アクティブ除振装置
【課題】アクティブ・マスダンパの固有振動数を除振対象物の固有振動数よりも高くした場合に、除振対象物及びアクティブ・マスダンパの両方の固有振動数において振動伝達率を長期に亘って低減させることが可能なアクティブ除振装置を提供する。
【解決手段】基本制御部４ａにおいて、除振対象物の振動状態に応じて、アクティブ・マスダンパ（制振ユニット３）の可動質量３３の駆動反力が除振対象物（機器Ｄ及び定盤１）の振動を減殺する制御力となるように、アクチュエータ（リニアモータ３２）を制御するとともに、補正部４ｂによって、除振対象物の固有振動数と制振ユニット３の固有振動数との間に相当する周波数で、アクチュエータへの制御信号の位相を１８０°進ませる。
【解決手段】基本制御部４ａにおいて、除振対象物の振動状態に応じて、アクティブ・マスダンパ（制振ユニット３）の可動質量３３の駆動反力が除振対象物（機器Ｄ及び定盤１）の振動を減殺する制御力となるように、アクチュエータ（リニアモータ３２）を制御するとともに、補正部４ｂによって、除振対象物の固有振動数と制振ユニット３の固有振動数との間に相当する周波数で、アクチュエータへの制御信号の位相を１８０°進ませる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、除振対象物に取り付けられたアクティブ・マスダンパによって、該除振対象物の所定方向の振動を減殺する制御力を該除振対象物に付加するアクティブ除振装置に関する技術分野に属する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、例えば特許文献１に示されているように、除振対象物にアクティブ・マスダンパ（Active Mass Damper：以下、ＡＭＤともいう）を取り付けて、このＡＭＤによって、除振対象物の所定方向（上下方向や水平方向等）の振動を減殺する制御力を該除振対象物に付加するようにしたアクティブ除振装置が知られている。
【０００３】
前記特許文献１のアクティブ除振装置では、ＡＭＤの固有振動数を除振対象物の固有振動数よりも低くするとともに、ＡＭＤのアクチュエータの制御をノッチフィルタ（位相進み補償フィルタ）により補正することで、ＡＭＤの可動質量及びばね要素からなる付加振動系の共振の影響を排除するようにしている。すなわち、ノッチ周波数をＡＭＤの固有振動数に一致させ、これにより、ＡＭＤの固有振動数において、前記アクチュエータ制御（フィードバック制御）の開ループ特性におけるゲイン特性の共振ピークを打ち消すようにしている。尚、前記開ループ特性における伝達関数は、除振対象物の伝達関数Ｇ（ｓ）に、アクチュエータの制御をコントローラ（位相進み補償フィルタを含む）の伝達関数Ｃ（ｓ）を掛けたものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−３０３９９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、除振対象物の固有振動数が例えば５Ｈｚ程度と低い場合には、ＡＭＤの固有振動数を除振対象物の固有振動数よりも低くしようとすると、ＡＭＤのばね要素をかなり柔らかいものにする必要があり、このため、可動質量の支持性の問題が生じる。
【０００６】
そこで、除振対象物の固有振動数が低い場合には、ＡＭＤの固有振動数を除振対象物の固有振動数よりも高くすることが考えられる。そして、この場合も、前記特許文献１のような位相進み補償フィルタによって、付加振動系の共振の影響を排除するようにすることが考えられる。これにより、ＡＭＤの固有振動数において、開ループ特性においてゲイン特性の共振ピークを打ち消すことができる（図８参照）。この結果、ＡＭＤが存在しないような状態になる。
【０００７】
しかし、開ループ特性における位相特性で、除振対象物の固有振動数において位相（開ループ特性の入力（外力）に対する出力（コントローラからの出力）の位相差）を０°にする必要があり、これにより、ＡＭＤの固有振動数においては、位相が０にならなくなる。すなわち、除振対象物の固有振動数の前後で９０°から−９０°に変化した位相が、ＡＭＤの固有振動数の前後で、−９０°から−２７０°に変化しようとするが、位相進み補償フィルタによって１８０°進められるため、−９０°のままとなる（図８参照）。
【０００８】
この結果、前記コントローラのアクチュエータ制御により、振動伝達率は、除振対象物の固有振動数において低減することはできるものの、ＡＭＤの固有振動数において低減することはできない（図９参照）。
【０００９】
また、位相進み補償フィルタのノッチ周波数をＡＭＤの固有振動数に一致させる必要があるが、除振装置の製造直後に一致していても、ＡＭＤのばね要素の経年変化等によりＡＭＤの固有振動数が変化した場合には一致しなくなり、このため、長期使用により十分な効果が得られなくなる可能性がある。
【００１０】
さらに、位相進み補償フィルタは、ＡＭＤの固有振動数に一致するセンサ信号をカット（ノッチ）し、ＡＭＤの応答が大きくならないようにしているが、仮に、除振対象物に大きな外乱や突発的な力が加わったとき、ノッチ深さは有限であるため、センサ信号をカットしきれなくなる場合があり、この場合も、十分な効果が得られなくなる可能性がある。
【００１１】
本発明は、斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、アクティブ・マスダンパの固有振動数を除振対象物の固有振動数よりも高くした場合に、除振対象物及びアクティブ・マスダンパの両方の固有振動数において振動伝達率を長期に亘って低減させることが可能なアクティブ除振装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記の目的を達成するために、本発明では、除振対象物に取り付けられたアクティブ・マスダンパによって、該除振対象物の所定方向の振動を減殺する制御力を該除振対象物に付加するアクティブ除振装置を対象として、前記除振対象物に前記アクティブ・マスダンパが取り付けられた状態で、該アクティブ・マスダンパの前記所定方向の固有振動数が、該除振対象物の前記所定方向の固有振動数よりも高くされ、前記アクティブ・マスダンパは、前記除振対象物にばね要素を介して前記所定方向に移動可能に取り付けられた可動質量と、前記除振対象物に取り付けられて、前記可動質量を前記所定方向に駆動し、その駆動反力を該除振対象物に作用させるアクチュエータとを有しており、前記除振対象物の前記所定方向の振動状態を検出する振動状態検出センサと、前記振動状態検出センサにより検出される前記除振対象物の振動状態に応じて、前記可動質量の駆動反力が前記除振対象物の所定方向の振動を減殺する制御力となるように、前記アクチュエータを制御する基本制御部と、前記基本制御部による前記アクチュエータの制御を補正する補正部とを備え、前記補正部は、前記基本制御部からのアクチュエータ制御信号の位相を、前記除振対象物の前記所定方向の固有振動数と前記アクティブ・マスダンパの前記所定方向の固有振動数との間に相当する周波数で１８０°進ませるように構成されている、という構成とした。
【００１３】
前記の構成により、アクチュエータ制御（フィードバック制御）の開ループ特性における位相特性で、除振対象物の固有振動数の前後で９０°から−９０°に変化した位相（開ループ特性の入力に対する出力の位相差）が、除振対象物の固有振動数とアクティブ・マスダンパの固有振動数との間に相当する周波数で、補正部によって１８０°進められて９０°となり、アクティブ・マスダンパの固有振動数の前後で１８０°遅れて９０°から−９０°に変化することになる。これにより、開ループ特性において、除振対象物の固有振動数だけでなく、アクティブ・マスダンパの固有振動数においても、位相が０になる。この結果、除振対象物及びアクティブ・マスダンパの両方の固有振動数において振動伝達率を低減させることができる。また、位相進み補償フィルタのノッチ周波数をアクティブ・マスダンパの固有振動数に一致させる場合とは異なり、アクティブ・マスダンパのばね要素の経年変化等によりアクティブ・マスダンパの固有振動数が変化したとしても、また、除振対象物に大きな外乱や突発的な力が加わったとしても、振動伝達率低減の効果は変わらない。
【００１４】
前記アクティブ除振装置において、前記補正部は、ノッチフィルタで構成されていて、その伝達関数Ｆ（ｓ）が、
Ｆ（ｓ）＝（ｓ２＋２ζωｎｓ＋ωｎ２）／ｓ２ …（１）
により表されるものであり、前記式（１）中のｓはラプラス演算子であり、前記式（１）中のωｎは、前記ノッチフィルタのノッチ周波数に相当する振動数（単位：ｒａｄ／ｓ）であって、前記除振対象物の前記所定方向の固有振動数をωａとし、前記アクティブ・マスダンパの前記所定方向の固有振動数をωとして、
ωａ＜ωｎ＜ω
を満たし、
前記式（１）中のζは、前記ノッチフィルタの減衰比であって、０．００５以上０．１以下の値に設定される、ことが好ましい。
【００１５】
このことにより、アクチュエータへの制御信号の位相を、除振対象物の固有振動数とアクティブ・マスダンパの固有振動数との間に相当する周波数で１８０°進ませることが容易にできる。ここで、ζの値は、アクチュエータへの制御信号の位相が１８０°進むのに必要な周波数幅に影響し、ζの値が大きすぎると、その周波数幅が大きくなってノッチ周波数をアクティブ・マスダンパの固有振動数に近づけることができなくなり、これにより、制御帯域（ノッチ周波数よりも低い帯域）が狭くなる一方、ζの値が０に限りなく近付くと、理論的にはωｎ＝ωとなって、ノッチフィルタとアクティブ・マスダンパとが干渉する可能性があるので、０．００５以上０．１以下の値に設定することが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
以上説明したように、本発明のアクティブ除振装置によると、アクティブ・マスダンパの固有振動数を除振対象物の固有振動数よりも高くした場合に、除振対象物及びＡＭＤの両方の固有振動数において振動伝達率を長期に亘って低減させることができ、除振性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態に係るアクティブ除振装置としての除振台の概略構成を模式的に示す図である。
【図２】コントローラによるリニアモータの制御を示すブロック図である。
【図３】実施例の開ループ特性（ゲイン特性曲線及び位相特性曲線）を示すボード線図である。
【図４】実施例の閉ループ特性において、周波数による振動伝達率の変化を示すグラフである。
【図５】実施例において、閉ループ特性における、制振ユニットの固有振動数での応答特性（開ループ特性の入力−開ループ特性の出力）を示すグラフである。
【図６】閉ループを示すブロック図である。
【図７】開ループを示すブロック図である。
【図８】比較例の開ループ特性（ゲイン特性曲線及び位相特性曲線）を示すボード線図である。
【図９】比較例の閉ループ特性において、周波数による振動伝達率の変化を示すグラフである。
【図１０】比較例において、閉ループ特性における、制振ユニットの固有振動数での応答特性（開ループ特性の入力−開ループ特性の出力）を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１９】
図１は、本発明の実施形態に係るアクティブ除振装置としての除振台Ａを示す。この除振台Ａは、例えば半導体関連の製造装置、試験機器、電子顕微鏡、レーザ顕微鏡等の精密計測機器のように、振動の影響を受けやすい精密な機器Ｄを搭載するための精密除振台であって、機器Ｄを床の振動から出来る限り絶縁した状態で設置するためのものである。
【００２０】
前記除振台Ａは、機器Ｄが搭載される定盤１を、通常は３個（４個以上でもよい）の空気ばね２（図１には２つのみ示す）によって弾性的に支持するものであり、その定盤１及び搭載機器Ｄが除振対象物となる。また、除振台Ａ自体は所謂パッシブタイプのものであって、各空気ばね２には、図示は省略するが、高圧空気を供給又は排気するための空気圧回路が接続されて、レベリングバルブ等の作動により定盤１の高さを概略一定に維持するようになっている。
【００２１】
本実施形態では、機器Ｄの上面に制振ユニット３を取り付けて、この制振ユニット３により機器Ｄに付加する制御力によって機器Ｄ及び定盤１の所定方向（本実施形態では、上下方向）の振動を減殺するようにしており、この制御ユニット３を含めた除振台Ａ全体がアクティブ除振装置を構成する。制振ユニット３は、アクティブ・マスダンパと呼ばれるものであって、機器Ｄに固定したケース３０内の可動質量３３をリニアモータ３２（アクチュエータ）により上下方向に駆動し、その駆動反力をケース３０を介して機器Ｄに付加するものである。本実施形態では、除振対象物（機器Ｄ及び定盤１）の上下方向の振動を減殺するべく、上下方向の振動に着目するので、以下、上下方向の振動を単に振動という。また、制振ユニット３の上下方向の固有振動数を単に制振ユニット３の固有振動数といい、除振対象物の上下方向の固有振動数を単に除振対象物の固有振動数という。
【００２２】
以下に、制振ユニット３（アクティブ・マスダンパ）の構造について説明する。制振ユニット３は、図１に示す（実際よりも大きく示す）ように、円筒状のケース３０の基端（下端）に、例えば矩形状の基板３０ａが取り付けられて、この基板３０ａの４つの角部が機器Ｄの上面に締結されている。一方、ケース３０の先端（上端）には、円板状の蓋部材３０ｂが取り付けられている。ケース３０の周壁部は、基端側の概略半分を構成する基端側部材３０ｃと、残りの部分のうちの先端側を構成する先端側部材３０ｄと、基端側部材３０ｃ及び先端側部材３０ｄの間に位置する中間部材３０ｅとに３分割されている。
【００２３】
ケース３０の内部は、２つの区画壁３０ｆ，３０ｇによって、ケース３０の中心軸Ｊ方向（上下方向）に概略３等分されており、ケース３０内における下側の区画壁３０ｆと基板３０ａとの間の空間に、加速度センサ３１が収容されている。この加速度センサ３１は、基板３０ａに固定されていて、機器Ｄの振動による加速度ｚ″を検出するものである。すなわち、加速度センサ３１は、除振対象物の振動状態を検出する振動状態検出センサを構成する。
【００２４】
また、ケース３０内における２つの区画壁３０ｆ，３０ｇの間の空間には、リニアモータ３２が収容されている。このリニアモータ３２のケース上面が上側の区画壁３０ｇに固定され、リニアモータ３２のロッドが、区画壁３０ｇに形成された貫通孔に挿通されかつケース３０の中心軸Ｊ上において上側に延びて、ケース３０内における区画壁３０ｇと蓋部材３０ｂとの間の空間に突出している。
【００２５】
前記リニアモータ３２のロッドが突出する空間には、可動質量３３が収容されており、この可動質量３３は、２枚の板ばね３４によりケース３０に対して中心軸Ｊ方向に移動可能に保持されている。可動質量３３は、略円筒状の本体部３３ａと該本体部３３ａを上下方向に貫通する軸部３３ｂとからなり、この軸部３３ｂの上下両端部がそれぞれ、２枚の板ばね３４の中心部に貫通した状態で固定されているとともに、軸部３３ｂの下端がリニアモータ３２のロッドの先端に連結されている。
【００２６】
板ばね３４は、詳細は図示しないが、円盤状をなしていて、中心部及び外周部の所定範囲を除いた径方向の中間部位に、複数の貫通溝が形成されたものである。上側の板ばね３４の外周部は、先端側部材３０ｄ及び中間部材３０ｅに挟持され、下側の板ばね３４は、基端側部材３０ｃ及び中間部材３０ｅに挟持されてケース３０に連結される一方、両板ばね３４の中心部には、前記のように可動質量３３の軸部３３ｂが貫通状態で固定される中心孔が形成されている。
【００２７】
本実施形態では、機器Ｄに制振ユニット３が取り付けられた状態で、該制振ユニット３の固有振動数が、除振対象物（機器Ｄ及び定盤１）の固有振動数よりも高くされている。除振対象物の固有振動数は、周波数換算で、例えば４〜６Ｈｚと低い。但し、このような低い値には限られない。制振ユニット３の固有振動数は、除振対象物の固有振動数に対して５Ｈｚ以上高いことが好ましい。
【００２８】
次に、制振ユニット３の制御について具体的に説明する。本実施形態では、制振ユニット３の作動、すなわち、リニアモータ３２の制御による可動質量３３の駆動が、コントローラ４によって行われる。このコントローラ４は、図１に示すように、基本制御部４ａと補正部４ｂとを有している。基本制御部４ａは、制振ユニット３の加速度センサ３１からの信号に基づいて、リニアモータ３２のフィードバック制御を行う。すなわち、基本制御部４ａは、加速度センサ３１からの信号を入力して、該加速度センサ３１により検出される除振対象物（機器Ｄ及び定盤１）の振動状態に応じて、可動質量３３の駆動反力が前記除振対象物の振動を減殺する制御力となるように、リニアモータ３２を制御する。補正部４ｂは、基本制御部４ａによる前記リニアモータ３２の制御（基本制御部４ａから出力されるリニアモータ制御信号）を補正して、該補正したリニアモータ制御信号を、コントローラ４からの出力信号として、リニアモータ３２へ出力する。
【００２９】
図２に一例を示すように、基本制御部４ａは、加速度センサ３１からの信号、つまり除振対象物の加速度ｚ″を２回積分して得られる変位ｚに対しゲインＢ１を乗算するとともに、加速度ｚ″を１回積分して得られる速度ｚ′に対しゲインＢ２を乗算し、また、加速度ｚ″に対しゲインＢ３を乗算した上で、それらを合算して、リニアモータ３２のフィードバック操作量ｕ１を求める。この操作量ｕ１が、可動質量３３の駆動反力として除振対象物の振動を減殺するような制御力を発生させるためのものである。
【００３０】
前記の制御演算においては、速度ｚ′のフィードバック制御が基本であり、これは制振ユニット３によって、機器Ｄ、定盤１及び空気ばね２からなる主振動系に減衰を付加するという意味を持つ。制振ユニット３を付加することによって、除振台Ａは２自由度の振動系になるが、速度ｚ′のフィードバック制御によって減衰が加わり、共振倍率が低下するので、主振動系の共振を抑えることができる。また、加速度ｚ″のフィードバック制御によって高周波側の性能を向上させることができるとともに、変位ｚのフィードバック制御によって低周波側の性能を向上させることができる。尚、加速度ｚ″及び変位ｚのフィードバック制御をなくして、速度ｚ′のフィードバック制御のみとしてもよい。
【００３１】
補正部４ｂは、前記基本制御部４ａからのリニアモータ制御信号の位相を、前記除振対象物の固有振動数と前記制振ユニット３の固有振動数との間に相当する周波数で１８０°進ませるように構成されている。
【００３２】
具体的に、本実施形態では、補正部４ｂは、ノッチフィルタ（位相進み補償フィルタ）で構成されていて、その伝達関数Ｆ（ｓ）が、
Ｆ（ｓ）＝（ｓ２＋２ζωｎｓ＋ωｎ２）／ｓ２ …（１）
により表されるものである。
【００３３】
前記式（１）中のｓはラプラス演算子であり、ωｎは、前記ノッチフィルタのノッチ周波数に相当する振動数（単位：ｒａｄ／ｓ）であって、前記除振対象物の固有振動数をωａとし、前記制振ユニット３の固有振動数をωとして、
ωａ＜ωｎ＜ω
を満たす。
【００３４】
前記式（１）中のζは、前記ノッチフィルタの減衰比であって、０．００５以上０．１以下の値に設定される。
【００３５】
ここで、ζの値は、前記基本制御部４ａからのリニアモータ制御信号の位相が１８０°進むのに必要な周波数幅に影響し、ζの値が大きすぎると、その周波数幅が大きくなって、ノッチ周波数をアクティブ・マスダンパの固有振動数に近づけることができなくなり、この結果、制御帯域（ノッチ周波数よりも低い帯域）が狭くなる。ωが既に決まっている場合（通常は、このようになる）、制御帯域（ノッチ周波数よりも低い帯域）を広くする観点から、ωｎをωの値に近づける（大きくする）ことが好ましい。したがって、上記周波数幅を小さくしてωｎをωの値に近づけるべく、ζを小さく設定するのがよいが、０に限りなく近付くと、理論的にはωｎ＝ωとなって、ノッチフィルタと制振ユニット３とが干渉する可能性がある。そこで、ζを０．００５以上０．１以下に設定することが好ましい。より好ましいのは、ζを０．００７以上０．０５以下の値に設定することである。
【００３６】
補正部４ｂは、基本制御部４ａからの操作量ｕ１（リニアモータ制御信号）を入力して、これにＦ（ｓ）を掛けて補正後の操作量ｕ２を求め、更にこれを４次のハイパスフィルタを通過させた後に、電力増幅器を介してリニアモータ３２へ出力する。操作量ｕ２が４次のハイパスフィルタを通過するようにするのは、ノッチフィルタが低周波数で高ゲインになるからである。尚、ハイパスフィルタは必須のものではなく、なくしてもよい。
【００３７】
ここで、前記の如く説明した除振台Ａと同様の除振台（以下、実施例という）を作製した。但し、この実施例では、簡易的なものであるため、除振対象物の固有振動数ωａが周波数換算で２５Ｈｚと比較的大きくなっている。また、制振ユニット３の固有振動数ωは周波数換算で８１Ｈｚとした。さらに、速度ｚ′のフィードバック制御のみとし、ゲインＢ１及びＢ３は０とし、Ｂ２は１０５とした。また、積分器、ノッチフィルタ及びハイパスフィルタのカットオフ周波数を、それぞれ０．１Ｈｚ、０．１Ｈｚ及び１．０Ｈｚとした。そして、減衰比ζを０．０１とし、ノッチ周波数ωｎを周波数換算で５０Ｈｚとした。
【００３８】
一方、比較のために、ノッチ周波数ωｎをωに一致させて８１Ｈｚとし、その他は実施例と同様の除振台を作製した。
【００３９】
前記実施例のリニアモータ制御（フィードバック制御）における開ループ特性を図３に示し、リニアモータ制御における閉ループ特性を図４に示す。ここで、閉ループ特性は、図６に示すように、前記フィードバック制御と同じ特性であって、除振対象物への入力（外力）を打ち消すべく、該入力とは逆位相となるように制御力に−１を掛けて、これを前記入力に加えた場合の特性である。閉ループ特性における入力は、除振対象物へ入力される外力であり、閉ループ特性における出力は、除振対象物からの出力（加速度センサ３１により検出されるもの）である。図４は、閉ループ特性において、周波数による、入力の大きさに対する出力の大きさの比である振動伝達率の変化を示す。尚、除振対象物の伝達関数をＧ（ｓ）とし、コントローラ４（基本制御部４ａ及び補正部４ｂの両方を含む）の伝達関数をＣ（ｓ）としている。
【００４０】
一方、開ループ特性は、図７に示すように、前記閉ループ特性においてコントローラ４からの出力を除振対象物への入力に加えないようにするために閉ループを途中で切断した場合の特性である。開ループ特性における入力は、除振対象物へ入力される外力であり、開ループ特性における出力は、コントローラからの出力である。開ループ特性の伝達関数は、Ｇ（ｓ）×Ｃ（ｓ）となる。図３は、開ループ特性において、周波数による、入力の大きさに対する出力の大きさの比の変化（ゲイン特性曲線）と、周波数による、入力に対する出力の位相差の変化（位相特性曲線）とを示す。開ループ特性における入力と出力とが同位相（位相差が０°）であれば、閉ループ特性で出力が入力よりも低減される（振動伝達率が低減する）一方、開ループ特性における入力と出力とが逆位相（位相差が１８０°）であれば、閉ループ特性で出力が入力よりも増幅される（振動伝達率が増大する）ことになる。実施例において、閉ループ特性における、制振ユニットの固有振動数ω（８１Ｈｚ）での応答特性（開ループ特性の入力−開ループ特性の出力）を図５に示す。
【００４１】
また、比較例において、開ループ特性（ゲイン特性曲線及び位相特性曲線）を図８に示し、閉ループ特性を図９に示し、閉ループ特性における、制振ユニットの固有振動数ω（８１Ｈｚ）での応答特性（開ループ特性の入力−開ループ特性の出力）を図１０に示す。
【００４２】
比較例では、図８の位相特性曲線に示すように、位相（入力に対する出力の位相差）が、除振対象物の固有振動数ωａの前後で、９０°から−９０°に変化し、除振対象物の固有振動数ωａにおいて、０°になる。この結果、図９に示すように、除振対象物の固有振動数ωａにおいて、振動伝達率が制御なし（パッシブ）の場合に比べて低減する。
【００４３】
また、比較例では、図８の位相特性曲線に示すように、制振ユニットの固有振動数ωの前後で、−９０°から−２７０°に変化しようとするが、ノッチフィルタによって１８０°進められるため、−９０°のままとなる。そして、図８のゲイン特性曲線に示すように、制振ユニットの固有振動数ωにおいて、開ループ特性の共振ピークが打ち消されて、制振ユニットが存在しないような状態になる。しかし、前記位相が−９０°であるため、閉ループ特性における、制振ユニットの固有振動数ωでの応答特性は図１０のようになり、図９に示すように、制振ユニットの固有振動数ωにおいては、振動伝達率を低減することができない。
【００４４】
これに対し、実施例では、図３の位相特性曲線に示すように、除振対象物の固有振動数ωａ及び制振ユニットの固有振動数ωのどちらにおいても、位相が０°になる。すなわち、開ループ特性における位相特性で、除振対象物の固有振動数の前後で９０°から−９０°に変化した位相が、除振対象物の固有振動数ωａと制振ユニットの固有振動数ωとの間に相当する周波数（ノッチ周波数（５０Ｈｚ））で、ノッチフィルタによって１８０°進められて９０°となる。そして、制振ユニットの固有振動数ωの前後で１８０°遅れて９０°から−９０°に変化し、制振ユニットの固有振動数ωにおいて、０°になる。この結果、閉ループ特性における、制振ユニットの固有振動数ωでの応答特性は図５のようになる。したがって、図４に示すように、制振ユニットの固有振動数ωだけでなく、制振ユニットの固有振動数ωにおいても、振動伝達率を制御なしの場合に比べて低減することができる。
【００４５】
以上のように、本実施形態では、制振ユニット３の固有振動数ωを除振対象物の固有振動数ωａよりも高くし、基本制御部４ａにおいて、加速度センサ３１により検出される前記除振対象物の振動状態に応じて、制振ユニット３の可動質量３３の駆動反力が前記除振対象物の振動を減殺する制御力となるように、リニアモータ３２を制御するとともに、補正部４ｂ（ノッチフィルタ）によって、除振対象物の固有振動数ωａと制振ユニット３の固有振動数ωとの間に相当する周波数（ノッチ周波数）で、リニアモータ制御信号の位相を１８０°進ませるようにしたので、除振対象物及び制振ユニット３の両方の固有振動数において振動伝達率を低減させることができる。また、ノッチフィルタのノッチ周波数を制振ユニット３の固有振動数に一致させる場合とは異なり、制振ユニット３の板ばね３４の経年変化等により制振ユニット３の固有振動数が変化したとしても、また、除振対象物に大きな外乱や突発的な力が加わったとしても、振動伝達率低減の効果は変わらない。
【００４６】
本発明は、前記実施形態に限られるものではなく、請求の範囲の主旨を逸脱しない範囲で代用が可能である。
【００４７】
例えば、前記実施形態では、制振機構を加速度センサ３１と共にケース３０に収容して、一体の制振ユニット３を構成しているが、これに限らず、加速度センサ３１やリニアモータ３２をそれぞれ機器Ｄに直接、配設することもできる。また、加速度センサ３１に代えて、例えば速度センサや変位センサを用いることもできるし、リニアモータ３２以外に、例えばサーボ弁で内圧を制御する空気ばねや圧電素子等のアクチュエータを用いることもできる。
【００４８】
また、制振ユニット３において、可動質量３３をケース３０に連結する板ばね３４に代えて、例えば、金属製又は樹脂製の環状部材と環状のゴム部材とを径方向に交互に積層してなる積層弾性体を用いることもできるし、磁気ベアリングやエアベアリング等を利用することもできる。
【００４９】
また、前記実施形態では、除振対象物（機器Ｄ及び定盤１）の上下方向の振動を減殺するために、可動質量３３をリニアモータ３２により上下方向に駆動するようにしたが、除振対象物の水平方向や水平方向又は上下方向に対して斜め方向の振動を減殺するようにしてもよく、その減殺する方向にケース３０の中心軸Ｊが延びるようにして、該方向に可動質量３３を駆動するようにすればよい。
【００５０】
さらに、前記実施形態では、定盤１を空気ばね２により支持するようにした除振台Ａを例示しているが、その空気ばね２に代えて、空気以外の気体を封入した気体ばねを用いることもできるし、コイルばね等のような、気体ばね以外のばね要素を用いることもできる。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明は、除振対象物に取り付けられたアクティブ・マスダンパによって、該除振対象物の所定方向の振動を減殺する制御力を該除振対象物に付加するアクティブ除振装置に有用である。
【符号の説明】
【００５２】
Ａ 除振台（アクティブ除振装置）
Ｄ 機器（除振対象物）
１ 定盤（除振対象物）
３ 制振ユニット（アクティブ・マスダンパ）
４ コントローラ
４ａ 基本制御部
４ｂ 補正部
３１ 加速度センサ（振動状態検出センサ）
３２ リニアモータ（アクチュエータ）
３３ 可動質量
【技術分野】
【０００１】
本発明は、除振対象物に取り付けられたアクティブ・マスダンパによって、該除振対象物の所定方向の振動を減殺する制御力を該除振対象物に付加するアクティブ除振装置に関する技術分野に属する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、例えば特許文献１に示されているように、除振対象物にアクティブ・マスダンパ（Active Mass Damper：以下、ＡＭＤともいう）を取り付けて、このＡＭＤによって、除振対象物の所定方向（上下方向や水平方向等）の振動を減殺する制御力を該除振対象物に付加するようにしたアクティブ除振装置が知られている。
【０００３】
前記特許文献１のアクティブ除振装置では、ＡＭＤの固有振動数を除振対象物の固有振動数よりも低くするとともに、ＡＭＤのアクチュエータの制御をノッチフィルタ（位相進み補償フィルタ）により補正することで、ＡＭＤの可動質量及びばね要素からなる付加振動系の共振の影響を排除するようにしている。すなわち、ノッチ周波数をＡＭＤの固有振動数に一致させ、これにより、ＡＭＤの固有振動数において、前記アクチュエータ制御（フィードバック制御）の開ループ特性におけるゲイン特性の共振ピークを打ち消すようにしている。尚、前記開ループ特性における伝達関数は、除振対象物の伝達関数Ｇ（ｓ）に、アクチュエータの制御をコントローラ（位相進み補償フィルタを含む）の伝達関数Ｃ（ｓ）を掛けたものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−３０３９９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、除振対象物の固有振動数が例えば５Ｈｚ程度と低い場合には、ＡＭＤの固有振動数を除振対象物の固有振動数よりも低くしようとすると、ＡＭＤのばね要素をかなり柔らかいものにする必要があり、このため、可動質量の支持性の問題が生じる。
【０００６】
そこで、除振対象物の固有振動数が低い場合には、ＡＭＤの固有振動数を除振対象物の固有振動数よりも高くすることが考えられる。そして、この場合も、前記特許文献１のような位相進み補償フィルタによって、付加振動系の共振の影響を排除するようにすることが考えられる。これにより、ＡＭＤの固有振動数において、開ループ特性においてゲイン特性の共振ピークを打ち消すことができる（図８参照）。この結果、ＡＭＤが存在しないような状態になる。
【０００７】
しかし、開ループ特性における位相特性で、除振対象物の固有振動数において位相（開ループ特性の入力（外力）に対する出力（コントローラからの出力）の位相差）を０°にする必要があり、これにより、ＡＭＤの固有振動数においては、位相が０にならなくなる。すなわち、除振対象物の固有振動数の前後で９０°から−９０°に変化した位相が、ＡＭＤの固有振動数の前後で、−９０°から−２７０°に変化しようとするが、位相進み補償フィルタによって１８０°進められるため、−９０°のままとなる（図８参照）。
【０００８】
この結果、前記コントローラのアクチュエータ制御により、振動伝達率は、除振対象物の固有振動数において低減することはできるものの、ＡＭＤの固有振動数において低減することはできない（図９参照）。
【０００９】
また、位相進み補償フィルタのノッチ周波数をＡＭＤの固有振動数に一致させる必要があるが、除振装置の製造直後に一致していても、ＡＭＤのばね要素の経年変化等によりＡＭＤの固有振動数が変化した場合には一致しなくなり、このため、長期使用により十分な効果が得られなくなる可能性がある。
【００１０】
さらに、位相進み補償フィルタは、ＡＭＤの固有振動数に一致するセンサ信号をカット（ノッチ）し、ＡＭＤの応答が大きくならないようにしているが、仮に、除振対象物に大きな外乱や突発的な力が加わったとき、ノッチ深さは有限であるため、センサ信号をカットしきれなくなる場合があり、この場合も、十分な効果が得られなくなる可能性がある。
【００１１】
本発明は、斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、アクティブ・マスダンパの固有振動数を除振対象物の固有振動数よりも高くした場合に、除振対象物及びアクティブ・マスダンパの両方の固有振動数において振動伝達率を長期に亘って低減させることが可能なアクティブ除振装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記の目的を達成するために、本発明では、除振対象物に取り付けられたアクティブ・マスダンパによって、該除振対象物の所定方向の振動を減殺する制御力を該除振対象物に付加するアクティブ除振装置を対象として、前記除振対象物に前記アクティブ・マスダンパが取り付けられた状態で、該アクティブ・マスダンパの前記所定方向の固有振動数が、該除振対象物の前記所定方向の固有振動数よりも高くされ、前記アクティブ・マスダンパは、前記除振対象物にばね要素を介して前記所定方向に移動可能に取り付けられた可動質量と、前記除振対象物に取り付けられて、前記可動質量を前記所定方向に駆動し、その駆動反力を該除振対象物に作用させるアクチュエータとを有しており、前記除振対象物の前記所定方向の振動状態を検出する振動状態検出センサと、前記振動状態検出センサにより検出される前記除振対象物の振動状態に応じて、前記可動質量の駆動反力が前記除振対象物の所定方向の振動を減殺する制御力となるように、前記アクチュエータを制御する基本制御部と、前記基本制御部による前記アクチュエータの制御を補正する補正部とを備え、前記補正部は、前記基本制御部からのアクチュエータ制御信号の位相を、前記除振対象物の前記所定方向の固有振動数と前記アクティブ・マスダンパの前記所定方向の固有振動数との間に相当する周波数で１８０°進ませるように構成されている、という構成とした。
【００１３】
前記の構成により、アクチュエータ制御（フィードバック制御）の開ループ特性における位相特性で、除振対象物の固有振動数の前後で９０°から−９０°に変化した位相（開ループ特性の入力に対する出力の位相差）が、除振対象物の固有振動数とアクティブ・マスダンパの固有振動数との間に相当する周波数で、補正部によって１８０°進められて９０°となり、アクティブ・マスダンパの固有振動数の前後で１８０°遅れて９０°から−９０°に変化することになる。これにより、開ループ特性において、除振対象物の固有振動数だけでなく、アクティブ・マスダンパの固有振動数においても、位相が０になる。この結果、除振対象物及びアクティブ・マスダンパの両方の固有振動数において振動伝達率を低減させることができる。また、位相進み補償フィルタのノッチ周波数をアクティブ・マスダンパの固有振動数に一致させる場合とは異なり、アクティブ・マスダンパのばね要素の経年変化等によりアクティブ・マスダンパの固有振動数が変化したとしても、また、除振対象物に大きな外乱や突発的な力が加わったとしても、振動伝達率低減の効果は変わらない。
【００１４】
前記アクティブ除振装置において、前記補正部は、ノッチフィルタで構成されていて、その伝達関数Ｆ（ｓ）が、
Ｆ（ｓ）＝（ｓ２＋２ζωｎｓ＋ωｎ２）／ｓ２ …（１）
により表されるものであり、前記式（１）中のｓはラプラス演算子であり、前記式（１）中のωｎは、前記ノッチフィルタのノッチ周波数に相当する振動数（単位：ｒａｄ／ｓ）であって、前記除振対象物の前記所定方向の固有振動数をωａとし、前記アクティブ・マスダンパの前記所定方向の固有振動数をωとして、
ωａ＜ωｎ＜ω
を満たし、
前記式（１）中のζは、前記ノッチフィルタの減衰比であって、０．００５以上０．１以下の値に設定される、ことが好ましい。
【００１５】
このことにより、アクチュエータへの制御信号の位相を、除振対象物の固有振動数とアクティブ・マスダンパの固有振動数との間に相当する周波数で１８０°進ませることが容易にできる。ここで、ζの値は、アクチュエータへの制御信号の位相が１８０°進むのに必要な周波数幅に影響し、ζの値が大きすぎると、その周波数幅が大きくなってノッチ周波数をアクティブ・マスダンパの固有振動数に近づけることができなくなり、これにより、制御帯域（ノッチ周波数よりも低い帯域）が狭くなる一方、ζの値が０に限りなく近付くと、理論的にはωｎ＝ωとなって、ノッチフィルタとアクティブ・マスダンパとが干渉する可能性があるので、０．００５以上０．１以下の値に設定することが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
以上説明したように、本発明のアクティブ除振装置によると、アクティブ・マスダンパの固有振動数を除振対象物の固有振動数よりも高くした場合に、除振対象物及びＡＭＤの両方の固有振動数において振動伝達率を長期に亘って低減させることができ、除振性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態に係るアクティブ除振装置としての除振台の概略構成を模式的に示す図である。
【図２】コントローラによるリニアモータの制御を示すブロック図である。
【図３】実施例の開ループ特性（ゲイン特性曲線及び位相特性曲線）を示すボード線図である。
【図４】実施例の閉ループ特性において、周波数による振動伝達率の変化を示すグラフである。
【図５】実施例において、閉ループ特性における、制振ユニットの固有振動数での応答特性（開ループ特性の入力−開ループ特性の出力）を示すグラフである。
【図６】閉ループを示すブロック図である。
【図７】開ループを示すブロック図である。
【図８】比較例の開ループ特性（ゲイン特性曲線及び位相特性曲線）を示すボード線図である。
【図９】比較例の閉ループ特性において、周波数による振動伝達率の変化を示すグラフである。
【図１０】比較例において、閉ループ特性における、制振ユニットの固有振動数での応答特性（開ループ特性の入力−開ループ特性の出力）を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１９】
図１は、本発明の実施形態に係るアクティブ除振装置としての除振台Ａを示す。この除振台Ａは、例えば半導体関連の製造装置、試験機器、電子顕微鏡、レーザ顕微鏡等の精密計測機器のように、振動の影響を受けやすい精密な機器Ｄを搭載するための精密除振台であって、機器Ｄを床の振動から出来る限り絶縁した状態で設置するためのものである。
【００２０】
前記除振台Ａは、機器Ｄが搭載される定盤１を、通常は３個（４個以上でもよい）の空気ばね２（図１には２つのみ示す）によって弾性的に支持するものであり、その定盤１及び搭載機器Ｄが除振対象物となる。また、除振台Ａ自体は所謂パッシブタイプのものであって、各空気ばね２には、図示は省略するが、高圧空気を供給又は排気するための空気圧回路が接続されて、レベリングバルブ等の作動により定盤１の高さを概略一定に維持するようになっている。
【００２１】
本実施形態では、機器Ｄの上面に制振ユニット３を取り付けて、この制振ユニット３により機器Ｄに付加する制御力によって機器Ｄ及び定盤１の所定方向（本実施形態では、上下方向）の振動を減殺するようにしており、この制御ユニット３を含めた除振台Ａ全体がアクティブ除振装置を構成する。制振ユニット３は、アクティブ・マスダンパと呼ばれるものであって、機器Ｄに固定したケース３０内の可動質量３３をリニアモータ３２（アクチュエータ）により上下方向に駆動し、その駆動反力をケース３０を介して機器Ｄに付加するものである。本実施形態では、除振対象物（機器Ｄ及び定盤１）の上下方向の振動を減殺するべく、上下方向の振動に着目するので、以下、上下方向の振動を単に振動という。また、制振ユニット３の上下方向の固有振動数を単に制振ユニット３の固有振動数といい、除振対象物の上下方向の固有振動数を単に除振対象物の固有振動数という。
【００２２】
以下に、制振ユニット３（アクティブ・マスダンパ）の構造について説明する。制振ユニット３は、図１に示す（実際よりも大きく示す）ように、円筒状のケース３０の基端（下端）に、例えば矩形状の基板３０ａが取り付けられて、この基板３０ａの４つの角部が機器Ｄの上面に締結されている。一方、ケース３０の先端（上端）には、円板状の蓋部材３０ｂが取り付けられている。ケース３０の周壁部は、基端側の概略半分を構成する基端側部材３０ｃと、残りの部分のうちの先端側を構成する先端側部材３０ｄと、基端側部材３０ｃ及び先端側部材３０ｄの間に位置する中間部材３０ｅとに３分割されている。
【００２３】
ケース３０の内部は、２つの区画壁３０ｆ，３０ｇによって、ケース３０の中心軸Ｊ方向（上下方向）に概略３等分されており、ケース３０内における下側の区画壁３０ｆと基板３０ａとの間の空間に、加速度センサ３１が収容されている。この加速度センサ３１は、基板３０ａに固定されていて、機器Ｄの振動による加速度ｚ″を検出するものである。すなわち、加速度センサ３１は、除振対象物の振動状態を検出する振動状態検出センサを構成する。
【００２４】
また、ケース３０内における２つの区画壁３０ｆ，３０ｇの間の空間には、リニアモータ３２が収容されている。このリニアモータ３２のケース上面が上側の区画壁３０ｇに固定され、リニアモータ３２のロッドが、区画壁３０ｇに形成された貫通孔に挿通されかつケース３０の中心軸Ｊ上において上側に延びて、ケース３０内における区画壁３０ｇと蓋部材３０ｂとの間の空間に突出している。
【００２５】
前記リニアモータ３２のロッドが突出する空間には、可動質量３３が収容されており、この可動質量３３は、２枚の板ばね３４によりケース３０に対して中心軸Ｊ方向に移動可能に保持されている。可動質量３３は、略円筒状の本体部３３ａと該本体部３３ａを上下方向に貫通する軸部３３ｂとからなり、この軸部３３ｂの上下両端部がそれぞれ、２枚の板ばね３４の中心部に貫通した状態で固定されているとともに、軸部３３ｂの下端がリニアモータ３２のロッドの先端に連結されている。
【００２６】
板ばね３４は、詳細は図示しないが、円盤状をなしていて、中心部及び外周部の所定範囲を除いた径方向の中間部位に、複数の貫通溝が形成されたものである。上側の板ばね３４の外周部は、先端側部材３０ｄ及び中間部材３０ｅに挟持され、下側の板ばね３４は、基端側部材３０ｃ及び中間部材３０ｅに挟持されてケース３０に連結される一方、両板ばね３４の中心部には、前記のように可動質量３３の軸部３３ｂが貫通状態で固定される中心孔が形成されている。
【００２７】
本実施形態では、機器Ｄに制振ユニット３が取り付けられた状態で、該制振ユニット３の固有振動数が、除振対象物（機器Ｄ及び定盤１）の固有振動数よりも高くされている。除振対象物の固有振動数は、周波数換算で、例えば４〜６Ｈｚと低い。但し、このような低い値には限られない。制振ユニット３の固有振動数は、除振対象物の固有振動数に対して５Ｈｚ以上高いことが好ましい。
【００２８】
次に、制振ユニット３の制御について具体的に説明する。本実施形態では、制振ユニット３の作動、すなわち、リニアモータ３２の制御による可動質量３３の駆動が、コントローラ４によって行われる。このコントローラ４は、図１に示すように、基本制御部４ａと補正部４ｂとを有している。基本制御部４ａは、制振ユニット３の加速度センサ３１からの信号に基づいて、リニアモータ３２のフィードバック制御を行う。すなわち、基本制御部４ａは、加速度センサ３１からの信号を入力して、該加速度センサ３１により検出される除振対象物（機器Ｄ及び定盤１）の振動状態に応じて、可動質量３３の駆動反力が前記除振対象物の振動を減殺する制御力となるように、リニアモータ３２を制御する。補正部４ｂは、基本制御部４ａによる前記リニアモータ３２の制御（基本制御部４ａから出力されるリニアモータ制御信号）を補正して、該補正したリニアモータ制御信号を、コントローラ４からの出力信号として、リニアモータ３２へ出力する。
【００２９】
図２に一例を示すように、基本制御部４ａは、加速度センサ３１からの信号、つまり除振対象物の加速度ｚ″を２回積分して得られる変位ｚに対しゲインＢ１を乗算するとともに、加速度ｚ″を１回積分して得られる速度ｚ′に対しゲインＢ２を乗算し、また、加速度ｚ″に対しゲインＢ３を乗算した上で、それらを合算して、リニアモータ３２のフィードバック操作量ｕ１を求める。この操作量ｕ１が、可動質量３３の駆動反力として除振対象物の振動を減殺するような制御力を発生させるためのものである。
【００３０】
前記の制御演算においては、速度ｚ′のフィードバック制御が基本であり、これは制振ユニット３によって、機器Ｄ、定盤１及び空気ばね２からなる主振動系に減衰を付加するという意味を持つ。制振ユニット３を付加することによって、除振台Ａは２自由度の振動系になるが、速度ｚ′のフィードバック制御によって減衰が加わり、共振倍率が低下するので、主振動系の共振を抑えることができる。また、加速度ｚ″のフィードバック制御によって高周波側の性能を向上させることができるとともに、変位ｚのフィードバック制御によって低周波側の性能を向上させることができる。尚、加速度ｚ″及び変位ｚのフィードバック制御をなくして、速度ｚ′のフィードバック制御のみとしてもよい。
【００３１】
補正部４ｂは、前記基本制御部４ａからのリニアモータ制御信号の位相を、前記除振対象物の固有振動数と前記制振ユニット３の固有振動数との間に相当する周波数で１８０°進ませるように構成されている。
【００３２】
具体的に、本実施形態では、補正部４ｂは、ノッチフィルタ（位相進み補償フィルタ）で構成されていて、その伝達関数Ｆ（ｓ）が、
Ｆ（ｓ）＝（ｓ２＋２ζωｎｓ＋ωｎ２）／ｓ２ …（１）
により表されるものである。
【００３３】
前記式（１）中のｓはラプラス演算子であり、ωｎは、前記ノッチフィルタのノッチ周波数に相当する振動数（単位：ｒａｄ／ｓ）であって、前記除振対象物の固有振動数をωａとし、前記制振ユニット３の固有振動数をωとして、
ωａ＜ωｎ＜ω
を満たす。
【００３４】
前記式（１）中のζは、前記ノッチフィルタの減衰比であって、０．００５以上０．１以下の値に設定される。
【００３５】
ここで、ζの値は、前記基本制御部４ａからのリニアモータ制御信号の位相が１８０°進むのに必要な周波数幅に影響し、ζの値が大きすぎると、その周波数幅が大きくなって、ノッチ周波数をアクティブ・マスダンパの固有振動数に近づけることができなくなり、この結果、制御帯域（ノッチ周波数よりも低い帯域）が狭くなる。ωが既に決まっている場合（通常は、このようになる）、制御帯域（ノッチ周波数よりも低い帯域）を広くする観点から、ωｎをωの値に近づける（大きくする）ことが好ましい。したがって、上記周波数幅を小さくしてωｎをωの値に近づけるべく、ζを小さく設定するのがよいが、０に限りなく近付くと、理論的にはωｎ＝ωとなって、ノッチフィルタと制振ユニット３とが干渉する可能性がある。そこで、ζを０．００５以上０．１以下に設定することが好ましい。より好ましいのは、ζを０．００７以上０．０５以下の値に設定することである。
【００３６】
補正部４ｂは、基本制御部４ａからの操作量ｕ１（リニアモータ制御信号）を入力して、これにＦ（ｓ）を掛けて補正後の操作量ｕ２を求め、更にこれを４次のハイパスフィルタを通過させた後に、電力増幅器を介してリニアモータ３２へ出力する。操作量ｕ２が４次のハイパスフィルタを通過するようにするのは、ノッチフィルタが低周波数で高ゲインになるからである。尚、ハイパスフィルタは必須のものではなく、なくしてもよい。
【００３７】
ここで、前記の如く説明した除振台Ａと同様の除振台（以下、実施例という）を作製した。但し、この実施例では、簡易的なものであるため、除振対象物の固有振動数ωａが周波数換算で２５Ｈｚと比較的大きくなっている。また、制振ユニット３の固有振動数ωは周波数換算で８１Ｈｚとした。さらに、速度ｚ′のフィードバック制御のみとし、ゲインＢ１及びＢ３は０とし、Ｂ２は１０５とした。また、積分器、ノッチフィルタ及びハイパスフィルタのカットオフ周波数を、それぞれ０．１Ｈｚ、０．１Ｈｚ及び１．０Ｈｚとした。そして、減衰比ζを０．０１とし、ノッチ周波数ωｎを周波数換算で５０Ｈｚとした。
【００３８】
一方、比較のために、ノッチ周波数ωｎをωに一致させて８１Ｈｚとし、その他は実施例と同様の除振台を作製した。
【００３９】
前記実施例のリニアモータ制御（フィードバック制御）における開ループ特性を図３に示し、リニアモータ制御における閉ループ特性を図４に示す。ここで、閉ループ特性は、図６に示すように、前記フィードバック制御と同じ特性であって、除振対象物への入力（外力）を打ち消すべく、該入力とは逆位相となるように制御力に−１を掛けて、これを前記入力に加えた場合の特性である。閉ループ特性における入力は、除振対象物へ入力される外力であり、閉ループ特性における出力は、除振対象物からの出力（加速度センサ３１により検出されるもの）である。図４は、閉ループ特性において、周波数による、入力の大きさに対する出力の大きさの比である振動伝達率の変化を示す。尚、除振対象物の伝達関数をＧ（ｓ）とし、コントローラ４（基本制御部４ａ及び補正部４ｂの両方を含む）の伝達関数をＣ（ｓ）としている。
【００４０】
一方、開ループ特性は、図７に示すように、前記閉ループ特性においてコントローラ４からの出力を除振対象物への入力に加えないようにするために閉ループを途中で切断した場合の特性である。開ループ特性における入力は、除振対象物へ入力される外力であり、開ループ特性における出力は、コントローラからの出力である。開ループ特性の伝達関数は、Ｇ（ｓ）×Ｃ（ｓ）となる。図３は、開ループ特性において、周波数による、入力の大きさに対する出力の大きさの比の変化（ゲイン特性曲線）と、周波数による、入力に対する出力の位相差の変化（位相特性曲線）とを示す。開ループ特性における入力と出力とが同位相（位相差が０°）であれば、閉ループ特性で出力が入力よりも低減される（振動伝達率が低減する）一方、開ループ特性における入力と出力とが逆位相（位相差が１８０°）であれば、閉ループ特性で出力が入力よりも増幅される（振動伝達率が増大する）ことになる。実施例において、閉ループ特性における、制振ユニットの固有振動数ω（８１Ｈｚ）での応答特性（開ループ特性の入力−開ループ特性の出力）を図５に示す。
【００４１】
また、比較例において、開ループ特性（ゲイン特性曲線及び位相特性曲線）を図８に示し、閉ループ特性を図９に示し、閉ループ特性における、制振ユニットの固有振動数ω（８１Ｈｚ）での応答特性（開ループ特性の入力−開ループ特性の出力）を図１０に示す。
【００４２】
比較例では、図８の位相特性曲線に示すように、位相（入力に対する出力の位相差）が、除振対象物の固有振動数ωａの前後で、９０°から−９０°に変化し、除振対象物の固有振動数ωａにおいて、０°になる。この結果、図９に示すように、除振対象物の固有振動数ωａにおいて、振動伝達率が制御なし（パッシブ）の場合に比べて低減する。
【００４３】
また、比較例では、図８の位相特性曲線に示すように、制振ユニットの固有振動数ωの前後で、−９０°から−２７０°に変化しようとするが、ノッチフィルタによって１８０°進められるため、−９０°のままとなる。そして、図８のゲイン特性曲線に示すように、制振ユニットの固有振動数ωにおいて、開ループ特性の共振ピークが打ち消されて、制振ユニットが存在しないような状態になる。しかし、前記位相が−９０°であるため、閉ループ特性における、制振ユニットの固有振動数ωでの応答特性は図１０のようになり、図９に示すように、制振ユニットの固有振動数ωにおいては、振動伝達率を低減することができない。
【００４４】
これに対し、実施例では、図３の位相特性曲線に示すように、除振対象物の固有振動数ωａ及び制振ユニットの固有振動数ωのどちらにおいても、位相が０°になる。すなわち、開ループ特性における位相特性で、除振対象物の固有振動数の前後で９０°から−９０°に変化した位相が、除振対象物の固有振動数ωａと制振ユニットの固有振動数ωとの間に相当する周波数（ノッチ周波数（５０Ｈｚ））で、ノッチフィルタによって１８０°進められて９０°となる。そして、制振ユニットの固有振動数ωの前後で１８０°遅れて９０°から−９０°に変化し、制振ユニットの固有振動数ωにおいて、０°になる。この結果、閉ループ特性における、制振ユニットの固有振動数ωでの応答特性は図５のようになる。したがって、図４に示すように、制振ユニットの固有振動数ωだけでなく、制振ユニットの固有振動数ωにおいても、振動伝達率を制御なしの場合に比べて低減することができる。
【００４５】
以上のように、本実施形態では、制振ユニット３の固有振動数ωを除振対象物の固有振動数ωａよりも高くし、基本制御部４ａにおいて、加速度センサ３１により検出される前記除振対象物の振動状態に応じて、制振ユニット３の可動質量３３の駆動反力が前記除振対象物の振動を減殺する制御力となるように、リニアモータ３２を制御するとともに、補正部４ｂ（ノッチフィルタ）によって、除振対象物の固有振動数ωａと制振ユニット３の固有振動数ωとの間に相当する周波数（ノッチ周波数）で、リニアモータ制御信号の位相を１８０°進ませるようにしたので、除振対象物及び制振ユニット３の両方の固有振動数において振動伝達率を低減させることができる。また、ノッチフィルタのノッチ周波数を制振ユニット３の固有振動数に一致させる場合とは異なり、制振ユニット３の板ばね３４の経年変化等により制振ユニット３の固有振動数が変化したとしても、また、除振対象物に大きな外乱や突発的な力が加わったとしても、振動伝達率低減の効果は変わらない。
【００４６】
本発明は、前記実施形態に限られるものではなく、請求の範囲の主旨を逸脱しない範囲で代用が可能である。
【００４７】
例えば、前記実施形態では、制振機構を加速度センサ３１と共にケース３０に収容して、一体の制振ユニット３を構成しているが、これに限らず、加速度センサ３１やリニアモータ３２をそれぞれ機器Ｄに直接、配設することもできる。また、加速度センサ３１に代えて、例えば速度センサや変位センサを用いることもできるし、リニアモータ３２以外に、例えばサーボ弁で内圧を制御する空気ばねや圧電素子等のアクチュエータを用いることもできる。
【００４８】
また、制振ユニット３において、可動質量３３をケース３０に連結する板ばね３４に代えて、例えば、金属製又は樹脂製の環状部材と環状のゴム部材とを径方向に交互に積層してなる積層弾性体を用いることもできるし、磁気ベアリングやエアベアリング等を利用することもできる。
【００４９】
また、前記実施形態では、除振対象物（機器Ｄ及び定盤１）の上下方向の振動を減殺するために、可動質量３３をリニアモータ３２により上下方向に駆動するようにしたが、除振対象物の水平方向や水平方向又は上下方向に対して斜め方向の振動を減殺するようにしてもよく、その減殺する方向にケース３０の中心軸Ｊが延びるようにして、該方向に可動質量３３を駆動するようにすればよい。
【００５０】
さらに、前記実施形態では、定盤１を空気ばね２により支持するようにした除振台Ａを例示しているが、その空気ばね２に代えて、空気以外の気体を封入した気体ばねを用いることもできるし、コイルばね等のような、気体ばね以外のばね要素を用いることもできる。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明は、除振対象物に取り付けられたアクティブ・マスダンパによって、該除振対象物の所定方向の振動を減殺する制御力を該除振対象物に付加するアクティブ除振装置に有用である。
【符号の説明】
【００５２】
Ａ 除振台（アクティブ除振装置）
Ｄ 機器（除振対象物）
１ 定盤（除振対象物）
３ 制振ユニット（アクティブ・マスダンパ）
４ コントローラ
４ａ 基本制御部
４ｂ 補正部
３１ 加速度センサ（振動状態検出センサ）
３２ リニアモータ（アクチュエータ）
３３ 可動質量
【特許請求の範囲】
【請求項１】
除振対象物に取り付けられたアクティブ・マスダンパによって、該除振対象物の所定方向の振動を減殺する制御力を該除振対象物に付加するアクティブ除振装置であって、
前記除振対象物に前記アクティブ・マスダンパが取り付けられた状態で、該アクティブ・マスダンパの前記所定方向の固有振動数が、該除振対象物の前記所定方向の固有振動数よりも高くされ、
前記アクティブ・マスダンパは、前記除振対象物にばね要素を介して前記所定方向に移動可能に取り付けられた可動質量と、前記除振対象物に取り付けられて、前記可動質量を前記所定方向に駆動し、その駆動反力を該除振対象物に作用させるアクチュエータとを有しており、
前記除振対象物の前記所定方向の振動状態を検出する振動状態検出センサと、
前記振動状態検出センサにより検出される前記除振対象物の振動状態に応じて、前記可動質量の駆動反力が前記除振対象物の所定方向の振動を減殺する制御力となるように、前記アクチュエータを制御する基本制御部と、
前記基本制御部による前記アクチュエータの制御を補正する補正部とを備え、
前記補正部は、前記基本制御部からのアクチュエータ制御信号の位相を、前記除振対象物の前記所定方向の固有振動数と前記アクティブ・マスダンパの前記所定方向の固有振動数との間に相当する周波数で１８０°進ませるように構成されていることを特徴とするアクティブ除振装置。
【請求項２】
請求項１記載のアクティブ除振装置において、
前記補正部は、ノッチフィルタで構成されていて、その伝達関数Ｆ（ｓ）が、
Ｆ（ｓ）＝（ｓ２＋２ζωｎｓ＋ωｎ２）／ｓ２ …（１）
により表されるものであり、
前記式（１）中のｓはラプラス演算子であり、
前記式（１）中のωｎは、前記ノッチフィルタのノッチ周波数に相当する振動数（単位：ｒａｄ／ｓ）であって、前記除振対象物の前記所定方向の固有振動数をωａとし、前記アクティブ・マスダンパの前記所定方向の固有振動数をωとして、
ωａ＜ωｎ＜ω
を満たし、
前記式（１）中のζは、前記ノッチフィルタの減衰比であって、０．００５以上０．１以下の値に設定されることを特徴とするアクティブ除振装置。
【請求項１】
除振対象物に取り付けられたアクティブ・マスダンパによって、該除振対象物の所定方向の振動を減殺する制御力を該除振対象物に付加するアクティブ除振装置であって、
前記除振対象物に前記アクティブ・マスダンパが取り付けられた状態で、該アクティブ・マスダンパの前記所定方向の固有振動数が、該除振対象物の前記所定方向の固有振動数よりも高くされ、
前記アクティブ・マスダンパは、前記除振対象物にばね要素を介して前記所定方向に移動可能に取り付けられた可動質量と、前記除振対象物に取り付けられて、前記可動質量を前記所定方向に駆動し、その駆動反力を該除振対象物に作用させるアクチュエータとを有しており、
前記除振対象物の前記所定方向の振動状態を検出する振動状態検出センサと、
前記振動状態検出センサにより検出される前記除振対象物の振動状態に応じて、前記可動質量の駆動反力が前記除振対象物の所定方向の振動を減殺する制御力となるように、前記アクチュエータを制御する基本制御部と、
前記基本制御部による前記アクチュエータの制御を補正する補正部とを備え、
前記補正部は、前記基本制御部からのアクチュエータ制御信号の位相を、前記除振対象物の前記所定方向の固有振動数と前記アクティブ・マスダンパの前記所定方向の固有振動数との間に相当する周波数で１８０°進ませるように構成されていることを特徴とするアクティブ除振装置。
【請求項２】
請求項１記載のアクティブ除振装置において、
前記補正部は、ノッチフィルタで構成されていて、その伝達関数Ｆ（ｓ）が、
Ｆ（ｓ）＝（ｓ２＋２ζωｎｓ＋ωｎ２）／ｓ２ …（１）
により表されるものであり、
前記式（１）中のｓはラプラス演算子であり、
前記式（１）中のωｎは、前記ノッチフィルタのノッチ周波数に相当する振動数（単位：ｒａｄ／ｓ）であって、前記除振対象物の前記所定方向の固有振動数をωａとし、前記アクティブ・マスダンパの前記所定方向の固有振動数をωとして、
ωａ＜ωｎ＜ω
を満たし、
前記式（１）中のζは、前記ノッチフィルタの減衰比であって、０．００５以上０．１以下の値に設定されることを特徴とするアクティブ除振装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−８７８８０（Ｐ２０１２−８７８８０Ａ）
【公開日】平成２４年５月１０日（２０１２．５．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２３５１８２（Ｐ２０１０−２３５１８２）
【出願日】平成２２年１０月２０日（２０１０．１０．２０）
【出願人】（０００２０１８６９）倉敷化工株式会社 (282)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年５月１０日（２０１２．５．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月２０日（２０１０．１０．２０）
【出願人】（０００２０１８６９）倉敷化工株式会社 (282)
【Ｆターム（参考）】
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