JP2005003088A - 気体ばね式除振装置 - Google Patents

Abstract

【課題】空気ばね式アイソレータ３（除振装置）のピストンにジンバル機構を組み込んで、上下及び水平の両方向について優れた除振性能を得られるようにするとともに、アウトガスの問題を解消して超高真空下での使用を可能とし、且つ十分な耐久信頼性を確保する。
【課題手段】ジンバルピストンの本体部１５を保持する可撓性部材として、複数の環状薄板を重ね合わせてなる金属製溶接ベローズ１４を採用する。被支持体の荷重を受けるサポートロッド１８の上端部に上凸の球面状荷重受け面１８ｂを設ける。該荷重受け面１８ｂの曲率半径Ｒをサポートロッド１８の長さＬに対して ２×Ｌ＞Ｒ＞Ｌ の関係式を満たすように設定する。
【選択図】 図２

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、例えば半導体製造装置や精密計測装置等を床振動から略絶縁した状態で設置するために、それらの荷重を気体ばねを介して支持するようにした除振装置に関し、特に、超高真空下での使用に適するものに係る。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、この種の除振装置として、例えば特許文献１に開示されるように、ダイヤフラム形の空気ばねを使用した除振装置のピストンにジンバル機構を組み込んで、被支持体と床との間の水平方向変位をピストンの揺動運動に変換することにより、水平方向のばね特性を非常に柔らかくできるようにしたものが知られている。このような除振装置では、図８に概略構成を示すように、空気ばねのピストンａを円盤状のロードディスクｂとその下方に位置する円筒状のピストン本体部ｃとに分割し、このピストン本体部ｃの外周をゴムのダイヤフラムｄ（可撓性部材）により保持している。また、そのピストン本体部ｃの下端部から下方に延出するように有底筒状の延出部ｃ１を設けるとともに、前記ロードディスクｂから下方に垂下するようにサポートロッドｅ（支持柱部）を設けて、このサポートロッドｅの下端部を前記下方延出部ｃ１の底部において枢支するようにしている。
【０００３】
この構造により、前記の除振装置では空気ばね本来の性質として、上下方向のばね特性が非常に柔らかなものとなり、上下方向振動の固有振動数（系に固有の共振周波数）が極めて低くなって、広い周波数領域に亘り優れた除振効果が得られるようになる（図６（ｂ）参照）。
【０００４】
また、水平方向の振動入力によってロードディスクｂに対し床が水平変位するときには、ピストン本体部ｃを保持するダイヤフラムｄが該ピストン本体部ｃを挟んでそれぞれうねるように逆相に撓むことで、同図に矢印で示すようにピストン本体部ｃが傾いて揺動し、これにより振動が吸収されることになる。
【０００５】
その際、前記ピストン本体部ｃの傾斜に伴い幾何学的にサポートロッドｅの支持点が上昇して、被支持体の重心位置が高くなることで、元の位置に戻ろうとする復元力が生じ、これが水平方向のばね力となる。このばね力（復元力）は、主にサポートロッドｅの長さ等の幾何学的な要素と被支持体の重量とによって決定され、例えばサポートロッドｅを長くすれば、ばね定数は小さくなる。従って、ジンバルピストンによれば水平方向のばね特性も上下方向と同様に柔らかなものとして、広い周波数領域に亘って優れた除振効果を得ることが可能となる（図７（ｂ）参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特公昭６２−７４０９号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、前記従来例のようにジンバルピストンを使用した除振装置では、ピストン本体部ｃを保持するためにゴムのダイヤフラムｄを用いており、これを超高真空下で使用する場合には、ゴムの表面から水分や有機物質等が放出されるため、超高真空を維持できなくなるというアウトガスの問題がある。
【０００８】
この点について、精密機械装置等の真空部のシール材としては金属製ベローズが公知であり、その中でも特に柔軟で伸縮量の大きい溶接型のものであれば、ゴムのダイヤフラムに代用してアウトガスの問題を解消できると考えられる。すなわち、溶接ベローズは、金属製の環状薄板を複数枚、重ね合わせて外周又は内周で交互に溶接したものであり（図３の符号１４を参照）、軸方向についてゴムのダイヤフラムと同等の柔らかなばね特性を有するとともに、大きな屈曲性を有することから、前記従来例の除振装置においてダイヤフラムｄと同様にピストン本体部ｃの揺動を許容して、水平方向について柔らかなばね特性を実現できるものと思われる。
【０００９】
しかしながら、前記溶接ベローズは金属板により構成されており、それ自体はゴムのように大きな柔軟性を有するものではないから、前記のようにジンバルピストンのダイヤフラムの代わりに溶接ベローズを用いた場合には、耐久信頼性が損なわれる虞れがある。すなわち、溶接ベローズによって保持されたピストンに対して水平方向の力が加わるときには、該溶接ベローズに軸と直交する方向の力が作用することになるが、溶接ベローズは軸に直交する方向には可撓性を有しないので、その力が大きいときには溶接ベローズを構成する個々の金属板やそれらの溶接箇所において微視的な塑性変形やクラックの発生が避けられず、比較的早期に疲労破壊に至るものと考えられる。
【００１０】
本発明は斯かる諸点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、気体ばね式除振装置においてジンバルピストンの採用により上下方向のみならず水平方向についても極めて柔らかいばね特性を実現するとともに、アウトガスの問題を解消して超高真空下での使用を可能としながら、十分な耐久信頼性を確保することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、本発明では、従来例の如くジンバルピストンを介して気体ばねにより被支持体の荷重を支持するようにした除振装置において、ピストンの本体部を保持する可撓性部材として金属製溶接ベローズを採用するとともに、被支持体の荷重を受けるピストン支持柱部の上端に球面状の荷重受け面を設けて、溶接ベローズに作用する軸直交方向の力ができるだけ小さくなるようにした。
【００１２】
具体的に、請求項１の発明では、被支持体の荷重を支持するピストンを基台ケース上面の開口部近傍に配置し、該ピストンと開口部との間を環状の可撓性部材により閉塞して基台ケースの内部に気体室を画成するとともに、当該可撓性部材によりピストンを少なくとも上下動可能に保持して、前記被支持体を弾性的に支持する気体ばねを構成した気体ばね式の除振装置を前提とする。
【００１３】
斯かる前提構成において、前記ピストンを、前記可撓性部材により保持されるとともに、上下方向の貫通孔を有するピストン本体部と、該ピストン本体部の下部から下方に延出するように設けられていて、前記貫通孔の下方に連通する中空部を有する有底筒状の下方延出部と、この下方延出部の中空部内を上下方向に延びるように配置され、下端部が該下方延出部の底部に枢支される一方、上端部が前記ピストン本体部の上方に位置して前記被支持体の荷重を受けるように設けられた支持柱部と、を備えるものとする。そして、前記ピストンの支持柱部の上端に球面状の荷重受け面を設けるとともに、前記可撓性部材として、環状の金属製薄板を複数枚、重ね合わせてその外周側又は内周側を交互に溶接してなる金属製溶接ベローズを用いるものとする。
【００１４】
前記の構成により、本発明に係る気体ばね式除振装置では、まず、従来例のもの（図８参照）と同様に被支持体が気体ばねにより上下方向に支持されていることから、上下方向の振動入力に対して広い周波数領域に亘る優れた除振効果を得ることができる。また、前記気体ばねに組み込まれたジンバルピストンでは該ピストンの本体部を金属製溶接ベローズにより保持しているので、ゴムのダイヤフラムようなアウトガスの問題がなくなって、超高真空下での使用が可能となる。
【００１５】
さらに、水平方向の振動入力に対しては、ジンバルピストンの支持柱部がその下端部を中心に揺動することで、該支持柱部により支持されている被支持体が水平方向に変位し、これにより振動の吸収がなされる。この際、該被支持体は支持柱部上端に設けられた球面状の荷重受け面上を転動することになるので、該支持柱部を介してピストン本体部及びそれを保持する溶接ベローズに対し水平方向（軸に直交する方向）に大きな力が作用することはなく、従って、耐久信頼性の低下が防止できる。
【００１６】
請求項２の発明は、前記請求項１の発明において、ピストン支持柱部上端の荷重受け面の曲率半径Ｒを、該支持柱部の長さＬに対して ２×Ｌ＞Ｒ＞Ｌ という関係式を満たすように設定する。
【００１７】
このようにピストン支持柱部の長さＬと荷重受け面の曲率半径Ｒとの関係を適切に設定することで、ジンバルピストンにおける水平方向の復元力、即ち、溶接ベローズに作用する軸直交方向の力を狙い通りに小さくして、請求項１の発明の作用効果を十分に得ることができる。
【００１８】
詳しくは、ピストン支持柱部の上端に球面状の荷重受け面を設けた場合、この荷重受け面の曲率半径Ｒが支持柱部の長さＬよりも大きければ、該支持柱部が揺動して傾いたときに被支持体の位置が高くなって、幾何学的に復元力が発生することになる。この復元力の大きさは前記曲率半径Ｒが大きいほど大きくなり、仮想的にＲが無限大になれば従来例のもの（特許文献１）と同様となる。一方、曲率半径Ｒが小さいほど復元力も小さくなり、Ｒ＝Ｌになれば、該支持柱部が傾いても被支持体の高さは変化せず、復元力は零になる。
【００１９】
そして、前記水平方向の復元力はピストン本体部を保持する溶接ベローズに対してその軸に直交する方向に作用することになるから、ジンバルピストンを備えた気体ばねにおいて水平方向の復元力を得られるようにしながら、その力に因る耐久信頼性への悪影響をできるだけ小さくするために、前記の関係式を満たすように荷重受け面の曲率半径Ｒを設定したものである。
【００２０】
より詳しくは、前記支持柱部の荷重受け面の曲率半径Ｒが該支持柱部の長さＬよりも大きい場合（Ｒ＞Ｌ）、前記の如く、その支持柱部からピストン本体部に対して水平方向の力が作用することになるので、厳密には支持柱部が傾斜するだけでなく、溶接ベローズの屈曲によりピストン本体部も揺動することになる。この際、水平方向の力の一部が支持柱部の傾斜によってキャンセルされ、残りが溶接ベローズに対して軸に直交する方向の力として作用するのだが、その力の配分は、前記Ｒ，Ｌの比率によって変化する。すなわち、Ｒ＝２×Ｌのときには両者が略同じになり、Ｒ＞２×Ｌのときには溶接ベローズに作用する力が相対的に大きくなり、一方、Ｒ＜２×Ｌのときには溶接ベローズに作用する力が相対的に小さくなる。このことを考慮して、前記請求項２の発明では荷重受け面の曲率半径Ｒを前記関係式を満たすように設定したものである。
【００２１】
さらに、請求項３の発明では、前記請求項２の発明における基台ケースに、ピストンを介さずに、被支持体に対して水平方向の復元力を付与する復元力付与手段を設けるものとする。このことで、基台ケースに設けた復元力付与手段によって、溶接ベローズに対し軸直交方向の力を加えることなく、被支持体に対し所要の水平方向復元力を付与することができるようになり、これにより、水平方向の位置決め精度を向上できる。
【００２２】
尚、前記復元力付与手段としては、超高真空下でも使用可能で且つ被支持体への振動伝達が極めて少ないアクチュエータを用いる必要があり、例えばリニアモータ等の非接触式アクチュエータが好ましい。或いは、復元力付与手段として気体ばねを用いることもできるが、この場合には、上下方向の気体ばねと同様の構成とすることが好ましい。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基いて説明する。
【００２４】
図１は、本発明に係る気体ばね式除振装置の使用態様を模式的に示し、詳細は示さないが、超高真空下で例えば半導体検査装置や電子顕微鏡、光学式計測装置等の精密機器１を定盤２上に搭載し、これを床振動から殆ど絶縁した状態とするべく、３つの空気ばね式アイソレータ３，３，３（気体ばね式除振装置）によって支持したものである。ここで、各アイソレータ３においては前記定盤２とその上に搭載される機器１（搭載機器）が被支持体になるが、該各アイソレータ３に加わる被支持体の分担荷重は静止状態でもそれぞれ若干、異なっており、さらに被支持体の水平方向変位に伴い、変化する。
【００２５】
前記定盤２は、平面視で長方形状をなす厚肉の板材からなり、その長手方向Ｘ（図の左右方向であり、以下単に左右方向ともいう）の一端側（左側）には、幅方向Ｙ（同図（ａ）の上下方向で且つ図（ｂ）の前後方向であり、以下単に前後方向ともいう）の略中央部にアイソレータ３が１つ配置されており、また、長手方向について反対側の他端側（右側）には前後方向Ｙの両端部にそれぞれ１つずつアイソレータ３，３が配置されている。
【００２６】
そのように支持された定盤２は、左右方向Ｘ、前後方向Ｙ及び上下方向Ｚの３軸に沿った並進運動の他に、該各軸周りの揺動運動が可能で、合計６つの運動自由度を有しており、この定盤２を支持する各アイソレータ３にはそれぞれ前記並進運動と揺動運動とが重畳されて作用することになる。これに対し、各アイソレータ３の動きは実質的に前記Ｘ、Ｙ、Ｚの３軸に沿った並進運動のみと見做すことができる。
【００２７】
前記アイソレータ３は、図２に詳しい構造を示すように、上下方向Ｚの空気ばねとして、従来例（特許文献１）のものと基本的な構造が同じジンバルピストンを備え、上下方向Ｚ及び水平方向（前後方向Ｙ及び左右方向Ｘ）の両方について基本的に非常に柔らかなばね特性を有するものである。すなわち、アイソレータ３は、ベース部１０の上面に配設されたインナケーシング１１（基台ケース）と、このインナケーシング１１に対して空気ばねを介して取り付けられたアウタケーシング２０とからなる。このアウターケーシング２０は、略正方形状の天板２１と、その外周縁にそれぞれ上縁を結合された４枚の側板２２，２２，…とからなり、該各側板２２，２２，…の下縁はベース部１０の上面近傍に位置している。
【００２８】
前記インナケーシング１１は、前記アウターケーシング２０に上方からすっぽり覆われていて、略中央部を上下方向に貫通する断面円形の縦穴１２が設けられており、該縦穴１２の下端が前記ベース部１０の上面により閉塞される一方、縦穴１２の上端はインナケーシング１１の上面に開口している。その開口の周縁には縦穴１２の半径を拡大した拡径部１２ａが設けられている。また、縦穴１２の上下方向の中間部には、該縦穴１２の周壁から内方に向かって突出する環状の内方突出部１２ｂが設けられており、これは後述の如くピストンウェル１６のキャップ１７と係合して、ジンバルピストンの上方への移動を規制するストッパの機能を有する。
【００２９】
図３にも示すように、前記インナケーシング１１の上面には、縦穴１２の拡径部１２ａよりも外周側の部分に重なるようにして環状のフランジ板１３が配設され、このフランジ板１３を介して略円筒状の金属製溶接ベローズ１４が配設されている。該フランジ部１３は溶接ベローズ１４の下部に溶接により固定されるとともに、周方向に間隔を空けて配置された複数のボルト（図示せず）によりインナケーシング１１の上壁に締結されている。一方、溶接ベローズ１４の上部には円盤状のピストン本体部１５が配設されて上下動及び揺動可能に保持されている。つまり、前記ピストン本体部１５はインナケーシング１１上面の縦穴１２の開口部近傍に配置され、ピストン本体部１５及び縦穴１２開口部の間が溶接ベローズ１４により気密に閉塞されて、該縦穴１２の内部に空気室Ａが形成されている。そして、前記ピストン本体部１５の下面が空気室Ａに臨んでその空気圧を受けることで、主に上下方向の荷重を支持する空気ばねが構成されている。
【００３０】
前記溶接ベローズ１４は、図３に一部を切り欠いて示すように、金属製薄板材を打ち抜いて成形した円環状のコア１４ａ、１４ａ、…を複数枚、重ね合わせ、上下に隣接するものの外周部又は内周部のいずれか一方を交互に溶接したものである。この構造により、全てのベローズコア１４ａ、１４ａ、…同士が密着しているときには、溶接ベローズ１４の軸（軸線ｚ）方向の長さはかなり短くなり、一方、該溶接ベローズ１４の伸長時には複数のコア１４ａがそれぞれ撓むことで、個々の撓み量が小さくても全体としての伸長量は大きくなるから、溶接ベローズ１４は、その軸方向についてはゴムのダイヤフラムと同様に非常に柔らかなばね特性を有するものとなる。
【００３１】
また、溶接ベローズ１４は、軸線ｚを挟むいずれか一側の伸長量を他側に比べてかなり大きくすることもできるので、大きな屈曲性を有し、ゴムのダイヤフラムと同様にピストン本体部１５の揺動を許容するものであるが、その軸と直交する方向については非常に硬く、殆ど変位しない。さらに、溶接ベローズ１４は、各コア１４ａの表面を精密に研磨し且つ洗浄することにより異物の放出が殆ど完全になくなり、超高真空下で使用してもゴムダイヤフラムのようなアウトガスの問題は生じないものである。
【００３２】
前記ピストン本体部１５の略中央部には、軸線ｚに沿って上下方向に伸びる貫通孔１５ａが形成されるとともに、この貫通孔１５ａに対応してピストン本体部１５の下部から下方に延出するように筒状のピストンウェル１６（下方延出部）が配設されている。詳しくは、ピストンウエル１６の上端部には縮径部が設けられていて、これがピストン本体部１５の貫通孔１５ａに圧入されており、このことで該ピストンウエル１６の中空部１６ａはピストン本体部１５の貫通孔１５ａの下方に連通している。一方、ピストンウエル１６の下端部にはキャップ１７が取り付けられて、中空部１６ａの下端を閉止している。このキャップ１７の外周側はピストンウエル１６よりも大きく外側に張り出していて、インナーケーシング１１の縦穴１２の内方突出部１２ｂと係合することによって、上方への移動が規制されるようになっている。
【００３３】
また、前記キャップ１７の上面内周側、即ち、中空部１６ａを望むピストンウエル１６の底部には、アウターケーシング２０の天板２１を支持するためのサポートロッド１８（支持柱部）の下端部が枢支されている。すなわち、サポートロッド１８は、ピストンウエル１６の中空部内を軸線ｚに沿って上下方向に伸びるように配置され、その下端部に設けられた球状部１８ａが前記ピストンウェル１６の底部（キャップ１７の上面）に転動自在に当接している。また、該サポートロッド１８の下端側には、その軸心を軸線ｚ上に維持するための弾性リング部材１９が外挿されている。
【００３４】
一方、前記サポートロッド１８の上端部は前記ピストン本体部１５の上面よりも上方に突出していて、そこには、アウターケーシング２０の天板２１の下面に転動自在に当接し、該天板２１を介して搭載機器１及び定盤２、即ち被支持体の荷重を受けるように上凸の球面状荷重受け面１８ｂが設けられている。尚、図示の如く、この実施形態では、サポートロッド１８の上端部がそれ以外の部位よりも大径とされ、この大径の部分の上面全体が荷重受け面１８ｂとされているが、これに限るものではない。
【００３５】
つまり、前記天板２１は、サポートロッド１８を介してピストンウエル１６の底部に枢支されて、ピストン本体部１５に対し水平方向の任意の軸の周りに揺動可能になっており、これにより、該天板２１上に載置された被支持体と床面との間の水平方向の変位（振動）を吸収することができる。より具体的には、図４に示すように、例えば床振動によってインナケーシング１１がアウタケーシング２０に対し図の右側に変位すると、サポートロッド１８がその下端の球状部１８ａを中心に図の左側へ傾き、これとともに、該サポートロッド１８上端の荷重受け面１８ｂ上をアウターケーシング２０の天板２１が転動することになる。このときにはピストン本体部１５や溶接ベローズ１４に対して水平方向に大きな力が作用することはなく、それらはあまり動かない。
【００３６】
そして、前記サポートロッド１８の傾斜に伴い、被支持体に作用する重力によって水平方向の復元力が発生し、これによりサポートロッド１８は元の直立状態に戻ろうとする。詳しくは、この実施形態では、荷重受け面１８ｂの曲率半径Ｒがサポートロッド１８の長さＬよりも大きく設定されているので、図５に誇張して示すように、サポートロッド１８が図に破線で示す直立状態からその下端部の支持点Ｓを中心に左側に傾いて、実線で示す傾斜状態になると、該サポートロッド１８上端の荷重受け面１８ｂと天板２１との接触点Ｔが図の右側にずれるとともに、天板２１の高さが上昇し、これにより復元力が発生するのである。
【００３７】
その復元力の大きさは、前記荷重受け面１８ｂの曲率半径Ｒが大きいときほど大きくなり、仮想的にＲが無限大になれば、ピストン本体部１５やそれを保持する可撓性部材（溶接ベローズ１４）には、従来例のもの（特許文献１）と同様にかなり大きな水平方向の力が作用することになる。そして、従来例のゴムダイヤフラムと異なり金属製溶接ベローズ１４は軸直交方向である水平方向について可撓性を有しないので、水平方向に大きな力が作用すると、耐久信頼性の損なわれる虞れがある。
【００３８】
すなわち、溶接ベローズ１４のコア１４ａ，１４ａ，…は金属製薄板からなるもので、それ自体はゴムのように大きな柔軟性を有するものではないから、溶接ベローズ１４に対し軸に直交する方向に大きな力が作用すると、個々のベローズコア１４ａ，１４ａ，…やそれらの溶接箇所において微視的な塑性変形やクラックが発生して、比較的早期に疲労破壊に至るものと考えられるのである。
【００３９】
これに対し、前記加重受け面１８ｂの曲率半径Ｒが小さくなれば、ジンバルピストンにおける水平方向の復元力も小さくなり、Ｒ＝Ｌのときにはサポートロッド１８が傾いても被支持体の高さは変化しないから、復元力は零になる。また、Ｒ＞Ｌの範囲であれば、厳密には、サポートロッド１８の傾斜に伴い溶接ベローズ１４が屈曲してピストン本体部１５も揺動することになるが、この際、水平方向の振動の一部はサポートロッド１８の傾斜と天板２１の転動とによってキャンセルされ、残りがピストン本体部１５の揺動によって吸収される。
【００４０】
言い換えると、Ｒ＞Ｌのときには、水平方向の振動によって生じる力の一部は前記サポートロッド１８の傾斜によってキャンセルされ、残りが溶接ベローズ１４に対して軸直交方向の力として作用することになる。そして、この力の配分は、前記Ｒ，Ｌの比率によって変化し、Ｒ＝２×Ｌのときには両者が略同じになり、Ｒ＞２×Ｌのときには溶接ベローズ１４に作用する力が相対的に大きくなり、一方、Ｒ＜２×Ｌのときには溶接ベローズ１４に作用する力が相対的に小さくなる。
【００４１】
そこで、この実施形態では、ジンバルピストンにおいて機構的にある程度の復元力が得られるようにしながら、その力に因って溶接ベローズ１４の寿命が低下することは回避できるように、サポートロッド１８上端の荷重受け面１８ｂの曲率半径Ｒを、以下の関係式を満たすように設定している。これにより、ピストン本体部１５を保持する溶接ベローズ１４に対して軸直交方向に大きな力が作用することはなくなり、十分な耐久信頼性が確保される。
【００４２】
２×Ｌ＞Ｒ＞Ｌ ・・・・・・（式１）
さらに、その結果として水平方向の復元力が小さくなることに対して、この実施形態では、図２、４に仮想線で示すように、各アイソレータ３のインナケーシング１１とアウタケーシング２０の側板２２，２２との間に互いに対向するように一対のアクチュエータ２３，２３（復元力付与手段）を配設して、インナケーシング１１からピストン本体部１５や溶接ベローズ１４を介さずに、被支持体に対して水平方向の力を付与できるようにしている。これにより、上述したジンバルピストンにおける機構的な復元力が小さくても、被支持体の床面に対する水平方向の位置決め精度を向上できる。
【００４３】
尚、前記のアクチュエータとしては、超高真空下でも使用可能で且つ被支持体への振動伝達が極めて少ないものを用いる必要があり、例えば、上下方向の空気ばねと同様の構成を有する気体ばね式のアクチュエータを用いることができる。また、前記アクチュエータとして例えばリニアモータを用いてもよい。
【００４４】
したがって、この実施形態に係るアイソレータ３，３，…（気体ばね式除振装置）によれば、まず、上下方向の空気ばねのピストンにジンバル機構を組み込んだことにより、水平方向についても上下方向と同様に広い周波数領域に亘って優れた除振効果を得ることができる。具体的には、図１に示すように定盤２及び搭載機器１を３つのアイソレータ３，３，３により支持して、そのうちのいずれか１つのアイソレータ３における上下方向Ｚ及び左右方向Ｘの振動伝達率を計測したところ、図６及び図７に示すような結果が得られた。
【００４５】
前記両図において（ａ）はこの実施形態にかかるアイソレータ３のものであり、（ｂ）は従来例のようにゴムダイヤフラムを採用したアイソレータのものである。そして、図６（ａ）に示すように、本願発明に係るアイソレータ３では、上下方向Ｚについて３．５５Ｈｚという低い周波数に共振ピークが現れており、同図（ｂ）に示す従来までのものと同様に、広い周波数領域に亘って優れた除振性能を得られることが分かった。尚、本願発明のものの方が共振ピークの山がやや高くなっているが、これは、ゴムのダイヤフラムを採用した場合、その変形に対してゴムの内部損失による減衰が得られるのに対して、溶接ベローズの場合はそのような減衰が得られないことによる。
【００４６】
また、図７に示す左右方向Ｘについても、前記上下方向と同様に本願発明に係るアイソレータ３によれば従来までのものと同様の優れた除振性能が得られている。なお、同図（ａ）（ｂ）においてはいずれも０．８〜０．８５Ｈｚの共振ピークの他に３〜４Ｈｚにもピークの低い共振点が現れているが、これは定盤２のローリング運動によるものである。
【００４７】
次に、この実施形態のアイソレータ３では、本願発明の特徴として、ジンバルピストンの本体部１５を保持する可撓性部材として金属製の溶接ベローズ１４を採用したことで、アウトガスの問題を解消して超高真空下での使用を可能とすることができる。
【００４８】
そして、そのように溶接ベローズ１４を使用する場合に懸念される耐久信頼性の問題については、ジンバルピストンにおいて被支持体の荷重を受けるサポートロッド１８上端に球面状の荷重受け面１８ｂを設けるとともに、その曲率半径Ｒを比較的小さめの所定範囲内（式１）に設定することで、溶接ベローズ１４に対し軸直交方向に作用する力を極力、小さく抑えるようにしており、このことで、繰り返し荷重によって溶接ベローズ１４に生じるダメージを極小化して、その寿命の低下を防ぐことができる。
【００４９】
尚、前記の実施形態において、空気ばねは例えば窒素ガス等を充填した気体ばねとしてもよい。
【００５０】
また、図１に示す定盤２やアイソレータ３，３，…の配置は、単に使用態様の一例を示すだけのものであり、定盤２の形状や、それに対するアイソレータ３，３，…の配置が同図のものに限定されないことは勿論、アイソレータ３，３，…の個数も４個以上としてもよい。
【００５１】
【発明の効果】
以上、説明したように、本願の請求項１の発明に係る気体ばね式除振装置によると、空気ばねのピストンにジンバル機構を組み込んで、上下方向だけでなく水平方向についても広い周波数領域に亘って優れた除振性能を得られるようにする場合に、ピストン本体部を保持する可撓性部材として金属製溶接ベローズを採用することで、アウトガスの問題をなくして超高真空下での使用を可能とすることができる。
【００５２】
また、被支持体の荷重を受けるピストン支持柱部の上端に球面状の荷重受け面を設けて、この支持柱部が下端部を中心に揺動するときに、被支持体が荷重受け面上をスムーズに転動するようにしたことで、溶接ベローズに対し軸直交方向に大きな力が作用することがなくなり、耐久信頼性を確保することができる。
【００５３】
請求項２の発明によると、ピストン支持柱部上端の荷重受け面の曲率半径Ｒを、 ２×Ｌ＞Ｒ＞Ｌ という関係式を満たすように設定することで、溶接ベローズに作用する軸直交方向の力を狙い通りに小さなものとして、請求項１の発明の効果を十分に得ることができる。
【００５４】
請求項３の発明によると、溶接ベローズに対し軸直交方向の力を加えることなく、被支持体に水平方向の復元力を付与して、位置決め精度を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るアイソレータ（気体ばね式除振装置）の使用態様を示す模式図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は正面図である。
【図２】アイソレータの構造を示す縦断面図である。
【図３】インナケーシングに対する溶接ベローズやピストンの組み付け構造を概略的に示す分解斜視図である。
【図４】アウタケーシングが水平方向に変位した状態での図２相当である。
【図５】サポートロッドの傾斜による被支持体の高さの変化を示す説明図である。
【図６】実施形態のアイソレータによる上下方向の除振性能の一例を、ゴムダイヤフラムを用いた従来までのものと対比して示すグラフ図である。
【図７】アイソレータの水平方向除振性能についての図６相当図である。
【図８】ジンバルピストンを有する従来までのアイソレータの模式図である。
【符号の説明】
１ 搭載機器（被支持体）
２ 定盤（被支持体）
３ アイソレータ（除振装置）
１０ ベースプレート（基台ケース）
１１ インナケーシング（基台ケース）
１２ 縦穴
１４ 金属製溶接ベローズ
１５ ピストン本体部
１６ ピストンウエル（下方延出部）
１６ｂ 中空部
１８ サポートロッド（支持柱部）
２０ アウターケーシング
２３ アクチュエータ（復元力付与手段）
Ａ 空気室
ｚ 上下方向軸線

Claims (3)

1. 被支持体の荷重を支持するピストンを基台ケース上面の開口部近傍に配置し、該ピストンと開口部との間を環状の可撓性部材により閉塞して基台ケースの内部に気体室を画成するとともに、当該可撓性部材によりピストンを少なくとも上下動可能に保持して、前記被支持体を弾性的に支持する気体ばねを構成した気体ばね式の除振装置において、
   前記ピストンは、
   前記可撓性部材により保持されるとともに、上下方向の貫通孔を有するピストン本体部と、
   前記ピストン本体部の下部から下方に延出するように設けられていて、前記貫通孔の下方に連通する中空部を有する有底筒状の下方延出部と、
   前記下方延出部の中空部内を上下方向に延びるように配置され、下端部が該下方延出部の底部に枢支される一方、上端部が前記ピストン本体部の上方に位置して前記被支持体の荷重を受けるように設けられた支持柱部と、
   を備え、
   前記ピストンの支持柱部の上端に球面状の荷重受け面が設けられ、
   前記可撓性部材が、環状の金属製薄板を複数枚、重ね合わせてその外周側又は内周側を交互に溶接してなる金属製溶接ベローズである
   ことを特徴とする気体ばね式除振装置。
2. 請求項１において、
   ピストン支持柱部上端の荷重受け面の曲率半径Ｒが、該支持柱部の長さＬに対して ２×Ｌ＞Ｒ＞Ｌ の関係式を満たすように設定されていることを特徴とする気体ばね式除振装置。
3. 請求項２において、
   基台ケースには、ピストンを介さずに、被支持体に対して水平方向の復元力を付与する復元力付与手段が設けられていることを特徴とする気体ばね式除振装置。

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