アクティブ制振装置、アクティブ制振装置の制御方法
【課題】変位センサを不要としつつ適切な剛性減衰制御を行うことができ、アクチュエータの位相遅れに起因する無用な発振を防ぐことが可能なアクティブ制振装置を提供する。
【解決手段】アクチュエータ２により補助質量を駆動した際の反力で制振対象の振動を抑制するアクティブ制振装置Ｘとして、アクチュエータの誘導起電力をアクチュエータの推力定数で割ることでアクチュエータの動作速度を推定する速度推定部４と、アクチュエータの動作速度の不完全積分値であるアクチュエータの振動変位に剛性ゲインを乗じた値、及びアクチュエータの動作速度に減衰ゲインを乗じた値を含む剛性減衰制御信号をフィードバックする剛性減衰制御部５と、アクチュエータの位相遅れを補償するアクチュエータ位相補償部８とを備えたものを適用する。
【解決手段】アクチュエータ２により補助質量を駆動した際の反力で制振対象の振動を抑制するアクティブ制振装置Ｘとして、アクチュエータの誘導起電力をアクチュエータの推力定数で割ることでアクチュエータの動作速度を推定する速度推定部４と、アクチュエータの動作速度の不完全積分値であるアクチュエータの振動変位に剛性ゲインを乗じた値、及びアクチュエータの動作速度に減衰ゲインを乗じた値を含む剛性減衰制御信号をフィードバックする剛性減衰制御部５と、アクチュエータの位相遅れを補償するアクチュエータ位相補償部８とを備えたものを適用する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、構造物や機器などの制振対象物に生じる振動を抑制するアクティブ制振装置、及びアクティブ制振装置の制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、振動を抑制する制振装置として、錘等の補助質量とバネ要素とダンパ要素から構成された受動型動吸振器が知られている。受動型動吸振器は、簡単な構成でありながら、バネ要素のバネ定数やダンパ要素の減衰係数を調整することによって制振対象の振動を抑制することができるという利点がある。
【０００３】
しかしながら、受動型動吸振器によって良好な制振性能を得るためには、バネ要素やダンパ要素のバネ定数や減衰係数を綿密に調整する作業が要求される。
【０００４】
そこで、バネやダンパの作用をアクチュエータによって発生させることで、バネ要素自体あるいはダンパ要素自体に対する機械的な調整を要することなく、バネ定数や減衰係数の調整を容易にして所望の剛性特性及び減衰特性を発揮させることができるアクティブ制振装置が考えられ、実用化されている。本出願人も、往復運動を行うリニアアクチュエータによって補助質量を駆動した際の反力を利用して、制振対象の振動を抑制可能なアクティブ制振装置をこれまでに提案している。
【０００５】
例えば、本出願人は、構造物の振動を抑制する手段の一つとして、錘などの補助質量を駆動するアクチュエータと、補助質量の相対変位量を検出する変位センサとを備え、変位センサ出力に基づいて剛性特性と減衰特性を制御するアクティブ制振装置によって、理想的なスカイフックダンパやフードダンパの実現を試みている（特許文献１及び特許文献２参照）。ここで、アクティブ制振装置をスカイフックダンパとして機能させる場合と、フードダンパとして機能させる場合とにおいて共通する制御仕様は、変位センサ出力に基づいて負の剛性を与えることにより補助質量を支持するバネ要素のバネ特性を０に近づけるように剛性特性を制御する点である。一方、アクティブ制振装置をスカイフックダンパとして機能させる場合と、フードダンパとして機能させる場合とでは減衰特性の制御が異なる。つまり、変位センサ出力の微分値に基づき負の減衰を与えることにより減衰特性を０に近づけるように制御するとともに、制御対象に取り付けた加速度センサの出力を積分することで得られる振動速度をフィードバックするアクティブ制振装置はスカイフックダンパとして機能し、変位センサ出力の微分値に基づいて減衰係数を最適減衰係数に近付けるように減衰特性を制御するアクティブ制振装置はフードダンパとして機能する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−２８５４２９号
【特許文献２】特開２００７−２８５４３０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、従来のアクティブ制振装置では、剛性特性及び減衰特性を制御する際に必要な情報であるアクチュエータの変位を変位センサによって検出していた。また、従来のアクティブ制振装置では、アクチュエータの位相のずれが一定限度を超えた場合に、一定の周波数を出力し続ける状態となって不要な発振が生じてしまうことも考えられる。
【０００８】
本発明は、このような問題に着目してなされたものであって、主たる目的は、変位センサを不要としつつ適切な剛性制御及び減衰制御を行うことができ、コストの削減及び構造の簡素化を図るとともに、アクチュエータの位相遅れに起因する無用な発振を防ぐことが可能なアクティブ制振装置、及びその制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
すなわち本発明は、補助質量と、補助質量を駆動し且つ駆動状態においてバネ力及び減衰力を発生させるアクチュエータとを備え、アクチュエータにより補助質量を駆動した際の反力を利用して、制振対象の振動を抑制するアクティブ制振装置に関するものである。ここで、「制振対象」とは、構造物や機器であるか否かを問わず、振動し得るものであればよい。また、「制振対象」が「構造物全体」や「機器全体」であったり、或いは「構造物や機器のうちある特定の領域や部分」であってもよい。制振対象としては、例えば、ロボットアームやマウンタ装置、露光装置などの半導体関連機器、半導体用搬送車、プラント配管類などの自己の振動を抑制する必要がある機器や構造物を挙げることができる。
【００１０】
そして、本発明に係るアクティブ制振装置は、推定したアクチュエータの誘導起電力をアクチュエータの推力定数で割ることでアクチュエータの動作速度を推定する速度推定部と、速度推定部で推定したアクチュエータの動作速度を積分または不完全積分することで推定可能なアクチュエータの振動変位に剛性ゲインを乗じた値、及び速度推定部で推定したアクチュエータの動作速度に減衰ゲインを乗じた値を含む剛性減衰制御信号をフィードバックすることにより、アクティブ制振装置の剛性特性及び減衰特性を制御する剛性減衰制御部と、アクチュエータの位相遅れを補償するアクチュエータ位相補償部とを備え、剛性減衰制御部が、アクティブ制振装置の固有振動数を制振対象の振動の周波数よりも小さくなるように剛性ゲインを設定したものであることを特徴としている。
【００１１】
このような本発明のアクティブ制振装置であれば、推定したアクチュエータの誘導起電力をアクチュエータの推力定数で割ることでアクチュエータの動作速度を推定し、この推定した動作速度を積分または不完全積分することによってアクチュエータの振動変位を算出するように構成しているため、変位センサが不要となり、また速度センサも必須ではなくなり、構造の簡素化及び低コスト化を図ることができる。そして、本発明のアクティブ制振装置では、その算出した振動変位に剛性ゲインを乗じた値と、速度推定部で推定したアクチュエータの動作速度に減衰ゲインを乗じた値とを含む剛性減衰制御信号をフィードバックすることによって剛性特性及び減衰特性を制御する剛性減衰制御部において、アクティブ制振装置の固有振動数を制振対象の振動の周波数よりも十分に小さくなるように剛性ゲインを設定しているため、この剛性減衰制御信号に基づいてアクチュエータを駆動させた場合、少なくともアクティブ制振装置のバネ要素(アクチュエータの構成部品であるバネ要素)の影響をなくした状態で好適に制振対象の振動を好適に抑制することができる。
【００１２】
さらに、本発明のアクティブ制振装置では、アクチュエータの位相遅れを補償するアクチュエータ位相補償部を備えているため、アクチュエータの位相遅れに起因する不要な発振を防止・抑制することができる。
【００１３】
また、本発明のアクティブ制振装置であれば、剛性減衰制御部により、剛性特性を上述した特性（アクティブ制振装置の固有振動数を制振対象の振動の周波数よりも十分に小さくなるように設定した剛性ゲインをアクチュエータの振動変位に乗じた値）に制御するとともに、減衰特性を、アクティブ制振装置自体の共振を起こさせない程度に制御することによって理想的なスカイフックダンパを実現することができる。また、剛性減衰制御部により、剛性特性を上述した特性に制御するとともに、減衰特性を、アクティブ制振装置の最適減衰係数に近付けるように制御することによって理想的なフードダンパを実現することができる。
【００１４】
特に、剛性減衰制御部が、速度推定部で推定したアクチュエータの動作速度を不完全積分することによって推定可能なアクチュエータの動作速度に剛性ゲインを乗じた値を含む剛性減衰制御信号をフィードバックするものであれば、出力が飽和してしまうという不具合を防止できる。
【００１５】
また、本発明では、推定したアクチュエータの動作速度の微分値をフィードバックすることにより、アクティブ制振装置の慣性特性を制御する慣性制御部を備えたアクティブ制振装置とすることもできる。このようなアクティブ制振装置であれば、アクチュエータの質量が増加または減少したような特性とすることが可能になる。
【００１６】
さらに、本発明では、制振対象の加速度信号をフィードバックする制振対象加速度信号フィードバック部を備えたアクティブ制振装置とすることもできる。このような態様であれば、加速度信号から算出可能な制振対象の絶対速度をフィードバックすることができ、絶対速度に比例した力を与えるように制御することにより、良好なスカイフックダンパ特性を得ることができる。
【００１７】
また、本発明のアクティブ制振装置の制御方法は、補助質量を駆動し且つ駆動状態においてバネ力及び減衰力を発生させるアクチュエータとを備え、当該アクチュエータにより前記補助質量を駆動した際の反力を利用して、制振対象の振動を抑制する方法であって、推定したアクチュエータの誘導起電力をアクチュエータの推力定数で割ることでアクチュエータの動作速度を推定する速度推定ステップと、速度推定ステップで推定したアクチュエータの動作速度を積分または不完全積分することで推定可能なアクチュエータの振動変位に剛性ゲインを乗じた値、及び速度推定ステップで推定したアクチュエータの動作速度に減衰ゲインを乗じた値を含む剛性減衰制御信号をフィードバックすることにより、当該アクティブ制振装置の剛性特性及び減衰特性を制御する剛性減衰制御ステップと、アクチュエータの位相遅れを補償するアクチュエータ位相補償ステップとを有し、剛性制御ステップにおいて、当該アクティブ制振装置の固有振動数を制振対象の振動の周波数よりも小さくなるように剛性ゲインを設定することを特徴としている。
【００１８】
このようなアクティブ制振装置の制御方法であれば、剛性減衰制御ステップにおいて、推定（算出）したアクチュエータの振動変位に所定の剛性ゲインを乗じた値を少なくとも含む剛性減衰制御信号を出力するように構成しているため、変位センサが不要であり、構造の簡素化及び低コスト化を図ることができる。そして、本発明に係るアクティブ制振装置の制御方法では、剛性減衰制御ステップにおいて、アクティブ制振装置の固有振動数を制振対象の振動の周波数よりも十分に小さくなるように剛性ゲインを設定することにより、アクティブ制振装置のバネ要素の影響を排除することができ、良好な制振機能を得ることができる。さらに、本発明のアクティブ制振装置の制御方法であれば、アクチュエータの位相遅れを補償するアクチュエータ位相補償ステップを有するため、アクチュエータの位相遅れに起因する不要な発振を防止・抑制することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、変位センサが不要でありながらも、制振対象の振動を好適に抑制することができるとともに、アクチュエータの位相遅れに起因する不要な発振を防止・抑制することが可能なアクティブ制振装置、及びその制御方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態に係るアクティブ制振装置の機能ブロック図。
【図２】同実施形態に係るアクティブ制振装置を制振対象に装着した状態の動作原理図。
【図３】同状態のブロック線図。
【図４】同実施形態におけるアクチュエータの模式図。
【図５】同アクチュエータの動作原理図。
【図６】同アクチュエータの動作原理図。
【図７】同実施形態における電流フィードバック回路制御部の一例を示すブロック線図。
【図８】同電流フィードバック回路制御部の他の一例を示すブロック線図。
【図９】同実施形態に係るアクティブ制振装置単体のブロック線図。
【図１０】不完全積分特性と積分特性とを比較して示す図。
【図１１】同実施形態における制振対象加速度信号フィードバック部のフィルタ部の一例を示すブロック線図。
【図１２】同フィルタ部の他の一例を示すブロック線図。
【図１３】同実施形態に係るアクティブ制振装置のフローチャート。
【図１４】同実施形態に係るアクティブ制振装置の剛性減衰制御による作用効果を示す図。
【図１５】同実施形態に係るアクティブ制振装置の一変形例の図３対応図。
【図１６】同実施形態に係るアクティブ制振装置の他の一変形例の図３対応図。
【図１７】同実施形態における電流位相補償回路部の一例を示すブロック線図。
【図１８】同電流位相補償回路部の他の一例を示すブロック線図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
【００２２】
本実施形態に係るアクティブ制振装置Ｘ（以下、「制振装置Ｘ」と称する場合もある）は、図１及び図２に示すように、補助質量１と、補助質量１を駆動するアクチュエータ２とを備え、アクチュエータ２により補助質量１を駆動した際の反力を利用して、制振対象Ｔの振動を抑制するものである。
【００２３】
このような制振装置Ｘを制振対象Ｔに固定（装着）し、制振対象Ｔに生じている振動を補助質量１及びアクチュエータ２を駆動させた状態では、その状態をモデル化した模式図である図２、及びその状態のブロック線図である図３に示すように、制振対象Ｔの振動系（以下「制振対象主系Ｔ１」と称する）、及び制振装置Ｘの振動系（「以下「制振装置機械系Ｘ１」と称する」が形成され、制振装置Ｘは、制振対象Ｔの振動を打ち消す方向に補助質量１をアクチュエータ２で動かすことによって制振効果を発揮する。このような制振装置Ｘは、アクティブ動吸振器（Active dynamic damper）とも称される。なお、図２及び図３の「ｍ０」「ｋ０」「ｃ０」は、それぞれ制振対象Ｔの質量（主系質量）、制振対象主系Ｔ１のバネ定数、制振対象主系Ｔ１の減衰係数を意味し、「ｍ１」「ｋ１」「ｃ１」は、それぞれ補助質量１、制振装置機械系Ｘ１のバネ定数、制振装置機械系Ｘ１の減衰係数を意味する。また、図３における符号２はアクチュエータのうち特に電気系を示す。
【００２４】
本実施形態では、制振装置Ｘを例えばロボットアームやマウンタ装置、露光装置などの半導体関連機器、半導体用搬送車、プラント配管類などの自己の振動を抑制する必要がある機器や構造物などの制振対象Ｔに装着することができ、アクチュエータ２に制振力（加振力）を発生させて、制振対象Ｔに発生する上下方向（重力方向）の振動を制振装置Ｘによって抑制できるように構成している。
【００２５】
補助質量１は、例えば錘等であり、図２に示すように、バネ要素ｋ及び減衰要素ｃによって支持（保持）されている。本実施形態では、アクチュエータ２（後述するレシプロモータＭ）を構成する部材がバネ要素ｋや減衰要素ｃとして機能する。
【００２６】
本実施形態に係る制振装置Ｘは、図１に示すように、補助質量１及びアクチュエータ２に加えて、アクチュエータ２を駆動する電流（駆動電流）を検出する電流検出部３と、電流検出部３から出力される電流値Ｉａ等に基づいてアクチュエータ２の動作速度（移動速度）を推定する速度推定部４と、速度推定部４の出力値である推定速度値を不完全積分処理「１／Ｔｉｓ＋１」した値に剛性ゲインｋ１ａを乗じた値、及び推定速度値に減衰ゲインｃ１ａを乗じた値を剛性減衰制御信号としてフィードバックすることにより制振装置機械系Ｘ１の剛性特性及び減衰特性を所望の特性に制御する剛性減衰制御部５と、剛性減衰制御部５から出力される剛性減衰制御信号等に基づき、アクチュエータ２に発生させるべき力に応じてアクチュエータ２に印加するべき電流の指令値を求めて出力する印加電流指令生成部６と、印加電流指令生成部６の出力値（電流指令値）に応じたアクチュエータ２を駆動するための電流をアクチュエータ２に供給するパワーアンプ７とを備えたものである。
【００２７】
本実施形態のアクティブ制振装置Ｘでは、アクチュエータ２として、補助質量１を往復運動させるリニアアクチュエータを適用している。リニアアクチュエータとして、ボイスコイルモータを適用することもできるが、本実施形態では、電磁力を利用したレシプロモータＭを適用している。
【００２８】
このレシプロモータＭは、図４乃至図６に示すように、制振対象Ｔに固定される固定子２１と、固定子２１に対して往復動可能な可動子２２と、固定子２１及び可動子２２の同一軸心上に配置され可動子２２と一体に往復動可能な軸２３と、自らが弾性変形することにより可動子２２及び軸２３を固定子２１に対して往復動可能に支持する板バネ２４とを備えたものである。固定子２１は、内部に可動子２２の移動を許容する空間を有する筒状をなし、軸２３の長手方向（軸方向）にリング状の鋼板を積層した積層コア２１ａと、積層コア２１ａのうち可動子２２に対面し得る領域に配置した永久磁石２１ｂと、積層コア２１ａの所定部分に巻回したコイル２１ｃとを有する（図５参照）。ここで、軸方向に隣り合う永久磁石２１ｂ同士の極、及び可動子２２を挟んで対向する永久磁石２１ｂ同士の極が相互に異なるように配置設定している。また、可動子２２は、リング状の鋼板を積層したものであり、適宜の手段で軸２３に固定されている。本実施形態では、可動子２２と補助質量１とを軸２３で接合し、制振対象Ｔの抑制するべき振動の方向と可動子２２の往復動方向（推力方向）とが一致するように、固定子２１を制振対象Ｔに固定している（図４参照）。
【００２９】
そして、コイル２１ｃに所定方向（正方向）の電流を流した場合、コイル２１ｃ及び永久磁石２１ｂ等の作用により、図５に矢印φ１で示す磁束経路が形成され、可動子２２は重力に逆らう方向（上方向、矢印Ｆ１方向）に移動し、コイル２１ｃに所定方向とは逆方向（負方向）の電流を流した場合、図６に矢印φ２で示す磁束経路が形成され、可動子２２は重力方向（下方向、矢印Ｆ２方向）に移動する。このように、可動子２２に作用する推力の方向Ｆ１，Ｆ２は、コイル２１ｃに流す電流の方向により決定される。そのため、コイル２１ｃに正方向及び負方向の電流を交互に流すことにより可動子２２を軸方向に沿った一直線上で往復駆動（振動）させることが可能となる。これにより、軸２３を介して板バネ２４で保持している補助質量１を往復駆動させることができる。
【００３０】
可動子２２が受ける推力の大きさは、コイル２１ｃに流す電流の大きさに比例し、本実施形態の制振装置Ｘでは、印加電流指令生成部６からパワーアンプ７に出力する電流指令値に基づいて可動子２２及び補助質量１の加速度を制御することにより、制振対象Ｔの振動を低減するように構成している。なお、図４に示すようなリニアアクチュエータ２は、軸２３を滑らせて往復動可能に支持するのではなく、板バネ２４が、可動子２２を軸２３の上端側及び下端側の２箇所で保持し、自ら弾性変形することによって可動子２２を軸方向に往復動可能に支持するため、可動子２２には摩耗も摺動抵抗も生じず、長期に亘る使用を経た後でも軸２３を支持する精度が低下することがなく、高い信頼性を得ることができるとともに、摺動抵抗に起因する消費電力の損失がなく性能の向上を図ることができる。
【００３１】
電流検出部３は、例えば電流センサを用いて構成したものであり、パワーアンプ７からアクチュエータ２に供給される電流Ｉａを検出する。その検出値Ｉａ*を速度推定部４に出力している。また、本実施形態の制振装置Ｘは、電流検出部３で検出した電流値Ｉａ*をパワーアンプ７の入力側に戻す電流フィードバック制御部８を備え、この電流フィードバック制御部に電流フィードバック回路制御部Ｇｃを設けている。この電流フィードバック回路制御部Ｇｃは、図７に示すように比例要素ｋｃＰで構成したり、図８に示すように比例要素ｋｃＰと積分要素１／ｓとの組み合わせによって構成することができる。このような電流フィードバック回路制御部Ｇｃからの出力値（電流フィードバック指令値）をパワーアンプ７の入力側に戻す電流フィードバック制御を行うことにより、高い周波数でも十分な応答性を得ることができ、アクチュエータの位相遅れを補償することができる。すなわち、この電流フィードバック制御部８が本発明のアクチュエータ位相補償部として機能する。
【００３２】
速度推定部４は、制振装置Ｘ単体のブロック線図である図９に示すように、誘導起電力ｅＴ*に基づいてアクチュエータ２の動作速度ｖ１*を推定するものである。本実施形態では、アクチュエータ２のコイル電流及び指令電圧から誘導起電力ｅＴ*を推定し、この誘導起電力ｅＴ*をアクチュエータ２の推力定数ＫＴ*で割ることでアクチュエータ２の動作速度ｖ１*を推定するように構成している。指令電圧は、パワーアンプ７に入力される電流指令値にパワーアンプゲインＧＰＡ*を乗じることによって求めることができる。なお、アクチュエータ２の端子電圧を検出する電圧検出部を別途設け、この電圧検出部で検出した電圧値を利用して誘導起電力ｅＴ*を推定するようにしてもよい。一方、アクチュエータ２のコイル端子電圧は、アクチュエータ２に供給される電流（本実施形態では電流検出部３で検出した電流値Ｉａ*）にコイル２１ｃの逆特性「Ｌ*Ｓ＋Ｒ*」を乗じることによって求めることができる。そして、この速度推定部４は、推定した推定速度値ｖ１*を剛性減衰制御部５に出力する。
【００３３】
なお、速度推定部４として、誘導起電力を指令電圧とアクチュエータ２の端子電圧とから求め、この誘導起電力からアクチュエータ２（可動子２２）の動作速度を推定するように構成したものを用いることもできる。
【００３４】
剛性減衰制御部５は、図９に示すように、速度推定部４の出力値である推定速度値ｖ１*の不完全積分値である振動変位の推定値ｘ１*（アクチュエータ２の振動変位ｘ１の推定値）に剛性ゲインｋ１ａを乗算した値、推定速度値ｖ１*に減衰ゲインｃ１ａを乗算した値とを剛性減衰制御信号としてフィードバックすることにより、制振装置Ｘの剛性特性及び減衰特性を調整するものである。具体的に、この剛性減衰制御部５は、制振装置機械系Ｘ１の固有振動数を制振対象Ｔの振動の周波数ωよりも低くなるようにし、且つ減衰を打ち消し得るように剛性ゲインｋ１ａ及び減衰ゲインｃ１ａを設定し、これら設定した剛性ゲインｋ１ａ及び減衰ゲインｃ１ａに基づく剛性減衰制御信号を印加電流指令生成部６に出力する。なお、剛性減衰制御部５には制振対象Ｔの周波数情報（制振対象Ｔの振動の周波数情報）が予め入力されている。また、本実施形態では、推定速度値を不完全積分処理することで剛性ゲインｋ１ａを乗算する対象値である振動変位を求めているようにしているため、図１０に示すように、積分処理であれば生じ得る不具合、つまり単独の積分回路にわずかな直流電流成分が入力されると、回路の電圧制限や積分演算時の有効桁数の制限によって飽和してしまい、必要な交流電流成分を出力することができないという不具合を防止することができる。
【００３５】
そして、本実施形態の剛性減衰制御部５は、剛性ゲイン「ｋ１ａ」及び減衰ゲインをそれぞれ次の値に設定している。
−ｋ１≦ｋ１ａ ・・・式１
−ｃ１≦ｃ１ａ ・・・式２
ここで、式１におけるｋ１は制振装置機械系Ｘ１のバネ定数を意味し、式２におけるｃ１は制振装置機械系Ｘ１の減衰係数を意味する。
【００３６】
このように、本実施形態では、アクティブ制振装置Ｘのバネ要素と減衰要素の影響をなくすように剛性特性及び減衰特性を制御している。
【００３７】
そして、本実施形態の制振装置Ｘは、このような剛性減衰制御部５により、剛性ゲインｋ１ａに制振装置機械系Ｘ１の振動変位を乗じた値、及び減衰ゲインｃ１ａに制振装置機械系Ｘ１（アクチュエータ２）の動作速度を乗じた値の加算値を、アクチュエータ２に発生させる推力を指令する推力指令値（「剛性減衰制御信号」に相当し、以下では「力指令値」と称する場合もある）として出力する。
【００３８】
印加電流指令生成部６は、アクチュエータ２に印加するべき電流の指令値を、剛性減衰制御部５からの出力値である力指令値をアクチュエータ２の推力定数ＫＴ*で割った値を、さらに濾波器６１を通して得られる剛性減衰制御電流指令値から生成するものである。濾波器６１は、バンドパスフィルタやハイパスフィルタなどを用いて構成することができる。
【００３９】
そして、この印加電流指令生成部６は、生成した電流指令値をパワーアンプ７に出力する。ここで、図２及び図９に示すように、上述した電流フィードバック制御部８は、印加電流指令生成部６の一部として捉えることができる。すなわち、印加電流指令生成部６は、アクチュエータ２に印加するべき電流の指令値を求めるに際して、電流フィードバック制御部８からの出力値である電流フィードバック指令値を反映させ、この反映させた電流指令値をパワーアンプ７に向かって出力するように構成している。
【００４０】
また、本実施形態に係る制振装置Ｘは、図３に示すように制振対象Ｔの速度信号をフィードバックする制振対象加速度信号フィードバック部９を備えている。本実施形態では、制振対象Ｔの速度を制振対象Ｔの質量ｍ０に力が作用することで発生する加速度α０の検出値α０*をフィルタ部９１に通してパワーアンプ７の入力側に戻し、アクチュエータ２に印加するべき電流の指令値を求めるに際して、制振対象加速度信号フィードバック部９からの出力値である加速度信号フィードバック値を反映させ、この反映させた加速度信号フィードバック値をパワーアンプ７に向かって出力するように構成している。なお、制振対象Ｔの速度は、適宜箇所に設けた速度センサ（図示省略）や、加速度信号α０*を積分等の処理をすることで検出することができる。
【００４１】
フィルタ部９１は、比例要素のみで構成する第１態様、積分要素又は直流成分に対する積分機能を有しない不完全積分要素によって構成する第２態様、ハイパスフィルタまたはバンドパスフィルタで構成する第３態様、これら３つの態様の何れかで構成したり、あるいは組み合わせで構成することができる。ここで、第２態様の積分要素としては、図１１に示すように、加速度信号を速度信号に変換するものや、加速度信号を変位信号に変換するものを挙げることができ、不完全積分要素としては、図１２に示すように、加速度信号を振動速度信号に変換するものや、加速度信号を振動変位信号に変換するものを挙げることができる。
【００４２】
パワーアンプ７は、アクチュエータ２に発生させるべき力に応じた電流をリニアアクチュエータ２に供給するものである。本実施形態のパワーアクチュエータ７は、印加電流指令生成部６の出力値である電流指令値に電流フィードバック指令値及び加速度信号フィードバック値を減算処理して得られる値に、所定のパワーアンプゲインＧＰＡを乗じ、その乗算値である指令電圧をアクチュエータ２に出力するように構成している。
【００４３】
次に、本実施形態に係る制振装置Ｘの動作及び制振方法、並びに作用を図３、図９及び図１３を参照して説明する。
【００４４】
図９に示すように、制振装置機械系Ｘ１を制振対象Ｔに装着していない状態でアクチュエータ２に作用する推力ｆａによって可動子２２及び補助質量１を駆動させた場合、制振装置機械系Ｘ１の動作速度ｖ１（推力ｆａを質量ｍ１（補助質量１）で割った値）に比例する力、具体的には制振装置機械系Ｘ１の動作速度ｖ１に減衰係数ｃ１を乗じた値に相当する力が減衰力として発生するとともに、制振装置機械系Ｘ１の振動変位ｘ１（速度の積分値）に比例した力、具体的には制振装置機械系Ｘ１の振動変位ｘ１にバネ定数ｋ１を乗じた値に相当する力がバネ力として発生し、これらバネ力及び減衰力がアクチュエータ２の推力ｆａを小さくする（下げる）方向に作用する。
【００４５】
また、制振対象主系Ｔ１は、制振装置Ｘが装着されていない状態で加振周波数成分の振動（加振力ｆｄ）が生じた場合、制振対象主系Ｔ１の変位ｘ０に比例したバネ力（制振対象主系Ｔ１の変位ｘ０にバネ定数ｋ０を乗じた値に相当する力）が発生するとともに、制振対象主系Ｔ１の動作速度ｖ０に比例する減衰力（制振対象主系Ｔ１の動作速度ｖ０に減衰係数ｃ０を乗じた値に相当する力）が発生し、これらバネ力及び減衰力が振動ｆｄを小さくする（下げる）方向に作用する。
【００４６】
このような制振対象Ｔに本実施形態の制振装置Ｘを装着した場合、図３に示すように、アクチュエータ２の推力ｆａ及びアクチュエータ２の推力ｆａによって生じるバネ力及び減衰力が制振対象Ｔにも作用する。
【００４７】
ここで、制振装置Ｘ（制振装置機械系Ｘ１）の補助質量１とバネ定数ｋ１とによって決まる制振装置Ｘ（制振装置機械系Ｘ１）の固有振動数を制振対象Ｔの固有周波数ωよりも低くするとともに、制振装置Ｘ（制振装置機械系Ｘ１）の減衰係数ｃ１を制振装置Ｘ自体の共振を起こさせない程度に設定し、さらに、制振対象Ｔの絶対速度に比例した力を与えるように制御すれば良好なスカイフックダンパ特性を発揮し、制振対象Ｔの振動を抑制することができる。
【００４８】
上記の点を考慮し、本実施形態の制振装置Ｘは、通電状態においてアクチュエータ２によって補助質量１を往復駆動させている場合（図１３のＳ１；Ｙ）、先ず、電流検出部３でパワーアンプ７からアクチュエータ２に供給される電流を検出し、その検出値Ｉａ*を速度推定部４に出力する（電流検出ステップＳ２）。次いで、本実施形態の制振装置Ｘは、速度推定部４において、指令電圧と電流検出部３からの出力値（電流値Ｉａ）とから誘導起電力ｅＴ*を推定し、この誘導起電力ｅＴ*をアクチュエータ２の推力定数ＫＴ*で割ることでアクチュエータ２の動作速度を推定する（動作速度推定ステップＳ３）。
【００４９】
ここで、制振装置機械系Ｘ１の動作速度に応じてアクチュエータ２には誘導起電力ｅＴ（制振装置機械系Ｘ１の動作速度をアクチュエータ２の推力定数ＫＴで割った値）が生じ、その分だけアクチュエータ２の端子電圧は下がるが、制振装置Ｘを制振対象Ｔに取り付けた場合、図３に示すように、制振装置機械系Ｘ１の動作速度ｖ１には制振対象主系Ｔ１の動作速度ｖ０も含まれることになる。したがって、アクチュエータ２に実際に生じる誘導起電力ｅＴは、制振装置機械系Ｘ１の動作速度ｖ１から制振対象主系Ｔ１の動作速度ｖ０を引いた値（ｖ１−ｖ０）に応じた値となる。そして、本実施形態の速度推定部４（動作速度推定ステップＳ３）では、この誘導起電力ｅＴと同等の誘導起電力ｅＴ*に基づいてアクチュエータ２単体の動作速度を推定するように構成しているため、速度推定部４で推定して剛性減衰制御部５に出力する値は、制振装置機械系Ｘ１の動作速度ｖ１から制振対象主系Ｔ１の動作速度ｖ０を引いた値「ｖ１−ｖ０」となる。
【００５０】
引き続いて、本実施形態の制振装置Ｘは、予め剛性減衰制御部５に入力されている制振対象Ｔの振動周波数情報に基づいて、剛性減衰制御部５により、制振装置Ｘの固有振動数が制振対象の振動の周波数ωよりも十分低くなるように剛性特性を制御するとともに、且つ制振装置機械系Ｘ１の減衰ｃ１を打ち消す減衰特性となるように、上記式１及び式２に基づいて剛性ゲインｋ１ａ，減衰ゲインｃ１ａを設定し、設定した剛性ゲインｋ１ａに速度推定部４からの出力値（アクチュエータ２の動作速度ｖ１−ｖ０）の不完全積分値を乗じた値と、設定した減衰ゲインｃ１ａに速度推定部４からの出力値（アクチュエータ２の動作速度ｖ１−ｖ０）を乗じた値とを力指令値として印加電流指令生成部６に出力する（剛性減衰制御ステップＳ４）。
【００５１】
次いで、本実施形態の制振装置Ｘは、印加電流指令生成部６により、剛性減衰制御部５からの出力値である力指令値をアクチュエータ２の推力定数ＫＴ*で除した値を濾波器６１に通して得られる剛性減衰制御電流指令値に基づいて、対パワーアンプ供給電流指令値を生成する（印加電流指令生成ステップＳ５）。本実施形態では、印加電流指令生成部６（印加電流指令生成ステップＳ５）において、さらに、対パワーアンプ供給電流指令値と電流フィードバック指令値と加速度信号フィードバック値とを対応付け、この対応付けた電流指令値をパワーアンプ７に向かって出力する（電流指令値出力ステップＳ６）。ここで、電流指令値出力ステップＳ７では、対パワーアンプ供給電流指令値と電流フィードバック指令値とを対応付けてアクチュエータ２の位相遅れを補償していることから、本発明のアクチュエータ位相補償ステップと捉えることができる。また、電流指令値出力ステップＳ７では、対パワーアンプ供給電流指令値と加速度信号フィードバック値とを対応付けていることから、制振対象の加速度信号をフィードバックする制振対象加速度信号フィードバックステップと捉えることができる。
【００５２】
そして、本実施形態の制振装置Ｘは、電流指令値出力ステップＳ６で出力した電流指令値に、パワーアンプ７によって所定のパワーアンプゲインＧＰＡを乗じた指令電圧をアクチュエータ２に出力する（電圧指令出力ステップＳ７）。これにより、アクチュエータ２の可動子２２に、指令電圧に応じた電流を推力定数ＫＴで乗じた値である推力ｆａが作用する。この推力ｆａを受けて往復動する可動子２２により補助質量１を往復駆動させ、その反力を用いて制振対象Ｔの振動を低減することができる。この際、制振装置機械系Ｘ１のバネ定数ｋ１及び減衰係数ｃ１はそれぞれ剛性減衰制御部５で設定した剛性ゲインｋ１ａ及び減衰ゲインｃ１ａによって調整されたものであるため、アクチュエータ２の可動子２２及び補助質量１（制振装置機械系Ｘ１）は制振対象Ｔの振動の周波数ωよりも十分に低い固有振動数で振動し、また、減衰を０に近付けて制振装置Ｘ自体の共振を起こさせない程度に設定していることから、制振対象Ｔの振動を０に近付けることができ、良好な制振効果を得ることができる。また、本実施形態に係る制振装置Ｘは、制振対象Ｔの絶対速度をフィードバックして、絶対速度に比例した力を与えるように構成しているため、理想的なスカイフックダンパとして作用する。
【００５３】
ここで、図１４には、本実施形態に係る制振装置Ｘにより剛性減衰制御を行った場合のゲインと周波数との関係を相対的に太い線で示し、比較例として剛性減衰制御を行わない場合のゲインと周波数との関係を相対的に細い線で示している。同図から把握できるように、本実施形態に係る制振装置Ｘでは、剛性減衰制御部５によってアクチュエータ２の共振特性を調整することができる。具体的には、上述した剛性制御を行うことによって制振装置Ｘの固有振動数を低下させて、共振周波数を低く設定することによってゲイン特性の平坦な領域が同図におけるＰ２とＰ１との差だけ広がり、加速度信号フィードバック部９での制御可能周波数帯域が拡大する。また、上述した減衰制御を行うことによってアクチュエータ２の減衰特性を調整することができ、外乱に対する共振特性の調整も可能になる。
【００５４】
そして、本実施形態の制振装置Ｘは、アクチュエータ２による補助質量１の往復駆動が停止すれば上述の処理を停止し（図１３のＳ８；Ｙ）、アクチュエータ２による補助質量１の往復駆動が継続している間は、上述した電流検出ステップＳ２から電圧指令出力ステップＳ６を継続して繰り返す（図１３のＳ８；Ｎ）ことにより、制振対象Ｔの振動を効果的に抑制することができる。ここで、補助質量１の往復駆動が停止する場合としては、電源Ｐからアクチュエータ２への通電状態が切断された場合や、通電状態において抑制すべき振動が生じていない場合、或いは制振モードが選択されていない場合等を挙げることができる。
【００５５】
また、本実施形態の制振装置Ｘは、電流検出部３によって検出した電流値Ｉａやパワーアンプ７に入力される指令電圧に基づいて動作速度推定部４によりアクチュエータ２（制振装置機械系Ｘ１）の動作速度を推定するように構成しているため、アクチュエータ２の固定子２１に対する補助質量１の相対値（変位、速度、加速度）を検出する各種センサ（変位センサ、速度センサ、加速度センサ）が不要となり、コストの削減を図ることができる。しかも、本実施形態では、アクチュエータ２の位相遅れを補償することができるように電流フィードバック制御を採用しており、この電流フィードバック制御を行うに際して必須となる電流検出部３を利用してアクチュエータ２（制振装置機械系Ｘ１）の動作速度を推定するように構成しているため、部品の共用化を好適に図ることができる。
【００５６】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、上述した制振装置が、スカイフックダンパとして機能するスカイフックダンパ制御と、フードダンパとして機能するフードダンパ制御とで切替可能に構成されたものであってもよい。スカイフックダンパ制御時には、上述した制御方法を採用すればよい。一方、フードダンパ制御を行う場合には、制振装置Ｘの減衰係数ｃ１を最適減衰係数に近付けるように減衰ゲインｃ１ａを設定するとともに、加速度信号フィードバック部９のフィルタ部９１を通る経路を使用しないようにして、制振対象Ｔの相対速度に比例する力を与えるように制御する。このような制御を採用することにより、理想的なフードダンパとして機能する制振装置を実現できる。
【００５７】
また、図１５に示すように、推定したアクチュエータ２の動作速度の微分値をフィードバックすることによりアクティブ制振装置の慣性特性を制御する慣性制御部１０を備えた制振装置にすることも可能である。このような慣性制御部１０を備えた制振装置であれば、アクチュエータ２の可動部の質量が増加または減少したような特性とすることも可能になる。
【００５８】
さらに、上述した実施形態では、アクチュエータの位相遅れを補償するアクチュエータ位相補償部として、電流フィードバック部を用いて構成した態様を例示したが、図１６に示すように、微分回路または不完全微分回路を有する電流位相補償回路Ｇｄによってアクチュエータ位相補償部を構成することもできる。電流位相補償回路Ｇｄは、図１７に示すように、比例要素Ｋｄｐと微分要素ｓとの組み合わせで実現したり、図１８に示すように、比例要素Ｋｄｐと不完全微分要素「ｓ／（Ｔｉ３ｓ＋１）」との組み合わせで実現することができる。
【００５９】
また、上述した実施形態では、アクチュエータに生じる誘導起電力を基にアクチュエータ（制振装置機械系）の動作速度を推定する態様を示したが、アクチュエータの固定子に対する補助質量の速度または加速度を検出する各センサ（速度センサ、加速度センサ）のうち少なくとも１つを備え、センサの検出値を基にアクチュエータ（制振装置機械系）の動作速度を検出又は推定する構成であっても構わない。また、剛性減衰制御部（剛性減衰制御ステップ）において剛性ゲインを乗じる対象値であるアクチュエータ（制振装置機械系）の変位は、速度センサや加速度センサによるセンシング値（検出値）を基に所定の演算処理によって推定（算出）した値であってもよい。同様に、剛性減衰制御部（剛性減衰制御ステップ）において減衰ゲインを乗じる対象値であるアクチュエータ（制振装置機械系）の動作速度は、速度センサや加速度センサによるセンシング値（検出値）を基に所定の演算処理によって推定（算出）した値であってもよい。
【００６０】
さらに、剛性減衰制御部が、速度推定部で推定したアクチュエータの動作速度を、不完全積分処理ではなく、積分処理することで推定可能なアクチュエータの振動変位に剛性ゲインを乗じた値を含む剛性減衰制御信号をフィードバックすることにより、アクティブ制振装置の剛性特性を制御するものであってもよい。
【００６１】
また、電流フィードバック制御を採用していない制振装置であってもよい。
【００６２】
その他、各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。
【符号の説明】
【００６３】
１…補助質量
２…アクチュエータ（リニアアクチュエータ、レシプロモータ）
４…速度推定部
５…剛性減衰制御部
８…アクチュエータ位相補償部（電流フィードバック制御部）
９…制振対象加速度信号フィードバック部
１０…慣性制御部
ｃ１ａ…減衰ゲイン
ｋ１ａ…剛性ゲイン
Ｔ…制振対象
Ｘ…アクティブ制振装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、構造物や機器などの制振対象物に生じる振動を抑制するアクティブ制振装置、及びアクティブ制振装置の制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、振動を抑制する制振装置として、錘等の補助質量とバネ要素とダンパ要素から構成された受動型動吸振器が知られている。受動型動吸振器は、簡単な構成でありながら、バネ要素のバネ定数やダンパ要素の減衰係数を調整することによって制振対象の振動を抑制することができるという利点がある。
【０００３】
しかしながら、受動型動吸振器によって良好な制振性能を得るためには、バネ要素やダンパ要素のバネ定数や減衰係数を綿密に調整する作業が要求される。
【０００４】
そこで、バネやダンパの作用をアクチュエータによって発生させることで、バネ要素自体あるいはダンパ要素自体に対する機械的な調整を要することなく、バネ定数や減衰係数の調整を容易にして所望の剛性特性及び減衰特性を発揮させることができるアクティブ制振装置が考えられ、実用化されている。本出願人も、往復運動を行うリニアアクチュエータによって補助質量を駆動した際の反力を利用して、制振対象の振動を抑制可能なアクティブ制振装置をこれまでに提案している。
【０００５】
例えば、本出願人は、構造物の振動を抑制する手段の一つとして、錘などの補助質量を駆動するアクチュエータと、補助質量の相対変位量を検出する変位センサとを備え、変位センサ出力に基づいて剛性特性と減衰特性を制御するアクティブ制振装置によって、理想的なスカイフックダンパやフードダンパの実現を試みている（特許文献１及び特許文献２参照）。ここで、アクティブ制振装置をスカイフックダンパとして機能させる場合と、フードダンパとして機能させる場合とにおいて共通する制御仕様は、変位センサ出力に基づいて負の剛性を与えることにより補助質量を支持するバネ要素のバネ特性を０に近づけるように剛性特性を制御する点である。一方、アクティブ制振装置をスカイフックダンパとして機能させる場合と、フードダンパとして機能させる場合とでは減衰特性の制御が異なる。つまり、変位センサ出力の微分値に基づき負の減衰を与えることにより減衰特性を０に近づけるように制御するとともに、制御対象に取り付けた加速度センサの出力を積分することで得られる振動速度をフィードバックするアクティブ制振装置はスカイフックダンパとして機能し、変位センサ出力の微分値に基づいて減衰係数を最適減衰係数に近付けるように減衰特性を制御するアクティブ制振装置はフードダンパとして機能する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−２８５４２９号
【特許文献２】特開２００７−２８５４３０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、従来のアクティブ制振装置では、剛性特性及び減衰特性を制御する際に必要な情報であるアクチュエータの変位を変位センサによって検出していた。また、従来のアクティブ制振装置では、アクチュエータの位相のずれが一定限度を超えた場合に、一定の周波数を出力し続ける状態となって不要な発振が生じてしまうことも考えられる。
【０００８】
本発明は、このような問題に着目してなされたものであって、主たる目的は、変位センサを不要としつつ適切な剛性制御及び減衰制御を行うことができ、コストの削減及び構造の簡素化を図るとともに、アクチュエータの位相遅れに起因する無用な発振を防ぐことが可能なアクティブ制振装置、及びその制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
すなわち本発明は、補助質量と、補助質量を駆動し且つ駆動状態においてバネ力及び減衰力を発生させるアクチュエータとを備え、アクチュエータにより補助質量を駆動した際の反力を利用して、制振対象の振動を抑制するアクティブ制振装置に関するものである。ここで、「制振対象」とは、構造物や機器であるか否かを問わず、振動し得るものであればよい。また、「制振対象」が「構造物全体」や「機器全体」であったり、或いは「構造物や機器のうちある特定の領域や部分」であってもよい。制振対象としては、例えば、ロボットアームやマウンタ装置、露光装置などの半導体関連機器、半導体用搬送車、プラント配管類などの自己の振動を抑制する必要がある機器や構造物を挙げることができる。
【００１０】
そして、本発明に係るアクティブ制振装置は、推定したアクチュエータの誘導起電力をアクチュエータの推力定数で割ることでアクチュエータの動作速度を推定する速度推定部と、速度推定部で推定したアクチュエータの動作速度を積分または不完全積分することで推定可能なアクチュエータの振動変位に剛性ゲインを乗じた値、及び速度推定部で推定したアクチュエータの動作速度に減衰ゲインを乗じた値を含む剛性減衰制御信号をフィードバックすることにより、アクティブ制振装置の剛性特性及び減衰特性を制御する剛性減衰制御部と、アクチュエータの位相遅れを補償するアクチュエータ位相補償部とを備え、剛性減衰制御部が、アクティブ制振装置の固有振動数を制振対象の振動の周波数よりも小さくなるように剛性ゲインを設定したものであることを特徴としている。
【００１１】
このような本発明のアクティブ制振装置であれば、推定したアクチュエータの誘導起電力をアクチュエータの推力定数で割ることでアクチュエータの動作速度を推定し、この推定した動作速度を積分または不完全積分することによってアクチュエータの振動変位を算出するように構成しているため、変位センサが不要となり、また速度センサも必須ではなくなり、構造の簡素化及び低コスト化を図ることができる。そして、本発明のアクティブ制振装置では、その算出した振動変位に剛性ゲインを乗じた値と、速度推定部で推定したアクチュエータの動作速度に減衰ゲインを乗じた値とを含む剛性減衰制御信号をフィードバックすることによって剛性特性及び減衰特性を制御する剛性減衰制御部において、アクティブ制振装置の固有振動数を制振対象の振動の周波数よりも十分に小さくなるように剛性ゲインを設定しているため、この剛性減衰制御信号に基づいてアクチュエータを駆動させた場合、少なくともアクティブ制振装置のバネ要素(アクチュエータの構成部品であるバネ要素)の影響をなくした状態で好適に制振対象の振動を好適に抑制することができる。
【００１２】
さらに、本発明のアクティブ制振装置では、アクチュエータの位相遅れを補償するアクチュエータ位相補償部を備えているため、アクチュエータの位相遅れに起因する不要な発振を防止・抑制することができる。
【００１３】
また、本発明のアクティブ制振装置であれば、剛性減衰制御部により、剛性特性を上述した特性（アクティブ制振装置の固有振動数を制振対象の振動の周波数よりも十分に小さくなるように設定した剛性ゲインをアクチュエータの振動変位に乗じた値）に制御するとともに、減衰特性を、アクティブ制振装置自体の共振を起こさせない程度に制御することによって理想的なスカイフックダンパを実現することができる。また、剛性減衰制御部により、剛性特性を上述した特性に制御するとともに、減衰特性を、アクティブ制振装置の最適減衰係数に近付けるように制御することによって理想的なフードダンパを実現することができる。
【００１４】
特に、剛性減衰制御部が、速度推定部で推定したアクチュエータの動作速度を不完全積分することによって推定可能なアクチュエータの動作速度に剛性ゲインを乗じた値を含む剛性減衰制御信号をフィードバックするものであれば、出力が飽和してしまうという不具合を防止できる。
【００１５】
また、本発明では、推定したアクチュエータの動作速度の微分値をフィードバックすることにより、アクティブ制振装置の慣性特性を制御する慣性制御部を備えたアクティブ制振装置とすることもできる。このようなアクティブ制振装置であれば、アクチュエータの質量が増加または減少したような特性とすることが可能になる。
【００１６】
さらに、本発明では、制振対象の加速度信号をフィードバックする制振対象加速度信号フィードバック部を備えたアクティブ制振装置とすることもできる。このような態様であれば、加速度信号から算出可能な制振対象の絶対速度をフィードバックすることができ、絶対速度に比例した力を与えるように制御することにより、良好なスカイフックダンパ特性を得ることができる。
【００１７】
また、本発明のアクティブ制振装置の制御方法は、補助質量を駆動し且つ駆動状態においてバネ力及び減衰力を発生させるアクチュエータとを備え、当該アクチュエータにより前記補助質量を駆動した際の反力を利用して、制振対象の振動を抑制する方法であって、推定したアクチュエータの誘導起電力をアクチュエータの推力定数で割ることでアクチュエータの動作速度を推定する速度推定ステップと、速度推定ステップで推定したアクチュエータの動作速度を積分または不完全積分することで推定可能なアクチュエータの振動変位に剛性ゲインを乗じた値、及び速度推定ステップで推定したアクチュエータの動作速度に減衰ゲインを乗じた値を含む剛性減衰制御信号をフィードバックすることにより、当該アクティブ制振装置の剛性特性及び減衰特性を制御する剛性減衰制御ステップと、アクチュエータの位相遅れを補償するアクチュエータ位相補償ステップとを有し、剛性制御ステップにおいて、当該アクティブ制振装置の固有振動数を制振対象の振動の周波数よりも小さくなるように剛性ゲインを設定することを特徴としている。
【００１８】
このようなアクティブ制振装置の制御方法であれば、剛性減衰制御ステップにおいて、推定（算出）したアクチュエータの振動変位に所定の剛性ゲインを乗じた値を少なくとも含む剛性減衰制御信号を出力するように構成しているため、変位センサが不要であり、構造の簡素化及び低コスト化を図ることができる。そして、本発明に係るアクティブ制振装置の制御方法では、剛性減衰制御ステップにおいて、アクティブ制振装置の固有振動数を制振対象の振動の周波数よりも十分に小さくなるように剛性ゲインを設定することにより、アクティブ制振装置のバネ要素の影響を排除することができ、良好な制振機能を得ることができる。さらに、本発明のアクティブ制振装置の制御方法であれば、アクチュエータの位相遅れを補償するアクチュエータ位相補償ステップを有するため、アクチュエータの位相遅れに起因する不要な発振を防止・抑制することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、変位センサが不要でありながらも、制振対象の振動を好適に抑制することができるとともに、アクチュエータの位相遅れに起因する不要な発振を防止・抑制することが可能なアクティブ制振装置、及びその制御方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態に係るアクティブ制振装置の機能ブロック図。
【図２】同実施形態に係るアクティブ制振装置を制振対象に装着した状態の動作原理図。
【図３】同状態のブロック線図。
【図４】同実施形態におけるアクチュエータの模式図。
【図５】同アクチュエータの動作原理図。
【図６】同アクチュエータの動作原理図。
【図７】同実施形態における電流フィードバック回路制御部の一例を示すブロック線図。
【図８】同電流フィードバック回路制御部の他の一例を示すブロック線図。
【図９】同実施形態に係るアクティブ制振装置単体のブロック線図。
【図１０】不完全積分特性と積分特性とを比較して示す図。
【図１１】同実施形態における制振対象加速度信号フィードバック部のフィルタ部の一例を示すブロック線図。
【図１２】同フィルタ部の他の一例を示すブロック線図。
【図１３】同実施形態に係るアクティブ制振装置のフローチャート。
【図１４】同実施形態に係るアクティブ制振装置の剛性減衰制御による作用効果を示す図。
【図１５】同実施形態に係るアクティブ制振装置の一変形例の図３対応図。
【図１６】同実施形態に係るアクティブ制振装置の他の一変形例の図３対応図。
【図１７】同実施形態における電流位相補償回路部の一例を示すブロック線図。
【図１８】同電流位相補償回路部の他の一例を示すブロック線図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
【００２２】
本実施形態に係るアクティブ制振装置Ｘ（以下、「制振装置Ｘ」と称する場合もある）は、図１及び図２に示すように、補助質量１と、補助質量１を駆動するアクチュエータ２とを備え、アクチュエータ２により補助質量１を駆動した際の反力を利用して、制振対象Ｔの振動を抑制するものである。
【００２３】
このような制振装置Ｘを制振対象Ｔに固定（装着）し、制振対象Ｔに生じている振動を補助質量１及びアクチュエータ２を駆動させた状態では、その状態をモデル化した模式図である図２、及びその状態のブロック線図である図３に示すように、制振対象Ｔの振動系（以下「制振対象主系Ｔ１」と称する）、及び制振装置Ｘの振動系（「以下「制振装置機械系Ｘ１」と称する」が形成され、制振装置Ｘは、制振対象Ｔの振動を打ち消す方向に補助質量１をアクチュエータ２で動かすことによって制振効果を発揮する。このような制振装置Ｘは、アクティブ動吸振器（Active dynamic damper）とも称される。なお、図２及び図３の「ｍ０」「ｋ０」「ｃ０」は、それぞれ制振対象Ｔの質量（主系質量）、制振対象主系Ｔ１のバネ定数、制振対象主系Ｔ１の減衰係数を意味し、「ｍ１」「ｋ１」「ｃ１」は、それぞれ補助質量１、制振装置機械系Ｘ１のバネ定数、制振装置機械系Ｘ１の減衰係数を意味する。また、図３における符号２はアクチュエータのうち特に電気系を示す。
【００２４】
本実施形態では、制振装置Ｘを例えばロボットアームやマウンタ装置、露光装置などの半導体関連機器、半導体用搬送車、プラント配管類などの自己の振動を抑制する必要がある機器や構造物などの制振対象Ｔに装着することができ、アクチュエータ２に制振力（加振力）を発生させて、制振対象Ｔに発生する上下方向（重力方向）の振動を制振装置Ｘによって抑制できるように構成している。
【００２５】
補助質量１は、例えば錘等であり、図２に示すように、バネ要素ｋ及び減衰要素ｃによって支持（保持）されている。本実施形態では、アクチュエータ２（後述するレシプロモータＭ）を構成する部材がバネ要素ｋや減衰要素ｃとして機能する。
【００２６】
本実施形態に係る制振装置Ｘは、図１に示すように、補助質量１及びアクチュエータ２に加えて、アクチュエータ２を駆動する電流（駆動電流）を検出する電流検出部３と、電流検出部３から出力される電流値Ｉａ等に基づいてアクチュエータ２の動作速度（移動速度）を推定する速度推定部４と、速度推定部４の出力値である推定速度値を不完全積分処理「１／Ｔｉｓ＋１」した値に剛性ゲインｋ１ａを乗じた値、及び推定速度値に減衰ゲインｃ１ａを乗じた値を剛性減衰制御信号としてフィードバックすることにより制振装置機械系Ｘ１の剛性特性及び減衰特性を所望の特性に制御する剛性減衰制御部５と、剛性減衰制御部５から出力される剛性減衰制御信号等に基づき、アクチュエータ２に発生させるべき力に応じてアクチュエータ２に印加するべき電流の指令値を求めて出力する印加電流指令生成部６と、印加電流指令生成部６の出力値（電流指令値）に応じたアクチュエータ２を駆動するための電流をアクチュエータ２に供給するパワーアンプ７とを備えたものである。
【００２７】
本実施形態のアクティブ制振装置Ｘでは、アクチュエータ２として、補助質量１を往復運動させるリニアアクチュエータを適用している。リニアアクチュエータとして、ボイスコイルモータを適用することもできるが、本実施形態では、電磁力を利用したレシプロモータＭを適用している。
【００２８】
このレシプロモータＭは、図４乃至図６に示すように、制振対象Ｔに固定される固定子２１と、固定子２１に対して往復動可能な可動子２２と、固定子２１及び可動子２２の同一軸心上に配置され可動子２２と一体に往復動可能な軸２３と、自らが弾性変形することにより可動子２２及び軸２３を固定子２１に対して往復動可能に支持する板バネ２４とを備えたものである。固定子２１は、内部に可動子２２の移動を許容する空間を有する筒状をなし、軸２３の長手方向（軸方向）にリング状の鋼板を積層した積層コア２１ａと、積層コア２１ａのうち可動子２２に対面し得る領域に配置した永久磁石２１ｂと、積層コア２１ａの所定部分に巻回したコイル２１ｃとを有する（図５参照）。ここで、軸方向に隣り合う永久磁石２１ｂ同士の極、及び可動子２２を挟んで対向する永久磁石２１ｂ同士の極が相互に異なるように配置設定している。また、可動子２２は、リング状の鋼板を積層したものであり、適宜の手段で軸２３に固定されている。本実施形態では、可動子２２と補助質量１とを軸２３で接合し、制振対象Ｔの抑制するべき振動の方向と可動子２２の往復動方向（推力方向）とが一致するように、固定子２１を制振対象Ｔに固定している（図４参照）。
【００２９】
そして、コイル２１ｃに所定方向（正方向）の電流を流した場合、コイル２１ｃ及び永久磁石２１ｂ等の作用により、図５に矢印φ１で示す磁束経路が形成され、可動子２２は重力に逆らう方向（上方向、矢印Ｆ１方向）に移動し、コイル２１ｃに所定方向とは逆方向（負方向）の電流を流した場合、図６に矢印φ２で示す磁束経路が形成され、可動子２２は重力方向（下方向、矢印Ｆ２方向）に移動する。このように、可動子２２に作用する推力の方向Ｆ１，Ｆ２は、コイル２１ｃに流す電流の方向により決定される。そのため、コイル２１ｃに正方向及び負方向の電流を交互に流すことにより可動子２２を軸方向に沿った一直線上で往復駆動（振動）させることが可能となる。これにより、軸２３を介して板バネ２４で保持している補助質量１を往復駆動させることができる。
【００３０】
可動子２２が受ける推力の大きさは、コイル２１ｃに流す電流の大きさに比例し、本実施形態の制振装置Ｘでは、印加電流指令生成部６からパワーアンプ７に出力する電流指令値に基づいて可動子２２及び補助質量１の加速度を制御することにより、制振対象Ｔの振動を低減するように構成している。なお、図４に示すようなリニアアクチュエータ２は、軸２３を滑らせて往復動可能に支持するのではなく、板バネ２４が、可動子２２を軸２３の上端側及び下端側の２箇所で保持し、自ら弾性変形することによって可動子２２を軸方向に往復動可能に支持するため、可動子２２には摩耗も摺動抵抗も生じず、長期に亘る使用を経た後でも軸２３を支持する精度が低下することがなく、高い信頼性を得ることができるとともに、摺動抵抗に起因する消費電力の損失がなく性能の向上を図ることができる。
【００３１】
電流検出部３は、例えば電流センサを用いて構成したものであり、パワーアンプ７からアクチュエータ２に供給される電流Ｉａを検出する。その検出値Ｉａ*を速度推定部４に出力している。また、本実施形態の制振装置Ｘは、電流検出部３で検出した電流値Ｉａ*をパワーアンプ７の入力側に戻す電流フィードバック制御部８を備え、この電流フィードバック制御部に電流フィードバック回路制御部Ｇｃを設けている。この電流フィードバック回路制御部Ｇｃは、図７に示すように比例要素ｋｃＰで構成したり、図８に示すように比例要素ｋｃＰと積分要素１／ｓとの組み合わせによって構成することができる。このような電流フィードバック回路制御部Ｇｃからの出力値（電流フィードバック指令値）をパワーアンプ７の入力側に戻す電流フィードバック制御を行うことにより、高い周波数でも十分な応答性を得ることができ、アクチュエータの位相遅れを補償することができる。すなわち、この電流フィードバック制御部８が本発明のアクチュエータ位相補償部として機能する。
【００３２】
速度推定部４は、制振装置Ｘ単体のブロック線図である図９に示すように、誘導起電力ｅＴ*に基づいてアクチュエータ２の動作速度ｖ１*を推定するものである。本実施形態では、アクチュエータ２のコイル電流及び指令電圧から誘導起電力ｅＴ*を推定し、この誘導起電力ｅＴ*をアクチュエータ２の推力定数ＫＴ*で割ることでアクチュエータ２の動作速度ｖ１*を推定するように構成している。指令電圧は、パワーアンプ７に入力される電流指令値にパワーアンプゲインＧＰＡ*を乗じることによって求めることができる。なお、アクチュエータ２の端子電圧を検出する電圧検出部を別途設け、この電圧検出部で検出した電圧値を利用して誘導起電力ｅＴ*を推定するようにしてもよい。一方、アクチュエータ２のコイル端子電圧は、アクチュエータ２に供給される電流（本実施形態では電流検出部３で検出した電流値Ｉａ*）にコイル２１ｃの逆特性「Ｌ*Ｓ＋Ｒ*」を乗じることによって求めることができる。そして、この速度推定部４は、推定した推定速度値ｖ１*を剛性減衰制御部５に出力する。
【００３３】
なお、速度推定部４として、誘導起電力を指令電圧とアクチュエータ２の端子電圧とから求め、この誘導起電力からアクチュエータ２（可動子２２）の動作速度を推定するように構成したものを用いることもできる。
【００３４】
剛性減衰制御部５は、図９に示すように、速度推定部４の出力値である推定速度値ｖ１*の不完全積分値である振動変位の推定値ｘ１*（アクチュエータ２の振動変位ｘ１の推定値）に剛性ゲインｋ１ａを乗算した値、推定速度値ｖ１*に減衰ゲインｃ１ａを乗算した値とを剛性減衰制御信号としてフィードバックすることにより、制振装置Ｘの剛性特性及び減衰特性を調整するものである。具体的に、この剛性減衰制御部５は、制振装置機械系Ｘ１の固有振動数を制振対象Ｔの振動の周波数ωよりも低くなるようにし、且つ減衰を打ち消し得るように剛性ゲインｋ１ａ及び減衰ゲインｃ１ａを設定し、これら設定した剛性ゲインｋ１ａ及び減衰ゲインｃ１ａに基づく剛性減衰制御信号を印加電流指令生成部６に出力する。なお、剛性減衰制御部５には制振対象Ｔの周波数情報（制振対象Ｔの振動の周波数情報）が予め入力されている。また、本実施形態では、推定速度値を不完全積分処理することで剛性ゲインｋ１ａを乗算する対象値である振動変位を求めているようにしているため、図１０に示すように、積分処理であれば生じ得る不具合、つまり単独の積分回路にわずかな直流電流成分が入力されると、回路の電圧制限や積分演算時の有効桁数の制限によって飽和してしまい、必要な交流電流成分を出力することができないという不具合を防止することができる。
【００３５】
そして、本実施形態の剛性減衰制御部５は、剛性ゲイン「ｋ１ａ」及び減衰ゲインをそれぞれ次の値に設定している。
−ｋ１≦ｋ１ａ ・・・式１
−ｃ１≦ｃ１ａ ・・・式２
ここで、式１におけるｋ１は制振装置機械系Ｘ１のバネ定数を意味し、式２におけるｃ１は制振装置機械系Ｘ１の減衰係数を意味する。
【００３６】
このように、本実施形態では、アクティブ制振装置Ｘのバネ要素と減衰要素の影響をなくすように剛性特性及び減衰特性を制御している。
【００３７】
そして、本実施形態の制振装置Ｘは、このような剛性減衰制御部５により、剛性ゲインｋ１ａに制振装置機械系Ｘ１の振動変位を乗じた値、及び減衰ゲインｃ１ａに制振装置機械系Ｘ１（アクチュエータ２）の動作速度を乗じた値の加算値を、アクチュエータ２に発生させる推力を指令する推力指令値（「剛性減衰制御信号」に相当し、以下では「力指令値」と称する場合もある）として出力する。
【００３８】
印加電流指令生成部６は、アクチュエータ２に印加するべき電流の指令値を、剛性減衰制御部５からの出力値である力指令値をアクチュエータ２の推力定数ＫＴ*で割った値を、さらに濾波器６１を通して得られる剛性減衰制御電流指令値から生成するものである。濾波器６１は、バンドパスフィルタやハイパスフィルタなどを用いて構成することができる。
【００３９】
そして、この印加電流指令生成部６は、生成した電流指令値をパワーアンプ７に出力する。ここで、図２及び図９に示すように、上述した電流フィードバック制御部８は、印加電流指令生成部６の一部として捉えることができる。すなわち、印加電流指令生成部６は、アクチュエータ２に印加するべき電流の指令値を求めるに際して、電流フィードバック制御部８からの出力値である電流フィードバック指令値を反映させ、この反映させた電流指令値をパワーアンプ７に向かって出力するように構成している。
【００４０】
また、本実施形態に係る制振装置Ｘは、図３に示すように制振対象Ｔの速度信号をフィードバックする制振対象加速度信号フィードバック部９を備えている。本実施形態では、制振対象Ｔの速度を制振対象Ｔの質量ｍ０に力が作用することで発生する加速度α０の検出値α０*をフィルタ部９１に通してパワーアンプ７の入力側に戻し、アクチュエータ２に印加するべき電流の指令値を求めるに際して、制振対象加速度信号フィードバック部９からの出力値である加速度信号フィードバック値を反映させ、この反映させた加速度信号フィードバック値をパワーアンプ７に向かって出力するように構成している。なお、制振対象Ｔの速度は、適宜箇所に設けた速度センサ（図示省略）や、加速度信号α０*を積分等の処理をすることで検出することができる。
【００４１】
フィルタ部９１は、比例要素のみで構成する第１態様、積分要素又は直流成分に対する積分機能を有しない不完全積分要素によって構成する第２態様、ハイパスフィルタまたはバンドパスフィルタで構成する第３態様、これら３つの態様の何れかで構成したり、あるいは組み合わせで構成することができる。ここで、第２態様の積分要素としては、図１１に示すように、加速度信号を速度信号に変換するものや、加速度信号を変位信号に変換するものを挙げることができ、不完全積分要素としては、図１２に示すように、加速度信号を振動速度信号に変換するものや、加速度信号を振動変位信号に変換するものを挙げることができる。
【００４２】
パワーアンプ７は、アクチュエータ２に発生させるべき力に応じた電流をリニアアクチュエータ２に供給するものである。本実施形態のパワーアクチュエータ７は、印加電流指令生成部６の出力値である電流指令値に電流フィードバック指令値及び加速度信号フィードバック値を減算処理して得られる値に、所定のパワーアンプゲインＧＰＡを乗じ、その乗算値である指令電圧をアクチュエータ２に出力するように構成している。
【００４３】
次に、本実施形態に係る制振装置Ｘの動作及び制振方法、並びに作用を図３、図９及び図１３を参照して説明する。
【００４４】
図９に示すように、制振装置機械系Ｘ１を制振対象Ｔに装着していない状態でアクチュエータ２に作用する推力ｆａによって可動子２２及び補助質量１を駆動させた場合、制振装置機械系Ｘ１の動作速度ｖ１（推力ｆａを質量ｍ１（補助質量１）で割った値）に比例する力、具体的には制振装置機械系Ｘ１の動作速度ｖ１に減衰係数ｃ１を乗じた値に相当する力が減衰力として発生するとともに、制振装置機械系Ｘ１の振動変位ｘ１（速度の積分値）に比例した力、具体的には制振装置機械系Ｘ１の振動変位ｘ１にバネ定数ｋ１を乗じた値に相当する力がバネ力として発生し、これらバネ力及び減衰力がアクチュエータ２の推力ｆａを小さくする（下げる）方向に作用する。
【００４５】
また、制振対象主系Ｔ１は、制振装置Ｘが装着されていない状態で加振周波数成分の振動（加振力ｆｄ）が生じた場合、制振対象主系Ｔ１の変位ｘ０に比例したバネ力（制振対象主系Ｔ１の変位ｘ０にバネ定数ｋ０を乗じた値に相当する力）が発生するとともに、制振対象主系Ｔ１の動作速度ｖ０に比例する減衰力（制振対象主系Ｔ１の動作速度ｖ０に減衰係数ｃ０を乗じた値に相当する力）が発生し、これらバネ力及び減衰力が振動ｆｄを小さくする（下げる）方向に作用する。
【００４６】
このような制振対象Ｔに本実施形態の制振装置Ｘを装着した場合、図３に示すように、アクチュエータ２の推力ｆａ及びアクチュエータ２の推力ｆａによって生じるバネ力及び減衰力が制振対象Ｔにも作用する。
【００４７】
ここで、制振装置Ｘ（制振装置機械系Ｘ１）の補助質量１とバネ定数ｋ１とによって決まる制振装置Ｘ（制振装置機械系Ｘ１）の固有振動数を制振対象Ｔの固有周波数ωよりも低くするとともに、制振装置Ｘ（制振装置機械系Ｘ１）の減衰係数ｃ１を制振装置Ｘ自体の共振を起こさせない程度に設定し、さらに、制振対象Ｔの絶対速度に比例した力を与えるように制御すれば良好なスカイフックダンパ特性を発揮し、制振対象Ｔの振動を抑制することができる。
【００４８】
上記の点を考慮し、本実施形態の制振装置Ｘは、通電状態においてアクチュエータ２によって補助質量１を往復駆動させている場合（図１３のＳ１；Ｙ）、先ず、電流検出部３でパワーアンプ７からアクチュエータ２に供給される電流を検出し、その検出値Ｉａ*を速度推定部４に出力する（電流検出ステップＳ２）。次いで、本実施形態の制振装置Ｘは、速度推定部４において、指令電圧と電流検出部３からの出力値（電流値Ｉａ）とから誘導起電力ｅＴ*を推定し、この誘導起電力ｅＴ*をアクチュエータ２の推力定数ＫＴ*で割ることでアクチュエータ２の動作速度を推定する（動作速度推定ステップＳ３）。
【００４９】
ここで、制振装置機械系Ｘ１の動作速度に応じてアクチュエータ２には誘導起電力ｅＴ（制振装置機械系Ｘ１の動作速度をアクチュエータ２の推力定数ＫＴで割った値）が生じ、その分だけアクチュエータ２の端子電圧は下がるが、制振装置Ｘを制振対象Ｔに取り付けた場合、図３に示すように、制振装置機械系Ｘ１の動作速度ｖ１には制振対象主系Ｔ１の動作速度ｖ０も含まれることになる。したがって、アクチュエータ２に実際に生じる誘導起電力ｅＴは、制振装置機械系Ｘ１の動作速度ｖ１から制振対象主系Ｔ１の動作速度ｖ０を引いた値（ｖ１−ｖ０）に応じた値となる。そして、本実施形態の速度推定部４（動作速度推定ステップＳ３）では、この誘導起電力ｅＴと同等の誘導起電力ｅＴ*に基づいてアクチュエータ２単体の動作速度を推定するように構成しているため、速度推定部４で推定して剛性減衰制御部５に出力する値は、制振装置機械系Ｘ１の動作速度ｖ１から制振対象主系Ｔ１の動作速度ｖ０を引いた値「ｖ１−ｖ０」となる。
【００５０】
引き続いて、本実施形態の制振装置Ｘは、予め剛性減衰制御部５に入力されている制振対象Ｔの振動周波数情報に基づいて、剛性減衰制御部５により、制振装置Ｘの固有振動数が制振対象の振動の周波数ωよりも十分低くなるように剛性特性を制御するとともに、且つ制振装置機械系Ｘ１の減衰ｃ１を打ち消す減衰特性となるように、上記式１及び式２に基づいて剛性ゲインｋ１ａ，減衰ゲインｃ１ａを設定し、設定した剛性ゲインｋ１ａに速度推定部４からの出力値（アクチュエータ２の動作速度ｖ１−ｖ０）の不完全積分値を乗じた値と、設定した減衰ゲインｃ１ａに速度推定部４からの出力値（アクチュエータ２の動作速度ｖ１−ｖ０）を乗じた値とを力指令値として印加電流指令生成部６に出力する（剛性減衰制御ステップＳ４）。
【００５１】
次いで、本実施形態の制振装置Ｘは、印加電流指令生成部６により、剛性減衰制御部５からの出力値である力指令値をアクチュエータ２の推力定数ＫＴ*で除した値を濾波器６１に通して得られる剛性減衰制御電流指令値に基づいて、対パワーアンプ供給電流指令値を生成する（印加電流指令生成ステップＳ５）。本実施形態では、印加電流指令生成部６（印加電流指令生成ステップＳ５）において、さらに、対パワーアンプ供給電流指令値と電流フィードバック指令値と加速度信号フィードバック値とを対応付け、この対応付けた電流指令値をパワーアンプ７に向かって出力する（電流指令値出力ステップＳ６）。ここで、電流指令値出力ステップＳ７では、対パワーアンプ供給電流指令値と電流フィードバック指令値とを対応付けてアクチュエータ２の位相遅れを補償していることから、本発明のアクチュエータ位相補償ステップと捉えることができる。また、電流指令値出力ステップＳ７では、対パワーアンプ供給電流指令値と加速度信号フィードバック値とを対応付けていることから、制振対象の加速度信号をフィードバックする制振対象加速度信号フィードバックステップと捉えることができる。
【００５２】
そして、本実施形態の制振装置Ｘは、電流指令値出力ステップＳ６で出力した電流指令値に、パワーアンプ７によって所定のパワーアンプゲインＧＰＡを乗じた指令電圧をアクチュエータ２に出力する（電圧指令出力ステップＳ７）。これにより、アクチュエータ２の可動子２２に、指令電圧に応じた電流を推力定数ＫＴで乗じた値である推力ｆａが作用する。この推力ｆａを受けて往復動する可動子２２により補助質量１を往復駆動させ、その反力を用いて制振対象Ｔの振動を低減することができる。この際、制振装置機械系Ｘ１のバネ定数ｋ１及び減衰係数ｃ１はそれぞれ剛性減衰制御部５で設定した剛性ゲインｋ１ａ及び減衰ゲインｃ１ａによって調整されたものであるため、アクチュエータ２の可動子２２及び補助質量１（制振装置機械系Ｘ１）は制振対象Ｔの振動の周波数ωよりも十分に低い固有振動数で振動し、また、減衰を０に近付けて制振装置Ｘ自体の共振を起こさせない程度に設定していることから、制振対象Ｔの振動を０に近付けることができ、良好な制振効果を得ることができる。また、本実施形態に係る制振装置Ｘは、制振対象Ｔの絶対速度をフィードバックして、絶対速度に比例した力を与えるように構成しているため、理想的なスカイフックダンパとして作用する。
【００５３】
ここで、図１４には、本実施形態に係る制振装置Ｘにより剛性減衰制御を行った場合のゲインと周波数との関係を相対的に太い線で示し、比較例として剛性減衰制御を行わない場合のゲインと周波数との関係を相対的に細い線で示している。同図から把握できるように、本実施形態に係る制振装置Ｘでは、剛性減衰制御部５によってアクチュエータ２の共振特性を調整することができる。具体的には、上述した剛性制御を行うことによって制振装置Ｘの固有振動数を低下させて、共振周波数を低く設定することによってゲイン特性の平坦な領域が同図におけるＰ２とＰ１との差だけ広がり、加速度信号フィードバック部９での制御可能周波数帯域が拡大する。また、上述した減衰制御を行うことによってアクチュエータ２の減衰特性を調整することができ、外乱に対する共振特性の調整も可能になる。
【００５４】
そして、本実施形態の制振装置Ｘは、アクチュエータ２による補助質量１の往復駆動が停止すれば上述の処理を停止し（図１３のＳ８；Ｙ）、アクチュエータ２による補助質量１の往復駆動が継続している間は、上述した電流検出ステップＳ２から電圧指令出力ステップＳ６を継続して繰り返す（図１３のＳ８；Ｎ）ことにより、制振対象Ｔの振動を効果的に抑制することができる。ここで、補助質量１の往復駆動が停止する場合としては、電源Ｐからアクチュエータ２への通電状態が切断された場合や、通電状態において抑制すべき振動が生じていない場合、或いは制振モードが選択されていない場合等を挙げることができる。
【００５５】
また、本実施形態の制振装置Ｘは、電流検出部３によって検出した電流値Ｉａやパワーアンプ７に入力される指令電圧に基づいて動作速度推定部４によりアクチュエータ２（制振装置機械系Ｘ１）の動作速度を推定するように構成しているため、アクチュエータ２の固定子２１に対する補助質量１の相対値（変位、速度、加速度）を検出する各種センサ（変位センサ、速度センサ、加速度センサ）が不要となり、コストの削減を図ることができる。しかも、本実施形態では、アクチュエータ２の位相遅れを補償することができるように電流フィードバック制御を採用しており、この電流フィードバック制御を行うに際して必須となる電流検出部３を利用してアクチュエータ２（制振装置機械系Ｘ１）の動作速度を推定するように構成しているため、部品の共用化を好適に図ることができる。
【００５６】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、上述した制振装置が、スカイフックダンパとして機能するスカイフックダンパ制御と、フードダンパとして機能するフードダンパ制御とで切替可能に構成されたものであってもよい。スカイフックダンパ制御時には、上述した制御方法を採用すればよい。一方、フードダンパ制御を行う場合には、制振装置Ｘの減衰係数ｃ１を最適減衰係数に近付けるように減衰ゲインｃ１ａを設定するとともに、加速度信号フィードバック部９のフィルタ部９１を通る経路を使用しないようにして、制振対象Ｔの相対速度に比例する力を与えるように制御する。このような制御を採用することにより、理想的なフードダンパとして機能する制振装置を実現できる。
【００５７】
また、図１５に示すように、推定したアクチュエータ２の動作速度の微分値をフィードバックすることによりアクティブ制振装置の慣性特性を制御する慣性制御部１０を備えた制振装置にすることも可能である。このような慣性制御部１０を備えた制振装置であれば、アクチュエータ２の可動部の質量が増加または減少したような特性とすることも可能になる。
【００５８】
さらに、上述した実施形態では、アクチュエータの位相遅れを補償するアクチュエータ位相補償部として、電流フィードバック部を用いて構成した態様を例示したが、図１６に示すように、微分回路または不完全微分回路を有する電流位相補償回路Ｇｄによってアクチュエータ位相補償部を構成することもできる。電流位相補償回路Ｇｄは、図１７に示すように、比例要素Ｋｄｐと微分要素ｓとの組み合わせで実現したり、図１８に示すように、比例要素Ｋｄｐと不完全微分要素「ｓ／（Ｔｉ３ｓ＋１）」との組み合わせで実現することができる。
【００５９】
また、上述した実施形態では、アクチュエータに生じる誘導起電力を基にアクチュエータ（制振装置機械系）の動作速度を推定する態様を示したが、アクチュエータの固定子に対する補助質量の速度または加速度を検出する各センサ（速度センサ、加速度センサ）のうち少なくとも１つを備え、センサの検出値を基にアクチュエータ（制振装置機械系）の動作速度を検出又は推定する構成であっても構わない。また、剛性減衰制御部（剛性減衰制御ステップ）において剛性ゲインを乗じる対象値であるアクチュエータ（制振装置機械系）の変位は、速度センサや加速度センサによるセンシング値（検出値）を基に所定の演算処理によって推定（算出）した値であってもよい。同様に、剛性減衰制御部（剛性減衰制御ステップ）において減衰ゲインを乗じる対象値であるアクチュエータ（制振装置機械系）の動作速度は、速度センサや加速度センサによるセンシング値（検出値）を基に所定の演算処理によって推定（算出）した値であってもよい。
【００６０】
さらに、剛性減衰制御部が、速度推定部で推定したアクチュエータの動作速度を、不完全積分処理ではなく、積分処理することで推定可能なアクチュエータの振動変位に剛性ゲインを乗じた値を含む剛性減衰制御信号をフィードバックすることにより、アクティブ制振装置の剛性特性を制御するものであってもよい。
【００６１】
また、電流フィードバック制御を採用していない制振装置であってもよい。
【００６２】
その他、各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。
【符号の説明】
【００６３】
１…補助質量
２…アクチュエータ（リニアアクチュエータ、レシプロモータ）
４…速度推定部
５…剛性減衰制御部
８…アクチュエータ位相補償部（電流フィードバック制御部）
９…制振対象加速度信号フィードバック部
１０…慣性制御部
ｃ１ａ…減衰ゲイン
ｋ１ａ…剛性ゲイン
Ｔ…制振対象
Ｘ…アクティブ制振装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
補助質量と、当該補助質量を駆動し且つ駆動状態においてバネ力及び減衰力を発生させるアクチュエータとを備え、当該アクチュエータにより前記補助質量を駆動した際の反力を利用して、制振対象の振動を抑制するアクティブ制振装置であり、
推定した前記アクチュエータの誘導起電力を当該アクチュエータの推力定数で割ることで前記アクチュエータの動作速度を推定する速度推定部と、
前記速度推定部で推定した前記アクチュエータの動作速度を積分または不完全積分することで推定可能な前記アクチュエータの振動変位に剛性ゲインを乗じた値、及び前記速度推定部で推定した前記アクチュエータの動作速度に減衰ゲインを乗じた値を含む剛性減衰制御信号をフィードバックすることにより、当該アクティブ制振装置の剛性特性及び減衰特性を制御する剛性減衰制御部と、
前記アクチュエータの位相遅れを補償するアクチュエータ位相補償部とを備え、
前記剛性減衰制御部が、当該アクティブ制振装置の固有振動数を前記制振対象の振動の周波数よりも小さくなるように前記剛性ゲインを設定したものであることを特徴とするアクティブ制振装置。
【請求項２】
前記制振対象の加速度信号をフィードバックする制振対象加速度信号フィードバック部を備えている請求項１に記載のアクティブ制振装置。
【請求項３】
推定した前記アクチュエータの動作速度の微分値をフィードバックすることにより、当該アクティブ制振装置の慣性特性を制御する慣性制御部を備えている請求項１又は２に記載のアクティブ制振装置。
【請求項４】
補助質量と、前記補助質量を駆動し且つ駆動状態においてバネ力及び減衰力を発生させるアクチュエータとを備え、当該アクチュエータにより前記補助質量を駆動した際の反力を利用して、制振対象の振動を抑制するアクティブ制振装置の制御方法であって、
推定した前記アクチュエータの誘導起電力を当該アクチュエータの推力定数で割ることで前記アクチュエータの動作速度を推定する速度推定ステップと、
前記速度推定ステップで推定したアクチュエータの動作速度を積分または不完全積分することで推定可能なアクチュエータの振動変位に剛性ゲインを乗じた値、及び前記速度推定ステップで推定したアクチュエータの動作速度に減衰ゲインを乗じた値を含む剛性減衰制御信号をフィードバックすることにより、当該アクティブ制振装置の剛性特性及び減衰特性を制御する剛性減衰制御ステップと、
前記アクチュエータの位相遅れを補償するアクチュエータ位相補償ステップとを有し、
前記剛性制御ステップにおいて、当該アクティブ制振装置の固有振動数を制振対象の振動の周波数よりも小さくなるように剛性ゲインを設定することを特徴とするアクティブ制振装置の制御方法。
【請求項１】
補助質量と、当該補助質量を駆動し且つ駆動状態においてバネ力及び減衰力を発生させるアクチュエータとを備え、当該アクチュエータにより前記補助質量を駆動した際の反力を利用して、制振対象の振動を抑制するアクティブ制振装置であり、
推定した前記アクチュエータの誘導起電力を当該アクチュエータの推力定数で割ることで前記アクチュエータの動作速度を推定する速度推定部と、
前記速度推定部で推定した前記アクチュエータの動作速度を積分または不完全積分することで推定可能な前記アクチュエータの振動変位に剛性ゲインを乗じた値、及び前記速度推定部で推定した前記アクチュエータの動作速度に減衰ゲインを乗じた値を含む剛性減衰制御信号をフィードバックすることにより、当該アクティブ制振装置の剛性特性及び減衰特性を制御する剛性減衰制御部と、
前記アクチュエータの位相遅れを補償するアクチュエータ位相補償部とを備え、
前記剛性減衰制御部が、当該アクティブ制振装置の固有振動数を前記制振対象の振動の周波数よりも小さくなるように前記剛性ゲインを設定したものであることを特徴とするアクティブ制振装置。
【請求項２】
前記制振対象の加速度信号をフィードバックする制振対象加速度信号フィードバック部を備えている請求項１に記載のアクティブ制振装置。
【請求項３】
推定した前記アクチュエータの動作速度の微分値をフィードバックすることにより、当該アクティブ制振装置の慣性特性を制御する慣性制御部を備えている請求項１又は２に記載のアクティブ制振装置。
【請求項４】
補助質量と、前記補助質量を駆動し且つ駆動状態においてバネ力及び減衰力を発生させるアクチュエータとを備え、当該アクチュエータにより前記補助質量を駆動した際の反力を利用して、制振対象の振動を抑制するアクティブ制振装置の制御方法であって、
推定した前記アクチュエータの誘導起電力を当該アクチュエータの推力定数で割ることで前記アクチュエータの動作速度を推定する速度推定ステップと、
前記速度推定ステップで推定したアクチュエータの動作速度を積分または不完全積分することで推定可能なアクチュエータの振動変位に剛性ゲインを乗じた値、及び前記速度推定ステップで推定したアクチュエータの動作速度に減衰ゲインを乗じた値を含む剛性減衰制御信号をフィードバックすることにより、当該アクティブ制振装置の剛性特性及び減衰特性を制御する剛性減衰制御ステップと、
前記アクチュエータの位相遅れを補償するアクチュエータ位相補償ステップとを有し、
前記剛性制御ステップにおいて、当該アクティブ制振装置の固有振動数を制振対象の振動の周波数よりも小さくなるように剛性ゲインを設定することを特徴とするアクティブ制振装置の制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【公開番号】特開２０１３−７４６０（Ｐ２０１３−７４６０Ａ）
【公開日】平成２５年１月１０日（２０１３．１．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１４１３３５（Ｐ２０１１−１４１３３５）
【出願日】平成２３年６月２７日（２０１１．６．２７）
【出願人】（０００００２０５９）シンフォニアテクノロジー株式会社 (1,111)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月１０日（２０１３．１．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月２７日（２０１１．６．２７）
【出願人】（０００００２０５９）シンフォニアテクノロジー株式会社 (1,111)
【Ｆターム（参考）】
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