JP2016114141A - アクティブ除振装置 - Google Patents

Abstract

【課題】アクチュエータ群を、制御力の作用線が互いに平行に延びる２つのアクチュエータからなる３対のアクチュエータ対で構成した場合に、良好な制御性能を得る。
【解決手段】アクチュエータ群６，６，…は、制御力の作用線が互いに平行に延びる２つのアクチュエータ６からなるアクチュエータ対６，６を３対備えてなる。各アクチュエータ対６，６の制御力の両作用線と同一平面上で両作用線から等しい距離を隔てて平行に延びる軸を並進軸Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３としたときに、各アクチュエータ対６，６に対応する３つの並進軸Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３が互いに直交する。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば電子顕微鏡等の振動を嫌う精密機器を基礎に対して弾性的に支持するとともに、その振動を減殺する制御力をアクチュエータによって付加するようにしたアクティブ除振装置に関するものである。

特許文献１（第９−１０頁、第６図）には、除振対象物の載置される定盤と、上記定盤を基礎に対して弾性支持する弾性部材と、上記除振対象物及び上記定盤に制御力を付加するアクチュエータ群とを備えたアクティブ除振装置が開示されている。このアクティブ除振装置では、上記アクチュエータ群を、制御力の作用線が互いに平行に延びる２つのアクチュエータからなる３対のアクチュエータ対で構成し、各アクチュエータ対を、隣接するアクチュエータの制御力の作用ベクトルの水平方向成分が互いに１２０度の差を有するように配置している。

特開２０１２−４７３０８号公報

しかし、上記特許文献１では、３対のアクチュエータ対の制御力の作用線が互いに直交していないので、３対のアクチュエータ対の３方向の制御力間に干渉が生じ、良好な除振性能が得られない。

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、アクチュエータ群を、制御力の作用線が互いに平行に延びる２つのアクチュエータからなる３対のアクチュエータ対で構成した場合に、良好な制御性能を得ることにある。

上記の目的を達成するため、本発明は、３対のアクチュエータ対を、３方向の制御力の作用線が直交するように配置したことを特徴とする。

具体的には、本発明は、除振対象物の載置される定盤と、上記定盤を基礎に対して弾性支持する弾性部材と、上記定盤と基礎との間に設けられて上記除振対象物及び上記定盤に制御力を付加するアクチュエータ群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。

すなわち、第１の発明は、上記アクチュエータ群は、上記制御力の作用線が互いに平行に延びる２つのアクチュエータからなるアクチュエータ対を３対備えてなり、上記各アクチュエータ対の制御力の両作用線と同一平面上で当該両作用線から等しい距離を隔てて平行に延びる軸を並進軸としたときに、上記各アクチュエータ対に対応する３つの並進軸が互いに直交することを特徴とする。

これにより、３対のアクチュエータ対の制御力の作用線が互いに直交しているので、３対のアクチュエータ対の３方向の制御力間に干渉が生じず、良好な除振性能が得られる。

また、第２の発明は、第１の発明のアクティブ除振装置において、上記３つの並進軸は、上記除振対象物及び定盤の重心位置、又は当該重心位置の鉛直上方で互いに直交することを特徴とする。

これにより、上記３つの並進軸が上記除振対象物及び定盤の重心位置で互いに直交する場合には、各アクチュエータ対を構成する２つのアクチュエータで発生する並進軸方向の制御力により、回転方向への連成を生じさせることなく、上記除振対象物及び定盤に並進方向への制御力を付加できるので、除振性能が改善される。

また、上記３つの並進軸が上記除振対象物及び定盤の重心位置の鉛直上方で互いに直交する場合には、重心位置の鉛直上方の振動を効果的に除去することができる。

また、第３の発明は、第１又は第２の発明のアクティブ除振装置において、上記各アクチュエータの制御力の作用線が上記定盤の載置面に対してなす角度は、互いに等しいことを特徴とする。

一般に鉛直方向と水平方向は弾性部材のばね特性等が異なるため、制御特性も異なるが、これにより、鉛直方向と水平方向の寄与分が６つのアクチュエータで互いに等しくなるので、各アクチュエータを制御する回路の構成を共通化することが容易になる。

また、第４の発明は、第１〜３のいずれか１つの発明のアクティブ除振装置において、上記アクチュエータの制御力の作用線上における上記定盤の加速度を検出する加速度センサを上記アクチュエータ毎にさらに備え、上記各アクチュエータにより上記除振対象物及び定盤に付加される制御力は、上記加速度センサにより検出された加速度に基づいてフィードバック制御され、上記各アクチュエータ対の一方のアクチュエータの作用線と対応する並進軸との距離、及び他方のアクチュエータの作用線と対応する並進軸との距離は、互いに等しいことを特徴とする。

これにより、各アクチュエータ対を構成する２つのアクチュエータを同種のアクチュエータで構成するとともに、それらに対応する２つの加速度センサも同種の加速度センサで構成し、両アクチュエータに対して共通の制御を行うことが容易になる。

本発明に係るアクティブ除振装置によると、コストを抑えるとともに、良好な制御性能が得られる。

本発明の実施形態に係る精密除振台の概略構成を示す正面図である。 本発明の実施形態に係る精密除振台の概略構成を示す側面図である。 基礎部材、コイルばね、及びアクチュエータを上方から見た図である。 定盤、アクチュエータ、及びコントローラを下方から見た図である。 アクチュエータ周りを示す拡大図である。 制御のフィードバックループを示すブロック図である。

以下、本発明の実施形態について図面に基づいて説明する。

図１及び図２は、本発明に係るアクティブ除振装置の実施形態である精密除振台Ａを示す。この除振台Ａは、例えば電子顕微鏡や原子間力顕微鏡、半導体関連の試験機器、検査機器等の精密計測機器のように、振動を嫌う除振対象物としての機器１が載置されるものであり、主に試験や研究等に用いられる比較的小型の機器１を対象とするとともに、使用者の都合によって機器１が入れ替えられることも想定している。

この除振台Ａは、図３及び図４にも示すように、図示しない専用のテーブルや台等の上面に設置される矩形板状の基礎部材２と、該基礎部材２の上面の４隅にそれぞれ配設された弾性部材としてのコイルばね３，３，…と、これらのコイルばね３，３，…により４隅をそれぞれ上記基礎部材２に対して弾性支持されて、上面に上記機器１が載置される定盤４とを備えている。

上記４つのコイルばね３，３，…は、ボールねじからなる高さ調整機構５，５，…を介して基礎部材２上に配置され、これにより、機器１の重量が変化して、各コイルばね３，３，…に加わる分担荷重が変化しても、基礎部材２の上面と定盤４の下面との間隔を概略、一定に保つことができるようになっている。なお、図１及び図２において、コイルばね３，３、…及び高さ調整機構５，５，…の図示を省略している。

また、コイルばね３，３，…は、不等ピッチのもので、機器１の重量による荷重の増大に略比例してばね定数が高くなる特性を有している。このため、機器１が変更されてその重量が変化しても、ばね系の固有振動数は概ね一定に保たれるようになり、機器１の変更によらず後述のアクティブ制御によって高い除振効果が得られる。

また、上記定盤４と基礎部材２との間には、図３及び図４にも示すように、上記機器１及び定盤４に制御力を付加する図５に示す６つのアクチュエータ６，６，…が除振台Ａの中心に対して周方向に間隔を空けて配設されている。これら６つのアクチュエータ６，６，…は、上記制御力の作用線が互いに平行に延びる２つのアクチュエータ６，６からなるアクチュエータ対６，６を３対備えてなる。これら各アクチュエータ対６，６の制御力の両作用線と同一平面上で当該両作用線から等しい距離Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３を隔てて平行に延びる軸を並進軸Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３としたとき、これら３本の並進軸Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３は上記機器１及び定盤４の重心位置Ｇで互いに直交している。各アクチュエータ６の制御力の作用線が上記定盤４の載置面に対してなす角度は、互いに等しい以下の角度θに設定される。

つまり、上記６つのアクチュエータ６，６，…は、上記各アクチュエータ対６，６の一方のアクチュエータ６の作用線と対応する並進軸Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３との距離、及び他方のアクチュエータ６の作用線と対応する並進軸Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３との距離が、互いに等しい距離Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３となるように配置されている。

上記基礎部材２には、各アクチュエータ６の制御力が斜め上方となるように各アクチュエータ６を支持する支持部材７が取り付けられている。各支持部材７には、支持するアクチュエータ６の制御力の作用方向に向いた支持面７ａが形成されている。

上記定盤４の下面中央には、上記アクチュエータ６，６，…を制御するコントローラ８が、取り付けられている。

上記６つのアクチュエータ６，６，…は同じものであり、各アクチュエータ６は、図５に示すように、ブラケット９を介して上記定盤４に固定される筒壁部６ａと、上記筒壁部６ａから突出して上記支持部材７の支持面７ａに当接する当接部材６ｂとを備えている。上記筒壁部６ａ内部には、上記コントローラ８から入力された制御信号に応じた電流を流す図示しないコイルと、磁石とが配設され、上記コイルと磁石により発生された力によって上記当接部材６ｂが往復動するようになっている。このように当接部材６ｂが往復動することにより、上記支持面７ａに直交する方向への制御力が上記定盤４及び機器１に付加される。

各アクチュエータ６には、ブラケット９を介して加速度センサ１０が一体的に設けられている。この加速度センサ１０から、対応するアクチュエータ６の制御力の作用方向への定盤４の加速度を示す信号が出力され、この信号がコントローラ８に入力される。ここで出力される信号が示す加速度は、対応するアクチュエータ６の制御力の作用線上における定盤４の加速度である。

コントローラ８は、６つの加速度センサ１０，１０，…から入力された信号に基づいて、各アクチュエータ６に制御信号を出力し、定盤４及び機器１にその振動を減殺するような制御力が付加される。つまり、この実施形態の除振台Ａは、機器１の振動を低減するフィードバック振動制御が行われるアクティブタイプのものである。

図６は、コントローラ８による各アクチュエータ６の制御のフィードバックループを示すブロック図であり、この実施形態では、定盤４の加速度ｘ”の検出値に制御ゲインＧｍを乗算するとともに、加速度ｘ”を１回積分した速度ｘ’に対し制御ゲインＧｃを乗算し、また、加速度ｘ”を２回積分した変位ｘに対し制御ゲインＧｋを乗算して、それぞれフィードバック補正値Ｇｍ・ｘ”， Ｇｃ・ｘ’， Ｇｋ・ｘを演算する。

そして、それらフィードバック補正値Ｇｍ・ｘ”， Ｇｃ・ｘ’， Ｇｋ・ｘを加算した上で反転することにより、アクチュエータ６へのフィードバック制御量Ｕ（制御信号）を求める。この制御量Ｕに対応する制御信号を受けて駆動されるアクチュエータ６が、振動制御対象である機器１及び定盤４に制御力Ｆを付加し、これにより振動が低減される。

なお、コントローラ８には、定盤４の高さを検出する図示しないセンサからの信号も入力され、この信号を受けたコントローラ８が上記高さ調整機構５，５，…を制御することにより、コイルばね３，３，…の弾性変形に応じてその下端位置が調整されて、定盤４の高さが略一定に保たれるようになっている。

したがって、本実施形態によると、３対のアクチュエータ対６，６の制御力の作用線が互いに直交しているので、３対のアクチュエータ対６，６の３方向の制御力間に干渉が生じず、良好な除振性能が得られる。

また、アクチュエータ対６，６を３対だけ設ければよいので、アクチュエータ６を８つ設ける場合に比べ、部品点数を減らしてコストを削減できる。

また、各アクチュエータ対６，６を構成する２つのアクチュエータ６，６で並進軸方向の制御力を発生させたとき、並進軸Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３が重心位置Ｇとずれた位置を通っている場合には、モーメント力が発生し、これにより振動が励起される。つまり、並進方向への加振によって、回転方向に振動が連成する。かかる回転方向への連成振動は、上述したフィードバック制御によって軽減されるが、除振性能の悪化を招く恐れがある。

これに対し、本実施形態によると、どのアクチュエータ対６，６の並進軸Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３も重心位置Ｇを通っているので、各アクチュエータ対６，６を構成する２つのアクチュエータ６，６で発生する並進軸方向の制御力により、回転方向への連成を生じさせることなく、上記機器１及び定盤４に並進方向への制御力を付加できる。したがって、除振性能が改善される。

また、一般に鉛直方向と水平方向は弾性部材のばね特性等が異なるため、制御特性も異なるが、上記各アクチュエータ６の制御力の作用線が上記定盤４の載置面に対してなす角度が互いに等しく、鉛直方向と水平方向の寄与分が６つのアクチュエータ６，６，…で互いに等しくなるので、６つのアクチュエータ６，６，…の制御特性が互いに等しくなる。したがって、ローパスフィルタ等、各アクチュエータ６を制御する回路の構成を共通化できる。

また、上記各アクチュエータ対６，６の一方のアクチュエータ６の作用線と対応する並進軸Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３との距離、及び他方のアクチュエータ６の作用線と対応する並進軸Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３との距離が、互いに等しい距離Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３となっているので、各アクチュエータ対６，６を構成する２つのアクチュエータ６，６を同種のアクチュエータで構成するとともに、それらに対応する２つの加速度センサ１０も同種の加速度センサで構成し、両アクチュエータ６の制御ゲインＧｍ，Ｇｃ，Ｇｋを共通化できる。つまり、両アクチュエータ６，６に対して共通の制御を行える。

なお、上記実施形態では、３本の並進軸Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３を重心位置Ｇで互いに直交させたが、重心位置Ｇの鉛直上方で互いに直交するようにしてもよい。これにより、重心位置Ｇの鉛直上方の振動を効果的に除去することができる。したがって、かかる構成は、機器１が電子顕微鏡である場合等、重心位置Ｇの上方で高い除振効果が求められる場合に好ましい。

また、上記実施形態では、定盤４の加速度を検出してアクチュエータ６をフィードバック制御する例を示したが、これに限らず、振動の制御としては、基礎部材２の振動状態に基づいて定盤４へ伝達する振動を推定し、この振動を打ち消すような制御力を発生するようにアクチュエータ６を駆動する除振フィードフォワード制御や、機器１の作動に伴う振動を予告信号により推定し、この振動を打ち消すような制御力を発生するようにアクチュエータ６を駆動する制振フィードフォワード制御も可能である。

本発明は、例えば電子顕微鏡等の振動を嫌う精密機器を基礎に対して弾性的に支持するとともに、その振動を減殺する制御力をアクチュエータによって付加するようにしたアクティブ除振装置として有用である。

１ 機器（除振対象物）
２ 基礎部材（基礎）
４ 定盤
６ アクチュエータ
１０ 加速度センサ
Ａ 精密除振台（アクティブ除振装置）
Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３ 並進軸
Ｇ 重心位置
Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３ 距離

Claims (4)

1. 除振対象物の載置される定盤と、
   上記定盤を基礎に対して弾性支持する弾性部材と、
   上記定盤と基礎との間に設けられて上記除振対象物及び上記定盤に制御力を付加するアクチュエータ群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群は、上記制御力の作用線が互いに平行に延びる２つのアクチュエータからなるアクチュエータ対を３対備えてなり、
   上記各アクチュエータ対の制御力の両作用線と同一平面上で当該両作用線から等しい距離を隔てて平行に延びる軸を並進軸としたときに、上記各アクチュエータ対に対応する３つの並進軸が互いに直交することを特徴とするアクティブ除振装置。
2. 請求項１に記載のアクティブ除振装置において、
   上記３つの並進軸は、上記除振対象物及び定盤の重心位置、又は当該重心位置の鉛直上方で互いに直交することを特徴とするアクティブ除振装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載のアクティブ除振装置において、
   上記各アクチュエータの制御力の作用線が上記定盤の載置面に対してなす角度は、互いに等しいことを特徴とするアクティブ除振装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のアクティブ除振装置において、
   上記アクチュエータの制御力の作用線上における上記定盤の加速度を検出する加速度センサを上記アクチュエータ毎にさらに備え、
   上記各アクチュエータにより上記除振対象物及び定盤に付加される制御力は、上記加速度センサにより検出された加速度に基づいてフィードバック制御され、
   上記各アクチュエータ対の一方のアクチュエータの作用線と対応する並進軸との距離、及び他方のアクチュエータの作用線と対応する並進軸との距離は、互いに等しいことを特徴とするアクティブ除振装置。

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