JPH11141596A - Active vibration resistance device - Google Patents

Active vibration resistance device

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JPH11141596A
JPH11141596A JP31218097A JP31218097A JPH11141596A JP H11141596 A JPH11141596 A JP H11141596A JP 31218097 A JP31218097 A JP 31218097A JP 31218097 A JP31218097 A JP 31218097A JP H11141596 A JPH11141596 A JP H11141596A
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JP
Japan
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vibration
sensor
intermediate mass
mass element
signal
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Pending
Application number
JP31218097A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Masashi Yasuda
正志 安田
Fumiaki Itojima
史明 糸島
Masaki Tsuchiie
正樹 土家
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tokkyo Kiki KK
Original Assignee
Tokkyo Kiki KK
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an active vibration resistance device which can ensure a satisfactory vibration resisting performance in a high frequency region without generating a resonance point in a low frequency region. SOLUTION: Signals from a first sensor 16 to sense the vibrating condition of an object for vibration resistance O and a second sensor 17 to sense the vibrating condition of an intermediate mass element 13 are fed to a control device 18, whereby a signal is produced and emitted form generating a voltage change in the power input part 12 of a piezo element 11 so that a vibration to set off the vibration of object O in its working direction arise in the intermediate mass element 13.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば半導体製造
工場、レーザを用いた製品の製造工場における精密機器
の微振動を除去するのに適したアクティブ除振装置に関
するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an active vibration isolator suitable for removing fine vibrations of precision equipment in, for example, a semiconductor manufacturing plant or a product manufacturing plant using a laser.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、特開平5-149379号公報において、
ピエゾ素子を用いたアクティブ除振装置が提案されてい
る。このアクティブ除振装置は、薄肉弾性体と金属板と
を交互に積層した圧縮剛性が大きく、かつ剪断剛性が小
さいばね手段を用いた1自由度のばね質点系とピエゾ素
子を用いたアクチュエータとを含むフィードバック制御
ループを基本構造としたものである。この他、ばね質点
系に中間質量要素を介在させたアクティブ除振装置が提
案されている。このアクティブ除振装置は、この中間質
量要素の振動状態の検出値をフィードバック信号とし、
このフィードバック信号に基づき、中間質量要素に直結
したピエゾ素子を駆動するようにしたフィードバック制
御ループを基本構造としたものである。
2. Description of the Related Art Conventionally, in JP-A-5-149379,
An active vibration isolator using a piezo element has been proposed. This active vibration isolator is composed of a spring mass point system having one degree of freedom using a spring means having a large compression rigidity and a low shear rigidity in which thin elastic bodies and metal plates are alternately laminated, and an actuator using a piezo element. It has a basic structure including a feedback control loop. In addition, an active vibration isolator in which an intermediate mass element is interposed in a spring mass point system has been proposed. The active vibration isolation device uses the detected value of the vibration state of the intermediate mass element as a feedback signal,
Based on this feedback signal, a feedback control loop configured to drive a piezo element directly connected to the intermediate mass element has a basic structure.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】上述した各アクティブ
除振装置の場合、それらの高周波数領域における除振性
能はパッシブな除振特性に依存しているために、精密機
器等の微振動を除去する場合に、例えば、周波数が30
0Hz付近で、例えば−60dB程度の除振(−60d
Bの振動伝達率)をしようとする場合、以下に述べる不
都合が生じる。
In the case of each of the above-described active vibration isolation devices, the vibration isolation performance in the high frequency range depends on the passive vibration isolation characteristics, so that the fine vibrations of precision equipment and the like are eliminated. For example, if the frequency is 30
In the vicinity of 0 Hz, for example, vibration isolation of about −60 dB (−60 dB
In the case of trying to obtain the vibration transmission rate of B, the following disadvantages occur.

【0004】周波数が300Hz付近で−60dB程度
の除振を達成するためには、図7において曲線II(破
線)で示すように、上記アクティブ除振装置および除振
対象を含む振動系の共振点を3〜4Hz付近にする必要
がある。このため、ピエゾ素子の振幅を大きくするか、
上記ばね手段のばね定数を小さくしなければならない。
しかし、ピエゾ素子の振幅の大きさには限界がある故、
ピエゾ素子により10Hz以下の低周波数領域において
上記共振点を達成することは、事実上不可能である。他
方、ばね定数を小さくすると、除振対象の揺れの振幅が
大きくなるという問題が生じる。
In order to achieve a vibration isolation of about -60 dB at a frequency around 300 Hz, as shown by a curve II (broken line) in FIG. 7, a resonance point of the vibration system including the active vibration isolation device and the vibration isolation target is required. Needs to be around 3 to 4 Hz. Therefore, increase the amplitude of the piezo element,
The spring constant of the spring means must be reduced.
However, since the magnitude of the amplitude of the piezo element is limited,
It is practically impossible to achieve the above resonance point in a low frequency region of 10 Hz or less by a piezo element. On the other hand, when the spring constant is reduced, a problem arises in that the amplitude of the vibration of the vibration isolation target increases.

【0005】このため、1自由度系ばね質点系の場合、
図7において曲線III(一点鎖線)で示すように、上記
共振点は、せいぜい15Hz付近に設定するのが限度
(この値はアクチュエータの振幅に依存する)で、高周
波数領域で十分な除振性能を得ることはできない。ま
た、2自由度系ばね質点系の場合、図7において曲線IV
(二点鎖線)で示すように高周波数領域での除振性能は
改善されるが、上記共振点が二か所に生じる。本発明
は、斯る従来の問題点をなくすことを課題としてなされ
たもので、低周波数領域で共振点を生じることなく、高
周波数領域で十分な除振性能を得ることを可能としたア
クティブ除振装置を提供しようとするものである。
[0005] Therefore, in the case of a single-degree-of-freedom spring mass point system,
As shown by the curve III (dashed-dotted line) in FIG. 7, the resonance point can be set at around 15 Hz at most (this value depends on the amplitude of the actuator). Can not get. In the case of a two-degree-of-freedom spring mass point system, a curve IV in FIG.
As shown by the two-dot chain line, the vibration isolation performance in the high frequency region is improved, but the above-mentioned resonance point occurs at two places. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-described conventional problems, and has been made in consideration of the problem that active vibration isolation can be obtained in a high frequency region without generating a resonance point in a low frequency region. It is intended to provide a vibration device.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、第1発明は、内部に生じる電圧の変化或は磁場の変
化により変化する長さの方向に沿った作用方向における
一端が支持面に固定された固体素子と、この固体素子に
おける上記電圧或は磁場を変化させる動力入力部と、上
記作用方向において、上記固体素子の上記他端と除振対
象物との間に位置させられる中間質量要素と、一端が上
記中間質量要素に固定され、他端が上記除振対象物に固
定され、この中間質量要素と除振対象物とにばね作用を
及ぼす第1弾性部材と、一端が上記固体素子に固定さ
れ、他端が上記中間質量要素に固定され、この固体素子
と中間質量要素とにばね作用を及ぼす第2弾性部材と、
上記除振対象物の上記作用方向における振動状態を検出
する第1センサと、上記中間質量要素の上記作用方向に
おける振動状態を検出する第2センサと、上記第1セン
サ、第2センサから信号を入力され、上記除振対象物の
上記作用方向における振動を打消す振動を上記中間質量
要素に生じさせるように上記固体素子の上記動力入力部
に電圧変化或は磁場変化を生じさせるための信号を出力
する制御装置とから構成した。
According to a first aspect of the present invention, a support surface is provided at one end in a working direction along a length direction which changes due to a change in a voltage or a magnetic field generated inside. A solid-state element fixed to the solid-state element, a power input unit for changing the voltage or the magnetic field in the solid-state element, and an intermediate member located between the other end of the solid-state element and the object to be isolated in the action direction. A mass element, one end fixed to the intermediate mass element, the other end fixed to the vibration isolation target, a first elastic member that exerts a spring action on the intermediate mass element and the vibration isolation target; A second elastic member fixed to the solid element and having the other end fixed to the intermediate mass element, and exerting a spring action on the solid element and the intermediate mass element;
A first sensor for detecting a vibration state of the vibration isolation target in the working direction, a second sensor for detecting a vibration state of the intermediate mass element in the working direction, and signals from the first and second sensors. A signal for causing a voltage change or a magnetic field change in the power input unit of the solid-state element so as to cause the intermediate mass element to generate vibration that cancels the vibration in the action direction of the vibration isolation target in the input direction. And an output controller.

【0007】また、第2発明は、磁場の変化により変化
する長さの方向に沿った作用方向における一端が支持面
上に固定され、ばね作用を有するリニアモータと、この
リニアモータにおける上記磁場を変化させる動力入力部
と、上記作用方向において、上記リニアモータの他端に
固定された中間質量要素と、上記作用方向において、一
端が上記中間質量要素に固定され、他端が除振対象物に
固定され、この中間質量要素と除振対象物とにばね作用
を及ぼす第2弾性部材と、上記除振対象物の上記作用方
向における振動状態を検出する第1センサと、上記中間
質量要素の上記作用方向における振動状態を検出する第
2センサと、上記第1センサ、第2センサから信号を入
力され、上記除振対象物の上記作用方向における振動を
打消す振動を上記中間質量要素に生じさせるように上記
リニアモータの上記動力入力部に電圧変化或は磁場変化
を生じさせるための信号を出力する制御装置とから構成
した。
According to a second aspect of the present invention, there is provided a linear motor having one end fixed in a working direction along a length direction which changes due to a change in a magnetic field on a support surface, and having a spring action. A power input unit to be changed, an intermediate mass element fixed to the other end of the linear motor in the operation direction, and one end fixed to the intermediate mass element in the operation direction, and the other end to the vibration damping target. A second elastic member that is fixed and exerts a spring action on the intermediate mass element and the vibration isolation target; a first sensor that detects a vibration state of the vibration isolation target in the operation direction; A second sensor for detecting a vibration state in the action direction, a signal input from the first sensor and the second sensor, and a vibration for canceling the vibration in the action direction of the vibration-removal target. It was composed of a control unit for outputting a signal for causing a voltage change or the magnetic field change in the power input section of the linear motor so as to cause between the mass element.

【0008】さらに、第3発明は、空気圧力の変化によ
り変化する長さの方向に沿った作用方向における一端が
支持面上に固定され、ばね作用を有する空気アクチュエ
ータと、この空気アクチュエータにおける上記空気圧力
を変化させる動力入力部と、上記作用方向において、上
記空気アクチュエータの他端に固定された中間質量要素
と、上記作用方向において、一端が上記中間質量要素に
固定され、他端が除振対象物に固定され、この中間質量
要素と除振対象物とにばね作用を及ぼす第2弾性部材
と、上記除振対象物の上記作用方向における振動状態を
検出する第1センサと、上記中間質量要素の上記作用方
向における振動状態を検出する第2センサと、上記第1
センサ、第2センサから信号を入力され、上記除振対象
物の上記作用方向における振動を打消す振動を上記中間
質量要素に生じさせるように上記空気アクチュエータの
上記動力入力部に電圧変化或は磁場変化を生じさせるた
めの信号を出力する制御装置とから構成した。
Further, the third invention provides an air actuator having a spring action, one end of which is fixed on a support surface in a working direction along a length direction which changes due to a change in air pressure, and the air actuator in this air actuator. A power input unit for changing pressure, an intermediate mass element fixed to the other end of the pneumatic actuator in the operation direction, and one end fixed to the intermediate mass element in the operation direction, and A second elastic member fixed to the object and exerting a spring action on the intermediate mass element and the vibration isolation target; a first sensor for detecting a vibration state of the vibration isolation target in the operation direction; A second sensor for detecting a vibration state in the action direction of the first sensor and the first sensor.
A voltage change or a magnetic field is applied to the power input unit of the air actuator so that a signal is input from the sensor and the second sensor and a vibration is generated in the intermediate mass element to cancel the vibration of the vibration isolation target in the operation direction. And a control device for outputting a signal for causing a change.

【0009】さらに、第4発明は、上記制御装置が、上
記第1センサからの信号を第1制御要素、加算器、第2
制御要素を介して上記動力入力部にフィードバックする
メインフィードバック系と、第2センサからの信号を上
記加算器、上記第2制御要素を介して上記動力入力部に
フィードバックするローカルフィードバック系とを形成
し、上記ローカルフィードバック系により上記中間質量
要素の振動を打消す操作力を上記固体素子、或は上記リ
ニアモータ或は上記空気アクチュエータに生じさせ、上
記メインフィードバック系により除振対象物の上記作用
方向における振動を打消す振動を上記中間質量要素に生
じさせる操作力を上記固体素子、或は上記リニアモータ
或は上記空気アクチュエータに生じさせるようにした。
Further, according to a fourth aspect of the present invention, in the control device, the control device outputs a signal from the first sensor to a first control element, an adder,
Forming a main feedback system for feeding back to the power input unit via a control element; and a local feedback system for feeding back a signal from a second sensor to the power input unit via the adder and the second control element. An operating force for canceling the vibration of the intermediate mass element by the local feedback system is generated in the solid element, or the linear motor or the air actuator, and the main feedback system causes the object to be vibration-isolated in the action direction. The solid element, the linear motor, or the pneumatic actuator generates an operating force that causes the intermediate mass element to generate vibration that cancels the vibration.

【0010】さらに、第5発明は、上記固体素子が、圧
電素子により形成されている。
In a fifth aspect of the present invention, the solid element is formed of a piezoelectric element.

【0011】さらに、第6発明は、上記固体素子が、磁
歪材料により形成されている。
In a sixth aspect of the present invention, the solid-state element is formed of a magnetostrictive material.

【0012】さらに、第7発明は、上記第1センサ、第
2センサの各々を、加速度センサとした。
Further, in the seventh invention, each of the first sensor and the second sensor is an acceleration sensor.

【0013】[0013]

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の一形態を図
面にしたがって説明する。図1は、本発明に係るアクテ
ィブ除振装置1Aを質量m1の除振対象Oに適用した状
態を示したものである。このアクティブ除振装置1A
は、固体素子の一例である圧電素子11、圧電素子11
の動力入力部12、質量m2の中間質量要素13、ばね
定数k1の第1弾性部材14、ばね定数k2の第2弾性部
材15、第1センサ16、第2センサ17および制御装
置18からなっている。
Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. Figure 1 is a diagram showing a state of applying the active anti-vibration apparatus 1A in the vibration damping subject O mass m 1 according to the present invention. This active vibration isolator 1A
Denotes a piezoelectric element 11 which is an example of a solid-state element;
The power input portion 12, the intermediate mass element 13 of the mass m 2, the first elastic member 14 of the spring constant k 1, the second elastic member 15 of the spring constant k 2, the first sensor 16, second sensor 17 and the control unit 18 Consists of

【0014】圧電素子11は、周知のように内部に生じ
る電圧の変化により厚さが変化する特性を有し、この長
さ方向、図1において縦方向を作用方向とし、この作用
方向における一端、図1において下端が支持面F、例え
ば床面に固定されている。動力入力部12は、制御装置
18から入力された制御信号に基づいて圧電素子11に
操作電圧を印加するものである。中間質量要素13は、
上記作用方向において、圧電素子11の他端と除振対象
物Oとの間に位置させられている。
As is well known, the piezoelectric element 11 has a characteristic that its thickness changes due to a change in voltage generated therein, and its longitudinal direction, that is, the vertical direction in FIG. In FIG. 1, the lower end is fixed to a support surface F, for example, a floor surface. The power input unit 12 applies an operation voltage to the piezoelectric element 11 based on a control signal input from the control device 18. The intermediate mass element 13 is
In the working direction, the piezoelectric element 11 is located between the other end of the piezoelectric element 11 and the vibration-removal target O.

【0015】第1弾性部材15は、一端が中間質量要素
13に固定され、他端が除振対象物Oに固定され、この
中間質量要素13と除振対象物Oとにばね作用を及ぼ
す。第2弾性部材14は、一端が圧電素子11に固定さ
れ、他端が中間質量要素13に固定され、この圧電素子
11と中間質量要素13とにばね作用を及ぼす。第1セ
ンサ16は、除振対象物Oの上記作用方向における振動
状態、本実施形態では加速度を検出する第2センサ17
は、中間質量要素13の上記作用方向における振動状
態、本実施形態では加速度を検出する。制御装置18
は、第1センサ16、第2センサ17から信号を入力さ
れ、除振対象物Oの上記作用方向における振動を打消す
振動を中間質量要素13に生じさせるように圧電素子1
1の動力入力部12に電圧変化を生じさせる信号を出力
する。
The first elastic member 15 has one end fixed to the intermediate mass element 13 and the other end fixed to the vibration isolation target O, and exerts a spring action on the intermediate mass element 13 and the vibration isolation target O. The second elastic member 14 has one end fixed to the piezoelectric element 11 and the other end fixed to the intermediate mass element 13, and exerts a spring action on the piezoelectric element 11 and the intermediate mass element 13. The first sensor 16 is a second sensor 17 that detects a vibration state of the vibration-removal target O in the action direction, in this embodiment, acceleration.
Is a vibration state of the intermediate mass element 13 in the above-described working direction, and in this embodiment, an acceleration is detected. Control device 18
The piezoelectric element 1 receives signals from the first sensor 16 and the second sensor 17 and causes the intermediate mass element 13 to generate a vibration that cancels the vibration of the object O in the above-described working direction.
The first power input unit 12 outputs a signal causing a voltage change.

【0016】さらに具体的には、制御装置18は、第1
センサ16からの信号を第1制御要素21、加算器2
2、第2制御要素23を介して動力入力部12にフィー
ドバックするメインフィードバック系Mと、第2センサ
17からの信号を加算器22、第2制御要素23を介し
て動力入力部12にフィードバックするローカルフィー
ドバック系Lとを形成している。そして、ローカルフィ
ードバック系Lにより中間質量要素13の振動を打消す
操作力uを圧電素子11に生じさせている。さらに、メ
インフィードバック系Mにより除振対象物Oの上記作用
方向における振動を打消す振動を中間質量要素13に生
じさせる操作力を圧電素子11に生じさせている。
More specifically, the control device 18 includes a first
The signal from the sensor 16 is sent to the first control element 21 and the adder 2
2. A main feedback system M that feeds back to the power input unit 12 via the second control element 23, and a signal from the second sensor 17 is fed back to the power input unit 12 via the adder 22 and the second control element 23. And a local feedback system L. The local feedback system L causes the piezoelectric element 11 to generate an operating force u for canceling the vibration of the intermediate mass element 13. Furthermore, the main feedback system M causes the piezoelectric element 11 to generate an operating force that causes the intermediate mass element 13 to generate a vibration that cancels the vibration of the object O in the above-described working direction.

【0017】上述したように、このアクティブ除振装置
1Aは、中間質量要素13と第1弾性部材14、第2弾
性部材15の各々との相互作用の結果生じる振動遮断特
性を積極的に利用することにより、中間質量要素13、
除振対象物Oの振動源となる支持面Fの振動をアクチュ
エータの一例である圧電素子11により相殺するよう
に、間接的に除振対象物Oの振動を制御するものであ
る。
As described above, the active vibration isolator 1A positively utilizes the vibration isolation characteristics resulting from the interaction between the intermediate mass element 13 and each of the first elastic member 14 and the second elastic member 15. Thereby, the intermediate mass element 13,
The vibration of the vibration isolation target O is indirectly controlled so that the vibration of the support surface F serving as the vibration source of the vibration isolation target O is canceled by the piezoelectric element 11 which is an example of the actuator.

【0018】そして、このアクティブ除振装置1Aの設
計は、以下の順序で行われる。 支持面Fの振動、例えば床振動による中間質量要素
13の振動を打ち消すようにアクティブ制御するローカ
ルフィードバック系Lの制御ゲインを決定する。 ローカルフィードバック系Lの制御ゲインが前向き
要素として作用するようにローカルフィードバック系L
への加算点として加算器22を介設する。 除振対象物Oの振動を打ち消すための振動を圧電素
子11に生じさせるための信号を加算器22に入力する
ようにメインフィードバック系Mの制御ゲインを決定す
る。
The design of the active vibration isolator 1A is performed in the following order. The control gain of the local feedback system L that performs active control so as to cancel the vibration of the support surface F, for example, the vibration of the intermediate mass element 13 due to the floor vibration is determined. Local feedback system L such that the control gain of local feedback system L acts as a forward element.
An adder 22 is interposed as an addition point for. The control gain of the main feedback system M is determined so that a signal for causing the piezoelectric element 11 to generate a vibration for canceling the vibration of the vibration isolation target O is input to the adder 22.

【0019】以上のようにして構成されたアクティブ除
振装置1Aの各フィードバック系の制御特性は、伝達関
数を用いて以下のように表すことができる。まず、第2
弾性部材15を介して圧電素子11より中間質量要素1
3に操作力uが作用した場合における、中間質量要素1
3、除振対象物Oを含むパッシブな制御系の特性は、以
下の運動方程式により表すことができる。
The control characteristics of each feedback system of the active vibration isolator 1A configured as described above can be expressed as follows using a transfer function. First, the second
Intermediate mass element 1 from piezoelectric element 11 via elastic member 15
3 when the operating force u acts on the intermediate mass element 1
3. The characteristics of the passive control system including the vibration isolation target O can be expressed by the following equation of motion.

【数1】 1:制振対象物Oの質量 m2:中間質量要素13の質量 x1:除振対象物Oの上記作用方向における変位 x2:中間質量要素13の上記作用方向における変位(Equation 1) m 1 : mass of the vibration damping object O m 2 : mass of the intermediate mass element 13 x 1 : displacement of the vibration damping object O in the above acting direction x 2 : displacement of the intermediate mass element 13 in the above acting direction

【0020】この(1)式では、簡単化するために、系
に含まれる減衰要素については、これを無視している。
(1)式をラプラス変換すると、入力である中間質量要
素13に対する操作力uから、出力である中間質量要素
13、除振対象物Oの加速度x1″、x2″迄のオープン
ループにおける、上記入力と上記出力のそれぞれの間の
伝達関数G1,G2は以下のように表すことができる。な
お、x1″、x2″、u、m1、m2、k1、k2について
は、ラプラス変換後も同じ記号を用いている。また、s
はラプラス演算子である。
In equation (1), damping elements included in the system are ignored for simplicity.
When the Laplace transform of the equation (1) is performed, the open loop from the operation force u on the intermediate mass element 13 as the input to the acceleration x 1 ″ and x 2 ″ of the intermediate mass element 13 and the vibration isolation target O as the output, Transfer functions G 1 and G 2 between the input and the output can be expressed as follows. Note that the same symbols are used for x 1 ″, x 2 ″, u, m 1 , m 2 , k 1 , and k 2 even after Laplace transform. Also, s
Is the Laplace operator.

【数2】 (Equation 2)

【0021】次に、設計手順で記載した加算器22へ
のメインフィードバック系Mからの入力を考慮すると、
ローカルフィードバック系Lは図2のように表すことが
できる。なお、x0は支持面Fの上記作用方向における
変位を表し、x0″は、支持面Fの振動状態として加速
度を表している。したがって、操作力uと中間質量要素
13の加速度x2″との間の伝達関数は、以下のように
表すことができる。
Next, considering the input from the main feedback system M to the adder 22 described in the design procedure,
The local feedback system L can be represented as shown in FIG. Note that x 0 represents the displacement of the support surface F in the above acting direction, and x 0 ″ represents the acceleration as the vibration state of the support surface F. Therefore, the operating force u and the acceleration x 2 ″ of the intermediate mass element 13. The transfer function between and can be expressed as:

【数3】 2:第2制御要素の伝達特性(Equation 3) H 2 : transfer characteristic of the second control element

【0022】さらに、支持面Fの振動(加速度x0″)
と中間質量要素13の加速度x2″との間の伝達関数
は、以下のように表すことができる。
Further, vibration of the support surface F (acceleration x 0 ″)
And the transfer function between the intermediate mass element 13 and the acceleration x 2 ″ can be expressed as:

【数4】 操作力uと除振対象物Oの加速度x1″との間は伝達関
数G1で関係付けられる点を考慮すると、図2に示す系
に第1弾性要素14、除振対象物Oを加えた系は図3の
ように表すことができる。また、第1弾性要素14、除
振対象物Oを含むアクティブな制御系における操作力u
と除振対象物Oの加速度x1″との間の伝達関数は、以
下のように表すことができる。
(Equation 4) Considering that the operation force u and the acceleration x 1 ″ of the object O are related by the transfer function G 1 , the first elastic element 14 and the object O are added to the system shown in FIG. 3 can be represented as shown in Fig. 3. In addition, the operating force u in the active control system including the first elastic element 14 and the object O to be isolated.
A transfer function between the vibration isolation target O and the acceleration x 1 ″ can be expressed as follows.

【数5】 (Equation 5)

【0023】したがって、図1に示すように第1制御要
素21からの出力rが目標値として加算器22に入力さ
れている点を考慮すると、図1に示す系は、図4のよう
に表すことができる。即ち図1に示す系と図4に示す系
は等価である。この図4より明らかなように、加算器2
2への目標値rの入力も含めた場合における、支持面F
の加速度x0″の振動と除振対象物Oのとの間の伝達関
数は、以下のように表すことができる。
Therefore, considering that the output r from the first control element 21 is input to the adder 22 as a target value as shown in FIG. 1, the system shown in FIG. 1 is represented as shown in FIG. be able to. That is, the system shown in FIG. 1 and the system shown in FIG. 4 are equivalent. As is clear from FIG.
2 including the input of the target value r to the support surface F
The transfer function between the vibration of the acceleration x 0 ″ and the object O to be isolated can be expressed as follows.

【数6】 1:第1制御要素21の伝達特性(Equation 6) H 1 : transfer characteristic of the first control element 21

【0024】(7)式より、第1,第2制御要素21,
23の伝達特性H1,H2が分母にのみ含まれており、第
1,第2制御要素21,23にフィードバックゲインを
与えることにより、支持面Fから除振対象物Oへの振動
の伝達率が小さくなることは容易に理解することができ
る。さらに、図4に示すブロック図は、図5のように表
すことができる。以上のように、第1,第2制御要素2
1,23の伝達特性H1,H2は、互いに共働して振動絶
縁に寄与することが分かる。
From the equation (7), the first and second control elements 21,
23, the transfer characteristics H 1 and H 2 are included only in the denominator, and a feedback gain is given to the first and second control elements 21 and 23 to transmit the vibration from the support surface F to the object O to be isolated. It can be easily understood that the rate is small. Further, the block diagram shown in FIG. 4 can be represented as shown in FIG. As described above, the first and second control elements 2
It can be seen that the transfer characteristics H 1 and H 2 of 1 , 23 cooperate with each other to contribute to vibration isolation.

【0025】なお、上記実施形態では、固体素子として
圧電素子11を用いた装置を示したが、本発明は、これ
に限定するものではなく、圧電素子11に代えて磁歪素
子を用いてもよく、この場合には、動力入力部により電
流の変化による磁界の強さを変化させる磁歪素子を振動
させる。また、図1において、二点鎖線で示すように、
支持面Fと中間質量要素13との間に、圧電素子11お
よび第2弾性部材15と並列に弾性部材24を設けても
よい。この場合においても、上述したように、第1,第
2制御要素21,23の伝達特性H1,H2は、互いに共
働して振動絶縁に寄与する。なお、図7において、曲線
I(実線)は、上記実施形態に係るアクティブ除振装置
の除振特性を示し、低周波数領域において共振点が存在
せず、高周波数領域において除振性能がよくなってい
る。
In the above embodiment, the device using the piezoelectric element 11 as a solid element is shown. However, the present invention is not limited to this, and a magnetostrictive element may be used instead of the piezoelectric element 11. In this case, the magnetostrictive element that changes the strength of the magnetic field due to the change in the current is vibrated by the power input unit. In FIG. 1, as indicated by the two-dot chain line,
An elastic member 24 may be provided between the support surface F and the intermediate mass element 13 in parallel with the piezoelectric element 11 and the second elastic member 15. Also in this case, as described above, the transfer characteristics H 1 and H 2 of the first and second control elements 21 and 23 cooperate with each other to contribute to vibration isolation. In FIG. 7, a curve I (solid line) indicates the vibration isolation characteristics of the active vibration isolation device according to the above-described embodiment, where no resonance point exists in the low frequency region, and the vibration isolation performance is improved in the high frequency region. ing.

【0026】図6は、本発明に係る他のアクティブ除振
装置1Bを質量m1の除振対象Oに適用した状態を示し
たもので、図1に示すアクティブ除振装置1Aとは、圧
電素子11、第2弾性部材15に代えて、空気アクチュ
エータ或はリニアモータ31を採用した点を除き、他は
実質的に同一である。この、空気アクチュエータ或はリ
ニアモータ31は、機能的には図6に示すように、中間
質量要素13を振動させる駆動部32と、中間質量要素
13に対してばね作用を及ぼす弾性エレメント33とか
らなっている。このアクティブ除振装置1Bについて
も、弾性エレメント33のばね定数をk2とすることに
より上述した数式による説明が当てはまる。
FIG. 6 shows a state in which another active vibration isolator 1B according to the present invention is applied to a vibration isolation target O having a mass m 1. The active vibration isolator 1A shown in FIG. The other components are substantially the same except that an air actuator or a linear motor 31 is used instead of the element 11 and the second elastic member 15. As shown in FIG. 6, the pneumatic actuator or the linear motor 31 is functionally composed of a driving unit 32 that vibrates the intermediate mass element 13 and an elastic element 33 that exerts a spring action on the intermediate mass element 13. Has become. This will be active anti-vibration apparatus 1B, true description of Formulas described above by the spring constant of the elastic element 33 and k 2.

【0027】なお、上述したように、系に含まれる減衰
要素を無視したが、この減衰要素を考慮しても上述した
式に減衰作用の項が加わることにより式は複雑になる
が、第1,第2制御要素21,23にフィードバックゲ
インを与えることにより、上記伝達率が小さくなること
には変わりはない。また、上記実施形態は2自由度系で
あるが、本発明に係るアクティブ除振装置1は、一つの
除振対象物Oに複数台配置してもよい。例えば互いに直
交するX,Y,Zの3軸方向のそれぞれに上記アクティ
ブ除振装置を配置してもよく、2個の剛体(除振対象物
O、中間質量要素13)を含む12自由度系にも拡張可
能である。
Although the damping element included in the system has been neglected as described above, the equation becomes complicated when the term of the damping action is added to the above equation even when this damping element is considered. By giving a feedback gain to the second control elements 21 and 23, the transmission rate is still reduced. Although the above-described embodiment is a two-degree-of-freedom system, a plurality of active vibration isolation devices 1 according to the present invention may be arranged on one vibration isolation target O. For example, the active vibration isolation device may be arranged in each of three X, Y, and Z directions orthogonal to each other, and a 12-degree-of-freedom system including two rigid bodies (the vibration isolation target O and the intermediate mass element 13). It is also extensible.

【0028】この場合、第1センサ16、第2センサ1
7と、圧電素子11とは必ずしも一対一の関係である必
要はない。例えば、異なる位置、方向に3個の第1セン
サ16と3個の第2センサ17を設け、異なる位置、方
向に5個の圧電素子11を設けてもよく。この場合、一
つの第1センサ16、一つの第2センサ17からの信号
は、必ずしも一つの圧電素子11の制御にのみ使用され
るとは限らず、別の圧電素子11の制御にも使用されて
もよい。また、一つの除振対象物Oに対して、複数の中
間質量要素13を設け、この除振対象物Oと各中間質量
要素13の各々に関して、上述した第1センサ16、第
2センサ17、圧電素子11を含むアクティブ除振装置
の除振制御系を構成するようにしてもよい。以上の点に
ついては、磁歪素子、空気アクチュエータ或はリニアモ
ータを使用する場合も同様である。さらに、第1センサ
16、第2センサ17として速度検出器を用いてもよ
く、本発明はこれらを構成要素とするアクティブ除振装
置も含んでいる。
In this case, the first sensor 16 and the second sensor 1
7 and the piezoelectric element 11 do not necessarily have to have a one-to-one relationship. For example, three first sensors 16 and three second sensors 17 may be provided at different positions and directions, and five piezoelectric elements 11 may be provided at different positions and directions. In this case, signals from one first sensor 16 and one second sensor 17 are not necessarily used only for controlling one piezoelectric element 11, and are also used for controlling another piezoelectric element 11. You may. Further, a plurality of intermediate mass elements 13 are provided for one vibration isolation target O, and the first sensor 16, the second sensor 17, An anti-vibration control system of the active anti-vibration device including the piezoelectric element 11 may be configured. The above points are the same when a magnetostrictive element, an air actuator, or a linear motor is used. Furthermore, a speed detector may be used as the first sensor 16 and the second sensor 17, and the present invention also includes an active vibration isolator including these components.

【0029】[0029]

【発明の効果】以上の説明より明らかなように、本発明
によれば、除振対象物の振動状態を検出する第1セン
サ、中間質量要素の振動状態を検出する第2センサから
信号を入力される制御装置により、上記除振対象物の作
用方向における振動を打消す振動を上記中間質量要素に
生じさせるように上記固体素子等の動力入力部に電圧変
化或は磁場変化等を生じさせるための信号を出力するよ
うに形成してある。このため、低周波数領域で共振点を
生じることなく、高周波数領域で十分な除振性能を得る
ことを可能としたアクティブ除振装置を提供しようとす
るものである。共振点を生じることなく、300Hz付
近で約−60dBの振動伝達率の達成が可能になるとい
う効果を奏する。
As is apparent from the above description, according to the present invention, signals are input from the first sensor for detecting the vibration state of the object to be damped and the second sensor for detecting the vibration state of the intermediate mass element. The control device is used to cause a voltage change or a magnetic field change in the power input unit such as the solid-state element so as to cause the intermediate mass element to generate a vibration that cancels the vibration in the working direction of the vibration isolation target. Is formed so as to output a signal. For this reason, an object of the present invention is to provide an active vibration isolation device that can obtain sufficient vibration isolation performance in a high frequency region without generating a resonance point in a low frequency region. There is an effect that a vibration transmissibility of about −60 dB can be achieved at around 300 Hz without generating a resonance point.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 本発明に係るアクティブ除振装置を除振対象
物に適用した状態の概略を示す図である。
FIG. 1 is a diagram schematically illustrating a state in which an active vibration isolation device according to the present invention is applied to a vibration isolation target.

【図2】 中間質量要素、除振対象物を含むパッシブな
制御系の制御ブロック図である。
FIG. 2 is a control block diagram of a passive control system including an intermediate mass element and an object to be isolated.

【図3】 図2に示す系に第1弾性要素、除振対象物を
加えた系の制御ブロック図である。
FIG. 3 is a control block diagram of a system in which a first elastic element and a vibration damping target are added to the system shown in FIG. 2;

【図4】 図1に示す系の制御ブロック図である。FIG. 4 is a control block diagram of the system shown in FIG. 1;

【図5】 図4に示す制御ブロック図と等価な制御ブロ
ック図である。
FIG. 5 is a control block diagram equivalent to the control block diagram shown in FIG. 4;

【図6】 本発明に係る他のアクティブ除振装置を除振
対象物に適用した状態の概略を示す図である。
FIG. 6 is a diagram schematically illustrating a state in which another active vibration isolation device according to the present invention is applied to a vibration isolation target.

【図7】 ばね質点系の振動伝達率の周波数特性を示す
図である。
FIG. 7 is a diagram showing a frequency characteristic of a vibration transmissibility of a spring mass point system.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1A,1B アクティブ除振装置 11 圧電素子 12 動力入力部 13 中間質量
要素 14 第1弾性要素 15 第2弾性
要素 16 第1センサ 17 第2セン
サ 18 制御装置 21 第1制御
要素 22 加算器 23 第2制御
要素 31 空気アクチュエータ或はリニアモータ 32 駆動部 33 弾性エレ
メント F 支持面 O 除振対象物 M メインフィードバック系 L ローカルフ
ィードバック系 m1,m2 質量 k1,k2 ばね
定数 u 操作力 H1,H2 伝達
特性
1A, 1B Active anti-vibration device 11 Piezoelectric element 12 Power input unit 13 Intermediate mass element 14 First elastic element 15 Second elastic element 16 First sensor 17 Second sensor 18 Control device 21 First control element 22 Adder 23 Second control element 31 the air actuator or linear motor 32 driving unit 33 elastomeric element F supporting surface O object to be vibration-isolated M main feedback system L local feedback system m 1, m 2 weight k 1, k 2 spring constant u operating force H 1, H 2 transfer characteristics

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 内部に生じる電圧の変化或は磁場の変化
により変化する長さの方向に沿った作用方向における一
端が支持面に固定された固体素子と、 この固体素子における上記電圧或は磁場を変化させる動
力入力部と、 上記作用方向において、上記固体素子の上記他端と除振
対象物との間に位置させられる中間質量要素と、 一端が上記中間質量要素に固定され、他端が上記除振対
象物に固定され、この中間質量要素と除振対象物とにば
ね作用を及ぼす第1弾性部材と、 一端が上記固体素子に固定され、他端が上記中間質量要
素に固定され、この固体素子と中間質量要素とにばね作
用を及ぼす第2弾性部材と、 上記除振対象物の上記作用方向における振動状態を検出
する第1センサと、 上記中間質量要素の上記作用方向における振動状態を検
出する第2センサと、 上記第1センサ、第2センサから信号を入力され、上記
除振対象物の上記作用方向における振動を打消す振動を
上記中間質量要素に生じさせるように上記固体素子の上
記動力入力部に電圧変化或は磁場変化を生じさせるため
の信号を出力する制御装置とからなるアクティブ除振装
置。
1. A solid state element having one end fixed to a support surface in a working direction along a length direction which changes due to a change in a voltage or a magnetic field generated therein, and the voltage or the magnetic field in the solid state element. A power input unit that changes the mass direction, an intermediate mass element positioned between the other end of the solid state element and the vibration isolation target in the action direction, one end fixed to the intermediate mass element, and the other end A first elastic member fixed to the vibration isolation target and exerting a spring action on the intermediate mass element and the vibration isolation target; one end fixed to the solid state element and the other end fixed to the intermediate mass element; A second elastic member that exerts a spring action on the solid element and the intermediate mass element; a first sensor that detects a vibration state of the vibration damping object in the operation direction; and a vibration state of the intermediate mass element in the action direction. Detect A second sensor that emits a signal from the first sensor and the second sensor, and the solid-state element is configured to generate, in the intermediate mass element, vibration that cancels vibration of the object to be isolated in the operation direction. An active vibration isolator comprising: a controller for outputting a signal for causing a voltage change or a magnetic field change to the power input unit.
【請求項2】 磁場の変化により変化する長さの方向に
沿った作用方向における一端が支持面上に固定され、ば
ね作用を有するリニアモータと、 このリニアモータにおける上記磁場を変化させる動力入
力部と、 上記作用方向において、上記リニアモータの他端に固定
された中間質量要素と、 上記作用方向において、一端が上記中間質量要素に固定
され、他端が除振対象物に固定され、この中間質量要素
と除振対象物とにばね作用を及ぼす第2弾性部材と、 上記除振対象物の上記作用方向における振動状態を検出
する第1センサと、 上記中間質量要素の上記作用方向における振動状態を検
出する第2センサと、 上記第1センサ、第2センサから信号を入力され、上記
除振対象物の上記作用方向における振動を打消す振動を
上記中間質量要素に生じさせるように上記リニアモータ
の上記動力入力部に電圧変化或は磁場変化を生じさせる
ための信号を出力する制御装置とからなるアクティブ除
振装置。
2. A linear motor having one end fixed in a working direction along a direction of a length that changes due to a change in a magnetic field on a support surface and having a spring action, and a power input unit for changing the magnetic field in the linear motor. An intermediate mass element fixed to the other end of the linear motor in the operation direction; one end is fixed to the intermediate mass element and the other end is fixed to the vibration isolation target in the operation direction. A second elastic member that exerts a spring action on the mass element and the vibration removing target; a first sensor that detects a vibration state of the vibration removing target in the working direction; and a vibration state of the intermediate mass element in the working direction. And a signal that is input from the first sensor and the second sensor to detect the vibration in the action direction of the object to be removed in the intermediate mass element. An active vibration isolator which outputs a signal for causing a voltage change or a magnetic field change to be generated at the power input portion of the linear motor so as to cause the change.
【請求項3】 空気圧力の変化により変化する長さの方
向に沿った作用方向における一端が支持面上に固定さ
れ、ばね作用を有する空気アクチュエータと、 この空気アクチュエータにおける上記空気圧力を変化さ
せる動力入力部と、 上記作用方向において、上記空気アクチュエータの他端
に固定された中間質量要素と、 上記作用方向において、一端が上記中間質量要素に固定
され、他端が除振対象物に固定され、この中間質量要素
と除振対象物とにばね作用を及ぼす第2弾性部材と、 上記除振対象物の上記作用方向における振動状態を検出
する第1センサと、 上記中間質量要素の上記作用方向における振動状態を検
出する第2センサと、 上記第1センサ、第2センサから信号を入力され、上記
除振対象物の上記作用方向における振動を打消す振動を
上記中間質量要素に生じさせるように上記空気アクチュ
エータの上記動力入力部に電圧変化或は磁場変化を生じ
させるための信号を出力する制御装置とからなるアクテ
ィブ除振装置。
3. An air actuator having a spring action, one end of which is fixed on a support surface in a working direction along a length direction which changes according to a change in air pressure, and a power for changing the air pressure in the air actuator. An input unit, an intermediate mass element fixed to the other end of the pneumatic actuator in the action direction; A second elastic member that exerts a spring action on the intermediate mass element and the vibration isolation target; a first sensor that detects a vibration state of the vibration isolation target in the operation direction; A signal is input from the second sensor for detecting a vibration state, the first sensor, and the second sensor, and the vibration of the vibration-removal target in the action direction is canceled. An active vibration isolator comprising: a controller that outputs a signal for causing a voltage change or a magnetic field change at the power input portion of the air actuator so as to cause vibration in the intermediate mass element.
【請求項4】 上記制御装置が、上記第1センサからの
信号を第1制御要素、加算器、第2制御要素を介して上
記動力入力部にフィードバックするメインフィードバッ
ク系と、第2センサからの信号を上記加算器、上記第2
制御要素を介して上記動力入力部にフィードバックする
ローカルフィードバック系とを形成し、 上記ローカルフィードバック系により上記中間質量要素
の振動を打消す操作力を上記固体素子、或は上記リニア
モータ或は上記空気アクチュエータに生じさせ、上記メ
インフィードバック系により除振対象物の上記作用方向
における振動を打消す振動を上記中間質量要素に生じさ
せる操作力を上記固体素子、或は上記リニアモータ或は
上記空気アクチュエータに生じさせる請求項1から3の
いずれかに記載のアクティブ除振装置。
4. A main feedback system wherein the control device feeds back a signal from the first sensor to the power input unit via a first control element, an adder, and a second control element. The signal is added to the adder, the second
A local feedback system for feeding back to the power input unit via a control element, wherein the operating force for canceling the vibration of the intermediate mass element by the local feedback system is applied to the solid element, or the linear motor or the air. Actuating force is applied to the solid element, or the linear motor or the pneumatic actuator, which causes the actuator to generate an operation force in the intermediate mass element to cause the intermediate mass element to vibrate in the action direction of the object to be isolated by the main feedback system. 4. The active vibration isolator according to claim 1, wherein the active vibration isolator is generated.
【請求項5】 上記固体素子が、圧電素子により形成さ
れた請求項1または4に記載のアクティブ除振装置。
5. The active vibration isolator according to claim 1, wherein the solid element is formed by a piezoelectric element.
【請求項6】 上記固体素子が、磁歪材料により形成さ
れた請求項1または4に記載のアクティブ除振装置。
6. The active vibration isolator according to claim 1, wherein the solid element is formed of a magnetostrictive material.
【請求項7】 上記第1センサ、第2センサの各々を、
加速度センサとした請求項1から6のいずれかに記載の
アクティブ除振装置。
7. Each of the first sensor and the second sensor,
7. The active vibration isolator according to claim 1, wherein the active vibration isolator is an acceleration sensor.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001271871A (en) * 2000-03-24 2001-10-05 Tokkyokiki Corp Active vibration control device
JP2016008619A (en) * 2014-06-23 2016-01-18 キヤノン株式会社 Vibration control device, lithography device and process of manufacture of item

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