JP3292505B2 - アクティブ振動絶縁装置 - Google Patents

アクティブ振動絶縁装置

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JP3292505B2
JP3292505B2 JP18398292A JP18398292A JP3292505B2 JP 3292505 B2 JP3292505 B2 JP 3292505B2 JP 18398292 A JP18398292 A JP 18398292A JP 18398292 A JP18398292 A JP 18398292A JP 3292505 B2 JP3292505 B2 JP 3292505B2
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秀敏 山添
公夫 内田
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昭和電線電纜株式会社
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、アクティブ振動絶縁装
置に関し、特に制御対象物に水平方向の制御力を注入し
て水平方向の振動絶縁性能を向上できるアクティブ振動
絶縁装置に係わる。
【0002】
【従来の技術】従来から、空気バネとダッシュポットを
使用し、空気バネで支持された精密機器が搭載された定
盤のような制御対象物をパッシブに制御するパッシブ振
動絶縁装置が周知である。
【0003】最近、パッシブ振動絶縁装置に代えて、制
御対象物をアクティブに制御するアクティブまたはセミ
アクティブ振動絶縁装置が採用されつつある。
【0004】このアクティブ振動絶縁装置は、制御対象
物に振動センサを搭載して振動を検出し、この振動信号
によって振動絶縁装置にアクチュエータからエネルギー
を注入し、線形フィードバック制御や線形フィードフォ
ワード制御の理論を用いて振動絶縁装置の除振或いは絶
縁効果を積極的に高めようとするものである。
【0005】現在、市販されているアクティブ振動絶縁
装置は極めて少ないが、これを使用するアクチュエータ
に着目して分類すると、下記の2種類に分けられる。
【0006】〈電気式〉 制御対象物に振動センサを搭載して振動を検出し、この
振動信号をドライバを介してVCM(ボイス・コイル・
モータ)等の電気によって駆動するアクチュエータから
振動絶縁装置にエネルギーを注入し、振動絶縁装置の除
振或いは絶縁効果を積極的に高めるものである(特開昭
60−121340号公報)。
【0007】〈空圧式〉 制御対象物に振動センサを搭載して振動を検出し、この
振動信号を電気空圧変換器によって電気空圧信号に変
え、サーボ弁を開閉し、空気を空気バネに注入すること
により空気バネをアクチュエータとして使用し、振動絶
縁装置の除振或いは絶縁効果を積極的に高めるものであ
る(特開平2−21311号公報)。
【0008】この空圧式アクティブ振動絶縁装置におい
ては、一対のエアータンクどうしをオリフィス配管を介
して連通接続し、その一方のエアータンクにのみサーボ
弁を介してコンプレッサーに連通接続し、装置載置台に
付設された水平方向の振動センサからの信号に応じて制
御装置からサーボ弁に制御信号を出力することにより、
装置載置台の水平方向の変位を一対のエアータンクの各
々に連通接続された空気バネにより弾性的に水平方向に
支持して振動を緩和しながら、装置載置台が振動したと
きに両空気バネをアクチュエータとして膨張または収縮
して装置載置台に動的な力を付与し、装置載置台を水平
方向に変位させて装置載置台に絶対的な水平方向静止状
態を維持させんとしている。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この空
圧式アクティブ振動絶縁装置では、一対のエアータン
ク、空気バネをそれぞれ個別に組付けるのが煩雑であ
り、その設置スペースが大きくなり、また一対のエアー
タンクどうしをオリフィス配管を介して連通接続するた
めに空気バネ振動系間に遅れが発生し振動系全体の支持
バランスがくずれてしまうことから水平方向の振動絶縁
性能が低下するという難点がある。
【0010】
【目的】本発明は叙上の難点に鑑みなされたもので、そ
の目的は、アクチュエータとして使用する空圧手段を組
付けるのが容易であり、その設置スペースが小さくな
り、また振動系全体をバランスよく支持できて水平方向
の振動絶縁性能を向上できるアクティブ振動絶縁装置を
提供せんとするものである。
【0011】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明のアクティブ振動絶縁装置は、空気バネで支持
されている制御対象物に搭載され水平方向の振動を検出
して水平方向の振動信号を出力する水平方向振動センサ
と、制御対象物、空気バネの何れかに搭載され制御対象
物、空気バネの設置面間の水平方向の相対変位を検出し
て水平方向の相対変位信号を出力する水平方向変位セン
サと、振動信号および相対変位信号を加算する加算器
と、加算器からの出力が入力され空圧源から圧縮された
空気が印加されている第1の電気空圧アナログ弁と、加
算器からの出力が信号反転器を介して入力され空圧源か
ら圧縮された空気が印加されている第2の電気空圧アナ
ログ弁と、第1の電気空圧アナログ弁からの信号により
駆動され制御対象物に一方の水平方向の制御力を注入す
る第1の水平方向空圧アクチュエータと、第2の電気空
圧アナログ弁からの信号により駆動され制御対象物に他
方の水平方向の制御力を注入する第2の水平方向空圧ア
クチュエータとを備え、水平方向振動センサおよび加算
器間には、水平方向振動センサが温度によってゼロ点が
ドリフトするためDC成分をカットし温度特性を向上さ
せるハイパスフイルタを介して水平方向の振動信号から
増幅された加速度信号を生成する増幅器、高周波成分を
カットし発振を防止するローパスフイルタと、水平方向
の振動信号から速度信号を生成する積分器、積分器から
の速度信号を増幅する増幅器、高周波成分をカットし発
振を防止するローパスフイルタとの並列回路が介在さ
れ、水平方向変位センサおよび加算器間には、水平方向
の相対変位信号を増幅する前置増幅器と、水平方向変位
センサが発生する0〜+数vの電圧のゼロ点を境にして
±の電圧を発生するようにゼロ点調整を行なう減算器
と、減算器からの水平方向の相対変位信号を増幅する増
幅器との直列回路が介在されている。
【0012】
【作用】このように構成されたアクティブ振動絶縁装置
によれば、制御対象物における水平方向の静止基準点に
おいて、制御対象物が水平方向に変位すると、第1のア
クチュエータの内圧が上昇し、第1のアクチュエータの
水平方向の制御力は水平逆方向に作用し、振動センサは
制御対象物の水平方向の変位を検知して振動信号はアナ
ログ弁に印加され、アナログ弁により第1のアクチュエ
ータが駆動されることにより制御対象物には水平方向の
制御力が注入されて内圧が上がり制御力は水平逆方向に
作用し、制御対象物を水平逆方向に戻そうとする。その
際、第2のアクチュエータの内圧は低下し、第1のアク
チュエータの、制御対象物への水平逆方向に戻そうとす
る動きを助ける。このようにして振動絶縁装置の水平方
向の振動絶縁性能が総合的に向上する。
【0013】
【実施例】以下、本発明のアクティブ振動絶縁装置をそ
の好ましい実施例について図面を参照して説明する。
【0014】図1において、このアクティブ振動絶縁装
置は、基礎または床である設置面10上に空気バネ11
で支持された被除振台または制御対象物12が設けられ
ている。
【0015】制御対象物12には水平方向の振動を検出
して水平方向の振動信号S1を出力する水平方向振動セ
ンサ13が搭載されている。
【0016】この水平方向振動センサ13としては、例
えば、公知の加速度センサもしくは速度センサ等が採用
できる。なお、水平方向振動センサ13として速度セン
サが使用されている場合に、加速度信号は、速度を1回
微分することにより得られる。また、水平方向振動セン
サ13として加速度センサが使用されている場合に、速
度信号は加速度を1回積分することにより得られる。こ
こで、制御対象物12とは、定盤のような被除振台のみ
ならず、これに搭載された電子顕微鏡やIC、LSIの
製造装置であるステッパ等の精密機器が含まれるもので
あり、この場合、水平方向振動センサ13はこのような
精密機器自体に搭載してもよい。
【0017】なお、このアクティブ振動絶縁装置におい
て使用される空気バネ11は、図2に示されるようにピ
ストン11bが付加タンク部分(図示せず)に固定さ
れ、ベロフラム11aがピストン11bを覆ってチャン
バー11cを構成し、チャンバー11cにより制御対象
物12を支持している。この空気バネ11によれば、制
御対象物12のピストン11bに対する偏心eによって
チャンバー11cの部分の復元力Fは F=(π2/8)P・DP・e (但し、P:チャンバー11c内の圧力、DP:ピスト
ン11bの径) で与えられ、制御対象物12の水平方向の変位に応じて
空気バネ11の復元力によってこの変位を元へ戻す力が
作用する。
【0018】また、このアクティブ振動絶縁装置は、水
平方向の振動信号S1により駆動され制御対象物12に
互に逆向きの水平方向の制御力FA、FBを注入する第
1、第2の水平方向空圧アクチュエータ15a、15b
とを備えている。第1、第2の水平方向空圧アクチュエ
ータ15a、15bは制御対象物12に設けた操作片1
2aと設置面10上に設けた支持片10a、10bとの
間にそれぞれ設けられ、操作片12aを挟んで対向配置
されている。この水平方向空圧アクチュエータ15とし
ては空気バネ、空圧シリンダ等が採用される。
【0019】さらに、振動センサ13からの振動信号S
1を処理して制御信号を生成する制御回路C、制御回路
Cからの制御信号により駆動信号を生成する空圧アナロ
グ弁駆動回路Daおよび信号反転器28を介して空圧ア
ナログ弁駆動回路Db、空圧アナログ弁駆動回路Da、
Dbからの駆動信号により空気を第1、第2の水平方向
空圧アクチュエータ15a、15bに給排気する第1、
第2の空圧アナログ弁17a、17bが設けられてい
る。この第1、第2のアナログ弁17a、17bとして
はサーボ弁、電気空圧比例弁が採用できる。この第1、
第2の電気空圧アナログ弁17a、17bにはコンプレ
ッサ(図示せず)などの空圧源から圧縮された空気が印
加されている。
【0020】この実施例において振動センサ13として
は加速度センサが使用されており、図3に示すように振
動センサ13からの加速度振動信号S1は制御回路C、
空圧アナログ弁駆動回路Da、Dbのハイパスフイルタ
18に入力され、ハイパスフイルタ18の出力部は増幅
器19と、積分器20を介して増幅器21とに接続され
ている。このハイパスフイルタ18は、加速度センサが
温度によってゼロ点がドリフトするのでDC成分をカッ
トし温度特性を向上させるために使用される。また、積
分器20は、加速度振動信号S1から速度信号を生成す
るために使用される。増幅器19および増幅器21から
の増幅された加速度信号および速度信号はそれぞれロー
パスフイルタ22、23に入力されている。これらのロ
ーパスフイルタ22、23は高周波成分をカットし発振
を防止するために使用されている。
【0021】一方、図1に示すように制御対象物12と
空気バネ11の設置面10間にはその水平方向の相対変
位を検出して水平方向の相対変位信号S2を出力する非
接触水平方向変位センサ14が制御対象物12または空
気バネ11の何れかに搭載されている(図示の例におい
て空気バネ11に搭載)。この水平方向変位センサ14
としては、例えば、渦電流素子、差動トランス、LE
D、レーザー素子等が採用できる。図3に示すように水
平方向の相対変位信号S2は前置増幅器24に入力さ
れ、前置増幅器24は、減算器25を介して増幅器26
に接続されている。減算器25は、一般に非接触水平方
向変位センサ14は0〜+数vの電圧を発生するのでゼ
ロ点を境にして±の電圧を発生するようにゼロ点調整を
行なうために使用されている。
【0022】図3に示すように、ローパスフイルタ2
2、23からの加速度信号、速度信号および増幅器26
からの相対変位信号は加算器27に入力され、加算器2
7の出力部は第1の空圧アナログ弁17aと、信号反転
器28を介して第2の空圧アナログ弁17bとに接続さ
れている。第1、第2の電気空圧アナログ弁17a、1
7bからの電気信号は水平方向の第1、第2の空圧アク
チュエータ15a、15bにそれぞれ印加され、この第
1、第2の空圧アクチュエータ15a、15bが駆動さ
れることにより制御対象物12には互に逆向きの水平方
向の制御力FA、FBが注入される。
【0023】叙上のアクティブ振動絶縁装置における各
構成要素の配置を図4に示す。制御対象物12を垂直方
向に支持する空気バネ11は制御対象物12の各隅部に
設置されている。振動を検出する水平方向は二次元であ
るので、水平方向振動センサ13は制御対象物12の中
央部にX、Y方向にそれぞれ設けられる。水平方向変位
センサ14も制御対象物12に対向してX、Y方向にそ
れぞれ設けられる。水平方向の第1、第2の空圧アクチ
ュエータ15a、15bはX、Y方向にそれぞれ設けら
れる。第1、第2の電気空圧アナログ弁17a、17b
は第1、第2の空圧アクチュエータ15a、15bの近
傍に設置されている。
【0024】こうして水平方向振動センサ13、水平方
向変位センサ14から第1、第2の空圧アクチュエータ
15a、15bに至る制御系もX、Y方向にそれぞれ設
けられる。
【0025】なお、制御対象物12の垂直方向の振動絶
縁制御は垂直方向振動センサ30、垂直方向変位センサ
31、電気空圧アナログ弁32を使用して叙上の水平方
向の制御系のように構成することができ、またその垂直
方向のレベルはメカニカルバルブ(特開昭57−732
48号公報)により空気バネ11の内圧を制御して行な
うことができる。
【0026】図1〜図3に示すように構成されたアクテ
ィブ振動絶縁装置において、基礎又は床である設置面1
0上に空気バネ11で支持された制御対象物12上に搭
載された加速度センサである水平方向の振動センサ13
により制御対象物12の水平方向の振動が検出される。
この検出された水平方向の振動信号S1は制御回路C、
空圧アナログ弁駆動回路Da、Dbのハイパスフイルタ
18に入力される。ハイパスフイルタ18は、加速度セ
ンサが温度によってゼロ点がドリフトするのでDC成分
をカットし温度特性を向上する。ハイパスフイルタ18
の出力は積分器20に入力され速度信号を生成し、増幅
器19と増幅器21からは増幅された加速度信号と速度
信号がそれぞれ得られる。増幅器19および増幅器21
からの増幅された加速度信号および速度信号はそれぞれ
ローパスフイルタ22、23に入力され、高周波成分を
カットし発振が防止される。
【0027】一方、非接触変位センサ14からは制御対
象物12と空気バネ11の設置面10間の水平方向の相
対変位を検出して水平方向の相対変位信号S2を出力す
る。水平方向の相対変位信号S2は前置増幅器24に入
力され、前置増幅器24の出力は減算器25に入力され
る。減算器25は、一般に非接触変位センサ14は0〜
+数vの電圧を発生するのでゼロ点を境にして±の電圧
を発生するようにゼロ点調整を行なう。減算器25の出
力は増幅器26に入力される。ローパスフイルタ22、
23からの加速度信号、速度信号および増幅器26から
の相対変位信号は加算器27に入力され、加算器27の
出力部は第1の空圧アナログ弁17aと、信号反転器2
8を介して第2の空圧アナログ弁17bとにそれぞれ印
加される。第1、第2の空圧アナログ弁17a、17b
が開閉されて空気が第1、第2の水平方向の空圧アクチ
ュエータ15a、15bに吸排気されることにより制御
対象物12には互に逆向きの水平方向の制御力FA、FB
が注入される。
【0028】制御対象物12における水平方向の静止基
準点において、空気バネ11の水平方向の力F(図2)
はF=0であり、第1、第2の水平方向の空圧アクチュ
エータ15a、15bの水平方向の制御力FA、FBは、
FA=FBである。
【0029】いま、制御対象物12が図1において右向
に変位すると、空気バネ11はその偏心eに応じてベロ
フラム11a(図2)によって構成されるチャンバー1
1c内の圧力により左向に復元力Fが作用し、また制御
対象物12が右向に変位すると第2の空圧アクチュエー
タ15bの内圧が上昇し、第2の空圧アクチュエータ1
5bの水平方向の制御力FAは左向に作用し、さらに振
動センサ13は制御対象物12の右向の変位を検知して
加速度振動信号S1は制御回路C、空圧アナログ弁駆動
回路Dのハイパスフイルタ18に入力されDC成分をカ
ットし温度によってゼロ点がドリフトしないように温度
特性を向上させ、これが積分器20に入力され速度信号
を生成し、増幅器19と増幅器21からは増幅された加
速度信号と速度信号をそれぞれ得て、ローパスフイルタ
22、23に入力され、高周波成分をカットし発振を防
止し、これらの加速度信号、速度信号は加算器27に入
力され、加算器27の出力部は第1の電気空圧アナログ
弁17aに印加されてその弁が開成され水平方向の第1
の空圧アクチュエータ15aには空気が吸気され、この
水平方向の第1の空圧アクチュエータ15aの内圧が上
がることにより制御対象物12には水平方向の制御力F
Aが注入されて制御力FAは左向に作用し、制御対象物1
2は左向に移動させる。
【0030】一方、加算器27の出力部は信号反転器2
8を介して第2の電気空圧アナログ弁17bに印加され
てその弁が閉成され第2の水平方向の空圧アクチュエー
タ15bからは空気が排気され、この第2の水平方向の
空圧アクチュエータ15bの内圧が低下することにより
水平方向の制御力FBが低下して制御力FAによる制御対
象物12への左向の移動を助けることになる。
【0031】また、非接触変位センサ14も制御対象物
12の右向の変位を検知して水平方向の相対変位信号S
2を出力する。水平方向の相対変位信号S2は前置増幅器
24に入力され、前置増幅器24の出力は減算器25に
入力される。減算器25は、一般に非接触変位センサ1
4は0〜+数vの電圧を発生するのでゼロ点を境にして
±の電圧を発生するようにゼロ点調整を行なう。減算器
25の出力は増幅器26に入力される。増幅器26から
の相対変位信号は加算器27に入力される。加算器27
の出力部は叙上のように第1、第2の水平方向の空圧ア
クチュエータ15a、15bに印加され、制御対象物1
2には水平方向の制御力FAが叙上の制御力FAに注入さ
れ制御対象物12は左向に変位しようとする。なお、こ
の非接触変位センサ14から増幅器26の制御系は用途
によっては省略できるものである。
【0032】制御対象物12が水平方向の静止基準点を
越えて左向に変位した場合には、以上の動作において第
1、第2の水平方向の空圧アクチュエータ15a、15
bの水平方向の制御力FA、FBが逆向きに作用する。
【0033】従来の振動絶縁装置によって得られた周波
数−水平方向振動伝達関数特性を図5(a)に示し、こ
れと比較する目的で本発明によるアクティブ振動絶縁装
置によって得られた周波数−水平方向振動伝達関数特性
をグラフ図5(b)に示す。何れの場合も、垂直方向の
レベルはメカニカルバルブ(特開昭57−73248号
公報)により空気バネの内圧を制御して行なった。図5
(a)、(b)から明らかなように、本発明によるアク
ティブ振動絶縁装置によれば水平方向振動絶縁が低周波
において大幅に改善されている。
【0034】なお、以上の例で制御方式は、絶対加速
度、絶対速度、相対変位の3信号をフィードバック制御
信号として用いたが、所期の振動絶縁効果を得るための
用途に応じて変位信号は絶対変位でもよく、また変位と
速度或いは変位と加速度から成る群から選ばれた2信号
を用いて制御することもできる。
【0035】また、以上の例においてハイパスフイル
タ、ローパスフイルタは状況に応じては一方または双方
を省略することが可能である。さらに、以上の例におい
て非接触変位センサに設けられた前置増幅器も省略する
ことができる。
【0036】
【発明の効果】以上の説明からも明らかなように、本発
明のアクティブ振動絶縁装置によれば、アクチュエータ
を組付けるのが容易であり、その設置スペースが小さく
なり、また振動系全体をバランスよく支持できて水平方
向の振動絶縁性能を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例によるアクティブ振動絶縁装置
の説明図。
【図2】本発明によるアクティブ振動絶縁装置に使用さ
れる空気バネの説明図。
【図3】本発明によるアクティブ振動絶縁装置の水平方
向制御系を示すブロック図。
【図4】本発明によるアクティブ振動絶縁装置における
各構成要素の配置を示す図。
【図5】図5(a)は従来の振動絶縁装置によって得ら
れた周波数−水平方向振動伝達関数特性を示すグラフ、
図5(b)は本発明によるアクティブ振動絶縁装置によ
って得られた周波数−水平方向振動伝達関数特性を示す
グラフ。
【符号の説明】
10……空気バネの設置面 11……空気バネ 12……制御対象物 13……水平方向の振動センサ 14……水平方向の変位センサ 15a……第1の水平方向空圧アクチュエータ 15b……第2の水平方向空圧アクチュエータ 17a……第1の電気空圧アナログ弁 17b……第2の電気空圧アナログ弁 18……ハイパスフイルタ 19……増幅器 20……積分器 21……増幅器 22……ローパスフイルタ 23……ローパスフイルタ 24……前置増幅器 25……減算器 26……増幅器 27……加算器 28……信号反転器 S1……水平方向の振動信号 S2……水平方向の相対変位信号 FA……一方の水平方向の制御力 FB……他方の水平方向の制御力
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) F16F 15/02 - 15/08

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】空気バネ(11)で支持されている制御対
    象物(12)に搭載され水平方向の振動を検出して水平
    方向の振動信号(S1)を出力する水平方向振動センサ
    (13)と、前記制御対象物、前記空気バネの何れかに
    搭載され前記制御対象物、前記空気バネの設置面(1
    0)間の水平方向の相対変位を検出して水平方向の相対
    変位信号(S2)を出力する水平方向変位センサ(1
    4)と、前記振動信号および前記相対変位信号を加算す
    る加算器(27)と、前記加算器からの出力が入力され
    空圧源から圧縮された空気が印加されている第1の電気
    空圧アナログ弁(17a)と、前記加算器からの出力が
    信号反転器(28)を介して入力され前記空圧源から圧
    縮された空気が印加されている第2の電気空圧アナログ
    弁(17b)と、前記第1の電気空圧アナログ弁からの
    信号により駆動され前記制御対象物に一方の水平方向の
    制御力(FA)を注入する第1の水平方向空圧アクチュ
    エータ(15a)と、前記第2の電気空圧アナログ弁か
    らの信号により駆動され前記制御対象物に他方の水平方
    向の制御力(FB)を注入する第2の水平方向空圧アク
    チュエータ(15b)とを備え、 前記水平方向振動センサおよび前記加算器間には、前記
    水平方向振動センサが温度によってゼロ点がドリフトす
    るためDC成分をカットし温度特性を向上させるハイパ
    スフイルタ(18)を介して前記水平方向の振動信号か
    ら増幅された加速度信号を生成する増幅器(19)、高
    周波成分をカットし発振を防止するローパスフイルタ
    (22)と、前記水平方向の振動信号から速度信号を生
    成する積分器(20)、前記積分器からの速度信号を増
    幅する増幅器(21)、高周波成分をカットし発振を防
    止するローパスフイルタ(23)との並列回路が介在さ
    れ、 前記水平方向変位センサおよび前記加算器間には、前記
    水平方向の相対変位信号を増幅する前置増幅器(24)
    と、前記水平方向変位センサが発生する0〜+数vの電
    圧のゼロ点を境にして±の電圧を発生するようにゼロ点
    調整を行なう減算器(25)と、前記減算器からの水平
    方向の相対変位信号を増幅する増幅器( 26)との直列
    回路が介在されている ことを特徴とするアクティブ振動
    絶縁装置。
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