JP2010198256A - 防振装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 振動源からの振動が地中を伝わり、除振台に設置されている振動センサが振動を検出してから除振台をアクチュエータにて駆動するまでの応答時間よりも振動センサが振動を検出してから除振台が地面からの振動を受けるまでの時間の方が早いことで、除振台を所定の位置に制御する前に除振台上に設置された精密機器が振動を受ける。
【解決手段】 移動している振動源が発生する振動を振動センサの少なくとも１つが検出して、且つ振動センサにて検出した信号レベルが予め設定したしきい値を超えた場合に、最も早くしきい値を超えた信号レベルの振動を検出した振動センサの検出信号とメモリに保存されているデータを制御手段にて演算した後で、振動源が発生する振動が除振台に到達する時間と同期するように演算した結果に基づいて１つ以上のアクチュエータを駆動する。
【選択図】 図２

Description

本発明は振動源からの振動を受ける除振台の振動を抑制、低減するアクティブ防振装置に関するものである。

従来より半導体製造装置、光学機器、電子顕微鏡等の精密機器は、高分解能、高精度を求められる為、精密機器を設置する基礎となる基台は外部からの振動を遮断する必要がある。精密機器への振動の影響を遮断・軽減する必要が有る状況では、弾性定数の低い軟らかい防振ゴム・スプリング・空気ばねにて精密機器が搭載された基台（除振台）を受動的に防振するパッシブ型の防振装置の他に、振動に対する応答性を良くするために、アクチュエータを用いることで基台からの振動を軽減するように基台（除振台）を制御するアクティブ型の防振装置が使用されている。

アクティブ型の防振装置として、下記の特許文献１では基礎、床または地盤等である設置面上に位置する制御対象物に搭載され垂直方向の振動を検出して垂直方向の振動信号を出力する垂直信号を検知するセンサと、基礎、床または地盤等である設置面上に位置する制御対象物に搭載され水平方向の振動を検出して水平方向の振動信号を出力する水平信号を検知するセンサと、垂直・水平方向に駆動する積層型圧電素子からなるアクチュエータと、積層型圧電素子の両端に直列に配置された防振ゴムからなり、センサで受信した信号に基づいて制御対象物をアクチュエータで駆動する。その際、アクチュエータは制御対象物への振動を小さくするように駆動し、防振ゴムは積層型圧電素子に引張力が加わることを防ぎ、これらの構成にて垂直・水平方向の振動をアクティブに制御している。

又、下記の特許文献２では特許文献１と同様に除振台（特許文献１における制御対象物）の垂直及び水平方向の振動を検出する振動センサと、防振ゴムと、圧電アクチュエータからなり、振動センサで受信した信号に基づいて除振台を圧電アクチュエータにてアクティブに制御する能動除振手段の他に、水平方向に動作する楔形ブロック、垂直方向に動作する楔形ブロック、送りネジ、電動モータからなり、電動モータを動力源として楔形ブロックを送りネジで水平・垂直方向に動作することにより除振台を所定の位置に制御する変位調整機構を組み合わせることで、除振台を制御している。

しかし、上記のような防振装置だけでは地面からの振動の影響を完全に防ぐことができない。例えばナノメートル単位の精度で精密な位置決めが求められる半導体製造・検査においては、従来の防振装置のように精密機器が設置されている除振台で振動を検出してからアクチュエータで制御するようでは、除振台で振動を検出してからアクチュエータが駆動するまでの応答時間が掛かり過ぎ、その間に精密機器に振動が加えられることになりナノメートル単位の精度での精密な位置決めに多大な影響がある。引用文献１および引用文献２では振動センサを除振台に設置して、振動センサが振動を感知してから速やかにアクチュエータが駆動しているものの、振動センサが振動を検出してからアクチュエータを駆動する応答時間が早くなっているにも係らず、振動センサが振動を検出してから除振台が地面からの振動を受けるまでの時間の方が早いために除振台を所定の位置に制御する前に除振台上に設置された精密機器が振動を受けていた。

このことへの対策として、除振台を設置している所と他の場所を区分けするように地盤深くから寸断する縁切りを行い、その箇所に地盤改良材を注入することで他の地盤からの振動の影響を軽減する等の施工が行われている。しかしながらこれらの縁切りを行ったとしても除振台を設置している所と区分けされた箇所からの振動、例えば大型トラック或いは電車が除振台を設置している所と区分けされた箇所を通った場合においても、大型トラック或いは電車等の振動源が発生する振動は地中を通して除振台まで振動が伝わり、除振台に設置されている振動センサが振動を検出してから除振台をアクチュエータにて駆動するまでの応答時間よりも振動センサが振動を検出してから除振台が地面からの振動を受けるまでの時間の方が早いために除振台を所定の位置に制御する前に除振台が振動を受けるという問題は改善されなかった。従って除振台に設置されている精密機器に振動が直接及ぶことになり、ナノメートル単位の精度での精密な位置決めができないという不具合が時々、不定期に発生した。

特開平１１−３３６８２９ 特開２００１−２７１８６８

解決しようとする問題点は、縁切りを行って除振台を設置している所においても、区分けされた箇所における振動源からの振動が地中を伝わり、除振台に設置されている振動センサが振動を検出してから除振台をアクチュエータにて駆動するまでの応答時間よりも振動センサが振動を検出してから除振台が地面からの振動を受けるまでの時間の方が早いことで、除振台を所定の位置に制御する前に除振台上に設置された精密機器が振動を受けてしまうことにある。

即ち、除振台の振動をアクチュエータにてアクティブに防止する防振装置であり、除振台から離間して配置した１つ以上の振動センサと、データを保存しているメモリと、除振台の変位を１つ以上のアクチュエータを駆動することで調整する制御手段とを具備し、移動している振動源が発生する振動を振動センサの少なくとも１つが検出して、且つ振動センサにて検出した信号レベルが予め設定したしきい値を超えた場合に、最も早くしきい値を超えた信号レベルの振動を検出した振動センサの検出信号とメモリに保存されているデータを制御手段にて演算した後で、振動源が発生する振動が防振台に到達する時間と同期するように演算した結果に基づいて１つ以上のアクチュエータを駆動することを特徴とする。

前記振動センサの１つが予め設定したしきい値を超えた信号レベルの振動を検出した時に、しきい値を超えた検出信号により前記制御手段が前記アクチュエータを駆動するまで、他の振動センサが検出した検出信号を前記制御手段が受信することを無効にすることを特徴とする。

振動を検出した前記振動センサの検出信号に基づいてアクチュエータを駆動した後、再度、前記検出信号を検知した前記振動センサの振動レベルを検出し、新たな検出信号が予め設定したしきい値より小さい場合に前記アクチュエータを停止することを特徴とする。

本発明によれば、大型トラック或いは電車等の振動源が発生する振動が除振台に到達する時間と同期して防振装置のアクチュエータが除振台を所定の位置に制御することが可能になり、防振装置のアクチュエータが除振台を所定の位置に制御することで外部の振動源からの振動を打ち消すことができる。

本発明の防振装置の接続図である。 本発明の防振装置のブロック図である。 本発明の防振装置の制御方法を示したフロー図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。図１は本発明の防振装置の接続図である。又、図２は本発明の防振装置のブロック図である。振動が発生する振動源は電車・貨物列車等の鉄道関連、トラック・トレーラー等の大重量物を搭載する大型車等があり、これら振動源による振動の移動経路は鉄道関連ならレール上であり、トラック・トレーラー等の大型車ならば道路上となる。これらの振動源が発生する振動は振動源を中心点として同心円状に中心点から外側に向かって地面を伝わっていき、遠方に離れて設置された精密機器に振動が伝わってしまう。その為、振動源（図１、図２に明示していない）の移動経路上で、且つ振動源からの振動が精密機器を設置した除振台３に伝わる伝達速度が早いポイントを予め調査しておき、そのポイントに振動センサ１ａ・１ｂ・１ｃ・１ｄを設置する。ここで、振動源の移動経路上に設置する振動センサは図１では４つ記載しているが、数は任意に変えても良く、振動センサが１つであっても構わない。振動センサとしては加速センサ、速度センサ、光ヘテロダイン方式のレーザ振動計等を用いることができる。そして振動源から発生した振動波を振動センサの１つにて検出した後、検出された検出信号は光ファイバーケーブル等による有線での通信、或いは携帯電話・ＰＨＳを用いた無線でのパケット通信等により、除振台３を制御する制御回路２へ送信される。図１では制御回路２は除振台３の台座である筐体４に内蔵されている。但し、制御回路２は筐体４に内蔵されずに、別途にケースを用意してその中に組み込んでいても良い。除振台３の上には精密機器が設置されている（図１に明示していない）。

制御回路２に電気的に接続されているメモリ６には色々なデータが保存してある。具体的には、振動センサ１ａ・１ｂ・１ｃ・１ｄが振動源の発生する振動を検出してから地中を伝わった振動波が除振台３に到達するまでの速度や到達時の振動方向等を示す振動センサ毎の伝達関数、伝達関数に応じて単数または複数のアクチュエータの各伸縮量及び伸縮方向のデータ等がメモリ６に保存されている。ここで、振動センサ毎の伝達関数や伝達関数に応じた各アクチュエータの伸縮量、伸縮方向のデータは本発明の実施前に事前に調査しておき、そのデータを予め保存しておく必要がある。理由として振動センサの設置場所の土壌条件等によって伝達関数は異なっている可能性が大きいからである。

図２にて振動源から発生した振動波を振動センサ１ａ・１ｂ・１ｃ・１ｄの１つにて検出した後、検出された検出信号は制御回路２に送信され、制御回路２はその検出信号を受信後にメモリ６に予め保存されている振動センサ毎の伝達関数や伝達関数に応じた各アクチュエータの伸縮量、伸縮方向のデータを読み込む。そして、制御回路２は受信した検出信号に対して、検出信号を検出した振動センサに関する予め保存されている伝達関数を掛け合わせる演算を行うことで各アクチュエータの伸縮量や伸縮方向、振動源の発生する振動が地中を伝わって除振台３に到達する時間を求める。次に制御回路２は演算結果に応じて、各アクチュエータを振動源の発生する振動が地中を伝わって除振台３に到達する時間に同期したタイミングにて各アクチュエータを駆動する。図２ではアクチュエータはＸ方向に除振台３を動かすＸ軸アクチュエータ５ａ、Ｙ方向に除振台３を動かすＹ軸アクチュエータ５ｂ、Ｚ方向に除振台３を動かすＺ軸アクチュエータ５ｃからなっており、これらのアクチュエータ毎に演算結果に応じた伸縮量や伸縮方向にて駆動する。演算結果によっては１つのアクチュエータのみ伸縮させるだけの場合も有りうる。又、図２ではアクチュエータは３つのアクチュエータを用いているが、アクチュエータの数は任意であり、１つ以上であれば特に構わない。制御回路２は各アクチュエータを振動源の発生する振動が地中を伝わって除振台３に到達する時間に同期したタイミングにて各アクチュエータを駆動することで、除振台３が予め定めた所定の位置になるように制御している。この制御により除振台３の上に設置されている精密機器は、振動源の発生する振動が地中を伝わって除振台３に到達する際にて、この振動を受けることがなくなる。尚、アクチュエータは圧電素子や電磁モータ等が使用できる。

次に具体的に鉄道や道路からの振動の影響を軽減する方法について説明する。鉄道や道路を通過する振動源である電車や大型トラック等からの地面の振動が地下を通じて遠方に離れて設置された精密機器に影響を与える場合、振動源の移動経路上で、且つ振動源からの振動が精密機器を設置した除振台３に伝わる伝達速度が早いポイントを予め調査しておき、そのポイントに振動センサ１ａ・１ｂ・１ｃ・１ｄを設置しておく。ここで伝達速度が早いポイントを調査する時には、振動が振動源にて発生してから地中を伝わる経路、土壌条件により除振台３に振動を受ける時間、方向が異なるので詳細に調査を行い、調査後に地中を伝わった振動波が除振台３に到達するまでの速度や到達時の振動方向等を示す振動センサ毎に個々のアクチュエータをどの方向にどれだけの伸縮量で伸縮するかを示す伝達関数を確定させる必要が有る。

図３は本発明の防振装置の制御方法を示したフロー図である。振動源である電車や大型トラック等が１つ以上の振動センサの近傍を通過する時に、振動センサが振動を検出して制御回路２にその検出信号を送信するが、制御回路２が受信する検出信号は予め設定している信号レベルのしきい値を超えた信号レベルの信号に限定する。このことにより、振動センサが検出する信号レベルがしきい値より小さい検出信号は制御回路２で受け付けないことになり、しきい値より小さい検出信号は全て無効となる。ここでの振動センサが検出する検出信号の信号レベルのしきい値は、除振台３が受ける振動源からの振動の内で無視できる大きさの振動であることとして判断する。

移動している振動源が発生している地面からの振動を振動センサの１つが検出し、その検出信号が予め設定している信号レベルのしきい値を超えている場合、最初にしきい値を超えた検出信号を検出した振動センサの検出信号に限定して処理することにする。そして他の振動センサが検出した検出信号は制御回路２で受け付けないようにするため、他の振動センサが検出した検出信号は全て無効となる。これにより１つの振動源に対し、複数のセンサに振動が検知され、多重にその影響をフィードバックする事を防いでいる。

次に検出された検出信号は制御回路２に送信され、制御回路２はその検出信号を受信後にメモリ６に予め保存されている検出信号を検出した振動センサに関する伝達関数や伝達関数に応じた各アクチュエータの伸縮量、伸縮方向のデータを取り出し、取り出した伝達関数と受信した検出信号を掛け合わせる演算を行うことで各アクチュエータの伸縮量や伸縮方向、振動源の発生する振動が地中を伝わって除振台３に到達する時間を求める。

次に制御回路２は演算結果に応じて、各アクチュエータを振動源の発生する振動が地中を伝わって除振台３に到達する時間に同期したタイミングにて各アクチュエータを駆動することで、除振台３が予め定めた所定の位置になるように制御する。

除振台３が予め定めた所定の位置になるように制御後に、検出信号を検出した振動センサにて改めて振動レベルを検出する。ここで、新たに検出した検出信号が予め設定している信号レベルのしきい値を超えている場合は、再度、その検出信号を制御回路２に送信し、制御回路２はメモリ６に予め保存されている検出信号を検出した振動センサに関する伝達関数や伝達関数に応じた各アクチュエータの伸縮量、伸縮方向のデータを取り出し、取り出した伝達関数と受信した検出信号を掛け合わせる演算を行うことで各アクチュエータの伸縮量や伸縮方向、振動源の発生する振動が地中を伝わって除振台３に到達する時間を求めた後に演算結果に応じて、各アクチュエータを振動源の発生する振動が地中を伝わって除振台３に到達する時間に同期したタイミングにて各アクチュエータを駆動することで、除振台３が予め定めた所定の位置になるように制御する一連の処理を繰り返すことになる。

除振台３が予め定めた所定の位置になるように制御した後に検出信号を検知した振動センサにて改めて振動レベルを検出して、新たに検出した検出信号が予め設定している信号レベルのしきい値より小さい場合は全てのアクチュエータの駆動を停止し、全ての振動センサにて検出した検出信号を制御回路２で受信できるようにする。尚、振動センサが１つの場合には、唯一の振動センサの検出信号に基づいて制御をすれば良いので、防振装置の制御方法は非常にシンプルになり、図３に記載している「検出したセンサの信号に基づいてアクチュエータを振動到達と同じタイミングで駆動」のみが残って、しきい値を設けなくても振動センサにて改めて振動レベルを検出することにて常にフィードバックをかける状態にすることができる。

以上により除振台３が予め定めた所定の位置になるように制御しているが、制御回路２は受信した検出信号に対して、検出信号を検出した振動センサに関する予め保存されている伝達関数を掛け合わせる演算を行う際に高速演算が必要なので、多くの場合、制御回路２にはディジタルシグナルプロセッサが組み込まれており、伝達関数やタイミングの計算処理の速度向上に寄与している。

遠方での電車や大型トラック等による振動が地中を伝わって精密機器に振動を与える課題を解決する本発明を用いることにより、振動が伝播しやすい基盤上に精密機器を設置している環境でも精密機器への振動を防ぐことが可能である。従って、高速駆動で高信頼性が求められる半導体製造装置、検査装置等の精密機器を振動が伝播しやすい土壌上や高層ビル内に設置する等の用途に用いることができる。

１ａ・１ｂ・１ｃ・１ｄ 振動センサ
２ 制御回路
３ 除振台
４ 筐体
５ａ Ｘ軸アクチュエータ
５ｂ Ｙ軸アクチュエータ
５ｃ Ｚ軸アクチュエータ
６ メモリ

Claims (3)

1. 除振台の振動をアクチュエータにてアクティブに防止する防振装置であり、除振台から離間して配置した１つ以上の振動センサと、データを保存しているメモリと、除振台の変位を１つ以上のアクチュエータを駆動することで調整する制御手段とを具備し、移動している振動源が発生する振動を振動センサの少なくとも１つが検出して、且つ振動センサにて検出した信号レベルが予め設定したしきい値を超えた場合に、最も早くしきい値を超えた信号レベルの振動を検出した振動センサの検出信号とメモリに保存されているデータを制御手段にて演算した後で、振動源が発生する振動が除振台に到達する時間と同期するように演算した結果に基づいて１つ以上のアクチュエータを駆動することを特徴とする防振装置。
2. 前記振動センサの１つが予め設定したしきい値を超えた信号レベルの振動を検出した時に、しきい値を超えた検出信号により前記制御手段が前記アクチュエータを駆動するまで、他の振動センサが検出した検出信号を前記制御手段が受信することを無効にすることを特徴とする請求項１記載の防振装置。
3. 振動を検出した前記振動センサの検出信号に基づいてアクチュエータを駆動した後、再度、前記検出信号を検知した前記振動センサの振動レベルを検出し、新たな検出信号が予め設定したしきい値より小さい場合に前記アクチュエータを停止することを特徴とする請求項１記載の防振装置。

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