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超高圧電子顕微鏡のアクティブ除振対策

125万ボルトの超高圧電子顕微鏡が設置されている施設近傍に、高速道路と地下鉄のトンネルが新設されることになった。振動環境悪化への対処として、それまでのパッシブ除振にアクチュエーターを追加しアクティブ除振としてリニューアルした。

対策のポイント

既設のパッシブ除振機構は防振ゴムとエラストマーダンパーの構成で、鉛直3.5Hz、水平1.5Hzの固有振動数であった。アクチュエーターを追加するにあたり、この特性を維持する目的でリニアモーター駆動のアクチュエーターを採用した。

原因

この電子顕微鏡は設置されてから10年以上経過するが、この施設近傍に高速道路と地下鉄の2本のトンネルが建設されることになった。これらの交通振動や工事振動の影響を考慮し振動対策が行なわれた。
顕微鏡は高圧発生器と本体とに分かれ、本体質量は約10ton、2階部分が電子銃、1階部分がレンズなどの観測部という構造であり、2階床部分で建屋から独立した櫓をベースに防振ゴムで支持されている。
外乱振動が増加すると、除振系の固有振動数や地盤の固有振動数(約3Hz)及び櫓の水平方向固有振動数(15Hz)が増幅すると予想された。

図1 1階顕微鏡鏡筒
図1 1階顕微鏡鏡筒
図2 2階電子銃部分
図2 2階電子銃部分

対策

図3 1階アクチュエーター
図3 1階アクチュエーター
必要な制御力は数ニュートンで良いことからリニアモーター駆動のアクチュエーターを検討していたが、マグネットレンズに与える影響について、磁気シールドで対処可能であることを確認し採用した。
アクチュエーターの位置は制御対象が円筒形であり、上下方向中央で弾性支持するモデルとなるため回転モードが複雑に連成することから1階床で鉛直及び水平方向、2階床で水平方向を制御する配置とした。
また性能目標として、水平方向は極力ゲインを稼ぎ、鉛直方向は床の振動レベルから増幅域をなくすレベルとした。
図3に1階床部分のアクチュエーター設置状況を示す。
制御は位置制御を行わず、加速度フィードバック、加速度フィードフォワード制御とした。
図4にパッシブ状態の床−鏡筒間の各方向振動伝達特性、図5にアクティブ状態の振動伝達特性を示す。

図4 パッシブ状態振動伝達特性
図4 パッシブ状態振動伝達特性

図5 アクティブ状態振動伝達特性
図5 アクティブ状態振動伝達特性

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