JP6587487B2 - アクティブ除振装置及びそのセンサの設置方法 - Google Patents

Description

本発明は、アクティブ除振装置及びそのセンサの設置方法に関するものである。

従来、基礎（床）に被支持体が弾性体によって支持された構造において、基礎の振動を１つの振動センサにより検出し、この振動センサが検出した振動状態に基づいて基礎から伝達される振動と逆位相の制御振動が被支持体に対して付加されるようにアクチュエータを制御するアクティブ除振装置が知られており、例えば特許文献１にその詳細が開示されている。

ところで、近年、アクティブ除振装置の大型化が進んでおり、１つの振動センサでは除振性能が有効に発揮できない場合がある。そこで、特許文献２に開示されているような複数のセンサを用いた除振装置の技術が提案されている。

特開２０１５−７５９０９号公報 特許３２８２３０２号公報

しかし、従来の複数のセンサを用いた除振装置においては、センサの位置が予め決められた位置に固定されているため、基礎からの振動状態が異なる環境においては複数のセンサを配置しているにも拘わらず、その利点を享受できていない場合がある。

また、除振装置の配置場所を変更する場合に基礎の振動状態が異なることとなっても、除振装置の性能を担保する必要がある。

また、除振装置は常に安定した基礎上に設置されるとは限らず、極めて不安定な場所に設置せざるを得ない場合がある。例えば、４隅のうちの３隅を安定して設置できても、残りの１隅を基礎の上に設置できないという事例が考えられる。このような場合においても除振装置の性能を担保する必要がある。

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、除振装置において基礎からの振動状態に拘わらず高い除振性能を発揮できるようにすることにある。

上記の目的を達成するために、本発明では、基礎の任意の位置における振動状態を測定した上で、互いに異なる振動状態を持つ前記基礎の位置に複数の振動センサを設置することで、除振装置が基礎の振動状態によらずに高い除振性能を発揮できるようにした。

具体的には第１の発明は、基礎に対して被支持体を弾性的に支持する弾性体と、前記基礎の振動状態を検出する複数の振動センサと、前記被支持体に対し振動を加えるアクチュエータと、前記振動センサが検出した基礎の振動状態に基づいて、上記被支持体に対して上記基礎から伝達される振動と逆位相の制御振動が付加されるようにアクチュエータを制御するフィードフォワード制御手段と、を備えたアクティブ除振装置であって、前記振動センサは、前記基礎の複数の任意の位置の中で振動状態の差が最大となる位置にそれぞれ設置されていることを特徴とする。

第２の発明は、振動センサが検出した基礎の振動状態に基づき、基礎に弾性体によって弾性的に支持された被支持体に対して基礎から伝達される振動と逆位相の制御振動が付加されるようにアクチュエータを制御するアクティブ除振装置における前記振動センサを複数設置する設置方法であって、前記基礎の複数の任意の位置における振動状態を測定し、前記測定した振動状態を比較して互いに異なる振動状態を持つ前記基礎の位置を判別し、前記判別した互いに異なる振動状態を持つ位置にそれぞれ前記振動センサを設置することを特徴とする。

これらの発明の上記構成とすることで、被支持体に伝達される基礎からの振動をより正確に測定でき、より高性能の除振を実現できる除振装置を得ることができる。

以上説明したように、本発明によれば、基礎から被支持体への振動をより正確に測定することが可能となり、より除振の精度を向上させることができる。

本発明の実施形態に係る除振装置の全体構成を表した模式図である。 実施形態に係る除振装置の斜視図である。 実施形態に係る制御のブロック図である。 実施形態に係る振動センサの配置を示す平面模式図である。 実験例１における振動伝達率の測定結果のグラフである。 実験例２における振動伝達率の測定結果のグラフである。

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。なお、以下の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、２は、本発明の実施形態に係るアクティブ除振装置を具現化したアクティブ除振装置Ａの全体的な構成を示す。このアクティブ除振装置Ａは、例えば半導体関連の製造装置や電子顕微鏡等のように振動の影響を受けやすい精密機器Ｄを載置台１上に搭載し、それらを床振動からできるだけ絶縁した状態とするために、複数のアイソレータ２，２，…によって弾性的に支持したものである。つまり、このアクティブ除振装置Ａにおいては載置台１及び機器Ｄが被支持体Ｈを構成している。

一例として図２に示すように、この実施形態では４つのアイソレータ２，２，…を各々載置台１の４隅に配置しているが、これは３個以上であれば幾つでもよい。個々のアイソレータ２は、図１に模式的に示すように、床Ｆ（基礎）上に配置されたインナケース２０の上部に、上下方向の荷重を支持する空気ばね２０ａを備えている。これは、インナケース２０の上端の開口にダイヤフラム等を介してピストンを気密状に内挿し、該インナケース２０内に空気室を画成してなる。

また、図の例ではインナケース２０の上半部を上方から覆うようにして、下方に開口するアウタケース２１が配設されており、その天板は空気ばね２０ａのピストン上に載置されている。一方、アウタケース２１の側板とインナケース２０の側板との間には、所定の隙間がある。この隙間には、上記空気ばね２０ａと概ね同様の構成の一対の空気ばね２０ｂ，２０ｂがインナケース２０を間に挟んで互いに対向するように配設されている。これら空気ばね２０ｂ，２０ｂは、水平方向の力を発生するようになっている。

つまり、アイソレータ２は、上下方向の空気ばね２０ａによって被支持体Ｈの分担荷重を支持するとともに、この上下方向の空気ばね２０ａや水平方向の空気ばね２０ｂ，２０ｂの内圧を増減するように制御することで、被支持体Ｈに対しその振動を減殺するような制御力を付加することができる。このことで、アイソレータ２は、床Ｆ（基礎）に対して被支持体Ｈを支持する弾性体と、空気ばね２０ａ，２０ｂの内圧の制御により被支持体＊に対し振動を加えるアクチュエータとを構成している。

より詳しくは、被支持体Ｈである載置台１及びその上の機器Ｄを一体の剛体とみなし、図２に示すように、この剛体の重心Ｇを通る直交３軸ｘ、ｙ、ｚを設定すると、この直交座標系における運動の自由度は、ｘ軸、ｙ軸及びｚ軸の並進３方向とそれら各軸周りの回転３方向φ、θ、ψとなる。従って、これら合計６自由度の各方向に各々制御力を付加するように、４つのアイソレータ２，２，…の上下及び水平の空気ばね２０ａ，２０ｂ，…を配設している。

同図に示す例では、右手前及び左奥（図示せず）の２つのアイソレータ２，２が各々、水平の一対の空気ばね２０ｂ，２０ｂの内圧を互いに逆相に増減させることにより、ｘ方向（以下、単に左右方向ともいう）の制御力Ｆxを発生するように、また、左手前及び右奥の２つのアイソレータ２，２は各々ｙ方向（以下、単に前後方向ともいう）の制御力Ｆyを発生するように配置されている。それらの４つのアイソレータ２，２，…でｚ軸周り即ちψ方向の制御力を被支持体Ｈに付加することができる。

また、上下方向であるｚ方向の制御力Ｆzについては、４つのアイソレータ２，２，…の各々の上下の空気ばね２０ａが分担して発生するものであり、その各々が発生する力Ｆzの配分を重心Ｇからの距離に応じて適当に設定すれば、被支持体Ｈに対して上下方向の制御力のみを付加することができる。一方、４つのアイソレータ２，２，…の各々の上下の空気ばね２０ａが発生する力Ｆzの配分によって、被支持体Ｈに対してｘ軸及びｙ軸の周りの回転方向即ちφ、θ方向の制御力を付加することができる。このように、４基のアイソレータ２，２，…がそれぞれ備える空気ばね２０ａ，２０ｂは、被支持体Ｈに対して６自由度の各自由度方向に制御力を付加可能に設けられている。

そうして所要の制御力を発生させるために、この実施形態では、図１に模式的に示すように、各アイソレータ２の上下及び水平の空気ばね２０ａ，２０ｂ，２０ｂには、それぞれ図外の空気圧源から圧縮空気を供給するための配管が接続されている。そして、これら配管に介設されたサーボ弁２２ａ，２２ｂによって空気ばね２０ａ，２０ｂ，２０ｂへの空気の給排気量が調整されるようになる（なお、同図には右側のアイソレータ２についてのみ、その空気圧の制御系統を示す）。この実施形態では、これら空気ばね２０ａ，２０ｂが被支持体Ｈに対して力を作用させて振動を加えるアクチュエータを構成している。

また、各アイソレータ２には、その支持位置の近傍における被支持体Ｈの上下及び水平（即ち水平の空気ばね２０ｂが設けられている）方向の加速度を検出する加速度センサ２３ａ，２３ｂ（被支持体側振動センサ）が配設されている。これら加速度センサ２３ａ，２３ｂからの信号は、コントローラ３（制御手段）に入力される。そして、加速度センサ２３ａ，２３ｂで検出された被支持体Ｈの加速度は、コントローラ３によって被支持体Ｈの重心Ｇの６自由度の振動ｘ"，ｙ"，ｚ"，φ″，θ″，ψ″に変換される。

さらに、上記の加速度センサ２３ａ，２３ｂと同様に、各アイソレータ２にその支持位置の近傍における被支持体Ｈの上下及び水平方向の変位をそれぞれ検出する変位センサ２４ａ，２４ｂが配設されている。また、インナケース２０の下部における加速度、即ち床振動を検出するための加速度センサ２５ａ，２５ｂ（基礎側振動センサ）も配設されている。この加速度センサ２５は、４基のアイソレータ２，２，…のうちの３つに配設されていて、そのうち２つである２５ａは水平方向（即ち、ｘ方向及びｙ方向）の床振動を検出し、残りの１つである２５ｂは上下方向の床振動を検出する。これら変位センサ２４ａ，２４ｂ及び加速度センサ２５ａ，２５ｂからの信号も、コントローラ３に入力される。そして、変位センサ２４ａ，２４ｂで検出された被支持体Ｈの変位は、コントローラ３によって被支持体Ｈの重心Ｇの６自由度の変位ｘ−ｘ _０ ，ｙ−ｙ _０ ，ｚ−ｚ _０ ，φ−φ _０ ，θ−θ _０ ，ψ−ψ _０ に変換される。ここで、ｘ _０ ，ｙ _０ ，ｚ _０ ，φ _０ ，θ _０ ，ψ _０ は、各自由度方向における床Ｆの変位である。

コントローラ３によるサーボ弁２２ａ，２２ｂの制御の内容は、概ね図３のブロック図に示すようになり、大別すると、被支持体Ｈに対する床Ｆからの伝達振動を打ち消すための除振制御と、機器Ｄ等の発生する振動を打ち消すための制振制御とからなる。即ち、サーボ弁２２ａ，２２ｂへの制御入力に対して、図の右側に示すように、加速度センサ２３ａ，２３ｂからの信号に基づいてフィードバック振動制御部３ａによりフィードバック制御が行われるとともに、床振動を検出する加速度センサ２５からの信号に基づいてフィードフォワード振動制御部３ｂによりフィードフォワード制御が行われる。

また、上記のフィードバック制御及びフィードフォワード制御に加え、図の左下側に示すように、変位センサ２４ａ，２４ｂからの出力に基づいてフィードバック変位制御部３ｃによりフィードバック制御が行われる。なお、この実施形態のアクティブ除振装置Ａでは、被支持体Ｈは常に静止していることが理想とされ、目標値が変更されることなく一定なので、ここでは零（０）としている。このようなフィードバック振動制御及びフィードフォワード振動制御は、コントローラ３のＣＰＵによって所定のプログラムが実行されることにより実現するもので、ソフトウェアの態様で備わっている。

そして、そのような種々の補正の結果として、６自由度の各方向の操作量が決定され、各空気ばね２０ａ，２０ｂの位置に従って操作量がサーボ弁２２ａ，２２ｂに分配されてコントローラ３からサーボ弁２２ａ，２２ｂへの制御出力がなされ、この出力信号を受けたサーボ弁２２ａ，２２ｂの作動によって空気ばね２０ａ，２０ｂの空気圧が調整されることにより、該空気ばね２０ａ，２０ｂがアクチュエータとして作動して、被支持体Ｈに制御振動を付加することになる。

以下において、基礎側振動センサ２５の設置について詳述する。なお、以下の説明においては鉛直方向用の振動センサ２５ｂを例として説明するが、水平方向用振動センサ２５ａについても同様である。

図４に示すように、被支持体の載置台１を支持している４つのアイソレータ２，２，…のうち２つのアイソレータ２，２下方の床Ｆ（基礎）上にそれぞれ鉛直方向振動センサ２５ｂ，２５ｂが設置されている。本実施形態では、２つ（複数）の鉛直方向振動センサ２５ｂ，２５ｂは、平面視で矩形状の床Ｆの互いに対角に位置するアイソレータ２，２下方に設置されており、それぞれの設置箇所における床Ｆ（基礎）の振動状態は互いに異なるものとなっている。そして、制御においては、２つのセンサ２５ｂ，２５ｂからの信号を平均した信号によってフィードフォワード制御を行うようにしている。これにより、２つのセンサ２５ｂ，２５ｂの平均信号によってフィードフォワード制御を行うため、互いに共通する動きの振動を検知した場合には増幅した信号をもって、また互いに異なる動きをする振動を検知した場合には相殺した信号をもってフィードフォワード制御を行うこととなり、鉛直方向振動センサ２５ｂが１つの場合と比べて除振性能を高めることができる。

以下において、基礎側振動センサ２５の設置方法について説明する。披支持体Ｈ周辺の床Ｆ（基礎）について、複数の任意の位置における振動状態を測定する。その際、できるだけアイソレータ２に振動を及ぼす可能性の高い位置を予測して測定するのが望ましい。つまり、例えばアイソレータ２の設置箇所周辺について測定するのが望ましい。次に、測定した複数の位置の振動状態を比較して互いに異なる振動状態を持つ２つ（複数）の位置を判別する。その後、判別した位置にそれぞれ振動センサ２５，２５を設置すればよい。このとき、任意の複数の位置の中で振動状態の差が最大となる位置に振動センサ２５，２５を設置するのが最も望ましい。これにより異なる振動状態の基礎に設置した複数の振動センサ２５，２５からの信号を合成して、より正確なフィードフォワード制御を行うことができるようになる。なお、設置においては、両面テープによる貼り付けやケースにいれてマウントにネジ締結するなど、簡易に取り外し可能な態様で取り付けることができる。

以上に述べたように、本実施形態では、異なる振動状態の床Ｆ（基礎）に設置した複数の振動センサ２５，２５からの信号を平均してフィードフォワード制御を行うことができるようになるため、アクティブ除振装置Ａの性能を高めることができる。また、除振装置Ａの設置場所を変更する際などにおいても、変更後の設置場所の床Ｆ（基礎）の振動状態を測定して比較することにより、複数の振動センサ２５，２５の設置場所を決定することができ、除振装置Ａの性能を維持することができる。

（その他の実施形態）
上記実施形態では、基礎側振動センサ２５を２つとしているが、３つ以上についても同様の効果を得ることができる。この場合、３つ以上のセンサ２５，２５，…についてそれぞれが互いに異なる振動状態となる床Ｆ（基礎）上の位置に設置することが望ましい。

また、上記実施形態では矩形状の被支持体について複数のセンサ２５，２５，…を設置しているが、矩形以外の形状（例えば楕円状）の被支持体についても複数のセンサ２５，２５，…を設置してもよく、本発明は同様の効果を得ることができる。

さらに、上記実施形態では、アイソレータ２によって弾性体とアクチュエータとを兼ねているが、本発明は、基礎に対して被支持体を弾性的に支持する弾性体と、被支持体に対し振動を加えるアクチュエータとが異なっているアクティブ除振装置に対しても適用できるのは勿論である。

以下において、具体的な本発明の実施例について説明する。

（実験例１）
アクティブ除振装置Ａを用いて、その載置台１に５トンの錘を載せて静座状態で振動伝達率を測定した。まず、センサ２５を１つのみ設置した場合について測定し、その後２つ目のセンサ２５を本発明の設置方法を用いて追加して測定した。その結果を図５に示す。ここで縦軸は振動伝達率を表し、単位はｄＢ＝２０×ｌｏｇ１０（ａ／ａ_０）であり、ａは載置台１の加速度、ａ_０は床の加速度を表す。

図５に示すように、載置台静座時に周波数が１０Ｈｚ〜２０Ｈｚの低周波域（図５の破線で囲む領域）において、センサ２５を２つ設置した場合における振動伝達率がセンサ２５を１つ設置した場合に比べて低くなる結果となった。

（実験例２）
載置台を加振して、実験例１と同様の測定を行った。その結果を図６に示す。

図６に示すように、載置台加振時においても周波数が１Ｈｚ〜１０Ｈｚの低周波域（図６の破線で囲む領域）において、センサ２５を２つ設置した場合の振動伝達率がセンサ２５を１つ設置した場合に比べて低くなる結果となった。

これらのことより、本発明を用いてセンサを追加することで、より高性能な除振を実現できる。

以上説明したように、本発明は、アクティブ除振装置に極めて有用である。

１ 載置台
２ アイソレータ（弾性体、アクチュエータ）
３ コントローラ（制御手段）
２０ａ、２０ｂ 空気ばね
２３ａ、２３ｂ 加速度センサ（被支持体側振動センサ）
２４ａ、２４ｂ 変位センサ
２５ａ、２５ｂ 加速度センサ（基礎側振動センサ）
Ａ アクティブ除振装置
Ｄ 機器
Ｆ 床（基礎）
Ｈ 被支持体

Claims (2)

1. 基礎に対して被支持体を弾性的に支持する弾性体と、
   前記基礎の振動状態を検出する複数の振動センサと、
   前記被支持体に対し振動を加えるアクチュエータと、
   前記振動センサが検出した基礎の振動状態に基づいて、上記被支持体に対して上記基礎から伝達される振動と逆位相の制御振動が付加されるようにアクチュエータを制御するフィードフォワード制御手段と、を備えたアクティブ除振装置であって、
   前記振動センサは、前記基礎の複数の任意の位置の中で振動状態の差が最大となる位置にそれぞれ設置されていることを特徴とするアクティブ除振装置。
2. 振動センサが検出した基礎の振動状態に基づき、基礎に弾性体によって弾性的に支持された被支持体に対して基礎から伝達される振動と逆位相の制御振動が付加されるようにアクチュエータを制御するアクティブ除振装置における前記振動センサを複数設置する設置方法であって、
   前記基礎の複数の任意の位置における振動状態を測定し、
   前記測定した振動状態を比較して互いに異なる振動状態を持つ前記基礎の位置を判別し、
   前記判別した互いに異なる振動状態を持つ位置にそれぞれ前記振動センサを設置することを特徴とする複数の振動センサの設置方法。

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