(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体を加速度場に支持し、物体とベースとの間の振動伝達を抑止しながら物体をベースに対して平衡位置に保持するための全方向振動絶縁システムにおいて、
相互に離間された第１末端と第２末端とを有し軸方向を形成する少なくとも１つの支柱を有し、前記支柱は、前記第２末端の回転を伴う事なく軸方向を横切る任意の方向に前記第２末端に対する前記第１末端の移動に応じる横方向剛性と、物体を支持する軸方向剛性とを有し、前記支柱は、軸方向荷重に応じて実質的にゼロの横方向剛性となる弾性不安定点を有し、前記支柱は、軸方向荷重を受けて弾性不安定点に近づき、前記物体を支持する軸方向剛性を保持しながら横方向剛性を低下させる第１絶縁装置と、
前記軸方向に対して放射方向に延び、圧縮荷重を受ける少なくとも１つの放射方向撓み部材を有し、前記放射方向撓み部材は、軸方向剛性を有し一端で物体を支持し、前記放射方向撓み部材は、放射方向撓み部材に対する圧縮荷重に応じて実質的にゼロの軸方向剛性となる弾性不安定点を有し、前記放射方向撓み部材は、荷重を受けて弾性不安定点に近づき軸方向剛性を低下させる第２絶縁装置と、
全方向振動絶縁システムが平衡位置に保持されている間、前記放射方向撓み部材の物体を加速度場に支持することにより生じる荷重の支持力を調整する荷重支持力調整手段とを有し、
前記第１絶縁装置と第２絶縁装置は、軸方向に物体を支持する荷重支持力を有し、物体とベースの間に軸方向に連続して作動連結される事を特徴とする全方向振動絶縁システム。
【請求項２】
前記放射方向撓み部材の荷重支持力調整手段は、一端が物体に連結され他端がベースに作動的に連結され物体の少なくとも一部を軸方向に支持するばねと、前記ばねの両端の相対位置を調整する調整手段とを有する事を特徴とする請求項１に記載の全方向振動絶縁システム。
【請求項３】
物体を加速度場に支持し、物体とベースとの間の振動伝達を抑止しながら物体をベースに対して平衡位置に保持するための全方向振動絶縁システムにおいて、
相互に離間された第１末端と第２末端とを有し軸方向を形成する少なくとも１つの支柱を有し、前記支柱は、前記第２末端の回転を伴う事なく軸方向を横切る任意の方向に前記第２末端に対する前記第１末端の移動に応じる横方向剛性と、物体を支持する軸方向剛性とを有し、前記支柱は、軸方向荷重に応じて実質的にゼロの横方向剛性となる弾性不安定点を有し、前記支柱は、軸方向荷重を受けて弾性不安定点に近づき、前記物体を支持する軸方向剛性を保持しながら横方向剛性を低下させる第１絶縁装置と、
前記軸方向に対して放射方向に延び、圧縮荷重を受ける少なくとも１つの放射方向撓み部材を有し、前記放射方向撓み部材は、軸方向剛性を有し一端で物体を支持し、前記放射方向撓み部材は、放射方向撓み部材に対する圧縮荷重に応じて実質的にゼロの軸方向剛性となる弾性不安定点を有し、前記放射方向撓み部材は、荷重を受けて弾性不安定点に近づき軸方向剛性を低下させる第２絶縁装置と、
前記支柱の横方向剛性を調整する調整手段と、
前記放射方向撓み部材の軸方向剛性を調整する調整手段とを有し、
前記第１絶縁装置と第２絶縁装置は、軸方向に物体を支持する荷重支持力を有し、物体とベースの間に軸方向に連続して作動連結される事を特徴とする全方向振動絶縁システム。
【請求項４】
前記横方向剛性調整手段は、前記支柱の座屈力を調整する手段を有する事を特徴とする請求項３に記載の全方向振動絶縁システム。
【請求項５】
物体を加速度場に支持し、物体とベースとの間の振動伝達を抑止しながら物体をベースに対して平衡位置に保持するための全方向振動絶縁システムにおいて、
相互に離間された第１末端と第２末端とを有し軸方向を形成する少なくとも１つの支柱を有し、前記支柱は、前記第２末端の回転を伴う事なく軸方向を横切る任意の方向に前記第２末端に対する前記第１末端の移動に応じる横方向剛性と、物体を支持する軸方向剛性とを有し、前記支柱は、軸方向荷重に応じて実質的にゼロの横方向剛性となる弾性不安定点を有し、前記支柱は、軸方向荷重を受けて弾性不安定点に近づき、前記物体を支持する軸方向剛性を保持しながら横方向剛性を低下させる第１絶縁装置と、
前記軸方向に対して放射方向に延び、圧縮荷重を受ける少なくとも１つの放射方向撓み部材を有し、前記放射方向撓み部材は、軸方向剛性を有し一端で物体を支持し、前記放射方向撓み部材は、放射方向撓み部材に対する圧縮荷重に応じて実質的にゼロの軸方向剛性となる弾性不安定点を有し、前記放射方向撓み部材は、荷重を受けて弾性不安定点に近づき軸方向剛性を低下させる第２絶縁装置と、
前記放射方向撓み部材に作動的に連結され、前記放射方向撓み部材に対して圧縮荷重を加える弾性構造と、
前記弾性構造の変形を調整する手段を有し、前記放射方向撓み部材に加えられる圧縮荷重を調整する調整手段とを有し、
前記第１絶縁装置と第２絶縁装置は、軸方向に物体を支持する荷重支持力を有し、物体とベースの間に軸方向に連続して作動連結される事を特徴とする全方向振動絶縁システム。
【請求項６】
前記第１絶縁装置は、複数の支柱を有する事を特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の全方向振動絶縁システム。
【請求項７】
物体とベースとの間の振動伝達を抑止しながら物体をベースに対して平衡位置に保持するための全方向振動絶縁システムにおいて、
物体とベースの間に連結された少なくとも１つの複合緩衝装置を有し、
前記複合緩衝装置は、
相互に離間された第１末端と第２末端とを有し軸方向を形成する少なくとも１つの支柱から作られ、前記支柱は、軸方向に物体を支持する支持力と、軸方向に対する横方向に比較的低い剛性とを有する第１緩衝装置と、
軸方向に物体を支持する支持力を有し軸方向に正の剛性を提供するばねと、前記ばねに作動的に連結され負の剛性を作る複数の軸方向に対して放射方向に延びる放射方向撓み部材とを有し、前記ばねと放射方向撓み部材は、前記ばねの正の剛性と前記放射方向撓み部材の負の剛性の代数和である低い正味軸方向剛性を作るように組み合わされる、前記第１緩衝装置に軸方向に連続して作動連結された第２緩衝装置と、
前記第２緩衝装置の正味軸方向剛性を調整する調整手段を有する事を特徴とする全方向振動絶縁システム。
【請求項８】
前記調整手段は、前記ばねの正の剛性を調整する手段を有する事を特徴とする請求項７に記載の全方向振動絶縁システム。
【請求項９】
前記調整手段は、前記放射方向撓み部材の負の剛性を調整する手段を有する事を特徴とする請求項７に記載の全方向振動絶縁システム。
【請求項１０】
物体とベースとの間の振動伝達を抑止しながら物体をベースに対して平衡位置に保持するための全方向振動絶縁システムにおいて、
物体とベースの間に連結された少なくとも１つの複合緩衝装置を有し、
前記複合緩衝装置は、
相互に離間された第１末端と第２末端とを有し軸方向を形成する少なくとも１つの支柱から作られ、前記支柱は、軸方向に物体を支持する支持力と、軸方向に対する横方向に比較的低い剛性とを有する第１緩衝装置と、
軸方向に物体を支持する支持力を有し軸方向に正の剛性を提供するばねと、前記ばねに作動的に連結された負の剛性を作る複数の軸方向に対して放射方向に延びる放射方向撓み部材とを有し、
前記ばねと放射方向撓み部材は、前記ばねの正の剛性と前記放射方向撓み部材の負の剛性の代数和である低い正味軸方向剛性を作るように組み合わされる、前記第１緩衝装置に軸方向に連続して作動連結された第２緩衝装置と、
前記第２緩衝装置が平衡位置を保持する間、前記第２緩衝装置の正味軸方向支持力を調整する手段とを有する事を特徴とする全方向振動絶縁システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的に、重量を有する物体を支持基礎に対して懸垂し、物体と支持基礎との間の振動伝達を振動絶縁または低減させる方法および装置に係り、さらに詳しくは、荷重方向すなわち垂直方向および荷重方向に横方向すなわち水平方向の両方向にゼロまたはゼロに近い低い剛性を示し、物体と支持基礎との間の振動伝達を効果的に低減させる全方向振動絶縁システムに関する。
【０００２】
また、本発明は、ゼロまたはゼロに近いばね率の懸垂システムのその他の要素、例えばゼロ重力環境ミュレーション、光学照準システムまたは測定システムあるいはばね力または機械摩擦からの抵抗なしで懸垂物体の小運動を生じる事が望ましい任意のシステムに関する。
【０００３】
【従来の技術】
外部振動によって性能が悪影響を受けやすい振動に敏感な機械や機器に対する望ましくない環境振動作用を効果的に振動絶縁または低減させる問題について多くの研究や開発が行われた。
【０００４】
開発施設および製造施設においては、環境振動が多量に存在する。これら環境振動は、多くの場合、きわめて制御困難な多数の振動発生源から発生する。
【０００５】
外部振動が建物の基礎または構造を通して振動に敏感な装置に伝達される場合、または地盤そのものを通して振動に敏感な装置に伝達される場合、これらの外部振動が、装置のテスト、校正および性能に悪影響を与える可能性がある。
【０００６】
環境振動の最も制御困難な振動源のいくつかは、立て込んだ地域または人口密集地域における実験施設または製造施設の配置による。例えば、道路交通およびレール交通が、多量の望ましくない振動源を成し、これら振動が振動に敏感な装置を収容した建物に伝達される。このような振動は、建物が鉄道線路および自動車道路から離れた地域に移転されないかぎり除去する事ができない。
【０００７】
しかし、製造施設の場合、製造施設の遠隔地移転は、特に多数の労働者を必要としあるいは作業の維持のために一定の原料供給を必要とする場合、必ずしも望ましくなくまた効率的でない。しかも、遠隔地域でも小地震は常に存在する。
【０００８】
また、建物そのものが望ましくない振動を発生し、建物の内部に配置された振動に敏感な機器や装置に望ましくない振動を伝達する場合がある。例えば、地震あるいは建物の周囲の風が建物を振動させる場合がある。このような振動は、高層建物の高層階で増幅されるので、振動に敏感な機器は、通常低い階に配置されるか、または建物の他の部分から振動絶縁された地盤そのものの上に設置されるか、または地盤からも振動絶縁された耐震構造上に配置される。
また、建物の暖房、通風および空調システムにより建物全体に望ましくない振動が発生する場合がある。さらに、歩行者の歩行やその他の機械類が振動に敏感な機器の性能に悪影響を与える振動源の例である。
【０００９】
振動は通常の工場の敷地以外でも種々の問題を生じる。例えば、潜水艦に装備された機器の雑音が艦体に伝達されることで、機器の雑音が、潜水艦の周囲の水を振動させ、音響または振動エネルギーを伝達させ、機器の発する雑音により潜水艦を発見しやすくする。
【００１０】
また、地震は地盤運動の振動数と一致する固有振動数の振動を建物またはその内部の機器に発生する事により建物と機器の機能を破壊することがある。
【００１１】
物体とその周囲部材との間の望ましくない振動伝達を低減させる種々の装置が開発されている。これらの装置は、一般に振動絶縁装置と呼ばれ、振動絶縁される物体と基礎との間に配置される支持構造として設計される。
振動絶縁装置は、振動絶縁装置上に支持された物体が望ましくない振動の振動数より実質的に低い固有振動数を有するような剛性またばね定数を示す。一般に、振動絶縁装置に支持された物体の固有振動数に対して望ましくない振動の振動数が高いほど、振動絶縁装置の振動絶縁作用が効果的となる。
【００１２】
振動絶縁装置が入力振動を増幅または抑止する能力の測定値を振動絶縁装置の伝達率と呼ぶ。この伝達率は、与えられた振動発生基礎に対して振動絶縁される物体の応答振幅と基礎の励振振幅との比率と定義される。また、この伝達率は、振動する物体については、基礎に伝達される力の振幅と物体に加えられる励振力の振幅との比率と定義される。理論的に完全な振動絶縁装置はゼロの伝達率を有する。すなわち、振動基礎については、振動が伝達されないので応答振幅がゼロとなる。伝達率１は、応答振幅が振動の抑止も増幅もない場合に対応する励振振幅に等しい事を意味する。１以上の伝達率は、励振が抑止されるのでなく増幅された事を示す。
【００１３】
図２５および図２６は、線形ばねと粘性ダンパによって構成された振動絶縁装置の上に剛性実効荷重を支持して成る理想的な１自由度振動絶縁システムについての伝達率対振動数比を示すグラフである。それぞれのグラフはそれぞれの減衰量に対応している。振動数比は励振振動数と固有振動数との比率である。これらのグラフは、約１．４以下の振動数比において振動数を増幅し、これより高い振動数比の振動を振動絶縁し、振動数比が大きいほど振動絶縁作用が大きい事を示す。すなわち、与えられた振動数に対して、システム固有振動数が低いほど優れた振動絶縁作用が生じる。
また、これらのグラフは、与えられた振動数と振動絶縁システムの与えられた固有振動数について、減衰が低いほど振動絶縁作用がよくなる事を示す。与えられた実効荷重に対する振動絶縁システムの設計においては、ばね剛性またはばね定数を低下させる事によって振動絶縁システムの振動数が低減される。したがって、理想モデルに基づいて振動絶縁装置の剛性またはばね定数を低下させる事によって振動絶縁を実施すれば、すべての振動数において振動絶縁効率が改良され、また、振動絶縁装置の減衰度を低下させる事によって振動絶縁を実施する場合、すべての振動数について振動絶縁効率が改良される。
【００１４】
図２５のグラフは、粘性減衰に対応するものであるが、他の減衰機構、または機械摩擦などのエネルギー消失機構において比較的小さい量の減衰に対して同様の挙動が生じる。
【００１５】
実振動絶縁装置の伝達率グラフは、振動絶縁共振またはサージ振動数が生じる時点に励振振動数が増大するまで図２５のグラフにきわめてよく従う。すなわち、十分に高い振動数において、振動絶縁装置は、それ自体の固有振動数で共振または振動するので、実振動絶縁装置の伝達率グラフは機械的ばねに固有の図２６のグラフに類似する。振動絶縁装置は、質量と剛性を有するので、振動絶縁共振が生じ、一般に与えられた振動絶縁装置の剛性に対して、振動絶縁装置の質量が大きいほど振動絶縁共振が低くなる。
【００１６】
図２５図と図２６から明らかなように、与えられた励振振動数に対して振動絶縁共振を励振振動数以上に保持しながら振動絶縁装置の剛性、従って振動絶縁装置の固有振動数をできるだけ低下させる事によって振動絶縁効果が改良される。この事は、先行技術の振動絶縁装置の設計において相互に矛盾する要件である。例えば、線形ばねの場合、ばねの剛性が低下するのにつれて実効荷重による撓み量が増大し、これに伴って、貯蔵弾性エネルギーが増大する。線形ばねは、その単位質量当たり限定量のエネルギーのみを貯蔵して弾性状態に留まる事ができので、ばねのエネルギー貯蔵要求量が増大すればそれに応じてばねの必要体積が増大し、その共振振動数が低下する。従って、先行技術の振動絶縁装置は、一般に、振動絶縁システムの最低固有振動数と振動絶縁装置の最高共振振動数との間の限られた範囲である。
【００１７】
振動絶縁システム設計の成否は、許容振動の振幅および振動数と、入力振動の振幅および振動数とによって表される振動絶縁物体の運動感度に依存している。また、潜水艦の艦体から雑音発生機器を振動絶縁する場合のように、支持構造またはベースから振動物体を振動絶縁するために振動絶縁システムを設計する場合も同様である。
【００１８】
望ましくない振動が広い範囲の振幅および振動数において生じ、先行技術の振動絶縁システムが有効でなかったような振動数範囲および振幅の振動から振動絶縁する必要のある振動に影響を受けやすい機器がますます使用されている。代表的には、マイクロエレクトロニクスに使用されるフォトリソグラフィー機器は、１Ｈｚの低い振動数から１００Ｈｚの高い振動数までの振動から振動絶縁しなければならないが、１Ｈｚ乃至１０Ｈｚの範囲内の振動数がもっとも危険である。高い解像度を必要とするマイクロエレクトロニクス製造システムは、振動に関してさらにきびしい仕様を要求する。振動が直流近くから１００Ｍｚまでの振動数において１０−９ｇ前後に制限されなければならない加速度計やジャイロなどの最新の誘導機器およびテスト機器は、安定したプラットフォームが必要である。電子顕微鏡も極めてきびしい振動仕様を要求する。
【００１９】
例えば、機械類から発生する高周波振動は、種々の材料から成る弾性パッドおよび種々の型の機械ばねなどの先行技術の振動絶縁システムによって効果的に振動絶縁する事ができる。振動入力振動数が非常に低い、例えば１０Ｈｚ以下の場合、先行技術の方法の選択は遥かに制限される。特に、マイクロ−ｇの加速度または１ミクロンの移動などのように振動振幅が非常に小さい場合に、先行技術の方法の選択が制限される。
【００２０】
地盤上に設置されまたは地盤から振動絶縁された特殊充填材またはその他の弾性材料上のベッドロックが一般に使用されるが、ベッドロックは高価であり、低い振動数および振幅においては効果的でない。低い固有振動数を得るために、線形ばねが使用されるが、線形ばねは、かさばる形状であり、低い振動絶縁共振を示す。例えば、１Ｈｚの固有振動数の実効荷重を支持する鋼コイルばねなどの線形ばねは、静荷重で約９インチ移動する。このような線形ばねは、約１．４Ｈｚ以上の振動数においてのみ振動絶縁を開始し、低い振動絶縁共振を有する。例えば、０．５Ｈｚの固有振動数の実効荷重を支持する線形ばねは、静荷重で約３６インチ撓む。
【００２１】
円錐ディスクばねまたは皿ばねなどの非線形ばねは、コンパクトで、ゼロまたはゼロに近いばね定数をもって実効荷重を支持し、非常に低い固有振動数を発生する事ができる。しかし、これら非線形ばねは滑り機械摩擦を生じる。滑り機械摩擦は、振動絶縁挙動を生じるばね撓みを妨害するから、非常に低い振動振幅にとっては有害である。
【００２２】
実用的空気振動絶縁システムの最低固有振動数は、約０．５Ｈｚまたはこれ以上に制限される。振り子構造または機械的リンク仕掛を使用して低い振動数を得る事ができるが、これらはリンク仕掛の低い振動絶縁共振または機械摩擦などの望ましくない挙動を生じる。振動の影響を受けやすい機器について最も微細な外界振動を振動絶縁するために、先行技術の空気式システムによって達成される最低固有振動数は、空気式振動絶縁装置に使用される弾性膜またはハウジングの撓みの故に約２Ｈｚまたは３Ｈｚに制限される。さらに、空気式振動絶縁装置は、密封の問題または徐々の空気漏れおよび効率的作動範囲の制限の追加的問題で制限される。
【００２３】
【発明が解決しようとする課題】
実効荷重とベースの間に伝達される振動を制限するため、振動検出素子、フィードバックループおよび電磁的アクチュエータなどのアクチュエータ手段を使用する能動手段によって低い振動数の振動絶縁挙動を改良する事ができる。これらのシステムは、一般に、公知のフィードバック原理および制御原理を用いた空気式振動絶縁システムなどの受動的振動絶縁システムを増強して、例えば２０Ｈｚ以下の低い振動数での振動絶縁挙動を増進するが、これらの振動絶縁システムは、高い振動数においては受動的挙動に依存する。受動的挙動は、低い振動数においても受動システムの固有振動数によって制限される。従って、能動型振動絶縁システムについても、より低い固有振動数を達成し低い振動数と高い振動数における振動絶縁システム性能を改良するため、ゼロまたはゼロに近いばね定数を生じる事のできる改良型受動振動絶縁システムが必要である。
【００２４】
従って、振動絶縁システムおよび振動絶縁装置の開発と使用に関心のある業者は、特に低い振動数範囲における改良型振動絶縁システムの必要を認識していた。好ましくは、改良型振動絶縁システムは、コンパクトで、比較的軽量で、垂直方向と水平方向の両方向において低い振動数と高い振動数での改良型振動絶縁を成すものでなければならない。また、このような振動絶縁システムまたは振動絶縁装置は、顕著な性能損失なしでマイクロ地震運動などの極度に小さい振幅の振動を振動絶縁する事ができなければならない。
【００２５】
本発明は、全方向の振動絶縁能力を生じるため垂直方向と水平方向においてゼロまたはゼロに近くになされ得る低い撓みを示す多機能型振動絶縁システムを提供することを目的とする。
【００２６】
【課題を解決するための手段】
本発明の振動絶縁システムは、特に、低い振動数範囲と非常に小さい振動振幅の振動の精密機器および振動の影響を受けやすい機械に対する伝達を低減させる点において、先行技術の振動絶縁システムに対する実質的改良を成し、１Ｈｚ以下の振動を振動絶縁できると同時に、１００Ｈｚを超える振動を効率的に振動絶縁する事ができる。
【００２７】
本発明の振動絶縁システムは、弾性不安定点に近づくように荷重を受ける種々の構造の弾性構造を使用する。各振動絶縁システム構造に伴う不安定性は、その振動絶縁システム構造が不安定になりまたは座屈する不安定モードまたは座屈モードを含む。不安定性を生じる荷重がいわゆる臨界座屈荷重にある不安定点においては、この振動絶縁システム構造は、本質的にゼロの抵抗値またはゼロばね定数をもって座屈形状までの小さな撓みが与えられる。不安定性発生荷重が臨界座屈荷重より少し低い場合、臨界座屈荷重は非常に小さな抵抗力をもって不安定性モードまで小さな撓みが与えられ、従って、非常に小さい剛性を示す。剛性の大きさは、不安定点までどれだけ近づいているかに依存する。本発明において、ゼロまたはゼロに近い剛性を生じるために使用されるのはこの原理である。
【００２８】
不安定性を発生する荷重が臨界座屈荷重より大きければ、構造が座屈形状に変形するのにつれて、余分の荷重が構造を座屈形状まで推進し、負の剛性または負のばね定数機構を生じる。負の剛性または負のばね定数機構を生じる通常の例は、スナップスルーまたはオーバセンタ機構である。正の剛性と負の剛性が相殺されるように負の剛性機構を正ばねと組合わせる事によって得られた装置は、弾性不安定点にあり、センタポイントあるいはセンタ位置を中心として小さい撓み力に対してゼロまたはゼロに近い剛性を示し、構造は、その非座屈形状から座屈形状に、あるいはその初期形状からその不安定モード形状まで移行する。
また、この原理は、本発明において使用される。負の剛性を生じる荷重の大きさを調整する方法により、受動型振動絶縁システムにおいては手動的に、運動検出素子、フィードバックループおよびアクチュエータ手段を使用する能動型振動絶縁システムにおいては自動的に、不安定性発生荷重およびシステム剛性を調整するため、装置の正味剛性を調整または微調整する事のできる手段が提供される。
【００２９】
また、本発明は、二、三の実施態様において、振動絶縁システムの正味剛性を調整するため、正のばね剛性を調整する手段を使用する。
【００３０】
本発明の振動絶縁システムは、物体重量を支持し垂直方向において低い剛性を生じる垂直運動振動絶縁システムと、物体を支持し任意の水平方向において低い剛性を生じる水平運動振動絶縁システムとを使用する。
【００３１】
垂直運動振動絶縁システムは、それぞれ不安定形状を生じる単数または複数の振動絶縁装置の組合わせを利用し、これらの振動絶縁装置の撓みが単軸線すなわち単一方向に生じるように配列される。
物体が重力場に支持されている振動絶縁用途においては、不安定性方向に対応する振動絶縁装置の軸線は、重量の荷重方向に垂直に配列される。また、これらの垂直運動振動絶縁装置は、荷重を支持しゼロまたはゼロに近い垂直方向剛性を生じるような配列を有する。これらの振動絶縁装置の荷重支持能力も調整可能とする。
【００３２】
本発明は、軸方向力を支持しまた軸方向あるいは振動絶縁装置の軸線に対して横方向の正または負の剛性を生じる事のできる振動絶縁装置または懸垂装置を利用する。その軸方向剛性と軸方向支持能力が調整可能である。
本発明のさらに一般的な用途において、例えば、移動する潜水艦中の雑音発生機器または移動体の光学照準システムを振動絶縁する場合のように、重力場またはその他の加速度場の方向が変動しあるいは加速度場の大きさが変動する場合に、質量を有する物体を支持するため、能動型システムとして前記の振動絶縁システムを使用する事ができる。各振動絶縁装置の荷重支持能力を適切に変更する事により、振動絶縁システムは、変動する加速度場に対して調整されまたゼロまたはゼロに近いばね定数を発生する事ができる。
【００３３】
水平運動振動絶縁システムは、垂直軸線回りに対称的な多数の弾性不安定性または座屈モードを有する構造を成す単数または複数の水平運動振動絶縁装置の組合せを利用する。
本発明の１つの実施態様において、水平運動振動絶縁システムは、固定された自由支柱として挙動する単数または複数の軸対称支柱部材を使用する。各支柱部材またはシステム全体が、（多数の理論的には無限数の）不安定性モードを有し、不安定性モードまたは座屈モードの初期形状は、支柱下端に対する支柱上端の横方向移動である。各支柱部材は、その臨界座屈荷重に近づく実効荷重の一部を支持するように設計される。その結果、各支柱部材が、協働して実効荷重を支持するに十分な軸方向剛性を生じるが横方向においてほとんどまたはまったく剛性を生じない。
【００３４】
本発明の好ましい実施態様においては、３点型システムまたは多点型支持システムを成すように３個または４個以上の垂直運動振動絶縁装置が使用される。これらの垂直運動振動絶縁装置は、協働して実効荷重を支持し、実効荷重とベース間の垂直運動または振動の伝達を抑止する。
垂直運動振動絶縁装置および水平運動振動絶縁装置のこのような新規な組合せは、実効荷重から任意方向への運動または振動の伝達を効率的に抑止する事のできる振動絶縁システムを提供する。
また、本発明は、垂直運動振動絶縁装置と水平運動振動絶縁装置とをゼロまたはゼロに近い垂直および水平剛性に近づくように調整または微調整する手段を含むので、先行技術の振動絶縁装置によって達成されなかった範囲のきわめて低い振動数の振動をも振動絶縁する事のできる振動絶縁システムを提供する。
【００３５】
各垂直運動振動絶縁装置は、正の剛性を有するばね手段と、ゼロまたはゼロに近い正味垂直剛性を発生するための負の剛性機構との新規な組合せを利用する。負の剛性機構（スナップスルーまたはオーバセンター機構）は、ばねの正の剛性に対抗する剛性を生じる。このような特殊の組合せの結果、垂直方向においてゼロまたはゼロに近いばね剛性をもって一定の実効荷重または垂直荷重を支持する事のできる振動絶縁装置が得られる。
各垂直運動振動絶縁装置は、ゼロまたはゼロに近い剛性を得るように微調整するために、正の剛性または負の剛性を調整する手段と、振動絶縁装置の荷重担持能力の調整手段とを含む。
【００３６】
垂直運動振動絶縁装置において、ばね手段は線形ばねとする事ができ、実効荷重を支持する。ばねに貯蔵された弾性エネルギーは、ばねの非変形形状からの静的撓みの平方に比例し、ばねの寸法と質量は、一般にそれぞれ撓みと貯蔵エネルギーとに比例する。負の撓み機構は、ばねの寸法および質量に対してほとんど影響しない。このように正のばねと負の剛性機構とを組合せて正の剛性を相殺しゼロまたはゼロに近い正味垂直剛性を発生する事により、同様の垂直固有振動数を発生する事のできない先行技術の振動絶縁装置ばねと比較して、剛性が高くコンパクトで軽量なばねを使用して実効荷重を支持する事ができる。このような新規な組合せの結果、比較的コンパクトで軽量の垂直運動振動絶縁システムが得られる。この振動絶縁システムの振動絶縁共振は、先行技術の線形振動絶縁システムよりもはるかに高い。また、水平運動振動絶縁システムを構成する支柱部材は、垂直方向において高い剛性を有し、水平振動による横方向曲げに際しての撓みが非常に小さいので、これらの支柱部材は、比較的小さい弾性エネルギーを貯蔵し、低い質量と高い振動絶縁共振特性を有する。
【００３７】
本発明の好ましい実施態様において、垂直運動振動絶縁装置と水平運動振動絶縁装置との新規な組合せは種々の形状をとる事ができ、各垂直運動振動絶縁装置は、有効荷重と水平運動振動絶縁装置とを支持するためのベース支持体として使用される。各垂直運動振動絶縁装置は、水平運動振動絶縁装置の一端をその重心を通る垂直軸線に沿って直接に支持する。各水平運動振動絶縁装置の他端は、実効荷重に接触して実効荷重を支持する。
【００３８】
本発明の振動絶縁システムの他の実施態様において、同一の垂直運動振動絶縁装置がベース支持体として使用されるが、この場合、各垂直運動振動絶縁装置は、直接中間プラットフォームを支持する。中間プラットフォームは、水平運動振動絶縁装置を支持するための基礎として使用される。この場合、各水平運動振動絶縁装置は、実効荷重を支持するために中間プラットフォームの上に垂直配置される。また、各水平運動振動絶縁装置は、水平運動を効率的に振動絶縁するように、その臨界座屈荷重またはこれに近い荷重を支持するように設計される。中間プラットフォームシステムを使用する事により、水平運動振動絶縁装置を垂直運動振動絶縁装置の上に直接固着する必要がなくなる。このようにして、垂直運動振動絶縁装置に対して水平運動振動絶縁装置によって伝達する曲げモーメントを低下させる。曲げモーメントは、垂直運動振動絶縁装置の機能に対して悪影響を与える場合がある。中間プラットフォームは、各水平運動振動絶縁装置を垂直運動振動絶縁装置から離れた箇所に配置させる事ができ、これは、追加的な設計可能性を与える。また、実効荷重を支持しこの実効荷重を水平運動振動絶縁装置に分配するために、上プラットフォームを使用する事ができる。
【００３９】
本発明の他の実施態様は、ベース支持体として垂直運動振動絶縁装置ではなく水平運動振動絶縁装置を使用する。この構造において、各垂直運動振動絶縁装置は、プラットフォームまたはその他の支持構造の上に配置される。垂直運動振動絶縁装置は、直接に振動絶縁される物体を支持する。水平運動振動絶縁装置は、前記プラットフォームと基礎の間に垂直に配置され、各垂直運動振動絶縁装置と、プラットフォームと、振動絶縁される物体とを支持する。この場合にも、物体を支持しその重量を垂直運動振動絶縁装置に分配するための中間プラットフォームを使用する事ができる。
【００４０】
前記した本発明の実施態様は、本発明がこのような垂直運動振動絶縁装置と水平運動振動絶縁装置の新規な組合せを利用するための多くの実施態様の１例にすぎない。本発明の主旨の範囲内においてその他の組合せが可能である。
【００４１】
振動絶縁装置の各組合せは、弾性不安定点近くまで荷重を受ける構造を提供する。水平運動振動絶縁システムにおいては、任意の水平方向への初期移動を含む不安定モードが生じ、任意の水平方向へのゼロまたはゼロに近いばね定数を有する振動絶縁システムを提供する。垂直運動振動絶縁システムにおいては、不安定モードは垂直方向の初期移動に対応し、これは垂直方向におけるゼロまたはゼロに近いばね定数を与える事ができる。
【００４２】
また、本発明は、ゼロまたはゼロに近い垂直運動剛性を発生するそれぞれの振動絶縁装置に関する。本発明の１つの実施態様においては、ばね手段は、振動絶縁装置の軸線上の中心ハブから放射方向外側に延在する少なくとも２つの撓み部材から成る。これら撓み部材は、相互に１８０゜離間し、その外端で、撓み部材に内向き放射方向圧縮力を加える手段に支持されている。
【００４３】
本発明好ましい実施態様においては、３本の放射方向撓み部材が使用される。各撓み部材は、相互に１２０゜の間隔をおいて配置され、その内端で中心ハブに連結され、外端で放射方向内向き力発生支持手段に連結される。実効荷重が中心ハブの上に加えられる以前の非荷重状態において、放射方向撓み部材の内端は、外端より垂直位置で少し高い。設計の実効荷重が支持される時、撓み部材が変形して中心ハブが下方に撓み、放射方向撓み部材の内端がその外端と同一の垂直位置となる。これは振動絶縁装置の近似的作動位置またはセンターポイントである。負の剛性機構は、放射方向撓み部材と放射方向内向き力発生手段とからなる。各放射方向撓み部材の外端に放射方向内向き力が加えられる時、オーバーセンターまたはスナップスルー機構が生じる。すなわち、中心ハブがセンターポイントから上下に撓まされる時、放射方向内向き圧縮力の作用で負の剛性が発生する。負の剛性が、放射方向曲げ部材の曲げ変形から生じる正の剛性と相互作用をするので、垂直運動振動絶縁装置の正味垂直剛性は、ゼロまたはゼロの近くに成される。実際に、放射方向撓み部材は、その臨界座屈荷重または不安定点に近づくまで荷重を受けるビーム支柱として挙動し、臨界荷重または臨界的な荷重を受けた水平運動支柱部材が非常に低い水平剛性を示すのと同様に非常に低い垂直剛性を示す。
【００４４】
本発明の実施態様において、放射方向撓み部材の外端と接触するように外側の荷重撓み組立体が配置される。荷重撓み組立体は、静止ベースに固着され、放射方向撓み部材に向かってまたは離れるように移動し、放射方向部材に対する荷重を変動させる。荷重撓み組立体は、放射方向撓み部材に取り付けられた別個の組立体とする事ができ、または放射方向撓み部材と一体を成すように機械加工する事ができる。
【００４５】
本発明の実施態様において、荷重撓み組立体は、薄い外形機構を成すように放射方向撓み部材と水平位置に配置される。
本発明の他の実施態様においては、上方に延在する垂直荷重撓み組立体を使用し、この撓み組立体の一端が浮動スペーサブロックに固着される。垂直撓み組立体が発生する放射方向力は、荷重垂直撓み組立体を放射方向撓み部材に向かってまたはこれから離間するように移動させるだけで変動させる事ができる。
【００４６】
垂直運動振動絶縁システムは、各垂直運動振動絶縁装置の荷重担持能力とベースに対する実効荷重の位置を変動させるための手段を含む。そのための１つの手段は、実効荷重の一部を、撓みおよび荷重を独立に調整する事のできる第２線形ばねに支持することにある。第２線形ばねは、実効荷重とベースとの間に直列に連結され、ネジ型アクチュエータまたは圧電直動装置などのばねの撓み長さ変更手段を備える。この場合、振動絶縁装置のばね手段は、放射方向撓み手段と前記第２線形ばねとを組合せたばね手段である。振動絶縁装置の負の剛性機構のセンターポイントに対応する作動点に調整された時、ばね手段は一定量撓み、特定の重量を支持する。そこで、荷重を増大させると、ばね手段が、さらに一定量撓み、実効荷重は、センターポイント位置から離れてベースに向かって移動する。荷重が十分に増大すると、振動絶縁装置は、その効率的に作動する位置を越えて移動する。
しかし、アクチュエータを使用して第２線形ばねの追加撓みを生じ、第２線形ばねによって担持される荷重を増大する事で、実効荷重は、そのセンターポイント位置まで回復され、振動絶縁装置は、追加荷重を担持してそのセンターポイント位置を中心として作動しつづける事ができる。このようにして、振動絶縁装置の荷重担持能力とベースに対する実効荷重の位置とを振動絶縁装置の実効剛性を変動する事なく変動する事ができる。振動絶縁装置の荷重担持能力とベースに対する実効荷重の位置とを変動する他の手段は、ソレノイドまたはボイスコイルなど実効荷重の第２支持体を成す調整手段を含む。
【００４７】
第２線形ばねは、荷重の任意部分を支持する事ができる。第２線形ばねが荷重全部を支持する特殊な場合は、本発明の他の実施態様であって、特に第２線形ばねが空気ばねである場合に特定の用途に好適である。この場合、放射方向撓みばね手段は垂直剛性に使用されず、荷重を支持しない。放射方向撓みばねは、その内端と外端が近似的に同一垂直位置にあるセンターポイント位置において変形されない。この場合の放射方向撓み部材の唯一の機能は、荷重撓み組立体と共に負の撓み機構を成すことにある。前記ばね手段の正の剛性を相殺するために、負の剛性機構に必要な放射方向力は、前記ばね手段の剛性と放射方向撓み部材の長さに依存する。与えられた荷重に対して空気ばねは、放射方向撓みばね手段などの線形ばねよりはるかに小さい実効剛性を有するので、空気ばねに必要とされる放射方向力は、はるかに小さくなり、得られる放射方向撓み部材−荷重撓み組立体構造の断面は、がはるかに小さくなり、軽量となる。これにより、振動絶縁装置の微調整のための放射方向力の調整は、より低い力をもって容易に実施できる。
【００４８】
前記垂直運動振動絶縁装置と支柱などの比較的低い横方向剛性を有する手段との組合わせは、任意方向において使用する事のできる多機能振型動絶縁装置または懸垂装置を可能とする。この振動絶縁装置は、軸方向力を支持する事ができ、軸線方向および軸線に対する横方向の正または負の剛性を生じる事ができる。また、この振動絶縁装置は、可変的軸方向力に対して特定の軸方向位置または軸方向長さを保持するように設計する事ができ、前記の調整手段を使用して、軸方向剛性を調整する事ができる。
【００４９】
本発明は、この振動絶縁装置を使用して、システム配向が重力場またはその他の加速度場に対して変動する際に物体を振動絶縁する事のできる多機能型振動絶縁システムの他の実施態様を提供する。その使用例は、移動する潜水艦中の雑音発生機器または移動体中の光学照準システムの振動絶縁である。１つの面において相互に１２０゜の間隔を成してそれぞれの軸線が共通点で交差するように配置された３個の振動絶縁装置の上に懸垂された物体を含む懸垂システムは、その面の任意方向において同一剛性を有する。このような振動絶縁装置を組合わせた能動振動絶縁システムを使用して、１つの物体を可動ベースに振動絶縁し、ベースに対するその物体の位置を保持すると同時に任意方向における非常に低い振動絶縁剛性を生じる事ができる。これらの３個の振動絶縁装置は、水平運動振動絶縁システムや垂直運動振動絶縁システムに使用する事ができる。
【００５０】
また、本発明は、水平方向においてゼロまたはゼロに近い剛性を有する振動絶縁装置に関する。本発明の好ましい実施態様において、水平運動振動絶縁システムは、それぞれ実効荷重を支持するように垂直に配置された少なくとも３個の支柱部材を使用する。各支柱部材は、上端を実効荷重に固着され、下端を垂直運動振動絶縁部材または中間プラットフォーム、または基礎あるいはベースに固着される。各支柱部材は、この支柱部材の臨界座屈荷重に近い支持重量の一部を受けるように支持重量の重心に配置される。これらの支柱部材の組合わせは、水平剛性をほとんどまたは全く生じないで実効荷重を基礎に十分に支持する。その結果、水平振動がこれらの支柱部材によって振動絶縁され、実効荷重と基礎間の水平振動の伝達を防止する。
【００５１】
また、水平運動振動絶縁システムは、支柱部材上の荷重がその臨界座屈荷重を超えた場合に、圧潰されまたは過負荷を受ける事を防止する手段を含む。３本または４本以上の支柱部材がそれぞれの上端および下端において固着され、上方取り付け部材が下方取り付け部材に対して水平方向に移動自在であるので、初期の座屈変形が、上方取り付け部材の下方取り付け部材に対する水平移動を成すようにして座屈モードの不安定形状が得られる。従って、相対的水平運動を比較的小さく制限する水平方向ストッパなどの手段が圧潰または過負荷を防止する事ができる。ストッパが相対水平運動を制限する場合、不安定モードが変更されるので、座屈または圧潰を生じるためには、約４倍の荷重が必要とされる。従って、圧潰または破壊的過負荷に対する十分な安全ファクタが与えられる。これについては、下記において付図について詳細に説明する。
【００５２】
もちろん、本発明のシステムは、システムの振動絶縁性能を低下させないように、ストッパと接触する事なく水平運動限界で移動するように設計される。これは、臨界座屈荷重を超えないようにシステムを設計する事によって達成される。能動振動絶縁システムにおいては、運動限界を超えないようにフィードバック制御システムと座屈力調整手段と共に運動センサが使用される。
【００５３】
水平運動制限手段の１つの実施態様は、各支柱部材を部分的に包囲する予防的ストッパであり、支柱部材とストッパとが接触すると同時に相対水平運動を部分的に制限する。あるいは、支柱部材の所定距離以上の水平移動または垂直軸線回りの所定角度の回転を抑制しまたは防止するように、能動的機械ストッパを実効荷重または中間プラットフォームの近くに配置する事ができる。
【００５４】
また、水平運動振動絶縁システムは、各支柱部材の臨界座屈力を変更する手段を含む。そのための手段の１つは、支柱部材を長くしまたは短くすることにある。支柱部材に一定の荷重をかけた後、支柱部材の臨界座屈荷重を変動させるために、支柱部材の長さを延長または短縮する事ができる。その結果、各支柱部材は、その臨界座屈荷重または実質的にその近くで作動するように調整される。このような所定荷重に対する臨界座屈力の変動は、各支柱部材の水平剛性を変動させる。直接的結果として、支柱部材の長さ変動により、支柱部材の水平剛性がゼロまたはゼロに近い値に微調整される。
【００５５】
座屈力を変動する他の手段は、圧油が充填された筒状支柱部材を使用し、ピストン−シリンダ手段によって油圧を変動させる。支柱部材の水平剛性を調整する他の手段は、各支柱部材によって担持される荷重を調整することにある。これは、第２ばねに荷重の一部を支持し、第２ばねと支柱部材との間において荷重を移動させるように第２ばねの基部を上下させる手段を含む。ネジ型またはその他の直動手段を使用する事ができる。第２ばねは横方向剛性または水平方向剛性を有するので、支柱部材がその臨界座屈荷重以上の荷重を受けた時に、支柱部材は第２ばねの正の剛性に対抗する水平方向の負の剛性を生じる。ソレノイドまたボイスコイルなど、実効荷重の一部を支持する他の調整手段を使用する事ができる。
【００５６】
他の水平運動振動絶縁システムは、３本の二重撓み部材を使用し、１つの面において軸線が共通点を通過し相互に１２０゜離間するように配置された３個の線形振動絶縁装置が面の方向とは無関係に一定の剛性を示す振動絶縁システムを成すようにした原理を使用する。各二重撓み部材は、上下に配置された薄い長方形可撓性プレート状の２個の撓み部材から成り、これらの撓み部材は相互に直角に配向され、３個の剛性支持プレートの間に連結される。上方支持プレートは、上撓み部材を振動絶縁される実効荷重プラットフォームに連結するが、中間支持プレートは、２本の撓み部材を連結し、下方支持プレートは、下方撓み部材をベースに連結する。これらの撓み部材は、その面に直角の水平方向に対して低い剛性を示すので、前述の軸方向剛性および横方向剛性を有する振動絶縁装置と同様に、相互に直角の２方向において低い剛性を生じる。撓み部材構造は、垂直荷重のもとに不安定モードを示すので、撓み部材の剛性は、前述の支柱部材から成る振動絶縁装置と同様に、その臨界座屈力に近づく事によって任意の低い値まで低下させる事ができる。
【００５７】
前記のように、相互に１２０゜離間された３個の二重の撓み部材は、全方向水平運動振動絶縁システムを成す。またその水平方向剛性は、前述のように実効荷重の一部を担持する第２調節ばねを使用して各撓み部材の担持する荷重を調整する事によって調整する事ができる。
【００５８】
皿ばねまたは円錐形ディスクばねは、荷重を支持し垂直方向においてゼロまたは負の剛性を生じるように設計する事ができる。しかし、先行技術の場合と同様に、これらのばねは、振動、特にマイクロ地震作用による最も微小な外部振動の振動絶縁にとって有害な滑り摩擦を生じる。
本発明の他の実施態様は、実効荷重を支持するため、正のばね手段と共に負のばね剛性を生じ垂直方向および水平方向においてゼロまたはゼロに近いばね剛性を発生し、本質的に機械摩擦を含まないような新規な方法で皿ばねまたは円錐形ディスクばねを利用する。２セットの支柱部材が皿ばねを実効荷重とベースとの間に支持している。上セットの支柱部材は、実効荷重および皿ばねの内周部分に固着し、下セットの支柱部材は、皿ばねの外周部およびベースに固着する。一方のセットの支柱部材は、その臨界座屈荷重またはその近くで任意水平方向においてゼロまたはゼロに近い剛性を生じるように作動する。両方のセットの支柱部材は、皿ばねが垂直方向に撓む際の負の剛性に対抗する正のばね手段を成すが、正の剛性の大部分は非臨界セットの支柱部材から生じる。両セットの支柱部材の長さは調整可能である。一方のセットの調整は、組立体の水平剛性を変動させ、他方のセットは、組立体の主として垂直剛性を変動させる。
【００５９】
本発明は、例えば、振動の影響を受けやすい機器のテストのため、または精密製造機器を支持するための安定プラットフォームを成すように使用する事ができる。この振動絶縁システムは、マイクロエレクトロニクス工業で使用されるフォトリソグラフィー機器、レーザ機器を含む光学機器、電子操作型トンネル効果顕微鏡および建物の振動絶縁または免震装置などの多くの実用的用途に使用する事ができる。
本発明の振動絶縁システムは、実効荷重の振動を振動絶縁する事ができるから、振動する実効荷重を外部環境から絶縁するために使用する事もできる。
【００６０】
このような用途の１例は、潜水艦の艦体の振動を減少させるために、潜水艦に塔載された振動機器を振動絶縁することにある。このような振動絶縁システムは、発見困難な静かに走る潜水艦を建造する事を可能にする。
また、本発明の振動絶縁システムは、垂直剛性をゼロ近くまで減少させる事ができるので、ゼロ重力をシミュレーションすることで、ゼロ重力シミュレーション環境において機器をテストするために使用する事ができる。
【００６１】
本発明は、垂直方向および水平方向においてゼロまたはゼロに近い剛性を生じる事のできる振動絶縁システムを提供し、実効荷重とベースとの間のきわめて低い振動数の振動の伝達を抑止する事のできる振動絶縁システムを成す。また、この振動絶縁システムは、自動的システムとして使用する事もできるが、運動検出素子、フィードバックループおよびアクチュエータ手段を備えて能動システムとして使用する事もできる。
また、本発明は、機械摩擦を本質的に示さない振動絶縁システムを成す。すなわち、振動絶縁システムのエネルギー消失は、構造材料の内部ヒステリシスに制限される。従って、この振動絶縁システムは、最も微細な外部振動からも実効荷重を効率的に振動絶縁する。
本発明の振動絶縁システムは、高温、強真空および腐食環境などの悪条件環境に対応するように、金属またはその他の構造材料によって全体的に構成する事ができる。
【００６２】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
本発明は、特に、振動に敏感な機器を振動その他の望ましくない運動の作用から効果的に絶縁し、または振動物体をベースから絶縁する全方向振動絶縁システムに関する。  また、本発明は、振動絶縁システムを形成するために、相互に組合わされる垂直方向振動絶縁システムおよび水平方向振動絶縁システムに関する。
【００６３】
図１は、本発明の振動絶縁システム１０の第１実施態様を示す。この振動絶縁システム１０は、振動絶縁される物体を弾性的に支持するための複数の垂直方向振動絶縁装置１２を含む。垂直方向振動絶縁装置１２は、垂直方向における振動の伝達を抑止する手段を成す。
【００６４】
垂直方向振動絶縁装置１２は、荷重を支持するばね手段と、ばね手段の正の剛性に反作用する負の剛性を生じる事のできる機構とを使用して作動する。その結果として、低い正味剛性（ゼロに近い剛性）が得られる。また、ゼロまたはゼロに近い正味ばね剛性を得るために、振動絶縁装置を微調整するための負の剛性調整手段が備えられる。このような組み合わせにより、非常に低い振動数を振動絶縁できるとともに、高い振動数の振動絶縁を改良する事のできる垂直方向振動絶縁装置が得られる。
【００６５】
振動絶縁システム１０は、垂直方向振動絶縁装置１２を新規な水平方向振動絶縁システムの実施態様に結合するものであって、前記水平方向振動絶縁システムは、少なくとも３つの支柱部材１４から成り（図１には２本のみを示す）、これら支柱部材１４は、垂直方向における剛性支持を提供するとともに、水平方向における弾性支持を提供する。各支柱部材１４は、その下端を垂直方向振動絶縁装置１２のいずれかに固着され、その上端を実効荷重または実効荷重を支持するプラットフォーム１６に固着される。
【００６６】
各支柱部材１４は、ある程度の垂直荷重が加えられた時に特殊の不安定平衡状態を生じる。この荷重の臨界値は、支柱部材１４の臨界座屈荷重と呼ばれる。垂直荷重が支持部材１４に加えらた際に、支持部材１４が座屈荷重に達すると、これ以上の荷重が支柱部材１４を座屈させ、または支柱部材１４をその座屈形状または不安定状態に変形させる。この事については、図１９（Ａ）乃至図１９（Ｆ）により説明する。
【００６７】
設計の目的は、３つの支柱部材１４のそれぞれに対して、臨界座屈荷重に近い荷重を軸方向に加えることにある。支柱部材１４は、実効荷重を十分に支持するほど強固であるが、水平方向荷重に対してはほとんどまたはまったく剛性を示さない。その結果、これらの支柱部材１４は、実効荷重とベースとの間の水平振動の伝達を抑止する。
【００６８】
本発明の他の特色は、支柱部材から成る振動絶縁装置をその不安定点または不安定点近くで作動させ、圧潰または破損に対する十分な安全ファクタを実効荷重成分あるいは振動絶縁システム成分に与える安全機構を提供することにある。このような垂直方向振動絶縁装置と水平方向振動絶縁装置との組合せは、実際、任意方向の振動を絶縁するシステムを提供する。
【００６９】
図１に示す垂直方向および水平方向振動絶縁装置の構造は、本発明において可能な多数の組合せの１つにすぎない。例えば、図１に示す振動絶縁システムは、実効荷重を支持するベース部材として３個の垂直方向振動絶縁部材を使用し、実効荷重は、水平方向振動絶縁部材１４と、プラットフォーム１６と、振動絶縁される物体とを含む。他の組合せは、実効荷重を支持し振動絶縁するためのベース部材として水平方向振動絶縁部材１４を使用する事ができる。
【００７０】
図１８についてさらに詳細に説明する構造においては、１個の垂直方向振動絶縁部材が使用される。垂直方向振動絶縁部材は、３本の水平方向振動絶縁部材によって支持されている。垂直方向振動絶縁部材の数は可変であり、水平方向振動絶縁部材に対するその位置は本発明の主旨の範囲における多くの組合せに依存する。
【００７１】
実際上、水平方向振動絶縁システムは、任意の物体を適当に支持するため、代表的には、少なくとも３本の水平方向振動絶縁部材を使用する。一部の用途においては、必要な支持力を生じるため、これより多数の水平方向振動絶縁部材を使用する事ができる。また他の用途においては１本のみの水平方向振動絶縁部材を使用する事ができる。
【００７２】
図２、図４、図５および図６について述べれば、図１に示す振動絶縁システムに使用される垂直方向振動絶縁装置１２の実施態様を示す。図２においては、垂直方向振動絶縁装置を構成する要素を示すために、プラットフォーム１６を除去している。
【００７３】
垂直方向振動絶縁装置１２は、固定ベース１８を含み、この固定ベース１８にばね手段２０が取り付けられている。ばね手段２０は、荷重を支持し、垂直方向の正のばね剛性を提供する。ばね手段２０は、中心ハブ２４において相互に固着された３本の放射方向撓みアーム２２を含む。中心ハブ２４は、振動絶縁される物体を支持する中心点として作用する。この構造において、中心ハブ２４は、水平方向振動絶縁部材１４の一端２６を支持する。他の実施態様において、中心ハブ２４は、振動絶縁される物体を支持するプラットフォームなどの支持構造に固着され、あるいは物体そのものに直接に固着する事ができる。
【００７４】
これら３本の放射方向撓みアーム２２は、相互に１２０゜の角度で配置される。各放射方向アーム２２は、高い軸方向剛性を有するが、垂直荷重による撓み運動を受けた時に湾曲またはたわむ事ができる可撓性ビームとして作用する。このような可撓性がばね手段の正の垂直剛性を提供する。
【００７５】
また、放射方向圧縮力が、放射方向アームまたはビームを負の剛性機構として作動させ、中心ハブ２４において垂直方向の負の剛性を提供する。弾性的不安定点が、放射方向アームまたはビームの臨界撓み荷重に対応する放射方向圧縮応力の臨界値において生じる。弾性的不安定点は、放射方向圧縮力によって生じた負の垂直剛性が放射方向アームの変形による正の垂直剛性を相殺する点である。
【００７６】
放射方向圧縮力の臨界値または臨界座屈荷重に近づくに従って、振動絶縁構造の正味垂直剛性が減少し、弾性不安定点の臨界値または臨界点において正味垂直剛性がゼロとなる。また、振動絶縁装置の形状は、不安定モードまたは座屈モードによる撓みが実質的に垂直移動、すなわち、振動絶縁装置の軸線に沿った移動となるように設計される。従って、振動絶縁装置は、その垂直方向または軸方向の荷重を支持する事ができ、放射方向アームに対する放射方向圧縮力を調整する事によってその正味垂直剛性がゼロまたはゼロ近くに調整されるように製作される。
【００７７】
各放射方向アーム２２は、このアームに対して放射方向圧縮力を生じる手段に連結される。図２、図４、図５および図６に示す実施態様において、これらの手段は、３個の荷重を加える荷重撓み組立体２８として示される。各荷重撓み組立体２８が各放射方向アーム２２の外端３０に連結される。
各荷重撓み組立体２８は、厚い中心部３３と、２つの厚い端部３２、３４と、中心部３３と厚い端部３２、３４の間に連結された２つの撓み部２９を有する。厚い端部３２、３４は、ベース１８に一体的に形成されたスペーサブロック３６に固着される。図４に示すように、各スペーサブロック３６は、撓み組立体２８の取り付けに使用される外側面３８を有する。スペーサブロック３６は、相互間に通路４０を成すような形状と配置を有する。これらの各通路に放射方向アーム２２が妨害なしで移動できるように配置される。荷重撓み組立体２８の端部３２、３４が、スペーサブロック３６にボルト４２またはその他の固定手段によって連結される。
【００７８】
前述のように、各荷重撓み組立体２８は、放射方向アーム２２の一端３０と直接に接触する。図２の実施態様において（図９（Ａ）に詳細に図示）、放射方向アーム２２の放射方向端に、アームと一体的に形成されたまたはアームの端に溶接された取り付けプレート４４が配置される。各取り付けプレート４４が、荷重撓み組立体２８の中心部３３に固着される。図２と図９（Ａ）において見られるように、この中心部３３と取り付けプレート４４は、２つ以上の孔４６を有し、これらの孔４６を通して引っ張りボルトまたはロッド４８が延在する。各ロッド４８の両端に配置されたナット５０が、中心部３３と取り付けプレート４４を相互に固着した状態に保持する。
【００７９】
前記の構造は、荷重撓み組立体２８を放射方向アーム２２に固着するための多くの方法の１つにすぎない。荷重撓み組立体２８と放射方向アーム２２は、それぞれ別個の機械加工された部材として形成され、これら２つの部材を相互に保持するための取り付け構造または固定構造の使用をなくす事もできる。ボルト締めまたはクランプ締結は、接合される部材間に機械的摩擦を導入する。この機械的摩擦は、振動絶縁システムの性能に悪影響を与える可能性がある。操作に際して、これらの荷重撓み部材２８が放射方向アーム２２に放射方向圧力を加え、これがばねの負の剛性を生じ、負の剛性が、垂直荷重を受ける放射方向アーム２２の撓みによって発生するばねの正の剛性に対抗する。
【００８０】
操作に際して、各荷重撓み組立体２８は、放射方向アーム２２の外端に放射方向内向き力を加えるように設計される。これは、単に荷重撓み組立体２８の両端を中心ハブに向かって移動させる事によって実施される。図２に示す実施態様において、荷重撓み組立体２８の両端は、スペーサブロック３６に対して可動であって、放射方向アーム２２に加えられる放射方向力を変動させる事ができる。荷重撓み組立体２８の両端を保持するボルトを単に締め付けまたはゆるめて所望の放射方向力を得る事ができる。
【００８１】
図３は荷重−撓みグラフである。荷重−撓みグラフは、垂直方向振動絶縁部材について低い正味ばね剛性が生じる平衡原理を示す。この荷重−撓みグラフは、代表的線形ばね手段の荷重撓み挙動と、代表的負の剛性機構の特性を示す。
図３において、線Ｐは、ばね手段の一般的荷重−撓み挙動を示し、線Ｎは、負の剛性機構の特性を示す。線Ｉは、垂直方向振動絶縁部材の特性を示し、単にばね手段と負の剛性機構との特性の組合せである。
【００８２】
図３において、線Ｐは、正の剛性またはばね定数を示す正傾斜の代表的な線形ばねのグラフである。線形ばねは、無荷重−無変形状態から撓み量σｗ  だけ撓められ、撓み量σｗ  において、線形ばねは荷重Ｗを支持する。この撓み量σｗ  は、垂直方向振動絶縁装置の中心点に対応する。この中心点は、負の剛性を生じるオーバセンターまたはスナップスルー機構の中心点である。中心点は、振動絶縁装置が垂直方向振動絶縁を生じるように作動する位置である。
【００８３】
図２の振動絶縁装置において、この作動位置は、放射方向アーム２２の外端と内端が実質的に同一垂直レベルにある位置に対応する。この位置は、図９（Ａ）と図９（Ｂ）に示されている。図９（Ｂ）は、無荷重−負変形位置における放射方向アーム２２を示す。図９（Ａ）は、作動荷重を受けて変形してその作動位置まで湾曲した放射方向アーム２２を示す。この場合、中心ハブ２４は、近似的にσｗ  の量だけ下降している。放射方向アーム２２に対して放射方向荷重が加えられなければ、垂直振動絶縁装置の撓み挙動は図３の線Ｐに対応し、振動絶縁装置の剛性は線Ｐの傾斜に対応する。放射方向圧縮荷重が放射方向アーム２２に対して加えられるので、正ばね手段の正の剛性から差し引かれる負の剛性が生じる。各放射方向荷重値に対して負の剛性機構の撓み曲線は、図３の曲線Ｎのようにプロットされる。
【００８４】
曲線Ｎは、中心点の前後の限られた撓み範囲において近似的に一定の負傾斜を有する。ゼロまたはゼロに近い垂直剛性の場合、放射方向荷重の設計値または作動値は、第３図の曲線Ｎによって示すように、負曲線が正ばね手段による正曲線を相殺しまたは近似的に相殺する値に対応する。
【００８５】
振動絶縁システムは、代表的には、図３のσ１  とσ２  との間の撓み範囲によって示すように作動する撓み範囲を有するように設計される。振動絶縁システムの撓み量がこの範囲外に増大するに従って、負の剛性機構の挙動が、撓み量に伴うばねの形状変化による二次的効果の故に徐々に非線形となる。
【００８６】
振動絶縁装置は、ゼロまたはゼロに近い垂直剛性を生じる放射方向アーム２２に対する放射方向荷重の作動値に限定されない事を注意しなければならない。実際には、この振動絶縁装置は、ゼロ放射方向荷重に対応する第３図の線Ｐの曲線から放射方向荷重の臨界値に対応するゼロまたはゼロに近い剛性値まで、さらに臨界値を越えた放射方向荷重に対する負の剛性値までの範囲内の任意の剛性値で作動させる事ができる。放射方向アーム２２に対する放射方向荷重が放射方向圧縮ではない放射方向張力を放射方向アーム２２に対して加えるならば、振動絶縁装置の正味垂直剛性は第３図の曲線Ｐ以上に増大される。
【００８７】
図３に示すグラフは説明の便宜上のものであって、実際の振動絶縁システムの荷重撓み挙動を確定するためのグラフではない。特定の振動絶縁装置について、垂直方向振動絶縁システムを作製するために必要な適当な設計パラメータと荷重−撓み値を特定するには、ある程度の計算と実験が必要である。二次効果を考慮する場合、放射方向が、放射方向アームの可撓性変形および中心ハブの垂直位置に影響し、従って、振動絶縁装置の中心点または作動位置に影響する事は明らかである。
【００８８】
振動絶縁装置がゼロ正味剛性の近くで操作されるほど、負の剛性機構をその適正作動位置に配置するために、より正確な放射方向応力が必要とされる事は明らかである。従って、図２に示す実施態様に使用される特定の荷重撓み組立体２８は、一部の用途においては、振動絶縁装置の微調整に必要な放射方向力を発生する程度に正確でない場合がある。その場合には、放射方向力のより正確な調整を成す他の手段が必要とされる。
【００８９】
図２に示す荷重撓み組立体２８は、放射方向アーム２２に対して加えられる放射方向力の調整能力を有する。これは、単に、荷重撓み組立体２８の両端を取り付けたスペーサブロック３６に向かってまたは離間するように移動させる事によって実施される。
【００９０】
図８（Ａ）と図８（Ｂ）は、荷重撓み組立体２８とスペーサブロック３６との間の相対運動と望ましくない機械的摩擦を低減させるために、これらの部材間のより強固な取り付けを成す簡単な構造を示す。この構造は、荷重調整のために荷重撓み組立体２８の両端とスペーサブロック３６の面３８との間に挟持される複数のシム５２を有する。これらのシム５２は、組立て後の放射方向アーム２２に加えられる力を変動させるために、組立て前に追加または除去される。図８（Ａ）は、荷重撓み組立体２８の放射方向アームの無荷重状態を示す。図８（Ｂ）は、荷重撓み組立体２８のシム５２を挟持する状態での変形により放射方向アームに対して実質的力を加えた状態を示す。放射方向力の微調整は、シム５２の最小限厚さと荷重撓み組立体２８の剛性とに依存する。
【００９１】
図１０は放射方向アーム２２に対する放射方向力の微調整を生じる手段の実施態様を示す。微調整手段は、荷重撓み組立体２８の中心部３３に接触して追加する放射方向力を加え、負の剛性機構を微調整する微調整機構５６として示されている。微調整機構５６は、支持マウント５８を含み、支持マウント５８がネジ６０を支持し、ネジ６０にソフトばね６２が取り付けられる。ソフトばね６２は、荷重撓み組立体２８の中心部３３に接触し、荷重撓み組立体２８によって加えられる力を補足する追加力を加える。
【００９２】
ソフトばね６２の一端６４は、荷重撓み組立体２８の中心部３３の外側６８に形成された凹部６６に配置される。この凹部６６は、荷重を受けるソフトばね６２の移動を防止する。ソフトばね６２の他端６３は、ホルダー６７に配置され、ソフトばねの移動を防止する。ネジ６０は、その一端にノブ７０を有する。ユーザが、必要に応じてノブ７０によってネジ６０を移動させて、荷重撓み組立体２８に対する追加力を増減させることができる。
【００９３】
ソフトばね−ネジ機構が使用されるのは、図２の荷重撓み組立体２８よりもはるかに小さい微調整力を荷重撓み組立体２８に加える事ができるからである。放射方向力の最小限調整は、ネジ６０のピッチとソフトばね６２の剛性とユーザの加える最小限ネジ回転とに依存する。荷重撓み組立体の微調整のために、荷重撓み組立体に対して小さな追加力を加える他の任意手段を使用する事ができる。例えば、追加力を発生させるため、各荷重撓み組立体と支持部材との間にソレノイドまたは圧電装置を取り付けて追加力を発生させ、振動絶縁装置に対する電流入力の微調整によって正確な調整を実施する事ができる。
【００９４】
また、垂直方向振動絶縁システムは、各垂直方向振動絶縁部材の荷重担持能力とベースに対する実効荷重の位置とを変動させる手段を含む。図２、図４、図５、図９（Ａ）、図９（Ｂ）および図１０は荷重担持能力と実効荷重位置を変動させる実施態様を使用する。この構造は、前記の放射方向撓み組立体に対する放射方向力の微調整手段と類似である。
図９（Ａ）、図９（Ｂ）および図１０に示す機構７２は、中心ハブ２４上に加えられる荷重を部分的に支持するように中心ハブ２４の直下に配置された第２線形ばね７４と調整ネジ７６とを含む。第２線形ばね７４が、中心ハブ２４の底部７８に接触して、中心ハブ２４に対して追加上向き力を加える。振動絶縁装置の弾発手段は、放射方向アーム２２と第２線形ばね７４との組合わせである。
【００９５】
操作する間、振動絶縁装置が特定重量を支持し、この重量によりばね手段が図９（Ｂ）と図１０に示す初期無荷重位置から図９（Ａ）に示す荷重を受けた第２線形ばね７４のセンタポイントまたは作動位置まで放射方向アーム２２を撓ませる。荷重の変化は、第２線形ばね７４を撓ませ、中心ハブ２４を垂直にセンタポイント位置から離間させる。ある程度の正の正味ばね剛性が存在し、振動絶縁装置が効果的に作動する事のできる垂直撓み限度が限られているから、重量荷重の実質的に小さな変動で十分である。重量の変動が大きすぎると、センタポイントからの中心ハブの撓みが、振動絶縁装置の操作および機能に対して悪影響を与えるので、重量および中心ハブの位置の変動を調整するために調整手段７２が必要となる。
【００９６】
調整手段７２の調整は、調整ネジ７６によって第２線形ばね７４の下端を上下させる事によって実施される。調整ネジ７６は振動絶縁装置のベース１８のネジ孔８０に配置されている。例えば、第２線形ばね７４の底部を上昇させれば、第２線形ばね７４が、中心ハブ２４をセンタポイントに保持しながら追加荷重を担持する事ができ、放射方向アーム２２によって担持される荷重には影響しない。第２線形ばね７４が線形であるので、調整手段７２の調整は、振動絶縁装置の正味垂直剛性に影響しない。
【００９７】
第２線形ばね７４の下端の上下運動調整手段は、ネジ型機構である必要はない。圧電式直動装置などの直動装置を使用する事ができる。調整機構７２は、ばねまたは直動装置である必要はなく、ボイスコイル、ソレノイドまたはその他類似の力発生機構など中心ハブに対して調整可能の上向き力を加える電気的または機械的機構とする事ができる。調整機構７２によって加えられる力の変動が機械の有効垂直剛性の変動を生じる場合、振動絶縁装置の正味垂直剛性をその所望の作動値に保持するため、放射方向アームに加えられる放射方向圧縮力の調整によって負の剛性の調整を実施する必要がある。
【００９８】
図９（Ａ）、図９（Ｂ）および図１０の調整機構７２に使用される第２線形ばね７４は、全垂直荷重の任意の部分を担持する事ができる。第２線形ばね７４が全垂直荷重を担持する場合は、本発明の他の実施態様である。この実施態様は、第２線形ばね７４が空気ばねであり、実効荷重の垂直位置を保持する手段を備えている用途について効果的である。
【００９９】
この場合、放射方向アーム２２は、全ての正の剛性に貢献するが、荷重の一部をも支持しない。従って、放射方向アーム２２は、センタポイントまたは振動絶縁装置の作動位置において無荷重である。これは、放射方向アーム２２が荷重からの撓みモーメントによって変形されないのでまっすぐである事以外は図９（Ａ）に示す位置に対応する。
【０１００】
この実施態様の利点は、低力−軽量の負の剛性機構にある。負の剛性機構が正の剛性を相殺するために必要とする放射方向力は、ばね手段の正の垂直剛性と放射方向アーム２２の長さに依存する。特定重量を支持する事のできる空気ばねの有効垂直剛性は、図９（Ａ）、図９（Ｂ）および図１０の放射方向アームばね手段などこの型の振動絶縁装置に適した機械的線形ばね手段の有効垂直剛性よりはるかに小である。
【０１０１】
従って、重量を支持するために空気ばねが使用される場合に、所要の放射方向力は小となり、従って、許容応力限界内において力を加え伝達させるに必要な荷重撓み組立体と放射方向撓みアームは、小さい断面となり軽量となる。低い放射方向力の場合、振動絶縁装置の微調整のための放射方向力の調整が実施しやすくなる。
【０１０２】
水平方向振動絶縁システムの操作は、振動絶縁システムの各支柱部材の臨界座屈荷重に近い荷重を加える場合に、各支柱部材が実効荷重を支持する程度に安定であるが、水平剛性をほとんどまたはまったく示さないという理論に基づいている。
【０１０３】
このようなアプローチは、臨界座屈荷重を超過した場合、実効荷重または振動絶縁システムの成分を破損するような圧潰または過度の撓みに対抗する合理的な安全手段を成す機構が振動絶縁システムの一部を成すのでなければ、実施不能である。
【０１０４】
この事を図１９（Ａ）乃至図１９（Ｆ）について説明する。図１９（Ａ）は図１８に示す水平方向振動絶縁システムの立面図である。基礎１４４に固着された３本の支柱部材１４の上に剛性プラットフォーム１８が固着され支持されている。図１９（Ｂ）はプラットフォームの水平距離ＳＨ  の並進から生じる支柱部材１４の変形状態を示す。
【０１０５】
この並進運動は、プラットフォーム１８に対する水平力によって生じる。この並進運動は、支柱部材１４の臨界座屈荷重を越えて支柱部材１４を座屈させまたは圧潰させる垂直荷重によって生じる。
【０１０６】
言い換えれば、このような変形は座屈または圧潰モードを示す。この場合、振動絶縁システムは不安定となり、図１９（Ｂ）は、この時点における変形状態を示す。このような変形は圧潰または破損が完了するまで増大しつづける。支柱部材１４に対する垂直荷重が臨界座屈荷重以下でありプラットフォーム１８に対する水平力が図１９（Ｂ）のようにプラットフォーム１８を並進させた場合、この水平力を除去すれば、振動絶縁システムは、図１９（Ａ）に示すようなその初期形状に戻る。垂直荷重が臨界座屈荷重そのものである場合、プラットフォーム１８に対して水平力が加えられなければ、比較的小さな値のＳＨ  とは無関係に振動絶縁システムは図１９（Ａ）に示す位置にある。このような結論は、一般に小さい撓み、弾性挙動などの仮設に基づく伝統的な弾性安定理論に基づいている。従って、支柱部材１４に対する荷重がその臨界座屈荷重に等しい時、プラットフォーム１８は、もちろん慣性に打ち勝つ荷重以外の水平荷重を加える事なく、水平に移動させる事ができ、従って支柱部材１４の水平剛性が本質的にゼロである。
【０１０７】
図１９（Ｃ）は、臨界荷重ＦＣＲを支持し、図１９（Ｂ）のように変形した長さＬの各支柱部材１４を示す。支柱部材１４の上端は、水平に移動する事ができるが、上端はプラットフォーム１８に固着されているので、その傾斜は垂直状態に拘束される。理論的には、支柱部材１４の中点１９においては変曲点またはゼロ曲率点およびゼロ曲げモーメントが存在する。支柱部材１４がその臨界座屈荷重を受けた時、支柱部材１４は水平荷重なしで水平方向に移動する事ができるので、支柱部材１４は、その中点１９において曲げモーメントまたは横方向荷重なしで垂直荷重ＦＣＲのみを支持する。従って、図１９（Ｂ）または図１９（Ｃ）の支柱部材１４の臨界座屈荷重は、図１９（Ｄ）に示すように長さＬ／２の固定自由支柱の臨界荷重と同等である。
【０１０８】
機械的ストッパーの作用でプラットフォーム１８が支柱部材１４に対して水平方向に小さい移動に制限される場合を考えてみると、このような制約状態において、支柱部材１４が座屈しまたは圧潰するためには、この支柱部材１４は、近似的に図１９（Ｅ）に図示の形状に変形しなければならない。この場合の支柱部材１４は、上端の傾斜が垂直状態に拘束され、水平移動が非常に小さい値に制限されているからである。この場合、支柱部材１４の圧潰形状は、図１９（Ｅ）に図示の位置に２つの変曲点２１と２３を有する。これらの変曲点２１と２３においては、曲げモーメントも横方向荷重も存在しないので、支柱部材１４に対する臨界座屈荷重は、図１９（Ｆ）に図示のように、長さＬ／４の固定自由支柱に対する臨界座屈荷重に近似的に等しい。固定自由支柱の場合、臨界座屈荷重は、支柱長さの平方に逆比例するのであるから、図１９（Ｅ）の支柱部材１４の臨界座屈荷重は、図１９（Ｂ）または図１９（Ｃ）の支柱部材１４の略４倍となる。
【０１０９】
従って、支柱部材１４の上端の下端に対する水平移動を非常に小さい値に制限する任意の手段は、支柱部材１４の圧潰または破損を生じる過応力に対する実質的な安全ファクタを成す。
【０１１０】
本発明の振動絶縁システムの正常な操作に際して、水平運動は、支柱部材１４の寸法に対して小である。従って、臨界座屈荷重を超過させる異常な事態に対する安全ファクタとして機械的ストッパーを使用する事ができ、これは、正常の操作に影響しない。機械的ストッパーは、操作中に通常経験されるよりも大きな水平方向移動を可能とし、圧潰または破損を生じる過応力に対抗する安全ファクタを成す。もちろん、プラットフォーム１６やその他の部材がストッパーと接触している時に、振動絶縁装置の機能が著しく阻害されるので、機械的ストッパーに当接したボトムアウトを防止するように設計しなければならない。
【０１１１】
本発明の完全に受動的な用途に際しては、異常な事態以外には、支柱部材１４の臨界座屈荷重とこの座屈荷重を越えないように支柱部材１４に対して加えられる最大荷重との間に十分な余裕が必要である。
【０１１２】
本発明の振動絶縁システムを能動システムとして使用するためには、フィードバック制御システムおよび手段（下記に説明）を備えた運動センサーを使用して、支柱部材１４の臨界座屈荷重の自動的調整または支柱部材１４に加えられる荷重の調整を実施する。
【０１１３】
この能動システムにおいては、運動を制限するために、運動に対抗する補正力を使用する事もできる。能動システムの場合、支柱部材１４は、その臨界座屈荷重またはそれ以上の荷重で作動する事ができる。
【０１１４】
図６と図７は、各支柱部材１４の長さと臨界座屈荷重を効率的に変動させる長さ調整機構８２を示す。長さ調整機構８２は、外側ネジ山を備えた調整ネジ８４から成り、調整ネジ８４は、支柱部材１４の端部８６とねじ係合している。調整ネジ８４は、ネジ孔８８を有し、支柱部材１４のネジ端部８６に沿って移動する事ができる。調整ネジ８４は外側面９０を有し、この外側面９０もネジ山を備え、プラットフォーム１６に形成されたネジ孔９２に受けられる。このように、調整ネジ８４は、支柱部材１４の端部８６に沿って可動であって、調整ネジ８４の位置に対応して調整部材８４の有効長さを延長または短縮させる事ができる。例えば、調整ネジ８４が支柱部材１４に沿って下方に回されると、支柱部材１４の有効長さが減少する。逆に、調整ネジ８４が支柱部材１４の端部に沿ってねじ戻されると、支柱部材１４の有効長さが増大する。調整部材８４を操作する事により、支柱部材１４の有効長さを変動させて特定の支柱部材１４について臨界座屈荷重を変動させる手段を成す事ができる。調整ネジ８４は、２つのロックナット９４と１０１を備え、支柱部材１４とプラットフォーム１６をさらに強く固着させる事ができる。ロックナット９４は、プラットフォーム１６の下面９６に接触し、ロックナット１０１は、調整ネジ８４の下面に接触する。
【０１１５】
水平方向振動絶縁システムの最も簡単な微調整手段の１つは、有効荷重またはプラットフォームに対して重りを加えまたは除去し、支柱部材１４の荷重をその臨界座屈荷重にできるだけ近づけることにある。水平撓みを制限するストッパーシステムが、この微調整を容易にする事ができる。振動絶縁システムが、座屈して水平方向にストッパーに当接するまで重りを加える事ができる。その場合、支柱部材１４に対する荷重が、臨界座屈荷重より少し低くなるまで少しづつ重りを除去し、その時点において、振動絶縁システムをストッパーから離間させる。許容移動限界内の水平方向の実効荷重の振動の固有振動数を使用して調整をモニターする。振動絶縁システムは、座屈状態に近づきストッパーまで移動するにつれて水平剛性が低くなり、従って、固有振動数が低くなる。
【０１１６】
再び、図１９（Ａ）乃至図１９（Ｃ）について述べれば、各支柱部材１４に対する荷重が臨界座屈荷重以上であれば、余分の荷重が支柱部材１４の水平移動方向における負の剛性を与える。任意の小さい水平移動に対して正の剛性を与える第２ばね７４にプラットフォーム１８が部分的に支持されていれば、負の剛性が調整され、実質的に前記の正の剛性と相殺され、水平方向においてゼロまたはゼロに近いばね定数を生じる。これは、図２０に示す水平方向振動絶縁システムおよび水平剛性調整手段の実施態様の基礎を成すものである。実効荷重（図示されず）を支持するプラットフォーム１８の部分が支柱部材１４と第２ばね７４の上に支持され、この第２ばね７４は、図１０に図示のものと類似の水平剛性調整機構７２の一部を成す。この場合、調整ネジ７６は、基礎１４４に取り付けられたスペーサブロック８５のネジ孔８０に配置される。図２０においては、２本の支柱部材１４のみを示す。第２ばね７４は、プラットフォーム１４の任意水平方向移動に対して正のばね剛性を示す。支柱部材１４は、支持された重りによって臨界座屈荷重以上の荷重を受けて、任意水平方向へのプラットフォーム１８の移動に対する負の剛性を生じる。支柱部材１４と第２ばね７４とによって担持される相対荷重の調整により、支柱部材１４の負の剛性が、第２ばね７４の正の剛性を相殺し、ゼロまたはゼロに近い正味水平剛性を生じる。この調整は、ばね７４の下部を上下させる調整ネジ７６によって実施され、第２ばねの支持するプラットフォーム１８の荷重を増減させ、支柱部材１４の支持する荷重を調整する。
【０１１７】
図２０に示す構造は、本発明のこの原理を使用する事のできる構造の１例にすぎない。例えば、任意の水平方向においてプラットフォーム１８の並進運動および振動絶縁システムの重心を通る垂直軸線回りのプラットフォーム１８の回転運動に対する実質的にゼロの正味剛性を形成するために、３対の調整手段７２から成る二次ばねと支柱部材１４が、図１２のプラットフォーム１３５のようなプラットフォームを支持するように使用する事ができる。３対の二次ばねと支柱部材は、必要な力条件とモーメント条件を満たすように、プラットフォームの重心に対して適当に配置される。また、プラットフォームの調整可能の第２支持体を備えたり、前記のように第２ばね７４の底部を上下させるために他の手段を使用する事もできる。
【０１１８】
図２１は、支柱部材１４の水平剛性を調整するため、管状支柱部材１１４の座屈抵抗を変動させる調整機構１１０を示す。管状支柱部材１１４は圧油で満たされている。調整機構１１０によって圧油の圧力を調整する事により、管状支柱部材１１４の座屈抵抗が調整される。この調整機構１１０はハウジング１２２を含み、ハウジング１２２はピストンロッド１２６を備え、ピストンロッド１２６がタンク１２５の圧油を圧縮する。ハウジング１２２は圧油ライン１２０に接続され、圧油ライン１２０は取り付け部材１１６に接続され、取り付け部材１１６は支柱部材１１４に接続される。取り付け部材１１６は、基礎１４４上において管状支柱部材１１４を支持する。ピストンロッド１２６はネジ部分１２７を有し、ネジ部分１２７がハウジング１２２のネジ孔に係合する。ピストンロッド１２６は、ノブ１２８を備え、ノブ１２８をユーザが操作して管状支柱部材１１４の中の圧力を調整する。
【０１１９】
水平撓みを制限する手段の１つの実施態様は、図６と図７に図示のストッパー機構１００である。ストッパー機構１００は、ロックナット１０１に連結され、支柱部材１４を部分的に包囲する管状部材１０２として形成される。管状部材１０２の内径は、支柱部材１４の外径より大であって、これら２つの部材間に一定の間隔を形成する。管状部材１０２の内面の下端１０５は、支柱部材１４が図１９（Ｂ）のように支柱部材１４が座屈して水平方向に変形する際に、支柱部材１４に当接してその変形を制限するように設計される。ストッパー機構１００は、比較的製造容易であるが、機械ストッパーシステムとしての圧潰に対する安全ファクタを与えない。
【０１２０】
図１１は、本発明による垂直方向振動絶縁システム１３０の他の実施態様を示す。垂直方向振動絶縁システム１３０は、図１、図２、図４図乃至図６、図９および図１０に図示した垂直方向振動絶縁装置と同様の要素を使用するが、この振動絶縁システム１３０における荷重撓みが、垂直方向であって水平方向でない点が相違する。軸方向振動絶縁システムにおける類似の部材は類似の数字で示し、数字にプライム符号を付ける。
【０１２１】
図１１に図示の振動絶縁システム１３０は、３本の放射方向撓みアーム２２’を含み、これらの撓みアーム２２’が中心ハブ２４’に固着される。荷重撓み組立体２８’が、放射方向撓みアーム２２’の端部に取り付けられて放射方向力を加える。この実施態様において、荷重撓み組立体２８’は垂直であって、その一端３４’がベース１８’に固着され、他端３２’が浮動スペーサブロック１３１に固着される。水平方向振動絶縁部材１４’が、中心ハブ２４’の上に取り付けられ、浮動スペーサブロック１３１に設けた開口１３２’を通って上方に延びている。
【０１２２】
この垂直方向振動絶縁装置の実施態様は、図１、図２、図４および図６、図９および図１０に記載のものと同様に機能する。この振動絶縁装置の微調整を支援するため、放射方向調整機構５６’などの調整機構が荷重撓み組立体２８’と接触する。振動絶縁システムの荷重担持能力と中心ハブ２４’の垂直位置を調整するため、中心ハブ２４’を部分的に支持する同様の機構７２’が配置される。
【０１２３】
図２および図１１に図示の垂直方向振動絶縁装置は、中心ハブに連結され相互に１２０゜の角度を成す３本の放射方向撓みアームに限定されない。１８０゜の間隔の２本の放射方向アームを使用したり、相互に９０゜の角度の４本のアームや相互に６０゜の角度の６本の放射方向アームを使用する事もできる。
【０１２４】
図１５について説明すれば、積層した放射方向アーム１３４を備えた実施態様は、さらにコンパクトな振動絶縁システムを与えるために使用される。これらの放射方向アームは、図１および図２と類似であるが、多数の放射方向アーム１３４によりより大きな垂直荷重を支持する事ができる。図２と図１１に図示の振動絶縁装置に使用される荷重撓み組立体２８も同様に積層させる事ができる。
【０１２５】
図１２と図１３に図示の他の振動絶縁システムは、図１に図示のシステムに使用されたものと同一の垂直方向および水平方向振動絶縁装置を使用する。この振動絶縁システムは、３個の垂直方向振動絶縁装置１２を使用する。振動絶縁装置１２は、水平方向振動絶縁部材１４ではなく、プラットフォーム１６または類似構造を直接に支持するためのベース部材として使用される。
【０１２６】
図１３は、プラットフォーム１６と１つの振動絶縁装置の中心ハブ２４との取り付け状態を示す。基本的に、プラットフォームは、各振動絶縁装置の中心ハブ上に搭載され、単にプラットフォームの孔４６を通り中心ハブ上のネジ孔に延在するボルト４２またはその他類似の締結手段によって取り付けらる。水平方向振動絶縁部材１４は、中心ハブそのものの上でなく，中間プラットフォーム１６の上に搭載される。
【０１２７】
特定の構造は、垂直方向振動絶縁装置の性能を増進する。水平方向振動絶縁装置からの曲げモーメントが、垂直方向振動絶縁装置の中心ハブ２４ではなく、プラットフォーム１６に伝達されるからである。曲げモーメントは、プラットフォーム１６上の正味曲げモーメントを平衡させるように、それぞれの垂直方向振動絶縁装置の中心ハブに伝達される垂直荷重の差異として相互に作用する。
【０１２８】
図１２において、各水平方向振動絶縁部材１４は、中間プラットフォーム１６に取り付けられ、上プラットフォーム１３５に接触する。上プラットフォーム１３５上に振動絶縁される物体が載置される。
図１３は、水平方向振動絶縁部材１４がプラットフォーム上の取り付け孔１３６の中に配置され、プラットフォーム１６に溶接またはロウ付けされる事を示す。同様に、水平方向振動絶縁部材１４の反対側末端は上プラットフォーム１３５に取り付けられる。中間プラットフォームの使用は、垂直方向振動絶縁装置の性能を増進するさらに安定なシステムを成す。
【０１２９】
図１８は、振動絶縁システムの他の実施態様１３８を示し、この振動絶縁システムは、本発明を構成する成分の種々の組合わせを示す。図１８において、水平方向振動絶縁システムは、垂直方向振動絶縁システム１４０と振動絶縁される物体（図示されず）とのベース支持体として利用される。振動絶縁システム１３８は、単一垂直方向振動絶縁システム１４０を使用し、これは、図２に図示のものと類似であるが、中心ハブが支持構造１４２に固着され、支持構造１４２の上に物体が載置される。垂直方向振動絶縁装置１４０は、３本の水平方向振動絶縁部材１４によって支持され、これら水平方向振動絶縁部材１４は、振動絶縁装置のベース１８と機素４４との間に垂直に配置される。この振動絶縁システム１３８は、前記各振動絶縁システムと同様に作動するが、単一の垂直方向振動絶縁装置が振動の垂直成分を振動絶縁する手段を成す。
【０１３０】
さらに、他の振動絶縁システムの実施態様１４６を図１６および図１７に示す。この実施態様において、振動絶縁システムの放射方向撓み組立体と荷重撓み組立体の代わりに、通常の円錐形ディスクばね１４８または皿ばねと、２セットの支柱部材とを使用する。皿ばねは、非線形ばねであって、荷重を支持し、一定の作動点において負のばね剛性を示す。前述のように、皿ばねは、若干の設計条件において、一般のスナップスルー機構またはオーバセンタ機構として挙動し、他の実施態様において、使用された荷重撓み部材と放射方向撓み部材との組合わせと同様の特性を有する。
【０１３１】
この実施態様の振動絶縁システム１４６は、複数の第１セットの支柱部材１５４を含み、第１セットの支柱部材１５４が実効荷重を支持しまた任意の水平方向においてゼロまたはゼロに近い剛性を生じる。第２セットの支柱１５２は、皿ばねと実効荷重とを支持し、皿ばねの発生する負の剛性に対抗する正の垂直方向剛性を生じる。
【０１３２】
図１６と図１７において、２セットの支柱部材１５２，１５４が、皿ばね１４８を上プラットフォーム１５６とベース１５０との間に支持する。上セットの支柱部材１５４は、その上端において図６および図７に図示のような長手方向調整機構８２を介してプラットフォーム１５６に連結される。ストッパ機構１００とロックナット１０１も連結される。支柱部材１５４の下端は、皿ばね１４８の取り付け孔に挿入され溶接またはロウ付けされる事によって皿ばね１４８に固着される。上セットの支柱部材１５４は、荷重を上プラットフォーム１５６から従来の皿ばねと同様に皿ばね１４８の内周近くに荷重を伝達する。下セットの支柱部材１５２の上端も同様に皿ばね１４８の外周近くに固着される。支柱部材１５２の下端は、上支柱部材に使用されたものと同一型の長手方向調整部材８２とロックナット１０１を使用し、ストッパ機構１００を使用しないで、ベースプレート１５０に連結される。下セットの支柱部材１５２は、先行技術の皿ばねと同様に、皿ばねの外周１６０近くに上向き荷重を伝達する。
【０１３３】
この場合、皿ばねは、重量を支持し、またセンタポイントまたは作動点を中心とする垂直撓みの範囲内において負の剛性を生じるように設計される。センタポイントは、図１７に図示のように、皿ばね１４８の荷重を受けた平坦な状態に対応する。実効荷重（図示されず）および上支持プラットフォーム１５６が垂直に移動する際に、皿ばね１４８は、通常のようにその傾斜角度または円錐角度を変更して変形し、支柱部材１５４、１５２もその末端部分の傾斜の対応の変化によって曲がって変形する。支柱部材１５４、１５２の曲げは、負の剛性に対抗する正のばね剛性を生じ、この構造を弾性的不安定点に近づけ、垂直方向において低い正味剛性を生じる。水平方向における低い剛性は、一方の支柱部材セット、この場合は、上セット１５４をその臨界座屈荷重に近づくように調整する事によって生じる。
【０１３４】
図１７の実施態様において、下支柱部材１５２は、上支柱部材１５４と同一の断面および材料から成るが、下支柱部材１５２は短く、曲げにおいて剛性が高い。従って、これらの下支柱部材１５２が、皿ばね１４８からの負の剛性に対抗する正のばね剛性の大部分を生じる。
【０１３５】
本発明のこの実施態様において、これらの下支柱部材１５２は、他の重要な機能を有する。この機能は、振動絶縁システムの共振振動数が許容振動数範囲内において振動絶縁システムの性能を阻害しない程度にこの共振振動数を高く保持するに十分な横方向曲げ剛性を与えることにある。特定の振動絶縁システム共振モードは、支柱部材の横方向撓みによりばねの上を水平に振動する皿ばねの質量に対応する。上支柱部材１５４と下支柱部材１５２が共にその臨界座屈荷重またはその近くまで加重を受けると、この振動絶縁システムの共振に関わる横方向ばね定数が低くなって、振動絶縁システムの共振振動数が許容できない程度に低くなる。適切な設計により、下支柱部材１５２は、皿ばねの負の剛性に対抗する適切な垂直剛性を生じ、振動絶縁システムの水平共振振動数を許容範囲内の高い値に保持する事ができる。
【０１３６】
図１４は、図２と図１１の振動絶縁システムに関する図３のグラフと類似するグラフである。このグラフは、図１６および図１７の振動絶縁システムの垂直荷重−撓み曲線を示す。ここで、曲線Ｎは非線形皿ばねに対応し、線Ｐは垂直ロッドの曲げに関連した正ばねに対応し、曲線Ｉは振動絶縁システムの合成曲線である。原点は皿ばねの無荷重状態に対応する。撓みσＷ  は、皿ばねの初期無荷重円錐形（図示されず）から図１７に示すその荷重を受けた平坦状態までの撓みに対応する。
【０１３７】
図示の実施態様において、支柱部材は、初期の無荷重状態においてまっすぐであり、皿ばね１４８と上プラットフォーム１５６およびベース１５０に固着され、皿ばねは、組立取付け体（図示されず）において、図１７に図示の位置と形状に平坦になされる。この故に、線Ｐは原点ではなく、図３の撓みσＷ  に対応するゼロ荷重を通る。皿ばね１４８が、組立取付け体から除去された後に解除されると、皿ばね１４８は、その初期無荷重円錐形（図３の原点）に戻ろうとするが、皿ばね１４８は、支柱部材の曲げによって拘束されて振動絶縁システム無荷重位置σ０  に戻るにすぎない。皿ばね曲線Ｎは、センタポイントσＷ  を中心とするσ１  からσ２  までの範囲内において、ほとんど一定の負傾斜を示す。これは、振動絶縁システムの作動範囲である。正ばね線Ｐが支柱部材の曲げによって皿ばね曲線Ｎに累加される時、合成振動絶縁システム荷重−撓み曲線ＩはσＷ  を中心とするσ１  からσ２  までの範囲内においてゼロまたはほとんどゼロの傾斜を示す。
【０１３８】
本発明のこの実施態様において、皿ばねそのものが、その弾性不安定点を超えて重量を加えられて負の剛性を生じ、スナップスルー機構またはオーバセンタ機構として挙動する。皿ばねが垂直ロッドの曲げによって生じる正ばね手段と結合する事により、この構造は、正の剛性の値が負の剛性の値を越えた場合に安定させられる。正の剛性の値を負の剛性の値に近づくように調整する事により、この構造は、弾性不安定点に近づけられる。構造の無荷重状態の安定位置は、第１７図に図示された平坦形状であって、不安定モードの形状は、皿ばねを円錐形状に変形した状態にする。不安定状態への振動絶縁物体の移動は、垂直方向であり、皿ばねの軸線方向である。
【０１３９】
垂直方向振動絶縁システムと水平方向振動絶縁システムを微調整するために、２セットの支柱部材長さ調整機構８２が使用される。上支柱部材１５４の長さを調整する上調整機構８２は、主として上支柱部材の臨界座屈荷重の調整により水平方向振動絶縁システムを微調整する。下支柱部材１５２の長さを調整する下調整機構８２は、主として下支柱部材の曲げから生じる正の垂直ばね剛性を調整する事により垂直方向振動絶縁システムを微調整する。振動絶縁システムの荷重担持能力または実効荷重垂直位置の調整機構は、この実施態様においては図示されていないが、実効荷重またはプラットフォームからバラストを除去しまたは追加し、あるいは図１０の機構７２などの手段を使用して実施する事ができる。
【０１４０】
図１６および図１７に図示の振動絶縁システムは、図１、図１２および図１８の実施例に示した種々の振動絶縁システムにおいて、図２の振動絶縁装置の代わりに垂直方向振動絶縁装置として使用する事ができる。この場合、上支柱部材と下支柱部材は、比較的剛性を高くでき、一方のセットのみが長さ調整される。これはセット支柱部材がその臨界座屈荷重またはその近くまで荷重を加えられて水平方向振動絶縁システムを成すからである。
【０１４１】
図２の振動絶縁装置１２の垂直方向振動絶縁システムを、図２の支柱部材１４のような比較的低い横方向剛性を有する手段と組み合わせる事により、水平方向および垂直方向の種々の方向に使用する事のできる多機能振動絶縁装置１９０または懸垂装置の実施態様が得られる。この実施態様は、システムの配向が重力場またはその他の加速度場に対して変動しあるいは加速度場の大きさが変動する多くの用途について有効な振動絶縁システムを成す。その使用例は、移動する潜水艦の雑音発生機器の振動絶縁、または飛行する航空機の光学照準システムの製品である。
【０１４２】
このような振動絶縁システムを第２２図に示す原理を使用して説明する。
図２の振動絶縁装置１９０のような振動絶縁装置または懸垂装置は、その軸方向（図２の垂直方向）における正または負の剛性を生じる能力を有し、軸方向における力を支持して軸方向力の変動に対して振動絶縁装置の特定の軸方向長さを保持する能力を有する。軸方向剛性および軸方向力は、前記の種々の調整手段によって調整する事ができる。  また、この振動絶縁装置は、その横方向変形に対する剛性を与え、軸線に対して横方向（第２図における水平方向）において振動絶縁装置の一端の他端に対する移動を生じる事ができる。この横方向剛性は、正の剛性または負の剛性とする事ができ、前述の種々の手段によって調整する事ができる。
【０１４３】
図２２は、基礎１４４に対して３個の振動絶縁装置１６２によって連結された実効荷重プラットフォーム１６の平面を示す。
各振動絶縁装置１６２は、軸線と、振動絶縁装置の軸線方向の小さい移動に対する軸方向剛性ＫＡ  と、軸線に対する任意の横方向の小さい移動に対する横方向剛性ＫＬ  とを有する。
【０１４４】
図２２の原理は、プラットフォーム１６が線１６８によって示されるような任意水平方向に小さく移動させられる場合、振動絶縁システムの剛性Ｋは、抵抗力を移動値で割った値によって決定され、移動方向に関係なく同一値をなす。
この剛性Ｋは、下記の方程式によってＫＡ  とＫＬ  に関連させられる。
【０１４５】
Ｋ  ＝  １．５ＫＡ  ＋  １．５ＫＬ            （１）
この原理を本発明の実施態様に利用し、それぞれ軸方向において調整可能の負の剛性と横方向において一定の正の剛性を有する前述の振動絶縁装置をもって図２２に図示の振動絶縁システムまたは懸垂システムを形成する。
【０１４６】
前記方程式（１）において、軸方向剛性ＫＡ  の代わりに、負の剛性−ＫＮ  を使用して、つぎの式が得られる。
【０１４７】
Ｋ  ＝  −１．５ＫＮ  ＋１．５ＫＬ            （２）
この式は、負の軸方向剛性ＫＮ  の値を正の横方向剛性ＫＬ  の値に近づくように調整する事により、水平振動絶縁システムの均一な全方向剛性を任意に小さくできる事を示している。
前記軸方向剛性と横方向剛性が等しくなる点は、得られた構造における弾性不安定点である。図示の振動絶縁システムの物理的構造は、真に軸対称ではないが、得られる剛性挙動は軸対称であり、得られる不安定性挙動も軸対称である。すなわち、理論的には、無限数の水平方向において生じうる無限数の不安定モード形状が存在する。
【０１４８】
さらに、振動絶縁装置は、軸方向荷重の変動に対してその軸方向長さを保持するように調整する事ができるので、例えば、移動する潜水艦中の雑音発生機器の振動絶縁の場合のように重力場またはその他の加速度場あるいは加速度場の変動に対して振動絶縁システムの配向が変動するような用途に前記の構造の水平方向振動絶縁システムを使用する事ができる。
【０１４９】
図２２において、振動絶縁システムの各振動絶縁装置１６２の荷重支持能力を適切に調整する事により、基礎の定常的または準定常的水平加速において、実効荷重プラットフォーム１６を基礎１４４に対して平衡状態に保持し、同時に、振動絶縁システムの水平剛性を任意に低く保持する事ができる。このアプローチは、通常、能動振動絶縁システムにおいて使用されよう。図２２に図示のシステムにおいて、振動絶縁装置の軸線の交点１６０は、並進−回転偶力、すなわち基礎の並進加速によって生じる物体の回転加速度を避けるために懸垂された物体の重心に対応する。
【０１５０】
全方向水平剛性ＫＨ  を有する垂直方向振動絶縁システムについて第２２図の水平方向振動絶縁システムを使用するならば、水平方向振動絶縁装置１６２の負の軸方向剛性がこの水平剛性ＫＨ  と水平方向振動絶縁装置の横方向剛性ＫＬ  とを相殺するように調整する事ができる。前記式（２）に水平剛性ＫＨ  を加えてつぎの式が得られる。
【０１５１】
Ｋ  ＝  −１．５ＫＮ  ＋１．５ＫＬ＋ＫＨ              （３）
振動絶縁システムの正味水平剛性をゼロに成すために必要なＫＮ  の値は、下記の式で示される。
【０１５２】
ＫＮ  ＝  ＫＬ  ＋  ２／３  ＫＨ                  （４）
この値は、式（３）において、剛性Ｋをゼロに設定し、ＫＮ  を解く事によって得られる。
【０１５３】
図２２において、３個の振動絶縁装置１６２は、軸線１６６が相互に１２０゜離間し、共通点１６０において交差するように配置されている。各振動絶縁装置１６２は、軸方向ばねＫＡ  と横方向ばねＫＬ  から成り、プラットフォーム１６における取り付け点１６４と基礎１４４との間を連結する。プラットフォーム１６が線１６８によって示されるような任意水平方向に小さく移動させられる場合、振動絶縁システムの剛性Ｋは、抵抗力を移動値で割った値によって決定され、移動方向に係わらず同一値を有する。軸方向において調整可能の負の剛性と横方向において一定の正の剛性を有する前述の振動絶縁装置により、図２２に図示の振動絶縁システムまたは懸垂システムを形成する。
【０１５４】
図２２において、振動絶縁システム中の各振動絶縁装置１６２の荷重支持能力を適切に調整する事により、基礎の定常的または準定常的水平加速において実効荷重プラットフォーム１６を基礎１４４に対して平衡状態に保持し、同時に振動絶縁システムの水平剛性を任意に低く保持する事ができる。図２２に図示のシステムにおいて、振動絶縁装置の軸線の交点１６０は、並進−回転偶力、すなわち基礎の並進加速によって生じる物体の回転加速度を避けるために懸垂された物体の重心に対応する。
【０１５５】
垂直方向振動絶縁システムは、前記の水平方向振動絶縁システムに使用されたものと同一型の振動絶縁装置で構成する事ができるが、その荷重担持能力は懸垂された物体の垂直荷重を支持するように調整される。この場合、垂直方向振動絶縁システムの正のばね手段は、水平方向振動絶縁装置の横方向（垂直方向）剛性を含むので、垂直方向振動絶縁システムの正味軸方向負の剛性は、水平方向振動絶縁システムのこの横方向（垂直方向）剛性を相殺するように調整しなければならない。
【０１５６】
図２２の水平方向振動絶縁システムを使用する垂直方向振動絶縁システムは、図１のシステム１０と本質的に同一であるが、図１と図２に図示の支柱部材１４は、その臨界座屈荷重以下で作動するように設計され長さ調整機構８２を必要としない。水平方向振動絶縁システムの剛性は、図２２の水平方向振動絶縁システムの水平方向振動絶縁装置１６２の負の軸方向剛性を調整する事によって調整される。
【０１５７】
図２２の水平方向振動絶縁システムと図１の垂直方向振動絶縁システムとを含む振動絶縁システムは、前記の型の多機能振動絶縁装置、例えば、図２の振動絶縁装置１９０を含む振動絶縁システムの１実施態様にすぎない。当業者には他の多くの変形が可能である。
【０１５８】
図２３と図２４は、コンパクトな水平方向振動絶縁システムを成す本発明の他の実施態様を示す。図２３は、振動絶縁システム１８６の立面図である。実効荷重プラットフォーム１６が、３個の二重撓み組立体１７０によって基礎１８に支持されている。図２４は、二重撓み組立体１７０と基礎１８の一部断面を示す平面図である。
【０１５９】
各二重撓み組立体１７０は、上撓み部材１７２と、下撓み部材１７４と、上プレート１７６と、中プレート１７８と、下プレート１８０とから成る。上撓み部材１７２は、上プレート１７６と中プレート１７８との間に連結され、下撓み部材１７４は、中プレートプレート１７８と下プレート１８０との間に連結される。上撓み部材１７２は下撓み部材１７４と交差している。すなわち、上撓み部材１７２と下撓み部材１７４は、垂直軸線回りに相互に９０゜回転した位置にある。これら撓み部材１７２、１７４は、低い剛性を有する薄い可撓性プレートであって、上連結プレートを下連結プレートに対して撓み部材の面に垂直な方向に並進運動させる事ができる。撓み組立体１７０の上プレート１７６は、実効荷重プラットフォーム１６に溶接され、下プレート１８０は、基礎１８に溶接される。振動絶縁システム１８６の撓み部材１７２、１７４に加えられる拘束力と、これら撓み部材の低い曲げ剛性により、各撓み組立体１７０に、図２２の振動絶縁装置１６２の軸方向剛性ＫＡ  と横方向剛性ＫＬ  に類似の相互に９０゜開いた２つの低い水平方向剛性が得られる。
【０１６０】
図２３と図２４に図示のように、３個の撓み組立体１７０をそれぞれの低い剛性方向が１２０゜開くように配向する事によって得られる振動絶縁システムの低い剛性は、図２２に図示の原理に従って任意の水平方向において同一である。
また、各撓み部材は、それぞれの臨界座屈強さと、図１９（Ｂ）および図１９（Ｃ）に図示の支柱部材と同様の座屈モードまたは不安定モードを有する。従って、各撓み組立体１７０にその臨界座屈強さに近い実効荷重を加える事により、水平方向振動絶縁システム１８６の剛性をゼロに近づける事ができる。また、撓み組立体１７０の荷重を調整するため、前述の支柱荷重調整手段を使用する事もできる。
【０１６１】
各撓み組立体１７０は、単一の部材で機械加工する事ができる。撓み組立体１７０をプラットフォームおよび基礎１８に固着するために、溶接以外の手段、例えば、ボルト締めを使用する事ができる。溶接は、ボルト締めの機械摩擦による減衰を示さないので望ましい。その場合、減衰は、ヒステリシス減衰または材料減衰に制限される。すなわち、システム中のエネルギー消失は、構造材料のヒステリシスに限定される。
【０１６２】
前述のように、本発明による振動絶縁システムは、受動型振動絶縁システムとして使用する事ができ、あるいは運動検出要素、フィードバックループおよびアクチュエータ手段を使用して、能動型振動絶縁システムとして使用する事ができる。前記のすべての調整手段は電気的に作動する事ができる。
【０１６３】
例えば、すべてのネジ型アクチュエータを電気ステップモータによって駆動する事ができ、場合によっては、圧電直動装置などの直動装置またはソレノイドを使用する事ができる。また、運動検出素子は、実効荷重またはプラットフォームおよびベースまたは基礎の上に取り付けられた加速度計とし、あるいは実効荷重またはプラットフォームとベースまたは基礎との間に搭載された運動トランスデューサとする事ができる。実効荷重とベースとの間の相対運動検出手段は、放射方向撓み手段などのばね手段に取り付けられた歪み計を使用する事ができる。歪み計は、曲げ歪みを測定するように構成され、中心ハブの軸方向移動に対して校正される。実効荷重の応答を制限しまた相対移動を許容範囲内に保持するため、フィードバックループに各種の制御機能を使用する事ができる。実効荷重の加速度応答を最小限にするために、荷重撓み組立体の微調整荷重などによるばね定数調整を最適化するためのフィードバックループを使用する事もできる。
【０１６４】
本発明の各実施態様を構成する種々の要素は、多数の各種材料で形成する事ができる。例えば、鋼およびアルミニウム合金、非金属などの構造金属および適当な弾性および強度特性を有するその他の構造材料が使用に適している。振動絶縁装置そのものの感度の故に、ベース構造および荷重撓み組立体および放射方向撓み部材などのその他の要素について同一材料を使用する事ができる。振動絶縁装置は、温度に対する感度が高いからである。例えば、相異なる要素について相異なる材料が使用された場合、熱膨張係数の差異の故に、温度変化を受けた時に各要素の相異なる膨張を生じる。その結果、極端に受感性の要素の望ましくない歪みが振動絶縁システムに有害作用を及ぼす。温度の影響を最小限に成すために、熱膨張係数が低い材料を使用する事ができる。
【０１６５】
本発明は前記の説明のみに限定されるものでなく、その主旨の範囲内において任意に変更実施できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による振動絶縁システムの第１実施態様の斜視図。
【図２】本発明による汎用振動絶縁装置の第１実施態様の斜視図。
【図３】第２図の振動絶縁装置の荷重−曲げ特性を示すグラフ。
【図４】図２の振動絶縁装置の平面図。
【図５】図２の振動絶縁装置の側面図。
【図６】図２の振動絶縁装置の部分断面図。
【図７】図６の７−７線に沿った断面図。
【図８】荷重撓み組立体の荷重を受けない状態と受けた状態とを示す部分図。
【図９】放射方向撓み部材の荷重を受けた状態と受けない状態を示す部分図。
【図１０】微調整機構の断面図。
【図１１】本発明による垂直運動振動絶縁装置の他の実施態様を示す斜視図。
【図１２】本発明による３個の垂直運動振動絶縁装置を使用した振動絶縁システムの他の実施態様を示す斜視図。
【図１３】図１２に示す垂直運動振動絶縁装置のプラットフォームの取り付け状態を示す断面図。
【図１４】振動絶縁システムの荷重−撓み曲線およびその成分を示す図。
【図１５】本発明による複数の放射方向撓み部材を使用する実施態様の断面図。
【図１６】本発明による振動絶縁システムの円錐形ディスクばねを使用した斜視図。
【図１７】図１６の１７−１７線に沿った断面図。
【図１８】本発明による振動絶縁システムの他の実施態様の側面図。
【図１９】本発明の水平運動振動絶縁システムの立面図。
【図２０】本発明の水平運動振動絶縁システムの他の実施態様の部分断面図。
【図２１】油圧を使用して筒状支柱部材の座屈力を調整する手段を示す断面図。
【図２２】本発明による水平運動振動絶縁システムの他の実施態様を示す平面図。
【図２３】本発明による二重撓み部材を使用する水平運動振動絶縁システムの他の実施態様の側面図。
【図２４】図２３の２４−２４線に沿った平面図。
【図２５】理想的振動絶縁システムの伝達率−振動数グラフ。
【図２６】機械ばねに特有の絶縁装置共振効果を示す伝達率グラフ。
【符号の説明】
１０  振動絶縁システム
１２  垂直方向振動絶縁装置
１４  支持部材
１６  プラットフォーム
１８  固定ベース
２０  ばね手段
２２  アーム
２４  中心ハブ
２８  荷重撓み組立体
【図１】
0003614755.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
0003614755.tif 000009
【図９】
0003614755.tif 000010
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
0003614755.tif 000014
【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
0003614755.tif 000020
【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
0003614755.tif 000023
【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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