JP3876018B2 - Active vibration isolator - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば半導体製造工場やレーザー応用製品製造工場などに設置される各種機器を搭載した機器搭載台に地震や自動車の走行などに起因する振動が伝播されて該機器搭載台が振動することを除去する除振装置で、詳しくは、ピエゾアクチュエータを用いて該ピエゾアクチュエータを、機器搭載台の振動に対して干渉するように外部より駆動制御させることにより搭載機器の励起振動や低周波数領域の振動などを除去可能としているアクティブ型除振装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
この種のアクティブ型除振装置として、従来、実開平6−58254号公報に開示されたようなものが提案されている。同公報に開示されているアクティブ型除振装置は、ピエゾアクチュエータと、該ピエゾアクチュエータの駆動変位を径の異なる2つのピストン部材と作動流体とを用いて伝達する機構とを備えていることを基本構成とし、上記径の異なる2つのピストン部材のいずれか一方もしくは両方と、これを取り囲み、かつ上記ピストン部材の側面にほぼ平行な側面を持つハウジング部材との間に、ゴム状弾性体を接着し介在させてなるものである。
【0003】
上記構成の従来のアクティブ型除振装置においては、2つのピストン部材とハウジング部材との間に介在させたゴム状弾性体により作動流体の漏出を防ぐようにしてあるので、両ピストン部材とハウジング部材との間の摩擦がなくて両ピストン部材の作動が円滑になり、ピエゾアクチュエータの駆動変位を2つのピストン部材と作動流体とを介して効率よく伝達して所定の除振性能を確実に発揮させることを可能としている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記したような構成の従来のアクティブ型除振装置では、2つのピストン部材とハウジング部材との間に介在させたゴム状弾性体が搭載機器荷重を分担して受け持つものであるから、半導体製造工場やレーザー応用製品製造工場などに設置される機器のように搭載機器荷重が大きい場合、小口径ピストン部材とハウジング部材との間に接着して介在させたゴム状弾性体が歪劣化することになり、このようなゴム状弾性体の歪劣化を生じないようにするためには、そのゴム状弾性体のばね定数を大きくすることが必要となり、その結果、共振周波数が高くなって低周波域の除振性能が悪くなるという問題がある。また、ピエゾアクチュエータへの予圧縮力が大きくなるので、このピエゾアクチュエータの駆動効率が悪化するという問題、さらに、装置構成部材の剛性も低いという問題もあった。
【0005】
本発明は上記のような実情に鑑みてなされたもので、搭載機器荷重が大きい場合でも共振周波数を低く設定することが可能であるとともに、ピエゾアクチュエータの駆動範囲を制限するという不都合を解消させて、低周波域を含めて広い範囲の振動に対して所定の除振性能および制振性能を確実かつ安定よく発揮させることができるアクティブ型除振装置を提供することを主たる目的としている。
【0006】
本発明の他の目的は、アクティブ型除振装置のコンパクト化および座屈強度の増大化を図りつつ、上記のような優れた除振性能および制振性能を確保することができるようにすることにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記主たる目的を達成するために、請求項1に記載の発明に係るアクティブ型除振装置は、機器搭載台を弾性支持する空気ばねと、外部より駆動制御可能なピエゾアクチュエータと、このピエゾアクチュエータの駆動方向の少なくとも一端側に装着されたピストン部材を介して該ピエゾアクチュエータの変位を上記空気ばねに伝達する作動流体と、この作動流体を密封状態に封入して上記空気ばねと上記ピエゾアクチュエータとを接続する流体通路とを備え、上記ピエゾアクチュエータの収納ケースが密閉状態に構成されており、この密閉状収納ケースの内部空間に上記空気ばねの内部空間が連通接続されていることを特徴とするものである。
【0008】
上記のような構成の請求項1に記載の発明によれば、空気ばねとピエゾアクチュエータと該ピエゾアクチュエータの駆動変位を空気ばねに直接に伝達する作動流体とを組み合わせることによって、搭載機器荷重が大きい場合でも、ばね定数を下げて共振周波数を低く設定することが可能となり、低周波域を含めて広い周波数範囲および荷重範囲の振動に対して所定の除振性能および制振性能を発揮させることができる。また、空気ばねとピエゾアクチュエータとは作動流体を介して直列状態に動作するために、空気ばねとピエゾアクチュエータとを並設する場合に比べて、振動の入力源が減少するので、高い除振効果を発揮させることができる。さらに、ピエゾアクチュエータの収納ケースを密閉状態に構成し、この密閉状収納ケースの内部空間に上記空気ばねの内部空間を連通接続しているので、収納ケースが空気ばねの補助タンクとして機能して、空気ばねのばね定数を更に低く設定することが可能となり、除振性能および制振性能の一層の向上が図れるとともに適用範囲の拡大が図れ、かつ、ピエゾアクチュエータに対する保冷効果も達成することが可能である。
【0009】
請求項2に記載の発明に係るアクティブ型除振装置は、上記請求項1に記載の発明に係るアクティブ型除振装置において、上記ピエゾアクチュエータが、収納ケース内に該ピエゾアクチュエータの駆動方向を上記空気ばねによる機器搭載台の弾性主軸方向に対して直交するように配置されているとともに、上記収納ケースに上記空気ばねが直結一体化されていることを特徴とするものであり、このような構成の請求項2に記載の発明によれば、上記請求項1に記載の発明の効果に加えて、装置全体の背丈を低くしてコンパクト化が図れるとともに、座屈強度を高めて、一層大きい搭載機器荷重に対応させることができる。
【0010】
また、上記のようなアクティブ型除振装置におけるピエゾアクチュエータの数およびピストン部材の数は1つまたは複数個のいずれでもよいが、特に請求項3に記載のように、ピエゾアクチュエータの一つに対してピストン部材を一つ装着する構成とすることが好ましい。さらに、請求項4のように、複数個のピエゾアクチュエータを使用することによって、搭載機器荷重が大きい場合でも、ピエゾアクチュエータ一つにかかる予圧縮力を最適に調整することが可能で、ピエゾアクチュエータの駆動効率を向上することができる。また、複数個のピエゾアクチュエータを使用する場合のそれらの配置手段としては、各ピエゾアクチュエータの駆動方向が互いに平行となるように並列に配置する、もしくは放射状に配置することが考えられ、それら配置手段は搭載機器の形態や荷重分布などに応じて適宜に選択される。
【0011】
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面にもとづいて説明する。
図1は本発明に係るアクティブ型除振装置の第1の実施形態を示す全体外観斜視図、図2は同アクティブ型除振装置の半縦断側面図、図3は同アクティブ型除振装置の半縦断正面図であり、大別して、機器搭載台1を弾性支持する空気ばね2と、水平面に沿って一定の間隔を隔ててそれらの駆動方向(矢印x方向)が互いに平行となるように並列に配置された複数個の積層形ピエゾ素子などのピエゾアクチュエータ一3…と、これら並列配置された複数個のピエゾアクチュエータ3…を収納し床面に設置されるアクチュエータ収納ケース7と、上記複数個のピエゾアクチュエータ3…の駆動方向xの一端部にそれぞれ各別に固定されたピストン部材4…と、上記各ピエゾアクチュエータ3…の駆動変位を上記ピストン部材4…および上記空気ばね2の直下中央位置にその軸線方向を上下に向けて配置したピストン状ブッシュ9を介して上記空気ばね2に伝達するエチレングリコール水溶液などの作動流体5と、この作動流体5を密封状態に封入する流体通路6とを備えている。
【0013】
上記アクチュエータ収納ケース7は、全体が平面視ほぼ正方形状の箱形に形成されており、このアクチュエータ収納ケース7はそこに収納されている上記ピエゾアクチュエータ3…の駆動方向xが上記空気ばね2による機器搭載台1の弾性主軸方向(矢印y方向)に対して直交するように配置されているとともに、この収納ケース7の直上中央部位置に上記ブッシュ9を筒状ゴムシール10を介して上下に変位可能に嵌合支持するブッシュホルダー11が固定されており、これによって、上記空気ばね2が上記アクチュエータ収納ケース7に直結一体化されている。
【0014】
また、上記アクチュエータ収納ケース7は密閉状態に構成されており、その内部空間7aと上記空気ばね2の内部空間2aとを連通接続する空気配管8を設けて、上記密閉状収納ケース7の内部空間7aを空気ばね2の補助タンクとしている。
【0015】
上記各ピストン部材4…の外周面にはそれぞれゴムリング12…が嵌着されており、これら各ピストン部材4…に対応させて上記アクチュエータ収納ケース7の一端側壁部7bに形成された複数の作動流体通路13…が集合された一端から上記ブッシュ9直下の他端に至るまでの上記流体通路6が上記アクチュエータ収納ケース7の一端側壁部7bおよび上壁部7cの肉厚内に形成されている。
【0016】
なお、上記空気ばね2は、例えば内外のゴム層間に補強用ビードワイヤーを挟在させてなるプライコードなどの膨張収縮可能な可撓材製袋状体内に加圧空気を封入してなるもので、そのばね定数は、搭載機器の重量や動作条件などに対応して封入空気圧を調整することによって適宜に設定変更可能とされている。
【0017】
上記のような構成のアクティブ型除振装置においては、搭載機器および機器搭載台1の荷重が空気ばね2と作動流体5を介して複数個のピエゾアクチュエータ3…とに分担して受け止められることになるため、上記の搭載機器荷重が大きい場合でもピエゾアクチュエータ3…が分担する荷重割合は小さくて該ピエゾアクチュエータ3…の駆動範囲の制限や制御力の干渉という不都合を解消することが可能であるとともに、ばね定数を下げて共振周波数を低く設定することが可能で、低周波域を含めて広い周波数範囲の振動に対して所定の除振性能および制振性能を発揮させることが可能である。また、空気ばね2とピエゾアクチュエータ3…とが作動流体5を介して直列状態に動作するもので、空気ばね2とピエゾアクチュエータ3…とを並設する場合に比べて、装置への振動入力源が減少するので、高い除振効果および制振効果を発揮させることが可能である。
【0018】
また、アクチュエータ収納ケース7をそこに収納されたピエゾアクチュエータ3…の駆動方向xが上記空気ばね2による機器搭載台1の弾性主軸方向yに対して直交するように配置して、このアクチュエータ収納ケース7上に上記空気ばね2が直結一体化されているので、当該除振装置全体の背丈を低くしてコンパクト化が図れるとともに、座屈強度を高めて、一層大きい搭載機器荷重に対応させることが可能であり、さらに、アクチュエータ収納ケース7が密閉状態に構成され、この密閉状アクチュエータ収納ケース7の内部空間7aに空気ばね2の内部空間2aが連通接続されているので、アクチュエータ収納ケース7が空気ばね2の補助タンクとして機能して空気ばね2のばね定数を更に低く設定することが可能となり、除振性能および制振性能の一層の向上が図れるとともに、適用範囲の拡大が図れ、かつ、ピエゾアクチュエータ3…に対する保冷効果も達成することが可能である。
【0019】
図4は本発明に係るアクティブ型除振装置の第2の実施形態を示す全体平面図であり、アクチュエータ収納ケース7内の同一平面上に複数個のピエゾアクチュエータ3…を放射状に配置して収納し、これら複数個のピエゾアクチュエータ3…の駆動変位を各ピエゾアクチュエータ3…毎に固定されたピストン部材4…と作動流体5および上述したブッシュ9を介して空気ばね2に伝達するように構成したものであり、その他の構成は、図1〜図3に示す第1の実施形態と同一であるため、それらの詳細説明は省略する。
【0020】
図4で示す第2の実施形態によるアクティブ型除振装置の場合も、上記第1の実施形態の場合と同様な除振性能および制振性能を確保できるとともに、装置全体のコンパクト化および座屈強度の増大化が図れる。
【0021】
なお、上記の各実施形態では、上記ピエゾアクチュエータ3を複数個用いたもので説明したが、単一のピエゾアクチュエータ3のみを用いてもよい。また、上記各実施形態では、ピエゾアクチュエータ3の一つに対して一つのピストン部材4を装着したもので説明したが、複数個のピエゾアクチュエータ3…に対して一つのピストン部材4を共用させるように構成してもよい。さらに、アクチュエータ収納ケース7は、箱形のものに限らず、円柱形や星形等であってもよい。
【0022】
【発明の効果】
以上のように、請求項1に記載の発明によれば、空気ばねとピエゾアクチュエータと該ピエゾアクチュエータの駆動変位を空気ばねに直接に伝達する作動流体とを組み合わて、搭載機器荷重をそれらで分担して受け持つようにしたので、搭載機器荷重が大きい場合でもピエゾアクチュエータの分担荷重を小さくして該ピエゾアクチュエータの駆動範囲の制限や制御力の干渉という不都合を解消することが可能であるとともに、ばね定数を下げて共振周波数を低く設定することが可能であるため、低周波域を含めて広い周波数範囲および荷重範囲の振動に対して所定の除振性能および制振性能を確実かつ安定よく発揮させることができる。特に、空気ばねとピエゾアクチュエータとが作動流体を介して直列状態に動作するために、空気ばねとピエゾアクチュエータとを並設する場合に比べても、振動の入力源が減少して高い除振効果および制振効果を発揮させることができるという効果を奏する。さらに、ピエゾアクチュエータの収納ケースを密閉状態に構成し、この密閉状収納ケースの内部空間に空気ばねの内部空間を連通接続しているので、空気ばねのばね定数を更に低く設定して除振性能および制振性能の一層の向上を図ることができるとともに、ケース内に収納されたピエゾアクチュエータに対する保冷効果も達成することができる。
【0023】
また、請求項2に記載の発明によれば、上記請求項1に記載の発明の効果に加えて、装置全体の背丈を低くしてコンパクト化を図ることができるとともに、座屈強度を高めて、一層大きい搭載機器荷重にも対応させることができ、適用性の著しい拡充を達成することができる。
【0024】
また、請求項4に記載の発明によれば、複数個のピエゾアクチュエータの使用によって、搭載機器荷重が大きい場合でも、ピエゾアクチュエータ一つにかかる予圧縮力を最適に調整することが可能で、ピエゾアクチュエータの駆動効率を向上することができる。
【0025】
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係るアクティブ型除振装置の第1の実施形態を示す全体外観斜視図である。
【図2】 同上アクティブ型除振装置の半縦断側面図である。
【図3】 同上アクティブ型除振装置の半縦断正面図である。
【図4】 本発明に係るアクティブ型除振装置の第2の実施形態を示す全体平面図である。
【符号の説明】
1 機器搭載台
2 空気ばね
2a 空気ばねの内部空間
3 ピエゾアクチュエータ
4 ピストン部材
5 作動流体
6 流体通路
7 アクチュエータ収納ケース
7a アクチュエータ収納ケースの内部空間[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
In the present invention, for example, vibrations caused by an earthquake or traveling of an automobile are propagated to a device mounting base equipped with various devices installed in a semiconductor manufacturing factory or a laser application product manufacturing factory, and the equipment mounting base vibrates. In detail, the vibration isolation device removes the vibration of the mounted equipment by controlling the piezoelectric actuator from the outside so as to interfere with the vibration of the equipment mounting base. The present invention relates to an active vibration isolator capable of removing vibration and the like.
[0002]
[Prior art]
As this type of active vibration isolator, a device disclosed in Japanese Utility Model Publication No. 6-58254 has been proposed. The active vibration isolator disclosed in the publication basically includes a piezo actuator, and a mechanism for transmitting drive displacement of the piezo actuator using two piston members having different diameters and a working fluid. A rubber-like elastic body is bonded between one or both of the two piston members having different diameters and a housing member surrounding the piston member and having a side surface substantially parallel to the side surface of the piston member. It is made to intervene.
[0003]
In the conventional active vibration isolator having the above-described configuration, since the rubber-like elastic body interposed between the two piston members and the housing member prevents leakage of the working fluid, both the piston members and the housing member The piston members are operated smoothly, and the drive displacement of the piezo actuator is efficiently transmitted through the two piston members and the working fluid to reliably exhibit the predetermined vibration isolation performance. Making it possible.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional active vibration isolator having the above-described configuration, the rubber-like elastic body interposed between the two piston members and the housing member shares and loads the mounted equipment load. When the load on the mounted equipment is large, such as equipment installed in a manufacturing factory or laser application product manufacturing factory, the rubber-like elastic body that is bonded and interposed between the small-diameter piston member and the housing member is strain-deteriorated. Therefore, in order to prevent the distortion of the rubber-like elastic body from being deteriorated, it is necessary to increase the spring constant of the rubber-like elastic body. There is a problem that the vibration isolation performance of the area is deteriorated. Further, since the pre-compression force to the piezo actuator is increased, there is a problem that the driving efficiency of the piezo actuator is deteriorated, and further, there is a problem that the rigidity of the apparatus constituent members is low.
[0005]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and it is possible to set the resonance frequency low even when the load on the mounted device is large, and to solve the disadvantage of limiting the driving range of the piezo actuator. The main object of the present invention is to provide an active vibration isolator capable of reliably and stably exhibiting predetermined vibration isolation performance and vibration suppression performance over a wide range of vibrations including a low frequency range.
[0006]
Another object of the present invention is to ensure the above-described excellent vibration isolation performance and vibration suppression performance while reducing the size of the active vibration isolation device and increasing the buckling strength. It is in.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the main object described above, an active vibration isolator according to the first aspect of the present invention includes an air spring that elastically supports a device mounting base, a piezo actuator that can be driven and controlled from the outside, A working fluid that transmits the displacement of the piezo actuator to the air spring via a piston member mounted on at least one end side in the driving direction, and the air spring and the piezo actuator are sealed by sealing the working fluid. A storage passage for the piezo actuator is configured in a sealed state, and the internal space of the air spring is connected to the internal space of the sealed storage case. It is.
[0008]
According to the invention described in
[0009]
An active vibration isolator according to a second aspect of the present invention is the active vibration isolator according to the first aspect of the present invention, wherein the piezo actuator has a drive direction of the piezo actuator in the storage case. The air spring is arranged so as to be orthogonal to the elastic main axis direction of the device mounting base, and the air spring is directly connected and integrated with the storage case. According to the second aspect of the present invention, in addition to the effect of the first aspect of the invention, the overall height of the device can be reduced to achieve a compact size, and the buckling strength can be increased to further increase the mounting. It can correspond to the equipment load.
[0010]
In addition, the number of piezoelectric actuators and the number of piston members in the active vibration isolator as described above may be either one or a plurality, and in particular, as described in
[0011]
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is an overall perspective view showing a first embodiment of an active vibration isolator according to the present invention, FIG. 2 is a half vertical side view of the active vibration isolator, and FIG. 3 is a diagram of the active vibration isolator. It is a half-longitudinal front view, roughly divided, and an
[0013]
The
[0014]
The
[0015]
A
[0016]
The
[0017]
In the active vibration isolator having the above-described configuration, the load of the mounted device and the
[0018]
Further, the
[0019]
FIG. 4 is an overall plan view showing a second embodiment of the active vibration isolator according to the present invention. A plurality of
[0020]
Also in the case of the active vibration isolator according to the second embodiment shown in FIG. 4, the same vibration isolation performance and vibration suppression performance as those in the first embodiment can be ensured, and the entire apparatus can be made compact and buckled. The strength can be increased.
[0021]
In each of the above-described embodiments, a plurality of the
[0022]
【The invention's effect】
As described above, according to the first aspect of the present invention, an air spring, a piezo actuator, and a working fluid that directly transmits the drive displacement of the piezo actuator to the air spring are combined to share the load on the mounted equipment. Therefore, it is possible to reduce the shared load of the piezo actuator even when the load of the mounted equipment is large, and eliminate the disadvantages of limiting the drive range of the piezo actuator and interference of control force. Since the resonance frequency can be set low by lowering the constant, the specified vibration isolation performance and damping performance can be reliably and stably exhibited against vibrations in a wide frequency range and load range including the low frequency range. be able to. In particular, since the air spring and the piezo actuator operate in series via the working fluid, the vibration input source is reduced and the vibration isolation effect is higher than when the air spring and the piezo actuator are arranged in parallel. In addition, an effect that the vibration control effect can be exhibited is achieved. In addition, the storage case of the piezo actuator is configured in a sealed state, and the internal space of the air spring is connected to the internal space of the sealed storage case, so the vibration constant is reduced by setting the spring constant of the air spring even lower. In addition, it is possible to further improve the vibration damping performance and also achieve a cold insulation effect for the piezoelectric actuator housed in the case.
[0023]
Further, according to the invention described in
[0024]
According to the invention described in
[0025]
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall external perspective view showing a first embodiment of an active vibration isolator according to the present invention.
FIG. 2 is a half vertical side view of the active vibration isolator.
FIG. 3 is a half vertical front view of the active vibration isolator.
FIG. 4 is an overall plan view showing a second embodiment of the active vibration isolator according to the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (4)
外部より駆動制御可能なピエゾアクチュエータと、
このピエゾアクチュエータの駆動方向の少なくとも一端側に装着されたピストン部材を介して該ピエゾアクチュエータの変位を上記空気ばねに伝達する作動流体と、
この作動流体を密封状態に封入して上記空気ばねと上記ピエゾアクチュエータとを接続する流体通路とを備え、
上記ピエゾアクチュエータの収納ケースが密閉状態に構成されており、この密閉状収納ケースの内部空間に上記空気ばねの内部空間が連通接続されていることを特徴とするアクティブ型除振装置。An air spring that elastically supports the device mounting base;
Piezo actuators that can be driven and controlled externally,
A working fluid that transmits the displacement of the piezo actuator to the air spring via a piston member mounted on at least one end side in the driving direction of the piezo actuator;
A fluid passage for sealing the working fluid in a sealed state and connecting the air spring and the piezoelectric actuator ;
An active vibration isolator comprising a housing case for the piezo actuator that is hermetically sealed, and an internal space for the air spring is connected to the internal space of the sealed housing case .
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