JP2019199880A - ベローズ式ダンパ - Google Patents

Abstract

【課題】振動減衰の対象部材との連結を簡単な構成で行うことができるベローズ式ダンパを提供する。【解決手段】内部空洞に流体が満たされ、軸方向に伸縮自在な第一のベローズと、第二のベローズと、第一のベローズの軸方向一端側に設けられ、第一のベローズの内部空洞の軸方向一端側の開口を閉じる第一のエンドプレートとオリフィスを有し、第一のベローズの軸方向他端側と第二のベローズの軸方向一端側との間に設けられ、第一のベローズと第二のベローズとを同軸で連結する中間プレートと、第二のベローズの軸方向他端側に設けられ、第二のベローズの内部空洞の軸方向他端側の開口を閉じる第二のエンドプレートとを備え、第一のベローズの内部空洞は、オリフィスにより第二のベローズの内部空洞と連通し、第一のベローズ及び第二のベローズの内部空洞は密閉され、第一のベローズの有効断面積は、第二のベローズの有効断面積と異なることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、振動を減衰するベローズ式ダンパに関する。

精密測定機器や半導体製造装置などにおいては、可動体に対して１μｍ未満の精密位置決めが要求される。このような精密測定機器や半導体製造装置などでは、装置内に構成される精密位置決め機構における摩擦や振動を排除することが重要である。

特に、精密位置決め機構における摩擦の影響は非線形な特性を有し、ロストモーションの原因となり位置決めを困難にする。そのため、精密位置決め機構では、駆動機構には転がり要素からなるボールねじや非接触なリニアモータが用いられ、案内機構には非接触な静圧案内が用いられる。しかし、一方でこれらの機構要素を導入することで、外部からの振動外乱や、内部からの微小振動に脆弱になり、位置決め精度が阻害されることがしばしば生じる。

従来、内外からの振動を減衰するための装置として粘性ダンパが知られている。この従来の粘性ダンパとしては、例えば、シリンダ内をピストンが移動可能な構成において、シリンダ内に粘性流体を充填し、ピストンの動きに応じて流動する粘性流体の流動抵抗を利用するものが知られている。このタイプの粘性ダンパでは、摺動部から粘性流体が漏れるのを防ぐためパッキンを用いており、摺動摩擦が生じ、ヒステリシスの原因となる。

また、別のタイプの粘性ダンパとしては、相対運動を行う平行平板のすきまを流動する粘性流体の粘性抵抗を利用するものが知られている。このタイプの粘性ダンパでは、粘性流体が、外気を初めとする他の流体と抵触することを避けられず、粘性流体の変質や漏れに伴うメンテナンスが必要となる。

特許文献１に記載のベローズ式ダンパでは、有効断面積が同じ二つのベローズを、オリフィスを有するフランジ部材で連結した構造を開示している。二つのベローズのそれぞれは、フランジ部材で連結された側と反対側の端部に、端部材を有しており、二つのベローズの端部材どうしの間隔は支持軸によって固定されている。二つのベローズの内部は密閉されて作動オイルが満たされている。フランジ部材は、支持軸に案内されて、二つのベローズの端部材どうしの間で移動可能である。フランジ部材の移動にあたり、フランジ部材が端部材に近づく側のベローズ内の作動オイルは、フランジ部材のオリフィスを通過して、フランジ部材が端部材から遠ざかる側のベローズ内に移動する。

特許文献１に記載のベローズ式ダンパでは、作動オイルがオリフィスを通過する際の粘性抵抗により、フランジ部材に連結された振動減衰の対象部材に減衰能を与えることができる。このため、特許文献１に記載のベローズ式ダンパによれば、フランジ部材の移動に際して摺動摩擦が無く、また、作動オイルは、密閉されたベローズ内部に満たされているので外気等との接触が無く、変質や漏れを回避することができる。

特開２０１７−６７２７２号公報

しかし、特許文献１に記載のベローズ式ダンパでは、減衰能を与えることができる部位は、フランジ部材と端部材との間であることから、フランジ部材と振動減衰の対象部材とを連結しようとしたとき、フランジ部材の両側のベローズが邪魔になり、連結のための構成が複雑化してしまうという問題があった。
本発明は以上のような課題を解決するためになされたものであり、振動減衰の対象部材との連結を簡単な構成で行うことができるベローズ式ダンパを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、ベローズ式ダンパであって、内部空洞に流体が満たされ、軸方向に伸縮自在な第一のベローズと、内部空洞に流体が満たされ、軸方向に伸縮自在な第二のベローズと、前記第一のベローズの軸方向一端側に設けられ、前記第一のベローズの内部空洞の軸方向一端側の開口を閉じる第一のエンドプレートと、オリフィスを有し、前記第一のベローズの軸方向他端側と前記第二のベローズの軸方向一端側との間に設けられ、前記第一のベローズと前記第二のベローズとを同軸で連結する中間プレートと、前記第二のベローズの軸方向他端側に設けられ、前記第二のベローズの内部空洞の軸方向他端側の開口を閉じる第二のエンドプレートと、を備え、前記第一のベローズの内部空洞は、前記オリフィスによって前記第二のベローズの内部空洞と連通し、前記第一のベローズ及び前記第二のベローズの内部空洞は密閉され、前記第一のベローズの有効断面積は、前記第二のベローズの有効断面積と異なる、ことを特徴とする。
本発明によれば、振動減衰の対象部材との連結を簡単な構成で行うことができるベローズ式ダンパを提供することができる。
本発明によれば、内部空洞内の流体は、オリフィスを介して、第一のベローズ内と第二のベローズ内とを行き来することができ、その際に、第一のベローズの伸縮長さと第二のベローズの伸縮長さとが異なるので、第一のエンドプレートと第二のエンドプレートの間で振動を減衰することができ、使い勝手の良いベローズ式ダンパを提供することができる。
本発明によれば、第一のエンドプレートと第二のエンドプレートとの間隔の伸縮の際に摺動摩擦が無いため、ヒステリシスが無い線形な特性を得ることができる。
本発明によれば、第一のベローズ及び第二のベローズ内を密閉するので、内部空洞に満たされた流体は、外気等との接触が無く、変質や漏れを回避することができる。

また本発明は、前記第二のエンドプレートは、前記第二のベローズの内部空洞に連通する開口と該開口を塞ぐプラグとを有する、ことを特徴とする。
本発明によれば、第二のエンドプレートの開口から流体を充填した後に、開口をプラグで防ぐことにより、ベローズ式ダンパの内部空洞を密閉することができる。このことから、ベローズ式ダンパの内部空洞を容易に密閉することができ、内部空洞に満たされた流体は、外気等との接触が無く、変質や漏れを回避することができる。

また本発明は、前記第一のベローズ及び前記第二のベローズの内部空洞に満たされた流体は、非圧縮性流体である、ことを特徴とする。
本発明によれば、内部空洞が圧縮性流体で満たされている場合と比べて、振動による伸縮を小さくすることができ、振動をより減衰することができる。

また本発明は、前記第一のベローズ及び前記第二のベローズの内部空洞に満たされた流体は、粘性流体である、ことを特徴とする。
本発明によれば、粘性流体がオリフィスを通過する際の粘性抵抗によって、振動をより減衰することができる。

本発明によれば、振動減衰の対象部材との連結を簡単な構成で行うことができるベローズ式ダンパを提供することができる。
上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の実施例１に係るベローズ式ダンパを示す斜視図である。 図１に示したベローズ式ダンパの中心軸Ｊに沿った面における断面図である。 ベローズ式ダンパ１の動作を説明する断面図であって、（ａ）はベローズ式ダンパ１が基本状態に対して軸方向に圧縮力を受けて、長さが基本状態よりも圧縮された状態を示す図であり、（ｂ）はベローズ式ダンパ１が外力を受けていない基本状態を示す図であり、（ｃ）はベローズ式ダンパ１が引張力を受けて基本状態よりも伸長された状態を示す図である。 図１に示したベローズ式ダンパ１の適用例を説明する図であって、１軸直線運動ステージを示す断面図である。

以下、本発明に係るベローズ式ダンパについて、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の図面においては、各構成をわかり易くするために、実際の構造と各構造における縮尺、数等を異ならせる場合がある。

（ベローズ式ダンパ１の構造）
図１は、本発明の実施例１に係るベローズ式ダンパを示す斜視図である。図２は、図１に示したベローズ式ダンパの中心軸Ｊに沿った面における断面図である。ベローズ式ダンパ１は、軸方向に伸縮自在なベローズ１１及び１２を有する。ベローズ１１及び１２のそれぞれは、軸方向に沿って伸縮自在な蛇腹構造であって内部空洞を有する円筒形状である。

ベローズ１２の軸方向一端側（図２における上側）には、ベローズ１２の内部空洞の軸方向一端側の開口を閉じるエンドプレート１６が配置されている。ベローズ１２の軸方向他端側（図２における下側）には、ベローズ１２の内部空洞の軸方向他端側の開口を閉じる中間プレート１３が配置されている。また、ベローズ１１の軸方向一端側には、ベローズ１１の内部空洞の軸方向一端側の開口を閉じる中間プレート１３が配置されている。ベローズ１１の軸方向他端側には、ベローズ１１の内部空洞の軸方向他端側の開口を閉じるエンドプレート１５が配置されている。

ベローズ１１及び１２は、例えば厚さ０．２〜０．３ｍｍ程度の圧延金属を円環状にプレス成形した薄板部材を重ね合せて、その内外周を交互にＹＡＧレーザなどにより精密に全周を融合溶接して形成される。

ベローズ１１は、図２に示すように、複数の円環状の薄板部材１１１より構成され、各々の薄板部材１１１は円環の外径部１１１ａと円環の内径部１１１ｂとを有する。複数の薄板部材１１１は積層され、ｎを自然数としたとき、積層順が（２ｎ−１）番目と２ｎ番目の薄板部材の内径部とを全周に亘って溶接し、２ｎ番目と（２ｎ＋１）番目の薄板部材の外径部とを全周に亘って溶接する。これを繰り返すことにより、ベローズ１１が形成される。

ベローズ１２は、図２に示すように、複数の円環状の薄板部材１２１により構成され、各々の薄板部材１２１は円環の外径部１２１ａと円環の内径部１２１ｂとを有する。ベローズ１２の形成もベローズ１１と同様である。なお、ベローズ１１及び１２は、溶接成形するものに限られるものではなく、必要に応じて圧延性に優れた金属のパイプから一体成形されるものでもよい。

エンドプレート１６及び１５は、平板円板形状である。中間プレート１３は、平板円板形状であって、ベローズ１２の内部空洞とベローズ１１の内部空洞とを連通し、内部空洞内の流体１７が通過可能なオリフィス１４を有する。中間プレート１３は、ベローズ１２とベローズ１１とを同軸で連結する。ベローズ１２の有効断面積は、ベローズ１１の有効断面積と異なる。本実施例では、ベローズ１２の有効断面積は、ベローズ１１の有効断面積よりも小さい。

エンドプレート１５は、エンドプレート１５を軸方向に貫通するねじ穴１５ａを有する。ベローズ式ダンパ１の内部空洞に流体１７を充填する際には、このねじ穴１５ａを介して流体１７を注入する。ねじ穴１５ａは、ベローズ式ダンパ１の内部空洞に流体１７を充填した後に、プラグ１８がねじ止めされて封止される。このベローズ式ダンパ１の内部空洞への流体充填作業は、ベローズ式ダンパ１に外力が加わらない状態、すなわちベローズ１１及び１２が、ばねとしての自由長を保持した状態である基本状態で行う。

ベローズ式ダンパ１の内部空洞に充填する流体１７は、気体、液体を問わないが、本実施例では、非圧縮性流体であるオイルなどの粘性流体を用いる。ベローズ式ダンパ１の内部空洞が非圧縮性流体で満たされている場合は、内部空洞が圧縮性流体で満たされている場合と比べて、振動による伸縮を小さくすることができ、振動をより減衰することができる。ベローズ式ダンパ１の内部空洞が粘性流体で満たされている場合は、粘性流体がオリフィス１４を通過する際の粘性抵抗によって、振動をより減衰することができる。

（ベローズ式ダンパ１の動作）
図３は、ベローズ式ダンパ１の動作を説明する断面図であって、（ａ）はベローズ式ダンパ１が基本状態に対して軸方向に圧縮力を受けて、長さが基本状態よりも圧縮された状態を示す図であり、（ｂ）はベローズ式ダンパ１が外力を受けていない基本状態を示す図であり、（ｃ）はベローズ式ダンパ１が引張力を受けて基本状態よりも伸長された状態を示す図である。

ここで、ベローズ１１の有効断面積をＳａとし、ベローズ１１のばね定数をｋａとし、ベローズ１２の有効断面積をＳｂとし、ベローズ１２のばね定数をｋｂとする。また、図３（ｂ）に示すように、ベローズ式ダンパ１の基本状態において、ベローズ１１の自由長をｌａとし、ベローズ１２の自由長をｌｂとし、エンドプレート１６の軸方向一端側の端面からエンドプレート１５の軸方向他端側の端面までの長さを基本長Ｌ０とする。また、本実施例では、Ｓｂ＜Ｓａであることを条件とし、ベローズ１１内の容積をＶａとし、ベローズ１２内の容積をＶｂとしたとき、以下の数１及び数２が成り立つ。

また、数１及び数２に基づき、ベローズ式ダンパ１内に充填された粘性流体の体積Ｖは、数３で表される。

ここで、ベローズ式ダンパ１内に充填された粘性流体は非圧縮性流体としているため、ベローズ式ダンパ１内の粘性流体の体積Ｖは、ベローズ式ダンパ１の伸縮に係わらず一定である。

次に、図３（ａ）に示すように、エンドプレート１６の軸方向一端側の端面とエンドプレート１５の軸方向他端側の端面との間を圧縮し、基本長Ｌ０が圧縮されてΔＬだけ縮むとき、ベローズ１１の長さが（ｌａ＋Δｌａ）になり、ベローズ１２の長さが（ｌｂ−Δｌｂ）になったとすると、数４及び数５が成り立つ。

数５において、右辺の（Ｓａ×ｌａ＋Ｓｂ×ｌｂ）は、数３からＶであることがわかり、非圧縮性流体の体積Ｖはベローズ式ダンパ１の伸縮に係わらず一定であるので、右辺の（Ｓａ×Δｌａ−Ｓｂ×Δｌｂ）はゼロであることがわかる。よって、数６及び数７が成り立つ。

このことは、基本長Ｌ０が圧縮されてΔＬだけ縮むとき、ベローズ１２内の体積Ｓｂ×Δｌｂ分の粘性流体がオリフィス１４を通過し、ベローズ１１内に流れ込むことを意味している。なお、図３（ｃ）に示す、エンドプレート１６の軸方向一端側の端面とエンドプレート１５の軸方向他端側の端面との間を伸長し、基本長Ｌ０が伸長されてΔＬだけ伸びるときの動作も同様であるので詳しい説明は省略する。

したがって、粘性流体がオリフィス１４を通過するときの流動の抵抗が振動などの減衰能として作用することで、本実施例のベローズ式ダンパ１のダンパの機能が発揮される。

なお、ベローズ１１からベローズ１２への粘性流体の流動は、圧縮に関わる力Ｆによりベローズ１１内およびベローズ１２内の粘性流体に圧力差ΔＰを生じることによる。このΔＰは数８に示すものである。

また、圧縮に関わる力Ｆは、圧力差ΔＰの解消と共に、ベローズ式ダンパ１を構成するベローズ１１及びベローズ１２が有するばね定数と変位量との積による力とバランスする。すなわち、数９が成り立つ。

（ベローズ式ダンパ１の適用例）
図４は、図１に示したベローズ式ダンパ１の適用例を説明する図であって、１軸直線運動ステージを示す断面図である。本適用例の１軸直線運動ステージ１００は、ベースフレーム２２に収容されたステージ２１を有して構成される。ステージ２１は、エアベアリング２５で案内されベースフレーム２２に沿って移動可能である。ステージ２１の一端（図４における右端）はボイスコイルモータ２４に接しており、ステージ２１は、ボイスコイルモータ２４の駆動により、図４の左右方向に移動する。

ステージ２１の他端（図４における左端）は、二つのベローズ式ダンパ１のエンドプレート１６に固定されている。また、二つのベローズ式ダンパ１のエンドプレート１５は、ベースフレーム２２に固定されている。

ステージ２１の他端側にはリニアエンコーダ２３が設けられている。ステージ２１の他端にはリニアエンコーダ２３を構成するスケール２３１が配置され、ベースフレーム２２のスケール２３１と対向する位置には、検出器２３２が配置されている。ステージ２１の移動とともにスケール２３１が移動し、スケール２３１の移動距離を検出器２３２で検出する。この構成により、リニアエンコーダ２３はステージ２１の移動距離を検出する。例えば、リニアエンコーダ２３による検出結果を、ボイスコイルモータ２４の駆動制御にフィードバックすることで、ステージ２１の位置制御を行うことができる。

図４に示すように、ステージ２１の他端には二つのベローズ式ダンパ１が固定して配置されており、二つのベローズ式ダンパ１のエンドプレート１６とエンドプレート１５との間で減衰能を発揮する。これにより、ボイスコイルモータ２４の駆動によりステージ２１を移動させたときの振動を吸収し、ステージ２１の精密な位置制御が可能となる。

また、本実施例のベローズ式ダンパ１は、エンドプレート１６とエンドプレート１５との間で減衰能を発揮することができることから、図４に示すように、ベローズ式ダンパ１の軸方向をステージ２１の移動方向に合わせてベローズ式ダンパ１を配置し、ベローズ式ダンパ１の両端をベースフレーム２２とステージ２１とに固定すればよく、振動減衰の対象部材との連結を簡単な構成で行うことができる。

以上説明した本発明によれば、以下のような効果を奏する。
（１）ベローズ式ダンパ１のエンドプレート１６とエンドプレート１５との間の長さの変位に際して摺動摩擦が無いため、減衰能を付与する対象にヒステリシスを与えることが無い。
（２）ベローズ式ダンパ１に充填される粘性流体は密閉状態にあり、外気との抵触が無いため、粘性流体の変質や漏れを回避することができ、メンテナンス性に優れる。
（３）有効断面積が異なる二つのベローズ１１、１２を同軸に連結するという簡単な構成であるのでベローズ式ダンパ１をコンパクトに構成できる。
（４）ベローズ式ダンパ１の両端で減衰能を得ることができるので、減衰能を付与すべき振動対象部材との連結が極めて容易である。
（５）ヒステリシスの無い減衰能を必要とする機械装置への転用として、ベローズ１１、１２のばね定数やオリフィス14の径の選定によっては、精密機械装置の特性にチューニングされた様々な仕様の除振台として用いることも可能である。

なお、上述の実施例のベローズ１１、１２は、部材として円環状薄板金属（薄板部材１１ａ及び１１ｂ、薄板部材１２ａ及び１２ｂ）の溶接ベローズとしたが、本発明で用いるベローズは、これに限られるものではなく、一体成形による金属や樹脂であってもよい。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１…ベローズ式ダンパ、１１、１２…ベローズ、１３…中間プレート、１４…オリフィス、１５、１６…エンドプレート、１７…流体、１８…プラグ。

Claims (4)

1. 内部空洞に流体が満たされ、軸方向に伸縮自在な第一のベローズと、
   内部空洞に流体が満たされ、軸方向に伸縮自在な第二のベローズと、
   前記第一のベローズの軸方向一端側に設けられ、前記第一のベローズの内部空洞の軸方向一端側の開口を閉じる第一のエンドプレートと、
   オリフィスを有し、前記第一のベローズの軸方向他端側と前記第二のベローズの軸方向一端側との間に設けられ、前記第一のベローズと前記第二のベローズとを同軸で連結する中間プレートと、
   前記第二のベローズの軸方向他端側に設けられ、前記第二のベローズの内部空洞の軸方向他端側の開口を閉じる第二のエンドプレートと、
   を備え、
   前記第一のベローズの内部空洞は、前記オリフィスによって前記第二のベローズの内部空洞と連通し、
   前記第一のベローズ及び前記第二のベローズの内部空洞は密閉され、
   前記第一のベローズの有効断面積は、前記第二のベローズの有効断面積と異なる、
   ことを特徴とするベローズ式ダンパ。
2. 請求項１に記載のベローズ式ダンパであって、
   前記第二のエンドプレートは、前記第二のベローズの内部空洞に連通する開口と該開口を塞ぐプラグとを有する、
   ことを特徴とするベローズ式ダンパ。
3. 請求項１又は２に記載のベローズ式ダンパであって、
   前記第一のベローズ及び前記第二のベローズの内部空洞に満たされた流体は、非圧縮性流体である、
   ことを特徴とするベローズ式ダンパ。
4. 請求項１又は２に記載のベローズ式ダンパであって、
   前記第一のベローズ及び前記第二のベローズの内部空洞に満たされた流体は、粘性流体である、
   ことを特徴とするベローズ式ダンパ。

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