JP4973520B2 - Gas spring vibration isolator - Google Patents
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Description
本発明は、例えば電子顕微鏡のような精密機器等を床振動から略絶縁した状態で設置するための気体ばね式の除振装置に関する。 The present invention relates to a gas spring type vibration isolator for installing a precision instrument such as an electron microscope in a state of being substantially insulated from floor vibration.
従来より、この種の除振装置として、例えば特許文献1、2に記載されているように、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(以下、ジンバルピストンともいう)、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、水平方向にも柔らかなばね特性を得られるようにしたものが知られている。
Conventionally, as a vibration isolator of this type, as described in
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から下方に延出する有底筒状の延出部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ロッドe(支持柱部)を設け、このロッドeの下端部を前記下方延出部c1の底部において枢支している。 In such a vibration isolator, as shown schematically in FIG. 8, the piston a of the air spring is divided into a disk-shaped load disk b and a cylindrical piston main body c positioned therebelow. The outer periphery of the main body c is held by a rubber diaphragm d (flexible member). Further, a bottomed cylindrical extending portion c1 extending downward from the piston main body c is provided, and a rod e (supporting column portion) hanging downward from the load disk b is provided, and a lower end of the rod e is provided. The portion is pivotally supported at the bottom of the downwardly extending portion c1.
この構造により前記従来例の除振装置では、空気ばね本来の性質として上下方向のばね特性が柔らかなものとなり、広い周波数領域に亘って優れた除振性能が得られるとともに、ジンバルピストンの揺動によって水平方向のばね特性も柔らかなものとすることができる。すなわち、ロードディスクbに対し床が水平方向に変位するときには、ダイヤフラムdがピストン本体部cを挟んで逆相に撓むことにより、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ようになる。 With this structure, in the conventional vibration isolator, the spring characteristic in the vertical direction is soft as a natural property of the air spring, and excellent vibration isolation performance is obtained over a wide frequency range, and the gimbal piston swings. Thus, the spring characteristics in the horizontal direction can be made soft. That is, when the floor is displaced in the horizontal direction with respect to the load disc b, the diaphragm d bends in the opposite phase with the piston body c sandwiched therebetween, so that the piston body c is tilted and shaken as shown by the arrows in FIG. This causes vibration to be absorbed.
そうしてピストン本体部cが揺動すると幾何学的にロッドeの支持点が上昇し、被支持体の重心位置が高くなるので、元の位置に戻ろうとする復元力が発生し、これが水平方向のばね力となる。この水平方向のばね力は、例えばロッドeの長さ等の設定により非常に小さくすることができるので、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することができ、よって広い周波数領域に亘り優れた除振性能を得ることが可能になる。
ところで、近年、例えば電子顕微鏡の分析能力が高まるのに連れて、その重量も大きくなっており、一方で設置性等を向上するという観点から除振装置には小型化、特に上方からの投影面積(フットプリント)を小さくすることが求められている。この点、前記従来例のように空気ばねを利用した除振装置では、支持荷重の増大に連れて全体が大型化することは避けられず、前記のような要求を十分に満たすことはできない。 By the way, in recent years, for example, as the analysis capability of an electron microscope has increased, its weight has increased. There is a demand for a small (footprint). In this respect, in the vibration isolator using the air spring as in the conventional example, it is inevitable that the whole is increased in size as the supporting load is increased, and the above-described requirements cannot be sufficiently satisfied.
これに対し本願の発明者は、コイルばね等、他の機械的なばね要素を併用して荷重の一部を支持することを発案し、主にスペース効率の点からコイルばねをジンバルピストンの下方延出部c1の周りに同心状に配置して、ピストン本体部cを下方から支持する構造の除振装置を試作した。しかし、その除振装置を用いて実験したところ、コイルばねによってジンバルピストンの揺動が妨げられる結果として、水平方向の除振性能が大幅に低下することが分かった。 On the other hand, the inventor of the present application conceived that a part of the load is supported by using a coil spring or the like together with other mechanical spring elements, and the coil spring is arranged below the gimbal piston mainly in terms of space efficiency. A vibration isolator having a structure in which the piston main body portion c is supported from below by arranging concentrically around the extending portion c1 was manufactured. However, as a result of experiments using the vibration isolator, it was found that the vibration isolation performance in the horizontal direction is greatly reduced as a result of the coil spring preventing the swing of the gimbal piston.
すなわち、本来、前記図8に示すようなジンバルピストンは、ダイヤフラムdによるピストン本体部cの支持高さに揺動中心があり、水平方向の振動が入力すると、ロッドeの下端から下方延出部c1の底部に作用する水平方向の力によって、ピストン本体部cが揺動するようになるところ、当該ピストン本体部cを下方からコイルばねによって支持すると、その揺動中心が見かけ上、下方に変位することから揺動モーメントが小さくなり、場合によっては揺動しなくなってしまうのである。 That is, the gimbal piston as shown in FIG. 8 has a swing center at the support height of the piston main body c by the diaphragm d, and when a horizontal vibration is input, a downwardly extending portion from the lower end of the rod e. When the piston main body c swings due to the horizontal force acting on the bottom of c1, when the piston main body c is supported by a coil spring from below, the center of swinging is apparently displaced downward. As a result, the swinging moment is reduced, and in some cases, it does not swing.
本発明は斯かる新規な知見に基づいてなされたものであり、その目的は、ジンバルピストンを備えた気体ばね式の除振装置において、コイルばねの併用により荷重支持能力を高めながらも、ジンバルピストンの揺動を担保して、水平方向についても所要の除振性能を確保することにある。 The present invention has been made on the basis of such novel knowledge, and the object thereof is to provide a gas spring type vibration isolator equipped with a gimbal piston, while increasing the load support capability by using a coil spring together, while providing a gimbal piston. Is to ensure the required vibration isolation performance in the horizontal direction.
前記の目的を達成するために、本発明では、前記の如く荷重支持のために併用するコイルばねの配置に工夫を凝らし、水平方向の振動入力によってピストン本体部が必ず揺動するようにしたものである。 In order to achieve the above object, in the present invention, the arrangement of the coil spring used for supporting the load as described above has been devised so that the piston main body always oscillates by horizontal vibration input. It is.
具体的に、請求項1の発明は、被支持体の荷重を支持するピストンを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ケースの内部に気体室を画成するとともに、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てなる除振装置が対象である。 Specifically, in the first aspect of the present invention, a piston for supporting the load of the supported body is disposed in the vicinity of the opening on the upper surface of the case, and the space between the piston and the opening is closed by an annular flexible member. An anti-vibration device comprising a gas spring that defines a gas chamber inside the case and holds the piston at least vertically movable by the flexible member to elastically support the supported body. It is a target.
そして、前記ピストンは、上下方向の貫通孔を有するピストン本体部と、その貫通孔の下方に連通する中空部を有し、前記ピストン本体部から下方に延出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て、下端が該下方延出部の底部に枢支される一方、上端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支持柱部と、を備えるものと、即ちジンバルピストンとするとともに、このジンバルピストンの下方延出部の外周を離間して囲むようにコイルばねを設けて、その下端を前記ケースに支持せしめる一方、上端に前記ピストン本体部を支持させるようにし、その上で、前記可撓性部材によるピストン本体部の支持高さと前記コイルばね下端の高さとの中央の高さ位置よりも、前記支持柱部の下端の高さ位置を低く設定したものである。 The piston has a piston main body portion having a through hole in the vertical direction and a hollow portion communicating with the lower portion of the through hole, and extends downward from the piston main body portion. And the lower extension portion are arranged to extend vertically in the hollow portion of the downward extension portion, and the lower end is pivotally supported by the bottom portion of the downward extension portion, while the upper end is located above the piston body portion. A support column that receives the load of the supported body, i.e., a gimbal piston, and a coil spring is provided so as to surround and surround the outer periphery of the downwardly extending portion of the gimbal piston. Is supported by the case while the piston main body is supported at the upper end, and the height position of the center between the support height of the piston main body by the flexible member and the lower end of the coil spring than It is obtained by setting lower the height position of the lower end of the support portion.
前記構成の気体ばね式除振装置では、まず、上述した従来例のもの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り優れた除振性能を得ることができる。しかも、併用するコイルばねによって荷重を支持するようにしているので、装置全体を大型化することなく、荷重支持性能は十分に高くすることができる。 In the gas spring type vibration isolator having the above-described configuration, first, since the supported body is supported in the vertical direction by the gas spring as in the conventional example described above, a wide frequency range with respect to the vibration input in the vertical direction. Excellent vibration isolation performance can be obtained. Moreover, since the load is supported by the coil spring used together, the load supporting performance can be sufficiently increased without increasing the size of the entire apparatus.
また、必要に応じてコイルばねを変更すれば、それ以外の部品は変更しなくても荷重の支持性能やばね特性を変更することができるので、部品の多くを共用しながら広い要求仕様に対応可能となり、装置コストを大幅に削減することができる。勿論、レベリングバルブ等を用いて高さ調整を行い、搭載機器の作動に伴う重心位置の移動に自動で対応することも可能であり、気体の流動抵抗によって減衰を得る構造とすることも容易である。 In addition, if the coil spring is changed as necessary, the load support performance and spring characteristics can be changed without changing the other parts, so that a wide range of required specifications can be used while sharing many of the parts. It becomes possible, and the apparatus cost can be greatly reduced. Of course, it is also possible to adjust the height using a leveling valve, etc., and to automatically respond to the movement of the center of gravity accompanying the operation of the mounted equipment, and it is easy to make a structure that obtains attenuation by gas flow resistance is there.
一方で、前記構成の除振装置においても水平方向の振動はジンバルピストンの揺動によって吸収されることになるが、これについては上述したように、ピストン本体部が下方からコイルばねによって支持されていて、その揺動中心が下方に変位することから、ジンバルピストンが揺動し難くなり、場合によっては揺動しなくなる虞れがある。 On the other hand, in the vibration isolator configured as described above, the horizontal vibration is absorbed by the swing of the gimbal piston. As described above, the piston main body is supported by the coil spring from below. Since the swing center is displaced downward, the gimbal piston is difficult to swing, and in some cases, it may not swing.
この点について本願の発明者は、上述したように試作した除振装置を用いて実験を行った結果、ピストン本体部を下方からコイルばねによって支持するようにした場合、その揺動中心は見かけ上、コイルばねの下端との略中央に変位することを見い出して、本発明を完成したものである。すなわち、前記の構成では、ジンバルピストンの支持柱部下端の高さ位置を、前記のように下方に変位したピストン本体部の見かけの揺動中心よりも低く設定することで、その支持柱部の下端から下方延出部の底部に作用する水平方向の力によって確実にピストン本体部を揺動させることができる。 In this regard, the inventor of the present application conducted an experiment using the vibration isolator fabricated as described above. As a result, when the piston main body is supported by the coil spring from below, the center of oscillation apparently appears. The present invention has been completed by finding that it is displaced approximately in the center with the lower end of the coil spring. That is, in the above configuration, by setting the height position of the lower end of the support column portion of the gimbal piston to be lower than the apparent swing center of the piston main body portion displaced downward as described above, The piston main body can be reliably swung by the horizontal force acting on the bottom of the downwardly extending portion from the lower end.
尚、ダイヤフラムやベローズ等の可撓性部材によるピストン本体部の支持高さは、部品の寸法ばらつきや組み付けの公差によって変化する他、気体室に充填されている気体の分量によっても変化するので、簡便にはジンバルピストンの支持柱部下端の高さを、コイルばねの上下方向中央部位よりも低く設定するのがよい(請求項2)。 In addition, since the support height of the piston main body by a flexible member such as a diaphragm or a bellows varies depending on dimensional variations of parts and assembly tolerances, it also varies depending on the amount of gas filled in the gas chamber. For convenience, the height of the lower end of the support column portion of the gimbal piston is preferably set lower than the central portion of the coil spring in the vertical direction (Claim 2).
斯くして本発明によれば、気体ばねにコイルばねを併用することにより、コンパクトな除振装置によって十分に大きな荷重支持性能が得られるとともに、ジンバルピストンの揺動を担保して水平方向についても柔らかなばね特性を実現し、所要の除振性能を確保することができる。 Thus, according to the present invention, by using the coil spring together with the gas spring, a sufficiently large load supporting performance can be obtained by the compact vibration isolator, and the gimbal piston can be swung in the horizontal direction as well. Soft spring characteristics can be realized and the required vibration isolation performance can be ensured.
ここで、前記のようにジンバルピストンを揺動しやすくするためには、水平方向の力が作用する支持柱部の下端をピストン本体部の見かけ上の揺動中心から大きく離すほどよく、そのためには支持柱部を長くするほどよいし、また、コイルばねの下端を高く位置づけるほどよい。 Here, in order to facilitate the swinging of the gimbal piston as described above, it is better that the lower end of the support column portion on which the horizontal force acts is farther away from the apparent swing center of the piston body portion. The longer the support pillar part is, the better the higher the lower end of the coil spring is.
しかしながら、そうして支持柱部を長くするほど、装置全体が上下方向に大きくなることは避けられず、一方で、コイルばねの下端位置を高くするためにそれを短くするほど、ばね定数が高くなってしまい上下及び水平の両方向で除振性能が低下する虞れがある。 However, the longer the support column, the larger the entire device is inevitably enlarged. On the other hand, the shorter the length of the coil spring is, the higher the spring constant is. Therefore, the vibration isolation performance may be lowered in both the vertical and horizontal directions.
そこで、より好ましいのは、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て被支持体の荷重を転動可能に支持する構成とすることであり(請求項3)、こうすれば、水平方向の振動が入力したときに、支持柱部が傾動するとともにその上端の荷重受け面上を被支持体が転動することになるので、ピストン本体部の揺動と併せてよりスムーズに水平方向の振動を吸収することができる。よって、水平方向について極めて柔らかなばね特性を実現でき、除振性能をより一層、高めることができる。 Therefore, it is more preferable to provide a configuration in which a spherical load receiving surface is provided at the upper end of the support column portion of the piston so as to support the load of the supported body in a rollable manner (Claim 3). For example, when a horizontal vibration is input, the support column tilts and the supported body rolls on the load receiving surface at the upper end thereof. Can absorb horizontal vibration. Therefore, extremely soft spring characteristics can be realized in the horizontal direction, and the vibration isolation performance can be further enhanced.
しかも、球面状の荷重受け面によって被支持体を支持すれば、両者が点接触状態になるので、支持高さの変化に伴いコイルばねから被支持体に不要な回転力が作用することがなく、こうした回転力によって被支持体に回転方向の振動が付加される虞れもない。 In addition, if the supported body is supported by the spherical load receiving surface, both of them are in a point contact state, so that unnecessary rotational force does not act on the supported body from the coil spring as the support height changes. Thus, there is no possibility that vibrations in the rotational direction are added to the support by such rotational force.
さらに、コイルばねの外周に摺接するように減衰材を巻き付けてもよく(請求項4)、こうすれば、コイルばねが併設されることによって気体ばねのばね定数が高くなるのに対応して、適切な大きさの減衰力を容易に得ることができる。 Further, the damping material may be wound so as to be in sliding contact with the outer periphery of the coil spring (Claim 4), and in this way, the spring constant of the gas spring is increased due to the addition of the coil spring, A damping force having an appropriate magnitude can be easily obtained.
以上、説明したように本発明に係る気体ばね式除振装置によると、気体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高い除振性能が得られるようにしたものにおいて、さらにコイルばねを併用することで、コンパクトでありながら高い荷重支持性能を得ることができる。 As described above, according to the gas spring type vibration isolator according to the present invention, a gimbal mechanism is incorporated in the piston of the gas spring so that high vibration isolation performance can be obtained not only in the vertical direction but also in the horizontal direction. Further, by using a coil spring together, it is possible to obtain a high load supporting performance while being compact.
また、そうして併用するコイルばねができるだけジンバルピストンの揺動を妨げないよう、そのコイルばねの影響により下方に変位するピストン本体部の見かけの揺動中心よりも低くなるように、ジンバルピストンの支持柱部下端の高さ位置を設定したので、コイルばねがあってもジンバルピストンの揺動を担保して、水平方向について所要の除振性能を確保することができる。 Further, in order to prevent the coil spring used together so as to prevent the swing of the gimbal piston as much as possible, the gimbal piston should be lower than the apparent swing center of the piston main body that is displaced downward by the influence of the coil spring. Since the height position of the lower end of the support column portion is set, even if there is a coil spring, the swing of the gimbal piston can be ensured and the required vibration isolation performance can be ensured in the horizontal direction.
さらに、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、被支持体を転動自在に支持するようにすれば、前記ジンバルピストンの揺動と併せてよりスムーズに水平方向の振動を吸収することができ、水平方向について極めて高い除振性能が得られる。 Furthermore, if a spherical load receiving surface is provided at the upper end of the piston support column portion so as to support the supported body in a freely rolling manner, the vibration in the horizontal direction can be more smoothly performed together with the swinging of the gimbal piston. Can be absorbed, and extremely high vibration isolation performance can be obtained in the horizontal direction.
以下、本発明の実施形態を図面に基いて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
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、例えば電子顕微鏡のような精密機器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、複数のアイソレータ3,…(気体ばね式除振装置)によって支持したものである。それぞれのアイソレータ3,…においては定盤2とその上に搭載される機器1(搭載機器)とが被支持体になるが、各アイソレータ3への分担荷重は静止状態でも若干、異なっており、さらに被支持体の作動に伴い変化することもある。
FIG. 1 schematically shows how the gas spring vibration isolator according to the present invention is used, and details are not shown. For example, a
定盤2は、一例として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。
The
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。しかしながら、各アイソレータ3の動きは非常に小さいので、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。
The
前記アイソレータ3は、図2に断面で内部構造を示すように、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(Y方向、X方向)の両方について基本的に柔らかなばね特性を有するものである。図の例ではアイソレータ3のケースは概略四角柱状のもので、各々金属製板材からなる底板10上に側壁11が立設され、その上端に配置された天板12の略中央部には、鉛直方向の軸線Zと略直交する円形の開口部12aが形成されている。
As shown in FIG. 2, the
前記の開口部12aにはドーナツ状のピストン本体13が内挿されている。このピストン本体13には断面円形の中心孔13aが軸線Zに沿って上下方向に貫通する一方、外周の少なくとも下半部には下方に向かって僅かに縮径するテーパ面13b(図3参照)が形成されている。そして、該ピストン本体13の下面から外周側を覆った後に開口部12aの周縁に至るように環状のダイヤフラム14が配設されている。つまり、ダイヤフラム14及びピストン本体13によりケース上面の開口部12aが閉塞されて空気室15が区画され、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。
A donut-shaped
前記ダイヤフラム14は、例えば織布を補強材として埋め込んだゴム弾性膜からなり、図3に仮想線で示すように一旦、中心部分に丸穴が空いたハット状に形成した後に、そのハットの周壁部分を途中で湾曲させて下方に折り返すようにして、同図に実線で示す深皿状に形成したものである。そして、ハットの鍔の部分に相当する外周側の部分14aがケースの天板12の上面に接着されて、締付けリング16との間に挟持される一方、丸穴を囲む内周側の部分14bはピストン本体13の下面に接着され、それらの中間には上凸に湾曲する環状ロール部14cが形成されている。
The
そして、ダイヤフラム14は、環状ロール部14cがピストン本体13と締付けリング16との間で上下にうねるように大きく撓むことにより、ピストン本体13の上下方向の変位に対して大きな可撓性を有し、また、ピストン本体13を挟む左右両側のロール部14cがそれぞれ上下方向の反対の向きに撓むことによって、ピストン本体13が水平方向の軸心(揺動中心)の周りに揺動するようになる(図4を参照)。つまり、ジンバルピストンにおいてピストン本体13の揺動中心は本来、ダイヤフラム14による支持高さh1に位置している(図5を参照)。
The
また、前記ピストン本体13には、その下面内周側から略鉛直下方に延びるように円筒状のピストンウエル18が取付けられている。このピストンウエル18の上端には大きく拡径する円盤状のフランジ18aが形成されており、これがピストン本体13の下面に重ね合わされて図示しない締結部材によって締結され、ダイヤフラム14の内周側部分14bを挟持している。この状態でピストンウエル18の中空部18bはピストン本体13の中心孔13aに連通しており、一方、該中空部18bの下端は円盤状のキャップ19により閉止されている。
A cylindrical piston well 18 is attached to the
すなわち、前記ピストンウエル18とキャップ19とによって、ピストン本体13から下方に向かって延びる有底円筒状の下方延出部が構成されており、前記キャップ19の上面、即ち、下方延出部の底部には、被支持体の荷重を支持するためのサポートロッド20(支持柱部)の下端部が枢支されている。サポートロッド20は、ピストンウエル18の中空部18a内を軸線Zに沿って上下方向に伸びていて、その下端部には例えば鋼球20aが埋め込まれている。また、図の例ではサポートロッド20の下端側に、それを軸線Z上に位置付けるためのゴム弾性リング21が外挿されている。
That is, the piston well 18 and the
一方、サポートロッド20の上端はピストン本体13の上面よりも上方に突出して、円盤状のロードディスク22の下面に当接している。ロードディスク22は定盤2の下面に接合されて、被支持体の荷重を受ける一方で、下方からサポートロッド20により支持されて、ピストン本体13の上方に離間している。ロードディスク22の直径はピストン本体13の外径よりも大きく、図の例では締付けリング16と略同じである。
On the other hand, the upper end of the
そして、この実施形態では前記サポートロッド20の上端に、ロードディスク22の下面に転動自在に且つ点接触状態で当接し、該ロードディスク22を介して被支持体の荷重を受けるように上凸の球面状の荷重受け面20bが設けられている。すなわち、ロードディスク22は、サポートロッド20上端の荷重受け面20bに対し転動自在であるとともに、該サポートロッド20を介してピストンウエル18の底部に枢支されており、ピストン本体13及びピストンウエル18の揺動とサポートロッド20の傾動との双方によって、床面との間の水平方向の振動を吸収するようになっている。
In this embodiment, the upper end of the
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ケースがロードディスク22に対し図の左側に変位するときには、ピストン本体13及びピストンウエル18が一体となってその下端が右側に変位するように揺動するとともに、サポートロッド20の上側が図の右側へ傾き、これに連れて該サポートロッド20上端の荷重受け面20b上をロードディスク22が転動して、水平方向の変位(振動)が吸収される。
More specifically, as shown in FIG. 4, for example, when the case is displaced to the left side of the drawing with respect to the
そうしてピストン本体13及びピストンウエル18の揺動とサポートロッド20の傾動とによって、水平方向の振動が吸収されるときに、その両者の寄与率は、詳しい説明は省略するが、荷重受け面20bの曲率半径Rとサポートロッド20の長さLとの比率に応じて変化するものであり、概ねR≧2×Lのときにピストン本体13等の揺動の寄与率が大きくなる一方、R<2×Lのときにはサポートロッド20の傾動の寄与率が大きくなる。
Thus, when horizontal vibrations are absorbed by the swinging of the
また、前記のようにピストン本体13等が揺動し且つサポートロッド20が傾動すると、これに伴い被支持体が僅かに上昇することになるから、重力による復元力が発生してピストン本体13及びピストンウエル18、並びにサポートロッド20がそれぞれ元の直立状態に戻ろうとし、これがアイソレータ3の水平方向のばね力となる。但し、R<Lでは復元力が発生せず不安定になってしまうから、図5に示すようにR≧Lに設定しなくてはならない。
Further, when the piston
上述の如くジンバル機構をピストンに組み込んだことで、この実施形態のアイソレータ3では、被支持体と床との間の水平方向変位がジンバルピストンの揺動運動に変換されるようになり、基本的に水平方向に柔らかなばね特性が得られるものである。勿論、上下方向については空気ばね本来の柔らかなばね特性となる。
By incorporating the gimbal mechanism into the piston as described above, in the
そして、この実施形態では、本発明の特徴部分としてピストン本体13を下方から支持して、被支持体の荷重の一部を受けるようにコイルばね23を配設している。図の例ではコイルばね23は、ピストンウエル18の外周を離間して囲むように配置されていて、その下端は、ケース底板10の上面から膨出するボス部10aに嵌合されている一方、コイルばね23の上端は、ピストンウエル18上端のフランジ18aの下面に形成された座部に当接している。
In this embodiment, as a characteristic part of the present invention, the
そうしてコイルばね23を併用して、空気ばねと共にピストン本体13を下方から支持することで、空気室15を大きくしなくても、即ちコンパクトな構成でもってアイソレータ3の最大支持荷重を十分に大きくすることができる。また、コイルばね23のみで荷重を支持するものとは異なり、空気室15の空気の給排によって容易に被支持体の高さを調整することができる。すなわち、図2に示すようにアイソレータ3には周知のレベリングバルブ24が付設されており、図示省略の通路を介して空気室15に対する空気の給排を行うことにより、支持高さを略一定に維持するようになっている。
Thus, by using the
一方で、そうしてコイルばね23により下方から支持すると、これによりピストン本体13の揺動が規制されることになる。すなわち、上述したようにピストン本体13の本来の揺動中心は、ダイヤフラム14による支持高さh1にあるところ(図5を参照)、それを下方から支持するコイルばね23は、その下端を中心としてピストン本体13を揺動させようとするから、これによりピストン本体13の見かけの揺動中心が下方に変位することになり、この結果としてピストン本体13やピストンウエル18の揺動モーメントが小さくなるばかりか、それが揺動しなくなることもあるのである。
On the other hand, when supported by the
詳しくは、一般的に、上述の如くピストン本体13やピストンウエル18の揺動によるジンバルピストンの水平方向のばね定数Kjは、空気ばねの内圧をP、その有効受圧面積をAとし、また、ピストン本体13の揺動中心からそれに対する水平方向の入力点、即ちサポートロッド20下端の枢支点までの間隔をdとして、以下の(式1)により表される。 Kj=(PA×100/d)+Kr ・・・(式1) 但し、Krは、サポートロッド20に外挿されたゴム弾性リング21のばね定数である。
In detail, generally, as described above, the horizontal spring constant Kj of the gimbal piston due to the swinging of the piston
また、この実施形態のようにサポートロッド20の上端に球面状の荷重受け面20bを設けて、ロードディスク22を転動自在に支持するようにした場合、そのロードディスク22の転動とサポートロッド20の傾動とによって得られる水平方向のばね定数Kdは、荷重受け面20bの曲率半径をRとし、サポートロッド20の長さLとして、以下のように表され; Kd= {PA×100×(R−L)/L}+Kr ・・・(式2)、 そして、それらKj,Kdを合わせたトータルの水平方向ばね定数Ktは、以下の(式3)によって表される; Kt = Kj×Kd/(Kj+Kd) ・・・(式3)。
Further, in the case where a spherical
本願の発明者は、前記したようにコイルばね23を併用するアイソレータ3を試作して前記水平方向のばね定数Ktを実測し、仮にコイルばね23の影響がないと仮定したときの前記(式3)による計算値が実測値と合致するように、前記(式1)における間隔dの値を補正した。そして、この補正後の間隔dに基づいてピストン本体13の揺動中心の高さを求めたところ、それが見かけ上、ダイヤフラム14によるピストン本体13の支持高さh1とコイルばね23の下端の高さh2との略中央の高さh3にあることを見出した。
The inventor of the present application prototyped the
斯かる知見に基づいてこの実施形態では、前記図5に示したように、ピストン本体13及びピストンウエル18に対する水平方向の入力点、即ちサポートロッド20の下端の高さh4を、前記見かけの揺動中心の高さh3よりも低く設定しており、こうすることで、サポートロッド20の下端からピストンウエル18の底部(キャップ19)に作用する水平方向の力によって確実に揺動モーメントを発生させることができる。
Based on such knowledge, in this embodiment, as shown in FIG. 5, the horizontal input points with respect to the piston
尚、厳密にはダイヤフラム14によるピストン本体13の支持高さh1は、部品の寸法ばらつきや組み付けの公差によって変化するし、空気室15に充填されている空気の分量によっても変化するので、簡便にはサポートロッド20下端の高さh4を、コイルばね23の上下方向中央部位よりも低く設定すればよい。
Strictly speaking, the support height h1 of the
斯かる設定により、水平方向の振動入力時にはピストン本体13の揺動中心周りに確実に揺動モーメントが発生し、コイルばね23がピストン本体13を下方から支持する構造であっても、水平方向の振動入力に対応してジンバルピストンが揺動するようになるから、上述したようにサポートロッド20が傾動し且つその上端の荷重受け面20b上をロードディスク22が転動することと併せて、水平方向の振動をスムーズに吸収することができ、水平方向のばね特性を非常に柔らかなものとすることができる。
With such a setting, even when the horizontal vibration is input, a rocking moment is surely generated around the rocking center of the
図6には、この実施形態のように定盤2及び搭載機器1(被支持体)を3つのアイソレータ3,…によって支持し、いずれか1つのアイソレータ3における水平方向の振動伝達率を計測した結果を示す。同図の実線のグラフはこの実施形態のアイソレータ3のものであり、一方、破線のグラフは、コイルばねによってジンバルピストンの揺動が阻害されるよう、サポートロッド20下端の高さh4をピストン本体13の見かけの揺動中心よりも高く設定したものである。
In FIG. 6, the
同図から、本発明に係るアイソレータ3では、実線のグラフのように約2Hzという低い周波数に共振ピークが現れており、コイルばねを付加しない場合と同様に柔らかなばね特性によって、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る。一方、破線のグラフでは共振ピークは約6Hzになっており、コイルばねによってジンバルピストンの揺動が阻害される結果として、除振性能が悪化している。
From the figure, in the
したがって、この実施形態に係るアイソレータ3,…(気体ばね式除振装置)によると、まず、従来一般的な空気ばね式の除振装置と同じく、被支持体を空気ばねによって支持していることから、上下方向のばね特性を柔らかなものとすることが可能であり、振動入力に対して広い周波数領域に亘る優れた除振性能を得ることができる。しかも、併設したコイルばね23によって荷重の一部を支持するようにしたことで、コンパクトな外形寸法でありながら荷重支持性能を十分に高くすることができる。
Therefore, according to the
また、そうしてコイルばね23を併用することで、必要に応じてコイルばね23の仕様を変更するだけで、それ以外の部品は変更しなくてもアイソレータ3の荷重支持性能やばね特性を変更することができ、部品の多くを共用しながら広い要求仕様に対応可能であることから、量産効果によって装置コストを大幅に削減することができる。
In addition, by using the
勿論、空気ばね式除振装置本来の機能も得られるから、レベリングバルブ24を用いて支持高さを調整することにより、搭載機器1の作動に伴う重心位置の移動に自動的に対応することができるとともに、その際の空気の流通抵抗によって減衰を得る構造とすることもできる。
Of course, since the original function of the air spring type vibration isolator can be obtained, by adjusting the support height using the leveling
一方で、そうして併用するコイルばね23の影響でピストン本体13の揺動中心が下方に変位し、水平方向のばね特性が低下する虞れがあるが、その揺動中心よりもさらに低くなるように、ジンバルピストンの枢支点であるサポートロッド20の下端の高さh4を設定することで、ジンバルピストンの揺動が担保され、当該サポートロッド20の傾動及びロードディスク22の転動と併せて、水平方向の振動をスムーズに吸収し極めて柔らかなばね特性として、優れた水平方向除振性能を得ることができる。
On the other hand, the swing center of the
また、そうして球面状の荷重受け面20bによって点接触状態でロードディスク22を支持する構造では、支持高さの変化に伴いコイルばね23からピストン本体13を介して被支持体に不要な回転力が作用することがなく、こうした回転力によって被支持体に余計な回転振動が付加される心配もない。
Further, in the structure in which the
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。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しただけであり、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。
In the above-described embodiment, the air spring may be a gas spring filled with, for example, nitrogen gas. Further, the arrangement of the
また、図7に一例を示すが、前記実施形態のアイソレータ3においてコイルばね23の外周に摺接するように、例えばフッ素ゴム、ブチルゴム、エポキシ化天然ゴム等の高減衰ゴムからなる円筒状の減衰材24を巻き付けてもよい。こうすれば、コイルばね23が併設されることによってアイソレータ3の特に上下方向のばね定数が高くなっても、これに対して適切な大きさの減衰力を容易に得ることができる。
FIG. 7 shows an example. A cylindrical damping material made of high damping rubber such as fluoro rubber, butyl rubber, epoxidized natural rubber or the like so as to be in sliding contact with the outer periphery of the
さらに、アイソレータ3のピストンは、前記実施形態のようにサポートロッド20の上端に荷重受け面20bを有するものでなくてもよく、例えば図8に模式的に示すような従来周知のジンバルピストンを備えたものであってもよい。但し、そうした場合は水平方向のばねを柔らかくするために、できるだけコイルばね23を短くし、また、サポートロッド20は長くするのが好ましく、従って、アイソレータ3の外形が上下方向に大きくなりやすい。
Further, the piston of the
さらにまた、前記実施形態のアイソレータ3は所謂パッシブタイプのものであるが、本発明は、アクチュエータにより逆位相の力を加えて被支持体の振動を軽減するようにした所謂アクティブタイプの除振装置にも適用可能である。
Furthermore, the
以上、説明したように本発明に係る気体ばね式除振装置は、コイルばねを併用してコンパクトでありながら大きな荷重支持性能を得られる上に、上下方向のみならず水平方向についても十分な除振性能を確保できるものであり、産業上の利用可能性は高い。 As described above, the gas spring type vibration isolator according to the present invention can obtain a large load supporting performance while being compact in combination with a coil spring and has sufficient vibration removal not only in the vertical direction but also in the horizontal direction. Vibration performance can be secured, and industrial applicability is high.
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 底板(ケース)
11 側壁(ケース)
12 天板(ケース)
12a 上面開口部
13 ピストン本体(ピストン)
13a 貫通孔
14 ダイヤフラム(可撓性部材)
15 空気室(気体室)
18 ピストンウエル(下方延出部)
18b 中空部
19 キャップ(下方延出部)
20 サポートロッド(支持柱部)
22 ロードディスク
23 コイルばね
h1 ダイヤフラムによるピストン本体の支持高さ
h2 コイルばね下端の高さ
h3 ピストン本体の支持高さとコイルばね下端の高さとの中央の高さ
h4 サポートロッド下端の高さ
Z 上下方向軸線
1 On-board equipment (supported body)
2 Surface plate (supported body)
3 Isolator (vibration isolation device)
10 Bottom plate (case)
11 Side wall (case)
12 Top plate (case)
12a Upper surface opening 13 Piston body (piston)
13a Through
15 Air chamber (gas chamber)
18 Piston well (lower extension)
20 Support rod (support column)
22
Claims (4)
前記ピストンは、
上下方向の貫通孔を有するピストン本体部と、
前記貫通孔の下方に連通する中空部を有し、前記ピストン本体部から下方に延出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て、下端が該下方延出部の底部に枢支される一方、上端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支持柱部と、を備え、
前記下方延出部の外周を離間して囲むようにコイルばねが設けられて、その下端が前記ケースに支持される一方、上端が前記ピストン本体部を支持しており、
前記可撓性部材によるピストン本体部の支持高さと前記コイルばね下端の高さとの中央の高さ位置よりも、前記支持柱部の下端の高さ位置が低く設定されている
ことを特徴とする気体ばね式除振装置。 A piston for supporting the load of the supported body is disposed in the vicinity of the opening on the upper surface of the case, and the space between the piston and the opening is closed by an annular flexible member to define a gas chamber inside the case. A vibration isolator comprising a gas spring that elastically supports the supported body by holding the piston at least vertically movable by the flexible member,
The piston is
A piston body having a through hole in the vertical direction;
A bottomed cylindrical downward extending portion extending downward from the piston main body portion, having a hollow portion communicating with the lower portion of the through hole;
It is arranged so as to extend vertically in the hollow part of the lower extension part, and the lower end is pivotally supported by the bottom part of the lower extension part, while the upper end is located above the piston body part and is supported. A support column that receives the load of the body,
A coil spring is provided so as to surround and surround the outer periphery of the downward extension part, and the lower end is supported by the case, while the upper end supports the piston body part,
The height position of the lower end of the support column is set lower than the central height position of the support height of the piston main body by the flexible member and the height of the lower end of the coil spring. Gas spring vibration isolator.
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