u.nc.534.833.る_る:る28.517.4

精密機器用除振･免震床の間発DevelopmentofEarthquakeandMicro-VibrationlsolationFloor

forPr¢CisonMechanicalEquipment

超LSIやレーザ応用製品などの製造設備は,生産性向上のために,清浄度とと

もに微振動の除去に努力が払われてきた｡最近では,製品の微細化が進むにつ

れて,ますます高度な防･除振技術が要求されている｡同時に,地震時の対策

も重要な課題となってきている｡そこで,クリーンルーム内で使用される精密

機器を対象に振動吸収方法を種々検討し,多段積層ゴムを応用した,徴振動の

除去(除振)から地震動の吸収(免震)まで対応可能な床システムを開発した｡そ

の性能を評価した結果,除振性能は一般的な空気ばね除振台よりも優れており,

また,免震性能はコイルばね･づアリング方式に比べ同等以上であることが分

かった｡これによ†),微振動から強地震動までの振動吸収がほぼできるように

なった｡

□ 緒 言

超LSI工場やレーザ応用製品などの精密製品を加工する工

場では,工場内設備からの微振動や近隣の交通機関などから

伝わってくる振動によって製品の歩留まF)は影響される｡ま

た,ときおり発生する震度Ⅴ,ⅤⅠあるいはそれ以上の地震動

によって設備や製品が大きな損害を受けることが考えられる｡

このような製造設備では,微振動から強地震動までのすべて

の外来振動を吸収する除振･免震対策が要求されている1),2)｡

現状では比較的小さい振動については,空気ばね方式による

機器単体での除振,あるいはコンクリートの大形独立基礎と

の併用によって除振を行っている｡しかし,これらの方法で

は,低周波の振動(10Hz以下)の除振が難しい,あるいはコス

トが高いという欠点がある｡更に,地震などの大きな振動を

対象とする免震については十分な効果が期待できない｡

最近,クリーンルーム内で使用する精密機器を対象とした,

より実用的な防･除振対策のニーズが高まってきたので,微

振動から強地震動まで3次元的に振動吸収が可能な除振･免

震床の開発に着手した｡なお,性能の目標値として入力値を

÷以下に低減することを目安とした｡本稿は,床の除振,免震

システムの基本構造及びその性能試験結果についてまとめた

ものである｡

ヨ システムの基本構造

本システム恥4)の基本構造及び主要部材である多段積層ゴム

を図lに,その仕様を表1に示す｡システムは微振動から地

震動までの振動吸収を可能にするため,主要部材として多段

積層ゴムとコイノ_レばね,ダンパから構成されている｡水平方

鶴田 顕*

福井伊津志*

藤田隆史**

西山国雄***

竹下章治****

肋刀 7七〃γ〟由

J由帖ゐオ 凡々〟オ

7七々年血∽オ叫言ゎ

肋乃わ∧伝ぁかα榔

A々オ鮎川 7七々βSゐオ由

向の振動は多段積層ゴムと粘性せん断形ダンパ(水平ダンパ)

の組合せで,微振動から強地震動までの振動を連続的に吸

収する｡鉛直方向の振動は浮床を2次元除振･免震床から

つっているコイルばねとオイルダンパ(鉛直ダンパ)の組合せ

で振動を吸収する｡更に,このままでは浮床が浮いた状態で

横揺れが生じるため,浮床と隣接する支柱の部分にローラを

付けその揺れを防いでいる｡また,ローラを通して浮床に支

柱から鉛直方向の微振動が伝わらないように,ローラが接す

る支柱に軟質ゴムシートをてん(貼)着した｡このシステムの

最大の特徴は全体の質量を支え,かつ水平方向の振動を吸収

表l除娠･免震床仕様 搭載質量,大きさは任意に設計可能で

ある｡

項 目 仕 様

m2当たりの搭載質量 -500kg

ユ ニ ッ ト 寸 法 幅l.8×長さ3.6×高さl.8(m)

固 有 振 動 数

徴物陰栃 …:::……芸…芸芸三

免

震〈7二三:≡…芸書芸≡;最 大 許 容 変 位

±0.2m(水平方向)

±0.05m(鉛直方向)

*

日立プラント建設株式会社松戸研究所 **東京大学生産技術研究所工学博士***

R立プラント建設株式会社空調冷熱事業本部

****株式会社日立建設設計建築本部建築設計部

47

142 日立評論 VOL.70 No.2(1988-2)

する多段積層ゴムを採用した点にある｡一般に,免震用の積

層ゴムは定格搭載質量下で0.5Hz程度の低い固有振動数とな

る水平剛性と,0.2m程度の水平吸収能力とを併せ持つことが

要求される｡これまでに実剛ヒされた免震用の積層ゴム構造

では,定格搭載質量が3,000kg以下になると,水平剛性の条件

を満たすと形状が細長くなり,0.2m以下の水平変位で座屈し

て荷重支持ができなくなる｡この不具合を解決したのが,今

回用いた多段積層ゴムである｡多段積層ゴムは図1に示すよ

うに小形の積層ゴム(要素積層ゴム)を四隅に配置し,安定板

を介して多段に積み重ねた構造である｡この多段に積み重ね

た結果,水平剛性の等しい通常の構造の積層ゴムに比べて,

変位吸収能力を相対的に大きくすることができる｡本実験に

は定格質量が1,500kg用と3,000kg用の2種類の多段積層ゴ

ムを用いた｡

B 3次元振動実験

3.1実験モデル

除振･免震床の実験モデルを図2に示す｡本モデルは実規

模レベルで実際のクリーンルーム内に設置することを想定し

て設計したもので,床面は1.8mx3.6mの床はr)(梁)区画で

2区画(3.6mX3.6m)の面積を持ち,高さは1.8mである｡片

方の区画は浮床のある3次元除振･免震床である｡このモデ

ルでは,前述したように多段積層ゴムを合計6個使用した｡

供試体の四隅の柱に用いた多段積層ゴム及び2本の中間の柱

に用いた多段積層ゴムは,共に要素積層ゴムを8段に積み重

ねた構造である｡これら6個の多段積層ゴムが支持する総質

量は,定格質量1,200kgに対し9,550kgであり,この質量に対

する全体の国有振動数は水平に0.48Hz,鉛直に14Hzである｡

また,水平用粘性せん断形ダンパは2個使用したが,これに

よる減衰は減衰比で設計値20%程度に対し,測定値は約18%

であった｡浮床は14本のコイルばねでつられ,その質量は搭

丑さ讃こ田ご

一一■rl-〆--

図2 除振･免震床の実験モデル 写真の左側の部分が3次元除

振･免震床,右側の部分が2次元除振･免震床となっている｡

載機器の質量も含めて3,640kgに設定した｡そのときの鉛直固

有振動数は0.9Hz(定格荷重下で設計値0.8Hz)であった｡た

だし,この値はローラが転がる振幅での固有振動数であり,

徴振動に対しては軟質ゴムシートの剛性が加わるため,鉛直

固有振動数は約2Hzとなった｡また,浮床には4本のオイル

ダンパを使用したが,その減衰は減衰比で設計値20～40%に

対し,測定値は上向き側38%,下向き側17%であった｡

3.2 実験方法

除振･免震性能評価実験は日立製作所機械研究所の20t3次

元振動台を用いて,微振動実験と正弦波加振及び地震波加振

実験を行った｡微振動実験では,振動台を着座させ,地盤振

動と油圧ポンプの運転とによって生じる微振動を入力として,

実験モデルの床面の応答を測定した｡正弦波加振実験では3

3次元除糎･免震床(浮床)

軟質ゴム

精密機器

ロー7

鉛 直ダンパ

2次元除振･免震床

､､＼コイルばね

ーーーーノ し-------､′--･･････････････････････ノ

多段積層ゴム 水平ダンパ

(a)システムの基本構造 (b)多段積層ゴム

図l除据･免震床の基本構造と多段積層ゴム 多段積層ゴム,コイルばねのはかに,鉛直ダンパ,水平方向に対する粘性せん断形ダンパ及

びローラと軟質ゴムを使い,除振,免震を可能にする｡

48

精密機器用除娠･免震床の開発143

JJ J】

J2 J2

〟1,Cl

仔2,C2

C3

〝2

m2

m3

∬2

卜

2次元

除娠･免震床

】｡｡ズl

l

l1

3次元

除娠･免震床

l

〟1,Cl

∬1,Cl

Zg

‡だ2,C2

____Z∬∬1,Cl

注:之エ X方向地震動入九Zy Y方向地震動入力

図3 水平応答の解析モデル モデルは×一Z平面内の回転がないと

いう実験結果から,Y-Z平面内についてだけ考える｡

入力加速度

貰三≡幽遠遠王?0.00 0,50 1,00 1.50時間(s)宝喜･[..∴AX■=4`21×10‾3(m′s2'0■56`s)Ill‥l.l.‥11L‥.1山

1亘

1q>-

･匡†qN

･匡†で><

1亘

特>-

･匡＋qN

窒芋照㌘習0,50 1.00 1,50時間(s)

皇喜｢._MAX･=4･12×10‾3(m′s2'1■14`s'.lしハーハ.. L.血l山山.

石さL二■■＼ ⊂⊃

王10･00

三≡巨〉10.00

三≡包〉?0.00

……E

0.50 1,00

時 間(s)

1.50

入力絶対変位

MAX.=3.34×10-7(m)1.75(s)

0.50 1,00 1.50

時 間(s)

MAX.=2.10×10‾7(m)0.74(s)

0.50 1.00 1.50

時 間(s)

MAX.=9.02×10-8(m)1.27(s)

0.50 1.00 1.50

時 間(s)

2.00

2.00

2.00

一勺.N℃

2∬7

L斤”几

ハし

g10

Cll

斤9

〃

Z

･土T

2

一

汗ClO 打9

c=方

(し

けÅ

ん11

m2

iZ3

¢2Zl

Cll

ClO

〟4,J2

e2

2C8 J3 J3 2∬8 2C9 2∬7 2C8

Jl Jl

注:ZぴZ方向地震動入力 ト図4 鉛直応答の解析モデル モデルは床全体を一つの剛体とみな

し,×方向の並進(礼 Y方向の並進(y),水平面内の回転(¢)の3自由

度が考慮されている｡

……ヒ…≡巨三?0.00

……巨三10･00

(a)入力加速度と応答加速度の波形例

2.00

2.00

2.00

ト[0･｡｡

卜

mOd

の〇.〇-

N〇.〇

TO｢×

(∈)

TOLX

(B+

王?0.00

岳喜入

床の応答加速度

MAX.=7.49×10-4(m/s2)1.68(s)

0.50 1.00 1.50

時 間(s)

MAX.=1,31×10‾3(m/s2)0.63(s)

0.50 1.00 1.50

時 間(s)

MAX.=8.92×10-4(m/s2)1.23(s)

0.50 1.00 1.50

時 間(s)

応答絶対変位

MAX.=1,07×10-7(m)0.98(s)

0,50 1.00 1,50

時 間(s)

MAX.=7.02×10‾8(m)0.23(s)

0.50 1.00 1.50

時 間(s)

MAX,=1,74×10‾7(m)0.07(s)

三等甜｢訂工芯0.50 1,00 1.50時 間(s)

2.00

2.00

2.00

2.00

2.(二0

2.00

(b)入力絶対変位と応答絶対変位の波形例

図5 微振動除振性能(入力絶対変位と応答絶対変位の波形例) 鉛直方向での増幅は,浮床の微振動に対する減衰が小さいため,固有振動

数(2Hz)での振動が励起されたことによる｡

49

144 日立評論 〉0+.78 No.2(I988-2)

次元各々の単独方向で加振し,地震波加振実験では3次元同

時加振を行った｡この地震波には,実地震の地動波とそれら

から作成した床応答模擬波を用いた｡

田 解析モデル

本システムの地震動入力に対する挙動を解析するため,各

要素を解析モデル化した｡まず,水平入力による水平面内の

運動と鉛直入力による鉛直面内の運動とを独立に考え,解析

は水平方向解析モデルと鉛直方向解析モデルの二つに分けて

行った｡なお,微振動用の解析モデルは装置各部のモデル要

素が複雑すぎるため,省略した｡水平方向解析モデルを図3

に,鉛直方向解析モデルを図4に示す｡水平方向の振動は床

全体を一つの剛体とみなし,Ⅹ方向の並進,Y方向の並進,水

平面内の回転の3自由度を考えた｡鉛直方向の運動は,Ⅹ-Z平

面内の回転がか-という実験結果からY-Z平面内についてだ

け考えた｡モデルは床全体を2次元除振･免震床と3次元除

振･免震床の二つの剛体に分け,2次元除振･免震床のZ方向

の並進,その鉛直平面内の回転の4自由度を考えている｡搭

載機器の挙動については,床全体の応答を求めた後に,床各

部の加速度を入力して,各方向について非達成の1自由度応

答解析を行った｡各運動方程式の数値計算はルンゲークッタ

法によって行い,計算の時間刻みは志不少とした｡

b 実験及び解析結果とその検討

5.1微振動除振性能

微振動実験で測定された除振性能結果の入力加速度と応答

加速度の波形例を図5(a)に,入力絶対変位と応答絶対変位の

波形例を同図(b)に示す｡ただし,入力は振動台上で,水平応

答は2次元除振･免震床上で,鉛直応答は3次元除振･免震

床(浮床)上で測定した｡加速度については10-3m/s2オーダの

最大加速度を持つ微振動が,水平方向で約÷～÷に,鉛直方

向では約÷～÷に低減しており,良好な除振効果が得られて

02

0

∈N.〇rX

単

軸

002

50

いる｡一方,同図(b)の変位についてみると,10-7mオーダの最

大変位を持つ微振動が,水平方向には÷程度に低減している｡しかし,鉛直方向には2倍程度に増幅している｡この鉛直方

向の増幅は,浮床の微振動に対する減衰が小さいため,固有

振動数(2Hz)での振動が励起されたことによるものと考える｡

このような,低い周波数での変位の増幅は,その固有振動数

が十分に小さい限り(この場合の2Hzの固有振動数は空気ば

ね式除振台のそれと同程度のものである｡)問題となることは

ないと考えられる｡水平方向の応答波形のスペクトル解析結

果から,本除振･免震床は,微振動に対しても,水平に約0.5

Hzの固有振動数を持つことが明らかになっており,この水平

固有振動数は空気ばね除振台のそれと比べてはるかに低い値

である｡また,水平方向の粘性せん断形ダンパは,同図(b)の

結果から明らかなように,微振動に対しても有効であること

が確認された｡以上の結果から,本システムは,水平方向で

約0･5～0･6Hzの固有振動数,鉛直方向で2Hzの固有振動数

を持っていることが分かった｡本性能は,従来の空気ばね式

除振台と比較して,鉛直方向ではほぼ同等であるが,水平方

向には優れたものであることが分かった｡

5.2 免震性能

地震波としてエルセントロ波,八戸波,東北大学彼の3種

類を用いた加振実験結果と,解析モデルによる計算結果とを

図6に示す｡地震波はいずれも建屋による増幅を考慮した床

応答模擬波である｡同図の下段は加速度であり,左から入力

加速度,非免震時と免震時の応答加速度及び解析モデルの計

算応答加速度を,上段は変位量の測定値と計算値を示す｡

なお,非免震時の応答加速度の測定は,実験の安全性を考

慮して,入力加速度を小さくして行い,測定値を線形補正(約

2倍)して求めたものである｡応答加速度は地震入力加速度に

対して水平方向で約÷～古,鉛直方向で約ナ～ナに低減されている｡また,応答加速度は免震していない状態に比べ,

水平方向で約÷一志に,鉛直方向で約ナ～古に低減されて

什010.8

4.43.4

5.44.1

ハ0060

4=8

2.32.34.5 4.3 3.5 3.1

1

689

,47

∴よ

0

10781

1

404

,14

∴く

0

10688

1

316

,500

7371

1

502

,02

ヾ＼

､く､

∴:

0

5351

570

437こミ

6650

395

167/拙09

947

52什

126124

772

552ぎー

j濃盈

701

312:†48175

南 北 東 西 鉛 直 南 北 東 西 鉛 直 南 北 東 西 鉛 直

エルセント口演 八 戸 波 東北大学波

000

N∽＼∈N.〇｢×

軸確⊂市

図6 免震性能(床応答模擬浪人力の場合) 良好な免震効果が得られている｡

床応答模擬波

×,Y3Hz-3% フィルタ

Z地動浪

注:

[二二二ニコ入力

非免震状態

免震状態(実験値)

免震状態(計算値)

実験結果

世確⊂や六く

0〇.ト

0〇.ト

(N∽＼∈)

○の.r

Oの.｢-

(N∽＼∈)

世増長純増G世

せ拒×

(∈)

単軸G世

世機長只Y

の

q⊂⊃

0〇

⊂〉

d

0∩)0 8.00 16.00 24.00 32.00 40.00

時 間(s)

MAX.=6.89(m/s2)2,75(s)

0∩)0 8.00 16.00 24.00 32.00 40.00

時 間(s)

MAX,=1.07(m/s2)5,84(s)

10.00

○爪.寸

○の

(N∽＼∈)

8.00 16.00 24.00 32.00

時 間(s)

MAX.=8.35×10‾2(m)5.86(s)

40.00

0(UO寸-

○の.｢

○の.｢-

(N∽＼∈)

軸確岸純増G世

世特>

単軸G世

00

q⊂)

(コ:〉

q⊂)

8.00 16.00 24.00 32.00 40.00

時 間(s)

MAX.=4.04(m/s2)9.13(s)

0∩)0 8.00 16.00 24.00 32.00 40.00

時 間(s)

MAX.=1.06(m/s2)3.75(s)

10.00

○の.の

○呵M

(N∽＼∈)

世職長尺Y

世糊口下軸哩G世

世拇N

8.00 16.00 24.00 32,00

時 間(s)

MAX.=7.69×10‾2(m)4.56(s)

40.00

0β0

0

のト.〇

の卜d-

り〇.〇

(Nの＼∈)

TO;ハ

16.00 24.00 32.00 40.00

時 間(s)

MAX.=3.16(m/s2)0.92(s)

00 8.00 16,00 24.00 32.00 40.00

時 間(s)

MAX.=7.27×10‾1(m/s2)0.91(s)

16.00 24,00 32.00 40.00

時 間(s)

MAX.=5.55×10▲3(m)2.81(s)

図7 エルセントロ床応答模擬波の実験と解析による応答波形の比較

(N∽＼∈)

(/〕

＼

∈

の､･■･■､

∈

∽

＼

∈

∽

＼

巨

⊂)

q｢ヽ､

⊂⊃

の

⊂)

の

精密機器用除振･免震床の開発145

計算結果

8.00 16.00 24,00 32.00

時 間(s)

MAX.=6.89(m/s2)2.75(s)

40.00

10.00

00

q⊂)

⊂0⊂〉

8.00 16.00 24.00 32.00

時 間(s)

MAX.=8.12×10‾l(m/s2)5.75(s)

40.00

?0.00

⊂〕の

寸

⊂)

の

⊂)

の

8.00 16.00 24.00 32.00

時 間(s)

MAX.=7.14×10‾2(m)5.82(s)

40.00

臥00 16.00 24.00 32.00

時 間(s)

MAX.=4.04(m/s2)9.13(s)

40.00

10.00

CO

q⊂)

の

⊂)

8.00 16.00 24.00 32.00

時 間(s)

MAX.=8,76×10‾1(m/s2)4.50(s)

40.00

⊂)

10.00 8.00

⊂)

の

の

⊂)

の

16.00 24.00 32.00

時 間(s)

MAX,=7.26×10‾2(m)4.56(s)

40.00

M

10.00

の

卜:

⊂〉

の

｢､

8,00 16.00 24.00 32.00

時 間(s)

MAX.=3,16(m/s2)0.92(s)

⊂)

=).00 8.00

一 CO

l O

⊂)d

X

-‾■､(:X)

∈ ⊂)

16.00 24.00 32.00

時 間(s)

MAX.=7.08×10‾l(m/s2)1.74(s)

⊂〉

18.00 8,00 16.00 24.00 32.00

時 間(s)

MAX.=6.09×10‾3(m)0,60(s)

エルセントロ波(床応答模擬浪)水平 3Hz-3% フィルタ

鉛直 他動浪

実験と解析による応答波形は,良好な一致を示Lている｡

146 日立評論 VOL.70 No.2(1988-Z)

表2 各種除娠･免震装置,システムの仕様 各種仕様に応じて最適な装置,システムを選択する｡

式 造 対象‡辰動l司有振動数*

水 平 鉛 直

標準寸;去

搭載質量

免震床

精密機器

除振

(徴振動)0.4Hz 2Hz

3次元除娠･免震方式 ローフ

グンパー

金属ばね

ダンパ

多段

積層ゴム

免震 0.4Hz 0.8Hz

1.8mX3.6nl

､500kg/m2

多段積層ゴムダン/て

水平免震方式

水平除･振･免震方式

除娠

(微振動)

0.4 ～

1.4Hz

免震0.4～

1.4Hz

1.8mXl.8m

～500kg/m2

積層ゴムダン/( 除･振

(微振動)1～5Hz 5Hz㌧

簡易3次元除娠･免震方式

免震 1Hz

3.6mX3.6m

～500kg/m2

積層ゴム 空気ばね ダンパ

3三欠元除振方式 除娠

(徴振動)

0.5～5Hz 0.5～5Hz0.9mXl.8rn

う00､1,000kg

注:* 固有振動数は,定格質量下での値である｡

いる｡本結果から,水平,鉛直ともに免震効果は非常に大き

いことが分かる｡

図7は,エルセントロ披･床応答模擬波入力の場合の応答

波形について,実験値と解析モデルの計算値を比較したもの

であるが,両者はよく一致している｡この結果,本解析モデ

ルは設計に十分適用できる｡

田 本システムの応用例

これまでに,微振動から強地震動までの振動を連続的かつ

3次元的に吸収可能なシステムの開発結果について述べた｡

しかし,実際の要求は多種にわたr),コスト,耐久性などを

加味した最適な装置や床システムを要求に応じて提供する必

要がある｡そこで日立プラント建設株式会社,株式会社日立

建設設計では開発した除振･免震床をベースに,機器レベル

あるいは床レベルでの(1)微振動除振,(2)免震,(3)微振動除

振･免震併用の種々の要利こ応じた装置,床システムを開発

した｡表2は,これら開発した種々の除振･免震装置,床シ

ステムの仕様を示すもので,既に一部は実設備に適用し,効

果を発揮している｡

8 結 言

今回開発した除振･免震床によって,微振動から強地震動

52

までの振動(加速度のオーダでは10▼3～100m/s2,変位のオー

ダでは10【7-10】1mの振動)に対して有効な振動吸収技術を実

現することができた｡既に,本システムを応用したタイ70が

実際のクリーンルーム内に設置され,微振動除振台として実

用化されている｡しかし,この除振･免震床は他に類をみな

い新しいものであるため,今後改良すべき点も多〈,現在,

よりいっそうの性能向上を目指して研究開発を行っている｡

最後に,この開発に当たり御指導,御協力をいただいた日立

製作所機械研究所の笠井洋昭工学博士をはじめ関係各位に対

して,心からお礼を申し上げる｡

参考文献

1)藤田:超LSI工場の振動問題一徹振動防振技術と免震技術¶,

日本機械学会誌,89,809,99～104(昭6ト4)

2)藤田:免震技術の現状と将来,日本機械学会論文集,51,461,

1～7(昭60-1)

3)ValterDjordjevic:TestingSensitive Process Equipment

to Determine Reliable Clean Room Vibration Criteria:

SolidStateTechnology/December(1986)

4)藤田:多段積層ゴムを用いた三次元免震･除振床の開発,第7

回目本地震工学シンポジウム論文集(昭和61-12)