JP5653229B2 - ベローズ機構 - Google Patents

Description

本発明は、圧力チャンバと圧力チャンバ内の被収納体との間に設けられたベローズによって、圧力チャンバの外部と内部との圧力差を保持し、かつ圧力チャンバの振動が被収納体に伝達されるのを阻止するベローズ機構に関する。

従来、内部と外部に圧力差のある圧力チャンバを備えた装置は、その圧力差を保持しながら外部から内部の構造物（被収納体）を駆動等できるようにする場合がある。圧力チャンバには、内部を高圧にする高圧チャンバ、低圧にする低圧チャンバ、真空にする真空チャンバ等がある。このような装置において、圧力チャンバの振動が内部の構造物に伝わらないように、高精度に除振する除振器を圧力チャンバ内に備えている場合があった。高精度に除振及び低周波の除振にはアクティブ型の除振器がある。

圧力チャンバ内に除振器を備えると、圧力チャンバを大きくする必要があるとともに、除振器に圧力チャンバ内の加圧力や真空圧に対応した圧力対応機能を備える必要がある。ところが、除振器は、圧力対応機能を付加されて圧力チャンバ内で使用されると、大気中で使用する場合と比較して、除振性能が劣ることがあった。

そこで、除振器は、圧力チャンバの外に配置するのが望ましい。除振器が圧力チャンバの外に配置された場合、除振器と圧力チャンバとの間に構造物の一部分を内在させたベローズを設けていた。このベローズは、圧力チャンバの内部と外部とを遮断し、かつ圧力チャンバの振動や、除振器の変位を吸収して、圧力チャンバ内の構造物に伝達するのを防止するようになっている。

一般に、ベローズは、圧力チャンバの内部と外部との圧力差に耐える金属製である。金属製のベローズは、ベローズの伸縮方向に対して交差する方向に弾性変形しにくい形状になっている。このため、ベローズは、伸縮方向に対して交差する方向の圧力チャンバの振動を吸収することが困難であった。

そこで、図６に示す特許文献１に記載の部材Ａ，Ｂ間に設けられたベローズ機構９００のベローズ９０１は、伸縮方向の剛性を弱くして、伸縮方向に対して交差する方向に弾性変形をし易くしてある。そして、図６のベローズ機構９００は、ベローズ９０１の伸縮方向の剛性が低いのを補助する支持部９２０を備えている。支持部９２０は、先端同士が突き合わされた一対の突片９２１，９２２で構成されて、ローズ機構の伸縮方向のへの最小限度の剛性を確保し、かつベローズ９０１が一対の突片９２１，９２２の接点を支点として回転できる構造になっている。このため、一対の突片９２１，９２２の一方の先端部９２１ａはＶ字状の先鋭な先端に形成され、他方の先端９２２ａは先鋭な先端を受け入れるＶ字状に形成されている。

特開平１１−１２５３０９号公報

しかし、従来のベローズ機構９００は、一対の突片の一方の先端部９２１ａをＶ字状の先鋭な先端に形成し、他方の先端９２２ａを先鋭な先端を受け入れるＶ字状に形成しても、ベローズの伸縮方向に対して交差する方向への振動を許容するが困難であった。

また、従来のベローズ機構９００は、ベローズ９０１の伸縮方向の剛性を弱くし過ぎると、ベローズの伸縮方向の振動を吸収するが困難になる。また、剛性を強くし過ぎると、交差する方向の振動を吸収することが困難になる。このため、従来のベローズ機構９００は、ベローズ９０１の剛性の設定が困難であった。

本発明は、ベローズに圧力チャンバ内外の圧力差を保たせ、かつベローズに伸縮方向の振動を吸収させても、伸縮方向に対して交差する方向の振動を吸収できるベローズ機構を提供することを目的としている。

本発明のベローズ機構は、圧力チャンバと前記圧力チャンバに収納された被収納体との間に位置するベローズによって、前記圧力チャンバの外部と内部との圧力差を保持するようになっており、前記圧力チャンバと前記ベローズとを接続する接続部材と、前記接続部材に前記ベローズの伸縮方向に沿って貫通した一対の貫通部同士の間に形成されて前記ベローズに対して前記圧力チャンバが前記ベローズの伸縮方向に対して交差する方向へ振動するのを許容する薄肉部と、前記貫通部の開口端を塞いで前記圧力チャンバの外部と内部を遮蔽する遮蔽手段と、を備えている。

本発明のベローズ機構は、圧力チャンバがベローズの伸縮方向へ振動するのをベローズで吸収し、圧力チャンバがベローズの伸縮方向に対して交差する方向へ振動するのを薄肉部で吸収することができる。このため、本発明のベローズ機構は、圧力チャンバの振動を振動方向に応じてベローズと薄肉部とで分担して吸収することができ、かつベローズの剛性を設定し易いという効果を奏する。

本発明の実施形態のベローズ機構の平面図である。 図１のＤ−Ｄ矢視断面図である。 本発明の実施形態のベローズ機構を備えた干渉計測装置の断面図である。 遮蔽手段としてのゴムシートの代わりにグリース保持部を使用した場合の図であり、図２に相当する図である。 遮蔽手段としてのゴムシートの代わりに磁性流体保持部を使用した場合の図であり、図２に相当する図である。 従来例の図である。（Ａ）は、断面図である。（Ｂ）は、支持部を矢印Ｃ方向から見た図である。

以下、本発明の実施形態のベローズ機構を図１乃至図３の記載に基づいて説明をする。

図１は、本発明の実施形態のベローズ機構の平面図である。図２は、図１のＤ−Ｄ矢視断面図である。図３は、本発明の実施形態のベローズ機構を備えた干渉計測装置の断面図である。

図３に示すように、ベローズ機構１０は、干渉計測装置４００の外側に設けられている。ベローズ機構１０は、圧力チャンバとしての真空チャンバ４０８と真空チャンバ４０８に収納された被収納体としての収納ケーシング４２２との間で、真空チャンバ４０８の外側に設けられている。ベローズ機構１０は、真空チャンバ４０８の振動が干渉計システム４１１に伝達するのを阻止するようになっている。干渉計測装置４００は、後述する。

以下、図３に示す除振器４０９を介して真空チャンバ４０８と干渉計システム４１１との間に設けられているベローズ機構１０を図１、図２に基づいて説明する。

ベローズ機構１０は、ベローズ１０１と、フランジ１０２及びゴムシート１０７等を備えている。

除振器４０９（図３）のハウジング４０９Ａには、干渉計システム４１１を支持する支柱４１３が設けられている。ベローズ１０１（図２）は、支柱４１３を収納して伸縮可能な金属製の筒状の部材である。ベローズ１０１の下端は、取付板１０３に隙間が生じないように接続されている。取付板１０３は、支柱４１３が貫通するリング状の平板であり、ボルト１０９によって除振器４０９のハウジング４０９Ａに固定されている。したがって、ベローズ１０１の下端は、除振器４０９のハウジング４０９Ａと支柱４１３を介して干渉計システム４１１の収納ケーシング４２２に接続されていることになる。支柱４１３（図３）は、真空チャンバ４０８の貫通孔４１５を貫通している。

ベローズ１０１の上端は、接続部材としてのフランジ１０２に、中間部材１１６、ボルト１１０によって隙間なく接続されている。フランジ１０２は、ボルト１０８によって真空チャンバ４０３の収納ケーシング４２２に設けられている。中間部材１１６は、支柱４１３が貫通するリング状の平板である。

フランジ１０２は、ベローズ１０１の伸縮方向Ｙに対して交差する方向Ｘの離間した位置で真空チャンバ４０８とベローズ１０１とを接続している。フランジ１０２は、支柱４１３が貫通するリング状の平板である。フランジ１０２には、ベローズ１０１の伸縮方向Ｙに沿って貫通した一対の貫通部としてのスリット１１４が複数組形成されている。

スリット１１４同士（貫通部同士）の間には、ベローズ１０１に対して真空チャンバ４０８がベローズ１０１の伸縮方向Ｙに対して交差する方向Ｘへ振動するのを許容する薄肉部１１５（図１、図２）が形成されている。スリット１１４と薄肉部１１５は、互いに交差する向きに複数形成されている必要がある。本実施形態のスリット１１４と薄肉部１１５は、図１において、左右方向Ｘ１に向いたスリット及び薄肉部と、左右方向に対して直角な方向Ｘ２に向いたスリット及び薄肉部とが、略４角形状に配置されている。

これによって、図１において、Ｘ１方向の振動は、Ｘ２方向を向いた薄肉部が吸収し、Ｘ２方向の振動は、Ｘ１方向を向いた薄肉部で吸収し、その他の方向の振動は、両方の薄肉部で吸収するようになっている。本実施形態のスリット１１４と薄肉部１１５は、略４角形状に配置されているが、角数の多い多角形状程、あらゆるＸ方向の振動を吸収しやすい。このため、スリット１１４と薄肉部１１５の配置関係は、図１に示す略４角形状に限定しない。

遮蔽手段、弾性シートとしてのゴムシート１０７は、スリット１１４の開口端１１４ａを塞いで真空チャンバ４０８の外部と内部を遮蔽している（リークを防止している）。ゴムシート１０７は、支柱４１３が貫通するリング状の平板であり、外周端部１０７ａと内周端部１０７ｂとが、フランジ１０２に隙間が無いように取り付けられている。ゴムシート１０７は、フランジ１０２がベローズ１０１の伸縮方向Ｙに対して交差する方向Ｘに弾性変形したとき、フランジ１０２の弾性変形に追従して伸縮し、スリット１１４の開口端１１４ａを常時塞いでいるようになっている。

受け止め部材としての受け止め板１２０は、真空チャンバ４０８に固定されて、支柱４１３が貫通するリング状の平板である。受け止め板１２０は、真空チャンバ４０８側から薄肉部１１５（図２）を越えて延長した延長端部１２０ｂを有し、延長端部１２０ｂでフランジ１０２に作用するベローズ１０１の弾力を受け止めるようになっている。

また、受け止め板１２０は、ベローズ１０１の弾力を受け止めるとともに、真空チャンバ４０８内の圧力変化によってフランジ１０２が真空チャンバ４０８内に変形するのを防止する役目もしている。受け止め板１２０は、リング状の平板であるから、外周端部１２０ａ（図２）がボルト１０８によって、Ｏリング１０４を介在させて真空チャンバ４０８にフランジ１０２と共締めされている。Ｏリング１０４は、真空チャンバ４０８の密閉度を高めるために設けられている。

また、受け止め板１２０の延長端部１２０ｂには、フランジ１０２に接触するリング状のボールガイド１０５が設けられている。ボールガイド１０５は、フランジ１０２がベローズ１０１の伸縮方向Ｙに対して交差する方向Ｘに弾性変形したとき、フランジ１０２が交差方向Ｘに弾性変形するのを許容するために設けられている。なお、受け止め板１２０は、ゴムと金属板を重ねた積層ゴムであってもよい。この場合、ボールガイド１０５は、必ずしも必要ない。

図３は、干渉計測装置４００の断面図である。干渉計測装置４００は、真空チャンバ４０８とフィゾー干渉計システム４１１とで構成されている。干渉計測装置４００は、測定環境を真空にすることで空気の揺らぎを抑えて、測定ワークＷの形状を高精度に測定する装置である。

干渉計本体４０１から出射されたレーザ光Ｌは、折り曲げミラー４０２によって９０度屈折される。屈折されたレーザ光は、真空窓４１０とピエゾ機構４１２とを通過して、透過球面原器（ＴＳ）４０３で一部を反射され、残りは測定ワークＷで反射される。透過球面原器（ＴＳ）４０３及び測定ワークＷからの反射光は、再び真空窓４１０、折り曲げミラー４０２を通過して、干渉計本体４０１に戻る。この２つの反射光は、干渉計本体４０１内で干渉する。

干渉計システム４１１は、２つの反射光の干渉状態を不図示のＣＣＤカメラで撮像し、コンピュータ４０５で解析することで測定ワークＷの形状を測定することができる。透過球面原器（ＴＳ）４０３は、ピエゾ機構４１２により光軸方向に一定量変化させることで、より高精度な測定を可能にしている。

また、空気の揺らぎによる測定精度劣化を無くすために、透過球面原器４３と測定ワークＷは収納ケーシング４２２内に納められ、収納ケーシング４２２は真空チャンバ４０８内に収められて、真空環境に保たれている。干渉計システム４１１は、除振器４０９により除振され、ベローズ機構１０により防振されている。

以上の構成の内、干渉計本体４０１、折り曲げミラー４０２、透過球面原器（ＴＳ）４０３、収納ケーシング４２２、ピエゾ機構４１２及び測定ワークＷは、干渉計システム４１１として一体化されている。収納ケーシング４２２内には、ピエゾ機構４１２と測定ワークＷとが収納されている。

ところで、真空チャンバ４０８は床Ｆに支柱４１６によって支持されている。除振器４０９、干渉計システム４１１、真空チャンバ４０８はベローズ機構１０を介して接続されている。通常、真空チャンバ４０８の上下方向（伸縮方向）Ｙの振動や変位は、ベローズ１０１の収縮により吸収される。しかし、ベローズ１０１の横（水平）方向Ｘの剛性が非常に大きいため、真空チャンバ４０８の横（水平）方向Ｘの振動や変位はベローズ１０１で吸収することができない。

このため、真空チャンバ４０８の振動は、干渉計システム４１１に直接伝わる。これにより、除振器４０９上の干渉計システム４１１が直接加振されて、除振器４０９は、真空チャンバ４０８の振動を除振することができず除振器本来の性能を発揮することができない。

そこで、本発明のベローズ機構１０（図２）は、真空チャンバ４０８の上下方向Ｙの振動をベローズ１０１が同方向Ｙに伸縮して吸収し、薄肉部１１５（図１、図２）で横（水平）方向Ｘへの振動を吸収するようになっている。

図１、図２において、真空チャンバ４０８がベローズ１０１の伸縮方向Ｙに対して交差する方向Ｘに振動すると、フランジ１０２が薄肉部１１５で交差方向Ｘに弾性変形するため、薄肉部１１５によって交差方向Ｘの振動が吸収される。この場合、薄肉部１１５の厚みを変えることによって、交差方向Ｘの振動を最適に吸収することができる。これにより、ベローズ機構１０は、除振器４０９に除振器本来の除振性能を発揮させることができて、干渉計測装置４００の測定性能を向上させることができる。

また、薄肉部１１５の弾性変形によってフランジ１０２がベローズ１０１の伸縮方向Ｙに対して交差する方向Ｘに弾性変形することがあっても、ゴムシート１０７がスリット１１４の開口端１１４ａを塞いでいる。このため、ベローズ機構１０は、真空チャンバ４０８内の圧を一定に保つことができる。

さらに、真空チャンバ４０８の内外圧の差やベローズ１０１の弾力によってフランジ１０２が真空チャンバ４０８内へ撓むのを受け止め板１２０で受け止めて、フランジ１０２の撓みを防止している。この場合、受け止め板１２０は、ボールガイド１０５を介してフランジ１０２に接触している。

このため、薄肉部１１５の弾性変形によってフランジ１０２がベローズ１０１の伸縮方向Ｙに対して交差する方向Ｘに弾性変形することがあっても、フランジ１０２の弾性変形を自由にさせることができる。よって、ベローズ機構１０は、真空チャンバ４０８の振動を吸収する率が高い構成になっている。

これらのことによって、真空環境下でも除振器４０９の性能を発揮でき、干渉計測装置４００は、高精度な測定を行うことができる。

以上説明したベローズ機構１０は、干渉計本体４０１（図３）を支持する支持板４２０と、真空チャンバ４０８との間に設けてもよい。この場合も、ベローズ機構１０のフランジ１０２は真空チャンバ４０８に設けられ、取付板１０３は支持板４２０に設けられている。支持板４２０は、干渉計システム４１１に支持軸４２１に支持されている。この場合のベローズ機構１０も真空チャンバ４０８の振動を吸収して干渉計システム４１１に伝達するのを防止することができる。

なお、以上説明したベローズ機構１０は、真空チャンバ４０８内部と外部との圧力差によるスリット１１４を通じて外気が真空チャンバ４０８に侵入するのをゴムシート１０７（図２）で防いでいるが、他の機構によって防いでもよい。

図４は、遮蔽手段としてのゴムシート１０７の代わりにグリース保持部２００を使用した場合の図である。グリース保持部２００は、フランジ１０２にボルト１１０で固定されてスリット１１４の開口端１１４ａを覆って延長した延長板２０３と、フランジと延長板２０３の延長端部２０３ａとの間に設けられてグリースＧを保持するグリース溜２０４とで構成されている。

延長板２０３は、支柱４１３が貫通するリング状の平板である。このため、延長端部２０３ａは、延長板２０３の外周端部に相当する。グリース溜２０４は、延長板２０３の延長端部２０３ａとフランジ１０２とに互いに入り組むように形成された櫛歯状部２０３ｃ，１０２ｃと、櫛歯状部に溜められたグリースＧとで構成されている。櫛歯状部２０３ｃ，１０２ｃは、支柱４１３を中心にしてリング状に形成されている。

なお、グリース保持部２００は、延長板２０３の延長端部２０３ａをフランジ１０２に固定し、延長端部としての内周端部２０３ｂとフランジ１０２との間にグリース溜２０４を設けてもよい。

以上のグリース保持部２００は、グリース溜２０４によって、真空チャンバ４０８の内部と外部とを遮断している。また、グリース保持部２００は、フランジ１０２が薄肉部１１５の弾性変形にともなって矢印Ｘ方向に弾性変形しても、櫛歯状部２０３ｃ，１０２ｃ同士の隙間によってフランジ１０２の弾性変形を許容して、薄肉部１１５で振動を吸収しやすくすることができる。

図５は、ゴムシート１０７の代わりに遮蔽手段としての磁性流体保持部３００を使用した場合の図である。磁性流体保持部は、フランジ１０２にボルト１１０で固定されてスリット１１４の開口端１１４ａを覆って延長した延長板３０３と、フランジ１０２と延長板３０３の延長端部３０３ａとの間に設けられて磁性流体Ｊを保持する磁性流体溜３０４とで構成されている。延長板３０３は、支柱４１３が貫通するリング状の平板である。

このため、延長端部３０３ａは、延長板３０３の外周端部に相当する。磁性流体溜３０４は、フランジ１０２に設けられた磁石３０１と、磁石３０１と延長板３０３の延長端部３０３ａとの間に磁石３１０の磁力によって保持されて溜められた磁性流体Ｊとで構成されている。磁石３０１は、支柱４１３を中心にしてリング状に形成されている。

なお、磁性流体保持部３００は、延長板３０３の延長端部３０３ａをフランジ１０２に固定し、延長端部としての内周端部３０３ｂとフランジ１０２との間に磁性流体溜３０４を設けてもよい。

以上の磁性流体保持部３００は、磁性流体Ｊによって、真空チャンバ４０８の内部と外部とを遮断している。また、磁性流体保持部３００は、フランジ１０２が薄肉部１１５の弾性変形にともなって矢印Ｘ方向に弾性変形しても、磁性流体Ｊによってフランジ１０２の弾性変形を許容して、薄肉部１１５で振動を吸収しやすくすることができる。

以上の説明における圧力チャンバは、真空チャンバであったが、チャンバ内を大気圧より高くする高圧チャンバ、大気圧よりやや低くする低圧チャンバもあり、圧力チャンバは、真空チャンバに限定されるものではない。なお、高圧チャンバにチャンバ機構を適用する場合、遮蔽手段としてのゴムシート１０７、グリース保持部２００及び磁性流体保持部３００は、高圧ハウジング内に設ける必要がある。また、受け止め板１２０は、高圧ハウジングの外部に設ける必要がある。

１０：ベローズ機構、１０１：ベローズ、１０２：フランジ（接続部材）、１０７：ゴムシート（遮蔽手段、弾性シート）、１１４：スリット（貫通部）、１１４ａ：開口端、１１５：薄肉部、１２０：受け止め板（受け止め部材）、１２０ａ：外周端部、１２０ｂ：延長端部、２００：グリース保持部（遮蔽手段）、２０１：櫛歯形状、２０３：延長板、２０３ａ：延長端部、２０４：グリース溜、３００：磁性流体保持部（遮蔽手段）、３０１：磁石
３０３：延長板、３０３ａ：延長端部、３０４：磁性流体溜、４００：干渉計測装置、４０１：干渉計本体、４０５：コンピュータ、４０８：真空チャンバ（圧力チャンバ）、４０９：除振器、４１１：干渉計システム、４２２：収納ケーシング（被収納体）、Ｇ：グリース、Ｊ：磁性流体、Ｌ：レーザ光、Ｘ：ベローズの伸縮方向に対して交差する方向、Ｙ：ベローズの伸縮方向、Ｗ：測定ワーク

Claims (6)

1. 圧力チャンバと前記圧力チャンバに収納された被収納体との間に位置するベローズによって、前記圧力チャンバの外部と内部との圧力差を保持するベローズ機構において、
   前記圧力チャンバと前記ベローズとを接続する接続部材と、
   前記接続部材に前記ベローズの伸縮方向に沿って貫通した一対の貫通部同士の間に形成されて前記ベローズに対して前記圧力チャンバが前記ベローズの伸縮方向に対して交差する方向へ振動するのを許容する薄肉部と、
   前記貫通部の開口端を塞いで前記圧力チャンバの外部と内部を遮蔽する遮蔽手段と、を備えた、
   ことを特徴とするベローズ機構。
2. 前記薄肉部は、互いに交差する向きに複数形成されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載のベローズ機構。
3. 前記圧力チャンバに固定されて前記薄肉部を越えて延長した延長端部を有し、前記延長端部で前記接続部材に作用する前記ベローズの弾力を受け止める受け止め部材を備えた、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のベローズ機構。
4. 前記遮蔽手段が、前記接続部材に固定されて前記貫通部の開口端を密閉する弾性シートである、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のベローズ機構。
5. 前記遮蔽手段が、前記接続部材に固定されて前記貫通部の開口端を覆って延長した延長板と、前記接続部材と前記延長板の延長端部との間に設けられてグリースを保持するグリース溜と、を有する、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のベローズ機構。
6. 前記遮蔽手段が、前記接続部材に固定されて前記貫通部の開口端を覆って延長した延長板と、前記接続部材と前記延長板の延長端部との間に設けられて磁性流体を保持する磁性流体溜とを有する、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のベローズ機構。

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