JP5889119B2 - パラレルリンク型多自由度振動絶縁装置 - Google Patents

Description

本発明は、１自由度振動絶縁装置を複数本組み合わせることで支持体と被支持体間の振動伝達を多軸に対して遮断する、パラレルリンク型多自由度振動絶縁装置に関するものである。

従来の多自由度振動絶縁装置では、支持体と被支持体間に、１自由度振動絶縁装置を複数本配置し、パラレルメカニズムを構成することで、支持体・被支持体間の振動伝達を多軸に対して遮断する振動絶縁機能を実現している（例えば、特許文献１）。

特開平５−２３８４９６号公報

観測の高精度化が進む天文学や宇宙物理学の分野において、観測機器の振動による撮像性能の劣化が問題となっている。これは従来問題とならなかった観測機器の微小振動による指向軸のブレが、観測の高精度化によって主要な誤差要因として顕在化したためである。この問題に対しこれまでに観測機器の振動を抑制する試みが数多くなされてきた。観測機器の振動を抑制する技術は大きく制振技術と振動絶縁技術に分けられる。前者が観測機器の振動自体を低減する直接的な手段であるのに対して、後者は振動自体の大きさは変えずに、外部から観測機器への振動の伝わりを遮断する間接的な手段である。それぞれ観測機器の振動を低減する有効な手段であり、上記の各手法に対応して制振装置と振動絶縁装置が開発されてきた。これらの中で特に多自由度の制振装置や振動絶縁装置への要求が高まっており、振動源の複数自由度にわたる振動低減への取り組みが進められている。

特許文献１は、振動絶縁装置の一例であり、振動源である支持体の並進・回転６自由度の変位が被支持体に伝播することを抑制する、多自由度振動絶縁装置である。構成は特許文献１の図１のとおり、支持体と被支持体とが、スチュワートプラットフォーム状に配置された複数の１自由度振動絶縁装置で連結されており、１自由度振動絶縁装置の上下部における支持体および被支持体との連結点が、双方とも３軸回転フリーのヒンジか、一方が３軸、他方が２軸回転フリーのヒンジからなっている。このように、多自由度振動絶縁装置は、振動源が生じる振動自由度と同数か、それ以上の本数の１自由度振動絶縁装置をくみ上げることで、絶縁自由度の多自由度化を実現している。

振動絶縁性能の評価指標としては振動伝達率(Transmissibility)の周波数特性（以下、振動伝達特性）を用いるのが慣例である。振動伝達率とは振動源である支持体に対する被支持体の変位振幅の比で規定され、たとえば１自由度振動絶縁装置の性能は単一の振動伝達率の周波数特性で表すことができる。一方、多自由度振動絶縁装置においては、支持体の並進・回転６成分の変位に対する被支持体の並進・回転６成分の比、すなわち計３６成分の振動伝達特性を有する伝達関数行列を用いて装置の性能を表すことになる。

特許文献１をはじめとする多自由度振動絶縁装置においては、３６成分の振動伝達特性を決定するのは、被支持体の質量特性、振動絶縁装置単体の動剛性、そして１自由度振動絶縁装置の空間配置の３つの設計パラメータである。このため、装置に対して振動絶縁性能の要求仕様が与えられた場合、設計者はこれを満たすように上記３つの設計パラメータを調節しなければならない。

しかしながら、通常、各成分に対する要求仕様をすべて満足するような各設計パラメータを見出すのは困難である場合が多い。これは以下の理由による。まず、第一に、各設計パラメータが振動伝達特性の複数成分に対して感度を持つため、ある成分の振動伝達特性を改善しようすると他の成分の特性も同時に変化すること。第二に、被支持体の質量特性は振動伝達特性を決定する要因の一つであるが、対象によって質量特性は多種多様であり、歪な形状の対象物では成分ごとに性能の偏りが生じやすいこと。また第三の理由として、振動絶縁装置と周辺装置との配置上の干渉を回避するため、本装置へ寸法上の要求や、取付け点の位置指定等が与えられ、これによって設計パラメータとして設定できる値が限定されることが挙げられる。

以上の理由により、たとえ要求仕様が与えられたとしても、３６成分すべてに対する振動伝達特性の要求仕様を同時に満足する解を得ることは難しく、ある限られた成分の振動伝達特性の要求のみを満足するもので妥協するか、要求仕様そのものを緩和するかなどの対応を取らざるを得ない。

本発明はこのような問題を解決するためになされたものであり、特定の成分の振動絶縁特性を他成分に対して独立に調節できる１自由度振動絶縁装置の空間配置を提案し、設計上の制約のある中においても、従来と比して容易に要求仕様を満たすことができるパラレルリンク型多自由度振動絶縁装置を提供することを目的としている。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、支持体と、被支持体と、それぞれが伸縮方向の相対変位に対して振動絶縁機能を備え、前記支持体と３自由度の回転自由度を有した連結点で一方が連結し且つ前記被支持体と２ないし３自由度の回転自由度を有した連結点で他方が連結した複数の振動絶縁リンクと、前記支持体と３自由度の回転自由度を有した連結点で一方が連結し且つ前記被支持体と２ないし３自由度の回転自由度を有した連結点で他方が連結し、前記支持体の質量中心と前記被支持体の質量中心を結ぶ直線上に伸縮方向が配置され相対変位に対して振動絶縁機能を備えた振動絶縁補助リンクと、を備えることを特徴とする。

この発明によれば、特定軸の剛性および振動伝達特性を他軸に対して独立に調節することができ、これによって複数自由度の振動絶縁特性への性能要求の達成が容易になるパラレルリンク型多自由度振動絶縁装置が得られるという従来にない顕著な効果を奏する。

図１は、一般的なパラレルリンク型多自由度振動絶縁装置の構成を示す概念図である。 図２は、１自由度振動絶縁装置の内部構成を表した概念図である。 図３は、実施の形態１にかかるパラレルリンク型多自由度振動絶縁装置の概念図である。 図４は、実施の形態１にかかるパラレルリンク型多自由度振動絶縁装置の上面からの概念図である。 図５は、実施の形態１による１自由度振動絶縁装置の追加の前後のパラレルリンク型多自由度振動絶縁装置の振動伝達率対角成分の周波数応答を示す図である。 図６は、実施の形態２にかかるパラレルリンク型多自由度振動絶縁装置の概念図である。 図７は、実施の形態２にかかるパラレルリンク型多自由度振動絶縁装置の上面からの概念図である。 図８は、実施の形態２にかかるパラレルリンク型多自由度振動絶縁装置の振動伝達率対角成分の周波数応答を示す図である。 図９は、実施の形態３にかかるパラレルリンク型多自由度振動絶縁装置の概念図である。 図１０は、実施の形態３にかかるパラレルリンク型多自由度振動絶縁装置の上面からの概念図である。 図１１は、実施の形態３にかかるパラレルリンク型多自由度振動絶縁装置の振動伝達率対角成分の周波数応答を示す図である。 図１２は、実施の形態５にかかるパラレルリンク型多自由度振動絶縁装置の概念図である。 図１３は、実施の形態６にかかるパラレルリンク型多自由度振動絶縁装置の概念図である。 図１４は、実施の形態６にかかるパラレルリンク型多自由度振動絶縁装置の別の概念図である。 図１５は、パラレルリンク型多自由度振動絶縁装置の諸元を示した図である。 図１６は、実施の形態１、２、および３における追加する１自由度振動絶縁装置の配置情報を示した図である。

以下に、本発明にかかる多自由度振動絶縁装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、一般的なパラレルリンク型多自由度振動絶縁装置６の構成を示す概念図である。図１に示すような一般的なパラレルリンク型多自由度振動絶縁装置６は、支持体２と被支持体３の間に１自由度振動絶縁装置１ａ〜１ｆを複数本配置することで、多自由度にわたる支持体２の振動が被支持体３へ伝播することを抑制する効果を実現する。１自由度振動絶縁装置１ａ〜１ｆは、それぞれが、図２に１自由度振動絶縁装置１（振動絶縁リンク）として示すようにばね要素、ダンパ要素などの受動要素や、アクチュエータなどの能動要素から構成される直動リンクで、伸縮方向の相対変位に対して振動絶縁機能を実現する。１自由度振動絶縁装置１は、最低でも振動源が発生する振動自由度以上の本数が必要であるため、並進・回転の全自由度に対して振動が生じる宇宙機などでは、１自由度振動絶縁装置１を６本以上配置して多自由度振動絶縁効果を実現するのが一般的である。

しかし、すでに述べたとおり現実のパラレルリンク型多自由度振動絶縁装置６はいくつかの要因で振動絶縁性能の自由度ごとの調整が困難であるため、自由度間で振動絶縁性能にばらつきが生じるなどの問題を抱えていた。

これに対し、本実施の形態１においては、支持体２および被支持体３それぞれの質量中心Ｏ_BおよびＯ_Pを結ぶ直線上に１自由度振動絶縁装置７（振動絶縁補助リンク）を１本追加する。図３は、実施の形態１によるパラレルリンク型多自由度振動絶縁装置６の概念図である。図４は、実施の形態１によるパラレルリンク型多自由度振動絶縁装置の上面からの概念図である。

本実施の形態１においては、図１に示したパラレルリンク型多自由度振動絶縁装置６に対して、図３に示すように１自由度振動絶縁装置７を１本追加することで、図中Ｏ_BＯ_P方向の剛性ｋ_zzと振動絶縁特性Ｚ_P／Ｚ_Bを他成分に対して独立に補強/調整することを特徴とするものである。これによって従来では困難であった振動絶縁性能のばらつきの改善や、特定自由度の振動絶縁性能の微調整が可能となるといった、従来にない効果を実現できる。以下、実施の形態１の効果を理論的に考察する。

支持体２と被支持体３として任意形状の２剛体を対象としたパラレルリンク型多自由度振動絶縁装置６を考える。支持体２と被支持体３は、互いに並列に配置されたＮ本の１自由度振動絶縁装置１によって結合されており、この１自由度振動絶縁装置１（１ａ〜１ｆ）と支持体２および被支持体３の結合部は、合計５自由度以上の回転自由度を有する２つのヒンジ（連結点）４（４ａ〜４ｆ）、５（５ａ〜５ｆ）からなっている。ヒンジ４（４ａ〜４ｆ）の自由度とヒンジ５（５ａ〜５ｆ）の自由度の合計が５自由度以上の回転自由度であればよいので、ヒンジ４（４ａ〜４ｆ）の自由度とヒンジ５（５ａ〜５ｆ）の自由度の組み合わせとしては、（２自由度，３自由度）、（３自由度，２自由度）、（３自由度，３自由度）などが考えられる。同様に、１自由度振動絶縁装置７と支持体２の結合部であるヒンジ８と１自由度振動絶縁装置７と被支持体３の結合部であるヒンジ９についても合計が５自由度以上の回転自由度となるようになっていればよい。図１に示すように、支持体２と被支持体３の運動を規定する座標系Σ_B,Σ_Pをそれぞれの質量中心Ｏ_B,Ｏ_Pにおいて直交３軸の基底ベクトルが一致するように定義し、なおかつｚ_B,ｚ_P軸が初期状態の直線Ｏ_BＯ_Pに一致するように定める。このとき支持体２と被支持体３の位置・姿勢はそれぞれの座標系を基準に次のように定める。

ここで一般化座標を以下のように定義する。

このときｉ番目の１自由度振動絶縁装置１の伸縮量ｌ_iはｑ_P,ｑ_Bの関数として

と表すことができ、Ｎ本すべての伸縮量をＮ次元ベクトルｌ＝［ｌ₁,ｌ₂,…,ｌ_N］^Tとして纏めれば、ｌはｑ_B,ｑ_Pとヤコビ行列Ｊ_B,Ｊ_Pを用いて

と表すことができる。なお、図３および図４の例ではＮ＝６である。ここで

である。一般にＪ_B,Ｊ_Pはｑ_B,ｑ_Pに関して非線形となるが、振動が微小変位に限られる場合には以下のように１自由度振動絶縁装置１の空間配置で決定する定数行列で近似できる。

ここで

次に、支持体２と被支持体３がｑ_B,ｑ_Pだけ微小変位したときにｉ番目の１自由度振動絶縁装置１に発生する軸力ｆ_i ^sを求めると、それ自体の持つ剛性ｋ_iと伸縮量ｌ_iによって

と表せる。これをＮ本すべての軸力を含んだＮ次元ベクトル

で纏めれば

となる。さらに、この１自由度振動絶縁装置１の軸力ｆ_sが被支持体３に与える力ｆ_pとトルクτ_p(被支持体３の質量中心周り)はヤコビ行列Ｊ_pを用いて次のように表すことができる。

このように、パラレルリンク型多自由度振動絶縁装置６から被支持体３に働く力ｆ_pとトルクτ_p（被支持体３の質量中心周り）は、「支持体２と被支持体３の並進・回転６自由度の変位ｑ_B,ｑ_P」、「１自由度振動絶縁装置１の空間配置で決まるヤコビ行列Ｊ_P,Ｊ_B」、そして「各１自由度振動絶縁装置１の剛性を表す剛性行列Ｋ」で決まることがわかる。

ここで被支持体３には上記の力とトルク以外に外力が働かないとすれば、被支持体３の運動方程式は次のように表すことができ、さらに式（１）を用いて［ｆ_pτ_p］^Tを消去すれば、以下のように振動伝達率Ｔ（ｓ）が導かれる。

なお、Ｑ_B（Ｓ）,Ｑ_P（Ｓ）は支持体２と被支持体３の並進・回転６自由度変位のラプラス変換であり、Ｔ（ｓ）は支持体２の６自由度変位に対する被支持体３の６自由度変位の比として、下記のとおり３６個の振動伝達特性で構成される伝達関数行列となる。

このうち対角成分であるＸ_P／Ｘ_B,Ｙ_P／Ｙ_B,Ｚ_P／Ｚ_B,Φ_P／Φ_B,Θ_P／Θ_B,Ψ_P／Ψ_Bは多自由度振動絶縁装置の振動伝達特性を特徴づける主要項である。

上記のパラレルリンク型多自由度振動絶縁装置６に対し、１自由度振動絶縁装置７をＭ本追加したときに、装置の剛性と振動絶縁特性がどのように変化するかを考察する。混乱を避けるため各記号を以下のように再定義する。

このとき追加する１自由度振動絶縁装置７がｚ_P軸（もしくはｚ_B軸）に平行である場合を考える。すると下記のようにＪ_P ^MとＪ_B ^Mは等しくなるのでこれをＪ^Mと置く。

ここに
（ｘ_i，ｙ_i）：ｉ番目の１自由度振動絶縁装置７の上下取付け点の座標（ローカル座標表示）
である。

このようにｚ_P軸に対して平行に１自由度振動絶縁装置７を追加した場合、被支持体３に加わる力ｆ_pおよび質量中心周りのトルクτ_pは式（１）を修正した次式で与えられる。

ここで第１項は１自由度振動絶縁装置７をＭ本追加前の初期構成時の式（１）右辺と同じものであり、第２項はＭ本追加したことにより新たに加えられた項である。特に第２項は支持体２と被支持体３の相対６自由度変位ｑ_P−ｑ_Bに対して（Ｊ_P ^M）^TＫ_MＪ^M係数行列によってｆ_pとτ_pを決定することから、追加したＭ本の１自由度振動絶縁装置７は３６成分の剛性を有する単一のばね要素とみなすことができる。この第２項の剛性行列をさらに展開すると以下の式（３）となる。

ここに
ｋ_ij：ｉ軸の相対変位からｊ軸の力/トルクへの剛性（ｉ，ｊ＝ｘ，ｙ，ｚ，φ，θ，ψ）
ｋ_i：追加するｉ番目の１自由度振動絶縁装置７の剛性（ｉ＝１，２，…，Ｍ）
上式より、パラレルリンク型多自由度振動絶縁装置６の各軸の剛性は、式中の非零の項の分だけ補強されることが分かる。

本実施形態は追加する本数Ｍ＝１のときに、剛性と振動伝達特性を他成分に対して調節するものである。これを実現するためにはｘ₁＝ｙ₁＝０とすればよく、直線Ｏ_BＯ_P上に１自由度振動絶縁装置７を１本追加すればよい。すると式（３）中の非零の項のうちｋ_zzのみが残り、ｚ方向の剛性を他軸に対して独立に調節できる。また振動伝達特性Ｚ_P／Ｚ_Bが他成分に対して独立に調節できるかを、図１５に示す構成を例として図５に図示した。図５に示したグラフは、３６成分の振動伝達特性のうち主要項である対角成分Ｘ_P／Ｘ_B,Ｙ_P／Ｙ_B,Ｚ_P／Ｚ_B,Φ_P／Φ_B,Θ_P／Θ_B,Ψ_P／Ψ_Bを抽出して振動伝達率の周波数応答をプロットしたものである。グラフ中の破線がＺ_P／Ｚ_Bであり、図１６にあるようにｃａｓｅ０,ｃａｓｅ１がそれぞれ１自由度振動絶縁装置７を追加する前後の振動伝達特性である。グラフからわかるようにＺ_P／Ｚ_Bが他成分に対して独立に高周波域に遷移している。

以上より、支持体２および被支持体３の質量中心Ｏ_B,Ｏ_Pを結ぶ直線上に１自由度振動絶縁装置７を１本追加することで、パラレルリンク型多自由度振動絶縁装置６は剛性ｋ_zzと振動伝達特性Ｚ_P／Ｚ_Bを他成分に対して独立に調節できることが明らかとなり、本実施形態の効果が示された。

なお、追加する１自由度振動絶縁装置７が負の動剛性を示す受動／能動素子、もしくはこれらを組み合わせたハイブリッド構造として、Ｚ_P／Ｚ_B振動伝達特性を低周波側へシフトさせることも可能であり、さらに装置の振動伝達特性の調節の幅が広がる効果を発揮できる。

実施の形態２．
図６は、実施の形態２によるパラレルリンク型多自由度振動絶縁装置の概念図である。図７は、実施の形態２によるパラレルリンク型多自由度振動絶縁装置の上面からの概念図である。

図６に示すように、実施の形態２のパラレルリンク型多自由度振動絶縁装置６は図１のパラレルリンク型多自由度振動絶縁装置６に対し、剛性がそれぞれｋ₁およびｋ₂の２本の１自由度振動絶縁装置７（７ａ，７ｂ）（第１，第２振動絶縁補助リンク）を直線Ｏ_BＯ_Pに対して平行に追加するものである。実施の形態２によれば、軸方向の剛性ｋ_zzと振動伝達特性Ｚ_P／Ｚ_Bだけではなく、回転剛性ｋφφと振動伝達特性Φ_P／Φ_B、もしくはｋθθとΘ_P／Θ_Bを他成分に対して独立に調節できる。これを式（３）を用いて説明する。

ここで、Ｏ_P（Ｏ_B）を原点とした図７の上面図の座標系（直線Ｏ_BＯ_Pと垂直な平面座標系）において、１自由度振動絶縁装置７ａのｘ_p方向の座標をｘ₁、ｙ_p方向の座標をｙ₁とし、同様に、１自由度振動絶縁装置７ｂの座標を（ｘ₂，ｙ₂）とする。

式（３）よりｋ_zzとｋφφ（もしくはｋθθ）を他成分に対して独立に調節可能とするためには、成分間の干渉項である非対角項を０とする必要がある。すなわちこれを満たす空間配置は以下の連立方程式を満たすものである。

いまｋ₁，ｋ₂＞０なので、非対角項を０とするには

とすればよい。これはすなわちｘ_pｙ_p平面上で原点Ｏ_Pに対して点対称の位置に１自由度振動絶縁装置７を２本（７ａおよび７ｂ）追加することを意味する。このときそれぞれのケースで式（３）は次のように修正される。

従って、まずｋ₁，ｋ₂を調整することでｋ_zzを調節し、さらにｘ₁，ｙ₁を調整することでｋφφ（もしくはｋθθ）を調節する、という手順でｋ_zz,ｋφφ（もしくはｋθθ）を互いを含む他成分に対して独立に調節することができることがわかる。

また振動伝達特性Ｚ_P／Ｚ_BとΦ_P／Φ_B（もしくはΘ_P／Θ_B）が他成分に対して独立に調節できるかを、図１に示すようなパラレルリンク型多自由度振動絶縁装置６で検証した。図１の例は支持体２と被支持体３が互いに平行に配置された剛な円盤同士であり、これらが６本の１自由度振動絶縁装置１によって結合したものである。各々の寸法、質量特性、１自由度振動絶縁装置１の取付け位置情報など、剛性と振動伝達特性を求める上で必要な諸元を図１５にまとめ、さらに追加する１自由度振動絶縁装置７の配置情報を図１６にまとめた。

図１６の中のＣａｓｅ２−１〜２−３の３ケースのうち、Ｃａｓｅ２−１は追加する２本の１自由度振動絶縁装置７（７ａおよび７ｂ）を直線Ｏ_BＯ_P上に配置するもので、これは実施の形態１と同等の構成である。実施の形態１で既に説明したとおり、ノミナル構成（図１）からＣａｓｅ２−１とすることで、Ｚ_P／Ｚ_Bの振動伝達特性を他成分に対して独立に調節できる。次に、Ｃａｓｅ２−２では、図７の上面図に示すように２本の１自由度振動絶縁装置７（７ａおよび７ｂ）を追加する際に、１自由度振動絶縁装置７ａのｘ_p方向の座標ｘ₁をｘ₁＝０．２５［ｍ］としたものである。Ｃａｓｅ２−３はｘ₁を２倍の０．５［ｍ］としたものである。即ち、Ｃａｓｅ２−２およびＣａｓｅ２−３の場合においては、１自由度振動絶縁装置７（７ａおよび７ｂ）は直線Ｏ_BＯ_Pを軸とした回転対称な配置となっている。

図８は、実施の形態２にかかるパラレルリンク型多自由度振動絶縁装置の振動伝達率対角成分の周波数応答を示す図である。図８のグラフは、３６成分の振動伝達特性のうち主要項である対角成分Ｘ_P／Ｘ_B,Ｙ_P／Ｙ_B,Ｚ_P／Ｚ_B,Φ_P／Φ_B,Θ_P／Θ_B,Ψ_P／Ψ_Bを抽出して振動伝達率の周波数応答をプロットしたもので、これよりｘ₁が増加するのに応じてΘ_P／Θ_Bが高周波側に遷移するのがわかる。

以上説明したように、支持体２および被支持体３の質量中心Ｏ_B,Ｏ_Pを結ぶ直線と平行に１自由度振動絶縁装置７を２本追加することにより、パラレルリンク型多自由度振動絶縁装置６は剛性ｋ_zz,ｋφφ（もしくはｋθθ）と振動伝達特性Ｚ_P／Ｚ_B，Φ_P／Φ_B（もしくはΘ_P／Θ_B）を他成分に対して独立に調節できることが明らかとなり、本実施形態の効果が示された。

実施の形態３．
図９は、実施の形態３によるパラレルリンク型多自由度振動絶縁装置の概念図である。図１０は、実施の形態３によるパラレルリンク型多自由度振動絶縁装置の上面からの概念図である。

図９に示すように、実施の形態３のパラレルリンク型多自由度振動絶縁装置６は図１のパラレルリンク型多自由度振動絶縁装置６に対し、剛性がそれぞれｋ₁，ｋ₂およびｋ₃の３本の１自由度振動絶縁装置７（７ａ，７ｂ，７ｃ）（第１，第２，第３振動絶縁補助リンク）を直線Ｏ_BＯ_Pに対して平行に追加したものである。実施の形態３によれば、軸方向の剛性ｋ_zzおよび振動伝達特性Ｚ_P／Ｚ_Bだけではなく、回転剛性ｋφφ,ｋθθと振動伝達特性Φ_P／Φ_B,Θ_P／Θ_Bを、互いを含む他成分に対して独立に調節できる。これを式（３）を用いて説明する。

ここで、図１０の上面図のＯ_P（Ｏ_B）を原点としｘ_p方向およびｙ_p方向にみた座標系（直線Ｏ_BＯ_Pと垂直な平面座標系）において、１自由度振動絶縁装置７ａ，７ｂ，７ｃの座標をそれぞれ、（ｘ₁，ｙ₁），（ｘ₂，ｙ₂），（ｘ₃，ｙ₃）とする。

式（３）よりｋ_zz,ｋφφ,ｋθθを他成分に対して独立に調節可能とするためには、成分間の干渉項である非対角項を０とする必要がある。すなわちこれを満たす空間配置は以下の連立方程式を満たすものである。

上記の連立方程式は、変数が６個に対して式の数が３であるため独立変数は３つである。これをｘ₁,ｘ₂,ｙ₁にとれば、残った従属変数ｘ₃,ｙ₂,ｙ₃は以下ように与えられる。

このとき式（３）は次のように修正される。

この結果からｋ_zz,ｋφφ,ｋθθは、以下の手順を踏むことで互いを含む他の成分に対して独立に値を調節することができることがわかる。
・追加する３本の１自由度振動絶縁装置７の剛性ｋ₁,ｋ₂,ｋ₃によってｋ_zzを調節する。
・与えられたｋ₁,ｋ₂,ｋ₃に対し、ｘ₁,ｘ₂によってｋθθを調節する。
・与えられたｋ₁,ｋ₂,ｋ₃,ｘ₁,ｘ₂に対し、ｙ₁でｋθθを調節する。

また振動伝達特性Ｚ_P／Ｚ_B,Φ_P／Φ_B,Θ_P／Θ_Bが他成分に対して独立に調節できるかを、図１に示すようなパラレルリンク型多自由度振動絶縁装置６に３本の１自由度振動絶縁装置７（７ａ，７ｂ，７ｃ）（第１，第２，第３振動絶縁補助リンク）を追加することで検証した。図１の例は支持体２と被支持体３が互いに平行に配置された剛な円盤同士であり、これらが６本の１自由度振動絶縁装置１によって結合したものである。上述したように各々の寸法、質量特性、１自由度振動絶縁装置１の取付け位置情報など、剛性と振動伝達特性を求める上で必要な諸元を図１５にまとめ、さらに追加する１自由度振動絶縁装置７の位置情報を図１６にまとめてある。

図１６の中のＣａｓｅ３−１〜３−４の４ケースのうち、Ｃａｓｅ３−１は追加する３本の１自由度振動絶縁装置７を直線Ｏ_BＯ_P上に配置するもので、これは実施の形態１と同等の構成である。実施の形態１で既に説明したとおり、ノミナル構成（図１）からＣａｓｅ３−１とすることで、Ｚ_P／Ｚ_Bの振動伝達特性が他成分に対して独立に調節できる。次に、Ｃａｓｅ３−２では、図１０の上面図に示すように３本の１自由度振動絶縁装置７（７ａ，７ｂ，７ｃ）を追加する際に、図１０の平面座標系の原点Ｏ_P（Ｏ_B）から半径Ｒ＝０．２［ｍ］の円周上にそれぞれ１２０°位相の関係で配置する。ｃａｓｅ３−３は、この半径Ｒを倍の０．４［ｍ］としたものである。即ち、Ｃａｓｅ３−２およびＣａｓｅ３−３の場合においては、１自由度振動絶縁装置７（７ａ，７ｂ，７ｃ）は直線Ｏ_BＯ_Pを軸とした回転対称な配置となっている。

図１１は、実施の形態３にかかるパラレルリンク型多自由度振動絶縁装置の振動伝達率対角成分の周波数応答を示す図である。図１１のグラフは、３６成分の振動伝達特性のうち主要項である対角成分Ｘ_P／Ｘ_B,Ｙ_P／Ｙ_B,Ｚ_P／Ｚ_B,Φ_P／Φ_B,Θ_P／Θ_B,Ψ_P／Ψ_Bを抽出して振動伝達率の周波数応答をプロットしたもので、これより半径Ｒに応じて、Φ_P／Φ_B,Θ_P／Θ_Bの特性が高周波側に遷移するのがわかる。さらにｃａｓｅ３−４において１自由度振動絶縁装置７の１，２本目（７ａ，７ｂ）の取付け点についてのｙ座標（ｙ_pの方向の座標値）、即ちｙ₁およびｙ₂の絶対値を大きくすると、図１１に示すようにΦ_P／Φ_Bの振動伝達特性をΘ_P／Θ_Bの振動伝達特性に対して独立して調節することができる。

以上説明したように、支持体２および被支持体３の質量中心Ｏ_B,Ｏ_Pを結ぶ直線と平行に１自由度振動絶縁装置７を３本追加することにより、パラレルリンク型多自由度振動絶縁装置６は剛性ｋ_zz，ｋφφ，ｋθθと振動伝達特性Ｚ_P／Ｚ_B，Φ_P／Φ_B，Θ_P／Θ_Bを、互いを含む他成分に対して独立に調節できることが明らかとなり、本実施形態の効果が示された。

実施の形態４．
また上記の議論から明らかなように、追加する１自由度振動絶縁装置７の本数は３本以内に限定する必要はなく、４本以上のＭ本であってもよい。本実施の形態４においては、図１のパラレルリンク型多自由度振動絶縁装置６に対し、剛性がそれぞれｋ₁，ｋ₂，ｋ₃，…，ｋ_MのＭ本の１自由度振動絶縁装置７（第１〜第Ｍ振動絶縁補助リンク）を直線Ｏ_BＯ_Pに対して平行に追加する。ここで、図１の直線Ｏ_BＯ_Pと垂直な平面座標系において、１自由度振動絶縁装置７（第１〜第Ｍ振動絶縁補助リンク）の座標をそれぞれ、（ｘ₁，ｙ₁），（ｘ₂，ｙ₂），（ｘ₃，ｙ₃），…，（ｘ_M，ｙ_M）とすれば、式（３）の中の非対角項が次式を満たしながら直線Ｏ_BＯ_Pに対してＭ本（Ｍ≧４）の１自由度振動絶縁装置７を平行に配置すればよい。

このような配置にすることで、４本以上のＭ本の１自由度振動絶縁装置７を直線Ｏ_BＯ_Pに平行配置した構成のパラレルリンク型多自由度振動絶縁装置６に対しても実施の形態１，２，３と同様の効果が得られる。即ち、剛性ｋ_zz，ｋφφ，ｋθθと振動伝達特性Ｚ_P／Ｚ_B，Φ_P／Φ_B，Θ_P／Θ_Bを、互いを含む他成分に対して独立に調節できる。

実施の形態５．
実施の形態１乃至４においては、図１のパラレルリンク型多自由度振動絶縁装置６に対し、追加する１自由度振動絶縁装置７を支持体２および被支持体３それぞれの質量中心Ｏ_BおよびＯ_Pを結ぶ直線Ｏ_BＯ_Pに対して平行に取り付けていた。しかし、図１２に示すように座標系Σ_Pのｘ_p軸或いはｙ_p軸に平行に、即ち直線Ｏ_BＯ_Pに対して直角な一方向に、追加する１自由度振動絶縁装置７を取付けた場合、調節できる軸は変わるものの３軸の動剛性および振動伝達率を他軸に対して独立に調節することが可能である。式（３）を用いてこれを説明する。

追加する１自由度振動絶縁装置７をｘ_p軸或いはｙ_p軸に平行にＭ本（１本あるいは複数本）配置するとき、補強される剛性は式（３）から次のように修正される。ここで、追加するＭ本の１自由度振動絶縁装置７（第１〜第Ｍ振動絶縁補助リンク）の剛性は、それぞれｋ₁，ｋ₂，ｋ₃，…，ｋ_Mである。また、Ｍ本の１自由度振動絶縁装置７（第１〜第Ｍ振動絶縁補助リンク）がｘ_p軸に平行な場合のｘ_p軸と垂直な面での座標を（ｙ₁，ｚ₁），…，（ｙ_M，ｚ_M）、Ｍ本の１自由度振動絶縁装置７（第１〜第Ｍ振動絶縁補助リンク）がｙ_p軸に平行な場合のｙ_p軸と垂直な面での座標を（ｘ₁，ｚ₁），…，（ｘ_M，ｚ_M）とする。

このとき、これまでの議論と同じように非対角項を０とする剛性と空間配置の条件を導くことができ、さらにその条件下で追加する１自由度振動絶縁装置７の剛性と空間配置を調節することで、対角３成分を独立に調節することができる。より具体的には、ｘ_p軸に平行に追加した場合、或いはｙ_p軸に平行に追加した場合、のそれぞれについて、剛性ｋ_xx,ｋθθ,ｋψψと振動伝達特性Ｘ_P／Ｘ_B,Θ_P／Θ_B,Ψ_P／Ψ_B、或いは剛性ｋ_yy,ｋφφ,ｋψψと振動伝達特性Ｙ_P／Ｙ_B,Φ_P／Φ_B,Ψ_P／Ψ_Bについて互いを含む他成分に対して独立に調節可能となる。

実施の形態６．
図１３および図１４は、実施の形態６にかかるパラレルリンク型多自由度振動絶縁装置６の概念図である。本実施の形態にかかるパラレルリンク型多自由度振動絶縁装置６を応用すれば図１３および図１４に示すように重力補償装置として利用することが可能で、重力環境下で被支持体３を支持することができる。例えば、宇宙機器の特性評価試験において地上試験を実施する際、１自由度振動絶縁装置１ａ，１ｂや上部取付け点のヒンジ４（４ａ，４ｂ）およびヒンジ５（５ａ，５ｂ）を被支持体３の静荷重に耐えるように高剛性、高強度に作りこむ必要がある。このため地上試験機と衛星搭載用実機とでは特性、寸法などが乖離する問題があった。これに対し、宇宙空間上での振動絶縁性能を地上で精度よく評価するため、数々の重力補償装置などが考案されてきた。

本実施の形態では実施の形態１乃至４にかかるパラレルリンク型多自由度振動絶縁装置６を用いることで振動絶縁装置評価試験用の重力補償装置とすることができる。すなわち追加する１自由度振動絶縁装置７として、ばねなどの受動要素、アクチュエータなどの能動要素、そしてこれらのハイブリッド構造などを組み込んで、１自由度振動絶縁装置７に重力を補償させる機能を担わせ重力補償装置として機能させればよい。すると、実施の形態１で説明したようにＺ_P／Ｚ_B以外の振動伝達特性を変化させずに被支持体３を支持することができ、実機特性を精度よく測定することができる。即ち、１自由度振動絶縁装置７を図１で示したパラレルリンク型多自由度振動絶縁装置６の無重力環境下での振動伝達特性を重力補償装置として追加することにより地上で精度よく再現し評価することができる。特に、図１４に示すようなアクチュエータを組み込んだ場合には、剛性を自由に設定できるため、被支持体３を支持しながら剛性を零とすることが可能であり、そのときには理想的な無重力環境を模擬できるといった従来にない効果を示すことができる。

さらに、本願発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、上記実施の形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出されうる。例えば、上記実施の形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出されうる。更に、異なる実施の形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

以上のように、本発明にかかるパラレルリンク型多自由度振動絶縁装置は、特定の成分の振動絶縁特性を他成分に対して独立に調節することが可能な振動絶縁装置に有用であり、特に、観測機器の微小振動を抑制するパラレルリンク型多自由度振動絶縁装置および振動絶縁装置評価試験用の重力補償装置としてそれを用いることに適している。

１ａ〜１ｆ，７，７ａ〜７ｃ １自由度振動絶縁装置
２ 支持体
３ 被支持体
４ａ〜４ｆ，８，８ａ〜８ｃ ３自由度回転フリーのヒンジ
５ａ〜５ｆ，９，９ａ〜９ｃ ２ないし３自由度回転フリーのヒンジ
６ パラレルリンク型多自由度振動絶縁装置
Ｏ_B,Ｏ_P 質量中心

Claims (6)

1. 支持体と、
   被支持体と、
   それぞれが伸縮方向の相対変位に対して振動絶縁機能を備え、一方の連結点が前記支持体と他方の連結点が前記被支持体と合計５以上の回転自由度を有するように各々連結した複数の振動絶縁リンクと、
   一方の連結点が前記支持体と他方の連結点が前記被支持体と合計５以上の回転自由度を有するように各々連結し、前記支持体の質量中心と前記被支持体の質量中心を結ぶ直線と平行に伸縮方向が配置され相対変位に対して振動絶縁機能を備えた剛性がｋ₁の第１振動絶縁補助リンクと、
   一方の連結点が前記支持体と他方の連結点が前記被支持体と合計５以上の回転自由度を有するように各々連結し、前記直線と平行に伸縮方向が配置され相対変位に対して振動絶縁機能を備えた剛性がｋ₂の第２振動絶縁補助リンクと、
   を備え、
   前記直線に垂直な平面における前記第１振動絶縁補助リンクの座標を（ｘ₁，ｙ₁）、前記第２振動絶縁補助リンクの座標を（ｘ₂，ｙ₂）とした場合に以下の式を満たすように配置されている
   

   

   
   ことを特徴とするパラレルリンク型多自由度振動絶縁装置。
2. 支持体と、
   被支持体と、
   それぞれが伸縮方向の相対変位に対して振動絶縁機能を備え、一方の連結点が前記支持体と他方の連結点が前記被支持体と合計５以上の回転自由度を有するように各々連結した複数の振動絶縁リンクと、
   一方の連結点が前記支持体と他方の連結点が前記被支持体と合計５以上の回転自由度を有するように各々連結し、前記支持体の質量中心と前記被支持体の質量中心を結ぶ直線と平行に伸縮方向が配置され相対変位に対して振動絶縁機能を備えた剛性がｋ₁の第１振動絶縁補助リンクと、
   一方の連結点が前記支持体と他方の連結点が前記被支持体と合計５以上の回転自由度を有するように各々連結し、前記直線と平行に伸縮方向が配置され相対変位に対して振動絶縁機能を備えた剛性がｋ₂の第２振動絶縁補助リンクと、
   一方の連結点が前記支持体と他方の連結点が前記被支持体と合計５以上の回転自由度を有するように各々連結し、前記直線と平行に伸縮方向が配置され相対変位に対して振動絶縁機能を備えた剛性がｋ₃の第３振動絶縁補助リンクと、
   を備え、
   前記直線に垂直な平面における前記第１振動絶縁補助リンクの座標を（ｘ₁，ｙ₁）、前記第２振動絶縁補助リンクの座標を（ｘ₂，ｙ₂）、前記第３振動絶縁補助リンクの座標を（ｘ₃，ｙ₃）とした場合に以下の式を満たすように配置されている
   

   

   
   ことを特徴とするパラレルリンク型多自由度振動絶縁装置。
3. 支持体と、
   被支持体と、
   それぞれが伸縮方向の相対変位に対して振動絶縁機能を備え、一方の連結点が前記支持体と他方の連結点が前記被支持体と合計５以上の回転自由度を有するように各々連結した複数の振動絶縁リンクと、
   ｉ＝１〜Ｍ（Ｍ≧１）の自然数に対応するＭ本の、一方の連結点が前記支持体と他方の連結点が前記被支持体と合計５以上の回転自由度を有するように各々連結し、前記支持体の質量中心と前記被支持体の質量中心を結ぶ直線と垂直な一方向に伸縮方向が配置され相対変位に対して振動絶縁機能を備えた剛性がｋ_iの第ｉ振動絶縁補助リンクと、
   を備え、
   前記一方向と垂直な平面における前記第ｉ振動絶縁補助リンクの座標を（ｙ_i，ｚ_i）（ｉ＝１〜Ｍの自然数）とした場合に以下の式を満たすように配置されている
   

   

   
   ことを特徴とするパラレルリンク型多自由度振動絶縁装置。
4. 前記振動絶縁補助リンクに重力を補償させる
   ことを特徴とする請求項１または２に記載のパラレルリンク型多自由度振動絶縁装置。
5. 前記振動絶縁補助リンクは、前記直線を軸とした回転対称な配置となっている
   ことを特徴とする請求項１または２に記載のパラレルリンク型多自由度振動絶縁装置。
6. 前記一方の連結点の回転自由度と前記他方の連結点の回転自由度の組み合わせは、（２自由度，３自由度）、（３自由度，２自由度）、および（３自由度，３自由度）のいずれかである
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のパラレルリンク型多自由度振動絶縁装置。

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