JP2004332847A - 制振装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】機械の質量が増加することなく、機械の水平方向の振動を抑制することができる制振装置を提供する。
【解決手段】可動テーブル１と駆動系２からなる可動機構Ｍと、可動機構Ｍを搭載した機台３と、駆動系２を駆動する駆動装置などを収納するための電子機器筐体４と、機台３を床６に弾性支持する足６と、機台３と電子機器筐体４の間に設けられ、機台３に対する電子機器筐体４の水平方向の変位の大きさに応じたばね力を発生するコイルばね５と、機台３と電子機器筐体４の間に設けられ、機台３に対する電子機器筐体４の水平方向の変位の速度に応じた減衰力を発生するオイルダンパ１０とを備える構成にしたため、電子機器筐体４は可動機構Ｍと機台３で構成される機械に対する動吸振器として作用させることから、機械の質量が増加することなく、機械の水平方向の振動を抑制することができる。
【選択図】 図６
【解決手段】可動テーブル１と駆動系２からなる可動機構Ｍと、可動機構Ｍを搭載した機台３と、駆動系２を駆動する駆動装置などを収納するための電子機器筐体４と、機台３を床６に弾性支持する足６と、機台３と電子機器筐体４の間に設けられ、機台３に対する電子機器筐体４の水平方向の変位の大きさに応じたばね力を発生するコイルばね５と、機台３と電子機器筐体４の間に設けられ、機台３に対する電子機器筐体４の水平方向の変位の速度に応じた減衰力を発生するオイルダンパ１０とを備える構成にしたため、電子機器筐体４は可動機構Ｍと機台３で構成される機械に対する動吸振器として作用させることから、機械の質量が増加することなく、機械の水平方向の振動を抑制することができる。
【選択図】 図６
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は柔機械構造物の振動を抑制する制振装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば半導体素子製造に用いられる露光装置、各種精密加工機あるいは各種精密測定機での位置決めに好適な位置決め装置などの機械構造物に於ける振動を抑制する制振装置は図２のようになっている。図２は第１従来技術を示す制振装置の正面図で、可動テーブルを駆動系により直線方向に動かして位置決め等を行う位置決め装置の一例を示したものである。
制御装置４１からの制御信号を受け取り、制御信号に応じた駆動力を発生して収納するようになっている。
図２において、１は可動テーブル、２は可動テーブル１を駆動させる駆動系（例えばリニアモータなど）であり、可動テーブル１と駆動系２で可動機構Ｍを構成している。３は可動機構Ｍを搭載した機台、４１は駆動系２の駆動制御を行うサーボドライバ、４２はサーボドライバ４１に接続されると共に、 サーボドライバ４１に制御信号を出力するコントローラである。このサーボドライバ４１とコントローラ４２と図示しない電源とでサーボ制御装置Ｃを構成しており、サーボ制御装置Ｃは機台３の下部に収納してある。６は機台３の足であり、通常十分に剛で、床７にアンカーボルト等で固定されている。また、足６は機台３の下部に収納されたサーボ制御装置Ｃを機械的に剛体結合している。
しかし、床７にアンカーボルトが打てない場合は、周囲への振動の伝播を防ぐ目的などで足６は剛体ではなく弾性体を使用して設置される。その場合、周囲への振動の伝播は低減するものの、機台３の振動が発生し、機台３は１慣性系の振動系となる。
前記発生した機台３の振動は、作用・反作用により駆動系２のモータへの外力として作用する。サーボのゲインを上げて応答を早くすると、同時に機台３に対する加振力も大きくなり、モータへの外力も大きくなる。外力の影響力がサーボの外乱抑圧特性を上回った場合、位置決め完了時間がサーボのゲインを上げる前よりも遅くなる場合もあるため、サーボのゲインを上げることができず、応答を早くすることができない。
【０００３】
上記問題の根本原因である機台３の振動を抑制する別の手段として、機台に動吸振器を取り付け、機台振動に動吸振器の周波数を一致させる方法が考えられる（第２従来技術、例えば特許文献１を参照）。
【０００４】
また、部品の追加を避けて機械的な手段により振動抑制を行うものとして、垂直方向に取り付けたガイドロッドと該ガイドロッドに沿って垂直方向に動作するおもりをばね要素と減衰要素にて橋桁の土台に固定し、構造で動吸振器の機能を持たせる方法がある（第３従来技術、例えば特許文献２を参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１０−２２７３３１号公報
【特許文献２】
特開平６−１４７２５７号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来技術では以下の問題があった。
（１）第２従来技術のような手段をとる場合、動吸振器は機械構造に対して本来不要な部品であるため、単純に動吸振器の分だけコストが上がる。しかも、動吸振器分だけ余分な場所が機械内に必要となる。
（２）また、第１従来技術の手段では、一般的に大質量の物体が水平方向の高加減速の往復運動を繰り返すため、機械の振動は水平方向に大きく発生する。
（３）また、第３従来技術の手段では、垂直方向に対する振動抑制効果は得られるが、水平方向に対しては全く効果を得ることができないため、この方法をそのまま適用することはできない。
【０００７】
上記に第１〜第３の従来技術を述べたが、近年、機械を設置する床の低剛性化や機械のコスト削減に伴い、機械（特に、半導体製造装置関連の機械）は軽量化の傾向にある。特に、軽量化の難しい駆動系よりも比較的簡単に軽量化を図ることができる機台などの被加振系が軽量化される傾向にある。そのため、機械の振動はますます増大し、サーボのゲインをあげることができなくなってしまう。一方で、よりいっそうのサーボの高速応答が求められており、非常に、深刻な問題である。
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、機械の質量が増加することなく、機械の水平方向の振動を抑制することができる制振装置を提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１の発明は、構造物の振動を抑制する制振装置において、可動テーブルと駆動系からなる可動機構と、前記可動機構を搭載した機台と、前記駆動系を駆動する駆動装置などを収納するための電子機器筐体と、前記機台を床に弾性支持する第１ばねと、前記機台と前記電子機器筐体の間に設けられ、前記機台に対する前記電子機器筐体の水平方向の変位の大きさに応じたばね力を発生する第２ばねとを備えたものである。
【００１０】
また、請求項２の発明は、構造物の振動を抑制する制振装置において、可動テーブルと駆動系からなる可動機構と、前記可動機構を搭載した機台と、前記駆動系を駆動する駆動装置などを収納するための電子機器筐体と、前記機台を床に弾性支持する第１ばねと、前記機台と前記電子機器筐体の間に設けられ、前記機台に対する前記電子機器筐体の水平方向の変位の速度に応じた減衰力を発生する減衰手段とを備えたものである。
【００１１】
また、請求項３の発明は、構造物の振動を抑制する制振装置において、可動テーブルと駆動系からなる可動機構と、前記可動機構を搭載した機台と、前記駆動系を駆動する駆動装置などを収納するための電子機器筐体と、前記機台を床に弾性支持する第１ばねと、前記機台と前記電子機器筐体の間に設けられ、前記機台に対する前記電子機器筐体の水平方向の変位の大きさに応じたばね力を発生する第２ばねと、前記機台と前記電子機器筐体の間に設けられ、前記機台に対する前記電子機器筐体の水平方向の変位の速度に応じた減衰力を発生する減衰手段とを備えたものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図に基づいて具体的に説明する。
（第１実施例）
図１は本発明の第１実施例を示す制振装置の正面図である。なお、本発明の構成要素が従来技術と同じものについては、同一符号を付してその説明を省略し、異なる点のみ説明する。
図において、４は電子機器筐体で、電子機器筐体４の内部にリニアモータの駆動制御を行うサーボドライバ４１と、サーボドライバ４１に制御信号を出力するコントローラ４２とから構成されるサーボ制御装置を収納している。また、５はコイルばねである。
本発明が従来技術と異なる点は、以下のとおりである。
すなわち、機台３と電子機器筐体４の間に機台３に対する電子機器筐体４の水平方向の変位の大きさに応じたばね力を発生するコイルばね５が設けられた点である。
このとき、図１に示した装置の機械要素を模式的に表すと図１３のようになる。図１３は図１の制振装置を模式的に表した図である。図１３は力の向きや変位が水平方向であるが、力学的に等価であるように垂直方向へ軸を書き直すと、図１６のようなモデルで表すことができる。図１６は図１３の制振装置を等価モデルとして表した図である。さらに図１６における質量ｍとｍａの上下を入れ替え、足６のばね要素を等価的に置き換えると、図１９のようなモデルで表すことができる。図１９は図１６の等価モデルの変形例を表した図である。図１９において、各要素は下記の通りである。
ｍ：図１における可動テーブル１と駆動系２と機台３の質量の和
ｍａ：図１における電子機器筐体４の質量
ｋ ：図１における足６のばね定数
ｋａ：図１におけるコイルばね５のばね定数
ｘ ：図１における機台３の位置
ｘａ：図１における電子機器筐体４の位置
ｆｃｏｓΩｔ：図１において可動テーブルの動作によって発生する外力
Ω ：可動テーブルが駆動する際の角振動数
図１９のモデルは、一般的な動吸振器のモデルである。すなわち、図１のような機械は、結合部をばねで構成し、機台３と電子機器筐体４の質量および結合部のばね定数を次式に従って設計することにより、本来の構造に不要な装置の追加なしに機台の振動を低減することができる。
すなわち、次式のように電子機器筐体４の固有角振動数ωａを、可動テーブル１と駆動系２と機台３よりなる機械の固有角振動数ωｎに一致するようにばね要素のばね定数を設計すればよい。
ωａ＝ωｎ （１）
ここで、各定数は下記の通りである。
ωａ＝（ｋａ／ｍａ）１／２：電子機器筐体の固有角振動数 （２）
ωｎ＝（ｋ／ｍ）１／２：可動テーブル１と駆動系２と機台３で構成される機械の固有角振動数 （３）
【００１３】
以下、具体的な設計方法について述べる。
まず、電子機器筐体以外の機械、すなわち可動テーブル１と駆動系２と機台３を通常通り設計する。この時点で、可動テーブル１を動かしたときの振動周波数ｆｎ（＝ωｎ／２π）を測定しておけばよい。あるいは、（３）式で固有角振動数を計算してもよい。
次に、電子機器筐体の質量ｍａは、該筐体の質量とコントローラ４２、サーボドライバ４１等の内蔵物により決まる。結合要素（ばね）のばね定数ｋａは、（１）式と（２）式からωａを消去すると、
ｋａ＝ｍａωｎ ２ （４）
で計算できる。
この計算から求められたばね定数ｋａとなるように可動テーブル１と駆動系２と機台３で構成される機械と電子機器筐体４の接続部の設計を行うと、電子機器筐体は該機械に対する動吸振器として挙動する。
このように該機械と電子機器筐体を設計することで本来の構造に不要な装置を追加することなく、機械の振動を低減することができる。
例えば、可動テーブル１と駆動系２と機台３の質量の和ｍ＝１００［ｋｇ］で、足６のばね定数ｋ＝１．５８×１０６［Ｎ／ｍ］のとき、機械の固有振動数ｆ＝２０［Ｈｚ］であるので、該機械の固有角振動数は、
ωｎ＝２π×２０＝１２５．７［ｒａｄ／ｓ］ （５）
である。この機械に対して、電子機器筐体を設計する。
電子機器筐体の質量をｍａ＝２０［ｋｇ］とすると、（４）式より、
ｋａ＝ｍａωｎ ２＝２０×１２５．７２＝３．１６×１０５［Ｎ／ｍ］ （６）
となり、ｋａを計算より求めることができる。この程度のばね定数は通常市販されているコイルばねで容易に実現が可能である。この場合のばねは、機台３もしくは足６と電子機器筐体４との結合に必要なものである。
図２１は本発明の第１実施例による効果の確認を示した振動特性の図であり、横軸に可動テーブルが駆動する際の角振動数Ωと、可動テーブル１と駆動系２と機台３で構成の機械の固有振動数ωｎとの比を取り、縦軸に電子機器筐体の位置に対する機台の位置の比、すなわち振幅比を取り、上述の各定数をもとにプロットしたものである。ただし、より実機に即するため足６にも減衰係数を想定し、減衰率ζを
ζ＝ｃ／｛２（ｍｋ）１／２｝＝０．０１ （７）
としている。
図２１より分かるように、角振動数Ωと機械の固有振動数ωｎが一致したとき共振が発生して機台の振幅は最も大きくなる。それに対して、本発明では角振動数Ωと機械の固有振動数ωｎが一致しても共振は発生しない。
ただし、Ω＝ωｎより高い周波数と低い周波数で新たな共振が発生するため、角振動数Ωの変化が小さいことが必要である。なお、新たに発生する２つの共振周波数（図２１中のｆ１とｆ２）の差は、機械と電子機器筐体との質量比
μ＝ｍａ／ｍ （８）
が大きいほど大きくなる。
【００１４】
したがって、第１実施例は、可動テーブル１と駆動系２からなる可動機構Ｍと、可動機構Ｍを搭載した機台３と、駆動系２を駆動する駆動装置などを収納するための電子機器筐体４と、機台３を床７に弾性支持する足６（第１ばね）と、機台３と電子機器筐体４の間に設けられ、機台３に対する電子機器筐体４の水平方向の変位の大きさに応じたばね力を発生する第２ばね５とを備える構成にしたので、電子機器筐体４は可動機構Ｍと機台３で構成される機械に対する動吸振器として作用させることから、機械の質量が増加することなく、機械の水平方向の振動を抑制することが可能な制振装置を提供することができる。また、機台の振動が低減されるので、サーボ系が高ゲイン化でき、高速応答が可能となる。
【０００１５】
（第２実施例）
次に本発明の第２実施例を説明する。
図５は本発明の第２実施例を示す制振装置の正面図である。
第２実施例が第１実施例と異なる点は以下のとおりである。
すなわち、機台３と電子機器筐体４の間に機台３に対する電子機器筐体４の水平方向の変位の速度に応じた減衰力を発生する減衰手段であるオイルダンパ１０が設けられた点である。
このとき、図５に示した装置の機械要素を模式的に表すと図１４のようになる。図１４は図５の制振装置を模式的に表した図である。図１４は力の向きや変位が水平方向であるが、力学的に等価であるように垂直方向へ軸を書き直すと、図１７のようなモデルで表すことができる。図１７は図１４の制振装置を等価モデルとして表した図である。さらに図１７における質量ｍとｍａの上下を入れ替え、足６のばね要素を等価的に置き換えると、図２０のようなモデルで表すことができる。図２０は図１７の等価モデルの変形例を表した図である。図２０において、各要素は下記の通りである。
ｍ ：図５における可動テーブル１と駆動系２と機台３の質量の和
ｍａ：図５における電子機器筐体４の質量
ｋ：図５における足６のばね定数
ｃａ：図５におけるオイルダンパ１０の減衰係数
ｘ ：図５における機台３の位置
ｘａ：図５における電子機器筐体４の位置
ｆｃｏｓΩｔ：図５において可動テーブルの動作によって発生する外力
Ω ：可動テーブルが駆動する際の角振動数
図５のような機械において、機台の足６と電子機器筐体４との結合部１４を水平方向に力を受けるようなダンパで構成する。
図２０のモデルは、一般的な動吸振器のモデルである。すなわち、図５のような機械は、結合部をダンパで構成し、機台３と電子機器筐体４の質量および結合部の減衰係数を次式に従って設計することにより、本来の構造に不要な装置の追加なしに機台の振動を低減することができる。
すなわち、電子機器筐体４の減衰比ζａと、機械と電子機器筐体との質量比μが次式を満足するように減衰要素の減衰係数を設計すればよい。
ζａ＝［１／｛２（２＋μ）（１＋μ）｝］１／２ （９）
ここで、各定数は下記の通りである。
μ＝ｍａ／ｍ：機械と電子機器筐体との質量比 （１０）
ζａ＝ｃａ／（２ｍａωｎ）：電子機器筐体の減衰比 （１１）
ωｎ＝（ｋ／ｍ）１／２：機械の固有角振動数 （１２）
ｍａ：電子機器筐体の質量 （１３）
ｃａ：電子機器筐体の減衰係数 （１４）
【００１６】
以下、具体的な設計方法について述べる。
まず、電子機器筐体以外の機械、すなわち可動テーブル１と駆動系２と機台３を通常通り設計する。この時点で、機械の質量ｍおよび可動テーブルを動かしたときの振動周波数ωｎを測定しておけばよい。あるいは、（１２）式で固有角振動数を計算してもよい。
次に、電子機器筐体の質量ｍａは、ボックス質量とコントローラ、サーボドライバ等の内蔵物により決まる。結合要素（ダンパ）の減衰係数ｃａは、（９）式と（１１）式からζａａを消去すると、
ｃａ＝２ｍａωｎ［１／｛２（２＋μ）（１＋μ）｝］１／２ （１５）
で計算できる。
この計算から求められた減衰係数ｃａとなるように機械と電子機器筐体の接続部の設計を行うと、電子機器筐体は機械に対する動吸振器として挙動する。
このように機械と電子機器筐体を設計することで本来の構造に不要な装置を追加することなく、機械の振動を低減することができる。
例えば、可動テーブル１と駆動系２と機台３の質量の和ｍ＝１００［ｋｇ］で、足６のばね定数ｋ＝１．５８×１０６［Ｎ／ｍ］のとき、機械固有振動数ｆ＝２０［Ｈｚ］であるので、機械の固有角振動数は、
ωｎ＝２π×２０＝１２５．７［ｒａｄ／ｓ］ （１６）
である。この機械に対して、電子機器筐体を設計する。
機械と電子機器筐体との質量比はμ＝０．２であるから、電子機器筐体の質量は、
ｍａ＝１００×０．２＝２０［ｋｇ］
である。このとき、（１５）式より、
となり、ｃａを計算より求めることができる。この程度の減衰係数は通常市販されているダンパで容易に実現が可能である。また、必ずしも単数で実現する必要はなく、ダンパ複数の減衰係数の総和が上記数値となればよいので実現の難度は非常に低い。この場合のダンパは、機台３もしくは足６と電子機器筐体４との結合に必要なものである。
図２２は本発明の第２実施例による効果の確認を示した振動特性の図であり、横軸に可動テーブルが駆動する際の角振動数Ωと、可動テーブル１と駆動系２と機台３で構成の機械の固有振動数ωｎとの比を取り、縦軸に電子機器筐体の位置に対する機台の位置の比、すなわち振幅比を取り、上述の各定数をもとにプロットしたものである。ただし、より実機に即するため足６にも減衰係数を想定し、減衰率ζを
ζ＝ｃ／｛２（ｍｋ）１／２｝＝０．０１ （１８）
とした。
図２２より分かるように、外力の角振動数Ωと機械の固有振動数ωｎが一致したとき共振が発生して機台の振幅は最も大きくなる。それに対して、本発明では外力の角振動数Ωと機械の固有振動数ωｎの比が、
Ω／ωｎ＝｛２／（２＋μ）｝１／２ （１９）
のとき、機台の振幅は最大となり、その振幅は機械と電子機器筐体を剛体結合したときと比較して約１／５の振幅に抑えられる。
【００１７】
したがって、第２実施例は可動テーブル１と駆動系２からなる可動機構Ｍと、可動機構Ｍを搭載した機台３と、駆動系２を駆動する駆動装置などを収納するための電子機器筐体４と、機台３を床７に弾性支持する足６（第１ばね）と、機台３と電子機器筐体４の間に設けられ、機台３に対する電子機器筐体４の水平方向の変位の速度に応じた減衰力を発生するオイルダンパ１０（減衰手段）とを備える構成にしたので、電子機器筐体４は可動機構Ｍと機台３で構成される機械に対する動吸振器として作用させることから、第１実施例と同様に機械の質量が増加することなく、機械の水平方向の振動を抑制することが可能な制振装置を提供することができる。また、機台の振動が低減されるので、サーボ系が高ゲイン化でき、高速応答が可能となる。
【００１８】
（第３実施例）
次に本発明の第３実施例を説明する。
図６は本発明の第３実施例を示す制振装置の正面図である。
第３実施例が第１実施例と異なる点は以下のとおりである。
すなわち、機台３と電子機器筐体４の間に設けられ、機台３に対する電子機器筐体４の水平方向の変位の大きさに応じたばね力を発生するコイルばね５（第２ばね）と、機台３と電子機器筐体４の間に設けられ、機台３に対する電子機器筐体４の水平方向の変位の速度に応じた減衰力を発生するオイルダンパ１０（減衰手段）とを備えた点である。
このとき、図６に示した装置の機械要素を模式的に表すと図１２のようになる。図１２は図６の制振装置を模式的に表した図である。図１２は力の向きや変位が水平方向であるが、力学的に等価であるように垂直方向へ軸を書き直すと、図１５のようなモデルで表すことができる。図１５は図１２の制振装置を等価モデルとして表した図である。さらに図１５における質量ｍとｍａの上下を入れ替え、足６のばね要素を等価的に置き換えると、図１８のようなモデルで表すことができる。図１８は図１５の等価モデルの変形例を表した図である。図１８において、各要素は下記の通りである。
ｍ：図６における可動テーブル１と駆動系２と機台３の質量の和
ｍａ：図６における電子機器筐体４の質量
ｋ：図６における足６のばね定数
ｋａ：図６におけるコイルばね５のばね定数
ｃａ：図６におけるオイルダンパ１０の減衰係数
ｘ：図６における機台３の位置
ｘａ：図６における電子機器筐体４の位置
ｆｃｏｓΩｔ：図６において可動テーブルの動作によって発生する外力
Ω ：可動テーブルが駆動する際の角振動数
図１８のモデルは、一般的な動吸振器のモデルである。すなわち、図６のような機械は、結合部をばねとダンパで構成し、機台３と電子機器筐体４の質量および結合部のばね定数と減衰係数を次式に従って設計することにより、本来の構造に不要な装置の追加なしに機台の振動を低減することができる。
すなわち、次式のように電子機器筐体４の固有角振動数ωａと機械の固有角振動数ωｎの比と機械と電子機器筐体との質量比μが（２０）式を満足するようにばね要素のばね定数を設計し、電子機器筐体４の減衰比ζａと、機械と電子機器筐体との質量比μが（２１）式を満足するように減衰要素の減衰係数を設計すればよい。
ωａ／ωｎ＝１／（１＋μ）＜１ （２０）
ζａ＝ｃａ／ｃｃａ＝［３μ／｛８（１＋μ）｝］１／２ （２１）
ここで、各定数は下記の通りである。
μ＝ｍａ／ｍ：機械とコントローラボックスとの質量比 （２２）
ｃｃａ＝２（ｍａｋａ）１／２：コントローラボックスの臨界減衰係数 （２３）
ωａ＝（ｋａ／ｍａ）１／２：コントローラボックスの固有角振動数 （２４）
ωｎ＝（ｋ／ｍ）１／２：機械の固有角振動数 （２５）
ｍ：機械の質量 （２６）
ｋ：機械のばね定数 （２７）
ｍａ：電子機器筐体の質量 （２８）
ｋａ：電子機器筐体のばね定数 （２９）
ｃａ：電子機器筐体の減衰係数 （３０）
【００１９】
以下、具体的な設計方法について述べる。
まず、電子機器筐体以外の機械を通常通り設計する。この時点で、機械の質量ｍおよび可動テーブルを動かしたときの振動周波数ωｎを測定しておけばよい。あるいは、（２５）式で固有角振動数を計算してもよい。
次に、電子機器筐体の質量ｍａは該筐体の質量とコントローラ４２、サーボドライバ４１等の内蔵物により決まる。結合要素（ばね）のばね定数ｋａは、（２０）式と（２４）式からωａを消去すると、
ｋａ＝ｍａ｛ωｎ／（１＋μ）｝１／２ （３１）
で計算できる。
また、結合要素（ダンパ）の減衰係数ｃａは、（２１）式と（２３）式より、ｃｃａを消去すると、
ｃａ＝２［３μｍａｋａ／｛８（１＋μ）｝］１／２ （３２）
で計算できる。
これらの計算から求められたばね定数ｋａと減衰係数ｃａとなるように機械と電子機器筐体の接続部の設計を行うと、電子機器筐体は機械に対する動吸振器として挙動する。
このように機械と電子機器筐体を設計することで本来の構造に不要な装置を追加することなく、機械の振動を低減することができる。
例えば、可動テーブル１と駆動系２と機台３の質量の和ｍ＝１００［ｋｇ］で、足６のばね定数ｋ＝１．５８×１０６［Ｎ／ｍ］のとき、機械固有振動数ｆ＝２０［Ｈｚ］であるので、機械の固有角振動数は、
ωｎ＝２π×２０＝１２５．７［ｒａｄ／ｓ］ （３３）
である。この機械に対して、電子機器筐体を設計する。
機械と電子機器筐体との質量比をμ＝０．２であるから、電子機器筐体の質量は、
ｍａ＝１００×０．２＝２０［ｋｇ］
である。このとき、（３１）式より、
ｋａ＝ｍａ｛ωｎ／（１＋μ）｝２＝２０×｛１２５．７／（１＋０．２）｝２＝２．１９×１０５［Ｎ／ｍ］ （３４）
となり、ｋａを計算より求めることができる。また、（３２）式より、
ｃａ＝２［３μｍａｋａ／｛８（１＋μ）｝］１／２＝２［（３×０．２×２０×２．１９×１０５）／｛８（１＋０．２）｝］１／２＝１０４７［Ｎｓ／ｍ］ （３５）
となり、ｃａを計算より求めることができる。この程度のばね定数や減衰係数は通常市販されているコイルばねやダンパで容易に実現が可能である。この場合のばねやダンパは、機台３もしくは足６と電子機器筐体４との結合に必要なものである。
図２３は本発明の第３実施例による効果の確認を示した振動特性の図であり、横軸に可動テーブルが駆動する際の角振動数Ωと、可動テーブル１と駆動系２と機台３で構成の機械の固有振動数ωｎとの比を取り、縦軸に電子機器筐体の位置に対する機台の位置の比、すなわち振幅比を取り、上述の各定数をもとにプロットしたものである。ただし、より実機に即するため足６にも減衰係数を想定し、減衰率ζを
ζ＝ｃ／｛２（ｍｋ）１／２｝＝０．０１ （３６）
とした。
図２３より分かるように、外力の角振動数Ωと機械の固有振動数ωｎが一致したとき共振が発生して機台の振幅は最も大きくなる。それに対して、本発明の機台の振幅は、機械と電子機器筐体を剛体結合したときと比較して１／１０以下の振幅に抑えられる。
【００２０】
したがって、第３実施例は可動テーブル１と駆動系２からなる可動機構Ｍと、可動機構Ｍを搭載した機台３と、駆動系２を駆動する駆動装置などを収納するための電子機器筐体４と、機台３を床６に弾性支持する足６（第１ばね）と、機台３と電子機器筐体４の間に設けられ、機台３に対する電子機器筐体４の水平方向の変位の大きさに応じたばね力を発生するコイルばね５（第２ばね）と、機台３と電子機器筐体４の間に設けられ、機台３に対する電子機器筐体４の水平方向の変位の速度に応じた減衰力を発生するオイルダンパ１０（減衰手段）とを備える構成にしたので、電子機器筐体４は可動機構Ｍと機台３で構成される機械に対する動吸振器として作用させることから、第１実施例及び第２実施例と同様に機械の質量が増加することなく、機械の水平方向の振動を抑制することが可能な制振装置を提供することができる。また、機台の振動が低減されるので、サーボ系が高ゲイン化でき、高速応答が可能となる。
【００２１】
なお、第１実施例において、制振装置の第２ばねとしてコイルばねを用いた例を示したが、これに替えて図３及び図４に示す変形例のようにしても構わない。例えば、図３のようにコイルばねの代わりに皿ばね８を使用したり、図４のように板ばね９を使用しても差し支えない。
また、第３実施例において、制振装置の第２ばねにコイルばねを、減衰手段にオイルダンパを用いた例を示したが、これに替えて図７乃至図１１に示す変形例のようにしても構わない。例えば、図７や図１１のようにコイルばね５とオイルダンパ１０の代わりにゴム１１を使用したり、図８のように皿ばね１２とゴム１１、図９のように板ばね９と吸振材１３、図１０のように板ばね９とゴム１１を使用することも考えられる。
【００２２】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば以下の効果がある。
（１）第１実施例は、可動テーブル１と駆動系２からなる可動機構Ｍと、可動機構Ｍを搭載した機台３と、駆動系２を駆動する駆動装置などを収納するための電子機器筐体４と、機台３を床７に弾性支持する足６（第１ばね）と、機台３と電子機器筐体４の間に設けられ、機台３に対する電子機器筐体４の水平方向の変位の大きさに応じたばね力を発生する第２ばね５とを備える構成にしたため、電子機器筐体４は可動機構Ｍと機台３で構成される機械に対する動吸振器として作用させることから、機械の質量が増加することなく、機械の水平方向の振動を抑制することが可能な制振装置を提供することができる。また、機台の振動が低減されるので、サーボ系が高ゲイン化でき、高速応答が可能となる。
（２）第２実施例は、可動テーブル１と駆動系２からなる可動機構Ｍと、可動機構Ｍを搭載した機台３と、駆動系２を駆動する駆動装置などを収納するための電子機器筐体４と、機台３を床７に弾性支持する足６（第１ばね）と、機台３と電子機器筐体４の間に設けられ、機台３に対する電子機器筐体４の水平方向の変位の速度に応じた減衰力を発生するオイルダンパ１０（減衰手段）とを備える構成にしたため、電子機器筐体４は可動機構Ｍと機台３で構成される機械に対する動吸振器として作用させることから、第１実施例と同様に機械の質量が増加することなく、機械の水平方向の振動を抑制することが可能な制振装置を提供することができる。また、機台の振動が低減されるので、サーボ系が高ゲイン化でき、高速応答が可能となる。
（３）第３実施例は、可動テーブル１と駆動系２からなる可動機構Ｍと、可動機構Ｍを搭載した機台３と、駆動系２を駆動する駆動装置などを収納するための電子機器筐体４と、機台３を床６に弾性支持する足６（第１ばね）と、機台３と電子機器筐体４の間に設けられ、機台３に対する電子機器筐体４の水平方向の変位の大きさに応じたばね力を発生するコイルばね５（第２ばね）と、機台３と電子機器筐体４の間に設けられ、機台３に対する電子機器筐体４の水平方向の変位の速度に応じた減衰力を発生するオイルダンパ１０（減衰手段）とを備える構成にしたため、電子機器筐体４は可動機構Ｍと機台３で構成される機械に対する動吸振器として作用させることから、第１実施例及び第２実施例と同様に機械の質量が増加することなく、機械の水平方向の振動を抑制することが可能な制振装置を提供することができる。また、機台の振動が低減されるので、サーボ系が高ゲイン化でき、高速応答が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示す制振装置の正面図である。
【図２】第１従来技術を示す制振装置の正面図である。
【図３】第１実施例の変形例を示す制振装置の正面図である。
【図４】第１実施例の変形例を示す制振装置の正面図である。
【図５】本発明の第２実施例を示す制振装置の正面図である。
【図６】本発明の第３実施例を示す制振装置の正面図である。
【図７】本発明の第３実施例の変形例を示す制振装置の正面図である。
【図８】本発明の第３実施例の変形例を示す制振装置の正面図である。
【図９】本発明の第３実施例の変形例を示す制振装置の正面図である。
【図１０】本発明の第３実施例の変形例を示す制振装置の正面図である。
【図１１】本発明の第３実施例の変形例を示す制振装置の正面図である。
【図１２】図６の制振装置を模式的に表した図である。
【図１３】図１の制振装置を模式的に表した図である。
【図１４】図５の制振装置を模式的に表した図である。
【図１５】図１２の制振装置を等価モデルとして表した図である。
【図１６】図１３の制振装置を等価モデルとして表した図である。
【図１７】図１４の制振装置を等価モデルとして表した図である。
【図１８】図１５の等価モデルの変形例を表した図である。
【図１９】図１６の等価モデルを簡略化した図である。
【図２０】図１７の等価モデルを簡略化した図である。
【図２１】本発明の第１実施例による効果の確認を示した振動特性の図である。
【図２２】本発明の第２実施例による効果の確認を示した振動特性の図である。
【図２３】本発明の第３実施例による効果の確認を示した振動特性の図である。
【符号の説明】
１ 可動テーブル、
２ 駆動系
３ 機台
４ 電子機器筐体
４１ サーボドライバ
４２ コントローラ
５ コイルばね（第２ばね）
６ 足（第１ばね）
７ 床
８ 皿ばね（第２ばね）
９ 板ばね（第２ばね）
１０ オイルダンパ（減衰手段）
１１ ゴム
１２ 皿ばね（第２ばね）
１３ 吸振材（減衰手段）
【発明の属する技術分野】
本発明は柔機械構造物の振動を抑制する制振装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば半導体素子製造に用いられる露光装置、各種精密加工機あるいは各種精密測定機での位置決めに好適な位置決め装置などの機械構造物に於ける振動を抑制する制振装置は図２のようになっている。図２は第１従来技術を示す制振装置の正面図で、可動テーブルを駆動系により直線方向に動かして位置決め等を行う位置決め装置の一例を示したものである。
制御装置４１からの制御信号を受け取り、制御信号に応じた駆動力を発生して収納するようになっている。
図２において、１は可動テーブル、２は可動テーブル１を駆動させる駆動系（例えばリニアモータなど）であり、可動テーブル１と駆動系２で可動機構Ｍを構成している。３は可動機構Ｍを搭載した機台、４１は駆動系２の駆動制御を行うサーボドライバ、４２はサーボドライバ４１に接続されると共に、 サーボドライバ４１に制御信号を出力するコントローラである。このサーボドライバ４１とコントローラ４２と図示しない電源とでサーボ制御装置Ｃを構成しており、サーボ制御装置Ｃは機台３の下部に収納してある。６は機台３の足であり、通常十分に剛で、床７にアンカーボルト等で固定されている。また、足６は機台３の下部に収納されたサーボ制御装置Ｃを機械的に剛体結合している。
しかし、床７にアンカーボルトが打てない場合は、周囲への振動の伝播を防ぐ目的などで足６は剛体ではなく弾性体を使用して設置される。その場合、周囲への振動の伝播は低減するものの、機台３の振動が発生し、機台３は１慣性系の振動系となる。
前記発生した機台３の振動は、作用・反作用により駆動系２のモータへの外力として作用する。サーボのゲインを上げて応答を早くすると、同時に機台３に対する加振力も大きくなり、モータへの外力も大きくなる。外力の影響力がサーボの外乱抑圧特性を上回った場合、位置決め完了時間がサーボのゲインを上げる前よりも遅くなる場合もあるため、サーボのゲインを上げることができず、応答を早くすることができない。
【０００３】
上記問題の根本原因である機台３の振動を抑制する別の手段として、機台に動吸振器を取り付け、機台振動に動吸振器の周波数を一致させる方法が考えられる（第２従来技術、例えば特許文献１を参照）。
【０００４】
また、部品の追加を避けて機械的な手段により振動抑制を行うものとして、垂直方向に取り付けたガイドロッドと該ガイドロッドに沿って垂直方向に動作するおもりをばね要素と減衰要素にて橋桁の土台に固定し、構造で動吸振器の機能を持たせる方法がある（第３従来技術、例えば特許文献２を参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１０−２２７３３１号公報
【特許文献２】
特開平６−１４７２５７号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来技術では以下の問題があった。
（１）第２従来技術のような手段をとる場合、動吸振器は機械構造に対して本来不要な部品であるため、単純に動吸振器の分だけコストが上がる。しかも、動吸振器分だけ余分な場所が機械内に必要となる。
（２）また、第１従来技術の手段では、一般的に大質量の物体が水平方向の高加減速の往復運動を繰り返すため、機械の振動は水平方向に大きく発生する。
（３）また、第３従来技術の手段では、垂直方向に対する振動抑制効果は得られるが、水平方向に対しては全く効果を得ることができないため、この方法をそのまま適用することはできない。
【０００７】
上記に第１〜第３の従来技術を述べたが、近年、機械を設置する床の低剛性化や機械のコスト削減に伴い、機械（特に、半導体製造装置関連の機械）は軽量化の傾向にある。特に、軽量化の難しい駆動系よりも比較的簡単に軽量化を図ることができる機台などの被加振系が軽量化される傾向にある。そのため、機械の振動はますます増大し、サーボのゲインをあげることができなくなってしまう。一方で、よりいっそうのサーボの高速応答が求められており、非常に、深刻な問題である。
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、機械の質量が増加することなく、機械の水平方向の振動を抑制することができる制振装置を提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１の発明は、構造物の振動を抑制する制振装置において、可動テーブルと駆動系からなる可動機構と、前記可動機構を搭載した機台と、前記駆動系を駆動する駆動装置などを収納するための電子機器筐体と、前記機台を床に弾性支持する第１ばねと、前記機台と前記電子機器筐体の間に設けられ、前記機台に対する前記電子機器筐体の水平方向の変位の大きさに応じたばね力を発生する第２ばねとを備えたものである。
【００１０】
また、請求項２の発明は、構造物の振動を抑制する制振装置において、可動テーブルと駆動系からなる可動機構と、前記可動機構を搭載した機台と、前記駆動系を駆動する駆動装置などを収納するための電子機器筐体と、前記機台を床に弾性支持する第１ばねと、前記機台と前記電子機器筐体の間に設けられ、前記機台に対する前記電子機器筐体の水平方向の変位の速度に応じた減衰力を発生する減衰手段とを備えたものである。
【００１１】
また、請求項３の発明は、構造物の振動を抑制する制振装置において、可動テーブルと駆動系からなる可動機構と、前記可動機構を搭載した機台と、前記駆動系を駆動する駆動装置などを収納するための電子機器筐体と、前記機台を床に弾性支持する第１ばねと、前記機台と前記電子機器筐体の間に設けられ、前記機台に対する前記電子機器筐体の水平方向の変位の大きさに応じたばね力を発生する第２ばねと、前記機台と前記電子機器筐体の間に設けられ、前記機台に対する前記電子機器筐体の水平方向の変位の速度に応じた減衰力を発生する減衰手段とを備えたものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図に基づいて具体的に説明する。
（第１実施例）
図１は本発明の第１実施例を示す制振装置の正面図である。なお、本発明の構成要素が従来技術と同じものについては、同一符号を付してその説明を省略し、異なる点のみ説明する。
図において、４は電子機器筐体で、電子機器筐体４の内部にリニアモータの駆動制御を行うサーボドライバ４１と、サーボドライバ４１に制御信号を出力するコントローラ４２とから構成されるサーボ制御装置を収納している。また、５はコイルばねである。
本発明が従来技術と異なる点は、以下のとおりである。
すなわち、機台３と電子機器筐体４の間に機台３に対する電子機器筐体４の水平方向の変位の大きさに応じたばね力を発生するコイルばね５が設けられた点である。
このとき、図１に示した装置の機械要素を模式的に表すと図１３のようになる。図１３は図１の制振装置を模式的に表した図である。図１３は力の向きや変位が水平方向であるが、力学的に等価であるように垂直方向へ軸を書き直すと、図１６のようなモデルで表すことができる。図１６は図１３の制振装置を等価モデルとして表した図である。さらに図１６における質量ｍとｍａの上下を入れ替え、足６のばね要素を等価的に置き換えると、図１９のようなモデルで表すことができる。図１９は図１６の等価モデルの変形例を表した図である。図１９において、各要素は下記の通りである。
ｍ：図１における可動テーブル１と駆動系２と機台３の質量の和
ｍａ：図１における電子機器筐体４の質量
ｋ ：図１における足６のばね定数
ｋａ：図１におけるコイルばね５のばね定数
ｘ ：図１における機台３の位置
ｘａ：図１における電子機器筐体４の位置
ｆｃｏｓΩｔ：図１において可動テーブルの動作によって発生する外力
Ω ：可動テーブルが駆動する際の角振動数
図１９のモデルは、一般的な動吸振器のモデルである。すなわち、図１のような機械は、結合部をばねで構成し、機台３と電子機器筐体４の質量および結合部のばね定数を次式に従って設計することにより、本来の構造に不要な装置の追加なしに機台の振動を低減することができる。
すなわち、次式のように電子機器筐体４の固有角振動数ωａを、可動テーブル１と駆動系２と機台３よりなる機械の固有角振動数ωｎに一致するようにばね要素のばね定数を設計すればよい。
ωａ＝ωｎ （１）
ここで、各定数は下記の通りである。
ωａ＝（ｋａ／ｍａ）１／２：電子機器筐体の固有角振動数 （２）
ωｎ＝（ｋ／ｍ）１／２：可動テーブル１と駆動系２と機台３で構成される機械の固有角振動数 （３）
【００１３】
以下、具体的な設計方法について述べる。
まず、電子機器筐体以外の機械、すなわち可動テーブル１と駆動系２と機台３を通常通り設計する。この時点で、可動テーブル１を動かしたときの振動周波数ｆｎ（＝ωｎ／２π）を測定しておけばよい。あるいは、（３）式で固有角振動数を計算してもよい。
次に、電子機器筐体の質量ｍａは、該筐体の質量とコントローラ４２、サーボドライバ４１等の内蔵物により決まる。結合要素（ばね）のばね定数ｋａは、（１）式と（２）式からωａを消去すると、
ｋａ＝ｍａωｎ ２ （４）
で計算できる。
この計算から求められたばね定数ｋａとなるように可動テーブル１と駆動系２と機台３で構成される機械と電子機器筐体４の接続部の設計を行うと、電子機器筐体は該機械に対する動吸振器として挙動する。
このように該機械と電子機器筐体を設計することで本来の構造に不要な装置を追加することなく、機械の振動を低減することができる。
例えば、可動テーブル１と駆動系２と機台３の質量の和ｍ＝１００［ｋｇ］で、足６のばね定数ｋ＝１．５８×１０６［Ｎ／ｍ］のとき、機械の固有振動数ｆ＝２０［Ｈｚ］であるので、該機械の固有角振動数は、
ωｎ＝２π×２０＝１２５．７［ｒａｄ／ｓ］ （５）
である。この機械に対して、電子機器筐体を設計する。
電子機器筐体の質量をｍａ＝２０［ｋｇ］とすると、（４）式より、
ｋａ＝ｍａωｎ ２＝２０×１２５．７２＝３．１６×１０５［Ｎ／ｍ］ （６）
となり、ｋａを計算より求めることができる。この程度のばね定数は通常市販されているコイルばねで容易に実現が可能である。この場合のばねは、機台３もしくは足６と電子機器筐体４との結合に必要なものである。
図２１は本発明の第１実施例による効果の確認を示した振動特性の図であり、横軸に可動テーブルが駆動する際の角振動数Ωと、可動テーブル１と駆動系２と機台３で構成の機械の固有振動数ωｎとの比を取り、縦軸に電子機器筐体の位置に対する機台の位置の比、すなわち振幅比を取り、上述の各定数をもとにプロットしたものである。ただし、より実機に即するため足６にも減衰係数を想定し、減衰率ζを
ζ＝ｃ／｛２（ｍｋ）１／２｝＝０．０１ （７）
としている。
図２１より分かるように、角振動数Ωと機械の固有振動数ωｎが一致したとき共振が発生して機台の振幅は最も大きくなる。それに対して、本発明では角振動数Ωと機械の固有振動数ωｎが一致しても共振は発生しない。
ただし、Ω＝ωｎより高い周波数と低い周波数で新たな共振が発生するため、角振動数Ωの変化が小さいことが必要である。なお、新たに発生する２つの共振周波数（図２１中のｆ１とｆ２）の差は、機械と電子機器筐体との質量比
μ＝ｍａ／ｍ （８）
が大きいほど大きくなる。
【００１４】
したがって、第１実施例は、可動テーブル１と駆動系２からなる可動機構Ｍと、可動機構Ｍを搭載した機台３と、駆動系２を駆動する駆動装置などを収納するための電子機器筐体４と、機台３を床７に弾性支持する足６（第１ばね）と、機台３と電子機器筐体４の間に設けられ、機台３に対する電子機器筐体４の水平方向の変位の大きさに応じたばね力を発生する第２ばね５とを備える構成にしたので、電子機器筐体４は可動機構Ｍと機台３で構成される機械に対する動吸振器として作用させることから、機械の質量が増加することなく、機械の水平方向の振動を抑制することが可能な制振装置を提供することができる。また、機台の振動が低減されるので、サーボ系が高ゲイン化でき、高速応答が可能となる。
【０００１５】
（第２実施例）
次に本発明の第２実施例を説明する。
図５は本発明の第２実施例を示す制振装置の正面図である。
第２実施例が第１実施例と異なる点は以下のとおりである。
すなわち、機台３と電子機器筐体４の間に機台３に対する電子機器筐体４の水平方向の変位の速度に応じた減衰力を発生する減衰手段であるオイルダンパ１０が設けられた点である。
このとき、図５に示した装置の機械要素を模式的に表すと図１４のようになる。図１４は図５の制振装置を模式的に表した図である。図１４は力の向きや変位が水平方向であるが、力学的に等価であるように垂直方向へ軸を書き直すと、図１７のようなモデルで表すことができる。図１７は図１４の制振装置を等価モデルとして表した図である。さらに図１７における質量ｍとｍａの上下を入れ替え、足６のばね要素を等価的に置き換えると、図２０のようなモデルで表すことができる。図２０は図１７の等価モデルの変形例を表した図である。図２０において、各要素は下記の通りである。
ｍ ：図５における可動テーブル１と駆動系２と機台３の質量の和
ｍａ：図５における電子機器筐体４の質量
ｋ：図５における足６のばね定数
ｃａ：図５におけるオイルダンパ１０の減衰係数
ｘ ：図５における機台３の位置
ｘａ：図５における電子機器筐体４の位置
ｆｃｏｓΩｔ：図５において可動テーブルの動作によって発生する外力
Ω ：可動テーブルが駆動する際の角振動数
図５のような機械において、機台の足６と電子機器筐体４との結合部１４を水平方向に力を受けるようなダンパで構成する。
図２０のモデルは、一般的な動吸振器のモデルである。すなわち、図５のような機械は、結合部をダンパで構成し、機台３と電子機器筐体４の質量および結合部の減衰係数を次式に従って設計することにより、本来の構造に不要な装置の追加なしに機台の振動を低減することができる。
すなわち、電子機器筐体４の減衰比ζａと、機械と電子機器筐体との質量比μが次式を満足するように減衰要素の減衰係数を設計すればよい。
ζａ＝［１／｛２（２＋μ）（１＋μ）｝］１／２ （９）
ここで、各定数は下記の通りである。
μ＝ｍａ／ｍ：機械と電子機器筐体との質量比 （１０）
ζａ＝ｃａ／（２ｍａωｎ）：電子機器筐体の減衰比 （１１）
ωｎ＝（ｋ／ｍ）１／２：機械の固有角振動数 （１２）
ｍａ：電子機器筐体の質量 （１３）
ｃａ：電子機器筐体の減衰係数 （１４）
【００１６】
以下、具体的な設計方法について述べる。
まず、電子機器筐体以外の機械、すなわち可動テーブル１と駆動系２と機台３を通常通り設計する。この時点で、機械の質量ｍおよび可動テーブルを動かしたときの振動周波数ωｎを測定しておけばよい。あるいは、（１２）式で固有角振動数を計算してもよい。
次に、電子機器筐体の質量ｍａは、ボックス質量とコントローラ、サーボドライバ等の内蔵物により決まる。結合要素（ダンパ）の減衰係数ｃａは、（９）式と（１１）式からζａａを消去すると、
ｃａ＝２ｍａωｎ［１／｛２（２＋μ）（１＋μ）｝］１／２ （１５）
で計算できる。
この計算から求められた減衰係数ｃａとなるように機械と電子機器筐体の接続部の設計を行うと、電子機器筐体は機械に対する動吸振器として挙動する。
このように機械と電子機器筐体を設計することで本来の構造に不要な装置を追加することなく、機械の振動を低減することができる。
例えば、可動テーブル１と駆動系２と機台３の質量の和ｍ＝１００［ｋｇ］で、足６のばね定数ｋ＝１．５８×１０６［Ｎ／ｍ］のとき、機械固有振動数ｆ＝２０［Ｈｚ］であるので、機械の固有角振動数は、
ωｎ＝２π×２０＝１２５．７［ｒａｄ／ｓ］ （１６）
である。この機械に対して、電子機器筐体を設計する。
機械と電子機器筐体との質量比はμ＝０．２であるから、電子機器筐体の質量は、
ｍａ＝１００×０．２＝２０［ｋｇ］
である。このとき、（１５）式より、
図２２は本発明の第２実施例による効果の確認を示した振動特性の図であり、横軸に可動テーブルが駆動する際の角振動数Ωと、可動テーブル１と駆動系２と機台３で構成の機械の固有振動数ωｎとの比を取り、縦軸に電子機器筐体の位置に対する機台の位置の比、すなわち振幅比を取り、上述の各定数をもとにプロットしたものである。ただし、より実機に即するため足６にも減衰係数を想定し、減衰率ζを
ζ＝ｃ／｛２（ｍｋ）１／２｝＝０．０１ （１８）
とした。
図２２より分かるように、外力の角振動数Ωと機械の固有振動数ωｎが一致したとき共振が発生して機台の振幅は最も大きくなる。それに対して、本発明では外力の角振動数Ωと機械の固有振動数ωｎの比が、
Ω／ωｎ＝｛２／（２＋μ）｝１／２ （１９）
のとき、機台の振幅は最大となり、その振幅は機械と電子機器筐体を剛体結合したときと比較して約１／５の振幅に抑えられる。
【００１７】
したがって、第２実施例は可動テーブル１と駆動系２からなる可動機構Ｍと、可動機構Ｍを搭載した機台３と、駆動系２を駆動する駆動装置などを収納するための電子機器筐体４と、機台３を床７に弾性支持する足６（第１ばね）と、機台３と電子機器筐体４の間に設けられ、機台３に対する電子機器筐体４の水平方向の変位の速度に応じた減衰力を発生するオイルダンパ１０（減衰手段）とを備える構成にしたので、電子機器筐体４は可動機構Ｍと機台３で構成される機械に対する動吸振器として作用させることから、第１実施例と同様に機械の質量が増加することなく、機械の水平方向の振動を抑制することが可能な制振装置を提供することができる。また、機台の振動が低減されるので、サーボ系が高ゲイン化でき、高速応答が可能となる。
【００１８】
（第３実施例）
次に本発明の第３実施例を説明する。
図６は本発明の第３実施例を示す制振装置の正面図である。
第３実施例が第１実施例と異なる点は以下のとおりである。
すなわち、機台３と電子機器筐体４の間に設けられ、機台３に対する電子機器筐体４の水平方向の変位の大きさに応じたばね力を発生するコイルばね５（第２ばね）と、機台３と電子機器筐体４の間に設けられ、機台３に対する電子機器筐体４の水平方向の変位の速度に応じた減衰力を発生するオイルダンパ１０（減衰手段）とを備えた点である。
このとき、図６に示した装置の機械要素を模式的に表すと図１２のようになる。図１２は図６の制振装置を模式的に表した図である。図１２は力の向きや変位が水平方向であるが、力学的に等価であるように垂直方向へ軸を書き直すと、図１５のようなモデルで表すことができる。図１５は図１２の制振装置を等価モデルとして表した図である。さらに図１５における質量ｍとｍａの上下を入れ替え、足６のばね要素を等価的に置き換えると、図１８のようなモデルで表すことができる。図１８は図１５の等価モデルの変形例を表した図である。図１８において、各要素は下記の通りである。
ｍ：図６における可動テーブル１と駆動系２と機台３の質量の和
ｍａ：図６における電子機器筐体４の質量
ｋ：図６における足６のばね定数
ｋａ：図６におけるコイルばね５のばね定数
ｃａ：図６におけるオイルダンパ１０の減衰係数
ｘ：図６における機台３の位置
ｘａ：図６における電子機器筐体４の位置
ｆｃｏｓΩｔ：図６において可動テーブルの動作によって発生する外力
Ω ：可動テーブルが駆動する際の角振動数
図１８のモデルは、一般的な動吸振器のモデルである。すなわち、図６のような機械は、結合部をばねとダンパで構成し、機台３と電子機器筐体４の質量および結合部のばね定数と減衰係数を次式に従って設計することにより、本来の構造に不要な装置の追加なしに機台の振動を低減することができる。
すなわち、次式のように電子機器筐体４の固有角振動数ωａと機械の固有角振動数ωｎの比と機械と電子機器筐体との質量比μが（２０）式を満足するようにばね要素のばね定数を設計し、電子機器筐体４の減衰比ζａと、機械と電子機器筐体との質量比μが（２１）式を満足するように減衰要素の減衰係数を設計すればよい。
ωａ／ωｎ＝１／（１＋μ）＜１ （２０）
ζａ＝ｃａ／ｃｃａ＝［３μ／｛８（１＋μ）｝］１／２ （２１）
ここで、各定数は下記の通りである。
μ＝ｍａ／ｍ：機械とコントローラボックスとの質量比 （２２）
ｃｃａ＝２（ｍａｋａ）１／２：コントローラボックスの臨界減衰係数 （２３）
ωａ＝（ｋａ／ｍａ）１／２：コントローラボックスの固有角振動数 （２４）
ωｎ＝（ｋ／ｍ）１／２：機械の固有角振動数 （２５）
ｍ：機械の質量 （２６）
ｋ：機械のばね定数 （２７）
ｍａ：電子機器筐体の質量 （２８）
ｋａ：電子機器筐体のばね定数 （２９）
ｃａ：電子機器筐体の減衰係数 （３０）
【００１９】
以下、具体的な設計方法について述べる。
まず、電子機器筐体以外の機械を通常通り設計する。この時点で、機械の質量ｍおよび可動テーブルを動かしたときの振動周波数ωｎを測定しておけばよい。あるいは、（２５）式で固有角振動数を計算してもよい。
次に、電子機器筐体の質量ｍａは該筐体の質量とコントローラ４２、サーボドライバ４１等の内蔵物により決まる。結合要素（ばね）のばね定数ｋａは、（２０）式と（２４）式からωａを消去すると、
ｋａ＝ｍａ｛ωｎ／（１＋μ）｝１／２ （３１）
で計算できる。
また、結合要素（ダンパ）の減衰係数ｃａは、（２１）式と（２３）式より、ｃｃａを消去すると、
ｃａ＝２［３μｍａｋａ／｛８（１＋μ）｝］１／２ （３２）
で計算できる。
これらの計算から求められたばね定数ｋａと減衰係数ｃａとなるように機械と電子機器筐体の接続部の設計を行うと、電子機器筐体は機械に対する動吸振器として挙動する。
このように機械と電子機器筐体を設計することで本来の構造に不要な装置を追加することなく、機械の振動を低減することができる。
例えば、可動テーブル１と駆動系２と機台３の質量の和ｍ＝１００［ｋｇ］で、足６のばね定数ｋ＝１．５８×１０６［Ｎ／ｍ］のとき、機械固有振動数ｆ＝２０［Ｈｚ］であるので、機械の固有角振動数は、
ωｎ＝２π×２０＝１２５．７［ｒａｄ／ｓ］ （３３）
である。この機械に対して、電子機器筐体を設計する。
機械と電子機器筐体との質量比をμ＝０．２であるから、電子機器筐体の質量は、
ｍａ＝１００×０．２＝２０［ｋｇ］
である。このとき、（３１）式より、
ｋａ＝ｍａ｛ωｎ／（１＋μ）｝２＝２０×｛１２５．７／（１＋０．２）｝２＝２．１９×１０５［Ｎ／ｍ］ （３４）
となり、ｋａを計算より求めることができる。また、（３２）式より、
ｃａ＝２［３μｍａｋａ／｛８（１＋μ）｝］１／２＝２［（３×０．２×２０×２．１９×１０５）／｛８（１＋０．２）｝］１／２＝１０４７［Ｎｓ／ｍ］ （３５）
となり、ｃａを計算より求めることができる。この程度のばね定数や減衰係数は通常市販されているコイルばねやダンパで容易に実現が可能である。この場合のばねやダンパは、機台３もしくは足６と電子機器筐体４との結合に必要なものである。
図２３は本発明の第３実施例による効果の確認を示した振動特性の図であり、横軸に可動テーブルが駆動する際の角振動数Ωと、可動テーブル１と駆動系２と機台３で構成の機械の固有振動数ωｎとの比を取り、縦軸に電子機器筐体の位置に対する機台の位置の比、すなわち振幅比を取り、上述の各定数をもとにプロットしたものである。ただし、より実機に即するため足６にも減衰係数を想定し、減衰率ζを
ζ＝ｃ／｛２（ｍｋ）１／２｝＝０．０１ （３６）
とした。
図２３より分かるように、外力の角振動数Ωと機械の固有振動数ωｎが一致したとき共振が発生して機台の振幅は最も大きくなる。それに対して、本発明の機台の振幅は、機械と電子機器筐体を剛体結合したときと比較して１／１０以下の振幅に抑えられる。
【００２０】
したがって、第３実施例は可動テーブル１と駆動系２からなる可動機構Ｍと、可動機構Ｍを搭載した機台３と、駆動系２を駆動する駆動装置などを収納するための電子機器筐体４と、機台３を床６に弾性支持する足６（第１ばね）と、機台３と電子機器筐体４の間に設けられ、機台３に対する電子機器筐体４の水平方向の変位の大きさに応じたばね力を発生するコイルばね５（第２ばね）と、機台３と電子機器筐体４の間に設けられ、機台３に対する電子機器筐体４の水平方向の変位の速度に応じた減衰力を発生するオイルダンパ１０（減衰手段）とを備える構成にしたので、電子機器筐体４は可動機構Ｍと機台３で構成される機械に対する動吸振器として作用させることから、第１実施例及び第２実施例と同様に機械の質量が増加することなく、機械の水平方向の振動を抑制することが可能な制振装置を提供することができる。また、機台の振動が低減されるので、サーボ系が高ゲイン化でき、高速応答が可能となる。
【００２１】
なお、第１実施例において、制振装置の第２ばねとしてコイルばねを用いた例を示したが、これに替えて図３及び図４に示す変形例のようにしても構わない。例えば、図３のようにコイルばねの代わりに皿ばね８を使用したり、図４のように板ばね９を使用しても差し支えない。
また、第３実施例において、制振装置の第２ばねにコイルばねを、減衰手段にオイルダンパを用いた例を示したが、これに替えて図７乃至図１１に示す変形例のようにしても構わない。例えば、図７や図１１のようにコイルばね５とオイルダンパ１０の代わりにゴム１１を使用したり、図８のように皿ばね１２とゴム１１、図９のように板ばね９と吸振材１３、図１０のように板ばね９とゴム１１を使用することも考えられる。
【００２２】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば以下の効果がある。
（１）第１実施例は、可動テーブル１と駆動系２からなる可動機構Ｍと、可動機構Ｍを搭載した機台３と、駆動系２を駆動する駆動装置などを収納するための電子機器筐体４と、機台３を床７に弾性支持する足６（第１ばね）と、機台３と電子機器筐体４の間に設けられ、機台３に対する電子機器筐体４の水平方向の変位の大きさに応じたばね力を発生する第２ばね５とを備える構成にしたため、電子機器筐体４は可動機構Ｍと機台３で構成される機械に対する動吸振器として作用させることから、機械の質量が増加することなく、機械の水平方向の振動を抑制することが可能な制振装置を提供することができる。また、機台の振動が低減されるので、サーボ系が高ゲイン化でき、高速応答が可能となる。
（２）第２実施例は、可動テーブル１と駆動系２からなる可動機構Ｍと、可動機構Ｍを搭載した機台３と、駆動系２を駆動する駆動装置などを収納するための電子機器筐体４と、機台３を床７に弾性支持する足６（第１ばね）と、機台３と電子機器筐体４の間に設けられ、機台３に対する電子機器筐体４の水平方向の変位の速度に応じた減衰力を発生するオイルダンパ１０（減衰手段）とを備える構成にしたため、電子機器筐体４は可動機構Ｍと機台３で構成される機械に対する動吸振器として作用させることから、第１実施例と同様に機械の質量が増加することなく、機械の水平方向の振動を抑制することが可能な制振装置を提供することができる。また、機台の振動が低減されるので、サーボ系が高ゲイン化でき、高速応答が可能となる。
（３）第３実施例は、可動テーブル１と駆動系２からなる可動機構Ｍと、可動機構Ｍを搭載した機台３と、駆動系２を駆動する駆動装置などを収納するための電子機器筐体４と、機台３を床６に弾性支持する足６（第１ばね）と、機台３と電子機器筐体４の間に設けられ、機台３に対する電子機器筐体４の水平方向の変位の大きさに応じたばね力を発生するコイルばね５（第２ばね）と、機台３と電子機器筐体４の間に設けられ、機台３に対する電子機器筐体４の水平方向の変位の速度に応じた減衰力を発生するオイルダンパ１０（減衰手段）とを備える構成にしたため、電子機器筐体４は可動機構Ｍと機台３で構成される機械に対する動吸振器として作用させることから、第１実施例及び第２実施例と同様に機械の質量が増加することなく、機械の水平方向の振動を抑制することが可能な制振装置を提供することができる。また、機台の振動が低減されるので、サーボ系が高ゲイン化でき、高速応答が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示す制振装置の正面図である。
【図２】第１従来技術を示す制振装置の正面図である。
【図３】第１実施例の変形例を示す制振装置の正面図である。
【図４】第１実施例の変形例を示す制振装置の正面図である。
【図５】本発明の第２実施例を示す制振装置の正面図である。
【図６】本発明の第３実施例を示す制振装置の正面図である。
【図７】本発明の第３実施例の変形例を示す制振装置の正面図である。
【図８】本発明の第３実施例の変形例を示す制振装置の正面図である。
【図９】本発明の第３実施例の変形例を示す制振装置の正面図である。
【図１０】本発明の第３実施例の変形例を示す制振装置の正面図である。
【図１１】本発明の第３実施例の変形例を示す制振装置の正面図である。
【図１２】図６の制振装置を模式的に表した図である。
【図１３】図１の制振装置を模式的に表した図である。
【図１４】図５の制振装置を模式的に表した図である。
【図１５】図１２の制振装置を等価モデルとして表した図である。
【図１６】図１３の制振装置を等価モデルとして表した図である。
【図１７】図１４の制振装置を等価モデルとして表した図である。
【図１８】図１５の等価モデルの変形例を表した図である。
【図１９】図１６の等価モデルを簡略化した図である。
【図２０】図１７の等価モデルを簡略化した図である。
【図２１】本発明の第１実施例による効果の確認を示した振動特性の図である。
【図２２】本発明の第２実施例による効果の確認を示した振動特性の図である。
【図２３】本発明の第３実施例による効果の確認を示した振動特性の図である。
【符号の説明】
１ 可動テーブル、
２ 駆動系
３ 機台
４ 電子機器筐体
４１ サーボドライバ
４２ コントローラ
５ コイルばね（第２ばね）
６ 足（第１ばね）
７ 床
８ 皿ばね（第２ばね）
９ 板ばね（第２ばね）
１０ オイルダンパ（減衰手段）
１１ ゴム
１２ 皿ばね（第２ばね）
１３ 吸振材（減衰手段）
Claims (3)
- 構造物の振動を抑制する制振装置において、
可動テーブルと駆動系からなる可動機構と、前記可動機構を搭載した機台と、前記駆動系を駆動する駆動装置などを収納するための電子機器筐体と、前記機台を床に弾性支持する第１ばねと、前記機台と前記電子機器筐体の間に設けられ、前記機台に対する前記電子機器筐体の水平方向の変位の大きさに応じたばね力を発生する第２ばねとを備えたことを特徴とする制振装置。 - 構造物の振動を抑制する制振装置において、
可動テーブルと駆動系からなる可動機構と、前記可動機構を搭載した機台と、前記駆動系を駆動する駆動装置などを収納するための電子機器筐体と、前記機台を床に弾性支持する第１ばねと、前記機台と前記電子機器筐体の間に設けられ、前記機台に対する前記電子機器筐体の水平方向の変位の速度に応じた減衰力を発生する減衰手段とを備えたことを特徴とする制振装置。 - 構造物の振動を抑制する制振装置において、
可動テーブルと駆動系からなる可動機構と、前記可動機構を搭載した機台と、前記駆動系を駆動する駆動装置などを収納するための電子機器筐体と、前記機台を床に弾性支持する第１ばねと、前記機台と前記電子機器筐体の間に設けられ、前記機台に対する前記電子機器筐体の水平方向の変位の大きさに応じたばね力を発生する第２ばねと、前記機台と前記電子機器筐体の間に設けられ、前記機台に対する前記電子機器筐体の水平方向の変位の速度に応じた減衰力を発生する減衰手段とを備えたことを特徴とする制振装置。
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