WO2020044704A1

WO2020044704A1 - 制振装置

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Publication number: WO2020044704A1
Application number: PCT/JP2019/022285
Authority: WO
Inventors: 古川　晃; 弘藤原
Original assignee: パナソニックＩｐマネジメント株式会社
Priority date: 2018-08-31
Filing date: 2019-06-05
Publication date: 2020-03-05
Also published as: CN112119240A; EP3845773A4; JPWO2020044704A1; EP3845773A1; US20210246962A1

Abstract

制振装置は、筺体（１）と、駆動側固定子（２）と駆動側可動子（３）とを有し筺体（１）と接続された駆動側アクチュエータ（４）と、制振側固定子（５）と制振側可動子（６）とを有し筺体（１）と接続された制振側アクチュエータ（７）と、制御指令に基づいて駆動側アクチュエータ（４）の駆動信号を生成する第１信号演算部（８）と、駆動側アクチュエータ（４）の駆動により生じる筺体（１）の固有振動成分を、制振側アクチュエータ（７）の駆動により生じる筺体（１）の振動成分で低減または相殺するよう、制御指令に基づいて制振側アクチュエータ（７）の駆動信号を生成する第２信号演算部（９）と、を備える。

Description

制振装置

　本発明は、筺体と接続されたアクチュエータを制御して筺体の振動を抑制する制振装置に関するものである。

　今日では、半導体製造装置、工作機械および搬送装置など、様々な装置において、コントローラにより動作を制御されてワークや製品等の物体を所定方向に移動させるアクチュエータが使用されている。短時間でより多くの製品を製造するためには、ワークの移動にかかる時間はできるだけ短縮したいという要求が存在する。要求をみたすためには、アクチュエータの可動部を高速で移動させる必要があり、動作時の加速度が大きいほど装置に大きな反力（加振力）が生じる。特に、加速度の大きいリニアモータでは動作時の推力が大きいため、物体を移動させる際の加速時や減速時の加振力が大きくなる。その場合、ワークと装置の相対位置精度が悪化したり、装置を設置した床に振動が伝達することで他の装置が振動したりするという問題が生じる。

　この課題に対し、従来の加工装置では、支持装置に錘駆動装置を配置している。配置された錘駆動装置をコントローラにより駆動することで、水平移動部の移動によって加工装置に生じる振動を抑制している（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３－１８１７３９号公報

　しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。

　特許文献１に記載された加工装置では、モータ１１ａに出力された電流指令信号あるいは電圧指令信号に基づいて錘１８による慣性力がＸテーブル７移動時の水平加振力によるモーメント力と逆位相になるようにＡＣモータ１１ｂを動作させている。Ｘテーブル７を右方へ移動する場合、Ｘテーブル７を移動させるための推力の反力によってベッド６には左向きの力がかかる。一方、錘１８を左方へ移動させると、錘１８を移動させるための推力の反力によってベッド６には右向きの力がかかる。その結果、ベッド６に作用する力を相殺して振動の発生を抑制しているわけだが、加工装置を小型・軽量にしたい場合には完全に相殺することは難しい。

　錘１８の質量を小さくしようとすると、同等の推力を得るためには加速度を大きくする必要がある。加速度を大きくすれば、当然速度、変位ともに大きくなるため加工装置が大きくなる。また、錘１８の最大変位を小さくしようとすると、同等の推力を得るためには質量を大きくする必要がある。質量を大きくすれば、錘１８を支える部材の強度を上げる必要があり、加工装置が重くなる。

　本発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、駆動側アクチュエータの駆動によって筺体に生じる振動成分を、制振側アクチュエータの駆動によって生じる振動成分で低減または相殺する制振装置を提供することを目的とする。

　本発明に係る制振装置は、筺体と、駆動側固定子と駆動側可動子とを有し前記筺体と接続された駆動側アクチュエータと、制振側固定子と制振側可動子とを有し前記筺体と接続された制振側アクチュエータと、制御指令に基づいて駆動側アクチュエータの駆動信号を生成する第１信号演算部と、前記駆動側アクチュエータの駆動により生じる前記筺体の固有振動成分を、前記制振側アクチュエータの駆動により生じる前記筺体の振動成分で低減または相殺するよう、前記制御指令に基づいて前記制振側アクチュエータの駆動信号を生成する第２信号演算部と、を備えるものである。

　本発明に係る制振装置によれば、制御指令に基づいて駆動側アクチュエータの駆動信号および制振側アクチュエータの駆動信号を生成することによって、駆動側アクチュエータの駆動により生じる前記筺体の固有振動成分を、制振側アクチュエータの駆動により生じる前記筺体の振動成分で低減または相殺できる。

図１は、本発明の実施の形態に係る制振装置の構成の一例を示す概略図である。図２は、本発明の実施の形態に係る制振装置の構成の他の一例を示す概略図である。図３は、本発明の実施の形態に係る制振装置の構成の他の一例を示す概略図である。図４は、本発明の実施の形態に係る制振装置の第１信号演算部および第２信号演算部のブロック図である。図５は、制振側アクチュエータが無く筺体と駆動側アクチュエータで構成された従来の装置の構成の一例を示す概略図である。図６は、制振側アクチュエータが無く筺体と駆動側アクチュエータで構成された従来の装置において制御対象を簡易的に示すブロック図である。図７は、制振側アクチュエータが無く筺体と駆動側アクチュエータで構成された従来の装置において制御指令を入力したときの時系列波形である。図８は、本発明の実施の形態に係る制振装置において制御対象を簡易的に示すブロック図である。図９は、本発明の実施の形態のフィルタ処理部の構成の一例を示す図である。図１０は、本発明の実施の形態のフィルタ処理部の構成の他の一例を示す図である。図１１は、本発明の実施の形態に係る制振装置において制御指令を入力したときの時系列波形である。図１２は、従来の装置と本発明の実施の形態の制振装置において制御指令を入力したときの時系列波形を比較したものである。

　実施の形態
　図１は、本発明の実施の形態における制振装置の全体構成を示す概略図である。

　図１において、この制振装置は、筺体１、駆動側アクチュエータ４、制振側アクチュエータ７、第１信号演算部８および第２信号演算部９を備えており、床１００の上に設置されている。ここでは、駆動側アクチュエータ４と制振側アクチュエータ７が異なる平面に配置されているが、制振装置において駆動側アクチュエータ４を配置した場合に、搭載可能な空間であればよく、例えば、図２のような同一平面上にあっても、図３のように筺体を挟んで反対側の面にあってもよい。

　ここでは、制御指令が速度指令の場合について説明する。速度を積分したものが位置であるから、位置指令であっても同様の考え方が適用できることは言うまでも無い。

　駆動側アクチュエータ４は、駆動側固定子２と駆動側可動子３から構成され、第１信号演算部８で生成された駆動側アクチュエータの駆動信号に従い駆動される。駆動側アクチュエータ４としては、例えば、サーボモータの出力軸をねじ軸に連結したボールねじ機構や、高速・高位置決め精度が要求される場合にはリニアモータなどが挙げられる。

　制振側アクチュエータ７は、制振側固定子５と制振側可動子６から構成され、第２信号演算部９で生成された制振側アクチュエータの駆動信号に従い駆動される。制振側アクチュエータ７としては、ボールねじ機構やリニアモータなどが挙げられる。

　図４（ａ）に第１信号演算部８、図４（ｂ）に第２信号演算部９の構成の一例を示す。

　第１信号演算部８は、入力された制御指令（速度指令）に追従できるよう、例えば２自由度制御あるいはフィードバック制御など公知の方法により、電流指令、推力指令またはトルク指令を生成する。生成された電流指令、推力指令またはトルク指令に追従できるよう、例えば２自由度制御あるいはフィードバック制御など公知の方法により、駆動側アクチュエータの駆動信号を生成する。

　第１信号演算部８は、第１速度制御演算部２１と第１推力制御演算部２２から構成される。第１速度制御演算部２１は、入力された制御指令（速度指令）に追従できるよう、例えば２自由度制御あるいはフィードバック制御など公知の方法により推力指令を算出する。第１推力制御演算部２２は、第１速度制御演算部２１で算出された推力指令に追従できるよう、例えば２自由度制御あるいはフィードバック制御など公知の方法により算出した駆動側アクチュエータの駆動信号を出力する。

　第２信号演算部９は、フィルタ処理部２３と第２速度制御演算部２４と第２推力制御演算部２５から構成される。フィルタ処理部２３は、制御指令に対して後述するフィルタ処理を実施し、フィルタ後制御指令を出力する。第２速度制御演算部２４は、入力されたフィルタ後制御指令に追従できるよう、例えば２自由度制御あるいはフィードバック制御など公知の方法により推力指令を算出する。第２推力制御演算部２５は、第２速度制御演算部２４で算出された推力指令に追従できるよう、例えば２自由度制御あるいはフィードバック制御など公知の方法により算出した制振側アクチュエータの駆動信号を出力する。

　まずは、図５に示す、制振側アクチュエータ７が無く筺体１と駆動側アクチュエータ４で構成された装置の動作について説明する。この装置を簡易的に示すブロック図は、図６のようになる。Ｍ１は駆動側可動子の質量、Ｍｂは筺体１の質量、Ｋｂは筺体１の剛性、Ｄｂは筺体１の粘性を表す。

　駆動側アクチュエータ４に発生した推力Ｆ１は駆動側可動子３に対して作用し、駆動側可動子３の絶対速度ｖ１＿ａｂｓは式（１）で与えられる。

　一方、推力Ｆ１の反力が駆動側固定子２を介して筺体１に入ってくるため、筺体１の速度ｖｂおよび加速度ａｂは式（２）で与えられる。つまり、この制御対象の共振周波数ωｂは、式（３）のように筺体１の固有振動数となる。

　駆動側アクチュエータ４は、停止状態から加速、減速して停止状態に戻る動作となるので、停止状態から次の停止状態までの期間をＴとすると、その際に生じる推力は、式（４）で表現できる。

　式（４）は時間領域での式なので、ラプラス変換してｓ領域での式に直すと式（５）となる。

　式（２）に式（５）を代入すると式（６）が得られる。

　推力Ｆ１に含まれる信号において、基本波成分の振幅は一般的に他の周波数成分の振幅に比べて大きいので、推力Ｆ１を式（７）のように簡単化する。

　このとき、筺体１の加速度ａｂは式（８）で与えられ、筺体１の加速度ａｂは、推力に含まれる周波数成分に対して共振周波数ωｂの成分が重畳されたものとなることがわかる。

　図７は、図６の装置において制御指令を入力したときの時系列波形である。（ａ）は筺体１に対する駆動側アクチュエータの相対速度ｖ１＿ｒｅｌ、（ｂ）は駆動側アクチュエータの推力Ｆ１、（ｃ）は筺体１に対する駆動側アクチュエータの相対加速度ａ１＿ｒｅｌ、（ｄ）は筺体１に対する駆動側アクチュエータの相対変位ｘ１＿ｒｅｌ、（ｅ）は筺体１の変位ｘｂ、（ｆ）は筺体１の加速度（振動）ａｂを示す。推力が大きく変化するタイミングを起点として、筺体１は、推力と逆位相の信号に対して筺体１の固有振動成分を重畳した振動波形で振動する。

　次に、図８のようなブロック図で表現できる、本実施の形態の制振装置の動作について説明する。Ｍ２は制振側可動子の質量を表す。

　制振側アクチュエータ７に発生した推力Ｆ２は制振側可動子６に対して作用し、制振側可動子６の絶対速度ｖ２＿ａｂｓは式（９）で与えられる。

　一方、推力Ｆ１の反力が駆動側固定子２を介して、推力Ｆ２の反力が制振側固定子５を介して筺体１に入ってくるため、筺体１の速度ｖｂおよび加速度ａｂは式（１０）で与えられる。

　以下では、推力Ｆ１の反力で生じる固有振動成分を低減または相殺するための推力Ｆ２の与え方について説明する。推力Ｆ１および推力Ｆ２は、制御指令に基づいて得られた駆動信号によって生じるものであるから、推力Ｆ１とは推力Ｆ２の関係式を式（１１）とする。

　式（１１）を式（１０）に代入すると式（１２）が得られる。

　１＋Ｇ（ｓ）によって式（３）の固有振動成分を低減するためには、例えば共振周波数を遮断する式（１３）のようなバンドストップフィルタとなるようにすればよい。ωｂは遮断域の中心周波数、ζは遮断域の幅、ｄは遮断域の深さを表す。

　したがって、式（１３）が成り立つＧ（ｓ）は、式（１４）のようなバンドパスフィルタであればよい。

　なお、１＋Ｇ（ｓ）は共振周波数を遮断できるフィルタであればよいので、Ｇ（ｓ）は、例えば式（１５）のようなローパスフィルタとハイパスフィルタを組み合わせたフィルタにしても同様の効果を得られる。ここで、ｋ１およびｋ２は１より大の実数である。

　制振側アクチュエータの推力Ｆ２は、駆動側アクチュエータの推力Ｆ１に対して式（１４）のようなフィルタＧ（ｓ）を掛けたものとすればよい。つまり、フィルタ処理部２３は、図９のような構成とすればよく、バンドパスフィルタ３１は式（１４）に基づくフィルタ処理を実施し、バンドパスフィルタ３１から出力された信号にゲイン３２を掛けてフィルタ後制御指令を出力する。

　バンドパスフィルタ３１は、図１０のように１からバンドストップフィルタを減算する形で実装しても同様の効果が得られることは言うまでもない。図９では１つのバンドパスフィルタで構成されたものを示したが、これ以外に複数のフィルタを持っていてもよく、式（１５）のフィルタで構成したものでも同様の効果を得られる。

　ゲイン３２の決め方について説明する。式（１４）または式（１５）では推力について考えていたが、実際には制御指令に対してフィルタ処理をする必要がある。駆動側可動子の質量の制振側可動子の質量に対する比をＫｍとすると、同一の推力を得ようとすると式（１）および式（９）から、制振側可動子の速度は駆動側可動子の速度のＫｍ倍でなければならない。つまり、式（１４）または式（１５）のフィルタ効果を実現するためには、ゲイン３２を式（１６）で与える必要がある。

　ただし、ゲイン３２を大きく設定すると、制振側可動子の変位が大きくなるので筺体内での配置の制約が出てくる可能性がある。また、速度あるいは加速度が大きくなるので、制振側アクチュエータとして使用できるものが限定されてくる場合もある。したがって、筺体内での配置の制約と制振側アクチュエータの制約に合わせて、ゲイン３２は式（１７）のような値に設定すればよい。

　図１１は、図８の装置において制御指令を入力したときの時系列波形である。（ａ）は筺体１に対する駆動側アクチュエータの相対速度ｖ１＿ｒｅｌおよび制振側アクチュエータの相対速度ｖ２＿ｒｅｌ、（ｂ）は駆動側アクチュエータの推力Ｆ１および制振側アクチュエータの推力Ｆ２、（ｃ）は筺体１に対する駆動側アクチュエータの相対加速度ａ１＿ｒｅｌおよび制振側アクチュエータの相対加速度ａ２＿ｒｅｌ、（ｄ）は筺体１に対する駆動側アクチュエータの相対変位ｘ１＿ｒｅｌおよび制振側アクチュエータの相対変位ｘ２＿ｒｅｌ、（ｅ）は筺体１の変位ｘｂ、（ｆ）は筺体１の加速度（振動）ａｂを示す。筺体１の固有振動成分で振動していた図７の結果とは違い、振動成分を低減できている。

　図１２は、図７で示した従来の装置と図１１で示した本発明の実施の形態の制振装置の時系列波形を比較したものである。従来の装置では振動的だった駆動部相対変位は、本発明の実施の形態の制振装置では良好に収束できている。また、従来の装置では固有振動成分が出ていた筺体振動が、本発明の実施の形態の制振装置では低減できている。

　以上のように、本発明に係る制振装置は、駆動側アクチュエータが移動する際の推力が筺体に与える反力によって生じる筺体の固有振動成分を、制振側アクチュエータが移動する際の推力によって低減または相殺するため、駆動側可動子を高速で移動することが可能となり、短時間で多くの製品を製造したい半導体製造装置、実装機、工作機械および搬送装置などの用途に適用できる。

　１　筐体
　２　駆動側固定子
　３　駆動側可動子
　４　駆動側アクチュエータ
　５　制振側固定子
　６　制振側可動子
　７　制振側アクチュエータ
　８　第１信号演算部
　９　第２信号演算部
　２１　第１速度制御演算部
　２２　第１推力制御演算部
　２３　フィルタ処理部
　２４　第２速度制御演算部
　２５　第２推力制御演算部
　３１　バンドパスフィルタ
　３２　ゲイン

Claims

　筺体と、
　駆動側固定子と駆動側可動子とを有し前記筺体と接続された駆動側アクチュエータと、
　制振側固定子と制振側可動子とを有し前記筺体と接続された制振側アクチュエータと、
　制御指令に基づいて駆動側アクチュエータの駆動信号を生成する第１信号演算部と、
　前記駆動側アクチュエータの駆動により生じる前記筺体の固有振動成分を、前記制振側アクチュエータの駆動により生じる前記筺体の振動成分で低減または相殺するよう、前記制御指令に基づいて前記制振側アクチュエータの駆動信号を生成する第２信号演算部と、
　を備えることを特徴とする制振装置。
　前記制御指令は位置指令または速度指令である
　ことを特徴とする請求項１に記載の制振装置。
　前記第１信号演算部は、
　前記制御指令に基づき、駆動側アクチュエータの駆動信号を生成するための駆動部制御指令を算出し、
　前記第２信号演算部は、
　前記制振装置の機械的定数に基づくフィルタ処理部を備え、
　前記制御指令または前記駆動部制御指令を前記フィルタ処理部に通すことによって、制振側アクチュエータの駆動信号を生成するための制振部制御指令を算出する
　ことを特徴とする請求項１または２に記載の制振装置。
　前記フィルタ処理部は、少なくとも１つのバンドパスフィルタを有する
　ことを特徴とする請求項３に記載の制振装置。
　前記フィルタ処理部は、前記バンドパスフィルタの通過周波数を前記筺体の共振周波数とする
　ことを特徴とする請求項４に記載の制振装置。
　前記フィルタ処理部は、前記駆動側可動子の質量を前記制振側可動子の質量で除して得られる質量比以下であるゲインＫｖを掛ける
　ことを特徴とする請求項３から５のいずれか１項に記載の制振装置。