JPH1037523A - 可動部支持ユニット、それを用いた水平二方向可動装置及びその駆動制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】装置全体の大きさをコンパクト化するととも
に、水平二方向の動特性をほぼ等しくすることができる
可動部支持ユニット及びそれを用いた水平二方向可動装
置を提供する 【解決手段】互いに直交する水平二方向の相対直線運動
を案内するための２つのリニア軸受２、３と、リニア軸
受２、３に一体に設けられ、一方のリニア軸受３に相対
直線運動を生じさせる推力を伝達するための推力伝達機
構４とを有する４基の可動部支持ユニット１Ｘ、１Ｘ、
１Ｙ、１Ｙをベース１１上に４基配置し、各可動部支持
ユニット全体に亘って可動テーブル１０を支持し、可動
部支持ユニットの推力伝達機構４に可動部材にＸ、Ｙ軸
方向の推力を与えるためのアクチュエータ１４、１５、
１８、１９を、各方向について２台ずつそれぞれ連結す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、可動部支持ユニ
ット及びそれを用いた水平二方向可動装置に関し、さら
に詳細には、アクティブ・マス・ダンパ等の慣性力制御
型制振装置や、振動台、起振器等に適用される技術に関
する。

【０００２】

【従来の技術】近年、高層建築物や、いわゆるペンシル
ビルのような構造物においては、構造物の上部に設置し
たマスに働く慣性力を利用して、地震、風等の外乱によ
る振動を制御する制振装置、例えばアクティブ・マス・
ダンパに代表される慣性力制御型制振装置が提案され、
実施されている。

【０００３】従来、このような制振装置や、その他振動
台、起振器等に適用される振動発生装置として、可動テ
ーブルを上下２段の可動部によって構成し、ＡＣサーボ
モータ等のアクチュエータの駆動により、水平二方向す
なわち例えば上段可動部をＸ軸方向、下段可動部をＹ軸
方向に加力するものが知られている。しかし、従来の装
置では、可動テーブルが前記のように２段構造となって
いることから、装置自体の外形が大きなものとなり、ま
た、Ｘ、Ｙ各軸方向に関する可動部質量、摩擦抵抗力等
の動特性が異なるため、駆動を制御する際、その違いを
考慮する必要があった。

【０００４】さらに、従来の装置では、可動テーブルを
Ｘ、Ｙ各軸方向に関し、各１台のアクチュエータで加力
する構成が採用されている。これは、一般にはアクチュ
エータの駆動制御方式として、速度／変位制御方式が採
用され、この場合１つの自由度に関して可動テーブルを
複数のアクチュエータで加力しようとすると、装置の機
械的性質やセンサ誤差の影響により、アクチュエータ間
に相互作用（競り合い）が発生し、正常な駆動が困難と
なるからである。

【０００５】しかし、このような駆動方式では、図８に
示すように、例えば、可動テーブルの上段可動部５０が
Ｘ軸方向に移動した状態で、下段可動部を加力すること
により上段可動部５０をＹ軸方向に移動させようとする
と、上段及び下段を含めた可動部全体の重心ＧはＧ´に
移動しているため、重心位置と推力ＦYの作用点との間
でＸ軸方向にΔＸだけの変位が生じ、水平面内のねじり
モーメントＭが発生する。

【０００６】このため、ガイドベアリングには、装置可
動部の積載荷重による鉛直荷重の他に、水平面内のねじ
りモーメントを受けるため水平荷重も作用することとな
り、その結果、ベアリング等の選定に際し、大きなサイ
ズのものが必要となり、製作コストが高くならざるを得
なかった。さらに、水平面内のねじりモーメントにより
ベアリングに作用する水平荷重は、その大きさや変動が
装置の運動状態に依存して大きくなるなるため、設計時
における装置寿命の推定などに困難があった。

【０００７】また、水平面内のねじりモーメントが発生
すると、ベアリングに作用する荷重が変化するため、摩
擦抵抗力が変化し、制御性能にも影響を及ぼすという問
題も生じていた。しかも、この影響は装置の平面的な大
きさに対する装置の有効ストロークの比が大きいほど、
すなわちコンパクトな装置で大ストロークを実現しよう
とするほど顕著になり、機構設計における大きな問題点
となっていた。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】この発明は上記のよう
な技術的背景に基づいてなされたものであって、次の目
的を達成するものである。

【０００９】この発明の目的は、装置全体の大きさをコ
ンパクト化できる可動部支持ユニット及びそれを用いた
水平二方向可動装置を提供することにある。

【００１０】この発明の別の目的は、水平二方向の動特
性をほぼ等しくすることができる可動部支持ユニット及
びそれを用いた水平二方向可動装置を提供することにあ
る。

【００１１】この発明のさらに別の目的は、装置の可動
部に発生するねじりモーメントを消去することにより、
べアリングに作用する負荷を小さくし、製作コストの低
減、装置寿命の長期化を図り、また制御性能にすぐれた
水平二方向可動装置の駆動制御方法を提供することにあ
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】この発明は上記課題を達
成するために、次のような手段を採用している。

【００１３】すなわちこの発明は、互いに直交する水平
二方向の相対直線運動を案内するためのリニア軸受と、
前記リニア軸受に一体に設けられ、一方向に相対直線運
動を生じさせる推力を伝達するための推力伝達機構とを
備えてなることを特徴とする可動部支持ユニットにあ
る。

【００１４】またこの発明は、前記推力伝達機構がボー
ルナットと、このボールナットに螺着されたボールねじ
とを含むことを特徴とする可動部支持ユニットにある。

【００１５】さらにこの発明はベースと、互いに直交す
る水平二方向の相対直線運動を案内するためのリニア軸
受と、前記リニア軸受に一体に設けられ、一方向に相対
直線運動を生じさせる推力を伝達するための推力伝達機
構とを有する４基の可動部支持ユニットであって、これ
らの可動部支持ユニットのうち、２基の前記可動部支持
ユニットは前記推力伝達機構が水平な第１の方向の推力
を伝達するように、前記ベース上に互いに間隔を置いて
配置され、他の２基の前記可動部支持ユニットは前記推
力伝達機構が第１の方向と直交する水平な第２の方向の
推力を伝達するように、互いに間隔を置いて前記ベース
上に配置されてなる可動部支持ユニットと、前記各可動
部支持ユニット全体に亘って支持された可動部材と、前
記各可動部支持ユニットの前記推力伝達機構にそれぞれ
連結され、前記可動部材に前記第１及び第２の方向の推
力を与えるための、各方向について２台ずつ設けられた
アクチュエータとを備えてなることを特徴とする水平二
方向可動装置にある。

【００１６】さらにこの発明は、前記推力伝達機構がボ
ールナットと、このボールナットに螺着されたボールね
じとを含み、前記アクチュエータがサーボモータである
ことを特徴とする水平二方向可動装置にある。

【００１７】さらにこの発明は、前記水平二方向可動装
置の駆動制御方法であって、前記可動部材に与える第１
及び第２の方向の必要全推力と、前記可動部材の前記第
１及び第２の方向の変位とから、前記可動部材の重心回
りの水平面内のねじりモーメントの和が零となるような
２つの分配推力を演算し、この分配推力を発生するよう
に前記第１及び第２の方向の各２台のアクチュエータの
駆動を制御することを特徴とする駆動制御方法にある。

【００１８】さらにこの発明は、前記水平二方向可動装
置の駆動制御方法であって、前記可動部材に与える第１
及び第２の方向の必要全推力と、前記可動部材の前記第
１及び第２の方向の変位とから、前記可動部材の重心回
りの水平面内のねじりモーメントの和が零となるような
２つの分配推力を演算し、この分配推力を発生するよう
に前記第１及び第２の方向の各２台のサーボモータのト
ルクを制御することを特徴とする駆動制御方法にある。

【００１９】この発明の可動部支持ユニット及び水平二
方向可動装置によれば、可動部支持ユニットが水平二方
向の直線運動案内作用をするとともに、一方向の推力伝
達機構を備えているので、このような可動支持ユニット
を第１及び第２の方向についてそれぞれ二基ずつ配置す
ることにより、可動部材を一段構成とすることが可能と
なる。したがって、装置全体の大きさが特に高さ方向に
関してコンパクト化し、また水平二方向の可動部質量、
摩擦抵抗力等の動特性がほぼ等しくなる。

【００２０】また、この発明の駆動制御方法によれば、
第１及び第２の方向について各２台のアクチュエータで
可動部材に推力を与え、その際、第１及び第２の方向の
変位に応じて、可動部材の重心回りの水平面内のねじり
モーメントの和が零となるように全推力を２つに分配し
て可動部材に与えるので、可動部に発生するねじりモー
メントが消去され、ベアリングに作用する負荷が小さく
なる。

【００２１】

【発明の実施の形態】この発明の実施の形態を図面を用
いて以下に説明する。図１は、この発明による可動部支
持ユニットを示す斜視図である。可動部支持ユニット１
は、上側リニア軸受２及び下側リニア軸受３からなるリ
ニア軸受と、推力伝達機構４とを備えている。上側リニ
ア軸受２及び下側リニア軸受３は互いに直交する水平二
方向の相対直線運動を案内するためのものであり、それ
ぞれ上側ガイドレール２ａ及び下側ガイドレール３ａ
と、各ガイドレール２ａ、３ａが装着される溝形の上側
ガイドレール受け２ｂ及び下側ガイドレール受け３ｂと
を有してる。

【００２２】上側ガイドレール受け２ｂ及び下側ガイド
レール受け３ｂには、それぞれ上向き及び下向きの案内
面２ｃ、２ｄが形成され（図２参照）、上側ガイドレー
ル２ａ及び下側ガイドレール３ａは各案内面２ｃ、２ｄ
に転動体保持器５を介して相対直線運動自在に装着され
ている。

【００２３】推力伝達機構４は上側ガイドレール受け２
ｂ及び下側ガイドレール受け３ｂ間に固定されたボール
ナット６と、このボールナット６に螺着されたボールね
じ７とからなっている。ボールねじ７は下側リニア軸受
３と同方向に延び、したがって推力伝達機構４はボール
ねじ７の回転により下側リニア軸受３に相対直線運動を
生じさせる。

【００２４】図３は上述の可動部支持ユニットを用いた
水平二方向可動装置の全体を示す斜視図、図４は可動テ
ーブルを除去した状態の平面図、図５は側面図である。

【００２５】可動部支持ユニット１は４基用いられ、そ
のうちの２基が可動部材である可動テーブル１０をＸ軸
方向（第１の方向）に駆動するためのものであり、他の
２基が可動テーブル１０をＸ軸方向と直交するＹ軸方向
（第２の方向）に駆動するためのものであり、それぞれ
符号に添字Ｘ、Ｙを付してある。

【００２６】Ｘ軸方向駆動用の可動部支持ユニット１
Ｘ、１Ｘは、それらの下側リニア軸受３がＸ軸方向に沿
って互いに平行となるように、すなわち推力伝達機構４
がＸ軸方向の推力を伝達するように互いに間隔を置いて
ベースである基礎フレーム１１上に配置され、下側ガイ
ドレール３ａが基礎フレーム１１に固定されている。可
動部支持ユニット１Ｘ、１Ｘのボールねじ７、７の両端
は軸受ブラケット１２によって支持され、これらのボー
ルねじ７、７の一端にはカップリング１３を介して第
１、第２のＸ軸サーボモータ１４、１５が連結されてい
る。

【００２７】同様に、Ｙ軸方向駆動用の可動部支持ユニ
ット１Ｙ、１Ｙも、それらの下側リニア軸受３がＹ軸方
向に沿って互いに平行となるように、すなわち推力伝達
機構４がＹ軸方向の推力を伝達するように互いに間隔を
置いて基礎フレーム１１上に配置され、下側ガイドレー
ル３ａが基礎フレーム１１に固定されている。可動部支
持ユニット１Ｙ、１Ｙのボールねじ７、７の両端は軸受
１６によって支持され、これらのボールねじ７、７の一
端にはカップリング１７を介して第１、第２のＹ軸サー
ボモータ１８、１９が連結されている。可動テーブル１
０のアクチュエータである第１、第２のＸ軸サーボモー
タ１４、１５及び第１、第２のＹ軸サーボモータ１８、
１９は、Ｘ、Ｙ各軸方向に関してそれぞれ対角位置に配
置され、これらのサーボモータ１４、１５、１８、１９
はこの実施の形態ではＡＣサーボモータが用いられてい
る。

【００２８】可動テーブル１０は可動部支持ユニット１
Ｘ、１Ｘ、１Ｙ、１Ｙ全体に亘ってそれらの上側ガイド
レール２ａに固定され、支持されている。可動テーブル
１０はＸ軸サーボモータ１４、１５及びＹ軸サーボモー
タ１８、１９の駆動により、可動部支持ユニット１Ｘ、
１Ｘ、１Ｙ、１Ｙを介して推力を与えられ、Ｘ、Ｙ軸方
向に運動する。すなわち、Ｘ軸サーボモータ１４、１５
が駆動されると、可動部支持ユニット１Ｘ、１Ｘの各ボ
ールねじ７が回転し、下側リニア軸受３にＸ軸方向の相
対直線運動が生じる。これにより、可動テーブル１０が
Ｘ軸方向に直線運動し、その際、可動部支持ユニット１
Ｙ、１Ｙに関しては、上側リニア軸受２にＸ軸方向の相
対直線運動が生じる。

【００２９】同様に、Ｙ軸サーボモータ１８、１９が駆
動されると、可動部支持ユニット１Ｙ、１Ｙの各ボール
ねじ７が回転し、下側リニア軸受３にＹ軸方向の相対直
線運動が生じる。これにより、可動テーブル１０がＹ軸
方向に直線運動し、その際、可動部支持ユニット１Ｘ、
１Ｘに関しては、上側リニア軸受２にＹ軸方向の相対直
線運動が生じる。

【００３０】図６は上記水平二方向可動装置の駆動制御
方法を説明するためのブロック図である。制御手段２０
はフィードバック制御コントローラ２１と、分配推力演
算回路２２とを備えている。水平二方向可動装置が例え
ば、制振装置として使用される場合、フィードバック制
御コントローラ２１は、建物の揺れに応じて設定される
制御目標値と、加速度検出器等により検出されてフィー
ドバックされる可動テーブル１０の運動状態量との偏差
に基づき、Ｘ軸方向の全推力ＦX及びＹ軸方向の全推力
ＦYを算出し、各軸方向の全推力指令を出力する。これ
らの全推力指令は分配推力演算回路２２に入力される。

【００３１】分配推力演算回路２２は、Ｘ軸方向演算器
２３と、Ｙ軸方向演算器２４とからなっている。可動テ
ーブル１０にはＸ軸方向変位検出器２５と、Ｙ軸方向変
位検出器２６とが設けられている。変位検出器２５、２
６の検出値ΔＸ、ΔＹは、それぞれＹ軸方向演算器２４
及びＸ軸方向演算器２３に入力される。各演算器２３、
２４は全推力ＦX、ＦYと変位ΔＸ、ΔＹとから、可動部
材１０の重心回りのねじりモーメントの和が零となるよ
うな、２つの分配推力をＸ軸方向及びＹ軸方向について
演算する。

【００３２】ここで、分配推力の演算方法を図７を参照
して説明する。装置中心と可動テーブル１０の重心Ｇが
一致した状態での、重心Ｇを原点とするＸ、Ｙ座標を考
える。可動テーブル１０がＸ軸方向にΔＸ変位し、重心
がＧ´に移動した状態で、可動テーブル１０にＹ軸方向
の全推力ＦYを与える場合、同方向の分配推力ｆY1、ｆY
2は、次の条件式（１）、（２）により演算される。

【００３３】 ｆY1＋ｆY2＝ＦY （１） （ΔＸ−Ｌ）・ｆY2＋（ΔＸ＋Ｌ）・ｆY1＝０ （２） 同様に、可動テーブル１０がＹ軸方向にΔＹ変位した状
態で、可動テーブル１０にＸ軸方向の全推力ＦXを与え
る場合、同方向の分配推力ｆX1、ｆX2は、次の条件式
（３）、（４）により演算される。

【００３４】 ｆX1＋ｆX2＝ＦX （３） （ΔＹ−Ｌ）・ｆX2＋（ΔＹ＋Ｌ）・ｆX1＝０ （４） 上記各式において、ＬはＸ軸サーボモータ１４、１５及
びＹ軸サーボモータ１８、１９の作用点のＸ、Ｙ座標原
点からのＸ、Ｙ軸方向距離である。

【００３５】Ｘ軸方向演算器２３及びＹ軸方向演算器２
４は、それぞれ分配推力ｆX1、ｆX2及び分配推力ｆY1、
ｆY2に応じた分配推力指令を第１、第２Ｘ軸サーボモー
タ１４、１５及び第１、第２Ｙ軸サーボモータ１８、１
９に与え、可動テーブル１０を加力する。この場合、各
分配推力指令は各サーボモータにトルク指令として与え
られ、各サーボモータの駆動トルクが制御される。

【００３６】このように、可動テーブル１０には条件式
（１）、（２）、（３）、（４）を満足するような分配
推力が与えられるので、可動テーブル１０に発生する水
平面内のねじりモーメントが消去される。

【００３７】この発明の装置は制振装置、振動台、起振
器等の振動発生装置に限らず、可動部材を水平二方向に
加力するものであれば、他の装置にも適用できる。ま
た、上記実施の形態は単なる例示にすぎず、この発明は
種々の改変が可能である。例えば、アクチュエータとし
てはＡＣサーボモータに限らず、ＤＣサーボモータを用
いてもよく、さらにサーボモータ以外の流体圧シリンダ
等他のアクチュエータを用いてもよい。

【００３８】

【発明の効果】以上のようにこの発明によれば、装置全
体の大きさが特に高さ方向に関してコンパクト化し、ま
た水平二方向の可動部質量、摩擦抵抗力等の動特性をほ
ぼ等しくすることが可能となり、駆動二方向の動特性の
違いを考慮する必要のないシステムを実現することがで
きる。

【００３９】また、装置の可動部に発生するねじりモー
メントが消去されるので、リニア軸受に作用する負荷が
小さくなり、製作コストの低減、装置寿命の長期化を図
ることができ、また制御性能にすぐれたものとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１はこの発明による可動部支持ユニットの実
施の形態を示す斜視図である。

【図２】図２は同支持ユニットのガイドレール等を除去
した状態の斜視図である。

【図３】図３はこの発明による水平二方向可動装置の実
施の形態を示す斜視図である。

【図４】図４は同装置の可動テーブルを除去した状態の
平面図である。

【図５】図５は同装置の側面図である。

【図６】図５はこの発明による駆動制御方法を説明する
ためのブロック図である。

【図７】図７は分配推力の演算方法を説明するための図
である。

【図８】図８は従来の装置において発生するねじりモー
メントを説明するための図である。

【符号の説明】

１…可動部支持ユニット ２…上側リニア軸受 ２ａ…上側リニアガイドレール ２ｂ…上側リニアガイドレール受け ３…下側リニア軸受 ３ａ…下側リニアガイドレール ３ｂ…下側リニアガイドレール受け ４…推力伝達機構 ６…ボールナット ７…ボールねじ １０…可動テーブル １１…基礎フレーム １４…第１のＸ軸サーボモータ １５…第２のＸ軸サーボモータ １８…第１のＹ軸サーボモータ １９…第２のＹ軸サーボモータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 新谷 隆弘 千葉県船橋市前原東５−８−16 (72)発明者 森本 仁 千葉県成田市新泉９−１ 鉄建建設株式会 社技術研究所内 (72)発明者 林 郁夫 千葉県成田市新泉９−１ 鉄建建設株式会 社技術研究所内 (72)発明者 中村 豊 千葉県成田市新泉９−１ 鉄建建設株式会 社技術研究所内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】互いに直交する水平二方向の相対直線運動
   を案内するためのリニア軸受と、 前記リニア軸受に一体に設けられ、一方向に相対直線運
   動を生じさせる推力を伝達するための推力伝達機構とを
   備えてなることを特徴とする可動部支持ユニット。
2. 【請求項２】前記推力伝達機構がボールナットと、この
   ボールナットに螺着されたボールねじとを含むことを特
   徴とする請求項１記載の可動部支持ユニット。
3. 【請求項３】ベースと、 互いに直交する水平二方向の相対直線運動を案内するた
   めのリニア軸受と、前記リニア軸受に一体に設けられ、
   一方向に相対直線運動を生じさせる推力を伝達するため
   の推力伝達機構とを有する４基の可動部支持ユニットで
   あって、 これらの可動部支持ユニットのうち、２基の前記可動部
   支持ユニットは前記推力伝達機構が水平な第１の方向の
   推力を伝達するように、前記ベース上に互いに間隔を置
   いて配置され、他の２基の前記可動部支持ユニットは前
   記推力伝達機構が第１の方向と直交する水平な第２の方
   向の推力を伝達するように、互いに間隔を置いて前記ベ
   ース上に配置されてなる可動部支持ユニットと、 前記各可動部支持ユニット全体に亘って支持された可動
   部材と、 前記各可動部支持ユニットの前記推力伝達機構にそれぞ
   れ連結され、前記可動部材に前記第１及び第２の方向の
   推力を与えるための、各方向について２台ずつ設けられ
   たアクチュエータとを備えてなることを特徴とする水平
   二方向可動装置。
4. 【請求項４】前記推力伝達機構がボールナットと、この
   ボールナットに螺着されたボールねじとを含み、 前記アクチュエータがサーボモータであることを特徴と
   する請求項３記載の水平二方向可動装置。
5. 【請求項５】請求項３記載の水平二方向可動装置の駆動
   制御方法であって、 前記可動部材に与える第１及び第２の方向の必要全推力
   と、前記可動部材の前記第１及び第２の方向の変位とか
   ら、前記可動部材の重心回りの水平面内のねじりモーメ
   ントの和が零となるような２つの分配推力を演算し、 この分配推力を発生するように前記第１及び第２の方向
   の各２台のアクチュエータの駆動を制御することを特徴
   とする水平二方向可動装置の駆動制御方法。
6. 【請求項６】請求項４記載の水平二方向可動装置の駆動
   制御方法であって、 前記可動部材に与える第１及び第２の方向の必要全推力
   と、前記可動部材の前記第１及び第２の方向の変位とか
   ら、前記可動部材の重心回りの水平面内のねじりモーメ
   ントの和が零となるような２つの分配推力を演算し、 この分配推力を発生するように前記第１及び第２の方向
   の各２台のサーボモータのトルクを制御することを特徴
   とする水平二方向可動装置の駆動制御方法。