JP2002195343A - アクティブ型防振台 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ばね定数が高く変位ストロークが小さい
コイルばねを用いたアクティブ型防振台を提供する。 【解決手段】 方形板状の機器搭載用ベンチ、当該機器
搭載用ベンチを下面の四隅で支持する制振器、上記機器
搭載用ベンチの振動を測定する振動センサ、上記機器搭
載用ベンチを動かすアクチュエータ、上記振動センサか
らの振動情報によりアクチュエータに対して制御出力を
演算するコントローラから成るアクティブ型防振台にお
いて、上記各制振器としてコイルばね３を鉛直方向に設
け、当該コイルばね３の近傍に上記アクチュエータ１
２、１３及び上記振動センサを夫々設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、床からの振動
や、機器搭載用ベンチ（以下、単に「ベンチ」という）
に搭載した機器による重量分布等によって、揺動したベ
ンチを速やかに停止させる防振台に関するもので、特に
ベンチの振動を能動的に制御するアクティブ型防振台に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、防振台におけるベンチの支持
手段として当該ベンチをその下面で空気ばねにより支持
する方法が採用されている。また空気ばねを使用した場
合、ばね定数が非常に低く、防振台の固有振動数は非常
に低くなり、そのためアクティブ制御を行う制御範囲
は、主に低周波領域（１〜２Ｈｚ以下）に重きをおいて
おり、そのため低周波領域の加速度検出性能に優れたサ
ーボ型加速度センサを振動センサとして用いている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、空気ば
ねは変位ストローク（最大±１０ｍｍ）が大きく、この
様な空気ばねにより支持されているベンチをアクティブ
制御しようとすると、アクチュエータに大きなストロー
クが要求されるが、電磁アクチュエータはその制御範囲
が±２ｍｍ等極めて小さい。従ってベンチ上で、搭載さ
れた機器の移動又は作動により荷重変化があった際は、
空気ばねの上記変位ストロークに対応できず、制御不能
領域が発生し、連続した制御が行われなかった。

【０００４】またサーボ型加速度センサを使用した場
合、細かく検証すると、当該サーボ型加速度センサは低
周波領域の検出性能に優れているが、ベンチの傾斜によ
る重力加速度を検出し、制御機器がこれを制御しようと
して低周波領域における制御機器の不安定性を招くこと
があった。さらにサーボ型加速度センサは高周波領域の
検出性能に劣っており、図６（縦軸にGAIN(db)、横軸に
振動数(Ｈｚ)）に示すように特に高周波領域におけるゲ
イン特性では６０Ｈｚを過ぎる位から、また図７（縦軸
にPHASE(°)、横軸に振動数(Ｈｚ)）に示すように特に
高周波領域における位相変化では３０Ｈｚを過ぎる位か
ら、夫々忠実又は正確に測定できない状態となってい
る。

【０００５】さらに図８（左側縦軸に電流(A)、右側縦
軸にノイズ量(m/S²)、横軸に振動数(Ｈｚ)）では、サー
ボ型加速度センサの各周波数における自己が発生させる
電気的なノイズの大きさを示しているが、アクティブ防
振周波数領域の狭さ（０．５Ｈｚ〜１０Ｈｚ）や高周波
領域の防振性能の悪化を招いていた。また一般にサーボ
型加速度センサは非常に高価で、４個の脚で支持する防
振台にアクティブ制御を行う場合、１つの脚につき２
個、合計８個のサーボ型加速度センサを使用しなければ
ならず、装置全体として非常に高価なシステムとなって
いた。

【０００６】そこでこの発明は、ばね定数が低く変位ス
トロークが大きい空気バネに替えて、ばね定数が高く変
位ストロークが小さいコイルばねを用いたアクティブ型
防振台を提供し、さらに加えてサーボ型加速度センサに
替えて圧電型加速度センサを用いたアクティブ型防振台
を提供して上記課題を解決するものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、方形
板状の機器搭載用ベンチ、当該機器搭載用ベンチを下面
の四隅で支持する制振器、上記機器搭載用ベンチの振動
を測定する振動センサ、上記機器搭載用ベンチを動かす
アクチュエータ、上記振動センサからの振動情報により
アクチュエータに対して制御出力を演算するコントロー
ラから成るアクティブ型防振台において、上記各制振器
としてコイルばねを鉛直方向に設け、当該コイルばねの
近傍に上記アクチュエータ及び上記振動センサを夫々設
けたアクティブ型防振台とした。

【０００８】請求項２の発明は、方形板状の機器搭載用
ベンチ、当該機器搭載用ベンチを下面の四隅で支持する
制振器、上記機器搭載用ベンチの振動を測定する振動セ
ンサ、上記機器搭載用ベンチを動かすアクチュエータ、
上記振動センサからの振動情報によりアクチュエータに
対して制御出力を演算するコントローラから成るアクテ
ィブ型防振台において、上記各制振器として４個のコイ
ルばねを夫々鉛直方向に並設し、当該４個のコイルばね
の下端を支持する板体を介して上記ベンチの高さ調整用
の螺子及びナットを設け、上記各４個のコイルばねの近
傍に夫々、上記アクチュエータとして鉛直方向アクチュ
エータ、水平方向アクチュエータ、及び上記振動センサ
として圧電型加速度センサを設けたアクティブ型防振台
とした。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下この発明の実施の形態例を図
に基づいて説明する。図１乃至図３に示すように、この
アクティブ型防振台１は、ベンチ２、当該ベンチ２をそ
の下面の四隅で支持するコイルばね３、上記ベンチ２の
振動を測定する圧電型加速度センサ、上記ベンチ２を鉛
直方向及び水平方向に動かすアクチュエータ、上記圧電
型加速度センサからの振動情報によりアクチュエータに
対して制御出力を演算するコントローラから成る。また
このアクティブ型防振台１は、床面４上に直接設置して
いる。

【００１０】ベンチ２は長方形の板体から成り、その下
面の四隅に夫々正方形の板体５を螺子５ａで固定して設
け、各板体５の下面に各コイルばね３を固着するリング
状で中央部が突出した治具５ｂを夫々略正方形状に４個
設け、これらの各治具５ｂにコイルばね３の上端部を夫
々嵌め入れて接着して設けており、各コイルばね３の下
端部は上記治具５ｂと同様の治具６ａを上面に設けた正
方形の板体６に上記板体５と同様に固着している。また
当該板体６は上の板体６ｃ及び下の板体６ｄを２枚重ね
て螺子６ｂで螺着したものから成り、上の板体６ｃは上
記の構成であり、下の板体６ｄは下面の中央部に螺旋切
した円孔を穿ち、この円孔に、ベンチ２の高さを調整す
る螺子７の上端部をねじ込み固着している。上記コイル
ばね３は、図３に示すようにこのアクティブ型防振台１
全体で都合１６個設けられている。

【００１１】一般的に空気ばねに支持されたベンチの変
位ストロークは最大±１０ｍｍと大きいが、これに対し
てコイルばね３は一般的にばね定数が高く、当該コイル
ばね３に支持されたベンチ２の変位ストロークは±２ｍ
ｍと小さく、当該±２ｍｍの数値は後述する電磁アクチ
ュエータの制御範囲である。

【００１２】床面４上の、上記螺子７の下端部７ａが対
向する位置に、正方形の板体８を螺子８ａにより床面４
に螺着して設け、この板体８上の略四隅に夫々脚部８ｂ
を立設し、各脚部８ｂの上端部に正方形の板体９を設
け、当該板体９の中央部に貫通孔（図示省略）を穿ち、
当該貫通孔に上記螺子７の下端部７ａを挿通し、板体９
を挟んで螺子７の上側と下側にナット１０、１１を夫々
螺着して、これらのナット１０、１１を移動させること
により螺子７の板体９に対する突出具合を変えてベンチ
２を支持する高さを調節自在にしている。

【００１３】図３に示すように、ベンチ２の下面の各四
隅に配置したコイルばね３を設けている正方形の板体６
の、ベンチ２の各隅から見た右側には、鉛直方向にベン
チ２を動かす電磁アクチュエータ１２を設けており、当
該箇所のベンチ２の下面側にこの電磁アクチュエータ１
２を構成する、間隔をあけて相対向する２枚の板体１２
ａを垂下して設け、床面４側に当該２枚の板体１２ａの
間に間隔を保持して嵌め入れられる板体１２ｂを立設し
ている。また同様に隅から見た板体６の左側には、水平
方向にベンチ２を動かす電磁アクチュエータ１３を上記
電磁アクチュエータ１２と概ね同様に設けている。

【００１４】さらにこれらの鉛直方向及び水平方向にベ
ンチ２を動かすアクチュエータ１２、１３の間には、ベ
ンチ２の振動を測定する振動センサとして、１つで２軸
の加速度検出ができる圧電型加速度センサ１４を夫々設
けている。これらの圧電型加速度センサ１４は、ベンチ
２の対角線上で対向するもの同士を同じ検出方向を有す
るように設けており、例えば図３に示すように、左上と
右下に設置した圧電型加速度センサ１４は、Ｘ軸方向の
検出方向、左下と右上に設置した圧電型加速度センサ１
４は、Ｙ軸方向の検出方向を夫々有するように設けてい
る。さらにこれらのアクチュエータ１２、１３、及び圧
電型加速度センサ１４を備えたアクティブ型防振台１の
近傍には、当該圧電型加速度センサ１４から伝えられた
振動情報により上記２種類のアクチュエータ１２、１３
に対して制御出力を演算して伝達するコントローラを設
けている（図示省略）。

【００１５】当該圧電型加速度センサ１４は、ベンチ２
の傾きによる重力加速度を検出することがなく、アクテ
ィブ型防振台１のアクティブ制御における低周波領域の
不安定性を解消できる。また圧電型加速度センサ１４
は、従来使用されているサーボ型加速度センサに比べ、
図４（縦軸にGAIN(db)、横軸に振動数(Ｈｚ)）に示すよ
うに高周波領域のゲイン特性では、高い周波数領域にお
いてゲインの下がり方が緩やかになっており、より高い
周波数領域まで制御可能であることが分かる。また図５
（縦軸にPHASE(°)、横軸に振動数(Ｈｚ)）に示すよう
に位相特性では、高い周波数領域において位相の遅れが
小さくなっており、より高い周波数領域まで安定して制
御可能であるものである。

【００１６】さらに圧電型加速度センサ１４は、図８に
示すように特に高周波における自己ノイズ特性に優れて
いる。一般に振動は低周波側で大きく、高周波側で小さ
いという傾向があり、自己ノイズについても低周波側で
はある程度大きくても許容されるが、高周波側でその様
な許容は無く、小さいことが望ましい。この点圧電型加
速度センサ１４は、サーボ型加速度センサと比べ、高周
波における自己ノイズ特性が優れているので、アクティ
ブ型防振台１の振動センサとして望ましい特性を持って
いることが分かる。以上のことから、圧電型加速度セン
サ１４によるとサーボ型加速度センサと比べて、制御可
能周波数領域が拡大（０．５Ｈｚ〜１００Ｈｚ）し、高
周波領域の防振性能が向上できる。

【００１７】この実施の形態例のアクティブ型防振台１
を使用するには、まずベンチ２に搭載した機器の荷重に
より当該ベンチ２の高さにばらつきができた箇所を上下
のナット１０、１１を回して移動させ、高さ調整用の螺
子７を上下させて当該ベンチ２を水平となるように調整
する。

【００１８】その後、床面４からのある一定値以上の大
きな振動によりベンチ２が揺動した場合、各四隅に設置
された夫々の圧電型加速度センサ１４で測定されたベン
チ２の加速度をもとに、上記揺動を速やかに停止させる
ために、鉛直方向にベンチ２を動かす電磁アクチュエー
タ１２と水平方向にベンチ２を動かす電磁アクチュエー
タ１３の一対の各４基を夫々最も効果的に作動させるた
めの制御出力をコントローラで演算し、その出力を夫々
の電磁アクチュエータ１２、１３に伝達する。

【００１９】これらの伝達により、鉛直方向にベンチ２
を動かす各電磁アクチュエータ１２と水平方向にベンチ
２を動かす各電磁アクチュエータ１３は作動し、ベンチ
２の上記振動を吸収する。このようにベンチ２を能動的
に制御し、ベンチ２に伝わる振動を打ち消す。

【００２０】以上のようにベンチ２上で大きな荷重変化
が生じても、制振器としてコイルばね３を使用している
ので、その変位ストロークは±２ｍｍとなる。そしてこ
れらは電磁アクチュエータ１２、１３の制御範囲であ
り、また当該制御範囲を越えることが無く、よってアク
チュエータ１２、１３の制御不可能な領域を無くすこと
ができ、連続した制御が可能となった。また圧電型加速
度センサ１４は、サーボ型加速度センサに比べ価格は１
／２であり、１個で２軸の加速度検出が可能であるた
め、加速度センサにかかるコストは１／４となり大幅な
コストダウンが実現できた。

【００２１】上記実施の形態例では、振動センサとして
圧電型加速度センサ１４を使用したが、当該構成はこの
発明の必須要件ではなく、圧電型加速度センサ１４に替
えて各種加速度センサ、速度センサ、変位センサを使用
する場合もある。また床面４上に直接、高さ調整用の螺
子７及びベンチ２を動かす各アクチュエータ１２、１３
を設けたが、これに限らず脚部を設け、当該脚部の上面
に高さ調整用の螺子７を含むコイルばね３、各アクチュ
エータ１２、１３、及び圧電型加速度センサ１４を設け
る構成としても良い。さらにベンチ２の搭載物の変化に
よるベンチ２の高さ調整用として、螺子７及びナット１
０、１１を使用しているがベンチ２の高さを調整する手
段はこれに限定するものではない。

【００２２】さらにベンチ２を動かすアクチュエータ１
２、１３としては、電磁式のものを使用したがこれに限
定するものではなく、空気アクチュエータやピエゾアク
チュエータなどを使用してもよい。またコイルばね３、
鉛直方向のアクチュエータ１２、水平方向のアクチュエ
ータ１３、及び圧電型加速度センサ１４の設け方を具体
的に記載しているが、これらのコイルばね３等の設け方
はこれに限定するものではない。

【００２３】

【発明の効果】請求項１及び２の各発明によれば、各制
振器としてコイルばねを鉛直方向に設け、コイルばねの
近傍にアクチュエータ及び振動センサを夫々設けたの
で、ベンチを能動的に制御できる。即ち使用されるばね
とベンチと当該ベンチに搭載した機器の質量からなる共
振点よりも高い周波数領域においても使用でき、さらに
パッシブ型防振台では防振できない共振点や共振点より
も低い周波数領域であっても防振することができ、幅広
く多くの場合の防振台として使用できる。またこれらの
発明による防振台では、搭載機器が動いたり、ベンチや
搭載機器に外力が加わる場合でも、その振動を即座に減
衰できる。

【００２４】また請求項２の発明によれば、上記効果に
加えて、ベンチを動かすアクチュエータとして鉛直方向
アクチュエータ及び水平方向アクチュエータを設けてい
るので、ベンチを縦横に動かすことができ、ベンチに加
えられる振動を瞬時に減衰できる。さらにサーボ型加速
度センサに変えて圧電型加速度センサを使用するので、
大幅な経費削減に供するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態例のアクティブ型防振台
の正面図である。

【図２】この発明の実施の形態例のアクティブ型防振台
の要部拡大正面図である。

【図３】この発明の実施の形態例のアクティブ型防振台
において、ベンチを取り外した状態の平面図である。

【図４】この発明の実施の形態例の圧電型加速度センサ
のゲイン特性を示す図である。

【図５】この発明の実施の形態例の圧電型加速度センサ
の位相特性を示す図である。

【図６】サーボ型加速度センサのゲイン特性を示す図で
ある。

【図７】サーボ型加速度センサの位相特性を示す図であ
る。

【図８】この発明の実施の形態例の圧電型加速度センサ
とサーボ型加速度センサの自己ノイズスペクトラムを示
す図である。

【符号の説明】

１ アクティブ型防振台 ２ ベン
チ ３ コイルばね ７ 高さ
調整用軸 １０ 高さ調整用ナット １１ 高
さ調整用ナット １２ 鉛直方向にベンチを動かすアクチュエータ １３ 水平方向にベンチを動かすアクチュエータ １４ 圧電型加速度センサ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 方形板状の機器搭載用ベンチ、当該機器
   搭載用ベンチを下面の四隅で支持する制振器、上記機器
   搭載用ベンチの振動を測定する振動センサ、上記機器搭
   載用ベンチを動かすアクチュエータ、上記振動センサか
   らの振動情報によりアクチュエータに対して制御出力を
   演算するコントローラから成るアクティブ型防振台にお
   いて、 上記各制振器としてコイルばねを鉛直方向に設け、当該
   コイルばねの近傍に上記アクチュエータ及び上記振動セ
   ンサを夫々設けたことを特徴とする、アクティブ型防振
   台。
2. 【請求項２】 方形板状の機器搭載用ベンチ、当該機器
   搭載用ベンチを下面の四隅で支持する制振器、上記機器
   搭載用ベンチの振動を測定する振動センサ、上記機器搭
   載用ベンチを動かすアクチュエータ、上記振動センサか
   らの振動情報によりアクチュエータに対して制御出力を
   演算するコントローラから成るアクティブ型防振台にお
   いて、 上記各制振器として４個のコイルばねを夫々鉛直方向に
   並設し、当該４個のコイルばねの下端を支持する板体を
   介して上記ベンチの高さ調整用の螺子及びナットを設
   け、上記各４個のコイルばねの近傍に夫々、上記アクチ
   ュエータとして鉛直方向アクチュエータ、水平方向アク
   チュエータ、及び上記振動センサとして圧電型加速度セ
   ンサを設けたことを特徴とする、アクティブ型防振台。