(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御対象に取り付けられる基盤と、この基盤に立設された支柱と、この支柱の上端部に支承された駆動コイルと、この駆動コイルが挿入されるとともに上記支柱にリニアモーションベアリングを介して上下動自在に設けられた錘となる金属製のダンパ本体と、このダンパ本体内に設けられて当該ダンパ本体を励磁する励磁コイルと、上記ダンパ本体を上記基盤または上記制御対象に弾性的に支持する付勢部材と、上記駆動コイルに制御力を入力するコントローラとを備えたアクティブ制振装置と、
上記制御対象に設けられて当該制御対象に発生する振動数を検出するセンサーとを有してなり、
上記アクティブ制振装置は、上記制御対象の固有振動数に対応した重量に設定されるとともに、
上記コントローラは、予め上記制御対象の固有振動数および想定される特定振動数が設定されるとともに、当該特定振動数において大きな重みを持つ感度低減用の周波数重み関数を設定してＨ無限大制御理論を用いて制御ゲインが設計されていることを特徴とする制振システム。
【請求項２】
上記コントローラには、予め上記制御対象の固有振動数および上記特定振動数以外の振動数において上記アクティブ制振装置の感度を低減させるロバスト安定周波数重み関数を用いて設計した制御ゲインが設定されていることを特徴とする請求項１に記載の制振システム。
【請求項３】
上記アクティブ制振装置が設置された上記制御対象は、嫌振機器を設置するための構造床として、柱で支承された梁またはスラブで構成した床であることを特徴とする請求項１または２に記載の制振システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種の嫌振機器が設置された工場等において、当該機器に対する微振動を制振するための制振システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、半導体工場や精密機械工場などにおいては、広範囲のエリアに電子顕微鏡、露光器あるいは計測器といった各種の振動を嫌う機器が設置されている。このため、これら機器自体、あるいは当該機器が設置されている床、梁、建屋等に対しては、何等かの制振対策が必要とされている。
【０００３】
一方、従来より、各種構造物における床等の振動を制振する手段としては、オイルダンパーや粘性ダンパーなどのエネルギー吸収ダンパーを用いた制振装置を大梁などの架構に取り付ける方法や、上記床等の固有振動数に応じた重量に設定させたＴＭＤ（Ｔｕｎｅｄ  Ｍａｓｓ  Ｄａｍｐｅｒ）を上記床上に設置する方法などが実用化されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の制振装置は、いずれも比較的振幅の大きな振動に対しては制振効果を発揮することができるものの、装置のガタや摩擦などに起因する機械的損失が大きいために、上述したような半導体工場などにおいて発生する数μｍレベルの機械振動や、環境振動といった微振動に対する制振効果を期待することができず、よって上記嫌振機器に対する制振装置として適用することができないという問題点があった。
【０００５】
加えて、近年、特に半導体工場においては、多層化、ロングスパン化が図られる事例が増加している。このため、床の固有振動数も数Ｈｚ程度と柔らかくなり、この結果非常に揺れやすくなっている。また、製造・検査機器等の高性能化により、これらの設置環境として、より厳しい振動許容値が要請されている。
【０００６】
そこで、この種の嫌振機器に対する微振動の制振を行なう場合には、図９に示すように、もっぱら床等の支持面５０と個々の嫌振機器５１との間に、除振装置やアクティブ除振装置等の除振装置５２を介装する方法が採られている。ここで、アクティブ除振装置とは、除振装置に組み込んだアクチュエータによって共振振動数での応答を抑えるようにした装置である。
【０００７】
これら除振装置やアクティブ除振装置等の除振装置５２を用いた制振方法によれば、嫌振機器５１を重量、除振装置５２をバネとした１質点系の振動系が構成されるために、各１質点系の固有振動数以外での振動入力成分に対する応答を低減することができる。
【０００８】
しかしながら、上記従来の除振装置５２にあっては、各々の嫌振機器５１ごとに設置する必要があるために、上記半導体工場等の多数の嫌振機器５１が設置されている場所に適用しようとすると、必要とされる除振装置やアクティブ除振装置等の除振装置５２の台数も多数になり、この結果設備コストの高騰化を招くという問題点があった。
【０００９】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、従来の制振装置等では実現できなかった微小振幅の振動に対しても優れた制振効果を発揮することができ、かつ床に設置することにより複数の嫌振機器に対する制振を行うことができて経済性に優れる制振システムを提供することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の本発明に係るアクティブ制振装置は、制御対象に取り付けられる基盤と、この基盤に立設された支柱と、この支柱の上端部に支承された駆動コイルと、この駆動コイルが挿入されるとともに支柱にリニアモーションベアリングを介して上下動自在に設けられた錘となる金属製のダンパ本体と、このダンパ本体内に設けられて当該ダンパ本体を励磁する励磁コイルと、ダンパ本体を基盤または制御対象に弾性的に支持する付勢部材と、駆動コイルに制御力を入力するコントローラとを備えたアクティブ制振装置と、上記制御対象に設けられて当該制御対象に発生する振動数を検出するセンサーとを有してなり、上記アクティブ制振装置は、上記制御対象の固有振動数に対応した重量に設定されるとともに、上記コントローラは、予め上記制御対象の固有振動数および想定される特定振動数が設定されるとともに、当該特定振動数において大きな重みを持つ感度低減用の周波数重み関数を設定してＨ無限大制御理論を用いて制御ゲインが設計されていることを特徴とするものである。
【００１１】
また、請求項２に記載の本発明に係る制振システムは、請求項１に記載の発明において、上記コントローラには、予め上記制御対象の固有振動数および上記特定振動数以外の振動数において上記アクティブ制振装置の感度を低減させるロバスト安定周波数重み関数を用いて設計した制御ゲインが設定されていることを特徴とするものである。
【００１２】
ここで、請求項３に記載の制振システムは、請求項１または２に記載のアクティブ制振装置が設置された上記制御対象が、嫌振機器を設置するための構造床として、柱で支承された梁またはスラブで構成した床であることを特徴とするものである。
【００１４】
請求項１に記載の制振システムにおいては、予めコントローラにモデル化された制御対象の振動数を設定し、当該振動数において、駆動コイルを励起することにより、ダンパー本体の上下移動を制御して、上記振動数における制御対象の振動を制振する。この際に、このアクティブ制振装置によれば、ダンパー本体が、支柱に対してリニアモータ駆動によって上下動するために、摩擦力が極めて小さく、かつ応答性に優れる。このため、従来の制振装置によってはほとんど期待できなかった数μｍレベルの微振動に対しても、有効に制振効果を発揮することができる。
【００１５】
さらに、アクティブ制振装置を、制御対象の固有振動数に起因する振動の制振制御に加えて、さらにセンサーによって制御対象の外乱による振動数を検知し、当該検知信号に基づいて、コントローラにおいてＨ無限大制御理論を用いて制御対象の外乱による振動数で最も大きな重みを持つ感度低減用の周波数重み関数を使用した制御設計を行なっているので、アクティブ制振装置を、設定した外乱による振動数帯域の揺れに対しても、有効に作動させて当該振動に対する減衰力を発生させることにより、制御対象の固有振動数と外乱による振動数が一致しない場合においても、当該外乱による揺れを効果的に低減させることができる。この結果、装置が軽量かつ小型であっても、高い制振性能を得ることが可能となる。
【００１６】
さらに、請求項３に記載の発明によれば、上記アクティブ制振装置を、嫌振機器を設置するための構造床として、柱で支承された梁またはスラブで構成した床に設置しているので、１台のアクティブ制振装置によって、広い範囲のエリアに設置されている複数の嫌振機器への入力振動を同時に低減させることができる。この結果、個々の嫌振機器に除振装置を設置した従来の制振システムと比較して、大幅なコストダウンを図ることができる。
【００１７】
加えて、床等の微振動レベルを低減することができる結果、さらなるロングスパン化や多層化を図ることができて、設計の自由度を高めることができる。
また、半導体工場のリニューアル工場などの構造計画上の制約が大きい場合においても、床等の微振動レベルを低減させることができるために、振動許容値が厳しい高性能の嫌振機器を導入することが可能になる。
【００１８】
さらに、請求項３に記載の発明において、上記梁が連続スパンを形成している場合に、当該連続スパンの梁の１次モードは、全スパンが一様な変形モードになるため、床の固有１次振動数の制振では、この１次モードを制御することになる。このため、アクティブ制振装置の合計重量が等しければ、設置台数、設置スパンの位置に拘わらず同等の制振効果を得ることができる。
【００１９】
そこで、複数のスパンにわたる上記梁または床に、１スパンにおける固有１次振動数の振動を制振するに必要な重量の複数倍の重量を有する一のアクティブ制振装置を設置すれば、１台のアクティブ制振装置によって上記複数のスパンにおける固有１次振動数の揺れを低減することができ、この結果、より一層必要とされるアクティブ制振装置の台数を低減して低コスト化および低資源化を図ることが可能となる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて、本発明に係る制振システムの一実施形態について説明する。
図１は、この制振システムに用いられる上記アクティブ制振装置を示すもので、図中符号１が、この装置Ｍを床に取り付けるための方形板状の基盤である。この基盤１の中央には、所定の強度を有する金属性の支柱２が立設されており、この支柱２の周囲に、所定重量を有する金属製のダンパ本体７が移動自在に配設されている。ここで、ダンパ本体７は、その芯部４と支柱２との間に、リニアモーションボールベアリング３が介装されることにより、上記支柱２に対して上下方向に移動自在に設けられている。
【００２１】
他方、支柱２の上端部には、天板５ａによってダンパ本体７の上方への変位を規制する円筒状の上ストッパー５が一体的に取り付けられており、この上ストッパ５に、ダンパ本体７の移動を制御する駆動コイル８が上記ダンパ本体７の芯部４の外周に挿入されるようにして設けられている。そして、ダンパ本体７の内部には、その内周面および芯部４の外周面との間に僅かな隙間を介して励磁コイル６が配設され、この励磁コイル６によってダンパ本体７が磁気を帯びるようになっている。
【００２２】
また、ダンパ本体７の外周には、鍔状に突出する円環板状のフランジ部９が固定され、このフランジ部９と基盤１との間に、ダンパ本体７を弾性的に支承するスプリング（付勢部材）１０が円周方向の複数箇所に等間隔をおいて配設されている。なお、図中符号１１は、ダンパ本体７に対する下ストッパである。さらに、このアクティブ制振装置Ｍには、ダンパ本体７の駆動を、Ｈ無限大制御理論を用いて制御するための制御力を入力するコントローラ（図３参照）１２が実装されている。
【００２３】
次いで、図１〜図５に基づいて、以上の構成からなるアクティブ制振装置Ｍを用いた本発明の制振システムの一実施形態について説明する。
上記アクティブ制振装置Ｍは、図２に示すように、複数（図では３機）の嫌振機器１３が設置されている柱１４で支承された梁またはスラブで構成した床１５に設置されている。また、この床１５には、地震、風、機械振動などに起因する外乱Ｗ１  によって床１５に発生した振動数を検知するためのセンサー（図３参照）１６が設けられている。
【００２４】
図３は、本実施形態の制振システムにおける制御系２０を示すもので、図中符号２１は、嫌振機器１３が据え付けられるとともにアクティブ制振装置Ｍが設置された床（制御対象）である。ここで、アクティブ制振装置Ｍは、制御対象２１における床１５等の形状、重量や設置された嫌振機器１３の個数、重量および設置位置等をモデル化することによって得られた制御対象２１の固有振動数に対応した重量に設定されており、駆動コイル８に制御入力を与えることにより、ダンパ本体７の作動を制御して、制御対象２１に発生する振動を制振するようになっている。
【００２５】
そして、アクティブ制振装置Ｍに実装されたコントローラ１２は、その制御力をアクティブ制振装置Ｍへ入力し、駆動コイル８を励磁してダンパ本体７を自由に上下動させることにより、芯部４を含めたダンパ本体７の自重による慣性力を利用して制御対象２１の振動を減衰させるようになっている。
【００２６】
また、このコントローラ１２内には、上記センサー１６によって検出された固有振動数ｆｎ以外の外乱Ｗ１  によって発生した制御対象２１の振動数ｆｂの検知信号から、この外乱振動数ｆｂにおいて大きな重みを持つ感度低減用の周波数重み関数Ｗｓを設定してＨ無限大制御理論に基づき設計された制御ゲインを設定するコンピュータ（演算装置）が設けられている。さらに、このコントローラ１２には、予め制御対象２１の固有振動数ｆｎおよび想定される外乱振動数ｆｂ以外の振動数においてアクティブ制振装置Ｍの感度を低減させるロバスト安定周波数重み関数Ｗｎ、Ｗｔを用いて設計した制御ゲインが設定されている。
なお、図中符号Ｗ２  は、センサー１６やそのアンプなどに含まれる観測ノイズを示すものである。
【００２７】
以上の構成からなるアクティブ制振装置Ｍを用いた制振システムによれば、先ず、センサー１６によって、制御対象２１に地震や機械振動等に起因する固有振動数以外の外乱Ｗ１  による振動数ｆｂが検出されると、その検知信号がコントローラ１２に送られ、図４に示すように、予めこの外乱振動数ｆｂにおいて大きな重みを持つ感度低減用の周波数重み関数Ｗｓを設定してＨ無限大理論を用いた設計により得られた制御ゲインと掛け合わされる。
【００２８】
そして、このコントローラ１２において、制御対象２１に設置されたアクティブ制振装置Ｍの駆動コイル８に周波数重み関数Ｗｓに基づく感度低減用の制御力が入力される。この結果、ダンパ本体７の上下移動が制御されて、アクティブ制振装置Ｍとしての制振作用が発揮されることにより、制御対象２１における上記振動ｆｂが低減される。
【００２９】
この際に、感度低減用の周波数重み関数Ｗｓのみを用いた制御によれば、制御対象となる固有振動数ｆｎおよび上記外乱振動数ｆｂ以外の振動数範囲においても大きな制御力が発生してしまう。そこで、上述したように、コントローラ１２には、制御対象の振動数ｆｎ、ｆｂ以外の振動数において、アクティブ制振装置Ｍの感度を低減させるロバスト安定周波数重み関数Ｗｔ、Ｗｎが設定されている。そして、このコントローラ１２によって、Ｈ無限大制御理論を用いてアクティブ制振装置Ｍにこれらロバスト安定周波数重み関数Ｗｔ、Ｗｎに基づく感度低減用の制御力を入力して、制御対象振動数ｆｎ、ｆｂ以外の振動数での感度を鈍くすることにより、アクティブ制振装置Ｍの動作安定性を確保する。
【００３０】
本実施形態においては、図５に示すように、ロバスト安定周波数重み関数として、高振動数領域において大きな重みを持つ周波数重み関数Ｗｔと、低振動数領域において大きな重みを持つ周波数重み関数Ｗｎとを組み合わせることにより、周波数重み関数Ｗｔによって主として高振動数領域での制御力を抑制し、周波数重み関数Ｗｎによって、主として低周波数領域での制御力を抑制するとともに、装置のドリフト抑制効果を奏するように設定している。
【００３１】
以上のように、アクティブ制振装置Ｍによれば、予めコントローラ１２にモデル化された制御対象の固有振動数ｆｎまたは外乱振動数ｆｂを設定し、これらの特定振動数ｆｎまたはｆｂにおいて、駆動コイル８を励起することにより、ダンパ本体７の上下移動を制御して、上記特定振動数ｆｎまたはｆｂにおける制御対象２１の振動を制振することができる。この際に、このアクティブ制振装置Ｍによれば、ダンパ本体７が、支柱２に対してリニアモータ駆動によって上下動するために、摩擦力が極めて小さく、かつ応答性に優れるために、従来の制振装置によってはほとんど期待できなかった数μｍレベルの微振動に対しても、有効に制振効果を発揮することができる。
【００３２】
図６は、本発明者等による、制振装置を設けない場合と、上記アクティブ制振装置Ｍを設けた場合とにおける床変位を計測した実験結果を示すものであり、制振装置を設けない場合に最大６．６８μｍであった変位量が、アクティブ制振装置Ｍを設けたことにより、最大２．５７μｍと大幅に低減したことが判る。
【００３３】
また、上記アクティブ制振装置Ｍを用いた制振システムによれば、制御対象２１の固有振動数ｆｎに起因する振動の制振制御に加えて、さらにセンサー１６によって制御対象２１の外乱Ｗ１  による振動数ｆｂを検知し、この検知信号に基づいて、コントローラ１２においてＨ無限大制御理論を用いて制御対象２１の外乱Ｗ１  による振動数ｆｂで最も大きな重みを持つ感度低減用の周波数重み関数Ｗｓを使用した制御設計を行なっているので、アクティブ制振装置Ｍを、設定した外乱Ｗ１  による振動数ｆｂの帯域の揺れに対しても作動させて当該振動に対する減衰力を発生させることにより、制御対象２１の固有振動数ｆｎと外乱Ｗ１  による振動数ｆｂが一致しない場合においても、外乱Ｗ１  による揺れを効果的に低減させることができる。この結果、装置が軽量かつ小型であっても、高い制振性能を得ることができる。
【００３４】
加えて、上記周波数重み関数Ｗｓと併せて、ロバスト安定周波数重み関数Ｗｔ、Ｗｎを設定しているので、制御対象振動数ｆｎ、ｆｂ以外の周波数帯域における制御力の発生を抑制することができる。この結果、上述した固有振動数ｆｎを設定する際のモデル化誤差や、コントローラ４からアクチュエータに入力される制御力の位相遅れ等に対するアクティブ制振装置のロバスト性を向上させることができるとともに、装置のドリフトを抑制することができ、よって特定の制御対象振動数ｆｎ、ｆｂでの強い制御を実現することができる。
【００３５】
さらに、アクティブ制振装置Ｍを、複数の嫌振機器１３が設置されている床１５に設置しているので、一台のアクティブ制振装置Ｍによって、これら嫌振機器１３への入力振動を同時に低減させることができる。この結果、図９に示した個々の嫌振機器５１に除振装置５２を設置する従来の制振システムと比較して、大幅なコストダウンを図ることができる。また、半導体工場のリニューアル工場などの構造計画上の制約が大きい場合においても、床等の微振動レベルを低減させることができるために、振動許容値が厳しい高性能の嫌振機器を導入することが可能になる。
【００３６】
また、床１５等の微振動レベルを低減することができる結果、さらなるロングスパン化や多層化を図ることができ、この結果、設計の自由度を高めることができる。すなわち、上記アクティブ制振装置Ｍおよびこれを用いた制振システムによって、床全体あるいは床の一部を制振して、大梁の振動および変形の低減化を図ることにより、梁・柱などの構造部材を小さく設計して省資源化を実現することができる。
【００３７】
例えば、図７に（ａ）に示すように、梁せいが９０ｃｍでスパン長が５．５ｍｍ程度の一般的な半導体工場の床に、図７（ｂ）に示すように、本発明に係るアクティブ制振装置Ｍを設置した場合には、同一のスパン長５．５ｍに対して梁せいを６０ｃｍと２／３程度まで低減することができ、また図７（ｃ）に示すように、梁せいを９０ｃｍのまま変えない場合には、スパン長を１１．０ｍと２倍程度まで長スパン化することができ、この結果柱の本数も半減することができる。
【００３８】
さらに、図８（ｂ）は、本発明に係る制振システムの他の実施形態を示すもので、複数のスパン（図では５スパン）にわたる梁上の床２５に、１スパンにおける固有１次振動数の振動を制振するに必要な重量の５倍の重量を有する１台のアクティブ制振装置Ｍを設置したものである。すなわち、連続スパンの梁の１次モードは、全スパンが一様な変形モードになるため、床２５の固有１次振動数の振動の制振では、この１次モードを制御することになる。このため、アクティブ制振装置Ｍの合計重量が等しければ、設置台数、設置スパンの位置に拘わらず同等の制振効果を得ることができる。
【００３９】
例えば、図８（ａ）に示すように、各スパンの床２５上にアクティブ制振装置Ｍを設置する場合に、各スパンにおける固有１次振動数を制振するに必要なアクティブ制振装置の重量が５０ｋｇｆであるとすると、１層に設置されたアクティブ制振装置の総重量は、５０ｋｇｆ×５台＝２５０ｋｇｆになる。
そこで、図８（ｂ）に示す場合においては、上記アクティブ制振装置Ｍとして、２５０ｋｇｆの重量のものを１台設置することにより、同等の制振効果を得ることができる。この結果、上記実施形態に係る制振システムによれば、１台のアクティブ制振装置Ｍによって５スパンにおける固有１次振動数の揺れを低減することができ、よって制振に必要とされるアクティブ制振装置Ｍの台数を一層低減して低コスト化および低資源化を図ることができる。
【００４０】
なお、上記実施の形態においては、アクティブ制振装置Ｍにおいてダンパ本体７をスプリング１０によって基盤１上に弾性的に支承した場合についてのみ説明したが、これに限るものではなく、空気バネや磁気バネ、あるいはエアーダンパ等の所望の弾性力を有する他の付勢部材を使用してもよい。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に記載の制振システムによれば、ダンパ本体が、リニアモータ駆動によって上下制御されるために、摩擦力が極めて小さく、かつ応答性に優れるために、従来の制振装置によってはほとんど期待できなかった数μｍレベルの微振動に対しても、有効に制振効果を発揮することができる。
【００４２】
さらに、コントローラが、特定振動数において大きな重みを持つ感度低減用の周波数重み関数を設定してＨ無限大制御理論を用いて制御ゲインが設計されているので、センサーによって検出された特定振動数に対しても、効果的にこれを低減させることができ、よって装置が軽量かつ小型であっても、高い制振性能を得ることができる。
【００４３】
さらに、請求項３に記載の発明によれば、一のアクティブ制振装置によって、広い範囲のエリアに設置されている複数の嫌振機器への入力振動を同時に低減させることができ、よって従来と比較して、大幅なコストダウンを図ることができるとともに、床等の微振動レベルを低減することができる結果、さらなるロングスパン化や多層化を図ることができて、設計の自由度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のアクティブ制振装置の一実施形態を示す縦断面図である。
【図２】図１のアクティブ制振装置の設置状態を示す概略構成図である。
【図３】本発明の制振システムの一実施形態における制御系を示す図である。
【図４】重み関数Ｗｓを設定する方法を示すグラフである。
【図５】重み関数Ｗｔ、Ｗｎを設定する方法を示すグラフである。
【図６】本発明の効果を示す床変位のグラフである。
【図７】図１のアクティブ制振装置による効果を説明するための図で、（ａ）は制振装置を設けない場合の架構寸法、（ｂ）はアクティブ制振装置を設置した場合の許容梁せいの寸法、（ｃ）は同じく梁せいを一定にした場合のスパン長の許容寸法を示す正面図である。
【図８】本発明の他の実施形態を示すもので、（ａ）は各スパンにアクティブ制振装置を設置した状態を示す正面図、（ｂ）は１層に１台のアクティブ制振装置を設置した状態を示す正面図である。
【図９】従来の制振装置を用いた制振システムを示す概略構成図である。
【符号の説明】
１  基盤
２  支柱
３  リニアモーションボールベアリング
４  ダンパ本体の芯部
６  励磁コイル
７  ダンパ本体
８  駆動コイル
１０  スプリング（付勢部材）
１２  コントローラ
１５  床
１６  センサー
【図１】
0004304825.tif 000002
【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】
0004304825.tif 000008
【図８】
0004304825.tif 000009
【図９】
0004304825.tif 000010