JP2000027929A

JP2000027929A - 除振装置

Info

Publication number: JP2000027929A
Application number: JP20872298A
Authority: JP
Inventors: Yoshinori Kino; 義紀城野; Kazuhide Watanabe; 和英渡辺; Kazuki Sato; 一樹佐藤; Naohide Haga; 尚秀芳我
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 1998-07-08
Filing date: 1998-07-08
Publication date: 2000-01-25

Abstract

(57)【要約】【課題】空気ばねのみにより除振台床板の鉛直方向の
位置制御を行っている場合においても、又電磁石アクチ
ュエータを併用して除振台床板の鉛直方向位置の制御を
行っている場合においても、常に搭載物を除振台床板上
に安定支持ができるようにした除振装置を提供する。【解決手段】振動を嫌う装置を搭載する除振台床板
と、除振台床板を浮上支持する空気ばね１１Ａ，１１
Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄと、除振台床板を磁気吸引力によっ
て浮上支持する電磁石１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃと、除振
台床板と設置床側との鉛直方向相対変位を検出する変位
センサと、除振台床板上の振動を検出する振動センサ１
３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃと、変位センサと振動センサとの
信号により、空気ばねの圧力と電磁石の磁気吸引力とを
制御する制御装置とからなる空気ばね・電磁石併用型の
除振装置において、空気ばねだけで除振台床板を支持し
た場合と電磁石も併用して除振台床板を支持した場合と
で、空気ばね制御装置３２のゲインを切換える手段４１
Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ，４１Ｄを備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体製造装置や
電子顕微鏡等、設置床からの振動を遮断し、又は装置自
身からの加振力により、製品の歩留りや測定観測精度に
悪影響を与える振動を減衰せしめる高精度の除振装置に
関する。特に、アクチュエータとして鉛直方向の浮上支
持力を主に空気ばねで分担し、精密な除振制御を主に電
磁アクチュエータで分担する、空気ばね・電磁アクチュ
エータ併用型の除振装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、振動を極度に嫌う電子顕微
鏡、半導体製造装置等の機械装置は、除振装置に搭載さ
れて工場等に設置されていた。古くからある空気ばね、
又はゴムを用いた従来の受動制御型の除振装置に代わ
り、高性能の除振を実現できる電磁アクチュエータを用
いた能動制御型の磁気浮上による除振装置が開発されて
いる。また、振動を嫌う装置を搭載した除振台床板の重
量の大部分を空気ばねで支持すると共に、電磁アクチュ
エータの制御で振動を除去する除振装置が考案されてい
る。

【０００３】空気ばねと電磁アクチュエータを併用した
除振装置では、空気ばねの空気圧を変位センサの信号に
基づいて制御することにより、一定の目標位置に除振台
床板を浮上制御すると共に、電磁アクチュエータを併用
して鉛直方向の位置と振動をアクティブに制御するシス
テムが知られている。アクティブ制御を行う場合、除振
台床板とその搭載物の重量が重いと、電磁石の発生する
力だけによる浮上では必要となる制御力が大きくなりす
ぎるため、空気ばねを併用して搭載物の重量を支えてい
る。即ち、空気ばねにより除振台床板とその搭載物を安
定支持した後に電磁石による制御を加え、より精密かつ
安定な除振を行うものである。

【０００４】ところで、上述した空気ばね・電磁アクチ
ュエータ併用型の除振装置においては、除振台床板に搭
載する搭載物の重心が除振台床板上で大きく移動する場
合があり、その場合には除振台床板を水平に保つ方法と
して次の２つが考えられる。除振台床板を支持する空気ばねの圧力を制御して、水
平面を保つように位置決めを行う。電磁アクチュエータによって除振台床板の各部の浮上
位置が水平面を保つように位置決めを行う。

【０００５】しかしながら、これらの方法には次のよう
な問題点がある。空気ばねは応答が遅いため、除振台床板に搭載した機
械等の重心の移動速度が速いときなどに対応が困難であ
る。電磁アクチュエータを用いた方法では、応答性は問題
ないが、除振台床板の負荷が偏るため、電磁アクチュエ
ータの容量を大きくし、一カ所の電磁アクチュエータで
搭載物の重量を含めた除振台床板の最大負荷に合わせる
必要がある。従って、コストがかかり、装置を大型にす
るという問題がある。このため、空気ばね・電磁石併用
型の除振装置においては、これらのバランスを取ること
が必要である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、例えば
搭載物の移載時等においては、電磁石の電源を切って、
空気ばねのみの制御をしなければならない場合がある。
空気ばねのみで除振台床板の鉛直方向位置を制御する場
合には、搭載物の除振台床板上の移動に伴って搭載物の
重心位置が変化し、空気ばねの位置制御系のゲインが低
いと搭載物が傾いてしまうという問題がある。このため
空気ばね制御系のゲインを所望の大きさにあげておく必
要があるが、電磁石アクチュエータを併用することなし
に空気ばね系のゲインを高くしておくと、減衰が小さい
ので、外乱が加わったときにその固有振動数で不安定振
動を起こす場合がある。

【０００７】本発明は上述した事情に鑑みて為されたも
ので、空気ばねのみにより除振台床板の鉛直方向の位置
制御を行っている場合においても、又電磁石アクチュエ
ータを併用して除振台床板の鉛直方向位置の制御を行っ
ている場合においても、常に搭載物を除振台床板上に安
定支持ができるようにした除振装置を提供することを目
的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、振動を嫌う装置を搭載する除振台床板と、該除振台
床板を浮上支持する空気ばねと、該除振台床板を磁気吸
引力によって浮上支持する電磁石と、該除振台床板と設
置床側との鉛直方向相対変位を検出する変位センサと、
除振台床板上の振動を検出する振動センサと、該変位セ
ンサと振動センサとの信号により、前記空気ばねの圧力
と電磁石の磁気吸引力とを制御する制御装置とからなる
空気ばね・電磁石併用型の除振装置において、前記空気
ばねだけで前記除振台床板を支持した場合と電磁石も併
用して前記除振台床板を支持した場合とで、空気ばね制
御装置のゲインを切換える手段を備えたことを特徴とす
る除振装置である。

【０００９】上述した本発明によれば、空気ばねのみで
除振台床板の鉛直方向位置制御を行う時には、その状態
で不安定な振動を起こすことなく安定支持できる範囲の
ゲインに調整し、電磁石アクチュエータによるアクティ
ブ制御を併用する場合には、その状態で最適なゲインと
なるように空気ばね制御系のゲインを変更することがで
きる。従って、空気ばねのみで除振台床板の鉛直方向位
置制御を行っている状態においても、又電磁石アクチュ
エータを併用して除振台床板の鉛直方向位置制御を行っ
ている状態においても、常に搭載物の安定支持が可能と
なる。

【００１０】請求項２に記載の発明は、前記空気ばね制
御装置のゲインを切換える手段は、前記変位センサの出
力信号と浮上目標値の差分をＰＩＤ制御回路に入力し、
その出力を空気ばねのみにより支持する場合と、電磁石
を併用して支持する場合とで第１のゲイン回路KP1と第
２のゲイン回路KP2とを切換えるものであることを特徴
とする請求項１記載の除振装置である。これにより、空
気ばねのみで支持する場合には、その制御系のゲイン
を、容易に低減することができ、発振現象等が生じな
い。

【００１１】請求項３に記載の発明は、前記切換えは、
電磁石の併用制御が断であることを示す信号に基づいて
行うものであることを特徴とする請求項２記載の除振装
置である。これにより、ゲインの切換が空気ばねのみで
支持する場合と、電磁石の併用制御をする場合とで自動
的に行える。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て添付図面を参照しながら説明する。

【００１３】図１は、本発明の除振装置の一例の立面図
を示し、図２はその平面図と制御系の構成の概要を示
す。除振台床板１０上には、振動を嫌う電子顕微鏡、半
導体製造装置等の機械装置が搭載される。除振台床板１
０は、その四隅において空気ばね１１により鉛直方向に
支持されている。空気ばね１１は、設置床上に固定され
る共有ベース１４にその一端が固定されている。また、
除振台床板上には、鉛直方向の加速度を検出する加速度
センサ１３が備えられている。

【００１４】図２に示すように、除振台床板１０の四隅
には空気ばね１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄが配置さ
れている。そして、３台の電磁アクチュエータ１２Ａ，
１２Ｂ，１２Ｃが図示するような位置に配置されてい
る。そして、鉛直方向の加速度を検出する加速度センサ
１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃが図示するような、電磁アクチ
ュエータとは異なる平面的な位置に配置されている。変
位センサは、それぞれの電磁アクチュエータ１２Ａ，１
２Ｂ，１２Ｃに内蔵されており、それぞれのアクチュエ
ータ位置における除振台床板と設定床側との鉛直方向相
対変位を検出する。

【００１５】この除振装置の制御系の概略は次の通りで
ある。各電磁アクチュエータ１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃに
内蔵された変位センサの信号は、コントローラ２０に送
られ、浮上目標値と比較される。そして、浮上目標値と
実際位置の差分が位置決補償器２２で補償演算された補
償信号が出力され、電力増幅器２３で電力増幅された電
流が電磁アクチュエータ１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃの電磁
石コイルに供給される。

【００１６】加速度センサ１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃで検
出された鉛直方向の加速度は、積分器２５で積分され、
速度信号に変換され、所定のゲイン係数Ｋ_VVが乗算さ
れ、加算器２４で位置決め補償された出力信号に加算さ
れる。

【００１７】また、変位センサの信号に基づき位置決め
補償された位置決補償器２２の出力信号は、制御出力分
配器３１により空気ばねの配置位置における等価な位置
信号から圧力制御信号に変換され、所定のゲイン係数Ｋ
_APが乗算され、加算器２６で圧力設定値に加算される。
そして、空気圧源から空気ばねに連通したレギュレータ
３３によりその圧力を調整することにより、空気ばね１
１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄの空気圧が変位センサ信
号に基づいて調整される。この空気圧の調整で、各空気
ばねの重量負担分が変動しても除振台床板は例えば水平
面である目標浮上位置に保持される。

【００１８】従って、搭載物Ａが除振台床板１０上の任
意の所定位置で、静止しているときには空気ばねの圧力
設定により、主として空気ばね１１Ａ，１１Ｂ，１１
Ｃ，１１Ｄがそのほとんどの負荷重量を支持し、電磁ア
クチュエータ１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃはほとんど負荷重
量を分担しない。そして、この状態で電磁アクチュエー
タは、加速度センサで検出された振動をコントローラ２
０により形成された補償信号で除振制御する。

【００１９】コントローラ２０は、空気ばねの圧力制御
系に、そのゲインを切換える回路を備える。即ち、変位
センサの実際位置信号と浮上目標値の差分を入力信号と
するＰＩＤ回路４０と、この制御系の２種類のゲイン
（KP1,KP2）を付与するゲイン回路４１と、この２種類
のゲイン回路を切換えて接続する切換回路４３とを備
え、この出力は加算器２５にて他の出力に加算される。
そして、レギュレータ３３により空気圧源１６の空気圧
を調整することにより、除振台床板を浮上目標値に保持
する。切換回路４３は、電磁石アクチュエータのオン／
オフ状態を検出して電磁石がオフ状態、即ち、空気ばね
制御系の単独運転か、電磁石との併用運転かにより、２
種類のゲイン回路（KP1,KP2）の切換接続を行う。この
制御系により、空気ばねの空気圧が除振台床板が浮上目
標値になるように制御され、その時の制御系のゲインが
ゲイン回路４１により与えられる。

【００２０】ところで、搭載物Ａが前記の所定位置から
移動することにより重心が大きく移動すると、各空気ば
ね１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄに加わる負荷重量が
変動し、変位が生じようとする。従って、除振台床板を
水平位置に保つために、位置決めのために必要な制御力
が増大する。この時、変位センサ出力に基づく位置決補
償器２２の出力に増大した制御信号が表れるので、これ
は負荷重量の変動に相当する力に対応するので、これを
空気ばね１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄの圧力制御の
パラメータとして利用する。即ち、位置決補償器２２の
出力は等価な圧力制御信号に変換して空気ばねの圧力設
定値に加算する加算器２５に入力されるので、この加算
器２５の出力信号から空気ばねの圧力を変えることがで
きる。そして変動する負荷重量に対応した各空気ばねの
圧力状態に調整し、除振台床板を水平に保つことが可能
となる。

【００２１】従って、除振台床板上で搭載物Ａが所定位
置から移動することにより重心位置が大きく移動して
も、その移動に対応した負荷の変動は電磁アクチュエー
タの位置決め動作と共に、空気ばねで調整することが可
能となるので、電磁アクチュエータで目標浮上位置に保
つための電磁アクチュエータの励磁電流を小さく抑えつ
つ、早い応答が可能となる。このため電磁アクチュエー
タの容量を比較的小さく抑えることができる。

【００２２】また、電磁石による除振制御を行っている
時には、上述の２種類のゲイン回路４１は、ゲインの比
較的高い回路(KP1)に接続されている。これにより、搭
載物の重心が移動した場合には、空気ばねの圧力は、迅
速に変化して、除振台床板が水平面に保たれるように制
御される。一方で、電磁石の併用制御がオフである場合
には、空気ばねの単独制御となり、この場合には切換回
路４３が自動的にゲイン回路４１を比較的低いゲイン(K
P2)に切換える。電磁石による除振制御を行っていない
時には空気ばね除振系の共振ピークがあり、ＰＩＤ制御
によるゲインが高いと、不安定振動が発生することがあ
る。このため、制御系のゲイン(KP2)を比較的低くする
ことにより、不安定振動の発生を防止することができ
る。

【００２３】図３は、図２の制御回路の詳細を示すブロ
ック図である。加速度センサ１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃで
検出されたそれぞれの鉛直方向加速度は、実際の電磁ア
クチュエータの動作点と加速度センサとの配置位置が異
なるため、各電磁アクチュエータの位置における加速度
を算出する動作点加速度導出演算器２９に入力される。
動作点加速度導出演算器２９では、各加速度センサの信
号に基づいて、それぞれの電磁アクチュエータの位置に
対応した鉛直方向加速度が求められる。

【００２４】この動作点加速度導出演算器２９の各電磁
アクチュエータに対応した出力は、それぞれの電磁アク
チュエータの制御回路２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃに入力さ
れる。電磁アクチュエータ１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃに内
蔵された変位センサの出力信号もそれぞれの電磁アクチ
ュエータに対応した制御回路２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃに
入力される。各変位センサの出力信号は、それぞれ加算
器２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃに入力され、浮上目標値と比
較される。そして、浮上目標値との差分は位置決補償器
２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃで演算され、その出力が加算器
２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃに入力されて加速度センサ１３
Ａ，１３Ｂ，１３Ｃに基づく補償信号に加算される。そ
して、電力増幅器２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃに入力され
る。位置決補償器２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃの出力信号及
び入力信号は、それぞれ空気ばね圧力制御装置３２の制
御出力分配器３１に入力される。

【００２５】制御出力分配器３１も、動作点加速度導出
演算器２９と同様に、変位センサの変位検出点と空気ば
ねアクチュエータの動作点が異なるので、変位検出点の
信号を動作点の信号に変換するためのものである。加算
器２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃでは、変位センサの補償信号
に、加速度センサの加速度信号を積分して係数Ｋ_VVを乗
じた除振信号が加算される。加算された出力がそれぞれ
電力増幅器２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃで電力増幅される。
そして、この出力が電磁アクチュエータ１２Ａ，１２
Ｂ，１２Ｃに励磁電流として供給される。従って、電磁
アクチュエータ１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃは鉛直方向の高
精度の除振を行うと共に、高速の鉛直方向の位置決め制
御が行われる。

【００２６】一方で、変位センサの出力信号に基づく補
償信号は、出力分配器３１を経て乗算器にてゲイン係数
Ｋ_APが乗じられ、加算器２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃ，２５
Ｄに入力される。空気ばね圧力制御装置３２の加算器２
５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃ，２５Ｄでは、それぞれの圧力設
定値に加算され、その加算結果において、レギュレータ
３３の弁３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃ，３３Ｄの開度を調整
する。

【００２７】変位センサの出力信号と浮上目標値の差分
信号は、制御出力分配器３１にて、それぞれの空気ばね
アクチュエータの位置における信号に変換される。そし
て、ＰＩＤ制御回路４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃ，４０Ｄで
それぞれの補償信号が形成され、ゲイン調整回路４１
Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ，４１Ｄを介して、加算器２５Ａ，
２５Ｂ，２５Ｃ，２５Ｄにそれぞれ入力され、これによ
り、除振台床板を所定の目標浮上値に保持するように動
作する。

【００２８】ここで、ゲイン調整回路KPは、通常時の空
気ばね・電磁石併用時のゲインKP1と、空気ばね単独制
御時のゲインKP2とが自動的に切換えられる。このた
め、空気ばね単独制御時には、その制御系のゲインを通
常時に対して低減することができ、これにより不要の振
動を防止する。従って、空気圧源から各空気ばね１１
Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄに供給される空気圧が変位
センサの出力信号に基づく位置決補償器出力とＰＩＤ演
算信号に基づいて制御され、重心位置がずれて各空気ば
ねにかかる負荷が変動しても、除振台床板は水平に保持
される。この空気圧調整による除振台床板の水平保持制
御は低速であるが、電磁アクチュエータを併用すること
で高速の制御を行うことができるので、これを補完する
ことができる。

【００２９】尚、上記実施の形態では、空気ばねの圧力
制御を、電磁アクチュエータの位置決補償器とＰＩＤ制
御回路の出力信号を加算したものを用いているが、これ
らの制御方式はシステムの用途等に応じて適宜変更が可
能なことは、勿論である。また、除振制御は加速度信号
を積分して、これにゲイン係数を乗じた信号をフィード
バックするようにしているが、更に加速度信号を加算し
てフィードバックするようにしてもよい。又、鉛直方向
制御の電磁アクチュエータと加速度センサの数は、上記
実施の形態ではそれぞれ３台であるが、これらの数は適
宜変更が可能である。

【００３０】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明によれ
ば、除振台床板を鉛直方向に位置決め制御する変位セン
サの信号に基づいて、ＰＩＤ演算回路の出力信号によ
り、除振台床板の四隅を支持する空気ばねの圧力を調整
することができる。この空気ばねの圧力制御回路のゲイ
ンを切換えることにより、空気ばねのみを使用した受動
制御での浮上状態と電磁石制御併用時の能動制御とでの
浮上状態において、それぞれに最適な空気ばね力のコン
トロールができる。従って、空気ばねの力を最適に発生
させることによって、重心の移動や外乱の入力があった
場合でも、搭載物を安定支持することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】空気ばねと電磁アクチュエータとを併用した除
振装置の立面図。

【図２】本発明の一実施の形態の除振装置の平面的な構
成と制御系の概略を示す説明図。

【図３】図２の制御系の詳細を示す説明図。

【符号の説明】

Ａ搭載物１０除振台床板１１，１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄ空気ばね１２，１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ電磁アクチュエータ１３，１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ加速度センサ２１，２４，２６加算器２２位置決補償器３２空気ばね圧力制御装置３３レギュレータ４０，４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃ，４０ＤＰＩＤ制御
回路４１，４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ，４１Ｄゲイン回路
(KP) ４３切換回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者佐藤一樹神奈川県藤沢市本藤沢４丁目２番１号株式会社荏原総合研究所内 (72)発明者芳我尚秀神奈川県藤沢市本藤沢４丁目２番１号株式会社荏原総合研究所内Ｆターム(参考） 3C011 AA04 3J048 AB08 AB09 AB11 BE02 BE08 EA13 5F031 HA55

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】振動を嫌う装置を搭載する除振台床板
と、該除振台床板を浮上支持する空気ばねと、該除振台
床板を磁気吸引力によって浮上支持する電磁石と、該除
振台床板と設置床側との鉛直方向相対変位を検出する変
位センサと、除振台床板上の振動を検出する振動センサ
と、該変位センサと振動センサとの信号により、前記空
気ばねの圧力と電磁石の磁気吸引力とを制御する制御装
置とからなる空気ばね・電磁石併用型の除振装置におい
て、前記空気ばねだけで前記除振台床板を支持した場合と電
磁石も併用して前記除振台床板を支持した場合とで、空
気ばね制御装置のゲインを切換える手段を備えたことを
特徴とする除振装置。
【請求項２】前記空気ばね制御装置のゲインを切換え
る手段は、前記変位センサの出力信号と浮上目標値の差
分をＰＩＤ制御回路に入力し、その出力を空気ばねのみ
により支持する場合と、電磁石を併用して支持する場合
とで第１のゲイン回路（KP1）と第２のゲイン回路（KP
2）とを切換えるものであることを特徴とする請求項１
に記載の除振装置。
【請求項３】前記切換えは、電磁石の併用制御が断で
あることを示す信号に基づいて行うものであることを特
徴とする請求項２に記載の除振装置。