JP4940472B2 - アクティブ除振装置及び制振装置 - Google Patents

Description

本発明は、対象物の振動を低減するために用いられる除振装置や制振装置に関し、特に、対象物の振動を減殺するような制御力を付加するようにしたアクティブタイプのものに係る。

従来より、この種のアクティブタイプの除振装置としては、例えば特許文献１に開示されるように、除振対象物（荷）を基礎に対して空気ばねにより支持するとともに、その除振対象物の振動状態をセンサにより検出し、この検出信号をフィードバックしてコントローラによりアクチュエータを駆動することで、当該除振対象物にその振動を減殺するような制御力を付加するようにしたものが知られている。

このものではアクチュエータとして空気ばね自体を利用するようにしており、その空気ばねに対する空気の給排系にサーボ弁を配設し、これをコントローラにより制御して空気ばねの内圧を変化させることにより、除振対象物に制御力を付加するようにしている。

そうして空気ばねをアクチュエータとして利用した場合は、大きな出力を比較的容易に得られるという利点がある一方で、空気ばねの内圧の制御には応答性という面で難があり、高い応答性を得ようとすれば特別に高速の制御弁等、高価な部品が必要になって、コストアップを招くという問題がある。

この点につき、特許文献２には、構造物等の振動を制御する振動制御装置として、所謂アクティブ・マスダンパーを用いたものが開示されている。アクティブ・マスダンパーは一般に、対象物にばね要素とアクチュエータとを介して可動質量を取り付けて、そのアクチュエータにより可動質量を駆動する反力を、振動を減殺するような制御力として主振動系に作用させるようにしたものである。

そうして対象物に取り付けたマスダンパーは付加振動系になるので、主振動系である対象物の振動を効果的に減殺するためには、その固有振動数を主振動系の固有振動数から離すとともに、できるだけ低くすることが好ましい。そこで、従来例のマスダンパーでは、可動質量の自重を支えるために、ばね要素を或る程度、剛く（即ち、ばね定数を高く）しながら、対象物に対して可動質量の相対変位に比例する制御力をアクチュエータにより加えることで、見かけ上、付加振動系のばね定数が低くなるようにしている。
特許第３３７２９７５号公報 特開昭６０−６０３４４号公報

ところが、前記従来例のものでは付加振動系となるマスダンパーの固有振動数を低下させて、それを主振動系の固有振動数から離すことはできても、それをなくすことはできないから、マスダンパーの固有振動数付近では共振によって、振動を減殺するための制御が不安定になったり、制御が発振して対象物に大きな力が作用したりする虞れがある。

斯かる点に鑑みて本発明の目的は、対象物にマスダンパーのような制振機構を取り付けて、振動を減殺するようにフィードバック制御する場合に、その制御の仕方に工夫を凝らして不安定化を防止し、ひいては制振・除振性能を向上させることにある。

前記の目的を達成するために本発明の制振機構では、従来までと同じく可動質量を駆動する反力によって所要の制御力を得るとともに、そのためのフィードバック制御において可動質量及びばね要素からなる付加振動系の影響を排除するようにしたものである。

具体的に請求項１の発明は、基礎に対して弾性支持した除振対象物に制振機構を取り付けて、所定方向の振動を減殺するような制御力を付加するようにしたアクティブ除振装置を対象として、前記除振対象物にはその振動状態を検出するための振動センサを配設する一方、前記制振機構は、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、その反力を当該除振対象物に作用させるアクチュエータと、を有するものとする。

そして、前記振動センサからの信号により検出される除振対象物の振動状態に基づき、前記可動質量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、前記アクチュエータを制御する制御手段と、前記除振対象物の振動状態のうち、前記可動質量からばね要素を介して付加される力による振動分を無視するように、前記制御手段によるアクチュエータの制御を補正する補正手段と、を備えるものとする。

前記の構成により、除振対象物に取り付けた制振機構から制御力を付加して、振動を減殺するときには、当該除振対象物に配設した振動センサからの信号により、その所定方向の振動状態が検出され、これに応じて制御手段によりアクチュエータが作動されて、可動質量が前記所定方向に駆動され、その反力として適切な制御力がアクチュエータを介して前記除振対象物に作用するようになる。

但し、そうして可動質量が駆動されると、この可動質量及びばね要素からなる付加振動系の固有振動数付近では共振により位相交点でのゲインが高くなって制御（前記制御手段によるアクチュエータの制御）が不安定になる虞れがあり、仮に前記補正手段がないとすれば、ゲインを高くすることができないので、除振性能は低下する懸念がある。

この点、前記の構成では、前記制御手段によるアクチュエータの制御を補正手段により補正して、振動センサからの信号により検出される除振対象物の振動状態のうち、可動質量からばね要素を介して付加される力による振動分を無視するようにしているので、付加振動系の固有振動数付近でも制御が不安定になることはない。つまり、アクチュエータの制御系においては付加振動系があたかも存在しないかのようになり、その付加振動系の共振によって制御が不安定化する虞れはなくなるのである。

前記のように付加振動系の制御への影響をなくすために、補正手段は、前記制御手段による、前記除振対象物の加速度のフィードバック、速度のフィードバック及び変位のフィードバックの少なくとも１つ、又は、除振対象物の振動状態に基づいて、制御手段によるＬＱ制御若しくはＨ∞制御、により求められるアクチュエータの操作量をｕ_１とすれば、この操作量ｕ_１に基づいて以下の（式Ａ）により操作量ｕ_２を求めるものとする。

但し、Ｍ_１は除振対象物の質量、Ｍ_２は可動質量の質量であり、Ｃ_１は、除振対象物を基礎に対して弾性支持する主振動系の減衰係数、Ｃ_２は、可動質量の所定方向への移動における減衰係数であって、Ｋ_１は主振動系のばね定数、Ｋ_２は制振機構のばね定数である。尚、前記（式Ａ）は、除振対象物に制振機構を取り付けてなる２自由度の振動系を擬似的に１自由度の振動系として取り扱うための変換式であり、詳細については後述する。

請求項２の発明は、基礎に対して弾性支持した除振対象物に制振機構を取り付けて、所定方向の振動を減殺するような制御力を付加するようにしたアクティブ除振装置であって、前記除振対象物にはその振動状態を検出するための振動センサが配設されており、前記制振機構は、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、その反力を当該除振対象物に作用させるアクチュエータと、を有し、前記振動センサからの信号により検出される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制御手段と、前記除振対象物の振動状態のうち、前記可動質量からばね要素を介して付加される力による振動分を無視するように、前記制御手段によるアクチュエータの制御を補正する補正手段と、を備え、前記制御手段による、前記除振対象物の加速度のフィードバック、速度のフィードバック及び変位のフィードバックの少なくとも１つ、又は、前記除振対象物の振動状態に基づいて、前記制御手段によるＬＱ制御若しくはＨ∞制御、により求められるアクチュエータの操作量をｕ _１ とし、前記補正手段は、前記操作量ｕ _１ に基づいて、以下の（式Ｂ）により操作量ｕ _２ を求める

但し、Ｍは可動質量の質量であり、Ｃは、該可動質量の所定方向への移動における減衰係数であり、Ｋは制振機構のばね定数である、ことを特徴とする。

前記（式Ａ）のＭ_１、Ｃ_１、Ｋ_１は、それぞれ、主振動系の質量、減衰係数、ばね定数であり、除振対象物が製造装置や精密機器であるときには、それらを計測すること自体が面倒なことも多い。そこで、一般的に制振機構の可動質量Ｍ_２が除振対象物に比べて遙かに小さく、その減衰Ｃ_２やばね定数Ｋ_２も小さいことを考慮すれば、前記（式Ａ）を以下のように近似することができる。

ｕ_２ ＝ ｛（Ｍ_２ｓ^２＋Ｃ_２ｓ＋Ｋ_２）／Ｍ_２ｓ^２｝×ｕ_１
こうすれば、正確に求めることの難しい除振対象物の質量や減衰係数等を含めず、既知の制振機構の質量、減衰及びばね定数のみによって、操作量ｕ_２を求めることができる。

ここで、前記のように求められる操作量ｕ_２の値は、低周波側に向かって相乗的に大きくなるので、実用上はハイパスフィルタを通過させてからアクチュエータに出力するのが好ましい（請求項３）。

より好ましいのは、前記制振機構に、可動質量の移動方向における位置を検出するための位置センサを配設し、その可動質量の位置を加味してアクチュエータの操作量を求めるようにすることである（請求項４）。すなわち、例えば可動質量を中立位置からの変位量に応じて駆動するようにすれば、それにより付加振動系の見かけのばね定数を低下させることができるから、自ずと付加振動系の影響が小さくなるとともに、該付加振動系の固有振動数を主振動系の固有振動数から離す上でも有利になる。

見方を変えれば、本発明は、除振乃至制振対象物に取り付けて所定方向の振動を減殺するような制御力を付加するようにした制振装置であって、前記対象物の振動状態を検出するための振動センサと、前記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、その反力を当該対象物に作用させるアクチュエータと、前記振動センサからの信号により検出される対象物の振動状態に基づき、前記可動質量の駆動反力が前記対象物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制御手段と、前記対象物の振動状態のうち、前記可動質量からばね要素を介して付加される力による振動分を無視するように、前記制御手段によるアクチュエータの制御を補正する補正手段と、を備え、前記制御手段による、前記除振対象物の加速度のフィードバック、速度のフィードバック及び変位のフィードバックの少なくとも１つ、又は、前記除振対象物の振動状態に基づいて、前記制御手段によるＬＱ制御若しくはＨ∞制御、により求められるアクチュエータの操作量をｕ _１ とし、前記補正手段は、前記操作量ｕ _１ に基づいて、以下の（式Ａ）により操作量ｕ _２ を求める

但し、Ｍ _１ は除振対象物の質量、Ｍ _２ は可動質量の質量であり、Ｃ _１ は、除振対象物を基礎に対して弾性支持する主振動系の減衰係数、Ｃ _２ は、前記可動質量の所定方向への移動における減衰係数であって、Ｋ _１ は前記主振動系のばね定数、Ｋ _２ は制振機構のばね定数である、ことを特徴とするものである（請求項５）。

また、除振乃至制振対象物に取り付けて所定方向の振動を減殺するような制御力を付加するようにした制振装置であって、前記対象物の振動状態を検出するための振動センサと、前記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、その反力を当該対象物に作用させるアクチュエータと、前記振動センサからの信号により検出される対象物の振動状態に基づき、前記可動質量の駆動反力が前記対象物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制御手段と、前記対象物の振動状態のうち、前記可動質量からばね要素を介して付加される力による振動分を無視するように、前記制御手段によるアクチュエータの制御を補正する補正手段と、を備え、前記制御手段による、前記除振対象物の加速度のフィードバック、速度のフィードバック及び変位のフィードバックの少なくとも１つ、又は、前記除振対象物の振動状態に基づいて、前記制御手段によるＬＱ制御若しくはＨ∞制御、により求められるアクチュエータの操作量をｕ _１ とし、前記補正手段は、前記操作量ｕ _１ に基づいて、以下の（式Ｂ）により操作量ｕ _２ を求める

但し、Ｍは可動質量の質量であり、Ｃは、該可動質量の所定方向への移動における減衰係数であり、Ｋは制振機構のばね定数である、ことを特徴とするものである（請求項６）。

以上、説明したように、本発明に係るアクティブ除振装置等によると、対象物にマスダンパーのような制振機構を取り付け、アクチュエータにより可動質量を駆動する反力として、振動を減殺するような制御力を得る場合に、上述の（式Ａ）（式Ｂ）等を用いてアクチュエータの操作量を求めることにより、マスダンパーの構成する付加振動系がフィードバック制御に与える影響を実質的になくすことができ、その付加振動系の共振等による制御の不安定化を防止し、ひいては制振・除振性能を向上させることができる。

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。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。

図１には、本発明に係るアクティブ除振装置の一実施形態である精密除振台Ａの構成を模式的に示す。この除振台Ａは、例えば半導体関連の製造装置、試験機器や電子顕微鏡、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を搭載して、それらを床の振動からできるだけ絶縁した状態で設置するためのものである。

図示の除振台Ａは、前記のような機器Ｄの搭載される定盤１を通常は３個（４個以上でもよい）の空気ばね２，２，…（図には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、図示の除振台Ａ自体は所謂パッシブタイプのもので、図示は省略するが、各空気ばね２には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。

この実施形態では、機器Ｄの上部に制振ユニット３（制振装置）を取り付けて、これにより付加する制御力によって機器Ｄの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を含めた精密除振台Ａ全体としては簡易的なアクティブタイプの除振装置を構成する。制振ユニット３は一般にアクティブ・マスダンパーと呼ばれるもので、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により駆動し、その反力をケース３０を介して機器Ｄに付加するものである。

−制振ユニット−
以下に、制振ユニット３の構造について説明する。図１には実際よりも大きく示すが、この実施形態の制振ユニット３は、円筒状ケース３０の基端（図の下端）に例えば矩形状の基板３０ａが配設されて、その４隅を機器Ｄの上部に締結される一方、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の周壁部分は、基端側の概略半分である基半部材３０ｃと、残りの部分のうちの先端側を構成する先端部材３０ｄと、それらの中間の中間部材３０ｅとに３分割されている。

また、ケース３０の内部は２つの区画壁３０ｆ，３０ｇによって中心軸線Ｚの方向に概略３等分されており、図では下側の区画壁３０ｆと基板３０ａとの間に加速度センサ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、機器Ｄの上下方向の振動による加速度ｚ″を検出する。

また、前記２つの区画壁３０ｆ，３０ｇの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のケースは区画壁３０ｇに固設され、この区画壁３０ｇに形成された貫通穴にロッドが挿通されて、ケース３０の中心軸線Ｚに沿って反対側に、即ち区画壁３０ｇと蓋部材３０ｂとの間の空間にまで延びている。

そうしてリニアモータ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、２枚の板ばね３４，３４によりケース３０に対して軸線Ｚ方向（この実施形態では上下方向）に移動可能に保持されている。可動質量３３は、略円筒状の本体部とそれを貫通する軸部とからなり、この軸部の両端がそれぞれ板ばね３４，３４の中心部に貫通状態で固定されるとともに、特に区画壁３０ｇに近い方（図の下方）では可動質量３３の軸端がリニアモータ３２のロッドの先端に連結されている。

尚、板ばね３４は、詳細は図示しないが円盤状をなし、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。板ばね３４の外周部は基半部材３０ｃや中間部材３０ｅ、先端部材３０ｄに挟持されてケース３０に連結される一方、その中心部には、前記のように可動質量３３の軸部が嵌挿状態で固定される中心孔が形成されている。

−制振ユニットの制御−
次に、制振ユニット３の制御について具体的に説明する。この実施形態では制振ユニット３の作動、即ちリニアモータ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。コントローラ４は、図１に模式的に示すように、制振ユニット３の加速度センサ３１からの信号を受けてリニアモータ３２を作動させ、可動質量３３を駆動する反力として機器Ｄの振動を減殺するような制御力を得るための基本制御部４ａ（制御手段）と、制振ユニット３の構成する付加振動系の共振による制御の不安定化を防止するための補正制御部４ｂ（補正手段）と、を備えている。

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、即ち除振対象物の加速度ｚ″をフィードバックし、これを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回積分した速度ｚ′にゲインＢ2を乗算し、また、加速度ｚ″に制御ゲインＢ3を乗算した上で、それらを合算してフィードバック操作量ｕ_１を求める。この操作量ｕ_１が、可動質量３３の駆動反力として機器Ｄ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。

前記の制御演算においては速度ｚ′のフィードバックが基本であり、これは制振ユニット３によって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、図３に実線のグラフａで示すように主振動系の共振（図例では１０Ｈｚ付近）を抑えることができる。

尚、図示のグラフａはシミュレーションによるものであり、振動伝達率を実測したものではない。また、破線のグラフｂは、制振ユニット３を付加しない所謂パッシブの状態を示している。図示は省略するが、加速度ｚ″のフィードバックによって高周波側の性能を向上でき、変位ｚのフィードバックによって低周波側の性能を向上できる。

図示の実線のグラフａでは、１〜３Ｈｚくらいに可動質量３３の共振による影響が現れており、これは、機器Ｄに実際に付加される力としてはあまり大きくはならないものの、この力によって生じる振動が加速度センサ３１により検出されてフィードバックされると、共振点（固有振動数）付近では位相交点が生じて制御（前記した基本制御部４ａによるリニアモータ３２の制御）が不安定になる虞れがあるから、仮想線のグラフｃのような特性とするのが望ましい。

そこで、この実施形態では、前記のように基本制御部４ａによって求めた操作量ｕ_１を補正制御部４ｂにより補正することで、加速度センサ３１により検出される機器Ｄの上下方向加速度ｚ″（振動状態）のうち、制振ユニット３の可動質量３３から板ばね３４を介して付加される力による振動分を無視して、リニアモータ３２を制御するようにしたものである。

詳しくは、まず、前記のような２自由度の振動系は、一般的に図４(a)のようなモデルで表される。同図において、Ｍ_１は除振対象物（Ｄ，１）の質量、Ｍ_２は可動質量３３の質量であり、Ｃ_１は、除振対象物を基礎に対して弾性支持する主振動系の減衰係数、Ｃ_２は、可動質量３３の移動に対する減衰係数であって、Ｋ_１は主振動系のばね定数、Ｋ_２は２枚の板ばね３４，３４によって構成される制振機構のばね定数である。尚、リニアモータ３２から可動質量３３への駆動力をＦとすれば、その反力は−Ｆとなる。

そして、図示の如き２自由度系の運動方程式は、以下の式(1)、(2)のようになり、

両式にラプラス演算子ｓを導入した上で、変数ｚ_２を消去して整理すると、以下の式(3)が得られる。

ここで、加速度センサ３１からの入力をｕとし、速度ｚ_１′のフードバックゲイン（図２のゲインＢ２）をＧ_ｖとすると、リニアモータ３２の駆動力Ｆは、 Ｆ ＝ ｕＧ_ｖ／ｓ となり、基本制御部４ａによってリニアモータ３２を制御するフィードバックループの開ループ伝達関数Ｌ(s)は、以下の式(4)として表される。

前記式(4)からフィードバック制御の周波数応答を求めると、図５のようなグラフが得られる。同図によれば、主振動系及び付加振動系に対応して、１０Ｈｚ付近、１Ｈｚ付近にそれぞれ共振点（固有振動数）のあることが分かる。従って、付加振動系の固有振動数を主振動系から大きく離したとしても、フィードバックの位相交点（ー１８０°）で付加振動系の共振によりゲインが高いので、制御が不安定になる虞れがある。

この点、この実施形態では、前記のように補正制御部４ｂによってリニアモータ３２への操作量ｕ_１を補正する。図２に示すように、補正制御部４ｂは主にデジタルフィルタによって構成され、基本制御部４ａからの信号（操作量ｕ_１）を入力して、以下の関係式(5)を満たすような操作量ｕ_２を演算し、これを２次のハイパスフィルタを通過させた後に、リニアモータ３２へ出力する。

前記式(5)において、Ｍ_２は可動質量３３の質量、Ｃ_２は制振ユニット３における可動質量３３の移動に対する減衰係数、Ｋ_２は板ばね３４，３４によるばね定数である。換言すれば、補正制御部４ｂのデジタルフィルタは、前記式(5)と等価なものとなるように設定したものであり、これには例えば従来周知のＺ変換の手法を適用すればよい。尚、補正制御部４ｂをアナログ回路にて構成することも可能である。

ここで、前記式(5)は、制振ユニット３が付加されて２自由度系となった除振台Ａを擬似的に１自由度の振動系とみなして、前記のフィードバックループを構成するための変換式であり、以下のようにして導かれる。すなわち、２自由度の振動系となる除振台Ａは、上述の如く図４(a)のモデルで表され、基本制御部４ａによるフィードバック制御の開ループ伝達関数は、前記式(4)のように表される。

一方、一般的な１自由度の振動系のモデルは、図４(b)に示すようになり、そのフィードバック制御の開ループ伝達関数Ｌ_１(s)は、以下の式(6)のように表される。

前記式(4)により表される２自由度系の開ループ伝達関数を、前記式(6)のような１自由度系のものに置き換えるためには、式(6)のＭ、Ｃ、ＫをそれぞれＭ_１、Ｃ_１、Ｋ_１とし、これを式(4)で除算して以下のような変換式（式Ａ）を求めた上で、この変換式（式Ａ）に相当する制御要素をフィードバックループの途中に挿入すればよいと考えられる。

前記の変換式（式Ａ）は、主振動系の質量Ｍ_１、減衰係数Ｃ_１、ばね定数Ｋ_１を含んでおり、それらは機器Ｄの種類によって変化する。また、機器Ｄが例えば半導体関連の製造装置や精密機器であると、それらの係数を計測すること自体、難しいことも多い。そこで、一般に制振ユニット３の可動質量３３の大きさ（質量Ｍ_２）が機器Ｄや定盤１に比べて遙かに小さく、その減衰定数Ｃ_２やばね定数Ｋ_２も相対的に小さいことを考慮すれば、前記変換式（式Ａ）を前記式(5)のように近似することができる。

こうして近似した式(5)には、機器Ｄの質量等が含まれず、既知の制振ユニット３の質量Ｍ_２（可動質量３３の質量）、減衰Ｃ_２及びばね定数Ｋ_２のみによって操作量ｕ_２が求められるから、設置や調整等の面倒な作業が不用になり、実用性が高い。

そして、前記変換式(5)と等価なデジタルフィルタが補正制御部４ｂに備えられ、振動制御のフィードバックループの途中に挿入されることで、制振ユニット３の可動質量３３及び板ばね３４からなる付加振動系の影響がキャンセルされ、開ループ伝達関数は、図６のグラフに示すように可動質量３３の共振点がないものとなる。これは、加速度センサ３１からの信号に基づくフィードバック制御において、可動質量３３から板ばね３４，３４を介して付加される力による機器Ｄの振動分を無視している、ということができる。

尚、前記の変換式（式Ａ）や式(5)から分かるように、操作量ｕ_２の値は、低周波側に向かって相乗的に大きくなるものなので、ハイパスフィルタを通過させることによって実用性が担保される。前記図６のグラフは、補正制御部４ｂにおいて信号をハイパスフィルタを通過させた後にリニアモータ３２へ出力させたものである。図６では制御ゲインが高くても位相交点である１Ｈｚ付近のゲインは低く抑えられており、安定である。

したがって、この実施形態に係る除振台Ａによると、まず、定盤１に搭載した機器Ｄの振動（一例として上下方向の加速度ｚ″）が制振ユニット３の加速度センサ３１により検出され、この加速度センサ３１からの信号を受けたコントローラ４の基本制御部４ａにより、加速度ｚ″、速度ｚ′及び変位ｚに基づいてリニアモータ３２の操作量ｕ_１が求められる。この操作量ｕ_１は、リニアモータ３２の作動により可動質量３３を上下方向に駆動する反力として、前記のように検出された機器Ｄの上下方向の振動を減殺するような制御力を得るためのものである。

そして、そのような操作量ｕ_１がコントローラ４の補正制御部４ｂにより補正され、可動質量３３及び板ばね３４，３４で構成される付加振動系の影響が取り除かれて、操作量ｕ_２が求められる。この操作量ｕ_２の信号はハイパスフィルタを介してリニアモータ３２に出力され、これを受けたリニアモータ３２の作動により可動質量３３が上下方向に駆動されて、その反力がリニアモータ３２及びケース３０を介して機器Ｄに付加されるようになる。

こうして付加される力によって機器Ｄの現在の振動が減殺されることになるが、そのためのリニアモータ３２のフィードバック制御においては前記のように付加振動系の影響が取り除かれており、その共振による機器Ｄの振動分は無視されることになるから、付加振動系の固有振動数付近でも制御が不安定化することはない。このようなフィードバック制御の除振性能をシミュレーションすると、前記図３の仮想線のグラフｃのようになる。

また、この実施形態では、制振機構に加速度センサ３１も一体化してユニットとして構成しており、この制振ユニット３を機器Ｄに取り付けるだけで、所謂パッシブタイプの除振台にアクティブタイプの除振機能を付加することができる。よって、制振ユニット３を、機器Ｄにおいて特に振幅の大きくなり易い部位や振動の影響を受けやすい部位に取り付けることで、高い効果を容易に得ることができる。

−他の実施形態−
尚、本発明に斯かる除振台Ａや制振ユニット３の構成は、前記した実施形態のものには限定されず、それ以外の種々の構成も包含する。すなわち、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。

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、金属或い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。

また、制振ユニット３を図１のように上下方向に向けて配置する必要はなく、その長手方向、即ち制振方向を水平方向としてもよいし、斜めにすることもできる。

さらに、前記実施形態の制御ユニット３では、除振対象物（定盤１及び機器Ｄ）の加速度ｚ″をフィードバックして、可動質量３３の駆動制御を行うようにしているが、これに限るものではなく、例えば基礎側に配設した床上加速度センサからの信号に基づく除振フィードフォワード制御を付加したり、制振ユニット３に配置した位置センサからの信号に基づくフィードバック制御を付加したりすることもできる。

すなわち、床上加速度センサからの信号に基づいて、空気ばね２を介し除振対象に伝達される振動を減殺するような制御力が発生するように、リニアモータ３２によって可動質量３３を駆動すれば、除振性能をより一層、高めることができる。

また、制振ユニット３のケース３０に配設した位置センサによって可動質量３３の位置（軸線Ｚ方向の位置）を検出し、例えば中立位置からの変位量に応じて駆動力を変更するようにすれば、制振ユニット３の振動系（付加振動系）のばね定数を見かけ上、低下させることができる。こうすれば、付加振動系の影響が小さくなるとともに、該付加振動系の固有振動数を主振動系の固有振動数から離す上でも有利になる。

また、前記のようなフィードバック制御は、前記実施形態に例示した所謂古典制御の手法によるものに限らず、例えばＬＱ制御やＨ∞制御等、現代制御の手法によっても実現可能である。

加えて、前記実施形態では、定盤１を空気ばね２，２，…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、気体ばね以外のばね要素を用いることもできる。さらには、そうして除振台を用いて設置された機器Ｄだけでなく、より簡易な手法で設置された機器に制振ユニット３を取り付けて、その振動を抑えることもできる。

以上、説明したように、本発明に係るアクティブ除振装置等によると、制振機構によって対象物に所要の制御力を加えるためのフィードバック制御が不安定にならず、除振性能が向上するので、特に精密機器を対象とする場合に好適である。

除振台に制振機構を適用した概略構成を示す図である。 制振ユニットの制御のブロック図である。 フィードバック制御による振動伝達率の変化を示す特性図である。 振動系のモデルの模式図であり、(a)は２自由度系を、(b)は１自由度系を示す。 基本制御部による基本的なフィードバック制御の開ループ伝達関数を示すグラフ図である。 補正制御部も加えた場合の図５相当図である。

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（制振機構）
３１ 加速度センサ（振動センサ）
３２ リニアモータ（アクチュエータ）
３３ 可動質量
３４ 板ばね（ばね要素）
４ コントローラ
４ａ 基本制御部（制御手段）
４ｂ 補正制御部（補正手段）

Claims (6)

1. 基礎に対して弾性支持した除振対象物に制振機構を取り付けて、所定方向の振動を減殺するような制御力を付加するようにしたアクティブ除振装置であって、
   前記除振対象物にはその振動状態を検出するための振動センサが配設されており、
   前記制振機構は、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、その反力を当該除振対象物に作用させるアクチュエータと、を有し、
   前記振動センサからの信号により検出される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制御手段と、
   前記除振対象物の振動状態のうち、前記可動質量からばね要素を介して付加される力による振動分を無視するように、前記制御手段によるアクチュエータの制御を補正する補正手段と、を備え、
   前記制御手段による、前記除振対象物の加速度のフィードバック、速度のフィードバック及び変位のフィードバックの少なくとも１つ、又は、前記除振対象物の振動状態に基づいて、前記制御手段によるＬＱ制御若しくはＨ∞制御、により求められるアクチュエータの操作量をｕ _１ とし、
   前記補正手段は、前記操作量ｕ _１ に基づいて、以下の（式Ａ）により操作量ｕ _２ を求める
   

   

   但し、Ｍ _１ は除振対象物の質量、Ｍ _２ は可動質量の質量であり、Ｃ _１ は、除振対象物を基礎に対して弾性支持する主振動系の減衰係数、Ｃ _２ は、前記可動質量の所定方向への移動における減衰係数であって、Ｋ _１ は前記主振動系のばね定数、Ｋ _２ は制振機構のばね定数である、ことを特徴とするアクティブ除振装置。
2. 基礎に対して弾性支持した除振対象物に制振機構を取り付けて、所定方向の振動を減殺するような制御力を付加するようにしたアクティブ除振装置であって、
   前記除振対象物にはその振動状態を検出するための振動センサが配設されており、
   前記制振機構は、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、その反力を当該除振対象物に作用させるアクチュエータと、を有し、
   前記振動センサからの信号により検出される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制御手段と、
   前記除振対象物の振動状態のうち、前記可動質量からばね要素を介して付加される力による振動分を無視するように、前記制御手段によるアクチュエータの制御を補正する補正手段と、を備え、
   前記制御手段による、前記除振対象物の加速度のフィードバック、速度のフィードバック及び変位のフィードバックの少なくとも１つ、又は、前記除振対象物の振動状態に基づいて、前記制御手段によるＬＱ制御若しくはＨ∞制御、により求められるアクチュエータの操作量をｕ_１とし、
   前記補正手段は、前記操作量ｕ_１に基づいて、以下の（式Ｂ）により操作量ｕ_２を求める
   

   

   但し、Ｍは可動質量の質量であり、Ｃは、該可動質量の所定方向への移動における減衰係数であり、Ｋは制振機構のばね定数である、ことを特徴とするアクティブ除振装置。
3. 補正手段は制御信号を、ハイパスフィルタを通過させてアクチュエータに出力する、請求項１又は２のいずれかに記載のアクティブ除振装置。
4. 制振機構には、可動質量の移動方向における位置を検出するための位置センサが配設され、
   制御手段は、前記位置センサからの信号を受けて、前記可動質量の位置を加味してアクチュエータの操作量を求めるように構成されている、請求項１〜３のいずれか１つに記載のアクティブ除振装置。
5. 対象物に取り付けて所定方向の振動を減殺するような制御力を付加するようにした制振装置であって、
   前記対象物の振動状態を検出するための振動センサと、
   前記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、その反力を当該対象物に作用させるアクチュエータと、
   前記振動センサからの信号により検出される対象物の振動状態に基づき、前記可動質量の駆動反力が前記対象物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制御手段と、
   前記対象物の振動状態のうち、前記可動質量からばね要素を介して付加される力による振動分を無視するように、前記制御手段によるアクチュエータの制御を補正する補正手段と、を備え、
   前記制御手段による、前記除振対象物の加速度のフィードバック、速度のフィードバック及び変位のフィードバックの少なくとも１つ、又は、前記除振対象物の振動状態に基づいて、前記制御手段によるＬＱ制御若しくはＨ∞制御、により求められるアクチュエータの操作量をｕ _１ とし、
   前記補正手段は、前記操作量ｕ _１ に基づいて、以下の（式Ａ）により操作量ｕ _２ を求める
   

   

   但し、Ｍ _１ は除振対象物の質量、Ｍ _２ は可動質量の質量であり、Ｃ _１ は、除振対象物を基礎に対して弾性支持する主振動系の減衰係数、Ｃ _２ は、前記可動質量の所定方向への移動における減衰係数であって、Ｋ _１ は前記主振動系のばね定数、Ｋ _２ は制振機構のばね定数である、ことを特徴とする制振装置。
6. 対象物に取り付けて所定方向の振動を減殺するような制御力を付加するようにした制振装置であって、
   前記対象物の振動状態を検出するための振動センサと、
   前記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、その反力を当該対象物に作用させるアクチュエータと、
   前記振動センサからの信号により検出される対象物の振動状態に基づき、前記可動質量の駆動反力が前記対象物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制御手段と、
   前記対象物の振動状態のうち、前記可動質量からばね要素を介して付加される力による振動分を無視するように、前記制御手段によるアクチュエータの制御を補正する補正手段と、を備え、
   前記制御手段による、前記除振対象物の加速度のフィードバック、速度のフィードバック及び変位のフィードバックの少なくとも１つ、又は、前記除振対象物の振動状態に基づいて、前記制御手段によるＬＱ制御若しくはＨ∞制御、により求められるアクチュエータの操作量をｕ _１ とし、
   前記補正手段は、前記操作量ｕ _１ に基づいて、以下の（式Ｂ）により操作量ｕ _２ を求める
   

   

   但し、Ｍは可動質量の質量であり、Ｃは、該可動質量の所定方向への移動における減衰係数であり、Ｋは制振機構のばね定数である、ことを特徴とする制振装置。

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