JP2005273904A - 除振装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で搭載物の位置移動や間欠的な駆動動作による異常振動を効果的に減衰させる除振装置を提供すること。
【解決手段】搭載物を載せる除振テーブルと、該除振テーブルを支持し除振制御する電磁アクチュエータ１２Ａ〜１２Ｄと、該除振テーブルの鉛直方向及び水平方向の振動を検出する振動センサ（加速度センサ）５０と、該除振テーブルの鉛直方向及び水平方向の位置を検出する変位センサ４０とを備えた除振装置であって、平常時は振動センサの出力を補償して電磁アクチュエータ１２Ａ〜１２Ｄにフィードバックする絶対振動制御を行い、搭載物の位置移動若しくは間欠的な駆動動作等により除振テーブルが異常に振動する異常振動時は、絶対振動制御から、変位センサ４０の出力を補償して電磁アクチュエータ１２Ａ〜１２Ｄにフィードバックする相対位置制御に切り換えて制御を行う制御手段を設けた。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体製造装置や電子顕微鏡等振動を嫌う装置を搭載し、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る製品の歩留まりや測定観測精度上に悪影響を与える加振力を制振する高精度の除振装置に関し、これらの該除振装置のうち搭載物が位置移動、若しくは間欠的に駆動動作するもので、移動や駆動時の反力により発生する振動を素早く抑制して基準振動レベル以下にするまでの時間を短縮し、全体としての装置のスループットを向上させるための除振装置に関するものである。

床からの振動を減衰させるために除振テーブルを弾性支持している除振装置において、除振テーブル上に搭載された搭載物（加工、計測装置等）がその位置を移動すると、除振テーブルには搭載物の質量をＭ、加速度をａとするとＦ＝Ｍａの加振力が加わり、搭載物が停止した後も振動が残り、直には加工、計測動作に入れないことになる。この搭載物移動時に発生する振動レベルを低くするために、従来、下記の３つの方法が採用されていた。

（１）支持テーブル、即ち除振テーブルをクランプする方法
（２）除振テーブルを支持する支持弾性体の剛性を変化させる方法（特許文献１）
（３）発生加速度を打ち消す信号をフィードフォーワードして制御系に加算する方法（特許文献２）
特許第２６４６４１４号 特許第３２６５６７０号

上記（１）乃至（３）の方法でも制振の成果はあり、発生振動を抑制する効果はあった。しかし、（１）の方法ではクランプ機構を追加する必要があり、構造が複雑になりコストが増大するという問題がある。また、（２）の方法では、剛性を変化させることができる粘性流体を使用するため、構造的に複雑になりコストが増大するだけでなく、粘性流体の特性が経年変化し易いという問題点があった。また、（３）の方法ではフィードフォワードという予測制御を用いるため、実際の振動と予測値がずれてしまった場合には、却って装置を振動させてしまうという問題点があった。

本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、除振装置の構造的な変更が必要なく、簡単な構成で搭載物の位置移動や間欠的な駆動動作による異常振動を効果的に減衰させることができる除振装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため請求項１に記載の発明は、搭載物を載せる除振テーブルと、該除振テーブルを支持し除振制御するアクチュエータと、該除振テーブルの鉛直方向及び水平方向の振動を検出する加速度センサと、該除振テーブルの鉛直方向及び水平方向の位置を検出する変位センサとを備える除振装置であって、平常時は加速度センサの出力を補償してアクチュエータにフィードバックする絶対振動制御を行い、搭載物の位置移動若しくは間欠的な駆動動作等により除振テーブルが異常に振動する異常振動時は、絶対振動制御から、変位センサの出力を補償してアクチュエータにフィードバックする相対位置制御に切り換えて制御を行う制御手段を設けたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の除振装置において、アクチュエータは電磁アクチュエータであることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の除振装置において、制御手段は水平方向の振動により前記異常振動を判断することを特徴とする。

また、上記除振装置において、異常振動の判断は、搭載物のコントローラから位置移動や間欠的な駆動動作の起動／停止信号、又は搭載物に取付けた振動センサの出力、又は搭載物の脚部に設けた荷重を検出するセンサの出力、又はその複数の組み合わせから判断することを特徴とする。

また、絶対振動制御から相対位置制御への切り換え、及び相対位置制御から絶対振動制御への切り換えは、絶対振動制御と相対位置制御をスイッチ的に切り換え（図５（ａ）参照）るか、又は絶対振動制御と相対位置制御の比率を徐々に変化させて切り換え（図５（ｂ）参照）るか、又は絶対振動制御のゲインを徐々に下げて１度ゼロにしてから、相対位置制御のゲインを徐々に上げる（図５（ｃ）参照）かのいずれかであることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の除振装置において、前記異常振動は、搭載物のコントローラから振動発生源に送る起動信号を受け取ることにより検知することを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の除振装置において、前記異常振動は前記変位センサ若しくは加速度センサの検出値、または前記各センサの検出値から生成した変位運動モード信号若しくは振動運動モード信号が予め設定した閾値を越えることにより検知することを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項１に記載の除振装置において、前記絶対振動制御から相対変位制御に切り換える時、絶対振動制御系を１〜１０％残して可変することを特徴とする。

各請求項に記載の発明によれば、平常時は絶対振動制御を行い、搭載物の位置移動や間欠的な駆動動作等の異常振動時は相対位置制御に切り換えて制御を行う制御手段を設けたので、平常時は設置床からの振動の除振性能は最大限に発揮できる。一方、搭載物の位置移動や間欠的な駆動動作による異常振動時、即ち異常振動に伴う大きな振動レベルの信号が発生し、振動センサや補償回路の飽和レベルを越えてしまい、一時的に不適切な制御信号を発生する場合は、相対位置制御を行い絶対振動制御を行わないので、移動による除振テーブルの振動を速やかに抑えることができる。

以下、本発明の実施の形態例を図面に基づいて説明する。図１は本発明に係る除振装置を示す平面図であり、図２は本発明に係る除振装置の平面と制御系の構成の概要を示す図である。図示するように、本除振装置は除振テーブル１０を具備し、該除振テーブル１０の四隅にそれぞれ空気バネ１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄと、電磁アクチュエータ１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、１２Ｄが配置されている。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と水平方向の加速度を検出する加速度センサ１３Ｄ、１３Ｅ、１３Ｆが図示するような位置に配置されている。また、鉛直、水平方向の変位センサはそれぞれ電磁アクチュエータ１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、１２Ｄに内蔵されている。

除振コントローラ２０は、比較器２１、位置補償器２２、加算器２４、電力増幅器２３、積分器２５、速度補償器２６で構成される。各電磁アクチュエータ１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、１２Ｄに内蔵された変位センサ（図示せず）からの変位信号Ｓ１は除振コントローラ２０に送られ、比較器２１で浮上目標値Ｓｐと比較され、差分Ｓ２が位置補償器２２に入力され、補償演算された補償信号Ｓ３が加算器２４に出力される。加算器２４で補償信号Ｓ３は圧力設定値Ｐ１に加算され、レギュレータ３３に出力される。該レギュレータ３３は加算器からの信号により空気圧源１６から各空気バネ１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄに供給される圧力空気を調整し、制御出力分配器３１を介して各空気バネ１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄに圧力空気を供給する。これにより、各空気バネ１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄの空気圧が変位信号Ｓ１に基づいて調整される。この空気バネ１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄの重量負担分が変動しても除振テーブル１０は例えば水平面である浮上目標置Ｓｐに保持される。

搭載物Ａが除振テーブル１０上の任意の所定位置で、静止しているときには、各空気バネ１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄがその殆どの負荷荷重を支持する。

この状態で電磁アクチュエータ１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、１２Ｄは、加速度センサ１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ及び加速度センサ１３Ｄ、１３Ｅ、１３Ｆで検出された振動を基に除振コントローラ２０により形成された補償信号で除振制御する。即ち、加速度センサ１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄ、１３Ｅ、１３Ｆで検出された鉛直、水平方向の加速度信号Ｓａは、積分器２５で積分され、速度信号Ｖ１に変換され、速度補償器２６で補償演算された補償信号Ｖ２が電力増幅器２３で電力増幅され、励磁電流Ｉとして電磁アクチュエータ１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、１２Ｄの励磁コイルに供給される。電磁アクチュエータ１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、１２Ｄにより除振テーブル１０の位置を制御することも可能であるが、搭載物Ａが加工、計測等の通常の動作を行っている時には、設置床からの振動を遮断する除振特性が最も優先されるため、相対位置制御は行わない。

図３は除振装置の制御系の構成を示す図であり、図３（ａ）は相対位置制御系の概略構成を、図３（ｂ）は絶対振動制御系の概略構成をそれぞれ示す。図示するように、相対位置制御系は、６自由度変位運動モード変換器４１、姿勢・位置制御コントローラ４２、モード→空圧コントロールバルブ分配器４３、バルブ４４を具備し、絶対振動制御系は、６自由度振動運動モード変換器５１、振動制御コントローラ５２、モード→能動アクチュエータ分配器５３を具備する。

上記相対位置制御系において、変位センサ４０（電磁アクチュエータ１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、１２Ｄに内蔵されている）の変位信号Ｓ１は６自由度変位運動モード変換器４１で６自由度の搭載物Ａを含めた除振テーブル１０の変位運動モード信号として演算され、姿勢・位置制御コントローラ４２に送られ、該姿勢・位置制御コントローラ４２を経て変位運動モード信号となり、モード→空圧コントロールバルブ分配器４３を経て空気バネ１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄの各空気圧を制御して位置・姿勢を制御（相対変位制御）するためのコントロールバルブ４４に送られ、該コントロールバルブ４４を通して各空気を空気バネ１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄに供給する圧力空気を調整する。

上記のように相対位置制御系と絶対振動制御系を有する除振装置の制御系において、平常時は、図３に示すように除振性能が最大限に発揮できるように、絶対振動制御系は振動センサ（加速度センサ１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄ、１３Ｅ、１３Ｆ）５０からの加速度信号Ｓａを補償して電磁アクチュエータ１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、１２Ｄにフィードバックする制御を行い（即ち、変位センサ４０からの変位信号Ｓ１を補償して電磁アクチュエータ１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、１２Ｄにフィードバックする制御を行わない）。一方、搭載物Ａの位置移動や間欠的駆動動作時には、該搭載物Ａの位置移動や間欠的駆動動作に伴い、大きい振動レベルの信号が発生し、振動センサ５０や補償回路の飽和レベルを越えてしまい、一時的に不適切な制御信号が発生する場合がある。

そこで本実施形態例では、図４に示すように切替器６０を設けて、搭載物Ａが前記所定位置から移動したり、間欠的な駆動動作をすると、除振コントローラ２０に搭載物Ａの移動情報や間欠的な駆動動作情報が入力され、電磁アクチュエータ１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、１２Ｄを制御する制御系を絶対振動制御系から、変位センサ４０の出力を補償する相対位置制御系へと切り換える。この結果、除振テーブル１０は所定の位置からズレないように制御されるため、搭載物Ａの位置移動や間欠的な駆動動作時の振動を効果的に抑制することが可能となる。但し、相対位置制御を行っている状態では、床振動は除振テーブル１０上に伝わり易くなるため、搭載物Ａの位置移動や間欠的駆動動作後は切替器６０で絶対振動制御系へと切り換える。

図５は本発明に係る除振装置の全体構成を示すブロック図である。図示するように、除振テーブル１０上には真空チャンバ１８が搭載され、該真空チャンバ１８内の除振テーブル１０上にはステージ１７が搭載され、ステージ１７には搭載物Ａが搭載されている。除振装置にはコントローラとして、除振コントローラ２０の他にステージコントローラ７０、補器類コントローラ７１を具備する。除振コントローラ２０には各電磁アクチュエータ１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、１２Ｄ（図１参照）に内蔵されている変位センサからの変位信号Ｓ１や加速度センサ１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄ（図１参照）からの加速度信号Ｓａのセンサ信号Ｓが入力され、除振コントローラ２０から電磁アクチュエータ１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、１２Ｄに除振制御信号Ｓｂが伝送されるようになっている。また、ステージコントローラ７０からは振動発生源であるステージ１７にステージ駆動信号Ｓｄが出力され、補器類コントローラ７１からは補器類である真空バルブＶや単体オンスイッチ等（図示せず）の補器類を駆動制御する装置に起動信号Ｓｃが出力されるようになっている。

絶対振動制御系から相対位置制御系へと切り換えるタイミングは、例えば搭載物Ａのコントローラ６０が振動発生源であるステージ１７に起動信号を送るのと同時とする。具体的にはステージコントローラ７０がステージ１７にステージ起動信号Ｓｄを送るのと同時に、該ステージ駆動信号Ｓｄとは別の制御切換信号Ｓｅを除振コントローラ２０に送る。また、補器類コントローラ７０が補器類駆動制御信号である起動信号Ｓｃを送るのと同時に別の制御切換信号Ｓｆを除振台コントローラ２０に送る。

他には、ステージ駆動時には絶対振動制御から相対位置制御に切り替った状態になっているように、ステージコントローラ７０がステージ起動信号Ｓｄをステージ１７に送る前に除振コントローラ２０に制御切換信号Ｓｅを送ることも可能である。具体的には、ステージコントローラ７０がステージ起動信号Ｓｄを送る１〜５秒前に、該ステージコントローラ７０から除振コントローラ２０に制御切換信号Ｓｅを送るようにステージコントローラ７０のプログラムを設定する。これにより、除振コントローラ２０はステージコントローラ７０がステージ１７の移動に対して予め相対位置制御系に切り換えることで、より確実な制振制御が可能である。同様に、補器類コントローラ７１が起動信号（ここではバルブ開閉信号）Ｓｃを送る１〜５秒前に、補器類コントローラ７１から除振コントローラ２０に制御切換信号Ｓｆを送るように補器類コントローラ７１のプログラムを設定する。

また、絶対振動制御系から相対位置制御系への切り換えに、ステージコントローラ７０や補器類コントローラ７１から制御切換信号Ｓｅや制御切換信号Ｓｆを用いるのではなく、除振装置のセンサや別置きのセンサなどを使用する方法、更にはこれらの組み合わせわる方法等々が考えられる。

上記絶対振動制御系から相対位置制御系へと切り換える切換タイミングの検知方法としては他に下記の方法等が考えられる。
（１）搭載物Ａに直接、振動センサを取付け移動中の振動を検出する方法。
（２）搭載物Ａの脚部に荷重を検出するセンサを設置する方法。

また、制御系（絶対振動制御系、相対位置制御系）の切り換え方法としては、
（１）図６（ａ）に示すように絶対振動制御系と相対位置制御系をスイッチ的（ＯＮ・ＯＦＦ的）に切り換える方法、
（２）図６（ｂ）に示すように絶対振動制御系と相対位置制御系の比率を徐々に変化させて切り換える方法、
（３）図６（ｃ）に示すように絶対振動制御系を徐々に下げて１度ゼロにしてから、相対位置制御系のゲインを徐々に上げる方法、
（４）更には、図６（ｄ）に示すように、絶対振動制御系と相対位置制御系の組合せ割合を比率を徐々に変化（図では、絶対振動制御系９５％と相対位置制御系５％の組合せ制御から絶対振動制御系９０％と相対位置制御系１０％の組合せ制御に徐々に変化）させて切り換える方法、
等がある。

図７に示すように、除振テーブル１０上に真空チャンバ１８が搭載され構成の除振装置では、真空バルブＶの開閉による真空チャンバ１８の吸排気により、矢印Ｆに示すように水平方向に力が発生し、除振テーブル１０の位置変動が起る。位置補正のためのバブル開閉信号を受けて絶対振動制御系から相対位置制御系に切り換える。

上記絶対振動制御系から相対位置制御系へと切り換えを異常振動の検出によって行なう場合、この異常振動検出は、変位センサ４０（電磁アクチュエータ１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、１２Ｄに内蔵している）若しくは振動センサ５０（加速度センサ１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄ）の値、または各センサ値から生成した変位運動モード信号若しくは振動運動モード信号が予め設定した閾値を越えることにより検知する。図８は変位運動モード変換概念を示す図、図９は振動運動モード変換概念を示す図、図１０は自由度運動モードの方向を示す図である。

変位運動モード信号とは、図８に示すように、変位センサ４０（電磁アクチュエータ１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、１２Ｄに内蔵）が設置されていた位置で検知した変位信号（変位Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４、変位Ｙ１，Ｙ２，Ｙ３，Ｙ４、変位Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３，Ｚ４）を、それぞれ除振支持する物体の重心点でのＸ、Ｙ、Ｚ軸方向と各軸周りの回転方向の６自由度運動モードに変換した信号（変位運動モードＸ，Ｙ，Ｚ、変位運動モードｒｏｔＸ，Ｙ，Ｚ）である。

振動運動モードとは、図９に示すように、振動センサ５０（加速度センサ１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、１３Ｄ）が設置されていた位置で検知した加速度信号（加速度Ｘ１，Ｘ２、加速度Ｙ１、加速度Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３）を、それぞれ除振支持する物体の重心点でのＸ、Ｙ、Ｚ軸方向と各軸周りの回転方向の６自由度運動モード（振動運動モードＸ，Ｙ，Ｚ、振動運動モードｒｏｔＸ，ｒｏｔＹ，ｒｏｔＺ）に変換した信号である。

上記除振コントローラ２０として、デジタルコントローラを使用すればハードウエアを追加することなしに、容易に絶対振動制御系と相対位置制御系の切り換えは可能となる。

なお、上記実施形態例では、空気バネ（１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄ）、電磁アクチュエータ（１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、１２Ｄ）及び変位センサ４０が各４台、加速度センサ（鉛直方向加速度センサ１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ、水平方向加速度１３Ｄ、１３Ｅ、１３Ｆ）の数は６台であるが、これらの数は適宜変更が可能である。

以上本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲、及び明細書と図面に記載された技術的思想の範囲内において種々の変形が可能である。

本発明に係る除振装置の平面図である。 本発明に係る除振装置の平面と制御系の構成の概要を示す図である。 除振装置の制御系の構成を示す図である。 本発明に係る除振装置の制御系の構成を示す図である。 本発明に係る除振装置の全体構成を示すブロック図である。 本発明に係る除振装置の制御系の切換概念図である。 本発明に係る除振装置の概略構成を示す図である。 変位運動モード変換概念を示す図である。 振動運動モード変換概念を示す図である。 ６自由度運動モードの方向を示す図である。

符号の説明

１０ 除振テーブル
１１Ａ〜Ｄ 空気バネ
１２Ａ〜Ｄ 電磁アクチュエータ
１３Ａ〜Ｆ 加速度センサ
１６ 空気圧源
１７ ステージ
１８ 真空チャンバ
２０ 除振コントローラ
２１ 比較器
２２ 位置補償器
２３ 電力増幅器
２４ 加算器
２５ 積分器
２６ 速度補償器
３１ 制御出力分配器
３３ レギュレータ
４０ 変位センサ
４１ ６自由度変位運動モード変換器
４２ 姿勢・位置制御コントローラ
４３ モード→空圧コントロールバルブ分配器
４４ バルブ
５０ 振動センサ
５１ ６自由度振動運動モード変換器
５２ 振動制御コントローラ
５３ モード→能動アクチュエータ分配器
５４ 電磁アクチュエータ
６０ 切替器
７０ ステージコントローラ
７１ 補器類コントローラ

Claims (6)

1. 搭載物を載せる除振テーブルと、該除振テーブルを支持し除振制御するアクチュエータと、該除振テーブルの鉛直方向及び水平方向の振動を検出する加速度センサと、該除振テーブルの鉛直方向及び水平方向の位置を検出する変位センサとを備える除振装置であって、
   平常時は前記加速度センサの出力を補償して前記アクチュエータにフィードバックする絶対振動制御を行い、前記搭載物の位置移動若しくは間欠的な駆動動作により前記除振テーブルが異常に振動する異常振動時は、前記絶対振動制御から、前記変位センサの出力を補償して前記アクチュエータにフィードバックする相対位置制御に切り換えて制御を行う制御手段を設けたことを特徴とする除振装置。
2. 請求項１に記載の除振装置において、
   前記アクチュエータは電磁アクチュエータであることを特徴とする除振装置。
3. 請求項１又は２に記載の除振装置において、
   前記制御手段は水平方向の振動により前記異常振動を判断することを特徴とする除振装置。
4. 請求項１に記載の除振装置において、
   前記異常振動は、搭載物のコントローラから振動発生源に送る起動信号を受け取ることにより検知することを特徴とする除振装置。
5. 請求項１に記載の除振装置において、
   前記異常振動は前記変位センサ若しくは加速度センサの検出値、または前記各センサの検出値から生成した変位運動モード信号若しくは振動運動モード信号が予め設定した閾値を越えることにより検知することを特徴とする除振装置。
6. 請求項１に記載の除振装置において、
   前記絶対振動制御から相対変位制御に切り換える時、絶対振動制御系を１〜１０％残して可変することを特徴とする除振装置。

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