JP5264656B2

JP5264656B2 - 多自由度アクティブ制振装置

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Publication number: JP5264656B2
Application number: JP2009201426A
Authority: JP
Inventors: 光伯齊藤; 一彦福島
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-09-01
Filing date: 2009-09-01
Publication date: 2013-08-14
Anticipated expiration: 2029-09-01
Also published as: JP2011052738A

Description

この発明は、高精度観測機器に伝達する複数自由度の振動を除去するために用いられる、多自由度アクティブ制振装置に関するものである。

高精度観測機器において、外部から僅かでも振動が伝達する場合、観測分解能が劣化することで観測結果に大きな支障をきたすことがある。そこで従来では、防振ゴム、バネ・ダンパ系等を使用した除振台を介して、床等の設置筐体と高精度観測機器を結合することで、設置筐体から高精度観測機器に伝達する振動を除去する方法が用いられている。この場合、設置筐体からの振動は除去することができる反面、除振台上に設置した機器が発生する振動のように、設置筐体以外から高精度観測機器に伝達する振動は除去することができない。そこで、振動を発生する機器に対して、その発生振動を相殺するような制振力を作用させることにより、振動エネルギを吸収するようにしたアクティブ制振装置も開発されている。

多くの場合、このアクティブ制振装置は質量Ｍの可動マス(可動体)に対して、１軸方向の加速度αを与えることで慣性力Ｆ＝Ｍαを発生させ、制振対象である機器の発生振動を当該慣性力で相殺することにより、１軸方向(可動マス駆動方向)の振動を除去する１自由度アクティブ制振装置となっている。このような１自由度アクティブ制振装置によって複数自由度の振動を除去するためには、除去すべき振動の自由度に応じて複数台の１自由度アクティブ制振装置を設ける必要があり、装置全体が大型化する問題があった。

このような問題に対して、１台のアクティブ制振装置で複数自由度の制振力及び制振トルクを発生可能な多自由度アクティブ制振装置も開発されている。従来の多自由度アクティブ制振装置(例えば下記特許文献１に記載)では、互いに直交する３軸の直交点に配置された可動マスを、３軸各方向に変位可能な変位部材により支持している。その上で、制振対象に対して上記多自由度アクティブ制振装置を載置し、外部から制振対象に伝達する振動、又は制振対象が発生する振動に対して、３軸各方向の振動を打ち消すように変位部材に反力を発生させるようにしている。これにより、変位部材で支持された可動マスに対して３軸方向の加速度を与えることで、３軸各方向に慣性力を発生させ、制振対象の振動を当該慣性力で相殺することで、制振対象における３自由度の直動振動を除去するようにしている。

また、従来の多自由度アクティブ制振装置のもう一つの例(例えば下記特許文献２に記載)として、制振対象に取付けられるベース・プレートと、ベース・プレートの一方面に立設され印加電圧に応じて各々所定方向へ伸縮可能な６本の直動リンクと、各直動リンクの一端部に支持された可動マスと、ベース・プレートに生じる振動成分を検出する振動検出手段と、その検出した振動成分に応じて各直動リンクを駆動する制御手段とを備えた多自由度アクティブ制振装置がある。上記多自由度アクティブ制振装置では、制振対象に発生した振動が振動検出手段で検出されると、制御手段により振動成分に応じて振動を抑制する制御量が求められ、当該制御量で各直動リンクが駆動制御される。６本の直動リンクが駆動されることにより、当該リンクで支持された可動マスに３軸方向の慣性力及び３軸方向の慣性トルクが発生し、当該慣性力及び慣性トルクが各直動リンクを介して制振対象に取付けられたベース・プレートに作用することで、制振対象の３自由度直動振動及び３自由度回転振動を除去するようにしている。

特開２００１−１９３７８６号公報特開平６−３４１４８６号公報

上記特許文献１に示す従来の多自由度アクティブ制振装置では、可動マスに３軸方向作用力を発生させることで、当該アクティブ制振装置と制振対象との設置面において、当該作用力の符号反転値が３軸方向の制振力として作用するため、制振対象における３自由度の直動振動を除去することができる。

しかしながら、上記多自由度アクティブ制振装置の可動マスは、上記設置面と所定距離を隔てて変位部材で支持されるため、設置面の面内方向にそれぞれ直交するＸ軸及びＹ軸、面外方向にＺ軸をとった場合、特に面内Ｘ軸方向(Ｙ軸方向)の直動振動を除去するために可動マスに対してＸ軸方向(Ｙ軸方向)作用力を発生させると、上記設置面にはＸ軸方向(Ｙ軸方向)の制振力に加えて、Ｘ軸方向(Ｙ軸方向)作用力と設置面中心から可動マス質量中心までの位置ベクトルとの外積で与えられるＹ軸方向(Ｘ軸方向)の制振トルクが作用することになる。したがって、制振対象の３自由度直動振動を除去することができても、設置面の面内２自由度回転振動は逆に励起されることになり、制振対象の振動を厳密に除去することは困難であるという問題があった。

一方、上記特許文献２に示す従来の多自由度アクティブ制振装置では、可動マスに３軸方向作用力及び３軸方向作用トルクを発生させることで、制振対象における３自由度の直動振動に加えて、３自由度の回転振動も除去することが可能となる。このとき、制振対象に作用する３軸方向の制振力は、上記特許文献１に示す多自由度アクティブ制振装置と同様、可動マスに発生させる３軸方向作用力の符号反転値が対応する。

しかしながら、制振対象に作用する３軸方向の制振トルクは、可動マスに発生させる３軸方向作用トルクの符号反転値に対して、可動マスに発生させる３軸方向作用力と設置面中心から可動マス質量中心までの位置ベクトルとの外積を重畳した成分が対応する。したがって、制振対象に対して所望の制振トルクを作用させるためには、上記作用力と位置ベクトルとの外積を陽に考慮した上で、可動マスへの作用トルクを制御しなければならないという問題があった。

加えて、一般にアクティブ制振装置において可動マスに発生可能な最大作用力及び最大作用トルクは、可動マスの可動範囲及び可動周波数で制約を受けるが、設置面と可動マス質量中心との距離に比例して、上記作用力と位置ベクトルとの外積成分が大きくなるため、当該外積成分の影響で制振対象に作用可能な最大制振力及び最大制振トルクが小さくなるという問題があった。特に上記特許文献２に示す従来の多自由度アクティブ制振装置のように、ベース・プレート、可動マス、及び６本の直動リンクでスチュワート・プラットフォームを構成した場合、必然的に設置面と可動マス質量中心との距離が大きくなるため、上記問題は顕著となる。

この発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、制振対象に作用可能な最大制振力及び最大制振トルクを拡大させることができる多自由度アクティブ制振装置を提供することを目的とする。

この発明は、制振対象に発生する３自由度の直動振動又は３自由度の直動振動と３自由度の回転振動を相殺する３軸方向制振力及び３軸方向制振トルクを前記制振対象に印加して制振する多自由度アクティブ制振装置において、前記制振対象に取付けられるベース・プレートと、前記ベース・プレートに一端部が変位拘束で固定され各々所定方向へ伸縮可能な６本の直動リンクと、前記各直動リンクの他端部と変位拘束で支持された可動マスと、前記各直動リンクの伸縮量を検出する変位検出手段と、前記制振対象に発生する振動成分を検出する振動検出手段と、前記変位検出手段で検出した伸縮量及び前記振動検出手段で検出した振動成分に応じて前記各直動リンクの伸縮動作を制御する制御手段と、を備え、前記ベース・プレートと前記可動マスとの距離が小さくなるように、前記６本の直動リンクが、前記ベース・プレート及び前記可動マスの中心軸からの距離が大きい第１の距離になる前記ベース・プレート及び前記可動マスに対する固定点を有する３本の直動リンクと、前記ベース・プレート及び前記可動マスの中心軸からの距離が前記第１の距離より短い第２の距離になる前記ベース・プレート及び前記可動マスに対する固定点を有する３本の直動リンクと、を前記中心軸を中心とする円周方向に交互に配置してなることを特徴とする多自由度アクティブ制振装置にある。

この発明では、制振対象に作用可能な最大制振力及び最大制振トルクを拡大させた多自由度アクティブ制振装置を提供できる。

この発明による多自由度アクティブ制振装置のパラレルリンク機構の構成の一例を示す斜視図である。図１のパラレルリンク機構の上面図である。図１のパラレルリンク機構の側面図である。この発明の実施の形態１による多自由度アクティブ制振装置の振動検出手段の空間配置を示す図である。この発明の実施の形態１による多自由度アクティブ制振装置の制御系の構成を示すブロック図である。この発明の実施の形態１による多自由度アクティブ制振装置の機械系の構成を示す概略構成図である。この発明の実施の形態２による多自由度アクティブ制振装置の振動検出手段の空間配置を示す図である。この発明の実施の形態２による多自由度アクティブ制振装置の制御系の構成を示すブロック図である。従来の多自由度アクティブ制振装置におけるパラレルリンク機構の構成を示す斜視図である。従来の多自由度アクティブ制振装置におけるパラレルリンク機構の構成を示す上面図である。従来の多自由度アクティブ制振装置におけるパラレルリンク機構の構成を示す側面図である。

この発明による多自由度アクティブ制振装置では、設置面と可動マス質量中心との距離を抑制することで、可動マスへの３軸方向作用力と設置面中心から可動マス質量中心までの位置ベクトルとの外積成分を減少させ、制振対象に作用可能な最大制振力及び最大制振トルクを拡大させる多自由度アクティブ制振装置を得ること、及び上記外積成分を陽に考慮した上で、制振対象に作用する３軸方向制振力及び３軸方向制振トルクを正確に制御することで、制振対象の３自由度直動振動及び３自由度回転振動を厳密に除去することができる。

以下、この発明による多自由度アクティブ制振装置を好適な各実施の形態に基づき図面を用いて説明する。なお、各実施の形態で同一もしくは相当する部分は同一符号で示し重複する説明は省略する。

実施の形態１．
この発明の実施の形態１による多自由度アクティブ制振装置を図１から図６に従って説明する。図１はこの発明による多自由度アクティブ制振装置のパラレルリンク機構の構成の一例を示す斜視図、図２及び図３は図１のパラレルリンク機構の上面図及び側面図である。

図１のパラレルリンク機構２０は、制振対象に取付けられるベース・プレート１と、一端部が変位拘束でベース・プレート１に固定点Ｂ１〜Ｂ６で固定され各々長手方向へ伸縮可能な６本の直動リンク２ａ〜２ｆと、これらの直動リンク２ａ〜２ｆの他端部と固定点Ｍ１〜Ｍ６において変位拘束で支持された可動マス３で構成されている。この直動リンク２ａ〜２ｆの固定点は、図２及び図３に示すように共通の中心軸Ｏを有するベース・プレート１及び可動マス３の当該中心軸Ｏからの距離が大きく(第１の所定距離)なるように設定した３本の直動リンク２ｂ、２ｄ、２ｆの組と、距離が小さく(上記第１の所定距離より短い第２の所定距離)なるように設定した３本の直動リンク２ａ、２ｃ、２ｅの組において、中心軸Ｏに対して直動リンク２ｂ、２ｄ、２ｆ(又は直動リンク２ａ、２ｃ、２ｅ)が、各組毎に中心軸Ｏを中心とする同一円周上の周方向に１２０度の等間隔で均等配置となり、更に直動リンク２ａ、２ｃ、２ｅが直動リンク２ｂ、２ｄ、２ｆとそれぞれ６０度ずれて周方向に交互に配置されるように、ベース・プレート１に対する直動リンク２ａ〜２ｆの固定点Ｂ１〜Ｂ６、及び可動マス３に対する直動リンク２ａ〜２ｆの固定点Ｍ１〜Ｍ６を配置している。

図４はこの発明の実施の形態１による多自由度アクティブ制振装置の振動検出手段(加速度センサ・ユニット)の空間配置を示すもので、(ａ)は上面図、(ｂ)は(ａ)の上面図の紙面の下側から見た側面図である。図４に示したように、ベース・プレート１が取り付けられる制振対象４に発生する振動成分を検出する振動検出手段として、単体で直交３軸方向の各々に感度を有する３個の３軸加速度センサ・ユニット５ａ〜５ｃを用いる。３軸加速度センサ・ユニット５ａ〜５ｃの各々は、制振対象４に対するベース・プレート１の設置面中心(中心軸Ｏと同じ)を中心とした同一円周上で１２０度間隔の制振対象４上の３点に、当該中心に対して均等配置され、各３軸加速度センサ・ユニット５ａ〜５ｃの検出軸Ｘ_Ａｊ、Ｙ_Ａｊ、Ｚ_Ａｊ(ｊ＝１、２、３)が、軸Ｘ_Ａｊが設置面中心からの放射方向、軸Ｙ_Ａｊが上記同一円周上の接線方向、軸Ｚ_Ａｊが設置面に垂直な方向となるように配置されている。

図５はこの発明の実施の形態１による多自由度アクティブ制振装置の制御系の構成を示すブロック図である。図５に示したように、この実施の形態１の多自由度アクティブ制振装置では、直動リンク２ａ〜２ｆの各々に対して、その伸縮量を検出する変位検出手段１０ａ〜１０ｆ(歪みゲージ式変位センサ等)が配置されており、変位検出手段１０ａ〜１０ｆで検出した直動リンク２ａ〜２ｆの伸縮量、及び振動検出手段である３軸加速度センサ・ユニット５ａ〜５ｃで検出した制振対象４の振動成分に応じて、制御手段１３によって直動リンク２ａ〜２ｆの伸縮動作を制御する。

この制御手段１３は、３軸加速度センサ・ユニット５ａ〜５ｃで検出した振動成分を、制振対象４の３軸加速度及び３軸角加速度に変換する振動成分変換器９、振動成分変換器９で算出された制振対象４の３軸加速度及び３軸角加速度に基づいて、制振対象４に発生する３自由度直動振動及び３自由度回転振動を相殺するように、可動マス３に対する３軸方向作用力及び３軸方向作用トルクを算出する作用力・作用トルク変換器１１、作用力・作用トルク変換器１１で算出された可動マス３に対する３軸方向作用力及び３軸方向作用トルク、及び変位検出手段１０ａ〜１０ｆで検出した直動リンク２ａ〜２ｆの伸縮量に基づいて、可動マス３に対して３軸方向作用力及び３軸方向作用トルクが実際に作用するように、直動リンク２ａ〜２ｆの伸縮動作を制御する直動リンク制御器１２で構成される。

また振動成分変換器９は、３軸加速度センサ・ユニット５ａ〜５ｃで検出した振動成分を、所定周波数よりも高周波領域で積分する不完全積分器６ａ〜６ｃ、不完全積分器６ａ〜６ｃの出力を、制振対象４の３軸速度及び３軸角速度に変換する速度・角速度変換器７、３軸加速度センサ・ユニット５ａ〜５ｃで検出した振動成分、及び速度・角速度変換器７で算出された制振対象４の３軸速度及び３軸角速度に基づいて、制振対象４の３軸加速度及び３軸角加速度を算出する加速度・角加速度変換器８を備えている。

図６はこの発明の実施の形態１による多自由度アクティブ制振装置の機械系の構成を示す概略構成図である。設置剛性を模擬したバネ・ダンパ系１４で支持された制振対象４に対して、制振対象４に発生する振動成分を３軸加速度センサ・ユニット５ａ〜５ｃで検出し、変位検出手段１０ａ〜１０ｆ(図５参照)で検出した直動リンク２ａ〜２ｆの伸縮量と合わせて、これらに基づき、制御手段１３(図５参照)によって制振対象４上に配置したパラレルリンク機構２０を制御することで、制振対象４に発生する３自由度直動振動及び３自由度回転振動を相殺するような３軸方向制振力及び３軸方向制振トルクを制振対象４に印加して制振する。

また図９から図１１は、従来の多自由度アクティブ制振装置におけるパラレルリンク機構の構成を示すそれぞれ斜視図、上面図及び側面図である。

次に、この発明による多自由度アクティブ制振装置の動作について説明する。例えば上記特許文献２に開示された従来の多自由度アクティブ制振装置におけるパラレルリンク機構は、図９に示したように制振対象に取付けられるベース・プレート１、このベース・プレート１にその一端部が変位拘束で固定点Ｂ１〜Ｂ６に固定され、各々長手方向へ伸縮可能な６本の直動リンク２ａ〜２ｆ、これらの直動リンク２ａ〜２ｆの他端部が固定点Ｍ１〜Ｍ６において変位拘束で支持された可動マス３で、スチュワート・プラットフォームを構成している。

このスチュワート・プラットフォームにおける直動リンク２ａ〜２ｆの固定点は、図１０及び図１１に示すように(特に図１０の上面図で見た場合)、ベース・プレート１及び可動マス３の中心軸Ｏを中心とした共通の円周上で、互いに１２０度ずれた箇所にベース・プレート１に対する直動リンク２ａ〜２ｆの固定点(Ｂ１、Ｂ６)、(Ｂ２、Ｂ３)、(Ｂ４、Ｂ５)を配置し(１２０度間隔の均等配置)、更に上記共通の円周上で互いに１２０度ずれ(１２０度間隔の均等配置)、かつ固定点(Ｂ１、Ｂ６)、(Ｂ２、Ｂ３)、(Ｂ４、Ｂ５)の配置箇所からそれぞれ６０度回転させた(ずれた)箇所に可動マス３に対する直動リンク２ａ〜２ｆの固定点(Ｍ１、Ｍ２)、(Ｍ３、Ｍ４)、(Ｍ５、Ｍ６)を配置している。

このようなパラレルリンク機構によって多自由度アクティブ制振を実現する場合、制振対象４に発生する振動成分を振動検出手段で検出し、当該振動を相殺するような３軸方向制振力ｆ_Ｂ及び３軸方向制振トルクτ_Ｂを、制振対象４に対して印加する必要がある。しかしながら、一般にアクティブ制振装置における制御量は可動マス３に発生させる３軸方向作用力ｆ_Ｍ及び３軸方向作用トルクτ_Ｍであり、両者の関係は制振対象４におけるベース・プレート１の設置面中心から可動マス３の質量中心までの位置ベクトルをγ_ＭＢとして、式(１)で与えられる。

ただし

Ｈ：制振対象におけるベース・プレート設置面から可動マス質量中心までの高さ

このように、制振対象４に作用する３軸方向制振力ｆ_Ｂには、可動マス３に発生させる３軸方向作用力ｆ_Ｍの符号反転値が対応するが、３軸方向制振トルクτ_Ｂには、３軸方向作用トルクτ_Ｍの符号反転値に対して、３軸方向作用力ｆ_Ｍと設置面中心から可動マス質量中心までの位置ベクトルγ_ＭＢとの外積を重畳した成分が対応する。

一般に、アクティブ制振装置において可動マス３に発生可能な最大作用力max(ｆ_Ｍ)及び最大作用トルクmax(τ_Ｍ)は、可動マス３の可動範囲及び可動周波数で制約を受けるが、設置面から可動マス質量中心までの高さＨに比例して式(１)の第２式右辺第２項が大きくなるため、当該外積成分の影響で制振対象４に作用可能な最大制振力max(ｆ_Ｂ)及び最大制振トルクmax(τ_Ｂ)は小さくなる。

特に、直動リンク(２)はその最大伸張量に対して所定のリンク長さを必要とするため、従来の多自由度アクティブ制振装置のようにパラレルリンク機構をスチュワート・プラットフォームで構成した場合、必然的に設置面から可動マス質量中心までの高さＨが大きくなり、上記問題が顕著となる。

例えば、直動リンク(２)に
最大伸張量：８０μｍ
リンク長さ：９２ｍｍ(固定点Ｂ１〜Ｂ６から固定点Ｍ１〜Ｍ６までの距離)
のピエゾ・アクチュエータを適用し、
可動マス３に
質量：１．５１ｋｇ
面内方向主慣性モーメント：１．１９×１０^−３ｋｇｍ^２
面外方向主慣性モーメント：２．２８×１０^−３ｋｇｍ^２
の円柱形状を用いた場合、多自由度アクティブ制振装置として制振対象４に作用可能な所定単軸方向(残り５自由度の制振力・制振トルク＝０)の最大制振力及び最大制振トルクは、動作周波数５０Ｈｚにおいて表１に示すとおりとなる。

そこでこの発明による多自由度アクティブ制振装置では、図１から図３に示したように、パラレルリンク機構２０においてベース・プレート１及び可動マス３の中心軸Ｏからの距離が大きくなるように設定した３本の直動リンク２ｂ、２ｄ、２ｆと、距離が小さくなるように設定した３本の直動リンク２ａ、２ｃ、２ｅのそれぞれの組において、当該中心軸に対して直動リンク２ｂ、２ｄ、２ｆ(直動リンク２ａ、２ｃ、２ｅ)が互いに１２０度ずれた対称配置となり(同一円周上の周方向に１２０度の等間隔で均等配置)、更に直動リンク２ａ、２ｃ、２ｅが直動リンク２ｂ、２ｄ、２ｆとそれぞれ６０度ずれて周方向に交互に配置されるように、ベース・プレート１に対する直動リンク２ａ〜２ｆの固定点Ｂ１〜Ｂ６、及び可動マス３に対する直動リンク２ａ〜２ｆの固定点Ｍ１〜Ｍ６を配置している。

このようなパラレルリンク機構２０とすることで、ベース・プレート１と可動マス３との距離が抑制され、式(１)の第２式右辺第２項で与えられる外積成分が減少することで、制振対象４に作用可能な最大制振力max(ｆ_Ｂ)及び最大制振トルクmax(τ_Ｂ)を拡大させている。

例として、表１における設定と同一の直動リンク(２)及び可動マス３を適用した場合の、制振対象４に作用可能な所定単軸方向(残り５自由度の制振力・制振トルク＝０)の最大制振力及び最大制振トルクは、動作周波数５０Ｈｚにおいて表２に示すとおりとなる。

表１との比較より、この発明によるパラレルリンク機構２０を適用することで、面外方向制振トルクを除く５自由度で最大制振力max(ｆ_Ｂ)及び最大制振トルクmax(τ_Ｂ)が拡大していることが分かる。またこのパラレルリンク機構２０では、従来のスチュワート・プラットフォームと同様、直動リンク２ａ〜２ｆの空間配置において対称性を維持しているため(中心軸Ｏの周りの直動リンク２ａ〜２ｆの均等配置)、可動マス３の制御性において特定自由度の制御性を劣化させることなく、その対称性が保たれていることも、特徴の１つとなる。

次に多自由度アクティブ制振装置では、制振対象４に発生する３自由度直動振動及び３自由度回転振動を正確に計測し、当該振動を相殺するような制振対象４への３軸方向制振力ｆ_Ｂ及び３軸方向制振トルクτ_Ｂ、当該制振力及び制振トルクを実現するような可動マス３への３軸方向作用力ｆ_Ｍ及び３軸方向作用トルクτ_Ｍを決定し、当該作用力及び作用トルクを実現するように、直動リンク２ａ〜２ｆの伸縮動作を制御する必要がある。

そこでこの発明による多自由度アクティブ制振装置では、図４に示すように制振対象４に発生する振動成分を検出する振動検出手段として、単体で直交３軸方向の各々に感度を有する３個の３軸加速度センサ・ユニット５ａ〜５ｃを、設置面中心(中心軸Ｏと同じ)を中心とした同一円周上で互いに１２０度ずれた(１２０度均等間隔の)制振対象４上の３点に、各センサ・ユニットの検出軸Ｘ_Ａｊ、Ｙ_Ａｊ、Ｚ_Ａｊ(ｊ＝１、２、３)が設置面中心に対して対称となるように配置している。

上記構成により、制振対象４に発生する３自由度直動振動及び３自由度回転振動に関する情報を、必要最小限の加速度センサ・ユニットで検出することが可能となる。このとき、各３軸加速度センサ・ユニット５ａ〜５ｃの検出値は、当該ユニットが感度を有する直交３軸Ｘ_Ａｊ、Ｙ_Ａｊ、Ｚ_Ａｊ(ｊ＝１、２、３)を座標軸とし、各ユニットに固定された加速度センサ座標系をΣ_Ａｊ(ｊ＝１、２、３)、慣性座標系Σ_Ｕから見た加速度センサ座標系Σ_Ａｊ(ｊ＝１、２、３)の位置ベクトルをγ_ＡｊＵ、変数を表現する座標系及び変数の時間微分を、それぞれ変数の左上添字及び(・)で表現するとして、

で与えられる。各３軸加速度センサ・ユニット５ａ〜５ｃで検出した振動成分

は、図５に示すように振動成分変換器９によって制振対象４の３軸加速度

及び３軸角加速度

に変換される。なお、ここでは設置面中心を原点とし、面内方向に互いに直交するＸｃ、Ｙｃ軸、面外方向にＺｃ軸として、制振対象４に固定されたコンポーネント座標系をΣ_Ｃ、慣性座標系Σ_Ｕから見たコンポーネント座標系Σ_Ｃの位置ベクトルをγ_ＣＵ、角速度ベクトルをω_ＣＵとしている。

具体的には、周波数ω_Ｃよりも高周波領域で積分する不完全積分器６ａ〜６ｃによって、ドリフトの影響を除去した上で振動成分

を積分し、不完全積分器６ａ〜６ｃの出力

を、速度・角速度変換器７において式(３)に基づいて制振対象４の３軸速度

及び３軸角速度^Ｃω_ＣＵに変換する。

ただし
Ａ∈Ｒ^６×９：コンポーネント座標系Σ_Ｃに対する加速度センサ座標系Σ_Ａｊ
(ｊ＝１、２、３)の位置^Ｃγ_ＡｊＣと姿勢^ＣＲ_Ａｊで決定する変換行列

その上で、３軸加速度センサ・ユニット５ａ〜５ｃで検出した振動成分

、及び速度・角速度変換器７で算出された制振対象４の３軸速度

及び３軸角速度^Ｃω_ＣＵを入力として、加速度・角加速度変換器８で式(４)に基づいて制振対象４の３軸加速度

及び３軸角加速度

を算出する。

上記構成により、制振対象４に発生する３自由度直動振動及び３自由度回転振動を、加速度センサ出力のみから正確に導出することが可能となる。

こうして算出された制振対象４の３軸加速度

及び３軸角加速度

は、作用力・作用トルク変換器１１において当該加速度及び角加速度が零となるような制振対象４への３軸方向制振力ｆ_Ｂ及び３軸方向制振トルクτ_Ｂに変換し、次いで可動マス３への３軸方向作用力ｆ_Ｍを、３軸方向制振力ｆ_Ｂの符号反転値となるように式(５)に基づいて決定する。

更に、可動マス３への３軸方向作用トルクτ_Ｍを、３軸方向制振トルクτ_Ｂの符号反転値に対して、式(５)で決定した３軸方向作用力ｆ_Ｍと、制振対象４におけるベース・プレート１の設置面中心から可動マス３の質量中心までの位置ベクトルγ_ＭＢとの外積を重畳した値として式(６)に基づいて決定する。

直動リンク制御器１２は、こうして決定した可動マス３への３軸方向作用力ｆ_Ｍ及び３軸方向作用トルクτ_Ｍ、及び変位検出手段１０ａ〜１０ｆで検出した直動リンク２ａ〜２ｆの伸縮量に基づいて、可動マス３に対して上記作用力及び作用トルクが実際に作用するように、直動リンク２ａ〜２ｆの伸縮動作を制御する。

上記構成により、図６に示すように制振対象４の振動成分を３軸加速度センサ・ユニット５ａ〜５ｃで検出し、制御手段１３(図５参照)によってパラレルリンク機構２０を制御することで、制振対象４に作用する３軸方向制振力ｆ_Ｂ及び３軸方向制振トルクτ_Ｂを正確に制御することが可能となり、制振対象４に発生する３自由度直動振動及び３自由度回転振動を厳密に除去することができる。

このように、この実施の形態１の多自由度アクティブ制振装置により、直動リンク２の空間配置において対称性を維持したまま、ベース・プレート１の設置面と可動マス３の質量中心との距離を抑制することができ、したがって可動マス３の制御性において対称性を維持したまま、可動マス３への３軸方向作用力と設置面中心から可動マス質量中心までの位置ベクトルとの外積成分を減少させ、制振対象４に作用可能な最大制振力及び最大制振トルクを拡大させることができる。

また、制振対象に発生する３自由度の直動振動及び３自由度の回転振動を、必要最小限の加速度センサ・ユニットで検出し、この加速度センサ出力のみから制振対象の３自由度直動振動及び３自由度回転振動を正確に計測することができる。更に、制振対象４に作用する３軸方向制振力及び３軸方向制振トルクを正確に制御することが可能となり、制振対象の３自由度直動振動及び３自由度回転振動を厳密に除去することができる。

なお、この実施の形態１の多自由度アクティブ制振装置では、パラレルリンク機構２０における直動リンクの空間配置を図１から図３に示す構成としたが、この発明はこれに限定するものではなく、ベース・プレート１と可動マス３との距離が抑制される構成であればよい。

また、この実施の形態１の多自由度アクティブ制振装置では、３軸加速度センサ・ユニット５ａ〜５ｃの空間配置を図４に示す構成としたが、この発明はこれに限定するものではなく、３軸加速度センサ・ユニット５ａ〜５ｃをベース・プレート１上に配置してもよく、更に３軸加速度センサ・ユニット５ａ〜５ｃの各検出軸Ｘ_Ａｊ、Ｙ_Ａｊ、Ｚ_Ａｊ(ｊ＝１、２、３)が全て平行となるように配置してもよい。加えて、３軸加速度センサ・ユニットは、その空間配置が同一直線状の１次元配置とならなければ任意の空間配置でよく、その個数も３個以上の任意の個数としてよい。

実施の形態２．
この発明の実施の形態２による多自由度アクティブ制振装置を図７から図８に従って説明する。図７はこの発明の実施の形態２による多自由度アクティブ制振装置の振動検出手段(加速度センサ・ユニット)の空間配置を示すもので、(ａ)は上面図、(ｂ)は(ａ)の上面図の紙面の下側から見た側面図である。図７に示したように、この実施の形態２による多自由度アクティブ制振装置では、制振対象４に発生する振動成分を検出する振動検出手段として、単体で直交３軸方向の各々に感度を有する１個の３軸加速度センサ・ユニット５ａを用いており、ベース・プレート１上の設置面中心(中心軸Ｏと同じ)に配置されている。図８はこの発明の実施の形態２による多自由度アクティブ制振装置の制御系の構成を示すブロック図である。

図８に示したようにこの実施の形態２の多自由度アクティブ制振装置では、変位検出手段１０ａ〜１０ｆで検出した直動リンク２ａ〜２ｆの伸縮量、及び振動検出手段である３軸加速度センサ・ユニット５ａで検出した制振対象４の振動成分に応じて、制御手段１３によって直動リンク２ａ〜２ｆの伸縮動作を制御する。

この制御手段１３は、３軸加速度センサ・ユニット５ａで検出した振動成分に基づいて、制振対象４に発生する３自由度直動振動を相殺するように、可動マス３に対する３軸方向作用力及び３軸方向作用トルクを算出する作用力・作用トルク変換器１１ａ、作用力・作用トルク変換器１１ａで算出された可動マス３に対する３軸方向作用力及び３軸方向作用トルク、及び変位検出手段１０ａ〜１０ｆで検出した直動リンク２ａ〜２ｆの伸縮量に基づいて、可動マス３に対して３軸方向作用力及び３軸方向作用トルクが実際に作用するように、直動リンク２ａ〜２ｆの伸縮動作を制御する直動リンク制御器１２で構成される。

なお、この実施の形態２による多自由度アクティブ制振装置におけるパラレルリンク機構２０の構成等は、それぞれ実施の形態１の図１から図３及び図６と同一である。

次に、動作について説明する。実施の形態１では、制振対象４に発生する３自由度直動振動及び３自由度回転振動を厳密に除去することを目的としているが、実施の形態２では、３自由度回転振動を励起することなく、制振対象４に発生する３自由度直動振動を厳密に除去することを目的とした構成となっている。この場合、多自由度アクティブ制振装置では、制振対象４に発生する３自由度直動振動を正確に計測し、当該振動を相殺するような制振対象４への３軸方向制振力ｆ_Ｂ、当該制振力を実現するような可動マス３への３軸方向作用力ｆ_Ｍ及び３軸方向作用トルクτ_Ｍを決定し、当該作用力及び作用トルクを実現するように、直動リンク２ａ〜２ｆの伸縮動作を制御する必要がある。

そこでこの発明における実施の形態２の多自由度アクティブ制振装置では、図７に示すように制振対象４に発生する振動成分を検出する振動検出手段として、単体で直交３軸方向の各々に感度を有する１個の３軸加速度センサ・ユニット５ａを、ベース・プレート１上の設置面中心に、加速度センサ座標系Σ_Ａ１の各座標軸がコンポーネント座標系Σ_Ｃと平行になるように配置している。

このとき３軸加速度センサ・ユニット５ａで検出した振動成分

は、制振対象４の３軸角速度

という条件のもとで、制振対象４の３軸加速度

と大略等価であり、作用力・作用トルク変換器１１ａにおいて当該振動成分

が零となるような制振対象４への３軸方向制振力ｆ_Ｂに変換し、次いで可動マス３への３軸方向作用力ｆ_Ｍを、３軸方向制振力ｆ_Ｂの符号反転値となるように式(５)に基づいて決定する。更に、可動マス３への３軸方向作用トルクτ_Ｍを、式(５)で決定した３軸方向作用力ｆ_Ｍと、制振対象４におけるベース・プレート１の設置面中心から可動マス３の質量中心までの位置ベクトルγ_ＭＢとの外積に基づいて式(７)で決定する。

上記構成により、制振対象４の振動成分を３軸加速度センサ・ユニット５ａで検出し、制御手段１３によってパラレルリンク機構２０を制御することで、３自由度回転振動を励起することなく、制振対象４に作用する３軸方向制振力ｆ_Ｂを正確に制御することが可能となり、制振対象４に発生する３自由度直動振動を厳密に除去することができる。

このように、この実施の形態２の多自由度アクティブ制振装置により、直動リンク２の空間配置において対称性を維持したまま、ベース・プレート１の設置面と可動マス３の質量中心との距離を抑制することができ、したがって可動マス３の制御性において対称性を維持したまま、可動マス３への３軸方向作用力と設置面中心から可動マス質量中心までの位置ベクトルとの外積成分を減少させ、制振対象４に作用可能な最大制振力及び最大制振トルクを拡大させることができる。

また、３自由度回転振動を励起することなく、制振対象４に作用する３軸方向制振力を正確に制御することが可能となり、制振対象に発生する３自由度直動振動を厳密に除去することができる。

なお、この実施の形態２では、３軸加速度センサ・ユニット５ａの空間配置を図７に示す構成としたが、この発明はこれに限定するものではなく、３軸加速度センサ・ユニット５ａを制振対象４上に配置してもよく、更に３軸加速度センサ・ユニット５ａの検出軸Ｘ_Ａ１、Ｙ_Ａ１、Ｚ_Ａ１が、コンポーネント座標系Σ_Ｃに対して所定の姿勢角を有するように配置してもよい。

以上のようにこの発明による多自由度アクティブ制振装置では、制振対象に取付けられるベース・プレートと、ベース・プレートに一端部が変位拘束で固定され、各々所定方向へ伸縮可能な６本の直動リンクと、各直動リンクの他端部と変位拘束で支持された可動マスと、各直動リンクの伸縮量を検出する変位検出手段と、制振対象に発生する振動成分を検出する振動検出手段と、変位検出手段で検出した伸縮量及び振動検出手段で検出した振動成分に応じて各直動リンクの伸縮動作を制御する制御手段とで構成し、ベース・プレートと可動マスとの距離が小さくなるように、各直動リンクのベース・プレートに対する固定点及び可動マスに対する固定点を配置したので、多自由度アクティブ制振装置の設置面と可動マス質量中心との距離を抑制することで、可動マスへの３軸方向作用力と設置面中心から可動マス質量中心までの位置ベクトルとの外積成分を減少させ、制振対象に作用可能な最大制振力及び最大制振トルクを拡大させることができる。

また、各直動リンクのベース・プレートに対する固定点及び可動マスに対する固定点を、ベース・プレート及び可動マスの中心軸からの距離が大きくなるように設定した３本の直動リンクと、中心軸からの距離が小さくなるように設定した３本の直動リンクとを、それぞれ交互に配置した構成により、直動リンクの空間配置において対称性を維持したまま、多自由度アクティブ制振装置の設置面と可動マス質量中心との距離を抑制することができ、したがって可動マスの制御性において対称性を維持したまま、可動マスへの３軸方向作用力と設置面中心から可動マス質量中心までの位置ベクトルとの外積成分を減少させ、制振対象に作用可能な最大制振力及び最大制振トルクを拡大させることができる。

また制御手段を、振動検出手段で検出した制振対象の振動成分に基づいて、可動マスに対する作用力を、制振対象に発生する３自由度の直動振動を相殺するような３軸方向制振力の符号反転値となるように決定し、更に可動マスに対する作用トルクを、制振対象に発生する３自由度の回転振動を相殺するような３軸方向制振トルクの符号反転値に対して、可動マスに対する作用力と、ベース・プレートの設置面中心から可動マス質量中心への位置ベクトルとの外積を重畳した値として決定する作用力・作用トルク変換器と、作用力・作用トルク変換器から出力される作用力及び作用トルクと、変位検出手段で検出した各直動リンクの伸縮量に基づいて、可動マスに対して作用力及び作用トルクが作用するように、各直動リンクの伸縮動作を制御する直動リンク制御器とで構成したことにより、制振対象に作用する３軸方向制振力及び３軸方向制振トルクを正確に制御することが可能となり、制振対象の３自由度直動振動及び３自由度回転振動を厳密に除去することができる。

また振動検出手段が、単体で直交３軸方向の各々に感度を有する複数個の３軸加速度センサ・ユニットで構成され、３軸加速度センサ・ユニットの各々を、ベース・プレート上又は制振対象上に、同一直線上の１次元配置とならないように配置したことにより、制振対象に発生する３自由度の直動振動及び３自由度の回転振動に関する情報を、加速度センサのみで検出することができる。

また振動検出手段が、単体で直交３軸方向の各々に感度を有する３個の３軸加速度センサ・ユニットで構成され、３軸加速度センサ・ユニットの各々を、ベース・プレートの設置面中心を中心とした同一円周上で互いに１２０度ずれたベース・プレート上又は制振対象上の３点に、設置面中心に関して対称に配置したことにより、制振対象に発生する３自由度の直動振動及び３自由度の回転振動に関する情報を、必要最小限の加速度センサ・ユニットで検出することができる。

また制御手段の、振動検出手段を構成する前記３軸加速度センサ・ユニットで検出した振動成分を、所定周波数よりも高周波領域で積分する不完全積分器と、不完全積分器の出力を、制振対象の３軸速度及び３軸角速度に変換する速度・角速度変換器と、３軸加速度センサ・ユニットで検出した振動成分及び速度・角速度変換器の出力に基づいて、制振対象の３軸加速度及び３軸角加速度に変換する加速度・角加速度変換器とで構成される振動成分変換器と、を含む構成により、制振対象に発生する３自由度の直動振動及び３自由度の回転振動を、加速度センサ出力のみから正確に導出することができる。

１ベース・プレート、２ａ〜２ｆ直動リンク、３可動マス、４制振対象、５ａ〜５ｃ３軸加速度センサ・ユニット、６ａ〜６ｃ不完全積分器、７速度・角速度変換器、８加速度・角加速度変換器、９振動成分変換器、１０ａ〜１０ｆ変位検出手段、１１，１１ａ作用力・作用トルク変換器、１２直動リンク制御器、１３制御手段、１４バネ・ダンパ系、２０パラレルリンク機構。

Claims

制振対象に発生する３自由度の直動振動又は３自由度の直動振動と３自由度の回転振動を相殺する３軸方向制振力及び３軸方向制振トルクを前記制振対象に印加して制振する多自由度アクティブ制振装置において、
前記制振対象に取付けられるベース・プレートと、
前記ベース・プレートに一端部が変位拘束で固定され各々所定方向へ伸縮可能な６本の直動リンクと、
前記各直動リンクの他端部と変位拘束で支持された可動マスと、
前記各直動リンクの伸縮量を検出する変位検出手段と、
前記制振対象に発生する振動成分を検出する振動検出手段と、
前記変位検出手段で検出した伸縮量及び前記振動検出手段で検出した振動成分に応じて前記各直動リンクの伸縮動作を制御する制御手段と、
を備え、
前記ベース・プレートと前記可動マスとの距離が小さくなるように、前記６本の直動リンクが、前記ベース・プレート及び前記可動マスの中心軸からの距離が大きい第１の距離になる前記ベース・プレート及び前記可動マスに対する固定点を有する３本の直動リンクと、前記ベース・プレート及び前記可動マスの中心軸からの距離が前記第１の距離より短い第２の距離になる前記ベース・プレート及び前記可動マスに対する固定点を有する３本の直動リンクと、を前記中心軸を中心とする円周方向に交互に配置してなることを特徴とする多自由度アクティブ制振装置。
前記制御手段が、
前記振動検出手段で検出した制振対象の振動成分に基づき、前記可動マスに対する作用力を、前記制振対象に発生する３自由度の直動振動を相殺するような３軸方向制振力の符号反転値となるように決定し、更に前記可動マスに対する作用トルクを、前記可動マスに対する前記作用力と、前記ベース・プレートの設置面中心から可動マス質量中心への位置ベクトルとの外積に基づいて決定する作用力・作用トルク変換器と、
前記作用力・作用トルク変換器から出力される前記作用力及び前記作用トルクと、前記変位検出手段で検出した各直動リンクの伸縮量に基づき、前記可動マスに対して前記作用力及び前記作用トルクが作用するように前記各直動リンクの伸縮動作を制御する直動リンク制御器と、
を含むことを特徴とする請求項１に記載の多自由度アクティブ制振装置。
前記振動検出手段が、前記ベース・プレート上又は前記制振対象上に配置された単体で直交３軸方向の各々に感度を有する１個の３軸加速度センサ・ユニットで構成されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の多自由度アクティブ制振装置。
前記１個の３軸加速度センサ・ユニットが前記ベース・プレート上の設置面中心に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の多自由度アクティブ制振装置。
前記振動検出手段が、単体で直交３軸方向の各々に感度を有する３個以上の３軸加速度センサ・ユニットで構成され、前記３軸加速度センサ・ユニットの各々が、前記ベース・プレート上又は前記制振対象上に、同一直線上の１次元配置とならないように配置され、
前記制御手段が、
前記振動検出手段を構成する前記各３軸加速度センサ・ユニットで検出した振動成分を、所定周波数よりも高周波領域で積分する不完全積分器、前記不完全積分器の出力を前記制振対象の３軸速度及び３軸角速度に変換する速度・角速度変換器、前記３軸加速度センサ・ユニットで検出した振動成分及び前記速度・角速度変換器の出力に基づき前記制振対象の３軸加速度及び３軸角加速度を算出する加速度・角加速度変換器、を有する振動成分変換器と、
前記振動成分変換器の加速度・角加速度変換器で算出した前記制振対象の３軸加速度及び３軸角加速度に基づき、前記可動マスに対する作用力を、前記制振対象に発生する３自由度の直動振動を相殺するような３軸方向制振力の符号反転値となるように決定し、更に前記可動マスに対する作用トルクを、前記制振対象に発生する３自由度の回転振動を相殺するような３軸方向制振トルクの符号反転値に対し、前記可動マスに対する前記作用力と、前記ベース・プレートの設置面中心から可動マス質量中心への位置ベクトルとの外積を重畳した値として決定する作用力・作用トルク変換器と、
前記作用力・作用トルク変換器から出力される前記作用力及び前記作用トルクと、前記変位検出手段で検出した各直動リンクの伸縮量に基づき、前記可動マスに対して前記作用力及び前記作用トルクが作用するように前記各直動リンクの伸縮動作を制御する直動リンク制御器と、
を含むことを特徴とする請求項１に記載の多自由度アクティブ制振装置。
前記振動検出手段が、単体で直交３軸方向の各々に感度を有する３個の３軸加速度センサ・ユニットで構成され、前記３軸加速度センサ・ユニットの各々が、前記ベース・プレートの設置面中心を中心とした同一円周上に１２０度間隔で前記ベース・プレート上又は前記制振対象上の３点に前記設置面中心に対して均等配置されていることを特徴とする請求項５に記載の多自由度アクティブ制振装置。