JPS60579B2 - 垂直に支持された物体の水平方向安定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明はスプリングで支持された物体の所定周波数帯
域内での水平方向面内での振動を抑圧するようにした物
体の水平方向安定化装置に関する。

精密度の高い作業においては、支持ベース或いはテーブ
ルは振動に対しては出来るだけ低い感度を有することが
要求される。

工業においては、特に機械の回転により生じる最も強い
振動は一般的に２班ｚの近傍である。この振動の影響を
低減するために、３なし、し４Ｈｚの間の周波数の慣性
力の大なる支持システムを構成するように、スプリング
上に比較的重いプレートを装置するものが提案されてい
る。都合よくダンパを備えないこのようなシステムは２
５なし、し５０Ｈｚの近傍の周波数に対しては伝達度を
低下させることが出来るとともに、工業上の環境で発生
する振動の大部分から影響されないようにすることが出
来る。しかしながら、３なし、し４Ｈｚのオーダーのシ
ステムの共振周波数に対しては伝達度は非常に高くなり
、安定度の高い機械を製造しようとするときにおいて、
極小振幅、たとえばミクロン程度のオーダに抑圧しなけ
ればならない場合には従来のダンパは使用し得ない。こ
のように、従来の大きい質量の物体を支えて振動を抑圧
する方法は、数十ヘルツに近い周波数の振動を抑圧する
ようになっている場合には、主として水平方向に生じる
非常に低い周波数の外乱を除くには不十分な点が残って
いる。この発明の目的は、垂直方向に慣性的に支持され
ている素子又は物体が水平方向に振動するのを防止する
とともにその振動が非常に低い周波数である場合でもそ
の水平方向の振動を防止することの出来る装置を提供せ
んとするもので、上記物体が非常に低周波、特に１００
ヘルツよりも低く、数十分の１ヘルツ或いは数百分の１
ヘルツよりも高い首波数帯域でステイフネスとダンピン
グ効果を生じるようにした装置を提供する。上記の目的
は、この発明による装置則ち、固定アーマチュアに装着
されたアーマチュア巻線とこの固定ァーマチュァと協働
するように対向配置された環状アーマチュアとを有する
第１と第２の能動的な電磁ラジアル軸受を備え、各藤受
の軸は垂直方向に向いており、またアーマチュアアセン
ブ１′は１つのフレームに固定され、第１の軸受の環状
アーマチュアは安定化されるべき物体の第１の端部に固
定され「一方第２の軸受の環状アーマチュアは安定化さ
れるべき物体の第２の端部に固定される一方、第１と第
２の水平方向軸に沿った振動を検知するために安定化ま
れるべき物体上に配置され、加速度計の通過帯域内に含
まれる周波数の物体の振動に応じて第１の水平方向の加
速度を表わす第１の信号と第２の水平方向の加速度を表
わす第２の信号を発する少なくとも１つの第１の加速度
計と少なくとも１つの第２の加速度計と、上記第１と第
２の信号が印加されるとともに、安定化されるべき物体
の安定動作をなすために電磁ラジアル軸受の巻線に接続
される制御回路とを備えた装置により達成される。

それ故、加速度計の周波数帯城に対応して安定されるべ
き物体は空間内で制御され、上記加速度計が生じる信号
は制御回路における二重積分回路で積分された後に、安
定化されるべき物体の位置を定位置に維持する電磁式軸
受の巻線に供給される。

この構成により液圧式や気圧式の装置による場合とは反
対に大地して粘性摩擦を生じることないこ物体を所定位
置に維持することができる。実際電磁式軸受によって加
えられた力は大地との結合を低減して大地に結合された
フレームに固定されたアーマチュァァセンブ川こ加わる
振動に対して物体を無関係にすることができる。２つの
直角な方向の振動に対するのみならず、方向のずれをも
補償するために、安定化されるべき物体上において第１
の加速度計から一定距離を隔てて配置された第３の加速
度計を備え、第１の水平方向軸に対して平行な方向の振
動を検知し、第３の信号を生ずるように構成し、第１と
第３の信号は、差動信号を生じる比較回路の第１と第２
の入力端子に印加されるようにして上記作動信号は電磁
式軸受の巻線に接続される制御回路に供給されるように
した安定化装置を用いるのが有利である。

加速度検出器の帯城幅は好ましくは数十分の１或いは数
百分の１ヘルツから百ヘルツの間になるようにする。

上記のように周波数帯城を限定することにより、加速度
計から生じる信号は磁気軸受を制御するための制御回路
に効果的に加えることができる。数百分の１ヘルツ以下
の低すぎる周波数に対しては加速度計の不可能となりシ
ステムの効率は低下する。この発明の特定の態様によれ
ば安定化装置はそれぞれのアーマチュアアセンプ川こ対
する電磁式ラジアル軸受の環状アーマチュアの位置を検
出する検出器を備えている。

この検出器から生じた信号は電磁式軸受の巻線に接続さ
れた制御回路に供給され、この検出信号の振幅が所定の
値を越えた時に、安定化されるべき物体を所定の位置に
もどすように作動する。この方法により、電磁軸受に接
続まれた位置検出器は物体の変位の振幅が大きい時或い
はアーマチュアが対応するアーマチュアアセンブリに接
触する恐れがある場合に環状アーマチュアをアーマチュ
アアセンブＩＪの中心位置にひきもどすように作動する
。

この位置検出器はそれぞれの加速度計から生ずる信号の
帯域外にある周波数帯域において、安定化されるべき物
体を支持するスプリングのステイフネスに重畳されるス
テイネスを軸受に与える。安定化装置が動作する周波数
帯城すなわち電磁軸受のアーマチュアアセンブＩＪを通
る電流が加速度計から生じた信号により動作制御回路に
よって制御されているようなている周波数帯城において
は電磁軸受は空間的な強いステイフネスを形成し、その
ステイフネスによって振動に対する支持装置の伝達度を
非常に低下させる。

電磁軸受に加えられる力は大地から吸収され、アーマチ
ュアアセンブＩＪから独立した状態となる。その結果磁
気軸受はシステムの効率を低下させることなく比較的広
い空隙を持つことが出釆る。加速度計から生じた信号は
システムに対して強い空間的ステイフネスを与えるため
に制御回路内の二重積分回路に加えられる。

しかしながら安定化装置の通過帯城のある部分に対して
は加速度計から生じた信号を単純に積分することにより
制動力を生じさせることが出来る。加速度計から生じる
信号が作用する周波数帯城すなわち安定化装置が駆動さ
れる周波数帯城の外側ではスプリング上に支持された物
体はこのスプリングのステイフネスと装置の慣性とを考
慮にいれた従来方法いより計算まれるステイフネスを呈
する。

以下にこの発明の一実施例を添付図面を参照しながら説
明する。

図面中、第１図はこの発明による装置を用いないでスプ
リングによって従来方法で支持された物体のステイフネ
スを示す曲線、第２図はこの発明の水平方向安定化装置
を付加してスプリングによって支持された物体のステイ
フネスを示す曲線、第３図はこの発明の一実施例を示す
断面図である。

図面を参照して、第１図の曲線ａは、基台１にスプリン
グ３、４、５により支持された第３図のような板２の如
き質量Ｍのシステムについて、周波数ｆを関数としてス
テイフネス（剛度）Ｋを漸近的に表わした曲線である。

他の補助的な安定装置が備えられていない場合には、上
記システムのステイフネスＫは第１図のように、たとえ
ば数ヘルツのオーダーのシステム共振周波数ｆ，に実質
的に対応する点Ａまではスプリング３、４、５のステイ
フネスＫｏに等しい一定値を示し、そしてこの点Ａから
急増して、ステイフネスＫは、質量Ｍの板のステイフネ
スに対応するようになる。たとえば２５ヘルツ、５０ヘ
ルツ、或いは１００ヘルツに近い工業上の環境いおける
顕著な振動に対応する周波数ｆ２の付近で、ステイフネ
スＫはシステムの伝達度に関しては、相対的に小さいも
のであるべき周波数ｆ２の近傍の振動に対して強くなる
。第２図の曲線ｂは同様のシステムではあるが、第３図
の要素６なし、し１１により構成された水平方向の安定
化装置を付加したスプリング３、４、５と板２により構
成されたシステムのステイフネスＫを周波数を関数とし
て漸近的に表わした曲線である。素子６と７は、能動的
な電磁ラジアル軸受を備えたものであり、各々は基礎１
に連結された固定フレーム６１、７１と、安定化される
べき板２のそれぞれの端部２１、２２に固定した部材６
２，７２とを備えている。

実際の電磁軸受６３、７３は、アーマチュア６３ａ、７
３ａと巻線６３ｂ、７３ｂと、対応するアーマチュアア
センブＩＪ６３ａ、６３ｂ，７３ａ、７３ｂに対向配置
された環状アーマチュア６３ｃ、７３ｃとを備えてなる
アーマチュアァセンブＩＪを有する。環状アーマチュア
６３ｃと７３ｃとはそれぞれ部材６２、７２に支持され
ており、一方、アーマチュアアセンブＩＪ６３ａ、６３
ｂ，７３ａ，７３ｂはそれぞれ固定フレーム６１と７１
に装着されている。環状アーマチュアとアーマチュアア
センブＩＪとの間の空隙は比較的大きくしてある。それ
ぞれ対応するアーマチュアアセンブ１」６３ａ，６３ｂ
，７３ａ，７３ｂに関して環状アーマチュア６３ｃ、７
３ｃの各瞬時におけるラジアル方向の位置を検出するた
めに各ラジアル軸受に検出器６４，７４をそれぞれ設け
ても良い。

このような検出器６４と７４はたとえば軸受６３、７３
に近い支持フレーム６１、７１に設けられるが、その形
式は電磁式でも、従来の構成でも良いものである。３つ
の加速度計８，９、１０が寄生振動の他に板２に作用す
る加速度を検出するために設けられている。

従来市販形式の加速度計８、９、１０は、たとえば数十
分の１なし、し数百分の１ヘルツの周波数ｆ，より低い
周波数とたとえば約１００ヘルツの周波数ｆ２との間の
帯城で作動する。加速度計８と１０は板２のそれぞれの
端２１と２２の近傍に設けられ、ｙ方向の加速度ｙ，，
ｙ２に感応する。加速度計９は板２に設けられ、上記ｙ
方向に対して直角な水平方向ｘにおける加速度を検出す
る。制御回路１１には導線８１，９１，１０１を介して
検出器８，９，１０から生じた信号が印加されるととも
に導線６６，７６を介して検出器６４，７４から生じた
信号も印加され、この制御回路１１‘ま導線６５，７５
を介して磁気軸受６３，７３のアーマチュア巻線６３ｂ
，７３ｂに流れる電流を制御する。軸受６３，７３のア
ーマチュアアセンブＩＪによつてアーマチユア６３ｃ，
７３ｃに加わる力は加速度計から生じた信号で制御され
、大地から分離される。加速度計８，１０および９から
生じた信号ｙ，，ｙ２，ｘは制御回路１１内での二重積
分を行なう回路に印加され、板２の変位を表わす信号わ
供給しこの位置信号によって上述のようにアーマチュア
６３ｃ，７３ｃに加わる力を制御して、板２を安定化さ
せる。さらにこの信号ｙ．とｙ２とは二重積分回路に接
続された比較回路に印加され、板２が振動の影響を受け
る水平面内での漏れをも考慮に入れた差動信号を発生す
る。加速度計の通過帯城に対して、或いは制御回路１１
内のフィル夕により決定され、かつ加速度計の通過帯域
内に含まれた周波数帯域に対して、磁気軸受６３と７３
とは大地１とは無関係な力を伝達して、システムに空間
的なステイフネスを与える。

加速度計８ないし１０‘こより制御される磁気的軸受６
３と７３は、所定の周波数帯に対して、空間内で、板２
に対する水平方向の安定化力を生じ、たとえば数トン程
度の重いものである場合でも板２はスプリング３，４お
よび５により垂直に支持される。フレーム６１と７１の
振動を板２に伝達する液体式或いは気体式の軸受に対し
て、電磁式軸受６３，７３は加速度計８なし、し１０と
協働し得る限られた周波数帯域内では、粘性摩擦や大地
のステイフネスのない駆動機構を構成する。第２図の曲
線ｂは、第３図のシステムの素子６なし「し１１で構成
された安定化装置を用いて、周波数の関数としての第３
図のシステムのステイフネスの状況を示すものである。
計測時に加速度計が誤差を生じるようなたとえばＩＨｚ
以下の極超低周波に対しては、スプリング３ないし５の
定常ステイフネスＫｏのみが表われ（曲線ｂのうちＡ′
終わるまでの部分で示される。）、そして基本的に機械
システム２，３，４，５の共振点に対する周波数ｆ，を
含みト上述の周波数ｆ２に近くまで延びており、観察出
来る機能を有するように選ばれた周波数に対しては、ス
テイフネスＫは加速度計によって制御された磁気軸受に
よりシステムに与えられる空間的なステイフネスに対応
したものとなる。曲線ｂの点ｃ以後はシステムにステイ
フネスは第１図の場合と同様に再び素子２，３，４，５
に単独に依存することになり「たとえば部分ＣＤは板２
自身のステイフネスに対応する。この方法で、この発明
による安定装置はシステムに対して、限定された期間に
所定の振動周波数帯城ｆｏ〜ｆ２に対して強いステイフ
ネスを付与することが出来る。当然のことながら、周波
数帯城ｆｏないしｆ２の全帯城に亘り、或いは部分的に
「加速度計８なし、し１０から生じる信号を、制御回路
１１中の単一積分回路に対して印加することにより、空
間的なダンパ、即ち緩衝装置を導入することが出来る。
それ故回路１１から取り出される信号は緩衝用の成分を
も含んでいる。複数の検出器で構成される場合もある検
出器６４と７４は、フレーム６１と７１に固定された軸
受のアーマチュアアセンブＩＪに対する環状アーマチュ
ア６３ｃと７３ｃの位置の関数である検出信号Ｄｒ，と
Ｄｒ２とを供給する。

検出器６４と７４の役割は環状アーマチュアが過大な振
幅で変位する場合に、対応するアーマチュアアセンブＩ
Ｊに対する環状アーマチュアの位置を修正することであ
る。このように信号Ｄｒ，とＤｒ２とは軸受が所定の振
幅を越えたときにのみ、周波数帯城ｆｏないしｆ２の範
囲内で空間的な支持装置を制御するように作動する。こ
のために、信号Ｄｒ，とＤて２は制御回路１１内のスレ
ツショルド回路に印加され、このスレッショルド回路の
所定の出力信号が、ア−マチュァ巻線６３ｂと７紬に供
給されるべき出力信号を発生する従来の通常の制御回路
に印加される。さらに周波数らよりも低い周波数に対し
ては検出器６４と７４はスプリング３ないし５のステイ
フネスＫｏに加えられるステイフネスを軸受に与えるべ
く、アーマチュア６３ｃと７３ｃのどのような振幅の変
位に対しても軸受６３と７３を制御するために用いられ
る。本発明を限定するものではなく単に説明のために示
した実施例から、本発明の範囲内で種々の変形が当業者
によりなされるものである。

この発明による水平方向の安定装置は、スプリングによ
り支持されない物体にも適用出来るものであるが、垂直
方向の安定化装置により完成されるものである。

そして与えられた周波数レンジに対して、この物体は空
間中に完全に支持され、６方向の自由度（３つの直角方
向軸に沿った変動に対する自由度と、上記軸のまわりの
３方向の回転の自由度）の自由によって安定化される。
上記のような水平方向と垂直方向の安定化をなす実施例
においては、安定化されるべき物体は少なくとも２つの
能動的なラジアル軸受と第３図に関連して上述のような
方法により３つの加速度計ならびに、垂直軸に沿って作
動する少なくとも１つの補助的な鞄方向電磁軸受とを備
え、この軸受はフレームに固定アーマチュアアセンプＩ
Ｊと安定化されるべき物体に固定され、１つのアーマチ
ュアアセンプｉＪ或いは各アーマチュアアセンブＩＪに
対向配置されたアーマチュアを備えている。

さらに垂直軸に沿った振動を検知する少なくとも１つの
第４の加速度計が安定化されるべき物体上に配置され、
この加速度計はその通過帯城に含まれる周波数の発振に
応答して、補助的な軸万向軸受を制御する制御回路に信
号を供給する。安定化されるべき物体の藤方向のどのよ
うな変位も補償される。安定化されるべき物体の回転を
補償出来るようにするために、直角な２つの水平方向の
髄に関して、第５と第６の加速度計を備えるべきである
。この加速度計は安定化されるべき物体上で、第２と第
４の加速度計から適宜な距離で配置し、この第２と第４
の加速度計に対応する軸に平行な方向の振動を検出する
とともに、第２と第４の加速度計によるそれぞれの信号
を組み合わせた信号にてなり、別々の制御されるべき電
磁軸受を制御する信号を供給するように構成し、水平方
向軸に関する。妨害となる回転動作を補正するようにす
る。水平方向と垂直方向の両方を安定化するシステムに
おいて、テーブルがスプリングによって支持されていな
い場合「安定化するべき物体に対して地球の重力により
加えられる定常的な垂直方向の負荷を補償する機械的な
手段が必要である。

このような補償は都合よくェアクッションにより行なう
ことが出来る。実際この方法において機械的支持手段は
、空間中において、所定の周波数帯域内で６つの自由度
に関して安定化されるべき物体の支持に対して障害とは
ならない。以上詳述したように、この発明によれば物体
２に加速度計８，９を設け、電磁気軸受６３の巻線６３
ｂに給電する主制御ループはこの物体２上に設けられた
加速度計８，９から得られる加速度信号ｘ，ｙ，を２重
度分して得られる変位信号×，Ｙを受けるようにしたも
のである。

このように安定化しようとする物体２に設けた加速度計
からの加速度信号を２重積分して得た変位信号は物体２
自身の振動（たとえば物体２上に設けた回転機等によっ
て生じる振動）にのみ関係し、大地から伝えられる振動
には関係しない。それ故物体２には大地からの振動等の
影響を受けずに空間に独立的に懸垂され、所定位置に安
定に維持される。

【図面の簡単な説明】

図面中、第１図はこの発明による装置を用いないでスプ
リングによって従来方法で支持された物体のステイフネ
スを示す曲線、第２図はこの発明の水平方向安定化装置
が付加され、スプリングによって支持された物体のステ
イフネスを示す曲線、第３図はこの発明の一実施例を示
す断面図である。 １・・・基礎、２・・・板、６，７・・・素子、８，９
，１０・・・加速度計、１１・・・制御回路、２１，２
２・・・板２の端部、６１，７１・・・固定フレーム、
６２，７２・・・部材、６３，７３・・・電磁軸受、６
３ａ，７３ａ．・・アーマチュア、６３ｃ，７３ｃ・・
・環状アーマチュア、６３ｂ，７３ｂ・・・巻線、６４
，丁４・・・検出器。 Ｆ↓『−１ Ｆ↓『−２ Ｆ」『−三

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ スプリングの補助により垂直に支持されている物体
   を懸垂するための懸垂システムに用いられ、所定の振動
   周波数帯域内での水平面内における物体の振動を制動す
   るための水平方向安定装置であって、 環状アーマチユ
   ア６３ｃ，７３ｃと協働するように対向配置された固定
   アーマチユア６３ａ，７３ａと、固定アーマチユアに設
   けられたアーマチユア巻線６３ｂ，７３ｂとを夫々含む
   第１の電磁ラジアル軸受と第２の電磁ラジアル軸受であ
   って、各電磁ラジアル軸受の軸は垂直であるとともに、
   固定アーマチユア６３ａ，７３ａの夫々はフレーム６１
   ，７１に固定され、さらに第１の電磁ラジアル軸受６３
   の環状アーマチユア６３ｃは安定化されるべき物体２の
   第１の端部２１に固定的に結合され、かつ第２の電磁ラ
   ジアル軸受７３の還状アーマチユア７３ｃは安定化され
   るべき物体２の第２の端部２２に固定的に結合されてい
   る第１の電磁ラジアル軸受６３と第２電磁ラジアル軸受
   ７３と、 上記所定の振動周波数帯域を含む周波数帯域
   で動作するとともに、上記物体２の第１及び第２の水平
   方向軸に夫々沿う振動を検知するように、上記物体２に
   配置され、上記所定の振動周波数帯域に含まれる振動に
   応じて物体２の第１および第２の方向の加速度信号ｙ，
   ｘを出力する第１の加速度計８と第２の加速度計９と、
   第１の加速度計および第２の加速度計の各加速度信号
   ｙ，ｘから物体２の変位量を表わす信号ｙ，ｘを得るた
   めの２重積分回路を含み２重積分回路の出力によって、
   物体２を安定にするように第１と第２の電磁ラジアル軸
   受６３，７３のアーマチユア巻線６３ｂ’７３ｂに接続
   された制御回路とを備えたことを特徴とする水平方向安
   定装置。 ２ 特許請求の範囲第１項に記載の装置において、第１
   の加速度計８から離れて安定化されるべき上記物体２上
   に配置された第３の加速度計１０をさらに含み、この第
   ３の加速度計１０は上記第１の水平方向軸に並行方向の
   振動を検出して、第３の信号ｙ＿２を出力ち、上記第１
   及び第３の信号ｙ＿１，ｙ＿２は、水平面の物体２の偏
   揺れにも関連した制御をするように制御回路１１を動作
   させる差動信号を形成するために、２種積分器に接続さ
   れる比較回路の第１及び第２の入力端子に夫々印加され
   る水平方向装置。 ３ 特許請求の範囲第１項または第２項に記載の装置に
   おいて、加速度計８・９，１０の通過周波数帯域が数百
   分の１ヘルツまたは数十分の１ヘルツから約百ヘルツの
   間である水平方向安定装置。 ４ 特許請求の範囲第１項ないし第３項のいずれかに記
   載の装置において、アーマチユアアセンブリ６３ｂ，７
   ３ｂの夫々に関して電磁ラジアル軸受６３，７３の環状
   アーマチユア６３ｃ，７３ｃの位置を検出する検出器６
   ４，７４をされに含み、制御回路１１に印加される検知
   信号Ｄｒ＿１，Ｄｒ＿２を出力する上記検出器６４，７
   ４は電磁軸受６３，７３の巻線６３ｂ，７３ｂに接続さ
   れ、さらに、加速度計８，９，１０によって出力される
   信号ｙ＿１，ｘ，ｙ＿２から出力される２重積分された
   信号Ｙ＿１，ｘ，Ｙ＿２は上記検知信号Ｄｒ＿１，Ｄｒ
   ＿２の振幅が予じめ定められた値を越えたときに予じめ
   定められた位置で安定化して物体を保持することに寄与
   する水平方向安定装置。