JP4421130B2

JP4421130B2 - 除振方法およびその装置

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Publication number: JP4421130B2
Application number: JP2001089264A
Authority: JP
Inventors: 毅水野
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2000-06-30
Filing date: 2001-03-27
Publication date: 2010-02-24
Anticipated expiration: 2021-03-27
Also published as: JP2002081498A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、機器の除振に係り、地動外乱の絶縁を目的とするパッシブ除振のみならず、ばね上の外乱にも対処できるアクティブ除振をも可能とする除振方法およびその装置に関するもので、ＮＣ機械、マシニングセンター等の工作機械からＩＣ業界のステッパーに代表される各種機器にまで採用され、加工テーブル等を外乱から絶縁して高精度加工を達成せんとするものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在、半導体デバイス製造システムや極微小領域計測システム等では、急速に高精度化、高性能化してきており、これらのシステムでは、振動等の外乱を除去する除振、防振装置の重要性が増大している。除振装置で除去すべき振動外乱は、設置床からの振動に起因する地動外乱と、装置のばね上に入力される直動外乱とに大別でき、前者には低剛性の機構が適しており、後者には高剛性の機構が適している。図１１は、地動外乱を絶縁して除振する従来のパッシブ除振システムを示すのもので、床３６からの振動伝達率を低くするためにばね定数ｋを小さくしてばね剛性を小さくすると、除振テーブル３２（質量ｍ）上の質量変化Δｍや除振テーブル３２に作用する荷重の変化等のばね上での外乱に対して弱くなってしまう。逆に、ばね上での外乱に対してはある程度ばね剛性を大きくする必要がある。このような外乱吸収のための低剛性機構と、位置、姿勢保持のための高剛性機構という相反する特性が要求される。
【０００３】
一般に、正のばね定数ｋ₁、ｋ₂を有する２つのばね３５−１、３５−２を直列に結合して１つの除振機構を構成すると、そのばね定数は次式で求められる。
ｋ_c＝ｋ₁ｋ₂／（ｋ₁＋ｋ₂）（１）
つまり、通常の正のばね定数を有するばねを直列に結合すると、結合してできたばね定数は、結合前のばね定数より必ず小さくなるものである。したがって、これら従来のばねのみを使用した除振装置では、質量変化や振動等のばね上での外乱に対して高い剛性を確保することが極めて困難であることから、アクティブ除振制御装置が提案された。
【０００４】
図１２は、一般的なアクティブ除振制御装置の原理を示したもので、除振台１１０上に設置された加速度センサ１１４による検出信号に基づいてコントローラ１１５によって除振台１１０の振動を抑制する制御入力を計算し、求められた制御入力によって、ばね１１１および減衰器１１２と並列に設置されたアクチュエータ１１３を動作させることによって除振制御を行う。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようなアプローチは、除振台や床の振動が正確に検出されることを前提としており、実現化されるには、低周波の振動まで感度良く検出できるサーボ型加速度センサを用いる必要があるために高価格になる上、採用されるサーボ型加速度センサによっては、直動外乱に対する剛性が未だ充分とは言い難く、完全な振動絶縁性能を確保するには不充分であった。
【０００６】
そこで本発明では、前記従来の除振方法およびその装置の課題を解決して、地動外乱に対する振動絶縁性能を損なうことなく、直動外乱に対する高い剛性を確保して、高い除振機能を発揮して精密加工等を可能にする除振方法およびその装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明が採用した技術解決手段は、
床と第１部材との間には所定の正のばね定数を有するばねを配設し、第１部材に対向して配置された第２部材との間には第１部材に向けて第２部材を引き上げるべく作用する永久磁石と電磁石とからなる負のばね定数を構成する磁気浮上機構を配設し、永久磁石は永久磁石の吸引力のみで第２部材を支持し、電磁石は第２部材に外力が加わると負のばね定数で第１部材と第２部材とのギャップを狭くするよう制御され、また、前記正と負のばね定数の大きさは等しくかつ第２部材で発生する直動外乱に対して略無限の剛性を有するようにすることにより、床から第１部材に伝わる振動を絶縁するとともに、第１部材から第２部材に伝わる振動を絶縁することを特徴とする除振方法である。
また、床に支柱を立設し、この支柱と第１部材との間には、第１部材を引き上げるべく作用する永久磁石と電磁石とからなる負のばね定数を構成する磁気浮上機構を配設し、永久磁石は永久磁石の吸引力のみで第１部材を支持し、電磁石は第２部材に外力が加わると負のばね定数で支柱と第１部材とのギャップを狭くするよう制御され、前記第１部材に対向して配置した第２部材と第１部材との間には所定の正のばね定数を有するばねを配設し、
前記正と負のばね定数の大きさは等しくかつ第２部材で発生する直動外乱に対して略無限の剛性を有するようにすることにより、床から第１部材に伝わる振動を絶縁するとともに、第１部材から第２部材に伝わる振動を絶縁することを特徴とする除振方法である。
また、前記第１部材は中間部材であり、前記第２部材は除振テーブルであることを特徴とする除振方法である。
また、床と、所定の正のばね定数を有するばねと、そのばねによって前記床上に支持されるとともに床からの振動が絶縁される第１部材と、第１部材に対して対向して配置され負荷を載置するための第２部材とを備え、第１部材と第２部材との間には、第１部材に向けて第２部材を引き上げるべく作用する永久磁石と電磁石とからなる負のばね定数を構成する磁気浮上機構を配設し、前記永久磁石は永久磁石の吸引力のみで第２部材を支持し、電磁石は前記第２部材に外力が加わると負のばね定数で第１部材と第２部材とのギャップを狭くするよう制御され、前記正と負のばね定数の大きさは等しくかつ第２部材で発生する直動外乱に対して略無限の剛性を有するようにするように構成したことを特徴とする除振装置である。
また、床に立設した支柱と、支柱に対向して配置した第１部材と、第１部材に対して対向して配置され負荷を載置するための第２部材と、第１部材と第２部材との間に配置される正のばね定数を有するばねとを備え、支柱と第１部材との間には支柱に向けて第１部材を引き上げるべく作用する永久磁石と電磁石とからなる負のばね定数を構成する磁気浮上機構を配設し、永久磁石は永久磁石の吸引力のみで第２部材を支持し、電磁石は第２部材に外力が加わると負のばね定数で支柱と第１部材とのギャップを狭くするよう制御され、前記正と負のばね定数の大きさは等しくかつ第２部材で発生する直動外乱に対して略無限の剛性を有するようにするように構成したことを特徴とする除振装置である。
また、前記磁気浮上機構は、前記第１部材に設けた電磁石と、前記第２部材に設けた永久磁石とで構成し、前記第１部材に設けた電磁石の吸引力を前記第２部材へ作用する荷重の増減に応じて増減させるように構成したことを特徴とする除振装置である。
また、前記磁気浮上機構は、前記第１部材に設けた永久磁石と、前記第２部材に設けた電磁石とで構成し、前記第２部材に設けた電磁石の吸引力を前記第２部材へ作用する荷重の増減に応じて増減させるように構成したことを特徴とする除振装置である。
また、前記磁気浮上機構は、前記支柱側に設けた永久磁石と、前記第１部材に設けた電磁石とで構成し、前記第１部材に設けた電磁石の吸引力を前記第１部材へ作用する荷重の増減に応じて増減させるように構成したことを特徴とする除振装置である。
また、前記磁気浮上機構は、前記支柱側に設けた電磁石と、前記第１部材に設けた永久磁石とで構成し、前記支柱側に設けた電磁石の吸引力を前記第１部材へ作用する荷重の増減に応じて増減させるように構成したことを特徴とする除振装置である。
また、前記第１部材は中間部材であり、前記第２部材は除振テーブルであることを特徴とする除振装置である。
また、前記ばねと併設して所定の減衰率の減衰装置を設置したことを特徴とする除振装置である。
また、前記永久磁石に併設して強磁性体を設け、前記電磁石の吸引力を第２部材に作用する荷重の増減に応じて増減させるように構成したことを特徴とする除振装置である。
【０００８】
以下、本発明の除振方法およびその装置の実施の形態を図面に基づいて説明する。本発明は、正のばね特性を有する支持機構と、負のばね特性を有する支持機構とを直列に接続することによって、装置上で発生する直動外乱に対して略無限大の剛性を有せしめるとともに、床に対する振動を絶縁することを特徴とするもので、先ず、負のばね特性を有する支持機構として、ゼロパワー特性を有する磁気浮上機構を用いた実施の形態について説明する。図１は本発明の除振方法およびその装置の第１実施の形態を示すもので、本発明は、床６と中間台である第１部材１との間にばね５を配設して床６から第１部材１に伝わる振動を絶縁するとともに、前記第１部材１と除振テーブルである第２部材２との間に永久磁石３と電磁石４とから構成されるゼロパワー特性を有する磁気浮上機構を配設することによって、前記第１部材１から第２部材２に伝わる振動を絶縁することを特徴とする。本実施の形態では、床６に対して所定の正のばね定数ｋ_Pのばね５によって支持された中間台１と、該中間台１に対して永久磁石３と電磁石４とから構成されて所定の負のばね定数ｋｓのゼロパワー特性を有する磁気浮上機構によって支持された除振テーブル２とから構成され、図示の例では、中間台１に設けられた電磁石４の吸引力を永久磁石３が設けられた除振テーブル２の質量増加等に起因する荷重の増減に応じて増減させるように適宜の制御装置（図示省略）により制御するように構成したものである。
【０００９】
なお、図２（Ａ）に示すように、磁石による吸引力を増加させるために、永久磁石３と併用して強磁性体７を除振テーブル２側に配置してもよい。あるいは、図２（Ｂ）に示すように、永久磁石３を電磁石４の鉄心に埋め込んで複合磁石とし、除振テーブル２側には強磁性体７だけを設置してもよい。また、電磁石と永久磁石との配置を逆、すなわち除振テーブル２側に電磁石４を、中間台１側に永久磁石３を設け、電磁石４の吸引力を除振テーブル２に作用する荷重の増減に応じて増減させるように構成してもよい。この場合も、図２（Ｃ）に示すように、永久磁石３と併用して強磁性体７を中間台１側に設置してもよい。あるいは、図２（Ｄ）に示すように、永久磁石３を電磁石４の鉄心に埋め込んで複合磁石とし、中間台１側には強磁性体７だけを設置してもよい。
【００１０】
次に、図３および図４を用いて本発明における中間台と除振テーブルとの間にて採用されるゼロパワー磁気浮上制御系について説明する。ゼロパワー制御は、電磁石と永久磁石とを組み合わせて構成された吸引型磁気浮上系で、図３に示すように、浮上対象物である除振テーブル１２の重量を永久磁石１３の吸引力のみで支持するとともに、支持固定側１１における電磁石１４のコイル電流を定常的にゼロに保持する制御方法である。ａの静止状態では、除振テーブル１２は力が釣り合った状態にて静止位置に停まっているが、ｂの荷重時に示すように、除振テーブル１２に下向きの一定の外力（質量増加Δｍ等）が加わると、電磁石１４のコイルに電流を流して除振テーブル１２を引き上げようとする吸引力を発生させ、前記永久磁石１３による吸引力と下向きの力が釣り合うように制御され、ｃに示すように、ギャップが狭くなる位置で電磁石１４に流れる電流がゼロとなり静止状態となる。上記のような作用をする制御系は、図１では省略されているが、ｄに示すように、浮上対象物である除振テーブル１２の支持固定側（図１の装置では中間台）に対する位置を検出する変位センサ２１、該センサ２１の出力信号に基づいて電磁石１４のコイル電流を定常的にゼロに保持しながら除振テーブル１２を浮上保持するための制御信号を生成する制御回路２２と、該制御回路２２の出力にしたがって電磁石１４のコイルに所定の電流を流す電力増幅器２３等から構成される制御装置２０を用いて実現される。
【００１１】
図４は通常のばね系との比較を説明するもので、図面左側に示すように、通常のばね系では、所定の正のばね定数のばねにより支持された質量ｍ２２が質量増加Δｍを生じると、質量増加（荷重）方向に移動する、いわゆるパッシブ除振制御がなされる。これに対して、ゼロパワー制御では、図面右側に示すように、質量増加Δｍが生じると、前記ばね系とは逆方向に質量ｍ１２が上方に移動してギャップを狭くするように電磁石１４が制御される。そのため、見かけ上は負のばね定数を有するかのような挙動を示す。このゼロパワー制御によって実現される負のばね定数の性質を利用し、本発明では、通常の正のばね定数によるパッシブ除振制御と組み合わせることによって、ばね上での質量変化が生じても、質量ｍすなわち除振テーブル等が変位を生じないように構成したものである。
【００１２】
すなわち、図１（ｂ）に示すように、除振テーブル２に質量増加Δｍ等によって下向きの一定外力Ｆ₀（＝Δｍｇ）が加わると、ゼロパワー制御の作用によって、中間台１に設置された電磁石４と除振テーブルとの距離はＦ₀／ｋ_sだけ短くなる（ｋ_sはゼロパワー制御によって実現される負のばね定数）。したがって、ｋ_s＝ｋ_Pなる関係を満たすように除振装置が設計されていれば、除振テーブルは全く変位しないことになる。前記数式（１）ｋ_c＝ｋ₁ｋ₂／（ｋ₁＋ｋ₂）を用いて説明すると、ゼロパワー制御によってｋ₁＝−ｋ₂なる関係を満たす負のばね定数が実現できると、
｜ｋ_c｜＝＋∞ （２）
なるばね定数が得られる。すなわち、ばね定数の大きさが等しい正のばねと負のばねとを結合することによって、ばね定数が無限大のばねが得られる。これはコンプライアンスがゼロとなることを意味している。
【００１３】
以下に、図１に示した本発明の除振制御系について理論解析を行う。
＜基本方程式＞
本解析では各質量および床の垂直方向の変位のみを扱う。この系の運動方程式は次式のように求められる。

ここで、
ｘ₁、ｘ₂：中間台、除振テーブルの平衡点からの変位
ｘ₀：床の振動変位
ｋ_P：床から中間台を支持するばねのばね定数
ｆ_c：磁石の吸引力の動作点からの変動分
ｆ_d：除振テーブルに作用する直動外乱
また、ｃ_Pは、図１には示されていないが、ばね５と並列に設置された減衰装置の減衰係数である。減衰装置がない場合はｃ_P＝０とすればよい。磁石の吸引力の変動分は、近似的に次のように表される。
ｆ_c＝ｋ_s（ｘ₂−ｘ₁）＋ｋ_iｉ（６）
ここで、
ｋ_s：磁石の変位・吸引力係数
ｋ_i：磁石の電流・吸引力係数
ｉ：制御電流
【００１４】
＜ゼロパワー制御系＞
ここでは、中間台と除振テーブルの相対変位から制御入力を構成する。この場合、ゼロパワー制御を達成する制御入力は一般に次のように表すことができる。
Ｉ（ｓ）＝−ｃ₂（ｓ）ｓ（Ｘ₂（ｓ）−Ｘ₁（ｓ））（７）
ここで、ｃ₂（ｓ）はゼロを極に持たない強プロパーな伝達関数で、制御系が安定になるように選定される。中間台のダイナミクスが無視できる場合には、２以上の次数を持つ制御器によって安定化が可能となる。
【００１５】
＜基本特性の解析＞
簡単のため初期条件をゼロと仮定してラプラス変換すると、式（４）〜（７）から次式が求められる。

【００１６】
各変数のラプラス変換は、対応する大文字で表している。直動外乱に対する剛性を評価するために、
Ｆ_d＝Ｆ₀／ｓ（Ｆ₀：ｃｏｎｓｔ）（１３）
とする。床の振動の影響を無視すると（ｘ₀＝０）、除振テーブルの定常変位ｘ₂（∞）は、次のように求められる。

したがって、
ｋ_P＝ｋ_s （１５）
を満たすように除振装置が設計されていれば、
ｘ₂（∞）／Ｆ₀＝０（１６）
となる。これは、コンプライアンスがゼロ、すなわち剛性が無限大となることを意味する。また、中間台の変位ｘ₁（∞）および電磁石と除振テーブルとのギャップの変動量（ｘ₁（∞）−ｘ₂（∞））は、それぞれ次のように求められる。
ｘ₁（∞）／Ｆ₀＝１／ｋ_P （１７）
（ｘ₁（∞）−ｘ₂（∞））／Ｆ₀＝１／ｋ_s （１８）
したがって、除振テーブルに下向きの力（Ｆ₀＜０）が作用するとき、中間台は下向きに変位するのに対し、除振テーブルは中間台に近づくように上向きに変位することが確認できた。このように、ゼロパワー磁気浮上機構を利用した除振装置では、中間台を支持する機械式ばねのばね定数と磁石の変位・吸引力係数の大きさを等しく設定することによって、直動外乱に対する剛性が無限大となることが理論的に示された。
【００１７】
図５は本発明の除振方法およびその装置の基礎実験装置を示すもので、図５（Ａ）は実験装置の正面図、図５（Ｂ）はその側面図である。床に固定されたベース１０から立設されたリニアシャフト９ａ、９ｂに嵌挿されたばね５ａ、５ｂを介設して中間台１が設置され、前記リニアシャフト９ａ、９ｂを嵌合して中間台１に設置されたリニアブッシュ８ａ、８ｂによって、中間台１の運動が垂直方向の１自由度の並進運動に拘束される。一方、除振テーブル２の下部両側に設置されたガイドブロック１５ａ、１５ｂが、ベース１０に立設されたガイドレール１６ａ、１６ｂに係合し、除振テーブル２の運動を垂直方向の１自由度の並進運動に拘束する。除振テーブル２の下端部には上方に向いた永久磁石３、３が設置され、対向する中間台１の下部には電磁石４が設置される。除振テーブル２の中間台１に対する相対変位はセンサ１７が検出し、ベース１０に対する中間台１の相対変位はセンサ１８が検出するように構成される。
【００１８】
次に、図６および図７により、前記試作した基礎実験装置を用いて行った実験結果について説明する。図６はゼロパワー磁気浮上系の負のばね特性についての実験結果で、中間台１を固定して、除振テーブルの質量を１７００ｇ、１３１０ｇ、７００ｇについて付加質量Δｍを増大させていった場合のテーブルの変位量を測定したもので、どの質量でも線型的にテーブル変位は上昇しており、ゼロパワー制御が線型的な負のばねとして動作していることがわかった。また、ゼロパワー制御の持つばね定数は除振テーブルの質量を操作することで、様々な値に設定することができることもわかる。
【００１９】
図７は中間台をばねによって支持した状態での除振テーブルの床に対する変位についての実験結果で、正のばね定数は６．８２５（ｋＮ／ｍ）で、正と負のばね定数がほぼ一致するところは、テーブル質量が１３００ｇ付近を基準として、１２８０ｇ〜１４００ｇの範囲と推定できる。因みに１３１０ｇのときの負のばね定数は約７ｋＮ／ｍである。図によれば、テーブル質量が１３８０ｇのとき除振テーブル変位量は２０μｍで、テーブル位置はほぼ初期位置を保持したまま、良好な動作をしていることがわかる。この１３８０ｇという値は実験前に推測した範囲内の値で、また正と負のばね定数の差が大きくなるにつれて動作性能が低下することもわかる。
【００２０】
こららの関係から、先に示した理論解析の有効性が確認できた。ゼロパワー磁気浮上機構とばね機構を組み合わせたゼロコンプライアンス機構は、式の上では除振テーブルの床に対する変位をゼロにするとともに直動外乱に対する無限大のテーブル剛性を可能にしている。実測された範囲ではテーブルの床に対する最大剛性は約４９０ｋＮ／ｍで、このとき、除振テーブルの床に対する変位も最小値を示している。これは、ゼロパワー磁気浮上機構とばねを組み合わせることにより、コンプライアンスをほぼゼロとすることができ、これによって、直動外乱に対する剛性をきわめて大きくできることが確認できた。
【００２１】
図８は本発明の除振方法およびその装置の第２実施の形態を示すもので、床２０６に設置された支柱２０７に対して永久磁石２０３と電磁石２０４とから構成されて所定の負のばね定数Ｋ_Sを持つゼロパワー特性を有する磁気浮上機構によって支持された中間台２０１と、該中間台２０１に所定の正のばね定数Ｋ_Pのばね２０５によって支持された除振テーブル２０２とから構成され、図示の例では、支柱２０７に設けられた電磁石２０４の吸引力を永久磁石２０３が設けられた中間台２０１への荷重の増減に応じて増減させるように適宜の制御装置（図示省略）により、電磁石２０４と中間台２０１との距離を制御するように構成したものである。
【００２２】
このような構成によって、除振テーブル２０２に質量増加Δｍ等により下向きの一定外力Ｆ₀（＝Δｍｇ）が加わると、除振テーブル２０２を支持するばね２０５はＦ₀／Ｋ_Pだけ圧縮されて短くなる。同時に、ばね２０５の反力によって中間台２０１にも下向きの外力Ｆ₀が加わることになり、ゼロパワー制御の作用によって、電磁石２０４と中間台２０１との距離はＦ₀／Ｋ_Sだけ短くなり、中間台２０１はこの分だけ上向きに変位することになる。したがって、Ｋ_S＝Ｋ_Pなる関係を満たすように除振装置が設計されていれば、除振テーブル２０２は全く変位しないことになる。これは、コンプライアンスがゼロ、すなわち剛性が無限大になることを意味している。つまり、図８に示された除振装置は前記図１に示された除振装置と同じ除振性能を有していることが理解される。
【００２３】
図９は本発明の除振方法およびその装置の第３実施の形態を示すもので、床３００に所定の正のばね定数Ｋ_Pのばね３０１および減衰装置３０２によって支持された中間台３０３と、該中間台３０３に対して永久磁石３０４と電磁石３０５とから構成され所定の負のばね定数Ｋ_Sを持つゼロパワー特性を有する磁気浮上機構と、床３００に所定の正のばね定数Ｋ_P’のばね３１１および減衰装置３１２によって支持された中間台３１３と、該中間台３１３に対して永久磁石３１４と電磁石３１５とから構成され所定の負のばね定数Ｋ_S’を持つゼロパワー特性を有する磁気浮上機構とによって支持された除振テーブル３２０とから構成されたものである。
【００２４】
このような構成において、Ｋ_S＝Ｋ_PおよびＫ_S’＝Ｋ_P’なる関係を満たすように除振装置が設計されていれば、除振テーブル３２０の左側（中間台３０３側）および右側（中間台３１３側）においてコンプライアンスがゼロすなわち剛性が無限大となるので、除振テーブル３２０上のどの位置に垂直方向の一定外力が作用しても、除振テーブル３２０は全く変位しない。このような特性から、除振テーブル３２０上に可動ステージ３２１を設置した場合、移動負荷３２２がどの位置にあっても除振テーブル３２０は変位せず、その姿勢を水平に保つことができる。
【００２５】
図１０は本発明の除振方法およびその装置の第４実施の形態を示すもので、床４００に、垂直方向には所定の正のばね定数Ｋ_P ¹のばね４０１および減衰装置４０２、水平方向には所定の正のばね定数Ｋ_P ²のばね４０３および減衰装置４０４によって支持された中間台４０５と、該中間台４０５に対して、垂直方向には永久磁石４０６と電磁石４０７とから構成された所定の負のばね定数Ｋ_S ¹を持つゼロパワー特性を有する磁気浮上機構、水平方向には永久磁石４０８と電磁石４０９とから構成された所定の負のばね定数Ｋ_S ²を持つゼロパワー特性を有する磁気浮上機構によって支持され、さらに、床４００に、垂直方向には所定の正のばね定数Ｋ_P ³のばね４１１および減衰装置４１２、水平方向には所定の正のばね定数Ｋ_P ⁴のばね４１３および減衰装置４１４によって支持された中間台４１５と、該中間台４１５に対して、垂直方向には永久磁石４１６と電磁石４１７とから構成された所定の負のばね定数Ｋ_S ³を持つゼロパワー特性を有する磁気浮上機構、水平方向には永久磁石４１８と電磁石４１９とから構成された所定の負のばね定数Ｋ_S ⁴を持つゼロパワー特性を有する磁気浮上機構によって支持された除振テーブル４２０とから構成されたものである。
【００２６】
このような構成において、Ｋ_S ¹＝Ｋ_P ¹、Ｋ_S ²＝Ｋ_P ²、Ｋ_S ³＝Ｋ_P ³およびＫ_S ⁴＝Ｋ_P ⁴なる関係を満たすように除振装置が設計されていれば、除振テーブル４２０の左側（中間台４０５側）および右側（中間台４１５側）においてコンプライアンスがゼロすなわち剛性が無限大となり、同時に除振テーブル４２０上の水平方向のコンプライアンスもゼロとなるので、除振テーブル４２０のどの位置に垂直方向および水平方向の一定外力が作用しても、除振テーブル４２０は全く変位しない。
【００２７】
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【００２８】
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【００２９】
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【００３０】
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【００３１】
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【００３２】
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【００３３】
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【００３４】
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【００３５】
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【００３６】
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【００３７】
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【００３８】
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【００３９】
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【００４０】
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【００４１】
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【００４２】
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【００４３】
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【００４４】
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【００４５】
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【００４６】
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【００４７】
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【００４８】
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【００４９】
削除
【００５０】
削除
【００５１】
以上、本発明の除振方法および装置の実施の形態を説明してきたが、本発明の趣旨の範囲内で、中間台および除振テーブルの形状、形式、電磁石および永久磁石の形状、形式およびそれらの配設形態（電磁石を中間台あるいは除振テーブルに設置するか、永久磁石を除振テーブルあるいは中間台に設置するか、永久磁石に加えて強磁性体を併設するか、もしくは永久磁石を電磁石の鉄心に組み込んで除振テーブルあるいは中間台のいずれか一方にのみ設置し、他方には強磁性体を設置するように構成してもよい）、ばねおよび減衰装置の形状、形式およびその中間台への配設形態（床と中間台との間にはばねに加えて適宜の減衰装置を併設してもよい）、ゼロパワー制御手段、除振の方向（前述の各実施の形態では、主として垂直方向の除振について説明したが、水平方向の除振、あるいは垂直方向および水平方向を同時に除振するように構成できることは言うまでもない。）等については適宜選定できる。
【００５２】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明では、正のばね特性を有する支持機構と、負のばね特性を有する支持機構とを直列に接続することによって、装置上で発生する直動外乱に対して略無限大の剛性を有せしめるとともに、床に対する振動を絶縁することによって、除振テーブル等の装置が床に対して、正のばね特性を有する支持機構と負のばね特性を有する支持機構とを介して配設されるので、床からの地動外乱に対する振動絶縁性能を損なうことなく、装置上で発生する直動外乱に対する高い剛性が確保され、高い除振機能を発揮して精密加工等を可能にする。
【００５３】
また、床と第１部材との間にばねを配設して床から第１部材に伝わる振動を絶縁するとともに、前記第１部材と第２部材との間に永久磁石と電磁石とから構成されるゼロパワー特性を有する磁気浮上機構を配設することによって、比較的制御が簡便な磁力制御のみにより、前記第１部材から第２部材に伝わる振動を絶縁して、除振テーブルの地動外乱に対する振動絶縁性能を損なうことなく、直動外乱に対する高い剛性を確保して、高い除振機能を発揮して精密加工等を可能にする。
【００５４】
また、床と第１部材との間にばねを配設して床から第１部材に伝わる振動を絶縁するとともに、前記第１部材と第２部材との間にアクチュエータと制御装置からなる負のばね特性を付与することによって、前記第１部材から第２部材に伝わる振動を絶縁するように構成した場合、前記第１部材から第２部材に伝わる振動を絶縁して、除振テーブルの地動外乱に対する振動絶縁性能を損なうことなく、直動外乱に対する高い剛性を確保して、高い除振機能を発揮して精密加工等を可能にすることは無論のこと、負のばね特性を得るために種々のアクチュエータの採用が可能となって設計の自由度が向上する。
【００５５】
また、前記床と中間台との間に、前記ばねと併設して所定の減衰率の減衰装置を設置した場合は、共振の発生を抑制して全体としてより高い除振機能を発揮させることができる。さらに、前記中間台に設けられた電磁石の吸引力を永久磁石が設けられた除振テーブルへ作用する荷重の増減に応じて増減させるように構成した場合、あるいは前記中間台に設けられたアクチュエータの伸びを除振テーブルへ作用する荷重の増減に応じて増減させるように構成した場合は、除振テーブルへの配線を避けることができるので、制御設備が簡素化される。
【００５６】
また、前記中間台に設けられた電磁石と永久磁石から構成される複合磁石の、強磁性体が設けられた除振テーブルに対する吸引力を除振テーブルへ作用する荷重の増減に応じて増減させるように構成した場合には、除振テーブルへの配線を避けることができると同時に、強磁性体だけが設置される除振テーブルの製作が容易になる。さらにまた、前記除振テーブルに設けられた電磁石の、永久磁石が設けられた中間台に対する吸引力を除振テーブルへ作用する荷重の増減に応じて増減させるように構成した場合は、永久磁石のみが設置される中間台の構成を簡素化できる。また、前記除振テーブルに設けられた電磁石と永久磁石から構成される複合磁石の、強磁性体が設けられた中間台に対する吸引力を除振テーブルへ作用する荷重の増減に応じて増減させるように構成した場合には、強磁性体だけが設置される中間台の製作が容易になる。
【００５７】
また、床と第１部材との間にゼロパワー特性を有する磁気浮上機構を配設した場合、あるいは床に対してアクチュエータと制御装置から構成されて所定の負のばね特性を有する支持機構によって支持された中間台と、該中間台に所定の正のばね定数を有するばねによって支持された除振テーブルとから構成された場合は、磁気浮上機構の磁力制御、あるいはアクチュエータの制御が静止側である床との間にて行えるので、配線等の取りまわしが簡素化される。さらに、前記中間台と除振テーブルとの間に、前記アクチュエータと併設して所定のばね定数のばねおよび所定の減衰率の減衰装置を設置した場合は、ばねで除振テーブルの重量を支持することによりアクチュエータのエネルギ消費を低減し、さらに除振系の共振を避けて減衰特性を改善することができる。
かくして、本発明によれば、地動外乱に対する振動絶縁性能を損なうことなく、直動外乱に対する高い剛性を確保して、高い除振機能を発揮して精密加工等を可能にする除振方法およびその装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の除振装置のゼロパワー特性を有する磁気浮上機構を用いた第１実施の形態を示す説明図である。。
【図２】同、第１実施の形態の変形例を示す図である。
【図３】本発明で使用されるゼロパワー制御系の特徴の説明図である。
【図４】ばね系とゼロパワー制御系の動作比較図である。
【図５】本発明の除振装置の基礎実験装置を示す図である。
【図６】ゼロパワー磁気浮上系の負のばね特性の実験結果図である。
【図７】除振テーブルの床に対する変位の実験結果図である。
【図８】本発明の除振装置の第２実施の形態を示す説明図である。
【図９】本発明の除振装置の第３実施の形態を示す説明図である。
【図１０】本発明の除振装置の第４実施の形態を示す説明図である。
【図１１】従来のばね系の除振システム図である。
【図１２】従来のアクティブ除振装置の説明図である。
【符号の説明】
１中間台（第１部材）
２除振テーブル（第２部材）
３永久磁石
４電磁石
５ばね
６床
７強磁性体
１９減衰装置

Claims

床と第１部材との間には所定の正のばね定数を有するばねを配設し、第１部材に対向して配置された第２部材との間には第１部材に向けて第２部材を引き上げるべく作用する永久磁石と電磁石とからなる負のばね定数を構成する磁気浮上機構を配設し、永久磁石は永久磁石の吸引力のみで第２部材を支持し、電磁石は第２部材に外力が加わると負のばね定数で第１部材と第２部材とのギャップを狭くするよう制御され、また、前記正と負のばね定数の大きさは等しくかつ第２部材で発生する直動外乱に対して略無限の剛性を有するようにすることにより、床から第１部材に伝わる振動を絶縁するとともに、第１部材から第２部材に伝わる振動を絶縁することを特徴とする除振方法。
床に支柱を立設し、この支柱と第１部材との間には、第１部材を引き上げるべく作用する永久磁石と電磁石とからなる負のばね定数を構成する磁気浮上機構を配設し、永久磁石は永久磁石の吸引力のみで第１部材を支持し、電磁石は第２部材に外力が加わると負のばね定数で支柱と第１部材とのギャップを狭くするよう制御され、前記第１部材に対向して配置した第２部材と第１部材との間には所定の正のばね定数を有するばねを配設し、前記正と負のばね定数の大きさは等しくかつ第２部材で発生する直動外乱に対して略無限の剛性を有するようにすることにより、床から第１部材に伝わる振動を絶縁するとともに、第１部材から第２部材に伝わる振動を絶縁することを特徴とする除振方法。
前記第１部材は中間部材であり、前記第２部材は除振テーブルであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の除振方法。
床と、所定の正のばね定数を有するばねと、そのばねによって前記床上に支持されるとともに床からの振動が絶縁される第１部材と、第１部材に対して対向して配置され負荷を載置するための第２部材とを備え、第１部材と第２部材との間には、第１部材に向けて第２部材を引き上げるべく作用する永久磁石と電磁石とからなる負のばね定数を構成する磁気浮上機構を配設し、前記永久磁石は永久磁石の吸引力のみで第２部材を支持し、電磁石は前記第２部材に外力が加わると負のばね定数で第１部材と第２部材とのギャップを狭くするよう制御され、前記正と負のばね定数の大きさは等しくかつ第２部材で発生する直動外乱に対して略無限の剛性を有するようにするように構成したことを特徴とする除振装置。
床に立設した支柱と、支柱に対向して配置した第１部材と、第１部材に対して対向して配置され負荷を載置するための第２部材と、第１部材と第２部材との間に配置される正のばね定数を有するばねとを備え、支柱と第１部材との間には支柱に向けて第１部材を引き上げるべく作用する永久磁石と電磁石とからなる負のばね定数を構成する磁気浮上機構を配設し、永久磁石は永久磁石の吸引力のみで第２部材を支持し、電磁石は第２部材に外力が加わると負のばね定数で支柱と第１部材とのギャップを狭くするよう制御され、前記正と負のばね定数の大きさは等しくかつ第２部材で発生する直動外乱に対して略無限の剛性を有するようにするように構成したことを特徴とする除振装置。
前記磁気浮上機構は、前記第１部材に設けた電磁石と、前記第２部材に設けた永久磁石とで構成し、前記第１部材に設けた電磁石の吸引力を前記第２部材へ作用する荷重の増減に応じて増減させるように構成したことを特徴とする請求項４に記載の除振装置。
前記磁気浮上機構は、前記第１部材に設けた永久磁石と、前記第２部材に設けた電磁石とで構成し、前記第２部材に設けた電磁石の吸引力を前記第２部材へ作用する荷重の増減に応じて増減させるように構成したことを特徴とする請求項４に記載の除振装置。
前記磁気浮上機構は、前記支柱側に設けた永久磁石と、前記第１部材に設けた電磁石とで構成し、前記第１部材に設けた電磁石の吸引力を前記第１部材へ作用する荷重の増減に応じて増減させるように構成したことを特徴とする請求項５に記載の除振装置。
前記磁気浮上機構は、前記支柱側に設けた電磁石と、前記第１部材に設けた永久磁石とで構成し、前記支柱側に設けた電磁石の吸引力を前記第１部材へ作用する荷重の増減に応じて増減させるように構成したことを特徴とする請求項５に記載の除振装置。
前記第１部材は中間部材であり、前記第２部材は除振テーブルであることを特徴とする請求項４〜９のいずれかに記載の除振装置。
前記ばねと併設して所定の減衰率の減衰装置を設置したことを特徴とする請求項４〜１０のいずれかに記載の除振装置。
前記永久磁石に併設して強磁性体を設け、前記電磁石の吸引力を第２部材に作用する荷重の増減に応じて増減させるように構成したことを特徴とする請求項４〜１１のいずれかに記載の除振装置。