振動絶縁装置
【課題】低周波数からの微小振動でも安定した振動絶縁能力を持ち、従来のハイブリッド方式の振動絶縁装置より高周波数帯域での効果的な減衰特性を持つ振動絶縁装置を得る。
【解決手段】ベースとペイロードの間に設けられた第１のバネ１０２と、第１のバネと併設してベースとペイロードの間で直列接続された第２のバネ１０３とダンパ１０６および第２のバネとダンパとの間を接続する中間質量を構成する接続部１０４とからなる振動吸収部と、ベースとペイロードの間に設けられベースに対してペイロードの振動を抑制するアクチュエータ１０１と、ペイロードに搭載された第１の運動センサ１０７と、振動吸収部の接続部に搭載された第２の運動センサ１０５と、第１および第２の運動センサからのフィードバック信号に従ってペイロードの振動を抑制するようアクチュエータを制御する制御部１２０を含むアクチュエータ制御系と、を備えた。
【解決手段】ベースとペイロードの間に設けられた第１のバネ１０２と、第１のバネと併設してベースとペイロードの間で直列接続された第２のバネ１０３とダンパ１０６および第２のバネとダンパとの間を接続する中間質量を構成する接続部１０４とからなる振動吸収部と、ベースとペイロードの間に設けられベースに対してペイロードの振動を抑制するアクチュエータ１０１と、ペイロードに搭載された第１の運動センサ１０７と、振動吸収部の接続部に搭載された第２の運動センサ１０５と、第１および第２の運動センサからのフィードバック信号に従ってペイロードの振動を抑制するようアクチュエータを制御する制御部１２０を含むアクチュエータ制御系と、を備えた。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、振動減衰および振動絶縁の分野に関するもので、具体的には、振動絶縁装置を構成する受動的粘性減衰機構と能動的アクチュエータを具備した振動絶縁装置(振動絶縁ストラット)に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
精密機器を輸送、または、操作する場合、この精密機器内部に構造振動の発生を伴うことがある。この構造振動により、精密機器の損傷や性能低下が引起されることがある。そこでこれを回避するため、多くの場合、精密機器に対する外乱を絶縁するために振動減衰装置を配設し、精密機器内部での振動発生を抑制させている。
【０００３】
これらの問題を解決するため、受動、能動方式でさまざまな振動絶縁装置が開発されている。受動方式の場合、機械的に、粘性減衰ダンパと前記ダンパに直列配置される第２のバネと前記ダンパと第２のバネに平行に配置する第１のバネで構成される３パラメータ振動絶縁ストラット複数本で構成されることが知られている。前記３パラメータ振動絶縁ストラットで構成する以外にも、振動絶縁性能は若干落ちるが、並列にバネと粘性減衰ダンパを配置する２パラメータや、３パラメータにダンパ部の流体慣性質量(中間質量)を考慮した４パラメータの振動絶縁ストラットで構成する方法なども知られている。
【０００４】
一方、この振動絶縁ストラット構成としてボイスコイル、圧電素子などのアクチュエータと加速度センサを組み合わせ、加速度センサ出力をフィードバックして、アクチュエータを制御する能動方式のものもある。
【０００５】
さらに、前記受動方式と能動方式を組み合わせたハイブリッド方式の振動絶縁ストラットも知られている。
【０００６】
一般的な振動絶縁装置は、前記の振動絶縁ストラット複数本の片端を精密機器が搭載されるプラットフォーム側(ベース)に、もう一方を精密機器の搭載デッキ(ペイロード)に接続し、複数の自由度に対して振動伝達を抑制する。これら振動絶縁特性については、振動伝達関数で評価することが一般的である。粘性減衰ダンパ、バネで構成される受動方式の場合、３パラメータの場合には、これよりも減衰効果の高い−４０ｄＢ／ｄｅｃａｄｅ、４パラメータの場合に−６０ｄＢ／ｄｅｃａｄｅでの減衰を実現することが可能となるため、より振動に敏感な精密機器には、減衰効果の高いものを適用するほうがよい。ただし、この受動方式の場合には、高周波帯域において、振動絶縁効果を持つが、それよりも低い周波数において、原理的に必ず共振を持つこととなり、低周波数から高周波まで広帯域に振動絶縁することが難しい。
【０００７】
能動方式の場合には、アクチュエータと加速度センサ等のセンサを用いるが、振動絶縁性能は、低周波数から抑制を実現できるものの、高周波数帯域については、アクチュエータ制御帯域と加速度センサ等のセンサのサンプリング周波数帯域により制約を受けることになる。また、故障した場合、機能不全に陥ってしまうという問題点がある。これら受動方式と能動方式の欠点をカバーする方式が、ハイブリッド方式の振動絶縁ストラットである。この特性としては、低周波数帯域については能動方式により振動絶縁を実現し、高周波数については、受動方式の振動絶縁性能を持つことができることから低周波数から高周波数まで、振動絶縁を可能することが可能となる特徴を持つ。
【０００８】
なお、受動方式の振動絶縁ストラットを開示したものとして例えば下記特許文献１、ハイブリッド方式の振動絶縁ストラットを開示したものとして例えば下記特許文献２がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特表２００７−５３１８５２号公報
【特許文献２】特開２００８―２５４７２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
このように振動絶縁装置(振動絶縁ストラット)において、振動絶縁する方式として、受動方式のみで実現する場合と、能動方式のみで実現する場合、受動方式と能動方式を組み合わせたハイブリッド方式の３つの方法がある。
【００１１】
上述のように、受動方式の場合、減衰性能を高くする方法として、機械的に、粘性減衰ダンパと前記ダンパに直列配置される第２のバネと前記ダンパと第２のバネに平行に配置する第１のバネで構成される３パラメータが知られており、この場合、減衰特性として、−４０ｄＢ／ｄｅｃの特性を持つことが知られている（図８の減衰特性４０３参照）。さらに、この特性を向上する方法として、３パラメータの振動絶縁ストラットで構成するオイルダンパ内部の流体質量と結合部材の質量で構成される中間質量を考慮することで、−６０ｄＢ／ｄｅｃで減衰特性を実現することができる（図８の減衰特性４０４参照）。しかし、この特性を実現する場合、前記中間質量を精度良く調整する必要があり、適切に調整しなければ、その特性を得られないという問題点があった。また、必ず共振点を持つため、共振周波数以上の高周波数で伝達関数が０ｄＢを下回る領域でしか、減衰効果を得られないという問題点もあった。
【００１２】
２つの目の方式である能動方式の場合には、能動アクチュエータが故障すると、振動絶縁効果が全く得られなくなり、例えば、宇宙機に搭載する場合、衛星本体からの振動による観測精度の悪化等のリスクを増大させるという問題点があった。
【００１３】
さらに、これらの問題を解決する３つ目の方式として、受動方式と能動方式を組み合わせたハイブリッド方式が開発されている。このハイブリッド方式の受動方式部分は、前記３パラメータ方式のものを使用し、能動方式部は、ボイスコイル、圧電素子等のアクチュエータと加速度センサ等の慣性センサを使用して、低周波数帯域の振動絶縁効果を確保し、能動アクチュエータで制御できない帯域については、３パラメータダンパの受動方式を使用し振動絶縁できる（図８の減衰特性４０２参照）。しかし、この方式の場合、前記受動方式のパッシブ振動絶縁ストラットを用いるため、高周波数において−４０ｄＢ／ｄｅｃでの減衰特性しか確保できないという問題点があった。また、高周波でより効果の振動絶縁効果をあげるために、４パラメータ方式のパッシブ振動ストラットを実現しようとした場合、流体質量を微調整することでしか実現することができないという問題点もあった。
【００１４】
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、低周波数からの微小振動でも安定した振動絶縁能力を持ち、従来のハイブリッド方式の振動絶縁装置と比較し、さらに高周波数帯域において効果的な減衰特性を持つ振動絶縁装置を提供することを目的とする（図８の減衰特性４０１参照）。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
この発明は、ベースとペイロードの間に設けられた第１のバネと、前記第１のバネと併設して前記ベースとペイロードの間で直列接続された第２のバネとダンパ、および前記第２のバネとダンパとの間を接続する中間質量を構成する接続部とからなる振動吸収部と、前記ベースとペイロードの間に設けられベースに対してペイロードの振動を抑制するアクチュエータと、前記ペイロードに搭載された第１の運動センサと、前記振動吸収部の接続部に搭載された第２の運動センサと、前記第１および第２の運動センサからのフィードバック信号に従って前記ペイロードの振動を抑制するよう前記アクチュエータを制御する制御部を含むアクチュエータ制御系と、を備えたことを特徴とする振動絶縁装置にある。
【発明の効果】
【００１６】
この発明では、低周波数からの微小振動でも安定した振動絶縁能力を持ち、従来のハイブリッド方式の振動絶縁装置と比較し、さらに高周波数帯域において効果的な減衰特性を持つ振動絶縁装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】この発明の実施の形態１によるハイブリッド方式の振動絶縁装置の基本構成を示す図である。
【図２】図１の振動絶縁ストラットの具体的構成の一例を示す断面図である。
【図３】図１の振動絶縁ストラットの制御部による制御におけるアクチュエータ制御系の基本構成を示すブロック図である。
【図４】この発明の実施の形態３における振動絶縁ストラットの制御部による制御におけるアクチュエータ制御系の基本構成を示すブロック図である。
【図５】この発明の実施の形態６におけるハイブリッド方式の振動絶縁装置の基本構成を示す図である。
【図６】この発明の実施の形態６における振動絶縁ストラットの制御部による制御におけるアクチュエータ制御系の基本構成を示すブロック図である。
【図７】この発明の実施の形態７における振動絶縁ストラットの制御部による制御におけるアクチュエータ制御系の基本構成を示すブロック図である。
【図８】この発明の振動絶縁(減衰特性)と、従来技術による振動絶縁特性とを比較した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、この発明による振動絶縁装置を各実施の形態に従って図面を用いて説明する。なお、各実施の形態において、同一もしくは相当部分は同一符号で示し、重複する説明は省略する。
【００１９】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１によるハイブリッド方式の振動絶縁装置の基本構成を示す。ベース面(ベース)１０９とペイロード搭載面(ペイロード)１０８との間に、第２のバネ１０３とダンパ１０６が直列に配設され、第２のバネ１０３とダンパ１０６の間にこれらを接続する接続部の質量に相当する中間質量１０４を配設し、第２のバネ１０３、ダンパ１０６および中間質量１０４に対して、並列に第１のバネ１０２が配設された４パラメータ振動絶縁ストラット部１１１に、並列に能動アクチュエータ１０１(例えばボイスコイル)を配設する。中間質量１０４には運動センサである例えば加速度センサ１０５を配設し、同様にペイロード搭載面１０８には加速度センサ１０７を配設する。以上の部分が振動絶縁ストラット１を構成する。
【００２０】
コンピュータ等により構成される制御部１２０は各加速度センサ１０５、１０７等からの信号に従って能動アクチュエータ１０１の制御を行う。
【００２１】
また、図２は、振動絶縁ストラット１の具体的構成の一例を断面図で示したものである。振動絶縁ストラット１は中心軸２００を有するシャフト軸２０１を含む。シャフト軸２０１は、第１の端部２０２をベース部材２０４に、第２の端部２０３を端部材２０５に接続する。ベース部材２０４には第１のベローズ２０６、端部材２０５には第２のベローズ２０７が接続する。フランジ２０８はシャフト軸２０１と同軸配置される。フランジ２０８はシャフト軸２０１より径が大きく、シャフト軸２０１の外周に沿って延び、第１及び第２のベローズ２０６、２０７より径が小さい穴を有し、フランジ２０８とシャフト軸２０１の間で環状流路２０９を形成する。流体は、第１のベローズ２０６と第１の端部２０２とで形成される容積室Ａ２１０と、第２のベローズ２０７と第２の端部２０３とで形成される容積室Ｂ２１１と、これらの容積室を接続する環状流路２０９に充填され、振動に伴い、環状流路２０９を行き来するこことで、ダンパとしての制動力を生じさせる。
【００２２】
フランジ２０８の外側は、例えば円筒形状の剛性部材Ａ２１６の軸方向の一端の内側に固定されており、剛性部材Ａ２１６の他端には第１の板バネＡ２１４の外端を挟み込む形で例えば円筒形状の剛性部材Ｂ２１７の軸方向の一端が接続される。剛性部材Ｂ２１７の他端には、第２の板バネＢ２１５の外端が固定される。第１の板バネＡ２１４の内端が、剛性部材Ｂ２１７の内側で同軸方向に延びる例えば円筒形状の剛性部材Ｃ２１８の軸方向の一端に接続され、第２の板バネＢ２１５の内端が、剛性部材Ｃ２１８他端と例えば円筒形状の剛性部材Ｄ２１９の軸方向の一端に挟み込まれる形で固定されている。これにより、第１の板バネＡ２１４および第２の板バネＢ２１５は、剛性部材Ａ２１６および剛性部材Ｂ２１７と、剛性部材Ｃ２１８および剛性部材Ｄ２１９との間でバネ性を確保する。
【００２３】
一方、第３の板バネＣ２１２は、カバーＡ２２２と例えば円筒形状の剛性部材Ｅ２２０の軸方向の一端との間に外端を挟み込む形で固定されている。第３の板バネＣ２１２の内端は、例えば円筒形状の剛性部材Ｆ２２１の軸方向の一端に接続される。また、同様に第４の板バネＤ２１３は、例えば円筒形状の剛性部材Ｅ２２０の他端に外端が固定され、内端が剛性部材Ｆ２２１とカバーＢ２２３の間に挟み込まれる形で固定されている。これにより、第３の板バネＣ２１２と第４の板バネＤ２１３は、カバーＡ２２２および剛性部材Ｅ２２０と、剛性部材Ｆ２２１およびカバーＢ２２３との間でバネ性を確保する。
【００２４】
カバーＡ２２２に対してピボットＡ２２４を接続してストラット端Ａ２２６を構成し、同様に、カバーＢ２２３には２軸ピボットＢ２２５を接続してストラット端Ｂ２２７を構成する。また、図１に示した中間質量１０４に搭載の加速度センサ１０５が剛性部材Ａ２１６内、ペイロード搭載面１０８に搭載の加速度センサ１０７はカバーＡ２２２内に配設されている。なお、センサ感度軸は、図２に示す中心軸２００に平行な方向となっている。さらに、能動アクチュエータ１０１は、図２に示す剛性部材Ｅ２２０に配設された磁石２３１、剛性部材Ｆ２２１に配設されたコイル２３２とで構成されたる非接触アクチュエータであるボイスコイルからなる。中間質量１０４は、フランジ２０８、剛性部材Ａ２１６(さらに第１および第２のベローズ２０６，２０７内に充填された流体を含める場合もある)から構成される質量を意味している。
【００２５】
図２のストラット端Ｂ２２７が図１のベース面１０９接続される。また、ストラット端Ａ２２６がペイロード搭載面１０８に接続される。また、第３の板バネＣ２１２と第４の板バネＤ２１３が第１のバネ１０２を構成し、第３の板バネＣ２１２と第４の板バネＤ２１３が第２のバネ１０３を構成する。また、シャフト軸２０１、端部材２０５、第１および第２のベローズ２０６，２０７、および第１および第２のベローズ２０６，２０７内に充填された流体がダンパ１０６を構成する。また、フランジ２０８、剛性部材Ａ２１６、(さらに第１および第２のベローズ２０６，２０７内に充填された流体を含める場合もある)が中間質量１０４を構成する。そして、磁石２３１、コイル２３２が能動アクチュエータ１０１を構成する。
【００２６】
また、図１の直列接続された第２のバネ１０３とダンパ１０６、およびこれらの間を接続する接続部である中間質量１０４(フランジ２０８、剛性部材Ａ２１６、(さらに第１および第２のベローズ２０６，２０７内に充填された流体を含める場合もある))が振動吸収部を構成する。
【００２７】
図３は、図１の振動絶縁ストラット１の制御部１２０による制御のアクチュエータ制御系の基本構成を示すブロック図である。この制御系は、電流制御系と加速度制御系をカスケード接続したものである。図３において、アクチュエータ制御系は、所定の演算を行ったり所定の出力を発生する演算部１０，１４，１９、加算部１３、減算部１１，１５，２０、加速度制御器１２，２１、電流制御器１６、加速度センサ１０７，１０５で構成される。そして４パラメータ振動絶縁ストラット部１１１に相当する振動アイソレータ１８からの抑制できない振動に従ってボイスコイル１０１に電圧を与える制御を行う。
【００２８】
演算部１０，減算部１１，加速度制御器１２，加算部１３，演算部１９，減算部２０，加速度制御器２１で構成される加速度制御手段は、運動センサ(１０７，１０５)のフィードバック信号に基づいて得られるペイロード搭載面１０８と中間質量(振動吸収部の接続部)１０４の加速度をそれぞれ０にする値を加速度制御器(１２，２１)でＰＩ制御またはＰ制御を行ってボイスコイル(能動アクチュエータ)１０１への力指令値(Ｆ＊)を求める。また、演算部１４，減算部１５，電流制御器１６、で構成される電流制御手段は、力指令値(Ｆ＊)を電流指令値(Ｉ＊)に変換した後、ボイスコイルの特性に従って電流制御器(１６)でボイスコイルへの印加電圧(Ｖｉｎ)を生成する。
【００２９】
電流制御系は、電流フィードバック３３となっており、一方、加速度制御系については、ペイロード搭載面１０８の加速度フィードバック３２と中間質量１０４の加速度フィードバック３１の構成となっている。なお、加速度制御器１２，２１はともにＰＩ制御系またはＰ制御系を構成している。また、加速度制御器１２，２１からの出力は、ボイスコイル１０１への力指令値Ｆ＊となる。
【００３０】
この制御系は、振動絶縁ストラット１内のペイロード搭載面１０８に搭載された加速度センサ１０７の出力(ツードット)Ｘｐと中間質量１０４に搭載された加速度センサ１０５の出力(ツードット)ＸＦを計測し、これらの加速度センサ１０７，１０５の出力を０とするように、振動絶縁ストラット１内の能動アクチュエータであるボイスコイル１０１のコイル２３２に電圧を印加して制御を行う。
【００３１】
図１に示す振動絶縁ストラット１の構成の運動方程式は、次のように記述できる。
【００３２】
【数１】
【００３３】
ここで
ｍｐ：ペイロード搭載面１０８を含む支持する質量
ｍＦ：中間質量１０４の質量
ｋ１：第１のバネ１０２の剛性
ｋ２：第２のバネ１０３の剛性
ｃ：ダンパ１０６の減衰係数
Ｘｐ：ペイロード質量ｍｐの位置変位
ＸＦ：中間質量ｍＦの位置変位
ＸＢ：ベース面１０９の位置変位
(ドット)Ｘｐ：ペイロード質量ｍｐの速度
(ドット)ＸＦ：中間質量ｍＦの速度
Ｆ：ボイスコイル１０１(アクチュエータ)の発生する力(発生力)
である。
【００３４】
制御系の構成については、加速度制御系として、中間質量１０４に配設した加速度センサ１０５、ペイロード搭載面１０８に配設した加速度センサ１０７の加速度信号(ツードット)Ｘｐ、(ツードット)ＸＦを、ともに０となるようにボイスコイル１０１を制御する必要がある。このボイスコイル１０１への力指令Ｆ＊は、ペイロード搭載面１０８の加速度センサ１０７、中間質量１０４に配設した加速度センサ１０５をともにＰＩ制御(比例動作と積分動作を組み合わせた制御)を組む場合、加速度制御器１２のＰＩ制御の比例ゲインα、積分ゲインβとし、加速度制御器２１のＰＩ制御で比例ゲインγ、積分ゲインμとすると、次式(３)のように記述できる。
【００３５】
【数２】
【００３６】
これをラプラス演算子ｓとして、ラプラス変換すると、
【００３７】
【数３】
【００３８】
と変形できる。
【００３９】
一方、実際に制御系を設計する際には、ボイスコイル１０１の特性を考慮する必要がある。ボイスコイルの特性方程式は、
【００４０】
【数４】
【００４１】
で示される。ここで、
Ｉ(ｔ)：ボイスコイル１０１の励磁電流
ＫＴ：ボイスコイル１０１の推力定数
Ｌ：ボイスコイル１０１のインダクタンス
Ｒ：ボイスコイル１０１の巻線抵抗
ＫＥ：ボイスコイル１０１の誘導起電圧定数(＝ＫＴ)
Ｖｉｎ：ボイスコイル１０１への印加電圧
(ドット)ＸP：ペイロード面の速度
(ドット)ＸB：ベース面の速度
である。
【００４２】
また、電流制御系として、ＰＩ制御系を使用し、比例ゲインＫｐ(電流)と積分ゲインＫＩ(電流)を定義し、
Ｋｐ(電流)＝ＫＰｅ
ＫＩ(電流)＝(Ｒ／Ｌ)ＫＰｅ
とすると、電流制御系の開ループ伝達関数Ｇ(電流)は、
Ｇ(電流)＝ＫＰｅ／(Ｌ・ｓ)
となり、電流制御系のゲイン交差角周波数ωｅは、
ωｅ(電流)＝ＫＰｅ／Ｌ
となる。
【００４３】
一方、電流制御系の閉ループ伝達関数が
Ｇ(電流)＝ωｅ／(ｓ＋ωｅ)
とあらわされるので、電流制御の閉ループ伝達特性を考慮したボイスコイルの発生力Ｆ(ｓ)は、
【００４４】
【数５】
【００４５】
となる。図３に示すＩ＊(ｓ)は、加速度制御器１２，２５から出力されるボイスコイルの力指令値Ｆ＊(ｓ)を電流指令値に変換したものである。
中間質量１０４の加速度(ツードット)ＸＦのフィードバック制御を含む系のベース面１０９の変位ＸＢに対するペイロード搭載面１０８の変位ＸＰの伝達関数は、式(１)〜(３)を連立してとくと次のように記述できる。
【００４６】
【数６】
【００４７】
なお、上記のように、電流制御系の閉ループ伝達特性に起因した１次遅れが含まれており、分子は次数２次の特性に対して、分母は次数５次の伝達関数となる。このとき、中間質量１０４の加速度制御器２５の比例ゲインγ、積分ゲインμをそれぞれ、
【００４８】
【数７】
【００４９】
と設定することにより、前記ベース変位ＸＢに対するペイロード変位ＸＰの伝達関数Ｇ(ｓ)の分子を
【００５０】
【数８】
【００５１】
となり、(ｍｆ・ω３<<ｋ２・ωｅ)では、分子次数０次、分母次数４次となり高周波数において、−８０ｄＢ／ｄｅｃの減衰特性を実現することが可能となる。この構成によれば、ハイブリッド方式の振動絶縁ストラット１の(ｍｆ・ω３<<ｋ２・ωｅ)の条件を満たす周波数の減衰特性については、その特性を受け持つ受動方式(３パラメータ)の振動絶縁性能の−４０ｄＢ／ｄｅｃに対して、−８０ｄＢ／ｄｅｃの減衰特性を実現することが可能となり、中間質量１０４と２次のバネである第１のバネ１０２により生じる共振も抑制することが可能となる。
【００５２】
実施の形態２．
この発明の実施の形態２による振動絶縁装置の基本構成、および振動絶縁ストラットの制御部による制御におけるアクチュエータ制御系の基本構成はそれぞれ図１、図３と同様である。実施の形態１においては、中間質量１０４は、第２のバネ１０３とダンパ１０６の接続部材(図２のフランジ２０８と剛性部材Ａ２１６)としているが、中間質量１０４には、ダンパ１０６すなわち図３のベローズ２０６，２０７に充填される流体の流体質量を含む構成にすることもできる。中間質量１０４に流体質量も考慮することにより、精度のよい中間質量制御が可能となり、振動絶縁性能を改善することが可能となる。
【００５３】
実施の形態３．
この発明の実施の形態３による振動絶縁装置の基本構成はそれぞれ図１とほぼ同様であるが、振動絶縁ストラットの制御部による制御におけるアクチュエータ制御系の基本構成を図４に示す。上記実施の形態では、加速度制御系へ加速度フィードバック３１，３２のために中間質量１０４の運動とペイロード搭載面１０８の運動をモニターするセンサとして、加速度センサ１０５，１０７を搭載する構成としたが、加速度センサ１０５の代わりに、ストラットの内部に、ペイロード搭載面１０８と中間質量１０４の相対変位を計測可能な例えば渦電流変位センサからなる相対変位センサ１０５ａを搭載してもよい(図１でも同様)。この相対変位センサは、例えば図２の剛性部材Ａ２１６と端部材２０５の間のいずれか一方に配置すればよい。
【００５４】
その場合のアクチュエータ制御系の基本構成については、図４に示すように、相対変位センサ１０５ａの出力３４であるＸＦ−ＸＰを微分器２６にとりこみ、相対加速度を求める。そして加算器２５で該相対加速度にペイロード搭載面１０８の加速度センサ１０７のからの加速度(ツードット)ＸＰを足しこみ絶対加速度(ツードット)ＸＦを求める。
【００５５】
この構成によれば、非常にコンパクトな受動方式の振動絶縁ストラット部１１１であるような場合、中間質量１０４を形成する部品に加速度センサが搭載不可能となるが、渦電流変位センサを配設することで、変位をモニターすることが可能となり、また、コンパクトなハイブリッド方式の振動絶縁ストラット１を構成することが可能となる。
【００５６】
実施の形態４．
この発明の実施の形態４による振動絶縁装置の基本構成、および振動絶縁ストラットの制御部による制御におけるアクチュエータ制御系の基本構成はそれぞれ上記実施の形態のものと同様である。上記実施の形態においては、ダンパ１０６として、流体ダンパを用いる構成としたが、ダンパの効果を有するものであれば、電気的な磁気ダンパ、粘弾性体を用いた粘弾性ダンパ等で構成してもよい。
【００５７】
この構成であれば、流体ダンパを用いる場合と同様の特性を確保することができる。なお、流体ダンパの場合、温度依存性が高く、温度により粘性が変化する。そのため、温度範囲によっては、設計値と大きく異なってしまい、所望の減衰特性を実現できないという可能性がある。特に、磁気ダンパを使用する場合、流体ダンパと同様に、機械的な接触を持たないため不要な摩擦が生じない、また、流体ダンパのような温度による減衰係数の変化が生じないため、温度に対する減衰特性に耐性を持たせることが可能となる。
【００５８】
実施の形態５．
この発明の実施の形態５による振動絶縁装置の基本構成、および振動絶縁ストラットの制御部による制御におけるアクチュエータ制御系の基本構成はそれぞれ上記実施の形態のものと同様である。上記実施の形態では例えば図３において、ペイロード搭載面１０８の加速度センサ１０７の出力を用いる加速度制御器１２は、ＰＩ制御を用いる構成としたが、この加速度制御器１２をＰ制御を用いる構成としてもよい。また、同様に、中間質量１０４に搭載の加速度センサ１０５の加速度センサ出力を用いる加速度制御器２１はＰＩ制御を用いているが、この加速度制御器２１についてもＰ制御を用いる構成としてもよい。
【００５９】
この構成によれば、加速度制御器１２，２１の電気回路をＰＩ制御器に比べて、単純化することが可能となる。
【００６０】
実施の形態６．
図５は、この発明の実施の形態６によるハイブリッド方式の振動絶縁装置の基本構成を示す。中間質量１０４の加速度センサ１０５の代わりにベース面１０９に加速度センサ１１０が搭載されている。図６は、図５の振動絶縁ストラット１の制御部１２０による制御のアクチュエータ制御系の基本構成を示すブロック図である。上記実施の形態では、例えば図１に示すように中間質量１０４の加速度をモニターするため加速度センサ１０５を配置し、図３のアクチュエータ制御系においては、この加速度センサ１０５の出力を用いた構成としたが、図６に示すように、ペイロード搭載面１０８の加速度センサ１０７の出力(ツードット)ＸＰと図５に示すベース面１０９に搭載の加速度センサ１１０の出力(ツードット)ＸB をもちいて、中間質量１０４の加速度(ツードット)ＸＦを推定する中間質量加速度推定器２７を配設する構成としてもよい。
【００６１】
この構成であれば、中間質量１０４の加速度をモニターするための加速度センサ１０５の搭載する必要がなく、振動絶縁ストラット１の全体質量を抑えることが可能となる。また、受動方式の振動絶縁ストラット部１１１が非常に小さくコンパクトで加速度センサが搭載できない場合にも、所望の振動絶縁特性を実現することが可能となる。
【００６２】
実施の形態７．
この発明の実施の形態７による振動絶縁装置の基本構成は上記実施の形態と同様であるが、振動絶縁ストラットの制御部による制御におけるアクチュエータ制御系の基本構成を図７に示す。実施の形態１では、アクチュエータ制御系すなわち制御部１２０に、図３に示すように電流制御器１６を搭載する構成としたが、図７に示すように電流制御器１６を含まない構成としてもよい。
【００６３】
アクチュエータ制御系の基本的な動作は、例えば図３に示す実施の形態１では、加速度制御系により算出されるボイスコイル１０１の指令値Ｆ＊に、電流制御器１６による位相遅れを考慮することで、制御性能を向上させている。しかし、実際の構成上、ボイスコイル１０１での発生力の遅れが無視できる、あるいは、必要な振動絶縁特性を実現できる範囲内であれば、図７に示すように、電流制御ループを排除し、指令値Ｆ＊により直接アクチュエータすなわちボイスコイル１０１を駆動させることが可能となり、制御演算負荷を低減することが可能となる。そして、電流制御器１６と演算器１４と減算器１５を含む電流制御全体を省略することが可能となり、アクチュエータ制御系の回路全体を簡略化することが可能となる。
【００６４】
以上、この発明では、中間質量に加速度センサを取り付けたことにより、中間質量の加速度をモニターすることが可能となり、従来の受動方式の４パラメータ振動絶縁ストラットにおいて、中間合成質量の微調整によってのみの実現可能であった高周波数帯域における−６０ｄＢ／ｄｅｃの減衰特性を、質量の微調整によらず容易に実現可能とすることができ、さらに、制御系との組み合わせにより、更なる帯域および振動絶縁効果の改善を図ることが可能となる。
【００６５】
なお、この発明は上記各実施の形態に限定されるものではなく、各実施の形態の特徴の可能な組み合わせを全て含むことは云うまでもない。
【符号の説明】
【００６６】
１ 振動絶縁ストラット、１０，１４，１９ 演算部、１１，１５，２０ 減算部、１２，２１ 加速度制御器、１３，２５ 加算部、１６ 電流制御器、１８ 振動アイソレータ、１０５ａ 相対変位センサ、２６ 微分器、２７ 中間質量加速度推定器、１０１ 能動アクチュエータ(ボイスコイル)、１０２ 第１のバネ、１０３ 第２のバネ、１０４ 中間質量(接続部)、１０５，１０７，１１０ 加速度センサ(運動センサ)、１０５ａ 相対変位センサ、１０６ ダンパ、１０８ ペイロード搭載面、１０９ ベース面、１１１ ４パラメータ振動絶縁ストラット部、１２０ 制御部、２００ 中心軸、２０１ シャフト軸、２０２ 第１の端部、２０３ 第２の端部、２０４ ベース部材、２０５ 端部材、２０６ 第１のベローズ、２０７ 第２のベローズ、２０８ フランジ、２０９ 環状流路、２１０ 容積室Ａ、２１１ 容積室Ｂ、２１２ 第３の板バネＣ、２１３ 第３の板バネＤ、２１４ 第１の板バネＡ、２１５ 第２の板バネＢ、２１６ 剛性部材Ａ、２１７ 剛性部材Ｂ、２１８ 剛性部材Ｃ、２１９ 剛性部材Ｄ、２２０ 剛性部材Ｅ、２２１ 剛性部材Ｆ、２２２ カバーＡ、２２３ カバーＢ、２２４ ピボットＡ、２２５ ２軸ピボットＢ、２２６ ストラット端Ａ、２２７ ストラット端Ｂ、２３１ 磁石、２３２ コイル、３０１ 第３のバネ、３０２ 第２のダンパ。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、振動減衰および振動絶縁の分野に関するもので、具体的には、振動絶縁装置を構成する受動的粘性減衰機構と能動的アクチュエータを具備した振動絶縁装置(振動絶縁ストラット)に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
精密機器を輸送、または、操作する場合、この精密機器内部に構造振動の発生を伴うことがある。この構造振動により、精密機器の損傷や性能低下が引起されることがある。そこでこれを回避するため、多くの場合、精密機器に対する外乱を絶縁するために振動減衰装置を配設し、精密機器内部での振動発生を抑制させている。
【０００３】
これらの問題を解決するため、受動、能動方式でさまざまな振動絶縁装置が開発されている。受動方式の場合、機械的に、粘性減衰ダンパと前記ダンパに直列配置される第２のバネと前記ダンパと第２のバネに平行に配置する第１のバネで構成される３パラメータ振動絶縁ストラット複数本で構成されることが知られている。前記３パラメータ振動絶縁ストラットで構成する以外にも、振動絶縁性能は若干落ちるが、並列にバネと粘性減衰ダンパを配置する２パラメータや、３パラメータにダンパ部の流体慣性質量(中間質量)を考慮した４パラメータの振動絶縁ストラットで構成する方法なども知られている。
【０００４】
一方、この振動絶縁ストラット構成としてボイスコイル、圧電素子などのアクチュエータと加速度センサを組み合わせ、加速度センサ出力をフィードバックして、アクチュエータを制御する能動方式のものもある。
【０００５】
さらに、前記受動方式と能動方式を組み合わせたハイブリッド方式の振動絶縁ストラットも知られている。
【０００６】
一般的な振動絶縁装置は、前記の振動絶縁ストラット複数本の片端を精密機器が搭載されるプラットフォーム側(ベース)に、もう一方を精密機器の搭載デッキ(ペイロード)に接続し、複数の自由度に対して振動伝達を抑制する。これら振動絶縁特性については、振動伝達関数で評価することが一般的である。粘性減衰ダンパ、バネで構成される受動方式の場合、３パラメータの場合には、これよりも減衰効果の高い−４０ｄＢ／ｄｅｃａｄｅ、４パラメータの場合に−６０ｄＢ／ｄｅｃａｄｅでの減衰を実現することが可能となるため、より振動に敏感な精密機器には、減衰効果の高いものを適用するほうがよい。ただし、この受動方式の場合には、高周波帯域において、振動絶縁効果を持つが、それよりも低い周波数において、原理的に必ず共振を持つこととなり、低周波数から高周波まで広帯域に振動絶縁することが難しい。
【０００７】
能動方式の場合には、アクチュエータと加速度センサ等のセンサを用いるが、振動絶縁性能は、低周波数から抑制を実現できるものの、高周波数帯域については、アクチュエータ制御帯域と加速度センサ等のセンサのサンプリング周波数帯域により制約を受けることになる。また、故障した場合、機能不全に陥ってしまうという問題点がある。これら受動方式と能動方式の欠点をカバーする方式が、ハイブリッド方式の振動絶縁ストラットである。この特性としては、低周波数帯域については能動方式により振動絶縁を実現し、高周波数については、受動方式の振動絶縁性能を持つことができることから低周波数から高周波数まで、振動絶縁を可能することが可能となる特徴を持つ。
【０００８】
なお、受動方式の振動絶縁ストラットを開示したものとして例えば下記特許文献１、ハイブリッド方式の振動絶縁ストラットを開示したものとして例えば下記特許文献２がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特表２００７−５３１８５２号公報
【特許文献２】特開２００８―２５４７２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
このように振動絶縁装置(振動絶縁ストラット)において、振動絶縁する方式として、受動方式のみで実現する場合と、能動方式のみで実現する場合、受動方式と能動方式を組み合わせたハイブリッド方式の３つの方法がある。
【００１１】
上述のように、受動方式の場合、減衰性能を高くする方法として、機械的に、粘性減衰ダンパと前記ダンパに直列配置される第２のバネと前記ダンパと第２のバネに平行に配置する第１のバネで構成される３パラメータが知られており、この場合、減衰特性として、−４０ｄＢ／ｄｅｃの特性を持つことが知られている（図８の減衰特性４０３参照）。さらに、この特性を向上する方法として、３パラメータの振動絶縁ストラットで構成するオイルダンパ内部の流体質量と結合部材の質量で構成される中間質量を考慮することで、−６０ｄＢ／ｄｅｃで減衰特性を実現することができる（図８の減衰特性４０４参照）。しかし、この特性を実現する場合、前記中間質量を精度良く調整する必要があり、適切に調整しなければ、その特性を得られないという問題点があった。また、必ず共振点を持つため、共振周波数以上の高周波数で伝達関数が０ｄＢを下回る領域でしか、減衰効果を得られないという問題点もあった。
【００１２】
２つの目の方式である能動方式の場合には、能動アクチュエータが故障すると、振動絶縁効果が全く得られなくなり、例えば、宇宙機に搭載する場合、衛星本体からの振動による観測精度の悪化等のリスクを増大させるという問題点があった。
【００１３】
さらに、これらの問題を解決する３つ目の方式として、受動方式と能動方式を組み合わせたハイブリッド方式が開発されている。このハイブリッド方式の受動方式部分は、前記３パラメータ方式のものを使用し、能動方式部は、ボイスコイル、圧電素子等のアクチュエータと加速度センサ等の慣性センサを使用して、低周波数帯域の振動絶縁効果を確保し、能動アクチュエータで制御できない帯域については、３パラメータダンパの受動方式を使用し振動絶縁できる（図８の減衰特性４０２参照）。しかし、この方式の場合、前記受動方式のパッシブ振動絶縁ストラットを用いるため、高周波数において−４０ｄＢ／ｄｅｃでの減衰特性しか確保できないという問題点があった。また、高周波でより効果の振動絶縁効果をあげるために、４パラメータ方式のパッシブ振動ストラットを実現しようとした場合、流体質量を微調整することでしか実現することができないという問題点もあった。
【００１４】
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、低周波数からの微小振動でも安定した振動絶縁能力を持ち、従来のハイブリッド方式の振動絶縁装置と比較し、さらに高周波数帯域において効果的な減衰特性を持つ振動絶縁装置を提供することを目的とする（図８の減衰特性４０１参照）。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
この発明は、ベースとペイロードの間に設けられた第１のバネと、前記第１のバネと併設して前記ベースとペイロードの間で直列接続された第２のバネとダンパ、および前記第２のバネとダンパとの間を接続する中間質量を構成する接続部とからなる振動吸収部と、前記ベースとペイロードの間に設けられベースに対してペイロードの振動を抑制するアクチュエータと、前記ペイロードに搭載された第１の運動センサと、前記振動吸収部の接続部に搭載された第２の運動センサと、前記第１および第２の運動センサからのフィードバック信号に従って前記ペイロードの振動を抑制するよう前記アクチュエータを制御する制御部を含むアクチュエータ制御系と、を備えたことを特徴とする振動絶縁装置にある。
【発明の効果】
【００１６】
この発明では、低周波数からの微小振動でも安定した振動絶縁能力を持ち、従来のハイブリッド方式の振動絶縁装置と比較し、さらに高周波数帯域において効果的な減衰特性を持つ振動絶縁装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】この発明の実施の形態１によるハイブリッド方式の振動絶縁装置の基本構成を示す図である。
【図２】図１の振動絶縁ストラットの具体的構成の一例を示す断面図である。
【図３】図１の振動絶縁ストラットの制御部による制御におけるアクチュエータ制御系の基本構成を示すブロック図である。
【図４】この発明の実施の形態３における振動絶縁ストラットの制御部による制御におけるアクチュエータ制御系の基本構成を示すブロック図である。
【図５】この発明の実施の形態６におけるハイブリッド方式の振動絶縁装置の基本構成を示す図である。
【図６】この発明の実施の形態６における振動絶縁ストラットの制御部による制御におけるアクチュエータ制御系の基本構成を示すブロック図である。
【図７】この発明の実施の形態７における振動絶縁ストラットの制御部による制御におけるアクチュエータ制御系の基本構成を示すブロック図である。
【図８】この発明の振動絶縁(減衰特性)と、従来技術による振動絶縁特性とを比較した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、この発明による振動絶縁装置を各実施の形態に従って図面を用いて説明する。なお、各実施の形態において、同一もしくは相当部分は同一符号で示し、重複する説明は省略する。
【００１９】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１によるハイブリッド方式の振動絶縁装置の基本構成を示す。ベース面(ベース)１０９とペイロード搭載面(ペイロード)１０８との間に、第２のバネ１０３とダンパ１０６が直列に配設され、第２のバネ１０３とダンパ１０６の間にこれらを接続する接続部の質量に相当する中間質量１０４を配設し、第２のバネ１０３、ダンパ１０６および中間質量１０４に対して、並列に第１のバネ１０２が配設された４パラメータ振動絶縁ストラット部１１１に、並列に能動アクチュエータ１０１(例えばボイスコイル)を配設する。中間質量１０４には運動センサである例えば加速度センサ１０５を配設し、同様にペイロード搭載面１０８には加速度センサ１０７を配設する。以上の部分が振動絶縁ストラット１を構成する。
【００２０】
コンピュータ等により構成される制御部１２０は各加速度センサ１０５、１０７等からの信号に従って能動アクチュエータ１０１の制御を行う。
【００２１】
また、図２は、振動絶縁ストラット１の具体的構成の一例を断面図で示したものである。振動絶縁ストラット１は中心軸２００を有するシャフト軸２０１を含む。シャフト軸２０１は、第１の端部２０２をベース部材２０４に、第２の端部２０３を端部材２０５に接続する。ベース部材２０４には第１のベローズ２０６、端部材２０５には第２のベローズ２０７が接続する。フランジ２０８はシャフト軸２０１と同軸配置される。フランジ２０８はシャフト軸２０１より径が大きく、シャフト軸２０１の外周に沿って延び、第１及び第２のベローズ２０６、２０７より径が小さい穴を有し、フランジ２０８とシャフト軸２０１の間で環状流路２０９を形成する。流体は、第１のベローズ２０６と第１の端部２０２とで形成される容積室Ａ２１０と、第２のベローズ２０７と第２の端部２０３とで形成される容積室Ｂ２１１と、これらの容積室を接続する環状流路２０９に充填され、振動に伴い、環状流路２０９を行き来するこことで、ダンパとしての制動力を生じさせる。
【００２２】
フランジ２０８の外側は、例えば円筒形状の剛性部材Ａ２１６の軸方向の一端の内側に固定されており、剛性部材Ａ２１６の他端には第１の板バネＡ２１４の外端を挟み込む形で例えば円筒形状の剛性部材Ｂ２１７の軸方向の一端が接続される。剛性部材Ｂ２１７の他端には、第２の板バネＢ２１５の外端が固定される。第１の板バネＡ２１４の内端が、剛性部材Ｂ２１７の内側で同軸方向に延びる例えば円筒形状の剛性部材Ｃ２１８の軸方向の一端に接続され、第２の板バネＢ２１５の内端が、剛性部材Ｃ２１８他端と例えば円筒形状の剛性部材Ｄ２１９の軸方向の一端に挟み込まれる形で固定されている。これにより、第１の板バネＡ２１４および第２の板バネＢ２１５は、剛性部材Ａ２１６および剛性部材Ｂ２１７と、剛性部材Ｃ２１８および剛性部材Ｄ２１９との間でバネ性を確保する。
【００２３】
一方、第３の板バネＣ２１２は、カバーＡ２２２と例えば円筒形状の剛性部材Ｅ２２０の軸方向の一端との間に外端を挟み込む形で固定されている。第３の板バネＣ２１２の内端は、例えば円筒形状の剛性部材Ｆ２２１の軸方向の一端に接続される。また、同様に第４の板バネＤ２１３は、例えば円筒形状の剛性部材Ｅ２２０の他端に外端が固定され、内端が剛性部材Ｆ２２１とカバーＢ２２３の間に挟み込まれる形で固定されている。これにより、第３の板バネＣ２１２と第４の板バネＤ２１３は、カバーＡ２２２および剛性部材Ｅ２２０と、剛性部材Ｆ２２１およびカバーＢ２２３との間でバネ性を確保する。
【００２４】
カバーＡ２２２に対してピボットＡ２２４を接続してストラット端Ａ２２６を構成し、同様に、カバーＢ２２３には２軸ピボットＢ２２５を接続してストラット端Ｂ２２７を構成する。また、図１に示した中間質量１０４に搭載の加速度センサ１０５が剛性部材Ａ２１６内、ペイロード搭載面１０８に搭載の加速度センサ１０７はカバーＡ２２２内に配設されている。なお、センサ感度軸は、図２に示す中心軸２００に平行な方向となっている。さらに、能動アクチュエータ１０１は、図２に示す剛性部材Ｅ２２０に配設された磁石２３１、剛性部材Ｆ２２１に配設されたコイル２３２とで構成されたる非接触アクチュエータであるボイスコイルからなる。中間質量１０４は、フランジ２０８、剛性部材Ａ２１６(さらに第１および第２のベローズ２０６，２０７内に充填された流体を含める場合もある)から構成される質量を意味している。
【００２５】
図２のストラット端Ｂ２２７が図１のベース面１０９接続される。また、ストラット端Ａ２２６がペイロード搭載面１０８に接続される。また、第３の板バネＣ２１２と第４の板バネＤ２１３が第１のバネ１０２を構成し、第３の板バネＣ２１２と第４の板バネＤ２１３が第２のバネ１０３を構成する。また、シャフト軸２０１、端部材２０５、第１および第２のベローズ２０６，２０７、および第１および第２のベローズ２０６，２０７内に充填された流体がダンパ１０６を構成する。また、フランジ２０８、剛性部材Ａ２１６、(さらに第１および第２のベローズ２０６，２０７内に充填された流体を含める場合もある)が中間質量１０４を構成する。そして、磁石２３１、コイル２３２が能動アクチュエータ１０１を構成する。
【００２６】
また、図１の直列接続された第２のバネ１０３とダンパ１０６、およびこれらの間を接続する接続部である中間質量１０４(フランジ２０８、剛性部材Ａ２１６、(さらに第１および第２のベローズ２０６，２０７内に充填された流体を含める場合もある))が振動吸収部を構成する。
【００２７】
図３は、図１の振動絶縁ストラット１の制御部１２０による制御のアクチュエータ制御系の基本構成を示すブロック図である。この制御系は、電流制御系と加速度制御系をカスケード接続したものである。図３において、アクチュエータ制御系は、所定の演算を行ったり所定の出力を発生する演算部１０，１４，１９、加算部１３、減算部１１，１５，２０、加速度制御器１２，２１、電流制御器１６、加速度センサ１０７，１０５で構成される。そして４パラメータ振動絶縁ストラット部１１１に相当する振動アイソレータ１８からの抑制できない振動に従ってボイスコイル１０１に電圧を与える制御を行う。
【００２８】
演算部１０，減算部１１，加速度制御器１２，加算部１３，演算部１９，減算部２０，加速度制御器２１で構成される加速度制御手段は、運動センサ(１０７，１０５)のフィードバック信号に基づいて得られるペイロード搭載面１０８と中間質量(振動吸収部の接続部)１０４の加速度をそれぞれ０にする値を加速度制御器(１２，２１)でＰＩ制御またはＰ制御を行ってボイスコイル(能動アクチュエータ)１０１への力指令値(Ｆ＊)を求める。また、演算部１４，減算部１５，電流制御器１６、で構成される電流制御手段は、力指令値(Ｆ＊)を電流指令値(Ｉ＊)に変換した後、ボイスコイルの特性に従って電流制御器(１６)でボイスコイルへの印加電圧(Ｖｉｎ)を生成する。
【００２９】
電流制御系は、電流フィードバック３３となっており、一方、加速度制御系については、ペイロード搭載面１０８の加速度フィードバック３２と中間質量１０４の加速度フィードバック３１の構成となっている。なお、加速度制御器１２，２１はともにＰＩ制御系またはＰ制御系を構成している。また、加速度制御器１２，２１からの出力は、ボイスコイル１０１への力指令値Ｆ＊となる。
【００３０】
この制御系は、振動絶縁ストラット１内のペイロード搭載面１０８に搭載された加速度センサ１０７の出力(ツードット)Ｘｐと中間質量１０４に搭載された加速度センサ１０５の出力(ツードット)ＸＦを計測し、これらの加速度センサ１０７，１０５の出力を０とするように、振動絶縁ストラット１内の能動アクチュエータであるボイスコイル１０１のコイル２３２に電圧を印加して制御を行う。
【００３１】
図１に示す振動絶縁ストラット１の構成の運動方程式は、次のように記述できる。
【００３２】
【数１】
【００３３】
ここで
ｍｐ：ペイロード搭載面１０８を含む支持する質量
ｍＦ：中間質量１０４の質量
ｋ１：第１のバネ１０２の剛性
ｋ２：第２のバネ１０３の剛性
ｃ：ダンパ１０６の減衰係数
Ｘｐ：ペイロード質量ｍｐの位置変位
ＸＦ：中間質量ｍＦの位置変位
ＸＢ：ベース面１０９の位置変位
(ドット)Ｘｐ：ペイロード質量ｍｐの速度
(ドット)ＸＦ：中間質量ｍＦの速度
Ｆ：ボイスコイル１０１(アクチュエータ)の発生する力(発生力)
である。
【００３４】
制御系の構成については、加速度制御系として、中間質量１０４に配設した加速度センサ１０５、ペイロード搭載面１０８に配設した加速度センサ１０７の加速度信号(ツードット)Ｘｐ、(ツードット)ＸＦを、ともに０となるようにボイスコイル１０１を制御する必要がある。このボイスコイル１０１への力指令Ｆ＊は、ペイロード搭載面１０８の加速度センサ１０７、中間質量１０４に配設した加速度センサ１０５をともにＰＩ制御(比例動作と積分動作を組み合わせた制御)を組む場合、加速度制御器１２のＰＩ制御の比例ゲインα、積分ゲインβとし、加速度制御器２１のＰＩ制御で比例ゲインγ、積分ゲインμとすると、次式(３)のように記述できる。
【００３５】
【数２】
【００３６】
これをラプラス演算子ｓとして、ラプラス変換すると、
【００３７】
【数３】
【００３８】
と変形できる。
【００３９】
一方、実際に制御系を設計する際には、ボイスコイル１０１の特性を考慮する必要がある。ボイスコイルの特性方程式は、
【００４０】
【数４】
【００４１】
で示される。ここで、
Ｉ(ｔ)：ボイスコイル１０１の励磁電流
ＫＴ：ボイスコイル１０１の推力定数
Ｌ：ボイスコイル１０１のインダクタンス
Ｒ：ボイスコイル１０１の巻線抵抗
ＫＥ：ボイスコイル１０１の誘導起電圧定数(＝ＫＴ)
Ｖｉｎ：ボイスコイル１０１への印加電圧
(ドット)ＸP：ペイロード面の速度
(ドット)ＸB：ベース面の速度
である。
【００４２】
また、電流制御系として、ＰＩ制御系を使用し、比例ゲインＫｐ(電流)と積分ゲインＫＩ(電流)を定義し、
Ｋｐ(電流)＝ＫＰｅ
ＫＩ(電流)＝(Ｒ／Ｌ)ＫＰｅ
とすると、電流制御系の開ループ伝達関数Ｇ(電流)は、
Ｇ(電流)＝ＫＰｅ／(Ｌ・ｓ)
となり、電流制御系のゲイン交差角周波数ωｅは、
ωｅ(電流)＝ＫＰｅ／Ｌ
となる。
【００４３】
一方、電流制御系の閉ループ伝達関数が
Ｇ(電流)＝ωｅ／(ｓ＋ωｅ)
とあらわされるので、電流制御の閉ループ伝達特性を考慮したボイスコイルの発生力Ｆ(ｓ)は、
【００４４】
【数５】
【００４５】
となる。図３に示すＩ＊(ｓ)は、加速度制御器１２，２５から出力されるボイスコイルの力指令値Ｆ＊(ｓ)を電流指令値に変換したものである。
中間質量１０４の加速度(ツードット)ＸＦのフィードバック制御を含む系のベース面１０９の変位ＸＢに対するペイロード搭載面１０８の変位ＸＰの伝達関数は、式(１)〜(３)を連立してとくと次のように記述できる。
【００４６】
【数６】
【００４７】
なお、上記のように、電流制御系の閉ループ伝達特性に起因した１次遅れが含まれており、分子は次数２次の特性に対して、分母は次数５次の伝達関数となる。このとき、中間質量１０４の加速度制御器２５の比例ゲインγ、積分ゲインμをそれぞれ、
【００４８】
【数７】
【００４９】
と設定することにより、前記ベース変位ＸＢに対するペイロード変位ＸＰの伝達関数Ｇ(ｓ)の分子を
【００５０】
【数８】
【００５１】
となり、(ｍｆ・ω３<<ｋ２・ωｅ)では、分子次数０次、分母次数４次となり高周波数において、−８０ｄＢ／ｄｅｃの減衰特性を実現することが可能となる。この構成によれば、ハイブリッド方式の振動絶縁ストラット１の(ｍｆ・ω３<<ｋ２・ωｅ)の条件を満たす周波数の減衰特性については、その特性を受け持つ受動方式(３パラメータ)の振動絶縁性能の−４０ｄＢ／ｄｅｃに対して、−８０ｄＢ／ｄｅｃの減衰特性を実現することが可能となり、中間質量１０４と２次のバネである第１のバネ１０２により生じる共振も抑制することが可能となる。
【００５２】
実施の形態２．
この発明の実施の形態２による振動絶縁装置の基本構成、および振動絶縁ストラットの制御部による制御におけるアクチュエータ制御系の基本構成はそれぞれ図１、図３と同様である。実施の形態１においては、中間質量１０４は、第２のバネ１０３とダンパ１０６の接続部材(図２のフランジ２０８と剛性部材Ａ２１６)としているが、中間質量１０４には、ダンパ１０６すなわち図３のベローズ２０６，２０７に充填される流体の流体質量を含む構成にすることもできる。中間質量１０４に流体質量も考慮することにより、精度のよい中間質量制御が可能となり、振動絶縁性能を改善することが可能となる。
【００５３】
実施の形態３．
この発明の実施の形態３による振動絶縁装置の基本構成はそれぞれ図１とほぼ同様であるが、振動絶縁ストラットの制御部による制御におけるアクチュエータ制御系の基本構成を図４に示す。上記実施の形態では、加速度制御系へ加速度フィードバック３１，３２のために中間質量１０４の運動とペイロード搭載面１０８の運動をモニターするセンサとして、加速度センサ１０５，１０７を搭載する構成としたが、加速度センサ１０５の代わりに、ストラットの内部に、ペイロード搭載面１０８と中間質量１０４の相対変位を計測可能な例えば渦電流変位センサからなる相対変位センサ１０５ａを搭載してもよい(図１でも同様)。この相対変位センサは、例えば図２の剛性部材Ａ２１６と端部材２０５の間のいずれか一方に配置すればよい。
【００５４】
その場合のアクチュエータ制御系の基本構成については、図４に示すように、相対変位センサ１０５ａの出力３４であるＸＦ−ＸＰを微分器２６にとりこみ、相対加速度を求める。そして加算器２５で該相対加速度にペイロード搭載面１０８の加速度センサ１０７のからの加速度(ツードット)ＸＰを足しこみ絶対加速度(ツードット)ＸＦを求める。
【００５５】
この構成によれば、非常にコンパクトな受動方式の振動絶縁ストラット部１１１であるような場合、中間質量１０４を形成する部品に加速度センサが搭載不可能となるが、渦電流変位センサを配設することで、変位をモニターすることが可能となり、また、コンパクトなハイブリッド方式の振動絶縁ストラット１を構成することが可能となる。
【００５６】
実施の形態４．
この発明の実施の形態４による振動絶縁装置の基本構成、および振動絶縁ストラットの制御部による制御におけるアクチュエータ制御系の基本構成はそれぞれ上記実施の形態のものと同様である。上記実施の形態においては、ダンパ１０６として、流体ダンパを用いる構成としたが、ダンパの効果を有するものであれば、電気的な磁気ダンパ、粘弾性体を用いた粘弾性ダンパ等で構成してもよい。
【００５７】
この構成であれば、流体ダンパを用いる場合と同様の特性を確保することができる。なお、流体ダンパの場合、温度依存性が高く、温度により粘性が変化する。そのため、温度範囲によっては、設計値と大きく異なってしまい、所望の減衰特性を実現できないという可能性がある。特に、磁気ダンパを使用する場合、流体ダンパと同様に、機械的な接触を持たないため不要な摩擦が生じない、また、流体ダンパのような温度による減衰係数の変化が生じないため、温度に対する減衰特性に耐性を持たせることが可能となる。
【００５８】
実施の形態５．
この発明の実施の形態５による振動絶縁装置の基本構成、および振動絶縁ストラットの制御部による制御におけるアクチュエータ制御系の基本構成はそれぞれ上記実施の形態のものと同様である。上記実施の形態では例えば図３において、ペイロード搭載面１０８の加速度センサ１０７の出力を用いる加速度制御器１２は、ＰＩ制御を用いる構成としたが、この加速度制御器１２をＰ制御を用いる構成としてもよい。また、同様に、中間質量１０４に搭載の加速度センサ１０５の加速度センサ出力を用いる加速度制御器２１はＰＩ制御を用いているが、この加速度制御器２１についてもＰ制御を用いる構成としてもよい。
【００５９】
この構成によれば、加速度制御器１２，２１の電気回路をＰＩ制御器に比べて、単純化することが可能となる。
【００６０】
実施の形態６．
図５は、この発明の実施の形態６によるハイブリッド方式の振動絶縁装置の基本構成を示す。中間質量１０４の加速度センサ１０５の代わりにベース面１０９に加速度センサ１１０が搭載されている。図６は、図５の振動絶縁ストラット１の制御部１２０による制御のアクチュエータ制御系の基本構成を示すブロック図である。上記実施の形態では、例えば図１に示すように中間質量１０４の加速度をモニターするため加速度センサ１０５を配置し、図３のアクチュエータ制御系においては、この加速度センサ１０５の出力を用いた構成としたが、図６に示すように、ペイロード搭載面１０８の加速度センサ１０７の出力(ツードット)ＸＰと図５に示すベース面１０９に搭載の加速度センサ１１０の出力(ツードット)ＸB をもちいて、中間質量１０４の加速度(ツードット)ＸＦを推定する中間質量加速度推定器２７を配設する構成としてもよい。
【００６１】
この構成であれば、中間質量１０４の加速度をモニターするための加速度センサ１０５の搭載する必要がなく、振動絶縁ストラット１の全体質量を抑えることが可能となる。また、受動方式の振動絶縁ストラット部１１１が非常に小さくコンパクトで加速度センサが搭載できない場合にも、所望の振動絶縁特性を実現することが可能となる。
【００６２】
実施の形態７．
この発明の実施の形態７による振動絶縁装置の基本構成は上記実施の形態と同様であるが、振動絶縁ストラットの制御部による制御におけるアクチュエータ制御系の基本構成を図７に示す。実施の形態１では、アクチュエータ制御系すなわち制御部１２０に、図３に示すように電流制御器１６を搭載する構成としたが、図７に示すように電流制御器１６を含まない構成としてもよい。
【００６３】
アクチュエータ制御系の基本的な動作は、例えば図３に示す実施の形態１では、加速度制御系により算出されるボイスコイル１０１の指令値Ｆ＊に、電流制御器１６による位相遅れを考慮することで、制御性能を向上させている。しかし、実際の構成上、ボイスコイル１０１での発生力の遅れが無視できる、あるいは、必要な振動絶縁特性を実現できる範囲内であれば、図７に示すように、電流制御ループを排除し、指令値Ｆ＊により直接アクチュエータすなわちボイスコイル１０１を駆動させることが可能となり、制御演算負荷を低減することが可能となる。そして、電流制御器１６と演算器１４と減算器１５を含む電流制御全体を省略することが可能となり、アクチュエータ制御系の回路全体を簡略化することが可能となる。
【００６４】
以上、この発明では、中間質量に加速度センサを取り付けたことにより、中間質量の加速度をモニターすることが可能となり、従来の受動方式の４パラメータ振動絶縁ストラットにおいて、中間合成質量の微調整によってのみの実現可能であった高周波数帯域における−６０ｄＢ／ｄｅｃの減衰特性を、質量の微調整によらず容易に実現可能とすることができ、さらに、制御系との組み合わせにより、更なる帯域および振動絶縁効果の改善を図ることが可能となる。
【００６５】
なお、この発明は上記各実施の形態に限定されるものではなく、各実施の形態の特徴の可能な組み合わせを全て含むことは云うまでもない。
【符号の説明】
【００６６】
１ 振動絶縁ストラット、１０，１４，１９ 演算部、１１，１５，２０ 減算部、１２，２１ 加速度制御器、１３，２５ 加算部、１６ 電流制御器、１８ 振動アイソレータ、１０５ａ 相対変位センサ、２６ 微分器、２７ 中間質量加速度推定器、１０１ 能動アクチュエータ(ボイスコイル)、１０２ 第１のバネ、１０３ 第２のバネ、１０４ 中間質量(接続部)、１０５，１０７，１１０ 加速度センサ(運動センサ)、１０５ａ 相対変位センサ、１０６ ダンパ、１０８ ペイロード搭載面、１０９ ベース面、１１１ ４パラメータ振動絶縁ストラット部、１２０ 制御部、２００ 中心軸、２０１ シャフト軸、２０２ 第１の端部、２０３ 第２の端部、２０４ ベース部材、２０５ 端部材、２０６ 第１のベローズ、２０７ 第２のベローズ、２０８ フランジ、２０９ 環状流路、２１０ 容積室Ａ、２１１ 容積室Ｂ、２１２ 第３の板バネＣ、２１３ 第３の板バネＤ、２１４ 第１の板バネＡ、２１５ 第２の板バネＢ、２１６ 剛性部材Ａ、２１７ 剛性部材Ｂ、２１８ 剛性部材Ｃ、２１９ 剛性部材Ｄ、２２０ 剛性部材Ｅ、２２１ 剛性部材Ｆ、２２２ カバーＡ、２２３ カバーＢ、２２４ ピボットＡ、２２５ ２軸ピボットＢ、２２６ ストラット端Ａ、２２７ ストラット端Ｂ、２３１ 磁石、２３２ コイル、３０１ 第３のバネ、３０２ 第２のダンパ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベースとペイロードの間に設けられた第１のバネと、
前記第１のバネと併設して前記ベースとペイロードの間で直列接続された第２のバネとダンパ、および前記第２のバネとダンパとの間を接続する中間質量を構成する接続部とからなる振動吸収部と、
前記ベースとペイロードの間に設けられベースに対してペイロードの振動を抑制するアクチュエータと、
前記ペイロードに搭載された第１の運動センサと、
前記振動吸収部の接続部に搭載された第２の運動センサと、
前記第１および第２の運動センサからのフィードバック信号に従って前記ペイロードの振動を抑制するよう前記アクチュエータを制御する制御部を含むアクチュエータ制御系と、
を備えたことを特徴とする振動絶縁装置。
【請求項２】
前記アクチュエータ制御系が、アクチュエータ駆動制御のための電流制御系を含むことを特徴とする請求項１に記載の振動絶縁装置。
【請求項３】
前記運動センサが加速度センサからなることを特徴とする請求項１または２に記載の振動絶縁装置。
【請求項４】
前記アクチュエータが非接触アクチュエータからなることを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項に記載の振動絶縁装置。
【請求項５】
前記ダンパが流体ダンパからなり、前記アクチュエータ制御系における制御において前記中間質量が前記ダンパの流体質量も含むことを特徴とする請求項１から４までのいずれか１項に記載の振動絶縁装置。
【請求項６】
前記運動センサが相対変位センサからなることを特徴とする請求項１，２，４，５のいずれか１項に記載の振動絶縁装置。
【請求項７】
前記ダンパが電気的な電磁ダンパまたは粘弾性体を用いた粘弾性ダンパからなることを特徴とする請求項１から４および６のいずれか１項に記載の振動絶縁装置。
【請求項８】
前記アクチュエータ制御系において、加速度制御でＰＩ制御またはＰ制御を行うことを特徴とする請求項３に記載の振動絶縁装置。
【請求項９】
前記アクチュエータ制御系において、加速度センサからなる前記第１および第２の運動センサのうち、前記ペイロードに搭載された第１の運動センサからの加速度から、前記振動吸収部の接続部の加速度を推定する加速度推定器を設け、第２の運動センサを不要とたことを特徴とする請求項３に記載の振動絶縁装置。
【請求項１０】
前記アクチュエータがボイスコイルからなり、
前記アクチュエータ制御系が、
前記第１および第２の運動センサのフィードバック信号に基づいて得られる前記ペイロードと前記振動吸収部の接続部の加速度をそれぞれ０にする値を加速度制御器でＰＩ制御またはＰ制御を行って前記アクチュエータへの力指令値を求める加速度制御手段と、
前記力指令値を電流指令値に変換した後、前記ボイスコイルの特性に従って電流制御器で前記ボイスコイルへの印加電圧を生成する電流制御手段と、
を含むことを特徴とする請求項１から９までのいずれか１項に記載の振動絶縁装置。
【請求項１１】
前記電流制御手段を不要とし、前記加速度制御手段の力指令値に従って前記ボイスコイルへの印加電圧を生成することを特徴とする請求項１０に記載の振動絶縁装置。
【請求項１】
ベースとペイロードの間に設けられた第１のバネと、
前記第１のバネと併設して前記ベースとペイロードの間で直列接続された第２のバネとダンパ、および前記第２のバネとダンパとの間を接続する中間質量を構成する接続部とからなる振動吸収部と、
前記ベースとペイロードの間に設けられベースに対してペイロードの振動を抑制するアクチュエータと、
前記ペイロードに搭載された第１の運動センサと、
前記振動吸収部の接続部に搭載された第２の運動センサと、
前記第１および第２の運動センサからのフィードバック信号に従って前記ペイロードの振動を抑制するよう前記アクチュエータを制御する制御部を含むアクチュエータ制御系と、
を備えたことを特徴とする振動絶縁装置。
【請求項２】
前記アクチュエータ制御系が、アクチュエータ駆動制御のための電流制御系を含むことを特徴とする請求項１に記載の振動絶縁装置。
【請求項３】
前記運動センサが加速度センサからなることを特徴とする請求項１または２に記載の振動絶縁装置。
【請求項４】
前記アクチュエータが非接触アクチュエータからなることを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項に記載の振動絶縁装置。
【請求項５】
前記ダンパが流体ダンパからなり、前記アクチュエータ制御系における制御において前記中間質量が前記ダンパの流体質量も含むことを特徴とする請求項１から４までのいずれか１項に記載の振動絶縁装置。
【請求項６】
前記運動センサが相対変位センサからなることを特徴とする請求項１，２，４，５のいずれか１項に記載の振動絶縁装置。
【請求項７】
前記ダンパが電気的な電磁ダンパまたは粘弾性体を用いた粘弾性ダンパからなることを特徴とする請求項１から４および６のいずれか１項に記載の振動絶縁装置。
【請求項８】
前記アクチュエータ制御系において、加速度制御でＰＩ制御またはＰ制御を行うことを特徴とする請求項３に記載の振動絶縁装置。
【請求項９】
前記アクチュエータ制御系において、加速度センサからなる前記第１および第２の運動センサのうち、前記ペイロードに搭載された第１の運動センサからの加速度から、前記振動吸収部の接続部の加速度を推定する加速度推定器を設け、第２の運動センサを不要とたことを特徴とする請求項３に記載の振動絶縁装置。
【請求項１０】
前記アクチュエータがボイスコイルからなり、
前記アクチュエータ制御系が、
前記第１および第２の運動センサのフィードバック信号に基づいて得られる前記ペイロードと前記振動吸収部の接続部の加速度をそれぞれ０にする値を加速度制御器でＰＩ制御またはＰ制御を行って前記アクチュエータへの力指令値を求める加速度制御手段と、
前記力指令値を電流指令値に変換した後、前記ボイスコイルの特性に従って電流制御器で前記ボイスコイルへの印加電圧を生成する電流制御手段と、
を含むことを特徴とする請求項１から９までのいずれか１項に記載の振動絶縁装置。
【請求項１１】
前記電流制御手段を不要とし、前記加速度制御手段の力指令値に従って前記ボイスコイルへの印加電圧を生成することを特徴とする請求項１０に記載の振動絶縁装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１３−６１０４２（Ｐ２０１３−６１０４２Ａ）
【公開日】平成２５年４月４日（２０１３．４．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２０１０１３（Ｐ２０１１−２０１０１３）
【出願日】平成２３年９月１４日（２０１１．９．１４）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月４日（２０１３．４．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月１４日（２０１１．９．１４）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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