JPH0419438A - アクティブ振動絶縁装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野］ 本発明はアクティブ振動絶縁装置に関し、特に、固有振
動数および減衰を任意に設定でき振動絶縁性能を大幅に
向上でき波形の位相ずれがなく、正確な振動絶縁制御が
できるアクティブ振動絶縁装置に係わる。

［従来の技術］ 従来から、空気バネとダッシュポットのような防振材で
支持された制御対象物をパッシブに制御するパッシブ振
動絶縁装置は周知である。

最近、パッシブ振動絶縁装置に代えて、制御対象物をア
クティブに制御するアクティブまたはセミアクティブ振
動絶縁装置が採用されつつある（特開昭６０−１２１３
４０号公報）。

このアクティブ振動絶縁装置は、振動絶縁装置に外部か
らアクチュエータによりエネルギーを注入し、線形フィ
ードバック制御や線形フィードフォワード制御の理論を
用いて振動絶縁装置の除振或いは振動絶縁効果を積極的
に高めようとするものである。

［発明が解決すべき課題］ このような防振材で支持された制御対象物をアクティブ
に制御する例はまだ極めて少ないが、般的には次のよう
な制御信号によりフィートノ＜・ツク制御を行なってい
る。

■絶対加速度信号 ■絶対速度信号 ■絶対変位信号 しかしながら、このフィードバック制御の場合、制御対
象物の振動を検出し、この信号を処理して駆動回路に戻
し、アクチュエータを駆動する方式なので、この検出と
駆動の間には時間的な遅延が生じる。即ち、波形の位相
ずれが発生し、正確な振動絶縁制御ができないという難
点がある。

［発明の目的］ 本発明は斜上の難点にかんがみなされたもので、その目
的は、絶対変位信号の代わりに相対変位信号を用いて固
有振動数および減衰を任意に設定でき振動絶縁性能を大
幅に向上でき波形の位相ずれかなく、正確な振動絶縁制
御ができるアクティブ振動絶縁装置を提供せんとするも
のである。

［課題を解決するための手段］ この目的を達成するために、本発明の振動絶縁装置によ
れば、防振材で支持されている制御対象物に設置され制
御対象物の振動を検出して第１の振動信号を出力する第
１の振動センサと、前記防振材の設置面に設置され前記
防振材の設置面の振動を検出して第２の振動信号を出力
する第２の振動センサと、前記制御対象物と前記防振材
の設置面間の相対変位を検出して相対変位信号を出力す
る変位センサと、前記第１の振動信号をそれぞれ分離し
演算して得られる第１の絶対加速度信号および／または
第１の絶対速度信号を出力する第１の演算回路と、前記
第２の振動信号をそれぞれ分離し演算して得られる第２
の絶対加速度信号および／または第２の絶対速度信号を
出力する第２の演算回路と、前記第１の絶対加速度信号
、第１の絶対速度信号および相対変位信号から成る群か
ら選ばれた信号が入力されてそのゲイン・位相を補正す
るゲイン・位相補正回路と、前記第２の絶対加速度信号
および第２の絶対速度信号から成る群から選ばれた信号
が入力されて前記ゲイン・位相の遅れを推定してこれに
対処した信号を出力する推定器と、前記ゲイン・位相補
正回路および推定器からの信号により駆動され前記制御
対象物に制御力を注入するアクチュエータとを備えてい
るものである。

［実施例コ 以下、本発明のアクティブ振動絶縁装置を適用した実施
例につき図面を参照して説明する。

第１図において、このアクティブ振動絶縁装置は、基礎
または床である設置面である設置面１０上に防振材１１
で支持された被除振台または制御対象物１２が設けられ
ている。

防振材１１としては、例えば、空気バネ、スプリング、
防振ゴム、防振バット等が採用される。

このアクティブ振動絶縁装置は、制御対象物１２に設置
され振動を検出して第１の振動信号を出力する第１の振
動センサ１３と、防振材１１の設置面１０に設置され防
振材１１の設置面１０の振動を検出して第２の振動信号
を出力する第２の振動センサ１３ａと、制御対象物１２
と防振材１１の設置面１０間の相対変位を検出して相対
変位信号を出力する変位センサ１３ｂとを備えている。

また、このアクティブ振動絶縁装置は、第１の振動信号
をそれぞれ分離し演算して得られる第１の絶対加速度信
号および第１の絶対速度信号を出力する第１の演算回路
Ａａ、Ａｖと、第２の振動信号をそれぞれ分離し演算し
て得られる第２の絶対加速度信号および第２の絶対速度
信号を出力する第２の演算回路Ｃａ、Ｃｖと、変位セン
サ１３ｂから出力された相対変位信号を処理して好まし
いレベルの相対変位信号を出力する処理回路Ｂｄとを有
している。

さらに、アクティブ振動絶縁装置は、第１の絶対加速度
信号、第１の絶対速度信号および相対変位信号から成る
群から選ばれた信号が入力されてそのゲイン・位相を補
正するフィードバックループとしてのゲイン・位相補正
回路Ａ、ＢＳＣと、第２の絶対加速度信号および第２の
絶対速度信号から成る群から選ばれた信号が入力されて
前記ゲイン・位相の遅れを推定してこれに対処した信号
を出力するフィードフォワードループとしての推定器り
、Ｅと、ゲイン・位相補正回路Ａ、Ｂ、Ｃおよび推定器
ＤＸＥからの信号により駆動され制御対象物１２に制御
力を注入するアクチュエータ１４とを備えている。

この振動センサ１３．１３ａとしては、例えば、加速度
センサもしくは速度センサ等が採用できる。

変位センサ３ｂとしては、例えば、渦電流素子、差動ト
ランス、ＬＥＤ、レーザー素子等が採用できる。

アクチュエータ１４としては、例えば、サーボ弁と空圧
シリンダ、電気・空圧比例弁と空圧シリンダ、ＶＣＭ　
（ボイスコイルモータ）、ＬＤＭ（リニヤドライブモー
タ）、積層圧電素子、超磁歪材等が適当である。

なお、ここで、制御対象物１２とは定盤のような被除振
台のみならす、被除振台上に搭載されたステッパーなど
の精密機器をも含むものであり、この場合、振動センサ
１３はこのような精密機器自体に設置してもよい。

また、変位センサ１３ｂは、制御対象物１２と防振材１
１の設置面１０間の相対変位を検出して相対変位信号を
出力するものであるから、例えば、防振材１１に設置し
てもよい。

さらに、アクティブ振動絶縁装置は、ゲイン・位相補正
回路Ａ、Ｂ、Ｃおよび推定器り、Ｅからの信号を加算し
てアクチュエータ１４に注入する加算器１８を備えてい
る。これらのゲイン・位相補正回路Ａ、Ｂ、Ｃは後述す
るようにそれぞれ異なったゲインＧユ（Ｓ）、Ｇ２（Ｓ
）、Ｇ　３　（Ｓ）を有している。

図示の例において、第１の振動センサ１３は、このセン
サに付属され又はセンサの近傍に設置された前置増幅器
Ａ、を介して第１の演算回路Ａａ。

Ａｖを経由してゲイン・位相補正回路ＡＳＢに接続され
、第２の振動センサ１３ａは、このセンサに付属され又
はセンサの近傍に設置された前置増幅器Ａ２を介して第
２の演算回路ＣａＸＣｖを経由して推定器り、Ｈに接続
されている。

変位センサ１３ｂは処理回路Ｂｄを介してゲイン・位相
補正回路Ｃに接続されている。

ゲイン・位相補正回路Ａ、Ｂ、Ｃおよび推定器り、Ｅか
らの信号を加算する加算器１８は反転回路１９および駆
動回路２０を介してアクチュエータ１４に接続されてい
る。

このように構成されたアクティブ振動絶縁装置において
、基礎または床である設置面１０上に防振材１１で支持
された制御対象物１２上に設置された第１の振動センサ
１３により制御対象物１２の振動が検出される。この検
出された第１の振動信号は前置増幅器Ａ１にて増幅され
る。この増幅された第１の振動信号は第１の演算回路Ａ
ａ、Ａｖでそれぞれ分離して演算され第１の絶対加速度
信号、絶対速度信号の出力が得られる。

防振材１１の設置面１０に設置された第２の振動センサ
１３ａにより防振材１１の設置面１０の振動が検出され
る。この検出された第２の振動信号は前置増幅器Ａ２に
て増幅される。この増幅された振動信号は第２の演算回
路Ｃａ、　Ｃｖでそれぞれ分離して演算され第２の絶対
加速度信号、絶対速度信号の出力が得られる。

一方、防振材１１に設置された変位センサ１３ｂにより
制御対象物１２と防振材１１の設置面１０間の相対変位
が検出される。この検出された相対変位信号は処理回路
Ｂｄを介して好ましいレベルの相対変位信号を出力する
。

これらの絶対速度信号は、第１の振動センサ１３、第２
の振動センサ１３ａとして加速度センサか使用されてい
る場合に、第１の演算回路Ａｖおよび第２の演算回路Ｃ
ｖでそれぞれ絶対加速度を１回積分することにより得ら
れる。

第１の演算回路Ａａ、Ａｖおよび処理回路Ｂｄからそれ
ぞれ得られた第１の絶対加速度信号、絶対速度信号、相
対変位信号の出力は、それぞれ異なったゲインＧｌ（Ｓ
）、Ｇｓ（Ｓ）、Ｇｓ（Ｓ）を有しているゲイン・位相
補正回路Ａ、Ｂ、Ｃにそれぞれ入力されてそのゲイン・
位相がそれぞれ補正される。

第２の演算回路Ｃａ、Ｃｖからそれぞれ得られた第２の
絶対加速度信号および第２の絶対速度信号はフィードフ
ォワードループとしての推定器Ｄ１Ｅに入力されてゲイ
ン・位相補正回路ＡＳＢＳＣのフィードバックループに
おけるゲイン・位相の遅れ、即ち制御対象物１２と防振
材１１の設置面１０間のゲイン・位相の遅れを推定して
これに対処した信号を出力する。

ゲイン・位相補正回路ＡＳＢ、Ｃおよび推定器り、Ｅか
らの信号は加算器１８で加算されて合成される。この合
成された信号は反転回路１９で反転され、駆動回路２０
に入力される。駆動回路２Ｏの位相はＯ°フラットであ
る。この駆動回路２０からの駆動信号はアクチュエータ
１４に注入され、アクチュエータ１４が駆動される。

アクチュエータ１４の動きは、制御対象物１２の振動を
抑制する方向であり、これにより制御対象物１２の振動
は低減される。この場合、第２の演算回路Ｃａ、Ｃｖか
らそれぞれ得られた第２の絶対加速度信号および第２の
絶対速度信号は推定器り、Ｅに入力されてゲイン・位相
補正回路Ａ、Ｂ。

Ｃのフィードバックループにおけるゲイン・位相の遅れ
、即ち制御対象物１２と防振材１１の設置面１０間のゲ
イン・位相の遅れを推定してこれに対処した信号を出力
するので、振動を絶縁するための位相応答性が向上する
。

なお、通常はゲイン・位相補正回路Ａ、Ｂ、Ｃ。

推定器り、Ｅ、駆動回路２０等はコントローラとして振
動絶縁装置のラックに収納されるため、Ｓ／Ｎ比を良く
するためには、このコントローラに入力される信号が成
る程度大きくなければならない。このＳ／Ｎ比を改善す
るため前置増幅器Ａ７、Ａ２は前述したように振動セン
サ１３．１３ａに付属され、またはセンサ１３．１３ａ
の近傍に設置されるのが好ましい。

以上説明したアクティブ振動絶縁装置は、第２図に示す
ようなモデルで略示でき、その運動方程式はラプラス演
算子を用いて下式で表わされる。

ＭＳ”Ｘ＝Ｋ　（Ｕ−Ｘ）−Ｆ Ｋ　（Ｕ−Ｘ）−Ｇ、（Ｓ）Ｓ２Ｘ −Ｇ、（Ｓ）ＳＸ＋Ｇ、（Ｓ）（Ｕ−Ｘ、）ただし、こ
の式においてＭ、Ｓ、、ＸＳＫ、ＵＳＦは下記の通りで
ある。

Ｍ：制御対象物１２の質量 Ｓニラプラス演算子（Ｓ＝ｄ／ｄｔ） Ｘ：制御対象物１２の変位 に：防振材１１のバネ定数 Ｕ：基礎または床である設置面１ｏの変位Ｆ：アクチチ
エータ１４の制御力 従って、 （（Ｍ＋Ｇｌ　（Ｓ）Ｓ２＋Ｇ２　（Ｓ）Ｓ＋　（Ｋ＋
Ｇ。

（Ｓ）））Ｘ＝　（Ｋ＋Ｇ８　（Ｓ））Ｕとなる。

Ｋ＋Ｇａ （Ｓ） 固有振動数ω。は、 振動減衰係数比ζは、 で表わされる。

ここでＸ／Ｕ。

即ち伝達関数Ｈ （Ｓ） は、 Ｓ＝ｊωとすれば、 これらの式は、 ゲイン・位相補正回路Ａの絶対 加速度信号に係わるゲインＧ　１　（Ｓ）が小さくなる
と、またはゲイン・位相補正回路Ｃの相対変位信号に係
わるゲインＧａ（Ｓ）が大きくなると固有振動数ω、が
高くなり、つまり見かけ上防振材１１のバネが硬くなる
ことを意味する。

さらに、ゲイン・位相補正回路Ａの絶対加速度信号に係
わるゲインＧ、（Ｓ）、ゲイン・位相補正回路Ｃの相対
変位信号に係わるゲインＧａ（Ｓ）が小さくなると、ま
たはゲイン・位相補正回路Ｂの絶対速度信号に係わるゲ
インＧ、（Ｓ）が大きくなると振動減衰係数比ζが大き
くなり、固有振動数の共振倍率が極めて小さくなること
を意味する。

また、これらの式は、ゲインＧ　Ｉ　（Ｓ）、Ｇ　！　
（Ｓ）、Ｇａ（Ｓ）、従って固有振動数ω。および振動
減衰係数比ζを変えることによって伝達関数Ｈ（Ｓ）、
従ってＨ（ｊω）の大きさおよび位相を調節することが
でき、振動絶縁効果を変化させることが可能であること
を示している。

このようにしてフィードバックゲインＧ　Ｉ　（Ｓ）、
Ｇ　２　（Ｓ）、Ｇｓ（Ｓ）を制御することにより固有
振動数ω０および振動減衰係数比ζを任意に設定できる
。

従って、絶対変位信号の代わりに相対変位信号を用いて
振動絶縁性能を大幅に向上でき波形の位相ずれがなく、
正確な振動絶縁制御ができるアクティブ振動絶縁装置を
構成できる。

以上の例では第１の絶対加速度信号、絶対速度信号、相
対変位信号の３信号をフィードバック制御信号として、
第２の絶対加速度信号、絶対速度信号の２信号をフィー
ドフォワード制御信号として用いたが、所期の振動絶縁
効果を得るための用途に応じてこれらの５信号によりが
ら成る群がら選ばれた１または２信号を用いて制御する
こともできる。

また、以上の例では相対変位のフィードバックを行なっ
ているので、制御対象物の１２のレベル（高さ）の制御
も可能である。

さらに、以上の例において垂直方向の振動を絶縁する場
合について説明したが、この振動絶縁は水平方向の振動
を絶縁する装置にも等しく適用できるものである。

第１図の振動絶縁装置を用いて変位伝達率特性を測定し
たところ第３図に示す結果か得られた。

第３図において■は振動絶縁制御を行なわない例、■は
ゲイン・位相補正回路Ａ、Ｂ、Ｃによるフィードバック
振動絶縁制御を行なった例、■は本発明のゲイン・位相
補正回路Ａ、Ｂ、Ｃによるフィードバック制御に加えて
推定器り、Ｈによるフィードフォワード制御を行なった
場合をそれぞれ示す。この結果から明らかなように、本
発明のアクティブ振動絶縁装置では、振動絶縁効果が大
きく向上し、波形の位相ずれがなく、正確な振動絶縁を
達成することができる。

［発明の効果］ 以上の説明からも明らかなように、本発明のアクティブ
振動絶縁装置によれば、防振材で支持されている制御対
象物に設置され制御対象物の振動を検出して第１の振動
信号を出力する第１の振動センサと、前記防振材の設置
面に設置され前記防振材の設置面の振動を検出して第２
の振動信号を出力する第２の振動センサと、前記制御対
象物と前記防振材の設置面間の相対変位を検出して相対
変位信号を出力する変位センサと、前記第１の振動信号
をそれぞれ分離し演算して得られる第１の絶対加速度信
号および／または第１の絶対速度信号を出力する第１の
演算回路と、前記第２の振動信号をそれぞれ分離し演算
して得られる第２の絶対加速度信号および／または第２
の絶対速度信号を出力する第２の演算回路と、前記第１
の絶対加速度信号、第１の絶対速度信号および相対変位
信号から成る群から選ばれた信″号が入力されてそのゲ
イン・位相を補正するゲイン・位相補正回路と、前記第
２の絶対加速度信号および第２の絶対速度信号から成る
群から選ばれた信号か入力されて前記ケイン・位相の遅
れを推定してこれに対処した信号を出力する推定器と、
前記ゲイン・位相補正回路および推定器からの信号によ
り駆動され前記制御対象物に制御力を注入するアクチュ
エータとを備えることにより、絶対変位信号の代わりに
相対変位信号を用いて固有振動数および減衰を任意に設
定でき振動絶縁性能を大幅に高めることができ波形の位
相ずれがなく、正確な振動絶縁制御ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のアクティブ振動絶縁装置の説明図、第
２図は第１図の振動絶縁装置のモデルを示す説明図、第
３図は第１図の振動絶縁装置による振動絶縁効果として
の変位伝達率特性を示すグラフである。 １０・・・・・・設置面 １２・・・・・・制御対象物 １３・・・・・・第１の振動センサ １３ａ・・・・・・第２の振動センサ １３ｂ・・・・・・変位センサ １４・・・・・・アクチュエータ １８・・・・・・加算器 ＡａＳＡｖ・・・・・・第１の演算回路Ｃａ、Ｃｖ・・
・・・・第２の演算回路Ａ、Ｂ、Ｃ・・・・・・ゲイン
・位相補正回路ＤＳＥ・・・・・・推定器

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 防振材で支持されている制御対象物に設置され制御対象
   物の振動を検出して第１の振動信号を出力する第１の振
   動センサと、前記防振材の設置面に設置され前記防振材
   の設置面の振動を検出して第２の振動信号を出力する第
   ２の振動センサと、前記制御対象物と前記防振材の設置
   面間の相対変位を検出して相対変位信号を出力する変位
   センサと、前記第１の振動信号をそれぞれ分離し演算し
   て得られる第１の絶対加速度信号および／または第１の
   絶対速度信号を出力する第１の演算回路と、前記第２の
   振動信号をそれぞれ分離し演算して得られる第２の絶対
   加速度信号および／または第２の絶対速度信号を出力す
   る第２の演算回路と、前記第１の絶対加速度信号、第１
   の絶対速度信号および相対変位信号から成る群から選ば
   れた信号が入力されてそのゲイン・位相を補正するゲイ
   ン・位相補正回路と、前記第２の絶対加速度信号および
   第２の絶対速度信号から成る群から選ばれた信号が入力
   されて前記ゲイン・位相の遅れを推定してこれに対処し
   た信号を出力する推定器と、前記ゲイン・位相補正回路
   および推定器からの信号により駆動され前記制御対象物
   に制御力を注入するアクチュエータとを備えていること
   を特徴とするアクティブ振動絶縁装置。