JP5103549B2 - Vibration isolator - Google Patents
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Description
本発明は除振装置に関する。 The present invention relates to a vibration isolation device.
半導体製造用露光装置のような精密加工装置は、装置を外部の振動に対して絶縁(除振あるいは免振)することが望まれる。加工装置の除振を行う場合は、特開平11−193847号(日本国特許公開公報)に記載されるような除振装置が使用される。除振装置は、ばね及びダンパを介して基礎に支持された定盤を有しており、除振対象である加工装置はこの定盤の上に設置される。 In a precision processing apparatus such as an exposure apparatus for semiconductor manufacturing, it is desired to insulate (isolate or isolate) the apparatus from external vibrations. When performing vibration isolation of the processing apparatus, a vibration isolation apparatus as described in JP-A-11-193847 (Japanese Patent Publication) is used. The vibration isolator has a surface plate supported by a foundation via a spring and a damper, and the processing device that is the object of vibration isolation is installed on the surface plate.
除振装置の定盤には、振動検出手段が設けられている。また、定盤と基礎との間には、アクチュエータが設けられている。このような除振装置は、振動検出手段の検出結果に基づくフィードバック制御の下でアクチュエータに定盤を駆動させることにより、定盤の振動を短時間のうちに減衰させることができる。 A vibration detecting means is provided on the surface plate of the vibration isolator. An actuator is provided between the surface plate and the foundation. Such a vibration isolator can attenuate the vibration of the surface plate in a short time by driving the surface plate to the actuator under feedback control based on the detection result of the vibration detecting means.
このような除振装置は、主として高周波の振動を減衰させるものであり、数Hz以下の低周波の振動を十分に抑えることができなかった。 Such a vibration isolator mainly attenuates high-frequency vibrations and cannot sufficiently suppress low-frequency vibrations of several Hz or less.
本発明は上記の事情を鑑みて創作されたものである。すなわち、本発明は、除振対象への特に低周波の振動の伝達を効果的に抑制する除振装置を提供することを目的とする。 The present invention has been created in view of the above circumstances. That is, an object of the present invention is to provide an anti-vibration device that effectively suppresses transmission of particularly low-frequency vibrations to an object of vibration isolation.
本発明の実施形態に係る除振装置は、第1フレームと、第1フレームの振動が伝達されないように第1フレームに対して可動に支持される第2フレームを備えており、更に第1フレームの速度を示す速度信号を出力する速度計測手段と、速度信号に基づいて第2フレームを第1フレームに対して駆動するアクチュエータとを備えている。アクチュエータは、第1フレームの速度と同じ大きさの逆向きの速度で第2フレームを駆動する。 An anti-vibration device according to an embodiment of the present invention includes a first frame and a second frame that is movably supported with respect to the first frame so that vibration of the first frame is not transmitted. A speed measuring means for outputting a speed signal indicating the speed of the second speed and an actuator for driving the second frame relative to the first frame based on the speed signal. The actuator drives the second frame at a reverse speed equal to the speed of the first frame.
このように速度の計測結果に基づいてアクチュエータの駆動速度を制御する構成を採用することにより、実際の第1フレームの振動波形に忠実な逆向き(逆位相)の振動を第2フレームに加えることが可能になり、高い除振効果が得られる。 By adopting a configuration that controls the driving speed of the actuator based on the speed measurement result in this way, vibration in the opposite direction (opposite phase) faithful to the actual vibration waveform of the first frame is applied to the second frame. Therefore, a high vibration isolation effect can be obtained.
速度計測手段は、検出した速度に比例する強度の信号を連続的に出力する速度センサであることが望ましい。計測する速度に対して線形な信号を出力する速度センサを使用することにより、信号の変換や補正を行うことが不要となり、高速な応答が可能になる。 The speed measuring means is preferably a speed sensor that continuously outputs a signal having an intensity proportional to the detected speed. By using a speed sensor that outputs a linear signal with respect to the speed to be measured, it is not necessary to convert or correct the signal, and a high-speed response is possible.
また、第1フレームの実際の振動に対する速度計測手段が出力する速度信号の遅延は0.2ms以下であることが望ましい。このような条件を満たす典型的な速度計測手段として動電型速度センサが挙げられる。このような速度計測手段を使用することにより、第1フレームの振動に対して第2フレームを少ない遅延で駆動することが可能になり、更に正確で効果的な除振が可能になる。 Further, it is desirable that the delay of the speed signal output from the speed measuring means with respect to the actual vibration of the first frame is 0.2 ms or less. An electrodynamic speed sensor is a typical speed measuring means that satisfies such conditions. By using such speed measuring means, the second frame can be driven with a small delay with respect to the vibration of the first frame, and more accurate and effective vibration isolation becomes possible.
本発明の実施形態に適用可能な例示的な速度計測手段は、シリンダ部と、シリンダ部の内周面に設けられたコイル部と、軸方向の一端にS極が他端にN極が形成され、シリンダ部の内周面に沿って移動可能な円柱形状の磁石と、磁石の一端からシリンダ部の外部に突出するシャフト部とを備えている。シリンダ部とシャフト部の一方が第1フレームに固定され、他方が第1フレームの速度の測定基準に固定される。 An exemplary speed measuring unit applicable to the embodiment of the present invention includes a cylinder part, a coil part provided on the inner peripheral surface of the cylinder part, and an S pole at one end in the axial direction and an N pole at the other end. And a cylindrical magnet movable along the inner peripheral surface of the cylinder part, and a shaft part protruding from one end of the magnet to the outside of the cylinder part. One of the cylinder part and the shaft part is fixed to the first frame, and the other is fixed to the speed measurement standard of the first frame.
コイル部は、シリンダ部の一端側に設けられ、磁石の一方の極を収容する第1コイルと、シリンダ部の他端側に設けられ、磁石の他方の極を収容する第2コイルとを備えていることが望ましい。また、この場合には、第1コイルと第2コイルは、シリンダ内を磁石が移動したときに同極性の電圧を発生するように直列に接続されていることが望ましい。 The coil portion includes a first coil that is provided on one end side of the cylinder portion and accommodates one pole of the magnet, and a second coil that is provided on the other end side of the cylinder portion and accommodates the other pole of the magnet. It is desirable that In this case, the first coil and the second coil are preferably connected in series so as to generate a voltage having the same polarity when the magnet moves in the cylinder.
速度計測手段にこのような構成の動電型速度センサを採用すると、高いSN比の速度信号が得られるため、速度信号の補正処理が不要になり、応答性が向上する。 When the electrokinetic speed sensor having such a configuration is adopted as the speed measuring means, a speed signal with a high signal-to-noise ratio can be obtained, so that speed signal correction processing is not required and responsiveness is improved.
シリンダ部の軸方向寸法が磁石の軸方向寸法の1.2〜1.8倍であることが望ましい。シリンダ部の軸方向寸法が磁石の軸方向寸法の1.4〜1.6倍であれば更に望ましい。 It is desirable that the axial dimension of the cylinder portion is 1.2 to 1.8 times the axial dimension of the magnet. It is further desirable if the axial dimension of the cylinder portion is 1.4 to 1.6 times the axial dimension of the magnet.
本発明の実施形態に係る除振装置は、第1フレームを可動に支持するベースフレームを更に備えていてもよい。この場合、速度計測手段は、ベースフレームに対する第1フレームの速度を計測するように構成されることが望ましい。すなわち、上記の第1フレームの速度の計測基準はベースフレームである。 The vibration isolation device according to the embodiment of the present invention may further include a base frame that movably supports the first frame. In this case, it is desirable that the speed measuring means is configured to measure the speed of the first frame with respect to the base frame. That is, the measurement reference for the speed of the first frame is the base frame.
第1フレームが、ばね及びダンパを有する緩和機構によってベースフレームに支持されていることが望ましい。この構成により、比較的に高い周波数成分の振動が減衰されるため、広い周波数にわたって高い除振効果を発揮する除振装置が実現する。また、緩和機構の動作には電力を必要としないため、エネルギー消費効率も高くなる。 The first frame is preferably supported on the base frame by a relaxation mechanism having a spring and a damper. With this configuration, vibration of a relatively high frequency component is damped, so that a vibration isolation device that exhibits a high vibration isolation effect over a wide frequency is realized. Moreover, since no electric power is required for the operation of the mitigation mechanism, the energy consumption efficiency is also increased.
また、第1フレームの振動に対する第2フレームの駆動の遅延が0.5ms以下であることが望ましい。高い除振性能を実現するためには、この程度の高速応答が必要となる。 Further, it is desirable that the delay of driving the second frame with respect to the vibration of the first frame is 0.5 ms or less. In order to achieve high vibration isolation performance, this high speed response is required.
アクチュエータは、サーボモータによって駆動される送りねじ機構であってもよい。 The actuator may be a feed screw mechanism driven by a servo motor.
アクチュエータは、ボイスコイルモータによって第2フレームを第1フレームに対して移動させる動電型アクチュエータであってもよい。無接点のボイスコイルモータを使用することにより、高効率かつ低騒音の駆動が可能になる。また、この場合において、第1の速度センサが出力した速度信号を増幅して駆動電流を出力するアンプを除振装置が更に備え、アンプの出力が動電型アクチュエータの可動コイルに接続される構成とすることが望ましい。このような構成によれば、デジタル変換等の長い処理時間を要する信号処理が行われないため、極めて高速な応答が可能になる。また、計測された速度波形がほとんど劣化せずに駆動電流に変換されるため、第2フレームは計測された第1フレームの振動波形に忠実に駆動され、高精度の除振が実現する。 The actuator may be an electrodynamic actuator that moves the second frame relative to the first frame by a voice coil motor. By using a non-contact voice coil motor, it is possible to drive with high efficiency and low noise. In this case, the vibration isolator further includes an amplifier that amplifies the speed signal output from the first speed sensor and outputs a drive current, and the output of the amplifier is connected to the movable coil of the electrodynamic actuator. Is desirable. According to such a configuration, signal processing that requires a long processing time such as digital conversion is not performed, and thus an extremely high-speed response is possible. Further, since the measured speed waveform is converted into a drive current with almost no deterioration, the second frame is driven faithfully to the measured vibration waveform of the first frame, thereby realizing high-accuracy vibration isolation.
また、除振装置は、第1フレームに対する第2フレームの速度を計測する第2の速度センサを更に備えていてもよい。この場合、制御手段は、速度センサによる速度計測結果と第2の速度センサによる速度計測結果とを比較することによって、アンプの増幅率を決定するように構成されることが望ましい。第2の速度センサを設けることにより、動電型アクチュエータのフィードバック制御が可能になり、より正確な除振が実現する。 The vibration isolation device may further include a second speed sensor that measures the speed of the second frame relative to the first frame. In this case, the control means is preferably configured to determine the amplification factor of the amplifier by comparing the speed measurement result by the speed sensor and the speed measurement result by the second speed sensor. By providing the second speed sensor, feedback control of the electrodynamic actuator is possible, and more accurate vibration isolation is realized.
アクチュエータは、第1吸排口と第2吸排口との間で作動油を正逆両方向に供給可能なポンプと、ポンプを駆動するサーボモータと、ピストンと、ピストンによって内部空間が第1の圧力室と第2の圧力室に区切られ且つ第1フレーム或いは第2フレームのいずれか一方に固定されたスリーブと、ピストンに連結されると共に先端がスリーブの外部に突出して第1フレーム或いは第2フレームのいずれか他方に連結されるピストンロッドとを備えた油圧シリンダユニットと、第1及び第2の圧力室を、夫々第1及び第2の吸排口に接続する配管と、配管同士を連通させるバイパス管と、バイパス管の中途に設けられ、第1及び第2の圧力室に所定の圧力を加えるアキュムレータとを備えた電動油圧アクチュエータであってもよい。この場合において、アキュムレータが第1の圧力室及び第2の圧力室に加える所定の圧力の大きさは、油圧シリンダユニットのシリンダの駆動に必要な最低圧力よりも大きく設定されていることが望ましい。また、ポンプはピストンポンプであることが望ましい。 The actuator includes a pump capable of supplying hydraulic oil in both forward and reverse directions between the first intake and exhaust ports, a servo motor that drives the pump, a piston, and an internal space defined by the piston as a first pressure chamber. And a sleeve that is divided into a first pressure chamber and a second pressure chamber, and is fixed to either the first frame or the second frame, and is connected to the piston and has a tip projecting outside the sleeve so that the first frame or the second frame A hydraulic cylinder unit including a piston rod coupled to one of the other, a pipe connecting the first and second pressure chambers to the first and second intake / exhaust ports, respectively, and a bypass pipe communicating the pipes with each other And an electrohydraulic actuator that is provided in the middle of the bypass pipe and includes an accumulator that applies a predetermined pressure to the first and second pressure chambers. In this case, it is desirable that the predetermined pressure applied by the accumulator to the first pressure chamber and the second pressure chamber is set larger than the minimum pressure required for driving the cylinder of the hydraulic cylinder unit. The pump is preferably a piston pump.
このような構成の電動油圧アクチュエータを使用すれば、高速応答が可能な小型の除振装置が実現する。 If the electrohydraulic actuator having such a configuration is used, a small vibration isolator capable of high-speed response is realized.
(第1実施形態)
以下、本発明の実施の形態について説明する。図1及び図2は、本発明の第1実施形態に係る除振装置1の概略側面図及び概略上面図である。図1に示されるように、本実施形態に係る除振装置1は、ベースフレーム10、ベースフレーム10上に配置された中間フレーム20、及び中間フレーム20上に配置された上部フレーム30を備えている。(First embodiment)
Embodiments of the present invention will be described below. 1 and 2 are a schematic side view and a schematic top view of the
中間フレーム20は、一対の第1リニアガイド機構40によって、ベースフレーム10に対して水平面上の所定方向(図1及び図2における左右方向。以下、「装置奥行方向」という。)に移動可能に支持されている。また、中間フレーム20とベースフレーム10との間に設けられた緩和機構80(図1)により、ベースフレーム10に対する中間フレーム20の装置奥行方向の振動が緩和されるようになっている。なお、この緩和機構80は、主として中間フレーム20の高周波成分の振動を吸収するものであり、ばね81とオイルダンパ82から構成されている。
The
図2に示されるように、第1リニアガイド機構40は、ベースフレーム10上の、装置奥行方向と直交する水平方向(以下、「装置幅方向」という。)の両端付近に1つずつ設けられている。各第1リニアガイド機構40は、ベースフレーム10の上面11に固定された装置奥行方向に延びるレール41と、このレール41と係合する一対のランナーブロック42を備えている。ランナーブロック42は、中間フレーム20の底面21に固定されている。また、各第1リニアガイド機構40の一対のランナーブロック42は、レール41の装置奥行方向に間隔を空けて設けられている。ランナーブロック42の夫々は、係合するレール41の長さ方向、すなわち装置奥行方向のみに移動可能となっている。そのため、ランナーブロック42が固定された中間フレーム20が移動可能な方向も、装置奥行方向のみに制限されている。
As shown in FIG. 2, one first
上部フレーム30は、一対の第2リニアガイド機構50によって、中間フレーム20に対して装置奥行方向に移動可能に支持されている。
The
図2に示されるように、第2リニアガイド機構50は、上部フレーム30上の、装置幅方向の両端付近に1つずつ設けられている。各第2リニアガイド機構50は、中間フレーム20の上面22に固定されている装置奥行方向に延びるレール51と、レール51と係合するランナーブロック52を備えている。ランナーブロック52は、上部フレーム30の底面31に固定されている。ランナーブロック52の夫々は、係合するレール51の長さ方向、すなわち装置奥行方向のみに移動可能となっている。そのため、ランナーブロック52が固定された上部フレーム30が移動可能な方向も、装置奥行方向のみに制限されている。
As shown in FIG. 2, one second
なお、第1リニアガイド機構40及び第2リニアガイド機構50には、レールとランナーブロックの間にローラを設けたローラガイドや、レールとランナーブロックの間に高圧空気層を供給して摩擦を低減したエアスライダ等、摩擦抵抗の低いものが適している。
The first
中間フレーム20には、上部フレーム30を中間フレーム20に対して装置奥行方向に駆動する上部フレーム駆動機構100が設けられている。図2に示されるように、上部フレーム駆動機構100は、ACサーボモータ110、送りねじ122、及び送りナット124を備えている。上部フレーム駆動機構100は、ACサーボモータ110を回転駆動することによって、上部フレーム30に固定された送りナット124を装置奥行方向に移動させることができる。
The
図1及び図2に示されるように、送りねじ122は装置奥行方向に延びている。送りねじ122は、その両端付近において、中間フレーム20に固定された一対の軸受132、134によって回転可能に支持されている。送りねじ122の一端(図1、2における右側の一端)は、カップリング140を介してACサーボモータ110の駆動軸112(図2)と連結されており、ACサーボモータ110を駆動することによって、送りねじ122を回転させることができるようになっている。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
前述のように、第2リニアガイド機構50によって送りナット124が固定された上部フレーム30の移動可能な方向は装置奥行方向に限定されている。このため、ACサーボモータ110によって送りねじ122を回転駆動すると、送りナット124及び上部フレーム30は装置奥行方向に移動する。
As described above, the movable direction of the
本実施形態に係る除振装置1には、ベースフレーム10に対する中間フレーム20の移動速度を計測するための速度センサ70が設けられている。速度センサ70は、図1及び図2に示されるように、シリンダ部71及びシリンダ部71の内周面に沿って軸方向に往復移動可能なシャフト部72を備えており、シリンダ部71に対するシャフト部72の相対速度を計測する。
The
速度センサ70のシリンダ部71は、シリンダ固定部材12を介してベースフレーム10に固定されている。また、シャフト部72の一端72aは、中間フレーム20の側面23に固定されたステー24に固定されている。シリンダ部71及びシャフト部72は、シャフト部72の移動方向が装置奥行方向となるように、夫々ベースフレーム10及び中間フレーム20に固定されている。従って、速度センサ70によって、ベースフレーム10に対する中間フレーム20の相対速度が検出される。すなわち、ベースフレーム10は中間フレーム20の速度の計測基準となる。
The
次に、速度センサ70の構造の詳細を説明する。図3は、本実施形態において使用される速度センサ70の概略断面図である。速度センサ70は、コイルと磁石から構成された、いわゆる動電型の速度センサの一種である。
Next, the details of the structure of the
図3に示されるように、速度センサ70のシャフト部72には、その中途に円柱形状の磁石73が固定されている。磁石73は、その軸方向の一端(図3における左端)がN極73aに、他端(図3における右端)がS極73bになっている。
As shown in FIG. 3, a
速度センサ70のシリンダ部71の内周面71aにはコイル74が形成されており、磁石73はコイル74の内部をシャフト部72の長さ方向(図3における左右方向)に移動可能となっている。磁石73がコイル74の内部で移動すると、コイル74に誘導起電力が発生する。この誘導起電力の大きさ(電圧)は、磁石73の移動速度に比例するため、コイル74の両端間の電位差から、磁石73の移動速度すなわちシリンダ部71に対するシャフト部72の移動速度を検出することができる。
A
図3に示されるように、速度センサ70においては、磁石73の全体、すなわちN極73aとS極73bの双方がシリンダ部71に収容されるようになっている。また、コイル74は、シリンダ部71の一端側(図3において左側)に配置された第1コイル部74aと、他端側に配置された第2コイル部74bとが直列に接続されたものである。磁石73を移動させると、N極73aに近接する第1コイル部74aと、S極73bに近接する第2コイル部74bの双方に誘導起電力が発生する。第1コイル部74aと第2コイル部74bは、磁石73が移動したときに回路にそれぞれ同符号の誘導起電力を与えるように直列に接続されている。そのため、速度センサ70の出力電圧の大きさは両コイル部に発生する誘導起電力の大きさを加算したものになる。そのため、速度センサ70が発生する単位速度あたりの誘導起電力は大きく、高い精度でシャフト部72の移動速度を検出可能となっている。
As shown in FIG. 3, in the
また、シリンダ部71の長さは、磁石73の長さの1.2〜1.8倍に、好ましくは磁石73の長さの1.4〜1.6倍に調整される。また、第1コイル部74aと第2コイル部74bは略同じ長さを有している。本実施形態では、各コイル部の長さは、シリンダ部71の長さの半分よりも少し短い長さとなっている。シリンダ部71及び磁石73の長さを上記範囲に設定することにより、磁石73のN極73a及びS極73bが、夫々第1コイル部74a及び第2コイル部74b内に収容された状態を維持しながら磁石73が長いストロークで移動可能となる。すなわち、シリンダ部71と磁石73の長さの比率を上記範囲に設定することにより、シリンダ部71の長さに対して、速度検出が可能な磁石73の可動範囲が広くなり、コンパクトな速度センサ70が実現する。本実施形態の速度センサ70の一例においては、磁石73の長さが約35cm、シリンダ部71の長さが約50cmであり、シャフト部72が10cm程度の振幅で振動しても、その速度を正確に検出できるようになっている。
Further, the length of the
また、図3に示されるように、コイル74の内周は磁性をもたない絶縁体75により覆われており、コイル74と磁石73とが直接接触しないようになっている。また、絶縁体75において、磁石73が挿通される空洞部の壁面75aは、磁石73の外周面と略同径の円筒面となっている。このため、磁石73は絶縁体75の壁面75aにガイドされて、その移動方向は一方向(図における左右方向)のみに規制される。
Further, as shown in FIG. 3, the inner periphery of the
本実施形態においては、除振装置1の制御部200(後述)が、速度センサ70によって検出された中間フレーム20の速度に基づいて上部フレーム駆動機構100のACサーボモータ110を制御するよう構成されている。次に、制御部200の構成について説明する。
In the present embodiment, the control unit 200 (described later) of the
図4は、本実施形態に係る除振装置1の制御システムの概略ブロック図である。図4に示されるように、速度センサ70、ACサーボモータ110、及び制御部200から構成される。また、制御部200は、コントローラ220、A/Dコンバータ240、及びサーボアンプ260を備えている。
FIG. 4 is a schematic block diagram of a control system of the
サーボアンプ260は、ACサーボモータ110に3相の交流電流を供給することによって、ACサーボモータ110の駆動軸112(図2)を任意の回転数で正逆両方向に回転させるものである。駆動軸112の回転数は、交流電流の周波数を変化させることによって制御される。また、図4に示されるように、ACサーボモータ110には、駆動軸112の回転数を検出するためのエンコーダ114が内蔵されている。エンコーダ114による回転数の検出結果は、サーボアンプ260に送られる。サーボアンプ260は、この検出結果に基づいてACサーボモータ110に送る交流電流の周波数を調整し、コントローラ220に指令された回転数で駆動軸112が回転するようACサーボモータ110を制御する(フィードバック制御)。
The
A/Dコンバータ240は、速度センサ70に接続されており、速度センサ70が検出した中間フレーム20の速度検出値をA/D変換してコントローラ220に送る。コントローラ220は、A/Dコンバータ240から得た速度検出値に基づいて回転数制御命令を作成し、これをサーボアンプ260に送る。なお、A/Dコンバータ240による速度信号のサンプリング及びコントローラ220による回転数制御命令は、好ましくは1kHz以上(より好ましくは2KHz以上)の高い繰り返しレートで行われる。
The A /
コントローラ220は、ベースフレーム10に対する中間フレーム20(図1)の速度と逆向きの同じ大きさの速度で、上部フレーム30(図1)が中間フレーム20に対して移動するように、サーボアンプ260に回転数制御命令を与える。具体的には、ベースフレーム10に対する中間フレーム20の移動速度V[m/s]及び送りねじ122(図1)のリードL[m]から、サーボアンプ260に送る回転数をR[rpm]は以下の数1によって求められる。
The
以上のようにコントローラ220がサーボアンプ260を制御しているときに、中間フレーム20がベースフレーム10に対して移動すると、中間フレーム20の移動方向とは反対方向に上部フレーム30が移動する。このため、中間フレーム20が振動しても、その振動と逆位相の振動が上部フレーム30に加えられ、結果として上部フレーム30はベースフレーム10に対して殆ど振動しない状態となる。このように、本実施形態に係る除振装置1は、中間フレーム20の装置奥行方向の振動が上部フレーム30に伝達されないようにすることが可能である。
As described above, when the
本実施形態に係る除振装置1においては、速度センサ70が計測した速度から演算される回転数によりACサーボモータ110の駆動軸112が回転するように制御されている。この制御は、速度センサ70の代わりに変位センサや加速度センサによって計測した計測値に基づいてACサーボモータ110の制御を行う場合、或いは、ACサーボモータ110の回転軸の角度や角加速度を制御する場合よりも、応答遅れなく(0.5ms以内)正確に上部フレーム30を移動させることができる。よって、特に中間フレーム20が数Hz以下の周波数で振動している場合には、上部フレーム30はベースフレーム10に対して実質的に振動しない状態となる。また、ばねとダンパから構成される緩和機構80によって中間フレーム20の高周波の振動は抑えられるため、低周波から高周波まで幅広い成分から構成されるランダム波形で中間フレーム20が加振されても、上部フレーム30はベースフレーム10に対して殆ど静止した状態を保つ。
In the
また、本実施形態に係る除振装置1は、前述のようにストローク長の長い速度センサ70を用いて中間フレーム20の速度を検出しているため、中間フレーム20が大振幅で振動しても、上部フレーム30はベースフレーム10に対して静止した状態を保つ。
Further, since the
本実施形態に係る除振装置1は、中間フレーム20のベースフレーム10に対する装置奥行方向の振動が上部フレーム30に伝わらないようにするものである。しかしながら、本発明の別の実施形態においては、例えば中間フレーム20を3軸方向に移動可能にして、各軸方向に対応する速度センサと上部フレーム駆動機構を設けることで、3軸の除振が実現する。すなわち、除振装置が、中間フレーム20の移動速度の装置奥行方向、幅方向及び上下方向成分の夫々を計測する速度センサと、上部フレーム30を装置奥行方向、幅方向及び上下方向夫々に移動させる駆動手段を備える構成とすることにより、中間フレーム20がベースフレーム10に対して任意の方向に振動したとしても、その振動が上部フレーム30に伝わらないようにすることができる。
The
このように、本実施形態に係る除振装置1は、上部フレーム30の振動を抑えるものである。このような除振装置は、半導体の製造装置等の精密加工装置や、オプティカルベンチ等の振動を防止するために利用することができる。また、本実施形態に係る除振装置は、基礎から建築物に振動が伝わらないようにする免震装置としても使用される。
As described above, the
なお、本実施形態に係る除振装置1の速度センサ70は、電磁誘導によって計測対象である中間フレーム20の速度を計測する動電型速度センサである。しかしながら、本発明の実施形態に適用可能なセンサは上記構成のものに限定されない。例えば、上記実施形態の速度センサは可動磁石73が計測基準(ベースフレーム10)に固定されるタイプのものであるが、可動磁石(または可動コイル)が固定されずに慣性力により自由に移動するタイプの周知の速度ピックアップを使用することができる。この場合、第1リニアガイド機構40及び緩和機構80を設けずに、ベースフレーム10と中間フレーム20を一体化させることもできる。但し、緩和機構80を省く場合には、振動の高周波成分が取り除かれるように上部フレーム駆動機構100を制御する必要があるため、A/Dコンバータ240による速度信号のサンプリング及びコントローラ220による回転数制御命令の繰り返しレートを、除振が必要な振動の最大周波数(好ましくは最大周波数の2倍)よりも高く設定する必要がある。あるいは、上部フレーム30の上に第1リニアガイド機構40及び緩和機構80を介して第3のフレームを設けて、上部フレーム駆動機構100によっては除去できない高周波数成分を緩和機構80により除去するようにしてもよい。
The
また、速度センサ70の代わりに、計測対象に音波や光を当てて、計測対象にて反射した超音波や光の周波数を計測し、この計測結果からドップラー効果に基づいて計測対象の速度を検出する速度センサを使用してもよい。
Further, instead of the
本発明の実施形態においては、高い除振性能を実現するために、正確な速度信号を連続的かつリアルタイムに(タイムラグ無く)取得して、取得した速度信号を高速に処理し、速やかに上部フレーム駆動機構の駆動信号を出力することが重要である。そのため、速度センサは、速度信号をリアルタイムに(すなわち低遅延で)出力することが求められる。また速度センサは、コントローラ220において複雑な信号変換や補正処理が不要な、リニアリティの高い速度信号を出力することが求められる。動電型速度センサは、本願発明の実施形態において要求されるこのような性能を極めて高い水準で満足する最適な速度センサの一つである。
In an embodiment of the present invention, in order to achieve high vibration isolation performance, an accurate speed signal is acquired continuously and in real time (with no time lag), the acquired speed signal is processed at high speed, and the upper frame is quickly It is important to output a drive signal of the drive mechanism. Therefore, the speed sensor is required to output a speed signal in real time (that is, with a low delay). The speed sensor is required to output a speed signal with high linearity that does not require complicated signal conversion and correction processing in the
(第2実施形態)
以上に説明した第1実施形態は、送りねじ機構をサーボモータにより駆動する構成の直動アクチュエータを採用したものであるが、本発明の実施形態に適用されるアクチュエータはこの構成に限定されない。次に説明する本発明の第2実施形態は、アクチュエータとしてボイスコイルモータを採用した動電型除振装置の一例である。以下の説明においては、第1実施形態と共通する構成要素については、同一の符号を使用する。(Second Embodiment)
Although the first embodiment described above employs a linear motion actuator configured to drive the feed screw mechanism by a servo motor, the actuator applied to the embodiment of the present invention is not limited to this configuration. A second embodiment of the present invention to be described next is an example of an electrodynamic vibration isolator that employs a voice coil motor as an actuator. In the following description, the same code | symbol is used about the component which is common in 1st Embodiment.
図5及び図6は、それぞれ本発明の第2実施形態に係る除振装置2の概略側面図及び概略上面図である。なお、以下に説明する上部フレーム駆動機構300及び制御部400を除く第2実施形態の構成(具体的にはベースフレーム10、中間フレーム20、第1リニアガイド機構40、第2リニアガイド機構50、速度センサ70、及び緩和機構80)は、第1実施形態のものと共通するため、詳しい説明は省略する。また、第1実施形態と共通する構成要素には、同一の符号を使用する。
5 and 6 are a schematic side view and a schematic top view of the vibration isolation device 2 according to the second embodiment of the present invention, respectively. The configuration of the second embodiment excluding the upper
図6に示されるように、中間フレーム20には、上部フレーム30を中間フレーム20に対して装置奥行方向に移動させる上部フレーム駆動機構300が設けられている。本実施形態に係る上部フレーム駆動機構300は、ボイスコイルモータによってロッド302を駆動する、いわゆる動電型アクチュエータである。
As shown in FIG. 6, the
次に、上部フレーム駆動機構300の詳細を説明する。上部フレーム駆動機構300は、ボディ320と、ボディ320に対して装置奥行方向に進退するよう駆動されるロッド302と、ボディ320を中間フレーム20の上面22に固定する固定ブロック310を備えている。固定ブロック310は図示されないボルトにより中間フレーム20に固定されている。
Next, details of the upper
図6に示されるように、ボディ320の装置幅方向両端には、上下方向に伸びる溝322aが形成されている。この溝322aの底面は、装置幅方向と直交する平面上に形成されている。また、固定ブロック310には、幅及び高さが溝322aの幅及び最大高さに夫々略等しい突出部312が形成されている。突出部312の頂面(装置幅方向に突出する突出部312の先端側の面)も装置幅方向と直交している。そのため、突出部312は溝322aにほとんど隙間無く嵌まり、溝322aの底面と突出部312の頂面とが当接するようになっている。このように突出部312が溝322aに嵌まり込んだ状態で固定用ボルトBにより上部フレーム駆動機構300を固定ブロック310に固定すると、溝322aと突出部312とが係合する。更にボルトBを締めつけることによって、広い面積を有する突出部312の頂面が略全面に亙って溝322aの底面を付勢するようになっている。そのため、集中荷重によって溝322aや固定ブロック310が大きく変形することはない。この結果、上部フレーム駆動機構300は固定ブロック310を介して中間フレーム20に強固に固定される。
As shown in FIG. 6,
次に、上部フレーム駆動機構300の構造について説明する。
Next, the structure of the upper
図7は、上部フレーム駆動機構300の上断面図である。上部フレーム駆動機構300は、筒状体322を有するボディ320と、このボディ320の筒内に収められた可動部330を備えている。可動部330は、円錐台形状の可動フレーム334と、可動フレーム334の上部フレーム30側の端部に固定されている天板332とを有している。可動フレーム334は、ボディ320の筒内に同軸に配置され、ボディ320に対して装置奥行方向に可動となっている。
FIG. 7 is a top sectional view of the upper
可動フレーム334の、天板332とは反対側の端部には、可動コイル保持部材336を介して可動コイル338が取り付けられている。可動コイル338は、可動フレーム334と略同軸に配置されている。
A
また、ボディ320の筒状体322の内部には、筒状体322と同軸に形成された円筒形状の内側磁極325が固定されている。内側磁極325の外径は、可動コイル338の内径よりも小さくなっており、可動コイル338は内側磁極325の外周面と筒状体322の内周面との間に配置される。
A cylindrical inner
筒状体322の内周面には、筒状体322の半径方向外側に向かって凹んだ凹部322bが複数設けられている。各凹部322bの内部には、筒状体322の半径方向を軸にして導線を巻き回して形成した固定コイル328が取り付けられている。ここで、筒状体322及び内側磁極325は共に強磁性体又はフェリ磁性体から形成されており、固定コイル328に直流電流を流すと、筒状体322の半径方向、すなわち可動コイル338の半径方向に磁界が発生するようになっている。
On the inner peripheral surface of the
この状態で可動コイル338に電流を流すと、可動コイル338の軸方向、すなわち装置奥行方向にローレンツ力が発生し、可動部330を装置奥行方向(図7における左右方向)に駆動することができる。
When a current is passed through the
また、内側磁極325の中には空気ばね324が設けられている。空気ばね324の一端(図7において右側)はボディ320に固定されている。また、空気ばね324の他端(図7において左側)からロッド302に向かって装置奥行方向に伸びる連結バー334aを介して、空気ばね324と可動フレーム334とが連結されている。可動コイル338に電流が流れていないときは、空気ばね324が可動フレーム334に加える装置奥行方向の荷重(引張又は圧縮荷重)によって、可動フレーム334が所定の位置で静止するようになっている。
An
図7に示されるように、連結バー334aは可動フレーム334の中を通って天板332付近に達しており、可動フレーム334の半径方向に伸びる複数本のはり334bを介して、可動フレーム334の内周面と連結バー334aとが連結している。
As shown in FIG. 7, the connecting bar 334 a passes through the
また、内側磁極325の内部空間には、連結バー334aを装置奥行方向のみに移動可能に支持する軸受326が固定されている。
A bearing 326 that supports the coupling bar 334a so as to be movable only in the depth direction of the apparatus is fixed in the inner space of the inner
本実施形態に係る除振装置2にも、ベースフレーム10に対する中間フレーム20の移動速度を計測するための速度センサ70が設けられている。除振装置2の制御部400(後述)は、速度センサ70によって検出された中間フレーム20の速度に基づいて上部フレーム駆動機構300を制御するよう構成されている。
The vibration isolator 2 according to the present embodiment is also provided with a
次に、制御部400の構成について説明する。図8は、上部フレーム駆動機構300及び制御部400から構成される制御システムのブロック図である。図8に示されるように、制御部400は、アンプ460と差分回路440を備えている。また、上部フレーム駆動機構300は、ロッド302(図5〜図7)の速度を検出する速度センサ340を備えている。速度センサ340は、ベースフレーム10と中間フレーム20の間に設けられた速度センサ70と同型のものである。
Next, the configuration of the
アンプ460は、速度センサ70が出力した中間フレーム20の速度を示す速度信号を増幅して駆動電流とし、上部フレーム駆動機構300の可動コイル338(図7)に送る。これによって、可動コイル338に駆動電流が流れることで、上部フレーム30は中間フレーム20に対して逆方向に移動する。差分回路440は、速度センサ70が検出した中間フレーム20の速度と、速度センサ340が検出した上部フレーム30の速度との差分をとり、この差分に基づいてアンプ460の増幅率を決定し、アンプ460を制御する。これにより、ベースフレーム10に対する中間フレーム20の速度の大きさと、中間フレーム20に対する上部フレームの速度の大きさが等しくなるように制御される。この制御により、中間フレーム20の移動を打ち消すように上部フレーム30が駆動され、即ち、中間フレーム20と逆方向に同じ速さで上部フレーム30を移動させることができる。その結果、上部フレーム30をベースフレーム10に対して静止させることができる。
The
本実施形態に係る除振装置2においては、動電型アクチュエータが上部フレーム駆動機構300として使用されている。動電型アクチュエータは、可動コイル338に入力される電流の大きさに比例した速度で上部フレーム30を移動させる。従って、速度センサ70が検出したアナログ出力をアンプ460により所定の増幅率で増幅させ、これをそのまま可動コイル338に入力させることにより、ベースフレーム10に対する中間フレーム20の速度と、中間フレーム20に対する上部フレームの速度が等しくなるよう制御することが可能である。本実施形態においては、制御部400をアンプ460及び差分回路440を含むアナログ回路のみで構成することが可能であり、A/Dコンバータやデジタルコントローラ等を必要としない。このため、中間フレーム20の移動に対する応答遅れは短くなり、除振装置2は高い応答性をもって上部フレーム30を移動させることができるようになっている。このため、特に中間フレーム20が数Hz以下の周波数で振動している場合には、上部フレーム30はベースフレーム10に対して実質的に振動しない状態となる。そして、本実施形態に係る除振装置2においては、ばね81とダンパ82によるサスペンション80(図5)によって中間フレーム20の高周波の振動は抑えられているため、低周波から高周波まで幅広い成分から構成されるランダム波形で中間フレーム20を加振したとしても、上部フレーム30はベースフレーム10に対して殆ど静止した状態を保つ。
In the vibration isolation device 2 according to the present embodiment, an electrodynamic actuator is used as the upper
また、上記実施形態においては、速度センサから出力されるアナログの速度信号が一旦デジタル信号に変換され、デジタル処理が行われる。しかしながら、速度センサの出力するアナログ信号を増幅したものを駆動電流として使用してもよい。除振性能を最大限に引き出すためには、アナログ回路のみで制御部を構成した方が、遅延が少なく有利である。 In the above embodiment, the analog speed signal output from the speed sensor is once converted into a digital signal, and digital processing is performed. However, an amplified analog signal output from the speed sensor may be used as the drive current. In order to maximize the vibration isolation performance, it is advantageous to configure the control unit with only an analog circuit with less delay.
(第3実施形態)
次に、アクチュエータとして電動油圧アクチュエータを採用した第3実施形態を説明する。以下の説明においても、第1実施形態と共通する構成要素については、同一の符号を使用し、また詳しい説明は省略する。(Third embodiment)
Next, a third embodiment in which an electrohydraulic actuator is employed as the actuator will be described. Also in the following description, the same code | symbol is used about the component which is common in 1st Embodiment, and detailed description is abbreviate | omitted.
図9及び10は、それぞれ本発明の第3実施形態に係る除振装置3の概略側面図及び概略上面図である。なお、以下に説明する上部フレーム駆動機構500及び制御部600を除く第3実施形態の構成要素(具体的には、ベースフレーム10、中間フレーム20、第1リニアガイド機構40、第2リニアガイド機構50、速度センサ70、及び緩和機構80)は、第1及び第2実施形態のものと実質的に共通するものであるため、詳しい説明は省略する。
9 and 10 are a schematic side view and a schematic top view of the vibration isolation device 3 according to the third embodiment of the present invention, respectively. In addition, the components of the third embodiment excluding the upper
本実施形態に係る除振装置3は、上部フレーム30を中間フレーム20に対して装置奥行方向に移動させるための上部フレーム駆動機構500を備えている。図9及び図10に示されるように、上部フレーム駆動機構500は、サーボユニットSが差動油を油圧シリンダユニット560に供給することにより、油圧シリンダユニット560のシリンダロッド561を装置奥行方向に移動させるものである。油圧シリンダユニット560とサーボユニットSは、配管541及び542を介してサーボユニットSに接続されている。また、油圧シリンダユニット560は、中間フレーム20に固定されている。図10に示されるように、上部フレーム30には、シリンダロッド561が連結されており、上部フレーム30はシリンダロッド561と一体になっている。従って、シリンダロッド561を駆動することにより、上部フレーム30を中間フレーム20に対して装置奥行方向に移動させることができる。
The vibration isolator 3 according to the present embodiment includes an upper
次に、上部フレーム駆動機構500の詳細を説明する。図11は、本実施形態に係る上部フレーム駆動機構500のブロック図である。図11に示されるように、本実施形態に係る上部フレーム駆動機構500のサーボユニットSはサーボアンプ660、電源680、ポンプユニット520、作動油タンク524及びアキュムレータ525を備えている。
Next, details of the upper
ポンプユニット520は、ポンプ本体523とサーボモータ521を備えている。サーボモータ521は、サーボアンプ660から出力される交流電流によって、駆動軸521aを正逆両方向へ回転駆動することができる。また、サーボモータ521は、駆動軸521aの回転数を精密に調整できるようになっている。なお、本実施形態においては、サーボモータ521には、高出力で高い繰り返しレートの反転駆動が可能な低慣性ACサーボモータが使用される。また、サーボアンプ660は、電源680から供給される電力に基づいて、所望の位相、振幅及び周期を持つ3相交流電流を生成し、これをサーボモータ521に供給している。
The
また、本実施形態においては、ポンプ本体523は、第1吸排口523aから第2吸排口523bへ、或いは第2吸排口523bから第1吸排口523aへ作動油を送ることが可能なピストンポンプである。そして、サーボモータ521によってポンプ本体523を駆動することにより、ポンプ本体523が供給する作動油の流量及び方向を変化させることができる。例えば、サーボモータ521を一定の周期で往復駆動させると、第1吸排口523aと第2吸排口523bとの間を流れる作動油の流量及び方向は周期的に変化する。
In this embodiment, the
油圧シリンダユニット560は、ピストンロッド561、スリーブ562、及びスリーブ562内で移動可能なピストン563を有している。ピストンロッド561は、ピストン563の一面からスリーブ562の外部に突出している。スリーブ562の内部空間は、ピストン563によって第1圧力室562aと第2圧力室562bに分けられている。第1圧力室562a及び第2圧力室562bには、作動油が封入されている。また、第1圧力室562a及び第2圧力室562bは夫々、配管541及び542を介してポンプ本体523の第1吸排口523a及び第2吸排口523bに接続されている。なお、配管541、542としては、上部フレーム30(図9、図10)を移動させる際に発生する作動油の圧力上昇(数10MPa程度)に耐えられる高圧ホースなどが使用される。
The
作動油タンク524は、逆止弁543、544を介して第1圧力室562a及び第2圧力室562bに接続されている。各逆止弁543、544は、それぞれ第1圧力室562a又は第2圧力室562bの内圧が作動油タンク524内の油圧(大気圧)よりも小さくなったときに開き、作動油タンク524から作動油を供給する。本実施形態においては、空の第1圧力室562a及び第2圧力室562bに作動油を充填する際に、逆止弁543、544が開いて作動油タンク524から各圧力室562a、562bに作動油が供給される。
The
具体的には、第1圧力室562a及び第2圧力室562bには、エア抜きのための図示されないバルブが設けられている。先ず、第1圧力室562aのバルブが開けられ、第2圧力室562bのバルブが閉じられ、次いで、第2吸排口523bから第1吸排口523aに作動油が送られるようポンプユニット520が制御されると、第2圧力室562b及び配管542内のエアが配管541を介して第1圧力室562aのバルブから押し出される。そして、第2圧力室562bの圧力が大気圧未満に低下するので、逆止弁544が開いて作動油タンク524から作動油が配管542、541を介して第1圧力室562aに充填される。
Specifically, the
作動油が第1圧力室562aに充填された後、第1圧力室562aのバルブが閉じられ、第2圧力室562bのバルブが開けられ、第1吸排口523aから第2吸排口523bに作動油が送られるようポンプユニット520が制御されると、第2圧力室562b及び配管542内のエアが第2圧力室562bのバルブから押し出される。また、ピストン563がロッド側(図11において左側)に移動して第1圧力室562a側に充填されている作動油が配管541に押し出される。ピストン563が上死点まで移動すると、第1圧力室562a及び配管541内の作動油の圧力が大気圧未満となり、逆止弁543が開いて作動油が作動油タンク524から第2圧力室562bに移動する。第2圧力室562bに作動油が充填されると、第2圧力室562bのバルブが閉じられる。以上の工程によって、第1圧力室562a、第2圧力室562b及び配管541及び542に作動油が充填される。
After the hydraulic oil is filled in the
次に、上部フレーム駆動機構500が、上部フレーム30(図9、10)を移動させるための機構について以下に説明する。上部フレームを図9及び図10における左側へ移動させる際は、作動油が第1吸排口523aから第2吸排口523bに移動するようにポンプユニット520が駆動される。すると、作動油が配管542を介して第2圧力室562bに供給され、ピストン563が第1圧力室562a側に押し込まれ、ピストンロッド561及び上部フレーム30が図9において左側へ移動する。第1圧力室562a内の作動油は、ピストン563の移動に伴って配管541を介してポンプユニット520に移動し、ポンプユニット520から配管542を介して第2圧力室562bへ送られる。
Next, a mechanism for the upper
上部フレーム30を図9における右側に移動させる際は、ポンプユニット520は、作動油が第2吸排口523bから第1吸排口523aへ移動するように駆動される。すると、作動油が配管541を介して第1圧力室562aに供給され、ピストン563が第2圧力室562b側に押し込まれ、ピストンロッド561及び上部フレーム30が図9中右側に移動する。第2圧力室562b内の作動油は、ピストン563の移動に伴って配管542を介してポンプユニット520に移動し、ポンプユニット520から配管541を介して第1圧力室562aに送られる。
When the
このように、本実施形態に係る上部フレーム駆動機構500は、正逆両方向に駆動可能なポンプユニット520によって作動油を油圧シリンダユニット560の第1圧力室562a又は第2圧力室562bに供給することにより、上部フレーム30(図9、10)を移動させるようになっている。
As described above, the upper
さらに、本実施形態に係るサーボユニットSは、配管541と542とをバイパスするバイパス管545と、バイパス管545の中途に設けられたアキュムレータ525を備えている。アキュムレータ525は、その内部に所定の圧力の窒素ガス等のガス層が形成されている圧力容器であり、配管541及び542を介して油圧シリンダユニット560の第1圧力室562a及び第2圧力室562bを加圧する。
Furthermore, the servo unit S according to the present embodiment includes a
バイパス管545及びアキュムレータ525が無い場合には、ポンプユニット520により作動油が吸引される側の配管内の圧力は、作動油が供給される側の配管の圧力と比較すると極めて低い大きさとなる。また、作動油は圧縮性を有しているため、作動油により駆動力を伝達するためには作動油を加圧して一定の密度まで圧縮する必要がある。そのため、ポンプユニット520の駆動方向が切り換わった直後は、作動油が供給される側の配管及び圧力室の圧力をこの低い圧力からピストン563を駆動する高圧(10〜数10MPa)まで上昇させるのに、数10ミリ秒程度の時間を要する。すなわち、圧縮による作動油の体積減少分を補う追加の作動油がポンプユニット520から供給されるまでの数10ミリ秒の間、作動油はピストン563へ十分な駆動力を加えることができない。この時間は、上部フレーム30が移動しないタイムラグとなる。
When the
本実施形態に係る振動試験装置3においては、ポンプユニット520により作動油が吸引される側の配管及び圧力室の圧力が常にピストン563の駆動に必要な高圧に維持されるよう、アキュムレータ525により各圧力室及び配管の加圧が行われている。このため、上部フレーム30の移動方向が切り換わった直後であっても、作動油が供給される側の配管及び圧力室の圧力はピストン563の駆動に十分な高さに保たれている。このため、上述のようにアキュムレータ525が無い構成において発生していたタイムラグが殆ど発生せず、サーボアンプ660が出力する交流電流に対して高い応答性をもって上部フレーム30を移動させることができる。なお、タイムラグをできる限り小さくするため、アキュムレータ525のガス層の圧力、すなわちアキュムレータ525が作動油に加える圧力の大きさは、ピストン563の移動に必要な最低圧力よりも大きくなるよう設定されている。また、バイパス管545には、高圧ホースや金属パイプなど、アキュムレータ525が作動油に加える圧力に十分耐えられ、圧力変動によっても容積がほとんど変動しないものが使用される。
In the vibration test apparatus 3 according to the present embodiment, each
本実施形態に係る除振装置3にも、ベースフレーム10に対する中間フレーム20の移動速度を計測するための速度センサ70が設けられている。本実施形態においては、除振装置3の制御部600(後述)が、速度センサ70が出力する中間フレーム20の速度を示す信号に基づいて、上部フレーム駆動機構500のサーボコントローラ660を制御するよう構成されている。
The vibration isolator 3 according to the present embodiment is also provided with a
次に、制御部600の構成について説明する。図12は、本実施形態に係る除振装置3の制御システムの概略ブロック図である。除振装置3の制御システムは、速度センサ70、サーボモータ521及び制御部600から構成されている。図12に示されるように、制御部600は、コントローラ620、A/Dコンバータ640、及びサーボアンプ660を備えている。
Next, the configuration of the
前述のように、サーボアンプ660はサーボモータ521に3相の交流電流を供給することによって、サーボモータ521の駆動軸521aを任意の回転速度で正逆方向に回転させるものである。駆動軸521aの回転速度は、交流電流の周波数を変化させることによって制御される。また、図12に示されるように、サーボモータ521には、駆動軸521aの回転数を検出するためのエンコーダ522が内蔵されている。エンコーダ522による回転速度の検出結果は、サーボアンプ660に送られる。サーボアンプ660は、この検出結果に基づいてサーボモータ521に送る交流電流の周波数を調整し、所望の回転速度で駆動軸521aが回転するようサーボモータ521を制御する(フィードバック制御)。
As described above, the
A/Dコンバータ640は、速度センサ70に接続されており、速度センサ70が出力した中間フレーム20の速度を示す速度信号をA/D変換してコントローラ620に送る。コントローラ620は、A/Dコンバータ640から得た速度信号に基づいて回転速度制御命令を作成し、これをサーボアンプ660に送る。
The A /
コントローラ620は、ベースフレーム10に対する中間フレーム20(図9)の速度と逆向きの同じ大きさの速度で上部フレーム30(図9)が中間フレーム20に対して移動するような回転速度制御命令を生成して、サーボアンプ103に与える。具体的には、サーボアンプ660に送る回転速度R[rpm]は次の数1によって求められる。ここで、V[m/s]はベースフレーム10に対する中間フレーム20の移動速度であり、F[m3]はサーボモータ521の駆動軸521を一回転させるために必要な作動油の供給量であり、A[m2]はスリーブ562(図11)の断面積である。The
以上のようにコントローラ620がサーボアンプ660を制御しているとき、中間フレーム20がベースフレーム10に対して移動すると、中間フレーム20の移動方向とは反対方向に上部フレーム30が移動する。このため、中間フレーム20が振動しても、その振動と逆位相の振動が上部フレーム30に加えられ、結果として上部フレーム30はベースフレーム10に対して殆ど振動しない状態となる。このように、本実施形態の除振装置3は、中間フレーム20の装置奥行方向の振動が上部フレーム30に伝達されないようにすることができる。
As described above, when the
本実施形態に係る除振装置3は、速度センサ70が出力した速度信号から演算される回転速度により、サーボモータ521の駆動軸521aが回転するよう制御されている。この制御は、速度センサ70の代わりに変位センサや加速度センサによって計測した計測値に基づいてサーボモータ521の制御を行う場合、或いは、サーボモータ521の駆動軸521aの角度や角加速度を制御する場合よりも、応答遅れなく(0.5ms以内)正確に上部フレーム30を駆動することを可能にする。従って、特に中間フレーム20が数Hz以下の周波数で振動している場合には、上部フレーム30はベースフレーム10に対して実質的に振動しない状態となる。また、ばね81とダンパ82から構成される緩和機構80(図9)によって中間フレーム20の高周波の振動は抑えられるため、低周波から高周波まで幅広い成分から構成されるランダム波形で中間フレーム20が加振されても、上部フレーム30はベースフレーム10に対して実質的に静止した状態を保つ。
The vibration isolator 3 according to the present embodiment is controlled such that the
また、中間フレーム20を直交3軸方向及びこの3軸を中心とする回転方向に移動可能とし、中間フレーム20の各可動方向に対応する速度センサを設けた構成にしても良い。具体的には、中間フレーム20の装置奥行方向、幅方向及び上下方向の各速度成分を計測する速度センサと、中間フレーム20の装置奥行方向周り、幅方向周り及び上下方向周りの角速度を計測する角速度センサと、装置奥行方向、幅方向、上下方向、奥行方向周り、幅方向周り及び上下方向周りの各方向に上部フレーム30を駆動する駆動手段を備えた構成とすることができる。このような構成により、中間フレーム20がベースフレーム10に対して任意の方向に振動しても、その振動が上部フレーム30に伝わらないようにすることができる。
Further, the
なお、本実施形態に係る除振装置1は、振動を速度センサ70によって検出しているが、速度センサの代わりに加速度センサや変位センサを用いて振動を検出する構成としてもよい。ただし、前述のように、速度センサ70によって振動を検出する構成とすると、除振装置は高い応答性をもって上部フレーム30を振動させることができる。
In addition, although the
Claims (11)
前記ベースフレームに対する前記第1フレームの速度を計測して、計測した速度を示す速度信号を出力する速度センサと、
前記速度信号に基づいて、前記第2フレームを前記第1フレームに対して駆動するアクチュエータと
を更に備え、
前記アクチュエータは、前記第1フレームの速度と同じ大きさの逆向きの速度で前記第2フレームを駆動することを特徴とする除振装置。A vibration isolator comprising a base frame, a first frame movably supported by the base frame, and a second frame movably supported by the first frame so that vibrations of the first frame are not transmitted. Because
A speed sensor that measures the speed of the first frame relative to the base frame and outputs a speed signal indicating the measured speed;
An actuator for driving the second frame relative to the first frame based on the speed signal;
The vibration isolation device according to claim 1, wherein the actuator drives the second frame at a reverse speed having the same magnitude as the speed of the first frame.
前記シリンダ部と、
前記シリンダ部の内周面に設けられたコイル部と、
軸方向の一端にS極が、他端にN極が形成され、前記シリンダ部の内周面に沿って移動可能な円柱形状の磁石と、
前記磁石の一端から前記シリンダ部の外部に突出するシャフト部とを備え、
前記シリンダ部と前記シャフト部の一方が前記第1フレームに固定され、他方がと前記第1フレームの速度の測定基準に固定されており
前記コイル部は、
前記シリンダ部の一端側に設けられ、前記磁石の一方の極を収容する第1コイルと、
前記シリンダ部の他端側に設けられ、前記磁石の他方の極を収容する第2コイルと、を備え、
前記第1コイルと前記第2コイルは、前記シリンダ内を前記磁石が移動したときに同極性の電圧を発生するように直列に接続されている、ことを特徴とする請求項9に記載の除振装置。The electrodynamic speed sensor is
The cylinder part;
A coil portion provided on an inner peripheral surface of the cylinder portion;
A cylindrical magnet having an S pole at one end in the axial direction and an N pole at the other end, movable along the inner peripheral surface of the cylinder portion;
A shaft portion protruding from the one end of the magnet to the outside of the cylinder portion,
One of the cylinder part and the shaft part is fixed to the first frame, and the other is fixed to a measurement standard for the speed of the first frame.
A first coil provided on one end side of the cylinder portion and accommodating one pole of the magnet;
A second coil provided on the other end side of the cylinder portion and accommodating the other pole of the magnet,
10. The removal according to claim 9, wherein the first coil and the second coil are connected in series so as to generate a voltage having the same polarity when the magnet moves in the cylinder. Shaker.
前記動電型アクチュエータは、前記速度信号を増幅した駆動電流により駆動されることを特徴とする請求項9から11のいずれか一項に記載の除振装置。The actuator is an electrodynamic actuator that moves the second frame relative to the first frame by a voice coil motor;
The vibration isolation device according to any one of claims 9 to 11, wherein the electrodynamic actuator is driven by a drive current obtained by amplifying the speed signal.
前記アンプの出力が前記動電型アクチュエータの可動コイルに接続されている
ことを特徴とする請求項14に記載の除振装置。An amplifier that amplifies the speed signal output from the first speed sensor and outputs a drive current;
The vibration isolator according to claim 14, wherein an output of the amplifier is connected to a movable coil of the electrodynamic actuator.
前記制御手段は、前記第1の速度センサによる速度計測結果と前記第2の速度センサによる速度計測結果とを比較することによって、前記アンプの増幅率を決定する
ことを特徴とする請求項15に記載の除振装置。A second speed sensor for measuring a speed of the second frame relative to the first frame;
The said control means determines the amplification factor of the said amplifier by comparing the speed measurement result by the said 1st speed sensor, and the speed measurement result by the said 2nd speed sensor. The vibration isolator as described.
第1吸排口と第2吸排口との間で作動油を正逆両方向に供給可能なポンプと、
前記ポンプを駆動するサーボモータと、
ピストンと、該ピストンによって内部空間が第1の圧力室と第2の圧力室に区切られ且つ前記第1フレーム或いは第2フレームのいずれか一方に固定されたスリーブと、該ピストンに連結されると共に先端が該スリーブの外部に突出して前記前記第1フレーム或いは第2フレームのいずれか他方に連結されるピストンロッドとを備えた油圧シリンダユニットと、
前記第1及び第2の圧力室を、夫々前記第1及び第2の吸排口に接続する配管と、
前記配管同士を連通させるバイパス管と、
前記バイパス管の中途に設けられ、前記第1及び第2の圧力室に所定の圧力を加えるアキュムレータと
を備えた電動油圧アクチュエータであることを特徴とする請求項9から11のいずれか一項に記載の除振装置。The actuator is
A pump capable of supplying hydraulic oil in both forward and reverse directions between the first suction port and the second suction port;
A servo motor for driving the pump;
A piston, a sleeve whose internal space is divided into a first pressure chamber and a second pressure chamber by the piston and fixed to either the first frame or the second frame, and a piston connected to the piston A hydraulic cylinder unit including a piston rod having a tip protruding outside the sleeve and connected to the other of the first frame and the second frame;
Piping connecting the first and second pressure chambers to the first and second inlets and outlets, respectively;
A bypass pipe for communicating the pipes;
The electrohydraulic actuator provided with an accumulator that is provided in the middle of the bypass pipe and applies a predetermined pressure to the first and second pressure chambers. The vibration isolator as described.
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