(57)【要約】受動熱応答素子（ＴＲＥ）は、軸方向（垂直）位置の感受性および温度変化への負剛性振動分離装置の軸方向（垂直）位置固有振動数を除外または実質的に減少させるために使用される。ＴＲＥは、この追加された素子なしで、分離装置の固有の温度感受性を補償する。ＴＲＥは、均衡位置を制御し、また、負剛性振動分離装置の低固有振動数特性を維持するために、その理想的な均衡動作位置またはその近くで分離装置を維持するために温度変化に応じて力を生成する熱応答バネであり得る。【選択図】図１
2013545042.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベースに対する均衡位置で物体を支持し、支持バネおよび負生成装置が前記物体と前記ベースとの間の振動運動の伝達を抑制するために低軸方向剛性を結合して生成することを許可する軸方向における負剛性を生成する負剛性生成装置に動作可能に接続された前記軸方向における性能を支持する剛性および力を提供する前記支持バネを含む軸方向運動分離装置の温度感受性を調整する受動調整装置であって、
前記分離装置と動作可能に結合された熱応答素子であって、前記分離装置および前記熱応答素子上で動作する熱変動は、前記熱応答素子に該均衡位置またはその近くで前記分離装置を維持するために前記分離装置上で動作する復元力を適用させる、熱応答素子
を備える、受動調整装置。
【請求項２】
非拘束熱応答素子は、温度変化を受けると長さが変化する、請求項１に記載の受動調整装置。
【請求項３】
前記熱応答素子は、拘束時に、非拘束の前記熱応答素子の長さの変化に依存して特定の復元力を生成する、請求項２に記載の受動調整装置。
【請求項４】
前記熱応答素子は、熱応答バネである、請求項１に記載の受動調整装置。
【請求項５】
前記熱応答バネは、複数の二元金属梁を含む、請求項４に記載の受動調整装置。
【請求項６】
前記熱応答バネは、前記二元金属梁の対の間に配置された複数のスペーサを含む、請求項５に記載の受動調整装置。
【請求項７】
前記熱応答バネは、三元金属梁を含む、請求項４に記載の受動調整装置。
【請求項８】
物体とベースとの間の振動の伝達を抑制する間、前記ベースに対して均衡位置において前記物体を支持するための軸方向運動分離装置であって、
前記ベースに対する前記均衡位置で前記物体を支持するための軸方向における支持性能の力を有する支持バネと、
前記支持バネに動作可能に結合された負剛性を生成する機構であって、前記支持バネおよび負剛性生成機構は、前記物体と前記ベースとの間の振動の伝達を抑制するために低軸方向剛性を結合性して生成する、機構と、
前記分離装置と動作可能に結合された熱応答素子であって、前記分離装置および熱応答素子で動作する熱変動は、前記熱応答素子に該均衡位置またはその近くで前記分離装置を維持する前記分離装置で動作する復元力を適用させる、熱応答素子と、
を備える、軸方向運動分離装置。
【請求項９】
非拘束熱応答素子は、温度変化を受けると長さが変化する、請求項８に記載の軸方向運動分離装置。
【請求項１０】
前記熱応答素子は、非拘束の前記熱応答素子の長さの変化に依存して特定の復元力を生成する、請求項９に記載の軸方向運動分離装置。
【請求項１１】
前記熱応答素子は、熱応答バネである、請求項８に記載の軸方向運動分離装置。
【請求項１２】
前記熱応答バネは、複数の二元金属梁を含む、請求項１１に記載の軸方向運動分離装置。
【請求項１３】
前記熱応答バネは、前記二元金属梁の対の間に配置された複数のスペーサを含む、請求項１２に記載の軸方向運動分離装置。
【請求項１４】
前記熱応答バネは、三元金属梁を含む、請求項１１に記載の受動調整装置。
【請求項１５】
ベースに対する均衡位置で物体を支持し、支持バネおよび負剛性生成装置に前記物体と前記ベースとの間の振動の伝達を抑制する低軸方向剛性を結合して生成することを許可する軸方向における負剛性を生成するための負剛性生成装置に動作可能に接続された前記軸方向における剛性および支持する性能の力を提供する支持バネを含む軸方向運動分離装置の温度感受性を調整するための方法であって、
前記分離装置と熱応答素子を動作可能に結合することを含み、前記分離装置および前記熱応答素子で動作する熱変動は、前記熱応答素子にその均衡位置またはその近くで前記分離装置を維持するために前記分離装置で動作する復元力を適用させる、
方法。
【請求項１６】
前記熱応答素子は、前記分離装置がその均衡位置に当初配置され、前記分離装置がその均衡位置に配置された時から温度変化がない場合に、前記熱応答素子が圧縮も伸張もされないように前記支持バネと動作可能に結合される、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記熱応答素子は、前記支持バネと並列に配置される、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記熱応答素子は、熱応答バネである、請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
非拘束熱応答素子は、温度変化を受けると長さが変化する、請求項１５に記載の方法。
【請求項２０】
前記熱応答素子は、二元金属梁または三元金属梁を含む、請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、サスペンションシステムおよび物体とベースとの間の振動の伝達を分離および低減する方法に関し、より具体的には、軸方向位置の感受性および周囲の温度変化への負の剛性振動分離装置の固有振動数を除去または実質的に低減する受動手段に関する。
【背景技術】
【０００２】
非常に微細な動作の機器、装置および工程の望まれない振動により誘発される問題は、広く研究されており、振動の伝達を防ぎまたは低減する多くの解決法が提案され、開発されている。一般に、分離装置またはサスペンション装置と呼ばれる、物体とその周囲との間の望まれない振動の伝達を低減するように設定された装置の多くは、様々な材料、様々なタイプの機械ばね、および空気圧装置から構成される弾性パッドを含む構成要素の様々な組み合わせを利用してきた。しかしながら、低システム固有振動数を得ることおよびより高い周波数で高絶縁性能を提供しながら低値への共振応答を制限することからそれらを防ぐこれら特定の先行技術の分離システムに関連する欠点よび不利な点がある。
【０００３】
先行技術システムのこれらの短所および不利な点は、本発明者の１９９４年５月１０日に発行され、発明の名称が「振動分離システム」である米国特許第５，５３０，１５７号、１９９４年１２月６日に発行され、発明の名称が「減衰振動システム」である米国特許第５，３７０，３５２号、１９９３年１月１２日に発行され、発明の名称が「振動分離システム」である米国特許第５，１７８，３５７号、１９９６年８月２７日に発行され、発明の名称が「振動分離システム」である米国特許第５，５４９，２７０号、１９９７年９月２３日に発行され、発明の名称が「振動分離システム」である米国特許第５，６６９，５９４号、および１９９８年１１月１０日に発行され、発明の名称が「振動分離システムのための放射湾曲、梁柱および傾斜分離」である米国特許第５，８３３，２０４号に記載の、新しい振動分離システム、装置および現存の振動システムを改良するための方法の開発で取り組まれ、全体が本出願の明細書中に参照によりそれら全体が組み込まれる。
【０００４】
本発明に関連して利用され得る、上記特定の特許に記載された特定の振動分離システムは、軸方向（一般に積載重量の方向）および軸方向に対して実質的に横軸の任意の方向（一般に水平方向）の低剛性を示すことによって汎用分離装置を提供する。振動分離システムは、全６つの自由度（３つの並進および３つの回転）において分離を提供する傾斜運動分離装置を含んでよい。特定のシステムは、全方向性分離を提供するために直列形式で互いに接続され得る単一方向性または双方向性の分離部分組立品の組み合わせを利用する。各分離装置は、任意の方光軸に沿ったまたはその周りの振動を効果的に分離する任意の振動並進の軸または横成分のいずれかを分離するように設計される。続く議論において、軸運動分離装置は、垂直運動分離装置とも呼ばれ、垂直運動分離装置のシステムは、また、垂直運動分離システムとも呼ばれ得る。同様に、横軸運動分離装置は、水平運動分離装置と呼ばれ、水平運動分離装置のシステムは、また、水平運動分離システムと呼ばれ得る。最後に、傾斜軸（ピッチおよびロール）周りの回転を許す機構を含む傾斜運動分離装置は、傾斜運動分離システムと呼ばれ得る。
【０００５】
上記特許に記載された実施形態において、分離システムは、弾性構造の弾性不安定性の点に近づく分離装置またはその一部（指示重量または外部不可機構のいずれかによって適用される荷重）を形成する弾性構造の荷重の特定の原理に頼る。また、構造の「臨界座屈荷重」と呼ばれる弾性不安定性のこの点に近づくための構造の荷重は、垂直方向および任意の水平方向における低剛性を有する分離システムを生成する複合絶縁体の垂直または水平のいずれかの剛性の実質的現象を引き起こし、構造における固有減衰を増加させる。剛性は大幅に低減されるが、分離装置は、まだ、積載重量を指示する能力を保持する。
【０００６】
弾性構造上の負荷が臨界座屈荷重よりも大きい場合、過大荷重は、構造を「負剛性」または「負バネ定数」機構を生成するその座屈した形状に推進させる傾向となる。負剛性がバネの正剛性をキャンセルする、またはほぼキャンセルするように調整された、負剛性機構を支持バネと組み合わせることによって、弾性不安定性のその点に、またはその近くに位置し得る装置を取得する。負剛性を引き起こす負荷の大きさは、所望の特定の剛性を微調整し得る分離装置を生成するために調整され得る。
【０００７】
これらの上記記載の分離装置は、分離システム性能を大幅に低下させることなく重量負荷の変化を調整する間、低剛性、システムの共振応答を制限する高減衰、高周波数での効果的な分離および高分離装置共振周波数を示すことによって物体とベースとの間の振動の伝達を分離または減少する優れたシステムを提供する。本発明者の上記特定の特許において記載されたものと同様の受動的な負剛性振動分離装置は、非常に低い垂直および水平固有振動数（一般に０．５Ｈｚ以下）を提供し、それによって低周波数および建物、床および地面の位置で誘発される振動周波数の範囲、一般に１〜８０Ｈｚ以上の範囲、で非常に優れた振動分離を提供する。低垂直剛性および垂直固有振動数を達成する負剛性の使用のため、これらの分離装置は、垂直位置で変化を引き起こし、結果として分離装置の垂直固有振動数の変化となり得る温度の変化に敏感である。最も低い垂直固有振動数は、分離装置が最適な垂直均衡位置にあり、非線形効果により、周波数がこの最適な位置から変化する垂直位置として増加する場合に、達成される。従って、これらの分離装置は、随時、垂直運動分離装置の重量負荷における小さな変化、または主支持バネまたは気温の変動のクリープによって誘発される分離装置の構造の寸法の変化の手動の調整を必要としてもよい。
【０００８】
分離装置が受ける気温における変化は、関係する熱膨張および弾性係数などの機構特性における変化から分離装置のバネ、屈曲、および他の構造の寸法における変化の結果による最適な均衡位置における変化を生成し得る。一般に、固有振動数が低いほど、温度変化に対する垂直位置および周波数の感受性が大きくなる。負剛性分離装置は、垂直位置において変化を補正するために簡素な手動調整を有し、いくつかの負剛性分離装置は、垂直位置における変化を感知し、それらを自動的に補正する電気機械自動調整システムを利用する。従って、そのような変化に対するそのような分離システムの軸方向運動分離装置を連続的に、自動的に調整する調整装置は、そのような振動分離システムの既に高い性能をさらに向上させる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
参照によってその全体が本明細書に援用される本発明者の米国特許第５，７９４，９０９号は、分離装置の手動調整の必要性を実質的になくすか、または大幅に低減させるそのような電気機械自動調整装置を開示する。米国特許第５，７９４，９０９号に開示された装置は、分離装置の位置における任意の変化を感知する電子センサおよびその最適均衡位置に戻るように分離装置を動かす圧縮された制御バネ上の負荷を調整する構成部品に信号を適用する電子制御を必要とするアクティブシステムである。しかしながら、分離装置が真空室内、吸音筐体の内側、または遠隔位置に位置する場合に、分離装置が接近可能なまたは容易に接近可能である状況が存在する。一部の用途において、分離装置垂直位置の非常に厳しい精度および固有振動数は、望ましく、時に、よくある手動調節を、特に複数の分離システムにおいて、行うことが現実的でない。多くの手動調整は、また、特定の用途対し有害である分離システムにおいて力学的擾乱を引き起こし得る。これらの状況により、負剛性分離の固有の温度の感受性を自動的に補償する受動的な手段を有することが望ましい。本発明は、これらおよび他の必要性を満たす。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、温度変化に対する負剛性振動分離装置の軸方向（垂直）位置および軸方向（垂直）固有振動数の感受性を解消または実質的に減少させる新規の受動手段を提供する。本発明は、基本的に、分離装置と動作可能に結合する熱応答素子（ＴＲＥ）から成り、ＴＲＥは、この追加した素子なしで分離装置の固有の温度感受性を補償する。好ましい一実施形態において、ＴＲＥは、均衡位置を制御し、また、負剛性振動分離装置の低固有振動数特性を維持するためにその理想的な均衡動作位置またはその近くで分離装置を維持するための温度変化に応じた力を生成する熱応答バネの形である。
【００１１】
分離装置の固有温度感受性を受動的に補償し、最適な垂直位置および低固有振動数を維持するために、ＴＲＥは、分離装置と並列に配置することによって分離装置に動作可能に結合される。本発明の特定の一実施形態において、分離装置は、主支持バネ、分離装置の飛び出たまたは浮動の部分およびグラウンドとして動作する分離装置の一部を含む。ＴＲＥは、分離装置の飛び出たまたは浮動の部分とグラウンドとして動作する分離装置の一部との間でそれを結合することによってこの分離装置に動作可能に結合される。ＴＲＥは、主支持バネのそれに小さい剛性のみを追加する。本発明は、分離装置の効果的な剛性が支持バネの剛性、一般に数パーセントのみ、で小さく比較されるように、比較的堅い支持バネが通常そのような分離装置および分離装置に関連する負剛性機構がこの合成の多くを除去することで使用されるので、実用的である。ＴＲＥが既存の分離装置を加増するために追加される場合、その追加した剛性は、分離装置の手動負剛性調整機能を通していくつかの負剛性を追加することによって除去し得る。
【００１２】
従って、ＴＲＥは、軸方向（垂直）位置における変化を補償するための比較的小さい力を適用しなければならず、これは、熱応答素子などの実用的なＴＲＥによって達成し得る。
【００１３】
最適性能を達成するために、垂直運動分離装置は、「ゼロ」位置または「最適均衡」位置と呼ばれる位置、またはその近く、その運動の中央に位置すべきである。本発明の好ましい一実施形態において、温度変化に応じた力を生成する二次的熱応答バネの形である、ＴＲＥは、主支持バネと並列に位置する。この好ましい実施形態において、ＴＲＥは、分離装置がその均衡位置にあり、特定の気温を受けると圧縮されず、伸張されないように、設置されるべきである。分離装置が気温における変動にさらされる場合、分離装置の効果的な合成は、わずかに変化し、ＴＲＥなしで、その好ましい最適均衡位置の外に分離装置を動かす。しかしながら、（同様に温度変化に応じる）ＴＲＥは、温度における変動に反応し、分離装置の剛性における変化に対抗し、その好ましい均衡位置において分離装置を維持する力の少量を提供する。
【００１４】
全てにおいて、本発明は、分離装置に容易に組み込まれ、または既存の分離装置に改造し得る小型および比較的簡素な配置において軸方向（垂直）運動分離装置を連続して調整する新規の受動装置を提供する。装置は、分離装置に気温における変化によって誘発される以下のバリエーションを連続して調整することを許可する。
【００１５】
本発明の好ましい実施形態において、ＴＲＥは、二元金属バネなどの熱応答バネの形態をとってよい。バネの大きさおよび形状は、所望の特性に近づけるために多くの方法を変化し得る。例えば、バネの特定の一実施形態において、二元金属片持ち梁のアセンブリは、所望の剛性、熱膨張性能、偏向性能および分離装置を補完するために必要とされる強度を有するバネを取得するためにスペーサを使用して互いに結合され、積み重ねられ得る。特定の一実施形態において、二元金属梁の二層は、複合構造を形成する多くの二元梁を変化可能であるが、使用され得る。様々な二元金属梁を分離するスペーサは、複合構造のための所望の置換性能を取得するために使用され、分離装置が動作のその通常範囲内で動作することを許可し得る。二元金属梁は、互いに交差して位置合わせされ、または互いに対して交差位置に位置し得る。所望の剛性、熱膨張性能、偏向性能および二元金属バネアセンブリの強度を取得するために実行し得る多くの異なる積み重なった配置が存在する。いくつかの場合、熱的素子を利用する熱応答バネは、二元金属素子上の利点を提示し得る。
【００１６】
特定の一実施形態において、熱応答バネは、温度が上がると高さが高くなる。温度が低下すると、バネは高さが低くなる。バネを形成する構成要素は、また、それらが温度の増加で高さが縮小するように、反転し得る。スペーサは、金属、プラスチック、機などの様々な材料から作製され、様々な接着剤で溶接または接着するなどの異なる方法で接合され得る。二元金属または三元金属アセンブリの所望の特性は、二元金属または三元金属構成要素を形成するために使用される材料、構造、二元金属または三元金属梁の長さ、幅および厚さ、堆積の多くの層およびスペーサの大きさおよび位置を含むが、これらに限定されない、多くのパラメータを変更することによって取得され得る。従って、ＴＲＥの所望の特性は、気温の変化を通して分離装置を連続して調整することをＴＲＥに正確に許可されるように生成され得る。
【００１７】
本発明の他の特徴および利点は、本発明の原理を、例として、説明する添付の図面と併せて、以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の特徴を組み込む受動熱応答素子の特定の実施形態を備える単一負剛性振動分離装置の部分断面図である。
【図２】バネ上重量Ｗを有する負剛性振動分離装置、支持バネ剛性ＫＳおよび負バネ剛性−ＫＮを有する分離装置のモデルを示す模式図であって、ＫＮは、負剛性の大きさであり、分離装置は、ΔＴ＝０の場合、その初期の最適均衡位置にある。
【図３】分離装置がΔＴ≠０のときのその最適均衡位置から移動された場合の図２の負剛性振動分離装置のモデルを示す模式図である。
【図４】熱応答素子が分離装置の温度感受性を調整するために追加された負剛性分離装置のモデルを示す模式図であって、熱的感受性素子は、剛性Ｋｂを有し、分離装置は、ΔＴ＝０の場合、その初期の最適均衡位置にある。
【図５】ΔＴ≠０のときのその最適均衡位置を維持する場合の図４の負剛性振動分離装置のモデルを示す模式図である。
【図６】熱応答バネの形で本発明に従って作製された熱応答素子の特定の一実施形態の斜視図である。
【図７Ａ】ΔＴ＝０の場合のその非拘束位置における図６の熱応答バネの側面図である。
【図７Ｂ】ΔＴ≠０の場合のその非拘束位置における図６の熱応答バネの側面図である。
【図８】図６の熱応答バネの上面図である。
【図９】図６の熱応答バネの端面図である。
【図１０】本発明に従って作製された別の熱応答バネの形の熱応答素子の別の実施形態の斜視図である。
【図１１】図１０の熱応答バネの側面図である。
【図１２】図１０の熱応答バネの上面図である。
【図１３】図１０の熱応答バネの端面図である。
【図１４】本発明に従って作製された熱応答バネの形で熱応答素子の別の実施形態の斜視図である。
【図１５】図１４の熱応答バネの上面図である。
【図１６】図１４の線１６−１６に沿った熱応答バネの側面図である。
【図１７】図１４の線１７−１７に沿った熱応答バネの側面図である。
【図１８】熱応答バネの形での熱応答バネの側面図である。
【図１９】図１８の熱応答バネの端面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
例示目的のための図面に示すように、本発明で採用される特定の素子は、図１に示す複合分離装置の特定の実施形態に記載される。特定の発明が図１に示す特定の分離装置に適用されて詳細に記載されるように、本発明が、また、他の分離装置もどうように併せて使用され得ることは、当業者に明らかであろう。
【００２０】
以下、本発明を詳細に説明する。図１は、特定の負剛性分離装置２０と、気温の変動によって誘発される構造上の変化に応じて振動分離装置２０を調整する熱応答バネ２４の形で一形態のＴＲＥ２２を示す。分離装置２０は、独立部または積載量と土台２６との間の全方向性の振動の伝達を減らすための土台２６に対する積載量を支持する振動分離システムの一部であり得る。図１の分離装置で使用される特定の熱応答バネ２４は、図６〜９により明確に示される。バネ２４は、多くの積み重なった二元金属梁２８およびスペーサ３０から構成されるアセンブリから形成され、以下でより詳細に記載している。
【００２１】
分離装置２０は、積載量および支持バネ３２から剛性を除去する負バネとして動作する圧縮された水平方向に配向された屈曲３６を含む負剛性機構３４の重量を支持する主支持バネ３２から成り、それにより、積載重量を支持する間に低垂直剛性および低垂直固有振動数を提供する。分離装置の運動の垂直範囲を定義する一般に上部と下部の停止の間の中間に、分離装置の最適均衡位置が存在する。位置が温度変化によるこの最適均衡位置から変化する場合、分離装置の剛性および垂直固有振動数は、分離装置の性能に影響し得ると同様に変化する。
【００２２】
図１に示す分離装置２０は、本発明者の米国特許第５，６６９，５９４号および米国特許第５，８３３，２０４号に記載の分離装置に非常に類似している。分離装置２０は、傾斜運動分離装置と直列に垂直に動作可能に接続される水平運動分離装置と直列に垂直に動作可能に接続された垂直運動分離装置を基本的に含む。垂直運動、水平運動および傾斜運動分離装置は、一般に、米国特許第５，６６９，５９４号および第５，８３３，２０４号に示す構成と同じ構成に配置される。従って、分離装置を形成するこれらの独立した分離装置の特定の動作が上記特定の米国特許に記載され得るので、垂直運動、水平運動および傾斜運動分離装置を構成にする特定の素子のみについて言及するにとどめる。
【００２３】
垂直運動分離装置は、中央ハブアセンブリ３８および３本の水平調節ねじ４１によって土台２６に接続されたベースプレート４０に動作可能に接続された主支持バネ３２を含む。負剛性機構３４は、支持バネ３２から剛性を相殺する中央ハブアセンブリ３８に接続される。負剛性機構は、中央ハブアセンブリ３８および主支持バネ３２に負剛性を提供する放射状に圧縮された屈曲３６を含む。
【００２４】
簡単に、水平運動分離装置は、下部円柱板４４と上部円柱板４６との間で動作可能に接続された細い円柱ロッドの形で３つの可撓性を有する梁柱４２（図１に示される１つのみ）が含まれる。梁柱４２は、ねじまたは他の締結装置を利用して下部円柱板４４と上部円柱板４６に取り付けられる端部取付け具４３に圧入される。下部円柱板４４は、中央ハブアセンブリ３８の一部を形成する上部バネ支持５０に順に接続される硬支持シャフト４８に接続される。この特定の硬支持シャフト４８は、垂直運動分離装置の上部と水平運動分離装置の底部との間の比較的固い接続を提供する。水平運動分離装置の上部を形成する上部円柱板４６は、傾斜運動分離装置として動作する傾斜パッド５４を通って上部取付け板５２に接続される。図１に示す分離装置２０において、傾斜パッド５４は、可撓性を有するゴム状の材料から作製され得る。
【００２５】
回転防止装置は、底部バネ支持５６が分離装置の重量負荷の変化に対応するために持ち上げられたり下げられたりするような、主支持バネ３２のねじり変形を防止する。回転防止装置は、ベースプレートの凹部に含まれる推力軸受６３に支持されるねじ支持筒６０に取り付けられる下部バネ支持５６に固定される板５８を含む。回転防止板５８は、下部バネ支持５６が持ち上げられたり下げられたりするような、板５８と支持バネ３２の回転を防止するポスト６１を係合するスロットを有する。ウォームギアアセンブリ（図１に詳細に示されていない）は、ベースプレート４０に取り付けられる筐体に見られる調節ねじシャフト６２に取り付けられるウォームを係合する支持筒６０に取り付けられたウォームギアを含んで提供される。ウォームは、ピンまたは同様の留め具で調節ねじシャフト６２に固定される。ねじシャフト６２の回転は、分離装置の重量負荷における変化に対応するために下部バネ支持５６を持ち上げたり下げたりする。
【００２６】
さらに図１を参照すると、本発明の特徴を採用するＴＲＥ２２は、分離装置２０に取り付けられるように示される。ＴＲＥ２２は、図６〜９により詳細に示され、以下でより詳細に説明する熱応答バネ２４として具体的に示される。分離装置の固有の温度感受性を受動的に補償し、最適垂直位置および低固有振動数を維持するために、熱応答バネは、例えば、分離装置の飛び出たまたは浮いている部分と、グラウンドとして動作する分離装置の一部との間にそれを挿入することによって分離装置と並列に配置される。図１に示す特定の実施形態において、この熱応答バネは、分離装置の主支持バネ３２と並列になるように分離装置に動作可能に結合される。従って、このバネ２４は、垂直のみに移動するように拘束される、分離装置の浮動部、すなわち、下部円柱板４４およびグラウンドを示すベースプレート４０に結合される。本発明は、比較的堅い支持バネが使用され、負剛性機構が分離装置の効果的な剛性が一般に数パーセントのみの支持バネの剛性と小さく比較されるようにこの剛性の多くを除去するので実用的である。ＴＲＥが既存の分離装置を改造するために追加される場合、その追加された剛性は、分離装置の手動負剛性調整特性を通して負剛性を追加することによって除去され得る。従って、ＴＲＥは、分離装置の剛性における変化を補償するために比較的小さい力を適用しなければならず、これは、二元金属および三元金属バネなど、限定されないが、熱応答バネなどの実用的なＴＲＥによって達成され得る。
【００２７】
本発明の基本的な原理およびＴＲＥ機能の形態は、図２〜５の参照によってより例示され得る。最初に図２および３を参照すると、停止重量Ｗを示す分離装置のモデルを示す模式図が開示される。このモデルにおいて、ＴＲＥは、熱変動を補償するためのシステムに追加されてこなかった。主支持バネ３２は、支持バネ剛性ＫＳを有して示され、負剛性機構は、−ＫＮによって示される負バネ剛性を生成し、ＫＮは、負剛性の大きさである。図２に示すように、分離装置は、ΔＴ＝０として示される、分離装置が初期の気温である場合に、その最適均衡位置にある。分離装置の効果的な剛性は、Ｋｅｆｆ＝ＫＳ−ＫＮである。
【００２８】
図３は、ΔＴ≠０、すなわち、気温が変化した場合に、この同じ分離装置を示す。図３に示すように、重量Ｗは、下向きに配向した量δＩを有する。支持バネは、重量の上向きの力ΔＦＳで変化を発揮し、負剛性機構は、重量の下向きの力ΔＦＮで変化を発揮する。そして、システムは、ΔＦＳ＝ΔＦＮで均衡する。分離装置の温度感受性は、δＩ／ΔＴである。ΔＴ≠０である場合、分離装置は、その初期の最適均衡位置からその低固有振動数に沿って分離装置の剛性を変化させる位置へ移動させる。分離装置の振動分離特性は、従って、温度変化が分離装置に影響する場合に変化する。
【００２９】
図４は、ＴＲＥが温度感受性を相殺するために追加された分離装置のモデルを示す。ＴＲＥ、例えば、二元金属バネは、剛性Ｋｂを有し、分離装置の負剛性は、分離装置の効果的な剛性Ｋｅｆｆが変化することないように、Ｋｂを相殺するために増大してきた。モデル化された分離装置は、ΔＴ＝０の場合にその初期の最適均衡位置で示される。新しい負剛性の大きさは、均衡ＫＮ’＝ＫＮ＋Ｋｂで定義される。ＴＲＥは、ΔＴ＝０の場合、分離装置の均衡位置において圧縮も伸張もされないように組み込まれてきた。
【００３０】
図５は、図３で偏向δＩが同じ温度変化ΔＴにさらされる場合の分離装置を示すが、分離装置の偏向は、温度感受性がＴＲＥの存在によって除去されてきたので変化されない。重量の力における変化の結果が示される。これは、どのようにしてＴＲＥの剛性および熱的偏向要件が決定され得るかを示す。Ｆｂは、ＴＲＥにより生成される上向き力であり、ＫｅｆｆδＩは、ΔＴ＝０の場合に、偏向δＩを反転し、その初期の均衡またはその近くで維持するために必要とされる、略下向きの反力である。システムが均衡にあるので、Ｆｂ＝ＫｅｆｆδＩである。Ｆｂは、その熱膨張が拘束時に、すなわち、Ｆｂ＝Ｋｂδｂの場合、ＴＲＥによって生成された力であり、Ｋｂは、ＴＲＥの剛性であり、δｂは、非拘束された熱膨張である。これは、Ｋｂδｂ＝ＫｅｆｆδＩまたはδｂ／δＩ＝Ｋｅｆｆ／Ｋｂの関係となる。
【００３１】
例えば、０．４Ｈｚの垂直固有振動数を有する１０００  Ｉｂの容量の分離装置と仮定する。効果的な剛性は、Ｋｅｆｆ＝１６．４  Ｉｂ／ｉｎである。さらに、温度変化ΔＴ＝１０°Ｆが分離装置に下向きにδＩ＝０．０６  ｉｎの量を移動させると仮定する。テストまたは分析は、温度感受性のタイプを決定し得る。垂直位置の変化は、温度における与えられた変化を測定し得る。温度感受性は、有限要素モデルまたは他の分析モデルを使用し、構成要素および温度変化のある分離装置の性質の機構特性を調整して予測され得る。
【００３２】
ＴＲＥの熱偏向とＴＲＥの剛性Ｋｂとの間の関係は、上記の式から決定され得る。例えば、Ｋｂ＝Ｋｅｆｆ／２＝８．２  Ｉｂ／ｉｎである場合、δｂ＝２δＩ＝０．１２０  ｉｎが分離装置の熱偏向である。代わりにある場合、Ｋｂ＝Ｋｅｆｆ＝１６．４  Ｉｂ／ｉｎが分離装置の効果的な剛性であり、δｂ＝δＩ＝０．０６０  ｉｎが分離装置の熱偏向である。この場合、支持バネの剛性は、負剛性生成機構によって生成された負剛性によって取り消される。
【００３３】
上記例に基づいて、ＴＲＥの必要な剛性および熱偏向は、二元金属または三元金属バネで実際に達成し、様々設計が可能である。様々な適切な二元金属素子は、入手可能であり、様々な構成は、必要とされる剛性および熱膨張特性を達成するために、片持ち梁、Ｕ字梁、ディスクなどのアセンブリが使用され得る。一般的な負剛性分離装置の使用のため、二元金属または三元金属バネが必要な力を生成し、構造的完全性を維持する間に必要な偏向を維持し得ることは、重要である。実施例において使用されるような一般に１０００Ｉｂの容量の分離装置に対して、運動の範囲は、＋／−０．１５  ｉｎまたはそれ以上である。また、分離装置を動きのマイクロインチなど極めて小さい振動を分離することから防ぐＴＲＥにおいて摩擦または「吸着」が無いことは、重要である。
【００３４】
図６、７Ａ、８および９を参照すると、ＴＲＥ２２の好ましい一実施形態は、その初期の変形されない（非拘束）の形状において熱応答バネ２４の形で示され、初期の最適均衡位置における分離装置に結合される。図７Ｂは、温度変化を受けると、その非拘束の、拡張された構成で明らかなようにＴＲＥ２２を示す。図６〜９の特定の熱応答バネ２４は、バネ２４が温度変化を受けると、異なる構成に移動できる二元金属構成部品を利用する。この点において、バネ２４は、図７Ａに示すΔＴ＝０の場合の非伸張位置と図７Ｂに示すΔＴ≠０の場合の伸張位置との間で移動する機能を有する。同じバネ２４は、温度における特定の変化によるより短い高さに圧縮する機能を有する。
【００３５】
熱応答バネ２４は、お互いの上部に積み重なる上部二元金属梁２８ａおよび底部二元金属梁２８ｂを含む。これらの二元金属梁２８ａおよび２８ｂは、梁の端部の近くに位置した一対のスペーサ３０を使用して互いに取り付けられる。これらの二元金属梁２８ａおよび２８ｂならびにスペーサ３０は、熱応答バネ２４の所望の剛性、熱膨張性能、偏向性能およびの強度を共同して達成する。
【００３６】
各二元金属梁２８ａおよび２８ｂは、当業者によく知られる高膨張構成要素６４および低膨張構成要素６６から構成される。各二元金属梁２８ａおよび２８ｂは、温度変化を受けると４つの片持ち梁として効果的に動作する。具体的に図７Ａおよび７Ｂを参照すると、温度変化を受けた場合の二元金属梁２８ａおよび２８ｂの挙動が、より詳細に説明され得る。「片持ち梁」の長さは、図７ＡでＬとして特定される。底部二元金属梁２８ｂは、同様に、高膨張構成要素６４および低膨張構成要素６６から構成される。底部二元金属梁２８ｂは、上部二元金属梁２８ａとして同様の効果的片持ち長さＬを有して示される。これらの効果的な片持ち梁の長さが実質的に同様の長さＬを有するように示されるが、二元金属梁２８ａおよび２８ｂの示す様々な長さが、所望の場合、熱応答バネ２４の必要な特性を達成するために偏向され得ることは、理解される。
【００３７】
図７Ｂを具体的に参照すると、上部二元金属梁２８ａが温度変化を受けた場合に、どのように上方に移動するかを示す。底部二元金属梁２８ｂは、温度変化を受けると、順に下方に移動する。従って、図６〜９の複合バネ２４は、温度が上がると、図７Ｂに示すように高くなる。同様に、温度の減少は、底部二元金属梁２８ｂが上部に曲がり、バネ２４に高さを縮めさせる間に上部二元金属梁２８ａに下方に曲げさせる。これらの高伸張および低膨張構成要素６４および６６の配置が、二元金属梁２８ａおよび２８ｂが、温度が上がると高さが低くなり、温度が下がると高さが伸びるように、容易に入れ替えることができることが、理解されるべきである。
【００３８】
スペーサ３０は、これらの梁を互いに維持するために上部二元金属梁２８ａと底部二元金属梁２８ｂとの間に配置される。これらの図面で見られるように、スペーサ３０は、二元金属梁の外側端部の近くに配置される。これらの図面に示す特定の実施形態において、支持ブロック３１は、上部二元金属梁２８ａの中心７０および底部二元金属梁２８ｂの中心７２に配置される。これらの支持ブロック３１は、分離装置で熱応答バネ２４を動作可能に結合する分離装置に、順に、取り付けられる。図１に示す分離装置の特定の実施形態において、上部および底部支持ブロック３１は、下部円柱板４４およびベースプレート４０のそれぞれに取り付けられ、高伸張および低膨張構成要素６４および６６は、二元金属梁２８ａおよび２８ｂが温度が上がると高さが低くなり、温度が下がると高さが伸びるように、入れ替えられてもよい。
【００３９】
二元金属梁を形成する材料の選択および配置は、温度変動にさらされると、特定の長さで伸張または収縮する熱応答バネを生成する。温度変化に応じて、バネの長さにおける変化は、その均衡位置においてそれを維持するために分離装置で動作する、所望の大きさおよび方向の復元力を生成する。
【００４０】
図１０〜１３を参照すると、熱応答バネ２４の形でＴＲＥ２２の別の実施形態が示される。この特定の実施形態において、２つの梁よりもむしろ、４つの二元金属梁２８ａ、２８ｂ、２８ｃおよび２８ｄは、熱応答バネ２４を生成するために利用される。４つの二元金属梁２８ａ、２８ｂ、２８ｃおよび２８ｄのそれぞれは、図６〜９の実施形態について上記記載の二元金属梁のように構成され、そのように動作する。従って、これら同様の構成要素が温度変化に対応する方法を記載する必要が無い。
【００４１】
図１０〜１３のこの特定の実施形態において、スペーサ３０は、二元金属梁２８ａ、２８ｂ、２８ｃおよび２８ｄを接続する様々な位置に配置される。この特定の実施形態において、単一スペーサ３０は、二元金属梁２８ａおよび２８ｂに取り付けられる。一対のスペーサ３０は、二元金属梁２８ｃに二元金属梁２８ｂを取り付けるために使用される。一対の支持ブロック３１は、分離装置に結合するために上部二元金属梁２８ａおよび底部二元金属梁２８ｂの端部に取り付けられる。この特定の実施形態は、また、ＴＲＥの異なる形態が本発明に従って形成および分離装置に取り付けられ得ることを示す。
【００４２】
図１４〜１８は、さらに、複数の二元金属梁２８ａ、２８ｂ、２８ｃおよび２８ｄを利用して作製され得るバネアセンブリのバネを示す。これらの図面で見られるように、二元金属梁２８ａおよび２８ｄのいくつかは、十字構造を生成するために他の二元金属梁２８ｂおよび２８ｃから９０度の角度で配置される。スペーサ３０は、再び、複合バネを形成するために互いに二元金属梁を接続する様々な位置に配置される。支持ブロック３１は、受オブ梁２８ａおよび底部２８ｄの中央に位置する。この特定の複合バネは、これら上部および底部支持ブロックを介して分離装置に動作可能に接続される。再び、このハイチは、二元金属バネが取り得る多くの構成の１つを示す。
【００４３】
図１８および１９は、上部三元金属梁１００ａおよび底部三元金属梁１００ｂを利用して作製され得る熱応答バネ２４の形で作製される。二元金属梁のような、これらの三元金属梁は、特定の温度変化に必要な特定の曲げ特性を取得するために選択され得る。これらの図面で見られるように、各三元金属梁１００ａおよび１００ｂは、第３の金属１０２に沿って、高膨張材料６４および低膨張材料６６を含む。これらの三元金属梁は、図６〜１７で示す二元金属２８と同じ方法で形成される。上記記載の二元金属梁のように、図１８および１９の三元金属梁１００ａおよび１００ｂは、４つの片持ち梁として機能する構造を生成する。三元金属梁１００ａおよび１００ｂ、スペーサ３０および支持ブロック３１の特定の硬性および位置は、図６〜９で示す構造と同様であり得る。二元金属梁のように、三元金属梁は、同じまたはほぼ同じ効果的長さＬで作製され得る。若しくは、効果的な長さは、熱応答バネ２４の所望の特性を生成するために各三元金属梁で異なる。場合によっては、温度感受性により、三元金属構成要素は、二元金属構成要素上の利点を提示してよい。
【００４４】
スペーサは、金属、プラスチック、木などの様々な材料から作製され、様々な接着剤で溶接または接着などの異なる方法で接合し得る。二元金属または三元金属バネアセンブリの所望の特性は、二元金属または三元金属構成要素を形成するために使用される材料、構造、二元金属または三元金属梁の長さ、幅および厚さ、堆積の多くの層およびスペーサの大きさおよび位置を含むが、これらに限定されない、多くのパラメータを変更することによって取得され得る。従って、ＴＲＥの所望の特性は、気温の変化を通して分離装置を連続して調整することをＴＲＥに正確に許可されるように生成され得る。二元金属および三元金属梁を上記の実施形態に開示したが、適切なＴＲＥを生成するために多くの異なる形状を使用することが可能である。ＴＲＥの大きさまたは形状は、また、書房の物理的特性を達成し、分離装置の形状内で適するのに必要に変更し得る。
【００４５】
高拡張および低膨張構成要素は、当業者によく知られる多くの異なる材料から選択され得る。例えば、高膨張材料は、一般に、高柔軟性および低膨張構成要素と比較して熱郷長の高係数を有する。適切な一高膨張材料は、約７２％のマグネシウム、約１８％の銅および約１０％のニッケルから作製される合金である。適切な低膨張構成要素は、約３６％のニッケルおよび６４％の鉄から作製されるインバーなどの合金で作製される。適切な三元金属梁は、商業的に購入し得る。さらに他の材料がＴＲＥの所望の特性を取得するために使用され得ることが理解されるべきである。熱応答バネを作製する部品は、一般に、商業的に入手可能であり、Ｐｏｌｙｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ社、Ｎｏｒｔｈ  Ａｔｔｌｅｂｏｒｏ社、ＭＡ  ａｎｄ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ  ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ  Ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ社、Ａｔｔｌｅｂｏｒｏ社、ＭＡ社などの商業的企業から購入することができる。
【００４６】
本発明の特定の形態が示され記載されてきたが、本発明の精神と範囲から逸脱することなく、様々な改良がなされ得ることは理解される。従って、本発明は、添付の特許請求の範囲による以外は、限定するものではない。
【図１】
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【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７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【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】
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【国際調査報告】
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