」以上の撓みを少なくする作用をする。これが、前述の水平調整機能の作動原理である。この「設定撓み量」は、ハニカム層間と粘弾性体の厚みの相対位置関係及び粘弾性体のばね定数を既定の範囲内で調整することによって任意に設定ができる。

以下、本発明を好適な実施例によって説明する。本発明は、以下の実施例に拘らず、その技術思想によるものであれば、本発明の範囲であることは言うまでもない。

図３は、実施例１の除振部を示した図である。図３おいて（３０１）は、「樹脂ラミネートばね板」である。板幅５０ｍｍ、板厚１．０ｍｍで、損失係数（η）が０．６である「樹脂ラミネートばね板」をプレス成形して、両端部を５ｍｍ高さのフランジ状にまた中央部２０ｍｍを高さ５ｍｍに凸状にしかつ梁長さを９０ｍｍとなるように一体成形した。これを交互に積層し３層となし、両端及び中央部を鋲によって固定した。更に、各層間にばね定数が１００Ｎ／ｍｍである１０ｍｍ厚ｘ２０ｍｍ幅ｘ２０ｍｍ長の粘弾性体（３０２）の片端のみを上記「ハニカム状ばね」の中央部に固定した。この除振部の荷重―撓みの関係を図７に示す。一例として、これに１６ｋｇの荷重を懸けたところ１６ｍｍの撓みが計測された。この状態で除振部に振動を与えた時の振動伝達率―加振周波数の関係を図８に本発明例として示す。

比較例として、板幅５０ｍｍ、板厚１．０ｍｍの「樹脂ラミネートばね板」をプレス成形して、両端部を５ｍｍ高さのフランジ状にまた中央部２０ｍｍを高さ５ｍｍに凸状にしかつ梁長さを１００ｍｍとなるように一体成形した。これを交互に積層し３層と成し、両端及び中央部を鋲によって固定した（図２参照）。これに７ｋｇの荷重を懸けたところ１４ｍｍの撓みが計測された。本発明例と同様の方法で求めた荷重―撓みの関係及び振動伝達率―加振周波数の関係を図７．及び図８．に比較例として示す。

図７は、上記実施例１の除振部の荷重―撓みの関係を示すが、本発明例では「設定撓み量」の１３ｍｍを超える時点から荷重に対する撓み量が急激に減少することが分かる。これは、挿入した粘弾性体の反発力によるものであり、これによって水平維持機能が発揮されている。本発明例では１６ｋｇの荷重を懸け１６ｍｍ撓ませた時及び比較例では７ｋｇの荷重を懸け１４ｍｍ撓ませた時の振動伝達率―加振周波数の試験を行った。その結果を図８に示す。これを纏めて、表１に示す。これによると、本発明例は、１０Ｈｚ以下の低周波領域において比較例よりも良好な除振性能を示している。即ち、共振周波数での共振現象が挿入した粘弾性ゲルによって抑制されている。また、１０Ｈｚ以上の加振周波数でも良好な除振性能を示している。

一般に、板の制振性を表す損失係数（η）は、ＪＩＳ Ｇ０６０２「制振鋼板の振動減衰特性試験方法」記載の中央支持定常加振法によって測定される。この方法で求めた種々の損失係数（η）の「樹脂ラミネートばね板」を用いて比較例の形状（図２参照）のハニカム状の除振部を作製した。ばね材は０．４ｍｍ厚のＳＵＳ３０４を用い、また、粘弾性樹脂の厚さを変えて損失係数（η）を変化させた。制振性の評価にはパルス加振後の自由振動減衰時間（秒）を測定した。結果を表２に示す。所要の振動減衰能及び耐久性の点から、損失係数（η）が０．０５〜０．８０の範囲が最適であることが分る。

「ハニカム状ばね」の中央に挿入する粘弾性体は、除振部の水平維持機能と制振特性に影響するので、ばね定数を変化させて、水平維持機能と制振特性の両面から総合的に評価した。制振特性としては、加振周波数１０Ｈｚでの振動伝達率で評価した。結果を表３に示す。粘弾性体のばね定数は、２０Ｎ／ｍｍ以上、２００Ｎ／ｍｍ以下が最適であることが分る。

実施例１の本発明例と同じ除振部を４個作成し、これを４隅に配置して除振台を作製した。これに荷重を８，１６，２０，５０，８０及び１００ｋｇの荷重を積載して、除振台に撓みを与えてその時の共振周波数及び１０Ｈｚ加振時の振動伝達率を測定した。その結果を表４に示す。撓み量が５ｍｍ以上、２０ｍｍ以下が適当であり、好ましくは、１０ｍｍ以上、２０ｍｍ以下であることが分かる。

除振装置の平面及び側面図。 実施例１の比較例を示した図。 実施例１の本発明例を示した図。 「樹脂ラミネートばね板」の断面図。 従来除振装置の一例を示した図。 本発明の除振部の撓み量―共振周波数の関係を示した図。 本発明の除振部の荷重―撓み量の関係を示した図。 本発明の実施例１の振動伝達率―加振周波数の関係を示した図。

符号の説明

１０１ 除振装置
１０２ 除振部
２０１ プレス成形した「樹脂ラミネートばね材」
２０２ 下部及び上部架台
３０１ プレス成形した「樹脂ラミネートばね材」
３０２ 中央部に挿入した粘弾性体
４０１ 「樹脂ラミネートばね材」を構成するばね材
４０２ 「樹脂ラミネートばね材」を構成する粘弾性樹脂
５０１ コイルスプリング
５０２ 柱状粘弾性樹脂
５０３ 下部及び上部架台

Claims (4)

1. 振動減衰能のある粘弾性樹脂を間にラミネート状に張合せた板状ばね材をプレス成形により両端をフランジ状に中央部を凸状に一体加工し成形された樹脂ラミネートばね板を荷重によって撓むことができるように層状に交互に重ねたハニカム状ばねの各層毎の中央部に粘弾性体を設けることを特徴とする除振装置。
2. 振動減衰能のある粘弾性樹脂を間にラミネート状に張合せた板状ばね材の損失係数（η）が、０．０５〜０．８であることを特徴とする請求項１記載の除振装置。
3. 層状に交互に重ねられたハニカム状ばねの中央部に設けられた粘弾性体は、粘弾性樹脂又はゴムであり、そのばね定数は、各層当り２０Ｎ／ｍｍ以上、２００Ｎ／ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２記載の除振装置。
4. 積載装置の荷重による撓み量が５ｍｍ以上、２０ｍｍ以下の状態で使用することを特徴とする請求項１、２又は３記載の除振装置。

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