TWI698596B - 主動去振裝置及該主動去振裝置的振動感測器的設置方法 - Google Patents

主動去振裝置及該主動去振裝置的振動感測器的設置方法 Download PDF

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Abstract

本發明係一種主動去振裝置及該主動去振裝置的振動感測器的設置方法。基於由基礎側加速度感測器25、25檢測出的振動狀態進行控制，以便將相位與從地板F傳遞的振動相反的控制振動施加於被隔離部件2支撐的被支撐體H，提高在地板F的振動狀態不同的環境下的去振性能。測量地板F的在複數個任意位置處的振動狀態，對測得的振動狀態進行比較來辨別該地板(F)的具有彼此不同的振動狀態的位置，並將基礎側加速度感測器25、25分別設置在已檢測出的位置處。

Description

主動去振裝置及該主動去振裝置的振動感測器的設置方法
本發明係關於一種主動去振裝置及主動去振裝置中的振動感測器的設置方法。
到目前為止已知有以下主動去振裝置：在由彈性體將被支撐體支撐在基礎(地板)上的構造中，利用一個振動感測器檢測基礎的振動，基於由振動感測器檢測出的振動狀態對執行元件進行控制，以便將相位與從基礎傳遞的振動相反的控制振動施加於被支撐物。例如專利文獻1中公開了其詳細情況。
話說回來，近年來，主動去振裝置不斷大型化而存在著靠一個振動感測器無法有效地發揮去振性能的情況。於是，有人提出了在去振裝置中使用專利文獻2中所公開的複數個感測器這樣的技術。
專利文獻1：日本公開專利公報2015-75909號公報。
專利文獻2：日本專利3282302號公報。
但是，在現有的使用了複數個感測器的去振裝置中，複數個感測器被固定在事先決定好的位置處，故在來自基 礎的振動狀態不同的環境下儘管設置了複數個感測器，有時候也是享受不到該好處的。
而且，即使在改變去振裝置的佈置場所時基礎的振動狀態不同了，也需要確保去振裝置的性能。
去振裝置並不限於總是設置在穩定的基礎上，還有不得不安裝在極其不穩定的場所的時候。例如，能夠想到以下情況：去振裝置的四個角中的三個角都能夠穩定地設置在基礎上，剩下的一個角卻無法設置在基礎上。在這樣的情況下也需要確保去振裝置的性能。
本發明正是為解決上述問題點而完成的。其目的在於：不管來自基礎的振動狀態如何，都能夠讓去振裝置發揮出較高的去振性能。
為達成上述目的，在本發明中，先測量基礎的在任意位置的振動狀態，然後再將複數個振動感測器設置在該基礎的具有彼此不同的振動狀態的位置處，由此不管基礎的振動狀態如何，都能夠讓去振裝置發揮出較高的去振性能。
具體而言，第一方面的發明是一種主動去振裝置。其特徵在於包括：彈性體，其將被支撐體彈性地支撐在基礎上；複數個振動感測器，其檢測該基礎的振動狀態；執行元件，其對該被支撐體施加振動；以及前饋控制部件，其基於由該振動感測器檢測出的該基礎的振動狀態對該執行元件進行控制，以便將相位與從該基礎傳遞的振動相反 的控制振動施加於該被支撐體。該複數個振動感測器設置在該基礎的振動狀態彼此不同的位置處。
第二方面的發明是一種主動去振裝置的振動感測器的設置方法，該主動去振裝置基於由複數個振動感測器檢測出的基礎的振動狀態對執行元件進行控制，以便將相位與從該基礎傳遞的振動相反的控制振動施加於該被支撐體。其特徵在於：測量該基礎的在複數個任意位置處的振動狀態，對測得的該振動狀態進行比較來辨別該基礎的具有彼此不同的振動狀態的位置，將該複數個振動感測器設置在辨別出的該基礎的具有彼此不同的振動狀態的位置處。
藉由使上述各方面的發明為上述構成方式，便能夠獲得以下去振裝置。該去振裝置能夠更加準確地測量傳遞給被支撐體的、來自基礎的振動，從而能夠實現更高性能的去振。
如上所述，根據本發明，能夠更準確地測量從基礎傳遞給被支撐體的振動，從而能夠進一步提高去振精度。
1‧‧‧承載台
2‧‧‧隔離部件(彈性體、執行元件)
3‧‧‧控制器(前饋控制部件)
3a‧‧‧反饋振動控制部
3b‧‧‧前饋振動控制部
3c‧‧‧反饋位移控制部
20‧‧‧內殼
20a、20b‧‧‧空氣彈簧
21‧‧‧外殼
22a、22b‧‧‧伺服閥
23a、23b‧‧‧加速度感測器
24a、24b‧‧‧位移感測器
25‧‧‧基礎側加速度感測器(振動感測器)
A‧‧‧主動去振裝置
D‧‧‧設備
F‧‧‧地板(基礎)
H‧‧‧被支撐體
圖1是本發明的實施方式所關係之去振裝置的整體結構的示意圖。
圖2是實施方式所關係之去振裝置的立體圖。
圖3是實施方式所關係之控制的方塊圖。
圖4是表示實施方式所關係之基礎側加速度感測器 的配置情況的俯視示意圖。
圖5是實驗例1下的振動傳遞率的測量結果的曲線圖。
圖6是實驗例2下的振動傳遞率的測量結果的曲線圖。
下面，參照圖式詳細地說明本發明的實施方式。此外，以下實施方式只不過是用於說明本發明的本質的示例而已，並沒有限制本發明、其應用對象或者其用途的意圖。
圖1和圖2示出將本發明的實施方式所關係之主動去振裝置具體化後的主動去振裝置A的整體結構。該主動去振裝置A的具體情況如下：例如將像與半導體相關的製造裝置、電子顯微鏡等那樣，容易受振動影響的精密設備D安裝在承載台1上，為盡量地讓它們與地板振動保持絕緣的狀態而由複數個隔離部件2、2、…彈性地支撐它們。也就是說，在該主動去振裝置A中，承載台1和設備D構成被支撐體H。
如圖2所示，作為一例，在該實施方式中，將四個隔離部件2、2、…佈置在承載台1的四個角上，隔離部件只要在三個以上，多少個都可以。如圖1示意所示，每個隔離部件2在佈置在地板F(基礎)上的內殼20的上部具有空氣彈簧20a，該空氣彈簧20a承受上下方向的載荷。經振動膜等將活塞氣密性地插入內殼20上端的開口內，在該內殼20內劃分出空氣室而形成該空氣彈簧20a。
在圖1之例中，設置有從上方罩住內殼20的上半部且朝著下方開口的外殼21，外殼21的頂板載於空氣彈簧20a的活塞上。另一方面，在外殼21的側板和內殼20的側板之間有規定的間隙。在該間隙裡，構造與上述空氣彈簧20a大致一樣的一對空氣彈簧20b、20b夾著內殼20彼此相對而設。這些空氣彈簧20b、20b會產生水平方向的力。
也就是說，隔離部件2利用上下方向的空氣彈簧20a承受被支撐體H的分載荷，且進行控制以增減該上下方向的空氣彈簧20a、水平方向的空氣彈簧20b、20b的內壓，從而能夠對被支撐體H施加減少該振動那樣的控制力。這樣一來，隔離部件2便構成將被支撐體H支撐在地板F上的彈性體和通過對空氣彈簧20a、20b的內壓進行控制而對被支撐體H施加振動的執行元件。
更詳細而言，將被支撐體H即承載台1及其上的設備D看成是一體的剛體。如圖2所示，如果設定通過該剛體的重心G的正交三軸x、y、z，該正交坐標系中的運動自由度就是x軸、y軸及z軸這三個直線方向以及繞上述各軸的三個旋轉方向φ、θ、ψ。因此，為了對合計為6的六自由度的各個方向分別施加控制力，而設置四個隔離部件2、2、…的上下和水平的空氣彈簧20a、20b、…。
在該圖2所示之例中，設置情況為：右前方和左後方(未圖示)的兩個隔離部件2、2各自讓水平的一對空氣彈簧20b、20b的內壓彼此逆相增減，而產生x方向(以下，簡單地稱為左右方向)的控制力Fx；由左前方和右後方的兩個 隔離部件2、2各自產生y方向(以下，簡單地稱為前後方向)的控制力Fy。能夠由這四個隔離部件2、2、…對被支撐體H施加繞z軸即ψ方向的控制力。
上下方向即z方向的控制力Fz，是由四個隔離部件2、2、…中各自的上下的空氣彈簧20a分著產生的。只要根據與重心G的距離適當地設定對各個隔離部件所產生的力Fz的分配情況，就能夠僅對被支撐體H施加上下方向的控制力。另一方面，能夠根據四個隔離部件2、2、…中各自的上下的空氣彈簧20a所產生的力Fz的分配情況，對被支撐體H施加繞x軸和y軸的旋轉方向即φ、θ方向的控制力。這樣一來，四個隔離部件2、2、…各自具有的空氣彈簧20a、20b就被設置成能夠沿著六自由度的各自由度方向對被支撐體H施加控制力。
為產生所需要的控制力，在該實施方式中，如圖1示意所示，各個隔離部件2的上下和水平的空氣彈簧20a、20b、20b上分別連接有用於從未圖示的空氣壓源供給壓縮空氣的管道。而且，由設置在這些管道上的伺服閥22a、22b調節對空氣彈簧20a、20b、20b的供排氣量(需要說明的是，在該圖1中，僅對右側的隔離部件2示出了該空氣壓的控制系統)。在該實施方式中，這些空氣彈簧20a、20b構成讓力作用於被支撐體H而施加振動的執行元件。
在各個隔離部件2上設置有加速度感測器23a、23b，該加速度感測器23a、23b對位於各個隔離部件的支撐位置附近的被支撐體H的上下和水平(亦即，設置有水平的空氣 彈簧20b)方向的加速度進行檢測。來自這些加速度感測器23a、23b的訊號被輸入控制器3(前饋控制部件)。而且，由加速度感測器23a、23b檢測出的被支撐體H的加速度由控制器3轉換為被支撐體H的重心G的六自由度的振動x"、y"、z"、φ〃、θ〃、ψ〃。
而且，與上述加速度感測器23a、23b一樣，在各個隔離部件2上設置有檢測該支撐位置附近的被支撐體H的在上下和水平方向上的位移的位移感測器24a、24b；還設置有用於檢測內殼20下部的加速度即用於檢測地板的振動的基礎側加速度感測器25。該基礎側加速度感測器25設置在四個隔離部件2、2、…中的三個隔離部件上，其中的兩個基礎側加速度感測器25檢測水平方向(亦即x方向和y方向)的地板的振動，剩下的兩個基礎側加速度感測器25檢測上下方向的地板的振動。來自這些位移感測器24a、24b和基礎側加速度感測器25的訊號也被輸入控制器3。由位移感測器24a、24b檢測出的被支撐體H的位移由控制器3轉換為被支撐體H的重心G的六自由度的位移x-x0、y-y0、z-z0、φ-φ0、θ-θ0、ψ-ψ0。這裡，x0、y0、z0、φ0、θ0、ψ0是各個自由度方向上的地板F的位移。
控制器3對伺服閥22a、22b的控制內容大致如圖3的方塊圖所示。該控制內容基本上分為：用於抵消來自地板F的對被支撐體H的傳遞振動的去振控制和用於抵消設備D等所產生的振動的制振控制。亦即，針對伺服閥22a、22b的控制輸入，如圖3的右側所示，基於來自加速度感測器 23a、23b的訊號由反饋振動控制部3a進行反饋控制，並且基於來自檢測地板的振動的基礎側加速度感測器25的訊號由前饋振動控制部3b進行前饋控制。
除了上述反饋控制和前饋控制，還如圖3的左下側所示，基於來自位移感測器24a、24b的輸出由反饋位移控制部3c進行反饋控制。需要說明的是，該實施方式中的主動去振裝置A的理想狀態是，被支撐體H總是靜止，目標值一定不變，這裡定為零(0)。這樣的反饋振動控制和前饋振動控制通過由控制器3的CPU執行規定的程式來實現，故備有軟體。
六自由度的各方向的操作量作為上述各種補正結果決定下來，根據各空氣彈簧20a、20b的位置將操作量分配給伺服閥22a、22b，進行從控制器3向伺服閥22a、22b的控制輸出，空氣彈簧20a、20b的空氣壓力通過接收了該輸出訊號的伺服閥22a、22b工作而得以調節，由此該空氣彈簧20a、20b作為執行元件工作，將控制振動施加於被支撐物H。
下面，詳細說明是如何設置基礎側的基礎側加速度感測器25的。需要說明的是，在以下說明中，以鉛直方向上的基礎側加速度感測器25為例做說明，但是水平方向上的基礎側加速度感測器25的設置也是一樣的。
如圖4所示，在支撐被支撐體的承載台1的四個隔離部件2、2、…中的兩個隔離部件2、2下方的地板F上分別設置有鉛直方向上的基礎側加速度感測器25、25。在本實施 方式中，兩個(複數個)鉛直方向上的基礎側加速度感測器25、25設置在俯視時位於矩形地板F的對角上的隔離部件2、2的下方，各自的設置場所下的地板F的振動狀態彼此不同。進行控制時，利用將來自兩個基礎側加速度感測器25、25的訊號平均後而得到的訊號進行前饋控制。這樣一來，因為利用兩個基礎側加速度感測器25的平均訊號進行前饋控制，所以當檢測到彼此相同的動作的振動時，用放大的訊號進行前饋控制；當檢測到彼此不同的動作的振動時則以相抵消的訊號進行前饋控制。與具有一個鉛直方向上的基礎側加速度感測器25的情況相比，能夠提高去振性能。
下面，說明基礎側加速度感測器25的設置方法。測量被支撐體H周圍的地板F的在複數個任意位置的振動狀態。此時，理想情況是，盡量預測將振動帶給隔離部件2的可能性較高的位置來測量振動狀態。也就是說，理想情況是，測量例如隔離部件2的設置位置附近的振動狀態。接下來，對已測得的複數個位置的振動狀態進行比較來辨別具有彼此不同的振動狀態的兩個(複數個)位置。之後，只要將基礎側加速度感測器25、25設置在已辨別出的位置上即可。此時，理想情況是，將基礎側加速度感測器25、25設置在複數個任意位置中振動狀態之差最大的位置處。這樣一來，就能夠將來自設置在處於不同的振動狀態的基礎上的複數個基礎側加速度感測器25、25的訊號合成，進行更加準確的前饋控制。需要說明的是，可以以易 於拆卸的方式安裝振動感測器，例如利用雙面膠來貼上振動感測器，或者將振動感測器裝在盒子裡並用螺釘鎖在支架上等。
綜上所述，在本實施方式中，將來自設置在處於不同的振動狀態的地板F上的複數個基礎側加速度感測器25、25的訊號平均後而能夠進行前饋控制，故能夠提高主動去振裝置A的性能。而且，在改變去振裝置A的設置場所之際等，也能夠通過測量並比較變更後的設置場所下的地板F的振動狀態來決定複數個基礎側加速度感測器25、25的設置場所，從而能夠維持去振裝置A的性能。
(其它實施方式)
在上述實施方式中，基礎側加速度感測器25為兩個，基礎側的基礎側加速度感測器25在三個以上也能夠收到同樣的效果。在該情況下，理想狀況是，將三個以上的基礎側加速度感測器25、25、…分別設置在地板F上的將成為彼此不同的振動狀態的位置處。
在上述實施方式中，針對矩形被支撐體設置了複數個基礎側加速度感測器25、25、…，但是針對非矩形(例如橢圓形)的被支撐體也可以設置複數個基礎側加速度感測器25、25、…，本發明能夠收到同樣的效果。
在上述實施方式中，隔離部件2兼作彈性體和執行元件用。毋容置疑，本發明對於以下主動去振裝置當然也適用。亦即，在該主動去振裝置中，將被支撐體彈性地支撐在基礎上的彈性體和對被支撐體施加振動的執行元件不 同。
實施例
下面，說明本發明的具體實施例。
(實驗例1)
使用主動去振裝置A在其承載台1上放置5噸的重物，在靜止狀態下測量振動傳遞率。首先，測量只設置一個基礎側加速度感測器25的情況下的振動傳遞率。之後，利用本發明的設置方法再增加第二個基礎側加速度感測器25並測量了振動傳遞率。其結果示於圖5。這裡，縱軸表示振動傳遞率，單位是dB=20xlog10(a/a0)，a表示承載台1的加速度，a0表示地板的加速度。
如圖5所示，結果是：當承載台靜止時，在頻率為10Hz~20Hz的低頻率域(圖5中虛線圍起來的區域)，設置了兩個基礎側加速度感測器25的情況下的振動傳遞率比設置了一個基礎側加速度感測器25的情況下低。
(實驗例2)
讓承載台振動並進行和實驗例1一樣的測量。其結果示於圖6。
如圖6所示，結果是：當承載台振動時，也是在頻率為1Hz~10Hz的低頻率域(圖6中虛線包圍的區域)，設置了兩個基礎側加速度感測器25的情況下的振動傳遞率比設置了一個基礎側加速度感測器25的情況下低。
通過這樣利用本發明新增加振動感測器，就能夠實現性能更高的去振。
[產業利用性]
綜上所述，本發明對於主動去振裝置極其有用。到目前為止已知有以下主動去振裝置：在由彈性體將被支撐體支撐在基礎(地板)上的構造中，利用一個振動感測器檢測基礎的振動，基於由振動感測器檢測出的振動狀態對執行元件進行控制，以便將相位與從基礎傳遞的振動相反的控制振動施加於被支撐物。例如專利文獻1中公開了其詳細情況。
1‧‧‧承載台
20‧‧‧內殼
21‧‧‧外殼
25‧‧‧基礎側加速度感測器

Claims (2)

  1. 一種主動去振裝置，包括：彈性體，其將被支撐體彈性地支撐在基礎上；複數個振動感測器，其檢測該基礎的振動狀態；執行元件，其對該被支撐體施加振動；以及前饋控制部件，其基於由該複數個振動感測器檢測出的該基礎的振動狀態對該執行元件進行控制，以便將相位與從該基礎傳遞的振動相反的控制振動施加於該被支撐體；該振動感測器分別設置在該基礎的複數個任意位置中振動狀態之差最大的位置處。
  2. 一種主動去振裝置的振動感測器的設置方法，該主動去振裝置基於由複數個振動感測器檢測出的基礎的振動狀態對執行元件進行控制，以便將相位與從該基礎傳遞的振動相反的控制振動施加於被彈性體彈性地支撐在該基礎上的被支撐體，該主動去振裝置的振動感測器的設置方法包括以下步驟：測量該基礎的在複數個任意位置處的振動狀態；對測得的該振動狀態進行比較來辨別該基礎的具有彼此不同的振動狀態的位置；以及將該複數個振動感測器分別設置在該基礎的複數個任意位置中振動狀態之差最大的位置處。
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