JP2005061588A - 除振台のアクティブ振動制御装置及びその制御ゲイン設定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 除振対象物の振動状態を検出し、これを打ち消すように加振アクチュエータをフィードバック制御する場合に、除振対象物の質量が変化しても、そのことに依らず常に高い振動低減効果を得られるようにする。
【解決手段】 除振対象物の質量Ｍを所定範囲内で段階的に変更し、各質量値Ｍｉ（ｉ＝１〜ｎ）にそれぞれ対応するフィードバック制御ゲインＧcの最適値を実験により求めて質量・ゲインマップを作成し、これをコントローラ２０のメモリ２１に記憶させる。除振台Ａに搭載された機器１の重量をアイソレータ４の空気ばね７の内圧に基づいて演算し、これにより除振対象物の質量Ｍを求めて（２０ｂ）、質量・ゲインマップを参照してフィードバック制御ゲインＧcの最適値を決定する（２０ｃ）。この最適値になるようにフィードバック制御ゲインＧcを設定する（２０ｄ）。
【選択図】 図３

Description

本発明は、例えば半導体関連装置やＡＦＭ、微小硬度計、レーザ顕微鏡等の精密計測機器のような振動の影響を受けやすい装置を支持する精密除振台に関し、特に、除振対象物の振動を打ち消すような制御振動をアクチュエータにより付加するようにしたアクティブ振動制御の技術分野に属する。

従来より、この種の除振台として、例えば特許文献１に開示される振動絶縁装置のように、防振材で支持した除振対象物の振動状態をセンサにより検出し、この検出信号に応じてコントローラにより加振アクチュエータを駆動することで、該除振対象物の振動を低減するようにしたものが公知である。このものでは、振動センサ及び変位センサからの信号をコントローラに入力（フィードバック）し、除振対象物の加速度、速度、及び変位を表す各信号のゲイン及び位相を変更することにより、該除振対象物の振動を打ち消すようなアクチュエータの駆動制御信号を生成するようにしている。

具体的には、振動センサからの信号を分離演算して絶対加速度信号及び絶対速度信号を生成し、この各信号にゲイン位相補正回路Ａ，Ｂにおいてそれぞれフィードバック制御ゲインＧ₁(S)，Ｇ₂(S)を乗算するとともに、変位センサからの相対変位信号には位相補正回路Ｃにおいてフィードバック制御ゲインＧ₃(S)を乗算し、それら補正回路Ａ，Ｂ，Ｃからの信号を加算器で加算して、反転回路にて位相を反転させた上で、駆動回路を介してアクチュエータに入力するものである。

ところで、一般的にフィードバックシステムの性能は制御ゲインの大きさによって変化し、制御ゲインの大きいときほど性能が向上するようになる。但し、実際のシステムでは制御対象の無駄時間やセンサの遅れがあり、さらに制御回路中のフィルタの遅れやアクチュエータの遅れもあるから、制御ゲインを大きくし過ぎると、発振してしまう。つまり、フィードバックシステムはコントローラの制御ゲインを高くすると、不安定になる虞れがある。

従って、前記従来例のようなアクティブ振動制御において振動低減効果を高めようとすれば、あくまでもシステムが不安定にならない範囲においてフィードバック制御ゲインを大きな値に設定することが望ましい。そして、そのようなフィードバックシステムの安定性は、フィードバックループを一巡する伝達関数（開ループ伝達関数）の式から求められる周波数応答特性に基づいて判定することができ、通常は、実際にフィードバック制御ゲインを変更しながら、これによる開ループ伝達関数のゲイン曲線及び位相曲線の変化を例えばＦＦＴアナライザ等により観察して、位相交点におけるゲイン余裕が所定範囲の値になるようにフィードバック制御ゲインを調整している。
特許第３０３６５４４号公報

ところが、除振対象物が例えば実験や研究等を主たる用途とする比較的小型の精密計測機器である場合には、使用者の都合によって除振台上の搭載機器が変更されることがあり、このときには除振対象物の質量の変化に伴いフィードバック制御ゲインの最適値も変化することになる。すなわち、除振対象物はその質量が大きいほど揺れ難く、また、揺れが収まり難くなるので、最適なフィードバック制御ゲインの値は相対的に大きなものとなり、反対に、除振対象物の質量が小さいときほど、制御ゲインの最適値は小さくなるのである。

従って、上述の如くフィードバック制御ゲインの大き過ぎるときにシステムが不安定になることを考慮すれば、搭載機器の変化する可能性がある汎用性の高い除振台の場合は、システムの安定性を確保するために除振対象物の重量が最小の状態、即ち、除振台に機器を搭載しない状態に合わせて、フィードバック制御ゲインを設定せざるを得ないのだが、この結果、比較的重い機器を搭載したときにはフィードバック制御ゲインの値が最適値よりもかなり小さなものとなってしまい、所期の振動低減効果が得られないという不具合があった。

本発明は、斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、除振対象物の振動状態を検出し、これを打ち消すように加振アクチュエータをフィードバック制御するアクティブ振動制御において、そのフィードバック制御ゲインの設定方法に工夫を凝らして、除振対象物の質量が変化しても、そのことに依らず常に高い振動低減効果を得られるようにすることにある。

前記の目的を達成するために、本発明の解決手段では、予めフィードバック制御ゲインの最適値と除振対象物の質量との対応関係を求めて、これを記憶手段に記憶させておき、実際に機器等を除振台に搭載したときには、この機器等の質量に関する情報と前記記憶手段に記憶されている対応関係とに基づいて、フィードバック制御ゲインを適切に設定できるようにした。

具体的に、請求項１の発明は、基礎に対しばね要素で支持した除振対象物の振動状態を検出するセンサと、該除振対象物にその振動を低減するような制御振動を付加するための加振アクチュエータとを備え、前記センサからの信号をコントローラに入力して前記アクチュエータを制御するようにした除振台のアクティブ振動制御装置を前提とする。そして、前記コントローラによるアクチュエータのフィードバック制御ゲインの値、及び除振対象物の質量の対応関係を記憶した記憶手段と、前記除振対象物の質量に関する情報及び前記記憶手段に記憶されている対応関係に基づいて、フィードバック制御ゲインを設定するゲイン設定手段と、を備えるものとする。

前記の構成では、除振対象物の質量とフィードバック制御ゲインの値との対応関係が記憶手段に記憶されていて、除振台に機器が実際に搭載されたときには、その機器を含めた除振対象物の質量に関する情報と前記の対応関係とに基づいて、ゲイン設定手段によりフィードバック制御ゲインが設定される。このことで、除振対象物の質量が変化しても、フィードバック制御ゲインの値は常に適切なものに変更されることになり、いつでも充分に高い振動低減効果が得られるようになる。尚、除振対象物の質量に関する情報は後述するように実際に測定して求めてもよいし、搭載機器の重量のデータを入力して求めるようにしてもよい。

請求項２の発明では、記憶手段には、フィードバック制御ゲインの最適値を予め除振対象物の質量に対応付けて設定したマップを記憶させておく。そして、除振対象物の実際の質量に関する情報を入力されて、これに対応するフィードバック制御ゲインの値を前記マップに基づいて決定する最適ゲイン決定手段をさらに備えるとともに、ゲイン設定手段は、前記最適ゲイン決定手段により決定された値になるようにフィードバック制御ゲインを設定するものとする。

このことで、除振対象物の実際の質量と例えば実験等により予め求めた質量及びゲイン最適値のマップとに基づいて、除振対象物毎のフィードバック制御ゲインの最適値を決定することができ、請求項１の発明の作用がより確実に得られる。

請求項３の発明では、記憶手段には、フィードバック制御ゲインの値と除振対象物の質量との関係を表す関数式を記憶させておく。そして、除振対象物の質量に関する情報を入力されて、これに対応するフィードバック制御ゲインの最適値を前記関数式に基づいて決定する最適ゲイン決定手段をさらに備えるとともに、ゲイン設定手段は、前記最適ゲイン決定手段により決定された値になるようにフィードバック制御ゲインを設定するものとする。

すなわち、例えば、フィードバックループを含めた除振台の数値計算モデルを構築し、このモデルから、フィードバックループを一巡する開ループ伝達関数の式を求めて、記憶手段に記憶させておく。この伝達関数の式には、少なくともフィードバック制御ゲインと除振対象物の質量とが変数として含まれており、この式に実際の除振対象物の質量値を代入した上で、周波数伝達関数からシステムの安定な範囲における実質的に最大のゲイン値を決定することができる。こうすれば、前記請求項２の発明と同様の作用が実験等を行わず極めて容易に得られる。

請求項４の発明では、除振対象物の質量を検出して、質量情報として最適ゲイン決定手段に提供する質量情報提供手段をさらに備えるものとする。このことで、質量情報提供手段により除振対象物の質量が自動的に検出されて最適ゲイン決定手段に提供されるので、その検出値に基づき最適なフィードバック制御ゲインの値が正確に且つ一層、容易に求められる。具体的に、前記質量情報提供手段は、例えば除振対象物を支持するばね要素の変位量を測定し、これに基づいて該除振対象物の質量を演算するように構成すればよい（請求項５の発明）。また、除振対象物を支持するばね要素が空気ばねである場合には、その空気ばねの内圧を測定し、これに基づいて該除振対象物の質量を演算することもできる（請求項６の発明）。

本願の請求項７の発明は、基礎に対しばね要素で支持した除振対象物の振動状態を検出するセンサと、該除振対象物にその振動を低減するような制御振動を付加するための加振アクチュエータとを備え、前記センサからの信号をコントローラに入力して前記アクチュエータを制御するようにした除振台のアクティブ振動制御装置を対象とし、そのフィードバック制御ゲインを設定する方法である。具体的には、まず、予め前記除振対象物の質量を所定範囲内で段階的に変更しながら、それぞれ最適なフィードバック制御ゲインの値を実験により求めて、この値を前記除振対象物の質量に対応付けて設定したマップを作成し、これを記憶手段に記憶させておく。そして、前記除振対象物の実際の質量に関する情報に基づいて、前記記憶手段のマップを参照してフィードバック制御ゲインの値を決定し、この値になるようにフィードバック制御ゲインを設定する。こうすることで、上述した請求項２の発明と同じ作用が得られる。

また、請求項８の発明は、前記請求項７の発明と同じ構成のアクティブ振動制御装置を対象とするフィードバック制御ゲインの設定方法であって、まず、前記アクチュエータ及びコントローラを含めた除振台の数値計算モデルを構築し、この数値計算モデルからフィードバック制御ゲインの値と除振対象物の質量との関係を表す関数式を求めて、これを記憶手段に記憶させておく。そして、前記除振対象物の実際の質量値を前記関数式に代入した上で、この関数式からフィードバック制御ゲインの最適値を求めて、この値になるようにフィードバック制御ゲインを設定する。こうすることで、上述した請求項３の発明と同じ作用が得られる。

より具体的には、前記関数式をフィードバックシステムの開ループ伝達関数の式とし、この開ループ伝達関数の式に除振対象物の実際の質量値を代入し、この伝達関数の式から求められるフィードバックシステムの周波数応答特性に基づいて、フィードバック制御ゲインの最適値を決定するようにすればよい（請求項９の発明）。また、前記伝達関数の式から予め除振対象物の質量値とフィードバック制御ゲインの最適値との対応関係を代数的に表す関数式を求めて、この式を記憶手段に記憶させておき、この式に除振対象物の実際の質量値を代入することによって、直接的にフィードバック制御ゲインの最適値を求めるようにしてもよい。

さらに、前記請求項７〜９のいずれかのフィードバック制御ゲイン設定方法において、フィードバック制御ゲインの最適値は、フィードバックシステムの周波数応答のゲインが位相交点において略−６デシベルとなるように設定すればよい（請求項１０の発明）。こうすれば、外乱等を考慮してフィードバックシステムの安定性を確保しつつ、フィードバック制御ゲインの実質的な最大値を容易且つ確実に求めることができる。

以上、説明したように、請求項１〜３の発明に係る除振台のアクティブ振動制御装置によると、除振対象物の質量とフィードバック制御ゲインの値との対応関係を予め求めて記憶させておき、この対応関係と除振対象物の実際の質量に関する情報とに基づいてフィードバック制御ゲインを設定することにより、搭載機器の変更等によって除振対象物の質量が変化しても、いつでも充分に高い振動低減効果を得ることができる。

それに加えて、請求項４〜６の発明によると、除振対象物の質量を自動的に検出し、これに基づいてフィードバック制御ゲインを容易に且つ最適に設定することができる。

また、請求項７〜１０の発明に係る除振台のフィードバック制御ゲイン設定方法によると、前記請求項１〜３の発明と同様の効果が得られる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

（基本構成）
図１は、本発明の実施形態に係る精密除振台Ａの一例を示し、この除振台Ａは、例えば、半導体関連の試験機器、検査機器や原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、レーザ顕微鏡等の精密計測機器のように、振動の影響を受けやすい精密機器１（仮想線で示す）を搭載するためのものである。この除振台Ａは、高さ調整用のレベラー２，２，…を介して図示しない専用のテーブルや台等の上面に設置される矩形板状の基礎部材３と、その基礎部材３の上面の４隅にそれぞれ配設された空気ばね式のアイソレータ４，４，…と、該４つのアイソレータ４，４，…の上部に搭載された定盤５とを備えている。この定盤５及び搭載機器１が（厳密には以下に述べるアイソレータ４のトッププレート９も含めて）除振対象物になるが、この実施形態の除振台Ａは主に実験や研究等に用いられる比較的小型の精密機器１を搭載するためのものであり、使用者の都合によって搭載機器１が変更されれば、除振対象物の質量は大きく変化することになる。

前記アイソレータ４は、図２に拡大して示すように、ベースプレート６の上に空気ばね７（ばね要素）とリニアモータ８（加振アクチュエータ）とを配設し、その空気ばね７によって、前記定盤５及び搭載機器１の荷重を受けるトッププレート９を弾性的に支持するとともに、当該トッププレート９に対しその振動を低減するような制御振動をリニアモータ８によって付加するようにしたものである。前記空気ばね７は、例えば図３に模式的に示すように、内部に空気が充填された空気室１０と、この空気室１０の上壁の開口部にダイヤフラム１１を介して気密状に内挿されたピストン１２とを備えたダイヤフラム形のものが好適であり、さらに、そのピストン１２にジンバル機構を組み込んで、水平方向に非常に柔らかなばね特性が得られるようにすることもできる。尚、空気ばね７としてベローズ形のものを用いることもできる。

また、前記アイソレータ４には、トッププレート９を予め設定した高さに維持するための機械式レベリングバルブ１３が備えられている。このレベリングバルブ１３は、Ｕ字状に湾曲するチューブ１４によって前記空気ばね７に接続されるとともに、図示しないが、リザーバタンクから圧搾空気を導くホースの端部が管継手１５に接続されており、前記トッププレート９の高さが設定高さよりも低くなってセンサアーム１６が下方に回動すると、前記リザーバタンクからの圧搾空気を空気ばね７の空気室１０に供給し、一方、トッププレート９が設定高さよりも高くなってセンサアーム１６が上方に回動すれば、前記空気室１０から大気中に空気を漏出させるようになっている。

さらに、図３にのみ示すが、前記アイソレータ４のベースプレート６及びトッププレート９にはそれぞれ加速度センサ１７、１８が配設され、また、空気ばね７の空気室１０に臨んで空気圧センサ１９が設けられており、これらの各センサ１７〜１９からの出力信号がそれぞれコントローラ２０に入力されるとともに、該コントローラ２０から各アイソレータ４毎のリニアモータ８に対し制御信号が出力されて、トッププレート９に対しその振動を低減するような制御振動が付加されるように、即ち、定盤５及びその上の搭載機器１の振動を低減するアクティブ振動制御が行われるようになっている。換言すれば、前記アイソレータ４，４，…の空気ばね７、リニアモータ８及び加速度センサ１８と、コントローラ２０とによって、除振台Ａのアクティブフィードバック振動制御装置Ｓ（本願発明に係るアクティブ振動制御装置）が構成されており、併せて、前記アイソレータ４，４，…の空気ばね７、リニアモータ８及び加速度センサ１７と、コントローラ２０とによって、除振台Ａのアクティブフィードフォワード振動制御装置が構成されている。

前記コントローラ２０は、詳細は図示しないが、マイクロコンピュータ、Ｉ／Ｏインタフェース、データバスの他、ＲＡＭ、ＲＯＭ、或いはＨＤＤ等のメモリ２１（記憶手段）を備えた従来周知構造のデジタルコントローラであり、加速度センサ１７，１８から出力される信号を受け入れて、これに応じて各アイソレータ４毎のリニアモータ８に制御信号を出力するようになっている。すなわち、コントローラ２０は、まず、加速度センサ１７からの信号に基づいて床からトッププレート９へ伝達する振動を推定し、この振動と略同じ振幅で略逆位相の制御振動を発生するようにリニアモータ８を駆動する（フィードフォワード制御）。

また、コントローラ２０は、加速度センサ１８からの信号に基づいてトッププレート９の振動（即ち搭載機器１の振動状態）を検出し、この振動を打ち消すような制御振動を発生するようにリニアモータ８を駆動するフィードバック制御部２０ａを備えている。このフィードバック制御部２０ａによるリニアモータ８の基本的な制御について、以下、説明の便宜のために加速度センサ１８の信号に基づいて上下方向の振動を低減する制御についてのみ、前記図３及び図４を参照して詳細に説明する。尚、図３においては、アイソレータ４の上下方向の加速度センサ１７，１８及び上下方向のアクチュエータ（リニアモータ８）のみが示されているが、これ以外に水平方向の加速度センサ及び水平方向のアクチュエータも配設されており、以下に述べる上下方向の制御と同様にして水平方向の制御も行われる。

図４は、前記フィードバック制御部２０ａによる上下方向のフィードバック制御を示すブロック図であり、この実施形態では加速度センサ１８により検出した除振対象物の上下方向加速度ｘ″の検出値にフィードバック制御ゲインＧmを乗算するとともに、加速度ｘ″を１回積分して得られる速度ｘ′に対してフィードバック制御ゲインＧcを乗算し、また、加速度ｘ″を２回積分して得られる変位ｘに対してフィードバック制御ゲインＧkを乗算して、それぞれ、フィードバック補正値Ｇm・ｘ″，Ｇc・ｘ′，Ｇk・ｘを演算する。そして、それらフィードバック補正値を加算した上で反転して、リニアモータ８へ出力する制御量Ｕを求める。尚、除振対象物は無振動が理想であるから、制御目標値は零である。

そのように加速度ｘ″に制御ゲインＧmを乗じてフィードバックすることは、振動系の質量を増やすのと略同等であり、これにより共振周波数を低下させることができる。また、速度ｘ′のフィードバックによっていわゆるスカイフックダンパの効果が得られ、高周波域での除振性能を損なうことなく共振倍率を低下させることができる。さらに、変位ｘのフィードバックによっていわゆるスカイフックスプリングの効果が得られ、共振周波数以下の領域で振動伝達率を低下させることができる。

ところで、一般に、前記のようなフィードバックシステムによる振動低減効果はフィードバック制御ゲインの大きさによって変化し、制御ゲインの大きいときほど振動低減効果が高くなって、アクティブ除振制御における除振対象物の揺れを速やかに解消することができる。しかし、実際のシステムには或る程度の時間遅れが生じるため、フィードバック制御ゲインをあまり大きくすると不安定になり、発振してしまう。こうなると、除振対象物の揺れがなかなか収まらないばかりか、むしろ揺れを助長する虞れがある。

そのようなフィードバックシステムの安定性は、周知の如く、フィードバックループを一巡する伝達関数（開ループ伝達関数）の式から、周波数応答のゲイン及び位相を求めることによって判定できる。具体的に、説明の便宜のために例えば図４における速度フィードバックのループについて述べると、まず、制御対象である除振台Ａの構成は１自由度系の振動系としてモデル化できるから、この振動系の運動方程式から除振台Ａのイナータンスは、ラプラス演算子ｓを用いて、

と表される。但し、Ｍは除振対象物の質量、Ｃは空気ばね７の減衰係数、Ｋは空気ばね７のばね定数である。

また、リニアモータ８の伝達関数は、モータのゲインをＫv、出力をＦとすれば、

となり、速度フィードバックの場合、制御量Ｕは、

となるから、開ループ伝達関数Ｄ(s)は、理想的には以下の（式４）のように表される。

但し、上述したように実際のシステムには時間遅れがあり、例えばフィルタ、リニアモータ８、加速度センサ１８等の遅れ要素をいずれも１次遅れと仮定すれば、それらの時定数を一般的にＴｉ（ｉ＝1，2，3，…）として、開ループ伝達関数Ｄ(s)は、

となる。

そして、前記（式５）から、フィードバックループの周波数応答を表すゲイン及び位相曲線は、その一例を図５に示すようになり、位相がマイナス１８０度になるところ（位相交点）が現れる。図の例では約５８Ｈｚのところに位相交点が現れているが、フィードバックシステムが安定であるためには、このときのゲイン余裕が所定以上でなくてはならない。具体的に、除振台Ａの場合には外乱を考慮してシステムの安定性を確保しながら、振動低減効果を高めるためには、位相交点における伝達関数Ｄ(s)のゲインがマイナス６デシベル（−６ｄＢ）くらいになるのが好ましい。

ここで、前記（式５）におけるＫv，Ｃ，Ｋ，Ｔ1，Ｔ2，…等の値は予め設定したり、測定により求めておくことができ、Ｍは実際に機器１を搭載すれば決まる。そこで、従来より、まず、除振台Ａを設置し、その上に機器１を搭載した状態でコントローラ２０によりフィードバック制御ゲインＧcを変更しながら、これ伴う開ループ伝達関数Ｄ(s)のゲイン曲線及び位相曲線の変化をＦＦＴアナライザ等により観察して、位相交点におけるゲイン余裕が前記所定値になるように、フィードバック制御ゲインＧcを調整する、という作業が行われている。

しかしながら、例えば搭載機器１が変更されて前記（式５）における除振対象物の質量Ｍが大きく変化すると、これに伴いフィードバック制御ゲインＧcの最適値も大幅に変化してしまう。このため、仮に、除振台Ａに搭載可能な重さの適当な機器を選び、これに合わせて前記のようにフィードバック制御ゲインＧcを最適に調整しただけでは、それよりも軽い機器を搭載したときには相対的にフィードバック制御ゲインＧcが大きくなり過ぎて、安定性が損なわれる虞れがある。

このため、結局、搭載機器１の重量が変化することを考慮すれば、従来まではシステムの安定性を確保するために除振対象物の重量が最小の状態、即ち、除振台Ａに機器１を搭載しない定盤５だけの状態に合わせて、フィードバック制御ゲインＧcを設定せざるを得ず、このため、比較的重い機器１を搭載したときには、フィードバック制御ゲインＧcの値は最適値よりもかなり小さなものとなってしまい、所期の振動低減効果を得ることはできなかった。具体的には、除振対象物の質量が小さいときに、図６(a)に示すように位相交点におけるゲインが−６ｄＢになるよう、フィードバック制御ゲインＧcを調整すると、質量が大きくなったときには、同図(b)に示すように位相交点におけるゲインが−２０ｄＢとかなり小さくなってしまい、このときには十分な振動低減効果が得られないのである。

（フィードバック制御ゲインの変更）
そこで、この実施形態に係る除振台Ａのアクティブ振動制御装置Ｓでは、本発明の特徴として、予めフィードバック制御ゲインＧcの最適値を除振対象物の質量Ｍに対応付けて設定したゲイン・質量マップを作成し、これをコントローラ２０のメモリ２１に記憶させておく。そして、実際に機器１を除振台Ａに搭載したときには、この機器１の質量が自動で検出されて、前記ゲイン・質量マップに基づいてフィードバック制御ゲインＧcが自動で設定されるようにしている。

すなわち、この実施形態のコントローラ２０には、フィードバック制御部２０ａの他に、空気圧センサ１９の検出値に基づいて除振対象物の質量Ｍを演算する質量演算部２０ｂ（質量情報提供手段）と、こうして求めた質量Ｍと前記ゲイン・質量マップとに基づいてフィードバック制御ゲインＧcの値を決定するゲイン演算部２０ｃ（最適ゲイン決定手段）と、こうして決定した値になるように、フィードバック制御部２０ａにおけるフィードバック制御ゲインＧcを設定するゲイン設定部２０ｄ（ゲイン設定手段）と、がそれぞれソフトウェアプログラムの形態で備えられている。

より具体的には、前記ゲイン・質量マップの作成について、まず、除振台Ａに搭載可能な最大重量の重りを搭載し、ＦＦＴアナライザ等を用いて開ループ伝達関数Ｄ(s)を測定しながら、コントローラ２０によりフィードバック制御ゲインＧcの値を変更する。そして、開ループ伝達関数Ｄ(s)の周波数応答のゲインが位相交点で−６ｄＢになったときのフィードバック制御ゲインＧcの値を記録する。次に、除振台Ａに搭載する重りの重量を所定量ずつ減らしていって、機器１を搭載しない状態まで上述の操作を繰り返して所定回数ｎ回だけ実行する。こうして、除振対象物の質量Ｍについて最大値から最小値（定盤５及びトッププレート９のみ）までの間をｎ−１等分して、それぞれの質量Ｍｉ（ｉ＝１〜ｎ）に対応するフィードバック制御ゲインＧcの最適値を求め、これを設定したゲイン・質量マップを得る。

前記質量演算部２０ｂによる質量Ｍの演算については、空気ばね７に加わる荷重が該空気ばね７のダイヤフラム１１の受圧面積と空気室１０内圧力との積になることから、空気圧センサ１９により検出される空気室１０の圧力に基づいて、演算することができる。そして、そうして求めた質量Ｍに基づいて、前記ゲイン演算部２０ｃにより、質量Ｍに対応するフィードバック制御ゲインＧcの値がゲイン・質量マップを参照して、決定される。この際、マップからは演算した質量Ｍよりも小さくて且つ最も値の近い質量値Ｍｉに対応するフィードバック制御ゲインＧcの値を選択する。これは、最適値よりも少しでも大きなゲインを採用すると、システムが不安定になる虞れがあるからである。

尚、そのようなフィードバック制御ゲインの設定は、上述した速度フィードバックの場合に限らず、加速度ｘ″のフィードバック制御ゲインＧmや変位ｘ（加速度ｘ″を２回積分）のフィードバック制御ゲインＧkについても同様に行うようにする。

また、上述の説明は便宜上、除振台Ａの４個のアイソレータ４，４，…を個別に上下方向及び水平方向で独立に制御する場合（従って、８つのフィードバック制御を行う場合）についてのものとしており、個々のアイソレータ４における除振対象物の質量Ｍは、搭載機器１及び定盤５の分担荷重とトッププレート９の重さとで決定されるが、除振台Ａの定盤５は並進及び回転の６モードの自由度を有するので、この各モードについて独立に制御する（従って、６つのフィードバック制御を行う）ようにすることもできる。すなわち、詳しい説明は省略するが、除振対象物の６つの運動モードのそれぞれについての振動状態が検出できるよう配置された少なくとも６つの加速度センサの信号をコントローラ２０に入力して、各運動モード毎の振動を打ち消すように４つのアイソレータ４，４，…のリニアモータ８，８，…を駆動すればよい。この場合には、除振対象物の質量Ｍは搭載機器１、定盤５及び４つのアイソレータ４，４，…のトッププレート９の合計の質量となる。

したがって、この実施形態に係る除振台のアクティブ振動制御装置Ｓによれば、４個のアイソレータ４，４，…の空気ばね７により支持した定盤５に機器１を搭載し、その振動状態を加速度センサ１８により検出してコントローラ２０に入力してフィードバックし、これに基づいて各アイソレータ４のリニアモータ８を駆動して、制御振動を定盤５に付加することにより、前記搭載機器１の振動を低減することができる。

その際、機器１を除振台Ａに搭載すれば、該搭載機器１を含めた除振対象物の質量Ｍが空気ばね７の内圧の検出値に基づいてコントローラ２０により自動で演算されるとともに、この質量Ｍに基づき、該コントローラ２０のメモリ２１に記憶されているゲイン・質量マップに従って、フィードバック制御ゲインＧm，Ｇc，Ｇk等が自動的に最適値に設定される。このことで、例えば搭載機器１が変更されて除振対象物の質量が変化しても、常に適切なゲインでもってフィードバック制御が行われることになるから、充分に高い振動低減効果をいつでも且つ極めて容易に得ることができる。

（他の実施形態）
本発明は、前記実施形態の構成に限定されるものではなく、それ以外の種々の構成を包含するものである。すなわち、例えば前記実施形態では除振台Ａを、比較的小型の精密機器１を搭載するためのものとしていて、搭載機器１が変更されることにより除振対象物の質量が変化する事態を想定しているが、これに限るものではない。

また、前記実施形態のアクティブ振動制御装置Ｓでは、デジタルコントローラ２０により振動低減のためにフィードフォワード制御及びフィードバック制御の両方を行うようにしているが、これに限らず、例えばフィードフォワード制御は行わないようにしてもよい。また、必ずしもデジタルコントローラ２０を採用する必要はなく、本発明はアナログコントローラによっても実現可能である。

前記実施形態では、各アイソレータ４毎にリニアモータ８を設けているが、これは例えば圧電素子型のアクチュエータによって代替できる。また、空気ばね７の内圧をサーボ弁で制御しアクチュエータとして利用することも可能であり、こうすれば、別途、リニアモータ８を設ける必要がなく、コストの低減が図られるとともに、空気ばねの特性として比較的大きな力が容易に得られる。但し、空気ばね７を利用する場合には、その力が内圧の制御量の積分値に比例することを考慮して、加速度ｘ″の微分、比例及び積分値をフィードバックする。

また、前記アイソレータ４においてレベリングバルブ１３は必ずしも必要ではない。例えば変位センサを設け、その検出値に基づいてサーボ弁をフィードバック制御して、空気ばね７の内圧を調整することで、定盤５や搭載機器１の高さを維持することもできる。

また、前記アイソレータ４において、空気ばね７の代わりに例えばコイルばねや防振ゴムを用いることもできる。

さらに、前記実施形態では、除振対象物の質量を空気ばね７の内圧の検出値に基づいて演算するようにしているが、これに限らず、空気ばね７やそれ以外のばね要素（コイルばねや防振ゴム等）の圧縮変位量を検出し、これに基づいて演算することもできるし、或いは、定盤５の下面の所定箇所にロードセル等の力センサを配設して、より直接的に搭載機器１の荷重を検出することもできる。また、機器１の荷重を測定するのではなく、該機器１の重量のデータを入力して、除振対象物の質量を演算するようにしてもよい。

さらにまた、前記実施形態では、コントローラ２０のメモリ２１に実験的に求めたゲイン・質量マップを記憶させておき、これによりフィードバック制御ゲインＧcの最適値を決定するようにしているが、これに限るものではない。例えば、（式５）に示すフィードバックループの開ループ伝達関数の式をメモリ２１に記憶させておき、コントローラ２０において除振対象物の実際の質量値を代入して周波数伝達関数Ｄ(jω)をフィードバック制御ゲインＧcの関数として求めて、周波数応答の位相∠Ｄ(jω)がマイナス１８０°になるときに、ゲイン｜Ｄ(jω)｜がマイナス６ｄＢになるようなフィードバック制御ゲインＧcの値を特定するようにしてもよい。

或いは、前記伝達関数の式から予め除振対象物の質量とフィードバック制御ゲインの最適値との対応関係を代数的に表す関数式を求めて、この式をメモリ２１に記憶させておくようにしてもよく、こうすれば、その関数式に除振対象物の実際の質量値を代入することによって、直接的にフィードバック制御ゲインＧｃの最適値を求めることができる。

そのように関数式を用いてフィードバック制御ゲインＧｃの最適値を求めるようにすれば、前記実施形態と同様の作用効果を得ることができるとともに、ゲイン・質量マップを作成するための実験等が不要になって、ゲインの設定を一層、容易に行うことができる。

除振台の概略構成を示す図である。 アイソレータの構成を示す拡大図である。 アクティブ振動制御装置の概略構成を示す図である。 上下方向加速度のフィードバックループを示すブロック図である。 (a)は、フィードバック制御ゲインが最適値のときのシステムの周波数応答を示すグラフ図であり、(b)はフィードバック制御ゲインが大き過ぎるときのものである。 (a)は、軽荷重に合わせてフィードバック制御ゲインを最適値に設定したときの図５相当図であり、(b)は同じフィードバック制御ゲインで荷重が大きくなったときのものである。

符号の説明

Ａ 除振台
Ｓ アクティブ振動制御装置
１ 搭載機器（除振対象物）
４ アイソレータ
５ 定盤（除振対象物）
７ 空気ばね（ばね要素）
８ リニアモータ（加振アクチュエータ）
９ トッププレート（除振対象物）
１８ 加速度センサ（センサ）
１９ 空気圧センサ（質量情報提供手段）
２０ コントローラ
２０ａ フィードバック制御部
２０ｂ 質量演算部（質量情報提供手段）
２０ｃ ゲイン演算部（最適ゲイン決定手段）
２０ｄ ゲイン設定部（ゲイン設定手段）
２１ メモリ（記憶手段）

Claims (10)

1. 基礎に対しばね要素で支持した除振対象物の振動状態を検出するセンサと、該除振対象物にその振動を低減するような制御振動を付加するための加振アクチュエータとを備え、前記センサからの信号をコントローラに入力して前記アクチュエータを制御するようにした除振台のアクティブ振動制御装置において、
   前記コントローラによるアクチュエータのフィードバック制御ゲインの値と除振対象物の質量との対応関係を記憶した記憶手段と、
   前記除振対象物の質量に関する情報と前記記憶手段に記憶されている対応関係とに基づいて、フィードバック制御ゲインを設定するゲイン設定手段と、
   を備えることを特徴とする除振台のアクティブ振動制御装置。
2. 記憶手段には、フィードバック制御ゲインの最適値を予め除振対象物の質量に対応付けて設定したマップが記憶されており、
   前記除振対象物の実際の質量に関する情報を入力されて、これに対応するフィードバック制御ゲインの値を前記マップに基づいて決定する最適ゲイン決定手段をさらに備え、
   ゲイン設定手段は、前記最適ゲイン決定手段により決定された値になるようにフィードバック制御ゲインを設定するものであることを特徴とする請求項１のアクティブ振動制御装置。
3. 記憶手段には、フィードバック制御ゲインの値と除振対象物の質量との関係を表す関数式が記憶されており、
   前記除振対象物の実際の質量に関する情報を入力されて、これに対応するフィードバック制御ゲインの最適値を前記関数式に基づいて決定する最適ゲイン決定手段をさらに備え、
   ゲイン設定手段は、前記最適ゲイン決定手段により決定された値になるようにフィードバック制御ゲインを設定するものであることを特徴とする請求項１のアクティブ振動制御装置。
4. 除振対象物の質量を検出して、質量情報として最適ゲイン決定手段に提供する質量情報提供手段をさらに備えることを特徴とする請求項２又は３のいずれかのアクティブ振動制御装置。
5. 質量情報提供手段は、除振対象物を支持するばね要素の変位量を測定し、これに基づいて該除振対象物の質量を演算するように構成されていることを特徴とする請求項４のアクティブ振動制御装置。
6. 除振対象物を支持するばね要素は空気ばねであり、
   質量情報提供手段は、前記空気ばねの内圧を測定し、これに基づいて該除振対象物の質量を演算するように構成されていることを特徴とする請求項４のアクティブ振動制御装置。
7. 基礎に対しばね要素で支持した除振対象物の振動状態を検出するセンサと、該除振対象物にその振動を低減するような制御振動を付加するための加振アクチュエータとを備え、前記センサからの信号をコントローラに入力して前記アクチュエータを制御するようにした除振台のアクティブ振動制御装置のフィードバック制御ゲインを設定する方法であって、
   予め前記除振対象物の質量を所定範囲内で段階的に変更しながら、それぞれ最適なフィードバック制御ゲインの値を実験により求めて、この値を前記除振対象物の質量に対応付けて設定したマップを作成し、これを記憶手段に記憶させておき、
   前記除振対象物の実際の質量に関する情報に基づいて、前記記憶手段のマップを参照してフィードバック制御ゲインの値を決定し、この値になるようにフィードバック制御ゲインを設定することを特徴とする除振台のアクティブ振動制御装置のフィードバック制御ゲイン設定方法。
8. 基礎に対しばね要素で支持した除振対象物の振動状態を検出するセンサと、該除振対象物にその振動を低減するような制御振動を付加するための加振アクチュエータとを備え、前記センサからの信号をコントローラに入力して前記アクチュエータを制御するようにした除振台のアクティブ振動制御装置のフィードバック制御ゲインを設定する方法であって、
   前記アクチュエータ及びコントローラを含めた除振台の数値計算モデルを構築し、
   前記数値計算モデルからフィードバック制御ゲインの値と除振対象物の質量との関係を表す関数式を求めて、これを記憶手段に記憶させておき、
   前記除振対象物の実際の質量値を前記関数式に代入した上で、この関数式からフィードバック制御ゲインの最適値を求めて、この値になるようにフィードバック制御ゲインを設定することを特徴とする除振台のアクティブ振動制御装置のフィードバック制御ゲイン設定方法。
9. フィードバック制御ゲインの値と除振対象物の質量との関係を表す関数式は、フィードバックシステムの開ループ伝達関数の式であり、
   前記開ループ伝達関数の式に除振対象物の実際の質量値を代入し、この伝達関数の式から求められるフィードバックシステムの周波数応答特性に基づいて、フィードバック制御ゲインの最適値を決定することを特徴とする請求項８のフィードバック制御ゲイン設定方法。
10. フィードバック制御ゲインの最適値は、フィードバックシステムの周波数応答のゲインが位相交点において略−６デシベルとなるように設定することを特徴とする請求項７〜９のいずれか１つのフィードバック制御ゲイン設定方法。
    

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