JPH06280930A - 能動型除振装置 - Google Patents

能動型除振装置

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Publication number
JPH06280930A
JPH06280930A JP6876893A JP6876893A JPH06280930A JP H06280930 A JPH06280930 A JP H06280930A JP 6876893 A JP6876893 A JP 6876893A JP 6876893 A JP6876893 A JP 6876893A JP H06280930 A JPH06280930 A JP H06280930A
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JP
Japan
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vibration
signal
control
installation surface
converter
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JP6876893A
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English (en)
Inventor
Keiichi Takayama
桂一 高山
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SWCC Corp
Original Assignee
Showa Electric Wire and Cable Co
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【目的】除振効果の拡大と衝撃応答性の改善を図る。 【構成】制御対象物11を支持する受動型バネ要素12
と、設置面の振動および制御対象物の振動を同時に計測
する計測手段14、15と、計測された設置面振動信号
1および制御対象物振動信号S2の複数個の時間連続的
な信号をアナログ/デジタル変換するA/D変換器17
と、デジタル化された設置面振動信号および制御対象物
振動信号を周波数解析して振動伝達率を求めるシグナル
コンディショナ18と、シグナルコンディショナで得ら
れた振動伝達率Trを周波数成分ごとに予じめ求められ
た目標振動伝達率Tr’と比較する比較手段19と、比
較手段からの出力信号をデジタル/アナログ変換するD
/A変換器20と、D/A変換器からの信号から能動的
除振をするためのドライブ信号S4を作り出す制御回路
22と、ドライブ信号により制御対象物に制振力を付加
するアクチュエータ24とを備えている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は能動型除振装置に関し、
特に、半導体製造・検査装置、電子顕微鏡、光応用装置
等に利用されている受動型除振装置の発展型として、外
部から振動エネルギーを注入するデジタル制御方式の能
動型除振装置に係わる。
【0002】
【従来の技術】従来から半導体製造・検査装置、電子顕
微鏡、光応用装置等に代表される精密機器は、それら自
身の機能、仕様が高集積、高分解能、超精密化していく
ために設置基礎または床からの振動および精密機器自身
が発生する振動を遮断する必要がある。
【0003】このため、図4に示す垂直方向1軸(Z
軸)モデルとして、バネ係数kの軟いバネ(防振ゴム、
スプリング、空気バネ)と粘性減衰定数cのダッシュポ
ットを使用し、バネで支持された定盤に精密機器が搭載
された質量mの制御対象物を受動に制御して除振する受
動型除振装置が知られている。これら従来のバネでは、
図5に示すように正規化周波数ω/ωn(共振周波数)
に対する振動伝達率が観測され設置基礎または床の振動
より振動が大きくなってしまう領域(共振領域)と減衰
できる領域(除振領域)が共存してしまうことになり、
減衰定数cが小なるとき、正規化周波数(ω/ωn)が
1以上での除振効果は大きいが、共振が大になる。又、
cが大なるときは、共振は0dBに近づくが、正規化周波
数1以上での除振効果は少なくなる。また、粘性減衰を
付加して共振を抑えようとすると、除振効果は減じ、二
律相反を崩すことはできなかった。
【0004】これら受動型除振装置の発展型として、図
6に示すようにバネ系(k、c)で支持された定盤に精密
機器が搭載された制御対象物の質量自身の振動をセンサ
SEでモニターし、バネ系とは別に設けたアクチュエータ
ACTにより位相反転した振動を定盤に精密機器が搭載さ
れた制御対象物質量mに印加することで、共振現象のな
い、除振効果の高い能動型除振装置が開発され、特開昭
61−228137号、特開昭61−224015号公
報等で報告されている。図7から明らかなように、能動
型除振装置においてcが小なるときには、受動型除振装
置の減衰定数c=1の伝達率と同じようになる。しかし
cが大になると伝達率は0dB以下になり、かつ正規化周
波数1以下でも、受動型除振装置よりも除振効果を大に
することができる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】受動型除振装置では、
共振領域と除振領域が共存することであり図8に示すよ
うに、(a)の振動伝達率を有する除振装置(除振台)
が、の振動をしている床に設置したとき、振動加速
度はそれぞれ同図(b)、(c)に示す挙動となり、設
置場所の振動状況によっては、何ら除振効果をもたらす
ことができない。また共振現象の低減は図9に示す通り
粘性減衰を付加することにより低減できるが(同図
(a)−(c))、一方で除振効果を悪化させることに
もなる(同図(a)−(b)、(c)−(d))。
【0006】一方、能動型除振装置では、アクチュエー
タとして何を採用するかによりその特性・課題は大きく
変化する。アクチュエータとしてリニアモータ(ボイス
・コイル・モータ)を使用した場合(特開昭60−12
1340号公報)、下記のような難点がある。 1.漏れ磁場が大きい。
【0007】2.電磁力Fが小さい。 F=BIL B:磁束密度 I:電流 L:導体長 3.静的荷重の支持に不向きである。
【0008】4.発熱が大きい。 アクチュエータとして空気圧アクチュエータ(特開平2
−21311号公報)を使用した場合、下記のような難
点がある。 1.アクチュエータ振動源となるサーボバルブの周波数
特性がリニアモータほど高周波数側へ伸びていないため
制御周波数帯域が拡らない。
【0009】2.空気圧型アクチュエータ自身が高周波
数側のフィルタリング機能をもっているため制御周波数
帯域に制限がある。
【0010】
【発明の目的】本発明の目的は、リニアモータ・アクチ
ュエータの長所を生かし、空気圧アクチュエータ仕様に
よる能動型除振装置の特性、最適化方法に振動伝達率の
考え方、また制御手法としてデジタル制御を導入し改善
を図った能動型除振装置を提供せんとするものである。
【0011】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明の能動型除振装置は、基礎、床または地盤等で
ある設置面上に制御対象物を支持する受動型バネ要素
と、設置面の振動および制御対象物の振動を同時に計測
する計測手段と、計測された設置面振動信号および制御
対象物振動信号の複数個の時間連続的な信号をアナログ
/デジタル変換するA/D変換器と、デジタル化された
設置面振動信号および制御対象物振動信号を周波数解析
して振動伝達率を求めるシグナルコンディショナと、シ
グナルコンディショナで得られた振動伝達率を周波数成
分ごとに予じめ求められた目標振動伝達率と比較する比
較手段と、比較手段からの出力信号をデジタル/アナロ
グ変換するD/A変換器と、D/A変換器からの信号か
ら能動的除振をするためのドライブ信号を作り出す制御
回路と、ドライブ信号により制御対象物に制振力を付加
するアクチュエータとを備えたものである。
【0012】また、この能動型除振装置は、比較手段か
らの出力信号からゲインと位相を独立して調整して得ら
れる信号を作成して制御対象物振動信号に印加するデジ
タル補償回路手段を備えている。さらに、能動型除振装
置は、制御対象物に組み込まれた精密機器側の制御・駆
動信号を受取るI/O手段と、I/O手段で受取られた
精密機器側の制御・駆動信号に応じた制振力信号を発生
して制御対象物振動信号に印加するアナログ補償回路手
段とを有する。
【0013】
【作用】この能動型除振装置において、設置面と制御対
象物の振動が振動センサで同時に計測される。同時に計
測された設置面振動信号および制御対象物振動信号の複
数個の時間連続的な信号はA/D変換器によりリアルタ
イムにアナログ/デジタル変換される。このデジタル化
された設置面振動信号および制御対象物振動信号はシグ
ナルコンディショナにより高速フーリエ変換により周波
数解析して振動伝達率が求められる。この振動伝達率
は、演算・比較回路に格納され当該除振装置について予
じめ求められた目標振動伝達率と数学的に比較される。
即ち、現在発生している制御対象物上の振動スペクトル
と目標の振動伝達率から逆演算して求められる理想的な
制御対象物上の振動スペクトルを比較手段で比較され
る。
【0014】演算・比較回路の出力はD/A変換器でリ
アルタイムにデジタル/アナログ変換され、制御回路に
より能動的除振をするためのドライブ信号を作り出す。
このドライブ信号はサーボバルブに印加される。サーボ
バルブが駆動されることにより空気圧アクチュエータに
より制御対象物に最適な減衰を与える制振力が付加され
る。サーボバルブが開閉駆動されることにより空気が空
気圧アクチュエータに給排気されて制御対象物に制振力
が加えられる。
【0015】また、比較手段で比較された出力信号は、
デジタル補償回路手段によりゲインと位相を独立して調
整して現在発生している制御対象物上の振動スペクトル
と目標の振動伝達率から逆演算して求められる理想的な
制御対象物上の振動スペクトル比が各周波数成分ごとに
最も小さくなるようにデジタルフィルター(伝達率)が
設定されてドライブ信号が作成され制御対象物振動信号
に印加される。
【0016】さらに、I/O手段により制御対象物に組
み込まれた精密機器側の制御・駆動信号(同期信号)を
受取り、アナログ補償回路手段により予じめ学習してお
いた制御力信号が制御対象物に印加される。このためス
テッパー(縮小投影型露光機)に見られるように、その
機器自身の重心移動あるいは、加振力が加わる場合に、
制御対象物の動きをより最適に減衰させることができ
る。
【0017】このように、この能動型除振装置はデジタ
ルフィルターの効果と目標値制御により除振効果の拡大
と衝撃応答性の改善に役立つ。
【0018】
【実施例】以下、本発明による能動型除振装置の好まし
い一実施例を図面に基づき説明する。図1において、本
発明による能動型除振装置は、基礎、床または地盤等で
ある設置面10上に制御対象物11が受動型バネ要素1
2により支持されている。
【0019】ここで、制御対象物11とは、定盤のよう
な被除振台のみならず、これに搭載されたステッパー
(縮小投影型露光機)のようなIC、LSIの半導体製
造・検査装置、電子顕微鏡、光応用装置等の精密機器1
3が含まれるものである。この受動型バネ要素12は空
気バネとダッシュポットとからなる周知の受動型除振装
置を構成している。
【0020】設置面10の振動および制御対象物11の
振動を同時に計測する計測手段として、設置面10には
その振動を計測する振動センサ14、制御対象物11に
はその振動を計測する振動センサ15がそれぞれ搭載さ
れている。この振動センサ14としては加速度センサ、
変位センサが採用でき、振動センサ15としては加速度
センサが採用できる。この場合、振動センサ15は制御
対象物11に組み込まれた精密機器13自体に搭載して
もよい。
【0021】振動センサ14、15で同時に計測された
設置面振動信号S1および制御対象物振動信号S2の複数
個の時間連続的な信号をそれぞれ増幅する増幅器16
a、16b、これらの信号をリアルタイムにアナログ/
デジタル変換するA/D変換器17が設けられている。
このデジタル化された設置面振動信号S1および制御対
象物振動信号S2を高速フーリエ変換により周波数解析
して振動伝達率Trを求めるシグナルコンディショナ1
8が設けられている。この振動伝達率Trはシグナルコ
ンディショナ18において設置面振動信号S1と制御対
象物振動信号S2の比を演算することにより求められ
る。
【0022】さらにシグナルコンディショナ18で得ら
れた振動伝達率Trを予じめ求められた目標振動伝達率
Tr’と周波数成分ごとに比較する比較手段として、演
算・比較回路19が設けられている。当該除振装置につ
いて予じめ求められた目標振動伝達率Tr’は演算・比
較回路19の演算部19aに格納されており、演算・比
較回路19は比較部19bにおいて振動伝達率Trと比
較する機能を有している。
【0023】演算・比較回路19はリアルタイムにデジ
タル/アナログ変換するD/A変換器20に接続されて
いる。D/A変換器20からの出力は制御回路としての
サーボ増幅器22で増幅されドライブ信号S4としてサ
ーボバルブ23に印加される。サーボバルブ23が駆動
されることにより制御対象物11に制振力を付加する空
気圧アクチュエータ24を備えている。空気圧アクチュ
エータ24は空気バネで形成され、サーボバルブ23が
開閉駆動されることにより空気が空気圧アクチュエータ
24に給排気されて制御対象物11に制振力が付加され
る。これらの振動センサ14、15→増幅器16a、1
6b→A/D変換器17→シグナルコンディショナ18
→演算・比較回路19→D/A変換器20→サーボ増幅
器22→サーボバルブ23→空気圧アクチュエータ24
は、フィードバック制御ループを構成しており、空気圧
アクチュエータ24による制振力は制御対象物11の振
動とは反転しているので、両振動伝達率差|Tr’−T
r|若しくは比Tr/Tr’が周波数成分ごとに最小に
なるよう能動的除振制御が行なわれる。
【0024】また、図2に示すように、この能動型除振
装置は、比較手段としての演算・比較回路19からの出
力信号からゲインと位相を独立して調整して得られるド
ライブ信号S3を作成して制御対象物振動信号S2に印加
するデジタル補償回路21を備えている。デジタル補償
回路21により、現在発生している制御対象物上の振動
スペクトルと目標の振動伝達率から逆演算して求められ
る理想的な制御対象物上の振動スペクトル比が各周波数
成分ごとに最も小さくなるようにデジタルフィルター
(伝達率)が設定されてドライブ信号S3が作成され制
御対象物振動信号S2に印加される。
【0025】さらに、ステッパー(縮小投影型露光機)
に見られるように、その機器13自身の重心移動あるい
は、加振力が加わる場合がある。そこで制御対象物11
の動きをより最適に減衰させるために、図1、図2に示
すように、能動型除振装置は、制御対象物に組み込まれ
た精密機器側の制御・駆動信号を受取るI/O手段と、
I/O手段で受取られた精密機器側の制御・駆動信号に
応じ予じめ学習しておいた制振力信号S5を発生して制
御対象物振動信号S2に印加するアナログ補償回路手段
25とを有する。このI/O手段は、能動型除振装置の
振動の大きさ、ドライブ信号の大きさ等の状態を示す制
御対象物振動信号S2を制御対象物に組み込まれた精密
機器13側へ状態信号S6として印加する。
【0026】このように構成された能動型除振装置にお
いて、設置面10の振動は振動センサ14で、制御対象
物11の振動は振動センサ15で同時に計測される。振
動センサ14、15で同時に計測された設置面振動信号
1(図1、図2)および制御対象物振動信号S2の複数
個の時間連続的な信号は増幅器16a、16bでそれぞ
れ増幅される。
【0027】これらの信号はA/D変換器17によりリ
アルタイムにアナログ/デジタル変換される。このデジ
タル化された設置面振動信号S1および制御対象物振動
信号S2はシグナルコンディショナ18により高速フー
リエ変換により周波数解析して振動伝達率Trが求めら
れる。この振動伝達率Trは設置面振動信号S1と制御
対象物振動信号S2の比を演算することにより求められ
る。この周波数解析は例えば0〜100Hzを800等
分し、0.125Hz毎に行なわれる。
【0028】シグナルコンディショナ18で得られた振
動伝達率Trは、演算・比較回路19の演算部19aに
格納され当該除振装置について予じめ求められた目標振
動伝達率Tr’と比較部19bにより数学的に比較され
る。即ち、現在発生している制御対象物11上の振動ス
ペクトルと目標の振動伝達率Tr’から逆演算して求め
られる理想的な制御対象物11上の振動スペクトルを比
較手段たる演算・比較回路19で比較される。
【0029】演算・比較回路19の出力はD/A変換器
20でリアルタイムにデジタル/アナログ変換される。
D/A変換器20からの出力は制御回路たるサーボ増幅
器22で増幅されドライブ信号S4としてサーボバルブ
23に印加される。サーボバルブ23が開閉駆動される
ことにより空気が空気圧アクチュエータ24に給排気さ
れて制御対象物11に制振力が付加される。
【0030】こうして空気圧アクチュエータ24により
制御対象物11に最適な減衰を与える制振力が注入され
る。これらの振動センサ14、15→増幅器16a、1
6b→A/D変換器17→シグナルコンディショナ18
→演算・比較回路19→D/A変換器20→サーボ増幅
器22→サーボバルブ23→空気圧アクチュエータ24
は、フィードバック制御ループを構成しており、空気圧
アクチュエータ24による制振力は制御対象物11の振
動とは反転しているので、両振動伝達率差|Tr’−T
r|若しくは比Tr/Tr’が周波数成分ごとに最小に
なるよう能動的除振制御が行なわれる。
【0031】また、デジタル補償回路21によりゲイン
と位相を独立して調整し、現在発生している制御対象物
上の振動スペクトルと目標の振動伝達率から逆演算して
求められる理想的な制御対象物上の振動スペクトルとの
差|Tr’−Tr|または比Tr/Tr’が各周波数成
分ごとに最も小さくなるようにデジタルフィルター(伝
達率)による創作的フィルターの設定が行われ、能動的
除振をするためのドライブ信号S3が作成され制御対象
物振動信号S2に印加される。
【0032】デジタル補償回路21の演算は例えば0〜
100Hzを800等分し、0.125Hz毎に図3に
示すように Σ|Tr’−Tr|=0若しくは最小、または 比Tr/Tr’=1若しくは最小 となるように制御され能動的除振をするためのドライブ
信号S3を作り出す。即ち、現在発生している制御対象
物11上の振動スペクトル(S1/S2)と目標の振動伝
達率Tr’から逆演算して求められる理想的な制御対象
物上の振動スペクトルを比較し、両者のスペクトル比が
各周波数成分ごとに最も小さくなるようにデジタルフィ
ルター(伝達率)が設定される。
【0033】この振動伝達率Trは、除振装置の幾何学
的形状、重量、除振ユニット、および搭載装置の緒元が
決まると画一化される特性である。したがって振動伝達
率は、その除振装置の設置場所の振動の大小、卓越周波
数の存在周波数の差異によって影響を受けない。そこ
で、本発明の能動型除振制御は、この振動伝達率を事前
に想定した振動伝達率Tr’に限りなく近づけるもので
ある。
【0034】一般に、設置面振動信号S1および制御対
象物振動信号S2が小さいとき、サーボ増幅器22のゲ
イン(増幅度)を上げて現在発生している制御対象物上
の振動を除振して理想静止状態へ早く収束することがで
きるが、その場合ゲインが大きすぎると発振してしまう
結果を招く。本発明の能動型除振制御では、デジタル補
償回路21によりゲインと位相を独立して調整すること
により、どの周波数でどの位のゲインと位相を与えるか
をデジタル補償することができるので、サーボ増幅器2
2のゲインを上げることなく能動的除振をするためのド
ライブ信号S3が作成され制御対象物振動信号S2に印加
されることから、制御対象物11には理想的な除振制御
が実現できる。
【0035】また、制御対象物11に組み込まれた精密
機器13側の制御・駆動信号(同期信号)をI/O手段
により受取り、アナログ補償回路手段25により予じめ
学習しておいた制御力信号S5が制御対象物振動信号S2
に印加され、制御対象物11に制振力が付加される。こ
のためステッパー(縮小投影型露光機)に見られるよう
に、その機器13自身の重心移動あるいは、加振力が加
わる場合に、制御対象物11の動きをより最適に減衰さ
せることができる。さらにI/O手段により能動型除振
装置の振動の大きさ、ドライブ信号の大きさ等の状態を
示すデータが制御対象物に組み込まれた精密機器13側
へ状態信号S6として印加される。この状態信号S6によ
って例えば能動型除振装置の振動状態が悪化したときは
精密機器13を停止させることができる。
【0036】このように本発明の能動型除振制御は、制
御対象物を搭載した除振装置の除振目標値を定め、現在
発生している制御対象物上の振動を目標値に接近させる
デジタル制御であり、従来のアナログ制御では達成し得
ない高い減衰率と広範囲の周波数帯域にわたって能動型
除振が実行できる。
【0037】
【発明の効果】以上の説明からも明らかなように、本発
明の能動型除振装置によれば、基礎、床または地盤等で
ある設置面上に制御対象物を支持する受動型バネ要素
と、設置面の振動および制御対象物の振動を同時に計測
する計測手段と、計測された設置面振動信号および制御
対象物振動信号の複数個の時間連続的な信号をアナログ
/デジタル変換するA/D変換器と、デジタル化された
設置面振動信号および制御対象物振動信号を周波数解析
して振動伝達率を求めるシグナルコンディショナと、シ
グナルコンディショナで得られた振動伝達率を周波数成
分ごとに予じめ求められた目標振動伝達率と比較する比
較手段と、比較手段からの出力信号をデジタル/アナロ
グ変換するD/A変換器と、D/A変換器からの信号か
ら能動的除振をするためのドライブ信号を作り出す制御
回路と、ドライブ信号により制御対象物に制振力を付加
するアクチュエータとを備えたことにより、デジタルフ
ィルターの効果と目標値制御により除振効果の拡大と衝
撃応答性の改善を図ることができ、高い減衰率と広範囲
の周波数帯域にわたって能動型除振が実行できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例による能動型除振装置の説明
図。
【図2】本発明による能動型除振装置の制御系を示すブ
ロック図。
【図3】本発明による能動型除振装置の振動伝達率差若
しくは比を最小にする手法を示す図。
【図4】従来の受動型除振装置の説明図。
【図5】従来の受動型除振装置によって得られた周波数
−振動伝達率特性を示すグラフ。
【図6】従来の能動型除振装置の説明図。
【図7】従来の能動型除振装置によって得られた周波数
−振動伝達率特性を示すグラフ。
【図8】従来の受動型除振装置において設置場所の振動
状況によって除振効果が変化する周波数−振動伝達率特
性を示すグラフ。
【図9】従来の受動型除振装置において粘性減衰を付加
したとき除振効果が変化する周波数−振動伝達率特性を
示すグラフ。
【符号の説明】
10……設置面 11……制御対象物 12……受動型バネ要素 13……精密機器 14、15……計測手段 17……A/D変換器 18……シグナルコンディショナ 19……演算・比較回路(比較手段) 21……デジタル補償回路手段 22……サーボ増幅器(制御回路) 24……アクチュエータ 25……アナログ補償回路手段 Tr……振動伝達率 Tr’……目標振動伝達率 S1……設置面振動信号 S2……制御対象物振動信号 S3……ドライブ信号 S4……ドライブ信号 S5……制御力信号 S6……状態信号

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】基礎、床または地盤等である設置面上に制
    御対象物を支持する受動型バネ要素と、前記設置面の振
    動および前記制御対象物の振動を同時に計測する計測手
    段と、計測された設置面振動信号および制御対象物振動
    信号の複数個の時間連続的な信号をアナログ/デジタル
    変換するA/D変換器と、デジタル化された設置面振動
    信号および制御対象物振動信号を周波数解析して振動伝
    達率を求めるシグナルコンディショナと、前記シグナル
    コンディショナで得られた振動伝達率を周波数成分ごと
    に予じめ求められた目標振動伝達率と比較する比較手段
    と、前記比較手段からの出力信号をデジタル/アナログ
    変換するD/A変換器と、前記D/A変換器からの信号
    から能動的除振をするためのドライブ信号を作り出す制
    御回路と、前記ドライブ信号により前記制御対象物に制
    振力を付加するアクチュエータとを備えたことを特徴と
    する能動型除振装置。
  2. 【請求項2】前記比較手段からの出力信号からゲインと
    位相を独立して調整して得られる信号を作成して前記制
    御対象物振動信号に印加するデジタル補償回路手段を備
    えたことを特徴とする請求項1記載の能動型除振装置。
  3. 【請求項3】前記制御対象物に組み込まれた精密機器側
    の制御・駆動信号を受取るI/O手段と、前記I/O手
    段で受取られた精密機器側の制御・駆動信号に応じた制
    振力信号を発生して前記制御対象物振動信号に印加する
    アナログ補償回路手段とを有する特徴とする請求項1記
    載の能動型除振装置。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010043875A (ja) * 2008-08-08 2010-02-25 Kajima Corp アクティブ制振性能評価システム及びプログラム
KR20250076202A (ko) * 2023-11-22 2025-05-29 엘아이지넥스원 주식회사 진동 저감 장치 및 이를 포함하는 진동 저감 시스템

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JP2010043875A (ja) * 2008-08-08 2010-02-25 Kajima Corp アクティブ制振性能評価システム及びプログラム
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