JP4095480B2 - 振動制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は振動制御装置に係り、特に構造体上に形成されたリニアモータ可動子等の可動部が駆動する振動制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的にリニアモータ可動子等の可動部は、ステージの位置決めなどに用いられており、加工サイズの微細化の要求に伴い、高い位置決め精度が求められている。このステージの載置される構造体は、精密な性能を達成する場合、床からの振動を除振するために除振手段を介して床に固定されているため、非常に不安定な状態であり、可動部が駆動力を受けて駆動する際には、駆動方向に対して反対の方向に駆動力と同じ大きさの反力が生じる。この反力が存在した状態では、構造体が振動し、その振動がステージに伝わるために、ステージの位置決めを精度良く行うことができない。したがって、ステージの位置決めを精度良く行うためには、反力を打ち消すための反力処理を行う必要がある。
【０００３】
図１は、従来の振動制御装置の概略図を示したものである。図１に示すように、振動制御装置１０は、大略すると駆動装置１７と、制御装置２０と、積分補償器２５とにより構成されている。駆動装置１７は、大略するとアクチュエータ１１と、ターゲット１５と、変位センサー１６と、加速度センサー１９と、底板１８とにより構成されている。
【０００４】
アクチュエータ１１は、一対のリニアモータ１２，１３を有しており、各リニアモータ１２，１３は、永久磁石を有するリニアモータ可動子１２ａ，１３ａと、コイルを有するリニアモータ固定子１２ｂ，１３ｂからなり、リニアモータ可動子１２ａ，１３ａは連結板１４を介して形成されている。リニアモータ可動子１２ａ，１３ａは、所定の位置まで移動して、ターゲット１５の位置決めを行うためのものである。ターゲット１５は、リニアモータ可動子１２ａに形成されている。変位センサー１６は、ターゲット１５の検出面を計測し、位置補償器２２に計測結果を出力する。加速度センサー１９は、リニアモータ固定子１２ｂ，１３ｂを支持する底板１８に取り付けられており、構造体や床の振動を計測し、積分補償器２５に計測結果を出力する。
【０００５】
制御装置２０は、大略すると位置補償器２２と、電流アンプ２１と、誘導電圧演算器２６と、ゲイン補償器２４とにより構成されている。制御装置２０は、積分補償器２５に入力された振動値と、変位センサー１６からの変位値とに基づいて、適当な演算処理を行い、電流アンプ２１を励磁し、リニアモータ固定子１２ｂ，１３ｂのコイルに電流を通すことによって、リニアモータ可動子１２ａ，１３ａを所定の場所に定位させる（例えば、特許文献１参照。）。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００３−９４９４号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の振動制御装置は、位置決めを行う際に使用するリニアモータ可動子１２ａ，１３ａを、反力処理する際に用いているため、リニアモータ可動子１２ａ，１３ａの駆動の影響を受けて、十分な反力処理を行うことができず、構造体の振動を十分に抑制させることができないため、精度良く位置決めを行うことができないという問題があった。また、従来の振動制御装置は、変位センサー１６、加速度センサー１９、誘導電圧演算器２６及び積分補償器２５が必要であるため、振動制御装置のコストが高くなると共に、装置自体が大きくなるという問題があった。
【０００８】
そこで本発明は、上記事情に鑑みなされたもので、可動部が駆動した際に発生する反力に対しての反力処理を簡易的な構成で行い、構造体の振動を十分に抑制し、可動部の位置決めを精度良く行うことのできる振動制御装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明では、次に述べる各手段を講じたことを特徴とするものである。
【００１０】
本発明の一観点によれば、構造体上に形成された可動部が駆動することにより発生する反力で生じる振動を抑制する振動制御装置であって、前記反力を打ち消す方向に、前記構造体に対して力を加えることのできる反力処理アクチュエータと、制御手段とを含んだ反力処理手段と、前記反力処理アクチュエータと接続されたゲイン補償器とを設け、前記反力処理アクチュエータの固定側は、支持部材を介して床に固定し、前記構造体は除振手段を介して床に係合しており、前記制御手段は、駆動命令のみに基づき、駆動信号を生成すると共に、前記ゲイン補償器及び前記可動部に対して、同一の前記駆動信号を出力し、前記反力処理アクチュエータは、前記ゲイン補償器により取得される前記駆動信号に比例した信号に基づいて制御され、前記反力処理アクチュエータの駆動方向は、前記可動部の駆動方向と同じであることを特徴とする振動制御装置により、解決できる。
【００１１】
本発明によれば、構造体に対して反力を打ち消す方向に力を加えることのできる反力処理手段を設けることにより、可動部の駆動に影響されること無く、反力処理を行うことができる。また、制御手段は、駆動命令のみに基づき、駆動信号を生成すると共に、反力処理アクチュエータと接続されたゲイン補償器と、可動部とに対して、同一の駆動信号を出力し、反力処理アクチュエータは、ゲイン補償器により取得される駆動信号に比例した信号に基づいて制御されるため、従来の複数のセンサーに基づいて制御を行っていた場合と比較して反力処理手段の構成を簡略化できる。
【００１２】
また、前記構造体の重量は、前記可動部の重量よりも大きくてもよい。
【００１３】
また、構造体の重量を可動部の重量よりも大きくすることにより、反力を打ち消すために必要な力を小さな加速度で生み出すことができる。
【００１６】
また、前記反力処理アクチュエータは、リニアモータ固定子と、リニアモータ可動子とを有し、前記可動部の鉛直方向に位置すると共に、前記可動部が駆動する際に力の加わる前記可動部の第１の位置から前記可動部の重心までの鉛直方向の第１の距離と、鉛直方向に対して直交すると共に、前記可動部の前記第１の位置を通過する面の鉛直方向に配置され、前記リニアモータ固定子により前記リニアモータ可動子を駆動させた際に力の加わる前記リニアモータ可動子の第２の位置から前記第１の位置を通過する面までの鉛直方向の第２の距離とを等しくしてもよい。
【００１７】
これにより、第１の位置に働くモーメントと第２の位置に働くモーメントとを相殺することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
次に、図面に基づいて本発明の実施例を説明する。図２は、本発明の実施例である振動制御装置の概略図を示したものであり、図３は、図２に示したＩ方向からの反力処理アクチュエータの概略図である。図２に示したＹ１，Ｙ２方向は鉛直方向を示しており、Ｘ１，Ｘ２方向はＹ１，Ｙ２方向に直交する方向を示している。図２を参照して、本発明の実施例である振動制御装置３０の構成について説明する。図２に示すように、振動制御装置３０は、大略すると可動装置４１と、支持部材３６と、反力処理アクチュエータ４２と、制御手段４３と、ゲイン補償器４４とにより構成されている。
【００１９】
始めに、図２を参照して、可動装置４１の構成について説明する。可動装置４１は、大略すると除振手段３２Ａ，３２Ｂと、ベース３３と、駆動ステージ３５とにより構成されている。構造体であるベース３３は、突起部３４を設けており、床３１上に除振手段３２Ａ，３２Ｂを介して固定されている。除振手段３２Ａは、床からのＹ１，Ｙ２方向の振動を除振するためのものであり、除振手段３２Ｂは床からのＸ１，Ｘ２方向の振動を除振するためのものである。除振手段３２Ａ，３２Ｂは、ばねとダッシュポットの組み合わせによるパッシブ除振機能を持ったパッシブ除振装置である。このパッシブ除振装置は、板状、コイル状のバネ材によるバネとダッシュポットの組み合わせ、または空気バネとダッシュポットの組み合わせ、ゴム材単独等さまざまな形態がある。
【００２０】
ベース３３上には、図示していないリニアモータを備えた可動部である駆動ステージ３５がＸ１，Ｘ２方向に移動可能な状態で形成されている。同図中に示した３５Ａは、可動部である駆動ステージ３５の重心（以下、重心３５Ａ）の位置を示しており、第１の位置である３５Ｂは可動部である駆動ステージ３５を駆動させた際に力が加わる位置（以下、位置３５Ｂ）を示している。また、同図中に示した第１の距離であるＨ１は、重心３５Ａから位置３５Ｂまでの鉛直方向（Ｙ１，Ｙ２方向）に対しての距離（以下、距離Ｈ１）を示している。
【００２１】
反力処理手段は、反力処理アクチュエータ４２と、制御手段４３と、ゲイン補償器４４とにより構成されている。始めに、図２乃至３を参照して、反力処理アクチュエータ４２について説明する。なお、同図中に示した第２の位置である３８Ｂは、リニアモータ固定子３７のコイルに通電してリニアモータ可動子３８を駆動させた際に力が加わる位置（以下、位置３８Ｂ）を示しており、第２の距離であるＨ２は、位置３８Ｂから位置３５Ｂまでの鉛直方向に対しての距離（以下、距離Ｈ２）を示している。反力処理アクチュエータ４２は、大略するとリニアモータ固定子３７と、リニアモータ可動子３８とにより構成されている。反力処理アクチュエータ４２は、駆動ステージ３５が駆動した際に、ベース３３を駆動方向に直接押して、駆動方向とは反対の方向に発生する反力を打ち消けして、構造体の振動を抑制するためのものである。リニアモータ固定子３７は、床３１と一体に形成された支持部材３６の図２中の上方に形成されている。リニアモータ可動子３８は、リニアモータ固定子３７に対して駆動可能な状態で、リニアモータ固定子３７に形成されている。また、リニアモータ固定子３７及びリニアモータ可動子３８は、位置３８Ｂから位置３５Ｂまでの鉛直方向（Ｙ１，Ｙ２方向）に対しての距離Ｈ２が、距離Ｈ１と等しくなる位置に形成されている。
【００２２】
反力を打ち消すためには、駆動ステージ３５のモーメント（以下、Ｍ１）と、ベース３３のモーメント（以下、Ｍ２）とが互いに相殺すれば良い。ここで、距離Ｈ２が距離Ｈ１と等しくなる構成において、駆動ステージ３５を駆動させた際の駆動ステージ３５のモーメント（以下、Ｍ１）と、ベース３３のモーメント（以下、Ｍ２）との関係について説明する。なお、図２中に示した３３Ａは構造体であるベース３３の重心（以下、重心３３Ａ）を示しており、Ｈ３は位置３５Ｂから重心３３Ａまでの鉛直方向（Ｙ１，Ｙ２方向）の距離（以下、距離Ｈ３）を示している。同図中の左側の方向に働く力を正の値とし、同図中の右側の方向に働く力を負の値とする。Ｆ１は駆動ステージ３５が駆動した際に発生する駆動力（以下、駆動力Ｆ１）、−Ｆ１は駆動ステージ３５が駆動した際に発生する反力（以下、反力―Ｆ１）、Ｆ２は反力処理アクチュエータ４２による反力処理を行うための駆動力（以下、反力処理用駆動力Ｆ２）を示している。
【００２３】
下記式（１）に駆動ステージ３５のモーメント（以下、モーメントＭ１）、下記式（２）にベース３３のモーメント（以下、モーメントＭ２）をそれぞれ示す。
【００２４】
Ｍ１＝Ｆ１＊Ｈ１ ・・・（１）
Ｍ２＝―Ｆ１＊Ｈ３＋Ｆ２（Ｈ２＋Ｈ３）・・・（２）
駆動ステージ３５は、駆動ステージ３５が駆動する際の駆動力Ｆ１の影響を受けるため、モーメントＭ１は上記式（１）で表される。ベース３３は、駆動ステージ３５が駆動した際に発生する反力−Ｆ１と、反力処理アクチュエータ４２による反力処理用駆動力Ｆ２との影響を受けるため、モーメントＭ２は上記式（２）で表される。反力処理用駆動力Ｆ２は、駆動力Ｆ１と同じ大きさの力をベース３３に加えるため、Ｆ１＝Ｆ２の関係が成り立つ。したがって、上記式（２）のＦ２にＦ１を代入することにより、上記式（２）は下記式（３）のように表すことができる。
【００２５】
Ｍ２＝Ｆ１＊Ｈ２ ・・・（３）
反力−Ｆ１を反力処理するためには、モーメントＭ１とモーメントＭ２とが互いに相殺しあえば良く、下記式（４）に示した関係が成り立てば良い。つまり、上記式（１）から上記式（２）を引き算した結果が０であれば、反力−Ｆ１を反力処理することができる。
【００２６】
Ｍ１―Ｍ２＝０ ・・・（４）
上記式（４）に上記式（１）及び上記式（２）を代入すると、下記式（５）となり、Ｈ１＝Ｈ２の場合に反力−Ｆ１を反力処理することができるということが分かる。
【００２７】
Ｆ１＊（Ｈ１―Ｈ２）＝０ ・・・（５）
したがって、先に述べたように、Ｈ１＝Ｈ２の関係が成り立つような鉛直方向（Ｙ１，Ｙ２方向）の位置に反力処理アクチュエータ４２を形成することにより、駆動ステージ３５が駆動する際に発生する反力−Ｆ１を反力処理アクチュエータ４２により反力処理することができる。
【００２８】
下記式（６）は、力を表わす式である。Ｆは力、ｍは質量（重さ）、ａは加速度をそれぞれ表わしている。
【００２９】
Ｆ＝ｍａ ・・・（６）
また、一般的に振動制御装置３０のベース３３の重さは、駆動ステージ３５の重さと比較してかなり重い。上記式（６）からＦが一定の場合、ｍが大きければ大きいほど必要となる加速度ａは小さくて良い。したがって、反力処理アクチュエータ４２はベース３３に小さな加速度を印加することにより、反力−Ｆ１の反力処理を行い、ベース３３の振動を抑制することができる。
【００３０】
次に、図２を参照して、制御手段４３について説明をする。制御手段４３は、駆動ステージ３５とゲイン補償器４４とに同一の駆動信号を出力可能な状態で接続されている。制御手段４３は、駆動命令のみに基づき、駆動信号を生成して、反力処理アクチュエータ４２及び駆動ステージ３５に対して同一の駆動信号を出力し、反力処理アクチュエータ４２及び駆動ステージ３５の駆動に関する制御を行うためのものである。ゲイン補償器４４は、制御手段４３からの駆動信号を補償するためのものであり、補償された駆動信号はリニアモータ固定子３７に出力され、リニアモータ固定子３７は補償された駆動信号に基づいて、リニアモータ可動子３８を駆動させる。
【００３１】
このように、駆動命令のみに基づいて駆動信号を生成する制御手段４３を設けることにより、図１に示した従来の振動制御装置では必要な変位センサー１６、加速度センサー１９、誘導電圧演算器２６及び積分補償器２５を設ける必要がなくなるため、振動制御装置３０の構成を従来の振動制御装置と比較して簡略化することができる。したがって、振動制御装置３０の大きさを従来の振動制御装置よりも小さくすることができる。
【００３２】
以上、説明したように、駆動ステージ３５の駆動方向に、ベース３３を直接押して反力処理を行う反力処理アクチュエータ４２を、Ｈ１＝Ｈ２となる鉛直方向（Ｙ１，Ｙ２方向）の位置に設けることにより、駆動ステージ３５が駆動した際に発生する反力―Ｆ１を、駆動ステージ３５の影響を受けることなく、反力処理アクチュエータ４２により構造体の振動を十分に抑制して、駆動ステージ３５の位置決めを精度良く行うことができる。
【００３３】
（振動の評価）
次に、本発明者が振動制御装置３０を用いて行った振動の評価結果について説明する。図４は、駆動ステージが駆動及び停止した際のベースを基準にした場合の駆動ステージの位置を示した図である。同図中に示した曲線Ｄは、先に説明した距離Ｈ１と距離Ｈ２との差が７０ｍｍに構成された振動制御装置３０を用いて、ベース３３を基準にした場合の駆動ステージ３５の位置を示したものである。同図中に示した曲線Ｅは、先に説明した距離Ｈ１と距離Ｈ２とが等しく構成された振動制御装置３０を用いて、ベース３３を基準にした場合の駆動ステージ３５の位置を示したものである。なお、図４に示したＴ１は、駆動ステージ３５が駆動している間の時間帯（以下、時間帯Ｔ１）、Ｔ２は駆動ステージ３５が停止した時間（以下、時間Ｔ２）、Ｔ３は駆動ステージ３５が停止後の時間帯（以下、時間帯Ｔ３）を示している。また、駆動ステージ３５の位置は、駆動ステージ３５の進行方向を正の値で表示し、駆動ステージ３５の進行方向とは逆の方向を負の値で示している。
【００３４】
図４に示すように、距離Ｈ１と距離Ｈ２と間に差がある場合には、時間帯Ｔ３において、曲線Ｄに示すように駆動ステージ３５の位置は、ベース３３に対して正の値や負の値になっていることから、ベース３３に振動が発生していることが分かる。一方、距離Ｈ１と距離Ｈ２とが等しい本実施例の構成の場合には、時間帯Ｔ３において、曲線Ｅに示すように駆動ステージ３５の位置は、ベース３３に対して振動することなく０で定位していることが分かる。したがって、ベース３３の振動が十分に抑制されていることが分かる。
【００３５】
上記評価から、先の実施例で述べたように、ベース３３を直接押して反力処理を行う反力処理アクチュエータ４２を、Ｈ１＝Ｈ２となる鉛直方向（Ｙ１，Ｙ２方向）の位置に設けることにより、ベース３３の振動を抑制して、駆動ステージ３５を精度良く所定の位置に定位させることができる。
【００３６】
以上、本発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。なお、本実施例では、駆動ステージ３５として図２中のＸ１，Ｘ２方向に移動可能なものについての説明を行ったが、Ｘ１，Ｘ２方向と同一平面内でＸ１，Ｘ２方向に垂直な方向またはＹ１，Ｙ２方向に駆動する駆動ステージを有する振動制御装置に、本実施例で説明した反力処理手段を用いても本実施例と同様の効果を得ることができる。また、反力処理アクチュエータ４２は、リニアモータに限らず、空気圧や油圧のリングまたはその他モータを使用する機構を用いても良い。
【００３７】
【発明の効果】
本発明によれば、構造体に対して反力を打ち消す方向に力を加えることのできる反力処理手段を設けることにより、可動部の駆動に影響されること無く、反力処理を行うことができる。また、制御手段は、駆動命令のみに基づき、駆動信号を生成すると共に、反力処理アクチュエータと接続されたゲイン補償器と、可動部とに対して、同一の駆動信号を出力し、反力処理アクチュエータは、ゲイン補償器により取得される駆動信号に比例した信号に基づいて制御されるため、従来の複数のセンサーに基づいて制御を行っていた場合と比較して反力処理手段の構成を簡略化できる。
【００３８】
また、構造体の重量を可動部の重量よりも大きくすることにより、反力を打ち消すために必要な力を小さな加速度で生み出すことができる。
【００４０】
また、前記反力処理アクチュエータは、リニアモータ固定子と、リニアモータ可動子とを有し、前記可動部の鉛直方向に位置すると共に、前記可動部が駆動する際に力の加わる前記可動部の第１の位置から前記可動部の重心までの鉛直方向の第１の距離と、鉛直方向に対して直交すると共に、前記可動部の前記第１の位置を通過する面の鉛直方向に配置され、前記リニアモータ固定子により前記リニアモータ可動子を駆動させた際に力の加わる前記リニアモータ可動子の第２の位置から前記第１の位置を通過する面までの鉛直方向の第２の距離とを等しくすることにより、第１の位置に働くモーメントと第２の位置に働くモーメントとを相殺することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の振動制御装置の概略図である。
【図２】本発明の実施例である振動制御装置の概略図である。
【図３】図２に示したＩ方向からの反力処理アクチュエータの概略図である。
【図４】駆動ステージが駆動及び停止した際のベースを基準にした駆動ステージの位置を示した図である。
【符号の説明】
１０ 振動制御装置
１１ アクチュエータ
１２、１３ リニアモータ
１２ａ、１３ａ リニアモータ可動子
１２ｂ、１３ｂ リニアモータ固定子
１４ 連結板
１５ ターゲット
１６ 変位センサー
１７ 駆動装置
１８ 底板
１９ 加速度センサー
２０ 制御装置
２１ 電流アンプ
２２ 位置補償器
２４ ゲイン補償器
２５ 積分補償器
２６ 誘導電圧演算器
３１ 床
３２Ａ，３２Ｂ 除振手段
３３ ベース
３３Ａ、３５Ａ 重心
３５ 駆動ステージ
３５Ｂ、３８Ｂ 位置
３６ 支持部材
３７ リニアモータ固定子
３８ リニアモータ可動子
４１ 可動装置
４２ 反力処理アクチュエータ
４３ 制御手段
４４ ゲイン補償器
【発明の属する技術分野】
本発明は振動制御装置に係り、特に構造体上に形成されたリニアモータ可動子等の可動部が駆動する振動制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的にリニアモータ可動子等の可動部は、ステージの位置決めなどに用いられており、加工サイズの微細化の要求に伴い、高い位置決め精度が求められている。このステージの載置される構造体は、精密な性能を達成する場合、床からの振動を除振するために除振手段を介して床に固定されているため、非常に不安定な状態であり、可動部が駆動力を受けて駆動する際には、駆動方向に対して反対の方向に駆動力と同じ大きさの反力が生じる。この反力が存在した状態では、構造体が振動し、その振動がステージに伝わるために、ステージの位置決めを精度良く行うことができない。したがって、ステージの位置決めを精度良く行うためには、反力を打ち消すための反力処理を行う必要がある。
【０００３】
図１は、従来の振動制御装置の概略図を示したものである。図１に示すように、振動制御装置１０は、大略すると駆動装置１７と、制御装置２０と、積分補償器２５とにより構成されている。駆動装置１７は、大略するとアクチュエータ１１と、ターゲット１５と、変位センサー１６と、加速度センサー１９と、底板１８とにより構成されている。
【０００４】
アクチュエータ１１は、一対のリニアモータ１２，１３を有しており、各リニアモータ１２，１３は、永久磁石を有するリニアモータ可動子１２ａ，１３ａと、コイルを有するリニアモータ固定子１２ｂ，１３ｂからなり、リニアモータ可動子１２ａ，１３ａは連結板１４を介して形成されている。リニアモータ可動子１２ａ，１３ａは、所定の位置まで移動して、ターゲット１５の位置決めを行うためのものである。ターゲット１５は、リニアモータ可動子１２ａに形成されている。変位センサー１６は、ターゲット１５の検出面を計測し、位置補償器２２に計測結果を出力する。加速度センサー１９は、リニアモータ固定子１２ｂ，１３ｂを支持する底板１８に取り付けられており、構造体や床の振動を計測し、積分補償器２５に計測結果を出力する。
【０００５】
制御装置２０は、大略すると位置補償器２２と、電流アンプ２１と、誘導電圧演算器２６と、ゲイン補償器２４とにより構成されている。制御装置２０は、積分補償器２５に入力された振動値と、変位センサー１６からの変位値とに基づいて、適当な演算処理を行い、電流アンプ２１を励磁し、リニアモータ固定子１２ｂ，１３ｂのコイルに電流を通すことによって、リニアモータ可動子１２ａ，１３ａを所定の場所に定位させる（例えば、特許文献１参照。）。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００３−９４９４号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の振動制御装置は、位置決めを行う際に使用するリニアモータ可動子１２ａ，１３ａを、反力処理する際に用いているため、リニアモータ可動子１２ａ，１３ａの駆動の影響を受けて、十分な反力処理を行うことができず、構造体の振動を十分に抑制させることができないため、精度良く位置決めを行うことができないという問題があった。また、従来の振動制御装置は、変位センサー１６、加速度センサー１９、誘導電圧演算器２６及び積分補償器２５が必要であるため、振動制御装置のコストが高くなると共に、装置自体が大きくなるという問題があった。
【０００８】
そこで本発明は、上記事情に鑑みなされたもので、可動部が駆動した際に発生する反力に対しての反力処理を簡易的な構成で行い、構造体の振動を十分に抑制し、可動部の位置決めを精度良く行うことのできる振動制御装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明では、次に述べる各手段を講じたことを特徴とするものである。
【００１０】
本発明の一観点によれば、構造体上に形成された可動部が駆動することにより発生する反力で生じる振動を抑制する振動制御装置であって、前記反力を打ち消す方向に、前記構造体に対して力を加えることのできる反力処理アクチュエータと、制御手段とを含んだ反力処理手段と、前記反力処理アクチュエータと接続されたゲイン補償器とを設け、前記反力処理アクチュエータの固定側は、支持部材を介して床に固定し、前記構造体は除振手段を介して床に係合しており、前記制御手段は、駆動命令のみに基づき、駆動信号を生成すると共に、前記ゲイン補償器及び前記可動部に対して、同一の前記駆動信号を出力し、前記反力処理アクチュエータは、前記ゲイン補償器により取得される前記駆動信号に比例した信号に基づいて制御され、前記反力処理アクチュエータの駆動方向は、前記可動部の駆動方向と同じであることを特徴とする振動制御装置により、解決できる。
【００１１】
本発明によれば、構造体に対して反力を打ち消す方向に力を加えることのできる反力処理手段を設けることにより、可動部の駆動に影響されること無く、反力処理を行うことができる。また、制御手段は、駆動命令のみに基づき、駆動信号を生成すると共に、反力処理アクチュエータと接続されたゲイン補償器と、可動部とに対して、同一の駆動信号を出力し、反力処理アクチュエータは、ゲイン補償器により取得される駆動信号に比例した信号に基づいて制御されるため、従来の複数のセンサーに基づいて制御を行っていた場合と比較して反力処理手段の構成を簡略化できる。
【００１２】
また、前記構造体の重量は、前記可動部の重量よりも大きくてもよい。
【００１３】
また、構造体の重量を可動部の重量よりも大きくすることにより、反力を打ち消すために必要な力を小さな加速度で生み出すことができる。
【００１６】
また、前記反力処理アクチュエータは、リニアモータ固定子と、リニアモータ可動子とを有し、前記可動部の鉛直方向に位置すると共に、前記可動部が駆動する際に力の加わる前記可動部の第１の位置から前記可動部の重心までの鉛直方向の第１の距離と、鉛直方向に対して直交すると共に、前記可動部の前記第１の位置を通過する面の鉛直方向に配置され、前記リニアモータ固定子により前記リニアモータ可動子を駆動させた際に力の加わる前記リニアモータ可動子の第２の位置から前記第１の位置を通過する面までの鉛直方向の第２の距離とを等しくしてもよい。
【００１７】
これにより、第１の位置に働くモーメントと第２の位置に働くモーメントとを相殺することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
次に、図面に基づいて本発明の実施例を説明する。図２は、本発明の実施例である振動制御装置の概略図を示したものであり、図３は、図２に示したＩ方向からの反力処理アクチュエータの概略図である。図２に示したＹ１，Ｙ２方向は鉛直方向を示しており、Ｘ１，Ｘ２方向はＹ１，Ｙ２方向に直交する方向を示している。図２を参照して、本発明の実施例である振動制御装置３０の構成について説明する。図２に示すように、振動制御装置３０は、大略すると可動装置４１と、支持部材３６と、反力処理アクチュエータ４２と、制御手段４３と、ゲイン補償器４４とにより構成されている。
【００１９】
始めに、図２を参照して、可動装置４１の構成について説明する。可動装置４１は、大略すると除振手段３２Ａ，３２Ｂと、ベース３３と、駆動ステージ３５とにより構成されている。構造体であるベース３３は、突起部３４を設けており、床３１上に除振手段３２Ａ，３２Ｂを介して固定されている。除振手段３２Ａは、床からのＹ１，Ｙ２方向の振動を除振するためのものであり、除振手段３２Ｂは床からのＸ１，Ｘ２方向の振動を除振するためのものである。除振手段３２Ａ，３２Ｂは、ばねとダッシュポットの組み合わせによるパッシブ除振機能を持ったパッシブ除振装置である。このパッシブ除振装置は、板状、コイル状のバネ材によるバネとダッシュポットの組み合わせ、または空気バネとダッシュポットの組み合わせ、ゴム材単独等さまざまな形態がある。
【００２０】
ベース３３上には、図示していないリニアモータを備えた可動部である駆動ステージ３５がＸ１，Ｘ２方向に移動可能な状態で形成されている。同図中に示した３５Ａは、可動部である駆動ステージ３５の重心（以下、重心３５Ａ）の位置を示しており、第１の位置である３５Ｂは可動部である駆動ステージ３５を駆動させた際に力が加わる位置（以下、位置３５Ｂ）を示している。また、同図中に示した第１の距離であるＨ１は、重心３５Ａから位置３５Ｂまでの鉛直方向（Ｙ１，Ｙ２方向）に対しての距離（以下、距離Ｈ１）を示している。
【００２１】
反力処理手段は、反力処理アクチュエータ４２と、制御手段４３と、ゲイン補償器４４とにより構成されている。始めに、図２乃至３を参照して、反力処理アクチュエータ４２について説明する。なお、同図中に示した第２の位置である３８Ｂは、リニアモータ固定子３７のコイルに通電してリニアモータ可動子３８を駆動させた際に力が加わる位置（以下、位置３８Ｂ）を示しており、第２の距離であるＨ２は、位置３８Ｂから位置３５Ｂまでの鉛直方向に対しての距離（以下、距離Ｈ２）を示している。反力処理アクチュエータ４２は、大略するとリニアモータ固定子３７と、リニアモータ可動子３８とにより構成されている。反力処理アクチュエータ４２は、駆動ステージ３５が駆動した際に、ベース３３を駆動方向に直接押して、駆動方向とは反対の方向に発生する反力を打ち消けして、構造体の振動を抑制するためのものである。リニアモータ固定子３７は、床３１と一体に形成された支持部材３６の図２中の上方に形成されている。リニアモータ可動子３８は、リニアモータ固定子３７に対して駆動可能な状態で、リニアモータ固定子３７に形成されている。また、リニアモータ固定子３７及びリニアモータ可動子３８は、位置３８Ｂから位置３５Ｂまでの鉛直方向（Ｙ１，Ｙ２方向）に対しての距離Ｈ２が、距離Ｈ１と等しくなる位置に形成されている。
【００２２】
反力を打ち消すためには、駆動ステージ３５のモーメント（以下、Ｍ１）と、ベース３３のモーメント（以下、Ｍ２）とが互いに相殺すれば良い。ここで、距離Ｈ２が距離Ｈ１と等しくなる構成において、駆動ステージ３５を駆動させた際の駆動ステージ３５のモーメント（以下、Ｍ１）と、ベース３３のモーメント（以下、Ｍ２）との関係について説明する。なお、図２中に示した３３Ａは構造体であるベース３３の重心（以下、重心３３Ａ）を示しており、Ｈ３は位置３５Ｂから重心３３Ａまでの鉛直方向（Ｙ１，Ｙ２方向）の距離（以下、距離Ｈ３）を示している。同図中の左側の方向に働く力を正の値とし、同図中の右側の方向に働く力を負の値とする。Ｆ１は駆動ステージ３５が駆動した際に発生する駆動力（以下、駆動力Ｆ１）、−Ｆ１は駆動ステージ３５が駆動した際に発生する反力（以下、反力―Ｆ１）、Ｆ２は反力処理アクチュエータ４２による反力処理を行うための駆動力（以下、反力処理用駆動力Ｆ２）を示している。
【００２３】
下記式（１）に駆動ステージ３５のモーメント（以下、モーメントＭ１）、下記式（２）にベース３３のモーメント（以下、モーメントＭ２）をそれぞれ示す。
【００２４】
Ｍ１＝Ｆ１＊Ｈ１ ・・・（１）
Ｍ２＝―Ｆ１＊Ｈ３＋Ｆ２（Ｈ２＋Ｈ３）・・・（２）
駆動ステージ３５は、駆動ステージ３５が駆動する際の駆動力Ｆ１の影響を受けるため、モーメントＭ１は上記式（１）で表される。ベース３３は、駆動ステージ３５が駆動した際に発生する反力−Ｆ１と、反力処理アクチュエータ４２による反力処理用駆動力Ｆ２との影響を受けるため、モーメントＭ２は上記式（２）で表される。反力処理用駆動力Ｆ２は、駆動力Ｆ１と同じ大きさの力をベース３３に加えるため、Ｆ１＝Ｆ２の関係が成り立つ。したがって、上記式（２）のＦ２にＦ１を代入することにより、上記式（２）は下記式（３）のように表すことができる。
【００２５】
Ｍ２＝Ｆ１＊Ｈ２ ・・・（３）
反力−Ｆ１を反力処理するためには、モーメントＭ１とモーメントＭ２とが互いに相殺しあえば良く、下記式（４）に示した関係が成り立てば良い。つまり、上記式（１）から上記式（２）を引き算した結果が０であれば、反力−Ｆ１を反力処理することができる。
【００２６】
Ｍ１―Ｍ２＝０ ・・・（４）
上記式（４）に上記式（１）及び上記式（２）を代入すると、下記式（５）となり、Ｈ１＝Ｈ２の場合に反力−Ｆ１を反力処理することができるということが分かる。
【００２７】
Ｆ１＊（Ｈ１―Ｈ２）＝０ ・・・（５）
したがって、先に述べたように、Ｈ１＝Ｈ２の関係が成り立つような鉛直方向（Ｙ１，Ｙ２方向）の位置に反力処理アクチュエータ４２を形成することにより、駆動ステージ３５が駆動する際に発生する反力−Ｆ１を反力処理アクチュエータ４２により反力処理することができる。
【００２８】
下記式（６）は、力を表わす式である。Ｆは力、ｍは質量（重さ）、ａは加速度をそれぞれ表わしている。
【００２９】
Ｆ＝ｍａ ・・・（６）
また、一般的に振動制御装置３０のベース３３の重さは、駆動ステージ３５の重さと比較してかなり重い。上記式（６）からＦが一定の場合、ｍが大きければ大きいほど必要となる加速度ａは小さくて良い。したがって、反力処理アクチュエータ４２はベース３３に小さな加速度を印加することにより、反力−Ｆ１の反力処理を行い、ベース３３の振動を抑制することができる。
【００３０】
次に、図２を参照して、制御手段４３について説明をする。制御手段４３は、駆動ステージ３５とゲイン補償器４４とに同一の駆動信号を出力可能な状態で接続されている。制御手段４３は、駆動命令のみに基づき、駆動信号を生成して、反力処理アクチュエータ４２及び駆動ステージ３５に対して同一の駆動信号を出力し、反力処理アクチュエータ４２及び駆動ステージ３５の駆動に関する制御を行うためのものである。ゲイン補償器４４は、制御手段４３からの駆動信号を補償するためのものであり、補償された駆動信号はリニアモータ固定子３７に出力され、リニアモータ固定子３７は補償された駆動信号に基づいて、リニアモータ可動子３８を駆動させる。
【００３１】
このように、駆動命令のみに基づいて駆動信号を生成する制御手段４３を設けることにより、図１に示した従来の振動制御装置では必要な変位センサー１６、加速度センサー１９、誘導電圧演算器２６及び積分補償器２５を設ける必要がなくなるため、振動制御装置３０の構成を従来の振動制御装置と比較して簡略化することができる。したがって、振動制御装置３０の大きさを従来の振動制御装置よりも小さくすることができる。
【００３２】
以上、説明したように、駆動ステージ３５の駆動方向に、ベース３３を直接押して反力処理を行う反力処理アクチュエータ４２を、Ｈ１＝Ｈ２となる鉛直方向（Ｙ１，Ｙ２方向）の位置に設けることにより、駆動ステージ３５が駆動した際に発生する反力―Ｆ１を、駆動ステージ３５の影響を受けることなく、反力処理アクチュエータ４２により構造体の振動を十分に抑制して、駆動ステージ３５の位置決めを精度良く行うことができる。
【００３３】
（振動の評価）
次に、本発明者が振動制御装置３０を用いて行った振動の評価結果について説明する。図４は、駆動ステージが駆動及び停止した際のベースを基準にした場合の駆動ステージの位置を示した図である。同図中に示した曲線Ｄは、先に説明した距離Ｈ１と距離Ｈ２との差が７０ｍｍに構成された振動制御装置３０を用いて、ベース３３を基準にした場合の駆動ステージ３５の位置を示したものである。同図中に示した曲線Ｅは、先に説明した距離Ｈ１と距離Ｈ２とが等しく構成された振動制御装置３０を用いて、ベース３３を基準にした場合の駆動ステージ３５の位置を示したものである。なお、図４に示したＴ１は、駆動ステージ３５が駆動している間の時間帯（以下、時間帯Ｔ１）、Ｔ２は駆動ステージ３５が停止した時間（以下、時間Ｔ２）、Ｔ３は駆動ステージ３５が停止後の時間帯（以下、時間帯Ｔ３）を示している。また、駆動ステージ３５の位置は、駆動ステージ３５の進行方向を正の値で表示し、駆動ステージ３５の進行方向とは逆の方向を負の値で示している。
【００３４】
図４に示すように、距離Ｈ１と距離Ｈ２と間に差がある場合には、時間帯Ｔ３において、曲線Ｄに示すように駆動ステージ３５の位置は、ベース３３に対して正の値や負の値になっていることから、ベース３３に振動が発生していることが分かる。一方、距離Ｈ１と距離Ｈ２とが等しい本実施例の構成の場合には、時間帯Ｔ３において、曲線Ｅに示すように駆動ステージ３５の位置は、ベース３３に対して振動することなく０で定位していることが分かる。したがって、ベース３３の振動が十分に抑制されていることが分かる。
【００３５】
上記評価から、先の実施例で述べたように、ベース３３を直接押して反力処理を行う反力処理アクチュエータ４２を、Ｈ１＝Ｈ２となる鉛直方向（Ｙ１，Ｙ２方向）の位置に設けることにより、ベース３３の振動を抑制して、駆動ステージ３５を精度良く所定の位置に定位させることができる。
【００３６】
以上、本発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。なお、本実施例では、駆動ステージ３５として図２中のＸ１，Ｘ２方向に移動可能なものについての説明を行ったが、Ｘ１，Ｘ２方向と同一平面内でＸ１，Ｘ２方向に垂直な方向またはＹ１，Ｙ２方向に駆動する駆動ステージを有する振動制御装置に、本実施例で説明した反力処理手段を用いても本実施例と同様の効果を得ることができる。また、反力処理アクチュエータ４２は、リニアモータに限らず、空気圧や油圧のリングまたはその他モータを使用する機構を用いても良い。
【００３７】
【発明の効果】
本発明によれば、構造体に対して反力を打ち消す方向に力を加えることのできる反力処理手段を設けることにより、可動部の駆動に影響されること無く、反力処理を行うことができる。また、制御手段は、駆動命令のみに基づき、駆動信号を生成すると共に、反力処理アクチュエータと接続されたゲイン補償器と、可動部とに対して、同一の駆動信号を出力し、反力処理アクチュエータは、ゲイン補償器により取得される駆動信号に比例した信号に基づいて制御されるため、従来の複数のセンサーに基づいて制御を行っていた場合と比較して反力処理手段の構成を簡略化できる。
【００３８】
また、構造体の重量を可動部の重量よりも大きくすることにより、反力を打ち消すために必要な力を小さな加速度で生み出すことができる。
【００４０】
また、前記反力処理アクチュエータは、リニアモータ固定子と、リニアモータ可動子とを有し、前記可動部の鉛直方向に位置すると共に、前記可動部が駆動する際に力の加わる前記可動部の第１の位置から前記可動部の重心までの鉛直方向の第１の距離と、鉛直方向に対して直交すると共に、前記可動部の前記第１の位置を通過する面の鉛直方向に配置され、前記リニアモータ固定子により前記リニアモータ可動子を駆動させた際に力の加わる前記リニアモータ可動子の第２の位置から前記第１の位置を通過する面までの鉛直方向の第２の距離とを等しくすることにより、第１の位置に働くモーメントと第２の位置に働くモーメントとを相殺することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の振動制御装置の概略図である。
【図２】本発明の実施例である振動制御装置の概略図である。
【図３】図２に示したＩ方向からの反力処理アクチュエータの概略図である。
【図４】駆動ステージが駆動及び停止した際のベースを基準にした駆動ステージの位置を示した図である。
【符号の説明】
１０ 振動制御装置
１１ アクチュエータ
１２、１３ リニアモータ
１２ａ、１３ａ リニアモータ可動子
１２ｂ、１３ｂ リニアモータ固定子
１４ 連結板
１５ ターゲット
１６ 変位センサー
１７ 駆動装置
１８ 底板
１９ 加速度センサー
２０ 制御装置
２１ 電流アンプ
２２ 位置補償器
２４ ゲイン補償器
２５ 積分補償器
２６ 誘導電圧演算器
３１ 床
３２Ａ，３２Ｂ 除振手段
３３ ベース
３３Ａ、３５Ａ 重心
３５ 駆動ステージ
３５Ｂ、３８Ｂ 位置
３６ 支持部材
３７ リニアモータ固定子
３８ リニアモータ可動子
４１ 可動装置
４２ 反力処理アクチュエータ
４３ 制御手段
４４ ゲイン補償器
Claims (3)
- 構造体上に形成された可動部が駆動することにより発生する反力で生じる振動を抑制する振動制御装置であって、
前記反力を打ち消す方向に、前記構造体に対して力を加えることのできる反力処理アクチュエータと、制御手段とを含んだ反力処理手段と、前記反力処理アクチュエータと接続されたゲイン補償器とを設け、
前記反力処理アクチュエータの固定側は、支持部材を介して床に固定し、
前記構造体は除振手段を介して床に係合しており、
前記制御手段は、駆動命令のみに基づき、駆動信号を生成すると共に、前記ゲイン補償器及び前記可動部に対して、同一の前記駆動信号を出力し、
前記反力処理アクチュエータは、前記ゲイン補償器により取得される前記駆動信号に比例した信号に基づいて制御され、
前記反力処理アクチュエータの駆動方向は、前記可動部の駆動方向と同じであることを特徴とする振動制御装置。 - 前記構造体の重量は、前記可動部の重量よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の振動制御装置。
- 前記反力処理アクチュエータは、リニアモータ固定子と、リニアモータ可動子とを有し、
前記可動部の鉛直方向に位置すると共に、前記可動部が駆動する際に力の加わる前記可動部の第１の位置から前記可動部の重心までの鉛直方向の第１の距離と、
鉛直方向に対して直交すると共に、前記可動部の前記第１の位置を通過する面の鉛直方向に配置され、前記リニアモータ固定子により前記リニアモータ可動子を駆動させた際に力の加わる前記リニアモータ可動子の第２の位置から前記第１の位置を通過する面までの鉛直方向の第２の距離とを等しくすることを特徴とする請求項１又は２に記載の振動制御装置。
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