JPH10196716A - アクティブ除振装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】床振動外力に対する高性能な除振効果だけでな
く、地震外力に対しても搭載した機器の損傷を防止でき
るように、地震時の精密機器の応答加速度を低減できる
ようにしたアクティブ除振装置を提供する。 【解決手段】ばね部材と振動減衰部材とからなるパッシ
ブ除振部材４を免震部材として用い、アクチュエータ部
材が地震時の水平変位を拘束しないように、ボールベア
リング部材２８を設ける。また、パッシブ除振部材４と
アクチュエータ部材からなるアクティブ除振部材５と直
列に水平移動部材３２、並びにコイルばね部材９とワイ
ヤ部材３５からなる免震部材から構成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はアクティブ除振装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】電子顕微鏡装置のような精密機器では、
一般に、機器が設置される床面の振動が原因で画像精度
あるいは性能が低下する恐れがあるため、除振装置で支
持された定盤上に設置される。除振装置は、水平方向及
び上下方向に剛性の低い弾性体のばね部材、例えば、コ
イルばね，空気ばね、もしくは防振ゴムなどと、減衰効
果を有する粘性ダンパ等の振動減衰部材との組み合わせ
が用いられることが多い。除振装置は床面からの微振動
を振動絶縁することによって、定盤及びこれに搭載され
た機器の応答の絶対加速度を低減(除振)する装置であ
る。しかし、パッシブ除振装置は必ず固有振動数を持
ち、しかもその固有振動数を下げるには限度がある。一
般に、パッシブ除振装置の固有振動数は１〜３Ｈｚ程度
となり、１.５〜４Ｈｚ以下の床振動に対してはパッシ
ブ除振装置による振動絶縁効果は得られない。これがパ
ッシブ除振装置の問題点である。

【０００３】そこで、この様な問題点を解決する方法と
して、床振動の微振動に対して定盤の振動を能動的に抑
制する方法が考えられ、この方法の従来技術は、例え
ば、特開平1−307537 号公報及び特開平2−228712 号公
報に記載されているように、アクチュエータを用い、定
盤上の絶対加速度等をフィードバックして能動的に定盤
の振動の絶対加速度を抑制するアクティブ除振装置があ
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】アクティブ除振装置に
おける従来技術の原理によれば、床振動に対して機器を
搭載する定盤の振動を大幅に低減する効果が得られる。
しかし、地震の場合のような大きな床振動に対しては、
アクティブ除振装置のアクチュエータのストロークでは
対応できない。というのは、通常問題にしている常時微
振動による床振動の振動レベルがμｍオーダであるのに
対して、地震に対するアクティブ除振装置のアクチュエ
ータの必要なストロークはcmオーダであり、常時微動時
のアクチュエータにおける変位分解能と地震時の最大発
生変位とは１０⁴ 以上のオーダの相違があるため、これ
を両立するアクチュエータは限られており、もしこれを
実現できたとしてもアクティブ除振装置は非常に高価な
ものとなる。

【０００５】本発明の目的は、常時微動に対する除振性
能と地震動に対する免震性能を両立し、しかも安価なア
クティブ除振装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】地震動は水平方向と上下
方向に作用するが、機器及び構造物に大きな損害を与え
るのは水平方向であり、一般には上下方向の加速度レベ
ルは水平方向の１／２程度である。

【０００７】上記の目的を達成するため、本発明は地震
時にも免震性能が発揮できるように、第１の発明では、
搭載される機器を考慮して決定される固有周期を長周期
化し、しかも大きな相対変位を許容できるばね部材と振
動減衰部材とからなるパッシブ除振部材と、これに並列
に設けられる（上下方向用の）アクティブ除振部材の構
成要素であるアクチュエータ部材に、これが支持する定
盤から水平方向の荷重を受けないように、ベアリングボ
ール部材を設け、さらに、上下方向の衝撃的な振動を除
去する振動遮断部材のゴム部材を設ける構造、また、第
２の発明は、アクティブ除振装置とは直列に、大きな水
平変位が可能な支持部材及びばね部材、並びに相対変位
を低減するための振動減衰部材からなる免震装置を設
け、さらに、アクティブ除振装置のパッシブ除振部材等
に水平変位を拘束するストッパ部材とアクティブ除振部
材のアクチュエータ部材に第１の発明と同様に、ボール
ベアリング部材と振動遮断部材を設ける。

【０００８】一般的に、電子顕微鏡装置のような精密機
器では、機器本体の絶対加速度ではなく、電子銃あるい
は対物レンズと試料間のように、機器のある部材間の相
対変位のみを高精度に低減できれば良い。そこで、本発
明では、特に、定盤と機器の複数点の水平方向の振動状
態を検出する加速度計の検出器と上下方向用のアクチュ
エータ部材が配置されている定盤上の各点の上下方向の
振動状態を検出する加速度計あるいは変位計の検出器か
らの信号を用いて、コントローラで上下方向用アクチュ
エータ部材を制御することによって、上下方向の絶対加
速度、さらに、今問題としている機器の内部構造部材と
試料台間の水平方向の相対加速度あるいは相対変位を抑
制するように、定盤の傾斜を抑制することができる。

【０００９】一方、地震動が発生すると、第１の発明で
は、アクティブ除振部材のアクチュエータ部材に設けら
れたボールベアリング部材により、水平変位を拘束しな
いために、パッシブ除振部材のばね部材と振動減衰部材
により、水平方向の免震機能を発揮することができる。
また、上下方向の地震動に対しては、振動遮断部材によ
りアクチュエータ部材に大きな衝撃が加わらないように
なっている。

【００１０】第２の発明では、地震動が発生すると、水
平地震動に対しては、アクティブ除振装置のパッシブ除
振部材等に設けられたストッパ部材により、アクティブ
除振装置の水平方向の変位は拘束され、アクティブ除振
装置と直列に設けられた免震装置の水平移動部材により
水平方向に移動し、免震効果が発揮され、ばね部材によ
り復元力が免震支持された機器に復元力が与えられ、水
平変位が抑制される。また、水平移動部材として滑り部
材を用いると、さらに、水平変位の抑制効果が大きい。
上下地震動に対しては、第１の発明と同様に、作用す
る。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明のいくつかの実施例
を、図面を参照して説明する。

【００１２】まず、本発明の一実施例を図１及び図２に
より説明する。

【００１３】図１の実施例は電子顕微鏡装置１７に本発
明のアクティブ除振装置を適用した例である。この実施
例では、床１上に設置された設置板２上に複数個のアク
ティブ除振部材３が設けられている。図２に示されるよ
うに、このアクティブ除振部材３は水平方向と上下方向
に除振効果のあるパッシブ除振部材４とこれに並列に設
けられた上下方向用のアクチュエータ部材５から構成さ
れる。この複数個のアクティブ除振部材３は定盤６を支
持する。さらに、定盤６上に電子顕微鏡装置１７が搭載
される。アクティブ除振部材３のアクチュエータ部材５
を制御するために、例えば、図１に示すように、設置板
２の上下方向の加速度及びアクティブ除振部材３に支持
される定盤６上の点の上下方向の加速度もしくは変位等
を検出する検出器７及び制御対象の電子顕微鏡装置１７
本体の振動を把握するための水平方向の加速度等を検出
する検出器７を必要に応じて複数個設ける。これらの検
出器７からの信号はコントローラ８の入力部であるＡ／
Ｄ変換器１０を通してＤＳＰ（ディジタル・シグナル・プ
ロセッサ）部材１１に入力され、このＤＳＰ部材１１に
はアクティブ除振部材３のアクチュエータ部材５を制御
する実行用プログラムが書き込まれており、ＤＳＰ部材
１１で高速に計算された信号はＤ／Ａ変換器１２，増幅
器１３を経て、アクチュエータ部材５を制御する。

【００１４】次に、図２により、本発明のアクティブ除
振部材３の実施例を説明する。アクティブ除振部材３は
主に、パッシブ除振部材４とこれに並列に設けられた上
下方向用のアクチュエータ部材５から構成される。本実
施例では、ばね部材１９の両端が台座部材１８ａと１８
ｂとの間に設けられ、さらに、減衰機能を有する粘弾性
体２０がばね部材１９の中央に配置される。また、アク
チュエータ部材５の基本構成は積層型圧電素子２４，積
層型圧電素子２４の高さ調整のために用いる筒型支持部
材２１とねじ部材２２，振動遮断部材２６及びボールベ
アリング部材２８とこれを下部から支持する受け部材２
７である。積層型圧電素子２４は両端にブロック部材３
５とカバー部材２５が取り付けられ、下部のブロック部
材２３はねじ部材２２で支持されており、ねじ部材２２
を回転することにより、積層型圧電素子部材２４の高さ
を調整することができるため、ねじ部材２２により、ア
クチュエータ部材５の上部に設けられたボールベアリン
グ部材２８が定盤６に適当な荷重で支持するまで押し付
けられる。また、振動遮断部材２６は、床振動のうち制
御対象外の高振動数成分を除去するために用いられると
共に、地震時に受ける衝撃的な上下荷重が積層圧電素子
部材２４に加わることを防止するために用いられる。ま
た、カバー部材２５は積層型圧電素子３４を保護するた
めに設けられている。

【００１５】図１及び図２を用いて、この実施例の作用
を説明する。

【００１６】まず、床振動外力の場合には、アクティブ
除振部材３で支持される定盤６と電子顕微鏡装置１７本
体は水平，上下方向に加振されるが、一般に、電子顕微
鏡装置１７は重心で支持されていないため、定盤４には
水平面に対して傾斜する振動モードが加わる。その結
果、例えば、電磁レンズホルダの内の電子銃と試料台と
の間に、水平方向の相対変位が生じようとする。この
時、アクチュエータ部材５が配置されている定盤６の各
点の上下方向の加速度もしくは変位、並びに制御対象の
電子顕微鏡装置１７の水平方向の加速度等を検出する検
出器７の出力信号がＡ／Ｄ変換器１０を通してＤＳＰ部
材１１に入力され、ＤＳＰ部材１１はアクチュエータ部
材５による制御力に対応した電圧を瞬時に計算し、この
計算された制御電圧は、Ｄ／Ａ変換器１２及びを増幅器
１３を通して、アクチュエータ部材５を駆動することに
よって、電子銃と試料間の相対変位を抑制し、像ぶれを
防ぐことができる。

【００１７】次に、地震外力が発生した場合、水平方向
の地震動に対しては、アクチュエータ部材５のボールベ
アリング部材２８によって、定盤６の水平方向の大きな
変位は拘束されないため、パッシブ除振部材４が変形す
ることによって、免震機能を発揮することができる。こ
の時、粘弾性部材２０により、過大な水平変位は抑制さ
れる。また、上下方向の地震動に対しては、アクチュエ
ータ部材５の振動遮断部材２６によって、積層型圧電素
子部材２４に加わる衝撃的な荷重を緩和させることがで
きる。なお、設置板２に設けた検出器７もしくは定盤６
上に設けた検出器７等により、ある許容値以上の振動量
が検出されたときには、ＤＳＰ部材１１から積層型圧電
素子部材２４の制御を停止させても良い。

【００１８】次に、図３に第二の実施例を示す。図３の
実施例は、図２の実施例で、内部円筒部材２９ａと外部
円筒部材２９ｂがばね部材１９を包むように設けられ、
二つの円筒部材２９が接触する部分、この図では外部円
筒部材２９ｂの内側に緩衝部材３０が設けられている。
これは、地震外力がパッシブ除振部材４の許容変位以上
になったときに、内部円筒部材２９ａが外部円筒部材２
９ｂの内側に設けられた緩衝部材３０に受けとめられる
ことによって、定盤上に搭載されている精密機器に大き
な衝撃力が加わらないようになっている。また、図３の
外部円筒部材２９ｂには高粘性流体３８を満たして、振
動減衰効果を図っても良い。

【００１９】図４及び図５は第三の実施例の縦断面図と
横断面図を示す。電子顕微鏡装置等の精密機器を搭載し
ている定盤６を支持する複数個のアクティブ除振部材３
を設置する設置板２を分割して、それぞれの設置板２の
下部に水平移動部材３２を設けることによって、設置板
２が設置板２と床１との間に設けた底板３１上を水平方
向に移動できるようになっている。また、免震要素であ
るコイルばね部材３４の端部を固定する固定部材３３を
設け、図５に示すように、対面する設置板２に設けられ
たコイルばね部材３４はワイヤ部材３５で連結され、ワ
イヤ部材３５はその軸方向には移動でき、その直角方向
には拘束されるように、ワイヤ部材３５の中央部を底板
３１に取り付けられた支持棒部材３６で支持させる。ま
た、アクティブ除振部材３のパッシブ除振部材３に設け
た内部及び外部円筒部材２９からなるストッパ部材の水
平方向の間隙を微振動時には妨げにならない程度に小さ
く取られている。この実施例では、水平地震外力が作用
した場合、パッシブ除振部材４に設けられたストッパ部
材により、アクティブ除振部材３の水平変位は拘束され
て、その地震力により、設置板２に設けられた水平移動
部材３２により、それぞれの設置板２は底板３１上を同
方向に移動する。例えば、図５において、四つの設置板
２が紙面の右方向に移動すると、ワイヤ部材３５ｂと３
５ｄは、支持棒部材３６ｂと３６ｄにより拘束されて、
ワイヤ部材３５ｂと３５ｄに連結されているコイルばね
部材が延ばされることによって設置板２に紙面の左方向
の復元力が与えられる。逆に、設置板２が紙面の左方向
に移動すると、先と同様に、ワイヤ部材３５ｂと３５ｄ
は、支持棒部材３６ｂと３６ｄにより拘束されて、ワイ
ヤ部材３５ｂと３５ｄに連結されているコイルばね部材
が延ばされることによって、今度は設置板２に紙面の右
方向の復元力が与えられる。これらの際、ワイヤ部材３
５ａと３５ｃは支持棒部材３６ａと３６ｃの拘束は受け
ずに、ワイヤ部材３５ａと３５ｃと連結されているコイ
ルばね部材は延ばされることはなく、ばね力は生じな
い。また、設置板２が上下方向に移動した場合には、ワ
イヤ部材35ａと３５ｃは支持棒部材３６ａと３６ｃの拘
束を受けて、各設置板２は移動方向と逆向きの復元力が
与えられる。この復元力によって、設置板２の水平変位
が抑制されると共に、地震後、設置板２及びこれらによ
って支持されている精密機器は元の位置に復帰される。

【００２０】図６及び図７は第四の実施例の縦断面図と
横断面図を示す。電子顕微鏡装置等の精密機器を搭載し
ている定盤６を支持する複数個のアクティブ除振部材３
を設置する設置板２の下部に設けた水平移動部材３２
を、床１に設けた皿部材３７内に配置することによっ
て、水平移動部材３２は皿部材の底部材上を水平方向に
移動可能にする。図７に示すように、設置板２に復元力
を与えるコイルばね部材３４の両端はワイヤ部材５が連
結されて、それぞれのワイヤ部材３５の他端は対面する
水平移動部材３２に固定される。さらに、これらのワイ
ヤ部材３５は皿部材３７の周囲の壁部材に固定された二
つのローラ部材３９に挟まれて支持される。また、水平
移動部材３２に設けられた抵抗部材４０と皿部材３７の
底部材との間に高粘性流体３８が満たされている。この
実施例では、水平地震外力が作用した場合、パッシブ除
振部材４に設けられたストッパ部材により、アクティブ
除振部材３の水平変位は拘束されて、設置板２に設けら
れた水平移動部材３２により、それぞれの設置板２は皿
部材３７の底部材４１上を同方向に移動する。例えば、
図７において、設置板２が紙面の右方向に移動すると、
コイルばね部材３４ｂと３４ｄのそれぞれの両端に設け
られているワイヤ部材がこれらのワイヤ部材を支持して
いるローラ部材によって紙面の右方向の移動を一部拘束
されるため、コイルばね部材３５ｂと３５ｄは延ばされ
ることによって水平移動部材３２を介して設置板２に紙
面の左方向の復元力が与えられる。逆に、設置板２が紙
面の左方向に移動すると、先と同様に、コイルばね部材
３５ｂと３５ｄは延ばされることによって水平移動部材
３２を介して、今度は設置板２に紙面の右方向の復元力
が与えられる。これらの際、コイルばね部材３４ａと３
４ｃの両端に設けられたワイヤ部材はこれらを支持する
ローラ部材によっては拘束されないため、コイルばね部
材３４ａと３４ｃは延ばされることはなく、ばね力は生
じない。また、設置板２が上下方向に移動した場合に
は、コイルばね部材３４ａと３４ｃの両端に設けられた
ワイヤ部材がローラ部材により、拘束されて、各設置板
２は移動方向と逆向きの復元力が与えられる。この復元
力によって、設置板２の水平変位が抑制されると共に、
地震後、設置板２及びこれらによって支持されている精
密機器は元の位置に復帰される。さらに、水平移動部材
３２が移動する際、水平移動部材３２に設けられた抵抗
部材４０と皿部材３７の底部材との間の高粘性流体３８
によって、せん断粘性抵抗力が抵抗部材に作用するた
め、水平変位を抑制する効果がある。

【００２１】

【発明の効果】本発明によれば、パッシブ除振部材と上
下方向用アクチュエータ部材を並列に設けたアクティブ
除振部材において、パッシブ除振部材を免震部材として
用いること、もしくはアクティブ除振装置と直列に免震
部材を設けることによって、地震外力による精密機器の
損傷を防止することができるアクティブ除振装置を提供
することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のアクティブ除振装置を電子顕微鏡装置
に適用した実施例の縦断面図。

【図２】本発明のパッシブ除振部材を免震部材として用
いるアクティブ除振部材の実施例の縦断面図。

【図３】本発明のパッシブ除振部材を免震部材として用
いるアクティブ除振部材の実施例の縦断面図。

【図４】アクティブ除振部材と直列に免震部材を設けた
実施例の断面図。

【図５】アクティブ除振部材と直列に免震部材を設けた
実施例の断面図。

【図６】アクティブ除振部材と直列に免震部材を設けた
別の実施例の断面図。

【図７】アクティブ除振部材と直列に免震部材を設けた
別の実施例の断面図。

【符号の説明】

２…配置板、４…パッシブ除振部材、５…アクティブ除
振部材、６…定盤、１８…台座部材、１９…コイルばね
部材、２０…粘弾性部材、２１…筒型支持部材、２２…
ねじ部材、２３…ブロック部材、２４…積層型圧電素
子、２５…カバー部材、２６…振動遮断部材、２７…ベ
アリング受け部材、２８…ボールベアリング。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】床と、機器を搭載する定盤との間に設けた
   ばね部材と振動減衰部材から構成されるパッシブ除振部
   材と、上下方向用アクチュエータ部材とこれを制御する
   ために設けた検出器とコントローラとからなるアクティ
   ブ除振装置において、上記パッシブ除振部材と上記上下
   方向用アクチュエータ部材を並列に配置し、上記上下方
   向用アクチュエータ部材に定盤の水平方向の動きを拘束
   しないように、ボールベアリング部材と弾性体の振動遮
   断部材を設けることを特徴とするアクティブ除振装置。