JP4716222B2 - 除振マウント - Google Patents

Description

本発明は、テーブルに搭載された精密な機器類への外来の振動の影響を阻止する除振マウントに関する。

床を通して伝達されてくる外来の振動を精密な機器類に伝えたくない場合には、機器類の設置に除振機構（除振マウント）が用いられる。コンピュータや通信機器に用いる電子デバイスの回路パターンを形成するＩＣ露光機や回路パターンを読み取る３次元測定器のように１μｍ以下の精度が問題となる機器類では自励振動や外来の振動の影響を阻止する必要性が高く、床から機器類に伝えられる振動を減衰する除振機構の性能が機械の性能を左右する重要な要素となる。

従来より、除振機構には、一般に空気ばねを組み込んだ構造のものが用いられてきた。特に、固有振動数が１〜２ｋＨｚのダイアフラム形空気ばねを用いることによって、除振機構の機能は、空気ばねと、空気ばねに支持される機器類の質量との系によって実現される。

空気ばねを用いることによる利点は、補助タンクを付設し、空気ばねと、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得ることができ、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、外乱による支持荷重の揺れを速やかに吸収することができる点である。

一方、高価な空気ばねを用いずに垂直方向と、水平方向との除振機能を得る除振機構として、コイルばねと、制振材との組合せによる装置（除振マウント）が知られている。この装置は、例えば図８に示すように、弾性体としてのコイルばね３１と、制振材として円柱状の粘弾性体（エポキシ樹脂）３２との組合せを用い、粘弾性体３２をコイルばね３１の空間内に配置し、粘弾性体３２の両端と、コイルばね３１の両端とにフランジ３３を取り付け、コイルばね３１と粘弾性体３２との複合体に作用する荷重方向の弾性中心を粘弾性体側に包蔵させて両者を一体にネジで緊締したものである。

この装置を機械器具の除振支持に用いれば、水平方向（横方向）と垂直方向（縦方向）に加えられる外力に対して大きな制振効果を得ることができる（特許文献１参照）。

ところで、図８に示す除振マウントの構造によるときには、除振マウントに加わる荷重はコイルばねによって支えられるが、制振材である粘弾性体３２からの抵抗を無視することができない。コイルばねの撓みのストロークが大きければ大きいほど、制振材の抵抗が大きくなって、実質的に弾性体となり、その荷重は、コイルばねと粘弾性体とによって支えられる結果となり、粘弾性体に対する圧縮量が変化して制振効果が変動する。このため、特に軽荷重を支える除振マウントの場合には、粘弾性体による荷重分担の比率が高くなって除振性能が大きく変化するという問題が生じるのである。

このような軽荷重を支える除振マウントの除振・除振性能を維持することを目的として発明者は、先に、柔軟な粘弾性体を制振材に用い、専らテーブルもしくは床の振動に伴ってコイルばねの一端から他端に伝播する振動エネルギーを熱エネルギーに変換して振動エネルギーを減衰させる機能を受け持たせ、コイルばねの圧縮方向には、粘弾性体の抵抗の影響を殆ど受けないようにした除振マウントを提案した（特許文献２参照）。

特許文献２に記載された除振マウントによれば、除振マウントに作用する荷重が変化してコイルばねの撓みに大きなストローク変位が生じたとしても、除振マウントは制振材の抵抗の影響を受けずに安定した除振性能を発揮することができる。また、制振材には、帯状，らせん状，あるいは中空の蛇腹状などに加工した粘弾性体を用いることができ、除振マウントの除振・除振性能は、制振材に用いた帯状の粘弾性体の幅，厚さ，硬さを変えることにより、また、らせん状の粘弾性体を用いたときには、らせん断面の形状、断面積、らせんの長さ、粘弾性特性を変えることにより、さらには蛇腹状の中空の粘弾性体を用いたときには、蛇腹の形状，膜厚，襞の数，粘弾性特性を変えることによって容易に調整できる。

とはいえ、粘弾性体は、コイルばねとは独立した別の部品として除振マウントに組み込まれるものであるために、コイルばねの伸縮変位に追従させるには、独立した部品としてある程度の強度が必要であり、独立した部品として要求される強度が、コイルばねの伸縮変位に対する抵抗となり、コイルばねの撓み変形のストロークの大小を左右し、その結果、除振マウントの除振性能に影響を与えるという問題がある。

このような問題点を解決するため、発明者はさらに、コイルばねの伸縮変位に対する抵抗を殆ど生じさせることなく、コイルばねの一端から他端に伝播する振動エネルギーを熱エネルギーに変換してコイルばねの振動エネルギーを有効に減衰させる除振マウントを開発した（特許文献３参照）。この除振マウントは、要するに、コイルばねの撓み変形のストロークの大小に左右されずに除振マウントの除振性能を発揮させるという目的を、図９に示すように、上下のフランジ４３，４３間に設置したコイルばね４１の線材の表面に粘弾性体を盛り付けてコイルばね４１の全長に渡って制振材４２を形成することで実現しようというものであった。

特許文献３に記載の除振マウントによれば、制振材４２はコイルばね４１の線材と一体に盛り付けられるため、コイルばね４１の伸縮変位がそのまま制振材４２に伝えられ、コイルばね４１の一端から他端に伝播する振動エネルギーは熱エネルギーに変換されてコイルばねの振動エネルギーを有効に減衰させることができる。しかしながら、コイルばねが柔らかいため、水平方向にわずかに力が加えられただけでも大きく振れが生じるため、このような除振マウントに支えられたテーブル上に、機器をセットする作業が厄介となり、また、機器の使用中においても、人間の手が触れるなどわずかな衝撃でテーブルが大きく触れるのは、作業能率の上からもきわめて不都合である。
特開昭６３−３０６２８号公報 特願２００５−２１７５２号 特願２００５−１４２２８２号

解決しようとする問題点は、テーブルを支える除振マウントに、柔らかいばねが用いられたときには、テーブルに衝撃が加えられると、ばねが大きく横揺れしてテーブル上に機器類を据え付ける作業が厄介となり、また、機器類の使用中に大きな横揺れが生じると、測定や観察などの作業が妨げられるという点である。

本発明は、コイルばねの鉛直方向の変位に対する摩擦抵抗が小さいストッパをもって、鉛直・水平方向の減衰性能を維持しつつ、コイルばねの水平方向の変位を防止することを最も主要な特徴とする。

本発明の除振マウントによれば、表面に制振処理が施されたコイルばねの内径に制振材で支持されたリング状のストッパを軽く接触させるため、コイルばねの水平面上の全方向の変位（横揺れ）を阻止でき、また、コイルばねの鉛直方向の変位（縦揺れ）に対しては、コイルばねとストッパ間の滑りと、ストッパを支える制振材の振動減衰効果によって、鉛直方向の除振／防振性能の劣化を小さくできる。

コイルばねの水平方向の変位を阻止し、鉛直方向に対しての除振／防振性能を低下させないという目的を、制振材料からなる脚台に支持された摩擦抵抗が小さいストッパを用いることによって実現した。実施例の説明に先立ち、除振マウントの除振メカニズムを以下に示す。図１に除振マウントの除振メカニズムを示す。図１において、除振マウントにコイルばねのみを用いたときに、その鉛直方向の共振周波数ｆ０は、近似的に式（１）であらわされる。
ｆ０＝５／√たわみ量（ｃｍ）・・・・（１）

また、コイルばねと、制振材との組み合わせにおける除振マウントの性能を表す振動伝達率（単位ｄＢ）は、除振マウントの上端をＵ、下端をＤとすると、式（２）のとおりである。
ｄＢ＝２０ｌｏｇＵの振動／Ｄの振動・・・（２）

曲線Ｘは、コイルばね２の共振周波数がｆ０のときのコイルばね２の振動伝達特性を示している。コイルばねの減衰特性は、共振周波数ｆ０で鋭く立ち上がり、以後、振動周波数Ｈｚが増大するにしたがってサージングの波形を伴いながら増幅領域ＡＺから減衰領域ＤＺに変化していく。曲線Ｘに示すようにコイルばねだけを用いた除振マウントでは、減衰領域の周波数特性にサージング波形が現れるだけでなく、共振倍率が高いという致命的な欠陥がある。

曲線Ｙは、コイルばねに制振材を組み合せて望ましい除振性能に調整した除振マウントの特性を示している。図１に示すようにコイルばねに制振材を組み合わせたときにその除振マウントの減衰曲線Ｙは、コイルばねだけの除振マウントの特性曲線Ｘに比べると共振周波数ｆ０′が増大しても、サージング波形がなくなり、共振倍率が低下した特性曲線を描けば、除振性能の振動伝達特性は優れていると評価できる。

共振倍率に関しては、制振材の制振性を高めることで共振倍率をさらに低下させることは可能であるが、共振倍率が低すぎると、△ｆ＝ｆ０′−ｆ０が増大する結果、振動周波数の減衰領域が浅くなり（減衰の絶対値が小さくなり）、制振性能が低下するという問題を生じる。

また、前記（１）式により、曲線Ｙにおける共振周波数を下げるには、コイルばねの鉛直方向のたわみ量を大きくすることである。しかし、たわみ量を大きくして共振周波数を下げると、共振倍率が上昇し、コイルばねが水平方向に対しても柔らかい特性を持つ（水平方向の復元力が弱まる）ようになり、わずかな振動に対しても大きく揺れることになる。もっとも、上昇したコイルばねの共振倍率は、前述のようにそのコイルばねに制振材を組合せることによって下げることができるが、制振材の組合わせることによって、コイルばねが制振材の重力方向の抵抗による影響を受けることとなって、たわみが少なくなり鉛直方向の減衰特性が低下する。

このような問題は、特に軽量の構造体を床振動から守る役目をもった除振マウントには、影響が大きい、たわみ量を大きくして共振周波数を下げるためには柔らかいコイルばねを使用しなければならないし、鉛直方向の減衰特性を低下させないためには制振材の重力方向の抵抗による影響をできる限り阻止しなければならないからである。

本発明においては、コイルばねに、たわみの大きい、柔らかいばねを用い、その水平・鉛直方向の高い減衰特性を維持してなお、水平方向の大きな揺れ，振れを回避できることが特徴となっている。

以下に本発明の実施例を図によって説明する。図２（ａ），（ｂ）において、本発明による除振マウントＭは、対のフランジ１ａ，１ｂと、弾性体であるコイルばね２と、制振コート３と、ストッパ５との組み合せからなるものである。対のフランジ１ａ，１ｂは、コイルばね２の上下に配置されたものであり、上段のフランジ１ａはテーブルなどの構造体の支持台となり、下段のフランジ１ｂは、除振マウントＭの床あるいは卓などへの設置台となるものである。上下のフランジ１ａ，１ｂの中央には、構造体，床或いは卓にボルト締めするためにねじ穴１ｃがそれぞれ開口されている。

コイルばね２は、除振あるいは防振すべきテーブルＴの弾性支持体であり、両フランジ１ａ，１ｂの対向面間に設置される。制振コート３は、コイルばね２に作用する荷重，振動に対して支持体としての重力方向の抵抗にはならず、専らテーブルＴもしくは床の振動に伴ってコイルばね２の一端から他端に伝播する振動エネルギーを熱エネルギーに変換して、振動エネルギーを減衰させる機能を受け持たせるものである。制振コート３には、本発明においても粘弾性体を用いている。

制振コート３にいわゆる粘弾性体を用いるのは、粘弾性体は、応力の大きさのみならず、その増加速度も歪の増加速度に大きな影響を与える物質（科学大辞典 Ｐ．１０５９ 丸善株式会社発行）としての性質を有するからである。このような性質を有する材料には、エポキシ樹脂を主成分とする制振材料（特公平７−６４９１７号公報参照）があるが、制振コート３の材料はこれに限らず、粘弾性体として用いられる材料、例えばネオプレンゴムなどを適用することができる。制振コート３は、コイルばね２の表面に付され、かつその上端と下端とにつながれていることが必要である。

本発明の除振マウントＭは、比較的軽量の構造物の除振あるいは防振を予定しているため、コイルばね２には細い線材が使用され、制振コート３の皮膜はごく薄くてよい。コイルばね２の線材表面に制振コート３を形成するには、粘弾性体のペースト中にコイルばね２を浸漬して粘弾性体ペーストをコイルばね２の線材表面に付着させ、これを固化させる処理を繰り返すことによって所要厚みの皮膜に盛り付けることができるが、或いは、粘弾性体のチューブをコイルばね２に被覆しても良く、さらに粘弾性体の粉末をコイルばね２に塗布することによっても得られる。

さらには、成形型を用い、コイルばねを圧縮した状態で型内にセットし、成形型のキャビティ内に粘弾性体ペーストを流し込んでコイルばねの外周のみに粘弾性体を一定厚みで盛り付けることができる。本発明においては、ストッパと、コイルばねとの接触面間が滑りやすくするために、相互の摩擦抵抗を小さく抑えることが必要である。

通常の場合、粘弾性体の表面摩擦抵抗は大きいため、コイルばね２の表面が粘弾性体で覆われていると、ストッパ５に対するすべりが悪くなって、初期の目的を達成できない場合がある。もっとも、このような問題は、前記制振コート３を、コイルばね２の外周側にのみ盛り付け、コイルばね２の内周面側の線材表面を外部に露出させておくことによって解消できる。すなわち、表面に露出させた線材をコイルばね２内の空間に設置されたストッパ５に接触させて鉛直方向のすべりを確保するのである。

図３に、成形型を用いてコイルばねの外周側にのみ制振コート３の皮膜を形成する方法の１例を示す。図３（ａ）において、コイルばね２の上段の線材と下段の線材とが互に接触するまでコイルばね２を押し縮めた状態で、これを、コイルばねの内径を象った成形型４のキャビティ内にセットし、成形型４のキャビティ内でコイルばね２の内周と外周との空間に粘弾性体ペースト３ａを充填してこれを固化させる。

ペースト３ａの固化後、コイルばね２を脱型し、図３（ｂ）に示すようにコイルばね２の線材の内外周に盛り付けられた粘弾性体の固化膜をコイルばね２の線材に沿って切断する。これによって図３（ｃ）に示すようにコイルばね２の線材の外周に一定の厚みの制振コート３の皮膜が盛り付けられて制振性能が付与されたコイルばね２が得られる。

本発明において、ストッパ５は、コイルばねと同心上で、両フランジ１ａ、１ｂ間の定位置でコイルばねの内径にわずかに接触を許すような位置で、コイルばね２と向き合わせに組み込まれているものである。この実施例において、ストッパ５は、ポリアセタール樹脂のような表面の摩擦抵抗が小さいリングであり、下段フランジ１ａに固定された円筒状の脚台５ａ上に支えられている。

脚台５ａは、粘弾性体などの制振材料によって一体成形され、フランジ１ａのボルト穴１ｃの周囲に固定されている。本発明において、ストッパは、必ずしも完全な円環状のリングに限らないが、コイルばねが水平面で任意の方向に変位（横揺れ）したときにその変位を阻止するには、途切れない完全なリングであることが望ましいのは云うまでもない。

図４（ａ），（ｂ）は、テーブルＴの四隅を本発明の除振マウントＭによって支えてテーブルＴ上に搭載する機器類Ｌを除振支持した状態を示す図である。一方のフランジ１ａを設置台として床（又は卓）上に置き、他方のフランジ１ｂを支持台としてその上にテーブルＴを支える。図４の例は、底面が長方形のテーブルＴへの設置例である。

また、除振マウントＭをテーブルＴの対角線上の位置に配置することで、水平方向の除振特性のバランスが確保される。テーブルＴの重量は除振マウントＭに加わり、コイルばね２は、重量の支持体として受けた重量の大きさに応じて撓み、その高さを減じるが、制振コート３は、コイルばね２の伸縮変位に追従し、コイルばね２に作用する荷重、即ち、たわみに対して抵抗とならず、専らテーブルＴもしくは床の振動に伴って生じるコイルばね２の一端から他端に伝播する振動エネルギーを、熱エネルギーに変換して振動エネルギーを減衰させる。

テーブルＴ上に機器類Ｌをセットする場合、あるいはテーブルＴ上の機器類Ｌを扱って測定、観察などの作業を行う場合にテーブルＴに手が触れたり、器具類が接触したりしてテーブルＴに衝撃が加えられると、振れ，揺れが生じようとする。しかし、水平方向の振れ，揺れによる変位は、その内径内のストッパ５に阻止されて停止する。

ストッパ５はコイルばね２に、軽く接触するだけの為にコイルばね２の水平方向の共振倍率が低下してわずかに共振周波数は上昇するが、水平方向の除振・防振性能は大きく阻害されず、テーブルや搭載機器に手が振れたり機器類が接触して生じる揺れ，振れに対しては、ストッパ５が大きな抵抗となってくれる。一方、コイルばね２の鉛直方向の振動に対しては、コイルばね２は、ストッパ５に軽く接触しているためにストッパ５にコイルばね２の振動が伝えられるが、その振動は、ストッパ５を支える脚台５ａの粘弾性体に減衰され、鉛直方向の振動に対する除振／防振性能の劣化は少ない。

すなわち、除振／防振の対象となる微振動に対しては、コイルばね２と制振コート３との組合せ効果による高い制振性能を発揮し、水平方向の大きな揺れ，振れに対しては、ストッパ５により、その変位が阻止される元になる。

なお、以上の実施例において、上下の区別は専ら説明の都合上の区別であり、フランジ１ａ、１ｂのいずれの側を床、或いは卓上側に用いて据え付けてもよい。したがって、図示の例とは逆に、ストッパ５の脚台４ａが取付けられているフランジ１ｂをテーブルの取付面として上段側に用いたときには、ストッパ５は、上方から吊り下げられた形となる。
（実験例）

以下に本発明の実験例を示す。
（実験例１）
実験は、表１に示すコイルばねの外周面側に盛り付けた粘弾性体のペーストを固化させてコイルばねの全長に渡り、制振ペースト３の皮膜を形成した除振マウントＭで図５に示すように除振台６の四隅４箇所を支え（４マウント）、その上に重錘を兼ねた試料７を置き、除振マウントＭに掛かる荷重を調整し、振動センサー８を用いて水平方向及び鉛直方向の振動特性を測定した。実験に際して制振コートは、成形型を用いてコイルばねの外周側にのみ約０．８ｍｍの厚さに粘弾性体ペーストの固形物を盛りつけた。粘弾性体ペーストには、以下の組成物を使用した。

粘弾性体ペーストの組成物
粘弾性体ペーストには、以下の（ａ）〜（ｃ）を含む組成物のペーストを使用した（特公平７−６４９１７号公報参照）。
（ａ）エポキシ樹脂１００重量部
（ｂ）エポキシ樹脂に含まれるエポキシ基１等量に対して、エポキシ基と反応する官能基を０．５等量を含む硬化剤、
（ｃ）数平均分子量が２００〜１０９０の液状ポリサルファイド系オリゴマー４０〜５００重量部、
ストッパには、外径１１．８ｍｍ、内径７ｍｍのポリアセタール樹脂製リングを用い、該リングを、前記粘弾性体ペーストを固化した円筒状の脚台でフランジ上に支えてコイルばねの空間内に設置した。
比較例１として、実験例と同じ構造で、ストッパがない除振マウントを用いて同じ測定を行った。

（実験結果）
コイルばねの内径を支えるストッパを用いない比較例１の除振マウント（除振マウントのたわみ７ｍｍ、荷重１０．６ｋｇ／４マウント）についての振動特性を図６に示す。図６（ａ）は、水平方向の振動特性、（ｂ）は鉛直方向の振動特性である。図６に明らかなように８Ｈｚ付近、鉛直方向では６．１Ｈｚ付近で鋭い共振点でのピーク値を示した。

コイルばねの内径をストッパで支えた実験例１の除振マウント（除振マウントのたわみ７ｍｍ、荷重１０．３ｋｇ／４マウント）についての振動特性を図７に示す。図７（ａ）は、水平方向の振動特性、（ｂ）は垂直方向の振動特性である。図７に示すように水平方向では、比較例１と比べるとわずかに高い５．０Ｈｚ付近、垂直方向では７Ｈｚ付近で共振点の鋭いピークが形成されたが、図６と比較して明らかなようにその水平方向のピーク値すなわち共振倍率は、比較例１に比べて実用範囲の程度に低下する事実が認められた。水平方向及び鉛直方向の共振周波数ｆ０及び減衰ｄＢの値を表２に示す。

したがって、本発明は、柔らかいコイルばねを用いることによって生じるコイルばね２に、専ら除振，防振すべきテーブルを含めた構造物の重量を支持する機能を受け持たせ、コイルばね２の螺旋に沿って線材に盛り付けた制振コート３の皮膜には、専らコイルばねの一端から他端に伝播する振動エネルギーを熱エネルギーに変換して振動エネルギーを減衰させる機能を受け持たせ、縦方向の振動に対しては、ストッパの表面をコイルばねが滑らかに滑って上下に変位するのみで鉛直方向の除振／防振特性は損なわれることがなく、水平方向については外来の微小振動に対して高い減衰特性が得られるが、大きな揺れ，振れに対してはストッパが抵抗となり、振幅の振れの大きさを抑制できる。

本発明は、特に比較的軽量の構造体、例えば重量の小さい精密機器類の除振，防振に際し、柔らかいばねを用いたことによって生ずる問題点、特に水平方向に加えられる衝撃、振動による振れ、揺れの影響を阻止するため、小型計測器，小型顕微鏡，その他超精密機器類の除振装置として広く活用できる。

除振マウントの振動特性を示す図である。 （ａ）は本発明による除振マウントの一部断面側面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。 （ａ）は成形型を用いてコイルばねに粘弾性体を盛り付ける例を示すもので、（ａ）は成形型の断面図、（ｂ）は、粘弾性体ペーストの固化物を一体形成したコイルばねの断面図、（ｃ）は、コイルばねの線材にそって粘弾性体ペーストの固化物を切断した状態を示す図である。 （ａ）は本発明による除振マウントにてテーブルを支持した例を示す側面図、（ｂ）はテーブルを支持する様子をテーブルの底面側から見た図である。 実験の要領を示す図である。 （ａ）は、比較例１の水平方向の振動特性、（ｂ）は垂直方向の振動特性のグラフである。 （ａ）は、実験例１の水平方向の振動特性、（ｂ）は垂直方向の振動特性のグラフである。 特許文献１に記載された除振マウントの構造を示す図である。 特許文献３に記載された除振マウントの構造を示す図である。

符号の説明

Ｍ 除振マウント
１ａ，１ｂ フランジ
１ｃ ねじ穴
２ コイルばね
３ 制振コート
３ａ ペースト
４ 成形型
５ ストッパ
５ａ 脚台
６ 除振台
７ 試料
８ 振動センサー
Ｌ 機器類
Ｔ テーブル

Claims (4)

1. コイルばねと、制振コートと、ストッパと脚台との組合せを有する除振マウントであって、
   コイルばねは、専ら除振、防振すべきテーブルの荷重を支持する機能を受け持たせるものであり、
   制振コートは、粘弾性体の皮膜であり、コイルばねの全長に渡りコイルばねの外周側の線材表面に盛り付けられ、コイルばねの内周面側に露出させた線材をストッパに接触させてコイルばねの鉛直方向のすべりを確保させ、テーブルもしくは床の振動に伴ってコイルばねの一端から他端に伝播する振動エネルギーを熱エネルギーに変換して振動エネルギーを減衰させる機能を受け持たせるものであり、
   ストッパは、脚台に支えてコイルばねの内径内に設置され、コイルばねの水平面上の任意の方向に生じる変位を阻止してコイルばねの水平方向の揺れを抑制するものであり、
   脚台は、粘弾性体によって形成され、コイルばねとストッパとが接触した状態においてもコイルばねから受ける振動を減衰するものであることを特徴とする除振マウント。
2. 前記コイルばねは、上下段のフランジの対向面間に設置され、
   上段フランジは構造体の支持台となり、下段フランジは除振マウントの床或いは卓への載置台となるものであり、
   前記ストッパは、下段フランジ又は上段フランジに設置された脚台に取付けられたものであることを特徴とする請求項１に記載の除振マウント。
3. ストッパはコイルばねと同心上で、コイルばねの内径に僅かに接触を許すような位置でコイルばねと同心上にその内径内にコイルばねと向き合わせに組み込まれた途切れの無い完全なリングであり、前記脚台に支えられているものであることを特徴とする請求項１に記載の除振マウント。
4. 前記上下段のフランジは、中央に取付けボルトをねじ込むネジ穴が開口され、
   前記脚台は、円筒状であり、ネジ穴の周囲のフランジ面に取付けられているものであることを特徴とする請求項２に記載の除振マウント。

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