JP4117524B2 - レベル調整具 - Google Patents
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Description
本発明は、機器類を一定高さ位置に支持させるレベル調整具に関する。
【0002】
【従来の技術】
空気ばねは、機器類の除振ばねやアクチュエータとして、あるいは機器類のレベル調整具として従来より各種分野の機器類の支持構造に用いられている。
【0003】
空気ばねには、ベローズ型(蛇腹式)と、ダイアフラム型とがあり、座屈に対しては、後者の方が安定しているが、機器類の支持構造には主としてベローズ型の空気ばねが用いられる。空気ばねは、メカニカルバルブを用いて内部の空気圧の制御が行なわれ、機器類のレベル調整具として空気ばねを使用するときには、メカニカルバルブによる空気圧の調整によって、レベル(床面からの高さ)を一定に制御される。
【0004】
荷重や衝撃の変動に関わらず、機器類を搭載したテーブルのレベルを一定に保つことは、特に加工機械、測定機器類において重要である。空気ばねは、テーブルの4本の脚に支持構造として組みつけられる。このようなテーブルの4本の脚に偏荷重が加わり、それぞれの脚の空気ばねの沈み量に違いが生ずると、テーブルが動揺し、あるいは傾き、この結果、加工誤差の原因になり、あるいは測定誤差の発生原因になる。
【0005】
レベル調整具として空気ばねを使用する場合に、メカニカルバルブは、テーブルのレベル変動を補償するために用いられるものである。すなわち、テーブルに偏荷重が作用して少なくとも1本の脚の空気ばねが圧縮されて沈み、そのレベルが規定のレベルより下がると、メカニカルバルブに備えたスイッチが働き、配管を通して高圧空気がベローズ内に注入されて、ベローズを膨張させてレベルを回復させる。
【0006】
逆に、テーブルのレベルが規定以上のレベルに上がれば、メカニカルバルブは、ベローズ内の空気を放出してレベルを規定のレベルまで下げ、テーブルは常にそのレベルを一定に自動調整される。
【0007】
また、空気ばねには、規定レべルに保持されているテーブルが衝撃や荷重変動を受けてそのレベルが変動した場合に、そのレベルの変動分を速やかに規定レべルにまで収束させるため、減衰機構を設けることが必要となる。従来、空気ばねには、その減衰機構として、補助タンクを付設し、ベローズの空気室と、補助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空気ばねに付与する機構が用いられていた。
【0008】
空気ばねに減衰を付与することで、図5に示すように、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、テーブルの揺れを速やかに収束することができ、外乱による支持荷重の変化を速やかに吸収し、変動レベルを収束して規定レベルに保持できる。また、減衰機構は、上記構造に限らず、オイルダンパを付加することによっても同様の効果を得る事ができる。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、空気ばねに減衰を付与するために、補助タンクや、オイルダンパを付設することは、ベローズとは別に補助タンクやオイルダンパの設置スペースや、その制御機構が必要であり、このため、空気ばねが大型化し、また、流体の制御系に厄介な調整が必要であり、圧縮変形したベローズの復帰にも一定の時間遅れが生じていた。
【0010】
本発明の目的は、ゴムベローズとともにコイルばねによって機器類の重量を支持し、コイルばねは、ベローズの復元力を補完しして空気ばねを一定形態に保形し、あわせて共振倍率を大幅に低下させて減衰性能を改善した機器類のレベル調整具を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明によるレベル調整具においては、2段又は3段のゴムベローズとコイルばねと粘弾性体との組み合わせを有し、テーブル上を重量物が位置移動することによって生じるテーブルのレベル変動の復帰特性を改善するレベル調整具であって、
ゴムベローズとコイルばねと粘弾性体とは、上段プレートと下段プレートとの間に並列に配置され、テーブルの支持構造として組み込まれたものであり、
テーブルは上段プレート上に乗せられ、下段プレートは床上に設置されたものであり、
前記2段又は3段のゴムベローズは、テーブル上を位置移動する構成物の荷重を受けて膨張・収縮するものであり、
前記コイルばねは、位置移動する構成物を除いた機器類の重量と釣り合いを保って、前記ゴムベローズとともに上段プレート機器類の総重量を支持してベローズの復元力を補完し、保形するものであり、
前記粘弾性体は、柱状をなし、前記ゴムベローズに加えられる水平・鉛直両方向の微振動・振幅を減衰させてその減衰性能を改善するものであり、
コイルばねと、粘弾性体との組み合わせは、前記ゴムベローズのレベル変動の復帰特性を改善するものである。
【0014】
また、揺動ダンパを有し、
揺動ダンパは、棒状の粘弾性体であり、上段プレートと下段プレート間に生ずる水平方向の相対変位によるエネルギーを吸収させるものである。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図によって説明する。図1において、本発明による空気ばね1には、ベローズ型(蛇腹式)の空気ばねを用いている。本発明は、ベローズ内の空気室R内に粘弾性体3を有するものである。粘弾性体3は、応力の大きさのみならず、その増加速度もひずみの増加速度に大きな影響を与える性質を備えた固形物である(科学大辞典 昭和60年 丸善株式会社発行 P1059参照)。この性質を備えた物質には例えばエポキシ樹脂がある。
【0018】
この実施形態においては、粘弾性体3と並列にコイルばね12を配置し、粘弾性体3とコイルばね12との組合せを除振マウント6として用いている。この実施形態では、粘弾性体3を中心に、その周囲にコイルばね12を配置して内外同心状に組合わせた例を示している。
【0019】
本発明において、円柱状の粘弾性体3を空気ばね1の空気室R内に鉛直姿勢で設置している。また、空気室Rには、2段のゴムベローズ2を用いている。ベローズ2には、1〜3段のものが多用されているが、1段のものは水平方向にかたく、また、3段のものは、鉛直方向の伸縮性に優れているが、水平方向には軟らかすぎて座屈が生じやすいという理由から、この実施形態においては、2段のゴムベローズを用いたのであるが、空気室R内には、除振マウント6として粘弾性体3と並列にコイルばね12を装填するため、コイルばね12を設置したときには、ベローズ2は、コイルばねに支えられて横ずれが生ぜず、一定の形態に保形されるため、必ずしも2段のゴムベローズに限らず、3段のベローズであっても空気室Rに利用できる。
【0020】
ベローズ2は、上下段のプレート4,5間に設置され、空気室Rは、その内部に形成されたものである。空気ばね1はテーブル7の4本の支持構造であり、空気ばね1の下段プレート5が床上に設置され、上段プレート4上には、直接あるいは脚台(図示略)を介してテーブル7が載せられ、テーブル7上には、図2に示すように機器類16が搭載される。したがって、テーブル7を含めて機器類16の重量が各空気ばね1に加わり、コイルばね12はその重量を受けて圧縮され、テーブル7の高さは規定のレベルLに保たれる。
【0021】
図2において、空気ばね1の空気室R内には、メカニカルバルブ9を通じて高圧空気が供給され、空気室R内の空気圧はメカニカルバルブ9によって制御され、テーブル7のレベル(床面からの高さ)は一定(規定レベルL)に保たれる。すなわち、テーブル7が機器類Mの荷重移動や衝撃あるいは動作時の反力を受けて振れが生じ、テーブル7のレベルが規定レベルLからLlに下がると、メカニカルバルブ9に備えたスイッチ10が押し下げられ、高圧空気が空気室R内に供給されて空気室Rは膨張し、テーブル7が押し上げられる。
【0022】
テーブル7が押し上げられてスイッチ10の上限以上のレベルLhに上がると、空気室R内の空気がドレン11を通して放出され、空気室Rが圧縮変形し、テーブル7はレベルを下げてもとの規定レベルLに自動調整される。
【0023】
本発明において、粘弾性体3は、エポキシ樹脂の円柱体であり、その上下端をベローズ2の上段プレート4及び下段プレート5に支えて空気室R中に設置されているものである。粘弾性体3をベローズ2内に設置することによって、テーブル7が押し下げられたときに、ベローズ2には鉛直方向の荷重が加えられるため、空気室Rは圧縮され、逆に圧縮されたベローズ2が復元するときに膨張するが、粘弾性体3は空気室Rの圧縮時あるいは膨張時の抵抗となり、空気室Rの圧縮時あるいは膨張時に生ずる微振動・振幅を減衰させる。
【0024】
除振マウント6を用いた場合に、粘弾性体3は、ベローズ2に加えられる水平・鉛直両方向の振動・振幅を減衰させる機能を受け持ち、コイルばね12は、ベローズの保形とともに、圧縮変形したベローズの復元力を補完し、同時に空気ばね1を一定形態に保形する機能を受け持つが、粘弾性体と、コイルばねとの組合せは、それぞれ単独の機能を発現するのみではなく、除振マウント6として以下に説明するような除振機能が得られる。すなわち、図3において、弾性体(コイルバネ)1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)
【0025】
また、図3(a)に示すコイルばね12と、粘弾性体3との組み合わせにおける除振マウント6の減衰dBは、除振マウント6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)
【0026】
図3(b)において、曲線Aは、コイルばね12の共振周波数がf0のときのコイルばね12の振動伝達特性を示している。図は、説明を分かりやすくするため、サージングの波形は図示を省略してある。(1)式により、曲線Aにおける共振周波数f0を下げるには、鉛直方向のたわみ量を大きくすることである。
【0027】
共振周波数f0を下げることによって、曲線Bのように共振周波数f0を頂点とした領域の共振倍率が上昇する。共振周波数f0を下げることによって上昇した弾性体の共振倍率は、そのコイルばねに粘弾性体3を組合せることによって、下げることができる。曲線Cは、曲線Bの特性のコイルばね1に粘弾性体3を組合わせた除振マウント6の特性を示している。
【0028】
図に明らかな通り、曲線Bは、曲線Aよりも共振周波数が低下するが、コイルばね12に粘弾性体3を組合せた除振マウント6の減衰曲線Cは、曲線Bよりも共振周波数が増大するものの、曲線Aの共振周波数に匹敵し、かつ共振倍率が大幅に低下して優れた減衰性能の振動伝達特性が得られる。なお、説明を分かりやすくするため、サージング波形は図示を省略してある。
【0029】
以上に明らかなとおり、空気ばね1のベローズ2内に、柱状の粘弾性体3を設置することによって、粘弾性体3の有する粘弾性の性質を生かして有効な減衰特性が得られ、さらに粘弾性体にコイルばねを組合せることにより、レベル変動の復帰特性を改善するとともに、共振倍率を大幅に低下させてその減衰性能を大幅に改善できる。
【0030】
すなわち、図4において、X−Yステージのような機械の動きによって、重量がテーブル7上で位置移動する機器類16をテーブル7上に搭載した場合、機器16の固定部分を含むテーブル7の重量をM、機器16の位置移動する部分(以下「位置移動する構成物という」の重量をmとすると、4本の脚に組み込まれた各空気ばね1にかかる総重量は、「位置移動する構成物」の荷重(m)と、「位置移動する構成物」を除いたテーブル7の重量(M)との合計値となる。「位置移動する構成物」を除いたテーブル7の重量(M)は、専らコイルばね12に支えられ、コイルばね12は、「位置移動する構成物」を除いた機器類の重量(M)と釣り合いを保っている。
【0031】
各空気ばね1のそれぞれのベローズ2は、コイルばね12が一定量圧縮された状態で「位置移動する構成物」の位置によって変化する荷重を受けて個々に収縮、膨張する。各脚の空気ばね1のベローズ2の膨張・収縮によって、テーブル7に傾き(揺れ)が生じるが、設定された水平レベルに安定するまでの過渡的な振動・振幅は、空気ばね1のベローズ2内に組み込まれた粘弾性体3によって、効率よく短時間で減衰される。空気ばね1の空気圧によって支持される荷重の大きさ、すなわち、「位置移動する構成物」の荷重(m)は、最大で総重量のせいぜい30%程度である。
【0032】
本発明によれば、最大で総重量の30%程度の「位置移動する構成物」の荷重(m)をベローズ2に圧入する空気圧で支えるようにすればよいため、小容量のベローズを低い空気圧で利用することが可能となり、応答性に優れたレベル調整機能を実現できる。
【0033】
さらに、この実施形態においては、上段プレート4と、下段プレート5間に生ずる水平方向の相対変位のエネルギーを吸収させる手段として揺動ダンパ15を組みつけている。すなわち、上段プレート4にはブラケット13を立ち下げ、下段プレート5には、ステー14を立ち上げ、ステー14に支持させた揺動ダンパ15をブラケット13に圧接させる。揺動ダンパ15は、図1(b)に示すようにX−Y平面の2箇所に設ける。
【0034】
揺動ダンパ15は、棒状の粘弾性体である。揺動ダンパ15をブラケット13と、ステー14とに跨って保持させ、上段プレート4と、下段プレート5間に水平姿勢に介在させることによって、機器の動作の反力を受けてテーブル7が水平面(X−Y平面)でX方向あるいはY方向に大きく揺れた場合に、揺動ダンパ15の粘性性質によってテーブル7に抵抗を与える。これによって、テーブル7の揺れのエネルギーが吸収され、テーブル7の揺れを速やかに停止させることができる。
【0035】
【発明の効果】
以上のように本発明は、空気ばねのベローズによって形成される空気室内に柱状の粘弾性体を設置し、空気室の圧縮時、膨張時に粘弾性体による抵抗を付与してレベル変動時の減衰特性を得るものであり、粘弾性体は、ベローズ内に収納されるため、従来の空気ばねのように減衰機構として補助タンクや、オイルダンパを付設するための設置スペースや、その制御機構は全く不要であり、流体の制御系にも厄介な調整は不要である。
【0036】
また、本発明によるときには、粘弾性体と、コイルばねとの組合せを除振マウントとしてベローズ内に並列に設置することにより、圧縮変形したベローズの復元力を補完し、同時に空気ばねを一定形態に保形することができ、併せて共振倍率を大幅に低下させて減衰性能を改善することができる。さらに、揺動ダンパを用いて上板と下板間に生ずる水平方向の相対変位にもとづく振動・振幅を減衰させることにより、レベル調整具としての空気ばねの性能をより向上できる効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)は、本発明による空気ばねの1実施形態を示す断面側面、(b)は同一部断面平面図である。
【図2】本発明の基本的構成を示す図である。
【図3】(a)は、除振マウントの基本的構成を示す図、(b)は、コイルばね及び除振マウントの減衰特性を示す図である。
【図4】空気ばねに作用する荷重の様子を示す図である。
【図5】空気の粘性抵抗を利用した減衰特性を示す図である。
【符号の説明】
1 空気ばね
2 ベローズ
3 粘弾性体
4 上段プレート
5 下段プレート
6 除振マウント
7 テーブル
8 送気管
9 メカニカルバルブ
10 スイッチ
11 ドレン
12 コイルばね
13 ブラケット
14 ステー
15 揺動ダンパ
16 機器
Claims (2)
- 2段又は3段のゴムベローズとコイルばねと粘弾性体との組み合わせを有し、テーブル上を重量物が位置移動することによって生じるテーブルのレベル変動の復帰特性を改善するレベル調整具であって、
ゴムベローズとコイルばねと粘弾性体とは、上段プレートと下段プレートとの間に並列に配置され、テーブルの支持構造として組み込まれたものであり、
テーブルは上段プレート上に乗せられ、下段プレートは床上に設置されたものであり、
前記2段又は3段のゴムベローズは、テーブル上を位置移動する構成物の荷重を受けて膨張・収縮するものであり、
前記コイルばねは、位置移動する構成物を除いた機器類の重量と釣り合いを保って、前記ゴムベローズとともに上段プレート機器類の総重量を支持してベローズの復元力を補完し、保形するものであり、
前記粘弾性体は、柱状をなし、前記ゴムベローズに加えられる水平・鉛直両方向の微振動・振幅を減衰させてその減衰性能を改善するものであり、
コイルばねと、粘弾性体との組み合わせは、前記ゴムベローズのレベル変動の復帰特性を改善するものであることを特徴とするレベル調整具。 - 揺動ダンパを有し、前記揺動ダンパは、棒状の粘弾性体であり、上段プレートと下段プレート間に生ずる水平方向の相対変位によるエネルギーを吸収させるものであることを特徴とする請求項1に記載のレベル調整具。
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