(57)【要約】【課題】精密防振台に搭載した機器の振動状態を加速度センサ２２等により検出し、この振動を打ち消すようにアクチュエータ１２を制御するようにしたアクティブ防振システムにおいて、微振動の検出に十分な高感度を得ながら位相遅れや共振等の問題を解消して、広い周波数域に亘って高い防振性能を得る。【課題手段】アイソレータ２のトッププレート１３に圧電型の加速度センサ２２を配設する。このセンサ２２の錘２５の質量を、微小な加速度に対しても十分なＳ／Ｎ比が得られるように大きく設定する（例えば６０グラム）とともに、該加速度センサ２２から出力される信号Ｖｉをコントローラ２０の補償回路２０ａに入力して、錘２５の共振による影響を打ち消すように補償する。補償回路２０ａからの出力信号Ｖｏに基づいてアクチュエータ１２をフィードバック制御する。【選択図】　　　図３
2004138523.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被支持体を基礎に対して弾性的に支持するとともに、該被支持体に対してその振動を打ち消すような制御振動をアクチュエータにより付加するようにしたアクティブ防振システムに設けられ、前記被支持体及び基礎の少なくとも一方の加速度を検出する加速度検出装置であって、
前記被支持体及び基礎の少なくとも一方に圧電素子を介して所定以上の質重のマス部材を取り付けてなり、その圧電素子に生じる応力に対応して電気信号を出力する圧電型のセンサと、
前記センサから出力される電気信号を受けて、少なくとも前記マス部材及び圧電素子からなる振動系の共振の影響を打ち消すように補償した電気信号を出力する補償回路と
を備えることを特徴とするアクティブ防振システムの加速度検出装置。
【請求項２】
請求項１の加速度検出装置において、
センサは、一方の端部に底部を有し且つ他方の端部が開口する有底筒状のケース部材と、そのケース部材の開口端部を閉止する一方、加速度の検出対象に固定されるベース部材とを備え、
前記ケース部材の内部には、その筒軸方向に摺動可能にマス部材が収容されるとともに、板状の圧電素子が前記ベース部材に近接して配置され、且つ該圧電素子の外周側の部位がベース部材に対して支持されており、
前記ケース部材の底部には、マス部材の一方の端面を押圧するようにバネ部材が配設され、一方、当該マス部材の他方の端面には、その略中心部から突出して先端部が前記圧電素子の略中心部に当接するように突出部が形成されている
ことを特徴とするアクティブ防振システムの加速度検出装置。
【請求項３】
請求項２の加速度検出装置において、
センサのマス部材の質量が略５０グラム以上であることを特徴とするアクティブ防振システムの加速度検出装置。
【請求項４】
請求項２の加速度検出装置において、
センサのケース部材は、所定以上の厚みを有する樹脂製のインナーケースと、該インナーケースとの間に空気層を介在させてその外側を覆う金属製のアウターケースとからなることを特徴とするアクティブ防振システムの加速度検出装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１つの加速度検出装置において、
センサは被支持体に取り付けられ、
アクティブ防振システムには、補償回路から出力される電気信号に基づいて、前記被支持体の振動が小さくなるようにアクチュエータをフィードバック制御する制御手段を備えることを特徴とするアクティブ防振システムの加速度検出装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１つの加速度検出装置において、
センサは基礎に取り付けられ、
アクティブ防振システムには、補償回路から出力される電気信号に基づいて、前記基礎から被支持体へ伝達する振動が小さくなるようにアクチュエータをフィードフォワード制御する制御手段を備えることを特徴とするアクティブ防振システムの加速度検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、精密計測機器等の被支持体を弾性的に支持しつつ、当該被支持体の振動を打ち消すようにアクチュエータを作動させるアクティブ防振システムにおいて、そのアクチュエータの制御のために被支持体や基礎の振動状態（加速度）を検出する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、この種のアクティブ防振システムの加速度検出装置としては、微小な振動を検出できるように高感度のサーボ型加速度センサを用いるのが一般的である。しかし、サーボ型加速度センサの構造は複雑であり、信号の無駄時間が比較的大きい上に、ある程度以上、周波数の高い振動に対しては位相遅れも大きくなるので、このセンサからの信号に基づいてアクチュエータを制御する場合には制御ゲインをあまり大きくすることができず、結果として防振性能には不満が残るものであった。
【０００３】
また、サーボ型の加速度センサは比較的高価なものであるから、防振システム全体としてのコストダウンを妨げる要因にもなる。
【０００４】
これに対し、例えば特許文献１には、圧電素子を用いた加速度センサにより被支持体の加速度を計測して、アクティブ防振制御に用いるようにした防振システム（動的耐震装置）が開示されている。このシステムは、主に低周波振動の除去を目的とするもので、加速度センサから出力された電気信号をフィルタ回路に通して約１Ｈｚ〜約２００Ｈｚの信号を通過させ、この信号に基づいてアクチュエータを制御するようにしている。
【０００５】
また、前記の文献には、加速度センサの感度を高めるためには、質量体（マス部材）を、「測定すべき最小加速度により制限雑音値よりも大きい信号が得られるように充分大きくしなければならない。」と記載されている。すなわち、圧電型の加速度センサは、加速度の検出対象とマス部材との間に圧電素子を配置して、この圧電素子に作用する力に対応する電気信号を得るものであるから、マス部材の慣性力が大きいほど感度が高くなり、微小な加速度に対しても大きな信号が得られるのである。
【０００６】
【特許文献１】
特公平６−１７７０５号公報（第３頁〜第４頁、第２図）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、前記従来例（特許文献１）の如き圧電型の加速度センサにおいて、実際に微小な振動の加速度を検出できるほどにマス部材の質量を大きくすると、そのマス部材及び圧電素子からなる振動系の共振の影響が防振したい振動周波数域にまで及んで、制御性が損なわれるという不具合を生じる。すなわち、共振点の付近では加速度センサからの信号の位相が大幅に遅れて、この信号を帰還させるようにしたフィードバックループにおいて位相交点が現れることになり、これによる制御の不安定化を阻止しようとすれば、結局、制御ゲインを大幅に低下せざるを得ないのである。
【０００８】
以上、要するに、極めて高感度のアクティブ防振を行おうとしたときに、従来一般的なサーボ型センサでは十分な性能が期待できず、また、圧電型センサを用いる場合には、マス部材等の共振という新たな問題が生じるものである。
【０００９】
本発明は、斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、アクティブ防振システムにおいて被支持体や基礎の振動状態（加速度）を検出するための構成に工夫を凝らし、微振動の検出に十分な高感度を得ながら位相遅れや共振等の問題を解消して、広い周波数域に亘って制御ゲインを十分に高くできるようにすることで、防振性能を向上することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、本発明では、圧電型加速度センサのマス部材の質量を微小な加速度に対しても十分なＳ／Ｎ比が得られるよう所定以上、大きくするとともに、その結果として比較的低い周波数域に現れる共振の影響を補償回路によって除去するようにした。
【００１１】
具体的に、請求項１の発明は、被支持体を基礎に対して弾性的に支持するとともに、該被支持体に対してその振動を打ち消すような制御振動をアクチュエータにより付加するようにしたアクティブ防振システムに設けられ、前記被支持体及び基礎の少なくとも一方の加速度を検出する加速度検出装置を対象とする。そして、前記被支持体及び基礎の少なくとも一方に圧電素子を介して所定以上の質重のマス部材を取り付けてなり、その圧電素子に生じる応力に対応して電気信号を出力する圧電型のセンサと、このセンサから出力される電気信号を受けて、少なくとも前記マス部材及び圧電素子からなる振動系の共振の影響を打ち消すように補償した電気信号を出力する補償回路とを備える構成とする。
【００１２】
前記の構成により、まず、被支持体及び基礎の少なくとも一方に取り付ける圧電型のセンサにおいて、マス部材の質量を所定以上に大きく、即ち、検出したい最小の加速度によっても十分なＳ／Ｎ比の信号が得られるように大きくすることで、微振動の検出に十分な高い感度を得ることができる。
【００１３】
一方、そのようにマス部材の質量を大きくすると、そのマス部材の共振の影響が防振したい振動の周波数域にまで及ぶことになるが、この発明では、センサからの信号は補償回路において前記マス部材等の共振の影響を打ち消すように補償されるから、この補償された信号に基づいてアクティブ防振制御を行う場合には、その制御ゲインを十分に高くすることができ、これにより、防振性能を従来よりも格段に向上することができる。
【００１４】
請求項２の発明では、センサの構成として、一方の端部に底部を有し且つ他方の端部が開口する有底筒状のケース部材と、そのケース部材の開口端部を閉止する一方、加速度の検出対象に固定されるベース部材とを備えるものとし、前記ケース部材の内部にその筒軸方向に摺動可能にマス部材を収容するとともに、板状の圧電素子を前記ベース部材に近接して配置し、且つ該圧電素子の外周側の部位をベース部材に対して支持させるようにする。そして、前記ケース部材の底部にはマス部材の一方の端面を押圧するようにバネ部材を配設し、一方、当該マス部材の他方の端面にはその略中心部から突出して先端部が前記圧電素子の略中心部に当接するように突出部を形成する。
【００１５】
この構成では、板状に形成された圧電素子の外周側部位がベース部材を介して加速度の検出対象に支持される一方、当該圧電素子の略中央部がマス部材の突出部先端と当接されており、このため、前記検出対象が振動して、略静止しているマス部材との間で相対変位が生じると、このことによって圧電素子の略中央部に集中的に応力が発生する。従って、微小な振動に対しても圧電素子から大きな電気信号を出力させることができ、このことによってもセンサの感度を高めることができる。
【００１６】
請求項３の発明では、請求項２の発明におけるセンサのマス部材の質量を略５０グラム以上とする。すなわち、前記請求項２の発明のような構造によってセンサの感度を高くすることができるので、マス部材の質量が略５０グラム以上であれば、高精度のアクティブ防振に必要な十分に高い感度を得ることができ、これにより、請求項１の発明の作用効果が十分に得られる。
【００１７】
請求項４の発明では、請求項２の発明におけるセンサのケース部材を、所定以上の厚みを有する樹脂製のインナーケースと、該インナーケースとの間に空気層を介在させてその外側を覆う金属製のアウターケースとからなるものとする。
【００１８】
すなわち、一般に、圧電素子はその温度状態によって静電容量が変化し、感度が変化するという性質を持っている。そこで、圧電素子を熱伝導率の低い所定以上の厚みの樹脂製インナーケースに収容し、さらに空気層を介在させた上で金属製アウターケースで覆うことにより、外気温度の変化を遮断して、センサの検出精度を向上することができる。
【００１９】
また、前記センサは極めて高感度のものなので、検出対象の微振動を検出するのみならず、空気中を伝播する音の影響を受けてノイズを発生する虞れがあるが、この点については前記の如くインナーケースの外側に空気層を介在させた上で、剛性の高い金属製アウターケースにより覆うことで、外気の圧力変化を遮断することができる。しかも、金属製アウターケースにより覆うことで、外界における電界の変化による影響を殆ど遮断することが可能になる。
【００２０】
請求項５の発明では、加速度検出装置のセンサを被支持体に取り付けるとともに、アクティブ防振システムには、補償回路から出力される電気信号に基づいて、前記被支持体の振動が小さくなるようにアクチュエータをフィードバック制御する制御手段を備えるものとする。このことで、被支持体の実際の振動状態に応じて、この振動を抑えるようにアクチュエータを作動させることができる。
【００２１】
但し、フィードバック制御では一巡伝達関数の位相交点（位相が１８０°遅れる点）において制御ゲインを０ｄＢ以下にしなくてはならず、センサ信号の位相遅れによる不具合が特に大きなものとなるから、その信号を補償回路により処理して、共振に因る位相遅れの影響を略解消できるという本願発明の作用効果は極めて有効なものとなる。
【００２２】
請求項６の発明では、加速度検出装置のセンサを基礎に取り付けるとともに、アクティブ防振システムには、補償回路から出力される電気信号に基づいて、前記基礎から被支持体へ伝達する振動が小さくなるようにアクチュエータをフィードフォワード制御する制御手段を備えるものとする。
【００２３】
このことで、基礎から被支持体へ伝達する振動に対して、例えば逆位相の制御信号をアクチュエータにより被支持体に付加することにより、当該被支持体の振動を効果的に抑制することができる。また、フィードフォワード制御に適用する場合にも、センサの信号から共振に因る悪影響を排除して、周波数特性がフラットで位相遅れのない信号を得られる、という本願発明の作用効果が極めて有効なものとなる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基いて説明する。
【００２５】
（防振台の構成）
図１は、本発明に係る加速度検出装置を適用した精密防振台の一例を示し、この精密防振台は、例えば、図示しない半導体検査装置や電子顕微鏡、光学式計測装置等の精密機器をできるだけ床の振動から絶縁した状態で設置するためのものである。この精密防振台の概略構成は図示の如く、床面に設置される下側構造部１と、その下側構造部１の上面の４隅にそれぞれ配設された空気ばね式のアイソレータ２，２，…と、該４つのアイソレータ２，２，…の上部に搭載された搭載盤３とからなる。
【００２６】
前記下側構造部１は、鋼製角パイプの構造部材を概ね直方体形状となるように櫓組みしたものであり、それぞれ上下方向に延びる４本の脚部４，４，…と、その脚部４，４，…のうちの隣接するもの同士を下端側で連結するように水平方向に延びる下梁部５，５，…と、それら４本の脚部４，４，…の上端側外周を囲んで、平面視で略矩形の枠状となるように配置された上梁部６，６，…とからなる。この各上梁部６，６，…の内側面は脚部４，４，…の外側面に接合されるとともに、各上梁部６，６，…の上面は脚部４，４，…の上端面と同一平面上に位置付けられている。そして、前記各脚部４の上端面からその外側を囲む上梁部６，６の上面に亘って、水平板７，７，…が配設されていて、この各水平板７上にそれぞれアイソレータ２が配設されている。また、下側構造部１の長手方向に延びる２つの下梁部５，５の下面には、それぞれ移動用のキャスター８，８，…が２つずつ配設されるとともに、各脚部４の下端面にはそれぞれ高さ調整用のレベラー９，９，…が配設されている。
【００２７】
前記アイソレータ２は、図２に拡大して示すように、矩形板状のベースプレート１０（基礎）上に空気ばね１１とリニアモータからなるアクチュエータ１２を配設し、その空気ばね１１によって、前記搭載盤３及び搭載機器（被支持体）の荷重を受ける矩形板状のトッププレート１３を弾性的に支持するとともに、当該トッププレート１３にアクチュエータ１２によって制御振動を付加して、そのトッププレート１３上の搭載盤３及びその上に搭載される機器等の振動を低減するようにしたものである。尚、空気ばね１１としては、ジンバルピストンを備えたものを用いることが特に好ましいが、通常のダイヤフラム形空気ばねやベローズ形空気ばね等を用いることもできる。
【００２８】
また、アイソレータ２は、トッププレート１３を予め設定した高さに維持するための機械式空気弁１４を備えている。この空気弁１４は、Ｕ字状に湾曲するチューブ１５により前記空気ばね１１に接続されるとともに、図示しないが、リザーバタンクから圧搾空気を導くホースが接続部１４ａに接続されており、前記トッププレート１３の高さが設定高さよりも低くなってセンサアーム１４ｂが下方に回動すると、前記リザーバタンクから空気ばね１１に圧搾空気を供給し、一方、トッププレート１３が設定高さよりも高くなってセンサアーム１４ｂが上方に回動すれば、前記空気ばね１１から大気中に空気を漏出させるようになっている。
【００２９】
前記アイソレータ２の空気ばね１１は、図３に模式的に示すように、内部に空気が充填された空気室１５と、この空気室１５の上壁の開口部にダイヤフラム１６を介して気密状に内挿されたピストン１７とを備えており、そのピストン１７の上面に前記トッププレート１３が配置されている。また、前記ベースプレート１０及びトッププレート１３にはそれぞれ加速度センサ２１、２２が配設されていて、該各センサ２１，２２からの出力信号はそれぞれコントローラ２０に入力されるようになっている。
【００３０】
前記コントローラ２０は、前記加速度センサ２１，２２からの信号に基づいてアイソレータ２のアクチュエータ１２に制御信号を出力し、トッププレート１３に対して制御振動を付加することによって、該トッププレート１３及びその上の搭載盤３や搭載機器に対する極く僅かな床からの伝達振動や、その搭載機器自身が発する振動等を軽減するものである。以下、説明の便宜のために、加速度センサ２２の信号に基づいて上下方向の振動を軽減するフィードバック制御について具体的に説明する。これ以外に、上下方向の防振制御として加速度センサ２１の信号に基づくフィードフォワード制御が行われるが、これについての説明は省略する。
【００３１】
すなわち、前記コントローラ２０には、加速度センサ２２からの信号を受けて後述の信号処理を行った後に出力する補償回路２０ａと、この補償回路２０ａからの信号に基づいてアクチュエータ１２のフィードバック制御を行う制御回路２０ｂとが設けられている。この制御回路２０ｂによるフィードバック制御は、基本的には図４のブロック図に示すような簡単なもので、加速度センサ２２により検出された加速度ｘ″に基づいて振動を打ち消すようフィードバック補正を行うものであり、図の例では、加速度ｘ″を積分して速度ｘ′を求め、この値にフィードバックゲインＧを乗算し且つ反転して、フィードバック制御量−Ｇｘ′を求め、いわゆるスカイフックダンパの効果を得るようにしている。
【００３２】
このように加速度センサ２２による検出結果に基づいてフィードバック制御を行うことで、精密防振台に搭載された機器等の実際の振動状態に対応して、この振動を効果的に打ち消すような制御振動をアクチュエータ１２により発生させることができる。尚、詳しくは説明しないが、精密防振台の搭載盤３は６自由度を有するので、実際の制御としては複数の加速度センサを設け、それぞれの検出値に基づいて６自由度の各方向の加速度を機構学的に算出し、これに基づいて各方向についてのフィードバック補正値を求めた後、さらに配置されているアクチュエータの位置に依存する制御量に変換するという処理を行うこともある。
【００３３】
また、前記の例のように速度ｘ′に基づいてフィードバック補正値Ｇｘ′を求めるだけでなく、加速度ｘ″にゲインを乗算してフィードバック補正値を求めたり、同様に変位ｘにゲインを乗算してフィードバック補正値を求めるようにしてもよく、或いは、そうして求めた値を足し合わせてフィードバック補正値を求めるようにしてもよい。さらに、Ｈ∞制御、適応制御、スライディングモード制御等で加速度センサの信号に基づいて制御を行う場合に用いても有効である。
【００３４】
（加速度検出装置の構成）
ところで、上述の如きアクティブ防振制御においては、機器等の微小な振動を検出しなくてはならないので、従来より一般的に高感度のサーボ型加速度センサが用いられている。しかし、サーボ型のセンサは構造が複雑で比較的高価であり、コストダウンの妨げとなるとともに、高感度ではあっても信号の位相遅れや無駄時間が大きいことから、十分な防振性能を得られないという問題があった。
【００３５】
この点、比較的構造の簡単な圧電型の加速度センサを用いるという提案もなされているが（例えば特許文献１を参照）、この実施形態のような精密防振台に適用し得るほどに圧電型のセンサの感度を高めようとすると、センサのマス部材の共振の影響によって制御性が損なわれるという不具合のあることは上述した通りである。
【００３６】
これに対し、この実施形態の加速度検出装置Ａ（図３参照）では、本願発明の特徴部分として、加速度センサ２２としては圧電型のものを用い、所要の感度を得るために当該センサ２２のマス部材の質量を所定以上に大きくするとともに、その結果として比較的低い周波数域に生じる共振の影響を、コントローラ２０の補償回路２０ａによって除去するようにしている。
【００３７】
以下、まず、圧電型加速度センサ２２の構造を図５に基づいて説明すると、このセンサ２２は、アイソレータ２のトッププレート１３に固定されたベース部材２３と、このベース部材２３上に配設された円筒型状のケース部材２４とを備え、そのケース部材２４の内部にマス部材としての錘２５と圧電素子２６とを収容したものである。前記ケース部材２４は、所定以上の厚み（例えば４ｍｍ以上）を有する樹脂製のインナーケース２７と、該インナーケース２７との間に空気層Ｓを介在させてその外側を覆う金属製のアウターケース２８とからなり、該インナーケース２７及びアウターケース２８は、それぞれ図の上端部が閉塞される一方、下端部が開口する有底円筒形状とされていて、その下端部がベース部材２３の上面に気密状態で接合されて、図示しないネジ等により締結されている。
【００３８】
また、前記錘２５は、例えば鋼製の略円柱型状のものであり、その外周の上縁部付近と下縁部付近とにそれぞれ全周に亘って溝部２５ａ，２５ｂが形成されていて、その各溝部２５ａ，２５ｂにそれぞれＯリング２９，２９が嵌入されている。このことで、錘２５は、インナーケース２７に対してその軸線Ｚ（筒軸）の延びる方向（図の上下方向）に摺動可能に支持されている。そのインナーケース２７の底部（図の上端部）には、錘２５の上端面を臨んで開口し且つ軸線Ｚに沿って延びるように丸穴２７ａが穿孔され、そこにコイルバネ３０が挿入されて、錘２５をその摺動方向に弱い力で押圧するようになっている。
【００３９】
一方、錘２５の下面略中心部には、下方に向かって突出するテーパ形状の突出部２５ｃが形成されている。この突出部２５ｃは先端側に向かうほどほど細くなる円錐台状のものであり、その先端が略平坦な面とされていて、錘２５の下方に位置する圧電素子２６の上面に当接している。この圧電素子２６は、例えばセラミックス製で略円板状に形成され、ベース部材２３の上面に配置された略同径のＯリング３２上に載置されており、その下面の外周側部位がＯリング３２を介してベース部材２３により支持される一方、上面の略中央部に前記錘２５の突出部２５ｃの先端面が当接していて、当該錘２５の自重とコイルバネ３０の押圧力とによる付勢力が圧電素子２６の略中央部に作用するようになっている。
【００４０】
そのように、円板状の圧電素子２６の略中央部に錘２５の突出部２５ｃを当接させているので、ベース部材２３からの振動により圧電素子２６と錘２５との間で相対変位が生じたときに当該圧電素子２６の略中央部に集中的に応力が発生するようになる。このことで、微小な振動に対しても大きな電気信号が得られる。また、錘２５の質量は略６０グラムとし、その慣性力が十分に大きくなるようにしているので、伝達振動の加速度が非常に小さいときであっても、圧電素子２６には確実に応力が発生し、非常に高い感度が得られる。尚、そのような高感度を得るために、この実施形態の場合は圧電素子２６の質量を略５０グラム以上とすればよく、一方、センサのコンパクト化や大入力に対する耐久性を考慮すれば、錘２５の質量は過度に大きくしない方がよい。
【００４１】
さらに、前記の如く、ケース部材２４をインナーケース２７及びアウターケース２８からなる２重構造としたことで、センサ２２の感度はさらに高くなり、且つ加速度の検出精度も向上している。すなわち、一般に、圧電素子はその温度状態によって静電容量が変化し、感度が変化するという性質を持っているので、熱伝導率の低い例えばＰＯＭ（ポリオキシメチレン）等を使用したインナーケース２７で覆い、さらに空気層Ｓを介在させた上で金属製のアウターケース２８により覆うことによって、外気温度の変化による影響を実質的に遮断して、検出精度を高めることができる。
【００４２】
また、上述したように微小な振動をも検出可能な高感度なセンサ２２は、空気中を伝播する音の影響を受けてノイズを発生する虞れがあるが、前記のようにインナーケース２７の外側に空気層Ｓを介在させた上で、剛性の高い金属製アウターケース２８により覆うことで、外気の圧力変化を実質的に遮断して、高い検出精度を得ることができる。尚、アウターケース２８は例えば約３ｍｍの厚みを有するアルミニウム合金製とすればよく、さらに、外界における電界の変化に影響を受けないよう接地することが好ましい。
【００４３】
次に、前記の加速度センサ２２から出力される電気信号（電圧）を補償するコントローラ２０の補償回路２０ａについて図６〜１０を参照しながら説明する。
【００４４】
上述したように圧電型の加速度センサ２２の構造に工夫をして、微小な加速度を検出できるように感度を高めるためには、前記の構成において少なくとも錘２５の質量を約５０グラム以上として所要の慣性力を得ることが必要であり、このことは、その錘２５と圧電素子２６とからなる振動系の共振点が比較的低い周波数域に現れることを意味する。詳しくは、前記加速度センサ２２の構造は簡単な１自由度の振動系により模擬することができるから、錘２５の質量をＭとし、圧電素子２６の有するばね定数及び減衰係数をそれぞれＫ、Ｃとすれば、ベース部材２３の加速度ａ２と錘２５に伝わる加速度ａ１との関係は、ラプラス演算子ｓを用いて以下のように表される。
【００４５】
【数１】
2004138523.tif 000003
【００４６】
ここで、圧電素子２６からの出力電圧Ｖは、圧電素子２６の電気的特性を表す圧電歪み定数ｄと静電容量Ｃｃとを用いて、以下の（式２）のように表されるから、（式１）、（式２）より、センサ２２へ入力する加速度ａ２と出力電圧Ｖとの関係は以下の（式３）のようになる。
【００４７】
【数２】
2004138523.tif 000004
【００４８】
前記（式３）の関係をボード線図に示すと、図６のようになり、加速度センサ２２の出力信号には錘２５の共振によるピークが約２００〜３００Ｈｚの範囲に現れていて、この範囲で信号の位相遅れが急激に大きくなっている。このようにセンサ信号の位相遅れが非常に大きい場合、フィードバックループにおいてフィルタ回路による信号の位相遅れやアクチュエータの動作遅れ等が重畳される結果、一巡伝達関数の位相が１８０°以上遅れてしまい（位相交点）、制御ゲインを上げられなくなる（位相交点では制御ゲインが０ｄＢのときが安定限界である）。従って、前記図６に示すような周波数特性のままでは十分な性能のアクティブ防振制御を行うことはできない。
【００４９】
これに対し、この実施形態では、前記加速度センサ２２の出力信号をその正反対の周波数特性を持つ補償回路２０ａにより処理して、共振の影響を打ち消し、広い周波数域に亘って略フラットな特性の信号を得るようにしている。この補償回路２０ａは、入出力電圧の関係を前記（式１）と正反対のものとすればよいから、補償回路２０ａにおける入力信号（電圧Ｖｉ）と出力信号（電圧Ｖｏ）と関係は、以下の（式４）に示すものとすればよい。
【００５０】
【数３】
2004138523.tif 000005
【００５１】
この補償回路２０ａの周波数特性は、図７に示すように加速度センサ２２の周波数特性をひっくり返したものとなり、両者が打ち消し合ってフラットな特性になる。すなわち、加速度センサ２２に入力する加速度ａ２と補償回路２０ａから出力される信号（電圧Ｖｏ）との関係は、　Ｖｏ　＝　Ｍａ２ｄ／Ｃｃ　となり、図８のボード線図に一例を示すように共振の影響が打ち消されて、広い周波数域に亘って高感度の制御に適した特性が得られる。この周波数特性は、図９に一例を示すサーボ型加速度センサによるものと比べてもより高い周波数域までフラットに伸びていて、より高周波側まで位相遅れが少ない。尚、補償後の出力電圧Ｖｏの位相が高周波側でやや遅れているのは、補償回路２０ａとは別に設けたノイズカットフィルタＦ（図１０参照）の影響による。
【００５２】
図１０は、前記のような補償回路２０ａを例えばアナログ回路にて構成した場合の一つの例を示す。すなわち、前記（式４）をラプラス演算子ｓについて整理すると、以下の（式５）のようになり、これは、並列な微分回路、増幅回路及び１次遅れ回路からの信号の和を表すものであるから、前記図１０に示す回路によって実現できる。尚、図示の回路における入出力電圧Ｖｉ，Ｖｏの関係は、以下の（式６）として表されるものであり、（式５）及び（式６）が等価であることを考慮すれば、図示の回路定数Ｒ，Ｃ（抵抗値及びコンデンサの容量）の値はそれぞれ容易に決定することができる。
【００５３】
【数４】
2004138523.tif 000006
【００５４】
そうして、前記の補償回路２０ａから出力されるフラットな周波数特性の信号（電圧Ｖｏ）に基づいて、上述の如きアクチュエータ１２のフィードバック制御を行うとすると、フィードバックループ（図４参照）の一巡伝達関数は図１１のボード線図に示すようになる。また、対比のために従来からのサーボ型加速度センサを用いた場合について図１２に示す。両者を比較すると、サーボ型加速度センサを用いた場合は約１０Ｈｚ以上の周波数域で高周波側ほど顕著に位相遅れが大きくなり、約５０〜６０Ｈｚの範囲に位相交点Ｐが現れている。このため、制御ゲインは全体として低めに設定せざるを得ない。
【００５５】
これに対し、図１１に示すこの実施形態のフィードバックループでは位相交点Ｐは略６００Ｈｚ以上にある。これは、補償回路２０ａから出力される信号の位相遅れがサーボ型センサに比べて格段に小さいからであり、この信号に対してフィルタ回路による遅れ等が重畳されても、あまり大きな遅れにはならないということである。従って、この実施形態の場合は制御ゲインをかなり高くすることができ、これにより極めて効果的なアクティブ防振制御を実現できる。
【００５６】
より具体的に、図１３（ａ）は、この実施形態の精密防振台によるアクティブ防振制御の性能を、制御振動を付加しないパッシブ防振と対比して示すものであり、図に破線で示すパッシブ防振の場合は防振装置全体としての機械的な共振点が略１０Ｈｚの周波数に現れており、ここで振動伝達率が急増してしまうことが分かる。これに対し、実線で示すアクティブ防振制御の場合は、制御振動の付加により機械的な共振の影響を打ち消して、０．１Ｈｚから１０００Ｈｚという極めて広い周波数域に亘って振動伝達率が極めて低くなっており、防振性能は格段に高いことが判る。
【００５７】
一方、同図（ｂ）は、従来からのサーボ型センサを用いて同様のアクティブ防振制御を行った場合の防振性能を示す。図に実線で示すアクティブ防振制御によれば、パッシブ防振（破線で示す）に比べて高い防振性能が得られるものの、前記図（ａ）の場合に比べれば大きく見劣りするものであり、特に約３０〜６０Ｈｚの範囲で位相交点の影響により振動伝達率が高くなっている。
【００５８】
以上、述べたように、この実施形態に係るアクティブ防振システムの加速度検出装置Ａによれば、精密防振台の空気ばね式アイソレータ２，２，…に配設したアクチュエータ１２のアクティブ防振制御によって、搭載機器にその振動を打ち消すような制御振動を付加することで、優れた防振性能を得ることができる。
【００５９】
その際、前記搭載機器の振動状態を検出するための加速度センサ２２として、圧電型の加速度センサ２２を用い、且つ当該センサ２２の錘２５と圧電素子２６とを繋ぐ部分の構成に工夫を凝らすとともに、錘２５の質量は略６０グラムと十分に大きくして、微小な振動に対しても圧電素子２６により大きな電圧を出力させるようにしているので、加速度センサ２２は十分に高感度のものとすることができる。
【００６０】
また、そのように錘２５を重くした場合に比較的低い周波数域に生じる共振の影響はコントローラ２０の補償回路２０ａにより略完全に除去することができるから、この補償後の信号に基づいて前記の如くアクティブ防振制御を行うにあたり、広い周波数域に亘って十分に高い制御ゲインを設定することができ、これにより、防振性能を従来までと比べて格段に高くすることができる。
【００６１】
さらに、この実施形態では、そのように圧電型加速度センサ２２の感度を極めて高くした場合に問題となる外気温度の変化や音或いは電界の影響を、２重構造のケース部材２４によって実質的に解消することができる。
【００６２】
（他の実施形態）
尚、本願発明の構成は、前記実施形態のものに限定されず、その他の種々の構成を包含するものである。すなわち、前記実施形態では、各アイソレータ２毎に加速度センサ２２からの出力に基づいてアクチュエータ１２をフィードバック制御するようにしており、その加速度センサ２２に関して本願発明を適用したものであるが、これに限らず、例えば、加速度センサ２１からの信号に基づいて行うフィードフォワード制御において本願発明を適用するようにしてもよい。この場合には、加速度センサ２１の信号から共振に因る悪影響を排除することができ、周波数特性がフラットで位相遅れのない信号が得られるので、効果的なフィードフォワード制御を実現できる。
【００６３】
また、前記実施形態では、コントローラ２０の補償回路２０ａをアナログ回路にて構成する例を示しているが、これに限ることはなく、補償回路２０ａや制御回路２０ｂはデジタル回路であってもよい。
【００６４】
また、前記実施形態のアイソレータ２，２，…は、何れも空気ばね１１とリニアモータからなるアクチュエータ１２とを備えるものであるが、これに限らず、空気ばね１１の代わりに例えばゴム等の弾性体を用いるようにしてもよいし、アクチュエータとして圧電素子や磁歪素子を用いるようにしてもよい。或いは、空気ばね１１をアクチュエータとして兼用し、その空気ばね１１の内圧を制御して被支持体の位置とともに振動を制御する構成とすることも可能である。
【００６５】
また、前記実施形態では、アイソレータ２のトッププレート１３の上下方向の振動を加速度センサ２２によって検出し、このセンサ２２からの信号に基づいてリニアモータ１２により上下方向の制御振動を付加するフィードバック制御について説明しているが、アイソレータ２の構成は前記のものに限ることはなく、例えば、トッププレート１３の水平方向の振動状態を検出するように加速度センサを設けるとともに、水平方向に制御振動を付加するようにリニアモータを配設して、上下方向と同様に、水平方向の振動についてもフィードバック及びフィードフォワード制御を行うようにすることもできる。
【００６６】
さらに、前記実施形態では、本願発明を比較的大型の精密防振台に適用しているが、これに限らず、小型でより簡易な構成を有するデスクトップ型の防振台に適用することも可能である。或いは、本願発明は、例えば、半導体製造装置等の防振支持のために、それらの装置の寸法、形状等に合わせて専用に設計する防振装置等に適用することもできる。
【００６７】
【発明の効果】
以上、説明したように、請求項１の発明に係るアクティブ防振システムの加速度検出装置によると、被支持体や基礎の振動状態（加速度）を検出するためのセンサとして圧電型の加速度センサを用い、そのセンサのマス部材の質量を所定以上に大きくするとともに、その結果として低い周波数域に生じる共振の影響を打ち消すように電気信号を補償する補償回路を備えたことで、微振動の検出に十分な高感度を得ながら位相遅れや共振等の問題を解消し、広い周波数域に亘って高い防振性能を得ることができる。
【００６８】
請求項２の発明によると、センサのマス部材と圧電素子とを繋ぐ部分の構造に工夫を凝らして、加速度の検出対象の振動により圧電素子の略中央部に集中的に応力が発生するような構成としたことで、センサの感度をさらに高めることができる。
【００６９】
請求項３の発明によると、センサのマス部材の質量を略５０グラム以上としたことで、必要な高感度を得て請求項１の発明の効果を十分に得ることができる。
【００７０】
請求項４の発明によると、センサのケース部材を断熱性の高い樹脂製インナーケースと剛性の高い金属製アウターケースとの２重構造とし、さらにその間に空気層を介在させたたことで、外気温度や外気圧力の変化を遮断して、加速度の検出精度を一層、向上できる。
【００７１】
請求項５の発明によると、加速度センサからの信号に基づいて、被支持体の実際の振動状態に応じてアクチュエータを作動させることができ、また、請求項６の発明によると、基礎から伝達する振動を打ち消すようにアクチュエータを作動させることができるので、それぞれ効果的なアクティブ防振制御が可能になるとともに、その際に共振に因る悪影響を排除できるという本願発明の効果が極めて有効なものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る精密防振台の全体構成を示す斜視図である。
【図２】アイソレータの概略構成を示す図である。
【図３】アイソレータにおける上下方向の防振制御システムの概略構成図である。
【図４】フィードバックループの一例を示すブロック図である。
【図５】加速度センサの構成を示す縦断面図である。
【図６】加速度センサからの信号の周波数特性を示すボード線図である。
【図７】補償回路の伝達関数を示すボード線図である。
【図８】補償後の信号の周波数特性を示す図６相当図である。
【図９】サーボ型加速度センサについての図６相当図である。
【図１０】アナログ回路により構成した補償回路の一例を示す図である。
【図１１】フィードバックループの一巡伝達関数を示すボード線図である。
【図１２】サーボ型加速度センサを用いた場合の図１１相当図である。
【図１３】圧電型加速度センサを用いた場合の防振性能を示すグラフ図（ａ）と、サーボ型加速度センサを用いた場合のもの（ｂ）とを比較した説明図である。
【符号の説明】
Ａ　　　　　　加速度検出装置
Ｓ　　　　　　空気層
２　　　　　　アイソレータ
３　　　　　　搭載盤（被支持体）
１０　　　　　ベースプレート（基礎）
１２　　　　　リニアモータ（アクチュエータ）
１３　　　　　トッププレート（被支持体）
２０　　　　　コントローラ
２０ａ　　　　補償回路
２０ｂ　　　　制御回路（制御手段）
２２　　　　　圧電型加速度センサ
２３　　　　　ベース部材
２４　　　　　ケース部材
２５　　　　　錘（マス部材）
２５ｃ　　　　突出部
２６　　　　　圧電素子
２７　　　　　インナーケース
２８　　　　　アウターケース
３０　　　　　コイルばね（ばね部材）
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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