JP2012087880A - Active vibration isolation device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、除振対象物に取り付けられたアクティブ・マスダンパによって、該除振対象物の所定方向の振動を減殺する制御力を該除振対象物に付加するアクティブ除振装置に関する技術分野に属する。 The present invention belongs to a technical field relating to an active vibration isolator that adds a control force for reducing vibrations in a predetermined direction of an object to be isolated to the object to be isolated by an active mass damper attached to the object to be isolated. .
従来より、例えば特許文献1に示されているように、除振対象物にアクティブ・マスダンパ(Active Mass Damper:以下、AMDともいう)を取り付けて、このAMDによって、除振対象物の所定方向(上下方向や水平方向等)の振動を減殺する制御力を該除振対象物に付加するようにしたアクティブ除振装置が知られている。
Conventionally, as shown in
前記特許文献1のアクティブ除振装置では、AMDの固有振動数を除振対象物の固有振動数よりも低くするとともに、AMDのアクチュエータの制御をノッチフィルタ(位相進み補償フィルタ)により補正することで、AMDの可動質量及びばね要素からなる付加振動系の共振の影響を排除するようにしている。すなわち、ノッチ周波数をAMDの固有振動数に一致させ、これにより、AMDの固有振動数において、前記アクチュエータ制御(フィードバック制御)の開ループ特性におけるゲイン特性の共振ピークを打ち消すようにしている。尚、前記開ループ特性における伝達関数は、除振対象物の伝達関数G(s)に、アクチュエータの制御をコントローラ(位相進み補償フィルタを含む)の伝達関数C(s)を掛けたものである。
In the active vibration isolation device of
ところで、除振対象物の固有振動数が例えば5Hz程度と低い場合には、AMDの固有振動数を除振対象物の固有振動数よりも低くしようとすると、AMDのばね要素をかなり柔らかいものにする必要があり、このため、可動質量の支持性の問題が生じる。 By the way, when the natural frequency of the vibration isolation object is as low as about 5 Hz, for example, when trying to make the natural frequency of AMD lower than the natural frequency of the vibration isolation object, the spring element of AMD is made quite soft. For this reason, the problem of supportability of the movable mass arises.
そこで、除振対象物の固有振動数が低い場合には、AMDの固有振動数を除振対象物の固有振動数よりも高くすることが考えられる。そして、この場合も、前記特許文献1のような位相進み補償フィルタによって、付加振動系の共振の影響を排除するようにすることが考えられる。これにより、AMDの固有振動数において、開ループ特性においてゲイン特性の共振ピークを打ち消すことができる(図8参照)。この結果、AMDが存在しないような状態になる。
Therefore, when the natural frequency of the vibration isolation object is low, it is conceivable that the natural frequency of AMD is made higher than the natural frequency of the vibration isolation object. In this case as well, it is conceivable to eliminate the influence of resonance of the additional vibration system by using the phase lead compensation filter as in
しかし、開ループ特性における位相特性で、除振対象物の固有振動数において位相(開ループ特性の入力(外力)に対する出力(コントローラからの出力)の位相差)を0°にする必要があり、これにより、AMDの固有振動数においては、位相が0にならなくなる。すなわち、除振対象物の固有振動数の前後で90°から−90°に変化した位相が、AMDの固有振動数の前後で、−90°から−270°に変化しようとするが、位相進み補償フィルタによって180°進められるため、−90°のままとなる(図8参照)。 However, it is necessary to set the phase (the phase difference of the output (output from the controller) to the input (external force) of the open loop characteristic) to 0 ° at the natural frequency of the vibration isolation object in the phase characteristic in the open loop characteristic. As a result, the phase does not become zero at the natural frequency of AMD. That is, the phase that has changed from 90 ° to −90 ° before and after the natural frequency of the vibration isolation object tends to change from −90 ° to −270 ° before and after the natural frequency of AMD. Since it is advanced 180 ° by the compensation filter, it remains −90 ° (see FIG. 8).
この結果、前記コントローラのアクチュエータ制御により、振動伝達率は、除振対象物の固有振動数において低減することはできるものの、AMDの固有振動数において低減することはできない(図9参照)。 As a result, by the actuator control of the controller, the vibration transmissibility can be reduced at the natural frequency of the vibration isolation object, but cannot be reduced at the natural frequency of AMD (see FIG. 9).
また、位相進み補償フィルタのノッチ周波数をAMDの固有振動数に一致させる必要があるが、除振装置の製造直後に一致していても、AMDのばね要素の経年変化等によりAMDの固有振動数が変化した場合には一致しなくなり、このため、長期使用により十分な効果が得られなくなる可能性がある。 In addition, the notch frequency of the phase lead compensation filter needs to match the natural frequency of AMD, but even if it matches immediately after the manufacture of the vibration isolator, the natural frequency of AMD is caused by the secular change of the AMD spring element. If they change, they will not match, and there is a possibility that sufficient effects will not be obtained by long-term use.
さらに、位相進み補償フィルタは、AMDの固有振動数に一致するセンサ信号をカット(ノッチ)し、AMDの応答が大きくならないようにしているが、仮に、除振対象物に大きな外乱や突発的な力が加わったとき、ノッチ深さは有限であるため、センサ信号をカットしきれなくなる場合があり、この場合も、十分な効果が得られなくなる可能性がある。 Furthermore, the phase lead compensation filter cuts (notches) a sensor signal that matches the natural frequency of AMD so that the response of AMD does not increase. When a force is applied, the notch depth is finite, so that the sensor signal may not be cut completely. In this case as well, a sufficient effect may not be obtained.
本発明は、斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、アクティブ・マスダンパの固有振動数を除振対象物の固有振動数よりも高くした場合に、除振対象物及びアクティブ・マスダンパの両方の固有振動数において振動伝達率を長期に亘って低減させることが可能なアクティブ除振装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of such points, and an object of the present invention is to provide an object for vibration isolation when the natural frequency of the active mass damper is set higher than the natural frequency of the object for vibration isolation. Another object of the present invention is to provide an active vibration isolator capable of reducing the vibration transmissibility over a long period at the natural frequency of both the active mass damper and the active mass damper.
前記の目的を達成するために、本発明では、除振対象物に取り付けられたアクティブ・マスダンパによって、該除振対象物の所定方向の振動を減殺する制御力を該除振対象物に付加するアクティブ除振装置を対象として、前記除振対象物に前記アクティブ・マスダンパが取り付けられた状態で、該アクティブ・マスダンパの前記所定方向の固有振動数が、該除振対象物の前記所定方向の固有振動数よりも高くされ、前記アクティブ・マスダンパは、前記除振対象物にばね要素を介して前記所定方向に移動可能に取り付けられた可動質量と、前記除振対象物に取り付けられて、前記可動質量を前記所定方向に駆動し、その駆動反力を該除振対象物に作用させるアクチュエータとを有しており、前記除振対象物の前記所定方向の振動状態を検出する振動状態検出センサと、前記振動状態検出センサにより検出される前記除振対象物の振動状態に応じて、前記可動質量の駆動反力が前記除振対象物の所定方向の振動を減殺する制御力となるように、前記アクチュエータを制御する基本制御部と、前記基本制御部による前記アクチュエータの制御を補正する補正部とを備え、前記補正部は、前記基本制御部からのアクチュエータ制御信号の位相を、前記除振対象物の前記所定方向の固有振動数と前記アクティブ・マスダンパの前記所定方向の固有振動数との間に相当する周波数で180°進ませるように構成されている、という構成とした。 In order to achieve the above object, in the present invention, a control force for reducing vibrations in a predetermined direction of the vibration isolation object is added to the vibration isolation object by an active mass damper attached to the vibration isolation object. In the state where the active mass damper is attached to the vibration isolation target for the active vibration isolation device, the natural frequency of the active mass damper in the predetermined direction is the natural frequency of the vibration isolation target in the predetermined direction. The active mass damper is configured to be higher than the vibration frequency, and the active mass damper is attached to the vibration isolation object via a spring element so as to be movable in the predetermined direction, and the active mass damper is attached to the vibration isolation object to move the movable mass damper. An actuator that drives the mass in the predetermined direction and applies a driving reaction force to the vibration isolation object, and detects a vibration state of the vibration isolation object in the predetermined direction. A vibration state detection sensor and a control force for reducing the vibration in the predetermined direction of the vibration isolation object by the driving reaction force of the movable mass according to the vibration state of the vibration isolation object detected by the vibration state detection sensor A basic control unit that controls the actuator, and a correction unit that corrects the control of the actuator by the basic control unit, wherein the correction unit changes the phase of the actuator control signal from the basic control unit. The configuration is such that the vibration isolating object is advanced by 180 ° at a frequency corresponding to the natural frequency in the predetermined direction of the object to be isolated and the natural frequency in the predetermined direction of the active mass damper. .
前記の構成により、アクチュエータ制御(フィードバック制御)の開ループ特性における位相特性で、除振対象物の固有振動数の前後で90°から−90°に変化した位相(開ループ特性の入力に対する出力の位相差)が、除振対象物の固有振動数とアクティブ・マスダンパの固有振動数との間に相当する周波数で、補正部によって180°進められて90°となり、アクティブ・マスダンパの固有振動数の前後で180°遅れて90°から−90°に変化することになる。これにより、開ループ特性において、除振対象物の固有振動数だけでなく、アクティブ・マスダンパの固有振動数においても、位相が0になる。この結果、除振対象物及びアクティブ・マスダンパの両方の固有振動数において振動伝達率を低減させることができる。また、位相進み補償フィルタのノッチ周波数をアクティブ・マスダンパの固有振動数に一致させる場合とは異なり、アクティブ・マスダンパのばね要素の経年変化等によりアクティブ・マスダンパの固有振動数が変化したとしても、また、除振対象物に大きな外乱や突発的な力が加わったとしても、振動伝達率低減の効果は変わらない。 With the above configuration, the phase characteristic in the open loop characteristic of the actuator control (feedback control) changes from 90 ° to −90 ° before and after the natural frequency of the vibration isolation object (the output of the output with respect to the input of the open loop characteristic). The phase difference) is a frequency corresponding to the natural frequency of the object to be isolated and the natural frequency of the active mass damper, and is advanced by 180 ° by the correction unit to 90 °. It changes from 90 ° to −90 ° with a 180 ° delay before and after. Thereby, in the open loop characteristic, the phase becomes 0 not only at the natural frequency of the object to be isolated, but also at the natural frequency of the active mass damper. As a result, the vibration transmissibility can be reduced at the natural frequencies of both the vibration isolation object and the active mass damper. Also, unlike the case where the notch frequency of the phase advance compensation filter is matched with the natural frequency of the active mass damper, even if the natural frequency of the active mass damper changes due to aging of the spring element of the active mass damper, etc. Even if a large disturbance or sudden force is applied to the vibration isolation object, the effect of reducing the vibration transmissibility does not change.
前記アクティブ除振装置において、前記補正部は、ノッチフィルタで構成されていて、その伝達関数F(s)が、
F(s)=(s2+2ζωns+ωn 2)/s2 …(1)
により表されるものであり、前記式(1)中のsはラプラス演算子であり、前記式(1)中のωnは、前記ノッチフィルタのノッチ周波数に相当する振動数(単位:rad/s)であって、前記除振対象物の前記所定方向の固有振動数をωaとし、前記アクティブ・マスダンパの前記所定方向の固有振動数をωとして、
ωa<ωn<ω
を満たし、
前記式(1)中のζは、前記ノッチフィルタの減衰比であって、0.005以上0.1以下の値に設定される、ことが好ましい。
In the active vibration isolation device, the correction unit includes a notch filter, and a transfer function F (s) thereof is
F (s) = (s 2 + 2ζω n s + ω n 2 ) / s 2 (1)
S in the equation (1) is a Laplace operator, and ω n in the equation (1) is a frequency (unit: rad / unit) corresponding to the notch frequency of the notch filter. s), the natural frequency of the vibration isolation object in the predetermined direction is ωa, and the natural frequency of the active mass damper in the predetermined direction is ω,
ωa <ω n <ω
The filling,
In the formula (1), ζ is an attenuation ratio of the notch filter, and is preferably set to a value of 0.005 or more and 0.1 or less.
このことにより、アクチュエータへの制御信号の位相を、除振対象物の固有振動数とアクティブ・マスダンパの固有振動数との間に相当する周波数で180°進ませることが容易にできる。ここで、ζの値は、アクチュエータへの制御信号の位相が180°進むのに必要な周波数幅に影響し、ζの値が大きすぎると、その周波数幅が大きくなってノッチ周波数をアクティブ・マスダンパの固有振動数に近づけることができなくなり、これにより、制御帯域(ノッチ周波数よりも低い帯域)が狭くなる一方、ζの値が0に限りなく近付くと、理論的にはωn=ωとなって、ノッチフィルタとアクティブ・マスダンパとが干渉する可能性があるので、0.005以上0.1以下の値に設定することが好ましい。 This makes it easy to advance the phase of the control signal to the actuator by 180 ° at a frequency corresponding to the natural frequency of the vibration isolation object and the natural frequency of the active mass damper. Here, the value of ζ affects the frequency width necessary for the phase of the control signal to the actuator to advance by 180 °. If the value of ζ is too large, the frequency width increases and the notch frequency is changed to the active mass damper. Thus, the control band (the band lower than the notch frequency) becomes narrower, while the value of ζ approaches 0 as much as possible theoretically, ω n = ω. Since the notch filter and the active mass damper may interfere with each other, it is preferable to set the value between 0.005 and 0.1.
以上説明したように、本発明のアクティブ除振装置によると、アクティブ・マスダンパの固有振動数を除振対象物の固有振動数よりも高くした場合に、除振対象物及びAMDの両方の固有振動数において振動伝達率を長期に亘って低減させることができ、除振性能を向上させることができる。 As described above, according to the active vibration isolator of the present invention, when the natural frequency of the active mass damper is made higher than the natural frequency of the vibration isolation object, both the vibration isolation object and AMD natural vibrations. The vibration transmissibility can be reduced over a long period of time, and the vibration isolation performance can be improved.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、本発明の実施形態に係るアクティブ除振装置としての除振台Aを示す。この除振台Aは、例えば半導体関連の製造装置、試験機器、電子顕微鏡、レーザ顕微鏡等の精密計測機器のように、振動の影響を受けやすい精密な機器Dを搭載するための精密除振台であって、機器Dを床の振動から出来る限り絶縁した状態で設置するためのものである。 FIG. 1 shows a vibration isolation table A as an active vibration isolation device according to an embodiment of the present invention. This vibration isolation table A is a precision vibration isolation table for mounting a precise device D that is susceptible to vibration, such as semiconductor-related manufacturing equipment, test equipment, electron microscopes, laser microscopes, and other precision measurement equipment. In this case, the device D is installed in a state insulated as much as possible from the vibration of the floor.
前記除振台Aは、機器Dが搭載される定盤1を、通常は3個(4個以上でもよい)の空気ばね2(図1には2つのみ示す)によって弾性的に支持するものであり、その定盤1及び搭載機器Dが除振対象物となる。また、除振台A自体は所謂パッシブタイプのものであって、各空気ばね2には、図示は省略するが、高圧空気を供給又は排気するための空気圧回路が接続されて、レベリングバルブ等の作動により定盤1の高さを概略一定に維持するようになっている。
The vibration isolation table A elastically supports the
本実施形態では、機器Dの上面に制振ユニット3を取り付けて、この制振ユニット3により機器Dに付加する制御力によって機器D及び定盤1の所定方向(本実施形態では、上下方向)の振動を減殺するようにしており、この制御ユニット3を含めた除振台A全体がアクティブ除振装置を構成する。制振ユニット3は、アクティブ・マスダンパと呼ばれるものであって、機器Dに固定したケース30内の可動質量33をリニアモータ32(アクチュエータ)により上下方向に駆動し、その駆動反力をケース30を介して機器Dに付加するものである。本実施形態では、除振対象物(機器D及び定盤1)の上下方向の振動を減殺するべく、上下方向の振動に着目するので、以下、上下方向の振動を単に振動という。また、制振ユニット3の上下方向の固有振動数を単に制振ユニット3の固有振動数といい、除振対象物の上下方向の固有振動数を単に除振対象物の固有振動数という。
In the present embodiment, the
以下に、制振ユニット3(アクティブ・マスダンパ)の構造について説明する。制振ユニット3は、図1に示す(実際よりも大きく示す)ように、円筒状のケース30の基端(下端)に、例えば矩形状の基板30aが取り付けられて、この基板30aの4つの角部が機器Dの上面に締結されている。一方、ケース30の先端(上端)には、円板状の蓋部材30bが取り付けられている。ケース30の周壁部は、基端側の概略半分を構成する基端側部材30cと、残りの部分のうちの先端側を構成する先端側部材30dと、基端側部材30c及び先端側部材30dの間に位置する中間部材30eとに3分割されている。
Below, the structure of the vibration suppression unit 3 (active mass damper) is demonstrated. As shown in FIG. 1 (shown larger than the actual size), the damping
ケース30の内部は、2つの区画壁30f,30gによって、ケース30の中心軸J方向(上下方向)に概略3等分されており、ケース30内における下側の区画壁30fと基板30aとの間の空間に、加速度センサ31が収容されている。この加速度センサ31は、基板30aに固定されていて、機器Dの振動による加速度z″を検出するものである。すなわち、加速度センサ31は、除振対象物の振動状態を検出する振動状態検出センサを構成する。
The inside of the
また、ケース30内における2つの区画壁30f,30gの間の空間には、リニアモータ32が収容されている。このリニアモータ32のケース上面が上側の区画壁30gに固定され、リニアモータ32のロッドが、区画壁30gに形成された貫通孔に挿通されかつケース30の中心軸J上において上側に延びて、ケース30内における区画壁30gと蓋部材30bとの間の空間に突出している。
A
前記リニアモータ32のロッドが突出する空間には、可動質量33が収容されており、この可動質量33は、2枚の板ばね34によりケース30に対して中心軸J方向に移動可能に保持されている。可動質量33は、略円筒状の本体部33aと該本体部33aを上下方向に貫通する軸部33bとからなり、この軸部33bの上下両端部がそれぞれ、2枚の板ばね34の中心部に貫通した状態で固定されているとともに、軸部33bの下端がリニアモータ32のロッドの先端に連結されている。
A
板ばね34は、詳細は図示しないが、円盤状をなしていて、中心部及び外周部の所定範囲を除いた径方向の中間部位に、複数の貫通溝が形成されたものである。上側の板ばね34の外周部は、先端側部材30d及び中間部材30eに挟持され、下側の板ばね34は、基端側部材30c及び中間部材30eに挟持されてケース30に連結される一方、両板ばね34の中心部には、前記のように可動質量33の軸部33bが貫通状態で固定される中心孔が形成されている。
Although not shown in detail, the
本実施形態では、機器Dに制振ユニット3が取り付けられた状態で、該制振ユニット3の固有振動数が、除振対象物(機器D及び定盤1)の固有振動数よりも高くされている。除振対象物の固有振動数は、周波数換算で、例えば4〜6Hzと低い。但し、このような低い値には限られない。制振ユニット3の固有振動数は、除振対象物の固有振動数に対して5Hz以上高いことが好ましい。
In the present embodiment, in a state where the
次に、制振ユニット3の制御について具体的に説明する。本実施形態では、制振ユニット3の作動、すなわち、リニアモータ32の制御による可動質量33の駆動が、コントローラ4によって行われる。このコントローラ4は、図1に示すように、基本制御部4aと補正部4bとを有している。基本制御部4aは、制振ユニット3の加速度センサ31からの信号に基づいて、リニアモータ32のフィードバック制御を行う。すなわち、基本制御部4aは、加速度センサ31からの信号を入力して、該加速度センサ31により検出される除振対象物(機器D及び定盤1)の振動状態に応じて、可動質量33の駆動反力が前記除振対象物の振動を減殺する制御力となるように、リニアモータ32を制御する。補正部4bは、基本制御部4aによる前記リニアモータ32の制御(基本制御部4aから出力されるリニアモータ制御信号)を補正して、該補正したリニアモータ制御信号を、コントローラ4からの出力信号として、リニアモータ32へ出力する。
Next, the control of the
図2に一例を示すように、基本制御部4aは、加速度センサ31からの信号、つまり除振対象物の加速度z″を2回積分して得られる変位zに対しゲインB1を乗算するとともに、加速度z″を1回積分して得られる速度z′に対しゲインB2を乗算し、また、加速度z″に対しゲインB3を乗算した上で、それらを合算して、リニアモータ32のフィードバック操作量u1を求める。この操作量u1が、可動質量33の駆動反力として除振対象物の振動を減殺するような制御力を発生させるためのものである。
As shown in FIG. 2, the
前記の制御演算においては、速度z′のフィードバック制御が基本であり、これは制振ユニット3によって、機器D、定盤1及び空気ばね2からなる主振動系に減衰を付加するという意味を持つ。制振ユニット3を付加することによって、除振台Aは2自由度の振動系になるが、速度z′のフィードバック制御によって減衰が加わり、共振倍率が低下するので、主振動系の共振を抑えることができる。また、加速度z″のフィードバック制御によって高周波側の性能を向上させることができるとともに、変位zのフィードバック制御によって低周波側の性能を向上させることができる。尚、加速度z″及び変位zのフィードバック制御をなくして、速度z′のフィードバック制御のみとしてもよい。
In the above control calculation, feedback control of the speed z ′ is fundamental, which means that the damping
補正部4bは、前記基本制御部4aからのリニアモータ制御信号の位相を、前記除振対象物の固有振動数と前記制振ユニット3の固有振動数との間に相当する周波数で180°進ませるように構成されている。
The
具体的に、本実施形態では、補正部4bは、ノッチフィルタ(位相進み補償フィルタ)で構成されていて、その伝達関数F(s)が、
F(s)=(s2+2ζωns+ωn 2)/s2 …(1)
により表されるものである。
Specifically, in the present embodiment, the
F (s) = (s 2 + 2ζω n s + ω n 2 ) / s 2 (1)
It is represented by.
前記式(1)中のsはラプラス演算子であり、ωnは、前記ノッチフィルタのノッチ周波数に相当する振動数(単位:rad/s)であって、前記除振対象物の固有振動数をωaとし、前記制振ユニット3の固有振動数をωとして、
ωa<ωn<ω
を満たす。
In the equation (1), s is a Laplace operator, ω n is a frequency (unit: rad / s) corresponding to the notch frequency of the notch filter, and the natural frequency of the vibration isolation object. Is ωa, and the natural frequency of the damping
ωa <ω n <ω
Meet.
前記式(1)中のζは、前記ノッチフィルタの減衰比であって、0.005以上0.1以下の値に設定される。 In the equation (1), ζ is an attenuation ratio of the notch filter, and is set to a value between 0.005 and 0.1.
ここで、ζの値は、前記基本制御部4aからのリニアモータ制御信号の位相が180°進むのに必要な周波数幅に影響し、ζの値が大きすぎると、その周波数幅が大きくなって、ノッチ周波数をアクティブ・マスダンパの固有振動数に近づけることができなくなり、この結果、制御帯域(ノッチ周波数よりも低い帯域)が狭くなる。ωが既に決まっている場合(通常は、このようになる)、制御帯域(ノッチ周波数よりも低い帯域)を広くする観点から、ωnをωの値に近づける(大きくする)ことが好ましい。したがって、上記周波数幅を小さくしてωnをωの値に近づけるべく、ζを小さく設定するのがよいが、0に限りなく近付くと、理論的にはωn=ωとなって、ノッチフィルタと制振ユニット3とが干渉する可能性がある。そこで、ζを0.005以上0.1以下に設定することが好ましい。より好ましいのは、ζを0.007以上0.05以下の値に設定することである。
Here, the value of ζ affects the frequency width necessary for the phase of the linear motor control signal from the
補正部4bは、基本制御部4aからの操作量u1(リニアモータ制御信号)を入力して、これにF(s)を掛けて補正後の操作量u2を求め、更にこれを4次のハイパスフィルタを通過させた後に、電力増幅器を介してリニアモータ32へ出力する。操作量u2が4次のハイパスフィルタを通過するようにするのは、ノッチフィルタが低周波数で高ゲインになるからである。尚、ハイパスフィルタは必須のものではなく、なくしてもよい。
The
ここで、前記の如く説明した除振台Aと同様の除振台(以下、実施例という)を作製した。但し、この実施例では、簡易的なものであるため、除振対象物の固有振動数ωaが周波数換算で25Hzと比較的大きくなっている。また、制振ユニット3の固有振動数ωは周波数換算で81Hzとした。さらに、速度z′のフィードバック制御のみとし、ゲインB1及びB3は0とし、B2は105とした。また、積分器、ノッチフィルタ及びハイパスフィルタのカットオフ周波数を、それぞれ0.1Hz、0.1Hz及び1.0Hzとした。そして、減衰比ζを0.01とし、ノッチ周波数ωnを周波数換算で50Hzとした。
Here, a vibration isolation table (hereinafter referred to as an example) similar to the vibration isolation table A described above was produced. However, in this embodiment, since it is simple, the natural frequency ωa of the vibration isolation object is relatively high at 25 Hz in terms of frequency. The natural frequency ω of the
一方、比較のために、ノッチ周波数ωnをωに一致させて81Hzとし、その他は実施例と同様の除振台を作製した。 Meanwhile, for comparison, the notch frequency omega n to match the omega and 81Hz, others were produced in the same manner the anti-vibration table and examples.
前記実施例のリニアモータ制御(フィードバック制御)における開ループ特性を図3に示し、リニアモータ制御における閉ループ特性を図4に示す。ここで、閉ループ特性は、図6に示すように、前記フィードバック制御と同じ特性であって、除振対象物への入力(外力)を打ち消すべく、該入力とは逆位相となるように制御力に−1を掛けて、これを前記入力に加えた場合の特性である。閉ループ特性における入力は、除振対象物へ入力される外力であり、閉ループ特性における出力は、除振対象物からの出力(加速度センサ31により検出されるもの)である。図4は、閉ループ特性において、周波数による、入力の大きさに対する出力の大きさの比である振動伝達率の変化を示す。尚、除振対象物の伝達関数をG(s)とし、コントローラ4(基本制御部4a及び補正部4bの両方を含む)の伝達関数をC(s)としている。
FIG. 3 shows open loop characteristics in the linear motor control (feedback control) of the above embodiment, and FIG. 4 shows closed loop characteristics in the linear motor control. Here, as shown in FIG. 6, the closed-loop characteristic is the same characteristic as the feedback control, and the control force is set to have an opposite phase to the input in order to cancel the input (external force) to the vibration isolation object. This is a characteristic when -1 is multiplied by -1 and added to the input. The input in the closed loop characteristic is an external force input to the vibration isolation object, and the output in the closed loop characteristic is an output from the vibration isolation object (detected by the acceleration sensor 31). FIG. 4 shows the change in vibration transmissibility, which is the ratio of the output magnitude to the input magnitude, with frequency in the closed-loop characteristic. The transfer function of the vibration isolation object is G (s), and the transfer function of the controller 4 (including both the
一方、開ループ特性は、図7に示すように、前記閉ループ特性においてコントローラ4からの出力を除振対象物への入力に加えないようにするために閉ループを途中で切断した場合の特性である。開ループ特性における入力は、除振対象物へ入力される外力であり、開ループ特性における出力は、コントローラからの出力である。開ループ特性の伝達関数は、G(s)×C(s)となる。図3は、開ループ特性において、周波数による、入力の大きさに対する出力の大きさの比の変化(ゲイン特性曲線)と、周波数による、入力に対する出力の位相差の変化(位相特性曲線)とを示す。開ループ特性における入力と出力とが同位相(位相差が0°)であれば、閉ループ特性で出力が入力よりも低減される(振動伝達率が低減する)一方、開ループ特性における入力と出力とが逆位相(位相差が180°)であれば、閉ループ特性で出力が入力よりも増幅される(振動伝達率が増大する)ことになる。実施例において、閉ループ特性における、制振ユニットの固有振動数ω(81Hz)での応答特性(開ループ特性の入力−開ループ特性の出力)を図5に示す。
On the other hand, as shown in FIG. 7, the open loop characteristic is a characteristic when the closed loop is cut halfway in order to prevent the output from the
また、比較例において、開ループ特性(ゲイン特性曲線及び位相特性曲線)を図8に示し、閉ループ特性を図9に示し、閉ループ特性における、制振ユニットの固有振動数ω(81Hz)での応答特性(開ループ特性の入力−開ループ特性の出力)を図10に示す。 Further, in the comparative example, the open loop characteristic (gain characteristic curve and phase characteristic curve) is shown in FIG. 8, the closed loop characteristic is shown in FIG. 9, and the response at the natural frequency ω (81 Hz) of the damping unit in the closed loop characteristic is shown. FIG. 10 shows the characteristics (input of open loop characteristics−output of open loop characteristics).
比較例では、図8の位相特性曲線に示すように、位相(入力に対する出力の位相差)が、除振対象物の固有振動数ωaの前後で、90°から−90°に変化し、除振対象物の固有振動数ωaにおいて、0°になる。この結果、図9に示すように、除振対象物の固有振動数ωaにおいて、振動伝達率が制御なし(パッシブ)の場合に比べて低減する。 In the comparative example, as shown in the phase characteristic curve of FIG. 8, the phase (the phase difference of the output with respect to the input) changes from 90 ° to −90 ° before and after the natural frequency ωa of the vibration isolation object. The natural frequency ωa of the object to be shaken is 0 °. As a result, as shown in FIG. 9, the vibration transmissibility is reduced at the natural frequency ωa of the vibration isolation object as compared with the case of no control (passive).
また、比較例では、図8の位相特性曲線に示すように、制振ユニットの固有振動数ωの前後で、−90°から−270°に変化しようとするが、ノッチフィルタによって180°進められるため、−90°のままとなる。そして、図8のゲイン特性曲線に示すように、制振ユニットの固有振動数ωにおいて、開ループ特性の共振ピークが打ち消されて、制振ユニットが存在しないような状態になる。しかし、前記位相が−90°であるため、閉ループ特性における、制振ユニットの固有振動数ωでの応答特性は図10のようになり、図9に示すように、制振ユニットの固有振動数ωにおいては、振動伝達率を低減することができない。 Further, in the comparative example, as shown in the phase characteristic curve of FIG. 8, it tries to change from −90 ° to −270 ° before and after the natural frequency ω of the damping unit, but is advanced by 180 ° by the notch filter. Therefore, it remains at −90 °. Then, as shown in the gain characteristic curve of FIG. 8, the resonance peak of the open loop characteristic is canceled at the natural frequency ω of the vibration suppression unit, and the vibration suppression unit does not exist. However, since the phase is −90 °, the response characteristic at the natural frequency ω of the vibration suppression unit in the closed loop characteristic is as shown in FIG. 10, and the natural frequency of the vibration suppression unit as shown in FIG. In ω, the vibration transmissibility cannot be reduced.
これに対し、実施例では、図3の位相特性曲線に示すように、除振対象物の固有振動数ωa及び制振ユニットの固有振動数ωのどちらにおいても、位相が0°になる。すなわち、開ループ特性における位相特性で、除振対象物の固有振動数の前後で90°から−90°に変化した位相が、除振対象物の固有振動数ωaと制振ユニットの固有振動数ωとの間に相当する周波数(ノッチ周波数(50Hz))で、ノッチフィルタによって180°進められて90°となる。そして、制振ユニットの固有振動数ωの前後で180°遅れて90°から−90°に変化し、制振ユニットの固有振動数ωにおいて、0°になる。この結果、閉ループ特性における、制振ユニットの固有振動数ωでの応答特性は図5のようになる。したがって、図4に示すように、制振ユニットの固有振動数ωだけでなく、制振ユニットの固有振動数ωにおいても、振動伝達率を制御なしの場合に比べて低減することができる。 On the other hand, in the embodiment, as shown in the phase characteristic curve of FIG. 3, the phase is 0 ° in both the natural frequency ωa of the vibration isolation object and the natural frequency ω of the vibration suppression unit. That is, the phase characteristics in the open loop characteristics, the phase changing from 90 ° to −90 ° before and after the natural frequency of the vibration isolation object, are the natural frequency ωa of the vibration isolation object and the natural frequency of the damping unit. At a frequency equivalent to ω (notch frequency (50 Hz)), it is advanced by 180 ° by the notch filter to 90 °. Then, it changes from 90 ° to −90 ° with a delay of 180 ° before and after the natural frequency ω of the damping unit, and becomes 0 ° at the natural frequency ω of the damping unit. As a result, the response characteristic at the natural frequency ω of the damping unit in the closed loop characteristic is as shown in FIG. Therefore, as shown in FIG. 4, not only the natural frequency ω of the damping unit but also the natural frequency ω of the damping unit can reduce the vibration transmissibility compared to the case without control.
以上のように、本実施形態では、制振ユニット3の固有振動数ωを除振対象物の固有振動数ωaよりも高くし、基本制御部4aにおいて、加速度センサ31により検出される前記除振対象物の振動状態に応じて、制振ユニット3の可動質量33の駆動反力が前記除振対象物の振動を減殺する制御力となるように、リニアモータ32を制御するとともに、補正部4b(ノッチフィルタ)によって、除振対象物の固有振動数ωaと制振ユニット3の固有振動数ωとの間に相当する周波数(ノッチ周波数)で、リニアモータ制御信号の位相を180°進ませるようにしたので、除振対象物及び制振ユニット3の両方の固有振動数において振動伝達率を低減させることができる。また、ノッチフィルタのノッチ周波数を制振ユニット3の固有振動数に一致させる場合とは異なり、制振ユニット3の板ばね34の経年変化等により制振ユニット3の固有振動数が変化したとしても、また、除振対象物に大きな外乱や突発的な力が加わったとしても、振動伝達率低減の効果は変わらない。
As described above, in the present embodiment, the natural frequency ω of the
本発明は、前記実施形態に限られるものではなく、請求の範囲の主旨を逸脱しない範囲で代用が可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be substituted without departing from the scope of the claims.
例えば、前記実施形態では、制振機構を加速度センサ31と共にケース30に収容して、一体の制振ユニット3を構成しているが、これに限らず、加速度センサ31やリニアモータ32をそれぞれ機器Dに直接、配設することもできる。また、加速度センサ31に代えて、例えば速度センサや変位センサを用いることもできるし、リニアモータ32以外に、例えばサーボ弁で内圧を制御する空気ばねや圧電素子等のアクチュエータを用いることもできる。
For example, in the above-described embodiment, the vibration damping mechanism is housed in the
また、制振ユニット3において、可動質量33をケース30に連結する板ばね34に代えて、例えば、金属製又は樹脂製の環状部材と環状のゴム部材とを径方向に交互に積層してなる積層弾性体を用いることもできるし、磁気ベアリングやエアベアリング等を利用することもできる。
Further, in the damping
また、前記実施形態では、除振対象物(機器D及び定盤1)の上下方向の振動を減殺するために、可動質量33をリニアモータ32により上下方向に駆動するようにしたが、除振対象物の水平方向や水平方向又は上下方向に対して斜め方向の振動を減殺するようにしてもよく、その減殺する方向にケース30の中心軸Jが延びるようにして、該方向に可動質量33を駆動するようにすればよい。
In the embodiment, the
さらに、前記実施形態では、定盤1を空気ばね2により支持するようにした除振台Aを例示しているが、その空気ばね2に代えて、空気以外の気体を封入した気体ばねを用いることもできるし、コイルばね等のような、気体ばね以外のばね要素を用いることもできる。
Furthermore, in the said embodiment, although the vibration isolator A which supported the
本発明は、除振対象物に取り付けられたアクティブ・マスダンパによって、該除振対象物の所定方向の振動を減殺する制御力を該除振対象物に付加するアクティブ除振装置に有用である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is useful for an active vibration isolation device that adds a control force that attenuates vibrations in a predetermined direction of an object to be vibration-isolated to the object to be vibration-isolated by an active mass damper attached to the object to be vibration-isolated.
A 除振台(アクティブ除振装置)
D 機器(除振対象物)
1 定盤(除振対象物)
3 制振ユニット(アクティブ・マスダンパ)
4 コントローラ
4a 基本制御部
4b 補正部
31 加速度センサ(振動状態検出センサ)
32 リニアモータ(アクチュエータ)
33 可動質量
A Vibration isolation table (active vibration isolation device)
D equipment (objects for vibration isolation)
1 Surface plate (object for vibration isolation)
3 Vibration control unit (active mass damper)
4
32 Linear motor (actuator)
33 Moving mass
Claims (2)
前記除振対象物に前記アクティブ・マスダンパが取り付けられた状態で、該アクティブ・マスダンパの前記所定方向の固有振動数が、該除振対象物の前記所定方向の固有振動数よりも高くされ、
前記アクティブ・マスダンパは、前記除振対象物にばね要素を介して前記所定方向に移動可能に取り付けられた可動質量と、前記除振対象物に取り付けられて、前記可動質量を前記所定方向に駆動し、その駆動反力を該除振対象物に作用させるアクチュエータとを有しており、
前記除振対象物の前記所定方向の振動状態を検出する振動状態検出センサと、
前記振動状態検出センサにより検出される前記除振対象物の振動状態に応じて、前記可動質量の駆動反力が前記除振対象物の所定方向の振動を減殺する制御力となるように、前記アクチュエータを制御する基本制御部と、
前記基本制御部による前記アクチュエータの制御を補正する補正部とを備え、
前記補正部は、前記基本制御部からのアクチュエータ制御信号の位相を、前記除振対象物の前記所定方向の固有振動数と前記アクティブ・マスダンパの前記所定方向の固有振動数との間に相当する周波数で180°進ませるように構成されていることを特徴とするアクティブ除振装置。 An active vibration isolator that adds to the vibration isolation object a control force that attenuates vibration in a predetermined direction of the vibration isolation object by an active mass damper attached to the vibration isolation object,
With the active mass damper attached to the vibration isolation object, the natural frequency of the active mass damper in the predetermined direction is set higher than the natural frequency of the vibration isolation object in the predetermined direction,
The active mass damper is attached to the vibration isolation object so as to be movable in the predetermined direction via a spring element, and is attached to the vibration isolation object to drive the movable mass in the predetermined direction. And an actuator that causes the drive reaction force to act on the vibration isolation object,
A vibration state detection sensor for detecting a vibration state in the predetermined direction of the vibration isolation object;
In accordance with the vibration state of the vibration isolation object detected by the vibration state detection sensor, the driving reaction force of the movable mass becomes a control force that attenuates vibration in a predetermined direction of the vibration isolation object. A basic control unit for controlling the actuator;
A correction unit that corrects the control of the actuator by the basic control unit,
The correction unit corresponds to the phase of the actuator control signal from the basic control unit between the natural frequency in the predetermined direction of the vibration isolation object and the natural frequency in the predetermined direction of the active mass damper. An active vibration isolation device configured to advance 180 ° at a frequency.
前記補正部は、ノッチフィルタで構成されていて、その伝達関数F(s)が、
F(s)=(s2+2ζωns+ωn 2)/s2 …(1)
により表されるものであり、
前記式(1)中のsはラプラス演算子であり、
前記式(1)中のωnは、前記ノッチフィルタのノッチ周波数に相当する振動数(単位:rad/s)であって、前記除振対象物の前記所定方向の固有振動数をωaとし、前記アクティブ・マスダンパの前記所定方向の固有振動数をωとして、
ωa<ωn<ω
を満たし、
前記式(1)中のζは、前記ノッチフィルタの減衰比であって、0.005以上0.1以下の値に設定されることを特徴とするアクティブ除振装置。 The active vibration isolator according to claim 1.
The correction unit includes a notch filter, and the transfer function F (s) is
F (s) = (s 2 + 2ζω n s + ω n 2 ) / s 2 (1)
Is represented by
In the formula (1), s is a Laplace operator,
Ω n in the equation (1) is a frequency (unit: rad / s) corresponding to the notch frequency of the notch filter, and the natural frequency in the predetermined direction of the vibration isolation object is ωa, The natural frequency in the predetermined direction of the active mass damper is ω,
ωa <ω n <ω
The filling,
In the equation (1), ζ is an attenuation ratio of the notch filter, and is set to a value not less than 0.005 and not more than 0.1.
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