JPH0419439A - 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
動絶縁装置か採用されつつある（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、その制御技法の一
つに、 ■絶対加速度信号 ■絶対速度信号 ■絶対変位信号 を使って振動絶縁を行なう方法かある。

しかしながら、この場合、絶対変位信号を得ることは頗
る難しい。さらに、絶対変位信号を出力する変位センサ
は極めて少なく、しかも高価である。また、微小振動の
場合は、速度センサまたは加速度センサから積分によっ
て絶対変位を取り出すことはオフセット、ドリフト、Ｓ
／Ｎ比の問題から望ましいとは言えないのが現状である
。

［発明の目的コ 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振
動を検出して振動信号を出力する振動センサと、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、前記振動信号を
それぞれ分離して演算して得られる絶対加速度信号およ
び／または絶対速度信号を出力する演算回路と、前記絶
対加速度信号、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か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、前記ゲイン・位相補
正回路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］ 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、防振パッド等が採用される。

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振動信号を出力する振動センサ１３
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１３
ａと、振動センサ１３で検出された振動信号および変位
センサ１３ａで検出された相対変位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１３ａとしては、例えば、渦電流素子、差動
トランス、ＬＥＤ、レーザー素子等か採用できる。

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
台のみならず、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１３ａは、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
するものであるから、例えば、防振材１１に設置しても
よい。

また、このアクティブ振動絶縁装置は、振動センサ１３
で検出された振動信号をそれぞれ分離して演算して得ら
れる絶対加速度信号、絶対速度信号を出力する演算回路
１５．１６と、これらの絶対加速度信号、絶対速度信号
および変位センサ１３ａからの相対変位信号から成る群
がら選ばれた信号か人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ＡＳＢ、Ｃと、ゲイン・位相
補正回路Ａ、Ｂ、Ｃが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とを備えてぃる。これらの
ゲイン・位相補正回路ＡＳＢＳＣは後述するようにそれ
ぞれ異なったゲインＧ　１　（Ｓ）、ｃ　２　（Ｓ）、
Ｇ　ａ　（Ｓ）を有している。

図示の例において、振動センサ１３は、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Ａｍｐを介
して演算回路１５．１６を介してゲイン・位相補正回路
Ａ、Ｂに接続され、変位センサ１３ａはゲイン・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
た振動信号は前置増幅器Ａｍｐにて増幅される。この増
幅された振動信号は演算回路１５．１６でそれぞれ分離
して演算され絶対加速度信号、絶対速度信号、絶対変位
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１３ａ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
が検出され相対変位信号の出力が得られる。

この絶対速度信号は、振動センサ１３として加速度セン
サが使用されている場合に、絶対加速度を１回積分する
ことにより得られる。

得られた絶対加速度信号、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Ｇ１（Ｓ）、Ｇ２（
Ｓ）、Ｇ３（Ｓ）を有しているゲイン・位相補正回路Ａ
ＳＢ、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。

ゲイン・位相補正回路Ａ、Ｂ、Ｃからの信号は加算器１
８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２０の位相はＯ°フラットである。この駆動回路２
０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、通常はゲイン・位相補正回路Ａ、Ｂ。

Ｃ１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Ａｍｐは前述したように振動センサ１３に付属さ
れ、またはセンサ１３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。

ＭＳ２Ｘ＝Ｋ　（Ｕ−Ｘ）−Ｆ ＝Ｋ　（Ｕ−Ｘ）−Ｇ１（Ｓ）Ｓ２ｘ −Ｇ２（Ｓ）ＳＸ＋Ｇ、（Ｓ）（Ｕ−Ｘ）ただし、コノ
式においてＭ、Ｓ、Ｘ、ＫＳＵ、Ｆ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／ｄ　ｔ）Ｘ、制御対象物
１２の変位 に：防振材１１のバネ定数 Ｕ二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＋Ｇ＋　（Ｓ）Ｓ２＋Ｇ２　（Ｓ）Ｓ＋　（Ｋ＋
Ｇ３（Ｓ）））Ｘ＝　（Ｋ＋Ｇ３　（Ｓ））ＵＫ＋Ｇ３
　（ｓ） 固有振動数ω。は、 振動減衰係数比ζは、 て表わされる。

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Ｇｌ（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Ｇ
ａ（Ｓ）が大きくなると固有振動数ω。が高くなり、つ
まり見かけ上貼振材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Ｇｌ（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　２（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　ｌ　（Ｓ）、Ｇ２（Ｓ
）、Ｇ３（Ｓ）、従って固有振動数ω７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　、　（Ｓ）、
Ｇ２（Ｓ）、Ｇ３（Ｓ）を制御することにより固有振動
数ω。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るアクティブ振動絶縁装
置を構成できる。

第１図に示す本発明のアクティブ振動絶縁装置を用いて
、その伝達関数の周波数特性を測定したところ第４図に
示す結果が得られた。この周波数特性から、本発明のア
クティブ振動絶縁装置は、従来のパッシブ振動絶縁装置
の伝達関数周波数特性を示す第３図のグラフに比べて、
振動絶縁性能が大幅に向上していることがわかる。

また、このアクティブ振動絶縁装置による制御対象物１
２と防振材の設置面１０における振動加速度波形はそれ
ぞれ第５図（ａ）、（ｂ）に示す。

これから明らかなように、制御対象物１２は防振材の設
置面１０から大きく振動絶縁されていることかわかる。

以上の例では絶対加速度信号、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３信号によりから成る群から選ばれた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。

［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
象物に設置され振動を検出して振動信号を出力する振動
センサと、制御対象物と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、振動信
号をそれぞれ分離して演算して得られる絶対加速度信号
および／または絶対速度信号を出力する演算回路と、絶
対加速度信号、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
補正するケイン・位相補正回路と、ケイン・位相補正回
路からの信号により駆動され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図は従来のパッシブ振動絶縁装置の伝達関数周波数特
性を示すグラフ、第４図は第１図のアクティブ振動絶縁
装置の伝達関数周波数特性を示すグラフ、第５図（ａ）
、（ｂ）は第１図のアクティブ振動絶縁装置による制御
対象物と防振材の設置面における振動加速度波形を示す
グラフである。 １２・・・・・・制御対象物 １３・・・・・・振動センサ １３ａ・・・・・・変位センサ １６．１７・・・・・・演算回路 Ａ・・・・・・絶対加速度信号ゲイン・位相補正回路 Ｂ・・・・・・絶対速度信号ゲイン・位相補正回路 Ｃ・・・・・・相対変位信号ゲイン・位相補正回路 １４・・・・・・アクチュエータ １８・・・・・・加算器

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振動を検
   出して振動信号を出力する振動センサと、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、前記振動信号をそれぞ
   れ分離して演算して得られる絶対加速度信号および／ま
   たは絶対速度信号を出力する演算回路と、前記絶対加速
   度信号、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、前記ゲイン・位相補正回路
   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。