(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに直交する水平な第１及び第２の方向に直線運動する可動部材と、この可動部材に推力を与えるための前記第１及び第２の方向についてそれぞれ複数台設けられたアクチュエータとを備えた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モーメントの和が零となるような、前記アクチュエータの台数に応じた複数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各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。
【請求項２】
前記アクチュエータがサーボモータからなり、前記分配推力を発生するようにトルクを制御することを特徴とする請求項１記載の水平二方向可動装置の駆動制御方法。
【請求項３】
互いに直交する水平な第１及び第２の方向に直線運動する可動部材と、この可動部材に推力を与えるための前記第１及び第２の方向についてそれぞれ複数台設けられたアクチュエータとを備えた水平二方向可動装置の駆動制御装置であって、
前記可動部材に与える前記第１及び第２の方向の必要全推力指令を出力する手段と、
前記可動部材の前記第１及び第２の方向の変位を検出する手段と、
検出された変位と必要全推力とから、前記可動部材の重心回りの水平面内のモーメントの和が零となるような、前記アクチュエータの台数に応じた複数の分配推力を演算し、各アクチュエータに与える分配推力指令を出力する手段と
を備えてなることを特徴とする水平二方向可動装置の駆動制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、水平二方向可動装置の駆動制御方法及び駆動制御装置に関し、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。このような従来の装置において、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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
【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。
【０００８】
この発明の目的は、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及び制御装置を提供することにある。
【０００９】
【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。
【００１０】
すなわち、この発明は、互いに直交する水平な第１及び第２の方向に直線運動する可動部材と、この可動部材に推力を与えるための前記第１及び第２の方向についてそれぞれ複数台設けられたアクチュエータとを備えた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モーメントの和が零となるような、前記アクチュエータの台数に応じた複数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各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にある。
【００１１】
またこの発明は、前記アクチュエータがサーボモータからなり、前記分配推力を発生するように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にある。
【００１２】
さらにこの発明は、互いに直交する水平な第１及び第２の方向に直線運動する可動部材と、この可動部材に推力を与えるための前記第１及び第２の方向についてそれぞれ複数台設けられたアクチュエータとを備えた水平二方向可動装置の駆動制御装置であって、
前記可動部材に与える前記第１及び第２の方向の必要全推力指令を出力する手段と、
前記可動部材の前記第１及び第２の方向の変位を検出する手段と、
検出された変位と必要全推力とから、前記可動部材の重心回りの水平面内のモーメントの和が零となるような、前記アクチュエータの台数に応じた複数の分配推力を演算し、各アクチュエータに与える分配推力指令を出力する手段と
を備えてなることを特徴とする水平二方向可動装置の駆動制御装置にある。
【００１３】
この発明によれば、第１及び第２の方向について複数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複数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。
【００１４】
【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、この発明による駆動制御方法及び駆動制御装置が適用可能な水平二方向可動装置の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２つのリニア軸受と、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。
【００１５】
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。
【００１６】
推力伝達機構４は上側ガイドレール受け２ｂ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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
Ｘ軸方向駆動用の可動部支持ユニット１Ｘ、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。
【００２０】
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１０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。
【００２１】
可動テーブル１０は可動部支持ユニット１Ｘ、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１Ｙ、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。
【００２２】
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。
【００２３】
図６は上記水平二方向可動装置の駆動制御方法及び駆動制御装置を説明するためのブロック図である。制御装置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。
【００２４】
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、２６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、可動テーブル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。
【００２５】
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、ｆY2は、次の条件式（１）、（２）により演算される。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
Ｘ軸方向演算器２３及びＹ軸方向演算器２４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、１９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。
【００２９】
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。
【００３０】
この発明による駆動制御方法及び駆動制御装置が適用される水平二方向可動装置は、上記実施の形態に限られるものではない。すなわち、上記実施の形態の水平二方向可動装置は、Ｘ、Ｙ各軸方向について２台のアクチュエータが設けられているが、複数台であれば３台以上であっても、この発明による駆動制御方法及び駆動制御装置を適用することができ、台数に応じて各アクチュエータに分配推力を発生させることにより、可動テーブルの水平面内に発生するねじりモーメントを消去することができる。したがって、条件式（１）、（２）、（３）、（４）は、Ｘ、Ｙ各軸方向について２台のアクチュエータが設けられた場合のものにすぎない。
【００３１】
さらに、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。
【００３２】
【発明の効果】
以上のようにこの発明によれば、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はこの発明による駆動制御方法法及び駆動制御装置が適用される水平二方向可動装置の可動部支持ユニット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はこの発明による駆動制御方法法及び駆動制御装置が適用される水平二方向可動装置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及び駆動制御装置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
２０…制御装置
２１…フィードバック制御コントローラ
２２…分配推力演算回路
２３…Ｘ軸方向演算器
２４…Ｙ軸方向演算器
２５…Ｘ軸方向変位検出器
２６…Ｙ軸方向変位検出器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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