JPH1037524A - 水平二方向可動装置の駆動制御方法及び駆動制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】装置の可動部に発生するねじりモーメントを消
去することにより、べアリングに作用する負荷を小さく
し、製作コストの低減、装置寿命の長期化を図り、また
制御性能にすぐれた水平二方向可動装置の駆動制御方法
及び制御装置を提供する。 【解決手段】互いに直交する水平な第１及び第２の方向
Ｘ、Ｙに直線運動する可動部材１０と、可動部材１０に
推力を与えるための第１及び第２の方向Ｘ、Ｙについて
それぞれ複数台設けられたアクチュエータ１４、１５、
１８、１９とを備えた水平二方向可動装置の駆動制御方
法であって、可動部材１０に与える第１及び第２の方向
の必要全推力ＦX、ＦYと、可動部材１０の第１及び第２
の方向Ｘ、Ｙの変位ΔＸ、ΔＹとから、可動部材１０の
重心回りの水平面内のモーメントの和が零となるよう
な、アクチュエータ１４、１５、１８、１９の台数に応
じた複数の分配推力ｆx1、ｆx2、ｆY1、ｆY2を演算し、
この分配推力を発生するように各アクチュエータの駆動
を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、水平二方向可動
装置の駆動制御方法及び駆動制御装置に関し、さらに詳
細には、アクティブ・マス・ダンパ等の慣性力制御型制
振装置や、振動台、起振器等に適用される技術に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、高層建築物や、いわゆるペンシル
ビルのような構造物においては、構造物の上部に設置し
たマスに働く慣性力を利用して、地震、風等の外乱によ
る振動を制御する制振装置、例えばアクティブ・マス・
ダンパに代表される慣性力制御型制振装置が提案され、
実施されている。

【０００３】従来、このような制振装置や、その他振動
台、起振器等に適用される振動発生装置として、可動テ
ーブルを上下２段の可動部によって構成し、ＡＣサーボ
モータ等のアクチュエータの駆動により、水平二方向す
なわち例えば上段可動部をＸ軸方向、下段可動部をＹ軸
方向に加力するものが知られている。このような従来の
装置において、可動テーブルをＸ、Ｙ各軸方向に関し、
各１台のアクチュエータで加力する構成が採用されてい
る。これは、一般にはアクチュエータの駆動制御方式と
して、速度／変位制御方式が採用され、この場合１つの
自由度に関して可動テーブルを複数のアクチュエータで
加力しようとすると、装置の機械的性質やセンサ誤差の
影響により、アクチュエータ間に相互作用（競り合い）
が発生し、正常な駆動が困難となるからである。

【０００４】しかし、このような駆動方式では、図８に
示すように、例えば、可動テーブルの上段可動部５０が
Ｘ軸方向に移動した状態で、下段可動部を加力すること
により上段可動部５０をＹ軸方向に移動させようとする
と、上段及び下段を含めた可動部全体の重心ＧはＧ´に
移動しているため、重心位置と推力ＦYの作用点との間
でＸ軸方向にΔＸだけの変位が生じ、水平面内のねじり
モーメントＭが発生する。

【０００５】このため、ガイドベアリングには、装置可
動部の積載荷重による鉛直荷重の他に、水平面内のねじ
りモーメントを受けるため水平荷重も作用することとな
り、その結果、ベアリング等の選定に際し、大きなサイ
ズのものが必要となり、製作コストが高くならざるを得
なかった。さらに、水平面内のねじりモーメントにより
ベアリングに作用する水平荷重は、その大きさや変動が
装置の運動状態に依存して大きくなるなるため、設計時
における装置寿命の推定などに困難があった。

【０００６】また、水平面内のねじりモーメントが発生
すると、ベアリングに作用する荷重が変化するため、摩
擦抵抗力が変化し、制御性能にも影響を及ぼすという問
題も生じていた。しかも、この影響は装置の平面的な大
きさに対する装置の有効ストロークの比が大きいほど、
すなわちコンパクトな装置で大ストロークを実現しよう
とするほど顕著になり、機構設計における大きな問題点
となっていた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】この発明は上記のよう
な技術的背景に基づいてなされたものであって、次の目
的を達成するものである。

【０００８】この発明の目的は、装置の可動部に発生す
るねじりモーメントを消去することにより、べアリング
に作用する負荷を小さくし、製作コストの低減、装置寿
命の長期化を図り、また制御性能にすぐれた水平二方向
可動装置の駆動制御方法及び制御装置を提供することに
ある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この発明は上記課題を達
成するために、次のような手段を採用している。

【００１０】すなわち、この発明は、互いに直交する水
平な第１及び第２の方向に直線運動する可動部材と、こ
の可動部材に推力を与えるための前記第１及び第２の方
向についてそれぞれ複数台設けられたアクチュエータと
を備えた水平二方向可動装置の駆動制御方法であって、
前記可動部材に与える第１及び第２の方向の必要全推力
と、前記可動部材の前記第１及び第２の方向の変位とか
ら、前記可動部材の重心回りの水平面内のモーメントの
和が零となるような、前記アクチュエータの台数に応じ
た複数の分配推力を演算し、この分配推力を発生するよ
うに前記各アクチュエータの駆動を制御することを特徴
とする水平二方向可動装置の駆動制御方法にある。

【００１１】またこの発明は、前記アクチュエータがサ
ーボモータからなり、前記分配推力を発生するようにト
ルクを制御することを特徴とする水平二方向可動装置の
駆動制御方法にある。

【００１２】さらにこの発明は、互いに直交する水平な
第１及び第２の方向に直線運動する可動部材と、この可
動部材に推力を与えるための前記第１及び第２の方向に
ついてそれぞれ複数台設けられたアクチュエータとを備
えた水平二方向可動装置の駆動制御装置であって、前記
可動部材に与える前記第１及び第２の方向の必要全推力
指令を出力する手段と、前記可動部材の前記第１及び第
２の方向の変位を検出する手段と、検出された変位と必
要全推力とから、前記可動部材の重心回りの水平面内の
モーメントの和が零となるような、前記アクチュエータ
の台数に応じた複数の分配推力を演算し、各アクチュエ
ータに与える分配推力指令を出力する手段とを備えてな
ることを特徴とする水平二方向可動装置の駆動制御装置
にある。

【００１３】この発明によれば、第１及び第２の方向に
ついて複数台のアクチュエータで可動部材に推力を与
え、その際、第１及び第２の方向の変位に応じて、可動
部材の重心回りの水平面内のねじりモーメントの和が零
となるように全推力を複数に分配して可動部材に与える
ので、可動部に発生するねじりモーメントが消去され、
ベアリングに作用する負荷が小さくなる。

【００１４】

【発明の実施の形態】この発明の実施の形態を図面を用
いて以下に説明する。図１は、この発明による駆動制御
方法及び駆動制御装置が適用可能な水平二方向可動装置
の可動部支持ユニットを示す斜視図である。可動部支持
ユニット１は、上側リニア軸受２及び下側リニア軸受３
からなる２つのリニア軸受と、推力伝達機構４とを備え
ている。上側リニア軸受２及び下側リニア軸受３は互い
に直交する水平二方向の相対直線運動を案内するための
ものであり、それぞれ上側ガイドレール２ａ及び下側ガ
イドレール３ａと、各ガイドレール２ａ、３ａが装着さ
れる溝形の上側ガイドレール受け２ｂ及び下側ガイドレ
ール受け３ｂとを有してる。

【００１５】上側ガイドレール受け２ｂ及び下側ガイド
レール受け３ｂには、それぞれ上向き及び下向きの案内
面２ｃ、２ｄが形成され（図２参照）、上側ガイドレー
ル２ａ及び下側ガイドレール３ａは各案内面２ｃ、２ｄ
に転動体保持器５を介して相対直線運動自在に装着され
ている。

【００１６】推力伝達機構４は上側ガイドレール受け２
ｂ及び下側ガイドレール受け３ｂ間に固定されたボール
ナット６と、このボールナット６に螺着されたボールね
じ７とからなっている。ボールねじ７は下側リニア軸受
３と同方向に延び、したがって推力伝達機構４はボール
ねじ７の回転により下側リニア軸受３に相対直線運動を
生じさせる。

【００１７】図３は上述の可動部支持ユニットを用いた
水平二方向可動装置の全体を示す斜視図、図４は可動テ
ーブルを除去した状態の平面図、図５は側面図である。

【００１８】可動部支持ユニット１は４基用いられ、そ
のうちの２基が可動部材である可動テーブル１０をＸ軸
方向（第１の方向）に駆動するためのものであり、他の
２基が可動テーブル１０をＸ軸方向と直交するＹ軸方向
（第２の方向）に駆動するためのものであり、それぞれ
符号に添字Ｘ、Ｙを付してある。

【００１９】Ｘ軸方向駆動用の可動部支持ユニット１
Ｘ、１Ｘは、それらの下側リニア軸受３がＸ軸方向に沿
って互いに平行となるように、すなわち推力伝達機構４
がＸ軸方向の推力を伝達するように互いに間隔を置いて
ベースである基礎フレーム１１上に配置され、下側ガイ
ドレール３ａが基礎フレーム１１に固定されている。可
動部支持ユニット１Ｘ、１Ｘのボールねじ７、７の両端
は軸受ブラケット１２によって支持され、これらのボー
ルねじ７、７の一端にはカップリング１３を介して第
１、第２のＸ軸サーボモータ１４、１５が連結されてい
る。

【００２０】同様に、Ｙ軸方向駆動用の可動部支持ユニ
ット１Ｙ、１Ｙも、それらの下側リニア軸受３がＹ軸方
向に沿って互いに平行となるように、すなわち推力伝達
機構４がＹ軸方向の推力を伝達するように互いに間隔を
置いて基礎フレーム１１上に配置され、下側ガイドレー
ル３ａが基礎フレーム１１に固定されている。可動部支
持ユニット１Ｙ、１Ｙのボールねじ７、７の両端は軸受
１６によって支持され、これらのボールねじ７、７の一
端にはカップリング１７を介して第１、第２のＹ軸サー
ボモータ１８、１９が連結されている。可動テーブル１
０のアクチュエータである第１、第２のＸ軸サーボモー
タ１４、１５及び第１、第２のＹ軸サーボモータ１８、
１９は、Ｘ、Ｙ各軸方向に関してそれぞれ対角位置に配
置され、これらのサーボモータ１４、１５、１８、１９
はこの実施の形態ではＡＣサーボモータが用いられてい
る。

【００２１】可動テーブル１０は可動部支持ユニット１
Ｘ、１Ｘ、１Ｙ、１Ｙ全体に亘ってそれらの上側ガイド
レール２ａに固定され、支持されている。可動テーブル
１０はＸ軸サーボモータ１４、１５及びＹ軸サーボモー
タ１８、１９の駆動により、可動部支持ユニット１Ｘ、
１Ｘ、１Ｙ、１Ｙを介して推力を与えられ、Ｘ、Ｙ軸方
向に運動する。すなわち、Ｘ軸サーボモータ１４、１５
が駆動されると、可動部支持ユニット１Ｘ、１Ｘの各ボ
ールねじ７が回転し、下側リニア軸受３にＸ軸方向の相
対直線運動が生じる。これにより、可動テーブル１０が
Ｘ軸方向に直線運動し、その際、可動部支持ユニット１
Ｙ、１Ｙに関しては、上側リニア軸受２にＸ軸方向の相
対直線運動が生じる。

【００２２】同様に、Ｙ軸サーボモータ１８、１９が駆
動されると、可動部支持ユニット１Ｙ、１Ｙの各ボール
ねじ７が回転し、下側リニア軸受３にＹ軸方向の相対直
線運動が生じる。これにより、可動テーブル１０がＹ軸
方向に直線運動し、その際、可動部支持ユニット１Ｘ、
１Ｘに関しては、上側リニア軸受２にＹ軸方向の相対直
線運動が生じる。

【００２３】図６は上記水平二方向可動装置の駆動制御
方法及び駆動制御装置を説明するためのブロック図であ
る。制御装置２０はフィードバック制御コントローラ２
１と、分配推力演算回路２２とを備えている。水平二方
向可動装置が例えば、制振装置として使用される場合、
フィードバック制御コントローラ２１は、建物の揺れに
応じて設定される制御目標値と、加速度検出器等により
検出されてフィードバックされる可動テーブル１０の運
動状態量との偏差に基づき、Ｘ軸方向の全推力ＦX及び
Ｙ軸方向の全推力ＦYを算出し、各軸方向の全推力指令
を出力する。これらの全推力指令は分配推力演算回路２
２に入力される。

【００２４】分配推力演算回路２２は、Ｘ軸方向演算器
２３と、Ｙ軸方向演算器２４とからなっている。可動テ
ーブル１０にはＸ軸方向変位検出器２５と、Ｙ軸方向変
位検出器２６とが設けられている。変位検出器２５、２
６の検出値ΔＸ、ΔＹは、それぞれＹ軸方向演算器２４
及びＸ軸方向演算器２３に入力される。各演算器２３、
２４は全推力ＦX、ＦYと変位ΔＸ、ΔＹとから、可動テ
ーブル１０の重心回りのねじりモーメントの和が零とな
るような、２つの分配推力をＸ軸方向及びＹ軸方向につ
いて演算する。

【００２５】ここで、分配推力の演算方法を図７を参照
して説明する。装置中心と可動テーブル１０の重心Ｇが
一致した状態での、重心Ｇを原点とするＸ、Ｙ座標を考
える。可動テーブル１０がＸ軸方向にΔＸ変位し、重心
がＧ´に移動した状態で、可動テーブル１０にＹ軸方向
の全推力ＦYを与える場合、同方向の分配推力ｆY1、ｆY
2は、次の条件式（１）、（２）により演算される。

【００２６】 ｆY1＋ｆY2＝ＦY （１） （ΔＸ−Ｌ）・ｆY2＋（ΔＸ＋Ｌ）・ｆY1＝０ （２） 同様に、可動テーブル１０がＹ軸方向にΔＹ変位した状
態で、可動テーブル１０にＸ軸方向の全推力ＦXを与え
る場合、同方向の分配推力ｆX1、ｆX2は、次の条件式
（３）、（４）により演算される。

【００２７】 ｆX1＋ｆX2＝ＦX （３） （ΔＹ−Ｌ）・ｆX2＋（ΔＹ＋Ｌ）・ｆX1＝０ （４） 上記各式において、ＬはＸ軸サーボモータ１４、１５及
びＹ軸サーボモータ１８、１９の作用点のＸ、Ｙ座標原
点からのＸ、Ｙ軸方向距離である。

【００２８】Ｘ軸方向演算器２３及びＹ軸方向演算器２
４は、それぞれ分配推力ｆX1、ｆX2及び分配推力ｆY1、
ｆY2に応じた分配推力指令を第１、第２Ｘ軸サーボモー
タ１４、１５及び第１、第２Ｙ軸サーボモータ１８、１
９に与え、可動テーブル１０を加力する。この場合、各
分配推力指令は各サーボモータにトルク指令として与え
られ、各サーボモータの駆動トルクが制御される。

【００２９】このように、可動テーブル１０には条件式
（１）、（２）、（３）、（４）を満足するような分配
推力が与えられるので、可動テーブル１０に発生する水
平面内のねじりモーメントが消去される。

【００３０】この発明による駆動制御方法及び駆動制御
装置が適用される水平二方向可動装置は、上記実施の形
態に限られるものではない。すなわち、上記実施の形態
の水平二方向可動装置は、Ｘ、Ｙ各軸方向について２台
のアクチュエータが設けられているが、複数台であれば
３台以上であっても、この発明による駆動制御方法及び
駆動制御装置を適用することができ、台数に応じて各ア
クチュエータに分配推力を発生させることにより、可動
テーブルの水平面内に発生するねじりモーメントを消去
することができる。したがって、条件式（１）、
（２）、（３）、（４）は、Ｘ、Ｙ各軸方向について２
台のアクチュエータが設けられた場合のものにすぎな
い。

【００３１】さらに、アクチュエータとしてはＡＣサー
ボモータに限らず、ＤＣサーボモータを用いてもよく、
さらにサーボモータ以外の流体圧シリンダ等他のアクチ
ュエータを用いてもよい。

【００３２】

【発明の効果】以上のようにこの発明によれば、装置の
可動部に発生するねじりモーメントが消去されるので、
リニア軸受に作用する負荷が小さくなり、製作コストの
低減、装置寿命の長期化を図ることができ、また制御性
能にすぐれたものとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１はこの発明による駆動制御方法法及び駆動
制御装置が適用される水平二方向可動装置の可動部支持
ユニットを示す斜視図である。

【図２】図２は同支持ユニットのガイドレール等を除去
した状態の斜視図である。

【図３】図３はこの発明による駆動制御方法法及び駆動
制御装置が適用される水平二方向可動装置を示す斜視図
である。

【図４】図４は同装置の可動テーブルを除去した状態の
平面図である。

【図５】図５は同装置の側面図である。

【図６】図５はこの発明による駆動制御方法及び駆動制
御装置を説明するためのブロック図である。

【図７】図７は分配推力の演算方法を説明するための図
である。

【図８】図８は従来の装置において発生するねじりモー
メントを説明するための図である。

【符号の説明】

１…可動部支持ユニット ２…上側リニア軸受 ２ａ…上側リニアガイドレール ２ｂ…上側リニアガイドレール受け ３…下側リニア軸受 ３ａ…下側リニアガイドレール ３ｂ…下側リニアガイドレール受け ４…推力伝達機構 ６…ボールナット ７…ボールねじ １０…可動テーブル １１…基礎フレーム １４…第１のＸ軸サーボモータ １５…第２のＸ軸サーボモータ １８…第１のＹ軸サーボモータ １９…第２のＹ軸サーボモータ ２０…制御装置 ２１…フィードバック制御コントローラ ２２…分配推力演算回路 ２３…Ｘ軸方向演算器 ２４…Ｙ軸方向演算器 ２５…Ｘ軸方向変位検出器 ２６…Ｙ軸方向変位検出器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 新谷 隆弘 千葉県船橋市前原東５−８−16 (72)発明者 森本 仁 千葉県成田市新泉９−１ 鉄建建設株式会 社技術研究所内 (72)発明者 林 郁夫 千葉県成田市新泉９−１ 鉄建建設株式会 社技術研究所内 (72)発明者 中村 豊 千葉県成田市新泉９−１ 鉄建建設株式会 社技術研究所内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】互いに直交する水平な第１及び第２の方向
   に直線運動する可動部材と、この可動部材に推力を与え
   るための前記第１及び第２の方向についてそれぞれ複数
   台設けられたアクチュエータとを備えた水平二方向可動
   装置の駆動制御方法であって、 前記可動部材に与える第１及び第２の方向の必要全推力
   と、前記可動部材の前記第１及び第２の方向の変位とか
   ら、前記可動部材の重心回りの水平面内のモーメントの
   和が零となるような、前記アクチュエータの台数に応じ
   た複数の分配推力を演算し、 この分配推力を発生するように前記各アクチュエータの
   駆動を制御することを特徴とする水平二方向可動装置の
   駆動制御方法。
2. 【請求項２】前記アクチュエータがサーボモータからな
   り、前記分配推力を発生するようにトルクを制御するこ
   とを特徴とする請求項１記載の水平二方向可動装置の駆
   動制御方法。
3. 【請求項３】互いに直交する水平な第１及び第２の方向
   に直線運動する可動部材と、この可動部材に推力を与え
   るための前記第１及び第２の方向についてそれぞれ複数
   台設けられたアクチュエータとを備えた水平二方向可動
   装置の駆動制御装置であって、 前記可動部材に与える前記第１及び第２の方向の必要全
   推力指令を出力する手段と、 前記可動部材の前記第１及び第２の方向の変位を検出す
   る手段と、 検出された変位と必要全推力とから、前記可動部材の重
   心回りの水平面内のモーメントの和が零となるような、
   前記アクチュエータの台数に応じた複数の分配推力を演
   算し、各アクチュエータに与える分配推力指令を出力す
   る手段とを備えてなることを特徴とする水平二方向可動
   装置の駆動制御装置。