JP2015075909A - Active vibration isolator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えば半導体製造装置や精密計測装置等を基礎の振動から略絶縁した状態とするためのアクティブ除振装置に関し、特に、基礎の振動状態に基づいて被支持体への伝達振動を推定し、この伝達振動を打ち消すような制御振動をアクチュエータにより付加するフィードフォワード制御の技術分野に属する。 The present invention relates to an active vibration isolator for, for example, a semiconductor manufacturing apparatus, a precision measuring apparatus, and the like that are substantially insulated from basic vibrations, and in particular, estimates transmission vibration to a supported body based on the basic vibration state. In addition, the present invention belongs to the technical field of feedforward control in which a control vibration that cancels the transmission vibration is added by an actuator.
従来より、この種のアクティブ除振装置として、例えば特許文献1に開示された除振台が知られている。図4は、この特許文献1に開示された除振台100の概略構成を模式的に示す図である。
Conventionally, as this type of active vibration isolation device, for example, a vibration isolation table disclosed in
この除振台100は、床200(基礎)上に配設された4基のダイヤフラム形空気ばねからなるアイソレータ300,300,…と、これらアイソレータ300,300,…の上部に搭載された定盤400とを備え、この定盤400上に除振対象物である機器500が設置されている。これら定盤400及び機器500がアイソレータ300,300,…の被支持体となっている。
This vibration isolation table 100 is composed of four diaphragm type air springs arranged on a floor 200 (foundation), and a surface plate mounted on top of these
各アイソレータ300には、被支持体400,500の上下方向の加速度z"と当該被支持体の基礎に対する上下方向の変位z−z0とをそれぞれ検出する加速度センサ及び変位センサが設けられているとともに、床の上下方向の加速度z0"を検出する加速度センサが設けられている。尚、図4にはいずれのセンサも図示していない。これら各センサからの出力信号はそれぞれ図示しないコントローラに入力され、該コントローラがアイソレータ300を構成する空気ばねに対する空気の給排流量を調整する。
Each
そして、上記アクティブ除振装置100は、加速度センサにより床200の振動状態を検出し、この振動が被支持体400,500に伝達するのに対応して、その伝達振動を打ち消すような逆位相の制御振動を空気ばねにより発生させる。上下方向に関しては、床の上下方向の振動、即ち床200の上下方向の加速度z0"を検出して、被支持体の上下方向の振動をフィードフォワード制御で抑制する。水平方向に関しても同様に、床200の水平方向の振動、即ち床200の水平方向の加速度x0",y0"を検出して、被支持体の水平方向の振動をフィードフォワード制御で抑制する。
The
ところで、特許文献1のアクティブ除振装置100は、床200の或る自由度方向の振動により被支持体が当該或る自由度方向に振動するものとして除振制御を行っている。即ち、アクティブ除振装置100は、例えば上下、前後及び左右の直交座標系において、床200の上下方向の振動により被支持体が上下方向に振動し、床200の前後方向の振動により被支持体が前後方向に振動し、さらに、床200の左右方向の振動により被支持体が左右方向に振動するものとして除振制御を行っている。
By the way, the
しかしながら、実際は、図4に示すように、床200が被支持体400,500の重心Gを通らないこと等から、例えば上下、前後及び左右の直交座標系における6自由度のいずれかの方向に床200が振動するときに、これに連成して別の自由度方向の振動が励起されることがある。具体的には、例えば、図4において床200が振動して左向きの力Fxが発生すると、y軸の周りには図の時計回りのモーメント力(=Fx×d1)が発生し、これにより振動が励起される。つまり、床200のx方向への振動によってy軸周りのθ方向に振動が連成する。
However, in actuality, as shown in FIG. 4, the
そうすると、特許文献1のアクティブ除振装置100は、床200の或る自由度方向の振動によって連成される被支持体400,500の他の自由度方向の振動を除振することができず、除振性能が不十分である。
Then, the
本発明は、か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、アクティブ除振装置の除振性能を向上させることにある。 The present invention has been made in view of this point, and an object thereof is to improve the vibration isolation performance of the active vibration isolation device.
上記の目的を達成するために、本発明は、基礎の或る自由度方向の振動によって連成される被支持体の他の自由度方向の振動をフィードフォワード制御によって除振するものである。 In order to achieve the above object, the present invention isolates vibrations in the other direction of freedom of the supported body coupled by vibrations in a certain degree of freedom of the foundation by feedforward control.
具体的には、本発明は、被支持体を基礎に対して弾性的に支持する弾性体と、上記基礎の振動状態を検出する基礎側振動センサと、該基礎側振動センサの検出する振動状態に基づいてアクチュエータを制御して、上記被支持体に対して上記基礎から伝達する振動と逆位相の制御振動を付加する制御手段と、を備えたアクティブ除振装置を対象とし、次のような解決手段を講じた。 Specifically, the present invention provides an elastic body that elastically supports a supported body with respect to a foundation, a foundation-side vibration sensor that detects a vibration state of the foundation, and a vibration state that is detected by the foundation-side vibration sensor. And a control means for controlling the actuator based on the control and applying a control vibration having an opposite phase to the vibration transmitted from the foundation to the supported body. A solution was taken.
すなわち、第1の発明は、上記制御手段は、上記基礎の各自由度方向のうち或る方向の振動に連成して別の自由度方向に現れる上記被支持体の連成振動を減殺すべく、上記基礎側振動センサの検出する当該或る方向の振動状態と該或る方向の振動から上記被支持体の6自由度方向に伝わる力の伝達関数とに基づいて上記アクチュエータへのフィードフォワード操作基準量を求め、該フィードフォワード操作基準量に上記アクチュエータの伝達関数の逆関数を乗じて上記アクチュエータへのフィードフォワード操作量を求め、該フィードフォワード操作量に基づいて上記アクチュエータを制御して、上記被支持体に上記制御振動を付加することを特徴とする。 That is, in the first invention, the control means attenuates the coupled vibration of the supported body that appears in another direction of freedom coupled to the vibration in a certain direction among the directions of freedom of the foundation. Therefore, based on the vibration state in the certain direction detected by the fundamental vibration sensor and the transfer function of the force transmitted from the vibration in the certain direction to the six-degree-of-freedom direction of the supported body, feed forward to the actuator is performed. Obtaining an operation reference amount, multiplying the feedforward operation reference amount by an inverse function of the transfer function of the actuator to obtain a feedforward operation amount to the actuator, and controlling the actuator based on the feedforward operation amount; The control vibration is added to the supported body.
第1の発明によれば、アクチュエータが被支持体に対して6自由度の各自由度方向に制御力を付加可能に設けられている。そして、制御手段は、振動センサが検出する基礎の各自由度方向のうち或る方向の振動状態と、該或る方向から被支持体の6自由度方向に伝わる力の伝達関数とから、アクチュエータへのフィードフォワード操作基準量を求める。ここで、このフィードフォワード操作基準量に基づいてアクチュエータを制御すると、アクチュエータ固有の伝達関数の影響で当該フィードフォワード操作基準量が変化し、被支持体に適切な制御振動を付加することができない。そのため、当該フィードフォワード操作基準量にアクチュエータの伝達関数の逆数を乗じてフィードフォワード操作量を求め、このフィードフォワード操作量に基づいてアクチュエータを制御する。そうすると、基礎の6自由度方向の振動によって連成された被支持体の当該6自由度方向の振動と逆位相の制御振動を被支持体に対して付加することができる。このように、基礎の各自由度方向の振動によって連成された被支持体の別の各自由度方向の振動を除振することができるため、アクティブ除振装置の除振性能を向上させることができる。 According to the first invention, the actuator is provided so that a control force can be applied to each of the six degrees of freedom with respect to the supported body. Then, the control means includes an actuator based on a vibration state in a certain direction among the directions of freedom of the foundation detected by the vibration sensor and a transfer function of a force transmitted from the certain direction to the six degrees of freedom direction of the supported body. Calculate the feedforward operation reference amount to. Here, if the actuator is controlled based on this feedforward operation reference amount, the feedforward operation reference amount changes due to the influence of the transfer function unique to the actuator, and appropriate control vibration cannot be applied to the supported body. Therefore, the feedforward operation amount is obtained by multiplying the feedforward operation reference amount by the reciprocal of the transfer function of the actuator, and the actuator is controlled based on the feedforward operation amount. Then, the control vibration having the opposite phase to the vibration in the 6-degree-of-freedom direction of the supported body coupled by the vibration in the 6-degree-of-freedom direction of the foundation can be added to the supported body. In this way, vibrations in each direction of freedom of the supported body coupled by vibrations in each direction of freedom of the foundation can be isolated, thus improving the vibration isolation performance of the active vibration isolation device. Can do.
第2の発明は、第1の発明において、上記被支持体の振動状態を検出する被支持体側振動センサをさらに備え、上記制御手段は、該被支持体側振動センサの検出する振動状態に基づいて、上記被支持体の振動が小さくなるように上記アクチュエータをフィードバック制御することを特徴とする。 A second invention further comprises a supported-body-side vibration sensor for detecting a vibration state of the supported body in the first invention, and the control means is based on the vibration state detected by the supported-body-side vibration sensor. The actuator is feedback-controlled so that the vibration of the supported body is reduced.
第2の発明によれば、被支持体の実際の振動状態に応じて、この振動を抑えるようにアクチュエータを作動させることができる。 According to the second invention, the actuator can be operated so as to suppress this vibration in accordance with the actual vibration state of the supported body.
第3の発明は、第1又は第2の発明において、上記基礎側振動センサは、加速度センサ又は絶対速度センサであることを特徴とする。 According to a third invention, in the first or second invention, the basic vibration sensor is an acceleration sensor or an absolute velocity sensor.
第3の発明によれば、基礎の振動状態を検出する手段として加速度センサ又は絶対速度センサを用いるので、基礎の振動状態を精度良く検出することができる。したがって、基礎の振動状態を精度良く検出しながらフィードフォワード制御を行うことができるので、被支持体に対しその振動を減殺するように適切な制御力を付加することができる。 According to the third invention, since the acceleration sensor or the absolute speed sensor is used as means for detecting the vibration state of the foundation, the vibration state of the foundation can be detected with high accuracy. Therefore, since feedforward control can be performed while accurately detecting the vibration state of the foundation, an appropriate control force can be applied to the supported body so as to reduce the vibration.
第4の発明は、第2の発明において、上記被支持体側振動センサは、加速度センサ又は絶対速度センサであることを特徴とする。 According to a fourth invention, in the second invention, the supported-body vibration sensor is an acceleration sensor or an absolute velocity sensor.
第4の発明によれば、被支持体の振動状態を検出する手段として加速度センサ又は絶対速度センサを用いるので、被支持体の振動状態を精度良く検出することができる。したがって、被支持体の振動状態を精度良く検出しながらフィードバック制御を行うことができるので、被支持体に対しその振動を減殺するように適切な制御力を付加することができる。 According to the fourth invention, since the acceleration sensor or the absolute velocity sensor is used as the means for detecting the vibration state of the supported body, the vibration state of the supported body can be detected with high accuracy. Therefore, since feedback control can be performed while accurately detecting the vibration state of the supported body, an appropriate control force can be applied to the supported body so as to reduce the vibration.
第5の発明は、第1乃至第4のいずれか1つの発明において、上記基礎に対する上記被支持体の変位を検出する変位センサをさらに備え、上記制御手段は、該変位センサの検出する変位に基づいて、上記変位が略一定となるように上記アクチュエータをフィードバック制御することを特徴とする。 A fifth invention according to any one of the first to fourth inventions further comprises a displacement sensor for detecting a displacement of the supported body with respect to the foundation, and the control means is adapted to detect the displacement detected by the displacement sensor. Based on the above, the actuator is feedback-controlled so that the displacement becomes substantially constant.
第5の発明によれば、基礎に対する被支持体の相対変位が略一定となるので、被支持体の基礎に対する位置が保持される。 According to the fifth aspect, since the relative displacement of the supported body with respect to the foundation is substantially constant, the position of the supported body with respect to the foundation is maintained.
第6の発明は、第1乃至第5のいずれか1つの発明において、上記基礎側振動センサは、上記基礎の上下方向、前後方向及び左右方向の振動を検出する3つのセンサで構成されていることを特徴とする。 According to a sixth invention, in any one of the first to fifth inventions, the foundation-side vibration sensor includes three sensors that detect vibrations in the vertical direction, the front-rear direction, and the left-right direction of the foundation. It is characterized by that.
第6の発明によれば、基礎の回転方向の振動も考慮して除振制御するには、基礎に最低6個の振動センサを取り付ける必要があるが、一般に、床面等からなる基礎の回転方向の振動は非常に小さいため、基礎側振動センサを基礎の上下方向、前後方向及び左右方向の振動を検出する3つのセンサで構成すれば十分なことが多い。これにより、除振制御がシンプルとなり、また、部品点数を抑制することができる。 According to the sixth aspect of the invention, in order to perform vibration isolation control in consideration of vibrations in the rotation direction of the foundation, it is necessary to attach at least six vibration sensors to the foundation. Since the vibration in the direction is very small, it is often sufficient to configure the foundation-side vibration sensor with three sensors that detect vibrations in the vertical direction, the front-rear direction, and the left-right direction of the foundation. Thereby, vibration isolation control becomes simple and the number of parts can be suppressed.
以上、本発明によれば、アクチュエータが被支持体に対して6自由度の各自由度方向に制御力を付加可能に設けられている。そして、制御手段は、振動センサが検出する基礎の各自由度方向のうち或る方向の振動状態と、該或る方向から被支持体の6自由度方向に伝わる力の伝達関数とから、アクチュエータへのフィードフォワード操作基準量を求める。ここで、このフィードフォワード操作基準量に基づいてアクチュエータを制御すると、アクチュエータ固有の伝達関数の影響で当該フィードフォワード操作基準量が変化し、被支持体に適切な制御振動を付加することができない。そのため、当該フィードフォワード操作基準量にアクチュエータの伝達関数の逆数を乗じてフィードフォワード操作量を求め、このフィードフォワード操作量に基づいてアクチュエータを制御する。そうすると、基礎の6自由度方向の振動によって連成された被支持体の当該6自由度方向の振動と逆位相の制御振動を被支持体に対して付加することができる。このように、基礎の各自由度方向の振動によって連成された被支持体の別の各自由度方向の振動を除振することができるため、アクティブ除振装置の除振性能を向上させることができる。 As described above, according to the present invention, the actuator is provided so that a control force can be applied to each of the six degrees of freedom with respect to the supported body. Then, the control means includes an actuator based on a vibration state in a certain direction among the directions of freedom of the foundation detected by the vibration sensor and a transfer function of a force transmitted from the certain direction to the six degrees of freedom direction of the supported body. Calculate the feedforward operation reference amount to. Here, if the actuator is controlled based on this feedforward operation reference amount, the feedforward operation reference amount changes due to the influence of the transfer function unique to the actuator, and appropriate control vibration cannot be applied to the supported body. Therefore, the feedforward operation amount is obtained by multiplying the feedforward operation reference amount by the reciprocal of the transfer function of the actuator, and the actuator is controlled based on the feedforward operation amount. Then, the control vibration having the opposite phase to the vibration in the 6-degree-of-freedom direction of the supported body coupled by the vibration in the 6-degree-of-freedom direction of the foundation can be added to the supported body. In this way, vibrations in each direction of freedom of the supported body coupled by vibrations in each direction of freedom of the foundation can be isolated, thus improving the vibration isolation performance of the active vibration isolation device. Can do.
以下、本発明の実施形態を図面に基いて説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the following description of preferable embodiment is only an illustration essentially, and is not intending restrict | limiting this invention, its application thing, or its use.
−除振台の構成−
図1、2は、本発明に係るアクティブ除振装置を具現化した除振台Aの全体的な構成を示す。この除振台Aは、例えば半導体関連の製造装置や電子顕微鏡等のように振動の影響を受けやすい精密機器Dを定盤1上に搭載し、それらを床振動からできるだけ絶縁した状態とするために、複数のアイソレータ2,2,…(弾性体)によって弾性的に支持したものである。つまり、この除振台Aにおいては定盤1及び機器Dが被支持体であり、以下では単に被支持体1,Dともいう。
−Configuration of vibration isolation table−
1 and 2 show the overall configuration of a vibration isolation table A that embodies an active vibration isolation device according to the present invention. This vibration isolation table A is equipped with a precision device D that is susceptible to vibration, such as a semiconductor-related manufacturing apparatus or an electron microscope, on the
一例として図2に示すように、この実施形態では4つのアイソレータ2,2,…を各々定盤1の4隅に配置しているが、これは3個以上であれば幾つでもよい。個々のアイソレータ2は、図1に模式的に示すように、床F(基礎)上に配置されたインナケース20の上部に、上下方向の荷重を支持する空気ばね20aを備えている。これは、インナケース20の上端の開口にダイヤフラム等を介してピストンを気密状に内挿し、該インナケース20内に空気室を画成してなる。
As an example, as shown in FIG. 2, in this embodiment, four
また、図の例ではインナケース20の上半部を上方から覆うようにして、下方に開口するアウタケース21が配設されており、その天板は空気ばね20aのピストン上に載置されている。一方、アウタケース21の側板とインナケース20の側板との間には、所定の隙間がある。この隙間には、上記空気ばね20aと概ね同様の構成の一対の空気ばね20b,20bがインナケース20を間に挟んで互いに対向するように配設されている。これら空気ばね20b,20bは、水平方向の力を発生するようになっている。
In the illustrated example, an
つまり、アイソレータ2は、上下方向の空気ばね20aによって被支持体1,Dの分担荷重を支持するとともに、この上下方向の空気ばね20aや水平方向の空気ばね20b,20bの内圧を増減するように制御することで、被支持体1,Dに対しその振動を減殺するような制御力を付加することができる。
In other words, the
より詳しくは、被支持体である定盤1及びその上の機器Dを一体の剛体とみなし、図2に示すように、この剛体の重心Gを通る直交3軸x、y、zを設定すると、この直交座標系における運動の自由度は、x軸、y軸及びz軸の並進3方向とそれら各軸周りの回転3方向φ、θ、ψとなる。したがって、これら合計6自由度の各方向に各々制御力を付加するように、4つのアイソレータ2,2,…の上下及び水平の空気ばね20a,20b,…を配設している。
More specifically, if the
同図に示す例では、右手前及び左奥(図示せず)の2つのアイソレータ2,2が各々、水平の一対の空気ばね20b,20bの内圧を互いに逆相に増減させることにより、x方向(以下、単に左右方向ともいう)の制御力Fxを発生するように、また、左手前及び右奥の2つのアイソレータ2,2は各々y方向(以下、単に前後方向ともいう)の制御力Fyを発生するように配置されている。それらの4つのアイソレータ2,2,…でz軸周り即ちψ方向の制御力を被支持体1,Dに付加することができる。
In the example shown in the figure, the two
また、上下方向であるz方向の制御力Fzについては、4つのアイソレータ2,2,…の各々の上下の空気ばね20aが分担して発生するものであり、その各々が発生する力Fzの配分を重心Gからの距離に応じて適当に設定すれば、被支持体1,Dに対して上下方向の制御力のみを付加することができる。一方、4つのアイソレータ2,2,…の各々の上下の空気ばね20aが発生する力Fzの配分によって、被支持体1,Dに対してx軸及びy軸の周りの回転方向即ちφ、θ方向の制御力を付加することができる。このように、4基のアイソレータ2,2,…がそれぞれ備える空気ばね20a,20bは、被支持体1,Dに対して6自由度の各自由度方向に制御力を付加可能に設けられている。
Further, the control force Fz in the z direction, which is the vertical direction, is generated by the upper and lower air springs 20a of each of the four
そうして所要の制御力を発生させるために、この実施形態では、図1に模式的に示すように、各アイソレータ2の上下及び水平の空気ばね20a,20b,20bには、それぞれ図外の空気圧源から圧縮空気を供給するための配管が接続されている。そして、これら配管に介設されたサーボ弁22a,22bによって空気ばね20a,20b,20bへの空気の給排気量が調整されるようになる(尚、同図には右側のアイソレータ2についてのみ、その空気圧の制御系統を示す)。この実施形態では、これら空気ばね20a,20bが被支持体1,Dに対して力を作用させるアクチュエータを構成している。
In order to generate the required control force in this way, in this embodiment, as shown schematically in FIG. 1, the upper and lower and horizontal air springs 20a, 20b, 20b of each
また、各アイソレータ2には、その支持位置の近傍における定盤1の上下及び水平(即ち水平の空気ばね20bが設けられている)方向の加速度を検出する加速度センサ23a,23b(被支持体側振動センサ)が配設されている。これら加速度センサ23a,23bからの信号は、コントローラ3(制御手段)に入力される。そして、加速度センサ23a,23bで検出された被支持体1,Dの加速度は、コントローラ3によって被支持体1,Dの重心Gの6自由度の振動x",y",z",φ″,θ″,ψ″に変換される。
Each
さらに、上記の加速度センサ23a,23bと同様に、各アイソレータ2にその支持位置の近傍における定盤1の上下及び水平方向の変位をそれぞれ検出する変位センサ24a,24bが配設されている。また、インナケース20の下部における加速度、即ち床振動を検出するための加速度センサ25(基礎側振動センサ)も配設されている。この加速度センサ25は、4基のアイソレータ2,2,…のうち3基に配設されていて、そのうち2つは水平方向(即ち、x方向及びy方向)の床振動を検出し、残りの1つは上下方向の床振動を検出する。これら変位センサ24a,24b及び加速度センサ25からの信号も、コントローラ3に入力される。そして、変位センサ24a,24bで検出された被支持体1,Dの変位は、コントローラ3によって被支持体1,Dの重心Gの6自由度の変位x−x0,y−y0,z−z0,φ−φ0,θ−θ0,ψ−ψ0に変換される。ここで、x0,y0,z0,φ0,θ0,ψ0は、各自由度方向における床Fの変位である。
Further, similarly to the
コントローラ3によるサーボ弁22a,22bの制御の内容は、概ね図3のブロック図に示すようになり、大別すると、被支持体1,Dに対する床Fからの伝達振動を打ち消すための除振制御と、機器D等の発生する振動を打ち消すための制振制御とからなる。即ち、サーボ弁22a,22bへの制御入力に対して、図の右側に示すように、加速度センサ23a,23bからの信号に基づいてフィードバック振動制御部3aによりフィードバック制御が行われるとともに、床振動を検出する加速度センサ25からの信号に基づいてフィードフォワード振動制御部3bによりフィードフォワード制御が行われる。
The contents of control of the
また、上記のフィードバック制御及びフィードフォワード制御に加え、図の左下側に示すように、変位センサ24a,24bからの出力に基づいてフィードバック変位制御部3cによりフィードバック制御が行われる。尚、この実施形態の除振台Aでは、定盤1は常に静止していることが理想とされ、目標値が変更されることなく一定なので、ここでは零(0)としている。このようなフィードバック振動制御及びフィードフォワード振動制御は、コントローラ3のCPUによって所定のプログラムが実行されることにより実現するもので、ソフトウェアの態様で備わっている。
In addition to the feedback control and feedforward control described above, feedback control is performed by the feedback
そして、そのような種々の補正の結果として、6自由度の各方向の操作量が決定され、各空気ばね20a,20bの位置に従って操作量がサーボ弁22a,22bに分配されてコントローラ3からサーボ弁22a,22bへの制御出力がなされ、この出力信号を受けたサーボ弁22a,22bの作動によって空気ばね20a,20bの空気圧が調整されることにより、該空気ばね20a,20bがアクチュエータとして作動して、被支持体1,Dに制御振動を付加することになる。
As a result of such various corrections, the operation amount in each direction with 6 degrees of freedom is determined, and the operation amount is distributed to the
以下、前記の各制御について詳細に説明する。尚、同図には、便宜上、x軸周りの回転方向であるφ方向の制御についてのみ示しているが、これと同様の制御は上下方向(z方向)及び水平方向(x方向及びy方向)並びにこれらy軸及びz軸周りの回転方向(θ方向、ψ方向)についても行われる。 Hereinafter, each control will be described in detail. In the figure, for the sake of convenience, only the control in the φ direction, which is the rotation direction around the x axis, is shown, but the same control is performed in the vertical direction (z direction) and the horizontal direction (x direction and y direction). In addition, the rotation is also performed around the y-axis and the z-axis (θ direction, ψ direction).
−除振台の制御−
(フィードバック振動制御)
まず、フィードバック振動制御部3aによる制御について説明すると、これは、加速度センサ23aにより検出されて加速度センサ23aの配置より求められた除振対象物1,Dの振動状態、即ち定盤1の加速度φ″に基づいて、その振動を減殺するような制御力を空気ばね20aにより発生させるものである。即ち、検出された加速度φ″に対応するフィードバックゲインをGc、この加速度φ″の微分に対応するフィードバックゲインをGmとし、また、加速度φ″の積分に対応するフィードバックゲインをGkとしてそれぞれフィードバック操作量を演算し、これらを加算したフィードバック操作量U1を反転して、サーボ弁22aへの操作量を決定する。
-Control of vibration isolation table-
(Feedback vibration control)
First, the control by the feedback
このフィードバック操作量U1に対応してサーボ弁22aの開度が変更されることで、空気ばね20aへの圧縮空気の供給又は排気が行われ、その内圧が変化することによって除振対象物1,Dに制御力が付加されて、これにより振動が減殺される。そうして減殺された除振対象物1,Dの振動状態(加速度φ″)が再び加速度センサ23aにより検出されて、フィードバックされる。
By changing the opening degree of the
この実施形態のようにアクチュエータとして空気ばね20aを利用する場合、フィードバック操作量U1に比例するのはサーボ弁22aの開度であり、空気ばね20aの内圧はフィードバック操作量U1の積分に比例することになるから、上記のように加速度φ″に制御ゲインGcを乗算してフィードバックすれば、この分の制御量が空気系で積分されて、絶対速度に比例する空気圧の変化を生じることになり、いわゆるスカイフックダンパの効果が得られるものである。
When the
(フィードフォワード除振制御)
次に、フィードフォワード振動制御部3bによる制御について説明すると、これは、加速度センサ25により床Fの振動状態の上下方向加速度z0″及び水平方向加速度x0″,y0″,を検出し、この振動が被支持体1,Dに伝達するのに対応して、その伝達振動を打ち消すような逆位相の制御振動を空気ばね20a,20bにより発生させるものである。即ち、加速度センサ25の検出値z0″,x0″,y0″に基づいて、例えばデジタルフィルタ(アナログフィルタでもよい)によりフィードフォワード操作量U2を演算し、このフィードフォワード操作量U2を操作量から減算する。
(Feed forward vibration isolation control)
Next, the control by the feedforward
ここで、フィードフォワード操作量U2は、フィードフォワード操作基準量Uφによって求められる。このフィードフォワード操作基準量Uφは、加速度センサ25により検出される床Fの加速度z0″,x0″,y0″をデジタルフィルタに入力し、そこからの出力信号として生成されるものである。この実施形態では、上記フィードフォワード操作基準量Uφは、床Fの加速度z0″,x0″,y0″と床Fの加速度z0″,x0″,y0″から被支持体1,Dのφ方向の力までの伝達関数とに基づいて求められ、次のように表される。
Here, the feedforward operation amount U2 is obtained by the feedforward operation reference amount Uφ. This feedforward operation reference amount Uφ is generated as an output signal from the accelerations z0 ″, x0 ″, y0 ″ of the floor F detected by the
Uφ=ΣLny×(Cnz・s+Knz)×z0″/s2+ΣLnz×(Cny・s+Kny)×y0″/s2 …(式2)
ここで、(式2)におけるLny,Lnzはそれぞれ被支持体1,Dの重心Gを原点としたn番目のアイソレータ2のy方向及びz方向の座標、Knz,Knyはそれぞれn番目のアイソレー2のz方向及びy方向のばね定数、Cnz,Cnyはそれぞれn番目のアイソレータ2のZ方向及びy方向の減衰係数である。尚、上記の伝達関数は、測定によっても求めることができる。
Uφ = ΣLny × (Cnz · s + Knz) × z0 ″ / s 2 + ΣLnz × (Cny · s + Kny) × y0 ″ / s 2 (Formula 2)
Here, Lny and Lnz in (Expression 2) are the coordinates in the y and z directions of the
言い換えると、フィードフォワード振動制御部3bのデジタルフィルタは、上記(式2)と等価なものとなるようにフィルタ係数が設定されており、このようなフィルタ係数は、例えば、上記(式2)に従来周知のZ変換の手法を適用することで、容易に設定することができる。尚、フィードフォワード振動制御部3bをアナログ回路にて構成する場合でも、回路を構成する素子の容量等の変更により、同様の設定を容易に行える。
In other words, the filter coefficient of the digital filter of the feedforward
一方、アクチュエータ、即ち空気ばね20a及びサーボ弁22aの入力に対する力の伝達関数Tは、
T=Kv・Am/(1+Tv・s) …(式3)
で表される。ここで、Amは空気ばね20aの受圧面積、Tvは空気ばね20aとサーボ弁22aとによって決まるアクチュエータの時定数、Kvは空気ばね20aとサーボ弁22aとによって決まるアクチュエータのゲインである。
On the other hand, the transfer function T of the force with respect to the inputs of the actuator, that is, the
T = Kv · Am / (1 + Tv · s) (Formula 3)
It is represented by Here, Am is a pressure receiving area of the
したがって、フィードフォワード操作量U2は、上記フィードフォワード操作基準量Uφにアクチュエータの伝達関数Tの逆関数を乗じて求められる。即ち、
U2=Uφ・T−1
=(1+Tv・s)/(Kv・Am)×Uφ …(式4)
と表される。
Therefore, the feedforward operation amount U2 is obtained by multiplying the feedforward operation reference amount Uφ by the inverse function of the actuator transfer function T. That is,
U2 = Uφ · T −1
= (1 + Tv · s) / (Kv · Am) × Uφ (Formula 4)
It is expressed.
よって、前記(式2)に従って床Fの加速度z0″,x0″,y0″に対応するフィードフォワード操作基準量Uφを演算し、このフィードフォワード操作基準量Uφにアクチュエータの特性を示す伝達関数Tの逆関数を乗じてフィードフォワード操作量U2を決定し、これを反転してサーボ弁22aへの入力に加える。これにより、床Fのz軸,x軸,y軸の各方向の振動から連成される被支持体1,Dの重心Gのφ方向の振動に対して、アイソレータ2によって当該連成振動と逆位相の制御振動を付加して、被支持体1,Dの重心Gのφ方向の振動を効果的に除振することが可能となる。
Therefore, the feedforward operation reference amount Uφ corresponding to the accelerations z0 ″, x0 ″, y0 ″ of the floor F is calculated according to the above (Expression 2), and the transfer function T indicating the characteristics of the actuator is calculated as the feedforward operation reference amount Uφ. Multiply the inverse function to determine the feedforward manipulated variable U2, reverse it and add it to the input to the
(フィードバック変位制御)
最後に、上記フィードバック変位制御部3cの概要を説明すると、これは、変位センサ24aにより検出される定盤1のφ方向(x軸周りの回転方向)変位(基礎側に対する相対変位)φ−φ0に基づいて、この変位が小さくなるように空気ばね20aの内圧を調整するものである。すなわち、図示の如く、検出した相対変位φ−φ0を位置の制御目標値、即ち零(0)から減算した後に、PID制御則に従ってフィードバック操作量U3を求める。
(Feedback displacement control)
Finally, the outline of the feedback
なお、φ−φ0は、変位センサ24a,24bの出力であって、被支持体1,Dの位置が基準位置にあると0が出力されるように調整されている。
Note that φ−φ0 is an output of the
このフィードバック操作量U3に対応してサーボ弁22aの開度が変更されると、圧縮空気が空気ばね20aに対し供給又は排気され、その内圧が変化することによって被支持体1,Dのφ方向の位置は、基準となるφ方向の位置からのずれが小さくなるように、即ち初期の設定位置になるように変更される。そうして変更された被支持体1,Dのφ方向の位置が再び変位センサ24aにより検出されて、フィードバックされる。
When the opening degree of the
−発明の実施形態の効果−
上記実施形態によれば、アクチュエータが被支持体1,Dの重心Gに対して6自由度の各自由度方向に制御力を付加可能に設けられている。そして、コントローラ3は、加速度センサ23a,23bが検出する床Fのz軸,x軸,y軸の各方向の振動、即ち、床Fのこれら3方向の加速度z0″,x0″,y0″と、当該3方向の振動から被支持体1,Dの重心Gのφ方向に伝わる力の伝達関数とから、アクチュエータへのフィードフォワード操作基準量Uφを求める。ここで、このフィードフォワード操作基準量Uφに基づいてアクチュエータを制御すると、アクチュエータ固有の伝達関数Tによって当該フィードフォワード操作基準量Uφが変化し、被支持体1,Dに適切な制御振動を付加することができない。そのため、当該フィードフォワード操作基準量Uφにアクチュエータの伝達関数Tの逆数を乗じたフィードフォワード操作量U2を求め、これに基づいてアクチュエータを制御する。そうすると、床Fのx軸、y軸及びz軸の3方向の振動によって連成された被支持体1,Dの重心Gのφ方向の振動と逆位相の制御振動を被支持体に対して付加することができる。このように、床Fの振動によって連成された被支持体1、Dのφ方向の振動を除振することができるため、除振台Aの除振性能を従来よりも向上させることができる。
-Effects of the embodiment of the invention-
According to the above-described embodiment, the actuator is provided so that a control force can be applied in each of the six degrees of freedom with respect to the center of gravity G of the supported
また、上記実施形態によれば、フィードバック振動制御部3aにより、被支持体1,Dの実際の振動状態に応じて、この振動を抑えるように空気ばね20aを作動させることができる。
Moreover, according to the said embodiment, according to the actual vibration state of the to-
さらに、上記実施形態によれば、定盤1の振動状態及び床Fの振動状態を検出する手段として、それぞれ加速度センサ23a,23b及び加速度センサ25を用いているので、定盤1及び床Fの振動状態を精度良く検出することができる。したがって、フィードバック振動制御部3aとフィードフォワード振動制御部3bは、定盤1及び床Fの振動状態を精度良く検出しながら制御することができるので、被支持体1,Dに対しその振動を減殺するように適切な制御力を付加することができる。
Furthermore, according to the above embodiment, the
さらにまた、上記実施形態によれば、フィードバック変位制御部3cにより、被支持体1,Dの基準となるφ方向の位置からのずれが小さくなるように被支持体1,Dの床Fに対するφ方向の位置が保持される。
Furthermore, according to the above-described embodiment, the feedback
なお、上記実施形態では、床Fのx軸、y軸及びz方向、即ち並進3方向の振動によって連成される被支持体1,Dのφ方向の振動を除振する形態について説明しているが、これに限定されず、例えば、床Fの並進3方向の振動によって連成される被支持体1,Dの重心Gのz方向の振動を上記実施形態のフィードフォワード振動制御部3bによる制御で除振してもよい。その際、フィードフォワード振動制御部3bで求められるz方向のフィードフォワード操作基準量Uzは、
Uz=Σ(Cnz・s+Knz)×z0″/s2 …(式5)
で表される。ここで、Cnzはn番目のアイソレータ2のz方向の減衰係数、Knzはn番目のアイソレータ2のz方向のばね定数である。
In the above-described embodiment, a mode is described in which vibrations in the φ direction of the supported
Uz = Σ (Cnz · s + Knz) × z0 ″ / s 2 (Formula 5)
It is represented by Here, Cnz is an attenuation coefficient in the z direction of the
同様に、床Fの並進3方向の振動によって連成される被支持体1,Dの重心Gのx方向の振動をフィードフォワード振動制御によって除振する際に、フィードフォワード振動制御部3bで求められるx方向のフィードフォワード操作基準量Uxは、
Ux=Σ(Cnx・s+Knx)×x0″/s2 …(式6)
で表される。ここで、Cnxはn番目のアイソレータ2のx方向の減衰係数、Knxはn番目のアイソレータ2のx方向のばね定数である。
Similarly, when the vibration in the x direction of the center of gravity G of the supported
Ux = Σ (Cnx · s + Knx) × x0 ″ / s 2 (Formula 6)
It is represented by Here, Cnx is an attenuation coefficient in the x direction of the
同様に、床Fの並進3方向の振動によって連成される被支持体1,Dの重心Gのy方向の振動をフィードフォワード振動制御によって除振する際に、フィードフォワード振動制御部3bで求められるy方向のフィードフォワード操作基準量Uyは、
Uy=Σ(Cny・s+Kny)×y0″/s2 …(式7)
で表される。ここで、Cnyはn番目のアイソレータ2のy方向の減衰係数、Knyはn番目のアイソレータ2のy方向のばね定数である。
Similarly, when the vibration in the y direction of the center of gravity G of the supported
Uy = Σ (Cny · s + Kny) × y0 ″ / s 2 (Expression 7)
It is represented by Here, Cny is a damping coefficient in the y direction of the
さらに、床Fの並進3方向の振動によって連成される被支持体1,Dの重心Gの回転方向、即ちθ方向(y軸周りの回転方向)及びψ方向(z軸周りの回転方向)の振動をフィードフォワード振動制御によって除振する際に、フィードフォワード振動制御部3bで求められるフィードフォワード操作基準量Uθ及びUψは、それぞれ、
Uθ=−ΣLnx×(Cnz・s+Knz)×z0″/s2−ΣLnz×(Cnx・s+Knx)×x0″/s2 …(式8)
Uψ=−ΣLny×(Cnx・s+Knx)×x0″/s2+ΣLnx×(Cny・s+Kny)×y0″/s2 …(式9)
で表される。ここで、Lnx,Lny,Lnzは被支持体1,Dの重心Gを原点としたn番目のアイソレータ2のx方向、y方向及びz方向の座標である。
Furthermore, the rotational directions of the center of gravity G of the supported
Uθ = −ΣLnx × (Cnz · s + Knz) × z0 ″ / s 2 −ΣLnz × (Cnx · s + Knx) × x0 ″ / s 2 (Equation 8)
Uψ = −ΣLny × (Cnx · s + Knx) × x0 ″ / s 2 + ΣLnx × (Cny · s + Kny) × y0 ″ / s 2 (Equation 9)
It is represented by Here, Lnx, Lny, and Lnz are coordinates in the x, y, and z directions of the
また、上記実施形態では、床Fの並進3方向の振動から連成される被支持体1,Dの振動をフィードフォワード振動制御によって除振しているが、床Fの並進3方向の振動だけでなく、並進3方向の各回転方向(φ方向、θ方向及びψ方向)の振動から連成される被支持体1,Dの振動をフィードフォワード振動制御によって除振してもよい。その場合、各アイソレータ2に床Fの並進3方向と各回転方向が検出できるように4脚のアイソレータ2のうち3脚にz方向とx方向或いはz方向とy方向の合計6個の加速度センサ25を配設し、これらの加速度センサ25の出力がコントローラ3に入力される。
Moreover, in the said embodiment, although the vibration of the to-
但し、床Fの回転方向の振動は非常に小さいため、上記実施形態のように床Fの3方向の振動だけに基づいて被支持体1,Dの除振を行えばよい。したがって、上記実施形態に示すように、加速度センサ25を床Fの上下方向、前後方向及び左右方向の振動を検出する3つのセンサで構成すればよい。これにより、除振制御がシンプルとなり、また、部品点数を抑制することが可能となる。
However, since the vibration in the rotational direction of the floor F is very small, the supported
また、上記実施形態では、アクチュエータとして空気ばね20a,20bを用いているが、これに限定されず、例えば、リニアモータや圧電素子などを用いてもよい。
Moreover, in the said embodiment, although
さらに、上記実施形態では、加速度センサ23a,23b,25が加速度センサであるが、これに限定されず、例えば、絶対速度センサであってもよい。
Furthermore, in the said embodiment, although
以上説明したように、本発明に係るアクティブ除振装置は、基礎の或る自由度方向の振動によって連成される被支持体の他の自由度方向の振動を除振する用途に適用することができる。 As described above, the active vibration isolator according to the present invention is applied to a use for isolating vibrations in other degrees of freedom of the supported body coupled by vibrations in a certain degree of freedom direction of the foundation. Can do.
1 定盤(被支持体)
2 アイソレータ(弾性体)
3 コントローラ(制御手段)
20a,20b 空気ばね(アクチュエータ)
23a,23b 加速度センサ(被支持体側振動センサ)
24a,24b 変位センサ
25 加速度センサ(基礎側振動センサ)
A 除振台(アクティブ除振装置)
D 機器(被支持体)
F 床(基礎)
1 Surface plate (supported body)
2 Isolator (elastic body)
3 Controller (control means)
20a, 20b Air spring (actuator)
23a, 23b Acceleration sensor (supported body side vibration sensor)
24a,
A Vibration isolation table (active vibration isolation device)
D equipment (supported body)
F floor (basic)
Claims (6)
上記基礎の振動状態を検出する基礎側振動センサと、
該基礎側振動センサの検出する振動状態に基づいてアクチュエータを制御して、上記被支持体に対して上記基礎から伝達する振動と逆位相の制御振動を付加する制御手段と、を備えたアクティブ除振装置であって、
上記アクチュエータは、上記被支持体に対して6自由度の各自由度方向に制御力を付加可能に設けられ、
上記制御手段は、上記基礎の各自由度方向のうち或る方向の振動に連成して別の自由度方向に現れる上記被支持体の連成振動を減殺すべく、上記基礎側振動センサの検出する当該或る方向の振動状態と該或る方向の振動から上記被支持体の6自由度方向に伝わる力の伝達関数とに基づいて上記アクチュエータへのフィードフォワード操作基準量を求め、該フィードフォワード操作基準量に上記アクチュエータの伝達関数の逆関数を乗じて上記アクチュエータへのフィードフォワード操作量を求め、該フィードフォワード操作量に基づいて上記アクチュエータを制御して、上記被支持体に上記制御振動を付加することを特徴とするアクティブ除振装置。 An elastic body for supporting the supported body with respect to the foundation;
A foundation side vibration sensor for detecting the vibration state of the foundation;
And a control means for controlling the actuator based on the vibration state detected by the foundation-side vibration sensor and adding a control vibration having an opposite phase to the vibration transmitted from the foundation to the supported body. A vibration device,
The actuator is provided such that a control force can be applied to each of the six degrees of freedom with respect to the supported body,
The control means is configured to reduce the coupled vibrations of the supported body that are coupled to vibrations in one direction among the directions of freedom of the foundation and appear in other directions of freedom. Based on the vibration state detected in the certain direction and the transfer function of the force transmitted from the vibration in the certain direction in the direction of 6 degrees of freedom of the supported body, a feedforward operation reference amount to the actuator is obtained, and the feed The feed forward operation amount to the actuator is obtained by multiplying the forward operation reference amount by the inverse function of the transfer function of the actuator, the actuator is controlled based on the feed forward operation amount, and the controlled vibration is applied to the supported body. The active vibration isolator characterized by adding.
上記被支持体の振動状態を検出する被支持体側振動センサをさらに備え、
上記制御手段は、該被支持体側振動センサの検出する振動状態に基づいて、上記被支持体の振動が小さくなるように上記アクチュエータをフィードバック制御す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.
A supported body side vibration sensor for detecting a vibration state of the supported body;
An active vibration isolation device, wherein the control means feedback-controls the actuator based on a vibration state detected by the supported-body vibration sensor so that the vibration of the supported body is reduced.
上記基礎側振動センサは、加速度センサ又は絶対速度センサであることを特徴とするアクティブ除振装置。 In the active vibration isolator according to claim 1 or 2,
The active vibration isolation device, wherein the basic vibration sensor is an acceleration sensor or an absolute velocity sensor.
上記被支持体側振動センサは、加速度センサ又は絶対速度センサであることを特徴とするアクティブ除振装置。 In the active vibration isolator according to claim 2,
The active vibration isolator according to claim 1, wherein the supported-body vibration sensor is an acceleration sensor or an absolute velocity sensor.
上記基礎に対する上記被支持体の変位を検出する変位センサをさらに備え、
上記制御手段は、該変位センサの検出する変位に基づいて、上記変位が略一定となるように上記アクチュエータをフィードバック制御することを特徴とするアクティブ除振装置。 The active vibration isolator according to any one of claims 1 to 4,
A displacement sensor for detecting the displacement of the supported body with respect to the foundation;
An active vibration isolation device, wherein the control means feedback-controls the actuator so that the displacement becomes substantially constant based on a displacement detected by the displacement sensor.
上記基礎側振動センサは、上記基礎の前後方向、左右方向及び上下方向の各方向の振動を検出する3つのセンサで構成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 any one of claims 1 to 5,
The base vibration sensor is composed of three sensors for detecting vibrations in the front-rear direction, the left-right direction, and the vertical direction of the foundation.
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