JPH05340444A - 防振装置及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 各種産業機械の振動を微振動まで高精度に防
振する装置として空気ばねと電磁振動吸収体を一体化
し、コンパクトで小型なものとし、これらを一体化した
状態で制御することにより振動を防止する。 【構成】 防振装置は、空気ばね１の内部にボイスコイ
ルモータ２を内蔵したものから成る。空気ばね１は上、
下板３、４の間を袋体５で密封し、空気室６に圧縮空気
を送り込む。空気室６内に設けたボイスコイルモータ２
は、ボビン７にボイスコイルモータ８を巻装しこれを隙
間９を有する永久磁石１０のポールピース１１と円環状
の鉄心１２との間に挿置されて成る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、種々の産業機械の防
振に利用される防振装置及びその制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】脱水機、コンプレッサ、エアハンマ、プ
レス、振動コンベアなど各種産業機械から発生する振動
を防止する手段の１つとして、空気ばねがある。この空
気ばねは、図６に示すように一般に断面長円状の袋体の
内部に圧縮空気を封入しその弾性を利用したものであ
り、強力なタイヤコードで補強された気密性の優れたゴ
ム膜（ゴムベローズ）を上下金具で固定したものから成
る。

【０００３】かかる空気ばねを防振装置として使用する
場合、図７に示すように一般に空気ばね１とボイスコイ
ルモータ２のそれぞれ独立なものを必要数共通台の上に
設置したものから成る。

【０００４】上述した空気ばねを用いた防振装置は、例
えば日本機械学会論文集（Ｃ編）、５６巻５２３号（１
９９０−３）に発表された研究論文（論文Ｎｏ．８９−
０９１６Ｂ）、「リニアモータを用いたアクティブ微振
動除振装置の研究」（藤田隆史他４名）にその一例が示
されている。

【０００５】この研究論文では、除振装置のアクチュエ
ータとしてボイスコイル形リニアモータが用いられ、空
気ばねは搭載機器の重量変化に対して支持テーブルが定
位置を保つように空気圧制御されている。そして、上記
リニアモータコイルは、空気圧制御とは別個に、加速度
センサによる加速度信号を検出しこれを積分器で速度信
号に、さらに積分して変位信号を得、これらをディジタ
ル信号に変換した後コンピュータ制御により制御されて
いる。

【０００６】従来の防振装置の他の一例として、同じく
日本機械学会論文集（Ｃ編）、５７巻５３４号（１９９
１−２）に発表された研究論文（論文Ｎｏ．９０−０８
２９Ａ）、「精密除振装置のアクティブコントロール」
（岩田義明他４名）に精密除振装置が記載されている。

【０００７】この例の除振装置はアクティブ系とされ、
前記第一の研究論文のようにリニアコイルモータは設け
られておらず、その代り空気ばねに空気源から送り込ま
れる空気量を入口付近に設けたサーボバルブを制御する
方法が採用されている。この制御システムは台に設置さ
れた加速度センサと、台とベース間に設けた変位センサ
からの信号を積分器を介して制御系に送り、相対変位、
加速度、速度信号に基づく指令信号によりサーボバルブ
の開閉を制御し内圧を制御するものである。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前述した第
二の研究論文でも指摘しているように、電子顕微鏡、レ
ーザ装置や半導体関係などの精密加工機械の高精度、高
速化に行なって、測定精度や加工精度は１ｎｍが現実の
目標とされ、微小振動の影響が直接機器の性能を左右す
るまでとなっている。

【０００９】従って、超精密機器等では空気ばねなどを
設けるだけの受動的な防振装置では微小振動を許容範囲
内に抑制することは困難であり、積極的に微小振動を除
去できる能動的な防振装置が所望されている。そして、
上記２つの研究論文はいずれも能動的な防振装置を目的
とするものである。

【００１０】しかしながら、上記２つの研究論文による
防振装置は、第一のものでは空気ばねとリニアコイルモ
ータがそれぞれ独立に台上に適宜配置で分散して設けら
れているため、機器全体が大型となりコストが増大す
る。制御方法としては、空気ばねの空気圧制御と加速度
センサによるリニアモータのフィードバック制御がそれ
ぞれ別個の系統として行なわれるため、超微小な除振条
件を満足させるにはなお不足であるという問題がある。

【００１１】又、第二の研究論文によるものでは、空気
ばねの内圧をサーボバルブにより制御する方法を採用し
ているため、機器の大型化は避けられるが、空気ばねの
超微小変位を内圧だけで制御するのはやはり振動抑制効
果が不十分であり、第一の研究論文のようにリニアコイ
ルモータによる制振力を併用する方が効果が大きい。

【００１２】さらに、空気ばねの固有振動数は数Ｈｚの
ものが得られ、低周波の防振が可能であるが、反面固有
振動数付近では振幅が入力の数倍にも増幅されるという
問題があり、低周波の防振においては防振効果に限界が
ある。

【００１３】この発明は、上述した従来の空気ばねを用
いた防振装置の現状に留意して、空気ばねと電磁振動吸
収体を一体化して構成することによって低い固有振動数
の振動から極めて微小な高い振動数の振動までを防振し
得るコンパクトで小型化した経済的に安価な防振装置を
提供することを課題とする。

【００１４】さらに上記一体化された防振装置に対し、
空気ばねの空気圧制御と電磁振動吸収体の励磁を同時に
行なって防振装置による振動除去を有効に作用させ微小
振動までを完全に除去し得る制御方法を提供することを
もう１つの課題とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記第一の課題を解決す
る手段としてこの発明では、空気ばねと電磁力振動吸収
体を備え、そのいずれか一方を他方の内部に設けて一体
化した防振装置の構成としたのである。

【００１６】この場合、前記空気ばねを、気密弾性膜か
ら成る袋体の内部に圧縮空気を封入したものとし、電磁
力振動吸収体を、円筒部材にボイスコイルを巻装しこれ
を半径方向に磁極が対向する環状磁石間の空隙内に挿置
して成るボイスコイルモータとした防振装置の構成とし
てもよい。

【００１７】あるいは、前記空気ばね内に電磁力振動吸
収体を備えて一体化し、電磁力振動吸収体は電磁石と、
電磁石によって吸収力又は反発力を発生させる物体を電
磁石に対し微小ギャップを設けて対向配置したものとし
た防振装置の構成としてもよい。

【００１８】又、第二の課題を解決する手段としてこの
発明では、空気ばねと電磁力振動吸収体のいずれか一方
を他方の内部に一体化して設けた防振装置に対して、防
振装置に取付けた加速度センサの出力信号とその積分信
号のいずれか又は両方に基づいて振動吸収体の振動をフ
ィードバック制御により電磁的に制御し、かつ空気ばね
の圧縮量を検出する変位センサの出力信号とその積分信
号のいずれか又は両方に基づいて空気ばね圧縮量が設定
値になるように空気圧を制御することから成る防振装置
の制御方法としたのである。

【００１９】この場合は、前記防振装置に対して、空気
ばねの圧縮量を検出する変位センサの出力信号を微分
し、その微分信号に基づいて振動吸収体の振動をフィー
ドバック制御により電磁的に制御し、かつ上記変位セン
サの出力信号とその積分信号のいずれか又は両方に基づ
いて空気ばね圧縮量が設定値になるように空気圧を制御
するようにした制御方法としてもよい。

【００２０】

【作用】上記構成の防振装置は、制御方法の発明による
方法で制御される。防振装置の制御は空気ばねの空気圧
を制御することと、振動を直接的能動的に制御すること
の２面から行なわれる。

【００２１】空気ばね自体の固有振動数は、この発明の
場合も極めて低く数Ｈｚ程度である。空気圧をその支持
荷重の大きさによって最も減衰率が大きくなるように調
整する。この調整は調整弁の開度を変位センサの信号に
基づいて制御することによって行なわれる。

【００２２】調整弁を制御する場合、変位センサの信号
とその積分信号の組合せにより行なわれ、変位センサ信
号の大きさに直接比例して変位を最小とするようにし、
かつ積分信号は所定時間内の変位信号の平均値となる値
に制限するのに用いる。これによって大まかな振動は殆
んど減衰できる。

【００２３】電磁振動吸収体は、ボイスコイルモータあ
るいは電磁石を組合せたもののいずれかが用いられる
が、振動吸収作用としては基本的には同じであり、支持
負荷からの振動による変位を加速度としてあるいは変位
を直接的に測定することによりその信号をフィードバッ
クして電磁的に反作用を与え、それによって振動を打消
すように作動する。

【００２４】この電磁力による反作用力は極めて微小な
変位に対しても有効に作用し、空気ばね内でこれと一体
化した構造のものに作用させることによって振動を完全
に抑制することができるのである。

【００２５】

【実施例】以下この発明の実施例について図面を参照し
て説明する。

【００２６】図１は第一実施例の防振装置の主要断面図
である。この実施例は空気ばね１の内部に電磁力振動吸
収体としてのボイスコイルモータ２を内蔵した例を示
す。

【００２７】空気ばね１としては、通常のものと同様に
上板３、下板４の間に強力なタイヤコードで補強された
気密性の秀れたゴム膜（ゴムベローズ）から成る断面長
円状の袋体５を取付けたものであり、内部の空気室６に
は圧縮空気が封入され、その弾性を利用して空気ばねを
形成している。

【００２８】空気ばねの形式によっては上板３、下板４
を設けていないものもあるが、その場合は空気ばね内に
ボイスコイルモータを取付けるための部材があればよ
い。

【００２９】ボイスコイルモータ２は、上板３に取付け
た円環状のボビン７にボイスコイル８を巻回し、これを
円環状の隙間９を介して半径方向に磁極が対向するよう
に形成した磁石の上記隙間９に挿入し、磁石は例えば図
示のように中心側にＮ極に磁化された永久磁石１０のポ
ールピース１１とその外側にＳ極に磁化された円環状の
鉄心１２とから成る。

【００３０】１３は加速度センサ、１４は変位センサで
ある。

【００３１】図２は第二実施例の防振装置の主要断面図
である。この実施例では空気ばね１’をボイスコイルモ
ータ２’の内部に内蔵した例を示す。

【００３２】空気ばね１’は、上板３と下板４の間に設
けられたボイスコイルモータ２’の磁石と上板３の間に
第一実施例と同様なゴム膜の袋体５’を設けたものから
成り、その空気室６’に圧縮空気が封入される。

【００３３】ボイスコイルモータ２’は、第一実施例と
同様に、ボビン７、ボイスコイル８を隙間９に挿入し、
この隙間９を有する永久磁石１０とそのポールピース１
１、その外側に設けた鉄心１２とから成る。加速度セン
サ１３、変位センサ１４を同様に備えている。

【００３４】以上のように構成した２つの実施例のいず
れの場合も、防振装置として使用するときは空気ばね
１、１’に圧縮空気が送り込まれ空気圧を適宜調節し、
かつボイスコイルモータ２、２’には電磁力を及ぼして
防振装置の上部に設置される機器の振動が防止される。

【００３５】図３は第三実施例の防振装置の主要断面図
である。この実施例では、第一実施例と同様に空気ばね
１の内部に電磁力振動吸収体が内蔵されているが、電磁
力振動吸収体の構成はボイスコイルモータ２とは異な
り、電磁石と永久磁石の組合せから成る電磁石ユニット
２”が使用されている点が異なっている。

【００３６】電磁石ユニット２”は、永久磁石７”を鉄
心８”で囲んだものを上板に取り付け、これに所定距離
置いて設けられた鉄心１０”に円環状のコイル１１”を
巻装したものから成る。加速度センサ１３、変位センサ
１４をやはり設けてある。

【００３７】空気ばね１は、第一実施例と同様に上板３
と下板４の間に袋体５を設け、内部に圧縮空気を封入し
たものから成る。

【００３８】上記構成の防振装置においても、静的な高
さは変位センサ１４から得られる変位情報に基づいて空
気ばね１の空気圧を調整して行なう。振動の減衰は加速
度センサ１３の加速度信号に基づいて電磁石ユニット
２”の電磁力を調整して振動を打ち消すように作用させ
る。

【００３９】図４に、上記いずれかの防振装置を防振台
２０の上又は下に設けた例の平面図を示す。

【００４０】図５に、上記第一実施例の防振装置を制御
する制御回路の概略ブロック図を示す。なお、図示の例
では防振装置として第一実施例のものを示しているが、
第二実施例、第三実施例のものであっても同様な制御回
路により制御できることは説明するまでもないであろ
う。

【００４１】この制御回路は、主として３つの調整回路
から成り、その１つは加速度センサ１３により加速度信
号を検出するとその加速度信号のうちＤＣ成分（直流）
をフィルタ２１により除去し、変動信号成分のみを取り
出してゲイン調整器２２によりゲインを調整し、加算器
２５を介して他の信号と加算した後その信号に基づいて
パワーアンプ２６を制御して駆動電流をボイスコイルモ
ータ２へ送る回路である。

【００４２】上記ゲイン調整器２２の回路には、並列に
積分器２３とゲイン調整器２４が設けられ、その出力信
号は加算器２５へ送られる。

【００４３】第２の調整回路は、変位センサ１４による
変位信号の系であり、変位信号を取り出すと微分器２７
によりその信号を微分し、微分信号をゲイン調整器２８
でゲイン調整して加算器２５へ加える回路である。

【００４４】第３の調整回路は、上記変位センサ１４の
変位信号を分岐してゲイン調整器２９へ送り、これを加
算器３２へ加算してその出力信号により調整弁３３を制
御すると共に減圧弁３３’を制御する回路である。この
調整弁３３等を制御する回路にはゲイン調整器２９の回
路と並列に積分器３０及びゲイン調整器３１の回路が設
けられている。調整弁３３は高圧空気タンク３４からの
圧縮空気を調整して空気ばね１の高さ変位を調整する。
減圧弁３３’は空気ばね１の内圧が設定値以下となるよ
うに調整する。

【００４５】上記制御回路では、上述したように加算器
２５には加速度信号からその直流分を除きその変化部分
を表わす信号と、その信号を積分した信号と、さらに変
位センサ１４で検出された信号を微分した信号とが加え
られ、その出力によってボイスコイルモータの励磁が制
御される。つまり、ＰＩＤ制御が行なわれる。

【００４６】この場合、第一の加速度信号と、これを積
分した速度信号と、変位の微分信号は、それぞれの信号
が最も大きくなる時間がそれぞれの変化の性質に応じて
異なり、従って加算器２５で加算された値のうちいずれ
かの信号の割合の大きい信号成分によって出力信号がパ
ワーアンプ２６に与えられ、パワーアンプ２６からの励
磁電流によってその変化を打消すようにボイスコイルモ
ータ２が励磁される。

【００４７】一方、変位センサ１４の信号によって調整
弁３３等を制御する回路では、加算器３２に対して変位
信号とその積分信号が与えられる。この場合も、それぞ
れの信号の占める割合の大きい信号によって調整弁３３
の開度及び減圧弁３３’の設定圧が制御され、空気ばね
１内の空気圧、従って上板３の高さ位置が設定値となる
ように調整される。

【００４８】以上が第一の制御方法を実施する回路の実
施例であるが、制御方法の他の例としては以上の回路の
一部を組合せたものとすることもできる（以下図示省
略）。

【００４９】例えば、第二の制御方法として上記加速度
センサ１３によりボイスコイルモータを制御する回路
と、変位センサ１４により調整弁３３等を制御する回路
の組合せ（系ＩとIII の組合せ）である。従って、この
場合は変位センサ１４の信号を微分器２７へ送る回路は
省略される。

【００５０】変位センサ１４の信号を微分器２７で微分
した信号は速度信号であるから、加速度センサ１３の信
号を積分した信号と結果的には同じものとなり、従って
微分器２７の回路は省略しても第一の制御方法と同様な
制御が行なえる。

【００５１】第三の制御方法としては、変位センサ１４
のみを設けその信号を微分器２７を介してパワーアンプ
２６へ与えてボイスコイルモータ２を制御し、かつ変位
センサ１４の信号で調整弁３３等を制御する回路の組合
せ（系IIとIII の組合せ）を採用することができる。こ
の場合は、加速度センサ１３が設けられていないから、
加算器２５も省略される。

【００５２】上記制御回路では、系IIの回路の速度信号
の大きさに比例してその速度の大きさの変位を打消すよ
うにパワーアンプ２６からの励磁によりボイスコイルモ
ータ２が制御される。系III の作用については第一の実
施例の場合と同じである。

【００５３】従って、この実施例においてもボイスコイ
ルモータ２の電磁制御と、調整弁３３による空気ばねの
空気圧の調整が行なわれる。

【００５４】

【効果】以上詳細に説明したように、この発明では空気
ばねと電磁力振動吸収体をいずれかを他方内に内蔵し一
体化した防振装置の構成としたから、装置全体をコンパ
クトで小型化したものとし、かつコストを低減でき、防
振装置全体の設計配置が有利になるなどの利点が得られ
る。

【００５５】上記防振装置を制御する方法の発明では、
加速度信号とその積分信号の組合せで振動吸収体の振動
を電磁的に制御しかつ変位センサの信号とその積分信号
の組合せにより空気ばねの空気圧を制御する第一の制御
方法、あるいは変位センサの信号を微分した信号により
振動吸収体の振動を電磁的に制御しかつ変位センサ信号
とその積分信号の組合せにより空気ばねの空気圧を制御
する第二の制御方法のいずれの場合であっても、一体化
構造とした振動吸収体の振動を電磁的に打消すと共に空
気ばねの空気圧を調整する方法の組合せとしたから、い
ずれか一方のみの制御又はそれぞれを個別に別体構造の
振動吸収体に対して行なう従来の方法に比べると、格段
に高精度な微小振動の抑制が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第一実施例の防振装置の主要断面図

【図２】第二実施例の防振装置の主要断面図

【図３】第三実施例の防振装置の主要断面図

【図４】いずれかの実施例を防振台に設置した場合の平
面図

【図５】上記防振装置を制御する方法を実施するための
制御回路の概略ブロック図

【図６】従来例の空気ばねの断面図

【図７】従来例の防振台上に設けた防振装置の配置図

【符号の説明】

１、１’ 空気ばね ２、２’ ボイスコイルモータ ３ 上板 ４ 下板 ５、５’ 袋体 ６、６’ 空気室 ７ ボビン ７” 永久磁石 ８ ボイスコイル ８” 鉄心 ９ 隙間 １０ 永久磁石 １０” 鉄心 １１ ポールピース １１” コイル １２ 鉄心 １３ 加速度センサ １４ 変位センサ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 空気ばねと電磁力振動吸収体を備え、そ
   のいずれか一方を他方の内部に設けて一体化したことを
   特徴とする防振装置。
2. 【請求項２】 前記空気ばねを、気密弾性膜から成る袋
   体の内部に圧縮空気を封入したものとし、電磁力振動吸
   収体を、円筒部材にボイスコイルを巻装しこれを半径方
   向に磁極が対向する環状磁石間の空隙内に挿置して成る
   ボイスコイルモータとしたことを特徴とする請求項１に
   記載の防振装置。
3. 【請求項３】 前記空気ばね内に電磁力振動吸収体を備
   えて一体化し、電磁力振動吸収体は電磁石と、電磁石に
   よって吸収力又は反発力を発生させる物体を電磁石に対
   し微小ギャップを設けて対向配置したものから成ること
   を特徴とする請求項１に記載の防振装置。
4. 【請求項４】 空気ばねと電磁力振動吸収体のいずれか
   一方を他方の内部に一体化して設けた防振装置に対し
   て、防振装置に取付けた加速度センサの出力信号とその
   積分信号のいずれか又は両方に基づいて振動吸収体の振
   動をフィードバック制御により電磁的に制御し、かつ空
   気ばねの圧縮量を検出する変位センサの出力信号とその
   積分信号のいずれか又は両方に基づいて空気ばね圧縮量
   が設定値になるように空気圧を制御することから成る防
   振装置の制御方法。
5. 【請求項５】 前記防振装置に対して、空気ばねの圧縮
   量を検出する変位センサの出力信号を微分し、その微分
   信号に基づいて振動吸収体の振動をフィードバック制御
   により電磁的に制御し、かつ上記変位センサの出力信号
   とその積分信号のいずれか又は両方に基づいて空気ばね
   圧縮量が設定値になるように空気圧を制御することを特
   徴とする請求項４に記載の防振装置の制御方法。