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精密機器の振動制御に関する研究

絶対変位センサ

メンバー: 涌井伸二

分野: 電気電子工学、機械工学、建築学

所属: 工学研究院先端電気電子部門

キーワード: 振動センサ、精密機器、除振、振動制御

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研究概要

精密機器の高精度化および高速化を図るためには、振動制御の観点に立って、機構および制御系を構築せねばならない。そのため、以下の取り組みを行っている。
(1)絶対変位センサの開発:機械振動の検出のため、加速度、速度、そして変位の3信号を同時に検出できる絶対変位センサを開発した。振動の観測のみならず、直接フィードバックするための信号としても活用できることを、空圧式除振装置を用いて実機検証した。
(2)空圧式除振装置の高度化:精密計測・精密位置決め実現のためには、空圧式除振装置を備えることが必須となっている。そこで、同装置の高度化を目指して、除振率向上を目的とした低固有値化のための制御系の提案、コストダウンを目的としたセンサレス制御の実現、そして外乱除去のための外乱オブザーバの実装を行った。
(3)空圧式除振装置に対する地震耐性付与:地震を検知して以降、フィードバックあるいはフィードフォワードのパラメータを切り替える方式の検討を進めている。
(4)空圧ステージの高精度化:位置決め機構としては、空気圧を駆動源とする空圧ステージがある。本質的に緩慢な応答しか実現されないが、この高精度化に取り組んでいる。具体的には、ジャーク信号のフィードバックによって整定時間の短縮が実現できている。
(5)ジャークセンサの実現:サイズモ形センサとして、加速度および速度センサが市販されている。上記(1)は原理確認および応用例を示したが、市販されている状態にはなっていない。これらのセンサに加えて、サイズモ形でジャーク信号を検出する原理を提案している。地震計を改造した検証によって、ジャークセンサの実現が図れている。

主要論文・参考事項

(1)Yukinori Nakamura, Ryo Fukuda, Shinji Wakui: Suppression of Flow Disturbance to Pneumatic Active Anti-Vibration Apparatuses by Smoothed and Shaped Signals, Int. J. Advanced Mechatronic Systems, Vol.5, No.4, pp.288-296(2013-11)
(2)植本隆明,涌井伸二:絶対変位センサの高周波ダイナミクスの一抑制法,日本機械学会論文集,Vol.80,No.810,pp.1-14(2014-2)
(3)Mohebullah Wali, Shinji Wakui: Improving the speed of a pneumatic stage through positive feedback of calculated stage jerk signal, Int. J. Advanced Mechatronic Systems, Vol.5, No.5, pp.297-305(2014-3)
(4)論手孝至,涌井伸二:空圧式除振装置遠方に設置した観測地点での地震性状の分析に基づく制御切替え方法の一考察,日本機械学会論文集,Vol.80,No.811,pp.1-13(2014-3)
(5)中村幸紀,野口裕喜,涌井伸二:除振率を考慮した空圧式アクティブ除振装置に対する流量外乱の一抑制法,電気学会論文誌C,Vol.134,No.9,pp.1182-1190(2014-9)
(6)Naoki ITO, Yukinori NAKAMURA and Shinji WAKUI: Positioning Control of a Pneumatic Stage under Different Pipe Length: Performance Improvement of PDD2 Control and Suppression of Flow Disturbance, The Japan Society of Mechanical Engineers, Mechanical Engineering Journal, Vol.9, No.1, pp.1-8(2015-3)
(7)中村泰貴,涌井伸二:5軸能動形磁気軸受の不釣り合い振動補償器に対する一設計法,日本機械学会論文集,Vol.81,No.824,pp.1-14(2015-4)

お問い合わせ先

東京農工大学・先端産学連携研究推進センター
urac[at]ml.tuat.ac.jp([at]を@に変換してください)

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Study on vibration control for precision apparatus

Absolute displacement sensor

Research members: Shinji Wakui PhD.

Research fields: Electrical and electronic engineering, Mechanical engineering, Architecture and building engineering

Departments: Department of Electrical and Electronic Engineering, Institute of Engineering

Keywords: Vibration sensor, Precision apparatus, Vibration isolation, Vibration control

Web site:

Summary

In the field of ultraprecise positioning, advanced control schemes are needed. In order to present solutions, we develop following items.
(1)Absolute displacement sensor: An absolute displacement sensor has been proposed for precise vibration control of semiconductor manufacturing equipments. Based on state feedback, a control model of the sensor is designed.
(2)Air type anti-vibration apparatus: In the field of precision measurement and positioning, air-type anti-vibration apparatuses are commonly used. To realize the low vibration circumstance, some fundamental developments that decrease the natural frequency of isolated table are carried out.
(3) Control of a pneumatic anti-vibration apparatus under earthquake ground motion: When an earthquake occurs, in almost case, the anti-vibration apparatus becomes shutdown in order to avoid mechanical contact. In order to operate continuously, we proposed a switching control scheme by using the changeover concerning floor vibration feedforward and/or feedback parameters.
(4)Precise positioning of air stage: A unidirectional positioning stage which is supported by four coil-type spring isolators and actuated by four pneumatic cylinders is considered. The stage jerk feedback scheme (SJFB) with positive polarity is proposed to reduce the stagemass, resulting in the improvement of positioning speed.
(5) Jerk sensor: We propose a jerk sensor as seismic type to detect mechanical vibrations. By using the seismometer, the jerk signal can be detected.

Reference articles and patents

(1)Yukinori Nakamura, Ryo Fukuda, Shinji Wakui: Suppression of Flow Disturbance to Pneumatic Active Anti-Vibration Apparatuses by Smoothed and Shaped Signals, Int. J. Advanced Mechatronic Systems, Vol.5, No.4, pp.288-296(2013-11)
(2)植本隆明,涌井伸二:絶対変位センサの高周波ダイナミクスの一抑制法,日本機械学会論文集,Vol.80,No.810,pp.1-14(2014-2)
(3)Mohebullah Wali, Shinji Wakui: Improving the speed of a pneumatic stage through positive feedback of calculated stage jerk signal, Int. J. Advanced Mechatronic Systems, Vol.5, No.5, pp.297-305(2014-3)
(4)論手孝至,涌井伸二:空圧式除振装置遠方に設置した観測地点での地震性状の分析に基づく制御切替え方法の一考察,日本機械学会論文集,Vol.80,No.811,pp.1-13(2014-3)
(5)中村幸紀,野口裕喜,涌井伸二:除振率を考慮した空圧式アクティブ除振装置に対する流量外乱の一抑制法,電気学会論文誌C,Vol.134,No.9,pp.1182-1190(2014-9)
(6)Naoki ITO, Yukinori NAKAMURA and Shinji WAKUI: Positioning Control of a Pneumatic Stage under Different Pipe Length: Performance Improvement of PDD2 Control and Suppression of Flow Disturbance, The Japan Society of Mechanical Engineers, Mechanical Engineering Journal, Vol.9, No.1, pp.1-8(2015-3)
(7)中村泰貴,涌井伸二:5軸能動形磁気軸受の不釣り合い振動補償器に対する一設計法,日本機械学会論文集,Vol.81,No.824,pp.1-14(2015-4)

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