JP4117524B2 - レベル調整具 - Google Patents

Description

【０００１】
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)

1. 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。
2. 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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