JP2007107722A - Vibration isolating method and its device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a vibration isolating method and its device, which provide not only passive vibration isolation for the purpose of insulation of ground motion disturbance, but also active vibration isolation coping with spring disturbance, being applied to various devices such as an NC machine, a machine tool in a machining center and the like, and a stepper in an IC business field, and achieves machining of high accuracy by insulating a machining table and the like from disturbance. <P>SOLUTION: This vibration insulating method is constituted to insulate vibration conducting from a floor 6 to a first member 1 by mounting a spring 5 having prescribed positive spring characteristic between the floor 6 and the first member 1. Here, a negative spring characteristic is applied between the first member 1 and a second member 2 on which load is placed, by a supporting mechanism composed of an actuator 25 and a control device 26, to insulate the vibration conducting from the first member 1 to the second member 2. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、機器の除振に係り、地動外乱の絶縁を目的とするパッシブ除振のみならず、ばね上の外乱にも対処できるアクティブ除振をも可能とする除振方法およびその装置に関するもので、NC機械、マシニングセンター等の工作機械からIC業界のステッパーに代表される各種機器にまで採用され、加工テーブル等を外乱から絶縁して高精度加工を達成せんとするものである。  TECHNICAL FIELD The present invention relates to vibration isolation of equipment, and to a vibration isolation method and apparatus capable of active vibration isolation that can cope with disturbance on a spring as well as passive vibration isolation for the purpose of isolating ground disturbance. Therefore, it is used for machine tools such as NC machines and machining centers, as well as various devices typified by steppers in the IC industry, to insulate processing tables from disturbances and achieve high-precision machining.

現在、半導体デバイス製造システムや極微小領域計測システム等では、急速に高精度化、高性能化してきており、これらのシステムでは、振動等の外乱を除去する除振、防振装置の重要性が増大している。除振装置で除去すべき振動外乱は、設置床からの振動に起因する地動外乱と、装置のばね上に入力される直動外乱とに大別でき、前者には低剛性の機構が適しており、後者には高剛性の機構が適している。図11は、地動外乱を絶縁して除振する従来のパッシブ除振システムを示すのもので、床36からの振動伝達率を低くするためにばね定数kを小さくしてばね剛性を小さくすると、除振テーブル32(質量m)上の質量変化Δmや除振テーブル32に作用する荷重の変化等のばね上での外乱に対して弱くなってしまう。逆に、ばね上での外乱に対してはある程度ばね剛性を大きくする必要がある。このような外乱吸収のための低剛性機構と、位置、姿勢保持のための高剛性機構という相反する特性が要求される。  At present, semiconductor device manufacturing systems and ultra-small area measurement systems are rapidly increasing in accuracy and performance, and in these systems, the importance of vibration isolation and vibration isolation devices that remove disturbances such as vibrations is important. It is increasing. Vibration disturbances to be removed by the vibration isolation device can be broadly classified into ground disturbances caused by vibrations from the installation floor and linear motion disturbances that are input on the springs of the device. For the latter, a highly rigid mechanism is suitable. FIG. 11 shows a conventional passive vibration isolation system that insulates and isolates ground disturbance, and in order to reduce the vibration transmissibility from the floor 36, if the spring constant k is decreased and the spring rigidity is decreased, It becomes weak against disturbance on the spring such as mass change Δm on the vibration isolation table 32 (mass m) and load change acting on the vibration isolation table 32. On the contrary, it is necessary to increase the spring rigidity to some extent against disturbance on the spring. The contradictory characteristics of such a low-rigidity mechanism for absorbing disturbance and a high-rigidity mechanism for maintaining position and posture are required.

一般に、正のばね定数k1 、k2 を有する2つのばね35−1、35−2を直列に結合して1つの除振機構を構成すると、そのばね定数は次式で求められる。
kc =k1 k2 /(k1 +k2 ) (1)
つまり、通常の正のばね定数を有するばねを直列に結合すると、結合してできたばね定数は、結合前のばね定数より必ず小さくなるものである。したがって、これら従来のばねのみを使用した除振装置では、質量変化や振動等のばね上での外乱に対して高い剛性を確保することが極めて困難であることから、アクティブ除振制御装置が提案された。
Generally, when two vibration springs 35-1 and 35-2 having positive spring constants k1 and k2 are connected in series to constitute one vibration isolation mechanism, the spring constant is obtained by the following equation.
kc = k1 k2 / (k1 + k2) (1)
That is, when a spring having a normal positive spring constant is coupled in series, the spring constant formed by the coupling is necessarily smaller than the spring constant before the coupling. Therefore, with these conventional vibration isolation devices that use only springs, it is extremely difficult to ensure high rigidity against disturbances on the spring, such as mass changes and vibrations, so an active vibration isolation control device is proposed. It was done.

図12は、一般的なアクティブ除振制御装置の原理を示したもので、除振台110上に設置された加速度センサ114による検出信号に基づいてコントローラ115によって除振台110の振動を抑制する制御入力を計算し、求められた制御入力によって、ばね111および減衰器112と並列に設置されたアクチュエータ113を動作させることによって除振制御を行う。 FIG. 12 shows the principle of a general active vibration isolation control device. The controller 115 suppresses the vibration of the vibration isolation table 110 based on a detection signal from the acceleration sensor 114 installed on the vibration isolation table 110. The control input is calculated, and the vibration isolation control is performed by operating the actuator 113 installed in parallel with the spring 111 and the attenuator 112 according to the obtained control input.

しかしながら、このようなアプローチは、除振台や床の振動が正確に検出されることを前提としており、実現化されるには、低周波の振動まで感度良く検出できるサーボ型加速度センサを用いる必要があるために高価格になる上、採用されるサーボ型加速度センサによっては、直動外乱に対する剛性が未だ充分とは言い難く、完全な振動絶縁性能を確保するには不充分であった。 However, this approach is based on the premise that vibrations from the vibration isolation table and floor are accurately detected. To realize this approach, it is necessary to use a servo-type acceleration sensor that can detect even low-frequency vibrations with high sensitivity. Therefore, depending on the servo type acceleration sensor employed, the rigidity against the direct acting disturbance is still not sufficient, and it is insufficient to ensure complete vibration insulation performance.

そこで本発明では、前記従来の除振方法およびその装置の課題を解決して、地動外乱に対する振動絶縁性能を損なうことなく、直動外乱に対する高い剛性を確保して、高い除振機能を発揮して精密加工等を可能にする除振方法およびその装置を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention solves the problems of the conventional vibration isolation method and the device thereof, secures high rigidity against linear motion disturbance without damaging the vibration insulation performance against ground motion disturbance, and exhibits a high vibration isolation function. It is an object of the present invention to provide a vibration isolation method and apparatus that enable precision machining and the like.

このため本発明が採用した技術解決手段は、
床と第1部材との間に所定の正のばね特性を有するばねを配設して床から第1部材に伝わる振動を絶縁するとともに、前記第1部材と負荷を載置する第2部材との間に、アクチュエータと制御装置から構成される支持機構により負のばね特性を付与し、前記第1部材から第2部材に伝わる振動を絶縁することを特徴とする除振方法である。
また、床から立設した支柱と第1部材との間に、アクチュエータと制御装置から構成される支持機構により負のばね特性を付与して前記支柱から第1部材に伝わる振動を絶縁するとともに、前記第1部材に対向して配置した第2部材と、前記第1部材との間に所定の正のばね特性を有するばねを配設することによって、前記第1部材から第2部材に伝わる振動を絶縁することを特徴とする除振方法である。
また、前記第1部材は中間部材であり、前記第2部材は除振テーブルであることを特徴とする除振方法である。
また、床と、所定の正のばね定数を有するばねと、そのばねによって前記床上に支持される第1部材と、該第1部材に対して対向して配置され負荷を載置するための第2部材とを備え、前記第1部材と第2部材との間には、アクチュエータと制御装置から構成される負のばね特性を有する支持機構を配置したことを特徴とする除振装置である。
また、床に立設した支柱と、前記支柱に対向して配置した第1部材と、前記第1部材に対して対向して配置され負荷を載置するための第2部材と、前記第1部材と第2部材との間に配置される正のばね定数を有するばねとを備え、前記支柱と第1部材との間にはアクチュエータと制御装置から構成される負のばね特性を有する支持機構を配置したことを特徴とする除振装置である。
また、前記第1部材は中間部材であり、前記第2部材は除振テーブルであることを特徴とする除振装置である。
また、前記ばねと併設して所定の減衰率の減衰装置を設置したことを特徴とする除振装置である。
また、前記アクチュエータと併設して所定のばね定数のばねおよび所定の減衰率の減衰装置を設置したことを特徴とする除振装置である。
また、前記アクチュエータの伸びを荷重の増減に応じて増減させるように構成したことを特徴とする除振装置である。
また、前記アクチュエータがボイスコイルモータ、リニアモータ、空気圧アクチュエータ、油圧アクチュエータ等のリニアアクチュエータであり、前記制御装置が変位センサおよび制御回路ならびに電力増幅器から構成されたことを特徴とする除振装置である。
Therefore, the technical solution adopted by the present invention is:
A spring having a predetermined positive spring characteristic is disposed between the floor and the first member to insulate vibration transmitted from the floor to the first member, and the first member and the second member for placing a load thereon In the vibration isolation method, a negative spring characteristic is imparted by a support mechanism including an actuator and a control device, and vibration transmitted from the first member to the second member is insulated.
In addition, while insulating a vibration transmitted from the support column to the first member by providing a negative spring characteristic by a support mechanism constituted by an actuator and a control device between the support column and the first member erected from the floor, Vibration transmitted from the first member to the second member by disposing a spring having a predetermined positive spring characteristic between the second member disposed opposite to the first member and the first member. Is a vibration isolation method characterized by insulating
The first member is an intermediate member, and the second member is a vibration isolation table.
A floor; a spring having a predetermined positive spring constant; a first member supported on the floor by the spring; and a first member disposed opposite to the first member for mounting a load. The vibration isolator includes two members, and a support mechanism having a negative spring characteristic composed of an actuator and a control device is disposed between the first member and the second member.
A first support member disposed on the floor; a first member disposed opposite to the first support member; a second member disposed opposite to the first member for placing a load; and the first member. A support mechanism having a negative spring characteristic, which includes a spring having a positive spring constant disposed between the member and the second member, and includes an actuator and a control device between the support column and the first member. This is a vibration isolator characterized by the arrangement.
The first member is an intermediate member, and the second member is a vibration isolation table.
Further, the vibration isolator is provided with an attenuator having a predetermined attenuation factor in combination with the spring.
In addition, the vibration isolator is provided with a spring having a predetermined spring constant and an attenuation device having a predetermined attenuation rate in combination with the actuator.
Further, the vibration isolator is configured to increase or decrease the elongation of the actuator according to the increase or decrease of the load.
The actuator is a linear actuator such as a voice coil motor, a linear motor, a pneumatic actuator, or a hydraulic actuator, and the control device includes a displacement sensor, a control circuit, and a power amplifier. .

以上、詳細に説明したように、本発明では、床と第1部材との間にばねを配設して床から第1部材に伝わる振動を絶縁するとともに、前記第1部材と第2部材との間にアクチュエータと制御装置からなる負のばね特性を付与することによって、前記第1部材から第2部材に伝わる振動を絶縁するように構成したことにより、前記第1部材から第2部材に伝わる振動を絶縁して、除振テーブルの地動外乱に対する振動絶縁性能を損なうことなく、直動外乱に対する高い剛性を確保して、高い除振機能を発揮して精密加工等を可能にすることは無論のこと、負のばね特性を得るために種々のアクチュエータの採用が可能となって設計の自由度が向上する。 As described above in detail, in the present invention, a spring is provided between the floor and the first member to insulate vibration transmitted from the floor to the first member, and the first member and the second member By providing a negative spring characteristic between the first member and the second member by providing a negative spring characteristic between the first member and the second member, the vibration is transmitted from the first member to the second member. Of course, it is not possible to insulate vibration and ensure high rigidity against linear motion disturbance without damaging the vibration isolation performance against vibration disturbance of the vibration isolation table, and to realize high vibration isolation function and enable precision machining, etc. In other words, various actuators can be employed to obtain negative spring characteristics, and the degree of freedom in design is improved.

また、前記床と中間台との間に、前記ばねと併設して所定の減衰率の減衰装置を設置した場合は、共振の発生を抑制して全体としてより高い除振機能を発揮させることができる。さらに、前記中間台に設けられた電磁石の吸引力を永久磁石が設けられた除振テーブルへ作用する荷重の増減に応じて増減させるように構成した場合、あるいは前記中間台に設けられたアクチュエータの伸びを除振テーブルへ作用する荷重の増減に応じて増減させるように構成した場合は、除振テーブルへの配線を避けることができるので、制御設備が簡素化される。 In addition, when a damping device having a predetermined damping rate is installed between the floor and the intermediate platform in combination with the spring, it is possible to suppress the occurrence of resonance and exhibit a higher vibration isolation function as a whole. it can. Furthermore, when it is configured to increase or decrease the attractive force of the electromagnet provided on the intermediate table in accordance with the increase or decrease of the load acting on the vibration isolation table provided with the permanent magnet, or the actuator provided on the intermediate table In the case where the elongation is increased or decreased according to the increase or decrease of the load acting on the vibration isolation table, wiring to the vibration isolation table can be avoided, so that the control equipment is simplified.

また、前記中間台に設けられた電磁石と永久磁石から構成される複合磁石の、強磁性体が設けられた除振テーブルに対する吸引力を除振テーブルへ作用する荷重の増減に応じて増減させるように構成した場合には、除振テーブルへの配線を避けることができると同時に、強磁性体だけが設置される除振テーブルの製作が容易になる。さらにまた、前記除振テーブルに設けられた電磁石の、永久磁石が設けられた中間台に対する吸引力を除振テーブルへ作用する荷重の増減に応じて増減させるように構成した場合は、永久磁石のみが設置される中間台の構成を簡素化できる。また、前記除振テーブルに設けられた電磁石と永久磁石から構成される複合磁石の、強磁性体が設けられた中間台に対する吸引力を除振テーブルへ作用する荷重の増減に応じて増減させるように構成した場合には、強磁性体だけが設置される中間台の製作が容易になる。 Further, the attraction force of the composite magnet composed of the electromagnet and the permanent magnet provided on the intermediate table to the vibration isolation table provided with the ferromagnetic material is increased or decreased according to the increase or decrease of the load acting on the vibration isolation table. In this case, wiring to the vibration isolation table can be avoided, and at the same time, it becomes easy to manufacture the vibration isolation table in which only the ferromagnetic material is installed. Furthermore, when the electromagnet provided on the vibration isolation table is configured to increase / decrease the attraction force with respect to the intermediate table provided with the permanent magnet according to the increase / decrease of the load acting on the vibration isolation table, only the permanent magnet is provided. It is possible to simplify the configuration of the intermediate platform on which is installed. Further, the attraction force of the composite magnet composed of the electromagnet and the permanent magnet provided on the vibration isolation table to the intermediate base provided with the ferromagnetic material is increased or decreased according to the increase or decrease of the load acting on the vibration isolation table. In this case, it becomes easy to manufacture an intermediate stand on which only a ferromagnetic material is installed.

また、床と第1部材との間にゼロパワー特性を有する磁気浮上機構を配設した場合、あるいは床に対してアクチュエータと制御装置から構成されて所定の負のばね特性を有する支持機構によって支持された中間台と、該中間台に所定の正のばね定数を有するばねによって支持された除振テーブルとから構成された場合は、磁気浮上機構の磁力制御、あるいはアクチュエータの制御が静止側である床との間にて行えるので、配線等の取りまわしが簡素化される。さらに、前記中間台と除振テーブルとの間に、前記アクチュエータと併設して所定のばね定数のばねおよび所定の減衰率の減衰装置を設置した場合は、ばねで除振テーブルの重量を支持することによりアクチュエータのエネルギ消費を低減し、さらに除振系の共振を避けて減衰特性を改善することができる。かくして、本発明によれば、地動外乱に対する振動絶縁性能を損なうことなく、直動外乱に対する高い剛性を確保して、高い除振機能を発揮して精密加工等を可能にする除振方法およびその装置が提供される。 Further, when a magnetic levitation mechanism having zero power characteristics is disposed between the floor and the first member, or supported by a support mechanism having a predetermined negative spring characteristic that is configured of an actuator and a control device for the floor. And a vibration isolation table supported by a spring having a predetermined positive spring constant on the intermediate table, the magnetic force control of the magnetic levitation mechanism or the control of the actuator is on the stationary side. Since it can be performed between floors, wiring and the like are simplified. Further, when a spring having a predetermined spring constant and a damping device having a predetermined damping rate are installed between the intermediate platform and the vibration isolation table in combination with the actuator, the weight of the vibration isolation table is supported by the spring. As a result, the energy consumption of the actuator can be reduced, and the damping characteristics can be improved by avoiding resonance of the vibration isolation system. Thus, according to the present invention, a vibration isolation method that ensures high rigidity against linear motion disturbance without damaging the vibration insulation performance against ground motion disturbance, exhibits high vibration isolation function and enables precision machining, and the like. An apparatus is provided.

本発明は、床と第1部材との間に所定の正のばね特性を有するばねを配設して床から第1部材に伝わる振動を絶縁するとともに、前記第1部材と負荷を載置する第2部材との間に、アクチュエータと制御装置から構成される支持機構により負のばね特性を付与し、前記第1部材から第2部材に伝わる振動を絶縁することによって、前記第1部材から第2部材に伝わる振動を絶縁して、除振テーブルの地動外乱に対する振動絶縁性能を損なうことなく、直動外乱に対する高い剛性を確保して、高い除振機能を発揮して精密加工等を可能にすることは無論のこと、負のばね特性を得るために種々のアクチュエータの採用が可能となって設計の自由度が向上する。 According to the present invention, a spring having a predetermined positive spring characteristic is disposed between the floor and the first member to insulate vibration transmitted from the floor to the first member, and the first member and the load are mounted. A negative spring characteristic is provided between the second member and the second member by a support mechanism including an actuator and a control device, and vibration transmitted from the first member to the second member is insulated from the first member. Insulates vibration transmitted to the two members, ensures high rigidity against linear motion disturbance without impairing vibration isolation performance against vibration disturbance of the vibration isolation table, enables high vibration isolation function and enables precision machining, etc. Of course, various actuators can be used to obtain negative spring characteristics, and the degree of freedom in design is improved.

以下、本発明の除振方法およびその装置の実施の形態を図面に基づいて説明する。本発明は、正のばね特性を有する支持機構と、負のばね特性を有する支持機構とを直列に接続することによって、装置上で発生する直動外乱に対して略無限大の剛性を有せしめるとともに、床に対する振動を絶縁することを特徴とするもので、先ず、負のばね特性を有する支持機構として、ゼロパワー特性を有する磁気浮上機構を用いた実施の形態について説明する。図1は本発明の除振方法およびその装置の第1実施の形態を示すもので、本発明は、床6と中間台である第1部材1との間にばね5を配設して床6から第1部材1に伝わる振動を絶縁するとともに、前記第1部材1と除振テーブルである第2部材2との間に永久磁石3と電磁石4とから構成されるゼロパワー特性を有する磁気浮上機構を配設することによって、前記第1部材1から第2部材2に伝わる振動を絶縁することを特徴とする。本実施の形態では、床6に対して所定の正のばね定数kP のばね5によって支持された中間台1と、該中間台1に対して永久磁石3と電磁石4とから構成されて所定の負のばね定数ksのゼロパワー特性を有する磁気浮上機構によって支持された除振テーブル2とから構成され、図示の例では、中間台1に設けられた電磁石4の吸引力を永久磁石3が設けられた除振テーブル2の質量増加等に起因する荷重の増減に応じて増減させるように適宜の制御装置(図示省略)により制御するように構成したものである。 Embodiments of the vibration isolation method and apparatus of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the present invention, a support mechanism having a positive spring characteristic and a support mechanism having a negative spring characteristic are connected in series, thereby providing almost infinite rigidity against a linear motion disturbance generated on the apparatus. In addition, an embodiment using a magnetic levitation mechanism having zero power characteristics as a support mechanism having negative spring characteristics will be described first. FIG. 1 shows a first embodiment of a vibration isolation method and apparatus according to the present invention. In the present invention, a spring 5 is disposed between a floor 6 and a first member 1 which is an intermediate platform. 6 which insulates the vibration transmitted from the first member 1 to the first member 1 and has a zero power characteristic composed of a permanent magnet 3 and an electromagnet 4 between the first member 1 and the second member 2 which is a vibration isolation table. By providing a levitation mechanism, the vibration transmitted from the first member 1 to the second member 2 is insulated. In the present embodiment, the intermediate base 1 supported by a spring 5 having a predetermined positive spring constant kP with respect to the floor 6, and the permanent base 3 and the electromagnet 4 with respect to the intermediate base 1 are provided. And a vibration isolation table 2 supported by a magnetic levitation mechanism having a zero power characteristic with a negative spring constant ks. In the illustrated example, the permanent magnet 3 provides the attractive force of the electromagnet 4 provided on the intermediate stand 1. The vibration isolation table 2 is configured to be controlled by an appropriate control device (not shown) so as to increase / decrease according to the increase / decrease of the load caused by the increase in mass or the like of the vibration isolation table 2.

なお、図2(A)に示すように、磁石による吸引力を増加させるために、永久磁石3と併用して強磁性体7を除振テーブル2側に配置してもよい。あるいは、図2(B)に示すように、永久磁石3を電磁石4の鉄心に埋め込んで複合磁石とし、除振テーブル2側には強磁性体7だけを設置してもよい。また、電磁石と永久磁石との配置を逆、すなわち除振テーブル2側に電磁石4を、中間台1側に永久磁石3を設け、電磁石4の吸引力を除振テーブル2に作用する荷重の増減に応じて増減させるように構成してもよい。この場合も、図2(C)に示すように、永久磁石3と併用して強磁性体7を中間台1側に設置してもよい。あるいは、図2(D)に示すように、永久磁石3を電磁石4の鉄心に埋め込んで複合磁石とし、中間台1側には強磁性体7だけを設置してもよい。 As shown in FIG. 2A, the ferromagnetic material 7 may be arranged on the vibration isolation table 2 side in combination with the permanent magnet 3 in order to increase the attractive force by the magnet. Alternatively, as shown in FIG. 2B, the permanent magnet 3 may be embedded in the iron core of the electromagnet 4 to form a composite magnet, and only the ferromagnetic material 7 may be installed on the vibration isolation table 2 side. Further, the arrangement of the electromagnet and the permanent magnet is reversed, that is, the electromagnet 4 is provided on the vibration isolation table 2 side, the permanent magnet 3 is provided on the intermediate stand 1 side, and the load applied to the vibration isolation table 2 is increased or decreased. You may comprise so that it may increase / decrease according to. Also in this case, as shown in FIG. 2C, the ferromagnetic material 7 may be installed on the intermediate table 1 side in combination with the permanent magnet 3. Alternatively, as shown in FIG. 2D, the permanent magnet 3 may be embedded in the iron core of the electromagnet 4 to form a composite magnet, and only the ferromagnetic body 7 may be installed on the intermediate platform 1 side.

次に、図3および図4を用いて本発明における中間台と除振テーブルとの間にて採用されるゼロパワー磁気浮上制御系について説明する。ゼロパワー制御は、電磁石と永久磁石とを組み合わせて構成された吸引型磁気浮上系で、図3に示すように、浮上対象物である除振テーブル12の重量を永久磁石13の吸引力のみで支持するとともに、支持固定側11における電磁石14のコイル電流を定常的にゼロに保持する制御方法である。aの静止状態では、除振テーブル12は力が釣り合った状態にて静止位置に停まっているが、bの荷重時に示すように、除振テーブル12に下向きの一定の外力(質量増加Δm等)が加わると、電磁石14のコイルに電流を流して除振テーブル12を引き上げようとする吸引力を発生させ、前記永久磁石13による吸引力と下向きの力が釣り合うように制御され、cに示すように、ギャップが狭くなる位置で電磁石14に流れる電流がゼロとなり静止状態となる。上記のような作用をする制御系は、図1では省略されているが、dに示すように、浮上対象物である除振テーブル12の支持固定側(図1の装置では中間台)に対する位置を検出する変位センサ21、該センサ21の出力信号に基づいて電磁石14のコイル電流を定常的にゼロに保持しながら除振テーブル12を浮上保持するための制御信号を生成する制御回路22と、該制御回路22の出力にしたがって電磁石14のコイルに所定の電流を流す電力増幅器23等から構成される制御装置20を用いて実現される。 Next, a zero power magnetic levitation control system employed between the intermediate platform and the vibration isolation table in the present invention will be described with reference to FIGS. Zero power control is an attraction type magnetic levitation system configured by combining an electromagnet and a permanent magnet. As shown in FIG. 3, the weight of the vibration isolation table 12 that is a levitating object is determined only by the attraction force of the permanent magnet 13. This is a control method in which the coil current of the electromagnet 14 on the support fixing side 11 is constantly maintained at zero while being supported. In the stationary state “a”, the vibration isolation table 12 stays at the stationary position in a state where the forces are balanced. However, as shown in the load “b”, the vibration isolation table 12 has a constant downward external force (mass increase Δm, etc.). ) Is applied, a current is applied to the coil of the electromagnet 14 to generate an attraction force for pulling up the vibration isolation table 12, and the attraction force by the permanent magnet 13 and the downward force are controlled to be balanced, as shown in c As described above, the current flowing through the electromagnet 14 becomes zero at a position where the gap becomes narrow, and the stationary state is established. Although the control system that performs the above operation is omitted in FIG. 1, as shown in d, the position relative to the support and fixing side of the vibration isolation table 12 that is a floating object (the intermediate platform in the apparatus of FIG. 1). A control circuit 22 for generating a control signal for levitating and holding the vibration isolation table 12 while constantly holding the coil current of the electromagnet 14 at zero based on an output signal of the sensor 21; This is realized by using a control device 20 including a power amplifier 23 and the like for supplying a predetermined current to the coil of the electromagnet 14 according to the output of the control circuit 22.

図4は通常のばね系との比較を説明するもので、図面左側に示すように、通常のばね系では、所定の正のばね定数のばねにより支持された質量m22が質量増加Δmを生じると、質量増加(荷重)方向に移動する、いわゆるパッシブ除振制御がなされる。これに対して、ゼロパワー制御では、図面右側に示すように、質量増加Δmが生じると、前記ばね系とは逆方向に質量m12が上方に移動してギャップを狭くするように電磁石14が制御される。そのため、見かけ上は負のばね定数を有するかのような挙動を示す。このゼロパワー制御によって実現される負のばね定数の性質を利用し、本発明では、通常の正のばね定数によるパッシブ除振制御と組み合わせることによって、ばね上での質量変化が生じても、質量mすなわち除振テーブル等が変位を生じないように構成したものである。 FIG. 4 illustrates a comparison with a normal spring system. As shown on the left side of the drawing, in the normal spring system, a mass m22 supported by a spring having a predetermined positive spring constant causes a mass increase Δm. In other words, so-called passive vibration isolation control that moves in the direction of mass increase (load) is performed. On the other hand, in the zero power control, as shown on the right side of the drawing, when the mass increase Δm occurs, the electromagnet 14 is controlled so that the mass m12 moves upward in the opposite direction to the spring system to narrow the gap. Is done. Therefore, it behaves as if it has a negative spring constant. By utilizing the property of the negative spring constant realized by this zero power control, in the present invention, even if the mass change on the spring occurs by combining with the passive vibration isolation control by the normal positive spring constant, the mass m, that is, the vibration isolation table or the like is configured so as not to be displaced.

すなわち、図1(b)に示すように、除振テーブル2に質量増加Δm等によって下向きの一定外力F0 (=Δmg)が加わると、ゼロパワー制御の作用によって、中間台1に設置された電磁石4と除振テーブルとの距離はF0 /ks だけ短くなる(ks はゼロパワー制御によって実現される負のばね定数)。したがって、ks =kP なる関係を満たすように除振装置が設計されていれば、除振テーブルは全く変位しないことになる。前記数式(1)kc =k1 k2 /(k1 +k2 )を用いて説明すると、ゼロパワー制御によってk1 =−k2 なる関係を満たす負のばね定数が実現できると、
|kc |=+∞ (2)
なるばね定数が得られる。すなわち、ばね定数の大きさが等しい正のばねと負のばねとを結合することによって、ばね定数が無限大のばねが得られる。これはコンプライアンスがゼロとなることを意味している。
That is, as shown in FIG. 1B, when a constant downward external force F0 (= Δmg) is applied to the vibration isolation table 2 due to a mass increase Δm or the like, the electromagnet installed on the intermediate stand 1 by the action of zero power control. The distance between 4 and the vibration isolation table is shortened by F0 / ks (ks is a negative spring constant realized by zero power control). Therefore, if the vibration isolation device is designed so as to satisfy the relationship ks = kP, the vibration isolation table will not be displaced at all. Describing using the equation (1) kc = k1 k2 / (k1 + k2) When a negative spring constant satisfying the relationship k1 = -k2 can be realized by zero power control,
| Kc | = + ∞ (2)
A spring constant is obtained. That is, by combining a positive spring and a negative spring having the same spring constant, a spring having an infinite spring constant can be obtained. This means zero compliance.

以下に、図1に示した本発明の除振制御系について理論解析を行う。
<基本方程式>本解析では各質量および床の垂直方向の変位のみを扱う。この系の運動方程式は次式のように求められる。

Figure 2007107722
Figure 2007107722
ここで、x1 、x2 :中間台、除振テーブルの平衡点からの変位
x0 :床の振動変位
kP :床から中間台を支持するばねのばね定数
fc :磁石の吸引力の動作点からの変動分
fd :除振テーブルに作用する直動外乱
また、cP は、図1には示されていないが、ばね5と並列に設置された減衰装置の減衰係数である。減衰装置がない場合はcP =0とすればよい。磁石の吸引力の変動分は、近似的に次のように表される。
fc =ks (x2 −x1 )+ki i (6)
ここで、ks :磁石の変位・吸引力係数
ki :磁石の電流・吸引力係数
i:制御電流 Hereinafter, a theoretical analysis is performed on the vibration isolation control system of the present invention shown in FIG.
<Basic equation> In this analysis, only the vertical displacement of each mass and floor is handled. The equation of motion of this system is obtained as follows:
Figure 2007107722
Figure 2007107722
Where x1, x2: intermediate platform, displacement from the equilibrium point of the vibration isolation table x0: vibration displacement of the floor kP: spring constant of the spring supporting the intermediate platform from the floor fc: fluctuation of the magnetic attraction force from the operating point Minute fd: Linear motion disturbance acting on the vibration isolation table Further, cP is a damping coefficient of a damping device that is not shown in FIG. If there is no attenuator, cP = 0. The fluctuation of the magnet attractive force is approximately expressed as follows.
fc = ks (x2-x1) + kii (6)
Where ks: displacement / attraction force coefficient of magnet ki: current / attraction force coefficient of magnet
i: Control current

<ゼロパワー制御系>ここでは、中間台と除振テーブルの相対変位から制御入力を構成する。この場合、ゼロパワー制御を達成する制御入力は一般に次のように表すことができる。
I(s)=−c2 (s)s(X2 (s)−X1 (s)) (7)
ここで、c2 (s)はゼロを極に持たない強プロパーな伝達関数で、制御系が安定になるように選定される。中間台のダイナミクスが無視できる場合には、2以上の次数を持つ制御器によって安定化が可能となる。
<Zero power control system> Here, the control input is constituted by the relative displacement between the intermediate platform and the vibration isolation table. In this case, the control input to achieve zero power control can generally be expressed as:
I (s) =-c2 (s) s (X2 (s) -X1 (s)) (7)
Here, c2 (s) is a strong proper transfer function having no zero and is selected so that the control system becomes stable. If the dynamics of the intermediate stage can be ignored, stabilization can be achieved by a controller having an order of 2 or more.

<基本特性の解析>簡単のため初期条件をゼロと仮定してラプラス変換すると、式(4)〜(7)から次式が求められる。
X1 (s)=(cP s+kP )t2 (s)X0 (s)/tc (s)+(ki c2 (s)s−ks )Fd (s)/tc (s) (8)
X2 (s)=(cP s+kP )(ki c2 (s)s−ks )X0 (s)/tc (s)+(m1 s2+(cP +ki c2 (s))s+kP −ks )Fd (s)/tc (s) (9)
ここで、 t1 (s)=m1 s2 +cP s+kP (10)
t2 (s)=m2 s2 +ki c2 (s)s−ks (11)
t3 (s)=t1 (s)t2 (s)+m2 s2 (ki c2 (s)s−ks )
(12)
<Analysis of basic characteristics> For simplicity, assuming that the initial condition is zero and performing Laplace transform, the following formula is obtained from formulas (4) to (7).
X1 (s) = (cP s + kP) t2 (s) X0 (s) / tc (s) + (ki c2 (s) s-ks) Fd (s) / tc (s) (8)
X2 (s) = (cPs + kP) (kic2 (s) s-ks) X0 (s) / tc (s) + (m1s2 + (cP + kic2 (s)) s + kP-ks) Fd (s) / tc (S) (9)
Where t1 (s) = m1 s2 + cP s + kP (10)
t2 (s) = m2 s2 + ki c2 (s) s-ks (11)
t3 (s) = t1 (s) t2 (s) + m2 s2 (ki c2 (s) s-ks)
(12)

各変数のラプラス変換は、対応する大文字で表している。直動外乱に対する剛性を評価するために、 Fd =F0 /s (F0 :const) (13)
とする。床の振動の影響を無視すると(x0 =0)、除振テーブルの定常変位x2 (∞)は、次のように求められる。
x2 (∞)/F0 =lim(m1 s2 −(cP +k1 c2 (s))s+kP
s→0
−ks )/lc (s)=(kP −ks )/kP (−ks )=1/kP −1/ks (14)
したがって、 kP =ks (15)
を満たすように除振装置が設計されていれば、
x2 (∞)/F0 =0 (16)
となる。これは、コンプライアンスがゼロ、すなわち剛性が無限大となることを意味する。また、中間台の変位x1 (∞)および電磁石と除振テーブルとのギャップの変動量(x1 (∞)−x2 (∞))は、それぞれ次のように求められる。
x1 (∞)/F0 =1/kP (17)
(x1 (∞)−x2 (∞))/F0 =1/ks (18)
したがって、除振テーブルに下向きの力(F0 <0)が作用するとき、中間台は下向きに変位するのに対し、除振テーブルは中間台に近づくように上向きに変位することが確認できた。このように、ゼロパワー磁気浮上機構を利用した除振装置では、中間台を支持する機械式ばねのばね定数と磁石の変位・吸引力係数の大きさを等しく設定することによって、直動外乱に対する剛性が無限大となることが理論的に示された。
The Laplace transform of each variable is represented by the corresponding capital letter. Fd = F0 / s (F0: const) (13)
And If the influence of floor vibration is ignored (x0 = 0), the steady displacement x2 (∞) of the vibration isolation table is obtained as follows.
x2 (∞) / F0 = lim (m1 s2-(cP + k1 c2 (s)) s + kP
s → 0
-Ks) / lc (s) = (kP-ks) / kP (-ks) = 1 / kP-1 / ks (14)
Therefore, kP = ks (15)
If the vibration isolation device is designed to satisfy
x2 (∞) / F0 = 0 (16)
It becomes. This means that the compliance is zero, that is, the stiffness is infinite. Further, the displacement x1 (∞) of the intermediate platform and the amount of change in the gap between the electromagnet and the vibration isolation table (x1 (∞) −x2 (∞)) are obtained as follows.
x1 (∞) / F0 = 1 / kP (17)
(X1 (∞) −x2 (∞)) / F0 = 1 / ks (18)
Therefore, it was confirmed that when the downward force (F0 <0) acts on the vibration isolation table, the intermediate table is displaced downward, while the vibration isolation table is displaced upward so as to approach the intermediate table. As described above, in the vibration isolator using the zero power magnetic levitation mechanism, the spring constant of the mechanical spring supporting the intermediate base and the magnitude of the displacement / attraction force coefficient of the magnet are set to be equal to each other to prevent direct acting disturbance. It has been theoretically shown that the stiffness is infinite.

図5は本発明の除振方法およびその装置の基礎実験装置を示すもので、図5(A)は実験装置の正面図、図5(B)はその側面図である。床に固定されたベース10から立設されたリニアシャフト9a、9bに嵌挿されたばね5a、5bを介設して中間台1が設置され、前記リニアシャフト9a、9bを嵌合して中間台1に設置されたリニアブッシュ8a、8bによって、中間台1の運動が垂直方向の1自由度の並進運動に拘束される。一方、除振テーブル2の下部両側に設置されたガイドブロック15a、15bが、ベース10に立設されたガイドレール16a、16bに係合し、除振テーブル2の運動を垂直方向の1自由度の並進運動に拘束する。除振テーブル2の下端部には上方に向いた永久磁石3、3が設置され、対向する中間台1の下部には電磁石4が設置される。除振テーブル2の中間台1に対する相対変位はセンサ17が検出し、ベース10に対する中間台1の相対変位はセンサ18が検出するように構成される。 FIG. 5 shows a vibration isolation method and a basic experimental apparatus for the apparatus of the present invention. FIG. 5 (A) is a front view of the experimental apparatus, and FIG. 5 (B) is a side view thereof. An intermediate platform 1 is installed via springs 5a and 5b fitted and inserted into linear shafts 9a and 9b standing from a base 10 fixed to the floor, and the linear shafts 9a and 9b are fitted into the intermediate platform. The linear bushes 8a and 8b installed at 1 restrain the motion of the intermediate platform 1 to translational motion with one degree of freedom in the vertical direction. On the other hand, the guide blocks 15a and 15b installed on both sides of the lower part of the vibration isolation table 2 engage with the guide rails 16a and 16b provided upright on the base 10, and the motion of the vibration isolation table 2 is one degree of freedom in the vertical direction. Restrained to translational movement. Permanent magnets 3, 3 facing upward are installed at the lower end of the vibration isolation table 2, and an electromagnet 4 is installed at the lower part of the facing intermediate platform 1. The sensor 17 detects the relative displacement of the vibration isolation table 2 with respect to the intermediate base 1, and the sensor 18 detects the relative displacement of the intermediate base 1 with respect to the base 10.

次に、図6および図7により、前記試作した基礎実験装置を用いて行った実験結果について説明する。図6はゼロパワー磁気浮上系の負のばね特性についての実験結果で、中間台1を固定して、除振テーブルの質量を1700g、1310g、700gについて付加質量Δmを増大させていった場合のテーブルの変位量を測定したもので、どの質量でも線型的にテーブル変位は上昇しており、ゼロパワー制御が線型的な負のばねとして動作していることがわかった。また、ゼロパワー制御の持つばね定数は除振テーブルの質量を操作することで、様々な値に設定することができることもわかる。 Next, with reference to FIG. 6 and FIG. 7, the results of experiments conducted using the prototype basic experimental apparatus will be described. FIG. 6 is a result of an experiment on the negative spring characteristic of the zero power magnetic levitation system. In the case where the intermediate stand 1 is fixed and the mass of the vibration isolation table is increased to 1700 g, 1310 g, and 700 g, the additional mass Δm is increased. The displacement of the table was measured, and the table displacement increased linearly at any mass, and it was found that zero power control was operating as a linear negative spring. It can also be seen that the spring constant of zero power control can be set to various values by manipulating the mass of the vibration isolation table.

図7は中間台をばねによって支持した状態での除振テーブルの床に対する変位についての実験結果で、正のばね定数は6.825(kN/m)で、正と負のばね定数がほぼ一致するところは、テーブル質量が1300g付近を基準として、1280g〜1400gの範囲と推定できる。因みに1310gのときの負のばね定数は約7kN/mである。図によれば、テーブル質量が1380gのとき除振テーブル変位量は20μmで、テーブル位置はほぼ初期位置を保持したまま、良好な動作をしていることがわかる。この1380gという値は実験前に推測した範囲内の値で、また正と負のばね定数の差が大きくなるにつれて動作性能が低下することもわかる。 Fig. 7 shows the experimental results of the displacement of the vibration isolation table against the floor with the intermediate stand supported by the spring. The positive spring constant is 6.825 (kN / m), and the positive and negative spring constants are almost the same. It can be estimated that the table mass is in the range of 1280 g to 1400 g based on the vicinity of 1300 g. Incidentally, the negative spring constant at 1310 g is about 7 kN / m. According to the figure, it can be seen that when the table mass is 1380 g, the vibration isolation table displacement amount is 20 μm, and the table position is operating well while maintaining the initial position. This value of 1380 g is a value within the range estimated before the experiment, and it can also be seen that the operating performance decreases as the difference between the positive and negative spring constants increases.

これらの関係から、先に示した理論解析の有効性が確認できた。ゼロパワー磁気浮上機構とばね機構を組み合わせたゼロコンプライアンス機構は、式の上では除振テーブルの床に対する変位をゼロにするとともに直動外乱に対する無限大のテーブル剛性を可能にしている。実測された範囲ではテーブルの床に対する最大剛性は約490kN/mで、このとき、除振テーブルの床に対する変位も最小値を示している。これは、ゼロパワー磁気浮上機構とばねを組み合わせることにより、コンプライアンスをほぼゼロとすることができ、これによって、直動外乱に対する剛性をきわめて大きくできることが確認できた。 From these relationships, the effectiveness of the theoretical analysis shown above was confirmed. The zero-compliance mechanism, which combines the zero-power magnetic levitation mechanism and the spring mechanism, makes the displacement of the vibration isolation table relative to the floor zero and allows infinite table rigidity against linear motion disturbance. In the actually measured range, the maximum rigidity of the table with respect to the floor is about 490 kN / m. At this time, the displacement of the vibration isolation table with respect to the floor also shows the minimum value. It was confirmed that by combining the zero power magnetic levitation mechanism and the spring, the compliance can be made almost zero, and thereby the rigidity against the direct acting disturbance can be extremely increased.

図8は本発明の除振方法およびその装置の第2実施の形態を示すもので、床206に設置された支柱207に対して永久磁石203と電磁石204とから構成されて所定の負のばね定数KS を持つゼロパワー特性を有する磁気浮上機構によって支持された中間台201と、該中間台201に所定の正のばね定数KP のばね205によって支持された除振テーブル202とから構成され、図示の例では、支柱207に設けられた電磁石204の吸引力を永久磁石203が設けられた中間台201への荷重の増減に応じて増減させるように適宜の制御装置(図示省略)により、電磁石204と中間台201との距離を制御するように構成したものである。 FIG. 8 shows a second embodiment of the vibration isolation method and apparatus according to the present invention, which is composed of a permanent magnet 203 and an electromagnet 204 with respect to a column 207 installed on a floor 206, and a predetermined negative spring. An intermediate table 201 supported by a magnetic levitation mechanism having a zero power characteristic having a constant KS, and a vibration isolation table 202 supported by the intermediate table 201 by a spring 205 having a predetermined positive spring constant Kp, In this example, the electromagnet 204 is controlled by an appropriate control device (not shown) so as to increase / decrease the attractive force of the electromagnet 204 provided on the support 207 according to the increase / decrease of the load applied to the intermediate table 201 provided with the permanent magnet 203. And the intermediate table 201 are controlled to be controlled.

このような構成によって、除振テーブル202に質量増加Δm等により下向きの一定外力F0 (=Δmg)が加わると、除振テーブル202を支持するばね205はF0 /KP だけ圧縮されて短くなる。同時に、ばね205の反力によって中間台201にも下向きの外力F0 が加わることになり、ゼロパワー制御の作用によって、電磁石204と中間台201との距離はF0 /KS だけ短くなり、中間台201はこの分だけ上向きに変位することになる。したがって、KS =KPなる関係を満たすように除振装置が設計されていれば、除振テーブル202は全く変位しないことになる。これは、コンプライアンスがゼロ、すなわち剛性が無限大になることを意味している。つまり、図8に示された除振装置は前記図1に示された除振装置と同じ除振性能を有していることが理解される。 With such a configuration, when a downward constant external force F0 (= Δmg) is applied to the vibration isolation table 202 due to a mass increase Δm or the like, the spring 205 supporting the vibration isolation table 202 is compressed by F0 / KP and shortened. At the same time, a downward external force F0 is also applied to the intermediate table 201 by the reaction force of the spring 205, and the distance between the electromagnet 204 and the intermediate table 201 is shortened by F0 / KS due to the action of zero power control. Will be displaced upward by this amount. Therefore, if the vibration isolation device is designed so as to satisfy the relationship KS = KP, the vibration isolation table 202 will not be displaced at all. This means that the compliance is zero, that is, the stiffness is infinite. That is, it is understood that the vibration isolation device shown in FIG. 8 has the same vibration isolation performance as the vibration isolation device shown in FIG.

図9は本発明の除振方法およびその装置の第3実施の形態を示すもので、床300に所定の正のばね定数KP のばね301および減衰装置302によって支持された中間台303と、該中間台303に対して永久磁石304と電磁石305とから構成され所定の負のばね定数KS を持つゼロパワー特性を有する磁気浮上機構と、床300に所定の正のばね定数KP ’のばね311および減衰装置312によって支持された中間台313と、該中間台313に対して永久磁石314と電磁石315とから構成され所定の負のばね定数KS ’を持つゼロパワー特性を有する磁気浮上機構とによって支持された除振テーブル320とから構成されたものである。 FIG. 9 shows a third embodiment of the vibration isolation method and apparatus according to the present invention. An intermediate platform 303 supported on a floor 300 by a spring 301 having a predetermined positive spring constant KP and a damping device 302; A magnetic levitation mechanism having a zero power characteristic, which is composed of a permanent magnet 304 and an electromagnet 305 with respect to the intermediate base 303 and has a predetermined negative spring constant KS, and a spring 311 having a predetermined positive spring constant KP ′ on the floor 300 and Supported by an intermediate platform 313 supported by the damping device 312 and a magnetic levitation mechanism having a zero power characteristic, which is composed of a permanent magnet 314 and an electromagnet 315 with respect to the intermediate platform 313 and has a predetermined negative spring constant KS ′. The anti-vibration table 320 is configured.

このような構成において、KS =KP およびKS ’=KP ’なる関係を満たすように除振装置が設計されていれば、除振テーブル320の左側(中間台303側)および右側(中間台313側)においてコンプライアンスがゼロすなわち剛性が無限大となるので、除振テーブル320上のどの位置に垂直方向の一定外力が作用しても、除振テーブル320は全く変位しない。このような特性から、除振テーブル320上に可動ステージ321を設置した場合、移動負荷322がどの位置にあっても除振テーブル320は変位せず、その姿勢を水平に保つことができる。 In such a configuration, if the vibration isolator is designed so as to satisfy the relationship of KS = KP and KS '= KP', the left side (intermediate base 303 side) and right side (intermediate base 313 side) of the vibration isolation table 320 ), The compliance is zero, that is, the rigidity is infinite. Therefore, the vibration isolation table 320 is not displaced at all regardless of the position on the vibration isolation table 320 where a constant external force is applied in the vertical direction. From such characteristics, when the movable stage 321 is installed on the vibration isolation table 320, the vibration isolation table 320 is not displaced regardless of the position of the moving load 322, and the posture can be kept horizontal.

図10は本発明の除振方法およびその装置の第4実施の形態を示すもので、床400に、垂直方向には所定の正のばね定数KP 1 のばね401および減衰装置402、水平方向には所定の正のばね定数KP 2 のばね403および減衰装置404によって支持された中間台405と、該中間台405に対して、垂直方向には永久磁石406と電磁石407とから構成された所定の負のばね定数KS 1 を持つゼロパワー特性を有する磁気浮上機構、水平方向には永久磁石408と電磁石409とから構成された所定の負のばね定数KS 2 を持つゼロパワー特性を有する磁気浮上機構によって支持され、さらに、床400に、垂直方向には所定の正のばね定数KP 3 のばね411および減衰装置412、水平方向には所定の正のばね定数KP 4 のばね413および減衰装置414によって支持された中間台415と、該中間台415に対して、垂直方向には永久磁石416と電磁石417とから構成された所定の負のばね定数KS 3 を持つゼロパワー特性を有する磁気浮上機構、水平方向には永久磁石418と電磁石419とから構成された所定の負のばね定数KS 4 を持つゼロパワー特性を有する磁気浮上機構によって支持された除振テーブル420とから構成されたものである。 FIG. 10 shows a fourth embodiment of the vibration isolation method and apparatus according to the present invention. In the floor 400, a spring 401 and a damping device 402 having a predetermined positive spring constant KP 1 in the vertical direction and in the horizontal direction are shown. Is an intermediate base 405 supported by a spring 403 having a predetermined positive spring constant KP 2 and a damping device 404, and a predetermined magnet configured by a permanent magnet 406 and an electromagnet 407 in a direction perpendicular to the intermediate base 405. A magnetic levitation mechanism having a zero power characteristic having a negative spring constant KS 1 and a magnetic levitation mechanism having a zero power characteristic having a predetermined negative spring constant KS 2 composed of a permanent magnet 408 and an electromagnet 409 in the horizontal direction. Furthermore, a spring 411 and a damping device 412 having a predetermined positive spring constant KP 3 in the vertical direction and a spring 413 having a predetermined positive spring constant KP 4 in the horizontal direction are supported on the floor 400. And a zero power characteristic having a predetermined negative spring constant KS 3 composed of a permanent magnet 416 and an electromagnet 417 in the vertical direction with respect to the intermediate table 415 supported by the damping device 414 and the intermediate table 415. And a vibration isolation table 420 supported by a magnetic levitation mechanism having a zero power characteristic having a predetermined negative spring constant KS 4 composed of a permanent magnet 418 and an electromagnet 419 in the horizontal direction. It is a thing.

このような構成において、KS 1 =KP 1 、KS 2 =KP 2 、KS 3 =KP 3およびKS 4 =KP 4 なる関係を満たすように除振装置が設計されていれば、除振テーブル420の左側(中間台405側)および右側(中間台415側)においてコンプライアンスがゼロすなわち剛性が無限大となり、同時に除振テーブル420上の水平方向のコンプライアンスもゼロとなるので、除振テーブル420のどの位置に垂直方向および水平方向の一定外力が作用しても、除振テーブル420は全く変位しない。 In such a configuration, if the vibration isolator is designed so as to satisfy the relations KS 1 = KP 1, KS 2 = KP 2, KS 3 = KP 3 and KS 4 = KP 4, On the left side (intermediate base 405 side) and on the right side (intermediate base 415 side), the compliance is zero, that is, the rigidity is infinite, and the horizontal compliance on the vibration isolation table 420 is also zero. Even if a constant external force in the vertical and horizontal directions is applied to the vibration isolation table 420, the vibration isolation table 420 is not displaced at all.

次に、図13〜図27を用いて、負のばね特性を有する支持機構として、アクチュエータと制御装置からなる支持機構を用いた除振方法およびその装置についての理論解析と実施の形態について説明する。図13に示したものは、床6に所定の正のばね定数を有するばね5によって支持された中間台1と、該中間台1に対してアクチュエータ25と制御装置26から構成されて所定の負のばね定数を有する支持機構によって支持された除振テーブル2とから構成されたもので、前記アクチュエータ25としては、ボイスコイルモータ、リニアモータ、空気圧アクチュエータ、油圧アクチュエータ等のリニアアクチュエータが採用され、前記制御装置26としては、除振テーブル2の中間台1に対する変位を検出する変位センサ27および制御回路28ならびに電力増幅器29から構成される。 Next, with reference to FIG. 13 to FIG. 27, a vibration isolation method using a support mechanism composed of an actuator and a control device as a support mechanism having a negative spring characteristic, and a theoretical analysis and embodiment of the device will be described. . FIG. 13 shows an intermediate platform 1 supported on a floor 6 by a spring 5 having a predetermined positive spring constant, and an actuator 25 and a control device 26 for the intermediate platform 1 to form a predetermined negative load. The vibration isolation table 2 is supported by a support mechanism having a spring constant of, and as the actuator 25, a linear actuator such as a voice coil motor, a linear motor, a pneumatic actuator, or a hydraulic actuator is employed. The control device 26 includes a displacement sensor 27 that detects the displacement of the vibration isolation table 2 with respect to the intermediate platform 1, a control circuit 28, and a power amplifier 29.

図14に示したものは、床6と中間台1との間に、ばね5と併設して所定の減衰率の減衰装置19を設置することにより、除振系の共振を避けて減衰特性を改善したものである。図15に示したものは、中間台1と除振テーブル2との間に、アクチュエータ25と併設して所定のばね定数のばね30および所定の減衰率の減衰装置31を設置したもので、ばね30で除振テーブル2の重量を支持することによりアクチュエータ25のエネルギ消費を低減し、さらに除振系の共振を避けて減衰特性を改善することができる。図16に示したものは、前記図14および図15に示したものを併用したものである。つまり、床6と中間台1との間に、ばね5と併設して所定の減衰率の減衰装置19を設置するとともに、中間台1と除振テーブル2との間に、アクチュエータ25と併設して所定のばね定数のばね30および所定の減衰率の減衰装置31を設置したものである。 In the configuration shown in FIG. 14, an attenuation device 19 having a predetermined attenuation rate is installed between the floor 6 and the intermediate platform 1 along with the spring 5, so that the damping characteristics can be avoided while avoiding resonance of the vibration isolation system. It is an improvement. FIG. 15 shows a structure in which a spring 30 having a predetermined spring constant and a damping device 31 having a predetermined damping rate are installed between the intermediate platform 1 and the vibration isolation table 2 along with the actuator 25. By supporting the weight of the vibration isolation table 2 at 30, the energy consumption of the actuator 25 can be reduced, and further, the damping characteristic can be improved by avoiding resonance of the vibration isolation system. FIG. 16 shows a combination of those shown in FIG. 14 and FIG. In other words, a damping device 19 having a predetermined damping rate is installed between the floor 6 and the intermediate table 1 along with the spring 5, and an actuator 25 is installed between the intermediate table 1 and the vibration isolation table 2. A spring 30 having a predetermined spring constant and a damping device 31 having a predetermined damping rate are installed.

図17〜図20によって、負のばね特性について説明する。
<通常のばね特性(正のばね特性)>図17(a)に示すように、所定の正のばね定数(k)を有する通常のばねによって支持されている質量mのテーブル24上に、図17(b)に示すような新たに質量Δmが生じて下向きの外力Δmが加わったとすると、ばねはΔmg/kだけ縮み、テーブル24は外力と同方向にΔmg/kだけ変位して、床6との距離がL−Δmg/kとなる。
<負のばね特性>図18(a)では、質量mのテーブル24に作用する重力mgとアクチュエータ25に発生する力が釣り合った状態にあり、床6と質量mの距離がLに保たれているとする。図18(b)に示すように、テーブル24上に新たに質量増加Δmが生じて下向きの外力Δmgが加わったときに、アクチュエータ25が伸びて質量mの床6からの距離がL+ΔLに増加するという特性を有するとする。このとき、テーブル24は外力と逆方向にΔLだけ変位する。この系は負のばね特性を有すると言える。負のばね定数の大きさks は、ks =Δmg/ΔLで与えられる。
The negative spring characteristics will be described with reference to FIGS.
<Normal Spring Characteristic (Positive Spring Characteristic)> As shown in FIG. 17A, on a table 24 of mass m supported by a normal spring having a predetermined positive spring constant (k), If a new mass Δm is generated as shown in FIG. 17B and a downward external force Δm is applied, the spring is contracted by Δmg / k, and the table 24 is displaced by Δmg / k in the same direction as the external force. The distance to is L-Δmg / k.
<Negative Spring Characteristics> In FIG. 18A, the gravity mg acting on the mass m table 24 and the force generated in the actuator 25 are balanced, and the distance between the floor 6 and the mass m is kept at L. Suppose that As shown in FIG. 18B, when a mass increase Δm is newly generated on the table 24 and a downward external force Δmg is applied, the actuator 25 extends and the distance of the mass m from the floor 6 increases to L + ΔL. Suppose that At this time, the table 24 is displaced by ΔL in the direction opposite to the external force. It can be said that this system has a negative spring characteristic. The magnitude of the negative spring constant ks is given by ks = Δmg / ΔL.

図19に示したものは、図15および図16で示した除振装置のように、アクチュエータ25と並列にばね30と減衰装置31を併設した系が負のばね特性を有するときの挙動を示すもので、図19(a)では質量mのテーブル24に作用する重力mgとアクチュエータ25に発生する力およびばね30のばね力とが釣り合った状態にあり、床6と質量mとの距離がLに保たれているとする。図19(b)に示すように、テーブル24上に新たに質量増加Δmが生じて下向きの外力Δmgが加わったときに、アクチュエータ25が伸びて、質量mのテーブル24の床6からの距離がL+ΔLに増加するという特性を有するとする。このとき、図18に示した場合と同様に、テーブル24は外力と逆方向にΔLだけ変位するので、この系は負のばね特性を有すると言える。負のばね定数の大きさks =Δmg/ΔLで与えられる。 19 shows the behavior when a system in which a spring 30 and a damping device 31 are provided in parallel with the actuator 25 has a negative spring characteristic like the vibration isolator shown in FIGS. 15 and 16. In FIG. 19A, the gravity mg acting on the table 24 of mass m, the force generated in the actuator 25, and the spring force of the spring 30 are balanced, and the distance between the floor 6 and the mass m is L. Suppose that As shown in FIG. 19 (b), when a mass increase Δm is newly generated on the table 24 and a downward external force Δmg is applied, the actuator 25 extends, and the distance of the mass m from the floor 6 becomes smaller. Suppose that it has a characteristic of increasing to L + ΔL. At this time, similarly to the case shown in FIG. 18, the table 24 is displaced by ΔL in the direction opposite to the external force, so it can be said that this system has a negative spring characteristic. The magnitude of the negative spring constant is given by ks = Δmg / ΔL.

<除振装置の直動外乱に対する応答>ここでは、図13に示した除振装置の直動外乱に対する応答を図20を用いて説明する。除振テーブル2に質量増加Δm等によって下向きの一定力F0 (=Δmg)が加わったとすると、負のばね特性が実現されているので、除振テーブル2と中間台1との距離はΔmg/kS だけ増加する。一方、ばね5については、そのばね定数をk1 とすると、Δmg/k1 だけ縮むので、中間台1と床6との距離はΔmg/k1 だけ減少する。したがって、kS =k1 なる関係を満たすように除振装置が設計されていれば、除振テーブル2は全く変位しないことになる。すなわち、ばね定数の大きさの等しい正のばねと負のばねと直列に接続することによって、ばね定数が無限大のばねが実現される。 <Response to the linear motion disturbance of the vibration isolation device> Here, the response to the linear motion disturbance of the vibration isolation device shown in FIG. 13 will be described with reference to FIG. If a downward constant force F0 (= Δmg) is applied to the vibration isolation table 2 due to a mass increase Δm or the like, a negative spring characteristic is realized. Therefore, the distance between the vibration isolation table 2 and the intermediate table 1 is Δmg / ks. Only increase. On the other hand, if the spring constant is k1, the spring 5 contracts by Δmg / k1, so the distance between the intermediate platform 1 and the floor 6 decreases by Δmg / k1. Therefore, if the vibration isolation device is designed so as to satisfy the relationship kS = k1, the vibration isolation table 2 is not displaced at all. That is, a spring having an infinite spring constant is realized by connecting a positive spring and a negative spring having the same spring constant in series.

<負のばね特性を実現する第1の制御方法>図19に示した系において負のばね特性を実現する方法を図21を用いて説明する。図19に示した系に、変位センサ27、制御回路28、電力増幅器29からなる制御装置28が付加されている。これらの要素は、図13〜図16における変位センサ27、制御回路28、電力増幅器29に対応する。制御回路28は次のような機構から構成される。外力推定機構28Aでは、変位センサ27の情報に基づいて、テーブル24に作用する外力fd (図19に示した例では−Δmgに相当する)を推定する。推定値をf^d と表すと、目標変位発生機構28Bでは、前記外力推定機構28Aからの出力に基づいて、実現する負のばね特性から決まる目標変位を計算する。設定する負のばね定数の大きさをkS とすると、目標変位xref は、次式から求められる。
xref =−f^d /kS (19)
ただし、変位の符号は外力の方向と同じ場合を正とする。位置制御機構28Cでは、目標変位に一致するようにテーブル24の変位を制御する。具体的には式19で求めた目標変位分だけアクチュエータ25を伸縮するための制御信号を生成して、電力増幅回路29に出力する。電力増幅回路29は、制御信号にしたがってアクチュエータ25を駆動する。
<First Control Method for Realizing Negative Spring Characteristics> A method for realizing negative spring characteristics in the system shown in FIG. 19 will be described with reference to FIG. A control device 28 including a displacement sensor 27, a control circuit 28, and a power amplifier 29 is added to the system shown in FIG. These elements correspond to the displacement sensor 27, the control circuit 28, and the power amplifier 29 in FIGS. The control circuit 28 is configured by the following mechanism. The external force estimation mechanism 28A estimates an external force fd (corresponding to -Δmg in the example shown in FIG. 19) acting on the table 24 based on information from the displacement sensor 27. When the estimated value is expressed as f ^ d, the target displacement generation mechanism 28B calculates a target displacement determined from the negative spring characteristic to be realized based on the output from the external force estimation mechanism 28A. If the negative spring constant to be set is ks, the target displacement xref is obtained from the following equation.
xref = -f ^ d / kS (19)
However, the case where the sign of the displacement is the same as the direction of the external force is positive. The position control mechanism 28C controls the displacement of the table 24 so as to coincide with the target displacement. Specifically, a control signal for expanding and contracting the actuator 25 by the target displacement obtained by Expression 19 is generated and output to the power amplifier circuit 29. The power amplifier circuit 29 drives the actuator 25 according to the control signal.

<理論解析>ここでは、アクチュエータ25としてボイスコイルモータを用いる場合について述べる。他のアクチュエータを用いる場合も同様にして負のばね特性を実現できる。図22に力学的モデルを示す。この系の運動方程式は、次式のように求められる。

Figure 2007107722
ここで、
m2 :テーブル24の質量
x :テーブル24の平衡点からの変位
ka :アクチュエータ25と並列に挿入されたばね30のばね定数
ca :アクチュエータ25と並列に挿入された減衰装置31の減衰係数
fa :アクチュエータ25の発生力
fd :テーブル24に作用する直動外乱
アクチュエータ25に発生する力は、コイル電流に比例するので、次のように表される。fa =ki i, (21)
ここで、
ki :ボイスコイルモータの推力定数
i :制御電流 <Theoretical Analysis> Here, a case where a voice coil motor is used as the actuator 25 will be described. Similarly, when using other actuators, a negative spring characteristic can be realized. FIG. 22 shows a mechanical model. The equation of motion of this system is obtained as follows:
Figure 2007107722
here,
m2: Mass of the table 24 x: Displacement from the equilibrium point of the table 24 ka: Spring constant ca of the spring 30 inserted in parallel with the actuator 25: Damping coefficient fa of the damping device 31 inserted in parallel with the actuator 25: Actuator 25 Generated force fd: The force generated in the direct acting disturbance actuator 25 acting on the table 24 is proportional to the coil current, and is expressed as follows. fa = ki i, (21)
here,
ki: thrust constant i of voice coil motor: control current

式(21)を式(20)に代入すると次式が得られる。

Figure 2007107722
制御系を設計するときには、直動外乱fd は一定であるとする。すなわち、
Figure 2007107722
式(22)(23)をまとめて状態空間表示すると、次式が得られる。
Figure 2007107722
ここで、
Figure 2007107722
u=i,a0 =ka /m2 ,a1 =ca /m2 ,b0 =ki /m2 ,d0 =1/m2オブザーバ理論を適用することによって、センサ27によって検出されるテーブル24の変位xから、テーブル24に作用する外力を推定することができる。 Substituting equation (21) into equation (20) yields:
Figure 2007107722
When designing the control system, the linear motion disturbance fd is assumed to be constant. That is,
Figure 2007107722
When the expressions (22) and (23) are collectively displayed in the state space, the following expression is obtained.
Figure 2007107722
here,
Figure 2007107722
u = i, a0 = ka / m2, a1 = ca / m2, b0 = ki / m2, d0 = 1 / m2 From the displacement x of the table 24 detected by the sensor 27 by applying the observer theory, the table 24 It is possible to estimate the external force acting on the.

同一次元オブザーバを用いる場合、オブザーバの動特性は、次式によって表される。

Figure 2007107722
ここで、
Figure 2007107722
行列Eは、オブザーバのゲインと呼ばれる行列で、これを定める手順を以下に述べる。実際の状態ベクトルx(t)とその推定値x^(t)との間の誤差ベクトル
Figure 2007107722
は次式を満足する。
Figure 2007107722
したがって、行列(A−EC)の固有値がすべて負の実部を持てば、
Figure 2007107722
となる。 When using the same dimensional observer, the dynamic characteristic of the observer is expressed by the following equation.
Figure 2007107722
here,
Figure 2007107722
The matrix E is a matrix called an observer gain, and the procedure for determining it will be described below. Error vector between actual state vector x (t) and its estimated value x ^ (t)
Figure 2007107722
Satisfies the following equation.
Figure 2007107722
Therefore, if all eigenvalues of the matrix (A-EC) have negative real parts,
Figure 2007107722
It becomes.

行列(A−EC)の固有値はオブザーバの極と呼ばれるが、これは行列(A−EC)の特性多項式
det〔sI−(A−EC)〕=s3 +(a1 +e1 )s 2+(a0 +a1 e1 +e2 )s+d0 e3 (29)
から求められる。ここでは、オブザーバの極が、
Λ={−λ1 , −λ2 ,−λ3 } (30)
となるようにオブザーバのゲインEを定めることにする。ただし、λ1 は、
Re〔λ1 〕>0 (i=1,2,3) (31)
を満たすように選定されているとする。配置したい極から決まる特性多項式は次次式のように求められる。
td (s)=(s+λ1 )(s+λ2 )(s+λ3 )=s3 +(λ1 +λ2 +λ3 )s2 +(λ1 λ2 +λ2 λ3 +λ3 λ1 )s+λ1 λ2 λ3 (32)
式(29)と式(32)とを比較することによって、オブザーバのゲインEは次式のように定められる。
e1 =λ1 +λ2 +λ3 −a1 (33)
e2 =λ1 λ2 +λ2 λ3 +λ3 λ1 −a0 −a1 e1 (34)
e3 =λ1 λ2 λ3 /d0 (35)
The eigenvalue of the matrix (A-EC) is called the observer pole, which is the characteristic polynomial of the matrix (A-EC) det [sI- (A-EC)] = s3 + (a1 + e1) s2 + (a0 + a1 e1 + E2) s + d0 e3 (29)
It is requested from. Here, the poles of the observer
Λ = {− λ1, −λ2, −λ3} (30)
The observer gain E is determined so that Where λ1 is
Re [λ1]> 0 (i = 1, 2, 3) (31)
It is assumed that it is selected to satisfy A characteristic polynomial determined from the pole to be arranged is obtained as follows.
td (s) = (s + λ1) (s + λ2) (s + λ3) = s3 + (λ1 + λ2 + λ3) s2 + (λ1λ2 + λ2λ3 + λ3λ1) s + λ1λ2λ3 (32)
By comparing the equations (29) and (32), the observer gain E is determined as the following equation.
e1 = λ1 + λ2 + λ3 -a1 (33)
e2 = λ1 λ2 + λ2 λ3 + λ3 λ1 -a0 -a1 e1 (34)
e3 = λ1 λ2 λ3 / d0 (35)

前記のようにオブザーバのゲインEを定めたとき、f^d をfd 推定値とすると、次式のような関係が成立する。
f^d =fd +c1 exp( −λ1t) +c2 exp( −λ2t) +c3 exp( −λ3t) (36)
ここで、c1 、c2 、c3 は制御対象とオブザーバの初期条件から定まる定数である。式31の条件から、

Figure 2007107722
が成立する。設定する負のばね定数の大きさをks とすると、目標変位xref は次式から求められる。
Figure 2007107722
オブザーバ(25)によって求められるfd の推定値である。位置制御には、I−PD制御を適用する。すなわち、制御入力を次式のように定める。
Figure 2007107722
When the observer gain E is determined as described above, if f ^ d is an estimated value of fd, the following relationship is established.
f ^ d = fd + c1exp (-[lambda] 1t) + c2exp (-[lambda] 2t) + c3exp (-[lambda] 3t) (36)
Here, c1, c2, and c3 are constants determined from the initial conditions of the controlled object and the observer. From the condition of Equation 31,
Figure 2007107722
Is established. Assuming that the negative spring constant to be set is ks, the target displacement xref can be obtained from the following equation.
Figure 2007107722
This is an estimated value of fd obtained by the observer (25). For position control, I-PD control is applied. That is, the control input is determined as follows:
Figure 2007107722

式(35)を式(21)に代入し、ラプラス変換した式を整理すると、次式が得られる。

Figure 2007107722
ここで、ラプラス変換された変数は、対応する大文字で示している。フィードバックゲインpI 、pd 、pV が閉ループ系の極が安定になるように選定さているとき、式(36)(40)から、式(23)を満たすfd に対して、
Figure 2007107722
が成立する。したがって、ばね定数の大きさks の負のばね特性が実現される。 By substituting equation (35) into equation (21) and rearranging the Laplace transformed equation, the following equation is obtained.
Figure 2007107722
Here, the Laplace-transformed variable is indicated by a corresponding capital letter. When the feedback gains pI, pd, and pV are selected so that the poles of the closed loop system are stable, from the equations (36) and (40), fd satisfying the equation (23)
Figure 2007107722
Is established. Therefore, a negative spring characteristic with a spring constant magnitude ks is realized.

<負のばね特性を実現する第2の制御方法>ここでは、オブザーバや位置制御系を陽には用いないで、負のばね特性を実現する制御入力を直接構成する方法を示す。制御側の導出には、伝達関数表現方法を用いる。簡単のため初期条件を零としてラプラス変換すると、式(20)(21)から次式が求められる。
X(s)=(b0 I(s)+d0 Fd (s))/(s2 +a1 s+a0 )
(42)
制御入力i(t)(I(s))は、変位センサの信号に基づいて、定めることにすると、時不変ゲインの線形制御を実施する場合には、制御則は一般に次式のように表すことができる。
I(s)=−p(s)X(s) (43)
コントローラとしてプロパーな伝達関数を持つものを用いる場合には、一般に次式のように表すことができる。
p(s)=h(s)/g(s)=(hn sn +hn-1 sn-1 +・・・+h1 s+h0 )/(sn +gn-1 sn-1 +・・・+g1 s+g0 ) (44)
厳密にプロパーな伝達関数を持つコントローラを用いる場合には、 hn =0 (45)
となる。
<Second Control Method for Realizing Negative Spring Characteristics> Here, a method for directly configuring a control input for realizing negative spring characteristics without explicitly using an observer or a position control system will be described. A transfer function expression method is used for derivation on the control side. For simplicity, when the Laplace transform is performed with the initial condition set to zero, the following equation is obtained from equations (20) and (21).
X (s) = (b0 I (s) + d0 Fd (s)) / (s2 + a1 s + a0)
(42)
The control input i (t) (I (s)) is determined based on the signal of the displacement sensor. When linear control of time-invariant gain is performed, the control law is generally expressed as follows: be able to.
I (s) =-p (s) X (s) (43)
When a controller having a proper transfer function is used, it can be generally expressed as the following equation.
p (s) = h (s) / g (s) = (hn sn + hn-1 sn-1 +... + h1 s + h0) / (sn + gn-1 sn-1 +... + g1 s + g0) (44)
When using a controller with a strictly proper transfer function, hn = 0 (45)
It becomes.

式(43)を式(42)に代入して整理すると、次式が得られる。
X(s)=(g(s)/((s2 +a1 s+a0 )g(s)+b0 h(s)
))d0 Fd (s) (46)
直動外乱に対する剛性を評価するために、
Fd (s)=F0 /s (F0 は一定) (47)
とする。閉ループ系が安定となるように制御則が選定されているとすると、定常変位x(∞)は次式のように求められる。
x2 (∞)/F0 =lim((g(s)/((s2 +a1 s+a0 )g(s
t→0
)+b0 h(s)))d0 =d0 g0 /(a0 g0 +b0 h0 ) (48)
式(48)から、この系が大きさks の負のばね剛性を有するようにするには、次式を満たすように、g(s)、h(s)を選定すればよいことが分かる。
d0 g0 /(a0 g0 +b0 h0 )=−1/ks (49)
∴ka +ki h0 /g0 =−ks (50)
プロパーな伝達関数を持つコントローラを用いる場合、式(49)を満たすと同時に閉ループ系を安定とするためには、n=2以上の次数を持つことが必要となる。逆に、この条件が満たされれば、閉ループ系の極を任意に配置することができる。n=2の場合、式(46)から閉ループ系の特性多項式tc (s)は次式のように求められる。
tc (s)=s4 +(a1 +g1 )s3 +(a0 +g0 +a1 g1 +b0 h2 )s2 +(a0 g1 +a1 g0 +b0 h1 )s+(a0 g0 +b0 h0 ) (51)
Substituting equation (43) into equation (42) and rearranging results in the following equation.
X (s) = (g (s) / ((s 2 + a 1 s + a 0) g (s) + b 0 h (s)
)) D0 Fd (s) (46)
To evaluate the stiffness against linear motion disturbance,
Fd (s) = F0 / s (F0 is constant) (47)
And Assuming that the control law is selected so that the closed-loop system is stable, the steady displacement x (∞) is obtained as follows.
x2 (∞) / F0 = lim ((g (s) / ((s2 + a1 s + a0) g (s
t → 0
) + B0 h (s))) d0 = d0 g0 / (a0 g0 + b0 h0) (48)
From equation (48), it can be seen that g (s) and h (s) should be selected so as to satisfy the following equation in order for this system to have a negative spring stiffness of size ks.
d0 g0 / (a0 g0 + b0 h0) =-1 / ks (49)
∴ka + ki h0 / g0 = -ks (50)
When a controller having a proper transfer function is used, it is necessary to have an order of n = 2 or more in order to satisfy the equation (49) and to stabilize the closed loop system. Conversely, if this condition is satisfied, the poles of the closed loop system can be arbitrarily arranged. In the case of n = 2, the characteristic polynomial tc (s) of the closed loop system is obtained from the equation (46) as follows:
tc (s) = s4 + (a1 + g1) s3 + (a0 + g0 + a1 g1 + b0 h2) s2 + (a0 g1 + a1 g0 + b0 h1) s + (a0 g0 + b0 h0) (51)

配置したい極から定まる特性多項式が次式によって与えられているとする。 td (s)=s4 +c3 s3 +c2 s2 +c1 s+c0 (52)
式(50)(51)(52)から、設定された大きさの負のばね剛性を持ち、かつ望ましい極を持つ閉ループ系を実現するコントローラの係数が次のように求められる。
g0 =−c0 /d0 ks =−c0 m/ks (53)
g1 =c3 −a1 (54)
h0 =(c0 −a0 g0 )/b0 (55)
h1 =(c1 −a0 g1 −a1 g0 )/b0 (56)
h2 =(c2 −a0 −g0 −a1 g1 )/b0 (57)
厳密にプロパーな伝達関数を持つコントローラを用いる場合には、式(50)を満足し、かつ閉ループ系の極を任意に配置するためには、3つ以上の次数を持つコントローラが必要となる。n=3の場合、配置したい極から定まる特性多項式を、

Figure 2007107722
とすると、コントローラの係数が次のように求められる。
g0 =−c0 /d0 kn =−c0 m/ks (59)
g2 =c4 −a1 (60)
g1 =c3 −a0 −a1 g2 (61)
h0 =c0 (a0 /d0 ks +1)/b0 =c0 (k/ks +1)/b0 (62)
h1 =(c1 −a0 g1 −a1 g0 )/b0 (63)
h2 =(c2 −a0 g2 −a1 g1 −g0 )/b0 (64) Assume that the characteristic polynomial determined from the pole to be arranged is given by the following equation. td (s) = s4 + c3 s3 + c2 s2 + c1 s + c0 (52)
From the equations (50), (51), and (52), the coefficient of the controller that realizes a closed loop system having a negative spring stiffness of a set magnitude and having a desirable pole is obtained as follows.
g0 = -c0 / d0 ks = -c0 m / ks (53)
g1 = c3 -a1 (54)
h0 = (c0 -a0 g0) / b0 (55)
h1 = (c1-a0 g1-a1 g0) / b0 (56)
h2 = (c2-a0-g0-a1 g1) / b0 (57)
When a controller having a strictly proper transfer function is used, a controller having three or more orders is required in order to satisfy Equation (50) and arbitrarily arrange poles of the closed loop system. In the case of n = 3, the characteristic polynomial determined from the pole to be arranged is
Figure 2007107722
Then, the coefficient of the controller is obtained as follows.
g0 = -c0 / d0 kn = -c0 m / ks (59)
g2 = c4 -a1 (60)
g1 = c3 -a0 -a1 g2 (61)
h0 = c0 (a0 / d0 ks +1) / b0 = c0 (k / ks +1) / b0 (62)
h1 = (c1-a0 g1-a1 g0) / b0 (63)
h2 = (c2-a0 g2-a1 g1-g0) / b0 (64)

<除振装置の動作解析>図16に示した除振装置について理論解析を行う。図23にその力学モデルを示す。負のばね特性を実現する制御方法についての前述の各理論解析と同様に、アクチュエータとしてはボイスコイルモータを用いているものとする。<基本方程式>図23における各質量1、2および床6は、垂直方向に並進運動するものとする。この系の運動方程式は、次式のように求められる。

Figure 2007107722
ここでx1 :中間台1の平衡点からの変位
x2 :除振テーブル2の平衡点からの変位
x0 :床6の振動変位
k1 :ばね5のばね定数
c1 :減衰装置19の減衰係数
ka :アクチュエータ25と併設されたばね30のばね定数
ca :アクチュエータ25と併設された減衰装置31の減衰係数
fd :除振テーブル2に作用する直動外乱
fa :アクチュエータ25(ボイスコイルモータ)の推力アクチュエータの発生する力は、コイル電流に比例するもで、次のように表される。
fa =ki i (67)
ここで、
ki :ボイスコイルモータの推力定数
i :制御電流 <Operation Analysis of Vibration Isolator> Theoretical analysis is performed on the vibration isolator shown in FIG. FIG. 23 shows the dynamic model. It is assumed that a voice coil motor is used as the actuator, as in the above-described theoretical analysis of the control method for realizing the negative spring characteristic. <Basic Equation> It is assumed that the masses 1 and 2 and the floor 6 in FIG. 23 translate in the vertical direction. The equation of motion of this system is obtained as follows:
Figure 2007107722
Where x1: displacement from the equilibrium point of the intermediate stand 1 x2: displacement from the equilibrium point of the vibration isolation table 2 x0: vibration displacement of the floor 6 k1: spring constant of the spring 5 c1: damping coefficient of the damping device 19 ka: actuator 25: Spring constant of the spring 30 attached to the actuator 25 ca: Damping coefficient of the damping device 31 attached to the actuator 25 fd: Linear motion disturbance acting on the vibration isolation table 2 fa: Generation of a thrust actuator of the actuator 25 (voice coil motor) The force is proportional to the coil current and is expressed as follows.
fa = ki i (67)
here,
ki: thrust constant i of voice coil motor: control current

<負の剛性を実現する制御系(制御方法2)>ここでは、前記第2の制御方法を適用する。中間台と除振テーブルの相対変位から制御入力を構成することにすると、制御入力は、一般に次のように表すことができる。
I(s)=−p(s)(X2 (s)−X1 (s))=((hn sn +hn-1 sn-1 +・・・+h1 s+h0 )/(sn +gn-1 sn-1 +・・・+g1 s+g0 ))(X2 (s)−X1 (s)) (68)
ここで、p(s)は、閉ループ系を安定にし、かつ次式を満たすように選定されているとする(式(50)を参照)。
k0 +ki h0 /g0 =−ks (69)
中間台1のダイナミックが無視できる場合には、n=2以上の次数を持つ制御器を用いれば、閉ループを安定化すると同時に、式(69)を満たすようにすることができる。
<Control System Realizing Negative Rigidity (Control Method 2)> Here, the second control method is applied. If the control input is configured from the relative displacement between the intermediate platform and the vibration isolation table, the control input can be generally expressed as follows.
I (s) =-p (s) (X2 (s) -X1 (s)) = ((hn sn + hn-1 sn-1 +... + H1 s + h0) / (sn + gn-1 sn-1 + .multidot. .. + g1 s + g0)) (X2 (s) -X1 (s)) (68)
Here, it is assumed that p (s) is selected so as to stabilize the closed loop system and satisfy the following equation (see equation (50)).
k0 + ki h0 / g0 = -ks (69)
When the dynamics of the intermediate platform 1 can be ignored, the closed loop can be stabilized and the expression (69) can be satisfied at the same time by using a controller having an order of n = 2 or more.

<基本特性の解析>簡単のため初期条件を零と仮定してラプラス変換すると、式(65)〜(68)から、次式が求められる。
X1 (s)=(c1 s+k1 )(m2 s2 +ca s+ka +ki p(s))
X0 (s)/tc (s)+(ca s+ka +ki p(s))Fd (s)/tc (s)
(70)
X2 (s)=(c1 s+k1 )(ca s+ka +ki p(s))X0 (s)
/tc (s)+(m1 s2 +c1 s+k1 +ca s+ka +ki p(s))Fd (s)/tc (s)
(71)
ここで、 tc (s)=(m1 s2 +c1 s+k1 )(m2 s2 +ca s+ka +ki p(s))+m2 s2 (ca s+ka +ki p(s)) (72)
<Analysis of basic characteristics> For simplicity, assuming that the initial condition is zero and performing Laplace transform, the following formula is obtained from formulas (65) to (68).
X1 (s) = (c1 s + k1) (m2 s2 + ca s + ka + ki p (s))
X0 (s) / tc (s) + (cas + ka + kip (s)) Fd (s) / tc (s)
(70)
X2 (s) = (c1 s + k1) (ca s + ka + ki p (s)) X0 (s)
/ Tc (s) + (m1 s2 + c1 s + k1 + ca s + ka + ki p (s)) Fd (s) / tc (s)
(71)
Tc (s) = (m1 s2 + c1 s + k1) (m2 s2 + ca s + ka + ki p (s)) + m2 s2 (ca s + ka + ki p (s)) (72)

直動外乱に対する剛性を評価するために、
Fd =F0 /s (F0 :一定) (73)
とする。床6の振動の影響を無視すると(x0 =0)、除振テーブル2の定常変位x2 (∞)は次のように求められる。
x2 (∞)/F0 =lim(m1 s2 +c1 s+k1 +ca s+ka +ki
t→0
p(s))/tc (s)=(k1 +ka +ki h0 /g0 )/k1 (ka +ki h0 /g0 ) (74)
式(69)から x2 (∞)/F0 =−(k1 −ks )/k1 ks (75)
したがって、k1 =ks (76)
を満たすように除振装置が設計されているならば、
x2 (∞)/F0 =0 (77)
となる。これは、コンプライアンスが零、すなわち剛性が無限大であることを意味する。なお、前記の解析において、c1 =0,ka =0,ca =0とおくと、図13で示した除振装置に関する解析結果が得られ、ka =0,ca =0とおくと、図14で示した除振装置に関する解析結果が得られ、c1 =0とおくと、図15で示した除振装置に関する解析結果が直ちに得られる。
To evaluate the stiffness against linear motion disturbance,
Fd = F0 / s (F0: constant) (73)
And If the influence of the vibration of the floor 6 is ignored (x0 = 0), the steady displacement x2 (∞) of the vibration isolation table 2 is obtained as follows.
x2 (∞) / F0 = lim (m1 s2 + c1 s + k1 + cas s + ka + ki
t → 0
p (s)) / tc (s) = (k1 + ka + ki h0 / g0) / k1 (ka + ki h0 / g0) (74)
From equation (69), x2 (∞) / F0 =-(k1 -ks) / k1 ks (75)
Therefore, k1 = ks (76)
If the vibration isolation device is designed to satisfy
x2 (∞) / F0 = 0 (77)
It becomes. This means that the compliance is zero, that is, the stiffness is infinite. In the above analysis, if c1 = 0, ka = 0, ca = 0, the analysis result relating to the vibration isolator shown in FIG. 13 is obtained, and if ka = 0, ca = 0, FIG. The analysis result regarding the vibration isolator shown in FIG. 15 is obtained. When c1 = 0 is set, the analysis result regarding the vibration isolator shown in FIG. 15 is obtained immediately.

図24は、本発明の除振方法およびその装置の基礎実験装置を示すもので、一対の平行板ばね101、102を介してベース100に結合されている中間台103には、ボイスコイルモータ104が取り付けられている。中間台103の運動は、平行板ばね101、102によって垂直方向の1自由度の並進運動に拘束される。一方、ボイスコイルモータの可動部105には除振テーブル106が取り付けられ、ボイスコイルモータによって垂直方向に並進運動をするように駆動される。除振テーブル106の中間台103に対する相対変位はセンサ107が検出し、ベース100に対する中間台103の相対変位はセンサ108が検出するように構成される。 FIG. 24 shows a vibration isolation method of the present invention and a basic experimental apparatus of the apparatus, and a voice coil motor 104 is provided on an intermediate stage 103 coupled to a base 100 via a pair of parallel leaf springs 101 and 102. Is attached. The movement of the intermediate stage 103 is constrained to a translational movement with one degree of freedom in the vertical direction by the parallel leaf springs 101 and 102. On the other hand, a vibration isolation table 106 is attached to the movable part 105 of the voice coil motor, and is driven so as to translate in the vertical direction by the voice coil motor. The sensor 107 detects the relative displacement of the vibration isolation table 106 with respect to the intermediate table 103, and the sensor 108 detects the relative displacement of the intermediate table 103 with respect to the base 100.

次に、図25および図26により、前記試作した基礎実験装置を用いて行った実験結果について説明する。図25は負のばね特性を実現する第2の制御方法(段落0039〜段落0041)を用いて実現した負のばね特性に関する実験結果で、中間台103を固定して制御系を設計する際に負のばね定数を、(a)15kN/m、(b)20kN/m、(c)25kN/mに設定して、テーブルへの付加質量Δmを増大させていった場合のテーブル変位量を測定したものである。図において、縦軸は付加質量Δmによる荷重(=Δmg)〔N〕、横軸はテーブルの上向きの変位〔mm〕を表している。図25から、(a)〜(c)のいずれの場合も、線形的にテーブル変位は上昇しており、負のばね特性が実現されていることが分かった。また、実測された負のばね定数の大きさは、(a)14.9kN/m、(b)19.7kN/m、(c)25.1kN/mであり、制御系を設計するときの設定値とほぼ一致していることが分かった。この結果から、負のばね定数の大きさは、制御系を設計する祭に設定するk3 の値によって自由に設定することができることも分かる。 Next, with reference to FIG. 25 and FIG. 26, the results of experiments conducted using the prototype basic experimental device will be described. FIG. 25 is an experimental result regarding the negative spring characteristic realized by using the second control method (paragraph 0039 to paragraph 0041) that realizes the negative spring characteristic. When the intermediate stand 103 is fixed and the control system is designed. Measure the table displacement when the negative spring constant is set to (a) 15 kN / m, (b) 20 kN / m, (c) 25 kN / m, and the added mass Δm to the table is increased. It is a thing. In the figure, the vertical axis represents the load (= Δmg) [N] due to the additional mass Δm, and the horizontal axis represents the upward displacement [mm] of the table. From FIG. 25, it was found that in any of the cases (a) to (c), the table displacement increased linearly and a negative spring characteristic was realized. The measured negative spring constants are (a) 14.9 kN / m, (b) 19.7 kN / m, and (c) 25.1 kN / m. When designing the control system, It was found that it was almost the same as the set value. From this result, it can also be seen that the magnitude of the negative spring constant can be freely set by the value of k3 set in the festival for designing the control system.

図26は、中間台を平行板ばねによって支持した状態での除振テーブルのベースに対する変位および中間台のベースに対する変位についての実験結果である。平行板ばねによる正のばね定数の値は16.4kN/mで、制御系を設計する祭に設定する負のばね定数の大きさも16.4kN/mとしている。図から、テーブルへの荷重を増加させていった場合、中間台は線形的に下降していくのに対して、テーブルの変位はほとんど生じないことが分かる。テーブルへの荷重が5Nの場合のテーブルの変位量は5μm程度であり、ベースに対する剛性は約1000kN/mで、正のばね定数や設定した負のばね定数の大きさの約61倍となっている。 FIG. 26 shows the experimental results of the displacement of the vibration isolation table with respect to the base and the displacement of the intermediate table with respect to the base with the intermediate table supported by the parallel leaf springs. The value of the positive spring constant by the parallel leaf spring is 16.4 kN / m, and the magnitude of the negative spring constant set at the festival for designing the control system is also 16.4 kN / m. From the figure, it can be seen that when the load on the table is increased, the intermediate table descends linearly, while the displacement of the table hardly occurs. When the load on the table is 5N, the displacement of the table is about 5 μm, and the rigidity with respect to the base is about 1000 kN / m, which is about 61 times the size of the positive spring constant or the set negative spring constant. Yes.

これらの関係から、先に示した理論解析の有効性が確認できた。ボイスコイルモータ(アクチュエータ)と制御装置から構成される負のばね特性を有する支持機構とばね機構を組み合わせた零コンプライアンス機構は、理論上は除振テーブルのベース(床)に対する変位を零にするとともに、直動外乱に対して無限大の剛性を持つことを可能にする。実測された範囲では、テーブルのベース(床)に対する剛性は約1000kN/mで、このときの除振テーブルの床に対する変位は5Nの直動外乱に対して5μmである。これは、ボイスコイルモータ(アクチュエータ)と制御装置から構成される負のばね特性を持つ支持機構とばね機構とを組み合わせることによって、コンプライアンスをほぼ零にすることができ、これにより、直動外乱に対する剛性をきわめて大きくできることが確認された。 From these relationships, the effectiveness of the theoretical analysis shown above was confirmed. The zero-compliance mechanism that combines a spring mechanism with a negative spring characteristic support mechanism composed of a voice coil motor (actuator) and a control device theoretically makes the displacement of the vibration isolation table relative to the base (floor) zero. It is possible to have infinite rigidity against linear motion disturbance. In the actually measured range, the rigidity of the table base (floor) is about 1000 kN / m, and the displacement of the vibration isolation table relative to the floor at this time is 5 μm with respect to 5 N linear motion disturbance. By combining a support mechanism having a negative spring characteristic composed of a voice coil motor (actuator) and a control device and a spring mechanism, the compliance can be made almost zero. It was confirmed that the rigidity can be extremely increased.

図27〜図30に別の実施の形態を示す。基本的な構造は前記図13〜図16に示したものと同様であるが、図13〜図16に示したものが中間台1と床6との間にばね5、あるいはばね5および減衰装置19が配設され、かつ中間台1と除振テーブル2との間にアクチュエータ25、あるいはアクチュエータ25とばね30および減衰装置31が配設されていたのに対して、図27〜図30に示したものでは、中間台1を支持する機構と除振テーブル2を支持する機構とを交換した形態が採用されたものである。つまり、図27〜図30に示したものでは、床6と中間台1との間にて、アクチュエータと制御装置からなる負のばね特性を付与して床から中間台1に伝わる振動を絶縁するように構成されている。このように構成することによって、変位センサ27、制御回路28、電力増幅器29およびアクチュエータ25からなる制御装置26の制御が静止側である床6との間にて行えるので、配線等の取りまわし等が簡素化される。 27 to 30 show another embodiment. Although the basic structure is the same as that shown in FIGS. 13 to 16, the structure shown in FIGS. 13 to 16 is the spring 5 between the intermediate platform 1 and the floor 6, or the spring 5 and the damping device. 19 and the actuator 25 or the actuator 25 and the spring 30 and the damping device 31 are disposed between the intermediate table 1 and the vibration isolation table 2. In this case, a configuration is adopted in which the mechanism for supporting the intermediate table 1 and the mechanism for supporting the vibration isolation table 2 are exchanged. That is, in the one shown in FIGS. 27 to 30, a negative spring characteristic composed of an actuator and a control device is provided between the floor 6 and the intermediate platform 1 to insulate vibration transmitted from the floor to the intermediate platform 1. It is configured as follows. With this configuration, the control device 26 including the displacement sensor 27, the control circuit 28, the power amplifier 29, and the actuator 25 can be controlled with the floor 6 on the stationary side. Simplified.

以上、本発明の除振方法およびその装置の実施の形態を説明してきたが、本発明の趣旨の範囲内で、中間台および除振テーブルの形状、形式、電磁石および永久磁石の形状、形式およびそれらの配設形態(電磁石を中間台あるいは除振テーブルに設置するか、永久磁石を除振テーブルあるいは中間台に設置するか、永久磁石に加えて強磁性体を併設するか、もしくは永久磁石を電磁石の鉄心に組み込んで除振テーブルあるいは中間台のいずれか一方にのみ設置し、他方には強磁性体を設置するように構成してもよい)、アクチュエータ、ばねおよび減衰装置の形状、形式およびその中間台への配設形態(床と中間台との間にはばねに加えて適宜の減衰装置を併設してもよい)、ゼロパワー制御手段、アクチュエータの制御手段(変位センサの種類、制御回路の形式、電力増幅形態およびそれらによるアクチュエータの制御形態)、除振の方向(前述の各実施の形態では、主として垂直方向の除振について説明したが、水平方向の除振、あるいは垂直方向および水平方向を同時に除振するように構成できることは言うまでもない。)等については適宜選定できる。 The embodiments of the vibration isolation method and apparatus of the present invention have been described above. However, within the scope of the present invention, the shape and type of the intermediate platform and the vibration isolation table, the shape and type of the electromagnet and the permanent magnet, and Arrangement of them (electromagnets are installed on an intermediate stand or vibration isolation table, permanent magnets are installed on a vibration isolation table or intermediate stand, a ferromagnetic material is added to the permanent magnets, or permanent magnets are It may be configured to be incorporated in the iron core of the electromagnet and installed only on one of the vibration isolation table or the intermediate stand, and the other may be configured to install a ferromagnetic material), and the shape, type, and type of actuator, spring and damping device Arrangement on the intermediate platform (an appropriate damping device may be provided in addition to the spring between the floor and the intermediate platform), zero power control means, actuator control means (displacement sensor Type, control circuit type, power amplification form and actuator control form thereof), direction of vibration isolation (in each of the above-described embodiments, vibration isolation in the vertical direction has mainly been described. Needless to say, it can be configured so that the vertical direction and the horizontal direction are simultaneously vibration-isolated.

本発明は、車両用の加速度センサに利用できる。さらに自動車用に限定することなく、広く産業上における加速度を検出する必要のある箇所で利用することができる。   The present invention can be used for an acceleration sensor for a vehicle. Further, the present invention is not limited to automobiles, and can be widely used in places where it is necessary to detect industrial acceleration.

本発明の除振方法およびその装置のゼロパワー特性を有する磁気浮上機構を用いた第1実施の形態を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows 1st Embodiment using the magnetic levitation mechanism which has the zero power characteristic of the vibration isolating method of this invention, and its apparatus. 同、第1実施の形態の変形例を示す図である。It is a figure which shows the modification of 1st Embodiment. 本発明で使用されるゼロパワー制御系の特徴の説明図である。It is explanatory drawing of the characteristic of the zero power control system used by this invention. ばね系とゼロパワー制御系の動作比較図である。It is an operation | movement comparison figure of a spring system and a zero power control system. 本発明の除振方法およびその装置の基礎実験装置を示す図である。It is a figure which shows the vibration isolation method of this invention, and the basic experiment apparatus of the apparatus. ゼロパワー磁気浮上系の負のばね特性の実験結果図である。It is an experimental result figure of the negative spring characteristic of a zero power magnetic levitation system. 除振テーブルの床に対する変位の実験結果図である。It is an experimental result figure of the displacement to the floor of a vibration isolation table. 本発明の除振方法およびその装置の第2実施の形態を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows 2nd Embodiment of the vibration isolating method and its apparatus of this invention. 本発明の除振方法およびその装置の第3実施の形態を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows 3rd Embodiment of the vibration isolating method and its apparatus of this invention. 本発明の除振方法およびその装置の第4実施の形態を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows 4th Embodiment of the vibration isolating method and its apparatus of this invention. 従来のばね系の除振システム図である。It is a conventional vibration isolation system for a spring system. 従来のアクティブ除振装置の説明図である。It is explanatory drawing of the conventional active vibration isolator. 本発明の除振方法およびその装置のアクチュエータと制御装置を用いた負のばね特性を有する支持機構を用いた第5実施の形態を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows 5th Embodiment using the support mechanism which has the negative spring characteristic using the vibration isolating method of this invention, the actuator of the apparatus, and a control apparatus. 本発明の除振方法およびその装置の第6実施の形態を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows 6th Embodiment of the vibration isolating method and its apparatus of this invention. 本発明の除振方法およびその装置の第7実施の形態を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows 7th Embodiment of the vibration isolating method and its apparatus of this invention. 本発明の除振方法およびその装置の第8実施の形態を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows 8th Embodiment of the vibration isolating method and its apparatus of this invention. 正のばね特性の説明図である。It is explanatory drawing of a positive spring characteristic. 負のばね特性の説明図である。It is explanatory drawing of a negative spring characteristic. ばねと減衰装置を併設したアクチュエータによる負のばね特性挙動図である。It is a negative spring characteristic behavior diagram by an actuator provided with a spring and a damping device. 除振装置の直動外乱に対する応答図である。It is a response figure with respect to the linear motion disturbance of a vibration isolator. アクチュエータを用いた負のばね特性を実現する制御方法の説明図である。It is explanatory drawing of the control method which implement | achieves the negative spring characteristic using an actuator. アクチュエータとしてボイスコイルモータを用いた力学的モデル図である。It is a dynamic model figure using a voice coil motor as an actuator. 図16の除振装置の力学的モデル図である。It is a mechanical model figure of the vibration isolator of FIG. 負のばね特性を有する支持機構の基礎実験装置図である。It is a basic experimental apparatus figure of the support mechanism which has a negative spring characteristic. 荷重とテーブルの変位との関係図である。It is a related figure of a load and the displacement of a table. テーブルと中間台の変位図である。It is a displacement figure of a table and an intermediate stand. 本発明の除振方法およびその装置の第9実施の形態を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows 9th Embodiment of the vibration isolating method and its apparatus of this invention. 本発明の除振方法およびその装置の第10実施の形態を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows 10th Embodiment of the vibration isolating method and its apparatus of this invention. 本発明の除振方法およびその装置の第11実施の形態を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows 11th Embodiment of the vibration isolating method and its apparatus of this invention. 本発明の除振方法およびその装置の第12実施の形態を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows 12th Embodiment of the vibration isolating method and its apparatus of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 中間台(第1部材)
2 除振テーブル(第2部材)
3 永久磁石
4 電磁石
5 ばね
6 床
7 強磁性体
19 減衰装置
25 アクチュエータ
26 制御装置
27 変位センサ
28 制御回路
29 電力増幅器
30 ばね
31 減衰装置
1 Intermediate stand (first member)
2 Vibration isolation table (second member)
3 Permanent magnet 4 Electromagnet 5 Spring 6 Floor 7 Ferromagnetic material 19 Attenuator 25 Actuator 26 Controller 27 Displacement sensor 28 Control circuit 29 Power amplifier 30 Spring 31 Attenuator

Claims (10)

床と第1部材との間に所定の正のばね特性を有するばねを配設して床から第1部材に伝わる振動を絶縁するとともに、前記第1部材と負荷を載置する第2部材との間に、アクチュエータと制御装置から構成される支持機構により負のばね特性を付与し、前記第1部材から第2部材に伝わる振動を絶縁することを特徴とする除振方法。 A spring having a predetermined positive spring characteristic is disposed between the floor and the first member to insulate vibration transmitted from the floor to the first member, and the first member and the second member for placing a load thereon A vibration isolation method comprising: providing a negative spring characteristic by a support mechanism including an actuator and a control device between the first member and the second member to insulate vibration transmitted from the first member to the second member. 床から立設した支柱と第1部材との間に、アクチュエータと制御装置から構成される支持機構により負のばね特性を付与して前記支柱から第1部材に伝わる振動を絶縁するとともに、前記第1部材に対向して配置した第2部材と、前記第1部材との間に所定の正のばね特性を有するばねを配設することによって、前記第1部材から第2部材に伝わる振動を絶縁することを特徴とする除振方法。 A negative spring characteristic is imparted between the support and the first member standing from the floor by a support mechanism including an actuator and a control device to insulate vibration transmitted from the support to the first member. Insulating vibration transmitted from the first member to the second member by disposing a spring having a predetermined positive spring characteristic between the first member and the second member disposed facing the one member An anti-vibration method characterized by: 前記第1部材は中間部材であり、前記第2部材は除振テーブルであることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の除振方法。 3. The vibration isolation method according to claim 1, wherein the first member is an intermediate member, and the second member is a vibration isolation table. 床と、所定の正のばね定数を有するばねと、そのばねによって前記床上に支持される第1部材と、該第1部材に対して対向して配置され負荷を載置するための第2部材とを備え、前記第1部材と第2部材との間には、アクチュエータと制御装置から構成される負のばね特性を有する支持機構を配置したことを特徴とする除振装置。 A floor, a spring having a predetermined positive spring constant, a first member supported on the floor by the spring, and a second member disposed opposite to the first member for mounting a load And a support mechanism having a negative spring characteristic composed of an actuator and a control device is disposed between the first member and the second member. 床に立設した支柱と、前記支柱に対向して配置した第1部材と、前記第1部材に対して対向して配置され負荷を載置するための第2部材と、前記第1部材と第2部材との間に配置される正のばね定数を有するばねとを備え、前記支柱と第1部材との間にはアクチュエータと制御装置から構成される負のばね特性を有する支持機構を配置したことを特徴とする除振装置。 A column erected on the floor; a first member disposed opposite to the column; a second member disposed opposite to the first member for placing a load; and the first member; And a spring having a positive spring constant disposed between the second member, and a support mechanism having a negative spring characteristic composed of an actuator and a control device is disposed between the column and the first member. An anti-vibration device characterized by that. 前記第1部材は中間部材であり、前記第2部材は除振テーブルであることを特徴とする請求項4または5に記載の除振装置。 The vibration isolator according to claim 4 or 5, wherein the first member is an intermediate member, and the second member is a vibration isolation table. 前記ばねと併設して所定の減衰率の減衰装置を設置したことを特徴とする請求項4〜6のいずれかに記載の除振装置。 The vibration isolator according to any one of claims 4 to 6, wherein an attenuator having a predetermined attenuation rate is installed along with the spring. 前記アクチュエータと併設して所定のばね定数のばねおよび所定の減衰率の減衰装置を設置したことを特徴とする請求項4〜7のいずれかに記載の除振装置。 The vibration isolation device according to any one of claims 4 to 7, wherein a spring having a predetermined spring constant and a damping device having a predetermined damping rate are installed in parallel with the actuator. 前記アクチュエータの伸びを荷重の増減に応じて増減させるように構成したことを特徴とする請求項4〜8のいずれかに記載の除振装置。 The vibration isolation device according to any one of claims 4 to 8, wherein the actuator is configured to increase or decrease the elongation of the actuator according to an increase or decrease of a load. 前記アクチュエータがボイスコイルモータ、リニアモータ、空気圧アクチュエータ、油圧アクチュエータ等のリニアアクチュエータであり、前記制御装置が変位センサおよび制御回路ならびに電力増幅器から構成されたことを特徴とする請求項4〜9のいずれかに記載の除振装置。 10. The actuator according to claim 4, wherein the actuator is a linear actuator such as a voice coil motor, a linear motor, a pneumatic actuator, or a hydraulic actuator, and the control device includes a displacement sensor, a control circuit, and a power amplifier. The anti-vibration device according to the above.
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JP2013249852A (en) * 2012-05-30 2013-12-12 Toshiba Corp Magnetic levitation device
WO2022153563A1 (en) * 2021-01-15 2022-07-21 オムロン株式会社 Drive system, control method, and control program

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012120337A (en) * 2010-12-01 2012-06-21 Toshiba Corp Magnetic levitation device
JP2013249852A (en) * 2012-05-30 2013-12-12 Toshiba Corp Magnetic levitation device
WO2022153563A1 (en) * 2021-01-15 2022-07-21 オムロン株式会社 Drive system, control method, and control program

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