JP7515072B2 - アクティブ型の振動制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、アクティブ型の振動制御装置に関し、詳しくは、半導体・液晶工場や精密製品加工工場等における被制御物の振動抑制制御に用いて好適なアクティブ型の振動制御装置に関するものである。

従来、例えば、工場のクリーンルーム内に設置されている製造装置は、加工及び検査精度が高く、外乱振動や中小規模地震でも製品に影響を及ぼすため、周辺環境・設置基準に応じた振動対策が必須である。

このような製造装置や検査装置に伝搬する振動を抑制する手法としては、一般的に装置全体を除振装置に搭載するか、嫌振架台（剛性床）で床補強を行い振動環境の改善を行っている。

半導体製造装置は、工場のレイアウトや設置環境が常に変化するために、装置を導入した後に振動問題が発生すると対応が困難である。

また、除振台はバネ（サスペンション）等で支持されているため剛性が小さく、小規模な地震でも装置上で振動が増幅してしまい、床振動を制御しても装置性能に影響を及ぼす場合がある。また、除振台上の被制御物が可動部を含む場合、可動部の運動により振動が増幅することもある。

特許文献１には、架台に支持された床上に設置した嫌振機器に振動が伝達しないようにするアクティブ除振装置であって、前記架台を構成する梁に設けられ、電圧を印加することにより歪を発生させる圧電素子と、前記圧電素子を設けた梁に設けられ、該梁の振動を計測する計測手段と、前記計測手段の計測結果に基づいて前記圧電素子に印加する電圧値を制御し、前記振動により前記梁に生じた歪を抑止する方向の歪を前記圧電素子に発生させる制御手段と、から構成したアクティブ除振装置が開示されている。

しかしながら、特許文献１のアクティブ除振装置の場合、架台を構成する横梁に圧電素子を取り付けることにより、この横梁の弾性振動を抑制することが主目的であり、当該特許文献１の装置のような構造では、横梁の弾性振動を抑制できたとしても、床からの振動伝達を防ぐことはできないことから、後記する本願発明の装置が目的としているような設置床からの振動伝達の効率的な抑制はできない。

また、特許文献２には、棒状構造物の軸線から偏位した位置に取り付けられ電圧をかけられることにより伸縮する圧電体と、上記棒状構造物の振動を検知するための振動検出手段と、該振動検出手段の検出値に基づいてその振動を抑制すべく上記圧電体に電圧をかける印加手段とを備えた構成の棒状構造物の振動制御装置が開示されている。

しかしながら、特許文献２の棒状構造物の振動制御装置の場合、例えばトランスファープレスのクロスバーのような棒状構造物の弾性振動制御に関するものであり、前記特許文献１における装置の構造と同様に、当該特許文献２の装置のような構造では、後記する本願発明の装置が目的としているような床振動の効率的な抑制はできない。

特開平８－３２６８３５号公報 実開平６－０７６７４１号公報

本発明は、従来における上記事情に鑑み開発されたものであり、半導体工場等のクリーンルームの床構造は一般的に２重床構造となっており、また、剛性確保のために嫌振架台（剛性床）を設置している場合が多いが、その嫌振架台（又は搭載装置フレームや装置脚部）等にアクティブ型のアクチュエータを外側から付加し、嫌振架台等の剛性を保持したまま特定の周波数帯域で有効な振動を抑制することが可能で、更に、既存の嫌振架台等にアクチュエータを付加することにより簡易に実現できるため、例えば工場等のレイアウト変更後の新たな振動問題の発生に対して迅速、容易に対応可能なアクティブ型の振動制御装置を提供するものである。

なお、本発明のアクティブ型の振動制御装置における上記嫌振架台以外の対象物としては、例えば、鉄骨又はコンクリート製の架台、或いは振動制御装置内部で装置本体を支えている架台やフレーム等を挙げることができる。

本発明は、制御対象エリアの床上に設置されるとともに、上部に被制御物を設置する嫌振架台（又は鉄骨又はコンクリート製の架台、或いは振動制御装置内部で装置本体を支えている架台やフレーム）等に対する振動制御を行うアクティブ型の振動制御装置であって、前記嫌振架台、床のいずれか一方（或いは嫌振架台及び床）の振動を検出する振動検出センサと、前記嫌振架台外周部に添設した反力支持部材（又は反力支持機構部）と、前記嫌振架台側の反力支持部材に対し先端部を当接させるアクチュエータと、前記振動検出センサの検出信号を基に、前記アクチュエータに対して前記嫌振架台、床のいずれか一方（或いは嫌振架台及び床）の振動を、特定周波数帯域において前記嫌振架台等々の嫌振板部（嫌振部分）に伝達することを抑制するための駆動制御信号を生成し、アクチュエータの先端部を駆動制御信号に応じて往復変位させて前記反力支持部材を介して嫌振架台の剛性を維持したまま前記嫌振架台の振動を打ち消すアクチュエータ駆動制御手段と、を有することを最も主要な特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、嫌振架台を、剛性の小さいバネ材等で支持した除振台を使用することなく、かつ、アクティブ除振装置の上での使用を前提とせず、制御対象エリアの前記床上に直に設置されて、上面側に平坦で被制御物を設置する嫌振板部を備え、その下部に嫌振基台部を配置し、制御対象エリアの前記床から前記嫌振基台部を支持するように構成したものであることから、前記嫌振架台の剛性を維持したままで特定周波数帯域で嫌振架台の振動を打ち消し抑制できるようにし、前記嫌振架台の固有振動数を３０Ｈｚから１００Ｈｚまでの間の振動数まで確保できるようにしたことを特徴とするアクティブ型の振動制御装置を実現し提供することができる。

請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の発明と同様な効果を奏し、かつ、嫌振架台外周部の一箇所又は複数箇所に剛性の高い反力支持部材を添設し、アクチュエータの硬度の大きい先端部を前記嫌振架台側の反力支持部材に対し操作力にて進退動可能に当接させる構成としているので、嫌振架台の剛性をより確実に保持し、また、嫌振架台側の反力支持部材に対する先端部の位置の最適化を図ることもできるアクティブ型の振動制御装置を実現することができる。

請求項３記載の発明によれば、前記特定周波数帯域を、２Ｈｚから５Ｈｚの低周波数帯域と構成し、建物固有振動発生時の振動抑制対策とした請求項１又は２に記載のアクティブ型の振動制御装置を実現することができる。

図１は本発明の実施例に係るアクティブ型の振動制御装置、及び嫌振架台の概略構成図である。 図２は本実施例に係るアクティブ型の振動制御装置、及び嫌振架台の概略平面図である。 図３は本実施例に係るアクティブ型の振動制御装置における嫌振架台に対する反力支持部材の取り付け態様を示す概略部分拡大図である。 図４は本実施例に係るアクティブ型の振動制御装置におけるアクチェータの概略正面図である。 図５は本実施例に係るアクティブ型の振動制御装置におけるアクチェータの概略左側面図である。 図６は本実施例に係るアクティブ型の振動制御装置におけるアクチェータの内部構成を示す概略正面図である。 図７は本実施例に係るアクティブ型の振動制御装置におけるアクチェータの概略右側面図である。 図８は本実施例に係るアクティブ型の振動制御装置の制御系を示すブロック図である。 図９は嫌振架台に関する実物大試験における周波数、速度、加速度、変位の特性を示す図である。 図１０は嫌振架台に関する実物大試験における架台剛性の特性を示す図である。

本発明は、嫌振架台にアクティブ型のアクチュエータを外側から付加し、嫌振架台の剛性を保持したまま特定の周波数帯域で有効な振動を抑制することが可能なアクティブ型の振動制御装置を提供するという目的を、制御対象エリアの床上に設置されるとともに、上部に被制御物を設置する嫌振架台に対する振動制御を行うアクティブ型の振動制御装置であって、前記嫌振架台、床のいずれか一方（或いは嫌振架台及び床）の振動を検出する振動検出センサと、前記嫌振架台（又は鉄骨又はコンクリート製の架台、フレーム、振動制御装置全体を支えている架台、フレーム、鉄骨又はコンクリート製の梁、根太、支柱等々）の外周部の一箇所又は複数箇所に添設した剛性の高い反力支持部材と、前記嫌振架台等の側の反力支持部材に対し操作力にて進退動可能に硬度の大きい先端部を当接させるアクチュエータと、前記振動検出センサの検出信号を基に、前記アクチュエータに対して前記嫌振架台、床のいずれか一方（或いは嫌振架台及び床）の振動を、特定周波数帯域において前記嫌振架台等々の嫌振板部（嫌振部分）に伝達することを抑制するための駆動制御信号を生成し、アクチュエータの先端部を駆動制御信号に応じて往復変位させて前記反力支持部材を介して嫌振架台の剛性を維持したまま前記嫌振架台の振動を打ち消すアクチュエータ駆動制御手段と、を有する構成により実現した。

以下、図面を参照して、本発明の実施例に係るアクティブ型の振動制御装置について詳細に説明する。

まず、図１乃至図３を参照して、本実施例に係るアクティブ型の振動制御装置１、及び嫌振架台（剛性床）２１について説明する。

前記したように、本発明のアクティブ型の振動制御装置１における嫌振架台２１以外の対象物としては、例えば、鉄骨又はコンクリート製の架台、或いは振動制御装置内部で装置本体を支えている架台やフレーム等を挙げることができるが、以下の実施例では、振動制御装置１における対象物を嫌振架台２１として説明する。

本実施例に係るアクティブ型の振動制御装置１は、嫌振架台２１に対するアクティブ型の振動制御を行うものである。

前記嫌振架台２１は、上面側に平坦で被制御物Ｏを設置する嫌振板部２２を備え、その下部に嫌振基台部２３を配置し、制御対象エリアの床２から立設した基礎支柱２４により前記嫌振基台部２３を支持し、これらを一体化して、全体として例えば平面視矩形状を呈するように構成している。

本実施例に係るアクティブ型の振動制御装置１は、前記床２、嫌振架台２１の地震等に伴う振動を検出する振動検出センサ３ａと、前記嫌振基台部２３の外周部の一箇所又は複数箇所（本実施例では２箇所）に反力支持部材における支持部により支持されつつ添設した剛性（例えば鋼板等）の高い反力支持部材２５と、前記嫌振基台部２３側の反力支持部材２５に対しハンドル３４による操作力にて進退動可能とした硬度の大きい先端部３２を当接させる例えば２台並列のピエゾを用いたアクチュエータ駆動部３３を備えるアクチュエータ３１と、前記振動検出センサ３ａの検出信号を基に、前記アクチュエータ３１に対して特定周波数帯域、例えば２～５Ｈｚの低周波数帯域で前記嫌振架台２１、床２のいずれか一方（或いは嫌振架台２１及び床２）の振動を、前記嫌振架台２１の嫌振板部２２に伝達することを抑制するための駆動制御信号として生成し、アクチュエータ駆動部３３を駆動して前記先端部３２を駆動制御信号に応じて往復変位させ前記反力支持部材２５を介して前記嫌振架台２１の剛性を維持したまま前記嫌振架台２１の振動を打ち消すアクチュエータ駆動制御手段４１と、を有している。

なお、振動検出センサ３ｂは、モニターとしての作用を発揮するが、前記振動検出センサ３ａと同様に、前記アクチュエータ３１に対して特定周波数帯域で前記嫌振架台２１、床２のいずれか一方（或いは嫌振架台２１及び床２）の振動を、前記嫌振架台２１の嫌振板部２２に伝達することを抑制するための駆動制御信号として生成するようにもできる。

また、前記振動検出センサ３ｂは、前記低周波数帯域で前記嫌振架台２１、床２のいずれか一方（或いは嫌振架台２１及び床２）の振動の駆動制御信号を生成する際、逆位相の振動を発生させて駆動制御信号を生成することもできる。

ピエゾ素子を用いた前記アクチュエータ３１は、高い分解能、高いエネルギー効率、大きな耐荷重、早い応答性等優れた効果を発揮する。

次に、図４乃至図８を参照して、前記アクチュエータ３１について詳述する。

前記アクチュエータ３１は、ベース基板３１ｂを備える直方体状のアクチュエータ本体３１ａと、このアクチュエータ本体３１ａの右側板の外側からアクチュエータ本体３１ａ内を貫き左側板の外側の外側に至る範囲に配置した円形のハンドル３４、円形棒状の連結ネジ３５、例えばコイルバネからなるバネ材３６、例えばピエゾ素子を用いたアクチュエータ駆動部３３、先端部３２の直列連結構造と、前記アクチュエータ本体３１ａ内、及び左側板の外側にわたって配置した前記連結ネジ３５、バネ材３６、アクチュエータ駆動部３３、鋼板等からなる先端部３２を水平配置に支持するとともに、前記アクチュエータ駆動部３３の動作に連動して前記先端部３２を前記反力支持部材２５に対して往復変位可能とする第１支持機構部３７と、前記アクチュエータ本体３１ａの右側板外側に配置したハンドル３４を回転操作可能に支持し、ハンドル３４の回転操作に応じて前記連結ネジ３５、バネ材３６を介して前記アクチュエータ駆動部３３、先端部３２の前記反力支持部材２５に対する予圧縮力を調整可能とする第２支持機構部３８と、を具備している。

前記アクチュエータ駆動制御手段４１は、図８に示すように、このアクチュエータ駆動制御手段４１の動作プログラムを格納したプログラムメモリ及び演算部４２と、前記動作プログラムに基づき各要素の制御を行う制御部４３と、前記振動検出センサ３ａ（或いは振動検出センサ３ａ、３ｂ）からの信号をデジタル信号に変換し、振動抑制プログラム及び演算部４２に送るＡ／Ｄ変換器４４ａ、４４ｂと、を具備し、前記動作プログラム及び振動検出センサ３ａ（或いは振動検出センサ３ａ、３ｂ）からのデジタル化された検出信号を基に、前記アクチュエータ３１のアクチュエータ駆動部３３に対して、前記嫌振架台２１、床２のいずれか一方（或いは嫌振架台２１及び床２）の振動で、かつ、特定周波数帯域で有効な振動を発生させる駆動制御信号を生成し、この駆動制御信号を基にＤ／Ａ変換器４５、駆動アンプ４６を経てアクチュエータ駆動部３３を駆動制御し、前記アクチュエータ駆動部３３の先端部３２を駆動制御信号に応じて往復変位させて前記反力支持部材２５を介して嫌振架台２１の剛性を維持したまま嫌振架台２１の振動を打ち消す構成になっている。

図９は嫌振架台に関する実物大試験における周波数、速度、加速度、変位の特性を示すものであり、また、図１０は嫌振架台に関する実物大試験における架台剛性（水平方向）の特性を示すものである。

実物大試験は、前記嫌振板部２２の大きさ１８００×２４００ｍｍ、高さ３５０ｍｍのものを使用し、前記嫌振板部２２に前記振動検出センサ３ａ（或いは嫌振板部２２と床２に振動検出センサ３ａ、３ｂ）を設置し、前記アクチュエータ３１により前記反力支持部材２５を介して前記嫌振板部２２に対して制御信号を付与し、前記振動検出センサ３ａ（或いは振動検出センサ３ａ、３ｂ）の検出信号にＦＦＴ処理（周波数分析処理）を行って、嫌振架台２１の周波数（Ｈｚ）、速度（ｍｍ／ｓｅｃ）、加速度（Ｇａｌ）、変位（μｍ〉に関する特性を図９に示すように取得したものである。

図９から明らかなように嫌振架台２１上において床２上に比較し建物の固有振動数に対して有効な周波数帯域２～５Ｈｚにおける振動抑制効果が確認された。

また、図１０から明らかなように嫌振架台２１の架台剛性は、１×１０＾８Ｎ／ｍ以上と十分な剛性が確認された。

上述した本実施例においては、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の三軸方向のうち、Ｘ方向の振動を抑制する構成を示したが、この他、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の三軸方向のうち、前記反力支持部材２５、アクチュエータ３１を、前記嫌振架台２１に対して、いずれか二軸方向又は三軸全方向に配置しこれらを同時制御する構成としてこれら各方向の振動抑制を行い、振動抑制効果をより高めるようにすることも可能である。

また、前記反力支持部材２５としては、嫌振架台２１の仕様に合わせて、高さ、寸法を調整可能な構成とし、サイズの異なる嫌振架台２１に対応可能な構成とすることもできる。

更に、前記アクチュエータ３１としては、上述した場合の他、超磁歪アクチュエータやリニアアクチュエータ等を採用することも可能である。

本実施例に係るアクティブ型の振動制御装置１によれば更に以下の効果を奏する。

（ａ）従来のアクティブ除振装置とは異なり、嫌振架台２１の剛性を保ったまま振動抑制が可能である。
（ｂ）剛性の小さいバネ材等で支持した除振台を不要とする。
（ｃ）嫌振架台２１の導入（搭載）後の取り付け（後付け）が可能である。すなわち、既存の嫌振架台２１にアクチュエータを付加することにより簡易に実現できるため、例えば工場等のレイアウト変更後の新たな振動問題の発生に対して迅速、容易に対応できる。
（ｄ）制御プログラムを調整するのみで、異なる設置環境に柔軟に対応できる。
（ｅ）嫌振架台２１を移動させることなく設置することが可能（大掛かりな工事が不要）である。
（ｆ）建物自体の剛性を高める、或いは振動減衰装置を付加する等の大規模な工事を必要としない。
（ｇ）嫌振架台２１側の反力支持部材２５に対し操作力にて進退動可能に先端部３２を当接させるアクチュエータ３１を採用しているので、嫌振架台２１側の反力支持部材２５に対する先端部３２の位置の最適化を図ることができる。
（ｈ）２台並列のアクチュエータ駆動部３３を備えるアクチュエータ３１を採用する構成等、予備機構を有するようにすれば、一部故障しても運用可能である。

本発明のアクティブ型の振動制御装置は、上述した場合の他、高層階建物の固有振動や中小規模の地震に対する振動制御用途として広範に利用可能である。

１ アクティブ型の振動制御装置
２ 床
３ａ 振動検出センサ
３ｂ 振動検出センサ
２１ 嫌振架台
２２ 嫌振板部
２３ 嫌振基台部
２４ 基礎支柱
２５ 反力支持部材（又は反力支持機構部）
３１ アクチュエータ
３１ａ アクチュエータ本体
３１ｂ ベース基板
３２ 先端部
３３ アクチュエータ駆動部
３４ ハンドル
３５ 連結ネジ
３６ バネ材
３７ 第１支持機構部
３８ 第２支持機構部
４１ アクチュエータ駆動制御手段
４２ 振動抑制プログラム及び演算部
４３ 制御部
４４ａ Ａ／Ｄ変換器
４４ｂ Ａ／Ｄ変換器
４５ Ｄ／Ａ変換器
４６ 駆動アンプ
Ｏ 被制御物

Claims (3)

1. 半導体・液晶工場や精密製品の加工工場等における被制御物の振動抑制・制御に用いる振動制御装置であって、制御対象エリアの床上に直に設置するように構成した嫌振架台の上に被制御物を配置して、当該嫌振架台の剛性を維持したままで特定の周波数帯域で有効な振動を抑制可能として嫌振架台に対する振動制御を行うようにしたアクティブ型の振動制御装置であって、
   前記嫌振架台及び／又は床の振動を検出する振動検出センサと、前記嫌振架台外周部の一箇所又は複数箇所に添設した反力支持部材と、前記嫌振架台側の反力支持部材に対し先端部を当接させるアクチュエータと、前記振動検出センサの検出信号を基に、前記アクチュエータに対して前記床の振動を、特定周波数帯域において前記嫌振架台の嫌振板部に伝達することを抑制するための駆動制御信号として生成し、アクチュエータの先端部を駆動制御信号に応じて往復変位させて前記反力支持部材を介して嫌振架台の剛性を維持したまま前記嫌振架台の振動を打ち消すアクチュエータ駆動制御手段と、を具備し、
   前記嫌振架台は、上面側に平坦で被制御物を設置する嫌振板部を備え、その下部に嫌振基台部を配置して、制御対象エリアの床から立設した基礎支柱により前記嫌振基台部を支持し、これらを一体化して全体として平面視矩形状を呈するように構成されているとともに、当該嫌振架台は、制御対象エリアの前記床上に直に設置されて被制御物の振動抑制・制御を行うように構成したことを特徴とし、
   前記嫌振架台の剛性を維持したままで特定周波数帯域で嫌振架台の振動を打ち消し抑制できるようにし、前記嫌振架台の固有振動数を３０Ｈｚから１００Ｈｚまでの間の振動数まで確保できるようにしたことを特徴とするアクティブ型の振動制御装置。
2. 前記反力支持部材、アクチュエータは、前記嫌振架台に対してＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の三軸方向のうち、いずれか一軸方向、いずれか二軸方向、又は三軸全方向に配置されて構成し、前記嫌振架台の振動制御効果を一層高めることができるようにしたことを特徴とする請求項１記載のアクティブ型の振動制御装置。
3. 前記特定周波数帯域は、２Ｈｚから５Ｈｚの低周波数帯域にして構成し、建物固有振動発生時の振動抑制対策としたことを特徴とする請求項１又は２に記載のアクティブ型の振動制御装置。

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