JP2006037995A - アクティブ除振装置およびアクティブ除振マウント - Google Patents

Abstract

【課題】 低周波領域から高周波領域の広い範囲にわたって減衰特性を維持する。
【解決手段】 上段プレート１と、下段プレート２との間に、弾性支持体３と、変位センサ４と、アクティブ除振装置５とを組み込む。弾性支持体３は、重量を弾性的に支える。クティブ除振装置５は、ピエゾアクチュエータ６とコイルばね７との組合せであり、ピエゾアクチュエータ６は、変位センサ４の制御信号を入力として除振マウントＡの振動による変位を補償して低周波領域でのコイルばね２及び７の振動増幅を阻止し、コイルばね７は、荷重を支えるとともに、ピエゾアクチュエータ６の高周波振動を減衰し、変位センサ４は、上下段プレート間の間隔の変化を検知してピエゾアクチュエータ６に制御信号を出力する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、機器の振動を減衰するアクティブ除振装置およびこのアクティブ除振装置を組み込んだ除振マウントに関する。

半導体製造工場、レーザー応用製品製造工場その他の精密加工工場などに設置された加工装置や測定装置においては、きわめてわずかな微振動であっても加工精度や測定精度に影響を与えることがあるため、工場内の床を伝播してテーブル上の搭載機器に作用する外来の微振動は高度に制振することが重要である

一般に除振装置としては、空気ばねを組み込んだ構造のものが知られているが、高価な空気ばねを用いずに除振機能を得る除振装置として、弾性体と、粘弾性体との組み合わせによる装置が提案されている（特許文献１参照）。この装置は、例えば図６に示すように、弾性体であるコイルばね３１と円柱状の粘弾性体（エポキシ樹脂）３２との組合せを用い、粘弾性体３２をコイルばね３１の中に入れ、粘弾性体３２の両端と、コイルばね３１の両端とにフランジ３３を取り付け、コイルばね３１と粘弾性体３２との複合体に作用する荷重方向の弾性中心を粘弾性体側に包蔵させて両者を一体にネジで緊締したものであり、この種の除振装置は、一般に、除振機能が受動的であることからパッシブ除振装置といわれている。

この装置を機械器具の支持に用いれば、外力に対して大きな減衰性を得ることができる。ところで、特許文献１に示す上記パッシブ除振装置において、垂直方向に加えられる外力に対して除振性能を上げるため、すなわち、除振装置の共振周波数を低くするためには、負荷荷重によるコイルばねの圧縮量をできるだけ大きくするようにアスペクト比の大きいばね（直径が大きいばね）が選定されるが、負荷荷重によるコイルばねの圧縮量をできるだけ大きくするようにばねが選定されると、確かに、垂直方向に軟らかな性能が得られるものの、同時に水平方向には、逆の特性が強く現れてくる。

もっとも、垂直方向のコイルばねのたわみ量は、ばねの線材同士の接触によって限界に達するが、横方向では、ばねのアスペクト比にもよるが、コイルばねのたわみによって座屈を生ずるという問題がある。コイルばねに座屈が生じたときには、もはや機械器具を支持することができない。コイルばね３１と円柱状の粘弾性体（エポキシ樹脂）３２との組合せによる除振装置（図７（ａ）参照）の除振メカニズムを示す。図７（ｂ）において、粘弾性体（エポキシ樹脂）３２を組合さないでコイルばね３１だけの除振装置を想定したときに、その鉛直方向の共振周波数ｆ_０は、近似的に式（１）であらわされる。
ｆ_０＝５／√たわみ量（ｃｍ）・・・・（１）

また、コイルばね３１と、粘弾性体３２との組合せた図７（ａ）の除振装置の性能を表す振動伝達率（単位ｄＢ）は、除振装置の上端をＵ、下端をＤとして、式（２）のとおりである。
ｄＢ＝２０ｌｏｇＵの振動／Ｄの振動・・・（２）

図７（ｂ）において、曲線Ａは、コイルばね３１の共振周波数がｆ_０のときのコイルばね３１だけを用いた除振装置の振動伝達特性を示している。図は、説明を分かりやすくするため、サージングの波形は図示を省略してある。このとき、コイルばね３１は低周波領域で振動増幅され、共振周波数ｆ_０で振動倍率がピークとなる。（１）式により、曲線Ａにおける共振周波数ｆ_０を下げるには、垂直方向のたわみ量を大きくすることである。

共振周波数ｆ_０を下げることによって、曲線Ｂのように共振周波数ｆ_０を頂点とした領域の共振倍率が上昇する。共振周波数ｆ_０を下げることによって上昇したコイルばねの共振倍率は、そのコイルばね３１に粘弾性体３２を組合せることによって、下げることができ、同時にサージングも解消できる。曲線Ｃは、曲線Ｂの特性のコイルばね３１に粘弾性体３２を組合せた除振装置の特性を示している。

図に明らかな通り、曲線Ｂは、曲線Ａよりも共振周波数が低下するが、コイルばね３１に粘弾性体３２を組合せた除振装置の減衰曲線Ｃは、曲線Ｂよりも増大するものの、その共振周波数は曲線Ａの共振周波数に匹敵し、かつ共振倍率を大幅に低下させることができる。なお、説明を分かりやすくするため、サージング波形は図示を省略してある。

しかし、コイルばね３１の共振周波数を低下させることは、圧縮量を大きくすることであり、コイルばね３１に用いたばねが水平方向にずれやすくなり、この結果、コイルばねが真っ直ぐに縮まらず、除振装置に支えるべき物体が横方向にずれっぱなしになるという問題が生ずるのである。

このように、コイルばねを用いた除振装置については、単に減衰材料として粘弾性体を組み合わせるだけでは問題の解決は難しい。その最も大きな原因は、図８（ｂ）に示したように、コイルばねの減衰特性が、低周波領域に共振点があり、共振点を含む低周波の一定範囲の周波数領域では、振動が増幅して減衰作用が機能しないという点である。

このため、前述のように如何に共振周波数での共振倍率を下げるかという点に努力が払われ、共振倍率を下げるためにやわらかいばねを選ぶと、座屈が生じて除振装置の用を成さないという悪循環を繰り返すことになっていたのである。このようなパッシブ除振装置に対応してより積極的に外来の微振動の機器搭載台への伝播を打ち消す機能を備えた装置としてアクティブ除振装置がある。

特許文献２に記載されたアクティブ除振装置は、振動センサとピエゾアクチュエータとの組合せをテーブルと床間に組み込み、テーブルの動きと床の動きとを振動センサで検知し、検知される振動に基づいて、その振動を打ち消す駆動信号をピエゾアクチュエータに出力してテーブルを除振する装置である。
特開昭６３−３０６２８号公報 特許公開平５−１４９３７９号公報

解決しようとする問題点は、コイルばねを組み込んだ従来のパッシブ除振装置においては、コイルばねの共振点を含む低周波領域では、振動が増幅して減衰できないという点である。

本発明は、アクティブ除振装置に、微小変位アクチュエータとコイルばねとのと組合せを用い、ばねの伸縮による垂直方向の変位を補償する方向に微小変位アクチュエータを駆動し、パッシブ除振機構に生ずる低周波領域での振動増幅をなくし、低周波領域から高周波領域の広い範囲にわたって減衰特性を維持する点を主要な特徴とする。本発明において、微小変位アクチュエータとは、加えた電界に比例した力あるいは歪を発生させるピエゾ素子あるいは、磁気歪効果を有する磁歪素子を用いたアクチュエータを意味する。

本発明によるアクティブ除振装置によれば、粘弾性体とコイルばねとの組合せによるパッシブ除振装置のように粘弾性体の機能には依存せず、また、コイルばねの機能を損なわずに低周波領域での外来の振動を短時間で減衰させ、搭載機器を静粛に稼動して、搭載機器による製品の加工精度あるいは搭載機器による観測物体の測定精度を飛躍的に向上することができる。

コイルばねに生ずる低周波領域での振動増幅を抑えるという目的を、コイルばねに直列に微小変位アクチュエータを組合せることによって実現した。

図１は、本発明によるアクティブ除振装置を組み込んだ除振マウントの１実施例を示す除振マウントの基本的構成を示す図である。この実施例において、除振マウントＡは、上段プレート１と、下段プレート２との間に、弾性支持体３と、変位センサ４と、アクティブ除振装置５とを並列に組み込んだものである。

弾性支持体３は、専ら上段プレート１に上方から加えられる重量を弾性的に支えるためのものであり、この例では弾性支持体にコイルばねを用いている。弾性支持体３と、変位センサ４と、アクティブ除振装置５とは、図２に示すように四角形の上段プレート１と下段プレート２の四隅に配置されるが、図１では説明の都合上、弾性支持体３と、変位センサ４と、アクティブ除振装置５とを横並びに図示している。

図２において、弾性支持体３として、一方の対角線上の２隅に同じばね特性のコイルばねを設置し、変位センサ４とアクティブ除振装置５とを他の対角線上に配置している。変位センサ４は、除振マウントの高さの変化、すなわち、上下段プレート１，２間の間隔の変化を無接点で検知するセンサであり、上段プレート１と下段プレート２のいずれか一方のプレートに変位センサ４のセンサ部４ａを設置し、他方のプレートには、センサ部４ａに向き合わせて高さ検知部４ｂを設置している。

変位センサ４は、センサ部４ａと高さ検知部４ｂとの間隔の変化を検知し、アクティブ除振装置５に対して制御信号を出力するものである。アクティブ除振装置５は、微小変位アクチュエータ６と直列にコイルばね７を組み合せたものである。微小変位アクチュエータ６は、除振マウントＡの振動による変位を補償して低周波領域でのコイルばね３および７の振動増幅を阻止するものであり、コイルばね７は、荷重を支えるとともに、微小変位アクチュエータの高周波振動を減衰させるものである。微小変位アクチュエータ６に、ピエゾ素子を用いた場合のアクティブ除振装置５の構成を図３に示す。図３において、微小変位アクチュエータは、ピエゾアクチュエータ６であり、ピエゾアクチュエータ６は、チタン酸・ジルコン酸・鉛（Ｐｂ[Ｚｒ、Ｔｉ]Ｏ_３）を素材とするピエゾセラミックチップの積層体８をステンレス筒９内に設置し、積層体８に与圧を与え、積層体８の上面に出力ロッド１０を取付けてこれをステンレス筒９から上方に突出させたものであり、ケーブル１１を通じて積層体８に電界を加えると、逆圧電効果により加えられた電界の大きさに比例した力が発生し、その力が出力ロッド１０に取り出される。

この実施例において、ピエゾアクチュエータ６は、下段プレート２上に設置され、コイルばね７は、ボール１２を介して出力ロッド１０に支持させたばね支持部１３と上段プレート１間に介装されている。

本発明による除振マウントＡは、図４に示すように、テーブル１４の四隅に設置し、テーブル１４上には機器１５を搭載する。実施例において、テーブル１４を通じて外来の微振動が搭載機器１５に伝えられたときに、各隅のアクティブ除振マウントＡは、微振動の加振方向に従って圧縮し、伸長する。

除振マウントＡ１が圧縮されると、弾性支持体３のコイルばね及びアクティブ除振装置５のコイルばね７が縮み、変位センサ４のセンサ部４ａが高さ検知部４ｂに接近し、その間隔の変化がセンサ部４aに検知され、変位の検出信号が変位センサ４から出力され、その検出出力に応じた制御信号がピエゾアクチュエータ６に入力される。

ピエゾアクチュエータ６は、その制御信号に応答して出力ロッド１０が動作し、コイルばね７の圧縮による高さの減少を補償する方向に突出する。逆に除振マウントＡが伸長すると、ピエゾアクチュエータの出力ロッド１０は、逆にステンレス筒９内に後退してコイルばねの伸長による高さの増大を補償する。ここに、除振マウントの高さの変化量×ばね定数×ばねの本数が変位を生じさせる外力になるので、ピエゾアクチュエータの出力ロッドの変位×ばね定数＝変位を生じさせる外力になるようにピエゾアクチュエータの全長を変化させることによって、除振マウントの高さの変化あるいは状況によって生ずる傾きをもとに戻すことができる。

この実施例において、弾性支持体３として用いた２本のコイルばねと、アクティブ除振装置に用いたコイルばね７とは必ずしも同じものではないが、説明を簡単にするために、例えば、両者のばね定数が同じであるとすると、除振装置が１μ押し下げられたときにピエゾアクチュエータにコイルばね７を３μ圧縮させる力を発生させればよいことになる。

しかしながら、正確にピエゾアクチュエータ６の出力ロッド１０の変位×ばね定数＝変位を生じさせる外力になるようにピエゾアクチュエータ６の全長を変化させることは、除振マウントＡの弾性支持体を含むコイルばねを共振させることにもなりかねない。除振マウントＡの高さの変化を補償するには、必ずしもピエゾアクチュエータ６の変位を除振マウントＡの高さの変化の逆位相に正確に追従させる必要はなく、除振マウントＡの高さの変化を補償する方向にピエゾアクチュエータ６を適宜駆動することによって、弾性支持体およびアクティブ除振装置のコイルばねの振動を減衰できる。

パッシブ除振装置に組み込まれたコイルばねの振動は、共振周波数を含む低周波領域で振動増幅が生じていたが、本発明によれば、コイルばねの低周波領域では、その変位はピエゾアクチュエータの出力ロッドの変位によって高さの変化が補償され、理想的には図５に示すように、低周波領域での減衰が「０」となり、振動増幅が生ずることがない。

一方、高周波領域では、ピエゾアクチュエータ６が実質的に高周波振動を引き起こすことになるが、その振動は、ピエゾアクチュエータ６と直列に接続されたコイルばね７に減衰され、結局高周波領域での振動の減衰特性を維持することができる。以上実施例においては、アクティブ除振装置にピエゾアクチュエータを用い、ピエゾアクチュエータ６には、ピエゾ素子としてチタン酸・ジルコン酸・鉛（Ｐｂ[Ｚｒ、Ｔｉ]Ｏ_３）を素材とするピエゾセラミックチップの積層体を組み込んだ例を説明したが、アクティブ除振装置には、ピエゾ素子に限らず、磁界中で伸び縮みする磁歪素子のような物質を組み込んだアクチュエータを用いて同効の機能を実現することができる。

本発明によるアクティブ除振装置を組み込んだ除振マウントは、コンピュータや通信機器に用いる電子デバイスの回路パターンを形成するＩＣ露光機や回路パターンを読み取る３次元測定器のように１μｍ以下の振動が問題となる機器の除振支持機構に用いて、パッシブ除振装置の欠点である低周波領域で起こる振動増幅を抑え、増幅特性を周波数領域を超える高周波領域での減衰特性はそのまま維持することができる。

本発明によるアクティブ除振装置を組み込んだ除振マウントの基本構成を示す図である。 除振マウントの平面略示図である。 アクティブ除振装置の構成図である。 除振マウントでテーブルを支えた状態を示す図である。 本発明による除振マウントによる振動減衰特性を示す図である。 特許文献１に記載されたパッシブ除振マウントの構造を示す図である。 （ａ）はパッシブ除振マウントの構成、（ｂ）は弾性体及びパッシブ除振マウントの減衰特性を示す図である。

符号の説明

１ 上段プレート
２ 下段プレート
３ 弾性支持体
４ 変位センサ
４ａ センサ部
４ｂ 高さ検知部
５ アクティブ除振装置
６ 微小変位アクチュエータ（ピエゾアクチュエータ）
７ コイルばね
８ セラミックチップの積層体
９ ステンレス筒
１０ 出力ロッド
１１ ケーブル
１２ ボール
１３ ばね支持部
１４ テーブル
１５ 搭載機器

Claims (6)

1. 微小変位アクチュエータとコイルばねとを組合せたアクティブ除振装置であって、
   微小変位アクチュエータは、コイルばねの振動による変位を補償して低周波領域でのコイルばねの振動増幅を阻止するものであり、
   コイルばねは、荷重を支えるとともに、微小変位アクチュエータの高周波振動を減衰するものであることを特徴とするアクティブ除振装置。
2. 微小変位アクチュエータとコイルばねとは直列に組合されているものであることを特徴とする請求項１に記載のアクティブ除振装置。
3. 微小変位アクチュエータは、チタン酸・ジルコン酸・鉛を素材とするピエゾセラミックチップの積層体の有する逆圧電効果を利用したものであることを特徴とするアクティブ除振装置。
4. 請求項１、２又は３に記載のアクティブ除振装置を組み込んだアクティブ除振マウントであって、
   アクティブ除振装置は、ばねの伸縮による垂直方向の変位を補償する方向に微小変位アクチュエータを駆動し、パッシブ除振機構に生ずる低周波領域での振動増幅をなくし、低周波領域から高周波領域の範囲にわたって減衰特性を改善するものであることを特徴とするアクティブ除振マウント。
5. 上段プレートと、下段プレートとの間に、弾性支持体と、変位センサと、アクティブ除振装置とを組み込んだアクティブ除振マウントであって、
   弾性支持体は、専ら上段プレートに上方から加えられる重量を弾性的に支えるためのものであり、
   アクティブ除振装置は、微小変位アクチュエータとコイルばねとを直列に組み合わせたものであり、
   微小変位アクチュエータは、変位センサの制御信号を入力としてコイルばねの振動による変位を補償して低周波領域でのコイルばねの振動増幅を阻止するものであり、
   コイルばねは、荷重を支えるとともに、微小変位アクチュエータの高周波振動を減衰するものであり、
   変位センサは、上下段プレート間の間隔の変化を無接点で検知して微小変位アクチュエータに制御信号を出力するものであることを特徴とするアクティブ除振マウント。
6. 弾性支持体は、コイルばねであり、弾性支持体の対と、変位センサおよびアクティブ除振装置とは対をなして、それぞれ四角形の上段プレートと下段プレートの対角線上の位置に配置されているものであることを特徴とする請求項３に記載のアクティブ除振マウント。

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