JPH10318324A - アクティブ除振装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明の目的は、高精度な制御に適した積層型
圧電アクチュエータを用いて、大きな変位振幅の床振動
に対しても性能を発揮することのできるアクティブ除振
装置を提供することである。 【解決手段】本発明は、ばね部材と振動減衰部材とから
なるパッシブ除振部材とこれに並列に設けた上下方向に
加力できる複数本の積層型圧電アクチュエータ、並びに
積層型圧電アクチュエータのストロークを拡大するてこ
部材と、制御対象物である機器の振動を検出して積層型
圧電アクチュエータを制御するコントローラとから構成
される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は精密機器を床振動に
対して振動的に絶縁するアクティブ除振装置に係わり、
特に大きな変位振幅をもつ床振動に対して好適な、アク
ティブ除振装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】電子顕微鏡のような精密機器では、一般
に、機器が設置される床面の振動が原因で画像精度ある
いは性能が低下する恐れがあるため、除振装置で支持さ
れた定盤上に設置される。除振装置としては、水平方向
及び上下方向に剛性の低い弾性体のばね部材、例えば、
コイルばね，空気ばね、もしくは防振ゴムなどと、減衰
効果を有する粘性ダンパ等の振動減衰部材との組み合わ
せが用いられることが多い。除振装置は床面からの微振
動を振動絶縁することによって、定盤及びこれに搭載さ
れた機器の応答の絶対加速度を低減（除振）する装置で
ある。

【０００３】しかしながら、パッシブ除振装置は必ず固
有振動数を持ち、しかもその固有振動数を下げるには限
度がある。一般に、パッシブ除振装置の固有振動数は１
〜３Ｈｚ程度となり、１.５ 〜４Ｈｚ以下の床振動に対
してはパッシブ除振装置による振動絶縁効果は得られな
い。これがパッシブ除振装置の問題点である。

【０００４】そこで、この様な問題点を解決する方法と
して、床振動の微振動に対して定盤の振動を能動的に抑
制する方法が考えられ、この方法の従来技術としては、
例えば、特開平1−307537号公報及び特開平2−228712号
公報に記載されているように、アクチュエータを用い、
定盤上の絶対加速度等をフィードバックして能動的に定
盤の振動の絶対加速度を抑制するアクティブ除振装置が
ある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来技術としてのアク
ティブ除振装置の原理によれば、床振動に対して機器を
搭載する定盤の振動を大幅に低減する効果が得られる。
微振動を制御するためのアクチュエータとして、積層型
圧電アクチュエータ，空気ばね式アクチュエータ、並び
にボイスコイルアクチュエータが用いられる。特に、積
層型圧電アクチュエータは高精度な制御に適している
が、ストロークが小さいことが問題点である。

【０００６】本発明の目的は、高精度な制御に適した積
層型圧電アクチュエータを用いて、大きな変位振幅の床
振動に対しても効果のあるアクティブ除振装置を提供す
ることである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的は、ばね部材
と振動減衰部材とからなるパッシブ除振部材と、これに
並列に設けられた積層型圧電アクチュエータ、並びにこ
の積層型圧電アクチュエータのストロークを拡大する拡
大機構部材から構成されるアクティブ除振部材と、定盤
と精密機器にこれらの加速度等を検出できる検出器を配
置し、この検出データに基づいてアクチュエータ部材を
制御するコントローラからなるアクティブ除振装置を設
けることによって達成される。すなわち、パッシブ除振
部材は精密機器を支持すると共に、適度に振動を減衰さ
せる。アクチュエータ部材は、高さを調整する高さ調整
部材上に設けられた積層型圧電アクチュエータの制御対
象物側に軸部材を設け、この軸部材に取り付けられた支
持部材と高さ調整部材に設けられた支点部材とにより、
てこ部材をピン結合で支持し、さらに、高さ調整部材に
設けられた板ばね部材により、てこ部材に適当な荷重を
予め掛けておくことにより、ピン結合部のがたをなくす
ことができる。また、床振動が制御対象外の高振動数成
分を含む場合には、これを除去するために、てこ部材が
制御対象物を支持する先端部に弾性体部材を用いる。こ
のアクチュエータ部材は高さ調整部材により、制御対象
物に押しつけるように設置する。

【０００８】

【発明の実施の形態】コントローラの増幅器により積層
型圧電アクチュエータに正の電圧が加えられると、積層
型圧電アクチュエータが伸びることにより、積層型圧電
アクチュエータに設けられた軸部材を介して支持部材が
アクチュエータ部材の伸び方向に変位するため、てこ部
材はその端部を支持部材と、支持部材の近傍に配置され
た支点部材とにピン結合されているので、制御対象物は
これを支持している側のてこ部材と共に、アクチュエー
タ部材の伸びと逆方向に移動する。また、積層型圧電ア
クチュエータに負の電圧が加えられると、軸部材及び支
持部材は積層型圧電アクチュエータと共に、圧縮方向に
変位し、そのため、制御対象物はてこ部材に押されて、
アクチュエータ部材の伸び方向に、移動することができ
る。従って、制御対象物に設けられた検出器の振動デー
タを用いて、コントローラによりアクチュエータ部材を
制御することによって変位振幅の大きい床振動に対して
も除振効果を発揮させることができる。

【０００９】以下、本発明のいくつかの実施例を、図面
を参照して説明する。

【００１０】まず、本発明の一実施例を図１と図２によ
り説明する。

【００１１】図２の実施例は電子顕微鏡１７に本発明の
アクティブ除振装置を適用した例である。このアクティ
ブ除振部材３ではアクチュエータ部材５を上下方向のみ
に設けた構成である。これは上下方向用のアクチュエー
タ部材５により、電子顕微鏡１７のチャンバー１４内に
設けられた試料台１４と電磁レンズの下部に設けられた
対物レンズ１５との間の相対変位を抑制する制御方式の
場合である。本発明のアクチュエータ部材５は水平方向
のアクチュエータとしても用いることができる。

【００１２】この実施例では、床１上に設置された配置
板２上に複数個のアクティブ除振部材３が設けられてい
る。このアクティブ除振部材３は制御対象物である電子
顕微鏡の重量を支持し、適当な振動減衰効果を有するパ
ッシブ除振部材４とこれに並列に設けられた上下方向用
のアクチュエータ部材５から構成されている。この複数
個のアクティブ除振部材は定盤６を支持する。さらに、
定盤６上に電子顕微鏡１７本体が搭載される。アクティ
ブ除振部材３を制御するために、例えば、図２に示すよ
うに、アクティブ除振部材３に設置されている定盤４上
の点の水平及び上下方向の加速度もしくは変位等、並び
に制御対象の電子顕微鏡１７の本体の振動モード等の振
動パラメータを把握するための加速度等を検出する検出
器７を必要に応じて複数個設ける。これらの検出器７か
らの信号はＡ／Ｄ変換器１０を通してＤＳＰ（ディジタ
ル・シグナル・プロセッサー）部材１１に入力され、こ
のＤＳＰ部材１１にはアクティブ除振部材３のアクチュ
エータ部材５を制御する制御プログラムが書き込まれて
おり、ＤＳＰ部材で高速に計算された信号はＤ／Ａ変換
器１２，増幅器１３を経て、アクチュエータ部材５を制
御する。なお、計算機９はアクチュエータ部材５の制御
開始，終了，ＤＳＰ部材１１に制御プログラムを書き込
み，修正及び制御状態の監視を行う際のモニタ等の機能
を持つ。

【００１３】次に、図１の（ａ）と（ｂ）により、本発
明のアクチュエータ部材５の実施例を説明する。図１の
（ａ）はアクチュエータ部材５の平面図であり、図１の
(ｂ)はアクチュエータ部材５の横断面図である。アクチ
ュエータ部材５の基本構成は積層型圧電アクチュエータ
２１，高さ調整部材３１，拡大機構部材３０及び弾性体
部材２７である。アクチュエータ部材５は、台座部材１
８とレベリングボルト１９からなる高さ調整部材３１上
に設けられた積層型圧電アクチュエータ２１と、高さ調
整部材３１上に設けられ、積層型圧電アクチュエータ２
１を保護するケース部材２０と、積層型圧電アクチュエ
ータ２１の上面に設けられ、ケース部材２０の上面穴部
を貫通してケース部材２０の外部に突き出した軸部材２
２と、この軸部材２２に取り付けられた支持部材２３と
ケース部材２０の上面の支持部材２３の近傍に設けられ
た支点部材２４とによって、ピン部材２６によりピン結
合で支持されたてこ部材２５、さらに、ケース部材２０
に設けられ、てこ部材２５に適当な荷重を予め掛けてお
くための板ばね部材２８と、さらに、床振動のうち、制
御対象外の高振動数成分を除去するために、てこ部材２
５の先端部に設けた弾性体部材２７から構成される。

【００１４】図１の（ａ）と（ｂ）のアクチュエータ部
材５には３つのてこ部材２５、並びにこれを支持する支
持部材２３，支点部材２４，板ばね部材２８及び弾性体
部材２７が設けられた実施例である。このアクチュエー
タ部材３は高さ調整部材３１のレベリングボルト１９に
より、定盤６に押しつけて設置される。また、板ばね部
材２８によりてこ部材２５に予め荷重を掛けておくこと
によって、ピン結合部のがたをなくすことができる。

【００１５】図１と図２を用いて、この実施例の作用を
説明する。

【００１６】床振動により、アクティブ除振部材３で支
持される定盤４と電子顕微鏡１７本体は水平，上下方向
に加振されるが、この時、アクチュエータ部材５が配置
されている定盤６の各点の水平及び上下方向の加速度も
しくは変位、並びに制御対象の電子顕微鏡１７の水平方
向の加速度等を検出する検出器７の出力信号がＡ／Ｄ変
換器１０を通してＤＳＰ部材１１に入力され、この信号
に基づいて計算された制御電圧は、Ｄ／Ａ変換器１２及
びを増幅器１３を通して、アクチュエータ部材５を駆動
する。

【００１７】この時、増幅器１３により積層型圧電アク
チュエータ２１に正の電圧が加えられると、積層型圧電
アクチュエータ２１が伸びることにより、積層型圧電ア
クチュエータ２１に設けられた軸部材２２を介して支持
部材２３がアクチュエータ部材２１の伸び方向に変位す
るため、てこ部材２５はその端部を支持部材２３と、支
持部材２３の近傍に配置された支点部材２４とにピン結
合されているので、定盤６はてこ部材２５の先端部と共
に、アクチュエータ部材２１の伸びと逆方向に移動す
る。

【００１８】しかも、てこ部材２５の先端のストローク
は、てこ部材２５のてこ比、すなわち、（支点部材２４
とてこ部材２５の先端間の距離／支点部材２４と支持部
材２３間の距離）に比例して、積層型圧電アクチュエー
タ２１のストロークを拡大することができる。また、積
層型圧電アクチュエータ２１に負の電圧が加えられる
と、軸部材２２及び支持部材２３は積層型圧電アクチュ
エータ２１と共に、圧縮方向に変位し、そのため、定盤
６はこれを支持している側のてこ部材２５と共に、アク
チュエータ部材５の伸び方向に、移動することができ、
しかもてこ部材２５のてこ比に比例したストロークを出
すことができる。従って、定盤６と電子顕微鏡１７に設
けられた検出器７から得られる振動データを用いて、コ
ントローラ８により複数台のアクチュエータ部材５を制
御することによって変位振幅の大きい床振動に対しても
除振効果を発揮させることが可能である。

【００１９】図３にはアクチュエータ部材５の別の実施
例の縦断面図を示す。このアクチュエータ部材５におい
ては、図１及び図２の高さ調整部材３１が、配置板２に
設けられた円筒部材３４とこの円筒部材３４の内側にね
じ込まれた移動部材３３、並びに移動部材３３の上部中
央部にユニバーサルジョイント部材３２の球面部を支持
する外枠部が固定され、ユニバーサルジョイント部材３
２によりケース部材２０の下面が支持された構造となっ
ている。また、移動部材３３のフランジ部には移動部材
３３を円筒部材３４のねじ部にねじ込みやすいように、
ローレットが設けられている。ケース部材２０と移動部
材３３の間にユニバーサルジョイント部材３２が設けら
れているのは、設置板２と定盤６との間の平行度がでて
いない時にも複数個のてこ部材２５が均一に定盤６を支
持できるようにするためである。

【００２０】さらに、図４の（ａ）と（ｂ）に別の実施
例の平面図と立面図を示す。

【００２１】図４の（ａ）と（ｂ）の実施例は重量の大
きな制御対象物に対応できるように、各構成要素の強度
を上げることのできる構造になっている。台座部材１８
上に積層型圧電アクチュエータ２１が設けられ、積層型
圧電アクチュエータ２１を頂点として、二等辺三角形を
構成するように、２つの支柱部材３５が積層型圧電アク
チュエータ２１に接近して設けられる。また、てこ部材
２５の一端が積層型圧電アクチュエータ２１の上部に配
置されるように設けられ、対面する２つの支柱部材３５
間に設けられたピン部材２６によりてこ部材３５の一部
が支点として支持され、てこ部材２６の他端には弾性体
部材２７を設けて、定盤６を支持する。

【００２２】さらに、支柱部材３５と積層型圧電アクチ
ュエータ２１側のてこ部材２５間に板ばね部材２８を設
けて、てこ部材２５を積層型圧電アクチュエータ２１に
押しつけるようにしてある。てこ部材２５と積層型圧電
アクチュエータ２１とが接触する部分には、積層型圧電
アクチュエータ２１の中央部でてこ部材２５を押すこと
ができるように、凸面形状をした接触部材３６が設けら
れている。なお、この実施例では積層型圧電アクチュエ
ータ２１を保護するケース部材が設けられていないが、
実際にはケース部材を設けた方が良い。本実施例の作動
原理は、図１と同様である。

【００２３】

【発明の効果】上述のとおり本発明によれば、変位振幅
の大きい床振動入力に対しても振動低減効果の大きいア
クティブ除振装置を提供することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】この（ａ）と（ｂ）は本発明のアクティブ除振
装置におけるアクチュエータ部材の平面図と縦断面図で
ある。

【図２】本発明のアクティブ除振装置を電子顕微鏡に適
用した実施例の縦断面図である。

【図３】本発明の別の実施例の縦断面図である。

【図４】この（ａ）と（ｂ）は本発明の別の実施例の平
面図と縦断面図である。

【符号の説明】

１…床、２…配置板、３…アクティブ除振部材、４…パ
ッシブ除振部材、５…アクチュエータ部材、６…定盤、
７…検出器、８…コントローラ、９…計算機、１０…Ａ
／Ｄ変換器、１１…ＤＳＰ部材、１２…Ｄ／Ａ変換器、
１３…増幅器、１４…試料台、１５…対物レンズ、１６
…電子銃、１７…電子顕微鏡、１８…台座部材、１９…
レベルボルト、２０…ケース部材、２１…積層型圧電ア
クチュエータ、２２…軸部材、２３…支持部材、２４…
支点部材、２５…てこ部材、２６…ピン部材、２７…弾
性体部材、２８…板ばね部材、２９…固定ボルト、３０
…拡大機構部材、３１…高さ調整部材、３２…ユニバー
サルジョイント部材、３３…移動部材、３４…円筒部
材、３５…支柱部材、３６…接触部材。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】床と、機器を搭載する定盤との間に設け
   た、弾性体であるばね部材、あるいはこのばね部材と振
   動減衰部材から構成されるパッシブ除振部材と、アクチ
   ュエータ部材と、これを制御するために設けた検出器と
   コントローラからなるアクティブ除振装置において、パ
   ッシブ除振部材とアクチュエータ部材を並列に配置し、
   このアクチュエータ部材のストロークを拡大する拡大機
   構部材と高さ調整する高さ調整部材、並びに高振動数成
   分を遮断するために弾性体部材を用いることを特徴とす
   るアクティブ除振装置。