パッシブ除振台の概要

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除振とは・・・

パッシブ除振台の概要
・ はじめに精密機器を設置する場合の環境条件として、振動、⾳、温湿度、空気の対流、クリーン度、磁気などがあげられます。これらの条件をいかにコントロールするかが、精密機器の精度・性能維持に⼤きく影響を及ぼします。
除振台は、地盤、基礎、床などから伝達する振動を遮断する目的で使⽤されており、精密機器の精度・性能維持に不可⽋な装置です。
除振台の扱う振動の⼤きさは精密機器により異なり、精密機器の特性に合わせて除振性能を設定しなければなりません。さらに除振という意味合いでは、設置床から伝達してくる振動のみを減衰することは技術的にも容易ですが、単純に固有振動数を低くして除振領域を⼤きくしても、機器側の移動質量が直接除振台へ作⽤した場合、機器の最終性能や、操作性に⼤きく影響するため、これらを考慮した十分な計画が必要です。
また、除振台には精密機器の精度に悪影響を及ぼす振動を取り除く「除振」の役割の他に、機械（プレス、ポンプ等）の振動を外部に伝えないことを目的とした「防振」の役割もあります。
弊社では、各精密機器や⼀般的な設置環境を考慮して除振台の設計を⾏っておりますが、計画段階で要求事項が明確になっていれば、精密機器に適合した除振台設計を⾏うことは可能です。
本書では、除振台種類と主要部品のご紹介と除振台構成例と除振台の特性例を記載しています。

1.除振台の除振効果
除振効果とは、除振台を使⽤することにより設置床からの振動をどの程度減少させることができたかを⽰すものです。
設置床の振動と除振台上の振動の⽐「振動伝達率」で表⽰します。

【除振台上の振動】／【設置床上の振動】＝【⽐率】
dB = 20log10（⽐率）、0dB = 1倍
これは、固有振動数3.0Hz、共振倍率17dBの除振台の除振効果を⽰しています。
除振台上の振動が床振動と⽐較して、除振台の固有振動数3.0Hzで約7倍（17dB）増幅し、約4.2Hz（固有振動数の約√2倍）以上の周波数領域で減少させている（除振している）ことを表します。
グラフから読み取ると、除振台上の振動は6Hzで-10dB（床振動の30%）、10Hzで-20dB（床振動の10%）、20Hzで-30dB（床振動の3%）まで減少させていることになります。

下のグラフは、装置が設置される予定の床の振動値と、その床に前頁の振動伝達特性を持った除振台を設置した場合の除振台上振動値をトリパタイトグラフにて⽰したものです。除振台上の振動は固有振動数である3Hz周辺で床振動より増幅していますが、4Hz以降の周波数で除振効果が得られていることが分かります。

2.除振台の衝撃応答
ステージ等を除振台上に搭載すると、その駆動時の衝撃によりばね上の物体は衝撃終了後も系の固有振動数にて⾃由振動を⾏います。⾃由振動の加速度が⼤きいと衝撃後、その揺れが停⽌するまでの時間（セットリングタイム）が⻑くなります。
ス テージ衝撃応答 自由振動振幅（変位）mmmm
10.80.60.40.20-0.2変位mm012345 sec-0.4-0.6-0.8-1

このグラフは、固有振動数3.0Hz、共振倍率17dBの除振台上に、ステージ質量50kg、ステージ速度0.2m/s、⽀持質量500kgを搭載した場合、ステージ速度0.2m/s、⽀持質量500kgを搭載した場合、ステージ移動の衝撃後に予想される⾃由振動を⽰しています。
パッシブ除振台の性能は⼀般的に固有振動数を低くする（軟らかくする）と除振性能は良くなりますが、衝撃減衰性能（セットリングタイム）が悪くなり、固有振動数を⾼くする（硬くする）と除振性能は悪くなるが、衝撃減衰性能（セットリングタイム）は良くなります。
除振台の選定や設計は、搭載機器の特性を把握し、除振性能と衝撃減衰性能について適切なバランスを考慮することが必要です。

3.防振材の種類と性能
3-1防振材の種類別特徴⽐較
除振台には様々な防振材（ばね）があり、それぞれに性能の特徴があります。
主な防振材は・空気ばね（ベローズ型）
・空気ばね（ダイヤフラム型）
・コイルスプリング・防振ゴムなどがあります。

防振材種類別特徴⽐較
除振性能
空気ばね
（ﾍﾞﾛｰｽﾞ型）

空気ばね（ﾀﾞｲﾔﾌﾗﾑ型）

コイルスプリング
防振ゴム

衝撃減衰性能（ｾｯﾄﾘﾝｸﾞﾀｲﾑ）

ﾚﾍﾞﾙ復帰性能

価格

○

◎◎

○

◎○

◎

○

○○△

◎

△

◎

△

◎

◎：最も良い（価格が安い）○：良い△：良くない（価格が⾼い）＊レベル復帰性能は、除振台上でステージなどの重量が移動した場合に発⽣するばねの傾きを復帰させる性能。

3-2空気ばね（ベローズ型）タイプ
空気ばね（ベローズ型）除振台の特徴
ベローズ型とは、その形状がじゃばら（ベローズ）状をしているところからこの呼び名がついております。ベローズ型空気ばねは、ゴム膜の変形が少なく耐久性が優れているため、⼀般産業⽤空気ばねのほかに⾼速なステージ（ガントリー）や⾼重心な装置にも採⽤されております。
・除振性能も衝撃減衰性能（セットリングタイム）も良い。
⽔平⽅向固有振動数：3.0Hz程度
垂直⽅向固有振動数：3.0Hz程度・搭載物の重心が移動してもレベル調整器による空気供給でレベルを⽔平に保つことが可能。
・空気の供給が必要。

ベローズタイプの除振性能
搭載重量：7ton 空気ばね4個使⽤時

3-3空気ばね（ダイヤフラム型）タイプ
空気ばね（ダイヤフラム型）除振台の特徴
・除振性能も衝撃減衰性能（セットリングタイム）も良い。
・このダイヤフラム型空気ばねは⼀般的に防振ゴムとセットで使⽤する。
防振ゴム（積層ゴム）の硬さや配置で⽔平固有振動数の設計が可能。
空気タンクの容積で垂直固有振動数の設計が可能。
⽔平⽅向固有振動数：1.5〜4Hz程度
垂直⽅向固有振動数：1.5〜4.5Hz程度
・搭載物の重心が移動してもレベル調整器による空気供給でレベルを⽔平に保つことが可能。
・空気の供給が必要。

空気ばね（ダイヤフラム型）の構造
ダイヤフラム型空気ばねは、⾦具とゴム膜で形成されており、空気ばねに圧縮空気を封⼊して空気の圧縮性をばねに利⽤する構造です。
レベルを⽔平に保つ目的で空気供給を必要とするため、⾃動レベル調整器をセットで使⽤します。

3-4コイルスプリングタイプ
コイルスプリング除振台の特徴
・除振性能も衝撃減衰性能（セットリングタイム）も⽐較的良い。
⽔平⽅向固有振動数：2〜4Hz程度
垂直⽅向固有振動数：4〜7Hz程度
・空気を必要としない（メンテナンスフリー）。
・デメリットとして、搭載物の重心が移動するとスプリングのたわみにより、傾きが⽣じる。

標準品コイルスプリング（VSM）の除振性能

3-5防振ゴムタイプ
防振ゴム除振台の特徴
・除振性能があまり良くないが、衝撃減衰性能（セットリングタイム）が良く安定性が⾼い。
・価格が安く、空気を必要としない（メンテナンスフリー）。
・デメリットとして、搭載物の重心が移動すると防振ゴムのたわみにより、傾きが⽣じる。
⼀般にステージ移動で防振ゴムがたわむ量：0.3〜0.4mm程度（目安）
防振ゴムは、搭載質量に合わせてサイズ、個数を選定します。

例）防振ゴムを使⽤した除振台

防振ゴムタイプの除振性能

4.⾃動レベル調整器
除振台の主要構成部品として⾃動レベル調整器があります。
⾃動レベル調整器には各種の型式がありますが、標準的除振台に使⽤しているタイプを下図に⽰します。
この⾃動レベル調整器は、内部に空気のシール部品として極めて小さなダイヤフラムを内蔵。Oリングなどの摺動部品が無いため、半永久的な寿命を保有します。
粗動調整ボルトまたは微動調整ボルトを時計⽅向にひねり、カンチレバーを下⽅に変位させると空気ばねに給気され、定位盤のレベルが上昇します。
（下降の場合、反時計⽅向）
この調整により、定盤のレベルを設定すると、負荷荷重変動などで定盤にレベルの変動が⽣じても、⾃動的にレベルの補正を⾏います。

・集中排気型⾃動レベル調整器
⾃動圧⼒調整器から排出される空気は、本体に取付けられたチューブを通り排出されます。
このチューブの先端を室外などに開放すると、室内の空気を汚すことはありません。
クリーンルームに適しています。

5.除振効果の測定
精密除振台に要求されるユーザーニーズに応え、さらに⾼性能な除振台を開発すべく、各種⾼性能振動計・振動解析機（FFT、ﾓｰﾀﾞﾙｱﾅﾗｲｻﾞｰ）、ｺﾝﾋﾟｭﾀｰ等を利⽤し、解析に役⽴てています。以下に図1〜図3の解析例を⽰します。

図1は、⼤型加振実験台を使⽤し、測定した振動伝達率を⽰します。
本解析⽅法は精度よく振動伝達率等の測定を⾏う⽅法です。
実機搭載時にはモーダルアナリシス・振動許容値の確認等が⾏えるメリットもあり、また、周波数・加速度、振幅等を⾃由にコントロールできます。
その為、周囲の環境に影響されず精度及び再現よく測定が可能です。

図1 ⼤型加振実験台使⽤の振動伝達率測定例

図2は、床上に除振台をセットし、暗振動において測定を⾏った実験例で除振台の床上と定盤上の加速度のスペクトクルを⽰しています。
この解析⽅法はFFTにより、ある時間におけるスペクトクルの平均値を求めたもので、床の加速度レベルより、除振台上の加速度レベルが、共振点付近を除いて低いレベルを⽰しています。

図2 振動加速度パワースペクトラム

図3は、図2で⽰した暗振動測定の振動伝達率を⽰しています。
この図は共振点においても、低い共振倍率でダンピングが利いている空気ばねの特⻑を⽰しています。
また、0dBより下の部分が除振領域を⽰しており、低い周波数から効果があることがわかります。

・おわりに

図3 振動伝達率

パッシブ除振台は、除振性能と衝撃減衰性能（除振台上の安定性）のバランスを考慮し、搭載装置の特性に合わせた選定、設計をすることが重要です。
特に「重心位置の⾼い装置」、「移動質量の⼤きいステージ」、「移動加速度の⾼いステージ」などを搭載する場合は、慎重な設計を必要とします。
また、装置設置予定場所や装置振動障害などの問題が発⽣している場合、振動計とデータレコーダで振動を計測し、除振台を設置した場合のシミュレーション⾏う必要があります。

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